JPH01158303A - オートフオーカス機構付光学測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

■産業上の利用分野】 本発明は、オートフォーカス機構付光学測定機に係り、
特に、投影機や測定顕微鏡等に用いるのに好適な、オー
トフォーカス機構を備えた光学測定機の改良に関するも
のである。

【従来の技術】

投影機や測定顕微鏡等の光学測定機においては、載物台
上の測定対象物を平行光線により照射して、その透過光
又は反射光に基づきスクリーン上に該測定対象物の像を
形成し、該像により測定対象物の寸法形状等を測定する
ようにされている。 スクリーンに投影された測定対象物の像の寸法形状等を
測定するには、該像のエツジの位置を正確に検出する必
要があるが、そのためのエツジ検出装置として、出願人
は、既に、特開昭６１−１２８１０５で、同志円状に２
分割された受光素子を用いたエツジ検出装置を提案して
いる。 このエツジ検出装置は、具体的には、前記２個の受光素
子の出力の差動信号が、零を横切るときにエツジ信号を
生成するようにされている。 一方、エツジ検出に際しては、測定対象面が合焦位置に
あり、像が焦点ずれしていないことが前提となる。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、特開昭６１−１２８１０５で提案したエ
ツジ検出装置には、オートフォーカス機能は無く、作業
者が目視によって焦点合わせを行わなければならなかっ
た。従って、作業者の負担が大きく、測定作業に時間が
かかる等の問題点を有していた。 このような問題点を解決するべく、独立したオートフォ
ーカス機構を付加することも考えられるが、構成が複雑
となり、装置が高価となったり、大型化する恐れがあっ
た。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、複数の受光素子を含む共通のセンサからの信号を
用いて、エツジ検出とオートフォーカスの両方を行うこ
とができるオー１〜フオーカス機構付光学測定機を提供
することを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、測定対象物を載置する載物台と、測定対象物
を照明するための照明系ど、測定対象１力の像を結作面
上に形成する結像光学系と、＋ｉＱ記結像面近傍に配設
された複数の受光素子及び該受光素子の差動出力を得る
差動増幅器を含むセンサど、該差動出力のゼロクロス点
でエラ９１５号を生成り−るエツジ信号発生回路とを含
み、測定対象物のエツジの外標値を特定するｉＪ能を有
する光学測定機において、エツジ部分を有し、その像が
前記測定対象物の測定対象面上に形成されるように配設
されＩζパターンフィルタと、該パターンフィルタを振
動させると共に、この振動に応じた同期信号を出力づ゛
る加振器と、該加振器を動作させつつ、前記差動出力の
信号変化量が最大となるように、前記載物台を前記結像
光学系の光軸方向に相対的に変位させる制御回路とを備
え、前記差動出力を測定対象物を合焦させるための焦点
信号としても用いることによって、前記目的を達成した
ものである。

【作用】

本発明においては、１辰勤するエツジパターン像を測定
対象面上に投影して合焦に用いるようにしている。即ち
、載物台上に載置した測定対象物の測定対象面に、振動
づるエツジパターン像を結像させ、そのパターン像の更
なる像を、エツジ検出用の複数の受光素子を含むセンサ
で受け、該受光素子の差動出力を測定対象物を合焦させ
るための焦点信号としても用いて、その信号変化ｍが最
大となる位置で測定対象物を合焦させるようにしている
。従って、複数の受光素子を含む共通のセンサからの信
号を用いて、エツジ検出とオートフォーカスの両方を行
うことができる。

【実施例】

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本発明の第１実施例は、第１図に示す如く、測定対象物
を載置する載物台１０と、測定対象物を照明するための
落射照明系１２と、前記載物台１０と投影レンズ１４を
含む結像光学系を、該投影レンズ１４の光軸Ｘに沿って
相対移動させるＺ軸駆動装置１６とを含んで構成される
落射照明方式の反射型投影検査機に本発明を適用したも
のである。 前記載物台１０は、Ｚ軸駆動装置１６の２軸駆動回路１
６Ａの出力によって回転駆動される２軸モータ１６Ｂに
よって、上下方向（Ｚ方向）に変位するようにされてい
る。 前記載物台１０は、又、Ｘ軸駆動回路（図示省略）の出
力によって回転駆動されるＸ軸モータ１８及びＹ軸駆動
回路（図示省略）の出力によって回転駆動されるＹ軸モ
ータ２０により、それぞれ２方向と垂直なＸ方向及びＹ
方向に移動可能とされており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の
位置が、それぞれＸｌ１ｌｌｌｌ検出器１９及びＹ軸検
出型２１によって検出されている。 前記載物台１０上に載置された測定対象物の測定対象面
８には、例えばランプ及び集光レンズを含む前記落射照
明系１２から、ハーフミラ−２４を介して照明光が照射
されている。 この落射照明系１２による照明光の一部に、本発明に係
るパターンフィルタとしてのナイフェツジ２６の像２６
Ａが重畳される。即ち、オートフォーカスに利用するた
めの、明暗のコントラストを持ったパターン光を照射す
るだめのナイフェツジ２６が設けられており、加振器２
８によって振動させられている。 この加振器２８は、例えば圧電素子や音叉振動器で溝底
されており、ナイフェツジ２６の振動の上死点Ｂ及び下
死点Ａで、加振器２８に内蔵された光スィッチ等から同
期信号ｄ１（下死点Ａに対応）、ｄｚ　（上死点Ｂに対
応）が生成される（第２図参照）。 前記ナイフェツジ２６は、例えばレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）３０で照明されており、補助レンズ３２、ミラー３
４及び前記落射照明系１４の光路中に挿入されたハーフ
ミラ−３５によって、前記落射照明系１２の光学系に重
畳されている。従って、該ナイフェツジ２６の＠２６Ａ
も、前記ハーフミラ−２４によって反射され、投影レン
ズ１４により、測定対象物上の測定対象面８に結像され
る。但し、このナイフェツジの像２６Ａは、測定対象面
８が合焦面ＦＰにあるときは合焦されているが、測定対
象面８が上下に変位すると焦点ずれ作となる。 測定対象面８にＪ３ける測定対瘉物の像及びナイフェツ
ジの像２６Ａは、前記結像レンズ１４及びハーフミラ−
２４を介してスクリーン３６上の結像面ＩＰに投影され
る。従って、測定対象面８が合焦面ＦＰから上下に変位
すると、該スクリーン３６上の結像面ＩＰに形成される
ナイフェツジの再形成像２６Ｂも焦点ずれのした像とな
る。 前記スクリーン３６上の、前記ナイフェツジの再形成像
２６Ｂが形成される位置、例えば中央位置には、例えば
透明固定板４０によって、センサ４２が固定されている
。 このセンサ４２は、第２図に詳細に示す如く、例えば向
応円上に２分割された受光索子４２Ａ、４２Ｂと、その
出力を処理するプリアンプ４４Ａ１４４Ｂと、該プリア
ンプ４４Ａ、４４Ｂ出力の検出信号ａ、ｂを入力し、差
動増幅値としての焦点信号Ｃを得る差動増幅ｒｓ　４６
とを含んで構成されている。 前記センサ４２の検出信号ａ及び差動増幅器４６出力の
焦点信号Ｃから、測定対象物の凹凸に対応した反射像の
明暗のコントラストによってエツジ信号（パルス）ｌを
発生するためのエツジ信号発生回路４８は、例えば出願
人が特開昭６１−１２８１０５で開示した如く、載物台
１０のＸ−Ｙ方向の移動によって、一定の領域内で焦点
信号Ｃが零を横切るときにエツジ信号ｍを生成する成能
を有する。なお、具体的な構成は特開昭６１−１２８１
０５に開示されているので、詳細な説明は省略する。 制御回路５０は、前記センサ４２出力の焦点信号Ｃから
焦点を検出するための、本発明に係る焦点検出回路５２
と、前記Ｚ軸駆動回路１６ＡにＺ軸の速度設定を与える
ための２軸速度設定回路５４と、中央処理ユニット（Ｃ
ＰＵ）５６と、システムバス５８とを含んで構成されて
いる。 前記焦点検出回路５２は、第２図に詳細に示した如く、
ダイオード、コンデンサ、スイッチ及び高入力抵抗の演
算増幅器を含んで構成されるピークホールド回路５２Ａ
と、践ピークホールド回路５２Ａ出力のピークホールド
信号９をデジタル信号に変換Ｊるためのアナログ−デジ
タル（Ａ／Ｄ）変換器５２Ｂと、該Ａ／Ｄ変換器５２Ｂ
出力を順次ラッチする２つのラッチ回路５２Ｇ、５２Ｄ
と、前記ラッチ回路５２Ｃ，５２Ｄ出力の隣り合うピー
ク値Ｈ，Ｉを比較する比較回路５２Ｅと、該比較回路５
２Ｅの出力信号ｊの立ち下がりで合焦信号にであるパル
スを発生するパルス発生回路５２Ｆと、前記加振器２８
から同期信号ｄ１、ｄ２を入力するためのオアゲート５
２Ｇと、該オアゲート５２Ｇの出力である同期信号ｅを
「延させて同期信号ｆとする遅延回路５２Ｈとを含んで
構成されている。 この焦点検出回路５２において、ピークホールド信号ｇ
のＡ／Ｄ変換値は、オアゲート５２Ｇから入力される同
期信号ｅのタイミングでラッチされてピーク値Ｈとなり
、該ピーク値Ｈは前記同期信号ｅによって更新されて行
く。一方、同時にラッチ回路５２Ｄでラッチされるピー
ク値■は、前記ピーク値Ｈに対して同期信号ｅの１周期
分だけ遅れた値となり、比較回路５２Ｅでは、前記ピー
クホールド信号９の同期信号ｅの隣り合うパルスでラッ
チされた信号ＨＳＩの大小が比較され、Ｈく■のとき、
その出力信号ｊが「１」、Ｈ≧■のとき、その出力信号
ｊが「０」とされる。又、この信号ｊの立ち下がりで、
パルス発生回路５２Ｆから、合焦信号であるｋがパルス
として出力される。 前記載物台１０の近傍には、第１図に示す如く、近接ス
イッチ６０が配設されており、この近接スイッチ６０か
らは、載物台１０が下降して下死点Ａに到達したときに
オンとなる信号ｎが出力され、システムバス５８を介し
てＣＰＵ５６に入力される。 前記加振器２８とＣＰＵ５６とは、ＣＰＵ５６から出力
される、加振を行わせるための加振信号ぷと、前記加振
器２８から出力される、ナイフェツジ２６が下死点Ａに
あることを知らせる同期信号ｄ１によって接続されてい
る。 前記ＣＰＵ５６から２軸速度設定回路５４へは、Ｚ軸駆
動回路１６Ａを介してＺ軸方向に載物台１０を高速又は
低速で送り、あるいは載物台１０を停止させるための速
度信号Ｏが出力されている。 第１図において、６２はキーボード、６４は表示器、６
６はプリンタである。 以下、第３図及び第４図を参照して、第１実施例の作用
を説明する。 第３図は、前記ナイフェツジ２６が第２図の下死点Ａか
ら上死点Ｂまで振れ、更に下死点Ａまで戻ったときのセ
ンサ４２の検出信＠　ａＳｂ１焦点信号Ｃ及びエツジ信
号ｍの関係の例を示したものである。 焦点信号Ｃはａ−ｂで表現されるため、第３図に示した
ようなＳカーブ曲線となり、測定対象面８が合焦面ＦＰ
にあるときはＣ３となってその信号変化ｆｆ１ＡＰ（振
幅）が最大となるが、一方、載物台１０が合焦面から上
下して測定対象面８が合焦面から外れるに従って、Ｃ２
、Ｃ１とその信号変化ｆｆ１ＡＰが減少する。従って、
焦点信号Ｃが０３のような状態となったところを合焦位
置と判定することができる。 第４図は、合焦を行うときの各部信号波形の例を示した
ものである。 まず、載物台１０を近接スイッチ６０から１３号ｎが発
生される下死点位置へまで下降する。次いで、速度信号
０を正値として、載物台１０を高速で上昇させる。する
と、解除信号ｆ　（同期１６号ｅの遅延信号）のタイミ
ング（第４図のＦ等）で、ピークホールド信号ｇが解除
される。焦点信号ＣがビークＣ３１を越すと、ピーク値
Ｈ＜１からＨ≧１となり（第４図Ｅｌ）、１回目の合焦
信号ｋが出力される。このときは、高速送りのため多少
合焦位置から上に行き過ぎているので、速度信号Ｏを変
化させて載物台１０を低速で下降させる。そして、焦点
信号ＣがビークＣ３２を越して、再び合焦信号ｋが得ら
れたところで（第４図Ｅ２）、合焦ど判定して速度信＠
Ｏを零とし、加振信号λも零とする。 一方、エツジ検出は、載物台１０のＸ−Ｙ方向への移動
によって、測定対象物の反（ト）像の明暗のコントラス
トの検出によって行うが、具体的な作用は特開昭６１−
１２８１０５に開示されているので、詳細な説明は省略
する。 本実施例においては、前記制御回路５０が、前２焦点信
号Ｃのピークホールド値ｇを、前記−明信号ｆのタイミ
ングで逐次保持するピークホールド回路５２Ａと、該保
持された隣接する焦点信号Ｃのピーク値Ｈ，Ｉの大小を
比較する比較回路５２Ｅとを含み、該比較回路５２Ｅの
出力が反転するタイミングで合焦信号ｋを励起する焦点
検出回路５２を備えたものとしているので、比較的簡単
な回路構成で、合焦位同を確実に検出することがされず
、前記焦点信号Ｃの信号変化ｆｆ１ＡＰが最大となった
ことを検出できるものであれば、他の構成であってもよ
い。 又、本実施例においては、パターンフィルタとしてナイ
フェツジ２６を用いているので、パターンフィルタの構
成が極めて簡略である。 なお、パターンフィルタの構成はこれに限定されず、第
５図に示す第２実施例の如く、ガラスディスク７０に中
心をずらした円を蒸着して、そのエツジパターン７２を
エツジ部としたものを用いてもよい。 この第２実施例においては、前記ガラスディスク７０を
、加振器としてのパルスモータ７４で回転すると、エツ
ジ部がレーザダイオードＬＤの照射領域３０Ａで振動す
る如くなるので、本発明の振動するエツジパターンとし
て用いることが可能となる。 第５因において、７６は、ＣＰＬＪ５６からシステムバ
ス５８を介して入力される加振信号βに応じて前記パル
スモータ７４を回転するための駆動回路、７８Ａ、７８
Ｂは、前記ガラスディスク７０の周縁部に形成された同
期用マーク８０を照射するための発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、８２Ａ、８２Ｂは前記ガラスディスク７０を通っ
た前記ＬＥＤ７８Ａ、７８Ｂの光をそれぞれ受光して同
期信号ｄ１、ｄ２を生成するための受光素子、８４八、
８４Ｂはプリアンプ、８６Ａ、８６Ｂは反転器である。 この第２実施例においては、ガラスディスク７０を回転
させるだけで振動するパターンが発生できるので゛、回
転バランスが良く、光学系等に往復撮動による悪影響を
及ぼ寸恐れがない。 又、前記第１実施例においては、前記パターンフィルタ
としてのナイフェツジ２６が、測定対象物を照明するた
めの落射照明系１２によって照明されているので、照明
系の１ｌｉＳＩ１．が簡略である。 なお、パターンフィルタを照明する構成はこれに限定さ
れず、前記落射照明系１２とは別異に設けた照明系によ
って照明することも可能である。 この場合には、センサの受光感度に合わせた波長が選択
できるので、検出精度を高めることが可能となる。 なお、測定対象物を照明するための照明系の構成は前記
実施例の落射照明系１２に限定されず、透過型の投影検
査機等にも本発明を適用することができる。透過型の場
合は、測定対象物を除いて測定対象面にパターンフィル
タの像が結像するように、下部からパターンフィルタを
投影すればよい。 又、前記第１実施例においては、前記センサ４２が、向
応円上に分割された２個の受光素子４２Ａ、４２Ｂと、
該２個の受光素子４２Ａ、４２Ｂの出力の差を演算する
差動増幅器４６とを含んで構成され、該差動増幅器４６
の出力を前記焦点信号Ｃとしているので、センサの構成
が簡略である。 なお、センサの秤類は、これに限定されず、例えば出願
人が特開昭６０−８４５２２で開示した、４分割された
受光素子を含むエツジセンサを用いることも可能である
。又、センサのみを投影＋ｉの内部に設けてもよい。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、複数の受光素子を
含む共通のセンサからの信号を用いて、エツジ検出とオ
ートフォーカスの両方を行うことができる。従って、全
体構成を簡略化することができ、装置を安価に、且つ、
小型化することができる。又、合焦に際して、特開昭６
０−８４５２２で出願人が開示したオートフォーカスＲ
構のように、測定対象物のエツジ部の像をセンサ前面に
移動させる必要がなく、合焦までの時間を短縮すること
ができる。更に、機械的にセンサ又は載物°台を振動さ
せる必要がなく、合焦が迅速に行えるだけでなく、機構
が単純化できる。又、測定対象物が重い場合でも、載物
台の駆動モータ等に過度の負担がかかることがない等の
優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るオートフォーカス機病付光学測
定機の第１実施例の全体構成を示す、−部所面図を含む
ブロック線図、第２図は、第１実施例のセンサと制御回
路を詳細に示す、一部ブロック線図を含む、第１図の■
−■線に沿う断面図、第３図は、第１実施例の焦点信号
の例を示す線図、第４図は、同じく各部信号波形の例を
示Ｖ線図、第５図は、本発明の第２実施例で用いられて
いる加振器とパターンフィルタの溝底を示す、一部ブロ
ック線図を含む斜視図である。 ８・・・測定対象面、 ＦＰ・・・合焦面、 １０・・・載物台、 １２・・・落射照明系、 １４・・・投影レンズ、 １６・・・Ｚ軸駆動装置、 １８・・・Ｘ軸モータ、 １９・・・Ｘ軸検出器、 ２０・・・Ｙ軸モータ、 ２１・・・Ｙ軸検出器、 ２６・・・ナイフェツジ（パターンフィルタ）、２６Ａ
・・・ナイフェツジの像、 ２６Ｂ・・・ナイフェツジの再形成像、２８・・・加振
器、 ３０・・・レーザダイオード（ＬＤ）、３６・・・スク
リーン、 ＩＰ・・・結像面、 ４２・・・センサ、 ４２Ａ、４２Ｂ・・・受光素子、 ４６・・・差動増幅器、 Ｃ・・・焦点信号、 ５０・・・制御回路、 ５２・・・焦点検出回路、 ５２Ａ・・・ピークホールド回路、 ５２Ｇ、５２Ｄ・・・ラッチ回路、 ５２Ｅ・・・比較回路、 ５２Ｆ・・・パルス発生回路、 ５６・・・中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ａ・・・加振
信号、 ｇ・・・ピークホールド信号、 ｋ・・・合焦信号、 Ｈ，Ｉ・・・ピーク値、 ７０・・・ガラスディスク、 ７２・・・エツジパターン、 ７４・・・パルスモータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物を載置する載物台と、測定対象物を照
   明するための照明系と、測定対象物の像を結像面上に形
   成する結像光学系と、前記結像面近傍に配設された複数
   の受光素子及び該受光素子の差動出力を得る差動増幅器
   を含むセンサと、該差動出力のゼロクロス点でエッジ信
   号を生成するエッジ信号発生回路とを含み、測定対象物
   のエッジの座標値を特定する機能を有する光学測定機に
   おいて、 エッジ部分を有し、その像が前記測定対象物の測定対象
   面上に形成されるように配設されたパターンフィルタと
   、 該パターンフィルタを振動させると共に、この振動に応
   じた同期信号を出力する加振器と、該加振器を動作させ
   つつ、前記差動出力の信号変化量が最大となるように、
   前記載物台を前記結像光学系の光軸方向に相対的に変位
   させる制御回路とを備え、 前記差動出力を測定対象物を合焦させるための焦点信号
   としても用いることを特徴とするオートフォーカス機構
   付光学測定機。
2. （２）前記センサが、同芯円状に分割された２個の受光
   素子と、該２個の受光素子の出力の差を演算する差動増
   幅器とを含んで構成され、該差動増幅器の出力が前記焦
   点信号とされている特許請求の範囲第１項記載のオート
   フォーカス機構付光学測定機。