JPH04158320A - Focusing device - Google Patents

Focusing device

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Publication number
JPH04158320A
JPH04158320A JP28401390A JP28401390A JPH04158320A JP H04158320 A JPH04158320 A JP H04158320A JP 28401390 A JP28401390 A JP 28401390A JP 28401390 A JP28401390 A JP 28401390A JP H04158320 A JPH04158320 A JP H04158320A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical
axis
focusing
objective lens
Prior art date
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Pending
Application number
JP28401390A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Rikako Takei
武井 利佳子
Hiroyuki Hasegawa
浩幸 長谷川
Masahiko Uto
宇都 正彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Brother Industries Ltd filed Critical Brother Industries Ltd
Priority to JP28401390A priority Critical patent/JPH04158320A/en
Publication of JPH04158320A publication Critical patent/JPH04158320A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain a focusing device with a simplified optical structure at a low cost by providing a light source radiating the desired measurement light flux, a drift detecting means and a separation changing means. CONSTITUTION:A shape measuring device is constituted of an optical unit 1 and a focusing control device 50. A semiconductor laser 9 outputs the light flux with an elliptic cross section perpendicular to the optical axis, outgoing positions of the light expanded in the long-axis direction and the light expanded in the short-axis direction are drifted along the optical axis, and the synthesized light flux has an elliptic cross section. When the light flux from the laser 9 is radiated to an object through the axis of an objective lens 5 and the reflected light forms an image on an image forming face (quartered light receiving element 17) through the axis of the lens 5, the formed image shape is changed according to the focal point drift. The device detects the change and changes the separation between an optical apparatus and the object. No cylindrical lens is required to be provided to generate astigmatism, and the structure of an optical system can be simplified at a low cost.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は焦点合わせ装置に関し、詳しくは対象物の表面
形状を観察あるいは撮像する光学機器と該対象物との焦
点を合わせる焦点合わせ装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a focusing device, and more particularly to a focusing device that focuses an optical device for observing or imaging the surface shape of an object and the object.

[従来技術] 従来から、顕微鏡等の光学機器により対象物の表面を観
察する場合、焦点合わせ用の光(測定用光線束)を対象
物に照射し、その反射光の位置に基づいて焦点合わせが
行なわれている。例えば、第5図に示すように、光ビー
ムLを対物レンズTの軸心からずらして入射させ、対象
物Wの表面から反射した光ビームLをビームスプリッタ
Sで反射させて2分割受光素子Pに照射する。この2分
割受光素子Pに照射される光ビームLのスポット位置は
、対象物Wの表面の位置に応じて、2分割受光素子Pの
分割線P1を垂直方向に移動する。
[Prior art] Conventionally, when observing the surface of an object using an optical instrument such as a microscope, focusing light (measuring light beam) is irradiated onto the object, and focusing is performed based on the position of the reflected light. is being carried out. For example, as shown in FIG. 5, a light beam L is incident on an objective lens T with an offset from the axis, and the light beam L reflected from the surface of an object W is reflected by a beam splitter S, and is divided into two light receiving elements P. irradiate. The spot position of the light beam L irradiated onto the two-split light receiving element P moves in the vertical direction along the dividing line P1 of the two-split light receiving element P, depending on the position of the surface of the object W.

従って、2分割受光素子Pの各素子の差信号をとると、
焦点のずれに応じた出力が得られる。そして、この信号
に基づいて焦点合わせが行なわれている。
Therefore, if we take the difference signal of each element of the two-split photodetector P, we get:
An output corresponding to the shift of focus can be obtained. Focusing is then performed based on this signal.

しかしながら、第5図に示すように、例えば、対象物W
2B点に光ビームLが照射されており、このa点での焦
点合わせを行なった場合には、対象物の位置が21から
22に移動調整され、スポット位置かb点に移動してし
まう。このため、焦点を合わせようとした位置(a点)
と、実際に焦点合わせかなされた位置(b点)とにずれ
dか生じてしまい、結局す点での焦点合わせがなされた
ことになってしまう。即ち、対象物W表面のスポット位
置に狙いを定めて焦点合わせを行なっても、スポット位
置か移動するため所望の位置での焦点あわせか行なわれ
ないのである。a点とb点との高さが同じであれば問題
は無いが、段差等により高さが異なっていればa点での
焦点はずれてしまう。
However, as shown in FIG. 5, for example, the object W
The light beam L is irradiated at point 2B, and when focusing is performed at point a, the position of the object is adjusted from 21 to 22, and the spot position moves to point b. For this reason, the position where you tried to focus (point a)
Then, a deviation d occurs between the actual focusing position (point b), and in the end, focusing is performed at point b. That is, even if focusing is performed by aiming at a spot position on the surface of the object W, the spot position moves, so focusing is only performed at a desired position. There is no problem if the heights of point a and point b are the same, but if the heights are different due to a step or the like, the focus at point a will be shifted.

この問題を解決するために、本出願人は次のような装置
を案出するに到ったのである。
In order to solve this problem, the applicant has devised the following device.

即ち第6図に示すように、フレームFには光学式ユニッ
ト1が対象物W載置用のステージ3に対してパルスモー
タPMにより接近離間可能に支持されており、その光学
式ユニット1には対象物W観察用の対物レンズ5及びC
CDカメラ7が備えられている。そしてこの光学式ユニ
ット1には自動焦点合わせを行なうための光源(半導体
レーザー)9が設けられ、その半導体レーサー9からは
波長が赤外領域の測定用光線束が射出される。射出され
た測定用光線束は、コリメーティングレンズ91により
平行光に補正され、更に、円筒レンズ92.補正プリズ
ム93によりその光軸と直交する方向の断面が真円にな
るように補正されており、フォーカシングレンズ10.
ビームスプリッタ11を通過してダイクロツクミラー1
3で対物レンズ5の軸心を通るように反射されて対象物
Wに到達する。
That is, as shown in FIG. 6, an optical unit 1 is supported on a frame F so as to be able to approach and separate from a stage 3 for placing an object W by means of a pulse motor PM. Objective lenses 5 and C for observing the object W
A CD camera 7 is provided. The optical unit 1 is provided with a light source (semiconductor laser) 9 for automatic focusing, and the semiconductor laser 9 emits a measuring beam having a wavelength in the infrared region. The emitted measurement light beam is corrected into parallel light by a collimating lens 91, and further by a cylindrical lens 92. The focusing lens 10. is corrected by a correction prism 93 so that its cross section in the direction orthogonal to the optical axis becomes a perfect circle.
After passing through the beam splitter 11, the dichroic mirror 1
3, the light is reflected so as to pass through the axis of the objective lens 5 and reaches the object W.

対象物Wの表面で反射した光束は対物レンズ5を通過し
てダイクロツクミラー13でビームスプリッタ11に向
けて反射する。ここで、ダイクロツクミラー13は、赤
外光を反射し、可視光を透過させる特性を有しているの
でCCDカメラ7による対象物Wの観察には支障を来た
さない。
The light beam reflected on the surface of the object W passes through the objective lens 5 and is reflected by the dichroic mirror 13 toward the beam splitter 11. Here, since the dichroic mirror 13 has the property of reflecting infrared light and transmitting visible light, it does not interfere with the observation of the object W by the CCD camera 7.

また、ビームスプリッタ11は、入射光の反射率と透過
率との割合が5096ずつである。
Furthermore, the beam splitter 11 has a ratio of reflectance and transmittance of incident light of 5096.

ダイクロツクミラー13からの反射光はビームスプリッ
タ11で反射されて円筒レンズ15を透過した後に4分
割受光素子17に受光される。
The reflected light from the dichroic mirror 13 is reflected by the beam splitter 11, transmitted through the cylindrical lens 15, and then received by the four-split light receiving element 17.

4分割受光素子17に受光された測定用光線束の対象物
Wからの反射光の断面形状は、対物レンズ5と円筒レン
ズ15とにより非点収差が発生するための、第7図(a
)〜(c)に示すように変化する。即ち、対象物が対物
レンズ5の焦点位置に配置された時の4分割受光素子1
7に受光された反射光の断面形状が第7図(b)に示す
ように円となるように4分割受光素子17を位置決め固
定しておけば、対象物Wが焦点位置に対して近い時は断
面形状は縦長の楕円となり、逆に対象物Wが焦点位置に
対して遠い時は断面形状は横長の楕円となる。
The cross-sectional shape of the reflected light from the object W of the measuring light beam received by the four-part light receiving element 17 is as shown in FIG.
) to (c). That is, when the object is placed at the focal position of the objective lens 5, the four-division light receiving element 1
If the four-divided light receiving element 17 is positioned and fixed so that the cross-sectional shape of the reflected light received at 7 becomes a circle as shown in FIG. 7(b), when the object W is close to the focal point The cross-sectional shape is a vertically long ellipse, and conversely, when the object W is far from the focal point, the cross-sectional shape is a horizontally long ellipse.

この形状変化に基づいて4分割受光素子17の各素子の
受光量が変化するので、4分割受光素子17の対角線方
向に対抗する素子毎の受光量をそれぞれ加算し、2つの
加算値の大小判別を行なえば、対象物が焦点位置に対し
て遠いか近いかが判定可能となる。
Based on this change in shape, the amount of light received by each element of the 4-split light receiving element 17 changes, so the amount of light received by each element diagonally opposed to the 4-split light receiving element 17 is added up, and the magnitude of the two added values is determined. By doing this, it is possible to determine whether the object is far or near the focal point.

本出願人による開発装置は、この判定結果を利用してパ
ルスモータPMを駆動して焦点合わせを行なうものであ
り、これにより焦点合わせ動作にかかわらず焦点合わせ
位置を一定にすることが可能となった。
The device developed by the present applicant utilizes this determination result to drive the pulse motor PM to perform focusing, which makes it possible to keep the focusing position constant regardless of the focusing operation. Ta.

[発明か解決しようとする課8] しかしながら、上述の開発装置においても次のような問
題点が発見された。
[Section 8 to Invent or Solve] However, the following problems were discovered in the above-mentioned developed device as well.

即ち、上述した開発装置は、半導体レーザから射出した
光線束(断面楕円)を、5リメ一テイングレンズ1円筒
レンズ、補正プリズム等の補正レンズ群により断面断面
が円の光線束に補正するとともに、光線束の対象物から
の反射光を対物レンズと円筒レンズを透過させることに
より非点収差を発生させているので、光学系の構造が複
雑になるという問題点が存在する。
That is, the above-mentioned developed device corrects a beam of light (elliptical cross section) emitted from a semiconductor laser into a beam of light having a circular cross section using a group of correction lenses such as five reducing lenses, one cylindrical lens, and a correction prism. Since astigmatism is generated by transmitting the reflected light from the object of the light beam through the objective lens and the cylindrical lens, there is a problem that the structure of the optical system becomes complicated.

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
であり、その目的は焦点合わせ用の光学系の構造を簡単
にし得るとともに安価な焦点合わせ装置を提供するにあ
る。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a focusing device that can simplify the structure of a focusing optical system and is inexpensive.

[課題を解決するための手段] 前述の課題を解決するため、本発明は、対象物の表面形
状を観察あるいは撮像する光学機器と該対象物との焦点
を占わせる焦点合わせ装置において、上記光学機器の対
物レンズの軸心を光軸とし、その光軸に垂直な断面が楕
円となる測定用光線束を上記対象物に照射する光源と、
上記対象物からの反射光か上記対物レンズを透過した後
に結像する結像部を有し、その結像部への結像形状に応
じて焦点のずれを検出するずれ検出手段と、そのずれ検
出手段により検出された焦点のずれに応じて上記光学機
器と上記対象物との離隔を変更する離隔変更手段とを備
えている。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an optical device for observing or imaging the surface shape of an object, and a focusing device for focusing on the object. a light source that irradiates the object with a measurement light beam whose optical axis is the axis of the objective lens of the optical device and whose cross section perpendicular to the optical axis is an ellipse;
a deviation detection means having an imaging section that forms an image after the reflected light from the object passes through the objective lens, and detects a deviation of the focus according to the shape of the image formed on the imaging section; The apparatus further includes distance changing means for changing the distance between the optical device and the object in accordance with the focal shift detected by the detection means.

[作用] 本発明において、光源は対物レンズの軸心を光軸として
光軸に垂直な断面が楕円となる測定用光線束を対象物に
照射し、ずれ検出手段は上記対象物からの反射光からの
反射光が対物レンズを透過した後に結像部に結像した時
の結像形状に応じて焦点のずれを検出し、離隔変更手段
は検出された焦点のすれに応じて光学機器と対象物との
離隔を変更する。
[Function] In the present invention, the light source irradiates the object with a measurement light beam whose optical axis is the axis of the objective lens and whose cross section perpendicular to the optical axis is an ellipse, and the deviation detection means detects the reflected light from the object. The distance changing means detects the focal shift depending on the image formation shape when the reflected light from the object passes through the objective lens and forms an image on the imaging section, and the distance changing means detects the focal shift between the optical equipment and the object according to the detected focal shift. Change the distance from objects.

[実施例] 以下、本発明を形状測定装置に具体化した一実施例を参
照してその詳細を説明する。尚、第6図に示す従来例と
同一の部材には同一の符号を付しである。
[Example] Hereinafter, details will be described with reference to an example in which the present invention is embodied in a shape measuring device. Note that the same members as in the conventional example shown in FIG. 6 are given the same reference numerals.

形状測定装置は、光学式ユニット1と合焦制御装置50
とから構成されている。
The shape measuring device includes an optical unit 1 and a focusing control device 50.
It is composed of.

光学式ユニット1は、ステージ3に載置されたワーク(
対象物)Wの表面を撮像するもので、ステージ3に対抗
して設けられ着脱可能な対物レンズ5と、対物レンズ5
の軸心と整合するCCDカメラ7とを備える。そして、
CCDカメラ7の焦点を合わせるために以下に示す光学
式機構を備える。
The optical unit 1 carries out a workpiece placed on a stage 3 (
It images the surface of a target object) W, and includes a removable objective lens 5 provided opposite to the stage 3;
and a CCD camera 7 aligned with the axis of the camera. and,
In order to focus the CCD camera 7, the following optical mechanism is provided.

まず、焦点合わせ用の光源9が設けられる。この光源9
には、半導体レーザか用いられ、その射出する光の波長
は、赤外範囲に設定されている。
First, a light source 9 for focusing is provided. This light source 9
A semiconductor laser is used, and the wavelength of the emitted light is set in the infrared range.

この半導体レーザ9の射出方向にはコリメーティングレ
ンズ91.フォーカシングレンズ10及びビームスプリ
ッタ11が配設され、更に、対物レンズ5の軸心と交わ
す位置にはダイクロツクミラー13が配設される。
A collimating lens 91 is provided in the emission direction of the semiconductor laser 9. A focusing lens 10 and a beam splitter 11 are provided, and a dichroic mirror 13 is further provided at a position intersecting the axis of the objective lens 5.

半導体レーザ9から射出した光束は、ビームスプリッタ
11を透過してダイクロツクミラー13に入射しそこで
90度方向に反射して、対物レンズ5を通過する。従っ
て、ワークW表面には半導体レーザ9からの光束が照射
される。尚、この光束の軸と対物レンズ5の軸心とが一
致するように、上記の光学機構は構成されている。
The light beam emitted from the semiconductor laser 9 passes through the beam splitter 11 and enters the dichroic mirror 13, where it is reflected in a 90 degree direction and passes through the objective lens 5. Therefore, the surface of the workpiece W is irradiated with the light beam from the semiconductor laser 9. Note that the optical mechanism described above is configured so that the axis of this light flux and the axis of the objective lens 5 coincide.

ワークW表面を反射した光束は、対物レンズ5を通過し
た後、ダイクロツクミラー13でビームスプリッタ11
に向けて反射する。ダイクロツクミラー13は、反射光
と透過光とが異なった分光特性を持ち、対物レンズ5か
らの光束が、可視光であれば、透過し赤外光であれば反
射する。ただし、赤外光の反射率は100%でなく、僅
かの割合で透過する。従って、CCDカメラ7には、ワ
ークW表面からの可視光と焦点合わせ用赤外光とが入射
する。そして、CCDカメラ7のモニタ画面(図示路)
には、ワークWの表面形状と焦点合わせ用光束のスポッ
トとが重なって映し出される。
The light beam reflected from the surface of the workpiece W passes through the objective lens 5 and then passes through the dichroic mirror 13 to the beam splitter 11.
reflect towards. The dichroic mirror 13 has different spectral characteristics for reflected light and transmitted light, and if the light flux from the objective lens 5 is visible light, it is transmitted, and if it is infrared light, it is reflected. However, the reflectance of infrared light is not 100%, and a small percentage of the infrared light is transmitted. Therefore, visible light from the surface of the workpiece W and infrared light for focusing are incident on the CCD camera 7. And the monitor screen of the CCD camera 7 (as shown)
, the surface shape of the workpiece W and the spot of the focusing light beam are projected in an overlapping manner.

ダイクロツクミラー13から反射した光束は、ビームス
プリッタ11で反射するこの反射した光束の光路には、
4分割受光素子17が所定距離隔てて配設される。
The light beam reflected from the dichroic mirror 13 is reflected by the beam splitter 11, and the optical path of this reflected light beam includes:
Four divided light receiving elements 17 are arranged at a predetermined distance apart.

ここで、前記半導体レーザ9は、出射する光束が、光軸
に直交する断面形状が楕円となる性質を有する。つまり
、楕円の長軸方向に広がる光と、短軸方向に広がる光と
の各々の出射位置が、光軸に沿って偏倚しているため、
それらの光が合成された光束は、断面形状が楕円となる
のである。この現像は非点隔差と称されている。
Here, the semiconductor laser 9 has a property that the emitted light beam has an elliptical cross-sectional shape perpendicular to the optical axis. In other words, since the emission positions of the light that spreads in the long axis direction of the ellipse and the light that spreads in the short axis direction of the ellipse are shifted along the optical axis,
The combined light beam has an elliptical cross-sectional shape. This development is called astigmatism.

このため、この半導体レーザ9からの光束を対物レンズ
5の軸心を通して対象物に照射し、その反射光を対物レ
ンズ5の軸心を通して結像面(4反射光を対物レンズ5
の軸心を通して結像面(4分割受光素子)に結像される
と、焦点のずれに応じて結像面りの結像形状が以下のよ
うに変化する。
Therefore, the light beam from this semiconductor laser 9 is irradiated onto the object through the axis of the objective lens 5, and the reflected light is passed through the axis of the objective lens 5 to the imaging plane (4 reflected light is passed through the axis of the objective lens 5).
When an image is formed on the imaging plane (quadrant light-receiving element) through the axis of , the image formation shape on the imaging plane changes as follows depending on the shift of focus.

第2図(ア)に示すように、半導体レーザ9からの光束
のうち、その光軸に直交する平面内のχ方向に広がる光
(実線にて示す)がb位置に配置された対象物Wにより
反射されて結像する焦点位置をqとする。一方、半導体
レーザ9からの光束のうち、その光軸に直交する平面内
のy方向(χ方向に直交)に広がる光(破線にて示す)
が、b位置に配置された対象物Wにより反射されて結像
する焦点位置をPとする。この場合、対象物W上に形成
される光束のスポット形状は円となっており、結像面り
を前記S位置に配置すると光束の断面形状も第2図(つ
)に示すように円形となる。
As shown in FIG. 2(A), among the light beams from the semiconductor laser 9, light that spreads in the χ direction in a plane perpendicular to the optical axis (indicated by a solid line) is transmitted to an object W placed at position b. Let q be the focal point where the light is reflected by and forms an image. On the other hand, among the light beams from the semiconductor laser 9, light that spreads in the y direction (orthogonal to the χ direction) in a plane perpendicular to the optical axis (indicated by a broken line)
is reflected by the object W placed at position b to form an image, and let P be the focal position. In this case, the spot shape of the light beam formed on the object W is circular, and when the imaging surface is placed at the S position, the cross-sectional shape of the light beam also becomes circular as shown in FIG. Become.

このため、対象物Wの表面をa位置にずらした場合には
前記χ方向に広がる光の焦点位置が位置qからSへ移動
するとともに前記y方向に広がる光の焦点位置が位置P
から対物レンズ5側へ移動する。このため位置Sに配置
された結像面には、第2図(イ)に示すようにχ方向の
幅よりもy方向の幅が長い楕円形状のスポットが形成さ
れる。
Therefore, when the surface of the object W is shifted to position a, the focal position of the light spreading in the χ direction moves from position q to S, and the focal position of the light spreading in the y direction moves to position P.
from there to the objective lens 5 side. Therefore, an elliptical spot whose width in the y direction is longer than the width in the χ direction is formed on the imaging plane located at the position S, as shown in FIG. 2(A).

一方、対象物Wの表面をb位置からC位置へずらした場
合には、前記χ方向に広がる光の焦点位置か対物レンズ
5から離れる方向へ位置 から移動するとともに前記y
方向に広がる光の焦点位置が位置PからSへ移動する。
On the other hand, when the surface of the object W is shifted from position b to position C, the focal position of the light spreading in the χ direction moves away from the objective lens 5 from the position y
The focal position of the light that spreads in the direction moves from position P to S.

このため、位置Sに配置された結像面には第2図(1)
に示すようにy方向の幅よりもχ方向の幅が長い楕円形
状のスポットが形成される。
Therefore, the image forming plane located at position S has the image shown in Fig. 2 (1).
As shown in FIG. 2, an elliptical spot whose width in the χ direction is longer than the width in the y direction is formed.

このため、位置Sに配置された4分割受光素子17に照
射される光束のスポット形状は対象物Wの位置に応じて
変化する。
Therefore, the spot shape of the light beam irradiated onto the four-division light-receiving element 17 arranged at the position S changes depending on the position of the object W.

4分割受光素子17は、第3図に示すように、マトリッ
クス状に配置された4つの独立した受光面17a、17
b、17c、17dを有する4分割ホトダイオードであ
り、各受光面17a、17b、17c、17d毎に照射
される光量に応じた電気信号を出力する。また、4分割
受光素子17の配置は、照射される光束の軸心が各受光
面17a、17b、17c、17dの境界にの交点Oと
一致し、更に、光束の楕円断面の長径がこの境界にと4
5度に交わるように設定される。従って、4分割受光素
子17の出力信号に基づいて光束のスポット形状を判断
することができる。そして、各スポット形状に基づいて
、後述する合焦制御処理により、対象物W表面の位置、
即ち、焦点のずれを検出する。
As shown in FIG. 3, the four-division light receiving element 17 has four independent light receiving surfaces 17a and 17 arranged in a matrix.
It is a four-divided photodiode having light receiving surfaces 17a, 17b, 17c, and 17d, and outputs an electric signal according to the amount of light irradiated to each light receiving surface 17a, 17b, 17c, and 17d. In addition, the arrangement of the four-split light receiving element 17 is such that the axis of the irradiated light beam coincides with the intersection point O at the boundary of each light receiving surface 17a, 17b, 17c, and 17d, and the major axis of the elliptical cross section of the light beam coincides with this boundary. Nito 4
They are set to intersect at a fifth degree. Therefore, the spot shape of the light beam can be determined based on the output signal of the four-division light receiving element 17. Then, based on each spot shape, the position of the surface of the object W,
That is, a shift in focus is detected.

光学式ユニット1は、対象′物Wを載置するステージ3
に対して、上下方向(第1図矢印へ方向)に摺動可能に
設けられる。この光学式ユニットlの位置は、フレーム
Fに固定されたステッピングモータ19により設定され
る。即ち、ステッピングモータ19の回転をボールネジ
21に伝達して、光学式ユニット1自身を上下方向に駆
動するのである。従って、ステッピングモータ19の回
転により、ステージ3と光学式ユニット1との離隔、即
ち、対象物Wの表面と対物レンズ5との離隔が変更され
焦点合わせを行なうことができる。
The optical unit 1 includes a stage 3 on which an object W is placed.
It is provided so as to be slidable in the vertical direction (in the direction of the arrow in FIG. 1). The position of this optical unit I is set by a stepping motor 19 fixed to the frame F. That is, the rotation of the stepping motor 19 is transmitted to the ball screw 21 to drive the optical unit 1 itself in the vertical direction. Therefore, by rotating the stepping motor 19, the distance between the stage 3 and the optical unit 1, that is, the distance between the surface of the object W and the objective lens 5 is changed, and focusing can be performed.

合焦制御装置50は、周知の算術論理演算回路を構成す
るCPU51.ROM52.RAM53と、CCDカメ
ラ7からの画像データを記憶するビデオ・RAM (V
−RAM)54と、入出力インタフェース55と、これ
らを相互に接続するバス56と、ステッピングモータ1
9を駆動するモータドライバ57とを備える。また、入
出力インタフェース55には、CCDカメラ7および4
分割受光素子17が接続される。
The focus control device 50 includes a CPU 51 . ROM52. A RAM 53 and a video RAM (V
- RAM) 54, an input/output interface 55, a bus 56 that interconnects these, and a stepping motor 1.
A motor driver 57 for driving the motor 9 is provided. The input/output interface 55 also includes CCD cameras 7 and 4.
The divided light receiving elements 17 are connected.

次に合焦制御装!’50が実行する合焦制御処理につい
て第4図のフローチャートを参照して説明する。
Next is the focus control system! The focus control process executed by '50 will be explained with reference to the flowchart in FIG.

この制御ルーチンは、操作スイッチ(図示せず)の操作
によりスタートする。操作スイッチがオンされると、C
PU51は光学式ユニット1に装着されている対物レン
ズ5の種類に応じたオフセット値の入力を待つ(ステッ
プSl)。このオフセット値の入力は、使用される対物
レンズ毎に色収差が異なるため、即ち、対物レンズ毎に
可視光による焦点位置と合焦制御に使用される赤外光に
よる焦点位置が異なるため、このずれ量をオフセット値
として入力するものである。この入力の方式としては、
前記ずれ量をテンキー等により直接入力する方式や、使
用される対物レンズ毎に種別コードとずれ量とを予めメ
モリに記憶させておき、種別コードをテンキー等により
入力する方式や、種別コードのテンキー人力に換えて対
物レンズの保持筒に標忠を付けておき、標識を検知する
ことにより種別コードを入力する方式等、各種のものを
採用することができる。
This control routine is started by operating an operation switch (not shown). When the operation switch is turned on, C
The PU 51 waits for input of an offset value corresponding to the type of objective lens 5 attached to the optical unit 1 (step Sl). Inputting this offset value is necessary because the chromatic aberration differs depending on the objective lens used, that is, the focal position of visible light and the focal position of infrared light used for focusing control are different for each objective lens. The amount is input as an offset value. This input method is as follows:
There are methods in which the amount of deviation is entered directly using a numeric keypad, etc., methods in which the type code and amount of deviation are stored in memory in advance for each objective lens used, and the type code is inputted using a numeric keypad, etc., and a method in which the type code is entered using a numeric keypad. Instead of manual labor, various methods can be adopted, such as a method in which a mark is attached to the holding tube of the objective lens and the type code is input by detecting the mark.

ステップS1のオフセット値の入力が終了すると、CP
U51は4分割受光素子17の出力信号を読み込み(ス
テップS2)、次式の演算を行なう(ステップS3)。
When the input of the offset value in step S1 is completed, CP
U51 reads the output signal of the four-division light receiving element 17 (step S2), and calculates the following equation (step S3).

α禦+(Al+A3)−(A2+A4))/ΣAiここ
で、A1−A4は4分割受光素子17の各素子(受光面
17a、17b、17c、17d)の出力値をそれぞれ
示しており、合焦時にはαの値はゼロに略等しくなり、
対象物Wが焦点位置よりも離れている時はαの値は正の
値に、近づいている時はαの値は負となる。
α+(Al+A3)-(A2+A4))/ΣAiHere, A1-A4 indicates the output value of each element (light-receiving surface 17a, 17b, 17c, 17d) of the 4-split light-receiving element 17, and the focus Sometimes the value of α is approximately equal to zero,
When the object W is further away from the focal point, the value of α is positive, and when the object W is closer, the value of α is negative.

ステップS3にて求めたαの値が−r(rはゼロに近い
所定の正数)よりも大きく且つrよりも小さいか否かが
判別され(ステップS4) 、YESの場合はCPU5
1は測定用のレーザー光(赤外領域)においては合焦と
判断し、前記ステップS1において入力されたオフセッ
ト値だけ光学式ユニット1をステージ3に対して移動さ
せるようにステッピングモータ19を駆動する(ステッ
プS5)。これにより可視光を受光するCCDカメラ7
は鮮明な対象物W表面の画像を撮像することができる。
It is determined whether the value of α obtained in step S3 is larger than -r (r is a predetermined positive number close to zero) and smaller than r (step S4), and if YES, the CPU 5
1 determines that the measurement laser beam (infrared region) is in focus, and drives the stepping motor 19 to move the optical unit 1 relative to the stage 3 by the offset value input in step S1. (Step S5). CCD camera 7 that receives visible light as a result
can capture a clear image of the surface of the object W.

一方、ステップS4においてNOの場合に、CPU51
はαの値が1以上か否か判別しくステップS6) 、Y
ESの場合は対象物が焦点位置よりも遠くに存在すると
判断して対象物Wと対物レンズ5との距離を近づける方
向にステッピングモータ19を1ステツプ駆動しくステ
ップS7)、前記ステップS2の処理に戻る。
On the other hand, in the case of NO in step S4, the CPU 51
It is determined whether the value of α is 1 or more (step S6), Y
In the case of ES, it is determined that the object is located further away than the focal position, and the stepping motor 19 is driven one step in the direction of reducing the distance between the object W and the objective lens 5 (step S7), and the process of step S2 is performed. return.

これに対し、前記ステップS6においてNOの場合はC
PU51は対象物Wが焦点位置よりも近くに存在すると
判断して対象物Wと対物レンズ5との距離を離す方向に
ステッピングモータ19を1ステツプ駆動しくステップ
S8)、前記ステップS2の処理に戻る。
On the other hand, if NO in step S6, C
The PU 51 determines that the object W is closer than the focal position and drives the stepping motor 19 one step in the direction of increasing the distance between the object W and the objective lens 5 (step S8), and returns to the process of step S2. .

このように、前記ステップS2.S3.S4゜S6.S
7.S8を繰り返すことにより合焦制御か行なわれる。
In this way, step S2. S3. S4゜S6. S
7. Focusing control is performed by repeating S8.

尚、本発明は前述の実施例にのみ限定されるものではな
く、その趣旨を逸脱しない範囲内においてのみ種々の変
更が可能である。例えば本実施例においては光学式ユニ
ット1を上下させることにより合焦させていたが、ステ
ージ3を上下させることにより合焦させる形式に変更す
ることができる。また、対物レンズ5として、可視光及
び赤外光の波長にわたり色収差をゼロに補正したものを
使用する場合は、前記ステップSl、S5のオフセット
値はゼロに設定すればよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made within the scope of the invention. For example, in this embodiment, focusing is achieved by moving the optical unit 1 up and down, but this can be changed to a system in which focusing is achieved by moving the stage 3 up and down. Furthermore, when using the objective lens 5 that has chromatic aberration corrected to zero over the wavelengths of visible light and infrared light, the offset values in steps Sl and S5 may be set to zero.

[発明の効果コ 以上詳述したように本発明は、対物レンズの軸心を光軸
として光軸に垂直な断面が楕円となる測定用光線束を出
射する光源を使用することにより、その測定用光線束を
対象物に照射し、対象物からの反射光が対物レンズを透
過して結像部に結像した時の結像形状が、対象物と対物
レンズとの距離に応じて変化し、その変化をずれ検出手
段が検出して離隔変更手段は検出された焦点のずれに応
じて光学機器と対象物との離隔を変更している。
[Effects of the Invention] As described in detail above, the present invention enables measurement by using a light source that emits a beam of light for measurement whose optical axis is the axis of the objective lens and whose cross section perpendicular to the optical axis is an ellipse. When a target object is irradiated with a beam of light and the reflected light from the object passes through the objective lens and forms an image on the imaging section, the shape of the image changes depending on the distance between the object and the objective lens. The shift detecting means detects the change, and the distance changing means changes the distance between the optical device and the object in accordance with the detected focus shift.

従って、従来のように非点収差を発生させるために円筒
レンズ等を設ける必要がなく焦点合わせ用の光学系の構
造を簡単にし得るとともに安価にし得る効果がある。
Therefore, there is no need to provide a cylindrical lens or the like to generate astigmatism as in the prior art, and the structure of the focusing optical system can be simplified and the cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明を具体化した一実施例の形状測定装置を
示すものであり、その概略構成図、第2図は焦点ずれを
検出する原理を示す説明図、第3図は4分割受光素子を
示す説明図、第4図は合焦制御ルーチンを示すフローチ
ャート、第5図は従来の焦点合わせ装置の原理を示す説
明図、第6図は改良された従来の焦点合わせ装置の概略
構成図、第7図は第6図の改良装置における焦点合わせ
の原理を示す説明図である。 図中、1は光学式ユニット、3はステージ、5は対物レ
ンズ、9は半導体レーザ(光源)、17は4分割受光素
子、19はステッピングモータ、50は合焦制御装置、
Wはワーク(対象物)である。
Fig. 1 shows a shape measuring device according to an embodiment of the present invention, and its schematic configuration is shown. Fig. 2 is an explanatory diagram showing the principle of detecting defocus, and Fig. 3 shows a four-part light receiving system. 4 is a flowchart showing a focusing control routine, FIG. 5 is an explanatory diagram showing the principle of a conventional focusing device, and FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an improved conventional focusing device. , FIG. 7 is an explanatory diagram showing the principle of focusing in the improved device of FIG. 6. In the figure, 1 is an optical unit, 3 is a stage, 5 is an objective lens, 9 is a semiconductor laser (light source), 17 is a 4-split light receiving element, 19 is a stepping motor, 50 is a focusing control device,
W is a work (object).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、対象物の表面形状を観察あるいは撮像する光学機器
と該対像物との焦点を合わせる焦点合わせ装置において
、 上記光学機器の対物レンズの軸心を光軸とし、その光軸
に垂直な断面が楕円となる測定用光線束を上記対象物に
照射する光源と、 上記対象物からの反射光が上記対物レンズを透過した後
に結像する結像部を有し、その結像部への結像形状に応
じて焦点のずれを検出するずれ検出手段と、 そのずれ検出手段により検出された焦点のずれに応じて
上記光学機器と上記対象物との離隔を変更する離隔変更
手段と、 を備えたことを特徴とする焦点合わせ装置。
[Claims] 1. A focusing device that focuses an optical device for observing or imaging the surface shape of an object and the object, wherein the axis of the objective lens of the optical device is the optical axis; It has a light source that irradiates the object with a measuring beam having an elliptical cross section perpendicular to the optical axis, and an imaging section that forms an image after the reflected light from the object passes through the objective lens. a displacement detection means for detecting a focal displacement according to the shape of the image formed on the imaging section; and a separation for changing the separation between the optical device and the object according to the focal displacement detected by the displacement detection means. A focusing device comprising: a changing means;
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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