JPH0495810A - 焦点合わせ装置 - 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】 聚用Ω貝拍 ［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。

［従来の技術］ 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（Ｌ第７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。

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。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第７図に示すように、例え（歌対象物Ｗ
Ｏａ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（よ対象物の位置が７１から
７２に移動調整さ札　スポット位置が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、実際に焦点合わせがなされた位置（ｂ点）とにずれ
ｄが生じてしまい、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
置が移動するため所望の位置での焦点あわせが行なわれ
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
焦点はずれてしまフ。

本発明の焦点合わせ装置は上記課題を解決し、焦点合わ
せ動作に拘らず焦点合わせ位置を一定にすることを目的
とする。

発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明の焦点合わせ装置（瓜　第１図１こ例示するよう
に、 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おいて、 上記光学機器の対物レンズの軸心を光軸として上記対象
物に測定用光線束を照射する光源と、上記対象物からの
反射光を円筒レンズを通過させて分割受光素子に照射し
、該照射された分割受光素子の各素子の出力に応じて上
記焦点のずれを検出する焦点ずれ検出手段と、 上記検出した焦点のずれに応じて、上記対象物と上記対
物レンズとの離隔を変更する離隔変更手段とを備えたこ
とを要旨とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の焦点合わせ装置は、光源によ
り対物レンズの軸心を光軸とした測定用光線束を対象物
に照射する。対象物からの反射光は、円筒レンズを通過
し分割受光素子に入射する。

このとき、反射光（表　円筒レンズにより所定方向にの
み屈折されるため、非点収差により分割受光素子に照射
されたスポット形状は対物レンズと対象物との距離に応
じて変化する。焦点ずれ検出手段は、このスポット形状
に応じた分割受光素子の各素子の出力に基づいて焦点ず
れを検出する。そして、離隔変更手段が、検出した焦点
ずれに応じて、対象物と対物レンズとの離隔を変更する
。

従って、対象物を照射する測定用光線束のスポット位置
をずらすことなく、焦点合わせを実行できる。

［実施例］ 以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするた
め１こ、以下本発明の焦点合わせ装置の好適な実施例に
ついて説明する。

第２図ｔよ一実施例としての焦点合わせ装置を備えた形
状測定装置である。

形状測定装置は、光学式ユニット］と合焦制御装置５０
とから構成される。

光学式ユニット］は、ステージ３に載置されたワークＷ
の表面を撮像するもので、ステージ３に対向して設けら
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、両者を連結する鏡筒８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。

焦点合わせ用の光源としては、半導体レーザ９が用いら
れる。この半導体レーザ９の射出する光の波長（よ　赤
外範囲に設定されている。半導体レーザ９の照射方向に
は、光源側から順に、コリメーティングレンズ１］２円
筒レンズ］３．補正プリズム１５．フオーカシングレン
ズ１７が配設される。半導体レーザ９から射出した光束
（断面形状は楕円）は、コリメーティングレンズ１］に
より平行光に補正さね　更に、円筒レンズ１３．補正プ
リズム］５により断面形状が真円の光束に補正される。

尚、本実施例で用いる断面形状とは、光軸に対して垂直
方向の断面形状を意味する。

フォーカシングレンズ１７の射出方向には、光軸に沿っ
てビームスプリッタ］９．ダイクロツクミラー２１が配
設される。ダイクロツクミラー２１は、ＣＣＤカメラ７
と対物レンズ５とを結ぶ軸上の鏡筒８内に装着される。

フォーカシングレンズ１７を通過した光束は、ビームス
プリッタ］９を透過し、ダイクロツクミラー２１で反射
して、対物レンズ５を通過する。従って、ワークＷ表面
には断面円形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。

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２１でビームスプリッタ１９
に向けて反射する。ダイクロツクミラー２１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
とが重なって映し呂される。

ダイクロツクミラー２１から反射した光束（友更にビー
ムスプリッタ１９で９０度方向に反射する。この反射し
た光束の光路に１衣　更に、ビームスプリッタ２５が配
設される。このビームスプリッタ２５により光束は５０
１５０の割合で透過。

反射する。そして、透過方向には更に円筒レンズ２７．
４分割受光素子２９が、反射方向には同じく円筒レンズ
３１，４分割受光素子３３が各々所定間隔で配設される
。

円筒レンズ２７．３１は、１つの方向にはレンズとして
働くが、もう１つの方向にはレンズ効果がない。このた
め、以下に示すように、焦点のずれに応じて４分割受光
素子２９．３３に照射されるスポット形状が変化する。

第３図（ア）に示すように、ｂ位置に配置されたワーク
Ｗ表面からの反射光が対物レンズＬ］により結像される
像位置をｑとする。非点収差を与えるために対物レンズ
Ｌ１の後方に円筒レンズＬ２を置き、円筒レンズＬ２に
よる結像位置をｐとする。この場合、ｐ、　　ｑ間の３
点における光束の断面形状は円形となる。このため、ワ
ークＷ表面をａ位置にずらした場合に１ヨｓ点での断面
形状（友　同図（イ）に示すように横方向に長い楕円形
状となり、逆に、Ｃ位置にずらした場合には、同図（１
）に示すように縦方向に長い楕円形状となる。従って、
光束の断面が同図（つ）に示すように円形となる場合を
合焦時として、３点に４分割受光素子りを配置すれば、
焦点のずれに応じて、４分割受光素子りに照射される光
束のスポット形状が変化する。

４分割受光素子２９（４分割受光素子３３も同一のため
、ここでは４分割受光素子２９について説明する）は、
第４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２９ａ。

２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを有する４分割ホトダイオード
であり、各受光面２９　ａ、　　２９　ｂ、　　２９　
ｃ。

２９ｄ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２９（３３）の配置は、照射さ
れる光束の軸心が各受光面２９ａ。

２９ｂ、２９ｃ、２９ｄの境界にの交点Ｏと一致し、更
に、楕円形状となる場合のスポットＳＰ（図においてハ
ツチングを施す領域）の長径（あるいは短径）がこの境
界にと４５度に交わるように設定される。従って、４分
割受光素子２９．３３の出力信号に基づいてスポット形
状を判断することにより、ワークＷ表面の位置を検出で
きる。

円筒レンズ３１（飄　その母線方向が円筒レンズ２７の
母線方向に対して９０度傾けられて配置される。従って
、ビームスプリッタ２５により分割された光束］よ　各
々縦方向と横方向とにレンズ効果が働いて、４分割受光
素子２９．３３に照射される。これは、第５図に示すよ
うに、研磨加工等によりワークＷの表面に細かな加工痕
Ｊが形成されている場合に］表　乱反射による回折光に
よりワークＷ表面からの反射光Ｒの断面（図においてハ
ツチングを施した領域）が、加工痕Ｊの形成方向に対し
て垂直方向に広がって略楕円形状となり、検出精度が悪
化してしまうことを防止するものである。即ち、４分割
受光素子２９．３３に照射された光束のスポットが、真
円に対して大きく偏平した形状となる場合（二（よ　４
分割受光素子２９゜３３の焦点ずれの検出特性は悪化す
るために、各々縦方向と横方向とに屈折方向を変えて各
４分割受光素子２９．３３に照射して互いに補正し合う
のである。そして、各出力に基づいて後述する演算処理
により、ワーク表面形状の粗さの影響を除去している。

ワークＷの表面を撮像するＣＣＤカメラ７（よ鏡筒８に
対して上下方向（第２図矢印８方向）に摺動可能に設け
られる。このＣＣＤカメラ７の位置は、光学式ユニット
１の機枠に固定されたステッピングモータ３５（以下、
カメラ用モータ３５と呼ぶ）により設定される。即ち、
カメラ用モータ３５の回転をポールネジ３７に伝達して
、ＣＣＤカメラ７を上下方向に駆動するのである。

光学式ユニット］は、ワークＷを載置するステージ３に
対して、上下方向（第２図矢印８方向）に摺動可能に設
けられる。この光学式ユニット］の位置は、フレームＦ
に固定されたステッピングモータ３９（以下、ユニット
用モータ３９と呼ぶ）により設定される。即ち、ユニッ
ト用モータ３９の回転をポールネジ４］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、ユニット用モータ３９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、ワークＷ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。

また、光学式ユニット１の側面には、その上下位置を検
出するための光学式リニアエンコーダ４３が設けられる
。光学式リニアエンコーダ４３は、周知の直線位置セン
サで、フレームＦに固定されるメインスケール４３Ａと
、光学式ユニット］側面に固定され光源、受光素子、イ
ンデックススケール等を内蔵するセンサヘッド４３Ｂと
からなる。

光学式ユニット１と共に上下動するセンサヘッド４３Ｂ
のインデックススケールが、フレームＦに固定されたメ
インスケール４３Ａのどの部分に位置しているかを検出
することにより、光学式ユニット１の上下位置が検出さ
れる。

合焦制御装置５０は、周知のＣＰＵ６１．Ｒ○Ｍ６２．
ＲＡＭ６３．　入出力インタフェース６４゜バス６５等
から構成される電子制御装置６０と、カメラ用モータ３
５．ユニット用モータ３９を駆動するモータドライバ７
１，７２と、液晶を用いて７セグメント表示をするＬＣ
Ｄ７３と、ＬＣＤ７３を駆動するＬＣＤドライバ７４と
、操作スイッチ部７５とを備える。また、入出力インタ
フェース６４に（よ光学式リニアエンコーダ４３，４分
割受光素子２９．３３が接続される。

次に、合焦制御装置５０が実行する合焦制御処理につい
て第６図と共に説明する。

第６図（よ合焦制御ルーチンを表すフローチャトである
、この制御ルーチンは、操作スイッチ部７５の操作によ
り起動するが、起動時に（よ操作者により対物レンズ５
の種類が入力されている。

まず、対物レンズ５の種類を読み込む（Ｓ　１００）。

そして、カメラ用モータ３５を駆動して、ＣＣＤカメラ
７を対物レンズ５の種類によって設定される所定の位置
に配置する（Ｓ　１１０）。この処理は、対物レンズ５
の色収差の影響により、４分割受光素子２９，３３にで
検出する赤外光の焦点位置と、可視光を捉えるＣＣＤカ
メラ７の焦点位置とがずれるため、予め、４分割受光素
子２９．３３にて検出した合焦時に、ＣＣＤカメラ７の
焦点が合う位置を記憶させておき、装着された対物レン
ズ５の種類に応じてＣＣＤカメラ７をこの記憶した位置
に配置する処理である。

ステップ１１０の処理が終了すると、次に、４分割受光
素子２９．３３の出力信号を読み込む（Ｓ１２０）。続
いて、焦点のずれを算出する（Ｓ］３０）。この算出は
、以下のように行なわれる。

４分割受光素子２９の各素子（受光面２９ａ。

２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ）の出力値をＡＩ、Ａ２゜Ａ３
．Ａ４とし、同様に、４分割受光素子３３の各素子の出
力値を８１．８２，８３．Ｂ４とすると、焦点ずれに対
応する出力αは、 α＝　（（Ａ１＋Ａ３） −　（（Ｂ１十８３） で与えられる。この演算では、４分割受光素子２９．３
３の出力差をとることにより、ワークＷ表面の粗さの影
響が除去される。

続いて、出力αに基づいてユニット用モータ３９を駆動
する（Ｓ１４０）。従って、焦点ずれに応じた量だけ光
学式ユニット１が移動して焦点合わせが行なわれる。次
に、光学式リニアエンコーダ４３の出力信号を読み込む
（Ｓ１５０）。この出力信号は、光学式ユニット１の上
下位置に対応することから、ワークＷの高さに対応した
ものとなる。続いて、光学式ユニット１の上下位置をＬ
ＣＤ７３に表示する（Ｓ１６０）。従って、操作者は、
この表示によりワークＷの高さを把握することができる
。

次に、操作スイッチ部７５の終了スイッチ（図示路）が
押されているか否かを判断しく５１７０）、押されてい
れば本ルーチンを終了する。終了スイッチが押されてい
なけれ（戴　ステップ１２０の処理に移行し、上述した
処理を繰り返す。尚、測定レンジ変更のために対物レン
ズ５を交換する場合には、本ルーチンを一旦終了させた
後、対物レンズ５の種類設定を変更して、本ルーチンを
再起動させる。

以上説明したように、本実施例の焦点合わせ装置を備え
た形状測定装置によれば、レーザ光を対物レンズ５の軸
心を通過させてワークＷ表面に照射し、その反射光から
非点収差法を用いて焦点合わせを行なっている。このた
め、ワークＷ表面のスポットの位置が常に同じ位置とな
り、ワークＷ表面の所望の位置の焦点合わせを簡単に行
なうことができる。また、反射光を縮方向と横方向とに
屈折方向を変えて各４分割受光素子２９，３３１ｍ照射
し、所定の演算を行なうことで、ワークＷ表面の粗さの
影響を除去することができる。更に、装着される対物レ
ンズ５の種類毎に、ＣＣＤカメラ７の位置設定を行なっ
ているため、色収差の影響による焦点検出側の焦点位置
とＣＣＤカメラ７側の焦点位置とのずれが補正さ札対物
レンズ５の種類に拘らず、常に正確な焦点合わせが可能
となる。この色収差の影響を補正するために、従来にお
いては、焦点検出側のレンズの位置を変更していたため
光軸がずれ易く調整が難しかったが、本実施例によれば
対物レンズ５の種類に応じてＣＣＤカメラ７の位置設定
がなされるため、光軸がずれに〈〈シかも非常に簡単で
ある。

また、光学式ユニット１とステージ３との相対位置関係
を検出してＬＣＤ７３に表示することにより、ワークＷ
の高さを検出できる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得
ることは勿論である。例え（戯　焦点合わせ用の光源に
インコヒーレントなＬＥＤ等を用いてもよい。この場合
には、円筒レンズ１３．補正プリズム］５は不要となり
、ワークＷ表面での乱反射による干渉も低減される。ま
た、ステージ３を上下動させて焦点を合わせる構成であ
ってもよい。

発明の効果 以上詳述したよう１こ、本発明の焦点合わせ装量によれ
ば、対象物に照射された測定用光線束のスポット位置が
、焦点合わせ動作１こ関わりなく一定であり、簡単に所
望の位置の焦点合わせを行うことができるという極めて
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は焦点合わせ装置を備えた形状測定装置の概略構成
図、第３図は焦点ずれを検出する原理を表す説明図、第
４図は４分割受光素子の平面図、第５図はワークからの
反射光の断面を表す説明図、第６図は合焦制御ルーチン
を表すフローチャート、第７図は従来の焦点合わせ装置
の原理を表す説明図である。 ］・・・光学式ユニット ７・・・ＣＣＤカメラ ５・・・対物レンズ ９・・・半導体レーザ ２７．３１・・・円筒レンズ ２９．３３・・・４分割受光素子 ３９・・・ステッピングモータ ５０・・・合焦制御装置 ６０・・・電子制御装置 Ｗ・・・ワーク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　対象物の表面形状を観察あるいは撮像する光学機器
   と該対象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て上記対
   象物に測定用光線束を照射する光源と、上記対象物から
   の反射光を円筒レンズを通過させて分割受光素子に照射
   し、該照射された分割受光素子の各素子の出力に応じて
   上記焦点のずれを検出する焦点ずれ検出手段と、上記検
   出した焦点のずれに応じて、上記対象物と上記対物レン
   ズ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。