JPH0534119A - 焦点合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 焦点合わせ装置を備えた形状測定装置におい
て、焦点合わせを敏速に行う。 【構成】 焦点合わせ装置を備えた形状測定装置は、測
定用光線束を対物レンズを通して対象物に照射する。そ
して、対象物からの反射光は分割手段により第１反射光
と第２反射光に分割され、上記第１反射光はピンホール
を通過し第１受光素子に照射する。このとき、第１受光
素子の出力は対物レンズと対象物との距離により変化す
る。第２反射光はそのまま第２受光素子に照射される。
そして、ＣＰＵは、第１受光素子の出力と第２受光素子
の出力が一致する点を検出し、その検出に従いモータは
上記対象物と上記対物レンズの離隔を合焦点位置に移動
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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測定する光学機器と対
象物との焦点を合わせる焦点合わせ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡，撮像装置等の光学機器の
焦点合わせ装置においては、対象物との焦点を合わせる
場合、焦点合わせ用の光（測定用光線束）を対象物に照
射し、その出力に基づいて焦点合わせを行っている。例
えば、図６に示すように、光ビーム８０を対物レンズ８
２に入射させて対象物８４の表面から反射した光ビーム
８０をビームスプリッタ８６にて反射させる。そして、
その反射した光ビーム８０をピンホール８８を通過させ
て受光素子９０に照射する。その受光素子９０の出力は
対物レンズ８２を矢印方向に上下に走査することにより
図７に示すように変化する。この場合、受光素子９０の
出力が最大になった時が対物レンズ８２の合焦点位置と
なる。

【０００３】従って、対物レンズ８２を矢印方向に一度
走査した後、受光素子９０の出力に基づいて最高出力の
位置を検出し再び最高出力の位置まで戻るというように
焦点合わせが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
様な焦点合わせ装置は、受光素子９０の出力が最大にな
る位置を識別するために、対物レンズ８２を受光素子９
０の出力の最大位置すなわち合焦点位置を一度通過させ
た後再び合焦点位置に戻す必要があるため、焦点合わせ
をするのに時間がかかっていた。

【０００５】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、焦点合わせ動作を敏速に行うこ
とができる焦点合わせ装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の焦点合わせ装置は、図１に示すように、対象
物の表面形状を測定する光学機器と該対象物との焦点を
合わせるものであり、光学機器の対物レンズを光軸とし
て、対象物に測定用光線束を照射する光源と、対象物か
らの反射光を第１反射光と第２反射光に分割する分割手
段と、第１反射光を光路を制限する光路規制手段と、光
路規制手段を通過した後受光する第１受光素子と、第２
反射光を受光する第２受光素子と、該照射された第１，
第２受光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、焦点ずれ検出手段にて検出した焦
点ずれに応じて、対象物と対物レンズとの離隔を変更す
る離隔変更手段とを備えている。

【０００７】

【作用】上記の構成を有する本発明の焦点合わせ装置
は、測定用光線束を対物レンズを通して対象物に照射す
る。そして、対象物からの反射光は分割手段により第１
反射光と第２反射光に分割され、その第１反射光は光路
規制手段を通過し第１受光素子に照射する。このとき、
第１受光素子の出力は対物レンズと対象物との距離によ
り変化する。第２反射光はそのまま第２受光素子に照射
される。そして、焦点ずれ検出手段は、第１受光素子の
出力と第２受光素子の出力が一致する点を検出し、その
検出に従い離隔変更手段は上記対象物と上記対物レンズ
の離隔を合焦点位置に移動する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の焦点合わせ装置の好適な一実
施例について説明する。

【０００９】図２及び図３は、本発明の焦点合わせ装置
を備えた形状測定装置を示す図であり、形状測定装置
は、光学式ユニット１と合焦制御装置４０とから構成さ
れている。

【００１０】光学式ユニット１は、ステージ３に載置さ
れたワーク２の表面を撮像するものであり、ワーク２を
載置するステージ３に対して、上下方向（図２の矢印方
向）に摺動可能に設けられる。ステージ３と対向する位
置には、対物レンズ５が光学式ユニット１に着脱可能に
設けられている。対物レンズ５の上方には、対物レンズ
５の軸心と整合した状態でＣＣＤカメラ６が配置されて
いる。そして、ＣＣＤカメラ６の焦点を合わせるために
以下に示す光学式機構を備えている。

【００１１】半導体レーザ８は焦点合わせ用の光源であ
り、半導体レーザ８から射出した光束は、コリメータレ
ンズ９により平行光に補正された後、補正プリズム９に
より断面形状が円形に補正される。更に、その光束はレ
ンズ１１，偏向ビームスプリッタ１３を通過後、ダイク
ロイックミラー１２により反射して対物レンズ５を通過
しワーク２表面に照射される。ダイクロイックミラー１
２は、反射光と透過光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
あれば反射するものである。

【００１２】ワーク２表面により反射した光束は、対物
レンズ５を通過した後ダイクロイックミラー１２でビー
ムスプリッタ１３に向けて反射する。ダイクロイックミ
ラー１２から反射した光束はビームスプリッタ１３で反
射する。この反射した光束の光路には、本発明の分割手
段であるビームスプリッタ１４が配置される。このビー
ムスプリッタ１４により、光束は５０：５０の割合で透
過および反射する。そして、反射方向には本発明の光路
規制手段としてのピンホール１７及び第１受光素子１５
が配設され、また透過方向には受光素子１６が配設され
ている。

【００１３】上記ビームスプリッタ１４から反射した光
束は、合焦点時にピンホール１７を全て通過し第１受光
素子１５に照射される光束は最大になる。焦点がずれて
いるとき、ピンホール１７に到達した光束はピンホール
１７より大きくなり合焦点時より少ない光束が受光素子
１５に照射される。一方、上記ビームスプリッタ１４を
透過した光束は第２受光素子１６に照射される。上記第
２受光素子１６に照射された光量は合焦点時に受光素子
１５に照射される光量と一致する。

【００１４】また、光学式ユニット１の位置はフレーム
７０に固定されたモータ２２により設定される。即ち、
モータ２２の回転をボールネジ２３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、モータ２２の回転により、ステージ３と光学式ユニ
ット１の離隔、即ち、ワーク２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うことができる。

【００１５】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２１
が設けられる。光学式リニアエンコーダ２１は、周知の
直線位置センサで、フレーム７０に固定されるメインス
ケール２１Ａと、光学式ユニット１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臓するセン
サヘッド２１Ｂとからなる。光学式ユニット１とともに
上下動するセンサヘッド２１Ｂのインデックススケール
がフレーム７０に固定されたメインスケール２１Ａ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。

【００１６】次に、合焦制御装置４０の構成について図
３を参照して説明する。

【００１７】合焦制御装置４０は、周知のＣＰＵ５１，
ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５３，入出力インターフェース５
４，バス５５等から構成される電子制御装置５０と、モ
ータ２２を駆動するモータドライバ６１と、液晶を用い
て７セグメント表示をするＬＣＤ６３と、ＬＣＤ６３を
駆動するＬＣＤドライバ６２と、操作スイッチ６４等を
備えている。また、入出力インターフェース５４には、
前記光学式リニアエンコーダ２１及び第１・第２受光素
子１５，１６が接続されている。更に、光学式ユニット
１の位置と焦点ずれに対応する出力Ｃとの関係は図５に
示す様になるが、ＲＯＭ５２には、出力Ｃの値と、出力
Ｃの値に対応する位置から合焦点位置までの距離に応じ
たモータ２２の駆動量を記憶したテーブルが格納されて
いる。

【００１８】次に、このように構成された測定装置の焦
点合わせ動作について図４及び図５を参照して説明す
る。

【００１９】上述した様に半導体レーザ８から射出した
光束は、コリメータレンズ９により平行光に補正された
後、補正プリズム９により断面形状が円形に補正され
る。その光束はレンズ１１，偏向ビームスプリッタ１３
を通過後、ダイクロイックミラー１２により反射して対
物レンズ５を通過しワーク２表面に照射される。

【００２０】ワーク２表面により反射した光束は、対物
レンズ５を通過した後ダイクロイックミラー１２でビー
ムスプリッタ１３に向けて反射する。ダイクロイックミ
ラー１２から反射した光束はビームスプリッタ１３で反
射し、更にビームスプリッタ１４により、光束は５０：
５０の割合で透過，反射する。そして、反射光はピンホ
ール１７を介して第１受光素子１５を、透過光は直接第
２受光素子１６を照射している。この状態で操作スイッ
チ部６４を操作することにより、図４に示す合焦制御ル
ーチンが起動する。

【００２１】まず、第１受光素子１５の出力信号Ａ１及
び第２受光素子１６の出力信号Ｂ１を入出力インターフ
ェース５４においてＡ−Ｄ変換を行った後ＣＰＵ５１が
読み込む（Ｓ１）。

【００２２】ＣＰＵ５１は、焦点ずれに対応する出力Ｃ
１を、Ｃ１＝Ａ１／Ｂ１から計算する（Ｓ２）。次い
で、焦点ずれに対応する出力Ｃ１がＣ１＝１であるかど
うかをＣＰＵ５１で判断する（Ｓ３）。そして、図５に
示す様にＣ１＝１のとき（Ｓ３：ＹＥＳ）には光学式ユ
ニット１は合焦点位置にあることになり、そのことをＬ
ＣＤ６３に表示し、焦点合わせは終了する。

【００２３】Ｃ１＝１でないとき（Ｓ３：ＮＯ）には、
ＣＰＵ５１はモータ２２により光学式ユニット１を図２
に示す上方向に微小駆動させる（Ｓ４）。再び、第１受
光素子１５の出力Ａ２と第２受光素子１６の出力Ｂ２と
をＣＰＵ５１により読み込む（Ｓ５）。このときの出力
Ｃ２をＣ２＝Ａ２／Ｂ２から計算する（Ｓ６）。

【００２４】そして、Ｃ２−Ｃ１の値が正であるか負で
あるかをＣＰＵ５１により判断する（Ｓ７）。その判断
に基づきモータ２２の駆動方向を決める。すなわち、Ｃ
２−Ｃ１の値が正である場合にはモータ２２を正方向に
回転させ、Ｃ２−Ｃ１の値が負である場合にはモータ２
２を負方向に回転させる。続いて、ＣＰＵ５１が出力Ｃ
２に基づいて前記ＲＯＭ５２のテーブルからモータ２２
の駆動量を読み出し、その駆動量に応じただけモータ２
２を駆動する（Ｓ８，Ｓ９）。従って、焦点ずれに応じ
た距離だけ光学式ユニット１が移動して焦点合わせが行
われ、ＬＣＤ６３にそのことを表示し焦点合わせは終了
する。

【００２５】以上説明した様に、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、レーザー光を対物
レンズ５の軸心を通過させてワーク２表面に照射し、そ
の反射光を２分割し焦点ずれの位置を検出している。こ
のため、従来の様に対物レンズと対象物との間を合焦点
位置をはさんで走査し、一度合焦点を通過した後、再び
最高出力の位置に戻らなくても焦点合わせを実行でき
る。

【００２６】尚、前記実施例においては、出力Ｃ２に応
じたモータ２２の駆動量を記憶したテーブルをＲＯＭ５
２に設けていたが、そのテーブルを設けず前記Ｓ７の判
断の後モータ２２を一定量ずつ駆動させそのときの第１
・第２受光素子１５，１６の信号Ａ・Ｂを読み込み、Ｃ
＝Ａ／Ｂの値が１になるまで、モータ２２を駆動するよ
うにしてもよい。

【００２７】また、前記ビームスプリッタ１４により光
束が透過および反射した後、透過方向にピンホール１７
を設けてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の焦点合わせ装置によれば焦点合わせが非常に敏速
にできるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的発明を例示するブロック図であ
る。

【図２】焦点合わせ装置を備えた形状測定装置の機械部
分の概略構成図である

【図３】焦点合わせ装置を備えた形状測定装置の制御部
分の概略構成図である

【図４】合焦制御ルーチンを表すフローチャートである

【図５】焦点ずれの検出方法を説明する図である。

【図６】従来の焦点ずれの検出方法を説明する図であ
る。

【図７】従来の焦点ずれの検出方法を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１ 光学式ユニット ２ ワーク ３ ステージ ５ 対物レンズ ８ 半導体レーザ １５ 第１受光素子 １６ 第２受光素子 ２２ モータ ４０ 合焦制御装置 ５０ 電子制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 彰洋 名古屋市瑞穂区苗代町15番１号ブラザー工 業株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 対象物の表面形状を測定する光学機器と
   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第１反射光と第２反射光に分
   割する分割手段と、 上記第１反射光を光路を制限する光路規制手段と、 該光路規制手段を通過した後受光する第１受光素子と、 上記第２反射光を受光する第２受光素子と、 該照射された第１，第２受光素子の出力に応じて焦点の
   ずれを検出する焦点ずれ検出手段と、 該焦点ずれ検出手段にて検出した焦点ずれに応じて、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。