JPH0585002B2

JPH0585002B2 -

Info

Publication number: JPH0585002B2
Application number: JP31798587A
Authority: JP
Inventors: Sadamitsu Nishihara
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1993-12-06
Also published as: JPH01158302A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、オートフオ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、オートフオ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、作業者の負担を減らし、測定作業の迅速化を
図るために、各種オートフオーカス機構が提案さ
れている。

出願人も特開昭60−84522で、投影画像のエツ
ジ検出用の４分割された受光素子を含むエツジ検
出装置の出力信号のなまりから、逆に測定対象物
の投影レンズ系に対して合焦されているか否かを
検出するようにしたオートフオーカス機構を提案
している。

このオートフオーカス機構は、具体的には、測
定対象物自体のエツジ部分の像と、エツジ検出装
置のセンサ部とを相対的に振動させて、出力され
るエツジ検出信号であるＳカーブ曲線が、合焦時
に最大振幅となり、非合焦時に小さな振幅となる
ことを利用したもので、前Ｓカーブ曲線を観察し
ながら測定対象物を載せた載置台を上下して、前
記Ｓカーブ曲線の変化率が最も大きくなるところ
で載置台を固定するようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、特開昭60−84522で提案したオ
ートフオーカス機構は、測定対象物自体のエツジ
部分の像を利用して合焦を行う機構であるため、
次のような問題点を有していた。

測定対象物のエツジ部分の像を、エツジ検出
装置のセンサの前面に移動させるまでの移動時
間が必要である。

測定対象物を載置した載置台又はセンサのい
ずれかを機械的に振動させる必要があり、合焦
までに時間が多くかかる。

センサを振動させる場合には、機構が複雑化
し、一方、載置台を振動させるとすれば、特に
測定対象物が重い場合等、載置台の駆動モータ
等に過度の負担がかかる。

〔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、測定対象物自体のエツジ部分を利
用することなく、合焦を行うことができるオート
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置台と、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、前記載
物台と結像光学系を結像光学系の光軸に沿つて相
対変位させる駆動装置とを含んで構成される光学
測定機において、エツジ部分を有し、その像が前
記結像光学系を通して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イルムと、前記結像
面近傍に配設され、該パターンフイルタのエツジ
部分の像の、前記結像光学系による再形成像が、
その前面を横切る時に、その明暗の変化に応じて
変化する焦点信号を出力するセンサと、前記パタ
ーンフイ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、前記焦点信号の信号変化量が最大と
なるように前記駆動装置を動作させる制御回路と
を備え、前記焦点信号の信号変化量が最大となる
位置で測定対象物が合焦されていると判定するこ
とによつて、前記目的を達成したものである。

〔作用〕

本発明においては、従来の測定対象物のエツジ
部分を合焦に用いる代わりに、振動するエツジパ
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、載置台上に載置した測定
対象物の測定対象面に、振動するエツジパターン
像を結像させ、そのパターン線の更なる像をセン
サで受け、該センサ出力信号の信号変化量が最大
となる位置で測定対象物が合焦されていると判定
するようにしている。従つて、測定対象物自体の
エツジ部の像をエツジセンサの前面に移動させる
必要がない。又、エツジセンサ又は載置台を機械
的に振動させる必要がない。従つて、機構も単純
であり、駆動モータ等に過度の負担がかかること
もない。

〔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置台１０と、測定対象物を
照明するための落射照明系１２と、前記載置台１
０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。

前記載置台１０は、Ｚ軸駆動装置１６のＺ軸駆
動回路１６Ａの出力によつて回転駆動されるＺ軸
モータ１６Ｂによつて、上下方向（Ｚ方向）に変
位するようにされている。

前記載置台１０は、又、Ｘ軸駆動回路（図示省
略）の出力によつて回転駆動されるＸ軸モータ１
８及びＹ軸駆動回路（図示省略）の出力によつて
回転駆動されるＹ軸モータ２０により、それぞれ
Ｚ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Ｘ軸検出器１９及びＹ軸検出器２１によつて
検出されている。

前記載置台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、ハーフミラー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イルムとしてのナイフエツ
ジ２６の像２６Ａが重畳される。即ち、オートフ
オーカスに利用するため、明暗のコントラストを
持つたパターン光を照射するためのナイフエツジ
２６が設けられており、加振器２８によつて振動
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
器で構成されており、ナイフエツジ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
た光ススイツチ等から同期信号d₁（下死点Ａに対
応）、d₂（上死点Ｂ対応）が生成される（第２図参
照）。

前記ナイフエツジ２６は、例えばレーザダイオ
ード（LD）３０で照明されており、補助レンズ
３２、ミラー３４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ー３５によつて、前記
落射照明系１２の光学系に重畳されている。従つ
て、該ナイフエツジ２６の像２６Ａも、前記ハー
フミラー２４によつて反射され、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、このナイフエツジの像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
像となる。

測定対象面８における測定対象物の像及びナイ
フエツジの像２６Ａは、前記結像レンズ１４及び
ハーフミラー２４を介してスクリーン３６上の結
像面IPに投影される。従つて、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エツジの
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、前記ナイフエツジの
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によつて、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、
例えば同芯円上に２分割された受光素子４２Ａ，
４２Ｂと、その出力を処理するプリアンプ４４
Ａ，４４Ｂ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を得る差動増幅器４６とを含ん構成さ
れている。

前記センサ４２の検出信号ａ及び差動増幅器４
６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つてエツジ
信号（パルス）ｍ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、載置台１０のＸ−Ｙ方向の移動
によつて、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を生成する機能を有する。
なお、具体的な構成は特開昭61−128105に開示さ
れているので、詳細な説明は省略する。

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Ｚ軸速度設定回路５
４と、中央処理ユニツト（CPU）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、スイツチ及び
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、該ピークホールド回路
５２Ａ出力のピークホールド信号ｇをジタル信号
に変換するためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）
変換器５２Ｂと、該Ａ／Ｄ変換器５２Ｂ出力を順
次ラツチする２つのラツチ回路５２Ｃ，５２Ｄ
と、前記ラツチ回路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５２Ｅの出力信号ｊの立ち下がりで合
焦信号ｋ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５２Ｇと、該オアゲー
ト５２Ｇの出力である同期信号ｅを遅延させて同
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のタイミングでラツチさ
れてピーク値Ｈとなり、該ピーク値Ｈは前記同期
信号ｅによつて更新されて行く。一方、同時にラ
ツチ回路５２Ｄでラツチされるピーク値Ｉ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ｇの同期信号ｅの隣り合うパルス
でラツチされた信号Ｈ，Ｉの大小が比較れ、Ｈ＜
Ｉのとき、その出力信号ｊが「１」、Ｈ≧Ｉ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、パルス発回路５２Ｆから、
合焦信号であるｋがパルスとして出力される。

前記載置台１０の近傍には、第１図に示す如
く、近接スイツチ６０が配設されており、この近
接スイツチ６０からは、載置台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ｌ
と、前記加振器２８から出力される。ナイフエツ
ジ２６が下死点Ａにあることを知らせる同期信号
d₁によつて接続されている。

前記CPU５６からＺ軸速度設定回路５４へは、
Ｚ軸駆動回路１６Ａを介してＺ軸方向に載置台１
０を高速又は低速で送り、あるいは載置台１０を
停止させための速度信号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、６６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、前記ナイフエツジ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
戻つたときのセンサ４２の検出信号ａ，ｂ、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となつてその信号
変化量AP（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
から外れるに従つて、c₂，c₁とその信号変化量
APが減少する。従つて、焦点信号ｃがc₃のよう
な状態となつ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、載置台１０を近接スイツチ６０から信号
ｎが発生される下死点位置まで下降する。次い
で、速度信号０を正値として、載置台１０を高速
で上昇させる。すると、解除信号ｆ（同期信号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
がピークc₃₁を越すと、ピーク値Ｈ＜ＩからＨ≧
Ｉとなり（第４図Ｅ１）、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０
を変化させて載置台１０を低速で下降させる。そ
して、焦点信号ｃがピーク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
焦と判定して速度信号０を零とし、加振信号ｌも
零とする。

一方、エツジ検出は、載置台１０のＸ−Ｙ方向
への移動によつて、測定対象物の反射像の明暗の
コントラストの検出によつて行うが、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
記焦点信号ｃのピークホールド値ｇを、前記同期
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５２
Ｅ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、合焦位置を確実に検出することがで
きる。なお、焦点検出回路の構成はこれに限定さ
れず、前記焦点信号ｃの信号変化量APが最大と
なつたことを検出できるものであれば、他の構成
であつてもよい。

又、本実施例においては、パターンフイルタと
してナイフエツジ２６を用いているので、パター
ンフイルタの構成が極めて簡略である。

なお、パターンフイ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
イスク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をエツジ部分としたものを用
いてもよい。

この第２実施例においては、前記ガラスデイス
ク７０を、加振器としてパルスモータ７４で回転
すると、エツジ部分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図において、７６は、CPU５６からシス
テムバス５８を介して入力される加振信号ｌ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，７８Ｂは、前記ガラスデイスク７
０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（LED）、８２Ａ，８
２Ｂは前記ガラスデイスク７０を通た前記LED
７８Ａ，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、８４Ａ，８４
Ｂ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、ガラスデイスク７
０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
振動による悪影響を及ぼす恐れがない。

又、前記第１実施例においては、前記パターン
フイルタとしてのナイフエツジ２６が、測定対象
物を照明するための落射照明系１２によつて照明
されているので、照明系の構成が簡略である。

なお、パターンフイ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
けた照明系によつて照明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イルタの像が結像するよう
に、下部からパターンフイ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４
２が、同芯円上に分割された２個の受光素子４２
Ａ，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
り、しかも、エツジセンサも兼用できるので、全
体構成が簡略である。なお、センサの種類は、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たり、エツジ検出にオートフ
オーカス用とは別個のセンサを設けることも可能
である。又、センサのみを投影機の部に設けても
よい。

エツジ検出に別異のセンサを用いる場合には、
本発明に係るオートフオーカス用のセンサとし
て、第６図に示す第３実施例の如く、２個の受光
素子９０Ａ，９０Ｂを隣接して設け、該２個の受
光素子９０Ａ，９０Ｂの出力の差を演算する、前
記第１実施例と同様の差動増幅器４６を設け、該
差動増幅器４６の出力を焦点信号ｃとすることが
できる。図において、４４Ａ，４４Ｂは、前記第
１実施例と同様のプリアンプである。

この第３実施例における焦点信号波形は、第７
図に示す如くとなるので、焦点信号の振幅APが
最大となることから、前記第１実施例と同様にし
て合焦位置（c₃）を検出することが可能である。

この第３実施例においては、センサの構成が簡
略であり、オートフオーカス機構を安価に構成で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象
物自体のエツジ部分を用いることなく、合焦を行
うことができる。従つて、測定対象物のエツジ部
分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。又、機械
的にセンサ又は載置台の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、更に、載置台の駆動モータ等に過度の負担が
かかることがないという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オーカス機構
付光学測定機の第１実施例の全体構成を示す、一
部断面図を含むブロツク線図、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
ツク線図を含む、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す
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イルタの構成を示す、
一部ブロツク線図を含む斜視図、第６図は、本発
の第３実施例で用いられているセンサの構成を示
す、一部ブロツク線図を含む平面図、第７図は、
第３実施例の焦点信号の例を示す線図である。８……測定対象面、FP……合焦面、１０……
載置台、１２……落射照明系、１４……投影レン
ズ、１６……Ｚ軸駆動装置、２６……ナイフエツ
ジ（パターンフイルタ）、２６Ａ……ナイフエツ
ジの像、２６Ｂ……ナイフエツジの再形成像、２
８……加振器、３０……レーザダイオード
（LD）、３６……スクリーン、IP……結像面、４
２……センサ、４２Ａ，４２Ｂ……受光素子、４
６……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、５２Ｃ，５２Ｄ……ラツチ回
路、５２Ｅ……比較回路、５２Ｆ……パルス発生
回路、５６……中央処理ユニツト（CPU）、ｌ…
…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
デイスク、７２……エツジパターン、７４……パ
ルスモータ、９０Ａ，９０Ｂ……受光素子。

Claims

【特許請求の範囲】１測定対象物を載置する載置台と、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、前記載置台と結
像光学系を結像光学系の光軸に沿つて相対変位さ
せる駆動装置とを含んで構成される光学測定機に
おいて、エツジ部分を有し、その像が前記結像光学系を
通して測定対象面上に形成されるように配設され
たパターンフイルタと、前記結像面近傍に配設され、該パターンフイル
タのエツジ部分の像の、前記結像光学系による再
形成像が、その前面を横切る時に、その明暗の変
化に応じて変化する焦点信号を出力するセンサ
と、前記パターンフイ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、前記焦点信号の信号
変化量が最大となるように前記駆動装置を動作さ
せる制御回路とを備え、前記焦点信号の信号変化量が最大となる位置で
測定対象物が合焦されていると判定することを特
徴とするオートフオーカス機構付光学測定機。２前記制御回路が、前記焦点信号のピーク値
を、前記同期信号のタイミングで逐次保持するピ
ークホールド回路と、該保持された隣接する焦点
信号のピーク値の大小を比較する比較回路とを含
み、該比較回の出力が反転するタイミングで合焦
信号を励起する焦点検出回路を備えている特許請
求の範囲第１項記載のオートフオーカス機構付光
学測定機。３前記パターンフイルが、前記照明系によつて
照明されている特許請求の範囲第１項又は第２項
記載のオートフオーカス機構付光学測定機。４前記パターンフイルが、前記照明系とは別異
に設けられた照明系によつて照明されている特許
請求の範囲第１項又は第２項記載のオートフオー
カス機構付光学測定機。５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項及至第４項のいずれか一項記載のオート
フオーカス機構付光学測定機。６前記センサが、隣接して配置された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項及至第４項のいずれか一項記載のオート
フオーカス機構付光学測定機。