JPH06137864A - 共焦点型焦点位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 画像処理装置の自動焦点合わせを高精度でき
る共焦点型焦点位置検出装置、あるいは試料面の凹凸を
高精度で測定できる共焦点型焦点位置検出装置を提供す
ることにある。 【構成】 光ファイバーを利用する共焦点型焦点位置検
出装置において、光ファイバー９の端面６をアクチュエ
ータ８によって光軸方向に往復移動させ、試料２表面の
共焦点光学系１の焦点位置からのずれを表す誤差信号を
光検出器１４ａに発生させる。その往復移動の振幅と中
心位置の変動ををモニタ光学系３０で検出し、その変動
を打ち消すようにアクチュエータ８に帰還制御を加え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像計測装置の自動焦
点合わせ機構に組み込まれる共焦点型焦点位置検出装置
に関するものである。また試料面の表面形状、段差等を
測定する共焦点型焦点位置検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、共焦点型焦点位置検出装置は、例
えば、特開平３−８７８０４号公報に示されるようなス
キャニング共焦点顕微鏡などに組み込まれている。その
構成は、光ファイバーに光を入射させる入射光学系と、
光ファイバー端面から出射する光を試料面上に集光させ
ると同時に試料面上からの反射光を前記光ファイバー端
面に集光させることにより、光ファイバーから出射した
光を再度光ファイバーに戻す共焦点型光学系と、その戻
り光の一部または全部を前記光ファイバーから取り出す
分岐光学系と、その取り出された光を光検出器で電気信
号に変換し信号処理する電気系とから成り、分岐光学系
から取り出される光量に基づいて、共焦点型光学系の焦
点位置に対する試料面のずれを検出している。このよう
な共焦点型焦点位置検出装置、または光ファイバーを使
用しないタイプの共焦点型焦点位置検出装置において
も、試料面が共焦点光学系の焦点位置に対して、共焦点
光学系から離れる方向にあるのか、近づく方向にあるの
かを判断するために、試料か共焦点光学系に含まれる対
物レンズのどちらかを光軸方向へ沿って往復移動させ、
焦点位置からのずれを表す誤差信号を発生させる必要が
ある。従来は、共焦点光学系に含まれる対物レンズを微
小な振幅で往復移動させる方式が多かった。

【０００３】しかしながら、試料あるいは共焦点光学系
に含まれる対物レンズの慣性力のために振動周波数を上
げることが困難で、したがって焦点位置検出の応答速度
を上げることが困難であった。

【０００４】この課題を解決するために本出願人は、特
願平３−３１４４８７号の願書に添付した明細書及び図
面に示す共焦点型焦点位置検出装置を提案した。同装置
は、光ファイバーに光を入射させる入射光学系と、光フ
ァイバー端面から出射する光を試料面上に集光させると
同時に試料面上からの反射光を前記光ファイバー端面に
集光させ、光ファイバーに戻す共焦点型光学系と、その
戻り光の一部または全部を前記光ファイバーから取り出
す分岐光学系と、その取り出された光を光検出器で電気
信号に変換し信号処理する電気系を有し、分岐光学系か
ら取り出される光量に基づいて、共焦点型光学系の焦点
位置に対する試料面のずれを検出する共焦点型焦点位置
検出装置であって、共焦点型光学系に面する光ファイバ
ー端面が、光軸方向に往復移動させられる積層圧電等の
アクチュエータ手段を備えている。

【０００５】上記共焦点型焦点位置検出装置において
は、光ファイバーの振動させられる部分の質量は極めて
小さく、アクチュエータにかかる負荷を非常に小さくで
きるので、光ファイバー端面を高速で往復移動、つまり
高周波振動させることが容易にできる。これにより、共
焦点光学系の焦点位置に対する試料面のずれを表す高周
波誤差信号を発生できるので、焦点位置検出の応答速度
を速くできる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、装置起
動時からアクチュエータが熱的に安定するまで、往復移
動の振幅と往復移動の中心位置は大幅に変化する。した
がって、測定可能になるまでの待ち時間が長かった。ま
た、熱的に安定してからも、室温、湿度等の変化によ
り、往復移動の振幅と往復移動の中心位置は微小に変化
する。このことが測定精度の上限を決める要因の一つで
あった。

【０００７】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、その目的とするところは測定可
能になるまでの待ち時間が短い、また測定精度の高い共
焦点型焦点位置検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の共焦点型焦点位置検出装置は、光ファイバ
ーに光を入射させる入射光学系と、前記光ファイバー端
面から出射する光を試料面上に集光させると同時にその
試料面上からの反射光を前記光ファイバー端面に集光さ
せる共焦点型光学系と、前記光ファイバー端面または前
記共焦点型光学系内の一部の光学素子のいずれかを光軸
方向に移動させるアクチュエータと、前記共焦点型光学
系から前記光ファイバー端面に集光させられた光の一部
または全部を前記光ファイバーから取り出す分岐光学系
と、その分岐光学系から取り出した光を光検出器で電気
信号に変換し信号処理する電気系とを有し、前記分岐光
学系から取り出される光量に基づいて前記共焦点型光学
系の焦点位置に対する前記試料面のずれを検出する共焦
点型焦点位置検出装置であって、前記光ファイバー端面
または前記共焦点型光学系内の一部の光学素子が光軸方
向に移動されるのに応じて発散収束角が変化させられる
光の一部を検出するモニタ光学系を備えている。

【０００９】

【作用】上記の構成を有する本発明の共焦点型焦点位置
検出装置においては、モニタ光学系により、前記光ファ
イバー端面または共焦点型光学系の一部の光学素子のい
ずれかの往復移動の振幅と往復移動の中心位置が常にモ
ニタされるので、それらの値を一定にするようにアクチ
ュエータを駆動することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１１】図１は、本発明の共焦点型焦点位置検出装
置を備え、自動的に焦点合わせが行われる画像処理装置
を示す構成図である。

【００１２】共焦点型焦点位置検出装置は、半導体レー
ザや発光ダイオードなどの光源１３と集光レンズ１２を
含み光を光ファイバー９に入射させる入射光学系１１
と、２本の光ファイバー間の漏れ光の部分結合を利用し
て光を分岐し、同時に試料２の表面からの反射光の一部
を光検出器１４ａに導く分岐光学系１０と、一方が入射
光学系１１に固定され、途中分岐光学系１０に接続さ
れ、もう一方が機枠１６に固定され、余長部７を介して
光ファイバー端面６がアクチュエータ８に固定されてい
る光ファイバー９と、光ファイバー端面６から出射され
る発散光を平行光にする集光レンズ５と、半透鏡（ハー
フミラー）４と、光を試料２の表面に集光する対物レン
ズ３とからなり、同時に反射光を再び光ファイバー端面
６に集光し光ファイバー９に戻す共焦点光学系１と、戻
された反射光のうち分岐光学系１０で一部取り出された
光を電気信号に変換する光検出器１４ａと、その電気信
号の信号処理回路１４ｂを含む電気系１４と、半透鏡４
を通過した光を集光する集光レンズ３１と、集光レンズ
３１の集光点に置かれたピンホール３２と、ピンホール
３２を通過した光を電気信号に変換する光検出器３３
と、その電気信号を処理するモニタ光学系信号処理回路
３４とからなるモニタ光学系３０と、光ファイバー端面
６を矢印で示す光軸方向へ往復移動、つまり振動させる
アクチュエータ８と、アクチュエータ８を駆動すると同
時に駆動信号の一部を参照信号１５ａ及び１５ｂとして
信号処理回路１４ｂとモニタ光学系信号処理回路３４に
送るアクチュエータ駆動回路２５とから構成されてい
る。また、アクチュエータ８には、積層圧電アクチュエ
ータなどが好適に使用される。

【００１３】一方、画像処理装置は、照明光学系と撮影
光学系と画像データ処理系を含む画像処理部２８と、共
焦点型焦点位置検出装置と画像処理装置との光軸を結合
する半透鏡４と、試料２を載せ、電気系１４から焦点ず
れ信号１９を受けて、その信号を打ち消すように図１の
矢印Ｚで示す光軸方向へ試料２を上下させるＺ方向移動
台２７と、その駆動回路２６とから構成されている。
尚、対物レンズ３は照明光学系と撮影光学系の一部でも
ある。また、画像処理部２８と共焦点光学系１が支持さ
れている機枠１６は、図示されない支持台に固定されて
いる。

【００１４】次に、共焦点型焦点位置検出装置による自
動焦点合わせの動作を図１乃至図５を参照して説明す
る。

【００１５】入射光学系１１により光ファイバー９に入
射された光は、分岐光学系１０でその一部が失われた
後、光ファイバー端面６から出射され、共焦点光学系１
によって、試料２の表面に集光される。図１の実線で示
した状態は、試料２の表面が対物レンズ１３の焦点位置
にある場合であり、この時反射された光は共焦点光学系
１を通って、光ファイバー端面６に最も効率良く戻さ
れ、分岐光学系１０で分岐されて、電気系１４の光検出
器１４ａで検出される。しかし、試料２の表面が対物レ
ンズ１３の焦点位置にない場合には、光ファイバー端面
６に集光される光のスポット径が大きくなるので、光フ
ァイバー９に戻される光量が減少する。このため、焦点
位置からのずれに対する光検出器１４ａの出力は図２に
示したような正規関数状の挙動を示す。

【００１６】ところで、ここで光ファイバー端面６が共
焦点光学系１側に近づくと、対物レンズ３で集光される
集光点の位置が、図１に破線で示したように、試料２の
内部にでき、逆に光ファイバー端面６が共焦点光学系１
から離れると、集光点は試料２の外部にできる。それぞ
れの場合、反射光が最も光ファイバー９に戻されるの
は、試料２の表面が集光点に来た場合であるので、試料
２の表面の焦点位置からのずれに対する光検出器１４ａ
の出力の挙動は図３に示したようになる。

【００１７】そこで、光ファイバー端面６を、図４
（ａ）のように、周波数ｆ₀で往復移動、つまり振動さ
せると、試料２の表面が焦点位置にある場合には、図４
の（ｂ）のように２倍の周波数ｆ₀×２の信号が光検出
器１４ａより得られる。試料２の表面が焦点位置より
上、例えば図３のＡで示す位置にある場合には、図４
（ｃ）のように周波数ｆ₀の同位相の信号が光検出器１
４ａより得られる。試料２の表面が焦点位置より下、例
えば図３のＢで示す位置にある場合には、図４（ｄ）の
ように周波数ｆ₀の逆位相の信号が光検出器１４ａより
得られる。そこで、図４（ａ）のように得られた信号
と、図４（ｂ）乃至（ｄ）のように得られた信号との電
気的な積をとって、その結果が０のときは焦点位置にあ
り、正のときは焦点位置より上にずれている、負ときは
の焦点位置より下にずれていると判定されるわけであ
る。

【００１８】前記の信号処理は一般に位相弁別検波法と
呼ばれる。その方式の信号処理回路を含む電気系１４と
アクチュエータ駆動回路２５の主要部分を図５に示す。
アクチュエータ駆動回路２５内の周波数ｆ₀の発信器２
５ａの信号は、ゲイン調整付き増幅器２５ｃ及び引算器
２５ｄを通されてから、増幅器２５ｂで増幅され図１の
アクチュエータ８を駆動するが、信号の一部は参照信号
１５ａとして電気系１４内の信号処理回路１４ｂ内の位
相弁別検波部に送られる。一方、光検出器１４ａの信号
は、周波数ｆ₀の同調増幅器で増幅され、周波数ｆ₀の帯
域濾波器を通され、位相弁別検波部に入力される。ここ
で前記の発信器２５ａからの参照信号１５ａとの電気的
なかけ算が行われた後、低域濾波器を通されて、前記の
０、正、負の焦点ずれ信号１９が生成される。この焦点
ずれ信号１９は、移動台駆動回路２６に送られ、Ｚ方向
移動台２７はこの焦点ずれ信号１９が０になる方向に動
かされ、０になったときに画像処理部２８が画像データ
を取得するわけである。

【００１９】次に、モニタ光学系３０とアクチュエータ
駆動回路２５による光ファイバー端面６の往復移動、つ
まり振動の振幅と振動の中心位置に対する帰還制御動作
を図４及び図５を参照して説明する。

【００２０】まず、振動の中心位置に対する帰還制御動
作から説明する。

【００２１】モニタ光学系３０内の集光レンズ３１とピ
ンホール３２は、光ファイバー端面６が集光レンズ５の
焦点位置にあるときに、半透鏡４を通過した光が最も多
くピンホール３２の穴を通過するように調整されてい
る。この状態は前述の説明で試料２の表面が対物レンズ
１３の焦点位置にある場合に相当し、光検出器３３から
出力される電気信号は図４（ｂ）と同様になる。一方、
光ファイバー端面６の振動中心位置が集光レンズ５の焦
点位置からずれると、図４（ｃ）や（ｄ）と同様の信号
成分が加わってくる。よって、上記の自動焦点合わせと
同じ信号処理によって振動の中心位置が前に出すぎてい
るのか、後ろの引っ込みすぎているのかが判定される。
したがって、図５の電気系１４内の信号処理回路１４ｂ
と同じ信号処理回路構成によって、光ファイバー端面６
の振動の中心位置が集光レンズ５の焦点位置にくるよう
に帰還制御を加えることが出来るのである。

【００２２】この帰還制御がかかっている状態では、周
波数２×ｆ₀の信号の振幅は光ファイバー端面６の振動
の振幅に比例する。そこで、モニター光学系信号処理回
路３４内の２×ｆ₀同調増幅器、図示されない２×ｆ₀帯
域濾波器、振幅検出器を通して周波数２×ｆ₀の信号の
振幅を検出し、その振幅検出信号３５をアクチュエータ
駆動回路２５内のゲイン調整付き増幅器２５ｃに加え、
振幅検出信号３５が一定になるように帰還制御を加える
のである。このようにして光ファイバー端面６の振動の
振幅が一定になるように帰還制御を加えるのである。

【００２３】次に、この動作を数式を使って説明する。
説明を簡単にするために、図２の正規関数状の光検出器
１４ａの信号を次に示す数１の余弦関数Ｓ０のように表
すことができるものとする。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、光ファイバー端面６を周波数ｆ₀
の正弦関数で往復移動、つまり振動させると、次に示す
数２で表される電気信号Ｓ１が光検出器１４ａより発生
する。

【００２６】

【数２】

【００２７】この信号Ｓ１が同調増幅器で周波数ｆ₀付
近の周波数が強調されて増幅され、周波数ｆ₀の帯域濾
波器を通されると、上記した数２で表されるＳ１のＤＣ
成分、周波数２×ｆ₀及びの周波数３×ｆ₀以上の高調波
成分が除去されて、周波数ｆ₀の成分だけが通される。
この信号は、参照信号１５ａとの積がとられ、次に示す
数３に表されるような電気信号Ｓ２とさる。

【００２８】

【数３】

【００２９】次に低域濾波器を通されて変動成分が除去
されて、次に示す数４で表される電気信号Ｓ３となる。

【００３０】

【数４】

【００３１】上記した数４から、アクチュエータ８の振
動の中心位置が集光レンズ５の焦点位置（ｂ（ｔ）＝
０）にあり、かつ試料２の表面が焦点位置（Ｚ＝０）に
ある場合、信号Ｓ３も０になることが分かる。また、ア
クチュエータ８の振動の振幅も時間的に変化しない時、
つまり、ａ（ｔ）＝一定及びｂ（ｔ）＝０で、正弦関数
が一次関数で近似される領域では、次に示す数５に示す
ように、電気信号Ｓ４は、ずれの量に比例するので、電
気信号Ｓ４から直接ずれの量を読み取ることも可能であ
る。

【００３２】

【数５】

【００３３】いずれにしろ、正確な測定を行うには、ｂ
（ｔ）＝０であることが前提条件である。また、電気信
号Ｓ４から直接ずれの量を正確に測定するには、さらに
ａ（ｔ）＝一定であることが、前記前提条件に追加され
る。

【００３４】一方、モニタ光学系３０はＺ＝０に相当す
る光学配置なので、信号処理回路１４ｂと同じ回路によ
って、次に示す数６に示すように上記した数４でＺ＝０
としたときの電気信号Ｓ５が得られる。

【００３５】

【数６】

【００３６】図５に示すように、この信号３６（Ｓ５）
がアクチュエータ駆動回路２５内の引算器２５ｄに送ら
れ、帰還制御系が構成され、ｂ（ｔ）＝０になるように
帰還制御が行われる。このとき、ａ（ｔ）は０でない正
符号の成分なので、ａ（ｔ）が時間的に変動しても、こ
の帰還制御が正常に働くことは、上記した数６より明ら
かである。

【００３７】同様に、上記した数２においてＺ＝０を代
入し、モニタ光学系信号処理回路３４内の２×ｆ₀同調
増幅器、図示されない２×ｆ₀帯域濾波器、振幅検出器
を通して周波数２×ｆ₀の信号の振幅だけを取り出す
と、次に示す数７に表される電気信号Ｓ６が得られる。

【００３８】

【数７】

【００３９】図５に示すように、この信号３５（Ｓ６）
が、アクチュエータ駆動回路２５内のゲイン調整付き増
幅器２５ｃに送られ、帰還制御系が構成され、ａ（ｔ）
＝一定の帰還制御が行われる。このとき、ｂ（ｔ）は前
述したように帰還制御でほとんど０にされているので、
ａ（ｔ）とｂ（ｔ）の各成分が干渉することなく、ａ
（ｔ）＝一定の帰還制御が正常に働くことは、上記した
数７より明らかである。

【００４０】以上のようにして、ａ（ｔ）＝一定及びｂ
（ｔ）＝０の前提条件が満たされ、正確な測定が保証さ
れるのである。

【００４１】次に、本発明の他の実施例を説明する。な
お、以下の実施例においては前述実施例に共通する部分
には同一の符号を付けて説明を省略する。

【００４２】図６は、試料面２の表面形状、段差等を測
定する目的で、図１の共焦点型焦点位置検出装置のＺ方
向移動台２７ａにＸとＹ方向移動台２７ｂ，２７ｃを追
加した構成である。

【００４３】この場合、試料２はＸとＹ方向移動台２７
ｂ及び２７ｃによってラスタースキャン式に走査され
る。走査中に試料表面の凹凸によって焦点ずれが生じる
と、それを打ち消すようにＺ方向移動台２７ａは焦点ず
れ信号１９ａによって駆動されるので、その信号１９ａ
とＸ，Ｙ方向移動台２７ｂ及び２７ｃの駆動信号１９ｂ
及び１９ｃとを同時にサンプリングして、試料２の表面
のＺ方向の凹凸を測定する方式である。また、試料２の
表面が高度の研磨面で、凹凸が非常に小さい場合には、
前述したように、電気系１４から出るずれの信号は凹凸
の量に比例するので、移動台駆動回路２６ａに焦点ずれ
信号１９ａを加えず、Ｚ方向移動台２７ａは固定し、Ｘ
とＹ方向移動台２７ｂ及び２７ｃでラスタースキャン式
に走査しながら各位置で焦点ずれの信号１９ａをサンプ
リングして、試料２の表面のＺ方向の凹凸が測定され
る。

【００４４】本発明は以上詳述した実施例に限定される
ものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々
の変更を加えることができる。

【００４５】例えば、図１では、２本並べられた光ファ
イバーの戻り光の部分結合による分岐光学系を用いてい
るが、図７に示すように２個の偏光ビームスプリッター
２０及び２１と偏波面を４５度回転させるファラデーロ
ーテータ２２を組み合わせた分岐光学系を用いることも
可能である。この分岐光学系は光アイソレータの機能も
兼ねるので、光源１３として半導体レーザを使用する場
合には、戻り光による半導体レーザの不安定性を回避で
き、適している。

【００４６】また、図１の共焦点光学系は、平行光が入
射するとき無収差で光が集光されるように設計された無
限遠補正対物レンズを用いているが、そうでない有限遠
補正対物レンズを用いても共焦点光学系は構成できる。

【００４７】また、図１では焦点合わせをするのに試料
２を直接光軸方向へ移動させているが、試料２は固定し
て、機枠１６を光軸方向へ移動させても良い。

【００４８】また、図１のアクチュエータ８は積層圧電
の他にムービングマグネット、ムービングコイル、磁歪
素子等でも良い。

【００４９】また、図８に示したように、光ファイバー
を使わない共焦点光学系も構成できる。この図の構成の
場合、ピンホール３２が図１の構成の光ファイバー９の
入り口の役目をする。

【００５０】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実
施することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明によれば、光ファイバー端面、あるいは集光レンズ
の往復移動の振幅と往復移動の中心位置が常にモニター
されるので、それらの値を一定にするようにアクチュエ
ータ駆動回路に期間制御を加えることができる。したが
って、共焦点型焦点位置検出装置を立ち上げてから測定
可能になるまでの待ち時間を短くでき、また測定精度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の共焦点型焦点位置検出装置を備えた画
像処理装置を示す構成図である。

【図２】光ファイバー端面が静止しているときの試料の
位置による光検出器の出力を示す図である。

【図３】光ファイバー端面が移動したときの試料の位置
による光検出器の出力を示す図である。

【図４】位相弁別検波法による焦点位置ずれの検出方法
を説明する図である。

【図５】位相弁別検波法による焦点位置ずれの検出方法
を説明する回路構成図である。

【図６】本発明の別の実施例を説明する構成図である。

【図７】本発明の分岐光学系の別の実施例を示す構成図
である。

【図８】本発明の他の実施例を説明する構成図である。

【符号の説明】

１ 共焦点光学系 ２ 試料 ６ 光ファイバー端面 ８ アクチュエータ手段 １０ 分岐光学系 １１ 入射光学系 １４ 電気系 ３０ モニタ光学系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバーに光を入射させる入射光学
   系と、 前記光ファイバー端面から出射する光を試料面上に集光
   させると同時にその試料面上からの反射光を前記光ファ
   イバー端面に集光させる共焦点型光学系と、 前記光ファイバー端面または前記共焦点型光学系内の一
   部の光学素子のいずれかを光軸方向に移動させるアクチ
   ュエータと、 前記共焦点型光学系から前記光ファイバー端面に集光さ
   せられた光の一部または全部を前記光ファイバーから取
   り出す分岐光学系と、 その分岐光学系から取り出した光を光検出器で電気信号
   に変換し信号処理する電気系とを有し、 前記分岐光学系から取り出される光量に基づいて前記共
   焦点型光学系の焦点位置に対する前記試料面のずれを検
   出する共焦点型焦点位置検出装置において、 前記光ファイバー端面または前記共焦点型光学系内の一
   部の光学素子が光軸方向に移動されるのに応じて発散収
   束角が変化させられる光の一部を検出するモニタ光学系
   を備えたことを特徴とする共焦点型焦点位置検出装置。