JPH09145311A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定面の反射率に影響されることなく、焦点検
出を安定に行なえる焦点検出装置を提供する。 【解決手段】光射出手段１０２の前方には可変ＮＤフィ
ルター１０４が配置されており、これを回転させるフィ
ルター駆動モーター１３６を制御する制御処理系１３４
は、受光センサー１３０への入射光量が所定値より大き
いときは可変ＮＤフィルター１０４を透過率の低い方へ
回転させ、反対に所定値より小さいときは可変ＮＤフィ
ルター１０４を透過率の高い方へ回転させる。この所定
値は、受光素子１２２と１２６の出力のピークがサチレ
ーションを起こさない範囲で大きくなるように選ばれ
る。この制御によりビームスプリッター１１６を通過す
る光の量は常に一定となり、受光素子１２０と１２６の
出力のピークは測定面１１４の反射率に影響されること
なく一定になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ基板や液晶基
板等の観察物に焦点合わせをする焦点検出機構に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平４−２５７１１号は焦点検出機構
の一例を開示している。その構成を図３に示す。半導体
レーザー３０２から射出されたレーザー光は、偏光ビー
ムスプリッター３０４で反射され、１／４波長板３０６
を通過し、結像レンズ３０８により平行光にされ、対物
レンズ３１０により測定面３１２に集光される。測定面
３１２で反射された光は、対物レンズ３１０に入射し、
結像レンズ３０８により集束光にされ、１／４波長板３
０６を通過し、偏光ビームスプリッター３０４に戻る。
この光は、１／４波長板３０６を二回通過したことによ
り、最初に対して偏光面が９０°回転しているため、今
度は偏光ビームスプリッター３０４で反射されずに通過
する。

【０００３】偏光ビームスプリッター３０４を通過した
光は、偏光ビームスプリッター３１４により均等に二分
される。すなわち、偏光ビームスプリッター３１４は、
偏光ビームスプリッター３０４からの光を５０％透過
し、５０％反射する。偏光ビームスプリッター３１４を
通過した光の焦点３１６の手前に絞り３１８が配置さ
れ、絞り３１８の後ろには受光素子３２０が配置されて
いる。また、偏光ビームスプリッター３１４で反射され
た光の焦点３２２の後方に絞り３２４が配置され、絞り
３２４の後ろには受光素子３２６が配置されている。

【０００４】受光素子３２０と受光素子３２６は共に入
射した光の強度に応じた信号を出力する。図４（Ａ）に
示すように、受光素子３２０の出力信号Ａと受光素子３
２６の出力信号Ｂは、測定面３１２が集光点に位置して
いるときに両者は等しく、測定面３１２が集光点から光
軸方向にずれると一方は増加し他方は減少する。信号処
理系３２８は、受光素子３２０と３２６の出力信号Ａと
Ｂに対して、（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算を行ない、
その演算結果を出力する。演算結果は、図４（Ｂ）に示
すように、測定面３１２の光軸方向の変位に対応して変
化するＳ字曲線となる。この演算結果に基づいて、対物
レンズ３１０を光軸方向に移動させることで、焦点が測
定面３１２に合わせられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】例えば、液晶基板の観
察では、Ｃｒ膜やＩＴＯ膜など、反射率が大きく異なる
物質の表面に対して焦点検出を行なうことになる。前述
の焦点検出機構では、測定面の反射率の変化に応じて、
受光素子３２０と３２６の出力ＡとＢが変化し、従って
信号処理系３２８の出力も変化してしまう。すなわち、
図４（Ｃ）において、低反射率の測定面に対する受光素
子３２０と３２６の出力ＡとＢおよび信号処理系３２８
の出力Ｃ（＝（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ））を実線で示すよ
うに、曲線のピーク値が小さくなる。なお、図４（Ｃ）
には、比較のために、高反射率の測定面に対する各出力
を破線で示してある。

【０００６】このように、低反射率の測定面に対して
は、信号処理系３２８の出力が小さくなり、その曲線の
傾きが小さくなるため、焦点検出の精度が低下すると共
に合焦動作も遅くなってしまう。

【０００７】これに対処するには、受光素子３２０と３
２６のゲインを増幅すればよいが、この場合には、図４
（Ｄ）に示すように、高反射率の測定面に対して、受光
素子３２０と３２６の出力ＡとＢがサチレーションを起
こしてしまうため、信号処理系３２８の出力Ｃ（＝（Ｂ
−Ａ）／（Ｂ＋Ａ））は合焦点の前後で０となってしま
い、その範囲では焦点検出ができなくなってしまう。本
発明の目的は、測定面の反射率に影響されることなく、
焦点検出を安定に行なえる焦点検出装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点検出装
置は、検出光を射出する光射出手段と、光射出手段から
の検出光を測定面に集光すると共にその反射光を取り込
み集束光として出力する対物光学系と、対物光学系から
の集束光を第一と第二の光束に分離する分離光学手段
（例えばビームスプリッター）と、第一の光束の焦点の
手前に配置された第一の絞りと、第一の絞りの後ろに配
置された第一の受光素子と、第二の光束の焦点の後方に
配置された第二の絞りと、第二の絞りの後ろに配置され
た第二の受光素子と、二つの受光素子の出力に基づいて
検出光の焦点と測定面の位置のずれに対応した変位信号
を得る信号処理手段とを備えている焦点検出装置におい
て、測定面の反射率を検知する検知手段と、検知手段か
らの情報に基づいて対物光学系に入射する検出光の光量
を調節する調整手段とを備えていることを特徴とする。

【０００９】更に具体的には、上記の構成において、検
出手段は、対物光学系からの集束光から一部の光を分離
する分離光学素子（例えばビームスプリッター）と、分
離光学素子で分離された一部の光を受け、受光した光の
量に対応した出力を示す受光センサーとを有し、調整手
段は、透過率が徐々に変化する可変ＮＤフィルターと、
可変ＮＤフィルターを駆動させるフィルター駆動手段
と、受光センサーの出力に基づいてフィルター駆動手段
を制御する制御手段とを有している。

【００１０】あるいは、上記の構成において、検出手段
は、照明光源からの照明光による測定面からの反射光を
受け、受光した光の量に対応した出力を示す光学要素
（このような光学要素としては例えば撮像カメラを利用
できる）を有し、調整手段は、透過率が徐々に変化する
可変ＮＤフィルターと、可変ＮＤフィルターを駆動させ
るフィルター駆動手段と、光学要素の出力に基づいてフ
ィルター駆動手段を制御する制御手段とを有している。

【００１１】

【発明の実施の形態】

＜第一の実施の形態＞第一の実施の形態の焦点検出装置
について図１を用いて説明する。半導体レーザー等の光
射出手段１０２から射出されたレーザービームは、可変
ＮＤフィルター１０４を通過し、偏光ビームスプリッタ
ー１０６で反射され、１／４波長板１０８を通過し、結
像レンズ１１０により平行光にされ、対物レンズ１１２
により測定面１１４に集光される。測定面１１４で反射
された光は、対物レンズ１１２に入射し、結像レンズ１
１０により集束光にされ、１／４波長板１０８を通過
し、偏光ビームスプリッター１０６に戻る。この光は、
１／４波長板１０８を二回通過したことにより、最初に
対して偏光面が９０°回転しているため、今度は偏光ビ
ームスプリッター１０６で反射されずにこれを通過す
る。

【００１２】偏光ビームスプリッター１０６を通過した
光はビームスプリッター１１６に入射し、ビームスプリ
ッター１１６は一部を反射し、残りを透過する。ビーム
スプリッター１１６で透過された光は、ビームスプリッ
ター１１８により均等に二分される。すなわち、ビーム
スプリッター１１８は、入射した光の５０％を透過し、
５０％を反射する。ビームスプリッター１１８からの透
過光の焦点Ｓの手前に絞り１２０が配置され、絞り１２
０の後ろに受光素子１２２が配置されている。また、ビ
ームスプリッター１１８からの透過光の焦点Ｐの手前に
絞り１２４が配置され、絞り１２４の後ろに受光素子１
２６が配置されている。

【００１３】受光素子１２２と受光素子１２６は共に入
射した光の強度に応じた信号を第一信号処理系１２８に
出力する。第一信号処理系１２８は、受光素子１２０の
出力信号Ａと受光素子１２６の出力信号Ｂに対して、
（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算を行ない、その演算結果
を出力する。

【００１４】一方、ビームスプリッター１１６で反射さ
れた光は受光センサー１３０に入射する。受光センサー
１３０は、受光した光量に比例した電気信号を第二信号
処理系１３２に出力する。第二信号処理系１３２は受光
センサー１３０への入射光量を示す信号を制御処理系１
３４に出力し、制御処理系１３４はフィルター駆動モー
ター１３６に駆動信号を出力する。

【００１５】制御処理系１３４は、第二信号処理系１３
２からの信号に基づいて受光センサー１３０への入射光
量を判定し、これが所定値より大きいときは可変ＮＤフ
ィルター１０４を透過率の低い方へ回転させ、反対に所
定値より小さいときは可変ＮＤフィルター１０４を透過
率の高い方へ回転させる駆動信号をフィルター駆動モー
ター１３６に出力する。この制御により受光センサー１
３０への入射光量が一定に保たれる。従って、ビームス
プリッター１１６を通過する光量が一定に保たれ、受光
素子１２０と１２６の出力のピークは測定面１１４の反
射率に依らず一定になる。

【００１６】受光センサー１３０への入射光量を判定す
る際の前述の所定値は、受光素子１２２と１２６の出力
のピークがサチレーションを起こさない範囲で大きくな
るように選ばれる。この結果、受光素子１２２と１２６
の出力は常にピーク値が高い良好なものとなり、第一信
号処理系１２８で得られる変位信号は、測定面１１４の
反射率に影響されることなく、ピークが高く、傾きの大
きい良好なものとなる。従って、測定面１１４の反射率
の変化によって、焦点検出の精度が低下したり、合焦動
作が遅くなることはない。

【００１７】＜第二の実施の形態＞次に、第二の実施の
形態の焦点検出装置について図２を用いて説明する。半
導体レーザー等の光射出手段２０２から射出されたレー
ザービームは、可変ＮＤフィルター２０４を通過し、偏
光ビームスプリッター２０６で反射され、１／４波長板
２０８を通過し、結像レンズ２１０により平行光にさ
れ、ダイクロイックミラー２１２で反射され、ハーフミ
ラー２１４を通過し、対物レンズ２１６により測定面２
１８に集光される。測定面２１８で反射された光は、対
物レンズ２１６に入射し、ハーフミラー２１４を通過
し、ダイクロイックミラー２１２で反射され、結像レン
ズ２１０と１／４波長板２０８を通過して、偏光ビーム
スプリッター２０６に戻る。この光は、１／４波長板２
０８を二回通過したことにより、最初に対して偏光面が
９０°回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ
ー２０６で反射されずにこれを通過する。

【００１８】偏光ビームスプリッター２０６を通過した
光は、ビームスプリッター２２０によって均等に二分さ
れる。すなわち、ビームスプリッター２２０は、入射し
た光の５０％を透過し、５０％を反射する。ビームスプ
リッター２２０からの透過光の焦点Ｓの手前に絞り２２
２が配置され、絞り２２２の後ろに受光素子２２４が配
置されている。また、ビームスプリッター２２０からの
透過光の焦点Ｐの手前に絞り２２６が配置され、絞り２
２６の後ろに受光素子２２８が配置されている。

【００１９】受光素子２２４と受光素子２２８は共に入
射した光の強度に応じた信号を第一信号処理系２３０に
出力する。第一信号処理系２３０は、受光素子２２４の
出力信号Ａと受光素子２２８の出力信号Ｂに対して、
（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算を行ない、その演算結果
を出力する。

【００２０】照明光源２３２から射出された光は、照明
結像レンズ２３４により平行光にされ、ハーフミラー２
１４で反射され、対物レンズ２１６により測定面２１８
に照射される。測定面２１８からの反射光は、対物レン
ズ２１６に入射し、ハーフミラー２１４とダイクロイッ
クミラー２１２を通過し、結像レンズ２３６により集束
光にされ、撮像カメラ２３８に入射する。撮像カメラ２
３８は入射光量に応じた電気信号を第二信号処理系２４
０に出力する。第二信号処理系２４０は撮像カメラ２３
８への入射光量を示す信号を制御処理系２４２に出力
し、制御処理系２４２はフィルター駆動モーター２４４
に駆動信号を出力する。

【００２１】制御処理系２４２は、第二信号処理系２４
０からの信号に基づいて撮像カメラ２３８への入射光量
を判定し、これが所定値より大きいときは可変ＮＤフィ
ルター２０４を透過率の低い方へ回転させ、反対に所定
値より小さいときは可変ＮＤフィルター２０４を透過率
の高い方へ回転させる駆動信号をフィルター駆動モータ
ー２４４に出力する。この制御により偏光ビームスプリ
ッター２２０に戻るレーザー光の光量が一定に保たれ
る。従って、受光素子２２４と２２８の出力のピークは
測定面２１８の反射率に依らず一定になる。

【００２２】撮像カメラ２３８への入射光量を判定する
際の前述の所定値は、受光素子２２４と２２８の出力の
ピークがサチレーションを起こさない範囲で大きくなる
ように選ばれる。この結果、受光素子２２４と２２８の
出力は常にピーク値が高い良好なものとなり、第一信号
処理系２３０で得られる変位信号は、測定面２１８の反
射率に影響されることなく、ピークが高く、傾きの大き
い良好なものとなる。従って、測定面２１８の反射率の
変化によって、焦点検出の精度が低下したり、合焦動作
が遅くなることはない。さらに、本実施形態では、撮像
カメラ２３０で得られる観察像の調光機能と兼用してい
るので第一の実施の形態よりコストが低くなるという利
点がある。

【００２３】

【発明の効果】本発明の焦点検出装置によれば、測定面
の反射率に影響されることなく、焦点検出を安定に行な
える。言い換えれば、測定面の反射率の変化によって、
焦点検出の精度が低下したり、合焦動作が遅くなるとい
ったことがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態の焦点検出装置の構成を示す
図である。

【図２】第二の実施の形態の焦点検出装置の構成を示す
図である。

【図３】従来例の焦点検出装置の構成を示す図である。

【図４】図３の装置で得られる信号を示す図である。

【符号の説明】

１０２…光射出手段、１０４…可変ＮＤフィルター、１
０６…偏光ビームスプリッター、１０８…１／４波長
板、１１０…結像レンズ、１１２…対物レンズ、１１６
…ビームスプリッター、１１８…ビームスプリッター、
１２０、１２４…絞り、１２２、１２６…受光素子、１
２８…第一信号処理系、１３０…受光センサー、１３４
…制御処理系、１３６…フィルター駆動モーター。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出光を射出する光射出手段と、光射出手
   段からの検出光を測定面に集光すると共にその反射光を
   取り込み集束光として出力する対物光学系と、対物光学
   系からの集束光を第一と第二の光束に分離する分離光学
   手段と、第一の光束の焦点の手前に配置された第一の絞
   りと、第一の絞りの後ろに配置された第一の受光素子
   と、第二の光束の焦点の後方に配置された第二の絞り
   と、第二の絞りの後ろに配置された第二の受光素子と、
   二つの受光素子の出力に基づいて検出光の焦点と測定面
   の位置のずれに対応した変位信号を得る信号処理手段と
   を備えている焦点検出装置において、 測定面の反射率を検知する検知手段と、検知手段からの
   情報に基づいて対物光学系に入射する検出光の光量を調
   節する調整手段とを備えていることを特徴とする焦点検
   出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 検出手段は、対物光学系からの集束光から一部の光を分
   離する分離光学素子と、分離光学素子で分離された一部
   の光を受け、受光した光の量に対応した出力を示す受光
   センサーとを有し、 調整手段は、透過率が徐々に変化する可変ＮＤフィルタ
   ーと、可変ＮＤフィルターを駆動させるフィルター駆動
   手段と、受光センサーの出力に基づいてフィルター駆動
   手段を制御する制御手段とを有していることを特徴とす
   る焦点検出装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 検出手段は、照明光源からの照明光による測定面からの
   反射光を受け、受光した光の量に対応した出力を示す光
   学要素を有し、 調整手段は、透過率が徐々に変化する可変ＮＤフィルタ
   ーと、可変ＮＤフィルターを駆動させるフィルター駆動
   手段と、光学要素の出力に基づいてフィルター駆動手段
   を制御する制御手段とを有していることを特徴とする焦
   点検出装置。