JPH10142489A - 焦点検出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透光性のある物体裏面からの反射光の影響を除
去して物体表面への焦点検出における焦点検出精度を向
上させること。 【解決手段】入射光ビームをレンズ３により集光させて
透光性のある物体４の表面に入射し、透光性のある物体
４からの反射光をレンズ３および５により焦点検出セン
サ７に照射するにあたって、物体４の裏面からの反射光
ビーム径の範囲を除く領域の反射光に基づいて焦点検出
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，物体表面に対する
焦点検出方法およびその装置に関する。より詳細には透
光性のある物体に光を照射し、その反射光から焦点調節
状態を検出するための方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から物体に光を照射しその反射光を
利用して物体表面に焦点を合わせる方法として、ナイフ
エッジ法や非点収差法が提案されている。

【０００３】ナイフエッジ法は、物体表面から戻ってき
た収束光路面にナイフエッジを配置して受光素子上での
光量変化を検出することによって焦点のずれ量を検出す
るものである。

【０００４】非点収差法は、非点収差を発生する光学部
品を利用して物体表面から戻ってきた光束の受光素子上
での形状変化を検出することによって焦点ずれ量を検出
するものである。

【０００５】しかしながら、これらの方法で透光性のあ
る物体に焦点を合わせようとする場合には、反射光の光
束に物体表面からの反射光のみならず、透光性のある物
体の裏面における反射光も含まれることになるので、合
焦点を正確に検出することが困難となるという不都合が
発生する。

【０００６】ナイフエッジ法では、基本的には、図２に
示すように物体４の位置が変化すると物体表面から戻っ
てくる光(実線)に対して２分割受光素子のそれぞれが検
出する光量が変化し、これらを比較することで合焦して
いるかどうか判別することができる。

【０００７】物体４の表面がレンズ３に対してレンズ３
の物体側焦点位置より離れている場合、反射光ビームは
ナイフエッジ６より検出レンズ側で焦点を結びその後ナ
イフエッジ６により光束の一部が遮断されることで、受
光素子ｂが検出する光量が受光素子ａが検出する光量よ
り大きくなる。一方物体４の表面がレンズ３に対してレ
ンズ３の物体側焦点位置より近い場合は、反射光ビーム
はナイフエッジ６より２分割受光素子側に焦点を結ぼう
とするが、ナイフエッジ６により光束の一部が遮断され
ることで受光素子ｂが検出する光量が受光素子ａが検出
する光量より小さくなる。また物体４の表面がレンズ３
に対してレンズ３の物体側焦点位置にある場合、受光素
子ａが検出する光量と受光素子ｂが検出する光量が等し
くなる。

【０００８】しかしながら、物体に透光性がある場合、
物体の裏面からの反射光(破線)が２つの各受光素子のう
ちｂの受光素子へ多くの光が入ってしまうために各受光
素子の光量を誤って比較し合焦点を正確に検出すること
ができないことがあった。

【０００９】また非点収差法では、基本的には、図３に
示すように物体４の位置が変化すると物体表面から戻っ
てくる光(実線)のビーム形状が４分割受光素子の受光面
上で変化し、４分割受光素子のそれぞれが検知する光量
を比較することで合焦しているかどうか判別することが
できる。しかし、透光性のある物体では、物体の裏面か
らの反射光(破線)が４つの各受光素子のうちＣとＤの受
光素子へ多くの光が入ってしまうために各受光素子の光
量を誤って比較し合焦点を正確に検出することができな
いことがあった。

【００１０】この不都合を考慮して、透光性のある物体
の裏面に黒色の塗料などを塗布して裏面における反射の
光量を小さくする方法や透光性のある物体の裏面を粗面
に加工して裏面における反射光を散乱させる方法が提案
されている。

【００１１】しかしながら上記の方法で対処する場合に
は、透光性のある物体の裏面を汚し、または傷つけるこ
とが必須であるから、裏面の反射の量を小さくして検出
精度を高めることができるという効果はあっても実用的
とはいいがたい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記の問題
点に鑑みてなされたものであり、透光性のある物体表面
に合焦点検出器を用いてピント合わせを行う際，破壊的
処理を必要とせずに透光性のある物体の裏面からの有害
な反射光の影響を除去して焦点調節状態の検出精度を高
めることができる焦点検出方法およびその装置を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光を物体表面に集光させ、その反射光を受光素子により
受光して焦点検出を行う方法であって、前記焦点受光部
が捕捉する反射光束のうち光軸近傍の外側から受光した
反射光に基づいて合焦状態を求めることを特徴とする焦
点検出方法が提供される。

【００１４】また、本発明の別の態様によれば、レーザ
光を物体表面に集光させ、その反射光から焦点検出を行
う方法において、焦点検出部が捕捉するべき反射光束の
うち光軸中心付近の成分を除去または減衰し、該減衰し
た反射光束を前記焦点検出部により検出し、前記焦点検
出部の出力に基づいて合焦状態を求めることを特徴とす
る焦点検出方法が提供される。

【００１５】また、本発明の別の態様によれば、レーザ
光放射用のレーザ光源と、レーザ光を物体表面に集光さ
せる照明光学系と、その反射光を受光素子に導く焦点検
出光学系と、前記焦点検出光学系により導かれる反射光
束のうち光軸近傍の外側からの反射光のみを受光するよ
うに受光部が配置された焦点検出部とを備えたことを特
徴とする焦点検出装置が提供される。

【００１６】また、本発明の好ましい態様によれば、前
記焦点検出部は、受光部に１次元または２次元のアレイ
センサを備え、特定のピクセルより検出される反射光に
もとづいて焦点検出を行うものであることを特徴とする
焦点検出装置が提供される。

【００１７】また、本発明の別の態様によれば、レーザ
光放射用のレーザ光源と、レーザ光を物体表面に集光さ
せる照射光学系と、その反射光を導く焦点検出光学系
と、前記焦点検出光学系により導かれる反射光束のうち
光軸中心付近の成分を除去または減衰する手段と、減衰
後の反射光を受光する受光部をそなえた焦点検出部とを
備えたことを特徴とする焦点検出装置が提供される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を添付
図面によって詳細に説明する。

【００１９】図１はこの発明の焦点検出装置の一形態例
を示す概略図である。

【００２０】この焦点検出装置は、レーザ光源１から出
射した光ビームの向きをハーフミラー２により変更し、
レンズ３により集光して透光性のある物体４の表面（光
を入射させる側の面）に照射している。ここで、光ビー
ムの光軸は透光性のある物体の表面に対してほぼ直角に
設定されている。

【００２１】この光ビームは、透光性のある物体４の表
面において反射され、ハーフミラー２を通して検出レン
ズ５によりナイフエッジ６に集光される。ここでナイフ
エッジ６は検出レンズ５の焦点位置に配置されるととも
に、検出レンズ５の光軸上にナイフエッジ６の先端が位
置するように設定されている。

【００２２】ナイフエッジ６により遮断されなかった光
ビームは焦点検出２分割センサ７に入射する。ここで焦
点検出２分割センサ７により検出される反射ビームの光
量は、物体裏面よりの反射を無視すると透光性のある物
体４の表面と、該表面に照射される光ビームの収束点と
の差によって変化する値である。前述の原理により、焦
点検出２分割センサ７の第１受光素子８および第２受光
素子９により検出される値を調べることにより、物体４
の表面がどのくらいどの方向へずれているかを知ること
ができる。

【００２３】しかし、物体４がガラスのように透光性を
有している場合、物体４の裏面からの反射ビームが生じ
る。図１の破線で示すように、物体４の表面に集光して
いる入射光ビームは、物体内部に入り、物体の裏面で反
射を受ける。この反射光ビームは、レンズ３およびレン
ズ５によって集光され、その後、再び広がりながら焦点
検出センサに到達する。このとき、透光性を有する物体
４の裏面からの反射光ビームは、焦点検出センサ上で破
線で示す光路の範囲内すなわち光軸中心近傍の範囲に影
響を与える。これは、物体４の表面からの反射光に対し
て著しい影響を与えることになり、そのままでは正確な
焦点検出を妨げることになる。しかし物体４の表面から
の反射光ビームの照射範囲が上記破線で示す光路の範囲
と重複しない領域すなわち光軸近傍の外側の範囲があれ
ば、この範囲における光成分を採用することにより、物
体裏面からの反射光ビームの影響を除去して正確な焦点
検出を達成することができる。もちろん、焦点検出２分
割センサ７の受光面内に実線で示される物体４の表面か
らの反射光束が含まれているようにしながら焦点検出セ
ンサ上の破線で示す光路の範囲が可能な限り小さくなる
ように焦点検出２分割センサ７の位置を調整することが
望ましい。

【００２４】さらに詳細に説明する。

【００２５】図１において透光性のある物体の裏面から
の反射光ビームは、点Ｐの裏面に対する鏡像点である点
Ｑの位置を媒質が全て空気であるとした時の位置に置き
換えた点Ｑ’に対して式(1)から式(4)が成り立つ。

【００２６】

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】 ここで、Ｓ１はレンズ３から点Ｑ’までの距離、Ｓ１’
はレンズ３から点Ｑ’がレンズ３によって集光される点
Ｒまでの距離、Ｆ１はレンズ３の焦点距離、Ｓ２は点Ｒ
からレンズ５までの距離、Ｓ２’はレンズ５から点Ｒが
レンズ５によって集光される点Ｒ’までの距離、Ｆ２は
レンズ５の焦点距離、Ｔは透光性のある物体の厚み、n
は透光性のある物体の屈折率、Ｌ１はレンズ３とレンズ
５とのレンズ間距離をそれぞれ示している。

【００２７】式(1)から式(4)よりＳ２’を求めると

【数５】 となる。

【００２８】透光性を有する物体裏面からの反射光ビー
ムの影響を受ける範囲のひろがりＤ２は、式(6)のとお
りとなる。

【００２９】

【数６】 ここで、Ｗ’はレンズ５に入射する物体４の裏面からの
反射光ビームのビーム径、Ｌ２はレンズ５から焦点検出
センサまでの距離である。

【００３０】たとえば本発明の主たる対象となるガラス
基板上に薄膜が形成されている液晶基板に対して、透光
性のある物体４の厚さを0.2mm以上とし、焦点距離が1mm
から100mmまでの対物レンズをレンズ３に採用し、開口
径が10mmから50mm、かつ焦点距離が100mmから250mmまで
のリレーレンズをレンズ５に採用し、レンズ３とレンズ
５との間が100mmから500mmまでのレンズ間距離を採用
し、レンズ５と焦点検出２分割センサとの間が100mmか
ら300mmまでのレンズ・センサ間距離を採用した光学顕
微鏡の焦点検出装置として実施する場合において、Ｄ２
の値は10mm以内である。したがってこの範囲であれば焦
点検出センサ７の焦点検出部全体の受光面を大きくする
ことなく物体４の裏面からの反射光の影響を効率よく除
去することができて焦点検出部をコンパクトに構成する
ことができる。

【００３１】反射光の影響を効率よく除去するために焦
点検出センサ７において、図４に示すように式(6)で表
現される光軸中心付近の領域の反射光ビームを除いた反
射光成分を検出できるように、光軸中心付近の領域を避
けて独立した受光部位がある焦点検出センサを採用する
ことにより、物体４の裏面からの反射光ビームの影響を
除去して正確に焦点検出を行うことができる。

【００３２】また焦点検出センサ７において、図５に示
すように式(6)で表現される光軸中心付近の領域の反射
光ビームを遮光するように不透明体で受光部を覆うこと
により、物体４の裏面からの反射光ビームの影響を除去
して正確に焦点検出を行うこともできる。

【００３３】また、焦点検出センサ７に図６に示すよう
にアレイセンサを用いることで、式(6)で表現される光
軸中心付近の領域の反射光ビームを除いた反射光成分を
検出することができる各受光ピクセルからの信号を取り
出すことで、物体４の裏面からの反射光ビームの影響を
除去して正確に焦点検出を行うことができる、もちろ
ん、Ｓ２’とＬ２とが等しくなる条件(D2=0)に設定すれ
ば、透光性のある物体裏面からの反射光ビームが焦点検
出センサに及ぼす影響を最小にすることができ、理想的
である。しかし、対象の透光性のある物体4の厚さに影
響されるので、対象によっては常にD2=0とすることがで
きるとは限らない。代表的な透光性物体であるディスプ
レイパネル用基板としては厚みが0.2mm以上5mm以下の範
囲にあるもの、多くの場合0.4mm以上3mm以下の範囲にあ
るものが好ましく用いられるので、この厚みの範囲うち
のどこかでD2が0となるように設定するのが最も実用的
である。このほかの制約がありその範囲を維持できない
ときでも、第1受光素子8または第2受光素子9の受光部の
幅の30%とするように設定できれば、実用的な範囲で本
発明の効果が得られる。好ましくは10%以下とする。こ
のように構成すると合焦状態の検出に利用できる光の量
が多くとれるので好ましい。

【００３４】また、本発明のように透光性のある物体表
面に焦点を正確に所望の位置に調整することができれ
ば、たとえばガラス基板面の検査する装置やガラス基板
上に形成された薄膜の膜厚を測定する装置の光学系に組
み込むことで、精度よく検査や測定を行うことができ
る。

【００３５】また上記のようなガラス基板上の検査測定
に限らず、光を収束する際の焦点位置を正確にかつ容易
に所望の位置に調整できれば、種々の分野において有用
な技術となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の焦点検出方法によれば、透光性
のある物体表面にレーザ光を集光させ、そのレーザ光の
物体からの反射光束において、たとえば図４に示すよう
に焦点検出部が捕捉する反射光束のうち物体裏面から反
射光成分が含まれている光軸中心付近の領域の外側の光
を利用することにより透光性のある物体裏面からの反射
光成分を含まない領域の光を利用して焦点検出をおこな
うのであるから、透光性のある物体の裏面からの反射光
の影響を除去することができ、この結果、高精度に焦点
検出を行うことができる。

【００３７】また本発明の別の態様であれば、透光性の
ある物体表面にレーザ光を集光させ、そのレーザ光の物
体からの反射光束において、たとえば図５に示すように
焦点検出部が捕捉する反射光束のうち物体裏面から反射
光成分が含まれている光軸中心付近の領域を不透明物で
遮光ないし減衰することにより透光性のある物体裏面か
らの反射光成分の影響が低減された反射光とすることが
でき、この光を利用して焦点検出を行うのであるから、
透光性のある物体の裏面からの反射光の影響を除去する
ことができ、この結果、高精度に焦点検出を行うことが
できる。

【００３８】本発明の焦点検出装置であれば、透光性の
ある物体表面にレーザ光を集光させ、そのレーザ光の物
体からの反射光束において、図４に示すように透光性の
ある物体裏面からの反射光成分が含まない領域にある光
を焦点検出センサにより検出し、これに基づいて焦点検
出を行うのであるから、透光性のある物体の裏面からの
反射光の影響を除去することができ、この結果、高精度
に焦点検出を行うことができる。

【００３９】また、本発明の好ましい態様によれば、前
記焦点検出光学系の焦点検出センサとして１次元または
２次元のアレイセンサを採用することで、このアレイセ
ンサが受光する前記透光性のある物体からの反射光束の
うち、例えば図６に示す１次元のアレイセンサにおいて
前記透光性のある物体裏面からの反射光を含んでいない
光が照射されているアレイセンサ上の第１ピクセルから
第Ｌピクセルまでおよび第Ｍピクセルから第Ｎピクセル
までの特定位置のピクセルにより検出される光のみを焦
点検出に用いることができ、この特定のアレイセンサ出
力信号を利用して焦点検出をおこなうのであるから、透
光性のある物体の裏面からの反射光の影響を除去するこ
とができ、この結果、高精度に焦点検出を行うことがで
きる。

【００４０】本発明の焦点検出装置の別の態様であれ
ば、透光性のある物体表面にレーザ光を集光させ、その
レーザ光の物体からの反射光束において、図５に示すよ
うに透光性のある物体裏面からの反射光成分が含まれる
領域に不透明体を配置して遮光ないし減衰することで裏
面反射光成分の影響が低減された反射光とすることがで
き、この光を利用して焦点検出を行うのであるから、透
光性のある物体の裏面からの反射光の影響を除去するこ
とができ、この結果、高精度に焦点検出を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の焦点検出の原理を説明する図であ
る。

【図２】ナイフエッジ法による焦点検出の原理を説明す
る図である。

【図３】非点収差法による焦点検出の原理を説明する図
である。

【図４】焦点検出部二分割センサの受光面の形状の一例
を説明する図である。

【図５】焦点検出部二分割センサの受光面の中心付近を
遮光する一例を説明する図である。

【図６】焦点検出部にアレイセンサを用いる一例を説明
する図である。

【符号の説明】

１：レーザー光源 ２：ハーフミラー ３：対物レンズ ４：透光性のある物体 ５：レンズ ６：ナイフエッジ ７：焦点検出二分割センサ ８：第一受光素子 ９：第二受光素子 １０：円筒レンズ １１：四分割受光素子 １００：焦点検出部 １０１：第１受光素子 １０２：第２受光素子 １０３：不透明遮光板 １０４：アレイセンサ １０５：第１ピクセル １０６：第Ｌピクセル １０７：第Ｍピクセル １０８：第Ｎピクセル １０９：反射光照射領域 １１０：裏面反射光照射領域

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を物体表面に集光させ、その反
   射光を受光素子により受光して焦点検出を行う方法であ
   って、前記焦点受光部が捕捉する反射光束のうち光軸近
   傍の外側から受光した反射光に基づいて合焦状態を求め
   ることを特徴とする焦点検出方法。
2. 【請求項２】 レーザ光を物体表面に集光させ、その反
   射光から焦点検出を行う方法において、焦点検出部が捕
   捉するべき反射光束のうち光軸中心付近の成分を除去ま
   たは減衰し、該減衰した反射光束を前記焦点検出部によ
   り検出し、前記焦点検出部の出力に基づいて合焦状態を
   求めることを特徴とする焦点検出方法。
3. 【請求項３】 レーザ光放射用のレーザ光源と、レーザ
   光を物体表面に集光させる照明光学系と、その反射光を
   受光素子に導く焦点検出光学系と、前記焦点検出光学系
   により導かれる反射光束のうち光軸近傍の外側からの反
   射光のみを受光するように受光部が配置された焦点検出
   部とを備えたことを特徴とする焦点検出装置。
4. 【請求項４】 前記焦点検出部は、受光部に１次元また
   は２次元のアレイセンサを備え、特定のピクセルより検
   出される反射光にもとづいて焦点検出を行うものである
   ことを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。
5. 【請求項５】 レーザ光放射用のレーザ光源と、レーザ
   光を物体表面に集光させる照射光学系と、その反射光を
   導く焦点検出光学系と、前記焦点検出光学系により導か
   れる反射光束のうち光軸中心付近の成分を除去または減
   衰する手段と、減衰後の反射光を受光する受光部をそな
   えた焦点検出部とを備えたことを特徴とする焦点検出装
   置。