JPS63163315A - 非接触自動焦点位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は透明体の表面への焦点位置合わせに好適な非
接触自動焦点位置合わせ方法に関するものである。

〈従来の技術〉 様々なサイズ、形状、物性を有する対象物へ、光学的に
非接触で焦点位置合わせすることは、技術的に難しい問
題である。しかし、その非接触による焦点位置合わせ技
術の用途が非常に多くあることから、今でも多（の学者
が研究を重ねている課題である。

そして、従来行われてきた一般的な焦点位置合わせ技術
として、コンピュータを利用した画像処理技術があるが
、この画像処理技術にあっては、装置が大掛かりになる
こと、また画像走査を行うので焦点位置合わせ速度が遅
いこと等の問題点が多くあり、あまり実用的であるとは
言えなかった。

そこで、本発明者は上記の如き要請に応じるため、長年
にわたる鋭意研究をしてきた結果として、先に非接触自
動位置合わせ装置（特願昭６０−２１４７７３号参照）
を提案した。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、昨今の技術進歩の速さに応じて、光学的
感知の難しい透明体にも光学的に焦点位置合わせを行わ
なければならない場合が多くなってきた。しかも、透明
体はその表面に画像が存在しないので、前記の画像処理
技術で透明体に対応することは不可能である。

そこで、本発明者は先の提案に基づいて研究を重ね、そ
のような光学的に感知の難しい透明体でも、正確且つ瞬
時に焦点位置合わせできる方法を開発したものである。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明に係る非接触自動焦点位置合わせ方法は、上記
の目的を達成するために、光学ｊａ＋Ｒの光軸と平行に
発せられた測定光束としての偏光ＩＩ　ｅ−Ｎｅレーザ
光線を、光軸に対して４５度の傾斜角度を保ちつつ平行
移動自在な可動ミラーにて反射し、該可動ミラーにて反
射された測定光束を、光軸と４５度の傾斜角度で配され
た固定ミラーにて反射し、該固定ミラーにて反射された
測定光束を、対物レンズで屈折せしめてから透明体へ向
げて照射し、該透明体の表面で反射された測定光束を、
再度対物レンズで屈折せしめてから光位置検出器にて受
光し、該光位置検出器からの位置信号に対応する焦点位
置合わせ機構にて、少なくとも透明体と対物レンズとの
間の距離を調整することにより、測定光束を透明体の表
面へ自動的に焦点位置合わせするものであって、 前記可動ミラーを反透明体側へ平行移動させることによ
り固定ミラーにて反射された測定光束を対物レンズの外
周部側で屈折せしめ、測定光束を大きい照射角度でもっ
て透明体へ照射し、そして透明体の表面以外で反射する
測定光束を対物レンズに入射不能な方向に反射させるも
のである。

〈作　　　用〉 可動ミラーを反透明体側へ平行移動させることにより、
固定ミラーにおける測定光束の反射点を反光軸側へ変化
させ、測定光束を光軸から離反させる。測定光束が光軸
から離反すると、測定光束は対物レンズの外周部側で屈
折し、光軸に対する大きい照射角度でもって透明体に照
射される。すると透明体の表面以外（例えば透明体の裏
面、透明体の裏面側に接合された不透明体、透明体の内
部に設けられた不透明体、透明体の裏面側に離間配置さ
れた不透明体）にて反射された測定光束は、対物レンズ
に入射不能な方向に反射される。

〈実　施　例〉 以下この発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する
。

□第１実施例□ 第１図〜第５図はこの発明の第１実施例を示す図である
。

まず最初に本発明を実施するための装置の基本構造を第
１図〜第３図に基づいて説明する。

ｌはレーザ機構、２は光学機構〔図中二点鎖線で囲んだ
部分］、３は焦点位置合わせ機構、４は対象物、をそれ
ぞれ示している。

レーザ機構１は、測定光束ａとしての偏光Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ光線、つまり偏光されたＨｅ−Ｎｅレーザ光線を、
後述する光学機構２の光軸５と平行に発するものである
。

光学機構２は、可動ミラー６、固定ミラー７、対物レン
ズ８、結像レンズ９、拡大レンズ１０、光位置検出器１
１、とを備えている。可動ミラー６は、レーザ機構ｌか
ら発せられた測定光束ａを、光軸５に対して平行移動し
つつ直角方向へ反射できるようになっている。固定ミラ
ー７はハーフミラ−で、前記可動ミラー６にて反射され
た測定光束すを再度直角に反射し、光軸５と平行な測定
光束Ｃとするものである。固定ミラー７における反射点
１２は、可動ミラー６の平行移動位置に応じて変化する
ものであり、またこの固定ミラー７における反射点１２
の位置に応じて、固定ミラー７から反射される測定光束
Ｃは光軸５に対して接近・離反自在となる。

次に、固定ミラー７にて反射された測定光束Ｃは、対物
レンズ８にて屈折せしめられた後に対象物４へ照射され
、測定光束ｄとなって焦点ｐ１が表面４ａに合致する。

対象物４への測定光束ｄの照射角度θは、測定光束Ｃの
光軸５との距離に応じて決定される。つまり、固定ミラ
ー７で反射された測定光束Ｃが光軸５から離反している
場合は、測定光束Ｃは対物レンズ８の外周部側で屈折す
るので大きい照射角度θでもって対象物４へ照射される
。逆に、測定光束Ｃが光軸５に接近している場合は、測
定光束Ｃは対物レンズ８の中心部側で屈折するので小さ
い照射角度θでもって対象物４へ照射されるものである
。

対象物４の表面４ａにおいて照射角度θと同じ反射角度
でもって反射した測定光束ｅは、対物レンズ８にて再度
屈折せしめられて光軸５と平行な測定光束ｆとなる。こ
の測定光束ｆは結像レンズ９にて更に屈折されて測定光
束ｇとなり、光軸５上の再結像点ｐ２を経て拡大レンズ
１０へと導かれる。そして、測定光束ｇはこの拡大レン
ズ１０にて屈折され、測定光束りとなって光位置検出器
１１の２分割ホトセンサー１１ａ、ｌｌｂで受光される
。

そして、この光位置検出器１１としては、半導体装置検
出器（ＰＳＤ）を採用した。この半導体装置検出器（Ｐ
ＳＤ）は、画像上で走査を行わず入射光の位置情報を含
んだ位置信号を得ることができ、ＣＣＤ、、ＭＯＳ等の
固体撮像素子に比べて、より高い分解能を持ち高いサン
プリンググレードを得ることができる。そして、この光
位置検出器１１は焦点位置合わせ機構３と電気的に接続
されており、光位置検出器１１において測定光束りがど
ちらのホトセンサー１１ａ、ｌｌｂにて受光されたかを
示す位置信号が焦点位置合わせ機構３へ送られるように
なっている。ホトセンサー１１ａは対象物４と対物レン
ズ８との距離を小さくする信号を焦点位置合わせ機構３
へ伝え、ホトセンサー１１ｂはその距離を大きくする位
置信号を伝えるようになっている。

焦点位置合わせ機構３としては、サーボ回路によってモ
ータを駆動させる非常に動作スピードの速い「サーボ機
構」を採用した。そして、この焦点位置合わせ機構３は
対象物４に接続してあり、光位置検出器１１からの位置
信号に応じて、対象物４と対物レンズ８との距離を調整
し、対象物４の表面４ａで測定光束ｄの焦点ＰＩが合致
するようにされている。尚、この焦点位置合わせ機構３
は、対物レンズ８（或いは光学機構２全体）の方を移動
させることもできるし、対象物４と対物レンズ８（或い
は光学機構２全体）の両方を移動させることもできる。

隼点が合っている状態〔第１図参照 測定光束ｄの焦点ｐｉが対象物４の表面４ａに合致して
いる状態が、焦点位置合わせされている状態であり、こ
の状態において、対象物４から反射された測定光束りは
、ホトセンサー１１ａＳ　１１ｂの中立位置ｐ３（即ち
、バランスがとれている位置）で受光され、焦点位置合
わせ機構３を作動させないようになっている。

す物が　学機構　に斤づいている状態〔第２図参照〕 対象物４が光学機構２側へ外れて、焦点がズしている場
合には、対物レンズ８で屈折された測定光束ｄが、対象
物４表面４ａにおける光軸５より下方の反射点１４にて
反射され、そのまま対物レンズ８、結像レンズ９を経て
、先の再結像点ｐ２よりも先の再結像点１５を通過し、
拡大レンズ１０の外周部側を通過して下側のホトセンサ
ー１１ｂにて受光される。すると、その位置信号が焦点
位置合わせ機構３へ送られ、対象物４を光学機構２から
遠ざけるように移動させ、測定光束りがホトセンサー１
１ａ、ｌｌｂの中立位置ｐ３に来た時に焦点位置合わせ
機構３の作動は停止する。

従って、前記第１図の如く測定光束ｄの焦点ｐ１対象物
４の表面４ａへ合うこととなる。

対象物が光学機構伸Ｖから遠ざかっている状態（第３図
参照） 先とは逆に、対象物４が光学機構２から遠ざかって、表
面４ａが焦点ｐ１からズしている場合には、対物レンズ
８で屈折された測定光束ｄが、対象物４の表面４ａにお
ける光軸５より上方の反射点１６にて反射され、そのま
ま対物レンズ８、結像レンズ９、拡大レンズ１０、手前
の再結像点１７を経て、上側のホトセンサー１１ａに受
光される。すると、その位置信号が焦点位置合わせ機＋
１＋３へ送られ、焦点位；１合わせ機構３が対象物４を
光学機構２側へ近づけるように移動させ、前記１図の如
く測定光束ｄの焦点位置合わせを行えるようになってい
る。

このように、対象物４が対物レンズ８の焦点ｐ１から外
れていたとしても、それを自動的に是正・調整し、測定
光束ｄの焦点ｐｉを対象物４の表面４ａにビタリと合わ
せることができる。更に、対象物４が、仮に光軸５に対
して傾斜状態であったとしても、その対象物４の表面４
ａからの乱反射光にて光位置検出器１１及び焦点位置合
わせ機構３を作動することが出来るので問題はない。尚
、以上の基本構造において、固定ミラー７として、ハー
フミラ−を採用したが、グイクロックミラー、レーザミ
ラーその他のミラーであっても構わない。

また、光位置検出器１１として半導体装置検出ＲＷ（Ｐ
ＳＤ）を採用したが、その他の光位置検出２ｇ５例えば
フォトダイオード（ＦＤ）などを採用しても同程度の効
果を期待できる。そして、焦点位置合わせ機構３として
、サーボ機構を採用したが、サーボ機構と同程度の動作
スピードを有する機構であれば他のものでも同じ効果を
得ることができる。更に、光位置検出器１１の直前位置
に偏向フィルターを配し、偏光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線と
同波長（６３２８人）付近の入射光を遮断し、耐ノイズ
性を向上させることも可能である。

上記の装置を使用した本発明の実施例を第４図及び第５
図に基づいて更に説明する。尚、先の基本構造に説明と
共通する部分については同一の符号を付し、また光学機
構２の対物レンズ８と対象物４近辺だけを図示するもの
とし、その他の図示は省略する。

透明体（対象物）４は、その表面４ａと裏面４ｂとでそ
れぞれ反射が行われる。つまり、ある照射角度θでもっ
て照射された測定光束ｄは、そのまま透明体４内へ屈折
して透過してい（測定光束ｉと、表面４ａで反射される
測定光束ｅとに一旦分かれる。一方、透明体４内へ透過
していった測定光束ｉは、更に裏面４ｂ側へ抜けていく
測定光束ｊと、裏面４ｂで反射される測定光束にとに分
かれる。従って、表面４ａで反射された測定光束ｅと、
裏面４ｂで反射された測定光束にの両方が、再度対物レ
ンズ８にて屈折されて、光位置検出器１１にて感知され
る〔第４図参照〕。表面４ａからの測定光束ｅの方が強
い場合には、表面４ａに焦点が合うが、裏面４ｂの状況
によっては、裏面４ｂからの測定光束にの方が強い場合
があり、その際にはその裏面４ｂから反射されたこの測
定光束ｋにて光位置検出器１１及び焦点位置合わせ機構
３が支配され、裏面４ｂに焦点が合ってしまうおそれが
ある。

そこで、そのような場合には、可動ミラー６を反透明体
側Ａへ平行移動させることにより、固定ミラー７にて反
射された測定光束Ｃを対物レンズ８の外周部側で屈折せ
しめ、測定光束ｄを大きい照射角度θ１でもって透明体
４へ照射すればよい。

そうすると、表面４ａ及び裏面４ｂで反射する測定光束
ｅ、にも共に反射角度が太き（なり、裏面４ｂから反射
された測定光束には、対物レンズ８に入射不能な方向へ
反射されることとなる。従って、表面４ａで反射された
測定光束ｅだけが対物レンズ８にて屈折され、この測定
光束ｅにより焦点位置合わせ機構３を作動させることが
可能となる。尚、表面４ａからの測定光束ｅは、透明体
４の表面４ａからの反射光なので、その先遣は少ないが
光位置検出器１１にて電気的に増幅すれば問題ない。

つまりこの実施例は実際に焦点合わせしたい透明体４の
表面４ａ以外で反射する測定光束ｋを、対物レンズ８に
入射不能な方向へ反射させるべく測定光束の照射角度θ
を調整するものであり、透明体４の裏面４ｂ側に不透明
体などが接合又は離間配置されている場合にも同様に適
用できる。

□第２実施例□ 第６図及び第７図はこの発明の第２実施例を示す図であ
る。この実施例では、透明体４の内部に不透明体１８が
存在する場合について説明する。

この場合は不透明体１８で反射される測定光束ｌの方が
、表面４ａで反射される測定光束ｅよりも強いので、光
位置検出器１１及び焦点位置合わせ機構３は必ず不透明
体１８の表面へ焦点位置合わせをしてしまう〔第６図参
照〕。そうすると、実際に焦点位置合わせを行いたい透
明体４の表面４ａに焦点が合わなくなってしまう。この
ような場合にも、可動ミラー６を反対象物側Ａへ平行移
動させ、測定光束ｄを大きい照射角度θ１とすることに
より、測定光束ｄの不透明体１８での反射を回避するこ
とができる〔第７図参照〕。従って、透明体４の表面４
ａで反射された測定光束ｅだけにより焦点位置合わせ機
構３を作動させ、透明体４の表面４ａに焦点を合わせる
ことが可能となる。

この実施例の適用例としては、例えば透明基板内に電子
回路（半導体等）を封入した場合などに最適である。更
に、不透明体１８が透明体４の内部に存在する場合だけ
でなく、前述の如く透明体４の裏面４ｂ側に不透明体１
８などが接合又は離間配置されている場合も、不透明体
１８と測定光束ｄとの干渉（照射）を回避すれば、本実
施例と同様に、透明体４の表面４ａにだけ焦点を合わせ
ることができる。

く効　　　果〉 この発明に係る非接触自動焦点位置合わせ方法は、以上
説明してきた如き内容のものであって、可動ミラーを反
透明体側へ平行移動させることにより、測定光束の照射
角度を大きくするので、透゛明体の表面以外で反射され
た測定光束を、対物レンズに入射不能な方向へ反射し、
透明体の表面だけに焦点を合わせることができるという
効果がある。

測定光束として偏光Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ光線を採用し
たので、他のレーザ光線に比べて光束が細いうえに集光
スポットが非常に小さく広がらないので、その分、光位
置検出器での位置検出を高精度（高分解能）で行えるも
のである。この偏光Ｈｅ−Ｎｃレーザ光線の集光スポッ
トの径は対物レンズの倍率にもよるが、大体１μ〜１０
０μと非常に小さいものである（つまり、焦点位置合わ
せ精度が高い）。

また、この発明の実施例によれば、 測定光束の変位を拡大レンズで拡大するので、小さな変
位も見逃さずに正確に拡大し、その後光位置検出器にて
位置検出するので、高精度の位置検出を実現することが
できる。従って、対物レンズと対象物との間隔が大きく
焦点精度が低下しやすい状況であっても、高精度の焦点
位置合わせを実現することができる（つまり、焦点位置
合わせ精度が高い）。

光位置検出器としての半導体装置検出器（ＰＳＤ）は、
検出した測定光束のスポットの重心位置を出力するだけ
なので、輝度分布が変化しても影響を受けず、対象物の
表面における輝度分布（コントラスト）によって焦点位
置合わせ精度が影響を受けない（つまり、耐ノイズ性、
測定の確実性が高い）。

光位置検出器として半導体装置検出器（ＰＳＤ）を採用
し、且つ焦点位置合わせ機構としてサーボ機構を採用し
たので、平均１０ｍｍ５ｅｃの素早い動作で、光学機構
と対象物との間の距離を調整することができる（つまり
、焦点位置合わせ速度が速い）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を実施する装置の基本構造
を示す概略説明図、 第２図は対象物が光学機構側ヘズしている状態を示す第
１図相当の概略説明図、 第３図は対象物が反光学機構側ヘズしている状態を示す
第１図相当の概略説明図、 第４図及°び第５図は、各々この発明の第１実施例を示
す拡大説明図、そして 第６図及び第７図は、各々この発明の第２実施例を示す
拡大説明図である。 １−　　レーザ機構 ２　・−光学機構 ３　・・　焦点位置合わせ機構 ４　・・−対象物 ５−　光軸 ６　・−可動ミラー ７−　　固定ミラー ８　・−対物レンズ ９−　結像レンズ １１−　光位置検出器 ｐｉ　　−・　焦点 θ、θエ　−・・　照射角度 ａ−１−測定光束

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光学機構の光軸と平行に発せられた測定光束としての偏
   光Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線を、光軸に対して４５度の傾斜
   角度を保ちつつ平行移動自在な可動ミラーにて反射し、 該可動ミラーにて反射された測定光束を、光軸と４５度
   の傾斜角度で配された固定ミラーにて反射し、 該固定ミラーにて反射された測定光束を、対物レンズで
   屈折せしめてから透明体へ向けて照射し、該透明体の表
   面で反射された測定光束を、再度対物レンズで屈折せし
   めてから光位置検出器にて受光し、 該光位置検出器からの位置信号に対応する焦点位置合わ
   せ機構にて、少なくとも透明体と対物レンズとの間の距
   離を調整することにより、測定光束を透明体の表面へ自
   動的に焦点位置合わせするものであって、 前記可動ミラーを反透明体側へ平行移動させることによ
   り、固定ミラーにて反射された測定光束を対物レンズの
   外周部側で屈折せしめ、測定光束を大きい照射角度でも
   って透明体へ照射し、そして透明体の表面以外で反射す
   る測定光束を対物レンズに入射不能な方向に反射させる
   ことを特徴とする非接触自動焦点位置合わせ方法。