(57)【要約】      （修正有）【課題】スループットの問題、切替時の音の問題、寿命の問題を解消できるオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】対物レンズ１１と、観察光学系１３と、対物レンズ１１をその光軸方向へ変位させる駆動機構１６とを備えたオートフォーカス装置において、光を対物レンズ１１を介して被測定物の測定面に照射する照明光学系光路３０と、パターン投影光学系光路４０とを備える。パターン投影光学系光路４０には、電子制御シャッタ４１、所定のパターンを形成したパターン投影板４３、投影用レンズ４５が設けられている。【選択図】図１
2010128330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の測定面に光を集光させる対物レンズと、この対物レンズから出射された光に基づく被測定物の像を観察可能な観察光学系と、この観察光学系で得られた被測定物の像のコントラストに基づいて前記対物レンズをその光軸方向へ変位させる駆動機構とを備えたオートフォーカス装置において、
光を前記対物レンズを介して被測定物の測定面に照射する照明光学系光路と、
パターン投影光学系光路とを備え、
前記パターン投影光学系光路には、所定のパターンを形成したパターン投影板、投影用レンズ、および、シャッタが設けられている、ことを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
光源と、この光源からの光を前記照明光学系光路および前記パターン投影光学系光路に分割する光分割手段と、前記パターン投影光学系光路からの光を前記照明光学系光路の光と合成する光合成手段と、を備えていることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項３】
請求項２に記載のオートフォーカス装置において、
前記光分割手段によって分割された照明光学系光路中には、シャッタが設けられている、ことを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のオートフォーカス装置において、
前記光分割手段は、光源からの光を前記照明光学系光路と複数の前記パターン投影光学系光路とに分割する複数の光分割光学素子を含んで構成され、
複数の前記パターン投影光学系光路には、異なるパターンを形成したパターン投影板、および、シャッタがそれぞれ設けられている、ことを特徴とするオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の像のコントラストに基づいて、対物レンズが常に被測定物の測定面で焦点を結ぶように対物レンズを移動させるようにしたオートフォーカス装置に関する。例えば、被測定物の像を観察光学系で観察しながら被測定物の寸法や形状を測定する画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置に利用できる。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置においては、被測定物の表面に投影されたパターンを用いてピント合わせを行うオートフォーカス装置が採用されている。
例えば、特許文献１に記載のオートフォーカス装置は、図５に示すように、光源１と、投影用レンズ２と、光源１と投影用レンズ２との間に挿入され所定のパターン（例えば、三角形パターン）が形成されたパターン投影板３と、このパターン投影板３を光学光路に対して進退させる進退機構４とを備える。進退機構４は、ガイド機構に沿ってパターン投影板３が光学光路中に進出するように付勢するスプリングと、このスプリングの付勢力に抗してパターン投影板３を光路から退避させるソレノイドとから構成されている。なお、５は対物レンズ、６はビームスプリッタ、７はチューブレンズ、８はＣＣＤカメラである。
【０００３】
従って、たとえば、鏡面やガラス面などの元来コントラストの低い材質を測定する場合、パターン投影板３が光学光路中に進出された状態にすると、パターン投影板３のパターンが被測定物の測定面に投影されるから、そのパターンのコントラストからピント合わせを行うことができる。また、パターンを投影する必要のない場合には、ソレノイドを励磁すると、パターン投影板を光学光路から退避させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のオートフォーカス装置では、パターン投影時や非投影時に、ソレノイドの励磁、解磁およびスプリングの付勢力によってパターン投影板を光路に対して進退させる構造であるため、スループットの低下、切替時の音が大きい、寿命が短いなどの課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上述した課題を解消し、スループットの問題、切替時の音の問題、寿命の問題を解消できるオートフォーカス装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のオートフォーカス装置は、被測定物の測定面に光を集光させる対物レンズと、この対物レンズから出射された光に基づく被測定物の像を観察可能な観察光学系と、この観察光学系で得られた被測定物の像のコントラストに基づいて前記対物レンズをその光軸方向へ変位させる駆動機構とを備えたオートフォーカス装置において、光を前記対物レンズを介して被測定物の測定面に照射する照明光学系光路と、パターン投影光学系光路とを備え、前記パターン投影光学系光路には、所定のパターンを形成したパターン投影板、投影用レンズ、および、シャッタが設けられている、ことを特徴とする。
ここで、シャッタとは、機械式シャッタのほか、例えば、通電の有無によって光を透過、遮断できる状態に切替可能な液晶板なども含む意味である。また、機械式シャッタについては、電子制御によって開閉できる構造のものが好ましい。
【０００８】
このような構成によれば、パターン投影光学系光路によって、所定のパターンを被測定物の測定面に投影することができるから、そのパターンのコントラストから対物レンズを光軸方向へ変位させてピント合わせを行うことができる。従って、鏡面やガラス面などの元来コントラストの低い材質でも、フォーカスを合わせることができる。
とくに、パターン投影光学系光路には、所定のパターンを形成したパターン投影板、投影用レンズ、および、シャッタが設けられ、このシャッタによってパターン投影板のパターン投影をオン・オフするようにしているから、従来のように、パターン投影板をソレノイドやスプリングなどにより進退駆動させる構造に比べ、スループットを向上させることができるとともに、切替時の音を極力軽減でき、更に、寿命も増大させることができる。
【０００９】
本発明のオートフォーカス装置において、光源と、この光源からの光を前記照明光学系光路および前記パターン投影光学系光路に分割する光分割手段と、前記パターン投影光学系光路からの光を前記照明光学系光路の光と合成する光合成手段と、を備えていることが好ましい。
このような構成によれば、光分割手段によって、光源からの光を照明光学系光路およびパターン投影光学系光路に分割するようにしたから、１つの光源ですみ、部品点数の削減、コスト低減に寄与できる。また、光合成手段によって、パターン投影光学系光路からの光を照明光学系光路の光と合成するようにしたから、パターン投影光学系光路からの光と照明光学系光路の光とを別々に対物レンズに入射させる構造に比べ、装置構成を簡略化できる。
【００１０】
本発明のオートフォーカス装置において、前記光分割手段によって分割された照明光学系光路中には、シャッタが設けられている、ことが好ましい。
このような構成によれば、照明光学系光路中にもシャッタが設けられているから、パターン投影時には照明光を遮断することができる。このため、パターン投影時において、コントラストの高いパターンを得ることができ、高精度なフォーカス合わせが実現できる。
【００１１】
本発明のオートフォーカス装置において、前記光分割手段は、光源からの光を前記照明光学系光路と複数の前記パターン投影光学系光路とに分割する複数の光分割光学素子を含んで構成され、複数の前記パターン投影光学系光路には、異なるパターンを形成したパターン投影板、および、シャッタがそれぞれ設けられている、ことが好ましい。
このような構成によれば、複数のパターン投影光学系光路が設けられ、各パターン投影光学系光路には、異なるパターンを形成したパターン投影板、および、シャッタがそれぞれ設けられているから、被測定物の材質や表面状態に応じて、最適なパターンを有するパターン投影板を選択できる。
【００１２】
なお、パターン投影板に形成されるパターンとしては、エッジを検出できるパターンであればどのような模様でもよいが、たとえば、複数の三角形パターン、斜め格子パターン、波状パターンが好ましい。このようにすれば、被測定物のエッジが方向性を有していても、そのエッジが残るため、つまり、エッジがこれらのパターンに隠れてしまうことがないため、安定したフォーカスが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、同一構成要件あるいは同一機能を奏するものについては、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１および図２に、第１実施形態にかかる画像測定機の光学系構成図を示す。
第１実施形態にかかる画像測定機は、図１に示すように、被測定物Ｗを載置したテーブル１０と、被測定物Ｗの測定面に光を集光させる対物レンズ１１と、この対物レンズ１１の光軸上に配置されたビームスプリッタ１２と、このビームスプリッタ１２を通過した光に基づく被測定物Ｗの像を観察可能な観察光学系１３と、この観察光学系１３で得られた被測定物の像のコントラストに基づいて対物レンズ１１をその光軸方向へ変位させる駆動機構１６と、光源２０と、この光源２０からの光を照明光学系光路３０およびパターン投影光学系光路４０に分割する光分割手段２１と、パターン投影光学系光路４０からの光を照明光学系光路３０の光と合成する光合成手段２２とを備える。
【００１５】
テーブル１０は、Ｘ軸方向（図１の左右方向）およびＹ軸方向（図１の紙面直交方向）へ移動可能に構成されている。
観察光学系１３は、対物レンズ１１の光軸上に配置された所定倍率のチューブレンズ１４と、このチューブレンズ１４によって所定倍率に拡大または縮小された像を撮像するＣＣＤカメラ１５とから構成されている。
駆動機構１６は、対物レンズ１１の焦点が被測定物Ｗの測定面に位置するように、対物レンズ１１を光軸方向へ変位させるもので、例えば、対物レンズ１１を保持したレンズホルダに設けられたコイル１７と、装置本体側の静止部材にコイル１７に対向して固定されたマグネット１８とから構成されている。
【００１６】
光源２０は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）などによって構成されているが、これに限られない。
光分割手段２１および光合成手段２２は、ビームスプリッタ２３，２４によって構成されている。
【００１７】
照明光学系光路３０は、光分割手段２１を構成するビームスプリッタ２３からビームスプリッタ１２に至る経路で構成され、その光路中には、ビームスプリッタ２３からビームスプリッタ１２に向かって、照明用レンズ３１、光合成手段２２を構成するビームスプリッタ２４が順に挿入配置されている。つまり、これらにより通常の照明用光学系が構成されている。
パターン投影光学系光路４０は、光分割手段２１を構成するビームスプリッタ２３から光合成手段２２を構成するビームスプリッタ２４に至る経路で構成され、その光路中には、ビームスプリッタ２３からビームスプリッタ２４へ向かって、電子制御シャッタ４１、ミラー４２、パターン投影板４３、ミラー４４、投影用レンズ４５が順に挿入配置されている。つまり、これらによりパターン投影用光学系が構成されている。
【００１８】
電子制御シャッタ４１は、複数の羽根が円形に組み合わされ、これらが駆動源によって開閉される構造である。つまり、シャッタ開閉指令が出されると、駆動源が駆動され、これによって複数の羽根が開閉される構造である。
パターン投影板４３は、図２に示すように、光を透過する複数の三角形パターンと、光を遮断する複数の三角形パターンとが隣接配置され、隣接するもの同士が逆向き配置されたパターンを有する。なお、パターン投影板４３の製作にあたっては、電子ビーム描画、転写、エッチング、および、ダイシングソーによる切断などの一般的加工技術によって、パターン投影板４３を鮮明に製作することができる。
【００１９】
以上の構成において、測定にあたって、光源２０から光を出射すると、その光は、ビームスプリッタ２３によって、照明光学系光路３０とパターン投影光学系光路４０とに分割される。
照明光学系光路３０に分割された光は、照明用レンズ３１、ビームスプリッタ２４、ビームスプリッタ１２を通って対物レンズ１１に入射し、被測定物Ｗの測定面を照射する。被測定物Ｗの測定面からの反射光は、対物レンズ１１、ビームスプリッタ１２を通ったのち、チューブレンズ１４の倍率に拡大または縮小されたのち、ＣＣＤカメラ１５に結像される。
【００２０】
ここで、ＣＣＤカメラ１５で撮像された各画素のコントラスト値を判断し、コントラスト値が低い場合には、電子制御シャッタ４１を開放する。すると、パターン投影光学系光路４０に分割された光が、電子制御シャッタ４１を通過し、ミラー４２で反射されたのち、パターン投影板４３に入射される。これにより、パターン投影板４３の三角形パターンがミラー４４、投影用レンズ４５、ビームスプリッタ２４，１２、対物レンズ１１を介して被測定物Ｗの測定面に投影される。
【００２１】
これにより、ＣＣＤカメラ１５で撮像された各画素のコントラスト値を基に駆動機構１６を駆動させ、対物レンズ１１を光軸方向へ変位させてフォーカスを合わせる。
対物レンズ１１のフォーカス合わせを行ったのち、電子制御シャッタ４１を閉じる。すると、パターン投影光学系光路４０に分割された光が遮断されるから、パターン投影板４３の三角形パターンが被測定物Ｗの測定面に投影されなくなる。この状態において、ＣＣＤカメラ１５で撮像された被測定物Ｗの画像から被測定物Ｗの寸法や形状などを測定する。
【００２２】
第１実施形態によれば、照明光学系光路３０とパターン投影光学系光路４０とを備え、パターン投影光学系光路４０には、電子制御シャッタ４１、所定のパターンを形成したパターン投影板４３、投影用レンズ４５が設けられ、この電子制御シャッタ４１によってパターン投影板４３のパターン投影をオン・オフするようにしているから、従来のように、パターン投影板をソレノイドやスプリングなどにより進退駆動させる構造に比べ、スループットを向上させることができるとともに、切替時の音を極力軽減でき、更に、寿命も増大させることができる。
【００２３】
また、光分割手段２１を構成するビームスプリッタ２３によって、光源２０からの光を照明光学系光路３０とパターン投影光学系光路４０とに分割するようにしたから、１つの光源ですみ、部品点数の削減、コスト低下に寄与できる。
また、光合成手段２２を構成するビームスプリッタ２４によって、パターン投影光学系光路４０からの光を照明光学系光路３０の光と合成するようにしたから、パターン投影光学系光路４０からの光と照明光学系光路３０の光とを別々に対物レンズ１１に入射させる構造に比べ、装置構成を簡略化できる。
【００２４】
＜第２実施形態＞
図３に、第２実施形態にかかる画像測定機の光学系構成図を示す。
第２実施形態にかかる画像測定機は、第１実施形態に対して、照明光学系光路３０に電子制御シャッタ３２が設けられている点が異なる。つまり、光分割手段２１を構成するビームスプリッタ２３と照明用レンズ３１との間に電子制御シャッタ３２が挿入配置されている。この電子制御シャッタ３２は、第１実施形態の電子制御シャッタ４１と同じである。
【００２５】
第２実施形態によれば、照明光学系光路３０にも電子制御シャッタ３２が設けられているから、パターン投影時には照明光を遮断できる。このため、パターン投影時において、コントラストの高いパターンを得ることができるから、高精度なフォーカス合わせが実現できる。
【００２６】
＜第３実施形態＞
図４に、第３実施形態にかかる画像測定機の光学系構成図を示す。
第３実施形態にかかる画像測定機は、第２実施形態に対して、複数のパターン投影光学系光路を備える点が異なる。
つまり、光分割手段２１が、光源２０からの光を照明光学系光路３０とパターン投影光学系光路４０に分割する光分割光学素子としてのビームスプリッタ２３と、パターン投影光学系光路４０に分割された光を更に第１パターン投影光学系光路４０Ａと第２パターン投影光学系光路４０Ｂに分割する光分割光学素子としてのビームスプリッタ２５とを含んで構成されている。
【００２７】
第１パターン投影光学系光路４０Ａは、ビームスプリッタ２３からビームスプリッタ２５、ビームスプリッタ２６および投影用レンズ４５を通ってビームスプリッタ２４に到達する経路として構成されている。
第２パターン投影光学系光路４０Ｂは、ビームスプリッタ２５からミラー４２、ミラー４４、ビームスプリッタ２６および投影用レンズ４５を通ってビームスプリッタ２４に到達する経路として構成されている。
第１パターン投影光学系光路４０Ａおよび第２パターン投影光学系光路４０Ｂには、電子制御シャッタ４１Ａ，４１Ｂおよび異なるパターンを形成したパターン投影板４３Ａ，４３Ｂがそれぞれ挿入配置されている。
【００２８】
第３実施形態によれば、第１パターン投影光学系光路４０Ａおよび第２パターン投影光学系光路４０Ｂが設けられ、これらパターン投影光学系光路４０Ａ，４０Ｂには、電子制御シャッタ４１Ａ，４１Ｂ、および、異なるパターンを形成したパターン投影板４３Ａ，４３Ｂがそれぞれ設けられているから、被測定物の材質や表面状態に応じて、最適なパターンを有するパターン投影板４３Ａ，４３Ｂを選択できる。従って、オートフォーカス機能を更に拡大させることが可能である。
【００２９】
＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、複数の羽根を円形に組み合わせ、これらの羽根を駆動装置によって開閉させる電子制御シャッタ４１、４１Ａ，４１Ｂを用いたが、これに限られない。例えば、通電の有無によって光を透過、遮断できる状態に切替可能な液晶板などでもよい。
【００３０】
前記各実施形態では、電子制御シャッタ４１，４１Ａ，４１Ｂをパターン投影板４３，４３Ａ，４３Ｂの前に挿入するようにしたが、これに限らず、パターン投影板４３，４３Ａ，４３Ｂの後でもよく、パターン投影光学系光路４０，４０Ａ，４０Ｂ中であればどこでもよい。
同様に、電子制御シャッタ３２を照明用レンズ３１の前に挿入するようにしたが、これに限らず、照明用レンズ３１の後でもよく、照明光学系光路３０中であればどこでもよい。
【００３１】
前記各実施形態では、１つの光源２０からの光を、ビームスプリッタ２３によって、照明光学系光路３０およびパターン投影光学系光路４０，４０Ａ，４０Ｂに分割するようにしたが、これに限らず、照明光学系光路３０およびパターン投影光学系光路４０，４０Ａ，４０Ｂにそれぞれ光源を設けるようにしてもよい。
【００３２】
前記第３実施形態では、光源２０からの光を、照明光学系光路３０と、第１パターン投影光学系光路４０Ａおよび第２パターン投影光学系光路４０Ｂとに分割するようにしたが、照明光学系光路３０と、３つ以上のパターン投影光学系光路とに分割するようにしてもよい。このようにすれば、オートフォーカス機能をより拡大させることが可能である。
【００３３】
前記実施形態では、パターン投影板４３のパターンが、三角形パターンを有していたが、これに限らず他のパターンでもよい。例えば、斜め格子パターン、波状パターンなど、被測定物のエッジを検出できるパターンであればどのような模様でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、被測定物の像を観察光学系で観察しながら被測定物の寸法や形状を測定する画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる画像測定機を示す光学系構成図。
【図２】同上実施形態におけるパターン投影板のパターン例を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる画像測定機を示す光学系構成図。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる画像測定機を示す光学系構成図。
【図５】従来の画像測定機を示す光学系構成図
【符号の説明】
【００３６】
１１…対物レンズ、
１３…観察光学系、
１６…駆動機構、
２０…光源、
２１…光分割手段、
２２…光合成手段、
２３…ビームスプリッタ（光分割光学素子）、
２４…ビームスプリッタ（光合成光学素子）、
２５…ビームスプリッタ（光分割光学素子）、
２６…ビームスプリッタ（光合成光学素子）、
３０…照明光学系光路、
３１…照明用レンズ、
３２…電子制御シャッタ、
４０…パターン投影光学系光路、
４０Ａ…第１パターン投影光学系光路、
４０Ｂ…第２パターン投影光学系光路、
４１，４１Ａ，４１Ｂ…電子制御シャッタ、
４３，４３Ａ，４３Ｂ…パターン投影板、
４５…投影用レンズ、
Ｗ…被測定物。
【図１】
2010128330.tif 000003
【図２】
2010128330.tif 000004
【図３】
2010128330.tif 000005
【図４】
2010128330.tif 000006
【図５】
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