(57)【要約】【課題】フォーカス面に段差のある対象物のフォーカス検出を行う場合であっても、装置を停止等すること無く、自動的に合焦位置を得ることができるオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】オートフォーカス装置１０００において、光源１０と、所定の間隔で配置された複数のレンズを備え、前記光源１０から出射される光ビームを透過させるフライアイレンズ４０と、前記光源１０と前記フライアイレンズ４０の間に配置され、前記フライアイレンズ４０に配置された複数のレンズのうち、一のレンズのみに前記光ビームを透過させるとともに、当該一のレンズを順次切り換える液晶シャッタ３０と、前記フライアイレンズ４０を透過した光ビームを対象物Ｗに集光させる対物レンズ６０と、を有する光学ユニット２と、前記光学ユニット２のフォーカス検出を行う第１検出器１１０、第２光検出器１２０と、等を備える。【選択図】図２
2010026151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
所定の間隔で配置された複数のレンズを備え、前記光源から出射される光ビームを透過させるマルチレンズと、
前記光源と前記マルチレンズの間に配置され、前記マルチレンズに配置された複数のレンズのうち、一のレンズのみに前記光ビームを透過させるとともに、当該一のレンズを他のレンズに順次切り換えるシャッタ手段と、
前記マルチレンズを透過した光ビームを対象物に集光させる対物レンズと、を有する光学ユニットと、
前記光学ユニットのフォーカス検出を行うフォーカス検出手段と、
を備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
前記シャッタ手段は、液晶シャッタであることを特徴とする請求項１記載のオートフォーカス装置。
【請求項３】
前記シャッタ手段は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）であることを特徴とする請求項１記載のオートフォーカス装置。
【請求項４】
前記マルチレンズは、フライアイレンズであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項５】
前記光学ユニットは、
前記対象物の所定の位置から反射される反射光ビームを２つの光ビームに分割するビームスプリッタを備えており、
前記フォーカス検出手段は、
前記ビームスプリッタにより分割された２つの光ビームを、それぞれ結像点前後位置で出力信号として検出する第１、第２光検出素子と、
前記第１、第２光検出素子より出力される出力信号の差によりフォーカス位置を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の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、オートフォーカス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡や画像測定機に設けられたオートフォーカス装置は、単一の光ビームを対象物に集光してフォーカス検出を行い、合焦位置を取得するフォーカス検出機構を備えている。
【０００３】
このようなオートフォーカス装置として、例えば、対象物からの反射光ビームをコーンレンズによりリング状ビームに変換し、それを等方的な受光面からなる光検出器で受光することで、対象物の面が傾斜していても、許容範囲内の傾き角であればフォーカス検出が可能なフォーカス検出機構を備え、対象物の平面部、又は段差のある境界部近傍であってもフォーカス検出が可能となるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、第１の合焦パターンとそれに対応する第２の合焦パターンを複数対備えた合焦パターン形成部材と、いずれかの第１の合焦パターンとそれに対応する第２の合焦パターンとの像が、観察する測定対象物に投影されるように合焦パターン形成部材を制御する切替手段を備えることで、凹凸などを有する測定対象物に対しても容易に焦点合わせが可能になるフォーカス検出ユニットが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１３１６１８号公報
【特許文献２】特開２０００−２４９９０１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、上記特許文献１記載のオートフォーカス装置では、許容範囲の傾き角を超えて、段差のある境界部のエッジにてフォーカス検出がなされると、境界部に照射される単一の光ビームがその境界部のエッジによって散乱するため、フォーカス検出を実行できないという問題があった。そのため、例えば、液晶や半導体を検査する自動検査装置等のオートフォーカス装置においては、対象物の検査位置を連続的に変化させながらフォーカス検出を行う必要があるため、境界部でフォーカス検出を実行出来ない場合、自動検査装置等を一旦停止させ、対象物の検査位置をずらして再度検査するという手間が生ずるため、上記のような問題は軽視できないものである。
【０００６】
また、上記特許文献２記載のフォーカス検出ユニットでは、切替手段により合焦パターン形成部材を制御することにより、境界部のエッジにてフォーカス検出を行う場合であっても、別の合焦パターンに切り替えて使用することでフォーカス検出は可能となるが、その切替手段による切換えはユーザ自身が行う必要があるため、上記のような自動検査装置等に適用すると、ユーザに多大な労力が生ずるという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、フォーカス面に段差のある対象物のフォーカス検出を行う場合であっても、装置を停止等すること無く、自動的に合焦位置を得ることが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】
【０００８】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、オートフォーカス装置において、
光源と、
所定の間隔で配置された複数のレンズを備え、前記光源から出射される光ビームを透過させるマルチレンズと、
前記光源と前記マルチレンズの間に配置され、前記マルチレンズに配置された複数のレンズのうち、一のレンズのみに前記光ビームを透過させるとともに、当該一のレンズを他のレンズに順次切り換えるシャッタ手段と、
前記マルチレンズを透過した光ビームを対象物に集光させる対物レンズと、を有する光学ユニットと、
前記光学ユニットのフォーカス検出を行うフォーカス検出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のオートフォーカス装置において、前記シャッタ手段は、液晶シャッタであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のオートフォーカス装置において、前記シャッタ手段は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２記載のオートフォーカス装置において、前記マルチレンズは、フライアイレンズであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記光学ユニットは、
前記対象物の所定の位置から反射される反射光ビームを２つの光ビームに分割するビームスプリッタを備えており、
前記フォーカス検出手段は、
前記ビームスプリッタにより分割された２つの光ビームを、それぞれ結像点前後位置で出力信号として検出する第１、第２光検出素子と、
前記第１、第２光検出素子より出力される出力信号の差によりフォーカス位置を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、光源から放射される光ビームは、シャッタ手段によって、マルチレンズに配置された複数のレンズのうち、一のレンズのみを透過し、そして、その一のレンズが他のレンズに順次切り換えられるため、所定時間内に対象物の異なる位置に複数の光ビームが到達することとなる。
すなわち、本発明に係るオートフォーカス装置では、対象物の所定の測定位置における一度のフォーカス検出において、マルチレンズに備えられたレンズの数等に応じて、所定時間内に複数のフォーカス検出を自動的に実行することが出来る。
したがって、対象物のフォーカス検出位置が、段差のある境界部、特にその境界部のエッジであって、一のレンズの光ビームによってはフォーカスを検出することが出来なくても、切り換えた他のレンズの光ビームによりフォーカス検出が実行されて、合焦位置を得ることが出来るので、本発明は、フォーカス面に段差のある対象物のフォーカス検出を行う場合であっても、装置を停止等すること無く、自動的に合焦位置を得ることができるオートフォーカス装置であるといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を参照して、本発明に係るオートフォーカス装置の具体的な態様を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００１５】
図１は、本発明に係るオートフォーカス装置１０００の構成を示すブロック図であり、図２〜４はオートフォーカス装置１０００に備えられたフォーカス検出機構１の概略構成図であり、図２は液晶シャッタ３０の第１切換え部３１を透過した光ビームの光路を、図３は液晶シャッタ３０の第２切換え部３２を透過した光ビームの光路を、図４は液晶シャッタ３０の第３切換え部３３を透過した光ビームの光路を示し、図５は本発明に係る別のシャッタ手段を示す概略斜視図であり、図６は図５のシャッタ手段を説明するための参考図であり、図７は、本発明に係るオートフォーカス装置１０００により、フォーカス検出を実行した場合におけるフォーカス誤差信号を模式的に示す図であり、図８は本発明に係る別の第１光検出素子及び第２光検出素子であり、（Ａ）は、各検出部の検出面積を大きくした場合を、（Ｂ）は、それぞれの光検出器に単一の素子を用いた場合を示す図である。
なお、以下の説明では、フォーカス検出機構１の光源１０から対象物Ｗへ入射する方向をＺ軸方向として、第２ビームスプリッタ１００から光検出器１１０へ入射する方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸及びＺ軸と直交する方向をＹ軸とする。
【００１６】
図１に示すように、オートフォーカス装置１０００は、対象物に光ビームを照射して反射ビームとして検出し、出力信号を演算器６００に出力するフォーカス検出機構１と、フォーカス検出機構１から出力される２つの出力信号の出力値から所定の演算を実行する演算器６００と、オートフォーカス装置１０００全体の制御を行う制御部５００と、を含んで構成される。
【００１７】
フォーカス検出機構１は、図２〜４に示すように、光学ユニット２と、対象物Ｗを載置するステージ３００と、第１光検出器１１０及び第２光検出器１２０を含んで構成されており、光学ユニット２は、光源１０と、コリメータレンズ２０と、液晶シャッタ３０と、アレイ状配置された複数のレンズ４１〜４３を備えるフライアイレンズ４０と、リレーレンズ５０と、第１ビームスプリッタ８０と、１／４波長板７０と、対物レンズ６０と、集束レンズ９０と、第２ビームスプリッタ１００と、等から構成されている。
【００１８】
光源１０は、例えば、放電灯、発光ダイオード、レーザなどによって、光ビームを発生させて放射するものである。
コリメータレンズ２０は、光源１０の前方に配置され、光源１０から放射された光ビームを平行光にする。
【００１９】
液晶シャッタ３０は、図２〜４に示すように、コリメータレンズ２０とフライアイレンズ４０との間に配置され、例えば、フライアイレンズ４０のレンズ４１〜４３の配置位置に応じた、第１〜第３切換え部３１〜３３を備えて構成されている。各切換え部３１〜３３には、光路方向（Ｚ軸方向）に沿って偏光方向が直交する２枚の偏光フィルタ（図示省略）が配置され（例えば、入射側はＸ軸方向の、出射側はＹ軸方向の偏光フィルタとする）、その２枚の偏光フィルタの間には、互いに偏光フィルタの偏光方向と合致する方向の溝を有する配向膜（図示省略）が配置されている。そして、その配向膜には電極が接続されており、この電極を介して、配向膜間が通電されるようになっている。さらに、その配向膜間に液晶分子が配置され、コリメータレンズ２０を透過した光ビームが入射すると、入射側の偏光フィルタの偏光方向（Ｘ軸方向）に応じて、Ｘ軸方向の直線偏光の光ビームのみが透過し、その直線偏光は配向膜間で液晶分子のねじれにより振動方向が９０度変換され、Ｙ軸方向の直線偏光として出射側の偏光フィルタを透過できるので、各切換え部３１〜３３を透過できるようになっている。しかし、配向膜間を通電すると、配向膜間で液晶分子にねじれが生じなくなるため、入射側の偏光フィルタを透過した、Ｘ軸方向の直線偏光の振動方向が変換されない。よって、出射側（Ｙ軸方向）の偏光フィルタによってコリメータレンズ２０を透過した光ビームが遮断される。
したがって、液晶シャッタ３０によって、フライアイレンズ４０の一のレンズのみに光ビームを透過させることが出来、第１〜第３切換え部３１〜３３の通電の有無により、その一のレンズを他のレンズに順次切り換えることが可能になるので、後述の液晶シャッタ切換えプログラム５１０ａとともに、シャッタ手段として機能する。
【００２０】
なお、本実施形態においては、液晶シャッタ３０の各切換え部３１〜３３及びフライアイレンズ４０の各レンズ４１〜４３の光ビーム透過面の面積が略等しくなっているため、液晶シャッタ３０によって、フライアイレンズ４０の一のレンズのみに光ビームを透過させるように制御されているが、例えば、フライアイレンズ４０の各レンズ４１〜４３の光ビーム透過面が、液晶シャッタ３０の各切換え部３１〜３３の光ビーム透過面よりも大きい場合は、液晶シャッタ３０の複数の切換え部を透過した光ビームが、フライアイレンズ４０の一のレンズのみを透過するように、液晶シャッタ３０によって制御してもよい。
さらに、本発明に係るシャッタ手段は、液晶シャッタ３０に限られるものではなく、図５に示されるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）３０Ａであってもよい。このＤＭＤ３０Ａは、例えば、複数の切換え部３１Ａが、縦横（ＹＸ）方向に配列して構成されている。そして、微小ミラー３２Ａを備えた各切換え部３１Ａは、例えば、図６（ａ）に示すように、微小ミラー３２Ａを中立位置（傾斜角を０°とする）に対して＋１０°傾斜させて入射光を反射させる制御と、図６（ｂ）に示すように、微小ミラー３２Ａを中立位置に対して−１０°傾斜させて入射光を反射させる制御と、の2段階の制御が可能である。そのため、例えば、図２〜図４における光源１０を、Ｘ軸方向に所定量移動させて放射した光ビームが、コリメータレンズ２０を透過してＤＭＤ３０Ａに到達した時、一の切換え部３１Ａについて、微小ミラー３２Ａを中立位置に対して＋１０°傾斜させてフライアイレンズ４０の一のレンズのみを透過するように光ビームを反射制御する一方で、他の切換え部３１Ａについて、微小ミラー３２Ａを中立位置に対して−１０°傾斜させてフライアイレンズ４０を透過しない方向に光ビームを反射制御することで、フライアイレンズ４０の一のレンズのみに光ビームを透過させる制御が可能となる。
また、シャッタ手段は、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であってもよい。
【００２１】
マルチレンズとしてのフライアイレンズ４０は、液晶シャッタ３０の各切換え部３１〜３３から出射された光ビームを透過するレンズ４１〜４３を備えて構成されており、液晶シャッタ３０を透過した光ビームをいったん集光した後、再び広がった光束をリレーレンズ５０に入射させる。そのため、液晶シャッタ３０から出射した直後の光ビームの強度分布が非一様であったとしても、フライアイレンズ４０を透過して集光することにより、強度分布の均一化を図ることが出来る。
リレーレンズ５０は、フライアイレンズ４０から出射された光ビームを入射して平行光にして出射する。
【００２２】
第1ビームスプリッタ８０は、偏光ビームスプリッタから構成されており、透過する光ビームのうち、Ｘ軸方向に振動する直線偏光は全て透過させ、Ｙ軸方向に振動する直線偏光を全て反射させるような偏光依存性を有する光学薄膜が形成された分離面を有する。
従って、リレーレンズ５０から入射される、Ｘ軸方向に振動する直線偏光からなる光ビームは、第1ビームスプリッタ８０を全透過して対象物Ｗに向けて照射することが出来る。その一方で、対象物Ｗから反射した光ビームは１／４波長板７０を介して、Ｙ軸方向に振動する直線偏光として、第1ビームスプリッタ８０にてＸ軸方向に全反射させることができる。
そのため、対象物Ｗからの反射ビームが、光源１０に向けて（Ｚ軸方向へ）透過することが無いので、光検出の効率を高め、ノイズの発生及び光源１０より出射される光ビームの揺らぎを防止することが出来る。
【００２３】
１／４波長板７０は、第一ビームスプリッタ８０を透過したＸ軸方向に振動する直線偏光を円偏光に変換して対物レンズに出射するともに、対象物Ｗから反射して逆回りの円偏光となった反射ビームを逆回りの円偏光からＹ軸方向に振動する直線偏光に変換して、第1ビームスプリッタ８０に出射する。
対物レンズ６０は、１／４波長板７０により円偏向された光ビームを集光してステージ３００上の対象物Ｗを照射するとともに、対象物Ｗから反射して逆回りの円偏光となった反射ビームを透過させて第１ビームスプリッタ８０に出射する。
【００２４】
第２ビームスプリッタ１００は、第1ビームスプリッタ８０により反射された光ビームの光路上に配置されており、そのＹ軸方向の直線偏光からなる反射ビームを、Ｘ軸方向の光ビームとＺ軸方向の光ビームに分割するので、それぞれの光ビーム（反射ビーム）を検出器１１０及び１２０で検出することが出来る。
【００２５】
第１光検出器１１０及び第２光検出器１２０は、図２〜４に示すように、第２ビームスプリッタ１００により分離された各反射ビームの結像点よりも距離Ｌだけ前および後にそれぞれ配置されており、それぞれの反射ビームの光量を検出部Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３にて検出している。この検出部Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３は、それぞれ、結像点における反射ビームが凡そ透過できる程度に検出面積の小さな素子からなるフォトダイオードやＣＣＤ画像素子等からなる。
検出部Ａ１〜Ａ３とＢ１〜Ｂ３は、結像点からともに等距離Ｌだけ離間して配置されているので、対象物Ｗが合焦位置にある場合は、検出部Ａ１〜Ａ３とＢ１〜Ｂ３により検出される反射ビームの光量が等しくなる。その一方で、対象物Ｗが合焦位置にない場合、即ち、対象物Ｗが対物レンズ６０の焦点距離よりも短く／長くなる位置にある場合は、結像点の後方／前方で結像するため、結像点の後方（検出部Ｂ１〜Ｂ３）／前方（検出部Ａ１〜Ａ３）により検出される反射ビームの光量が他方に比べて大きくなる。そのため、検出部Ａ１〜Ａ３とＢ１〜Ｂ３により検出される反射ビームの光量の差を算出することにより、対象物Ｗが合焦位置にあるか否かを判別することが可能となる。
このため、第１光検出器１１０及び第２光検出器１２０には図示しない検出回路が接続され、この検出回路が第１光検出器１１０（検出部Ａ１〜Ａ３）及び第２光検出器１２０（検出部Ｂ１〜Ｂ３）の検出するそれぞれの光量を電圧に変換し、後述の演算器６００に対して出力し、合焦位置の判別を可能としている。
なお、第１光検出器１１０における検出部Ａ１〜Ａ３及び第２光検出器１２０における検出部Ｂ１〜Ｂ３は、図２〜４に示されるものには限られない。例えば、図８（Ａ）に示すように、図２〜４における各検出部Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３に比べて検出面積の大きな素子からなるフォトダイオード等を用いて、結像点における反射ビームが凡そ透過できるように、各検出部の前面にピンホール板１１１、１２１を配置したものであっても良いし、図８（Ｂ）に示すように、それぞれの光検出器１１０、１２０について単一の素子Ａ、Ｂからなるフォトダイオード等を用いて、結像点における反射ビームが凡そ透過できるように、各反射ビームの検出位置の前面にピンホール板１１１、１２１を配置したものであっても勿論良い。
【００２６】
したがって、このフォーカス検出機構１によると、光ビームが光源１０より放射され、その光源１０からの光ビームがコリメータレンズ２０により平行光となって液晶シャッタ３０に入射すると、コリメータレンズ２０を透過した光ビームのうち、Ｘ軸方向に振動する（直線偏光の）光ビームのみが液晶シャッタ３０の第１〜第３切換え部３１〜３３のいずれか一つを透過する。その液晶シャッタ３０を透過した光ビームは、フライアイレンズ４０でいったん集光した後発散し、リレーレンズ５０により略平行光となる。リレーレンズを透過した光ビームは、第1ビームスプリッタ８０をそのまま透過した後、１／４波長板７０を透過する際に直線偏光から円偏光に変換される。その後、光ビームは、対物レンズ６０に入射して、集光された状態でステージ３００上の対象物Ｗを照射する。
そして、対象物Ｗから反射した光ビーム（反射ビーム）は、対象物Ｗを照射する際の円偏光とは逆回りの円偏光となっており、対物レンズ６０を透過して、１／４波長板７０によって逆回りの円偏光からＹ軸方向に振動する直線偏光に変換され、第1ビームスプリッタ８０にてＸ軸方向に反射する。そして、集束レンズ９０を透過し、第２ビームスプリッタ１００によりＸ軸方向及びＺ軸方向の反射ビームに分離されて第１光検出器１１０及び第２光検出器１２０により検出される。
【００２７】
演算器６００は、第１光検出器１１０及び第２光検出器１２０より出力される電圧からフォーカス誤差信号を演算する。ここで、フォーカス誤差信号は、第１光検出器１１０から出力される電圧と第２光検出器１２０から出力される電圧の差を、第１光検出器１１０から出力される電圧と第２光検出器１２０から出力される電圧の和で除した値で表される。  
したがって、各光ビームＤ１〜Ｄ３によるフォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３は、第１光検出器１１０の検出部Ａ１〜Ａ３より出力される電圧をＶＡ１〜ＶＡ３とし、第２光検出器１２０の検出部Ｂ１〜Ｂ３より出力される電圧をＶＢ１〜ＶＢ３とすると、Ｅ１＝（ＶＡ１−ＶＢ１）／（ＶＡ１＋ＶＢ１）、Ｅ２＝（ＶＡ２−ＶＢ２）／（ＶＡ２＋ＶＢ２）、Ｅ３＝（ＶＡ３−ＶＢ３）／（ＶＡ３＋ＶＢ３）となり、このフォーカス誤差信号が０となる位置が合焦位置である。なお、この演算器６００によりフォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３のいずれも０とならなかった場合は、制御部５００に対してエラー信号を出力し、制御部５００により光学ユニット２の移動調整がなされる。
【００２８】
制御部５００は、ＣＰＵ５０１、ＲＡＭ５０５、ＲＯＭ５１０等を含んで構成されている。
ＣＰＵ５０１は、ＲＯＭ５１０に格納されている各種処理プログラムの実行や、処理データのＲＡＭ５０５への格納を行う。
ＲＡＭ５０５は、ＣＰＵ５０１により実行された処理プログラム等を展開するプログラム格納領域と、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等のデータを格納するデータ格納領域とを備える。
ＲＯＭ５１０は、光学ユニット２のＸＹＺ軸方向への移動を制御するプログラム（図示省略）や、後述の液晶シャッタ切換えプログラム５１０ａ等の各種処理プログラムを格納する。
【００２９】
液晶シャッタ切換えプログラム５１０ａは、液晶シャッタ３０の第１〜第３切換え部３１〜３３のうち、通電する切換え部と通電しない切換え部の切換え、及びその通電時間・通電する切換え部の切換え順序等を制御することにより、所定の時間間隔で、光ビームを透過させるフライアイレンズ４０の一のレンズを他のレンズに切換えることが出来る。
したがって、ＣＰＵ５０１が液晶シャッタ切換えプログラム５１０ａを実行することにより、液晶シャッタ３０の第１〜第３切換え部３１〜３３が順に切換えられ、対象物Ｗの測定位置（例えば、図２（Ａ）の光ビームＤ１が対象物を照射する位置）とその位置から僅かに変位した位置（例えば、図２（Ｂ）、（Ｃ）の光ビームＤ２、Ｄ３が対象物を照射する位置）に対して複数の光ビームが照射され、その対象物Ｗからの反射ビームが第１検出器１１０及び第２光検出器１２０で検出されるので、対象物Ｗへの照射する位置が異なる複数の光ビームによるフォーカス検出を、光学ユニット２の位置を変更することなく行うことが出来る。
【００３０】
次いで、図２〜７を用いて、本発明に係るオートフォーカス装置１０００によって対象物Ｗが所定の測定位置にある場合に、その位置のフォーカスを検出する処理について述べる。
【００３１】
オートフォーカス装置１０００によるフォーカスを検出する処理は、制御部５００により、光学ユニット２を上下方向（例えば、上方から下方）に移動調整しながら行われる。
まず、図２〜４に示すように、光学ユニット２が所定の位置にある状態で、ＣＰＵ５０１が液晶シャッタ切換えプログラム５１０ａを実行し、所定の時間間隔で、液晶シャッタ３０の第１〜第３切換え部３１〜３３の順に通電し、その各光ビームＤ１〜Ｄ３が対象物Ｗの測定位置（例えば、図２の光ビームＤ１が対象物Ｗを照射する位置）とその位置から僅かに変位した位置（例えば、図３、４の光ビームＤ２、Ｄ３が対象物Ｗを照射する位置）を照射し、その各光ビームＤ１〜Ｄ３の反射ビームが第１光検出器１１０の検出部Ａ１〜Ａ３及び第２光検出器１２０の検出部Ｂ１〜Ｂ３により順次検出され、電圧として演算器６００に出力される。そして、演算器６００は、その出力された電圧に基づいて前述のフォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３を順次演算する。
【００３２】
このフォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３は、図７に示すように、測定位置に応じて曲線的に変化し、フォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３の何れかが０の値となる位置が合焦位置となる。ここで、フォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３がそれぞれ同じ曲線的変化を行っていることは、対象物Ｗの測定面が平面であることを表している。また、フォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３は、上述のように、液晶シャッタ３０の第１〜第３切換え部３１〜３３の切換えに応じて順次演算されるため、それぞれ時間的なずれが含まれている。
このとき、上記光学ユニット２が所定の位置にある状態にて、それぞれ点Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１の位置で、各光ビームＤ１、Ｄ２、Ｄ３によるフォーカス誤差信号が順次得られたものとする。
この場合は、図７に示すように、点Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１において、フォーカス誤差信号Ｅ１〜Ｅ３の何れも０の値（合焦位置）となっていないため、制御部５００により光学ユニット２を所定量移動調整し、再度のフォーカス検出が実行され、この移動調整後の光学ユニット２の位置において、フォーカス誤差信号が点Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２で得られたものとする。この場合、図７に示すように、点Ｐ２２にて、フォーカス誤差信号Ｅ２が０の値（合焦位置）となっているため、光ビームＤ２によりフォーカス検出が成功したこととなる。なお、この場合、点Ｐ２２にてフォーカス検出が成功し、フォーカスを検出する処理がこの時点で終了するため、実際には、繰り返しフォーカスを検出する処理を実行しない限り、点Ｐ３２でのフォーカス誤差信号は検出されない。
【００３３】
すなわち、上記のように、複数の光ビームによりフォーカス検出を行うことにより、一の光ビームＤ１では（つまり、光ビームＤ１が対象物Ｗを照射する位置では）合焦位置が得られなくとも、他の光ビームＤ２又はＤ３により（つまり、上記光ビームＤ１が対象物Ｗを照射する位置から僅かに変位した、光ビームＤ２又はＤ３が対象物Ｗを照射する位置では）合焦位置を得ることが可能となる。
【００３４】
以上より、対象物Ｗのフォーカス検出位置が、例えば、段差のある境界部、特にその境界部のエッジである場合においても、一のレンズの光ビーム（例えば、図２の光ビームＤ１）が光の散乱によりフォーカスを検出することが出来なくても、切り換えた他のレンズの光ビーム（例えば、図２の光ビームＤ２、Ｄ３）によりフォーカスを検出することで合焦位置を得ることが出来るので、本発明は、対象物の段差のある境界部にフォーカスをあわせる場合であっても、自動的にフォーカス位置を検出できるオートフォーカス装置であるといえる。
【００３５】
また、本発明におけるシャッタ手段として液晶シャッタやＤＭＤを用いることにより、何ら特殊な光学系を用いることなく、光ビームの辿る光路の切換えを容易に実現している。
【００３６】
さらに、本発明におけるマルチレンズは、フライアイレンズであるため、液晶シャッタから出射した直後の光ビームの強度分布が非一様であったとしても、フライアイレンズを透過して集光することにより、強度分布の均一化を図ることが出来る。
【００３７】
なお、本実施形態ではフライアイレンズは３つのレンズ、液晶シャッタの切換え部は第１〜第３切換え部までとしているが、この形態に限定されるものではなく、例えば、光路と直交する面（ＸＹ面）に複数の格子状のレンズ、切換え部を備えたフライアイレンズ、液晶シャッタにする等、より多数のレンズ、切換え部から構成されるものであっても当然よい。
また、シャッタ手段は、対象物のフォーカス検出位置が、段差のある境界部のエッジ等の、一のレンズの光ビームの対象物への照射では第１及び第２光検出器により反射ビームが検出できない場合にのみ、液晶シャッタの切換え部を制御して他のレンズに切り換えて光ビームを対象物に照射するものとし、それ以外の場合は一のレンズの光ビームによりフォーカス検出を実行するように制御するものであってもよい。つまり、光ビームが境界部のエッジ等によって散乱し、第１及び第２光検出器より検出する光量が、所定の閾値を下回る場合に、例えば、第１及び第２光検出器より所定のエラー信号を制御部に出力し、その信号に基づいて、シャッタ手段が光ビームを透過させるレンズを順次切り換える制御を開始するような構成であってもよい。
そして、シャッタ手段は、液晶シャッタ以外の機械的なシャッタでもよい。
さらに、フォーカス検出手段は、第１、第２光検出素子のように、分割された光ビームを結像点前後位置で出力信号として検出するものに限られるものではなく、試料に照射された光ビームを検出してフォーカシングする方式であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るオートフォーカス装置１０００の構成を示すブロック図である。
【図２】オートフォーカス装置１０００に備えられたフォーカス検出機構１を、液晶シャッタ３０の第１切換え部３１を透過した光ビームの光路とともに示した概略構成図である。
【図３】オートフォーカス装置１０００に備えられたフォーカス検出機構１を、液晶シャッタ３０の第２切換え部３２を透過した光ビームの光路とともに示した概略構成図である。
【図４】オートフォーカス装置１０００に備えられたフォーカス検出機構１を、液晶シャッタ３０の第３切換え部３３を透過した光ビームの光路とともに示した概略構成図である。
【図５】本発明に係る別のシャッタ手段を示す概略斜視図である。
【図６】図５におけるシャッタ手段を説明するための参考図である。
【図７】本発明に係るオートフォーカス装置１０００により、フォーカス検出を実行した場合におけるフォーカス誤差信号を模式的に示す図である。
【図８】本発明に係る別の第１光検出素子及び第２光検出素子であり、（Ａ）は、各検出部の検出面積を大きくした場合を、（Ｂ）は、それぞれの光検出器に単一の素子を用いた場合を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
２          光学ユニット
１０        光源
３０        液晶シャッタ（シャッタ手段）
３０Ａ      ＤＭＤ（シャッタ手段）
４０        フライアイレンズ（マルチレンズ）
５０        リレーレンズ（光学素子）
６０        対物レンズ
７０        １／４波長板
１００      第２ビームスプリッタ（ビームスプリッタ）
１１０      第１光検出器（第１光検出素子）
１２０      第２光検出器（第２光検出素子）
５００      制御部
５０１      ＣＰＵ（シャッタ手段）
５１０      ＲＯＭ
５１０ａ    液晶シャッタ切換えプログラム（シャッタ手段）
６００      演算器（検出手段）
１０００    オートフォーカス装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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