(57)【要約】 【課題】   レーザ光源からの光束で物体表面を照射し、その反射光を用いて物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置を求める際、傷やスペックルなどによる散乱光の影響を抑制しオートフォーカスの精度と応答性を高め、オートフォーカス可能レンジを拡げる。【解決手段】   レーザ光源２からの光束でレンズ３、シリンドリカルレンズ２２、ビームスプリッタ４、対物レンズ５を介して対物レンズ５の焦点位置近傍に設置される物体６表面を照明する。この照明光はシリンドリカルレンズ２２の作用によって、物体表面上でピントがあったときに円形状のボケ状となる。このボケ状照明光で得られた物体表面からの反射光を対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７を経て物体表面と共役位置にある受光部８に投影する。受光部８はこの投影像を受光し、演算部にそれを伝えて物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置を求める。  【選択図】    図７
2006153622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からの光束を対物レンズに導くコリメータレンズと、コリメータレンズからの光束を受けて物体表面を照明する対物レンズと、前記光源と対物レンズ間に設置したシリンドリカルレンズとで形成した照明側光学系と、
前記物体表面が照明側光学系で照明されたとき、シリンドリカルレンズの作用によって物体表面に生じる前側焦線、中間部円形状ボケ像、後側焦線を反射光として捉え、これを多分割フォトダイオードで構成した受光部に投影する結像レンズで形成した受光側光学系と、前記受光部に投影された反射光の検出形状に応じて前記対物レンズの焦点位置と物体表面間の距離を演算し、対物レンズ位置を補正するよう駆動制御部に伝える演算部とを備え、物体表面での反射光形状を受光側光学系の共役位置に設置した受光部で検出し、その検出形状に応じて物体表面位置に対する対物レンズ焦点位置を求めるようにしたことを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
シリンドリカルレンズと対物レンズ間にビームスプリッタを設置し、このシリンドリカルレンズ、ビームスプリッタ、対物レンズを経由して物体表面を照明するようにした照明側光学系と、前記物体表面からの反射光を前記対物レンズとビームスプリッタを経由して受光部に投影するようにした受光側光学系としたことを特徴とする前記請求項１記載のオートフォーカス装置。
【請求項３】
受光部をＣＣＤとし、この受光部からの信号を画像処理部から演算部と表示部に伝えるようにしたことを特徴とする前記請求項１、２記載のオートフォーカス装置。
【請求項４】
レーザ光源の波長に対する対物レンズ毎の色収差補正値を算出し、これを画像処理部に記憶して受光部での反射光検出形状とこの色収差補正値によって物体表面に対する対物レンズ位置を求めるようにしたことを特徴とする前記請求項３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もので、レーザ光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置する物体表面を照明し、その反射光を用いて物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置を求めていくとき、その精度と応答性を向上し、さらにオートフォーカスを可能とするレンジを拡げるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
観察する物体の表面をレーザ光源を使用した光学系で照明し、その表面形状を測定する装置は各種の分野で使用されている。このような装置で問題となることの１つにオートフォーカス時の精度とその応答速度、及びオートフォーカスを可能とするレンジがあげられる。
この精度と速度を左右する原因の１つに散乱光の問題がある。この散乱光とはスペックル現象による干渉縞や、物体面に付けられたキズ、極端な凹凸（突起）などによって生じる部分的な高輝度反射光をいい、この散乱光が発生するとオートフォーカスの測定時に測定光の分布が影響を受けてしまい正確な測定が損なわれ、それに伴うフォーカス補正の応答速度が低下してしまう。上記したスペックル現象は周知のように、表面形状が不規則な物体の各点から散乱される反射光が互いにランダムな位相関係で、幾つも重なり合った結果生じる干渉縞と考えられていて、その不安定な発生状態がオートフォーカス精度を左右する原因となる。しかもこのスペックルはレーザを光源として使用する限り、レーザ光自身が持つ光の性質や測定する物体の表面粗さ程度とその角度、測定装置に加えられる各種の振動などによってどうしても発生してしまう。またこのスペックルはレーザ光源のスポットを絞って物体面への照射面積（フォーカスポイント）を小さくすればするほど発生しやすいという性質を持っている。従ってこのような散乱光の発生を抑えるための工夫、或いは発生してしまった散乱光を抑制し浄化するための手段を設置することが、オートフォーカスの精度と速度を向上することになる。
このような散乱光に対してこれまでは、観察する物体表面からの反射光を途中で加工するようにした散乱光浄化手段を新たに設置して対応するようにしているものが多い。例えば物体表面からの反射光をビデオ情報として取り出し、それをデジタル化して記憶し、そのデジタル画像の中から最大輝点となる位置を求めてその位置を、物体表面が存在する位置として認識するようにしたものがある（特許文献１）。また物体表面からの反射光を２つに分割して取りだし、それぞれを別個の検出器で検出できるよう２つの光学系を形成し、両者を比較するようにしたものも知られている（特許文献２）。しかしいずれも複雑な手段や特別の光学系を別途設置しなければならず、装置全体が大型化して高価となってしまっていた。
【０００３】
またオートフォーカス精度と応答性を向上するための手段としてシリンドリカルレンズを測定光学系中の受光部側に設置することが非点収差法として知られている。この方法は物体表面を照明した光束の反射光が受光部に投影される際に、その反射光束をシリンドリカルレンズの作用によって線状や円状に変更し、その変更された形状によって対物レンズ位置を算出するようにしている。このシリンドリカルレンズを光学系受光部側に設置するという方法は、受光部に投影される反射光の形状によって対物レンズの位置が求められるという利点をもたらし、オートフォーカスの精度と応答速度の向上に貢献する。しかし物体表面からの反射光をシリンドリカルレンズの作用によって前側焦線と後側焦線、両者の中間位置でのほぼ円形状ボケ像に変形して受光部に投影することになる。そのため散乱光が物体表面上で発生すれば、その散乱光もシリンドリカルレンズの作用を受けることになり、受光部はその散乱光と変形像を一緒に受光して混乱し、オートフォーカス時の対物レンズ位置をなかなか固定できず、その精度も不正確なものとなる。また受光部側にシリンドリカルレンズを設置するため光学系は拡大光学系となり、受光部側の倍率が高くなってオートフォーカス可能レンジが極めて狭ばめられ、過剰な検出精度になってフォーカスエラーを起こしやすい。
【特許文献１】特開平７−５５４２１号公報
【特許文献２】特開平６−２１３６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はシリンドリカルレンズを測定光学系の照明側に設置し、非点収差法の利点を継承するにも係わらず受光部に投影される像の品質を向上し、散乱光の問題も解決して物体表面位置に対する対物レンズの焦点位置精度を高め、応答性の良いオートフォーカスとオートフォーカス可能レンジを拡げることのできる装置を求めることである。それも複雑な手段や特別の光学系を設置することなく小形で安価なオートフォーカス装置を求めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため本発明は、レーザ光源からの光束を対物レンズに導くコリメータレンズと、コリメータレンズからの光束を受けて物体表面を照明する対物レンズと、前記光源と対物レンズ間に設置したシリンドリカルレンズとで形成した照明側光学系と、前記物体表面が照明側光学系で照明されたとき、シリンドリカルレンズの作用によって物体表面に生じる前側焦線、中間部円形状ボケ像、後側焦線を反射光として捉え、これを多分割フォトダイオードで構成した受光部に投影する結像レンズで形成した受光側光学系と、前記受光部に投影された反射光の検出形状に応じて前記対物レンズの焦点位置と物体表面間の距離を演算し、対物レンズ位置を補正するよう駆動制御部に伝える演算部とを備え、物体表面での反射光形状を受光側光学系の共役位置に設置した受光部で検出し、その検出形状に応じて物体表面位置に対する対物レンズ焦点位置を求めるようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項１記載のオートフォーカス装置において、シリンドリカルレンズと対物レンズ間にビームスプリッタを設置し、このシリンドリカルレンズ、ビームスプリッタ、対物レンズを経由して物体表面を照明するようにした照明側光学系と、前記物体表面からの反射光を前記対物レンズとビームスプリッタを経由して受光部に投影するようにした受光側光学系としたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは請求項１、２記載のオートフォーカス装置において、受光部をＣＣＤとし、この受光部からの信号を画像処理部から演算部と表示部に伝えるようにしたことを特徴とする。
請求項４の発明によるものは請求項３記載のオートフォーカス装置において、レーザ光源の波長に対する対物レンズ毎の色収差補正値を算出し、これを画像処理部に記憶して受光部での反射光検出形状と色収差補正値によって物体表面に対する対物レンズ位置を求めるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明はレーザ光源からの光束で対物レンズの焦点位置近傍に設置される物体表面を照明し、その反射光を結像レンズで受光部に導く測定光学系を使用する。そしてこの光学系中の照明側は光源からの光束を対物レンズに導くコリメータレンズと、コリメータレンズからの光束を受けて物体表面を照明する対物レンズと、前記光源と対物レンズ間に設置したシリンドリカルレンズで構成する。それによって物体表面はシリンドリカルレンズを通して照明されるから、シリンドリカルレンズの作用によって生じる前側焦線と後側焦線、その中間部位置に生じるほぼ円形状のボケ像による照明を受ける。この中間部位置での円形照明光は物体表面上に焦点を結ぶことはできないから、シリンドリカルレンズを受光部側に設置して物体表面上で焦点を結び、ピントが合うようにした従来照明光に比して照射面積は拡大する。焦点を結ばないことと照射面積が拡大することでスペックルなどの散乱光の発生は減少するから、これだけでも散乱光の抑制が期待できる。そしてさらに物体表面を照明した円形ボケ像は物体表面位置に対する共役位置に設置される受光部に投影されるから、受光部上には物体表面の照明光と同じ品質の円形像が、受光部側から見ると共役の位置関係をもって投影される。そのため物体表面上にスペックルなどの散乱光が発生したとしても、その散乱光によって共役位置にピントの合った状態で投影される照明像が影響を受けることは少なく、あたかも散乱光を抑制したようになる。
それによって従来、受光部に投影された円形状のボケ像を測定光として算出していた物体表面位置に対する対物レンズ位置は、物体表面位置と共役位置に設置される受光部上に投影される円形状のピントの合った像を用いて算出できるようになり、安定した正確な表面位置を捉えられようになる。そのため対物レンズ焦点位置と物体表面位置間の距離を正確に測定し、対物レンズ位置補正の応答性を良くしたオートフォーカスを実施することが出来る。それも照明側光学系にシリンドリカルレンズを設置し縮小光学系としたので、物体面上でのオートフォーカス可能レンジを従来より拡げ、さらにフォーカスエラーの発生を抑えることが出来る。又、照明光学系の構成によってオートフォーカス可能レンジをコントロールできるので、受光側光学系の倍率が変化してもオートフォーカス可能レンジを自由に設定することが出来る。そして全体的には光源と対物レンズ間にシリンドリカルレンズを設置するだけという構成であるから、複雑な手段や特別の光学系を新たに設置することもなく、小形で経済的にも安価な装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は一般的な従来装置の測定光学系１を説明する図である。図Ａにおいてレーザ光源２からの光はコリメータレンズ３、ビームスプリッタ４を経て対物レンズ５によりその焦点位置近傍に設置される物体６の表面を照明する。以後この光学系を照明側光学系という。物体６は表面を種々加工したプラスチックや金属のプレートなど各種のもので、プリント基板や動植物の試料も用いることが出来る。このような物体６表面の任意観察面が対物レンズ５の焦点位置近傍にあれば、その任意観察面からの反射光が対物レンズ５からビームスプリッタ４に向かい、そこで９０度反転して結像レンズ７で集光され受光部８に達する。以後この光学系を受光側光学系という。よって測定光学系１は照明側光学系と受光側光学系によって形成される。受光部８は多分割フォトダイオード（図では４分割）などで構成される。
物体６の表面には微小な凹凸があり、図の例ではａ、ｂ、ｃの高さとしてある。今、ｂ面と対物レンズ５の焦点位置が一致しているとすれば、そのｂ面位置と共役位置ｂｆに設置された受光部８上にその反射光が結像レンズ７を介して投影される。物体６の光学系１光軸方向の位置と受光部８の設置位置は固定状態であるから、物体６のａ面が対物レンズ５と対応する位置にセットされると、その高さ方向の差分に応じて投影される受光面位置も移動する。例えば物体面がｂ面からａ面に移動すると投影される受光面位置もｂｆからａｆに移動する。従って位置ｂｆ上に設置される受光部８で、ａｆに投影される像を受光することになるから、それはピンボケ状態となる。同じように物体６の表面位置がｃ面に移動するとｂ面からの移動した距離に応じて投影位置もｂｆからｃｆに移動する。従って位置ｂｆの受光部８で、位置ｃｆに投影される像を受光することになるからピンボケ状態となる。
【０００８】
図１Ｂは上記の説明を表としてまとめたもので、物体６の表面ａが対物レンズ５のピント位置と一致しているとき像の受光位置は上記のように図１Ａのａｆである。このａｆ上に投影される像品質はピントの合ったものであるから、図Ｂの表では受光位置ａｆ部に実線の〇として示してある。またａｆ上に投影される像を位置ｂｆ、ｃｆで受光するとすればその像品質はピンボケとなるので点線〇としてある。同じように物体６のｂ面が対物レンズ５のピント位置と一致しているとすれば、そのｂ面上の反射光は結像レンズ７を介して位置ｂｆに投影される。そのため図ではｂｆ上の像をピントの合った実線〇として示し、位置ａｆ、ｃｆ上で同じ光束を受光するとすればピンボケとなるので点線〇として示してある。同様に物体６のｃ面が対物レンズ５のピント位置と一致している位置にセットされたとすれば、ｃ面上の反射光は位置ｃｆに投影されピントの合った実線〇となり、位置ａｆ、ｂｆ上ではピンボケの点線〇となる。
このように物体６の表面形状がａ、ｂ、ｃの様に移動すると、受光部８の位置も表面形状に合わせて位置ａｆ、ｂｆ、ｃｆに移動する。そのため受光部８の位置をｂｆに固定すれば、対物レンズ５を物体表面形状ａ、ｂ、ｃに合わせて光学系１光軸方向に移動させて常時ピントの合った物体表面を測定出来るようなオートフォーカス装置が要求される。
【０００９】
図２は図１に示した測定装置の受光側光学系にオートフォーカス機能を組み込んだときの説明図である。図中９は受光側光学系のビームスプリッタ４と結像レンズ７間に設置したシリンドリカルレンズで、物体６面上での反射光が対物レンズ５、ビームスプリッタ４を経てシリンドリカルレンズ９に伝えられ、結像レンズ７を通して受光部８上に投影される。詳細については後述するが、物体６面上での反射光がシリンドリカルレンズ９の作用を受けた後に結像レンズ７によって受光部８上に投影されると、それが図１Ａの位置ａｆかｃｆ上に投影されたと演算部１０が判断すれば、演算部１０はそれを信号として駆動制御部１１に伝え対物レンズ５を光軸方向に移動して位置ｂｆ上に投影されるよう対物レンズ５の位置を補正する。物体６面上での反射光が位置ｂｆ上に投影されたと演算部１０が判断すると、演算部１０はそれを駆動制御部１１に伝え対物レンズ５を所定の位置で停止する。尚、対物レンズ５を光軸方向に移動させる具体的な手段は本発明の主旨とは異なるので以下の説明も含めて全て省略する。
【００１０】
図３は図２の光学系で受光部側の投影状態を説明する図である。図Ａは図１Ａ、図２と同様に測定光学系１中の受光側光学系側面図を示していて、図Ｂはその一部平面図である。図において対物レンズ５の焦点位置が物体のｂ面と一致しているとしたとき、ｂ面上での反射光は、対物レンズ５、ビームスプリッタ４、シリンドリカルレンズ９、結像レンズ７を経て位置８ｃに線状の像１２を結ぶ。この線状の像１２は結像レンズ７とシリンドリカルレンズ９によって形成される前側焦線である。また上記物体６面上での反射光は位置８ｃの光軸延長線上の位置８ａに線状の像１３を結ぶ。この線状の像１３は結像レンズ７によって形成される後側焦線で、前記の前側焦線１２に対し９０度回転したものとなる。この前側焦線１２位置８ｃと後側焦線１３位置８ａ間の距離（非点隔差）はシリンドリカルレンズ９や結像レンズ７の性能によって異なるが、上記物体ｂ面での反射光は両位置８ｃ、８ａ間の中程で、ほぼ円形状のボケ像１４を形成する。つまり対物レンズ５で照明された物体ｂ面での光束は、位置８ｃで焦点を結びピントの合った横方向の線状前側焦線１２となり、次いで徐々にピントがずれていき中程の位置８ｂでほぼ円形状のボケ像１４となる。そして徐々に線状になってピントが合っていき、位置８ａで縦方向のピントの合った線状の後側焦線１３となる。図Ａ、Ｂでは上記中間ボケ像１４をピントの合っていない像として点線○で示したが、この中間ボケ像１４の位置８ｂを図１で述べた位置ｂｆとし、ここに受光部８を設置したとすれば、物体６表面がａ〜ｃと移動することで受光部８に投影される像の形状と品質は変化していく。この変化の状態を物体表面ａ、ｂ、ｃ毎に模式的にまとめたのが図３Ｃである。
この図３Ｃにおいてまず対物レンズ５のピント位置が物体６のｂ面と一致しているときについて説明する。このとき前側焦線１２は位置ｃｆに像１２ａとして投影されるが、この位置は受光面位置ｂｆと離れているのでピンボケとなる。図ではこれを点線○として表している。中間ボケ像１４は受光部８位置と一致する位置ｂｆに像１４ａとして投影されるが、中間ボケ像１４ａ自身はピントの合っていないボケ像であるからボケ像のまま受光部８に投影される。図ではこれを点線の○としてある。後側焦線１３は位置ａｆに像１３ａとして投影されるが、受光面位置ｂｆと離れているのでピンボケとなる。図ではこれを点線の○として表してある。従って前側焦線１２ａと中間ボケ像１４ａと後側焦線１３ａの三者は全てピンボケ状態で受光部８に投影されることになる。
【００１１】
次に対物レンズ５のピント位置が物体表面ａと一致しているときについて説明する。この場合、前側焦線１２はピントの合った状態で位置ｂｆに像１２ａとして投影され受光部８によって検出される。図ではピントの合っている像であることを示すため実線の○としてある。中間ボケ像１４は位置ａｆに像１４ａとして投影されるが、その位置は受光部位置ｂｆと離れているのでピンボケとなる。後側焦線１３もピンボケ像１３ａとして投影される。物体６のｃ面が対物レンズ５のピント位置と一致しているときは、後側焦線１３が位置ｂｆに像１３ａとして投影されピントの合った状態で実線○として投影される。中間ボケ像１４は位置ｃｆに像１４ａとして投影されるがその位置が受光部位置ｂｆと離れているのでピンボケとなる。前側焦線１２もピンボケ像１２ａとして投影される。
このようにこの例の場合、位置ｂｆに設置された受光部８には、対物レンズ５のピント位置が物体６のａ面と一致しているとき前側焦線としての像１２ａが実線○として投影され、対物レンズ５のピント位置がｂ面と一致しているときは中間ボケ像１４ａが点線○として投影される。そしてピント位置がｃ面と一致しているときは後側焦線としての像１３ａが実線○として投影される。この投影された３つの像の内、「線」として投影される２つの像１２ａ、１３ａはピントが合った状態で受光部８で検出されるが、残りの中間像１４ａは像として形成されない中間位置での像であり、そのため像自身が安定せずスペックルなど外部要因によって変化しやすい状態の像となる。従って受光部の受光結果を受けて動作する演算部１０は外部要因によって変化しやすい像１４ａからの指令を受けることになり、正確な値を算出することが出来ず、バラツキのある対物レンズ５位置情報を出力してオートフォーカスの精度と応答性を維持することが出来ない。
更に上記光学系１は受光側光学系中にシリンドリカルレンズ９を設置し、物体面上の照明用光点を拡大して使用するという光学系となっている。そのため前側焦線１２位置ｃｆと後側焦線１３位置ａｆ間で規定される焦点深度（オートフォーカス可能レンジ）は限定された狭いものとなってしまい、それがフォーカスエラーを誘引する原因となる。
【００１２】
図４は上記した受光部８と、この受光部８からの信号を受けて演算する演算部１０の関係を示した説明図である。今、図３Ａのように物体６のｂ面が対物レンズ５の焦点位置近傍に位置していて、スペックル等が一切発生せず安定した状態にあると仮定したとき、物体６のｂ面を照明する対物レンズ５の光点６ｐは図４Ａのように通常１０〜５０μｍ程度のフォーカスポイントとなる。この光点６ｐによって照明された物体表面６の反射光は、中間ボケ像１４ａとなって位置ｂｆ上の受光部８に投影される。図４Ｂではこのピントの合っていない投影像を点線○で示したが、その投影位置は受光部８を構成する４つのフォトダイオードｐａ〜ｐｄの中心部となるよう調整する。このような状態で投影されると演算部１０は受光部８を構成するフォトダイオードｐａ〜ｐｄからの出力を受けて、
（（ｐａ＋ｐｃ）−（ｐｂ＋ｐｄ））／（ｐａ＋ｐｂ＋ｐｃ＋ｐｄ）・・・・１式
の除算を実施する。中間ボケ像１４ａが図４Ｂのように受光部８の中心部に投影されれば、除算の結果は基本的には「０」となる。この「０」が出力されると図２の駆動制御部１１は「０」信号のため動作せず、対物レンズ５は静止したままで移動しない。それによって対物レンズ５の焦点位置と測定する物体のｂ面位置は一致していて、両者間の距離は「０」と認識される。
実際には前記したようにピンボケの中間ボケ像１４ａが測定光として検出されるため、ボケによって受光部の検出値が安定せず演算部１０の演算結果にバラツキが生じ、「０」が算出されないまま対物レンズ５を光軸上で上下動する状態を繰り返し、フォーカスエラーを引き起こす。この点についてはスペックル問題と合わせて後に詳しく説明する。
【００１３】
図４Ｅは受光部に投影された像と演算部１０からの出力信号の関係を説明したもので、横軸は対物レンズ５のＺ方向の位置を表し、縦軸は演算部１０の出力電圧を示している。受光部８での受光状態が図４Ｂのように４つのフォトダイオードの中心部にあり、「０」を出力できる状態にあれば、横軸と縦軸の交点「０」位置１６が演算部１０からの出力電圧となり、その結果、駆動制御部１１は動作しない。しかし物体６のａ面位置に対物レンズ５のピント位置が一致し、図３Ｃのａ面欄のように前側焦線１２ａが位置ｂｆに丁度投影されたとすると、その光束形状は図４Ｃの様に右肩上がりの斜体像１２ａとなる。この斜体像１２ａは前記した横方向の前側焦線１２に相当するが、図ではこれを４５度時計方向に回転させた状態で受光部８に投影された時を示している。この斜体像１２ａはピントの合っている像であるから像の品質は鮮明であり、外部要因の影響を受けても変化しにくいので図４Ｃでは実線の楕円状として示してある。このような斜体像１２ａを受光部８の４分割フォトダイオードが検出すると、その出力は（ｐａ＋ｐｃ）＜（ｐｂ＋ｐｄ）となる。従って演算部１０が実施する１式の演算結果はマイナスとなり、図４Ｅ上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に１式の結果を−４ｖとしたとき、その時の対物レンズ５位置１７を測定すると横軸のように−０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点「０」位置１６とレンズ位置１７間の距離が物体ｂ面位置とａ面位置間の高さ方向の距離となる。
こうして得られた−４ｖの信号が演算部１０から駆動制御部１１に伝えられると、駆動制御部１１は−０．４ｍｍ分だけ対物レンズ５を光軸上で光源側に移動させていく。この移動に伴って受光部８で受ける光束は次第に図４Ｂの円形像１４ａに近づき、レンズ位置１７が交点位置１６方向に徐々に近づいていく。そして最終的には図４Ｂの円形像１４ａとなって駆動制御部１１からの信号も停止する。
【００１４】
次に物体６のｃ面位置が対物レンズ５のピント位置にセットされたときについて説明する。この場合、受光部８に導かれるｃ面での反射光束は図３Ｃのｃ面欄のように後側焦線１３ａが位置ｂｆに丁度投影される。この像１３ａが受光部８に投影されると、その光束形状は図４Ｄの様に左肩上がりの斜体像１３ａとなる。この斜体像１３ａは前記した縦方向の後側焦線１３に相当するが、図ではこれを４５度反時計方向に回転して受光部８に投影された状態となっている。そしてこの斜体像１３ａはピントの合っている像であるから像の品質は鮮明であり、外部要因を受けても変化しにくいので図４Ｄでは実線の楕円状として示してある。このような斜体像１３ａを受光部８で検出するとその出力は（ｐａ＋ｐｃ）＞（ｐｂ＋ｐｄ）となって、１式の演算結果はプラスとなり図４Ｅの縦軸を中心として右側での判定となる。仮に１式の演算結果が＋４ｖであったとすれば、その時の対物レンス１８位置を測定すると横軸のように＋０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点「０」位置１６とレンズ位置１８間の距離が物体ｃ面とｂ面間の高さ方向の距離となる。こうして得られた＋４ｖの信号が演算部１０から駆動制御部１１に伝えられると、駆動制御部１１は＋０．４ｍｍ分だけ対物レンズ５を光軸上で光源と反対側に移動する。この移動に伴って受光部８で受ける光束が次第に図４Ｂの円形像１４ａに近づくと、レンズ位置１８は交点位置１６方向に徐々に近づき、最終的には図４Ｂの円形像１４ａとなって駆動制御部１１からの信号も停止する。
以上のように対物レンズ５の焦点位置と物体６表面の位置関係は、図４Ｅの様にレンズ位置１７、交点１６、レンズ位置１８を結ぶライン１９によって決定され、このライン１９上で対物レンズ５を光軸方向に移動させることになる。物体面に対する対物レンズ５の位置精度を高めるには、対物レンズ５をこのライン１９に沿って正確に移動させることであり、そのためには物体表面上での反射光束が受光部８上に投影されたとき、その投影像１２ａ、１４ａ、１３ａのそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。逆にこの識別が混乱すると、対物レンズ５は光軸上でどちらの方向に移動するのか曖昧となり、応答性が低下してしまうことになる。
【００１５】
中間ボケ像１４ａを受光部８が検出すると、それはボケ像であるためスペックルなどの外部要因によって変化しやすく、受光部８と演算部１０で行われる測定に影響が生じる。一般的に対物レンズ５焦点位置と物体６表面間の距離は、１〜３μｍ程度の範囲にあるときピントの合った状態を保持する関係にある。ところがこのピントの合った状態に近づけば近づくほど、つまり対物レンズ５の焦点位置と物体表面位置が一致してくるほどスペックルが発生しやすい環境となる。また発生するスペックルのパターンサイズは光源による物体表面上の照射面積（フォーカスポイント）に反比例するとされているから、ピントが一致してきて照射面積が小さくなるにしたがってスペックルパターンは大きくなり、それに伴って物体表面からの反射光分布に歪みが生じ識別に影響を生じてくる。従って物体面上での対物レンズ５ピント位置が一致してくるほど前記した図４の投影像１２ａ、１４ａ、１３ａの明確な区別が困難になりやすく、演算部１０の出力はバラツキを持った不安定なものとなる。
傷などによって発生する散乱光の対策は比較的一義的に対処することができるが、スペックルの発生は予測不能であるだけに問題として残される。
【００１６】
図５は上記したようなスペックルが発生したとき受光部８に投影される中間ボケ像１４ａの状態を説明する図である。図においてＡは図４Ｂと同様のもので受光部８上に物体面での反射光束、例えばｂ面上での反射光がスペックルのない状態で投影された場合を示している。この投影された光束１４ａは中間ボケ像であるから、その品質は不安定で不明瞭のため図では点線○となっている。しかし基本的には受光部８の中心部に投影されるので受光部８からの出力は（ｐａ＋ｐｃ）＝（ｐｂ＋ｐｄ）であり、前記１式による除算結果は「０」となるはずである。図のＢ〜Ｅはスペックル２０が発生したときの幾つかの例を示したもので、Ｂは受光部８のｐａ部にスペックル２０−１が発生し、その結果、図の右側に示したように投影像１４ａのｐａ部に欠落が生じた像１４ａ１となり、（ｐａ＋ｐｃ）＜（ｐｂ＋ｐｄ）として認識されてしまう例である。そのため本来円形状の像１４ａとして受光部８に投影されたにもかかわらず、スペックル２０−１によって演算部１０は図４Ｃの斜体像１２ａに類似したものと判断してしまい焦点誤差を発生する。Ｃは受光部８のｐａ、ｐｂ部に幾つかの小さなスペックル２０−２が群として発生したもので、やはりボケ像１４ａとして認識されるべきものが、ｐａ、ｐｂ部の一部が欠落した像１４ａ２として認識されてしまう。しかしこの場合、演算部１０は（ｐａ＋ｐｃ）≒（ｐｂ＋ｐｄ）と判断するので対物レンズ５は移動しない。同じくＤはｐｂ、ｐｄ部にスペックル２０−３が発生して、その結果、図４Ｄの斜体像１３ａに類似した像１４ａ３とされ、（ｐａ＋ｐｃ）＞（ｐｂ＋ｐｄ）と認識されて焦点誤差を発生してしまう。Ｅはｐａ、ｐｂ、ｐｃ、ｐｄ部にスペックル２０−４が発生し、その結果図４のＡ、Ｂ、Ｃに属さない中空形状の像１４ａ４となってしまっている。このように、また幾つかの条件の積み重ねによってはＢからＥに例示したものだけでなく、その形状、サイズが様々に変化した多種のスペックルが発生する。そのため受光部８からの出力は不安定となり演算部１０の演算は信頼性の低いものとなる。
上記の説明は物体６のｂ面についての場合であったが、ａ面の前側焦線１２やＣ面の後側焦線１３の時もスペックルは発生する。しかしその場合、図４Ｃ、Ｄにも示したように斜体像１２ａ、１３ａはピントの合った実線〇の像であるから、スペックルが発生したとしても、像品質は中間ボケ像１４ａに比してはるかに安定した鮮明な状態を維持する。従ってオートフォーカス可能レンジの両終端部では、つまり物体表面形状の再現をあまり要求しない終端部では鮮明な像１２ａ、１３ａとして検出できるが、物体表面形状として忠実に検出したい中間部では不鮮明なボケ像１４ａとなってしまうという矛盾した状態となる。
【００１７】
図６は受光部８に投影された中間ボケ像１４ａによって生じる演算部１０のバラツキを説明するもので、そのＡは図４Ｅと同じように横軸が対物レンズ５のＺ方向の位置を、縦軸が演算部１０の出力電圧を示している。受光部８での受光状態が図４Ｂのとき演算部１０が正しく「０」を出力できれば、図４Ｅのようにライン１９は交点１６を通過し対物レンズ５も「０」点で停止する。しかし中間ボケ像１４ａは前記したように品質の不安定な光束であるから、図５で説明したようなスペックルが発生すれば余計にその影響を受けてしまう。そのため受光部８の出力はバラツキが発生する。この状態を説明するため図６Ｂでは受光部８上に投影された中間ボケ像を１４ａ５とし、その外形を波状にした点線○として示してある。このように不安定な中間ボケ像１４ａ５が受光部に投影されると、ライン１９は図６Ａのように交点１６近域でふくらんで交点１６を通過する事が出来ず、ライン１９ａや１９ｂの様なバラツキを発生する。このバラツキがゆらぎとなって演算部１０は「０」を演算することが出来ず、対物レンズ５は交点１６上で停止することが出来なくなる。逆にオートフォーカスのレンジを設定するレンズ位置１７、１８付近では安定して認識され、演算部１０は図４Ｃ、Ｄのように斜体像１２ａ、１３ａを正しく判定する。
【実施例１】
【００１８】
図７は実施例１の測定光学系１側面図を示した光学系概略図である。図において２２は照明側光学系中に設置したシリンドリカルレンズで、光源２からの光束はコリメータレンズ３を経た後、このシリンドリカルレンズ２２を通過してビームスプリッタ４と対物レン
ズ５を経て物体表面６を照明する。そのため物体表面６はシリンドリカルレンズ２２を通して照明されるから、前側焦線と後側焦線、その中間部位置に生じるほぼ円形状のボケ像による照明を受ける。そしてこの照明光学系で照明された物体面上での反射光束は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７による受光側光学系を経て物体面と共役位置に設置される受光部８に達する。前記物体表面での中間ボケ像は図２の場合とは異なってピントが合ってくるほどボケてくるから、図４Ａの物体６表面上で焦点を結ぶ光点６ｐに比してフォーカスポイントが拡大する。焦点を結ばないこととフォーカスポイントが拡大することで物体表面上でのフォーカスポイントの高さ方向位置を選択することが出来るから、傷やスペックルなどの散乱光の発生が抑制されたような状態となる。さらにこの物体表面での反射光は結像レンズ７によって共役位置に設置される受光部８上にピントの合った像として結像する。従って外部要因によって変化しにくい像に変質し、強化された安定した像として受光部に投影される。またシリンドリカルレンズ２２を照明側光学系中に設置したので光学系全体は縮小系となり、焦点深度が深くなってオートフォーカス可能レンジを拡げることができ、フォーカスエラーの発生を抑えることが出来る。また照明側光学系の構成を適宜設計することによってオートフォーカス可能レンジをコントロールできるから、受光側光学系の倍率が変化してもオートフォーカスのレンジを自由に設定しやすくなる。
このような円形状の中間ボケ像を受光した受光部８は、その出力を演算部１０に伝へ演算部１０は前記１式を安定した状態で実行し、物体表面位置に対する対物レンズ５焦点位置を算出する。尚、図ではシリンドリカルレンズ２２や他の各種レンズ３、５、７を単眼状のものとして示してあるが、その構成枚数や組み合わせについては適宜選択する事が出来る。また対物レンズ５は倍率の異なるものに変換自在であり、シリンドリカルレンズ２２の設置位置も光源２とコリメータレンズ３間とする事が出来る。
【００１９】
図８は図７に示した光学系１の照明側光学系を説明する図である。図Ａは図７の測定光学系１中、照明光学系の側面図で、図Ｂはその正面図である。図７のコリメータレンズ３からの光束は図８のシリンドリカルレンズ２２を経てビームスプリッタ４、対物レンズ５を経て位置６−１ｃに線状の像２３を結ぶ。この線状の像２３は対物レンズ５とシリンドリカルレンズ２２によって形成されるピントの合った前側焦線である。また照明光は位置６−１ｃの光軸延長線上の位置６−１ａにピントの合った線状の像２４を結ぶ。この線状の像２４は対物レンズ５によって形成される後側焦線で、前記の前側焦線２３に対し９０度回転した像となる。この前側焦線２３位置６−１ｃと後側焦線２４位置６−１ａ間の距離はシリンドリカルレンズ２２や対物レンズ５の性能によって異なるが、両位置６−１ｃ、６−１ａ間の中程の位置６−１ｂには、ほぼ円形状のボケ像２５が形成される。図ではこれを点線の〇として示してあるが、光源２からの光束は、まず位置６−１ｃで焦点を結びピントの合った横方向の線状前側焦線２３となり、次いで徐々にピントがずれていき中程の位置６−１ｂで円形状のボケ像２５となる。そして徐々に線状になって位置６−１ａでピントの合った縦方向の線状後側焦線２４となる。
図８Ｂでは点線で示した物体６（この図で物体は側面図となっていて図７とは物体の向きが左右逆となっている）のｂ面が中間ボケ像２５により照明された状態となっている。この状態のとき物体面と照明光の関係を図９Ａに示した。この図９Ａにおいてｂ面がボケ像２５によって照明されたときａ面は前側焦線２３位置となり、ｃ面は後側焦線位置となる。従って物体面を照明する光はａ面とｃ面とがピントの合った照明光２３、２４であり、ｂ面はボケ像２５による照明となる。
【００２０】
図１０は、物体表面の前側焦線２３、中間ボケ像２５、後側焦線２４が受光部８に投影されたときの像品質を説明するものである。図においてまず中間ボケ像２５が物体６のｂ面を照明しているときについて説明する。この場合、前側焦線２３は図９Ａのように物体側のａ面相当位置に形成され、それが結像レンズ７を介して受光部側のａｆ位置に２３ａとして投影される。中間ボケ像２５はｂ面を照明しているから結像レンズ７によって受光部側の位置ｂｆに中間ボケ像２５ａとして投影される。そして後側焦線２４は図９Ａのように物体側のｃ面相当位置に形成され、それが結像レンズ７を介して受光部側の位置ｃｆに２４ａとして投影される。受光面は物体と共役位置であるｂｆに設置されるから物体上の２つの焦線２３、２４は、受光面と離れた位置ａｆ、ｃｆにボケ状態の像２３ａ、２４ａとして投影され、中間ボケ像２５は受光面８上にピントの合った品質の強化された中間像２５ａとして投影される。図１０では受光側の２つの焦線２３ａ、２４ａを点線の○とし、中間像２５ａを実線○として表してある。
次に図１０で前側焦線２３が物体６のａ面と一致しているときについて説明する。この場合、前側焦線２３はピントの合った状態で受光部側の位置ｂｆに実線○の像２３ａとして投影される。中間のボケ像２５は受光部側の位置ｃｆに点線○の中間ボケ像２５ａとして投影される。後側焦線２４も点線○のボケ像２４ａとして投影される。物体６のｃ面が後側焦線２４と一致しているときは、後側焦線２４が受光部側の位置ｂｆに２４ａとしてピントの合った実線○として投影される。中間ボケ像２５は受光部側の位置ａｆに点線○のボケ像２５ａとして投影され、前側焦線２３も点線○像２３ａとして投影される。
上記のように位置ｂｆに設置される受光部８には、物体ａ面の前側焦線２３ａと物体ｂ面の中間ボケ像２５ａと物体ｃ面の後側焦線２４ａがピントの合った実線○の像として投影される。従ってこれまで受光部８上の不鮮明な中間ボケ像１４ａで算出していた物体表面に対する対物レンズ位置は、ピントの合った外部要因に影響されない安定した中間像２５ａで算出できるようになる。また前記ａ面の光束２３ａ、ｃ面の光束２４ａも明瞭に区別し識別することができるから、全体として安定した正確な物体表面を捉えることが出来る。
【００２１】
図１１は上記した受光部８に投影される図１０のｂ面像２５ａと、図３Ｃのｂ面像１４ａの品質について比較する説明図である。図１１Ａは図１０のｂ面の場合で、結像レンズ７によって物体面と共役位置ｂｆに設置される受光部上に中間ボケ像２５ａが投影された状態を示している。この場合、物体側の中間ボケ像２５がその共役位置である受光部上に像２５ａとしてそのまま投影されるから、その品質は中間ボケ像２５と同程度となる。しかしピントの結ぶべき位置に投影されるから品質が強化され安定した像となる。そのため図では実線の○としてある。これに対し図１１Ｂに示した図３Ｃのｂ面の場合は、像として形成されない前側焦線１２位置ｃｆと後側焦線１３位置ａｆのほぼ中間部位置に中間ボケ像１４ａとして投影される。従って像１４ａの品質は物体上に結像した像が投影されているにもかかわらず、安定しないボケ状態のままであり外部要因の影響を受けやすい。図ではこれを点線の○として示してある。
図１１Ｃは上記した図３Ｃのｂ面像１４ａと、図１０のｂ面像２５ａ品質についてさらに説明するものである。一方の点線カーブ２７は図３Ｃに示したｂ面の中間ボケ像１４ａが受光部に投影されたときの像濃度を示している。もう１つの実線カーブ２８は図１０のｂ面の中間ボケ像２５ａが受光部に投影されたときの像濃度を示している。前者はピンボケ像で、しかも像濃度は低いのでスペックルの影響を受けやすく、脚部を含めて全体として像周囲の境界が不鮮明になっている。これに対し後者の実線カーブ２８はピントの合った実線○の像であり、像濃度は全体として物体面と同様な立ち上がりで物体面と共役位置にあるので像周囲の境界も鮮明となっている。従って図６Ａで説明したライン１９ａ、１９ｂのようなバラツキが発生することはなくなり、散乱光も抑制され浄化されるようになる。
【００２２】
図９Ａにおいて前側焦線２３が物体６のａ面を照明すると、受光部８側には図９Ｂの様に斜体上の像２３ａが投影される。この像２３ａは図４Ｃの像１２ａに相当するもので、このような斜体像２３ａを受光部８の４分割フォトダイオードが検出すると、その出力は（ｐａ＋ｐｃ）＜（ｐｂ＋ｐｄ）となる。従って演算部１０が実施する前記１式の結果はマイナスとなり、対物レンズ５の位置を図４Ｅの位置１７と判定し、駆動制御部１１に対物レンズ５を光源側に移動するよう指令する。なお斜体像２３ａの方向は４分割フォトダイオード８に対するものなので、物体の形状に合わせて縦または横方向にすることもできる。
図９Ａのｃ面を後側焦線２４が照明すると、受光部８側には図９Ｄのように斜体像２４ａが投影される。この像２４ａは図４Ｄの像１３ａに相当するもので、このような斜体像２４ａ
を受光部８の４分割フォトダイオードが検出すると、その出力は（ｐａ＋ｐｃ）＞（ｐｂ＋ｐｄ）となる。すると演算部１０は対物レンズ５の位置を図４Ｅの位置１８と判定し、駆動制御部１１に対物レンズ５を物体側に移動するよう指令する。そして図９Ｃのように受光部の中心部で円形状の中間ボケ像２５ａを検出すると、演算部１０は前記１式を実行し「０」を出力して駆動制御部１１は対物レンズ５を位置１６で停止する。
このように受光部８に投影された反射光の検出形状２３ａ、２５ａ、２４ａが明瞭に区別されて認識されると、図４Ｅのライン１９上で現在位置が迅速に把握され、対物レンズの焦点位置と物体表面間の距離が演算され、対物レンズ５の位置を補正するための方向と距離が算出されてオートフォーカスを実施する。実際に図７に示した対物レンズ５の倍率を５０倍として図９Ａの物体ｂ面を照明したところ光束２５の径は０．１μｍであった。これに対し図２で物体ｂ面を照明した光束６ｐ（図４Ａ）の径は０．０３μｍであった。そしてオートフォーカスの可能レンジは前者が２０μｍであったのに対し、後者はわずか３μｍであった。
【００２３】
図１２は物体６面を照明する光束の品質と形状、その光束が受光部８に投影されたときの像品質と形状について説明する図である。図においてＡ欄は図２の場合を示していて、Ｂ欄は図７の場合を示している。
Ａ欄物体側６の中央列３０は、物体６のｂ面上に対物レンズ５からの光点６ｐがピントの合った状態で照明しているときである。この状態のとき物体６−ｂ面自身は対物レンズ５のピント位置と合っているから、図では光点６Ｐを実線の〇で、物体６−ｂ面を四角状の実線で表してある。この光点６ｐが受光部８側に投影されると、シリンドリカルレンズ９の作用によって図の列３０のように光点６ｐが点線の中間ボケ像１４ａとなり、物体面６−ｂ自身もボケ状態の点線となる。これに対しＢ欄として示した図７の場合は、物体６側の列３０のように対物レンズ５からの光束は中間のボケ像２５で点線となるが、物体面６−ｂ自身は実線である。このボケ像２５と物体面６−ｂが受光部８側に投影されると、図の受光部８側、列３０のように中間ボケ像２５はボケ状態ではあるがピントの合った実線〇の像２５ａとして投影され、物体面６−ｂ自身もシリンドリカルレンズ２２の作用を受けないから実線のピントの合った状態で投影される。
Ａ欄物体側２９列は対物レンズ５が列３０の状態にあるとき、物体のａ面がセットされた場合を示していて、物体面６−ａ自身は対物レンズ５のピント位置と合っていないから点線となり、照明光も点線のボケ像１２となる。これが受光部８側に投影されると図のようにシリンドリカルレンズ９の作用を受けてピントの合った斜体の前側焦線１２ａとなる。そして物体面６−ａ自身も前側焦線１２ａと同じ様にシリンドリカルレンズ９の作用を受けるから斜体になった点線となる。これに対しＢ欄２９列の物体６側ではピントの合った前側焦線２３で照明されるが、物体面６−ａ自身はＡ欄の物体側と同じ点線である。これが受光部８側に投影されるとＢ欄２９列のように光束２３はピントの合わない点線の前側焦線２３ａとして投影され、物体面自身も点線として投影される。
Ａ欄物体側３１列は対物レンズ５が列３０の状態にあるとき、物体のｃ面がセットされた場合を示していて、物体面６−ｃ自身は対物レンズ５のピント位置と合っていないから点線となり、照明光も点線のボケ像１３となる。これが受光側８に投影されると図のようにシリンドリカルレンズ９の作用を受けるからボケ像１３がピントの合った実線の後側焦線１３ａとなり、物体面６−ｃ自身も斜体になった点線となる。これに対しＢ欄３１列の物体６側ではピントの合った後側焦線２４で照明されるが、物体面６−ｃ自身は点線である。これが受光部８側に投影されると光束２４はピントの合わない点線の後側焦線２４ａとして投影され、物体面自身も点線として投影される。
このようにＡ欄では物体６側が受光部８側に投影されることによって像品質、形状が全て変化するのに対し、Ｂ欄では物体側と受光側が皆同じ形状となっていて、列３０での中間ボケ像２５ａは品質が向上している。このことが前記した像２３ａ、２５ａ、２４ａの識別化を助け、オートフォーカス精度と応答性の向上となる。また物体面６−ｂ自身も実線状態を持続するが、その効果については次の実施例２で説明する。
【実施例２】
【００２４】
図１３は実施例２を説明するための光学系概略図で、側定光学系１の側面図となっている。図において光源２からの光束は図７と同様にコリメータレンズ３、シリンドリカルレンズ２２、ビームスプリッタ４、対物レンズ５という照明側光学系を経て物体６の表面を照明する。その照明光は図８、図９で説明したように前側焦線２３、中間ボケ像２５、後側焦線２４となり、その反射光が対物レンズ５、ビームスプリッタ４、結像レンズ７という受光側光学系を経てＣＣＤで構成した受光部８−１に投影される。投影される像は図９Ｂ、Ｃ、Ｄの像２３ａ、２５ａ、２４ａようになり、その信号が画像処理部３２に伝えられる。画像処理部３２はその信号から受光光束の形状を検出して信号線３３から演算部１０に伝える。演算部１０は図７の場合と同様に、図４Ｅに示したライン１９上の位置を算出して駆動制御部１１より対物レンズ５に移動を指令する。この実施例２では上記のように受光部８−１をＣＣＤで構成する。そのため受光部８−１での受光状態を画像処理部３２で検出し、その結果を実施例１の４分割フォトダイオードが受光したのと同等の信号として演算部１０に送り出す。演算部１０はこの信号を受けて前記１式を実行し対物レンズ５の位置補正を指令する。こうして物体表面の状態に応じてオートフォーカスを実施していく。
一方、画像処理部３２は別の信号線３４を介して表示部３５に画像情報を伝える。この画像情報について説明する。受光部８−１に投影される像は、図９、１０などで説明した物体表面からの反射像２３ａ、２５ａ、２４ａだけでなく、物体６表面自身の像も図１２Ｂ欄受光部８側に示した様に投影される。そのため図１３では照明側光学系中に第２照明光学系３６とハーフミラー３７を設置し、物体６面をさらに照明するようにしてある。この第２光学系３６で照明される物体面、例えば図１２Ｂ欄３０列に示した物体面６−ｂ自身は、前記のようにピントの合った四角状の実線で表される状態にあるから、受光部８−１にはそのピントの合った物体面６−ｂ自身の像も投影される。受光部８−１に投影されたピントの合った物体面自身の信号は画像処理部３２に向かって画像処理され、その画像情報が信号線３４から表示部３５に伝えられる。このとき受光部８−１に同時に投影されているピントの合った中間ボケ像２５ａは画像処理部３２より演算部１０に伝えられる。従って表示部３５上で物体面自身の状況を確認しながら、同時的にそのボケ像２５ａに応じたオートフォーカスを実施していく事が出来る。即ち、受光部８−１をＣＣＤとした画像処理法を採用すれば、通常は対物レンズ５の光軸上移動方向を瞬時に決定する機能が失われる。しかし非点収差法による像２３ａ、２５ａ、２４ａを同時に受光部８−１に投影することによってそれは救済され、対物レンズの移動方向を瞬時に判断し決定することが出来る。
図１２Ｂ欄２９列と３１列の受光部８側では物体表面が点線で示される状態にある。そのため受光部８−１、画像処理部３２から伝えられて表示部３５に表示される物体表面像はピントが合わない。しかし投影像２３ａ、２４ａを検出し対物レンズ５を光軸上で順次移動していくことによって、徐々にＢ欄３０列の状態に近づいていく。そして物体面６と対物レンズ５のピントが一致したとき最良の状態での物体面自身像を表示部３５上で確認することが出来る。このことは図１３の受光側光学系中に図７の４分割フォトダイオードで構成した受光部８を別に設置し、これを切替手段によってＣＣＤで構成した受光部８−１と交互に切り替えて使用するというような操作をしなくとも済む。このようにＣＣＤを受光部８−１として設置することは、装置全体を小形で単純な構造とすることに貢献する。
一方、Ａ欄３０列では物体面６−ｂ自身が点線で表記されるピントの合っていない状態にあるから、受光部８−１上でもこれをピントの合った像として検出することが出来ない。ピントの合った照明光６ｐもピントの合わない点線像１４ａとして受光部８に投影されるから、結局、物体面６−ｂ自身の像も投影像１４ａもピントの合った像として検出することが出来ない。そのため表示部３５を設置したとしても物体面を確認することとが出来ず、対物レンズ５を物体面に対してピントを合わせることが出来ない。
尚、ＣＣＤを受光部８−１として設置したときも図５で説明したようなスペックル２０は発生する。しかし既に述べたようにこのスペックルは抑制され浄化されたように作用するので、前記実施例１と同じ効果を受けることが出来る。
【００２５】
更に画像処理部３２の機能について説明する。対物レンズ５を任意倍率のものに変換するとレンズ構成や材質差などによってレーザ光源２の波長に対する色収差が変化し、物体表面上での第２照明光学系３６と光源２からの光束の焦点位置に差異が生じる。この差異が生じると画像処理部３２は第２照明光学系３６からの光束と光源２からの光束の、どちらの光束を基準として図４Ｅに示したライン１９上の対物レンズ５位置を算出するか判断に困難が生じ、対物レンズ位置補正に狂いが生じる。従って光源２の波長に対する対物レンズ毎の色収差を予め算出し、又は実測しながらその値を色収差による補正値として画像処理部３２に記憶するようにすれば、その補正値で調整された対物レンズ位置を求めることが出来る。予め補正値を記憶させる場合には図１３のキーボードやその他の入力部３８から補正値を入力し制御部３９より画像処理部３２に記憶させる。このように色収差による誤差の補正値を記憶することによって、この記憶値と受光部８−１からの反射光検出形状の両方で物体表面に対する対物レンズ位置を求めることが出来る。それによって対物レンズを他の倍率に変換したとき色収差に煩わされない正確な対物レンズ５位置を得ることが出来る。これは対物レンズ５の倍率を変換するときだけでなく、光源３６、２を他種のものに変換したようなときや、メーカの異なる対物レンズ同志を使用するようなときにも対応することが出来る。これの場合も含めてここでは単に対物レンズの色収差補正値の記憶と表現する。
【実施例３】
【００２６】
図１４は実施例３を説明する光学系概略図で、測定光学系１の側面図となっている。この実施例３は照明側光学系からビームスプリッタ４を取り除き、物体６に対して斜め方向からの光で照明するようにしたものである。図において光源からの光束は、図７、１３と同様にコリメータレンズ３、シリンドリカルレンズ２２、対物レンズ５という照明側光学系を経て物体６の表面を斜め方向から照明する。この照明光は図８、９で説明したように前側焦線２３、中間ボケ像２５、後側焦線２４となり、その反射光を受光側対物レンズ４０、結像レンズ７という受光側光学系の共役位置に設置した受光部８に投影する。投影された像は図９のＢ、Ｃ、Ｄの像２３ａ、２５ａ、２４ａのようになり、その信号が演算部１０に伝えられる。演算部１０は伝えられた信号から図４Ｅのライン１９上で対物レンズ５位置を算出し、駆動制御部１１より受光側光学系４０ａに移動を指令する。駆動制御部１１からの移動指令信号は図７、１３と同様に対物レンズ５に伝えるようにして、この対物レンズ５の移動量に応じて受光側光学系４０ａを移動するようにしてもよい。
この実施例３では、測定光学系１の構成を物体６表面の斜め方向から照明するようにしたことを特徴としている。それによって物体表面が曲面になっているような場合に威力を発揮し、実施例１、２より正確な測定を実施することが出来る。また照明側光学系と受光側光学系を別個の独立した光学系として取り扱うことが出来、実施例１、２のビームスプリッタ４も除去しているので、よりシンプルな構造の光学系１とすることが出来る。
【００２７】
以上、実施例１、２、３に基づいて説明してきたが、測定光学系１の構造はこれらの例だけでなく、用途に応じて種々変換できることは明らかである。また実施例１では受光部８を４分割フォトダイオードとして説明したが、２分割フォトダイオードなど測定精度に応じて選択することが出来る。この場合演算部１０で行われる前記した１式の演算は、分割数に応じたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の一般的な測定装置を説明する光学系概略図。
【図２】従来装置のオートフォーカス機能を説明する光学系概略図。
【図３】図２の光学系での受光部側投影状態を説明する図。
【図４】受光部に投影される像と演算部の関係を説明する図。
【図５】受光部上の投影像とスペックルの関係を説明する図。
【図６】演算部に生じるバラツキを説明する図。
【図７】実施例１を説明する光学系概略図。
【図８】図７の測定光学系中、照明側光学系を説明する図。
【図９】物体側照明光と受光部側の投影像について説明する図。
【図１０】受光部に投影される像品質を説明する図。
【図１１】図１０の投影像と図３Ｃの投影像を比較する説明図。
【図１２】物体側の照明光と受光部側の投影像について説明する図。
【図１３】実施例２を説明する光学系概略図。
【図１４】実施例３を説明する光学系概略図。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・測定光学系      ２・・・半導体レーザ光源      ３・・・レンズ      ４・・・ビームスプリッタ      ５・・・対物レンズ      ６・・・物体      ７・・・結像レンズ      ８・・・受光部      ９・・・シリンドリカルレンズ      １０・・・演算部      １１・・・駆動制御部      １２・・・前側焦線      １３・・・後測焦線      １４・・・中間ボケ像      １６・・・交点      １７・・・レンズ位置      １８・・・レンズ位置      １９・・・ライン      ２０・・・スペックル      ２２・・・シリンドリカルレンズ      ２３・・・前側焦線      ２４・・・後側焦線      ２５・・・中間ボケ像      ２７・・・カーブ      ２８・・・カーブ      ３２・・・画像処理部      ３３・・・信号線      ３４・・・信号線      ３５・・・表示部      ３６・・・第２照明光学系      ３７・・・ハーフミラー      ３８・・・入力部      ３９・・・制御部      ４０・・・対物レンズ      ４０ａ・・・受光側光学系
【図１】
2006153622.tif 000003
【図２】
2006153622.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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