(57)【要約】【課題】パターン投影時以外の性能低下を防ぎ、しかも、照明系の効率、パターン像のエッジコントラストおよび歩留まりなどの向上が可能なオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】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、所定のパターンを形成したパターン投影板４１を含み、このパターン投影板４１に形成されたパターンを被測定物の測定面に投影するパターン投影手段４０が設けられている。パターン投影手段は、パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構４３を含む。【選択図】　　　図２
2004029069.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、
所定のパターンを形成したパターン投影板を含み、このパターン投影板に形成されたパターンを前記被測定物の測定面に投影するパターン投影手段が設けられ、
前記パターン投影手段は、前記パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構を含んで構成さ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、
前記進退機構は、前記パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して直交する方向へ進退可能にガイドするガイド機構と、このガイド機構に沿って前記パターン投影板を進退させる駆動機構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、
前記駆動機構は、前記ガイド機構に沿って前記パターン投影板を進退させるソレノイドと、このソレノイドが解磁されたとき前記パターン投影板を基の位置に復帰させる付勢手段とを含んで構成さ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１〜請求項３のいずれかに記載のオートフォーカス装置において、
前記パターン投影手段は、照明装置と、投影レンズと、前記照明装置と投影レンズとの間に挿入され所定のパターンを形成したパターン投影板と、このパターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構とを含む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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。たとえば、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。
【０００２】
【背景技術】
従来、画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置に設けられるオートフォーカスには、ＣＣＤカメラで撮影した画像のコントラストから判断するコントラスト法、あるいは、レーザを使用してフォーカスを合わせるレーザフォーカス法などが知られている。
しかし、上述した従来のコントラスト法やレーザフォーカス法では、次のような課題があった。
前者のコントラスト法の場合には、鏡面やガラス面などの元来コントラストの低いものにはフォーカスを合わせることが困難であった。
後者のレーザフォーカス法の場合には、上述したコントラストの低いものにもフォーカスを合わせることが可能であるが、レーザがあたっている点（多くは中央部）でしかフォーカスできない。また、装置自体も高価となる。
【０００３】
そこで、本出願人は、先に、これらの問題を解決するためのオートフォーカス装置を提案した（特開平９−３０４６８５号公報）。
これは、照明装置と、投影レンズと、照明装置と投影レンズとの間に挿入され所定のパターンを形成したパターン投影板とを含み、パターン投影板に形成したパターンを被測定物の測定面に投影することにより、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ようにしたものである。もとより、コントラスト法であるから、レーザフォーカス法の課題も解消できる。
この場合、パターン投影板を、通電によってパターン表示が制御される液晶板によって構成し、コントラストの高い材質からなる被測定物の測定にあたっては、パターン投影板のパターンを消して、通常のコントラスト法と同様に使用することができるようにしてある（ＬＣＤ方式）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のオートフォーカス装置は、パターン投影板が、通電によってパターン表示が制御される液晶板によって構成されていたため、次のような課題があった。
【０００５】
［課題１：パターン投影時以外の性能］
通常、パターン投影を行うのは、フォーカス合わせ時のみであり、それ以外では、落射照明光学系の中間像位置に存在するパターンそのものは、かえって邪魔になる。
ＬＣＤ方式では、この中間像位置に常にＬＣＤが存在するため、万が一パターン上に異物が乗ってしまった場合には、パターン投影の有無に拘わらず、その異物をステージに投影することになる。また、膜厚制御が困難なＩＴＯ膜の出来具合によっては、パターン投影時以外にパターンの枠組が可視化してしまったり、ＬＣＤそのものが照明効率を低下させるといった問題がある。
【０００６】
［課題２：照明系の効率］
ＬＣＤ方式では、必ず偏光板を併用した光学系を構成する必要がある。従来は、この偏光板による効率の低下を、高出力のハロゲンランプを用いることで補ってきた。
しかし、近年の低消費電力志向やハロゲンに代替えする光源（たとえば、ＬＥＤ）への取り組みを考慮した場合、偏光板による光量のロスが無視できないものとなってきた。
【０００７】
［課題３：フォーカスの精度に影響する要素］
フォーカス時のオートフォーカス精度を左右するものとして、
（ａ）パターン（ＬＣＤ）組み込み位置の正確さ
（ｂ）パターンのオンオフ時の高さ方向の位置再現性の確保
（ｃ）パターン像のエッジコントラスト
の３つがある。
ＬＣＤ方式では、（ａ）はある程度の調整とソフトウエア上のオフセットテーブルで解決可能である。また、（ｂ）もパターンの移動を伴わないため問題がない。しかし、（ｃ）はＬＣＤの性質上、エッジコントラストの向上に限界がある。従って、このエッジコントラストを更に向上させることができれば、装置のフォーカスの精度向上が可能になる。
【０００８】
［課題４：歩留まり］
ＬＣＤ製作時に起因するパターンの欠け、ゴミの混入、ＩＴＯ膜の可視化などの部品性能の不安定性や、ＬＣＤの組み込み時においてゴミの混入といった、装置組立の歩留まりを左右する諸問題への十分な対策が困難である。
【０００９】
本発明の目的は、上述した課題を解消し、パターン投影時以外の性能低下を防ぎ、しかも、照明系の効率、パターン像のエッジコントラストおよび歩留まりなどの向上が可能なオートフォーカス装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、所定のパターンを形成したパターン投影板を含み、このパターン投影板に形成されたパターンを前記被測定物の測定面に投影するパターン投影手段が設けられ、前記パターン投影手段は、前記パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構を含んで構成されていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、被測定物の測定面に所定パターンを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被測定物の測定面に光が集光するように対物レンズを光軸方向へ変位させることができる。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。もとより、コントラスト法であるから、レーザフォーカス法の課題も解消できる。
とくに、パターン投影手段は、パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構を含んで構成されているから、上述した全ての課題を解消できる。
【００１２】
つまり、パターン投影時以外のときは、パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して退避させれば、中間像位置にパターン投影板が存在しなくなるため、パターン上に異物が乗ってしまった場合でも、その異物がステージに投影されることがない。
また、ＬＣＤ方式では、必ず偏光板を併用した光学系を構成する必要があるうえ、ＬＣＤの性質上、エッジコントラストの向上に限界があったが、本発明では、偏光板を併用する必要がないため、照明系の効率も向上させることができ、また、パターンもエッチングなどの一般的な加工技術によって鮮明に形成でき、その鮮明なパターンをそのまま投影できるから、パターン像のエッジコントラストも向上させることができる。
さらに、従来のような、ＬＣＤ製作時に起因するパターンの欠け、ゴミの混入、ＩＴＯ膜の可視化などの部品性能の不安定性や、ＬＣＤの組み込み時においてゴミの混入といった諸問題がないため、歩留まりの向上が可能である。
【００１３】
以上の構成において、前記進退機構は、前記パターン投影板をパターン投影手段の光路に対して直交する方向へ進退可能にガイドするガイド機構と、このガイド機構に沿って前記パターン投影板を進退させる駆動機構とを備える構成が好ましい。
このような構成にすれば、駆動機構を駆動させると、パターン投影板はガイド機構にそって直線的に進退するから、スムーズな移動を保証できる。
【００１４】
その際、前記駆動機構は、前記ガイド機構に沿って前記パターン投影板を進退させるソレノイドと、このソレノイドが解磁されたとき前記パターン投影板を基の位置に復帰させる付勢手段とを含んで構成されていることが好ましい。
このような構成にすれば、ソレノイドへの励磁および解磁によって、パターン投影板を簡単に進退動作させることができるとともに、その進退動作時にも、ガイド機構によってガイドされているため、位置や姿勢の再現性を高めることができる。
【００１５】
また、前記パターン投影手段は、照明装置と、投影レンズと、前記照明装置と投影レンズとの間に挿入され所定のパターンを形成したパターン投影板と、このパターン投影板をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構とを含む構成が好ましい。
このような構成とすれば、パターン投影板のパターンを投影レンズによって被測定物の測定面に投影できる。
【００１６】
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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施形態にかかる画像測定機の側面図である。同画像測定機は、被測定物を載置しＸおよびＹ軸方向（図１の左右方向および図１の紙面直交方向）へ移動可能なテーブル１０と、このテーブル１０に対して図示省略のコラムを介してＺ軸方向（図１の上下方向）へ昇降可能に設けられた光学系ユニット１１とから構成されている。
【００１８】
光学系ユニット１１は、筐体１２を有する。筐体１２の下面側の筒部１２Ａには、光軸Ｌ方向（図１の上下方向）へ変位可能に設けられた対物レンズホルダ１３を介して対物レンズ１４が設けられている。筒部１２Ａと対物レンズホルダ１３との間には、対物レンズホルダ１３を光軸Ｌ方向へ移動させる駆動機構としてのアクチュエータ１５が設けられている。アクチュエータ１５は、筒部１２Ａ側に固定されたマグネット１６と、対物レンズホルダ１３側に固定されたコイル１７とから構成されている。
【００１９】
筐体１２の上面側には、ＣＣＤカメラ２０および照明装置２１がそれぞれ取り付けられている。ＣＣＤカメラ２０は、対物レンズ１４の光軸Ｌ上に配置され、その対物レンズ１４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を構成している。
照明装置２１は、図示省略の光源と、この光源からの光を筐体１２内に導くライトガイド２２および照明鏡筒２３とを含んで構成されている。
【００２０】
筐体１２内には、照明装置２１からの光を直角にかつ光軸Ｌに向かって反射させるミラー２６と、光軸Ｌ上においてミラー２６からの反射光を対物レンズ１４に反射させるハーフミラー２７と、倍率の異なる複数のチューブレンズ２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃと、これら複数のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃのいずれか１つを光軸Ｌ上に選択的に切換可能な切換手段３０と、被測定物の測定面に所定パターンを投影するパターン投影手段４０とがそれぞれ設けられている。
【００２１】
切換手段３０は、光軸Ｌと異なる位置にその光軸Ｌと平行な軸３１を中心として回転可能に設けられかつその軸３１から光軸Ｌまでの距離を半径とする円周上に複数のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを等間隔（１２０度間隔）で取り付けたターレット３２と、このターレット３２の軸３１にクラッチ３３を介して連結されたターレット駆動モータ３４とを含んで構成されいる。なお、３５はターレット３２の回転角度を検出するセンサである。
【００２２】
パターン投影手段４０は、照明装置２１と、ミラー２６およびハーフミラー２７との間に配置された投影レンズ４２と、照明装置２１の照明鏡筒２３内に出没可能に挿入され所定のパターンを形成したパターン投影板４１と、このパターン投影板４１をパターン投影手段の光路に対して進退させる進退機構４３（図２および図３参照）とを含んで構成されている。
【００２３】
進退機構４３は、図２および図３に示すように、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に対して直交する方向へ進退可能にガイドするガイド機構４４と、このガイド機構４４に沿ってパターン投影板４１を進退させる駆動機構４７とを備える。
ガイド機構４４は、パターン投影手段４０の光路に対して直交する方向に沿って配置されたレール４５と、このレール４５に摺動可能に設けられパターン投影板４１を有するガイド部材４６とから構成されている。
駆動機構４７は、ガイド機構４４に沿ってパターン投影板４１を進退させるソレノイド４８と、このソレノイド４８が解磁されたときパターン投影板４１を基の位置に復帰させる付勢手段としてのスプリング４９とを含んで構成されている。ソレノイド４８は、ラッチング型ソレノイドで、プランジャ４８Ａと、このプランジャ４８Ａを進退可動させるコイル部４８Ｂとを備え、コイル部４８Ｂにパルス電圧が印加されると、プランジャ４８Ａが吸着された状態に保持される構造である。プランジャ４８Ａには連結部材５１を介してパターン投影板４１に連結されている。スプリング４９は、一端がソレノイド４８のプランジャ４８Ａに、他端が筐体１２に固定された支柱５２にそれぞれ支持されている。
【００２４】
パターン投影板４１は、図４（Ａ）に示すように、複数の三角形パターンが表示されたパターン表示部４１Ａを有する。なお、パターン投影板４１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４１を鮮明に製作することができる。
【００２５】
以上の構成において、測定にあたっては、いずれかのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを光軸Ｌ上に位置させる。これには、クラッチ３３を接続した状態において、モータ３４を所定角度だけ回転させたのち、停止させる。
この状態において、照明装置２１から光を出射すると、その光は、ミラー２６で反射されたのち、ハーフミラー２７で反射されて対物レンズ１４を通じてテーブル１０上に載置された被測定物に照射される。被測定物からの反射光は、対物レンズ１４およびハーフミラー２７を通ったのち、選択されたチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃの倍率に拡大または縮小され、ＣＣＤカメラ２０に結像される。
【００２６】
ここで、ＣＣＤカメラ２０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、進退機構４３を作動させて、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に位置させる。つまり、吸着状態にあるソレノイド４８を解磁する。すると、ソレノイド４８のプランジャ４８Ａがスプリング４９の引張力により図３中上方へ移動するので、パターン投影板４１は、パターン投影手段４０の光路に突出され、パターン投影板４１の三角形パターンが投影レンズ４２を介して被測定物の測定面に投影される。
【００２７】
これにより、ＣＣＤカメラ２０で撮像された各画素のコントラスト値を基にアクチュエータ１５を駆動させ、対物レンズ１４を光軸Ｌ方向へ変位させてフォーカスを合わせる。このとき、たとえば、図４（Ｂ）に示すように、被測定物のエッジが残るため、安定したフォーカスが可能である。
このようにして、安定したフォーカスを得たのち、ソレノイド４８のコイル部４８Ｂにパルス電圧を印加すると、プランジャ４８Ａが吸着される。すると、パターン投影板４１がパターン投影手段４０の光路から退避されるから、この状態において、ＣＣＤカメラ２０で撮像された被測定物の画像から被測定物の寸法や形状などを測定する。
【００２８】
一方、パターン投影時以外のときは、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に対して退避させる。これには、ソレノイド４８を励磁する。すると、ソレノイド４８のプランジャ４８Ａがスプリング４９の引張力に抗して図３中下方へ移動するので、パターン投影板４１は、パターン投影手段４０の光路から退避され、パターン投影板４１の三角形パターンが被測定物の測定面に投影されなくなる。
【００２９】
本実施形態によれば、被測定物の測定面にパターンを投影するパターン投影手段４０を設けたので、被測定物の測定面にパターンを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被測定物の測定面に光が集光するように対物レンズ１４を光軸Ｌ方向へ変位させることができる。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。もとより、コントラスト法であるから、レーザフォーカス法の欠点もない。
【００３０】
とくに、パターン投影手段４０は、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に対して進退させる進退機構４３を含んで構成されているから、上述した全ての課題を解消できる。
つまり、パターン投影時以外のときは、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に対して退避させれば、中間像位置にパターン投影板４１が存在しなくなるため、パターン上に異物が乗ってしまった場合でも、その異物が被測定物に投影されることがない。また、膜厚制御が困難なＩＴＯ膜であっても、パターン投影時以外にパターンの枠組が可視化してしまうことがないため、パターン投影板そのものが照明効率を低下させるといった問題をなくすことができる。
【００３１】
また、ＬＣＤ方式では、必ず偏光板を併用した光学系を構成する必要があるうえ、ＬＣＤの性質上、エッジコントラストの向上に限界があったが、本発明では、偏光板を併用する必要がないため、照明系の効率も向上させることができる。また、パターンも通常の加工技術を用いて鮮明に形成することができるから、パターン像のエッジコントラストも向上させることができる。
さらに、従来のような、ＬＣＤ製作時に起因するパターンの欠け、ゴミの混入、ＩＴＯ膜の可視化などの部品性能の不安定性や、ＬＣＤの組み込み時においてゴミの混入といった諸問題がないため、歩留まりの向上が可能である。
【００３２】
また、進退機構４３は、パターン投影板４１をパターン投影手段４０の光路に対して直交する方向へ進退可能にガイドするガイド機構４４と、このガイド機構４４に沿ってパターン投影板４１を進退させる駆動機構４７とを備える構成であるから、駆動機構４７を駆動させると、パターン投影板４１はガイド機構４４に沿って直線的に進退するから、スムーズな移動を保証できる。
【００３３】
その際、駆動機構４７は、ガイド機構４４に沿ってパターン投影板４１を進退させるソレノイド４８と、このソレノイド４８が解磁されたときパターン投影板４１を基の位置に復帰させるスプリング４９とを含んで構成されているから、ソレノイド４８の吸着および解磁（復帰）によって、パターン投影板４１を簡単に進退動作させることができる。とくに、本実施形態では、このソレノイド４８が解磁されたとき、スプリング４９によってパターン投影板４１がパターン投影手段４０の光路中に進出され、かつ、レール４５およびガイド部材４６を有するガイド機構４４によってガイドされているから、位置および姿勢の繰り返し精度、再現性が高く、パターン投影時の問題が生じない。
また、ソレノイド４８として、ラッチング型ソレノイドを用いたので、吸着状態（パターン投影板４１が退避した通常状態）でも電力供給が不要で、発熱などの問題もない。
【００３４】
また、対物レンズ１４とＣＣＤカメラ２０との間に、倍率の異なる３つのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを円周状に配置したターレット３２を回転自在に設け、このターレット３２を含んでいずれか１つのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを対物レンズ１４の光軸Ｌ上に切り換える切換手段３０を構成したので、たとえば、対物レンズターレット方式に比べて、複数本の対物レンズを必要としないから、安価にでき、かつ、リング照明などの外付け照明も利用できる。
【００３５】
以上述べた実施形態では、パターン投影板４１のパターン表示部４１Ａ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。
たとえば、図５〜図８に示すパターン表示部４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅでもよい。つまり、図５に示すパターン表示部４１Ｂのように、斜め格子パターンでもよく、あるいは、図６、図７、図８に示すパターン表示部４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅのように、波状パターンなどでもよい。要するに、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。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のオートフォーカス装置によれば、パターン投影時以外の性能低下を防ぎ、しかも、照明系の効率、パターン像のエッジコントラストおよび歩留まりなどの向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる画像測定機の側面図である。
【図２】同上実施形態のパターン投影手段を示す斜視図である。
【図３】同上実施形態のパターン投影手段の平面図である。
【図４】同上実施形態におけるパターンを被測定物の測定面に投影したときの図である。
【図５】パターン表示部の他の例を示す図である。
【図６】パターン表示部の他の例を示す図である。
【図７】パターン表示部の他の例を示す図である。
【図８】パターン表示部の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１４　対物レンズ
１５　アクチュエータ（駆動機構）
２０　ＣＣＤカメラ（観察光学系）
２１　照明装置
４０　パターン投影手段
４１　パターン投影板
４１Ａ〜４１Ｅ　パターン表示部
４２　投影レンズ
４３　進退機構
４４　ガイド機構
４７　駆動機構
４８　ソレノイド
４９　スプリング（付勢手段）
【図１】
2004029069.tif 000003
【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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