(57)【要約】【課題】制御から位置制御に切り換える時に、フォーカス検出部の位置がどのような状態であっても、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる自動焦点制御装置を提供する。【解決手段】フォーカス制御から位置制御に切り換える時に、位置指令生成器１１が、位置検出器２から出力される実位置信号に、加算値設定手段１３で予め設定した値を加算した信号を、位置指令信号として出力することにより、フォーカス検出部に対して、フォーカス制御から位置制御に戻す前の位置よりも必ず上方向の位置を指令する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を物体に照射し、その反射光に基づいて前記物体の形状を測定するために、前記レーザ光の焦点が常に前記測定の対象物の面上に合うように、前記レーザ光の焦点位置を自動的に制御する自動焦点制御装置であって、前記対象物に前記レーザ光を照射するように構成され、前記レーザ光の焦点が前記対象物の面上に位置するように制御されるフォーカス制御機構部と、前記フォーカス制御機構部からのレーザ光による前記反射光に基づいて、前記レーザ光の焦点の前記対象物の面上に対する位置ずれを示すフォーカス誤差信号を検出するフォーカス誤差検出器と、前記フォーカス誤差検出器からのフォーカス誤差信号がゼロとなるように、前記フォーカス制御機構部に対するフォーカス制御のためのフォーカス制御指令信号を出力するフォーカス制御回路部と、前記フォーカス制御機構部の前記対象物の面上に対する位置を検出し、その位置を示す実位置信号を出力する位置検出器と、前記対象物の面上における前記フォーカス制御機構部の目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構部に対する位置制御のための位置制御指令信号を出力する位置制御回路部と、前記フォーカス制御回路部からのフォーカス制御指令信号に基づくフォーカス制御と前記位置制御回路部からの位置制御指令信号に基づく位置制御とを切り換えて、当該制御時に得られる制御指令信号に基づいて、前記フォーカス制御機構部を駆動し、前記対象物の面上に対する前記フォーカス制御機構部の位置を制御する駆動制御手段とを備え、前記フォーカス制御から前記位置制御への切り換え時に、前記駆動制御手段により、前記位置指令生成器が前記位置検出器からの実位置信号に予め設定した値を加算した信号を前記位置指令信号として、前記実位置信号が等しくなるように、前記フォーカス制御機構部を駆動し前記対象物の面上に対して位置制御するよう構成したことを特徴とする自動焦点制御装置。
【請求項２】
位置制御中に、位置指令生成器が、フォーカス誤差信号を監視し、フォーカス制御機構部に対してフォーカス制御範囲に入ったことを検出すると、その時点の位置指令信号に予め設定した値を加算した信号を、新たな位置指令信号として出力するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の自動焦点制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を利用した光学測定装置等において、レーザ光の焦点が常に対象物の面上に合うように自動的にレーザ光の焦点位置を制御する自動焦点制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、物体の形状を認識するために、レーザ光を利用して対象物の形状を測定する光学測定装置が広く利用されており、この光学測定装置には、対象物の形状を測定するために、レーザ光の焦点が常に対象物の面上に合うように、自動的にレーザ光の焦点を制御する自動焦点制御装置が搭載されている。
【０００３】
このように、光学測定装置に搭載される自動焦点制御装置（例えば、特許文献１を参照）は、レーザ光のフォーカス位置に対する誤差量に基づいてフォーカス誤差信号を発生させ、この誤差信号がゼロとなるようにフォーカス制御を行うフォーカス制御機構を持ち、これらフォーカス制御とフォーカス制御機構の位置制御とを切り換えられるように構成されている。
【０００４】
以上のような従来の自動焦点制御装置について、以下に説明する。
図５は従来の自動焦点制御装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、フォーカス制御機構を駆動するアクチュエータとしてリニアモータ１などが用いられる。フォーカス制御機構の位置制御を行うために、絶対位置指令信号を設定する絶対位置指令設定手段１４と、フォーカス制御機構の位置を検出し実位置信号として出力する位置検出器２と、絶対位置指令信号と実位置信号との誤差を検出する減算器１０と、減算器１０から出力される位置誤差信号に基づき、リニアモータ１に流す電流指令信号を出力する位置制御回路８と、リニアモータ１に流す電流指令信号と電流検出器４により検出される実電流信号との誤差を検出する減算器６と、電流指令信号と実電流信号との誤差がゼロになるように、リニアモータ１に流れる電流を制御する電流制御回路５とが設けられている。
【０００５】
また、フォーカス制御を行うために、レーザ光のフォーカス位置に対する誤差量に基づいてフォーカス誤差信号を発生させるフォーカス誤差検出器３と、フォーカス誤差信号がゼロとなるように、リニアモータ１に流す電流指令信号を出力するフォーカス制御回路９とが設けられ、フォーカス制御回路９から出力される電流指令信号は位置制御時と同じ減算器６に入力される。なお、位置制御とフォーカス制御を切り換えるために、位置制御回路８及びフォーカス制御回路９と減算器６の間に切換スイッチ７が設けられている。
【０００６】
通常、光学測定装置においては、対象物の形状を測定するために、レーザ光の焦点を常に対象物の面上に合わせる必要があるが、様々な形状の物を測定するためには、フォーカス制御だけでなく、フォーカス制御機構の位置を制御する必要があるが、この理由について、図２〜４を用いて以下に説明する。
【０００７】
図２は自動焦点制御装置におけるフォーカス制御系の構造を示す光路図である。図２において、１７はフォーカス検出部であり、リニアモータ１を介してバネ１５により吊られており、リニアモータ１を駆動することにより、フォーカス検出部１７を上下に動かすことができる。
【０００８】
フォーカス検出部１７の内部には、半導体レーザ１９が設置されており、半導体レーザ１９から放射された半導体レーザ光ＤＬ１は、レンズ２２、偏光プリズム２３、λ／４波長板２４を通過してダイクロイックミラー２５で下向きに全反射され、対物レンズ２６の開口部一杯に入射して、対象物２７の被測定面２８に集光する。
【０００９】
被測定面２８での反射光ＲＥ１は、ダイクロイックミラー２５及び偏光プリズム２３で全反射され、レンズ１６で集光されてハーフミラー１８で２分割される。分割された各反射光ＲＥ１は、焦点前及び焦点後に設置された各々のピンホール２０ａ及び２０ｂを通過し、各々のＰＩＮフォトダイオード２１ａ及び２１ｂに照射される。
【００１０】
対物レンズ２６の集光位置が被測定面２８にあれば、各ＰＩＮフォトダイオード２１ａ、２１ｂで検出される光量は等しくなる。対物レンズ２６と被測定面２８との距離が変化すると、２つのピンホール２０ａ、２０ｂ前後の集光位置が光軸方向にずれるため、各ＰＩＮフォトダイオード２１ａ、２１ｂ上で検出される光量に差ができる。
【００１１】
図３は対物レンズ２６と被測定面２８との距離Ｉと、各ＰＩＮフォトダイオード２１ａ、２１ｂで検出された電流から変換された電圧Ｖ１及びＶ２との関係を示す図である。また電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差電圧Ｖｅは図４のようになる。図４の曲線を、以下、Ｓ字曲線と呼ぶ。このＳ字曲線の真中のＶｅ＝０の点がフォーカス位置であり、この位置にくるようにフォーカス制御がかけられる。
【００１２】
Ｓ字曲線のリニアな領域を、以下、フォーカス引き込み範囲と呼ぶ。この範囲は、通常１０μｍ程度であるが、様々な形状の対象物に対応するためには、対物レンズ２６の可動範囲としては数十ｍｍ程度は必要なため、フォーカス制御をかける前に、まずフォーカス引き込み範囲を捜す必要がある。
【００１３】
このため、フォーカス引き込み範囲外では、フォーカス検出部１７の位置を制御する必要があり、位置制御中には、切換スイッチ７は実線の位置に設定され、フォーカス引き込み範囲に入ると、切換スイッチ７は破線の位置に設定され、フォーカス制御によるフォーカス引き込みが可能となる。
【００１４】
このようにして、対物レンズ２６と対象物２７の表面の距離が常に一定になるように制御するフォーカス制御と、フォーカス制御機構に対して対物レンズ２６の位置を対象物２７とは無関係に制御する位置制御とを行うことにより、測定対象物の形状を認識する。
【００１５】
【特許文献１】
特許第３１７９８２４号
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような従来の自動焦点制御装置では、測定する対象物２７の形状がたとえば凹面状である場合には、その測定手順において、フォーカス検出部１７を用いて凹面のほぼ最下点でフォーカス制御をかけ、形状測定のため対象物２７の凹面の湾曲に沿ってフォーカス検出部１７を移動させた後、測定が終了して対象物２７を取り外す際に、その取り外しによりフォーカス制御が不能状態となって暴走しないように、対象物２７の取り外しの前に、フォーカス制御から位置制御に切り換える。
【００１７】
このようにフォーカス制御から位置制御への切り換えの際には、位置指令として指令される上下方向の位置が、フォーカス制御のスタート時点の高さとなり、この例ではその高さまで対物レンズ２６を下降させるため、例えばフォーカス制御時のフォーカス検出部１７の上方向の移動距離が対物レンズ２６の焦点距離（ほぼ対物レンズ２６と凹面の表面との距離）よりも大きかった時には、対物レンズ２６がその下降により対象物２７にぶつかってしまうという問題点を有していた。
【００１８】
また、上記の位置制御時に、フォーカス検出部１７に対する絶対位置指令として、対象物２７の位置よりも下の位置を設定してしまった場合には、対物レンズ２６が対象物２７にぶつかってしまうという問題点も有していた。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、制御から位置制御に切り換える時に、フォーカス検出部の位置がどのような状態であっても、また、位置制御時にフォーカス検出部に対してどのような絶対位置指令を設定した場合でも、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる自動焦点制御装置を提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の自動焦点制御装置は、レーザ光を物体に照射し、その反射光に基づいて前記物体の形状を測定するために、前記レーザ光の焦点が常に前記測定の対象物の面上に合うように、前記レーザ光の焦点位置を自動的に制御する自動焦点制御装置であって、前記対象物に前記レーザ光を照射するように構成され、前記レーザ光の焦点が前記対象物の面上に位置するように制御されるフォーカス制御機構部と、前記フォーカス制御機構部からのレーザ光による前記反射光に基づいて、前記レーザ光の焦点の前記対象物の面上に対する位置ずれを示すフォーカス誤差信号を検出するフォーカス誤差検出器と、前記フォーカス誤差検出器からのフォーカス誤差信号がゼロとなるように、前記フォーカス制御機構部に対するフォーカス制御のためのフォーカス制御指令信号を出力するフォーカス制御回路部と、前記フォーカス制御機構部の前記対象物の面上に対する位置を検出し、その位置を示す実位置信号を出力する位置検出器と、前記対象物の面上における前記フォーカス制御機構部の目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構部に対する位置制御のための位置制御指令信号を出力する位置制御回路部と、前記フォーカス制御回路部からのフォーカス制御指令信号に基づくフォーカス制御と前記位置制御回路部からの位置制御指令信号に基づく位置制御とを切り換えて、当該制御時に得られる制御指令信号に基づいて、前記フォーカス制御機構部を駆動し、前記対象物の面上に対する前記フォーカス制御機構部の位置を制御する駆動制御手段とを備え、前記フォーカス制御から前記位置制御への切り換え時に、前記駆動制御手段により、前記位置指令生成器が前記位置検出器からの実位置信号に予め設定した値を加算した信号を前記位置指令信号として、前記実位置信号が等しくなるように、前記フォーカス制御機構部を駆動し前記対象物の面上に対して位置制御するよう構成したことを特徴とする。
【００２１】
以上により、フォーカス検出部に対して、フォーカス制御から位置制御に戻す前の位置よりも必ず上方向の位置を指令することにより、フォーカス制御から位置制御に切り換える時に、フォーカス検出部の位置がどのような状態であっても、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項２に記載の自動焦点制御装置は、請求項１に記載の自動焦点制御装置であって、位置制御中に、位置指令生成器が、フォーカス誤差信号を監視し、フォーカス制御機構部に対してフォーカス制御範囲に入ったことを検出すると、その時点の位置指令信号に予め設定した値を加算した信号を、新たな位置指令信号として出力するよう構成したことを特徴とする。
【００２３】
以上により、位置制御中にフォーカス引き込み範囲を検出すると、フォーカス検出部に対して、その時の位置よりも必ず上方向の位置を指令することにより、位置制御時にフォーカス検出部に対してどのような絶対位置指令を設定した場合でも、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す自動焦点制御装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２５】
図１は本実施の形態の自動焦点制御装置の構成を示すブロック図である。ここで、基本構成は、従来の自動焦点制御装置と同じであり、フォーカス制御機構（従来技術で説明したフォーカス検出部１７に相当する）を駆動するアクチュエータとしてリニアモータ１などが用いられる。
【００２６】
フォーカス制御機構の位置制御を行うために、フォーカス制御機構の位置を検出し実位置信号として出力する位置検出器２と、位置指令信号と実位置信号との誤差を検出する減算器１０と、減算器１０から出力される位置誤差信号に基づき、リニアモータ１に流す電流値を指令する電流指令信号を出力する位置制御回路８と、リニアモータ１に流す電流指令信号と電流検出器４により検出される実電流信号との誤差を検出する減算器６と、電流指令信号と実電流信号との誤差がゼロになるように、リニアモータ１に流れる電流を制御する電流制御回路５とが設けられている。
【００２７】
また、フォーカス制御を行うために、レーザ光のフォーカス位置に対する誤差量に基づいて、フォーカス誤差信号を発生させるフォーカス誤差検出器３と、フォーカス誤差信号がゼロとなるように、リニアモータ１に流す電流指令信号を出力するフォーカス制御回路９とが設けられ、フォーカス制御回路９から出力される電流指令信号は位置制御時と同じ減算器６に入力される。なお、位置制御とフォーカス制御を切り換えるために、位置制御回路８及びフォーカス制御回路９と減算器６の間に切換スイッチ７が設けられている。
【００２８】
フォーカス制御機構の構成及び動作は、従来技術で説明したフォーカス検出部１７と同一であり（図２〜４参照）、従来との違いは、従来の絶対位置指令設定手段１４の代わりに、位置指令設定手段１２と、加算値設定手段１３と、位置指令生成器１１とを設けたところにある。
【００２９】
位置指令設定手段１２は、エンコーダのようなパルス発生器またはＯＮ／ＯＦＦスイッチが用いられ、パルスの数をカウントしたり、あるいは、ＯＮ／ＯＦＦスイッチのＯＮ時間を測定したりすることにより、相対的な位置指令信号を得る。位置指令生成器１１は、位置指令設定手段１２からの相対位置指令信号に基づき、絶対的な位置指令信号を生成して、減算器１０へ出力するものである。
【００３０】
位置指令生成器１１には、位置検出器２で検出される実位置信号が入力される。位置指令生成器１１が出力する位置指令信号の初期値は、位置検出器２で検出される実位置信号と同じ値とし、その後、位置指令設定手段１２により出力される相対位置指令信号を実位置信号に加算していく。
【００３１】
位置制御からフォーカス制御に移り、再度位置制御に戻る時、これまでの位置指令信号はクリアし、その時の実位置信号に加算値設定手段１３により予め設定された値を加算した信号を、位置指令信号とする。これにより、フォーカス制御から位置制御に戻す前の位置よりも必ず上方向の位置が指令となるため、対物レンズ２６が対象物２７とぶつかることがなくなる。
【００３２】
また、位置指令生成器１１には、フォーカス誤差検出器３で検出されるフォーカス誤差信号も入力される。位置制御中に図４に示すフォーカス引き込み範囲を検出すると、その時の位置指令信号に加算値設定手段１３により予め設定された値を加算した信号を、位置指令信号とする。これにより、位置制御中にフォーカス引き込み範囲を検出すると、その時の位置よりも必ず上方向の位置が指令となるため、対物レンズ２６が対象物２７とぶつかることがなくなる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、フォーカス制御から位置制御に切り換える時に、位置指令発生手段が、位置検出器から出力される実位置信号に予め設定した値を加算した信号を、位置指令信号として出力することにより、フォーカス検出部に対して、フォーカス制御から位置制御に戻す前の位置よりも必ず上方向の位置を指令することができる。
【００３４】
そのため、フォーカス制御から位置制御に切り換える時に、フォーカス検出部の位置がどのような状態であっても、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる。
【００３５】
また、位置制御時にもフォーカス誤差信号を監視し、フォーカス制御範囲に入ったことを検出すると、位置指令発生手段が、その時点の位置指令に予め設定した値を加算した信号を、位置指令信号として出力することにより、位置制御中にフォーカス引き込み範囲を検出すると、フォーカス検出部に対して、その時の位置よりも必ず上方向の位置を指令することができる。
【００３６】
そのため、位置制御時にフォーカス検出部に対してどのような絶対位置指令を設定した場合でも、フォーカス検出部の対物レンズと対象物との衝突を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の自動焦点制御装置の構成を示すブロック図
【図２】同実施の形態の自動焦点制御装置におけるフォーカス制御系の構造を示す光路図
【図３】同実施の形態の自動焦点制御装置における各ＰＩＮフォトダイオードの検出信号を示す波形図
【図４】同実施の形態の自動焦点制御装置におけるＰＩＮフォトダイオードの各検出信号間の差成分を示す波形図
【図５】従来の自動焦点制御装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１    リニアモータ
２    位置検出器
３    フォーカス誤差検出器
４    電流検出器
５    電流制御回路
６    減算器
７    切換スイッチ
８    位置制御回路
９    フォーカス制御回路
１０    減算器
１１    位置指令生成器
１２    位置指令設定手段
１３    加算値設定手段
１４    絶対位置指令設定手段
１５    バネ
１６    レンズ
１７    フォーカス検出部
１８    ハーフミラー
１９    半導体レーザ
２０ａ、２０ｂ    ピンホール
２１ａ、２１ｂ    ＰＩＮフォトダイオード
２２    レンズ
２３    偏光プリズム
２４    λ／４波長板
２５    ダイクロイックミラー
２６    対物レンズ
２７    対象物
２８    被測定面
ＤＬ１    半導体レーザ光
ＲＥ１    反射光
【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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