(57)【要約】【課題】構成が簡単で安価なオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】光を出射する光源１と、光源１とワークＷとの間に配され、光源１からの出射光とワークＷからの反射光とを通過させる対物レンズ部５と、対物レンズ部５を通過した反射光を受光する受光部７Ａ，７Ｂと、を備えるオートフォーカス装置１００において、光源１の発振波長をシフトさせるために、光源１の動作温度を昇降させる動作温度昇降部２と、光源１の発振波長を動作温度昇降部２によりシフトさせ、受光部７Ａ，７Ｂの受光した光量変化に基づいて対物レンズ部５の焦点合わせを行う焦点合わせプログラム１３１と、を備える。【選択図】図１
2012027183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの反射光とを通過させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部を通過した前記反射光を受光する受光部と、
を備えるオートフォーカス装置において、
前記光源の発振波長をシフトさせるために、前記光源の動作温度を昇降させる動作温度昇降手段と、
前記光源の発振波長を前記動作温度昇降手段によりシフトさせ、前記受光部の受光した光量変化に基づいて前記対物レンズ部の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、
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】
前記光源の動作温度を検出する動作温度検出手段と、
前記焦点合わせ手段により焦点合わせが行われた場合に、前記動作温度検出手段により前記光源の動作温度を検出し、当該動作温度を維持するように制御を行う動作温度維持手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項３】
前記動作温度昇降手段は、ヒートポンプを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置。
【請求項４】
前記動作温度昇降手段は、加熱手段及び冷却手段を有し、
前記加熱手段はヒーターを備え、前記冷却手段はペルチェ素子を備えることを特徴とする請求項１又は２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】
従来、画像計測機や光学機器に設けられるオートフォーカス装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
オートフォーカス装置は、単一の光ビームを測定対象物（ワーク）に集光してフォーカス検出を行い、合焦位置を取得する。
具体的に、オートフォーカス装置では、例えば、図６に示すように、レーザダイオード５０１から出射したレーザ光を、対物レンズ５０２を介してステージＳ上のワークＷに照射させ、ワークＷの表面で反射されて対物レンズ５０２及びチューブレンズ５０３を介して戻ってきた反射光を、ビームスプリッタ５０４で分岐して受光部５０５Ａ及び受光部５０５Ｂに照射させるようになっている。
このとき、ワークＷが合焦位置にある場合は、受光部５０５Ａ及び受光部５０５Ｂそれぞれで検出される光量が等しくなる。一方で、ワークＷが合焦位置にない場合、つまり、ワークＷが対物レンズ５０２の焦点距離よりも短く／長くなる位置にある場合は、受光部５０５Ａ及び受光部５０５Ｂの一方の光量が他方に比べて大きくなる為、対物レンズ５０２又はステージＳを駆動する駆動機構により、光量が等しくなるように、対物レンズ５０２とワークＷ表面との間の距離を調節している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３１６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のようなオートフォーカス装置は、対物レンズ５０２又はステージＳを駆動する駆動機構を備えているため、構成が複雑となり、高価であるという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、構成が簡単で安価なオートフォーカス装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、
請求項１に記載の発明は、
光を出射する光源と、
前記光源と測定対象物との間に配され、前記光源からの出射光と前記測定対象物からの反射光とを通過させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部を通過した前記反射光を受光する受光部と、
を備えるオートフォーカス装置において、
前記光源の発振波長をシフトさせるために、前記光源の動作温度を昇降させる動作温度昇降手段と、
前記光源の発振波長を前記動作温度昇降手段によりシフトさせ、前記受光部の受光した光量変化に基づいて前記対物レンズ部の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記光源の動作温度を検出する動作温度検出手段と、
前記焦点合わせ手段により焦点合わせが行われた場合に、前記動作温度検出手段により前記光源の動作温度を検出し、当該動作温度を維持するように制御を行う動作温度維持手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置において、
前記動作温度昇降手段は、ヒートポンプを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載のオートフォーカス装置において、
前記動作温度昇降手段は、加熱手段及び冷却手段を有し、
前記加熱手段はヒーターを備え、前記冷却手段はペルチェ素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、オートフォーカス装置は、光源の発振波長をシフトさせるために、光源の動作温度を昇降させる動作温度昇降手段と、光源の発振波長を動作温度昇降手段によりシフトさせ、受光部の受光した光量変化に基づいて対物レンズ部の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、を備えており、光源の動作温度を昇降させて発振波長をシフトさせることで、受光部が受光する光量を変化させ、当該光量が所定量となった場合を焦点位置として焦点合わせが行われる。
従って、光源の動作温度を調整するだけで焦点合わせを行うことができるので、焦点合わせの為に測定対象物や対物レンズ部を駆動させる駆動機構が必要なく、構成が簡単で安価な装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のオートフォーカス装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のオートフォーカス装置の制御構成を示すブロック図である。
【図３】半導体レーザの温度特性を示す図である。
【図４】図１のオートフォーカス装置のフォーカス原理を説明するための図である。
【図５】動作温度昇降部の変形例を示す図である。
【図６】従来のオートフォーカス装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照して、本発明に係るオートフォーカス装置について、詳細に説明する。
本発明のオートフォーカス装置は、例えば、顕微鏡、画像計測機などの光学装置に搭載されるものである。
【００１３】
まず、構成について説明する。
本実施形態におけるオートフォーカス装置１００は、図１、２に示すように、光源１と、動作温度昇降部２と、動作温度検出部３と、ビームスプリッタ４と、対物レンズ部５と、ビームスプリッタ６と、受光部７Ａ，７Ｂと、演算部８と、ステージ９と、制御部１０と、等を備えている。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、光源１からビームスプリッタ４に向かう方向をＸ方向（左右方向）、ビームスプリッタ４から対物レンズ部５に向かう方向をＺ方向（高さ方向）、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向（前後方向）とする。
【００１４】
光源１は、例えば、半導体レーザであって、レーザ光を発生して出射する。
この光源１は、所定の動作温度（標準温度）において、所定の波長（基準波長）を有するレーザ光を発振するように予め設定されている。なお、動作温度とは、光源１及び／又はその近傍のレーザ光を発振する環境の温度である。
光源１には動作温度昇降部２が付設されており、光源１は、動作温度昇降部２によりその動作温度が昇降され、発振波長が基準波長から長波長側又は短波長側にシフト可能に構成されている。
ここで、図３に、光源１である半導体レーザの温度特性を示す。なお、図３の縦軸は、発振波長λｐ（ｍｍ）であり、横軸は、動作温度Ｔｃ（℃）である。
図３に示すように、半導体レーザは、動作温度Ｔｃ（℃）が上昇するにつれて、発振波長λｐ（ｍｍ）が長波長側にシフトする特性を有している。
このため、動作温度昇降部２により光源１の動作温度が標準温度から昇降されると、これに応じて発振波長が基準波長からシフトした出射光が光源１から出力するようになっている。
なお、光源１からの出射光は、当該光源１のＸ方向右側に配置されたビームスプリッタ４に照射される。
【００１５】
動作温度昇降部２は、動作温度昇降手段として、光源１の発振波長をシフトさせるために、光源１の動作温度を標準温度から昇降させる。
具体的に、動作温度昇降部２は、例えば、ヒートポンプを備え、制御部１０からの制御信号に応じて、発熱反応又は吸熱反応を起こして、光源１の動作温度を上昇または下降させる。この光源１の動作温度の昇降に応じて、光源１の発振波長はシフトされる。
【００１６】
動作温度検出部３は、動作温度検出手段として、光源１の動作温度を検出する。
具体的に、動作温度検出部３は、例えば、光源１の出射口近傍に配される熱電対を備え、光源１がレーザ光を出射する際に、当該光源１の動作温度を検出して、検出信号を制御部１０に出力する。
【００１７】
ビームスプリッタ４は、光源１から出射された光を、当該ビームスプリッタ４のＺ方向下側に配置された対物レンズ部５に向かって反射させる。ビームスプリッタ４により反射された光は、対物レンズ部５に上方から照射される。
また、ビームスプリッタ４は、ワークＷの表面にて反射され、下方から対物レンズ部５を透過して進んできた反射光を透過させて、ビームスプリッタ６に向かって照射する。
【００１８】
対物レンズ部５は、ビームスプリッタ４とワークＷとの間に配され、光源１からの出射光とワークＷからの反射光とを通過させる。
対物レンズ部５は、上方から順にチューブレンズ５１と、対物レンズ５２と、を備えている。なお、チューブレンズ５１及び対物レンズ５２は、光軸が同一となっている。
【００１９】
チューブレンズ５１は、ビームスプリッタ４から入射した光を平行光として、下方の対物レンズ５２に照射する。また、チューブレンズ５１は、対物レンズ５２を通過してきた反射光をビームスプリッタ４に照射する。
【００２０】
対物レンズ５２は、ワークＷに対向して備えられ、チューブレンズ５１から照射された光によりワークＷの表面にスポット状のパターン像を結像させ、ワークＷの表面からの反射光をチューブレンズ５１に照射する。
なお、対物レンズ５２には、例えば、ガラスやプラスチックなどの、波長によって屈折率の異なる素材が使用されている。
また、ワークＷの表面にて反射されたワークＷからの反射光は、対物レンズ部５とビームスプリッタ４とを透過して、ビームスプリッタ６に向かう。
【００２１】
ビームスプリッタ６は、ビームスプリッタ４のＺ方向上側に配置され、対物レンズ部５及びビームスプリッタ４を下方から透過してきたワークＷの表面からの反射光を２つに分岐して、受光部７Ａ，７Ｂに入射させる。
【００２２】
受光部７Ａ，７Ｂは、受光素子７１Ａ，７１Ｂと、各受光素子７１Ａ，７１Ｂに備えられたピンホール７２Ａ，７２Ｂと、から構成されている。
受光部７Ａ，７Ｂは、ビームスプリッタ６により２つに分岐された光のうち一方をそれぞれ受光し、受光した光の光量を検出して、検出信号を制御部１０に出力する。
ここで、図４（ｂ）に示すように、受光素子７１Ａ及び受光素子７１Ｂの出力が等しいとき、ワークＷの表面に焦点が合うようになっている。なお、規定の厚さの標準試料に対して、光源１から標準温度で基準波長の出射光が出射された場合、図４（ｂ）に示すように、受光素子７１Ａ及び受光素子７１Ｂの出力が等しくなるように設定されている。
そして、図４（ｂ）の状態から動作温度を上昇させると、基準波長より長波長の出射光が光源１から出射され、図４（ａ）に示すように、受光素子７１Ａの出力が受光素子７１Ｂの出力より大きくなり、焦点位置はワークＷの表面より遠くなる。
また、図４（ｂ）の状態から動作温度を下降させると、基準波長より短波長の出射光が光源１から出射され、図４（ｃ）に示すように、受光素子７１Ａの出力が受光素子７１Ｂの出力より小さくなり、焦点位置はワークＷの表面より近くなる。
【００２３】
演算部８は、受光部７Ａ，７Ｂからの出力された検出信号のそれぞれを、増幅器（図示省略）により増幅し、演算回路（図示省略）によりそれらの増幅信号の差をとることにより、受光部７Ａ，７Ｂの光量の差異を取得する。
【００２４】
ステージ９は、対物レンズ５２のＺ方向の下方において、その上面にワークＷを載置している。
【００２５】
制御部１０は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２、記憶部１３、等を備え、光源１、動作温度昇降部２、動作温度検出部３、受光部７Ａ，７Ｂ、演算部８、等と接続されている。
【００２６】
ＣＰＵ１１は、例えば、記憶部１３に記憶されている各種処理プログラムに従って、各種の制御処理を行う。
【００２７】
ＲＡＭ１２は、ＣＰＵ１１により演算処理されたデータを格納するワークメモリエリアを形成している。
【００２８】
記憶部１３は、例えば、ＣＰＵ１１によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ１１によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部１３に記憶されている。
【００２９】
具体的に、記憶部１３には、焦点合わせプログラム１３１と、動作温度維持プログラム１３２と、等が記憶されている。
【００３０】
焦点合わせプログラム１３１は、例えば、光源１の発振波長を動作温度昇降部２によりシフトさせ、受光部７Ａ，７Ｂの受光した光量変化に基づいて対物レンズ部５の焦点合わせを行う機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、オートフォーカスを実行して受光部７Ａ，７Ｂの光量に差異があった場合、動作温度昇降部２により光源１の動作温度を上昇または下降させる。この光源１の動作温度の昇降によって、光源１の出射光の発振波長がシフトすることとなる。  そして、光源１の出射光の発振波長のシフトにより、受光部７Ａ，７Ｂの光量が変化すると、ＣＰＵ１１は、受光部７Ａ，７Ｂの光量の差異を取得し、差異がなくなった時点（出力が等しくなった時点）で焦点位置であると決定する。
【００３１】
より具体的には、光源１は、動作温度Ｔｃ（℃）が上昇するにつれて長波長側に発振波長がシフトする特性を有するので（図３参照）、光源１の動作温度が上昇すると、当該光源１の発振波長は長波長側にシフトする一方、光源１の動作温度が下降すると、当該光源１の発振波長は短波長側にシフトすることとなる。
従って、ＣＰＵ１１は、受光部７Ａの出力が受光部７Ｂの出力より大きい場合、動作温度昇降部２により光源１の動作温度を低くし、受光部７Ａの出力が受光部７Ｂの出力より小さい場合、動作温度昇降部２により光源１の動作温度を高くして、ワークＷの表面に焦点位置を合わせる。
ＣＰＵ１１は、かかる焦点合わせプログラム１３１を実行することにより、焦点合わせ手段として機能している。
【００３２】
動作温度維持プログラム１３２は、例えば、上記した焦点合わせプログラム１３１の実行により焦点合わせが行われた場合に、動作温度検出部３により光源１の動作温度を検出し、当該動作温度を維持するように制御を行う機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、受光素子７１Ａ及び受光素子７１Ｂの出力が等しくなり、焦点位置であると決定された場合に、その時点での光源１の動作温度を検出する。そして、光源１の動作温度が、その検出された温度で維持されるように、動作温度昇降部２を制御する。
ＣＰＵ１１は、かかる動作温度維持プログラム１３２を実行することにより、動作温度維持手段として機能している。
【００３３】
次に、作用について説明する。
オートフォーカス装置１００では、光源１から出射した出射光をチューブレンズ５１で平行光にし、対物レンズ５２でワークＷ上に集光させる。ワークＷにて反射した反射光は、再び対物レンズ５２を透過して平行光となり、チューブレンズ５１によりビームスプリッタ６を介して受光部７Ａ，７Ｂに入射させる。
ここで、本実施形態のオートフォーカス装置１００では、光源１の動作温度を昇降させ、これにより光源１の出射光の発振波長をシフトさせるようになっている。
対物レンズ５２に用いられるガラスやプラスチックなどの素材は波長によって屈折率が異なるので、光源１の動作温度を昇降させて出射光の発振波長をシフトさせることで、焦点位置を変化させることが可能であり、ワークＷの表面に焦点位置を合わせることができることとなる。
具体的には、上述したように、受光部７Ａの出力が受光部７Ｂの出力より大きい場合、光源１の動作温度を低くし、受光部７Ａの出力が受光部７Ｂの出力より小さい場合、光源１の動作温度を高くすることで、ワークＷの表面に焦点位置を合わせることができる。
【００３４】
以上にように、本実施形態のオートフォーカス装置１００によれば、光源１の発振波長をシフトさせるために、光源１の動作温度を昇降させる動作温度昇降部２と、光源１の発振波長を動作温度昇降部２によりシフトさせ、受光部７Ａ，７Ｂの受光した光量変化に基づいて対物レンズ部５の焦点合わせを行う焦点合わせプログラム１３１と、を備えており、光源１の動作温度を昇降させて発振波長をシフトさせることで、受光部７Ａ，７Ｂが受光する光量を変化させ、当該光量が所定量となった場合を焦点位置として焦点合わせが行われる。
従って、光源１の動作温度を調整するだけで焦点合わせを行うことができるので、焦点合わせの為にワークＷや対物レンズ部５を駆動させる駆動機構が必要なく、構成が簡単で安価な装置とすることができる。
【００３５】
また、本実施形態のオートフォーカス装置１００によれば、光源１の動作温度を検出する動作温度検出部３と、焦点合わせプログラム１３１により焦点合わせが行われた場合に、動作温度検出部３により光源１の動作温度を検出し、当該動作温度を維持するように制御を行う動作温度維持プログラム１３２と、を備えている。
このため、焦点が合った時点の動作温度を維持することで、焦点が合った時点の波長を固定することができる。
【００３６】
また、本実施形態のオートフォーカス装置１００によれば、動作温度昇降部２は、ヒートポンプを備えて構成されるため、簡易な構成であり、安価に製造できる。
【００３７】
なお、上記実施形態においては、動作温度昇降部２としてヒートポンプを備えた構成を例示して説明したが、この動作温度昇降部２は、光源１の動作温度（即ち、光源１及び／又はその近傍の環境温度）を昇降可能なものであれば、どのような構成であっても適応可能である。
例えば、図５に示すように、加熱手段２１及び冷却手段２２を有する動作温度昇降部（動作温度昇降手段）２Ａを備えることとしても良い。具体的には、加熱手段２１として、例えばヒーターなどを備え、冷却手段２２として、例えばペルチェ素子などを備えて構成し、ヒーターにより動作温度を上昇させ、ペルチェ素子により動作温度を下降させる。
【００３８】
また、光源１である半導体レーザの波長は、例えば、紫外線、可視光線、赤外線など、何れの波長でも良く、用途に応じて選択することができる。
また、フォーカス範囲は、対物レンズ５２の設計（即ち、軸上色収差の補正ぐあい）に応じて、広くすることも狭くすることも可能である。
【００３９】
また、上記実施形態においては、動作温度検出部３及び動作温度維持プログラム１３２を備えた構成を例示して説明したが、当該動作温度検出部３及び動作温度維持プログラム１３２を備えないこととしても良い。なお、この場合、ＣＰＵ１１は、焦点合わせプログラム１３１の実行により、受光部７Ａ，７Ｂの受光した光量変化に基づいて、常時、焦点合わせを行うこととなる。
【００４０】
また、上記実施形態のオートフォーカス装置においては、ピンホール法の構成を例示しているが、例えば、ナイフエッジ法、フーコー法、非点収差法、等のピンホール法以外の検出原理を用いることとしても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１００  オートフォーカス装置
１  光源
２、２Ａ  動作温度昇降部（動作温度昇降手段）
２１  加熱手段
２２  冷却手段
３  動作温度検出部（動作温度検出手段）
４  ビームスプリッタ
５  対物レンズ部
５１  チューブレンズ
５２  対物レンズ
６  ビームスプリッタ
７Ａ，７Ｂ  受光部
７１Ａ，７１Ｂ  受光素子
７２Ａ，７２Ｂ  ピンホール
８  演算部
９  ステージ
１０  制御部
１１  ＣＰＵ
１２  ＲＡＭ
１３  記憶部
１３１  焦点合わせプログラム
１３２  動作温度維持プログラム
Ｗ  ワーク（測定対象物）
【図１】
2012027183.tif 000003
【図２】
2012027183.tif 000004
【図３】
2012027183.tif 000005
【図４】
2012027183.tif 000006
【図５】
2012027183.tif 000007
【図６】
2012027183.tif 000008