特許 5718662 オートフォーカス装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5718662

(24)【登録日】2015年3月27日

(45)【発行日】2015年5月13日

(54)【発明の名称】オートフォーカス装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 7/28 20060101AFI20150423BHJP

   G02B 21/00 20060101ALI20150423BHJP

【ＦＩ】

   G02B7/28 J

   G02B21/00

【請求項の数】6

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-17415(P2011-17415)

(22)【出願日】2011年1月31日

(65)【公開番号】特開2012-159549(P2012-159549A)

(43)【公開日】2012年8月23日

【審査請求日】2013年12月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】岡部 憲嗣

(72)【発明者】

【氏名】下川 清治

(72)【発明者】

【氏名】北川 一樹

【審査官】 辻本 寛司

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２６０６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２４５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０２６２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６３１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０１４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２５４６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０１７８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９６４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１３５２８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０２Ｂ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
前記検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とするチューブレンズと、
前記チューブレンズからの前記平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からのライン形状の光により前記測定対象物の表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズと、
前記対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段と、
を備え、
前記検出手段は、
前記光学部を通過した前記戻り光がビームスプリッタにより２つに分岐された光のうち一方を受光する第１検出手段と、
前記２つに分岐された光のうち他方を受光する第２検出手段と、を備え、
前記エラー判定手段は、前記第１検出手段及び前記第２検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定し、
前記回転手段は、前記エラー判定手段によりエラーが検出された場合に、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とするオートフォーカス装置。

【請求項2】

前記光形状変形手段は、シリンドリカルレンズであり、
前記回転手段は、前記シリンドリカルレンズを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させ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】

前記シリンドリカルレンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス装置。

【請求項4】

前記光形状変形手段は、
駆動ミラーと、
前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸に対して垂直な面に平行な軸回りに前記駆動ミラーを回転駆動させる駆動手段と、
を備え、
前記回転手段は、前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸回りに前記駆動ミラーを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させ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5】

前記駆動手段は、前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状をライン形状とスポット状とに切り替えることを特徴とする請求項４に記載のオートフォーカス装置。

【請求項6】

前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする請求項１〜５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】

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。
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、例えば、図８に示すオートフォーカス装置５００では、レーザダイオード５０１から出射されたレーザ光を、対物レンズ５０２を介してワーク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で分岐して受光素子５０５Ａ及び受光素子５０５Ｂに照射させるようになっている。このとき、ワークＷの表面には、微小スポットＳが結像されている。

【0003】

このようなオートフォーカス装置では、例えば、図９に示すように、ワークＷの表面に段差部があった場合、この段差部にてフォーカス検出がなされると段差部に照射される単一の光ビームが段差部の境界線（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、シリンドリカルレンズを用いて、ワークＷの表面上に結像するレーザ光の形状をライン形状とし、平均化効果を向上させて、段差部でもフォーカス検出を可能とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−２７６３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の特許文献１に記載の発明では、例えば、図１０に示すように、段差部のエッジの方向とレーザ光のラインの方向が一致した場合など、ワークＷの向き（段差の方向）によっては依然として光の散乱が発生してしまい、フォーカス検出が困難な場合がある。

【0006】

本発明は、測定対象物の表面に段差部があった場合でも好適に測定できるオートフォーカス装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、オートフォーカス装置において、
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戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部と、
前記光学部を通過した前記戻り光によりフォーカス検出を行う検出手段と、
前記検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段と、
を備え、
前記光学部は、
前記光源からの前記出射光を平行光とするチューブレンズと、
前記チューブレンズからの前記平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段と、
前記光形状変形手段からのライン形状の光により前記測定対象物の表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズと、
前記対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段と、
を備え、
前記検出手段は、
前記光学部を通過した前記戻り光がビームスプリッタにより２つに分岐された光のうち一方を受光する第１検出手段と、
前記２つに分岐された光のうち他方を受光する第２検出手段と、を備え、
前記エラー判定手段は、前記第１検出手段及び前記第２検出手段により検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定し、
前記回転手段は、前記エラー判定手段によりエラーが検出された場合に、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。

【0008】

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、
前記光形状変形手段は、シリンドリカルレンズであり、
前記回転手段は、前記シリンドリカルレンズを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。

【0009】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のオートフォーカス装置において、
前記シリンドリカルレンズは、着脱可能に備えられていることを特徴とする。

【0010】

請求項４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、
前記光形状変形手段は、
駆動ミラーと、
前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸に対して垂直な面に平行な軸回りに前記駆動ミラーを回転駆動させる駆動手段と、
を備え、
前記回転手段は、前記駆動ミラーと前記測定対象物の表面とを結ぶ光軸回りに前記駆動ミラーを回転させることにより、前記ライン形状のパターン像を回転させることを特徴とする。

【0011】

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のオートフォーカス装置において、
前記駆動手段は、前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、
前記駆動ミラーを駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、前記パターン像の形状をライン形状とスポット状とに切り替えることを特徴とする。

【0013】

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のオートフォーカス装置において、
前記光源からの前記出射光の波長を変更することで、前記パターン像の色が変更可能であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、出射光を平行光とするチューブレンズと対物レンズとの間に、チューブレンズからの平行光をライン形状に変形する光形状変形手段が備えられているため、測定対象物の表面にライン形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、測定対象物の表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができる。また、対物レンズにより集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段が備えられているため、その段差部が如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す模式図である。

【図2】第１実施形態に係る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】測定対象物の表面のパターン像と段差部とを示す模式図である。

【図4】エラー判定時にパターン像を回転させた状態を示す模式図である。

【図5】パターン像の色を変更した状態を示す模式図である。

【図6】第２実施形態に係るオートフォーカス装置の構成を示す模式図である。

【図7】第２実施形態に係る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8】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。

【図9】従来のオートフォーカス装置の問題点を説明するための図である。

【図10】従来のオートフォーカス装置の問題点を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。
本発明に係る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。

【0017】

（第１実施形態）
まず、構成について説明する。
第１実施形態に係るオートフォーカス装置１００は、図１、２に示すように、光出射部１と、ハーフミラー２と、光学部１０と、ビームスプリッタ３と、検出部４Ａ，４Ｂと、演算部５と、ステージ６と、ステージ駆動機構部７と、制御部８と、を備えて構成される。
なお、第１実施形態においては、図１に示すように、光出射部１からハーフミラー２に向かう方向をＸ方向（左右方向）、ハーフミラー２から光学部１０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。

【0018】

光出射部１は、例えば、放電灯、発光ダイオード、レーザなどの光源を備え、光ビームを発生させて出射する。光出射部１から出射された光（出射光）は、光出射部１のＸ方向右側に配置されたハーフミラー２に照射される。

【0019】

ハーフミラー２は、光出射部１から入射した光を、光出射部１のＺ方向下側に配置された光学部１０に向かって反射させる。ハーフミラー２により反射された光は、光学部１０に上方から照射される。
また、ハーフミラー２は、ワークＷの表面にて反射され、下方から光学部１０を透過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ３に向かって照射する。

【0020】

光学部１０は、ハーフミラー２とワークＷとの間に配され、光出射部１からの出射光とワークＷからの戻り光とを同一光路にて通過させる。
具体的に、光学部１０は、上方から順にチューブレンズ１１と、シリンドリカルレンズ１２と、対物レンズ１３と、を備えて構成される。なお、チューブレンズ１１、シリンドリカルレンズ１２、及び対物レンズ１３は、光軸が同一となっている。

【0021】

チューブレンズ１１は、ハーフミラー２から入射した光を平行光として、下方のシリンドリカルレンズ１２に照射する。

【0022】

シリンドリカルレンズ１２は、光形状変形手段として、チューブレンズ１１からの円形状の平行光をライン形状に変形させる。このシリンドリカルレンズ１２に上方から平行光が照射されると、平行光はライン形状ビームに変換されて、下方の対物レンズ１３に照射される。なお、シリンドリカルレンズ１２は、着脱可能に備えられている。

【0023】

また、シリンドリカルレンズ１２の外周部分には、歯車状の第一ギア１２１が取り付けられている。この第一ギア１２１は、歯車部分が噛み合わさるように配置された第二ギア１２２の回転と連動して回転することで、シリンドリカルレンズ１２を回転させる。第一ギア１２１の回転に伴いシリンドリカルレンズ１２が回転すると、対物レンズ１３により集光されるライン形状のパターン像が、例えば、Ｌ１からＬ２まで回転する。

【0024】

第二ギア１２２は、回転軸１２３の一端と結合され、回転軸１２３の回転により回転し、第一ギア１２１を回転させる。
回転軸１２３は、その他端が駆動モータ１２４と結合され、駆動モータ１２４から伝達される駆動力により一定速度で回転する。
駆動モータ１２４は、制御部８が出力する制御信号に応じて回転軸１２３を回転させる。
これら第一ギア１２１、第二ギア１２２、回転軸１２３、駆動モータ１２４は、対物レンズ１３により集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段として機能する。

【0025】

対物レンズ１３は、ワークＷに対向して備えられ、シリンドリカルレンズ１２から照射されたライン形状ビームによりワークＷの表面にライン形状のパターン像を結像させる。従って、ハーフミラー２から照射され、光学部１０（チューブレンズ１１、シリンドリカルレンズ１２、対物レンズ１３）を透過してワークＷに到達した光は、当該ワークＷの表面においてライン形状のパターン像を形成する。
ワークＷの表面に形成されるライン形状のパターン像は、回転手段（駆動モータ１２４）を制御してシリンドリカルレンズ１２を回転させることにより、回転させることが可能である。
従って、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ワークＷの表面に存在するエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークＷの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークＷからの戻り光は、光学部１０を下方から透過する際に、シリンドリカルレンズ１２によりライン形状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、上方のハーフミラー２を透過して、ビームスプリッタ３に向かうこととなる。

【0026】

ここで、シリンドリカルレンズ１２は、着脱可能に備えられているため、シリンドリカルレンズ１２を抜き差しすることにより、ワークＷの表面に現れるパターン像をライン形状のものと従来のスポット状のものとに切り替えることができるようになっている。例えば、シリンドリカルレンズ１２が取り外されている場合、対物レンズ１３は、チューブレンズ１１から照射される平行光によりワークＷの表面にスポット状のパターン像を結像させる。
なお、シリンドリカルレンズ１２の抜き差し作業は、手動で行うようにしてもよいし、ライン形状のパターン像でフォーカス検出できなかった場合（例えば、ワークＷの表面に形成されたパターン像がエッジと重なってうまく反射されずに、所定の光量が得られなかった場合等）に、自動的にシリンドリカルレンズ１２を光路上から取り外すことで、スポット状のパターン像に切り替えるようにしてもよい。反対に、スポット状のパターン像でフォーカス検出できなかった場合（所定の光量が得られなかった場合等）に、自動的にシリンドリカルレンズ１２を光路上に配置することで、ライン形状のパターン像に切り替えるようにしてもよい。

【0027】

ビームスプリッタ３は、ハーフミラー２のＺ方向上側に配置され、光学部１０及びハーフミラー２を下方から透過してきたワークＷの表面からの戻り光を２つに分岐して、検出部４Ａ，４Ｂに入射させる。

【0028】

検出部４Ａ，４Ｂは、受光素子４１Ａ，４１Ｂと、各受光素子４１Ａ，４１Ｂに備えられたピンホール４２Ａ，４２Ｂと、から構成され、ビームスプリッタ３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制御部８に出力する。

【0029】

演算部５は、検出部４Ａ，４Ｂからの出力信号のそれぞれを、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、フォーカス誤差信号を取得する。

【0030】

ステージ６は、対物レンズ１３のＺ方向の下方において、その上面にワークＷを載置する。このステージ６は、ステージ駆動機構部７により水平（Ｘ、Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３方向に移動可能となっている。

【0031】

ステージ駆動機構部７は、ステージ６をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能に支持している。
具体的に、ステージ駆動機構部７は、演算部５で取得されたフォーカス誤差信号に基づいて制御部８から出力される制御信号に応じてステージ６をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させると共に、ステージ６のＸ、Ｙ、Ｚ方向における位置（位置座標）を制御部８に出力する。従って、ステージ駆動機構部７により、ステージ６と対物レンズ１３との間の相対距離を変化させ、ワークＷの表面に焦点を合わせる（フォーカスを検出する）ことが可能となっている。

【0032】

制御部８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）８１、ＲＡＭ（Random Access Memory）８２、記憶部８３等を備えて構成され、光出射部１、検出部４Ａ，４Ｂ、演算部５、ステージ駆動機構部７、駆動モータ１２４等と接続されている。
ＣＰＵ８１は、記憶部８３に記憶されている各種処理プログラム等を読み出してＲＡＭ８２に展開し、この展開されたプログラムとの協働で各種処理を実行することにより、オートフォーカス装置１００全体の制御を行う。
ＲＡＭ８２は、ＣＰＵ８１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ８２内のプログラム格納領域に展開するとともに、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をデータ格納領域に格納する。
記憶部８３は、例えば、不揮発性の半導体メモリで構成され、ＣＰＵ８１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、ＣＰＵ８１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８３に記憶されている。

【0033】

また、制御部８は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定する。ここで、所定の閾値は、通常取得される光量の値に設定するとよい。そして、制御部８は、光量が所定の閾値を超えていないと判定した場合、通常取得される光量が取得されていないと判断し、エラーとして判定する。即ち、制御部８は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段として機能する。
エラー判定される場合としては、例えば、図４（ａ）に示すように、ワークＷの表面に形成されたパターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等が挙げられる。この場合、制御部８は、回転手段（駆動モータ１２４）を制御してシリンドリカルレンズ１２を回転させることにより、図４（ｂ）に示すように、パターン像を回転させ、パターン像とエッジの重なりを解消する。即ち、オートフォーカス装置１００は、制御部８によりエラーを検出した場合に、ライン形状のパターン像を回転させることで、自動的にエラーを解消することができるようになっている。
なお、エラー判定時にパターン像を回転させる角度については特に制限はないが、例えば、４５°周期（０°、４５°、９０°、１３５°）で回転させるとよい。

【0034】

また、本発明の実現は光出射部１の波長にはよらない為、光出射部１の光源を適宜変更して、光出射部１から出射する光の波長を変更することができる。そして、光出射部１から出射される光の波長を変更することで、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ワークＷの表面に現れるパターン像の色が変更される。つまり、ワークＷの特性（色や反射率）に応じてパターン像の色を変更できるようになっている。

【0035】

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、光出射部１から出射した光は、ハーフミラー２を介して光学部１０に照射され、光学部１０を上方から透過してワークＷに照射される。そして、ワークＷの表面にて反射された戻り光は、光学部１０及びハーフミラー２を下方から透過して、ビームスプリッタ３を介して検出部４Ａ，４Ｂに入射する。
光学部１０は、チューブレンズ１１と対物レンズ１３との間にシリンドリカルレンズ１２を備えており、ワークＷの表面に結像されるパターン像がライン形状に形成される。そして、ワークＷの表面にて反射した戻り光は、再度、下方から光学部１０内のシリンドリカルレンズ１２を透過するため、円形状に戻される。
つまり、光出射部１から出射した円形状の出射光は、シリンドリカルレンズ１２によりライン形状となりワークＷの表面にて反射して、ライン形状の戻り光はシリンドリカルレンズ１２により円形状に戻って検出部４Ａ，４Ｂに到達する。
ここで、ワークＷの表面に形成されるライン形状のパターン像は、シリンドリカルレンズ１２を回転させることにより回転させることが可能であるため、段差部のエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でもフォーカス検出が可能である。
また、制御部８は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定する。そして、制御部８は、エラーと判定した場合に、回転手段（駆動モータ１２４）を制御してシリンドリカルレンズ１２を回転させることにより、ライン形状のパターン像を回転させ、自動的にエラーを解消する。
更に、シリンドリカルレンズ１２は、着脱可能に備えられているため、シリンドリカルレンズ１２の抜き差しにより、パターン像をスポット状とライン形状とに切り替えることができる。

【0036】

以上のように、第１実施形態に係るオートフォーカス装置１００は、光出射部１と、光出射部１とワークＷとの間に配され、光出射部１からの出射光とワークＷからの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部１０と、光学部１０を通過した戻り光によりフォーカス検出を行う検出部４Ａ，４Ｂと、を備え、光学部１０は、光出射部１からの出射光を平行光とするチューブレンズ１１と、チューブレンズ１１からの平行光をライン形状に変形させるシリンドリカルレンズ１２と、シリンドリカルレンズ１２からのライン形状の光によりワークＷの表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズ１３と、対物レンズ１３により集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段（第一ギア１２１、第二ギア１２２、回転軸１２３、駆動モータ１２４）と、を備える。
このため、ワークＷの表面にライン形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークＷの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、ライン形状のパターン像は、シリンドリカルレンズ１２を回転させることにより回転させることが可能であるため、その段差部が如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出することができる。

【0037】

また、第１実施形態に係るオートフォーカス装置１００は、シリンドリカルレンズ１２が着脱可能に備えられている。
このため、シリンドリカルレンズ１２を抜き差しすることにより、ワークＷの表面に現れるパターン像をライン形状のものと従来のスポット状のものとに切り替えることができるので、例えば、狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。

【0038】

また、第１実施形態に係るオートフォーカス装置１００は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段（制御部８）を更に備え、回転手段（第一ギア１２１、第二ギア１２２、回転軸１２３、駆動モータ１２４）は、制御部８によりエラーが検出された場合に、ライン形状のパターン像を回転させる。
このため、例えば、パターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等に、パターン像を回転させてエッジとの重なりを解消することができ、自動的にエラーを解消することができる

【0039】

また、第１実施形態に係るオートフォーカス装置１００は、光出射部１からの出射光の波長を変更することで、パターン像の色が変更可能である。
このため、ワークＷの特性（色や反射率）に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。

【0040】

（第２実施形態）
まず、構成について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付するものとする。
第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００は、図６、７に示すように、光出射部１と、ハーフミラー２と、光学部２０と、ビームスプリッタ３と、検出部４Ａ，４Ｂと、演算部５と、ステージ６と、ステージ駆動機構部７と、制御部８と、を備えて構成される。
なお、第２実施形態においては、図５に示すように、光出射部１からハーフミラー２に向かう方向をＺ方向（高さ方向）、ハーフミラー２から光学部２０に向かう方向をＸ方向（左右方向）、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。

【0041】

光出射部１は、例えば、放電灯、発光ダイオード、レーザなどの光源を備え、光ビームを発生させて出射する。光出射部１から出射された光（出射光）は、光出射部１のＺ方向下側に配置されたハーフミラー２に照射される。

【0042】

ハーフミラー２は、光出射部１から入射した光を、光出射部１のＸ方向左側に配置された光学部２０に向かって反射させる。ハーフミラー２により反射された光は、光学部２０に右方から照射される。
また、ハーフミラー２は、ワークＷの表面にて反射され、光学部２０を出射光とは逆方向に通過して進んできた戻り光を透過させ、ビームスプリッタ３に向かって照射する。

【0043】

光学部２０は、ハーフミラー２とワークＷとの間に配され、光出射部１からの出射光とワークＷからの戻り光とを同一光路にて通過させる。
具体的に、光学部２０は、チューブレンズ２１と、光形状変形部２２と、対物レンズ２３と、を備えて構成される。

【0044】

チューブレンズ２１は、ハーフミラー２から入射した光を平行光として、チューブレンズ２１のＸ方向左側に配置された光形状変形部２２に照射する。

【0045】

光形状変形部２２は、光形状変形手段として、チューブレンズ２１からの円形状の平行光をライン形状に変形させる。
具体的に、光形状変形部２２は、駆動ミラー２２１と、駆動ミラー２２１を駆動する駆動部２２２と、を備えて構成される。

【0046】

駆動ミラー２２１は、そのミラー面が、チューブレンズ２１からの平行光に対して斜めになるように配置されている。また、駆動ミラー２２１は、例えば、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems: 微小電気機械システム)技術を利用した電磁駆動型のＭＥＭＳミラーで構成されており、駆動ミラー２２１とワークＷ表面とを結ぶＺ方向の光軸（図中Ｚ１）に対して垂直な面に平行な軸回りに共振駆動（回転駆動）しつつ、チューブレンズ２１からの平行光を対物レンズ２３に対して反射させる。
具体的には、チューブレンズ２１からの円形状の平行光は、駆動ミラー２２１のミラー面に対して斜めの方向から照射され、当該駆動ミラー２２１によって反射される際に駆動ミラー２２１が回転駆動した場合に、ライン形状ビームに変換されて、下方の対物レンズ２３に照射されるようになっている。
つまり、駆動ミラー２２１が回転駆動すると反射角度が変化するため、光はその反射角度に応じてワークＷの表面をライン形状に連続移動し、例えば、図６に示すように、ライン形状のパターン像を結像する。

【0047】

なお、図６では、Ｘ方向（左右方向）にライン形状のパターン像が結像されているが、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００は、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ライン形状のパターン像を所定の角度回転させることができる。具体的には、駆動部２２２を制御することにより、駆動ミラー２２１を、駆動ミラー２２１とワークＷの表面とを結ぶ光軸Ｚ１回りに回転させることで、ワークＷの表面に結像させるライン形状のパターン像を所定の角度回転させることができるようになっている。

【0048】

駆動部２２２は、制御部８が出力する制御信号に応じて、駆動ミラー２２１とワークＷの表面とを結ぶ光軸Ｚ１に対して垂直な面に平行な軸回りに駆動ミラー２２１を回転駆動させる（駆動手段）。また、駆動部２２２は、駆動ミラー２２１とワークＷの表面とを結ぶ光軸Ｚ１回りに駆動ミラー２２１を回転させることにより、ライン形状のパターン像を回転させる（回転手段）。
更に、駆動部２２２は、駆動ミラー２２１を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、駆動ミラー２２１を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、パターン像をライン形状とスポット状とに切り替えることができるようになっている。

【0049】

対物レンズ２３は、ワークＷに対向して備えられ、駆動ミラー２２１が駆動している場合には、駆動ミラー２２１から照射されたライン形状ビームによりワークＷの表面にライン形状のパターン像を結像させる。一方、駆動ミラー２２１が静止している場合には、駆動ミラー２２１から照射された平行光によりワークＷの表面にスポット状のパターン像を結像させる。

【0050】

従って、ハーフミラー２から照射され、光学部２０（チューブレンズ２１、光形状変形部２２、対物レンズ２３）を通過してワークＷに到達した光は、駆動ミラー２２１が駆動している場合には、当該ワークＷの表面においてライン形状のパターン像を形成する。
ワークＷの表面に形成されるライン形状のパターン像は、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで、回転させることが可能である。
従って、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ワークＷの表面に存在するエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出ができるようになっている。
そして、ワークＷの表面にて反射され、出射光と同一光路を逆方向に進むワークＷからの戻り光は、光学部２０を出射光と逆方向に通過する際に、光形状変形部２２によりライン形状ビームから円形状の平行光に再度変換されて、ハーフミラー２を透過して、ビームスプリッタ３に向かうこととなる。

【0051】

ビームスプリッタ３は、ハーフミラー２のＸ方向右側に配置され、光学部２０及びハーフミラー２を通過してきたワークＷの表面からの戻り光を２つに分岐して、検出部４Ａ，４Ｂに入射させる。

【0052】

検出部４Ａ，４Ｂは、受光素子４１Ａ，４１Ｂと、各受光素子４１Ａ，４１Ｂに備えられたピンホール４２Ａ，４２Ｂと、から構成され、ビームスプリッタ３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制御部８に出力する。

【0053】

演算部５は、検出部４Ａ，４Ｂからの出力信号のそれぞれを、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、フォーカス誤差信号を取得する。

【0054】

ステージ６は、対物レンズ２３のＺ方向の下方において、その上面にワークＷを載置する。このステージ６は、ステージ駆動機構部７により水平（Ｘ、Ｙ方向）及び垂直（Ｚ方向）の３方向に移動可能となっている。

【0055】

ステージ駆動機構部７は、ステージ６をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能に支持している。
具体的に、ステージ駆動機構部７は、演算部５で取得されたフォーカス誤差信号に基づいて制御部８から出力される制御信号に応じてステージ６をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させると共に、ステージ６のＸ、Ｙ、Ｚ方向における位置（位置座標）を制御部８に出力する。従って、ステージ駆動機構部７により、ステージ６と対物レンズ２３との間の相対距離を変化させ、ワークＷの表面に焦点を合わせる（フォーカスを検出する）ことが可能となっている。

【0056】

制御部８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）８１、ＲＡＭ（Random Access Memory）８２、記憶部８３等を備えて構成され、光出射部１、検出部４Ａ，４Ｂ、演算部５、ステージ駆動機構部７、駆動部２２２等と接続されている。

【0057】

ＣＰＵ８１は、記憶部８３に記憶されている各種処理プログラム等を読み出してＲＡＭ８２に展開し、この展開されたプログラムとの協働で各種処理を実行することにより、オートフォーカス装置２００全体の制御を行う。
ＲＡＭ８２は、ＣＰＵ８１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ８２内のプログラム格納領域に展開するとともに、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をデータ格納領域に格納する。
記憶部８３は、例えば、不揮発性の半導体メモリで構成され、ＣＰＵ８１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、ＣＰＵ８１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８３に記憶されている。

【0058】

また、制御部８は、第１実施形態と同様、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段として機能する。制御部８は、エラー判定した場合、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで、ワークＷの表面に結像させるライン形状のパターン像を回転させ、パターン像とエッジの重なりを解消する。
なお、エラー判定時にパターン像を回転させる角度については特に制限はないが、例えば、光軸Ｚ１に対して４５°回転させるとよい。

【0059】

また、第１実施形態と同様、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００においても、光出射部１の光源を適宜変更して、光出射部１から出射する光の波長を変更することで、パターン像の色を変更できるようになっている。

【0060】

次に、作用について説明する。
オートフォーカス装置２００では、光出射部１から出射した光は、ハーフミラー２を介して光学部２０に照射され、光学部２０を通過してワークＷに照射される。そして、ワークＷの表面にて反射された戻り光は、光学部２０及びハーフミラー２を出射光とは逆方向に通過して、ビームスプリッタ３を介して検出部４Ａ，４Ｂに入射する。
光学部２０は、チューブレンズ２１と対物レンズ２３との間に光形状変形部２２を備えており、駆動ミラー２２１が駆動している場合には、ワークＷの表面に結像されるパターン像がライン形状に形成される。そして、ワークＷの表面にて反射した戻り光は、再度、光学部２０内の光形状変形部２２により反射するため、円形状に戻される。
つまり、駆動ミラー２２１が駆動している場合、光出射部１から出射した円形状の出射光は、光形状変形部２２によりライン形状となりワークＷの表面にて反射して、ライン形状の戻り光は光形状変形部２２により円形状に戻って検出部４Ａ，４Ｂに到達する。
ここで、ワークＷの表面に形成されるライン形状のパターン像は、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで回転させることが可能であるため、段差部のエッジの方向と重ならないようにパターン像を回転させることで、エッジが如何なる向きに存在する場合でもフォーカス検出が可能である。
また、制御部８は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定する。そして、制御部８は、エラーと判定した場合に、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで、ライン形状のパターン像を回転させ、自動的にエラーを解消する。
更に、駆動ミラー２２１を駆動状態と静止状態とに切り替えることができ、駆動ミラー２２１を静止させて、パターン像をスポット状に切り替えることができる。

【0061】

以上のように、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００は、光出射部１と、光出射部１とワークＷとの間に配され、光出射部１からの出射光とワークＷからの戻り光とが同一光路となるように通過させる光学部２０と、光学部２０を通過した戻り光によりフォーカス検出を行う検出部４Ａ，４Ｂと、を備え、光学部２０は、光出射部１からの出射光を平行光とするチューブレンズ２１と、チューブレンズ２１からの平行光をライン形状に変形させる光形状変形手段２２（駆動ミラー２２１、駆動部２２２）と、光形状変形手段２２からのライン形状の光によりワークＷの表面にライン形状のパターン像を集光させる対物レンズ２３と、対物レンズ２３により集光されるライン形状のパターン像を所定の角度回転させる回転手段（駆動部２２２）と、を備える。
このため、ワークＷの表面にライン形状のパターン像が結像され、スポット状のパターン像に比べて平均化効果が向上するので、ワークＷの表面に段差部があった場合でもフォーカス検出ができることとなる。また、ライン形状のパターン像は、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで回転させることが可能であるため、その段差部が如何なる向きに存在する場合でも、フォーカス検出することができる。

【0062】

また、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００の駆動部２２２は、駆動ミラー２２１を駆動状態と静止状態とに切り替え可能であり、駆動ミラー２２１を駆動状態と静止状態とに切り替えることにより、パターン像の形状をライン形状とスポット状とに切り替える。
このため、例えば、狭小範囲においてスポット状のパターン像が形成されるように切り替えることが可能となり、汎用性を向上させることができる。

【0063】

また、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００は、検出部４Ａ，４Ｂにより検出された戻り光の光量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、所定の閾値を超えていないと判定した場合に、エラーとして判定するエラー判定手段（制御部８）を更に備え、駆動部２２２（回転手段）は、制御部８によりエラーが検出された場合に、ライン形状のパターン像を回転させる。
このため、例えば、パターン像がエッジと重なってうまく反射されなかった場合等に、パターン像を回転させてエッジとの重なりを解消することができ、自動的にエラーを解消することができる

【0064】

また、第２実施形態に係るオートフォーカス装置２００は、光出射部１からの出射光の波長を変更することで、パターン像の色が変更可能である。
このため、ワークＷの特性（色や反射率）に応じてパターン像の色が変更でき、汎用性を向上させることができる。

【0065】

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

【0066】

例えば、上記実施形態に係るオートフォーカス装置においては、何れも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よい。

【0067】

また、上記実施形態では、駆動部２２２が、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させることで、ライン形状のパターン像を回転させる回転手段としても機能するように構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、駆動部２２２とは別に、駆動ミラー２２１を光軸Ｚ１回りに回転させる機構を設けるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１００，２００ オートフォーカス装置
１ 光出射部（光源）
２ ハーフミラー
３ ビームスプリッタ
４Ａ，４Ｂ 検出部（検出手段）
４１Ａ，４１Ｂ 受光素子
５ 演算部
６ ステージ
７ ステージ駆動機構部
８ 制御部（エラー判定手段）
８１ ＣＰＵ
８２ ＲＡＭ
８３ 記憶部
１０ 光学部
１１ チューブレンズ
１２ シリンドリカルレンズ（光形状変形手段）
１２１ 第一ギア（回転手段）
１２２ 第二ギア（回転手段）
１２３ 回転軸（回転手段）
１２４ 駆動モータ（回転手段）
１３ 対物レンズ
２０ 光学部
２１ チューブレンズ
２２ 光形状変形部（光形状変形手段）
２２１ 駆動ミラー
２２２ 駆動部（駆動手段、回転手段）
２３ 対物レンズ
Ｗ ワーク（測定対象物）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】