DE3784231T2

DE3784231T2 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen automatischen fokussierung.

Info

Publication number: DE3784231T2
Application number: DE8787311393T
Authority: DE
Inventors: Katushige Nakamura
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 1986-12-25
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2007-12-24
Also published as: KR940002356B1; EP0273717A2; DE3784231D1; EP0273717A3; JPH0563771B2; US4843228A; KR880008043A; JPS63163313A; EP0273717B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen automatischen Fokussierung mit einem als Meßstrahl eingesetzten polarisierten He-Ne Laserstrahl.
Es stellt ein schwieriges technisches Problem dar, auf berührungslose Weise eine optische Fokussierung für Objekte unterschiedlicher Größe, Form und physikalischer Eigenschaften zu erzielen. Da es für berührungslose Fokussierungstechniken viele Anwendungsmöglichkeiten gibt, ist dies Untersuchungsgegenstand vieler Forscher.
Bisher angewandte Fokussierungstechniken umfassen im allgemeinen eine computergestützte Bildverarbeitungstechnik. Eine solche Bildverarbeitungstechnik weist jedoch Schwierigkeiten auf, da sie eine große Abtastvorrichtung erfordert und aufgrund der damit auszuführenden Bildabtastung nur langsam fokussiert. Aus diesen Gründen wird eine solche Technik nicht als praktisch erachtet.
In DE-A-3 404 900 ist ein optisches System geoffenbart, welches den Ort eines Objekts bestimmt, indem Licht einer Quelle an einer Objektivlinse in eine Richtung reflektiert wird, welche nicht parallel zur optischen Achse der Linse ist. Die Linse fokussiert das Licht auf einen Punkt, und Photodetektoren erzeugen ein Differenzsignal, das anzeigt, ob die Reflexion am Objekt an einer Stelle auftritt, welche dichter oder entfernter von der Linse ist als dieser Punkt.
Eine berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung zur Überwindung der obengenannten Schwierigkeiten wurde ebenso in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-75411 vorgeschlagen.
Jedoch sind verschiedene Objekte noch immer schwierig optisch zu bestimmen, eingeschlossen eine transparente Substanz, ein undurchsichtiges Objekt, wobei solch eine transparente Substanz in seiner Nachbarschaft angeordnet ist, sowie ein Objekt, welches sehr klein in Größe und Gestalt ist.
Entsprechend zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen automatischen Fokussierung zu konzipieren, welche gegenüber den vorhergehend vorgeschlagenen verbessert sind, und die in der Lage sind, verschiedene Objekte, wie zuvor erwähnt, genau und einwandfrei darzustellen.
Gemaß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren zur berührunglosen automatischen Fokussierung konzipiert, welches die folgenden Schritte umfaßt:
- Reflektieren eines polarisierten He-Ne Laserstrahls, welcher in eine Richtung parallel zu einer optischen Achse eines optischen Systems emittiert wird, an einer Spiegelvorrichtung, die in eine Richtung parallel zur optischen Achse bewegt werden kann und einen Einfallswinkel von 45 Grad bezüglich der optischen Achse aufweist;
- Reflektieren des Laserstrahls, welcher an dem beweglichen Spiegel reflektiert wird, an einer feststehenden Spiegelvorrichtung, die einen Einfallswinkel von 45 Grad bezüglich der optischen Achse aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Strahl, welcher an dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse entsprechend der horizontalen Stellung des beweglichen Spiegels eingestellt wird;
- Beleuchten eines Objekts mit dem Laserstrahl, welcher von dem feststehenden Spiegel reflektiert und dann durch eine Objektivlinse, welche die optische Achse definiert, umgelenkt wird, wobei die Spiegel so angeordnet sind und der Laserstrahl so eng ist, daß der Laserstrahl auf einen Bereich der Objektivlinse fällt, welcher außerhalb der Achse liegt, und wobei der Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich des Objekts aus dem Abstand zwischen dem Laserstrahl, welcher von dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der opischen Achse bestimmt wird;
- Empfangen des Laserstrahls, der an dem Objekt reflektiert und dann wieder an der Objektivlinse umgelenkt wird, durch einen Lichtpositionsdetektor; und
- Einstellen des Abstands zwischen dem Objekt und der Objektivlinse durch eine Fokussierungsvorrichtung als Reaktion auf ein Positionsausgangssignal des Lichtpositionsdetektors, so daß der Laserstrahl auf eine vorbestimmte Stelle des Objekts fällt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde eine berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung konzipiert, welche eine Laserguelle, ein optisches System und eine Fokussierungsvorrichtung umfaßt, wobei die Laserquelle einen polarisierten He-Ne Laserstrahl in eine Richtung parallel zur optischen Achse des optischen Systems emittiert, und wobei das optische System folgendes umfaßt:
- einen Spiegel, der parallel zur optischen Achse bewegt werden kann, um den von der Laserguelle emittierten Strahl in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse zu reflektieren;
- einen feststehenden Spiegel, um den Laserstrahl, welcher an dem beweglichen Spiegel reflektiert wird, in eine Richtung parallel zur optischen Achse zu reflektieren, wobei der Abstand zwischen dem Strahl, der durch den feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse entsprechend der horizontalen Stellung des beweglichen Spiegels eingestellt wird;
- eine Objektivlinse, welche die optische Achse definiert, zur Umlenkung des Laserstrahls auf ein Objekt unter einem Einfallswinkel, welcher aus dem Abstand zwischen dem Laserstrahl, der an dem feststehenden Spiegel reflektiert wurde, und der optischen Achse bestimmt wird, wobei zur erneuten Umlenkung des Laserstrahls, welcher von den Objekten reflektiert wird, die Spiegel so angeordnet sind und der Laserstrahl so eng ist, daß der Laserstrahl nur auf einen Bereich der Objektivlinse fällt, welcher außerhalb der Achse liegt;
- eine Fokussierungslinse zur Umlenkung des Laserstrahls, welcher vom Objekt reflektiert und durch die Objektivlinse umgelenkt wird, auf eine Stelle, die auf der optischen Achse angeordnet ist; und
- einen Lichtpositionsdetektor zum Empfangen des Laserstrahls, welcher durch die Fokussierungslinse hindurch geht, wobei die Fokussierungseinrichtung eine Vorrichtung umfaßt, um wenigstens das Objekt oder die Objektivlinsen so zu bewegen, daß der Laserstrahl auf eine vorbestimmte Stelle des Objekts fällt.
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische erläuternde Darstellung der Grundanordnung einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische erläuternde Darstellung der Anordnung in Figur 1, wobei die Lage eines Objekts zum optischen System hin verschoben ist;
Figur 3 eine schematische erläuternde Darstellung der Anordnung in Figur 1, wobei die Lage des Objekts vom optischen System weg verschoben ist;
Figuren 4 und 5 vergrößerte erläuternde Ansichten einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Figuren 6 und 7 vergrößerte erläuternde Ansichten einer dritten Ausführung dieser Erfindung;
Figuren 8 und 9 vergrößerte erläuternde Ansichten einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts, der durch einen Pfeil X in Figur 9 angezeigt ist.
Figur 11 eine vergrößerte, mit Figur 10 korrespondierende Ansicht einer undurchsichtigen Substanz mit Lage im Brennpunkt, und
Figuren 12 bis 14 vergrößerte erläuternde Ansichten einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführung:-
Die Grundanordnung einer berührungslosen automatischen Fokussierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst auf einer ersten Ausführung basierend, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, beschrieben. Auf die Zeichnungen Bezug nehmend bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Laserquelle, 2 bezeichnet ein optisches System (der von einer doppelpunktierten Kettenlinie eingefaßte Ausschnitt in den Zeichnungen), 3 bezeichnet eine Fokusierungsmechanik und 4 bezeichnet ein Objekt.
Die Laserquelle 1 emittiert einen polarisierten He-Ne Laserstrahl als einen Meßstrahl a parallel zur optischen Achse 5 des optischen Systems 2, welches später beschrieben wird.
Das optische System 2 umfaßt einen beweglichen Spiegel 6, einen feststehenden Spiegel 7, eine Objektivlinse 8, eine Fokussierungslinse 9, eine Vergrößerungslinse 10 und einen Lichtpositionsdetektor 11. Der bewegliche Spiegel 6 kann parallel zur optischen Achse 5 verstellt werden und wird verwendet, um den von der Laserquelle 1 emittierten Meßstrahl a in einer senkrechten Richtung als Meßstrahl b zu reflektieren. Der feststehende Spiegel 7 ist ein Halbspiegel und wird eingesetzt, um den Meßstrahl b, welcher an dem beweglichen Spiegel 6 reflektiert wird, wieder in eine um 90 Grad gedrehte Richtung zu reflektieren, so daß er in einen Meßstrahl c übergeht, welcher parallel zur optischen Achse 5 liegt. Der Reflektionspunkt 12 auf dem feststehenden Spiegel 7 ist in Abhängigkeit von der Einstellung des beweglichen Spiegels 6 veränderbar und der Meßstrahl c kann entsprechend der Änderung des Reflektionspunktes 12 an dem feststehenden Spiegel 7 auf die optische Achse 5 zu oder von ihr weg bewegt werden.
Der Meßstrahl c, der von dem feststehenden Spiegel 7 reflektiert wurde, geht infolge der Brechung an der Objektivlinse 8 in den Meßstrahl d über und fällt auf das Objekt 4, wobei der Brennpunkt p1 mit der Vorderseite 4a zusammenfällt. Der Einfallswinkel O des Meßstrahls d auf das Objekt 4 wird in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Meßstrahl c und der optischen Achse 5 bestimmt. Ist der Meßstrahl c, welcher an dem feststehenden Spiegel 7 reflektiert wird, außerhalb der optischen Achse 5, so bedeutet dies, daß der Meßstrahl c an einem Bereich, welcher dichter am Rand der Objektivlinse 8 liegt, gebrochen wird und dadurch unter einem größeren Einfallswinkel O auf das Objekt 4 fällt. Ist umgekehrt der Meßstrahl c dichter an der optischen Achse 5, so wird der Meßstrahl c an einer Stelle, die dichter am Zentrum der Objektivlinse 8 liegt, gebrochen und fällt aus diesem Grunde unter einem kleineren Einfallswinkel O auf das Objekt 4.
Ein an der Vorderseite 4a des Objekts 4 unter einem Reflektionswinkel gleicher Größe wie der Einfallswinkel O reflektierter Meßstrahl e wird erneut an der Objektivlinse 8 gebrochen und geht in einen Meßstrahl f über, welcher parallel zur optischen Achse 5 liegt. Der Meßstrahl f wird daraufhin an der Fokussierungslinse 9 gebrochen und geht in einen Meßstrahl g über, welcher durch einen weiteren Brennpunkt p2, der auf der optischen Achse 5 liegt, zur Vergrößerungslinse 10 hindurch geht. Der Meßstrahl g wird an der Vergrößerungslinse 10 gebrochen und geht in einen Meßstrahl h über, welcher von zweigeteilten Photosensoren 11a, 11b des Lichtpositionsdetektors 11 empfangen wird.
Der Lichtpositionsdetektor 11 ist ein ortsempfindlicher Halbleiterdetektor (PSD). Der ortsempfindliche Halbleiterdetektor (PSD) erzeugt ein Positionssignal, welches Ortsinformationen eines einfallenden Strahls enthält, ohne daß irgendeine Abtastung oder ein Bild benötigt wird, besitzt eine höhere Auflösung und eine höhere Abtastrate als Festkörper-Bildelemente wie CCD und MOS. Der Lichtpositionsdetektor 11 ist elektrisch mit der Fokussierungsmechanik 3 verbunden, wobei ein Ortssignal anzeigt, welcher der Photosensoren 11a, 11b des Lichtpositionsdetektors 11 den Meßstrahl h empfangen und zu der Fokussierungsmechanik 3 weitergeleitet hat. Der Photosensor 11a überträgt ein Signal zu der Fokussierungsmechanik 3, um der Abstand zwischen dem Objekt 4 und der Objektivlinse 8 zu verringern, wohingegen der Photosensor 11b ein Ortssignal zu derselben überträgt, um den Abstand zu vergrößern.
Die Fokussierungsmechanik 3, die hier eingesetzt wird, ist ein "Servomechanismus" mit sehr hoher Arbeitsgeschwindigkeit, zum Betreiben eines Motors mittels eines Servokreislaufs. Die Fokussierungsmechanik 3 ist mit dem Objekt 4 gekoppelt, so daß der Abstand zwischen dem Objekt 4 und der Objektivlinse 8 entsprechend dem Ortssignal des Lichtpositionsdetektors 11 eingestellt wird, wobei der Brennpunkt p1 des Meßstrahls d mit der Vorderseite 4a des Objekts 4 zusammenfällt. Darüber hinaus ist es möglich, die Fokussierungsmechanik 3 so anzuordnen, daß die Objektivlinse 8 (oder das optische System 2 als ganzes) bewegt werden kann, oder beide, also das Objekt 4 und die Objektivlinse 8 (oder das optische System 2 als ganzes), bewegt werden kann.

Zustand: im Brennpunkt (vergleiche Figur 1)

Der im Brennpunkt-Fall ist jener, bei welchem der Brennpunkt p1 des Meßstrahls d mit der Vorderseite 4a des Objekts 4 zusammenfällt. In diesem Falle wird der Meßstrahl h, welcher an dem Objekt 4 reflektiert wird, an der neutralen Position p3 zwischen den Photosensoren 11a, 11b empfangen, wobei in der ausbalancierten Lage die Fokussierungsmechanik 3 inaktiv bleibt.

Zustand: Objekt dichter am optischen System angeordnet (vergleiche Figur 2)

In dem Fall, wo das Objekt 4 zu dem optischen System 2 hin verschoben ist und sich daher außerhalb des Brennpunktes befindet, wird der Meßstrahl d, welcher an der Objektivlinse 8 gebrochen wird, an dem Reflektionspunkt 14 auf der Vorderseite 4a des Objekts 4 unterhalb der optischen Achse 5 reflektiert. Der Strahl geht daraufhin durch die Objektivlinse 8, die Fokussierungslinse 9, einen Rückbrennpunkt 15, welcher an einer Stelle vor dem zuvor erwähnten weiteren Brennpunkt p2 angeordnet ist, und durch die Vergrößerungslinse 10 an ihrem Randbereich hindurch, um von dem unteren Photosensor 11b empfangen zu werden. Daraufhin werden die eintreffenden Ortssignale zu der Fokussierungsmechanik 3 weitergeleitet, wodurch das Objekt 4 von dem optischen System fortbewegt wird. Trifft der Meßstrahl h auf die neutrale Position p3 zwischen den Photosensoren 11a, 11b auf, so wird dieser Vorgang der Fokussierungsmechanik 3 beendet. Somit fällt, wie in Figur 1 dargestellt, der Brennpunkt p1 des Meßstrahls d mit der Vorderseite 4a des Objekts 4 zusammen.

Zustand: Objekt ferner vom optischen System angeordnet (vergleiche Figur 3)

Im umgekehrten Fall, wo das Objekt 4 von der optischen Mechanik 2 weg verschoben und die Vorderseite 4a aus diesem Grunde von dem Brennpunkt p1 räumlich getrennt ist, wird der Meßstrahl d, welcher von der Objektivlinse 8 gebrochen wird, am Reflektionspunkt 16, welcher auf der Vorderseite 4a des Objekts 4 oberhalb der optischen Achse 5 liegt, reflektiert. Der Strahl geht dann durch die Objektivlinse 8, die Fokussierungslinse 9, einen Rückbrennpunkt 17, welcher hinter dem Punkt p2 angeordnet ist, und die Vergrößerungslinse 10 hindurch, um von dem oberen Photosensor 11a empfangen zu werden. Daraufhin wird das einfallende Ortssignal zu der Fokussierungsmechanik 3 weiter geleitet, so daß die Fokussierungsmechanik 3 das Objekt 4 dichter zu der optischen Mechanik 2 hin bewegt, wobei wie in Figur 1 gezeigt eine Fokussierung des Meßstrahls d erzielt wird.
Somit wird selbst dann, wenn das Objekt 4 von dem Brennpunkt p1 der Objektivlinse 8 räumlich getrennt ist, der Abstand automatisch so korrigiert, daß völlige Übereinstimmung zwischen dem Brennpunkt p1 des Meßstrahls d und der Vorderseite 4a des Objekts 4 erzielt wird. Darüber hinaus entstehen keine Probleme, selbst wenn das Objekt 4 bezüglich der optischen Achse 5 geneigt ist, da der Lichtpositionsdetektor 11 und die Fokussierungsmechanik 3 Lichtstrahlen nachweisen können, welche unregelmäßig an der Vorderseite 4a des Objekts 4 reflektiert werden. Obwohl in der oben beschriebenen Grundanordnung als feststehender Spiegel 7 ein Halbspiegel eingesetzt ist, kann an seiner Stelle ein dichroitischer Spiegel, ein Laserspiegel oder ein anderer Spiegel verwendet werden. Und obwohl als Lichtpositionsdetektor 11 ein ortsempfindlicher Halbleiterdetektor (PSD) eingesetzt ist, können ebenso andere Typen von Lichtpositionsdetektoren wie beispielsweise eine Photodiode (PD) verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse wie oben zu erhalten. Desweiteren können, obwohl als Fokussierungsmechanik 3 eine Servomechanik eingesetzt wird, ähnliche Ergebnisse durch eine andere Mechanik erhalten werden, falls diese eine vergleichbare Betriebsgeschwindigkeit wie jene des Servomechanismus aufweist. Darüber hinaus ist es möglich, direkt vor dem Lichtpositionsdetektor 11 ein Polarisationsfilter anzuordnen, um die einfallenden Lichtstrahlen mit Wellenlängen im Bereich der Wellenlänge (6328 Å) des polarisierten He-Ne Laserstrahls abzuschirmen, wodurch die Rauschunterdrückung verbessert wird.
Beim Einsatz der oben beschriebenen Grundanordnung und seiner Wirkungsweise werden folgende, bereits in der früheren Veröffentlichung des Anmelders Japanische Patentanmeldung Nr. 60-214773) erwähnte Vorteile erzielt:
1. Aufgrund der Möglichkeit, ein Objekt 4 zu positionieren (Abstandeinstellung), kann Positionierung sowie Feststellung verschiedenster Teile (Objekte) in einer besonderen Stellung korrekt und schnell durchgeführt werden.
2. Wird eine solche Positionierung (Abstandseinstellung), wie zuvor erwähnt, gleichzeitig für eine Anzahl von Punkten eines Teils (Objekts) durchgeführt, so kann die Neigung (Lotrechte Stellung) des Teils genau festgestellt werden.
3. In einer Anordnung zur Fokussierung wird mittels einer Fokussierungsmechanik 3 das optische System 2 bewegt, und falls die Objektivlinse 8 als die Objektivlinse eines optischen Systems wirkt, wie bei einem Mikroskop oder einem Teleskop, so kann automatische Fokussierung für derartige optische Systeme erzielt werden.
4. In einer Anordnung zur Fokussierung ist es möglich, durch Bewegen der Objektivlinse 8, numerische Codierung des Betrags der Bewegung der Objektivlinse 8 sowie durch eine Umcodiervorrichtung oder Ähnliches aus dem Zahlenwert in einer berührungslosen Weise den Abstand zwischen dem Objekt 4 und der Objektivlinse 8 (optisches System 2) zu messen. Eine solche Anordnung kann ebenso als berührungsloser Sensor in einem dreidimensionalen Meßinstrument oder zur automatischen Messung eines Flüssigkeitsstands verwendet werden.
5. Wird eine transparente Substanz zwischen ein reflektierendes Objekt und die Objektivlinse 8 gestellt, so kann die Dicke der transparenten Substanz aus dem Betrag der Bewegung der Objektivlinse 8 und dem Brechungsindex der transparenten Substanz auf berührungslose Weise gemessen werden.
Die vorliegende, berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie die berührungslose automatische Positionierung, wie oben beschrieben, anhand der passenden Einstellung und dem ausgewählten Einfallswinkel O, welcher durch die Parallelverschiebung des beweglichen Spiegels 6 gegeben ist, durchführt. Die folgenden funktionellen Vorteile können zusätzlich zu der oben erwähnten Grundwirkungsweise erhalten werden.
Zweite Ausführung: -
Die Figuren 4 und 5 sind Zeichnungen, die eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen. Teile, die jenen in der vorangegangenen Ausführung entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, und desweiteren ist nur der Ausschnitt in der Nähe der Objektivlinse 8 des optischen Systems 2 und das Objekt 4 dargestellt, andere Ausschnitte sind fortgelassen.
Die vorliegende berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung ist gekennzeichnet durch die variable Einstellung des Einfallswinkels O auf das Objekt 4, indem die Positionierung (Fokussierung) eines transparenten Körpers, für welchen optische Wahrnehmung relativ schwierig ist, angepaßt werden kann. Ein transparenter Körper, wie das Objekt 4, zeigt Reflektionen sowohl an seiner Vorderseite 4a als auch an seiner Rückseite 4b. Aus diesem Grunde spaltet sich der Meßstrahl d, welcher unter einem Einfallswinkel O einfällt, in zwei Teile auf, das heißt also in einen Meßstrahl i, welcher gebrochen wird und in das Objekt 4 eintritt, und in einen anderen Meßstrahl e, welcher von der Vorderseite 4a reflektiert wird. Der in das Objekt eintretende Meßstrahl i wird danach wieder in zwei Teile aufgespalten, das heißt also in einen Meßstrahl j, welcher an der Rückseite 4b nach außen austritt, und in einen anderen Meßstrahl k, welcher an der Rückseite 4b reflektiert wird. Dem entsprechend werden sowohl, der Meßstrahl e, der an der Vorderseite 4a reflektiert wird, als auch der Meßstrahl k, der an der Rückseite 4b reflektiert wird, wieder an der Objektivlinse 8 gebrochen und von dem Lichtpositionsdetektor 11 nachgewiesen (vergleiche Figur 4). Ist der Meßstrahl e von der Vorderseite 4a der intensivere, so wird die Fokussierung auf die Vorderseite 4a gerichtet; ist aber der Meßstrahl k von der Rückseite 4b aufgrund der Beschaffenheit der Rückseite 4b der intensivere, so besteht die Gefahr, daß die Fokussierung auf die Rückseite 4b gerichtet wird, da der Lichtpositionsdetektor 11 und die Fokussierungsmechanik 3 dann von dem Meßstrahl k, welcher von der Rückseite 4b reflektiert wird, dominiert werden.
In einem solchen Fall wird ein gutes Ergebnis erzielt, indem der bewegliche Spiegel 6 in eine Richtung A, also von dem Objekt weg, parallelverschoben wird, so daß der Meßstrahl c, welcher an dem feststehenden Spiegel 7 reflektiert wird, an einer Stelle, die dichter am Randbereich der Objektivlinse 8 liegt, gebrochen wird, wobei der Meßstrahl d unter einem größeren Einfallswinkel O1 eintritt. Dabei werden die Reflektionswinkel der beiden Meßstrahlen e, k an der Vorderseite 4a und an der Rückseite 4b vergrößert, und somit wird der Meßstrahl k, welcher an der Rückseite 4b reflektiert wird, von der Objektivlinse 8 weg gerichtet. Aus diesem Grunde wird nur der Meßstrahl e, welcher an der Vorderseite 4a reflektiert wird, an der Objektivlinse 8 gebrochen, und deshalb wird die Fokussierungsmechanik 3 in Abhängigkeit von diesem Meßstrahl e gesteuert. Obwohl der Meßstrahl e von der Vorderseite 4a nur eine kleine Lichtmenge verkörpert, da er von der Vorderseite 4a eines aus einer transparenten Substanz bestehenden Objekts 4 reflektiert wird, entsteht kein Problem, da er durch den Lichtpositionsdetektor 11 elektrisch verstärkt wird.
Zusammenfassend ist die vorliegende Ausführung dafür ausgerichtet, um in der Lage zu sein, den Einfallswinkel O des Meßstrahls so einzustellen, daß der Meßstrahl k, wenn er von einer anderen Oberfläche als der Fokussierungs-Vorderseite 4a des Objekts 4 (transparenter Körper) reflektiert wird, so in eine Richtung reflektiert werden kann, daß er nicht in die Objektivlinse 8 eintreten kann. Diese Ausführung ist ebenso bei einem Objekt 4 (transparenter Körper) anwendbar, welches mit einer undurchsichtigen Substanz oder Ähnlichem an seiner Rückseite 4b, entweder damit verbunden oder davon getrennt, versehen ist.
Dritte Ausführung: -
Die Figuren 6 und 7 sind Zeichnungen, welche eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen. In dieser Ausführung wird der Fall, daß ein transparenter Körper 4 (Objekt) eine undurchsichtige Substanz 18 enthält, beschrieben. Im vorliegenden Fall ist der Meßstrahl 1, welcher von der undurchsichtigen Substanz 18 reflektiert wird, intensiver als der Meßstrahl e, welcher von der Vorderseite 4a reflektiert wird, und deshalb führen der Lichtpositionsdetektor 11 und die Fokussierungsmechanik 3 unvermeidlich eine Fokussierung der Oberfläche der undurchsichtigen Substanz 18 durch (vergleiche Figur 6). Daraufhin wandert die Vorderseite 4a des transparenten Körpers 4, welcher fokussiert werden soll, aus dem Brennpunkt. Sogar in einem solchen Fall kann die Reflektion des Meßstrahls d an der undurchsichtigen Substanz 18 vermieden werden, indem der bewegliche Spiegel in die Richtung A, also von dem Objekt weg, parallelverschoben wird, so daß der Einfallswinkel O1 des Meßstrahls d vergrößert wird (vergleiche Figur 7). Somit wird es möglich die Fokussierungsmechanik 3 nur gemäß dem Meßstrahl e, welcher an der Vorderseite 4a des transparenten Körpers 4 reflektiert wird, zu steuern und die gewünschte Fokussierung der Vorderseite 4a des transparenten Körpers 4 zu erzielen. Die vorliegende Ausführung wird zweckmäßig in einem solchen Fall verwendet, in dem eine elektronische Schaltung (Halbleiter oder Ähnliches) in einem transparenten Substrat eingeschlossen ist, und nicht nur in dem Fall, in dem eine undurchsichtige Substanz 18 innerhalb eines transparenten Körpers 4 angeordnet ist, sondern auch in dem Fall, in dem, wie oben beschrieben, eine undurchsichtige Substanz 18 oder Ähnliches an die Rückseite 4b des transparenten Körpers 4 angrenzt, damit verbunden oder davon getrennt ist, so daß nur die Fokussierung der Vorderseite 4a des transparenten Körpers 4, wie in der vorliegenden Ausführung gewünscht, erzielt werden kann, falls Interferenzen zwischen der undurchsichtigen Substanz 18 und dem Meßstrahl d (Bestrahlung davon) vermieden werden.
Vierte Ausführung: -
Die Figuren 8 bis 11 zeigen eine vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführung ist eine kleine undurchsichtige Substanz 20 innerhalb eines transparenten Körpers 19 angeordnet, wobei die Fokussierung der Oberfläche der kleinen undurchsichtigen Substanz 20 angestrebt wird. Da die undurchsichtige Substanz klein ist, fällt der Meßstrahl d von der Objektivlinse 8 nicht darauf, wenn der Einfallswinkel O groß ist, so daß der Lichtpositionsdetektor 11 und die Fokussierungsmechanik 3 gemäß dem Meßstrahl e, welcher an der Vorderseite 19a des transparenten Körpers 19 reflektiert wird, gesteuert werden und die Fokussierung auf die Vorderseite 19a des transparenten Körpers 19 gerichtet ist, so daß die gewünschte Fokussierung der undurchsichtige Substanz 20 nicht erzielt werden kann (vergleiche Figur 8).
In einem solchen Fall wird durch Parallelverschiebung des Spiegels 6 in eine Richtung B, also auf das Objekt zu, der Meßstrahl d dichter zu der optischen Achse 5 heran geführt und bestrahlt das Objekt unter einem kleinen Einfallswinkel O2 (vergleiche Figur 9). Wird daraufhin das von dem Meßstrahl d beleuchtete Objekt dichter zur optischen Achse 5 heran geführt, so fällt der Meßstrahl d auf die undurchsichtige Substanz 20, obwohl diese extrem klein ist. Fällt der Meßstrahl d auf die undurchsichtige Substanz 20, wobei der an der undurchsichtigen Substanz 20 reflektierte Meßstrahl m intensiver ist als der an der Vorderseite 19a des transparenten Körpers 19 reflektierte Meßstrahl e (vergleiche Figur 10), so werden der Lichtpositionsdetektor 11 und die Fokussierungsmechanik 3 gemäß dem Meßstrahl m, welcher an der undurchsichtigen Substanz 20 reflektiert wird, gesteuert, wobei eine Fokussierung der Oberfläche der undurchsichtigen Substanz 20 erzielt wird (vergleiche Figur 11). Selbst wenn der transparente Körper 19 dick ist, wird die Fokussierung reibungslos erzielt. Aus diesem Grunde ist diese Ausführung für solche Fälle zweckmäßig, in denen, wie zuvor erwähnt, eine elektronische Schaltung (Halbleiter oder Ähnliches) in einem transparenten Substrat eingeschlossen ist und die Fokussierung der elektronischen Schaltung gewünscht wird, wobei die vorliegende, berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung in ein Mikroskop eingebaut ist und die Fokussierung auf eine Probe, welche zwischen einen Glasträger und ein Deckglas gelegt ist, gewünscht wird. Darüber hinaus ist nicht nur Fokussierung auf eine undurchsichtige Substanz 20 innerhalb eines transparenten Körpers 19 möglich, sondern auch auf eine undurchsichtige Substanz 20 oder Ähnliches, welche wie zuvor erwähnt auf der Seite der schwarzen Oberfläche 19b eines transparenten Körpers 19, der damit verbunden oder davon getrennt ist, angeordnet ist.
Fünfte Ausführung: -
Die Figuren 12 bis 14 sind Zeichnungen, welche eine fünfte Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen. In dieser Ausführung wird die berührungslose automatische Fokussierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Abstandsmessung auf berührungslose Weise eingesetzt. In der Oberfläche 22 des Objekts 21 ist ein tiefes Loch 23 mit einem winzigen Durchmesser. Ist dieses Loch 23 sehr gering im Durchmesser und groß in der Tiefe, so ist es mit einem gewöhnlichen Meßinstrument schwierig, seine Tiefe zu messen. Die Messung wird durch Anwendung der berührungslosen automatischen Fokussierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich.
Als erster Schritt wird durch Verschiebung des beweglichen Spiegels 6 in Richtung B, also auf das Objekt zu, der Meßstrahl d dichter an die optische Achse heran geführt, um die Oberfläche 22 unter einem kleinen Einfallswinkel O2 zu bestrahlen, wobei der Brennpunkt p1 darauf gerichtet wird. Der Abstand zwischen der Oberfläche 22 und der Objektivlinse 8 (optisches System 2) wird hier mit X bezeichnet (vergleiche Figur 12). Als zweiter Schritt wird das optische System 2 als ganzes parallelverschoben, um den Brennpunkt p1 des Meßstrahls d an das Zentrum des Lochs 23 heran zu führen. Daraufhin fällt der Meßstrahl d auf den Grund 24 des Lochs 23 und wird von dort als Meßstrahl n zur Objektivlinse 8 reflektiert (vergleiche Figur 13). Ist der Einfallswinkel O2 des Meßstrahls d auch diesmal ausreichend klein, so interferieren die inneren oder anderen Wände des Lochs 23 damit nicht, und somit wird der Strahl zuverlässig reflektiert. Da sich der Reflektionspunkt 25 am Grund 24 des Lochs 23 außerhalb der optischen Achse befindet, wird das optische System 2 als ganzes auf das Objekt 21 zu bewegt, indem die Fokussierungsmechanik 3 gesteuert wird, bis der Brennpunkt p1 mit der optischen Achse 5 am Grund 24 zusammenfällt (vergleiche Figur 14). Wird der Abstand zwischen der Oberfläche 22 und der Objektivlinse 8 (optische Mechanik 2) diesmal mit Y bezeichnet, so wird die Tiefe des Lochs 23 aus X - Y erhalten. Oder falls der Betrag der Bewegung der Objektivlinse 8 (optisches System 2) genau mit der Tiefe des Lochs 23 übereinstimmt, so kann die Tiefe des Lochs 23 auch direkt aus dem Betrag der Bewegung, welcher durch einen Umcodierer oder Ähnliches gemessen wird, erhalten werden.
Da der Meßstrahl a ein polarisierter He-Ne Laserstrahl ist und der Einfallswinkel O des Meßstrahls d durch den beweglichen Spiegel 6, wie zuvor erwähnt, auf eine sehr geringe Stärke eingestellt werden kann, ist es automatisch und auf berührungslose Weise möglich, die Tiefenmessung eines Lochs 23 mit einem winzigen Durchmesser, welche bislang relativ schwierig war, durchzuführen. Sogar dann, wenn sich eine transparente Substanz zwischen dem Loch 23 des zu messenden Objekts und der Objektivlinse 8 befindet, kann die Messung wie zuvor erwähnt reibungslos durchgeführt werden.
Nach der bisherigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung können folgende verschiedene Ergebnisse erzielt werden:
(a) Selbst in dem Fall, daß ein Objekt einen transparenten Körper beinhaltet, welcher optisch schwierig nachzuweisen ist, oder in dem Fall, daß solch ein Körper, welcher mit einer undurchsichtigen Substanz, die damit verbunden oder davon getrennt ist, kombiniert ist, kann auf berührungslose Weise eine genaue Fokussierung entweder der Vorderseite des transparenten Körpers oder der Oberfläche der undurchsichtigen Substanz durch Einstellung des Einfallswinkels des Meßstrahls reibungslos erzielt werden.
(b) Da der Einfallswinkel verkleinert werden kann, kann selbst ein winziges Objekt untersucht werden.
< c) Da ein polarisierter He-Ne Laserstrahl als Meßstrahl verwendet wird, ist dieser Meßstrahl dünner als jeder andere Laserstrahl, und darüber hinaus ist sein konvergenter Lichtpunkt sehr klein und nicht divergent. Dementsprechend kann die Ortsbestimmung im Lichtpositionsdetektor mit hoher Genauigkeit (hohe Auflösung) durchgeführt werden. Der Durchmesser des konvergenten Lichtpunktes des polarisierten He-Ne Laserstrahls ist näherungsweise 1 u - 100 u klein, wodurch Fokussierung mit hoher Genauigkeit erzielt wird, obwohl der Durchmesser des Lichtpunktes von der Stärke der Objektivlinse abhängt.
Desweiteren gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung:
(d) Da die Verschiebung des Meßstrahls durch eine Vergrößerungslinse vergrößert wird, kann selbst eine winzige
Verschiebung genauestens vergrößert werden; und da die Position daraufhin von dem Lichtpositionsdetektor nachgewiesen wird, kann bei der Ortsbestimmung hohe Genauigkeit erzielt werden. Somit kann sogar unter dem Einfluß eines großen Abstands zwischen der Objektivlinse und dem Objekt hohe Genauigkeit erzielt werden, obwohl die Genauigkeit der Brennpunktbestimmung Verschlechterungen unterworfen ist.
(e) Da ein ortsempfindlicher Halbleiterdetektor (PSD) als Lichtpositionsdetektor nur die Schwerpunktsposition des nachgewiesenen Lichtpunktes des Meßstrahls ausgibt, wird die Durchführung durch eine Veränderung der Beleuchtungsverteilung sowie insbesondere die Genauigkeit der Fokussierung durch die Beleuchtungsverteilung (Kontrast) auf der Oberfläche des Gegenstands nicht beeinflußt. Aus diesem Grunde wird eine hohe Rauschunterdrückung und eine hohe Verläßlichkeit der Messung erreicht.
(f) Da der ortsempfindliche Halbleiterdetektor (PSD) als Lichtpositionsdetektor und ein Servomechanismus als Fokussierungsmechanik eingesetzt wird, kann die Einstellung des Abstands zwischen der optischen Mechanik und dem Objekt in einer Zeit erzielt werden, welche im Schnitt unter 10 mm sec liegt, wodurch Fokussierung mit hoher Geschwindigkeit erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Fokussierung, welches die folgenden Schritte umfaßt: -

- Reflektieren eines polarisierten He-Ne Laserstrahls, welcher in eine Richtung parallel zur optischen Achse eines optischen Systems emittiert wird, an einer Spiegelvorrichtung (6), die in eine Richtung parallel zur optischen Achse bewegt werden kann und einen Einfallswinkel von 45 Grad bezüglich der optischen Achse aufweist;

- Reflektieren des Laserstrahls, welcher von dem beweglichen Spiegel reflektiert wird, an einer feststehenden Spiegelvorrichtung (7), die einen Einfallswinkel von 45 Grad bezüglich der optischen Achse aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Strahl, welcher von dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse entsprechend der horizontalen Stellung des beweglichen Spiegels eingestellt wird;

- Beleuchten eines Objekts (4) mit dem Laserstrahl, der an dem feststehenden Spiegel reflektiert und dann von einer Objektivlinse (8), welche die optische Achse definiert, umgelenkt wird, wobei die Spiegel so angeordnet sind und der Laserstrahl so eng ist, daß der Laserstrahl auf einen Bereich der Objektivlinse fällt, welcher außerhalb der optischen Achse liegt, und wobei der Einfallswinkel des Laserstrahls bezüglich des Objekts aus dem Abstand zwischen dem Laserstrahl, welcher an dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse bestimmt wird;

- Empfangen des Laserstrahls, der von dem Objekt reflektiert und dann durch die Objektivlinse umgelenkt wird, durch einen Lichtpositionsdetektor (11); und

- Einstellen des Abstands zwischen dem Objekt und der Objektivlinse durch eine Fokussierungsvorrichtung als Reaktion auf ein Positionsausgangssignal des Lichtpositionsdetektors, so daß der Laserstrahl auf eine vorbestimmte Stelle des Objekts fällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Objekt ein transparenter Körper ist und wobei, um den Laserstrahl auf einen Bereich, welcher am Rand der Objektivlinse liegt, einfallen zu lassen, der bewegliche Spiegel so eingestellt wird, daß der Laserstrahl unter einem großen Einfallswinkel auf den transparenten Körper fällt und Licht, welches von anderen Bereichen des transparenten Körpers als von der Vorderseite reflektiert wird, so gerichtet wird, daß es nicht in die Objektivlinse eintreten kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der transparente Körper eine undurchsichtige Substanz (18) enthält, welche darin angeordnet oder mit dessen Rückseite verbunden ist, und wobei die von der Frontseite abweichenden Bereiche des transparenten Körpers die Oberfläche der undurchsichtigen Substanz umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt eine undurchsichtige Substanz (20) hinter einem transparenten Körper (19) ist, und wobei, um den Laserstrahl auf einen Bereich, welcher dicht am Zentrum der Objektivlinse liegt, einfallen zu lassen, der bewegliche Spiegel so eingestellt ist, daß der Laserstrahl unter einem kleinen Einfallswinkel durch den transparenten Körper hindurch auf die undurchsichtige Substanz fällt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die undurchsichtige Substanz eine Oberfläche aufweist, welche kleiner ist als jene des transparenten Körpers und in diesem eingeschlossen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt ein tiefes schmales Loch (23) darin aufweist und wobei, um den Laserstrahl auf einen Bereich, welcher dicht am Zentrum der Objektivlinse liegt, einfallen zu lassen, der bewegliche Spiegel so eingestellt ist, daß der Laserstrahl unter einem kleinen Einfallswinkel auf die Grundfläche (24) des Lochs einfällt.

7. Berührungslose automatische Fokussierungs Vorrichtung, welche eine Laserguelle (1), ein optisches System (2) und eine Fokussierungsvorrichtung (3) umfaßt, wobei die Laserquelle einen polarisierten He-Ne Laserstrahl in eine Richtung parallel zur opischen Achse des optischen Systems (3) emittiert, wobei das optische System umfaßt:

- einen Spiegel (6), der parallel zur optischen Achse bewegt werden kann, um den von der Laserquelle emittierten Strahl in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse zu reflektieren.

- einen feststehenden Spiegel (12), um den Laserstrahl, welcher von dem beweglichen Spiegel reflektiert wird, in eine Richtung parallel zur optischen Achse zu reflektieren, wobei der Abstand zwischen dem Strahl, der von dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse entsprechend der horizontalen Stellung des beweglichen Spiegels eingestellt wird;

- eine Objektivlinse (8), welche die optische Achse definiert, zur Umlenkung des Laserstrahls auf ein Objekt unter einem Einfallswinkel, der aus dem Abstand zwischen dem Laserstrahl, welcher von dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, und der optischen Achse bestimmt wird, wobei zur erneuten Umlenkung des Laserstrahls, der von den Objekten reflektiert wird, die Spiegel so angeordnet sind und der Laserstrahl so eng ist, daß der Laserstrahl nur auf einen Bereich der Objektivlinse fällt, welcher außerhalb der optischen Achse liegt;

- eine Fokussierungslinse (19) zur Umlenkung des Laserstrahls, welcher von dem Objekt reflektiert und von der Objektivlinse auf eine Stelle umgelenkt wird, die auf der optischen Achse angeordnet ist; und

- einen Lichtpositionsdetektor (11) zum Empfangen des Laserstrahls, welcher durch die Fokussierungslinse hindurch geht, wobei die Fokussierungsvorrichtung eine Vorrichtung umfaßt, um wenigstens das Objekt oder die Objektivlinse so zu bewegen, daß der Laserstrahl auf eine vorbestimmte Stelle des Objekts fällt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der feststehende Spiegel ein Halbspiegel ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Lichtpositionsdetektor ein ortsempfindlicher Halbleiterdetektor ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Fokussierungsmechanik einen Servomechanismus umfaßt.