JPH08304019A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被測定面の反射率や表面状態に影響されること
なく、合焦位置に対する被測定面位置を高精度に判別可
能な信号が得られ、高精度で且つ効率的な合焦動作を実
現することが可能な焦点検出装置を提供する。 【構成】測定光を被測定面２５に照射させると共に被測
定面からの反射光を集光させる光学系と、この光学系に
よって集光する反射光を３分割する第１及び第２のビー
ムスプリッタ３９，４１と、３分割された反射光を夫々
受光する第１ないし第３の受光素子４５，４９，５１
と、第１及び第２の受光素子から出力された信号に所定
の演算を施す信号処理系２７と、光学系の焦点位置と被
測定面との間の変位量に対応した信号を算出するよう
に、第３の受光素子及び信号処理系から出力された信号
に除算処理を施す除算器５９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ＩＣ基板や材
料等の加工面に対して光学的に焦点を合わせを行う焦点
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置として、例えば、特
開平５−３２２５６１号公報（以下、従来技術と称す
る）に開示された装置が知られている。図３（ａ）に示
すように、従来技術の装置において、半導体レーザ１か
ら出射されたレーザービームは、偏光ビームスプリッタ
３から反射した後、１／４波長板５及び結像レンズ７、
対物レンズ９を介して、被測定表面１１（例えば、ＩＣ
基板表面又は材料の加工表面等）に集光される。

【０００３】被測定表面１１から反射した反射光は、対
物レンズ９、結像レンズ７及び１／４波長板５から偏光
ビームスプリッタ３を透過して、ビームスプリッタ１３
によって２方向に振り分けられる。

【０００４】その一方の反射光は、ビームスプリッタ１
３を透過した後、集光点Ｑよりも前側に配置された第１
の絞り１５を介して第１の受光素子１７に照射され、そ
の他方の反射光は、ビームスプリッタ１３から反射した
後、集光点Ｑよりも後側に配置された第２の絞り１９を
介して第２の受光素子２１に照射される。

【０００５】第１及び第２の受光素子１７，２１は、夫
々、受光した光量に対応した電気信号Ａ，Ｂを信号処理
系２３に出力する機能を有しており、信号処理系２３
は、入力した各信号に対して所定の演算を施して、被測
定表面１１の変位に対応した変位信号を出力する機能を
有する。

【０００６】具体的には、いま、第１及び第２の受光素
子１７，２１から、図３（ｂ）に示すような特性を有す
る電気信号Ａ，Ｂが出力された場合、信号処理系２３
は、これら電気信号Ａ，Ｂに対して（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）なる演算を実行する。この結果、信号処理系２３か
らは、図３（ｃ）に示すような特性を有する変位信号
（即ち、合焦時に信号レベルが０（ゼロ）になる変位信
号）が出力される。そして、この変位信号が０となる、
即ち、 （Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＝０ を満たす位置に被測定面１１が来るように、被測定面１
１自体若しくは、焦点検出装置を移動させて、被測定表
面１１に対する合焦動作が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】実際の合焦動作におい
て、被測定面１１（図３（ａ）参照）が対物レンズ９の
焦点位置から離れた被測定面位置Ｆ２に位置付けられて
いる場合には、被測定面１１に対する合焦動作を高速制
御し、一方、被測定面１１が焦点位置に接近した被測定
面位置Ｆ１に位置付けられている場合には、被測定面１
１に対する合焦動作を、より正確な合焦制御を行うため
に、低速制御することが好ましい。

【０００８】しかしながら、図３（ｃ）に示すように、
従来技術に適用された信号処理系２３（図３（ａ）参
照）からは、２箇所の被測定面位置Ｆ１，Ｆ２に対して
同一レベルの変位信号Ｖ１が出力されることになる。

【０００９】この場合、変位信号Ｖ１が焦点位置（信号
レベルが０（ゼロ）になる点）に近接した被測定面位置
Ｆ１を呈示しているのか、あるいは、焦点位置から離れ
た被測定面位置Ｆ２を呈示しているのかを判別すること
が困難になってしまう。

【００１０】この結果、被測定面１１に対する合焦速度
を高速制御すべきか、あるいは、低速制御すべきかの判
別ができなくなるため、合焦動作を高精度且つ効率的に
実行することが困難になってしまうといった問題が発生
する。

【００１１】このためには、図４（ａ）に点線で示すよ
うに、第１及び第２の受光素子１７，２１から出力され
る電気信号Ａ，Ｂ（図３（ａ）参照）を加算した信号
（Ａ＋Ｂ）を用いることが有効である。

【００１２】この場合、信号（Ａ＋Ｂ）は、合焦位置か
ら離れるに従って、信号レベルがほぼ単調に減衰する特
性を有している。従って、信号（Ａ＋Ｂ）のレベル判定
によって合焦点からの距離を検出することができる。

【００１３】しかし、信号（Ａ＋Ｂ）は、被測定面１１
の反射率や表面状態の変化に対し、その形が不安定であ
る。具体的には、被測定面１１の表面状態が平坦且つ鏡
面形状であっても、被測定面１１の有する反射率特性に
よって、図４（ａ）に示すように、信号（Ａ＋Ｂ）は、
図中点線で示す信号レベルから図中実線で示す信号レベ
ルへ低下してしまう。また、被測定面１１の表面状態が
粗さや規則構造等を有している場合には、表面状態に応
じた乱反射や回折等によって、被測定面１１からの反射
光の散逸が発生する結果、図４（ｂ）に示すように、信
号（Ａ＋Ｂ）は、図中点線で示す信号レベルからレベル
低下が起こるだけでなく、図中実線で示すように、特
に、その焦点位置近傍の信号レベルが急峻に低下してし
まう場合がある。

【００１４】このような信号（Ａ＋Ｂ）の変化は、信号
（Ａ＋Ｂ）のレベル判定による位置検出に基づく前述の
合焦動作制御において、距離検出の精度を低下させるだ
けでなく、誤った距離の検出が行われる場合がある。

【００１５】この結果、高精度で且つ効率的な合焦動作
を実現することが困難になってしまうといった問題が発
生する。本発明は、このような課題を解決するためにな
されており、その目的は、被測定面の反射率や表面状態
に影響されることなく、合焦位置に対する被測定面位置
を高精度に判別可能な信号が得られ、高精度で且つ効率
的な合焦動作を実現することが可能な焦点検出装置を提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の焦点検出装置は、測定光を被測定面
に照射させると共に、前記被測定面からの反射光を集光
させる光学系と、この光学系によって集光する反射光を
３分割する光分割手段と、前記分割された反射光の集光
位置に対して前側及び後側に夫々配置された第１及び第
２の光検出手段と、前記分割された反射光の集光位置に
配置された第３の光検出手段とを有し、前記第１，第２
及び第３の光検出手段から出力される各光量信号に基づ
いて前記被測定面に焦点を合わせるための動作を行う。

【００１７】本発明の焦点検出装置において、前記第１
及び第２の光検出手段から出力された信号に所定の演算
を施す信号処理系と、前記被測定面の合焦位置からの距
離に対応した信号を算出するように、前記第３の光検出
手段及び前記信号処理系から出力された信号に所定の演
算を施す演算手段とを備える。

【００１８】また、本発明の焦点検出装置において、前
記信号処理系は、前記第１及び第２の光検出手段から出
力された信号に加算処理を施して加算信号を出力する加
算器を備えており、前記演算手段は、前記第３の光検出
手段から出力された信号と前記加算器から出力された加
算信号に除算処理を施す除算器を備えている。

【００１９】更に、本発明の焦点検出装置において、前
記第１の光検出手段から出力される信号をＡ、前記第２
の光検出手段から出力される信号をＢ、前記第３の光検
出手段から出力される信号をＣとすると、前記加算器か
ら出力される加算信号（Ａ＋Ｂ）及び前記第３の光検出
手段から出力される信号Ｃに基づいて、前記除算器は、
（Ａ＋Ｂ）／Ｃなる除算処理を施す。

【００２０】

【作用】本発明において、光分割手段によって３分割さ
れた反射光は、その集光位置に対して前側及び後側に夫
々配置された第１及び第２の光検出手段と、集光位置に
配置された第３の光検出手段によって各光量信号に変換
され、これら各光量信号に基づいて、被測定面に対する
合焦動作が行われる。

【００２１】即ち、光分割手段によって３分割された反
射光は、第１ないし第３の光検出手段によって所定の信
号に変換される。このとき、第１及び第２の光検出手段
から出力された信号は、信号処理系によって、所定の演
算が施される。そして、被測定面の合焦位置からの距離
に対応した信号を算出するように、第３の光検出手段及
び信号処理系から出力された信号には、演算手段によっ
て所定の演算が施される。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る焦点検出装置
について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示
すように、本実施例の焦点検出装置は、測定光を被測定
面２５に照射させると共に、被測定面２５からの反射光
を集光させる光学系と、この光学系によって集光する反
射光を３分割する光分割手段と、この光分割手段によっ
て３分割された反射光を夫々受光する第１ないし第３の
光検出手段と、第１及び第２の光検出手段から出力され
た信号に所定の演算を施す信号処理系２７と、被測定面
２５の合焦位置からの距離に対応した信号を算出するよ
うに、第３の光検出手段及び信号処理系２７から出力さ
れた信号に所定の演算を施す演算手段とを備えている。

【００２３】上記光学系において、半導体レーザ２９か
ら出射されたレーザービームは、偏光ビームスプリッタ
３１から反射した後、１／４波長板３３及び結像レンズ
３５、対物レンズ３７を介して、被測定表面２５（例え
ば、ＩＣ基板表面又は材料の加工表面等）に集光され
る。

【００２４】被測定表面２５から反射した反射光は、対
物レンズ３７、結像レンズ３５及び１／４波長板３３か
ら偏光ビームスプリッタ３１を経た後、上記光分割手段
において、第１のビームスプリッタ３９によって２方向
に振り分けられる。

【００２５】その一方の反射光は、第１のビームスプリ
ッタ３９から反射した後、集光点Ｑに受光面が位置付け
られた第３の光検出手段に照射され、その他方の反射光
は、第１のビームスプリッタ３９を透過した後、第２の
ビームスプリッタ４１によって２方向に振り分けられ
る。

【００２６】その一方の反射光は、第２のビームスプリ
ッタ４１から反射した後、集光点Ｑよりも後側に配置さ
れた第２の光検出手段に照射され、その他方の反射光
は、第２のビームスプリッタ４１を透過した後、集光点
Ｑよりも前側に配置された第１の光検出手段に照射され
る。

【００２７】ところで、第１の光検出手段は、第１の絞
り４３と第１の受光素子４５とを備えており、第２のビ
ームスプリッタ４１を透過した反射光は、第１の絞り４
３を介して第１の受光素子４５に照射される。一方、第
２の光検出手段は、第２の絞り４７と第２の受光素子４
９とを備えており、第２のビームスプリッタ４１から反
射した反射光は、第２の絞り４７を介して第２の受光素
子４９に照射される。また、第３の光検出手段は、第３
の受光素子５１を備えており、第１のビームスプリッタ
３９から反射した反射光は、直接第３の受光素子５１に
照射される。

【００２８】第１ないし第３の受光素子４５，４９，５
１は、夫々、受光した光量に対応した電気信号を出力す
る機能を有しており、第１及び第２の受光素子４５，４
９から出力された電気信号Ａ，Ｂは、信号処理系２７に
入力され、第３の受光素子５１から出力された電気信号
Ｃは、上記演算手段に入力される。

【００２９】信号処理系２７は、第１及び第２の受光素
子４５，４９から出力された電気信号Ａ，Ｂに減算処理
を施して減算信号（Ａ−Ｂ）を出力する減算器５３と、
電気信号Ａ，Ｂに加算処理を施して加算信号（Ａ＋Ｂ）
を出力する加算器５５と、減算器５３及び加算器５５か
ら出力された減算信号（Ａ−Ｂ）及び加算信号（Ａ＋
Ｂ）に除算処理を施して変位信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）を出力する第１の除算器５７とを備えている。

【００３０】演算手段は、第３の受光素子５１から出力
された電気信号Ｃと信号処理系２７の加算器５５から出
力された加算信号（Ａ＋Ｂ）に除算処理を施して除算信
号（Ａ＋Ｂ）／Ｃを出力する第２の除算器５９を備えて
いる。

【００３１】ここで、図２（ａ）には、被測定面２５
（図１参照）の変位に対応して信号処理系２７の加算器
５５から出力された加算信号（Ａ＋Ｂ）の特性を示し、
図２（ｂ）には、被測定面２５の変位に対応して第３の
受光素子５１から出力された電気信号Ｃの特性を示す。
なお、同図（ａ），（ｂ）には、被測定面２５の表面状
態が不規則な粗面形状を成している場合に表れる特性が
示されている。

【００３２】この場合、加算器５５から出力される加算
信号（Ａ＋Ｂ）の乱れ、即ち合焦位置付近の信号レベル
の低下（図２（ａ）参照）は、第３の受光素子５１から
出力される電気信号Ｃにも、同様に表れる（図２（ｂ）
参照）。

【００３３】このような乱れが生じた加算信号（Ａ＋
Ｂ）及び電気信号Ｃは、第２の除算器５９に入力され、
ここで（Ａ＋Ｂ）／Ｃなる除算処理が施される。この結
果、第２の除算器５９から出力された除算信号（Ａ＋
Ｂ）／Ｃは、図２（ｃ）に示すように、合焦位置から離
れるに従って、信号レベルが単調に減衰する特性とな
る。また、信号レベルは、正規化されており、反射光量
が低下して、（Ａ＋Ｂ）／Ｃ信号は信号レベルを含めて
ほぼ同じになる。この特性は、被測定面２５の表面状態
が平坦且つ鏡面形状を成している場合も同様となる。

【００３４】このような除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃによれ
ば、ある被測定面位置に対して信号レベルが一義的に決
定されるため、焦点位置と被測定面１１との間の距離を
一義的に検出することが可能となる。

【００３５】このように本実施例によれば、被測定面の
反射率及び表面状態に影響されることなく、焦点位置に
対する被測定面位置を高精度に判別可能であり、高精度
で且つ効率的な合焦動作を実現することが可能な焦点検
出装置を提供することが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、被測定面の表面状態に
影響されることなく、焦点位置に対する被測定面位置を
高精度に判別可能であり、高精度で且つ効率的な合焦動
作を実現することが可能な焦点検出装置を提供すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る焦点検出装置の構成を
概略的に示す図。

【図２】（ａ）は、信号処理系の加算器から出力された
加算信号特性を示す図、（ｂ）は、第３の受光素子から
出力された電気信号特性を示す図、（ｃ）は、第２の除
算器から出力された除算信号特性を示す図。

【図３】（ａ）は、従来の焦点検出装置の構成を概略的
に示す図、（ｂ）は、第１及び第２の受光素子から出力
された信号特性を示す図、（ｃ）は、信号処理系から出
力された変位信号特性を示す図。

【図４】（ａ）は、被測定面の反射率特性によって変位
信号が変動する状態を示す図、（ｂ）は、被測定面の表
面状態に応じて変位信号が変動する状態を示す図。

【符号の説明】

２５…被測定面、２７…信号処理系、３９…第１のビー
ムスプリッタ、４１…第２のビームスプリッタ、４５…
第１の受光素子、４９…第２の受光素子、５１…第３の
受光素子、５９…除算器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光を被測定面に照射させると共に、
   前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と、 この光学系によって集光する反射光を３分割する光分割
   手段と、 前記分割された反射光の集光位置に対して前側及び後側
   に夫々配置された第１及び第２の光検出手段と、 前記分割された反射光の集光位置に配置された第３の光
   検出手段とを有し、 前記第１，第２及び第３の光検出手段から出力される各
   光量信号に基づいて前記被測定面に焦点を合わせるため
   の動作を行うことを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の光検出手段から出力
   された信号に所定の演算を施す信号処理系と、 前記被測定面の合焦位置からの距離に対応した信号を算
   出するように、前記第３の光検出手段及び前記信号処理
   系から出力された信号に所定の演算を施す演算手段とを
   備えていることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出
   装置。
3. 【請求項３】 前記信号処理系は、前記第１及び第２の
   光検出手段から出力された信号に加算処理を施して加算
   信号を出力する加算器を備えており、前記演算手段は、
   前記第３の光検出手段から出力された信号と前記加算器
   から出力された加算信号に除算処理を施す除算器を備え
   ていることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１の光検出手段から出力される信
   号をＡ、前記第２の光検出手段から出力される信号を
   Ｂ、前記第３の光検出手段から出力される信号をＣとす
   ると、前記加算器から出力される加算信号（Ａ＋Ｂ）及
   び前記第３の光検出手段から出力される信号Ｃに基づい
   て、前記除算器は、（Ａ＋Ｂ）／Ｃなる除算処理を施す
   ことを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。