JPH09113794A - 自動焦点合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、被測定部の表面状態に影響されるこ
となく、効率よく合焦点動作を行うことができる自動焦
点合わせ装置を提供することを目的とする。 【解決手段】被測定面２１からの反射光を光学系２２で
集光させるとともに、この集光される反射光を光分割手
段２３で分割し、この分割された反射光の集光位置に対
し前側および後側にそれぞれ第１および第２の光検出手
段３３、３２を設け、また光分割手段２３で分割された
反射光の集光位置に第３の光検出手段３１を設け、第１
の光検出手段３３の出力信号をＡ、第２の光検出手段３
２の出力信号をＢ、第３の光検出手段３１の出力信号を
Ｃとしたとき、（Ａ＋Ｂ）／Ｃの演算結果に基づいた速
度パターンによりパルスモータ４０のドライバ３９を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＩＣ基板や
材料等の加工面に対し光学的な焦点を合わせを行う自動
焦点合わせ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＩＣ基板などの製品検査には、顕
微鏡による観察像を画像処理した結果を用いるようにし
たものがあるが、このような検査に採用される顕微鏡に
は、被測定部に対し光学的な焦点を合わせを自動的に行
う自動焦点合わせ装置が設けられている。

【０００３】しかして、従来、この種の自動焦点合わせ
装置として、例えば、特開平５−３４６５３３号公報に
開示されたものが知られている。すなわち、かかる自動
焦点合わせ装置は、図４に示すように、受光素子Ｐａ、
Ｐｂの各出力の差分を検出する位置センサー１からのフ
ォーカスエラー信号を増幅器２で増幅し、Ａ／Ｄ変換器
３でデジタル信号に変換し、このデジタル信号に変換さ
れたフォーカスエラー信号を、パラレルインターフェイ
ス回路４を介してコンピュータ５に取り込む。

【０００４】すると、コンピュータ５は、合焦点より遠
い場合は顕微鏡の焦点合わせを高速で実行するための多
数のパルスを発生させる遠焦点制御信号を出力し、合焦
点近傍では顕微鏡の焦点合わせを低速で実行するための
少ないパルスを発生させる近焦点制御信号を出力する。

【０００５】そして、コンピュータ５より遠焦点制御信
号が出力されると、この遠焦点制御信号値は、パラレル
インターフェイス回路６を介してＤ／Ａ変換器７により
アナログ信号に変換され、さらに電圧を周波数に変換す
るＶ−Ｆ変換器８でパルスに置き換えられ、パルスモー
タを駆動する動力源としてのドライバ９に与えられパル
スモータ１０を高速で回転させる。

【０００６】一方、コンピュータ５より近焦点制御信号
が出力されると、この近焦点制御信号は、パラレルイン
ターフェイス回路１１に与えられ、ここで、直接オン・
オフしてＶ−Ｆ変換器８からのパルスよりも少ないパル
スとして、ドライバ９に与えられ、パルスモータ１０を
低速で回転させる。

【０００７】なお、パラレルインターフェイス回路１１
とＶ−Ｆ変換器８は、それぞれゲート１２に接続されて
いて、コンピュータ５からの指令により一方からのパル
スを出力するようにしている。

【０００８】ところで、位置センサー１からの出力電圧
特性は、図５に示すように、受光素子Ｐａ、Ｐｂの各出
力Ａ、Ｂの差分をとった、いわゆるＳ字カーブとなって
おり、被写体に対し合焦点で出力電圧が零となり、遠く
離れるとプラス方向、近づくとマイナス方向に変化し、
さらに遠くまたは近くでは、再び零に近づくような特性
を呈する。従って、このような条件の下でオートフォー
カスするには、位置センサー１からの出力電圧が常に零
となるように顕微鏡の焦点を動かす必要があるが、この
時のフォーカシング速度の向上を図るためには、ある時
点でサーボ速度を切り替えることが有効である。

【０００９】そこで、合焦点より遠い場合は、合焦点近
傍部までＶ−Ｆ変換器８より多数のパルスを発生しパル
スモータ１０を高速回転させることにより、顕微鏡を合
焦点に向けて高速で送り、合焦点に近づいたら、サーボ
定数を変えることで直接パルスを発生しパルスモータ１
０を低速回転させることで、顕微鏡を合焦点に向けて低
速で送るようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の装置では、コンピュータ５からの指令によっ
て遠焦点制御信号と近焦点制御信号を切り替えるように
しているため、サーボ系の構成が複雑かつ高価なものに
なってしまい、また、受光素子Ｐａ，Ｐｂの各出力Ａ，
Ｂの差分Ａ−Ｂをとってフォーカスエラー信号のＳ字カ
ーブとしているが、このＳ字カーブは、被測定部の表面
状態（反射率や表面の形状）によって変化することがあ
るため、常に安定したフォーカシング速度を確保するの
が難しいという問題点があった。

【００１１】このような問題点を解決するものとして、
特開平４−２５７１１号公報に開示されるように、２個
の受光素子３２Ａ、３２Ｂのそれぞれの出力をＡ、Ｂと
すると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）なる演算を行うこと
で、被測定部の表面状態に影響されない図６（ａ）に示
すように正規化されたフォーカスエラー信号のＳ字カー
ブが得られるものが考えられている。

【００１２】そして、このような（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）のＳ字カーブに基づいてパルスモータへのパルス速
度を決定すると、被測定部の、例えば測定位置Ｆ１、Ｆ
２に対して、同一レベルの信号Ｖ1 が出力され、この結
果、同図（ｂ）に示すような速度パターンとなる。とこ
ろが、この時の速度パターンによれば、合焦位置から離
れた被測定部の測定位置Ｆ２までは低速で、測定位置Ｆ
２からＦ１までの間は高速となって、さらに測定位置Ｆ
１で再び低速となるような動作となるため、効率よく顕
微鏡を焦点位置まで送るのが難しいという問題点があ
る。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、被測定部の表面状態に影響されることなく、効率よ
く合焦点動作を行うことができる自動焦点合わせ装置を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
測定光を被測定面に照射させるとともに該被測定面から
の反射光を集光させる光学系と、この光学系により集光
される反射光を分割する光分割手段と、この光分割手段
で分割された反射光の集光位置に対し前側および後側に
それぞれ配置された第１および第２の光検出手段と、前
記光分割手段で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、前記被測定面に対して合焦動作
を実行する焦点合わせ駆動源とを具備し、前記第１の光
検出手段の出力信号をＡ、前記第２の光検出手段の出力
信号をＢ、前記第３の光検出手段の出力信号をＣとした
とき、（Ａ＋Ｂ）／Ｃの演算結果に基づいた制御パター
ンにより前記焦点合わせ駆動源を制御するようにしてい
る。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載にお
いて、さらに前記出力信号ＡおよびＢに基づく演算結果
により前記制御パターンの符号を判断するとともに、該
符号を付した前記制御パターンにより前記焦点合わせ駆
動源を制御するようにしている。

【００１６】この結果、請求項１記載の発明によれば、
（Ａ＋Ｂ）／Ｃの演算結果に基づいて被測定面の表面状
態に影響されることなく、焦点位置に対する被測定面位
置を一義的に決定することができ、焦点位置から離れた
位置では高速、焦点位置近傍では低速と行った制御パタ
ーンを得られる。

【００１７】また、請求項２記載の発明によれば、さら
に出力信号ＡおよびＢに基づく演算結果により符号を付
した制御パターンを得られ、効率のよい合焦動作を実現
することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に従い説明する。図１は、本発明が適用される自動焦
点合わせ装置の概略構成を示している。この場合、被測
定部面２１に対し測定光を照射させるとともに、被測定
部面２１からの反射光を集光させる光学系２２と、この
光学系２２によって集光する反射光を３方向に分割する
光分割手段２３を配置している。

【００１９】光学系２２では、半導体レーザ２４から出
射された測定光としてのレーザービームを偏光ビーブス
プリッタ２５で反射し、１／４波長板２６、結像レンズ
２７および対物レンズ２８を介して被測定面２１に集光
させ、また、被測定面２１から反射した反射光を対物レ
ンズ２８、結像レンズ２７、１／４波長板２６および偏
光ビームスプリッタ２５を通して光分割手段２３に与え
るようにしている。

【００２０】また、光分割手段２３では、第１のビーム
スプリッタ２９と第２のビームスプリッタ３０を有して
いて、光学系２２の偏光ビームスプリッタ２５を透過し
た被測定部面２１からの反射光を第１のビームスプリッ
タ２９によって２方向に分割し、この第１のビームスプ
リッタ２９を透過した反射光を第２のビームスプリッタ
３０によって２方向に分割するようにしている。つま
り、第１のビームスプリッタ２９では、光学系２２の偏
光ビームスプリッタ２５を透過した反射光をさらに反射
して集光点Ｑに受光面が位置づけられた受光手段３１に
照射するとともに、この第１のビームスプリッタ２９を
透過した反射光を第２のビームスプリッタ３０に与える
ようにし、また、第２のビームスプリッタ３０では、第
１のビームスプリッタ２９を透過した反射光をさらに反
射して集光点Ｑの後方に受光面が位置づけられた受光手
段３２に照射するとともに、この第２のビームスプリッ
タ３０を透過した反射光を集光点Ｑの前方に受光面が位
置づけられた受光手段３３に照射するようにしている。

【００２１】ここで、受光手段３１は、集光点Ｑに受光
面が位置づけられた受光素子３１１を有していて、第１
のビームスプリッタ２９から反射した反射光が直接受光
素子３１１に照射されるようになっている。また、光検
出手段３２は、絞り３２１と集光点Ｑの後方に受光面が
位置づけられた受光素子３２２を有していて、第２のビ
ームスプリッタ３０から反射した反射光が集光点Ｑを通
って絞り３２１を介して受光素子３２２に照射されるよ
うになっている。さらに、光検出手段３３は、絞り３３
１と集光点Ｑの前方に受光面が位置づけられた受光素子
３３２を有していて、第２のビームスプリッタ３０を透
過した光が絞り３３１を介して受光素子３３２に照射さ
れるようになっている。

【００２２】これら受光素子３１１、３２２、３３２
は、各々受光した光量に対応した電気信号を出力するも
ので、受光素子３１１からの電気信号Ｃを除算器３７の
一方の入力端子に、受光素子３２２からの電気信号Ｂを
減算器３４および加算器３５の一方の入力端子に、受光
素子３３２からの電気信号Ａを減算器３４および加算器
３５の他方の入力端子にそれぞれ入力するようにしてい
る。

【００２３】また、減算器３４の減算出力を除算器３６
の一方の入力端子に、加算器３５の加算出力を除算器３
６の他方の入力端子および除算器３７の他方の入力端子
にそれぞれ入力するようにしている。

【００２４】ここで、減算器３４は、受光素子３３２か
らの電気信号Ａと受光素子３２２の電気信号Ｂにより
（Ａ−Ｂ）の減算信号を出力し、加算器３５は、受光素
子３３２からの電気信号Ａと受光素子３２２の電気信号
Ｂにより（Ａ＋Ｂ）の加算信号を出力し、除算器３６
は、減算器３４からの減算信号（Ａ−Ｂ）と加算器３５
からの加算信号（Ａ＋Ｂ）により（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）の除算信号を発生し、除算器３７は、加算器３５か
らの加算信号（Ａ＋Ｂ）と受光素子３１１からの電気信
号Ｃにより（Ａ＋Ｂ）／Ｃの除算信号を出力するように
なっている。

【００２５】そして、これら除算器３６、３７の除算信
号をパルス制御部３８に与える。このパルス制御部３８
は、除算器３６および除算器３７の出力より速度パター
ンを生成するとともに、パルス速度信号を出力するもの
である。そして、このパルス速度信号をモータドライバ
３９へ出力し、パルスモータ４０を回転させることで、
顕微鏡を合焦点に向けて送るようにしている。

【００２６】次に、このように構成した実施の形態の動
作を説明する。いま、光学系２２の半導体レーザ２４よ
り測定光としてレーザービームが出射されると、このレ
ーザービームは、偏光ビーブスプリッタ２５で反射さ
れ、１／４波長板２６、結像レンズ２７および対物レン
ズ２８を介して被測定面２１に集光され、また、この被
測定面２１からの反射光が対物レンズ２８、結像レンズ
２７、１／４波長板２６および偏光ビームスプリッタ２
５を透過して光分割手段２３に与えられる。

【００２７】すると、光分割手段２３では、光学系２２
の偏光ビームスプリッタ２５を透過した被測定部面２１
からの反射光が第１のビームスプリッタ２９で反射され
集光点Ｑに受光面が位置づけられた受光手段３１に照射
され、また、この第１のビームスプリッタ２９を透過し
た反射光が第２のビームスプリッタ３０で反射され、集
光点Ｑの後方に受光面が位置づけられた受光手段３２に
照射され、さらに第２のビームスプリッタ３０を透過し
た反射光が集光点Ｑの前方に受光面が位置づけられた受
光手段３３に照射される。

【００２８】これにより、減算器３４より受光素子３３
２からの電気信号Ａと受光素子３２２の電気信号Ｂによ
り（Ａ−Ｂ）の減算信号が、加算器３５より受光素子３
３２からの電気信号Ａと受光素子３２２の電気信号Ｂに
より（Ａ＋Ｂ）の加算信号が、除算器３６より減算器３
４からの減算信号（Ａ−Ｂ）と加算器３５からの加算信
号（Ａ＋Ｂ）より（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の除算信号
が、除算器３７より加算器３５からの加算信号（Ａ＋
Ｂ）と受光素子３１１からの電気信号Ｃにより（Ａ＋
Ｂ）／Ｃの除算信号がそれぞれ出力され、このうち除算
器３６の除算信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）と除算器３７
の除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃがパルス制御部３８に与えら
れる。

【００２９】ここで、仮に、被測定面２１の表面状態が
荒れているような場合、被測定面２１の変位に対応して
加算器３５より図２（ａ）に示す加算信号（Ａ＋Ｂ）が
出力され、同時に、受光素子３１１より同図（ｂ）に示
すような電気信号Ｃが出力されたとすると、この場合、
加算出力（Ａ＋Ｂ）は合焦位置近傍で信号レベルが低下
するが、同様に電気信号Ｃの信号レベルも低下するの
で、この結果、除算器３７の除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃ
は、合焦位置近傍での信号レベルの変動が補正されるこ
とになって、同図（ｃ）に示すように合焦位置近傍で
は、信号レベルの変動がなく、合焦位置から離れるにし
たがって、信号レベルが単調に減衰するようになる。こ
のような特性は、被測定面２１の反射率が低い場合にお
いても同様となる。

【００３０】これにより、パルス制御部３８では、除算
器３７の除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃにより同図（ｄ）に示
すようなパルス速度パターンを生成する。ここで、この
ようなパルス速度パターンは、図２（ｃ）に示す特性の
信号レベルの最大値よりわずかに大きな信号レベルより
同図（ｃ）の特性の各信号レベルの差分を求めることで
簡単に得られる。

【００３１】また、パルス制御部３８では、除算器３６
からの図３（ａ）に示す除算信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）より被測定面２１の変位が合焦位置を挟んで符号
（＋）（−）が反転することを判断し、この符号を考慮
して図２（ｄ）に示すパルス速度パターンに基づいて図
３（ｂ）に示すような符号付きパルス速度パターンを生
成し、この速度パターンをパルス信号に変換してドライ
バ３９へ出力することによってパルスモータ４０を回転
させるようになる。

【００３２】ところで、除算信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）は、前述の通りフォーカスエラー信号を得るための
式であるが、ここでは、合焦位置を挟んで減算信号（Ａ
−Ｂ）の符号が（＋）、（−）の間で反転することが判
別できればよい。すなわち、符号の反転を判別するだけ
であれば、除算信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を減算信号
（Ａ−Ｂ）と置き換えて計算しても十分である。

【００３３】従って、このような実施の形態によれば、
除算器３７の除算信号（Ａ＋Ｂ）／Ｃにより、被測定面
２１に対する信号レベルが一義的に決定され、さらに、
焦点位置と被測定面２１との間の距離も一義的に得られ
るようになるので、被測定面２１の表面状態に影響され
ることなく、焦点位置から離れた位置では高速、焦点位
置近傍では低速となるような速度パターンを生成するこ
とができ、さらに除算器３６からの除算信号（Ａ−Ｂ）
／（Ａ＋Ｂ）もしくは減算信号（Ａ−Ｂ）より得られる
符号を付加することにより、自動焦点合わせのための符
号付きパルス速度パターンが得られ、これに基づいてパ
ルスモータ４０を回転させることにより、効率のよい合
焦動作を実現することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、（Ａ
＋Ｂ）／Ｃの演算結果に基づいて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
一義的に決定することができ、焦点位置から離れた位置
では高速、焦点位置近傍では低速と行った制御パターン
を得られ、さらに出力信号ＡおよびＢに基づく演算結果
により符号を付した制御パターンを得られることで、効
率のよい合焦動作を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の概略構成を示す図。

【図２】一実施の形態の動作を説明するもので、（ａ）
は、加算器３５の出力信号特性を示す図、（ｂ）は、受
光素子３１１から出力された電気信号特性を示す図、
（ｃ）は、除算器３７から出力される除算信号特性を示
す図、（ｄ）は、（ｃ）の除算信号特性をもとに作り出
す速度パターンを示す図。

【図３】一実施の形態の動作を説明するもので、（ａ）
は、除算器３６から出力される除算信号特性を示す図、
（ｂ）は、図２（ｄ）のパルス速度パターンと、（ｂ）
の除算信号特性の符号から作り出す符号付き速度パター
ンを示す図。

【図４】従来の自動焦点合わせ装置の一例の概略構成を
示す図。

【図５】従来の自動焦点合わせ装置の動作を説明するた
めの図。

【図６】従来の自動焦点合わせ装置の動作を説明するた
めの図。

【符号の説明】

２１…被測定面、 ２２…光学系、 ２３…光分割手段、 ２４…半導体レーザ、 ２５…偏光ビーブスプリッタ、 ２６…１／４波長板、 ２７…結像レンズ、 ２８…対物レンズ、 ２９…第１のビームスプリッタ、 ３０…第２のビームスプリッタ、 ３１…受光手段、 ３１１…受光素子、 ３２…光検出手段、 ３２１…絞り、 ３２２…受光素子、 ３３…光検出手段、 ３３１…絞り、 ３３２…受光素子、 ３４…減算器、 ３５…加算器、 ３６、３７…除算器、 ３８…パルス制御部、 ３９…ドライバ、 ４０…パルスモータ。

Claims (2)

【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ともに
   該被測定面からの反射光を集光させる光学系と、 この光学系により集光される反射光を分割する光分割手
   段と、 この光分割手段で分割された反射光の集光位置に対し前
   側および後側にそれぞれ配置された第１および第２の光
   検出手段と、 前記光分割手段で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、 前記被測定面に対して合焦動作を実行する焦点合わせ駆
   動源とを具備し、 前記第１の光検出手段の出力信号をＡ、前記第２の光検
   出手段の出力信号をＢ、前記第３の光検出手段の出力信
   号をＣとしたとき、（Ａ＋Ｂ）／Ｃの演算結果に基づい
   た制御パターンにより前記焦点合わせ駆動源を制御する
   ことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
2. 【請求項２】 さらに前記出力信号ＡおよびＢに基づく
   演算結果により前記制御パターンの符号を判断するとと
   もに、該符号を付した前記制御パターンにより前記焦点
   合わせ駆動源を制御することを特徴とする請求項１記載
   の自動焦点合わせ装置。