JPH09236408A - 焦点位置検出装置 - Google Patents
焦点位置検出装置Info
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- JPH09236408A JPH09236408A JP8067221A JP6722196A JPH09236408A JP H09236408 A JPH09236408 A JP H09236408A JP 8067221 A JP8067221 A JP 8067221A JP 6722196 A JP6722196 A JP 6722196A JP H09236408 A JPH09236408 A JP H09236408A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因
する従来の検出誤差を回避した高精度な焦点位置検出装
置。 【解決手段】 被検物体の表面に対して所定の入射角で
照明光を照射するための照明光学系と、照明光に対する
被検物体の表面からの反射光を対物光学系を介して受光
するための受光素子とを備えている。そして、被検物体
の表面と対物光学系の焦点面との位置ずれ量にかかわら
ず被検物体の表面からの反射光を常に受光素子の受光面
上に結像させるために、受光素子の受光面は被検物体の
表面に入射する照明光の主光線を含む平面とほぼ共役に
構成されている。
する従来の検出誤差を回避した高精度な焦点位置検出装
置。 【解決手段】 被検物体の表面に対して所定の入射角で
照明光を照射するための照明光学系と、照明光に対する
被検物体の表面からの反射光を対物光学系を介して受光
するための受光素子とを備えている。そして、被検物体
の表面と対物光学系の焦点面との位置ずれ量にかかわら
ず被検物体の表面からの反射光を常に受光素子の受光面
上に結像させるために、受光素子の受光面は被検物体の
表面に入射する照明光の主光線を含む平面とほぼ共役に
構成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は焦点位置検出装置に
関し、特に光学顕微鏡や光学測定装置などの光学機器に
おいて対物光学系に対する被検物体の焦点合わせを行う
装置に関する。
関し、特に光学顕微鏡や光学測定装置などの光学機器に
おいて対物光学系に対する被検物体の焦点合わせを行う
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光学顕微鏡や光学測定装置等の光学機器
においては、対物光学系を介して被検物体の像を形成
し、形成された物体像を観察または撮影する。これらの
光学機器では、物体像を鮮明に観察または撮影するため
に、対物光学系の焦点面（焦点位置）と被検物体の表面
との位置ずれを検出する焦点位置検出装置を備えてい
る。この種の焦点位置検出装置は、たとえば米国特許第
３，７２１，８２７号公報や特開昭６０−２３８８０６
号公報などに開示されている。
においては、対物光学系を介して被検物体の像を形成
し、形成された物体像を観察または撮影する。これらの
光学機器では、物体像を鮮明に観察または撮影するため
に、対物光学系の焦点面（焦点位置）と被検物体の表面
との位置ずれを検出する焦点位置検出装置を備えてい
る。この種の焦点位置検出装置は、たとえば米国特許第
３，７２１，８２７号公報や特開昭６０−２３８８０６
号公報などに開示されている。
【０００３】図４は、従来の焦点位置検出装置の構成を
概略的に示す図である。図４において、レーザダイオー
ド１０１から射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ
１０２を介してスリット１０３を照明する。スリット１
０３を通過した光は、一対の正レンズ１０４および１０
６からなるリレーレンズ系、照明系第２対物レンズ１０
７、ハーフプリズム１０８、および対物レンズ１０９を
介して被検物体の表面１１０上にスリット像を形成す
る。
概略的に示す図である。図４において、レーザダイオー
ド１０１から射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ
１０２を介してスリット１０３を照明する。スリット１
０３を通過した光は、一対の正レンズ１０４および１０
６からなるリレーレンズ系、照明系第２対物レンズ１０
７、ハーフプリズム１０８、および対物レンズ１０９を
介して被検物体の表面１１０上にスリット像を形成す
る。
【０００４】なお、スリット１０３は、リレーレンズ系
（１０４、１０６）、照明系第２対物レンズ１０７およ
び対物レンズ１０９を介して、対物レンズ１０９の焦点
面１１０ａと共役に構成されている。また、リレーレン
ズ系（１０４、１０６）中の瞳共役面の近傍に配置され
た遮光板１０５により光束の半分が遮光される。そし
て、図中斜線で示すように、残りの半分の光束に基づい
て被検物体の表面１１０上にスリット像が形成される。
被検物体の表面１１０からの反射光は、対物レンズ１０
９、ハーフプリズム１０８および第２対物レンズ１１１
を介して、受光素子の受光面１１２上にスリット像を再
形成する。
（１０４、１０６）、照明系第２対物レンズ１０７およ
び対物レンズ１０９を介して、対物レンズ１０９の焦点
面１１０ａと共役に構成されている。また、リレーレン
ズ系（１０４、１０６）中の瞳共役面の近傍に配置され
た遮光板１０５により光束の半分が遮光される。そし
て、図中斜線で示すように、残りの半分の光束に基づい
て被検物体の表面１１０上にスリット像が形成される。
被検物体の表面１１０からの反射光は、対物レンズ１０
９、ハーフプリズム１０８および第２対物レンズ１１１
を介して、受光素子の受光面１１２上にスリット像を再
形成する。
【０００５】図５は、図４の受光面において検出される
光量分布を示す図である。被検物体の表面１１０が対物
レンズ１０９の焦点面１１０ａと一致しているベストフ
ォーカス状態の場合、図４中実線で示すように、スリッ
ト像は受光面１１２の中央位置に形成される。したがっ
て、ベストフォーカス状態では、図５（ａ）に示すよう
に、受光面１１２において検出される光量分布の重心が
受光面１１２の中央に位置する。
光量分布を示す図である。被検物体の表面１１０が対物
レンズ１０９の焦点面１１０ａと一致しているベストフ
ォーカス状態の場合、図４中実線で示すように、スリッ
ト像は受光面１１２の中央位置に形成される。したがっ
て、ベストフォーカス状態では、図５（ａ）に示すよう
に、受光面１１２において検出される光量分布の重心が
受光面１１２の中央に位置する。
【０００６】一方、被検物体の表面１１０が対物レンズ
１０９の焦点面１１０ａよりも図中下方の面１１０ｂに
ある後ピン状態の場合、照明光は一旦結像した後、被検
物体の表面１１０に入射する。したがって、被検物体の
表面１１０に対する照明光は、デフォーカス状態で図中
左側に広がる。また、被検物体の表面１１０で反射され
た光は、図中破線で示すように、受光面１１２よりも図
中下方の面１１３で一旦結像した後に、受光面１１２に
入射する。したがって、後ピン状態では、図５（ｂ）に
示すように、受光面１１２において検出される光量分布
の重心は受光面１１２の中央から図中右側にずれる。
１０９の焦点面１１０ａよりも図中下方の面１１０ｂに
ある後ピン状態の場合、照明光は一旦結像した後、被検
物体の表面１１０に入射する。したがって、被検物体の
表面１１０に対する照明光は、デフォーカス状態で図中
左側に広がる。また、被検物体の表面１１０で反射され
た光は、図中破線で示すように、受光面１１２よりも図
中下方の面１１３で一旦結像した後に、受光面１１２に
入射する。したがって、後ピン状態では、図５（ｂ）に
示すように、受光面１１２において検出される光量分布
の重心は受光面１１２の中央から図中右側にずれる。
【０００７】さらに、図示を省略しているが、被検物体
の表面１１０が対物レンズ１０９の焦点面１１０ａより
も図中上方にある前ピン状態の場合、照明光は結像する
前に、被検物体の表面１１０に入射する。したがって、
被検物体の表面１１０に対する照明光は、デフォーカス
状態で図中右側に広がる。また、被検物体の表面１１０
で反射された光は、結像する前に受光面１１２に入射す
る。したがって、前ピン状態では、図５（ｃ）に示すよ
うに、受光面１１２において検出される光量分布の重心
は受光面１１２の中央から図中左側にずれる。
の表面１１０が対物レンズ１０９の焦点面１１０ａより
も図中上方にある前ピン状態の場合、照明光は結像する
前に、被検物体の表面１１０に入射する。したがって、
被検物体の表面１１０に対する照明光は、デフォーカス
状態で図中右側に広がる。また、被検物体の表面１１０
で反射された光は、結像する前に受光面１１２に入射す
る。したがって、前ピン状態では、図５（ｃ）に示すよ
うに、受光面１１２において検出される光量分布の重心
は受光面１１２の中央から図中左側にずれる。
【０００８】こうして、図４の従来の焦点位置検出装置
では、受光面１１２における光量分布の重心位置に基づ
いて、対物レンズ１０９の焦点面１１０ａに対する被検
物体の表面１１０の位置ずれを検出することができる。
では、受光面１１２における光量分布の重心位置に基づ
いて、対物レンズ１０９の焦点面１１０ａに対する被検
物体の表面１１０の位置ずれを検出することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来の焦点位置
検出装置において、被検物体の表面が荒れている場合や
被検物体の表面に回折格子状のパターンが形成されてい
る場合、照明光に対して被検物体の表面からの正反射光
に加えて散乱光や回折光が発生する。この散乱光や回折
光の一部は、正反射光とは異なる光路を介して受光面に
達する。その結果、散乱光や回折光の一部が受光面で検
出される光量分布に影響を及ぼすことにより検出誤差が
生じるという不都合があった。
検出装置において、被検物体の表面が荒れている場合や
被検物体の表面に回折格子状のパターンが形成されてい
る場合、照明光に対して被検物体の表面からの正反射光
に加えて散乱光や回折光が発生する。この散乱光や回折
光の一部は、正反射光とは異なる光路を介して受光面に
達する。その結果、散乱光や回折光の一部が受光面で検
出される光量分布に影響を及ぼすことにより検出誤差が
生じるという不都合があった。
【００１０】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因
する従来の検出誤差を回避した高精度な焦点位置検出装
置を提供することを目的とする。
のであり、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因
する従来の検出誤差を回避した高精度な焦点位置検出装
置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、所定の対物光学系を介した被検
物体の表面からの反射光の結像位置に基づいて、前記被
検物体の表面と前記対物光学系の焦点面との位置ずれを
検出する焦点位置検出装置において、前記被検物体の表
面に対して所定の入射角で照明光を照射するための照明
光学系と、前記照明光に対する前記被検物体の表面から
の反射光を前記対物光学系を介して受光するための受光
素子とを備え、前記被検物体の表面と前記対物光学系の
焦点面との位置ずれ量にかかわらず前記被検物体の表面
からの反射光を常に前記受光素子の受光面上に結像させ
るために、前記受光素子の受光面は前記被検物体の表面
に入射する照明光の主光線を含む平面とほぼ共役に構成
されていることを特徴とする焦点位置検出装置を提供す
る。
に、本発明においては、所定の対物光学系を介した被検
物体の表面からの反射光の結像位置に基づいて、前記被
検物体の表面と前記対物光学系の焦点面との位置ずれを
検出する焦点位置検出装置において、前記被検物体の表
面に対して所定の入射角で照明光を照射するための照明
光学系と、前記照明光に対する前記被検物体の表面から
の反射光を前記対物光学系を介して受光するための受光
素子とを備え、前記被検物体の表面と前記対物光学系の
焦点面との位置ずれ量にかかわらず前記被検物体の表面
からの反射光を常に前記受光素子の受光面上に結像させ
るために、前記受光素子の受光面は前記被検物体の表面
に入射する照明光の主光線を含む平面とほぼ共役に構成
されていることを特徴とする焦点位置検出装置を提供す
る。
【００１２】本発明の好ましい態様によれば、前記対物
光学系と前記受光素子との間の光路中には、前記被検物
体の表面からの反射光を常に十分小さな入射角で前記受
光素子の受光面上に結像させるための補正光学系が設け
られている。また、前記補正光学系は、前記被検物体の
表面からの反射光の結像面とほぼ一致した入射面を有
し、前記反射光を所定角度だけ屈折させるためのプリズ
ムと、前記プリズムを介した反射光を前記受光素子の受
光面上に再結像させるためのリレー光学系とを備えてい
るのが好ましい。
光学系と前記受光素子との間の光路中には、前記被検物
体の表面からの反射光を常に十分小さな入射角で前記受
光素子の受光面上に結像させるための補正光学系が設け
られている。また、前記補正光学系は、前記被検物体の
表面からの反射光の結像面とほぼ一致した入射面を有
し、前記反射光を所定角度だけ屈折させるためのプリズ
ムと、前記プリズムを介した反射光を前記受光素子の受
光面上に再結像させるためのリレー光学系とを備えてい
るのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の焦点位置検出装置では、
所定の入射角で被検物体の表面に入射する照明光の主光
線を含む平面と受光素子の受光面とがほぼ共役に構成さ
れている。したがって、被検物体の表面と対物光学系の
焦点面との位置ずれ量にかかわらず、被検物体の表面か
らの反射光は常に受光素子の受光面上に結像する。
所定の入射角で被検物体の表面に入射する照明光の主光
線を含む平面と受光素子の受光面とがほぼ共役に構成さ
れている。したがって、被検物体の表面と対物光学系の
焦点面との位置ずれ量にかかわらず、被検物体の表面か
らの反射光は常に受光素子の受光面上に結像する。
【００１４】換言すれば、照明光に対する被検物体の表
面からの正反射光と同様に、散乱光や回折光も受光素子
の受光面上の一点に結像する。したがって、本発明で
は、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因する従
来の検出誤差を回避することができ、高精度な焦点位置
検出が可能となる。
面からの正反射光と同様に、散乱光や回折光も受光素子
の受光面上の一点に結像する。したがって、本発明で
は、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因する従
来の検出誤差を回避することができ、高精度な焦点位置
検出が可能となる。
【００１５】また、対物光学系と受光素子との間の光路
中に補正光学系を介在させることによって、被検物体の
表面からの反射光を常に十分小さな入射角で受光素子の
受光面上に結像させるのが好ましい。この場合、受光面
に対する入射角度が大きくなると感度が低下する特性を
有する受光素子を用いても、対物レンズの焦点面と被検
物体の表面との位置ずれを高精度に検出することができ
る。
中に補正光学系を介在させることによって、被検物体の
表面からの反射光を常に十分小さな入射角で受光素子の
受光面上に結像させるのが好ましい。この場合、受光面
に対する入射角度が大きくなると感度が低下する特性を
有する受光素子を用いても、対物レンズの焦点面と被検
物体の表面との位置ずれを高精度に検出することができ
る。
【００１６】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる焦
点位置検出装置の構成を概略的に示す図である。図１の
焦点位置検出装置は、照明光を供給する光源として、た
とえば半導体レーザ１を備えている。半導体レーザ１か
ら射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ２を介して
ハーフプリズム３に入射する。
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる焦
点位置検出装置の構成を概略的に示す図である。図１の
焦点位置検出装置は、照明光を供給する光源として、た
とえば半導体レーザ１を備えている。半導体レーザ１か
ら射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ２を介して
ハーフプリズム３に入射する。
【００１７】ハーフプリズム３で反射された光は、対物
レンズ４の光軸ＡＸから間隔を隔てて平行に進み、対物
レンズ４に入射する。対物レンズ４を介した光は、所定
の入射角θを有する細い光束の照明光ｓとなって被検物
体の表面５に入射する。照明光ｓに対する被検物体の表
面５からの反射光は、対物レンズ４を介してハーフプリ
ズム３に入射する。ハーフプリズム３を透過した反射光
は、第２対物レンズ６を介して受光素子の受光面７上に
結像する。
レンズ４の光軸ＡＸから間隔を隔てて平行に進み、対物
レンズ４に入射する。対物レンズ４を介した光は、所定
の入射角θを有する細い光束の照明光ｓとなって被検物
体の表面５に入射する。照明光ｓに対する被検物体の表
面５からの反射光は、対物レンズ４を介してハーフプリ
ズム３に入射する。ハーフプリズム３を透過した反射光
は、第２対物レンズ６を介して受光素子の受光面７上に
結像する。
【００１８】すなわち、図中実線で示すように、被検物
体の表面５が対物レンズ４の焦点面５ａにある場合、照
明光ｓは被検物体の表面５上の点ａに入射する。そし
て、照明光ｓに対する被検物体の表面５からの正反射光
Ｒ、散乱光および回折光からなる反射光のうち、対物レ
ンズ４の開口数ＮＡが許容するすべての反射光は、対物
レンズ４および第２対物レンズ６からなる対物光学系を
介して受光素子の受光面７上の点Ａに結像する。
体の表面５が対物レンズ４の焦点面５ａにある場合、照
明光ｓは被検物体の表面５上の点ａに入射する。そし
て、照明光ｓに対する被検物体の表面５からの正反射光
Ｒ、散乱光および回折光からなる反射光のうち、対物レ
ンズ４の開口数ＮＡが許容するすべての反射光は、対物
レンズ４および第２対物レンズ６からなる対物光学系を
介して受光素子の受光面７上の点Ａに結像する。
【００１９】一方、図中破線で示すように、被検物体の
表面５が対物レンズ４の焦点面よりも図中ｄだけ下方の
面５ｂにある場合、照明光ｓは被検物体の表面５上の点
ｂに入射する。そして、照明光ｓに対する被検物体の表
面５からの正反射光Ｒ’、散乱光および回折光からなる
反射光のうち、対物レンズ４の開口数ＮＡが許容するす
べての反射光は、対物光学系を介して受光素子の受光面
７上の点Ｂに結像する。つまり、照明光Ｓの光線の中心
と受光面７とは、いわゆるシャインプルーフの条件を満
たしていると考えてよい。
表面５が対物レンズ４の焦点面よりも図中ｄだけ下方の
面５ｂにある場合、照明光ｓは被検物体の表面５上の点
ｂに入射する。そして、照明光ｓに対する被検物体の表
面５からの正反射光Ｒ’、散乱光および回折光からなる
反射光のうち、対物レンズ４の開口数ＮＡが許容するす
べての反射光は、対物光学系を介して受光素子の受光面
７上の点Ｂに結像する。つまり、照明光Ｓの光線の中心
と受光面７とは、いわゆるシャインプルーフの条件を満
たしていると考えてよい。
【００２０】第１実施例では、被検物体の表面５からの
反射光が常に受光素子の受光面上７に結像するように、
被検物体の表面５に入射する照明光ｓの主光線を含む平
面と受光素子の受光面とがほぼ共役に構成されている。
すなわち、受光素子の受光面７と光軸ＡＸとがなす角度
Ψは、角度θおよび角度Ψが十分小さいとき次の式
（１）の関係を満たすように構成されている。 Ψ＝θ／β （１） ここで、 β：対物レンズ４および第２対物レンズ６からなる対物
光学系の倍率
反射光が常に受光素子の受光面上７に結像するように、
被検物体の表面５に入射する照明光ｓの主光線を含む平
面と受光素子の受光面とがほぼ共役に構成されている。
すなわち、受光素子の受光面７と光軸ＡＸとがなす角度
Ψは、角度θおよび角度Ψが十分小さいとき次の式
（１）の関係を満たすように構成されている。 Ψ＝θ／β （１） ここで、 β：対物レンズ４および第２対物レンズ６からなる対物
光学系の倍率
【００２１】また、受光素子の受光面７上における２つ
の結像点ＡとＢとの距離すなわち基準結像点Ａからの結
像点Ｂのずれ量Δは、次の式（２）で表される。 Δ＝βｄ tanθ／｛ sin（θ／β）｝ （２） 換言すれば、次の式（３）にしたがって、結像点のずれ
量Δから被検物体の表面５と対物レンズ４の焦点面との
位置ずれ量ｄを求めることができる。 ｄ＝Δ sin（θ／β）／β tanθ （３）
の結像点ＡとＢとの距離すなわち基準結像点Ａからの結
像点Ｂのずれ量Δは、次の式（２）で表される。 Δ＝βｄ tanθ／｛ sin（θ／β）｝ （２） 換言すれば、次の式（３）にしたがって、結像点のずれ
量Δから被検物体の表面５と対物レンズ４の焦点面との
位置ずれ量ｄを求めることができる。 ｄ＝Δ sin（θ／β）／β tanθ （３）
【００２２】なお、受光素子の受光面７上における結像
点のずれ量Δを計測するには、受光素子としてたとえば
受光位置検出素子ＰＳＤ（ポジションセンシティブディ
テクタ）や画像検出素子ＣＣＤを用いればよい。図２
は、受光位置検出素子ＰＳＤを用いて結像点のずれ量Δ
を計測する原理を説明する図である。図２に示すよう
に、被検物体の表面からの反射光が受光位置検出素子Ｐ
ＳＤの受光面上の点Ｅに結像すると、受光位置検出素子
ＰＳＤの一端からは光電流Ｉ1 が他端からは光電流Ｉ2
がそれぞれ出力される。
点のずれ量Δを計測するには、受光素子としてたとえば
受光位置検出素子ＰＳＤ（ポジションセンシティブディ
テクタ）や画像検出素子ＣＣＤを用いればよい。図２
は、受光位置検出素子ＰＳＤを用いて結像点のずれ量Δ
を計測する原理を説明する図である。図２に示すよう
に、被検物体の表面からの反射光が受光位置検出素子Ｐ
ＳＤの受光面上の点Ｅに結像すると、受光位置検出素子
ＰＳＤの一端からは光電流Ｉ1 が他端からは光電流Ｉ2
がそれぞれ出力される。
【００２３】受光位置検出素子ＰＳＤの一端からの光電
流Ｉ1 と他端からの光電流Ｉ2 との比Ｉ1 ／Ｉ2 は、結
像点Ｅの一端からの距離ｇ1 と他端からの距離ｇ2 との
比ｇ1 ／ｇ2 に比例する。こうして、受光位置検出素子
ＰＳＤから出力される２つの光電流の比に基づいて、結
像点Ｅのずれ量Δを計測することができる。また、受光
素子として画像検出素子ＣＣＤを用いる場合、ＣＣＤを
構成する各光検出素子から光強度信号が得られる。した
がって、各光検出素子から得られた光強度信号に基づい
て光量の重心を求め、光量の重心に基づいて結像点Ｅの
ずれ量Δを計測することができる。
流Ｉ1 と他端からの光電流Ｉ2 との比Ｉ1 ／Ｉ2 は、結
像点Ｅの一端からの距離ｇ1 と他端からの距離ｇ2 との
比ｇ1 ／ｇ2 に比例する。こうして、受光位置検出素子
ＰＳＤから出力される２つの光電流の比に基づいて、結
像点Ｅのずれ量Δを計測することができる。また、受光
素子として画像検出素子ＣＣＤを用いる場合、ＣＣＤを
構成する各光検出素子から光強度信号が得られる。した
がって、各光検出素子から得られた光強度信号に基づい
て光量の重心を求め、光量の重心に基づいて結像点Ｅの
ずれ量Δを計測することができる。
【００２４】上述のように、第１実施例において、受光
素子の受光面７は、所定の入射角θで被検物体の表面５
に入射する照明光ｓの主光線を含む平面とほぼ共役に構
成されている。したがって、被検物体の表面５と対物レ
ンズ４の焦点面５ａとの位置ずれ量にかかわらず、被検
物体の表面５からの反射光は常に受光素子の受光面７上
に結像する。すなわち、被検物体の表面５からの正反射
光と同様に、散乱光や回折光も受光素子の受光面７上の
一点に結像する。したがって、第１実施例では、被検物
体の表面が荒れている場合や被検物体の表面に回折格子
状のパターンが形成されている場合にも、被検物体の表
面からの散乱光や回折光に起因する従来の検出誤差を回
避することができ、高精度な焦点位置検出が可能とな
る。
素子の受光面７は、所定の入射角θで被検物体の表面５
に入射する照明光ｓの主光線を含む平面とほぼ共役に構
成されている。したがって、被検物体の表面５と対物レ
ンズ４の焦点面５ａとの位置ずれ量にかかわらず、被検
物体の表面５からの反射光は常に受光素子の受光面７上
に結像する。すなわち、被検物体の表面５からの正反射
光と同様に、散乱光や回折光も受光素子の受光面７上の
一点に結像する。したがって、第１実施例では、被検物
体の表面が荒れている場合や被検物体の表面に回折格子
状のパターンが形成されている場合にも、被検物体の表
面からの散乱光や回折光に起因する従来の検出誤差を回
避することができ、高精度な焦点位置検出が可能とな
る。
【００２５】図３は、本発明の第２実施例にかかる焦点
位置検出装置の構成を概略的に示す図である。第２実施
例の焦点位置検出装置は、図１の第１実施例と類似の構
成を有する。しかしながら、第２実施例では、第２対物
レンズ６と受光素子の受光面７との間の光路中にアオリ
補正プリズム１０およびリレー光学系（１１、１２）が
付設されている点だけが第１実施例と基本的に相違す
る。したがって、図３において、第１実施例の構成要素
と同様の機能を有する要素には図１と同じ参照符号を付
している。以下、第１実施例との相違に着目して第２実
施例を説明する。
位置検出装置の構成を概略的に示す図である。第２実施
例の焦点位置検出装置は、図１の第１実施例と類似の構
成を有する。しかしながら、第２実施例では、第２対物
レンズ６と受光素子の受光面７との間の光路中にアオリ
補正プリズム１０およびリレー光学系（１１、１２）が
付設されている点だけが第１実施例と基本的に相違す
る。したがって、図３において、第１実施例の構成要素
と同様の機能を有する要素には図１と同じ参照符号を付
している。以下、第１実施例との相違に着目して第２実
施例を説明する。
【００２６】図３の焦点位置検出装置において、半導体
レーザ１から射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ
２、ハーフプリズム３、および対物レンズ４を介して、
被検物体の表面５に入射する。被検物体の表面５からの
反射光は、対物レンズ４、ハーフプリズム３、および第
２対物レンズ６を介して、アオリ補正プリズム１０の入
射面１０ａに結像する。なお、アオリ補正プリズム１０
の入射面１０ａは、第１実施例における受光面と同様
に、所定の入射角で被検物体の表面５に入射する照明光
ｓの主光線を含む平面とほぼ共役に構成されている。
レーザ１から射出されたレーザ光は、コンデンサレンズ
２、ハーフプリズム３、および対物レンズ４を介して、
被検物体の表面５に入射する。被検物体の表面５からの
反射光は、対物レンズ４、ハーフプリズム３、および第
２対物レンズ６を介して、アオリ補正プリズム１０の入
射面１０ａに結像する。なお、アオリ補正プリズム１０
の入射面１０ａは、第１実施例における受光面と同様
に、所定の入射角で被検物体の表面５に入射する照明光
ｓの主光線を含む平面とほぼ共役に構成されている。
【００２７】アオリ補正プリズム１０の入射面１０ａに
一旦結像した反射光は、アオリ補正プリズム１０の頂角
に応じて所定角度だけ屈折された後、一対の正レンズ１
１および１２からなるリレー光学系を介して、受光素子
の受光面７に入射角０で再結像する。このように、アオ
リ補正プリズム１０およびリレー光学系（１１、１２）
は、被検物体の表面５からの反射光を入射角０で受光素
子の受光面７上に再結像させるための補正光学系を構成
している。
一旦結像した反射光は、アオリ補正プリズム１０の頂角
に応じて所定角度だけ屈折された後、一対の正レンズ１
１および１２からなるリレー光学系を介して、受光素子
の受光面７に入射角０で再結像する。このように、アオ
リ補正プリズム１０およびリレー光学系（１１、１２）
は、被検物体の表面５からの反射光を入射角０で受光素
子の受光面７上に再結像させるための補正光学系を構成
している。
【００２８】前述したように、第１実施例では、被検物
体の表面５からの反射光がある程度大きな入射角で受光
素子の受光面７上結像する。しかしながら、受光位置検
出素子ＰＳＤや画像検出素子ＣＣＤのような受光素子で
は、受光面に対する入射角度が大きくなると感度が低下
するという特性を有する。そこで、第２実施例では、補
正光学系の作用により、被検物体の表面５からの反射光
を入射角０で受光素子の受光面７に再結像させている。
したがって、第２実施例では、受光面に対する入射角度
が大きくなると感度が低下する特性を有する受光素子を
用いても、結像点のずれ量をひいては対物レンズの焦点
面と被検物体の表面との位置ずれを高精度に検出するこ
とができる。また、図６に示すように、アオリ補正プリ
ズム１０のみを用いて受光面７への入射角を改善するよ
うにしてもよい。図６では、対物レンズ４を介すること
なく照明光を被検物体の表面に入射させる例を示してい
るが、前述の２つの実施例のように対物レンズ４を介し
て照明光を被検物体の表面に入射させてもよい。
体の表面５からの反射光がある程度大きな入射角で受光
素子の受光面７上結像する。しかしながら、受光位置検
出素子ＰＳＤや画像検出素子ＣＣＤのような受光素子で
は、受光面に対する入射角度が大きくなると感度が低下
するという特性を有する。そこで、第２実施例では、補
正光学系の作用により、被検物体の表面５からの反射光
を入射角０で受光素子の受光面７に再結像させている。
したがって、第２実施例では、受光面に対する入射角度
が大きくなると感度が低下する特性を有する受光素子を
用いても、結像点のずれ量をひいては対物レンズの焦点
面と被検物体の表面との位置ずれを高精度に検出するこ
とができる。また、図６に示すように、アオリ補正プリ
ズム１０のみを用いて受光面７への入射角を改善するよ
うにしてもよい。図６では、対物レンズ４を介すること
なく照明光を被検物体の表面に入射させる例を示してい
るが、前述の２つの実施例のように対物レンズ４を介し
て照明光を被検物体の表面に入射させてもよい。
【００２９】なお、上述の各実施例では、照明光ｓを対
物レンズ４を介して被検物体の表面５に入射させてい
る。しかしながら、対物レンズ４を介することなく、照
明光ｓを被検物体の表面５に入射させることもできる。
また、上述の各実施例では、無限系の対物レンズ４を有
する対物光学系に対して本発明を適用した例を示してい
る。しかしながら、第２対物レンズを省略した有限系の
対物レンズからなる対物光学系に対しても本発明を適用
することができる。
物レンズ４を介して被検物体の表面５に入射させてい
る。しかしながら、対物レンズ４を介することなく、照
明光ｓを被検物体の表面５に入射させることもできる。
また、上述の各実施例では、無限系の対物レンズ４を有
する対物光学系に対して本発明を適用した例を示してい
る。しかしながら、第２対物レンズを省略した有限系の
対物レンズからなる対物光学系に対しても本発明を適用
することができる。
【００３０】
【効果】以上説明したように、本発明によれば、被検物
体の表面からの反射光が常に受光素子の受光面上に結像
するので、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因
する従来の検出誤差を回避することができ、高精度な焦
点位置検出が可能となる。また、被検物体の表面からの
反射光を常に十分小さな入射角で受光素子の受光面上に
結像させることによって、受光面に対する入射角度が大
きくなると感度が低下する特性を有する受光素子を用い
ても、対物レンズの焦点面と被検物体の表面との位置ず
れを高精度に検出することができる。
体の表面からの反射光が常に受光素子の受光面上に結像
するので、被検物体の表面からの散乱光や回折光に起因
する従来の検出誤差を回避することができ、高精度な焦
点位置検出が可能となる。また、被検物体の表面からの
反射光を常に十分小さな入射角で受光素子の受光面上に
結像させることによって、受光面に対する入射角度が大
きくなると感度が低下する特性を有する受光素子を用い
ても、対物レンズの焦点面と被検物体の表面との位置ず
れを高精度に検出することができる。
【図１】本発明の第１実施例にかかる焦点位置検出装置
の構成を概略的に示す図である。
の構成を概略的に示す図である。
【図２】受光位置検出素子ＰＳＤを用いて結像点のずれ
量Δを計測する原理を説明する図である。
量Δを計測する原理を説明する図である。
【図３】本発明の第２実施例にかかる焦点位置検出装置
の構成を概略的に示す図である。
の構成を概略的に示す図である。
【図４】従来の焦点位置検出装置の構成を概略的に示す
図である。
図である。
【図５】図４の受光面において検出される光量分布を示
す図である。
す図である。
【図６】図３の第２実施例の変形例を示す図である。
１ 光源 ２ コンデンサレンズ ３ ハーフプリズム ４ 対物レンズ ５ 被検物体の表面 ６ 第２対物レンズ ７ 受光素子の受光面 １０ アオリ補正プリズム １１、１２ リレー光学系
Claims (3)
- 【請求項１】 所定の対物光学系を介した被検物体の表
面からの反射光の結像位置に基づいて、前記被検物体の
表面と前記対物光学系の焦点面との位置ずれを検出する
焦点位置検出装置において、 前記被検物体の表面に対して所定の入射角で照明光を照
射するための照明光学系と、 前記照明光に対する前記被検物体の表面からの反射光を
前記対物光学系を介して受光するための受光素子とを備
え、 前記受光素子の受光面は前記被検物体の表面に入射する
照明光の主光線を含む平面とほぼ共役に構成されている
ことを特徴とする焦点位置検出装置。 - 【請求項２】 前記対物光学系と前記受光素子との間の
光路中には、前記被検物体の表面からの反射光を常に十
分小さな入射角で前記受光素子の受光面上に結像させる
ための補正光学系が設けられていることを特徴とする請
求項１に記載の焦点位置検出装置。 - 【請求項３】 前記補正光学系は、 前記被検物体の表面からの反射光の結像面とほぼ一致し
た入射面を有し、前記反射光を所定角度だけ屈折させる
ためのプリズムと、 前記プリズムを介した反射光を前記受光素子の受光面上
に再結像させるためのリレー光学系とを備えていること
を特徴とする請求項２に記載の焦点位置検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8067221A JPH09236408A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 焦点位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8067221A JPH09236408A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 焦点位置検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09236408A true JPH09236408A (ja) | 1997-09-09 |
Family
ID=13338647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8067221A Pending JPH09236408A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 焦点位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09236408A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002188903A (ja) * | 2000-09-07 | 2002-07-05 | Heidelberger Druckmas Ag | 並列処理光学距離計 |
| JP2013007645A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Nikon Corp | 測定装置、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法 |
| CN114415325A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-04-29 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 调焦光学成像*** |
-
1996
- 1996-02-28 JP JP8067221A patent/JPH09236408A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002188903A (ja) * | 2000-09-07 | 2002-07-05 | Heidelberger Druckmas Ag | 並列処理光学距離計 |
| JP2013007645A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Nikon Corp | 測定装置、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法 |
| CN114415325A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-04-29 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 调焦光学成像*** |
| CN114415325B (zh) * | 2022-02-22 | 2023-11-03 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 调焦光学成像*** |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040730 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040806 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20041130 |