专利名称：自动聚焦装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动聚焦装置，其基于待测物体的图像的对比度移动物镜以使物
镜始终聚焦在待测物体的待测面上。例如，该自动聚焦装置可用于在通过观察光学系统观 察待测物体的图像的同时测量待测物体的尺寸和形状的光学测量装置，例如图像测量装置 或显微镜。
背景技术：
迄今，在例如图像测量装置或显微镜等光学测量装置中，使用了自动聚焦装置，该 自动聚焦装置使用投射到待测物体的表面上的图案来进行聚焦。 例如，如图5所示，日本未审查专利申请2004-29069号公报中所论述的自动聚焦 装置包括光源1、投射透镜2、图案投射板3和进退机构4。图案投射板3介于光源1与投射 透镜2之间，并形成有预定图案(例如三角形图案)。进退机构4使图案投射板3进入光路 或者从光路退出。进退机构4包括弹簧和电磁线圈(solenoid)。该弹簧进行偏置操作，以 使图案投射板3沿着引导机构进入光路。该电磁线圈抵抗弹簧的偏置力，并使图案投射板 3从光路退出。引用标号5表示物镜，引用标号6表示光束分裂器，引用标号7表示管透镜 (tube lens)，而引用标号8表示CCD相机。 因此，例如，当对实质具有例如镜面或玻璃面等的低对比度的材料进行测量时，如 果图案投射板3进入光路中，则图案投射板3上的图案被投射到待测物体的待测面上。因 此，能够从该图案的对比度来进行聚焦。当无需投射图案时，如果激励电磁线圈，则能够使 图案投射板退出光路。 然而，在该现有技术自动聚焦装置中，当投射图案或不投射图案时，是通过弹簧的 偏置力或者电磁线圈的励磁或解磁来使图案投射板进入光路中或从光路中退出。因此，存 在例如流量(throughput)低、进行切换操作时生成的噪音大和寿命短等问题。
发明内容
因此，本发明的目的是处理上述问题，并提供一种自动聚焦装置，其能够克服有关 流量的问题、有关进行切换操作时生成的噪音的问题和有关寿命的问题。 根据本发明，提供了一种自动聚焦装置，其包括将光会聚在待测物体的待测面上 的物镜；能够基于来自所述物镜的光观察所述待测物体的图像的观察光学系统；基于在所 述观察光学系统获得的待测物体的图像的对比度使所述物镜在所述物镜的光轴方向上移 动的驱动机构；用于使光穿过所述物镜照射到所述待测物体的待测面上的照明光学系统光 路；和图案投射光学系统光路。在该自动聚焦装置中，在所述图案投射光学系统光路上设置 有形成有预定图案的图案投射板、投射透镜、和遮光器。 这里，除机械遮光器外，所述遮光器是指例如能够通过通电或不通电来切换成能 够透光的状态或者不能透光的状态的液晶板。机械遮光器优选是具有能够通过电子控制器 来打开或闭合这种结构的遮光器。
根据这种结构，由于能够使用图案投射光学系统光路来将预定图案投射到待测物
体的待测面上，所以能够从图案的对比度通过使物镜在轴线方向上移动来进行聚焦。因此，
即使使用了实质具有例如镜面或玻璃面等的低对比度的材料，也能够进行聚焦。 具体说，在所述图案投射光学系统光路上设置有形成有预定图案的图案投射板、
投射透镜和遮光器；并且图案投射板的图案投射进行与否是通过遮光器来进行的。因此，与
图案投射板由例如电磁线圈和弹簧来驱动进退的现有结构相比，能提高流量，能最小化在
进行切换期间生成的噪音，并且能延长寿命。 本发明的自动聚焦装置还可包括光源；光分割部件，用于将来自光源的光分割 成沿着所述照明光学系统光路的光和沿着所述图案投射光学系统光路的光；和光合成部 件，用于使来自所述图案投射光学系统光路的光与所述照明光学系统光路的光合并。
根据这种结构，光分割部件将来自光源的光分割成沿着照明光学系统光路的光和 沿着图案投射光学系统光路的光。因此，只使用了一个光源。这有助于降低零部件数量和 成本。另外，来自图案投射光学系统光路的光与照明光学系统光路的光被合并。因此，与将 来自图案投射光学系统光路的光和来自照明光学系统光路的光分别入射到物镜上的结构 相比，能简化装置的结构。 在本发明的自动聚焦装置中，所述遮光器可以设置在由所述光分割部件分割出的 所述照明光学系统光路上。 根据这种结构，由于在照明光学系统光路上也设置了遮光器，所以能够在投射图 案时遮挡照明光。因此，当投射图案时，能够获得具有高对比度的图案，并且能够实现高精 度聚焦。 在本发明的自动聚焦装置中，所述光分割部件可以包括将来自光源的光分割成沿 着所述照明光学系统光路的光和沿着多条图案投射光学系统光路的光的多个光分割光学 元件；并且在所述多条图案投射光学系统光路上设置有形成有不同图案的多个图案投射板 和多个遮光器。 根据这种结构，设置了多条图案投射光学系统光路，并且形成有不同图案的图案 投射板和遮光器设置在相应的图案投射光学系统光路上。因此，能够按照待测物体的材料 和表面状态来选择具有最佳图案的图案投射板。 图案投射板上形成的图案可使用任意图案，只要它们能实现检测边缘。然而，图案 优选为例如三角形图案、斜点阵图案或波状图案。在这些情况下，即使待测物体的边缘具有 方向性，其边缘也会保留在那里。即，该边缘不会被这些图案中任一种隐藏。因此，能进行 稳定的聚焦。
图1是本发明第一实施例的图像测量装置的光学系统结构图；
图2示出了第一实施例中的图案投射板的示例性图案；
图3是本发明第二实施例的图像测量装置的光学系统结构图；
图4是本发明第三实施例的图像测量装置的光学系统结构图；
图5是现有技术图像测量装置的光学系统结构图。
具体实施例方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。在描述实施例时，具有相同结构特征 或相同功能的相应零部件将使用相同的引用标号，并且将省略或简化相应零部件的重复描 述。 第一实施例 图1和2是本发明第一实施例的图像测量装置的光学系统结构图。
如图1所示，第一实施例的图像测量装置包括搁置台10、物镜11、光束分裂器12、 观察光学系统13、驱动机构16、光源20、光分割部件(lightdividing means) 21和光合成 部件(light synthesizing means) 22。搁置台IO上搁置待测物体W。物镜11使光会聚在 待测物体W的待测面上。光束分裂器12设置在物镜11的光轴上。观察光学系统13能够 基于透过光束分裂器12的光来观察待测物体W的图像。驱动机构16基于在观察光学系统 13获得的待测物体的图像的对比度，使物镜11在其光轴方向上移动。光分割部件21将来 自光源20的光分成沿着照明光学系统光路30的光和沿着图案投射光学系统光路40的光。 光合成部件22使来自图案投射光学系统光路40的光与照明光学系统光路30的光合并。
搁置台IO形成为能够在X轴方向(图1的左右方向)和Y轴方向(垂直于图1 纸面的方向)上移动。 观察光学系统13包括管透镜14和CCD相机15。管透镜14具有预定倍率并且设
置在物镜11的光轴上。CCD相机15拾取由管透镜14放大或縮小成预定倍率的图像。 驱动机构16使物镜11在光轴方向上移动，以便物镜11的焦点位于待测物体W的
待测面上。驱动机构16包括例如线圈17和磁体18。线圈17设置在保持物镜11的透镜保
持器处。磁体18固定于装置本体侧的静止构件，以与线圈17相对。 光源20包括例如发光二级管(LED)，但并不限于此。 光分割部件21和光合成部件22分别包括光束分裂器23和24。 照明光学系统光路30是从光束分裂器23(形成光分割部件21)向光束分裂器12
延伸的路径。在该光路上，从光束分裂器23朝光束分裂器12依次插入设置有照明透镜31
和光束分裂器24(形成光合成部件22) 。 S卩，这些部件构成普通照明光学系统。 图案投射光学系统光路40是从光束分裂器23 (形成光分割部件21)向光束分裂
器24(形成光合成部件22)延伸的路径。在该光路上，从光束分裂器23朝光束分裂器24
依次插入设置有电子控制遮光器41、镜子42、图案投射板43、镜子44和投射透镜45。艮卩，
这些部件构成图案投射光学系统。 电子控制遮光器41具有这样一种结构，其中，多个叶片彼此组合成圆形形状，并 且这些叶片通过驱动源打开或闭合。即，电子控制遮光器41具有这样一种结构，其中，当给 予遮光器打开/闭合命令时，驱动源被驱动，从而使多个叶片打开或闭合。
如图2所示，图案投射板43具有多个透光三角形图案和多个遮光三角形图案，透 光三角形图案和遮光三角形图案设置成彼此相邻，彼此相邻的三角形图案为逆向配置。可 以通过例如电子束印刷(electronic beamprinting)、转印(transfer)、烛亥lj (etching)禾口 划片机切割(cutting with dicingsaw)等一般加工技术，以高分辨率来制作图案投射板 43。 在上述结构中，进行测量时，当光从光源20发出，该光被光束分裂器23分割成沿着照明光学系统光路30的光和沿着图案投射光学系统光路40的光。 被分割到照明光学系统光路30的光穿过照明透镜31、光束分裂器24和光束分裂 器12入射到物镜11上，照亮待测物体W的待测面。从待测物体W的待测面反射的光透过 物镜11和光束分裂器12。然后，在被放大或縮小成管透镜14的倍率后，在CCD相机15上 形成图像。 这里，当确定由CCD相机15拾取的各个像素的对比度值时，如果该对比度值低，则 打开电子控制遮光器41。这使被分割到图案投射光学系统光路40的光穿过电子控制遮光 器41并被镜子42反射。然后，该反射光入射到图案投射板43上。由此，图案投射板43的 三角形图案穿过镜子44、投射透镜45、光束分裂器24、光束分裂器12和物镜11投射到待测 物体W的待测面上。 由此，基于CCD相机15拾取的各个像素的对比度值来驱动驱动机构16，使物镜11 朝光轴方向移动，并进行聚焦。 当物镜11聚焦后，关闭电子控制遮光器41。这使分割到图案投射光学系统光路40 的光被遮断，因此图案投射板43的三角形图案不再被投射到待测物体W的待测面上。在该 状态下，从CCD相机15拾取的待测物体W的图像来测量待测物体W的例如尺寸和形状等。
根据第一实施例，设置了照明光学系统光路30和图案投射光学系统光路40。另 外，在图案投射光学系统光路40上设置有电子控制遮光器41、形成有预定图案的图案投射 板43、和投射透镜45。此外，图案投射板43的图案投射与否由电子控制遮光器41来控制。 因此，与图案投射板由例如电磁线圈或弹簧来驱动进退的现有结构相比，能提高流量，能最 小化切换期间生成的噪音，并且能延长寿命。 通过形成光分割部件21的光束分裂器23，来自光源20的光被分成沿着照明光学 系统光路30的光和沿着图案投射光学系统光路40的光。因此，只需一个光源，从而能降低 零部件数量和成本。 通过形成光合成部件22的光束分裂器24，将来自图案投射光学系统光路40的光 与照明光学系统光路30的光合并。因此，与将来自图案投射光学系统光路40的光和照明 光学系统光路30的光分别入射到物镜11上的结构相比，能简化装置的结构。
第二实施例 图3是本发明第二实施例的图像测量装置的光学系统结构图。 第二实施例的图像测量装置与第一实施例的图像测量装置的不同之处在于，在照
明光学系统光路30上设置有电子控制遮光器32。 S卩，在照明透镜31与形成光分割部件21
的光束分裂器23之间插入设置有电子控制遮光器32。电子控制遮光器32与第一实施例的
电子控制遮光器41类似。 根据第二实施例，由于在照明光学系统光路30上也设置了电子控制遮光器32，所 以在图案投射期间照明光能被遮断。因此，在图案投射期间，能获得具有高对比度的图案， 从而能进行高精度聚焦。
第三实施例 图4是本发明第三实施例的图像测量装置的光学系统结构图。 第三实施例的图像测量装置与第二实施例的图像测量装置的不同之处在于，它包
括多个图案投射光学系统光路。
6
S卩，光分割部件21包括光束分裂器23和光束分裂器25。光束分裂器23用作将来 自光源20的光分成沿着照明光学系统光路30的光和沿着图案投射光学系统光路40的光 的光分割光学元件。光束分裂器25用作进一步将分割到图案投射光学系统光路40的光分 割成沿着第一图案投射光学系统光路40A的光和沿着第二图案投射光学系统光路40B的光 的光分割光学元件。 第一图案投射光学系统光路40A形成为从光束分裂器23穿过光束分裂器25、光束 分裂器26和投射透镜45向光束分裂器24延伸的路径。 第二图案投射光学系统光路40B形成为从光束分裂器25穿过镜子42、镜子44、光 束分裂器26和投射透镜45向光束分裂器24延伸的路径。 在第一图案投射光学系统光路40A上插入设置有电子控制遮光器41A和图案投射 板43A，在第二图案投射光学系统光路40B上插入设置有电子控制遮光器41B和图案投射板 43B，而图案投射板43A和图案投射板43B形成有不同的图案。 根据第三实施例，设置了第一图案投射光学系统光路40A和第二图案投射光学系 统光路40B。另外，分别在第一图案投射光学系统光路40A和第二图案投射光学系统光路 40B上插入设置了电子控制遮光器41A和电子控制遮光器41B以及形成有不同图案的图案 投射板43A和图案投射板43B。因此，能够按照待测物体的材料或表面状态来选择具有最佳 图案的图案投射板43A或图案投射板43B。因此，能够进一步提高自动聚焦功能。
变型例 本发明并不局限于上述实施例，因此本发明包括例如允许实现本发明目的的范围 内的各种变型和改进。 例如，虽然在各个实施例中，使用了电子控制遮光器41或电子控制遮光器41A和 41B(其中多个叶片彼此组合成圆形形状并且这些叶片通过驱动装置打开或闭合)，本发明 并不局限于此。例如，可以使用能够通过通电或不通电而在透光状态或遮光状态之间切换 的液晶板。 虽然，在各个实施例中，电子控制遮光器41或电子控制遮光器41A和41B插入图 案投射板43或图案投射板43A和43B之前，但本发明并不局限于此。电子控制遮光器41或 电子控制遮光器41A和41B可以设置在图案投射板43或图案投射板43A和43B之后。只 要电子控制遮光器41或电子控制遮光器41A和41B设置在图案投射光学系统光路40上或 图案投射光学系统光路40A和40B上，则电子控制遮光器41或电子控制遮光器41A和41B 可设置在任何地方。 相似地，虽然电子控制遮光器32插入照明透镜31之前，但本发明并不局限于此。 电子控制遮光器32可以设置在照明透镜31之后。只要电子控制遮光器32设置在照明光 学系统光路30上，则电子控制遮光器32可以设置在任何地方。 虽然在各个实施例中，来自 一个光源20的光被光束分裂器23分割成沿着照明光 学系统光路30的光和沿着图案投射光学系统光路40的光或者沿着图案投射光学系统光路 40A和40B的光，但本发明并不局限于此。可在照明光学系统光路30和图案投射光学系统 光路40或图案投射光学系统光路40A和40B上分别设置光源。 在第三实施例中，来自光源20的光被分割成沿着照明光学系统光路30的光以及 沿着第一图案投射光学系统光路40A和第二图案投射光学系统光路40B的光。然而，来自
7光源20的光可以被分割成沿着照明光学系统光路30和沿着三条或三条以上图案投射光学 系统光路的光。由此，能够进一步提高自动聚焦功能。 虽然在上述实施例中，图案投射板43的图案是三角形图案，但本发明并不局限于
此，也可以是其它类型的图案。例如，只要图案投射板43的图案能实现检测待测物体的边
缘，则可以使用任意图案，例如斜点阵(obliquelattice)图案或波状图案。 本发明能够应用于在通过观察光学系统观察待测物体的图像的同时测量待测物
体的尺寸和形状的光学测量装置，例如图像测量装置或显微镜。
权利要求
一种自动聚焦装置，包括将光会聚在待测物体的待测面上的物镜；能够基于来自所述物镜的光观察所述待测物体的图像的观察光学系统；基于在所述观察光学系统获得的待测物体的图像的对比度使所述物镜在所述物镜的光轴方向上移动的驱动机构；用于使光穿过所述物镜照射到所述待测物体的待测面上的照明光学系统光路；和图案投射光学系统光路；其中，在所述图案投射光学系统光路上设置有形成有预定图案的图案投射板；投射透镜；和遮光器。
2. 如权利要求l所述的自动聚焦装置，其中，还包括 光源；光分割部件，用于将来自所述光源的光分割成沿着所述照明光学系统光路的光和沿着 所述图案投射光学系统光路的光；禾口光合成部件，用于使来自所述图案投射光学系统光路的光与所述照明光学系统光路的 光合并。
3. 如权利要求2所述的自动聚焦装置，其中，所述遮光器设置在由所述光分割部件分 割出的所述照明光学系统光路上。
4. 如权利要求2或3所述的自动聚焦装置，其中，所述光分割部件包括将来自所述光源的光分割成沿着所述照明光学系统光路的光和 沿着多条图案投射光学系统光路的光的多个光分割光学元件；并且在所述多条图案投射光学系统光路上设置有形成有不同图案的多个图案投射板；和 多个遮光器。
全文摘要
本发明涉及一种自动聚焦装置，其包括物镜、观察光学系统、在物镜的光轴方向上移动物镜的驱动机构、用于使光穿过物镜照射待测物体的待测面的照明光学系统光路、和图案投射光学系统光路。在所述图案投射光学系统光路上设置有电子控制遮光器、形成有预定图案的图案投射板、和投射透镜。
文档编号G02B7/28GK101750712SQ200910246348
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年11月28日
发明者冈部宪嗣, 松宫贞行, 长滨龙也 申请人:株式会社三丰