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KR101568980B1 - Automatic focus control apparatus and automatic focus control method using the same - Google Patents

Automatic focus control apparatus and automatic focus control method using the same Download PDF

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KR101568980B1
KR101568980B1 KR1020130123511A KR20130123511A KR101568980B1 KR 101568980 B1 KR101568980 B1 KR 101568980B1 KR 1020130123511 A KR1020130123511 A KR 1020130123511A KR 20130123511 A KR20130123511 A KR 20130123511A KR 101568980 B1 KR101568980 B1 KR 101568980B1
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laser
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chromatic aberration
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조윤석
김민욱
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(주)가하
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Abstract

본 발명은 자동초점 조절장치에 관한 것으로서, 상이한 파장의 레이저광을 출력하는 복수 개 레이저 광원을 이용하여 이를 피사체에 조사하고, 조사된 광 중에서 반사되는 광을 이용하여 각 레이저광별 빔강도를 이용하는 색수차 방식을 이용한 자동초점 조절장치가 제공된다. 본 발명에서는 피사체에 조사하고 반사되는 복수 개 레이저광 중에서 어느 하나의 레이저광만을 필터링하고, 필터링된 레이저광의 빔강도를 이용하는 광삼각법을 적용하여 자동초점을 조절하는 기술도 제시된다.The present invention relates to an automatic focusing apparatus, and more particularly, to an automatic focusing apparatus which irradiates a subject with a plurality of laser light sources for outputting laser lights of different wavelengths and uses the light reflected from the irradiated light to perform a chromatic aberration An auto-focusing device using the optical system is provided. In the present invention, there is also proposed a technique of adjusting autofocus by filtering only one laser beam among a plurality of laser beams reflected and reflected from a subject, and applying a triangulation method using the beam intensity of the filtered laser beam.

Description

자동초점 조절장치 및 자동초점 조절방법{AUTOMATIC FOCUS CONTROL APPARATUS AND AUTOMATIC FOCUS CONTROL METHOD USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an automatic focusing apparatus,

본 발명은 자동초점 조절장치 및 자동초점 조절방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 둘 이상의 레이저 광원을 이용하여 색수차 방식으로 초점을 자동으로 조절하고, 또한 광삼각법을 동시에 적용할 수 있는 자동초점 조절장치 및 자동초점 조절방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an automatic focusing apparatus and an automatic focusing method, and more particularly, to an automatic focusing apparatus and an automatic focusing apparatus which can automatically adjust a focus using a chromatic aberration using two or more laser light sources, And an autofocus method.

일반적으로, 산업용 현미경은 LCD, PDP와 같은 디스플레이 패널을 비롯한 반도체 웨이퍼, 회로기판(PCB) 등의 표면 검사에 사용되고 있는 실정이며 이러한 산업용 현미경에는 자동으로 초점을 조절하는 자동초점 조절장치들이 구비된다.In general, industrial microscopes are used for surface inspection of semiconductor wafers, circuit boards (PCBs), etc., including display panels such as LCDs and PDPs, and such industrial microscopes are equipped with automatic focusing devices that automatically adjust the focus.

측정 대상물(피사체)의 이미지를 획득하는 광학시스템(현미경)에서 선명한 이미지를 획득하기 위해서는 측정 대상물이 대물렌즈의 정해진 초점 거리에 위치해야 한다. 렌즈의 초점 거리는 단 하나의 위치 값이 아닌, 초점이 맞은 것으로 인식되는 범위를 가지고 있고 이를 피사계 심도(D.O.F: Depth of Field)라 한다.In order to obtain a clear image in an optical system (microscope) for acquiring an image of a measurement object (object), the measurement object must be located at a predetermined focal distance of the objective lens. The focal length of the lens has a range that is regarded as focused, not a single position value, and is referred to as depth of field (D.O.F.).

자동 초점(Auto Focus)은 피사체에 초점을 자동으로 맞추는 것으로 피사체가 렌즈의 초점거리에서 피사계 심도 범위 내에 위치하도록 하는 것을 말한다.Auto Focus refers to automatically focusing the subject so that the subject is within the depth of field of the lens at the focal length of the lens.

평판 디스플레이(Flat Panel Display) 또는 반도체 산업계에서 많이 사용되는, 광학을 이용한 검사 시스템의 경우, 사용되는 대물렌즈의 심도가 낮거나 또는 피사체인 시료의 평탄도가 좋지 않은 경우 또는 바닥 진동이 큰 경우 선명한 이미지를 획득하기 어렵다. 이러한 문제를 극복하고 선명한 이미지를 얻기 위해 자동초점 조절장치가 필요하다.In the case of an inspection system using optical, which is widely used in flat panel displays or the semiconductor industry, when the depth of an objective lens used is low or when the flatness of a sample as a subject is poor or when floor vibrations are large, It is difficult to obtain images. To overcome these problems and obtain clear images, an autofocus system is needed.

자동초점 조절장치는 다양한 방식을 통해 초점 조절을 구현하고 있는데, 이중 광삼각법과 색수차를 이용하는 방식이 널리 사용되고 있다.The autofocusing system implements focus control through various methods, and dual photodetection and chromatic aberration are widely used.

광삼각법을 이용한 자동초점 조절 방식은 검사대상에 광을 조사한 후 반사된 광을 검출하여 그 광점(spot)을 판독함으로써 대물렌즈의 초점면을 검출하는 방식으로서, 도 1을 이용하여 광삼각법에 대해 간략하게 설명하기로 한다. 레이저 광원(10)을 빔스프리터(11, beam splitter)를 이용하여 대물렌즈(20)의 광축에 평행하게 입사시키면, 빛은 대물렌즈(20)에서 피사체 방향(z1, z2, z3)으로 굴절되고 피사체에서 반사된 빛은 역으로 다시 대물렌즈 방향으로 진행하게 된다. 광축 방향으로의 피사체 변위(△z)는 제1카메라(41)에 구비된 이미지센서(31)의 평면상의 변위(△p)로 변환되고 이를 환산하여 초점 위치를 구하게 된다. The auto-focus adjustment method using the optical triangulation method is a method of detecting the reflected light after the light is irradiated to the object to be inspected, and the spot of the reflected light is detected to detect the focal plane of the objective lens. Brief description will be given. When the laser light source 10 is incident parallel to the optical axis of the objective lens 20 using a beam splitter 11, the light is refracted in the object direction z1, z2 and z3 from the objective lens 20 The light reflected from the object is reversely traveled toward the objective lens again. The object displacement? Z in the direction of the optical axis is converted into a displacement? P on the plane of the image sensor 31 provided in the first camera 41, and the focal position is obtained by converting the displacement.

이 과정에서 대물렌즈(20)를 통하여 굴절되어 피사체로 입사되는 빛의 입사각은 렌즈의 NA(Numerical Aperture)에 비례한다. 참고적으로 NA는 일반적인 광학용 렌즈에서 렌즈의 초점을 통과하는 광선 중에서 렌즈 구경내로 들어가는 최대 입사각도 α를 사용하여 nsin α로 표시된다. 여기서 n은 초점과 렌즈 사이에서 본 매질의 굴절률이며 기호 NA는 영어의 두 문자를 취한 것으로 NA의 값은 렌즈가 어느 정도 넓은 광빔을 집광할 수 있는가를 나타내며 카메라 렌즈에서 밝기를 나타내는 F수와는 역수의 관계로서 값을 정하게 된다.In this process, the incident angle of the light refracted through the objective lens 20 and incident on the subject is proportional to the NA (Numerical Aperture) of the lens. For reference, NA is expressed as nsin? Using the maximum incident angle? That enters the lens aperture among the rays passing through the focus of the lens in a general optical lens. Where n is the index of refraction of the medium between the focal point and the lens, the symbol NA is the two letters of the English letter, and the value of NA indicates how large the light beam can be focused by the lens, As shown in FIG.

광삼각법을 이용한 자동 초점 조절 방법의 단점은 낮은 초점분해능에 있다. 도 2와 같이 초점분해능은 대물렌즈(20)의 NA에 비례하며, (a)에 제시된 대물렌즈(20-1)의 NA가 (b)에 제시된 대물렌즈(20-2)의 NA에 비해 큰 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 대물렌즈(20)의 NA가 작을수록 피사체의 높이 변화(△z)에 따른 이미지센서에 결상된 레이저 위치 변화량(△p)도 작아진다. 즉, △p1 > △p2의 관계가 성립된다. 따라서, 광삼각법에 따른 초점분해능은 대물렌즈(20)의 NA에 종속되는 한계를 가지게 된다.The disadvantage of the auto-focusing method using the optical triangulation is the low focus resolution. 2, the focus resolution is proportional to the NA of the objective lens 20, and the NA of the objective lens 20-1 shown in (a) is larger than the NA of the objective lens 20-2 shown in (b) . The smaller the NA of the objective lens 20 is, the smaller the laser position change amount? P formed on the image sensor in accordance with the height change? Z of the subject. That is, the relationship of? P1>? P2 is established. Therefore, the focus resolution according to the optical triangulation method has a limitation depending on the NA of the objective lens 20. [

또 다른 자동 초점 조절 방법 방법으로는 색수차(chromatic aberration)를 이용하는 방법이 있다. 도 3은 색수차 방식을 설명하기 위한 자동초점 조절장치의 구성도이다. 백색 광원(13, white light)은 제1핀홀(또는 공간필터, 15)을 지나 빔스프리터(11, beam splitter)를 이용하여 대물렌즈(20) 광축에 입사시킨다. 여기서 핀홀(15)은 통상적으로 슬릿이라고도 불리어지는 것으로서 직사각형 모양의 개구를 갖도록 구성하는 것이 바람직하며, 입력되는 광의 형상을 변환하는데 주로 사용된다. 대물렌즈(20)에 입사한 백색 광원은 대물렌즈를 투과하여 파장대별 다른 초점 거리를 가지게 된다. 피사체에서 반사된 빛은 빔스프리터(11)를 지나 제2핀홀(17)에 입사한다. 이때, 피사체의 위치와 일치하는 초점거리를 가진 파장만이 제2핀홀(17)을 통과한다. 도 3에 도시된 바와 같이 피사체가 z2의 초점거리에 위치해 있다면, λ2 파장을 갖는 광만이 제2핀홀(17)을 통과한다. 제2핀홀(17)을 통과한 빛은 집광렌즈(19)에 의해 평행광으로 변환된 후 회절격자(23, deffraction grating) 또는 프리즘에 입사하고, 파장 별로 다른 투과각도를 가지고 굴절 출사된다. 회절격자(23)를 지난 빛은 집광렌즈(25)에서 집광된 후 라인센서(33)에 결상되며, 파장 별로 다른 픽셀 위치를 가지게 된다. 따라서 라인센서(33)의 픽셀 위치 데이터를 분석하여 대물렌즈(20)로부터 피사체까지의 거리를 알 수 있고, 이를 이용하여 피사체가 대물렌즈의 초점거리에 위치하도록 광학계를 광축 방향으로 제어하거나 시료를 광축 방향으로 제어하게 된다. 물론 라인센서(33) 대신에 이미지센서를 사용할 수 있으나 이미지센서를 사용할 경우에는 다시 라인 단위로 분리해야 하므로 바람직하게는 라인센서를 사용하는 것이 좋다.Another method of auto focus adjustment is to use chromatic aberration. 3 is a configuration diagram of an auto-focus adjusting apparatus for explaining a chromatic aberration method. A white light source 13 is incident on the optical axis of the objective lens 20 through a first pinhole (or a spatial filter 15) using a beam splitter 11. Here, the pinhole 15 is generally called a slit, and is preferably configured to have a rectangular opening, and is mainly used for converting the shape of input light. The white light source incident on the objective lens 20 transmits the objective lens and has a different focal distance for each wavelength band. The light reflected from the object passes through the beam splitter 11 and is incident on the second pinhole 17. At this time, only the wavelength having the focal distance coinciding with the position of the subject passes through the second pinhole 17. As shown in Fig. 3, if the subject is located at the focal length of z2, only light having a wavelength of? 2 passes through the second pinhole 17. Fig. The light having passed through the second pinhole 17 is converted into parallel light by the condenser lens 19, enters the diffraction grating 23 or the prism, and is refracted at a different transmission angle for each wavelength. The light passing through the diffraction grating 23 is focused on the line sensor 33 after being condensed by the condenser lens 25 and has different pixel positions for respective wavelengths. Therefore, by analyzing the pixel position data of the line sensor 33, it is possible to know the distance from the objective lens 20 to the subject. By using this, the optical system can be controlled in the direction of the optical axis so that the subject is located at the focal length of the objective lens, It is controlled in the optical axis direction. Of course, an image sensor can be used instead of the line sensor 33. However, when an image sensor is used, it is preferable to use a line sensor because it needs to be separated again in units of lines.

그런데 색수차를 이용한 자동 초점 조절 방식은 할로겐(halogen)이나 LED 같은 백색 광원이 사용된다. 백색광원은 레이저와 비교했을 때, 가간접성(coherence), 평행성(collimation), 휘도성(Brightness)이 낮다. 즉, 레이저보다 확산이 잘되고 에너지 밀도가 작아 광경로가 길어지거나 투과율이 높은 피사체의 경우, 이미지를 획득하기 위해서는 이미지센서의 노출시간(Exposure Time)을 증가시켜야 한다. 이는 초점 조절 시간을 증가시키므로 산업계에서 사용하기 적합하지 않으며, 또한 노출시간 증가는 이미지센서의 노이즈도 증가시키므로 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 낮은 휘도성을 극복하기 위해 제논(Xenon) 조명을 사용할 수도 있지만, 제논조명은 높은 단가와 짧은 수명시간(약 1,000 hr)으로 산업계에 적합하기 않은 문제점이 있었다.
However, a white light source such as a halogen or an LED is used for the automatic focusing method using the chromatic aberration. The white light source has low coherence, collimation and brightness compared with the laser. That is, in the case of a subject having a longer optical path or a higher transmittance because of better diffusion than a laser and a smaller energy density, the exposure time of the image sensor must be increased in order to acquire an image. This increases the focus adjustment time, which is not suitable for use in industry, and the increase in exposure time also increases the noise of the image sensor, which is disadvantageous in that the accuracy is lowered. Xenon lighting can be used to overcome low luminance, but Xenon lighting has problems with high unit cost and short lifetime (about 1,000 hr) that are not suitable for the industry.

특허문헌 1: 대한민국공개특허 제10-2011-0023992호 (2011년03월09일 공개)Patent Document 1: Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-0023992 (published on March 09, 2011) 특허문헌 2: 대한민국공개특허 제10-2007-0078918호 (2007년08월03일 공개)Patent Document 2: Korean Patent Laid-Open No. 10-2007-0078918 (published on Aug. 03, 2007)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 광삼각법에 따른 초점분해능이 대물렌즈의 NA에 종속되는 한계를 해소하고, 또한 색소법에 따른 백색 광원의 문제점을 해소하는 서로 다른 파장을 갖는 두 개 이상의 레이저를 사용하여 색수차를 발생시키고 나아가 광삼각법을 이용하여 자동으로 초점을 찾는 자동초점 조절장치 및 자동초점 조절방법를 제공함을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, The present invention provides an automatic focusing device and an automatic focusing method that automatically generate a chromatic aberration by using more than two lasers,

본 발명의 상기 목적은 빔스프리터를 구비하는 대물렌즈를 구비하고, 상기 대물렌즈 하단에 놓여지는 피사체에 맺히는 초점을 자동으로 포커싱하는 자동 포커스 조절 장치에 있어서, 서로 다른 제1파장 및 제2파장을 각각 출력하는 두 개의 레이저 광원과, 두 개의 레이저 광원에서 출사되는 광을 각각 평행광으로 출사시키는 제1핀홀과, 제1핀홀에서 출사되는 광을 합성하여 출력하는 제1빔스프리터와, 제1빔스프리터로부터 출력되는 레이저광의 색수차를 증대시킨 후 상기 렌즈로 출력하는 색수차렌즈와, 대물렌즈에 구비된 빔스프리터로부터 출력되는 광을 평행광으로 출사시키는 제2핀홀과, 제2핀홀로부터 출사되는 레이저광을 회절시키는 회절격자와, 회절격자로부터 출력되는 광을 센싱하는 라인센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치에 의해 달성 가능하다.The object of the present invention is to provide an automatic focus adjusting apparatus which has an objective lens equipped with a beam splitter and which automatically focuses a focus formed on a subject placed at the lower end of the objective lens, A first beam splitter for combining the light emitted from the first pinhole and the first pinhole for outputting the light emitted from the two laser light sources as parallel light, A chromatic aberration lens for increasing the chromatic aberration of the laser beam output from the splitter and outputting the laser beam to the lens; a second pinhole for emitting the light output from the beam splitter provided in the objective lens as parallel light; A diffraction grating for diffracting light; and a line sensor for sensing light output from the diffraction grating, It can be achieved by the apparatus.

바람직하게는 상기의 자동초점 조절장치는 색수차렌즈로부터 출력된 광이 상기 대물렌즈에 의해 피사체에 조사된 후 반사되는 광을 출력시킨 후, 상기 출력된 레이저광으로부터 정해진 범위의 주파수를 갖는 광만을 밴드패스시키는 밴드패스필터와, 밴드패스필터로부터 출력되는 광을 전기적인 신호를 변환하는 이미지센서를 더 포함하는 것이 좋다.Preferably, the autofocusing apparatus outputs only light having a predetermined range of frequency from the output laser beam, after outputting the light reflected from the object after the light output from the chromatic aberration lens is irradiated on the subject, And an image sensor for converting electrical signals output from the band pass filter to an electrical signal.

본 발명의 또 다른 목적은 피사체에 복수 개 레이저 광을 조사하여 피사체와의 거리를 자동으로 조절하는 자동초점 조절방법으로서, 파장이 서로 상이한 복수 개 레이저광을 색수차렌즈에 입사시키는 제1단계와, 색수차렌즈로부터 출사되는 레이저광을 피사체에 조사하는 제2단계와, 피사체로부터 반사되는 레이저광을 핀홀에 입사시키는 제3단계와, 핀홀로부터 출사되는 레이저광을 회절격자에 입사시키는 제4단계 및 회절격자로부터 출사되는 레이저광의 파장별 강도(intensity)를 센싱하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절방법에 의해서 달성 가능하다.It is still another object of the present invention to provide an automatic focusing method for automatically adjusting a distance to a subject by irradiating a plurality of laser beams to a subject, comprising: a first step of causing a plurality of laser beams having different wavelengths to enter a chromatic aberration lens; A second step of irradiating laser light emitted from a chromatic aberration lens to a subject, a third step of causing a laser light reflected from the subject to enter a pinhole, a fourth step of causing the laser light emitted from the pinhole to enter the diffraction grating, And a fifth step of sensing an intensity of each laser beam emitted from the diffraction grating at each wavelength of the laser beam.

바람직하게는 자동초점 조절방법은 피사체로부터 반사되는 레이저광 중에서 특정 영역을 파장만을 투과시키는 밴드패스 필터링을 수행하는 제6단계와, 밴드패스 필터링된 레이저광의 강도값을 센싱하는 제7단계를 더 포함하는 것이 좋다.
Preferably, the automatic focusing method further includes a sixth step of performing band pass filtering for transmitting only a specific wavelength of the laser light reflected from the subject, and a seventh step of sensing the intensity value of the band-pass filtered laser light It is good to do.

본 발명에서 제안한 자동초점 조절장치의 장점은 다음과 같다. 두 개의 이미지 센서를 사용하여 각각 광삼각법, 색수차 방법으로 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 분석하므로 측정 데이터 증가로 정밀도가 향상된다.Advantages of the automatic focusing device proposed by the present invention are as follows. By using two image sensors, the distance from the lens to the subject is analyzed by the optical triangulation method and the chromatic aberration method, respectively.

색수차 방법을 사용하여 렌즈의 NA가 작아질수록 분해능이 저하되었던 광삼각법을 보완하였다. 따라서 텔레센트릭 렌즈와 같이 NA가 작은 광학계에도 적용할 수 있어, 다양한 검사 시스템에 활용될 수 있다. 또한, 레이저 광원 사용으로 투과율이 높은 피사체도 이미지 센서의 노출시간을 줄일 수 있으므로 초점 조절 시간이 빨라진다.
By using the chromatic aberration method, the optical triangulation method, in which the resolution decreased as NA of the lens decreased, was compensated. Therefore, the present invention can be applied to an optical system having a small NA such as a telecentric lens, and can be utilized in various inspection systems. In addition, the use of the laser light source can also reduce the exposure time of the image sensor, thereby increasing the focusing time.

도 1은 광삼각법을 설명하기 위한 자동초점 조절장치의 구성도.
도 2는 광삼각법을 이용할 경우 렌즈의 NA값에 따른 자동초점 조절장치의 정밀도를 설명하기 위한 구성도.
도 3은 색수차 방식을 설명하기 위한 자동초점 조절장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 색수차를 이용한 자동초점 조절장치의 구성도.
도 5는 도 4에 제시된 초점 자동 조절 장치를 이용하여 색수차를 통해 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 분석하는 방법을 설명하는 설명도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 색수차 및 광삼각법을 이용한 자동초점 조절장치의 구성도.
도 7은 도 6에 제시된 초점 자동 조절 장치를 이용하여 광삼각법을 통해 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 분석하는 방법을 설명하는 설명도.
Brief Description of the Drawings Fig. 1 is a configuration diagram of an auto-focus adjusting apparatus for explaining a triangulation method. Fig.
FIG. 2 is a view for explaining the accuracy of the automatic focusing device according to the NA value of the lens when using the phototriangular method; FIG.
3 is a configuration diagram of an automatic focusing device for explaining a chromatic aberration method.
4 is a configuration diagram of an automatic focusing device using chromatic aberration according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view for explaining a method of analyzing a distance from a lens to a subject through a chromatic aberration using the automatic focusing device shown in FIG. 4;
6 is a configuration diagram of an automatic focusing device using a chromatic aberration and a photodetection method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view for explaining a method of analyzing the distance from a lens to a subject through a photo-trigonometric method using the automatic focusing device shown in FIG. 6;

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
In the following, preferred embodiments, advantages and features of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 색수차를 이용한 자동초점 조절장치의 구성도이다. 본 발명에 따른 색수차를 이용한 자동초점 조절장치는 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 레이저 광원(12, 14)을 사용하여 기존 색수차 현미경에서 사용되는 백색광원을 대체하였다. 백색광원을 레이저로 대체함으로써 광원의 부피 대비 고출력 광량을 확보할 수 있다. 또한, 레이저를 광원으로 활용함으로써 가간접성(coherence), 평행성(collimation), 휘도성(Brightness) 측면에서 많은 이점을 갖게 된다. 도 4에 도시된 바로는 파장이 다른 두 개의 레이저 광원(12, 14)을 사용하는 것으로 도시하였으나, 파장이 다른 레이저 광원의 개수를 증가시킬수록 측정 데이터가 많아지므로 정밀도를 향상시킬 수 있다. 편의상 도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 레이저 광원을 사용하는 실시예에 대해 설명하기로 한다.FIG. 4 is a block diagram of an automatic focusing apparatus using chromatic aberration according to an embodiment of the present invention. The automatic focusing apparatus using the chromatic aberration according to the present invention replaces a white light source used in a conventional chromatic aberration microscope by using two laser light sources 12 and 14 having different wavelengths. By replacing the white light source with a laser, it is possible to secure a high output light amount with respect to the volume of the light source. In addition, the use of a laser as a light source has many advantages in terms of coherence, collimation, and brightness. 4, the two laser light sources 12 and 14 having different wavelengths are used. However, as the number of laser light sources having different wavelengths is increased, the number of measured data increases, so that the accuracy can be improved. For convenience, an embodiment using two laser light sources as shown in FIG. 4 will be described.

파장(λ1, λ2)이 다른 두 개의 레이저 다이오드(12, 14)에서 출력된 확산광은 각각 제1핀홀(15-1, 15-2)을 지나 집광렌즈를 통해 평행광으로 출력된다. 평행광은 제1빔스프리터(16-1, 16-2)를 통해 색수차렌즈(Chromatic Aberration Lens, 18)에 입사하고, 색수차렌즈(18)를 통과한 레이저광은 대물렌즈(20)의 빔스프리터(11)에 입사된다. 색수차렌즈(18)는 파장별로 굴절각을 달리하여 출력하는 렌즈이다. 물론 광학 원리상 제1빔스프리터(16-2)는 완전 반사형 미러로 구현하거나 또는 색수차렌즈(18)와 제1빔스프리터(16-1) 사이를 연장한 위치에 레이저 다이오드(14)와 제1핀홀(15-2)을 위치시킬 경우 생략할 수 있음은 물론이다. 대물렌즈(20)에 입사한 레이저는 대물렌즈(20)를 투과하여 파장대별 다른 초점 거리를 가지게 된다. 피사체(z1, z2)에서 반사된 레이저는 대물렌즈의 빔스프리터(11) 및 제2빔스프리터(22)를 지나 제2핀홀(17)에 입사한다. 제2핀홀(17)을 통과한 레이저는 회절격자(23) 또는 프리즘으로 인해 파장 별로 각기 다른 투과 각도를 가지고 제2이미지센서(33)에 입사한다. 여기서 참조기호 32 및 34는 집광렌즈를 나타낸다.The diffused light output from the two laser diodes 12 and 14 having different wavelengths lambda 1 and lambda 2 is output as parallel light through the first pinholes 15-1 and 15-2 through the condenser lens. The parallel light is incident on the chromatic aberration lens 18 through the first beam splitter 16-1 and 16-2 and the laser light having passed through the chromatic aberration lens 18 is incident on the beam splitter 16 of the objective lens 20, (11). The chromatic aberration lens 18 is a lens that outputs different refractive indices for different wavelengths. Of course, the first beam splitter 16-2 may be implemented as a fully reflective mirror in the optical principle, or may be implemented by a laser diode 14 and a second beam splitter 16-1 at a position extending between the chromatic aberration lens 18 and the first beam splitter 16-1. It is needless to say that the pinhole 15-2 may be omitted. The laser beam incident on the objective lens 20 passes through the objective lens 20 and has a different focal length for each wavelength band. The laser reflected from the objects z1 and z2 enters the second pinhole 17 through the beam splitter 11 and the second beam splitter 22 of the objective lens. The laser beam having passed through the second pinhole 17 is incident on the second image sensor 33 at different transmission angles for respective wavelengths due to the diffraction grating 23 or the prism. Here, reference numerals 32 and 34 denote a condenser lens.

도 5는 도 4에 제시된 초점 자동 조절 장치를 이용하여 색수차를 통해 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 분석하는 방법을 설명하는 설명도이다. 도 5에서 (a)는 피사체가 z1에 위치한 경우를 나타내고, (b)는 피사체가 z1과 z2 사이에 위치한 경우를 나타내고, (c)는 피사체가 z2에 위치한 경우를 나타내며, 각 그래프의 가로축은 픽셀 위치를 표시하고, 세로축은 광량을 나타낸다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이 피사체가 z1에 있는 경우, λ1의 초점거리에 위치하므로 제2핀홀(17)을 통과하는 광량이 λ1은 증가하고 λ1는 감소한다. 즉, 라인센서(33)에서 획득한 레이저의 강도(intensity)는 λ1은 밝고, λ2는 어둡다. 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시된 바와 같이 피사체가 z1에서 z2로 이동할수록 λ1의 밝기는 감소하고 λ2의 밝기는 증가한다. 따라서 광축 방향으로의 피사체 변위는 라인센서에서 획득한 레이저 밝기 데이터로 정밀하게 판별할 수 있다.
FIG. 5 is an explanatory view illustrating a method of analyzing a distance from a lens to a subject through a chromatic aberration using the automatic focusing device shown in FIG. FIG. 5A shows a case where the subject is located at z1, FIG. 5B shows a case where the subject is located between z1 and z2, FIG. 5C shows a case where the subject is located at z2, Pixel position, and the vertical axis represents the amount of light. As shown in Fig. 5 (a), when the subject is at z1, the amount of light passing through the second pinhole 17 increases because? 1 is increased and? 1 is decreased. That is, the intensity of the laser obtained by the line sensor 33 is lambda 1 is bright and lambda 2 is dark. As shown in Figs. 5 (b) and 5 (c), as the subject moves from z1 to z2, the brightness of? 1 decreases and the brightness of? 2 increases. Therefore, the object displacement in the direction of the optical axis can be accurately discriminated from the laser brightness data acquired by the line sensor.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 색수차 및 광삼각법을 이용한 자동초점 조절장치의 구성도이다. 색수차 원리에 광삼각법을 더한 자동 초점 조절 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한 색수차 원리를 이용한 방법에 밴드패스 필터(43)와 제1이미지센서(31)를 추가한 구성을 갖는다. 도 6의 구성에서 광삼각법을 이용한 방식에 대해서만 간략하게 설명하기로 한다.FIG. 6 is a configuration diagram of an automatic focusing device using a chromatic aberration and a photodetection method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the automatic focus adjustment method of adding the optical trigonometry to the principle of the chromatic aberration includes the bandpass filter 43 and the first image sensor 31 in the method using the principle of the chromatic aberration described with reference to FIG. 4 and FIG. And has an added configuration. Only the method using the optical triangulation method will be briefly described in the configuration of FIG.

파장이 다른 두 개의 레이저 다이오드(12, 14)에서 출력된 확산광은 각각 제1핀홀(15-1, 15-2)을 지나 집광렌즈를 통해 평행광으로 생성된다. 평행광은 제1빔스프리터(16-1, 16-2)를 통해 색수차렌즈(Chromatic Aberration Lens, 18)에 입사하고, 색수차렌즈(18)를 통과한 레이저광은 대물렌즈(20)의 빔스프리터(11)에 입사한다. 이러한 구성에서 제1빔스프리터(16-2)는 파장에 따른 선택적 투과 기능이 필요하지 않으므로 완전 반사형 미러를 사용하여도 무방하다. 대물렌즈(20)에 입사한 레이저는 대물렌즈를 투과하여 파장대별 다른 초점 거리를 가지게 된다. 피사체(z1, z2)에서 반사된 레이저 중 일부는 대물렌즈의 빔스프리터(11)에서 반사된 후 제2빔스프리터(22)로 입사되고, 나머지는 대물렌즈의 빔스프리터(11)를 투과한 후 밴드패스필터(43)로 입사된 후, 이미지센서(31)에 상을 맺게 된다. 도 6의 구성에서 파장이 상이한 두 개의 레이저 광원(12, 14)을 사용하는데 광삼각법을 이용할 경우에는 단일 파장의 레이저광만이 필요하므로 밴드패스필터(43)을 이용하여 나머지 파장의 레이저광을 제거하고 원하는 파장의 레이저광만을 이미지센서(31)에 입사되도록 하였다.The diffused light output from the two laser diodes 12 and 14 having different wavelengths is generated as parallel light through the first pinholes 15-1 and 15-2 and through the condenser lens. The parallel light is incident on the chromatic aberration lens 18 through the first beam splitter 16-1 and 16-2 and the laser light having passed through the chromatic aberration lens 18 is incident on the beam splitter 16 of the objective lens 20, (11). In this configuration, the first beam splitter 16-2 does not need a selective transmission function according to the wavelength, so a fully reflective mirror may be used. The laser beam incident on the objective lens 20 passes through the objective lens and has a different focal distance for each wavelength band. Some of the laser beams reflected by the objects z1 and z2 are reflected by the beam splitter 11 of the objective lens and then incident on the second beam splitter 22 and the remaining beams are transmitted through the beam splitter 11 of the objective lens Passes through the band-pass filter 43, and forms an image on the image sensor 31. In the configuration of FIG. 6, when two laser light sources 12 and 14 having different wavelengths are used, only laser light of a single wavelength is required when using the triangulation method. Therefore, the laser light of the remaining wavelength is removed by using the band- So that only the laser light having a desired wavelength is incident on the image sensor 31.

도 7은 도 6에 제시된 초점 자동 조절 장치를 이용하여 광삼각법을 통해 렌즈로부터 피사체까지의 거리를 분석하는 방법을 설명하는 설명도이다. 도 7에서 (a)는 피사체가 z1에 위치한 경우를 나타내고, (b)는 피사체가 z2에 위치한 경우를 나타내며, 각 그래프의 가로축은 픽셀 위치를 표시하고, 세로축은 광량을 나타낸다. 피사체가 z1에 있을 때와 z2에 있을 때, 이미지센서(31)에 결상된 레이저 스팟(spot)의 픽셀 위치가 달라진다. 따라서 광축 방향으로의 피사체 변위는 이미지센서(31)에서 획득한 레이저 스팟의 픽셀 위치 데이터로 판별할 수 있다.
FIG. 7 is an explanatory view illustrating a method of analyzing a distance from a lens to a subject through a photo-trigonometric method using the automatic focusing device shown in FIG. 7 (a) shows a case where the subject is located at z1, (b) shows a case where the subject is located at z2, the horizontal axis of each graph represents the pixel position, and the vertical axis represents the amount of light. When the subject is at z1 and at z2, the pixel position of the laser spot formed on the image sensor 31 is changed. Therefore, the object displacement in the direction of the optical axis can be determined as the pixel position data of the laser spot acquired by the image sensor 31.

지금까지의 자동초점 조절장치의 설명 상으로는 누락되었으나 자동초점 조절장치에는 대물렌즈 또는 피사체 등의 검사 시편을 올려놓는 부재를 상하로 이동시키는 상하이동 액튜에이터와, 이미지센서 및/또는 라인센서로부터 출력되는 출력값을 분석하고, 상하이동 액튜에이터를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 제어연산부가 별도로 더 구비되어야 한다. 도 4의 경우에는 제어연산부는 라인센서(33)로부터 출력되는 두 개의 레이저광원의 파장별 빔강도(intensity)값을 이용하여 상하이동 액튜에이터를 제어하는 제어신호를 생성하며, 도 6의 경우에는 제어연산부는 (1) 라인센서(33)로부터 출력되는 두 개의 레이저광원의 파장별 빔강도(intensity)값을 이용하여 상하이동 액튜에이터를 제어하는 제어신호를 생성하거나, (2) 이미지센서(31)로부터 출력되는 어느 하나의 레이저광원의 빔강도(intensity)값을 이용하여 상하이동 액튜에이터를 제어하는 제어신호를 생성하거나 또는 (3) 라인센서(33)로부터 출력되는 두 개의 레이저광원의 파장별 빔강도(intensity)값과 이미지센서(31)로부터 출력되는 어느 하나의 레이저광원의 빔강도(intensity)값을 모두 이용하여 상하이동 액튜에이터를 제어하는 제어신호를 생성할 수 있다.
The automatic focusing device is omitted from the description of the conventional automatic focusing device. However, the automatic focusing device includes a vertical movement actuator for moving the member for placing the inspection specimen such as the objective lens or the object up and down, and an output value output from the image sensor and / And a control operation unit for generating a control signal for adjusting the up-and-down moving actuator. 4, the control operation unit generates a control signal for controlling the up-and-down movement actuator by using the beam intensity values of the two laser light sources output from the line sensor 33. In the case of FIG. 6, The arithmetic operation unit generates (1) a control signal for controlling the up-and-down moving actuator by using a beam intensity value for each wavelength of the two laser light sources output from the line sensor 33, (2) A control signal for controlling the up-and-down movement actuator is generated using the beam intensity value of any one of the output laser light sources, or (3) the beam intensity of each of the two laser light sources output from the line sensor 33 intensity control signal for controlling the up-and-down movement actuator using both the intensity value of the laser light source and the intensity value of one of the laser light sources output from the image sensor 31. [

도 6에 제시된 본 발명에 따른 피사체에 복수 개 레이저 광을 조사하여 피사체와의 거리를 자동으로 조절하는 자동초점 조절방법을 간략히 정리하면, 파장이 서로 상이한 복수 개 레이저광을 색수차렌즈에 입사시키는 제1단계와, 색수차렌즈로부터 출사되는 레이저광을 피사체에 조사하는 제2단계와, 피사체로부터 반사되는 레이저광을 핀홀에 입사시키는 제3단계와, 핀홀로부터 출사되는 레이저광을 회절격자에 입사시키는 제4단계 및 회절격자로부터 출사되는 레이저광의 파장별 강도(intensity)를 센싱하는 제5단계를 포함하는 색수차 방식인 것이다. 도 6에 제시된 자동초점 조절방법은 색수차 방식 외에도 광삼각법을 함께 적용할 수 있으며, 제2단계 이후에 수행되는 단계로서, 피사체로부터 반사되는 레이저광 중에서 특정 영역을 파장만을 투과시키는 밴드패스 필터링을 수행하는 제6단계와, 밴드패스 필터링된 레이저광의 강도값을 센싱하는 제7단계를 포함하는 광삼각법을 추가적으로 이용하면 보다 정밀한 자동초점 조절이 가능하다.
6 schematically shows an automatic focusing method for automatically adjusting the distance to a subject by irradiating a plurality of laser beams onto a subject according to the present invention. A second step of irradiating a laser beam emitted from a chromatic aberration lens onto a subject, a third step of causing a laser beam reflected from the subject to enter a pinhole, and a step of causing the laser beam emitted from the pinhole to enter a diffraction grating A fourth step and a fifth step of sensing the intensity of the laser beam emitted from the diffraction grating at each wavelength. The automatic focus adjustment method shown in FIG. 6 can be applied together with the optical triangulation method in addition to the chromatic aberration method, and is performed after the second step, and performs band pass filtering that transmits only a specific region of the laser light reflected from the subject, And a seventh step of sensing the intensity value of the band-pass filtered laser light, in addition to the optical triangulation method.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시 되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 상상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여려가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
While the preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated above using specific terms, such terms are used only for the purpose of clarifying the invention, and it is to be understood that the embodiments of the invention and the described terminology are intended to cover various modifications, It is obvious that various changes and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Such modified embodiments should not be understood individually from the spirit and scope of the present invention, but should be regarded as being within the scope of the claims of the present invention.

10, 12, 14: 레이저 광원 11: 빔스프리터
13: 백색 광원 15, 15-1, 15-2: 제1핀홀
16-1, 16-2: 제1빔스프리터 17: 제2핀홀
18: 색수차렌즈 19, 32, 34: 집광렌즈
20: 대물렌즈 22: 제2빔스프리터
23: 회절격자 31: 이미지센서
33: 라인센서 41: 제1카메라
42: 제2카메라
10, 12, 14: laser light source 11: beam splitter
13: white light source 15, 15-1, 15-2: first pinhole
16-1, 16-2: first beam splitter 17: second pinhole
18: chromatic aberration lenses 19, 32, 34: condensing lens
20: objective lens 22: second beam splitter
23: diffraction grating 31: image sensor
33: line sensor 41: first camera
42: Second camera

Claims (8)

삭제delete 빔스프리터를 구비하는 대물렌즈를 구비하고, 상기 대물렌즈 하단에 놓여지는 피사체에 맺히는 초점을 자동으로 포커싱하는 자동 포커스 조절 장치에 있어서,
서로 다른 파장을 각각 출력하는 복수 개 레이저 광원과,
상기 복수 개 레이저 광원에서 출사되는 광을 각각 평행광으로 출사시키는 제1핀홀과,
상기 제1핀홀에서 출사되는 광을 합성하여 출력하는 제1빔스프리터와,
상기 제1빔스프리터로부터 출력되는 레이저광의 색수차를 증대시킨 후 상기 렌즈로 출력하는 색수차렌즈와,
상기 대물렌즈에 구비된 빔스프리터로부터 출력되는 광을 평행광으로 출사시키는 제2핀홀과,
상기 제2핀홀로부터 출사되는 레이저광을 회절시키는 회절격자와,
상기 회절격자로부터 출력되는 광을 센싱하는 라인센서와,
상기 색수차렌즈로부터 출력된 광이 상기 대물렌즈에 의해 피사체에 조사된 후 반사되는 광을 출력시킨 후, 상기 출력된 레이저광으로부터 정해진 범위의 주파수를 갖는 광만을 밴드패스시키는 밴드패스필터 및
상기 밴드패스필터로부터 출력되는 광을 전기적인 신호를 변환하는 이미지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치.
An automatic focus adjusting apparatus comprising an objective lens having a beam splitter and automatically focusing a focus on a subject placed at the lower end of the objective lens,
A plurality of laser light sources respectively outputting different wavelengths;
A first pinhole for emitting the light emitted from the plurality of laser light sources as parallel light,
A first beam splitter for combining and outputting light emitted from the first pinhole,
A chromatic aberration lens for increasing the chromatic aberration of laser light output from the first beam splitter and outputting the chromatic aberration to the lens;
A second pinhole for emitting the light output from the beam splitter provided in the objective lens as parallel light,
A diffraction grating for diffracting laser light emitted from the second pinhole;
A line sensor for sensing light output from the diffraction grating,
A band-pass filter for outputting light reflected from the object after the light output from the chromatic aberration lens is irradiated to the object and then band-pass only light having a frequency within a predetermined range from the output laser light;
And an image sensor for converting electrical signals output from the band-pass filter into electrical signals.
제 2항에 있어서,
상기 대물렌즈 또는 피사체를 상하로 이동시키는 상하이동 액튜에이터와,
상기 라인센서로부터 출력되는 상기 복수 개 레이저광원의 파장별 강도(intensity) 값을 이용하여 상기 상하이동 액튜에이터의 이동 방향을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치.
3. The method of claim 2,
A vertical movement actuator for vertically moving the objective lens or the object,
Further comprising a control operation unit for generating a control signal for controlling a moving direction of the up-and-down movement actuator by using intensity values of wavelengths of the plurality of laser light sources output from the line sensor, Device.
제 2항에 있어서,
상기 밴드패스필터는 상기 복수 개 레이저 광원 중에서 선택된 어느 하나의 레이저 광원의 파장만을 투과시키는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the band-pass filter transmits only the wavelength of any one of the plurality of laser light sources.
제 4항에 있어서,
상기 대물렌즈 또는 피사체를 상하로 이동시키는 상하이동 액튜에이터와,
상기 이미지센서로부터 출력되는 상기 한 개의 레이저광원의 강도(intensity) 값을 이용하여 상기 상하이동 액튜에이터의 이동 방향을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치.
5. The method of claim 4,
A vertical movement actuator for vertically moving the objective lens or the object,
Further comprising a control operation unit for generating a control signal for controlling a moving direction of the up-and-down movement actuator by using an intensity value of the one laser light source output from the image sensor.
제 2항에 있어서,
상기 대물렌즈 또는 피사체를 상하로 이동시키는 상하이동 액튜에이터와,
상기 라인센서로부터 출력되는 상기 복수 개 레이저광원의 파장별 강도(intensity)값과 상기 이미지센서로부터 출력되는 상기 한 개의 레이저광원의 강도(intensity) 값을 이용하여 상기 상하이동 액튜에이터의 이동 방향을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절장치.
3. The method of claim 2,
A vertical movement actuator for vertically moving the objective lens or the object,
A movement direction of the up-and-down movement actuator is controlled using an intensity value of each of the plurality of laser light sources output from the line sensor and an intensity value of the one laser light source output from the image sensor Further comprising a control arithmetic unit for generating a control signal.
삭제delete 피사체에 복수 개 레이저 광을 조사하여 피사체와의 거리를 자동으로 조절하는 자동초점 조절방법으로서,
파장이 서로 상이한 복수 개 레이저광을 색수차렌즈에 입사시키는 제1단계와,
상기 색수차렌즈로부터 출사되는 레이저광을 피사체에 조사하는 제2단계와,
상기 피사체로부터 반사되는 레이저광을 핀홀에 입사시키는 제3단계와,
상기 핀홀로부터 출사되는 레이저광을 회절격자에 입사시키는 제4단계 및
상기 회절격자로부터 출사되는 레이저광의 파장별 강도(intensity)를 센싱하는 제5단계를 포함하고,
상기 제2단계 이후에 수행되는 단계로서,
상기 피사체로부터 반사되는 레이저광 중에서 특정 영역을 파장만을 투과시키는 밴드패스 필터링을 수행하는 제6단계 및
상기 밴드패스 필터링된 레이저광의 강도값을 센싱하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 조절방법.
An automatic focus adjustment method for automatically adjusting a distance from a subject by irradiating a subject with a plurality of laser beams,
A first step of causing a plurality of laser beams having different wavelengths to enter the chromatic aberration lens,
A second step of irradiating the subject with laser light emitted from the chromatic aberration lens,
A third step of causing the laser light reflected from the subject to enter the pinhole,
A fourth step of causing the laser beam emitted from the pinhole to enter the diffraction grating;
And a fifth step of sensing an intensity of each laser beam emitted from the diffraction grating by wavelength,
The step performed after the second step,
A sixth step of performing band pass filtering to transmit only a specific region of the laser light reflected from the subject,
And a seventh step of sensing intensity values of the band-pass filtered laser light.
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