JP2004078069A

JP2004078069A - オートフォーカス装置

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Publication number: JP2004078069A
Application number: JP2002241502A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Ueda; 上田　良司; Yuichi Tamura; 田村　雄一; Atsushi Shimoura; 下浦　厚志
Original assignee: NIPPON GIJUTSU CENTER KK; NIPPON GIJUTSU CT KK
Current assignee: NIPPON GIJUTSU CENTER KK; NIPPON GIJUTSU CT KK
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】機械的振動を軽減し、自動合焦点の処理時間を短縮し、かつその構成を簡素化できる。
【解決手段】測定ビーム照射源１１が出射する測定ビームＬを光分岐プリズム１２が光軸を中心とする円周上で９０度の角度差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２に分岐し、測定ビームＬ１，Ｌ２はシャッタ１４、結像レンズ２、及び対物レンズ１を介して観測対象物１０の受光面を同時に照射する。測定ビームＬ１，Ｌ２の反射光はビームスプリッタ１３で分岐され四分割光検出器２１を同時に照射する。シャッタ１４は、測定ビームＬ１，Ｌ２のうち合焦点処理の無効条件が検出された際に、その対応する測定ビームの放射を、焦点ずれ検出部２２の出力から得た制御装置２３の指示を受けたシャッタ駆動部２５により駆動され遮断する。多数の測定ビームを等角度差で同時に放射すれば、死角を一層低減可能である。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートフォーカス装置に関し、特に、観測対象物の表面形状の如何にかかわらず、短時間で適正な焦点合わせを自動的にできるオートフォーカス装置に関する。
【０００２】
このオートフォーカス装置は、主要構成要素として、対物レンズを含む観察光学系、測定ビーム照射機構、焦点ずれ検出手段、及び制御手段とを備えている。測定ビーム照射機構は、対物レンズの光軸から外れた位置を入光点として対物レンズを介して観測対象物に測定ビームを照射し、その反射光を得る。焦点ずれ検出手段は、観測対象物から反射して対物レンズを介して導かれる測定ビームの反射光を受け、受光面上に形成される受光スポットの位置により、対物レンズの焦点位置からの観測対象物の焦点ずれを検出する。制御手段は、この焦点ずれ検出手段の出力に基づいて対物レンズと観測対象物との距離を調節する駆動機構を制御して観測対象物上の対象点に対物レンズの焦点を合わせる。
【０００３】
【従来の技術】
従来、この種のオートフォーカス装置では、例えば図８に示されるように、対物レンズ１の光軸Ａｘから外れた位置を入光点Ｘとし、対物レンズ１を介して観測対象物１０の表面に測定ビームＬを照射し、観測対象物１０の受光面で焦点を結像する合焦点２０に受光スポットＳｏを形成するように、対物レンズ１と観測対象物１０の受光面との距離を自動的に調整する。この自動調整は、観測対象物１０の受光面から反射する反射光を受けてこれを検出する二分割光検出器８から検出情報を受けて焦点のずれを求める制御手段（図示されず）及び制御手段により対物レンズ１の位置を移動する駆動機構（図示されず）により行われる。
【０００４】
従って、例えば、観測対象物１０の受光面で合焦点２０に受光スポットを形成し焦点を結像する場合に、二分割光検出器８上での受光スポットＳｏが二分割光検出器８の中央に位置し図面上での左右のバランスが取れるように、二分割光検出器８の反射光受光面が配置される。
【０００５】
一方、対物レンズ１と観測対象物１０の受光面とが近接しており距離Ｄｎが小さい場合、受光スポットＳｎは入光点Ｘ側にあり、後方に焦点が合う、所謂後ピン状態となって焦点を結ばないまま反射される。従って、二分割光検出器８では受光スポットが中央からずれて二分割光検出器８の出力信号のバランスが崩れると共に焦点で結像する場合に比べて受光スポットＳｎ面での受光強度は弱い。この状態において、上述した制御手段は、二分割光検出器８の出力信号バランスをとるように、対物レンズ１を観測対象物１０の受光面から遠ざける制御を行う。
【０００６】
他方、対物レンズ１と観測対象物１０の受光面とが遠くて距離Ｄｆが大きい場合、受光スポットＳｆは入光点Ｘの逆側にあり前方に焦点が合う、所謂前ピン状態となって焦点を結ばないまま反射される。従って、上述同様、二分割光検出器８では受光スポットが中央からずれて二分割光検出器８の出力信号のバランスが崩れると共に焦点で結像する場合に比べ受光スポットＳｆでの受光強度は弱い。この状態において、上述した制御手段は、二分割光検出器８の出力信号バランスをとるように、対物レンズ１を観測対象物１０の受光面に近づける制御を行う。
【０００７】
今、図９に示されるように、観測対象物１０−Ｐが、測定ビームＬとその反射光とを含む平面及び観測対象物１０−Ｐのビーム照射面の両者に垂直な面Ｑ−Ｑを形成する突起を有し、入光点が山の平面Ｓｕ側にあって、平面Ｓｕから谷の平面Ｓｌ方向に測定ビームＬが入射する場合を取上げる。この状態では、測定ビームＬの入射角度により、反射光Ｌｐ・Ｌｑの間では谷の平面Ｓｌに陰を生じて反射光が欠けるので、上述した光検出器で受光することができない死角となる領域Ｐ−Ｑが生じる。すなわち、測定ビームＬを平行移動しても垂直面Ｑ−Ｑの根元になる谷の平面Ｓｌの平行線をなす領域Ｐ−Ｑでは、焦点を合わせることができない。
【０００８】
また、図１０に示されるように、図９と逆方向からの測定ビームＬの場合、上記垂直壁Ｑ−Ｑは谷側の平面Ｓｌでの反射光が衝突する。従って、合焦点を有する筈の入射光Ｌｒ・Ｌｑ間の入射光が垂直壁Ｑ−Ｑの平面Ｓｖにより散乱された反射光となって正規の方向に反射しない領域Ｒ−Ｑが生じる。すなわち、領域Ｒ−Ｑ内では、焦点を結像することはできない。
【０００９】
このような問題を解決する技術が、例えば、特開２００１−３０５４２０号公報に顕微鏡のオートフォーカス装置として開示されている。
【００１０】
この技術について、図１１を参照して説明する。
【００１１】
測定ビーム照射機構は、光学系の中心軸から離れて測定ビーム照射源１１から出射するレーザ光による測定ビームＬを、ウェッジプリズム１１２から結像レンズ２および対物レンズ１を介して観測対象物１０に照射する。更に、反射した測定ビームＬは、ビームスプリッタ１３で分岐して四分割光検出器１２１を照射する。
【００１２】
図８を参照して説明したように、四分割光検出器１２１の出力信号がバランスし、焦点ずれ検出部１２２から「焦点ずれなし」の信号が出力するまで、制御装置１２３が位置駆動部２４を駆動して対物レンズ１の位置を調整する。
【００１３】
図１１で示されるように、測定ビームＬの観測対象物１０への入光点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは対物レンズ１の光軸を中心とする円周上で９０度間隔の０度、９０度、１８０度、２７０度それぞれに位置するものである。この位置は制御装置１２３の制御により回転駆動部１２５がウェッジプリズム１１２を回転させて順次決められる。入光点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから観測対象物１０を照射して反射された測定ビームＬは、ビームスプリッタ１３で分岐され四分割光検出器１２１を照射する。
【００１４】
図１２に示されるように、四分割光検出器１２１は、４分割されており、図１１の入光点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれから回転するウェッジプリズム１１２により順次入射する測定ビームＬ−Ａ，Ｌ−Ｂ，Ｌ−Ｃ，Ｌ−Ｄを受光する。例えば、四分割光検出器１２１が測定ビームＬ−Ａを受光する場合、図８を参照して説明したように、測定ビームＬ−Ａは、対物レンズが観測対象物と離れている場合には四分割光検出器１２１で入光側からみて遠方の受光素子（Ｅ１・Ｅ２）に受光する一方、対物レンズが観測対象物に近い場合には四分割光検出器１２１で入光側の受光素子（Ｆ１・Ｆ２）に受光する。
【００１５】
したがって、図１１に示される焦点ずれ検出部１２２は、受光素子（Ｅ１・Ｅ２），（Ｆ１・Ｆ２）のアンバランスを検出して制御装置１２３に通知し、制御装置１２３がこのアンバランス状態からバランス状態になるように位置駆動部２４を制御して対物レンズ１を光軸方向で移動させ、受光素子出力のバランスを取ることにより正確に観測対象物１０の受光面に焦点を合わせることができる。
【００１６】
また、測定ビームＬ−Ｂは、対物レンズ１の光軸上にあり観測対象物１０の受光面上で焦点を結像する受光スポット２０と結ぶ直線において、測定ビームＬ−Ａと９０度をなした位置にある。従って、図９又は図１０に示されるような垂直壁Ｑ−Ｑが存在しても、測定ビームＬ−Ｂにより谷側の平面Ｓｌの領域Ｐ−Ｑ内又は領域Ｒ−Ｑ内に焦点を結ぶことができる。
【００１７】
【特許文献１】
特開２００１−３０５４２０号公報（図１−図３）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公開公報により開示された顕微鏡のオートフォーカス装置では、次のような問題点がある。
【００１９】
第１の問題点は、機械的な振動発生及び焦点が合うまでの長時間処理が避けられないという問題点がある。
【００２０】
その理由は、回転するウェッジプリズムで四つの測定ビームを順次生成しているからである。すなわち、ウェッジプリズムが機械的に回転するので振動は避けられない。また、四つの測定ビームそれぞれで順次発生する焦点ずれの調整時間は加算が必要なためである。更に、このためのウェッジプリズムの回転と停止とが繰り返されることが振動を助長する。
【００２１】
第２の問題点は、焦点ずれの検出が複雑であるという問題点がある。
【００２２】
その理由は、例えば、０度位置の測定ビームと１８０度位置の測定ビームとは対称位置にあるからである。すなわち、焦点ずれによる対物レンズと観測対象物との間隔が大きいか小さいかをウェッジプリズムの回転方向又は回転位置で識別することが必要である。
【００２３】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、機械的振動を軽減し、自動合焦点処理時間を短縮すると共にこの構成を簡素化できるオートフォーカス装置を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるオートフォーカス装置は、対物レンズを含む観察光学系と、本発明の特徴を有する測定ビーム照射機構と、観測対象物の焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段と、対物レンズの焦点を合わせる制御手段とを主要構成要素として備えたものである。
【００２５】
測定ビーム照射機構は、対物レンズの光軸から外れた位置を入光点として対物レンズを介して観測対象物に測定ビームを照射して反射光を得るものであって、観測対象物の表面で焦点を結像する一つの受光スポットに複数の測定ビームを同数の上記入光点から同時に照射する光学系を備えている。
【００２６】
焦点ずれ検出手段は、従来同様、観測対象物から反射して対物レンズを介して導かれる上記測定ビームの反射光を同時に受け、受光面上に形成される受光スポットの位置により、対物レンズの合焦点位置からの観測対象物の焦点ずれを検出するものであって、複数の測定ビームに対応する観測対象物からの反射光それぞれを受けて焦点ずれを検出する分割光検出器を備えている。
【００２７】
また、制御手段は、焦点ずれ検出手段から受ける複数の同時出力に基づいて対物レンズと観測対象物との距離を調節する駆動機構を制御して観測対象物上の対象点に対物レンズの焦点を合わせるものである。
【００２８】
このような構成により、測定ビーム照射機構の光学系が、例えばハーフミラーとミラーとをひとつに集積したスプリッタモジュールを用いて複数の測定ビームを同数の入光点から同時に照射できるので、振動源となる回転駆動を要するウェッジプリズムを不要とするのみならず、焦点合わせのための処理時間を短縮している。
【００２９】
また、複数の入光点それぞれは、相互に、対物レンズの光軸を中心とする円周上でこの光軸と結ぶ１８０度の角度を成す位置を除いて設定されることが望ましい。具体的には、対物レンズの光軸を中心とする円周上で前記光軸と結ぶ９０度の角度を成す二つの放射状直線により、又は、１２０度の角度を成す三つの放射状直線により位置設定されることとなる。
【００３０】
この構成のうち、二つの入光点の場合、上述した公開公報による四つの入光点の場合と比較して焦点ずれ検出処理が二分の一で済む。また、１２０度の三つの入光点では観測対象物の突起による照射面の垂直壁に対して、死角となる領域が極めて少なくなる。従って、構成が簡素化される。
【００３１】
また、一つの受光スポットに複数の測定ビームを照射する光学系には、測定ビーム照射光源から出射される一つの測定ビームを複数に分割するプリズム光学系を形成し、周知の光分岐モジュールを使用することが経済的に望ましい。
【００３２】
また、この光学系には、複数に分割された測定ビームそれぞれに対応するシャッタを設けることが望ましい。シャッタは複数の測定ビームそれぞれの照射を遮断することが可能である。したがって、複数の測定ビームのうちから有効な結果を出力するもののみをシャッタにより選択可能である。シャッタはその駆動が容易であり、作動によって生じる振動は極めて小さい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３４】
図１は本発明の実施の一形態を示す主要構成ブロック図である。
【００３５】
図１に示された顕微鏡のオートフォーカス装置は、観察光学系と、本発明の特徴を有する測定ビーム照射機構と、焦点ずれ検出手段と、自動合焦点のための制御手段とを主要構成要素として備えている。観測対象物１０を観察する観察光学系は対物レンズ１、結像レンズ２、ビームスプリッタ３，４、ＣＣＤカメラ５、照明光源６、及びミラー７により構成されている。測定ビーム照射機構は測定ビーム照射源１１、光分岐プリズム１２、ビームスプリッタ１３、及びシャッタ１４により構成されている。観測対象物１０の焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段は四分割光検出器２１及び焦点ずれ検出部２２により構成されている。また、制御手段は、制御装置２３、位置駆動部２４、及びシャッタ駆動部２５により構成されている。
【００３６】
観察光学系では、照明光源６から出射された照明光が、ミラー７と上記測定ビーム照射の光学系にあるビームスプリッタ３とにより反射・分岐されて結像レンズ２及び対物レンズ１を介して観測対象物である観測対象物１０の表面を照射する。この際、対物レンズ１と観測対象物１０との間の距離が適切で焦点が合っている場合には、観測対象物１０の表面で反射した反射光は、逆方向で、再度、対物レンズ１及び結像レンズ２を介した後、ビームスプリッタ３，４で分岐され、ＣＣＤカメラ５に観測対象物１０の照射画面を結像させて観測対象物１０の観察に提供している。
【００３７】
本発明は、このＣＣＤカメラ５に提供される画像の焦点があっていない場合、焦点を自動的に合わせるオートフォーカス装置に関するものである。
【００３８】
本実施形態における特徴である、すなわち従来と相違する点は、測定ビーム照射機構に光分岐プリズム１２とシャッタ１４とこのシャッタ駆動部２５とを備える構成であり、光軸を中心とする円周上で相互に９０度の角度差を有する二つの測定ビームＬ１，Ｌ２を観測対象物１０に光分岐プリズム１２により同時に照射する構成である。
【００３９】
本発明による測定ビーム照射機構では、例えばレーザビーム発生源である測定ビーム照射源１１が出射する測定ビームＬを光分岐プリズム１２が光軸を中心とする円周上で９０度の角度差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２に分岐する。光分岐プリズム１２には、例えばハーフミラーとミラーとをひとつに集積したスプリッタモジュールが用いられる。測定ビームＬ１，Ｌ２はシャッタ１４、結像レンズ２、及び対物レンズ１を介して観測対象物１０の受光面を照射する。測定ビームＬ１，Ｌ２の反射光はビームスプリッタ１３で分岐され焦点ずれ検出手段の四分割光検出器２１を照射する。
【００４０】
本発明の特徴であるシャッタ１４は、後述する合焦点処理の無効条件を測定ビームＬ１，Ｌ２に発生した際に、この無効条件を焦点ずれ検出部２２の出力から得た制御装置２３の指示を受けたシャッタ駆動部２５により駆動され、対応する測定ビームの放射を遮断する。
【００４１】
次に、図２に図１を併せ参照して四分割光検出器２１について説明する。
【００４２】
焦点ずれ検出手段の四分割光検出器２１は、四分割された光検出素子Ａ−Ｄそれぞれから、受けた反射ビームの光量を焦点ずれ検出部２２に出力する。図２では、図８を参照した説明で理解されるように、対物レンズ１が観測対象物１０から離れている例である。
【００４３】
この例では、測定ビームＬ１は光検出素子Ａ，Ｄに跨る受光スポットＳ１で平均して受光される。同時に、測定ビームＬ−２も光検出素子Ｂ，Ｃに跨る受光スポットＳ２で平均して受光される。これら四つの出力値は、焦点ずれ検出部２２で検出され、光検出素子Ａ，Ｃの出力値は同一値である。一方、光検出素子Ｄの出力値はこれより大きく、光検出素子Ｂの出力値はこれより小さい。
【００４４】
対物レンズ１と観測対象物１０との距離を調節して受光スポットＳ１，Ｓ２を中央の受光スポットＳｏに移動させる場合、受光スポットＳｏ近辺で受光スポットＳ１，Ｓ２それぞれは徐々に光検出素子Ａ−Ｄ全体に跨る。従って、光検出素子Ａ−Ｄそれぞれの受光量により近接距離を検知することができる。終には、受光スポットＳｏで受光スポットＳ１，Ｓ２は光検出素子Ａ−Ｄに均等に跨るので、光検出素子Ａ−Ｄそれぞれの出力値はバランスされる。
【００４５】
焦点ずれ検出部２２は、光検出素子Ａ−Ｄそれぞれの出力値を入力して光検出素子Ｄと光検出素子Ｂとの出力値を比較し、例えば、対物レンズ１の移動方向を焦点ずれ情報として制御装置２３に通知する。すなわち、この例では、受光スポットＳ１，Ｓ２による光検出素子Ｄの受光量が乱反射による光検出素子Ｂの受光量より大きいので、対物レンズ１を観測対象物１０に近づける方向が焦点ずれ情報として通知される。受光スポットＳ１，Ｓ２が受光スポットＳｏに一致した際の焦点ずれ情報は「ずれなし」情報となる。
【００４６】
また、焦点ずれ検出部２２は、光検出素子Ａと光検出素子Ｃとの出力値も比較する。上述するように、観測対象物１０の受光面上に突起がある場合などでは、測定ビームＬ１、Ｌ２の欠落又は乱反射により、四分割光検出器２１の光検出素子Ａ−Ｄにおける受光スポットＳ１，Ｓ２の受光量にアンバランスを生じるからである。詳細は、後述する。
【００４７】
図１において、制御装置２３は焦点ずれ検出部２２から移動方向を受ける。一方、位置駆動部２４は制御装置２３から指示を受け、焦点を合せるため、対物レンズ１を光軸方向に直線移動させて観測対象物１０に近づけ、又は遠ざける。すなわち、制御装置２３は位置駆動部２４に指示して「ずれなし」情報を得るまで対物レンズ１を、焦点ずれ情報で受けている方向へ移動させる。図２に示されるような、受光スポットＳ１，Ｓ２の状態では、制御装置２３が位置移動部２４に指示して対物レンズ１を観測対象物１０に近づけて受光スポットＳｏを得るように制御する。
【００４８】
次に、図１から図３までを併せ参照して焦点合わせの機能及び動作について説明する。
【００４９】
図３では、図１でも示されるように、光軸を中心とする円周上で互いに９０度の角度差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２が、観測対象物１０の照射面で光軸上の合焦点２０にビームスポットを一致させている。図２に示される四分割光検出器２１における受光スポットＳ１、Ｓ２は、図３において、対物レンズ１と離れている観測対象物１０−Ｆにおける受光スポット状態である。従って、制御装置２３は、位置駆動部２４に指示して図示されていない駆動機構を駆動し、対物レンズ１を観測対象物１０−Ｆに近づける方向に移動させる。
【００５０】
対物レンズ１の移動により、受光スポットＳ１，Ｓ２が合焦点２０で一致して受光スポットＳｏを形成した際には、受光スポットＳｏは観測対象物１０の受光面で焦点を合わせている。同時に、四分割光検出器２１でも、中央の受光スポットＳｏに焦点が合っている。受光スポットＳｏでは二つの測定ビームＬ１，Ｌ２がそれぞれの焦点を結ぶと共に重なるので、四分割された光検出素子それぞれは均等の光量を得ると共に受光点での光強度は最大となる。
【００５１】
他方、対物レンズ１に近い観測対象物１０−Ｎにおける受光スポット状態は、図３に示されるように、受光スポットＳ１が領域Ｂ，Ｃ、また受光スポットＳ２が領域Ａ，Ｂ、それぞれにある。四分割光検出器２１でもこれと同様であり、受光スポットＳ１、Ｓ２それぞれは、図２において受光スポットＳｏを中心とする対称位置にある。また、合焦点のための動作も上述同様である。
【００５２】
このように、観測対象物１０の照射面が平坦な場合、図２に示される受光スポットＳ１，Ｓ２それぞれは、四分割光検出器２１の光検出素子Ａ−Ｄによる分割線上で隣接する光検出素子それぞれに均等な光量を与えて停止又は移動している。
【００５３】
しかし、観測対象物１０の照射面上に垂直壁を有する突起がある場合では、上述したように測定ビームＬの反射光の欠落又は乱反射により、四分割光検出器２１の光検出素子Ａ−Ｄにおける受光スポットの連続移動又は二つの受光スポットＳ１，Ｓ２の受光量にアンバランスを生じる。
【００５４】
このような状態では、制御手段のシャッタ駆動部２５がシャッタ１４を駆動することになる。
【００５５】
次に、図４に図１から図３まで、図９及び図１０を併せ参照して受光面上に突起Ｐｒを有する観測対象物１０−Ｐの焦点合わせとシャッタ駆動とについて説明する。
【００５６】
図４（Ａ）では、図１の観測対象物１０の受光面上において、図９に示されるような垂直壁Ｑ−Ｑを有する突起Ｐｒが合焦点受光スポットＳｏより測定ビームＬ１の入光点側にある場合を想定する。従って、突起Ｐｒの垂直壁Ｑ−Ｑは、測定ビームＬ１を含む平面に垂直に、すなわち四分割光検出器２１の光検出素子Ａ及びＢ、又は光検出素子Ｄ及びＣそれぞれの分割線と平行する測定ビームＬ１の入光点側の線上にあり、壁面が測定ビームＬ１の入光点側とは逆を向いている。従って、焦点を結像する受光スポットＳｏは突起Ｐｒによる死角部分の領域Ｐ−Ｑ間にある。図９を参照して理解されるように、受光面上に有する突起Ｐｒの垂直壁Ｑ−Ｑにより、観測対象物１０−ＰＦでは、受光面Ｓｌの垂直壁Ｑ−Ｑ間際の領域Ｐ−Ｑ内に焦点を合わせるため対物レンズ１を近づける場合、Ｐ点の測定ビームＬｐ位置からＱ点の測定ビームＬｑ位置までの間の合焦点目標近辺では、測定ビームＬ１の反射光が欠ける。
【００５７】
すなわち、対物レンズ１を観測対象物１０に近づけてきた場合、受光スポットＳ１は位置Ｐでの反射光Ｌｐにより遠方位置を示し、これより近づけた際には突起Ｐｒの天井面で反射して位置Ｑにおける反射光Ｌｑが即座に近接位置を示す。従って、適切な合焦点が得られる対物レンズ１の位置が決められない。
【００５８】
一方、図４（Ｂ）では、図１の観測対象物１０の受光面上において、図１０に示されるような垂直壁Ｑ−Ｑを有する突起Ｐｒが合焦点となる受光スポットＳｏより測定ビームＬ１の入光点の逆側にある場合を想定する。従って、突起Ｐｒの垂直壁Ｑ−Ｑは、測定ビームＬ１を含む平面に垂直に、すなわち、四分割光検出器２１の光検出素子Ａ及びＢ、又は光検出素子Ｄ及びＣそれぞれの分割線と平行する測定ビームＬ１による入光点の逆側の線上にあり、壁面が測定ビームＬ１の入光点側を向いている。
【００５９】
従って、焦点を結像する受光スポットＳｏは領域Ｒ−Ｑ間にあり、この領域Ｒ−Ｑ間の反射波は壁面で乱反射する。すなわち、図１０を参照して理解されるように、谷側の平面ＳｌにおけるＲ点の測定ビームＬｒ位置から天井面ＳｕのＱ点の測定ビームＬｑ位置までの間の合焦点目標近辺では、測定ビームＬ１の反射光は突起壁面で乱反射してしまう。従って、観測対象物１０−ＰＮでは、突起Ｐｒの垂直壁Ｑ−Ｑにより、受光面Ｓｌの垂直壁Ｑ−Ｑ間際の領域Ｒ−Ｑ内に焦点を合わせるために対物レンズ１との間隔を離してゆく場合、光検出器では受光スポットを形成することができない。
【００６０】
すなわち、対物レンズ１を観測対象物１０から遠ざける場合、受光スポットＳ１は位置Ｒでの反射光Ｌｒにより近接位置を示し、これより遠ざけた際には突起Ｐｒの天井面の位置Ｑまでの間、反射光が平面Ｓｌの領域Ｒ−Ｑ及び垂直壁Ｑ−Ｑにより乱反射され、正規の反射光が得られない。更に遠ざけて突起Ｐｒの天井面の位置Ｑに達した際には遠方位置を示す。従って、適切な合焦点が得られる対物レンズ１の位置が決められない。
【００６１】
このような異常は、９０度の角度差を有する測定ビームＬ２では生じない。従って、二つの測定ビームＬ１，Ｌ２を用いて焦点ずれを検出する際に、両者間の受光にアンバランスが生じた場合、制御装置２３は、合焦点が求められない側の例えば上述した測定ビームＬ１を選び、シャッタ駆動部２５を介してシャッタ１４を駆動して測定ビームＬ１の放射を遮断する。この結果、光検出素子に対する余計な乱反射光による受光を遮断できるので、容易に、かつ、より正確に焦点を合わせることができる。
【００６２】
上述したように、この実施の形態では、受光面に垂直壁を有する観測対象物を照射する場合、光分岐プリズムにより９０度角差を有する二つの測定ビームを同時に分岐生成し、無効の焦点ずれ情報を検知した測定ビームをシャッタで遮断して有効情報のみを焦点合わせに用いている。
【００６３】
このような構成の結果、従来技術で説明の四つの測定ビームは二つで済み、ビーム数が半減するので分岐光学プリズムもまたその合焦点の判定処理も単純化される。従ってオートフォーカス装置のコストダウンを図ることができる。また、ウェッジプリズムの機械的回転運動に対する振動はシャッタ動作に変えられるため、その振動の大きさは非常に小さい。しかも無効情報を得た際のみ、シャッタは動作するので、その悪影響は殆どない。
【００６４】
上記実施形態に対する説明では、一つの測定ビームとその反射ビームとを含む平面及び観測対象物のビーム受光面それぞれに垂直な平面をビーム受光面上に有する場合である。従って、９０度角差を有する測定ビームの一方が垂直壁を形成する平面に平行になるように観測対象物と測定ビームとの位置関係を調整し固定することにより、合焦点のための測定に死角をなくすことができる。
【００６５】
次に、図５を参照して、観測対象物の受光面上に円柱形の突起を有する場合について考察する。図５は、上述した９０度角差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２を円柱突起１０−ＰＣの中心軸上で交差させている。
【００６６】
測定ビームＬ１に注目すれば、ビームを平行移動させても入光点とは逆側に楕円形の陰が形成され死角の領域Ｒ１が生じる。測定ビームＬ２においても同様に死角となる領域Ｒ２が生じる。従って、９０度角差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２では、どのような位置で測定ビームＬ１，Ｌ２を固定しても、領域Ｒ１，Ｒ２両者の重なり合う死角領域Ｒｓをなくすことはできない。
【００６７】
次に、図６及び図７を併せ参照して上述したとは別の実施の形態、すなわち、円筒形の突起を受光面に有する観測対象物に対応して死角を低減できる上述したとは別のオートフォーカス装置について説明する。
【００６８】
図６に示されるオートフォーカス装置が図１に示されるものとの相違は、対物レンズ１の光軸を中心とした円周上で、１２０度という等しい角度差で三つの測定ビームＬ１−Ｌ３を用いる点である。従って、図１における構成要素のうち、光分岐プリズム１２−Ａ、シャッタ１４−Ａ、六分割光検出器２１−Ａ、焦点ずれ検出部２２−Ａ、制御装置２３−Ａ、及びシャッタ駆動部２５−Ａが相違している。残る構成要素については、図１を参照して既に説明しているのでその説明は省略する。
【００６９】
上記図５における９０度角差の測定ビームＬ１，Ｌ２による死角範囲と比較すれば、円周上で１２０度の角度差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３による死角の領域は極端に小さくなり、合焦点の判断に対する問題は殆どなくなる。
【００７０】
光分岐プリズム１２−Ａは、上述するように、測定ビーム照射源１１が出射する測定ビームＬを光分岐プリズム１２−Ａが光軸を中心とする円周上で１２０度の角度差を有する測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３に分岐する。測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３はシャッタ１４−Ａ、結像レンズ２、及び対物レンズ１を介して観測対象物１０の受光面を照射する。測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３の反射光はビームスプリッタ１３で分岐され六分割光検出器２１−Ａを照射する。
【００７１】
次に、図７に図６を併せ参照して六分割光検出器２１−Ａについて説明する。
【００７２】
六分割光検出器２１−Ａは、六分割された光検出素子Ａ−Ｆそれぞれから、受けた反射ビームの光量を焦点ずれ検出部２２−Ａに出力する。図７では、図８を参照した説明で理解されるように、対物レンズ１が観測対象物１０から離れている例である。
【００７３】
この例では、焦点が合った際には中央の合焦点２０に、測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３が重なり合って受光スポットＳｏを形成する。また、大きく離れている場合では、測定ビームＬ１は光検出素子Ａ，Ｄの何れかに受光スポットＳ１を形成する。同時に、測定ビームＬ２も光検出素子Ｅ，Ｂの何れかに受光スポットＳ２を形成する。同様に、測定ビームＬ３も光検出素子Ｃ，Ｆの何れかに受光スポットＳ３を形成する。
【００７４】
図７の例では対物レンズ１が観測対象物１０から離れているので、これら三つそれぞれの出力値は、焦点ずれ検出部２２−Ａにおいて光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃから同一値でバランスして検出される。一方、近づき過ぎている場合には、これら三つそれぞれの出力値は、焦点ずれ検出部２２−Ａにおいて光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆから同一値でバランスして検出される。
【００７５】
対物レンズ１と観測対象物１０との距離を調節して受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３を中央の受光スポットＳｏに移動させる場合には、受光スポットＳｏ近辺で受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３それぞれは徐々に光検出素子Ａ−Ｆ全体に跨る。すなわち、受光スポットＳｏの近辺では、バランスが取れた光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃと、別の値でバランスの取れた光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆとからそれぞれの出力が得られるが、両者の出力値はアンバランスである。従って、光検出素子Ａ−Ｆそれぞれの受光量を比較することにより近接距離を検知することができる。そして終には、受光スポットＳｏで受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は光検出素子Ａ−Ｆに均等に跨るので、光検出素子Ａ−Ｆそれぞれの出力値はバランスされる。
【００７６】
焦点ずれ検出部２２−Ａは、光検出素子Ａ−Ｆそれぞれの出力値を入力して、光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃと光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆとの出力差を比較し、例えば、対物レンズ１の移動方向を焦点ずれ情報として制御装置２３に通知する。この図示される例では、受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３による光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃの受光量の方が光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆより大きい場合、対物レンズ１を観測対象物１０に近づける方向が焦点ずれ情報として通知される。受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３が受光スポットＳｏに一致した際にその焦点ずれ情報は「ずれなし」情報となる。
【００７７】
また、焦点ずれ検出部２２−Ａがこの焦点ずれ情報に光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃと光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆとの出力差情報を加えた場合には、制御装置２３−Ａが受光スポットＳｏまでの移動距離を概算する。
【００７８】
また、焦点ずれ検出部２２−Ａは、光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃそれぞれの出力値も比較する。同様に、光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆそれぞれの出力値も比較する。上述するように、観測対象物１０の受光面上に突起がある場合などでは、測定ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３の欠落又は乱反射により、六分割光検出器２１−Ａの光検出素子Ａ−Ｆにおける受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３の受光量にアンバランスを生じるからである。
【００７９】
光検出素子Ａ，Ｅ，Ｃと光検出素子Ｄ，Ｂ，Ｆとの出力値から、受光スポットＳ１，Ｓ２，Ｓ３の中で、例えば、受光スポットＳ１に無効情報が発生した際には、制御装置２３−Ａがシャッタ駆動部２５−Ａを制御してシャッタ１４−Ａを駆動し、無効受光スポットＳ１に対応する測定ビームＬ１の放射を遮断する。
【００８０】
上記説明では、光分岐プリズムとのみ呼称したが、ハーフミラーとミラーとが一つのチップに集積されている周知の光スプリッタモジュールを用いることができる。また、上記四分割光検出器では各素子における分割線上に受光スポットが得られるように図２に示して説明したが、図７又は図８のように各素子の中央線上に得られるようにしてもよい。
【００８１】
更に、上記説明では、９０度角差及び１２０度角差の例を挙げたが、直線状に対向する位置を選ばないようにして、複数の測定ビームを用いて観測対象物の受光面を照射することにより死角領域を更に低減することができる。この場合、奇数の測定ビームが相互に等間隔角度であれば更に良い。
【００８２】
上記説明では、図示されたブロックを参照し、かつ、機能を説明しているが、機能の分離併合による配分などの変更は上記機能を満たす限り自由であり、上記説明が本発明を限定するものではなく、更に、顕微鏡だけでなく、オートフォーカス装置の全般に適用可能なものである。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、測定ビーム照射機構の光学系が、複数の測定ビームを同数の入光点から観測対象物の受光点に同時に照射し、焦点ずれ検出器として、複数の測定ビームに対応する反射光それぞれを受けて焦点ずれを検出する分割光検出器を備えている。また、制御手段は、焦点ずれ検出手段から受ける複数の同時出力に基づいて対物レンズと観測対象物との距離を調節する駆動機構を制御して観測対象物上の対象点に対物レンズの焦点を合わせている。
【００８４】
このような構成により、測定ビーム照射機構の光学系が、複数の測定ビームを同数の入光点から観測対象物の受光点に同時に照射できるので、振動源となる回転駆動を要するウェッジプリズムを不要とするのみならず、焦点合わせのための処理時間を短縮できるという効果が得られる。
【００８５】
また、複数の入光点それぞれは、相互に、対物レンズの光軸を中心とする円周上でこの光軸と結ぶ１８０度の角度を成す対向位置を除いて設定されており、具体的には、対物レンズの光軸を中心とする円周上で光軸と結ぶ９０度の角度を成す二つの放射状直線により、又は、１２０度の角度を成す三つの放射状直線により位置設定されている。
【００８６】
従って、この構成により、９０度角差の測定ビームの場合では、上述した公開公報による四つの入光点の場合と比較して焦点ずれ検出処理が二分の一で済む。また、１２０度角差の測定ビームの場合では、観測対象物の突起による照射面の垂直壁に対して、死角となる領域が極めて少なくなるという効果が得られる。
【００８７】
また、この光学系に、複数の測定ビームそれぞれに対応するシャッタを設けて無効情報が検出された測定ビームの照射を遮断することができる。従って、複数の測定ビームのうちから有効な結果を出力するもののみをシャッタにより選択可能であるので、正確な結果を得ることができると共に、シャッタの駆動は容易であり、作動によって生じる振動は極めて小さいという効果を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態におけるブロック構成を示す図である。
【図２】図１における四分割光検出状態の一形態を示す図である。
【図３】図１において入光点から観測対象物に対する測定ビームの入射状況の一形態を示す図である。
【図４】図３において観測対象物に角柱突起を有する場合の受光スポット状況の一形態を示す図である。
【図５】図３において観測対象物に円柱突起を有する場合の測定ビームに対する一形態を示し死角を説明する図である。
【図６】図１とは別の、本発明の実施の一形態におけるブロック構成を示す図である。
【図７】図６における六分割光検出状態の一形態を説明する図である。
【図８】オートフォーカスを説明するための一例を示す図である。
【図９】測定ビームの入光点を背後にする垂直壁を持つ突起を有する観測対象物の場合での測定ビーム及びその反射光を説明する一例を示す図である。
【図１０】測定ビームの入光点に対面する垂直壁を持つ突起を有する観測対象物の場合の測定ビーム及びその反射光を説明する一例を示す図である。
【図１１】従来のブロック構成の一例を示す図である。
【図１２】図１１における四分割光検出状態の一例を示す図である。
【符号の説明】
１　　対物レンズ
１０、１０−Ｆ、１０−Ｎ、１０−ＰＦ、１０−ＰＮ　　観測対象物
１１　　測定ビーム照射源
１２、１２−Ａ　　光分岐プリズム
１３　　ビームスプリッタ
１４、１４−Ａ　　シャッタ
２０　　合焦点
２１　　四分割光検出器
２１−Ａ　　六分割光検出器
２２、２２−Ａ　　焦点ずれ検出部
２３、２３−Ａ　　制御装置
２４　　位置駆動部
２５、２５−Ａ　　シャッタ駆動部

Claims

対物レンズを含む観察光学系と、前記対物レンズの光軸から外れた位置を入光点として対物レンズを介して観測対象物に測定ビームを照射して反射光を得る測定ビーム照射機構と、前記観測対象物から反射して対物レンズを介して導かれる前記測定ビームの反射光を受け、受光面上に形成される受光スポットの位置により、対物レンズの合焦点位置からの観測対象物の焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段と、当該焦点ずれ検出手段の出力に基づいて前記対物レンズと観測対象物との距離を調節する駆動機構を制御して観測対象物上の対象点に対物レンズの焦点を合わせる制御手段とを備えたものであって、
前記測定ビーム照射機構に含まれ、前記観測対象物の表面で焦点を結像する一つの受光スポットに複数の測定ビームを同数の前記入光点から同時に照射する光学系と、
前記焦点ずれ検出手段に含まれ、複数の前記測定ビームに対応する観測対象物からの反射光それぞれを同時に受けて焦点ずれを検出する分割光検出器と
を更に備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１において、複数の前記入光点それぞれは、相互に、対物レンズの光軸を中心とする円周上で前記光軸と結ぶ１８０度の角度を成す位置を除いて設定されることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１において、前記入光点は、二つであり、対物レンズの光軸を中心とする円周上で前記光軸と結ぶ９０度の角度を成す二つの放射状直線により位置設定されることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１において、前記入光点は、三つであり、対物レンズの光軸を中心とする円周上で前記光軸と結ぶ１２０度の等角度を成す三つの放射状直線により位置設定されることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１において、前記測定ビーム照射機構に含まれ一つの受光スポットに複数の測定ビームを同時に照射する光学系は、測定ビーム照射光源から出射される一つの測定ビームを複数に分割するプリズム光学系であることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１において、前記光学系は、複数に分割された測定ビームそれぞれに対応して設けられ、複数の測定ビームそれぞれの放射を遮断可能なシャッタを更に備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項６において、前記制御手段は、前記焦点ずれ検出手段から受ける出力信号の有効／無効を評価し、前記シャッタを制御して無効評価となった測定ビームを遮光し、有効評価の測定ビームのみの結果を選択して観測対象物面上での焦点を合わせるように前記駆動機構を制御することを特徴とするオートフォーカス装置。