JP2005338255A - オートフォーカス装置およびそれを用いた顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 オートフォーカス装置およびそれを用いた顕微鏡において、観察像全体のコントラストを高速に検出することができ、安定したオートフォーカス制御を高速に行うことができるようにする。
【解決手段】 観察像を得る観察光学系１０１から偏光ビームスプリッタ２により光を分岐してからハーフミラー３により光路を２つに分岐する。それぞれに観察像の輪郭像を抽出する輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂを配置する。それぞれに含まれる光検出器８の受光面８ａを輪郭抽出光学系４Ａでは像面９の前側に、輪郭抽出光学系４Ｂでは、像面９の後側に配置し、それぞれの輝度情報をフォーカス制御ユニット１０により演算して、それに応じてステージ駆動手段６７を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オートフォーカス装置およびそれを用いた顕微鏡に関する。

従来、例えば顕微鏡などの画像観察装置において、ＣＣＤなどの撮像素子で撮像された観察像を画像処理してコントラストを判定することによりオートフォーカス動作を行う装置、いわゆるコントラストＡＦ方式のオートフォーカス装置が知られている。
このような装置では、フォーカシングする画像領域において、例えば、隣接する画素の差分自乗和などで定義されるコントラスト値を演算できるようになっており、焦点位置を可変して、それぞれのコントラスト値を評価し、コントラスト値が最大となる位置を合焦位置と判定する。
例えば、特許文献１には、撮像された全画素またはその一部の画素によりコンラスト値を演算するコントラストＡＦ方式の焦点調節装置が記載されている。
また、特許文献２には、デジタルカメラにおいて、ＣＣＤ撮像素子から得られる画像に対して複数の合焦評価領域を設定し、それぞれの合焦評価領域でコントラストの評価を行い、すべての領域がローコントラストである場合に合焦評価領域を増加設定することによって、評価する画素数を低減したコントラスト方式によるオートフォーカス制御を行うオートフォーカス装置が記載されている。
特開２００２−１６２５５８号公報（図１−４） 特開２００３−７５７１３号公報（図３、９、１０）

しかしながら、上記のような従来のオートフォーカス装置には、以下のような問題があった。
従来のコントラストＡＦ方式では、隣接する画素領域の各画像データの差分自乗和などからなるコントラスト値を演算する必要があり、しかも精度よく合焦位置を求めるためには、焦点位置をある程度細かく可変してそれぞれの場合についてコントラスト値を演算しなけれならないので、演算量が膨大となり、オートフォーカス制御を高速に行うことができないという問題があった。
特許文献１、２に記載の技術によれば、合焦評価に適する領域に限って演算することにより演算量を比較的低減することができるものの、画像によっては、合焦評価に好適な領域がなかったり、例えば、半導体ウエハなどのように繰り返しパターンが多く同質的だったりするので、評価回数が膨大になり、結果として演算時間がかかるという問題がある。
一方、アナログ的な合焦方式であるナイフエッジ法を用いて高速化することも考えられるが、ナイフエッジ法ではフォーカシングの対象領域が狭いため、局所的な凹凸に敏感となって、フォーカス位置が安定しにくいという問題がある。また、被観察物が透明膜等により覆われている場合には、透明膜等の影響により、合焦位置がずれるという問題もある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、観察像全体のコントラストを高速に検出することができ、安定したオートフォーカス制御を高速に行うことができるオートフォーカス装置およびそれを用いた顕微鏡を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のオートフォーカス装置では、被観察物の観察像を得る観察光学系と、前記観察光学系の焦点位置を調整する焦点調整手段とを有する光学システムに用いるオートフォーカス装置であって、前記観察光学系から光を分岐する第１の光分岐手段と、該第１の光分岐手段により前記観察光学系から分岐された光により前記観察像の輪郭像を抽出する輪郭抽出光学系と、前記輪郭像を形成する光を受光して該輪郭像の輝度情報を出力する受光素子と、該受光素子の出力に基づいて前記焦点調整手段を制御する焦点位置制御手段とを備える構成とする。
この発明によれば、輪郭抽出光学系により観察像の輪郭像が抽出され、受光素子の出力により輪郭像の輝度情報が得られる。観察光学系の焦点位置がずれて観察像のコントラストが低いと輪郭像の輝度が顕著に低下するので、輪郭像の輝度情報を用いることにより、観察像全体のコントラストを効率よく検出することができる。そして焦点位置制御手段により観察像全体のコントラストが最大となるように焦点調整手段を制御することで、オートフォーカス制御を行うことができる。

また、本発明のオートフォーカス装置では、前記焦点位置制御手段が、前記受光素子の出力に基づいて前記輪郭像の輝度が最大となるように前記焦点調整手段を制御する構成とすることが好ましい。
この場合、受光素子の出力を輪郭像の輝度そのものとすればよいので、例えばフォトディテクタなどの簡素かつ高速応答可能なアナログ受光素子を用いることができ、高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

また、本発明のオートフォーカス装置では、前記第１の光分岐手段により前記観察光学系から分岐された光を２つに分岐する第２の光分岐手段を有し、前記輪郭抽出光学系および前記受光素子が、前記第２の光分岐手段により分岐された２つの光の光路上にそれぞれ設けられ、前記受光素子の一方が、前記輪郭抽出光学系の一方による像面の前側に配置され、前記受光素子の他方が、前記輪郭抽出光学系の他方による像面の後側に配置され、前記焦点位置制御手段が、前記受光素子の一方および他方の出力を演算処理して前記像面に対する焦点位置のずれ量に対応する制御パラメータを算出し、該制御パラメータに基づいて前記焦点調整手段を制御することが好ましい。
この場合、受光素子の一方および他方の出力から焦点位置のずれ量に対応する制御パラメータを算出するので、制御パラメータを焦点位置のずれ量の大きさおよび方向に相当する情報を含むように構成することができる。例えば、それぞれの受光素子を像面から等距離だけ離して配置し、それぞれの出力の差をそれぞれの出力の和で割った制御パラメータなどを採用することができる。
そのような制御パラメータにより位置調整量と調整方向とが容易に得ることができるから、そのような制御パラメータにより焦点調整手段を制御して高速のオートフォーカス制御を行うことができる。

また、このオートフォーカス装置の場合、前記制御パラメータの算出する演算処理をアナログ演算回路により行う構成とすることがより好ましい。
この場合、演算処理をアナログ演算回路で行うので、制御パラメータを高速に算出することができるから、例えばデジタル演算処理を行う場合に比べて高速にオートフォーカス制御を行うことができる。

また、本発明のオートフォーカス装置では、前記輪郭抽出光学系が、前記観察光学系から分岐されて入射する光束を互いに干渉させるために２分割する光分割手段と、該光分割手段により２分割された光束に、干渉光の強度が低減する光路差を設ける光路差設定手段と、該光路差設定手段により前記光路差が設定された光束の光軸を相対的にずらす光軸移動手段と、該光軸移動手段により光軸がずらされた２つの光束を干渉可能に結像する結像手段とを備える構成とすることが好ましい。
この場合、光分割手段により観察光学系から分岐されて入射する光束を２分割し、光路差設定手段によりそれぞれの光束による干渉光の強度が低減されるように光路差が設定され、光軸移動手段により、光束の光軸が相対的にずらされ、結像手段により光軸がずらされた光束同士を干渉可能に結像することができる。これにより、観察像の輪郭抽出を、光学的・アナログ的に行うことが可能となり、コントラストが高い場合には高輝度の輪郭像が得られ、コントラストが低い場合には低輝度のぼやけた輪郭像が得られる。

また、このオートフォーカス装置の場合、前記光路差が、観察光の波長をλとして、（ｎ＋１／２）λ（ただし、ｎは０以上の整数）に設定されることがより好ましい。
この場合には、干渉光の輝度が最低となるので、ダイナミックレンジが広く鋭敏なコントラスト検出を行うことができる。なお、効率的な干渉が起こるようにするためには、ｎ＝０とすることがより好ましい。

また、これらのオートフォーカス装置の場合、前記光路分割手段、前記光路差設定手段、および前記光軸移動手段が、複屈折光学素子からなり、前記結像手段が、結像素子と１／４波長板とからなる構成とすることがさらに好ましい。
この場合、光路分割手段、光路差設定手段、および光軸移動手段を兼ねた複屈折光学素子に入射した光束は偏光成分に応じて、常光線と異常光線とに分かれて互いに光路差を持った状態で、異なる位置から出射される。複屈折光学素子からの出射光は、結像手段により結像されつつ、１／４波長板により円偏光に変換されて、互いに干渉する。そのため観察像の輪郭像が形成される。したがって、複屈折光学素子が、光路分割手段、光路差設定手段、および光軸移動手段を兼ねるので、部品点数が低減され、低コスト、コンパクトなの輪郭抽出光学系を構成することができる。また、干渉光の光軸の相対的ずれ量が複屈折光学素子により設定されるので、光軸の相対的ずれ量を微少量とすることができるとともにそのバラツキを抑えることができるから、高精度な輪郭抽出を行うことができる。

また、複屈折光学素子を用いたオートフォーカス装置の場合、前記複屈折光学素子が、該複屈折光学素子を透過する光束の光路差を可変できるように構成されることがより好ましい。
この場合、光路差を可変できるようにするので、光路差を正確に調整することができ、輪郭部以外の輝度が干渉により著しく低減されるようにすることができる。また、観察光の波長に応じて光路差を可変できるので、汎用性が高い光路差設定手段とすることができる。
なお、複屈折光学素子として、水晶などの１軸結晶を用いることができる。

本発明のオートフォーカス装置を用いた顕微鏡では、少なくとも対物レンズを有し被観察物の観察像を得る観察光学系と、該観察光学系の焦点位置を合わせる焦点調整手段と、本発明のいずれかのオートフォーカス装置とを備える構成とする。
この発明によれば、本発明のいずれかのオートフォーカス装置による作用効果を備え、観察光学系から分岐された光束の輪郭像の輝度情報に基づいて焦点調整手段を制御することによりオートフォーカス制御を行うことができる。
ここで焦点調整手段は、例えば、被観察物を保持するとともに、試料台を観察光学系の光軸方向に対して移動可能に設けられた試料台などを採用することができる。

なお、本発明のオートフォーカス装置では、以上に説明した好ましい形態は適宜組み合わせて実施することができる。またそのいずれのオートフォーカス装置も本発明のオートフォーカス装置を用いた顕微鏡に採用することができる。

本発明のオートフォーカス装置およびそれを用いた顕微鏡によれば、受光素子の出力により観察像全体のコントラストを効率よく検出できるので、高速なオートフォーカス制御を行うことができるとともに、観察像全体を用いてオートフォーカス制御することができるので、局所的な凹凸などにも左右されることなく安定したオートフォーカス制御を行うことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態の詳細について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態のオートフォーカス装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るオートフォーカス装置を含む光学システムの概略構成について説明するための概念図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る焦点調整手段の演算部の構成について説明するためのブロック図である。図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ加算器、減算器、除算器の一例を示す回路図である。

光学システム１００は、被観察物を観察し、オートフォーカス制御可能な焦点調整手段を備えるものであればどのようなシステムでもよく、例えば、カメラ、顕微鏡、およびそれらを用いた画像検査装置などを挙げることができる。本実施形態では、図１に示すように、ステージ駆動手段６７（焦点調整手段）により位置制御可能に設けられたステージ６６（試料台）上に保持された半導体ウエハ６５（被観察物）を観察するためのものとして説明する。その概略構成は、観察光学系１０１、照明ユニット１０２、およびオートフォーカス装置１からなる。
観察光学系１０１は、半導体ウエハ６５からの戻り光を対物レンズ６０で集光して略平行光とし、ミラー６１ａにより光路を屈曲させて、１／４波長板６２を透過させ、その光をハーフミラー６３により反射して光路を屈曲させ、結像レンズ６４で半導体ウエハ６５の拡大像を結像し、その拡大像を観察手段５９で観察できるようにしたものである。観察手段５９は、肉眼観察用の光学系であっても撮像素子などであってもよい。
一方、照明ユニット１０２は、半導体ウエハ６５の表面を波長λの深紫外光（ＤＵＶ光）で照明して、観察像を得るための戻り光を発生させるためのものである。その概略構成は、ＤＵＶ光を発生する光源１０２ａと、そのＤＵＶ光を略平行光束とする照明光学系１０２ｂとからなる。そして、照明光学系１０２ｂにより略平行光束とされたＤＵＶ光がハーフミラー６３を透過して、観察光学系１０１の光軸上を進み、半導体ウエハ６５の表面を照明できるようになっている。
光源１０２ａとしては、ＤＵＶ光が得られるならばどのような光源でもよいが、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、レーザ光源などが採用できる。

オートフォーカス装置１の概略構成は、偏光ビームスプリッタ２（第１の分岐手段）、ハーフミラー３（第２の分岐手段）、輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂ、光検出器８、８（受光素子）、フォーカス制御ユニット１０（焦点位置制御手段）とからなる。
偏光ビームスプリッタ２は、１／４波長板６２とハーフミラー６３との間に配置され、１／４波長板６２を透過することにより直線偏光とされた戻り光の一部を反射して観察光学系１０１の光路から分岐するためのものである。
ハーフミラー３は、偏光ビームスプリッタ２により分岐された戻り光の５０％を透過させ、５０％を反射することにより、２方向に分岐するためのものである。
なお、１／４波長板６２は、照明光の波長λに対する１／４波長板である。

輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂは、いずれも１軸結晶板５（複屈折光学素子）、結像レンズ６（結像手段）、１／４波長板７がこの順に配列された共通の構成を有し、ハーフミラー３を透過する光路上に輪郭抽出光学系４Ａが、ハーフミラー３で反射される光路上に輪郭抽出光学系４Ｂが配置されている。
１軸結晶板５は、入射する直線偏光の光を常光線Ｌ_Ｏと異常光線Ｌ_Ｅとに分離して出射できるように、例えば水晶などの１軸結晶板を、光学軸が入射光軸に対して斜めに傾斜する方向に切り出し、常光線Ｌ_Ｏと異常光線Ｌ_Ｅとが出射位置で距離ｄ_０離れ、それぞれの光路差が（ｎ＋１／２）λ（ただし、ｎ＝０、１、２、…）となる形状とされたものである。ただし、常光線Ｌ_Ｏと異常光線Ｌ_Ｅとして出射されるそれぞれの光束の干渉の効率を向上するには、ｎ＝０であることが好ましい。
例えば、図１において、光学軸が両矢印の方向である場合、振動面が紙面垂直方向の偏光成分を有する光は常光線Ｌ_Ｏとなって、１軸結晶板５の厚さ方向に直進する。また、振動面が紙面平行方向の偏光成分を有する光は異常光線Ｌ_Ｅとなって光軸に対して傾斜して進行し、常光線Ｌ_Ｏの出射位置から距離ｄ_０ずれた状態で出射される。

結像レンズ６は、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅとして分離して出射された偏光成分を像面９上に距離ｄだけ離して結像できるようになっている。なお、精度よく合焦するためには、距離ｄは、視野径の１／１０〜１／１０００倍とすることが好ましい。
１／４波長板７は、照明光の波長λに対する１／４波長板であり、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅとして出射された２つの偏光成分をそれぞれ円偏光に変換し、可干渉性を持たせるためのものである。ここで像面９は、対物レンズ６０で試料に合焦したとき、試料の面と共役な面となっている。

光検出器８は、受光面８ａ上に入射する光の輝度を検出して出力するフォトディテクタなどのアナログの受光素子である。そして、入射光の輪郭抽出光学系４Ａでは、１／４波長板７と像面９との間において、像面９と平行な受光面８ａが、像面９の前側（光路長が短くなる側）に距離Δ_Ａだけ離れた位置に配置される。また、輪郭抽出光学系４Ｂでは、像面９と平行な受光面８ａが、像面９の後側（光路長が長くなる側）に距離Δ_Ｂだけ離れた位置に配置される。

フォーカス制御ユニット１０は、光検出器８、８の出力から、最高輝度が得られる深度方向の位置を算出する制御パラメータαを算出するための演算処理を行う演算部１１と、その演算結果に基づき、最高輝度が像面９上で得られるようにステージ駆動手段６７を制御して、ステージ６６を移動させる制御部１２とからなる。

演算部１１で算出する制御パラメータαとして、例えば、Δ_Ａ＝Δ_Ｂの場合、輪郭抽出光学系４Ａ側の光検出器８の出力をＡ、輪郭抽出光学系４Ｂ側の光検出器８の出力をＢとしたときに、 α＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ） ・・・（１）
を採用することができる。
式（１）のような演算式は、例えば、光検出器８の出力をＡ／Ｄ変換したデジタルデータをマイクロコンピュータにより演算してもよいが、本実施形態では、より高速の演算を実現するためにアナログ演算回路により構成している。
このような演算回路は、図２（ａ）に示すように、加算器１１ａ、減算器１１ｂ、除算器１１ｃから構成される。このような構成により、光検出器８の出力Ａ、Ｂがそれぞれ入力電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂとして入力されるとき、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ＝（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）が出力されるようになっている。
加算器１１ａ、減算器１１ｂの一例としては、それぞれ図２（ｂ）、（ｃ）に示すようなオペアンプ２０１を用いた演算回路が採用できる。また、除算器１１ｃの一例としては、図２（ｄ）に示すようなオペアンプ２００とトランジスタ２０１を組み合わせた演算回路が採用できる。

本実施形態のオートフォーカス装置１の動作について半導体ウエハ６５の欠陥抽出を例にとって説明する。
図３は、被観察物の一例である半導体ウエハを示す平面視の模式図である。図４（ａ）、（ｂ）は、図３の領域Ｐ、Ｑの拡大図である。図４（ｃ）は、領域Ｑの欠陥抽出画像を示す概念図である。図５（ａ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ｂ）は、領域Ｐの焦点ずれ状態の画像を示す概念図である。図５（ｃ）は、領域Ｐの画像が焦点ずれしたときの領域Ｑにおける欠陥抽出画像を示す概念図である。

図３に示す半導体ウエハ６５は、フォト・リソグラフィ・プロセスにより、表面に回路パターンなどの規則的な繰り返しパターンが形成されている。製造工程において、そのような繰り返しパターンの欠陥を検査する場合、半導体ウエハ６５を所定領域ごとに観察光学系１０１により拡大観察し、隣接するダイ同士を比較することにより欠陥を抽出することが行われている。例えば、領域Ｐにパターン６９があり（図４（ａ）参照）、隣接するダイの領域Ｐと同じ位置にある領域Ｑには、同様のパターン６９が存在する。図４（ｂ）に示すように、領域Ｑに異物６８が存在する場合、領域Ｑ、Ｐを有する隣接したダイパターンの画像間の差分画像をとることにより、異物６８に対応した抽出欠陥６８ｂが得られる（図４（ｃ）参照）。
ところが、一般に、半導体ウエハ６５は、図５（ａ）に断面図を示すように、基板７０上にパターン形成層７１、７２が形成される多層構造を有しており、パターン６９が表面の微細な凹凸を伴って形成されている。また透明膜層を含む場合もある。
このため、表面を観察する際、凸部Ｂ、凹部Ｃのいずれに合焦するかにより、得られる画像が異なるものである。例えば、領域Ｐで凹部Ｃに合焦した場合、パターン６９は、図５（ｂ）に示すように、ぼけたパターン６９ａとなる。このため、図５（ｂ）のぼけた画像と、図４（ｂ）の画像との差分をとると、図５（ｃ）に示すように、異物６８に対応した抽出欠陥６８ｂの他に、パターン６９の部分に擬欠陥６８ｃが現れる。また、透明膜層に合焦しても、観察すべきパターンがぼけて同様に擬欠陥画像の原因となる。
このように、欠陥抽出を精度よく行うには、差分をとる画像が、観察すべきパターンを焦点深度含む略一定高さに合焦した状態で撮像される必要がある。そのため、本実施形態のオートフォーカス装置１は、画像中の大部分を占める正常なパターン６９に合焦することができるようになっている。

照明ユニット１０２から照射される照明光は、ハーフミラー６３、偏光ビームスプリッタ２、１／４波長板６２を透過し、ミラー６１で反射されて対物レンズ６０により半導体ウエハ６５表面に到達する。そして、半導体ウエハ６５の表面からの反射光や散乱光などの戻り光が対物レンズ６０により集光され、略平行光とされる。そして、ミラー６１により反射され、１／４波長板６２により直線偏光とされ、偏光ビームスプリッタ２により一部が分岐されてオートフォーカス装置１に導かれる。偏光ビームスプリッタ２を透過する他の光は、ハーフミラー６３で反射されて、結像レンズ６４により結像される。そして、観察手段５９により半導体ウエハ６５の観察像が観察される。

オートフォーカス装置１に導かれる光は、ハーフミラー３により２方向に分岐され、それぞれ輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂに導かれる。
輪郭抽出光学系４Ａ（４Ｂ）に入射した光は、１軸結晶板５に入射してその内部を常光線Ｌ_Ｏと常光線Ｌ_Ｅとに分かれて進む。そして、出射面では、光軸に直交する方向に距離ｄ_０離れるとともに、互いの光路差が（ｎ＋１／２）λとされる。ここで、１軸結晶板５は、偏光ビームスプリッタ２により偏光された光束をほぼ等分に分割する結晶軸の向きに調整されている。
それぞれの光は、結像レンズ６を透過して、１／４波長板７を透過することにより円偏光に変換されてから結像される。
ステージ６６の位置が適切であれば、この結像位置は像面９上となる。この場合、像面９上では常光線Ｌ_Ｏと異常光線Ｌ_Ｅとが距離ｄだけ離れた位置に結像される。
また、この場合、輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂでは、光検出器８、８の受光面８ａ、８ａが、像面９の前後にそれぞれΔ_Ａ、Δ_Ｂだけずらして配置されているので、デフォーカスされた画像が受光される。

この画像は、互いの光路差が（ｎ＋１／２）λである常光線Ｌ_Ｏと異常光線Ｌ_Ｅとが微小な距離ｄだけズラされているため、干渉を起こすと輪郭抽出画像となる。
図６（ａ）、（ｂ）は、コントラストが高い場合の輪郭抽出について説明するためのグラフ、図６（ｃ）は、輪郭抽出画像の一例を示す概念図である。図７（ａ）、（ｂ）は、コントラストが低い場合の輪郭抽出について説明するためのグラフ、図７（ｃ）は、輪郭抽出画像の一例を示す概念図である。図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）において、縦軸は輝度、横軸は受光面上の位置を示す。

まず、ステージ６６の移動されて、受光面８ａ上に結像位置が移動した場合を考える。この場合、コントラストが高い画像が得られるので、例えば幅Ｗの高輝度部を有するパターンは、図６（ａ）に示すように、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅに対応して、それぞれ曲線２０３、２０４のような幅Ｗ、輝度ｈの矩形状の輝度分布を有する。
ただし、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅは、干渉時に強度が打ち消される光路差を有しているので、受光面８ａ上では、図６（ｂ）のように、互いに重なり合う部分の輝度が打ち消される。その結果、曲線２０５のように、パターンの輪郭に相当する２箇所に、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅのずれ量に相当する幅ｄ、輝度ｈの矩形状の輝度分布が残る。そのため、領域Ｐ全体としては、パターン６９の輪郭のみからなるエッジ抽出部７３の画像が得られる（図６（ｃ）参照）。
なお、１軸結晶板５による分離の方向は、矩形のパターンに対して斜め方向に、例えば４５°とすることにより、図６（ｃ）の縦、横のラインが同じ強度で受光される。

次に、ステージ６６が移動されて、受光面８ａ上から結像位置が遠ざかる場合を考える。この場合、コントラストが低い画像が得られるので、例えば幅Ｗの高輝度部を有するパターンは、図７（ａ）に示すように、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅに対応して、それぞれ曲線２０６、２０７のような幅Ｗで輝度Ｈ_１（ただし、Ｈ_１＜ｈ）を有し、幅方向外側に緩やかに輝度が低下する概略台形状の輝度分布を有する。
ただし、干渉により、常光線Ｌ_Ｏ、異常光線Ｌ_Ｅとが互いに重なり合う部分の輝度は打ち消される（図７（ｂ）参照）。その結果、曲線２０８のように、パターンの輪郭から幅方向外側の距離ｄに比べて広い範囲の２箇所に、輝度Ｈ_２（ただし、Ｈ_２＜Ｈ_１）の輝度分布が残る。
この輝度Ｈ_２の輝度分布は、合焦ズレなどにより、画像のコントラスト低くなるにしたがって、分布範囲が広がり、輝度の絶対値が減少するものである。

したがって、光検出器８の出力が最大となるのは結像位置が受光面８ａ上にある場合である。本実施形態では、像面９に対する受光面８ａの位置ずれ量がΔ_Ａ、Δ_Ｂのように分かっているので、それぞれの位置の光検出器８の出力を比例配分するなどの演算をすれば、結像位置の像面９に対するずれ量を算出することができる。
特に、Δ_Ａ＝Δ_Ｂとすれば、光検出器８の出力Ａ、Ｂが、同一となるとき、フォーカス位置が像面９に一致することになる。例えば、前述した式（１）のαのように制御パラメータととると、デフォーカスと制御パラメータαの関係は、図８に曲線２１０で示される。図８では、横軸にデフォーカス（光路長が短くなる方向を正とする）、縦軸に制御パラメータαをとっている。
曲線２１０は、結像位置が像面９の前側（デフォーカスの正の側）では、αが正の値をとり、結像位置が像面９に近づくにしたがって緩やかに増大し、位置Δ_０で極大ピーク値を迎えた後、急峻に０に近づく変化を示す。さらに曲線２１０は、結像位置が像面９の後側に移動すると、αが負の値をとり、急峻に絶対値を増大させて、位置−Δ_０で極小ピーク値を迎えた後、緩やかに０に近づくという変化を示す。
このため、区間［−Δ_０，Δ_０］では、制御パラメータαは、単調増加関数となり、位置制御に好適な制御パラメータとなっている。

したがって、オートフォーカス装置１によれば、光検出器８、８の出力を演算部１１で演算して制御パラメータαを求め、制御部１２により図８のような特性曲線に基づいて、焦点位置制御を行う制御信号をステージ駆動手段６７に送ることにより、パターン６９のコントラストが最も高くなるようにステージ６６を制御することができる。特に制御パラメータαが単調増加関数となる区間では、αを０とするように焦点位置制御を行うことで、自動的に合焦させることができる。
本実施形態では、観察像を得るための光を分岐して、その観察像全体のコントラストを最大とするようにフォーカス位置を制御するので、観察像の大部分のコントラストを支配する繰り返しパターンに対して安定して合焦させることができる。
例えば、被観察物表面の透明層への偽合焦や、透明薄板試料の裏側への偽合焦など、見える画像がなく輪郭抽出されないような面に対して偽合焦を起こすことがないという利点がある。
また、輪郭抽出を受光素子からの輝度情報をアナログ演算回路で演算して制御パラメータを算出するので、高速なフォーカス位置制御を行うことができる。

なお、上記の説明では、観察光学系１０１から分岐する光を分割後に干渉させて輪郭抽出を行うために、照明光として、ＤＵＶ光源を用いる例で説明したが、輪郭抽出光学系４Ａ、４Ｂに入射する光が単色光であればよい。そのため、図９に示すように、照明ユニット１０２に代えて、例えば広範囲の周波数を含む可視光源である照明ユニット１１２を用い、オートフォーカス装置１において、偏光ビームスプリッタ２とハーフミラー３との間に波長選択フィルタ４０を設け、輪郭像を抽出するための光の波長帯を選択できるように変形してもよい。この場合、観察光学系１０１内の光学素子を、照明ユニット１１２の波長帯に応じた光学特性とすることは言うまでもない。
また、複屈折光学素子をウォラストンプリズムのような構成にして、光路差を可変することにより、調整が容易になる。
このような構成によれば、可視光によるカラー画像を観察する場合であっても、同様にしてオートフォーカス制御することができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態のオートフォーカス装置について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るオートフォーカス装置を含む光学システムの概略構成について説明するための概念図である。
本実施形態のオートフォーカス装置１５０は、図１０に示すように、オートフォーカス装置１において、ハーフミラー３、輪郭抽出光学系４Ｂを削除し、フォーカス制御ユニット１０に代えてフォーカス制御ユニット１３（焦点位置制御手段）を設けたものである。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
オートフォーカス装置１５０は、観察光学系１０１の略平行光を偏光ビームスプリッタ２により分岐し、輪郭抽出光学系４Ａに導いて観察像の輪郭抽出を行い、その輪郭抽出像を光検出器８で受光して、輝度を出力する。ただし、第１の実施形態とは異なり、受光面８ａは像面９に一致されている。
フォーカス制御ユニット１３は、いわゆる山登り法によるピーク検出を行う演算部１４と演算部１４の演算結果によりステージ駆動手段６７を制御する制御部１５とからなる。

このような構成によれば、光検出器８の出力が最大となるようにステージ６６を移動することで、観察像のコントラストが最大とする焦点位置制御を行うことができる。
まず、制御部１５からステージ駆動手段６７に制御信号を送り、所定量ずつステージ６６を移動させる。演算部１４は、それぞれの移動位置で光検出器８の出力を取得する。そして、光検出器８の出力がピーク値をとる位置を越したと判断できるまで、そのステップを繰り返す。
そして、演算部１４は、これら複数の出力結果から、光検出器８の出力が最大となる位置を算出する。そして、その算出値に基づいて、制御部１５がステージ駆動手段６７に制御信号を送る。

演算部１４は、例えばピーク値検出回路などのアナログ演算回路により構成してもよいし、光検出器８の出力をＡ／Ｄ変換して、曲線当てはめなどのデジタル演算処理により、ピーク値を与える位置を算出してもよい。いずれの場合でも、画像処理のような膨大なデータの演算を含まないので、高速な演算処理が可能となり、高速の合焦制御を行うことができる。

本実施形態のオートフォーカス装置１５０によれば、１つの輪郭抽出光学系によりフォーカス位置制御が行えるので、簡素でコンパクトな装置とすることができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態の顕微鏡について説明する。
図１１（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る顕微鏡の概略構成について説明するための概念図である。図１１（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る顕微鏡の概略構成について説明するための概念図である。

本実施形態に係る顕微鏡２０（光学システム）は、図１１（ａ）に示すように、照明光を照射する光源２５、不図示の試料（被観察物）を上下動可能に保持する試料台２２（焦点調整手段）、対物レンズ２７、観察像を肉眼観察するための光学系を有する観察部２６、観察像を撮像するＣＣＤカメラ２４、観察像を表示するモニタ２８、フォーカス制御部２３ａ（焦点位置制御手段）を含み焦点調整を行うオートフォーカスユニット２３（オートフォーカス装置）、および装置の全体制御を行う操作用コンピュータ２９からなる。
顕微鏡２０の観察光学系は、対物レンズ２７と観察部２６、あるいは対物レンズとＣＣＤカメラ２４の撮像レンズ（不図示）などからなり、不図示の中間部では、観察像を得るための光束が略平行光とされている。
オートフォーカスユニット２３は、観察光学系の略平行光を観察光学系から分岐して、観察像の輪郭抽出を行うことにより観察像のコントラストを検出してコントラストを最大にすべく試料台２２を対物レンズ２７の光軸方向に移動制御するようにしたものである。例えば本発明の第１の実施形態に係るオートフォーカス装置１や第２の実施形態に係るオートフォーカス装置１５０などの構成を採用できる。
オートフォーカスユニット２３は、顕微鏡２０に対して着脱可能に設けられている。フォーカス制御部２３ａは、例えば不図示のモータなどを駆動手段とする試料台２２の上下動機構の位置移動を制御するものである。

このように本実施形態の顕微鏡２０は、オートフォーカスユニット２３を備えるので、本発明の第１、第２の実施形態に記載されたのと同様の作用効果を備える顕微鏡とすることができる。

本実施形態の変形例として、図１１（ｂ）に示す顕微鏡３０のような構成を採用することもできる。
顕微鏡３０は、顕微鏡２０のオートフォーカスユニット２３とＣＣＤカメラ２４との間に、本発明の輪郭抽出方式とは異なる方式の焦点調整手段を備えるオートフォーカスユニット３１を着脱可能に設けたものである。
特に、オートフォーカスユニット３１として、ナイフエッジ方式などのデフォーカス量の大きい位置からの合焦動作が可能な装置を設け、オートフォーカスユニット３１により、ある程度粗く合焦してから、オートフォーカスユニット２３により、高精度のオートフォーカス制御を行うようにすれば、迅速かつ高精度のオートフォーカス制御を行うことができる。また、ナイフエッジ方式で問題となる試料表面の透明膜の影響による合焦位置のずれ（偽合焦）などを防止することができる。

なお、上記の説明では、受光素子が輪郭像の輝度情報として、輪郭像全体の輝度を出力する例として、フォトディテクタなどの光検出器８を用いる例で説明した。ただし、輪郭像の全体的な輝度を検出できる受光素子であれば、これに限定されるものではない。例えば、受光部が多数配列された受光素子であっても、読み出し時間などが高速であれば、好適に採用できることは言うまでもない。

また、上記の説明では、観察像全体の輪郭像の輝度を検出する例で説明したが、観察対象の画像によっては、観察像全体のコントラストに代えて、観察像の一部の輝度情報を検出してコントラストを判定するようにしてもよい。例えば、光学システムがカメラの場合、３次元的な被写体の所定位置に合焦させる場合が多いので、合焦範囲を観察像の一部としてもよい。

また、上記の説明では、パターンの高輝度部で合焦する例で説明したが、輝度出力を反転させれば、低輝度部の輪郭を抽出することもできる。

また、上記の説明では、本発明のオートフォーカス装置を採用できる光学システムとして、顕微鏡の例で説明したが、本発明は輪郭抽出可能な被観察物を観察対象とするいかなる光学システムにも採用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るオートフォーカス装置を含む光学システムの概略構成について説明するための概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る焦点調整手段の演算部の構成について説明するためのブロック図および加算器、減算器、除算器の一例を示す回路図である。 被観察物の一例である半導体ウエハを示す平面視の模式図である。 図３の領域Ｐ、Ｑの拡大図、および領域Ｑの欠陥抽出画像を示す概念図である。 図４（ｂ）のＡ−Ａ断面図、領域Ｐの焦点ずれ状態の画像を示す概念図、および領域Ｐの画像が焦点ずれしたときの領域Ｑにおける欠陥抽出画像を示す概念図である。 コントラストが高い場合の輪郭抽出について説明するためのグラフおよび輪郭抽出画像の一例を示す概念図である。 コントラストが低い場合の輪郭抽出について説明するためのグラフおよび輪郭抽出画像の一例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御パラメータとデフォーカスの関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例に係るオートフォーカス装置の概略構成を説明するための概念図である。 本発明の第２の実施形態に係るオートフォーカス装置を含む光学システムの概略構成について説明するための概念図である。 本発明の第３の実施形態に係る顕微鏡の概略構成およびその変形例について説明するための概念図である。

符号の説明

１、１５０ オートフォーカス装置
２ 偏光ビームスプリッタ（第１の光分岐手段）
３ ハーフミラー（第２の光分岐手段）
４Ａ、４Ｂ 輪郭抽出光学系
５ １軸結晶板（複屈折光学素子）
６ 結像レンズ（結像手段）
７、６２ １／４波長板
８ 光検出器（受光素子）
８ａ 受光面
９ 像面
１０、１３ フォーカス制御ユニット（焦点位置制御手段）
１１、１４ 演算部
１１ａ 加算器
１１ｂ 減算器
１１ｃ 除算器
１２、１５ 制御部
２０、３０ 顕微鏡（光学システム）
２２ 試料台
２３ オートフォーカスユニット（オートフォーカス装置）
２５ 光源
２７、６０ 対物レンズ
４０ 波長選択フィルタ
６４ 結像レンズ
６５ 半導体ウエハ（被観察物）
６６ ステージ（試料台）
６７ ステージ駆動手段（焦点調整手段）
６９ パターン
７３、７４ エッジ抽出部
１００ 光学システム
１０１ 観察光学系
１０２、１１２ 照明ユニット
２００ オペアンプ
２０１ トランジスタ

Claims (9)

1. 被観察物の観察像を得る観察光学系と、前記観察光学系の焦点位置を調整する焦点調整手段とを有する光学システムに用いるオートフォーカス装置であって、
   前記観察光学系から光を分岐する第１の光分岐手段と、
   該第１の光分岐手段により前記観察光学系から分岐された光により前記観察像の輪郭像を抽出する輪郭抽出光学系と、
   前記輪郭像を形成する光を受光して該輪郭像の輝度情報を出力する受光素子と、
   該受光素子の出力に基づいて前記焦点調整手段を制御する焦点位置制御手段とを備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記焦点位置制御手段が、前記受光素子の出力に基づいて前記輪郭像の輝度が最大となるように前記焦点調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 前記第１の光分岐手段により前記観察光学系から分岐された光を２つに分岐する第２の光分岐手段を有し、
   前記輪郭抽出光学系および前記受光素子が、前記第２の光分岐手段により分岐された２つの光の光路上にそれぞれ設けられ、
   前記受光素子の一方が、前記輪郭抽出光学系の一方による像面の前側に配置され、
   前記受光素子の他方が、前記輪郭抽出光学系の他方による像面の後側に配置され、
   前記焦点位置制御手段が、前記受光素子の一方および他方の出力を演算処理して前記像面に対する焦点位置のずれ量に対応する制御パラメータを算出し、該制御パラメータに基づいて前記焦点調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
4. 前記制御パラメータの算出する演算処理をアナログ演算回路により行うことを特徴とする請求項３に記載のオートフォーカス装置。
5. 前記輪郭抽出光学系が、
   前記観察光学系から分岐されて入射する光束を互いに干渉させるために２分割する光分割手段と、
   該光分割手段により２分割された光束に、干渉光の強度が低減する光路差を設ける光路差設定手段と、
   該光路差設定手段により前記光路差が設定された光束の光軸を相対的にずらす光軸移動手段と、
   該光軸移動手段により光軸がずらされた２つの光束を干渉可能に結像する結像手段とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のオートフォーカス装置。
6. 前記光路差が、観察光の波長をλとして、（ｎ＋１／２）λ（ただし、ｎは０以上の整数）に設定されたことを特徴とする請求項５に記載のオートフォーカス装置。
7. 前記光路分割手段、前記光路差設定手段、および前記光軸移動手段が、複屈折光学素子からなり、
   前記結像手段が、結像素子と１／４波長板とからなることを特徴とする請求項５または６に記載のオートフォーカス装置。
8. 前記複屈折光学素子が、該複屈折光学素子を透過する光束の光路差を可変できるように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のオートフォーカス装置。
9. 少なくとも対物レンズを有し被観察物の観察像を得る観察光学系と、
   該観察光学系の焦点位置を合わせる焦点調整手段と、
   請求項１〜８のいずれかに記載のオートフォーカス装置とを備える顕微鏡。

Images