JP2006301270A

JP2006301270A - オートフォーカス装置及びオートフォーカス方法

Info

Publication number: JP2006301270A
Application number: JP2005122470A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ito; 哲也伊藤; Takahiro Shimizu; 高博清水
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】
被写体によっては微小な凹凸があると、従来の微分処理などによるオートフォーカスではどの位置の合焦点を捉えるか予測できなかった。例えば、合焦点位置が複数ある場合はどの位置の合焦点を捉えるか予測できなかった。
【解決手段】
本発明は、例えば、医療用、産業用等に利用する測定装置のオートフォーカスとして、顕微鏡の映像を写したカメラの映像信号の輝度レベルをフーリエ変換し、その輝度レベルの周波数スペクトラムをもとめ、さらに、これらの周波数スペクトラムの特徴ある周波数領域の周波数スペクトラム強度をフォーカス値とする機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関わり、特に、医療用、産業用の測定装置のオートフォーカス（以下、AF と略す）に関するものである。

線幅測定装置または寸法測定装置等の測定装置は、主に基板（例えば、LCD（ Liquid Crystal Display ）基板）の TFT（ Thin Film Transistor ）や半導体集積回路のマスクのパターン幅やパターン間隔などの測定を行う装置である。線幅測定装置または寸法測定装置は、例えば、透明ガラス基板（試料）上に形成された膜パターンに照明を照射して得られるパターン像を顕微鏡で拡大し、その画像を CCD（ Charge Coupled Device ）カメラ等の撮像装置で撮像して得られるパターン像を画像処理して、寸法を測定する。以下本書では、測定装置または検査装置を、総称して測定装置という。

図３は、従来の線幅等の寸法を測定する測定装置の構成を示すブロック図である。
図３に示すように、通常、線幅等の寸法を測定する測定装置は、少なくとも、XY ステージ 45 、Z 移動機構 44 、X 移動機構 42 、Y 移動機構 43 、X ドライバ 47 、Y ドライバ 48 、Z ドライバ 49 、カメラ 40 、光源 46 、光ガイド 55 、顕微鏡 41 、AF 装置 52 、PC（ Personal Computer ）50 、モニタ 51 、ベース 56 で構成される。

ベース 56 は、振動等を吸収する構造をもち、XY ステージ 45 を戴置する。XY ステージ 45 は被写体（試料 53 ）を載せ固定する試料台であり、X 移動機構 42 とY 移機構 43 により、水平方向の位置制御を行い、Z 移動機構 44 により、垂直方向の位置制御を行う。XY ステージ 45 の X 移動機構 42 による X 移動方向は、図３の紙面横（左右）方向であり、Y 移動機構 43 による Y 移動方向は、図３の紙面を貫く方向である。
また、XY ステージ 45 の Z 移動機構 44 による Z 移動方向は、図３の紙面縦（上下）方向である。この Z 方向の移動が AF 装置 52 による合焦点のための駆動に関わる。
X 移動機構 42 とY 移動機構 43 、Z移動機構 44 は PC 50 のアプリケーションソフトウエアより、それぞれX ドライバ 47 とY ドライバ 48 、Z ドライバ 49 を制御することで駆動される。

光源 46 は反射用の照明光を出力し、光ガイド 55 を介して顕微鏡 41 から、試料 53 に照明光を照射する。
試料 53 からの反射光は、顕微鏡 41 からカメラ 40 に入射する。
カメラ 40 は、入射光を映像信号に変換し、PC 50 と AF 装置 52 に出力する。PC 50 は、あらかじめ設定したアプリケーションソフトウエアを用いて、入力された映像データについて画像処理を実行する。

例えば、試料 53 が半導体のマスクで、その試料 53 のパターン幅やパターン間隔などの測定を行う場合は、以下のような処理の流れとなる。
試料 53 が XY ステージ 45 に載置されると、PC 50 は、X ドライバ 47 、Y ドライバ 48 、Z ドライバ 49 を制御することで、試料 53 上のあるパターンの位置付近に移動する。顕微鏡 41 の合焦点（ AF：Auto Focus ）位置は、高倍率になると被写界深度が浅くなり、数μm の精度となる。このため、AF 制御が必要となる。

AF 制御は XY ステージ 45 を上下（ Z 方向）に移動しながら、AF 装置 52 から出力されるフォーカス値を PC 50 のアプリケーションソフトウエアで判別しながら、合焦点位置か否かを検出する。試料 53 の Z 方向の高さが、合焦点位置でない場合には、PC 50 は、該当するAF 制御信号を Z ドライバ 49 に出力して、Z ドライバ 49 を介して Z 移動機構 44 によって XY ステージ 45 を Z 方向に移動させることを繰返して、合焦点位置の許容範囲内になるまで AF 制御を行う。
合焦点位置であることを検出したならば、PC 50 は、XY ステージ 45 の移動を停止する。

合焦点となった位置で、顕微鏡 41 を介して取得されたカメラ 40 の映像は、映像信号としてPC 50 に出力される。PC 50 は、入力された画像処理により、パターン幅を計測する。
AF 制御は、XY ステージ 45 の Z 方向の高さを合焦点位置にするために行う制御であり、制御の仕方によっては、パターン幅等の寸法の測定精度に大きく影響を及ぼす。

従来、線幅測定装置等の測定装置で使用されているAF 制御の方法は、主に、レーザなどを使用し距離を計測するレーザ AF 方式、映像信号を利用したAF 方式、計算機内のアプリケーションソフトウエアで画像処理を使用した AF 方式などがあるが、安価で速度も速い映像信号を利用した AF 方式が一般的に用いられる（例えば、特許文献１参照。）。

映像信号を利用した AF 方式は、上述したように、測定装置の Z 移動機能を上下させて得られる映像の輝度レベルより、フォーカス値を算出する。
フォーカス値の算出は、例えば、ユーザが指定した所定の映像領域の輝度波形（輝度レベル）に対して微分処理を行い、微分処理した値の総和を使用していた。ユーザが指定した所定の映像領域とは、例えば、測定したいパターンを含む所定範囲でも良いが、一般的には、あらかじめパターン内にテスト用として配置される標準パターンの領域を指定することが多い。
これにより、輝度波形が高周波成分を多く含むものはフォーカス値が大きく、輝度波形に高周波成分が少ないものはフォーカス値が小さくなる。
合焦点の映像は高周波成分が多く含まれるため、フォーカス値が大きくなる場所（適切な映像領域で、フォーカス値が最大となる XY ステージの Z 方向の位置）を捉えることで、合焦点を検出することが可能となる。

従来の、映像信号を利用した AF の制御方法を、図３と図２を用いて説明する。図２は、従来の映像信号を利用した AF 方式による AF 制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
初めに、Z 移動範囲設定ステップ 1 では、PC 50 のアプリケーションソフトウエアで、XY ステージ 45 の垂直方向（ Z 方向）（図３の上下方向）の移動量を指定する。
次に、Z 初期値移動ステップ 6 では、XY ステージ 45 の Z 方向の位置を、AF 制御を行う初期位置へ移動する。
その後、移動開始ステップ 7 により、垂直方向にXY ステージ 45 が移動を開始する。

移動している間に、カメラ映像取り込みステップ 8 により、カメラ 40 が取得する映像信号が出力され、AF 装置 52 に取込まれる。
AF 装置 52 は、微分処理ステップ 24 で、取込んだ映像信号の濃淡レベル（輝度レベル）の微分を行い、高周波成分を抽出する。高周波成分が多いほど、合焦点に近く、少ないほど合焦点から離れることとなる。
AF 装置 52 は、これらの高周波成分を、フォーカス値作成ステップ 10 で PC 50 のアプリケーションソフトウエアが判別可能な範囲のフォーカス値に変換し、PC 50 に出力する。

PC 50 のアプリケーションソフトウエアは、ピーク値更新ステップ 11 で、フォーカス値の最大値かどうか判定し、フォーカス値の最大値を更新する。例えば、PC 50 内のメモリ部に記憶された最大フォーカス値と比較し、記憶された最大フォーカス値よりも大きければ、その値を最大フォーカス値としてメモリ部の値を更新する。
Z 位置移動範囲判定ステップ12 では、Z 移動範囲設定ステップ 1 で設定した移動範囲を判別し、もし、移動範囲外ならば、Z 移動停止ステップ 13 へ進む。また、移動範囲内なら映像取り込みステップ 8 に進む。

Z 移動停止ステップ 13 では、Z 位置が移動範囲外の場合なので、PC 50 は、XY ステージ 45 の垂直方向の移動を停止させる。
XY ステージ 45 は、Z 初期位置移動ステップ 14 により、AF 制御を行う初期位置に再び移動する。

更に、映像取り込みステップ 16 では、カメラ 40 が取得した映像をAF 装置 52 に取り込む。
次に AF 装置 52 は、微分処理ステップ 25 で、入力された映像の輝度信号の高周波成分を抽出し、フォーカス値作成ステップ 18 でフォーカス値を生成し、PC 50 に出力する。

次に PC 50 は、ピーク値近傍判定ステップ 19 で、入力されたフォーカス値がピーク値更新ステップ 11 において PC 50 内のメモリ部に記憶された最大フォーカス値と比較し、最大フォーカス値の近傍かどうか（最大フォーカス値のあらかじめ定められた許容差内かどうか）を判別する。もし、近傍でない（許容差外）と判定すると、映像取り込みステップ 16 に進み、近傍である（許容差内）と判定すると Z 移動停止ステップ 20 に進む。
Z 移動停止ステップ 20 で、PC 50 は、Z ドライバ 49 を介して、Z 移動機構 44 を停止させて、XY ステージ 45 の移動を停止する。

以上のようにして、合焦点位置に Z 方向の XY ステージ 45 を設定後、映像取り込みステップ21 で映像を PC 50 に取り込む。
そして、線幅測定ステップ 22 で画像処理により、パターン幅を測定する。
最後に結果表示ステップ 23 で、計測結果をモニタ 51 に表示する。

特開平９−２１１３０７号公報

前述の従来技術は、被写体（試料）が微小な段差を持っているなど、合焦点を複数箇所持つ被写体の場合、合焦点位置がどこの位置になるのかが、段差の形状によっては分かり難いことがあった。
本発明の目的は、上記のような問題を解決し、どのような段差であっても合焦点可能な AF 装置及び AF 方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の AF 装置及び AF 方法は、線幅測定装置等の測定装置に用いる AF 装置及び AF 方法において、フォーカス値を映像信号の輝度レベルにフーリエ変換（以下、FFT と略す）をかけ、そのスペクトラム強度をフォーカス値とするものである。

即ち、本発明の AF 装置は、被写体の映像を取得するカメラと、取得された映像を処理する画像処理部と、カメラと被写体との距離を可変する可変部とを備え、画像処理部は、カメラから取得された映像の輝度レベルをフーリエ変換して周波数スペクトラム強度に基づいてカメラと被写体との距離を可変する。
また、本発明の AF 装置の画像処理部は、所定の周波数範囲内についての周波数スペクトラム強度に基づいてカメラと被写体との距離を可変する。
また本発明の AF 方法は、カメラが取得した映像の輝度レベルをフーリエ変換して周波数スペクトラム強度に基づいてカメラと被写体との距離を可変する。

本発明によれば、合焦点が複数ある被写体であっても、合焦点位置毎に持つ特徴あるスペクトラム成分の強度をフォーカス値とすることで、所望の合焦点位置を検出することができる。

本発明の一実施例を図１と図３によって説明する。図１は、本発明の映像信号を利用した AF 方式による AF 制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
図１において、ステップ 1 、6 〜 8 、10 〜 16 、18 〜 23 、及び 25 は、従来の図２で説明した処理ステップと同じであるので、説明を省略することがある。

図１のフローチャートにおいて、初めに、Z 移動範囲設定ステップ 1 で、操作者が、PC 50 に結合された図示しない操作器 54 を操作することによって、PC 50 があらかじめ定められたアプリケーションソフトウエアで、XY ステージ 45 の垂直方向（ Z 方向）の移動量を指定する。
移動量を指定した後は、映像取り込みステップ 2 で、AF 装置 52 に映像信号を取り込む。

次に映像信号の輝度レベルを FFT 処理ステップ 3 で、AF 装置 52 は、映像信号の輝度レベルについてFFT を行うことで、周波数スペクトラムを生成し、生成した周波数スペクトラムの情報をPC 50 に出力する。
スペクトラム表示ステップ 4 で、PC 50 のアプリケーションソフトウエアにより、モニタ 51 に表示する。
周波数領域設定ステップ 5 では、操作者は、モニタ 51 に表示されたスペクトラムを見て、これらのスペクトラムのうち特徴的なスペクトラムの発生している周波数領域を、操作器 54 を用いて範囲指定する。この設定により、AF 装置 52 は、この範囲指定された周波数領域のスペクトラム強度をフォーカス値として、出力する。

Z 初期値移動ステップ 6 では、XY ステージ 45 の Z 方向の位置を AF 用の初期位置へ移動する。
その後、移動開始ステップ 7 により、垂直方向にXYステージ 45を移動を開始する。

移動している間、カメラ映像取り込みステップ 8 により、カメラ 40 が取得する映像が出力され、AF 装置 52 に取り込まれる。
AF 装置 52 は、FFT 処理ステップ 9 で、取り込んだ映像信号の輝度レベルにFFT 処理を行うことで、周波数スペクトラムを生成する。
フォーカス値作成ステップ 10′では、AF 装置 52 は、生成した周波数スペクトラムの内、PC 50 のアプリケーションソフトウエアが判別可能な範囲のフォーカス値に変換し、PC 50 に出力する。フォーカス値は、例えば、指定された周波数スペクトラム範囲内でのスペクトラム強度の最大値をとってフォーカス値を生成する。フォーカス値をこのように生成することで、フォーカス値の大きいものがその周波数領域の合焦点付近であると推測することができる。

これらのフォーカス値により、PC 50 のアプリケーションソフトウエアはピーク値更新ステップ 11 でフォーカス値の最大値かどうか判定し、フォーカス値の最大値を更新する。
Z 位置移動範囲判定ステップ12 では、Z 移動範囲設定ステップ 1 で設定した、移動範囲を判別し、もし、移動範囲外ならば、Z 移動停止ステップ 13 に進み、移動範囲内なら映像取り込みステップ 8 に進む。

Z 移動停止ステップ 13 では、Z 位置が移動範囲外の場合なので、PC 50 は、XY ステージ 45 の垂直方向の移動を停止させる。
XY ステージ 45 は、Z 初期位置移動ステップ 14 により、AF 制御を行うための初期位置に再び移動する。

更に、映像取り込みステップ 16 では、カメラ 40 が取得した映像をAF 装置 52 に取り込む。
AF 装置 52 は、FFT 処理ステップ 17 で、映像信号の輝度レベルについてFFT 処理を行うことで、周波数スペクトラムを生成する。
フォーカス値作成ステップ 18 は、これらの周波数スペクトラムから、周波数範囲設定ステップ 5 で指定した周波数範囲内でスペクトラム強度の最大値をとってフォーカス値を生成し、生成したフォーカス値を PC 50 に出力する。

次に PC 50 は、ピーク値近傍判定ステップ 19 で、入力されたフォーカス値がピーク値更新ステップ 11 での最大フォーカス値の近傍かどうか（最大フォーカス値のあらかじめ定められた許容差内かどうか）を判別する。もし、近傍でない（許容差外）と判定すると、映像取り込みステップ 16 に進み、近傍である（許容差内）と判定すると Z 移動停止ステップ 20 に進む。
Z 移動停止ステップ 20 で、PC 50 は、Z ドライバ 49 を介して、Z 移動機構 44 を停止させて、XY ステージ 45 の移動を停止する。

以上のようにして、合焦点位置に Z 方向の XY ステージ 45 を設定後、映像画像取り込みステップ 21 で映像を PC 50 に取り込む。
そして、線幅測定ステップ 22 で画像処理により、パターン幅を測定する。
最後に結果表示ステップ 23 で、計測結果をモニタ 51 に表示する。

図４は、本発明の AF 装置を使用した PC 50 のアプリケーションソフトウエアの AF パラメータ設定画面の一実施例を示す図である。
Z 移動範囲設定ステップ 1（図１）では、操作者は操作器 54 の、例えばマウスやキーボードを用いて、モニタ 51（図１）の表示画面に表示される AF パラメータ設定画面 501 の設定エリア 502 内の Z 移動範囲上限設定欄 503 と Z 移動範囲下限設定欄 504 に所望の値を入力する。

周波数スペクトラム表示ステップ 4（図１）では、PC 50 によって、AF パラメータ設定画面 501 の周波数スペクトラム表示エリア 511 に周波数スペクトラムを表示する。横軸は周波数、縦軸はスペクトラム強度を示す。
なお、この周波数スペクトラム表示は、種々の設定時には表示が更新されないが、カメラ 40 は常に所定のフレームレートで試料 53 を撮像し、PC 50 に映像データを出力し続けている。操作者は、例えば、操作器 54 のマウスで、設定エリア 502 内のスペクトラム表示ボタン 508 をクリックすることで、PC 50 に入力された最新の映像データでの解析処理結果に周波数スペクトラム表示が更新される。

周波数範囲設定ステップ 5（図１）では、操作者は操作器 54 を用いて、AF パラメータ設定画面 501 の設定エリア 502 内の周波数範囲上限設定欄 505 と周波数範囲下限設定欄 506 に所望の値を入力する。
指定された周波数範囲は、図４に示すように、周波数スペクトラム表示エリア 511 上でカーソル表示される（例えば、周波数範囲上限を示すカーソル 512 、周波数範囲下限を示すカーソル 513 ）。そして、カーソル 512 、513 の周波数値が周波数軸に表示される。

上述の実施例では、フォーカス値は、例えば、指定された周波数スペクトラム範囲内でのスペクトラム強度の最大値をとってフォーカス値を生成していた。
しかし、フォーカス値は、スペクトラム強度の最大値でなく、例えば、平均値、または中央値等をとってフォーカス値を生成しても良い。

例えば、操作者が操作器 54 によってマウスで、図４の設定エリア 502 内のフォーカス値設定欄 507 のプルダウンメニューボタンを示す▽印をクリックする。これによって、PC 50 はモニタ 51 の表示画面にプルダウンメニューを表示し、操作者が、表示されたプルダウンメニューの中から所望のコメント（例えば、(1)“平均スペクトラム強度”、(2)“最大スペクトラム強度”、あるいは(3)“中央スペクトラム強度”）のいずれかを選択することによって、フォーカス値の生成方法として、(1) スペクトラム強度の平均値、(2) スペクトラム強度の最大値、あるいは (3) スペクトラム強度の中央値のいずれかに設定することができる。

上述のように、図４での設定が終了したと操作者が判断した場合には、操作器 54 を使って、オーケー（ OK ）ボタン 509 をマウス等でクリックすることで、AF パラメータ設定画面 501 が閉じ、操作者が入力した値に設定され、PC 50 のアプリケーションソフトウエアの手順に従って別の画面が表示される。
また、操作者が設定を途中でやめて前の設定に戻したい場合には、キャンセル（ CANCEL ）ボタン 510 をクリックすることで、AF パラメータ設定画面 501 が閉じ、操作者がこれまで入力した操作はクリアされ以前の設定に戻り、PC 50 のアプリケーションソフトウエアの手順に従って別の画面が表示される。

一般的に、映像信号の輝度レベルの波形は、合焦点付近で急峻な波形となり、これらの周波数スペクトラムは特定周波数にピークが発生する。そのため、本発明によれば、合焦点位置が複数ある被写体は合焦点毎に持つ特徴あるスペクトラム成分の強度をフォーカス値とすることで、希望する合焦点を捉えることができる。

図５は、合焦点位置が合焦点 A と合焦点 B の２つある場合の、それぞれの周波数スペクトラムを示している。図５(a) は、合焦点位置 A での周波数スペクトラムを示し、図５(b) は、合焦点位置 B での周波数スペクトラムを示す。
図５(a) と図５(b) とを比較すると、図５(b) の矢印 551 で示したスペクトラムが図５(a) には存在せず、図５(b) だけにしかないので、この矢印 551 で示したスペクトラムが特徴あるスペクトラムであることがわかる。
この最大値がある周波数範囲を、フォーカス値を生成する周波数範囲に設定することで、合焦点 A と合焦点 B とを区別して AF 制御を行うことができる。

以上のように、本発明によれば、医療用、産業用等の測定装置に用いるオートフォーカス方法またはオートフォーカス装置として、顕微鏡からの入射光を光電変換して得られたカメラの映像信号の輝度レベルをフーリエ変換することで、その輝度レベルについての周波数スペクトラムを得て、これらの周波数スペクトラムのうちで、特徴ある周波数領域の周波数スペクトラム強度からフォーカス値を生成して、的確な合焦点位置を検出することができる医療用、産業用等の測定装置に用いるオートフォーカス方法またはオートフォーカス装置を実現できる。
また本発明によれば、合焦点位置が複数ある被写体または試料であっても、合焦点毎に持つ特徴あるスペクトラム成分の強度をフォーカス値とすることで、所望の合焦点を的確に検出することができる。

本発明の AF 制御方法の一実施例を説明するためのフローチャート。従来の AF 制御方法の一例を説明するためのフローチャート。従来の測定装置の構成を示すブロック図。本発明の一実施例の AF パラメータ設定画面を示す図。本発明による合焦点位置が複数ある場合の周波数スペクトラムを説明する図。

符号の説明

40：カメラ、 41：顕微鏡、 42：X 移動機構、 43：Y 移動機構、 44：Z 移動機構、 45：XY ステージ、 46：光源、 47：X ドライバ、 48：Y ドライバ、 49：Z ドライバ、 50：PC 、 51：モニタ、 52：AF 装置、 53：試料、 54：操作器、 55：光ガイド、 56：ベース、 501：AF パラメータ設定画面、 502：設定エリア、 503：Z 移動範囲上限設定欄、 504：Z 移動範囲下限設定欄、 505：周波数範囲上限設定欄、 506：周波数範囲下限設定欄、 507：フォーカス値設定欄、 508：スペクトラム表示ボタン、 509：、 510：、 511：周波数スペクトラム表示エリア、 512：周波数範囲上限を示すカーソル、 513：周波数範囲下限を示すカーソル、 551：矢印。

Claims

被写体の映像を取得するカメラと、該取得された映像を処理する画像処理部と、上記カメラと上記被写体との距離を可変する可変部とを備え、上記画像処理部は、上記カメラから取得された映像の輝度レベルをフーリエ変換して周波数スペクトラム強度に基づいて上記カメラと上記被写体との距離を可変することを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１記載のオートフォーカス装置において、上記画像処理部は、所定の周波数範囲内についての上記周波数スペクトラム強度に基づいて上記カメラと上記被写体との距離を可変することを特徴とするオートフォーカス装置。
カメラが取得した映像の輝度レベルをフーリエ変換して周波数スペクトラム強度に基づいて上記カメラと上記被写体との距離を可変することを特徴とするオートフォーカス方法。