JP2007322545A - 顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の表面状態によらず安定した合焦判定を行える顕微鏡を提供する。
【解決手段】顕微鏡は、対物レンズ１１と結像レンズ１２と接眼レンズ１３からなる観察光学系１０と、二つの指標像を投射する指標像投射部３０と、指標像投射部３０の光路を観察光学系１０の光路に結合するハーフミラー２６とを有している。指標像投射部３０は、光源２１と開口部２２と指標２３とスプリットプリズム２４と結像レンズ２５と回転機構３１を有している。指標２３は直線状のパターンを有し、被検体Ｓと共役な位置に配置されている。回転機構３１はスプリットプリズム２４と指標２３を光軸周りに回転可能に支持している。指標像投射部３０はハーフミラー２６および対物レンズ１１と共に、対物レンズ１１を介して被検体Ｓに二つの指標像を異なる方向から投影する指標投影光学系を構成している。被検体Ｓに投影された指標像は観察光学系１０によって観察される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、目視により被測定物の物体面に焦点を合わせる顕微鏡に関する。

顕微鏡を使用して加工物や電子部品などの試料の高さを測定する手法がある。この高さ測定では、光学顕微鏡観察の下、試料上の複数の個所で焦点合わせを行い、その際の対物レンズの移動量を測定することによって、複数の個所間の相対的な高さが求められる。このような高さの測定においては、なるべく開口数の大きな高倍対物レンズを使用し、焦点深度を浅くして合焦操作が行われる。

焦点合わせに関しては、より簡単にかつ安定した焦点検出が行えるよう焦点検出装置が考案されており、例えばＧＢ０７６１７６Ｂに開示されているような指標投影像を用いた合焦検出装置を用いた方法が知られている。

図７は、この種の焦点検出装置を備えた顕微鏡を示している。顕微鏡は、対物レンズ１１を共有する観察光学系１０と指標投影光学系とを有している。観察光学系１０は、対物レンズ１１と結像レンズ１２と接眼レンズ１３とから構成される。指標投影光学系は、対物レンズ１１と指標像投射部２０とハーフミラー２６とから構成される。指標像投射部２０は、光源２１と開口部２２と指標２３とスプリットプリズム２４と結像レンズ２５とを有している。指標２３は直線状のパターンを有し、被検体Ｓと共役な位置に配置されている。スプリットプリズム２４は、図８に示すように、二つの同一の半円形くさび型プリズム２４ａと２４ｂを有し、それらは反対向きに隣接して配置されている。

光源２１からの光ビームは指標２３を通過した後、スプリットプリズム２４によって二本に分割されるとともに、分割された二本の光ビームは光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）に対して互いに反対方向に偏向される。分割された二本の光ビームは、結像レンズ２５とハーフミラー２６と対物レンズ１１を経た後、反対方向から斜めに同じ入射角で被検体Ｓに入射する。その結果、それぞれ指標２３の半分に対応する二つの指標像が被検体Ｓの表面上に形成される。図９に示すように、二つの指標像２８ａと２８ｂは、非合焦状態では互いにずれて位置し、合焦状態では一直線上に整列する。指標像２８ａと２８ｂは観察光学系１０を介して目視によって観察される。これにより、合焦具合を指標像２８ａと２８ｂの横ずれとして容易に判定することができる。

また、同種の装置に、二つの指標を用い、それぞれの指標を通過した光ビームを異なる方向から被検体に入射させ、二つの指標の相対的なずれを判別するように構成したものもある（特許第３５５０５８０号）。
ＧＢ２０７６１７６Ｂ２ 特許第３５５０５８０号

しかし、従来の顕微鏡においては、以下に示すような問題がある。

従来の顕微鏡では、被検体に対して投影される指標が横ずれする方向は特定の方向に設定されている。指標は、横ずれを認識しやすいように、横ずれの方向に対して直交する線で構成されている。

この構成は、表面が鏡面状の被検体に対しては非常に有効に作用する。しかし、被検体の表面状態によっては有効に作用しない。例えば、特定方向に特徴を持つパターンが形成されている被検体に対しては、指標すなわち線の像が被検体のパターンによるコントラストのために非常に見えにくくなり、合焦判定が行い難くなることがある。

機械加工された被検体の表面には、切削による直線や同心円の条痕が挽き目として残ることが多い。このような被検体を顕微鏡で観察すると、観察視野内にほぼ一方向に延びる挽き目が観察され、その方向は場所によって全方位を向く。したがって、場所によっては、図１０に示すように、被検体に重ねられた指標像２８ａと２８ｂは良好に観察される。しかし、同じ被検体面内でも場所が変わり、図１１に示すように、挽き目方向が指標像２８ａと２８ｂの線方向に近くなると、指標像２８ａと２８ｂを判別し難くなる。これは合焦再現性の低下にもつながる。

特に高さ測定に使用する場合では、被検体の複数の個所にＸＹステージで観察位置を移動させながら、各個所で合焦動作を行い、被検体の形状変化を求めることが必要とされる。その際、測定個所によって再現性が変わったり、被検体の向きを変える必要が生じたりすることは不都合が大きい。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、被検体の表面状態によらず安定した合焦判定を行える顕微鏡を提供することである。

本発明による顕微鏡は、対物レンズを介して被検体に二つの指標像を異なる方向から投影する指標投影光学系と、前記対物レンズを介して前記被検体および前記指標像を観察する観察光学系と、前記被検体に投影される前記指標像を光軸周りに回転させる回転手段とを有している。

本発明によれば、被検体の表面状態によらず安定した合焦判定を行える顕微鏡が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態による顕微鏡を図１に示す。図１に示すように、本実施形態における顕微鏡は、対物レンズ１１と結像レンズ１２と接眼レンズ１３とを有している。対物レンズ１１と結像レンズ１２と接眼レンズ１３は、被検体Ｓを光学的に観察する観察光学系１０を構成している。顕微鏡はさらに、二つの指標像を投射する指標像投射部３０と、指標像投射部３０の光路を観察光学系１０の光路に結合するハーフミラー２６とを有している。ハーフミラー２６は対物レンズ１１と結像レンズ１２の間に配置されている。

指標像投射部３０は、光源２１と開口部２２と指標２３とスプリットプリズム２４と結像レンズ２５に加えて、回転機構３１を有している。

開口部２２は、対物レンズ１１と結像レンズ２５を介して対物レンズ１１の瞳と共役な位置に配置されている。

指標２３は直線状のパターンを有している。直線状のパターンは、遮光性パターンで構成されても、透光性パターンを備えた遮光膜で構成されていてもよい。直線状のパターンは、これに限らないが、例えば一本の直線のパターンである。直線状のパターンは、互いに平行な複数本の直線のパターンであってもよい。指標２３は、対物レンズ１１と結像レンズ２５を介して被検体Ｓと共役な位置に配置されている。

スプリットプリズム２４は、図８に示すように、二つの同一の半円形くさび型プリズム２４ａと２４ｂを有し、それらは反対向きに隣接して配置されている。スプリットプリズム２４は、指標２３を通過した光ビームを二つに分割し、分割した二つの光ビームを互いに反対側にすなわち光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）に対して対称的に偏向する。

スプリットプリズム２４と指標２３は一体化されており、回転機構３１はスプリットプリズム２４と指標２３を光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）周りに回転可能に支持している。回転機構３１は、円筒状の回転部材３１ａと、回転部材３１ａを回転可能に支持している固定部材３１ｂと有している。好ましくは、回転部材３１ａと固定部材３１ｂの間にベアリングなどの摩擦低減手段が設けられるとよい。スプリットプリズム２４と指標２３は回転部材３１ａに固定されている。

指標像投射部３０はハーフミラー２６および対物レンズ１１と共働して指標投影光学系を構成している。指標投影光学系は、対物レンズ１１を介して被検体Ｓに二つの指標像を異なる方向から投影する。より詳しくは、指標投影光学系は二つの指標像を被検体Ｓに、観察光学系１０の光軸に対して反対方向から斜めに同じ入射角で投影する。被検体Ｓに投影された指標像は観察光学系１０によって観察可能である。

回転機構３１は、例えば、手動により調整可能となっている。図３と図４に示すように、回転機構３１の回転部材３１ａにローレット３３が設けられている。ローレット３３は部分的に、指標像投射部３０の筐体３０ａから露出している。観察者は、ローレット３３の露出している部分に手を触れて移動させることにより、スプリットプリズム２４と指標２３を回転させることができる。

あるいは、回転機構３１は、電動により調整可能となっていてもよい。図５に示すように、回転機構３１の回転部材３１ａに歯車３４が設けられている。歯車３４は、電動モーター３５の軸３５ａに取り付けられた歯車３６と噛み合っている。電動モーター３５は駆動部３７と接続されており、駆動部３７は回転ダイヤルなどの操作部３８と接続されている。観察者は、操作部３８を操作することにより、スプリットプリズム２４と指標２３を回転させることができる。

このように構成された顕微鏡において、光源２１から発した光の一部は開口部２２を通過して方向性を持った光ビームとなる。開口部２２を通過した光ビームは指標２３を通過してスプリットプリズム２４に入射する。スプリットプリズム２４に入射した光ビームは二つのくさび型プリズム２４ａと２４ｂによって二本に分割されるとともに、分割された二本の光ビームは光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）に対して互いに反対方向に偏向される。分割された二本の光ビームは、結像レンズ２５とハーフミラー２６と対物レンズ１１を経た後、反対方向から斜めに同じ入射角で被検体Ｓに入射する。

その結果、それぞれ指標２３の半分に対応する二つの指標像が被検体Ｓの表面上に形成される。別の言い方をすれば、二つの指標像が被検体Ｓに、観察光学系１０の光軸（対物レンズ１１の中心軸）に対して反対方向から斜めに同じ入射角で投影される。

被検体Ｓに投影された二つの指標像は、観察光学系１０の光軸に沿った被検体Ｓの位置に応じて移動する。詳しくは、図９に示されるように、被検体Ｓに投影される二つの指標像２８ａと２８ｂは、非合焦状態では互いにずれて位置し、合焦状態では一直線上に整列する。指標像２８ａと２８ｂは観察光学系１０を介して目視によって観察される。

本実施形態では、回転機構３１を操作することにより、被検体Ｓに投影される指標像２８ａと２８ｂを回転させることができる。例えば、加工面のように一方向に特徴的なパターンを持つ被検体Ｓにおいて、図２に示すように、指標像２８ａと２８ｂが被検体Ｓの挽き目方向とほぼ平行である場合には、回転機構３１を操作して指標２３とスプリットプリズム２４の角度を変更し、指標像２８ａと２８ｂが被検体Ｓの挽き目方向にほぼ垂直となるように調整するとよい。これにより、指標像２８ａと２８ｂをクリアに観察できるようになる。

なお、観察光学系１０の光軸に沿って、観察光学系１０と被検体Ｓの相対位置を変化させる方法としては、被検体Ｓを載置し、Ｚ方向に移動させるＺステージを配置してもよいし、観察光学系１０全体、または、対物レンズ１０をＺ方向に移動させる移動手段を設け、移動させるようにしてもよい。また、これら移動手段に、移動量を測定する手段（例えば、ガラススケールを用いた測長器など）を設置すれば、被検体の高さ測定を行なうことができる。

本実施形態によれば、現存の顕微鏡に非常に簡単な構成を付加するだけで、安定した合焦判定を行えるようにすることができる。

＜第二実施形態＞
本発明の第二実施形態による顕微鏡を図６に示す。図６において、図１中の部材と同一の参照符号で示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。本実施形態における顕微鏡は、指標像投射部の一部分だけが第一実施形態と相違している。

図６に示すように、本実施形態における指標像投射部４０は、光源２１と開口部２２と指標２３とスプリットプリズム２４と結像レンズ２５に加えて、指標２３とスプリットプリズム２４を通過した光が通過するイメージローテータプリズム４１と、イメージローテータプリズム４１を光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）周りに回転可能に支持している回転機構４２とを有している。

イメージローテータプリズム４１は、スプリットプリズム２４と結像レンズ２５の間に配置されている。イメージローテータプリズム４１の配置位置はこれに限定されない。イメージローテータプリズム４１は、結像レンズ２５とハーフミラー２６の間に配置されてもよい。イメージローテータプリズム４１は、これを通過した光を結像して形成される光学像をその光軸周りの角度に応じて回転させる。

回転機構４２は、円筒状の回転部材４２ａと、回転部材４２ａを回転可能に支持している固定部材４２ｂと有している。好ましくは、回転部材４２ａと固定部材４２ｂの間にベアリングなどの摩擦低減手段が設けられるとよい。イメージローテータプリズム４１は回転部材４２ａの内部に収容され固定されている。

回転機構４２は、第一実施形態の回転機構３１と同様の手法により、手動または電動により調整可能となっている。

このように構成された顕微鏡において、光源２１から発した光の一部は開口部２２を通過して方向性を持った光ビームとなる。開口部２２を通過した光ビームは指標２３を通過してスプリットプリズム２４に入射する。スプリットプリズム２４に入射した光ビームは二つのくさび型プリズム２４ａと２４ｂによって二本に分割されるとともに、分割された二本の光ビームは光軸（スプリットプリズム２４の中心軸）に対して互いに反対方向に偏向される。分割された二本の光ビームは、イメージローテータプリズム４１を通過し、結像レンズ２５とハーフミラー２６と対物レンズ１１を経た後、反対方向から斜めに同じ入射角で被検体Ｓに入射する。

その結果、それぞれ指標２３の半分に対応する二つの指標像が被検体Ｓの表面上に形成される。別の言い方をすれば、二つの指標像が被検体Ｓに、観察光学系１０の光軸（対物レンズ１１の中心軸）に対して反対方向から斜めに同じ入射角で投影される。

被検体Ｓに投影された二つの指標像は、観察光学系１０の光軸に沿った被検体Ｓの位置に応じて移動する。詳しくは、図９に示されるように、被検体Ｓに投影される二つの指標像２８ａと２８ｂは、非合焦状態では互いにずれて位置し、合焦状態では一直線上に整列する。指標像２８ａと２８ｂは観察光学系１０を介して目視によって観察される。

本実施形態では、回転機構４２を操作してイメージローテータプリズム４１を光軸周りに回転させることにより、被検体Ｓに投影される指標像２８ａと２８ｂを回転させることができる。例えば、加工面のように一方向に特徴的なパターンを持つ被検体Ｓにおいて、図２に示すように、指標像２８ａと２８ｂが被検体Ｓの挽き目方向とほぼ平行である場合には、回転機構４２を操作してイメージローテータプリズム４１の角度を変更し、指標像２８ａと２８ｂが被検体Ｓの挽き目方向にほぼ垂直となるように調整するとよい。これにより、指標像２８ａと２８ｂをクリアに観察できるようになる。

指標像の方向を調整する際、指標２３とスプリットプリズム２４は移動しないので、これらの光学素子の位置変化、特に微小な光軸に沿った移動を伴うことが一切ない。また、指標の投影に必要な光学部品が比較的大きな規模である場合でも、大規模な光学部品を回転させることなく、指標像を回転させることができる。

本実施形態によれば、現存の顕微鏡に非常に簡単な構成を付加するだけで、安定した合焦判定を行えるようにすることができる。

本実施形態は、一つの指標を用いた装置構成であるが、二つまたはそれ以上の指標を用いた装置構成に対しても適用できる。その場合、複数の指標を通過した光ビームが共にイメージローテータプリズム４１を通過するように、イメージローテータプリズム４１と回転機構４２を配置すればよい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の第一実施形態による顕微鏡を示している。 一方向に特徴的なパターンを持つ被検体に投影された角度調整前後の指標像を示している。 図１の回転機構を手動により調整する一構成例を示している。 図３に示されたローレットおよび指標像投射部の筐体の斜視図である。 図１の回転機構を電動により調整する一構成例を示している。 本発明の第二実施形態による顕微鏡を示している。 焦点検出装置を備えた顕微鏡の従来例を示している。 スプリットプリズムの斜視図である。 合焦状態と非合焦状態における指標像を示している。 被検体の挽き目にほぼ垂直に重ねられた指標像を示している。 被検体の挽き目にほぼ平行に重ねられた指標像を示している。

符号の説明

１０…観察光学系、１１…対物レンズ、１２…結像レンズ、１３…接眼レンズ、２０…指標像投射部、２１…光源、２２…開口部、２３…指標、２４…スプリットプリズム、２４ａ，２４ｂ…くさび型プリズム、２５…結像レンズ、２６…ハーフミラー、２８ａ，２８ｂ…指標像、３０…指標像投射部、３０ａ…筐体、３１…回転機構、３１ａ…回転部材、３１ｂ…固定部材、３３…ローレット、３４…歯車、３５…電動モーター、３５ａ…軸、３６…歯車、３７…駆動部、３８…操作部、４０…指標像投射部、４１…イメージローテータプリズム、４２…回転機構、４２ａ…回転部材、４２ｂ…固定部材。

Claims (4)

1. 対物レンズを介して被検体に二つの指標像を異なる方向から投影する指標投影光学系と、
   前記対物レンズを介して前記被検体および前記指標像を観察する観察光学系と、
   前記被検体に投影される前記指標像を光軸周りに回転させる回転手段とを有することを特徴とする顕微鏡。
2. 前記指標投影光学系は、前記被検体と共役な位置に配置された指標と、前記指標を通過した光ビームを二つに分割し、分割した二つの光ビームを光軸に対して対称的に偏向するスプリットプリズムとを有していることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記回転手段は、前記指標と前記スプリットプリズムを回転可能に保持している回転機構であることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。
4. 前記回転手段は、前記指標と前記スプリットプリズムを通過した光が通過するイメージローテータプリズムと、前記イメージローテータプリズムを光軸周りに回転可能に支持している回転機構とを有していることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。

Images