JP2007511758A - 結像系の焦点を決定するための装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、光学系（２０）の焦点は、光学系の焦点面（６６）の異なる側に周期的な構造体をもつ第１及び第２のテストオブジェクト（６２，６４）を配置し、放射線感応検出系（３０）の異なる領域（３２，３４）に形成される像の変調深度における差異を決定することによって、信頼できる正確なやり方で決定されることができる。

Description

本発明は、光学系の焦点を決定するための方法であって、
光学系を照射系と放射線感応検出系との間に配置するステップと、
テストオブジェクトを照射系と光学系との間に配置するステップと、
テストオブジェクトを光学系によって検出系上に結像させるステップと、
テストオブジェクト像の変調深度から焦点面の位置を確立するステップと、
を含む方法に関する。

本発明は、更に、この方法を実施するための装置にも関する。

光軸をもつ結像系の焦点は、結像系の焦点面の軸位置を意味するものとして理解されている。この系は、複数のレンズ素子及び／又はミラー素子を有する複合系でできていてもよく、これらの素子が合わさってオブジェクトを必要な軸位置で結像させる。結像系は、単体の素子又はミラー素子であってもよい。焦点検出は、光学系の分野で広く使用される。例えば、単体レンズ、複合レンズ若しくはミラーの焦点面を決定するために、又は光結像系を有する光学装置の製造中にこの系の焦点面が装置内の必要な位置にあるか否かを決定するために使用される。

最良の焦点を決定するための幾つかの方法が、当技術分野において知られる。例えば、軸方向にシフトされた（テスト）オブジェクト又は軸方向に変位されたセンサを使用し、どこに結像系の焦点面があるのかを決めるためにセンサ出力信号を比較する方法が知られる。米国特許第６，１９５，１５９号明細書は、この方法を用いるレンズテスティングシステムを説明する。

本発明の方法に最善のアプローチである方法は、単一のテストオブジェクトを用いる動的な方法である。このオブジェクトが「スルーフォーカス走査され（scanned through focus）」、このことは、そのオブジェクトが、最適な焦点のロケーションの一方の側の位置から他方の側の位置まで広がる軸範囲の中を動かされるということを意味する。代替例として、結像系自体又はその一部が走査されることもできる。走査中に、この像のコントラスト又は鮮明さ（sharpness，シャープネス）が、テストオブジェクトの像を受けるセンサによって供給される信号から決定され、そのコントラスト値が記憶される。同じ不鮮明さ（unsharpness，アンシャープネス）をもつ像が得られるのは、動くオブジェクト又は動く結像系のどれらの位置に対してなのかが決定される。これらの２つの位置の中間の位置が、最良の焦点の位置である。

位置の関数として、オブジェクトが明るい領域及び暗い領域を含む場合には、コントラストに対する目安である変調深度が、最良の焦点範囲において、即ち、最良の焦点に近づくとき、小さい変動を示し、及び最良の焦点では変動さえないので、この既知の方法の感度は低い。このことは、結果として低い測定精度につながる。最良の焦点範囲における焦点ずれ（defocus，デフォーカス）の量を推定することは困難である。更に、検出された焦点エラーの符号、即ち、実際の焦点が最良の焦点の一方の側にあるか又は他方の側にあるかは、変調の十分な変動が観察され得るように、焦点をはるかにはずしてオブジェクト又は結像系を動かさなければ決定されることはできない。従って、焦点ずれの正確な量及び符号は、固定光学系については決定されることができない。

本発明の目的は、冒頭段落に規定された方法であり、当該方法によって高精度で焦点ずれの量を決定するだけでなく、このようなずれ（deviation）の符号を決定することも可能になる静的な方法であって、最小限の数の光学素子を使用する方法を提供することにある。

この方法は、テストオブジェクトを配置するステップが、第１のテストオブジェクトを照射系と光学系の予測される焦点面との間に配置し、第２のテストオブジェクトをこの面と光学系システムとの間に配置し、それによって、第１及び第２のテストオブジェクトが、光学系の光軸に対して異なるロケーションに配置されるステップを含み、焦点を確立するステップが、２つのテストオブジェクトの像の各変調深度を決定し、２つのテストオブジェクトの位置に対する焦点の位置を表わす差の値を得るために、これらの得られた変調深度値どうしを減じるステップを含むことを特徴とする。

本発明は、結像系の焦点面の前方及び後方のそれぞれに配置される、同じ構造体をもつ２つのテストオブジェクトに関連したスルーフォーカス変調Ｍ_ｔｆ曲線が、互いに対してシフトされるという洞察に基づいている。Ｍ_ｔｆ曲線は、あるオブジェクトの像における変調を、結像系の最良の焦点面に対するこのオブジェクトの軸位置の関数として示す。ＭＴＦ、即ち、変調伝達関数は、光学系においてよく知られたパラメータである。通常、結像系によって形成された像のコントラストは、像のグレイ値（gray value，濃淡値）の変調によって与えられる。現在、結像系の変調伝達は、周期的な構造を示すオブジェクトによって決定される。所与の周期性に対するグレイ値変調は、その周期性に対する変調伝達と呼ばれる。この説明では、Ｍ_ｔｆは、所与の周期性をもつオブジェクトに関連したＭ_ｔｆを意味するものと理解されたい。上記の２つのスルーフォーカス変調曲線は、ガウス曲線の形状をもつ。Ｍ_ｔｆ曲線の幅は、とりわけ、オブジェクトの周期性及び２つのオブジェクト間の距離に依存する。現在、この幅は、半値全幅（ＦＷＨＭ）で表わされる。２つのサブオブジェクトの曲線が互いに近い場合、即ち、それらの曲線の頂部の間の距離が、互いの曲線からのＦＷＨＭ差分の約１．５倍よりも小さい場合、いわゆるＳの字曲線が得られ、これは、ほぼゼロの周りで実質的に直線の傾斜を示す。Ｓの字曲線のこのゼロが、結像系の最良の焦点を表わす。

スルーフォーカス走査が用いられていない本発明の静的な測定方法においては、所与の焦点位置について各オブジェクトごとに１つずつ２つの変調値が得られ、それゆえ、その焦点位置に対して特有である符号（＋又は−）及び大きさをもつ１つの差分値が得られる。この差分値が、最良の焦点を得るために必要である補正の量及び符号を示す。最良の焦点について、２つのオブジェクトに関連した変調は同じ値をもち、これは、上述された既知の方法において使用された、例えば、最大値の０．５から０．８までのものとは非常に異なる。本発明の静的な差異の方法は、焦点ずれごとに焦点ずれの正確な量及び符号を与えるものである。高品質な光学系の場合、この方法により、光学系の焦点深度について１％のオーダーの感度で、焦点ずれ量を測定することが可能になる。この焦点深度又は焦点範囲は、許容可能である焦点ずれの量、即ち、許容可能な像が得られる量である。

好ましくは、この方法は、更に、焦点が、結像系の視野の種々の異なるポイントにおいて決定されることを特徴とする。

このように、視野間の平均焦点ずれ、並びに像面湾曲及びその湾曲の形状のような結像系のパラメータが、決定されることができ、視野の種々の異なるポイントにおける単一周波数変調が推定されることができる。

本発明は、更に、この方法を実施するための装置にも関する。この装置は、照射ビームを供給するための放射線源と、テストオブジェクトと、測定されるべき光学系のロケーションと、放射線感応検出系と、検出系からの信号を処理するための処理手段とを系列的に有する装置であって、テストオブジェクトが、２つのサブオブジェクトを有し、これらのサブオブジェクトが、光学系の予測される最良の焦点について異なる側に配置されると共に、当該装置の軸に対して異なる位置に配置され、放射線感応検出系が、サブオブジェクトの像について別個の検出領域を有し、処理手段が、像のコントラストの差異を算出するための手段を有することを特徴とする。

この装置の一実施形態は、サブオブジェクトが回折格子であることを特徴とする。

光学回折格子は、光学系の特性を測定するためのテストオブジェクトとして非常に適している。

本発明のこれら及び他の態様は、非限定的な実施例として、以下に説明される実施形態を参照することから明らかとなり、これらの実施形態を参照することによってより明瞭に説明される。

図１は、最良焦点の検出装置１を示す。この装置は、照射ビーム８を供給する照射系２を有している。この照射系は、放射線源４を有し、例えば、単体レンズ６として概略的に示されるビーム成形光学系を有する任意のタイプから構成されてもよい。この装置は、更に、テストオブジェクト１０を有し、このテストオブジェクトが、回折格子ストリップ１４及び中間ストリップ１４から成る回折格子構造体１２を有している。この回折格子構造体は、透明基板１６によって支持されている。回折格子は、透過型回折格子であるか、又は白黒の回折格子、即ち、透明な回折格子ストリップ及び不透明な（吸収型又は反射型の）中間ストリップをもつ回折格子であってもよい。この回折格子は、更に、位相回折格子、即ち、基板表面に対して、回折格子ストリップが第１のレベルにあり、中間ストリップが第２のレベルにある回折格子であってもよい。回折格子は、照射ビーム８によって照射される。

測定されるべき結像系２０は、テストオブジェクトを通り抜ける放射線の経路内のホルダ（図示略）に挿入される。この結像系は単体レンズによって表わされているが、多数のレンズを有して構成された結像系であってもよい。測定中、この系２０は、テストオブジェクトを放射線感応検出系３０上に結像させ、それによって、回折格子構造体の各々のポイントが、検出系の別個のポイントと接合される。このことが、回折格子構造体のあるポイントから始まるサブビーム１８によって図１に示される。この放射線感応検出系は、当技術分野でよく知られるＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサのようなカメラのセンサであってもよい。センサの出力が、よく知られた電子的処理ユニット４０と接続されている。

センサ上に形成される像の鮮明さ又は像におけるコントラストは、焦点に依存し、即ち、結像系の最良の焦点オブジェクト面の位置に対するテストオブジェクトの軸（Ｚ）位置に依存する。回折格子のような暗いライン及び明るいラインのパターンから成るオブジェクトの像に対して、コントラストは、強度の変調又はグレイ値の変調によって表わされる。この変調Ｍは、結像されたオブジェクトの周期性又は空間周波数に依存する。ただ１つの空間周波数ｓｆをもつオブジェクトの像は、ただ１つの変調Ｍ_ｓｆを有する。よく知られているＭＴＦ（変調伝達関数）は、通常、ライン／ｍｍ（lpmm）で表記される空間周波数の関数として変調を表わす。焦点の関数としての変調Ｍの変動は、スルーフォーカス変調Ｍ_ｔｆと呼ばれてもよい。

図２は、１０lpmmの空間周波数をもつオブジェクトに対するこのようなＭ_ｔｆの一例を示す（曲線５０）。焦点ずれΔｚが横軸に沿って（mmで）示され、変調振幅ＭＡが縦軸に沿って示される。オブジェクトにおける空間周波数の変調依存関係を示すために、更に、８lpmm、６lpmm、４lpmm及び２lpmmの空間周波数に対する曲線５１、５２、５３及び５４がそれぞれ与えられる。

一般に、光学系では、光学センサ、そのセンサに結合される信号処理デバイス及び処理ソフトウェアによって、オブジェクトの像における変調を決定するやり方が知られている。理想的な場合、即ち、Δｚがゼロであるか又はオブジェクトが結像系の最良の焦点面にある場合に、変調は最大である。

通常の方法では、この条件は、像における最大の変調を得ようとして、結像系の最良の焦点を決定するために使用される。しかし、この「最大の変調」方法は、以下の欠点を示す。

Δｚの関数としての変調Ｍの変動は、曲線の頂部で最小（実際はゼロ）であり、即ち、Δｚに対してゼロである。それゆえ、この方法は、重要なポイントで比較的感度が鈍い。

頂部に近づくと、頂部に到達するための進み方を変調値のみから決定することが困難である。他のステップとして、どの方向に向かっていくかに関する情報を得るために、実際には、スルーフォーカス揺動（wobbling）又はスルーフォーカス走査が使用される。本願明細書において前に説明したように、最良の焦点を推定するために同じ（不）鮮明さを供給する２つの位置（焦点ずれ設定）を検索することが可能である。最良の焦点位置は、これらの２つの位置の中間である。しかし、このようにして得られた結果は、頂部に近い領域では不明瞭である。なぜならば、エイリアシングをもたらす、センサピクセルパターンによるテストオブジェクト像の干渉、又は非精密なアクチュエータが、妨害作用を及ぼし得るからである。

最適な変調値を見つけるために焦点を変更することができない場合、変調値から実際の焦点を見つけることもできない。このことは、完成した結像系の焦点を決定することができないということを意味する。

結像系のアプリケーションの中には、オブジェクト面の傾き（tilt，チルト）を決定することが必要であるものもある。これには、像の視野のエッジにおける正確な焦点測定が必要とされる。通常の方法によって、このような測定を実現することは困難である。

本発明は、コンポーネントを動かさなくても、結像系の実際の焦点を決定することができる方法を提供する。図３は、この方法を実施するための装置の図である。図１の装置のものと同じであるこの装置のコンポーネントは、同じ参照符号で示される。本発明によれば、２つの（サブ）テスト回折格子６２及び６４が、光軸Ｚの異なる側に配置されている。これらの回折格子は、一方のサブ回折格子が結像系の最良の焦点面６６の前方に置かれ、他方のサブ回折格子が焦点面６６の後方に置かれるように、結像系２０から異なる軸距離において位置付けられている。結像系２０は、サブ回折格子６２及び６４の像６８及び７０を、検出系又はセンサ４０の異なる領域においてそれぞれ像形成する。これらのセンサ領域は、別個に同時に読み出される。この結像系は、カメラの対物レンズであってもよく、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサの形態の放射線感応検出系に近接して配置されるものである。

サブ回折格子６２及び６４が、結像系２０に対して異なる距離にあるので、これらの回折格子に関連したＭ_ｔｆ曲線７２及び７４は、図４に示されるように互いに関してシフトされるであろう。プロセッサ４０において、サブ回折格子に関連して測定されたＭ値が互いに比較され、即ち、測定されたＭ値どうしが減じられる。Ｍ_ｔｆ曲線に関して、このことは、曲線７２及び７４どうしが減じられることを意味し、そのため、図５に示される差異に基づくΔＭ_ｔｆ曲線７６をもたらすであろう。Ｓの字曲線と呼ばれ得るこの曲線は、ポイントΔｚ＝０の付近、即ち、最良の焦点ポイントの付近で急勾配を示す。従って、結像系の焦点の位置を非常に正確に決定することが可能になる。サブ回折格子について測定されたＭ値の間の差異の各々の値ΔＭは、ここでは、結像系の焦点のある位置を表わす。実際の焦点と必要な焦点とのずれの量及びその符号の双方が、迅速に正確に決定されることができる。

サブ回折格子又は他のテストサブオブジェクトは、別個の素子であってもよい。好ましくは、これらは図６に示されるように１つのコンポーネント８０に一体化される。このコンポーネントは、２つの透明の、例えば、ガラス製のプレート８２及び８４を有し、これらのプレートは、ホルダ９０によって支えられているリブ８８を備えるスペーサ８６で隔てられている。プレート８２の右側に第１のサブ回折格子６２があり、プレート８４の左側に第２のサブ回折格子６４がある。これらのプレートはクロム層でコーティングされていてもよく、回折格子ストリップはこの層にエッチングされていてもよい。この部材８０は、最良の焦点面６６が２つのサブ回折格子の間にあるような、理想的な場合としてはこれらのサブ回折格子の中間にあるような測定装置の軸位置に配置される。十分な光品質をもつ材料が回折格子プレートのために選択され、それゆえ、このプレートが十分な厚さをもって作製されることができる場合、サブ回折格子は、１つのプレートの対向側に配置されることができる。

図７は、テスト回折格子構造体のある実際の実施形態の上面図である。参照符号６２及び６４は、上方サブ回折格子及び下方サブ回折格子をそれぞれ示す。これらの回折格子ストリップは、センサのピクセル構造体と回折格子構造体との間の干渉から生じ得るモアレパターンの形成を防止するために、例えば、８°のオーダーの小さい角度で斜めにされてもよい。回折格子構造体の空間周波数は、例えば、１２ライン／ｍｍのオーダーであってもよい。一般に、これらの回折格子が結像系から異なる距離に配置されるので、双方の回折格子の倍率は僅かに異なる。しかし、回折格子の像は、同じ空間周波数を示すことが好ましい。このことは、倍率の差異が補償されることができるように、僅かに異なる空間周波数をもつ回折格子を使用することによって得られることができる。回折格子の各々の側における変調測定のための基準として、例えば、２ライン／ｍｍの空間周波数において回折格子ストリップ９４をもつより粗い回折格子構造体９２が、配置されてもよい。図３のグラフに関して、粗い回折格子構造体は、変調深度値１を供給する。

焦点は、測定される結像系の視野の複数の位置において決定されることができる。これにより、傾き及び視野の湾曲のような結像系のより多くのパラメータを測定することが可能になる。図８は、このような測定を実施するのに適している回折格子構造体の一実施形態を示す。この回折格子構造体は、各セットが上方サブ回折格子６２及び下方サブ回折格子６４をもち、これらのサブ回折格子の双方の側により粗い基準回折格子構造体をもつ、９つのセットを有している。結像系の光軸とＹ軸付近のセンサ面との間の傾きを測定するために、例えば、セット１０１，１０２，１０３及び１０７，１０８，１０９が使用されることができる。Ｙ軸の傾き（Y-tilt）は、これらのセットについて見出された焦点間の平均差異と、これらのセット間の差異とから決定されることができる。例えば、セット１０１，１０４，１０７及び１０３，１０６，１０９について見出された焦点間の平均差異と、これらのセット間の差異とから、Ｘ軸付近の傾きも見出されることができる。

Ｘ方向における視野の湾曲を決定するために、例えば、セット１０２，１０５及び１０８が使用されてもよい。まず、Ｘ軸に沿った傾きが、上記に説明されたように決定される。その後、この傾きはソフトウェア処理によってゼロに設定され、これがセット１０２，１０５及び１０８に対する新たな焦点をもたらす。最後に、曲線は、セット１０２，１０５及び１０８の（新たな）焦点を通って合わせられる。同様なやり方で、Ｙ軸方向の視野の湾曲が、３つのセットのサブ回折格子によって決定されることができる。

本発明は、光学系が含まれなければならない装置の位置上の設定を適合させる又は光学系を特徴づける目的で、光学系の異なるタイプの焦点を決定するために使用されることができる。このような系の一例は、カメラの対物レンズである。携帯電話機又は他のハンドヘルド装置に使用されるような小型で簡単なカメラの場合、対物レンズは、カメラから遠く離れた距離にあるオブジェクト、光学用語で言うと無限遠にあるオブジェクトでさえ十分鮮明に結像するべきである。このような対物レンズは、非常に深い焦点深度をもつ有限接合の（finite conjugate，有限共役の）対物レンズを備えるべきである。このような対物レンズについては、カメラから最も遠く離れているテスト回折格子が焦点をはずされることを達成するために、追加の測定が必要とされる。そのために、他のレンズが、対物レンズと２つのテスト回折格子との間に配置される。

図９は、このような他のレンズ１２４を備える装置の一実施形態を示す。この図では、１１２が照射系であり、例えば、背景照射系である。１１４はカメラであり、１１６はその焦点が決定されるべき対物レンズである。１２０及び１２２は、最良の焦点面の異なる側に配置されるサブ回折格子である。深い焦点深度をもつ対物レンズについては、サブ回折格子１２０は焦点が合っている。このサブ回折格子の焦点をはずすようにするために、本発明に必要であるように、レンズ１２４がサブ回折格子１２２と対物レンズ１１６との間に配置される。このレンズによって、最良の焦点面１１８が対物レンズ１１６に向ってシフトされ、そのため、サブ回折格子１２０は焦点面から好適な距離を隔てて置かれるようになる。このように、この方法は、深い焦点深度をもつ結像系のために使用されることもできる。１２６は最良の焦点面のあるポイントから生じ、対物レンズによって受け取られるサブビームである。

本発明は、回折格子をもつ場合だけでなく、周期的な構造体を具備する他のテストオブジェクトをもつ場合でも実施されることができる。

結像系の焦点を決定するための通常の装置の図である。 スルーフォーカス変調曲線を示す図である。 結像系の焦点を決定するための本発明による装置の一実施形態を示す図である。 この装置によって得られたスルーフォーカス変調曲線を示す図である。 これらの曲線の間の差分を表わす曲線を示す図である。 本発明による方法で使用されるテストオブジェクトの一実施形態を示す図である。 このようなテストオブジェクトの回折格子構造体の一実施形態を示す図である。 複数の回折格子構造体セットをもつテストオブジェクトを示す図である。 他のレンズを有する本発明による装置の一実施形態を示す図である。

Claims (6)

1. 光学系の焦点を決定する方法であって、
   前記光学系を照射系と放射線感応検出系との間に配置するステップと、
   テストオブジェクトを前記照射系と前記光学系との間に配置するステップと、
   前記テストオブジェクトを前記光学系によって前記検出系上に結像させるステップと、
   前記テストオブジェクト像の変調深度から焦点面の位置を確立するステップと、
   を含む方法において、
   前記テストオブジェクトを配置するステップが、第１のテストオブジェクトを前記照射系と前記光学系の予測される焦点面との間に配置し、第２のテストオブジェクトをこの焦点面と前記光学系システムとの間に配置し、それによって、前記第１のテストオブジェクト及び前記第２のテストオブジェクトが、前記光学系の光軸に対して異なるロケーションに配置されるステップを含み、
   前記焦点を確立するステップが、前記２つのテストオブジェクトの像の各変調深度を決定し、前記２つのテストオブジェクトの位置に対する焦点の位置を表わす差の値を得るために、これらの得られた変調深度値どうしを減じるステップを含むことを特徴とする方法。
2. 焦点が、結像系の視野の種々の異なるポイントにおいて決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 光学系の焦点を決定するための装置であって、
   照射ビームを供給するための放射線源と、テストオブジェクトと、測定されるべき前記光学系のロケーションと、放射線感応検出系と、前記検出系からの信号を処理するための処理手段とを系列的に有する装置において、
   前記テストオブジェクトが、２つのサブオブジェクトを有し、前記サブオブジェクトが、前記光学系の予測される最良の焦点について異なる側に配置されると共に、当該装置の軸に対して異なるロケーションに配置され、
   前記放射線感応検出系が、前記サブオブジェクトの像について別個の検出領域を有し、
   前記処理手段が、前記像のコントラストの差異を算出するための手段を有することを特徴とする装置。
4. 前記サブオブジェクトが、回折格子であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記回折格子が、透明プレートの前方側及び後方側にそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 他のレンズ系が、前記光学系と、前記光学系に最も近い前記サブオブジェクトとの間に配置されることを特徴とする、請求項３、４又は５に記載の装置。

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