JP2008032877A

JP2008032877A - 自動焦点検出装置

Info

Publication number: JP2008032877A
Application number: JP2006204279A
Authority: JP
Inventors: Aiichi Ishikawa; 愛一石川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】試料の選択した面に合焦させることができる自動焦点検出装置を提供する。
【解決手段】あらかじめ液晶基板７の表面７ａに合焦させるのか裏面７ｂに合焦させるのかを選択する。また、あらかじめ合焦位置を設定しておく。ＣＣＤ８の左右の信号の面積が等しくなる境界（分割境界線）を見つける。分割境界線を境に左側の信号の面積をＳｂ、右側の信号面積をＳａとして、引算回路２０でＳａ―Ｓｂを演算し、Ｓａ―Ｓｂがゼロになるようにドライバ２１を介してフォーカスモータ２２を駆動して合焦動作を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は自動焦点検出装置に関する。

従来、特開平５−３１２５１０号公報に記載された位置検出装置が知られている。対物レンズの光軸を含む面を境に２分される一方の第１の領域を介して所定のパターンの光を基板の表面へ投射し、その基板の表面から反射される投射パターンの光を対物レンズの光軸を含む面を境に２分される他方の第２の領域を介して検出器で受光し、基板の位置を検出する。その第２の領域を介して検出器の受光面へ向かう基板の裏面からの反射光を遮光する遮光部材がその第２の領域から所定の距離だけ離れた位置に配置されている。

この位置検出装置によれば、基板の裏面からの反射光を遮光して基板の表面からの反射光だけを抽出し、基板の表面に合焦させることができる。
特開平５−３１２５１０号公報

しかし、この位置検出装置には基板の表面からの反射光を遮光して裏面からの反射光だけを抽出することはできない。そのため、基板の裏面に合焦させることができなかった。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は試料の選択した面に合焦させることができる自動焦点検出装置を提供することである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、スリット開口を有し、結像レンズを介して試料にスリット光を照射する焦点ずれ検出用光源と、複数の受光素子を有し、前記焦点ずれ検出用光源から出射されて前記試料で反射されたスリット光を受光して電気信号に変換する受光手段と、前記複数の受光素子を２つの領域に分割し、前記受光手段の前記２つの領域の少なくとも一方を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された領域から出力された受光信号に基づいて焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の自動焦点検出装置において、前記受光手段は一次元受光素子アレイで構成され、前記選択手段により分割された前記一次元受光素子アレイの分割境界線は、前記試料の表面から裏面へ合焦状態が変化する境界線であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の自動焦点検出装置において、前記焦点ずれ検出手段の検出結果に基づいて前記試料の一方の面に合焦させる焦点調節手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、試料の選択した面に合焦させることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を備える顕微鏡装置のブロック図である。自動焦点検出装置は、裏面反射のある基板に対して、基板の表面に合焦させるか又は裏面に合焦させるかを事前にモード選択できる装置である。

この顕微鏡装置は、焦点ずれ検出用光源１と集光レンズ２とスリット板３とハーフミラー５と対物レンズ（結像レンズ）６と落射照明系１２とハーフミラー１１とダイクロイックミラー１０と一次元ＣＣＤ（受光手段）（以下ＣＣＤという）８と制御回路ＳＰと入力装置２３とを備えている。

焦点ずれ検出用光源１は、集光レンズ２、スリット板３、ハーフミラー５及び対物レンズ６を介してステージ１６上に載置された液晶基板（試料）７に光を照射する。焦点ずれ検出用光源１は赤外光を出射する。スリット板３はスリット状の開口部を有し、スリット状の光束を形成する。スリット板３は対物レンズ６の物体面（基準面）Ｐ０と共役な位置に配置されている。

ステージ１６はＸＹＺ方向へ移動することができる。Ｚ軸方向への移動にはフォーカスモータ（焦点調節手段）２２が用いられる。焦点ずれ検出用光源１とＣＣＤ８と制御回路ＳＰとフォーカスモータ２２とで自動焦点検出装置が構成される。

ハーフミラー５は落射照明系１２から出射された光を透過させるとともに、落射照明系１２から出射されて液晶基板７の表面７ａで反射された光を透過させる。また、ハーフミラー５は焦点ずれ検出用光源１から出射された光を反射させる。対物レンズ６の焦点位置には液晶基板７の表面７ａの空間像Ｉが形成される。

ＣＣＤ８は、焦点ずれ検出用光源１から出射されて液晶基板７の表面７ａで反射された光を、対物レンズ６、ハーフミラー５及びダイクロイックミラー１０を介して受光して電気信号に変換する。ＣＣＤ８の受光面は、対物レンズ６の物体面（基準面）Ｐ０と共役な位置に配置されており、光軸Ａｘと受光面とが交差する点（所定の位置）を含むほぼ水平の分割境界線で図１の上下方向に２つの領域８ａ，８ｂに分割されている。各領域８ａ，８ｂには複数の画素が存在し、分割境界線は製造時に適切な位置（画素アドレス）に設定される。

ダイクロイックミラー１０は、落射照明系１２から出射され、ハーフミラー１１で反射された可視光を透過させるとともに、落射照明系１２から出射されて液晶基板７の表面７ａで反射された光を透過させる。また、ダイクロイックミラー１０は焦点ずれ検出用光源１から出射されて液晶基板７の表面７ａで反射された光を反射させる。

ハーフミラー１１は落射照明系１２から出射された光を反射させ、ダイクロイックミラー１０を透過した液晶基板７の表面７ａで反射された光を透過させる。

制御回路ＳＰはＡＧＣ回路１７と積分領域選択回路（選択手段）１８と積分回路１９と引算回路（焦点ずれ検出手段）２０とドライバ２１とを有する。

ＡＧＣ回路１７はＣＣＤ８からの出力信号を制御し、一定のピーク値の信号を積分領域選択回路１８へ出力する。

積分領域選択回路１８は、入力装置２３を用いて、液晶基板７の表面７ａに合焦させるか又は裏面７ｂに合焦させるかのユーザの選択によりＣＣＤ８の受光面の２つの領域８ａ，８ｂの少なくとも一方を信号を積分する領域として選択する。液晶基板７の表面７ａに対物レンズ６の焦点を合焦させる場合、ＣＣＤ８の受光面の領域８ａを選択する。液晶基板７の裏面７ｂに対物レンズ６の焦点を合焦させる場合、ＣＣＤ８の受光面の領域８ｂを選択する。

積分回路１９は領域８ａ，８ｂの少なくとも一方の領域の時間的に変化する信号の積分値（信号の面積）を求める。

引算回路２０は、積分領域選択回路１８によって選択された領域から出力された受光信号に基づいて焦点ずれを検出する。

ドライバ２１は引算回路２０の出力に基づいてフォーカスモータ２２を駆動させる。

上記顕微鏡装置の動作を説明する。

落射照明系１２から出射された可視光の光束はハーフミラー１１で反射され、ダイクロイックミラー１０、ハーフミラー５及び対物レンズ６を介して液晶基板７の表面７ａに集光する。液晶基板７の表面７ａで反射された光束は、対物レンズ６、ハーフミラー５、ダイクロイックミラー１０及びハーフミラー１１を透過し、接眼レンズ１３によって液晶基板７の表面７ａの空間像Ｉが拡大観察される。

一方、焦点ずれ検出用光源１から出射された光は、集光レンズ２によって集光された後、スリット板３に達する。スリット板３を透過した光束は集光レンズ２の光軸Ａｘを含む図１の紙面に垂直な面を境界として上側光束Ｌ１と下側光束とに２分される。スリット板３を透過したスリット状の光束のうち、下側光束は遮光板４によって遮光され、上側光束Ｌ１がハーフミラー５で反射される。

ハーフミラー５で反射された上側光束Ｌ１は対物レンズ６の左側半分（図１の対物レンズ６の瞳の左半分）を介して液晶基板７の表面７ａ（対物レンズ６の物体面（基準面Ｐ０））に集光する。対物レンズ６の物体面Ｐ０にはスリット板３の開口部の像が形成される。液晶基板７の表面７ａで反射された光束Ｌ２は、対物レンズ６の右側半分（図１の対物レンズ６の瞳の右半分）及びハーフミラー５を透過した後、ダイクロイックミラー１０で反射されてＣＣＤ８の受光面に集光する。

ＣＣＤ８の出力信号（受光信号）はＡＧＣ回路１７によって一定のピーク値の信号に制御され、積分領域選択回路１８へ出力される。積分領域選択回路１８で選択された領域を積分回路１９で積分し、信号の面積を求める。その後、引算回路２０で左右の領域の信号の面積の差を演算し、その演算結果に基づいてドライバ２１を介してフォーカスモータ２２に電力を供給する。

なお、上記顕微鏡装置では対物レンズ６を焦点ずれ検出用光源１と落射照明系１２とに共用させたが、焦点ずれ検出用光源１と落射照明系１２とにそれぞれ独立して対物レンズを用いてもよい。

図２（ａ）は液晶基板と光束との関係を示す図、図２（ｂ）は合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図、図２（ｃ）は表面に合焦させる場合の合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図、図２（ｄ）は裏面に合焦させる場合の合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図、図３はデフォーカス量（合焦位置からのずれ量）とＣＣＤの左右の領域の信号の面積差との関係を示す図である。

図２（ａ）は、図１のＣＣＤ８に入射する液晶基板７の表面７ａからの表面反射光及び裏面７ｂからの裏面反射光の受光状態を示している。

図２(ａ)の（１）〜（５）の状態は、製造時に設定されたＣＣＤ８の分割境界線を境に右側受光領域８ａと左側受光領域８ｂとに対物レンズ６のピント状態が変化することで、表面反射光と裏面反射光とがどのようにＣＣＤ８に入射するかを示している。

図２（ｂ）の（１）〜（５）は、図２(ａ)の（１）〜（５）のＣＣＤ８への光の受光状態に対応した光量積分値を模式化した図であり、縦軸が光強度信号を示し、面積が受光光量を示す。

入力装置２３により、基板表面の合焦モードを選択した場合のＣＣＤ８の受光信号の状態を示したのが図２（ｃ）である。また、入力装置２３により、基板裏面の合焦モードを選択した場合のＣＣＤ８の受光信号の状態を示したのが図２（ｄ）である。

装置の製造時に、液晶基板７の表面７ａに合焦させた際のＣＣＤ８の分割境界線の位置、すなわちＣＣＤ８の画素アドレス、及び裏面７ｂに合焦させた際のＣＣＤ８の分割境界線の位置、すなわちＣＣＤ８の画素アドレスを事前に自動焦点検出装置のメモリ（不図示）に記憶させる。その設定時には、例えば、目視で表面７ａ及び裏面７ｂに合焦させる。図２（ａ），（ｂ）で示す（２）は、液晶基板７の表面７ａに合焦した状態を示し、ＣＣＤ８の分割境界線を設定し、自動焦点検出装置のメモリに画素アドレスを記憶する。また、図２（ａ），（ｂ）に示す（４）は、液晶基板７の裏面７ｂに合焦した状態を示し、ＣＣＤ８の分割境界線を設定し、自動焦点検出装置のメモリに画素アドレスを記憶する。

ユーザーが入力装置２３により、基板表面７ａへの合焦モードを選択すると、積分領域選択回路１８は上述したようにＣＣＤ８の分割境界線を境に右側受光領域８ａのみの受光信号を自動焦点検出装置の合焦制御に使用する。また、基板裏面７ｂへの合焦モードを選択すると、積分領域選択回路１８は上述したようにＣＣＤ８の分割境界線を境に左側受光領域８ｂだけの受光信号を自動焦点検出装置の合焦制御に使用する。

図２（ｃ）を用いて、基板表面の合焦モードについて説明する。

図２（ｃ）の（２）の受光信号の状態において、基板表面７ａの自動焦点検出するために、ＣＣＤ８の右側受光領域８ａ内に新たな分割境界線を設定する。図２（ｃ）の（２）の状態において、基板表面７ａからの表面反射光だけがＣＣＤ８の右側受光領域８ａ内の複数の受光画素で受光されている。そこで、表面反射光の入射している右側受光領域８ａの受光信号を用いて、積分回路１９、引算回路２０が図２（ｃ）の（２）の受光面積の中心位置（受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）＝０の画素アドレス）を算出し、その画素アドレスを新たな分割境界線の位置としてメモリに記録する。以後、基板表面７ａの合焦モードが選択されると、その新たな分割境界線を境に合焦演算（焦点検出演算）処理が実行される。すなわち、図２（ｃ）の（３）の状態では、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）＞０となって合焦位置から外れていることを示す。同様に、図２（ｃ）の（４）、（５）の状態では、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）が徐々に大きくなり、合焦位置からさらに離れたことを示し、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）の絶対値が小さくなる方向に、対物レンズ６を駆動させる。なお、新たな分割境界線の右側の受光面積（受光信号）がＳａに相当し、左側がＳｂに相当する。

また、図２（ｃ）の（１）の状態のように、受光信号がなくなってしまった場合があるが、この（１）の状態となるのは２つの原因が考えられる。１つは、対物レンズ６がデフォーカスした場合であり、この場合には、対物レンズ６の駆動方向を知ることができる。もう１つは、反射光自体が微弱光となって受光信号が得られない場合である。この場合には、前述のデフォーカスした状態と判断して対物レンズ６を駆動すると暴走する恐れがある。従って、この（１）の状態になった場合には、左側受光領域８ｂの受光信号の有無を確認することで、次の制御を決定する。この点については、後述する（図４のステップＳ９参照）。

図２（ｄ）を用いて、基板裏面の合焦モードにつき説明する。
図２（ｄ）の（４）の受光信号の状態において、基板裏面７ｂに対して自動焦点検出するために、ＣＣＤ８の左側受光領域８ｂ内に新たな分割境界線を設定する。図２（ｄ）の（４）の状態において、基板裏面７ｂからの裏面反射光だけがＣＣＤ８の左側受光領域８ｂ内の複数の受光画素で受光されている。そこで、裏面反射光の入射している左側受光領域８ｂの受光信号を用いて、積分回路１９、引算回路２０が図２（ｄ）の（４）の受光面積の中心位置（受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）＝０の画素アドレス）を算出し、その画素アドレスを新たな分割境界線の位置としてメモリに記録する。以後、基板裏面７ｂの合焦モードが選択されると、その新たな分割境界線を境に合焦演算（焦点検出演算）処理が実行される。すなわち、図２（ｄ）の（３）の状態では、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）＜０となって合焦位置から外れていることを示す。同様に、図２（ｄ）の（２）、（１）の状態では、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）が負の方向に大きくなり、合焦位置からさらに離れたことを示し、受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）の絶対値が小さくなる方向に、対物レンズ６の駆動させる。なお、新たな分割境界線の右側の受光面積（受光信号）がＳａに相当し、左側がＳｂに相当する。

また、図２（ｄ）の（５）の状態のように、受光信号がなくなってしまった場合があるが、この（５）の状態となるのは２つの原因が考えられる。１つは、対物レンズ６がデフォーカスした場合であり、この場合には、対物レンズ６の駆動方向を知ることができる。もう１つは、反射光自体が微弱光となって受光信号が得られない場合である。この場合に、前述のデフォーカスした状態と判断して対物レンズ６を駆動すると暴走する恐れがある。従って、この（５）の状態になった場合には、右側受光領域８ａの受光信号の有無を確認することで、次の制御を決定する。この点については、後述する。

この受光面積の差（Ｓａ−Ｓｂ）と、合焦位置との関係を示すのが図３である。
次に、液晶基板７の表面７ａに合焦させる場合と、裏面７ｂに合焦させる場合とについて、図４と図５を用いて説明する。図４及び図５は、制御回路ＳＰの自動焦点検出制御のフローチャート図を示す。

図４はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を用いて液晶基板７の表面７ａに合焦させる場合の焦点検出方法を説明するためのフローチャート、図５はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を用いて液晶基板７の裏面７ｂに合焦させる場合の焦点検出方法を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１：入力装置２３により選択されたモードが基板表面７ａの合焦モードであるか否かを判定する。

ステップＳ２：基板表面７ａの合焦モードであると判定されたとき（ｙｅｓ）、ＣＣＤ８の右側受光領域８ａが選択され、右側受光領域８ａの受光信号が取得される。その信号に基づき、合焦制御（焦点検出）の演算が行われる。基板裏面７ｂの合焦モードであると判定されたとき（ｎｏ）、ステップＳ２０へ進む（図５を参照して後で詳述する）。

ステップＳ３：ステップＳ２で取得された受光信号が合焦演算に十分な信号レベル（最小検出レベル）以上であるか否かを判定する。

ステップＳ４：最小検出レベル以上であると判定されたとき（ｙｅｓ）、事前に設定されている新たな分割境界線に基づき、受光領域８ａが分割され、分割境界線の左右の受光面積（受光信号）の差（Ｓａ−Ｓｂ）を算出する。

ステップＳ５：この差信号（Ｓａ−Ｓｂ）がゼロを超えているか否かを判定する。

ステップＳ６：この差信号がゼロを越えていると判定されたとき（ｙｅｓ）、この差信号に基づき、対物レンズ６を駆動して焦点調節を行う。

ステップＳ７：この差信号がゼロとなったか否かを判定する。

ステップＳ８：差信号がゼロとなった（合焦）と判定が成されたとき（ｙｅｓ）、対物レンズ６の駆動を停止する。

ステップＳ９：ステップＳ３で受光領域８ａの受光信号レベルが最小検出レベル未満であると判定されたとき（ｎｏ）、又はステップＳ５で差信号がゼロ以下の値を示したとき（ｎｏ）、ＣＣＤ８への反射光の入射レベルなどが不安定な状態と判断し、左側受光領域８ｂの受光信号を取得して、総合的に焦点検出状態を判定する（ステップＳ３で受光信号レベルが最小検出レベル未満であったときには、合焦不能と判定し、またステップＳ５で差信号がゼロ以下の値を示したときには、左側受光領域８ｂの受光信号に従い対物レンズ６を駆動する）。

ステップＳ１０：この受光信号レベルが所定レベル以上であるか否かを判定する。受光信号レベルが所定レベル未満であるとき（ｎｏ）、反射光がほとんどない状態であるため、対物レンズ６の駆動方向の判定ができず、ステップＳ８で対物レンズ６の駆動を停止する。受光信号レベルが所定レベル以上である（反射光がある）とき（ｙｅｓ）、ステップＳ６へ進み、対物レンズ６を駆動する。

基板裏面７ｂの合焦モード（ステップＳ２０）が選択された場合を図５に基いて説明する。

図５の基板裏面７ｂの合焦モードは、図４の基板表面７ａの合焦モードの考え方と全く同一であり、異なるところは、ＣＣＤ８の受光領域８ｂを使用する点である。そして、その受光領域８ｂを使用するのに起因して、信号処理が図４のものと逆となる場合がある。

図５のフローチャートのステップＳ２１からステップＳ３０までの処理は、それぞれ図４のステップＳ１からステップ１０までの処理と同じであるため、その説明を省略する。

この実施形態によれば、液晶基板７の表面７ａに合焦させる場合と裏面７ｂに合焦させる場合とに応じて、ＣＣＤ８の受光面の２つの領域８ａ，８ｂの少なくとも一方を選択するようにしたので、選択した面に合焦させることができる。

なお、上記実施形態では試料として液晶基板７を挙げたが、試料はこれに限られるものではなく、これ以外に例えば細胞等がある。

また、焦点ずれ検出用光源は赤外光を出射するものに限られず、例えば可視光を出射するものであってもよい。

図１はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を備える顕微鏡装置のブロック図である。図２（ａ）は液晶基板と光束との関係を示す図、図２（ｂ）は合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図、図２（ｃ）は表面に合焦させる場合の合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図、図２（ｄ）は裏面に合焦させる場合の合焦前後の表面反射光及び裏面反射光の強度を示す図である。図３はデフォーカス量とＣＣＤの左右の領域の信号の面積差との関係を示す図である。図４はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を用いて液晶基板７の表面７ａに合焦させる場合の焦点検出方法を説明するためのフローチャートである。図５はこの発明の一実施形態に係る自動焦点検出装置を用いて液晶基板７の裏面７ｂに合焦させる場合の焦点検出方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１：焦点ずれ検出用光源、６：対物レンズ（結像レンズ）、７：液晶基板（試料）、８：一次元ＣＣＤ（受光手段）、８ａ，８ｂ：領域、１８：積分領域選択回路（選択手段）、２０：引算回路（焦点ずれ検出手段）、２２：フォーカスモータ（焦点調節手段）。

Claims

スリット開口を有し、結像レンズを介して試料にスリット光を照射する焦点ずれ検出用光源と、
複数の受光素子を有し、前記焦点ずれ検出用光源から出射されて前記試料で反射されたスリット光を受光して電気信号に変換する受光手段と、
前記複数の受光素子を２つの領域に分割し、前記受光手段の前記２つの領域の少なくとも一方を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された領域から出力された受光信号に基づいて焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段と
を備えていることを特徴とする自動焦点検出装置。
前記受光手段は一次元受光素子アレイで構成され、前記選択手段により分割された前記一次元受光素子アレイの分割境界線は、前記試料の表面から裏面へ合焦状態が変化する境界線であることを特徴とする請求項１記載の自動焦点検出装置。
前記焦点ずれ検出手段の検出結果に基づいて前記試料の一方の面に合焦させる焦点調節手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の自動焦点検出装置。