JP2008122791A - 顕微鏡用焦点検出装置と、これを具備する顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】引き込み範囲が広く、かつ合焦精度の高い顕微鏡用焦点検出装置と、これを有する顕微鏡をを提供すること。
【解決手段】対物レンズ３を介して標本１に焦点検出のための単一のスリットにより形成されたパターンを投影する第１投影光学系２０と、前記対物レンズを介して前記標本に焦点検出のための複数のスリットにより形成されたパターンを投影する第２投影光学系３０と、前記標本に投影された前記単一のスリットにより形成されたパターン及び前記複数のスリットにより形成されたパターンを、前記対物レンズを介した前記標本の共役面に結像する結像光学系４１と、前記共役面と撮像面が一致するように配置された撮像手段４０と、前記撮像装置からの信号に基き、前記第１投影光学系または前記第２投影光学系を選択して焦点検出する顕微鏡用焦点検出装置２００。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡用焦点検出装置とこれを有する顕微鏡に関する。

近年、液晶用基板の大型化に伴い、従来の顕微鏡に基板を載せて観察するような方法に代わり、大型のステージなどに基板を載せて、その上を顕微鏡ヘッド部分が動くような大型の検査装置が普及してきている。これらを用いて基板等の検査を行う場合、従来目視観察であったものが、撮縁素子で撮影し、検査員がモニタで検査するということが行われている。また、作業効率を向上させるために、これらの装置にはオートフォーカス装置（以後、「オートフォーカス」を単にＡＦと記す）が要求されている。

従来のＡＦ装置では、例えば試料面に単一のスリットパターンを投影し、このスリットパターン像を観察することで焦点を検出するスリットＡＦ装置と呼ばれるものが知られている。スリットＡＦ装置はスリット投影光学系の中の結像光学系の瞳位置と共役な位置にナイフエッチなどを用いて瞳を半分程度に遮蔽することが一般的である。このように構成することで、試料が合焦位置からずれたとき、スリット像が横ズレを起こすことから焦点を検出することができる。このような方式のＡＦ装置の場合、ＡＦ制御可能な範囲（「引き込み範囲」と言う）が広いという利点がある。（例えば、特許文献１参照）。

また、単一のスリットパターンのかわりに複数のスリットパターンを投影しこのパターンのエッジコントラストを抽出してＡＦをかけるコントラストＡＦ装置も知られている。この場合、投影するパターンの周波数が既知のため、コントラスト信号検出時に電気的なバンドバスフィルタを用いてノイズ成分を除去することが可能なため、合焦精度を高めることが出来る。（例えば、特許文献２参照）。

また、スリットやパターンの投影を行わずに、標本自体のコントラストからＡＦをかけるタイプのＡＦ装置も知られている。これは、一度標本を上下に動かしてコントラスト値を検出し得られたデータからフィッティング曲線を計算し合焦位置に移動させることから別名山登り方式ＡＦとも呼ばれる。これは合焦位置を検出する為に一度合焦位置を通過しで信号を検出する必要があることや、計算を行っている為に合焦させるまでの時間が長いことが問題であるが、特別な照明系などが必要ないために安価に構成できるという利点かあるが、追従型のコンティニュアスＡＦにすることは原理的に不可能である。
特開２００１−４２２０５号公報 特開２００１−２４２３７５号公報

しかしながら、スリットＡＦ装置は引き込み範囲が広い反面、試料に細かいパターンが存在していたときは合焦精度に問題がある。また、コントラストＡＦ装置は合焦精度が高い反面、合焦位置から僅かにずれただけでもコントラスト信号強度が低下してしまう為、引き込み範囲が狭いことが問題である。

本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、引き込み範囲が広く、かつ合焦精度の高い顕微鏡用焦点検出装置と、これを有する顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、対物レンズを介して標本に焦点検出のための単一のスリットにより形成されたパターンを投影する第１投影光学系と、前記対物レンズを介して前記標本に焦点検出のための複数のスリットにより形成されたパターンを投影する第２投影光学系と、前記標本に投影された前記単一のスリットにより形成されたパターン及び前記複数のスリットにより形成されたパターンを、前記対物レンズを介した前記標本の共役面に結像する結像光学系と、前記共役面と撮像面が一致するように配置された撮像手段と、前記撮像装置からの信号に基き、前記第１投影光学系または前記第２投影光学系を選択して焦点検出することを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置を提供する。

また、本発明は、前記顕微鏡用焦点検出装置を具備することを特徴とする顕微鏡を提供する。

本発明によれば、引き込み範囲が広く、かつ合焦精度の高い顕微鏡用焦点検出装置と、これを有する顕微鏡を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＡＦ装置とこれを有する顕微鏡に関し図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るＡＦ装置を含む顕微鏡の概略構成図である。図２は、図１の顕微鏡に搭載されている撮像装置の説明図である。図３は、ＡＦ装置の制御フローを示す。

図１において、実施の形態に係るＡＦ装置を含む顕微鏡装置は、顕微鏡本体１００と、顕微鏡本体１００に設けられ標本に対する合焦動作を行うためのＡＦ装置２００とから構成されている。

顕微鏡本体１００は、標本１を載置し標本１をＸＹ移動可能なＸＹステージ２と、複数の対物レンズ３を観察光路に挿脱するレボルバ４と、標本１を照明する観察照明光学系５と、標本像を結像する観察光学系６と、標本像を撮像するカメラ７とから構成されている。また、標本１に合焦させるために対物レンズ３を光軸に沿って上下動作させる駆動装置８が設けられている。観察光学系６には焦点検出光学系９への光路分割のためのダイクロイックミラー１０が配置され、ＡＦ装置２００による合焦動作可能に構成されている。

また、レボルバ４は、不図示の駆動手段で回動されると共に、観察光路中に挿入されている対物レンズ３の位置情報を検出する検出手段４ａが内蔵されている。

標本１をＸＹステージ２に載置し、不図示の入力装置から制御部１１を介してレボルバ４に駆動信号が送られ、駆動手段で回動され所望倍率の対物レンズ３が光路中に挿入される。制御部１１には、レボルバ４の対物レンズ３の取り付け位置と対物レンズ３の倍率や色収差等の情報を記憶した不図示の記憶装置が配置されている。制御部１１は、入力装置からの情報に基き、所望の対物レンズ３を選択し、レボルバ４が選択された対物レンズ３を光路中に挿入する。レボルバ４は挿入した対物レンズ３のレボルバ４の位置を検出手段４ａで検出して制御部１１に送信し、制御部１１は、正しく選択された対物レンズ３が光路中に挿入されたか否かを判定する。

焦点検出光学系９は、単一のスリットにより形成されたパターンを射出する第１投影光学系２０と、複数のスリットにより形成されたパターンを射出する第２投影光学系３０と、両スリットにより形成されたパターンを結像して合焦状態を検出する撮像素子４０とを有している。

第１投影光学系２０から射出された単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光は、レンズ２１で略平行光にされて、ナイフエッジ２２でほぼ半分の光路が遮蔽されてハーフミラー２３、ハーフミラー２４を通過して顕微鏡本体１００に設けられているダイクロイックミラー１０に入射する。ダイクロイックミラー１０で対物レンズ３方向に反射されて対物レンズ３を介して標本１に投影される。標本１に投影された単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光の反射光は、対物レンズ３で集光されダイクロイックミラー１０で焦点検出光学系９方向に反射されて、ハーフミラー２４で結像光学系４１方向に反射され、結像光学系４１内のミラー４２でほぼ９０度偏向され、色収差補正レンズ４３及び不図示の結像レンズで後述する撮像素子４０で撮像される。撮像素子４０からの検出信号を制御部１１で解析し、合焦状態を検出して対物レンズ３を標本１に合焦させるべく顕微鏡本体１００の駆動手段８を駆動し対物レンズ３を上下移動させる。第１投影光学系と、結像光学系４１と、制御部１１で、スリットＡＦ装置が構成されている。

第２投影光学系３０から射出された複数のスリットにより形成されたパターンを投影する光は、レンズ３１でほぼ平行な光にされて、ミラー３２でほぼ９０度偏向されてハーフミラー２３に入射され、ダイクロイックミラー１０方向に反射される。ハーフミラー２３以降の光路は単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光路と同様であり、ハーフミラー２４を透過してダイクロイックミラー１０に入射し、反射されて対物レンズ３を介して標本１に照射される。標本１に投影された複数のスリットにより形成されたパターンを投影する光の反射光は、対物レンズ３で集光されダイクロイックミラー１０で焦点検出光学系９方向に反射されて、ハーフミラー２４で結像光学系４１方向に反射され、結像光学系４１内のミラー４２で略９０度偏向され、色収差補正レンズ４３及び不図示の結像レンズで後述する撮像素子４０で撮像される。撮像素子４０からの検出信号を制御部１１で解析し、合焦状態を検出して対物レンズ３を標本１に合焦させるべく顕微鏡本体１００の駆動手段８を駆動し対物レンズ３を上下移動させる。第２投影光学系と、結像光学系４１と、制御部１１でコントラストＡＦ装置が構成されている。

顕微鏡本体１００の観察照明光学系５は、光源５１からの光をレンズ５２でほぼ平行な光にして、ハーフミラー５３で対物レンズ３方向に反射し、対物レンズ３を介して標本１に集光する。標本１からの反射光は、対物レンズ３で集光されて、ハーフミラー５３、ダイクロイックミラー１０を透過して、結像レンズ６１でカメラ７に結像され、不図示のモニタでユーザに観察される。

撮像素子４０は、図２に示すように三つの部分から構成されている。中央部分４０ａは、対物レンズ３の焦点面と共役な面であり結像光学系４１の焦点位置となっている。左側部分（図２において紙面左側）４０ｂは結像光学系４１において光路長が短い位置に撮像素子４０が位置するように構成されており所謂前ピント像を検出する。右側部分（図２において紙面右側）４０ｃは、結像光学系４１において光路長が長い位置に撮像素子４０が位置するように構成されており所謂後ピント像を検出する。これら光路長の変更は、三分割プリズム４４で形成されている。三分割プリズム４４の色収差補正レンズ４３側のプリズム４４ａとその近傍に配置されたプリスム４４ｂの境界面Ａで前ピント像の光が、プリズム４４ｂとその近傍に配置されたプリズム４４ｃの境界面Ｂで焦点位置の光が、プリズム４４ｃの端面Ｃで後ピント像の光がそれぞれ撮像素子４０に入射する。

なお、焦点検出光学系９の第１投影光学系２０の光源２５、及び第２投影光学系３０の光源３３は、観察照明光学系５の光源５１とは波長の異なる光源が用いられている。例えば、光源２５と光源３３にはＬＥＤ等の赤外光の光源が、観察照明光学系５の光源５１にはランプ等の可視光の光源が用いられている。このように光源の波長が異なっていると対物レンズ３の色収差特性によって、対物レンズ３の焦点面と共役な観察光学系６のカメラ７の焦点位置と結像光学系４１の撮像素子４０の焦点位置とにずれが生じる。本実施の形態に係るＡＦ装置２００では、対物レンズ３の色収差による焦点ずれを補正する色収差補正レンズ４２が結像光学系４１の光路中に配設されている。観察光学系６の光路中に挿入された対物レンズ３の色収差量に応じて、結像光学系４１の光路中に配置された色収差補正レンズ４２を光軸に沿って移動することにより、対物レンズ３の色収差に起因する焦点ずれを補正することが可能になる。

次に、実施の形態のＡＦ装置における制御フローを図３を参照して説明する。

観察対象である標本１をＸＹステージ２に載置し、不図示の入力装置から制御部１１を介してＡＦ動作を開始する。
・ステップＳ１：光路に挿入されている対物レンズ３の種類を特定する
不図示の入力装置から所望の対物レンズ３を選択する指示を入力し、制御部１１を介してレボルバ４を回転駆動して、選択された対物レンズ３を光路中に挿入する。なお、制御部１１には予め対物レンズを保持するレボルバ４の位置情報である各番地に対応して装着されている対物レンズ３の情報が不図示の記憶部に記憶してあり、入力情報に一致する対物レンズ３が制御部１１により選択される。
・ステップＳ２：対物レンズ３の色収差量情報取得
制御部１１の記憶部には対物レンズ３の種類に応じた倍率、作動距離、及び色収差量等が記憶されている為、レボルバ４の番地を検出して光路に挿入されている対物レンズ３の色収差量等の情報を取得することができる。
・ステップＳ３：色収差補正レンズ駆動
この色収差量に応じて色収差補正レンズ４２を結像光学系４１の光軸に沿って移動し、第１投影光学系２０からの単一のスリットパターンと撮像素子４０とを共役関係にする。
・ステップＳ４：ＡＦ動作開始
・ステップＳ５：第１投影光学系２０の光源２５をＯＮ
駆動が終わったら、第１投影光学系２０の光源２５をＯＮにして、第１投影光学系２０の単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光によるＡＦ動作を開始する。
・ステップＳ６：標本１と対物レンズ３の相対位置駆動
第１投影光学系２０は、いわゆるスリットＡＦであるため、光源２５を点灯した時点で標本１と対物レンズ３との相対距離が合焦位置より遠いのか、または近いのかが撮像素子４０からの信号で制御部１１が判定可能な為、制御部１１は合焦位置に近づく方向に対物レンズ３と標本１との相対距離を変更するように顕微鏡本体１００の駆動手段８の駆動を開始する。スリットＡＦ装置では、撮像素子４０における信号は結像光学系４１の３分割プリズム４４のうち、中心部分４０ａのみを使用して信号検出を行う。
・ステップＳ５〜Ｓ９：第１投影光学系２０の光源２５と第２投影光学系３０の光源３３のＯＮ／ＯＦＦ、ＡＦ動作
駆動手段８の駆動開始後、撮像素子４０（例えば、ＣＣＤ等）のリフレッシュレート等に同期して、第１投影光学系２０の光源２５と第２投影光学系３０の光源３３を交亙にＯＮ／ＯＦＦし、第２投影光学系３０によるコントラスト信号が現れるまで動作を繰り返しながら、合焦位置に近づく方向に対物レンズ３と標本１との相対距離を変更すべく駆動する。制御部１１は、スリットＡＦ動作とコントラストＡＦ動作とを交互に実行する。なお、第２投影光学系３０と撮像素子４０との共役関係は、第１投影光学系２０と一致しているため、第２投影光学系３０の色収差補正は、第１投影光学系２０の色収差補正で解消されている。
・ステップＳ８：コントラスト信号検出
撮像素子４０の信号においてコントラスト信号が現れた時点で、第１投影光学系２０の光源２５と第２投影光学系３０の光源３３の交互点灯を止めて光源３３を点灯し、第２投影光学系３０によるコントラストＡＦ動作を実行する。
・ステップＳ１０〜Ｓ１２：
コントラストＡＦ動作では、制御部１１は結像光学系４１の３分割プリズム４４のうち前ピント部分４４ｂと後ピント部分４４ｃを使用し、両者のコントラスト信号の差分を取りＳ宇カーブを求めながら、標本１と対物レンズ３との相対位置を駆動手段８を駆動しつつ検出し、その差分がゼロになった時点を合焦位置と判断する。
・ステップＳ１３：合焦終了
制御部１１は、コントラスト信号の差分がゼロになった時点で焦点検出動作を完了し、以後合焦位置に焦点を維持するように制御するモードに移行する。これは、ステップＳ１０〜Ｓ１２を継続して実行することで達成できる。また、ＸＹステージ２を駆動して標本１の位置を変えながら検査を実行する間に、コントラスト信号が予め設定されている閾値を下回った場合には、制御部１１はステップＳ５から再度焦点検出動作を行うことで、コントラストＡＦ動作が不安定になることを防止し高精度の合焦を維持するようにする。

このようにして、実施の形態におけるＡＦ装置２００は、標本１に対物レンズ３の焦点を合焦し維持することが可能になる。

なお、標本１に段差等があり、コントラストＡＦ装置が合焦していると判断している場合でも、観察したい場所とは違っていることもあるため、コントラストＡＦにおけるコントラスト信号には制御部１１において電気的なオフセットを加え合焦位置を微調整できる構成が好ましい。

また、上記実施の形態では、第１投影光学系と第２投影光学系を交互に切り替えながら標本への合焦動作を行い、最後にコントラストＡＦにより高精度の合焦動作を行うように構成しているが、初期の焦点引き込み動作から合焦までは第１投影光学系で合焦動作を行い、第１投影光学系で合焦した位置から更に高精度の合焦を行うために第２投影光学系に切替えて合焦動作を行うように構成しても良い。

また、撮像素子は三つの部分から構成されているが、三つの部分に限らず二分割検出器を用い公知の検出方法を使用することも可能である。この際、三分割プリズムは配置する必要がない。

以上述べたように、実施の形態に係るＡＦ装置を含む顕微鏡によれば、スリットＡＦにより焦点の引き込み範囲が広く容易に焦点引き込みを行うことができ、さらにコントラストＡＦにより高精度に合焦させることができるＡＦ装置と、これを有する顕微鏡を達成することができる。

なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

本発明の一実施の形態に係るＡＦ装置を含む顕微鏡の概略構成図である。 図１の顕微鏡に搭載されている撮像装置の説明図である。 ＡＦ装置の制御フローを示す。

符号の説明

１ 標本
２ ＸＹステージ
３ 対物レンズ
４ レボルバ
５ 観察照明光学系
６ 観察光学系
７ カメラ
８ 駆動手段
９ 焦点検出光学系
１０ ダイクロイックミラー
１１ 制御部
２０ 第１投影光学系
２１ レンズ
２２ ナイフエッジ
２３、２４ ハーフミラー
２５ 光源
３０ 第２投影光学系
３１ レンズ
３２ ミラー
３３ 光源
４０ 撮像素子
４１ 結像光学系
４２ ミラー
４３ 色収差補正レンズ
４４ 三分割プリズム
５１ 光源
５２ レンズ
５３ ハーフミラー
６１ 結像レンズ
１００ 顕微鏡本体
２００ ＡＦ装置

Claims (5)

1. 対物レンズを介して標本に焦点検出のための単一のスリットにより形成されたパターンを投影する第１投影光学系と、
   前記対物レンズを介して前記標本に焦点検出のための複数のスリットにより形成されたパターンを投影する第２投影光学系と、
   前記標本に投影された前記単一のスリットにより形成されたパターン及び前記複数のスリットにより形成されたパターンを、前記対物レンズを介した前記標本の共役面に結像する結像光学系と、
   前記共役面と撮像面が一致するように配置された撮像手段と、
   前記撮像手段からの信号に基き、前記第１投影光学系または前記第２投影光学系を選択して焦点検出することを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
2. 前記第１投影光学系の光源と前記第２投影光学系の光源は、前記標本を観察するための光源の波長とは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用焦点検出装置。
3. 前記結像光学系は、前記対物レンズの色収差による焦点ずれを補正する補正レンズを有することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡用焦点検出装置。
4. 複数の前記対物レンズの情報を記憶する記憶手段と、
   複数の前記対物レンズを保持する保持部材に配置され、観察光学系の光路中に挿入された前記対物レンズ位置を検出する検出手段からの情報に基き、前記記憶手段から前記対物レンズの情報を取得し、前記補正レンズを駆動することを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡用焦点検出装置。
5. 前記顕微鏡用焦点検出装置を具備することを特徴とする顕微鏡。

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