JP3794670B2

JP3794670B2 - 顕微鏡のオートフォーカス方法及び装置

Info

Publication number: JP3794670B2
Application number: JP2000129873A
Authority: JP
Inventors: 完臣永
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001311866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はテレビカメラを用いた顕微鏡のオートフォーカス装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のテレビ顕微鏡のオートフォーカス装置には、合焦点時には物体像の輪郭がくっきりすること、すなわち、テレビ信号の水平走査期間内の信号レベルの変化（微分値）が大きくなることを利用して対物レンズまたは試料を遠近方向（フォーカス方向:Ｚ方向）に位置を変えながら、映像信号を監視して、映像信号の微分値を水平走査期間積分した値が大きくなる方向へ移動させ、映像信号の微分値の水平方向積分値が最大となる位置を合焦点位置として位置決めする方法があった。
【０００３】
この方法は、テレビ信号を検出して合焦点位置を検出する為に正確に合焦点できる特徴があるが、対物レンズ、または、試料を１ステップづつＺ方向に移動させる必要がある。また、映像信号のサンプリング周期が１テレビ画面でＮＴＳＣ方式で１／３０秒である為に、オートフォーカス時間が２〜３秒〜数秒かかってしまう欠点があった。
【０００４】
また、別の方法として、レーザダイオードで作る点光源をコリメートレンズの焦点に置き、この点光源とコリメートレンズとの間に、光束をミラー背面で半分遮光するナイフエッジ付ミラーを設置し、点光源から出射し、コリメートレンズを通って平行になった光を、レーザダイオードの波長域のみ反射するダイクロイックミラーで対物レンズに導いて、試料に結像させ、試料面で反射して反射してくる戻り光を、ダイクロイックミラーでコリメートレンズに戻し、さらに戻り光をナイフエッジ付ミラーで反射して２分割ダイオードに入れ、２分割ダイオードの各々のダイオードへの入射光量から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれ量から対物レンズ、または試料を合焦点位置に位置決めする方法があった。この方法は、常に焦点ずれの方向と、ずれ量を検出できるためにオートフォーカス動作を数十ｍ秒という高速で行えるという特徴がある。しかしこの方法は、レーザダイオード点光源の像が結像する視野内の１点のみの光でオートフォーカス動作をする為に、例えば視野内の試料面に段差があって、点光源の結像位置と被測定ポイントがずれている場合には、測定ポイントでの焦点合わせができないという重大な欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、前述の従来技術には焦点を合わせるための時間、すなわち、合焦点のための時間が長いか、または、視野内の所望の位置に焦点合わせをすることができないという欠点があった。本発明はこれらの欠点を除去し、視野内に段差のある試料でも、視野内の所望の位置に、高速で、高精度に焦点合わせをできる顕微鏡用オートフォーカス方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような目的を達成する為に、レーザーによる点光源をコリメートレンズで平行光にして顕微鏡光路に入射し、試料面に結像させ、その戻り光をフォトダイオードに入射して、該フォトダイオードの入射光量から、焦点ずれの方向と、ずれ量を検出して、レンズまたは試料をその合焦点方向にずれ量だけ移動させると共に、この合焦点動作に合わせ、テレビカメラと、画像処理部とを働かせて、あらかじめ登録しておいた被測定位置の画像と、撮像画像とのマッチングを図り、被測定ポイントの位置合わせを行い、被測定ポイントと、フォーカスポイントを一致させるようにして視野内の任意の点に高速で高精度にオートフォーカスできるようにしたものである。
【０００７】
更に詳しくは、本発明はこの目的を達成する為に、点光源をコリメートレンズで平行光にして顕微鏡光路に入射し、ダイクロイックミラーで対物レンズに導き、対物レンズで試料面に結像させ、その戻り光をダイクロイックミラーでコリメートレンズに戻して、コリメートレンズを通過した戻り光をナイフエッジ付ミラーで反射し、ナイフエッジ付ミラーで反射した光の焦点面に設けた２分割フォトダイオードに入射して、２つのフォトダイオードの入射光量から、焦点ずれの方向と、ずれ量を検出して、対物レンズまたは試料を合焦点方向にずれ量だけ移動させると共に、合焦点動作中にテレビカメラと、画像処理部とを働かせて、あらかじめ登録しておいた被測定位置の画像と、だんだん焦点が合って来た撮像画像とをマッチング探査を行わせて、視野内の被測定ポイントの位置を検出してコンピュータに送り、コンピュータがこの被測定ポイントの位置とあらかじめ視野中央に設定しておいたフォーカス用点光源の結像位置とのずれ量を算出し、このずれ量を打消すように試料を搭載したステージを移動させるようにステージ制御部を動作させて、被測定ポイントと、フォーカスポイントを一致させるようにして視野内の任意の点に高速で高精度にオートフォーカスできるようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例を図１〜図６によって説明する。
これらの図において、図１は本発明の一実施例を示す全体構成図、図２は特にフォーカス光学系光路図について詳細に示した構成図、図３は本発明の実施例における視野内の測定ポイントとフォーカスポイント、画像処理登録エリアの関係を示す説明図。図４は本発明の実施例におけるオートフォーカス後の測定ポイントとフォーカスポイントを示す視野内画像説明。図５は登録パターンを示す図、図６はフォーカス動作の動作ブロック図である。
【０００９】
図１〜図６において、同一の参照符号は同一物を示す。次に参照符号について説明する。
１は顕微鏡対物レンズ、２は顕微鏡結像レンズ、３は顕微鏡光軸、４は資料を照らすための照明装置、５は照明装置４の光を反射し、試料に導くと共に試料の像を顕微鏡決像レンズ側に供給するハーフミラー、６は顕微鏡の像を電気信号に変換、出力するテレビカメラ、７はテレビカメラ６の出力の画像処理部、８は全体の動作を制御するためのコンピュータ、９はコンピュータ８からの指令に基づき、資料を所定の位置に位置決めするＸＹステージ、１０はＸ−Ｙステージ制御部、１１は焦点を求めるためのレーザー光を発生するレーザダイオードで、例えば、波長７８５ｎｍの近赤外レーザダイオードである。１２はレーザーダイオード１１からのレーザー光を平行レーザー光に変換するコリメートレンズ、１３はダイクロイックミラー、１４はナイフエッジ付ミラー、１５はレーザーダイオード１１の点光源光軸、１６は戻りレーザー光の光軸、１７は戻りレーザー光の焦点面、１９はフォトダイオード１８のアンプ、２０はフォーカス制御部、２１は試料である。
【００１０】
次に図２のフォーカス光学系光路図の参照符号を説明する。１８Ａ，１８Ｂは２分割フォトダイオード、２２は試料２１の合焦点位置、２３は対物レンズ１と試料２１が近すぎたときの試料面の位置、２４は対物レンズ１と試料２１が遠すぎたときの位置、２５は合焦点時の戻り光の光路、２６は前記近すぎ時の戻り光路、２７は同じく遠すぎ時の戻り光路を示す。
【００１１】
次に図３、図４、図５を参照する。３０はレーザー光線が照射されているフォーカスポイント、３１は試料２１の被測定ポイント、３２はパターン幅を測定する場合の測定位置、３３は測定ポイント３１とは高さの異るパターン、破線で示す３４は登録パターン（図５参照）である。図３は試料２１の位置が登録パターン３４とずれている状態であり、図４が、登録パターンと試料２１の位置が一致し、測定ポイント３１とフォーカスポイント３０が合致した状態を示す。
【００１２】
次にこの動作を動作ブロック図、図６に従い説明する。
コンピュータ８のスタート５１後、フォーカス制御開始命令５２によって、フォーカス制御５３を開始する。つまり、顕微鏡対物レンズ１と結像レンズ２、照明装置４、ハーフミラー５等で構成される顕微鏡光学系に、コリメートレンズ１２で平行光にされたレーザダイオード１１で形成したレーザー光線を入射する。このレーザー光線は顕微鏡光軸３上に設けたダイクロイックミラー１３で、対物レンズ１に導かれる。そして、対物レンズ１で試料２１上に、例えば直径２μｍの点光源像を結像させる。その戻り光をダイクロイックミラー１３でコリメートレンズ１２に戻し、コリメートレンズ１２を通った戻り光をさらにナイフエッジ付ミラー１４で、コリメートレンズ１２の焦点面１７上でかつ戻り光の光軸１６上に分割線のある２分割フォトダイオード１８上に導く。この時に試料２１から反射して戻る点光源からの光は図２に詳しく示すように、試料２１が対物レンズの焦点面２２にある場合には実線で示す光路２５を通る。そして、２分割フォトダイオード１８Ａと１８Ｂの中間に結像する。試料２１の面が焦点より対物レンズ１に近い位置２３にずれた場合には破線で示す光路２６を通ってフォトダイオード１８Ｂ側に結像する。また、反対に遠い位置２４にずれた時には一点鎖線で示す光路２７を通ってフォトダイオード１８Ａ側に結像する。従って、フォトダイオード１８Ａ及び１８Ｂは試料２１の合焦点の度合いに応じてそれぞれ光電流が発生する。アンプ１９は、この合焦点度に応じて発生する光電流をＺ軸制御部２０に送る。Ｚ軸制御部２０はこの光電流に基づいて、光軸方向（Ｚ方向）の位置決め制御信号を発生する。そして、試料２１が合焦点位置に来るように対物レンズ１を顕微鏡の光軸方向に位置決めする。
【００１３】
この合焦点位置決めの動作は、フォトダイオード１８Ａ及び１８Ｂが常に戻り光から焦点ずれの方向とずれ量とを測定している為に非常に早く（例えば、数十ｍ秒）で合焦させることができる。一方、この合焦点動作中にも、テレビカメラ６は試料２１を撮像している。従って、テレビカメラ６は焦点が合ってくるに従って、次第に試料２１のパターンを明瞭に捉えるようになってくる。すると画像処理部７はコンピュータ８の測定位置抽出命令５４によって、テレビカメラ６から送られた画像データから、あらかじめ登録しておいた図５に示す測定エリアのパターン３４とそのパターンが対応する試料２１の位置（Ｘ―Ｙ座標値を得る５５。コンピュータ８はこのようにして得た測定点位置に基づき、測定点位置決定命令５６を出力する。なお、このような測定位置を求める技術は周知のパターンマッチングにより十分可能である。コンピュータ８は登録パターン３４の位置データから、測定ポイント３１のずれ量（ｘ１、ｙ１）を算出する。つまり、図３に示す測定ポイント３１と、あらかじめ視野の中央に設定してある点光源が結像する点（フォーカスポイント）３０との位置ずれ方向と位置ずれ量とを算出し、その位置ずれを打消すべく測定店位置決め指令５７を出力し、ＸＹステージ９を移動させる移動データをステージ制御部１０に送る。ステージ制御部１０はこの移動データに基づきＸＹステージ９を位置決めする。このときの状況を図４示す。ＸＹステージ９を移動すると試料２１高さが変化するため、フォーカスポイント３０でのＺ方向位置が若干ずれる。しかし、先に説明したとおり、この方向のずれは直ちに２分割フォトダイオード１８Ａ，１８Ｂが検知し、これを受けてＺ軸制御部２０が対物レンズ１をＺ方向に位置決めし直し、オートフォーカス動作を完了する。
【００１４】
なお、本実施例では、波長７８５ｎｍのレーザー点光源を用いており、レーザー光がテレビ画像に写り込むことが無いようにでき、測定への影響を無くすことができる。但し、この場合、可視光の焦点位置がわずかにずれる為に、画面から判断して、予め、最適フォーカス位置で２分割フォトダイオードへの入力光量が等しくなるよう２分割ダイオードの位置を調整しておく必要がある。
【００１５】
このオートフォーカス動作は視野内の被測定点とフォーカスポイントを完全に一致させることができるため、例え段差のある試料であっても測定ポイントを任意の位置に指定できるため高精度な測定ができる。
また、動作時間はフォーカス動作の途中からの画像処理と、ＸＹ位置決め時間と、フォーカス時間の加算値であり０．５秒程度と比較的高速なオートフォーカスが実現できる。
【００１６】
さらに装置構成も、自動測定にはもともと必要な画像処理装置とステージ制御装置が付加されているのみであるから、低コストで高精度、高速なオートフォーカス装置が構成できる。
【００１７】
なお、この実施例では１１は波長７８５ｎｍの近赤外レーザダイオードとしたがこれに限られるものではない。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、合焦点時間を大幅に短縮することができる。さらに、測定対象の視野内における所望の位置に焦点を合わせることができる。したがって、本発明は視野内に段差のある試料でも、視野内の所望の位置に、高速、高精度に焦点合わせをできる顕微鏡用オートフォーカス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における全体構成図。
【図２】本発明の実施例におけるフォーカス光学系光路図。
【図３】本発明の実施例における視野内の測定ポイントとフォーカスポイント、画像処理登録エリアの関係を示す説明図。
【図４】本発明の実施例におけるオートフォーカス後の測定ポイントとフォーカスポイントを示す視野内画像説明。
【図５】本発明の実施例における登録パターンの説明図。
【図６】本発明の実施例の動作ブロック図。
【符号の説明】
１：対物レンズ、６：カメラ、７：画像処理部、８：コンピュータ、９：ＸＹステージ、１０：ＸＹステージ制御部、１１：レーザダイオード、１２：コリメートレンズ、１３：ダイクロイックミラー、１４：ナイフエッジ付ミラー、１８Ａ，１８Ｂ：２分割フォトダイオード、２０：フォーカス制御部、２１：試料。

Claims

平行レーザー光線を顕微鏡光路に入射し、これを試料面に結像させ、該試料面からの戻り光を第１と第２のフォトダイオードに入射し、入射光量により第１と第２のフォトダイオードに発生する光電流から、焦点ずれの方向と、ずれ量を検出して、該焦点ずれの方向と量を補正するように対物レンズと試料面との距離を移動し、合焦点動作を行うと同時に、前記試料面顕微鏡画像を撮像するテレビカメラからの画像を基に、試料面の被測定ポイントと、前記合焦点動作のフォーカスポイントを一致させるように前記試料を載置するステージを移動するようにしたことを特徴とする顕微鏡のオートフォーカス方法。
平行レーザー光線を顕微鏡光路に入射し、これを試料面に結像させ、該試料面からの戻り光を第１と第２のフォトダイオードに入射し、入射光量により第１と第２のフォトダイオードに発生する光電流から、焦点ずれの方向と、ずれ量を検出して、レンズまたは試料をその合焦点方向にずれ量だけ補正するように移動させる合焦点動作を行うと共に、前記試料面顕微鏡画像を撮像するテレビカメラからの画像を画像処理により、予め登録しておいた試料面の被測定位置の画像と、前記撮像画像とのマッチングを図り、被測定ポイントと、フォーカスポイントを一致させるように前記試料を載置するステージを移動するようにしたことを特徴とする顕微鏡のオートフォーカス方法。
試料側に設けた対物レンズと、結像レンズと、照明装置とテレビカメラを備えたテレビ顕微鏡装置において、
点光源と、この点光源が焦点に一致するように配設したコリメートレンズと、前記テレビ顕微鏡の光軸上に配設された前記コリメートレンズを通過した光を前記対物レンズに向けて反射しかつ前記試料側からの戻り光を前記コリメートレンズに戻すダイクロイックミラーと、戻り光を反射するナイフエッジ付反射鏡と、該反射鏡を通過した戻り光の焦点面に配設されたフォトダイオードと、フォトダイオードの出力を受けて前記対物レンズと前記試料との距離を調整し合焦点方向に位置決めするフォーカス制御部と、該フォーカス制御部による位置決め制御中に、前記テレビカメラからの画像から被測定部の画面内位置を検出する画像処理部と、画像処理部からの被測定位置データを受けて前記オートフォーカス用点光源の結像位置と前記試料の被測定点とのずれ量を補正するように前記試料を位置決めするＸＹステージ制御部と、前記資料を載置し前記ＸＹステージ制御部により制御されるＸＹステージより成ることを特徴とする顕微鏡オートフォーカス装置。
対物レンズと結像レンズと照明装置とテレビカメラを備えたテレビ顕微鏡装置において、
点光源とこの点光源が焦点に一致するように配設したコリメートレンズと、前記テレビ顕微鏡の光軸上に配設されて前記コリメートレンズを通過した平行光を前記対物レンズに向けて反射し、かつこの反射した平行光が前記対物レンズを通して試料面に結像、反射して戻った、戻り平行光のみを選択的に反射して前記コリメートレンズに戻すダイクロイックミラーと、前記点光源と前記コリメートレンズ間に配設され、かつエッジラインが戻り光の光軸を通って、戻り光を反射するナイフエッジ付反射鏡と、この反射鏡を通過した戻り光の焦点面と戻り光光軸に分割面が一致するように配設された２分割フォトダイオードと、この２分割フォトダイオードの出力を受けて、前記対物レンズまたは試料を合焦点方向に位置決めしてフォーカス制御をするオートフォーカス制御部と、このオートフォーカス制御部の働きによって前記テレビカメラによって、画像処理可能なテレビ画像が得られると直ちに、被測定部の画面内位置を検出する画像処理部と、画像処理部からの被測定位置データを受けて、既知のオートフォーカス用点光源の結像位置とのずれ量を算出し、この位置ずれを打消すよう試料を位置決めさせるべく位置決めデータを出力し位置決め終了後直ちにフォーカス制御部にフォーカス制御命令を出すコンピュータと、このコンピュータからの位置決めデータを受けて試料を位置決め制御する位置決め制御部と、位置決め制御部からの制御を受けて試料を位置決めする位置決めステージで構成されることを特徴とする顕微鏡オートフォーカス装置。