JP4494772B2 - 光学機器用オートフォーカス装置 - Google Patents

Description

本発明は光学機器用、特に顕微鏡用のオートフォーカス装置に関する。

オートフォーカス装置は、観察対象物または検査対象物を観察機器に対してできる限り正確なポジションに、特に観察機器の焦点に設定しなければならない場合に使用されている。一般に知られている多数のオートフォーカス装置では独自の照明光源が使用されているが、その場合、その光は対象物に向けられて、対象物との相互作用に基づき基準位置からの距離または偏差の測定のための評価対象にされる。基準位置からの距離または偏差が分かれば、位置の自動修正が行える。
ＵＳ５２４８８７６ ＷＯ０１／３７０２５

現状技術からは、下記性能パラメータに関して本質的に異なる光学機器用オートフォーカス装置が公知である：
・光軸方向（以下ｚ軸と称す）の分解能
・捕捉領域または作業領域の深度
・位置修正移動のための方向信号の生成可能性および
・達成可能な測定速度。

距離測定にしばしば利用される三角測量法は、確かに比較的大きな捕捉領域が可能であるが、しかしｚ軸方向の分解能に関しては約３００ｎｍ程度に制限されるため、例えば半導体構成素子（ウェハ）の光学検査には適していない。この場合では捕捉領域数μｍで約５０ｎｍ程度の分解能を必要とするからである。

例えばＣＤプレーヤに使用されるオートフォーカス装置は、確かに同じく比較的大きな捕捉領域を持つ上に、高いｚ方向の分解能も維持できるが、しかしそれは測定表面が非常に良好な反射特性を有している場合だけであって、そうでない場合は特にｚ方向の分解能が大きく低下する。

上記オートフォーカス装置の場合では、通例レーザ光が検査対象物に向けられる。しかし光学機器メインシステムの波長スペクトルがオートフォーカスシステムの波長スペクトルと大きく異なれば、焦点合わせの際にシステム上の誤差が発生することになる。この誤差は、とりわけ検査対象物の素材特性およびミクロ構造、例えば表面コーティングに依存する。
上記の状況より、本発明では簡易構造でありながら高いフォーカシング精度および高いフォーカシング速度の達成できるオートフォーカス装置を製作することを基本課題に置いている。

この課題は、照明光が、結像光学系を通じて、結像光学系の光軸に対して垂直に、あるいはそうでなくても少なくともほぼ垂直な方向に移動する対象物に向けられているオートフォーカス装置の場合では、照明光源と結像光学系間の照明光路内に、対象物の移動方向と同様の方向に伸びている少なくとも１つの絞り開口部を持つ絞り装置を配置すること、測定光路内に、対象物の移動方向と符合する方向に並んでいる、別々に評価可能な個々の受光領域を持つ、対象物測定位置から来る測定光のための受光装置を配置すること、絞り開口部を照明光路の光軸に対して、あるいは並列受光領域を測定光路の光軸に対して０°＜α＜９０°傾斜させること、それにより絞り開口部の像を受光領域に対して傾斜させることによって、およびその際、測定位置がフォーカスポジションか、その近くにあって、かつ受光領域における測定結果の逐次読出しを指示する同期制御装置が存在する場合には、特徴的な測定値が受光領域で計測されるように、受光装置と絞り開口部を相互調整下で位置設定することによって解決される。
ただし、受光領域（ｅ_１）の読出し時間（ｔ_１）における測定位置がポジション（ｐ_１）で、受光領域（ｅ_２）の読出し時間（ｔ_２）における測定位置がポジション（ｐ_２）であり、以下も同様とする。また、受光領域で読み出された測定値と保存されている設定目標値とを比較して、それより光学機器用の信号を生成する評価装置が配備されているものとする。

評価装置は、読み出された測定値と保存されている設定目標値間に差がある場合に、対象物に対して結像光学系の焦点面方向への移動を指示する調整装置の調整信号を生成させる目的で構成されているのが好ましい。

結像光学系は、光学機器に対して別な命令信号を発するための装置として、例えば撮像装置などに対する始動機能を持つ装置として構成することもできる。
絞り装置が照明光の光軸に対して傾斜しているため、あるいは受光装置が測定光の光軸に対して傾斜しているため、受光装置においては対象物の移動方向に符合した方向に展開する強度分布が得られるが、それは結像光学系に対する測定位置のポジションを特徴的に表わしている。

測定位置の移動軌道は、特定の仮想平面と交わるが、その仮想平面−光学系にミラーとして挿入された−の位置は、この仮想平面が絞り装置の特定領域と対応受光領域との光学的共役をもたらすこと、および移動測定位置がこの仮想平面に接触したときに、受光領域において特徴的な測定値が読み取れることを条件に決定される。

このように、本発明に基づくオートフォーカス装置によれば、ただ１つのスリット状開口部または配列個別絞りを用いて対象物の同一位置を複数回測定することが可能なので、焦点位置の判定にあたり複数情報が得られることになる。このような複数回測定は、検査対象物の表面が裂け目の多い構造である場合には特に有利である。

単一または複数の対象物を連続的に送り出す装置が、同期制御装置と連結配備されていれば有利になる。その場合、送り装置は結像光学系の光軸と直角を成していなければならない。

これ迄説明してきた本発明に基づく装置は、移動する対象物または測定箇所を焦点位置で測定した場合の測定値の掌握に特に適している。結像光学系と対象物を相対移動させる操作方式は、ここでは「動的」操作方式と言うことにする。その場合、対象物の動きは、例えば連続式またはステップ式の送り移動とすることができる。

それに対し、結像光学系とは相対的静止状態にある対象物の測定位置における像情報が得られる「静止」操作方式には、本発明に基づく装置のうち以下に説明するタイプが良く適している。

この種オートフォーカス装置の場合、照明光は結像光学系を通じて静止対象物の表面に向けられている。照明光源と結像光学系間の光路内には、主要方向Ｖの方に伸びている少なくとも１つの絞り開口部を持つ絞り装置が配備されている。測定位置から来る測定光に対しては、主要方向Ｖに対応する方向Ｖ’に並列した、別々に評価し得る受光領域を持つ受光装置が配備されている。

その他の特徴として、絞り開口部が、照明光路の光軸と、あるいは並列受光領域が、測定光路の光軸と０°＜α＜９０°の角度を形成しているので、絞り装置の像は角度α分傾斜して受光領域に入るが、受光領域では、絞り開口部の部分領域が対応受光領域と共役関係にあるとき最大光度の測定光が当たることになる。光軸と対象物間の距離の変更に移動装置が備えられているほか、距離の変更中に測定光が受光領域において、予備設定した比較値に相当する測定値を生じさせた場合に、焦点位置到達に関する情報を発する評価装置が配備されている。

ここでも特徴的な測定値の読取りが可能なのは、−光学系にミラーとして挿入された−仮想平面により絞り装置の特定領域と対応受光領域との光学的共役がもたらされることでその位置が決定される仮想平面の中に測定位置が入っている場合である。
このようにして、測定位置がフォーカスポジションに達するまでは、結像光学系の焦点に対する選択測定箇所の相対的位置変更を指示することができる。

さらに、このオートフォーカス装置は、対象物表面と結像光学系との実距離がｚのときに、強度最高値の測定光が当たる受光領域を、評価装置でまず求めるように構成することもできる。次にこの受光領域のポジションと、距離ｚが焦点距離に一致したときにのみ強度最高値の測定光が当たる予備設定受光領域のポジションとの差を求める。この差から移動行程に相当する調整量が得られる。

移動装置に、例えば電動装置が装備されていれば、強度最高値の測定光が予備設定受光領域に当たって焦点位置に達し、フォーカシングが完了するまで、調整量に基づき距離ｚの変更を指示することができる。

受光装置は、「動的」操作方式用オートフォーカス装置の場合でも、「静的」操作方式用オートフォーカス装置の場合でも、並置された多数の個別センサから成る並列受光器として構成することができる。ただし、それぞれの受光領域を個別センサに対応させる。この場合、並列受光器に縦方向に入射して、それに覆い被さる「照明光線」が生成されるように、絞り装置を構成して光路内に設置するのが有利であり、またそれは可能である。

本発明に基づく装置で機能上重要なのは、絞り開口部または受光装置と、それぞれが配置されている光路の光軸とで０°＜α＜９０°の角度を形成することである。また、絞り装置も受光装置も双方共に光路に対して傾斜させることも考えられるが、しかしその場合では絞り装置の像に対しても、受光装置の像に対しても、離反傾斜角を予備設定する必要がある。

例えば、絞り開口部が照明光路の光軸に対して垂直方向に配置され、他方、並列受光器が測定光路の光軸とα＝４５°の角度を形成している構成が有効であると実証された。

絞り開口部は、例えばスリット状開口部として形成することができる。その場合、スリット状開口部の分割区分が各センサに割り当てられる。これに代わり、絞り開口部は並列した多数の個別孔を持つピンホール絞りとして形成することもできる。その場合、各センサに、例えば部分領域としての個別絞りが割り当てられる。

並列受光器としては、ＣＣＤ配列を配備することができるが、その場合では、ＣＣＤ配列におけるそれぞれ１つまたは複数のピクセルが個別センサまたは受光領域に対応している。

上で説明した実施態様のオートフォーカス装置を顕微鏡との関係で適用する場合、フォーカシング方向に関しては５０ｎｍ程度の分解能が達成される。その場合、有効な信号の掌握範囲は数μｍ程度のレベルまで可能である。

特別な適用に合わせたオートフォーカス装置の実施態様例として、絞り装置には平行に並んだ複数のスリット状開口部または配列個別絞りを設けることができ、それによって、受光装置に達する複数の「照明光線」を生成させることが可能になる。この実施例では、受光装置には、それぞれ多数の並列個別センサを持つ、互いに平行に配列された複数の受光器を装備させることができる。その場合、評価用として、既述の通り、個別センサをスリット状開口部の部分領域または各個別絞りにそれぞれ割り当てることができる。
また、ポジション敏感な平面受光器形態の受光装置を構成して、平面受光器の部分面をそれぞれスリット状開口部または個別絞りの部分領域に光学観点から割り振ることも考えられる。

焦点位置の評価のために、測定した強度または明度に直接立ち帰ることも、それより例えば、強度分布の最大値を決定することのできる信号を求めることも原則として可能である。もちろん局部強度の代わりに、局部コントラスト値を測定して、後続加工の基礎におくことも考えられる。

本発明に基づくオートフォーカス装置は、例えばセパレート式光学システムとして、顕微鏡に装着することができる。なお、当オートフォーカス用光学システムと顕微鏡メインシステムとは別々の構成素子群として形成されている。

しかしそれとは違って、例えばオートフォーカス装置の絞りを照明光源と顕微鏡結像光学系間の照明光路内に、しかも照明フィールド絞りのほぼ辺縁領域に配置することによって、機能上重要な光学構成素子群を、オートフォーカス目的にも、顕微鏡光路用にも、共同利用することができ、より有利である。この場合は、照明光源および結像光学系が複数回利用されるので、それによりシステム構成素子の数を減らすことができ、とりわけコンパクトな構造形態が達成される。

照明光源を共同利用すれば、オートフォーカス装置を光学メインシステムと同じ波長領域で操作できるという別な利点もある。それにより、波長の違いを原因とするシステム誤差が回避され、その結果非常に高いフォーカシング精度が保証される。

図１の実施例では、例えばその構造が公知である顕微鏡内に統合されたオートフォーカス装置１が示されている。当顕微鏡はウェハの表面構造を検査するためのものである。もちろんこの種のオートフォーカス装置１を持つ顕微鏡は、同様の微細表面構造を有するその他対象物表面の検査にも利用できる。

オートフォーカス装置１は照明光源２を有しているが、それには、例えば可視スペクトル領域の光を発するセパレート光源または顕微鏡の照明光源が使用できる。

そのほか、同じく有利なことに、顕微鏡の結像光学系と同一物で、照明光源２の光がそれを通って対象物Ｏの測定位置Ｍに向けられている結像光学系３が配備されている。

ここで説明している実施例では、対象物Ｏは連続的に移動するので、測定位置Ｍは結像光学系３の光軸に対して絶えずそのポジションを変え、そのため時間の変動ｔ_１、ｔ_２、…ｔ_ｎと共にポジションｐ_１、ｐ_２…ｐ_ｎも変化する。したがって、この種の方法は「動的」操作方式と称する。

対象物Ｏで反射した光は、結像光学系３に戻り、結像光学系３を通過した後、ビームスプリッタ５の光線分離層４により、配列受光器６の方へ転向される。光線分離または光線絞りの原理はそれ自体公知であり、したがってここで詳しく説明しない。

照明光源２とビームスプリッタ５間の光路内には、例えば、顕微鏡装置に属する照明フィールド絞り７が設置されるが、本発明では、その領域内に、スリット状開口部しか示されていないスリット絞り８が配置されている。本発明に基づくオートフォーカスの原理を分かりやすく図解するために、図１ではスリット絞り８は簡略化して同軸ポジションで描いてある。

オートフォーカス装置１が組み込まれている顕微鏡装置では、照明光路が許容できない程度まで妨害されることのないように、上例とは違って、スリット絞り８を照明フィールド７周辺部の偏心位置に設置した方がより有利である。

照明光源２から来た光の一部はスリット絞り８により、その中心が配列受光器６の配置方向と関係する「照明光線」を形成するが、それについては以下で詳しく説明する。

スリット絞り８のスリット状開口部と配列受光器６は、スリット状開口部によって生成された「照明光線」が、配列受光器６に垂直方向に到達するように、およびもし平面Ｅに対して傾斜したミラー面を対象物に代えて然るべく位置に設置した場合には、照明光線が配列受光器を少なくとも大部分は覆い隠すような位置関係になるように相互間で配置構成されている。例えば、多数の並列個別センサ、いわゆる「ピクセル」から成る配列受光器６は、スリット絞り８の像との関係では、これとの角度がα＝４５°を成すように傾斜させている。

さらに、スリット絞り８と配列受光器６は、測定位置Ｍの移動軌道がポジションｐ_２で、絞り装置の特定領域と対応受光領域との光学的共役をもたらす仮想平面と交わった場合に、対象物Ｏ表面から戻ってきた「照明光線」成分が最高の明度で配列受光器６受光領域ｅ_２の中心に当たるように、あるいは受光領域ｅ_２の中心で最大コントラストを持つ光構造を生成するように相互間で位置設定されている。

これは、測定位置Ｍが結像光学系３の焦点にあるか否かの判定基準に利用される。この場合、受光領域ｅ_２は配列受光器６の複数のピクセルから、好ましくは単一ピクセルから形成することができる。
測定位置Ｍがポジションｐ_１にあれば、スリット絞り８の部分領域ｂ_１からの光は比較的低明度で配列受光器６の受光領域ｅ_１に当たるか、あるいはその位置において、受光領域ｅ_２の場合に比べ低コントラストの光構造を生成する。

それは、配列受光器６が光線入射方向に対して傾斜しているので、受光領域ｅ_１がフォーカスポジションから外れるからである。換言すれば、スリット絞り８の部分領域ｂ_１は、焦点を外した状態で配列受光器６の受光領域ｅ_１（例えば、配列受光器６の１ピクセル）に結像する。

同状況下では、スリット状開口部の部分領域ｂ_３から来たポジションｐ_３の光についても同様で、配列受光器６の受光領域ｅ_３で生成される光構造は、ポジションｐ_２、受光領域ｅ_２の場合に比べて明度またはコントラストが劣っている。それは、配列受光器６が傾斜しているので部分領域ｂ_１も焦点を外した状態で配列受光器６の受光領域ｅ_１に結像するからである。

言い換えれば、配列受光器６はスリット絞り８に対して傾斜配置されているので、絞りの各部分領域について、この部分領域が配列受光器の対応受光領域と共役関係になる、結像装置光軸に対し垂直配置されている平面対象物のｚ方向位置が存在する。

スリット絞り８の部分領域ｂ_１、ｂ_３が、それぞれ配列受光器６の受光領域ｅ_１、ｅ_２へ焦点ズレ結像する際の違いは、図１から分かるように、部分領域ｂ_１が焦点の外側に結像するのに対し、反対側の部分領域ｂ_２は焦点の内側に結像するところにある。配列受光器６を逆方向に傾斜させることも同様に考えられるが、その場合では上の関係が逆になる。ここで言う焦点外側および焦点内側の概念は焦点ズレの意である。

つまり、スリット絞り８と配列受光器６は、スリット絞り８の部分領域ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３が、それぞれ配列受光器６の対応受光領域ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３上に結像するような関係に配置されている。ところがスリット絞り８が傾斜しているので、受光領域ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３間では測定位置Ｍまでの光路長が異なり、そのため、ただスリット絞りの部分領域ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３と配列受光器の受光領域ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３とが、それぞれ結像光学系３の焦点位置に関連する測定位置Ｍの軸方向ポジションの依存下で、光学上共役関係にあるという結果になる。この場合常に観察対象は、それぞれ対応の部分領域、受光領域および測定位置ポジションだけである。すなわち、評価は測定位置Ｍから来た光だけを対象とする。

なお、スリット絞り８のスリット幅は、配列受光器６のピクセルの大きさに少なくともほぼ一致しているので、列方向に垂直な方向に共焦点条件が生れる。その結果として、ピクセル毎に測定した光強度は、ポジションｐ_１、ｐ_２、ｐ_３に対応する受光領域ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３間の比較では、ｅ_１、ｅ_３においてはｅ_２よりも弱くなる。

部分領域ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３および受光領域ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３は、ただ説明のための例として選んだに過ぎないことを強く明言しておく。評価では、図２に描かれているように、配列受光器の全体を通して強度曲線を求めることができる。

以下では、検査対象物Ｏが移動すると想定する。
移動方向Ｒは、光軸に垂直な方向で、図１の図平面上にある、例えばＸ座標方向と一致しているものとする。対象物Ｏは、観察対象である測定位置Ｍを設置するための、例えば梯子型突出部を有している。

以下では、例えばポジションｐ_１、ｐ_２およびｐ_３を観察するが、それらは、対象物の移動時点ｔ_１、ｔ_２およびｔ_３における測定位置Ｍである。
時点ｔ_１における測定位置Ｍのポジションｐ_１は、スリット絞り８の部分領域ｂ_１のポジションおよび配列受光器６の受光領域ｅ_１のポジションに対応している。したがって、測定位置Ｍの当ポジションで反射した光は、配列受光器６の受光領域ｅ_１に焦点外側の位置として焦点ズレ結像する。

対象物Ｏをさらにシフトさせると測定位置Ｍはポジションｐ_２に達する。そのとき、受光領域ｅ_２と部分領域ｂ_２は互いに共役関係にある。配列受光器６の受光領域ｅ_２の個別センサは、測定光強度最高値の信号を発し、同時に、測定位置Ｍがフォーカスポジションにあることに関して情報を提供する。評価装置１２により、ポジションｐ_２がフォーカスポジションとして割り当てられる。それは、受光領域ｅ_２においてｔ_２の時点で最高値が測定されるからである。

ｘ方向にさらにシフトさせると、測定位置Ｍはポジションｐ_３に達する。その場合、スリット絞り８の部分領域ｂ_３は、配列受光器６の受光領域ｅ_３に焦点の内側で焦点ズレ結像する。
ポジションｐ_１、ｐ_２およびｐ_３に対応するピクセルでの測定強度は、ｘ方向での移動時に測定位置が到達するそれぞれのポジションに依存しており、図２に強度曲線として描いてある。

配列受光器６の各ピクセルに、したがってまた、その強度値にも測定位置Ｍのｘポジションを割り当てることができる。その場合、ｘポジションは、上述の通り、それぞれ対をなすスリット絞り８および配列受光器６の部分領域ｂ_１／ｅ_１、ｂ_２／ｅ_２、ｂ_３／ｅ_３と相関関係にある。

図１には、例えば、対象物Ｏの設置されたテーブル（図には描かれていない）と連結する移動装置１１の存在が示されている。

評価装置１２とも移動装置１１とも結合している同期制御装置１３が、それぞれｔ_１、ｔ_２、ｔ_３の時点で、または測定位置Ｍがそれぞれｐ_１、ｐ_２、ｐ_３に来たときに、対応受光領域の測定値読出しを可能にしているので、評価装置１２では測定位置の各ポジションにおける測定値の分類整理を行うことができる。

図２に示されたｘ軸方向の強度分布は、対象物Ｏが、測定位置Ｍの移動軌道を含む平面内にあるミラー面であれば、等級ファクタを除き、配列受光器６における傾斜方向に沿って生じる強度分布に対応する。

配列受光器のピクセルが典型的な大きさで約１０μｍおよび傾斜角がα＝４５°の場合、倍率約８０倍で通常の大きさの中間像とすれば、対象物空間については強度曲線にして約５ｎｍの軸方向走査となる。

上記実施例の説明では、スリット絞りのタイプとしてはただ１つのスリット状開口部を持つ絞り装置および受光装置のタイプとしては１列型受光器を基礎にした。
しかし図３に描かれているように、それとは違って、スリット絞り８として複数の並列スリット状開口部を持つ絞り装置の構成された実施態様も考えられる。それに合わせて、複数列配置された個別センサまたは平面分布個別センサを持つ受光装置、あるいはそれ自体が平面検出器として構成されている受光装置を利用することができる。

また絞り装置は、図４に示されているように、平面分布した多数の個別絞りから構成することもできる。その場合、各個別絞り９’は受光装置のピクセルに正確に合わせて配置することができる。それにより、オートフォーカス装置にとって非常に高い分解能が得られることになる。

最後に、本発明に基づくオートフォーカス装置のまた別な実施例として、特に「静的」操作方式における、すなわち対象物移動のない測定におけるオートフォーカスに適した装置について述べる。

図５に基づいて以下に説明するが、この実施例では、照明光源２から放射された照明光が、結像光学系３を通って静止対象物Ｏの表面に向けられており、その照明光源２と結像光学系３間の光路内にはスリット絞り８が設置されている。

そのほか、測定位置Ｍから来る測定光用として配列受光器６が設置されているが、これには、絞り開口部の伸長方向と一致する方向で並列する、別々に評価可能な受光領域ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎが配置されている。

並列受光領域ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎは測定光路の光軸Ａ’と、例えば、α＝４５°の角度を形成していて、その場合、受光装置と絞り装置は、予備設定された受光領域ｅ_２と対応スリット状開口部の部分領域ｂ_２とが光学上共役関係になったときに、当該受光領域ｅ_２上で測定光が最高の明度を発するように相互間で位置設定されている。

図にはない対象物固定台と結合する移動装値１４は、光軸Ａ方向における対象物Ｏの距離ｚの変更に用いられる。ここでも、最後に評価装置１２が配備されている。それは、例えば、距離ｚの変更において測定光が選択受光領域ｅ_２で明度最高の信号を誘起したときに、焦点位置到達についての情報を発信する。

移動装置１４によるシフトで距離ｚが変化すれば、配列受光器６が傾斜していることから配列受光器６に沿って最大値の位置シフトが起きる。したがって、図２に描かれた曲線の最大値ポジションは、測定位置Ｍと結像光学系３との距離を測る尺度となる。

評価装置１２では、まず第一に、対象物Ｏの表面から結像光学系３までの実距離をｚとして、そのとき強度最高値の測定光が当たる受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）を求める。次に、そうして得られた受光領域ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎと、対象物表面が結像光学系３の焦点面にある場合にのみ、強度最高値の測定光が当たる予備設定受光領域ｅ_２との各ポジション間の差を求める。

続いて、評価装置１２では、この差から調整量（Ｓ）が決定され、移動装値１４の駆動部にアウトプットされる。この調整量（Ｓ）に依存して距離（ｚ）の変更が指示されるが、それは強度最高値の測定光が予備設定した受光領域ｅ_２に当たるまで、つまり対象物表面が焦点面に来るまで続けられる。

配列受光器６によって得られた信号と保存されている設定目標値との比較、その差の算出、比較結果の調整信号への変換および調整機能を持つ調整装置へのアウトプットを可能にする方法および装置は現状技術から公知であり、したがってここでは詳しくは説明しないことにする。

強度値から焦点位置を判定するに当たっては、「動的」操作方式の場合でも、「静的」操作方式の場合でも、測定強度をそのまま使用するのではなく、まずは別な比較値に形を変えることができる。例えば、強度値から、その最高値が測定ポジションの間に来ることもある補整曲線をまず算定することも可能である。

後者の場合、例えば１回の測定で検査対象物Ｏにおける異なった測定位置に対応する個々の受光領域ｅ_１、ｅ_２あるいはｅ_３の強度値を求めて、既述の通り後続操作に利用する。この測定位置が相互間で十分に接近していれば、多くの目的に満足できるオートフォーカス精度が達成される。この場合ではデータ収集に比較的少ない測定量しか必要としないので、配列受光器の代わりに、コスト的に有利な平面ＣＣＤマトリックス付き２次元受光器を使用することもできる。

図１および図５に基づく既述の両実施例では、配列受光器６は測定光路の光軸Ａ’に対して傾斜した位置であるが、それに対しスリット絞り８は光軸Ａに垂直に配置されている。別の実施例として、スリット絞り８も光軸Ａに垂直な位置からずらして傾斜させることができる。さらに、スリット絞り８だけを光軸Ａに対して傾斜させ、配列受光器６は光軸Ａ’に対して傾斜させず垂直に配置させることも可能である。常に決定的な重要ファクタになるのは、受光領域が対応絞り開口部の像に対し傾斜していることである。

最後に挙げた例では、受光装置が顕微鏡の光学メインシステム用検出器としても使用できるという利点が得られる。その場合、スリット絞り８は、対象物Ｏの観察がオートフォーカス装置１またはスリット絞り８によって大きく妨害されることのないように、したがって、それが像フィールドのごく僅かな部分だけを占めるように、光路内に配置する。

変化形態のものも含め本発明に基づくオートフォーカス装置は、例えば、プロジェクタなど他の光学機器にも使用することができる。いずれの場合でも高いフォーカシング速度と共に高いフォーカシング精度が達成される。

特に「動的」操作方式、すなわち対象物の移動を伴う操作方式に適しているオートフォーカス装置の概要図 オートフォーカス装置の光軸に対して垂直方向に移動する測定位置の強度分布 複数のスリット状開口部を持つ絞り装置の模式図 複数列の配列個別絞りを持つ絞り装置の模式図 特に「静的」操作方式、すなわち対象物の移動のない操作方式に適しているオートフォーカス装置の概要図

符号の説明

１ オートフォーカス装置
２ 照明光源
３ 結像光学系
４ 光線分離層
５ ビームスプリッタ
６ 配列受光器
７ 照明フィールド絞り
８ スリット絞り
１１ 移動装置
１２ 評価装置
１３ 同期制御装置
１４ 移動装値
Ｍ 測定位置
Ｏ 対象物

Claims (13)

1. 照明光が、結像光学系（３）により結像光学系（３）の光軸（Ａ）に対して少なくともほぼ垂直な方向（Ｒ）に移動する対象物（Ｏ）に向けられている照明光源（２）と、
   結像光学系（３）間の照明光路内に、対象物（Ｏ）の移動方向（Ｒ）と符合する方向（Ｒ’）に伸びている、少なくとも１つの絞り開口部を持つ絞り装置が配置され、
   測定光路内に、対象物（Ｏ）の移動方向（Ｒ）と符号する方向（Ｒ’’）に並置された、別々に評価可能な個別受光領域の装備された、対象物（Ｏ）の測定位置（Ｍ）から来る測定光用としての受光装置が配備され、
   絞り開口部が照明光路の光軸（Ａ）に対し、または並列受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）が測定光路の光軸（Ａ’）に対し、０°＜α＜９０°の角度で傾斜しており、そのため絞り装置の像が受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）に対し角度α分傾斜して受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）に達するようになっていて、その場合、受光装置と絞り開口部は、測定位置（Ｍ）がフォーカスポジションまたはその近くに来たときに受光領域において特徴的な測定値が計測されるように、相互調整下で配置され、
   受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）における測定結果の逐次読出しを指示する同期制御装置（１３）が配備されている、さらに
   受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）で読み出された測定値と保存されている設定目標値とを比較して、その値に差がある場合に、対象物を移動させる移動装置（Ｒ）に対して結像光学系（３）の焦点面へ向けて対象物（Ｏ）のシフトを指示する調整装置の調整信号を生成する評価装置（１２）が配備されている、
   光学機器用、特に顕微鏡用のオートフォーカス装置。
2. 測定位置（Ｍ）を含む１つまたは複数の対象物（Ｏ）を（Ｒ）の方向へ連続シフトさせるための同期制御装置（１３）と連結している装置が装備されていることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 受光装置が、多数の並列個別センサから成る配列受光器（６）として構成されていて、その場合それぞれの受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）が個別センサに相当すること、および
   絞り装置の絞り開口部によって生成された「照明光線」が配列受光器（６）に縦方向に入射して、それに覆い被さる形になるように、絞り装置が光路内で配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のオートフォーカス装置。
4. 絞り開口部が、照明光路の光軸（Ａ）に対して垂直に、配列受光器（６）が、測定光路の光軸（Ａ’）に対してα＝４５°の傾斜角で配置されていることを特徴とする請求項３に記載のオートフォーカス装置。
5. 絞り開口部が、一列のスリット状開口部として形成されていて、スリット状開口部の分割区分された絞り領域（ｂ_１、ｂ_２…ｂ_ｎ）が、配列受光器（６）の各個別センサに割り当てられていることを特徴とする請求項４に記載のオートフォーカス装置。
6. 絞り開口部が、並列する多数の個別絞りから成るピンホール絞りとして形成されていて、個別絞りの形態を取る絞り領域（ｂ_１、ｂ_２…ｂ_ｎ）が、配列受光器（６）の各個別センサに割り当てられていることを特徴とする請求項４に記載のオートフォーカス装置。
7. 配列受光器（６）として配列ＣＣＤが配備されていて、その配列ＣＣＤの各ピクセルが個別センサに相当することを特徴とする請求項１から６のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
8. 絞り装置が、平行に並んだ複数のスリット状開口部または列をなす個別絞りを有し、それにより受光装置に入射する複数の「照明光線」を生成すること、および受光装置が、それぞれ並列に並んだ多数の個別センサを持つ互いに平行に配置された複数の配列受光器を有していて、個別センサが、それぞれ１つずつ絞り領域に割り当てられていることを特徴とする請求項１から７のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
9. 受光装置が、ポジション敏感な平面受光器として構成されていて、平面受光器の受光領域（ｅ_１、ｅ_２…ｅ_ｎ）が、それぞれ１つずつスリット状開口部の絞り領域（ｂ_１、ｂ_２…ｂ_ｎ）または個別ピンホール絞りに割り当てられていることを特徴とする請求項１から８のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
10. 受光装置として連続測定式ＣＣＤカメラが配備されていることを特徴とする請求項１から９のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
11. 強度測定値からコントラスト値を導き出すための評価装置（１２）が構成されていて、コントラスト値が調整量（Ｓ）の算出基礎に置かれ、その場合コントラストの生成目的に複数の個別センサに対しそれぞれ１つずつピンホール絞りが割り当てられていることを特徴とする請求項１から１０のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
12. 絞り装置が、共焦点顕微鏡の光学メインシステムの照明光路内に設置されていること、受光装置が、共焦点顕微鏡における光電子センサの一部であること、および／またはオートフォーカス装置の照明光源が、同時に共焦点顕微鏡のメイン結像システム用照明光源でもあることを特徴とする請求項１から１１のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。
13. 測定光路内で受光装置の前に拡大用または縮小用光学系が設置されていることを特徴とする請求項１から１２のうちの１つに記載のオートフォーカス装置。

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