JPH06294924A - 合焦検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構成で高精度に合焦状態の検出を行うこ
とができるコンパクトな合焦検出装置を提供する。 【構成】試料５３に走査されたレーザービームは、この
試料５３から反射した後、対物レンズ５１、λ／４板４
９及び結像レンズ４７を介してハーフミラー４５に照射
され、その一部が反射される。反射されたレーザービー
ムは、試料５３に対して共役な集光位置（Ｐ´）に配置
された位置検出素子（ＰＳＤ）６３上に集光される。Ｐ
ＳＤ６３では、集光スポットの移動距離に基づいて、合
焦検出が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合焦状態を検出する合
焦検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置の適用例として、例
えば、特公平４−６１３３４号公報に開示された走査型
顕微鏡撮像装置（以下、従来例と称する）が知られてい
る。

【０００３】図９には、従来例の装置の構成が概略的に
示されている。

【０００４】即ち、レーザー光源１から出射されたレー
ザービームは、ハーフミラー３及び結像レンズ５を介し
て試料７上に結像される。

【０００５】この試料７から反射したレーザービーム
は、再び、結像レンズ５を介してハーフミラー３に照射
される。

【０００６】ハーフミラー３に照射されたレーザービー
ムは、このハーフミラー３によって反射された後、第１
及び第２のミラー９，１１を介してビームスプリッタ１
３に照射され、２方向に振り分けられる。

【０００７】一方のレーザービームは、ビームスプリッ
タ１３を透過した後、試料７に対して共役な位置関係に
規定されたリニアイメージセンサ１５に結像される。

【０００８】他方のレーザービームは、ビームスプリッ
タ１３で反射された後、合焦検出装置１７に導光され
る。

【０００９】合焦検出装置１７に導光されたレーザービ
ームは、凸レンズ１９を介して結像されることになる
が、この結像位置は、リニアイメージセンサ１５と共役
な位置関係にある。

【００１０】このような凸レンズ１９を透過したレーザ
ービームは、スリット２１を介してハーフミラー２３に
照射される。

【００１１】このハーフミラー２３を透過したレーザー
ビームは、第１の光検出器２５に照射され、また、ハー
フミラー２３から反射したレーザービームは、第２の光
検出器２７に照射される。

【００１２】第１の光検出器２５は、上記結像位置に対
して前方側即ち凸レンズ１９に対して接近した位置に配
置されており、また、第２の光検出器２７は、上記結像
位置に対して後方側即ち凸レンズ１９に対して離間した
位置に配置されている。

【００１３】このように構成することによって、第１及
び第２の光検出器２５，２７によって受光されるレーザ
ービームは、非合焦に対応して、その光量分布が変化す
る。このとき、第１及び第２の光検出器２５，２７から
出力された光電出力に対して比較演算を施すことによっ
て、合焦検出が行われる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
の装置は、第２の光検出器２７を結像位置に対して後方
側に配置するための領域を確保しなければならない関係
上、装置を大型化しなければならないという問題があ
る。また、精度の良い合焦を行うためには、第１及び第
２の光検出器２５，２７を高精度に位置決めする必要が
あるが、かかる位置決めには高度な技術を必要とし、そ
のセッティングに困難を要するという問題もある。

【００１５】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされ、その目的は、簡単な構成で高精度に合焦状
態の検出を行うことができるコンパクトな合焦検出装置
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の合焦検出装置は、光源と、この光源
から発光した光を試料上に集光させる第１の光学系と、
この第１の光学系を介して集光される前記光を前記試料
に対して２次元走査させる第２の光学系と、前記試料か
らの光の光学的特性を検出する光検出器とを備えた走査
光学系に適用されており、前記試料に対して光学的に共
役な位置に配置され、前記試料に対する前記第１及び第
２の光学系の合焦検出可能に構成された合焦検出素子を
備える。

【００１７】

【作用】第１及び第２の光学系を介して試料上に走査さ
れた光は、再び第１及び第２の光学系を介して、試料に
対して共役位置に配置された合焦検出素子に導光され、
試料に対する第１及び第２の光学系の合焦検出が行われ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る合焦検出装置
について、図１ないし図６を参照して説明する。

【００１９】図１には、本実施例の合焦検出装置が適用
された走査光学系の構成が概略的に示されている。

【００２０】即ち、光源２９から出射された直線偏光の
レーザービームは、ビームエキスパンダ３１によって所
定の大きさのビーム径に拡大された後、偏光ビームスプ
リッタ３３を介して第１の光偏向器３５に照射される。

【００２１】この第１の光偏向器３５は、後述する対物
レンズ５１の瞳位置に対して共役な位置関係に規定され
ている。

【００２２】第１の光偏向器３５に照射されたレーザー
ビームは、ここで図中Ｘ方向に偏向された後、第１及び
第２の瞳伝送レンズ３７，３９を介して第２の光偏向器
４１に照射される。

【００２３】この第２の光偏向器４１は、後述する対物
レンズ５１の瞳位置に対して共役な位置関係に規定され
ている。

【００２４】第２の光偏向器４１に照射されたレーザー
ビームは、ここで図中Ｙ方向に偏向されて２次元走査さ
れ、瞳投影レンズ４３によって後述する試料５３に対し
て共役な集光位置（Ｐ）に集光された後、ハーフミラー
４５及び結像レンズ４７を介してλ／４板４９を透過す
る。

【００２５】λ／４板４９を透過したレーザービーム
は、直線偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ５
１を介して試料５３上に集光される。

【００２６】このとき試料５３上には、回折が制限され
た集光スポット（図示しない）が形成されており、かか
る集光スポットによって試料５３のＸ−Ｙ走査が行われ
る。試料５３が透過物体である場合、試料５３上に集光
されたレーザービームは、この試料５３を透過した後、
コンデンサレンズ５５を介して第１の光検出器５７に照
射され、その光量変化が検出される。

【００２７】試料５３が反射物体である場合、試料５３
上に集光されたレーザービームは、この試料５３から反
射した後、再び、対物レンズ５１を介して上述した光路
を逆に導光されて、偏光ビームスプリッタ３３に照射さ
れる。

【００２８】このとき偏光ビームスプリッタ３３に照射
されたレーザービームは、その偏光方向がλ／４板４９
によって最初の直線偏光に対して９０°回転した直線偏
光に変換されているため、偏光ビームスプリッタ３３に
よって反射された後、集光レンズ５９を介して第２の光
検出器６１に照射され、その光量変化が検出される。次
に、本実施例の合焦検出に適用された構成及び作用につ
いて説明する。

【００２９】試料５３にレーザービームが照射された
際、この試料５３から反射したレーザービームは、対物
レンズ５１、λ／４板４９及び結像レンズ４７を介して
ハーフミラー４５に照射され、その一部が反射される。

【００３０】このハーフミラー４５で反射されたレーザ
ービームは、試料５３に対して共役な集光位置（Ｐ´）
に配置された位置検出素子（ＰＳＤ）６３上に集光され
る。図２に示すように、集光位置（Ｐ´）において、レ
ーザービームは２次元走査される。このため、ＰＳＤ６
３は、その受光面６３ａ（図３参照）がＸ走査方向に対
して並列するように、配置されている。即ち、Ｙ走査線
のうち、１走査線を取り出して合焦検出を行うことを意
図している。

【００３１】受光面６３ａをＹ走査方向に対して並列さ
せても構わないが、Ｘ走査方向に整合させた方が早い合
焦検出が達成できる。

【００３２】図３に示すように、ＰＳＤ６３は、その受
光面６３ａに入射した光の位置に対応した電気信号を出
力可能に構成されている。

【００３３】例えば、受光面６３ａの中心（Ｓ）に対し
て距離“Ｚ”だけ離間した位置に光が入射したと仮定す
る。このとき、第１及び第２の端子６５，６７に出力さ
れた電流値（Ｉ₁ ，Ｉ₂ ）は、 Ｉ₁ ＝（Ｌ＋Ｚ）×Ｉ／２Ｌ Ｉ₂ ＝（Ｌ−Ｚ）×Ｉ／２Ｌ ２Ｌ；受光面６３ａの長さ Ｉ；総電流値 となる。

【００３４】ここで、電流値（Ｉ₁ ，Ｉ₂ ）の和と差の
比をとると、 （Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）＝Ｚ／Ｌ となり、電流値から入射光の位置が分かる。

【００３５】図４には、光学系における一般的な結像原
理、即ち、試料位置と像位置との関係が示されている。

【００３６】即ち、図４（ａ）に示すように試料６９が
対物レンズ７１の合焦位置（Ａ）に配置されている場
合、その像は結像位置（Ａ´）に形成される。図４
（ｂ）に示すように試料６９が合焦位置（Ａ）に対して
対物レンズ７１から離間した位置（Ｂ）に配置されてい
る場合、その像は、結像位置（Ａ´）に対して対物レン
ズ７１に接近した位置（Ｂ´）に形成される。また、図
４（ｃ）に示すように試料６９が合焦位置（Ａ）に対し
て対物レンズ７１に接近した位置（Ｃ）に配置されてい
る場合、その像は、結像位置（Ａ´）に対して対物レン
ズ７１から離間した位置（Ｃ´）に形成される。

【００３７】図５には、試料５３（図１参照）が、図４
に示す試料位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配置された場合に、結
像位置（Ａ´）において形成されるスポットの状態が示
されている。なお、図５には、説明の都合上、受光面６
３ａのみを示す。

【００３８】図５（ａ）には、ハーフミラー４５（図１
参照）を介して受光面６３ａ上に結像されたスポット状
態が示されている。この図（ａ）には、理想結像の状態
が示されており、試料５３の位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）にかか
わらず、各スポット７３の重心位置は、その結像位置
（Ａ´）に対応して略一定になる。

【００３９】しかしながら、実際の対物レンズ５１（図
１参照）には収差があり、試料位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）にお
ける収差の発生状況も夫々異なったものとなる。

【００４０】従って、受光面６３ａ上に形成されるスポ
ットの位置は、試料位置の変動に対応して変動すること
になる。

【００４１】図５（ｂ）には、ある走査時点での１走査
の状態が示されている。

【００４２】この場合、試料位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）に対応
して受光面６３ａ上に形成されるスポットは、その重心
がスポット移動域（Ａ1 〜Ａ2 ，Ｂ1 〜Ｂ2 ，Ｃ1 〜Ｃ
2 ）の間で変動する。このため、各スポット７５は、ス
ポット移動域（Ａ1 〜Ａ2 ，Ｂ1 〜Ｂ2 ，Ｃ1 〜Ｃ2 ）
に対応した範囲（Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 ）内で受光面６３ａ
上を２次元走査される。

【００４３】このようなスポット移動状態を測定するこ
とによって合焦検出が行われる。

【００４４】以下、合焦検出の動作について、図６を参
照しつつ具体的に説明する。

【００４５】まず、モニタ（図示しない）を観察しなが
ら、測定試料５３（図１参照）が載置可能なステージ７
７を移動させて合焦位置（Ａ）を検出する。

【００４６】合焦状態のとき、ＰＳＤ６３の受光面６３
ａ（図３及び図５参照）上に形成されるスポット７５の
移動範囲（図５（ｂ）では、Ｌ1 で示す範囲）における
移動量を基準値（Ｒ）としてメモリ７９に記録する。

【００４７】このとき、スイッチ８１を端子 (Ｔ1)に接
触させる。

【００４８】ステージ７７に載置された所定の試料５３
から反射して、受光面６３ａ上に集光されたレーザービ
ームは、その入射位置に対応した電気信号（Ｉ₁ ，
Ｉ₂ ）に変換された後、第１及び第２の端子６５，６７
を介して加算回路８３に出力される。

【００４９】この加算回路８３で加算された信号値（Ｉ
₁ ＋Ｉ₂ ）は、第１の比較回路８５に入力され、初期値
（Ｎ）として一時的に保持される。

【００５０】この後、ステージ７７を任意に移動させ、
この移動中において、ＰＳＤ６３及び加算回路８３を介
して出力される信号値（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）を順次第１の比較
回路８５に入力させる。

【００５１】このとき入力された信号値は、初期値
（Ｎ）とな異なったものであり、仮に比較信号値（Ｎ
´）と称すると、第１の比較回路８５において、ＮとＮ
´との比較演算が行われる。

【００５２】ところで、ステージ７７が合焦位置（Ａ）
から大きくずれている場合、スポット７５の径が大きく
なって受光面６３ａから外れてしまうため、ＰＳＤ６３
によって受光される光量は減少する。一方、ステージ７
７が合焦位置（Ａ）に接近するに従って、受光面６３ａ
に照射される光量が多くなる。

【００５３】この原理を利用すると、“Ｎ´＞Ｎ”の場
合、ステージ７７が合焦位置（Ａ）に接近していること
が検出される。従って、同方向にステージ７７を移動さ
せればよいことになる。

【００５４】一方、“Ｎ´＜Ｎ”の場合、ステージ７７
が合焦位置（Ａ）から離間していることが検出される。
従って、反対方向にステージ７７を移動させればよい。

【００５５】このような処理を繰り返して、Ｎ＝Ｎ´に
なるとレーザービームがＰＳＤ３６の受光面６３ａ内に
完全に照射されている状態が検出されたことになり、ス
イッチ８１を端子 (Ｔ1)から端子 (Ｔ2)に切り換える。

【００５６】なお、これ以後、ステージ７７は、微動操
作が行われる。

【００５７】スイッチ８１を端子 (Ｔ2)に接触させるこ
とで、加算回路８３から出力された信号値（Ｉ₁ ＋
Ｉ₂ ）及び減算回路８７から出力された信号値（Ｉ₁ −
Ｉ₂ ）は、共に割算回路８９に入力される。

【００５８】割算回路８９から出力された割算信号値
(Ｒx)は、順次、第２の比較回路９１に入力され、ここ
で、予めメモリ７９に記録されている基準値（Ｒ）との
比較が行われる。

【００５９】即ち、基準値（Ｒ）に対する割算信号値
(Ｒx)の誤差が、許容範囲内に維持されている場合、合
焦状態にあるとみなしてステージ７７の移動を停止させ
る。

【００６０】一方、許容範囲外であれば、誤差が許容範
囲内になるようにステージ微動操作が行われる。

【００６１】なお、合焦検出が完了した際、フレア等の
影響によって像が劣化しないように、ハーフミラー４５
（図１参照）は、走査光学系の光路から外される。

【００６２】このように本実施例の合焦検出装置は、走
査ラインを受光面６３ａ内に規定させたことによって迅
速な合焦検出が可能になると共に、割算回路８９での演
算結果を適用することによって反射率が異なる任意の試
料に対する高精度な合焦検出が可能となる。

【００６３】なお、本発明は、上述した実施例の構成に
限定されることはない。

【００６４】例えば、図７に示すように、第１及び第２
の瞳伝送レンズ３７，３９の間の集光点（Ｗ）よりも第
２の瞳伝送レンズ３９側にハーフミラー４５を配置させ
ることも可能である。

【００６５】この場合、図８に示すように、試料５３か
ら第２の偏向器４１を介して反射されたレーザービーム
は、Ｘ方向に固定された１次元走査状態にある。

【００６６】従って、かかる１次元走査線をハーフミラ
ー４５を介して全てＰＳＤ６３に導光させることが可能
となるため、全ての情報を合焦検出に適用することが可
能となる。

【００６７】この結果、合焦検出精度を更に向上させる
ことができる。なお、他の効果は、上述した実施例と同
様であるため、その説明は省略する。

【００６８】

【発明の効果】本発明は、試料に対して光学的に共役な
位置に配置され、試料に対する光学系の合焦検出可能に
構成された合焦検出素子を備えることによって、簡単な
構成で高精度に合焦状態の検出を行うことができるコン
パクトな合焦検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る合焦検出装置が適用さ
れた走査光学系の構成を概略的に示す図。

【図２】図１の装置に適用されたＰＳＤ上への走査状態
を示す図。

【図３】ＰＳＤの受光面に入射した光の位置に対応して
電気信号が出力されている状態を示す図。

【図４】光学系における一般的な結像原理即ち試料位置
と像位置との関係を示す図であって、（ａ）は、試料が
合焦位置（Ａ）に配置された場合、（ｂ）は、試料が位
置（Ｂ）に配置された場合、（ｃ）は、試料が位置
（Ｃ）に配置された場合を示す図。

【図５】試料位置の変化に対応した結像位置に形成され
るスポット状態を示す図であって、（ａ）は、理想状態
を示す図、（ｂ）は、実際のスポット状態を示す図。

【図６】図１に示す合焦装置に適用された合焦検出回路
のブロック図。

【図７】本発明の変形例に係る合焦検出装置が適用され
た走査光学系の構成を概略的に示す図。

【図８】図７の装置に適用されたＰＳＤ上への走査状態
を示す図。

【図９】従来の合焦検出装置が適用された走査型顕微鏡
撮像装置の構成を概略的に示す図。

【符号の説明】

４７…結像レンズ、４９…λ／４板、５１…対物レン
ズ、５３…試料、６３…位置検出素子、Ｐ´…集光位
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源から発光した光を試料上に集光させる第１の光
   学系と、 この第１の光学系を介して集光される前記光を前記試料
   に対して２次元走査させる第２の光学系と、 前記試料からの光の光学的特性を検出する光検出器とを
   備えた走査光学系に適用されており、 前記試料に対して光学的に共役な位置に配置され、前記
   試料に対する前記第１及び第２の光学系の合焦検出可能
   に構成された合焦検出素子を備えていることを特徴とす
   る合焦検出装置。