JPH08211282A - オートフォーカス式顕微鏡 - Google Patents

オートフォーカス式顕微鏡

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JPH08211282A
JPH08211282A JP7286585A JP28658595A JPH08211282A JP H08211282 A JPH08211282 A JP H08211282A JP 7286585 A JP7286585 A JP 7286585A JP 28658595 A JP28658595 A JP 28658595A JP H08211282 A JPH08211282 A JP H08211282A
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pattern
image
autofocus
objective lens
microscope
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JP7286585A
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Moshe Finarov
モシェ・フィナロブ
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Nova Measuring Instruments Ltd
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
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    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/245—Devices for focusing using auxiliary sources, detectors
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
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  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Automatic Focus Adjustment (AREA)
  • Focusing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小開口数の対物レンズの顕微鏡にも適用可
能で、また客体を走査中に使用可能なオートフォーカス
機構を提供する。 【解決手段】 このオートフォーカス機構は、主光
路、対物レンズ、客体面、像面、及び前記対物レンズと
前記客体面との間の距離を変化させて前記客体の像に焦
点を合わせる手段を有する顕微鏡と共に作動し、好まし
くは、パターンイメージングシステム、像検出器、及び
パターン焦点分析器を有する。パターンイメージングシ
ステムは、客体面上に少なくとも１つのパターンを結像
させ、次に、パターンの像と客体の像とが合成されると
共に反射され、主光路に沿って像面に至る。像検知器が
反射された像を検知し、パターン焦点分析器は、像検知
器の出力を分析することにより、パターンの鮮明度を測
定する。パターン焦点分析器は、レンズと客体面の距離
を変化させる装置に、焦点を合わせるべく移動すること
を指示することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はオートフォーカス機
構に関し、特に小さい開口数のシステムのためのオート
フォーカス機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】顕微鏡のような光学システムのためのオ
ートフォーカスシステムが従来より知られている。この
システムには多くのタイプがあるが、どのタイプもオー
トフォーカスセンシングユニット及びオートフォーカス
ドライバを備えている。センシングユニットは焦点エラ
ー信号を与えるものであるが、この信号は像の焦点のず
れの程度に比例する（即ち、名目上の物体面と実際の物
体面との距離に比例する）。典型的にはある種のモータ
であるドライバは、客体若しくは焦点面のどちらかを移
動させる。
【０００３】オートフォーカスシステムは、現在焦点を
外れている客体の状態に基づいて２つの大きなグループ
に分けることができるが、それはスタティックシステム
及びダイナミックシステムである。
【０００４】スタティックオートフォーカスシステム
は、焦点のずれの程度を定めるのに静止したままの客体
を利用する。例えば、ほとんどの市販のカメラのオート
フォーカスシステムは、受け取った像に於ける客体の詳
細な部分の形状を分析して、焦点のずれの程度を測定す
る。光学システムが客体から離れる向き及び近づく向き
に移動することにより、焦点のずれの変化が計測される
ことになるのである。
【０００５】典型的な従来の顕微鏡が図１に示されてい
るが、ここではこれを参照されたい。この顕微鏡は、光
路８に沿って、可動対物レンズ１０、固定チューブレン
ズ１２、チューブレンズ１２の焦点面である像面１４、
及びフィルムのような客体が配置される物体面（object
plane）または客体面（object surface）１６を有す
る。顕微鏡は、更に物体を照らすための光源１８及び光
源１８から発せられた光線２２を客体面１６へ向けるた
めのビームスプリッタ（beam splitter）２０を更に有
する。客体面１６上の客体は光を反射して、その光は対
物レンズ１０、ビームスプリッタ２０、及びチューブレ
ンズ１２を通して像面１４へ向かう。
【０００６】客体面１６が、レンズ１０、即ち可動対物
レンズ１０の焦点面と一致しない場合は、レンズ１０を
光路８の方向に移動させることによって焦点が調節され
る。これとは別の形で、客体面１６が動かされる場合も
ある。図１に示すように対物レンズ１０の視野深度（Ｄ
ＯＦ）は限られている。
【０００７】顕微鏡は、斜め方向からの照明及び鏡によ
る反射を利用した三角型オートフォーカスセンシングユ
ニット（triangulating autofocussing sensing unit）
を有するのが一般的である。従って、図２を参照する
と、オートフォーカス光源１９が設けられて物体面１６
が斜め方向から照らされ、顕微鏡は、更に、（以下に述
べるように）光線の横方向のずれを検知する位置検知器
（ＰＳＤ）２８及び対物レンズ１０を移動するためのモ
ータ２７を有する。
【０００８】図２の顕微鏡に於いては、符号３０の光線
は、点Ａに於いてビームスプリッタ２０によって方向を
変えられて光路８の一方に向かう。方向を変えられた光
線３０は、対物レンズ１０によって曲げられて、反射点
Ｃに於いて物体面１６を角度αで斜め方向から照らす。
【０００９】光線３０は反射して光線３２となり、これ
は点Ａの光路８を挟んで反対側の点Ｂに於いてビームス
プリッタ２０によって方向を変えられる。次に方向を変
えられた光線３２はＰＳＤ２８を照らし、ここで光線３
２が当たる位置が測定される。
【００１０】客体面１６が対物レンズ１０から離れて、
例えば破線で示された符号１６′の位置にあるために焦
点がずれている場合、光線３０は反射されるまでに更に
長く伸び、反射点Ｄに於いて反射されるが、反射点Ｄは
前の反射点である点Ｃより横向きにずれた位置にある。
【００１１】符号３２′を付された方向を変えられた光
線は、異なった光路をたどり、点Ｂ′に於いてビームス
プリッタに当たり、これに対応してＰＳＤ２８の異なっ
た位置に達することになる。
【００１２】反射点Ｃ及びＤの距離は焦点のずれの大き
さの関数であり、この距離は点Ｂ及びＢ′の距離に反映
されることになるので、焦点のずれの大きさは測定され
うることになり、従ってモータ２７で対物レンズ１０を
移動させることによって焦点のずれを補償することがで
きる。
【００１３】フジワラ他に付与された米国特許第５，１
３６，１４９号、及びワタナベに付与された米国特許第
４，５７７，０９５号の明細書には、上記の三角型の原
理に基づいて作動するさまざまなシステムが記載されて
いる。
【００１４】ダイナミックオートフォーカスは、対物レ
ンズの前を動く客体に、連続的に焦点を合わることが必
要な場合に用いられる。この方法は、網線検査システム
（reticle inspection system）またはシリコンウェハ
用の、短時間で大きな客体面を検査しなければならない
自動光学検査システムに於いて一般的なものである。
【００１５】自動検査システムに於いて、客体は継続的
に走査され（客体面上を矢印２９の向きに動く）、また
客体は典型的には二次元のパターンを有する。この結
果、客体及びそのパターンが動いて焦点の検知に影響を
与えるために、スタティックなオートフォーカス方法は
使用できないことになる。Ｃｈａｄｗｉｃｋ他に付与さ
れた米国特許第４，６３９，５８７号明細書には、物体
の動きによる影響を回避するシステムが記載されてい
る。このようなシステムに於いては、照明光路にグリッ
ドパターンが投射され、これは顕微鏡の対物レンズを通
して検査される物体に至る。このグリッドパターンは、
顕微鏡の主たる光軸から２種類の異なったずれ方をした
形で物体上に交互に投射される。この結果、このグリッ
ドパターンは、検査される物体に斜め方向から投射され
ることになる。
【００１６】各反射された光線は、静止グリッドパター
ン上に投射されるが、この静止グリッドパターンは、グ
リッド周期の４分の１の大きさで像の焦点が合う名目上
のグリッドパターン像に調節される。静止グリッドパタ
ーンを通して、反射されたグリッドの光強度が測定され
る。
【００１７】検査される物体の変位は、静止グリッドパ
ターンからの反射されたグリッドパターンの変位の関数
として定められる。両光路が、反対方向に同じ大きさの
グリッドの変位を与えることになるため、両信号の差に
よって焦点エラーが測定され、また、焦点エラーは検査
される物体の形状に影響を受けないことになる。
【００１８】米国特許第４，６３９，５８７号明細書に
記載のエラー信号は、アナログ検知器によって生成され
るので、このシステムでは周囲の浮遊光、ノイズ、及び
２つの光路が均一でないことに大きな影響を受ける。こ
の結果、このシステムでは、自動補償及び自動校正機能
を与える光学的及び電子的素子を、追加的に備えること
が必要になる。
【００１９】三角型の方法に於いて、斜め方向からの照
明については、かなり大きな角度を必要とすることに注
意されたい。この角度が大きいものでなければ、光線の
横向きのずれによって焦点のずれの程度を測定できるだ
けの十分な感度が得られないことになる。従って、検知
光線の入射角が小さくなる、小さい開口数の対物レンズ
に対しては、三角型の方法が使用できないことになる。
【００２０】マエダ等に付与された米国特許第４，７２
５，７２２号明細書には、集積回路を用いるオートフォ
ーカス方法が記載されている。この方法では縞のパター
ンを焦点を合わせるべき物体に投射し、焦点合わせのた
めに縞のパターンの像のコントラストが用いられる。こ
の像は光学システムによって生成され、光学システムの
焦点面を挟んだ異なった面上にある２つの検知器によっ
て検知される。２つの検知器の信号が示す焦点のずれが
等しい場合は、物体は光学システム上の焦点面上にある
ことになる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、顕微
鏡の対物レンズ、特に小開口数の対物レンズに対して用
いられるオートフォーカス機構、及び客体の走査中に用
いることができるオートフォーカス機構を提供すること
である。
【００２２】
【課題を解決するための手段】このオートフォーカス機
構は、主光路、対物レンズ、客体面、像面、及び対物レ
ンズと客体面との間の距離を変化させて物体の像の焦点
合わせを行う装置を有する顕微鏡と共に用いられるもの
である。オートフォーカス機構は、好ましくはパターン
イメージングシステム（pattern imaging system）、１
つの像検知器、及びパターン焦点分析器を有する。パタ
ーンイメージングシステムは、主光路に沿って、対物レ
ンズを通して客体面上に少なくとも１つのパターンを結
像する。ここでパターンの像は客体の像と結合され、主
光路に沿って像面へ向けて反射される。像検知器は反射
された像を検知し、パターン焦点分析器は、像検知器の
出力を分析することによってパターンの鮮明度を測定す
る。パターン焦点分析器は、前記の距離を変化させるた
めの装置に指示して焦点を合わせる方向に動かすことも
可能である。
【００２３】本発明の好適な実施例によれば、パターン
イメージングシステムは、ハイコントラストパターン装
置、追加的なレンズ、オートフォーカス光源及びビーム
スプリッタを有する。追加的なレンズによって、対物レ
ンズを通して物体面上にパターン像が結像される。オー
トフォーカス光源は追加的なレンズに向けてパターンを
照射し、ビームスプリッタが主光路とパターンイメージ
ングシステムとを結合している。
【００２４】更に、本発明の好適な実施例の１つによれ
ば、コントラストの高いパターン装置は、前記追加的レ
ンズの物体面上に配置された１つのパターンを有する。
これとは別に、追加的なレンズの物体面から等距離にあ
る２つのコントラストの高いパターンを含む場合もあ
る。この場合に於いては、各コントラストの高いパター
ンは対物レンズの物体面の異なる部分に結像されること
になる。
【００２５】更に、本発明の好適な実施例に於いては、
オートフォーカス機構は顕微鏡の照明光路に沿って結合
されている。若しくは主光路に沿って結合されている場
合もあり得る。
【００２６】更に、本発明の実施例の１つの於いては、
オートフォーカス光源が人間の目に見えない光を供給す
る。
【００２７】最後に、本発明の好適な実施例の１つに於
いては、パターン焦点分析器が、パターンを抽出するた
めのパターン抽出器、及びパターンの鮮明度を測定する
ためのパターン鮮明度測定器を備えている。２つのパタ
ーンを用いる場合は、パターン鮮明度測定器は、２つの
コントラストの高いパターンの像から別々に２つの鮮明
度値を生成する。得られた鮮明度値に基づき、パターン
分析器は、対物レンズと客体面との間の距離を変化させ
る装置を動かす方向と大きさを決定する。
【００２８】
【発明の実施の形態】図３を参照すると、図１に示した
ような従来の顕微鏡が示されているが、これは本発明の
第１の好適実施例に基づいて構成され動作するオートフ
ォーカス装置４０を備えている。
【００２９】図１のように、図３の顕微鏡は客体面１
６、対物レンズ１０、ビームスプリッタ２０、チューブ
レンズ１２、像面１４、及び照明用光源１８を有する。
従来のように、対物レンズ１０、ビームスプリッタ２
０、及びチューブレンズ１２は主光路８上に有り、光源
１８はビームスプリッタ２０に於いて光路８の向きに方
向を変えられる光線５０を供給する。図２に示すよう
に、対物レンズ１０はモータ２７によって動くことがで
きるようになっている。
【００３０】本発明の第１の好適実施例によれば、オー
トフォーカス装置４０は、従来の顕微鏡の光学システム
に付加されうる付加装置である。装置４０は、第２光源
６０、照明用レンズ６２、コントラストの高い透明の物
体６４、結像レンズ６６、２つのビームスプリッタ６８
及び６９、像検知器７０、及びパターン分析器７２を含
む。ビームスプリッタ６９は光路８上に付加され、使用
者が見ることができるように像面１４上に結像し、及び
その後の処理のためにビームスプリッタ６９から像面１
４と等距離に設けられた像検知器７０に向けて像を与え
る機能を果たす。従来技術に於いてよく知られているよ
うに、顕微鏡が像面１４上にＣＣＤカメラを既に備えて
いる場合は、オートフォーカス装置４０は取り付けられ
たＣＣＤを利用することができ、この場合、ビームスプ
リッタ６９及び像検知器７０は必要なくなる。
【００３１】光焦点調節レンズ６２は光源６０からの光
で透明な物体６４を照らす。透明な物体６４は、ガラス
基板上の金属パターンのようなコントラストの高い物体
であればいかなるものでも良い。このパターンはコント
ラストエッジ、グリッド、円形模様等のような容易に見
分けのつく模様であればいかなるものでも良い。
【００３２】パターン６４からの光は結像レンズ６６に
よって集められ、例えば平行光線のような形で送られ
る。結果として生ずる像はビームスプリッタ６８及び２
０、対物レンズ１０を経て客体面１６上に投射される。
【００３３】客体面１６上の物体及びパターン６４の像
は、対物レンズ１０、ビームスプリッタ２０、及びチュ
ーブレンズ１２を通して送られ、電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）のような像検知器７０上に結像される。ここで像検
知器７０は、パターン分析器７２によって処理されるべ
く像をディジタルデータに変換するものである。図３に
於いて実線は光線を示し、破線はデータの流れを示すこ
とに注意されたい。
【００３４】レンズ６６は調節されて対物レンズ１０の
物体面７１上にパターン６４を投射し、そこから顕微鏡
の光学システムは像面１４上にこのパターンを結像す
る。従って、客体面１６が物体面７１上にある場合は、
パターン６４と客体面１６の２つの像が焦点を合わせら
れることになる。たとえ物体が動いてぼんやりと見えて
いる場合でも、パターン６４は動かないため鮮明に見え
ることになる。生物を見るときにはよくあるように、客
体それ自体が動く場合も有れば、客体面１６が走査され
るときのように顕微鏡によって客体が動かされる場合も
あり得る。
【００３５】図３の顕微鏡に於いて、物体面が焦点面で
もあることに注意されたい。しかし、他の顕微鏡に於い
ては、物体面が焦点面でない場合もある。
【００３６】図３に示すように客体面１６が物体面７１
でない場合、客体面１６上のパターン６４の投射は焦点
が合わなくなることになる。このことは図３に於ける対
物レンズ１０からの光の延長部分７４によって示されて
いる。顕微鏡の光学システムは、焦点のずれたパターン
６４及び物体の像を、像面１４及びＣＣＤ７０に至らし
める。
【００３７】パターン６４の像が２回焦点をずらされる
ことに気づかれたい。１回目は客体面１６上にパターン
が投射されるとき、もう１回はＣＣＤ７０上にパターン
が結像される時である。このことによって、本発明の、
客体の鮮明度に対する感度の高いオートフォーカス装置
４０が提供されることになる。言い換えれば、対物レン
ズ１０が客体面１６から離れる向き若しくは近づく向き
に動くとき、パターン６４の像は顕著にぼやけたり、鮮
明になったりすることになるのである。
【００３８】図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにはグリッド
状パターンの像に関する模式図が示されているが、ここ
ではこれを参照されたい。３つの曲線が示されている
が、これらは光強度及びＣＣＤのグレイレベル信号を縦
軸に取り、横軸に水平方向の位置Ｘを取ったものであ
る。曲線８０は、理想的な、光強度で表したパターンの
形状を示したものであり、完全透過部分８２及び非透過
部分８４（例えば不透明な場合）を有する。曲線８６
は、客体面１６が対物レンズ１０の物体面７１にあると
き、ＣＣＤが受け取るグレイレベル信号を示したもので
ある。曲線８６は、最小強度ＭＩＮ及び最大強度ＭＡＸ
の間の範囲よりもやや小さい範囲に振れる周期的な曲線
である。曲線８８は、客体面１６が物体面７１から離れ
ているとき、ＣＣＤが受け取るグレイレベル信号を示し
たものである。曲線８８はやはり周期的であるが、その
最大値はＭＡＸ信号値よりもかなり小さなものであり、
その最小値はＭＩＮ信号値よりかなり大きな値である。
【００３９】図３を再び参照すると、パターン分析器７
２は、ＣＣＤ７０からデータのフレームを受け取り、そ
の鮮明度を分析する。分析器７２は２つの分析方法を有
し、それは客体面１６がオートフォーカス時に走査処理
を行っているか否かによって選択される。
【００４０】客体面１６が動いているとき、ＣＣＤ７０
は物体のぼやけた像を受け取る。対照的に、パターンの
像は固定され、対物レンズ１０及びＣＣＤ検知器７０に
対して動くことはない。従って、パターンの像と客体の
像との間に著しいコントラストが生ずることになり、パ
ターンの鮮明度が測定される得ることになる。
【００４１】例えば、グレイレベルのヒストグラム、即
ち受け取った像に於ける各グレイレベルの画素の個数を
プロットしたものが生成されうる。パターンが焦点を合
わせられた状態にあるとき、エッジに隣接していないパ
ターンの画素は等しいグレイレベルを有する。（例え
ば、パターンの透明な領域は図４Ｂの最大値を有し、不
透明な領域は最小値となる。）従って、図５Ａに示す焦
点のあった像のヒストグラムは物体が見られるパターン
の透明部分に対して１つのピーク９０を有し、パターン
の不透明（黒色）部分に対して１つのピーク９２を有す
る。
【００４２】パターンの焦点が合ったいないときは、パ
ターンの像はぼやけ、従って図４Ｃに示すように、多く
の数の画素が最大値と最小値の間の中間値を取ることに
なる。従って、図５Ｂに示す焦点の合っていない像のヒ
ストグラムは、図５Ａと似たようなものとなるが、２つ
のピーク部分はグレイレベル軸に沿って互いにより近接
した形となる。像が完全にぼやけている場合は、ヒスト
グラムに於いてピークが１つだけ存在することになる。
従って、像の鮮明度はグレイレベル軸に沿った２つのピ
ーク部分の距離の関数として定義されうることになる。
【００４３】上記の方法によれば、客体面１６が走査さ
れている間は物体の像は完全にぼやけているので、オー
トフォーカス処理が可能であることが理解されよう。従
って、全ての点に於けるグレイレベルのヒストグラムが
ほぼ一定の値でグレイレベル軸に沿ってシフトされ、即
ち像の鮮明度を表す２つのピーク部分の間の距離が変わ
らないことになる。
【００４４】客体面１６が静止している場合も、パター
ンの鮮明度が測定される前にパターンの像は合成像から
除去されなければならない。像の抽出は適当な方法によ
って行われうる。例えば、パターンは普通周期的な形で
あるので、受け取った像のフーリエ変換によって、パタ
ーンの周期の周波数の部分に１つのピークが表れること
になる。受け取ったイメージをフィルタリングして、パ
ターンの周波数に対応しない全ての画素を除去すること
ができる。この後、最終的な像の鮮明度が、上記のヒス
トグラムを利用した方法に基づいて測定される。
【００４５】これとは別に、像面１４にＣＣＤが設けら
れている場合、このＣＣＤをパターン分析に用いること
ができる。オートフォーカスパターンは像面に於いて見
られる像に干渉することもあるので、第２の光源６０を
オートフォーカス処理の後消すことができ、若しくはこ
の光源が像面に設けられたＣＣＤに与えられるスペクト
ルの幅とは異なったスペクトルの範囲を持つようにする
こともできる。初めに述べた状態（光源を消す場合）に
於いては、発光ダイオードを用いるのが適切である。
【００４６】次に述べた状態に於いては、（像面１４上
のＣＣＤに至る）主光路のスペクトルの範囲は可視領域
（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）とし、オートフォーカス光
路のそれは赤外領域（７００ｎｍ〜９００ｎｍ）として
もよい。この場合、ビームスプリッタ６９は二色性のも
のであるべきである。即ちビームスプリッタは波長が７
００ｎｍ以下の光を透過させ、７００ｎｍ以上の波長の
光を反射するものであるべきである。
【００４７】像面１４に配置されたＣＣＤの受け取った
像とＣＣＤ７０の受け取った像との差によって、パター
ンの像が得られることになる。その鮮明度は上記のよう
に測定されうる。
【００４８】客体面１６から対物レンズ１０への距離の
小さな変化がパターンの像の鮮明度の大きな変化をもた
らすので（これはパターン６４が対物レンズ１０によっ
て２度処理されるからである）、パターン分析器７２は
素早く鮮明度を測定し、モータ２７を制御することがで
きる。
【００４９】図３のオートフォーカスユニットは鮮明度
（逆に不鮮明度を示すものとも言える）を測定するが、
鮮明度を低下させることはない。鮮明度を低下させるシ
ステムは、図６に示すオートフォーカス装置１００に与
えられている。図６のオートフォーカス装置１００は、
図３の装置と似たものであるが、２つのパターン９４及
び９６、そのパターン分析器１０２を有し、多少異なっ
た分析方法を実施する点で異なっている。残りの要素は
図３の装置と同じようなものであり、簡単なため図３と
同じ符号を付してある。
【００５０】この第２の実施例に於いては、２つのパタ
ーン９４及び９６がそれぞれ分離されるように企図され
ている。例えば、それぞれ２つの異なったパターンを持
つようにすることもでき、若しくはそれぞれが似たよう
なパターンを持つが像面１４に於ける異なった位置に結
像されるようにすることもできる。後者の場合の像は図
７に示したようになる。この像は２組の黒い縞線９５を
有し、その１組はパターン９４の像９７であり、もう１
組はパターン９６の像９９である。２つのパターンが全
体像のそれぞれ異なった部分を占め、像９７が像９９の
上にあることに気づかれたい。
【００５１】再び図６を参照すると、２つのパターンは
点線（パターン９４）及び破線（パターン９６）によっ
て示されている。２つのパターン９４及び９６はそれぞ
れ、レンズ６６の物体面９８の上側及び下側に距離δ離
れた位置に配置されている。前の実施例と同様に、レン
ズ６６及び１０は、物体面７１の上の物体面９８に投射
する。
【００５２】両パターン９４及び９６は物体面９８から
等距離にあるため、客体面１６が対物レンズ１０の物体
面７１上にある場合、両者とも同様に焦点がずれている
状態となる。従って、両パターン９４及び９６が等しく
焦点がずれているとき（等しい鮮明度の時）、客体面１
６は焦点が合っていることになるのである。
【００５３】パターンの像の焦点が上の場合よりも合っ
ている場合、これは客体の焦点の合った像を得るために
対物レンズ１０（または別の場合は客体面１６）を動か
すべき方向を示す。
【００５４】パターン分析器１０２は２つのパターン抽
出器１０４を有し、それぞれパターン９４または９６の
一方の像を抽出し、対応する鮮明度測定器１０６によっ
て抽出されたパターンの鮮明度を測定し、比較器１０８
によって、鮮明度測定器１０６の出力から、パターン９
４または９６の何れかが、どれだけ焦点がより合った状
態にあるかを測定するのである。次に比較器１０８がモ
ータ２７に命令を送り、２つのパターン９４及び９６の
像の鮮明度が同程度となるように対物レンズ７０を動か
す。
【００５５】本発明に基づくオートフォーカス機構は、
両実施例に於いて、物体を像面１４上に結像するのに用
いられるレンズ１０のような対物レンズの開口数がいか
なる大きさでも、その機能を果たせるものであることが
理解されよう。特に、静止したオートフォーカスパター
ンが簡単に検出できるので、観察される客体が動いてい
る場合も使用可能である。静止した客体に対しては、客
体とオートフォーカスパターンの合成像からオートフォ
ーカスパターンを抽出する精巧なアルゴリズムを用いる
ことによって、より複雑なパターンの分析が実行される
ことは間違いない。
【００５６】更に、本発明のオートフォーカス機構は、
パターン像が静止しており、対物レンズ１０が動いたと
きにのみ鮮明度が変化するので、オートフォーカスのた
めに対物レンズ１０が動いてる間に動作することができ
るものであることが理解されよう。
【００５７】図８には、顕微鏡の結像機構の部分に組み
込まれた本発明が示されている。オートフォーカス機構
と顕微鏡の似たような要素は同じ符号を付してある。コ
ーラーイルミネータ（Kohler illuminator）を用いた場
合この実施例は特に有用なものとなる。
【００５８】この実施例に於いては、イルミネータ１９
８からの光はシステムから影響を受けない。オートフォ
ーカス光線２１０は、ビームスプリッタ２００を通して
主光路へ与えられる。ビームスプリッタ２００は、チュ
ーブレンズ１２とビームスプリッタ６９との間に配置さ
れるのが一般的である。パターン６４の像を含んだ客体
面１６からの光は、ビームスプリッタ２００を通過し
て、ビームスプリッタ６９によって像面１４とＣＣＤ７
０とへ分割される。前に述べたように、パターン分析器
７２は像を分析して、像の鮮明度を測定し、かつ対物レ
ンズ１０と客体面１６との距離をどのように変化させる
べきかを指示する。
【００５９】本発明は、その範囲が特許請求の範囲に於
いて示されており、上記の実施例のみに限られるもので
ないことが当業者には理解されよう。
【００６０】
【発明の効果】本発明により、顕微鏡の対物レンズ、特
に小開口数の対物レンズに対して用いられるオートフォ
ーカス機構、及び客体の走査中に用いることができるオ
ートフォーカス機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の顕微鏡の模式図である。
【図２】三角型オートフォーカス機構を備えた従来の顕
微鏡の模式図である。
【図３】本発明の第１の好適実施例に基づいて構成さ
れ、動作する、オートフォーカス機構を備えた顕微鏡の
模式図である。
【図４】Ａ、Ｂ、及びＣからなり、Ａは理想的なグリッ
ドパターン像の光強度（またはグレイレベル）信号をグ
ラフで示したものであり、Ｂは焦点のあった状態のグリ
ッドパターン像のグレイレベル信号をグラフで示したも
のであり、Ｃは焦点の合っていない状態のグリッドパタ
ーン像のグレイレベル信号をグラフで示したものであ
る。
【図５】Ａ及びＢからなり、それぞれ図４Ｂ及び図４Ｃ
の曲線のヒストグラムを示したものである。
【図６】本発明の第２の好適実施例に基づいて構成さ
れ、動作する、オートフォーカス機構を備えた顕微鏡の
模式図である。
【図７】図６のパターン像の模式図である。
【図８】本発明の第３の好適実施例に基づいて構成さ
れ、動作する、オートフォーカス機構を備えた顕微鏡の
模式図である。
【符号の説明】
８ 主光路 １０ 対物レンズ １２ チューブレンズ １４ 像面 １６ 物体面（客体面） １８ 光源 １９ オートフォーカス光源 ２０ ビームスプリッタ ２２ ビームスプリッタ ２７ モータ ２８ 位置検知器（ＰＳＤ） ３０ 光線 ３２ 光線 ４０ オートフォーカス装置 ５０ 光線 ６０ 第２光源 ６２ 照明用レンズ ６４ 透明の物体（パターン） ６６ 結像レンズ ６８、６９ ビームスプリッタ ７０ 像検知器（ＣＣＤ） ７１ 物体面 ７２ パターン分析器 ７４ 光の延長部分 ９４、９６ パターン ９８ 物体面 １００ オートフォーカス装置 １０２ パターン分析器 １０４ パターン抽出器 １０６ 鮮明度測定器 １０８ 比較器 １９８ イルミネータ ２００ ビームスプリッタ ２１０ オートフォーカス光線

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）主光路を有する顕微鏡の光学シ
    ステムであって、（１）物体面を有する対物レンズと、
    （２）前記物体面と一定の位置関係にある、客体を載せ
    る客体面と、（３）前記客体の像の焦点を合わせるべ
    く、前記対物レンズと前記客体面との間の距離を変化さ
    せる手段と、（４）前記客体が結像される少なくとも１
    つの像面とを有する、該顕微鏡の光学システムと、 （Ｂ）前記対物レンズを通し、前記主光路に沿って、前
    記客体面上に少なくとも１つのパターンを結像させるパ
    ターンイメージングシステムであって、前記少なくとも
    １つのパターン像は前記客体像と合成され、反射されて
    前記主光路に沿って前記像面に至る、該パターンイメー
    ジングシステムと、 （Ｃ）前記反射された像を検出するための、前記少なく
    とも１つのパターンの内の１つの位置に配置された信号
    像検知器と、 （Ｄ）前記像検知器の出力を分析することによって、前
    記少なくとも１つのパターンの鮮明度を測定するための
    パターン焦点分析器とを有することを特徴とするオート
    フォーカス式顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記パターンイメージングシステム
    が、 コントラストの高いパターンと、 前記パターンを前記対物レンズを通して前記物体面上に
    結像するための追加的レンズと、 前記追加的レンズに向けて前記パターンを照らすための
    オートフォーカス光源と、 前記主光路を前記パターンイメージングシステムと結合
    するためのビームスプリッタとを有することを特徴とす
    る請求項１に記載のオートフォーカス式顕微鏡。
  3. 【請求項３】 前記コントラストの高いパターン手段
    が、前記追加的レンズの前記物体面の位置に配置された
    １つのパターンを有することを特徴とする請求項２に記
    載のオートフォーカス式顕微鏡。
  4. 【請求項４】 前記コントラストの高いパターン手段
    が、前記追加的レンズの前記物体面から等距離に配置さ
    れた２つのコントラストの高いパターンを有することを
    特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス式顕微
    鏡。
  5. 【請求項５】 各前記コントラストの高いパターン
    が、前記対物レンズの前記物体面上のそれぞれ異なる部
    分に結像されることを特徴とする請求項４に記載のオー
    トフォーカス式顕微鏡。
  6. 【請求項６】 前記顕微鏡の光学システムが、イルミ
    ネータと、照明路とを追加的に有することを特徴とし、 前記ビームスプリッタが前記照明路に沿って配置されて
    いることを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカ
    ス式顕微鏡。
  7. 【請求項７】 前記ビームスプリッタが前記主光路に
    沿って配置されていることを特徴とする請求項２に記載
    のオートフォーカス式顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記オートフォーカス光源が、可視光
    でない光を与えることを特徴とする請求項１に記載のオ
    ートフォーカス式顕微鏡。
  9. 【請求項９】 前記パターン焦点分析器が、パターン
    を抽出するためのパターン抽出器と、前記パターンの鮮
    明度を測定するためのパターン鮮明度測定器とを有する
    ことを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス式
    顕微鏡。
  10. 【請求項１０】 前記コントラストの高いパターン手
    段が、前記追加的レンズの前記物体面から等距離に配置
    された２つのコントラストの高いパターンを有すること
    を特徴とし、 前記パターン鮮明度測定器が、前記２つのコントラスト
    の高いパターンからのそれぞれの像に対して別個に働
    き、２つの鮮明度値を生成することを特徴とし、 前記パターン焦点分析器が、前記鮮明度値から、前記距
    離を変化させる手段のための動く方向と大きさを決定す
    る手段を追加的に有することを特徴とする請求項９に記
    載のオートフォーカス式顕微鏡。
  11. 【請求項１１】 主光路と、対物レンズと、客体面
    と、像面と、前記対物レンズと前記客体面との間の距離
    を変化させて前記客体の像に焦点を合わせる手段とを有
    する顕微鏡と共に作動するオートフォーカス機構であっ
    て、 （Ａ）前記対物レンズを通し、前記主光路に沿って、前
    記客体面上に少なくとも１つのパターンを結像させるパ
    ターンイメージングシステムであって、前記少なくとも
    １つのパターン像は前記客体像と合成され、反射されて
    前記主光路に沿って前記像面に至る、該パターンイメー
    ジングシステムと、 （Ｂ）前記反射された像を検出するための、前記少なく
    とも１つのパターンの内の１つの位置に配置された信号
    像検知器と、 （Ｃ）前記像検知器の出力を分析することによって、前
    記少なくとも１つのパターンの鮮明度を測定するための
    パターン焦点分析器とを有することを特徴とするオート
    フォーカス機構。
  12. 【請求項１２】 前記パターンイメージングシステム
    が、 コントラストの高いパターン手段と、 前記パターンを前記対物レンズを通して前記物体面上に
    結像するための追加的レンズと、 前記追加的レンズに向けて前記パターンを照らすための
    オートフォーカス光源と、 前記主光路を前記パターンイメージングシステムと結合
    するためのビームスプリッタとを有することを特徴とす
    る請求項１１に記載のオートフォーカス機構。
  13. 【請求項１３】 前記コントラストの高いパターン手
    段が、前記追加的レンズの前記物体面の位置に配置され
    た１つのパターンを有することを特徴とする請求項１２
    に記載のオートフォーカス機構。
  14. 【請求項１４】 前記コントラストの高いパターン手
    段が、前記追加的レンズの前記物体面から等距離に配置
    された２つのコントラストの高いパターンを有すること
    を特徴とする請求項１２に記載のオートフォーカス機
    構。
  15. 【請求項１５】 各前記コントラストの高いパターン
    が、前記対物レンズの前記物体面上のそれぞれ異なる部
    分に結像されることを特徴とする請求項１４に記載のオ
    ートフォーカス機構。
  16. 【請求項１６】 前記オートフォーカス光源が、可視
    光でない光を与えることを特徴とする請求項１１に記載
    のオートフォーカス機構。
  17. 【請求項１７】 前記パターン焦点分析器が、パター
    ンを抽出するためのパターン抽出器と、前記パターンの
    鮮明度を測定するためのパターン鮮明度測定器とを有す
    ることを特徴とする請求項１２に記載のオートフォーカ
    ス機構。
  18. 【請求項１８】 前記コントラストの高いパターン手
    段が、前記追加的レンズの前記物体面から等距離に配置
    された２つのコントラストの高いパターンを有すること
    を特徴とし、 前記パターン鮮明度測定器が、前記２つのコントラスト
    の高いパターンからのそれぞれの像に対して別個に働
    き、２つの鮮明度値を生成することを特徴とし、 前記パターン焦点分析器が、前記鮮明度値から、前記距
    離を変化させる手段のための動く方向と大きさを決定す
    る手段を追加的に有することを特徴とする請求項１７に
    記載のオートフォーカス機構。
JP7286585A 1994-10-10 1995-10-06 オートフォーカス式顕微鏡 Pending JPH08211282A (ja)

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