JPH10133117A

JPH10133117A - 焦点検出装置を備えた顕微鏡

Info

Publication number: JPH10133117A
Application number: JP8290287A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shionoya; 孝塩野谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】段差部を有する被検物体を観察する場合でも、
容易に被検物体の焦点ずれを検出できる焦点検出装置を
備えた顕微鏡を提供する。【解決手段】観察用光源１０と、対物レンズ２と、被検
物体２４で反射され対物レンズを通過した第１の光を結
像させる観察光学系３、４、５と、対物レンズ２の焦点
位置からの被検物体２４の位置ずれを検出する焦点検出
手段とを具備する。焦点検出手段は、焦点検出用光源１
３と、この光を対物レンズ２に入射させて、被検物体２
４上に集光させるための偏向光学系７と、被検物体２４
で反射された第２の光の結像位置を検出する検出手段１
８、２７と、第２の光を被検物体２４上で走査させるた
めに、対物レンズに入射する第２の光の入射方向を走査
する走査手段３１とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡の焦点検出
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被検物体上へ一定のパターンを投影し、
かつ、このパターンを結像する光束が瞳位置近傍で光軸
に対し非対称となるようにし、被検物体と対物レンズの
間隔変動を、パターン像の横ずれとして検出する、いわ
ゆる横ずれ式と呼ばれる焦点検出方法が知られている。

【０００３】図３は落射照明型の顕微鏡に用いられる従
来の横ずれ式合焦装置の光学的構成を示す。図３の顕微
鏡は観察光学系と照明光学系とオートフォーカス光学系
とから構成されている。

【０００４】観察光学系は第１対物レンズ１０２と、第
２対物レンズ１０３と、俯視プリズム１０４と、接眼レ
ンズ１０５とを有する。第１対物レンズ１０２と第２対
物レンズ１０３との間には平行光路が形成されており、
この平行光路にはダイクロイックミラー１０７と、ハー
フミラー１０８とが光軸１０１に対してそれぞれ４５度
の角度で設置されている。ダイクロイックミラー１０７
は赤外光を反射し可視光を透過する特性を有する。

【０００５】照明系は可視光線を射出する照明光源１１
０と集光レンズ１１１とを有し、照明光束はハーフミラ
ー１０８によって反射され、上記の平行光路に導かれ
る。

【０００６】オートフォーカス光学系は、赤外光を射出
する光源１１３と、コリメータレンズ１１４と、遮光板
１１６と、ハーフミラー１１５と、集光レンズ１１７
と、受光素子１１８を有する。受光素子１１８の受光面
は光軸を含む面で２分されており、２つの受光領域１１
８ａ、１１８ｂからそれぞれ出力が得られる。

【０００７】光源１１３から出射する光束の光路のうち
のコリメータレンズ１１４の光軸を含む面で２分される
一方の光路１１９は、遮光板１１６によって遮断され
る。光源１１３から出射された光束のうち他方の光路１
２０を通った光束は、ダイクロイックミラー１０７によ
って反射され、光軸の左側の光路１２１を通って対物レ
ンズ１０２へ入射し、制御装置１２６によって光軸１０
１方向に移動可能な移動ステージ１２５上に置かれた被
検物体１２４上で結像する。被検物体１２４の被検面１
２３からの反射光束は光軸の右側の光路１２２を通って
対物レンズ１０２を通過し、ダイクロイックミラー１０
７によって反射され、ハーフミラー１１５によって反射
され、受光素子１１８の受光面上に再結像する。

【０００８】対物レンズ１０２と被検面１２３との位置
関係が合焦状態にある時、被検面１２３からの反射光束
は受光領域１１８ａと受光領域１１８ｂの境界線上に再
結像する。

【０００９】対物レンズ１０２と被検面１２３との位置
関係が合焦状態よりも離れている時（前ピン状態）は、
図４に示すように被検面１２３からの反射光束は受光素
子１１８の受光面よりも手前で再結像し、受光領域１１
８ａへ入射する。なお、図４では照明光学系、観察光学
系および制御装置の部分は省略した。

【００１０】対物レンズ１０２と被検面１２３との位置
関係が合焦状態よりも接近している時（後ピン状態）
は、図５に示すように被検面１２３からの反射光束の再
結像位置は受光素子１１８よりも後ろとなり、受光面上
では反射光束は受光領域１１８ｂに入射する。なお、図
５では照明光学系、観察光学系および制御装置の部分は
省略した。

【００１１】差動検出器１２７により受光領域１１８ａ
と受光領域１１８ｂとの出力の差動信号を検出すると、
差動信号が正のときは前ピン状態、負のときは後ピン状
態、零のときは合焦状態と判断することが可能である。
この差動信号から被検面の位置を判断して、制御装置１
２６により移動ステージ１２５を上下させ自動的に合焦
状態に位置合わせをすることが可能である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
横ずれ式の顕微鏡用の焦点検出装置においては被検物体
上の光束が被検物体上の段差部分に照射されたとき、受
光面上での光束の強度分布が段差部による散乱のために
大きく変形し、正確に焦点を検出することができないと
いう問題点があった。

【００１３】本発明はこの問題点を解決し、段差部を有
する被検物体を観察する場合でも、容易に被検物体の焦
点ずれを検出できる焦点検出装置を備えた顕微鏡を提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明は、以下のような焦点検出装置を備えた顕
微鏡を提供する。

【００１５】すなわち、観察用光源と、前記観察用光源
から出射された第１の光を被検物体上に集光する対物レ
ンズと、前記被検物体で反射され前記対物レンズを通過
した第１の光を結像させる観察光学系と、前記対物レン
ズの焦点位置からの前記被検物体の位置ずれを検出する
焦点検出手段とを具備し、前記焦点検出手段は、焦点検
出用光源と、前記焦点検出用光源から出射された第２の
光を前記対物レンズに入射させて、前記被検物体上に集
光させるための偏向光学系と、前記被検物体で反射され
前記対物レンズを通過した第２の光の結像位置を検出す
る検出手段と、前記第２の光を前記被検物体上で走査さ
せるために、前記対物レンズに入射する第２の光の入射
方向を走査する走査手段とを有する顕微鏡である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態の焦点検出
装置を備えた顕微鏡について説明する。

【００１７】まず、図１を用いて、本実施の形態の焦点
検出装置を備えた顕微鏡について説明する。

【００１８】図１の顕微鏡の光学系は、顕微鏡の観察光
学系と、顕微鏡の照明光学系と、焦点検出装置のオート
フォーカス光学系とから構成されている。

【００１９】顕微鏡の観察光学系は、第１対物レンズ２
と、第２対物レンズ３と、俯視プリズム４と、接眼レン
ズ５とを有する。第１対物レンズ２と第２対物レンズ３
との間には平行光路が形成されており、この平行光路に
はダイクロイックミラー７と、ハーフミラー８とが光軸
１に対してそれぞれ４５度の角度で設置されている。ダ
イクロイックミラー７は、赤外光を反射し可視光を透過
する特性を有する。

【００２０】顕微鏡の照明光学系は、可視光線を射出す
る照明光源１０と集光レンズ１１とを有し、照明光束は
ハーフミラー８によって反射され、第１対物レンズと第
２対物レンズとの間の平行光路に導かれる。

【００２１】オートフォーカス光学系は、赤外光を射出
する光源１３と、コリメータレンズ１４と、遮光板１６
と、ハーフミラー１５と、光偏向器３１と、第１及び第
２のリレーレンズ３２、３３と、集光レンズ１７と、受
光素子１８を有する。光源１３には半導体レーザが用い
られている。光偏向器３１は、対物レンズ２の瞳位置に
対して共役な位置関係に設置されている。光偏向器３１
は、予め定めた一定の方向について一定の周期で偏向方
向を走査させるため駆動装置２０３を有する。具体的に
は、光偏向器３１としてガルバノスキャナーが用いられ
ている。また、受光素子１８の受光面は、光軸を含む面
で２分されており、２つの受光領域１８ａ、１８ｂから
それぞれ出力が得られる。

【００２２】なお、受光素子１８には、差動検出器２７
が接続されている。また、被検物体２４を光軸１の方向
に移動させる移動ステージ２５には、動作を制御するた
めの制御装置２６が接続されている。制御装置２６は、
図９に示すように、積分回路２６２と、サンプルホール
ド回路２６３と、これらの動作を制御する制御回路２６
１と、モータ制御回路２６４とを内蔵する。積分回路２
６２には、差動検出器２７の出力が入力される。また、
制御回路２６１は、駆動装置２０３へも制御信号を出力
し、光偏向器３１の動作を制御する。オートフォーカス
光学系において、光源１３から出射された光束は、図１
のように、コリメータレンズ１４の光軸２１を含む面で
２分され、一方の光束１９は、遮光板１６によって遮断
される。他方の光束２０は、光偏向器３１に照射されて
偏向された後、第１のリレーレンズ３２を光軸２０１の
下側の光路を通って通過し、さらに、第２のリレーレン
ズ３３を光軸２０１の上側の光路を通って通過する。そ
して、ダイクロイックミラー７によって反射され、対物
レンズ２の光軸１の右側の光路を通って対物レンズ２へ
入射し、被検物体２４の被検面２３上に光スポット２６
０が照射される。

【００２３】被検物体２４の被検面２３が対物レンズ２
の焦点位置にある場合、光スポット２６０は被検物体２
４の被検面２３上で焦点を結ぶ。被検面２３からの反射
光束２２は、光軸１を挟んで光束２０とは逆側の左側の
光路を通って対物レンズ２を通過し、ダイクロイックミ
ラー７によって反射され、第１及び第２のリレーレンズ
３２、３３を光軸２０１を挟んで光束２０とは逆側の光
路を通って通過し、光偏向器３１で偏向される。そし
て、光軸１の左側の光路を通ってハーフミラー１５に達
し、これによって反射され、受光素子１８の受光領域１
８ａと受光領域１８ｂとの境界線上に再結像する。

【００２４】なお、光偏向器３１は、予め定めた一定の
方向に一定の周期で偏向方向を走査させているため、光
偏向器３１による照明光束２０の偏向方向２０２と光軸
２０１とのなす角は、一定の周期で変化する。これによ
り、対物レンズ２によって被検面２３に集光される光束
２０のスポット２６０は、図６のように被検物体２４の
被検面２３上を一定の周期で移動する。

【００２５】このとき、光偏向器３１は、対物レンズ２
の瞳位置に対して共役な位置関係に設置されているの
で、対物レンズ２によって集光されるスポット２６０の
結像状態は、光偏向器３１の走査には左右されない。よ
って、例えば、被検面２３が対物レンズ２の焦点位置に
ある場合には、光スポット２６０は、被検面２３に結像
したまま移動する。

【００２６】また、光偏向器３１は、対物レンズ２の瞳
位置に対して共役な位置関係にあるため、被検面２３に
よる光スポットの反射光束２２が光偏向器３１で反射さ
れた後の光路は、光偏向器３１を走査させても、常に光
軸２１の右側を通り、かつ、光軸２１に平行な光路とな
る。このため、光偏向器３１を走査させても、受光素子
１８上の光束の位置は、これによって左右されない。

【００２７】よって、被検面２３が対物レンズ２の焦点
位置にある場合には、常に、反射光束２２は、受光素子
１８上の領域１８ａ，１８ｂの境界線上に結像する。

【００２８】また、被検面２３が、対物レンズ２の焦点
位置よりも対物レンズ２から遠い位置にあるとき（前ピ
ン状態）には、被検面２３からの反射光束は受光素子１
８の受光面よりも手前で再結像し、受光領域１８ａへ入
射する。

【００２９】被検面２３が対物レンズ２の焦点位置より
も対物レンズ２に接近しているとき（後ピン状態）は、
被検面２３からの反射光束の再結像位置は受光素子１８
よりも後ろとなり、受光面上では反射光束は受光領域１
８ｂに入射する。

【００３０】差動検出器２７は、受光領域１８ａと受光
領域１８ｂとの出力の差動信号を検出する。差動信号が
正のときは前ピン状態、負のときは後ピン状態、零のと
きは合焦状態と判断することができるが、本実施の形態
では、制御装置２６の制御回路２６１（図９）は、駆動
装置２０３へ図１０（ａ）のように制御信号を出力し、
被検面２３上の光スポット２６０を周期的に移動させる
とともに、光スポット２６０が正方向に移動している間
に対応する時間、差動検出器２７の出力を積分するよう
に、積分回路２６２に制御信号（図１０（ｃ））を出力
する。また、制御回路２６２は、積分回路２６２の積分
をリセットする直前のタイミングで、サンプルホールド
回路２６３にサンプリングするよう指示する制御信号
（図１０（ｅ））を出力する。

【００３１】これにより、積分回路２６２は、光スポッ
ト２６０の移動に合わせて差動検出器２７の出力（図１
０（ｂ））を積分してサンプルホールド回路２６３に出
力する。サンプルホールド回路２６３は、積分回路２６
２の出力（図１０（ｄ））がリセットされる直前の出力
をモーター制御回路２６４にホールドして出力する（図
１０（ｆ））。

【００３２】サンプルホールド回路２６３の出力は、積
分回路２６２が積分した出力であるため、光スポット２
６０が移動した被検面２３上に段差部があり、差動検出
器２７の出力が乱れたとしても、その影響が積分により
ならされ、段差の影響を受けずに、被検面２３の焦点か
らのずれ量を検出することができる。よって、このサン
プルホールド回路２６３の出力に応じて、モーター制御
回路２６４が移動ステージ２５のモータを駆動させるこ
とにより、被検物体２４を対物レンズ２の焦点位置に移
動させることができる。

【００３３】このように、本実施の形態の焦点検出装置
では、オートフォーカス光学系の光スポット２６０を被
検面２３上で走査させ、走査中の差動検出器２７の出力
を積分し、この積分値を被検物体の移動に用いることに
より、被検面の段差の影響を受けずに、精度良く被検物
体を焦点位置に移動させることができる。

【００３４】このとき、本実施の形態では、オートフォ
ーカス光学系の光スポット２６０を被検面２３上で移動
させるために、光偏向器３１によって光スポット２６０
を移動させる構成を用いている。このため、被検面２３
を走査させる必要がなく、観察光学系による被検物体２
４の観察に全く影響を与えないという特徴がある。

【００３５】また、本実施の形態では、光スポット２６
０を移動させるための光偏向器３１を対物レンズ２の瞳
位置と共役な位置に配置しているため、光スポットを被
検面２３上で結像状態を維持したまま移動させることが
できるとともに、光スポット２６０が移動しても受光素
子１８上の光束の位置には影響を与えない。

【００３６】また、本実施の形態の焦点検出装置では、
光偏向器３１を所望の角度で停止させることにより、図
７および図８のように、被検面２３上の所望の位置で光
スポットを停止させることができる。これにより、この
スポット２６０が照射されている位置での被検面２３の
焦点位置ずれを検出することも可能である。

【００３７】また、図１の焦点検出装置を備えた顕微鏡
では、光偏向器としてガルバノスキャナーを用いたが、
図２のように、光偏向器として音響光学素子３４を用い
ることも可能である。なお、図２では、図１の焦点検出
装置を備えた顕微鏡と同じ部品については同じ符号を付
している。また、図２では顕微鏡の観察光学系と照明光
学系の部分を省略している。

【００３８】また、光偏向器としては、音響光学素子以
外に、ポリゴンミラーを用いることも可能である。

【００３９】なお、受光素子１８として、リニアセンサ
を用いることも可能である。

【００４０】また、図１１のように、受光素子１８の代
わりにダブルモード導波路３０１を形成した基板３００
を用いることも可能である。ここで、基板３００には、
ダブルモード導波路３０１を伝搬してきた光を２方向に
分岐する分岐部３０２と、分岐部３０２で分岐された光
をそれぞれ伝搬する導波路３０３、３０４を形成してお
く。導波路３０３、３０４の出射端には、光検出器３０
５、３０６を取り付けておく。差動検出器２７は、光検
出器３０５、３０６の出力の差を求める。なお、図１の
遮光板１６は不要である。

【００４１】ここで、ダブルモード導波路３０１の長さ
Ｌは、ダブルモード導波路３０１を伝搬する０次モード
光と１次モード光との完全結合長（位相差が１８０゜に
なる長さ）をＬｃとしたときに、Ｌ＝Ｌｃ（２ｍ＋１）／２（ｍ＝１、２、３・・・）を満たすように設定しておく。また、ダブルモード導波
路３０１の入射端面の中心と、集光レンズの光軸とが導
波路の幅方向にずれるように位置あわせしておく。

【００４２】これにより、ダブルモード導波路３０１に
は、０次モード光と１次モード光とが励振され、これら
が干渉しながら伝搬する。

【００４３】被検面２３からの反射光が、ダブルモード
導波路３０１の入射端面の位置でちょうど焦点を結ぶと
きには、入射端面位置での光の位相面が導波路の幅方向
と平行であるため、ダブルモード導波路３０１に励振さ
れる０次モード光と１次モード光との位相差は９０゜と
なり、分岐部３０２で導波路３０３、３０４に等しく光
が分配される。よって、差動検出器２７の出力は０にな
る。また、被検面２３からの反射光がダブルモード導波
路３０１の入射端面より手前で焦点を結ぶときには、入
射端位置での光の位相面が導波路の幅方向に傾斜してい
るため、ダブルモード導波路３０１に励振される０次モ
ード光と１次モード光との位相差は９０゜でなくなり、
分岐部３０２で導波路３０３、３０４に分配される光強
度は等しくなく、差動検出器２７の出力が０にならな
い。また、被検面２３からの反射光がダブルモード導波
路３０１の入射端面より向こう側で焦点を結ぶときに
も、入射端面での光の位相面が導波路の幅方向に傾斜し
ているため、ダブルモード導波路３０１に励振される０
次モード光と１次モード光との位相差は９０゜でなくな
り、分岐部３０２で導波路３０３、３０４に分配される
光強度は等しくなく、差動検出器２７の出力が０にはな
らないが、このときの出力の極性は、入射端面より手前
で焦点を結ぶときの逆になる。

【００４４】よって、図１１のように、ダブルモード導
波路を用いた焦点検出装置を備えた顕微鏡を構成するこ
とが可能である。

【００４５】なお、図１１の構成の場合、被検面２３上
での光スポット２６０の移動による光束の傾きによって
生じる反射光の波面の傾きが、ダブルモード導波路に励
振されるモードに影響を耐えない程度に、光スポット２
６０の移動範囲を設定する必要がある。

【００４６】なお、本発明の実施の形態では、焦点検出
方法として横ずれ式の焦点検出方法を用いているが、フ
ーコー法やナイフエッジ法やスポットサイズディテクシ
ョン法などの他の焦点検出方法も用いることができる。

【００４７】

【発明の効果】上述してきたように、本発明では、観察
光学系の観察に影響を与えることなく、段差部を有する
被検物体の焦点ずれを検出できる焦点検出装置を備えた
顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一の実施の形態の焦点検出装置を備え
た顕微鏡の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の別の実施の形態の焦点検出装置を備え
た顕微鏡の部分的な構成を示すブロック図。

【図３】従来の焦点検出装置を備えた顕微鏡の構成を示
すブロック図。

【図４】図３の焦点検出装置の焦点検出原理を示すブロ
ック図。

【図５】図３の焦点検出装置の焦点検出原理を示すブロ
ック図。

【図６】図１の顕微鏡において、被検物体２４上でオー
トフォーカス光学系の光スポット２６０が移動すること
を示す説明図。

【図７】図６の光スポットをある点で停止させた場合を
示す説明図。

【図８】図６の光スポットをある点で停止させた場合を
示す説明図。

【図９】図１の顕微鏡の制御装置２６の構成を示すブロ
ック図。

【図１０】(a),(b),(c),(d),(e),(f)図９の制御装置２
６の各回路の出力信号波形を示す説明図。

【図１１】本発明の別の構成の焦点検出装置を備えた顕
微鏡を構成を示すブロック図。

【符号の説明】

２、１０２・・・対物レンズ７、１０７・・・ダイクロイックミラー１３、１１３・・・光源１４、１１４・・・コリメータレンズ１５、１１５・・・ハーフミラー１６、１１６・・・遮光板１７、１１７・・・集光レンズ１８、１１８・・・受光面が２分されている受光素子１８ａ、１８ｂ、１１８ａ、１１８ｂ・・・受光領域２３、１２３・・・被検面２４、１２４・・・被検物体２５、１２５・・・ステージ２６、１２６・・・制御装置２７、１２７・・・差動検出器３１・・・ガルバノスキャナー３２、３３・・・リレーレンズ３４・・・音響光学偏向器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察用光源と、前記観察用光源から出射さ
れた第１の光を被検物体上に集光する対物レンズと、前
記被検物体で反射され前記対物レンズを通過した第１の
光を結像させる観察光学系と、前記対物レンズの焦点位
置からの前記被検物体の位置ずれを検出する焦点検出手
段とを具備し、前記焦点検出手段は、焦点検出用光源と、前記焦点検出
用光源から出射された第２の光を前記対物レンズに入射
させて、前記被検物体上に集光させるための偏向光学系
と、前記被検物体で反射され前記対物レンズを通過した
第２の光の結像位置を検出する検出手段と、前記第２の
光を前記被検物体上で走査させるために、前記対物レン
ズに入射する第２の光の入射方向を走査する走査手段と
を有することを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記走査手段は、前記
焦点検出用光源と前記対物レンズとの間に配置され、前
記対物レンズに入射する前記第２の光の入射角度を走査
させる偏向器であり、前記偏向器は、前記対物レンズの
瞳に対して共役な位置に配置されていることを特徴とす
る顕微鏡。
【請求項３】請求項１において、前記検出手段は、検出
結果を積分する積分手段を有することを特徴とする顕微
鏡。
【請求項４】請求項３において、前記積分手段の積分し
た検出結果に応じて、前記被検物体を前記対物レンズの
光軸方向に移動させる移動手段をさらに有することを特
徴とする顕微鏡。
【請求項５】請求項１において、前記検出手段は、前記
焦点検出用光源から出射された第２の光を光軸を含む面
で２つの光束に分割し、一方を遮蔽する遮蔽手段と、前
記被検物体からの反射光を受光するための、受光領域が
２以上に分割された受光素子と、前記受光素子の各受光
領域の受光量の差を求める減算手段とを有することを特
徴とする顕微鏡。
【請求項６】請求項１において、前記検出手段は、前記
被検物体で反射された第２の光を伝搬するダブルモード
導波路と、前記ダブルモード導波路を伝搬してきた光の
電界強度分布の対称性を検出する手段とを有することを
特徴とする顕微鏡。