JPH11142716A

JPH11142716A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JPH11142716A
Application number: JP9302276A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Iwasaki; 豊岩崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【解決手段】焦点検出用光源９と、光束を被検物体５面
上に集光させるための焦点検出用光学系４，１０と、被
検物体５で反射された光束を２つの光束に分割するビー
ムスプリッタ１４と、分割された光束をそれぞれ受光す
る第１及び第２の光検出器１９，２０とを備え、第１の
光検出器２０は被検物体で反射された焦点検出用光源か
らの光束の収束点よりも被検物体５から離間した位置に
配置され、第２の光検出器１９は被検物体５で反射され
た焦点検出用光源９からの光束の収束点よりも被検物体
に近接した位置に配置されている。第１と第２の光検出
器１９，２０は２次元受光素子である。【効果】被検物体からの反射戻り光と光検出器とを機械
的或いは光学的にアライメントしなくてすむため、負担
が軽減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、顕微鏡等の自動焦点
合せや非接触で被測定物の表面の変位を検出する変位検
出装置等に用いられる焦点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、一般に差動ビームサイズ方式と
呼ばれている焦点検出方法を用いたオートフォーカス方
式顕微鏡の構成を示した概略図である。タングステンラ
ンプ、ハロゲンランプ等が用いられる観察用光源40から
出射した光は、レンズ41を透過し、ハーフミラー42で反
射し、対物レンズ43を通って被検物体表面45を照明す
る。被検物体表面45からの反射戻り光は、対物レンズ4
3、ハーフミラー42を通り第２対物レンズ44を経て、接
眼光学系46に入射する。

【０００３】一方、半導体レーザや発光ダイオード等が
用いられる焦点検出用光源47から出射した赤外光は、コ
リメートレンズ48で平行光となり、ハーフミラー49を透
過し、ダイクロイックミラー50で反射し、対物レンズ43
を通って被検物体表面45に集光する。被検物体表面45か
らの反射戻り光は、対物レンズ43を透過し再びダイクロ
イックミラー50で反射する。ダイクロイックミラー50で
反射した光は、ハーフミラー49で反射し、集光レンズ51
を経てビームスプリッ夕52で、2本の光束53,54に分離さ
れる。2本の光束53,54はそれぞれ第1と第2の収束点55,5
6に集光する。第1と第2の光検出器57,58は、第1の収束
点55より被検物体表面45に近接した位置と第2の収束点5
6より被検物体表面45から離間した位置にそれぞれ配設
されている。

【０００４】第1と第2の光検出器57,58の受光面は、そ
れぞれ第1と第2の2領域に分割されている。これらの光
検出器は、一般には、受光領域がパターニングされたシ
リコンフォトダイオードである。第1の光検出器57の受
光面の第1と第2の領域に照射された被検物体表面45から
の反射戻り光のそれぞれの強度の差が第1の差動回路59
によって求められる。同様に、第2の光検出器58の受光
面の第1と第2の領域に照射された被検物体表面45からの
反射戻り光のそれぞれの強度の差が第2の差動回路60に
よって求められる。更に第1と第2の差動回路59,60の出
力の差が第3の差動回路61によって求められる。

【０００５】第3の差動回路61からの出力は、制御装置6
2に入力される。制御装置62は、第3の差動回路61からの
出力に基づいて被検物体表面45が、対物レンズ43の焦点
に位置するように被検物体63を搭載しているステージ64
を上下方向に駆動する。図6は、光検出器の受光面の第1
の領域(外側)57a、58aと第2の領域(内側)57b、58bおよ
びその受光面を照射する被検物体表面からの反射戻り光
のスポットの輪郭(破線)を第1の光検出器57(左側)と第2
の光検出器58(右側)について示している。被検物体表面
45が対物レンズ43の焦点面に位置している時、第1と第2
の光検出器57,58の受光面上での反射戻り光のスポット
の大きさは等しい（図６(a)）。被検物体表面45が対物
レンズ43の焦点面よりも対物レンズ43に近接している場
合、受光面上での反射戻り光のスポットの大きさは、第
1の光検出器57の受光面上での方が第2の光検出器58の受
光面上よりも大きくなる（図６(b)）。被検物体表面45
が対物レンズ43の焦点面よりも対物レンズ43から離間し
ている場合、受光面上での反射戻り光のスポットの大き
さは、第2の光検出器58の受光面上での方が第1の光検出
器57の受光面上よりも大きくなる（図６(c)）。

【０００６】図7(a)は、第1の光検出器57の受光面の第1
と第2の領域からの出力の差である第1の差動回路59の出
力(実線)と第2の光検出器58の受光面の第1と第2の領域
からの出力の差である第2の差動回路60の出力(破線)を
示すものであり、被検物体表面45と対物レンズ43の間の
距離に対する各差動回路の出力の関係を示した特性曲線
である。従って、第3の差動回路61の出力の被検物体表
面45と対物レンズ43の間の距離に対する関係を示す特性
曲線は、図7(b)のようなＳ字形状となり、第3の差動回
路61の出力をフォーカスエラー信号として用いることが
できる。また、この信号をもとに被検物体表面45の上下
方向の変位量を知る事ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上の説明では、焦点
検出用の光は、被検物体表面上ではスポット形状をして
おり、顕微鏡の視野内の特定の点に焦点を合わせる事が
できる。このような構成は、被検物体表面に多数の段差
がある場合に、所望の段に焦点を合わせたい場合に有効
である。

【０００８】しかし、スポット光で焦点検出を行う場
合、急峻な段差上に光スポットが位置すると、段差で光
の散乱が生じるため、反射光が光検出器に戻りにくくな
り、焦点検出が困難になってしまう。特に、顕微鏡で観
察するような被検物体では急峻な段差が多いものがあ
り、焦点検出が困難になりやすい。このような場合は、
図5の焦点検出用の光源に、スリットを用いて被検物体
表面での焦点検出光が線状となるようにして焦点検出を
行っている。この場合、被検物体表面からの反射戻り光
も線状であるため、光検出器の形状は、図8に示したよ
うに受光領域がいずれも矩形のものを使用している。図
8では、第1の受光領域が2つの部分（第１領域a、第２領
域b）に分かれているが、これらは電気的に結線されて
おり、形状以外は円形領域の場合と同じ動作をする。

【０００９】上記のような構成では、被検物体の形状と
その注目部位に応じて、点状の光源と線状の光源を交換
し、更に光検出器も交換しなければならない。この際、
正しく焦点検出を行うためには、光検出器の配置を被検
物体表面からの反射戻り光に正確にアライメントしなけ
ればならず、この負担が大きいという問題があった。特
に、線状の光源を用いた場合には、被検物体から戻って
くる線状の光束と図８に示した矩形の受光領域のアライ
メントを行う際に、回転も考慮しなければならなくな
り、この負担は増加する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は焦点検出用光源と、焦点検出用光源から出
射された光束を被検物体面上に集光させるための焦点検
出用光学系と、被検物体で反射された焦点検出用光源か
らの光束を２つの光束に分割するビームスプリッタと、
ビームスプリッタで分割された光束をそれぞれ受光する
第１及び第２の光検出器とを備え、第１の光検出器は被
検物体で反射された焦点検出用光源からの光束の収束点
よりも被検物体から離間した位置に配置され、第２の光
検出器は被検物体で反射された焦点検出用光源からの光
束の収束点よりも被検物体に近接した位置に配置されて
おり、第１と第２の光検出器が２次元受光素子である焦
点検出装置を提供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図1は本発明の第1の実施の形態に
よる顕微鏡の焦点検出装置の構成を示した概略図であ
る。タングステンランプの観察用光源1から出射した光
は、レンズ2を透過し、ハーフミラー3で反射し、対物レ
ンズ4を通って被検物体5の表面6を照明する。

【００１２】被検物体表面6からの反射戻り光は、対物
レンズ4、ハーフミラー3を通り第2対物レンズ7を経て、
接眼光学系8に入射する。波長780nmの発光ダイオードが
用いられている焦点検出用光源9から出射した赤外光
は、コリメートレンズ10で平行光となり、ハーフミラー
11を透過し、ダイクロイックミラー12で反射し、対物レ
ンズ4を通って被検物体表面6に集光する。被検物体表面
6からの反射戻り光は、対物レンズ4を透過し、再びダイ
クロイックミラー12で反射する。ダイクロイックミラー
12で反射した光は、ハーフミラー11で反射し、集光レン
ズ13を経てビームスプリッタ14で、2本の光束15,16に分
離される。2本の光束15,16はそれぞれ第1と第2の収束点
17,18に集光する。第1と第2の光検出器19,20は、第1の
収束点17より被検物体表面6に近接した位置と第2の収束
点18より被検物体表面6から離間した位置にそれぞれ配
設されている。

【００１３】第1と第2の光検出器19および20は、有効画
素数756×485の2/3インチCCDカメラを用いている。第1
と第2の光検出器19および20はその受光面上の光強度分
布をNTSC方式のビデオ信号として画像処理装置21に出力
する。本実施の形態で用いたCCDカメラのガンマ値は、1
に設定してある。画像処理装置21内で、第1と第2の光検
出器19,20からのビデオ信号は、第1および第2の8ビット
A/D変換器22,23でA/D変換され、第1及び第2のフレーム
メモリ24,25にそれぞれ蓄積される。第1および第2のフ
レームメモリ24,25は、NTSC方式ビデオ信号の1フレーム
を256×256点に分割して蓄積する。

【００１４】画像処理装置21内のパターンテーブル26
は、第1と第2の光検出器19,20の受光面を図2に示したよ
うにそれぞれ所定形状の2領域27,28および29,30に分割
した際に、第1と第2のフレームメモリ24,25の各番地
が、これらの領域のどこに対応するかを参照可能なテー
ブルを有している。計算器31は、このパターンテーブル
26の内容に基づき、第1及び第2の光検出器19,20のそれ
ぞれの受光面上の第1と第2の領域27,28および29,30に該
当するフレームメモリ24,25の内容を参照し、それぞれ
について総和を計算する。

【００１５】更に、計算機31は、領域29と領域30に相当
するフレームメモリの内容のそれぞれの総和の差と、領
域27と領域28に相当するフレームメモリの内容の総和の
差と、を計算し、この２つの総和を減算する。この値
は、制御装置32に入力される。制御装置32は、計算機31
からの出力に基づいて被検物体表面6が、対物レンズ4の
焦点に位置するように被検物体5を搭載しているステー
ジ33を上下方向に駆動する。

【００１６】計算機31の減算結果は、従来技術に見られ
る第3の差動回路61の出力に相当し、図7(b)に示したも
のと同様のＳ字カーブを本装置でも得ることができる。
本装置で用いたパターンテーブル26の実体は、画像処理
装置21内の読み出し専用メモリに書き込まれた数値デー
タであり、複数のパターンテーブル、すなわち、複数の
第1と第2の光検出器の受光面を分割する領域の形状を保
持する事ができる。本装置においては、図2(a)に示した
円形領域の他に図2(b)に示した矩形領域のパターンテー
ブルの2つを有しており、これを図示しないスイッチに
よって切り換えて使用する構成になっている。

【００１７】従って、焦点検出用の光源に点光源を用い
る場合だけでなく、線状の光源を用いた場合でも、光検
出器を交換することなく、また、機械的あるいは光学的
なアライメントをすることなく焦点検出を行う事ができ
る。更に、本装置の場合、焦点検出用光源を複数用い
て、光検出器の受光面上でそれぞれの光源の反射戻り光
が到達する位置に、個別に焦点検出を行うための領域を
設定することにより、光検出器の構成に何ら変更を加え
る事なく、被検物体表面上の複数の位置の焦点検出をほ
ぼ同時に行う事も可能となる。

【００１８】また、本実施の形態で用いた光源を点状光
源と線状光源の両方に切り替えて用いる場合は、光学レ
ンズを設けたりスリットを設けたりすることによって簡
単に変更できる。上記の実施の形態の装置を、この光源
の切り替え動作に連動して、上記のパターンテーブルの
スイッチを切り替えるようにしても良い。図3は本発明
の第2の実施の形態による顕微鏡に用いた焦点検出装置
の構成を示した概略図である。本装置の構成は、図1と
ほぼ同様であり、画像処理装置の構成のみが一部異なっ
ている。このため、図1と同じ構成要素には、同一の番
号を付し説明を省略する。

【００１９】本装置において画像処理装置21は、更に表
示回路34、モニタ35、領域指定回路36を有している。ま
た、パターンテーブル26は、書き換え可能メモリに割り
当てられている。表示回路34は、フレームメモリ24,25
の内容をビデオ信号に変換し、モニタ35に表示し、更に
領域指定回路36からの光検出器の受光面上の第1と第2の
領域の境界を示す線をフレームメモリ24,25の内容にス
ーパーインボーズして表示する。

【００２０】従って、モニタ35上には、光検出器の受光
面上に形成される被検物体表面6からの焦点検出用光源9
の反射戻り光の像と焦点検出に用いる第1と第2の領域の
形状を示す線が同時に表示される。本装置の場合、第1
と第2の領域の形状は、モニタ35上で焦点検出用光源9の
反射戻り光の像と比較されることによって領域選択回路
36を使用して対話的に決定される。つまり、測定者がモ
ニタ３５を観測しながら第１、第２の領域の形状を変更
することができる。勿論、この形状の選択は受光された
光の強度分布を参照して自動で行うことも可能である。
例えば、第１と第２の光検出器で検出される光スポット
の形状が同等となるように被検物体５の高さを調節し、
このときの光スポットの形状から所定の間隔離れた位置
を境界線にするようにしてもよい。領域選択回路36は、
決定した第1と第2の領域の形状に対応する数値を、パタ
ーンテーブル26に書き込む。

【００２１】本装置ではこのように、反射戻り光の像の
形状に合わせて、焦点検出のための領域の形状を変化さ
せる事ができるので、例えば、線状の焦点検出用光源を
用いた場合、アライメント誤差によって所望の配置から
焦点検出用光源の反射戻り光の像が回転誤差や位置ずれ
を起こした場合でも、光検出器のアライメントを行うこ
となく、良好な焦点検出をする事が可能である。

【００２２】図4は、本発明の第３の実施の形態による
変位検出装置に用いられた焦点検出装置の構成を示した
概略図である。上述の実施の形態では、顕微鏡の自動焦
点合わせ（ＡＦ）装置に用いた焦点検出装置を例に挙げ
て説明したが、図７(b)から明らかなように計算機３１
の出力は被検物体表面の高さ方向の位置を表している。
従って、本発明の焦点検出装置は変位検出装置や表面荒
さ測定装置にもそのまま適用できる。

【００２３】本実施の形態においては、図1と同じ構成
要素には、同一の番号を付し説明を省略する。本装置で
は、画像処理装置21は、予め測定した被検物体の位置と
計算機31の出力の関係を表す補正テーブル37と比較器38
を更に有している。比較器38は、計算機31の出力を補正
テーブル37の内容と比較することによって被検物体表面
6の位置を求め、数値ディスプレイ39に出力する。数値
ディスプレイ３９ではステージ３３の移動に応じた被検
物体５の変位を３次元的に表示することができる。

【００２４】本装置においても、被検物体の特性に合わ
せて焦点検出用の光源の形状や数を変更しても光検出器
の構成を何ら変更することなく、すなわち光検出器のア
ライメントを新たに行うことなく焦点検出を行う事がで
きる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば被検物体からの反射戻り
光と光検出器とを機械的或いは光学的にアライメントし
なくてすむため、アライメントによる負担が低減され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による焦点検出装置を示す概路構成図。

【図２】本発明による焦点検出装置に用いられる光検出
器の受光面を示す概略図。

【図３】本発明による焦点検出装置を示す概略構成図。

【図４】本発明による焦点検出装置を示す概路構成図。

【図５】従来例による焦点検出を示す概略構成図。

【図６】従来例による焦点検出に用いられる光検出器の
受光面を示す概略図。

【図７】従来例による焦点検出による出力信号を示す
図。

【図８】従来例による焦点検出に用いられる光検出器の
受光面を示す概略図。

【符号の説明】

１・・・光源３，１１・・・ビームスプリッタ５・・・被検物体（試料）８・・・接眼光学系１２・・・ダイクロイックミラー１７、２０・・・２次元受光素子２１・・・画像処理装置２２，２３・・・Ａ／Ｄ変換器２４，２５・・・フレームメモリ２６・・・パターンテーブル２７、２９・・・第１領域２８、３０・・・第２領域３１・・・計算機３２・・・制御装置３４・・・表示回路３５・・・モニタ３６・・・領域指定回路３７・・・補正テーブル３８・・・比較器３９・・・数値ディスプレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焦点検出用光源と、前記焦点検出用光源か
ら出射された光束を被検物体面上に集光させるための焦
点検出用光学系と、前記被検物体で反射された前記焦点
検出用光源からの光束を２つの光束に分割するビームス
プリッタと、該ビームスプリッタで分割された光束をそ
れぞれ受光する第１及び第２の光検出器とを備え、前記第１の光検出器は前記被検物体で反射された前記焦
点検出用光源からの光束の収束点よりも前記被検物体か
ら離間した位置に配置され、前記第２の光検出器は前記
被検物体で反射された前記焦点検出用光源からの光束の
収束点よりも前記被検物体に近接した位置に配置されて
おり、前記第１と第２の光検出器が２次元受光素子であ
る事を特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】前記第１および第２の光検出器のそれぞれ
の前記２次元受光素子の受光領域をそれぞれ任意形状の
第１の領域と第２の領域に分割して、前記第１の光検出
器の前記第１の領域からの出力と前記第２の領域からの
出力の差と、前記第２の光検出器の前記第１の領域から
の出力と前記第２の領域からの出力の差との差信号か
ら、前記被検物体のフォーカスエラー信号を得ることを
特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】前記２次元受光素子の第１領域と第２領域
の領域を記憶する領域データ記憶部を更に有し、該データ記憶部の領域データに基づいて前記第１領域と
第２領域を決定することを特徴とする請求項２に記載の
焦点検出装置。
【請求項４】前記２次元受光素子の第１領域と第２領域
の領域を選択する領域選択手段を更に有し、該領域選択手段によって選択された領域に基づいて前記
第１領域と第２領域を決定することを特徴とする請求項
２に記載の記載の焦点検出装置。
【請求項５】前記被検面上に投影される前記焦点検出用
光源から出射された光の像が点状または線状であること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の焦
点検出装置。
【請求項６】前記焦点検出用光源が半導体レーザである
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載
の焦点検出装置。
【請求項７】前記焦点検出用光源が発光ダイオードであ
ることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか一つに記
載の焦点検出装置。