KR20060004963A - 샘플의 이미징동안 초점위치를 결정하는 방법 및 어레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시야 제한개구가 샘플상에 이미지되는데 따른 샘플(4)의 이미징동안 초점위치 결정방법에 관한 것으로, 상기 이미지는 시야 제한개구에 대해 경사진 우치민감성 수신장치에 의해 검출되고 초점위치는 상기 수신장치상에 강도분포를 기초로 결정된다. 본 발명은 또한 본 방법을 실행하는 어레이에 관한 것이다. 상기 타입의 방법에 따르면, 광 회절격자의 이미지는 샘플(4)상에 시야 제한개구의 이미지를 적어도 부분적으로 중첩시킨다; 샘플에 의해 반사된 광에 대한 강도값은 위치감지 수신장치에 의해 구해진다; 상기 강도값은 상기 수신장치상의 위치에 할당된다; 상기 수신장치의 콘트라스트 중심 위치는 상기 콘트라스트 값을 기초로 한 실제 초점위치와 동일한 것으로 결정된다.

위치감지 수신장치, 시야 조리개, CCD

Description

샘플의 이미징동안 초점위치를 결정하는 방법 및 어레이{Method And Array For Determining The Focal Position During Imaging Of A Sample}

본 발명은 표본(4) 이미징시 이미지를 검출하는 표본상에 이미지되는 시야 조리개(field stop)와 함께 위치감지 수신장치내의 강도 분포(intensity distribution)에 의해 초점위치를 정의하는 상기 시야 조리개에 대해 경사진 위치감지 수신장치를 사용하여 초점위치를 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법의 실시에 대한 조정장치(set-up)에 관한 것이다.

이미지 광학(imaging optics)을 사용한 표본 또는 표본 조각의 정밀한 이미지는 이미지 광학장치의 초점위치에 상기 표본을 정확하게 두는 것을 필요로 한다. 이미지가 초점에서 벗어나는 경우, 표본의 위치가 어떤 값으로 그리고 어떤 방향으로 이미지 광학장치에 대해 변경되어야 하고, 적용가능하다면, 초점을 맞추는데 사용될 수 있는 각각의 조절 명령을 도출하는 것을 아는 것이 중요하다.

이에 대해, 콘트라스트(contrast) 평가 및 비스듬한 공초점 개구 슬롯(confocal aperture slot)을 사용한 위치고정을 사용하는 이미징 방법인 삼각측량법(triangulation processes)이 실질적으로 알려져 있다.

삼각측량법에서, 조준된 레이저 빔이 이미징 렌즈의 동공면에 반사되고, 표 본에 의해 반사된 레이저 광의 Z축 위치가 이미징 광경로에 대한 레이저 빔의 진로로부터 도출된다.

이 방법의 필연적인 단점은 검출된 신호가 소정의 선명도 범위(sharpness range)의 심도(depth)를 너머 크게 변경되게 하는 심도가 다른 표본의 면들에 레이저 광의 이미징으로 인해 이미지 왜곡이 발생된다는 것이다.

초점위치 결정시 정확도는 불행히도 측정 결과가 검출기의 포착범위의 중심 에서 결정되는지 또는 외주변에서 결정되는지의 여부에 따른다. 이러한 영향을 보상하기 위해, 초점위치는 이 방법을 비교적 시간이 소비되게 하는 수 회의 반복단계에서 결정되어 진다.

콘트라스트 평가를 하는 이미징 방법에서, 표본은 조명 광경로의 시야 조리개 면에 격자(lattice)를 위치시킴으로써 격자 강도분포에 따라 조명된다. 상기 방식으로 조명된 표본이 수신장치상에 이미지된다. 이런 방식으로, 이미징 광학 및 표본 사이의 거리가 다른 일련의 이미지가 기록되어 상기 일련의 이미지로부터 가장 큰 콘트라스트를 갖는 이미지를 선택한다. 이 이미지에 대해 선정된 이미징 광학장치 및 표본 사이의 거리는 최적 초점거리로서 분류된다.

단점은 일련의 이미지를 기록하기 위해 다른 많은 z축 위치가 이 방법을 비교적 시간소비적이게 하는 고정확도로 접근되어야 한다는 것이다.

경사진 공초점 개구 슬롯을 사용한 위치고정에서, 개구슬롯이 조명 광경로의 시야 조리개 면에 위치되고 표본상에 이미지된다. 상기 표본에 의해 반사된 광은 상기 반사광이 최대가 되는 CCD 라인의 위치를 결정하는 개구 슬롯에 대해 경사지 게 선정된 CCD 라인으로 지향된다. 이 방법으로 초점위치는 라인상에 있는 하나의 이미지를 사용하여 계산될 수 있기 때문에, 초점 계산의 결과가 비교적 단시간내에 가용해진다.

그러나, 가능하게는 측정의 잘못된 결과를 초래하는 표본의 불순물이나 표본면의 교란구조로 강도에서의 변동이 발생되는 하나의 단점이 있다. 이 방법의 주요 문제는 갭(또는 라인)이 고정확도를 얻기 위해 매우 협소해지기 때문에 CCD 라인상에 갭 이미징시에 필요로 하는 주요 조절이다. 바람직하기로, 수정된 이미징 광학장치가 또한 필요로 한다.

특히 칩 제조동안, 점점 더 미세하고 얇은 구조가 목표로 된다. 이는 제조 정확도를 검증하는데 사용되는 검사공정에 점점 더 큰 요건들이 된다. 따라서, 바람직하게는 제조 연속을 중단함이 없이 빠르고 정확한 초점맞춤이 요구된다.

이를 기초로, 본 발명의 기본적인 과업은 초점위치 결정시 정확도를 더 증가시키고 또한 이러한 더 정밀한 공정의 실행을 하게 하는 조정장치를 나타내는 것이다.

본 발명은 비스듬한 공초점 개구 슬롯을 사용하는 위치 고정의 주 그룹에 할당될 수 있다.

본 발명에 따르면, 표본상에 시야 조리개를 이미징하고 상기 시야 조리개에 대해 기울어진 위치감지 수신장치를 사용하여 광격자에 의해 적어도 부분적으로 중첩되는 이미지를 갖는 상술한 타입의 방법으로, 표본에 의해 반사된 광에 대한 강도 값이 결정된다. 이들 강도 값은 수신장치내의 위치에 할당된다. 위치관련된 콘트라스트 값은 위치관련된 강도 값으로부터 결정되고 현재의 초점위치와 동일한 수신장치에서의 콘트라스트 초점위치가 이들 콘트라스트 값을 사용하여 결정된다.

종래 기술에 따른 관련된 방법과는 달리, 초점위치는 수신장치에서 최대강도 와 동일한 것으로 결정되지는 않으나, 광격자의 이미징과 함께 표본에서의 개구 이미징의 중첩이 현재의 초점위치를 결정하는 기초로서 위치관련된 콘트라스트 값을 결정하게 한다.

이전에 공지된 다른 방법에 비하면, 이 방법은 조절 필요성이 상당히 줄어든 필연적인 이점을 제공한다. 또한 초점위치 결정시 표본에서의 불순물 또는 교란 표본구조가 더 이상 면아래의 광에 의해 많이 왜곡되지 않게 된다. 이에 대해, 본 발명은 종래 기술에 비하면 상당히 더 높은 정확도를 보장하는 빠른 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예 옵션은 I(x_i)가 수신장치에서 위치 x_i에 할당된 강도 값을 나타내는 반면에 I(x_i+n)은 인접한 위치 x_i+n에(바람직하기로 n=1,…,20) 할당된 강도 값을 나타내는 함수

에 따른 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)을 결정하는데 제공된다.

상기 위치관련된 값을 결정한 후에, 위치는 함수

에 따른 현재의 초점위치 P_f와 동일한 것으로서 결정된다. 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)이 여기에 포함된다.

이를 통해, 종래 기술에 비하여 고도의 정확도와 줄어든 조절 필요성이 많은 응용에서 미리 달성될 수 있다.

심지어 더 높은 정확도 요건에 대해, 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

에 따른 위치 P_f'가 제 1 단계에서 결정된다. 연이어, 디폴트 거리 a보다 위치 P_f'에서 멀리 떨어져 있지 않는 최소값 I'_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

에 따른 현재의 초점위치 P_f'와 동일한 초점위치로서 위치가 제 2 단계에서 결정된다.

제 1 및 제 2 단계에 대해 각각 고정된 최소값 I_min 및 I'_min은 같거나 다를 수 있다.

바람직하기로, 시야 조리개는 개구 슬롯으로서, 광격자는 밴드형 마스크 형태로서, 그리고 CCD 라인은 수신장치로서 사용된다. 이 경우, 위치 x_i는 CCD 라인에서 센서 소자(이하 픽셀이라고 함)의 연이은 번호매김에 의해 특징지어 진다. CCD 라인이, 즉, 2,400개 픽셀을 갖는 경우, 위치는 x₁ 내지 x₂₄₀₀을 사용하여 정의된다. 그런 후, CCD 라인에서 2개 픽셀 사이의 거리는 바람직하게는 10 내지 1000 범위의 디폴트 값을 갖는 다수의 픽셀로 표시된다.

자동제조 콘트롤에 사용될 수 있는 더 진보된 설계에서, 특히, 자동 초점맞춤용 입력신호는 수신장치에서 측정된 수신장치내의 이상적인 초점위치 P_f''에 해당하는 수신장치내의 위치와 현재 초점위치 P_f에 해당하는 위치 사이의 거리 b로부터 발생된다.

입력신호는 바람직하게는 CCD 라인상에 이미지된 위치 P_f가 기구 조정에 따라 기설정된 위치 P_f''와 정렬될 때까지 표본과 이미징 광학장치 사이의 거리 Δz를 변경하는데 사용된다.

이러한 제어장치는 종래기술에 공지되어 있으며 여기서 더 상세함 설명을 필요로 하지 않는다. 특히 표본 테이블에 결합된 스텝모터가 이러한 제어장치를 구동하는데 자체적으로 제공된다.

또 다른 발명 실시예로는 현재의 초점위치를 결정하는데 적합할 뿐만 아니라 수신장치에서 검출기의 수신면에 대한 초점면에서의 기울임을 정의하는데 사용된다.

이에 대해, 개구로서 직사각형 개구, 수신장치로서 CCD 매트릭스, 및 각각이 서로 평행하게 진행되는 수개의 밴드형 마스크(band-shaped masks)를 보이며 격자면에서 서로에 대하여 경사진 2개의 격자 마스크로 구성된 광격자를 사용하도록 되어 있다. 각각의 밴드형 마스크의 표본상에 이미지를 발생하고, 또한 상술되고 청구항 2 내지 4항에도 동일하게 설명된 기술에 따른 CCD 매트릭스를 사용하여 이미지된 각각의 마스크에 대한 콘트라스트 초점위치를 결정하도록 되어 있다.

이 경우, 이미지된 각 마스크상의 콘트라스트 초점위치는 현재 초점위치와 동일하다. 본 발명에 따르면, 2개 연결선의 경로 및 기울기는 콘트라스트 초점에 의해 결정되고, 그 결과, 하기에 더 상세히 설명된 바와 같은 CCD 매트릭스의수신면에 대한 초점면의 경사각도에 의해 결정된다.

본 명세서에서 또한 이미징 광경로의 광축에 대한 표본 기울기에 영향을 끼치는 제어장치를 사용하여 경사각도의 보상에 사용될 수 있는 CCD 매트릭스의 수신표면에 대해 결정된 초점면의 경사각도로부터 입력 신호를 수신할 것으로 생각된다.

본 발명의 상술한 각각의 실시예 옵션에서, 광격자의 갭 길이는 선택된 표본의 피스의 반사능력 및/또는 산란되거나 반사된 광 및 이에 따른 교란 광의 강도에 따라 기설정된다. 콘트라스트 초점 결정시 정확도를 증가시키기 위해, 표본의 피스의 반사능력이 더 낮을 수록 또는 산란되거나 반사된 광교란이 더 강할 수록 갭 길이는 더 작게 기설정되어야 한다.

또한 강도 값의 또 다른 처리로는 이미지된 격자의 주기를 통한 인접한 픽셀의 강도 값을 먼저 평균하고, 그런 후 디폴트 강도 신호 I_soll(설정점 값)로부터 수신된 강도 값 I_ist(실제값)과의 편차를 결정하고 결과적으로 발생한 차에 따른 콘트라스트 값을 결국 수정하는 것이 이점적임이 증명될 수 있다.

이점은 먼저 단지 하나의 강도 값, 즉, 평균된 강도 신호 I_ist가 결정되게 하는 것이다. 예상되는 강도 신호 I_soll로부터 이 강도 신호 I_ist의 편차를 기준으로 취하면, 콘트라스트 값이 수정되어 광경로 또는 불규칙하게 반사하는 표본에서의 오염 입자로 인한 감쇠가 보상된다.

인접한 픽셀의 강도 값은 n=2,…,100(n은 바람직하기로는 회절격자주기당 픽셀의 수에 해당함)을 갖는 모든 x_i에 대해 함수

에 따라 평균될 수 있다.

본 발명은 또한 조명 광경로를 생성하기 위한 조명원; 표본에 상기 조명 광경로를 지향하는데 사용되는 이미징 광학장치; 및 이미징 광경로에 설정된 카메라를 구비하는 상술한 방법 단계를 실행하는 조정장치, 특히 현미경 조정장치로서,

상기 조명 광경로에 위치되는 격자 마스크에 의해 중첩되는 갭 개구;

CCD 라인에 지향된 상기 이미징 광경로로부터 편향된 검출 광경로;

상기 검출 광경로의 광축과 α≠90°의 각도를 포함하는 CCD 라인;

위치관련된 강도 값 I(x_i) 및 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)을 결정하는 평가장치와 연결되는 CCD 라인을 구비하고,

상기 평가장치는 현재 초점위치와 동일한 상기 CCD 라인내의 콘트라스트 초점의 위치를 결정하는 조정장치를 특징으로 한다.

이점은 표본에 이미지 세부사항의 주변길이 및 크기를 정의하는 개구와 갭 개구를 결합시켜 시야 조리개에 위치되는 것으로, 상기 개구는 조명 광경로의 중심에 정렬되고 상기 갭 개구는 상기 조명 광경로의 주변길이에 정렬된다.

특히 큰 산란면을 갖는 표본을 관찰하고 검사하기 위한 본 발명에 따른 조정장치의 실시예 옵션에서, 개구는 광축에 수직정렬되어야 하는 반면에 갭 개구는 CCD 라인이 표본 및 갭 개구 사이의 광경로가 표본 및 CCD 라인 사이의 광경로와 동일한 검출 광경로의 광축에 대하여 경사진 각도와 일치하는 광축과의 각도를 포함한다.

평가장치는 위치 x_i 및 x_i+n에 각각 할당된 강도 값 I(x_i) 및 강도 값I(x_i+n)을 갖는 함수

에 따른 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)를 결정하는 차 형성기(difference former)를 포함할 수 있고, 상기 평가장치에는 또한 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

에 따른 현재의 초점위치와 동일한 콘트라스크 초점위치를 결정하는 계산회로가 갖추어져 있다.

CCD 라인에서, 값 n은 서로 인접한 위치의 거리를 정의한다. 이에 대해, n은 변수이고, n=1,…,20을 갖는 적용에 따라 기설정된다.

특히 마감 정확도(finishing accuracy)의 제어가 또한 자동화된 자동 바이오칩 제조용 장치에 대한 적용에 대해, CCD 라인내의 현재 초점위치 P_f에 해당하는 위치 및 CCD 라인내의 이상적인 초점위치 P_f''에 해당하는 위치 사이의 거리 b를 결정하는데 사용되는 평가장치에 계산회로가 제공된다. 이는 이상적인 초점위치로부터의 편차에 대한 측정을 제공한다.

따라서, 평가장치의 구성이 이상적인 초점위치로부터의 편차로 인한 입력신호의 결정을 하게 하고, 표본과 이미징 광학장치 사이의 거리 Δz를 변경함으로써 초점위치를 수정하기 위한 제어장치에 연결되는 경우 또한 이점적이다. 이는 거리 b가 이상적인 초점위치를 나타내는 0이 될 때까지 조절을 하며 현재 초점위치와 이상적인 초점위치 사이의 거리를 제어하도록 한다.

현재 초점위치 및 배치 결정시 최적의 결과를 얻기 위해, 이상적인 초점위치로부터 이미징 광학장치의 최적 해상도 한계까지 표본상에 이미징하는데 각각 사용되는 격자의 빈도수(frequency)를 조절하는 것이 이점적이다. 바람직하기로, 각 경우에 CCD 라인의 5개의 픽셀이 하나의 회절격자 주기와 일치해야 한다.

평평한 표본면 이미징시에, 본 발명에 따른 방법 및 상술한 조정장치는 또한 디폴트 값, 바람직하기로는 광축에 90°각도를 얻도록 조절하는 렌즈 광경로의 광축에 대한 표본면의 기울기를 결정함으로써 레벨링 용도로 사용될 수 있다.

이를 위해, 조정장치에는 광축에 수직한 좌표 방향 X 및 Y로 재위치될 수 있는 표본 테이블이 갖추어진다. 이는 직선상에 위치되지 않는 표본면에 있는 3개의 지점에 초점맞추게 한다. 이들 각각의 3개의 점에 대해, CCD 라인에서 현재의 초점위치와 이상적인 초점위치 및/또는 초점거리로부터의 배치가 결정된다.

렌즈 광경로의 광축을 향한 표본면의 기울기는 배치의 기하학적 조합으로부터 계산되고/되거나 표본면의 기울기사는 현재 및 이상적인 초점위치 사이의 배치 또는 모든 3개의 점들에 대한 초점거리가 동일하도록 표본을 기울임으로써 변경되어져, 이에 따라, 표본면이 렌즈 광경로의 광축에 수직정렬된다.

3점 선형조절타입 또는 2축 회전조절타입의 제어장치가 현재 기울기에 따라 작동되고 바람직하지 못한 기울기가 수정될 때까지 이로부터 조절 명령이 발생된다.

본 발명은 아래의 몇몇 실시예를 기초로 설명된다. 관련 도면들로

도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시용 조정장치의 기본 원리를 도시한 것이다;

도 2는 시야 조리개 면에서 개구 조정(aperture set-up)에 대한 도 1의 상세도를 도시한 것이다;

도 3은 수신장치로서 사용된 CCD 라인의 기호표현을 도시한 것이다;

도 4는 CCD 라인을 교차하는 결과적으로 발생한 예시적인 강도곡선을 도시한 것이다;

도 5는 도 4로부터의 강도곡선에 따라 발생한 콘트라스트 값의 곡선을 도시한 것이다;

도 6은 자동 초점맞춤용 평가장치 및 위치지정장치를 갖는 본 발명에 따른 조정 장비를 도시한 것이다;

도 7은 CCD 라인상에 유리/물 인터페이스의 이미징 시의 일반적인 강도곡선을 도시한 것이다;

도 8은 도 7로부터의 강도곡선에 따라 발생한 콘트라스트 값의 곡선을 도시한 것이다;

도 9는 경사진 수신장치 및 경사진 갭 개구를 갖는 본 발명에 따른 조정장치의 실시를 도시한 것이다;

도 10은 초점위치의 정확한 결정 및 수신장치에서 수신면에 대한 표본면의 기울임을 위한 본 발명에 따른 조정장치의 옵션을 도시한 것이다;

도 11은 도 10으로부터 개구 조정의 확대도이다;

도 12는 도 10에 따른 조정장치의 CCD 매트릭스의 픽셀 라인에서 콘트라스트 초점의 외곽선을 도시한 것이다; 그리고

도 13은 콘트라스트 초점을 통한 연결선의 예를 도시한 것이다.

도 1은 이미징 광학 시스템, 즉, 바이오칩을 기록하는데 사용되는 현미경 조정장치를 도시한 것이다. 현미경, 특히 형광 현미경을 사용한 바이오칩 검사에서, 초점위치를 찾는 것이 특히 어렵다.

도 1에 따른 현미경 조정장치는 기본적으로 광축(2)을 갖는 조명 광경로를 발생하는 조명원(1)과 상기 조명원(1)을 표본(4)의 면에 이미징하는 렌즈(3)를 포함한다. 상기 표본면에 의해 반사되거나 또한 산란된 광이 광축(5)을 갖는 이미징 광경로로서 수신장치, 즉, CCD 카메라에 도달한다.

표본면은 렌즈(3)와 시야 렌즈(field lens)(7)로 구성된 이미징 광학장치를 사용하여 수신장치(6)의 수신면상에 이미지되고 그런 후 관찰 및 평가를 할 수 있 다.

조명 광경로 및 이미징 광경로는 빔 분리기(beam splitter)(9)의 분할면(8)에 편향되거나 분할된다.

본 발명에 따르면, 개구 조정(aperture setup)(11)이 도 2에 확대 도시된 조명 광경로의 개구면(10)에 위치된다.

도 2는 개구 조정(11)이, 즉, 이미지 영역을 정의하는 정사각형 개구(aperture opening)(12)를 나타내고 있음을 도시한 것이다. 개구(12) 외부에 그러나 원형 제한부(13)에 의해 특징된 조명 광경로내에, 개구 슬롯의 갭 개구(gap opening)(14)가 위치되고 회절격자(ruled grating)(15)에 의해 중첩된다.

표본(4) 조명시에, 회절격자(15)의 구조에 의해 중첩된 갭 개구(14)가 표본(4)의 면상에 이미지된다. 상기 표본(4)에 의해 반사되거나 산란된 이미징 광경로에서의 광이 빔 분리기(9)로 되돌아가고, 분할면(8)에서 편향되어 도달한 조명 광경로가 시야 렌즈(16)를 지나게 되고, 또 다른 빔 분할기(18)의 분할면(17)의 조명 광경로로부터 출력되고 CCD 라인(19)으로 향해진다.

렌즈(3) 및 시야 렌즈(16)는 CCD 라인(19)상의 격자구조에 의해 중첩된 갭 개구(14)를 이미징하는 이미징 광학장치로서 동작한다. CCD 라인(19)은 개구 조정(11)에 대해 기울어져 있다. 갭 개구(14)를 포함하는 개구 조정(11)이 조명 광경로의 광축(2)에 수직하게 배열되는 반면에, CCD 라인(19)은 검출 광경로의 광축(33)과 90°가 아닌 각도, 바람직하게는 45°를 이룬다.

도 3은 CCD 라인(19)이 다수의 인라인(in-line) 수신 소자(이하 픽셀(20)이 라고 함)를 도시한 것을 나타내는 CCD 라인(19)의 기호표현을 도시한 것이다. 각각의 픽셀(20)은 CCD 라인(19)에서 고정 위치 x_i에 할당된다. 즉, CCD 라인(19)이 2400개의 많은 픽셀(20)을 나타내는 경우, CCD 라인(19)의 일단에 위치 x_i=1이, 그러나 CCD 라인(19)의 맞은편 일단에 위치 x_i=2400이 픽셀(20)에 의해 차지되는 것으로 가정한다.

각 픽셀(20)의 출구에, 강도 신호 I(x_i)가 이용될 수 있다; 즉, 각 픽셀(20)은 할당된 위치 x_i에 이미징 광경로의 강도를 나타낸다. 회절격자(15)를 포함하는 갭 개구(14)가 경사진 CCD 라인(19)상에 이미지되기 때문에, 상기 CCD 라인에 회절격자(15)가 선명하게 이미지되는 한 위치가 정확하게 있다. 현재의 초점위치 P_f에 해당하는 이 위치는 하나 이상의 할당된 픽셀(20)에 따라 결정될 수 있다.

아래에 설명된 본 발명에 따른 방법은 이전 선행기술에 따른 초점위치보다 현재 초점위치를 더 정확하게 결정하게 한다.

본 발명에 따르면, 흡수된 복사의 강도 값 I(x_i)이 픽셀(20)의 각 위치 x_i에 대해 결정된다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이, CCD 라인(19)을 가로지르는 강도곡선을 제공한다. 도 4는 픽셀 x₇₀₀ 내지 x₁₂₀₀ 범위내의 이미징 복사의 강도가 실질적으로 다른 범위에서 보다 더 높은 것을 나타낸다.

그러나, 종래 기술과는 달리, 최대 강도의 위치가 다음에 구해지고 현재의 초점위치로서 정의되는 것이 아니라 강도 값 I(x_i)이 먼저 위치 관련된 콘트라스트 값에 대해 처리된다. 즉, 위치 관련된 콘트라스트 값 I(y_i)이 아래의 함수에 따라 결정된다:

.

즉, 위치값 x_i의 강도 값 I(x_i)과 인접한 위치값 x_i+n의 강도 값 I(x_i+n)의 차가 각 경우에 계산되며, 여기서 n은 변수이고 바람직하게는 1 내지 20 사이에 선택된다.

따라서 구해진 각각의 차는 위치 x_i에 대한 콘트라스트 값 I(y_i)으로서 할당된다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 콘트라스트 값 I(y_i)의 곡선을 제공한다.

도 5는 y₆₀₀ 내지 y₁₁₀₀의 범위에 있는 콘트라스트 값 I(y_i)이 CCD 라인(19)의 다른 범위에서 보다 상당히 더 큰 것을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 콘트라스트 초점은 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대한 함수

에 따른 콘트라스트 값 I(y_i)로부터 또 다른 단계에서 결정된다. 즉, 이 경 우, I_min은 도 5에 도시된 바와 같은 양으로 기설정되었다.

이 콘트라스트 초점은 선택된 예에서 대략 위치 y₈₅₀에 있는 CCD 라인(19)의 위치에 할당될 수 있다. 이러한 현재의 초점위치 P_f가 본 발명에 따라 결정된다.

본 발명에 따른 방법의 이점적인 정의에서, CCD 라인(19)에서 현재의 초점위치 P_f는 다음 단계에서 현미경 조정장치의 조준으로부터 결정된, 즉, 평평한 표본면을 사용하여 초점위치가 y₁₂₀₀인 것으로 여겨지는 이상적인 초점위치 P_f''와 비교된다.

도 5에 따라 도시된 예에서, 위치 P_f 및 P_f'' 사이는 350 픽셀 거리이다. CCD 라인(19)은 각각 2개의 픽셀(20) 사이의 소정거리 d를 나타낸다; 이로부터, 이 경우, 현재의 초점위치 P_f는 상기 소정거리 d의 약 350배 만큼 이상적인 초점위치 P_f''로부터 떨어져 있고, 수신장치(6)상에 표본면의 선명한 이미지를 얻기 위해 초점위치가 수정되어야 하는 것이 도출될 수 있다.

이 수정은 주로 표본(4)과 렌즈(3) 사이의 거리 Δz를 변경함으로써 유효해진다.

실제로, 사용된 CCD 라인에서 다른 픽셀들 사이의 거리 d는 정확도 이유로 측정에 의해 결정되고, 조정장치는 측정 결과에 따라 조준되며 조준된 상태에서 표본 평가를 위해 사용된다.

상술한 방법으로 또한 자동 초점맞춤을 위해 강도 값 I(x_i)를 처리하도록, 도 6에 도시된 바와 같이 현미경 조정장치에 평가장치(21) 및 위치지정장치(22)가 추가로 갖추어지고, 상기 CCD 라인(19)은 상기 평가장치(21)에 연결되고, 상기 위치지정장치(22)는 신호 경로를 사용하여 상기 위치지정장치(22)에 연결된다.

평가장치(21)는 위치관련 콘트라스트 값 I(y_i)을 결정하는 차 형성기(difference former)와 현재의 초점위치 P_f와 동일한 콘트라스트 초점을 결정하는 계산회로를 포함한다. 평가장치(21)에는 또한 값 n=1,…,20 및 최소값 I_min을 기설정하는 수단이 갖추어진다.

또한, 도 6의 실시예에 따른 평가장치(21)에서 현재의 초점위치 P_f 및 이상적인 초점위치 P_f''에 해당하는 CCD 라인(19)내의 위치 사이의 거리 b를 결정하기 위해 계산회로가 제공된다. 이 계산회로는 또한 표본(4)과 렌즈(3) 사이의 거리 Δz를 기설정된 방향 R로 거리 b와 동일한 양만큼 변경하기 위한 위치조정장치(22)를 사용하여 조절명령을 발생할 수 있다.

R로 향한 CCD 라인(19)에서 현재의 현재의 초점위치 P_f를 옮기기 위해, 렌즈(3)와 표본(4) 사이의 거리가 증가되면 조절명령이 발생된다. 역으로, 현재의 초점위치 P_f가 R에 반대로 옮겨지는 경우 조절명령을 사용하여 이 거리를 줄이게 할 필요가 있다. 현재의 초점위치 P_f가 조절명령을 실행한 후에 이상적인 초점위치 P_f'' 와 중첩되면, 자동 초점맞춤이 완료된다.

자동 초점맞춤의 정확도에 대한 더 높은 요건을 충족하는 청구항 4에 따른 특수한 방법 옵션에서, 평가장치(21)는 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)을 고려하여 CCD 라인(19)에서 위치 P_f' 를 먼저 결정하고 그런 후에야, 다음 단계에서, 디폴트 거리 a보다 위치 P_f'로부터 더 멀지 않는 디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)를 고려하여 현재의 초점위치 P_f를 결정하게 되어 있다.

이러한 두 단계의 처리로 현재의 초점위치 P_f를 결정하는 기초로서 받아들여지는 수정된 콘트라스트 초점을 결정함으로써 초점맞춤 교란(focusing disorder)의 영향이 피해진다.

수개의 인터페이스를 갖는 층 시스템(layer system)에 속하는 표본상에 또는 표본내에 인터페이스에 대한 초점위치를 결정하기 위해, 도 4에 도시된 최대 및 최소에 대한 콘트라스트를 증가시키도록 측정이 행해질 수 있다. 즉, 이는 격자 갭 길이를 조절함으로써 구해진다.

이는 격자 갭에 따른 최대 길이를 변경하게 한다. 매우 협소한 격자 갭의 선택은 또한 협소한 강도 분포를 수반한다. 이는 "공초점(confocal)" 상태를 야기하고, 다른 인터페이스에 의해 반사된 광이 CCD 라인(19)에 도달하지 못한다. 이런 식으로, CCD 라인(19)상에 이미지되는 격자 밴드의 콘트라스트가 증가될 수 있어 유리/공기 인터페이스에 인접한 고유의 낮은 반사와 함께 유리/물 인터페이스가 정확하게 초점맞추어 질 수 있어 또한 서로에 대한 거리의 정확한 측정을 가능하게 하며 초점맞추어질 수 있다.

이에 대해, 도 7은 CCD 라인(19)에 유리/물 인터페이스를 이미징할 때의 강도곡선을 도시한 것이다. x₅₀₀ 내지 x₁₀₀₀ 범위에서 검출될 수 있는 교란은 서로에 대해 대략 150㎛의 거리를 갖는 인접한 산란 인터페이스에 기인한 것이다.

상술한 방식으로 도 7에 도시된 강도 값 I(x_i)의 또 다른 처리로 도 8에 도시된 바와 같은 위치관련 콘트라스트 값 I(y_i)에 이르게 된다.

상술한 본 발명에 따른 조정장치의 실시예에서, 개구 조정의 구성부품으로서 개구(12) 및 갭 개구(14) 모두가 조명 광경로의 광축(2)에 수직정렬된다. 이는 표면이 단지 적은 정도로 산란되는 표본(4)을 평가할 때 측정 결과가 우수해진다.

그러나, 도 9는 특히 비교적 높은 산란면을 갖는 표본(4)을 검사하는데 적합한 실시예에서 본 발명에 따른 조정장치를 도시한 것이다.

상술한 실시예에서, 또한 도 9에서의 실시예에 따르면, 시야 조리개 면(10)에 위치된 개구 조정(11)은 갭 개구(14)와 개구(12)를 나타낸다. 여기서 또한, 갭 개구(14)는 표본(4)의 이미지 세부사항의 주변길이 및 크기를 정의하기 위한 초점위치 및 개구(12)를 결정하는데 사용된다.

개구(12)는 조명 광경로의 광축(2)의 대략 중심에 정렬되고 갭 개구(14)는 조명 광경로의 주변부에 위치된다.

예외로서, 여기서 갭 개구(14)는 CCD 라인(19)이 검출 광경로의 광축(33)에 대하여 경사진 양과 동일한 양의 광축(2)에 대한 각도를 포함하는 반면에 개구(12)는 조명 광경로의 광축(2)에 수직정렬된다.

또한, 표면(4)과 갭 개구(14) 사이의 광경로는 표면(4)과 CCD 라인(19) 사이의 광경로 만큼 길다.

즉, 이러한 개구 조정(11)은 갭 개구(14)를 갖는 개구부(11.1)와 차후에 연결되는 개구(12)를 갖는 개구부(11.2)를 별도로 제조함으로써 기술적으로 구현된다.

한편으로는 갭 개구(14)와 표면(4) 간에 그리고 다른 한편으로는 표면(4)과 CCD 라인(19) 간에 동일한 광경로 길이의 요건은 광축(2), 광축(33) 및 빔 분리기(18)의 분할면(17)이 만나는 교차점이 상기 갭 개구(14)가 있는 상기 광축(2)의 교차점의 거리와 상기 CCD 라인(19)이 있는 상기 광축(33)의 교차점의 거리가 동일한 대표적인 경우에 충족된다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 옵션을 실행하는 조정장치가 도 10에 도시되어 있다. 이 조정장치는 초점위치의 정확한 결정 이외에, 수신장치(6)의 수신면에 대한 표본면의 기울임을 또한 필요로 하는 적용에 적합하다.

명확히 하기 위해, 동일한 부품에 대한 동일한 참조부호는 가능한 한 도 1에서와 같이 사용된다.

도 10에 따른 조정장치와 도 1에 따른 조정장치 사이의 차이는 제 2 조명원(23)이 표본(4)으로 지향되게 제 2 조명 광경로(24)를 발생하도록 제공된다는 것이 다. 조명 광경로(24)는 표본(4)을 향해 추가 빔 분리기(26)의 분할층(25)에서 편향되고 조명원(1)으로부터 발생된 조명 광경로의 광축(2)이 있는 빔 분리기(9)에서 병합된다.

도 11에는 확대 도시된 시야 조리개 면(27)에 개구 조정(28)이 있다. 개구 조정(28)은 표본(4)상에 이미징하도록 된 이미지 영역을 완전히 채우기 위해 조명 광경로(24)에서 서로 인접 설치된 2개의 반 개구(half aperture)(28.1 및 28.2)로 구성된다.

조명원(1 및 23)은 다르게 동작한다; 즉, 조명원(1)은 관찰 및 평가 목적으로 수신장치(6)의 CCD 카메라 상에 표본면을 이미징하는데 사용되는 반면에, 조명원(23)은 현재의 초점위치와 상기 수신장치(6)의 수신면에 대하여 표본(4)의 기울임 각도를 결정하는데만 사용된다.

각각의 2개의 반 개구(28.1 및 28.2)는 서로 평행하게 진행되는 다수의 갭 개구(29 및 30)로 구성되고, 각각의 갭 개구는 도 1에 따른 조정장치에서 격자구조에 의해 중첩되는 갭 개구(14)를 포함한다. 반 개구(28.1)의 갭 개구(29)는 반 개구(28.2)의 갭 개구(30)에 수직정렬된다.

격자구조는 각각 갭 개구(29 및 30)에 수직정렬된다; 즉, 격자벡터가 각각의 갭 개구(29 및 30)에 평행하게 진행된다.

도 1에 따른 조정장치에서와 같이, 경사진 CCD 라인(19)이 여기서는 필요하지 않다. 표본(4)에서 나온 이미징 광이 렌즈(3), 빔 분리기(9), 시야 렌즈(7) 및 빔 분리기(26)를 지난 후에 수신장치(6)에 있는 CCD 매트릭스(matrix)상에 개구 조 정(28)이 이미지된다.

도 12는 갭 개구(29 및 30)의 이미지에 필요로 하는 픽셀 라인(31 및 32)을 갖는 CCD 매트릭스의 기호표현을 도시한 것이다.

픽셀 라인(31)에서 격자구조를 포함하는 각각의 갭 개구(29)는 각 픽셀의 신호출력에서 이용될 수 있는 강도 신호 I(x_i)를 발생시키는 CCD 매트릭스상에 이미지된다. 이는 또한 격자구조를 포함하는 CCD 매트릭스에서 하나의 픽셀 라인(32)상에 각각 이미지된 갭 개구(30)에도 적용된다.

도 1에 따른 각각의 CCD 라인(19)에 대해 이미 상술한 바와 같이, 또한 처리 옵션에서, 결정된 강도 값 I(x_i)이 위치관련 콘트라스트 값 I(y_i)에 조합된다. 정확하게 상술한 방식으로, 현재 초점위치 P_f를 나타내는 콘트라스크 초점이 각각 결정될 수 있다.

콘트라스트 초점은 각각 이미지된 반 개구(28.1 및 28.2)에 대해 직선으로 연결될 수 있다. 2개의 직선은 대응하는 직선 방정식 y₁=m₁*x₁+n₁ 및 y₂=m₂*x₂+n₂에 의해 정의된다.

변수 n₁ 및 n₂는 조준된 상태의 현재 초점위치에 대해 측정을 하게 한다. 변수 n₁ 및 n₂가 디폴트 고유값에 해당하면, 이미징 광학장치가 초점맞추어진다.

또한, 직선 y₁=m₁*x₁+n₁의 기울기를 나타내는 변수 m₁과 그에 따라 평행정렬로부터 픽셀 라인(31 및 32)으로의 편차로부터 수학적 관계에 기초하여, 초점면의 m₂ 로부터 제 1 경사각 및 제 2 경사각이 표본(4)의 면에 대해 결정된다.

조준된 조정 상태에서, 변수 m₁ 및 m₂는 표본(4)의 면에 대해 초점면의 경사각에 비례하는 것으로 여겨진다.

2개의 변수 m₁ 및 m₂가 설정점 값, 바람직하기로는 값 "0"에 일치할 때까지 표본(4)의 면을 기울일 때, 경사가 수정된다.

참조번호 리스트

1. 조명원

2. 조명 광경로의 광축

3. 렌즈

4. 표본

5. 이미징 광경로의 광축

6. 수신장치

7. 시야 렌즈

8. 분할면

9. 빔 분리기

10. 시야 조리개 면

11. 개구 조정

12. 개구

13. 제한부

14. 갭 개구

15. 회절격자

16. 시야 렌즈

17. 분할면

18. 빔 분리기

19. CCD 라인

20. 픽셀

21. 평가장치

22. 위치지정장치

23. 조명원

24. 조명 광경로

25. 분할면

26. 빔 분리기

27. 개구면

28. 개구 조정

28.1, 28.2. 반 개구(half apertures)

29,30. 갭 개구

31,32 . 픽셀 라인

33. 검출 광경로의 광축

본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims (17)

1. 상기 표본(4)에 이미지된 시야 조리개(field stop) 및 광격자(optical lattice)의 이미징에 의해 적어도 부분적으로 중첩된 상기 표본(4)상의 상기 시야 조리개의 이미징;

   상기 시야 조리개에 대해 경사진 위치감지 수신장치를 사용하여 얻고 상기 수신장치내의 위치에 할당하여 얻어지는 표본에 의해 반사된 광에 대한 강도 값 I(x_i);

   상기 강도 값 I(x_i)로부터 결정된 위치관련된 콘트라스트 값(contrast value); 및

   현재 초점위치와 동일한 것으로 판단되는 상기 수신장치내의 콘트라스트 초점의 위치를 사용하는 표본(4) 이미징시 초점위치 결정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   위치 i에 할당된 강도 값 I(x_i)와 인접한 위치 i+n에 할당된 강도 값 I(x_i+n)(바람직하기로 n=1,…,20)과의 각각의 차로부터 함수

   

   에 따른 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)을 결정하는 초점위치 결정방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   디폴트(default) 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

   

   에 따른 현재의 초점위치 P_f와 동일한 위치를 결정하는 초점위치 결정방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

   

   에 따라 제 1 단계에서 위치 P_f'를 결정하고,

   디폴트 거리 a보다 위치 P_f'로부터 멀지 않는 디폴트 최소값 I'_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

   

   에 따라 현재의 초점위치와 동일한 위치를 제 2 단계에서 결정하는 초점위치 결정방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   갭 개구(14)를 갖는 시야 조리개, 밴드형 마스크(band-shaped mask)의 형태인 광격자로서 회절격자(ruled grating)(15) 및 수신장치로서 CCD 라인(19)를 사용하고,

   상기 CCD 라인(19)의 픽셀(20)의 연속한 번호매김에 의해 표시된 위치 i; 및

   a=10…1000 범위내에 기설정된 다수의 픽셀(20)을 갖는 거리 a를 사용하는 초점위치 결정방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   바람직하기로는 상기 표본(4)과 이미징 광학장치 사이의 거리 Δz 를 변경함으로써 상기 수신장치에 측정된 거리 b로부터 발생되고, 위치 P_f 및 상기 수신장치내의 이상적인 초점위치에 해당하는 위치 P_f'' 사이의 자동초점맞춤용 입력신호를 갖는 초점위치 결정방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   시야 조리개로서 직사각형 개구, 수신장치로서 CCD 매트릭스(matrix), 및 각각이 서로 평행하게 진행되는 다수의 밴드형 마스크를 나타내며, 격자면에서 서로에 대하여 경사진 2개의 격자 마스크를 구성하는 광격자를 사용하는 단계;

   각각의 밴드형 마스크의 표본에 이미지를 발생시키고 제 2 항 내지 제 4 항에 설명된 바와 같이 상기 CCD 매트릭스에 현재의 초점위치와 동일한 이미지된 각 마스크에 대한 콘트라스트 초점위치를 결정하는 단계;

   상기 콘트라스트 초점을 통해 2개의 연결선의 경로 및 기울기를 결정하는 단계; 및

   그 결과, 상기 CCD 매트릭스의 수신면에 대한 초점면의 경사 각도를 결정하는 단계를 포함하는 초점위치 결정방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 경사각도의 보상을 위해 상기 수신면의 면에 대한 초점면의 경사각도로부터 입력신호를 도출하는 단계를 포함하는 초점위치 결정방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   콘트라스트 초점 및 현재 초점 위치 결정시 정확도를 높이기 위해, 한 표본의 반사능력이 더 낮을수록 또는 산란되거나 반사된 교란광이 더 강할수록 갭 길이 가 더 작게 기설정되어야 하는, 선택된 한 표본의 반사능력 및/또는 산란되거나 반사된 교란광의 강도에 따라 광격자의 갭 길이를 결정하는 단계를 포함하는 초점위치 결정방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    이미지된 격자의 주기를 통해 상기 수신장치의 인접한 픽셀(20)의 강도 값을 평균화하는 단계;

    디폴트 강도신호 I_soll(설정점 값)로부터 구한 강도신호 I_ist(실제값)의 편차를 결정하는 단계; 및

    편차의 보상 및 평형을 위해 광경로에서 오염입자 또는 다른 교란으로 인해 교란된 콘트라스트 값 I(y_i)을 수정하는 단계를 포함하는 초점위치 결정방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    n=2,…,100(n은 바람직하기로는 격자주기당 픽셀의 수에 해당함)을 갖는 모든 x_i에 대해 함수

    

    에 따라 인접한 픽셀(20)의 강도 값을 평균하는 단계를 포함하는 초점위치 결정방법.
12. 조명 광경로를 생성하기 위한 조명원(1);

    상기 표본(4)에 상기 조명 광경로를 지향하도록 사용되는 이미징 광학장치; 및

    이미징 광경로에 설정된 카메라를 구비하는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 초점위치 결정용 조정장치, 특히 현미경용 조정장치로서,

    상기 조명 광경로에 위치되고, 격자 마스크에 의해 중첩되는 갭 개구(14);

    상기 검출 광경로의 광축(33)과 α≠90°의 각도를 포함하는 CCD 라인(19)에 지향되는 상기 광경로로부터 편향된 검출 광경로; 및

    상기 CCD 라인(19)이 연결되는 위치관련된 강도 값 I(x_i) 및 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)을 결정하는 평가장치(21)를 구비하고,

    상기 CCD 라인(19)에서 콘트라스트 초점의 위치를 결정하는 상기 평가장치(21)는 현재 초점위치와 동일한 초점위치를 형성하는 것을 특징으로 하는 초점위치 결정용 조정장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 갭 개구(14)는 상기 표본(4)에서의 이미지 세부사항의 주변길이 및 크기를 정의하는 개구(12)와 함께 시야 조리개 면에 위치되고,

    상기 개구(12)는 상기 조명 광경로의 광축 중심에 정렬되며,

    상기 갭 개구(14)는 상기 조명 광경로의 외주변에 위치되는 초점위치 결정용 조정장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 개구(12)는 상기 조명 광경로의 광축(2)에 수직정렬되는 반면에 상기 갭 개구(14)는 상기 CCD 라인(19)이 상기 검출 광경로의 광축(33)에 대하여 경사진 각도와 일치하는 광축(2)과의 각도를 포함하고,

    상기 표본(4)과 상기 갭 개구(14) 사이의 광경로 길이는 상기 표본(4)과 상기 CCD 라인(19) 사이의 광경로 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 초점위치 결정용 조정장치.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 CCD 라인(19)에서 위치 i에 할당된 강도 값 I(x_i)과 인접한 위치 i+n에 할당된 강도 값I(x_i+n)(바람직하기로, n=1,…,20)과의 각각의 차로부터 함수

    

    에 따른 위치관련된 콘트라스트 값 I(y_i)를 결정하는 차 형성기(difference former); 및

    디폴트 최소값 I_min보다 더 큰 모든 콘트라스트 값 I(y_i)에 대해 함수

    

    에 따른 현재의 초점위치와 동일한 콘트라스크 초점위치를 결정하는 계산회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 평가장치(21)를 포함하는 초점위치 결정용 조정장치.
16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 계산회로는 위치 P_f 및 상기 CCD 라인(19)내의 이상적인 초점에 해당하는 P_f'' 사이의 거리 b를 결정하는 평가장치에 형성되고,

    상기 평가장치(21)는 상기 표본(4) 및 상기 이미징 광학장치 사이의 거리 Δz를 변경하기 위한 위치지정장치(22)와 연결되는 것을 특징으로 하는 초점위치 결정용 조정장치.
17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    바람직하기로 각 경우에 상기 CCD 라인(19)의 5개의 픽셀(20)이 하나의 회절격자주기에 해당하는 상기 이미징 광학장치의 광 해상도 한계에 적합한 격자 빈도를 갖는 초점위치 결정용 조정장치.

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