JP2006023624A - 合焦検出装置を備えた顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料表面の状態によらず、安定して合焦状態の判別や焦点調整を行える。
【解決手段】対物レンズ６によって結像した試料面４ａの像を観察する観察光学系２と、指標１２の像を試料面に投影すると共に試料面を落射照明する照明光学系３とを備える。対物レンズ６による結像位置にスプリットプリズム８を配設する。試料面４ａと指標１２の像の反射光を対物レンズ６でスプリットプリズム８上に結像させ、接眼レンズ７で観察して、合焦を検出する。合焦状態では、指標１２の像はスプリットプリズム８上の結像位置に結像する。非合焦状態では、指標１２の像は各ウエッジプリズム８ａ、８ｂの分割線に対してウエッジの方向に横ズレを起こす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば試料の試料面（表面）の高さを測定したり観察するために、試料面に焦点合わせを行う等のための合焦検出装置を備えた顕微鏡に関する。

従来、顕微鏡で試料を観察するために試料の像を合焦する際、高倍率の顕微鏡ではＮＡが大きくＺ軸方向（高さ方向）のピントのズレがわずかであっても目視で確認でき、ピントのずれを調整できるものがあった。
しかしながら、低倍率の顕微鏡であると、ＮＡが小さく焦点深度が深いためにＺ軸方向（高さ方向）の距離のズレを正確に検出することができなかった。そのため、焦点調整に際しては、ターゲットパターンの像を試料面上に投影する際に投影光の入射角に制限を加えて、対物レンズによるターゲットパターンの像を観察位置で横ズレに変換して、合焦位置を検出していた。
このような試料面に対する顕微鏡の焦点を調整するための合焦装置を備えた顕微鏡として、例えば特許文献１、２、３に記載されたものがある。
特許文献１に記載された合焦装置を備えた顕微鏡は、二つの物体投影用の合焦パターンをマスクを通して光束分離させてハーフミラーで反射して物体の観察光学系の光路に一致させ、対物レンズによって物体の面上に投影させる。そして、二つの合焦パターン像は物体面の像と共に対物レンズによって観察光学系の光路上に重ねて結像させ、二つの合焦パターンの像のズレの有無により合焦を観察し、焦点調整を行う。

また、特許文献２に記載された顕微鏡では、合焦パターンを設けたスプリットプリズムを照明して２分割した光束を試料面上に投影する。そして、試料面上で２分割された合焦パターンの像を対物レンズによって焦点板上に結像させ、スプリットラインに対して２つの合焦パターンの像の横ズレの有無を観察する。
また、特許文献３は、照明光学系において別個の照明系で照明される２つの合焦パターンをハーフミラーを介して観察光学系の光路に誘導して対物レンズで物体面に投影させる。そして物体面上の２つの合焦パターンの像を対物レンズによる結像位置に設けた焦点板上にそれぞれ結像させ、焦点板上における２つの合焦パターン像の横ズレの有無を観察して合焦位置か非合焦位置かを検出するようにしている。

上述の各特許文献１乃至３に記載された合焦装置では、照明光学系に位置する合焦パターンを物体面に投影するに際し、２つの合焦パターンを試料に対して異なる入射角で投影している。そして、物体面が光軸方向（物体の高さ方向）にズレた場合、像観察位置で見て２つの合焦パターンの結像位置が光軸方向にずれると共に、光軸に略直交する面内の横ズレとして検出されるようにしている。
そのため、観察光学系の光路における物体面上の合焦パターンの像の反射光は物体面に結像する入射光の角度分布と同一であることが好ましい。
特許第２９１８２３号公報 英国特許公報 ＧＢ２０７６１７６Ｂ 特開平９−１２７４２１公報

しかしながら、上述の各特許文献１乃至３に記載された合焦装置を有する顕微鏡では、測定対象とする物体は加工によって物体面に粗さや挽き目等の微細な凹凸構造を形成していることが多く、そのために反射光の角度は物体面での乱反射や光の散乱によって入射光の角度分布から乱れることが多かった。これらの乱反射光や散乱光は、対物レンズによる結像位置における合焦または非合焦の２つの合焦パターン像の横ズレ観察においてはノイズであり、その程度によっては合焦パターンの横ズレを判別しにくくなり、合焦検出精度が低下するという欠点があった。
本発明は、このような実情に鑑みて、試料表面の状態によらず、安定して合焦状態の判別や焦点調整を行えるようにした合焦検出装置を備えた顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明による合焦検出装置を備えた顕微鏡は、対物レンズによって結像した試料面の像を観察する観察光学系と、試料面を照明する照明光学系とを備え、試料面上の合焦パターンについての反射光を対物レンズによって結像させて観察することで合焦か否かを検出するようにした合焦検出装置を備えた顕微鏡において、対物レンズを通過する試料面からの反射光の結像側に合焦パターンの像を分割させる光路分岐光学部材を配設したことを特徴とする。
本発明では、試料面上の合焦パターンについて、対物レンズを通して結像する試料面からの反射光の結像側に光路分岐光学部材を配設したために、試料面の状態に関わらず、光路分岐光学部材において合焦パターンを安定して分割でき、反射光の結像位置が光路分岐光学部材に対して光軸方向にずれた場合には、光路分岐光学部材の境で分割した合焦パターン像の横ズレとして検出できる。その際、試料面からの反射光に乱反射光や散乱光が混入したとしても、光路分岐光学部材に向かう反射光に対して分割を行うために、安定した合焦パターンの像の横ズレを確保し、観察できる。非合焦の場合には、観察光学系及び照明光学系と試料面との距離を調整して焦点調整を行うことができる。
なお、光路分岐光学部材は、対物レンズの結像位置に配設するのが好ましい。
本発明において、合焦の場合、合焦パターンは試料面の像と共に光路分岐光学部材上に結像し、ズレは生じない。非合焦の場合には、試料面と合焦パターンの反射光による結像位置は光路分岐光学部材から光軸方向にずれ、光路分岐光学部材上で分岐した合焦パターンの像は光路分岐光学部材の分割線を境にズレを生じる。

また、合焦パターンは照明光学系によって試料面上に投影された指標の像であることが好ましい。
試料面に正反射面の割合が多い場合には、指標の像を試料面に投影して合焦パターンとして反射させる。
或いは、合焦パターンは試料面上に形成されたパターンであってもよい。試料面が例えば微細な凹凸のパターンで形成された加工面等である場合には、指標を用いることなく試料面に形成されたこのパターンを合焦パターンとして用いることができる。

また、光路分岐光学部材は、対物レンズを通過する試料面からの反射光の光軸を分割させる２つのプリズムからなるプリズムペアであることが好ましい。
顕微鏡に対して試料面が非合焦位置にある場合には、反射光は２つのプリズムで光路を分割され、２つのプリズムの境を分割線として分割された合焦パターンの像がズレを生じることになる。
この場合、プリズムペアは、観察光学系に配設した接眼レンズの焦点板に設けられていてもよい。この構成を採用することで、顕微鏡のシステムを変更することなく低廉に合焦機能を付加することができる。
また、光路分岐光学部材は、観察光学系の光軸に対する傾斜角を異ならせて配列した像分割用反射ミラーで構成してもよい。
この構成でも、合焦時には像分割用反射ミラー上で反射光が結像してズレのない合焦パターンが得られる。非合焦時には像分割用反射ミラー上で分岐した合焦パターンの像は像分割用反射ミラーを構成する複数の反射ミラーの境をなす分割線で分割されてズレを生じる。像分割用反射ミラーは傾斜角を異ならせて密接配列した第一及び第二反射ミラーで構成してもよい。

本発明による合焦検出装置を備えた顕微鏡は、合焦パターンの像のズレが、試料面で反射した反射光の対物レンズを介した結像側に配置した光路分岐光学部材で生じるようにしたために、試料面での反射光の角度が入射光の角度と相違したり乱反射光や散乱光が混入しても、合焦パターン像の変化に対してノイズにならず、安定した合焦パターンの像を得られて精度の良い合焦判定や調整を行える。

以下、本発明の実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡について添付図面により説明する。図１は第一の実施の形態による顕微鏡の光学系を示す図、図２は観察される指標像を示す図で、（ａ）は合焦状態、（ｂ）は非合焦状態である。
図１に示す顕微鏡１は、観察光学系２と照明光学系３からなる合焦検出装置の光学系を備えている。観察光学系２と照明光学系３は図示しないステージ上に載置されており、試料４に対して相対的に進退して試料４との距離を調整できるようになっている。
観察光学系２において、試料４に対向して対物レンズ６が配設され、対物レンズ６の合焦位置に試料４の試料面４ａが位置している。対物レンズ６の光軸Ｏ上には試料面４ａの反射光について対物レンズ６による結像位置（Ａ位置）の像を観察するための接眼レンズ７が配設されている。そして、光軸Ｏ上の結像位置には光軸Ｏに略直交してスプリットプリズム８（光路分岐光学部材）が位置している。
スプリットプリズム８は２つのウエッジプリズム８ａ，８ｂからなるプリズムペアであり、各ウエッジプリズム８ａは例えば平面視略半円形状で、厚み方向の側面視で下面に対して上面が傾斜する略くさび形状を有している。２つのウエッジプリズム８ａ，８ｂは逆勾配で組み合わせて略半円の弦を有する面を接合して構成されている。そして、平面視で２つのウエッジプリズム８ａ，８ｂの境界をなす直線を分割線９とする。

一方、照明光学系３において、光源１０及びコンデンサレンズ１１が設けられ、その前方には指標１２（合焦パターン）を形成した指標板１３が設けられている。指標１２は図１で示すように例えば円形をなす指標板１３の中心を通るラインパターンで構成されている。指標板１３の前方において、観察光学系２の光路上で対物レンズ６とスプリットプリズム８との間には、指標１２を透過した照明光を対物レンズ６に向かわせるハーフミラー１４が傾斜して配設され、対物レンズ６によって試料面４ａ上に指標１２の像を照明光と共に投影することになる。
このような照明光学系３の光源１０から試料４までの光路の光軸Ｏ１において、試料面４ａと共役な位置に指標１２を設けるものとする。
観察光学系２において、合焦状態では、試料面４ａとその上に投影された指標１２の像の反射光は対物レンズ６によってスプリットプリズム８の上面のＡ位置に結像する。このとき、接眼レンズ７を介して観察される指標１２の像１２ａ、１２ｂは、図２（ａ）に示すように、スプリットプリズム８の分割線９と略直交して分割され、同一直線状で線対称になる。
一方、非合焦状態では、試料面４ａとその上に投影された指標１２の像の反射光についての結像位置がＡ位置に対して光軸Ｏ方向（Ｚ軸方向）の前方または後方にずれる。この場合には、ウエッジ角により各ウエッジプリズム８ａ，８ｂのウエッジの方向に光束が分割されるため、指標１２の像１２ａ，１２ｂは分割線９を境にウエッジの方向にずれ、横ズレとして接眼レンズ７で観察できる（図２（ｂ）参照）。
そのため、指標１２の像１２ａ，１２ｂの横ズレの有無によって試料面４ａに対する合焦判定を行うことができる。

本実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡１は上述の構成を備えており、次に試料４の合焦検出方法を説明する。
顕微鏡１の照明光学系３において、光源１０から出射された照明光はコンデンサレンズ１１で集光されて指標１２を通過する。指標１２を通過した指標１２の像の光束は照明光と共に観察光学系２の光路内のハーフミラー１４で折り曲げられ、対物レンズ６を介して試料４の試料面４ａ上に落射照明によって投影される。
そして、試料面４ａとこの面４ａに投影された指標１２の像の反射光は、対物レンズ６を通して結像する。合焦状態では、試料面４ａと指標１２の像はスプリットプリズム８の上面であるＡ位置で結像する。このとき、指標１２の像はスプリットプリズム８の分割線９で二分割され且つ分割された指標１２の像１２ａ、１２ｂが分割線９を挟んで一直線状に表れる（図２（ａ）参照）。このような図２（ａ）に示す指標１２の像１２ａ、１２ｂが接眼レンズ７で観察されると、合焦と判定される。

また、非合焦状態では、試料面４ａと指標１２の反射光はＡ位置から光軸方向（Ｚ軸方向）の前方または後方にずれた位置で結像するため、指標１２の像１２ａ，１２ｂは各ウエッジプリズム８ａ，８ｂ上で分割線９を境にウエッジ方向に横ズレを起こす。これによって指標１２の像１２ａ，１２ｂは図２（ｂ）に示すように分割線９に対して互いに反対方向にずれた位置に横ズレして表れる。このような指標１２の像１２ａ，１２ｂが接眼レンズ７で観察されると、非合焦と判定される。
なお、合焦から大きくずれている場合には、試料面４ａの像と共に指標１２の像１２ａ，１２ｂもぼけて観察される。
非合焦と判定された場合、顕微鏡１のステージを試料４から離間または接近させるように相対移動させ、図２（ａ）に示す合焦状態になるまで高さ調整する。そして非合焦状態から合焦状態にまで調整することで試料面４ａの合焦調整を行える。相対移動前の合焦位置から相対移動した後の合焦位置までのステージの移動量の値を求めると相対移動前後の２点間の高低差が得られる。

上述のように本実施の形態による顕微鏡１は、指標１２の像１２ａ，１２ｂの横ズレが、試料面４ａで反射した反射光の結像側に配置したスプリットプリズム８で生じるために、試料面４ａで反射する指標１２の像の反射光は乱反射光や散乱光が混入しても合焦判定のノイズにならず、入射光と角度分布が相違していても安定した合焦、非合焦の判定や測定、調整を行える。

次に本発明の他の実施の形態や変形例による顕微鏡について説明するが、上述した第一の実施の形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。
図３と図４は第一の実施の形態による顕微鏡１の合焦検出装置の変形例を示すものである。
この変形例では、図１に示す第一の実施の形態による合焦検出装置の観察光学系２において、接眼レンズ７及びスプリットプリズム８に代えて接眼レンズ鏡筒１６を設けている。図３に示す接眼レンズ鏡筒１６は、観察光学系２の光軸Ｏ上に設けられており、内部に接眼レンズ１７とその焦点板１８を設けている。焦点板１８は対物レンズ６による試料面４ａの結像位置に設けられ、平面視略円環状を形成している。この焦点板１８の内側の中空部１８ａにはスプリットプリズム１９が嵌合され、焦点板１８とスプリットプリズム１９は光軸Ｏに同軸に配設されている。
本変形例においても、上述の第一の実施の形態と同様に、試料面４ａと指標１２の像の反射光は合焦状態ではスプリットプリズム１９の上面のＡ位置に結像する。非合焦状態ではＡ位置に対して光軸方向（Ｚ軸方向）前側または後側にずれた位置に結像し、スプリットプリズム１９と接眼レンズ１７を介して観察される象は、分割線９を境に分割線９の延びる方向の両側にずれた位置に指標１２の像１２ａ，１２ｂが横ずれして表れる。
２つに分割されてずれた指標１２の像１２ａ，１２ｂを分割線９の位置で合致させるようステージを上下動調整することで試料面４ａ高さの測定や合焦調整を行える。
本変形例によれば、顕微鏡のシステムを変更することなく接眼レンズ鏡筒１６を交換装着するだけで低廉に合焦機能を付加できる。

次に本発明の第二の実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡２１について図５により説明する。
図５に示す顕微鏡２１では、観察光学系２においてスプリットプリズム８に代えて像分割用反射ミラーを配設した点で第一の実施の形態と相違する。即ち、観察光学系２において、対物レンズ６と接眼レンズ７との間で光軸Ｏを有する光路を例えば４５°折り曲げる反射ミラー２２が設けられ、折り曲げられた光路上の結像位置であるＡ位置には像分割用反射ミラー２３（光路分岐光学部材）が配設されている。Ａ位置で結像した試料面４ａ及び指標１２の像を接眼レンズ７で観察することになる。
像分割用反射ミラー２３は一対の第一反射ミラー２３ａ、第二反射ミラー２３ｂで構成され、図５に示す側面視で、両ミラー２３ａ、２３ｂはＡ位置で交差するよう互いに異なる傾斜角に設定されている。例えば、反射ミラー２２で水平に折り曲げられた光路の光軸Ｏを基準として、第一反射ミラー２３ａは角度（４５＋θ）°傾斜し、第二反射ミラー２３ｂは角度（４５−θ）°傾斜している。

そのため、試料面４ａと指標１２の像の反射光が、対物レンズ６を通してＡ位置で結像する合焦状態では、試料面４ａと指標１２の像１２ａ，１２ｂは像分割用反射ミラー２３の第一及び第二反射ミラー２３ａ、２３ｂ上のＡ位置で結像する。このとき、指標１２の像は第一及び第二反射ミラー２３ａ、２３ｂの分割線９で像１２ａ，１２ｂとして二分割され且つ分割線９を挟んで一直線となるように表れる（図２（ａ）参照）。これが接眼レンズ７で観察されると、合焦と判定される。
また、非合焦状態では、試料面４ａと指標１２の像の反射光はＡ位置から光軸Ｏ方向（Ｚ軸方向）の前方または後方にずれた位置で結像するため、指標１２の像１２ａ，１２ｂは第一及び第二反射ミラー２３ａ、２３ｂの分割線９を境にズレた位置に表れる（図２（ｂ）参照）。これが接眼レンズ７で観察されると、非合焦と判定される。
非合焦と判定された場合、顕微鏡１のステージを試料４から離間または接近させるように相対移動させ、合焦状態になるまで高さ調整する。そして移動前後の合焦位置間でステージの移動量を求めると２点の高低差が得られる。また、非合焦状態から合焦状態にまで調整することで試料面４ａの合焦調整を行える。

上述のように本実施の形態によれば、スプリットプリズム８に代えて構成の簡単な像分割用反射ミラー２３を配設したから、複雑な光学部品を用いないため製造コストを低廉にできる。
なお、図５に示す例では、接眼レンズ７を通して上方から試料面４ａ及び指標１２の像を観察するために反射ミラー２２と像分割用反射ミラー２３で光路を２回折り曲げる構成を採用したが、横方向から観察する場合には、反射ミラー２２は省略してもよい。

また、上述の各実施の形態では、指標１２を用いて試料４の高さ測定や焦点調整を行うようにしたが、このような構成は試料４の試料面４ａが正反射する領域の多い場合に好ましい。しかし、試料面４ａに加工挽き目等の細かい加工パターンが存在する場合には、指標１２を用いることなく試料面４ａの加工挽き目等の加工パターンで合焦か否かの検出を行っても良い。この場合には、接眼レンズ７で観察するスプリットプリズム８または像分割用反射ミラー２３上の加工パターン像が分割線９の両側で合致するかズレるかで判定できる。
図６はこのような指標１２を設けない合焦検出装置を備えた顕微鏡３１を第三の実施の形態として示す図である。指標１２を除く構成は第一の実施の形態によるものと同一である。

本発明の第一の実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡の光学系を示す構成図である。 観察される指標の像を示す図であり、（ａ）は合焦状態、（ｂ）は非合焦状態である。 第一の実施の形態による顕微鏡の変形例を示す接眼レンズ部分の図である。 図３に示す焦点板とスプリットプリズムを示す斜視図である。 第二の実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡の光学系の構成図である。 第三の実施の形態による合焦検出装置を備えた顕微鏡の光学系の構成図である。

符号の説明

１、２１、３１ 顕微鏡
２ 観察光学系
３ 照明光学系
４ 試料
４ａ 試料面
６ 対物レンズ
７、１７ 接眼レンズ
８、１９ スプリットプリズム（光路分岐光学部材：プリズムペア）
１２ 指標（合焦パターン）
１２ａ、１２ｂ 指標の像（合焦パターン）
１８ 焦点板
２３ 像分割用反射ミラー（光路分岐光学部材）
２３ａ 第一反射ミラー（光路分岐光学部材）
２３ｂ 第二反射ミラー（光路分岐光学部材）

Claims (6)

1. 対物レンズによって結像した試料面の像を観察する観察光学系と、前記試料面を照明する照明光学系とを備え、前記試料面上の合焦パターンについての反射光を前記対物レンズによって結像させて観察することで合焦か否かを検出するようにした合焦検出装置を備えた顕微鏡において、
   前記対物レンズを通過する前記試料面からの反射光の結像側に前記合焦パターンの像を分割させる光路分岐光学部材を配設したことを特徴とする合焦検出装置を備えた顕微鏡。
2. 前記合焦パターンは前記照明光学系によって試料面上に投影された指標の像である請求項１に記載の合焦検出装置を備えた顕微鏡。
3. 前記合焦パターンは前記試料面上に形成されたパターンである請求項１に記載の合焦検出装置を備えた顕微鏡。
4. 前記光路分岐光学部材は、前記対物レンズを通過する前記試料面からの反射光を分割させる２つのプリズムからなるプリズムペアである請求項１乃至３のいずれかに記載の合焦検出装置を備えた顕微鏡。
5. 前記プリズムペアは、前記観察光学系に配設した接眼レンズの焦点板に設けられている請求項４に記載の合焦検出装置を備えた顕微鏡。
6. 前記光路分岐光学部材は、前記観察光学系の光軸に対する傾斜角を異ならせて配列した像分割用反射ミラーである請求項１乃至３のいずれかに記載の合焦検出装置を備えた顕微鏡。
   
   
   

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