JP2738322B2 - オートフォーカス制御方法および観察装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像処理型のオートフ
ォーカス制御方法およびその装置に関し、特に、ＸＹス
テージを有する観察装置や加工装置等に用いると最適な
オートフォーカス制御方法および観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡等の光学機器において行わ
れるオートフォーカス制御方法は、特開昭６３−９８６
１５号公報や、特開平５−２３６３１５号公報に開示さ
れている画像処理による合焦点位置の検出方法により行
われていた。

【０００３】ここで、従来のオートフォーカス制御方法
について図４、図５および図６を参照して説明する。

【０００４】図４は、オートフォーカス制御が行われる
べき、一般的な観察装置の構成を示す図であり、図５
は、従来のオートフォーカス制御方法の手順を示すフロ
ーチャートであり、図６は、Ｚステージの動作とコント
ラストデータとの関係を示す図である。

【０００５】ＸＹステージ１４上に載置されている試料
１３を観察光学部２２で観察する場合に、対物レンズ１
２が設置されているＺステージ１５をＺ軸方向に移動さ
せてピントを合わせる、つまり、合焦点位置にＺステー
ジ１５を配置する必要がある。そして、このピント合わ
せを自動的に行うことをオートフォーカス制御という。

【０００６】図４に示す観察装置において、オートフォ
ーカス制御を実行するために、まず、Ｚステージ１５を
ＡＦ原点位置２４に復帰させる（Ｓ２０１）。オートフ
ォーカスの実行が可能なＺステージの初期設置位置は、
図６に示すオートフォーカス捕捉範囲２６内である必要
がある。つまり、ＡＦ原点位置２４をオートフォーカス
捕捉範囲２６内に設定しないと、コントラストのピーク
２７を検出することができず、結果として、合焦点位置
２５を検出することができなくなる。次に、ステッピン
グモータ１６の駆動によりＺステージ１５をＺ軸方向に
移動させていく（Ｓ２０２）。Ｚステージ１５を移動さ
せながら、逐次、観察光学部２２により得られる試料１
３の像をＣＣＤカメラ１７で撮像し、画像処理部１８に
よってＣＣＤカメラ１７で得られる映像信号のコントラ
ストデータをサンプリングしていく（Ｓ２０３）。制御
部２３では、画像処理部１８においてサンプリングされ
ているコントラストデータに基づいて、そのコントラス
トがピーク２７となったＺステージ１５の位置を合焦点
位置２５として検出する（Ｓ２０４）。そして、制御部
２３は、ステッピングモータ１６を駆動して、検出され
た合焦点位置２５にＺステージ１５を設定する（Ｓ２０
５）。

【０００７】Ｚステージの合焦点位置の検出精度は、オ
ートフォーカスの捕捉範囲を広くとると悪化し、逆に、
合焦点位置の精度を向上させるためにはオートフォーカ
スの捕捉範囲を狭くしなければならない。したがって、
通常、５〜１０倍程度の低倍率の対物レンズを用いる場
合と、５０倍以上の高倍率の対物レンズを用いる場合と
では、要求される合焦点位置の精度が異なるためにオー
トフォーカスの捕捉範囲を異ならせている。つまり、低
倍率の対物レンズを用いる場合には、焦点深度が大きい
ために、合焦点位置の精度がそれほど要求されない。し
たがって、オートフォーカス捕捉範囲を２５〜７５μｍ
程度と大きくとるとともに、Ｚステージを大きく上下に
移動させて、大まかに輝度レベルを算出して合焦点位置
を検出していた（以下、このオートフォーカス制御の実
行モードを粗動モードとする）。また、高倍率の対物レ
ンズを用いる場合では、焦点深度が小さいために、合焦
点位置の精度は±１μｍ以内が要求される。したがっ
て、この精度を達成するために、オートフォーカス捕捉
範囲を±６μｍ以内と小さくとるとともに、Ｚステージ
を小さく上下に微動させて、細かに輝度レベルを算出し
て合焦点位置を検出していた（以下、このオートフォー
カス制御の実行モードを微動モードとする）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、観察すべき
試料表面の凹凸幅は、試料ホルダの機械加工および組立
の精度や試料表面の研磨精度の問題から±２５μｍ程度
にするのが限界であり、これ以上小さくすることは非常
に困難である。このため、従来のオートフォーカス制御
方法により、図７に示すような凹凸幅が２５μｍである
試料上の観察点Ａを高倍率の対物レンズを用いて観察
し、続いて観察点Ｂを観察する場合には、以下に示すよ
うな問題点が生じる。

【０００９】従来のオートフォーカス制御方法における
微動モードでは、オートフォーカス捕捉範囲を±６μｍ
以内に設定する必要があるために、試料表面の凹凸幅２
５μｍをカバーすることができない。つまり、微動モー
ドのオートフォーカス制御により高精度に合焦点位置Ｍ
０を検出し、その位置にＺステージを設置して観察点Ａ
を観察する。その後、ＸＹステージを移動して観察点Ｂ
を対物レンズの下方に配置する。次に、前述と同様に微
動モードのオートフォーカス制御を行うわけであるが、
図７を参照すると、観察点Ａと観察点Ｂとは２５μｍの
高低差があるために、観察点Ａを観察した時点でのＺス
テージの設置位置Ｎ１（＝Ｍ０）は、観察点Ｂを観察す
る際の合焦点位置から約２５μｍ離れていることにな
る。したがって、Ｚステージをその位置Ｎ１に設置した
状態で観察点Ｂを観察するために、微動モードのオート
フォーカス制御を実行したとしても、そのＺステージの
初期位置が、前述のオートフォーカス捕捉範囲（±６μ
ｍ以内）からはずれているために、合焦点位置を検出す
ることができない。このように、試料表面上でオートフ
ォーカス制御を実行できない領域が存在することにな
り、操作性が非常に悪かった。

【００１０】そして、実際に、観察点Ｂを観察する場合
には、Ｚステージをオートフォーカス捕捉範囲、つま
り、観察点Ｂを観察する際の合焦点位置から±６μｍ以
内の位置に作業者がマニュアルで移動させ、その後、再
度、オートフォーカス制御を実行させていた。この操作
手順では、作業性やスループット等が大幅に低減すると
いう問題点があった。また、この作業者によるＺステー
ジのＡＦ原点位置の復帰は、使用する対物レンズの倍率
が大きいほど、その困難性が増していた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のオートフォーカス制御方法では、観察対
象表面の凹凸幅よりも大きい第１の移動範囲内で対物レ
ンズを上下に移動させながら撮像装置により観察対象の
画像を撮像し、その画像により画像処理装置でコントラ
ストデータを算出し、そのコントラストデータに基づい
て第１の合焦点位置を検出して、その位置に前記対物レ
ンズを設置する粗動モードのオートフォーカス制御が実
行され、続いて、第１の合焦点位置から、観察対象表面
の凹凸幅よりも小さい第２の移動範囲内で対物レンズを
移動させながら撮像装置により観察対象の画像を撮像
し、その画像により画像処理装置でコントラストデータ
を算出し、そのコントラストデータに基づいて第２の合
焦点位置を検出し、その位置に最終的に対物レンズを設
置する微動モードのオートフォーカス制御が実行され
る。

【００１２】粗動モードのオートフォーカス制御におけ
る対物レンズの移動範囲は、その対物レンズの倍率にも
影響されるが、観察対象の表面の凹凸幅が±２５μｍ程
度であれば、おおよそ２５〜７５μｍ程度とする。ま
た、微動モードのオートフォーカス制御における対物レ
ンズの移動範囲は、同様に対物レンズの倍率にも左右さ
れるが、その合焦点位置の検出精度を±１μｍ以内とす
る必要がある場合には、３〜６μｍ程度とする。

【００１３】さらに、観察対象上の複数の観察点を観察
する場合であっても、その都度、マニュアル操作による
対物レンズをＡＦ原点に復帰させる必要がないため、そ
の観察対象をＸＹステージ上に載置し、複数の観察点を
連続して観察することも容易である。

【００１４】さらに、観察対象の移動が一定時間以上行
われなかった場合には、自動的にオートフォーカス制御
が実行されるように構成することもできる。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。

【００１６】本実施例のオートフォーカス制御方法は、
観察すべき試料表面の凹凸幅が、要求される合焦点位置
の精度を得るために必要なオートフォーカス捕捉範囲よ
りも大きい場合に実行されると最適である。その制御手
順は、まず、オートフォーカス捕捉範囲を試料表面の凹
凸幅よりも大きくとって、大まかに合焦点位置を検出す
る第１のオートフォーカス制御（粗動モード）を行う。
次いで、第１のオートフォーカス制御により検出された
合焦点位置にＺステージを設置し、その位置をＡＦ原点
位置として、高精度に合焦点位置を検出する第２のオー
トフォーカス制御（微動モード）を行うというものであ
る。

【００１７】本実施例のオートフォーカス制御方法が実
行される観察装置の構成は、図４で示した従来のオート
フォーカス制御がなされる一般的な観察装置の構成と同
様であり、制御部における制御手順が異なるのみである
ため、その詳細な説明は省略する。ただし、以下、観察
装置の構成に付される参照番号は、その図４に付された
番号を用いるものとする。

【００１８】図１は、本実施例の制御手順を示すフロー
チャートであり、図２は、本実施例の動作を説明する図
であって、（ａ）は、微動モードのオートフォーカス制
御の動作を示す図であり、（ｂ）は、微動モードのオー
トフォーカス制御の動作を示す図である。

【００１９】高倍率の対物レンズがＺステージに設置さ
れているものとし、この対物レンズを用いて試料表面の
任意の観察点を観察するものとする。まず、第１のオー
トフォーカス制御（粗動モード）（Ｓ１０）を実行す
る。つまり、Ｚステージ１５を第１のＡＦ原点位置１に
復帰させた（Ｓ１０１）後、Ｚステージ１５を２５〜７
５μｍ程度上下に移動させながら（Ｓ１０３）、ＣＣＤ
カメラ１７により対物レンズ１２を通して試料１３の表
面の像を撮像する。画像処理ユニット１８において、Ｃ
ＣＤカメラ１７により得られた画像のコントラストを大
まかにサンプリングしていく。そして、コントラストが
ピーク５となったＺステージ１５の位置を第１の合焦点
位置２として検出し、その合焦点位置２にＺステージ１
５を設定する（Ｓ１０４）。ここで、最初に設定したＺ
ステージ１５の位置、つまり、第１のＡＦ原点位置１
が、粗動モードにおけるオートフォーカス捕捉範囲３か
ら外れている場合（Ｓ１０２）には、フォーカスエラー
となり（Ｓ１０５）、オートフォーカス制御が実行され
ないため、再度、マニュアル操作により、Ｚステージ１
５をオートフォーカス捕捉範囲３内の位置に復帰させた
後、オートフォーカス制御を実行させることになる。

【００２０】ただし、この時点では、粗動モードのオー
トフォーカス制御（Ｓ１０）しか行われていないため
に、第１の合焦点位置２は、微動モードにおけるオート
フォーカス捕捉範囲４内には含まれているものの、その
第１の合焦点位置２の検出精度は、高倍率の対物レンズ
１２を使用する際に要求されるレベルには達しておら
ず、このままでは、試料１３を観察することができな
い。

【００２１】そこで、次に、第２のオートフォーカス制
御（微動モード）（Ｓ２０）を実行する。この際、既に
実行された粗動モードのオートフォーカス制御（Ｓ１
０）により検出された第１の合焦点位置２にＺステージ
１５は設定されており、この位置２を微動モードにおけ
るＡＦ原点位置６とする。Ｚステージ１５をこの位置６
から上下に３〜６μｍ程度移動させながら（Ｓ１０
６）、ＣＣＤカメラ１７により対物レンズ１２を通して
試料１３の表面の像を撮像する。この際のＺステージ１
５の移動範囲は、試料１３の表面の凹凸幅よりも小さい
範囲であり、さらに言えば、後述する第２の合焦点位置
の検出精度を対物レンズ１２の倍率に応じた値とするた
めに所望のオートフォーカス捕捉範囲内の値である。次
に、画像処理ユニット１８において、ＣＣＤカメラ１７
により得られた画像のコントラストを細かにサンプリン
グしていく。そして、コントラストがピーク８となった
Ｚステージ１５の位置を第２の合焦点位置７として検出
し、その合焦点位置７にＺステージ１５を設定する（Ｓ
１０７）。このように、最終的に、微動モードのオート
フォーカス制御（Ｓ２０）を行うことで、高倍率の対物
レンズ１２を使用した場合に要求される±１μｍ以内の
精度で合焦点位置の検出を行うことができる。

【００２２】このように、本実施例では、まず、粗動モ
ードのオートフォーカス制御を実行するために、最初か
ら、微動モードのオートフォーカス制御を実行する場合
と比較して、ＺステージをＡＦ原点位置に復帰させるた
めのマニュアル操作が非常に簡略化される。つまり、マ
ニュアル操作でＺステージを設定させるべきＡＦ原点位
置が合焦点位置から±６μｍをある程度越えても合焦点
位置を検出することができる。

【００２３】さらに、１度、合焦点位置を検出して、そ
の位置にＺステージを設定した後、ＸＹステージにより
試料を移動させて、試料表面の他の観察点を観察する場
合に、この試料表面の凹凸幅が±２５μｍ程度であれ
ば、最初に粗動モードのオートフォーカス制御を実行す
ることで、試料表面の全ての領域に対して、オートフォ
ーカス制御を実行できることになる。つまり、Ｚステー
ジの移動範囲（言い換えれば、オートフォーカス捕捉範
囲）を２５〜７５μｍと広くとっているので、試料表面
の凹凸幅がこのオートフォーカス捕捉範囲内であれば、
かならず、コントラストが最大となるＺステージの位置
を検出することができる。したがって、試料表面の全て
の領域に対して合焦点位置を検出することができる。

【００２４】これにより、試料表面のある１点に対して
オートフォーカス制御を実行して合焦点位置を検出する
ことができれば、ＸＹステージにより試料を移動させ
て、観察点を変えても、何等他の処理を行うことなく、
オートフォーカス制御を実行することができる。

【００２５】次に、本発明のオートフォーカス制御方法
をレーザリペアに適用した場合について図３を参照して
説明する。

【００２６】図３は、レーザリペアの一実施例の構成を
示す図であり、レーザ発振器９から出射されたレーザ光
２１は、ビームエキスパンダおよび可変スリット等から
なる加工光学系１０により整形され、ダイクロイックミ
ラー１１で反射された後、対物レンズ１２を通過して基
板１３の表面に照射される。基板１３の表面には、導電
性物質による配線パターンが形成されており、照射され
るレーザ光２１により、その配線パターンを所望の形状
に加工する。したがって、レーザ光２１の照射位置は、
かなりの高精度が要求されるため、高倍率、例えば、８
０倍程度の対物レンズ１２を用いて、基板１３の表面を
観察しながら、レーザ光２１の照射位置の位置決めを行
う必要がある。そこで、本発明のオートフォーカス制御
方法を適用することにより、高精度かつ高速に基板１３
の表面を観察することができる。このオートフォーカス
制御による観察方法に関しては、既に説明しているの
で、敢えて、ここでは繰り返し説明することはしない。

【００２７】そして、本発明のオートフォーカス制御に
より基板１３上の任意の位置においてピントを合わせた
後、ＣＣＤカメラ１７により対物レンズ１２を通して撮
像される基板１３の表面の画像をディスプレイ２０に表
示させて、その表示画像を観察しながら、ＸＹステージ
１４により基板１３を移動させて、レーザ光２１の照射
位置を決定する。ここで、本実施例では、一度、合焦点
位置を検出してしまえば、基板１３上の全ての領域にお
いて、Ｚステージ１５をマニュアル操作でＡＦ原点位置
に復帰させる必要もなく、オートフォーカス制御を実行
することができるために、最初の観察点をレーザ光２１
の照射位置近傍に設定する必要がない。また、基板１３
上の複数の位置に対してレーザリペアを行う場合であっ
ても、レーザ光２１の照射位置を変更するごとに、マニ
ュアル操作によりＺステージ１５をＡＦ原点位置に復帰
させることなく、オートフォーカス制御が実行されるた
めに、操作性が非常に向上する。

【００２８】また、ＸＹステージ１４が駆動していない
時間を測定し、その時間が所定時間以上になった時点で
自動的にオートフォーカス制御が実行されるように構成
すれば、さらに、オートフォーカス制御を開始させるた
めの操作も必要なくなる。

【００２９】本発明のオートフォーカス制御方法が適用
されるべき装置は、上記のレーザリペアに限られたもの
ではなく、ＸＹステージにより移動する試料を何らかの
手段で加工するために、その試料の表面を高精度に観察
する必要がある装置に適用されることよりその効果が発
揮される。

【００３０】なお、合焦点位置等の検出をＺステージの
位置を基準にして説明してきたが、これは、Ｚステージ
と同様に上下に移動する対物レンズの位置を基準と考え
ても差し支えない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のオートフ
ォーカス制御方法によれば、観察対象上の複数の観察点
を連続して観察する場合であっても、常に、対物レンズ
の設置位置がオートフォーカス捕捉範囲内であるため
に、容易にオートフォーカス制御を実行することができ
る。特に、高倍率の対物レンズを使用する場合には、合
焦点位置を高精度に検出する必要があり、そのために、
オートフォーカス捕捉範囲は必然的に小さくしなければ
ならない。ところが、本発明のごとく、最初に粗動モー
ドのオートフォーカス制御を実行することで、合焦点位
置の検出精度を落とすことなく、オートフォーカス捕捉
範囲を拡大でき、操作性が飛躍的に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御手順を示すフローチャートであ
る。

【図２】本発明の動作を説明する図であり、（ａ）は、
粗動モードのオートフォーカス制御の動作を説明する図
であり、（ｂ）は、微動モードのオートフォーカス制御
の動作を説明する図である。

【図３】本発明のオートフォーカス制御方法を適用した
レーザ加工装置の構成を示す図である。

【図４】オートフォーカス制御が行われる一般的な観察
装置の構成を示す図である。

【図５】従来のオートフォーカス制御手順を示すフロー
チャートである。

【図６】従来のオートフォーカス制御の動作を説明する
図である。

【図７】従来のオートフォーカス制御の問題点を説明す
る図である。

【符号の説明】

１ 第１のＡＦ原点位置 ２ 第１の合焦点位置 ３ オートフォーカス捕捉範囲（粗動モード用） ４ オートフォーカス捕捉範囲（微動モード用） ５、８ （コントラストの）ピーク ６ 第２のＡＦ原点位置 ７ 第２の合焦点位置 ９ レーザ発振器 １０ 加工光学系 １１ ダイクロイックミラー １２ 対物レンズ １３ 基板（試料） １４ ＸＹステージ １５ Ｚステージ １６ ステッピングモータ １７ ＣＣＤカメラ １８ 画像処理装置 １９ 制御部 ２０ ディスプレイ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察対象表面の凹凸幅よりも大きい第１
   の移動範囲内で対物レンズを上下に移動させながら前記
   観察対象の画像を撮像し、その画像により得られるコン
   トラストデータに基づいて第１の合焦点位置を検出し、
   その位置に前記対物レンズを設置する第１のステップ
   と、 前記第１の合焦点位置から、前記観察対象表面の凹凸幅
   よりも小さい第２の移動範囲内で前記対物レンズを移動
   させながら前記観察対象の画像を撮像し、その画像によ
   り得られるコントラストデータに基づいて第２の合焦点
   位置を検出し、その位置に前記対物レンズを設置する第
   ２のステップとを含むことを特徴とするオートフォーカ
   ス制御方法。
2. 【請求項２】 前記第２の移動範囲は、前記対物レンズ
   の倍率によって規定される前記第２の合焦点位置の精度
   に基づいて決定される捕捉範囲以内であることを特徴と
   する前記請求項１に記載のオートフォーカス制御方法。
3. 【請求項３】 前記観察表面の凹凸幅は少なくとも±２
   ５μｍ以上であり、 前記第１の移動範囲は、前記対物レンズの倍率に基づい
   て２５〜７５μｍの範囲内から選ばれた値であり、 前記第２の移動範囲は、前記対物レンズの倍率に基づい
   て３〜６μｍの範囲内から選ばれた値であることを特徴
   とする前記請求項１に記載のオートフォーカス制御方
   法。
4. 【請求項４】 前記観察対象は、ＸＹステージ上に載置
   されていることを特徴とする前記請求項１に記載のオー
   トフォーカス制御方法。
5. 【請求項５】 前記観察対象が静止している時間を測定
   し、 測定された時間が予め設定された時間に達した時点で、
   自動的に前記第１のステップが実行され、続いて、前記
   第２のステップが実行されることを特徴とする前記請求
   項１に記載のオートフォーカス制御方法。
6. 【請求項６】 対物レンズを所定の移動範囲内で上下に
   移動させるＺステージと、 ＸＹステージ上に載置される観察対象の像を前記対物レ
   ンズを通して撮像する撮像装置と、 前記撮像装置により得られた画像データに基づいてコン
   トラストデータを算出する画像処理装置と、 前記画像処理装置で算出されたコントラストデータに基
   づいて前記対物レンズの合焦点位置を検出し、前記Ｚス
   テージにより、その合焦点位置に前記対物レンズを設置
   する制御装置とを備える観察装置において、 前記観察対象の表面の凹凸幅よりも大きい第１の移動範
   囲で前記対物レンズを上下に移動させながら前記撮像装
   置により前記観察対象の画像を撮像し、その画像に基づ
   いて前記画像処理装置で算出されるコントラストデータ
   に基づいて第１の合焦点位置を検出し、その位置に前記
   対物レンズを設置した後、 前記第１の合焦点位置から、前記観察対象表面の凹凸幅
   よりも小さい第２の移動範囲で前記対物レンズを移動さ
   せながら前記撮像装置により前記観察対象の画像を撮像
   し、その画像に基づいて前記画像処理装置で算出される
   コントラストデータに基づいて第２の合焦点位置を検出
   し、その位置に前記対物レンズを設置することを特徴と
   する観察装置。
7. 【請求項７】 前記観察対象は、ＸＹステージ上に載置
   されており、 そのＸＹステージによる前記観察対象の移動が行われて
   いない時間を測定する手段と、 測定された時間が予め設定された時間に達した時点で、
   自動的に前記対物レンズの前記第１の移動範囲内での移
   動を開始させることを特徴とする前記請求項５に記載の
   観察装置。