JP5580206B2 - レーザ光機械加工 - Google Patents

Description

本発明は、２光子吸収により工作物をレーザ機械加工するための装置および方法に関する。

通常、２光子吸収を用いた工作物のレーザ光機械加工は、レーザ光の焦点を工作物上へ、あるいは工作物へ移動させることによって行われ、また、レーザ走査リソグラフィのレーザ書き込みとしても知られている。この目的に用いる装置および方法として最新技術によるものが複数知られているが、これらは通常、例えば感光性レジストの重合のように工作物の重合を利用したものである。こうした装置および方法の説明は、後述の先行技術にそれぞれ見ることができる（Ｊ．−Ｍ． Ｌｏｕｒｔｉｏｚ著、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３、４２７（２００４年）、Ｍ．Ｄｅｕｂｅｌ等著、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３、４４４（２００４年）参照）。レーザ光書き込みに用いる顕微鏡は先行技術において説明されている（例えば米国特許第５０３４６１３号明細書参照）。レーザ光書き込みに適した材料は、後述するような刊行物において説明されてきた（例えばＭｉｌｌｅｒ Ｊ等著「Ｌａｓｅｒ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ （ＬＳＬ） ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｏｆｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｌｌ−Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ」、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、９３号、Ｎｏ．６、２００６年４月２０日、１０６０〜１０６８頁）。

非常に高い解像度を達成することが目標であるので、開口数の高い対物レンズを使用して、機械加工精度を保ちつつ、１００ｎｍ未満の範囲にまで進歩することができるようにしている。一般に、開口数が約１．４の油浸レンズが使用される。通常、工作物に書き込む構造自体は空間の全方向に数百μｍの距離で延びる。好適な工作物材料には、とりわけ、カバーガラス上にスピンコーティングした感光ラッカー（レジスト）が使用される。

短距離秩序と長距離秩序の形成、および少なくとも１つの境界面に対する精密な基準は、解像に加えてストラクチャリングの品質にも関与する。走査することは、工作物内、またはその上で焦点位置を移動させることを意味し、多くの場合、この工作物の移動は非常に精密なピエゾテーブルを使用して行われる。しかし、恐らくは長時間に亘る書き込み工程／露出工程の最中に、サンプルの位置を、光軸に対して横方向（即ち側方）および縦方向（即ち軸方向）の両方に可能な限り安定に保つ必要がある。これは、特定の製造工程において工作物を機械加工する上で、さらに、焦点位置を絶対基準化する際にも必須である。

しかし、集束の絶対位置の基準化は、多くの場合、非常に困難であるかまたは不可能であり、特に機械加工工程中に変化する可能性があるという問題が生じる。
最新技術ではさらに、三角形分割方法や、自動焦点機能のための、斜めに位置決めした共焦点スリット膜の手段によるコントラスト評価および位置決定を伴った画像化方法が知られている。三角形分割方法の場合、平行化したレーザ光をレンズの瞳平面内に反射させ、これにより、画像化光路に対するこのレーザ光の前進から、サンプルで反射されたレーザ光のｚ位置に関する結果を得る。レーザ走査リソグラフィで機械加工する従来サイズの工作物を用いた場合には、こういったシステムの自動焦点の品質では不十分である。さらに、測定結果が、工作物の、あるいはこのために採用した検出器の中心で得られたものか、縁で得られたものかについてはっきりしない可能性もある。そのため、三角形分割方法は通常繰り返し実行することになり、比較的時間がかかってしまう。

コントラスト評価を伴った画像化方法の場合には、サンプルが特定強度分布をもって照明されるが、この場合一般に、照明光路の視野絞り面内に格子が１つ位置する。画像化光学系とサンプルとの間の距離を変えて一連の写真が撮影され、この一連の写真の中からコントラストが最も高い写真が決定され、この写真に最良の焦点距離が割り当てられる。サンプルに投影されたパターンのコントラスト分析の手段による自動焦点装置の例は、先行技術に見ることができる（米国特許第５６０４３４４号明細書または米国特許第６５４５７５６号明細書参照）。

通常、２光子吸収の手段で機械加工される工作物は透明であるが、その透明さのために、工作物の内部には構造が全くないことから問題が生じる。
さらに、斜めに位置決めした共焦点スリット膜の手段によって位置決定を行うことが先行技術より知られているが、この場合、スリット膜は照明光路の視野絞り面内に位置決めされ、サンプルに投影される（例えば独国特許出願公開第１０３１９１８２Ａ１号明細書参照）。サンプルから反射された光は、スリット膜に対して傾斜して配置されたＣＣＤラインへ向けられ、次に、このＣＣＤライン上で、反射された光が最大となる位置が決定される。この方法は非常に迅速であるが、サンプルまたはサンプル表面上の不純物のために強度が変動する可能性があるという問題を伴う。さらに、この（スリット膜の）隙間は高精度を達成する目的で非常に狭くなければならないため、隙間をＣＣＤライン上に投影する際に多大な調整が必要になる。特に、レンズの写真フィールドの縁においては、精度を大幅に制限するスリット膜が有効である。したがって、このアプローチはレーザ走査リソグラフィには使用できない。

全ての方法に共通しているのは、焦点面の探索は非常に精密に行えるが、サンプルにおいてこの焦点面の位置を決定する方法は大幅に限られてしまうことであり、この位置決定の方法はさらなる境界面に関する場合には特に限定される。

先行技術は数種の自動焦点光路の使用について記述している（例えば国際公開第００／４３８２０号明細書参照）。

【００１０】
したがって、本発明は、透明な工作物のレーザ光による機械加工を、高精密な様式の２光子吸収の手段によって行うことができる方法および装置を提供する目的に基づく。
【課題を解決するための手段】

この目的を達成するために、本発明による工作物をレーザ光機械加工する方法が提供され、この方法においては、焦点面を有する対物レンズによって、レーザ光が境界面を有する工作物内または上に集束されることで、２光子吸収の手段による機械的効果を生み出し、また、焦点の工作物に対する位置は移動され、また、焦点の位置の基準を得るために、照明された変調物体の画像が、同様に対物レンズを介して工作物へ、さらに焦点面の中へ、あるいは同面と交差するように投影され、境界面で生じる投影の反射が自動焦点像平面内に画像化され、カメラ像平面を有するカメラによって検出され、カメラ像平面は、照明された変調物体の投影が焦点面に在る場合に自動焦点像平面と交差するか、または変調物体の投影が焦点面と交差する場合に自動焦点像平面に在る。

本発明はさらに、２光子吸収の手段によって工作物をレーザ機械加工するための顕微鏡でこの目的を達成し、この顕微鏡は以下を備える。工作物受容空間内に配置された焦点面を設けた対物レンズ。対物レンズによって工作物受容空間内に集束される、機械加工用レーザ照射を発する機械加工用レーザ光源。照明され強度変調された変調物体を生成する光変調器を備えた自動焦点装置。レンズと協働して、変調物体の画像が工作物の受容空間内に生成されるように、照明された変調物体を焦点面内に投影するか、または同面と交差させる自動焦点光学系。カメラ像平面を具備し、２次元写真を撮影するカメラ。対物レンズと協働して、工作物受容空間内に配置された変調物体の画像を自動焦点像平面内に投影するための自動焦点画像化光学系。ここで、カメラ像平面は、照明された変調物体の画像が焦点面に在る場合に自動焦点像平面と交差するか、または、変調物体の画像が焦点面と交差する場合に自動焦点像平面に位置している。

この目的は、本発明により次のとおり達成される。照明された変調物体の自動焦点投影を別個に使用しながら、工作物の境界面を高精度にターゲット照射することが可能な自動焦点機能を使用する。上記の自動焦点投影では、境界面内への投影が斜め様式に行われるか、もしくは、境界面に対する投影が斜め様式に検出される。

境界面が鏡面反射性である（例えば、カバーガラスとレジストとの間の境界面のようである）場合には、境界面の前後にて格子が深い焦点深度で投影されると、斜めの自動焦点検出器上でさらにコントラスト信号が生成される。その結果、この自動焦点原理では、相当に広い捕捉範囲を得ることが可能になる。

照明された変調物体を投影または検出することにより、この照明された変調物体の投影または検出が境界面と交差する場所において、後方反射が生じる。すると、今度はこの後方反射が検出されるため、集束または焦点ぼかし度を反射の側方位置から求めることができる。次に、こうして求めた境界面の位置をレーザ光機械加工での基準化に使用する。その結果、境界面に対して集束を精密に位置決めすること、例えばカバーガラスと実工作物との間での遷移が可能になる。レーザ機械加工中、システム内にドリフトの発生が予測される場合には、基準化を適切な形で、例えば断続的に繰り返すことで、あらゆる所望のレーザ光機械加工期間にかけて同一の高精度が確保できるようにする。

反射面を最良に検出するには、即ち、最良の自動焦点機能を実行するには、機械加工用レーザ光のスペクトル範囲が存在しないスペクトル範囲内で作業することが有利である。したがって、変調物体がレーザ光と異なるスペクトル範囲内の光を放出し、カメラによる反射の検出中にこのレーザ光のスペクトル範囲がフィルタリング除去されることが好ましい。これは、検出光路内に適切なフィルタを設けることで達成できる。

そのため、機械加工期間に依存しない品質としては、反射面の位置をレーザ光機械加工の最中に少なくとも断続的に決定し、これを集束位置の設定の基準として使用することが好ましい。

精度を向上させるには、複数の異なる横方向の点において、即ち光軸に対する複数の異なる位置において実際のレーザ光機械加工を実施する前に反射面の位置を決めておき、この反射面を平面によってモデリングする。これにより、モデリングされたこの平面では、反射面の位置がさらに精密に示されるようになる。

光軸に対する垂直から見た場合の傾斜形態をした全てのずれは、後のレーザ光機械加工において検討される。個々のまたは数個の横方向の点がモデリングされた平面から大幅にずれていると認識された場合は、反射面に変形が生じたと結論付けることができる。このような変形は、明らかに工作物の品質パラメータである。そのため、理想的な平面からの反射面のずれの測定値を、これら横方向の点の位置がモデリングされた平面から離れている距離から求め、その測定値に基づく品質パラメータを工作物に割り当てることが好ましい。特定の品質パラメータ範囲内では、反射面の変形があまりにも大きい理由で、工作物のさらなる機械加工を抑制することが可能である。

通常、工作物の機械加工は３次元の焦点調整によって行われる。工作物または焦点を交互に移動することが可能である。焦点は、それぞれ連続的に完全に処理され、境界面に対して平行または垂直に位置する複数の平面内で調整され、また、この調整の最中に、各平面につき１回、あるいは各平面の処理を行う毎に１回の基準化が境界面に対して行われることが好ましい。この基準化は、例えば、次の平面に進む前に、更新された境界面位置の決定、即ち基準化を実行する方法で行える。

変調コントラストは静的透過または反射格子から生じることが好ましい。また、変調コントラストは、例えば面状に延びるストリップ格子として配置することができる。格子周期は、高い自動焦点解像度を達成するべく、主に可能な限り短く選択される。しかし、この格子周期は、要求された捕捉範囲全体について、自動焦点カメラで少なくとも１０％の変調コントラストが得られるだけ長くなくてはならない。自動焦点カメラの斜め位置のために、球形収差が画像フィールドの縁において最大となるので、変調物体の縁領域において制限が生じる。その結果、格子周期を、光軸上に使用しているレンズのアッベ（Ａｂｂｅ）解像よりも明らかに長く選択する必要がある。工作物の加工作業を最大の多様性をもって行えるよう、本発明の顕微鏡においては、光変調器の制御が可能であり、この光変調器は空間的または時間的に強度変調され、変調によるコントラストを有する発光変調物体を生成するために制御され、さらに、カメラがこの時間変調に関連したコントラストを検出することが好ましい。反射面の位置について評価された反射は、次に、例えばロックイン技術のような適切な時間フィルタリングによって、付随している可能性のある背景雑音あるいは干渉信号から分離することができる。光変調器は、照明された液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）またはデジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）要素、あるいは少なくとも１つの周期的構造、特にストリップ格子構造や数個の異なるストリップ構造を備えていることが好ましい。

変調物体は空間的に変調するが、調整可能な光変調器を使用すれば、さらに時間的な変調も可能である。時間的変調は、機械加工用レーザ照射からの変調物体によって照明を区別するためのスペクトル分離の代替である。これに関して、自動焦点投影の検出が時間的変調と同時に行われることが好ましく、これには例えばロックイン技術を用いることができる。時間的変調は、目視観察中に顕微鏡接眼レンズを通して顕微鏡内に認めることができない程非常に高周波で生じることが好ましい。使用できる周波数範囲は、明順応状態で約５０Ｈｚと眼の画像融合周波数よりも高く、例えば５０〜２００Ｈｚが使用可能な範囲である。

物体の投影は、機械加工用レーザ照射を工作物内および／または上に集束するレンズと同じレンズを用いて生じるので、特に精密な境界面位置の決定が達成される。変調物体の投影がビームスプリッタによって反射されて顕微鏡の光路内に入る単純な光学配置が好適である。

投影の時間的区別に加えて、またはその代替として、前々段落で説明したスペクトル分離が有利である。これについてはさらに、光変調器が、適切に、機械加工用レーザ照射のものとは異なる自動焦点スペクトル範囲内で光を放出するか照明され、また、自動焦点投影光学系は、自動焦点スペクトル範囲から外れるスペクトル範囲を、特に機械加工用レーザ照射のものを抑制またはフィルタリング除去する少なくとも１つのフィルタを備えている。

例えば機械加工用照射の高度の透過（約９５％以上可能）による残りの顕微鏡光路部分への影響を小さく抑えることが可能な分光鏡を使用することで、構成された照明への及びからの結合と、工作物上で反射されたこの照明のカメラへの投影とを有利に行える。スペクトル分離された自動焦点照射と組み合わせた２色性の分離は特に好適である。さらに、スプリッタ上に非反射性コーティングを施して、残りの顕微鏡光路部分への影響を可能な限り小さく抑えることも有利である。また、透過度を犠牲にすることで反射度を高めることが可能であることも明らかである。自動焦点システムが例えば赤外線（ＮＩＲ）照明源に作用する場合には、２色性ビームスプリッタを、自動焦点照射を自動焦点光路内で効率高く案内したり、この光路への結合または分離を行えるように配置することが好適である。

簡素化した構成では、自動焦点投影光学系が機械加工用レーザ照射のスペクトル範囲を抑制またはフィルタリング除去するのであれば、照明された変調物体は、機械加工用レーザ照射も含まれるスペクトル範囲内で照明されることができる。

例えば変調物体をストリップパターンにするストリップ照明のように、変調物体の周期的照明があるので有利である。この場合は、例えば、現在の焦点面と結合した平面において最大のコントラストを有するストリップパターンのようなそれぞれの周期的パターンがカメラに現れる。こうして、信頼性と精度が非常に高い、工作物の境界面のための自動焦点システムを実現することができる。

光変調器と自動焦点カメラは両方とも２次元的、即ち平面的に設計されている。２次元解像の自動焦点カメラの各ライン用いて、自動焦点信号を生成することができる。数本のラインが常に照明されているため、これらのラインの自動焦点信号を平均することが可能であり、これによって方法の精度が飛躍的に向上する。

障害となる背景反射が少ないほど、変調物体が大きく拡張できる。原則的には、物体フィールド全体を格子構造によって照明できるため、平面的な自動焦点カメラも最大限利用することが可能である。特にレジストに隣接していないカバーガラスの表面からの（空中に向かう）、競合する障害となる反射が存在する場合には、競合する反射の共焦点抑制が達成されるように変調物体を狭く設計する必要がある。このようなケースでは、自動焦点カメラの、例えば１０〜３０本といったほんの数本のみのラインを照明し、評価することができる。

変調物体の投影によって生じる影響を可能な限り低く抑えるためには、空間的に変調された変調物体の構造を、迅速な交流方式（例えば３０Ｈｚ以上）で側方変位させることが好ましい。調整可能な光変調器ではさらに、レンズが検出した物体フィールドまたは工作物空間の範囲の特定の部分のみを、常時または一時的（例えば、境界面発見後）に照明することも可能である。このようにして、自動焦点のための画像コントラストを高めることができる。

境界面検出で関連のある局面は、変調物体が対象の焦点面に対して斜めに位置するか、カメラ像平面が自動焦点投影光学系の像平面に対して斜めに位置するかである。この斜めの位置決めは、光軸に対して斜めに位置する変調物体またはカメラによって達成される。これにより、変調物体は光軸に対して斜めに位置し、カメラの像平面は光軸に対して垂直に位置するようになる。変調物体が光軸に対して垂直に、また、カメラの像平面が光軸に対して斜めに位置させることも可能である。さらに、変調物体とカメラの像平面の両方を斜めに位置決めすることもできる。この場合には、この両方は接合した平面に位置しない可能性がある。

顕微鏡の全ての応用形において、カメラ（１また複数）の信号評価を実行し、任意での調整が可能な光変調器を制御し、顕微鏡に（例えば、焦点調整、ｘ／ｙ調整、フィルタの旋回および／または始動を行うために）任意で提供された調整ユニットの制御を実行する計算評価装置を使用することが好適である。評価と制御は、両方ともハードウェア回路とソフトウェアの手段によって実現できる。本発明の自動焦点装置は、動作中に、計算評価装置を備え、既述の手順を実行するためにここで説明した測定を開始する制御装置によって制御されることが明らかでる。この制御装置は、顕微鏡にあらゆる形で設けられる制御装置であってよい。

良くないケースでは、カメラ上で証明される光変調、即ちサンプル内に投影される物体の画像が、スペックル効果によって劣化する可能性がある。このような目的で、工作物または変調物体、および／または、任意で、これらを単調または周期的に照明する光源を移動させ、あらゆるスペックルパターンを平均化させることが有効であることもある。さらに、変調物体とカメラを同時に移動させることもオプションで有効である。

サンプルから構造情報を抽出するために、さらなるカメラを反映させられることが理解される。これらのカメラは、サンプルの複数の異なる交差面がカメラ上に投影される形で配置することができる。即ち、カメラは、光軸に対して異なる傾斜角度で、あるいは、光軸に対して異なる回転角で配置される。

自動焦点捕捉範囲をｚ方向へ拡大するために、光変調器に関連していない平面上にカメラを追加して設けることもできる。この捕捉範囲はそれぞれの傾斜角度によって設定される。非関連様式で配置されたカメラの斜め位置は、変調物体が光軸と共に取り囲む変更後の角度と同等である。球形画像エラーと反射損失による実用的な理由から、この角度が３０°未満に選択されることは滅多にないので、このような追加のカメラにより、自動焦点装置の捕捉範囲を拡大する可能性が得られる。

この顕微鏡は、特に逆顕微鏡として配置することが可能である。
光変調器を、空間的または時間的に強度変調された変調物体を生成するように制御でき、またそのように配置した場合には、各種の工作物への特に優れた適合が得られる。この制御可能性は、照明されたＬＣＤまたはＤＭＤ要素を光変調器として使用する方法により達成できる。採用する波長は、顕微鏡における通常の照明照射とは異なるものが好適である。原則的に、自動焦点装置の光変調器および／またはカメラは、機械加工用照射のための光路内に結合させることができる。潜在的に妨害となる顕微鏡からの照射は、適切なスペクトルフィルタによって、自動焦点装置のカメラの前で有効に抑制されたり、自動焦点装置内で消してしまうことが可能である。ビームスプリッタは、例えば、２光子機械加工用照射と交差しない２０ｎｍといった狭い波長範囲のみを反射できるように構成されている。原則的に、自動焦点機能には可視範囲全体と、ＮＩＲおよびＵＶとを使用できる。

サンプルに投影された変調物体が周期的構造、例えばストリップ格子構造を持っている場合には、この投影された変調物体の特に単純な分析を得ることができる。光変調器はこれに従って設計される。

自動焦点装置は、ビームスプリッタによって顕微鏡の光路内に適切に反射されるが、この場合、変調物体の投影と、さらにカメラへ戻るその戻り画像とが同じビームスプリッタを介して同時に結合される。しかし、これは強制ではない。

光軸に対するカメラの像平面または変調物体の斜め位置の角度によって、自動焦点装置が作用する捕捉範囲または深度範囲が設定される。この角度は２０〜７０°が適切である。既に説明したように、像平面が互いに傾斜する状態に、また特に異なる傾斜で配置された数台のカメラを使用できる。

自動焦点照射および機械加工用照射のスペクトル分離を扱っている際は、自動照射光路内で機械加工用照射のスペクトル範囲をできる限り抑制することが明らかに有利である。例えば２色性ビームスプリッタを通過する、従って自動焦点光路に未到達の全ての光線成分は、適切なフィルタによって抑制されることが好適である。サンプル内に在る変調物体の画像を、中間画像を使ってカメラに投影した場合には、特に優れたフィルタリングが可能である。これにより、カットオフフィルタを使用するための十分な空間が得られる。

自動焦点光路内で照明を分離する、即ち検出から工作物上への変調物体の投影、即ちカメラ上への反射の画像化を行うためのビームスプリッタに、ビームスプリッタ内を伝播してきたが不要となった照射を全て吸収する照射トラップを設けることで、干渉となる照射、をさらに抑制することができる。

中間画像を使用することにより、検出を行うカメラとビームスプリッタとの間の距離が広がるため、自動焦点照明と自動焦点検出を切り離すことができるといった、さらに非常に多くの利点が得られる。そのため、不可避であるビームスプリッタから拡散した光は、複数の反射を介してのみ、即ち強力に減衰された形でカメラに到達することになる。中間画像を使用することにより、ビームスプリッタとカメラとの間に配置した光学系ユニットからの反射をさらに抑制することができる。

上述の特徴、および以下で説明する特徴は、ここで述べた組み合わせにおいてだけでなく、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、別の組み合わせにて、もしくは単独で使用できることが理解される。

次に、本発明を以下の図面を参照しながら例証の方法でより詳細に説明する。

レーザ走査リソグラフィ用顕微鏡の略図を示す。 図１の顕微鏡の一部を詳細図にて示す。 図２の顕微鏡を、自動焦点装置の図と共に示す。 図２の顕微鏡を、図３とは別の改良された自動焦点装置と共に示す。 図３と類似の顕微鏡を示す。 較正ステップにおける境界面の決定を説明するグラフを示す。 中間投影光学系をカメラの上流に配置した自動焦点装置を装備している、図３と類似の顕微鏡を示す。 例証的な光変調器の正面図を示す。 図３または図７の自動焦点装置のカメラから発信されたコントラスト信号を示す。 図３または図７の自動焦点装置のカメラから発信されたコントラスト信号を示す。

図１はレーザ走査顕微鏡１を示しており、この顕微鏡を用いれば、直接レーザ書き込みの手段を使って（即ち、レーザ走査リソグラフィによって）、例えば基板上のポリマー層のような工作物に多次元構造を製造することができる。この場合、２光子吸収を使用する。

図１は大幅に簡素化した図である。顕微鏡１は、レーザ書き込み用の照射源としてＦＳレーザ(フェムト秒レーザ)のようなパルスレーザ３を使用する。レーザ３からの例えば平均波長７８０ｎｍの照射が、パルス調整器４内でＦＳパルスに成形される。この目的を果たすには、まず、照射をλ／２板５、機械式シャッタ６、望遠鏡７、音響光学変調器（ＡＯＭ）８を介して案内し、その強度を調節する。この調節の観察（例えば、閉鎖ループフィードバックによるもの）を、照射の一部分を受光するモニタダイオード９を介して行う。

物体平面において可能な限り短い（すなわち、帯域幅制限された）パルスを得るために、群速度分散（ＧＶＤ）をＧＶＤモジュール１０の手段により適切に設定した後、ビームを調整可能な望遠鏡１１内で拡大し、λ／４板１２および偏光鏡を介して顕微鏡光路１３内に案内して結合させることによって物体の瞳を最良に満たす。こうして得た機械加工用レーザ光１４の顕微鏡光路内での結合は、対物レンズよりも手前に鏡およびビームスプリッタ以外の光学要素が存在しない状態で行う。対物レンズは、ピエゾテーブルに固定した工作物内にレーザ光を集束させる。このピエゾテーブルは、例えば、工作物上または工作物内で焦点位置を移動させるための走査装置である。

顕微鏡光路１３は、後に詳細に説明する自動焦点検出器１５に加えてカメラ１６をさらに備えており、このカメラ１６は、自動焦点の較正が可能で、従来のハロゲンランプでのスペクトル的にフィルタをかけた照明、あるいはＬＥＤによる照明を介して、好ましくはサンプルの透過光画像を得ることができる。図２に、自動焦点検出器１５およびカメラ１６に関連した顕微鏡光路１３を概略的に示す。

レーザを制御するためにレーザ制御装置１６が設けられている。顕微鏡１全体は顕微鏡制御ユニット１７によって制御されている。図１中では、制御ラインを例証の方法により破線で示す。

図２は、顕微鏡光路１３の一部を概略的に示す。先に図１を参照して説明したように、機械加工用レーザ光１４はビームスプリッタ１９を介して結合される。ビームスプリッタ１９は、例えば７８０ｎｍの機械加工用照射の波長を反射する。特に、ビームスプリッタ１９は、７５０ｎｍよりも広い波長範囲内にある照射は反射するが、これ以外の照射は透過する、２色性のものとして特別に配置することができる。こうして結合させた機械加工用レーザ照射１４は、次に、２光子吸収の手段により変化を誘発させたり、また特に、フォトレジストあるいはレジスト内に３次元構造を生成するために、対物レンズ２０によって工作物２の上または工作物２内に集束される。

２光子吸収は、透過性の材料、即ち線吸収による機械加工が不可能な材料に機械加工を施すために使用するものとして知られている。カメラ１６は、通常、透明な工作物２を評価または監視するために使用される。後の記述で、このカメラの光路内への設置について詳細に説明する。

機械加工用レーザ光１４の手段によって直接レーザ書き込みを補助するために、自動焦点装置を顕微鏡光路１３に接続している。ここで、自動焦点光路２１は、ビームスプリッタ２２によって、即ち対物レンズ２０よりも手前で、機械加工用レーザ照射の光路内に結合される。図２の図示では、自動焦点光路２１を２重矢印で概略的に示すことで、自動焦点照明と自動焦点検出との結合の両方を自動焦点光路２１を介して生じることが例証されている。したがって、ビームスプリッタ２２は、自動焦点照明とこれに関連する検出値の波長範囲、例えば８００ｎｍよりも高い照射を反射する。ビームスプリッタ２２は、例えば７８０ｎｍといった機械加工用レーザ照射の波長範囲に用いる場合は透明であることが好ましい。この際、ビームスプリッタ２２は２色性となるように配置される。

対物レンズ２０は、色修正に従って、図２の略図に破線で示す自動焦点照射を、実線で示す機械加工用レーザ照射１４とは若干異なる深さに集束する。
透過光下での操作中に工作物２を監視するために、既述のカメラ１６を使用する。照射２３はコンデンサ２４の手段によって工作物２内を通り、対物レンズ２０の反対側へ案内される。この場合、照射は、ビームスプリッタ１９、２２の少なくとも一部分を透過するスペクトル範囲内にある。次に、透過光下での操作中に、工作物２が管レンズ２５および対物レンズ２０の手段によりカメラ１６に画像化される。一実施形態では、管レンズ２５はフィルタ２６と共に上流に設けられ、このフィルタによって、例えば５８０ｎｍの大部分の透過光照明がカメラ１６に確実に到達できるようになる。フィルタ２６は、例えばフィルタエッジが７５０ｎｍといったショート・パス・フィルタとして配置できる。

したがって、カメラ１６が工作物２を画像化するのは、透過光下での操作中、あるいは工作物２が蛍光発光する時、さらに蛍光照射操作中である。このケースでは、カメラが対応できる波長範囲は４００〜６００ｎｍである。

図３は、顕微鏡光路１３を、自動焦点光路２１の実施可能な実施形態と共に示している。
自動焦点された照明の照射は、照明管光学系２７および対物レンズ２０を介して工作物２上に結合される。自動焦点光路２１は、さらに、透過操作時に光源２９によって、あるいは反射操作時に光源３０によって照明される光変調器２８を備えている。照明された光変調器２８は、発光変調物体を生成する。この変調物体は、照明管光学系２７、ビームスプリッタ２２、対物レンズ２０を介して工作物２内に投影され、画像化される。こうして自動焦点照明が実現される。工作物２内に生成されたこの画像は、例えば２次元カメラ１５として配置でき、かつ自動焦点装置の光軸ＯＡ２上の上流にさらなるビームスプリッタ２３と共に設置される自動焦点検出器によって、逆方向において検出される。

光軸ＯＡ３に沿って伝播するこの照射は、ここから先は任意で、ビームスプリッタ２４を介してさらなるカメラ３１へと案内される。
或る装置では、ビームスプリッタ２２は、既に上述したように２色性のものとして配置され、光源２９、３０は、例えばあるいは顕微鏡では必要でない波長にて照射する。したがって、自動焦点装置は、工作物２の画像化または機械加工には使用されないスペクトル範囲内で動作する。

図面は主に、単にカメラと検出器の像平面を示すものである。カメラは一般にＣＣＤカメラであり、光源はＬＥＤであってよい。
図３の構成では、光変調器２８と、さらに変調物体とが光軸ＯＡ２に対して垂直に位置している。しかし、カメラ１５とその像平面とは、光軸に対して斜めに位置している。光変調器２８が例えばストリップパターンによって空間変調を実行する際には、図面の平面に対して垂直なカメラ１５のライン内に最大コントラストが見られる。カメラ１５に沿ったこのラインの位置は、光軸、即ちｚ方向に沿った焦点面の位置の尺度である。

光変調器２８によって、透過操作中（光源２９）または反射操作中（光源３０）のいずれかに生成された変調物体は、照明管光学系２７と対物レンズ２０に補助され、工作物２内に投影される。斜めに位置したカメラ１５が深度分解を実行する。カメラ３１は、照明されたサンプルの側方変位を検出することができる。

顕微鏡１は、自動焦点装置に関してさらなる制限なく走査顕微鏡として機械加工を行うように配置されている。図２の逆構成または図３の直立構成を同様に使用することができる。

図４は、自動焦点装置に関連した図１の顕微鏡の代替装置を示す。図４の顕微鏡では、上で既に説明した構成部分については同一の参照符号を用いて示している。したがって、それらについての説明は省略する。

ここでは、カメラ１５は、構成された自動焦点照明の画像を別個の検出光路によって検出する。
この目的を果たすべく、顕微鏡光路１３に別個のビームスプリッタ３２を設けている。
このビームスプリッタは自動焦点照明の波長に応じて選択され、例えばビームスプリッタ２２と同等の２色性を持つ。サンプルに投影された変調物体、または反射や後方拡散をカメラ１５の手段によって検出できるようにするには、カメラ１５の上流にそれぞれ対応するリレー光学系２３を設ける。これらのリレー光学系の光学特徴により、カメラ１５の像平面が、これと対になっている変調物体の平面と、理想的には光軸付近または光軸上において確実に交差できるようになる（さらに図３にも示す）。

自動焦点装置、特にカメラ１５によって供給された信号を使用して、ｚ軸に沿った焦点の移動が制御される。これを図４中に二重矢印によって概略的に示す。この目的で使用する制御ユニットは、図１中に参照符号１７で示したものである。

図５は、サンプルを強力に拡散し、低反射するための顕微鏡１の装置を示す。既に上で説明した要素については再度の記述を省略する。図面中、これらの要素には既述のものと同一の参照符号を付している。

図５の自動焦点装置は、光を強力に拡散させる物体のために改良したものである。これによって、サンプルから拡散した光を主に分析する装置が実現する。
この装置では、２次元光変調器２８が光軸ＯＡ２と共に０〜９０°、好ましくは２０〜７０°の角度を包囲する。この光変調器２８も既に説明した構成と関連しており、したがって、透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）、あるいは、変位装置を装備した振幅格子であってよい。その構造は、やはり淡色、濃色の細片から成って居ることが好ましい。光変調器２８は１または複数個の強力ＬＥＤ（発光ダイオード）によって照明されることが好ましい。これは、上述した応用にも適用される。光源２９が透過型変調器内に、光源３０が反射型変調器内に設けられている。光変調器２８を用いて変調物体を生成するために、従来の、光を均質化するための光学装置および中間画像のための光学系を使用することができる。これら従来の装置は、図面を明瞭化する理由から図５（および先行の図面）中には示されていない。

変調物体は、照明管光学系２７と対物レンズ２０に補助されて工作物２に投影される。
光変調器２８とさらに変調物体とは光軸に対して垂直に位置していないため、変調物体（例えば交互に配置された淡色／濃色細片）は光軸に対して斜めに、したがって工作物の深さで投影される。

カメラ１５の像平面は、光変調器２８と、さらに変調物体とに接合した平面上にある。したがって、この像平面は、光軸（この場合は光軸ＯＡ３）に対して光変調器２８と同じ角度で傾斜する。サンプルによって拡散した光は、変調方式でカメラ１５に画像化される。変調物体のコントラストは、カメラ１５内部の、工作物から拡散した場所にのみに現れる。図５の装置が、薄いまたは拡散性の工作物に特に適しているのはこのためである。

これに加え、自動焦点機能を実行するための自動焦点装置は、光軸ＯＡ３に対して垂直に配置されているために、その像平面が光変調器２８、さらには変調物体に関連して斜めに位置した状態となるカメラ３１をさらに備えている。このカメラ３１は、５０％スプリッタ２４を介して自動焦点光路２１に接続されている。

自動焦点装置を、こうしてカメラ１５が光変調器２８とは反対方向に傾いた点に関連してさらに改良することが可能である。こうすることで、カメラ１５の像平面と光変調器２８とは互いに対を成すことがなくなる。これにより捕捉範囲が、典型的には２倍に拡大する。

図３〜図５の構成は、直立した顕微鏡１における自動焦点装置を示す。スライドと対物レンズとの間にカバーガラスと液浸流体（例えば油、水、グリセリン）を配置することができる。しかし、これは強制ではない。区別すべき用途が２つある。液浸流体を使用しない場合には、カバーガラスまたはスライドの上方側における空気／気体の境界面にてコントラストが最高となる。液浸流体を使用した場合は、カバーガラスの底部側と埋め込んだ媒体との間の境界面にてコントラストが最高となる。拡散した光や望ましくない反射は、自動焦点光路内に半球形停止部のような停止部を導入することで抑制できる。

ビームスプリッタ２２は、雑音となる２次画像を防ぐために片面をＡＲコーティングした平面平行ガラス板であってよい。自動焦点信号の反射に使用するガラス板の側面にも２色コーティングを施すことで、長波自動焦点光の反射性を高めることができ（長波自動焦点照明を用いた別の形態を使用する場合）、機械加工用照射に便利な短波光を優勢的に伝播することができる。これ以外のスペクトル分割も実施可能であることが理解される。

直接レーザ書き込みに通常必要とされている高解像を達成するには、液浸流体を使用することで、カバーガラスと工作物２またはそのポリマーレジスト層との間の境界面における屈折率を増加させる。説明したタイプの、自動焦点装置を別個に備えた顕微鏡は、自動焦点に用いる波長に、例えばフォトレジストの露出ができない等の、工作物２に対する望ましくない機械加工効果がない限り、直接レーザ書き込み中に、この境界面の位置を決定することができる。

自動焦点を使用することの決定的な局面は、自動焦点の解像度に合った精密度で境界面位置を精密に較正できることである。直接レーザ書き込みの前に設けられた較正工程に基準物体を使用するが、液浸油に関連した屈折率のほんの若干ではあるが差異が存在することから、この基準物体は、好ましくは工作物２のカバーガラスと同等の厚さのカバーガラスで覆われていることが好ましい。精密に測定されるべき単純な基準サンプルは、適切な染料溶液（例えばフルオレセイン）をカバーガラスで覆ったものから成る。この基準サンプルとしての染料溶液には、機械加工用照射の集束時に光化学的に破壊された染料分子が拡散作用によって自動的に交換されるという、利点がある（他の溶液でも同様）。基準サンプルとしての流体染料溶液の１つの代替形に、染料をフォトレジスト中に溶解させ、これをカバーガラス上でレジストによりスピンコーティングするというものがある。

染料は、例えば７８０ｎｍのような機械加工照射の波長での２光子吸収による蛍光励起を可能にすることが好ましい。
これで較正が実行され、カバーガラスから染料を含有した媒体内までの境界面付近において、機械加工レーザ照射１４の焦点を段階的に合わせながら、カメラ１５で一連の写真が撮影される。説明したカメラ１５の上流に配置したフィルタによって、機械加工用レーザ照射の波長よりも長い波長を持った、この場合には、励起レーザ放射として働く光のみが吸収される。カバーガラスと蛍光溶液との間の境界面の平面はこの一連の写真から決定される。測定の精密度を高めるには、任意で焦点スポット周囲の適切な画像領域にかけてカメラ１５で取った信号を平均化することができる。こうして、図６中で光軸ＯＡ１に沿って延びているｚ座標の関数としての信号の例証が得られた。これによれば、縦軸上で信号強度Ｉ（ランダム単位）を示している。横軸上の軸座標ｚの単位はマイクロメートルである。曲線３４は、ｚ座標の関数としての強度信号である。曲線３４の導出から測定点３５が得られるか、または測定点からこの曲線が生成される。測定点３５に変位が生じた場合でも、補間３６によって精密度を高めることができる。補間３６の最大位置または測定点３５は、カバーガラスとサンプルとの間の境界のｚ座標を精密に表している。次に、このｚ位置が自動焦点装置のそれぞれのデータと比較され、基準化点として決定される。

収差からの変位を防ぐには、説明した較正工程中に、自動焦点照明照射の焦点を機械加工用レーザ照射１４の焦点と可能な限り一致させるべきであり、また、機械加工用レーザ照射１４を境界面上に正確に集束させた時に、自動焦点照明照射の焦点がカバーガラス内または液浸媒体中にいくぶん入る形での色修正を任意で設計するべきである。

図７は、上述した較正状態にある自動焦点装置を装備した逆顕微鏡１を示す。工作物の代わりに、染料溶液が入った上方開口型のキュベット３７を使用するが、このキュベットは、既述のカバーガラス３８を液浸顕微鏡に付着させることによって密封されている。

図７の構成では、自動焦点装置の光路２１はビームスプリッタ２２を介して顕微鏡光路１３に接続されている。これ以外の全てについては、先行の説明がほぼ当てはまる。図７中では、これに加えて、自動焦点照明照射のスペクトル範囲を適切な方法でフィルタ処理する任意のスペクトルフィルタ３９を示しており、さらに、光変調器２８から変調物体を生成するための照明光学系４０も例証の方法により示されている。光変調器２８の均質照明を行うために、照明光学系４０は拡散板も含んでいることが好ましい。照明光学系４０は説明した全ての応用形に使用することができる。

図７は、カメラ１５の信号が、とりわけ各々の計算や制御を実行する制御ユニット１８へ案内されることをさらに示しており、また、既述のドライブ４１は焦点位置のｚ調整を行うものである。通常、制御ユニット１８は光変調器２８にも接続されて、光変調器２８を制御できるようにしていることが明らかである。これは、光源３９、３０、機械加工用レーザ照射の照射源４２にも当てはまる。制御ユニットは顕微鏡制御ユニット１７に接続しているか、あるいは内蔵されている。

自動焦点光路２１内のカメラ１５よりも上流には画像化光学系４３が設けられているため、カメラ１５に変調物体の画像が直接投影されるわけではなく、その中間画像４４が投影されるのである。図７の逆顕微鏡の例に示すこの原理が主に当てはまることが理解される。ここで透過格子として配置された光変調器２８と中間画像３０とは、工作物の焦点面と対を成す平面、さらにカメラ１５と交差する平面内に在る。

中間画像３０を用いて、工作物または基準物体内に配置された変調物体の画像を投影することには、例えば５０：５０ビームスプリッタとして配置できる自動焦点（ＡＦ）ビームスプリッタ２３をカメラ１５から遠く離して配置できるという非常に大きな利点がある。
不可避であるＡＦビームスプリッタ２３から拡散した光は、複数の反射を介することによってのみ、即ち強力に減衰させた方法でカメラ１５に到達する。これに加え、ＡＦビームスプリッタ２３の右手に位置する光学系から発せられ、カメラ１５へ向かう全ての反射光は、中間画像と結合することで防止できる。

図７に示す顕微鏡用の自動焦点装置の或る例証的な構成では、中心波長が８００ｎｍよりも高い、好ましくは８３０ｎｍのＩＲ ＬＥＤを光源２９として使用している。光源２９は制御装置１８に接続されているため、必要に応じて電源のオン／オフができ、一時的に変調させたり、明るさを調整することができる。

光変調器２８はスロット型の透過格子として配置されている。このスロットを可能な限り均等に照明し、照明源２９の照射を可能な限り効率的に利用するために、照明光学系４０を、例えば線形照明を生じさせるアナモルフィック光学系を備えたコリメータ光学系として設ける。フィルタ３９は光変調器２８の上流（あるいは下流）に最適に設けられており、また、このフィルタは赤外（ＩＲ）線帯域フィルタとして設けられ、ＩＲ ＬＥＤの中心波長にあわせて調整されている。この帯域幅は１０〜５０ｎｍにあるため、光源２９の望ましくないスペクトル成分は抑制される。

光変調器２８の１例には、図８の平面図に例証の方法で示す透過格子４５がある。この透過格子４５は、周期的な格子構造４６を含んだスロット型の停止部から成る。この格子スロットは、画像の中心または中心付近に配置され、自動焦点装置の最大捕捉範囲を確実に得るようになっている。図８に示すように、さらなる格子スロット４７に別の格子周期を設けることにより、格子周期を選択してカメラ上での画像化コントラストを最適化することができる。格子構造を含まない狭い隙間４８を設けることも可能である。ガラス／流体境界面で反射された光は、カメラ１５の個別読み出しが可能な構成部分に到達する。スロットにかけて投影した明るさの分布に基づいて、実捕捉範囲の外で焦点ぼかしを大まかに決定することができる。こうすることで、カメラ１５の格子からのコントラスト信号がない場合でも初期集束が可能となる。制御装置１８は、ｚ調整を必要とする方向、即ち、最初の捕捉範囲に戻るために必要なドライブ４１の制御方法を決定することができる。スロットが十分に狭い場合は、カメラ１５上の共焦点抑制の結果、明るさが増す。最初の捕捉範囲に戻るために必要な変位路は、明るさ分布の勾配から導出できる。これは、制御装置１８によって実行される。

ＡＦビームスプリッタ２３に、何もなければそのまま伝播する光変調器２８からの照射を吸収する光トラップ４９を設けている。光トラップ４９は、例えば研磨されたＮＧ１板のように、強力な吸収性を持った材料の板にて準備され、光軸に対して斜めに位置決めされることが好ましい。ＮＧ１は強力な吸収性を持った黒色ガラスである。

２色性ビームスプリッタ２２は、帯域フィルタ３９の後ろの自動焦点光路２１内で案内されたそのままの波長の照射のみを反射する。これ以外のスペクトル成分は伝播される。
この目的を果たすべく、ビームスプリッタ２２は干渉層を備えており、この干渉層は、例えば８００ｎｍ未満の照射を４５°の入射角で実質的に伝播させ、ＩＲ ＬＥＤの中心波長を持つ照射を実質的に反射する。ビームスプリッタ２２は帯域に似たスペクトル挙動を行うこともできるため、自動焦点スペクトル範囲よりも上（例えば８４０ｎｍよりも上）の波長も、４５°の入射角で実質的に伝播させることができる。これらのビームスプリッタ特徴は他の実施形態でも使用可能である点を理解されるべきである。

ビームスプリッタは、例えば交換車輪またはその他任意の交換機構の手段によって交換可能に配置できることが好ましい。
サンプル内に配置された変調物体の投影またはその中間画像３０の上流には遮断フィルタ５０が設けられており、このフィルタにより、それぞれの自動焦点スペクトル範囲の照射のみがカメラ１５に到達できる。したがって、サンプルの画像化から生じたこれ以外の照射は再び抑制される。

画像化光学系４３は、工作物内にまたは基準物体内に配置した変調物体の投影、あるいは境界面上に反射した画像をカメラ１５上に画像化する。画像化光学系４３は、管レンズ５１、開口数が小さい（例えばＮＡ＝０．２）標準の対物レンズ５２で構成することができる。

図９は、図７に示した構成を、工作物２への直接レーザ書き込みに提供するべく改良したものである。ここでは、キュベット３７の代わりに、照射の入射方向に関連した高い位置に設けたカバーガラス３８付きの工作物２を用いている。図９にはさらに、上述したように、レーザ書き込みの手段によって３次元構造を生成するべく工作物２の（ｘ、ｙ、ｚ）調整を実行する走査アクチュエータ２３も示されている。走査アクチュエータ２３は、装置の動作全体を制御する顕微鏡制御ユニット１８に配線（図示せず）で接続している点が理解される。

図１０、図１１は、例えば図７の構成を持つ自動焦点システム内のカメラ１５のコントラスト信号を示す。図１０は、カメラ平面におけるコントラスト信号をグレースケール表示で示し、図１１は、コントラスト信号の導出量を示す。いずれの図面でも、ｘ方向の画素数に表示アプリケーションを適用している。コントラスト信号の導出は、物体平面内に投影される格子コントラストを持たない全ての信号成分を抑制するために起こる。あるいは、またはこれに加えて、コントラスト信号をフーリエ変換によるフィルタ処理にかけ、格子周期に関連していない全ての周波数を除去することで、信号品質を最適化することも可能である。これは、格子周波数が帯域の中間に位置する帯域フィルタリングに関連している。

自動焦点システムの捕捉範囲は、対物レンズ２０（または境界面）のｚ変位の範囲によって事前に決定され、その際、評価が可能なコントラスト信号が自動焦点カメラに存在している。このためには次の２つの条件を満たす必要がある。

１．画像フィールド内にコントラスト信号が依存として存在していなければならない。
２．コントラスト信号は、雑音レベルを遥かに超える十分な信号レベルを持っていなければならない。

境界面が見られる範囲は制限されている。対物レンズ２０の焦点面が正確に境界面上に在る時に、コントラストの中心が画像フィールドの中間に位置している場合には、捕捉範囲は左右対象である。

コントラストの中心が画像フィールドの中間から縁へと変位するに従って、自動焦点コントラストは低下する。この信号対雑音比の低下は、主に球形収差とコマ収差によるものであり、この２つの画像エラーは画像フィールドの縁へ向かって一貫して増加する。このため、斜めに位置決めした自動焦点カメラ上の画像フィールドサイズを、コントラストレベルが捕捉範囲の縁において丁度十分となるように選択する必要がある。これに従ってカメラのサイズを選択する。

ここで障害となる制限を全て排除するために、例証の方法により図７中に破線で示したさらなる改良が提供される。これは、自動焦点対物レンズ５２と自動焦点カメラ１５との間の距離を変更するための縦方向調整機構５４を備えている。この目的を果たすために、対物レンズ５２を、固定されたカメラ１５に関連して光軸ＯＡ２に沿って移動させたり、カメラ１５を、固定された対物レンズ５２に関連して光軸ＯＡ２に沿って移動させることができるようになっている。例えばスピンドルドライブ、ステッパモータ、直流モータ、圧電アクチュエータ等の周知である駆動技術の全ては、電子的に駆動されることが好ましい縦方向調整機構５４に適している。

自動焦点対物レンズ５２とカメラ１５との間の距離の変更は、自動焦点投影の像平面に関連するカメラ１５の縦方向調整の一般的な基本原理のほんの１例である。最も単純なケースでは、縦方向調整機構はカメラ１５、投影光学系５２、光変調器２８を変位させることができる。縦方向変位は反対方向に起こるため、縦方向変位は、焦点面の調整に関係なく、境界面からの反射光をカメラ１５上に常に画像化することができる。自動焦点レンズと自動焦点カメラとの間の距離を、コントラスト信号の中心が常に画像フィールドの中間に位置するように設定するのはこのためである。この目的を果たすべく以下のステップを実行する。

１．ｚドライブ４１の補助により、境界面を顕微鏡対物レンズ２０の焦点面へ移動させる。これが自動焦点の開始位置である。これにより、コントラスト信号の中心が、画像エラーの発生が最も低い、自動焦点対物レンズ５２の画像フィールドの中間に置かれる。

２．ｚドライブ４１の補助により、顕微鏡対物レンズ２０の焦点面を工作物内または基準物体内に移動する。これと同時に、自動焦点対物レンズ５２とカメラ１５との間の距離を、コントラストの中心が自動焦点対物レンズ５２の画像フィールドの中間に留まるように変更する。

３．このようにして、望ましい焦点面を境界面に連続的に関連付けることができる。
これにより、自動焦点対物レンズ５２とカメラ１５との間の距離は一定に保ったままで、ｚドライブ４１による焦点ぼかしが全て補正される。自動焦点機能が働くことで、コントラストの中心は、自動焦点対物レンズ５２の像平面の中間、したがってカメラ１５の中間に保たれる。

捕捉および保持範囲は、純粋に、自動焦点対物レンズ５２の画像フィールドの中間で生じた画像エラーによって制限されるが、これは球形収差に大きく関係している。画像フィールドの縁に向かって大幅に増す収差、特にコマ収差や湾曲収差も、最早、障害となる影響を及ぼすことはない。これに加えて、画像フィールドの縁で生じるこれ以外の問題、例えば照明のダウンエッジ、ヴィネッティング、反射等が回避される。

コントラスト信号が画像フィールドの中間に留まるので、光変調器２８もより小型に配置することが可能になる。そのため、捕捉範囲を最大にするために、光変調器２８を対物レンズ２０の画像フィールド全体にかけて設ける必要もなくなる。顕微鏡照射内に結合させる自動焦点光が少なくなるため、自動焦点カメラ１５の裏面における拡散光も減少する。小型の（即ち短形の）光変調器２８を使用した場合には、自動焦点カメラ１５により小型の、したがってより費用効果的なカメラチップを使用することが可能である。

カメラ１５上に画像化された光変調器２８の構造、カメラ１５に対するその角度、カメラ１５の解像度、測定中における強度の静的ゆらぎは、ｚ位置の制御の精度に影響する。例えば自動焦点中に、顕微鏡の対物レンズ２０にも依存する制御精度を変更できるようにするには、図８で既に説明しているように、光変調器２８として互いに接近して配置された異なる周期を持つ数種の格子構造を任意で評価したり、および／または、これに従って、光変調器２８あるいはカメラ１５の斜め位置決めの角度を必要な制御精度に調整することができる。後者のオプションは、図７中で破線によって示されている。図７では、角度調整器講５５が設けられている。

自動焦点調整工程が完了したら、カメラ１５の角度を、例えば先程定義した精度条件に従って電子的に調整できることが好ましい。カメラ１５と変調物体の画像との間の角度調整は、最も単純なケースにおいて、カメラ１５または光変調器２８を、適切な角度調整機構の手段を用いて回転させることで行われる。

周知の技術、例えばスピンドルドライブ、ステッパモータ、直流モータ、直線モータ、圧電アクチュエータ等は全てこの目的に適している。適切な角度と、適切な格子間隔を持たせてそれぞれ選択した格子が在る場合には、自動焦点解像度を調整することが可能である。

図示の調整機構５４、５５は信号を発信し、この信号が自動焦点装置の制御装置１８に供給される。
そのため、自動焦点装置は以下の原理に従って動作する。光変調器は、中心波長８４０ｎｍのＩＲ ＬＥＤのような光源を設けた細片状の変調透過格子によって照明される。こうして生成された発光変調物体が顕微鏡の対物レンズ２０の物体平面内に投影される。反射性の境界面が物体平面またはその周囲環境に配置されている場合には、格子構造が反射によって戻され、これらの反射光が２次元自動焦点カメラ１５上に画像化される。カメラは投影の光軸に対して傾斜しているので、格子はカメラ表面の狭い領域内のみに集束されている形に見える。背景雑音を排除するために、２次元自動焦点カメラ上の強度分布をライン内で区別することができる。こうして、ライン毎にコントラストの中心が決定される。自動焦点信号の品質を向上させるには、任意で数本のラインのコントラストの中心の平均を取り、この平均したコントラストの中心の位置を、顕微鏡の対物レンズ２０の焦点面に対して物体側の反射性境界面の位置と相関させ、これを自動焦点信号として使用する。直接レーザ光書き込みの最中には常に必要であるように、特に高い精密さが要求される場合には、コントラストの中心を可能な限り画像フィールドの中心に接近して置く必要がある。これは、機械加工用レーザ１４の焦点もこの場所になるためである。これを行わないと、工作物２の屈曲部分、例えば上にポリマー（レジスト）が配置されるガラス板によって、較正測定に関して焦点がずれる可能性がある。

説明した顕微鏡１における自動焦点装置の自動焦点光路２１は、工作物２（透明であってもよい）内に製造する３次元構造の短距離および長距離秩序の維持に有利に貢献する。特に、境界面は、その位置について、それ以上全く想定していない状態で、上述した自動焦点機能、または境界面の移動によって生じる書き込み工程中常に基準化に使用することができる。その結果、境界面の移動前後におけるｚ位置が読み取られ、工作物内での境界面に対する最新の焦点位置を決定することが可能となる。

光軸に対する境界面、即ち例えば工作物の表面の傾斜を、機械加工用レーザ照射の使用前に検出し、直接レーザ書き込みの最中に修正することができる。これを行うには、適切に選択した固定のチェックポイントにて工作物２の境界面の位置を走査し、それぞれのｚ位置を記録する。この準備段階での走査中、チェックポイントの密度を、使用者が自由に選択するか、または顕微鏡制御ユニット１８にプログラムルーチンに基づいて自動的に決定させることができる。顕微鏡制御ユニットはさらに、1つのフィッティングに、チェックポイントの特定のｚ位置を介して平坦面を設け、境界面、例えば即ち工作物２の表面の傾斜を決定する。次に、直接レーザ書き込み中、および走査アクチュエータ５３の制御時に、この傾斜は検討され、工作物２またはその表面の傾斜に関係なく、機械加工用レーザ光１４の工作物２上またはその内部への集束が到達する点が、表面に対して望ましい関係を有する場所に位置するようになる。通常、こうしたポイントは、工作物２の平坦面までの距離によって表されるか、または定義される。

チェックポイントのｚ位置のフィッティングの最中に各チェックポイントが大きくずれることがある場合、これは境界面が変形していることを表す。このようなずれは、３個よりも多くのチェックポイントを使用した場合に常に生じる。そのため、チェックポイントのｚ位置を１つの平面とフィッティングしている最中に、各チェックポイントのｚ位置が、これらのチェックポイントが平面から少なくとも閾値を空けて離間していることを示した場合には、工作物２の機械加工が拒否されることがある。あるいは、またはこれに加えて、各チェックポイントがフィッティングした平面から離間しているｚ距離、または、数個のチェックポイントの距離から算出した比率を、直接レーザ光書き込みによる機械加工の前後における工作物２の品質提示の基準として用いることができる。

直接レーザ光書き込みは、原則的に２種類のストラクチャリングにおいて起こり得る。先ず１つ目の応用形では、ストラクチャリングは、軸方向へ移動している最中に、固定の側方位置にて露出が起こる形で生じる。このストラクチャリングは、いわゆる軸走査として知られている。工作物が所望の深度にかけて完全に露出されると、光は次の側面上の点に到達し、その後、同じ軸移動が生じる。側方移動後の次の軸走査の前に、境界面に対する集束位置をチェックしておくことが好ましい。

あるいは、ストラクチャリングは、所与の軸位置で、側方変位によって生じることも可能であり、そのため、このモードは側方走査としても知られている。境界面の位置は、軸位置に関係なく、選択した側部点上の各地点に決定することができ、この側部点上の各地点は、既述のチェックポイントと同一であってよい（しかし、同一である必要はない）。平坦面とのフィッティング毎に各平面に、境界面の位置に関連した新たな基準を決定し、この深度または次の深度についてこれを走査するかどうか検討することができるため有利である。

したがって、既述の装置または方法により、直接レーザ光書き込み中の変位を補正したり、工作物の境界面位置、即ち表面位置のチェックを実行することが可能となる。非常に大きな位置のずれがあった場合には書き込み工程が終了されることが明らかである。

したがって、本発明の装置は、顕微鏡制御ユニット１８の制御下において動作中に以下のステップを実行することができる。
ｚドライブ４１、縦方向調整機構（在る場合のみ）、任意の（ｘ、ｙ、ｚ）アクチュエータの較正は、既述の蛍光サンプル較正の実行に基づいて行うことができる。

いわゆるプレ走査では、境界面を異なるチェックポイントにて自動焦点装置によって走査し、これらチェックポイントのｚ位置を決定することができる。これらのｚ位置から１つの平面がモデリングされて、工作物２とカバーガラスとの間の境界面、即ち工作物２表面の平面の正確な位置が決定する。各チェックポイントにフィッティングした平面からの距離が大きすぎる場合には、工作物２が不十分であるとして拒否されるか、または、ワーピングを指示する対応した品質パラメータが提供されるかのいずれかが生じる。こうした動作を行うために、単一のチェックポイントだけでなく、全てのチェックポイントのｚ変位を適切な方法で連結するための適切な処置も使用できることが明白である。

次のステップでは、機械加工用レーザ光１４の焦点が境界面上に配置され、書き込みステップが開始する。
軸走査の場合、境界面に対して垂直な平面にて、望ましいレーザ光の移動が行われる。３次元容量の全体の処理が未完了であれば、各平面、即ち境界面上の新規の点にレーザ光が到達した後に、側方への移動が生じる。この新規の点が実際に境界面上に存在するかどうかを、自動焦点の手段によって任意にチェックすることができ、さらに、必要であれば修正が加えられる。この修正は、プレ走査中に決定した傾斜と基準化されるか、または（平面ではなく曲線とのフィッティングを行った場合には）工作物２のワーピングと基準化される形で行うこともできる。この新たな側部点のために、再度、サンプル面／境界面に対して垂直な走査が実施される。こうして、次の平面の処理が完了する。

側方走査の場合、書き込み工程は、境界面と平行な平面において生じる。この平面の処理が終了すると新規の軸位置に光が到達するが、このために、先に決定した境界面と基準化して、平面をモデリングすることができる。

機械加工工程は、軸走査または側方走査によるサンプルの処理が完了し次第、終了する。
以下は、自動焦点装置を設けた顕微鏡１の全ての実施形態または動作モードに当てはまる。

既に説明した捕捉範囲に関する改良、または位置決め精度の調整は、図７の構成だけでなく、全ての実施形態に使用できることが明らかである。
オンラインでのトラッキング中に、構造された照明によって生じる影響、即ち変調物体の画像を可能な限り低く抑えるために、ストリップパターンをサンプル上に変調物体として投影し、これを、交互様式で迅速に（＞３０Ｈｚ）にて側方へ変位させることができる。２つの位置の場合は、これは１８０°の位相シフトとなり、３つの位置の場合は、１２０°の位相シフトとなる。電子的な光変調器をトリガリングの最中に使用すれば、格子構造（即ち格子定数、デューティーサイクル）を非常に簡単に調整することができるので、時間平均的に均質な照明が得られる。最良の格子構造を、使用の各対物レンズ２０、そのＮＡ、拡大に合わせて調整することが可能である。

調整可能、特に制御可能な光変調器２８と、境界面を見つけた後に、関心のある物体フィールド範囲のみを照明する可変自動焦点照明構造とは、さらなる利点を有する。トラッキング装置について、さらに任意で標準の検出チャネルについて、画像コントラストを高めることができる。

自動焦点およびトラッキングシステムの全ての応用形では、信号分析とアクチュエータ（ｚドライブ、（ｘ、ｙ、ｚ）テーブル、フィルタなど）の制御を実行する計算の制御および評価装置（例えばコンピュータ）が使用される。評価と制御は、ファームウェアまたはソフトウェアの手段によって実現できる。この制御および評価装置は、ここで説明しているシーケンス制御の全てを実行するものである。

調整可能な、例えば電気的切り換えが可能な光変調器（例えばＬＣＤ、ＤＭＤ）の代わりに、静的な光変調器（透過格子または位相格子）を使用することもできる。投影した変調物体は、傾斜可能な平坦板または別の装置を用いて、サンプル側で交換することができる。これと合わせて、格子の交換も可能であり、これにより格子定数または構造の応用形を達成できる。既に説明したように、数種類の異なる格子周期を持つ平坦な格子構造を使用することも可能であるが、これは例えば、２〜１０個の隣接して配置した格子周波数の異なるストリップ格子であってよい。これは、光変調器が線形であってよく、必ずしも２次元でなくてもよいということを例証の方法で示している。

本発明による自動焦点方法は、プレーナ（２次元）カメラと協働させることが好ましく、雑音抑制は数本のラインを評価することで可能であり、また、数本の格子ラインが在る場合には、機械的な変更を何ら加えずに、それぞれのカメララインを読み出すことで、各用途に最も適した格子を選択することができる。原則的に、光軸に対して垂直に位置している光変調器２８は透過型変調器としてより実施し易い一方で、傾斜して配置した光変調器２８は反射型変調器として実現し易い。トラッキングシステムでの検出の対象物体が非常に小さい場合には、十分に高周波の照明変調を行えない可能性がある。この場合は、空間的に変調されない様式で照明したり、拡散あるいは反射された信号の強度のみを評価することができる。ＣＣＤカメラに加え、ＣＭＯＳおよびこれ以外の全てのタイプのデジタルカメラを空間解像検出器として検討できる。

自動焦点装置は、サンプルの特定の領域を自動的に集束させたり、これを物体の焦点面に保持することができる。この目的のために、境界面と関連する工作物面との間に、ずれ（典型的に０〜１０００μｍ）を事前に決定しておくことができる。ステップを追う毎にこのずれが変化してゆく場合には、既に説明したように、常に境界面から明確かつ制御された距離を保てるように工作物を３次元的に機械加工する。

本記述において方法ステップまたは特定の動作モードについて記述したが、これらは、例えば制御装置１８のような、自動焦点装置に属する制御装置によって実現される。
自動焦点装置によってサンプル内部を可能な限り深く測定できるようにするために、カメラ１５を各光軸（例えば図７中の光軸ＯＡ２）に対して非対称に配置し、非対称な捕捉範囲を得るようにすることが可能である。例えば、境界面と対物レンズ２０の設定した焦点面とが接合している場合、最初は捕捉範囲の縁付近でコントラストが最大である。これによって、捕捉範囲のこれ以外の縁は、境界面から設定した焦点面までの最大距離と関連し、また、この焦点面にはまだ集束を固定することができ、即ち最大保持範囲である。

対物レンズの倍率に応じて、１０μｍ〜１０ｍｍの捕捉および保持範囲の達成が可能である。ｚ平面での解像度は、対物レンズの倍率または開口数に応じて５ｎｍ〜５μｍである。ｚ解像度は常に、使用の対物レンズ２０の焦点深度の５倍である。

Claims (13)

1. 工作物（２）をレーザ光機械加工する方法であって、焦点面を有する対物レンズ（２０）によって、レーザ光（１４）が反射面を有する前記工作物（２）内または前記工作物（２）の表面上の焦点に集束されることで、２光子吸収の手段による機械的効果を生み出し、前記焦点の前記工作物（２）に対する位置は移動され、前記焦点の位置の基準を得るために、照明光が、変調器および前記対物レンズ（２０）を介して前記工作物（２）へ投影され、さらに前記焦点面の中へ投影され、さらに、前記反射面で生じる前記投影の反射が自動焦点画像化光学系（２７、４３）により自動焦点像平面内に画像化され、該反射がカメラ像平面を有するカメラ（１５）によって検出され、
   前記反射面の位置は、前記レーザ光機械加工の最中に断続的に決定され、かつ焦点位置設定のための基準として使用されることを特徴とする方法。
2. カバーガラス（３８）が前記工作物（２）の上に配置され、前記工作物とカバーガラスとの間の境界が反射面として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記変調器を通過した前記照明光は、前記レーザ光（１４）のスペクトル範囲とは異なるスペクトル範囲の光を発し、前記レーザ光（１４）の前記スペクトル範囲は前記検出にてフィルタリング除去されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. ２光子吸収の手段により反射面を有する工作物（２）をレーザ光機械加工するための顕微鏡であって、工作物空間に配置される焦点面を有する対物レンズ（２０）と、前記対物レンズ（２０）によって前記工作物空間内に集束される機械加工用レーザ照射（１４）を発する機械加工用レーザ光源（４２）と、光変調器（２８、２９）を備えた自動焦点装置と、前記対物レンズ（２０）と組み合わせて前記変調器を通過した照明光を前記工作物（２）へ投影し、さらに前記焦点面の中に投影する自動焦点光学系（２７）と、２次元写真を撮影するとともに、カメラ像平面を具備したカメラ（１５）と、前記対物レンズ（２０）と共に前記反射面で生じる前記投影の反射を自動焦点像平面内に画像化する自動焦点画像化光学系（２７、４３）とを備え、
   前記反射面の位置は、前記レーザ光機械加工の最中に断続的に決定され、かつ焦点位置設定のための基準として使用されることを特徴とする顕微鏡。
5. 前記光変調器（２８）は調節可能であり、かつ空間的または時間的に強度変調された照明光であって、変調されることによりコントラストを有する該照明光を生成するように調節され、前記カメラ（１５）は、コントラストを検出することを特徴とする、請求項４に記載の顕微鏡。
6. 前記変調器を通過した照明光の投影は、ビームスプリッタ（２２）によって反射され、前記対物レンズ（２０）に導く光路（１３）内に入ることを特徴とする、請求項４または５に記載の顕微鏡。
7. 前記自動焦点画像化光学系（２７，４３）は、前記機械加工用レーザ照射（１４）のスペクトル成分を抑制またはフィルタリング除去する少なくとも１つのフィルタ（５０）を備えることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の顕微鏡。
8. 前記自動焦点画像化光学系は複数の光学系（４３）を備え、前記光学系（４３）は前記カメラよりも上流に配置され、前記変調器を通過した照明光の投影を前記カメラ（１５）上に画像化し、前記自動焦点画像化光学系は中間画像（４４）を生成することを特徴とする、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の顕微鏡。
9. 前記カメラ（１５）と前記自動焦点画像化光学系（４３）との間の距離を調整路に沿って調整するための長さ方向調整機構（５４）によって特徴付けられ、前記長さ方向調整機構（５４）は、調整路の長さを示す位置フィードバック信号を出力する、請求項４乃至８のいずれか一項に記載の顕微鏡。
10. 前記カメラ像平面と前記変調器を通過した照明光の画像との間の傾斜角を調整するとともに、角度信号を出力する角度調整装置（５５）によって特徴付けられ、顕微鏡は更に前記角度信号を受信し、前記角度調整装置（５５）を動作させて自動焦点解像度を設定する制御装置（２６）を備えることを特徴とする、請求項４乃至９のいずれか一項に記載の顕微鏡。
11. 請求項１乃至３のいずれか一項に従って顕微鏡内の動作を制御するように配置された制御ユニット（１８）を備えることを特徴とする、請求項４乃至１０のいずれか一項に記載の顕微鏡。
12. 前記光変調器（２８）は、照明光により照明されるＬＣＤ要素またはＤＭＤ要素、または、少なくとも１つの周期的構造を備えていることを特徴とする、請求項５に記載の顕微鏡。
13. 前記少なくとも１つの周期的構造は、ストリップ格子構造であることを特徴とする、請求項１２に記載の顕微鏡。

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