JPH09281384A - オートフォーカス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザ走査顕微鏡などの顕微鏡システムに有効
な、高速、高精度のオートフォーカスを実現すること。 【解決手段】レーザ光源から放射されたレーザ光を対物
レンズで集光して被測定物に照射し、被測定物からの反
射光を検出するとき、反射光の検出光路を二方向に分割
する。一方の光路を進行する反射光を第一の受光器で受
光してビーム断面形状（ビームスポット径）を検出し、
他方の光路を進行する反射光を第二の受光器で受光して
反射光の全体強度を検出する。ビームスポット径の変化
からフォーカス制御方向を決定し、ベストフォーカス近
くまで粗い移動ステップで第一のフォーカス制御を行
う。次に、反射光強度変化を検出して細かい移動ステッ
プで第二のフォーカス制御を行い、ベストフォーカス位
置に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ走査顕微鏡な
どの顕微鏡システムに有効なオートフォーカス制御装置
に関するもので、高速で高安定なオートフォーカスを実
現することを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】レーザ走査顕微鏡を用いて微小パターン
の寸法計測、表面形状計測などを行う場合、被測定物に
フォーカスされたレーザ光を照射することが必要であ
る。そのために、レーザ光のオートフォーカス制御が重
要になってくる。図４（ａ）にレーザ走査顕微鏡におけ
る従来のオートフォーカス制御機構、図４（ｂ）にフォ
ーカス位置と反射レーザ光強度の関係を示す。図４
（ａ）において、４１はレーザ光源、４２は各種のレン
ズ、走査素子などから成る走査光学系、４３は対物レン
ズである。走査光学系４２で走査制御され、対物レンズ
４３により集光されたレーザ光４３１を被測定物４４の
表面に照射し、被測定物４４からの反射光をビームスプ
リッター４２２で反射して集光レンズ４２４で集光し、
受光器４５で検出する。４６は反射光強度判定部で、検
出された反射光強度情報からフォーカス位置が正常か否
かの判定を行う。４７は移動ステージで、反射光強度判
定部４６での判定結果にもとずいて、被測定物４４のフ
ォーカス位置を変化させてベストフォーカス位置への設
定を行う。

【０００３】次にオートフォーカス制御の判定について
説明する。図４（ｂ）の曲線４８はフォーカス位置と反
射光強度の関係を示すもので、反射光強度はベストフォ
ーカス位置４８０で最大になり、ベストフォーカス位置
から離れるにしたがって減少し、フォーカスはずれが大
きくなるとほぼ０になる。このとき、フォーカス位置が
近い方向（＋）とフォーカス位置が遠い方向（―）で
は、ベストフォーカス位置を中心としてほぼ対称的に反
射光強度が減少する。フォーカス位置が４８２の点にあ
ればＣＣＷ方向（近ずく方向）に制御し、フォーカス位
置が４８８の点であればＣＷ方向（遠ざかる方向）に制
御して最大強度位置４８０に設定する。このようなオー
トフォーカス制御においては、フォーカス制御方向を決
定することが重要である。例えば、移動ステージ４７の
初期移動方向がＣＷ方向に設定されているとき、移動前
に反射光を検出したときの位置が４８２の点にある場合
は、一定距離だけＣＷ方向に移動させた位置４８４では
反射光強度が前よりも減少する。そこで、ＣＷ方向は制
御の逆方向であると判定し、制御方向を反転させて、Ｃ
ＣＷ方向に制御を進めてベストフォーカス位置に設定す
る。

【０００４】他のオートフォーカス制御方法としては、
光ピックアップなどで採用されている多分割型受光素子
を用いる方法もある。これは図４（ａ）の受光器４５に
２分割、あるいは４分割受光素子を用い、分割された各
受光素子間の光強度の差を検出する構成である。図５に
２分割受光素子を用いたときのフォーカス位置と光強度
の差強度の関係を示す。曲線５１に示すごとく、差強度
はベストフォーカス位置５１０で０になり、フォーカス
位置から離れると正負のピークが発生する。フォーカス
位置から大きく離れると差強度は共にほぼ０になる。こ
のような特性の場合、フォーカス制御方向は差強度の正
負の符号で判定する。例えば差強度が正で５２０の点に
ある場合は、フォーカス位置が遠い方向（―方向）にあ
ると判定し、ＣＣＷ方向にフォーカス制御を行ってベス
トフォーカス位置に設定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のオートフォーカ
ス制御装置では、反射レーザ光全体の強度変化、あるい
は反射レーザ光のビーム断面形状変化に伴う差強度変化
を一つの受光器で検出する構成である。図４（ｂ）の曲
線４８、及び図５の曲線５１において、被測定物４４の
位置がベストフォーカス位置の近傍にある場合、反射光
強度、あるいは差強度が一定の強度レベル以上であるた
め、フォーカス判定が正しく行われる。しかし、被測定
物４４の位置がベストフォーカス位置から大きく離れて
いる場合、反射光強度、あるいは差強度が一定の強度レ
ベル以下となるため、移動ステージ４７によるフォーカ
ス位置の多少の変化では反射光の強度変化が小さく、フ
ォーカス制御方向を決定することが困難である。このよ
うな場合、被測定物４４を移動ステージ４７により多数
回移動させて反射光強度が増加する方向を決定する必要
があるため、フォーカス制御時間が長くなるという問題
が生じる。

【０００６】さらには、フォーカス制御時間短縮のため
に大きな移動ステップでフォーカス制御を行った場合、
反射光強度、あるいは反射光の差強度が大きい領域を一
度の移動で飛び越して逆方向にフォーカス制御を進める
場合もあり、信頼性に欠けるという問題点もある。以上
の従来の問題点は、一つの受光器だけで反射光を検出す
るため、反射光強度という単一の反射光情報しか検出さ
れないためである。したがって、フォーカス位置ずれが
大きい場合、反射光強度以外の反射光情報をも検出し、
ベストフォーカス位置に対して遠い方向、近い方向のい
ずれの方向にずれているかをすみやかに判定して制御方
向を決定し、高速でベストフォーカス位置に設定するこ
とが重要である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は以下の構成をなす。レーザ光源から発せら
れたレーザ光を対物レンズで集光して被測定物に照射
し、該被測定物からの反射光を検出し、前記対物レンズ
と被測定物の間の距離を変える移動手段を用いてフォー
カス制御を行うオートフォーカス制御装置において、前
記被測定物からの反射光の検出光路を二方向に分割し、
一方の光路を進行する反射光のビーム断面形状を第一の
受光器で検出し、他方の光路を進行する反射光の反射光
強度を第二の受光器で検出し、第一のフォーカス判定部
で前記第一の受光器で検出された反射光のビーム断面形
状から反射光のビームスポット径が小さくなるフォーカ
ス制御方向を決定し、ベストフォーカス位置の近傍まで
粗い移動ステップで前記移動手段で第一のフォーカス制
御を行い、第二のフォーカス判定部で前記第二の受光器
で検出された反射光の強度が増加するフォーカス制御方
向を決定し、ベストフォーカス位置まで細かい移動ステ
ップで前記移動手段で第二のフォーカス制御を行う構成
である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は、特にフォーカス位置ず
れが大きい場合のフォーカス制御に有効で、フォーカス
制御方向を高速で確実に検出する構成である。レーザ光
を被測定物に照射し、その反射光を検出するとき、反射
光の光路を二方向に分割して二種類の受光器で個別に検
出し、異なる二種類の反射光情報からフォーカス制御を
行う。一方の光路を進行する反射光はスポット像を拡大
してＣＣＤカメラなどの面受光素子から成る第一の受光
器で検出する。また、他方の光路を進行する反射光は集
光してフォトダイオードなどの点受光素子からなる第二
の受光器で検出する。第一の受光器は反射レーザ光のビ
ーム断面形状を検出して２次元画像処理を行い、ビーム
スポット径が小さくなる方向に第一のフォーカス制御を
行う。フォーカスはずれが大きい場合、被測定物の多少
の移動では反射光強度変化が小さいが、ビームスポット
径はフォーカス位置に応じて大きく変化するため、フォ
ーカス制御方向を容易に判定することが可能である。こ
の第一のフォーカス制御はフォーカス方向判定を行うた
めの予備的な制御で、ベストフォーカス近くの位置まで
粗い移動ステップでフォーカス移動を行う。

【０００９】第二の受光器は反射レーザ光の全体強度を
検出するもので、第一の受光器で判定された制御方向情
報にしたがって反射光強度が最大となる位置まで第二の
フォーカス制御を行う。この第二のフォーカス制御で
は、反射光強度が大きいレベルにあるため、細かい移動
ステップでベストフォーカス位置まで制御する。このよ
うに、異なる特性を有する二種類の反射光情報を検出
し、フォーカスはずれが大きい領域ではビームスポット
形状情報を利用し、フォーカスはずれが小さい領域では
反射光強度情報を利用することで、フォーカス制御方向
を的確に判定する。また、粗い移動でのフォーカスと細
かい移動でのフォーカスを組み合わせることでフォーカ
ス制御時間を短縮する。

【００１０】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明の実施例の構成ブロック図であ
る。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光を
発生する。１１は光学系ブロックで、対物レンズ１１
２、第一のビームスプリッター１１４、及び各種の光学
素子からなり、レーザ光を集光して被測定物１２に照射
する。１３は移動ステージで、被測定物１２を光軸方向
に移動してフォーカス合わせを行う。なお、移動ステー
ジ１３のかわりに対物レンズ１１２をＰＺＴアクチュエ
ータなどで直接移動させてフォーカス合わせを行っても
よい。被測定物１２で反射されたレーザ光は光路を逆進
し、第一のビームスプリッター１１４で反射され、さら
に第二のビームスプリッター１１６で二方向に分割され
る。第二のビームスプリッター１１６で反射されたレー
ザ光は像拡大カメラ系１１８で拡大され、２次元ＣＣＤ
イメージセンサーなどの面受光素子からなる第一の受光
器１４で検出される。また、第二のビームスプリッター
１１６を透過したレーザ光は集光レンズ１２０で集光さ
れ、ＰＩＮフォトダイオードなどの点受光素子からなる
第二の受光器１５で検出される。

【００１１】１６はフレームメモリーで、第一の受光器
１４で検出されたレーザ光強度信号をＡ／Ｄ変換してメ
モリー回路に２次元の画像プロファイルを記憶する。１
７は第一のフォーカス判定部で、フレームメモリー１６
に記憶された２次元画像データの微分処理、２値化処理
などを行って、反射レーザ光のビーム断面形状、特にビ
ームスポット径を算出し、被測定物１２の移動の前後に
おけるそれらのデータの変化からフォーカス制御方向を
決定する。フォーカスがはずれる方向はビームスポット
径が大きくなる方向、フォーカスが合う方向はビームス
ポット径が小さくなる方向であるため、ビームスポット
径が小さくなる方向を決定する。このフォーカス制御を
第一のフォーカス制御と称し、信号１７２により比較的
粗い移動ステップで移動ステージ１３を移動させ、ベス
トフォーカス位置の近くまでフォーカス制御を行う。こ
の第一のフォーカス制御の終了は、ビームスポット径が
ある設定された値以下になることで判定する。また、初
期のフォーカス位置がベストフォーカス近傍にあると判
定した場合は、移動ステージ１３の移動は行わないで、
次のフォーカス制御に移る。

【００１２】１８は第二のフォーカス判定部で、第二の
受光器１５で検出された反射光強度信号をＡ／Ｄ変換
し、被測定物１２の移動の前後における反射光強度変化
を判定する。フォーカスがはずれる方向は反射光強度が
減少し、フォーカスが合う方向は反射光強度が増加する
方向であるため、第一のフォーカス制御に続いて反射光
強度が増加する方向に制御する。この制御を第二のフォ
ーカス制御と称し、信号１８２を発して細かい移動ステ
ップで移動ステージ１３を制御してベストフォーカス位
置に設定する。なお、第二の受光器１５は２分割あるい
は４分割受光素子を用いてもよく、この場合は各受光素
子間の差強度を検出する。また、本発明の実施例として
反射光検出例を示したが、被測定物１２からの透過光を
検出する場合でも同様である。以上の二種類の反射光情
報からフォーカス制御を行う方法をハイブリッド式オー
トフォーカスと称する。

【００１３】図２にフォーカス位置と反射光強度、反射
光ビーム径の関係を示して本発明のフォーカス位置判定
を説明する。実線で示した曲線２１は第一の受光器１４
で検出される反射光のビーム直径の変化、点線で示した
曲線２２は第二の受光器１５で検出される反射光強度の
変化を表したものである。曲線２１では、ビーム形状は
円形で、ベストフォーカス位置（Ｚ＝０）においてビー
ム径が最小になり、フォーカスずれが大きくなるにした
がってビーム径が大きくなる。このとき、ベストフォー
カス近傍ではフォーカス位置変化に対するビーム径の変
化が小さくてブロードに変化するが、逆にフォーカス位
置ずれが大きい場合はビーム径の変化が大きくてほぼリ
ニアーに変化する。曲線２２では、ベストフォーカス位
置において反射光強度が最大となり、フォーカスずれが
大きくなるにしたがって反射光強度が低下する。このと
き、ベストフォーカス近傍ではフォーカス位置変化に対
する反射光強度が２次関数的に大きく変化するが、フォ
ーカス位置ずれが大きい場合は逆に反射光強度の変化が
小さく、ほぼ０になる。

【００１４】以上の互いに相反する特性を有する二つの
反射光情報を用いることにより、フォーカス制御方向の
判定が容易になる。移動ステージ１３の初期の移動制御
方向がＣＣＷ方向に設定されていると仮定する。フォー
カスはずれが大きい場合、移動前の位置が２１０の点
で、移動後の位置が２１２の点であれば、ビーム直径が
減少するため、第一のフォーカス判定部１７はＣＣＷ方
向が制御の順方向であると判定し、ＣＣＷ方向へ制御を
継続する。従来方法の反射光強度だけを検出する場合
は、移動の前後における反射光強度変化が小さいため、
ＣＣＷ方向が順方向であるとは明確に判定できない。し
かし、本発明のビーム径の変化を検出することにより、
移動ステージ１３の一度の移動ステップでフォーカス制
御方向を明確に決定できる。

【００１５】ＣＣＷ方向へ粗いステップでフォーカス制
御を行ったとき、フォーカス位置が２１４の点を超え、
ビーム径が予め設定された値以下になればベストフォー
カス位置の近傍であると判定する。このときは反射光強
度が一定の強度レベルを超えており、第二の受光器１５
で検出された反射光強度情報をもとにしてＣＣＷ方向へ
第二のフォーカス制御を継続する。２２０の点はＣＣＷ
方向へ微小なステップで移動させた場合の反射光強度
で、以下順次２２２、２２４、２２６の点に移動させ、
移動前後における反射光強度の増減を検出する。２２２
の点から２２４の点への移動は反射光強度が増加するた
め、順方向と判定してＣＣＷ方向へ制御を継続する。２
２４の点から２２６の点への移動は反射光強度が減少す
るため、ベストフォーカス位置を飛び越したと判定し、
逆のＣＷ方向に例えば半ステップの距離だけ反転する。
この位置をベストフォーカス位置と判定してフォーカス
制御を終了する。例えば、対物レンズのＮＡ値が０．５
の場合のレーザ光の焦点深度は１μｍ程度であるため、
粗い移動ステップは５〜１０μｍ、細かい移動ステップ
は０．５〜１μｍに設定すればよい。

【００１６】図２で説明したビーム径の変化からフォー
カス制御方向を判定する方法は、移動ステージ１３を一
度移動させる必要がある。これは、反射光の断面形状が
円形の場合、ベストフォーカス位置から遠いか近いかの
判定が直接にはできないためである。次に、本発明の第
二の実施例として、反射光のビーム断面形状から直接に
フォーカス制御方向を決定する方法を説明する。図３の
実線で示した曲線３１はフォーカス位置に対する反射光
ビーム断面のＸ方向の直径、点線で示した曲線３２はＹ
方向の直径を表すもので、Ｘ方向の直径、Ｙ方向の直径
がフォーカス位置によって異なることを示している。す
なわち、反射光のビーム断面形状が楕円である。本例で
は、フォーカス位置が遠い方向（Ｚ＜０）にずれている
場合は縦に細長い楕円、フォーカス位置が近い方向（Ｚ
＞０）にずれている場合は横に細長い楕円となり、ベス
トフォーカス位置の近傍では円形である。反射光のビー
ム断面形状を楕円にするためには、第二のビームスプリ
ッター１１６と像拡大カメラ系１１８の間にシリンドリ
カルレンズを配置し、非点収差現象が生じるようにすれ
ばよい。なお、反射光強度変化は図２の場合と同様であ
る。

【００１７】フォーカスはずれが大きくて、初期に点３
００の位置に被測定物１２がある場合、第一のフォーカ
ス判定部１７は反射光画像データからＸ、Ｙ方向のビー
ム径を算出し、Ｘ方向のビーム径がＹ方向のビーム径よ
りも小さいために縦方向の楕円であると判定し、ベスト
フォーカス位置から遠い方向にあることを検出する。し
たがって、ＣＣＷ方向に第一のフォーカス制御を行い、
ビーム断面形状がほぼ円形にちかくなる位置３１０まで
制御を繰り返す。初期に点３２０の位置に被測定物１２
があれば、同様にして横方向の楕円であると判定し、Ｃ
Ｗ方向に第一のフォーカス制御を行う。次は、前述のご
とく、反射光強度データから第二のフォーカス制御を行
い、ベストフォーカス位置に設定する。また、初期に位
置３１０に被測定物１２が存在する場合は、ビーム断面
がほぼ円形であることが検出されるため、ベストフォー
カス位置の近くにあると判定し、第二のフォーカス制御
を実行する。このように、反射光のＸ方向，Ｙ方向のビ
ーム径を比較することにより、被測定物１２の移動を行
わないでも初期のフォーカス制御方向を直ちに決定する
ことが可能である。

【００１８】図６に本発明によるオートフォーカスのフ
ローチャート図を示す。図３に示した反射光のビーム形
状と反射光強度から判定する場合である。ステップ６０
１は画像処理によるレーザ光の断面ビーム形状検出で、
Ｘ、Ｙ方向のビーム径を検出する。ステップ６０３はビ
ーム形状判定で、縦に長い楕円（Ｘ＜Ｙ）、横に長い楕
円（Ｘ＞Ｙ）、円（Ｘ〜Ｙ）のいずれの形状かを判定す
る。楕円の場合はフォーカスはずれが大きいと判定し、
第一のフォーカス制御を行わせる。円の場合はベストフ
ォーカス位置の近くであると判定し、第一のフォーカス
制御は行わないで第二のフォーカス制御に入る。

【００１９】ステップ６０５は被測定物１２の移動で、
第一のフォーカス制御を行う場合の移動ステージ１３の
移動方向を設定して被測定物１２を移動する。縦に長い
楕円の場合はＣＣＷ方向に移動し、横に長い楕円の場合
はＣＷ方向に移動する。このときの移動ステップは５μ
ｍほどの比較的大きなステップとし、円形に近いビーム
形状が得られるまで、ステップ６０１、６０３、６０５
を繰り返し実行する。反射光のビームスポット径を比較
して形状を判定する場合は、予め被測定物１２を移動さ
せないでもフォーカス制御方向が決定できる。

【００２０】ステップ６０７は第二のフォーカス制御を
行う場合の反射光強度の検出で、円形のビーム形状が得
られた後に行う。ステップ６０９は移動ステージ１３の
移動方向を設定して被測定物１２を移動させる。このと
きの移動ステップは１μｍほどの比較的小さなステップ
とする。移動方向はステップ６０５で決定された方向に
設定すればよいが、ステージ移動を行う前にステップ６
０３で円形ビームが得られた場合は、初期設定として、
例えばＣＣＷ方向に移動する。ステップ６１１は反射光
強度検出で、移動後のフォーカス位置での反射光強度を
検出する。

【００２１】ステップ６１３は反射光強度増減判定で、
被測定物１２のフォーカス位置の移動前後での反射光強
度の増減を判定するとともに、移動方向の再設定を行
う。移動後の反射光強度が移動前の反射光強度よりも増
加すれば、フォーカス制御は順方向と判定し、ステップ
６１５で再び被測定物１２を移動させ、フォーカス制御
を継続する。また、最初に円形ビームが得られた場合、
初期のＣＣＷ方向への移動で反射光強度が減少したら、
逆方向であると判定し、ＣＷ方向への移動に設定し、フ
ォーカス制御を継続する。フォーカス制御を継続する
と、ベストフォーカス位置を飛び越えた状態が生じ、反
射光強度が増加から減少に転じる。ステップ６１７は移
動ステージ１３の制御方向の反転移動で、ＣＣＷ方向に
１μｍステップで移動していればＣＷ方向に０．５μｍ
反転させ、ベストフォーカス位置であると判定してフォ
ーカス制御を終了する。

【００２２】

【発明の効果】上記のごとく本発明は被測定物からの反
射光検出光路を二つの光路に分割し、反射光ビーム断面
形状と反射光強度という異なる特性を有する二種類の情
報を、異なる二種類の受光器を用いて検出する構成であ
る。反射光ビーム断面積はフォーカスずれの距離に応じ
て変化する特性を有するため、フォーカスはずれが大き
い場合にフォーカス制御の方向を決定するのに有効であ
る。このフォーカス制御はベストフォーカス位置近くま
での制御を行うもので、粗い移動ステップで行うことで
フォーカス制御の高速化に有効である。さらに、上記の
予備的なフォーカス制御に続いて反射光強度変化を検出
することで、ベストフォーカス位置を少ない移動ステッ
プで正確に決定することが可能になる。したがって、本
発明によるオートフォーカス制御装置は従来の装置に比
べてフォーカス位置判定を正確、高速に行うことが可能
であるため、レーザ走査顕微鏡などを用いたサブミクロ
ンの形状計測に応用したとき、高速、高精度な計測が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明のフォーカス制御の第一の方法を説明す
る図で、フォーカス位置による反射光強度変化と反射光
ビームスポット径の変化を示す図である。

【図３】本発明のフォーカス制御の第二の方法を説明す
る図で、フォーカス位置による反射光ビーム径の変化を
示す図である。

【図４】従来のフォーカス制御方法を説明する図で、
（ａ）はフォーカス制御装置の構成例で、（ｂ）は反射
光強度の変化を示す図である。

【図５】従来のフォーカス制御方法を説明する図で、２
分割受光器を用いたときの反射光強度の差強度変化を示
す図である。

【図６】本発明のフォーカス制御の第二の方法を説明す
るフローチャート図である。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 １２ 被測定物 １３ 移動ステージ １４ 第一の受光器 １５ 第二の受光器 １７ 第一のフォーカス判定部 １８ 第二のフォーカス判定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源から発せられたレーザ光を対
   物レンズで集光して被測定物に照射し、該被測定物から
   の反射光を検出し、前記対物レンズと被測定物の間の距
   離を変える移動手段を用いてフォーカス制御を行うオー
   トフォーカス制御装置において、前記被測定物からの反
   射光の検出光路を二方向に分割し、一方の光路を進行す
   る反射光のビーム断面形状を第一の受光器で検出し、他
   方の光路を進行する反射光の反射光強度を第二の受光器
   で検出し、第一のフォーカス判定部で前記第一の受光器
   で検出された反射光のビーム断面形状から反射光のビー
   ムスポット径が小さくなるフォーカス制御方向を決定
   し、ベストフォーカス位置の近傍まで粗い移動ステップ
   で前記移動手段で第一のフォーカス制御を行い、第二の
   フォーカス判定部で前記第二の受光器で検出された反射
   光の強度が増加するフォーカス制御方向を決定し、ベス
   トフォーカス位置まで細かい移動ステップで前記移動手
   段で第二のフォーカス制御を行うことを特徴とするオー
   トフォーカス制御装置。