JPH1010419A - 焦点検出装置 - Google Patents

焦点検出装置

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JPH1010419A
JPH1010419A JP8185655A JP18565596A JPH1010419A JP H1010419 A JPH1010419 A JP H1010419A JP 8185655 A JP8185655 A JP 8185655A JP 18565596 A JP18565596 A JP 18565596A JP H1010419 A JPH1010419 A JP H1010419A
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JP
Japan
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objective lens
image
light
shielding plate
lens
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Application number
JP8185655A
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English (en)
Inventor
Yasuo Yonezawa
康男 米沢
Osamu Yamashita
修 山下
Tsuneo Hasegawa
恒夫 長谷川
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/34—Systems for automatic generation of focusing signals using different areas in a pupil plane

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Automatic Focus Adjustment (AREA)
  • Focusing (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】焦点検出に有害な回折光や散乱光を確実に遮光
することができる焦点検出装置を提供する。 【解決手段】物体８に対物レンズ７を通してパターン３
または光源像を投影し、物体８より反射されたパターン
または光源像を再び対物レンズ７に導き、該対物レンズ
７と後続の光学系９，１１，１３とによって複数回の結
像２１，２３を行い、最終結像面２３に受光素子１４を
配置し、複数回の結像のうちの隣接する結像面２１，２
３の間に、光軸周りに非対称に形成した検出側遮光板１
２を配置することにより、受光素子１４に至る光束を部
分的に遮光した焦点検出装置において、検出側遮光板１
２を、対物レンズ７の瞳共役像位置２２またはその近傍
に配置したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、落射照明型顕微鏡
の焦点検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の落射照明型顕微鏡に用いられる焦
点検出装置としては、例えば、米国特許第３７２１８２
７号等で知られているように、スリットパターンを物体
に投影し、その反射像を受光素子で検出する方式が一般
的であった。これを図９及び図１０によって説明する。
先ず図９は、有限系対物レンズでの例である。光源１か
らの照明光は、集光レンズ２によってスリット３を照明
している。スリット３から出た光束は、光軸周りに０〜
１８０°の部分のみを遮光した照明側遮光板４により光
束を半分にされ、ハーフミラー６で反射して対物レンズ
７により物体８上に結像している。物体８で反射された
光は再び対物レンズ７を通り、ハーフミラー６を透過し
て、受光素子１４上に結像している。
【０００３】図１０は、無限系対物レンズでの例であ
る。光源１からの照明光は、集光レンズ２によってスリ
ット３を照明している。スリット３から出た光束は、照
明側遮光板４により光束を半分にされ、コリメータレン
ズ５で平行光になり、ハーフミラー６で反射して対物レ
ンズ７により物体８上に結像している。物体８で反射さ
れた光は再び対物レンズ７を通り、ハーフミラー６を透
過して、第２対物レンズ９により受光素子１４上に結像
している。図９と図１０の従来例とも、受光素子１４上
に結像するスリット像の重心位置の変化を読みとり焦点
検出している。
【０００４】しかるに上記の如き従来の技術において
は、物体８が鏡面物体のように光強度分布及び位相分布
の差が小さいときには合焦精度が良いのであるが、物体
８がウエハパターンのように光強度分布及び位相分布の
差が大きいときには、それら物体８からの回折光や散乱
光が受光素子１４上に到達し、合焦精度が悪くなるとい
う問題点があった。図９及び図１０中点線で示されてい
る光が、それら回折光、散乱光である。この問題点を解
決するために、特開平６−３５７８号公報には、対物レ
ンズと受光素子との間で中間結像を行った後に平行光と
なる部分を設け、その平行光となる部分に、光軸周りに
非対称に形成した検出側遮光板を配置した焦点検出装置
が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平６−３５７
８号公報に開示された技術によるときには、焦点検出に
有害な回折光や散乱光は遮光されるが、検出側遮光板の
設置位置によっては、焦点検出に必要な光までもが遮光
されてしまい、焦点検出が不能になる。したがって本発
明は、焦点検出に有害な回折光や散乱光のみを確実に遮
光することができる焦点検出装置を提供することを課題
とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、物体に対物レンズを通してパターンまた
は光源像を投影し、物体より反射されたパターンまたは
光源像を再び対物レンズに導き、該対物レンズと後続の
光学系とによって複数回の結像を行い、最終結像面に受
光素子を配置し、複数回の結像のうちの隣接する結像面
の間に、光軸周りに非対称に形成した検出側遮光板を配
置することにより、受光素子に至る光束を部分的に遮光
した焦点検出装置において、検出側遮光板を、対物レン
ズの瞳共役像位置またはその近傍に配置したことを特徴
とする焦点検出装置とした。ここで対物レンズの焦点深
度内で物体を移動すると、これに伴って対物レンズの瞳
共役像の前後に位置する結像面も移動するが、上記瞳共
役像位置の近傍とは、移動する前後の結像面によって常
に挟まれる位置を含む範囲である。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１は第１実施例を示し、この第１実施例
は、有限系対物レンズ７によって１次像２１を結像した
後に、正レンズであるリレーレンズ１１によって受光素
子１４上に２次像２３を結像したものである。光源１か
らの照明光は、集光レンズ２によってスリット３を照明
している。スリット３から出た光束は、光軸周りに０〜
１８０°の部分のみを遮光した照明側遮光板４により光
束を半分にされ、ハーフミラー６で反射して対物レンズ
７により物体８上に結像している。物体８で反射された
光は、再び対物レンズ７を通り、ハーフミラー６を透過
して１次像２１を結像し、更にリレーレンズ１１によっ
て受光素子１４上に２次像２３を結像している。この結
果、リレーレンズ１１と受光素子１４との間に、対物レ
ンズの瞳２０の共役像位置２２が形成されるが、この瞳
共役位置２２に、光軸周りに０〜１８０°の部分のみを
遮光した検出側遮光板１２が、照明側遮光板４の遮光部
分と対応するように配置されている。図１中点線で示す
光線は、物体８からの回折光や散乱光などの検出に有害
な光を示し、同図に示すように、この有害光だけが検出
側遮光板１２によって効率よく遮光できる。
【０００８】本実施例の作用を図２によって説明する
と、先ず図２（Ａ）は照明光の集光点位置に物体８が配
置されたジャストフォーカスの状態を示しており、この
とき受光素子１４はスリツト（図示していない）の共役
位置になっている。この状態から同図（Ｂ）に示すよう
に、物体８を対物レンズ７側に移動すると、受光素子１
４上では検出側遮光板１２によって遮光されていない側
にぼけた像が広がる。他方、同図（Ｃ）に示すように、
物体８を対物レンズ７側と反対の方向に移動すると、受
光素子１４上では遮光板１２によって遮光されている側
にぼけた像が広がる。こうして受光素子１４によってス
リットの像を観測することにより、合焦状態を検出する
ことができる。
【０００９】さて図２（Ｂ）に示すように物体８を対物
レンズ７側に移動すると、１次像２１の位置は受光素子
１４側に移動し、ついには１次像２１の位置はリレーレ
ンズ１１を越える。しかし物体８を対物レンズ７側にい
かに接近させようとも、１次像２１の位置は、対物レン
ズの瞳共役像位置２２を越えて受光素子１４側に移動す
ることはない。他方、同図（Ｃ）に示すように物体８を
対物レンズ７側と反対の方向に移動すると、１次像２１
の位置は対物レンズ７側に移動し、２次像２３の位置も
リレーレンズ１１側に移動する。顕微鏡対物レンズは物
体側にテレセントリツクになっているので、物体８を対
物レンズ７側と反対の方向の無限遠に移動すると、１次
像２１の位置は対物レンズ７の瞳位置２０に至り、した
がって２次像の位置は瞳共役像位置２２に至る。
【００１０】ここでもしも検出側遮光板１２を１次像２
１よりも物体８側に配置し、または２次像２３よりも受
光素子１４側に配置すると、焦点検出に必要な光までも
が遮光されてしまい、焦点検出が不能になる。しかるに
１次像２１の位置は、対物レンズの瞳共役像位置２２を
越えて受光素子１４側に移動することはないし、また２
次像２３の位置は、瞳共役像位置２２を越えて物体８側
に移動することがない。それ故、検出側遮光板１２の理
想位置は瞳共役像位置２２である。すなわち遮光板１２
を瞳共役像位置２２に配置した場合には、物体８がどこ
にあっても、遮光板１２は１次像２１と２次像２３との
間に位置することとなり、したがって必要な光は遮光さ
れない。
【００１１】図２（Ａ）に示すように、 ｆ1：対物レンズ７の焦点距離 ｆ3：リレーレンズ１１の焦点距離 β：対物レンズ７の倍率 ｄ2：ジャストフォーカスのときの１次像２１の位置か
らリレーレンズ１１の主点までの距離 ｄ3：リレーレンズ１１の主点から対物レンズの瞳共役
像位置２２までの距離 とすると、 である。すなわち検出側遮光板１２の最適位置である瞳
共役像位置２２は、（１）式で与えられる。
【００１２】以上のように検出側遮光板１２の理想位置
は、（１）式で与えられる瞳共役像位置２２であるが、
次にこの理想位置からの許容ずれ量について調べる。先
ず、図２（Ｂ）に示すように、物体８がジャストフォー
カス位置からΔだけ対物レンズ７側にずれた結果、１次
像２１がリレーレンズ１１よりも受光素子１４側におい
て結像する場合には、 ｄ4：１次像２１がリレーレンズ１１よりも受光素子１
４側で結像するときの、リレーレンズ１１の主点から１
次像２１までの距離 とすると、 となる。
【００１３】また図２（Ｃ）に示すように、物体８がジ
ャストフォーカス位置からΔだけ対物レンズ７とは反対
側にずれた場合には、 ｄ5：リレーレンズ１１の主点から２次像２３までの距
離 とすると、 となる。したがって焦点検出可能範囲を±Δ以上に設定
するためには、検出側遮光板１２の位置は、リレーレン
ズ１１の主点からの距離がｄ3である瞳共役像位置２２
をはさんで、少なくとも上記ｄ4とｄ5との範囲内に入っ
ていなければならない。
【００１４】例えば図２において、 β＝−１００ ｆ1＝２ ｆ3＝５０ ｄ2＝１００ とすると、（１）、（２）、（３）式より、 ｄ3＝６０ となる。
【００１５】焦点検出可能範囲Δは、使用する対物レン
ズの最大焦点深度により決められる。一般に使用する対
物レンズは５倍〜２００倍程度であり、この場合５倍対
物レンズの焦点深度が最大となる。５倍対物レンズから
他の対物レンズに切り換えた場合にも焦点検出が可能で
あるためには、Δの値を５倍対物レンズの焦点深度にす
れば良い。５倍対物レンズの焦点深度は一般的に約±
０．０３ｍｍであるから、 Δ＝０．０３ 故に、 ｄ4＝５７．１４ ｄ5＝６２．５ を得る。すなわち検出側遮光板１２は、リレーレンズ１
１の主点から受光素子側に６０の位置に配置するのが最
適であり、焦点検出可能範囲として±０．０３を確保す
るためには、５７．１４〜６２．５の範囲に配置するの
が好ましい。
【００１６】次に図３は第２実施例を示し、この第２実
施例は、有限系対物レンズ７によって１次像２１を結像
した後に、共に正レンズである第１のリレーレンズ１１
と第２のリレーレンズ１３によって、受光素子１４上に
２次像２３を結像したものであり、瞳共役像位置２２は
両リレーレンズ１１、１３の間に位置している。この実
施例のｄ3、ｄ4、及びｄ5は第１実施例と同じ式で与え
られる。したがって例えば図４において、 β＝−１００ ｆ1＝２ ｆ3＝５０ ｆ4＝５０ ｄ2＝５０ Δ＝０．０３ とすると、（１）、（２）、（３）式より、 ｄ3＝６２．５ ｄ4＝５８．３３ ｄ5＝６６．６７ を得る。よって第２実施例のこの数値例では、検出側遮
光板１２を、第１のリレーレンズ１１の主点から受光素
子側に６２．５の位置に配置するのが最適であり、焦点
検出可能範囲として±０．０３を確保するためには、５
８．３３〜６６．６７の範囲に配置するのが好ましい。
【００１７】次に図５は第３実施例を示し、この第３実
施例は、無限系対物レンズ７と第２対物レンズ９によっ
て１次像２１を結像した後に、正レンズであるリレーレ
ンズ１１によって受光素子１４上に２次像２３を結像し
たものであり、瞳共役像位置２２は受光素子１４とリレ
ーレンズ１１の間に位置している。この構成において
も、検出側遮光板１２の最適位置は、対物レンズの瞳共
役像位置２２であり、ここに検出側遮光板１２を配置す
ることにより、点線で示す物体からの有害光（回折光や
散乱光）だけを効率よく遮光することができる。
【００１８】図６（Ａ）に示すように、 ｆ1：対物レンズ７の焦点距離 ｆ2：第２対物レンズ９の焦点距離 ｆ3：リレーレンズ１１の焦点距離 β：対物レンズ７の倍率 ｄ1：対物レンズ７の射出瞳位置２０から第２対物レン
ズ９の主点までの距離 ｄ2：ジャストフォーカスのときの１次像２１の位置か
らリレーレンズ１１の主点までの距離 ｄ3：リレーレンズ１１の主点から対物レンズの瞳共役
像位置２２までの距離 とすると、 である。すなわち検出側遮光板１２の最適位置である瞳
共役像位置２２は、（４）式で与えられる。
【００１９】次に、図６（Ｂ）に示すように、物体８が
ジャストフォーカス位置からΔだけ対物レンズ７側にず
れた結果、１次像２１がリレーレンズ１１よりも受光素
子１４側において結像する場合には、 ｄ4：１次像２１がリレーレンズ１１よりも受光素子１
４側で結像するときの、リレーレンズ１１の主点から１
次像２１までの距離 とすると、 となる。
【００２０】また図６（Ｃ）に示すように、物体８がジ
ャストフォーカス位置からΔだけ対物レンズ７とは反対
側にずれた場合には、 ｄ5：リレーレンズ１１の主点から２次像２３までの距
離 とすると、 となる。したがって焦点検出可能範囲を±Δ以上に設定
するためには、検出側遮光板１２の位置は、リレーレン
ズ１１の主点からの距離がｄ3である瞳共役像位置２２
をはさんで、少なくとも上記ｄ4とｄ5との範囲内に入っ
ていなければならない。
【００２１】例えば図６において、 ｆ1＝２ ｆ2＝２００ ｆ3＝５０ ｄ1＝２００ ｄ2＝１００ Δ＝０．０３ とすると、（４）、（５）、（６）式より、 ｄ3＝５０ ｄ4＝４５．４５ ｄ5＝５３．８５ を得る。よって第３実施例のこの数値例では、検出側遮
光板１２を、リレーレンズ１１の主点から受光素子側に
５０の位置に配置するのが最適であり、焦点検出可能範
囲として±０．０３を確保するためには、４５．４５〜
５３．８５の範囲に配置するのが好ましい。
【００２２】次に図７は第４実施例を示し、この第４実
施例は、無限系対物レンズ７と第２対物レンズ９によっ
て１次像２１を結像した後に、共に正レンズである第１
のリレーレンズ１１と第２のリレーレンズ１３によっ
て、受光素子１４上に２次像２３を結像したものであ
り、瞳共役像位置２２は両リレーレンズ１１、１３の間
に位置している。この実施例のｄ3、ｄ4、及びｄ5は第
３実施例と同じ式で与えられる。したがって例えば図８
において、 ｆ1＝２ ｆ2＝２００ ｆ3＝５０ ｆ4＝５０ ｄ1＝２００ ｄ2＝５０ Δ＝０．０３ とすると、（４）、（５）、（６）式より、 ｄ3＝５０ ｄ4＝４５．８３ ｄ5＝５４．１７ を得る。よって第４実施例のこの数値例では、検出側遮
光板１２を、第１のリレーレンズ１１の主点から受光素
子側に５０の位置に配置するのが最適であり、焦点検出
可能範囲として±０．０３を確保するためには、４５．
８３〜５４．１７の範囲に配置するのが好ましい。
【００２３】なお上記各実施例ではスリット３のパター
ンを対物レンズ７を通して物体８に投影していたが、光
源１の像自体を対物レンズ７を通して物体８に投影する
こともできる。また上記各実施例では、照明側遮光板４
によって物体８に投影されるスリット３の像を部分的に
遮光していたが、照明側遮光板４を削除した構成とする
こともできる。
【００２４】
【発明の効果】本発明により、被検物体が光強度分布及
び位相分布の差が大きい場合でも、物体からの有害光
（回折光、散乱光）のみを効率良く遮光することがで
き、また焦点検出範囲も実質的に十分な焦点検出装置が
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の構成図
【図２】第１実施例の、（Ａ）ジャストフォーカス状
態、ピントが後方にずれた状態、及び（Ｃ）ピントが前
方にずれた状態を示す光路図
【図３】第２実施例の構成図
【図４】第２実施例の、（Ａ）ジャストフォーカス状
態、ピントが後方にずれた状態、及び（Ｃ）ピントが前
方にずれた状態を示す光路図
【図５】第３実施例の構成図
【図６】第３実施例の、（Ａ）ジャストフォーカス状
態、ピントが後方にずれた状態、及び（Ｃ）ピントが前
方にずれた状態を示す光路図
【図７】第４実施例の構成図
【図８】第４実施例の、（Ａ）ジャストフォーカス状
態、ピントが後方にずれた状態、及び（Ｃ）ピントが前
方にずれた状態を示す光路図
【図９】従来の有限系対物レンズにおける焦点検出装置
を示す構成図
【図１０】従来の無限系対物レンズにおける焦点検出装
置を示す構成図
【符号の説明】
１…光源 ２…集光レ
ンズ ３…スリット ４…照明側
遮光板 ５…コリメータレンズ ６…ハーフ
ミラー ７…対物レンズ ８…物体 ９…第２対物レンズ １１、１３
…リレーレンズ １２…検出側遮光板 １４…受光
素子 ２０…対物レンズの瞳 ２１…１次
像 ２２…対物レンズの瞳共役像位置 ２３…２次
像

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】物体に対物レンズを通してパターンまたは
    光源像を投影し、物体より反射された前記パターンまた
    は光源像を再び前記対物レンズに導き、該対物レンズと
    後続の光学系とによって複数回の結像を行い、最終結像
    面に受光素子を配置し、前記複数回の結像のうちの隣接
    する結像面の間に、光軸周りに非対称に形成した検出側
    遮光板を配置することにより、前記受光素子に至る光束
    を部分的に遮光した焦点検出装置において、 前記検出側遮光板を、前記対物レンズの瞳共役像位置ま
    たはその近傍に配置したことを特徴とする焦点検出装
    置。
  2. 【請求項２】対物レンズの焦点深度内で物体を移動した
    ときに、対物レンズの前記瞳共役像の前後に位置する結
    像面によって常に挟まれる位置に、前記検出側遮光板を
    配置した、請求項１記載の焦点検出装置。
  3. 【請求項３】前記検出側遮光板による遮光部分と対応す
    るように、光軸周りに非対称に形成した照明側遮光板に
    よって、対物レンズを通して物体に投影する前記パター
    ンまたは光源像を部分的に遮光した、請求項１又は２記
    載の焦点検出装置。
JP8185655A 1996-06-25 1996-06-25 焦点検出装置 Pending JPH1010419A (ja)

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US08/881,018 US5889276A (en) 1996-06-25 1997-06-23 Focus-detecting method and device having a light blocking member placed substantially at the conjugate image point of the pupil of the object lens

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