JPS60115906A - 光学器械の自動精密焦点法と自動精密焦点装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学器械の自動焦点合わせ、詩に光学器械の操
作者が最良と思わ八る焦点に調整した後、対象物の線又
（４縁部叩ちエツジに最適戦意を得る方法に関連する。

カメラ、顧敵鏡及び池の光学器械又は電子式光学装置の
焦点合わせについては虻来幾つかの型式の焦点合わせ方
式（以下羊に焦点方式とＩ亦することもある）が開発さ
れている。これらの多くの方式は２種類の検出装装置又
はイ則定装置。

即ち一つは焦点合わせ装置（以下単に焦点装置と称する
こともある）と他の一つの記働又は測定装置を使用する
。これらの方式では第１次的記録又は測定装置は、焦点
を決定しかつ調整する第２次的装置と組合わせて構成さ
れる。この種の第２次的装置８例えばレーザー又は超音
波を利用する焦点装置は、最初に焦点距離を決定する光
学装置又は超音波装置と、この焦点距離に応答して光学
器械の光学系の焦点を実際に調整する装置とを使用する
。この第２仄的装置で焦点を調整した後、第１次的検出
装置を使用して像を記録し又測定する。焦点距離を決定
する第２次的装置は顕漱鏡又はカメラの光学系の一部を
利用できるが、顧敵鏡又はカメラの第１次的検出用光学
系の全部を使用することはできないから、肉眼で得られ
るよりも正確な焦点合わせを必要とする方式では許容で
きない誤差を避けることができない。

第２次釣魚点合わせ方式の代表的な例は、警察用レーザ
ーの原理を利用する普通の自動焦点瞬間カメラに使用さ
れる装置で、１連の超祈波パルスを発射しこの信号の帰
還時間を測定して焦点距離を測定する。この測定距離に
応答する別の焦点装置がカメラの焦点を調整する。ある
種の顕歎境装置に使用される別の例では、細いレーザー
ビームを顕漱鏡光学系を通して集束し。

試料表面上の集束レーザービームの大きさによって最適
焦屯を決定する。

上記のような第２次的装置は一般に多くの応用装置には
使用できるが、高倍率光学系の積゛２焦点合わせを必要
とする多くの応用装置には使用できない。この第２７欠
的装置の精度は、鳴１次的距離測定装置の精度、及びこ
の距離測定装置の第２次的光学釣果束装置に対する均衡
によって変化する。例えば１象がカメラのすりガラスス
クリーン上に適正に集束されても、フィルムをカメラに
あとで挿入した時フィルム乳剤は僅かに異なる千面上の
位置にくることがある。又レーザー洸線果束後のＨ改鏡
調整に必要な週時間の間に、試料が僅かに移動してこの
型式の集束装置の第１次的装置と第２次的装置との間の
不均衡を生ずることがある。

本発明の自動精密焦点装置は、最初に焦点距離を選択決
定し次にこの決定焦点距離に器械の光学系を調整する第
２次的装置を使用しない型式の装置である。本発明の新
規な装置は同じ光学系と像検出装置を使用して焦へ距離
測定と試料の検出又ｆ”を観察を行うものである。従っ
て焦点合わせに使用する同じ光学系によって対象物を観
察すること、及び精密測定装置によって焦点合わせを行
うことによって、操作者の人為的焦点合わせ操作に碩る
ことなく上記のような不拘（９！Ｉを生ずることなく最
適焦点が優られる。

最初、操作者が人為的に焦褪徂調整をした後。

焦点微調整を行う装置の開発を目的とする従来の自動焦
点装置の一改良型式では、走査用デンシトメータ（光学
的濃度計）のステージを上下に勅かすと同時に試料の対
象直線を横切って多段的光学走査を行なう。この光学的
プロフィル。

即ち反ｌｌｔ率対走査距離のプロットはコンピュータの
メモリに記録され、焦点の品質はエツジ値。

即ち光学的プロフィルの縁部の幡斜勾配、を測定するこ
とによって決定される。最低のエンジ直、即ち最大勾配
＃斜が得られるステージ位置が次の直ａｄ測定に対して
選択される。この方法は、焦点合わせが測定すべき実際
の直線に対して調整されるから第２次釣魚点測定に対し
て大きい改善を与えた。しかしこの方法は、幾つかの固
定垂直ステージ位置のうちの最良位置が。

これらの固定位置の間のある位置に正確な、即ち正しい
焦点がある事実を′ＯＪ４ｇしないで選択されるため極
めて精密な焦点調整に対しては不正確であることが立証
された。

本発明は１選択する複数のステージ位置のＪ：ンジ値と
は無関係に、正確な焦点位置を決定し。

光学器械で実際に磯察する試料の縁部又は直線に自４力
的に焦点を合わせる方法を提供するものである。本発明
の精密焦点装置は、焦点ｒｊＭ整を必要としかつ像検出
器を使用する任意型式の光学２１械１例えば光学カメラ
、テレビジョンカメラ、顕微境又は走査型デンシトメー
タに使用できる。本発明を以下、像走査型デンシトメー
タ又は鴎倣挽（で使用した応用例について説明する。

約ｇすると本発明の方法は、検査すべき、又は測定すべ
き直線上に最良と思われる初期焦点を人為的に選択する
操作、初期ステージ位置に対する次数の固定垂直ステー
ジ位置のエツジ値。

即ちこれをプロットした場合に１・ま２次方程式％式％ でほぼ数学的に畏わされるエツジ値、を測定する操作、
上式の係数、１１．　ｂ及びＣの１直を決定する繰作、
この２次曲線の１ゼロ項斜１１叩ち最下点を決定１−て
＋、Ｅ確な焦点に対するステージ位置を決定するため上
式を酸分する操作、及び顧畝境の精密焦点合わせのだめ
上記の最下点までステージを調整する操作、を含むもの
である。

好適実施例の説明 第１図は１９８３年２月１５日付米国特許第４，３７３
゜８１７号明細書に記載されているように、非常に細い
直線を自動釣に走査して直線幅を測定する光学顕＠鏡の
略示図である。この顕は鏡は、調整ノブ１４などによっ
て人為的に水平面内Ｘ方向とＹ方向に調整できる従来型
式の試料ステージ１２を含む。ステージ１２は又ステッ
プモータｌ］Ｃｊ：つて垂直方向に調舒できる。このモ
ータは調整ノブ１８によって人為的に回転することがで
き、又デジタルプロセサ、叩ちコンピュ−タ２０から送
られる信号によっても調゛１テできる。ある種の応用装
置では、試料又は対象物は固定位置に維持されること、
又モータ１６は対象ｆ吻に対して光学系を適当な位置に
・多ωするような動作することが適当でちる。

ステージ１２上に装着された試料２２は電子マイクロ回
路又はこの櫓の１回路製義に用いられ−る精ｆＪｆなマ
スクに見られるような非常に細い直線を有するものと仮
定する。この植の■１線の幅を決定するため、対物レン
ズ２４を含む光学系がハウジング２６の表面に細線１象
を集束し、このハウジング２６は光検出ｎ　３０のＭｉ
Ｊ面に狭い定歪用スリット２８を有し、上記光検出器は
スＩＪ　７　）を通る光強度を感知する。ハウジング２
６ハ移動ナツト３２上に支持され、このナンドはコンピ
ュータ２０の制御によってステップモータ３６で回転さ
れる親ねじ３４９てよって試料の投影１象を横切って叫
動される。

スリフト２８を通る光線は光検出器３ｏで感知され、こ
こで発生された電流信号は増幅されてデジタル信号に変
換され、この信号はコンピュータ２０に送られ、前記米
国特許に記載されているようにこの走査信号からａ線幅
が決定される。しかし問題は、もし正しい焦点の小変動
のだめ光学系の集束が不完全になると、直線縁部が１ぼ
やけた１１像になり、縁部の位装置を正確に認識するこ
とができず、測定誤差を生ずることである。従ってこの
ｉｔｔによって正１准な細線幅の測定（ｌ［ｔを得るた
めには焦点はできるだけ精成に合わせることが必要でち
る。好適実施例では、細線幅を決定するコンピュータ２
０は、同じ光学系と細線幅決定に使用される検出器とに
よってｉ伎適焦思を決定しかつ、ｌｌ！整する。

第１図は−・ウジ７７２６０表面の焦面に投射された代
表的拡大細線３８を示し、この細線はビームスプリッタ
４４で接眼レンズ４０に投射される光路内に配置された
十字線４４に焦・、ハを合わせた接眼レンズ４０全通し
て操作者が初期焦点調整をした場合に観察されるもので
、ちる。

垂直集束用ノブ１８の調整によって１１線３８の縁部は
人為的に最良と思われる焦点、＋２１１ち１１す・用焦
点に合わせる。しかし後述のように、この最良と思ｔ−
）れる初期焦点がＬＥ確な測定に必要な哩也的、即ち完
全な焦点となることは址れで、ちる。

第２図は曲線４６の上方の拡大・！Ｉｌ線３８を示し、
これは最良と思われる初期焦保て得ら４するような不良
点・故像を表わし、第２１ＩＩ］線４８は！１′（繍３
８の鋭い焦、気を表わす。これらの曲線４６と４８は光
検出器３９で測定さルた光血度を１α線３８を侮切る水
平走査で舟ら４するプロットを幾分誇張して示すもので
、第３図の曲線で示される１１エツジ値１１の誘導を説
明するものでちる。

暗色直線３８の不良焦点を示す曲線４６はこの直線の縁
部がぼやけて見えるものである。この暗色直線の近くの
対象物の明色部分は両画線４６と４８の点５０に高出力
強度を発生する。第１図のハウジング２６が焦点の像を
横切って走査されると、不良焦点の強度は次第に弱くな
り。

この直線の境界内のある点５１で最低になる。

これに反して１曲線４８で表わされる適正焦点１象はほ
ぼ垂直の縁部５２で示され、第１図の７・ウジング２６
の走査用スリット２８が直線３８を横切る時に最高強度
５０から最低値、度５３に迅速に低下する。

第２図の曲線４６と４８は傾斜を有し、この徴税焦点は
曲線の傾斜が垂直、即ち無限大の値を有する場合に得ら
れる。又Ｉ＋無焦点良好性Ｉ＋。

即ち６エンジ値１として後述する測定値は頌斜度の逆数
に比例するから徴税焦点は最低エツジ（式中には比例常
数で、ｄｐ／ｄｘは水平走査距離に対する光強度変化率
である） によって数値的に定義される。

第３図はエツジ値対垂直ステージ位置の関係を示す曲線
である。本発明で使用される方、去では１番３個のエツ
ジ値の最低値が、互いに異なる未知ステージ位置で測定
されるが、好適実月例では等間隔のステージ位置で５個
のエツジ値を測定する。

第４図はエツジ値の測定及び徴税戦意のため適正垂直ス
テージ位置の最終的決定に含まれる諸操作を示す。最初
操作者は手動による最良初期焦点をめて垂直焦点合わせ
ノプエ８を調整する。水平走査はスリット２８を試料の
像３８を横切って６Ａ動させることだよって行ない１次
にコンピュータ２０がこの切期位置のエツジ値ｅＱを決
定する。任意の走査手順が使用できるが。

好適実施例で使用される手順は、最初ステノプモータエ
６を駆動してステージを所定の段階である０、４５μｍ
づつ２回低下し、ここで第２回走査測定を行ってエツジ
値ｅ−６を決定する。次にステージをステンブモータ１
６で所定の１段階上昇し、親ねじ駆動走査用スリット２
８の後方の光検出器によって第３回測定を行なう。この
ようＫしてエツジ値ｅ−１が決定され１次にステーシム
２を所定の２段階上昇してエツジ値ｅ１を測定し１次に
１段階上昇して第５エツジ値ｅ２を測定する。

上記の５個の測定エツジ値を第３図のようにプロットし
て曲線で接続すると、ごの曲線は下記の２次曲線として
近似できる。

Ｅ、’Ｖ、　＝ａｅ２＋ｔ）ｅ−１−ｃこれらの係数：
ａ＃　ｂ及びＣは公知の最小自乗法によって容易に決定
できる。ＩＩ　冒Ｉの５個の値をプロットした２次曲線
の係数を誘導する方程式は下記の通りである： 前記のように、徴税焦点は最小エツジ値で略ら九る。従
って徴税意気の適正東面ステージ位置を決定する尾は第
３図の曲線のＪ役低鑞をめればよく、これは上記の２次
方湿式を微分してこれをゼロに等しいものとすればこの
曲線のゼロ傾斜を容易にめることができる。

上記の２次方湿式 ％式％ の筑１次導関数は　ａ（Ｅ、Ｖ、）／ｄｘ　＝　２ａｅ
　＋ｂである。係数Ｃは第３図の横軸上方の曲線の高さ
を表わす常数であるから無視できる。この４１次導関数
をゼロに等しいものとしてステージ位−〇について解け
ばこの光学系の正ｊ；７１．なステージ位置を示すこと
になる 従ってもし　２ａｅｂｅｓｔ　＋　ｂ　＝−０とすれば
ｅｂｅｓｔ　”　ｂ／２ａ　ＶＣｆｉ　ル。

第４図は上記の方法の各操作過程の順序を示す。好適実
施例では、コンピュータ２０は２個のステンブモータ１
６と３６を制御し、光検出器３０の出力値を読出してメ
モリ５８に記惜し。

各垂直ステージ位置のエツジ値を測定し、上記のように
最小自乗法によって徴税焦点に対する最適垂直ステージ
位置−を−決定し、ステージをこの最：ａ位置に配置す
る。勿論、上記の方程式は複離なものではなく、場合に
よっては手動１淳も容易に行なわれよう。

第３図の曲線かられかる通り、初期手動ステージ位置５
６の設定で得られるエツジ値は正確な焦点位置に極めて
接近した位置５８で得られるエツジ値に極めて近く、完
全にこの光学系のＩ＋焦点深度＋１範囲内にあった。手
動による焦点調整は正確なものではないこと、及び初期
エツジ値６０と最適エツジ値６０は接近していてもそれ
ぞれ垂直ステージ位置５６と５８はがなりの間隔があり
、従って手動焦点調整では正確な焦点合わせが行われる
ことはまれで・ちることを認識すべきである。又第３図
の曲線を決定する最大データは、最適焦点位置から外れ
たステージ位置、及び非常に小さいステージ運動が鵡祭
１象のぼやけ１を大きく変える広いエツジ値変動に対応
するＯｉ数点で得られる。従って焦点外れデータから得
られる２次曲線を使用して、対象物の最適焦点を得るた
め精密な対象物距離をきめることができることが理解で
きよう。

上記のように１本発明の精密焦点装置は、焦点合わせ操
作を必要とし、かつ像検出器を使用する任意型式の光学
式又は電気−光学式器械。

例えば光学式又は電子光学代願（ｔ＆　鏡、光学式カメ
ラ又はテレビジョンカメラ、及び感光性フィルム装置な
どに使用できる。

第５図はビジコン管及びＣＣＤ　（電荷結合デバイス）
パネルのようにターゲツト面６８を有するテレビジョン
カメラ６６の精密焦点装置の略示図である。接眼レンズ
７０全通して、又ｌ′ｉＴＶモニタ８３によって鑵察す
る操作者又はカメラマンはノブ７２を調整して／ヤフト
７４．ベベルギヤ７６及び親ねじ７８を回転して対物レ
ンズ８０を移動することによって１手動的又なま自動的
に最１附焦点に合わせる。このようにして観察した対象
物８２の特徴点の訣はＴＶカメラのターゲツト面６８上
に集束される。

カメラは、カメラから送られるビデオ信号のラスク走査
線をＣＰＵ　（中央処理装置）８６に使用スルテシタル
型弐に変換する性能を有するイメージデジタイザ８４に
結合される。これらのラスク走査線は第１図に関連して
記載されているホトマルチプライヤ（光電子倍増管）の
走査線とＵ似しているが、ラスク走査の場合には多数の
綜があり、焦点合わせに使用される有効な走査は数本の
個々のラスク線を合成したものでよい。走査位置はテレ
ビジョンカメラｏ　同７４１３　ｉ＝号からＣＰＵ　８
６によって決定され、又このＣＰＵに接続されたメモリ
回路は、第１図の光学（瑣漱鏡に関する説明と同様に走
査位置情報を、各走査で得られる像の光強度に整合さす
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焦点装置を使用する光学園敵鏡又は眩
走査型デンシトメータの略示図；第２図は測定された光
強度と像の水平走査との関係を示す曲線で、拡大した細
線の不良焦点と鮮明焦点のプロフィルを示し；第３図は
垂直ステージ位置に対してエツジ値をプロットした代表
的２次曲線を示し、第４図は本発明により精密焦点合わ
ぜをする方法の操作過髭を示し、第５図はテレビジョン
カメラに使用する精密焦点装置の略示図である。 １２・・・試料ステージ、１４・・・Ａ繁用ノブ。 １６・・・ステノブモータ、１８・・垂直調整用ノブ２
０・・・コノピユータ、２２・・・試料、２４・・・対
物レンズ、　２６・・・ハウジング、　２８・・スリッ
ト。 ３６・・・ステンプモータ、３８・・拡犬硼ＩＪｊＥＪ
。 ３９・・・光検出器、６６・・・テレビジョンカメラ。 ７０・・・接眼レンズ、８０・・・対物レンズ、８３・
・・ＴＶモータ、８４・・・イメージデジタイザ。 ８６・・・ＣＰＵ、　８８・・・ステンプモータ（１・
１か）−茗） 図面のｉｆＩ書（内容に変更なし） ＦＩＧ、２ 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示　昭和５９　年’ｌ’ｌ’ｕ′［願：１５２
２５１５７　シ］発明の名称　光学器械の目＠１／１密
焦Ｉ結法と自動１青Ｊｉｉ！を焦点４都置 補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所（居所） 氏名（名称）　ナノメトリックス＾インコーボレーテノ
ド補正命令の１１刊　自　発

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　像走査装置を有する光学器械の自動精密焦点法で
   二 光学器械と対象物上の光学的認識可能特徴点との間の初
   期結像距離を選択する操作過程；光学器械の像走査装置
   を操作して上記特徴点を横切って少くとも３回の複数の
   走査、この一つの走査は上記初期結１象距離で行ない、
   残シの走査は該初期結像距離とはそれぞれ異なる公知の
   距離で行なう走査過程。 上記複数の走査の各走査距離を項切る位置の関数として
   測定された光強度゛の変動を記録する操作過程； 上記光強度変動から複数の各走査に対するエツジ値（Ｅ
   、Ｖ、）を上記走査距離の関数として決定し、この決定
   エツジ値を対応走査距離Ｃの関数としてプロットし、：
   方程式Ｅ、Ｖ、　＝ａｅ２＋ｂｅ−１−ｃの曲Ｉ腺を決
   定する操作過程。 上記曲線方程式の係数　ＩＩ　ａｌｌ及び１１ｂＩ＋の
   値を決定する操作過程、及び 光学器械と対象物との間の最適焦点距離″ｅ　１１を方
   程式ｅ　”　ｂ／２ａ　から決定するｂｅｓｔ　ｂｅｓ
   ｔ 操作過程。 を含む自動精密焦点法。 ２、　上記第１項記載の方法で、更に光学）：（械と対
   象物間の距離を最適焦点距離に調整する操作過程を含む
   方法。 ３、上記第１項記載の方澤で、係数値決定が最小自乗法
   で行われる方法。 ４、　上記第１項記載の方法で、光学器械が正合装置を
   有する顧倣鏡で、該走在装隨は、顧畝境の焦点合わせ装
   置を有するステージ上に装置ｊσれた試料の拡大象を横
   切って走査しかつ光強朋を測定する光検出器がスリット
   の後方に設け１っれている方法。 ５、　上記第４項記載の方法で、顧欧鏡走査装置トスチ
   ー　）調整装置がデジタルプロセサテ制御される方法。 ６、　上記第５項記載の方法で、測定光強度の変動記録
   エツジ値の決定及び般適焦点距離決定がデジタルプロセ
   サで行ｂ　ｈる方法。 ７、　上記第３項記載の方法で、光学器械が像走査装置
   を有するカメラである方法。 ８、　上記第７項記載の方法で、カメラがテレビジョン
   カメラである方法。 ９、　対象物上の固定特徴点上に初期焦点を選択した後
   、関（連洸゛学系を該対象物の最適焦点に自動的に調整
   する装置で； 該光学系と対象物固定特徴点との間の輻点距離を変える
   第１電気的１」動装置。 該光学蓄積の焦面に配置され、かつ上記対象物固定特徴
   点の像を横切っ−Ｃ狭い透明スリットで走査する第２電
   気的１ａ動装置置を含む走査装置づ上記透明スリットか
   ら送られる光線に応答して、該スリットが像を横切って
   走査する際の光強度変動を測定し、更に該光強度変動の
   表示である電気出力信号を発生する検出装置；及び上記
   電気出力信号に応答して上記第１及び第２電気的駆動装
   置の動作を制御する処理装置で。 初期焦点合わせて行−ｂ九る走査、及び該ｕＪ、ｔｔｕ
   走査とは異なる意気距離で行われる政教の各走査のエツ
   ジ値（Ｅ、　Ｖ、）を決定し、これらのエツジ値のプロ
   ントを、　Ｅ、Ｖ、　＝ａｅ２＋ｂｅ＋ｅ＋　の２次曲
   線型式で上記焦点距離の関数として表−ｂＬ、これから
   最適焦点距離ｃ　を決定し、この最適ｂｅｓ　を 焦点距離の点に上記第１電気的１４へ勅装置を調整させ
   る動作を行わせる処理装置。 を含む自動精密焦点装置。 １０、上記第９項記載の装置で、処理装置が、最初、最
   小自乗法によって係数ｎ　ａｌｌと１１ｂ＋１を決定し
   。 次に方程式、ｅｂｅｓ□＝−ｂ／２ａ　から焦点距離を
   決定することによって最１菌焦点距離を決定する装置。 １１、上記第１０項記載の装置で、光学系が光学頭漱鏡
   の一部である装置。 １２、上記第１０項記載の装置で、光学系が走査デン／
   トメータの一部である装置。 １３、上記第１０項記載の装置で、光学系がカメラの一
   部である装置。 １４、対象物上の特徴点上に初期焦点を選択した後、関
   連テレビジョンカメラの光学系を該対象物の最適焦点に
   自動的に調整する装置で：上記光学系に結合されて該光
   学系と対象物間の焦幀距離を変える電気的駆動装Ｗ； アレビジョンカメラの出力端に結合され、テレビジョン
   同期信号と検出像信号を対応デジタル信号に変換するデ
   ジタル化回路； 咳デジタル化回路の出力端に結合され上記電気的ｌ＠装
   置の動作を制御するデジタル処理装置で、上記デジタル
   化同期信号から、及び上記検出（原信号の強度から、初
   期意気及び該初期焦点とは異なる複数の焦裁距離で行わ
   れたテレビジョンラスク走歪のエンジ直を決定し、これ
   らのエツジ値（Ｅ、■、）を上記焦点距離の関数として
   プ０７トし、（Ｅ、Ｖ、）　＝ａｅ２−１−ｂｅ＋ｃの
   ２次曲線で表゛ｂし、これから最適焦点距”　ｅｂｅｓ
   ｔ　を決定し、上記ＴＬ気気温駆動装置咳最適焦点距離
   の点に調整するデジタル処理装置。 を含む自動精密焦点装置。 １５、上記第１４項記載の装置で、デジタル処理装置は
   、最初、最小自乗法によって係数“１ａ１１及び１１ｂ
   Ｉ＋の値を決定し１次に方程式ｅ＝＝−ｂ／２ａｅｓｔ から焦点距離を決定することによって最適焦へ距離を決
   定する処理機能を有する自動精密焦点装置。