JP2006243273A - 自動焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】像観察系と焦点検出系との波長差から生じる合焦位置のずれが補正でき、常に安定して試料に対する高精度な合焦動作を行うこと。
【解決手段】複数の対物レンズ１０ａ、１０ｂを使用する場合でも、像観察系１６で使用する紫外領域の第１の測定光と合焦点検出系１で使用する赤外領域の第２の測定光との波長差から生じる合焦位置ずれの補正を行うために合焦点検出系１内の光路上に、第２の測定光に対して対物レンズ１０ａ、１０ｂに応じた波面形状を与える波面変換器２０を配置する顕微鏡を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡或いは各種の光学測定機器に用いられ、試料に対して自動的に合焦位置を調整する自動焦点顕微鏡に関する。

一般に光学顕微鏡は、例えば工業系の検査分野において試料の品質検査等に使用するのに有用な機器であり、当該顕微鏡により取得される像を目視により観察しての判定、又は同像を撮像して得られるデジタル画像を元にしての試料の良否判定等に広く利用されている。

試料の検査工程で使用される顕微鏡は、検査時間を短縮するために合焦検出機能を備えている。この合焦検出機能は応答性の良さ及び合焦の正確さから対物レンズを介して測定光を試料に照射する光照射方式が用いられる。

そこで図４にこの種の従来の合焦点検出機能を備えた自動焦点顕微鏡の構成図を示す。また図５は、２分割ディテクタ上での焦点位置に応じた各受光位置を示す図である。更に、図６は、対物レンズと試料との焦点位置に応じた位置関係を示す図である。

自動焦点顕微鏡に配置された合焦点検出系１は、可視外光領域の光、例えば赤外領域の波長の測定光を出射する光源２を配置する。合焦点検出系１に配置された光源２から出射した光は、コリメータレンズ３により平行光とされ、半分が光軸上で遮蔽板４により遮られ、偏光ビームスプリッタ５で反射される。この反射光は、λ／４板６を介して集光レンズ７でＰ点に集光したのち、結像レンズ８を介し、ダイクロイックミラー９によって下方に反射され、平行光として対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０で試料１１上に集光した光は、その試料からの反射光として再び対物レンズ１０を介し、ダイクロイックミラー９、結像レンズ８、集光レンズ７、λ／４板６を介し、出射方向を９０°偏向させる偏光ビームスプリッタ５を透過する。この透過光は、集光レンズ１２で２分割ディテクタ１３上に集光される。この２分割ディテクタ１３は、図５に示す受光領域１４ａ、１４ｂでの各受光量に応じた電気信号を出力する。これらの電気信号は、信号処理系１５に送られて合焦検出が行われる。また、ダイクロイックミラー９の上方には、図示しない照明光学系と結像光学系からなる像観察系１６が配置されており、オペレータの目視或いはＣＣＤカメラ等を用いた撮像装置などにより顕微鏡像が観察される。

試料１１表面が対物レンズ１０の焦点上にある場合、即ち、集光点Ｐと共役な位置にある場合には、２分割ディテクタ１３上の光は、図５（ａ）に示すように分割線１４上に集光する。しかし、試料１１の表面が焦点から外れている場合には、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、２分割ディテクタ１３上の光は、分割線１４から偏って分布することとなる。この偏りの方向は、焦点に対しずれている方向によって変化する。従って、信号処理系１５は、２分割ディテクタ１３から出力される受光領域１４ａ、１４ｂでの各受光量に応じた電気信号レベルを比較し、この比較結果に基づいて合焦の程度及び合焦ズレの方向を判断する。そして信号処理系１５の判定に基づいて試料１１と対物レンズ１０間の距離を調整され、試料１１に対する合焦がとられる。

ここで、光源２から出射される測定光の波長は、像観察系１６との分離が行え、観察像の形状情報や色情報に影響を及ぼさないために、赤外波長の光が使われる。しかし、像観察系１６から出射される可視光と赤外光の間では色収差が大きく、この色収差によって合焦点検出系１により検出される合焦位置は、像観察系１６での合焦位置からずれたものとなってしまう。

このため、例えば特許文献１に開示されている顕微鏡のように、光軸方向に一定量だけ移動可能なレンズ系を設けて、焦点検出のための赤外光の焦点位置を調整することが公知である。

すなわち、焦点検出系全体、あるいはその一部の光学系、例えば図４に示す集光レンズ７を機械的な調整機構を用いて光軸方向（矢印Ａ方向）に移動させて対物レンズの色収差によって生じる合焦位置のずれを補正している。

あるいは特許文献２に開示されている自動焦点顕微鏡のように対物レンズの色収差に応じて、対物レンズと試料の相対的な距離を変化させて焦準を行う焦準機構に、合焦位置を補正するための電気的なオフセット信号を与えることにより、合焦位置を移動させて上記色収差による観察像とのずれに対応する技術が知られている。
特開昭５８−２１７９０９号公報 特許第２６１４８４３号公報

しかし、従来の装置において像観察系と合焦検出系の波長差からくる合焦ズレに対応する方法では、対象となる試料の種類や観察方法によっては以下に示すような問題があった。

上述の焦準機構に合焦位置を補正するための電気的なオフセット信号を与えることにより、合焦位置を移動させて上記色収差による観察像とのずれに対応する場合では、試料自体の表面形状の影響に対しては、何ら考慮がなされていない。つまり、この場合、合焦と判断されるのは、２分割ディテクタ１３側では図５（ａ）、試料１１側では図６（ａ）の如くであり、集光点はずれ、測定光はある領域に広がって２分割ディテクタ１３、試料１１に入射している。従って、測定光の照射領域内で試料１１の表面形状が平坦な場合には安定して合焦動作が行なわれる。しかし試料１１が、照射領域内で表面形状に微細な粗さや段差等の微細構造を有していると、２分割ディテクタ１３上に広がる測定光の強度分布が、試料１１照射領域内の反射率分布、表面状態によって複雑に種々変化する。この結果、合焦判定位置の変動が起こり、合焦精度の低下が発生することとなる。

また、合焦点検出系１全体又は一部の光学系を移動させる場合、図５（ｂ），（ｃ）に示すような合焦位置からずれている状態から、補正を行って図５（ａ）に示す合焦状態にするためには、使用する対物レンズによって焦点検出系２５全体又は一部の光学系の移動量が大きくなってしまう。これにより必要となる移動機構や駆動機構と併せて、合焦検出系には大きな占有空間を必要とし、装置全体の構成規模が大型化してしまう。

近年では特に半導体分野において、試料構造の微細化に対応する観察の高分解能化から、従来の可視光観察から、紫外光観察が主となってきている。この紫外域に対応した対物レンズを通して赤外光を用いた合焦検出を行う場合には、一般にさらに大きな色収差によるズレが発生する。

そして、検査工程では可視光低倍観察で概略検査し、可視光高倍観察に切り替え、さらに微細検査を紫外光観察といった流れで行なわれることが多い。従って、自動焦点機能は可視光低倍観察から紫外光高倍観察まで、多種にわたって対応することが必要となり、上述の対応すべき対物レンズ１０の色収差によるズレ量は以前にも増して拡大してきている。

また、特に紫外光用の対物レンズ１０を用いた場合、観察用の可視光波長域と自動焦点検出用の赤外光波長域では大きな波長差があることから、色収差によるズレに対応しても、赤外波長での球面収差が大きく残存してしまうことがある。大きな球面収差は、試料表面、２分割ディテクタ上での集光状態が劣化として合焦判定精度の低下に繋がるものである。

以上のような状況を鑑み、本発明は像観察系から出射される可視領域の照明光と、焦点検出系の光源から出射される可視外領域の測定光との波長差から生じる試料１１の合焦位置のずれが補正でき、使用する対物レンズの倍率や照明光及び測定光の使用波長によらず、常に安定して試料に対する高精度な合焦動作を行うことができる自動焦点検出顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は目的を達成するために、対物レンズを介して第１の光を試料に照射し、試料からの第１の反射光によって試料の像を取得する観察光学系と、第１の光の波長とは異なる波長の第２の光を対物レンズを介して試料に照射し、試料からの第２の反射光を受光して試料に対する観察光学系の焦点位置を検出する合焦点検出系と、合焦点検出系の光路上に配置され、第２の光に対して任意の波面形状を与える波面変換手段と、を具備することを特徴とする自動焦点顕微鏡を提供する。

本発明は、複数の対物レンズを使用する場合でも、像観察系から出射される可視領域の照明光と、焦点検出系の光源から出射される可視外領域の測定光との波長差から生じる試料の合焦位置のずれが補正でき、常に安定して試料に対する高精度な合焦動作を行うことができる自動焦点顕微鏡を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照し詳細に説明する。なお、実施形態と図４に示した同一部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。

図１を参照して本発明に係る第１の実施形態について詳細に説明する。

図１は、自動焦点顕微鏡の全体構成図である。

本装置は、レボルバ１７に取り付けられた複数の対物レンズ１０ａ，１０ｂを共有し、上方にあるダイクロイックミラー９をはさんでそれぞれ位置する像観察系１６と、合焦点検出系１と、から構成されている。ダイクロイックミラー９は、合焦点検出系１からの焦点検出用の光（以下、測定光と称す）を反射し、像観察系１６の観察用の光（以下、観察光と称す）を透過させるミラーである。

ダイクロイックミラー９の上方には像観察系１６が、配置される。この像観察系は、図示しない照明光学系と結像光学系を有している。

ダイクロイックミラー９から結像レンズ８を介した反射側には合焦点検出系１が、配置されている。

合焦点検出系１には、光源２と、光源２からの出射される焦点検出用の測定光を平行光とするコリメータレンズ３と、その平行光を光軸で光束を半分に遮るように配置された遮蔽板４が設けられている。その後方には偏光ビームスプリッタ５があり光源２から出射される測定光の出射方向を９０°偏向させるように配置されている。偏光ビームスプリッタ５の下方にはλ／４板６、集光レンズ７、波面変換器２０が測定光路上に設けられている。

ここで、波面変換器２０は入射光に対し、その波面に光学的なパワーを与えられるミラーであり、望ましくは波面を任意の形状に変えることのできる反射面を有したミラーである。例えば、ミラー面に可動膜を用い、複数の領域に分割されたそれぞれのミラー面を圧電駆動あるいは静電駆動により、光軸方向に位置を制御することで、所定の範囲を任意の形状に制御可能なものであり、いわゆるデフォーマブルミラーと呼ばれるものあることが望ましい。また、ここでは波面変換器２０は、結像レンズ８を介して対物レンズ１０ａの瞳投影位置に配置されている。また、ビームスプリッタ２９の上方には集光レンズ１２をはさんで２分割ディテクタ１３が配置されている。

合焦点検出系１全体は、集光レンズ７による集光光の収束点がハーフミラー２５、波面変換器２０を介して、結像レンズ８の結像点すなわち集光点Ｐに一致するように固定されている。

複数の対物レンズ１０ａ、１０ｂはレボルバ１７にそれぞれ取り付けられている。レボルバ１７は、レボルバ駆動部２６により駆動され、レボルバ１７には対物レンズの位置を検出する位置検出部２７が接続される。位置検出部２７はさらにコントロール部２８に接続され、このコントロール部２８から記憶部２９、ドライバ３０が接続される。記憶部２９は、複数の対物レンズ、ここでは各対物レンズ１０ａ、１０ｂに対応した複数の波面形状の波面変換データが予め記憶されている。ドライバ３０は、さらに波面変換器２０に接続されている。これらドライバ３０とコントロール部２８と記憶部２９を有する反射面制御部３１は、波面変換器２０の図示しない可動膜すなわち反射面を平面乃至曲面に可変制御する。

次に、上記の如く構成された自動焦点顕微鏡装置の動作に関して説明する。

ダイクロイックミラー９の上方に配置された像観察系１６は、図示しない照明光源を有し、この照明光源から出射される観察光が、ダイクロイックミラー９を透過し対物レンズ１０ａを介して試料１１上に集光される。この試料１１で反射された観察光は、再び対物レンズを介してダイクロイックミラー９を透過し、像観察系へ入射し、図示しない結像光学系で結像して観察者の肉眼による目視観察又は図示しない撮像装置等によって撮像されて顕微鏡観察が行われる。

観察者による顕微鏡観察時には、レボルバ駆動部２６によりレボルバ１７を回転移動させ、複数の対物レンズから倍率、使用波長等の観察条件によって使用する対物レンズ、例えば対物レンズ１０ａ、１０ｂの選択が行なわれる。

光源２から測定光が出射されると、この測定光は、コリメータレンズ３により平行光となり、遮蔽板４によって光軸近傍でその半分が遮断される。ここで、遮蔽板４を通過した測定光は、ビームスプリッタ２９により反射され、λ／４板６を透過した後、集光レンズ７によって集光され、収束光としてＰ点に向かう。この測定光は、ハーフミラー２５を透過して波面変換器２０に入射し、この波面変換器２０の反射面で反射した後、再びハーフミラー２５に入射してＰ点へ反射される。Ｐ点で一度集光された測定光は、結像レンズ８によって平行光となり、ダイクロイックミラー９により観察光軸Ｌに沿って反射されて対物レンズに１０ａを介して試料１１上に集光される。

試料１１からの反射光は、再び対物レンズ１０ａを介して、ダイクロイックミラー９で反射され、結像レンズ８を介し、ハーフミラー２５、波面変換器２０を経由し、集光レンズ７、λ／４板６の後、偏向ビームスプリッタ５を透過する。この偏向ビームスプリッタ５を透過した光は、集光レンズ１２を介して２分割ディテクタ１３に集光される。この２分割ディテクタ１３は、受光領域１４ａ、１４ｂでの各受光量に応じた電気信号を出力する。これら、各電気信号は、信号処理系１５に送られて合焦検出が行われる。

位置検出部２７は、レボルバ１７により像観察系１６の光軸Ｌ上に配置されている対物レンズ１０ａの種類を検出し、検出信号として出力する。この位置検出部２７から出力される検出信号は、コントロール部２８に送出される。コントロール部２８では、位置検出部２７が検出した対物レンズの種類を判別し、記憶部２９に予め保存されている複数の対物レンズ１０ａ、１０ｂの波面変換データのうち、観察光軸Ｌ上に配置された対物レンズ、例えば対物レンズ１０ａに対応した波面変換データを読み込む。さらにコントロール部２８は、ドライバ３０に対して波面変換器２０の図示しない各可動素子に対する変位制御信号を送出し、この各可動素子を変位駆動させる。これにより、現在使用されている対物レンズを判別することが可能となり、予め設定されている対物レンズ１０ａの色収差による合焦ずれを補正するための集光点ＰのＢ方向への移動量が判別される。そして、波面変換器２０がコントロール部２８からの指示によって、反射面を平面から、凹面形状、または凸面形状と変化することで、集光点Ｐの位置を光軸上Ｂ方向に移動することとなる。このときの波面変換器の反射面形状はある曲率を持った球面でよく、単純な形状でよい。

このように本実施形態は、測定光にはある一定の波面形状が与えられ、集光点Ｐが光軸上Ｂ方向に移動することが可能となり、可視あるいは紫外で観察する場合の合焦位置とのずれが補正される。

さらに、対物レンズ１０で残存する、赤外の測定光に対する球面収差が大きい場合でも、その波面変換器２０の反射面の補正形状を、波面形状データとして記憶部２９に予め設定しておくことで、対物レンズの情報に適合させて容易に補正可能となる。

また、合焦と判定される状態では、焦点検出系２５からの測定光が常に試料表面と２分割ディテクタ上で集光されており、表面粗さや段差形状、微細構造を有する様々な種類の試料に対しても、安定して高精度な合焦検出のもと、観察、検査することが可能となる。

なお、記憶部２９に予め設定された波面変換データは、対物レンズの種類を考慮した情報となっていたが、さらに波面変換データに測定光や観察光の各波長を考慮した情報を加味することで、例えば観察光の光源を可視光光源から紫外光光源に交換したりする際など、使用する照明系の光源に応じた補正も容易に行うことができる。

次に、図２を参照して本発明に係る第２の実施形態について詳細に説明する。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図２は、自動焦点顕微鏡の一部構成図を示す。合焦点検出系１に設けられた波面変換器２０は、集光レンズ７を透過する測定光の光路に対して４５°の角度に傾けて設けられている。

この場合、記憶部２９に保存された波面変換データは、波面変換器２０を４５°の角度に傾けた情報を加味したものとなっている。これにより、コントロール部２８は、対物レンズの種類に応じて、波面変換器２０を４５°の角度に傾けた情報を加味した波面変換データを記憶部２９から読み込む。さらにドライバ３０へ変位制御信号が送出され波面変換器２０の反射面の形状は、単純な球面あるいは残存球面収差を補正するだけでなく、波面変換器２０を４５°の角度に傾けたことを考慮して４５°の角度方向に一定量伸ばされた形状となる。このため、集光レンズ７を透過した測定光は波面変換器２０で反射し、４５°偏向されて集光点Ｐに集光する。

このように本実施形態では、上記第１の実施形態同様、色収差による合焦ズレ、残存球面収差を補正し、様々な倍率、観察光の波長や試料１１の表面形状に対し、安定して高精度な合焦検出のもと、観察、検査することが可能となる。さらに上記第１の実施形態と比べてハーフミラー２５を取り外すことができるので、この分測定光の光量を損失することなく、有効に利用できる。

次に、図３を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。

図３は、自動焦点顕微鏡の構成を示す。本実施形態では、調整手段３２がコントロール部２８に接続されている。この調整手段３２は、コントロール部２８が出力する変位制御信号を任意に変化させることができるので、波面変換器２０の反射面の形状、例えば曲率を変化させることが可能である。つまり、コントロール部２８からの変位制御信号は、位置検出手段４９が検出した対物レンズの種類に応じて記憶部２９から読み込んだ波面変換データによる出力に加え、調整手段３２からの入力を付加したものとなっている。波面変換器２０、調整手段３２からの入力に応じて曲率の変わる形状が付加されるようになっている。これにより、調整手段３２からの入力が変化すると、測定光の集光点Ｐが光軸上をＢ方向に移動することとなる。

合焦点検出系１が試料１１に対して照射する測定光は、スポットに集光されている。この集光されたスポットは、像観察系１６で観察される像の観察視野に対し非常に小さな領域である。

ここで、試料１１が、段差形状ような３次元構造を有する場合、例えば半導体における試料のように微細構造が何層にも重なっている場合などにおいては、像観察系１６と合焦点検出系１との色収差によるズレが補正されても、観察者の見る合焦注目位置と合焦点検出系１の試料上の合焦位置の違いから、合焦がずれていると感じさせることがある。

本実施形態によれば、調整手段３２を用いた観察者の入力により、合焦精度の低下を伴うことなく、合焦位置を任意に移動させることができる。従って、観察者の感覚との違いを補正することが可能となり、より広い種類の試料に対して安定した精度のよい自動焦点動作を実施することができる。

なお、上記第１乃至第３の実施の形態は、次のように変形してもよい。

波面変換器２０は、結像レンズ８を介して対物レンズ１０ａ又は１０ｂの瞳の投影位置に配置しているが、これは必須な条件ではない。その場合、測定光の光路上にあればよく、配置された位置で、対物レンズにより発生する波面収差を補正するような形状に設定されればよい。

また、本発明の焦点検出方式は、上記第１乃至第３の実施の形態に限らず、対物レンズを介して試料に測定光を照射し、その反射光を用いて行なわれる焦点検出器に対して適用される。

本発明に係る第１の実施形態における自動焦点顕微鏡の構成図である。 本発明に係る第２の実施形態における自動焦点顕微鏡の構成図である。 本発明に係る第３の実施形態における自動焦点顕微鏡の構成図である。 従来の自動焦点検出装置の構成を示す図である。 ２分割ディテクタ上での焦点位置に応じた各受光位置を示す図である。 対物レンズと試料との焦点位置に応じた位置関係を示す図である。

符号の説明

１：合焦点検出系、２：光源、３：コリメータレンズ、４：遮蔽板、５：偏光ビームスプリッタ、６：λ／４板、７：集光レンズ、８：結像レンズ、９：ダイクロイックミラー、１０：対物レンズ、１１：試料、１２：集光レンズ、１３：２分割ディテクタ、１４：分割線、１５：信号処理系、１６：像観察系、１７：レボルバ、２０：波面変換器、２６：レボルバ駆動部、２７：位置検出部、２８：コントロール部、２９：記憶部、３０：ドライバ、３１：反射面制御部。

Claims (5)

1. 対物レンズを介して第１の光を試料に照射し、前記試料からの第１の反射光によって前記試料の像を取得する観察光学系と、
   前記第１の光の波長とは異なる波長の第２の光を前記対物レンズを介して前記試料に照射し、前記試料からの第２の反射光を受光して前記試料に対する前記観察光学系の焦点位置を検出する合焦点検出系と、
   前記合焦点検出系の光路上に配置され、前記第２の光に対して任意の波面形状を与える波面変換手段と、
   を具備したことを特徴とする自動焦点顕微鏡。
2. 前記波面変換手段は、前記第１の光と前記第２の光との各波長の相違により生じる、前記合焦点検出系の前記試料に対する焦点位置と、前記観察光学系の前記試料に対する合焦位置との差を補正することを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
3. 前記波面変換手段は、前記対物レンズ又は前記第１の光乃至前記第２の光の波長に応じて形状を変化させることを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
4. 前記波面変換手段は、前記対物レンズによる前記第２の光の波面収差を補正することを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
5. 前記波面変換手段は、可動膜からなる反射面と該反射面の形状を平面乃至曲面に可変制御する反射面制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４記載の自動焦点顕微鏡。

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