(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、観察光学系の結像レンズと、複数の対物レンズのうち選択された対物レンズとの間の光軸に中心を略一致させて前記対物レンズに導き入れる導入光学系と、前記対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、導入光学系、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置において、
前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂ、観察光学系の前記結像レンズの焦点距離をｆｖ  として、
第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズは、下記（ａ）〜（ｄ）式を満たすことを特徴とする光学顕微鏡における焦点検出装置。
ｆ２  ＝（ｆｖ  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ０  ／ｆ１  ＝（ｆｖ  ・β）／ｆ２    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
【請求項２】
レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、観察光学系の結像レンズと、複数の対物レンズのうち選択された対物レンズとの間の光軸に中心を略一致させて前記対物レンズに導き入れる導入光学系と、前記対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、導入光学系、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法において、
前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂ、観察光学系の前記結像レンズの焦点距離をｆｖ  として、
前記第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズを、下記（ａ）〜（ｄ）式の条件を満たすように選択することを特徴とする光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法。
ｆ２  ＝（ｆｖ  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ０  ／ｆ１  ＝（ｆｖ  ・β）／ｆ２    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
【請求項３】
レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、被測定面に集光する複数の対物レンズと、前記複数の対物レンズのうち選択された対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置において、
前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂとして、
第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズは、下記（ａ）〜（ｄ）式を満たすことを特徴とする光学顕微鏡における焦点検出装置。
ｆ２  ＝（ｆ０  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ２  ＝β・ｆ１    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学顕微鏡における焦点検出装置及びその設計方法に係わり、特に、瞳分割方式のアクティブ型焦点検出装置及びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来の光学顕微鏡におけるアクティブ型自動焦点検出装置の構成を示す図である。
同図に示すように、レーザ出射手段１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２を介して光軸に平行な光束とされた後、光路中に配置された遮蔽板３によって平行光束の半分が遮断される。
【０００３】
そして、残りの半分の平行光束は、偏向ビームスプリッタ４によって、反射され、１／４波長板５を介して、集光レンズ６によって、結像レンズ８の像側焦点位置Ｐに集光される。
【０００４】
さらに、この光線は特定波長域の光のみを反射するダイクロイックミラー７によって反射され結像レンズ８、対物レンズ９を順に介して、被検査体が載置された被測定面１０上に集光されるようになっている。
【０００５】
また、被測定面１０に載置された被検査体にて反射した反射光は、対物レンズ９、結像レンズ８を順に介してダイクロイックミラー７に入射される。この入射光のうち、ダイクロイックミラー７を通過した光は、接岸レンズ１５を介して観察されるとともに、ダイクロイックミラー７で反射させられた前記特定波長域の光は、集光レンズ６、１／４波長板５を順に介して平行光とされ、偏向ビームスプリッタ４を通過する。
【０００６】
この偏向ビームスプリッタ４を通過した平行光は、遮蔽板１１、集光レンズ１２を介して、集光レンズ１２の集光位置Ｑに配置された二分割受光素子１３に集光される。
【０００７】
この二分割受光素子１３は、光電変換素子であり、被測定面１０からの反射光をこれに対応したＡ，Ｂ二つの電気信号に変換した後、各々を信号処理系１４に送出する。そして、この信号処理系１４において、所定の演算を行ない、被測定面１０の変位信号を得ている。
【０００８】
上述のような構成の光学顕微鏡におけるアクティブ型自動焦点検出装置においては、被測定面１０の微細な表面形状の変化による合焦精度の劣化を防止するため、集光レンズ６の焦点距離ｆ１  と集光レンズ１２の焦点距離ｆ２  との関係をｆ２  ＞ｆ１  とすることにより、焦点光学系２１の倍率を観察光学系２２の倍率よりも大きくなるように設定している。
【０００９】
しかしながら、このような構成の検出光学系においては、位相差、微分干渉、偏光などの様々な顕鏡法に応じて、偏光素子や位相素子が対物レンズ９と結像レンズ８との間に挿入された場合、焦点光学系２１に光量損や位相変化による悪影響を及ぼしてしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、これらの問題を解決するために、図３に示すような焦点検出装置も考案されている。なお、図２と同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００１１】
すなわち、図２に示した焦点検出装置との相違点は、焦点光学系２１と観察光学系２２との光路をダイクロイックミラー３１により分離し、焦点光学系２１には結像レンズ３２、観察光学系２２には結像レンズ３３をそれぞれ設けたことにある。
【００１２】
さらに、焦点光学系２１には、ダイクロイックミラー３１にて反射した反射光を結像レンズ３２に入射させるための反射鏡３４と、結像レンズ３２を通過した反射光を反射させて、集光レンズ６に入射させる反射鏡３５とを設ける。
【００１３】
このような構成を採用することにより、ダイクロイックミラー３１と結像レンズ３３との間にいかなる光学部材が着脱されても焦点光学系２１に影響を与えることはない。
【００１４】
また、このような構成のアクティブ型自動焦点検出装置においては、焦点光学系２１の倍率を観察光学系２２の倍率より大きく設定しようとする場合、集光レンズ１２、集光レンズ６の焦点距離に加えて、結像レンズ３２の焦点距離を変えることができるので、倍率設定の自由度も高くすることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示すような検出光学系において、集光レンズ６の焦点距離をｆ１  ，集光レンズ１２の焦点距離をｆ２  、焦点光学系２１における結像レンズ３２の焦点距離をｆ０  、観察光学系２２における結像レンズ３３の焦点距離をｆｖ  とすると、焦点光学系２１の倍率を観察光学系２２の倍率より大きくするためには、下記（１）式の条件を満たすことが必要である。
【００１６】
ｆｖ    ＜  （ｆ２  ・ｆ０  ）／ｆ１    …（１）
また、図２に示した検出光学系においては、ｆ０  ＝ｆｖ  であるから
ｆ２    ＞  ｆ１    …（２）
となる。
【００１７】
しかしながら、上記（１），（２）式に示した条件式を満たすｆ０  ，ｆ１  ，ｆ２  の組み合わせは、何種類も考えることができるので、実際に光学系を設計する際の指針としては必ずしも十分とは言えず、焦点検出装置の設計に膨大な時間を要するという問題があった。
【００１８】
また、焦点検出装置の合理的な設計を行なうことが出来ないことから、光学顕微鏡全体の構成が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、光学顕微鏡における焦点検出装置を形成する各集光手段の焦点距離を決定するに際して、設計上の制約条件を提供することにより、焦点検出装置の設計時間の短縮を図ることのできる光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、焦点検出装置の合理的な設計を行なうことにより、光学顕微鏡の小型化を図ることのできる光学顕微鏡における焦点検出装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
従って、まず、上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、観察光学系の結像レンズと、複数の対物レンズのうち選択された対物レンズとの間の光軸に中心を略一致させて前記対物レンズに導き入れる導入光学系と、前記対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、導入光学系、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置において、前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂ、観察光学系の前記結像レンズの焦点距離をｆｖ  として、第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズは、下記（ａ）〜（ｄ）式を満たす光学顕微鏡における焦点検出装置である。
【００２１】
ｆ２  ＝（ｆｖ  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ０  ／ｆ１  ＝（ｆｖ  ・β）／ｆ２    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
また、請求項２に係る発明は、レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、観察光学系の結像レンズと、複数の対物レンズのうち選択された対物レンズとの間の光軸に中心を略一致させて前記対物レンズに導き入れる導入光学系と、前記対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、導入光学系、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法において、前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂ、観察光学系の前記結像レンズの焦点距離をｆｖ  として、
前記第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズを、下記（ａ）〜（ｄ）式の条件を満たすように選択する光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法である。
【００２２】
ｆ２  ＝（ｆｖ  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ０  ／ｆ１  ＝（ｆｖ  ・β）／ｆ２    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
さらに、請求項３に係る発明は、レーザ光出射手段から出射したレーザ光をコリメートするコリメータレンズと、このコリメータレンズによりコリメートされたレーザ光の一部を第１の集光点に集光する焦点距離がｆ１  である第１の集光レンズと、前記第１の集光点に集光されたレーザ光の発散光をコリメートする焦点距離がｆ０  である第２の集光レンズと、この第２の集光レンズによりコリメートされたレーザ光を、被測定面に集光する複数の対物レンズと、前記複数の対物レンズのうち選択された対物レンズを透過して被測定面にて反射した後に、対物レンズ、第２の集光レンズ、第１の集光レンズを透過してきたレーザ光を２分割受光素子を配した第２の集光点に集光する焦点距離がｆ２  である第３の集光レンズとを備えた光学顕微鏡における焦点検出装置において、前記複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さな対物レンズの開口数をＮＡｏｂ、焦点距離をｆｏｂとして、第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズは、下記（ａ）〜（ｄ）式を満たす光学顕微鏡における焦点検出装置である。
【００２３】
ｆ２  ＝（ｆ０  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（ａ）
ｆ２  ＝β・ｆ１    …（ｂ）
１  ≦  β  ≦    １０（１／２）    …（ｃ）
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（ｄ）
【００２４】
【作用】
請求項１又は請求項３に係る発明は、第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズは、（ａ）〜（ｄ）式を満たすようなものが用いられているので、設計が合理的に行なわれ、その結果、光学顕微鏡全体を小型化することができる。
【００２５】
請求項２に係る発明は、光学顕微鏡における焦点検出装置を設計するに際し、第１の集光レンズ、第２の集光レンズ、第３の集光レンズを（ａ）〜（ｄ）式の条件に基づいて選択するので、設計時間を大幅に短縮することができる。
【００２６】
【実施例】
まず、図３に示す光学顕微鏡における自動焦点検出装置において、観察光学系２２の倍率に対する焦点光学系２１の倍率比βの条件について説明する。
この倍率比βは、二分割受光素子１３から信号処理系１４に出力されるＡＦ信号Ａ，Ｂに基づいて定められる。図１に示すように、二分割受光素子１３から出力されたＡＦ信号Ａ，Ｂから演算される誤差信号（Ａ−Ｂ）は、倍率比βが小さいときは、一点鎖線で示した信号Ｘのようになり、倍率比βが大きいときは、実線で示した信号Ｙのようになる。
【００２７】
従って、倍率比βが大きい場合、二分割受光素子１３より出力されるＡＦ信号Ａ，Ｂから算出される誤差信号（Ａ−Ｂ）がデフォーカス量に対して急激に減衰するため、誤差信号（Ａ−Ｂ）が得られる範囲が狭くなる。
【００２８】
これは、二分割受光素子１３の受光面に於けるデフォーカス量に伴なうビームの広がり具合に依存し、像側の開口数ＮＡと、縦倍率Ｍ２  によって決定される。ここで、誤差信号（Ａ−Ｂ）が得られるデフォーカス範囲をΔＺとすると
ΔＺ  ＝  １／（ＮＡ）２  ・（Ｍ２  ）２  ｝＝１／（ＮＡｏｂ・Ｍ）２    …（３）
なお、ＮＡｏｂは、対物レンズ９の開口数である。
【００２９】
一方、焦点深度ΔＤはＮＡｏｂに対し、
ΔＤ  ＝  １／（ＮＡｏｂ）２    …（４）
である。
【００３０】
従って、誤差信号（Ａ−Ｂ）が存在する範囲ΔＺと焦点深度ΔＤの比は、
ΔＤ／ΔＺ  ＝  Ｍ２  …（５）
となる。
【００３１】
例えば、Ｍ＝１００倍、ＮＡｏｂ＝０．８の対物レンズを用いて、β＝１の場合には、完全反射面でΔＺ＝±１０［μｍ］、ΔＤ＝±０．５［μｍ］、ΔＺとΔＤの比は、２０：１程度になる。また、Ｍ＝１０倍の場合には、ΔＺとΔＤの比は、２０００：１程度になる。
【００３２】
以上の考察から、対物レンズ９の倍率が１００倍の場合、βを１０（１／２）  とすると、誤差信号（Ａ−Ｂ）が得られるデフォーカスの範囲ΔＺは、観察系２２の焦点深度ΔＤの２倍程度となる。
【００３３】
従って、βの上限をＭ＝１００の対物レンズに対する誤差信号（Ａ−Ｂ）の検出可能範囲に設定すると下記（６）式の条件を得ることができる。
１  ≦  β  ≦  １０（１／２）    …（６）
なお、鏡面に対して一般の試料面に対するΔＺの係数を約１／２程度とする。
【００３４】
次に、集光レンズ６，１２間の平行光束の半径ｒの条件について説明する。
遮蔽板３、１１は、瞳分割方式の最も重要な光学要素であり、その調整状態によって、ＡＦ性能全体が左右されるといっても過言ではない。そこで、遮蔽板３、１１のエッジによる回折光の影響、調整位置の誤差が十分無視することができ、且つレーザ光が十分平行ビームとして空間に存在し得る条件を考える。
【００３５】
例えば、半径ｒ＝０．４［ｍｍ］のＨｅ−Ｎｅレーザの広がり角は、θ＝λ／（π・ｒ）とすると、５×１０−４［ｒａｄ］程度であり、レーザ光路が１００［ｍｍ］の場合、１００×５×１０−４＝０．０５［ｍｍ］だけ半径ｒが増加する。
【００３６】
従って、レーザ光路が１００［ｍｍ］で、ビーム径の増加を２０％以下に抑えるとすると（７）式の条件を得ることができる。
ｒ  ≧  ０．５［ｍｍ］  …（７）
なお、本実施例に於いては、瞳分割方式を採用していることから、上記計算は、半径ｒをさらに１／２としている。
【００３７】
そして、（６）、（７）式の条件下において、
ｆ２  ＝（ｆｖ  ・β・ｒ）／（ＮＡｏｂ・ｆｏｂ）  …（８）
ｆ０  ／ｆ１  ＝（ｆｖ  ・β）／ｆ２  …（９）
を満足するｆ０  ，ｆ１  ，ｆ２  からその他のスペース、レンズ設計の難易などの付帯条件を考慮して最終値を決定する。
【００３８】
また、図２に示した焦点検出装置においては、ｆ０  ＝ｆｖ  として、上記（６）〜（９）式を適用すればよい。
なお、一般に顕微鏡は、何本かの対物レンズがレボルバー等によって交換可能であるが、ここで与えられるＮＡｏｂ，ｆｏｂは、複数の対物レンズのうち、開口数と焦点距離の積が最も小さい対物レンズの数値である。一般に、最高倍率の対物レンズがこれに相当する。
【００３９】
従って、本実施例の光学顕微鏡における自動焦点検出装置の設計方法によれば、各集光レンズの焦点距離を決定するに際して、設計上の制約条件を与えることにより、焦点検出装置の設計を迅速に行なうことができる。
【００４０】
また、上記設計方法によって設計された焦点検出装置を有する光学顕微鏡によれば、装置全体を小型化することができ、且つ試料の微細な表面構造による合焦精度の劣化が少なく、組立調整の際に精密な機械的精度が要求されることがない。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、光学顕微鏡における焦点検出装置を形成する各集光手段の焦点距離を決定するに際して、設計上の制約条件を提供することにより、焦点検出装置の設計時間の短縮を図ることのできる光学顕微鏡における焦点検出装置の設計方法を提供することができる。
また、焦点検出装置の合理的な設計を行なうことにより、光学顕微鏡の小型化を図ることのできる光学顕微鏡における焦点検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学顕微鏡における自動焦点検出装置の二分割受光素子における誤差信号を説明するための図である。
【図２】従来の光学顕微鏡におけるアクティブ型自動焦点検出装置の構成を示す図である。
【図３】従来の光学顕微鏡におけるアクティブ型自動焦点検出装置の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザ出射手段、２…コリメータレンズ、３…遮蔽板、４…偏向ビームスプリッタ、５…１／４波長板、６…集光レンズ、７…ダイクロイックミラー、８…結像レンズ、９…対物レンズ、１０…被測定面、１１…遮蔽板、１２…集光レンズ、１３…二分割受光素子、１４…信号処理系、１５…対物レンズ、２１…焦点光学系、２２…観察光学系、３１…ダイクロイックミラー、３２，３３…結像レンズ、３４…反射鏡。
【図１】
0003619571.tif 000002
【図２】
0003619571.tif 000003
【図３】
0003619571.tif 000004