(57)【要約】【課題】観察対象や加工対象移動中に追従式のフォーカス動作を行い事前に対物レンズと対象物の距離をある範囲内に制限し、静止後最終的なフォーカス動作を行う距離を短くし、フォーカス時間の短縮を図るオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】光軸方向及びこれと垂直方向に距離の異なる２個のピンホール７Ａ、７Ｂを、対物レンズ２を介して被測定物１の平坦面に投影する投影手段３０と、上記２個のピンホール７Ａ、７Ｂの段差と対物レンズ２の倍率とに基づいて被測定物側の投影像のフォーカス位置の差を演算する演算手段１１とを備える。【選択図】図１
2006154358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向及びこれと垂直方向に距離の異なる２個のピンホール（７Ａ）（７Ｂ）を、対物レンズ（２）を介して被測定物（１）の平坦面（１ａ）に投影する投影手段（３０）と、上記２個のピンホール（７Ａ）（７Ｂ）の段差と対物レンズ（２）の倍率とに基づいて被測定物側の投影像のフォーカス位置の差を演算する演算手段（１１）とを備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
上記投影手段（３０）は２個のＣＣＤカメラ（８）（９）を有し、一方のＣＣＤカメラ（８）を対物レンズ（２）に対する相対的移動時の追従用粗フォーカス用とし、他方のＣＣＤカメラ（９）を対物レンズ（２）に対する相対的静止時の微調用フォーカスとしたことを特徴とする請求項１のオートフォーカス装置。
【請求項３】
上記投影手段（３０）は１個のＣＣＤカメラを有し、２個のピンホール（７Ａ）（７Ｂ）の照明装置点灯時には、対物レンズ（２）に対する相対的移動時の追従用粗フォーカスとなり、被測定物（１）の観察照明点灯時には、対物レンズ（２）に対する相対的静止時の微調用ォーカスとなることを特徴とする請求項１のオートフォーカス装置。
【請求項４】
２個のピンホール（７Ａ）（７Ｂ）の相対位置を光軸方向に沿って変化させる移動機構を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶や半導体部材の製膜状態の観察等に用いられるオートフォーカス装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶や半導体のパターン製膜後の観察や加工装置には顕微鏡が使用されている。この場合、実際の対象物の映像に良好なコントラストを得る必要があり、このため、顕微鏡のフォーカス位置まで顕微鏡を移動させていた。そして、通常の動作では、観察移動後観察対象地点まで移動後、フォーカス動作することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記方式では、移動後の対物レンズと対象物に対する高さ方向位置関係が不明の為、移動開始地点から、移動終点地点までの最大高さの差を見込んだ上方より最良像点を探す必要があり、フォーカス動作に時間がかかっていた。特に液晶分野では、ガラスの大型化により、検査時間、加工時間の短縮により生産効率を上げてコストダウンすることが重要となっている。
【０００４】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は観察対象や加工対象移動中に追従式のフォーカス動作を行い事前に対物レンズと対象物の距離をある範囲内に制限し、静止後最終的なフォーカス動作を行う距離を短くし、フォーカス時間の短縮を図るオートフォーカス装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで請求項１のオートフォーカス装置は、光軸方向及びこれと垂直方向に距離の異なる２個のピンホール７Ａ、７Ｂを、対物レンズ２を介して被測定物１の平坦面１ａに投影する投影手段３０と、上記２個のピンホール７Ａ、７Ｂの段差と対物レンズ２の倍率とに基づいて被測定物側の投影像のフォーカス位置の差を演算する演算手段１１とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２のオートフォーカス装置は、上記投影手段３０は２個のＣＣＤカメラ８、９を有し、一方のＣＣＤカメラ８を対物レンズ２に対する相対的移動時の追従用粗フォーカス用とし、他方のＣＣＤカメラ９を対物レンズ２に対する相対的静止時の微調用フォーカスとしたことを特徴としている。
【０００７】
請求項３のオートフォーカス装置は、上記投影手段３０は１個のＣＣＤカメラを有し、２個のピンホールの照明装置点灯時には、対物レンズ２に対する相対的移動時の追従用粗フォーカスとなり、被測定物１の観察照明点灯時には、対物レンズ２に対する相対的静止時の微調用フォーカスとなることを特徴としている。
【０００８】
請求項４のオートフォーカス装置は、２個のピンホール７Ａ、７Ｂの相対位置を光軸方向に沿って変化させる移動機構を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１のオートフォーカス装置によれば、ピンホールの像が対物レンズを介して被測定物側に形成されると、２個のピンホールの像は対物レンズと被測定物との間との距離によりその大きさや輝度が変わる。このため、ピンホールの光軸方向の中間点を被測定面と共役の関係とすれば、およそ２個のピンホールの大きさが等しくなった位置がおよその合焦点とみなすことができる。すなわち、２個のピンホールを用いると、双方の大きさの違いから対物レンズが合焦点に対してどちらの方向にずれているかを確認できる。このため、合焦点までのフォーカス合わせを簡単に行うことができる。
【００１０】
請求項２のオートフォーカス装置によれば、一方のＣＣＤカメラを対物レンズに対する相対的移動時の追従用粗フォーカス用とし、他方のＣＣＤカメラを対物レンズに対する相対的静止時の微調用フォーカスとしている。このため、被測定物に対して追従式のフォーカス動作を行い、事前に対物レンズと対象物の距離をある範囲内に制限し、静止後最終的なフォーカス動作を行う距離を短くし、フォーカス時間の短縮を図ることができる。
【００１１】
請求項３のオートフォーカス装置によれば、１個のＣＣＤカメラにて上記請求項２のオートフォーカス装置と同様の作用効果を発揮することができる。しかも、ＣＣＤカメラが１個であるため、装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００１２】
請求項４のオートフォーカス装置によれば、２個のピンホールの相対位置を光軸方向に沿って変化させる移動機構を設けたので、対物レンズの倍率や被測定面のたわみ量に従ってピンホールの差（段差）変更することができる。これにより、種々の被測定物に対応するようにでき、この装置を使用した検査等における観察の作業効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、この発明のオートフォーカス装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのオートフォーカス装置の簡略図を示す。図1はオートフォーカス装置の光学的な構成を示している。このオートフォーカス装置は、光学系として、対象物体（被測定物）１の映像を観察する為の無限遠補正顕微鏡対物レンズ２と、対象物体１の照明装置４と、結像レンズ５等と備え、さらに、光路を２つに分ける為のビームスプリッター３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、６と、追従用粗動フォーカス用ＣＣＤカメラ８と、最終微調フォーカス用ＣＣＤカメラ９と、ピンホール（段差ピンホール）７Ａ、７Ｂの照明装置（ピンホール照明）１０とを備えている。
【００１４】
この場合、光軸方向及びこれと垂直方向に距離の異なる２個のピンホール７Ａ、７Ｂを、対物レンズ２を介して被測定物１の平坦面１ａに投影する投影手段３０と、上記２個のピンホール７Ａ、７Ｂの段差（差）と対物レンズ２の倍率とに基づいて被測定物側の投影像のフォーカス位置の差を演算する演算手段１１とを備えることになる。
【００１５】
すなわち、投影手段３０は、照明装置１０と、追従用粗動フォーカス用ＣＣＤカメラ８と、ビームスプリッター３Ａ、６と、結像レンズ５と、ビームスプリッター３Ｂと、対物レンズ２と、照明装置４と、ビームスプリッター３Ｃと、最終微調フォーカス用ＣＣＤカメラ９とを備える。この際、カメラＣＣＤ面、段差ピンホール７Ａ、７Ｂの光軸方向の中間位置、及び対物レンズ２のフォーカス面（対象物）とは、光学的に共役な配置としておく。段差ピンホール７Ａ、７Ｂの像は、対物レンズ２の上下に伴いＣＣＤ面上にフォーカス状態の異なる像を２個結ぶことになる。なお、図１において、１３は後述するＺ軸制御ドライバーである。
【００１６】
上記のように構成されたオートフォーカス装置では、顕微鏡光学系内のビームスプリッターを介してオートフォーカス光学系を通常の顕微鏡光学系システムの中に、組み込んで使用することができる。すなわち、段差ピンホール７Ａ、７Ｂは、ピンホール照明１０により照明され、その２つのピンホール７Ａ、７Ｂの輝点がビームスプリッター３Ａ、ビームスプリッター６、結像レンズ５、ビームスプリッター３Ｂ、対物レンズ２を介して被測定物１の面に投影される。この際、被被測定面側の投影像のフォーカス位置の差ΔＸは、段差ピンホール７Ａ、７Ｂの段差ΔＳと対物レンズ２の倍率によりきまる。具体的には、例えば、５倍程度の対物レンズ２と段差ΔＳ１０ｍｍでは、およそΔＸ４００ミクロン程度でありこれによりフォーカスの追従範囲が決定される。
【００１７】
従って急激な段差が無い緩やかな被測定面（平坦面）１ａに対しては、ＸＹステージ１５（図２参照）が駆動中に、組み込まれた対物レンズ２を被測定面1ａに対してフォーカス動作をするように、ＣＣＤカメラ８の映像を用いて、演算手段１１及び制御手段１２にて制御することが可能となる。なお、ＸＹステージ１５とは、Ｘ軸方向とこれに直交するＹ軸方向とに移動可能なステージである。
【００１８】
演算手段１１は、ピンホール７Ａ、７Ｂの２個の像の大きさや輝度の状態の変化により対物レンズ２の対象物に対する位置変化を計算することができる。また、対物レンズ２に対して対象物動作中でも、このピンホール像は、ＣＣＤ映像の固定位置に定位し演算処理も簡単に行うことができる。制御手段１１は、図２に示すように、２つのピンホール映像を用いてオートフォーカスを制御する為のアルゴリズムを有するＣＰＵ１６およびその周辺回路よりなっている。ここで、周辺回路とは、ドライバー回路１７、パルス発生器１８、ビデオ信号入力回路１９、Ａ／Ｄ変換器２０、メモリー回路２１、及び通信部２２等からなる。
【００１９】
すなわち、演算手段１１では、映像信号は、ビデオ信号入力回路１９を経てＡＤ変換器２０にてアナログデータがデジタルデータに変換され、デジタルデータとしてメモリー回路２１に入る。データはＣＰＵ１６で処理されＺ軸駆動量が計算され、パルス発生器１８、ドライバー回路１７を経て駆動信号がＺ軸制御ドライバー１３（図１参照）からＺ軸ステージ１４に送られる。制御手段１２は、ＣＰＵと通信部２３を持つことにより、駆動データの表示を行うことができる。また、静止後の制御手段１２による画像処理による最終フォーカス駆動量は、通信部２３を介して演算手段１１に送られる。
【００２０】
そして、ＸＹステージ１５が停止後は、ピンホール照明１０を消灯した後、光源装置４を点灯させる。この際、ＣＣＤカメラ９の映像を制御手段１２内に内臓した画像キャプチャーボードの画像取込ボード２４等で、狭い範囲の映像すなわち少数枚の取り込みパターン画像を用いて高速でフォーカスを実施可能である。
【００２１】
次にこの装置を使用した被測定物１の測定方法を説明する。まず、ＸＹステージ動作中、段差ピンホール７Ａ、７Ｂの映像を被測定面１ａに形成する。そして、その像をＣＣＤカメラ８で捕らえて合焦位置の検出しながら高さ方向（上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向）のステージ制御すなわちＺ軸制御ドライバー１３によるフォーカス制御を行うことで、フォーカス合わせを行う。すなわち、段差ピンホール７Ａ、７Ｂの像が顕微鏡対物レンズ２を通して被測定面１ａに形成されると、２つのピンホール像は顕微鏡対物レンズ２と被測定面１ａとの距離によりその大きさや輝度が変わる。また、段差ピンホール７Ａ、７Ｂの光軸方向の中間点を被測定面１ａと共役の関係とすれば、およそ２つのピンホール７Ａ、７Ｂの大きさが等しくなった位置がおよその合焦点とみなすことができる。そのため、このような２つのピンホール７Ａ、７Ｂを用いて、双方の大きさの違いから対物レンズ２が合焦点に対してどちらの方向にずれているかを認識できるようにしている。
【００２２】
また対象物体１の照明装置４を消灯すれば、ピンホール像のみ２次元ＣＣＤカメラにより取得される為、被測定面１ａが顕微鏡視野内で平面とみなせれば、ほぼ同一位置に２点が結像するのでＣＣＤカメラ映像の特定位置での処理をすれば良く、パターンの処理等の複雑な処理をする必要が無い。さらに、被測定面１ａの下地のパターンがある場合でも、この装置では、２次元ＣＣＤの角度をパターン方向に対して傾けることで影響を取り除くこともできる。しかも、対象物の種類により投射する光の波長閾、偏光成分も途中の光学系や光源により変更できる。
【００２３】
オートフォーカス装置によれば、この装置を顕微鏡を含む光学システムに設置することにより、顕微鏡と被測定物が測定目標地点までＸＹ方向に相対的に移動している間に、フォーカス追従動作を行わせて、フォーカス位置のＺ位置範囲の追い込みを行い、静止後、狭い範囲の映像すなわち少数枚の取り込みパターン画像により処理し、合焦点までのフォーカスを短時間で行うことができる。すなわち、顕微鏡移動中に段差ピンホール７Ａ、７Ｂの像を用いて合掌範囲の絞込みを行い静止後、ピンホール照明１０を消灯し、対象物体（被測定物）１の照明装置４を点灯し、最終微調フォーカス用ＣＣＤカメラ９の映像を用いて、高速に合焦させることによりオートフォーカス時間を短縮させることができる。
【００２４】
ところで、ピンホール７Ａ、７Ｂの段差を可変構造とすることも可能であるが、ピンホール７Ａ、７Ｂの段差を可変とすれば、対物レンズ２の倍率や被測定面１ａの面たわみ量に従ってピンホール７Ａ、７Ｂの段差変更することもできる。これにより、種々の被測定物１の対応するようにでき、この装置を使用した検査等における観察の作業効率の向上を図ることができる。なお、ピンホール７Ａ、７Ｂの段差を可変構造は、２個のピンホール７Ａ、７Ｂの相対位置を光軸方向に沿って変化させる移動機構（図示省略）を設けることによって構成することができる。
【００２５】
また、上記図１に示すオートフォーカス装置では、ＣＣＤカメラを２個用いているが、１個のＣＣＤカメラであってもよい。すなわち、１個のＣＣＤカメラを、２個のピンホール７Ａ、７Ｂの照明装置（ピンホール照明）点灯時には、対物レンズ２に対する相対的移動時の追従用粗フォーカスとして使用し、被測定物１の観察照明点灯時には、対物レンズ２に対する相対的静止時の微調用フォーカスとして使用するようにすればよく、映像の分岐によりＸＹステージ駆動時及び静止時のフォーカス動作をするようにすればよい。
【００２６】
このように、１個のＣＣＤカメラを使用しても、２個のＣＣＤカメラを使用したのと同様な機能を発揮することができる。しかも、ＣＣＤカメラが１個であるため、装置のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
【００２７】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、ピンホール照明１０と装置照明４の切り替えと移動時用フォーカスのＣＣＤカメラ８及び静止時用フォーカスのＣＣＤカメラ９の切り替えを実施しているが、ビームスプリッター６に対して偏光特性や反射透過に関する波長依存性をもたせて、照明切り替えを省くことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明のオートフォーカス装置の実施形態を示す簡略斜視図である。
【図２】上記オートフォーカス装置の制御回路の簡略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・対象物体（被測定物）、１ａ・・平坦面（被測定面）、２・・対物レンズ、７Ａ、７Ｂ・・ピンポール、８、９・・ＣＣＤカメラ、１１・・演算手段、３０・・投影手段
【図１】
2006154358.tif 000003
【図２】
2006154358.tif 000004