(57)【要約】      （修正有）【課題】  凹凸のある試料面で、仮にその凹凸に周期性があっても、一定の高さに安定して合焦する焦点検出装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源と、レーザ光を平行にするコリメート手段と、平行光線の半分を遮光し半月形とするナイフエッジと、該半月形となった光束を観察対象の表面に投影結像し反射光を平行に戻す対物レンズと、投影光束および反射光束のうち一方を透過し他方を反射して二者の光軸に分離する手段と、分離反射光からの光束を対物レンズの焦点面と共役の焦点面に結像する手段と、対物レンズの焦点面と共役の焦点面に置かれ、結像された像の輝度を出力する手段と、を有し、レーザ光がコリメート手段に入射又は出射側に配置され、コリメート手段で平行光束となるレーザ光を互いにわずかに伝播方向の異なる複数の平行光束群に分割する手段を備え、対物レンズによってこれらが試料面上に投影された時、不等間隔に並ぶ複数の点として結像する。【選択図】      図１
2006113198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を平行光束にするコリメート手段と、
前記コリメート手段で平行光線となったレーザ光の半分を遮光し、半月形の平行光束とするナイフエッジと、
該ナイフエッジにより半月形となった平行光束を観察対象の表面に投影結像し、更にその像からの反射光を平行光束に戻す対物レンズと、
前記投影する光束および反射してきた光束のうち一方を透過し、他方を反射して二者の光軸に分離する分離手段と、
前記分離手段で分離された反射光からの平行光束を前記対物レンズの焦点面と共役の焦点面に結像する結像手段と、
前記対物レンズの焦点面と共役の焦点面に置かれ、前記結像された像の輝度を出力する検出手段と、
を有した焦点検出装置において、
前記レーザ光源からのレーザ光が前記コリメート手段に入射する側、または前記コリメート手段を介して出射した側に配置され、前記コリメート手段で平行光束となるレーザ光を互いにわずかに伝播方向の異なる複数の平行光束群に分割する光束分割手段を備え、
前記対物レンズによってこれらが試料面上に投影された時、不等間隔に並ぶ複数の点として結像するようにしたことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記光束分割手段は、前記コリメート手段を介して出射した側に配置された透明板および回折格子の組み合わせにより構成され、
前記透明板は、表裏がわずかに非平行であり、前記透明板内部の多重反射によって光束をわずかに異なる角度に分離し、
前記回折格子は、前記透明板によって分離された角度とは別な角度に更に分離し、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記光束分割手段は、前記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子であり、
前記回折格子は、表裏がわずかに非平行な透明板の表面に形成され、前記透明板内部の多重反射によって光束をわずかに異なる角度に分離し、該当面板表面の回折格子によってそれとは別な角度に更に分離することによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチになるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記光束分割手段は、前記コリメート手段に入射する側に配置された１／４λ板および前記１／４λ板に続く復屈折素子と、前記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子との組み合わせであり、直線偏光である前記レーザ光を異常屈折を利用して二つのの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、前記１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、コリメート手段を通過する際、光軸がわずかにずれていることによってわずかに非平行な複数の平行光束群となし、回折格子によってそれとは別な角度に更に分離することによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記光束分割手段は、前記コリメート手段に入射する側に配置された復屈折素子と１／４λ板との複数の組み合わせであり、各復屈折素子の厚さ、材質あるいは結晶軸を変化させてあり、
直線偏光である前記レーザ光を、異常屈折を利用して二つの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、これを複数回繰り返した後、不等ピッチに光軸がずれた一群の光束群となし、更にコリメート手段を通過する際、光軸がわずかにずれていることによって伝播方向が不等ピッチにずれた複数の平行光束群となすことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡に用いる焦点検出装置に関し、例えば、観察しようとする試料を光学系の焦点位置に位置決めするための焦点検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（第１の従来技術）
図１３は、第１の従来技術にかかる焦点検出装置の光路図の一例を示す図である。
図１３に示した焦点検出装置は、顕微鏡などの光学機器に広く用いられているナイフエッジ法焦点検出装置である。
【０００３】
図１３において、レーザ光源３４１から出たレーザ光は、コリメートレンズ３４４で平行光にされ、ナイフエッジ３４５で光束の半分が正確に遮光される。遮光されなかった半月状の光束は、ハーフミラー３４６を素通りしてダイクロックミラー３４８で方向を変えられ、対物レンズ３５０を通って試料面３５１上に結像する。試料面３５１が対物レンズ３５０の焦点面に一致していれば、反射光は対物レンズ３５０に戻って平行光束になる。このとき、上記入射光束は光軸を挟んで正確に反対側に、半月状の平行光束になる。
【０００４】
そして、反射光は、ダイクロックミラー３４８で方向を変えられ、更にハーフミラー３４６でも方向を変えられて、半月状の平行光束のまま、結像レンズ３５３に入る。フォトディテクタ３５４は、対物レンズ３５０の焦点面（試料面３５１）と共役な位置に、その表面が位置するように配設されている。
【０００５】
図１３に示すように、観察しようとする試料面３５１が、対物レンズ３５０の焦点面に一致している時は、それと共役なフォトディテクタ３５４の表面の中央に極小のスポット（点像３５２）が結像する。しかし、もし試料面３５１がニアフォーカスの位置にあれば、結像レンズ３５３を通った反射光束はフォトディテクタ３５４の表面よりも遠方に結像しようとするので、フォトディテクタ３５４の半分（図中の右半分）の表面に薄明るい半月状のボケ像を現す。逆に、試料面３５１がファーフォーカスの位置にあれば、反射光束はフォトディテクタ３５４の表面よりも手前に結像しようとして、フォトディテクタ３５４の別の半分（図中の左半分）の表面に薄明るい半月状のボケ像を表す。
【０００６】
従って、光軸を中心にフォトディテクタ３５４を２分割し、その出力の強度を比較すれば、試料面３５１が対物レンズ３５０の焦点面に対しどちらにどれだけずれているのかを評価でき、試料面３５１の位置を対物レンズ３５０の焦点面に自動的に合致させる制御が可能になる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかし、試料面３５１に投影されるレーザ光のスポットはただ一点（点像３５２）である。従って、試料が例えば半導体ウェハのように凹凸に富み、その凹凸が高倍対物レンズの被写界深度と同等かそれ以上の場合、上記ただ一点のスポットがたまたまどこに集光するかで、試料の合焦制御される高さが変化する。即ちスポットが凹凸の谷底に集光すれば、谷底に焦点が合うし、突出部に集光すれば、該突出部の高さに合焦する。あるいは凹凸の境界（がけっぷち）にスポットが集光すれば、反射光の大半が散乱性反射となって対物レンズ３５０に戻らず、そもそも焦点位置の検出ができなくなる。
（第２の従来技術）
そこで、上記特許文献１では、単一のスポットではなく、線状のラインを、試料面に投影する焦点検出装置を開示している。
【０００８】
図１４は、第２の従来技術にかかるライン投影の光路図の一例を示す図である。
図１４において、図１３との相違点のみを説明すると、トーリックレンズ（シリンドリカルレンズ）３０７は、紙面に直交する方向にのみ結像作用を持つ。図中実線の光路は、該トーリックレンズ３０７が結像作用を持たない方向の光束の挙動を説明しており、図１３同様、対物レンズ３１０の作用によってレーザ光は試料面３１１に結像する。
【０００９】
図中の破線の光路は、結像作用を持つ方向の光路で、本来は紙面に直交する面内の挙動を紙面に重ねて表したものである。該方向ではトーリックレンズ３０７の結像作用によって、対物レンズ３１０の上側焦点位置３０９にいったん結像した光束が、対物レンズ３１０に入って平行光束となって試料面３１１に達する。すなわち、レーザ光を、特定の方向にのみ対物レンズ３１０で結像させ、それに直交する方向では平行光束にして、試料面３１１に照射しているため、スリット像３１２が結像される（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
この第２の従来技術によれば、スポット状の像ではなく直線状の像（スリット像３１２）が試料面３１１に照射されるので、常にその直線上の凹凸の平均の高さに合焦することができる。また、どこかの凹凸の境界面で乱反射があったとしても、他の大部分の場所から反射光が返ってくるから、凹凸による乱反射にも強い。
【００１１】
しかしながら、市販の規格品ならともかく、設計上の所望の曲率のトーリックレンズを製造するには、型代がかさむので原価が高くつくし、組み立て調整においても、トーリックレンズ３０７の焦点を対物レンズ３１０の上側焦点位置３０９に一致させるのは、これといった合理的な調整手法が確立されておらず、量産の現場では、調整困難であるという問題点がある。
【００１２】
さらに、対物レンズ３１０の上側焦点位置３０９は対物レンズ３１０の倍率によって異なるので、厳密な動作のためには対物レンズ３１０の交換のたびにトーリックレンズ３０７の位置を再調整しなければならないという問題点もある。
（第３の従来技術）
また、特許文献２には、前述の第２の従来技術と同様の技術として、レーザ光をライン状にして試料面に投影する合焦装置が提案されている。
【００１３】
図１５は、第３の従来技術にかかる光学顕微鏡を示す図である。
図１５に示す一体型光学顕微鏡４３０は、概略的には、対物レンズ４０２とＣＣＤ４０９とを有して試料４０４と対向するように配される鏡筒部４０５と、照明用の光を照射する照明ユニット４０６及び焦点合わせ用のレーザ光を照射するオートフォーカス装置４０７を有する一体型装置４３１とを備える。
【００１４】
この一体型装置４３１は、照明ユニット４０６を構成する照明用ミラー４１５がオートフォーカス装置４０７を構成するレンズ４１９とミラー４２０との間に配されるような構成を有する。このように構成された一体型光学顕微鏡４３０では、一体型装置４３１における照明用光源４１０から出射された照明用の光の光軸とオートフォーカス装置４０７におけるレーザ光の光軸とが重ねられて鏡筒部４０５に入る。そして、照明用の光とレーザ光とは、鏡筒部４０５において、対物レンズ４０２に入射して試料４０４に照射される。
【００１５】
この第３の従来技術は、トーリックレンズ（シリンドリカルレンズ）４１７を用いて、直線状のものを試料面に投影する点は、上記第２の従来技術と共通する。従って、問題点も共通している。
（第４の従来技術）
そこで、本出願人は、前述の問題点を解決できる焦点検出装置を提案した。その要点は、レーザ光を線上に投影するのでなく、複数のスポットを同時に投影することにある（特許文献３参照）。
【００１６】
図１６は、第４の従来技術に係る焦点検出装置を示す図である。
図１６において、レーザ光源５０４から出たレーザ光は、コリメートレンズ５０５で平行光にされた後、回折格子５０６で分割される。従って試料面５００上には、一列に並んだ複数のスポットが投影される。
【００１７】
これによると、凹凸のある試料面でも、複数のスポットが集光する位置の平均の高さに合焦することができるので、常にほぼ一定の高さに合焦することができる。また、複数のスポットのいくつかで散乱性の反射になっても、他のスポットからの反射が返ってくるので、合焦が可能である。更に、一般に回折格子は安価であり、組み立て時にも回折方向の調整のみでよいので、調整も容易である。
【００１８】
しかし、この合焦装置でも、様々な試料を観察していくうちに、新たな問題点が見いだされた。即ち、試料の凹凸が周期性を持っており、その周期性がスポットの間隔と一致すると、後述するような不具合が起こってしまう。
【００１９】
以下に、図１７乃至図２０を用いてその不具合について説明する。
図１７および図１８は、ある試料の観察画像に合焦させた状態の画像を示す図である。
図１８は、図１７の状態からオートフォーカスの追随制御をかけたまま試料を微量動かした状態を示している。
【００２０】
図１８に示した画像は、試料面の高さが変化していることが、画像のぼけ具合からも判る。そして、更に試料を動かしていくと図１７に示した画像の高さに戻り、以後、図１８、図１７と、周期的に試料高さが変化する。
【００２１】
この現象の原因は、以下のように説明することができる。
これらの図１７及び図１８には、試料面上に集光するスポットがその位置を計算して重ね描きしてある。図中、白く見えるパターン上に集光するスポットを黒、パターンとパターンとの間に集光するスポットを白で表してある。
【００２２】
図１７では、全９点のうち３点が白だが、図１８では９点のうち６点が白である。即ち、９点のうち、パターンの上に集光するものが多くなったり、パターンの下に集光するものが多くなったりしている。
【００２３】
図１９は、図１７のＡ−Ａ断面を示す図であり、図２０は、図１８のＡ−Ａ断面を示す図である。
図１９及び図２０によれば、パターンの上に集光するスポットが多い時は平均して高い所に合焦することができ、パターンの下に集光するスポットが多い時は、平均して低い所に合焦することができるのが分かる。なお、パターンの周期自体は、スポットの周期と一致しないようであるが、パターンが画面上部で鈎状に折れ曲がっていることも考慮すると、試料を微動していく時、パターンの上に集光するスポットとパターンの下に集光するスポットとの割合が、周期的に逆転することが説明できる。このことを含めて考えれば、この現象は、パターンの周期性とスポットの配列の周期性とが干渉して起こっているといえる。
【００２４】
また、特許文献３には、スポットの間隔を可変にする構成が開示されている。
図２１は、光路中で光軸と垂直な方向に移動させて、試料上に照射されるパターンを変化させるマルチスリット（マルチピンホール）を示す図である。
【００２５】
マルチスリット５６７は矩形の平行平面板であって、上から下（縦方向）に向けて直線状に複数の開口部列５６７Ａ〜５６７Ｅが設けられている。
開口部列５６７Ａはマルチスリット５６７の左端に位置して３つの開口部を有しており、中心線５６９上に１つの開口部と、その上下に近接して開口部を１つずつ有している。開口部列５６７Ｂは開口部列５６７Ａの右側に位置して３つの開口部を有しており、中心線５６９上に１つの開口部と、その上下にやや離れて（開口部列５６７Ａよりも広い間隔で）開口部を１つずつ有している。
【００２６】
開口部列５６７Ｃは左右の中心線上に位置して７つの開口部を有しており、中心線５６９上に１つの開口部と、その上下に近接して開口部を３つずつ有している。開口部列５６７Ｄは開口部列５６７Ｃの右側に位置して３つの開口部を有しており、中心線５６９よりも下に近接した３つの開口部を有している。開口部列５６７Ｅはマルチスリット５６７の右端（開口部列５６７Ｄの右側）に位置して３つの開口部を有しており、中心線５６９よりも上に近接した３つの開口部を有している。
【００２７】
このように、マルチスリット５６７は異なる横方向位置に、異なる間隔でしかも異なる数の開口部からなる開口部列を複数備えているため、マルチスリット５６７を光軸に垂直な方向に移動させることで、開口部を通過できる光束の数や間隔を異ならせることができる。その結果、試料上に照射されるパターン（スポット光の数や間隔）を変化させることができる。
【００２８】
図２２は、スポットの間隔を可変にする構成を説明するための図である。
図２１に示したような挿脱自在のマルチスリット５６７を、図２２に示すように光路中の像面の一つに挿入することによって複数のスポットの一部を遮光し、残りを使ってオートフォーカスする。
【００２９】
これによれば、試料の状態いかんによって、「マルチスリット」のパターンを選択し、試料面に投影されるスポットの数や間隔を変えることができる。
【特許文献１】特開平８−２５４６５０号公報
【特許文献２】特開平１０−１６１１９５号公報
【特許文献３】特開２００１−２９６４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
しかしながら、装置を操作する操作者は、レーザ光のスポットを見ることができないので、スポット列の間隔が観察しようとするパターンの間隔と一致するかどうかを、操作者は判断できず、試料の状態毎に試行錯誤的に、マルチスリットを取り替えて様子を見るしかなく、合理的に最適なスポット列を選択することができない上、操作者が装置につかない自動機では、そもそも役に立たない。
【００３１】
すなわち、従来の焦点検出装置によれば、試料面上に投影されるレーザ光がただ一点のスポットの場合には、試料面に凹凸がある場合に、その凹凸に応じて合焦することができる高さが変動したり、レーザ光の乱反射によってそもそも合焦できなかったりする場合があるという問題点があった。
【００３２】
また、投影されるレーザ光を、単一のスポットではなく一本の線上に投影する場合、凹凸のある試料面でも一定の高さに合焦することができ、乱反射の影響も軽減されるが、使用する光学素子の原価が高く、組み立て調整も困難であるという問題点があった。
【００３３】
また、回折格子などを使って、複数のスポットを試料面に投影する場合、凹凸のある試料面でも一定の高さに合焦することができ、乱反射の影響も少なく、原価も安いが、試料面に投影されるスポットの間隔と試料の凹凸の周期性が偶然に一致する時、合焦することができる高さが周期的に変動するという問題点があった。
【００３４】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、凹凸のある試料面で、仮にその凹凸に周期性があっても、一定の高さに安定して合焦する焦点検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の焦点検出装置は、レーザ光源と、上記レーザ光源から出力されたレーザ光を平行光束にするコリメート手段と、上記コリメート手段で平行光線となったレーザ光の半分を遮光し、半月形の平行光束とするナイフエッジと、該ナイフエッジにより半月形となった平行光束を観察対象の表面に投影結像し、更にその像からの反射光を平行光束に戻す対物レンズと、上記投影する光束および反射してきた光束のうち一方を透過し、他方を反射して二者の光軸に分離する分離手段と、上記分離手段で分離された反射光からの平行光束を上記対物レンズの焦点面と共役の焦点面に結像する結像手段と、上記対物レンズの焦点面と共役の焦点面に置かれ、上記結像された像の輝度を出力する検出手段とを有した焦点検出装置において、上記レーザ光源からのレーザ光が上記コリメート手段に入射する側、または上記コリメート手段を介して出射した側に配置され、上記コリメート手段で平行光束となるレーザ光を互いにわずかに伝播方向の異なる複数の平行光束群に分割する光束分割手段を備え、上記対物レンズによってこれらが試料面上に投影された時、不等間隔に並ぶ複数の点として結像するようになしたことを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の焦点検出装置は、上記光束分割手段が、上記コリメート手段を介して出射した側に配置された透明板および回折格子の組み合わせにより構成され、上記透明板は、表裏がわずかに非平行であり、上記透明板内部の多重反射によって光束をわずかに異なる角度に分離し、上記回折格子が、上記透明板によって分離された角度とは別な角度に更に分離し、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチとなるようにしたことが望ましい。
【００３７】
また、本発明の焦点検出装置は、上記光束分割手段が、上記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子であり、上記回折格子が、表裏がわずかに非平行な透明板の表面に形成され、上記透明板内部の多重反射によって光束をわずかに異なる角度に分離し、該当面板表面の回折格子によってそれとは別な角度に更に分離することによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチになるようにしたことが望ましい。
【００３８】
また、本発明の焦点検出装置は、上記光束分割手段が、上記コリメート手段に入射する側に配置された１／４λ板および上記１／４λ板に続く復屈折素子と、上記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子との組み合わせであり、直線偏光である上記レーザ光を異常屈折を利用して二つのの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、上記１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、コリメート手段を通過する際、光軸がわずかにずれていることによってわずかに非平行な複数の平行光束群となし、回折格子によってそれとは別な角度に更に分離することによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチとなるようにしたことが望ましい。
【００３９】
また、本発明の焦点検出装置は、上記光束分割手段が、上記コリメート手段に入射する側に配置された復屈折素子と１／４λ板との複数の組み合わせであり、各復屈折素子の厚さ、材質あるいは結晶軸を変化させてあり、直線偏光である上記レーザ光を、異常屈折を利用して二つの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、これを複数回繰り返した後、不等ピッチに光軸がずれた一群の光束群となし、更にコリメート手段を通過する際、光軸がわずかにずれていることによって伝播方向が不等ピッチにずれた複数の平行光束群となすことが望ましい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、観察しようとする試料の表面に投影するスポットの間隔を不等間隔にしたので、試料面の凹凸などが周期性を持っている時でも、安定して該凹凸の平均付近の高さに合焦することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、光束分割手段を、コリメート手段を介して出射した側に配置された、透明板と回折格子の組み合わせにしたので、安価な構成によって、表面の凹凸に周期性のある試料でも、合焦高さが変動することなく合焦することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、光束分割手段を、上記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子にして、表裏がわずかに非平行な透明板の表面に形成された回折格子であり、透明板内部の多重反射によって光束をわずかに異なる角度に分離し、該当面板表面の回折格子によってそれとは別な角度に更に分離することによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチになるようにしたので、部品点数が全く増えないし、非平行板の方向を回折格子の回折方向に合わせる調整も不要となり、量産の場合に特に原価が下がる。
【００４３】
また、本発明によれば、光束分割手段を、上記コリメート手段に入射する側に配置された１／４λ板および上記１／４λ板に続く復屈折素子と、上記コリメート手段を介して出射した側に配置された回折格子の組み合わせにして、直線偏光である上記レーザ光を異常屈折を利用して二つの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、コリメート手段を透過する時、光軸がわずかにずれていることによってわずかに非平行な複数の平行光束群となし、回折格子によってそれとは別な角度に更に分離する。これによって、全体として平行光束群の伝播方向が不等ピッチとなるようにしたので、原理的に高次の多重反射のようなものが発生せず、設計的に意図した光束だけが発生するので、光量に無駄がない。
【００４４】
また、本発明によれば、光束分割手段を、コリメート手段に入射する側に配置された復屈折素子と１／４λ板との組み合わせにして、該組み合わせを複数組有し、各復屈折素子の厚さ、材質または結晶軸を変化させてあり、直線偏光である上記レーザ光を異常屈折を利用して二つの異なる偏光面と光軸を持つ光に分割し、１／４λ板を通して円偏光にすることによって可干渉性を持たせ、これを複数回繰り返した後、不等ピッチに光軸がずれた一群の光束群となし、更にコリメート手段を通過する時、光軸がわずかにずれていることによって伝播方向が不等ピッチにずれた複数の平行光束群となるようにしたので、周期性のほとんどないスポットの列を試料面に投影することができる、試料面の凹凸がいかなる周期性を持っていようとも、全くその影響を受けることなく、常に表面の高さの平均付近に、合焦することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【００４６】
図１において、光源４は、本第１の実施の形態の焦点検出装置が使用する光束を供給する。なお、観察画像を形成するための光源と投影系、結像系は、不図示である。
レーザ駆動部２０は、光源４を駆動するためのものであり、コントロール部２３の指令に従って、光源４を点滅させたり、発光量を変えたりする。
【００４７】
コリメートレンズ５は、光源４からの光を平行光束にする。
非平行板１０１は、例えば石英ガラスなどの光学的な透明な材料でできており、表裏の表面は光学的に十分に平面である。表裏の平行度は意図的にわずかに非平行にされており、多重反射を生じるが、その多重反射光の方向は、後述の回折格子の回折の方向に一致するように取り付けられている。なお、非平行板１０１の表裏の反射率の関係から、一次の多重反射光のみに着目すれば良く、２次以上の多重反射光の強度は無視しうる。
【００４８】
回折格子１０２は、入射光束を複数の平行光束群に分割する。分割された全ての出射光束群は、入射光束の光軸を含む単一の平面内にある。且つ、広げた扇の骨の如く、隣り合う光束同士のなす角は、どれも同じである。なお、上記非平行板１０１による一次多重反射光もまた、同様に分割されるので、二組の広げた扇の骨を、わずかにずらして重ねたような出射の状況になる。
【００４９】
遮光板７は、上記出射光束群のうち正確に半分を遮光する。遮光の方向は、遮光板７の縁が全ての光束の光軸を含む方向になるように設定されている。従って、全ての光束は半月状に遮光され、その半月の弦は同一の直線上、即ち遮光板７の縁上に載っている。なお、図１に示した非平行板１０１、回折格子１０２が光束を分割する方向は紙面に平行だが、これは理解を助ける為の比喩的な表現であり、実際には縁は紙面に直交している。
【００５０】
偏光ビームスプリッタ８は、上記遮光板７を通過した半月状の光束群を反射し、伝播方向を折り曲げる。しかしながら、試料面から反射し、後述の対物レンズ３ａ、３ｂによって平行光束群にされて戻ってきた光束群は、後述の１／４λ板１１によって直線偏光に戻された際、偏光面が異なっているので、偏光ビームスプリッタ８を透過する。
【００５１】
リレー光学系９および１０は、その間に中間結像位置６を持っている。該中間結像位置６は、後述の対物レンズ３ａ、３ｂの焦点面と共役な焦点面である。１／４λ板１１は、直線偏光を円偏光にする。ダイクロックミラー１２は、光束群を折り曲げる。なお、不図示の観察光は、透過させる。
【００５２】
対物レンズ３ａおよび対物レンズ３ｂは、倍率が異なる。試料台１は、観察しようとする試料Ｓを載置する為の台である。
投影レンズ１３は、試料面から戻ってきた光束群を結像させる。光検出器１４の位置は対物レンズ３ａの焦点面と共役なので、光束群が試料Ｓ上に結像する時は、光検出器１４上にも結像し、極小のスポットとなって一直線上に並ぶ。然るに光検出器１４は２つの領域ＡおよびＢに分割されている。上記スポット群は光検出器１４の表面に結像すると、一直線に並ぶが、上記分割の境界線は、この直線に厳密に一致するように位置決めされている。
【００５３】
前置増幅器２１は、光検出器１４の出力を受け、ＡＤ変換器２２は、前置増幅器２１の出力をデジタルデータに変換し、光変換器１４が受光した光量に対応するデジタルデータをコントロール部２３に送る。なお、前置増幅器２１とＡＤ変換器２２は２チャンネルであり、光検出器１４の分割された２領域からの出力を別々に処理する。
【００５４】
準焦用モータ１６は、試料台１を移動して対物レンズ３aとの距離を変え、試料Ｓの観察しようとする表面を対物レンズ３ａの焦点に一致させる為のものである。モータ駆動部１８は、コントロール部２３の指令に従って、準焦用モータ１６を駆動すべき量に対応する駆動信号を供給する。
【００５５】
レボルバ２は、倍率の異なる複数の対物レンズ３ａ、３ｂなどを取り付ける。レボルバ駆動用モータ１５は、レボルバ２を回転して、所望の対物レンズ３ａ、３ｂを光路に挿入する。モータ駆動部１７は、コントロール部２３の指令に従って、レボルバ駆動用モータ１５を駆動すべき量に対応する駆動信号を供給する。穴検出部１９は、レボルバ２のどの穴、即ちどの対物レンズ３ａ、３ｂが現在光路に挿入されているかを、コントロール部に通知する。
【００５６】
コントロール部２３は、ＣＰＵ２７、ＲＯＭ２８、ＲＡＭ２９、Ｉ／Ｏポート３０で構成されている。これらは互いにデータバス３１で接続され、データバス３１を介してデータのやりとりが行われる。ＲＯＭ２８にはオートフォーカス動作や試料台１の移動、あるいはレボルバ２の回転等、各種の制御を行う為のプログラムが格納されている。また、ＲＡＭ２９は、例えば前述のＡＤ変換器２２からのデジタルデータを保存する。Ｉ／Ｏポート３０は、各種駆動部の制御信号の入出力を行う。
【００５７】
次に、本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作について説明する。
図２および図３は、本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図である。
【００５８】
コントロール部２３からの指令により、レーザ駆動部２０が光源４を駆動してレーザ光を発光させる。該レーザ光はコリメートレンズ５で平行光束にされる。該平行光束は図２に示したように非平行板１０１を通過する。このとき、非平行板１０１の表裏で多重反射が起き、０次光２０１とは角度のわずかに異なる一次多重反射光２０２が射出される。なお、２次以上の高次の多重反射光は、反射率の関係で強度が低く、作用を無視できる。
【００５９】
そして、これらは回折格子１０２を通過する。図２に示したように、０次光２０１は一次回折光２０３として光軸が分割される。また、非平行板１０１の一次多重反射光２０２も回折されて、一次回折光２０４のように光軸を分割されて出射する。このとき、隣り合う一次回折光２０３同士の角度は一定である。また、隣り合う一次回折光２０４同士の角度もそれと同一である。
【００６０】
しかし、０次光と一次多重反射光のなす角度は、これとは異なるように、非平行板１０１の表裏の角度を設定しておく。また、回折の方向が、多重反射による光軸のズレと同一の方向になるよう、回折格子１０２の方向を調整して設置してある。すると、図２に示すように、同図の紙面を含む平面内に、２種の異なる角度で回折光が配列される。
【００６１】
これらは図１に示すように遮光板７で正確に半分が遮光される。遮光の方向は、遮光板７の縁が全ての光束（０次光２０１、一次多重反射光２０２、一次回折光２０３、一次回折光２０４）の光軸を含む方向になるよう設定されている。従って全ての光束（０次光２０１、一次多重反射光２０２、一次回折光２０３、一次回折光２０４）は半月状に遮光され、その半月の弦は同一の直線上、即ち遮光板７の縁上に載っている。
【００６２】
これらの光束は偏光ビームスプリッタ８で進路を曲げられ、リレー光学系９、１０を通る。そして、１／４λ板１１を通る時、円偏光にされる。更にダイクロックミラー１２で折り曲げられ、不図示の観察用光束に重畳され、対物レンズ３aを通って集光される。試料Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に一致していれば、試料Ｓの表面上に複数の極小のスポットが一直線上に並んで結像される。このとき、図２に示したように、光束２０１〜２０４の光軸に２種の角度関係が混在していたことを反映して、図３に示すように、スポットは交互に２種の間隔を以って並ぶ。
【００６３】
試料面で結像して反射した光束群は、対物レンズ３ａに戻って平行光束群に戻される。これらは対物レンズ３ａの中心軸を挟んで、往路とは反対側に、半月形に並んで帰っていく。そして、ダイクロックミラー１２で進路を折り曲げられて不図示の観察用光束から分離され、１／４λ板１１で直線偏光にされる。このとき、往路の直線偏光から数えて２回１／４λ板１１を通ったことになるので、偏光面は往路の偏光面と直交している。そしてリレー光学系１０、９を通過した後、偏光ビームスプリッタ８を通るが、往路の光束が反射されたのに対し、それとは偏光面が９０°異なるので、復路では透過し、往路の光束群から分離されて投影レンズ１３に入り集光される。
【００６４】
光検出器１４は投影レンズ１３の焦点面に置かれてあり、これは対物レンズ３ａの焦点面と共役なので、光束群が試料Ｓ上に結像する時は、光検出器１４上にも結像し、極小のスポットとなって一直線上に並ぶ。光検出器１４は２つの領域に分割されているが、その分割の境界線は、結像した時のスポットの並びと厳密に一致するように位置が調整されている。
【００６５】
図３に示すように、観察しようとする試料Ｓの表面が、対物レンズ３aの焦点面に一致している時は、それと共役な光検出器１４の表面の中央に極小のスポットが結像する。しかし、もし試料Ｓの表面がニアフォーカスの位置にあれば、投影レンズ１３を通った反射光束は光検出器１４の表面よりも遠方に結像しようとするから、光検出器１４の半分（図１中の上半分：Ｂ領域）の表面に薄明るい半月状のボケ像を複数現す。
【００６６】
逆に、試料Ｓの表面がファーフォーカスの位置にあれば、反射光束は光検出器１４の表面よりも手前に結像しようとして、光検出器１４の半分（図１中の下半分：Ａ領域）の表面に薄明るい半月状のボケ像を複数現す。
【００６７】
そして、光検出器１４の表面は上記スポット群の並びに沿って２分割されているので、その２領域の出力の強度を取り出し、前置増幅器２１で増幅し、ＡＤ変換器２２でデジタルデータに変換してコントロール部２３で比較すれば、試料Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に対しどちらにどれだけずれているのかを評価でき、試料Ｓの表面の位置を対物レンズ３ａの焦点面に自動的に合致させる制御が可能になる。
【００６８】
図４および図５は、試料面のスポットの並びと試料面のパターンの周期性との関係を説明するための図である。
図４および図５において、白いパターンの上に集光するスポットを黒で表し、黒い部分に集光するスポットを白で表しており、図４の白９対黒９に対して、試料Ｓを微量移動させた図５では白１１対黒７となっており、試料Ｓを移動させていっても白黒比率の変動は少ない。従って合焦することができる高さの変動も少ないものである。
【００６９】
光検出器１４の二つの領域からの信号をＡおよびＢと呼ぶ時、コントロール部２３は、ＡＤ変換器２２から得たＡ、Ｂの強度のデジタルデータから、例えば（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）という数値を計算することができる。これは二次元化された値であり、例えばニアフォーカスの時は常に負の値をとり、ファーフォーカスの時は常に正の値をとり、唯一合焦点でのみ０を通過する。
【００７０】
従ってコントロール部２３はこの（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値を常に監視し、モータ駆動部１８に駆動指令を出して、この値が０になるようにフィードバック制御すれば、自動的に試料Ｓの表面を対物レンズ３ａの焦点面に合焦させることができる。
【００７１】
また、コントロール部２３はモータ駆動部１７に指令を出してレボルバ２を回転し、対物レンズ３ａ、３ｂの種類を切り替えることができるが、穴検出部１９からの信号によって現在の対物レンズの種類を判定し、モータ駆動部１８に与える駆動量の指令を、対物レンズの種類毎に最適の値を与えることができる。
【００７２】
また、操作部２６から、操作者が各種の命令を送って手動で焦点検出装置を働かせることができる。例えば、焦点検出装置の初期化、試料台１の強制移動、試料台１の現在位置の表示、オートフォーカスの稼働／停止の切り替え、対物レンズ３ａ、３ｂの切り替えなどを、操作者が手動で行うことができる。また、操作者が焦準用モータ１６を操作すると、その操作利用がパルスとなってパルスカウンタ２４に送られ、パルスカウンタはそれを移動命令の量としてコントロール部２３に伝える。これによって、操作者がオートフォーカスの稼働を止め、手動で試料台１の高さを操作することもできる。
【００７３】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、非平行板１０１を追加するだけであるから、安価な構成によって、表面の凹凸に周期性のある試料でも、合焦高さが変動することなく観察でき、マルチスリットなどを手操作で挿脱する必要もない。
【００７４】
次に、本発明を適用した第２の実施の形態について説明する。
図６は、本発明を適用した第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【００７５】
図６において、図１に示した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置と同一の各要素には、同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成要素を中心に説明する。
まず、第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、非平行板１０１および回折格子１０２の代わりに回折格子１０３が備えられ、上記回折格子１０３は非平行板の機能を兼ねていることである。即ち回折格子１０３を構成してなるガラスなどの基板は、表裏の表面がわずかに非平行に構成されてなり、その傾斜の方向は、回折の方向と同一である。なお、表裏の反射率の関係から、一次の多重反射光のみに着目すれば良く、２次以上の多重反射光の強度は無視しうる。
【００７６】
そして、該回折格子１０３は、入射光束を複数の平行光束群に分割する。分割された全ての出射光束群は、入射光束の光軸を含む単一の平面内にあり、且つ、広げた扇の骨の如く、隣り合う光束同士のなす角は、どれも同じである。なお、前述の一次多重反射光もまた、同様に分割されるので、二組の広げた扇の骨を、わずかにずらして重ねたような出射の状況になる。
【００７７】
次に、本発明を適用した第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作について、第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作との相違点を中心に説明する。
図７および図３は、本発明を適用した第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図である。
【００７８】
レーザ光がコリメートレンズ５で平行光束にされると、該平行光束は図７のように回折格子１０３を通過する。このとき、回折格子１０３の表裏で多重反射が起き、０次光２０１とは角度のわずかに異なる一次多重反射光２０２が射出される。なお、２次以上の高次の多重反射光は、反射率の関係で強度が低く、作用を無視できる。
【００７９】
次に、図７のように０次光２０１は回折格子１０３を通過し、一次回折光２０３として光軸が分割される。また、一次多重反射光２０２も回折されて、一次回折光２０４のように光軸を分割させて出射する。このとき、隣り合う一次回折光２０３同士の角度は一定である。また、隣り合う一次回折光２０４同士の角度もそれと同一である。
【００８０】
しかし、０次光２０１と一次多重反射光２０２とのなす角度は、これとは異なるように回折格子１０３の表裏の角度を設定しておく。また、回折の方向が、多重反射による光軸のズレと同一の方向になるよう、表裏の非平行の方向を調整して設置してある。すると、図７に示すように、同図の紙面を含む平面内に、２種の異なる角度で回折光が配列される。
【００８１】
そして、試料Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に一致していれば、試料Ｓの表面上に複数の極小のスポットが一直線上に並んで結像される。このとき、図７のように、光束２０１〜２０４の光軸に２種の角度関係が混在していたことを反映して、図３に示すように、スポットは交互に２種の間隔を以って並ぶことは、第１の実施の形態と同様である。
【００８２】
また、光検出器１４は投影レンズ１３の焦点面に置かれてあり、これは対物レンズ３ａの焦点面と共役なので、光束群が試料Ｓ上に結像する時は、光検出器１４上にも結像し、極小のスポットとなって一直線上に並ぶ。光検出器１４は２つの領域に分割されているが、その分割の境界線は、結像した時のスポットの並びと厳密に一致するように位置が調整されていることもまた、第１の実施の形態と同様である。
【００８３】
また、図４および図５に示したように、試料面のスポットの並びと、試料面のパターンの周期性との関係を考察する時、白いパターンの上に集光するスポットを黒で表し、黒い部分に集光するスポットを白で表すと、図４は白９対黒９となり、試料Ｓを微量移動させた図５では白１１対黒７となり、試料Ｓを移動させていっても白黒比率の変動は少ない。従って合焦することができる高さの変動も少ないという作用も、第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
以上説明したように、第２の実施の形態によれば、やや特殊な仕様の回折格子１０３を製造する必要はあるが、部品点数が全く増えないし、非平行板の方向を回折格子１０３の回折方向に合わせる調整も不要となるので、量産の場合に特に原価が下がる。
【００８５】
次に、本発明を適用した第３の実施の形態について説明する。
図８は、本発明を適用した第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【００８６】
図８において、図１に示した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置と同一の各要素には、同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成要素を中心に説明する。
まず、第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、非平行板１０１の代わりに復屈折素子１０４と１／４λ板１０５の組み合わせを、コリメーションレンズ５に入射する側に配置したことである。
【００８７】
図８において、復屈折光学素子１０４は、入射する直線偏光の光を常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅとに分離して出射できるように、例えば水晶などの一軸結晶板を、光学軸が入射光軸に対して斜めに傾斜する方向に切り出したものである。なお、異常光線Ｌｅを常光線Ｌｏから分離する方向は、後述の回折格子の回折の方向と一致するように調整して設置されている。
【００８８】
１／４λ板１０５は、復屈折素子１０４から出た二つの直線偏光を円偏光に変換して、後述の回折格子１０２での可干渉性を平等にする為のものであるが、必要に応じて省略しても良い。これら２つの光束はコリメーションレンズ５を通るが、復屈折素子１０４から出る時に軸がずれているので、コリメーションレンズ５を通ると、これら二つの光束の伝播方向は互いにわずかに異なっている。
【００８９】
回折格子１０２は、入射光束を複数の平行光束群に分割する。分割された全ての出射光束群は、入射光束の光軸を含む単一の平面内にあり、且つ、広げた扇の骨の如く、隣り合う光束同士のなす角は、どれも同じである。なお、前述の一次多重反射光もまた、同様に分割されるので、二組の広げた扇の骨を、わずかにずらして重ねたような出射の状況になる。
【００９０】
次に、本発明を適用した第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作について、第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作との相違点を中心に説明する。
図９および図３は、本発明を適用した第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図である。
【００９１】
復屈折素子１０４に入射した光は、常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅとに分かれて出射する。そして１／４λ板１０５で円偏光に変換される。常光線Ｌｏ由来の０次光２０１は、回折格子１０２を通って一次回折光２０３として光軸が分割される。また、異常光線Ｌｅ由来の一次多重反射光２０２も回折されて、一次回折光２０４のように光軸を分割されて出射する。このとき、隣り合う一次回折光２０３同士の角度は一定である。また、隣り合う一次回折光２０４同士の角度もそれと同一である。
【００９２】
しかし、０次光２０１と一次多重反射光２０２とのなす角度は、これとは異なるように、復屈折素子１０４の厚さを設定しておく。また、回折の方向が、復屈折による光軸のズレと同一の方向になるよう、復屈折素子１０４と回折格子１０２の方向を調整して設置してある。すると図９に示すように、同図の紙面を含む平面内に、２種の異なる角度で回折光が配列される。
【００９３】
そして、試料Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に一致していれば、試料Ｓの表面上に複数の極小のスポットが一直線上に並んで結像される。このとき、図９のように、光束２０１〜２０４の光軸に２種の角度関係が混在していたことを反映して、図３に示すように、スポットは交互に２種の間隔を以って並ぶことは、第１および第２の実施の形態と同様である。
【００９４】
光検出器１４は投影レンズ１３の焦点面に置かれてあり、これは対物レンズ３ａの焦点面と共役なので、光束群が試料Ｓ上に結像する時は、光検出器１４上にも結像し、極小のスポットとなって一直線上に並ぶ。光検出器１４は２つの領域に分割されているが、その分割の境界線は、結像した時のスポットの並びと厳密に一致するように位置が調整されていることもまた、第１および第２の実施の形態と同様である。
【００９５】
また、図４および図５に示したように、試料面のスポットの並びと、試料面のパターンの周期性との関係を考察する時、白いパターンの上に集光するスポットを黒で表し、黒い部分に集光するスポットを白で表すと、図４は白９対黒９となり、試料Ｓを微量移動させた図５では白１１対黒７となり、試料Ｓを移動させていっても白黒比率の変動は少ない。従って合焦することができる高さの変動も少ないという作用も、第１の実施の形態と同様である。
【００９６】
以上説明したように、第３の実施の形態によれば、復屈折素子１０４はやや高価であるが、原理的に高次の多重反射のようなものは発生せず、設計的に意図した光束だけが発生するので、光量に無駄がない。
【００９７】
次に、本発明を適用した第４の実施の形態について説明する。
図１０は、本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図であり、図１１および図１２は、本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図である。
【００９８】
図１０において、図１に示した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置と同一の各要素には、同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成要素を中心に説明する。
まず、第４の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、回折格子１０２も非平行板１０１も使わず、復屈折素子１０６、１０８、１１０と１／４λ板１０７、１０９、１１１の組のみを、コリメーションレンズ５に入射する側に配置したことである。
【００９９】
図１０において、復屈折光学素子１０６、１０８、１１０は、入射する直線偏光の光を常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅとに分離して出射するものであること、および１／４λ板１０７、１０９、１１１が、復屈折素子から出た２つの直線偏光を円偏光にすることは、上述の第３の実施の形態と同様である。ただし、本第４の実施の形態では、復屈折素子と１／４λ板との組み合わせは、複数、典型的には３組である。そして、全ての復屈折素子の結晶軸の方向は同一に揃えてあり、復屈折はどの素子でも同一の方向に起こるようにしてなる。更に復屈折素子１０６、１０８、１１０の厚さは、下流に行く程厚くしてある。厚さの比は、１：２：４などの２のべき乗を基本とし、該２のべき乗の比率から故意にわずかに狂わせた比にしている。すると、全ての復屈折素子と１／４λ板の組を通過した時、光束は、図１１に示すように、不等間隔に分かれた一組の光束群となる。なお、復屈折素子の厚さの比を完全に２のべき乗にすると、光束群は等間隔に並ぶ。また、最下流の１／４λ板１１１は、場合によって省略可能であるが、他は光学的に必須である。
【０１００】
次に、本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作について、第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作との相違点を中心に説明する。
図１１において、復屈折素子１０６に入射した光は、常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅとに分かれて出射する。そして１／４λ板１０７で円偏光に変換される。これを複数組（複屈折素子１０６と１／４λ板１０７の他、複屈折素子１０８と１／４λ板１０９の組および複屈折素子１１０と１／４λ板１１１の組）通過する。各組は異常光線の発生する方向を合わせてあり、且つ厚さは２のべき乗の比から故意にずらしてあるので、全てを通過した後に、間隔が一定でない一組の光束群が得られる。
【０１０１】
そして、試料Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に一致していれば、試料Ｓの表面上に複数の極小のスポットが一直線上に並んで結像される。このとき、スポットは間隔が一定でなく並ぶ。また、第１乃至第３の実施の形態のように交互に２種の間隔を以って並ぶことはなく、図１２に示すように、更に複雑な組み合わせの間隔で並ぶ。
【０１０２】
光検出器１４は投影レンズ１３の焦点面に置かれてあり、これは対物レンズ３ａの焦点面と共役なので、光束群が試料Ｓ上に結像する時は、光検出器１４上にも結像し、極小のスポットとなって一直線上に並ぶ。光検出器１４は２つの領域に分割されているが、その分割の境界線は、結像した時のスポットの並びと厳密に一致するように位置が調整されていることもまた、第１乃至第３の実施の形態と同様である。
【０１０３】
また、試料面のスポットの並びと、試料面のパターンの周期性との関係を考察する時、スポットは乱数に近い配置で試料面に集光している。従って、試料面の凹凸がいかなる周期性を持っていようとも、全くその影響を受けることなく、常に表面の高さの平均付近に合焦することができる。
【０１０４】
以上説明したように、第４の実施の形態によれば、復屈折素子１０６、１０８、１１０はやや高価であるが、周期性のほとんどないスポットの列を試料面に投影することができるので、試料面の凹凸がいかなる周期性を持っていようとも、全くその影響を受けることなく、常に表面の高さの平均付近に合焦することができる。
【０１０５】
以上、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、本発明が適用される焦点検出装置は、その機能が実行されるのであれば、上述の各実施の形態等に限定されることなく、単体の装置であっても、複数の装置からなるシステムあるいは統合装置であっても、ＬＡＮ、ＷＡＮ等のネットワークを介して処理が行なわれるシステムであってもよいことは言うまでもない。
【０１０６】
また、バスに接続されたＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭのメモリ、入力装置、出力装置、外部記録装置、媒体駆動装置、可搬記録媒体、ネットワーク接続装置で構成されるシステムでも実現できる。すなわち、前述してきた各実施の形態のシステムを実現するソフトェアのプログラムコードを記録したＲＯＭやＲＡＭのメモリ、外部記録装置、可搬記録媒体を、焦点検出装置に供給し、その焦点検出装置のコンピュータがプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
【０１０７】
この場合、可搬記録媒体等から読み出されたプログラムコード自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した可搬記録媒体等は本発明を構成することになる。
【０１０８】
プログラムコードを供給するための可搬記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリーカード、ＲＯＭカード、電子メールやパソコン通信等のネットワーク接続装置（言い換えれば、通信回線）を介して記録した種々の記録媒体などを用いることができる。
【０１０９】
また、コンピュータがメモリ上に読み出したプログラムコードを実行することによって、前述した各実施の形態の機能が実現される他、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した各実施の形態の機能が実現される。
【０１１０】
さらに、可搬型記録媒体から読み出されたプログラムコードやプログラム（データ）提供者から提供されたプログラム（データ）が、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した各実施の形態の機能が実現され得る。
【０１１１】
すなわち、本発明は、以上に述べた各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その１）である。
【図３】本発明を適用した第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その２）である。
【図４】試料面のスポットの並びと試料面のパターンの周期性との関係を説明するための図（その１）である。
【図５】試料面のスポットの並びと試料面のパターンの周期性との関係を説明するための図（その２）である。
【図６】本発明を適用した第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明を適用した第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その１）である。
【図８】本発明を適用した第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その１）である。
【図１０】本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その１）である。
【図１２】本発明を適用した第４の実施の形態にかかる焦点検出装置の動作を説明するための図（その２）である。
【図１３】第１の従来技術にかかる焦点検出装置の光路図の一例を示す図である。
【図１４】第２の従来技術にかかるライン投影の光路図の一例を示す図である。
【図１５】第３の従来技術にかかる光学顕微鏡を示す図である。
【図１６】第４の従来技術に係る焦点検出装置を示す図である。
【図１７】ある試料の観察画像に合焦させた状態の画像を示す図（その１）である。
【図１８】ある試料の観察画像に合焦させた状態の画像を示す図（その２）である。
【図１９】図１７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図２０】図１８のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図２１】光路中で光軸と垂直な方向に移動させて、試料上に照射されるパターンを変化させるマルチスリット（マルチピンホール）を示す図である。
【図２２】スポットの間隔を可変にする構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１            試料台
２            レボルバ
３ａ、３ｂ    対物レンズ
４            光源
５            コリメートレンズ
６            中間結像位置
７            遮光板
８            偏光ビームスプリッタ
９            リレー光学系
１０          リレー光学系
１１          １／４λ板
１２          ダイクロックミラー
１３          投影レンズ
１４          光検出器
１５          レボルバ駆動用モータ
１６          準焦用モータ
１７          モータ駆動部
１８          モータ駆動部
１９          穴検出部
２０          レーザ駆動部
２１          前置増幅器
２２          ＡＤ変換器
２３          コントロール部
２４          パルスカウンタ
２６          操作部
２７          ＣＰＵ
２８          ＲＯＭ
２９          ＲＡＭ
３０          Ｉ／Ｏポート
３１          データバス
１０１        非平行板
１０２        回折格子
１０３        回折格子
１０４        復屈折素子
１０５        １／４λ板
１０６        復屈折素子
１０７        １／４λ板
１０８        復屈折素子
１０９        １／４λ板
１１０        復屈折素子
１１１        １／４λ板
２０１        ０次光
２０２        一次多重反射光
２０３        一次回折光
２０４        一次回折光
３０７        トーリックレンズ（シリンドリカルレンズ）
３０９        上側焦点位置
３１０        対物レンズ
３１１        焦点面
３１２        スリット像
３４１        レーザ光源
３４４        コリメートレンズ
３４５        ナイフエッジ
３４６        ハーフミラー
３４８        ダイクロックミラー
３５０        対物レンズ
３５１        試料面（焦点面）
３５２        点像
３５３        結像レンズ
３５４        フォトディテクタ
４０２        対物レンズ
４０４        試料
４０５        鏡筒部
４０６        照明ユニット
４０７        オートフォーカス装置
４０９        ＣＣＤ
４１０        照明用光源
４１５        照明用ミラー
４１７        トーリックレンズ（シリンドリカルレンズ）
４１９        レンズ
４２０        ミラー
４３０        一体型光学顕微鏡
４３１        一体型装置
５００        試料面
５０４        レーザ光源
５０５        コリメートレンズ
５０６        回折格子
５６７        マルチスリット
５６７Ａ      開口部列
５６７Ｂ      開口部列
５６７Ｃ      開口部列
５６７Ｄ      開口部列
５６７Ｅ      開口部列
５６９        中心線
Ａ            領域
Ｂ            領域
Ｓ            試料
【図１】
2006113198.tif 000003
【図２】
2006113198.tif 000004
【図３】
2006113198.tif 000005
【図６】
2006113198.tif 000006
【図７】
2006113198.tif 000007
【図８】
2006113198.tif 000008
【図９】
2006113198.tif 000009
【図１０】
2006113198.tif 000010
【図１１】
2006113198.tif 000011
【図１２】
2006113198.tif 000012
【図１３】
2006113198.tif 000013
【図１４】
2006113198.tif 000014
【図１５】
2006113198.tif 000015
【図１６】
2006113198.tif 000016
【図２１】
2006113198.tif 000017
【図２２】
2006113198.tif 000018
【図４】
2006113198.tif 000019
【図５】
2006113198.tif 000020
【図１７】
2006113198.tif 000021
【図１８】
2006113198.tif 000022
【図１９】
2006113198.tif 000023
【図２０】
2006113198.tif 000024