(57)【要約】【課題】フォーカスオフセット範囲を広く設定できる自動焦点合わせ装置、およびそれを備えた顕微鏡を提供する。【解決手段】対物レンズ１６を介して標本１１に検出光Ｌ１を照射する照明手段２１〜２５と、対物レンズを介して標本からの反射光Ｌ２を受光し、対物レンズと標本との相対的な位置関係に応じたタイミングで受光信号を出力する受光手段２６〜２９と、受光手段から受光信号が出力されるタイミングＴｐと予め定められた基準タイミングとのずれに応じた制御信号を生成し、該制御信号に基づいて相対的な位置関係を調整する制御手段３０と、相対的な位置関係のオフセット量を入力する入力手段（４０内のオフセット入力部）と、入力手段によってオフセット量が入力されたときに、オフセット量に基づいて基準タイミングを変更する変更手段（３０内のＣＰＵ）とを備える。【選択図】　　　図１
2004085820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを介して標本に検出光を照射する照明手段と、
前記対物レンズを介して前記標本からの反射光を受光し、前記対物レンズと前記標本との相対的な位置関係に応じたタイミングで受光信号を出力する受光手段と、
前記受光手段から前記受光信号が出力されるタイミングと予め定められた基準タイミングとのずれに応じた制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記相対的な位置関係を調整する制御手段と、
前記相対的な位置関係のオフセット量を入力する入力手段と、
前記入力手段によって前記オフセット量が入力されたときに、前記オフセット量に基づいて前記基準タイミングを変更する変更手段とを備えた
ことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動焦点合わせ装置において、
前記変更手段は、前記対物レンズの種類を考慮して、前記基準タイミングを変更する
ことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
【請求項３】
対物レンズを有し、標本の像を形成する結像光学系と、
前記対物レンズの光軸上に配置された請求項１または請求項２に記載の自動焦点合わせ装置とを備えた
ことを特徴とする顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、標本の観察や検査などに用いられる自動焦点合わせ装置、およびそれを備えた顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アクティブ方式を採用した自動焦点合わせ装置が知られている。アクティブ方式では、対物レンズを介して、標本に検出光を照射すると共に、検出光が照射された標本からの反射光を受光する。そして、この反射光の受光位置のずれに基づいて自動的に焦点合わせを行う。つまり、受光位置のずれが０となるように、標本と対物レンズとの間隔調整（例えば、標本または対物レンズの上下動）を行う。
【０００３】
この通常のＡＦ制御では、反射光の受光位置のずれに応じた焦点検出信号Ｓ１（図１３参照）が生成され、この焦点検出信号Ｓ１が０となるように間隔調整が行われる。そして、このＡＦ制御中、標本と対物レンズとの間隔は、焦点検出信号Ｓ１が０になるような間隔Ａに保たれる。
また、ＡＦ制御中にフォーカスオフセットをかける場合には、反射光の受光位置のずれに応じた焦点検出信号Ｓ１に対して、図１４の直流オフセット信号ΔＶが加算され、得られた加算後の焦点検出信号Ｓ２が０となるように間隔調整が行われる（ＤＣオフセット方式）。その結果、標本と対物レンズとの間隔は、焦点検出信号Ｓ２＝０の間隔Ｂにシフトする。そして、このＡＦ制御中、間隔Ｂに保たれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＤＣオフセット方式では、直流オフセット信号ΔＶが、図１５に示す最大値＋ΔＶｍａｘ以下でかつ最小値−ΔＶｍａｘ以上の範囲から外れている場合、標本と対物レンズとの間隔調整を同様に行っても、加算後の焦点検出信号Ｓ２が０になるような間隔（例えばＢ）を見つけることはできない。
【０００５】
このため、従来のＤＣオフセット方式によるフォーカスオフセット範囲は、焦点検出信号Ｓ１に対して最大の直流オフセット信号＋ΔＶｍａｘを加算した場合の間隔Ｃと、最小の直流オフセット信号−ΔＶｍａｘを加算した場合の間隔Ｄとの間の狭い範囲に制限されてしまう。
ちなみに、直流オフセット信号ΔＶの最大値＋ΔＶｍａｘと最小値−ΔＶｍａｘは、概略、焦点検出信号Ｓ２の波形の振幅に相当している。また、焦点検出信号Ｓ２の波形の振幅は、標本の種類や装置条件（対物レンズの倍率，検出光の強度，反射光を受光する素子の感度など）に依存している。
【０００６】
本発明の目的は、フォーカスオフセット範囲を広く設定できる自動焦点合わせ装置、およびそれを備えた顕微鏡を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の自動焦点合わせ装置は、対物レンズを介して標本に検出光を照射する照明手段と、前記対物レンズを介して前記標本からの反射光を受光し、前記対物レンズと前記標本との相対的な位置関係に応じたタイミングで受光信号を出力する受光手段と、前記受光手段から前記受光信号が出力されるタイミングと予め定められた基準タイミングとのずれに応じた制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記相対的な位置関係を調整する制御手段と、前記相対的な位置関係のオフセット量を入力する入力手段と、前記入力手段によって前記オフセット量が入力されたときに、前記オフセット量に基づいて前記基準タイミングを変更する変更手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自動焦点合わせ装置において、前記変更手段は、前記対物レンズの種類を考慮して、前記基準タイミングを変更するものである。
請求項３に記載の発明は、対物レンズを有し、標本の像を形成する結像光学系と、前記対物レンズの光軸上に配置された請求項１または請求項２に記載の自動焦点合わせ装置とを備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３に対応する。
本実施形態の顕微鏡１０は、図１に示すように、観察対象の標本１１（例えば半導体ウエハ）を載置するステージ１２と、落射型の照明光学系（１３〜１５）と、観察光学系（１６〜１９）と、アクティブ方式の自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）とで構成されている。
【００１０】
ここで、観察光学系（１６〜１９）、照明光学系（１３〜１５）、ステージ１２、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）の順に、顕微鏡１０の構成の具体的な説明を行う。
観察光学系（１６〜１９）は、標本１１の拡大像を観察するための光学系であり、光軸１０ａに沿って標本１１側から順に、無限遠系の対物レンズ１６と、第２対物レンズとして機能する結像レンズ１７と、プリズム１８と、接眼レンズ１９とが配置された構成となっている。この観察光学系（１６〜１９）は、請求項の「結像光学系」に対応する。
【００１１】
図１には１本の対物レンズ１６のみを示したが、本実施形態の顕微鏡１０は、倍率が異なる複数の対物レンズ１６によって観察可能である。複数の対物レンズ１６は、不図示の電動レボルバに装着され、この電動レボルバを回転させることで順に光軸１０ａ上に位置決めされる。
なお、観察光学系（１６〜１９）の光軸１０ａ上で、対物レンズ１６と結像レンズ１７の間のアフォーカル系には、照明光学系（１３〜１５）のハーフミラー１５と、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）のダイクロイックミラー２５とが配置される。ダイクロイックミラー２５は、可視光を透過して、赤外光などのＡＦ光を反射する。
【００１２】
照明光学系（１３〜１５）は、対物レンズ１６を利用して標本１１を上方から落射照明するための光学系であり、光軸１０ａに垂直な光軸１０ｂに沿って配置された観察用の光源１３と、集光レンズ１４と、ハーフミラー１５により構成される。光源１３は、可視光光源である。
標本１１の観察時、光源１３からの可視光は、集光レンズ１４とハーフミラー１５とを介して観察光学系（１６〜１９）の光軸１０ａ上に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後、標本１１に照射される。
【００１３】
また、標本１１で反射した可視光は、対物レンズ１６，ハーフミラー１５，ダイクロイックミラー２５，結像レンズ１７，プリズム１８，接眼レンズ１９を介して、結像面１９ａに集光される。このとき、結像面１９ａには、標本１１の拡大像が形成される。
標本１１を載置するステージ１２は、観察光学系（１６〜１９）の光軸１０ａに沿って、また、光軸１０ａに垂直な方向に沿って、標本１１と共に移動可能である。ステージ１２を光軸１０ａの方向に駆動するモータ１２ａ（図１では図示省略，図３参照）は、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）の制御装置３０に接続されている。
【００１４】
本実施形態の顕微鏡１０は、ステージ１２を光軸１０ａの方向に移動させることで、固定された対物レンズ１６から標本１１までの間隔、つまり、対物レンズ１６と標本１１との相対的な位置関係を調整し、自動的に焦点合わせを行うものである。以下の説明では、ステージ１２および標本１１の光軸１０ａ方向の位置を「Ｚ位置」という。
【００１５】
さて、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）は、対物レンズ１６の焦点に標本１１の例えば表面を自動的に一致させるための装置である。ここで言う「対物レンズ１６の焦点」とは、標本観察用の可視光による焦点である。このため、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）による焦点合わせ後には、標本１１の拡大像を接眼レンズ１９を介して良好に観察できる。また、自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）では、ＡＦ制御中にフォーカスオフセットをかけることもできる。
【００１６】
この自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）は、光軸１０ａに垂直な光軸１０ｃに沿って配置されたＡＦ用の光源２１，スリット板２２，集光レンズ２３，遮光板２４，ダイクロイックミラー２５と、光軸１０ｃに垂直な光軸１０ｄに沿って配置されたハーフミラー２６，集光レンズ２７，シリンドリカルレンズ２８，受光素子（ＣＣＤ）２９と、制御装置３０と、入力装置４０とで構成される。
【００１７】
自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）の照明系（２１〜２５）は、対物レンズ１６を利用して標本１１を落射照明する。光源２１は、観察用の光源１３とは波長の異なるオートフォーカス用の光（赤外光などのＡＦ光）を射出する。なお、ハーフミラー２６は光軸１０ｃ上の遮光板２４とダイクロイックミラー２５との間にも配置される。
【００１８】
この自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）において、光源２１からのＡＦ光は、スリット板２２，集光レンズ２３を介した後、遮光板２４によって瞳の半分（図１では光軸１０ｃを境に下側半分）が遮光される。そして、上側半分となったＡＦ光は、ハーフミラー２６とダイクロイックミラー２５を介して光軸１０ａ上に導かれる。
【００１９】
光軸１０ａ上に導かれたＡＦ光は、光軸１０ａを境に右側半分の領域を進行し、ハーフミラー１５と対物レンズ１６を通過した後、標本１１に照射される（ＡＦ光Ｌ１）。このとき、標本１１の表面には、ＡＦ光Ｌ１によるスリット像が投影される。ＡＦ光Ｌ１は、請求項の「検出光」に対応する。照明系（２１〜２５）は、請求項の「照明手段」に対応する。
【００２０】
そして、標本１１の表面で反射したスリット状のＡＦ光Ｌ２は、光軸１０ａを境に左側半分の領域を進行し、対物レンズ１６，ハーフミラー１５，ダイクロイックミラー２５を介してハーフミラー２６に入射する。さらに、ハーフミラー２６で反射したスリット状のＡＦ光は、集光レンズ２７とシリンドリカルレンズ２８を介して、受光素子２９の受光面に結像される。このとき、受光素子２９の受光面には、スリット像が投影される。
【００２１】
受光素子２９は、一次元方向に配列された複数の画素（不図示）を有し、受光面上のスリット像に応じて、各々の画素に電荷を蓄積する。そして、各画素の電荷を受光信号として制御装置３０に出力する。自動焦点合わせ装置（２１〜３０，４０）の受光系（２６〜２９）は、対物レンズ１６を利用して標本１１からのＡＦ光Ｌ２を受光するように構成され、請求項の「受光手段」に対応する。ＡＦ光Ｌ２は、請求項の「反射光」に対応する。
【００２２】
上記構成の照明系（２１〜２５）と受光系（２６〜２９）では、遮光板２４によって瞳半分を遮光するため、標本１１の表面（ＡＦ光Ｌ１が反射する面）のＺ位置に応じて、受光素子２９の受光面に形成されるスリット像の位置がＷ方向に変化する。Ｗ方向とは、光軸１０ｄに垂直な方向であり、受光素子２９の受光面における各々の画素の配列方向に対応する。以下の説明では、スリット像のＷ方向の位置を「Ｗ位置」という。
【００２３】
例えば、標本１１のＺ位置が上方（前ピン側）へ移動すると、受光素子２９の受光面におけるスリット像のＷ位置は左方へ移動する。逆に、標本１１のＺ位置が下方（後ピン側）へ移動すると、スリット像のＷ位置は右方へ移動する。
また、本実施形態の受光素子２９は、複数の画素がＷ方向に沿って左方から右方へ順に走査される。このため、標本１１のＺ位置が上方（前ピン側）へ移動して、スリット像のＷ位置が左方へ移動すると、受光素子２９から受光信号が出力されるタイミングＴｐは早くなる。「早くなる」とは、タイミングＴｐが受光素子２９の走査開始のタイミングに近づくことを意味する。
【００２４】
逆に、標本１１のＺ位置が下方（後ピン側）へ移動し、スリット像のＷ位置が右方へ移動すると、受光信号の出力タイミングＴｐは遅くなる。「遅くなる」とは、タイミングＴｐが受光素子２９の走査終了のタイミングに近づくことを意味する。
このように、受光素子２９からの受光信号の出力タイミングＴｐは、受光素子２９の受光面におけるスリット像のＷ位置に応じて、つまり、標本１１のＺ位置に応じて、早くなったり遅くなったりする。言い換えると、受光信号は、標本１１のＺ位置に応じたタイミングＴｐで、受光素子２９から制御装置３０に出力される信号である。
【００２５】
受光信号の波形は、図２（ａ）〜（ｅ）に示すように、１つのピークを持つ形状である。図２（ａ）〜（ｅ）の横軸は、受光素子２９の走査開始から走査終了までの時間Ｔを表し、縦軸は、受光信号の電圧値Ｖ（∝スリット像の光強度）を表す。なお、横軸の時間Ｔは、受光素子２９の画素番号に対応している。
図２（ａ）〜（ｅ）の各々は、標本１１のＺ位置が異なる場合（Ｚ１〜Ｚ５）の受光信号の波形例である。上記したように、標本１１のＺ位置に応じて受光信号の出力タイミングＴｐが変化していく様子が示されている。図２（ａ）〜（ｅ）の“分割境界線（基準タイミングＴｋ）”の説明は後述する。
【００２６】
次に、受光信号の出力先である制御装置３０の説明を行う。制御装置３０は、図３に示すように、増幅器３１と、積分器３２と、サンプルホールド回路３３，３４と、減算器３５，３６と、ＣＰＵ３７と、メモリ３８と、ドライバ３９とで構成されている。このうち、増幅器３１は受光素子（ＣＣＤ）２９に接続され、ドライバ３９はステージ１２用のモータ１２ａに接続されている。
【００２７】
受光素子２９からの受光信号（例えば図２（ａ）〜（ｅ）の何れか）は、走査開始のタイミング以降、順次に増幅器３１で増幅され、積分器３２で積分されていく。積分器３２における積分処理は、受光信号の電圧値Ｖの加算処理に相当する。
このため、積分器３２の出力（積分電圧値Ｖｓ）は、図４に示すように、受光素子２９の走査開始から走査終了までの間に少しずつ増加していく。図４の横軸は時間Ｔを表し、縦軸は積分電圧値Ｖｓを表す。
【００２８】
そして、積分器３２の後段に配置されたサンプルホールド回路３３では、予め定められた分割境界線（本明細書では適宜「基準タイミングＴｋ」という）において、積分器３２の出力（図４の積分電圧値Ｖｓ＝Ｌ）をサンプルする。
基準タイミングＴｋにおける積分電圧値Ｌは、図２（ａ）〜（ｅ）のハッチング部の面積、つまり、受光素子２９の走査開始から分割境界線（Ｔｋ）までの左側領域の面積に相当し、標本１１のＺ位置（Ｚ１〜Ｚ５）に応じて受光信号の出力タイミングＴｐが変化すると、その大きさが変化していく。
【００２９】
サンプルホールド回路３３は、基準タイミングＴｋで積分器３２の出力（積分電圧値Ｖｓ＝Ｌ）をサンプルすると、これを積分信号（Ｌ）として減算器３５，３６の両方に出力する。
また、サンプルホールド回路３４では、受光信号２９の走査終了のタイミングにおける積分器３２の出力（図４の積分電圧値Ｖｓ＝Ｌ＋Ｒ）をサンプルし、これを積分信号（Ｌ＋Ｒ）として一方の減算器３５に出力する。積分電圧値Ｌ＋Ｒは、図２（ａ）〜（ｅ）に示す各々の受光信号の面積全体に相当するため、標本１１のＺ位置（Ｚ１〜Ｚ５）によらず、その大きさは略一定である。
【００３０】
なお、先に説明したサンプルホールド回路３３のサンプルタイミング（基準タイミングＴｋ）は、ＣＰＵ３７により設定される。ＣＰＵ３７は、基準タイミングＴｋを設定する際、メモリ３８内の記憶情報を参照する。通常のＡＦ制御中は、メモリ３８内の記憶情報の通りに基準タイミングＴｋが設定される。また、ＡＦ制御中のフォーカスオフセット時（後述する）には、メモリ３８内の記憶情報とは異なるタイミングに、基準タイミングＴｋが設定変更される。
【００３１】
そして、上記のサンプルホールド回路３３，３４から各々出力される積分信号（Ｌ），（Ｌ＋Ｒ）は、次の減算器３５において“積分電圧値Ｌ＋Ｒ”−“積分電圧値Ｌ”という減算処理を施される。減算器３５は、この減算処理によって得られた積分電圧値Ｒに基づいて、新たな積分信号（Ｒ）を生成し、これを後段の減算器３６に出力する。
【００３２】
なお、積分電圧値Ｒは、図２（ａ）〜（ｅ）に示す各々の受光信号において、分割境界線（Ｔｋ）から走査終了までの右側領域の面積に相当し、標本１１のＺ位置（Ｚ１〜Ｚ５）に応じて受光信号の出力タイミングＴｐが変化すると、その大きさが変化していく。
後段の減算器３６は、減算器３５からの積分信号（Ｒ）とサンプルホールド回路３３からの積分信号（Ｌ）とを入力して、“積分電圧値Ｒ”−“積分電圧値Ｌ”という減算処理を行い、積分電圧値の差分Ｒ−Ｌを計算する。この差分Ｒ−Ｌは、図２（ａ）〜（ｅ）に示す各々の受光信号において、分割境界線（Ｔｋ）より左側の領域（ハッチング部）と右側の領域との面積差に相当する。
【００３３】
減算器３６は、積分電圧値の差分Ｒ−Ｌに基づいて、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）を生成し、これをＣＰＵ３７に出力する。焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）は、請求項の「制御信号」に対応する。
ここで、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）は、標本１１のＺ位置（図２のＺ１〜Ｚ５）に応じて受光信号の出力タイミングＴｐが変化すると、出力タイミングＴｐと基準タイミングＴｋ（分割境界線）とのずれに応じて、その大きさと符号が変化する。焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の変化の様子は、図５に示す通りである。図５の横軸は標本１１のＺ位置を表している。
【００３４】
例えば、図２（ａ），（ｂ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋより早い場合、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号は“負”になる。逆に、出力タイミングＴｐの方が基準タイミングＴｋより遅い場合（図２（ｄ），（ｅ））、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号は“正”になる。そして、出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋに一致する場合（図２（ｃ））、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）は“０”になる。
【００３５】
詳細は後述するが、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の出力先であるＣＰＵ３７は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の大きさと符号に基づいてドライバ３９を制御し、ステージ１２用のモータ１２ａを回転させることで、標本１１のＺ位置を自動的に調整する（ＡＦ制御）。その結果、標本１１のＺ位置は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となる位置（図５ではＺ３）に保たれる。
【００３６】
次に、入力装置４０の説明を行う。入力装置４０は、図３に示すように、オフセット入力部４１と番地センサ４２とスイッチ４３とで構成され、各々が制御装置３０のＣＰＵ３７に接続されている。
【００３７】
オフセット入力部４１は、ＡＦ制御中のフォーカスオフセット時に、外部からの手動操作に応じて、標本１１のＺ位置のオフセット量を入力するためのボリューム摘みである。ボリューム摘みに代えて、複数のボタンスイッチやジョグダイヤルを用いることもできる。オフセット入力部４１は、請求項の「入力手段」に対応する。
【００３８】
オフセット入力部４１がボリューム摘みの場合、ＣＰＵ３７では、ボリューム摘みによって入力された電圧値をＡ／Ｄ変換することにより、オフセット量を検出する。また、ボタンスイッチの場合には、ボタンスイッチが押された回数により、オフセット量を検出する。
そして、オフセット入力部４１からのオフセット量に基づいて、ＣＰＵ３７は、メモリ３８内の記憶情報とは異なるタイミングに、サンプルホールド回路３３のサンプルタイミング（基準タイミングＴｋ，分割境界線）を設定変更する。この変更は、受光素子２９の走査周期（クロック周期）を最小単位として行われる。ＣＰＵ３７は、請求項の「変更手段」に対応する。
【００３９】
また、入力装置４０の番地センサ４２は、顕微鏡１０の電動レボルバに装着された複数の対物レンズ１６のうち、観察光学系（１６〜１９）の光軸１０ａ上に位置決めされている対物レンズ１６の種類を検出するセンサである。対物レンズ１６の種類とは、倍率や焦点深度のことである。
スイッチ４３は、顕微鏡１０をＡＦ制御モードに設定するためのスイッチであり、手動操作に応じて指令信号を出力する。ＣＰＵ３７は、スイッチ４３から指令信号を受け取ると、顕微鏡１０をＡＦ制御モードに設定する。すなわち、次に説明するフローチャート（図６）にしたがって、ＡＦ制御を実行する。
【００４０】
最後に、上記構成の顕微鏡１０における焦点合わせ動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。
ＣＰＵ３７は、スイッチ４３から指令信号を受け取ると、メモリ３８内の記憶情報を参照し、この記憶情報の通りに、サンプルホールド回路３３のサンプルタイミング（基準タイミングＴｋ，分割境界線）を設定する（ステップＳ１）。これにより、減算器３６からは、基準タイミングＴｋに応じた図５に示す焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が出力される。
【００４１】
次に、ＣＰＵ３７は、オフセット入力部４１から「標本１１のＺ位置のオフセット量」が入力されたか否かを判断し（ステップＳ２）、オフセット入力がない場合（Ｓ２がＮ）には、減算器３６から出力される図５の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）に基づいてステップＳ３〜Ｓ７の処理を実行する。
すなわち、まず初めに、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”であるか否かを判断し（ステップＳ３）、“０”でない場合（Ｓ３がＮ）には、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号が“正”であるか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００４２】
そして、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号が“正”である場合（Ｓ４がＹ）には、図２（ｄ），（ｅ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋより遅く、受光素子２９の受光面におけるスリット像のＷ位置が右方へずれ、標本１１のＺ位置が下方（後ピン側）へずれているため、ＣＰＵ３７は、ドライバ３９とモータ１２ａを用いて、ステージ１２と標本１１のＺ位置を上方（前ピン側）へ移動させる（ステップＳ５）。
【００４３】
その後、ステップＳ３に戻り、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるまで、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を繰り返す。この間、標本１１のＺ位置が上方へ移動するにつれて、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の大きさが小さくなる（図５のＡＦ▲１▼）。そして、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｓ３がＹ）、図２（ｃ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋに一致するため、ステージ１２と標本１１を停止させる（ステップＳ７）。このとき、標本１１のＺ位置は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となる位置（図５ではＺ３）で停止している。
【００４４】
一方、上記のステップＳ４において、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号が“負”である場合（Ｓ４がＮ）には、図２（ａ），（ｂ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋより早く、受光素子２９の受光面におけるスリット像のＷ位置が左方へずれ、標本１１のＺ位置が上方（前ピン側）へずれているため、ＣＰＵ３７は、ステージ１２と標本１１のＺ位置を下方（後ピン側）へ移動させる（ステップＳ６）。
【００４５】
その後、ステップＳ３に戻り、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるまで、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６の処理を繰り返す。この間、標本１１のＺ位置が下方へ移動するにつれて、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の大きさが小さくなる（図５のＡＦ▲２▼）。そして、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｓ３がＹ）、受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋに一致するため（図２（ｃ））、ステージ１２と標本１１を停止させる（ステップＳ７）。このときも、標本１１のＺ位置は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となる位置（図５ではＺ３）に停止している。
【００４６】
このように、上記したステップＳ３〜Ｓ５の繰り返し（図５のＡＦ▲１▼）、または、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６の繰り返し（ＡＦ▲２▼）によって、標本１１のＺ位置を焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置Ｚ３に停止させると（図２（ｃ））、ＣＰＵ３７は、ステップＳ２の処理に戻る。
したがって、オフセット入力部４１からのオフセット量の入力がない限り（Ｓ２がＮ）、ステップＳ３〜Ｓ７の処理（通常のＡＦ制御）が繰り返され、標本１１のＺ位置は、図５に示す焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置Ｚ３に停止され続ける。この安定した状態では、接眼レンズ１９を介して、標本１１の例えば任意の面１１ａ（図７（ａ）参照）の拡大像を良好に観察することができる。
【００４７】
ちなみに、標本１１のＺ位置が図５に示す焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（Ｚ３）に停止され続けている間、受光素子２９からの受光信号は、メモリ３８内の記憶情報の通りにステップＳ１で設定された基準タイミングＴｋと同じタイミングで出力され続ける（Ｔｐ＝Ｔｋ，図２（ｃ））。以下の説明では、通常のＡＦ制御（Ｓ３〜Ｓ７）による標本１１の停止位置（Ｚ３）を「合焦位置」と呼ぶことにする。
【００４８】
さて次に、標本１１が合焦位置（Ｚ３）に停止している状態で、フォーカスオフセットをかける場合について説明する。これは、オフセット入力部４１から、標本１１のＺ位置のオフセット量が入力された場合（Ｓ２がＹ）に相当し、ＣＰＵ３７は、ステップＳ８，Ｓ９の処理を実行した後で、ステップＳ３以降の処理を実行する。
【００４９】
すなわち、ステップＳ８では、オフセット入力部４１からの入力信号（前述した電圧値や回数）に基づいて、標本１１のＺ位置のオフセット量を検出する。次のステップＳ９では、検出したオフセット量に基づいて、サンプルホールド回路３３のサンプルタイミング（基準タイミングＴｋ）を設定変更する。その結果、基準タイミングＴｋは、メモリ３８内の記憶情報とは異なるタイミングに設定される。
【００５０】
例えば、標本１１のＺ位置を現在の合焦位置（Ｚ３）より下方にΔＺａだけオフセットさせる場合（図７（ａ））、ＣＰＵ３７は、オフセット入力部４１からの入力信号に基づいてオフセット量“−ΔＺａ”を検出し（Ｓ８）、これを基準タイミングＴｋの変更量“＋ΔＴａ”に換算する。
そして、この換算の結果に基づいて基準タイミングＴｋの設定変更を行う（Ｓ９）。その結果、サンプルホールド回路３３のサンプルタイミングは、図８（ａ）の基準タイミングＴｋから図８（ｂ）の基準タイミングＴｋ＋ΔＴａへ設定変更され、新たな基準タイミングＴｋ＋ΔＴａに応じて減算器３６から出力される焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）は、“０”でなくなる。したがって、ステップＳ９の処理後、ステップＳ３の処理に進むと、判断の結果が“Ｎ”となる。
【００５１】
また、この例では、基準タイミングＴｋよりも遅い基準タイミングＴｋ＋ΔＴａに設定変更され（図８（ｂ））、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号が“負”になった（Ｓ４がＮ）ため、ＣＰＵ３７は、標本１１のＺ位置を下方へ移動させる（Ｓ６）。そして、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるまで、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６の処理を繰り返す。
【００５２】
この間の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の変化の様子は、図７（ｂ）のＡＦ▲３▼に示す通りである。図７（ｂ）の横軸は標本１１のＺ位置を表している。上記と同様、標本１１のＺ位置が下方へ移動するにつれて、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の大きさは小さくなる（ＡＦ▲３▼）。なお、図７（ｂ）の破線は、図５の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）に対応している。
【００５３】
そして、基準タイミングＴｋ＋ΔＴａに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｓ３がＹ）、図８（ｃ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋ＋ΔＴａに一致するため、ＣＰＵ３７は、ステージ１２と標本１１を停止させる（Ｓ７）。このとき、標本１１のＺ位置は、基準タイミングＴｋ＋ΔＴａに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となる位置（図７（ａ）のＺ３−ΔＺａ）に停止している。
【００５４】
したがって、オフセット入力部４１から新たなオフセット量が入力されない限り（Ｓ２がＮ）、ＣＰＵ３７によってステップＳ３〜Ｓ７の処理が繰り返され、標本１１のＺ位置は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（図７（ａ）のＺ３−ΔＺａ）に停止され続ける。この安定した状態では、接眼レンズ１９を介して、標本１１の任意の面１１ｂの拡大像を良好に観察することができる。
【００５５】
ちなみに、標本１１のＺ位置が図７（ｂ）に示す焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（Ｚ３−ΔＺａ）に停止され続けている間、受光素子２９からの受光信号は、ステップＳ９で設定変更された基準タイミングＴｋ＋ΔＴａと同じタイミングで出力され続ける（Ｔｐ＝Ｔｋ＋ΔＴａ，図８（ｃ））。
また、上記例とは逆に、標本１１のＺ位置を合焦位置（Ｚ３）より上方にΔＺｂだけオフセットさせる場合（図９（ａ））、ＣＰＵ３７は、オフセット入力部４１からの入力信号に基づいてオフセット量“＋ΔＺｂ”を検出し（Ｓ８）、これを基準タイミングＴｋの変更量“−ΔＴｂ”に換算する。
【００５６】
そして、この換算の結果に基づいて基準タイミングＴｋの設定変更を行う（Ｓ９）。その結果、サンプルホールド回路３３のサンプルタイミングは、図１０（ａ）の基準タイミングＴｋから図１０（ｂ）の基準タイミングＴｋ−ΔＴｂへ設定変更され、新たな基準タイミングＴｋ−ΔＴｂに応じて減算器３６から出力される焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）は、“０”でなくなる。したがって、ステップＳ９の処理後、ステップＳ３の処理に進むと、判断の結果が“Ｎ”となる。
【００５７】
また、この例では、基準タイミングＴｋよりも早い基準タイミングＴｋ−ΔＴｂに設定変更され（図１０（ａ））、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の符号が“正”になった（Ｓ４がＮ）ため、ＣＰＵ３７は、標本１１のＺ位置を上方へ移動させる（Ｓ５）。そして、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるまで、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を繰り返す。
【００５８】
この間の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の変化の様子は、図９（ｂ）のＡＦ▲４▼に示す通りである。図９（ｂ）の横軸は標本１１のＺ位置を表している。上記と同様、標本１１のＺ位置が上方へ移動するにつれて、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の大きさは小さくなる（ＡＦ▲４▼）。なお、図９（ｂ）の破線は、図５の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）に対応している。
【００５９】
そして、基準タイミングＴｋ−ΔＴｂに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｓ３がＹ）、図１０（ｃ）に示すように受光信号の出力タイミングＴｐが基準タイミングＴｋ−ΔＴａに一致するため、ＣＰＵ３７は、ステージ１２と標本１１を停止させる（Ｓ７）。このとき、標本１１のＺ位置は、基準タイミングＴｋ−ΔＴｂに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となる位置（図９（ａ）のＺ３＋ΔＺｂ）に停止している。
【００６０】
したがって、オフセット入力部４１から新たなオフセット量が入力されない限り（Ｓ２がＮ）、ＣＰＵ３７によってステップＳ３〜Ｓ７の処理が繰り返され、標本１１のＺ位置は、焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（図９（ａ）のＺ３＋ΔＺｂ）に停止され続ける。この安定した状態では、接眼レンズ１９を介して、標本１１の任意の面１１ｃの拡大像を良好に観察することができる。
【００６１】
ちなみに、標本１１のＺ位置が図９（ｂ）に示す焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（Ｚ３＋ΔＺｂ）に停止され続けている間、受光素子２９からの受光信号は、ステップＳ９で設定変更された基準タイミングＴｋ−ΔＴｂと同じタイミングで出力され続ける（Ｔｐ＝Ｔｋ−ΔＴｂ，図１０（ｃ））。
上記したように、本実施形態の顕微鏡１０では、ＡＦ制御モード中にフォーカスオフセットをかける際、標本１１のＺ位置のオフセット量（例えば図７の−ΔＺａや図９の＋ΔＺｂ）に応じて、サンプルホールド回路３３における基準タイミングＴｋ（受光信号の分割境界線）の設定を変更する。
【００６２】
そして、変更後の新たな基準タイミング（例えば図８のＴｋ＋ΔＴａや図１０のＴｋ−ΔＴｂ）に基づいて、減算器３６から出力される焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるように、ステージ１２と標本１１のＺ位置を調整し（例えば図７（ｂ）のＡＦ▲３▼や図９（ｂ）のＡＦ▲４▼）、新たな焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）＝０の位置（例えば図７のＺ３−ΔＺａや図９のＺ３＋ΔＺｂ）に停止させる。
【００６３】
このため、通常のＡＦ制御（Ｓ３〜Ｓ７）で合焦位置（Ｚ３）に停止した標本１１の面１１ａ（図７（ａ），図９（ａ））だけでなく、フォーカスオフセットによる移動（図７（ｂ）のＡＦ▲３▼，図９（ｂ）のＡＦ▲４▼）後に停止した標本１１の異なる面１１ｂ，１１ｃについても、同様に、その拡大像を良好に観察することができる。
さらに、本実施形態の顕微鏡１０では、標本１１のオフセット量（−ΔＺａ，＋ΔＺｂ）に応じた変更後の基準タイミング（Ｔｋ＋ΔＴａ，Ｔｋ−ΔＴｂ）が、図１１（ａ）に示すタイミングＴｍｉｎ以上でかつ図１１（ｂ）に示すタイミングＴｍａｘ以下となる広い範囲内で、ＡＦ制御モード中のフォーカスオフセットを自由にかけることができる。この範囲（Ｔｍｉｎ以上かつＴｍａｘ以下）は、受光素子２９からの受光信号が欠けることなく出力される範囲に相当する。
【００６４】
また、変更後の基準タイミング（Ｔｋ＋ΔＴａ，Ｔｋ−ΔＴｂ）が最も早いタイミングＴｍｉｎ（図１１（ａ））に設定された場合、この基準タイミングＴｍｉｎに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるように標本１１のＺ位置が上方へ調整され、この間の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の変化の様子は、図１２のＡＦ▲５▼に示すようになる。
【００６５】
そして、基準タイミングＴｍｉｎに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｔｍｉｎ＝Ｔｐ）、標本１１は、基準タイミングＴｍｉｎに応じた位置Ｚ３＋ΔＺｍａｘに停止する。この位置Ｚ３＋ΔＺｍａｘは、本実施形態の顕微鏡１０によるフォーカスオフセット範囲の上限に相当する。
逆に、変更後の基準タイミング（Ｔｋ＋ΔＴａ，Ｔｋ−ΔＴｂ）が最も遅いタイミングＴｍａｘ（図１１（ｂ））に設定された場合、この基準タイミングＴｍａｘに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”となるように標本１１のＺ位置が下方へ調整され、この間の焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）の変化の様子は、図１２のＡＦ▲６▼に示すようになる。
【００６６】
そして、基準タイミングＴｍａｘに応じた焦点検出信号（Ｒ−Ｌ）が“０”になると（Ｔｍａｘ＝Ｔｐ）、標本１１は、基準タイミングＴｍａｘに応じた位置Ｚ３−ΔＺｍｉｎに停止する。この位置Ｚ３−ΔＺｍｉｎは、本実施形態の顕微鏡１０によるフォーカスオフセット範囲の下限に相当する。
このように、本実施形態の顕微鏡１０によれば、受光素子２９からの受光信号が欠けることなく出力される範囲（図１１のＴｍｉｎ≦基準タイミング≦Ｔｍａｘ）内で、つまり、標本１１のＺ位置が“基準タイミングＴｍａｘに対応する下限位置Ｚ３−ΔＺｍｉｎ”と“基準タイミングＴｍｉｎに対応する上限位置Ｚ３＋ΔＺｍａｘ”との間に含まれる限り、ＡＦ制御モード中のフォーカスオフセットを自由にかけることができる。
【００６７】
本実施形態の顕微鏡１０による標本１１のＺ位置のフォーカスオフセット範囲は、上記の下限位置Ｚ３−ΔＺｍｉｎと上限位置Ｚ３＋ΔＺｍａｘとの間に相当し、図１２に示すように、従来のフォーカスオフセット範囲と比較して確実に広いことが分かる。
したがって、標本１１が例えば半導体ウエハである場合のように、標本１１上に形成された複数の段差部分の高低差が対物レンズの焦点深度より大きく、かつ、段差部分の高低差そのものが従来のＤＣオフセット方式によるフォーカスオフセット範囲を超えて大きい場合でも、本実施形態の顕微鏡１０によれば良好に観察することができる。
【００６８】
さらに、本実施形態の顕微鏡１０では、受光素子２９の走査周期（クロック周期）を最小単位として、つまり、受光素子２９の各画素単位で、基準タイミングＴｋ（分割境界線）の設定変更を行うことができるため、対物レンズ１６の倍率の違いによる受光信号のレベル差に拘わらず、一定の分解能でオフセットをかけることができる。
【００６９】
なお、上記した実施形態では、標本１１のオフセット量（例えば図７の−ΔＺａや図９の＋ΔＺｂ）が既知であることを前提に、そのオフセット量に応じて基準タイミングＴｋ（受光信号の分割境界線）を一気に設定変更したが、実際の観察状況において、標本１１のオフセット量は未知であることが多い。
このため、顕微鏡１０の観察者によるオフセット入力部４１の１回の手動操作ごとに、基準タイミングＴｋを所定量だけ設定変更し、標本１１のＺ位置を所定量だけ移動させるようにしてもよい。この場合、オフセット入力部４１の手動操作の繰り返し回数に応じて、標本１１を所望の量だけオフセットさせることができる。
【００７０】
さらに、基準タイミングＴｋの１回の変更量は、光軸１０ａ上に位置決めされている対物レンズ１６の種類（倍率や焦点深度）に応じて、異なる値に設定することが好ましい。例えば、低倍の対物レンズ１６ほど焦点深度が深いため、基準タイミングＴｋの１回の変更量を大きく設定し、標本１１のＺ位置の１回の移動量を大きくすることが考えられる。この場合、対物レンズ１６の倍率変更に拘わらず、効率の良いフォーカスオフセットをかけることが可能となる。対物レンズ１６の種類は、番地センサ４２の検出結果に基づいて認識すればよい。
【００７１】
また、図６のステップＳ１で基準タイミングＴｋ（分割境界線）を初期設定するためのメモリ３８内の記憶情報は、対物レンズ１６の種類ごとに用意してもよい。この場合、ステップＳ１では、番地センサ４２の検出結果（番地情報）に基づいて、メモリ３８内の「光軸１０ａ上の対物レンズ１６の種類に対応する記憶領域」を参照し、基準タイミングＴｋを初期設定することになる。その結果、光軸１０ａ上に位置決めされている対物レンズ１６の種類が変わっても、良好な観察が行える。
【００７２】
さらに、上記した実施形態では、落射型の照明によって例えば半導体ウエハを観察する工業用の顕微鏡１０の例を説明したが、本発明は、落射型または透過型の照明によって生物標本を観察する顕微鏡などにも適用できる。標本１１が生物標本（例えば細胞）の場合、その内部は立体構造になっているため、上述の方法でフォーカスオフセットをかけることにより、厚さ方向の観察したい任意の面にピントを合わせて観察することができる。
【００７３】
また、上記した実施形態では、標本１１と対物レンズ１６との位置関係を調整するためにステージ１２を上下動させる例を説明したが、対物レンズ１６を上下動させても良いし、対物レンズ１６と標本１１との双方を上下動させてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォーカスオフセット範囲を広く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の顕微鏡１０の全体構成を示す図である。
【図２】受光信号の出力タイミングを説明する図である。
【図３】顕微鏡１０のブロック構成を示す図である。
【図４】積分器３２の出力の時間変化を説明する図である。
【図５】減算器３６の出力と標本１１のＺ位置との関係を説明する図である。
【図６】顕微鏡１０におけるＡＦ制御の全体の手順を示すフローチャートである。
【図７】下方へのフォーカスオフセットを説明する図である。
【図８】下方へのフォーカスオフセットを説明する図である。
【図９】上方へのフォーカスオフセットを説明する図である。
【図１０】上方へのフォーカスオフセットを説明する図である。
【図１１】顕微鏡１０における基準タイミングの設定範囲を説明する図である。
【図１２】顕微鏡１０におけるフォーカスオフセット範囲を説明する図である。
【図１３】従来の焦点検出信号を説明する図である。
【図１４】従来のＤＣオフセット方式を説明する図である。
【図１５】ＤＣオフセット方式におけるフォーカスオフセット範囲を説明する図である。
【符号の説明】
１０　顕微鏡
１１　標本
１２　ステージ
１３　光源
１４　集光レンズ
１５，２６　ハーフミラー
１６　対物レンズ
１７　結像レンズ
１８　プリズム
１９　接眼レンズ
２１　光源
２２　スリット板
２３，２７　集光レンズ
２４　遮光板
２５　ダイクロイックミラー
２８　シリンドリカルレンズ
２９　受光素子
３０　制御装置
３２　積分器
３３，３４　サンプルホールド回路
３５，３６　減算器
３７　ＣＰＵ
３８　メモリ
４０　入力装置
４１　オフセット入力部
【図１】
2004085820.tif 000003
【図２】
2004085820.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004085820.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004085820.tif 000008
【図７】
2004085820.tif 000009
【図８】
2004085820.tif 000010
【図９】
2004085820.tif 000011
【図１０】
2004085820.tif 000012
【図１１】
2004085820.tif 000013
【図１２】
2004085820.tif 000014
【図１３】
2004085820.tif 000015
【図１４】
2004085820.tif 000016
【図１５】
2004085820.tif 000017