(57)【要約】【課題】簡易な構造でありながら観察対象物へのフォーカシングが高い精度で実施可能なオートフォーカス装置付き顕微鏡【解決手段】照明光源（２）、照明光源（２）からの光を照明フィールドの形態で観察対象物（４）に向ける光学結像装置（３）、観察対象物（４）の影響を受けた光を照明フィールドに呼応する画像フィールドの形態で受信する受光装置（６）および結像装置（３）と観察対象物（４）間の距離調整のための装置（１４）を有し、そのほか、光路中に、即ち照明光源（２）と結像装置（３）との間に２つまたはそれ以上の絞り構造体（１０、１１、１２）を持つ、照明光の構造化のための装置（９）が光路の軸方向に互いに距離を置いて配置される。尚、絞り構造体（１０、１１）は、それらの間に位置する平面（Ｌ）が観察対象物（４）と同時に受光装置（６）の画像フィールドにフォーカシングされるように位置設定され、評価装置（１３）は、調整装置（１４）の作動のため光強度に対応した調整信号（Ｓ）を発信する。【選択図】図１
2004522191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  照明光源（２）と結像装置（３）との間の光路中に、または照明光源と結像装置に対して光学的に共役なポジションとの間に、光路方向に相前後して配置される複数の絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）を持つ照明光の構造化のための装置（９）が配置されていること、
−  その場合、少なくとも１つの第１絞りプレート（１０、１０’、２０、２０’、２０”）と少なくとも１つの第２絞りプレート（１１、１１’、２１、２１’、２１”）が、照明フィールド絞り平面（Ｌ）に対する位置設定として、照明フィールド絞り平面（Ｌ）と観察対象物（４）とが、同時に受光装置（６）に集束するように配置されていること、および
−  受光装置（６）と連携作用をする装置、即ち絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）の影響を受けた画像フィールド部分領域の光強度についての評価装置（１３）が配備されていること、
−  その場合、評価装置（１３）が、得られる強度結果に従って調整装置（１４）作動のための、つまりフォーカシングのための調整信号（Ｓ）を発信すること、
を特徴とする、
−  照明光源（２）、
−  照明光源（２）からの光を観察対象物（４）の所定箇所に向ける光学結像装置（３）、
−  観察対象物（４）の影響を受けた光を画像フィールドとして受信する受光装置（６）および
−  結像装置（３）と観察対象物（４）間の距離変更のための調整装置（１４）を持つオートフォーカス装置付き顕微鏡。
【請求項２】
絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）の１つが観察対象物（４）の結像箇所と光学的共役関係にあれば、観察対象物（４）上の結像箇所にコントラスト豊富な光構造が生成されるように、それぞれの絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）が構成、配置されていること、
を特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）が光路に垂直な方向に互いにずらして配置されているため、各絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）が、別々な画像フィールド部分領域を支配していることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
絞りプレート（１０’、１１’）がそれぞれ部分透光性を持つように構成されていて、光学的に互いに異なった構造化されたパターンを持っていること、およびその絞りプレート（１０’、１１’）が、光路方向に見て、互いに重なり合うように配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の顕微鏡。
【請求項５】
絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）に格子構造が付与されていて、好適には対となる２つの絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）間で、格子線が互いにクロスする、および／または格子線の間隔が互いに異なっていること、
を特徴とする請求項１〜４のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項６】
捕捉される光強度またはこれより導き出されるコントラスト値と保存される設定基準値との比較値を求めるために評価装置（１３）が構成されていて、得られる比較値から調整装置（１４）に対する方向指示が誘導されることを特徴とする請求項１〜５のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項７】
強度および／またはコントラスト値の差および／または強度および／またはコントラスト値の商から比較値を求めることを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡。
【請求項８】
第１絞りプレート（１０）と第２絞りプレート（１１）の間に第３絞りプレート（１２）が配置されていて、設定基準位置にある観察対象物（４）が受光装置（６）の画像フィールドに結像すると、それと同時に第３絞りプレート（１２）の結像がフォーカシングされることを特徴とする請求項１〜７のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項９】
第１絞りプレート（２０、２０’、２０”）および第２絞りプレート（２１、２１’、２１”）が、それぞれ多数の個別絞り孔（２２、２３）を有していて、絞り孔それぞれの結像が、受光装置（６）上で互いに離れた位置になるように該絞り孔が配置されており、それぞれの結像に対して受光装置（６）の感光領域が別々に割当てられていることを特徴とする請求項１〜８のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項１０】
第１絞りプレート（２０’）と第２絞りプレート（２１’）には、長軸の延長線が光学結像装置（３）の光軸と１点で交わる、それぞれ複数のストライブ状個別絞り孔（２２’、２３’）が存在すること、ストライブ状個別絞り孔（２２’、２３’）それぞれの結像が受光装置（６）上で互いに離れた位置になるように当絞り孔が配置されており、それぞれの結像に対して受光装置（６）の感光領域が別々に割当てられていることを特徴とする請求項１〜８のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項１１】
光強度が、選択的に別々の感光領域において読み取られることを特徴とする請求項９または１０に記載の顕微鏡。
【請求項１２】
観察対象物（４）を結像装置（３）の光軸と交叉する方向に移動させる装置が配備されていて、また絞りプレート（１０、１１、１２、１０’、１１’、２０、２１、２０’、２１’、２０”、２１”）には、移動方向（Ｂ）に構造化パターンが繰り返し配置されており、観察対象物（４）の移動経過中に同一観察位置の光強度を構造化パターンを通して複数回測定できることを特徴とする請求項９〜１１のうちの１項に記載の顕微鏡。
【請求項１３】
構造化パターンが観察対象物（４）の移動方向に繰り返しｎ回配置されていて、また受光装置（６）が、同一観察位置におけるｎ回連続測定によって求めた強度結果を総計する、光強度連続測定用ＴＤＩカメラ（ＴＤＩ＝遅延積分）として構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の顕微鏡。
【請求項１４】
構造化パターンが、観察対象物の移動方向に相前後して並ぶｎ個の個別絞り孔によって形成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の顕微鏡。
【請求項１５】
ｎが偶数であって、移動方向に相前後して並ぶそれぞれｎ／２個ずつの個別絞り孔が互いに透光性に関して逆のパターンとして構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光源、照明光を照明フィールドとして観察対象物に向ける光学結像装置、観察対象物の影響を受けた光を照明フィールドに呼応する画像フィールドとして受信する受光装置および結像装置と観察対象物間の距離変更装置を持つオートフォーカス装置付き顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の顕微鏡は、観察対象物と顕微鏡を相対的に相互移動させ、観察対象物を光学的に走査するという、例えば共焦点鏡検法に使用される。
【０００３】
照明光源から観察対象物に入射した光は、観察対象物に大なり小なり反射された後、結像装置を通って受光装置上に結像するようになっているので、その結像を手掛かりに観察対象物、つまり正しくその検査対象領域の情報を得ることができる。
【０００４】
観察位置としては、特に対象物表面のトポグラフィーから、対象物が、より詳細にはその選択領域が鮮明な結像を見せる切断平面を選択する。
観察対象物と結像装置間の光軸方向での相対的位置設定において偏差が生じれば、両者間の距離は調整装置によりフォーカスポジションに到るまで修正される。
【０００５】
例えばウェハ検査の場合など、特に連続製造工程のコントロールにおいては、ウェハ表面、より詳細にはウェハ検査対象層への光学結像装置のフォーカシングが自動的になされることが望まれる。
この関係では、作用態様および性能パラメータの異なる光学システム用オートフォーカス装置が、既に現状技術にて多数公知になっている。性能パラメータには、特に、光軸（以下ｚ軸と言う）方向の分解能、捕捉領域あるいは作業領域の深度、修正移動のための方向信号の生成可能性および達成可能な測定速度が数え入れられる。
【０００６】
三角測量法の操作方式によるオートフォーカス装置は、確かに大きな捕捉領域を持つが、しかしｚ軸方向の分解能に関しては、約３００ｎｍレベルに制限されるのでウェハ検査には適していない。その目的には捕捉領域数μｍで、約５０ｎｍレベルの分解能を必要とするからである。
例えばＣＤプレーヤーに使用されるオートフォーカス装置は、確かに比較的大きな捕捉領域および高いｚ分解能を持っているが、これは測定表面が非常に良好な反射特性を有している場合にしか適用できない。
【０００７】
その装置の場合オートフォーカシングには通例レーザ光線が使用される。しかし、主光学システムの波長スペクトルがオートフォーカシングシステムの波長スペクトルと大きく異なれば、焦準時には、例えば観察対象物における表面コーティングの素材特性および微小構造に依存する体系的誤差が発生する。主光学システムがオートフォーカシングシステムとは異なる波長領域で作動する場合、後者には別なシステムコンポーネントを用意しなければならない。それに伴い、光線誘導も少なくとも部分的には別々に行われなければならない。その上、主システムもオートフォーカシングシステムの別途波長に適合した特殊構造にしなければならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況から出発して、本発明では簡易な構造でありながら観察対象物へのフォーカシングが、高い精度で実施可能な、上記種類に属する顕微鏡を作り出すことを課題に置いている。
【０００９】
この課題は、請求項１の上位概念に基づく顕微鏡については、光路中、即ち照明光源と結像装置との間、または照明光源と結像装置に対して光学的に共役なポジションとの間に、２つまたはそれ以上の絞りプレートを持つ、照明光の構造化のための装置を、光路の軸方向に互いに距離を置いて配置することによって解消される。その場合、第１絞りプレートと第２絞りプレートは、設定基準位置にある観察対象物またはその一部が受光装置の画像フィールドに結像すると同時に、両絞りプレート間の平面に光線が集束するように配置されている。
【００１０】
そのほか、受光装置と連携作用をする装置、即ち絞りプレートの影響を受けた、画像フィールド部分領域の光強度評価装置が配備されている。その評価装置は、評価された強度結果に従って、絞りプレート間に位置する平面へのフォーカシング調整のための装置を作動させる制御信号を発信する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づくオートフォーカス装置では、光構造化のための追加装置を除き、主光学システムの全コンポーネント、特にその照明光源、光学結像装置および受光装置が利用されている。それにより簡易な構造に構成することが可能である。主光学システムにもオートフォーカシングシステムにも同じ照明光源が使用されるので、上で説明したシステム誤差は避けられる。
【００１２】
光路方向に互いに間隔を有して配置される絞りプレートは、画像フィールドの小さな切断部分にしか作用せず、他方、画像フィールドの大部分は本来の顕微鏡結像用として残されている。
【００１３】
絞りプレートに対応する画像フィールド部分領域において測定した光強度は、観察対象物と光学結像装置間のｚ軸方向での実距離に依存している。絞りプレートは光路方向に互いに区々な位置設定になっているので、各絞りプレート毎に観察対象物のｚポジションに依存した当該強度特性が現われる。
【００１４】
個々の絞りプレート毎に行う光強度の評価により、観察対象物の実際位置が推定でき、場合により発生する設定基準位置からの偏差が測定できる。このようにしてさらに、観察対象物の実際の位置が設定基準位置からｚ軸に沿っていずれの方向に離反しているかが、従っていずれの方向にフォーカシング修正しなければならないかが確認できる。
【００１５】
この情報によって観察対象物の位置を設定基準位置に向かって修正すること、即ち精確にフォーカシングすることができる。
本発明に基づくオートフォーカス装置によれば、ｚ軸方向での高い測定速度のもと数μｍの捕捉範囲および５０ｎｍレベルの分解能が実現できる。
【００１６】
調整信号は、例えば個別絞りプレート毎に測定した光強度を基にして直接求めることができる。その場合では個別の値を互いに関連づける。勿論、光強度から導き出した各種値を調整信号の生成に使用することもできる。
【００１７】
本発明の有利な実施態様では、例えば調整信号生成のための評価装置は、捕捉される光強度またはこれより導き出されるコントラスト値から比較値が生成されて、その比較値から調整装置に対する方向指示が誘導されるように構成されている。このようにして調整装置のための調整信号または制御信号を非常に簡単に得ることができる。必要であれば比較値を設定基準値に関連づける。
【００１８】
精度の向上には強度および／またはコントラスト値の差および／または強度および／またはコントラスト値の商から比較値を求めるのが有利である。それにより、例えば調整装置のための調整信号、制御信号を基準化できることが特に有利である。
【００１９】
絞りプレートは、観察対象物が当該絞りプレートから一定のｚポジションにあるならば、受光装置上にコントラスト豊富な光構造が生成されるように構成、配置されているのが好適である。そうであれば、観察対象物が設定基準位置からずれている場合にも個々の絞り構造体間でコントラスト値に明白な差異が生じることになる。それにより、観察対象物と設定基準位置との偏差が非常に精確に確定できる。
【００２０】
原則的には、各絞りプレートに画像フィールドのそれぞれ固有の部分領域を割当てることが可能である。これにより、個別絞りプレートの当該部分領域が互いに影響されないものとする。この場合、個々の絞りプレートでの強度が受光装置上に明瞭に現われるので、例えばコントラスト測定の場合でも測定強度は極めて簡単に評価することができる。この関係から、絞りプレートの共焦点配置が非常に有力であると判明している。その場合、検出領域は絞りプレートの画像に対応しているので迅速な評価が可能である。それはコントラスト測定の計算に手間をかける必要がないからである。
【００２１】
主光学システムの画像フィールドがオートフォーカシングシステムに必要な部分領域で制限される範囲をできるだけ小さくするために、それぞれの絞りプレートが光軸方向に見て、少なくとも部分的に重なり合っていれば非常に有利である。
各絞りプレートは部分透光性を持つように構成されていて、それぞれ光学的に互いに異なった構造化パターンを有している。そのような絞りプレートを光路中に相前後して配置させることにより、受光装置上では光強度の組み合わせが起こるが、構造化パターンに差異があるので、測定強度の分析から個々の絞りプレートに対して、観察対象物の焦点位置に依存する特性値を付与することができる。そして個々の絞りプレートに振り分けられるこれらの情報から、位置修正に備えた調整信号が生成される。
【００２２】
それぞれの絞りプレートには、例えば互いに異なる格子構造を付与することができる。即ち、それぞれの絞りプレートの格子線が互いにクロスするように、および／または格子線の間隔が異なるように構成する。絞りプレートを２つ以上使用した場合、ペアになっている格子構造は少なくとも１つの幾何学的基準が異なっているものとする。
【００２３】
本発明のまた別の有利な実施態様では、第１絞りプレートと第２絞りプレートの間に第３絞りプレートが配置されていて、設定基準位置にある観察対象物またはその一部分が、受光装置画像フィールドに結像すると同時に、第３絞りプレートの結像がフォーカシングされるようになっている。
【００２４】
観察対象物が設定基準位置にあれば、コントラスト評価の場合、第３絞りプレートに関しては当ポジションでコントラスト最大値となる。明度評価の場合でも、このポジションで強度または明度の最大値が確認される。これは、観察対象物が設定基準位置に正しく位置付けされていることを立証する補強情報となる。それは特に、他の絞りプレートが設定基準位置では低い値のコントラストまたは明度しか示さない場合に効果的である。さらには、それによって捕捉領域の拡大という利点が提供されるほか、基準化への可能性もある。
【００２５】
大きな捕捉領域を得るためには、光路方向に多数の絞りプレートを設置することができる。但し、オートフォーカシングシステム画像フィールドにおける所要面積の点から、あるいは絞りプレートが光路方向で互いに重なり合うように配置されている限り、それら絞りプレートの透過特性の点から制限が生じてくる。大きな捕捉領域の実現は、焦点外および焦点内に配置する絞りプレートの数を増やすことにより可能である。しかし、実用面からは３つの絞りプレートによるのが、比較的簡易な構成を維持できて、好適であり十分でもあると実証された。
【００２６】
以上の他、本発明の有利な実施態様例として、第１絞りプレートおよび第２絞りプレートがそれぞれ多数の個別絞り孔を有し、絞り孔それぞれの結像が受光装置上で互いに離れた位置になるように絞り孔が配置される。当例では、それぞれの結像に受光装置の感光領域が別々に割当てられ、それぞれ軸方向で互いにずらした位置に設定される共焦点光路を持つ複数絞りプレートの配置が実現される。
【００２７】
そのような配置は、特に光強度または共焦点明度の直接的評価に適している。例えば、異なった絞りプレートで互いに近くに位置する個別絞り孔に対する光強度の値を相互に関連づけすることで、調整信号を生成することが可能である。さらには、まず全ての絞りプレートについて個別特徴的な光強度または明度を測定し、続いて調整信号生成のために相互比較することもできる。
【００２８】
画像フィールドに結像する穿孔パターンは、その他の絞りプレートのコントラスト値の測定にも利用できる。この場合、個別絞り孔と受光装置の感光性領域、例えばＣＣＤマトリックスの画素との間に共焦点関係は必ずしも必要ない。
個別絞り孔の代わりに、縦方向の想定延長線が光学結像装置の光軸上にある１点で交わるそれぞれ複数のストライプ状個別絞り孔を持つ第１および第２絞りプレートを構成することができる。この場合でも個別絞り孔は、受光装置上での結象が互いに離れた位置になるように配置されている。
【００２９】
各結像に対しては、それぞれ独自の受光装置感光領域が割当てられ、例えば対物レンズの交換を原因として数パーセントレベルにも達し得る、光学結像装置の結像特性偏差をフォーカシング精度への影響なく補正することができる。
【００３０】
絞りプレートのストライブ状個別孔の長さに応じて観察用対物レンズも様々な結像特性のものが使用できる。なお、個別絞り孔の長さは、求める倍率範囲では受光装置の感光領域が常にカバーされるように構成されている。
【００３１】
本発明のまた別の有利な実施態様では、観察対象物を結像装置の光軸と交叉する方向に移動させる装置が配備され、絞りプレートの観察対象物の移動方向に構造化パターンが繰り返し配置される。これにより、光路の横断面に並置されている別の絞りプレートも調整信号生成のために、観察対象物における同一点の情報評価に共同で加わることが可能である。
【００３２】
それにはまず、絞りプレートからの入射光線を、つまりその強度を観察対象物の第１ポジションとしての上記点について測定し、得られる光強度を記録する。続いて、上記の点から反射する光が別な絞りプレートの影響領域下に入るように、観察対象物をｚ軸に垂直な平面で移動させる。
【００３３】
当該強度を上記の点とセットにして記録し、それぞれの点の間で互いに関連づける。好適には、配置される絞りプレートのそれぞれについてこの測定を実施する。しかし、絞りプレートの数が多ければ、その数を制限して、選定した絞りプレートだけを測定対象にすることもできる。
【００３４】
以上の他、受光装置を、観察対象物において連続測定したｎ個の強度値を合計する光強度の連続測定用ＴＤＩカメラ（ＴＤＩ＝遅延積分）として構成することも本発明の範囲内である。各絞りプレートの構造化パターンは、測定回数に対応して観察対象物の移動方向に繰り返しｎ回現われる。
【００３５】
ＴＤＩカメラによれば、ｎ回ずつの連続測定による個別強度の値を相互間で電子的に関連づけ、それを加工して測定結果を得ることができる。これによれば、なかでも高い測定速度が実現できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。各図面はそれぞれ次のものを表わしている。
図１は、主光学システムとオートフォーカシングシステムが、共に同じ光学構成素子を利用するオートフォーカス装置付き顕微鏡１の例である。但し、図１にはここで詳細に取り上げるオートフォーカシングシステムの光路しか描かれていない。
【００３７】
顕微鏡１は、例えば可視領域の光を放射する中央照明光源２を有している。その他に、主要素子として観察用対物レンズを持つ光学結像装置３が配備されている。照明光源２の光はここを通過して照明フィールドの状態で観察対象物４に向かう。その照明フィールドの形態は、照明光源２と光学結像装置３の観察用対物レンズ間に配置される照明フィールド絞り５によって付与される。
【００３８】
さらに顕微鏡１は、観察対象物に影響される光を照明フィールドに呼応する画像フィールドの形態で受信する受光装置６を有している。受光装置６は、本例においては衝突光線の強度を測定するＣＣＤマトリックスとして構成されている。
【００３９】
図１には、照明フィールド用の絞り５が配置されている照明フィールド平面Ｌが、受光装置６の平面Ｅ上に鮮鋭に結像する観察対象物４にフォーカシングしたときの顕微鏡１の状態を示している。この状態のとき観察対象物４はその表面が、本例では平面Ｏが示唆する設定基準位置にある。観察対象物４で反射した光は光学結像装置３に捕捉され、部分透過層８を持つ転向装置７により受光装置６の方へ向けられる。
【００４０】
図１には、その他に、照明フィールド絞り５の領域に設置される照明光源２の光を、構造化するための構造体９が描かれている。この構造体９は、本例では３つの絞りプレート１０、１１および１２を有している。これらの絞りプレート１０、１１および１２は照明フィールドの領域に配置されているので、受光装置６に現われる画像フィールドの部分領域に影響を与えることになる。
【００４１】
図１から見て取れるように、それぞれの絞りプレート１０、１１および１２は、顕微鏡１の光軸方向に互いに間隔を有して配置されている。第１の絞りプレート１０は、照明フィールド平面Ｌの前の焦点外ポジションにある。それに対し、第２の絞りプレート１１は、照明フィールド平面Ｌを越えて焦点内側の位置にある。
その場合両絞りプレート１０および１１は、観察対象物４が設定基準位置にあるとき、即ち本実施例ではその表面が平面Ｏの高さにあるとき、両者間にある平面、本例では照明フィールド平面Ｌが、受光装置６に鮮明に結像するように配置されている。
【００４２】
第１の実施例では、第１の絞りプレート１０と第２の絞りプレート１１間に、例えばその中央に当る照明フィールド平面Ｌの位置に、第３の絞りプレート１２が設置されている。それぞれの絞りプレート１０、１１および１２は、画像フィールドの狭い範囲にのみ影響するように構成されている。画像フィールドの大部分は顕微鏡の結像用として利用できる状態のまま残されている。
【００４３】
絞りプレート１０、１１および１２のいずれかが、観察対象物４と光学的共役関係にあれば、当該絞りプレートによって観察対象物４上にコントラスト豊富な光構造が生成される。観察対象物４を、光軸方向、即ちｚ方向に移動させると、観察対象物４上、延いては受光装置６上における光構造のコントラストが変化する。
【００４４】
対応の光強度は、受光装置６によりそれぞれの絞りプレート毎に捕捉され、評価装置１３で加工される。評価装置１３内では、特に、強度の評価結果に依存して調整信号Ｓが生成される。この調整信号は、観察対象物４を結像装置に対してフォーカシングするため、あるいは設定基準位置からの偏差を観察対象物４の走査中に修正するため、観察対象物４をｚ軸に沿って移動させることのできる調整装置１４用の制御量として用いられる。
【００４５】
個々の絞りプレート１０、１１および１２に対応する受光装置６上のコントラストが、図３に詳細に描かれた絞りプレート１０、１１および１２の配置と観察対象物４のｚ方向における位置との関係に如何に依存しているかが、図４に描かれた各絞りプレートに対応するコントラスト値曲線Ｋ１０、Ｋ１１およびＫ１２から見て取れる。
【００４６】
絞りプレート１０、１１および１２は光軸方向に互いに間隔を有して配置されているので、コントラスト値曲線Ｋ１０、Ｋ１１およびＫ１２は観察対象物４の位置に依存して相互間でシフトした位置にそれぞれ最大値を有している。この場合、隣接する絞りプレートが、それぞれ受光装置６にフォーカシングされるという観察対象物４の位置間に存するｚ位置に観察対象物４があるという条件下では、それぞれ当該光構造のコントラストが明白に、例えば５０％低下するように絞り構造体が構成されている。急勾配のコントラスト関数によれば高い感度が実現できる。
【００４７】
観察対象物４が設定基準位置にあるときには、中央の第３絞りプレート１２の光構造が、受光装置６にフォーカシングされ結像する。それに応じて、対応のコントラスト値曲線Ｋ１２が、当該ｚポジションで最大値を取ることになる。それに対し、第１および第２の絞りプレート１０および１１は焦点ずれの状態で受光装置に結像するので、対応コントラスト値曲線Ｋ１０およびＫ１１のコントラスト値が比較的小さくなる。
【００４８】
第１および第２の絞りプレート１０および１１が、中央の絞りプレート１２を基準として対称に配置されている場合、対応の両コントラスト値は互いにほぼ等しい値になる。それに対し、観察対象物４が、ｚ方向の設定基準位置から外れている場合、それぞれの絞りプレート１０、１１および１２には別なコントラスト値が得られることになり、それを基に偏差を測定することができる。
【００４９】
図２は、第２の焦点内絞りプレート１１の方が受光装置６に鮮明に結像した偏差例を示す。本例では絞りプレート１０および１２は焦点ずれの状態で受光装置６に結像している。その場合第１絞りプレート１０は遠く離れた位置にあるので、中央の第３絞りプレート１２より結像時の焦点ずれが大きい。この例では第２絞りプレート１１のコントラスト値Ｋ１１が最大であり、他の絞りプレート１０および１２のコントラスト値Ｋ１０およびＫ１２は、それより低い。
【００５０】
コントラスト値のこの変動は、オートフォーカシングに利用される。オートフォーカシングの目標は、中央第３絞りプレート１２のコントラスト値Ｋ１２を最大にすることである。それは、その状態のときに観察対象物４が設定基準位置を取るからである。設定基準位置から外れている場合、焦点外、焦点内絞りプレート１０および１１のそれぞれのコントラスト値Ｋ１０、Ｋ１１から、偏差の大きさ以外に、ｚ軸に沿った修正をいずれの方向になすべきかの方向情報をも含む調整、制御信号Ｓが求められる。
【００５１】
これの最も簡単な例では、第１絞りプレート１０と第２絞りプレート１１それぞれのコントラスト値Ｋ１０、Ｋ１１間の差を算出する。この差と予備設定基準値との偏差から、求める情報、即ち観察対象物４を設定基準位置に設置するために必要な調整装置１４の修正移動量および修正方向に関する情報を得ることができる。
【００５２】
コントラスト値は、受光装置６のＣＣＤマトリックスにおいて各絞りプレート１０、１１および１２別に測定される複数画素の強度に対する評価から求められる。
しかし、コントラスト値の代わりに、それぞれの絞りプレートについて測定した強度を相互間で直接関連づけることもできる。それには共焦点型構成が前提となる。即ち、検出器の大きさと絞りプレートによる画像の大きさとが呼応していなければならない。
【００５３】
上記いずれの場合でも、互いに間隔を有して設置される焦点外、焦点内絞りプレートの数を増やすことによって、例えば２倍または３倍にすることによって捕捉領域を拡大することができる。その他に、捕捉領域を片方だけ広げて、焦点絞りプレートに対し非対称に構成することも考えられる。
【００５４】
さらには、特に焦点外、焦点内絞りそれぞれのコントラスト値間の差および／または商を含む数学的関数を、制御信号に使用することも可能である。その場合それに加えて、あるいはそれに代わって、例えば、求めた値を基準化するために光強度の値を考慮に入れることもできる。
【００５５】
図５は、図１に基づく顕微鏡に使用できる絞り構造体のまた別な実施例である。第１の実施例とは異なり、本実施例では照明フィールド平面Ｌには絞りプレートが配置されていない。その他の特徴として、第１絞りプレート１０’と第２絞りプレート１１’は、光軸方向に見ると、互いに覆い被さるように配置されている。
【００５６】
尚、各絞りプレート１０’、１１’は十分な透過性を有しているので、照明光源２の光がこれら絞りプレートの配置によって過度に弱められることはない。また、それぞれの絞りプレート１０’、１１’は光学的構造化パターンが互いに異なっているので、これらの絞りプレートによって影響される光の画像フィールドにおける分析時にその特徴が明瞭に現われる。従って、それぞれの絞りプレート１０’、１１’に固有のコントラスト値を付与することができる。
【００５７】
図５に描かれた実施例では、それぞれの絞りプレート１０’、１１’は格子構造に形成されている。絞りプレート１０’、１１’は、双方の格子線方向が直行するように配置されている。受光装置６において第１方向およびそれと交叉する第２方向でコントラストを測定することにより、それぞれの絞りプレートに別々なコントラスト値を付与することができる。この値から、図４の関係で説明した方法に準じて、観察対象物４のｚ軸における位置修正方向を決定するための制御入力信号Ｓを求めることができる。
【００５８】
図６に、構造化された多平面照明を基本原理とするオートフォーカス構造体の第３の実施例が図示されている。焦点外、焦点内絞りプレート２０および２１にはコントラストパターンの代わりに、それぞれ任意の形態をした小さな個別絞り孔が多数設けられている。個別絞り孔２２、２３の大きさは、観察対象物空間におけるエアリー直径に、照明フィールド絞り５と観察対象物４間における結像倍率を掛け合わせた値にほぼ相当する。
【００５９】
個別絞り孔の結像は受光装置６上で互いに重なり合うことがなく、むしろ受光装置６上では各個別絞り孔２２、２３に別々の感光性領域が割り振られている状態になっている。
【００６０】
図に描かれているように、当該実施例では、個別絞り孔２２、２３はそれぞれ列をなすように配置されており、従って各絞り孔は、好適にはＣＣＤマトリックスとして構成されている受光装置６上の単一または複数の画素と符合している。画素は個別絞り孔２２、２３毎に選択的に読み出される。このようにして、軸方向の互いに異なるルートを通る複数の共焦点光路が実現できる。
【００６１】
それにより、受光装置６では絞りプレート２０、２１および絞り孔２２、２３についてそれぞれの共焦点強度が検出される。オートフォーカシングのための制御入力信号は、本実施例では２基である絞りプレート２０および２１の共焦点強度の値を用いて、上記方法に準じて生成する。
【００６２】
結像装置３における作業が、異なった結像特性を持つ複数の観察対物レンズによる場合、個別絞り孔型の上記絞りプレート２０、２１の使用下では、事情によっては（結像特性次第では）受光装置６での評価において様々な感光領域の分析が必要になる。
【００６３】
これは、円形個別絞り孔の代わりにストライブ状個別絞り孔２２’、２３’の形成されている絞りプレート２０’および２１’の使用によって避けられる（図７）。ストライブの幅は上で説明した個別絞り孔２２、２３の直径にほぼ等しい。倍率差を補整するために、ストライブ状個別絞り孔２２’、２３’は、それぞれ長軸の想定延長線が光学結像装置３の光軸と１点で交わるように配置されている。
【００６４】
したがって、倍率に変化が生じれば、ストライブ状個別絞り孔の結像は、受光装置６上で、上記長軸の想定延長線上の動きに対応して移動する。そのことより、それぞれのストライブ状個別絞り孔２２’、２３’に使用される観察対物レンズにおいて可能な結像倍率の範囲内であれば、受光装置６上で、常に同一感光領域がカバーされることになる。
【００６５】
互いにオーバーラップしない絞りプレートの使用されている上記オートフォーカス構造体によれば、静止状態の観察対象物４を、それぞれの絞りプレートを通して測定する場合には、観察対象物４の様々な箇所から反射した光が分析されるので、制御入力信号は、オートフォーカシング用と見なされる全領域を対象としたいわば強度平均値から求められる。
【００６６】
フォーカシング精度は、観察対象物４の同一領域からの光を様々な絞りプレートによって分析することで、さらに向上させることができる。それには、観察対象物４をＸＹ平面内で結像装置３の光軸に対し垂直な方向Ｂにシフトさせて複数回の測定を行う。この場合観察対象物４の調整移動は、絞りプレート２０、２１の移動方向Ｂおよび移動量に対応している。
【００６７】
受光装置６としては、観察対象物４のステップ式移動に対応して照射される２次元ＣＣＤマトリックスが使用できる。評価装置１３内では、観察対象物４の同一箇所について測定、記録した様々な強度結果が評価され、そこから調整装置１４に対して方向指示する調整信号が発せられる。
しかしＣＣＤマトリックスによる画像記録は、広い帯域幅の適用下で観察対象物４の測定箇所を密に配置した場合では、オートフォーカス制御を実現するには緩慢過ぎることが多い。
【００６８】
より迅速な画像記録には、受光装置６としてＴＤＩ走査カメラが使用できる。
それによれば、このタイプのカメラでは常例であるが、移動下で記録できる。上記オートフォーカス法もそれに準じた方法でＴＤＩ走査カメラにより行うことができる。その場合では、ＴＤＩ走査カメラによりそれぞれの観察箇所で光強度をｎ回測定する。捕捉される信号はカメラ内で電子的に合算される。従って、構造化パターンが各絞りプレートでｎ回繰り返されることになる。受光装置としてＣＣＤマトリックスを使用した場合と比較すると、絞りプレートは、図８（ｂ）のように構造化されている。その場合ｎ＝４である。
【００６９】
図９との関連で次に説明する実施例の場合、２つの絞りプレートが使用されている。第１絞りプレート２０”が照明フィールド絞り５の前に、第２絞りプレート２１”が照明フィールド絞り５の後に配置されている。その場合、ｎ個の構造化パターンが孔行列として構成されていて、各縦列Ｓｐが観察位置のそれぞれ１箇所ずつに割当てられている。ｎ個の構造化パターンが絞りプレート２０”と２１”にそれぞれ半分ずつ配分されている。
【００７０】
図９に描かれた明暗分布の差から察知されるように、絞り構造体の１つに対して補完的アパーチャが構成されている。尚、図９の実施例ではｎ＝２が選択されている。その場合、矢印Ｂで示される観察対象物４の移動方向において、絞りプレート２０”が絞りプレート２１”より前にあるか後にあるかは些細なことで重要ではない。
【００７１】
補完的アパーチャの作用により、絞りプレートの縦列Ｓｐ、即ちＴＤＩ走査カメラの縦列に対応する受光器信号は、絞り孔によるｎ回の測定と補完的絞り孔によるｎ回の測定との加算から得られることになる。
この値は、定数を除けば、下記の数学的考察に示されているように、絞りプレート２０”の絞り孔による値と絞りプレート２１”の対応絞り孔による値との差に等しい。
【００７２】
固定した観察箇所、つまり観察対象物の固定点について次のように定義する  ：
Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ     絞りプレート２０”の軸平面内にある絞り孔による受光器上の光強度
Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ    絞りプレート２１”の軸平面内にある絞り孔による受光器上の光強度
Ｉｎ＿ｉｎｔｒａ    絞りプレート２０”の軸平面内にある逆型絞り孔による受光器上の光強度
Ｉｎ＿ｅｘｔｒａ    絞りプレート２１”の軸平面内にある逆型絞り孔による受光器上の光強度
Ｉｏ    光路内に絞りプレートを設置しなかった場合の受光装置６上の光強度
ｚ    観察対象物４の軸方向ポジション
【００７３】
観察対象物の各ポジションについては次式が成立する  ：
Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋Ｉｎ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＝Ｉｏ（ｚ）
および
Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＋Ｉｎ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＝Ｉｏ（ｚ）
上記関係により加算から次式が成立する  ：
Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋Ｉｎ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＝Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋（Ｉｏ（ｚ）−Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ））＝Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）−Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＋Ｉｏ（ｚ）
【００７４】
ｚによるＩｏの変量が比較的僅かに過ぎないので（光路内に絞りプレートを設置しない場合の照明は、ブライトフィールド照明と同一である）、高い近似性を持つものとして次式が想定できる  ：
Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋Ｉｎ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＝Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）−Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＋定数
同様に次式も成立する  ：
Ｉｎ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）＝Ｉｐ＿ｅｘｔｒａ（ｚ）−Ｉｐ＿ｉｎｔｒａ（ｚ）＋定数
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、ここで紹介した方法は、検出信号として制御入力信号Ｓを供給し、それによってオートフォーカシングの方向が制御できる。信号には観察対象物の同一点における測定値だけが含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】観察対象物にフォーカシングした状態の、本発明に基づくオートフォーカス装置付き顕微鏡の概略図。
【図２】焦点ずれの状態にある図１の顕微鏡。
【図３】顕微鏡光路内に複数の絞りプレートの設置される例、ａは光路側面図、ｂは光路断面図である。
【図４】観察対象物と光学結像装置との光軸方向、即ちｚ方向の距離に依存する、図３の絞りプレートにより生じるコントラスト値のグラフ表示。
【図５】図１および図２に基づく顕微鏡の光路内へ設置される絞りプレートの別な配置例、ａは光路側面図、ｂは光路断面図である。
【図６】図１および図２に基づく顕微鏡の光路内へ設置される絞りプレートの第３の配置例、ａは光路側面図、ｂは光路断面図である。
【図７】図１および図２に基づく顕微鏡の光路内へ設置される絞りプレートの第４の配置例、ａは光路側面図、ｂは光路断面図である。
【図８】観察対象物をオートフォーカシングの目的で何回か記録し、その間に観察対象物をシフトするというオートフォーカシング法の説明のための概略図。
【図９】絞り構造体が照明フィールド絞りの前後に配置された場合の明暗分布
【符号の説明】
１    顕微鏡
２    照明光源
３    光学結像装置
４    観察対象物
５    照明フィールド絞り
６    受光装置
７    転向装置
８    部分透過層
９    構造体
１０、１０’、１１、１１’、１２    絞りプレート
１３    評価装置
１４    調整装置
Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２    コントラスト値曲線
２０、２０’、２０”    絞りプレート
２１、２１’、２１”    絞りプレート
２２、２２’、２３、２３’    個別絞り孔
Ｓ    制御信号
Ｌ    照明フィールド平面
Ｅ    平面
Ｓｐ    縦列
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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