JPH0364044B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の要約 本発明は光学器械の自動焦点合わせ、特に光学
器械の操作者が最良と思われる焦点に調整した
後、対象物の線又は縁部即ちエツジに最適焦点を
得る方法に関連する。

カメラ，顕微鏡及び他の光学器械又は電子式光
学装置の焦点合わせについては従来幾つかの型式
の焦点合わせ方式（以下単に焦点方式と称するこ
ともある）が開発されている。これらの多くの方
式は２種類の検出装置又は測定装置、即ち一つは
焦点合わせ装置（以下単に焦点装置と称すること
もある）と他の一つの記録又は測定装置を使用す
る。これらの方式では第１次的記録又は測定装置
は、焦点を決定しかつ調整する第２次的装置と組
合わせて構成される。この種の第２次的装置、例
えばレーザー又は超音波を利用する焦点装置は、
最初に焦点距離を決定する光学装置又は超音波装
置と、この焦点距離に応答して光学器械の光学系
の焦点を実際に調整する装置とを使用する。この
第２次的装置で焦点を調整した後、第１次的検出
装置を使用して像を記録し又測定する。焦点距離
を決定する第２次的装置は顕微鏡又はカメラの光
学系の一部を利用できるが、顕微鏡又はカメラの
第１次的検出用光学系の全部を使用することはで
きないから、肉眼で得られるよりも正確な焦点合
わせを必要とする方式では許容できない誤差を避
けることができない。

第２次的焦点合わせ方式の代表的な例は、警察
用レーザーの原理を利用する普通の自動焦点瞬間
カメラに使用される装置で、１連の超音波パルス
を発射しこの信号の帰還時間を測定して焦点距離
を測定する。この測定距離に応答する別の焦点装
置がカメラの焦点を調整する。ある種の顕微鏡装
置に使用される別の例では、細いレーザービーム
を顕微鏡光学系を通して集束し、試料表面上の集
束レーザービームの大きさによつて最適焦点を決
定する。

上記のような第２次的装置は一般に多くの応用
装置には使用できるが、高倍率光学系の精密焦点
合わせを必要とする多くの応用装置には使用でき
ない。この第２次的装置の精度は、第１次的距離
測定装置の精度、及びこの距離測定装置の第２次
的光学的集束装置に対する均衡によつて変化す
る。例えば像がカメラのすりガラススクリーン上
に適正に集束されても、フイルムをカメラにあと
で挿入した時フイルム乳剤は僅かに異なる平面上
の位置にくることがある。又レーザー光線集束後
の顕微鏡調整に必要な短時間の間に、試料が僅か
に移動してこの型式の集束装置の第１次的装置と
第２次的装置との間の不均衡を生ずることであ
る。

本発明の自動精密焦点装置は、最初に焦点距離
を選択決定し次にこの決定焦点距離に器械の光学
系を調整する第２次的装置を使用しない型式の装
置である。本発明の新規な装置は同じ光学系と像
検出装置を使用して焦点距離測定と試料の検出又
は観察を行うものである。従つて焦点合わせに使
用する同じ光学系によつて対象物を観察するこ
と、及び精密測定装置によつて焦点合わせを行う
ことによつて、操作者の人為的焦点合わせ操作に
頼ることなく上記のような不均衡を生ずることな
く最適焦点が得られる。

最初、操作者が人為的に焦点粗調整をした後、
焦点微調整を行う装置の開発を目的とする従来の
自動焦点装置の一改良型式では、走査用デンシト
メータ（光学的濃度計）のステージを上下に動か
すと同時に試料の対象直線を横切つて多段的光学
走査を行なう。この光学的プロフイル、即ち反射
率対走査距離のプロツトはコンピユータのメモリ
に記録され、焦点の品質はエツジ値、即ち光学的
プロフイルの縁部の傾斜勾配、を測定することに
よつて決定される。最低のエツジ値、即ち最大勾
配傾斜が得られるステージ位置が次の直線幅測定
に対して選択される。この方法は、焦点合わせが
測定すべき実際の直線に対して調整されるから第
２次的焦点測定に対して大きい改善を与えた。し
かしこの方法は、幾つかの固定垂直ステージ位置
のうちの最良位置が、これらの走査位置の間のあ
る位置に正確な、即ち正しい焦点がある事実を考
慮しないで選択されるため極めて精密な焦点調整
に対しては不正確であることが立証された。

本発明は、選択する複数のステージ位置のエツ
ジ値とは無関係に、正確な焦点位置を決定し、光
学器械で実際に観察する試料の縁部又は直線に自
動的に焦点を合わせる方法を提供するものであ
る。本発明の精密焦点装置は、焦点調整を必要と
しかつ像検出器を使用する任意型式の光学器械、
例えば光学カメラ，テレビジヨンカメラ，顕微鏡
又は走査型デンシトメータに使用できる。本発明
を以下、像走査型デンシトメータ又は顕微鏡に使
用した応用例について説明する。

約言すると本発明の方法は、検査すべき、又は
測定すべき直線上に最良と思われる初期焦点を人
為的に選択する操作、初期ステージ位置に対する
複数の固定垂直ステージ位置のエツジ値、即ちこ
れをプロツトした場合には２次方程式 ax²＋bx＋ｃ でほぼ数学的に表わされるエツジ値、を測定する
操作、上式の係数ａ，ｂ及びｃの値を決定する操
作、この２次曲線の“ゼロ傾斜”即ち最下点を決
定して正確な焦点に対するステージ位置を決定す
るため上式を微分する操作、及び顕微鏡の精密焦
点合わせのため上記の最下点までステージを調整
する操作、を含むものである。

好適実施例の説明 第１図は1983年２月15日付米国特許第4373817
号明細書に記載されているように、非常に細い直
線を自動的に走査して直線幅を測定する光学顕微
鏡の略示図である。この顕微鏡は、調整ノブ１４
などによつて人為的に水平面内Ｘ方向とＹ方向に
調整できる従来型式の試料ステージ１２を含む。
ステージ１２は又ステツプモータ１６によつて垂
直方向に調整できる。このモータは調整ノブ１８
によつて人為的に回転することができ、又デジタ
ルプロセサ、即ちコンピユータ２０から送られる
信号によつても調整できる。ある種の応用装置で
は、試料又は対象物は固定位置に維持されるこ
と、又モータ１６は対象物に対して光学系を適当
な位置に移動するような動作することが適当であ
る。

ステージ１２上に装着された試料２２は電子マ
イクロ回路又はこの種の回路製造に用いられる精
密なマスクに見られるような非常に細い直線を有
するものと仮定する。この種の細線の幅を決定す
るため、対物レンズ２４を含む光学系がハウジン
グ２６の表面に細線像を集束し、このハウジング
２６は光検出器３０の前面に狭い走査用スリツト
２８を有し、上記光検出器はスリツトを通る光強
度を感知する。ハウジング２６は移動ナツト３２
上に支持され、このナツトはコンピユータ２０の
制御によつてステツプモータ３６で回転される親
ねじ３４によつて試料の投影像を横切つて駆動さ
れる。

スリツト２８を通る光線は光検出器３０で感知
され、ここで発生された電流信号は増幅されてデ
ジタル信号に変換され、この信号はコンピユータ
２０に送られ、前記米国特許に記載されているよ
うにこの走査信号から細線幅が決定される。しか
し問題は、もし正しい焦点の小変動のため光学系
の集束が不完全になると、直線縁部が“ぼやけ
た”像になり、縁部の位置を正確に認識すること
ができず、測定誤差を生ずることである。従つて
この装置によつて正確な細線幅の測定値を得るた
めには焦点はできるだけ精密に合わせることが必
要である。好適実施例では、細線幅を決定するコ
ンピユータ２０は、同じ光学系と細線幅決定に使
用される検出器とによつて最適焦点を決定しかつ
調整する。

第１図はハウジング２６の表面の焦面に投射さ
れた代表的拡大細線３８を示し、この細線はビー
ムスプリツタ４４で接眼レンズ４０に投射される
光路内に配置された十字線４４に焦点を合わせた
接眼レンズ４０を通して操作者が初期焦点調整を
した場合に観察されるものである。垂直集束用ノ
ブ１８の調整によつて細線３８の縁部は人為的に
最良と思われる焦点、即ち初期焦点に合わせる。
しかし後述のように、この最良と思われる初期焦
点が正確な測定に必要な理想的、即ち完全な焦点
となることはまれである。

第２図は曲線４６の上方の拡大細線３８を示
し、これは最良と思われる初期焦点で得られるよ
うな不良焦点像を表わし、第２曲線４８は直線３
８の鋭い焦点を表わす。これらの曲線４６と４８
は光検出器３９で測定された光強度を直線３８を
横切る水平走査で得られるプロツトを幾分誇張し
て示すもので、第３図の曲線で示される“エツジ
値”の誘導を説明するものである。暗色直線３８
の不良焦点を示す曲線４６はこの直線の縁部がぼ
やけて見えるものである。この暗色直線の近くの
対象物の明色部分は両曲線４６と４８の点５０に
高出力強度を発生する。第１図のハウジング２６
が焦点の像を横切つて走査されると、不良焦点の
強度は次第に弱くなり、この直線の境界内のある
点５１で最低になる。これに反して、曲線４８で
表わされる適正焦点像はほぼ垂直の縁部５２で示
され、第１図のハウジング２６の走査用スリツト
２８が直線３８を横切る時に最高強度５０から最
低強度５３に迅速に低下する。

第２図の曲線４６と４８は傾斜を有し、この最
鋭焦点は曲線の傾斜が垂直、即ち無限大の値を有
する場合に得得られる。又“焦点の良好性”、即
ち“エツジ値”として後述する測定値は傾斜度の
逆数に比例するから最鋭焦点は最低エツジ値で得
られ、この値は： エツジ値（E.V.）＝｜Ｋ１／dp／dx｜ （式中Ｋは比例常数で、dp／dxは水平走査距
離に対する光強度変化率である） によつて数値的に定義される。

第３図はエツジ値対垂直ステージ位置の関係を
示す曲線である。本発明で使用される方法では、
３個のエツジ値の最低値が、互いに異なる未知ス
テージ位置で測定されるが、好適実施例では等間
隔のステージ位置で５個のエツジ値を測定する。

第４図はエツジ値の測定及び最鋭焦点のため適
正垂直ステージ位置の最終的決定に含まれる諸操
作を示す。最初操作者は手動による最良初期焦点
を求めて垂直焦点合わせノブ１８を調整する。水
平走査はスリツト２８を試料の像３８を横切つて
駆動させることによつて行ない、次にコンピユー
タ２０がこの初期位置のエツジ値e₀を決定する。
任意の走査手順が使用できるが、好適実施例で使
用される手順は、最初ステツプモータ１６を駆動
してステージを所定の段階である0.45μmづつ２
回低下し、ここで第２回走査測定を行つてエツジ
値e_-2を決定する。次にステージをステツプモー
タ１６で所定の１段階上昇し、親ねじ駆動走査用
スリツト２８の後方の光検出器によつて第３回測
定を行なう。このようにしてエツジ値e_-1が決定
され、次にステージ１２を所定の２段階上昇して
エツジ値e₁を測定し、次に１段階上昇して第５エ
ツジ値e₂を測定する。

上記の５個の測定エツジ値を第３図のようにプ
ロツトして曲線で接続すると、この曲線は下記の
２次曲線として近似できる。

E.V.＝ae²＋be＋ｃ これらの係数、ａ，ｂ及びｃは公知の最小自乗
法によつて容易に決定できる。“ｅ”の５個の値
をプロツトした２次曲線の係数を誘導する方程式
は下記の通りである： ａ＝１／７e_-2−１／14e_-1−１／７e₀−１／14e₁＋１
／７e₂ ｂ＝−１／５e_-2−１／10e_-1＋１／10e₁＋１／５e₂ 前記のように、最鋭焦点は最小エツジ値で得ら
れる。従つて最鋭焦点の適正垂直ステージ位置を
決定するには第３図の曲線の最低点を求めればよ
く、これは上記の２次方程式を微分してこれをゼ
ロに等しいものとすればこの曲線のゼロ傾斜を容
易に求めることができる。

上記の２次方程式 E.V.＝ae²＋be＋ｃ の第１次導関数は ｄ（E.V.）／dx＝2ae＋ｂ である。係数ｃは第３図の横軸上方の曲線の高さ
を表わす常数であるから無視できる。この第１次
導関数をゼロに等しいものとしてステージ位置ｅ
について解けばこの光学系の正確なステージ位置
を示すことになる。

従つてもし 2ae_best＋ｂ＝０とすれば e_best＝−ｂ／2aになる。

第４図は上記の方法の各操作過程の順序を示
す。好適実施例では、コンピユータ２０は２個の
ステツプモータ１６と３６を制御し、光検出器３
０の出力値を読出してメモリ５８に記憶し、各垂
直ステージ位置のエツジ値を測定し、上記のよう
に最小自乗法によつて最鋭焦点に対する最適垂直
ステージ位置を決定し、ステージをこの最適位置
に配置する。勿論、上記の方程式は複雑なもので
はなく、場合によつては手動計算も容易に行なわ
れよう。

第３図の曲線からわかる通り、初期手動ステー
ジ位置５６の設定で得られるエツジ値は正確な焦
点位置に極めて接近した位置５８で得られるエツ
ジ値に極めて近く、完全にこの光学系の“焦点深
度”範囲内にあつた。手動による焦点調整は正確
なものではないこと、及び初期エツジ値60と最適
エツジ値60は接近していてもそれぞれ垂直ステー
ジ位置５６と５８はかなりの間隔があり、従つて
手動焦点調整では正確な焦点合わせが行われるこ
とはまれであることを認識すべきである。又第３
図の曲線を決定する最大データは、最適焦点位置
から外れたステージ位置、及び非常に小さいステ
ージ運動が観察像のぼやけ量を大きく変える広い
エツジ値変動に対応する複数点で得られる。従つ
て焦点外れデータから得られる２次曲線を使用し
て、対象物の最適焦点を得るため精密な対象物距
離をきめることができることが理解できよう。

上記のように、本発明の精密焦点方式は、焦点
合わせ操作を必要とし、かつ像検出器を使用する
任意型式の光学式又は電気−光学式器械、例えば
光学式又は電子光学式顕微鏡、光学式カメラ又は
テレビジヨンカメラ、及び感光性フイルム装置な
どに使用できる。

第５図はビジコン管及びCCD（電荷結合デバイ
ス）パネルのようにターゲツト面６８を有するテ
レビジヨンカメラ６６の精密焦点装置の略示図で
ある。接眼レンズ７０を通して、又はTVモニタ
８３によつて観察する操作者又はカメラマンはノ
ブ７２を調整してシヤフト７４、ベベルギヤ７６
及び親ねじ７８を回転して対物レンズ８０を移動
することによつて、手動的又は自動的に最適焦点
に合わせる。このようにして観察した対象物８２
の特徴点の像はTVカメラのターゲツト面６８上
に集束される。

カメラは、カメラから送られるビデオ信号のラ
スタ走査線をCPU（中央処理装置）８６に使用す
るデジタル型式に変換する性能を有するイメージ
デジタイザ８４に結合される。これらのラスタ走
査線は第１図に関連して記載されているホトマル
チプライヤ（光電子倍増管）の走査線と類似して
いるが、ラスタ走査の場合には多数の線があり、
焦点合わせに使用される有効な走査は数本の個々
のラスタ線を合成したものでよい。走査位置はテ
レビジヨンカメラの同期信号からCPU８６によ
つて決定され、又このCPUに接続されたメモリ
回路は、第１図の光学顕微鏡に関する説明と同様
に走査位置情を、各走査で得られる像の光強度に
整合される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焦点装置を使用する光学顕微
鏡又は像走査型デンシトメータの略示図；第２図
は測定された光強度と像の水平走査との関係を示
す曲線で、拡大した細線の不良焦点と鮮明焦点の
プロフイルを示し；第３図は垂直ステージ位置に
対してエツジ値をプロツトした代表的２次曲線を
示し、第４図は本発明により精密焦点合わせをす
る方法の操作過程を示し、第５図はテレビジヨン
カメラに使用する精密焦点装置の略示図である。 １２……試料ステージ、１４……調整用ノブ、
１６……ステツプモータ、１８……垂直調整用ノ
ブ、２０……コンピユータ、２２……試料、２４
……対物レンズ、２６……ハウジング、２８……
スリツト、３６……ステツプモータ、３８……拡
大細線、３９……光検出器、６６……テレビジヨ
ンカメラ、７０……接眼レンズ、８０……対物レ
ンズ、８３……TVモータ、８４……イメージデ
ジタイザ、８６……CPU、８８……ステツプモ
ータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 像走査装置を有する光学器械の自動精密焦点
   法で： 光学器械と対象物上の光学的認識可能特徴点と
   の間の初期結像距離を選択する操作過程； 光学器械の像走査装置を操作して上記特徴点を
   横切つて少くとも３回の複数の走査、この一つの
   走査は上記初期結像距離で行ない、残りの走査は
   該初期結像距離とはそれぞれ異なる公知の距離で
   行なう走査過程、 上記複数の走査の各走査距離を横切る位置の関
   数として測定された光強度の変動を記録する操作
   過程； 上記光強度変動から複数の各走査に対するエツ
   ジ値（E.V.）を上記走査距離の関数として決定
   し、この決定エツジ値を対応走査距離ｅの関数と
   してプロツトし：方程式E.V.＝ae²＋be＋ｃの曲
   線を決定する操作過程； 上記曲線方程式の係数、“ａ”及び“ｂ”の値
   を決定する操作過程；及び 光学器械と対象物との間の最適焦点距離“e_best
   を方程式e_best＝−ｂ／2aから決定する操作過程、 を含む自動精密焦点法。 ２ 上記第１項記載の方法で、更に光学器械と対
   象物間の距離を最適焦点距離に調整する操作過程
   を含む方法。 ３ 上記第１項記載の方法で、係数値決定が最小
   自乗法で行われる方法。 ４ 上記第１項記載の方法で、光学器械が走査装
   置を有する顕微鏡で、該走査装置は、顕微鏡の焦
   点合わせ装置を有するステージ上に装着された試
   料の拡大像を横切つて走査しかつ光強度を測定す
   る光検出器がスリツトの後方に設けられている方
   法。 ５ 上記第４項記載の方法で、顕微鏡走査装置と
   ステージ調整装置がデジタルプロセサで制御され
   る方法。 ６ 上記第５項記載の方法で、測定光強度の変動
   記録エツジ値の決定及び最適焦点距離決定がデジ
   タルプロセサで行われる方法。 ７ 上記第３項記載の方法で、光学器械が像走査
   装置を有するカメラである方法。 ８ 上記第７項記載の方法で、カメラがテレビジ
   ヨンカメラである方法。 ９ 対象物上の固定特徴点上に初期焦点を選択し
   た後、関連光学系を該対象物の最適焦点に自動的
   に調整する装置で； 該光学系と対象物固定特徴点との間の焦点距離
   を変える第１電気的駆動装置； 該光学系の焦面に配置され、かつ上記対象物固
   定特徴点の像を横切つて狭い透明スリツトで走査
   する第２電気的駆動装置を含む走査装置； 上記透明スリツトから送られる光線に応答し
   て、該スリツトが像を横切つて走査する際の光強
   度変動を測定し、更に該光強度変動の表示である
   電気出力信号を発生する検出装置；及び 上記電気出力信号に応答して上記第１及び第２
   電気的駆動装置の動作を制御する処理装置で、初
   期焦点合わせで行われる走査、及び該初期走査と
   は異なる焦点距離で行われる複数の各走査のエツ
   ジ値（E.V.）を決定し、これらのエツジ値のプ
   ロツトを、E.V.＝ae²＋be＋ｃ，の２次曲線型式
   で上記焦点距離の関数として表わし、これから最
   適焦点距離e_bestを決定し、この最適焦点距離の点
   に上記第１電気的駆動装置を調整させる動作を行
   わせる処理装置、 を含む自動精密焦点装置。 １０ 上記第９項記載の装置で、処理装置が、最
   初，最小自乗法によつて係数“ａ”と“ｂ”を決
   定し、次に方程式、e_best＝−ｂ／2aから焦点距離
   を決定することによつて最適焦点距離を決定する
   装置。 １１ 上記第１０項記載の装置で、光学系が光学
   顕微鏡の一部である装置。 １２ 上記第１０項記載の装置で、光学系が走査
   デンシトメータの一部である装置。 １３ 上記第１０項記載の装置で、光学系がカメ
   ラの一部である装置。 １４ 対象物上の特徴点上に初期焦点を選択した
   後、関連テレビジヨンカメラの光学系を該対象物
   の最適焦点に自動的に調整する装置で： 上記光学系に結合されて該光学系と対象物間の
   焦点距離を変える電気的駆動装置； テレビジヨンカメラの出力端に結合され、テレ
   ビジヨン同期信号と検出像信号を対応デジタル信
   号に変換するデジタル化回路； 該デジタル化回路の出力端に結合され上記電気
   的駆動装置の動作を制御するデジタル処理装置
   で、上記デジタル化同期信号から、及び上記検出
   像信号の強度から、初期焦点及び該初期焦点とは
   異なる複数の焦点距離で行われたテレビジヨンラ
   スタ走査のエツジ値を決定し、これらのエツジ値
   （E.V.）を上記焦点距離の関数としてプロツト
   し、（E.V.）＝ae²＋be＋ｃの２次曲線で表わし、
   これから最適焦点距離e_bestを決定し、上記電気的
   駆動装置を該最適焦点距離の点に調整するデジタ
   ル処理装置、 を含む自動精密焦点装置。 １５ 上記第１４項記載の装置で、デジタル処理
   装置は、最初，最小自乗法によつて係数“ａ”及
   び“ｂ”の値を決定し、次に方程式e_best＝−ｂ／
   2aから焦点距離を決定することによつて最適焦
   点距離を決定する処理機能を有する自動精密焦点
   装置。