JPH1123953A - 焦点検出装置を備えた顕微鏡および変位計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】合焦検出可能な範囲が広く、しかも、フォーカ
スエラー信号の形状が焦点位置を中心として正側と負側
で対称な焦点検出手段を備えた顕微鏡を提供する。 【解決手段】差動ビームサイズ方式の焦点検出手段を備
えた顕微鏡において、焦点検出手段の第１検出部１８
を、集光光学系１６の焦点２０よりも距離Ｌ１だけ集光
光学系１６から離れた位置に配置し、第２検出部１９を
集光光学系１６の焦点２１よりも距離Ｌ２だけ集光光学
系１６に近い位置に配置する。このとき、Ｌ１とＬ２
は、集光光学系１６による光束の収束点の非対称な変位
に合わせて、Ｌ１≠Ｌ２に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動焦点合わせ
のために焦点検出装置を備えた顕微鏡、ならびに、非接
触で被測定物の表面の変位を検出する変位計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、焦点検出方法としては、例えば、
差動ビームサイズ方式と呼ばれる方法が知られている。

【０００３】図１０は、従来の落射照明型の顕微鏡の焦
点検出に差動ビームサイズ方式の焦点検出装置を用いた
場合の顕微鏡と焦点検出装置の概略構成のブロック図で
ある。図１０の装置は、顕微鏡の観察光学系と照明光学
系、ならびに、オートフォーカス光学系とから構成され
ている。

【０００４】顕微鏡の観察光学系は、第１対物レンズ１
０２と、第２対物レンズ１０３と、俯視プリズム１０４
と、接眼レンズ１０５とを有する。第１対物レンズ１０
２と第２対物レンズ１０３との間には光軸１０１に沿っ
て平行光路が形成されている。この平行光路にはダイク
ロイックミラー１０７と、ビームスプリッタ１０８と
が、光軸１０１に対してそれぞれ４５度の角度で設置さ
れている。ダイクロイックミラー１０７は赤外光を反射
し可視光を透過する特性を有する。

【０００５】顕微鏡の照明光学系は、可視光線を出射す
る照明光源１１０と集光レンズ１１１とを有し、照明光
束はビームスプリッタ１０８によって反射され、上記の
平行光路に導かれる。

【０００６】オートフォーカス光学系は、赤外光を出射
する光源１１３と、コリメータレンズ１１４と、ビーム
スプリッタ１１５と、集光レンズ１１６と、ビームスプ
リッタ１１７と、第１の光検出器１１８と、第２の光検
出器１１９を有する。第１の光検出器１１８は、ビーム
スプリッタ１１７を透過した光束が収束する収束点１２
０近傍に配置されている。一方、第２の光検出器１１９
は、ビームスプリッタ１１７で反射された光束が収束す
る収束点１２０近傍に配置されている。第１の光検出器
１１８と集光レンズ１１６との距離は、集光レンズ１１
６の焦点距離よりもＬ０だけ長く、第２の光検出器１１
９と集光レンズ１１６との距離は、集光レンズの焦点距
離よりもＬ０だけ短く設定されている。

【０００７】第１の光検出器１１８の光検出部と第２の
光検出器１１９の光検出部は、図１１に示すようにそれ
ぞれ中央部に円形の光検出部１１８ａ、１１９ａと、こ
れを取り囲む光検出部１１８ｂ、１１９ｂとを有してい
る。また、これらの光検出部１１８ａ、１１８ｂ、１１
９ａ、１１９ｂは、演算増幅器１２９、１３０に接続さ
れ、演算増幅器１２９、１３０は演算増幅器１３１に接
続されている。

【０００８】演算増幅器１２９、１３０、１３１は、制
御装置１２６内に配置される。被検物体１２４は、光軸
１０１方向に移動可能な移動ステージ１２５に搭載され
ている。制御装置１２６は、移動ステージ１２５の動作
を制御する。

【０００９】図１０の構成において、光源１１３から出
射し、コリメータレンズ１１４を通った光束は、ビーム
スプリッタ１１５によって反射され、さらにダイクロイ
ックミラー１０７によって反射され、対物レンズ１０２
へ入射し、被検物体１２４上で結像する。被検物体１２
４の被検面１２３からの反射光束は対物レンズ１０２を
通過し、ダイクロイックミラー１０７によって反射さ
れ、ビームスプリッタ１１５を透過し、ビームスプリッ
タ１１７へ入射する。

【００１０】光検出器１１８、１１９上には、ビームス
プリッタ１１７で分割された第１及び第２の光線束によ
って、図１１に示すように、光スポット１３２及び１３
３が夫々形成される。第１の光検出器１１８上に形成さ
れる光スポット１３２は、対物レンズ１０２と被検物体
１２４とが離間すれば大きくなり、接近すれば小さくな
る。一方、第２の光検出器１１９上に形成される光スポ
ット１３３は、光スポット１３２とは逆に、対物レンズ
１０２と被検物体１２４とが離間すれば小さくなり、接
近すれば大きくなる。双方の光検出器１１８、１１９の
検出信号から演算増幅器１２９、１３０、１３１によ
り、（｜１１８ａ｜−｜１１８ｂ｜）−（｜１１９ａ｜
−｜１１９ｂ｜）を求めて、この信号をフォーカスエラ
ー信号とすれば、Ｓ字特性をもつフォーカスエラー信号
が得られる。ただし、｜１１８ａ｜、｜１１８ｂ｜、｜
１１９ａ｜、｜１１９ｂ｜は、それぞれ、光検出部１１
８ａ、光検出部１１８ｂ、光検出部１１９ａ、光検出部
１１９ｂの出力である。

【００１１】よって、フォーカスエラー信号が正のとき
は前ピン状態、負のときは後ピン状態、零のときは合焦
状態と判断することが可能である。このフォーカスエラ
ー信号から被検面の位置を判断して、制御装置１２６に
より移動ステージ１２５を上下させ自動的に合焦状態に
位置合わせをすることが可能である。

【００１２】また、このフォーカスエラー信号から被検
物体１２４の変位量を計測することもできる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述の焦点検出装置付
き顕微鏡において、被検物体１２４の様々な表面形状の
観察を可能にするために、オートフォーカス光学系の焦
点検出可能な範囲を広げることが望まれる。焦点検出可
能範囲は、図１０のＬ０が大きいほど広くなるため、焦
点検出範囲を広げるためには、Ｌ０を大きくする必要が
ある。しかしながら、Ｌ０を大きくすると、従来、図３
（ｂ）のようにフォーカスエラー信号の形状が非対称に
なり、焦点検出範囲が正側と負側とで異なってしまうと
いう問題点があった。

【００１４】本発明はこの問題点を解決し、焦点検出可
能な範囲が広く、しかも、フォーカスエラー信号の形状
が焦点位置を中心として正側と負側で対称な焦点検出手
段を備えた顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明によれば以下のような焦点検出手段を備えた
顕微鏡が提供される。

【００１６】すなわち、被検物体を搭載するためのステ
ージと、前記被検物体を観察するための対物レンズを含
む観察光学系と、前記対物レンズの焦点位置からの前記
被検物体の位置ずれを検出する焦点検出手段とを有し、
前記焦点検出手段は、前記対物レンズを通して前記被検
物体に照明光を照射するための照明光学系と、前記被検
物体からの前記照明光の反射光束を収束するための集光
光学系と、前記反射光束を第１および第２光束に分割す
るための分割部と、前記第１および第２光束をそれぞれ
検出するための第１および第２検出部と、前記第１およ
び第２検出部の検出結果を演算することにより、フォー
カスエラー信号を求める演算手段とを有し、前記第１お
よび第２検出部は、それぞれ、前記第１および第２光束
のうち、光軸部分の光束を検出するための第１検出領
域、その外側の光束の検出するための第２検出領域を有
し、前記演算手段は、前記第１および第２の検出部につ
いて、それぞれ、前記第１検出領域の出力と第２検出領
域の出力との差分をそれぞれ求め、さらに、前記第１検
出部の差分結果と第２検出部の差分結果との差を求める
手段であり、前記第１検出部は、前記集光光学系の焦点
位置よりも前記集光光学系からＬ１だけ離れた位置に配
置され、前記第２検出部は、前記集光光学系の焦点位置
よりもＬ２だけ前記集光光学系に近い位置に配置され、
前記Ｌ１は、前記Ｌ２とは等しくない距離に設定されて
いることを特徴とする焦点検出手段を備えた顕微鏡であ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１８】発明者は、差動ビームサイズ方式の焦点検
出装置において、焦点検出可能範囲を広げるために光検
出器と集光レンズの焦点との距離Ｌ０を広げると、フォ
ーカスエラー信号が図３（ｂ）のように非対称になる原
因を検討した。その結果、以下のようなことがわかっ
た。

【００１９】図１のような構成の焦点検出装置付きの顕
微鏡において、対物レンズ２と被検面２３との距離を
ａ、対物レンズ２の被検面２３側の光の収束点と共役
な、集光レンズ１６側の光の収束点と対物レンズ２との
距離をｂ、集光レンズ１６と収束点２０、２１との距離
をｃ、対物レンズ２と集光レンズ１６との間の距離をＬ
３、対物レンズ２および集光レンズ１６の焦点距離をそ
れぞれｆ１、ｆ２とすると、これらは図１２のような位
置関係に表すことができる。また、ａ，ｂ，ｃ，Ｌ３，
ｆ１，ｆ２は、レンズの公式から下記（数１）、（数
２）のような関係になる。さらに、（数１）、（数２）
より、ｃは、（数３）のように表すことができる。

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】数３をグラフに表すと図４のようになる。
ただし、図４は、ｆ１＝２０ｍｍ、ｆ２＝４０ｍｍ、Ｌ
３＝１８０ｍｍ、対物レンズ２の瞳径を１２ｍｍとして
いる。また、図４では、横軸ａの目盛りはａ＝ｆ１の位
置を０として、縦軸の目盛りはｃ＝ｆ２の位置を０とし
て表している。図４からわかるように、被検面２３が焦
点距離ｆ１の近傍にある場合（例えば±２５０μｍ）に
は、ａとｃとの関係がほぼ直線関係にある。このため、
被検面２３が焦点距離ｆ１の近傍にある場合には、ａが
焦点距離ｆ１よりも正の方向にずれても、負の方向にず
れても、ｃの焦点距離ｆ２からのずれ量はほぼ等しい
（約±２ｍｍ）。ところが、被検面２３が焦点距離ｆ１
から大きくずれると（例えば±１０００μｍ）には、ａ
が負の方向にずれた場合にはｃのずれ量が５ｍｍである
のに対し、正の方向にずれた場合にはｃのずれ量が−２
０ｍｍにも達し、図４のグラフのカーブを無視できなく
なる。このようにｃのずれ量が正負方向について非対称
になるということは、図１において集光レンズの収束点
２０、２１の変位が焦点位置の正負方向で非対称になる
ことを意味する。このため、従来のように光検出器１
８、１９を焦点位置に対して対称に配置した場合、実際
の収束点２０、２１の変位が焦点位置に対して非対称で
あるため、検出器の出力も非対称になり、フォーカスエ
ラー信号が図３（ｂ）のように非対称になると考えられ
る。

【００２４】そこで、本実施の形態では、このｃのずれ
量の非対称性を考慮することにより、合焦検出可能な範
囲が広く、しかも、フォーカスエラー信号の形状が焦点
位置を中心として正側と負側で対称な焦点検出手段を備
えた顕微鏡を提供する。

【００２５】まず、本発明の第１の実施の形態による焦
点検出装置付き顕微鏡について、図１を用いて説明す
る。図１の顕微鏡は、観察光学系と照明光学系とオート
フォーカス光学系とから構成されている。

【００２６】観察光学系は第１対物レンズ２と、第２対
物レンズ３と、俯視プリズム４と、接眼レンズ５とを有
する。第１対物レンズ２と第２対物レンズ３との間には
光軸１に沿って平行光路が形成されている。この平行光
路には、ダイクロイックミラー７と、ビームスプリッタ
８とが、平行光路の光軸１に対してそれぞれ４５度の角
度で設置されている。ダイクロイックミラー７は、赤外
光を反射し可視光を透過する特性を有する。

【００２７】照明光学系は、可視光線を出射する照明光
源１０と集光レンズ１１とを有する。照明光学系から出
射された照明光束は、ビームスプリッタ８によって反射
され、上記の平行光路に導かれる。

【００２８】オートフォーカス光学系は、赤外光を出射
する光源１３と、コリメータレンズ１４と、ビームスプ
リッタ１５と、集光レンズ１６と、ビームスプリッタ１
７と、第１の光検出器１８と、第２の光検出器１９とを
有する。光源１３には、赤外光を出射する発光ダイオー
ドを用いた。第１の光検出器１８は、集光レンズ１６の
焦点距離ｆ２よりもＬ１だけ離間した位置に設置されて
いる。一方、第２の光検出器１９は、集光レンズ１６の
焦点距離ｆ２よりも集光レンズ１６にＬ２だけ近接した
位置に設置されている。収束点２０、２１は、被検物体
２４からの反射光が集光レンズ１６によって収束される
点である。Ｌ１およびＬ２の値の決定方法については後
述する。

【００２９】第１の光検出器１８の光検出部と第２の光
検出器１９の光検出部は、それぞれ図２に示すように中
央部に円形の光検出部１８ａ、１９ａを有している。そ
の外側には光検出部１８ａ、１９ａを取り囲む光検出器
１８ｂ、１９ｂが形成されている。中央部の円形の光検
出部１８ａの径および光検出部１９ａの径は、それらの
比が、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比と等しくなるように定
められている。

【００３０】光検出部１８ａ、１８ｂならびに光検出部
１９ａ、１９ｂのそれぞれの光検出領域は、半導体基板
に不純物をドープすることにより形成されている。図２
では、隣接する光検出部同士が、互いに接するように描
いているが、実際には、隣接する光検出部の間には、光
を検知しない不感領域が形成されている。これにより、
隣接する光検出部同士を隔絶している。

【００３１】光検出部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ
は、演算増幅器２９、３０に接続され、演算増幅器２
９、３０は演算増幅器３１に接続されている。演算増幅
器２９、３０、３１は、入力された２つの信号を差分す
る増幅器である。

【００３２】演算増幅器２９は、光検出部１８ａの出力
と、光検出部１８ｂの出力とを差分する。演算増幅器３
０は、光検出部１９ａの出力と、光検出部１９ｂの出力
とを差分する。演算増幅器３１は演算増幅器２９の出力
と演算増幅器３０の出力とを差分する。光検出器１８
ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂのそれぞれの出力を｜１８
ａ｜、｜１８ｂ｜、｜１９ａ｜、｜１９ｂ｜と表した場
合、演算増幅器３１の出力は（｜１８ａ｜−｜１８ｂ
｜）−（｜１９ａ｜−｜１９ｂ｜）と表すことができ
る。

【００３３】なお、演算増幅器２９、３０、３１は、制
御装置２６内に配置される。被検物体２４は、光軸１方
向に移動可能な移動ステージ２５に搭載される。制御装
置２６は、移動ステージ２５の動作を制御する。

【００３４】つぎに、図１の焦点検出装置付き顕微鏡の
各部の動作について説明する。

【００３５】光源１３から出射し、コリメータレンズ１
４を通った光束は、ビームスプリッタ１５によって反射
され、さらにダイクロイックミラー７によって反射さ
れ、対物レンズ２へ入射し、被検物体２４上で結像す
る。被検物体２４の被検面２３からの反射光束は対物レ
ンズ２を通過し、ダイクロイックミラー７によって反射
され、ビームスプリッタ１５を通過し、集光レンズ１６
を通過し、ビームスプリッタ１７へ入射する。

【００３６】光検出器１８、１９上には、ビームスプリ
ッタ１７で分割された第１及び第２の光線束によって、
図２に示すように、光スポット３７及び３８が夫々形成
される。第１の光検出器１８上に形成される光スポット
３７のスポット径は、対物レンズ２と被検物体２４とが
離間すると大きくなり、接近すると小さくなる。一方、
第２の光検出器１９上に形成される光スポット３８のス
ポット径は、光スポット３７とは逆に、対物レンズ２と
被検物体２４とが離間すると小さくなり、接近すると大
きくなる。よって、演算増幅器３１の出力（｜１８ａ｜
−｜１８ｂ｜）−（｜１９ａ｜−｜１９ｂ｜）は、被検
面の移動につれ、図３（ａ）のようにＳ字曲線となり、
Ｓ字特性をもつフォーカスエラー信号が得られる。

【００３７】ここで、Ｌ１およびＬ２の値の決定方法に
ついて具体的に説明する。本実施の形態では、被検面２
３の焦点検出可能範囲として、焦点を中心に正方向およ
び負方向にそれぞれ７１０μｍずつ対称に確保すること
ができるようにＬ１、Ｌ２を決定する。なお図４のグラ
フの条件と同じく、物レンズ２の焦点距離ｆ１は、２０
ｍｍ、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２は、４０ｍｍ、対
物レンズ２と集光レンズ１６の間の距離Ｌ３は、１８０
ｍｍ、対物レンズ２の瞳径は、１２ｍｍである。

【００３８】まず、収束点２０、２１ｃの位置ｃと、被
検面２３の位置ａとの関係を数３を用いて求める。本実
施の形態の条件では、ｃとａとの関係は、図４のグラフ
のようになる。ただし、横軸ａの目盛りはａ＝ｆ１の位
置を０として、縦軸の目盛りはｃ＝ｆ２の位置を０とし
て表している。ここでは、上述のように被検面２３の焦
点検出可能範囲として、正方向および負方向にそれぞれ
７１０μｍずつ確保するのであるから、図４のグラフに
おいて被検面２３の位置ａがｆ１−７１０μｍ、ｆ１＋
７１０μｍの時の収束点２０、２１の位置ｃの求める
と、ａがｆ１＋７１０μｍのときｃはｆ２−１００００
μｍに変位し、ａがｆ１−７１０μｍのときｃはｆ２＋
４０００μｍに変位することがわかる。このことから収
束点２０、２１は、焦点ｆ２を中心に非対称に変位する
ことがわかる。

【００３９】演算増幅器３１の出力は、上述した通り
（｜１８ａ｜−｜１８ｂ｜）−（｜１９ａ｜−｜１９ｂ
｜）であるから、それぞれの第１および第２の光検出器
１８、１９に入射する光スポットのビーム径が最も小さ
くなる時に、演算増幅器３１の出力（フォーカスエラー
信号）はピーク値付近となる。よって、第１の光検出器
１８を、被検面２３がｆ１−７１０μｍのときの収束点
２０の位置（ｆ２＋４０００μｍ）に配置し、第２の光
検出器１９を被検面２３がｆ１＋７１０μｍのときの収
束点２１の位置（ｆ２−１００００μｍ）に配置する。
すなわち、本実施の形態では、集光レンズ１６の焦点距
離ｆ２よりも距離Ｌ１＝４０００μｍだけ離れた位置に
第１の光検出器１８を配置し、集光レンズ１６の焦点距
離ｆ２よりも距離Ｌ２＝１００００μｍだけ集光レンズ
１６よりの位置に第２の光検出器１９を配置するように
設定した。

【００４０】また、このようにＬ１とＬ２とを等しくな
い値に設定しているため、集光レンズ１６の焦点と第１
および第２の光検出器１８、１９との距離が非対称であ
り、第１および第２の光検出器１８、１９上の光スポッ
トの大きさに差が生じる。そこで、本実施の形態では、
光検出部１８ａの寸法と光検出部１９ａの寸法の比を、
距離Ｌ１と距離Ｌ２の比と等しくさせ、これにより、収
束点２０、２１が焦点距離ｆ２にある場合に、（｜１８
ａ｜−｜１８ｂ｜）−（｜１９ａ｜−｜１９ｂ｜）の値
が０になるようにした具体的には、光検出器１８の光検
出部１８ａを直径６９４μｍφの円形、光検出器１９の
光検出部１９ａを直径１７４２μｍφの円形とし、光検
出部１８ａの寸法と光検出部１９ａの寸法の比を、距離
Ｌ１と距離Ｌ２の比と等しくさせた。また、光検出部１
８ｂ、１９ｂの外形は６０００μｍ×６０００μｍとし
た。

【００４１】このように、Ｌ１、Ｌ２を収束点の変位の
非対称性に合わせて非対称に設定するとともに、光検出
部１８ａ，１８ｂの大きさをＬ１、Ｌ２に比例して設定
することにより、図３（ａ）のように、被検面２３の焦
点検出可能範囲を±７１０μｍ程度ずつの広い範囲で確
保することができ、しかも焦点位置の正側と負側で対称
な形状のフォーカスエラー信号を得ることができた。

【００４２】よって、図１の装置では、図３（ａ）のフ
ォーカスエラー信号が正のときは前ピン状態、負のとき
は後ピン状態、零のときは合焦状態と判断することが可
能である。この差動信号から被検面の位置を判断して、
制御装置２６により移動ステージ２５を上下させ自動的
に合焦状態に位置合わせをすることが可能である。この
状態で、照明光源１０から被検物体２４に照射された光
を観察光学系により観察することにより、合焦状態で被
検物体２４の像を観察することができる。また、フォー
カスエラー信号の大きさから、被検物体２４の変位量を
精度良く計測することもできる。

【００４３】一方、上記構成において、従来の構成のよ
うに、収束点２０と光検出器１８の間の距離Ｌ１を６０
００μｍ、収束点２１と光検出器１９の間の距離Ｌ２を
６０００μｍとして、距離Ｌ１とＬ２を等しくさせると
ともに、光検出器１８の光検出部１８ａの寸法を１０４
８μｍφ、光検出部１８ｂの寸法を６０００μｍ×６０
００μｍ、光検出器１９の光検出部１９ａの寸法を１０
４８μｍφ、光検出部１９ｂの寸法を６０００μｍ×６
０００μｍとした場合に、顕微鏡の対物レンズ２に焦点
距離２０ｍｍ、瞳径１２ｍｍの対物レンズを用いた場合
は、フォーカスエラー信号は図３（ｂ）のようになる。

【００４４】図３（ｂ）のフォーカスエラー信号は焦点
位置の正側と負側で合焦検出可能範囲が異なり、非対称
な形状である。よって、同じ大きさのフォーカスエラー
信号であっても正側と負側では被検面の焦点からのずれ
量が異なり、合焦制御が難しくなる。また、フォーカス
エラー信号の大きさから、被検物体２４の変位量を検出
する場合にも、フォーカスエラー信号の非対称性を考慮
しなければならない。

【００４５】なお、上述の第１の実施の形態では、焦点
検出範囲として±７１０μｍの範囲を提供するためのＬ
１、Ｌ２の値を設定したが、Ｌ１、Ｌ２は上述の値に限
定されるものではなく、所望する焦点検出範囲から図４
のようなｃとａと関係を用いて決定したＬ１、Ｌ２の値
を用いることができる。具体的には、第１の実施例のよ
うに正方向および負方向にそれぞれ所望するａの値を取
り、対応するｃの値にＬ１、Ｌ２を設定すればよい。ま
た、Ｌ１、Ｌ２を決定するためのｃの値としては、厳密
に図４の曲線上の点でなくてもよく、図４の曲線の近傍
の値を用いることもできる。

【００４６】なお、上述してきた第１の実施の形態にお
いてダイクロイックミラー７とビームスプリッタ１５の
間に四分の一波長板を設置し、光源１３を直線偏光の光
を出射する光源とし、ビームスプリッタ１５を偏光ビー
ムスプリッタとする構成にすることにより、被検面２３
で反射した光をすべて光検出器１８、１９で検出するこ
とができ、光検出器１８、１９の受光光量が増えるた
め、低反射率の試料でもより高感度でフォーカスエラー
信号を得ることができる。

【００４７】つぎに、本発明の第２の実施の形態による
焦点検出装置付き顕微鏡について、図５を用いて説明す
る。

【００４８】図５の構成は、第１の実施の形態の図１の
構成とほぼ同じであるが、光源１３とコリメータレンズ
１４の間に、スリット８０を配置していることと、光検
出部形態が図１とは異なる。

【００４９】図５の構成のオートフォーカス光学系は、
赤外光を出射する光源１３と、スリット８０と、コリメ
ータレンズ１４と、ビームスプリッタ１５と、集光レン
ズ１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の光検出器８
１と、第２の光検出器８２を有する。光源１３には発光
ダイオードを用いた。図７にスリット８０を正面から見
た図を示す。第１の光検出器８１は、集光レンズ１６の
焦点距離ｆ２よりもＬ１だけ離間して設置されている。
一方、第２の光検出器８２は、集光レンズ１６の焦点距
離ｆ２よりもＬ２だけ集光レンズ１６に近い位置に設置
されている。

【００５０】また、第１の光検出器８１の光検出部と第
２の光検出器８２の光検出部は、図６に示すように、上
下方向を３分割した形状であり、光検出部８１ａ，８２
ａが、それぞれ光検出部８１ｂ、８１ｃおよび８２ｂ、
８２ｃにより上下方向から挟まれた構成である。

【００５１】これらの光検出部８１ｂ、８１ｃ、８２
ｂ、８２ｃは、演算増幅器８３、８４に接続され、光検
出部８１ａ、８２ａ、演算増幅器８３、８４は、演算増
幅器８５、８６に接続され、演算増幅器８５、８６は演
算増幅器８７に接続されている。演算増幅器８３、８４
は、入力された２つの信号を加算する増幅器であり、演
算増幅器８５、８６、８７は、入力された２つの信号を
差分する増幅器である。

【００５２】演算増幅器８３は、光検出部８１ｂの出力
と、光検出部８１ｃの出力とを加算する。演算増幅器８
４は、光検出部８２ｂの出力と、光検出部８２ｃの出力
を加算する。演算増幅器８５は、光検出部８１ａの出力
と、演算増幅器８３の出力とを差分する。演算増幅器８
６は、光検出部８２ａの出力と、演算増幅器８４の出力
とを差分する。演算増幅器８７は演算増幅器８５の出力
と演算増幅器８６の出力とを差分する。

【００５３】よって、光検出部８１ａ、８１ｂ、８１
ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃのそれぞれの出力を｜８１
ａ｜、｜８１ｂ｜、｜８１ｃ｜、｜８２ａ｜、｜８２ｂ
｜、｜８２ｃ｜と表した場合、演算増幅器８７も出力は
（｜８１ａ｜−（｜８１ｂ｜＋｜８１ｃ｜））−（｜８
２ａ｜−（｜８２ｂ｜＋｜８２ｃ｜））と表すことがで
きる。

【００５４】なお、演算増幅器８３、８４、８５、８
６、８７は、制御装置２６内に配置される。

【００５５】第２の実施の形態の図５の構成では、線状
のスリット像が被検面２３上に結像する。すなわち、光
源１３から出射した光の一部はスリット８０を通過し、
コリメータレンズ１４を通った光束は、ビームスプリッ
タ１５によって反射され、さらにダイクロイックミラー
７によって反射され、対物レンズ２へ入射し、制御装置
２６によって光軸１方向に移動可能な移動ステージ２５
上に置かれた被検物体２４の被検面２３上にスリット像
を結像する。被検物体２４の被検面２３からの反射光束
は対物レンズ２を通過し、ダイクロイックミラー７によ
って反射され、ビームスプリッタ１５を透過し、集光レ
ンズ１６を通過し、ビームスプリッタ１７へ入射する。
そして、光検出器８１、８２上には、ビームスプリッタ
１７で分割された第１及び第２の光線束によって、スリ
ット像が夫々形成される。このとき、スリット８０の向
きは、光検出器８１、８２上のスリット像の長手方向
が、光検出器８１、８２の幅方向と平行になるように配
置されている。

【００５６】焦点検出の方法は第１の実施の形態と同様
であるので説明を省略する。

【００５７】第２の実施の形態において、以下のような
条件で装置を作製し、実験を行い、フォーカスエラー信
号が得られた。

【００５８】集光レンズ１６の焦点距離を４０ｍｍ、対
物レンズ２と集光レンズ１６の間の距離Ｌ３を１８０ｍ
ｍとした。Ｌ１は４０００μｍ、Ｌ２は１００００μｍ
とし、距離Ｌ１とＬ２とを等しくない値に設定した。ま
た、光検出器８１の光検出部８１ａの寸法を図６の上下
方向の長さ１７０μｍ、幅６０００μｍ、光検出部８１
ｂ、８１ｃの寸法を上下方向の長さ２９１５μｍ、幅６
０００μｍ、光検出器８２の光検出器８２ａの寸法を上
下方向の長さ４３２μｍ、幅６０００μｍ、光検出部８
２ｂ、８２ｃの寸法を上下方向の長さ２７８４μｍ、幅
６０００μｍとし、光検出部８１ａの上下方向の長さと
光検出部８２ａの上下方向の長さとの比を、距離Ｌ１と
距離Ｌ２の比と等しくさせた。

【００５９】この時に顕微鏡の対物レンズ２に焦点距離
２０ｍｍ、瞳径１２ｍｍの対物レンズを用いた場合のフ
ォーカスエラー信号を図８（ａ）に示す。なお、図８
（ａ）において横軸は被検物面２３の位置で焦点位置を
０とし、縦軸はフォーカスエラー信号の強度を示す。

【００６０】一方、上記構成において、従来のように、
Ｌ１を６０００μｍ、Ｌ２を６０００μｍとし、距離Ｌ
１とＬ２を等しくさせ、光検出器８１の光検出部８１ａ
の寸法を上下方向の長さ２６２μｍ、幅６０００μｍ、
光検出部８１ｂ、８１ｃの寸歩を上下方向の長さ２８６
９μｍ、幅６０００μｍ、光検出器８２の光検出部８２
ａの寸法を上下方向の長さ２６２μｍ、幅６０００μ
ｍ、光検出部８２ｂ、８２ｃの寸法を上下方向の長さ２
８６９μｍ、幅６０００μｍとして、光検出器８１ａ，
８２ａの上下方向の長さを等しくさせた場合の、フォー
カスエラー信号を図８（ｂ）に示す。なお、対物レンズ
２に焦点距離２０ｍｍ、瞳径１２ｍｍの対物レンズを用
いた。

【００６１】図８（ｂ）のフォーカスエラー信号は焦点
位置の正側と負側で合焦範囲が異なり、非対称な形状で
あるが、図８（ａ）のフォーカスエラー信号は焦点位置
の正側と負側で合焦範囲が同じであり、対称な形状にな
っていることがわかる。

【００６２】前記のＬ１を４０００μｍ、Ｌ２を１００
００μｍとした理由は第１の実施の形態の場合と同じで
あるので説明は省略する。

【００６３】第２の実施の形態の図５では、被検物体２
４の被検面２３上に、一方向に長い線状の像を照射する
ため、線状の像の一部が、被検面の段差部にかかって
も、他の部分において正常なフォーカスエラー信号を得
ることができる。よって、被検面２３に段差がある場合
にも、フォーカスエラー信号は段差の影響を受けにくく
なるため、段差のある被検物体２４を観察する顕微鏡の
オートフォーカス光学系として適している。

【００６４】また、図５の構成においては、スリット８
０によって線状の像を形成しているが、光源１３から出
射した光をシリンドカルレンズで集光することにより、
図５のスリット８０の位置に線状の像を結像する構成と
することによっても、同様の効果が得られる。この場合
はスリット８０が不要となる。

【００６５】つぎに、本発明の第３の実施の形態につい
て図９を用いて説明する。第３の実施の形態は、変位計
測装置について本発明を用いた実施の形態である。

【００６６】第３の実施の形態の図９の変位計測装置
は、第１の実施の形態の焦点検出装置付き顕微鏡から照
明光学系、観察光学系、ダイクロイックミラー７、およ
び、ステージ２５を除去したものである。その他の構成
は第１の実施の形態の焦点検出装置と同じである。

【００６７】なお、図９では図１と同様の部品について
同じ番号をつけた。

【００６８】図９の変位計測装置では、被検物体２４の
被検面２３の光軸１方向についての変位量をフォーカス
エラー信号の大きさから計測することができる。各部の
動作は第１の実施の形態の焦点検出の動作と同じである
ので説明を省略する。

【００６９】図９の変位計測装置は、図１の顕微鏡のオ
ートフォーカス光学系と同じく、対称な形状のフォーカ
スエラー信号が得られるため、精度良く変位を検出する
ことができる。

【００７０】なお、上述してきた第１、２、３の各実施
の形態では光源１３に発光ダイオードを用いたが、半導
体レーザを用いることもできる。

【００７１】また、光源１３として赤外光を出射する光
源を用いるとしたが、可視光光源を用いることもでき
る。可視光光源を用いる場合は、ダイクロイックミラー
の代わりにビームスプリッタを用いる。

【００７２】また、光検出器１８、１９等としては、第
１の実施の形態では半導体基板に不純物をドープさせる
ことにより検出領域を形成したものを用いると述べた
が、光検出器１８、１９等にＣＣＤを用いることもでき
る。その場合は、適当な信号処理回路が必要になる。

【００７３】なお、上述の第１の実施の形態では、光ス
ポットの形状が円形であったので、光検出部１８ａの径
と光検出部１９ａの径との比を、Ｌ１とＬ２との比に等
しく設定したが、光検出部の形状は光スポット径に合わ
せて自由に設定することができる。この場合は、光検出
部１８ａの受光面の面積と、光検出部１８ｂの受光面の
面積との比が、Ｌ１とＬ２との比に等しくなるように設
定する。

【００７４】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、合焦検出
可能な範囲が広く、しかも、フォーカスエラー信号の形
状が焦点位置を中心として正側と負側で対称な焦点検出
手段を備えた顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の光検出器の光検出部の構成を示すブロック
図である。

【図３】（ａ）本発明の第１の実施の形態による焦点検
出装置付き顕微鏡で得られたフォーカスエラー信号を示
すグラフである。 （ｂ）第１の実施の形態による焦点検出装置付き顕微鏡
でＬ１、Ｌ２を従来の設定にした場合のフォーカスエラ
ー信号を示すグラフである。

【図４】本発明の第１の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の被検面の位置と集光レンズの収束点の位置
の関係を示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の光検出器の光検出部の構成を示すブロック
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡に用いられているスリットの正面図である。

【図８】（ａ）本発明の第２の実施の形態による焦点検
出装置付き顕微鏡で得られたフォーカスエラー信号を示
すグラフである。 （ｂ）第２の実施の形態による焦点検出装置付き顕微鏡
でＬ１、Ｌ２を従来の設定にした場合のフォーカスエラ
ー信号を示すグラフである。

【図９】本発明の第３の実施の形態による変位計測装置
の概略構成を示すブロック図である。

【図１０】従来の焦点検出装置付き顕微鏡の概略構成を
示すブロック図である。

【図１１】従来の焦点検出装置付き顕微鏡の光検出器の
光検出部の構成を示すブロック図である。

【図１２】図１の焦点検出装置付き顕微鏡の被検面２
３、対物レンズ２、集光レンズ１６、収束点２０、２１
の位置関係を示す説明図。

【符号の説明】

２、１０２ 対物レンズ ７、１０７ ダイクロイックミラー １３、１１３ 光源 １４、１１４ コリメータレンズ １６、１１６ 集光レンズ １５、１７、１１５、１１７ ビームスプリッタ １８、１９、８１、８２、１１８、１１９ 光検出器 １８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、８１ａ、８１ｂ、８
１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、１１８ａ、１１８ｂ、
１１９ａ、１１９ｂ 光検出部 ２３、１２３ 被検面 ２４、１２４ 被検物体 ２５、１２５ ステージ ２６、１２６ 制御手段 ２９、３０、３１、８３、８４、８５、８６、８７、１
２９、１３０、１３１ 演算増幅器 ３７、３８、１３２、１３３ 光スポット ８０ スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検物体を搭載するためのステージと、前
   記被検物体を観察するための対物レンズを含む観察光学
   系と、前記対物レンズの焦点位置からの前記被検物体の
   位置ずれを検出する焦点検出手段とを有し、 前記焦点検出手段は、前記対物レンズを通して前記被検
   物体に照明光を照射するための照明光学系と、前記被検
   物体からの前記照明光の反射光束を収束するための集光
   光学系と、前記反射光束を第１および第２光束に分割す
   るための分割部と、前記第１および第２光束をそれぞれ
   検出するための第１および第２検出部と、前記第１およ
   び第２検出部の検出結果を演算することにより、フォー
   カスエラー信号を求める演算手段とを有し、 前記第１および第２検出部は、それぞれ、前記第１およ
   び第２光束のうち、光軸部分の光束を検出するための第
   １検出領域、その外側の光束の検出するための第２検出
   領域を有し、 前記演算手段は、前記第１および第２の検出部につい
   て、それぞれ、前記第１検出領域の出力と第２検出領域
   の出力との差分をそれぞれ求め、さらに、前記第１検出
   部の差分結果と第２検出部の差分結果との差を求める手
   段であり、 前記第１検出部は、前記集光光学系の焦点位置よりも前
   記集光光学系からＬ１だけ離れた位置に配置され、前記
   第２検出部は、前記集光光学系の焦点位置よりもＬ２だ
   け前記集光光学系に近い位置に配置され、 前記Ｌ１は、前記Ｌ２とは等しくない距離に設定されて
   いることを特徴とする焦点検出手段を備えた顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１に記載の焦点検出手段を備えた顕
   微鏡において、前記第１検出部の第１検出領域の面積
   と、第２検出部の第１検出領域の面積との比は、前記Ｌ
   １とＬ２との比と等しいことを特徴とする焦点検出手段
   を備えた顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１に記載の焦点検出手段を備えた顕
   微鏡において、前記対物レンズの焦点距離をｆ１とした
   場合、前記第１検出部は、前記被検物体がｆ１−Ａ（た
   だし、ＡはＡ＞０の任意の値）の位置に位置するとき
   に、前記集光光学系が前記第１光束を収束する収束点の
   位置に配置され、前記第２検出部は、前記被検物体がｆ
   １＋Ａの位置に位置するときに、前記集光光学系が前記
   第２光束を収束する収束点の位置に配置されていること
   を特徴とする焦点検出手段を備えた顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１に記載の焦点検出手段を備えた顕
   微鏡において、前記対物レンズと前記被検物体との距離
   をａ、前記集光光学系とその収束点との距離をｃ、予め
   求めておいたｃとａとの関係をｃ＝Ｇ(a)、前記対物レ
   ンズの焦点距離をｆ１、前記集光光学系の焦点距離をｆ
   ２とした場合、前記Ｌ１、Ｌ２は、 ｆ２＋Ｌ１＝Ｇ(ｆ１−Ａ)、 ｆ２−Ｌ２＝Ｇ(ｆ１＋Ａ)、 ただしＡはＡ＞０の任意
   の値 を満たす値に設定されていることを特徴とする焦点検出
   手段を備えた顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項１に記載の焦点検出手段を備えた顕
   微鏡において、前記照明光学系は、前記被検物体上の光
   スポットの形状が線状になる光を照射し、 前記第１および第２検出部は、前記第１領域の形状が線
   状であることを特徴とする焦点検出手段を備えた顕微
   鏡。
6. 【請求項６】被検物体に対向する位置に配置された対物
   レンズと、前記対物レンズを通して前記被検物体に照明
   光を照射するための照明光学系と、前記被検物体からの
   前記照明光の反射光束を収束するための集光光学系と、
   前記反射光束を第１および第２光束に分割するための分
   割部と、前記第１および第２光束をそれぞれ検出するた
   めの第１および第２検出部と、前記第１および第２検出
   部の検出結果を演算することにより、フォーカスエラー
   信号を求める演算手段とを有し、 前記第１および第２検出部は、それぞれ、前記第１およ
   び第２光束のうち、光軸部分の光束を検出するための第
   １検出領域、その外側の光束の検出するための第２検出
   領域を有し、 前記演算手段は、前記第１および第２の検出部につい
   て、それぞれ、前記第１検出領域の出力と第２検出領域
   の出力との差分をそれぞれ求め、さらに、前記第１検出
   部の差分結果と第２検出部の差分結果との差を求める手
   段であり、 前記第１検出部は、前記集光光学系の焦点位置よりも前
   記集光光学系からＬ１だけ離れた位置に配置され、前記
   第２検出部は、前記集光光学系の焦点位置よりもＬ２だ
   け前記集光光学系に近い位置に配置され、 前記Ｌ１は、前記Ｌ２とは等しくない距離に設定されて
   いることを特徴とする変位計測装置。