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JP4433662B2 - Automatic focusing device and microscope equipped with the same - Google Patents
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JP4433662B2 - Automatic focusing device and microscope equipped with the same - Google Patents

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Description

【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、受光信号の出力のための走査開始から走査終了のタイミングの間で一方から他方に順次走査されることで前記対物レンズと前記標本との相対的な位置関係に基づく受光信号を出力する受光手段と、前記出力された受光信号を積分する積分器と、前記走査開始から走査終了のタイミングの間に設定され、前記積分器で積分された信号を分割し出力する受光信号のサンプルタイミングを基準タイミング(Tk)として予め定め、前記基準タイミング(Tk)において前記積分器の出力をサンプルするサンプルホールド回路と、前記受光手段から出力される前記受光信号のピークが出力される出力タイミング(Tp)と予め定められた前記基準タイミング(Tk)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、前記標本の観察位置を変える際、前記対物レンズと前記標本との相対的な位置を前記対物レンズの光軸方向に沿って変更するフォーカスオフセットのためのオフセット量を入力する入力手段と、前記オフセット量が入力されたときに、前記受光手段から受光信号を順次出力する走査開始から走査終了のタイミングにおける前記基準タイミング(Tk)を変更し、前記オフセット量 前記オフセット量が入力されたときに、前記受光手段から受光信号を順次出力する走査開始から走査終了のタイミングにおける前記基準タイミング(Tk)を変更し、前記オフセット量“−ΔZa”を検出し、該オフセット量“−ΔZa”を基準タイミング(Tk)の変更量“+ΔTa”に換算するか、又は、前記オフセット量“+ΔZa”を検出し、該オフセット量“+ΔZa”を基準タイミング(Tk)の変更量“−ΔTa”に換算することにより、前記受光信号のサンプルタイミングを変える前記サンプルホールド回路の前記基準タイミング(Tk)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、前記光軸上に位置決めされている前記対物レンズの種類に応じて観察に使用する前記対物レンズの倍率が先に使用された対物レンズよりも低い場合には、前記基準タイミング(Tk)を変更する際の1回の変更量を先に使用された対物レンズよりも大きくすることを特徴とするものである。
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic focusing device used for specimen observation or inspection, and a microscope equipped with the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an automatic focusing apparatus employing an active method is known. In the active method, the specimen is irradiated with detection light through the objective lens, and reflected light from the specimen irradiated with the detection light is received. Then, focusing is automatically performed based on the shift of the light receiving position of the reflected light. That is, the distance between the specimen and the objective lens is adjusted (for example, vertical movement of the specimen or the objective lens) so that the shift of the light receiving position becomes zero.
[0003]
In this normal AF control, a focus detection signal S1 (see FIG. 13) corresponding to the shift of the light receiving position of the reflected light is generated, and the interval is adjusted so that the focus detection signal S1 becomes zero. During the AF control, the distance between the sample and the objective lens is maintained at the distance A such that the focus detection signal S1 becomes zero.
In addition, when a focus offset is applied during AF control, the DC offset signal ΔV in FIG. 14 is added to the focus detection signal S1 corresponding to the shift in the light receiving position of the reflected light, and the obtained focus after addition is obtained. The interval is adjusted so that the detection signal S2 becomes 0 (DC offset method). As a result, the interval between the specimen and the objective lens is shifted to the interval B where the focus detection signal S2 = 0. The interval B is maintained during this AF control.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional DC offset method, when the DC offset signal ΔV is outside the range of the maximum value + ΔVmax and the minimum value −ΔVmax shown in FIG. However, it is not possible to find an interval (for example, B) such that the added focus detection signal S2 becomes zero.
[0005]
For this reason, the focus offset range by the conventional DC offset method includes an interval C when the maximum DC offset signal + ΔVmax is added to the focus detection signal S1 and an interval D when the minimum DC offset signal −ΔVmax is added. It will be limited to a narrow range between.
Incidentally, the maximum value + ΔVmax and the minimum value −ΔVmax of the DC offset signal ΔV generally correspond to the amplitude of the waveform of the focus detection signal S2. Further, the amplitude of the waveform of the focus detection signal S2 depends on the type of specimen and the apparatus conditions (magnification of the objective lens, intensity of detection light, sensitivity of an element that receives reflected light, etc.).
[0006]
An object of the present invention is to provide an automatic focusing apparatus capable of setting a wide focus offset range, and a microscope including the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The automatic focusing device according to claim 1 is provided for illuminating means for irradiating the specimen with detection light via an objective lens, and for receiving reflected light from the specimen via the objective lens and outputting a light reception signal. A light receiving means for outputting a light receiving signal based on a relative positional relationship between the objective lens and the sample by sequentially scanning from one to the other between the scanning start timing and the scanning end timing, and the output light receiving A sampling timing of a received light signal that is set between an integrator that integrates a signal and a timing from the start of scanning to the end of scanning and that divides the signal integrated by the integrator and is output as a reference timing (Tk); A sample hold circuit that samples the output of the integrator at the reference timing (Tk), and a peak of the received light signal output from the light receiving means are output. Control means for generating a control signal corresponding to a deviation between the output timing (Tp) and the predetermined reference timing (Tk), and adjusting the relative positional relationship based on the control signal; When changing the observation position, input means for inputting an offset amount for a focus offset for changing the relative position between the objective lens and the specimen along the optical axis direction of the objective lens, and the offset amount being input The reference timing (Tk) at the scanning start timing to the scanning end timing for sequentially outputting the light reception signals from the light receiving means is changed, and when the offset amount is inputted, the light receiving means The offset is changed by changing the reference timing (Tk) at the timing from the start of scanning to the end of scanning, which sequentially outputs light reception signals “−ΔZa” is detected, and the offset amount “−ΔZa” is converted into a reference timing (Tk) change amount “+ ΔTa”, or the offset amount “+ ΔZa” is detected and the offset amount “+ ΔZa” is detected. Is converted into the change amount “−ΔTa” of the reference timing (Tk), The sample hold circuit for changing the sample timing of the light reception signal. Said And changing means for changing the reference timing (Tk).
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the automatic focusing apparatus according to the first aspect, the changing unit includes: Depending on the type of objective lens positioned on the optical axis The objective lens used for observation If the magnification of is lower than the objective lens used earlier, One change amount when changing the reference timing (Tk) Than the objective lens used earlier It is characterized by being enlarged.
The invention described in claim 3 has an objective lens and has an imaging optical system for forming an image of a specimen, and the autofocus according to claim 1 or 2 arranged on the optical axis of the objective lens. And an aligning device.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiments of the present invention correspond to claims 1 to 3.
As shown in FIG. 1, the microscope 10 according to this embodiment includes a stage 12 on which a specimen 11 (for example, a semiconductor wafer) to be observed is placed, an epi-illumination illumination optical system (13 to 15), and an observation optical system ( 16-19) and an active automatic focusing device (21-30, 40).
[0010]
Here, the configuration of the microscope 10 will be specifically described in the order of the observation optical system (16 to 19), the illumination optical system (13 to 15), the stage 12, and the automatic focusing device (21 to 30, 40).
The observation optical system (16 to 19) is an optical system for observing a magnified image of the specimen 11, and infinitely, in order from the specimen 11 side along the optical axis 10a, a second objective lens. The imaging lens 17 functioning as a prism, a prism 18 and an eyepiece lens 19 are arranged. This observation optical system (16 to 19) corresponds to the “imaging optical system” in the claims.
[0011]
Although only one objective lens 16 is shown in FIG. 1, the microscope 10 of this embodiment can be observed by a plurality of objective lenses 16 having different magnifications. The plurality of objective lenses 16 are attached to an electric revolver (not shown), and are sequentially positioned on the optical axis 10a by rotating the electric revolver.
The afocal system between the objective lens 16 and the imaging lens 17 on the optical axis 10a of the observation optical system (16 to 19) includes a half mirror 15 of the illumination optical system (13 to 15) and an automatic focus. The dichroic mirror 25 of the aligning device (21-30, 40) is arranged. The dichroic mirror 25 transmits visible light and reflects AF light such as infrared light.
[0012]
The illumination optical system (13-15) is an optical system for epi-illuminating the specimen 11 from above using the objective lens 16, and is for observation arranged along the optical axis 10b perpendicular to the optical axis 10a. The light source 13, the condenser lens 14, and the half mirror 15 are configured. The light source 13 is a visible light source.
When observing the specimen 11, the visible light from the light source 13 is guided onto the optical axis 10 a of the observation optical system (16 to 19) via the condenser lens 14 and the half mirror 15. Then, after passing through the objective lens 16, the specimen 11 is irradiated.
[0013]
Further, the visible light reflected by the specimen 11 is condensed on the imaging surface 19 a via the objective lens 16, the half mirror 15, the dichroic mirror 25, the imaging lens 17, the prism 18, and the eyepiece lens 19. At this time, an enlarged image of the specimen 11 is formed on the imaging surface 19a.
The stage 12 on which the specimen 11 is placed is movable together with the specimen 11 along the optical axis 10a of the observation optical system (16-19) and along a direction perpendicular to the optical axis 10a. A motor 12a (not shown in FIG. 1, refer to FIG. 3) for driving the stage 12 in the direction of the optical axis 10a is connected to the control device 30 of the automatic focusing device (21-30, 40).
[0014]
The microscope 10 according to the present embodiment moves the stage 12 in the direction of the optical axis 10 a, so that the distance from the fixed objective lens 16 to the specimen 11, that is, the relative positional relationship between the objective lens 16 and the specimen 11. To adjust the focus automatically. In the following description, the positions of the stage 12 and the specimen 11 in the optical axis 10a direction are referred to as “Z positions”.
[0015]
Now, the automatic focusing devices (21 to 30, 40) are devices for automatically aligning, for example, the surface of the specimen 11 with the focal point of the objective lens 16. The “focal point of the objective lens 16” here is a focal point by visible light for specimen observation. For this reason, the magnified image of the specimen 11 can be satisfactorily observed through the eyepiece 19 after focusing by the automatic focusing device (21 to 30, 40). In the automatic focusing device (21 to 30, 40), it is possible to apply a focus offset during AF control.
[0016]
This automatic focusing device (21-30, 40) includes an AF light source 21, a slit plate 22, a condensing lens 23, a light shielding plate 24, a dichroic mirror arranged along an optical axis 10c perpendicular to the optical axis 10a. 25, a half mirror 26, a condensing lens 27, a cylindrical lens 28, a light receiving element (CCD) 29, a control device 30 and an input device 40 arranged along an optical axis 10d perpendicular to the optical axis 10c. Is done.
[0017]
The illumination systems (21 to 25) of the automatic focusing devices (21 to 30, 40) use the objective lens 16 to illuminate the specimen 11 by epi-illumination. The light source 21 emits autofocus light (AF light such as infrared light) having a wavelength different from that of the observation light source 13. The half mirror 26 is also disposed between the light shielding plate 24 and the dichroic mirror 25 on the optical axis 10c.
[0018]
In this automatic focusing device (21-30, 40), AF light from the light source 21 passes through the slit plate 22 and the condenser lens 23, and then is half of the pupil (in FIG. The lower half of the border is shielded from light. The AF light that has become the upper half is guided onto the optical axis 10 a via the half mirror 26 and the dichroic mirror 25.
[0019]
The AF light guided onto the optical axis 10a travels in the right half region with the optical axis 10a as a boundary, passes through the half mirror 15 and the objective lens 16, and is then irradiated onto the specimen 11 (AF light L1). At this time, a slit image by the AF light L <b> 1 is projected on the surface of the specimen 11. The AF light L1 corresponds to “detection light” in the claims. The illumination system (21 to 25) corresponds to “illuminating means” in the claims.
[0020]
The slit-shaped AF light L2 reflected from the surface of the specimen 11 travels in the left half region with the optical axis 10a as a boundary, and enters the half mirror 26 via the objective lens 16, the half mirror 15, and the dichroic mirror 25. To do. Further, the slit-shaped AF light reflected by the half mirror 26 forms an image on the light receiving surface of the light receiving element 29 via the condenser lens 27 and the cylindrical lens 28. At this time, a slit image is projected on the light receiving surface of the light receiving element 29.
[0021]
The light receiving element 29 has a plurality of pixels (not shown) arranged in a one-dimensional direction, and accumulates electric charge in each pixel according to a slit image on the light receiving surface. Then, the charge of each pixel is output to the control device 30 as a light reception signal. The light receiving system (26-29) of the automatic focusing device (21-30, 40) is configured to receive the AF light L2 from the specimen 11 using the objective lens 16, and the "light receiving means" in the claims. Corresponding to The AF light L2 corresponds to “reflected light” in the claims.
[0022]
In the illumination system (21 to 25) and the light receiving system (26 to 29) having the above-described configuration, the half of the pupil is shielded by the light shielding plate 24. Therefore, depending on the Z position of the surface of the specimen 11 (the surface on which the AF light L1 reflects). The position of the slit image formed on the light receiving surface of the light receiving element 29 changes in the W direction. The W direction is a direction perpendicular to the optical axis 10 d and corresponds to the arrangement direction of each pixel on the light receiving surface of the light receiving element 29. In the following description, the position of the slit image in the W direction is referred to as “W position”.
[0023]
For example, when the Z position of the specimen 11 moves upward (front pin side), the W position of the slit image on the light receiving surface of the light receiving element 29 moves to the left. Conversely, when the Z position of the specimen 11 moves downward (rear pin side), the W position of the slit image moves to the right.
In the light receiving element 29 according to the present embodiment, a plurality of pixels are scanned sequentially from left to right along the W direction. For this reason, when the Z position of the specimen 11 moves upward (front pin side) and the W position of the slit image moves to the left, the timing Tp at which the light receiving signal is output from the light receiving element 29 is advanced. “Become faster” means that the timing Tp approaches the scanning start timing of the light receiving element 29.
[0024]
Conversely, when the Z position of the specimen 11 moves downward (rear pin side) and the W position of the slit image moves to the right, the light reception signal output timing Tp is delayed. “Delay” means that the timing Tp approaches the scanning end timing of the light receiving element 29.
As described above, the output timing Tp of the light receiving signal from the light receiving element 29 becomes faster or slower according to the W position of the slit image on the light receiving surface of the light receiving element 29, that is, according to the Z position of the sample 11. To do. In other words, the light reception signal is a signal output from the light receiving element 29 to the control device 30 at the timing Tp corresponding to the Z position of the sample 11.
[0025]
The waveform of the light reception signal has a shape having one peak as shown in FIGS. 2A to 2E, the horizontal axis represents the time T from the start of scanning of the light receiving element 29 to the end of scanning, and the vertical axis represents the voltage value V of the light receiving signal (light intensity of the slit image). . The time T on the horizontal axis corresponds to the pixel number of the light receiving element 29.
Each of FIGS. 2A to 2E is a waveform example of a received light signal when the Z position of the specimen 11 is different (Z1 to Z5). As described above, a state in which the output timing Tp of the light reception signal changes according to the Z position of the sample 11 is shown. The description of “division boundary line (reference timing Tk)” in FIGS. 2A to 2E will be described later.
[0026]
Next, the control device 30 that is the output destination of the received light signal will be described. As shown in FIG. 3, the control device 30 includes an amplifier 31, an integrator 32, sample and hold circuits 33 and 34, subtractors 35 and 36, a CPU 37, a memory 38, and a driver 39. Yes. Among these, the amplifier 31 is connected to a light receiving element (CCD) 29, and the driver 39 is connected to the motor 12 a for the stage 12.
[0027]
A light reception signal (for example, any one of FIGS. 2A to 2E) from the light receiving element 29 is sequentially amplified by the amplifier 31 and integrated by the integrator 32 after the scanning start timing. The integration process in the integrator 32 corresponds to the addition process of the voltage value V of the received light signal. For this reason, the output of the integrator 32 (integrated voltage value Vs) gradually increases between the start of scanning of the light receiving element 29 and the end of scanning, as shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 4 represents time T, and the vertical axis represents the integrated voltage value Vs.
[0028]
Then, in the sample hold circuit 33 arranged at the subsequent stage of the integrator 32, the output of the integrator 32 (integrated voltage of FIG. 4) is set at a predetermined dividing boundary line (referred to as “reference timing Tk” in this specification as appropriate). Sample the value Vs = L).
The integrated voltage value L at the reference timing Tk corresponds to the area of the hatched portion in FIGS. 2A to 2E, that is, the area of the left region from the start of scanning of the light receiving element 29 to the dividing boundary line (Tk). When the output timing Tp of the received light signal changes according to the Z position (Z1 to Z5) of the specimen 11, the magnitude thereof changes.
[0029]
When the sample hold circuit 33 samples the output of the integrator 32 (integrated voltage value Vs = L) at the reference timing Tk, the sample hold circuit 33 outputs this to the subtractors 35 and 36 as an integration signal (L).
Further, the sample hold circuit 34 samples the output of the integrator 32 (integrated voltage value Vs = L + R in FIG. 4) at the scanning end timing of the received light signal 29, and uses this as an integrated signal (L + R) as one subtractor 35. Output to. Since the integrated voltage value L + R corresponds to the entire area of each received light signal shown in FIGS. 2A to 2E, the magnitude thereof is substantially constant regardless of the Z position (Z1 to Z5) of the sample 11. is there.
[0030]
Note that the sample timing (reference timing Tk) of the sample hold circuit 33 described above is set by the CPU 37. The CPU 37 refers to the stored information in the memory 38 when setting the reference timing Tk. During normal AF control, the reference timing Tk is set according to the stored information in the memory 38. At the time of focus offset during AF control (described later), the reference timing Tk is set and changed at a timing different from the information stored in the memory 38.
[0031]
Then, the integration signals (L) and (L + R) respectively output from the sample hold circuits 33 and 34 are subjected to a subtraction process of “integrated voltage value L + R” − “integrated voltage value L” in the next subtractor 35. Is done. The subtractor 35 generates a new integrated signal (R) based on the integrated voltage value R obtained by the subtraction process, and outputs this to the subsequent subtractor 36.
[0032]
The integrated voltage value R corresponds to the area of the right region from the dividing boundary line (Tk) to the end of scanning in each of the received light signals shown in FIGS. When the output timing Tp of the received light signal changes according to Z1 to Z5), the magnitude thereof changes.
The subtracter 36 at the subsequent stage inputs the integration signal (R) from the subtractor 35 and the integration signal (L) from the sample hold circuit 33, and subtracts “integrated voltage value R” − “integrated voltage value L”. Processing is performed to calculate the difference R−L of the integrated voltage value. This difference RL corresponds to the area difference between the region on the left side (hatched portion) and the region on the right side of the division boundary line (Tk) in each of the received light signals shown in FIGS.
[0033]
The subtractor 36 generates a focus detection signal (R−L) based on the difference R−L of the integrated voltage value, and outputs it to the CPU 37. The focus detection signal (RL) corresponds to a “control signal” in the claims.
Here, when the output timing Tp of the received light signal changes according to the Z position (Z1 to Z5 in FIG. 2) of the specimen 11, the focus detection signal (RL) is output from the output timing Tp and the reference timing Tk (divided boundary line). ) And the sign change in accordance with the deviation from (). The state of change of the focus detection signal (RL) is as shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 5 represents the Z position of the sample 11.
[0034]
For example, as shown in FIGS. 2A and 2B, when the output timing Tp of the received light signal is earlier than the reference timing Tk, the sign of the focus detection signal (RL) becomes “negative”. On the other hand, when the output timing Tp is later than the reference timing Tk (FIGS. 2D and 2E), the sign of the focus detection signal (RL) becomes “positive”. When the output timing Tp coincides with the reference timing Tk (FIG. 2C), the focus detection signal (RL) becomes “0”.
[0035]
As will be described in detail later, the CPU 37, which is the output destination of the focus detection signal (RL), controls the driver 39 based on the magnitude and sign of the focus detection signal (RL) and turns on the motor 12a for the stage 12. By rotating, the Z position of the specimen 11 is automatically adjusted (AF control). As a result, the Z position of the sample 11 is maintained at a position (Z3 in FIG. 5) at which the focus detection signal (RL) is “0”.
[0036]
Next, the input device 40 will be described. As shown in FIG. 3, the input device 40 includes an offset input unit 41, an address sensor 42, and a switch 43, and each is connected to the CPU 37 of the control device 30.
[0037]
The offset input unit 41 is a volume knob for inputting an offset amount of the Z position of the sample 11 in accordance with a manual operation from the outside at the time of focus offset during AF control. A plurality of button switches and a jog dial can be used instead of the volume knob. The offset input unit 41 corresponds to “input means” in the claims.
[0038]
When the offset input unit 41 is a volume knob, the CPU 37 detects the offset amount by A / D converting the voltage value input by the volume knob. In the case of a button switch, the offset amount is detected based on the number of times the button switch is pressed.
Then, based on the offset amount from the offset input unit 41, the CPU 37 changes the sample timing (reference timing Tk, division boundary line) of the sample hold circuit 33 at a timing different from the information stored in the memory 38. This change is performed with the scanning cycle (clock cycle) of the light receiving element 29 as a minimum unit. The CPU 37 corresponds to “change means” in the claims.
[0039]
Further, the address sensor 42 of the input device 40 includes an objective lens 16 positioned on the optical axis 10a of the observation optical system (16 to 19) among the plurality of objective lenses 16 mounted on the electric revolver of the microscope 10. It is a sensor that detects the type. The type of the objective lens 16 is a magnification or a depth of focus.
The switch 43 is a switch for setting the microscope 10 to the AF control mode, and outputs a command signal according to a manual operation. When receiving a command signal from the switch 43, the CPU 37 sets the microscope 10 to the AF control mode. That is, AF control is executed according to a flowchart (FIG. 6) described below.
[0040]
Finally, the focusing operation in the microscope 10 having the above configuration will be described with reference to the flowchart of FIG.
When the CPU 37 receives the command signal from the switch 43, the CPU 37 refers to the stored information in the memory 38, and sets the sample timing (reference timing Tk, division boundary line) of the sample hold circuit 33 according to the stored information (step). S1). Thereby, the focus detection signal (RL) shown in FIG. 5 corresponding to the reference timing Tk is output from the subtractor 36.
[0041]
Next, the CPU 37 determines whether or not the “offset amount at the Z position of the specimen 11” is input from the offset input unit 41 (step S2). If there is no offset input (S2 is N), the subtractor Based on the focus detection signal (RL) of FIG. 5 output from 36, the processing of steps S3 to S7 is executed.
That is, first, it is determined whether or not the focus detection signal (RL) is “0” (step S3). If it is not “0” (S3 is N), the focus detection signal (R−) is determined. It is determined whether or not the sign of L) is “positive” (step S4).
[0042]
When the sign of the focus detection signal (RL) is “positive” (S4 is Y), the output timing Tp of the received light signal is the reference timing Tk as shown in FIGS. Slower, the W position of the slit image on the light receiving surface of the light receiving element 29 is shifted to the right, and the Z position of the sample 11 is shifted downward (rear pin side), so the CPU 37 uses the driver 39 and the motor 12a. Then, the Z position of the stage 12 and the specimen 11 is moved upward (front pin side) (step S5).
[0043]
Thereafter, the process returns to step S3, and the processes of steps S3 to S5 are repeated until the focus detection signal (RL) becomes “0”. During this time, as the Z position of the specimen 11 moves upward, the magnitude of the focus detection signal (RL) becomes smaller (AF 1 in FIG. 5). When the focus detection signal (RL) becomes “0” (Y in S3), the output timing Tp of the received light signal coincides with the reference timing Tk as shown in FIG. 11 is stopped (step S7). At this time, the Z position of the sample 11 is stopped at a position (Z3 in FIG. 5) at which the focus detection signal (RL) becomes “0”.
[0044]
On the other hand, when the sign of the focus detection signal (R−L) is “negative” (S4 is N) in step S4, the light reception signal is output as shown in FIGS. Since the timing Tp is earlier than the reference timing Tk, the W position of the slit image on the light receiving surface of the light receiving element 29 is shifted leftward, and the Z position of the sample 11 is shifted upward (front pin side). The Z position of the specimen 11 is moved downward (rear pin side) (step S6).
[0045]
Thereafter, the process returns to step S3, and the processes of steps S3, S4, and S6 are repeated until the focus detection signal (RL) becomes “0”. During this time, as the Z position of the sample 11 moves downward, the magnitude of the focus detection signal (RL) becomes smaller (AF 2 in FIG. 5). When the focus detection signal (RL) becomes “0” (S3 is Y), the output timing Tp of the received light signal coincides with the reference timing Tk (FIG. 2 (c)). Stop (step S7). Also at this time, the Z position of the sample 11 is stopped at a position (Z3 in FIG. 5) at which the focus detection signal (RL) becomes “0”.
[0046]
Thus, the Z position of the specimen 11 is determined as the focus detection signal (AF (1) in FIG. 5) or by repeating steps S3, S4, and S6 (AF (2)). When stopping at the position Z3 of (RL) = 0 (FIG. 2 (c)), the CPU 37 returns to the process of step S2.
Therefore, as long as there is no input of the offset amount from the offset input unit 41 (N in S2), the processing of steps S3 to S7 (normal AF control) is repeated, and the Z position of the specimen 11 is detected by the focus detection shown in FIG. The signal (RL) = 0 is kept stopped at the position Z3. In this stable state, an enlarged image of, for example, an arbitrary surface 11 a (see FIG. 7A) of the specimen 11 can be favorably observed through the eyepiece lens 19.
[0047]
Incidentally, while the Z position of the specimen 11 continues to be stopped at the position (Z3) where the focus detection signal (RL) = 0 shown in FIG. 5, the light reception signal from the light receiving element 29 is stored information in the memory 38. As described above, output is continued at the same timing as the reference timing Tk set in step S1 (Tp = Tk, FIG. 2C). In the following description, the stop position (Z3) of the specimen 11 by the normal AF control (S3 to S7) is referred to as “focus position”.
[0048]
Next, a case where the focus offset is applied while the sample 11 is stopped at the in-focus position (Z3) will be described. This corresponds to the case where the offset amount at the Z position of the sample 11 is input from the offset input unit 41 (S2 is Y), and the CPU 37 executes the processes in steps S8 and S9, and then the processes in and after step S3. Execute the process.
[0049]
That is, in step S8, the offset amount at the Z position of the sample 11 is detected based on the input signal (the voltage value and the number of times described above) from the offset input unit 41. In the next step S9, the sample timing (reference timing Tk) of the sample hold circuit 33 is set and changed based on the detected offset amount. As a result, the reference timing Tk is set to a timing different from the stored information in the memory 38.
[0050]
For example, when the Z position of the sample 11 is offset by ΔZa below the current in-focus position (Z3) (FIG. 7A), the CPU 37 sets the offset amount “− based on the input signal from the offset input unit 41. ΔZa ”is detected (S8), and this is converted into a change amount“ + ΔTa ”of the reference timing Tk.
Based on the conversion result, the setting of the reference timing Tk is changed (S9). As a result, the sample timing of the sample hold circuit 33 is changed from the reference timing Tk in FIG. 8A to the reference timing Tk + ΔTa in FIG. 8B, and is output from the subtractor 36 according to the new reference timing Tk + ΔTa. The focus detection signal (RL) is not “0”. Therefore, when the process proceeds to step S3 after the process in step S9, the determination result is “N”.
[0051]
In this example, the setting is changed to the reference timing Tk + ΔTa that is later than the reference timing Tk (FIG. 8B), and the sign of the focus detection signal (RL) becomes “negative” (S4 is N). The CPU 37 moves the Z position of the specimen 11 downward (S6). The processes in steps S3, S4, and S6 are repeated until the focus detection signal (RL) becomes “0”.
[0052]
The state of change of the focus detection signal (RL) during this period is as shown by AF (3) in FIG. The horizontal axis of FIG. 7B represents the Z position of the sample 11. As described above, the magnitude of the focus detection signal (RL) decreases as the Z position of the sample 11 moves downward (AF 3). The broken line in FIG. 7B corresponds to the focus detection signal (RL) in FIG.
[0053]
When the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tk + ΔTa becomes “0” (S3 is Y), the light reception signal output timing Tp coincides with the reference timing Tk + ΔTa as shown in FIG. 8C. Therefore, the CPU 37 stops the stage 12 and the specimen 11 (S7). At this time, the Z position of the sample 11 is stopped at a position where the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tk + ΔTa is “0” (Z3−ΔZa in FIG. 7A).
[0054]
Therefore, unless a new offset amount is input from the offset input unit 41 (N in S2), the processing of steps S3 to S7 is repeated by the CPU 37, and the Z position of the specimen 11 is set to the focus detection signal (RL) = 0. The position (Z3-ΔZa in FIG. 7A) continues to be stopped. In this stable state, an enlarged image of an arbitrary surface 11b of the specimen 11 can be observed favorably through the eyepiece lens 19.
[0055]
Incidentally, while the Z position of the specimen 11 continues to be stopped at the position (Z3−ΔZa) of the focus detection signal (RL) = 0 shown in FIG. 7B, the light reception signal from the light receiving element 29 is stepped. The output continues at the same timing as the reference timing Tk + ΔTa changed in setting in S9 (Tp = Tk + ΔTa, FIG. 8C).
Contrary to the above example, when the Z position of the specimen 11 is offset by ΔZb above the in-focus position (Z3) (FIG. 9A), the CPU 37 is based on the input signal from the offset input unit 41. Then, the offset amount “+ ΔZb” is detected (S8) and converted into the change amount “−ΔTb” of the reference timing Tk.
[0056]
Based on the conversion result, the setting of the reference timing Tk is changed (S9). As a result, the sample timing of the sample hold circuit 33 is changed from the reference timing Tk in FIG. 10A to the reference timing Tk−ΔTb in FIG. 10B, and the subtractor is changed according to the new reference timing Tk−ΔTb. The focus detection signal (RL) output from 36 is not “0”. Therefore, when the process proceeds to step S3 after the process in step S9, the determination result is “N”.
[0057]
In this example, the setting is changed to the reference timing Tk−ΔTb that is earlier than the reference timing Tk (FIG. 10A), and the sign of the focus detection signal (RL) becomes “positive” (S4 is N Therefore, the CPU 37 moves the Z position of the specimen 11 upward (S5). The processes in steps S3 to S5 are repeated until the focus detection signal (RL) becomes “0”.
[0058]
The state of change of the focus detection signal (RL) during this period is as shown by AF (4) in FIG. 9B. The horizontal axis of FIG. 9B represents the Z position of the sample 11. Similarly to the above, as the Z position of the specimen 11 moves upward, the magnitude of the focus detection signal (RL) becomes smaller (AF (4)). The dashed line in FIG. 9B corresponds to the focus detection signal (RL) in FIG.
[0059]
When the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tk−ΔTb becomes “0” (Y in S3), the output timing Tp of the received light signal becomes the reference timing Tk− as shown in FIG. Since it coincides with ΔTa, the CPU 37 stops the stage 12 and the specimen 11 (S7). At this time, the Z position of the sample 11 is stopped at a position where the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tk−ΔTb becomes “0” (Z3 + ΔZb in FIG. 9A).
[0060]
Therefore, unless a new offset amount is input from the offset input unit 41 (N in S2), the processing of steps S3 to S7 is repeated by the CPU 37, and the Z position of the specimen 11 is set to the focus detection signal (RL) = 0. The position (Z3 + ΔZb in FIG. 9A) continues to be stopped. In this stable state, an enlarged image of an arbitrary surface 11 c of the specimen 11 can be observed favorably through the eyepiece lens 19.
[0061]
Incidentally, while the Z position of the sample 11 continues to be stopped at the focus detection signal (RL) = 0 position (Z3 + ΔZb) shown in FIG. 9B, the light reception signal from the light receiving element 29 is received in step S9. It continues to be output at the same timing as the changed reference timing Tk-ΔTb (Tp = Tk−ΔTb, FIG. 10C).
As described above, in the microscope 10 of the present embodiment, when the focus offset is applied during the AF control mode, the sample according to the offset amount of the specimen 11 at the Z position (for example, −ΔZa in FIG. 7 or + ΔZb in FIG. 9). The setting of the reference timing Tk (divided boundary line of the received light signal) in the hold circuit 33 is changed.
[0062]
Then, based on the new reference timing after the change (for example, Tk + ΔTa in FIG. 8 or Tk−ΔTb in FIG. 10), the focus detection signal (R−L) output from the subtractor 36 becomes “0”. Then, the Z position of the stage 12 and the specimen 11 is adjusted (for example, AF (3) in FIG. 7B or AF (4) in FIG. 9B), and a new focus detection signal (RL) = 0. It is stopped at a position (for example, Z3−ΔZa in FIG. 7 or Z3 + ΔZb in FIG. 9).
[0063]
For this reason, not only the surface 11a (FIGS. 7A and 9A) of the specimen 11 stopped at the in-focus position (Z3) by the normal AF control (S3 to S7), but also the movement by the focus offset (FIG. Similarly, the magnified images of the different surfaces 11b and 11c of the specimen 11 stopped after AF (3) in FIG. 7 (b) and AF (4) in FIG. 9 (b) can be observed well.
Furthermore, in the microscope 10 of the present embodiment, the reference timing (Tk + ΔTa, Tk−ΔTb) after the change according to the offset amount (−ΔZa, + ΔZb) of the specimen 11 is equal to or higher than the timing Tmin shown in FIG. The focus offset during the AF control mode can be freely applied within a wide range that is equal to or less than the timing Tmax shown in FIG. This range (Tmin or more and Tmax or less) corresponds to a range in which a light reception signal from the light receiving element 29 is output without being lost.
[0064]
When the changed reference timing (Tk + ΔTa, Tk−ΔTb) is set to the earliest timing Tmin (FIG. 11A), the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tmin is “0”. The Z position of the sample 11 is adjusted upward so as to be “”, and the state of the focus detection signal (RL) during this time is as shown in AF (5) in FIG.
[0065]
When the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tmin becomes “0” (Tmin = Tp), the sample 11 stops at a position Z3 + ΔZmax corresponding to the reference timing Tmin. This position Z3 + ΔZmax corresponds to the upper limit of the focus offset range by the microscope 10 of the present embodiment.
Conversely, when the changed reference timing (Tk + ΔTa, Tk−ΔTb) is set to the latest timing Tmax (FIG. 11B), the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tmax is “ The Z position of the sample 11 is adjusted downward so that it becomes 0 ", and the state of the focus detection signal (RL) during this time is as shown in AF (6) in FIG.
[0066]
When the focus detection signal (RL) corresponding to the reference timing Tmax becomes “0” (Tmax = Tp), the sample 11 stops at a position Z3−ΔZmin corresponding to the reference timing Tmax. This position Z3-ΔZmin corresponds to the lower limit of the focus offset range by the microscope 10 of this embodiment.
As described above, according to the microscope 10 of the present embodiment, the light receiving signal from the light receiving element 29 is output without loss (Tmin ≦ reference timing ≦ Tmax in FIG. 11), that is, the Z position of the sample 11. Is included between “the lower limit position Z3−ΔZmin corresponding to the reference timing Tmax” and “the upper limit position Z3 + ΔZmax corresponding to the reference timing Tmin”, the focus offset during the AF control mode can be freely applied.
[0067]
The focus offset range at the Z position of the specimen 11 by the microscope 10 of the present embodiment corresponds to the range between the lower limit position Z3−ΔZmin and the upper limit position Z3 + ΔZmax, and is compared with the conventional focus offset range as shown in FIG. And you can see that it is wide.
Therefore, as in the case where the sample 11 is a semiconductor wafer, for example, the height difference of the plurality of step portions formed on the sample 11 is larger than the focal depth of the objective lens, and the height difference of the step portion itself is the conventional DC. Even when it is larger than the focus offset range by the offset method, the microscope 10 of this embodiment can be observed well.
[0068]
Furthermore, in the microscope 10 of the present embodiment, the setting of the reference timing Tk (division boundary line) is changed with the scanning cycle (clock cycle) of the light receiving element 29 as the minimum unit, that is, for each pixel unit of the light receiving element 29. Therefore, the offset can be applied with a constant resolution regardless of the level difference of the received light signal due to the difference in magnification of the objective lens 16.
[0069]
In the above-described embodiment, on the assumption that the offset amount of the sample 11 (for example, −ΔZa in FIG. 7 or + ΔZb in FIG. 9) is known, the reference timing Tk (the division boundary of the received light signal) is determined according to the offset amount. Line) is changed at once, but the offset amount of the specimen 11 is often unknown in an actual observation situation.
For this reason, every time when the observer of the microscope 10 manually operates the offset input unit 41, the reference timing Tk may be set and changed by a predetermined amount, and the Z position of the specimen 11 may be moved by a predetermined amount. In this case, the specimen 11 can be offset by a desired amount according to the number of manual operations of the offset input unit 41.
[0070]
Furthermore, it is preferable to set the amount of one change of the reference timing Tk to a different value depending on the type (magnification and depth of focus) of the objective lens 16 positioned on the optical axis 10a. For example, since the depth of focus becomes deeper as the objective lens 16 has a lower magnification, it is conceivable that the amount of one change of the Z position of the sample 11 is increased by setting the amount of change of the reference timing Tk once. In this case, an efficient focus offset can be applied regardless of the magnification change of the objective lens 16. The type of the objective lens 16 may be recognized based on the detection result of the address sensor 42.
[0071]
Further, the storage information in the memory 38 for initially setting the reference timing Tk (division boundary line) in step S1 of FIG. 6 may be prepared for each type of the objective lens 16. In this case, in step S1, based on the detection result (address information) of the address sensor 42, the “storage area corresponding to the type of the objective lens 16 on the optical axis 10a” in the memory 38 is referred to, and the reference timing Tk is set. It will be initialized. As a result, good observation can be performed even if the type of the objective lens 16 positioned on the optical axis 10a changes.
[0072]
Further, in the above-described embodiment, an example of the industrial microscope 10 that observes, for example, a semiconductor wafer by epi-illumination is described. However, the present invention is a microscope that observes a biological specimen by epi-illumination or transmission illumination. It can also be applied to. When the specimen 11 is a biological specimen (for example, a cell), the inside of the specimen 11 has a three-dimensional structure. Therefore, by applying a focus offset by the above-described method, the specimen 11 is focused on an arbitrary surface to be observed in the thickness direction. be able to.
[0073]
In the above-described embodiment, an example in which the stage 12 is moved up and down to adjust the positional relationship between the sample 11 and the objective lens 16 has been described. However, the objective lens 16 may be moved up and down, or the objective lens 16 may be moved up and down. And the specimen 11 may be moved up and down.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the focus offset range can be set wide.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a microscope according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining an output timing of a light reception signal.
FIG. 3 is a diagram showing a block configuration of the microscope 10;
FIG. 4 is a diagram for explaining a change over time in the output of an integrator 32;
FIG. 5 is a diagram for explaining a relationship between an output of a subtracter and a Z position of a sample.
FIG. 6 is a flowchart showing an overall procedure of AF control in the microscope 10;
FIG. 7 is a diagram for explaining a downward focus offset.
FIG. 8 is a diagram for explaining a downward focus offset;
FIG. 9 is a diagram illustrating an upward focus offset.
FIG. 10 is a diagram illustrating an upward focus offset.
FIG. 11 is a diagram for explaining a reference timing setting range in the microscope.
12 is a diagram illustrating a focus offset range in the microscope 10. FIG.
FIG. 13 is a diagram illustrating a conventional focus detection signal.
FIG. 14 is a diagram illustrating a conventional DC offset method.
FIG. 15 is a diagram illustrating a focus offset range in a DC offset method.
[Explanation of symbols]
10 Microscope
11 specimens
12 stages
13 Light source
14 Condensing lens
15, 26 half mirror
16 Objective lens
17 Imaging lens
18 Prism
19 Eyepiece
21 Light source
22 Slit plate
23, 27 condenser lens
24 Shading plate
25 Dichroic mirror
28 Cylindrical lens
29 Light receiving element
30 Control device
32 integrator
33, 34 Sample hold circuit
35, 36 subtractor
37 CPU
38 memory
40 input devices
41 Offset input section

Claims (3)

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、受光信号の出力のための走査開始から走査終了のタイミングの間で一方から他方に順次走査されることで前記対物レンズと前記標本との相対的な位置関係に基づく受光信号を出力する受光手段と、
前記出力された受光信号を積分する積分器と、
前記走査開始から走査終了のタイミングの間に設定され、前記積分器で積分された信号を分割し出力する受光信号のサンプルタイミングを基準タイミング(Tk)として予め定め、前記基準タイミング(Tk)において前記積分器の出力をサンプルするサンプルホールド回路と、
前記受光手段から出力される前記受光信号のピークが出力される出力タイミング(Tp)と予め定められた前記基準タイミング(Tk)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、
前記標本の観察位置を変える際、前記対物レンズと前記標本との相対的な位置を前記対物レンズの光軸方向に沿って変更するフォーカスオフセットのためのオフセット量を入力する入力手段と、
前記オフセット量が入力されたときに、前記受光手段から受光信号を順次出力する走査開始から走査終了のタイミングにおける前記基準タイミング(Tk)を変更し、前記オフセット量“−ΔZa”を検出し、該オフセット量“−ΔZa”を基準タイミング(Tk)の変更量“+ΔTa”に換算するか、又は、前記オフセット量“+ΔZa”を検出し、該オフセット量“+ΔZa”を基準タイミング(Tk)の変更量“−ΔTa”に換算することにより、前記受光信号のサンプルタイミングを変える前記サンプルホールド回路の前記基準タイミング(Tk)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。
Illumination means for irradiating the specimen with detection light via an objective lens;
The reflected light from the specimen is received through the objective lens, and the objective lens and the specimen are scanned sequentially from one to the other between the scanning start timing and the scanning end timing for outputting a light reception signal. A light receiving means for outputting a light reception signal based on the relative positional relationship of
An integrator for integrating the output received light signal;
The sample timing of the received light signal that is set between the start of scanning and the end of scanning and divides and outputs the signal integrated by the integrator is determined in advance as a reference timing (Tk). A sample-and-hold circuit that samples the output of the integrator;
A control signal corresponding to a deviation between an output timing (Tp) at which the peak of the light reception signal output from the light receiving means is output and a predetermined reference timing (Tk) is generated, and based on the control signal Control means for adjusting the relative positional relationship;
An input means for inputting an offset amount for a focus offset for changing a relative position between the objective lens and the specimen along an optical axis direction of the objective lens when changing the observation position of the specimen;
When the offset amount is input, the reference timing (Tk) at the scanning start timing to the scanning end timing for sequentially outputting the light receiving signal from the light receiving means is changed, and the offset amount “−ΔZa” is detected, The offset amount “−ΔZa” is converted into the change amount “+ ΔTa” of the reference timing (Tk), or the offset amount “+ ΔZa” is detected, and the offset amount “+ ΔZa” is changed to the change amount of the reference timing (Tk). An automatic focusing apparatus comprising: changing means for changing the reference timing (Tk) of the sample-and-hold circuit for changing the sample timing of the received light signal by converting to “−ΔTa” .
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、前記光軸上に位置決めされている前記対物レンズの種類に応じて観察に使用する前記対物レンズの倍率が先に使用された対物レンズよりも低い場合には、前記基準タイミング(Tk)を変更する際の1回の変更量を先に使用された対物レンズよりも大きくすることを特徴とする自動焦点合わせ装置。
The automatic focusing apparatus according to claim 1,
When the magnification of the objective lens used for observation is lower than that of the objective lens previously used , depending on the type of the objective lens positioned on the optical axis , the changing unit is configured to perform the reference timing ( An automatic focusing apparatus characterized in that the amount of change at one time when changing (Tk) is made larger than that of the objective lens previously used .
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。
An imaging optical system having an objective lens and forming an image of the specimen;
A microscope comprising the automatic focusing device according to claim 1 or 2 disposed on an optical axis of the objective lens.
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