JP2006524831A - 試料を結像する際の焦点位置を決定するための方法およびセット・アップ - Google Patents

Abstract

本発明は、試料（４）を結像する際の焦点位置を決定するための方法に関する。この方法では、試料上に視野絞りを結像し、この画像を、視野絞りに対して傾斜した位置敏感型の受信装置を用いて検出し、受信装置内の強度分布により焦点位置を規定する。本発明は、さらに、本発明による方法の実施に関するセット・アップに関する。本発明によれば、前述の形式の方法において、試料（４）上への視野絞りの結像に、光学格子を少なくとも部分的に重ね、位置敏感型の受信装置を用いて、試料によって反射された光に対する強度値を決定し、これらの強度値を、受信装置内の位置に割り当て、位置に関係づけられた強度値から、位置に関係づけられたコントラスト値を決定し、現在の焦点位置に相当する位置としての受信装置内のコントラスト・フォーカスの位置を、これらのコントラスト値を用いて決定する。

Description

本発明は、試料（４）を結像する際の焦点位置を決定するための方法であって、試料上に視野絞りを結像し、この画像を、視野絞りに対して傾斜した位置敏感型の受信装置を用いて検出し、受信装置内の強度分布により焦点位置を規定する方法に関する。本発明は、さらに、本発明による方法の実施に関するセット・アップに関する。

結像オプティクスを用いて、試料または試料の一片を正確に結像するためには、試料を結像オプティクスの焦点位置に正確に配置する必要がある。画像の焦点がずれている場合には、試料位置を結像オプティクスに対してどの方向についてどの程度変化させるべきかを知ること、適用可能ならば、フォーカシングに対して使用できる個々の調整指示を導き出すことが重要である。

この状況では、三角測量法、コントラスト評価を伴う結像方法、および傾斜した共焦点アパーチャ・スロットを用いた位置決定がよく知られている。
三角測量法では、コリメートされたレーザ・ビームが反射されて、結像レンズの瞳面内に入り、結像光路に対するこのレーザ・ビームの進路から、試料によって反射されたレーザ光のＺ位置が導き出される。

この方法の本質的に欠点は、深さの異なる試料面内のレーザ光を結像する結果、画像に歪みが生成されるために、検出信号が、鮮明さ範囲の所定の深度を超えて大きく変化することである。

残念なことに、焦点位置を決定する際の精度は、測定結果の決定が、検出器の捕捉範囲の中心で行なわれるのか、あるいは周囲で行なわれるのかによって異なる。この影響を補償するために、焦点位置の決定を、複数の反復ステップで行なわなければならないが、その結果、この方法は比較的時間のかかるのものとなってしまう。

コントラスト評価を伴う結像方法では、試料の照明は、照明光路の視野絞り面内に格子を配置することによる格子状の強度分配に従って行なわれる。このように照明された試料を、受信装置上に結像する。こうして、結像オプティクスと試料との間の距離が異なる一組の画像が記録され、この組からコントラストが最も高い画像が選択される。この画像に割り当てられている結像オプティクスと試料との間の距離が、最適な焦点距離として分類される。

欠点としては、画像の組を記録するために、多くの異なるｚ位置に高精度で近づかなければならないため、この方法は比較的時間のかかるものとなってしまうことである。
傾斜した共焦点アパーチャ・スロットを用いた位置決定では、アパーチャ・スロットが、照明光路の視野絞り面内に配置されて、試料上に結像される。試料によって反射された光は、アパーチャ・スロットに対して傾斜した状態で設けられたＣＣＤラインに送られて、反射光が最大となるＣＣＤラインの位置が決定される。この方法の場合のように、焦点位置の計算が、ライン上に単一の画像を用いて行なうことができ、焦点計算の結果が比較的短い時間で入手できる。

しかしながら、試料中の不純物または試料表面における擾乱性の構造によって強度の変動が起こり得るため、測定結果が誤ったものになる可能性があるという欠点がある。この方法の主な問題は、ＣＣＤライン上にギャップを結像する際に大きく調整する必要があることである。これは、高い精度を得るためにギャップ（またはライン）を非常に狭くしなければならないことに起因する。さらに完全に補正された結像オプティクスも必要とされる。

特にチップ製造の場合には、構造としてますます微細かつ薄いものが目標とされている。そのため、製造精度を検証するために用いる検査方法に対する要求がますます高まっている。したがって、より一層の高速かつ正確なフォーカシングを、好ましくは製造手順を妨害することなく行なうことが要求されている。

以上に基づいて、本発明の基本的な課題は、焦点位置を決定する際の精度をさらに増加させること、さらに、このような正確な方法の実施を可能にするセット・アップを示すことにある。

本発明は、傾斜した共焦点のアパーチャ・スロットを用いた位置決定の主題グループに対応付けることができる。
本発明によれば、前述した形式の方法において、試料上に視野絞りを結像し、画像に、光学格子を少なくとも部分的に重ね、視野絞りに対して傾斜した位置敏感型の受信装置を用いて、試料によって反射された光の強度値が決定される。これらの強度値は、受信装置内の位置に割り当てられ、位置に関係づけられた強度値から位置に関係づけられたコントラスト値が決定され、これらのコントラスト値を用いて、受信装置内のコントラスト・フォーカスの位置が、現在の焦点位置に相当する位置として決定される。

従来技術における該当する方法とは異なり、焦点位置は、受信装置内の最大強度に相当する位置としては決定されない。寧ろ、試料におけるアパーチャ結像に光学格子の結像を重ねることにより、位置に関係づけられたコントラスト値を決定し、これらのコントラスト値に基づいて現在の焦点位置を決定することができる。

結果として、これまでに知られている他の方法と比較して、調整の必要性が著しく低減されるという極めて重要な優位性がもたらされる。さらに、焦点位置を決定する際の結果は、もはや、潜行的な光（underground light ）、試料中の不純物、または擾乱性の試料構造によって歪められることはない。この点において、本発明によって、従来技術と比較して極めて高い精度を保証する迅速な方法が提供される。

本発明による方法の好ましい構成のオプションにおいて、位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）が、以下の関数によって決定される。

Ｉ（ｘ_ｉ）は、受信装置内の位置ｘ_ｉに割り当てられた強度値を表わし、Ｉ（ｘ_ｉ＋ｎ）は、隣接する位置ｘ_ｉ＋ｎに割り当てられた強度値を表わす。好ましくは、ｎは１…２０の範囲で選択される。

位置に関係づけられたコントラスト値を決定した後に、現在の焦点位置Ｐ_ｆに相当する位置が、以下の関数により決定される。

ここには、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値が含まれる。

このようにして、従来技術と比べて精度を高くし、調整の必要性を低減することは、すでに多くの応用例において達成されている。
さらにより高い精度を要求する場合には、第１のステップにおいて、位置Ｐ_ｆ’を、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、

に基づいて決定する。その後、第２のステップにおいて、現在の焦点位置Ｐ_ｆに相当する位置を、位置Ｐ_ｆ’からデフォルト距離ａ以内である最小値Ｉ’_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、

に基づいて決定する。

第１および第２のステップにおける定数の最小値Ｉ_ｍｉｎおよびＩ’_ｍｉｎは、等しい可能性もあるし、等しくない可能性もある。
好ましくは、視野絞りをアパーチャ・スロットとして、吸収格子を帯状マスクの形状の光学格子として、ＣＣＤラインを受信装置として使用する。この場合、位置ｘ_ｉは、ＣＣＤラインにおけるセンサ要素（以下、画素と呼ぶ）の連続的な番号によって特徴付けられる。すなわちＣＣＤラインに２４００画素がある場合、それらの位置は、ｘ_１〜ｘ_２４００を用いて規定される。次に、ＣＣＤラインにおける２つの画素間の距離ａを、画素の数を用いて表示し、ａに対するデフォルト値は好ましくは１０〜１０００の範囲である。

特に自動製造制御において使用可能であるさらに進んだ構成では、受信装置内で測定される受信装置内の理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’に対応する受信装置内の位置と、現在の焦点位置Ｐ_ｆに対応する位置との間の距離ｂから、自動フォーカシングに対する入力信号が生成される。

入力信号は好ましくは、ＣＣＤライン上に結像される位置Ｐ_ｆと機器校正により事前に設定された位置Ｐ_ｆ’’とが一致するまで、試料と結像オプティクスとの間の距離Δｚを変化させるために用いられる。

このような制御装置は従来技術より知られており、この点に関しては、これ以上の説明は必要ではない。特に、このような制御装置は、試料テーブルに結合されたステップ・モータによって駆動されることが知られている。

他の発明の構成は、現在の焦点位置を決定することに対して好適であるだけでなく、受信装置内の検出器の受信表面に関係づけられた焦点面内での傾斜を規定することに対しても好適である。

この点について、矩形アパーチャをアパーチャとして使用し、ＣＣＤマトリックスを受信装置として使用し、格子面内で互いに傾斜する２つの格子マスクからなる光学格子（格子マスクのそれぞれは、互いに平行に進む複数の帯状マスクを示す）を使用することが意図されている。試料上に各帯状マスクの画像を生成すること、および前述し請求項２〜４においても等しく説明される技術によりＣＣＤマトリックスを用いて結像される各マスクに対してコントラスト・フォーカスの位置を決定することが、意図されている。

この場合、結像される各マスクに対するコントラスト・フォーカスの位置は、現在の焦点位置に相当する。本発明によれば、２本の接続ラインの進路および傾斜は、コントラスト・フォーカスによって、結果として、ＣＣＤマトリックスの受信表面に関係づけられた焦点面の傾斜角度によって、決定される。これについては、以下でより詳細に説明する。

この場合も、ＣＣＤマトリックスの受信表面の面に関係づけられて決定される焦点面の傾斜角度から入力信号を受け取ることは、大いにあり得ることである。その入力信号を、結像光路の光軸に対する試料傾斜に作用する制御装置を用いた傾斜角度の補正を行なうために使用できる。

本発明の前述した構成のオプションのそれぞれにおいて、光学格子のギャップ長は、試料の選択された一片の反射能力、および／または散乱光または反射光、およびその結果としての擾乱光の強度に基づいて、事前に設定される。コントラスト・フォーカスを決定する際の精度を高めるためには、試料の一片の反射能力が低いほど、あるいは擾乱性の散乱光または反射光が強いほど、ギャップ長を小さく事前設定しなければならない。

また強度値をさらに処理する場合に、次のことが優位であることも分かるものと考えられる。すなわち最初に、隣接する画素の強度値を、結像される格子の周期に渡って平均化し、次に、受け取った強度信号Ｉ_ｉｓｔ（実際の値）のデフォルト強度信号Ｉ_ｓｏｌｌ（設定点値）からのずれを決定し、最後に、結果として生じる差に基づいてコントラスト値を補正することである。

優位性は、第１に、決定すべきなのは、唯１つの強度値、すなわち平均化された強度信号Ｉ_ｉｓｔであるということである。この強度信号Ｉ_ｉｓｔの、予想すべき強度信号Ｉ_ｓｏｌｌからのずれに基づいて、光路内の粉塵または不規則に反射する試料が原因の障害が補償されるように、コントラスト値を補正する。

隣接する画素の強度値は、すべてのｘ_ｉに対する関数、

に基づいて平均化され、ｎ＝２…１００であり、ｎは好ましくは、格子周期当たりの画素数に対応する。

本発明は、さらに、これまで説明してきた方法のステップを実施するためのセット・アップに関する。そのセット・アップは特に、顕微鏡のセット・アップであり、照明光路を発生させるための光源と、試料に照明光路を向けるために用いられる結像オプティクスと、結像光路内のカメラ・セット・アップとを含み、
−格子マスクが重ねられたギャップ開口部が照明光路中に配置され、
−結像光路から偏向された検出光路がＣＣＤラインに向けられ、
−ＣＣＤラインは、検出光路の光軸とのα≠９０°の角度を含み、
−ＣＣＤラインは、位置に関係づけられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ）と位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）とを決定するための評価装置に接続され、
−評価装置は、現在の焦点位置に相当する位置として、ＣＣＤラインにおけるコントラスト・フォーカスの位置を決定する。

優位な点は、ギャップ開口部を、試料における画像の細部の周囲長さおよびサイズを規定するアパーチャに付随させることである。アパーチャは、視野絞り面内に配置されている。アパーチャは照明光路の中心に配置され、ギャップ開口部は照明光路の周囲に存在する。

散乱性の高い表面を有する試料の観察および試験に対して特に好適な本発明によるセット・アップの構成のオプションにおいては、アパーチャを、光軸に対して垂直に配置しなければならないが、ギャップ開口部が含む光軸との角度は、ＣＣＤラインが検出光路の光軸に対して傾斜する角度に対応し、試料とギャップ開口部との間の光路長は試料とＣＣＤラインとの間の光路長に等しい。

すなわち、評価装置は、関数、

に基づいて位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を決定する差分形成器を含むことができる。強度値Ｉ（ｘ_ｉ）およびＩ（ｘ_ｉ＋ｎ）はそれぞれ、位置ｘ_ｉおよびｘ_ｉ＋ｎに割り当てられている。また評価装置には、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、

に基づいて、コントラスト・フォーカスを現在の焦点位置ｎに相当する位置として決定する算出回路も備え付けられている。

ＣＣＤラインにおいては、値ｎによって、隣接する位置の互いに対する距離が規定される。この点において、ｎは、変数であり、ｎ＝１…２０である応用例により事前に設定される。

特に、仕上げ精度の制御も自動化される自動バイオチップ製造用装置に関係する応用例の場合には、使用される評価装置内に、ＣＣＤラインにおける現在の焦点位置Ｐ_ｆに対応する位置とＣＣＤラインにおける理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’に対応する位置との間の距離ｂを決定するために、算出回路が設けられる。この結果、理想的な焦点位置からのずれに対する測定値が得られる。

したがって、評価装置の構成によって、理想的な焦点位置からのずれからにより入力信号を決定することができ、評価装置の構成が、焦点位置を補正するための制御装置、すなわち試料と結像オプティクスとの間の距離Δｚを変化させることにより補正する制御装置に接続されているのであれば、これも優位である。これは、現在の焦点位置と理想的な焦点位置との間の距離を制御することで、距離ｂが０に進む傾向となり、その結果、理想的な焦点位置を表わすようになるまで、調整するためである。

現在の焦点位置および配置を決定する際に最適な結果を得るために、優位なことは、理想的な焦点位置から試料上に結像するためにそれぞれ用いられる格子の周波数を、結像オプティクスの光学分解能限界に適合させることである。好ましくは、それぞれの場合においてＣＣＤラインの５つの画素が、１つの格子周期に対応しなければならない。

また本発明による方法および前述したセット・アップは、無地の試料表面を結像する際にレベルを同じにするために用いることもできる。レベルを同じにすることは、レンズ光路の光軸に対する試料表面の傾斜を決定して、デフォルト値、好ましくは９０°の角度を光軸に対して得るように調整することにより行なう。

このために、セット・アップに、光軸に垂直な座標方向ＸおよびＹにおいて再配置可能な試料テーブルを備え付けなければならない。この結果、直線上に位置しない試料表面における異なる３点をフォーカスすることができる。これら３点のそれぞれに対して、ＣＣＤラインにおける現在の焦点位置、ならびに理想的な焦点位置からの配置および／または焦点距離が決定される。

レンズ光路の光軸に対する試料表面の傾斜を、配置の幾何学的な組み合わせから計算し、かつ／あるいは、試料表面の傾斜を、現在の焦点位置と理想的な焦点位置との間の配置または３点すべてに対する焦点距離が等しくなるように、試料を傾斜することによって変化させる。その結果として、試料表面は、レンズ光路の光軸に対して垂直に配置される。

制御装置、すなわち３点の直線的な調整形式または二軸回転の調整形式の制御装置は、現在の傾斜およびこの傾斜から生成されるべき調整指示により、望ましくない傾斜が補正されるまで駆動される。

以下、本発明をいくつかの構成例に基づいて説明する。関係する図面は、添付の通りである。

図１に、バイオチップの記録に用いられる結像光学システム、すなわち顕微鏡のセット・アップを示す。顕微鏡を用いるバイオチップの検出の場合、特に蛍光顕微鏡の場合には、焦点位置を見つけることが極めて難しい。

図１による顕微鏡セット・アップには基本的に、光軸２を有する照明光路を発生させる照明源１と、照明源１を試料４の表面（この場合にはバイオチップの表面）上に結像するレンズ３とが含まれる。試料表面によって反射されるかあるいは散乱される光は、光軸５を有する結像光路としての受信装置、すなわちＣＣＤカメラに到達する。

試料表面は、レンズ３と視野レンズ７とからなる結像オプティクスを用いて、受信装置６の受信表面上に結像されて、観察および評価のために利用可能となる。
照明光路および結像光路は、ビーム・スプリッタ９の分割面８において、偏向されるかあるいは分裂する。

本発明によれば、アパーチャ・セット・アップ１１は、照明光路のアパーチャ面１０内に配置され、図２に拡大表示される。
図２から明らかなように、このアパーチャ・セット・アップ１１はすなわち、画像領域を規定する四角形のアパーチャ開口部１２を示している。しかしながら、アパーチャ開口部１２の外側には、円形の制限１３によって特徴付けられる照明光路の内側に、アパーチャ・スロットのギャップ開口部１４が配置され、規則的な格子１５に重ねられている。

試料４を照明すると、ギャップ開口部１４（規則的な格子１５の構造が重ねられている）が、試料４の表面上に結像される。結像光路内の光は、試料４によって反射されるか、あるいは散乱されて、ビーム・スプリッタ９まで戻り、そこで、すなわち分割面８において、照明光路に到着するようにそちらに向かって偏向され、視野レンズ１６を通過し、他のビーム・スプリッタ１８の分割面１７における照明光路から出力されて、ＣＣＤライン１９に送られる。

レンズ３および視野レンズ１６は、格子構造が重ねられたギャップ開口部１４をＣＣＤライン１９上に結像する結像オプティクスとしての機能を果たす。ＣＣＤライン１９は、アパーチャ・セット・アップ１１に対して傾斜している。ギャップ開口部１４を含むアパーチャ・セット・アップ１１は、照明光路の光軸２に対して垂直に配置されているが、ＣＣＤライン１９は、検出光路の光軸３３に対して９０°に等しくない角度、好ましくは４５°を形成している。

図３に、ＣＣＤライン１９の象徴的表現（symbolic representation ）を示す。この表現によって明らかなように、ＣＣＤライン１９は、一列の多数の受信要素（以下、画素２０と呼ぶ）を示している。各画素２０は、ＣＣＤライン１９における固定位置ｘ_ｉに割り当てられている。すなわち、ＣＣＤライン１９が２４００個の画素２０を示す場合には、仮定として、ＣＣＤライン１９の一端では位置ｘ_ｉ＝１が、一方、ＣＣＤライン１９の反対の端では位置ｘ_ｉ＝２４００が、画素２０によって占められているとする。

各画素２０の出口において、強度信号Ｉ（ｘ_ｉ）が入手可能である。すなわち各画素２０は、割り当てられた位置ｘ_ｉにおける結像光路の強度を示す。規則的な格子１５を含むギャップ開口部１４が、傾斜されたＣＣＤライン１９上に結像されるため、規則的な格子１５が鮮明に結像される正確に１つの位置がＣＣＤライン内に存在する。現在の焦点位置Ｐ_ｆに対応するこの位置は、割り当てられた１つまたは複数の画素２０に基づいて決定される。

以下に説明する本発明による方法によって、現在の焦点位置を、これまでの従来技術によるものに比べてより正確に決定することができる。
本発明によれば、吸収された放射の強度値Ｉ（ｘ_ｉ）が、画素２０の各位置ｘ_ｉに対して決定される。この結果、図４に表わされるように、ＣＣＤライン１９に渡る強度曲線が得られる。図４に明らかなように、画素ｘ_７００〜ｘ_１２００の範囲における結像放射の強度は、残りの範囲の強度よりもはるかに高い。

しかしながら、従来技術の場合とは異なり、最大強度の位置が求められることも現在の焦点位置として規定されることもない。寧ろ、強度値Ｉ（ｘ_ｉ）は最初に、位置に関係づけられたコントラスト値となるように処理される。すなわち、位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）は、以下の関数により決定される。

つまり、位置ｘ_ｉの強度値Ｉ（ｘ_ｉ）と隣接位置ｘ_ｉ＋ｎの強度値Ｉ（ｘ_ｉ＋ｎ）との差を、それぞれの場合において算出する。ここで、ｎは変数であり、好ましくは１〜２０の間で選択されるべきものである。

このようにして得られたそれぞれの差を、位置ｘ_ｉに対するコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）として割り当てる。この結果、図５に表わされるようなコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）の曲線が得られる。

図５に明らかなように、ｙ_６００〜ｙ_１１００の範囲におけるコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）は、ＣＣＤライン１９の残りの範囲のコントラスト値よりもはるかに大きい。
本発明によれば、コントラスト・フォーカスを、他のステップにおいて、コントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）から、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、

に基づいて決定する。現在の例では、Ｉ_ｍｉｎはすなわち、図５に表わすような量によって事前に設定されている。

選択された例においては、このコントラスト・フォーカスは、位置ｙ_８５０にほぼ配置されたＣＣＤライン１９内の位置に割り当てられている。この現在の焦点位置Ｐ_ｆは、本発明によって決定されている。

本発明による方法の優位な規定において、ＣＣＤライン１９における現在の焦点位置Ｐ_ｆを、次のステップにおいて、理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’と比較する。理想的な焦点位置は、顕微鏡セット・アップの校正から、すなわち無地の試料表面を用いて決定されており、ここではその位置はｙ_１２００であると仮定する。

図５に表わした例では、位置Ｐ_ｆと位置Ｐ_ｆ’’との間に、３５０個の画素からなる距離が生じている。ＣＣＤライン１９は、個々の２つの画素２０間のある特定の距離ｄを、それぞれ示している。このことから導き出せることは、この場合には、現在の焦点位置Ｐｆは理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’から、距離ｄのほぼ３５０倍だけ離れており、受信装置６上に試料表面の鮮明な画像を得るためには、焦点位置を補正しなければならないということである。

この補正は通常、試料４とレンズ３との間の距離Δｚを変化させることによって行なう。
実際には、使用するＣＣＤラインにおける異なる画素間の距離ｄは、精度原因に対する測定によって決定され、測定結果によってセット・アップは校正されて、校正された状態で試料評価に使用される。

強度値Ｉ（ｘ_ｉ）の処理を、前述した方法で、また自動フォーカシング用に行なうために、顕微鏡セット・アップにさらに、図６に表わしたような評価装置２１および位置決め装置２２を備え付け、ＣＣＤライン１９を評価装置２１に接続し、評価装置２１を位置決め装置２２に信号送信経路を用いて接続する。

評価装置２１には、位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を決定するための差分形成器、および現在の焦点位置Ｐ_ｆに相当する位置としてのコントラスト・フォーカスを決定するための算出回路が含まれる。また評価装置２１には、値ｎ＝１…２０および最小値Ｉ_ｍｉｎを事前に設定するための手段も備え付けられている。

加えて、図６の構成例によれば、現在の焦点位置Ｐ_ｆと、理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’に対応するＣＣＤライン１９内の位置との間の距離ｂを決定するための算出回路が評価装置２１内に設けられている。この算出回路は、位置決め装置２２を用いた調整指示を生成することもできる。位置決め装置２２は、試料４とレンズ３との間の距離Δｚを、事前に設定された方向Ｒに、距離ｂに等価な量だけ変化させるためのものである。

ＣＣＤライン１９における現在の焦点位置Ｐ_ｆをＲの方向に移動させるためには、レンズ３と試料４との間の距離を増加させるような調整指示を生成しなければならない。逆の場合も同様に、現在の焦点位置Ｐ_ｆをＲとは反対方向に変移させる場合には、この距離を、調整指示を用いて短くする必要がある。調整指示を実行した後で、現在の焦点位置Ｐ_ｆが理想的な焦点位置Ｐ_ｆ’’に重なった場合に、自動フォーカシングは終了する。

自動フォーカシングの精度に対するさらに高い要求を満たす請求項４による特別な方法のオプションでは、次のことが行われる。すなわち、評価装置２１は、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を考慮して、最初にＣＣＤライン１９内での位置Ｐ_ｆ’を決定し、その時になってようやく、次のステップで、位置Ｐ_ｆ’からデフォルト距離ａ以内にあるデフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）をすべて考慮して、現在の焦点位置Ｐ_ｆを決定する。

この２段階の方法によって、フォーカシングが不規則に行なわれる影響が回避される。この回避は、現在の焦点位置Ｐ_ｆを決定するための土台として扱われる補正されたコントラスト・フォーカスを決定することによって行なわれる。

複数の界面を有する層システムに属する試料の上または中の界面に対して焦点位置を決定するためには、図４に表わした最大および最小に対するコントラストを増加させるように処置を取ることができる。すなわちこれは、格子ギャップ長を調整することによって達成される。

このようにすることにより、格子ギャップによる最大長さを変化させることができる。非常に狭い格子ギャップを選択すると、強度分布も狭くなる。この結果、「共焦点の」条件が形成され、他の界面によって反射された光はＣＣＤライン１９に到達しない。このようにして、ＣＣＤライン１９上に結像される格子帯のコントラストを高めることができ、その結果、ガラス／空気界面に近い特有の低反射を伴うガラス／水界面を精度良くフォーカスすることができ、またそれらの互いに対する距離を正確に測定することもできる。

この点について、図７に、ＣＣＤライン１９にガラス／水界面を結像する際の強度曲線を示す。ｘ_５００〜ｘ_１１００の範囲に検出することができる不規則の原因は、互いにほぼ１５０μｍの距離にある隣接する散乱界面である。

図７に表わした強度値Ｉ（ｘ_ｉ）を、前述の方法でさらに処理することによって、図８に表わすような位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）が得られる。
これまで示した本発明によるセット・アップの構成においては、アパーチャ１２およびギャップ開口部１４の両方とも、アパーチャ・セット・アップのコンポーネントとして、照明光路の光軸２に対して垂直に配置されている。この結果、表面の散乱が軽微な程度のみである試料４を評価する際に、優れた測定結果が得られる。

しかしながら、図９に、比較的散乱性の高い表面を有する試料４を試験する場合に特に好適な構成における本発明によるセット・アップを表わす。
これまで示した構成例と同様に、図９の構成においても、視野絞り面１０に配置されたアパーチャ・セット・アップ１１は、ギャップ開口部１４およびアパーチャ１２を示す。この場合も、ギャップ開口部１４を用いて焦点位置を決定し、アパーチャ１２を用いて試料４における画像の細部の周囲長さおよびサイズを規定する。

アパーチャ１２は、照明光路の光軸２のほぼ中心に配置され、ギャップ開口部１４は、照明光路の周囲に配置される。
この場合には、例外として、ギャップ開口部１４は光軸２に対する角度を含み、その角度は、ＣＣＤライン１９が検出光路の光軸３３に対して傾斜している量に等しい。しかしながら、アパーチャ１２は、依然として、照明光路の光軸２に対して垂直に配置されている。

加えて、試料４とギャップ開口部１４との間の光路の長さは、試料４とＣＣＤライン１９との間の光路と同じである。
すなわち、このようなアパーチャ・セット・アップ１１は、ギャップ開口部１４を有するアパーチャ部分１１．１と、アパーチャ１２を有するアパーチャ部分１１．２とを別個に製造し、後に結合することによって、技術的に実現することができる。

一方でギャップ開口部１４と試料４との間の光路長と、他方で試料４とＣＣＤライン１９との間の光路長とが等しいという要求が表わした状況において満たされるのは、光軸２、光軸３３、およびビーム・スプリッタ１８の分割面１７が交差する交差点から、光軸２とギャップ開口部１４との交差点までの距離が、光軸３３とＣＣＤライン１９との交差点までの距離と同じ場合である。

図１０に、本発明による方法の他のオプションを実行するためのセット・アップを表わす。このセット・アップは、焦点位置を正確に決定する必要がある以外に、受信装置６の受信表面に対して試料面を傾斜する必要がある応用例に対して好適である。

説明を簡潔にするために、可能ならば、図１の場合と同様に、同じコンポーネントに対して同じ符号番号を用いる。
図１０に示すセット・アップと図１に示すセット・アップとの間の違いは、試料４に向かうように向けられた第２の照明光路２４を発生させる第２の照明源２３が設けられていることにある。照明光路２４は、さらなるビーム・スプリッタ２６の分割層２５において試料４に向かうように偏向され、ビーム・スプリッタ９において、照明源１から発生する照明光路の光軸２と融合する。

図１１に拡大表示される視野絞り面２７に、アパーチャ・セット・アップ２８が存在する。アパーチャ・セット・アップ２８は、２つの半アパーチャ２８．１および２８．２からなる。両方のセット・アップは、照明光路２４において互いに隣り合って、試料４上に結像するための画像領域を完全に満たしている。

照明源１および２３は、交互に動作される。すなわち照明源１は、観察および評価を目的として受信装置６のＣＣＤカメラ上に試料表面を結像するために使用されるが、照明源２３は、現在の焦点位置と、受信装置６の受信表面に対する試料４の傾斜角度とを決定するためのみに用いられる。

２つの半アパーチャ２８．１および２８．２はそれぞれ、互いに平行に進む多くのギャップ開口部２９および３０からなる。ギャップ開口部２９および３０はそれぞれ、図１によるセット・アップにおける格子構造が重ねられたギャップ開口部１４を含んでいる。半アパーチャ２８．１のギャップ開口部２９は、半アパーチャ２８．２のギャップ開口部３０に対して垂直に配置されている。

格子構造は、ギャップ開口部２９および３０それぞれに対して垂直に配置されている。すなわち、格子ベクトルは、個々のギャップ開口部２９または３０に対して平行に進む。
図１に示すセット・アップの場合のような傾斜されたＣＣＤライン１９は、この場合は必要ない。試料４から来る結像光がレンズ３、ビーム・スプリッタ９、視野レンズ７、およびビーム・スプリッタ２６を通過した後に、アパーチャ・セット・アップ２８が、受信装置６内のＣＣＤマトリックス上に結像される。

図１２に、ギャップ開口部２９および３０の画像が必要とする画素ライン３１および３２を有するＣＣＤマトリックスの象徴的表現を示す。
画素ライン３１内の格子構造を含むギャップ開口部２９のそれぞれは、ＣＣＤマトリックス上に結像されて、各画素の信号出力において利用可能な強度信号Ｉ（ｘ_ｉ）を生成する。これは、格子構造を含むＣＣＤマトリックスのうちの１つの画素ライン３２上にそれぞれ結像されるギャップ開口部３０にも適用される。

図１による個々のＣＣＤライン１９に対してすでに前述したように、この方法のオプションの場合も、決定された強度値Ｉ（ｘ_ｉ）は、位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に結びつく。正確に前述の方法により、現在の焦点位置Ｐ_ｆをそれぞれ示すコントラスト・フォーカスを決定することができる。

コントラスト・フォーカスを、結像された半アパーチャ２８．１または２８．２のそれぞれに対して、直線によって接続することができる。２つのまっすぐな直線は、対応する直線方程式ｙ_１＝ｍ_１＊ｘ_１＋ｎ_１，ｙ_２＝ｍ_２＊ｘ_２＋ｎ_２によって定義される。

変数ｎ_１およびｎ_２によって、現在の焦点位置に対する測定が、校正された状態で行なわれる。ｎ_１およびｎ_２がデフォルト距離値に対応する際に、結像オプティクスはフォーカスされる。

加えて、直線ｙ_１＝ｍ_１＊ｘ_１＋ｎ_１の傾きを記述し、結果として平行な配置から画素ライン３１および３２に向かうずれを記述する変数ｍ_１からの数学的な関係に基づいて、焦点面のｍ_２からの第１の傾斜角度および第２の傾斜角度が、試料４の面に関係づけられて決定される。

セット・アップの校正された状態においては、変数ｍ_１およびｍ_２は、試料４の面に関係づけられた焦点面の傾斜角度に比例していると仮定される。
２つの変数ｍ_１およびｍ_２が設定点値、好ましくは値「ゼロ」に対応するまで、試料４の面を意図的に傾斜した場合、傾斜は補正される。

本発明による方法の実施のためのセット・アップの基本原理を示す図。 図１の視野絞り面におけるアパーチャ・セット・アップに関する細部を示す図。 受信装置として用いられるＣＣＤラインの象徴的表現を示す図。 ＣＣＤラインに渡っての結果として生じる典型的な強度曲線を示す図。 図４の強度曲線より生じるコントラスト値の曲線を示す図。 自動フォーカシングのための評価装置および位置決め装置を用いる本発明によるセット・アップの機器を示す図。 ＣＣＤライン上にガラス／水界面を結像する際の典型的な強度曲線を示す図。 図７の強度曲線により生じるコントラスト値の曲線を示す図。 傾斜した受信装置および傾斜したギャップ開口部を用いる本発明によるセット・アップの構成を示す図。 焦点位置を正確に決定し、かつ受信装置内の受信表面に対して試料面を傾斜するための本発明によるセット・アップのオプションを示す図。 図１０のアパーチャ・セット・アップの拡大された表現を示す図。 図１０によるセット・アップのＣＣＤマトリックスの画素ラインにおけるコントラスト・フォーカスのアウトラインを示す図。 コントラスト・フォーカスを通る接続ラインの例を示す図。

符号の説明

１…照明源、２…照明光路の光軸、３…レンズ、４…試料、５…結像光路の光軸、６…受信装置、７…視野レンズ、８…分割面、９…ビーム・スプリッタ、１０…視野絞り面、１１…アパーチャ・セット・アップ、１２…アパーチャ、１３…制限、１４…ギャップ開口部、１５…規則的な格子、１６…視野レンズ、１７…分割面、１８…ビーム・スプリッタ、１９…ＣＣＤライン、２０…画素、２１…評価装置、２２…位置決め装置、２３…照明源、２４…照明光路、２５…分割面、２６…ビーム・スプリッタ、２７…アパーチャ面、２８…アパーチャ・セット・アップ、２８．１，２８．２…半アパーチャ、２９，３０…ギャップ開口部、３１，３２…画素ライン、３３…検出光路の光軸

Claims (17)

1. 試料（４）を結像する際の焦点位置を決定するための方法であって、
   前記試料（４）上に視野絞りを結像して、前記試料（４）上の前記視野絞りの結像に、光学格子の結像を少なくとも部分的に重ね、
   前記試料（４）によって反射された光の強度値Ｉ（ｘ_ｉ）を、前記視野絞りに対して傾斜した位置敏感型の受信装置を用いて取得して、前記受信装置内の位置に対する割当てを可能にし、
   前記強度値Ｉ（ｘ_ｉ）から、位置に関係づけられたコントラスト値を決定し、
   現在の焦点位置に相当する位置として、前記受信装置内のコントラスト・フォーカスの位置を決定する、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を、前記受信装置内の位置ｉに割り当てられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ）と、隣接する位置ｉ＋ｎに割り当てられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ＋ｎ）との差である関数、
   

   

   に基づいて決定し、好ましくはｎ＝１…２０である、方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記現在の焦点位置Ｐ_ｆに相当する位置を、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、
   

   

   に基づいて決定する、方法。
4. 請求項１または２に記載の方法において、
   第１のステップにおいて、位置Ｐ_ｆ’を、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、
   

   

   に基づいて決定し、
   第２のステップにおいて、前記現在の焦点位置に相当する位置を、前記位置Ｐ_ｆ’からデフォルト距離ａ以内であるデフォルト最小値Ｉ’_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、
   

   

   に基づいて決定する、方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
   ギャップ開口部（１４）を有する視野絞り、帯状マスクの形状の光学格子としての規則的な格子（１５）、および受信装置としてのＣＣＤライン（１９）を使用し、
   位置ｉを、前記ＣＣＤライン（１９）の画素（２０）の連続的な番号によって特徴付け、
   距離ａは、ａ＝１０…１０００の範囲において事前に設定される画素（２０）の数である、方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、前記受信装置内で測定される距離ｂであって、位置Ｐ_ｆと前記受信装置内の理想的な焦点位置に対応する位置Ｐ_ｆ’’との間の距離であるｂから、好ましくは前記試料（４）と結像オプティクスとの間の距離Δｚを変化させることによって、自動フォーカシングに対する入力信号を生成する、方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
   前記視野絞りとしての矩形アパーチャと、
   前記受信装置としてのＣＣＤマトリックスと、
   格子面内で互いに傾斜する２つの格子マスクからなる光学格子であって、該格子マスクはそれぞれ、互いに平行に進む複数の帯状マスクを示す、光学格子と、
   を使用し、
   前記試料上に前記帯状マスクのそれぞれの画像を生成し、請求項２〜４に記載されるように、結像された各マスクに対するコントラスト・フォーカスの位置を、前記ＣＣＤマトリックス内の現在の焦点位置に相当する位置として決定し、
   前記コントラスト・フォーカスにより２本の接続ラインの進路および傾斜を決定し、
   結果として、前記ＣＣＤマトリックスの受信表面に関係づけられた焦点面の傾斜角度を決定する、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記傾斜角度を補正するために、前記受信表面の面に関係づけられた焦点面の前記傾斜角度から入力信号を導き出す、方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、試料の選択された一片の反射能力および／または擾乱性の散乱光もしくは反射光の強度によって、光学格子のギャップ長を決定し、コントラスト・フォーカスおよび相応する現在の焦点位置を決定する際の精度を高めるために、前記試料の一片の反射能力が低いほど、あるいは前記擾乱性の散乱光または反射光が強いほど、前記ギャップ長を小さく事前設定する、方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
    前記受信装置の隣接する画素（２０）の強度値を、結像される格子の周期に渡って平均化し、
    得られた強度信号Ｉ_ｉｓｔ（実際の値）のデフォルト強度信号Ｉ_ｓｏｌｌ（設定点値）からのずれを決定し、
    前記ずれを補償および平衡化するために、光路中の粉塵または他の無秩序に起因して乱されたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を補正する、方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、隣接する画素（２０）の強度値を、すべてのｘ_ｉに対する関数、
    

    

    に基づいて平均化し、ｎ＝２…１００であり、ｎは好ましくは格子周期当たりの画素数に対応する、方法。
12. 前記方法のステップにより焦点位置を決定するための、特に顕微鏡に対するセット・アップであって、該顕微鏡は、
    照明光路を発生させるための照明源（１）と、
    前記照明光路を試料（４）に向けるために用いられる結像オプティクスと、
    結像光路内のカメラ・セット・アップと、を含み、
    格子マスクが重ねられたギャップ開口部（１４）が、前記照明光路において配置され、
    前記光路から偏向された検出光路が、該検出光路の光軸（３３）とのα≠９０°の角度を含むＣＣＤライン（１９）に向けられ、
    前記ＣＣＤライン（１９）は、位置に関係づけられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ）と位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）とを決定するための評価装置（２１）に接続され、
    現在の焦点位置に相当する位置として、前記ＣＣＤライン（１９）におけるコントラスト・フォーカスの位置を決定するために前記評価装置（２１）は形成されることを特徴とするセット・アップ。
13. 請求項１２に記載のセット・アップにおいて、
    前記ギャップ開口部（１４）は、前記試料４における画像の細部の周囲長さおよびサイズを規定するアパーチャ（１２）とともに、視野絞り面において配置され、
    前記アパーチャ（１２）は前記照明光路の光軸（２）の中心に配置され、前記ギャップ開口部（１４）は前記照明光路の周囲に配置されることを特徴とするセット・アップ。
14. 請求項１３に記載のセット・アップにおいて、
    前記アパーチャ（１２）は、前記照明光路の前記光軸（２）に対して垂直に配置され、
    前記ギャップ開口部（１４）は前記光軸（２）との角度を含み、該角度は、前記ＣＣＤライン（１９）が前記検出光路の前記光軸（３３）に対して傾斜する角度に対応し、
    前記試料（４）と前記ギャップ開口部（１４）との間の光路長は、前記試料（４）と前記ＣＣＤライン（１９）との間の光路長に等しいことを特徴とするセット・アップ。
15. 請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のセット・アップにおいて、
    前記評価装置（２１）が、
    位置に関係づけられたコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）を決定する差分形成器であって、前記ＣＣＤライン（１９）内の位置ｉに割り当てられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ）と、隣接する位置ｉ＋ｎに割り当てられた強度値Ｉ（ｘ_ｉ＋ｎ）（好ましくはｎ＝１…２０）との差である関数、
    

    

    により決定する差分形成器と、
    現在の焦点位置に相当する位置として、コントラスト・フォーカスを決定するための算出回路であって、デフォルト最小値Ｉ_ｍｉｎよりも大きいすべてのコントラスト値Ｉ（ｙ_ｉ）に対する関数、
    

    

    に基づいて決定する算出回路と、
    を含むことを特徴とするセット・アップ。
16. 請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のセット・アップにおいて、
    算出回路が、位置Ｐ_ｆと、前記ＣＣＤライン（１９）内の理想的な焦点位置に対応する位置Ｐ_ｆ’’との間の距離ｂを決定するために前記評価装置内に設けられ、
    前記評価装置（２１）は、前記試料（４）と前記結像オプティクスとの間の距離Δｚを変化させるための位置決め装置（２２）に接続されることを特徴とするセット・アップ。
17. 請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のセット・アップにおいて、格子周波数が、前記結像オプティクスの光学分解能限界に適合され、好ましくは、それぞれの場合において前記ＣＣＤライン（１９）の５つの画素（２０）が１つの格子周期に対応するセット・アップ。

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