特許 6378936 光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6378936

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】光学装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 7/28 20060101AFI20180813BHJP

   G02B 7/34 20060101ALI20180813BHJP

   G02B 21/26 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   G02B7/28 J

   G02B7/34

   G02B21/26

【請求項の数】1

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-110362(P2014-110362)

(22)【出願日】2014年5月28日

(65)【公開番号】特開2015-225238(P2015-225238A)

(43)【公開日】2015年12月14日

【審査請求日】2017年4月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100117330

【弁理士】

【氏名又は名称】折居 章

(74)【代理人】

【識別番号】100123733

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 大樹

(74)【代理人】

【識別番号】100160989

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 正好

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100168745

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 彩子

(74)【代理人】

【識別番号】100170346

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 望

(74)【代理人】

【識別番号】100176131

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 慎太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100197398

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 絢子

(74)【代理人】

【識別番号】100197619

【弁理士】

【氏名又は名称】白鹿 智久

(72)【発明者】

【氏名】森内 栄介

(72)【発明者】

【氏名】長濱 龍也

(72)【発明者】

【氏名】宍戸 裕子

【審査官】 井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２４９９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００８４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７７３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２３５１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２５７８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０２Ｂ ７／３４

Ｇ０２Ｂ ２１／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物が載置される載置部と、
前記載置部に載置された対象物の像を結像する結像光学系と、
前記結像される対象物の像の焦点を合わせるフォーカス検出ユニットであって、
入射する光をもとに第１のパターン画像を生成する第１の光変調素子を有し、前記生成された第１のパターン画像を出射する第１の出射部と、
入射する光をもとに第２のパターン画像を生成する第２の光変調素子を有し、前記生成された第２のパターン画像を出射する第２の出射部と、
前記出射された第１及び第２のパターン画像を、前記結像光学系の合焦位置にて所定の位置関係となるようにそれぞれ投射する投射光学系と
を有するフォーカス検出ユニットと、
算出部と
を具備し、
前記第１の光変調素子は、複数の第１のパターン画像を生成し、
前記第２の光変調素子は、前記複数の第１のパターン画像に対応する複数の第２のパターン画像を生成し、
前記投射光学系は、前記結像光学系の合焦位置にて、前記複数の第１のパターン画像の各々と、これに対応する前記複数の第２のパターン画像の各々とが、異なる投射位置にてそれぞれ前記所定の位置関係となるように、投射を行い、
前記算出部は、前記複数の第１のパターンのうちの基準となる第１の基準パターン画像とこれに対応する第２の基準パターン画像とが前記所定の位置関係にて結像されている状態において、他の第１のパターン画像とこれに対応する他の第２のパターン画像との位置関係をもとに、前記第１及び前記第２の基準パターン画像が投射されている第１の投射面に対する、前記他の第１のパターン画像とこれに対応する前記他の第２のパターン画像とが投射されている第２の投射面の高さを算出する
光学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、顕微鏡等の光学装置に適用可能なフォーカス検出ユニット、及びその光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、測定顕微鏡等の光学機器において、フォーカスを精度よく検出するための技術が考えられてきた。例えば特許文献１には、挟み込み方式を用いたフォーカス検出ユニットが開示されている。このフォーカス検出ユニットは、照準ダブル線と照準シングル線を顕微鏡光学系の像面に結像させ、観察する被検物にその像を投影して、照準ダブル線の中央に照準シングル線を挟み込むように調整し焦点合わせを行うものである。特許文献１の図１に示すように、プリズム１８を用いて照準ダブル線と照準シングル線を分離することにより、従来の挟み込む方式に比べ光学系を簡略化でき、コンパクトなフォーカス検出ユニットを形成することが可能となっている（特許文献１の段落［００２４］−［００２６］）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０−１４２５１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年ではワークの微細化等に伴い、更なる焦点合わせの高精度化が要求されている。上記した特許文献１に記載のフォーカス検出ユニットでは、スリットマスクを用いて、照準ダブル線と照準シングル線とがそれぞれ形成されている。従って被検物に投影されるパターンの形状や投影位置等に制限があり、高精度化の要求に対応できない可能性がある。

【0005】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高精度に焦点を合わすことが可能となるフォーカス検出ユニット、及び光学装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るフォーカス検出ユニットは、光学系により結像される対象物の像の焦点を合わせるフォーカス検出ユニットであって、第１の出射部と、第２の出射部と、投射光学系とを具備する。
前記第１の出射部は、入射する光をもとに第１のパターン画像を生成する第１の光変調素子を有し、前記生成された第１のパターン画像を出射する。
前記第２の出射部は、入射する光をもとに第２のパターン画像を生成する第２の光変調素子を有し、前記生成された第２のパターン画像を出射する。
前記投射光学系は、前記出射された第１及び第２のパターン画像を、前記光学系の合焦位置にて所定の位置関係となるようにそれぞれ投射する。

【0007】

このフォーカス検出ユニットでは、光変調素子により焦点合わせを行う際の基準となる第１及び第２のパターン画像がそれぞれ生成される。これにより第１及び第２のパターン画像の形状や投射位置等を適宜設定することができる。この結果、高精度に焦点を合わすことが可能となる。

【0008】

前記第１のパターン画像は、第１の中心部を有してもよい。この場合、前記第２のパターン画像は、第２の中心部を有してもよい。また前記投射光学系は、前記合焦位置にて前記第１及び前記第２の中心部が互いに隣接するように、前記第１及び前記第２のパターン画像をそれぞれ投射してもよい。
これにより焦点の合致を容易に判断することができる。

【0009】

前記第１の光変調素子は、前記第１のパターン画像の形状を変更可能であってもよい。この場合、前記第２の光変調素子は、前記変更された前記第１のパターン画像の形状に対応する形状となるように、前記第２のパターン画像の形状を変更可能であってもよい。
これにより例えば微小な領域や特定の形状を有する領域等に第１及び第２のパターン画像を投射することが可能となる。

【0010】

前記第１の光変調素子は、複数の第１の画素を有し、前記複数の第１の画素のうちの前記第１のパターン画像を生成する第１のパターン画像用画素の位置を変更可能であってもよい。この場合、前記第２の光変調素子は、複数の第２の画素を有し、前記変更された第１のパターン画像用画素の位置に応じた位置に、前記複数の第２の画素のうちの前記第２のパターン画像を生成する第２のパターン画像用画素の位置を変更可能であってもよい。
このように第１及び第２の光変調素子において、第１及び第２のパターン画像を生成する第１及び第２のパターン画像用画素の位置をそれぞれ適宜変更することが可能である。従って合焦位置にて所定の位置関係となる第１及び第２のパターン画像の投射位置を適宜変更することが可能となる。

【0011】

前記第１の光変調素子は、複数の第１のパターン画像を生成してもよい。この場合、前記第２の光変調素子は、前記複数の第１のパターン画像に対応する複数の第２のパターン画像を生成してもよい。また前記投射光学系は、前記光学系の合焦位置にて、前記複数の第１のパターン画像の各々と、これに対応する前記複数の第２のパターン画像の各々とが、異なる投射位置にてそれぞれ前記所定の位置関係となるように、投射を行ってもよい。
これにより例えば対象物の位置を移動させることなく対象物の異なる領域の焦点をそれぞれ合わせることができる。この結果、測定時間の短縮等を図ることができる。

【0012】

前記第１の出射部は、所定の色を有する前記第１のパターン画像を出射してもよい。この場合、前記第２の出射部は、前記所定の色に対応する色を有する第２のパターン画像を出射してもよい。
例えば対象物の色に応じてパターン画像の色を適宜設定することで視認性を高めることができ、高精度に焦点を合わせることが可能となる。

【0013】

前記所定の色及び前記所定の色に対応する色は、互いに同じ色であり、前記対象物の前記第１及び前記第２のパターン画像が投射される領域が有する色と補色の関係にある色であってもよい。
これによりユーザの視認性を十分に向上させることができる。

【0014】

前記第１及び前記第２の光変調素子は、それぞれ液晶パネルであってもよい。

【0015】

前記第１及び前記第２の光変調素子は、それぞれマイクロミラーデバイスであってもよい。

【0016】

本発明の一形態に係る光学装置は、載置部と、結像光学系と、前記フォーカス検出ユニットとを具備する。
前記載置部には、対象物が載置される。
前記結像光学系は、前記載置部に載置された対象物の像を結像する。

【0017】

前記第１の光変調素子は、複数の第１のパターン画像を生成してもよい。この場合、前記第２の光変調素子は、前記複数の第１のパターン画像に対応する複数の第２のパターン画像を生成してもよい。また前記投射光学系は、前記結像光学系の合焦位置にて、前記複数の第１のパターン画像の各々と、これに対応する前記複数の第２のパターン画像の各々とが、異なる投射位置にてそれぞれ前記所定の位置関係となるように、投射を行ってもよい。

【0018】

前記光学装置は、さらに、前記複数の第１のパターンのうちの基準となる第１の基準パターン画像とこれに対応する第２の基準パターン画像とが前記所定の位置関係にて結像されている状態において、他の第１のパターン画像とこれに対応する他の第２のパターン画像との位置関係をもとに、前記第１及び前記第２の基準パターン画像が投射されている第１の投射面に対する、前記他の第１のパターン画像とこれに対応する前記他の第２のパターン画像とが投射されている第２の投射面の高さを算出する算出部を具備してもよい。
このように第１及び第２のパターン画像の位置関係に応じて高さ測定が行われてもよい。

【発明の効果】

【0019】

以上のように、本発明によれば、高精度に焦点を合わすことが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態に係る顕微鏡の外観を模式的に示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る検出ユニットの構成例を示す模式的な図である。

【図3】一実施形態に係る液晶パネルの構成例を模式的に示す図である。

【図4】ワークに投射される第１及び第２のパターン画像の構成例を示す図である。

【図5】ワークに投射される第１及び第２のパターン画像の構成例を示す図である。

【図6】ワークに投射される第１及び第２のパターン画像の構成例を示す図である。

【図7】本発明の他の実施形態に係る検出ユニットの構成例を示す模式的な図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0022】

［顕微鏡］
図１は、本発明の一実施形態に係る光学装置としての顕微鏡の外観を模式的に示す図である。顕微鏡１００は、載置台２００と、顕微鏡本体３００とを有する。載置台２００は、台座部２１０と、支柱部２２０と、Ｘ軸移動部２３０と、Ｙ軸移動部２４０と、ステージ（載置部）２５０とを有する。台座部２１０は、図示しない作業台等に載置されて固定される。支柱部２２０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に延在するように、台座部２１０に接続されている。

【0023】

Ｘ軸移動部２３０及びＹ軸移動部２４０は、台座部２１０に配置される。Ｘ軸移動部２３０及びＹ軸移動部２４０は、台座部２１０に対して水平方向（ＸＹ平面方向）に移動可能に設けられたステージ２５０に接続されている。Ｘ軸移動部２３０の回転操作部２３１への回転操作により、ステージ２５０がＸ軸方向に移動される。またＹ軸移動部２４０の回転操作部２４１への回転操作により、ステージ２５０がＹ軸方向に移動される。なおステージ２５０には、観察対象となるワークＷ（対象物）が載置される。

【0024】

顕微鏡本体３００は、支柱部２２０にＺ軸方向に沿って移動可能なように配置される。顕微鏡本体３００は、筐体３１０と、Ｚ軸移動部３２０と、光源部３３０と、カメラポート部３４０と、接眼レンズ３５０と、対物レンズ３６０とを有する。筐体３１０は、Ｚ軸移動部３２０の回転操作部３２１への回転操作により、Ｚ軸方向に移動される。

【0025】

光源部３３０は、例えばハロゲンランプ等の光源、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）といった固体光源を有する。光源部３３０からの出射された光は、筐体３１０内の図示しない照明光学系を通り、略鉛直方向に沿ってワークＷに照射される。ワークＷに照射された光は反射され、対物レンズ３６０や結像レンズ等を含む筐体３１０内の図示しない結像光学系により所定の倍率で結像される。これによりワークＷの像が得られる。

【0026】

ユーザは、接眼レンズ３５０を覗くことで、ワークＷの像を観察することができる。またカメラポート部３４０にデジタルカメラ等をセットすることで、ワークＷの像をデジタル撮影することが可能である。例えば撮影により得られたデジタル画像をもとに観察や測定等が実行可能である。

【0027】

筐体３１０内に配置される各光学系の具体的な構成は限定されない。例えばハーフミラーや全反射ミラー等の光学部材が適宜用いられる。また同じ光学部材が上記した照明光学系にも用いられ、かつ結像光学系にも用いられる、といったこともあり得る。

【0028】

ワークＷの像の焦点（フォーカス）は、Ｚ軸移動部３２０の回転操作部３２１を操作して、筐体３１０をＺ軸方向に移動させることで合わせられる。例えばユーザは、接眼レンズ３５０を覗きながら、あるいはワークＷの撮影画像を見ながら、筐体３１０に取り付けられた対物レンズ３６０の位置をＺ軸方向に移動させる。そして観察の対象となるワークＷの表面を、結像光学系の合焦位置に移動させることで、焦点が合わせられる。

【0029】

また顕微鏡１００は、ＸＹＺ軸の位置座標を表示可能な図示しないデジタルカウンタを有する。例えばワークＷの表面に手動で焦点が合わせられる。そのときのステージ２５０のＸＹ平面上の位置座標（Ｘ座標、Ｙ座標）と、筐体３１０の位置座標（Ｚ座標）とがデジタルカウンタに表示される。各座標の基準点（原点）は、任意に設定されてよい。

【0030】

［フォーカス検出ユニット］
上記の顕微鏡１００に、本発明に係るフォーカス検出ユニット（以下、単に検出ユニットと記載する）が取付けられる。検出ユニットは、結像光学系により結像されるワークＷの像の焦点を高精度に合わせることを可能とする。検出ユニットは、例えは図１に示すカメラポート３４０に取り付けて使用される。

【0031】

図２は、本発明の一実施形態に係る検出ユニット４００の構成例を示す模式的な図である。図２Ａは検出ユニット４００の概略的な全体構成図であり、図２Ｂは検出ユニット４００によりワークＷに投射される第１及び第２のパターン画像の例を示す図である。第１及び第２のパターン画像は、焦点合わせを行う際の基準となる画像である。

【0032】

図２Ａに示すように、検出ユニット４００は、第１のパターン画像４０１を出射する第１の出射部４０５と、第２のパターン画像４０２を出射する第２の出射部４０６と、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２を、結像光学系３７０の合焦位置３７１にて所定の位置関係となるようにそれぞれ投射する投射光学系４０７と、制御部４０８とを有する。

【0033】

第１の出射部４０５は、バックライト４０９と、バックライト４０９から入射される光をもとに第１のパターン画像４０１を生成する第１の光変調素子としての透過型の液晶パネル（ＬＣＤ）４１０と、図示しない出射レンズ等を有する。なお反射型の液晶パネルが用いられてもよい。

【0034】

第２の出射部４０６は、バックライト４１１と、バックライト４１１から入射される光をもとに第２のパターン画像４０２を生成する第２の光変調素子としての液晶パネル４１２と、図示しない出射レンズ等を有する。図２に示すように、第１及び第２の出射部４０５及び４０６は、互いの光軸が重なるように対向して配置される。

【0035】

第１及び第２の出射部４０５及び４０６の具体的な構成は限定されない。例えばバックライト４０９及び４１１として、ハロゲンランプが用いられてもよいし、ＬＥＤ等が用いられてもよい。１つ光源から出射された光が分割されて、液晶パネル４１０及び４１２に入射される構成が採用されてもよい。

【0036】

また液晶パネルの具体的な構成も限定されない。その他、第１及び第２の出射部４０５及び４０６として、液晶パネルを用いて画像を生成し、その画像を出射することが可能となる任意の構成が用いられてよい。

【0037】

制御部４０８は、第１及び第２の出射部４０５及び４０６内の各機構の動作を制御する。制御部４０８は、例えばＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、Ｉ／Ｏ（Input/Output）等が１チップに収められたＰＩＣ（Peripheral Interface Controller）等を含む制御回路により実現可能である。

【0038】

制御部４０８は、例えばユーザの操作等をもとに液晶パネル４１０及び４１２等を制御することが可能である。そのために検出ユニット４００に、ユーザの操作を受け付ける操作部が設けられる。操作部としては、例えば有線または無線を介して制御部４０８と通信可能なコンソール等が用いられる。

【0039】

投射光学系４０７は、三角柱の形状を有するプリズム４１４と、プリズム４１４の前方（ワークＷに向かう側）に配置された投射レンズ４１５とを有する。プリズム４１４は、第１及び第２の出射部４０５及び４０６の略中間に配置される。プリズム４１４は、第１の出射部４０５から出射された第１のパターン画像４０１を反射する第１の反射面４１６と、第２の出射部４０６から出射された第２のパターン画像４０２を反射する第２の反射面４１７とを有する。第１及び第２の反射面４１６及び４１７の境界となる頂点部４１８は、結像光学系３７０の光軸Ｏ（例えば図１のカメラポート部３４０に向かう光軸）上に配置される。

【0040】

投射レンズ４１５は、結像光学系３７０の光軸Ｏ上に配置され、プリズム４１４により反射された第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２を、所定の結像位置４１９に結像する。結像位置４１９に結像された第１及び第２のパターン４０１及び４０２は、結像光学系３７０に含まれるハーフミラー３７２及び対物レンズ３６０により、ワークＷ上に投射される。所定の結像位置４１９は、典型的には、結像光学系３７０により結像されるワークＷの中間像の結像位置と略等しい位置である。

【0041】

検出ユニット４００の投射光学系４０７は、結像光学系３７０の合焦位置３７１にて、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が所定の位置関係となるように、これらのパターン画像を投射する。所定の位置関係とは、焦点が合っていることを表す位置関係であり、以後この位置関係となる第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２により形成されるパターンを合焦パターン４２０と記載する。すなわち第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２は、合焦位置３７１において合焦パターン４２０を形成する。

【0042】

図３Ｂでは、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２により合焦パターン４２０が形成されている状態が図示されている。図３Ｂに示すように、本実施形態では、円形状を有する合焦パターン４２０が形成され、その上半分の部分が第１のパターン画像４０１となり、下半分の部分が第２のパターン画像４０２となる。

【0043】

第１のパターン画像４０１は、第１の中心部４２１を有し、第２のパターン画像４０２は、第２の中心部４２２を有する。投射光学系４０７は、合焦位置３７１にて、第１及び第２の中心部４２１及び４２２が互いに隣接するように、第１及び第２のパターン画像４０１及４０２をそれぞれ投射する。これにより焦点の合致を容易に判断することができる。

【0044】

第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の各形状、及びこれにより形成される合焦パターン４２０の形状は限定されない。また合焦パターン４２０が形成される際に、中心部同士が隣接しなくてもよい。例えば上半分の第１のパターン画像４０１と、下半分の第２のパターン画像４０２とが合焦パターン４２０を形成することで、所定の文字やマーク等の視認しやすい形状が構成されてもよい。

【0045】

本実施形態では、液晶パネル４０１及び４１２が用いられるので、第１及び第２のパターン画像４０１の形状を任意に設定／変更することができる。例えば液晶パネル４１０により、第１のパターン画像４０１の形状が変更される。そして液晶パネル４１２により、変更された第１のパターン画像４０１の形状に対応する形状となるように、第２のパターン画像４０２の形状を変更される。

【0046】

また液晶パネル４１０及び４１２が用いられることで、第１及び第２のパターン画像４０１及び４１２の数、サイズ、色、投射位置等を簡単に設定／変更することが可能である。このことは後にも詳しく述べる。

【0047】

図３は、液晶パネル４１０及び４１２を模式的に示す図である。液晶パネル４１０は複数の第１の画素４２４を有し、液晶パネル４１は複数の第２の画素４２５を有する。制御部４０８により、第１及び第２の画素４２４及び４２５における光の透過率がそれぞれ制御されることで画像が生成される。なお図３Ａ及びＢでは、第１及び第２の画素４２４及び４２５が、模式的に大きく図示されている。

【0048】

図３Ａに示すように、複数の第１の画素４２４のうち、第１のパターン画像４０１を生成する画素を第１のパターン画像用画素４２６とする（画像と画素の関係は模式的である）。本実施形態では、液晶パネル４１０の略中央に位置する第１の画素４２４が、第１のパターン画像用画素４２６となる。

【0049】

図３Ｂに示すように、複数の第１の画素４２５のうち、第２のパターン画像４０１を生成する画素を第２のパターン画像用画素４２７とする。本実施形態では、液晶パネル４１０の略中央に位置する第１の画素４２４が、第２のパターン画像用画素４２６となる。第１及び第２のパターン画像用画素４２６及び４２７の位置、すなわちどの画素をパターン画像用画素とするかは、合焦位置３７１で合焦パターン４２０が形成されるように適宜設定される。

【0050】

液晶パネル４１０上の第１のパターン画像用画素４２６の位置は適宜変更可能である。そして変更された第１のパターン画像用画素４２６に位置に応じた位置に、第２のパターン画像用画素４２７を変更することも容易に可能である。第１及び第２のパターン画像用画素４２６及び４２７の位置を変更させて、液晶パネル４１０及び４１２上の第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の形成位置を変更させることで、合焦パターン４２０を形成する第１及び第２のパターン画像４０１及び４２０の投射位置を適宜変更させることができる。

【0051】

また第１及び第２の出射部４０５及び４０６と、投射光学系４０７との構成に合わせて、第１及び第２のパターン画像用画素４２６及び４２７の位置を変更することも可能である。例えば図１に例示する構成から第２の出射部４０６の位置を変更したとする。その変更後の位置から出射される第２のパターン画像４０２が、合焦位置３７１にて合焦パターン４２０を形成するように、第１のパターン画像用画素４２７の位置が変更される。例えばこのようなことも可能となり、従って検出ユニット４００の構成の自由度を高くすることができ、装置の小型化等を図ることができる。

【0052】

ユーザにより焦点が合わせられる場合には、例えば図２Ｂに示すように半導体基板等のワークＷがステージ２５０に載置される。そして観察対象となるワークＷの所定の領域の表面Ｓに第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が投射される。図２Ａに示すように、ワークＷの表面Ｓが合焦位置３７１に相対的に移動されると、ワークＷの鮮明な像の上に、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が左右にずれることなく鮮明に表示され、円形状の合焦パターン４２０が形成される。

【0053】

なお結像光学系３７０の合焦位置３７１とは、典型的には結像光学系３７０の焦点位置（ジャスピン）位置である。また焦点深度の範囲に含まれる位置を合焦位置３７１としてもよい。焦点深度の範囲に含まれる位置では、合焦パターン４２０が形成される。

【0054】

図２Ａに示すように、ワークＷの表面Ｓが、合焦位置３７１からずれて前ピン３７３や後ピン３７４の状態となる場合には、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が、境界線Ｂに沿って左右にずれる。第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が左右にずれる大きさは、合焦位置３７１からのずれの大きさに対応する。また前ピン３７３と後ピン３７４とでは、左右にずれる方向が互いに逆となる。

【0055】

ユーザは、接眼レンズ３５０を覗きながら、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が合焦パターン４２０を形成するように焦点を合わせる。ワークＷの像のボケ具合を見ながら焦点を合わせるのではなく、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の左右の動きを見て焦点を合わせるので、高精度に焦点を合わすことが可能となる

【0056】

以下、ワークＷに投射される第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の例を説明する。

【0057】

図４に示す例では、液晶パネル４１０により複数の第１のパターン画像４０１ａ及び４０１ｂが生成される。また液晶パネル４１２により、複数の第１のパターン画像４０１ａ及び４０１ｂに対応する複数の第２のパターン画像４０２ａ及び４０２ｂが生成される。

【0058】

すなわち複数の第１のパターン画像４０１及び４０１ｂの各々に対して、合焦パターン４２０を形成するペアとなる複数の第２のパターン画像４０２ａ及び４０２ｂが生成される。投射光学系４０７は、合焦位置３７１にて、複数の第１のパターン画像４０１及び４０１ｂの各々と、これに対応する複数の第２のパターン画像４０２ａ及び４０２ｂの各々とが、異なる投射位置にてそれぞれ合焦パターン４２０となるように、投射を行う。

【0059】

例えば図４Ａに示すように、段差１０を有するワークＷがステージ２５０に載置されたとする。ワークＷは、段差１０を介して隣接する第１表面Ｓ１と第２の表面Ｓ２とを有する。このような場合に、複数の第１のパターン画像４０１ａ及び４０１ｂと、複数の第２のパターン画像４０２ａ及び４０２ｂとを生成することで、第１及び第２の表面Ｓ１及びＳ２の両方に、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２を投射することができる。

【0060】

本例では、第１及び第２のパターン画像４０１ａ及び４０２ａのペアが第１の表面Ｓ１に投射される。また第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂのペアが第２の表面Ｓ２に投射される。各ペアは、投射された面が合焦位置３７１に移動されると、合焦パターン４２０を形成する。

【0061】

図４Ａは、第１の表面Ｓ１が合焦位置３７１に移動された状態の図である。従って第１の表面Ｓ１に投射された第１及び第２のパターン画像４０１ａ及び４０２ａにより合焦パターン４２０が形成されている。第２の表面Ｓ２は、第１の表面Ｓ１よりも高い位置にあるので、合焦位置３７１から外れた位置となっている。従って第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂは左右にずれている。

【0062】

例えばユーザは接眼レンズ３５０を覗きながら、まず第１の表面Ｓ１を合焦位置３７１に移動させ、ＸＹＺ座標値を取得する。その後、Ｚ軸移動部３２０の回転操作部３２１を操作して、第２の表面Ｓ２を合焦位置３７１に移動させて、ＸＹＺ座標値を取得する。例えば取得された両方のＸＹＺ座標値をもとに、第１の表面Ｓ１に対する第２の表面Ｓ２の高さを算出することが可能である。

【0063】

上記した特許文献１に記載のように、スリットマスクを用いてパターン画像が生成される場合では、ワークの中央の位置にパターン画像が１つ投射される。従って上記したような高さ測定を行うためには、まずパターン画像が第１の表面Ｓ１に投射されるように、ステージを移動させる。そして第１の表面の焦点を合わせてＸＹＺ座標値を取得する。次に、第２の表面Ｓ２上にパターン画像が投射されるように、ステージを移動させる。そして第２の表面Ｓ２の焦点を合わせてＸＹＺ座標値を取得する。このようにステージを移動させる操作が必要となるので、操作の手間がふえ測定時間が長くなってしまう。またステージの移動に伴って測定精度が低下してしまう可能性がある。

【0064】

これに対して本実施形態では、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２をそれぞれ複数投射させることができる。また合焦パターン４２０を形成する第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２をワークの任意の位置にて投射することができる。従ってワークＷの位置を移動させることなくワークＷの異なる領域の焦点をそれぞれ合わせることができる。これによりステージ２５０の移動が不要となり、操作性の向上、測定時間の短縮、測定精度の向上等を図ることができる。なお、第１及び第２の表面Ｓ１及びＳ２のうち一方の表面の焦点が合わせられるときに、他方の表面への第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の投射が停止されてもよい。

【0065】

なお本実施形態では、合焦位置３７１からのずれにより、図２に示す境界線Ｂに沿って第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が左右にずれる。従って第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２は、境界線Ｂに沿う位置に投射される。しかしながら、これに限定されるわけではなく、投射光学系４０７等の構成に合わせて、任意の位置に第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が投射されてよい。また合焦パターン４２０を形成する第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２のペアの数も限定されない。

【0066】

図５に示す例では、投射対象となる表面（領域）の大きさに合わせて、サイズの小さい第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が生成されている。上で述べたように、液晶パネル４１０及び４１２が用いられるので、任意の形状及び任意のサイズを有する第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２をワークＷに投射することが可能である。

【0067】

例えば図５Ａに示すように、ワークＷの第１の表面Ｓ１の中央に微小な凸部１５が形成されているとする。凸部１５の表面を第２の表面Ｓ２とすると、第２の表面Ｓ２の面積は非常に小さい。また凸部１５を挟む第１の表面Ｓ１の２つの領域Ｒ１及びＲ２の面積も同様に非常に小さくなっている。

【0068】

図５Ｂに示すように、液晶パネル４１０により、３つの第１のパターン画像４０１ａ、４０１ｂａ、及び４０１ｃが生成される。また液晶パネル４１２により、これらとペアとなる３つの第２のパターン画像４０２ａ、４０２ｂ、及び４０２ｃが生成される。これら第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２は、面積の小さい微小な領域である第２の表面Ｓ２、及び２つの領域Ｒ１及びＲ２に、合焦パターン４２０が十分に含まれるサイズで形成される。

【0069】

図５Ａに示すように、第１及び第２のパターン画像４０１ａ及び４０２ａのペアが第１の表面Ｓ１の領域Ｒ１に投射される。また第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂのペアが第１の表面Ｓ２に投射される。また第１及び第２のパターン画像４０１ｃ及び４０２ｃのペアが第１の表面Ｓ１の領域Ｒ２に投射される。なお図５Ａは、第１の表面Ｓ１（領域Ｒ１及びＲ２）が合焦位置３７１に移動された状態の図である。

【0070】

ユーザは、第２の表面Ｓ２、及び２つの領域Ｒ１及びＲ２に投射される第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２を見ながら、第１及び第２の表面Ｓ１及びＳ２の焦点を高い精度で合わせることができる。

【0071】

第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の形状やサイズを任意に設定することができるので、ワークＷ上の微小領域や特定の形状を有する領域等の焦点を、高精度に合わせることができる。例えばワークＷ上に形成された微小な孔や凹部等の高さ等を高精度に測定することができる。

【0072】

図６に示す例では、第１及び第２の出射部４０５及び４０６により、所定の色を有する第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２がそれぞれ出射される。合焦パターン４２０を形成する第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２に対しては、互いに対応する色が付される。対応する色とは、典型的には同じ色であるが、互いに関連性のある異なる色が付されてもよい。具体的にどの色が用いられるかは限定されない。

【0073】

第１及び第２の出射部４０５及び４０６には、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２をカラー画像として出射するための、図示しないカラー画像生成部が配置される。カラー画像生成部の構成は限定されず、周知の技術が用いられてもよい。例えばカラー画像生成部と液晶パネル４１０（４１２）とが、一体的に構成されてもよい。カラー画像生成部を構成する部材として、例えばカラーフィルタ等が用いられる。あるいはバックライトからの光をＲＧＢの各色の光も分割する光学系等が用いられてもよい。

【0074】

図６Ａに示す例では、ステージ２５０にワークＷとしてカラーフィルタが載置される。カラーフィルタは、赤色のＲフィルタＦＲ緑色のＧフィルタＦＧ、及び青色のＢフィルタＦＢを有する。各フィルタの高さは略等しい。これらＲＧＢの各フィルタＦＲ、ＦＧ、及びＦＢに第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が投射される。

【0075】

図６Ｂに示すように、液晶パネル４１０及び４１２と、第１及び第２の出射部４０５及び４０６にそれぞれ設けられたカラー画像生成部により、赤色の補色となるシアンにて第１及び第２のパターン４０１ｃ及び４０２ｃが生成される。また緑色の補色となるマゼンタにて第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂが生成される。また青色の補色となる黄色にて第１及び第２のパターン画像４０１ａ及び４０２ａが生成される。なお図６Ｂでは、模式的に、液晶パネル４１０及び４１２上に色が付された第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が図示されている。

【0076】

図６Ａに示すように、ＲフィルタＦＲには、シアンの第１及び第２のパターン４０１ｃ及び４０２ｃが投射される。ＧフィルタＦＧには、マゼンタの第１及び第２のパターン４０１ｂ及び４０２ｂが投射される。ＢフィルタＦＢには、黄色の第１及び第２のパターン４０１ａ及び４０２ａが投射される。各フィルタＦＲ、ＦＧ、及びＦＢにて補色の関係にある色の第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が投射されるので、ユーザの視認性を向上させることができ、高い精度で焦点を合わすことが可能となる。このようにワークＷの観察対象となる表面の色に応じて、第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の色を適宜設定することが可能である。観察対象となる表面は、焦点合わせの対象となる領域であり、ワークＷの第１及び第２のパターン画像が照射される領域に相当する。

【0077】

なお第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の、数、形状、サイズ、色、投射位置等は、典型的には、ユーザによりコンソール等を介して設定される。その設定方法は限定されない。例えば色や形状等が予め設定された複数の種類の第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２が、検出ユニット４００の記憶部等に記憶されており、その記憶されている複数の種類の第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の中から、ユーザが求める画像が適宜選択されてもよい。

【0078】

以上、本実施形態に係るフォーカス検出ユニット４００では、液晶パネル４１０及び４１２により焦点合わせを行う際の基準となる第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２がそれぞれ生成される。これにより第１及び第２のパターン画像４０１及び４０２の形状や投射位置等を適宜設定することができる。この結果、高精度に焦点を合わすことが可能となり、顕微鏡の操作性を向上させることができる。なおフォーカス検出ユニット４００は、対物レンズ３６０の倍率に関係なく使用することができる。

【0079】

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

【0080】

例えば図７は、本発明の他の実施形態に係る検出ユニットの構成例を示す模式的な図である。この検出ユニット５００では、第１及び第２の光変調素子として、反射型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）５１０及び５１２が用いられる。この場合でも、合焦位置３７１にて合焦パターン５２０を形成するように、また合焦位置５２０から外れた位置では左右にずれるように、第１及び第２のパターン画像５０１及び５０２を投射することができる。そして上記で説明した効果を発揮することができる。なおＤＭＤの具体的な構成は限定されない。

【0081】

その他、第１及び第２の光変調素子として、液晶パネルやＤＭＤ以外のデバイスが用いられてもよい。

【0082】

結像光学系により結像された第１及び第２のパターン画像の位置関係をもとに、当該第１及び第２のパターン画像が投射されている投射面の座標や、基準面からの高さ等が算出されてもよい。そのために顕微鏡に、ＣＰＵやＲＯＭ等からなる算出部が設けられる。

【0083】

例えば、ワークに投射された複数の第１のパターンのうちの基準となる第１の基準パターン画像とこれに対応する第２の基準パターン画像とが、これらが投射される第１の投射面にて合焦パターンを形成しているとする。すなわち第１の投射面の焦点が合っている状態である。この際に、複数の第１のパターン画像のうち、他の第１のパターン画像とこれに対応する他の第２のパターン画像とが、第１の投射面と異なる第２の投射面に投射されているとする。このような状態で、算出部により、第２の投射面に投射されている他の第１及び第２のパターン画像の位置関係をもとに、第１に投射面に対する第２の投射面の高さが算出されてもよい。

【0084】

このことを、図４Ａを例にして説明すると、第１の表面Ｓ１にて合焦パターン４２０を形成する第１及び第２のパターン画像４０１ａ及び４０１ｂは、第１及び第２の基準パターン画像に相当する。そして第２に表面Ｓ２に投射されている第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂが、他の第１及び他の第２のパターン画像に相当する。また第１の表面Ｓ１は第１の投射面に相当し、第２の表面Ｓ２は第２の投射面に相当する。この図４Ａに示す状態において、算出部により、第１及び第２のパターン画像４０１ｂ及び４０２ｂのずれをもとに、第１の表面Ｓ１に対する第２の表面Ｓ２の高さが算出されてもよい。これにより第２の表面Ｓ２の焦点を合わせる手間を省くことができる。

【0085】

検出ユニットに、ワークの色を検出可能なセンサ等が配置されてもよい。そしてワークの色に応じて自動的に第１及び第２のパターン画像の色が設定されてもよい。

【0086】

上記では、本発明に係る光学装置として、顕微鏡を例にあげて説明をした。しかしながら顕微鏡に限られず、結像された被写体の像を用いて観察や測定を行う装置、あるいは被写体の像を撮影し、その撮影画像を用いて測定や観察等を行う種々の光学装置に本発明は適用可能である。そのような装置としては、例えばＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機、ＣＮＣ三次元測定機等が挙げられる。

【0087】

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせること
も可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるもの
ではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

【符号の説明】

【0088】

Ｗ…ワーク
１００…顕微鏡
２５０…ステージ（載置部）
３７０…結像光学系
３７１…合焦位置
４００、５００…フォーカス検出ユニット
４０１、５０１…第１のパターン画像
４０２、５０２…第２のパターン画像
４０５…第１の出射部
４０６…第２の出射部
４０７…投射光学系
４１０、４１２…液晶パネル
４２０…合焦パターン
４２１…第１の中心部
４２２…第２の中心部
４２４…第１の画素
４２５…第２の画素
４２６…第１のパターン画像用画素
４２７…第２のパターン画像用画素
５１０、５１２…デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】