自动聚焦控制单元、电子设备以及自动聚焦控制方法

专利名称：自动聚焦控制单元、电子设备以及自动聚焦控制方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及用于通过定位地调节测试样本和物镜来
自动控制焦点的自动聚焦控制单元和方法。具体:l也，本发明涉及当 为使用而切换多个物镜时能够根据物镜来执行聚焦的自动聚焦控 制单元和方法、以及电子i殳备。
背景技术：
在诸如光学显微镜、深度计等的光学设备领域中，已使用自动 聚焦装置来作为用于自动聚焦到将被检验的测试样本上的装置。
自动聚焦装置的实例包括以下这种装置为进行自动聚焦，激 光束被导向测试样本，从测试样本反射的激光束被检测作为反射激 光束，并基于反射激光束来确定与测试样本的位置关系。该自动聚 焦装置设置有检测反射激光束的光学检测器(例如，光电二极管)。如果上述自动聚焦装置被用在光学显微镜中，则激光束从光源 发出并经由物镜导向测试样本。经由物镜引导的激光束变成测试样 本上的反射激光束，该反射激光束再次经由物镜导向光电才企测器。
反射激光束在光电检测器上形成与在测试样本和物镜之间的 距离相对应的光点。在其上安装有自动聚焦装置的光学显微镜中， 移动物镜，使得反射激光束可以在光电检测器上的预定位置处形成 光点。以这种方式，光学显微镜执行了聚焦。
用于显微镜的焦点检测方法的已知实例包括刀口法、差分光斑
尺寸法、散光法、横向移动法以及傅科(Foucault)法。在这些方 法中，本领域通常^f吏用的是4吏用刀口法的^支术。
刀口法是焦点检测^支术，其使用刀口镜和双分割光4妄收元件 (dual partitioning light-receiving element)来执行自动聚焦。例如， 如

图12所示，在刀口4竟105遮蔽掉约一半的光通量的同时，乂人半 导体二才及管102发射的激光束经由准直透4竟106并经由物销:101导 向测试样本103。从测试样本103反射的激光束通过刀口4竟105的 镜表面反射向双分光接收元件104。在物镜101聚焦在测试样本103 的前表面上的同时，预先放置双分光接收元件104以使相同量的反 射激光束可以^皮导向构成双分光^r收元件104的两个光^:收部。
如果测试 样本103散焦，那么从测试样本103反射的激光束从 双分光接收器104的入射位置偏移。这导致在来自构成双分光4妻收 元件104的两个光4妾收部的输出之间存在偏差。因此，刀口法通过 使测试样本103或物镜101沿光轴方向移动至来自两个光接收部的 输出变为4皮此相等的位置来实现在测试样本103上的聚焦。
顺便提及，近年来，LCD面板、电子设备等已由微小电路图案 形成而基板日益大型化。其制造步骤和检验步骤日益期望能够高速且高4青确度地指定测试目标区域并聚焦在该测试目标区^或上。为了 满足需要，如下已提出在显微镜下的部件检测。提供了放大率互不 相同的多个物镜。当检测用于大型测试样本的对准标记时，使用低 倍率物镜，而当检验测试样本的期望区域时，使用高倍率物镜。即，
根据4全验部的位置或状态来切换所4吏用的物4竟。
然而，在^f吏用刀口法的焦点检测法中，如果切4灸物4竟101而导 致光轴的不对准或色差，那么双分光4妄收元件104的入射位置将如 图13所示偏离。对于每个物镜IOI，这就需要一种装置来将校正值 加到双分光接收元件104的输出上。
提出焦点控制方法作为用于校正色差的技术。在焦点控制方法 中，即使色差校正透镜沿着光轴方向移动并且具有不同色差特性的 物镜用作替换，仍能够校正聚焦误差。这种方法可能需要用于移动 色差校正透镜而不会使光轴不对准的装置，该装置可能需要高精度 的配件。另外，增加的光学部件使其结构扩大，并且提高了焦点枱r 测设备的成本。因此，难以在传统的标准显微镜上安装焦点检测装 备。
参见日本专利公开第Hei 10-161195号和第Hei 11-249027号。

发明内容
期望提供能够通过校正由于切换物镜而导致的光轴不对准和 色差来高速且高精确度地执行聚焦的自动聚焦控制单元、装有该自 动聚焦控制单元的电子设备以及自动聚焦控制方法。
根据本发明的实施例，提供了一种自动聚焦控制单元，其包括 第 一发光元件，用于经由从放大率互不相同的多个物镜中选出的单 个物镜向样本发射激光束；线传感器，具有彼此相邻配置的多个光接收元件，多个光接收元件的一部分接收从样本反射的光；第二发 光元件，用于向多个光接收元件的另一部分发射激光束；狭缝构件， 用于以使线传感器被从第二发光元件发射的激光束照射的区域逐 渐增大的方式横穿线传感器；移动机构，用于沿多个光接收元件的 配置方向相对于反射光的光轴相对地移动线传感器；以及控制器， 用于在所选物4竟聚焦在样本的状态下，与所选物4竟相关联地记录^皮 从第二发光元件发射的激光束照射的多个光接收元件和通过多个 光接收元件接收的光量，并且当再次使用物镜时，基于所记录的值 来控制线传感器的位置。
根据本发明的另 一个实施例，提供了 一种装有自动聚焦控制装 置的电子设备，其包括第一发光元件，用于经由从放大率互不相 同的多个物镜中选出的单个物镜向样本发射激光束；线传感器，具 有彼此相邻配置的多个光接收元件，多个光接收元件的一部分接收 从样本反射的光；第二发光元件，用于向多个光接收元件的另一部 分发射激光束；狭缝构件，用于以使线传感器被从第二发光元件发 射的激光束照射的区域逐渐增大的方式横穿线传感器；移动机构， 用于沿多个光4妄收元件的配置方向相对于反射光的光轴相对地移 动线传感器；以及控制器，用于在所选物镜聚焦在样本的状态下， 与所选物镜相关联地记录被从第二发光元件发射的激光束照射的 多个光接收元件和通过多个光接收元件接收的光量，并且当再次使 用物4竟时，基于所记录的值来控制线传感器的位置。
根据本发明的又一个实施例，提供了 一种自动聚焦控制方法， 其包括以下步骤对于以可选方式i殳置并具有不同》文大率的多个物 镜中的每一个，在从第一发光元件发射的激光束聚焦在样本上的线 传感器的基准位置处，作为基准元件，记录位于线传感器的一端附 近、经受被从样本反射的光照射的多个光4妄收元件以及位于线传感 器的另 一端附近、经由狭缝构件接收从第二发光元件发射的激光束的区域逐渐增大的另外多个光接收元件，并记录通过位于线传感器
的另一端附近的基准元件所接收的光量作为基准信号；与所选物镜 相关联地，基于基准元件和基准信号，将线传感器移动至基准位置； 以及使物镜或样本沿物镜的光轴方向移动，使得可以将由经由所选 物镜导向样本的激光束产生的反射光均等地导向位于移动至基准 位置的线传感器的 一端附近的基准元件。
根据本发明的实施例，由于线传感器预先移动至与所选物镜相 关联的基准位置，所以可以执行快速聚焦，而不会使物镜的焦点在 样本上产生大的偏离。
附图i兌明
图1是示出显微镜的结构的示意图2是示出自动聚焦控制单元的实施例的截面图3是示出自动聚焦控制单元的基本结构的示意图4示出了光电4企测部；
图5是示出通过线传感器检测到的接收光量；
图6A、图6B和图6C示出了在切:换物4竟而导致光轴未对准的 状态下的自动聚焦控制单元，图6A示出了在线传感器上向右偏离 的光轴，图6B示出了在线传感器上没有偏离的光轴，以及图6C示 出了在线传感器上向左偏离的光轴；
图7A和图7B是示出通过基准元件检测到的接收反射激光束 的量的曲线图；图8示出了通过刀口镜遮蔽一半多点的发射激光束的自动聚焦 控制单元；
图9是示出配置有一对柱面透镜的自动聚焦控制单元的结构的 示意图10是示出配置有单个柱面透镜的自动聚焦控制单元的结构 的示意图11示出了在配置有单个柱面透镜的自动聚焦控制单元中的 光电4企测部；
图12是示出传统的聚焦控制单元的示意图；以及 图13是示出具有切:换物4竟的传统聚焦控制单元的示意图；
具体实施例方式
下文，将参考附图给出应用根据本发明实施例的自动聚焦控制 单元、电子设备以及自动聚焦控制方法的显微镜l的具体描述。
参考图1,显微镜l包括物镜单元IO，设置有放大率互不相 同的多个物镜2;图像拾取单元11,用于接收由于导向测试样本3 并从测试样本3反射的激光束产生的反射光，并设置有图像拾取元 件4;以及照明单元12,用于用通过物镜2的照明光来照射物镜2。 物镜单元10还包括自动聚焦控制单元13，用于检测物镜2相对 于测试样本3的焦点；驱动单元14，用于根据检测结果改变在物镜 单元10和放置测试样本3的镜台(stage)之间的距离；以及控制 器15，用于根据自动聚焦控制单元13的检测结果驱动驱动单元14。这种显孩t4竟1可以通过转动物4竟单元10来与测试样本3或才企 验部相关联地可切换地使用放大率互不相同的物镜2。另外，显微 镜1可以使自动聚焦控制单元13根据所切换的物镜2来执行聚焦检测。
如图l所示，物镜单元10包括多个物镜2a、 2b等；旋转器 20,附接有物镜2;旋转器支撑部21，用于可转动地支撑旋转器20; 以及未示出的4企测部，用于才企测形成在S走转器20中的附，接孔中的 哪一个接收与其附接的物镜2。旋转器20形成在具有用于接收附接 至其的物镜2的多个附接孔的外表面上。具体地，放大率互不相同 的多个物镜2a、 2b等附接至附接孔。旋转器支撑部21支撑旋转器 20以使物镜2可以在显微镜1的光路上移动。另外，旋转器支撑部 21结合了用于使旋转器20转动的旋转电机机构。此外，旋转器支 撑部21连4妄至照明单元12并与4区动单元14附4妄。
这种物镜单元10被支撑处于通过自动或手动转动旋转器20使 单个物镜2的光轴与显微镜1的光路对准的状态。在这种情况下， 物镜单元10为使所选择的物镜2与镜台相对，从而可以以期望的 放大率来检验置于镜台上的测试样本3。
图傳^合取单元11与物4竟单元10相对i殳置，并构成其光路偏离 下文所述的照明单元12和自动聚焦控制单元13的观测光学系统。 另外，图像拾取单元ll包括结合了聚光透镜组的透镜镜筒部25; 以及结合了诸如CCD等的图像拾取元件27的相机部26。图像拾取 单元11为4吏相才几部26生成测试才羊本3的3见频4言号并爿寻其发送至未 示出的监控器。
照明单元12乂人照明光源30向测试样本3发射期望量的光来用 于照明，从而图像拾取单元11可以对其进行4企验。照明单元12包括被设置在透镇:4竟筒31中的相同光轴上的第一透4竟32、孔径光阑 33、第二透4竟34和照明4竟35。
在照明单元12中，从照明光源30发射的光通过第一透镜32 被会聚并经由孔径光阑33被导向第二透镜34。使导向第二透镜34 的光具有预定的光点直径，；故照明4竟35反射向物4竟单元IO并导向 测试样本3。
接下来，将参考图2和图3描述自动聚焦控制单元13。图2 示出了自动聚焦控制单元13的实施例以及图3是示出自动聚焦控 制单元13的结构的示意图。参考图2和图3，自动聚焦控制单元 13包括照射部40和光电检测部41,其中，照射部40用于发射用 于聚焦控制的发射激光束Ll，光电4企测部41用于检测由于从照射
射的反射激光束L2。
照射部40包括第一发光元件42，用于发出发射激光束L1; 刀口镜43,用于至少遮蔽从第一发光元件42发射的激光束Ll的一 部分；准直透4竟44,用于转换从第一发光元件42发射的激光束L1 的发散角以使发射激光束L1变为平行光；以及分色镜45，用于将 通过准直透4竟44的发射激光束L1射向物4竟单元10。
例如，第一发光元件42使用半导体激光二极管。刀口镜43是 使其口部i殳置在从第 一发光元件42发射的激光束Ll和/人测试样本 3反射的激光束L2的光轴上。在刀口4竟43中，形成与第一发光元 件42相对的平面作为遮蔽平面，该遮蔽平面防止激光束的透射并 且遮蔽了约55。/o的发射激光束Ll。另外，在刀口4竟43中，形成在 与第一发光元件42相对的遮蔽表面相对一侧上的平面作为镜表面，分色4竟45 ^f吏通过准直透4竟44变为平4于光的发射激光束Ll反 射向物4竟单元10。另外，分色4竟45 4吏/人测试才羊本3反射的激光束 L2反射向刀口镜43并使其透射向图像拾取单元11。
用于检测被刀口镜43反射的激光束L2的光电检测部41包括 线传感器47，其中配置有多个光4妻收元件；滑动才几构48，用于偵: 线传感器47沿光接收元件的配置方向滑动；第二发光元件49,用 于将LED光导向形成在线传感器47中的光4妄收元件的一部分；以 及狭缝构件(裂缝构件)50，用于限制线传感器47被从第二发光 元件49发射的LED光所照射的区域。
线传感器47由通常矩形排列的多个光4妄收元件构成，并才企测 入射到每个光接收元件上的光量。基于通过线传感器47的预定光 接收元件接收的光量，控制器15生成聚焦误差信号并驱动用于聚 焦控制的驱动单元14。另外，与物4竟2相关联地记录经由狭缝构件 50引导了 LED光的预定光接收元件的光量。每当切换物镜2时， 基于预定的光4妄收元件和与所切换物4竟2相关联地记录的接收光 量，通过滑动机构48使线传感器47滑动至预定位置。
例如，如图2所示，这种线传感器47形成在滑块51上以可沿 与反射激光束L2的光轴垂直的箭头S的方向以及沿其相反方向滑 动。滑块51由构成光电检测部41的一部分的壳体可滑动;也支撑， 并常常通过与其滑动方向一端4氏4妄的弹簧52沿箭头S的方向^皮施 力。另外，滑块51由沿弹簧52的施力方向定位的4氐接部53形成。 滑动机构48的杠杆55与抵接部53抵接。通过摆动杠杆55使滑动 滑块51沿箭头S的方向及其其相反方向滑动。
用于4吏线传感器47滑动的滑动才几构48包4舌例如图2所示的压 电致动器54和杠杆55。压电致动器54接收允许控制器15使线传 感器47与物镜2相关联地滑动所必需的电压。杠杆55通过光电检观'J部41的壳体可转动地支撑，并具有与压电致动器54才氐4妻的一端 和与滑块51的抵接部53抵接的另 一端。杠杆55经由抵接部53接 收弹簧52的偏置力，以时常沿图2的箭头R的方向可转动地3皮施力。
在上述滑动才几构48中，如果伸展压电致动器54，则杠杆55 对抗弹簧52的偏置力而沿箭头R的反方向转动，以4吏滑块51沿箭 头S的反方向滑动。另外，如果收缩压电致动器54，则滑块51受 到弹簧52的偏置力而将沿箭头S的方向滑动并沿箭头R的方向转 动。因此，滑动4几构48〗吏线传感器47沿与反射激光束L2的光轴 垂直的方向滑动至使反射激光束L2与物镜2相关联地导向线传感 器的预定光接收元件的基准位置。
光电检测部41包括用于向线传感器47的光接收元件发射LED 光的第二发光元件49和用于限制用从第二发光元件49发射的LED 光所照射的区域的狭缝构件50。另外，第二发光元件49和狭缝构 件50与线传感器47相对。例如，第二发光元件49 4吏用发光二招_ 管。如图4所示，狭缝构件50由用于使从第二发光元件49发射的 LED光导向多个光"l妄收元件的开口部57形成。这些光4妾收元件i殳 置在与由从测试样本3反射的激光束L2净皮导向其的光接收元件形 成的线4专感器47的一端47a相对侧的另一端47b上。
开口部57由倾杀牛侧57a形成，该倾4斗侧用于沿配置方向顺序 且逐渐地增大接近另一端47b配置的光接收元件的照射区域。倾斜 侧57a倾#|"地4黄切*接近另 一端47b配置的至少三个光4妻收元件。以 这种方式，经由开口部57与第二发光元件49相对的线传感器47 的光接收元件沿配置方向^皮LED光照射的区域增多，乂人而4佥测到 的光量阶梯式增加。光电4企测部41可基于预定光4妄收元件和导向 预定光4妄收元件的光量来确定线传感器47相对于狭缝构件50的位置，其中，LED光经由狭缝构件50从第二发光元件49导向预定光
接收元件。
对于i殳置在物4竟单元10中的每个物一镜2，自动聚焦控制单元 13使发射激光束L1能够被聚焦到测试样本3上。这设置了使从测 试样本3反射的激光束L2等量地(equally in quantity )导向4妄近线 传感器47的一端47a配置的预定光接收元件的基准位置。在该基 准位置处，自动聚焦控制单元13记录(register)预定的光接收元 件作为基准元件，其中，预定光接收元件接近线传感器47的另一 端47b配置并且LED光被从第二发光元件49导向预定光接收元件。 另夕卜，自动聚焦控制单元13记录从第二发光元件49导向预定光4妻 收元件的光量作为基准电压。
如果切换物镜2,则自动聚焦控制单元13基于所记录的基准元 件和基准信号来确定与因此切换的物镜2相关联的线传感器47的 基准位置。通过由滑动才几构48的滑动4吏线传感器47自动移动到基 准位置，直到基准元件提供基准信号的电压电平。
更具体地，自动聚焦控制单元13使发射激光束L1能够经由一 个物4竟2聚焦在测试才羊本3上，并确定4妄近线传感器47的一端47a 配置的两个光接收元件n、 n+l均等地接收从测试样本3反射的激 光束L2的位置作为基准位置。对设置在物镜单元10中的每个物镜 2a、 2b等来确定这种基准位置(图4)。如图5所示，在每个基准 位置处，物镜2a、 2b等均聚焦在测试样本3上，两个光接收元件n、 n+l均等地接收导向其的反射激光束L2,以使电压电平Vn、 Vn+1 4皮jt匕相等。
自动聚焦控制单元13在每个相关联的基准位置处均设置配置 在线传感器47的另一端47b的多个光接收元件s、 s+l、 s+2等，以 接收第二发光元件49经由狭缝构件50的开口部57导向其的LED光和分别对应于通过光4妻收元件s、 s+l、 s+2等所*接收的光量的电 压电平Vs、 Vs+1、 Vs+2等。在这种情况下，光4妻收元件s、 s+l、 s+2等阶梯式地增多以分别提供光接收量Vs、 Vs+1、 Vs+2等。
当选择物镜单元10的物镜2a时，自动聚焦控制单元13记录
件数和获得阶梯信号的光接收元件s、 s+l、 s+2等的元件数，作为 与物镜2a相关联的基准元件。另外，自动聚焦控制单元13记录在 光才妄收元件s、 s+l、 s+2等中分别才企测到的阶梯电压电平Vs、 Vs+1、 Vs+2等，作为与物镜2a相关联的基准信号。
如下执行这些基准元件和基准信号的记录。操作者对每个物镜 2执行在测试样本上的聚焦，在实现聚焦的同时确定基准元件和基 准信号，并将它们记录在设置在控制器(未示出)中的存储器内。 接下来，如果选4奪了同一个物4竟2a并且在测试样本3上执行聚焦， 则自动聚焦控制单元13使滑动机构48滑动线传感器47,直到预先 与物镜2a相关联地记录的基准元件s、 s+l、 s+2等分别确定基准信 号Vs、 Vs+1、 Vs+2等。因此，自动聚焦控制单元13 4吏线传感器 47连续地保持在与物镜2a相关联的基准位置处。
类似地，自动聚焦控制单元13记录关于物4竟2b和其他物4竟的 基准元件和基准信号。对于每个物镜2，基准元件和基准信号的电 压电平可以互不坤目同或坤目同。
如果将物4竟2a切换至物4竟2b以导致光轴如图6A和图6C所 示不对准，则反射激光束L2^皮导向偏离光4妾收元件n、n+l的位置， 其中，光4妄收元件n、n+l为与所切换的物4竟2b相关联的基准元件。 在这种情况下，线传感器47通过滑动才几构48沿光4妾收元件的配置 方向滑动，从而两个基准元件n、 n+l可以均等地接收反射激光束 L2。以这种方式，执行了线传感器的自动位置调节。在图6B所示的物镜2b聚焦在测试样本3上的基准位置处，记 录乂人测试样本3反射的激光束L2纟皮均等地向其引导的光4妄收元件 n、 n+l和LED光被从第二发光元件49向其引导的多个光接收元件 s、 s+l、 s+2等的元件数，作为与物镜2b相关联的基准元件。另夕卜， 记录分别通过光"f妄收元件s、 s+l、 s+2等4企测到的信号Vs、 Vs+1、 Vs+2等，作为与物镜2b相关联的基准信号。
如果接下来选择物4竟2b并聚焦在测试样本3上，则自动聚焦 控制单元13使滑动机构48滑动线传感器47，直到预先与物镜2b 相关联地记录的基准元件s、 s+l、 s+2等分别测量到基准信号Vs、 Vs+1、 Vs+2等。以这种方式，线传感器47连续地保持在与物镜2b
相关联的基准位置处。
因此，即使切换物镜2而导致光轴不对准或色差，自动聚焦控 制单元13仍可以4吏线传感器47自动滑动至已预先4交正这种光轴不 对准或色差的基准位置处。这可以高速且高精确度地执行聚焦。
在自动聚焦控制单元13使线传感器47保持在与所选物镜2相 关联的基准位置处的同时，显微镜1使驱动单元14沿聚焦方向(即， 沿用于自动聚焦的物镜2的光轴方向)移动其上》文置有测试样本3 的镜台或者物镜单元10，从而可以将从测试样本3反射的激光束 L2等量地导向基准元件n、 n+l。
通过监控通过基准元件n、 n+l所4妄收的反射激光束L2的量、 产生聚焦伺服信号并将聚焦伺服信号反^t贵至驱动单元14的控制器 15来执行上述的自动聚焦。具体地，如图7A所示，线传感器47 才企测导向基准元件n、 n+l的每一个的光量或光级。如图7B所示， 通过线传感器47，控制器15通过从基准元件n的信号中减去基准 元件n+l的信号来获得一个差。基于作为如图中所示S曲线获得的 所谓的聚焦误差信号，控制器15驱动物镜2。如图5所示，自动聚焦控如J单元13 4吏驱动单元14沿物4竟2的 光轴方向驱动物4竟单元10，从而在物4竟2和测试冲羊本3之间的距离 可以等于焦距并且导向光接收元件n、 n+l的光量可以变成彼此相 等。换句话说，控制器15控制驱动单元14,从而物4竟单元10停止 在由图7B中的符号JF所指出的点(零交叉点)处，在该点，在由 光4妄收元件n、 n+l ，接收的光量之间的差值表示等于零的值。
如果在由光接收元件n、 n+l接收的光量之间的差值为正，则 确定焦点在正确焦点JF之上。在这种'清况下，对准正确焦点JF而 向下移动物镜单元IO。另一方面，如果由光接收元件n、 n+l接收 的光量之间的差^f直为负，则确定焦点在正确焦点JF之下。在这种 '清况下，7于准正确的焦点JF向上移动物4竟单元10。
在这种情况下，由于已通过自动聚焦控制单元13将线传感器 47移动至与预先选择的物镜2相关联的基准位置处，所以显微镜1 可以执行在测试样本3上的快速聚焦，而不会极大地偏离物镜2的焦点。
如上所述，在照明单元12将照明光照到测试样本3上的同时， 已通过自动聚焦控制单元13经历聚焦的显微镜1使用这种光并且 使图像拾取单元5拾取测试样本3的图像。
接下来，将使用上述的自动聚焦控制单元13给出对测试样本3 的检验步骤的描述。首先，当对于设置在物镜单元10中的物镜2a、 2b等中的每个在测试样本3上执行聚焦时，设置反射激光束L2被 均等地导向设置接近线传感器47的一端47a设置的多个光接收元 件的基准位置。自动聚焦控制单元13将多个光4矣收元件n、 n+l和 多个光接收元件s、 s+l、 s+2等记录在内嵌的存储器中，作为与所 选物镜相关联的基准元件。这里，多个光接收元件n、 n+l相对于 基准位置接近线传感器47的一端47a设置，以接收相同量的反射激光束L2。多个光接收元件s、 s+l、 s+2等接近线传感器47的另 一端47b设置，并且为通过狭缝构件50逐渐增大从第二发光元件 49发射的LED光的照射区域。另外，自动聚焦控制单元13检测通 过基准元件s、 s+l、 s+2等接收的光量，并将与其相关的电压电平 作为基准信号记录在内嵌的存储器中。
在记录基准元件和基准信号的这个步骤中，当通过操作者驱动 物镜单元10以聚焦在用于实现聚焦的测试样本3上时，反射激光 束L2 ^皮等量地导入光4妾收元件n、 n+l的位置^皮i殳为线传感器47 的基准位置。另夕卜，记录与基准位置相关联的光接收元件n、 n+l 和用于*接收第二发光元件49的LED光的光4妄收元件s、 s+l、 s+2 等作为基准元件。此外，通过基准元件s、 s+l、 s+2等4矣收的光量 作为基准信号被记录在内嵌的存储器中。
自动聚焦控制单元13根据线传感器47关于设置在物镜单元10 中的物镜2a、 2b等中的每个的基准位置来设置基准元件和基准信 号，然后，对测试样本3进行检验。通过在物镜2之间进行切换来 4吏用显孩"竟1。具体地，如果测试样本3具有大尺寸，则在4企测对 准标记中选择低倍率物镜2，而在观测测试样本3的特定位置中选 才爭高倍率物4竟2。
自动聚焦控制单元13基于与所切换的物镜2相关联地预先设 置的基准元件和基准信号来使线传感器47滑动至基准位置。因此， 即使由于物镜2的切换而导致出现光轴不对准或色差，自动聚焦控 制单元13仍能够快速且可靠地执行自动聚焦。
通过滑动机构48将线传感器47滑动至基准位置，滑动机构使 滑块51沿箭头S的方向或其相反方向滑动，从而基准元件s、 s+l、 s+2等可以具有基准信号的对应电压电平。以这种方式，线传感器47沿与反射激光束L2的光轴方向垂直的光4妻收元件的配置方向滑 动，从而将反射激光束L2导向两个基准元件n、 n+l。
接下来，驱动单元14驱动物镜单元10，从而将相同量的反射 激光束L2导向基准元件n、 n+l。在显微镜1中，通过自动聚焦控 制单元13来检测由基准元件n、 n+l接收的光量，并基于检测值， 控制器15生成聚焦误差信号。基于聚焦误差信号，显微镜1使驱 动单元14沿聚焦方向(即，沿光轴方向)移动物4竟单元10。移动 物镜单元10直到通过基准元件n、n+l所接收的光量变得彼此相等， 从而显微镜l完成了在测试样本3上的聚焦。
此后，与上述类似，如果已切换物4竟2，则显孩"竟l-使线传感 器47滑动至基准位置并且使物镜单元10向上或向下移动，直到通 过基准元件n、 n+l所4妾收的光量变得;波此相等。
顺便才是及，还有在跟踪才喿作期间(其中，物4竟单元10相对于 测试样本3移动以改变4全-睑点或沿着这些4企-验点移动)，自动聚焦 控制单元13保持聚焦，从而可以快速执行在移动之后或期间的测 量和检验。在跟踪操作期间，自动聚焦控制单元13监控与所选物 镜2相关联地预先记录的基准元件s、 s+l、 s+2等的基准信号的电 压，使线传感器47滑动以消除关于这种基准信号的差，从而保持 基准位置。在保持基准位置的同时，自动聚焦控制单元13使驱动 单元14沿物镜2的光轴方向移动物镜单元10，使得基准元件n、 n+l可以均等地接收从正在被跟踪的测试样本3反射的激光束L2。 因此，即4吏在跟踪操作期间，自动聚焦控制单元13也可以自动4丸 行聚焦。
顺便提及，形成狭缝构件50的开口部57和倾斜侧57a，从而 第二发光元件49的LED光可以;波导向接近线传感器47的另一端 47b配置的五个或五个以上的光4矣收元4牛。选择由于4非除在两侧上的光4妻收元件而得到的三个光4妄收元件(例如，三个中间的光4妻收
元件)，作为用于检测基准信号的光接收元件s、 s+l、 s+2。另外， 记录通过如此选择的三个光接收元件分别检测到的信号Vs、 Vs+1、 Vs+2作为基准信号。以这种方式，即使导向狭缝构件50的开口部 57的口部的光出现量的变化，仍可以稳定地检测基准信号，从而可 以将线传感器47可靠地移动至基准位置。
狭缝构件50为开口部57 ^皮打开得比4妄近线传感器47的另一 端47b的光4妄收元件更大。具体地，如图4所示，4妻近线传感器47 的另一端47b的光接收元件在其整个表面上都与第二发光元件49 相对，以通过在其整个表面上接收LED光。与导向其的光量逐渐 增多的光接收元件邻近地设置经历整个表面照射的多个光接收元 件。因此，可以确认导向第二发光元件49的LED光通过测量导向 经历整个表面照射的光接收元件的光量来设置预定倍率。
上述的狭缝构件50为在使用如下的线传感器47的情况下将开 口部57的倾斜侧57a设置为具有35°角。线传感器47的光接收元 件均形成为具有200 jam的纟从向长度和54.5 ^im的宽度并具有9 jam 的间距。另夕卜，光接收元件从一端47a至另 一端47b具有元件数1 ~ 128。
参考图8，设置在自动聚焦控制单元13中的刀口镜43用于遮 蔽从第一发光元件42发射的激光束L1的一半多点(约55%)而将 约45。/。的发射激光束L1导向准直透镜44。这是由于以下原因。如 果通过作为光路分离构件的刀口镜43遮蔽一半的光通量，则物镜2 可能经过切换会引起光轴不对准。在这种情况下，从测试样本3反 射的激光束L2有时可能进入使用半导体激光二极管的第一发光元 件42。如果反射激光束L2进入第一发光元件42，则^f吏发射激光束 Ll产生谐振，这使得激光功率不稳定，结果是很可能会对自动聚焦 产生不利影响。因此，自动聚焦控制单元13使刀口镜43 (光路分离构件)遮 蔽一半多点(约55%)的光通量而将约45%没有遮蔽的发射激光束 Ll导入准直透4竟44。以这种方式，即^f吏出现光轴不对准，自动聚 焦控制单元13仍可以防止从测试样本3反射的激光束L2进入第一 发光元件42。因此，可以高精确度且可靠地^M亍自动聚焦。
参考图9，自动聚焦控制单元13可以包括作为光学器件的一对 柱面透镜60、 61,柱面透镜具有沿垂直方向互不相同的折射力并且 位于从第一发光元件42发射的激光束L1的光路上。通过4吏用柱面 透镜60、 61,自动聚焦控制单元13可以使导向测试样本3的激光 束L1成形为大体的椭圆形，以最小化测试样本3的边缘不均匀的 影响。
更具体地，如果将发射激光束L1导向测试样本3(例如，导向 在前表面上形成有不均匀边缘的半导体晶片)，发射激光束L1通过 由图案形成产生的不均匀边缘而被散射，使得反射激光束L2的量 不足。因此，被线传感器47接收的反射LED光L2的量不足，其 很可能会对聚焦的精确度产生不利影响。因此，自动聚焦控制单元 13通过4吏用柱面透4竟60、 61产生椭圆形的激光束并将其导向测试 样本3。因此，可以使由于不均匀边缘而产生的散射的影响最小化。
如图9所示，在自动聚焦控制单元13中，柱面透镜60设置在 第一发光元件42和刀口镜43之间，而4主面透4竟61 i殳置在刀口镇: 43的4竟面和线传感器47之间。
柱面透4竟60 4吏从第 一发光元件42发射的激光束L1产生散光， 从而使其从圆形的光点成形为椭圆形。像延长孔一样变形的发射激 光束Ll被刀口镜43遮蔽掉一半多点(55%),剩余的被导向准直 透镜44。此后，如前所述，发射激光束L1被分色镜45反射向物镜单元10然后导向测试样本3。在这种情况下，通过柱面透镜60使 导向测试样本3的发射激光束L1成形为椭圆形。
从测试样本3反射的激光束L2穿过分色镜45导向构成观测光 学系统的一部分的图像拾取单元11，并且还从分色镜45和刀口镜 43的镜面反射而被导向柱面透镜61。反射激光束L2被再次导向柱 面透4竟，以/人椭圆形变形成圆形光点，然后^皮线传感器47 4妻收。 如上所述，自动聚焦控制单元13检测导向线传感器47的基准元件 n、 n+l的反射激光束L2的量。控制器15控制驱动单元14，从而 可以使导向基准元件n、 n+l的反射激光束L2的量彼此相等。即， 驱动单元14使物镜单元10或放置有测试样本3的镜台沿光轴方向 移动，用于进行自动聚焦。
顺侵j是及，自动聚焦控制单元13可以为单独i殳置柱面透4竟62 或者将柱面透镜62如图10所示设置在刀口镜43和准直透镜44之 间。在这种情况下，导向线传感器47的基准元件n、 n+l的反射激 光束L2聚焦成椭圆形，其具有与图11所示的光接收元件的配置方 向垂直的纵向。同样在这种情况下，反射激光束L2的量是足够的， 只要不是将反射激光束导向线传感器47的光接收元件的外部。控 制器15控制驱动单元14， 乂人而导向基准元件n、 n+l的反射激光束 L2的量可以4皮此相等。即，驱动单元141吏物4竟单元IO或力文置有测 试样本的镜台沿光轴方向移动，用于进行自动聚焦。
顺便提及，根据本发明实施例的自动聚焦控制单元和方法的应 用并不限于光学显微镜。例如，它们可以被应用于诸如深度计的光 学电子装备和激光处理机的自动聚焦控制单元。
另外，可以通过内置在诸如此前使用的常规显微镜的电子设备 中来使用根据本发明实施例的自动聚焦控制单元。用于滑动线传感器47的滑动才凡构48并不限于〗吏用压电致动器 的结构，而是可以应用于用于^f吏线传感器47沿光4妻收元件的配置 方向滑动的4壬意才几构。
本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有 多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或 等同物的范围之内。
权利要求
1.一种自动聚焦控制单元，包括第一发光元件，用于经由从放大率互不相同的多个物镜中选出的单个物镜向样本发射激光束；线传感器，具有彼此相邻配置的多个光接收元件，所述多个光接收元件的一部分接收从所述样本反射的光；第二发光元件，用于向所述多个光接收元件的另一部分发射激光束；狭缝构件，用于以使所述线传感器被从所述第二发光元件发射的所述激光束照射的区域逐渐增大的方式横穿所述线传感器；移动机构，用于沿所述多个光接收元件的配置方向相对于反射光的光轴相对地移动所述线传感器；以及控制器，用于在所选物镜聚焦在所述样本的状态下，与所选物镜相关联地记录被从所述第二发光元件发射的所述激光束照射的所述多个光接收元件和通过所述多个光接收元件接收的光量，并且当再次使用所述物镜时，基于所记录的值来控制所述线传感器的位置。
2. 根据权利要求1所述的自动聚焦控制单元，其中，在所述物镜 聚焦在所述样本的状态下，反射光被均等地导向所述线传感器 中两个相邻的光4妄收元件。
3. 根据权利要求1所述的自动聚焦控制单元，其中，对于放大率 互不相同的多个物镜中的每一个，所述控制器记录在所述样本 经历聚焦的状态下被经由所述狭缝构件从所述第二发光元件发射的所述激光束照射的所述多个光接收元件以及通过所述 多个光接收元件接收的光量，并且当切换所述物镜时，基于与 每个物镜相关联的记录值来控制所述线传感器相对于所述狭 缝构件的位置。
4. 根据权利要求1所述的自动聚焦控制单元，其中，在所述第一 发光元件和所述物4竟之间设置刀口4竟。
5. 根据权利要求4所述的自动聚焦控制单元，其中，在所选的单 个物镜聚焦在所述样本的状态下，所述控制器记录接收从所述 样本反射的相同光量的两个相邻的光接收元件，并且当再次使 用所述物镜时，沿所述物镜的光轴方向移动所述物镜或所述样 本，以使反射光可以被均等地导向所检测的多个光接收元件。
6. 根据权利要求4所述的自动聚焦控制单元，其中，所述刀口镜 遮蔽/人所述第一发光元件发射的约55%的激光束。
7. 根据权利要求1所述的自动聚焦控制单元，其中，所述狭缝构 件相对于所述线传感器的所述光接收元件的配置方向具有约 35。的倾斜度。
8. 根据权利要求1所述的自动聚焦控制单元，其中，在所述第一 发光元件和所述样本之间的光路上i殳置柱面透4竟。
9. 一种装配有自动聚焦控制装置的电子设备，包括 第一发光元件，用于经由乂人;改大率互不相同的多个物賴: 中选出的单个物4竟向样本发射激光束；线传感器，具有4皮此相邻配置的多个光4妄收元件，所述 多个光接收元件的一部分接收从所述样本反射的光；第二发光元件，用于向所述多个光接收元件的另一部分发射激光束；狭缝构件，用于以使所述线传感器被从所述第二发光元 件发射的所述激光束照射的区域逐渐增大的方式横穿所述线 传感器；移动4几构，用于沿所述多个光冲妄收元件的配置方向相对 于反射光的光轴相对地移动所述线传感器；以及控制器，用于在所选物镜聚焦在所述样本的状态下，与 所选物镜相关写关地记录^皮,人所述第二发光元件发射的所述激 光束照射的所述多个光接收元件和通过所述多个光接收元件 接收的光量，并且当再次使用所述物镜时，基于所记录的值来 控制所述线传感器的位置。
10. —种自动聚焦控制方法，包^r以下步骤对于以可选方式i殳置并具有不同》文大率的多个物4竟中的 每一个，在从第一发光元件发射的激光束聚焦在样本上的线传 感器的基准位置处，作为基准元件，记录位于所述线传感器的 一端附近、经受被从所述样本反射的光照射的多个光接收元件 以及位于所述线传感器的另 一 端附近、经由狭缝构件接收从第 二发光元件发射的激光束的区域逐渐增大的另外多个光接收 元件，并记录通过位于所述线传感器的另一端附近的基准元件 所接收的光量作为基准信号；与所选物镜相关联地，基于所述基准元件和所述基准信 号，将所述线传感器移动至所述基准位置；以及使所述物镜或所述样本沿所述物镜的光轴方向移动，使 得可以将由经由所述所选物4竟导向所述样本的所述激光束产 生的反射光均等地导向位于移动至所述基准位置的所述线传 感器的所述一端附近的基准元件。
全文摘要
本发明披露了自动聚焦控制单元、电子设备以及自动聚焦控制方法，其中，该自动聚焦控制单元包括第一发光元件；线传感器；第二发光元件；狭缝构件；移动机构；以及控制器。通过本发明，可以执行快速聚焦，而不会使物镜的焦点在样本上产生大的偏离。
文档编号G02B21/24GK101556373SQ20091013442
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月10日 优先权日2008年4月11日
发明者佐藤英树, 星光男, 松木康记, 武山宅寿, 菊地清幸 申请人:索尼株式会社