专利名称：显微镜装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种显微镜装置。
背景技术：
有一种显微镜装置是测量显微镜装置。测量显微镜装置具有在光学显微镜观察下进行微细加工物或电子部件等试样的高度测量的功能。也有的测量显微镜装置具有焦点自动检测功能。图12表示这样的测量显微镜装置的一例。
在图12中，被检体21被未图示的照明系统照亮。被照亮的被检体21通过物镜11和成像透镜12成像。通过目镜13可目视观察所成的像。
在物镜11和成像透镜12之间的光路上配置有半透镜17，在通过半透镜17反射的反射光路上配置有焦点检测系统30’。在焦点检测系统30’中，从LED光源(发光二极管光源)31发出的测量光通过分光镜32和聚光透镜33’，并被半透镜17反射而转到观察光路上，然后通过物镜11会聚在被检体21的表面。经被检体21反射后的测量光被物镜11捕捉，并被半透镜17反射而返回焦点检测系统30’，该测量光通过聚光透镜33’聚光，并被分光镜32反射，然后通过分光镜34分成两束光。分成的两束光分别通过配置在与被检体21共轭的P点前后的开口35a、35b，并由光检测器36a、36b检测光量。信号处理部41对来自光检测器36a、36b的信号进行比较，并根据信号的大小关系来判断聚焦状态和焦点偏移的方向，然后控制Z载物台15以不出现焦点偏移。由此来进行对焦。
在该测量显微镜装置中，高度测量在照射于被检体21的测量光的位置即观察视野的中心进行。因此，在测量被检体21的高度之前，一边观察观察像一边通过XY载物台22使被检体21移动，以进行使所希望的测量部位与测量光的照射位置一致的对准作业。在该位置进行对焦，并根据此时Z载物台15的移动量获得高度值。
在难以看到焦点检测系统30’的测量光、或者焦点检测系统30’的测量光由于是不可见光而看不到等难以判断测量部位的状况下，如日本专利公报特开2003-131116号所公开的那样，为了容易目视判断测量部位，还进行在测量光上重叠标识然后照向被检体21的作业。
另外还进行这样的作业利用CCD等摄像元件拾取图像并将图像显示在监视器画面上，在监视器画面上指示测量部位，然后通过电动化的XY载物台移动被检体，使观察视野中心与所指示的测量部位一致以便进行高度测量。
专利文献1日本专利公报特开2003-131116号在现有的测量显微镜装置中，在一边观察被检体像一边通过载物台移动来对准测量部位的方法中，由于在调整时被检体像移动，所以作业人员一边注视运动的像一边进行载物台的位置的对准。因此，测量点的对准作业成为给作业人员强加了负担的麻烦的作业。
电子部件和机械加工部件的结构的微细化在一个视野内要求很多高度测量点。另外测量对象很多情况下具有类似的形状。因此，在像伴随载物台的移动而移动时，也有时会丢失下一个测量对象的位置。这样，结构的微细化使对准作业更加困难。
此外，结构的微细化使得需要高倍观察下进行测量。被检体的实际移动量随之变得微小。因此，使被检体移动的XY载物台需要是能够调节微小量的高精度载物台。其结果为装置变得昂贵。
另外，在监视器画面上指示测量部位的方法中，虽然减轻了作业人员的负担，但是用于拾取图像并进行指示的附加结构很大。另外需要使XY载物台电动化。其结果为装置变得非常昂贵。
发明内容
本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供一种能够容易地进行测量点的对准作业的便宜的显微镜装置。
本发明的显微镜装置包括观察光学系统，其包括配置在被检体附近的物镜；移动单元，其使上述被检体和上述物镜沿着上述观察光学系统的光轴相对移动；焦点检测系统，其通过上述物镜向被检体照射测量光，并且根据经上述被检体反射后的测量光来检测相对于上述被检体的聚焦；和光偏转单元，其使上述测量光对上述被检体的照射位置移动。
根据本发明，提供了一种能够容易地进行测量点的对准作业的便宜的显微镜装置。
图1表示本发明的第一实施方式的测量显微镜装置。
图2表示图1中所示的各个楔形棱镜赋予入射光线的偏角。
图3表示图1中所示的两个楔形棱镜赋予入射光线的偏角。
图4表示沿光轴观察到的来自楔形棱镜的射出光的偏角矢量。
图5表示本发明的第二实施方式的测量显微镜装置。
图6与图4相同，表示来自楔形棱镜的射出光的偏角矢量。
图7表示图5中所示的运算部进行的处理的流程图。
图8表示本发明的第三实施方式的操作机构。
图9是在图8的操作机构中表示另一配置角度的状态的图。
图10是在图8的操作机构中表示又一配置角度的状态的图。
图11表示本发明的第三实施方式的操作机构的变形例。
图12表示具有焦点自动检测功能的测量显微镜装置的现有例。
标号说明10观察光学系统；11物镜；12成像透镜；13目镜；15Z载物台；17半透镜；21被检体；22XY载物台；30焦点检测系统；30’焦点检测系统；31LED光源；32分光镜；33聚光透镜；33’聚光透镜；34分光镜；35a开口；35b开口；36a光检测器；36b光检测器；41信号处理部；42测量部；51楔形棱镜；51a楔形棱镜；51b楔形棱镜；52a旋转机构；52b旋转机构；55中继透镜；61驱动器；62运算部；63输入部；71a带轮；71b带轮；72a带；72b带；73a带轮；73b带轮；74a杆；74b杆；75a杆；75b杆；76旋钮；76a凹部；77圆；81操作杆；82球状部；83接头；84下端部；85上端部。
具体实施例方式
以下参照附图详细说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1表示本发明的第一实施方式的测量显微镜装置。如图1所示，本实施方式的测量显微镜装置具有使被检体21水平移动的XY载物台22、和用于观察被检体21的观察光学系统10。观察光学系统10具有位于被检体21附近的物镜11；与物镜11一起构成成像光学系统的成像透镜12；和用于目视观察通过物镜11和成像透镜12所成的像的目镜13。
测量显微镜装置还具有Z载物台15，其使物镜11沿着观察光学系统10的光轴上下移动以进行对焦；焦点检测系统30，其通过物镜11把测量光照射到被检体21上，并且根据经被检体21反射后的测量光来检测相对于被检体21的聚焦；半透镜17，其使焦点检测系统30和物镜11光学地结合；信号处理部41，其根据焦点检测系统30的检测结果来控制Z载物台15；和测量部42，其测量物镜11通过Z载物台15移动的移动量。
半透镜17位于成像透镜12和物镜11之间，使从焦点检测系统30入射的测量光的方向朝向物镜11，并且使从物镜11入射并经被检体21反射后的测量光的方向朝向焦点检测系统30。
焦点检测系统30具有发出测量光的LED光源31；聚光透镜33，其将从LED光源31发出的测量光的发散光束改变为会聚光束；分光镜32，其将从LED光源31发出的测量光和经被检体21反射后的测量光分离；分光镜34，其使经过了分光镜32并经被检体21反射后的测量光分光；光检测器36a、36b，它们分别配置在通过分光镜34分光后的光路上；和开口35a、35b，它们分别配置在分光镜34与光检测器36a、36b之间的光路上。
分光镜32位于LED光源31和聚光透镜33之间的光路上，其使从LED光源31发出的测量光透过，另一方面反射经被检体21反射后的测量光。分光镜34位于分光镜32的反射光路上，其使经被检体21反射后的测量光的一部分透过、并使一部分反射。开口35a位于聚焦时与被检体21面共轭的P点的前方，开口35b位于聚焦时与被检体21面共轭的P点的后方。光检测器36a检测通过了开口35a的光，光检测器36b检测通过了开口35b的光。
测量显微镜装置还具有两个楔形棱镜51a、51b，它们配置在聚光透镜33与半透镜17之间的光路上；旋转机构52a、52b，它们将楔形棱镜51a、51b分别保持为能够旋转；和中继透镜55，其配置在楔形棱镜51a、51b与半透镜17之间的光路上。
在图1的测量显微镜装置中，被检体21被未图示的照明系统照亮，并通过由物镜11和成像透镜12构成的成像光学系统成像。被检体21所成的像可通过目镜13目视观察。
从LED光源31射出的测量光通过分光镜32、聚光透镜33、楔形棱镜51a、51b和中继透镜55，然后被半透镜17反射，然后通过物镜11聚光并照射到被检体21上。经被检体21反射后的光入射到物镜11，然后被半透镜17反射，并通过中继透镜55、楔形棱镜51a、51b和聚光透镜33，接着被分光镜32反射，然后通过分光镜34被分光。透过了分光镜34的光到达开口35a，通过了开口35a的光入射到光检测器36a。被分光镜34反射后的光到达开口35b，通过了开口35b的光入射到光检测器36b。
光检测器36a、36b分别输出反映了入射光的强度的信号。信号处理部41对光检测器36a、36b的输出信号进行比较，并根据信号的大小关系来判断聚焦状态，然后根据判断结果驱动Z载物台15。具体来讲，在光检测器36a的输出信号小于光检测器36b的输出信号的情况下，信号处理部41以使物镜11远离被检体21的方式驱动Z载物台15，而相反地在光检测器36a的输出信号大于光检测器36b的输出信号的情况下，信号处理部41以使物镜11接近被检体21的方式驱动Z载物台15，在光检测器36a、36b的输出信号不存在差的情况下，则不驱动Z载物台15。
如图2所示，各楔形棱镜51a、51b都是具有微小的顶角φw的棱镜，其对入射光线向厚度的最大增加方向赋予微小的偏角φ0。当该棱镜绕光轴独立旋转时，射出光的轨迹是半顶角为φ0的圆锥形。如图3所示，两个楔形棱镜51a、51b沿着光轴并列排列，当它们绕光轴独立旋转时，在φ0较小的情况下，射出光能够向半顶角为2φ0的圆锥形内的任意方向偏转。
图4用矢量表示沿光轴观察到的来自楔形棱镜51a、51b的射出光的偏角的情况。在图4中，a、b分别表示楔形棱镜51a、51b产生的偏角矢量，c表示两个楔形棱镜51a、51b产生的合成偏角矢量。可知楔形棱镜51a、51b产生的偏角矢量a、b始终具有φ0的大小，作为偏角矢量a、b的和的合成偏角矢量c依赖于楔形棱镜51a、51b的配置角度θa、θb，在最大为2φ0的范围内取任意值。
另外，楔形棱镜51a、51b配置在与物镜11的光瞳位置共轭的位置或该共轭位置附近。因此，射出光的偏角矢量c相当于在光瞳位置的光线角度即被检体21上的平面位置。例如，在楔形棱镜51a的配置角度θa和楔形棱镜51b的配置角度θb错开180度的情况下，射出光的偏角矢量c的大小是0，来自焦点检测系统30的测量光照射到观察视野的中心。因此，观察视野的中心成为高度测量位置。通过改变楔形棱镜51a、51b的配置角度θa、θb，以使偏角矢量c具有大小，由此，来自焦点检测系统30的测量光在被检体21上的照射位置变化，从而使得高度测量位置移动。
此外，在本实施方式中，将楔形棱镜51a、51b的顶角φw设定成使2φ0成为观察视野的最外位置。因此，通过独立地改变楔形棱镜51a、51b的配置角度θa、θb，能够使来自焦点检测系统30的测量光的照射位置在整个观察视野范围内移动。
因此，一边观察被检体21的像，一边操作旋转机构52a、52b以改变楔形棱镜51a、51b的配置角度，由此能够容易地使测量光的照射位置即高度测量位置在观察视野内移动。因此，能够在观察视野内的所希望的部位进行被检体21的高度测量。
在本实施方式的测量显微镜装置中，在进行测量点的对准作业时，被检体21的像不移动，对准作业通过由作业人员操作旋转机构52a、52b以改变焦点检测系统30的测量光在观察视野内的照射位置来进行。因此，作业人员能够在较小的负担下容易地进行对准作业。
根据本实施方式，可通过添加非常简单的结构来获得一种能够容易地进行测量点的对准作业的测量显微镜装置。另外，在高倍观察时也无需进行移动操作，因此不需要高精度的载物台。
<第二实施方式>
图5表示本发明的第二实施方式的测量显微镜装置。在图5中，用与图1中所示的部件相同的参考标号指示的部件表示相同的部件，并省略其详细说明。
在本实施方式中，旋转机构52a、52b能够通过电动使楔形棱镜51a、51b绕光轴旋转。在初始位置楔形棱镜51a、51b的配置角度一致。
从图5中可知，本实施方式的测量显微镜装置在第一实施方式的测量显微镜装置的结构的基础上，还包括驱动器61、运算部62和输入部63。输入部63是用于在观察视野内指示测量位置的指示单元，例如由跟踪球、操纵杆、鼠标等构成。运算部62是根据输入部63的输出来计算出楔形棱镜51a、51b各自的配置角度的单元，其计算出楔形棱镜51a、51b的、使测量光对被检体21的照射位置与由输入部63指示的测量位置一致的配置角度。驱动器61按照由运算部62计算出的配置角度驱动旋转机构52a、52b，使楔形棱镜51a、51b与上述配置角度一致。
在本实施方式中，通过输入部63将观察视野内的测量位置作为指示值(x，y)给出，该指示值被送至运算部62。运算部62计算出楔形棱镜51a、51b的、使焦点检测系统30的测量光的照射位置移动到所输入的测量位置(x，y)的配置角度θa、θb。
参照图6说明从指示值(x，y)向配置角度θa、θb的转换方法。图6与图4相同，表示来自楔形棱镜51a、51b的射出光的偏角矢量。a、b分别表示楔形棱镜51a、51b产生的偏角矢量，c表示两个楔形棱镜51a、51b产生的合成偏角矢量。最外处由|a|+|b|标准化。
在本实施方式中，与第一实施方式相同，将楔形棱镜51a、51b的楔角φw设定成使焦点检测测量点到达由两个楔形棱镜51a、51b生成的最大偏角为2φ0的、观察光学系统10的观察视野的最外位置。
射出光的偏角矢量c的终点是指示值(x，y)，用极坐标表示如下。
L＝(x2+y2)1/2θ＝arctan(y/x)由于偏角矢量a、b的长度相等，所以射出光的旋转角θ与配置角度θa、θb所成的角度Δθ相同。另外，Δθ从图6中可通过几何学求出，配置角度θa、θb表示如下。
Δθ＝arcos(L)...(1)θa＝θ-Δθθb＝θ+Δθ图7表示运算部62进行的处理的流程图。首先对来自输入部63的指示值(x，y)进行取样。将取样得到的指示值(x，y)转换为极坐标，并计算出距离原点的距离L。
在L≠0的情况下，按照式(1)计算出配置角度θa、θb。另外，在L＝0的情况下，配置角度θa和θb相差π的组合无限多而不能确定，所以θa设定为上次的值，θb设定为θa+π。由此由运算部62计算出满足指示值(x，y)的配置角度θa和θb的组合。
计算出的配置角度θa、θb经由驱动器61输出到旋转机构52a、52b。旋转机构52a、52b使楔形棱镜51a、51b的配置角度分别与配置角度θa、θb一致。
反复进行该流程。作业人员仅通过单纯地在观察视野内观察被检体21的像并同时对输入部63进行操作以使测量光移动到测量位置，就使测量光完全跟随指示值(x，y)。
在本实施方式的测量显微镜装置中，在进行测量点的对准作业时，被检体21的像不移动，对准作业通过由作业人员操作输入部63以在观察视野内指示焦点检测系统30的测量光的照射位置来进行。因此，作业人员能够在较小的负担下非常容易地进行对准作业。
根据本实施方式，可通过添加小规模的结构，获得能够非常容易地进行测量点的对准作业的测量显微镜装置。另外，与第一实施方式相同，在高倍观察时也无需进行移动操作，因此不需要高精度的载物台。
<第三实施方式>
本实施方式面向用于操作旋转机构52a、52b的机械式操作机构。该操作机构机械地设定楔形棱镜51a、51b的配置角度。通过楔形棱镜51a、51b进行的测量光的照射位置的移动与第一实施方式相同。
图8～图10表示本发明的第三实施方式的操作机构。在图8～图10中，操作机构具有圆环形状的带轮71a、71b，它们固定于楔形棱镜51a、51b；被可旋转地支承的带轮73a、73b；带72a、72b，它们分别挂在带轮71a、71b与带轮73a、73b之间；杆74a、74b，它们分别固定在带轮73a、73b上；和杆75a、75b，它们分别与杆74a、74b连接。
带轮71a、71b以中心相同的方式配置，带轮73a、73b也以中心相同的方式配置。带轮73a、73b分别具有与带轮71a、71b相同的直径。因此，带轮73a、73b的旋转分别通过带72a、72b在既不放大也不减小的保持原状的情况下传递给带轮71a、71b。
杆74a、74b的端部分别固定在带轮73a、73b上，杆74a、74b能够以带轮73a、73b的旋转中心为中心旋转。即，杆74a、74b能够绕同一中心旋转。杆74a、74b的另一端部分别通过连杆可旋转地连接于杆75a、75b的端部，杆75a、75b的另一端部通过连杆可旋转地相互连接。位于四根杆74a、74b、75a、75b的两端部的旋转轴彼此之间的距离相等。在杆75a、75b彼此之间的连接部设有旋钮76。
四根杆74a、74b、75a、75b构成组装为井状的连杆机构，由此，旋钮76能够在图8～图10所示的圆77的内部的范围内自由移动。带轮73a、73b对应于旋钮76的移动而旋转，带轮73a、73b的旋转分别通过带72a、72b传递给带轮71a、71b。即，带轮73a、73b、带72a、72b和带轮71a、71b构成将杆74a、74b的角度分别传递给旋转机构52a、52b的传递机构。
固定于带轮71a、71b的楔形棱镜51a、51b的楔方向(厚度的最大增加方向)设定为与杆74a、74b平行。并且，楔形棱镜51a、51b的楔方向设定为分别与从杆74a、74b的基端(与带轮73a、73b的固定端)朝向前端(与杆75a、75b的连接端)的方向相同。
在该操作机构中，带轮73a、73b的旋转中心为O点，杆74a和杆75a的连接点为A点，杆74b和杆75b的连接点为B点，杆75a和杆75b的连接点为C点，A点、B点和C点相对于O点的位置分别相当于图4中的偏角矢量a、b、c。即，使旋钮76移动相当于输入合成的偏角矢量c，杆74b和杆75b的方向相当于分解后的偏角矢量a和b。由于杆74a、74b的方向分别设定为与楔形棱镜51a、51b的楔方向相同，所以跟随着旋钮76的移动，楔形棱镜51a、51b被分别设定为产生方向和大小与旋钮76的位置对应的偏角的配置角度θa、θb。
即，在本实施方式的操作机构中，作为旋钮76的可动范围的圆77相当于观察视野，旋钮76在圆77的范围内的位置相当于焦点检测系统30的测量光在观察视野内的照射位置。即，旋钮76作为指示焦点检测系统30的测量光在观察视野内的照射位置的指示部发挥作用。
因此，在应用了本实施方式的操作机构的测量显微镜装置中，在进行测量点的对准作业时，被检体21的像不移动，对准作业通过由作业人员操作旋钮76以指示旋钮76在圆77的范围内的位置来进行。因此，作业人员能够在较小的负担下非常容易地进行对准作业。
图11表示本实施方式的操作机构的变形例。本实施例的操作机构在图8～图10所示的操作机构的基础上具有杠杆部。杠杆部具有能够向任意方向倾斜的操作杆81。操作杆81在中间部分具有球状部82，球状部82可自由旋转地支承于接头83。其结果为，操作杆81能够向任意方向倾斜。另外操作杆81具有球状的下端部84，该下端部84与形成于旋钮76的球状的凹部76a卡合。其结果为，对应于操作杆81的倾斜方向和倾斜角度，旋钮76的位置被调整，从而对焦点检测系统30的测量光在观察视野内的照射位置进行调整。
在该变形例中优选的是，楔形棱镜51a、51b的楔方向可以设定为分别与从杆74a、74b的基端(与带轮73a、73b的固定端)朝向前端(与杆75a、75b的连接端)的方向相反。由此，从上方观察，操作杆81的上端部85的位置和焦点检测系统30的测量光在观察视野内的照射位置相同，从而提高了操作性。
对准作业中的作业人员的手的动作按杠杆比(以球状部82的中心为基准，操作杆81的下侧部分与上侧部分的比)减小传递给旋钮76。因此能够高精度地进行对准作业。
例如在本第三实施方式和变形例中，带轮73a、73b和带轮71a、71b以相同的直径构成，但是带轮71a、71b也可以具有与带轮73a、73b不同的直径。在该情况下，可以对支承点76的可动范围设置限制以使带轮71a、71b的旋转范围为相当于视野的范围。
另外，在第一实施方式至第三实施方式中，楔形棱镜51a、51b的楔角φw设定成使焦点检测测量点到达观察视野的最外位置，但是不限于此，也能够设定成使焦点检测测量点在观察视野的最外位置的内侧，用于在光学系统像差更少的范围内进行高精度测量。
以上参照
了本发明的实施方式，但是本发明不限于这些实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内实施各种变形和变更。
权利要求
1.一种显微镜装置，其包括观察光学系统，其包括配置在被检体附近的物镜；移动单元，其使上述被检体和上述物镜沿着上述观察光学系统的光轴相对移动；焦点检测系统，其通过上述物镜向被检体照射测量光，并且根据经上述被检体反射后的测量光来检测相对于上述被检体的聚焦；和光偏转单元，其使上述测量光对上述被检体的照射位置移动。
2.根据权利要求1所述的显微镜装置，其特征在于，上述显微镜装置还包括控制单元，该控制单元根据上述焦点检测系统的检测结果来控制上述移动单元。
3.根据权利要求1所述的显微镜装置，其特征在于，上述光偏转单元包括至少两个楔形棱镜，它们配置在与上述物镜的光瞳位置共轭的位置或该共轭位置附近；和至少两个旋转机构，它们使上述楔形棱镜分别绕光轴旋转。
4.根据权利要求3所述的显微镜装置，其特征在于，上述光偏转单元还包括指示单元，其用于指示观察视野内的测量位置；和运算单元，其根据指示单元的输出来计算出各个楔形棱镜的配置角度。
5.根据权利要求3所述的显微镜装置，其特征在于，上述光偏转单元还包括用于对上述旋转机构进行操作的机械式操作机构，上述操作机构包括由两根第一杆和两根第二杆构成的连杆机构，上述第一杆可以绕同一中心旋转，上述第一杆的另一端部分别可旋转地与上述第二杆的一端部连接，上述第二杆的另一端部可旋转地相互连接，上述操作机构还具有用于指示观察视野内的测量位置的指示部；和将上述第一杆的角度分别传递给旋转机构的传递机构，上述指示部设置在第二杆之间的连接部上。
全文摘要
本发明提供一种显微镜装置，其能容易地进行测量点的对准作业且价格低廉。显微镜装置具有XY载物台(22)，其使被检体水平移动；观察光学系统(10)，其用于观察被检体；Z载物台(15)，其使观察光学系统的物镜(11)上下移动；焦点检测系统(30)，其通过物镜向被检体照射测量光并检测聚焦；半透镜(17)，其使焦点检测系统和物镜光学地结合；信号处理部(41)，其根据焦点检测系统的检测结果控制Z载物台；和测量部(42)，其测量物镜通过Z载物台移动的移动量。显微镜装置还具有配置在焦点检测系统和半透镜之间的光路上的两个楔形棱镜(51a、51b)；和将楔形棱镜分别保持为能够旋转的旋转机构(52a、52b)。
文档编号G01B9/04GK101021408SQ200710004998
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月14日 优先权日2006年2月15日
发明者山岸毅 申请人:奥林巴斯株式会社