JP2003140034A - 焦点検出装置及びそれを備えた光学顕微鏡又は光学検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低倍から高倍までの対物レンズに適合し、且
つ、高倍対物レンズでのＡＦ捕捉範囲を広くすることが
可能な焦点検出装置及びそれを備えた光学顕微鏡又は光
学検査装置を提供する。 【解決手段】入射した光束を集光する集光光学系８’
と、光軸と交差する１つの境界線を隔てて設けられた２
つの受光部Ａ，Ｂを備える光検出器を備え、前記集光光
学系及び前記光検出器が、光分割部材を介して分割され
た光路に配置され、前記光検出器が前記集光光学系の集
光位置に配置される焦点検出装置であって、集光光学系
８’が、２つの受光部Ａ，Ｂの境界線Ｘ−Ｙ方向におけ
る焦点距離と、境界線Ｘ−Ｙに対し垂直な方向における
焦点距離とが異なり、かつ、境界線Ｘ−Ｙ方向の結像位
置と、境界線Ｘ−Ｙに対し垂直な方向の結像位置とがほ
ぼ一致するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系を介して対
象物の観察、測定又は検査を行う光学装置に用いられる
焦点検出装置及びそれを備えた光学顕微鏡又は光学検査
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学系を介して対象物の観察、測定又は
検査を行う光学装置として、例えば光学顕微鏡がある。
このような装置において、観察、測定又は検査を行う者
（観察者）は、対象物の像を鮮明に観察できるようにす
るために、対物レンズと対象物の間隔を調整して焦点合
わせをする必要がある。多くの場合、この間隔調整は、
ステージを上下に移動させることによって行なわれる。
その際、対物レンズの倍率が高い場合は焦点深度が浅い
ため、ステージを大きく移動させると合焦位置を見つけ
ることができない。この場合、観察者は少しずつステー
ジを移動させなければならず、合焦位置を見つけるのに
時間がかかる。一方、対物レンズの倍率が低い場合は焦
点深度が深いため、ステージを多少大きく移動させても
像の鮮明度はあまり変化しない。この場合、観察者は焦
点が合っているステージ位置を見つけることが困難にな
ることがある。

【０００３】このような問題を解消するために、近年、
これらの光学装置に焦点検出装置を組み合わせるように
なってきている。焦点検出装置にはさまざまな方式のも
のがあるが、その１つとして、アクティブ方式の焦点検
出装置がある。この方式では、対象物に向かって光を照
射し、対象物から反射した反射光を光検出器で検出し、
反射光の状態によって合焦状態か非合焦状態かを判断す
る。

【０００４】図７（ａ）にアクティブ方式の焦点検出装
置の基本構成例を示す。図７中、２は光源、３はコリメ
ートレンズ、４は遮光板、５８は偏光ビームスプリッ
タ、６は１／４波長板、７はダイクロイックミラー、１
は対物レンズ、Ｓは対象物である標本、８は結像レン
ズ、９は光検出器である。

【０００５】光源２は半導体レーザであって、赤外波長
域のレーザ光を射出する。また、レーザ光の偏光状態は
直線偏光である。光源２より射出されたレーザ光は、コ
リメートレンズ３を介して平行光束となり、偏光ビーム
スプリッタ８に入射する。その際、コリメートレンズ３
と偏光ビームスプリッタ８との間に配置された遮光板４
によって、光束の半分が遮光される。偏光ビームスプリ
ッタ５はＰ偏光の直線偏光を反射し、Ｓ偏光の直線偏光
を透過する特性を備えている。そこで、射出されるレー
ザ光の偏光方向がＰ偏光方向と一致するようにあらかじ
め半導体レーザを配置しておけば、偏光ビームスプリッ
タ５に入射したレーザ光の全てが偏光ビームスプリッタ
５の反射面で反射されるので光強度（光量）の損失が生
じない。

【０００６】偏光ビームスプリッタ５の反射面で反射さ
れたレーザ光は１／４波長板６に入射する。１／４波長
板６は入射した直線偏光を円偏光にして射出するように
配置されており、１／４波長板６を射出したレーザ光は
円偏光となってダイクロイックミラー７で反射され、対
物レンズ１に入射する。対物レンズ１は入射したレーザ
光を標本Ｓ上に集光する。

【０００７】標本Ｓで反射したレーザ光は再び対物レン
ズ１を通過するが、このとき入射した時と同じ光路を戻
るのではなく、光軸を挟んで反対側の光路を戻ってい
く。そして、ダイクロイックミラー７で反射され１／４
波長板６に入射する。ここで、円偏光のレーザ光は直線
偏光となって射出されるが、今度は直線偏光の方向がＳ
偏光方向となるので、偏光ビームスプリッタ５に入射し
たレーザ光は全て偏光ビームスプリッタ５を透過して結
像レンズ８に入射する。結像レンズ８は入射したレーザ
光を集光する。集光位置には光検出器４が配置され、レ
ーザ光の光強度に応じた電気信号を発生する。光検出器
９は、独立した２つの受光部Ａ、Ｂが近接して配置され
た構造を有しており、例えば２分割フォトダイオードを
用いて構成されている。

【０００８】なお、図７に示す構成の焦点検出装置で
は、対物レンズ１を介して標本Ｓ上に集光されたレーザ
光は、形状が略円形で、非常に小さな面積を持つ集光点
（以後、スポット光とする）となる。また、スポット光
の数は１つである。よって、図７に示した構成を、シン
グルスポット投光方式と呼ぶこととする。

【０００９】シングルスポット投光方式において、合焦
状態か非合焦状態かがどのようにして判断（検出）され
るかを図８を用いて説明する。図８（ａ）,（ｂ），
（ｃ）の下側の図は上側の図の矢印方向から見た図であ
る。また、右側の図は光検出器９に集光した光束の状態
を示す図である。光検出器９は２つの同じ形状の受光部
Ａ、受光部Ｂで構成されている。受光部Ａと受光部Ｂと
の間にはわずかな空隙部（ここでは単純に実線で示して
いる）があり、この空隙部で形成された境界線が光軸と
交差している。

【００１０】合焦状態では、標本Ｓからの反射光は光検
出器９の光軸上に集光するため、図８（ｂ）に示すよう
に、光検出器９上に形成されるスポット光は光軸に対し
て左右対称な光強度分布となる。すなわち、スポット光
の半分は受光部Ａに形成され、残りの半分は受光部Ｂに
形成されることになるから、受光部Ａと受光部Ｂに形成
されたスポット光の面積（光強度）は等しくなる。よっ
て、合焦状態では２つの受光部Ａ、受光部Ｂから発生す
る電気信号も等しくなる。

【００１１】次に非合焦状態は、標本Ｓが焦点位置より
も対物レンズ１から離れた位置にある状態と、標本Ｓが
焦点位置よりも対物レンズ１に近い位置にある状態の２
つがある。なお、本願においては、前者の場合を後ピン
状態、後者の場合を前ピン状態と呼ぶこととする。後ピ
ン状態の場合は、図８（ａ）に示すように、標本から反
射したレーザ光は光検出器９の手前で集光するため、光
検出器９上には図８（ｂ）と比べて大きな径の光束が形
成される。しかも、２つの受光部Ａ、Ｂに形成される光
束は左右対称ではなく、一方の受光部、ここでは受光部
Ｂに大きな光束が形成される。したがって、後ピン状態
では、受光部Ｂで発生する電気信号に比べて受光部Ａで
発生する電気信号が小さくなる。一方、前ピン状態で
は、図８（ｃ）に示すように、受光部Ａに大きな光束が
形成されるので、受光部Ｂで発生する電気信号に比べて
受光部Ａで発生する電気信号が大きくなる。

【００１２】このように、対物レンズ１と標本Ｓとの間
隔の違いによって受光部Ａと受光部Ｂとで発生する電気
信号の大小関係が変化するので、その差をとった信号
（以後、フォーカスエラー信号）の値によって合焦状態
か非合焦状態かを判断、更には、前ピン状態か後ピン状
態かを判断することができる。

【００１３】図９は図７に示すような構成のシングルス
ポット投光方式の焦点検出装置における受光部Ａと受光
部Ｂからの信号強度とデフォーカス量との関係を示すグ
ラフである。図１０は更に受光部Ａからの信号強度と受
光部Ｂからの信号強度との差をとったフォーカスエラー
信号を示すグラフである。図１１は更に受光部Ａからの
信号強度と受光部Ｂからの信号強度との差を受光部Ａか
らの信号強度と受光部Ｂからの信号強度との和で除算
し、正規化したフォーカスエラー信号を示すグラフであ
る。図１１に示すような正規化を行えば、標本の反射率
が低く受光部の信号強度が弱い場合でもフォーカスエラ
ー信号のパターンがそれほど変化しないので、より精度
の高い合焦状態又は非合焦状態の判断を行なうことがで
きる。

【００１４】このような焦点検出装置を顕微鏡などの光
学装置に組み合わせて、フォーカスエラー信号がゼロに
なるようにステージを上下に移動させる、又は対物レン
ズを上下に移動させる移動手段を備えれば、自動的に標
本に合焦することができる。なお、本願においては、上
述の自動的に合焦を行う手段を自動合焦手段と呼ぶこと
とする。

【００１５】ところで、上記のようなシングルスポット
投光方式の焦点検出装置は、凹凸の段差が多い標本に用
いた場合に、焦点検出が不安定になり精度が劣化すると
いう問題がある。そのような問題の解決方法として、本
出願人は、特願２０００−１１２３８８号に示すような
マルチスポット投光方式を提案している。図１２（ａ）
にマルチスポット投光方式の焦点検出装置の基本構成例
を示す。マルチスポット投光方式の焦点検出装置では、
光源部から複数の光束が射出されるようになっている。
図１２（ａ）の例では、光源部は、光源２と、複数の光
束を発生させる手段として、回折格子１０とを組み合せ
て構成されている。

【００１６】光源部からの複数の光束は、上述したシン
グルスポット方式の焦点検出装置と同様の光路を辿り、
対物レンズ１を経て、図１２（ｂ）に示すように、標本
面Ｓ上で複数個のスポット光となる。その後、複数の光
束は、標本面Ｓで反射され、再び対物レンズ１を透過し
た後、上述のシングルスポット方式の焦点検出装置と同
様の光路を辿り、焦点検出装置の光検出器９に結像され
る。光検出器９上では、図１２（ｃ）に示すように、受
光部Ａと受光部Ｂの間のわずかな空隙部にスポット光が
一列に並んで結像される。そのように、回折格子１０と
光検出器９とが位置調整して配置されている。なお、複
数の光束を発生させる手段としては、回折格子の代わり
に、複数の単一光源を一列に並べたり、音響光学素子を
用いたりしてもよい。

【００１７】これまで述べたような、シングルスポット
投光方式やマルチスポット投光方式の焦点検出装置は、
それぞれ用途に応じて使い分けることが望ましい。凹凸
の少ない標本で精度よく焦点検出をしたい場合にはシン
グルスポット投光方式の焦点検出装置を用いることが望
ましく、凹凸の多い標本で安定した焦点検出をしたい場
合にはマルチスポット投光方式の焦点検出装置を用いる
ことが望ましい。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シングルスポ
ット投光方式及びマルチスポット投光方式では、いずれ
も標本Ｓを極端にデフォーカスしていくと、図１３
（ａ）や図１３（ｅ）に示すように、ついには光束が受
光部をはみだしてしまう。その場合、図９に示すグラフ
からも明らかなように、受光部Ａや受光部Ｂから得られ
る信号強度は相当小さくなる。

【００１９】受光部Ａ、Ｂから得られる信号強度が相当
小さくなると、電気回路の電気ノイズや漏光や迷光が受
光部に当たって出るノイズに埋もれてしまい、正常なフ
ォーカスエラー信号が得られなくなる。すなわち、前ピ
ン状態や後ピン状態を判断することができなくなる。そ
して、図１０や図１１に示すように、プラス方向又はマ
イナス方向にデフォーカスしていくと、ついにはノイズ
にフォーカスエラー信号が埋もれてしまう。

【００２０】このような理由で、焦点検出が可能なデフ
ォーカス量には制限がある。これをＡＦ捕捉範囲と呼
ぶ。例えば、１００倍〜２５０倍の高倍対物レンズを用
いた場合には、もともとの信号強度が弱いことに加え
て、倍率が高いことにより、すぐに図１３（ａ）や図１
３（ｅ）に示すような光束が受光部からはみだした状態
になってしまうため、ＡＦ捕捉範囲がかなり狭くなって
しまう。

【００２１】ＡＦ捕捉範囲を広くとるための方法として
は、焦点検出装置の光学系の結像倍率を下げることが考
えられる。ところが、この方法では、例えば、４倍〜１
０倍の低倍対物レンズを用いた場合に、合焦付近のフォ
ーカスエラー信号が鈍感になりすぎ（即ち、合焦付近の
フォーカスエラー信号の傾きが緩やかになる）、焦点検
出の精度が劣化するため好ましくない。

【００２２】このため、焦点検出装置の結像倍率は、使
用する対物レンズの倍率と、焦点検出の精度と、ＡＦ捕
捉範囲とのバランスを取るように決定される。しかし、
従来の焦点検出装置では、高倍対物レンズのＡＦ捕捉範
囲が狭くなる傾向にあった。

【００２３】また、マルチスポット投光方式では、焦点
検出装置に用いる光学系の結像倍率と光検出器の大きさ
とによって、標本面でのマルチスポット光の有効範囲が
決定される。このため、凹凸の多い標本では、できるだ
けマルチスポット光の有効範囲を広くして、安定した焦
点検出を行うようにすることが望まれる。

【００２４】そこで、従来のマルチスポット投光方式で
は、シングルスポット投光方式に比べて受光部の面積が
大きな光検出器を用いていた。これは、図７（ｃ）のシ
ングルスポット投光方式における光検出器と、図１２
（ｃ）のマルチスポット投光方式における光検出器とを
比較すれば明らかである。しかし、面積の大きい光検出
器は、価格が高く、しかも、応答速度が低下し、さらに
は、光検出器を置く位置の金枠が大型化し、装置全体が
大型化してしまうという問題があった。

【００２５】また、焦点検出装置の結像倍率を下げると
いう解決手段も考えられるが、上述のように、４倍〜１
０倍の低倍対物レンズでの焦点検出の精度が劣化してし
まうという問題があるので好ましくない。

【００２６】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、低倍から高倍までの対物レンズに適合し、且
つ、高倍対物レンズでのＡＦ捕捉範囲を広くすることが
可能な焦点検出装置及びそれを備えた光学顕微鏡又は光
学検査装置を提供することを目的とする。また、本発明
は、マルチスポット投光方式において、標本面上での有
効なマルチスポット投光範囲を確保しながら、光検出器
の大型化を防ぐことが可能な焦点検出装置及びそれを備
えた光学顕微鏡又は光学検査装置を提供することを目的
とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本第１の発明による焦点検出装置は、光源部と、光
源部からの光束の一部を遮光する遮光部材と、入射した
光束を反射又は透過させる面を有する光分割部材と、入
射した光束を集光する集光光学系と、光軸と直交する面
内に境界線を少なくとも１つ有し、該境界線を隔てて設
けられた複数の受光部を備える光検出器とを備え、前記
光源部及び前記遮光部材が、前記光分割部材を介して分
割された第１の光路に配置され、前記集光光学系及び前
記光検出器が、前記光分割部材を介して分割された第２
の光路に配置され、前記光検出器が前記集光光学系の集
光位置に配置された焦点検出装置であって、前記集光光
学系が、前記境界線方向における焦点距離と、前記境界
線に対し垂直な方向における焦点距離とが異なり、か
つ、前記境界線方向の結像位置と、前記境界線に対し垂
直な方向の結像位置とがほぼ一致するように構成されて
いることを特徴とする。

【００２８】また、本第２の発明による焦点検出装置
は、本第１の発明において、前記集光光学系が、少なく
とも２つのトーリック面を持つことを特徴とする。

【００２９】また、本第３の発明による焦点検出装置を
備えた光学顕微鏡又は焦点検出装置は、本第１又は本第
２の発明による焦点検出装置、又は前記光源が複数の光
束を射出する多光発生部材を含んで構成された本第１又
は本第２の発明による焦点検出装置を備え、光検出器か
ら出力されるフォーカスエラー信号に基づいて、自動合
焦を行う自動合焦手段を備えている。

【００３０】

【発明の実施の形態】実施例の説明に先立ち、本発明の
作用について説明する。まず、本第１の発明の作用につ
いて説明する。本第１の発明による焦点検出装置では、
集光光学系の構成及び作用効果が図７に示す従来の焦点
検出装置と異なる。なお、その他の基本構成及び作用に
ついては、上述した図７とほぼ同様であるので省略す
る。

【００３１】従来の集光光学系は、図１４に結像レンズ
８として示されている。この結像レンズの屈折面（光が
入射する面と射出する面）は、いずれもレンズの中心を
通る軸（中心軸）に対して回転対称な球面になってい
る。集光光学系は、図１４に示すように、１個の正レン
ズで構成される場合もあれば、複数個のレンズを組み合
わせた正レンズ群で構成される場合もある。このような
場合、光検出器上でのスポットは、標本面でデフォーカ
スしてゆくにつれて、図１３（ｃ）→（ｂ）→（ａ）、
あるいは図１３（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）に示すように、
略半円状に広がっていく。

【００３２】これに対して、本第１の発明では、図１に
示すように、集光光学系を、平面Ｅにおける焦点距離と
平面Ｆにおける焦点距離とが異なり、かつ、平面Ｅの結
像位置と平面Ｆの結像位置とがほぼ一致するように構成
している。すなわち、本第１の発明では、集光光学系を
一つのレンズとみなしたとき、屈折面はレンズの中心軸
に対して回転非対称な形状の面になっている。なお、平
面Ｅにおける焦点距離とは、２つの受光部の境界線Ｘ−
Ｙ方向における焦点距離のことである。一方、平面Ｆに
おける焦点距離とは、前記境界線Ｘ−Ｙ方向に対し垂直
な方向における焦点距離のことである。また、平面Ｅの
結像位置とは、前記境界線Ｘ−Ｙ方向における結像位置
のことである。一方、平面Ｆの結像位置とは、前記境界
線Ｘ−Ｙ方向に対し垂直な方向における結像位置のこと
である。平面Ｅと平面Ｆにおける焦点距離がそれぞれ異
なることは、すなわち、平面Ｅと平面Ｆにおける結像倍
率が異なるということである。なお、後述の説明では、
平面Ｅでの焦点距離を小さく、（即ち、結像倍率を小さ
く）、平面Ｆでの焦点距離を大きく、（即ち、結像倍率
を大きく）した構成について説明することとする。

【００３３】このように構成すれば、光検出器上でのス
ポットは、標本面がデフォーカスされたとき、図２
（ｃ）→（ｂ）→（ａ）、あるいは図２（ｃ）→（ｄ）
→（ｅ）というように、境界線Ｘ−Ｙと直交する方向に
略楕円状に広がっていく。この様子を従来例（図１３）
と比べると、受光部Ａと受光部Ｂの境界線Ｘ−Ｙに直交
する方向については、本第１の発明ではそれほどスポッ
トは長くならない。このため、本第１の発明によれば、
デフォーカスしても受光部Ａや受光部Ｂからの信号強度
が、従来例と比較して、あまり低下しない。本第１の発
明（図３）と従来例（図９）とを比較すると、同じデフ
ォーカス位置（デフォーカス量）Ｘにおける信号強度
は、本第１の発明の信号強度ＩＸの方が従来例の信号強
度Ｉ’Ｘに比べて大きくなっている。よって、本第１の
発明によれば従来例と比べて、フォーカスエラー信号が
ノイズに埋もれることが無くなる。

【００３４】また、本第１の発明では、境界線Ｘ−Ｙの
方向におけるスポットの広がりが、従来例に比べて小さ
い。そのため、受光部からスポットがはみ出すときのデ
フォーカス量が、従来例よりも大きくなる。本第１の発
明（図４）と従来例（図１０）において、信号強度がピ
ークになるときの幅を比較すると、本第１の発明におけ
る幅Ｌの方が従来例における幅Ｌ’に比べて大きくなっ
ている。幅Ｌ、幅Ｌ’で示された範囲では、デフォーカ
ス量とフォーカスエラー信号が１対１に対応するので、
オートフォーカスが作動可能な範囲となる。よって、本
第１の発明の方が従来例に比べて、オートフォーカスが
作動する範囲を広くとることができるということにな
る。

【００３５】また、正規化したフォーカスエラー信号に
ついて本第１の発明（図５）と従来例（図１１）を比較
すると、以下の違いがある。本第１の発明では、中央か
ら左の範囲のフォーカスエラー信号は全てプラスの値
で、中央から右の範囲のフォーカスエラー信号は全てマ
イナスの値である。この場合、本第１の発明では以下の
ようなことを行なうことができる。例えば、中央から左
の範囲をステージと対象物との間隔が離れている状態、
中央から右の範囲をステージと対象物との間隔が接近し
ている状態とする。すると、デフォーカス信号がプラス
であれば、フォーカス位置はステージと対象物との間隔
を接近させる方向にあることがわかる。すなわち、フォ
ーカス位置までのステージ（あるいは対物レンズ）の移
動量は不明であるが、ステージを移動する方向は判明す
る。これに対して、従来例では、中央から右の範囲の信
号は殆どマイナスの値であるが、一部プラスの値になっ
ている。同様に、中央から左の範囲の信号は殆どプラス
の値であるが、一部マイナスの値になっている。従っ
て、従来例においてステージを移動させる方向の判断が
できるのは、Ｄで示された範囲に限られる。このよう
に、移動量は不明であるが移動方向がわかる範囲（ＡＦ
補足範囲とする）を比較すると、本第１の発明の方が広
いＡＦ補足範囲を得ることができる。

【００３６】次に、本第２の発明の作用について説明す
る。本第２の発明では、本第１の発明における集光光学
系を、図１に示すように、少なくとも２つのトーリック
面を持つように構成する。このように構成すれば、平面
Ｅと平面Ｆにおける焦点距離をそれぞれ異なる値にする
ことができ、かつ、平面Ｅと平面Ｆとの結像位置をほぼ
一致させることが可能となる。なお、集光光学系を１つ
のトーリック面で構成した場合、平面Ｅと平面Ｆにおけ
る焦点距離を異なった値にすることは可能であるが、平
面Ｅと平面Ｆとの結像位置を一致させることはできなく
なる。なぜならば、１つのトーリック面では、非点収差
を取り除くことができないからである。

【００３７】本第２の発明において、集光光学系に用い
るトーリック面は、少なくとも１面は正パワーを持つ面
であり、少なくとも１面は負パワーを持つ面で構成す
る。２面より多いトーリック面を用いれば、より収差が
取り除かれた集光光学系が得られ、精密な焦点検出が可
能となる。また、集光光学系に用いるトーリック面とし
てシリンドリカル面を用いれば、構成が単純であるた
め、安価に製作が可能となる。

【００３８】なお、上記集光光学系を用いた本発明の焦
点検出装置は、本第１又は第２の発明において、前記光
源部が、複数の光束を射出する多光束発生部材を含んで
構成されたものにも適用可能である。

【００３９】光源部を複数の光束を射出するように構成
すれば、マルチスポット投光ができる。なお、本発明に
おけるマルチスポット投光方式の構成及び作用について
は、集光光学系以外は上述した図１２とほぼ同様である
ので説明は省略する。本第３の発明のように、マルチス
ポット投光の構成に本第１又は第２の発明の構成を用い
れば、光検出器上の境界線Ｘ−Ｙ方向における光束の広
がりを抑えることができるので、図６に示すように、光
検出器上の間隔を狭めることができる。これによって、
図１５に示す従来の焦点検出装置に用いられていたよう
な大型の光検出器を用いないで済む。

【００４０】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明
する。図１は本発明の一実施例にかかる焦点検出装置に
用いる集光光学系の概念図である。なお、焦点検出装置
のその他の構成は図７に示した構成とほぼ同様である。
本実施例の集光光学系８’は、光検出器とは反対の側か
ら順に、凸面のトーリック面１１ａを備えた正レンズ１
１と、凹面のトーリック面１２ａを備えた負レンズ１２
と、球面形の正レンズ１３とで構成されている。集光光
学系のＥ平面での結像位置とＦ平面での結像位置とは、
ほぼ一致している。また、Ｅ平面における焦点距離は、
Ｆ平面における焦点距離と比べて小さくなっており、従
って、Ｅ平面における結像倍率は、Ｆ平面における結像
倍率に比べて小さくなっている。

【００４１】標本から反射されて戻ってきた光束は、集
光光学系８’に半円形の光束として入射する。そして、
集光光学系８’を透過することにより、Ｅ平面で長く、
Ｆ平面で短い、半楕円形の光束となる。半楕円形の光束
は、光検出器９上に結像し、微小なスポット光となる。
このとき、本実施例の集光光学系８’によれば、Ｅ平面
における結像倍率がＦ平面における結像倍率よりも小さ
いため、標本がデフォーカスされたとき、図２に示すよ
うに、光検出器９上でのスポットは、受光部Ａと受光部
Ｂの境界線Ｘ−Ｙに直交する方向に長くなっても、境界
線Ｘ−Ｙ方向にはそれほど長くならず半楕円状に広がっ
ていく。このため、本実施例の焦点検出装置によれば、
高倍対物レンズでのＡＦ捕捉範囲を広くすることが可能
となる。

【００４２】以上説明したように、本発明による焦点検
出装置及びそれを備えた光学的顕微鏡又は光学検査装置
は、特許請求の範囲に記載された発明の他に、次に示す
ような特徴も備えている。

【００４３】（１）前記集光光学系が、少なくとも１つ
の正のトーリック面と、少なくとも１つの負のトーリッ
ク面を有していることを特徴とする請求項１に記載の焦
点検出装置。

【００４４】（２）前記集光光学系が、少なくとも１つ
の正のシリンドリカルレンズと、少なくとも１つの負の
シリンドリカルレンズと、少なくとも１つの球面形の正
レンズを有していることを特徴とする請求項１に記載の
焦点検出装置。

【００４５】（３）前記光源部が、複数の光束を射出す
る多光束発生部材を含んで構成されていることを特徴と
する請求項１又は請求項２に記載の焦点検出装置。

【００４６】

【発明の効果】以上、本発明の焦点検出装置及びそれを
用いた光学顕微鏡又は光学検査装置によれば、低倍から
高倍の対物レンズに適合し、且つ、高倍対物レンズでの
ＡＦ捕捉範囲を広くすることができる。また、マルチス
ポット投光方式において、標本面上での有効なマルチス
ポット投光範囲を確保しながら、光検出器の大型化を防
ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による焦点検出装置の第１実施例に係る
集光光学系の説明図である。

【図２】本発明の集光光学系を用いた、デフォーカス時
の、光検出器上での光束の様子を示す説明図である。

【図３】本発明の構成を用いた場合の、受光部Ａと受光
部Ｂからの信号強度とデフォーカス量との関係の一例を
示すグラフである。

【図４】本発明の構成を用いた場合の、フォーカスエラ
ー信号（Ｂ−Ａ）とデフォーカス量との関係の一例を示
すグラフである。

【図５】本発明の構成を用いた場合の、正規化したフォ
ーカスエラー信号（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）とデフォーカ
ス量との関係の一例を示すグラフである。

【図６】本発明の集光光学系を用いた、マルチスポット
投光時における光検出器の状態説明図である。

【図７】シングルスポット投光方式によるアクティブ焦
点検出装置の概略図であり、(a)は概略構成図、(b)は
(a)の対物レンズを矢印W方向に視た図、(c)は(a)の受光
部を矢印V方向に視た図である。

【図８】シングルスポット投光方式による焦点検出装置
の光検出器上でのスポットの様子を示す説明図であり、
(a)は後ピン位置での状態、(b)は合焦位置での状態、
(c)は前ピン位置での状態を示している。

【図９】従来の構成を用いた場合の、受光部Ａと受光部
Ｂからの信号強度とデフォーカス量との関係の一例を示
すグラフである。

【図１０】従来の構成を用いた場合の、フォーカスエラ
ー信号（Ｂ−Ａ）とデフォーカス量との関係の一例を示
すグラフである。

【図１１】従来の構成を用いた場合の、正規化したフォ
ーカスエラー信号（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）とデフォーカ
ス量との関係の一例を示すグラフである。

【図１２】マルチスポット投光方式によるアクティブ焦
点検出装置の概略図であり、(a)は概略構成図、(b)は
(a)の対物レンズを矢印W方向に視た図、(c)は(a)の受光
部を矢印V方向に視た図である。

【図１３】従来の集光光学系を用いた、デフォーカス時
の、光検出器上での光束の様子を示す説明図である。

【図１４】従来の焦点検出装置に用いる集光光学系の概
略構成図である。

【図１５】従来の集光光学系を用いた、マルチスポット
投光時における光検出器の状態説明図である。

【符号の説明】 １ 対物レンズ ２ 光源 ３ コリメートレンズ ４ 遮光板 ５ 偏光ビームスプリッタ ６ １／４波長板 ７ ダイクロイックミラー ８ 集光光学系（結像レンズ） ８’ 集光光学系 ９ 光検出器 １０ 回折格子 １１ 正レンズ １１ａ 凸面のトーリック面 １２ 負レンズ １２ａ 凹面のトーリック面 １３ 正レンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源部と、 光源部からの光束の一部を遮光する遮光部材と、 入射した光束を反射又は透過させる面を有する光分割部
   材と、 入射した光束を集光する集光光学系と、 光軸と直交する面内に境界線を少なくとも１つ有し、該
   境界線を隔てて設けられた複数の受光部を備える光検出
   器とを備え、 前記光源部及び前記遮光部材が、前記光分割部材を介し
   て分割された第１の光路に配置され、 前記集光光学系及び前記光検出器が、前記光分割部材を
   介して分割された第２の光路に配置され、 前記光検出器が前記集光光学系の集光位置に配置された
   焦点検出装置であって、 前記集光光学系が、前記境界線方向における焦点距離
   と、前記境界線に対し垂直な方向における焦点距離とが
   異なり、かつ、前記境界線方向の結像位置と、前記境界
   線に対し垂直な方向の結像位置とがほぼ一致するように
   構成されていることを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記集光光学系が、少なくとも２つのト
   ーリック面を有していることを特徴とする請求項１に記
   載の焦点検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の焦点検出装置、
   又は前記光源部が複数の光束を射出する多光発生部材を
   含んで構成された請求項１又は２に記載の焦点検出装置
   を備え、前記光検出器から出力されるフォーカスエラー
   信号に基づいて、自動合焦を行う自動合焦手段を備えた
   光学顕微鏡又は光学検査装置。