JP2003167183A - 合焦状態信号出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 種々の特性を有する焦準手段に対して最適な
波形の合焦状態信号を提供し高精度かつ高速なＡＦ動作
を可能にした合焦状態信号出力装置を提供する。 【解決手段】 観察試料Ｓを載置する試料移動ステージ
２１と対物レンズ１０ａとの間の相対距離を調整する外
部制御手段２２を有する顕微鏡に搭載され、観察試料Ｓ
から反射された光を検出する光検出器１７からの信号
Ａ、Ｂに基づいて観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号
ａを発生する合焦状態信号出力装置であって、誤差信号
ａは、合焦位置を挟んで逆符号で、且つ合焦位置でゼロ
クロスとなるような連続する電圧変化を呈するととも
に、外部制御手段２２から与えられる波形設定情報に基
づいて任意の波形に変更可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、顕微鏡の
対物レンズと標本の間の相対距離に応じた合焦状態を示
す合焦状態信号を出力する合焦状態信号出力装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、微細な標本を観察したり、観察像
をビデオ画像として記録できる顕微鏡は、生物分野の研
究をはじめ、工業分野の検査工程まで幅広く利用されて
いる。そして、このような顕微鏡を使用する場合、通
常、焦準ハンドル操作により標本の焦点調節を行いピン
ト合わせ作業を行うようにしている。

【０００３】ところが、例えば、高倍の対物レンズを用
いた観察の場合、この種の高倍対物レンズは、焦点深度
が浅く、合焦範囲が狭いため、素早くピント合わせ操作
を行うのが難しく、かなりの熟練を要し、作業者の疲
労、生産効率の低下を招くという問題があった。この問
題は、特に、検査工程などのルーチン作業の中では、ピ
ント合わせ操作を素早く行い検査時間を短縮ためにも非
常に重要な事項であった。

【０００４】そこで、このようなピント合わせ操作を自
動的に行うことを可能にした顕微鏡用のオートフォーカ
ス（ＡＦ）装置が種々提案され、さらに、それらの改善
を目的としたものも種々提案されている。

【０００５】例えば、工業分野に用いられるＡＦ装置で
は、上述した操作性、スループットの向上のみならず、
例えば多層形成された半導体ウェハーのような表面に段
差を有する標本に対し、それぞれの層の欠陥やパターン
間の線幅を漏れなく検出して、測定したり、標本上の微
少な段差を高精度で測定するような用途へのニーズがあ
り、これらの検査・測定に適した性能を有するものが提
案されている。

【０００６】このような工業分野に用いられるＡＦ装置
は、標本への対応性、ＡＦ時間の短縮等の理由から、赤
外光レーザ等の光を標本に投射し、反射した光の状態を
検出して合焦動作を行う、いわゆるアクティブ型ＡＦ方
式のものが主流である。一方、生物分野に用いられるＡ
Ｆ装置は、より正確なピント位置が要求されることや、
アクティブ方式では不可能な反射率の低い透過型の標本
を対象とすることなどから、観察画像のコントラストを
検出してＡＦ動作を行う、いわゆるパッシブ型ＡＦ方式
のものが用いられている。

【０００７】ところで、これまでのＡＦ装置は、アクテ
ィブ方式、パッシブ方式に関わらず、これらの性能を確
保するため、顕微鏡の対物レンズと標本との間の相対距
離に応じた合焦状態を示す合焦状態信号を出力する合焦
状態信号出力部と、この合焦状態信号出力部からの信号
に基づいて対物レンズと標本との間の相対距離を調節し
て焦点を合わせる焦準手段とを一体にして提供されるも
のが全てである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、最近では様
々な検査装置やシステムに用いられる光学機器は、独自
のＡＦ機能を求められるようになっており、これらの光
学機器の多くは、焦準部である標本搭載用のステージ、
あるいは対物レンズを装着するレボルバ等を独自の方式
で駆動するものが少なくない。

【０００９】そこで、焦準部の種類や駆動方法に関わら
ず、安定したＡＦ機能を実現させるためには、対物レン
ズと標本との間の相対距離に応じた合焦状態を示す合焦
状態信号を出力する合焦状態信号出力部のみを別に用意
し、このような合焦状態信号出力部からの信号を用いた
ＡＦ動作を、それぞれの焦準部の駆動機構に応じて、各
装置メーカが開発すると言う、いわゆるＯＥＭ製品とし
ての独立した「合焦状態信号出力装置」のニーズが高ま
っている。

【００１０】この場合、合焦状態信号出力装置に最も要
求される条件としては、誤差信号と呼ばれる標本の合焦
状態を示す信号を、各装置メーカが開発する各々の焦準
機構に最適な状態で出力し、高精度なＡＦ動作を実現さ
せるということである。

【００１１】このような誤差信号の検出手段を複数用意
し、状況に応じて最良の信号を選択すると方式を採用し
たものとして、特開平１０-２６０３６３号公報に開示
されたものがある。

【００１２】この方法では、一対の受光センサのそれぞ
れを３つ（同心上）に分割し、各々の受光面に入射され
るレーザ光を、複数の受光面組み合わせに基づいて誤差
信号を演算し、この演算した複数の誤差信号のうち、対
物レンズの瞳径に応じて、最適（良好な特性を持つカー
ブ）となる受光面の組み合わせを選択することで安定し
たＡＦ動作を可能とするものである。

【００１３】ところが、このような方式のものでは、誤
差信号は、予めメカ的に調整され、設定された組み合わ
せの受光素子から択一的に選択するものであるため、誤
差信号の形状を任意に変更させることは不可能である。
また、誤差信号を外部に出力させるような考え自体存在
しておらず、ＡＦ動作を外部システムに任せるような工
夫はなされていない。さらに、複雑かつ精密な光学系で
構成された装置からの信号を自在にカスタマイズするこ
とは困難であり、上述したようなメカ的な誤差信号の選
択では、ＯＥＭ等への汎用性を考えた場合、十分な性能
は確保することができない。

【００１４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、特性の異なる焦準手段に対して最適な波形の合焦状
態信号を提供でき、高精度かつ高速なＡＦ動作を可能に
した合焦状態信号出力装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
標本を載置するステージと対物レンズとの間の相対距離
を調整する焦準手段を有する光学機器に搭載され、前記
標本から反射された光を検出する光検出手段からの信号
に基づいて前記標本の合焦状態を示す合焦状態信号を発
生する合焦状態信号出力装置において、前記合焦状態信
号は、合焦位置を挟んで逆符号で、且つ前記合焦位置で
ゼロクロスとなるような連続する電圧変化を呈するとと
もに、前記焦準手段から与えられる波形設定情報に基づ
いて任意の波形に変更可能にしたことを特徴としてい
る。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記波形設定情報は、前記合焦状態信号の
ゼロクロス付近の傾き、出力電圧範囲およびオフセット
電圧の少なくとも１つであることを特徴としている。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、前記合焦状態信号に対して所定の
しきい値を設定し、これら合焦状態信号およびしきい値
の大小関係に基づいて合焦判定信号を出力することを特
徴としている。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、前記光検出手段からの信号に対し
て所定のしきい値を設定し、これら信号およびしきい値
の大小関係に基づいて合焦動作許可信号を出力すること
を特徴としている。

【００１９】請求項５記載の発明は、請求項３または４
記載の発明において、前記合焦状態信号に対して設定さ
れるしきい値または前記光検出手段からの信号に対して
設定されるしきい値は、前記焦準手段からの指令に基づ
いて変更可能にしたことを特徴としている。

【００２０】この結果、本発明によれば、焦準手段側よ
り与えられる波形設定情報に基づいて標本の合焦状態を
示す合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き、出力電圧範
囲およびオフセット電圧を任意に設定できるので、様々
な特性を有する焦準手段に対しても最適な波形の合焦状
態信号を提供することができ、どのような焦準手段につ
いても誤動作を回避した高精度かつ高速なＡＦ動作が可
能となる。

【００２１】また、本発明によれば、合焦状態信号に対
して、しきい値を設定したことにより、常に一定の出力
期間を有する合焦判定信号を出力することができる。

【００２２】さらに、本発明によれば、光検出手段から
の信号に対しても、しきい値を設定し、ＡＦ動作許可信
号を出力するようにしたので、このＡＦ動作許可信号の
範囲以外では、合焦位置の判定は行わずに、ＡＦ動作を
継続するようにすることで、大ぼけ位置でのＡＦ誤動作
（偽合焦）を回避できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。

【００２４】（第１の実施の形態）図１は、本発明が適
用される合焦状態信号出力装置を有する顕微鏡の概略構
成を示している。

【００２５】この場合、図面中、破線で囲まれた部分が
本発明を適用した基本構成、すなわち、合焦状態信号出
力装置１００を示し、破線の外に合焦状態信号出力装置
１００から合焦状態信号が与えられる焦準手段として外
部ユニット２００を示している。外部ユニット２００
は、後述する機能が達成されていれば、どのような構成
でも全く同様の効果を得ることができる。

【００２６】図において、１は基準光源で、この基準光
源１には、赤外光レーザ等の可視外光波長領域の光源が
使用される。また、基準光源１は、光源のパルス点灯等
を行うとともに、光源の強弱をコントロールするレーザ
駆動部２より制御される。

【００２７】基準光源１からのレーザ光は、平行光を保
つためのコリメートレンズ３を通り、平行光となった
後、光束の半分を投光側ストッパ４によりカットされ
る。その後、ビームスプリッタ５でＰ偏光成分のみが反
射され、集光レンズ群６に入射する。そして、集光レン
ズ群６により一旦集光された光束は、色収差補正レンズ
群７を通り、λ／４板８を通過する時に４５°偏光さ
れ、ダイクロックミラー９に入射する。

【００２８】ここで、色収差補正レンズ群７は、後述す
る対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を通って図示しない接眼
レンズに導かれる可視光像とレーザ光との波長ズレに起
因するピントのズレを補正するもので、色収差レンズ用
モータ駆動部１１により駆動モータ１２を介して光軸方
向（図示矢印方向）に移動可能となっている。また、ダ
イクロックミラー９は、赤外域のみを反射し、可視域は
通過する性質を有しており、これにより、レーザー光を
反射し、標本観察のための可視光（観察及び照明光）
は、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）側から垂直に抜け、図
示しない接眼レンズでの観察が可能になっている。

【００２９】ダイクロックミラー９により反射した光束
は、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介して標本としての
観察試料Ｓ上にスポット形状の像を形成する。

【００３０】ここで、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）は、
回転可能な電動レボルバ本体１３に設けられている。電
動レボルバ本体１３は、レボルバ用モータ駆動部１４に
よりレボルバ用モータ１５を介して回転され、任意の対
物レンズ１０ａ（１０ｂ）を光路上に切換えるようにな
っている。図示例では、対物レンズ１０ａが光路上に位
置している場合を示している。また、観察試料Ｓは、外
部ユニット２００の試料移動ステージ２１に載置され、
対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介して観察できるように
なっている。

【００３１】試料移動ステージ２１は、外部制御手段２
２により光軸方向（図中矢印の方向）に上下動可能とな
っている。ここでの外部制御手段２２は、合焦状態信号
出力装置１００と別に装置メーカなどで独自に開発され
るもので、ステージ駆動手段として、例えばモータやピ
エゾ素子などを有し、これらによる光軸上の任意の位置
へのステージ移動と、後述する制御部２０からの誤差信
号ａに基づいて観察試料Ｓを合焦位置に導くＡＦ機能を
併せ持っている。

【００３２】一方、観察試料Ｓにより反射した光束は、
今度は逆に対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介してダイク
ロックミラー９に入射し、ここで反射してλ／４板８を
通過する際に、さらに４５°偏光され、Ｓ偏光成分に切
り換わる。そして、色収差補正レンズ群７、集光レンズ
群６を戻り、ビームスプリッタ５へ入射される。この場
合、光束は、Ｓ偏光成分になっているので、そのままビ
ームスプリッタ５を透過し、集光レンズ群１６を通過し
た後に光検出器１７に結像される。

【００３３】光検出器１７は、光軸を中心に２個のフォ
トダイオード（センサーＡ、Ｂ）を並べて設けたもの
で、このような光検出器１７で結像されたスポットは、
増幅器１８で電流・電圧変換された後、Ａ／Ｄ変換器１
９で処理し易い電圧レベルに増幅される。つまり、光検
出器１７より出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器
１９でデジタル信号に変換され、制御部２０に入力され
る。

【００３４】制御部２０は、光検出器１７からの出力に
より観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号ａ、後述する
合焦状態に応じた種々の合焦判定信号ｂ、ＡＦ動作許可
信号ｅなどを演算する演算手段２０ａ、外部ユニット２
００の外部制御手段２２とのデータのやり取りを行う、
例えばＲＳ−２３２Ｃを用いた通信手段２０ｂおよび上
述したレーザ駆動部２、色収差レンズ用モータ駆動部１
１、レボルバ用モータ駆動部１４に対してコントロール
指示を与える制御手段２０ｃを有している。この場合、
演算手段２０ａにより演算される観察試料Ｓの合焦状態
を示す誤差信号ａは、アナログ信号として出力可能であ
るとともに、合焦判定信号ｂやＡＦ動作許可信号ｅは、
ロジックレベルとして出力可能となっている。

【００３５】図２は、このような制御部２０の具体的構
成図を示すもので、ここでは、周知のＣＰＵ回路とし
て、ＣＰＵ本体２０１、システムを制御するためのプロ
グラムを格納してあるＲＯＭ２０２、制御に必要なデー
タを格納する揮発性メモリ等のＲＡＭ２０３、制御信号
の入出力を行うＩ／Ｏポート２０４、およびＣＰＵ本体
２０１を制御するのに必要な図示しない発振器、アドレ
スデコーダー等の周知の周辺回路から構成されている。
そして、Ｉ／Ｏポート２０４やデータバス２０５から各
々の周辺装置の制御を行うようにしている。

【００３６】次に、外部ユニット２００の指示により合
焦位置検出を行う場合の動作を説明する。

【００３７】いま、外部制御手段２２からの通信コマン
ドにより、合焦位置検出動作が開始されると、制御部２
０は、合焦位置検出用のスポットを観察試料Ｓに照射す
るためにレーザ駆動部２に指示を与え、基準光源１の発
振を開始する。

【００３８】基準光源１からの光束は、観察試料Ｓにス
ポットとして照射され、ここで反射した光束は、光検出
器１７に投影される。制御部２０は、この投影されたス
ポットの位置および強度に基づいて演算手段２０ａによ
り合焦状態を示す誤差信号ａを演算する。

【００３９】ここで、合焦状態の検出方法を説明する
と、いま、仮に、試料移動ステージ２１の位置が合焦位
置より下、すなわち対物レンズ１０ａから遠い場合（以
下、後ピンと呼ぶ）を想定すると、基準光源１のレーザ
光により光検出器１７に結像されるスポット像は、図３
（ｃ）に示すようになり、中心位置からセンサーＢ側
に、大きな範囲で結像される。

【００４０】逆に、試料移動ステージ２１が合焦位置よ
り上にある場合、すなわち対物レンズ１０ａに近い場合
（以下、前ピンと呼ぶ）は、図３（ａ）に示すようにセ
ンサーＡよりに結像される。これら２つの位置では、光
検出器１７面上に全てのスポットが入りきらないため、
検出される強度は低くなる。

【００４１】一方、合焦位置にあるときのスポット像
は、図３（ｂ）に示すように、センサーＡ、Ｂに対して
均等な範囲でほぼ光軸の中心に結像する。また、スポッ
ト光は、光検出器１７面上に全て入射されるため、強度
は最大となる。

【００４２】これにより、光検出器１７で光電変換さ
れ、増幅器１８を通った検出信号Ａ、Ｂは、図４（ａ）
に示すように、横軸を試料移動ステージ２１の上下方向
（デフォーカス）とすると、ピント位置を挟んで左右対
称な２つのカーブとして検出できる。これらの信号Ａ、
Ｂは、Ａ／Ｄ変換器１９によりデジタル信号に変換さ
れ、制御部２０に入力される。制御部２０では、演算手
段２０ａにより入力された信号Ａ、Ｂから、合焦状態信
号として、図４（ｂ）に示すように合焦位置を挟んで逆
符号で、且つ合焦位置でゼロクロスとなるような連続す
る電圧レベル変化を呈する誤差信号ａを下式から演算す
る。

【００４３】ａ＝Ｋ×（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）…（１） ここで、Ｋは、傾き（係数）であり、外部ユニット２０
０側の外部制御手段２２より通信コマンドにより制御部
２０の通信手段２０ｂを介して演算手段２０ａに入力さ
れる値で、例えば０．１〜１０の範囲で設定される。

【００４４】この場合、例えばＫ＝１であれば、誤差信
号ａは図５（ａ）に示すような波形となり、Ｋ＝２なら
ば、同図（ｂ）、Ｋ＝０．５ならば、同図（ｃ）に示す
ような波形となる。

【００４５】次に、制御部２０は、（１）式により演算
された誤差信号ａのレベルと出力電圧範囲Ｖｃとしての
所定値Ｖを比較する。この所定値Ｖは、制御部２０から
誤差信号ａをアナログ出力する際の出力電圧範囲を設定
するもので、外部制御手段２２より通信コマンドにより
制御部２０の通信手段２０ｂを介して演算手段２０ａに
入力されている。

【００４６】ここで、誤差信号ａの絶対値がＶを上回る
場合、 ｜Ｋ×（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｜＞Ｖ であれば、誤差信号ａの値を強制的にＶもしくは−Ｖに
固定する。

【００４７】例えば、図６（ａ）に示すように、誤差信
号ａの波形が±１０（Ｖ）の出力範囲を取る場合、所定
値Ｖ＝５（Ｖ）を設定して制御部２０に入力しておけ
ば、誤差信号ａの波形は、図６（ｂ）の波形となり、常
に、±５（Ｖ）の出力範囲に収まるようになる。このよ
うな処理の後、制御部２０は、観察試料Ｓの合焦状態を
示す誤差信号ａを、図示しないＤ／Ａ変換器を通してア
ナログ信号として出力する。

【００４８】次に、外部ユニット２００側でのＡＦ動作
について説明する。

【００４９】この場合、上述したように外部制御手段２
２からの通信コマンドにより合焦位置検出の開始指令を
与えた後、制御部２０から出力される誤差信号ａに基づ
いて、外部制御手段２２によるＡＦ動作が実行される。

【００５０】この場合、外部制御手段２２は、制御部２
０からの誤差信号ａにより ∫｛Ｋ（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝＝０…（２） となる点に試料移動ステージ２１を移動させる。すなわ
ち、誤差信号ａの符号が（＋）であれば、試料移動ステ
ージ２１を図示下側に、誤差信号ａの符号が（−）であ
れば、試料移動ステージ２１を図示上側に駆動させる。
そして、外部制御手段２２において予め設定してある値
以内に誤差信号ａの絶対値が収まれば、合焦位置と判定
してＡＦ動作を終了する。

【００５１】この場合、このようなＡＦ動作では、合焦
位置に達するまでに要する時間が、その性能の善し悪し
を決める重要な要素となる。そこで、外部制御手段２２
は、制御部２０から入力される誤差信号ａの電圧値によ
り試料移動ステージ２１の移動速度を変更させるように
している。すなわち、誤差信号ａの電圧が大きければ、
観察試料Ｓは合焦位置から離れた場所にあると判定し、
高速に試料移動ステージ２１を移動し、逆に誤差信号ａ
の電圧が小さければ、観察試料Ｓは合焦位置付近にある
と判断し、低速で試料移動ステージ２１を移動するよう
にして合焦時間を短縮している。

【００５２】ところが、外部ユニット２００側の外部制
御手段２２として、合焦状態信号出力装置１００と別に
装置メーカなどで独自に開発されたものを使用した場
合、誤差信号ａの波形が１種類に固定されていると、外
部制御手段２２の種類によっては、安定したＡＦ動作を
実現させるためにシーケンスに多大な修正を加える必要
があり、合焦状態信号出力装置１００の誤差信号ａを十
分活用できなかったり、試料移動ステージ２１のセッテ
ィングに多大な工数と時間を費やすなどの問題が生じ
る。

【００５３】そこで、これらの問題を回避するため、外
部制御手段２２では、ＡＦ動作の開始前に、外部制御手
段２２自身の特性を考慮して、通信コマンドにより誤差
信号ａの傾き、すなわち図５で述べた傾きＫを最適な値
に設定する。これにより、合焦状態信号出力装置１００
から試料移動ステージ２１の駆動に最適な誤差信号ａが
得られるようになり、外部制御手段２２のシーケンスを
変更させることなく、安定したＡＦ動作を得ることがで
きる。

【００５４】例えば、入力される誤差信号ａの電圧レベ
ルに対して早すぎるステージ駆動速度を有する外部制御
手段２２の場合は、合焦位置を挟んでステージ位置制御
が発振してしまう、いわゆるハンチング現象が発生す
る。つまり、図５（ａ）において、合焦位置Ｆ０からＦ
だけ離れた位置に観察試料Ｓがある場合、誤差信号ａの
電圧はＡ１となる。この電圧Ａ１に対して、次の合焦状
態を表わす信号が出力されるまでに、ＶＡ１の駆動量で
ＡＦ動作が行われると、観察試料Ｓは、合焦位置Ｆ０を
通り過ぎでしまう。このような場合は、外部制御手段２
２によりＫ＝０．５を設定し、図５(ｃ)に示す波形の誤
差信号ａを使用する。こうすると、合焦位置Ｆ０からＦ
だけ離れた位置に対する誤差信号ａの電圧はＡ２とな
り、この電圧Ａ２に対する駆動量はＶＡ２となるため、
観察試料Ｓは、合焦位置Ｆ０を通り過ぎることなく、ハ
ンチング現象を発生させずに合焦位置Ｆ０に位置させる
ことができる。

【００５５】また、合焦と判定する範囲を誤差信号ａの
電圧で判断するような場合、試料移動ステージ２１の変
位量に対する誤差信号ａの変化の割合が緩慢であると、
高精度なピント合わせが不可能になる。

【００５６】例えば、図５（ａ）に示すように、ある対
物レンズの焦点深度がＤである場合、外部制御手段２２
内で記憶している合焦位置Ｆ０と判定する電圧範囲がＶ
１とすると、Ｄ１の範囲で合焦動作は完了してしまい、
焦点深度以内の精度を持つピント合わせは不可能になっ
てしまう。このような場合は、外部制御手段２２により
Ｋ＝２を設定し、図５（ｂ）の波形の誤差信号ａを使用
する。こうすれば、合焦位置Ｆ０と判定する電圧範囲
が、同じＶ１であっても、同図中Ｄ２の範囲で合焦動作
を行うことができ、この時の対物レンズの焦点深度Ｄよ
りも狭い、高精度のピント合わせを実現することができ
る。

【００５７】ところで、合焦状態信号出力装置１００の
制御部２０からの出力信号はアナログ出力であるため、
外部制御手段２２における入力電圧範囲内に収まるよう
に信号レベルを抑える必要がある。

【００５８】この場合、外部制御手段２２では、ＡＦ動
作の開始前に、外部制御手段２２自身の入力電圧範囲を
考慮して通信コマンドにより誤差信号ａの出力電圧範囲
を設定することにより、必要以上の電圧値の入力によ
る、回路の破壊や不安定なＡＦ動作を防ぐことが可能と
なる。

【００５９】例えば、制御部２０からの誤差信号ａの電
圧範囲が、図６（ａ）に示すように±１０（Ｖ）で、外
部制御手段２２自身の入力電圧範囲が±５Ｖ以内であれ
ば、出力電圧範囲としてＶ＝５Ｖと設定すれば、誤差信
号ａは、図６（ｂ）に示すように±５（Ｖ）の出力範囲
に収められ、±５Ｖ以外の範囲で出力されることはなく
なる。

【００６０】このようにすれば、例えば、５Ｖ以上の誤
差信号ａでステージ駆動を行うと、脱調などのエラーを
起こす恐れのある駆動部を搭載した外部制御手段２２を
使用したような場合に有効であり、図６（ｂ）に示した
誤差信号ａを用いれば安定したＡＦ動作が可能となる。

【００６１】一方、制御部２０は、外部制御手段２２か
らの通信コマンドにより誤差信号ａのオフセット電圧Ｖ
ｏｆｆを設定可能にしている。この場合、図７に示すよ
うに図示破線の誤差信号ａの電圧レベルＶａに対してオ
フセット電圧Ｖｏｆｆを設定し、図示実線の誤差信号
ａ’を出力させる。このようにすれば、例えば、温度変
化に伴う誤差信号ａのドリフト等を補正し、より詳細な
誤差信号ａの調整が可能となる。

【００６２】以上述べたような一連の動作は、具体的に
は、図８に示すフローチャートに従って実行される。

【００６３】この場合、始めに、外部ユニット２００側
の外部制御手段２２で、誤差信号ａの波形設定情報とし
て、ゼロクロス付近の傾きＫ、出力電圧範囲Ｖｃおよび
オフセット電圧Ｖｏｆｆなどを必要に応じて設定する。
これらの情報は、通信コマンドにより合焦状態信号出力
装置１００の制御部２０に送られる。

【００６４】この状態で、制御部２０では、光検出器１
７により検出される検出信号Ａ、Ｂを演算部２０ａに取
り込み(ステップ８０１、８０２)、合焦状態信号として
誤差信号ａを（１）式から演算する(ステップ８０３)。

【００６５】次に、オフセット電圧Ｖｏｆｆが設定され
ている場合は、誤差信号ａの電圧レベルＶａにオフセッ
ト電圧Ｖｏｆｆを加算した誤差信号ａ’を設定する(ス
テップ８０４)。

【００６６】そして、誤差信号ａ’の電圧レベルＶｂと
出力電圧範囲Ｖｃを比較し(ステップ８０５)、ＶｂがＶ
ｃより小さければ、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算され
た誤差信号ａ’をそのまま合焦状態信号として外部制御
手段２２に出力し(ステップ８０６)、ＶｂがＶｃ以上な
らば、出力電圧範囲Ｖｃにより出力範囲を規制された誤
差信号ａ’を合焦状態信号として外部制御手段２２に出
力する(ステップ８０７)。

【００６７】従って、このようにすれば、特性の異なる
焦準手段を有する外部ユニット２００に対して合焦状態
信号出力装置１００が独立して設けられ、外部ユニット
２００側の外部制御手段２２より合焦状態信号出力装置
１００に与えられる波形設定情報により、合焦状態信号
出力装置１００より出力される誤差信号ａのゼロクロス
付近の傾き、出力電圧範囲およびオフセット電圧などを
任意に変更できるので、様々な駆動手段を持つ外部制御
手段２２に対して最適な誤差信号ａを提供することがで
き、いかなる外部制御手段２２に対しても誤動作を回避
した高精度かつ高速なＡＦ動作が可能となり、汎用性の
高い、高精度かつ高速なＡＦシーケンスの設計が可能と
なる。

【００６８】また、外部制御手段２２に、対物レンズ倍
率や各検鏡法あるいは観察試料Ｓ毎に誤差信号ａの波形
設定情報を記憶しておけば、さらに簡単に、安定したＡ
Ｆ動作を実現することもできる。

【００６９】(第２の実施の形態)次に、本発明の第２の
実施の形態を説明する。

【００７０】この場合、本発明が適用される合焦状態信
号出力装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援
用するものとする。また、制御部２０は、光検出器１７
からの出力により観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号
ａとともに、合焦状態に応じた種々の合焦判定信号ｂや
ＡＦ動作許可信号ｅを出力するようになっている。

【００７１】第１の実施の形態において、外部制御手段
２２は、制御部２０からの誤差信号ａに基づいてＡＦ動
作を行う場合を述べたが、外部制御手段２２に入力され
る誤差信号ａの傾き調整（Ｋの値により変更可能）と電
圧レベルの制限（Ｖの値により変更可能）については、
外部制御手段２２から制御部２０への通信コマンドによ
り最適化が可能である。

【００７２】さらに、外部制御手段２２において、より
高精度で、高速なＡＦ動作を行うには、以下のことが必
要となる。

【００７３】（ａ）外部制御手段２２内部に、合焦位置
と判定するしきい値として所定値ＴＨ１を対物レンズや
検鏡法等の種々の状態毎に記憶しておく。そして、誤差
信号ａの傾きを変更した場合、この変更に応じて所定値
ＴＨ１も変更する。

【００７４】（ｂ）合焦位置から遠く離れたステージ位
置（＝大ぼけ位置）からのＡＦ時間を短縮させる、もし
くは該当する位置での不安定なＡＦ動作を回避するた
め、大ぼけ位置であることを判定する手段が必要であ
る。

【００７５】まず、(ａ)の場合を述べると、合焦位置と
判定するには、誤差信号ａのレベルが所定値ＴＨ１の範
囲内に収まっているか否かを判定する必要があり、この
所定置ＴＨ１を対物レンズの種類や検鏡法毎に予め記憶
しておかなければならない。

【００７６】また、所定値ＴＨ１を記憶していても、誤
差信号ａの傾き（Ｋの値）を変更することにより、合焦
と判定するステージ位置の範囲が狂ってしまう。例え
ば、図９において、Ｋ＝１の場合の誤差信号ａ１に所定
値ＴＨ１を適用した場合の合焦判定範囲がｄ１であるの
に対し、Ｋ＝０．５の場合の誤差信号ａ２に所定値ＴＨ
１を適用すると、合焦判定範囲はｄ２となってｄ１の場
合より広がり、結果として合焦精度が低下することが分
かる。従って、誤差信号ａの傾きを通信コマンドによっ
て変更する場合、所定値ＴＨ１もこれに伴って変更しな
ければ高精度なＡＦ動作は望めない。

【００７７】このような機能を外部制御手段２２に搭載
することは可能だが、パラメータの記憶、所定値ＴＨ１
の変更機能が必要となるため、種々のステージ制御を考
えた場合、汎用性に欠ける。そこで、この実施の形態で
は、合焦判定に用いる所定値ＴＨ１を制御部２０内部に
記憶させ、外部制御手段２２からの通信コマンドにより
変更可能にしている。また、誤差信号ａが所定値ＴＨ１
以内に相当するステージ位置になったときにアクティブ
となる論理信号を合焦判定信号ｂとして制御部２０から
出力する。

【００７８】この場合、制御部２０は、図１０に示すよ
うに対物レンズ倍率、検鏡法（明視野、暗視野、偏光な
ど）毎に、所定値ＴＨ１の値を予めテーブルとして記
憶、格納している。そして、外部制御手段２２から制御
部２０の通信手段２０ｂを介して通信コマンドにて対物
レンズ倍率や検鏡法の情報を入力することにより、これ
に対応する所定値ＴＨ１をテーブルから選択する。さら
に、外部制御手段２２から誤差信号ａの傾きＫを入力す
ると、選択された所定値ＴＨ１に対して、 ＴＨ１×Ｋ…（３） を演算し、この値を新たな所定値ＴＨ１として設定し、
図１１に示すように、この所定値ＴＨ１に応じた合焦判
定信号ｂを出力する。

【００７９】例えば、傾きＫ＝２、検鏡法は明視野、対
物レンズ倍率１０倍を装着するような場合、図１０に示
すテーブルから所定値ＴＨ１としてＰ２１が選択され、
Ｐ２１×２を新たな所定ＴＨ１として設定している。

【００８０】これにより、図１１に示すように、Ｋ＝２
の誤差信号ａに対して設定された所定値ＴＨ１＝±（Ｐ
_２１×２）により図中ｄで示した期間でアクティブとな
る論理信号が合焦判定信号ｂとして出力され、観察試料
Ｓが合焦位置にあることを外部制御手段２２に通知す
る。この場合、誤差信号ａは、合焦位置付近では直線性
を持っているため、式（３）で算出される所定値ＴＨ１
を用いれば、Ｋの値に関わらず、合焦判定信号ｂの出力
期間ｄは、ほぼ一定となり、安定したＡＦ精度が確保で
きる。そして、外部制御手段２２では、この合焦判定信
号ｂを受け、ステージの移動を停止し、ＡＦ動作が完了
する。

【００８１】なお、図１１において、ａ’は、Ｋ＝１の
場合の誤差信号で、この場合は、所定ＴＨ１＝±（Ｐ
_２１）が設定され、この所定ＴＨ１に応じた期間でアク
ティブとなる論理信号が合焦判定信号ｂとして出力され
る。

【００８２】このような機能により、外部制御手段２２
では、対物レンズ倍率や検鏡法などに対応する所定値Ｔ
Ｈ１を記憶しておく必要がなくなり、また、Ｋの値によ
り誤差信号ａの波形を変更した場合でも、常に同じ精度
でＡＦ動作を行うことができる。さらに、制御部２０か
らの合焦判定信号ｂに基づいてのみＡＦ動作を完了させ
ればよいため、複雑な合焦判定シーケンスを用いること
なく、容易に安定したＡＦ動作を実現することができ
る。さらにまた、観察試料Ｓの状態などに応じたＡＦ精
度の変更が、通信手段を介して容易に行うことができ
る。

【００８３】次に、(ｂ)の場合を述べると、大ぼけ位置
での誤差信号は、図１２（ｂ）中のＰで示す範囲のよう
に、 Ｋ｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝＝０…（４） となる部分が複数存在する場合がある。

【００８４】これは、図１２（ａ）から明らかなよう
に、光検出器１７で結像されるレーザ光に応じた検出信
号Ａ、Ｂが極端に小さくなる範囲では、迷光などのノイ
ズ成分が支配的になって、式（４）が０付近となる、す
なわち合焦位置と誤認識してしまう現象である。

【００８５】これを回避するため、図１２（ａ）に示す
ように検出信号Ａ、Ｂの和分値Ａ＋Ｂに対して、所定の
しきい値ＴＨ２を設定し、Ａ＋Ｂ＞ＴＨ２となる場合の
み、同図（ｃ）に示すようにアクティブとなる論理信号
をＡＦ動作許可信号ｅとして、制御部２０から外部制御
手段２２に出力するようにしている。

【００８６】外部制御手段２２では、ＡＦ動作許可信号
ｅがアクティブでないステージ位置、つまり図１２
（ｃ）中のＡＦ動作許可信号ｅの範囲以外では、合焦位
置の判定は行わずに、ＡＦ動作を継続することで、大ぼ
け位置でのＡＦ誤動作（偽合焦）を回避することができ
る。

【００８７】また、誤差信号ａの電圧レベルが比較的低
い範囲、例えば、図１２（ｂ）中の範囲Ｑで低速のＡＦ
動作を行うようなＡＦシーケンスについても、ＡＦ動作
許可信号ｅ以外の範囲では、誤差信号ａの電圧レベルに
関わらず高速サーチを行うシーケンスに変更し、ＡＦ動
作許可信号ｅの範囲内でのみ誤差信号ａのレベルに応じ
た駆動速度による合焦動作を行うようにすれば、ＡＦ動
作時間の短縮を図ることができる。

【００８８】さらに、しきい値ＴＨ２についても、制御
部２０内部に、対物レンズ倍率や検鏡法ごとに設定した
値を予め記憶しているので、これら対物レンズ倍率や検
鏡法の情報を通信コマンドにより制御部２０に入力する
だけで、最適なしきい値ＴＨ２を適用することができ
る。ここでの「最適」とは、各検鏡法、各対物レンズ倍
率において、迷光等によるノイズ成分で発生する信号強
度（Ａ＋Ｂ）よりも大きい値という意味である。

【００８９】さらにまた、しきい値ＴＨ２は、通信コマ
ンドにより、任意の値に変更可能である。これにより、
例えば、特定の観察試料Ｓや特定のステージ範囲にて繰
り返しＡＦ動作を行う際、しきい値ＴＨ２のレベルをさ
らに下げることで、安定したＡＦ性能と、ＡＦ動作時間
の向上が両立できる。

【００９０】なお、上述した実施の形態では、観察試料
Ｓと対物レンズ１０ａ間の距離の調節は、試料移動ステ
ージ２１の駆動によって行うようにしたが、例えば、対
物レンズ１０ａ（１０ｂ）を装着する電動レボルバ本体
１３を上下駆動するようにしても、全く同様の効果が得
られる。また、上述では、いわゆるアクティブ方式のＡ
Ｆ光学系について説明を行ったが、観察試料Ｓからの可
視光像を、光路長の異なる複数の撮像面に投影し、それ
らのコントラストを演算することで、誤差信号を発生さ
せる、いわゆるパッシブ方式のＡＦ光学系についても、
誤差信号の使用方法が同等である場合、全く同様な効果
を得ることができる。さらに上述では、合焦状態信号出
力装置を適用した顕微鏡について述べたが、他の光学機
器への適用も可能である。

【００９１】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない
範囲で種々変形することが可能である。

【００９２】さらに、上記実施の形態には、種々の段階
の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件
における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出でき
る。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から
幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようと
する課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄
で述べられている効果が得られる場合には、この構成要
件が削除された構成が発明として抽出できる。

【００９３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、種々
の特性を有する焦準手段に対して最適な波形の合焦状態
信号を提供でき、高精度かつ高速なＡＦ動作を可能にし
た合焦状態信号出力装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態が適用される合焦状
態信号出力装置を有する顕微鏡の概略構成を示す図。

【図２】第１の実施の形態に用いられる制御部の具体的
構成を示す図。

【図３】第１の実施の形態での合焦状態の検出方法を説
明するための図。

【図４】第１の実施の形態での合焦状態の検出方法を説
明するための図。

【図５】第１の実施の形態の誤差信号と傾きＫの関係を
説明するための図。

【図６】第１の実施の形態の誤差信号と出力電圧範囲の
関係を説明するための図。

【図７】第１の実施の形態の誤差信号とオフセット電圧
の関係を説明するための図。

【図８】第１の実施の形態の一連の動作を説明するため
のフローチャート。

【図９】本発明の第２の実施の形態の誤差信号と合焦判
定範囲の関係を説明するための図。

【図１０】第２の実施の形態の対物レンズ倍率および検
鏡法毎に所定値を記憶したテーブルを示す図。

【図１１】第２の実施の形態の誤差信号に対する合焦判
定信号を説明するための図。

【図１２】第２の実施の形態の誤差信号に対するＡＦ動
作許可信号を説明するための図。

【符号の説明】

１００…合焦状態信号出力装置 １…基準光源 ２…レーザ駆動部 ３…コリメートレンズ ４…投光側ストッパ ５…ビームスプリッタ ６…集光レンズ群 ７…色収差補正レンズ群 ８…λ／４板 ９…ダイクロックミラー １０ａ、１０ｂ…対物レンズ １１…色収差レンズ用モータ駆動部 １２…駆動モータ １３…電動レボルバ本体 １４…レボルバ用モータ駆動部 １５…レボルバ用モータ １６…集光レンズ群 １７…光検出器 １８…増幅器 １９…Ａ／Ｄ変換器 ２０…制御部 ２０ａ…演算手段 ２０ｂ…通信手段 ２０ｃ…制御手段 ２０１…ＣＰＵ本体 ２０２…ＲＯＭ ２０３…ＲＡＭ ２０４…Ｉ／Ｏポート ２０５…データバス ２００…外部ユニット ２１…試料移動ステージ ２２…外部制御手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 標本を載置するステージと対物レンズと
   の間の相対距離を調整する焦準手段を有する光学機器に
   搭載され、 前記標本から反射された光を検出する光検出手段からの
   信号に基づいて前記標本の合焦状態を示す合焦状態信号
   を発生する合焦状態信号出力装置において、 前記合焦状態信号は、合焦位置を挟んで逆符号で、且つ
   前記合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧変
   化を呈するとともに、前記焦準手段から与えられる波形
   設定情報に基づいて任意の波形に変更可能にしたことを
   特徴とする合焦状態信号出力装置。
2. 【請求項２】 前記波形設定情報は、前記合焦状態信号
   のゼロクロス付近の傾き、出力電圧範囲およびオフセッ
   ト電圧の少なくとも１つであることを特徴とする請求項
   １記載の合焦状態信号出力装置。
3. 【請求項３】 前記合焦状態信号に対して所定のしきい
   値を設定し、これら合焦状態信号およびしきい値の大小
   関係に基づいて合焦判定信号を出力することを特徴とす
   る請求項１または２記載の合焦状態信号出力装置。
4. 【請求項４】 前記光検出手段からの信号に対して所定
   のしきい値を設定し、これら信号およびしきい値の大小
   関係に基づいて合焦動作許可信号を出力することを特徴
   とする請求項１または２記載の合焦状態信号出力装置。
5. 【請求項５】 前記合焦状態信号に対して設定されるし
   きい値または前記光検出手段からの信号に対して設定さ
   れるしきい値は、前記焦準手段からの指令に基づいて変
   更可能にしたことを特徴とする請求項３または４記載の
   合焦状態信号出力装置。