JP2003185913A

JP2003185913A - 焦点検出装置、焦点合わせ装置、およびそれを備えた顕微鏡

Info

Publication number: JP2003185913A
Application number: JP2001389216A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishimura; 宏西村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】標本からの光量や標本の内部構造などの影響
を受けることなく良好に焦点検出を行える焦点検出装
置、焦点合わせ装置、および顕微鏡を提供する。【解決手段】標本２０を保持する保持部材１１,２１
と、保持部材に設けられた焦点検出用のパターン部材２
２と、保持部材を光軸１０ａに対し交差する方向に移動
させて「標本が光軸上に位置決めされる状態」または
「パターン部材が光軸上に位置決めされる状態」に切り
替える切替手段１２と、パターン部材が光軸上に位置決
めされたときに、光軸の方向に関するパターン部材の位
置に基づいて焦点検出を行う検出手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、標本の観察や検査
などに用いられる焦点検出装置、焦点合わせ装置、およ
びそれを備えた顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、画像コントラスト方式やアク
ティブ方式を採用した焦点検出装置が知られている。画
像コントラスト方式では、標本の像を画像として取り込
み、その画像のコントラストに基づいて焦点検出を行
う。アクティブ方式では、標本に対して焦点検出用の検
出光を照射すると共に、検出光が照射された標本からの
反射光を受光し、この反射光の受光位置のずれに基づい
て焦点検出を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の画像コントラスト方式は、標本から発生する光
の光量の影響を受けやすく、光量が少ないと焦点検出が
困難になる。一方、上記した従来のアクティブ方式は、
標本の反射率の影響を受けやすく、反射率が低いと光量
が少なくなるため、焦点検出が困難になる。さらに、ア
クティブ方式は、標本の内部構造やパターンの影響を受
けやすく、内部構造やパターンによって検出結果が異な
ってしまう。

【０００４】本発明の目的は、良好に焦点検出を行える
焦点検出装置、焦点合わせ装置、および顕微鏡を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の焦点検
出装置は、標本を保持する保持部材と、前記保持部材に
設けられた焦点検出用のパターン部材と、前記保持部材
を照明光学系の光軸に対し交差する方向に移動させて、
前記標本が前記光軸上に位置決めされる状態、または、
前記パターン部材が前記光軸上に位置決めされる状態の
何れかに切り替える切替手段と、前記切替手段により前
記保持部材の状態が切り替えられ、前記パターン部材が
前記光軸上に位置決めされたときに、前記光軸の方向に
関する前記パターン部材の位置に基づいて焦点検出を行
う検出手段とを備えたものである。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の焦点検出装置において、前記光軸の方向に関する前記
パターン部材の位置と前記標本の位置とのオフセット量
を記憶する記憶手段をさらに備え、前記検出手段は、前
記記憶手段に記憶されている前記オフセット量を加味し
て前記パターン部材の位置を検出し、前記焦点検出を行
うものである。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の焦点検出装置において、前記切替手段
が、前記保持部材と当接可能な位置決め用の基準部材を
有し、前記保持部材は、前記標本または前記パターン部
材が前記光軸上に位置決めされる状態のときに前記基準
部材と当接するものである。請求項４に記載の発明は、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載した焦点検出
装置を備えた焦点合わせ装置であって、前記検出手段に
よる検出結果に基づいて、前記パターン部材と前記光学
系との相対的な位置関係を自動的に調整する調整手段を
備え、前記保持部材は、前記調整手段による調整後、前
記切替手段によって前記標本が前記光軸上に位置決めさ
れる状態に切り替えられるものである。

【０００８】請求項５に記載の顕微鏡は、対物レンズお
よび接眼レンズを有し、標本の像を形成する結像光学系
と、前記対物レンズと前記接眼レンズとの間に配置され
た請求項４に記載の焦点合わせ装置とを備えたものであ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００１０】本発明の実施形態は、請求項１〜請求項５
に対応する。本実施形態の顕微鏡１０は、図１に示すよ
うに、サンプルホルダ１１と、サンプルホルダ１１を駆
動するステージ部(１２〜１４)と、透過型の照明光学系
１５と、観察光学系１６と、アクティブ方式の焦点検出
部１７と、制御部１８とで構成されている。

【００１１】以下の説明において、照明光学系１５およ
び観察光学系１６の光軸１０ａの方向を「Ｚ方向」と
し、Ｚ方向に垂直で紙面にも垂直な方向を「Ｘ方向」と
し、Ｚ方向およびＸ方向に垂直な方向を「Ｙ方向」とす
る。光軸１０ａは請求項の「光軸」に対応する。ここ
で、顕微鏡１０における観察対象の標本２０は、スライ
ドガラス２１の上に載置され、この状態で顕微鏡１０の
サンプルホルダ１１に設置される。スライドガラス２１
およびサンプルホルダ１１は、請求項の「保持部材」に
対応する。なお、標本２０が生物標本(例えば細胞)の場
合、その上面はカバーガラス(不図示)によって覆われ
る。

【００１２】また、スライドガラス２１の上には、焦点
検出用のパターン部材２２が設けられている。パターン
部材２２には、その表面全体に反射膜（例えばクロムな
どの金属膜）が蒸着されている。パターンはライン＆ス
ペースまたは全面に膜が形成されたものでも良い。ここ
では、説明を簡単にするために、スライドガラス２１の
表面からパターン部材２２の表面までの高さ（約数千
Å）が、スライドガラス２１の表面から標本２０の表面
までの高さと一致しており、その表面を観察する例を説
明する。図２に、サンプルホルダ１１をＺ方向から見た
図を示す。

【００１３】さて、顕微鏡１０のサンプルホルダ１１
は、上記のスライドガラス２１を顕微鏡１０に設置する
ための枠部材であり、図２に示すような矩形状の開口部
１１ａを有している。開口部１１ａは、後述する透過照
明光Ｌ(図１(ａ))の通過穴である。このサンプルホルダ
１１は、次に説明するステージ部(１２〜１４)によって
駆動され、ＸＹＺ方向に移動可能である。

【００１４】なお、サンプルホルダ１１にスライドガラ
ス２１が設置されたとき、スライドガラス２１上の標本
２０とパターン部材２２とは、その配列方向がＹ方向に
沿っているとする。ステージ部(１２〜１４)は、サンプ
ルホルダ１１を直接駆動してＹ方向に一定のストローク
で移動させる切替ステージ１２と、切替ステージ１２に
接続された切替スイッチ１３と、切替ステージ１２を直
接駆動してＸＹＺ方向に移動させるＸＹＺステージ１４
とで構成されている。

【００１５】また、切替ステージ１２は、ベース部材２
３と、このベース部材２３上に固定された位置決め用の
基準部材２４と、サンプルホルダ１１に対してＸＹＺ方
向の駆動力を付与するアクチュエータ(不図示)とで構成
されている。ベース部材２３は、その上面２３ａがサン
プルホルダ１１をＸＹ方向に案内するための案内面とな
っている。ベース部材２３の中心部には、図２に示すよ
うな矩形状の開口部２３ｂが設けられている。開口部２
３ｂは、後述する透過照明光Ｌ(図１(ａ))の通過穴であ
る。

【００１６】基準部材２４は、サンプルホルダ１１とＸ
ＹＺ方向に当接可能な枠部材であり、剛性の高い材料に
よって構成されている。また、基準部材２４の内面は、
平面度の高い状態に仕上げられている。基準部材２４の
内面には、Ｘ方向に対向する２つの平面２４ｘ(図２)
と、Ｙ方向に対向する２つの平面２４ｙ(1),(2)と、Ｚ
方向にベース部材２３の上面２３ａと対向する枠状の平
面２４ｚ(図１)とが含まれる。

【００１７】基準部材２４の内面のうち、２つの平面２
４ｘ(図２)の間隔は、サンプルホルダ１１のＸ方向の幅
より僅かに大きい程度である。基準部材２４の枠状の平
面２４ｚ(図１)とベース部材２３の上面２３ａとの間隔
は、サンプルホルダ１１のＺ方向の幅より僅かに大きい
程度である。

【００１８】また、基準部材２４の内面のうち、２つの
平面２４ｙ(1),(2)の間隔(図２)は、サンプルホルダ１
１のＹ方向の幅より距離Ｙｓだけ大きい。この距離Ｙｓ
は、切替ステージ１２によるサンプルホルダ１１の移動
ストロークに対応する。このように構成された切替ステ
ージ１２において、サンプルホルダ１１は、アクチュエ
ータ(不図示)からの駆動力を受けると、基準部材２４の
内面のうち、２つの平面２４ｘおよび枠状の平面２４ｚ
に対して常に接触しながら、Ｙ方向に移動する（図２
(ｂ)の状態）。

【００１９】そして、基準部材２４の一方の平面２４ｙ
(1)に当接すると（図１(ａ),図２(ａ)の状態）、サンプ
ルホルダ１１は、アクチュエータ(不図示)からの駆動力
によって、基準部材２４の平面２４ｙ(1),２４ｚ,２４
ｘに向けて押し付けられる。このとき、サンプルホルダ
１１に設置されたスライドガラス２１の上の標本２０が
光軸１０ａ上に位置決めされた状態となる。以下、この
状態を「標本観察状態」という。

【００２０】また、サンプルホルダ１１がアクチュエー
タ(不図示)から逆方向の駆動力を受けてＹ方向に移動
し、基準部材２４の他方の平面２４ｙ(2)に当接すると
（図１(ｂ),図２(ｃ)の状態）、サンプルホルダ１１
は、アクチュエータ(不図示)からの駆動力によって、基
準部材２４の平面２４ｙ(2),２４ｚ,２４ｘに向けて押
し付けられる。このとき、サンプルホルダ１１に設置さ
れたスライドガラス２１の上のパターン部材２２が光軸
１０ａ上に位置決めされた状態となる。以下、この状態
を「焦点検出状態」という。

【００２１】このように、切替ステージ１２によれば、
サンプルホルダ１１をＹ方向に一定のストロークＹｓで
移動させて、標本２０が光軸１０ａ上に位置決めされる
状態（標本観察状態）、または、パターン部材２２が光
軸１０ａ上に位置決めされる状態（焦点検出状態）の何
れかに切り替えることができる。切替ステージ１２は、
請求項の「切替手段」に対応する。

【００２２】さらに、切替ステージ１２では、サンプル
ホルダ１１を基準部材２４の平面度が高い内面に向けて
押し付けることにより、スライドガラス２１の上の標本
２０またはパターン部材２２を光軸１０ａ上に位置決め
するため、切り替え時のＸＹＺ位置の再現性が何れも良
好に確保される。また、本実施形態では、既に説明した
ように、スライドガラス２１の表面からパターン部材２
２の表面までの高さが標本２０の表面までの高さと一致
するように構成したため、焦点検出状態（図１(ｂ),図
２(ｃ)）でのパターン部材２２の表面のＺ位置と、標本
観察状態（図１(ａ),図２(ａ)）での標本２０の表面の
Ｚ位置とが再現性良く一致する。

【００２３】切替スイッチ１３は、切替ステージ１２上
のサンプルホルダ１１をＹ方向に移動させて、焦点検出
状態（図１(ｂ),図２(ｃ)）または標本観察状態（図１
(ａ),図２(ａ)）に切り替えるときに、顕微鏡１０のユ
ーザーによって操作されるスイッチである。ＸＹＺステ
ージ１４は、切替ステージ１２を直接駆動してＸＹＺ方
向に移動させるステージであり、切替ステージ１２に対
してＺ方向の駆動力を付与するＺアクチュエータとＸＹ
方向の駆動力を付与するＸＹアクチュエータとを有して
いる(何れも不図示)。

【００２４】このうち、Ｚアクチュエータは、後述する
制御部１８に接続され、制御部１８からの制御信号に応
じて切替ステージ１２をＺ方向に移動させる（自動焦点
合わせ）。制御部１８によるＸＹＺステージ１４（Ｚア
クチュエータ）のＺ位置調整は、上記した焦点検出状態
（図１(ｂ),図２(ｃ)）にて行われる。さらに、ＸＹＺ
ステージ１４のＺアクチュエータには、不図示の手動微
調整装置（例えばジョクダイヤル）も接続されている。
また、ＸＹアクチュエータには、上記と同様の手動微調
整装置(不図示)が接続されている。これらの手動微調整
装置によるＸＹＺステージ１４（Ｚアクチュエータ，Ｘ
Ｙアクチュエータ）のＸＹＺ位置調整は、上記した標本
観察状態（図１(ａ),図２(ａ)）にて行われる。

【００２５】なお、ＸＹＺステージ１４によって切替ス
テージ１２がＸＹＺ方向に駆動されると、サンプルホル
ダ１１も切替ステージ１２と共に移動する。このとき、
切替ステージ１２に対するサンプルホルダ１１の位置が
変化することはない。透過型の照明光学系１５（図１
(ａ)）は、標本２０を下方から照明するための光学系で
あり、光軸１０ａに沿って配置されたランプ３１,コレ
クタレンズ３２,視野絞り３３,レンズ３４,開口絞り３
５,コンデンサレンズ３６により構成される。ランプ３
１は可視光光源である。

【００２６】観察光学系１６は、透過照明光Ｌによって
照明された標本２０の拡大像を観察するための光学系で
あり、光軸１０ａに沿って配置された対物レンズ３７,
リレーレンズ３８,接眼レンズ３９により構成される。
照明光学系１５と観察光学系１６とを用いた標本２０の
観察は、上記した標本観察状態（図１(ａ),図２(ａ)）
にて行われる。このとき、照明光学系１５からの透過照
明光Ｌは、切替ステージ１２の開口部２３ｂとサンプル
ホルダ１１の開口部１１ａとを介して、標本２０に導か
れる。

【００２７】焦点検出部１７は、光軸１０ａに垂直な光
軸１０ｂに沿って配置された光源４１,レンズ４２,スリ
ット４３,コレクタレンズ４４,遮光板４５,ハーフミラ
ー４６,ダイクロイックミラー４７と、光軸１０ｂに垂
直な光軸１０ｃに沿って配置されたレンズ４８,撮像素
子４９とで構成される。光源４１は、照明光学系１５の
ランプ３１とは波長の異なるオートフォーカス用の光
（赤外光などのＡＦ光）を射出する。

【００２８】なお、ハーフミラー４６は光軸１０ｃ上に
も配置され、ダイクロイックミラー４７は光軸１０ａ上
の対物レンズ３７とリレーレンズ３８との間にも配置さ
れる。ダイクロイックミラー４７は、赤外光などのＡＦ
光を反射すると共に、可視光を透過する特性を持つ。

【００２９】焦点検出部１７において、光源４１からの
ＡＦ光は、レンズ４２,スリット４３,コレクタレンズ４
４を介して平行光となり、遮光板４５によって瞳の半分
が遮光される。その後、ＡＦ光は、ハーフミラー４６を
透過し、ダイクロイックミラー４７で反射されて、光軸
１０ａ上に導かれる。ちなみに、焦点検出部１７を用い
たＡＦ光による焦点検出は、上記した焦点検出状態（図
１(ｂ),図２(ｃ)）にて行われる。つまり、光軸１０ａ
上には、スライドガラス２１の上のパターン部材２２が
位置決めされている。

【００３０】このため、ダイクロイックミラー４７から
光軸１０ａ上に導かれたＡＦ光は、対物レンズ３７を介
してパターン部材２２の表面に照射される。このとき、
パターン部材２２の表面には、スリット像が投影され
る。既に説明した通り、パターン部材２２の表面全体に
は、反射膜（例えばクロムなどの金属膜）が蒸着されて
いる。

【００３１】そして、パターン部材２２の表面で反射さ
れたスリット状のＡＦ光は、再び対物レンズ３７,ダイ
クロイックミラー４７を介してハーフミラー４６に入射
し、そこで反射される。さらに、ハーフミラー４６で反
射したスリット状のＡＦ光は、レンズ４８を介して、撮
像素子４９の撮像面に結像される。このとき、撮像素子
４９の撮像面には、スリット像が形成される。

【００３２】撮像素子４９では、撮像面に形成されたス
リット像に応じて、撮像素子の各々の受光部に電荷が蓄
積される。そして、撮像素子４９の各受光部に蓄積され
た電荷は、撮像信号として制御部１８に出力される。こ
のように構成された焦点検出部１７では、遮光板４５に
よって瞳半分を遮光するため、光軸１０ａ上に位置決め
されたパターン部材２２の表面のＺ位置、つまり、ＡＦ
光が反射する面のＺ位置に応じて、撮像素子４９の撮像
面に形成されるスリット像の光強度分布が変化すること
になる。

【００３３】その結果、焦点検出部１７から制御部１８
に出力される撮像信号の波形は、図３(ａ),(ｂ),(ｃ)に
示すように変化する。図３(ａ)〜(ｃ)の横軸は、スリッ
ト像の短手方向の座標（撮像素子４９での受光位置）を
表し、縦軸は、撮像信号の電圧値（スリット像の光強
度）を表している。図３(ａ)は、パターン部材２２の表
面が対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusと一致するフォーカ
ス時(図４(ａ))の信号波形である。図３(ｂ)は、パター
ン部材２２の表面が対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusより
上にずれたデフォーカス時(図４(ｂ))の信号波形であ
る。図３(ｃ)は、パターン部材２２の表面が対物レンズ
３７の焦点Ｚ_focusより下にずれたデフォーカス時(図４
(ｃ))の信号波形である。

【００３４】つまり、制御部１８では、焦点検出部１７
の撮像素子４９から出力される撮像信号（図３(ａ)〜
(ｃ)）の波形に基づいて、パターン部材２２の表面のＺ
位置（図４(ａ)〜(ｃ)）を把握することができる。この
ため、制御部１８は、撮像信号（図３(ａ)〜(ｃ)）の波
形に基づいてパターン部材２２の表面のＺ位置を把握
し、パターン部材２２の表面のＺ位置に基づいて焦点検
出を行う。焦点検出部１７および制御部１８は、請求項
の「検出手段」に対応する。

【００３５】さらに、制御部１８は、上記した焦点検出
の結果に基づいて、ＸＹＺステージ１４のＺアクチュエ
ータ(不図示)を制御し、切替ステージ１２をＺ方向に移
動させることで、パターン部材２２と対物レンズ３７と
の相対的な位置関係を自動的に調整する（自動焦点合わ
せ）。制御部１８およびＸＹＺステージ１４のＺアクチ
ュエータは、請求項の「調整手段」に対応する。

【００３６】そして、焦点検出部１７の撮像素子４９か
ら出力される撮像信号の波形が図３(ａ)のようになる
と、制御部１８は、ＸＹＺステージ１４のＺアクチュエ
ータに対する制御、すなわち、パターン部材２２と対物
レンズ３７との位置関係の調整を終了させて、切替ステ
ージ１２のＺ方向の移動を停止させる。このとき、パタ
ーン部材２２の表面は、図４(ａ)に示すように、対物レ
ンズ３７の焦点Ｚ_focusと一致することになる。

【００３７】その後、切替ステージ１２上のサンプルホ
ルダ１１をＹ方向に移動させて、焦点検出状態（図１
(ｂ),図２(ｃ)）から標本観察状態（図１(ａ),図２
(ａ)）に切り替えることにより、光軸１０ａ上には、ス
ライドガラス２１の上の標本２０が位置決めされる。既
に説明したように、本実施形態では、スライドガラス２
１の表面からパターン部材２２の表面までの高さと標本
２０の表面までの高さとが一致するため、標本観察状態
（図１(ａ),図２(ａ)）での標本２０の表面は、焦点検
出状態（図１(ｂ),図２(ｃ)）でのパターン部材２２の
表面とＺ位置が等しく、対物レンズ３７の焦点Ｚ_focus
と一致する(図５)。

【００３８】したがって、この場合には、標本２０の表
面にピントが合った状態で、照明光学系１５と観察光学
系１６とを用いて、標本２０の表面をコントラスト良く
観察することができる。ところで、標本２０が生物標本
(例えば細胞)の場合、内部は立体構造になっているた
め、Ｚ方向の厚さのうち観察したい任意の面にピントを
合わせて観察したいことがある。この場合には、制御部
１８内の記憶部(不図示)に、フォーカスオフセット量を
記憶させて、このフォーカスオフセット量を加味して上
記の焦点検出を行えば良い。このときの焦点検出も、焦
点検出状態（図１(ｂ),図２(ｃ)）で行われる。

【００３９】フォーカスオフセット量は、以下のように
して設定する。まず、観察者が、標本２０の内部の観察
したい位置を見て、手動でＸＹＺステージ１４のＺ方向
の移動を行い、合焦を行う。この合焦位置は、パターン
部材２２の表面位置に対応していないため、パターン部
材２２の表面を基準にするとデフォーカス状態となって
いる。このデフォーカス状態の位置とパターン部材２２
の表面までの間隔をフォーカスオフセット量とする。

【００４０】例えば、フォーカスオフセット量として図
３(ｂ)に示す信号波形を記憶させた場合、制御部１８
は、焦点検出部１７の撮像素子４９から出力される撮像
信号の波形が図３(ｂ)のようになるまで、ＸＹＺステー
ジ１４のＺアクチュエータ(不図示)を制御し、切替ステ
ージ１２をＺ方向に移動させる。そして、撮像信号の波
形が図３(ｂ)のようになると、制御部１８は、ＸＹＺス
テージ１４のＺアクチュエータに対する制御、すなわ
ち、パターン部材２２と対物レンズ３７との位置関係の
調整を終了させて、切替ステージ１２のＺ方向の移動を
停止させる。このとき、パターン部材２２の表面は、図
４(ｂ)に示すように、対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusよ
り上にずれたデフォーカス状態となる。

【００４１】その後、切替ステージ１２上のサンプルホ
ルダ１１をＹ方向に移動させて、焦点検出状態（図１
(ｂ),図２(ｃ)）から標本観察状態（図１(ａ),図２
(ａ)）に切り替えることで、光軸１０ａ上に標本２０を
位置決めする。この状態では、標本２０の表面も、図６
に示すように、対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusより上に
ずれたデフォーカス状態となるが、標本２０の内部の任
意の観察面２０ａにピントが合った状態で、照明光学系
１５と観察光学系１６とを用いて、標本２０の観察面２
０ａをコントラスト良く観察することができる。

【００４２】なお、実際の標本観察においては、前述し
たように、スライドガラス２１の表面から標本２０の表
面までの高さとスライドガラス２１の表面からパターン
部材２２の表面までの高さが一致することは希である。
この場合、フォーカスオフセット量を加味した焦点検出
を行う必要がある。また、制御部１８内の記憶部(不図
示)にフォーカスオフセット量を記憶させておくことに
より、ＸＹＺステージ１４が光軸１０ａに対して傾いて
いる場合でも、標本２０の観察面２０ａ内の複数の箇所
を、何れもコントラスト良く観察することができる。こ
の場合の動作について、図７〜図９を用いて説明する。
動作を開始する時点では、制御部１８内の記憶部のフォ
ーカスオフセット量は０とする。

【００４３】まず、焦点検出状態（図７(ａ)）におい
て、焦点検出部１７でパターン部材２２の表面に検出光
が合焦するようにステージを移動させ、パターン部材２
２の表面にピントを合わせた後、サンプルホルダ１１を
移動させて、標本観察状態（図７(ｂ)）に切り替える。
このとき、標本２０の表面にピントが合った状態とな
る。次に、標本２０の内部の観察しようとする任意の観
察面２０ａをコントラスト良く観察したい場合は、顕微
鏡１０のユーザーによりＸＹＺステージ１４のＺアクチ
ュエータの手動微調整装置(不図示)が操作され、図８
(ａ)に示すように、切替ステージ１２がＺ方向に移動す
る。その結果、標本２０も同量だけＺ方向に移動する。
このような手動操作は、接眼レンズ３９を介して標本２
０を目視観察しながら行われる。

【００４４】そして、標本２０の観察面２０ａをコント
ラスト良く観察できるようになると、ＸＹＺステージ１
４の手動操作は終了する。このとき、標本２０の観察面
２０ａの１箇所(点Ａ)にピントが合った状態で、点Ａを
コントラスト良く観察することができる。次に、標本２
０の観察面２０ａの別の箇所を観察したい場合、一旦、
焦点検出状態（図８(ｂ)）に切り替えられる。このと
き、パターン部材２２の表面は、対物レンズ３７の焦点
Ｚ_focusより上にずれたデフォーカス状態となってい
る。つまり、ピントは、パターン部材２２の内部に合っ
た状態になっている。

【００４５】制御部１８では、この状態において、焦点
検出部１７の撮像素子４９から出力される撮像信号の波
形（例えば図３(ｂ)のような信号波形）を取り込み、フ
ォーカスオフセット量として記憶部(不図示)に記憶させ
る。このフォーカスオフセット量は、光軸１０ａにおけ
る対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusとパターン部材２２の
表面までの間隔のずれ量ΔＺ_OSに応じたものである。

【００４６】フォーカスオフセット量を記憶させる処理
が終了すると、標本観察状態（図８(ｃ)）に切り替えら
れる。図８(ｃ)の状態は、上記した図８(ａ)と同じ状態
であり、標本２０の観察面２０ａの１箇所(点Ａ)にピン
トが合っている。

【００４７】そして、標本２０の観察面２０ａの別の箇
所を観察するために、顕微鏡１０のユーザーによりＸＹ
Ｚステージ１４のＸＹアクチュエータの手動微調整装置
(不図示)が操作され、図８(ｄ)に示すように、切替ステ
ージ１２がＸＹ方向に移動する。その結果、標本２０も
同量だけＸＹ方向に移動する。このような手動操作は、
接眼レンズ３９を介して標本２０を目視観察しながら行
われる。

【００４８】このとき、ＸＹＺステージ１４が光軸１０
ａに対して傾いていると、標本２０の観察面２０ａの別
の観察箇所を探している間に、標本２０の観察面２０ａ
のピントが大きくずれてしまう（図８(ｄ)の状態）。こ
の場合、一旦、ステージを移動して焦点検出状態（図９
(ａ)）に切り替えられる。このとき、パターン部材２２
の表面は、対物レンズ３７の焦点Ｚ_focusより大きくず
れたデフォーカス状態となっている。図９(ａ)では、ピ
ントは、スライドガラス２１の内部に合った状態になっ
ている。

【００４９】制御部１８では、この状態において、先ほ
ど(図８(ｂ)の状態で)記憶部に記憶させたフォーカスオ
フセット量ΔＺ_OSを加味して焦点検出を行い、自動焦点
合わせを行う。その結果、パターン部材２２の表面は、
図９(ｂ)に示すように、対物レンズ３７の焦点Ｚ_focus
よりフォーカスオフセット量ΔＺ_OSの分だけ上にずれた
デフォーカス状態となる。

【００５０】その後、再度ステージを移動して標本観察
状態（図９(ｃ)）に切り替えることで、光軸１０ａ上に
標本２０を位置決めすると、標本２０の観察面２０ａの
別の箇所(点Ｂ)にピントが合った状態となり、点Ｂをコ
ントラスト良く観察することができる。さらに、標本２
０の観察面２０ａの別の箇所を続けて観察したい場合に
は、ＸＹＺステージ１４の手動操作（図８(ｄ)）と、焦
点検出状態（図９(ａ),(ｂ)）でのフォーカスオフセッ
ト量ΔＺ_OSを考慮した自動焦点合わせとが、繰り返し行
われる。

【００５１】これにより、ＸＹＺステージ１４が光軸１
０ａに対して傾いている場合でも、標本２０の観察面２
０ａ内の複数の箇所(点Ａ,Ｂ,…)または全面を、何れも
コントラスト良く観察することができる。上記したよう
に、第１実施形態の顕微鏡１０によれば、焦点検出用の
パターン部材２２を用い、焦点検出状態（光軸１０ａに
パターン部材２２が位置決めされた状態）に切り替えて
焦点検出を行うため、標本２０から発生する光量が少な
い場合（例えば蛍光観察時）でも、標本２０の反射率が
低い場合でも、焦点検出時の光量を十分に確保すること
ができ、一定の光量による良好な焦点検出結果を得るこ
とができる。さらに、標本２０の内部構造やパターンの
影響により、焦点検出結果が異なってしまうこともな
い。

【００５２】このため、第１実施形態の顕微鏡１０によ
れば、標本２０の観察状態（蛍光観察,明視野観察,暗視
野観察,微分干渉観察など）に関わらず、常に、安定し
た焦点検出動作および焦点合わせ動作を行うことができ
る。なお、上記した実施形態では、標本２０を透過照明
する顕微鏡１０の例を説明したが、本発明は、標本２０
を落射照明する顕微鏡にも適用できる。この場合、サン
プルホルダ１１の開口部１１ａと切替ステージ１２の開
口部２３ｂとを省略することができる。また、スライド
ガラス２１に代えて、不透明な材料で構成された平行平
面板を用いることができる。

【００５３】さらに、上記した実施形態では、パターン
部材２２の表面全体に反射膜（例えばクロムなどの金属
膜）を蒸着する例を説明したが、全面蒸着に代えて、格
子状のパターンやライン＆スペースパターンなどを形成
するように部分的に反射膜を蒸着しても良い。また、上
記した実施形態では、スライドガラス２１の表面からパ
ターン部材２２の表面までの高さが、スライドガラス２
１の表面から標本２０の表面までの高さと一致している
例を説明したが、本発明は、この構成に限定されない。

【００５４】例えば、スライドガラス２１の表面に直に
反射膜を蒸着することにより、パターン部材を構成して
も良い。この場合、フォーカスオフセット量が０であれ
ば、焦点検出状態（光軸１０ａにパターン部材が位置決
めされた状態）において、スライドガラス２１の表面に
ピントを合わせることができる。その後、標本観察状態
（光軸１０ａに標本が位置決めされた状態）に切り替え
ると、標本２０のスライドガラス２１側の面にピントが
合っているが、フォーカスオフセット量を上記と同じ要
領で設定することにより、標本２０の中の任意の観察面
にピントを合わせることができる。

【００５５】また、上記した実施形態では、対物レンズ
３７を介してＡＦ光を照射すると共にパターン部材２２
で反射したＡＦ光を取り込む方式の焦点検出部１７を説
明したが、本発明は、その他の様々な焦点検出方式にも
適用できる。例えば、焦点検出部１７に代えて、斜入射
型でアクティブ方式の焦点検出部を用いてもよい。さら
に、アクティブ方式の焦点検出部に代えて、画像コント
ラスト方式の焦点検出部を用いても良い。この場合、標
本２０に対する照明光を用いてパターン部材２２を照明
することで、パターン部材２２の像を画像として取り込
み、その画像のコントラストに基づいて焦点検出が行わ
れる。

【００５６】このため、標本２０を透過照明する顕微鏡
の場合には、パターン部材として透過部材（上記の部分
的に反射膜を蒸着したパターン部材や反射膜に代えて遮
光膜を部分的に蒸着したパターン部材）が用いられる。
また、標本２０を落射照明する顕微鏡の場合には、パタ
ーン部材として反射部材が用いられる。また、上記した
実施形態では、焦点検出用のパターン部材をスライドガ
ラス２１上に設けたが、サンプルホルダ１１上に設けて
もよい。

【００５７】さらに、上記した実施形態では、標本２０
をスライドガラス２１上に載置した（生物顕微鏡）が、
スライドガラス２１を用いることなく、サンプルホルダ
１１の上に標本を載置してもよい（工業顕微鏡）。この
とき、焦点検出用のパターン部材も、標本と同様に、サ
ンプルホルダ１１の上に設けられる。

【００５８】また、上記した実施形態では、サンプルホ
ルダ１１を切替ステージ１２の基準部材２４の内面に向
けて押し付けることにより、標本２０またはパターン部
材２２を光軸１０ａ上に位置決めしたが、本発明はこの
構成に限定されない。例えば、サンプルホルダ１１に代
えて図１０に示すサンプルホルダ５１を用い、スライド
ガラス２１を切替ステージ１２の基準部材２４の内面に
向けて押し付ける構成でも、標本２０またはパターン部
材２２を光軸１０ａ上に位置決めする際のＸＹＺ位置の
再現性を良好に確保できる。

【００５９】さらに、切替ステージ１２の基準部材２４
に代えて、ステッピングモータを用いた場合でも、ＸＹ
Ｚ位置の再現性を確保することができる。また、焦点検
出用のパターン部材２２を、その表面のＺ位置が可変と
なるように構成してもよい。この場合、パターン部材２
２のＺ位置を変えることで、フォーカスオフセット量を
加味した焦点検出を行うことができる。

【００６０】さらに、接眼レンズ３９に代えて、標本２
０の拡大像を撮像するイメージセンサ（ＣＣＤ撮像素
子）を用いてもよい。スライドガラス２１に代えて、平
行平板ガラスからなるパターン板を用いてもよい。ま
た、上記した実施形態では、本発明の焦点検出装置およ
び焦点合わせ装置を顕微鏡に組み込む例を説明したが、
半導体や液晶の検査装置における光学系の焦点検出に適
用することもできる。さらに、半導体露光装置や液晶露
光装置におけるアライメント光学系の焦点検出に適用す
ることもできる。この場合、半導体ウエハや液晶基板が
上記した標本に対応する。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
標本に対して容易に焦点を合わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の顕微鏡１０の全体構成図である。

【図２】切替ステージ１２によるサンプルホルダ１１の
切り替えを説明する図である。

【図３】焦点検出部１７から制御部１８に出力される撮
像信号を説明する図である。

【図４】対物レンズ３７の焦点と焦点検出用のパターン
部材２２の表面との位置関係を示す図である。

【図５】パターン部材２２の表面をフォーカス状態とし
た後で標本観察状態に切り替えたときの標本２０を説明
する図である。

【図６】パターン部材２２の表面をデフォーカス状態と
した後で標本観察状態に切り替えたときの標本２０を説
明する図である。

【図７】ＸＹＺステージ１４が光軸１０ａに対して傾い
ている場合の焦点合わせ動作を説明する図である。

【図８】ＸＹＺステージ１４が光軸１０ａに対して傾い
ている場合の焦点合わせ動作を説明する図である。

【図９】ＸＹＺステージ１４が光軸１０ａに対して傾い
ている場合の焦点合わせ動作を説明する図である。

【図１０】別のサンプルホルダ５１を用いた場合の位置
決め状態を説明する図である。

【符号の説明】

１０顕微鏡１１，５１サンプルホルダ１２切替ステージ１３切替スイッチ１４ＸＹＺステージ１５照明光学系１６観察光学系１７焦点検出部１８制御部２０標本２１スライドガラス２２パターン部材２３ベース部材２４基準部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】標本を保持する保持部材と、前記保持部材に設けられた焦点検出用のパターン部材
と、前記保持部材を照明光学系の光軸に対し交差する方向に
移動させて、前記標本が前記光軸上に位置決めされる状
態、または、前記パターン部材が前記光軸上に位置決め
される状態の何れかに切り替える切替手段と、前記切替手段により前記保持部材の状態が切り替えら
れ、前記パターン部材が前記光軸上に位置決めされたと
きに、前記光軸の方向に関する前記パターン部材の位置
に基づいて焦点検出を行う検出手段とを備えたことを特
徴とする焦点検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の焦点検出装置におい
て、前記光軸の方向に関する前記パターン部材の位置と前記
標本の位置とのオフセット量を記憶する記憶手段をさら
に備え、前記検出手段は、前記記憶手段に記憶されている前記オ
フセット量を加味して前記パターン部材の位置を検出
し、前記焦点検出を行うことを特徴とする焦点検出装
置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の焦点検
出装置において、前記切替手段は、前記保持部材と当接可能な位置決め用
の基準部材を有し、前記保持部材は、前記標本または前記パターン部材が前
記光軸上に位置決めされる状態のときに前記基準部材と
当接することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】請求項１から請求項３の何れか１項に記
載した焦点検出装置を備えた焦点合わせ装置であって、前記検出手段による検出結果に基づいて、前記パターン
部材と前記光学系との相対的な位置関係を自動的に調整
する調整手段を備え、前記保持部材は、前記調整手段による調整後、前記切替
手段によって前記標本が前記光軸上に位置決めされる状
態に切り替えられることを特徴とする焦点合わせ装置。
【請求項５】対物レンズおよび接眼レンズを有し、標
本の像を形成する結像光学系と、前記対物レンズと前記接眼レンズとの間に配置された請
求項４に記載の焦点合わせ装置とを備えたことを特徴と
する顕微鏡。