JP2004251984A

JP2004251984A - オートフォーカス装置

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Publication number: JP2004251984A
Application number: JP2003039948A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Sekine; 義徳関根; Susumu Nakamura; 進中村; Kanji Fujiwara; 幹治藤原
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】本発明の目的は対象物の種類が制限されることなく正確な焦点検出を行うことが可能なオートフォーカス装置を提供することにある。
【解決手段】対象物と光学系との距離を調節し焦点を合わせるオートフォーカス装置において、対象物２２からの反射光の光路上に設けられたナイフエッジ１２と、該ナイフエッジ１２に近接して設置されたアパーチャ１４と、前記ナイフエッジ１２及びアパーチャ１４の後段に置かれた二分割受光手段１６と、を備え、前記二分割受光手段１６により前記反射光のうち前記ナイフエッジ１２により遮断されなかった部分を受光し、該受光信号を基に前記対象物２２との焦点合わせを行い、前記アパーチャ１４により対象物内部からの外乱光を遮断することを特徴とするオートフォーカス装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートフォーカス装置、特にその焦点検出機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学系の焦点検出を行うオートフォーカスには、従来から多くの手法がある。その代表的な方法として、ＣＣＤカメラを用いた画像処理による方法、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）を用いる方法、フーコー法、非点収差法などがある。フーコー法はＣＤやＤＶＤの光ピックアップ機構等に良く利用され、焦点検出に有効な方法の一つである。このフーコー法の中でもさらに、複プリズムを用いたもの、ウエッジプリズムを用いたもの、ナイフエッジを用いたものなどがある。
【０００３】
この中のナイフエッジ法は、対象物からの反射光の光路上にナイフエッジを設置し、その後段に２分割フォトダイオードを設置して対象物からの反射光を受光するものである。結像位置が光学系の焦点位置に合致したとき、２分割フォトダイオードの受光強度が２つのフォトダイオードで一致する。また、焦点が合わない場合は、対象物の位置が遠いか近いかでどちらか片方のフォトダイオードの受光強度が強くなる。このように、光学系の受光側の焦点近傍にナイフエッジを設け、対象物からの反射光のうち該ナイフエッジにより遮断されなかった部分の受光信号から焦点検出を行う（例えば特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１０５５４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたナイフエッジ法は、光ディスクなどのような一つの面で散乱または全反射するような対象物に対してなら問題は生じない。しかしながら、不純物が多く混ざったガラス等のように、集光する対象物面の奥まで光が透過し、対象物の奥からの散乱または反射光が存在する場合、それらの光が外乱光として焦点検出の邪魔をしてしまう。そのため、通常のナイフエッジ法ではそのような対象物に対しては正確な焦点検出ができない状態であった。
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は対象物の種類が制限されることなく正確な焦点検出を行うことが可能なオートフォーカス装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のオートフォーカス装置は、対象物と光学系との距離を調節し焦点を合わせるオートフォーカス装置において、対象物からの反射光の光路上に設けられたナイフエッジと、該ナイフエッジに近接して設置されたアパーチャと、前記ナイフエッジ及びアパーチャの後段に置かれた二分割受光手段と、を備える。そして、前記二分割受光手段により前記反射光のうち前記ナイフエッジにより遮断されなかった部分を受光し、該受光信号を基に前記対象物との焦点合わせを行い、前記アパーチャにより対象物内部からの外乱光を遮断することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のオートフォーカス装置は、対象物と光学系との距離を調節し焦点を合わせるオートフォーカス装置において、対象物からの反射光の光路上に設けられたアパーチャと、該アパーチャの後段に置かれた二分割受光手段と、を備え、前記アパーチャは、略半円形の開口部を持ち該開口部の直線部分がナイフエッジ部とされ、前記二分割受光手段により前記反射光のうち前記アパーチャのナイフエッジ部によって遮断されなかった部分を受光し、該受光信号を基に対象物との焦点合わせを行い、前記アパーチャにより対象物内部からの外乱光を遮断することを特徴とする。
【０００８】
上記のオートフォーカス装置において、前記光学系は対物レンズと、該対物レンズを通った光を集光する集光レンズと、を含み、前記ナイフエッジは前記集光レンズの焦点位置に好適に設置される。
また、上記のオートフォーカス装置において、前記光学系は対物レンズと、該対物レンズを通った光を集光する集光レンズと、を含み、前記略半円形の開口部を持つアパーチャは前記集光レンズの焦点位置に好適に設置される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のオートフォーカス装置を図面を参照して説明する。
図１は本発明のオートフォーカス装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１のオートフォーカス装置１０は、ナイフエッジ１２と、アパーチャ１４と、二分割受光手段（二分割フォトダイオード１６）と、を備えている。
ナイフエッジ１２は、集光レンズ１８の焦点近傍に設置され、該ナイフエッジ１２に近接してアパーチャ１４が設けられている。また、二分割フォトダイオード１６は該アパーチャ１４の後段に置かれている。
【００１０】
対象物２２表面からの反射光（図１の実線で示されたもの）は、対物レンズ２０を通り、集光レンズ１８により集光される。この集光レンズ１８の焦点位置に設置されたナイフエッジ１２によって反射光の一部は遮断され、反射光のうちナイフエッジ１２に遮断されなかった部分が二分割フォトダイオード１６によって受光される。
ここで、二分割フォトダイオード１６は、二つの受光部（受光部Ａ、受光部Ｂ）からなり、受光部Ａと受光部Ｂとの受光強度から対象物２２と対物レンズ２０との位置関係を算出し焦点合わせを行う。図１の下図は二分割フォトダイオード１６の受光面を模式的に示したものである。
【００１１】
図２は二分割フォトダイオードの受光部Ａと対象物の位置座標との関係、受光部Ｂと対象物の位置座標との関係を示した図である。図２に示すように、対象物の位置の変化により受光部Ａの受光強度、受光部Ｂの受光強度が変化する。ここで、受光部Ａでの受光強度と受光部Ｂでの受光強度とが同じになる点が焦点が合った位置である。また、対象物の位置が焦点位置からずれていた場合には、対象物の位置が対物レンズより遠いか近いかでどちらか片方の受光部での受光強度が大きくなる。
本発明の最も特徴的な部分は、ナイフエッジ１２に近接してアパーチャ１４を設置したことである。アパーチャを設けたことにより、対象物の表面からの反射光以外の外乱光（図１において点線で示した）の影響を少なくでき、対象物の種類によらない正確な焦点検出が可能となる。以下にその理由を詳述する。
【００１２】
まず通常のナイフエッジ法について簡単に原理を説明する。
図３はナイフエッジ法の説明図である。図１と対応する部分には符号３００を加え説明を省略する。図３の（ａ）が対象物が焦点位置にある場合、（ｂ）は対象物の位置が焦点位置より遠い場合、（ｃ）が焦点位置より近い場合を示している。図３（ｄ）は、外乱光があった場合の説明図である。また、それぞれの場合について右に二分割フォトダイオードの受光面も模式的に示されている。
【００１３】
図３（ａ）のように対象物３２２の表面が対物レンズ３２０の焦点位置にある場合、対象物３２２からの反射光は集光レンズ３１８によってナイフエッジ３１２の付近に収束され、ナイフエッジ３１２に遮られることなく二分割フォトダイオード３１６で検出される。このとき、二分割フォトダイオード３１６の受光部Ａ、受光部Ｂで検出される光の強度は共に等しくなり、フォーカスがあっていることが分かる。
【００１４】
図３（ｂ）は、対象物３２２が対物レンズ３２０の焦点位置よりも遠い場合を示した図である。この場合、集光レンズ３１８によって反射光はナイフエッジ３１２の設置場所よりも手前に収束する。そのため、反射光の一部がナイフエッジ３１２によって遮られ、二分割フォトダイオード３１６の受光部Ｂの部分がナイフエッジ３１２の影（図３（ｂ）の斜線部分）となる。そのため、二分割フォトダイオードの受光部Ａでの光強度が受光部Ｂのものよりも大きくなり、対象物の位置がフォーカス位置よりも遠い位置にあることが分かる。
【００１５】
図３（ｃ）では、対象物３２２の表面が対物レンズ３２０の焦点位置より近い位置にある場合を示している。このとき、反射光の収束点はナイフエッジ３１２よりも奥側であるため、二分割フォトダイオード３１６の受光部Ａの部分がナイフエッジの影（図３（ｃ）の斜線部分）となる。その結果、二分割フォトダイオードの受光部Ｂでの光強度が受光部Ａのものよりも大きくなり、対象物の位置がフォーカス位置よりも近い位置にあることが分かる。
【００１６】
以上がナイフエッジ法の説明であり、本発明でのオートフォーカス装置も原理的にはこの方法を用いている。しかしながら、例えば不純物が多く混ざったガラス等のように、光を集光する面の奥まで光が透過し、対象物の奥からの散乱光、反射光が外乱光として存在する場合、通常のナイフエッジ法では正確な焦点検出を行うことができない。つまり、図３（ｄ）を参照すると分かるように対象物表面に焦点が合致している場合でも、同図で点線で示した外乱光のため、二分割フォトダイオードの受光面Ａが受光面Ｂよりも受光強度が強くなってしまう。つまり、集光レンズによる外乱光の収束点は、焦点検出に用いる対象物表面からの反射光の収束点と異なる位置にあるため、外乱光が受光部Ａ側により多く到達してしまうからである。
【００１７】
本発明者らは、上記の問題をナイフエッジに近接してアパーチャを設置することによって解消させた。これを図１を参照して説明する。ここでは、対象物の表面がちょうど焦点位置にある場合を考える。この場合でも対象物内部からの散乱光／反射光などの外乱光が存在し、この外乱光の収束点は焦点検出に用いる対象物表面からの反射光の収束点とは異なる位置にある。そこで、図１に示されるように、ナイフエッジ１２に近接して設置したアパーチャ１４によって、点線で示した外乱光が遮断される。対象物側の焦点の近傍からの光以外を除去できるため、図１の下図に示したように、受光部Ａと受光部Ｂとで受光する光は外乱光に影響されない。
【００１８】
よって、二分割フォトダイオード１６に余分な光が入射しないため、空間分解能を高めることができ正確な焦点検出が可能となる。このように、アパーチャをナイフエッジに近接して設置したことにより、対象物からの外乱光の影響を低減でき、正確な焦点検出が可能となる。
また、焦点の前後の光も重要であることから、アパーチャの開口径を最適化することによって効果的に有効な光を通すことができ、多種の対象物についても焦点の検出が可能となる。このアパーチャのサイズとしては、０．０５ｍｍ〜５ｍｍが好適であり、さらに好適には０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが望ましい。
【００１９】
次に本発明の第２実施形態として、Ｄ字型の開口部を有するアパーチャを用いたオートフォーカス装置について説明する。図４にこの第２実施形態の概略構成図である。図１に対応する部分には符号１００を加え説明を省略する。図４（ａ）がその概略構成図、図４（ｂ）がアパーチャの部分の斜視図である。
図４（ａ）のオートフォーカス装置１１０は、一部がナイフエッジ状となった開口部を有するアパーチャ１１４と、二分割受光手段（二分割フォトダイオード１１６）と、を備えており、対象物との焦点合わせを行う。前記アパーチャ１１４は、図４（ｂ）に示すように、その開口部１２４が略半円形の形状をなしており、半円の直線部分がナイフエッジ１１２とされる。このため、このアパーチャ１１４は、図１でのナイフエッジとアパーチャを一体化したものといえる。
【００２０】
上記のような開口形状のアパーチャを用いることで、図１で示した構成と同様な理由から、図４に点線で示した外乱光が除かれ、正確な焦点検出を行うことが可能となる。
また、上記の開口部の半円形部分の直径は、０．０５ｍｍ〜５ｍｍが好適であり、さらに好適には０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが望ましい。
【００２１】
【実施例】
図５は分光光度計の顕微鏡システムに本発明のオートフォーカス装置を適用したものである。この顕微鏡システムは、光源としてのレーザー２３０と、対物レンズ２２０と、分光器２３２と、対象物の台となるステージ２３４と、オートフォーカス装置２１０と、を備えている。オートフォーカス装置２１０は、図１の構成と同じものであり、集光レンズ２１８と、ナイフエッジ２１２と、アパーチャ２１４と、二分割受光手段（二分割フォトダイオード２１６）と、を備えている。ここで、アパーチャ２１４の開口部の直径は約１ｍｍ程度とした。アパーチャ２１４を備えることにより、外乱光の影響を低減し焦点検出が正確になることは上に述べた通りである。
【００２２】
また、上記の顕微鏡システムは、ステージ２３４を上下方向に移動するためのステージ駆動手段２３６と、二分割受光手段２１６からの受光信号に基づきステージの駆動量及び駆動方向を算出するための演算手段２３８と、を備えている。
レーザー２３０から出射されたレーザー光は、ハーフミラー２４０によって反射され、対物レンズ２２０を通り対象物２２２へ照射される。対象物２２２に照射された光はそこで反射され、対物レンズ２２０により集光される。さらに対象物からの反射光はハーフミラー２４０を透過し、その透過した光はハーフミラー２４２において、一部が透過し分光器２３２へと向かい、一部は反射してオートフォーカス装置２１０へと向かう。
【００２３】
オートフォーカス装置２１０へと向かった光は、図１で説明したものと同様に、集光レンズ２１８によって収束を受け、その収束点とナイフエッジ２１２との位置関係から光学系と対象物２２２との距離を調節しフォーカスを合わせる。
二分割フォトダイオード２１６の受光部Ａや受光部Ｂからの受光信号は、ＣＰＵ等の演算手段２３８に送られる。演算手段２３８は受光部Ａの受光信号と受光部Ｂの受光信号との差を求めること等を行い、対物レンズ２２０と対象物２２２との位置関係の情報を得る。ステージ駆動手段２３６は、ステッピングモータ等を用いて構成されており、演算手段２３８からの制御信号により駆動方向および駆動量が制御される。
【００２４】
以上のような構成を用い、対象物として幾つかの試料を用い、アパーチャ無しの構成での焦点検出と、本発明のアパーチャを用いた構成での焦点検出を比較する試験を行った。以下にその結果を述べる（図６〜図１０を参照）。図６〜図１０のグラフは縦軸が信号強度、横軸がステージ座標を示している。
【００２５】
＜試験例１＞
まず試料としてシリコンを用い、ステージ位置を変化させたときの二分割フォトダイオード２１６の受光部Ａの受光信号Ａと、受光部Ｂの受光信号Ｂとを観測した。図６のグラフがその結果である。この試験はアパーチャなしの通常のナイフエッジ法での構成で測定を行った。
図６のグラフから明らかなように受光信号Ａ（ＳＩＧＡ）と受光信号Ｂ（ＳＩＧＢ）との交点から焦点位置を明確に算出することができる。
このように、シリコンではその表面で光が反射され、試料内部からの外乱光はごく僅かであることから通常のナイフエッジ法でも焦点検出が可能である。
【００２６】
＜試験例２、３＞
次に試料としてガラスに両面テープを付着したものを用い、テープの付着面を表にして測定を行った。
図７がアパーチャなし（試験例２）、図８がアパーチャを設けたもの（試験例３）での試験結果である。
図７から明らかなように試験例２では、受光信号Ａ（ＳＩＧＡ）と受光信号Ｂ（ＳＩＧＢ）とからは試料と光学系との位置関係を算出することが不可能であることが分かる。一方、アパーチャを設けた場合の試験例３からは、上記のシリコンをもちいた場合と同様な受光信号とステージ位置との関係が得られた。
【００２７】
よって、ガラスに両面テープを付着したような試料では、該試料内部からの外乱光により、通常のナイフエッジ法では正確な焦点検出が不可能になることが分かる。
しかし、本発明のようにアパーチャを設けることにより、外乱光の影響を低減し、正確な焦点検出が行えることが分かった。
【００２８】
＜試験例４、５＞
次に試料としてポリプロピレンを用いて測定を行った。図９がアパーチャなしのとき（試験例４）、図１０がアパーチャを設けたとき（試験例５）の結果である。
試験例４の場合の図９をみると分かるように、交点近くでの受光信号Ａ（ＳＩＧＡ）と受光信号Ｂ（ＳＩＧＢ）との関係が異常であり、受光信号とステージ位置との正しい関係を示していない。
一方、アパーチャを設けた場合の図１０での結果からは、正常な受光信号とステージ位置との関係が得られ、正確な焦点検出が可能でる。
【００２９】
以上の試験例から、アパーチャをナイフエッジに近接して設けることにより、通常のナイフエッジ法では焦点検出が行えないような対象物についても、正確な焦点検出が可能であることが分かる。
また、以上の実施例では対象物の表面にフォーカスを合わせる場合を述べたが、二分割フォトダイオードにバイアスを加え、対象物表面とは少しずらした位置でフォーカスを合わせるというような構成も可能である。例えば、対象物表面から少し上の位置にフォーカスを合わせることにより、広い視野での対象物の観察が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のオートフォーカス装置によれば、ナイフエッジに近接してアパーチャを設けることにより、種々の対象物に対して正確な焦点検出が可能となる。
また、本発明のオートフォーカス装置によれば、開口部を略半円形とし該開口部の直線部分がナイフエッジ部とされたアパーチャを設けることにより、種々の対象物に対して正確な焦点検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオートフォーカス装置の一実施形態の概略構成図。
【図２】ナイフエッジ法における対象物位置による受光強度の変化を示した図。
【図３】ナイフエッジ法の説明図。
【図４】本発明のオートフォーカス装置の一実施形態の概略構成図。
【図５】本発明のオートフォーカス装置を組み込んだ分光顕微鏡の一実施例。
【図６】試料としてシリコンを用いた場合の信号強度とステージ位置との関係を示すグラフ。
【図７】試料としてガラスに両面テープを付着したものを用いた場合の信号強度とステージ位置との関係を示すグラフ（アパーチャなし）。
【図８】試料としてガラスに両面テープを付着したものを用いた場合の信号強度とステージ位置との関係を示すグラフ（アパーチャあり）。
【図９】試料としてポリプロピレンを用いた場合の信号強度とステージ位置との関係を示すグラフ（アパーチャなし）。
【図１０】試料としてポリプロピレンを用いた場合の信号強度とステージ位置との関係を示すグラフ（アパーチャあり）。
【符号の説明】
１０オートフォーカス装置
１２ナイフエッジ
１４アパーチャ
１６二分割フォトダイオード
１８集光レンズ
２０対物レンズ
２２対象物

Claims

対象物と光学系との距離を調節し焦点を合わせるオートフォーカス装置において、
対象物からの反射光の光路上に設けられたナイフエッジと、
該ナイフエッジに近接して設置されたアパーチャと、
前記ナイフエッジ及びアパーチャの後段に置かれた二分割受光手段と、を備え、
前記二分割受光手段により前記反射光のうち前記ナイフエッジにより遮断されなかった部分を受光し、該受光信号を基に前記対象物との焦点合わせを行い、
前記アパーチャにより対象物内部からの外乱光を遮断することを特徴とするオートフォーカス装置。
対象物と光学系との距離を調節し焦点を合わせるオートフォーカス装置において、
対象物からの反射光の光路上に設けられたアパーチャと、
該アパーチャの後段に置かれた二分割受光手段と、を備え、
前記アパーチャは、略半円形の開口部を持ち該開口部の直線部分がナイフエッジ部とされ、
前記二分割受光手段により前記反射光のうち前記アパーチャのナイフエッジ部によって遮断されなかった部分を受光し、該受光信号を基に対象物との焦点合わせを行い、
前記アパーチャにより対象物内部からの外乱光を遮断することを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項１のオートフォーカス装置において、
前記光学系は対物レンズと、該対物レンズを通った光を集光する集光レンズと、を含み、前記ナイフエッジは前記集光レンズの焦点位置に設置されることを特徴とするオートフォーカス装置。
請求項２のオートフォーカス装置において、
前記光学系は対物レンズと、該対物レンズを通った光を集光する集光レンズと、を含み、前記略半円形の開口部を持つアパーチャは前記集光レンズの焦点位置に設置されることを特徴とするオートフォーカス装置。