JP2006293222A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 分割素子の受光面のサイズと受光スポットのサイズを最適化できる焦点検出装置を提供する。
【解決手段】 ２分割受光素子１４の直前にピンホール１３を設置し、ピンホール１３を通過した反射光を２分割受光素子１４に結像させることで、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より大きくずれたときのスポットＳの一部を遮光して２分割受光素子１４で受光される光量を制限する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系を用いて被検体の観察、測定、検査を行なう光学装置に適用される焦点検出装置に関するものである。

最近、光学装置、特に、顕微鏡は、工業分野における製品の観察、測定、検査などの工程に広く用いられる傾向にあるが、このような顕微鏡は、被検体に対して効率よく焦点検出できることが、工程のスループット向上のために極めて重要になっている。

図１０は、従来の焦点検出装置の一例を示すもので、レーザーダイオード（ＬＤ）１０１から出射したレーザービームは、コリメータレンズ１０２を介して平行光束となり、さらに、光路中に配置された遮蔽板１０３によって、その半分の光束が遮光され、残り半分の光束が偏光ビームスプリッタ１０４に照射される。偏光ビームスプリッタ１０４によって反射されたレーザービームは、１／４波長板１０５及び対物レンズ１０６を介して被検体１０７の表面１０８に集光される。被検体１０７の表面１０８から反射した反射光は、再び、対物レンズ１０６及び１／４波長板１０５を介して偏光ビームスプリッタ１０４に照射される。偏光ビームスプリッタ１０４を透過した反射光は、本来反射光の無い側の半分の光束が制限エッジ１０９によって遮光され、残り半分の光束が集光レンズ１１０を介して２分割受光素子１１１に結像される(結像位置点Ｒ)。

この場合、２分割受光素子１１１は、２つの受光面Ｊ、Ｋを備えており、これら受光面Ｊ、Ｋでそれぞれ受光した光量に対応した電流信号を出力する機能を有している。これら受光面Ｊ、Ｋから出力された電流信号は、不図示の電流電圧変換回路に送られ、ここで電圧信号に変換され、受光量に対応した電圧信号として出力される。

図１１（ａ）は、被検体１０７位置を横軸とした場合の２分割受光素子１１１の２つの受光面Ｊ、Ｋから出力される電圧信号Ｊ、Ｋの変化特性を示している。このような変化特性を有する電圧信号Ｊ、Ｋは、それぞれ対応する焦点検出部（不図示）に入力され、所定の演算が施されて焦点検出信号として出力される。図１１（ｂ）は、電圧信号Ｊ、Ｋに対して演算が施された結果得られた信号特性が示されており、かかる信号特性から焦点検出信号が求められるようになる。同図において、点線Ｌは、（Ｊ−Ｋ）／（Ｊ＋Ｋ）の演算結果から得られた信号特性を示し、実線Ｍは、（Ｊ−Ｋ）の演算結果から得られた信号特性を示している。これら２つの信号特性は、図示のようにＳ字状をしており、これらＳ字特性をもつ信号特性Ｌ、Ｍのゼロクロス信号に基づいて焦点検出信号が求められ、この焦点検出信号から合焦位置が算出される。

そして、この結果に基づいて、不図示の制御部により図１０の準焦機構１１２を制御して、ステージ１１３を上下方向に移動させ、被検体１０７を合焦位置へ移動するようにしている。

さらに、このような焦点検出装置において、焦点検出の速度を上げるため、以下述べる方法も実用化されている。図１１（ｃ）は、電圧信号Ｊ、Ｋを加算した結果得られた信号特性を実線Ｎで示しており、この信号特性Ｎにおける電圧レベルＰ以上の範囲を検出し、この範囲、つまり横軸に示す被検体１０７の位置における区間Ｑの範囲を焦点近傍範囲として認識する。そして，この焦点近傍範囲(区間Ｑ)内では、準焦機構１１２を高精度に合焦しうる速度で低速駆動し、これ以外の範囲、つまり焦点近傍範囲(区間Ｑ)の外では、準焦機構１１２を高速駆動することで、より高速な焦点検出を行うようにしている。

ところで、図１１（ｃ）に示す実線Ｎ上の各点ｔ，ｕ，ｗ，ｘ，ｙでの２分割受光素子１１１の受光面Ｊ、Ｋ上の受光スポットの様子は、図１２（ａ）〜（ｅ）に示すようになる。同図（ａ）は、焦点位置が受光面Ｊ、Ｋより内側に大きくずれた点ｔでの受光スポットの様子で、スポットＳのサイズは、大きく受光面Ｋをはみだしている。同図（ｂ）は、焦点位置が受光面Ｊ、Ｋより内側に僅かにずれた点ｕでの受光スポットの様子で、スポットＳのサイズは，受光面Ｋに収まる程度になっている。同図（ｃ）は、焦点位置が受光面Ｊ、Ｋ上の点ｗでの受光スポットの様子で、スポットＳのサイズは、最小となり受光面Ｊ、Ｋの両方にかかるようになる。さらに、同図（ｄ）は、焦点位置が受光面Ｊ、Ｋより外側に僅かにずれた点ｘでの受光スポットの様子で、スポットＳのサイズが受光面Ｊに収まる程度になっている。そして、同図（ｅ）は、焦点位置が受光面Ｊ、Ｋより外側に大きくずれた点ｙでの受光スポットの様子で、スポットＳのサイズは，大きく受光面Ｊをはみだしている。

従って、これらの関係から、焦点近傍範囲(区間Ｑ)が決定されるようになり、このため受光面Ｊ、Ｋのサイズと受光スポットSのサイズの関係が適切であることが重要である。仮に、これらの関係が適切でなく、例えば、２分割受光素子１１１の受光面Ｊ、Ｋが受光スポットＳに対して必要以上に広いような場合は、焦点近傍範囲(区間Ｑ)が不要に広くなって、それだけ低速駆動する範囲が広くなり、合焦位置への移動に時間がかかってしまうという問題が生じる。また、対物レンズの特牲の違いによっても上記問題が発生する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、分割素子の受光面のサイズと受光スポットのサイズを最適化できる焦点検出装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、対物レンズの光軸に垂直な面上で２分された領域の一方に沿って光源から出射された光が被検体に照射されるとともに、他方の領域に沿って前記被検体から反射された光が複数の受光面を有する受光手段により受光され、該受光手段の複数の受光面で受光された光量に基づいて焦点検出を行なう焦点検出装置において、前記受光手段の複数の受光面で受光される前記被検体からの反射光の受光量を制限する受光量制限手段を備えたことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、受光量制限手段は、前記複数の受光面での前記被検体からの反射光の受光範囲を制限する遮光手段からなることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記遮光手段は、遮光範囲を変更可能にしたことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、前記遮光手段は、前記反射光の光路上の中間結像位置又は前記受光手段の受光面近傍に配置されることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項２乃至４のいずれかに記載の発明において、前記遮光手段は、ピンホールからなることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記受光手段は、少なくとも４つ以上の受光面を有し、前記受光量制限手段は、前記４つ以上の受光面を選択可能としたことを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記被検体から反射された光の光路を複数に分割する光路分割手段をさらに有し、前記受光手段は、受光範囲の異なる受光面を有する複数の受光手段からなり、これら受光手段が前記光路分割手段で分割された光路上に各別に配置され、前記受光量制限手段は、前記複数の受光手段を選択可能としたことを特徴としている。

本発明によれば、分割素子の受光面のサイズと受光スポットのサイズを最適化できる焦点検出装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の概略構成を示している。

図１において、１は光源としてのレーザーダイオード（ＬＤ）で、このレーザーダイオード（ＬＤ）１は、赤外波長のレーザービームを出射する。レーザーダイオード（ＬＤ）１から出射されるレーザービームの光路上には、コリメータレンズ２、遮蔽板３、偏光ビームスプリッタ４が配置されている。コリメータレンズ２は、レーザーダイオード（ＬＤ）１から出射されるレーザービームを平行光束に規制する。遮蔽板３は、後述する対物レンズ９の光軸に垂直な面上で２分される領域の一方を確保するもので、コリメータレンズ２により規制された平行光束のうちの半分の光束を遮光する。偏光ビームスプリッタ４は、遮蔽板３により遮光された残り半分の光束を反射し、後述する被検体１０からの反射光を透過するようになっている。

偏光ビームスプリッタ４の反射光路には、第１の中間結像レンズ５、第２の中間結像レンズ６、１／４波長板７およびダイクロイックミラー８が配置されている。第１の中間結像レンズ５は、コリメータレンズ２からの平行光束を中間結像点Ｆに結像する。第２の中間結像レンズ６は、中間結像点Ｆで結像されたレーザービームを再び平行光束に変更する。１／４波長板７は、レーザービームを直線偏光から円偏光に変換するものである。ダイクロイックミラー８は、赤外波長を反射して可視光を透過する特性を有するもので、上方の観察光学系(不図示)に対して焦点検出目的の赤外光の影響を与えないために挿入されている。ダイクロイックミラー８の反射光路には、対物レンズ９を介して被検体１０が配置されている。

一方、偏光ビームスプリッタ４の被検体１０側から見た透過光路には、制限エッジ１１、集光レンズ１２、受光量制限手段をなす遮光手段としてのピンホール１３および受光手段としての２分割受光素子１４が配置されている。制限エッジ１１は、対物レンズ９の光軸に垂直な面上で２分される領域の他方を確保するもので、本来反射光の無い側の半分の光束を遮光する。集光レンズ１２は、制限エッジ１１で制限を受けない残り半分の光束を集光するものである。ピンホール１３は、２分割受光素子１４の直前に設置される円形の穴からなるもので、ピンホール１３を通過した反射光のみを２分割受光素子１４に結像(結像位置点Ｒ)させるようにしている。２分割受光素子１４は、上述したと同様に２つの受光面Ｊ、Ｋを有するもので、ピンホール１３を通過した反射光を受光し、光量に対応した電流信号を出力する機能を有している。

２分割受光素子１４には、制御部１５が接続されている。制御部１５は、不図示の電流電圧変換回路を有するもので、２分割受光素子１４からの電流信号を電圧信号に変換し、この電圧信号に基づいて焦点検出信号を求め、さらに、この焦点検出信号により準焦機構１６を制御して、被検体１０を載置したステージ１７を上下方向に移動させ、被検体１０を合焦位置へ移動させるようになっている。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

レーザーダイオード（ＬＤ）１より赤外波長のレーザービームが出射されると、この赤外波長のレーザービームは、コリメータレンズ２を介して平行光束に規制され、光路中に配置された遮蔽板３によって、その半分の光束が遮光される。遮蔽板３を通過した残り半分の光束は、偏光ビームスプリッタ４に照射される。そして、偏光ビームスプリッタ４で反射さたレーザービームは、第１の中間結像レンズ５を透過して中間結像点Ｆで結像され、第２の中間結像レンズ６を透過して平行光束になった後、１／４波長板７を介してダイクロイックミラー８に照射される。

ダイクロイックミラー８は、赤外波長を反射して可視光を透過する特性を有しており、ダイクロイックミラー８を反射されたレーザービームは、対物レンズ９を透過して被検体１０の表面１０ａに集光される。

被検体１０の表面１０ａから反射した光は、再び、対物レンズ９を透過し、ダイクロイックミラー８で反射され、１／４波長板７、第２の中間結像レンズ６、中間結像点Ｆ及び第１の中間結像レンズ５、偏光ビームスプリッタ４を透過する。偏光ビームスプリッタ４を透過した反射光は、本来反射光の無い側の半分の光束が制限エッジ１１によって遮光され、残り半分の光束が集光レンズ１２を透過し、ピンホール１３を通過した反射光のみが２分割受光素子１４に結像される(結像位置Ｒ)。

図２は、ピンホール１３上での反射光のスポットの様子を示し、図３は、ピンホール１３を通過した反射光が２分割受光素子１４の受光面に集光される様子を示している。

図２（ａ）は、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より内側に大きくずれたときのスポットＳの様子で、スポットＳのサイズは、ピンホール１３より大きくなっている。この場合、図３（ａ）に示すようにピンホール１３は、スポットＳの一部を遮光して、２分割受光素子１４に入射する光束を制限するようになり、ピンホール１３を通過した光束は、受光面Ｋで受光される。

図２（ｂ）は、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より内側に僅かにずれたときのスポットの様子で、スポットＳのサイズは、ピンホール１３に収まる程度になっている。この場合、図３（ｂ）に示すようにピンホール１３は、スポットＳの全てを通過するようになり、ピンホール１３を通過した光束は、受光面Ｋで受光される。

図２（ｃ）は、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面上にある場合のスポットの様子で、スポットＳのサイズは、最小となりピンホール１３の中心部を通過するようになる。この場合、図３（ｃ）に示すようにピンホール１３は、スポットＳの全てを通過するようになり、ピンホール１３を通過した光束は、受光面Ｋ、Ｊで受光される。

図２（ｄ）は、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より外側に僅かにずれたときのスポットの様子で、スポットＳのサイズは、ピンホール１３に収まる程度になっている。この場合、図３（ｂ）に示すようにピンホール１３は、スポットＳの全てを通過するようになり、ピンホール１３を通過した光束は、受光面Ｊで受光される。

そして、図２（ｅ）は、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より外側に大きくずれたときのスポットの様子で、スポットＳのサイズは、ピンホール１３より大きくなっている。この場合、図３（ｅ）に示すようにピンホール１３は、スポットＳの一部を遮光して、２分割受光素子１４に入射する光束を制限するようになり、ピンホール１３を通過した光束は、受光面Ｊで受光される。

２分割受光素子１４は、受光面Ｊ，Ｋで受光した光量に対応した電流信号を出力する。これら受光面Ｊ、Ｋから出力された電流信号は、制御部１５に送られ、不図示の電流電圧変換回路で電圧信号に変換され、受光量に対応した電圧信号として出力される。この場合、も、上述したように図１１(a)に示す電圧信号Ｊ、Ｋの変化特性が求められ、これら電圧信号Ｊ、Ｋに対して演算が施された結果から同図（ｂ）に示す信号特性が求められる。そして、かかる信号特性から焦点検出信号が求められる。同図において、点線Ｌは、（Ｊ−Ｋ）／（Ｊ＋Ｋ）の演算結果から得られた信号特性を示し、実線Ｍは、（Ｊ−Ｋ）の演算結果から得られた信号特性を示している。これら２つの信号特性は、図示のようにＳ字状をしており、これらＳ字特性をもつ信号特性Ｌ、Ｍのゼロクロス信号に基づいて焦点検出信号が求められ、この焦点検出信号から合焦位置が算出される。

そして、この結果に基づいて、制御部１５は、準焦機構１６を制御し、ステージ１７を上下方向に移動させ、被検体１０を合焦位置へ移動させる。

図４は、電圧信号Ｊ、Ｋを加算した結果得られた信号特性を実線Ｎ２で示している。この場合、実線Ｎ２上の各点ｔ’，ｕ’，ｗ’，ｘ’，ｙ’は、上述した図２（ａ）〜（ｅ）、図３（ａ）〜（ｅ）の説明に相当するものである。このうち点ｔ’に相当する、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より内側に大きくずれている場合（図２（ａ）参照）は、図３（ａ）に示すようにピンホール１３によりスポットＳの一部を遮光し、２分割受光素子１４に入射する光束を制限することで、２分割受光素子１４の受光量に応じた電圧信号を点ｕ’から急激に小さくするようにしている。同様に、点ｙ’に相当する焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より外側に大きくずれている場合（図２（ｅ）参照）も、図３（ｅ）に示すようにピンホール１３によりスポットＳの一部を遮光し、２分割受光素子１４に入射する光束を制限することで、２分割受光素子１４の受光量に応じた電圧信号を点ｘ’から急激に小さくするようにしている。

これにより、この信号特性Ｎ２における電圧レベルＰ以上の範囲を検出し、この範囲、つまり横軸に示す被検体１０の位置における区間Ｑ２の範囲を焦点近傍範囲として設定すると、この時の焦点近傍範囲(区間Ｑ２)は、上述した図１１（ｃ）で述べたピンホール１３を挿入していない場合の信号特性を実線Ｎ１としたときの焦点近傍範囲(区間Ｑ１)と比べて、大幅に狭く設定することが可能となる。つまり、ピンホール１３を挿入したことにより、Ｑ２＜Ｑ２の関係が得られる。これにより、焦点近傍範囲(区間Ｑ２)内で、準焦機構１６を高精度に合焦しうる速度で低速駆動し、これ以外の範囲、つまり焦点近傍範囲(区間Ｑ２)の外では、準焦機構１６を高速駆動すれば、低速駆動する区間を短くすることができ、さらに高速かつ高精度な焦点検出を行うことが可能となる。この場合、ピンホール１３の径を大きくすれば、それに応じてＱ２の範囲（幅）が広がり、また、ピンホール１３の径を小さくすれば、それに応じてＱ２の範囲（幅）が狭くなることから、ピンホール１３の径に応じてＱ２の範囲（幅）を任意に変えることもできる。

したがって、このようにすれば、２分割受光素子１４の直前にピンホール１３を設置し、ピンホール１３を通過した反射光を２分割受光素子１４で受光させ、焦点位置が２分割受光素子１４の受光面より大きくずれたときのスポットＳの一部を遮光して２分割受光素子１４で受光される光量を制限するようにしたので、焦点近傍範囲(区間Ｑ２)を大幅に狭く設定することが可能となる。これにより、準焦機構１６を高精度に合焦するための速度を低速駆動する区間を最小範囲に抑えることができるようになり、高速かつ高精度な焦点検出を行うことが可能となる。

なお、上述の実施の形態では、ピンホール１３を円形の孔としたが、これに限らず、例えば、図５（ａ）に示すような正方形の孔１３ａ、同図（ｂ）に示す長方形の孔１３ｂ、同図（ｃ）に示すような長円形の孔１３ｃなどの他の形状とすることも可能である。特に、受光スポットがマルチスポット形状（図示Ｓ’）である場合は、同図（ｂ）に示す長方形の孔１３ｂや同図（ｃ）に示すような長円形の孔１３ｃが好ましい。

また、ピンホール１３は、１つに限らず、大きさの異なる複数のピンホールを用意し、被検体の特性や対物レンズの特性に合わせて、電動もしくは手動で光路中に切り替えるようにしたり、あるいは電動もしくは手動によりピンホールの大きさを連続的に変更するようにすることで、最速かつ高精度の焦点検出装置が実現可能であることはいうまでもない。

さらに、ピンホール１３の配置場所は、２分割受光素子１４の直前に限らず、第１の中間結像レンズ５と第２の中間結像レンズ６の間の中間結像点Ｆに配置することも可能である。

(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。

第１の実施の形態では、２分割受光素子を用いた例を述べたが、この第２の実施の形態では、４分割受光素子を用いている。

なお、この第２の実施の形態にかかる焦点検出装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。

図６は、４分割受光素子２１を示し、図７は、検出回路を示している。この４分割受光素子２１は、長方形の受光面Ｊ１、Ｊ２、Ｋ１、Ｋ２を並べて配置したもので、このうち受光面Ｊ１、Ｊ２には、スイッチＳＪ１、ＳＪ２を各別に介して電流電圧変換加算器２２が接続され、また、受光面Ｋ１、Ｋ２には、スイッチＳＫ１、ＳＫ２を各別に介して電流電圧変換加算器２３が接続されている。電流電圧変換加算器２２は、スイッチＳＪ１、ＳＪ２を介して与えられる受光面Ｊ１、Ｊ２からの電流信号を加算して加算電流信号Ｊ１を出力し、電流電圧変換加算器２３は、スイッチＳＫ１、ＳＫ２を介して与えられる受光面Ｋ１、Ｋ２からの電流信号を加算して加算電流信号Ｋ１を出力するようになっている。また、スイッチＳＪ１、ＳＪ２およびスイッチＳＫ１、ＳＫ２は、被検体の特性や対物レンズの特性に応じた受光スポットＳの大きさによって切換えられるようになっており、例えば、受光スポットSが大きい場合は、スイッチＳＪ１、ＳＪ２およびスイッチＳＫ１、ＳＫ２を全て閉成して受光面Ｊ１、Ｊ２からの電流信号を電流電圧変換加算器２２に、受光面Ｋ１、Ｋ２からの電流信号を電流電圧変換加算器２３に出力し、逆に、受光スポットＳが小さい場合は、スイッチＳＪ２、ＳＫ２を閉成し、スイッチＳＪ１、ＳＫ１を開放して、受光面Ｊ２、Ｋ２からの電流信号のみを電流電圧変換加算器２２、２３に出力するようになっている。また、このときの電流電圧変換加算器２２、２３からの加算電流信号Ｊ１、Ｋ１は、上述した制御部１５に送られ、電流電圧変換回路で電圧信号に変換された後、図４に示す信号特性が求められる。この場合、スイッチＳＪ１、ＳＪ２およびスイッチＳＫ１、ＳＫ２を全て閉成した場合、制御部１５で求められる信号特性は、図４に示す破線Ｎ１で表わされ、一方、スイッチＳＪ２、ＳＫ２を閉成し、スイッチＳＪ１、ＳＫ１を開放した場合、制御部１５で求められる信号特性は、図４に示す実線Ｎ２で表わすことができる。

これにより、被検体の特性や対物レンズの特性に応じた受光スポットＳの大きさに応じてスイッチＳＪ１、ＳＪ２およびスイッチＳＫ１、ＳＫ２の開閉を選択することにより、特に、受光スポットＳが小さい場合に、信号特性を実線Ｎ１として焦点近傍範囲(区間Ｑ２)を大幅に狭く設定することができるので、低速駆動する区間を短く設定することが可能となり、高速かつ高精度な焦点検出を行うことが実現可能となる。

なお、４分割受光素子２１は、図６に示すように長方形の受光面Ｊ１、Ｊ２、Ｋ１、Ｋ２を並べた形状に限らず、図８に示すように半円状の２個の受光面Ｊ１２、Ｋ１２と円弧状の２個の受光面Ｊ１１、Ｋ１１を同心円状に配置するようにしたものであってもよい。勿論、その他の形状であっても４分割形状のものであればよい。さらに、上述では、４分割受光素子２１について述べたが、これに限らず、６分割受光素子、８分割受光素子など、多数の受光面を有する多分割受光素子を適用することもできる。

(第３の実施の形態)
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。

この場合、この第３の実施の形態にかかる焦点検出装置全体の概略構成は、図１と同様なので、ここでは要部の概略構成のみを示し、他の部分は、図１を援用するものとする。

図９は、第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の要部の概略構成を示している。この場合、集光レンズ１２の後方には、ハーフミラー２５が配置されている。そして、このハーフミラー２５の透過光路上には、比較的広い受光面Ｊ２１、Ｋ２１を有する２分割受光素子２６が配置され、また、反射光路上には、比較的狭い受光面Ｊ２２、Ｋ２２を有する２分割受光素子２７が配置されている。

２分割受光素子２６は、受光面Ｊ２１が切換えスイッチＳＪ１１の一方の接点に接続され、受光面Ｋ２１が切換えスイッチＳＫ１１の一方の接点に接続されている。また、２分割受光素子２７は、受光面Ｊ２２が切換えスイッチＳＪ１１の他方の接点に接続され、受光面Ｋ２２が切換えスイッチＳＫ１１の他方の接点に接続されている。そして、切換えスイッチＳＪ１１の切換え接点は、電流電圧変換器２８に、切換えスイッチＳＫ１１の切換え接点は、電流電圧変換器２９に接続されている。これら電流電圧変換器２８、２９は、電流信号を電圧信号に変換するもので、それぞれ電圧信号Ｊ、Ｋを出力するようになっている。また、切換えスイッチＳＪ１１、ＳＫ１１は、被検体の特性や対物レンズの特性に応じた受光スポットＳの大きさによって切換えられるようになっており、例えば、受光スポットSが大きい場合は、２分割受光素子２６側（図示ではこの状態を示している。）に、逆に、受光スポットＳが小さい場合は、２分割受光素子２７側に切換えられる。

また、このときの２分割受光素子２６からの電流信号は、電流電圧変換器２８で電圧信号に変換され、制御部１５に送られ、図４に示す信号特性が求められ、同様に、２分割受光素子２７からの電流信号は、電流電圧変換器２９で電圧信号に変換され、制御部１５に送られ、図４に示す信号特性が求められる。この場合、切換えスイッチＳＪ１１、ＳＫ１１が２分割受光素子２６側に切換えられた場合、制御部１５で求められる信号特性は、図４に示す破線Ｎ１で表わされ、一方、切換えスイッチＳＪ１１、ＳＫ１１が２分割受光素子２７側に切換えられた場合、制御部１５で求められる信号特性は、図４に示す実線Ｎ２で表わされる。

これにより、被検体の特性や対物レンズの特性に応じた受光スポットＳの大きさに応じて、切換えスイッチＳＪ１１、ＳＫ１１の切換え方向を選択することにより、特に、受光スポットＳが小さい場合に、信号特性を実線Ｎ１として焦点近傍範囲(区間Ｑ２)を大幅に狭く設定することができるので、低速駆動する区間を短く設定することが可能となり、高速かつ高精度な焦点検出を行うことが実現可能となる。

なお、上述した実施の形態では、ハーフミラー２５により光路を２つに分割するようにしたが、これに限らず、３つ以上に分割して、それぞれの光路に受光面積の異なる２分割受光素子を配置する構成とすることも可能である。また、上述した実施の形態では、ハーフミラー２５で分割された光路上には、比較的広い受光面Ｊ２１、Ｋ２１を有する２分割受光素子２６と比較的狭い受光面Ｊ２２、Ｋ２２を有する２分割受光素子２７が配置される例を述べたが、これら２分割受光素子２６，２７に代えて、第１の実施の形態で述べた大きさの異なるピンホールを有する焦点検出装置を配置するようにしてもよい。また、スイッチ切換えなしで双方の受光を演算し、焦点検出するようにしてもよい。

その他、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。

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。

本発明の第１の実施の形態にかかる焦点検出装置の概略構成を示す図。 第１の実施の形態のピンホール上での反射光のスポットの様子を示す図。 第１の実施の形態のピンホールを通過した反射光が２分割受光素子の受光面に集光される様子を示す図。 第１の実施の形態の電圧信号Ｊ、Ｋを加算した結果得られた信号特性を示す図。 第１の実施の形態のピンホールの変形例の概略構成を示す図。 本発明の第２の実施の形態に用いられる４分割受光素子の概略構成を示す図。 第２の実施の形態に用いられる検出回路の概略構成を示す図。 第２の実施の形態の変形例の４分割受光素子の概略構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態にかかる焦点検出装置の要部の概略構成を示す図。 従来の焦点検出装置の一例の概略構成を示す図。 従来の焦点検出装置の２分割受光素子から出力される電圧信号の変化特性を示す図。 従来の焦点検出装置の２分割受光素子の受光面上の受光スポットの様子を示す図。

符号の説明

１…レーザーダイオード、２…コリメータレンズ
３…遮蔽板、４…偏光ビームスプリッタ
５…第１の中間結像レンズ、６…第２の中間結像レンズ
７…１／４波長板、８…ダイクロイックミラー
９…対物レンズ、１０…被検体
１０ａ…表面、１１…制限エッジ
１２…集光レンズ、１３…ピンホール
１３ａ〜１３ｃ…孔
１４…２分割受光素子、Ｊ、Ｋ…受光面
１５…制御部、１６…準焦機構
１７…ステージ、２１…４分割受光素子
２２．２３…電流電圧変換加算器
Ｊ１．Ｊ２、Ｋ１．Ｋ２…受光面
ＳＪ１．ＳＪ２、ＳＫ１．ＳＫ２…スイッチ
Ｊ１１．Ｋ１１、Ｊ１２．Ｋ１２…受光面
２５…ハーフミラー、２６、２７…２分割受光素子
２８．２９…電流電圧変換器、
Ｊ２１．Ｋ２１、Ｊ２２．Ｋ２２…受光面
ＳＪ１１、ＳＫ１１…スイッチ

Claims (7)

1. 対物レンズの光軸に垂直な面上で２分された領域の一方に沿って光源から出射された光が被検体に照射されるとともに、他方の領域に沿って前記被検体から反射された光が複数の受光面を有する受光手段により受光され、該受光手段の複数の受光面で受光された光量に基づいて焦点検出を行なう焦点検出装置において、
   前記受光手段の複数の受光面で受光される前記被検体からの反射光の受光量を制限する受光量制限手段を備えたことを特徴とする焦点検出装置。
2. 受光量制限手段は、前記複数の受光面での前記被検体からの反射光の受光範囲を制限する遮光手段からなることを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
3. 前記遮光手段は、遮光範囲を変更可能にしたことを特徴とする請求項２記載の焦点検出装置。
4. 前記遮光手段は、前記反射光の光路上の中間結像位置又は前記受光手段の受光面近傍に配置されることを特徴とする請求項２又は３記載の焦点検出装置。
5. 前記遮光手段は、ピンホールからなることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の焦点検出装置。
6. 前記受光手段は、少なくとも４つ以上の受光面を有し、
   前記受光量制限手段は、前記４つ以上の受光面を選択可能としたことを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
7. 前記被検体から反射された光の光路を複数に分割する光路分割手段をさらに有し、
   前記受光手段は、受光範囲の異なる受光面を有する複数の受光手段からなり、これら受光手段が前記光路分割手段で分割された光路上に各別に配置され、
   前記受光量制限手段は、前記複数の受光手段を選択可能としたことを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。

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