JP2615286B2 - オートフォーカス装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、オートフォーカス装
置及び方法に関する。この発明は顕微鏡、特に検査用顕
微鏡や検査用撮像装置等に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】検査用の顕微鏡や撮像装置では多数の同
種被検体を光学的に検査するのであるが、被検体を取り
替えるたびに、あるいは被検体の検査個所を変えるたび
にピント合わせを行わねばならない面倒がある。

【０００３】このような面倒を軽減するために、顕微鏡
のピント合わせを自動的に行う方法が提案されている
（特開昭６２−１８７０５７号公報）。

【０００４】この方法は有効であるが、顕微鏡本体を変
位させてピント合わせを行うので、高速なピント合わせ
が困難であり、被検体の移動にピントが追従しないとい
う問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、このよう
な問題を有効に解決するべくなされたものであって、迅
速な自動ピント合わせの可能なオートフォーカス装置お
よび方法の提供を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１のオートフォー
カス装置は「結像光学装置のピント合わせを自動的に行
う装置」である。「結像光学装置」は、例えば検査用顕
微鏡や検査用撮像装置等である。

【０００７】この装置は、光ガイド部材と、発光素子お
よび受光素子と、集光レンズと、光路形成部材と、変位
手段および移動手段と、制御検出手段とを有する。

【０００８】「光ガイド部材」は、一端が出入射端に形
成され、他端が二又状に形成されており、二又状の各端
部は入射端及び射出端をなす。

【０００９】「発光素子」は、光ガイド部材の、二又側
の入射端側に設けられ、入射端に向かって発光する。発
光素子としてはＬＤやＬＥＤ等を適宜用いることができ
る。 「受光素子」は、光ガイド部材の二又側の射出端側に設
けられ、射出端から射出する光を受光する。

【００１０】「集光レンズ」は、結像光学装置本体と一
体化され、発光素子から放射され光ガイド部材の出入射
端から射出する光を集光する。集光レンズの役割は、光
ガイド部材の出入射端から射出する発散性の光束を平行
光束に近い光束とすることであり、上記光束は集光レン
ズにより必ずしも集光光束とされる訳ではない。

【００１１】「光路形成部材」は、集光レンズを透過し
た光束が結像光学系の対物レンズを介して、物体に照射
されるように、集光レンズと対物レンズの間の光路を形
成するようにして結像光学装置本体と一体化される。光
路形成部材としては１以上の半透鏡やミラー、ビームス
プリッターを用いることができる。

【００１２】「変位手段」は、結像光学装置本体と光ガ
イド部材を対物レンズの光軸方向へ変位させるための手
段である。

【００１３】「移動手段」は、結像光学装置本体に対し
て、光ガイド部材の「少なくとも出入射端」を集光レン
ズの光軸方向に変位させる手段である。

【００１４】「制御検出手段」は、変位手段及び移動手
段を制御し、且つ、結像光学装置本体及び／または光ガ
イド部材の変位に伴う、受光素子の受光量の極大値を検
出する。この制御検出手段は例えば、必要なインターフ
ェイスを備えたコンピューターにより実現することがで
きる。

【００１５】光ガイド部材は、光ファイバー束により構
成することができるが（請求項２）、プラスチック等に
よる単体として構成しても良い。

【００１６】請求項３のオートフォーカス方法は上記オ
ートフォーカス装置を用いて結像光学装置のピント合わ
せを自動的に行う方法であり、以下の如き手順で行われ
る。

【００１７】光ガイド部材を「基準状態」に置き、物体
を所定の位置に配備して発光素子を発光させ、この光を
結像光学装置の対物レンズを介して上記物体に照射しつ
つ、結像光学装置本体と光ガイド部材とを一体として対
物レンズの光軸方向へ変位させ、受光素子の受光量が極
大となる位置として結像光学装置のピント位置を設定す
ることにより初期設定を行う。

【００１８】「基準状態」とは、光ガイド部材の出入射
端と対物レンズの物体側焦点位置が、対物レンズ及び集
光レンズにより共役な結像関係となる状態である。ま
た、光ガイド部材が、光ファイバー束で構成されている
場合のように変形可能であるときは、結像光学装置本体
と「一体に」変位するのは、光ガイド部材の出入射端部
のみでよい。

【００１９】上記初期設定がなされた状態において、結
像光学装置による物体の観察や検査が行われる。その後
上記物体を移動もしくは交換する。物体を移動させるの
は、物体に対する検査個所を変える場合である。

【００２０】このように物体の移動もしくは交換を行っ
た後、発光素子を発光させ、結像光学装置本体を移動さ
せることなく、光ガイド部材の出入射端を集光レンズ光
軸方向へ変位させ、上記初期設定状態と上記受光素子の
受光出力が極大となる位置との間の距離を検出し、この
距離に応じて結像光学装置本体を対物レンズ光軸方向へ
所定距離変位させて新たなピント位置設定を行う。

【００２１】

【作用】このように、この発明においては、一旦「初期
状態」が設定されると、結像光学装置本体を移動させる
ことなく光ガイド部材のみを変位させて新たなピント位
置の検出を行い、検出された新たなピント位置へ結像光
学装置本体を直接的に移動させる。

【００２２】

【実施例】以下、図面を参照しながら具体的な実施例に
即して説明する。

【００２３】図１（ａ）は、製品検査用の撮像装置を結
像光学装置として、この発明を適用した実施例装置を略
示している。

【００２４】図中、符号１は結像光学装置の本体を示
す。結像光学装置本体１のケーシング１０には、図のよ
うに対物レンズ１１、結像レンズ１２、撮像装置１３、
コリメートレンズ１４、集光レンズ１８、ミラー１５，
１７、半透鏡１６Ａ，１６Ｂ、ライトガイド１９、移動
手段６が固定的に設けられている。

【００２５】ライトガイド１９は可撓性で、その一端部
は光源装置２０に対向している。光源装置２０は撮像照
明用で適宜の光源を用いることができるが、この実施例
ではハロゲンランプが用いられている。光源装置２０を
点燈すると、光はライトガイド１９によりケーシング１
０内に導かれ、コリメートレンズ１４により平行光束化
され、ミラー１５、半透鏡１６Ａにより反射されて、対
物レンズ１１を透過して射出し、所定位置に設置された
物体である被検体０を照射する。

【００２６】被検体０からの反射光は対物レンズ１１と
結像レンズ１２とを介して、撮像装置１３に入射する。
この例に於いて撮像装置１３はＣＣＤカメラである。ピ
ントが合っていれば、被検体０の像が撮像素子１３の受
光面上に結像する。対物レンズ１１と結像レンズ１２と
は結像光学系を構成するが、必要に応じて、この光学系
を顕微鏡光学系として構成することができる。

【００２７】結像光学装置本体１はステージ２の上に設
置されて、図の左右方向へ移動できるようになってお
り、ステップモーター３によりステージ２を駆動して、
結像光学装置本体１を対物レンズ１１の光軸方向へ変位
させるようになっている。従って、ステージ２とステッ
プモーター３とは変位手段を構成する。

【００２８】移動手段６は、この実施例では電歪素子
と、これを駆動するアクチュエータ回路とにより構成さ
れている。電歪素子に代えて磁歪素子を用いることもで
きる。

【００２９】制御装置７は、インターフェイスを備えた
マイクロコンピューターであり、装置全体を制御する
が、特にオートフォーカス装置に関しては制御検出手段
を構成する。

【００３０】図１（ａ）に符号４で示す光ガイド部材
は、図１（ｂ）に示すように、一端が出入射端４０に形
成され、他端は二又状に形成されている。二又状端部の
一方は入射端４１であり、発光素子４３からの光を入射
されるようになっている。二又状端部の他方は射出端４
２であり、受光素子４４に向かって光を射出するように
なっている。発光素子４３はこの実施例においてＬＥＤ
である。発光素子４３と受光素子４４とは検出系を構成
し、図１（ａ）において符号５で示されている。発光素
子の点滅は制御装置７により制御され、受光素子４４の
出力は制御装置７に入力される。

【００３１】発光素子４３を発光させると、光は入射端
４１から光ガイド部材４に入射し、同部材４にガイドさ
れて出入射端４０から射出して集光レンズ１８により平
行光束化され、光路形成部材を構成するミラー１７と半
透鏡１６Ａを介して対物レンズ１１に入射し、同レンズ
１１を透過して被検体０を照射する。被検体０による反
射光は、上記の光路を逆に進み、光ガイド部材４の射出
端４２から射出して受光素子４４により光電変換され
る。

【００３２】さて、図２の上の部分の図においては、光
ガイド部材４が基準状態にあり、出入力端４０が対物レ
ンズ１１と集光レンズ１８とにより、対物レンズ１１の
物体側焦点位置と共役な結像関係となっている。このと
き、図示のように対物レンズ１１の物体側焦点位置が被
検体０上に合致していると、対物レンズ１１と集光レン
ズ１８とにより、被検体０と出入力端４０とが共役な結
像関係となるから、発光素子４３を点燈させて被検体０
を照射すると、被検体０からの反射光は理論的にはその
全部が出入力端４０に戻ることになる。

【００３３】これに対し、被検体０の位置が対物レンズ
１１の光軸方向へずれると、被検体０と出入力端４０と
の共役関係が崩れるから、被検体０からの反射光の一部
は出入力端４０へ入射しなくなる。従って、被検体０の
位置が対物レンズ１１の物体側焦点位置からずれると、
光ガイド部材４を介して受光素子４４が受光する受光量
は図２に符号５Ａで示す曲線のように減少する。換言す
れば、光ガイド部材を基準状態に置いて発光素子４３を
発光させたとき、受光素子４４の出力が極大となるの
は、被検体０が対物レンズ１１の物体側焦点位置に合致
しているときであり、結像光学装置のピントが被検体０
に合っているときである。

【００３４】さて、被検体０の位置が図２の下の図のよ
うに対物レンズ１１の物体側焦点位置からδだけずれた
状態を考えてみる。このとき、発光素子４３を点燈し
て、光ガイド部材４の出入力端４０を集光レンズ１８の
光軸方向へ変位させてみると、受光素子４４の受光する
光量は出入力端４０の位置により変化するが、受光光量
が極大となるのは、被検体０と出入力端４０とが共役関
係となるときである。

【００３５】図２の下の図は、被検体０と出入力端４０
とが共役関係となった状態を示している。即ち、図２の
上の図の位置から被検体０がδだけずれたとき、出入力
端４０をΔだけ変位させて被検体０と出入力端４０とを
共役関係にした状態を示している。この状態から出入力
端４０を変位させると、受光素子４４の出力は図２に符
号５Ｂで示す曲線のように減少する。

【００３６】対物レンズ１１と集光レンズ１８との合成
結像系において、基準状態における被検体０の位置を物
体位置、光ガイド部材４の出入力端４０を像位置と考え
たときの結像倍率をβとすると、周知のように、Δ＝β
²・δの関係が成り立つ。従って、図２の上の図の状態
から下の図の状態のように被検体０の位置がずれたと
き、光ガイド部材４の出入力端４０を変位させて受光素
子４４の出力が極大になる位置を検出することにより距
離Δを知れば、被検体０の変位量δはΔ／β²により知
ることができる。従って、このことを利用して、オート
フォーカスを行うことが出来るのである。

【００３７】以下、実施例装置によるオートフォーカス
操作を伴う被検体検査プロセスを説明する。この例は、
請求項３の方法の実施例でもある。

【００３８】図１を参照すると、先ず被検体０を所定の
位置に設置し、光ガイド部材４は基準状態に設置する。
この基準状態の設定は制御装置７により行う。この状態
で発光素子４３を点燈する。このとき受光素子４４の出
力は制御装置７に取り込まれ、デジタル信号に変換され
てメモリに入力される。

【００３９】制御装置７はステップモーター３を駆動制
御してステージ２を移動させる。これにより、結像光学
装置本体１と光ガイド部材４とは一体的に変位する。こ
の変位に伴う受光素子４４の出力変化を制御装置７に取
り込み、上記出力の極大値を与える位置を検出する。極
大値を与える結像光学装置本体位置を検出する工程は制
御装置７に内臓されたプログラムにより自動的に行われ
る。このプログラムのアルゴリズムは種々のものが可能
であるが、一例としては前述した特開昭６２−１８７０
５７号公報に開示された公知の方法を利用することがで
きる。

【００４０】このようにして、極大値を与える位置が検
出されたら、その位置に結像光学装置本体１を変位させ
る。かくして初期設定が行われる。結像光学装置本体１
の上記変位は制御装置７によりステップモーター３を駆
動してステージ２を移動させることにより行う。この状
態で結像光学装置のピントは被検体０に合っている。そ
こで、光源装置２０を点燈して被検体０の照明を行い検
査用撮像を実行する。即ち、撮像装置１３の出力は制御
装置７に取り込まれて必要な画像処理を受ける。検査用
撮像が行われる間、発光素子４３は消灯させる。また、
上記ピントの合った状態は制御装置７のメモリ内に記憶
される。

【００４１】上記検査用撮像が終わったら被検体０を移
動させ（検査個所が２ヵ所以上の場合）、もしくは被検
体の交換を行う。

【００４２】続いて発光素子４３を発光させ、移動手段
６により光ガイド部材４の出入力端４０を集光レンズ１
８の光軸方向へ変位させて、受光素子４４の出力が極大
となる位置を制御装置７により検出する。そして、上記
初期設定状態から上記検出位置までの光ガイド部材４の
変位量（図２のΔ）を検出する。そして、被検体０と対
物レンズ１１の物体側焦点位置とのずれ（図２のδ）を
算出する。算出はδ＝Δ／β²に従って行えば良い。特
にβ＝１に設定しておくとδ＝Δとなって、算出が容易
である。かくして新たなピント位置が検出される。

【００４３】次に、算出されたδに従って結像光学装置
本体１を新たなピント位置へ変位させて、被検体０への
ピントを合わせる。この状態で、検査用撮像を実行す
る。この間に、光ガイド部材４は基準状態に戻す。

【００４４】以後は上記工程（初期設定より後の工程）
を必要に応じて繰り返せば良い。図３に上記プロセスを
工程図として示す。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
オートフォーカス装置および方法を提供できる。この発
明の方法および装置では、初期設定後、新たなピント位
置の検出を質量の小さい光ガイド部材のみの変位で行
い、結像光学装置本体は検出された新たなピント位置へ
直接に移動させられるので、初期設定後、物体の移動も
しくは交換に伴う自動ピント調整を高速に行うことが可
能である。

【００４６】なお、この発明では、上述の如く集光レン
ズを結像光学装置本体と一体化し、集光レンズに対して
光ガイド部材の出入射端を移動させてピント位置の検出
を行っているが、集光レンズを光ガイド部材の出入射端
に一体化させ、上記出入射端と集光レンズとを一体とし
て、集光レンズの光軸方向へ移動させてピント位置を検
出することも可能であることを付記して置く。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例を説明するための図で、
（ａ）は装置概要図、（ｂ）は光ガイド部材を説明する
ための図である。

【図２】ピント合わせの原理を説明するための図であ
る。

【図３】図１の実施例によるピント合わせの工程を示す
工程図である。

【符号の説明】

１ 結像光学装置本体 ２ ステージ ３ ステップモーター ４ 光ガイド部材 ６ 移動手段 １１ 対物レンズ １８ 集光レンズ ４３ 発光素子 ４４ 受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−295813（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−141012（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−121008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−121012（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−121013（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−209722（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−208734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−211109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−211110（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−126111（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結像光学装置のピント合わせを自動的に行
   う装置であって、 一端が出入射端に形成され、他端が二又状に形成されて
   入射端及び射出端をなす光ガイド部材と、 この光ガイド部材の、入射端側に設けられた発光素子お
   よび射出端側に設けられた受光素子と、 上記結像光学装置本体と一体化され、上記発光素子から
   放射され上記光ガイド部材の出入射端から射出する光を
   集光する集光レンズと、 この集光レンズを透過した光束が結像光学装置の対物レ
   ンズを介して、物体に照射されるように、上記集光レン
   ズと対物レンズの間の光路を形成するようにして結像光
   学装置本体と一体化された光路形成部材と、 上記結像光学装置本体と光ガイド部材を上記対物レンズ
   の光軸方向へ変位させる変位手段と、 上記結像光学装置本体に対し、上記光ガイド部材の少な
   くとも出入射端を上記集光レンズの光軸方向に変位させ
   る移動手段と、 上記変位手段及び移動手段を制御し、結像光学装置本体
   及び／または光ガイド部材の変位に伴う、上記受光素子
   の受光量の極大値を検出する制御検出手段とを有するこ
   とを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 光ガイド部材が光ファイバー束で構成されていることを
   特徴とするオートフォーカス装置。
3. 【請求項３】請求項１または２のオートフォーカス装置
   を用いて、結像光学装置のピント合わせを自動的に行う
   方法であって、 光ガイド部材を基準状態に置き、物体を所定の位置に配
   備して、発光素子を発光させ、この光を結像光学装置の
   対物レンズを介して上記物体に照射しつつ、結像光学装
   置本体と光ガイド部材を一体として上記対物レンズの光
   軸方向へ変位させ、受光素子の受光量が極大となる位置
   として結像光学装置のピント位置を設定することにより
   初期設定を行い、 その後、上記物体を移動もしくは交換し、 上記発光素子を発光させつつ、結像光学装置本体を移動
   させることなく、光ガイド部材の出入射端を集光レンズ
   光軸方向へ変位させ、上記初期設定状態と上記受光素子
   の受光出力が極大となる位置との間の距離を検出し、こ
   の距離に応じて結像光学装置本体を対物レンズ光軸方向
   へ所定距離変位させて新たなピント位置設定を行うこと
   を特徴とするオートフォーカス方法。