JP2654278B2

JP2654278B2 - オートフォーカス機能を持つ結像装置

Info

Publication number: JP2654278B2
Application number: JP3220555A
Authority: JP
Inventors: 秀幸近藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH0560966A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、オートフォーカス機
能を持つ結像装置に関する。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り、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６２−１８７
０５７号公報）。

【０００３】近来、上記顕微鏡や撮像装置において、被
検体を観察状態に置いたまま自動ピント合わせを行いた
いという要請がある。上記公報に開示された自動ピント
合わせでは、物体を観察状態においたままで自動ピント
合わせを行うと、観察用の照明光がピント合わせに干渉
してピント合わせを妨げ、ピント合わせ用の光が観察を
妨げるという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記のよ
うな問題を解決し、物体を観察状態にしたまま、適正な
自動ピント合わせを行うことができる、オートフォーカ
ス機能を持つ新規な結像装置の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の結像装置は、
前述の顕微鏡、検査用顕微鏡や撮像装置として実施で
き、結像光学装置とオートフォーカス機構と波長分離手
段とを有する。「結像光学装置」は、照明光を対物レンズを介して物体
に照射し、物体からの反射光を上記対物レンズを含む結
像光学系により所定位置に結像させる装置であって、顕
微鏡や検査用顕微鏡、検査用撮像装置の機能を果たす部
分である。「オートフォーカス機構」は、合焦位置検出用の光を上
記対物レンズを介して上記物体に照射し、物体により反
射された光を上記対物レンズを介して合焦位置検出用の
受光素子へ導き上記物体に対する合焦状態を検出する機
構であり、検出された合焦状態に応じて、上記結像光学
装置の自動ピント合わせが行われる。

【０００６】「波長分離手段」は、上記結像光学装置に
おいて物体の結像に用いる光の波長領域と、上記オート
フォーカス機構において合焦位置検出に用いる光の波長
領域を互いに分離する手段である。

【０００７】上記オートフォーカス機構は、光ガイド部
材と、発光素子及び受光素子と、集光レンズと、光路形
成部材と、変位手段と、制御検出手段とにより構成する
ことができる（請求項１）。

【０００８】「光ガイド部材」は、一端が出入射端に形
成され、他端が２つに分岐して形成されて入射端及び射
出端をなし、「発光素子」は、光ガイド部材の入射端側
に設けられ、「受光素子」は、光ガイド部材の射出端側
に設けられる。

【０００９】「集光レンズ」は、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光ガイド部材
の出入射端から射出する光を集光する。また「光路形成
部材」は、集光レンズを透過した光束が上記対物レンズ
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。

【００１０】「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一体的に変位させ、
「制御検出手段」は、変位手段を制御し、結像光学装置
本体の変位に伴う受光素子の受光量の極大値を検出す
る。

【００１１】あるいはまた、請求項２の結像装置のよう
に、オートフォーカス機構を、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、
変位手段と、移動手段と、制御検出手段により構成する
ことができる。

【００１２】光ガイド部材、発光素子及び受光素子、集
光レンズ、光路形成部材および変位手段は、請求項１の
結像装置におけるのと同様のものである。「移動手段」
は、結像光学装置本体に対し、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。
「制御検出手段」は、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、受光素子の受光量の極大値を検出する。

【００１３】

【作用】上記のように、この発明では、「波長分離手
段」を用い、結像光学装置において物体の結像に用いる
光の波長領域と、オートフォーカス機構において合焦位
置検出に用いる光の波長領域を互いに分離する。

【００１４】即ち、結像光学装置において物体の結像に
用いる光が波長領域Ａに属し、オートフォーカス機構に
おいて合焦検出に用いられる光が波長領域Ｂに属してい
るとすると、これらの波長領域ＡとＢとは、波長分離手
段により互いに重なり合わないように分離される。従っ
て、結像光学装置では波長領域Ａの光が物体に照射さ
れ、波長領域Ａの光のみにより物体像が結像位置に結像
する。またオートフォーカス機構では波長領域Ｂの光が
物体に照射され、受光素子は波長領域Ｂの光のみを検出
する。従って、物体を観察状態にしたままオートフォー
カス機能を作動させても、オートフォーカスのための光
は結像位置における物体の結像に寄与しないし、物体を
結像するための光はオートフォーカス機能に干渉しな
い。

【００１５】

【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。

【００１６】図１は、この発明の結像装置を顕微鏡に対
して適用した実施例を示している。この実施例は請求項
１の装置の実施例になっている。

【００１７】図中、符号１０は観察の対象となる物体を
示している。符号１２ａは対物レンズ、符号１２ｂはコ
リメートレンズ、符号１２ｃは接眼レンズ、符号１４
ａ，１４ｂはダイクロイックミラー、符号１６は照明光
源を示している。これら対物レンズ１２ａ、コリメート
レンズ１２ｂ、接眼レンズ１２ｃ、ダイクロイックミラ
ー１４ａ，１４ｂ、照明光源１６は結像光学装置として
の顕微鏡系を構成している。

【００１８】即ち、照明光源１６からの光をコリメート
レンズ１２ｂとダイクロイックミラー１２ａとにより対
物レンズ１２ａに導き、同対物レンズ１２ａを介して物
体１０に照射する。物体１０からの反射光を対物レンズ
１２ａとダイクロイックミラー１４ａ，１４ｂにより接
眼レンズ１２ｃに導き、対物レンズ１２ａと接眼レンズ
１２ｃとにより結像される物体像（虚像）を観察する。

【００１９】図１において、符号２０は、光ガイド部材
を示す。この実施例において、光ガイド部材２０は光学
ファイバー束により構成され、一端部２０ｃは、一まと
めにされて出入射端として形成され、２つに分岐して二
又状に形成された他端は入射端２０ａ、射出端２０ｂと
なっており、入射端２０ａに近接対向して発光素子３０
ａが、射出端２０ｂに近接対向して受光素子３０ｂが、
それぞれ設けられている。出入射端２０ｃに近接対向し
て集光レンズ１８が、設けられている。

【００２０】光ガイド部材２０と発光素子３０ａ，受光
素子３０ｂと集光レンズ１８と、ダイクロイックミラー
１４ａ，１４ｂはオートフォーカス機構の光学系部分を
構成する。ダイクロイックミラー１４ａ，１４ｂは光路
形成部材を成している。発光素子３０ａを発光させる
と、光は光ガイド部材２０により案内されて、出入射端
２０ｃから射出し、集光レンズ１８により略平行な光束
にされ、ダイクロイックミラー１４ａ、１４ｂを介し
て、対物レンズ１２ａに導かれ、同対物レンズ１２ａを
介して物体１０に照射される。物体１０からの反射光は
対物レンズ１２ａ、ダイクロイックミラー１４ａ，１４
ｂ、集光レンズ１８を介して光ガイド部材２０の出入射
端２０ｃに入射し、光ガイド部材２０により受光素子３
０ｂに導かれ、光電変換される。

【００２１】図１に示す光学系は、全体が一体的に形成
され、図示されない変位手段により対物レンズ１２ａの
光軸方向へ、全体が一体として変位できる様になってい
る。対物レンズ１２ａと集光レンズ１８とは、対物レン
ズ１２ａの物体側焦点位置と出入射端２０ｃの位置を幾
何光学的な共役関係としている。従って、発光素子３０
ａを発光させたとき、受光素子３０ｂの出力が極大とな
るのは、発光素子３０ａからの光が物体１０上に集光し
ているときであり、このときの状態が顕微鏡系の合焦状
態を与える。

【００２２】オートフォーカス動作は、発光素子３０ａ
を発光させて、受光素子３０ｂの出力をモニターしつ
つ、図示されない制御検出手段（例えばマイクロコンピ
ューター）により、上述の図示されない変位手段を制御
して、全体を対物レンズ１２ａの光軸方向へ変位させ、
受光素子３０ｂの出力が極大値を与える位置として、合
焦状態を検出する。

【００２３】さて、この実施例において、照明光源１６
は白色光源であり、白色光を放射する。そして、「波長
領域分離手段」は、発光素子３０ａを赤外光発光素子と
し、受光素子３０ｂを赤外光受光素子とするとともに、
ダイクロイックミラー１４ａ，１４ｂを赤外光透過ミラ
ーとすることにより構成されている。赤外光発光素子は
赤外光のみを発光する発光素子であり、赤外光受光素子
は赤外光のみに反応する受光素子である。また赤外光透
過ミラーは白色を照射したとき、赤外光を選択的に透過
させるミラーである。

【００２４】この実施例では、波長領域分離手段をこの
ように構成したから、照明光源１６から放射される白色
光のうち、赤外光は物体１０に照射されず、観測される
物体像も赤外光を除いた光で結像される。一方、受光素
子３０ｂは、発光素子３０ａから放射されて、物体１０
により反射された赤外光のみを受光し、照明光源１６か
ら放射された赤外光成分を受光することがない。

【００２５】従って、物体１０を顕微鏡系で観察しつ
つ、自動ピント合わせを行っても、観察用の光がピント
合わせに干渉することがなく、常に適正なピント合わせ
が可能である。ダイクロイックミラー１４ａ，１４ｂを
通常の半透鏡とし、照明光源１６とコリメートレンズ１
２ｂの間および、ダイクロイックミラー１４ｂと接眼レ
ンズ１２ｃの間に、赤外光除去フィルターを配備しても
良い。

【００２６】図２は別の実施例を示している。この実施
例は、この発明を、製品検査用の撮像装置を結像光学装
置として実施した例であり請求項２の実施例になってい
る。図２（ａ）において、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１００には、
図のように対物レンズ１２Ａ、結像レンズ１２Ｃ、撮像
装置２４、コリメートレンズ１２Ｂ、集光レンズ１８
Ａ、ミラー１４Ａ，１５Ａ、半透鏡１４Ｂ，１５Ｂ、ラ
イトガイド２５、移動手段６が固定的に設けられてい
る。

【００２７】ライトガイド２５は可撓性で、その一端部
は光源装置２７に対向している。光源装置２７は撮像照
明用で、白色光源である。光源装置２７を点燈すると、
光はライトガイド２５によりケーシング１００内に導か
れ、赤外光フィルター２６により赤外光を除去されたの
ち、コリメートレンズ１２Ｂにより平行光束化され、ミ
ラー１４Ａ、半透鏡１４Ｂにより反射されて、対物レン
ズ１２Ａを透過して射出し、所定位置に設置された物体
（被検体）１０を照射する。

【００２８】物体１０からの反射光は、対物レンズ１２
Ａと結像レンズ１２Ｃとを介して、撮像装置２４に入射
する。このとき、結像光束中の赤外光成分が赤外光フィ
ルター２８により除去される。撮像装置２４はＣＣＤカ
メラである。ピントが合っていれば、物体１０の像が撮
像装置２４の受光面上に結像する。対物レンズ１２Ａと
結像レンズ１２Ｃ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。

【００２９】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１２Ａ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。

【００３０】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。

【００３１】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機構に関しては、制御検出手
段を構成する。

【００３２】図２（ａ）に符号２００で示す光ガイド部
材は、図２（ｂ）に示すように、一端が出入射端２００
Ｃに形成され、他端は２つに分岐して二又状に形成され
ている。分岐した端部の一方は入射端２００ａであり、
発光素子３０ａからの光を入射されるようになってい
る。分岐した端部の他方は射出端２００ｂであり、受光
素子３０ｂに向かって光を射出するようになっている。
図１の実施例と同じく、発光素子３０ａは赤外光発光素
子であり、受光素子３０ｂは赤外光受光素子である。発
光素子３０ａと受光素子３０ｂとは検出系を構成し、図
２（ａ）においては符号５で示されている。発光素子３
０ａの点滅は制御装置７により制御され、受光素子３０
ｂの出力は制御装置７に入力される。

【００３３】発光素子３０ａを発光させると、光は入射
端２００ａから光ガイド部材２００に入射し、同部材２
００にガイドされて出入射端２００ｃから射出して集光
レンズ１８Ａにより平行光束化され、光路形成部材を構
成するミラー１５Ａと半透鏡１５Ｂを介して対物レンズ
１２Ａに入射し、同レンズ１２Ａを透過して物体１０を
照射する。物体１０による反射光は、上記の光路を逆に
進み、光ガイド部材２００の射出端２００ｂから射出し
て受光素子３０ｂにより光電変換される。

【００３４】さて、図３の上の部分の図においては、光
ガイド部材２００が「基準状態」にあり、出入力端２０
０ｃが、対物レンズ１２Ａと集光レンズ１８Ａとによ
り、対物レンズ１２Ａ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１
２Ａの物体側焦点位置が物体１０上に合致していると、
対物レンズ１２Ａと集光レンズ１８とにより、物体１０
と出入力端２００ｃとが共役な結像関係となる。従っ
て、この状態で発光素子３０ａを点燈させて物体１０を
照射すると、物体１０からの反射光は、理論的にはその
全部が出入射端２００ｃに戻ることになる。

【００３５】これに対し、物体１０の位置が対物レンズ
１２Ａの光軸方向へずれると、物体１０と出入射端２０
０ｃ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１２Ａの物体側焦点位置からず
れると、光ガイド部材２００を介して受光素子３０ｂが
受光する受光量は、図３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２００を「基準状
態」に置いて発光素子３０ａを発光させたとき、受光素
子３０ｂの出力が極大となるのは、物体１０が対物レン
ズ１２Ａ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物体１０に合っているときであ
る。

【００３６】物体１０の位置が、図３の下の図のように
対物レンズ１２Ａ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３０ａを点燈し
て、光ガイド部材２００の出入射端２００ｃを集光レン
ズ１８Ａの光軸方向へ変位させてみると、受光素子３０
ｂの受光する光量は出入射端２００ｃの位置により変化
するが、受光光量が極大となるのは、物体１０と出入射
端２００ｃとが共役関係となるときである。

【００３７】図３の下の図は、物体１０と出入射端２０
０ｃとが共役関係となった状態を示している。即ち、図
３の上の図の位置から、物体１０がδだけずれたとき、
出入射端２００ｃをΔだけ変位させて、物体１０と出入
射端２００ｃとを、再び共役関係にした状態を示してい
る。この状態から出入射端２００ｃを変位させると、受
光素子３０ｂの出力は図３に符号５Ｂで示す曲線のよう
に減少する。

【００３８】対物レンズ１２Ａと集光レンズ１８Ａとの
合成結像系において、基準状態における物体１０の位置
を物体位置、光ガイド部材２００の出入射端２００ｃ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＝β²・δの関係が成り立つ。従って、図３の
上の図の状態から、下の図の状態のように物体１０の位
置がずれたとき、光ガイド部材２００の出入射端２００
ｃを変位させて、受光素子３０ｂ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、物体１０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。

【００３９】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。図２を参照
すると、先ず物体１０を所定の位置に設置し、光ガイド
部材２００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３０ａを
点燈する。このとき受光素子３０ｂ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。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２００とは一体的に変位する。こ
の変位に伴う受光素子３０ｂ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６２−１８７
０５７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物体１０に合っている。そ
こで、光源装置２７を点燈して物体１０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物体１０を移
動させ（検査個所が２ヵ所以上の場合）、もしくは物体
の交換を行う。

【００４２】続いて発光素子３０ａを発光させ、移動手
段６により光ガイド部材２００の出入射端２００ｃを集
光レンズ１８Ａの光軸方向へ変位させて、受光素子３０
ｂ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３のΔ）を検出する。そし
て、物体１０と対物レンズ１２Ａの物体側焦点位置との
ずれ（図３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、物体１０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２００は基準状態に戻す。

【００４４】この実施例で、波長領域分離手段は、発光
素子３０ａを赤外光発光素子、受光素子３０ｂを赤外光
受光素子とし、且つ赤外光フィルター２６，２８を図２
のように配備したことにより構成されている。このよう
に波長領域分離手段を構成したことに伴い、撮像装置２
４の受光部に結像する光は赤外光を含まず、受光素子３
０ｂは赤外光のみを検出する。従って、物体１０を撮像
装置２４により撮像状態にしたまま、ピント合わせを行
っても、オートフォーカス工程は良好に行われることに
なる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、オー
トフォーカス機能を持つ新規な結像装置を提供できる。
この装置は上記の如き構成となっているので、物体を結
像させるための照明光を物体に照射したままで、オート
フォーカス機構によるピント合わせを適正に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例を示す図である。

【図２】別実施例を示す図である。

【図３】図２の実施例における、ピント合わせの原理を
説明するための図である。

【符号の説明】

１０物体１２ａ対物レンズ１２ｂコリメートレンズ１２ｃ接眼レンズ１６照明光源１８集光レンズ２０光ガイド部材３０ａ（赤外光）発光素子３０ｂ（赤外光）受光素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を対物レンズを介して物体に照射
し、物体からの反射光を上記対物レンズを含む結像光学
系により所定位置に結像させる結像光学装置と、合焦位置検出用の光を上記対物レンズを介して上記物体
に照射し、物体により反射された光を上記対物レンズを
介して合焦位置検出用の受光素子へ導き上記物体に対す
る合焦状態を検出するオートフォーカス機構と、上記結像光学装置において物体の結像に用いる光の波長
領域と、上記オートフォーカス機構において合焦位置検
出に用いる光の波長領域を互いに分離する、波長領域分
離手段とを有し、上記オートフォーカス機構が、一端が出入射端に形成され、他端が２つに分岐して入射
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、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上記対物レンズを介し
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一体として、上
記対物レンズの光軸方向へ変位させる変位手段と、上記変位手段を制御し、結像光学装置本体の変位に伴
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、オートフォーカス機
能を持つ結像装置。
【請求項２】照明光を対物レンズを介して物体に照射
し、物体からの反射光を上記対物レンズを含む結像光学
系により所定位置に結像させる結像光学装置と、合焦位置検出用の光を上記対物レンズを介して上記物体
に照射し、物体により反射された光を上記対物レンズを
介して合焦位置検出用の受光素子へ導き上記物体に対す
る合焦状態を検出するオートフォーカス機構と、上記結像光学装置において物体の結像に用いる光の波長
領域と、上記オートフォーカス機構において合焦位置検
出に用いる光の波長領域を互いに分離する、波長領域分
離手段とを有し、オートフォーカス機構が、一端が出入射端に形成され、他端が２つに分岐して入射
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、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上記対物レンズを介し
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一体として、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機能を持つ結像装
置。