JP2757541B2

JP2757541B2 - 焦点検出装置及びそれを備えた観察装置

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Publication number: JP2757541B2
Application number: JP2172482A
Authority: JP
Inventors: 修此内; 雅史鎌田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1998-05-25
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JPH0460603A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は焦点検出装置及び該焦点検出装置を備えた観
察装置に関し、特に投光手段からの光束を結像光学系の
一部の領域を介して物体へ投光し、該物体からの反射光
束のうち、該結像光学系の他の領域を通過する光束の検
出器面上の入射位置情報を検出することにより、該結像
光学系の焦点位置の検出を行った焦点検出装置及び該焦
点検出装置を備えた観察装置に関するものである。

（従来の技術）従来より結像光学系の焦点位置を光電的に検出する焦
点検出装置には、種々のタイプのものが提案されてい
る。例えば特開昭57−210308号公報では投光手段より光
束を物体側に投光し、物体からの反射光束を利用して焦
点検出を行う所謂能動方式の焦点検出装置が提案されて
いる。又特開昭57−72111号公報や特開昭60−41013号公
報等では結像光学系により形成された物体像の結像状態
を利用して焦点検出を行う受動方式の焦点検出装置が提
案されている。又特開昭57−22210号公報では能動方式
で、このとき光束を結像光学系を介して物体側へ投光す
るようにしたTTL（Through The Lens）方式の焦点検出
装置が提案されている。

第９図は従来の能動方式でかつTTL方式を用いた焦点
検出装置を備えた顕微鏡の光学系の要部概略図である。

同図において１は焦点合わせ用の光源で例えばレーザ
ーダイオード、LED（発光ダイオード）等から成ってい
る。光源１からの光束はコンデンサーレンズ２により集
光される。コンデンサーレンズ２で集光された光束の一
部は光軸に対して一方の側の部分が反射面91b、他方の
側の部分が透過面91aになっているナイフエッジミラー9
1の透過面91aを通過する。透過面91aを通過した光束は
ビームスプリッター８により反射され光束18として結像
光学系９に入射する。結像光学系９への入射光束は、第
11図で示すようにその瞳面111上で結像光学系９の光軸1
14に対して主光線が偏心した光束であり、瞳面111中の
斜線で示す領域112（113の様な光束は、ナイフエッジミ
ラー91の透過・反射面の形状によりつくる）内を通過す
る。

結像光学系９を通過した光束18は、物体92に投光さ
れ、その近傍に光源１の発光部のスポット像を結像す
る。物体92で反射した光束のうち、投光時とは光軸114
に対して略対称な光路に沿って反射した光束17は、結像
光学系９を再通過する。そしてビームスプリッター８で
反射し、ナイフエッジミラー91の反射面91bで反射して
コンデンサーレンズ６により集光されて焦点検出用の光
電変換素子７の受光面にスポット像を形成する。

同図において、光源１と物体92、物体92と光電変換素
子７は各々互いに略共役関係となっている。

10は顕微鏡のテレビカメラであり、結像光学系９を介
して物体92と略共役位置にあり、物体92を観察してい
る。

今、物体92が第９図の位置（合焦位置）11にあるとき
光電変換素子７面上には第10図に示すような光線104が
良好となるスポット光として結像する。このとき、光電
変換素子７からは、第10図に示す曲線101の如く急峻な
強度分布が得られる。

又、物体92が前ピン（後ピン）の位置12（13）にある
ときは、光電変換素子７面上には第10図に示すような光
線106（105）が入射する。このときの光線106（105）は
光線101に比べて拡がったスポット光となり、光電変換
素子７からは同図の曲線103のように広がりかつ物体92
からの反射光束17が光軸114に対して偏心している為
に、光線104による強度分布に対し横方向にズレた強度
分布が得られる。

このときの光電変換素子７面上での入射光束のズレ量
と物体92の合焦位置11からのディフォーカス量とは一定
の関係にある。第９図の装置では、光電変換素子７面上
への入射光束の光量重心の所定位置からのズレ量を検出
することにより結像光学系９の焦点検出を行っている。
即ち、光電変換素子７に２分割センサーを用いて、入射
光束の強度分布が曲線101のとき、第10図に示すように
左側のセンサー7aからの出力値をＡ、右側のセンサー7b
からの出力値をＢとして出力値Ａと出力値Ｂとの差信号
Ａ−ＢがＡ−Ｂ＝０となるように設定しておく。

第13図は物体92のディフォーカス量に対する光電変換
素子７からの差信号Ａ−Ｂとの関係を示した説明図であ
る。即ち物体92が位置12にあるときは差信号はＡ−Ｂ＞
０、物体92が位置13にあるときは差信号はＡ−Ｂ＜０と
なる。

第９図に示す焦点検出装置は、光電変換素子７からの
出力信号の差信号Ａ−ＢがＡ−Ｂ＝０となるように、結
像光学系９又は物体92を光軸上に沿って移動させて、こ
れにより結像光学系９に物体９を合焦せしめている。

（発明が解決しようとする問題点）第９図に示す焦点検出装置では、物体92が位置13にあ
り、合焦位置11より距離Δｘだけディフォーカスしてい
ると、光電変換素子７付近では反射光束17は、第10図に
示すように、光電変換素子７から距離β^２・Δｘ程度、
手前の点105aに結像する。

但し、βは物体92が結像光学系９を介して光電変換素
子７側に結像される際の近軸横倍率である。

ここで、物体92が結像光学系９から大きく離れると、
即ちディフォーカス量Δｘが大きくなってくると、第10
図における距離β^２・２・Δｘが増大し、第12図に示す
ように物体92からの反射光束17がナイフエッジミラー91
よりも手前の点17aに集光するようになってくる。この
結果、物体92からの反射光束17の全てがナイフエッジミ
ラー91の透過部91aを通過し、反射面91bで反射されなく
なり、光電変換素子７へは入射しなくなってくる。この
とき光電変換素子７からの差信号Ａ−Ｂは、第13図に示
すようにＡ−Ｂ＝０となる。

即ち、ディフォーカス量Δｘがある値Δx_MAX以上大き
くなると、差信号Ａ−ＢはＡ−Ｂ＝０となり、この結
果、焦点検出が出来なくなってくるという問題点が生じ
てくる。

本発明は、物体が結像光学系から大きくディフォーカ
スしていた場合であっても、光検出器の受光面上に常に
物体からの反射光束が入射し、光検出器からは所定の差
信号が得られるようにして結像光学系に対する物体のデ
ィフォーカスを広範囲にわたり検出することができる焦
点検出装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明の焦点検出装置及びそれを備えた観察装置は、光源と、対物光学系と、該光源からの光の一部を遮光
して該対物光学系の光軸に対して偏心した光束を該対物
光学系に向ける光制限部材と、該対物光学系を介して照
明された被検面からの反射光を、該対物光学系を介し、
該光制限部材によって光検出器に向け、該光検出器から
の信号に基づいて該被検面の該光軸の方向に関する変位
を検出する焦点検出装置において、前記光制限部材が、一対のプリズムの貼り合わせ面
に、前記光源からの光束のうち光軸に対して片側の一部
を反射させ遮光する金属膜と前記光束の所定方向に振動
する直線偏光光束を前記対物光学系に向ける偏光膜とを
形成したビームスプリッターを備え、前記対物光学系が該直線偏光光束を円偏光光束に変換
すると共に前記被検面からの反射光を該直線偏光光束と
直交する方向に偏向した偏光光束に変換せしめる偏光変
換部材を備え、前記金属膜と前記偏光膜とで、前記対物光学系を介し
た前記被検面からの反射光を前記光検出器へ反射せしめ
ることを特徴としている。

この他本発明では、（イ）光源が、発光ダイオードを備えており、該発光ダ
イオードからの光を集光して前記光制限部材に入射せし
めるレンズ系と、前記発光ダイオードからの光の偏光方
向を前記偏光分割部の偏光方位と一致せしめるべく前記
発光ダイオードと前記光制限部材の間に設けた偏光板と
を有していることを特徴としている。

（ロ）光源が発光ダイオードを備えることを特徴として
いる。

（ハ）前記光制限部材が、一対のプリズムの貼り合わせ
面に前記反射部を成す金属膜と前記偏光分割部を成す偏
光膜とを形成したビームスプリッターを備えることを特
徴としている。

（ニ）前記対物光学系が、前記偏光変換部材と前記被検
面の間に前記円偏光光束を所定位置に集光する対物レン
ズ系を有し、前記光検出器が該所定位置と前記被検面と
の前記光軸方向に関する相対的な変位に応じた信号を出
力することを特徴としている。

（ホ）前記光検出器が前記光制限部材からの前記反射光
を集光するレンズ系と該レンズ系からの光を光電変換し
該光の入射位置に応じた信号を出力するセンサーとを有
し、前記センサーと前記所定位置とが光学的に共役とな
るよう前記対物光学系を配置したことを特徴としてい
る。

（ヘ）前記光源の発光部と前記所定位置とが光学的に共
役となるよう前記対物光学系を配置したことを特徴とし
ている。

（実施例）第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図で
あり、焦点検出装置を備えた顕微鏡（観察装置）を示し
ている。

同図において、１は光源で、LEDから成っており、波
長λ_０の単色光又は波長λ_０を中心とした拡がりを有す
る光束（中心波長λ_０の準単色光）を放射している。２
はコンデンサーレンズであり、光源１からの光束を集光
している。コンデンサーレンズ２は、光源１からの光束
の有効利用を図る為に設けてあり、またレンズ２を構成
するレンズ系の構成、配置を適宜定めてやることで、物
体92への光源１の発光部の結像倍率を変更することもで
きる。

３は直線偏光子（偏光板）であり、コンデンサーレン
ズ２からの光束を紙面内で振動する直線偏光光束14に変
換している。４は光制限部材であり、光軸に対して偏心
した光束を形成する。

第２図に、その拡大図を示す。部材４は、第２図に示
すように、２つの直角プリズム21,22を貼り合わせて構
成されている。そして、これらの貼り合わせ面には、光
軸114近傍より片側の領域（反射部）23に光源１からの
波長λ_０の光束を殆んど反射せしめるAl、Au、Cuなどの
金属膜が施され、又光軸114近傍より他方の側の領域24
（偏光分割部）は第３図に示すようなP,S偏光に対する
透過率と反射率の特性を備える偏光膜が施されている。
この偏光膜の偏光軸は、直線偏光光束14の偏光方向と一
致しており、従って部材４に入射した直線偏光光束14は
光軸114を境にした片側の領域24を通過して直線偏光光
束14と同じ方向に偏光した直線偏光光束15となって射出
する。

尚、第３図において、曲線31,32は光源１からの波長
λ_０の光束のS,P両偏光成分に対する透過率、曲線33,34
は光源１からの波長λ_０の光束のS,P両偏光成分に対す
る反射率を示している。

第１図に戻り５はλ/4板（偏光変換部材）であり、直
線偏光子３の偏光軸に対して、その主軸を45度傾けて配
置されている。λ/4板５は入射直線偏光光束15を円偏光
光束16に変換して射出せしめる。８はビームスプリッタ
ーであり、偏光特性はなく、λ/4板５からの光束（円偏
光）を反射し、光軸に対して（中心光線が）偏心してい
る光束18として対物レンズより成る結像光学系９の光軸
114に対して片側の一部の領域に入射させている。対物
レンズは複数個のレンズを並べたアセンブリである。92
は物体、６はコンデンサーレンズ、７は光電変換素子で
あり、２分割センサーから成っている。

光制限部材４のプリズム21の光入射面21aとプリズム2
2の光射出面22aとは各々平面で構成されており、これら
の面21a,22aが光軸114と直交するように部材４が配置し
てある。また、プリズム21とプリズム22の貼り合わせ
面、つまり、領域23と領域24が形成されている面は、光
軸114に対して45゜を成すように設定してある。

10はテレビカメラであり、結像光学系９に対して物体
92上の被検面が合焦している時にはその撮像面は結像光
学系９を介して物体92の被検面と略共役関係にあり、物
体92を観察している。

本実施例では、結像光学系９に対して物体92の被検面
が合焦する時に、光源１の発光部と物体92の被検面、物
体92の被検面と光電変換素子７の受光面は各々互いに略
共役関係となるように装置を構成している。

本実施例では、光源１からの発散光束をコンデンサー
レンズ２で集光し、直線偏光子３により紙面内で振動す
る直線偏光（Ｐ偏光）光束14として光制限部材４に入射
させている。第２図に示す通り、部材４に入射した直線
偏光光束14のうち、光軸114の近傍の境界線に対して一
方の側の領域23に入射した光束は金属膜で反射され、結
像光学系９に対して遮光される。一方、光軸114の近傍
にある境界線に対して他方の側の領域24に施されている
偏光膜は第３図の曲線31に示すようにＰ偏光を100％近
く透過させるので、直線偏光光束14のうち、この領域24
に入射した光束は殆んど領域24を通過し、λ/4板５に入
射する。

λ/4板５に入射した直線偏光光束15は、円偏光光束16
としてλ/4板５から射出し、ビームスプリッター８で反
射せしめられて光軸114に対して偏心した光束18として
結像光学系９に入射する。

このとき、第11図で示したように、光束18は結像光学
系９の瞳面111の光軸114より偏心した領域112を通過す
る。この領域112の形状は、光制限部材４の領域23と領
域24の形状と、そこに入射する光束14の断面形状に依存
して変化する。従って、例えば領域24の形状を円形とし
て、その周囲を領域24とすれば、結像光学系９の瞳面11
1での領域112は、第15図に示す如くなる。

結像光学系９は光束18をテレビカメラの撮像面と略共
役な位置に集光し、例えば位置11にある物体92の被検面
上に光スポット（光源11の像）を形成する。

物体92に投光された光束18は、物体92の被検面で反射
せしめられて光軸114に関して投光時の光路とは略対称
の光路に沿って逆方向に進む光束17となって、結像光学
系９に入射し、結像光学系９の光軸114に対して光束18
が通過した領域とは対称な位置にある他の領域を通過し
て、ビームスプリッター８に向けられビームスプリッタ
ー８で反射され、λ/4板５に入射する。

λ/4板５に入射に入射した光束17は、λ/4板５により
直線偏光光束15の偏光方向と直交した、紙面と垂直方向
に偏光した直線偏光（Ｓ偏光）光束となり、光制限部材
４に入射する。

光制限部材４に入射した直線偏光光束のうち、部材４
の領域23に入射した光束は金属膜で反射しコンデンサー
レンズ６に入射する。又、部材４の領域24に施されてい
る偏光膜は第３図の曲線33に示すようにＳ偏光を100％
近く反射させるので、この領域24に入射する直線偏光
（Ｓ偏光）光束も、領域24の偏光膜で反射してコンデン
サーレンズ６に入射する。コンデンサーレンズ６は入射
光束を集光して光電変換素子７の受光面上に光スポット
を形成する。光電変換素子７は入射光束を光電変換し
て、物体72の被検面の変位に応じた信号A,Bを出力す
る。

光電変換素子７からの出力信号A,Bは、信号線を介し
て制御器100に入力され、制御器100は差信号Ａ−Ｂに相
当する信号を生成し、この信号に基づいて駆動装置101
を制御する。駆動装置101は、制御器100からの指令信号
により、物体92の被検面上に結像光学系９からの光束が
フォーカスするように物体92を結像光学系９の光軸方向
に上下動せしめる。また、制御器101は光源１の発光動
作の制御（ON/OFF）も行なう。

このとき、物体92の被検面が位置11にあれば、即ち合
焦位置にあれば、第４図に示すように、光束17は、主に
光制限部材４の領域23で反射し、光電変換素子７の受光
面上に、第10図に示す光束104の如く入射し、受光面上
に鮮明な光スポットを形成する。

又、物体92が位置12（前ピン）にあれば、第５図に示
すように、光束17は光制限部材４の領域23で反射し、光
電変換素子７の受光面上に、第10図に示す光束106の如
く入射し、受光面上に拡がった光スポットを形成する。

一方、物体92が位置13（後ピン）にあり、このときデ
ィフォーカス量Δｘが大きく、即ち第10図に示すように
光電変換素子７から光束17の結像位置105aが大きくずれ
てβ^２・２・Δｘが大きくなってくると、第６図に示す
ように光束17は光制限部材４の手前の点17bに結像した
後、領域23に殆ど入射せず、領域24に入射するようにな
る。

このときの、光束17は、前述したようにＳ偏光となっ
ているので、偏光膜で施されている領域24で反射し、第
10図に示すように、光束105として光電変換素子７の受
光面上に入射し、受光面上で拡がった光スポットを形成
する。

このように本実施例では、物体92が前ピン方向、後ピ
ン方向で大きくディフォーカスしていても、光束17を光
電変換素子７上に入射させることができるようにしてい
る。

この結果、光電変換素子７として第９図で示した従来
と同様の２分割センサーを用いた場合、ディフォーカス
量に対するセンサーＡからの出力信号ＡとセンサーＢか
らの出力信号Ｂとの差信号Ａ−Ｂを、第14図に示すよう
に、物体92が従来の検出可能の最大ディフォーカス量Δ
x_MAXよりも更にディフォーカスしていても検出すること
ができる。

このように本実施例によれば、物体92が広い範囲にわ
たってディフォーカスしていても、高精度に焦点位置を
検出することができる。

上記実施例では光源１としてLEDを使用していたが、
光源１としてレーザーダイオード（半導体レーザ）を使
用してもよい。この場合、レーザーダイオードから射出
するレーザ光の偏光方向が光制限部材の偏光膜の偏光軸
と一致するように、レーザーダイオードと光制限部材と
を配置することにより、偏光子３を取りはずすこともで
きる。

また、光源１からの光束の強度が大きい場合には、コ
ンデンサーレンズ２をとりはずすこともできるが、この
時にも、光源１の発光部の像が物体92の近傍に形成され
るようにする必要はある。また、場合によってはコンデ
ンサーレンズ６をとりはずした形で装置を構成すること
もできる。

上記実施例では光源変換素子７として２分割センサー
を使用していたが、光源変換素子７として１次元CCD、
２次元CCD、或いはPSD（Position Sensitive Detecto
r）などが使用できる。

また、光制限部材４の構造も、上記実施例の如くブロ
ックのような部材に限定されない。例えば、透明平行平
板上に金属膜と偏光膜を互いに隣接せしめて形成したも
のでもいい。

また、結像光学系９に対して物体92の被検面を合焦さ
せる場合、物体92を上下動させる代りに、顕微鏡全体ま
た、光学系の一部（例えば光学系９）を動かすような方
式も採用される。

また、本発明の焦点検出装置を、顕微鏡など観察装置
に搭載する場合には、上記実施例の如く入/4板５を部材
４とビームスプリッター８の間に配置するのが好ましい
が、他の光学機器の搭載する場合には、部材４と被検面
の間の任意の位置に設けることができる。

上記実施例において、光制限部材４の一方の直角プリ
ズム22の形状を変えて、例えば第７図に示すような底面
73aが光軸114に対して傾いた３角形状のプリズム73より
構成しても良い。このようにプリズム73の底面73aが光
電変換素子７への光軸に対して直交しないように設定す
ることにより、領域23の金属膜で反射せしめられた光束
14を領域24から離れる方向へ反射側に射出させている。
これにより領域23で反射せしめられた光束がプリズム73
の底面73aで反射して再び領域23,24に入射するのを防止
し、これらの光束が光電変換素子７にフレアーやゴース
ト光として入射するのを効果的に防止できる。

この他、上記実施例においては、第８図に示すよう
に、光制限部材４に直線偏光子３と入/4板５とを貼り合
わせて、部材3,4,5を一体化して構成しても良い。これ
によれば組立機構の簡素化を図ることができるので好ま
しい。

（発明の効果）本発明によれば結像光学系の焦点位置を検出する際に
結像光学系に偏心した光束を入射させる手段として前述
したように直線偏光子、光学素子そして入/4板等の各要
素を適切に設定することにより、ディフォーカス量が大
きい広いディフォーカス範囲にわたって高精度に焦点位
置の検出が出来る焦点検出装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図、第
2,第4,第5,第６図は第１図の光学素子に入射する光束の
説明図、第３図は第２図の光学素子の領域24の光学特性
の説明図、第7,第８図は各々本発明に係る光学素子の他
の一実施例の要部概略図、第９図は従来の焦点検出装置
の光学系の要部概略図、第10図は第９図の検出器に入射
する光束の説明図、第11図，第15図は第９図の結像光学
系の瞳面上の光束の説明図、第12図は第９図の一部分の
説明図、第13,第14図はデイフォーカス量と差信号との
関係を示す説明図である。図中、１は光源、2,6はコンデンサーレンズ、３は直線
偏光子、４は光学素子、５は入/4板、７は光電変換素
子、８はビームスプリッター、９は結像光学系、10はテ
レビカメラ、92は物体、111は結像光学系の瞳面、114は
光軸、14,15は直線偏光、16は円偏光、17,18は光束、10
0は制御器、101は駆動装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、対物光学系と、該光源からの光の
一部を遮光して該対物光学系の光軸に対して偏心した光
束を該対物光学系に向ける光制限部材と、該対物光学系
を介して照明された被検面からの反射光を、該対物光学
系を介し、該光制限部材によって光検出器に向け、該光
検出器からの信号に基づいて該被検面の該光軸の方向に
関する変位を検出する焦点検出装置において、前記光制限部材が、一対のプリズムの貼り合わせ面に、
前記光源からの光束のうち光軸に対して片側の一部を反
射させ遮光する金属膜と前記光束の所定方向に振動する
直線偏光光束を前記対物光学系に向ける偏光膜とを形成
したビームスプリッターを備え、前記対物光学系が該直線偏光光束を円偏光光束に変換す
ると共に前記被検面からの反射光を該直線偏光光束と直
交する方向に偏向した偏光光束に変換せしめる偏光変換
部材を備え、前記金属膜と前記偏光膜とで、前記対物光学系を介した
前記被検面からの反射光を前記光検出器へ反射せしめる
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】前記対物光学系が、前記偏光変換部材と前
記被検面との間に前記円偏光光束を所定位置に集光する
対物レンズ系を有し、前記光検出器が該所定位置と前記
被検面との前記光軸方向に関する相対的な変位に応じた
信号を出力することを特徴とする請求項１記載の焦点検
出装置。
【請求項３】前記光検出器が前記光制限部材からの前記
反射光を集光するレンズ系と該レンズ系からの光を光電
変換し該光の入射位置に応じた信号を出力するセンサー
とを有することを特徴とする請求項２記載の焦点検出装
置。
【請求項４】前記センサーとの前記所定位置とが光学的
に共役となるように前記対物光学系を配置したことを特
徴とする請求項３の焦点検出装置。
【請求項５】前記光源の発光部と前記所定位置とが光学
的に共役となるように前記対物光学系を配置したことを
特徴とする請求項４の焦点検出装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１項記載の焦点
検出装置を備えた観察装置。