JP3226299B2

JP3226299B2 - 焦点検出装置

Info

Publication number: JP3226299B2
Application number: JP20040791A
Authority: JP
Inventors: 康輝高濱; 新一土坂; 和男梶谷
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH0545573A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡、光学測定器等
の光学機器、特に落射照明型の顕微鏡に適した焦点検出
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の焦点検出装置としては、
例えば、西独特許公開公報第２１０２９２２号や特開昭
５８−２１７９０９号公報、特開昭６０−４２７２５号
公報に開示されている。

【０００３】これら従来の焦点検出装置においては、図
１１に示すように、測定用光源３０からの光束を、対物
レンズ３５の瞳の片側を通過させて対象物３６に集光
し、そのスポット像を対物レンズ３５を経て受光手段３
８で受光して代表位置を検出する。そして、その代表位
置と、合焦時に受光手段３８に入射するスポット像の代
表位置とのずれの量に応じて、対象物３６または対物レ
ンズ３５を光軸方向に駆動して合焦を得るようにしてい
る。即ち、合焦時に受光手段３８に入射するスポット像
の代表位置をＸｏ，実際に入射するスポット像の代表位
置をＸとすると、図１２に示すようにＸ＝Ｘｏとなるよ
うに対象物３６または対物レンズ３５を駆動して合焦を
得るようにしている。

【０００４】ところが、対物レンズの瞳の大きさは対物
レンズの種類や倍率によって異なり、測定用光源からの
投射光束を全ての対物レンズに対して有効に入射させた
り、検出光を有効に受光できるとは限らなかった。

【０００５】そのため、図１３に示すように，対物レン
ズ３５の瞳径４４より測定用光源の投射光束のほうが小
さい場合には、対物レンズ３５のもつ物体側開口角
（Ｎ．Ａ．）に比べて測定用光束の物体側開口角が小さ
くなり、その結果、対物レンズ３５と対象物３６との相
対距離移動に対する受光手段３８上におけるスポット像
の代表位置の移動量が小さくなる。即ち、焦点深度が深
くなるため検出精度が低下するという問題があった。

【０００６】また、図１４に示すように、対物レンズ３
５′の瞳径４４′に対して、測定用光源３０の投射光束
が大きすぎる場合は、有効利用光量が減って検出感度が
低下するという問題があった。上述の問題点は特に顕微
鏡のように低倍から高倍の対物レンズを頻繁に切換えて
使用する光学機器においては重大なものであった。

【０００７】また上述の焦点検出装置においては、半導
体ウェハのように測定用光源による反射が表面反射のみ
でしかも反射率の高い対象物に対しては問題とならない
が、液晶用ガラス基板のように表面反射率が低く、かつ
測定用光源の表面反射光と裏面反射光とか混在するよう
な対象物に対してはさらに以下のような問題点がある。
即ち、図１６（ｂ）に示すように、顕微鏡の高倍対物レ
ンズ４５に投射された測定用光束４６は大きな開口角を
もつ結像光束４７となり、合焦状態ではガラス表面Ｇｓ
に集光して一部は反射され、残りは透過する。ガラス表
面Ｇｓを透過した光のうち一部はガラス裏面Ｇｒで反射
し、またその一部がガラス表面Ｇｓを介して再び対物レ
ンズ４５の方へもどってくる。このように液晶用ガラス
基板のような対象物の場合、測定用光束の反射光には表
面反射光４８と裏面反射光４９とが混在することになる
が、高倍対物レンズでは物体側開口角（Ｎ．Ａ．）が大
きいうえに射出瞳径が小さくて、測定用光束が大きな開
口角で、しかも対物レンズの光軸に対して大きな傾き角
で対象物上に投射されるために裏面反射光４９は大部分
が対物レンズの外側に発散してしまい、ほとんど表面反
射光４８しか戻ってこない。

【０００８】しかしながら、図１６（ａ）に示すよう
に、低倍対物レンズ５０では、物体側開口角が小さいう
えに射出瞳径が大きく、測定用光束５１が小さな開口角
で、しかも対物レンズの光軸に対して小さな傾き角で対
象物上に投射されるために、対象物であるガラスの表面
Ｇｓと裏面Ｇｒからの反射光が同時に対物レンズによっ
て捕捉されることになる。このとき受光手段上に形成さ
れる測定用光束のスポット像は図１５（ａ）のようにな
り、合焦状態では表面反射光５２のスポット像５４が受
光手段中央部に形成され、裏面反射光５３のスポット像
５５は表面反射光のそれに比べて径の大きなボケ像とな
って受光手段の中央部からずれた位置に形成される。

【０００９】受光手段として例えば半導体位置検出素子
（ＰＳＤ）を用いた場合には、前記２つのスポット像の
光強度の和の重心位置に応じた出力が得られるために、
図１６（ａ）に示すように、合焦状態にあっても焦点ず
れがあるものと判断してしまう。

【００１０】このような不都合は、対象物の表面反射率
と裏面反射率とが常に一定であるときには、電気的ある
いは光学的オフセットを加えることによって解決でき
る。しかし、表面反射率と裏面反射率とが対象物中の光
軸に直交する平面内で変動する場合には、実際の合焦位
置は変わらなくても対物レンズあるいは対象物を上下駆
動させるように動作するためピンボケが生じてしまう。

【００１１】そこで、従来は特開昭６２−１４３０１０
号公報に示されるように、対物レンズの合焦状態におけ
る軸上光の一つと一致する径路に沿って該対物レンズの
瞳の周辺を経て対象物に光を投射する光源と、上記対物
レンズを介して対象物からの反射光を受光する受光手段
とを具え、該受光手段に入射する光の入射位置の変位を
検出して合焦判定を行う焦点検出装置において、光源と
対物レンズとの間に光源からの光を軸上光の他の一つと
一致する如く変更する光路変更手段を設けて、該光路変
更手段と光軸方向に移動させることによって投射光束を
対物レンズの瞳径に合わせて投射するようにしている。

【００１２】このような焦点検出装置においては、図１
７に示すように、対物レンズ５６の瞳径５７が大きい場
合には、プリズム型ミラー６４を、光軸に沿って対物レ
ンズ５６の方向へ移動させて、測定用光束を光軸から離
れる方向にずらして、大きな瞳径５７に合わせて測定用
光束を入射させることができる。

【００１３】また、図１８に示すように、対物レンズ６
５の瞳径６６が小さい場合には、プリズム型ミラー６４
を、光軸に沿って対物レンズ６５から遠ざかる方向に移
動させることによって測定用光束を光軸に近づけ、小さ
な瞳径６６に合わせて測定用光束を入射させることがで
きる。

【００１４】以上のように、プリズム型ミラー６４を移
動するとにより、異った大きさの対物レンズの瞳に測定
用光束を有効に投射することができる。また、液晶用ガ
ラス基板のような対象物に対しても、裏面反射光の影響
を受けない良好な合焦調整が可能である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来技術では、種々の異なった大きさをもつ対物レンズの
瞳に測定用光束を有効に投射させるために、測定用光源
と対物レンズとの間の光路変更手段を光軸方向に移動さ
せる駆動装置を設ける必要があると共に、光路変更手段
の移動に伴って測定用光束が対物レンズ光軸に対して倒
れを生じるのを防ぐために、高精度な移動機構が必要と
なるため、装置が大型化しコストアップになると共に、
その制御が複雑になるという欠点がある。

【００１６】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、装置の構成を簡素化でき、対物レンズの種類
や倍率に影響されることなく高い検出精度と検出感度が
得られるようにした焦点検出装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明による焦
点検出装置は、図１に示すように、測定用光源からの測
定用光束を対物レンズの瞳の周辺部を介して受光手段で
受光し、この受光手段に入射する光の位置の変位を検出
して合焦判定を行う焦点検出装置であって、測定用光源
を少くとも２個設け、対物レンズの倍率によっていずれ
か一個の測定用光源と選択使用するよう構成したことを
特徴とする。

【００１８】これによって、対物レンズの瞳位置におい
て瞳の中心に対する偏心量がそれぞれ異なる少くとも２
つの測定用光束、あるいは瞳の大きさに対する光束径が
それぞれ異なる少くとも２つの測定用光束、あるいは対
物レンズによる像に対する測定用光学系によって受光手
段に形成される像の倍率、即ち対物レンズから受光手段
までの投影倍率がそれぞれ異なるような少くなくとも２
つの測定用光束、あるいは上記の異なる光学的性質を２
つ以上組合せたそれぞれ異なる光学的性質をもつ少くと
も２つの測定用光束が得られ、そのうち対物レンズの倍
率によっていずれか一個を選択使用するために、種々の
異なる大きさをもつ対物レンズの瞳に測定用光束と有効
に投射させることが可能である。したがって、対物レン
ズの倍率変換に影響されることなく、高い検出精度と検
出感度が得られる焦点検出装置と提供することができ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２０】図１は、本発明の第１実施例となる焦点検
出装置の構成を示す図である。この実施例は、落射照明
型顕微鏡に適用したもので、図は低倍対物レンズを使用
している状態を示す。観察用の照明光路、照明光束及び
結像光束は図中省略されている。

【００２１】本実施例は、観察用照明光によって照明さ
れた対象物１からの反射光は、対物レンズ２を経てダイ
クロイックミラー４を通過し、観察用結像レンズ（チュ
ーブレンズ）５によって結像位置６に対象物１の像を形
成し、目視あるいはＴＶカメラ等により観察できるよう
になっている。

【００２２】一方、２つの半導体レーザ等の測定用光源
７ａ，７ｂからの測定用照明光Ｍia，Ｍibはコリメータ
レンズ８ａ，８ｂによって平行光束となり、三角形のプ
リズム型ミラー９を介して、観察用光学系の光軸に対し
てダイクロイックミラー４の位置で直交する測定用光学
系の光軸Ｍを挟むように測定用光学系に投射される。こ
の測定用照明光束Ｍia，Ｍibは、さらに偏光ビームスプ
リッター１０及び１／４波長板１１を介してダイクロイ
ックミラー４で反射され、対物レンズ２によって観察対
象物１上に集光される。

【００２３】対象物１上に集光された測定用照明光束Ｍ
ia，Ｍibの反射光Ｍra，Ｍrbは、対物レンズ２を経てダ
イクロイックミラー４で反射され、さらに１／４波長板
１１を経て偏光ビームスプリッター１０に到達する。

【００２４】ここで、偏光ビームスプリッター１０に到
達した反射測定光束Ｍra，Ｍrbは往路と復路で１／４波
長板１１を２回通過しているので、復路の偏光面は往路
の偏光面とは９０°異なり、その結果、偏光ビームスプ
リッター１０で反射される。そして、その偏光ビームス
プリッター１０で反射された測定用光束Ｍra，Ｍrbは結
像レンズ１２によって半導体位置検出素子（ＰＳＤ）等
の一次元受光手段１３上に結像させるように光学系が構
成されている。

【００２５】上記一次元受光手段１３は、対物レンズ２
と観察対象物１との相対距離の変化に応じた該受光手段
１３への入射光の変位方向に延在して配置され、観察対
象物１が対物レンズ２に対して合焦位置にあるときに、
受光手段１３のほぼ中央に最小のスポット像が形成され
るように配置されている。測定用光源７ａ，７ｂによる
測定用照明光束Ｍia，Ｍibの対物レンズの瞳位置３での
状態を図２を参照してさらに詳しく説明する。

【００２６】対物レンズ２が低倍で、その瞳が大きい時
は、図２（ａ）に示すように、測定用照明光束Ｍia，Ｍ
ibともに対物レンズの瞳３の中に収まるので、瞳３の周
縁部を通過する測定用照明光束Ｍiaを使用した方が、対
象物１に対してより大きな角度で照射できる。すなわ
ち、検出感度及び検出精度の高い合焦調整が可能となる
ため測定用照明光束Ｍiaを選択使用するのが適切であ
る。

【００２７】逆に、対物レンズが高倍のとき、即ち図１
には示されていないが、レボルバーに取付けられた数種
類の対物レンズの中で高倍の対物レンズ２′が選択され
た時には、図２（ｂ）で示されるように、測定用照明光
束Ｍiaは高倍対物レンズ２′の瞳３′に入りきらず、測
定用照明光束Ｍibのみが高倍対物レンズ２′の瞳３′の
片側に適切に入ることになる。従って、高倍対物レンズ
２′を使用するときは、瞳３′の中心に対する偏心量の
小さい測定用照明光束Ｍibを選択使用するのが適切であ
る。

【００２８】このように配置された測定用光源７ａ，７
ｂは、ＣＰＵ１５がそれぞれ対応するドライバ（駆動回
路）１６ａ，１６ｂを選択することによっていずれか一
方が選択的に駆動されるようになっている。なお、ＣＰ
Ｕ１５によるドライバ１６ａ，１６ｂの選択は、対物レ
ンズ２の倍率を検知する倍率検知装置１７からＣＰＵ１
５に送られる倍率データに基づいて行われる。また、受
光手段１３から出力される信号をもとに演算回路１４に
よって観察対象物１と対物レンズ２との間のデフォーカ
ス量に相当した信号を生成し、これをＣＰＵ１５に送り
込む。ＣＰＵ１５はこの信号に基づいてステッピングモ
ータ等を有する駆動装置１８を介してステージ１９を対
物レンズ２の光軸方向に駆動して自動的に合焦制御する
ように構成されている。次に、以上のように構成された
本実施例の動作について図３に示すフローチャートをも
とに説明する。

【００２９】本実施例では、合焦動作開始の指令が与え
られると、まず、対物レンズ２の倍率を倍率検知装置１
７が検知してそこから倍率データがＣＰＵ１５に送り込
まれる。ＣＰＵ１５がこの倍率データに基づいてドライ
バ１６ａ，１６ｂのうちいずれか一方を選択する。本実
施例では、対物レンズ２が低倍の時には、ＣＰＵ１５が
ドライバ１６ａを選択し、ドライバ１６ａに接続されて
いる測定用光源７ａが駆動されることによって対物レン
ズ２の瞳３の中心に対する偏心量の大きい測定用照明光
束Ｍiaが得られる。また、対物レンズ２が高倍の時に
は、ＣＰＵ１５がドライバ１６ｂを選択し、ドライバー
１６ｂに接続されている測定用光源７ｂが駆動されるこ
とによって対物レンズ２の瞳３の中心に対する偏心量の
小さい測定用照明光束Ｍibが得られる。いずれの場合も
測定用光源からの測定用照明光束は対物レンズ２の瞳に
有効に投射され、対象物１からの反射光Ｍra，Ｍrbが受
光手段１３上に結像する。

【００３０】図４（ａ）に示すように、受光手段１３に
入射する対象物１からの反射光Ｍra，Ｍrbは、対象物１
が対物レンズ２に対して合焦位置にあるときには、受光
手段１３の中央に微小スポットＳｆとして結像する。ま
た、対象物１が合焦位置よりも対物レンズ２の遠方に位
置する前ピン状態では、対象物１からの反射光Ｍra，Ｍ
rbは対物レンズ２の瞳３を通過後の光束が収束光となる
ため、受光手段１３上に形成されるスポット像Ｓｄは、
合焦時の結像位置Ｘｏから一方の側に、その前ピン状態
に応じて即ちデフォーカス量が大きくなるに従ってスポ
ット径を拡大させながらシフトする。また、対象物１が
合焦位置よりも対物レンズ２の方に位置する後ピン状態
では、対象物１からの反射光Ｍra，Ｍrbの対物レンズ２
の瞳３を通過後の光束は発散光となるため、受光手段１
３上に形成されるスポット像Ｓｄは、合焦時の結像位置
Ｘｏから前ピン状態のデフォーカス時とは逆方向に、デ
フォーカス量が大きくなるに従ってスポットの大きさが
大きくなりながら移動する。従って、受光手段１３上に
形成されるスポット像の光量分布は図４（ｂ）に示すよ
うになる。

【００３１】受光手段１３としてＰＳＤを使用した場合
は、図５に示されるように，２つの電極Ａ，Ｂから、入
射光の重心位置に応じた電流Ｉ_A，Ｉ_Bが得られる。こ
こでｌを電極Ａ，Ｂ間の距離、Ｘを電極Ａ，Ｂ間の中央
位置からの入射光の光強度の重心位置とすると、（Ｉ_A−Ｉ_B）／（Ｉ_A＋Ｉ_B）＝２Ｘ／ｌ …（１）が成立するので、入射光の光強度の重心位置ＸはＸ＝ｌ（Ｉ_A−Ｉ_B）／２（Ｉ_A＋Ｉ_B） …（２）より求められる。

【００３２】さらに図１における測定用照明光束の測定
用光軸Ｍに対する偏心量をδ、結像レンズ１２の焦点距
離をｆ、測定用照明光束の反射光のスポット像の観察対
象物１からＰＳＤ１３に至る総合倍率をβとすると、観
察対象物１と対物レンズ２との間のデフォーカス量ｄは
次式で表される。ｄ＝（Ｘ・ｆ）／（β² ・δ） …（３）

【００３３】したがって、ＰＳＤ１３に入射する測定用
照明光束の反射光のスポット像の重心位置Ｘを（２）式
により求め、この重心位置Ｘをもとに（３）式から対象
物１と対物レンズ２との間のデフォーカス量が求められ
る。

【００３４】上述の原理によって演算回路１４はＰＳＤ
１３の対電極からの電流Ｉ_A，Ｉ_Bを電流−電圧変換
し、その出力Ｖ_A，Ｖ_Bから、（Ｖ_A−Ｖ_B）を演算す
る減算器、（Ｖ_A＋Ｖ_B）を演算する加算器、及び（Ｖ
_A−Ｖ_B）／（Ｖ_A＋Ｖ_B）を演算する除算器によって
構成され、ＰＳＤ１３に入射にするスポット像の重心位
置から、（Ｖ_A−Ｖ_B）／（Ｖ_A＋Ｖ_B）を演算して、
その結果をＣＰＵ１５に送り込むよう動作する。

【００３５】ＣＰＵ１５は、この演算結果からスポット
像の重心位置Ｘを求め、この重心位置Ｘと合焦時の重心
位置Ｘｏとの差の絶対値が、予め設定した対物レンズ２
の焦点深度内のある許容値ΔＸに対して｜Ｘ−Ｘｏ｜≦
ΔＸにあるか否かを判断する。ここで｜Ｘ−Ｘｏ｜≦Δ
Ｘが満足されるときは、観察対象物１が対物レンズ２に
対して合焦位置にあるものと判断する。一方、｜Ｘ−Ｘ
ｏ｜≦ΔＸが満足されないときには、（３）式によって
デフォーカス量ｄを求め、このデフォーカス量に応じた
駆動信号を生成して駆動装置１８に送り込む。

【００３６】そして駆動装置１８が観察対象物１を載せ
たステージ１９を駆動することにより合焦を得る。観察
対象物１に対して継続的に合焦動作を行う連続モードの
場合には、上記の動作を繰り返す。これによって観察対
象物１の観察位置と対物レンズ２との間の距離が変動し
ても常に合焦状態での観察が可能となる。

【００３７】以上のように本実施例では、対物レンズ２
の倍率を検知して、低倍率の場合には対物レンズ２の瞳
３の中心に対する偏心量の大きい測定用照明光束を用い
て観察対象物１に対してより大きな角度で投射するよう
にし、高倍率の場合には対物レンズ２の瞳３の中心に対
する偏心量の小さい測定用照明光束を用いて、対物レン
ズ２に対して有効に投射するようにしたので、装置の構
成を簡素化でき、対物レンズの倍率変換に影響されるこ
となく高い検出精度と検出感度が得られる焦点検出装置
と提供することができる。

【００３８】図６は本発明の第２実施例となる焦点検出
装置の構成を示す図である。本実施例は２個の測定用光
源が発する測定用照明光束の、対物レンズの瞳への投射
の方法のみが第１実施例と異なり、他の構成及び動作は
第１実施例と同様である。

【００３９】図６において２個の測定用光源７ａ，７ｂ
のうち低倍用の測定用光源７ａから発せられた測定用照
明光束Ｍiaは、コリメータレンズ８ａによって平行光束
となり、光束径拡大レンズ系（ビームエキスパンダ）２
０によって光束径のより大きな平行光束とされる。そし
て、順にプリズム型ミラー９、偏光ビームスプリッター
１０、１／４波長波１１、ダイクロイックミラー４を介
して対物レンズ２の瞳３に投射される。

【００４０】また、高倍用の測定用光源７ｂから発せら
れた測定用照明光束Ｍibは、コリメータレンズ８ｂによ
って平行光束となり、小さな光束径のまま低倍時と同様
に対物レンズ２の瞳３に投射される。

【００４１】このときの測定用照明光束Ｍia，Ｍibの対
物レンズ２の瞳３における状態を図７を参照して説明す
る。対物レンズ２が低倍でその瞳３が大きいときには図
７（ａ）に示されるように、測定用照明光束Ｍia，Ｍib
ともに対物レンズ２の瞳３に収まる。よって、光束径の
大きい測定用照明光束Ｍiaを使用した方が対象物１と対
物レンズ２との間の相対的距離変化に対する測定用照明
光束のボケ具合が大きく（即ち焦点深度が浅く）、検出
精度及び検出感度の高い合焦調整が可能となるため、測
定用照明光束Ｍiaを選択するようにする。逆に対物レン
ズ２′が高倍で、その瞳３′が小さい時には、図７
（ｂ）に示されるように、光束径の大きな測定用照明光
束Ｍiaは瞳３′に入りきらず、光束径の小さい測定用照
明光束Ｍibの方が瞳３′の片側に適切に入ることにな
る。したがって、高倍対物レンズ２′を使用するときは
光束径の小さい測定用照明光束Ｍibを選択することとす
る。

【００４２】以上のように本実施例では、対物レンズ２
の倍率を検知して、低倍率の場合には光束径の大きな測
定用照明光束Ｍiaを用い、高倍率の場合には光束径の小
さな測定用照明光束Ｍibを用いるようにしたので、第１
実施例と同様に、装置の構成を簡素化でき、対物レンズ
の倍率変換に影響されることなく高い検出精度と検出感
度が得られる焦点検出装置を提供することができる。

【００４３】なお、本実施例では受光手段１３としてＰ
ＳＤだけでなくＣＣＤラインセンサ等を用いて、ライン
センサ上に形成されるスポット像の大きさを判断し、そ
の大きさが最小となる位置から合焦位置を求めるように
することも可能である。

【００４４】図８及び図９は、本発明の第３実施例とな
る焦点検出装置の構成を示す図である。本実施例は第
１、第２実施例と同様、落射照明型顕微鏡に適用したも
のである。図８は低倍対物レンズを使用している状態
を、図９は高倍対物レンズを使用している状態をそれぞ
れ示す。

【００４５】図中、観察用光路については第１，第２実
施例と同様であるので、説明を省略する。本実施例では
測定用光源とて波長の異なる２個の半導体レーザ２１
ａ，２１ｂ（例えば７８０nmと８３０nm）を用い、対物
レンズ２の倍率によっていずれか一方を選択するように
している。

【００４６】図８に示されるように、波長７８０nmの半
導体レーザ光源２１ａからの測定用照明光束Ｍiaは、コ
リメータレンズ２２ａによって平行光束となりプリズム
型ミラー９で反射して測定用光軸Ｍに沿った平行光束と
なる。この測定用照明光束Ｍiaは、偏光ビームスプリッ
タ１０を通過後、測定用光軸Ｍの片側に配置したダイク
ロイックミラー２３の側方を通過し、１／４波長板１１
を介してダイクロイックミラー４で反射され、対物レン
ズ２によって観察対象物１上に集光される。

【００４７】観察対象物１上に集光された測定用照明光
束Ｍiaの反射光Ｍraは、対物レンズ２を経てダイクロイ
ックラー４で反射され、さらに１／４波長板１１を経て
ダイクロイックミラー２３に到達する。この反射光Ｍra
はダイクロイックミラー２３で反射され、結像レンズ２
４によって収束光となり全反射ミラー２５、ダイクロイ
ックミラー２６を介してＰＳＤ等の受光手段１３上にス
ポット像を形成する。なお、ダイクロイックミラーにつ
いて詳述すれば、ダイクロイックミラー４は可視波長域
を透過し７００nm以上の赤外域を反射する特性を有し、
他のダイクロイックミラー２３及び２６は波長８００nm
を境としてそれより短波長側を反射し、長波長側を透過
する特性を有しているものとする。

【００４８】一方、図９に示されるように、波長８３０
nmの半導体レーザ光源２１ｂからの測定用照明光束Ｍib
は、コリメータレンズ２２ｂによって平行光束となりプ
リズム型ミラー９で反射して測定用光軸Ｍに沿った平行
光束となる。この測定用照明光束Ｍibは、偏光ビームス
プリッター１０、ダイクロイックミラー２３及び１／４
波長板を介してダイクロイックミラー４で反射され、対
物レンズ２によって観察対象物１上に集光される。対象
物１上に集光された測定用照明光束Ｍibの反射光Ｍrbは
対物レンズ２を経てダイクロイックミラー４で反射さ
れ、さらに１／４波長板１１を経てダイクロイックミラ
ー２３の側方を通過し、偏光ビームスプリッター１０に
到達する。ここで反射光Ｍrbは往路と復路で１／４波長
板１１を２回通過しているので、偏光ビームスプリッタ
ー１０で反射され、結像レンズ２７によって収束光とな
りダイクロイックミラー２６を通過して受光手段１３上
にスポット像を形成する。本実施例では、対物レンズ２
から受光手段１３までの光学的経路によって高倍用及び
低倍用の２つの測定光学系を構成している。なお、この
２つの測定用光学系は一つのズーム機構に置き換えるこ
ともできる。

【００４９】本実施例では図８のように波長７８０nmの
半導体レーザ光源を使用した時も、また図９のように波
長８３０nmの半導体レーザ光源を使用した時もいずれの
場合にも観察対象物１からの反射光が受光手段１３上に
スポット像として結像するが、その結像倍率が２つの場
合で異なる。即ち、図８のように波長７８０nmの半導体
レーザ光源２１ａを使用した時は対象物１からの反射光
が焦点距離の長い結像レンズ２４を通過するため、結像
位置６に結像される観察対象物１の像に対する測定用照
明光束Ｍiaの反射光Ｍraのスポット像の倍率が大きい
が、図９のように波長８３０nmの半導体レーザ光源２１
ｂを使用した時は対象物１からの反射光が焦点距離の短
い結像レンズ２７を通過するため、結像位置６に結像さ
れる観察対象物１の像に対する測定用照明光束Ｍibの反
射光Ｍrbのスポット像の倍率が小さくなる。

【００５０】従って、対物レンズ２が低倍の時には、波
長７８０nmの半導体レーザ光源２１ａを使用し、高倍の
時には、波長８３０nmの半導体レーザ光源２１ｂを使用
することによって、対物レンズ２の倍率変換に伴う観察
対象物１から受光手段１３に至る総合倍率βの変化を抑
制することができる。つまり前述の（３）式により、本
実施例では、観察対象物１と対物レンズ２との間のデフ
ォーカス量ｄに対する受光手段１３上におけるスポット
像移動特性の、対物レンズ２の倍率変換に伴う変化を抑
制することができる。この結果、ＣＰＵ２８による制御
系が比較的容易に構成できる。

【００５１】なお、本実施例において、対物レンズ２の
倍率を倍率検知装置１７によって検知し、ＣＰＵ２８が
この倍率データに基づいて２つのドライバ２９ａ，２９
ｂのうちいずれか一方を選択して測定用光源を駆動し、
受光手段１３上に形成されるスポット像の重心位置を演
算回路１４で演算してその結果をＣＰＵ２８に送り込
み、ＣＰＵ２８がこの演算結果からデフォーカス量に応
じた信号を駆動装置１８に送り、駆動装置１８がステー
ジ１９と駆動することによって合焦を得るという一連の
動作は第１実施例と同様であるので詳しい説明は省略す
る。

【００５２】以上のように本実施例では、測定用光源と
して波長の異なる２個の半導体レーザを使用し、対物レ
ンズの倍率によっていずれか一方を選択するようにした
ので、対物レンズの倍率交換に伴う制御系の特性の変化
を抑制することができ、高い検出精度と、検出感度が得
られる焦点検出装置を提供することができる。

【００５３】図１０は本発明の第４実施例となる焦点検
出装置の構成を示す図である。本実施例は、波長の異な
る２個の半導体レーザ光源２１ａ，２１ｂによる測定用
照明光束Ｍia，Ｍibの対物レンズ２の瞳３への投射の方
法のみが第３実施例と異なり、他の構成及び動作は第３
実施例と同様であるので説明を省略する。

【００５４】図１０において２個の半導体レーザ光源２
１ａ，２１ｂによる測定用照明光束Ｍia，Ｍibは第１実
施例と同様、図２に示されるように、対物レンズ２の瞳
３の中心に対してそれぞれ偏心量が異なるように投射さ
れる。つまり、対物レンズ２が低倍率のときには、その
瞳３の中心に対して偏心量の大きな測定用照明光束Ｍia
を投射し、その反射光Ｍraのスポット像は観察対象物１
の像６に対して高倍率で受光手段１３上に形成される。
一方、対物レンズ２が高倍率のときには、その瞳３の中
心に対して偏心量の小さな測定用照明光束Ｍibを投射
し、その反射光Ｍrbのスポット像は観察対象物１の像６
に対して低倍率で受光手段１３上に形成される。

【００５５】したがって本実施例では、第１実施例と第
３実施例の効果を組み合わせた効果、即ち、種々の異な
る大きさの瞳をもつ対物レンズに対して測定用照明光束
を有効に投射でき、かつ対物レンズと観察対象物との間
のデフォーカスによる測定用光束のスポット像の受光手
段上における移動特性の、対物レンズの倍率変換に伴う
変化を抑制することができるので、高い検出精度と検出
感度が得られる焦点検出装置を提供できるという効果を
有する。

【００５６】なお、この発明は上述した実施例のみに限
定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能で
ある。例えば、前述の第３実施例において片方の半導体
レーザ光源２２ａによる測定用照明光束Ｍiaの光束径を
第２実施例のようにビームエキスパンダーによって拡大
して対物レンズ２の瞳３に投射するようにする。すなわ
ち、図１９に示すように構成することによって、第２実
施例と第３実施例の効果を組み合わせた効果をもつ焦点
検出装置を実現することも可能である。

【００５７】また上述の実施例ではすべて、ステージ１
９を駆動して合焦制御するようにしたが、対物レンズ２
を駆動して、あるいは対物レンズ２およびステージ１９
の双方を駆動して合焦制御するよう構成することもでき
る。さらに、この発明は落射照明型顕微鏡に限らず、他
の顕微鏡あるいは測定器等の光学機器に対しても有効に
適用することができる。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、装
置の構成を簡素化でき、対物レンズの種類や倍率に影響
されることなく高い検出精度と検出感度が得られるよう
にした焦点検出装置を提供することができる。

【００５９】また、本発明によれば、対物レンズの倍率
変換に伴う制御系の特性の変化を抑制することができ、
高い検出精度と検出感度が得られるようにした焦点検出
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る焦点位置検出装置の
構成図。

【図２】第１実施例に係る焦点位置検出装置における測
定用光束の対物レンズの瞳における状態を示す図。

【図３】第１実施例に係る焦点位置検出装置の動作説明
図。

【図４】合焦位置と反射光の結像状態との関係を示す
図。

【図５】受光手段の重心位置検出原理を説明するための
図。

【図６】本発明の第２実施例に係る焦点位置検出装置の
構成図。

【図７】第２実施例に係る焦点位置検出装置における測
定用光束の対物レンズの瞳における状態を示す図。

【図８】本発明の第３実施例に係る焦点位置検出装置の
構成図であって、測定用光学系の投影倍率が大きい状態
を示す図。

【図９】第３実施例に係る焦点位置検出装置の構成図で
あって、測定用光学系の投影倍率が小さい状態を示す
図。

【図１０】本発明の第４実施例に係る焦点位置検出装置
の構成図。

【図１１】従来の焦点検出装置の構成図。

【図１２】従来の焦点検出装置の合焦動作説明図。

【図１３】対物レンズの瞳径よりも投射光束が小さい状
態を示す図。

【図１４】対物レンズの瞳径よりも投射光束が大きすぎ
る状態を示す図。

【図１５】受光手段上に形成される測定用光束のスポッ
ト像の形成状態を示す図。

【図１６】対物レンズの倍率と反射光との関係図。

【図１７】光路変更手段を備えた従来の焦点検出装置で
あって、対物レンズの瞳径が大きい場合の状態図。

【図１８】光路変更手段を備えた従来の焦点検出装置で
あって、対物レンズの瞳径が小さい場合の状態図。

【図１９】第２実施例と第３実施例を組み合わせた効果
を実現するための焦点検出装置の要部を示す図。

【符号の説明】

１…対象物、２…対物レンズ、３…瞳位置、４…ダイク
ロイックミラー、７ａ，７ｂ…測定用光源、９…三角形
プリズム、１０…偏光ビームスプリッター、１３…受光
手段、１４…演算回路、１５…ＣＰＵ。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−143010（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−177507（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 7/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定用光源からの測定用光束を、対物レ
ンズの瞳の周辺部を通して対象物上に集光し、該対象物
で反射し再び前記対物レンズに入射した反射光を受光手
段で受光し、この受光手段に入射する光の位置の変位を
検出して合焦判定を行う焦点検出装置において、前記対物レンズの種類や倍率を検出する対物レンズ検知
手段を具備するとともに前記測定用光源が複数設けら
れ、前記複数の測定用光源からの各測定用光束は、前記対物
レンズの瞳中心に対する偏心量がそれぞれ異なってお
り、前記対物レンズ検知手段により検知された前記対物レン
ズの種類や倍率に応じて、いずれか一つの前記測定用光
源が選択されることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】測定用光源からの測定用光束を、対物レ
ンズの瞳の周辺部を通して対象物上に集光し、該対象物
で反射し再び前記対物レンズに入射した反射光を受光手
段で受光し、この受光手段に入射する光の位置の変位を
検出して合焦判定を行う焦点検出装置において、前記対物レンズの種類や倍率を検出する対物レンズ検知
手段を具備するとともに前記測定用光源が複数設けら
れ、前記複数の測定用光源からの各測定用光束は、前記対物
レンズの瞳への投射光束径がそれぞれ異なっており、前記対物レンズ検知手段により検知された前記対物レン
ズの種類や倍率に応じていずれか一つの前記測定用光源
が選択されることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】測定用光源からの測定用光束を、対物レ
ンズの瞳の周辺部を通して対象物上に集光し、該対象物
で反射し再び前記対物レンズに入射した反射光を受光手
段で受光し、この受光手段に入射する光の位置の変位を
検出して合焦判定を行う焦点検出装置において、前記対物レンズの種類や倍率を検出する対物レンズ検知
手段を具備するとともに前記測定用光源が複数設けら
れ、前記複数の測定用光源からの各測定用光束は、前記対物
レンズの瞳中心に対する偏心量がそれぞれ異なり、かつ
前記対物レンズの瞳への投射光束径がそれぞれ異なって
おり、前記対物レンズ検知手段により検知された前記対物レン
ズの種類や倍率に応じていずれか一つの前記測定用光源
が選択されることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】前記複数の測定用光源のうちの一方の測
定用光束の光束径を拡大する光束拡大レンズ系を設けた
ことを特徴とする請求項２または３記載の焦点検出装
置。
【請求項５】測定用光源からの測定用光束を、対物レ
ンズの瞳の周辺部を通して対象物上に集光し、該対象物
で反射して前記対物レンズに入射した反射光を、測定用
光学系を介して受光手段で受光し、この受光手段に入射
する光の位置の変位を検出して合焦判定を行う焦点検出
装置において、前記対物レンズの種類や倍率を検出する対物レンズ検知
手段を具備するとともに、前記測定用光源が複数設けら
れ、前記測定用光学系の結像倍率が前記複数の測定用光源の
それぞれに対応して異なっており、前記対物レンズ検知手段により検知された前記対物レン
ズの種類や倍率に応じていずれか一つの前記測定用光源
が選択されることにより、前記測定用光源の結像倍率が
変更されることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】前記複数の測定用光源は、波長が互いに
異なっており、前記対物レンズからの反射光を波長に応じて異なる測定
用光学系に導くダイクロイックミラーを備えることを特
徴とする請求項５記載の焦点検出装置。
【請求項７】前記複数の測定用光源からの各測定用光
束は、前記対物レンズの瞳中心に対する偏心量と前記対
物レンズの瞳への投射光束径との少なくとも一方がそれ
ぞれ異なっていることを特徴とする請求項５記載の焦点
検出装置。
【請求項８】請求項１〜７記載の焦点検出装置におい
て、当該焦点検出装置は、顕微鏡用であることを特徴と
する焦点検出装置。