JP4690093B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、標本の観察、測定および検査を行う撮像光学系の技術に関し、特に、合焦を検出する技術に関する。

標本面に投影したスポット光の戻り光を再結像する光路において光束を半分遮光して光検出器に集光させると、標本と対物レンズのＷＤ（作動距離：Working Distance）の変化に応じて光検出器に集光するスポット像の位置と大きさとが変化する。すると、光検出器から出力される信号が変化するので、これにより、合焦・非合焦の状態を判定することができる。この方式はアクティブ方式の焦点検出装置のひとつとして良く知られているが、ここでは、この焦点検出の方式をシングルスポット方式と呼ぶこととする。

このシングルスポット方式の焦点検出装置について更に説明する。
図１２は、顕微鏡から切り出したシングルスポット方式による焦点検出装置の光学系を示したものである。この光学系は、光源１０１、コリメートレンズ１０２、シャッタ１０３、ハーフミラー１０４、ダイクロイックミラー１０５、対物レンズ１０６、集光レンズ１０７、及び光検出器１０８を備えて構成されている。

光源１０１には赤外領域の波長を持つ半導体レーザ（ＬＤ）を用いる。
ダイクロイックミラー１０５は、赤外領域の光線を反射させる一方で可視域の光線を透過させる性質を有している。従って、対物レンズ１０６は、観察光学系の一部を兼ねている。

光検出器１０８の受光面は、光軸を含む面により領域が２分割されており、各々の領域についての信号出力が別個に得られる。
光源１０１から出射されてコリメートレンズ１０２によりコリメートされて平行光となった光線のうち、光束の半分がシャッタ１０３で遮光される。シャッタ１０３によって遮光されなかった残りの光線は、ハーフミラー１０４を透過しダイクロイックミラー１０５で反射され、光軸に対して向かって右側の光路を通り、対物レンズ１０６を透過して標本１００の標本面にスポット状で投影される。

標本面からの反射光は、対物レンズ１０６を経た後に光軸に向かって左側の光路を通り、ダイクロイックミラー１０５及びハーフミラー１０４で反射され、集光レンズ１０７で光検出器１０８の受光面に集光する。光検出器１０８から出力される信号の大きさは、受光面に照射される光の光量に応じた値で出力される。

ここで、標本面と光検出器１０８の受光面とが共役な位置関係にある場合には、標本面からの反射光は光検出器１０８の受光面の境界線上に集光する。
これに対し、標本面と光検出器１０８の受光面との共役な位置関係が崩れた場合、つまり標本面と対物レンズ１０６とのＷＤが変化した場合について、図１３を用いて説明する。なお、図１３においては、対物レンズ１０６と集光レンズ１０７とを合成した１枚の合成レンズ系１２０を示して説明する。

まず、標本面と光検出器１０８の受光面とが共役な位置関係にある場合には、図１３の（ａ）に示すように、標本面からの反射光は光検出器１０８の受光面の境界線上に集光する。

ここで、標本面と対物レンズ１０６とのＷＤが増加すると、標本面からの反射光は光検出器１０８の受光面よりも手前に集光するため、光検出器１０８は、図１３の（ｂ）に示すように、同図において向かって下側の受光面にデフォーカスされた状態で受光する。

一方、標本面と対物レンズ１０６とのＷＤが減少した場合には、標本面からの反射光は光検出器１０８の受光面よりも奥に集光するため、光検出器１０８は、図１３の（ｃ）に示すように、同図において向かって上側の受光面にデフォーカスされた状態で受光する。

つまり、標本面と対物レンズ１０６とのＷＤの変化に応じて、光検出器１０８に集光するスポット像の位置と大きさとが変化する。その結果、光検出器１０７から出力される信号が変化するので、合焦・非合焦の状態を判定することができるのである。

図１２の説明へ戻ると、光検出器１０８において２分割されている受光面の各々の領域から出力される信号は差分回路１０９へ入力されて減算するか、あるいは図示しない規格化回路で規格化した値の信号とされて出力される。この出力信号は、ステージＺ軸制御回路１１０に入力されて合焦方向の判定が行われる。そして、この判定結果に基づいてＺ軸ステージ１１１を一定速度で上下動させて標本１００の標本面を合焦位置に移動させる。こうして自動合焦が実現される。

このシングルスポット方式による焦点検出の技術に類する技術として、例えば特許文献１には、コリメートレンズとシャッタの間に回折格子を配置して、標本面に投影するスポットの数を多数化する技術が開示されている。

この他、例えば特許文献２には、コリメートレンズとシャッタの間にシリンドリカルレンズを配置することによって、曲率方向成分の光線のみを対物レンズの後側焦点位置に集光させ、標本面に投影するスポットをスリット化する技術が開示されている。

また、例えば特許文献３には、ダイクロイックミラーとハーフミラーとの間にシリンドリカルレンズを配置することによって、曲率方向成分の光線のみを対物レンズの後側焦点位置に集光させ、標本面に投影するスポットをスリット化する技術が開示されている。

以上のような各種の技術の場合には、合焦位置は標本面上に投影された範囲内の段差の平均位置になる。
なお、以降の説明においては、特許文献１に開示されている技術に係る合焦検出の方式をマルチスポット方式と呼ぶこととし、特許文献２や特許文献３に開示されている技術に係る合焦検出の方式をスリット投影方式と呼ぶこととする。
特開２００１−２９６４６９号公報 特開平１０−１６１１９５号公報 特開平８−２５４６５０号公報

シングルスポット方式による焦点検出では、標本面に段差パターンが形成されている場合にそのエッジ部にスポット光が投影されると、戻り光が急激に減少してしまうことがある。また、散乱光が迷光として光検出器の受光部に結像してしまうことがある。このような場合には、光検出器から出力される信号にノイズが加わる結果、合焦精度が低下することとなる。

また、標本面の段差が対物レンズの物体側焦点深度を超えるものである場合には、シングルスポット方式による焦点検出では次のような現象が生じ得る。
図１４は、対物レンズと標本との位置関係を示している。なお、ここでは、Ｚ軸ステージ１１１に載置されている標本１００の標本面に形成されている段差の上側の表面を観察しようとしている場合を想定する。

図１４の（ａ）は、標本１００の標本面の段差１００ａの上側の表面で焦点検出が行われていることを表わしており、このときには所望の面の観察が行える。
しかしながら、シングルスポット方式による焦点検出では、焦点の検出領域が常に固定された１点であるため、標本１００の位置を面内で移動させて例えば図１４の（ｂ）の状態としてしまうと、段差１００ａの下側の表面が焦点検出の領域になってしまう。この場合には、本来観察したい部分である、段差１００ａの上側の表面がデフォーカスしてしまうことになる。

このように、自動制御で撮像するような光学系にシングルスポット方式の焦点検出を使用すると、焦点検出の結果が所望の観察位置から外れる場合があるため注意を要する。
一方、前述したマルチスポット方式やスリット投影方式による焦点検出は、上述したシングルスポット方式の焦点検出の問題を解決するために導入されたものであり、合焦位置が標本面上に投影された範囲内の段差の高さの平均の位置になるので、合焦位置の不安定性を解消することができる。

しかしながら、マルチスポット方式の場合による焦点検出でも合焦位置が安定しない場合がある。このような場合について、図１５を用いて説明する。
図１５は、標本１００に投影されるマルチスポット２００ａと標本１００の段差１００ａの間隔との関係の一例を示している。この図１５の場合のように標本１００の段差１００ａのピッチがスポット間隔と一致してしまっている場合、あるいは、このピッチとスポット間隔とがその整数倍の関係となってしまっている場合には、シングルスポット方式の場合と同様に、標本１００の位置を面内で移動させたときにスポット２００ａが段差１００ａの境目に差し掛かると、図１４と同様の振舞いが生じ、合焦位置が変化して所望の観察位置がデフォーカスしてしまう結果、本来観察したい面が観察できなくなる。

一方、図１６に示すように、検出スポットをスリット２００ｂとするスリット投影方式による焦点検出の場合は、上記の現象が生じることはない。但し、シリンドリカルレンズはそれ自体が高価なものであると共に、装置組立時における位置調整の難度が高いため、複雑な調整機構が必要になる。また、高倍の対物レンズを使用する場合、このような対物レンズは焦点距離が短いため、シリンドリカルレンズによる集光位置を対物レンズの後側焦点位置と正確に一致させることが困難である。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、スリット投影方式による低廉且つ調整容易な焦点検出装置を提供することである。

本発明の態様のひとつである焦点検出装置は、光源から発せられた光を面内の２つの一次元方向にのみ拡散し、且つ当該拡散における拡散角が制御されている拡散素子と、平行光を当該拡散素子に入射させたときに当該拡散素子から出射する光の光束を集光させる集光光学系であって観察光学系の一部を兼ねている当該集光光学系と、当該集光光学系の集光位置に受光面が配置されている光検出器であって当該集光光学系によって集光させた当該光束が標本面上で反射した後に当該集光光学系を戻って当該受光面へ照射される当該光検出器と、当該光検出器から出力される信号に基づいて当該標本面と当該集光光学系との間の距離を制御する距離制御部と、当該拡散素子に入射させる光若しくは当該拡散素子から出射した光の光束のうちの四分の三の領域を遮光する遮光部材と、を有し、当該光検出器は、当該受光面へ照射される当該光束の光軸を含む面で当該受光面が４つの領域に分割されており、当該領域に照射される光の光量に応じた信号を当該領域毎に出力し、当該光検出器から出力される当該領域毎の信号から２つの信号を選択する選択部を更に有し、当該距離制御部は、当該選択部によって選択された２つの信号の差が小さくなるように当該距離を制御して、当該光検出器の受光面へ照射される前記光束が当該受光面上での所定位置に結像するようにすることを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る焦点検出装置において、当該距離制御部による制御の結果として得られた当該距離が焦点位置の検出結果として適正なものであるか否かを判定する判定部と、当該判定部が不適正との判定を下したときに、当該選択部を制御して当該選択部による前記信号の選択を切り替える選択制御部と、を更に有するように構成してもよい。

なお、このとき、当該判定部は、当該距離制御部による当該制御に応じて変化する、当該選択部によって選択されている２つの信号の差の変化の度合いに基づいて当該判定を行うように構成してもよい。

なお、このとき、当該判定部は、当該選択部によって選択されている２つの信号の差の変化の度合いが予め設定されているものよりも少ない場合に、不適正との判定を下すように構成してもよい。

本発明によれば、以上のように構成することにより、標本に投影するスポットをスリット状にしたスリット投影方式による低廉且つ調整容易な焦点検出装置を提供できるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を実施する焦点検出装置光学系の構成を示している。なお、同図において、図１２に示したものと同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付すこととし、それらについての詳細な説明は省略する。

この図１に示した焦点検出装置は顕微鏡に使用されるものであり、光源１０１、コリメートレンズ１０２、拡散板１１、投光側シャッタ１２、ハーフミラー１０４、リレーレンズ系１３、ダイクロイックミラー１０５、対物レンズ１０６、受光側シャッタ１４、集光レンズ１０７、及び光検出器１５でその光学系が構成されている。

光源１０１には赤外領域の波長を持つ半導体レーザ（ＬＤ）を用いる。なお、このとき、半導体レーザへ印加する電流値を周期的に変動させる等によって、レーザ光の波長を数ｎｍ単位で極微小に変動させて可干渉性を崩してもよい。

ダイクロイックミラー１０５は、赤外領域の光線を反射させ、可視域の光線を透過させる性質をもつ。従って、対物レンズ１０６は、観察光学系の一部を兼ねている。
拡散板１１は、光を面内の少なくとも１つの一次元方向にのみ拡散し、且つ当該拡散における拡散角が制御されている拡散素子であり、本実施例においては、回折次数に制限を設けると共に回折光の分離ができない程に回折角を十分に小さく設計した回折格子である。

なお、本実施例においては、光を面上の一次元方向にのみ拡散させるもの、つまり、拡散板１１の作用を表わしている図２に模式的に表わされている入射光束２０ａと出射光束２０ｂとの関係のように、入射した光を線分状に拡散して出射させるものを使用する。このような拡散を生じさせる拡散板１１としては、例えばPhysical Optics Corporation 社のビーム整形ディフューザであるＬＳＤ（商品名）を採用することができる。

なお、拡散板１１は対物レンズ１０６の瞳と共役な位置の近傍に配置するが、拡散板１１に入射させる光はコリメートレンズ１０２によってコリメートされており、また拡散板１１にはシリンドリカルレンズのような集光作用はないので、その光軸方向の配置の設定は比較的容易である。

光検出器１５は、本実施例においては、光軸を含む面で受光面が二分割されており、分割されているそれぞれの受光面について受光量に応じた信号出力を得ることができるものを使用する。この出力信号は、差分回路１０９へ入力され、減算あるいは規格化した値の信号とされてステージＺ軸制御回路１１０に入力される。ステージＺ軸制御回路１１０は、この信号に基づいて合焦方向の判定を行い、この判定結果に基づいてＺ軸ステージ１１１を上下動させて標本１００の標本面を合焦位置に移動させる。

図１において、光源１０１から出射された後にコリメートレンズ１０２によってコリメートされて平行光となった光線が拡散板１１を透過すると、図２のように一方向に拡散する。

この拡散光は、拡散板１１の傍に設けられている投光側シャッタ１２によって、その光束の半分が遮光される。なお、投光側シャッタ１２の位置は、拡散板１１の傍であれば、図１のようにハーフミラー１０４側に配置する代わりに、コリメートレンズ１０２側に配置する、すなわち、拡散板１１に入射する光束の半分を遮光するようにしてもよい。

投光側シャッタ１２によって遮光されることのなかった残りの光線は、ハーフミラー１０４及びリレーレンズ系１３を透過した後、ダイクロイックミラー１０５で反射され、光軸に対して向かって左側の光路を通って対物レンズ１０６に導かれ、標本１００の面上でスリット状に集光する。

このとき標本面で反射した光線は、対物レンズ１０６を透過し、光軸に対して今度は向かって右側の光路を通ってダイクロイックミラー１０５に戻り、ここで反射された後にリレーレンズ系１３を通ってハーフミラー１０４でも反射される。ここで反射された光線は、受光側シャッタ１４でノイズ光がカットされた上で、集光レンズ１０７により光検出器１５の受光面で集光する。

ここで図３について説明する。同図は、このときの光検出器１５の受光面での集光の様子を示している。
標本１００の標本面と光検出器１５の受光面とが共役な位置関係にある場合には、標本面からの反射光は受光面の境界線上にスリット状に集光し、図３（ｂ）に示すような像が結像する。

これに対し、標本１００の標本面と光検出器１５の受光面との共役な位置関係が崩れた場合には、受光面上の像が変化する。ここで、ＷＤが増加した場合には、標本面からの反射光は受光面よりも手前に集光されるため、受光面上の像は、図３（ａ）に示すように、向かって左側の受光面にデフォーカスされた状態となる。逆に、ＷＤが減少した場合には、標本面からの反射光は受光面よりも奥に集光するため、図３（ｃ）に示すように、向かって右側の受光面にデフォーカスされた状態となる。

つまり、標本１００と対物レンズ１０６との間のＷＤの変化に応じ、光検出器１５に集光するスリット像の位置と大きさが変化する。このような、ＷＤの変化により受光面上の像が変化する振舞いは、シングルスポット方式の場合と同様である。

差分回路１０９は、光検出器１５の二分割されている受光面の各々について出力される信号の差を求める。ステージＺ軸制御回路１１０は、この差信号に基づいて合焦方向（差信号の絶対値が小さくなる方向）の判定を行い、この判定結果に基づいてＺ軸ステージ１１１を上下動させて標本１００の標本面に移動させ、ＷＤを変化させる制御を行う。そして、この差信号の絶対値が最小となったところでＺ軸ステージ１１１を停止させることにより、自動合焦が実現される。

なお、差分回路１０９において、光検出器１５から出力される２つの信号の差の信号を求める代わりに、この差の信号を規格化した値として求める、すなわち、当該２つの信号の和に対する当該２つの信号の差の割合を示す信号を求めるようにし、この信号に基づいてステージＺ軸制御回路１１０が上述した動作を行うようにしても自動合焦を行うことができる。

本実施例においては、標本面が段差のある形状であっても、光検出器１５から出力される信号は、その段差の形状に応じて得られた像が受光面内で空間的に積分されたものとして出力される。従って、検出される合焦位置は、標本面上に投影された範囲内の段差の平均位置になる。つまり、本実施例の焦点検出装置は、従来のスリット投影方式による焦点検出の場合と同様の合焦検出が可能である。

その上、本実施例において使用される拡散板１１は、従来のスリット投影方式による焦点検出で使用されるシリンドリカルレンズと比較して低廉であるので装置のコストが低下する。更に、シリンドリカルレンズの芯調整や、シリンドリカルレンズによる集光位置を対物レンズ１０の後側焦点位置と正確に一致させるといった、複雑で難度の高い調整作業が不要となる。

本実施例に係る焦点検出装置光学系の構成は図１に示したものと同様であるが、本実施例においては、拡散板１１の種類、投光側シャッタ１２及び受光側シャッタ１４の形態、並びに光検出器１５及び差分回路１０９の構成が実施例１におけるものと異なっている。

拡散板１１は、回折次数に制限を設けると共に回折光の分離ができない程に回折角を十分に小さく設計した回折格子である点においては実施例１と同様であるが、本実施例で使用する拡散板１１は、光を面上の２つの一次元方向にのみ拡散させるもの、つまり、図４に模式的に表わされている入射光束２０ｃと出射光束２０ｄとの関係のように、入射した光を２方向の線分状に拡散して出射させるものを使用する。このような拡散を生じさせる拡散板１１としては、例えば、実施例１においても採用した、Physical Optics Corporation 社のビーム整形ディフューザであるＬＳＤ（商品名）を本実施例でも採用することができる。

また、本実施例において、投光側シャッタ１２及び受光側シャッタ１４には、図５に示す遮光部２１のように、光束の四分の三の領域を遮光させる形態のものを使用する。
更に、本実施例においては、光検出器１５には、光軸を含む面で受光面が四分割されており、分割されているそれぞれの受光面について受光量に応じた信号出力を得ることができるものを使用する。

また、本実施例においては、差分回路１０９の代わりに、図６Ａに端子構成を示し、図６Ｂにその内部構成を示した差分回路部２３、すなわち、選択回路２２及びその選択回路２２の選択制御端子２２ａと差分回路１０９とを組み合わせてなる差分回路部２３を使用する。この選択回路２２は、外部から選択制御端子２２ａに制御信号を与えることにより、受光面が四分割されている光検出器１５から出力される４つの信号のうち、差分計算の対象とする２つの信号を選択するものである。

なお、本実施例においても、実施例１と同様、光源１０１として半導体レーザを用いる場合には、半導体レーザへ印加する電流値を周期的に変動させる等によって、レーザ光の波長を数ｎｍ単位で極微小に変動させて可干渉性を崩してもよい。

図１に示した構成において、以上の拡散板１１、投光側シャッタ１２及び受光側シャッタ１４、光検出器１５、及び差分回路部２３を備えている場合、光源１０１から出射された後にコリメートレンズ１０２によってコリメートされて平行光となった光線が拡散板１１を透過すると、図４のように二方向に拡散する。

この拡散光は、拡散板１１の傍に設けられている投光側シャッタ１２によって、その光束の四分の三が遮光される。なお、投光側シャッタ１２の位置は、拡散板１１の傍であれば、図１のようにハーフミラー１０４側に配置する代わりに、コリメートレンズ１０２側に配置してもよい。

投光側シャッタ１２によって遮光されることのなかった残りの光線は、ハーフミラー１０４及びリレーレンズ系１３を透過した後、ダイクロイックミラー１０５で反射され、光軸に対して向かって左側の光路を通って対物レンズ１０６に導かれ、図７に示すライン投影光２００ｃのように、標本１００の面上で十字のスリット状に集光する。

このとき標本面で反射した光線は、対物レンズ１００を透過し、光軸に対して今度は向かって右側の光路を通ってダイクロイックミラー１０５に戻り、ここで反射された後にリレーレンズ系１３を通ってハーフミラー１０４でも反射される。ここで反射された光線は、受光側シャッタ１４でノイズ光がカットされた上で、集光レンズ１０７により光検出器１５の受光面で集光する。

ここで図８について説明する。同図は、このときの光検出器１５の受光面での集光の様子を示している。
標本１００の標本面と光検出器１５の受光面が共役な位置関係にある場合には、標本面からの反射光は受光面の境界線上に十字のスリット状で集光し、図８（ｂ）に示すような像が結像する。

これに対し、標本１００の標本面と光検出器１５の受光面との共役な位置関係が崩れた場合には、受光面上の像が変化する。ここで、ＷＤが増加した場合には、標本面からの反射光は受光面よりも手前に集光されるため、受光面上の像は、図８（ａ）に示すように、向かって左側且つ上側の受光面にデフォーカスされた状態となる。逆に、ＷＤが減少した場合には、標本面からの反射光は受光面よりも奥に集光するため、図８（ｃ）に示すように、向かって右側且つ下側の受光面にデフォーカスされた状態となる。このような、ＷＤの変化により受光面上の像が変化する振舞いは、シングルスポット方式の場合と同様である。

次に、光検出器１５の分割されている受光面の各々から出力される信号のうち、差分回路１０９に入力する信号を選択回路２２で選択する。具体的には、図８に示したような、光検出器１５の受光面で集光した十字交差のスリット像のうち、合焦検出に利用する方のスリット像に応じ、選択制御端子２２ａに印加する信号を切り替える。

例えば、図８において、同図の横方向に集光したスリット像にのみ着目して合焦検出を行う場合には、領域Ａと領域Ｄとから出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替えるか、若しくは、領域Ｂと領域Ｃとから各々出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替えるようにする。

また、例えば、図８において、同図の縦方向に集光したスリット像にのみ着目して合焦検出を行う場合には、領域Ａと領域Ｂとから出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替えるか、あるいは領域Ｄと領域Ｃとから出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替えるようにする。

更に、例えば、図８において、同図で十字に交差して集光している縦横のスリット像の両方に着目して合焦検出を行う場合には、領域Ｂと領域Ｄと出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替えるようにする。

差分回路部２３の差分回路１０９は、光検出器１５の四分割されている受光面の各々について出力される信号のうちから選択された２つの信号の差を求める。ステージＺ軸制御回路１１０は、この差信号に基づいて合焦方向（差信号の絶対値が小さくなる方向）の判定を行い、この判定結果に基づいてＺ軸ステージ１１１を上下動させて標本１００の標本面を移動させ、ＷＤを変化させる制御を行う。そして、この差信号の絶対値が最小となったところでＺ軸ステージ１１１を停止させることにより、自動合焦が実現される。

なお、差分回路１０９において、光検出器１５から出力される選択された２つの信号の差の信号を求める代わりに、この差の信号を規格化した値として求める、すなわち、当該選択された２つの信号の和に対する当該選択された２つの信号の差の割合を示す信号を求めるようにし、この信号に基づいてステージＺ軸制御回路１１０が上述した動作を行うようにしても自動合焦を行うことができる。

以上のように、本実施例は、光検出器１５の受光面で集光する十字交差のスリット像のうち、焦点検出に有利な少なくとも１本のスリット像を選択するというもの、すなわち、標本１０の標本面に投影した十字交差のスリット像のうち、少なくとも１本を選択したものである。この実施例に係る焦点検出装置によれば、例えば、図９に示すように、標本１００の標本面における段差１００ａの形状と投影されているライン投影光２００ｃのうちの一方とが平行である場合であっても、その段差１００ａの形状と直交した方向成分のライン投影光２００ｃを利用することにより、適切な合焦検出が行える。

つまり、本実施例によれば、図９のような場合であっても、標本１００の段差１００ａの形状に依存されることなく、標本面上に投影された範囲内の段差の平均位置で合焦位置を安定させることができるのである。

なお、光検出器１５の分割されている受光面の各々から出力される信号のうち、差分回路１０９に入力する信号を選択する方式は、使用者が手動で選択してもよく、また、自動的に行えるようにすることもできる。

この選択を使用者が手動で行う場合には、例えば、選択制御端子２２ａへ印加する信号を切り替えるスイッチを外部に設け、使用者がそのスイッチを操作して所望の信号が差分回路１０９に入力されるようにすればよい。また、コマンドを選択するボタンに対する操作により所望の選択結果に対応する信号が選択制御端子２２ａへ印加されるように構成してもよい。

次に、この選択を自動的に行う手法について説明する。なお、このときには、図１に示した構成へ、ＰＣあるいはシーケンサ等の外部制御機器を追加する。
外部制御機器３０は、図１０に示すように、差分回路部２３の選択制御端子２２ａ及びステージＺ軸制御回路１１０の外部制御端子１１０ａに接続される。また、外部制御機器３０に備えられている不図示の記憶部に、合焦判定近傍のフォーカスエラー信号の傾斜量（当該信号の単位時間当たりの変化の度合い）の許容範囲を予め登録しておく。

ここで図１１について説明する。同図は、外部制御機器３０の有する不図示の中央演算装置によって行われる制御処理の処理内容をフローチャートで示したものである。なお、この処理は、外部制御機器３０の有する不図示の記憶部に予め格納されている所定の制御プログラムを当該中央演算装置が読み出して実行することによって実現され、外部制御機器３０が焦点検出動作の開始指示を示す情報を取得すると開始される。

まず、Ｓ１０１において、変数ｎの初期値を「０」に設定する処理が行われる。なお、この変数ｎは、光検出器１５の分割されている受光面の各々から出力される信号のうち、差分回路１０９に入力する信号を選択するためのパラメータとして使用される。

Ｓ１０２では、前述した合焦判定近傍のフォーカスエラー信号の傾斜量許容範囲を読み込む処理が行われる。
Ｓ１０３では、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ｃ（図８参照）から出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替える信号を選択制御端子２２ａへ出力する処理が行われる。

Ｓ１０４では、外部制御機器３０からステージＺ軸制御回路１１０に対して合焦動作開始の制御信号を与える処理が行われ、続くＳ１０５において、このときに差分回路１０９から出力されている信号（フォーカスエラー信号）を外部制御機器３０で受信する処理が行われる。

この後、合焦動作が終了するとステージＺ軸制御回路１１０から焦点検出動作完了の信号が出力されるので、Ｓ１０６において、この信号を外部制御機器３０で受信する処理が行われる。

Ｓ１０７では、直近に行われた焦点検出動作における、合焦位置近傍でのフォーカスエラー信号の傾斜量を算出する処理が行われる。そして、続くＳ１０８において、算出された傾斜量が、Ｓ１０２の処理によって読み出された許容範囲で示される傾斜量の規定値以上であるか否かを判定する処理が行われる。ここで、算出された傾斜量が規定値以上である判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）は、合焦検出が適正に行われたものとみなし、Ｓ１０９において合焦検出動作を完了し、図１１の制御処理を終了する。一方、Ｓ１０８において、算出された傾斜量が規定値よりも少ないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）は、合焦検出は不適正なものであったとみなし、Ｓ１１０に処理進める。

Ｓ１１０では、前述した変数ｎの現在の値を判別する処理が行われる。
このＳ１１０の処理において、変数ｎの値が「０」と判別されたときには、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ｃから出力される信号に基づいた合焦検出は不適正なものであったとみなし、Ｓ１１１において、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ａ（図８参照）から出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替える信号を選択制御端子２２ａへ出力する処理が行われ、その後はＳ１１４に処理を進める。

また、Ｓ１１０の処理において、変数ｎの値が「１」と判別されたときには、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ａから出力される信号に基づいた合焦検出も不適正なものであったとみなし、Ｓ１１２において、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ｄ（図８参照）から出力される信号が各々差分回路１０９へ入力されるように選択回路２２を切り替える信号を選択制御端子２２ａへ出力する処理が行われ、その後はＳ１１４に処理を進める。

一方、Ｓ１１０の処理において、変数ｎの値が「２」と判別されたときには、光検出器１５の分割されている受光面のうちの領域Ｂ及び領域Ｄから出力される信号に基づいた合焦検出も不適正なものであったとみなし、Ｓ１１３において、合焦エラー処理、すなわち、例えば、合焦検出が不適正であることを示す表示を外部制御機器３０の表示部（不図示）に表示させる等の処理が行われ、その後はこの図１１の制御処理を終了する。

Ｓ１１４では、変数ｎの現在の値に「１」を加算した結果の値を改めて変数ｎに代入する処理が行われ、その後はＳ１０４へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。
以上の処理が行われることにより、光検出器１５の分割されている受光面の各々から出力される信号のうちから差分回路１０９に入力する信号が自動的に選択されるようになる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
例えば、前述した実施例１及び実施例２で共通の構成（図１）において、リレーレンズ系１３で結像する中間像の位置にスリットを設けて、標本１００の標本面上に投影するスリット光の投影幅を制限するようにしてもよい。このようにすることにより、焦点検出範囲を任意に設定することができると共に、標本１００の裏面から反射された、ノイズとなる光を排除することができる。

更に、このときに、このようなスリットを、光検出器１５の受光面の傍に設置してもよい。このようにすることによっても、標本１００の裏面から反射されたノイズとなる光を排除することができる。

本発明を実施する焦点検出装置光学系の構成を示す図である。 実施例１で使用される拡散板の作用を表わしている図である。 実施例１における光検出器の受光面での集光の様子を示す図である。 実施例２で使用される拡散板の作用を表わしている図である。 実施例２で使用される投光側シャッタ及び受光側シャッタの形態を示す図である。 差分回路部の端子構成を示す図である。 差分回路部の内部構成を示す図である。 実施例２における標本面での集光の様子を示す図である。 実施例２におけ光検出器の受光面での集光の様子を示す図である。 実施例２における効果を説明する図である。 外部接続機器の接続の様子を示す図である。 外部制御機器で行われる制御処理の処理内容を示すフローチャートである。 シングルスポット方式による焦点検出装置の光学系を示す図である。 シングルスポット方式による焦点検出の手法を説明する図である。 対物レンズと標本との位置関係を示す図である。 マルチスポット方式の場合による焦点検出の問題を説明する図である。 スリット投影方式による焦点検出を説明する図である。

符号の説明

１１ 拡散板
１２ 投光側シャッタ
１３ リレーレンズ系
１４ 受光側シャッタ
１５ 光検出器
２０ａ、２０ｃ 入射光束
２０ｂ、２０ｄ 出射光束
２１ 遮光部
２２ 選択回路
２２ａ 選択制御端子
２３ 差分回路部
３０ 外部制御機器
１００ 標本
１００ａ 段差
１０１ 光源
１０２ コリメートレンズ
１０３ シャッタ
１０４ ハーフミラー
１０５ ダイクロイックミラー
１０６ 対物レンズ
１０７ 集光レンズ
１０８ 光検出器
１０９ 差分回路
１１０ ステージＺ軸制御回路
１１０ａ 外部制御端子
１１１ Ｚ軸ステージ
１２０ 合成レンズ系
２００ａ スポット
２００ｂ スリット
２００ｃ ライン投影光

Claims (4)

1. 光源から発せられた光を面内の２つの一次元方向にのみ拡散し、且つ当該拡散における拡散角が制御されている拡散素子と、
   平行光を前記拡散素子に入射させたときに当該拡散素子から出射する光の光束を集光させる集光光学系であって観察光学系の一部を兼ねている当該集光光学系と、
   前記集光光学系の集光位置に受光面が配置されている光検出器であって当該集光光学系によって集光させた前記光束が標本面上で反射した後に当該集光光学系を戻って当該受光面へ照射される当該光検出器と、
   前記光検出器から出力される信号に基づいて前記標本面と前記集光光学系との間の距離を制御する距離制御部と、
   前記拡散素子に入射させる光若しくは当該拡散素子から出射した光の光束のうちの四分の三の領域を遮光する遮光部材と、
   を有し、
   前記光検出器は、前記受光面へ照射される前記光束の光軸を含む面で当該受光面が４つの領域に分割されており、当該領域に照射される光の光量に応じた信号を当該領域毎に出力し、
   前記光検出器から出力される前記領域毎の信号から２つの信号を選択する選択部を更に有し、
   前記距離制御部は、前記選択部によって選択された２つの信号の差が小さくなるように前記距離を制御して、前記光検出器の受光面へ照射される前記光束が当該受光面上での所定位置に結像するようにする、
   ことを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記距離制御部による制御の結果として得られた前記距離が焦点位置の検出結果として適正なものであるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部が不適正との判定を下したときに、前記選択部を制御して当該選択部による前記信号の選択を切り替える選択制御部と、
   を更に有することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記判定部は、前記距離制御部による前記制御に応じて変化する、前記選択部によって選択されている２つの信号の差の変化の度合いに基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
4. 前記判定部は、前記選択部によって選択されている２つの信号の差の変化の度合いが予め設定されているものよりも少ない場合に、不適正との判定を下すことを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。

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