JP5145698B2 - Microscope focus detection apparatus and microscope having the same - Google Patents
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Description
本発明は、顕微鏡用焦点検出装置とこれを有する顕微鏡に関する。 The present invention relates to a microscope focus detection apparatus and a microscope having the same.
近年、液晶用基板の大型化に伴い、従来の顕微鏡に基板を載せて観察するような方法に代わり、大型のステージなどに基板を載せて、その上を顕微鏡ヘッド部分が動くような大型の検査装置が普及してきている。これらを用いて基板等の検査を行う場合、従来目視観察であったものが、撮縁素子で撮影し、検査員がモニタで検査するということが行われている。また、作業効率を向上させるために、これらの装置にはオートフォーカス装置(以後、「オートフォーカス」を単にAFと記す)が要求されている。 In recent years, with the increase in size of liquid crystal substrates, instead of the conventional method of placing a substrate on a microscope and observing it, a large-scale inspection in which the substrate is placed on a large stage and the microscope head moves on it. Devices are becoming popular. In the case of inspecting a substrate or the like using these, what is conventionally visually observed is taken with an imaging element, and an inspector inspects with a monitor. In order to improve the working efficiency, these apparatuses are required to have an autofocus apparatus (hereinafter, “autofocus” is simply referred to as AF).
従来のAF装置では、例えば試料面に単一のスリットパターンを投影し、このスリットパターン像を観察することで焦点を検出するスリットAF装置と呼ばれるものが知られている。スリットAF装置はスリット投影光学系の中の結像光学系の瞳位置と共役な位置にナイフエッチなどを用いて瞳を半分程度に遮蔽することが一般的である。このように構成することで、試料が合焦位置からずれたとき、スリット像が横ズレを起こすことから焦点を検出することができる。このような方式のAF装置の場合、AF制御可能な範囲(「引き込み範囲」と言う)が広いという利点がある。(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional AF device, for example, a so-called slit AF device that detects a focal point by projecting a single slit pattern on a sample surface and observing the slit pattern image is known. The slit AF apparatus generally shields the pupil to about half by using knife etching or the like at a position conjugate with the pupil position of the imaging optical system in the slit projection optical system. With this configuration, when the sample is displaced from the in-focus position, the slit image causes a lateral shift, so that the focus can be detected. In the case of such an AF apparatus, there is an advantage that the range in which AF control can be performed (referred to as “retraction range”) is wide. (For example, refer to Patent Document 1).
また、単一のスリットパターンのかわりに複数のスリットパターンを投影しこのパターンのエッジコントラストを抽出してAFをかけるコントラストAF装置も知られている。この場合、投影するパターンの周波数が既知のため、コントラスト信号検出時に電気的なバンドバスフィルタを用いてノイズ成分を除去することが可能なため、合焦精度を高めることが出来る。(例えば、特許文献2参照)。 There is also known a contrast AF device that projects a plurality of slit patterns instead of a single slit pattern, extracts the edge contrast of the pattern, and applies AF. In this case, since the frequency of the pattern to be projected is known, it is possible to remove the noise component using an electric bandpass filter when detecting the contrast signal, so that the focusing accuracy can be improved. (For example, refer to Patent Document 2).
また、スリットやパターンの投影を行わずに、標本自体のコントラストからAFをかけるタイプのAF装置も知られている。これは、一度標本を上下に動かしてコントラスト値を検出し得られたデータからフィッティング曲線を計算し合焦位置に移動させることから別名山登り方式AFとも呼ばれる。これは合焦位置を検出する為に一度合焦位置を通過しで信号を検出する必要があることや、計算を行っている為に合焦させるまでの時間が長いことが問題であるが、特別な照明系などが必要ないために安価に構成できるという利点かあるが、追従型のコンティニュアスAFにすることは原理的に不可能である。
しかしながら、スリットAF装置は引き込み範囲が広い反面、試料に細かいパターンが存在していたときは合焦精度に問題がある。また、コントラストAF装置は合焦精度が高い反面、合焦位置から僅かにずれただけでもコントラスト信号強度が低下してしまう為、引き込み範囲が狭いことが問題である。 However, the slit AF device has a wide pull-in range, but there is a problem in focusing accuracy when a fine pattern exists on the sample. In contrast, the contrast AF apparatus has high focusing accuracy, but the contrast signal intensity decreases even if it is slightly deviated from the in-focus position, so that the pull-in range is narrow.
本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、引き込み範囲が広く、かつ合焦精度の高い顕微鏡用焦点検出装置と、これを有する顕微鏡を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a focus detection device for a microscope with a wide pull-in range and high focusing accuracy, and a microscope having the same.
上記課題を解決するため、本発明は、対物レンズを介して標本に単一のスリットパターンを投影する第1投影光学系と、前記対物レンズを介して前記標本に複数のスリットパターンを投影する第2投影光学系と、前記対物レンズを介して前記単一のスリットパターンの像および前記複数のスリットパターンの像を撮像素子に結像する結像光学系と、前記第1投影光学系は第1の光源を含み、前記第2投影光学系は第2の光源を含み、前記第1の光源および前記第2の光源を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記単一スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出から前記複数のスリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出への移行は、前記第1の光源と前記第2の光源とを交互に切替えながら、前記単一スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出と、前記複数スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出とを交互に行うと共に、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変化させることを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置を提供する。 To solve the above problems, the present invention includes a first projection optical system for projecting a single one slit Topa turn specimen via the objective lens, a multiple slit Topa turn the specimen via the objective lens A second projection optical system for projecting, an imaging optical system for forming an image of the single slit pattern and an image of the plurality of slit patterns on an image sensor via the objective lens, and the first projection optical system Includes a first light source, the second projection optical system includes a second light source, and includes a control unit that controls the first light source and the second light source, and the control unit includes the single light source. The shift from the focus detection of the slit pattern image by the image sensor to the focus detection of the plurality of slit pattern images by the image sensor is performed by switching the first light source and the second light source alternately. Slit pattern And the focus detection by the imaging device, the plurality slits of the pattern image the performs focus detection alternately by the image pickup device, the objective lens and changing the relative distance microscope focus detection, wherein the said sample Providing equipment.
また、本発明は、前記顕微鏡用焦点検出装置を具備することを特徴とする顕微鏡を提供する。 The present invention also provides a microscope comprising the microscope focus detection apparatus.
本発明によれば、引き込み範囲が広く、かつ合焦精度の高い顕微鏡用焦点検出装置と、これを有する顕微鏡を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a microscope focus detection device having a wide pull-in range and high focusing accuracy, and a microscope having the same.
本発明の実施の形態に係るAF装置とこれを有する顕微鏡に関し図面を参照しつつ説明する。 An AF apparatus according to an embodiment of the present invention and a microscope having the same will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係るAF装置を含む顕微鏡の概略構成図である。図2は、図1の顕微鏡に搭載されている撮像装置の説明図である。図3は、AF装置の制御フローを示す。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a microscope including an AF apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of an imaging apparatus mounted on the microscope of FIG. FIG. 3 shows a control flow of the AF apparatus.
図1において、実施の形態に係るAF装置を含む顕微鏡装置は、顕微鏡本体100と、顕微鏡本体100に設けられ標本に対する合焦動作を行うためのAF装置200とから構成されている。
In FIG. 1, a microscope apparatus including an AF apparatus according to an embodiment includes a microscope
顕微鏡本体100は、標本1を載置し標本1をXY移動可能なXYステージ2と、複数の対物レンズ3を観察光路に挿脱するレボルバ4と、標本1を照明する観察照明光学系5と、標本像を結像する観察光学系6と、標本像を撮像するカメラ7とから構成されている。また、標本1に合焦させるために対物レンズ3を光軸に沿って上下動作させる駆動装置8が設けられている。観察光学系6には焦点検出光学系9への光路分割のためのダイクロイックミラー10が配置され、AF装置200による合焦動作可能に構成されている。
The microscope
また、レボルバ4は、不図示の駆動手段で回動されると共に、観察光路中に挿入されている対物レンズ3の位置情報を検出する検出手段4aが内蔵されている。
The revolver 4 is rotated by a driving means (not shown) and has a built-in detection means 4a for detecting position information of the
標本1をXYステージ2に載置し、不図示の入力装置から制御部11を介してレボルバ4に駆動信号が送られ、駆動手段で回動され所望倍率の対物レンズ3が光路中に挿入される。制御部11には、レボルバ4の対物レンズ3の取り付け位置と対物レンズ3の倍率や色収差等の情報を記憶した不図示の記憶装置が配置されている。制御部11は、入力装置からの情報に基き、所望の対物レンズ3を選択し、レボルバ4が選択された対物レンズ3を光路中に挿入する。レボルバ4は挿入した対物レンズ3のレボルバ4の位置を検出手段4aで検出して制御部11に送信し、制御部11は、正しく選択された対物レンズ3が光路中に挿入されたか否かを判定する。
The
焦点検出光学系9は、単一のスリットにより形成されたパターンを射出する第1投影光学系20と、複数のスリットにより形成されたパターンを射出する第2投影光学系30と、両スリットにより形成されたパターンを結像して合焦状態を検出する撮像素子40とを有している。
The focus detection
第1投影光学系20から射出された単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光は、レンズ21で略平行光にされて、ナイフエッジ22でほぼ半分の光路が遮蔽されてハーフミラー23、ハーフミラー24を通過して顕微鏡本体100に設けられているダイクロイックミラー10に入射する。ダイクロイックミラー10で対物レンズ3方向に反射されて対物レンズ3を介して標本1に投影される。標本1に投影された単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光の反射光は、対物レンズ3で集光されダイクロイックミラー10で焦点検出光学系9方向に反射されて、ハーフミラー24で結像光学系41方向に反射され、結像光学系41内のミラー42でほぼ90度偏向され、色収差補正レンズ43及び不図示の結像レンズで後述する撮像素子40で撮像される。撮像素子40からの検出信号を制御部11で解析し、合焦状態を検出して対物レンズ3を標本1に合焦させるべく顕微鏡本体100の駆動手段8を駆動し対物レンズ3を上下移動させる。第1投影光学系と、結像光学系41と、制御部11で、スリットAF装置が構成されている。
The light that projects the pattern formed by the single slit emitted from the first projection
第2投影光学系30から射出された複数のスリットにより形成されたパターンを投影する光は、レンズ31でほぼ平行な光にされて、ミラー32でほぼ90度偏向されてハーフミラー23に入射され、ダイクロイックミラー10方向に反射される。ハーフミラー23以降の光路は単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光路と同様であり、ハーフミラー24を透過してダイクロイックミラー10に入射し、反射されて対物レンズ3を介して標本1に照射される。標本1に投影された複数のスリットにより形成されたパターンを投影する光の反射光は、対物レンズ3で集光されダイクロイックミラー10で焦点検出光学系9方向に反射されて、ハーフミラー24で結像光学系41方向に反射され、結像光学系41内のミラー42で略90度偏向され、色収差補正レンズ43及び不図示の結像レンズで後述する撮像素子40で撮像される。撮像素子40からの検出信号を制御部11で解析し、合焦状態を検出して対物レンズ3を標本1に合焦させるべく顕微鏡本体100の駆動手段8を駆動し対物レンズ3を上下移動させる。第2投影光学系と、結像光学系41と、制御部11でコントラストAF装置が構成されている。
The light that projects the pattern formed by the plurality of slits emitted from the second projection
顕微鏡本体100の観察照明光学系5は、光源51からの光をレンズ52でほぼ平行な光にして、ハーフミラー53で対物レンズ3方向に反射し、対物レンズ3を介して標本1に集光する。標本1からの反射光は、対物レンズ3で集光されて、ハーフミラー53、ダイクロイックミラー10を透過して、結像レンズ61でカメラ7に結像され、不図示のモニタでユーザに観察される。
The observation illumination
撮像素子40は、図2に示すように三つの部分から構成されている。中央部分40aは、対物レンズ3の焦点面と共役な面であり結像光学系41の焦点位置となっている。左側部分(図2において紙面左側)40bは結像光学系41において光路長が短い位置に撮像素子40が位置するように構成されており所謂前ピント像を検出する。右側部分(図2において紙面右側)40cは、結像光学系41において光路長が長い位置に撮像素子40が位置するように構成されており所謂後ピント像を検出する。これら光路長の変更は、三分割プリズム44で形成されている。三分割プリズム44の色収差補正レンズ43側のプリズム44aとその近傍に配置されたプリスム44bの境界面Aで前ピント像の光が、プリズム44bとその近傍に配置されたプリズム44cの境界面Bで焦点位置の光が、プリズム44cの端面Cで後ピント像の光がそれぞれ撮像素子40に入射する。
The
なお、焦点検出光学系9の第1投影光学系20の光源25、及び第2投影光学系30の光源33は、観察照明光学系5の光源51とは波長の異なる光源が用いられている。例えば、光源25と光源33にはLED等の赤外光の光源が、観察照明光学系5の光源51にはランプ等の可視光の光源が用いられている。このように光源の波長が異なっていると対物レンズ3の色収差特性によって、対物レンズ3の焦点面と共役な観察光学系6のカメラ7の焦点位置と結像光学系41の撮像素子40の焦点位置とにずれが生じる。本実施の形態に係るAF装置200では、対物レンズ3の色収差による焦点ずれを補正する色収差補正レンズ43が結像光学系41の光路中に配設されている。観察光学系6の光路中に挿入された対物レンズ3の色収差量に応じて、結像光学系41の光路中に配置された色収差補正レンズ43を光軸に沿って移動することにより、対物レンズ3の色収差に起因する焦点ずれを補正することが可能になる。
A light source having a wavelength different from that of the
次に、実施の形態のAF装置における制御フローを図3を参照して説明する。 Next, a control flow in the AF apparatus of the embodiment will be described with reference to FIG.
観察対象である標本1をXYステージ2に載置し、不図示の入力装置から制御部11を介してAF動作を開始する。
・ステップS1:光路に挿入されている対物レンズ3の種類を特定する
不図示の入力装置から所望の対物レンズ3を選択する指示を入力し、制御部11を介してレボルバ4を回転駆動して、選択された対物レンズ3を光路中に挿入する。なお、制御部11には予め対物レンズを保持するレボルバ4の位置情報である各番地に対応して装着されている対物レンズ3の情報が不図示の記憶部に記憶してあり、入力情報に一致する対物レンズ3が制御部11により選択される。
・ステップS2:対物レンズ3の色収差量情報取得
制御部11の記憶部には対物レンズ3の種類に応じた倍率、作動距離、及び色収差量等が記憶されている為、レボルバ4の番地を検出して光路に挿入されている対物レンズ3の色収差量等の情報を取得することができる。
・ステップS3:色収差補正レンズ駆動
この色収差量に応じて色収差補正レンズ43を結像光学系41の光軸に沿って移動し、第1投影光学系20からの単一のスリットパターンと撮像素子40とを共役関係にする。
・ステップS4:AF動作開始
・ステップS5:第1投影光学系20の光源25をON
駆動が終わったら、第1投影光学系20の光源25をONにして、第1投影光学系20の単一のスリットにより形成されたパターンを投影する光によるAF動作を開始する。
・ステップS6:標本1と対物レンズ3の相対位置駆動
第1投影光学系20は、いわゆるスリットAFであるため、光源25を点灯した時点で標本1と対物レンズ3との相対距離が合焦位置より遠いのか、または近いのかが撮像素子40からの信号で制御部11が判定可能な為、制御部11は合焦位置に近づく方向に対物レンズ3と標本1との相対距離を変更するように顕微鏡本体100の駆動手段8の駆動を開始する。スリットAF装置では、撮像素子40における信号は結像光学系41の3分割プリズム44のうち、中心部分40aのみを使用して信号検出を行う。
・ステップS5〜S9:第1投影光学系20の光源25と第2投影光学系30の光源33のON/OFF、AF動作
駆動手段8の駆動開始後、撮像素子40(例えば、CCD等)のリフレッシュレート等に同期して、第1投影光学系20の光源25と第2投影光学系30の光源33を交亙にON/OFFし、第2投影光学系30によるコントラスト信号が現れるまで動作を繰り返しながら、合焦位置に近づく方向に対物レンズ3と標本1との相対距離を変更すべく駆動する。制御部11は、スリットAF動作とコントラストAF動作とを交互に実行する。なお、第2投影光学系30と撮像素子40との共役関係は、第1投影光学系20と一致しているため、第2投影光学系30の色収差補正は、第1投影光学系20の色収差補正で解消されている。
・ステップS8:コントラスト信号検出
撮像素子40の信号においてコントラスト信号が現れた時点で、第1投影光学系20の光源25と第2投影光学系30の光源33の交互点灯を止めて光源33を点灯し、第2投影光学系30によるコントラストAF動作を実行する。
・ステップS10〜S12:
コントラストAF動作では、制御部11は結像光学系41の3分割プリズム44のうち前ピント部分44bと後ピント部分44cを使用し、両者のコントラスト信号の差分を取りS宇カーブを求めながら、標本1と対物レンズ3との相対位置を駆動手段8を駆動しつつ検出し、その差分がゼロになった時点を合焦位置と判断する。
・ステップS13:合焦終了
制御部11は、コントラスト信号の差分がゼロになった時点で焦点検出動作を完了し、以後合焦位置に焦点を維持するように制御するモードに移行する。これは、ステップS10〜S12を継続して実行することで達成できる。また、XYステージ2を駆動して標本1の位置を変えながら検査を実行する間に、コントラスト信号が予め設定されている閾値を下回った場合には、制御部11はステップS5から再度焦点検出動作を行うことで、コントラストAF動作が不安定になることを防止し高精度の合焦を維持するようにする。
The
Step S1: Specifying the type of the
Step S2: Acquisition of chromatic aberration amount information of the
Step S3: Chromatic aberration correction lens drive The chromatic
Step S4: AF operation starts. Step S5: The
When the driving is finished, the
Step S6: Driving the relative position of the
Steps S5 to S9: ON / OFF of the
Step S8: Contrast signal detection When a contrast signal appears in the signal from the
Steps S10 to S12:
In the contrast AF operation, the
Step S13: Completion of Focus The
このようにして、実施の形態におけるAF装置200は、標本1に対物レンズ3の焦点を合焦し維持することが可能になる。
In this manner, the
なお、標本1に段差等があり、コントラストAF装置が合焦していると判断している場合でも、観察したい場所とは違っていることもあるため、コントラストAFにおけるコントラスト信号には制御部11において電気的なオフセットを加え合焦位置を微調整できる構成が好ましい。
Note that even if there is a step in the
また、上記実施の形態では、第1投影光学系と第2投影光学系を交互に切り替えながら標本への合焦動作を行い、最後にコントラストAFにより高精度の合焦動作を行うように構成しているが、初期の焦点引き込み動作から合焦までは第1投影光学系で合焦動作を行い、第1投影光学系で合焦した位置から更に高精度の合焦を行うために第2投影光学系に切替えて合焦動作を行うように構成しても良い。 In the above embodiment, the first focusing optical system and the second projecting optical system are alternately switched to perform the focusing operation on the sample, and finally, the high-precision focusing operation is performed by contrast AF. However, from the initial focus pull-in operation to focusing, the first projection optical system performs the focusing operation, and the second projection is performed in order to perform focusing with higher accuracy from the position focused by the first projection optical system. It may be configured to perform the focusing operation by switching to the optical system.
また、撮像素子は三つの部分から構成されているが、三つの部分に限らず二分割検出器を用い公知の検出方法を使用することも可能である。この際、三分割プリズムは配置する必要がない。 Moreover, although the image pick-up element is comprised from three parts, it is also possible to use not only a three part but a well-known detection method using a 2 division detector. At this time, it is not necessary to arrange the three-divided prism.
以上述べたように、実施の形態に係るAF装置を含む顕微鏡によれば、スリットAFにより焦点の引き込み範囲が広く容易に焦点引き込みを行うことができ、さらにコントラストAFにより高精度に合焦させることができるAF装置と、これを有する顕微鏡を達成することができる。 As described above, according to the microscope including the AF device according to the embodiment, it is possible to easily perform the focus pull-in with a wide focus pull-in range by the slit AF, and to focus with high accuracy by the contrast AF. And a microscope having the same can be achieved.
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。 The above-described embodiment is merely an example, and is not limited to the above-described configuration and shape, and can be appropriately modified and changed within the scope of the present invention.
1 標本
2 XYステージ
3 対物レンズ
4 レボルバ
5 観察照明光学系
6 観察光学系
7 カメラ
8 駆動手段
9 焦点検出光学系
10 ダイクロイックミラー
11 制御部
20 第1投影光学系
21 レンズ
22 ナイフエッジ
23、24 ハーフミラー
25 光源
30 第2投影光学系
31 レンズ
32 ミラー
33 光源
40 撮像素子
41 結像光学系
42 ミラー
43 色収差補正レンズ
44 三分割プリズム
51 光源
52 レンズ
53 ハーフミラー
61 結像レンズ
100 顕微鏡本体
200 AF装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記対物レンズを介して前記標本に複数のスリットパターンを投影する第2投影光学系と、
前記対物レンズを介して前記単一のスリットパターンの像および前記複数のスリットパターンの像を撮像素子に結像する結像光学系と、
前記第1投影光学系は第1の光源を含み、前記第2投影光学系は第2の光源を含み、前記第1の光源および前記第2の光源を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記単一スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出から前記複数のスリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出への移行は、前記第1の光源と前記第2の光源とを交互に切替えながら、前記単一スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出と、前記複数スリットパターン像の前記撮像素子による焦点検出とを交互に行うと共に、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変化させることを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。 A first projection optical system for projecting a single one slit Topa turn specimen via the objective lens,
A second projection optical system for projecting a slit Topa turn multiple to the specimen through the objective lens,
An imaging optical system that forms an image of the single slit pattern and an image of the plurality of slit patterns on an image sensor through the objective lens ;
The first projection optical system includes a first light source, the second projection optical system includes a second light source, and includes a controller that controls the first light source and the second light source,
The control unit shifts from the focus detection by the image sensor of the single slit pattern image to the focus detection by the image sensor of the plurality of slit pattern images by using the first light source and the second light source. While alternately switching, focus detection by the image sensor of the single slit pattern image and focus detection by the image sensor of the plurality of slit pattern images are alternately performed, and the relative distance between the objective lens and the sample is changed. A focus detection apparatus for a microscope characterized by being changed.
前記複数の前記対物レンズを保持する保持部材と、
前記標本を観察する観察光学系の光路中に挿入された前記対物レンズ位置を検出する検出手段と、
前記検出手段からの情報に基き前記記憶手段から前記対物レンズの情報を取得し、前記補正レンズを駆動する駆動手段と、
を備えたことを特徴とする請求項3に記載の顕微鏡用焦点検出装置。 Storage means for storing information of the plurality of objective lenses;
A holding member for holding the plurality of the objective lens,
Detecting means for detecting the position of the objective lens inserted in the optical path of an observation optical system for observing the specimen ;
Driving means for said from the base-out before term memory means to the information from the detecting means obtains the information of the objective lens, and drives the correction lens,
The focus detection apparatus for a microscope according to claim 3, comprising:
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