JPH0572467A - 焦点検出手段を有した観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料面の観察と対物系に対する試料面の合焦
状態を高精度に検出することができる焦点検出手段を有
した観察装置を得ること。 【構成】 照明系からの照明光束を対物系を介して被検
面に照射し、該被検面を該対物系と結像系により観察す
ると共に焦点検出系からの検出光束を該対物系を介して
該被検面に入射させ、該被検面からの反射光を光電変換
素子で受光し、該光電変換素子からの信号を利用して該
被検面に対する該対物系の合焦状態を検出する際、該対
物系の瞳面との共役面に該照明光束と該検出光束とを空
間的に分離する分離手段を設けて該検出光束を該光電変
換素子に導光していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦点検出手段を有した観
察装置に関し、特に対物系の瞳面の一領域を通過した光
束で物体（被検面）の観察を行うと共に、該対物系の瞳
面の他の領域を通過した光束で該対物系の焦点検出を行
うようにした顕微鏡や顕微分光装置等に好適な焦点検出
手段を有した観察装置に関するものである。

【０００２】

【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。

【０００３】図６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分光装置の光学系の要
部概略図である。

【０００４】同図においては白色の光源１から出た光束
２１は第１コンデンサーレンズ２により集光され開口絞
り２０１の面に結像される。さらに視野絞り４を通過
し、第２コンデンサーレンズ５によりハーフミラー６を
介して、対物レンズ８の瞳７の位置に再結像される。そ
して対物レンズ８を介して試料９を照明している。同図
では光源１の像が瞳７に結像される所謂ケーラー照明が
構成されている。

【０００５】図６中における光束２１が照明光束を示
し、瞳面７での軸上及び最軸外の光束のみ示している。
試料９上の照明範囲は、視野絞り４の内径により決ま
る。又瞳面７での照明光束の通過領域径は、開口絞り２
０１の内径により決まる。

【０００６】図７は瞳面７の光束の状態を示している。
顕微分光装置においては、図７に示す様に、照明光束の
通過領域径７２は瞳径７１よりも若干小さくなるように
設定されている。これは、観察における解像力の向上、
及び照明の際の試料の傾きを低減させることを目標とし
て行われる。試料９からの反射光束２２は最終的には試
料９と光学的に共役位置におかれたピンホール１３に入
射する。

【０００７】即ち、そのピンホール１３の試料９面上へ
の逆投影像の中に相当する位置から反射してくる光束の
みが、順にハーフミラー６、ハーフミラー２０８、結像
レンズ１０、ビームスプリッター１１そしてピンホール
１３を介して分光器１４へと導光される。これにより試
料９の各位置の分光特性が測定される。又ビームスプリ
ッター１１を透過した光はＴＶカメラ１２上に結像さ
れ、試料９の観察の為に用いられる。

【０００８】一方、６０１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６０１からの光束（検出光束、ＡＦ
光束）はコンデンサーレンズ６０２により集光される。
コンデンサーレンズ６０２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６０３ｂ、他方の側
の部分が透過面６０３ａになっているナイフエッジミラ
ー６０３の透過面６０３ａを通過する。透過面６０３ａ
を通過した光束はビームスプリッター２０８により反射
され光束６０７としてハーフミラー６を通過し対物レン
ズ８に入射する。

【０００９】対物レンズ８への入射光束は図７で示すよ
うにその瞳面７１上で対物レンズ８の光軸８ａに対して
主光線が偏心した光束であり、瞳面７中の斜線で示す領
域７３の前述した照明光束２１と同じ領域７２の一領域
内を通過する。

【００１０】対物レンズ８を通過した光束６０７は物体
（被検面）９に投光され、その近傍に光源６０１の発光
部のスポット像を結像する。物体９で反射した光束のう
ち、投光時とは光軸８ａに対して略対称な光路に沿って
反射した光束６０８は対物レンズ８を再通過する。そし
てビームスプリッター２０８で反射し、ナイフエッジミ
ラー６０３の反射面６０３ｂで反射してコンデンサーレ
ンズ６０４により集光されてバンドパスフィルター６０
５を介して所定の波長の光束のみを通過させて焦点検出
用の光電変換素子（光検出器、ＣＣＤ）６０６の受光面
にスポット像を形成する。

【００１１】この結果、図８に示すようにＣＣＤ６０６
からの出力は、合焦位置では通常試料９とＣＣＤ６０６
は結像関係にある為、図８（Ｂ）に示す様に急峻な信号
８１となる。さらに、ＣＣＤ６０６面へは照明光束も導
光される為、信号８１は照明光束２１の信号８４の上に
重なった形と成る。試料９の上・下側のディフォーカス
により図８（Ａ）、又は図８（Ｃ）に示すようにＡＦ光
束の信号８２，８３はそのピークが低下して、かつ左右
に動いた形状になる。この時、信号８４は大きな変化は
起こさない。信号８１，８２，８３の位置の変化から、
対物レンズ８の焦点合せを行っている。

【００１２】特に、顕微分光装置の場合は照明波長域の
広さにもよるが、照明波長域の中に、焦点検出用の光源
の波長があることが多く、図８でのバックライトとなる
信号８４をなくすことは難しい。バックライトとなる信
号８４をなくす方法としては、例えば照明波長域外に焦
点検出用の波長を設定し、かつ照明光束をエッジフィル
ター等により、焦点検出用の波長付近はカットすればよ
い。しかしながら照明波長域が広い時はこの方法は難し
くなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図６に示す顕微分光装
置では焦点検出系のＣＣＤ６０６面に不要な照明光束２
１がバックライト光として入射してくる。このとき焦点
検出を良好に行うには焦点検出用の信号８１の出力値が
照明光束２１に基づく信号８４の出力値よりも常に大き
くなるように各要素を設定する必要がある。

【００１４】この為には例えば焦点検出系の光学系（コ
ンデンサーレンズ６０２）のＮＡを大きくする必要があ
り、そうするとコンデンサーレンズ６０２の焦点距離が
短くなり組立調整が難かしくなってくるという問題点が
生じてくる。又焦点検出系にレーザダイオード等の高出
力の光源が必要となり、その結果使用波長が限定されて
しまい、例えばその波長での試料９の反射率が低いとき
には焦点検出精度が低下してくるという問題点が生じて
くる。

【００１５】本発明は照明系からの照明光束と焦点検出
系からの検出光束双方の光束の対物系の瞳面上への入射
領域を適切に設定することにより、焦点検出系の光電変
換素子（ＣＣＤ）面上には検出光束のみが入射するよう
にし、焦点検出系に高ＮＡの光学系や高出力の光源を用
いなくても高精度な焦点検出が可能な顕微鏡や顕微分光
装置等に好適な焦点検出手段を有した観察装置の提供を
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の焦点検出手段を
有した観察装置は、照明系からの照明光束を対物系を介
して被検面に照射し、該被検面からの反射光を該対物系
を介して結像系により所定面上に導光して、該被検面を
観察する際、焦点検出系からの検出光束を該対物系の瞳
面上の該照明光束が通過しない領域を通過させて該被検
面に入射させ、該被検面からの反射光を用いて該被検面
に対する該対物系の合焦状態を検出したことを特徴とし
ている。

【００１７】この他本発明の焦点検出手段を有した観察
装置は、照明系からの照明光束を対物系を介して被検面
に照射し、該被検面からの反射光を該対物系を介して結
像系により所定面上に導光して、該被検面を観察すると
共に焦点検出系からの検出光束を該対物系を介して該被
検面に入射させ、該被検面からの反射光を光電変換素子
で受光し、該光電変換素子からの信号を利用して該被検
面に対する該対物系の合焦状態を検出する際、焦点検出
系からの検出光束を該対物系の瞳面上の該照明光束が通
過しない領域を通過させて該被検面に入射させ、該対物
系の瞳面との共役面に該照明光束による該被検面からの
正反射光と該検出光束による該被検面からの反射光とを
空間的に分離する分離手段を設け、該分離手段を利用し
て該検出光束を該光電変換素子に導光していることを特
徴としている。

【００１８】

【実施例】図１は本発明を顕微分光装置に適用したとき
の実施例１の要部概略図である。本実施例では照明系に
より試料（物体）９を照明する各要素の構成は図６の従
来の顕微分光装置と基本的に同じである。

【００１９】本実施例の構成を図６の顕微分光装置での
説明と一部重複するが順次説明する。まず照明系につい
て説明する。

【００２０】白色の光源１から出た光束２１は第１コン
デンサーレンズ２により集光され、開口周辺部に反射面
３ａを設けた光束の分割手段としての開口絞り３の面に
結像される。さらに、視野絞り４を通過し、第２コンデ
ンサーレンズ５により、ハーフミラー６を介して、対物
系としての対物レンズ８の瞳（絞り）７の中央領域の位
置に再結像される。そして対物レンズ８を介して試料９
を照明している。同図では光源１の像が無限遠に結像さ
れる所謂ケーラー照明が構成されている。

【００２１】対物レンズ（８）は試料側がテレセントリ
ック（射出テレセン）な系であり、絞り（７）はレンズ
（８）の分光器（１４，１３）側の焦点位置におかれ、
この絞り（７）の開口に光源（１）の像が投影される。

【００２２】図１中における光束２１が照明光束を示
し、瞳面７での軸上及び最軸外の光束のみ示している。
試料９上の照明範囲は視野絞り４の内径により決まる。
又瞳面７での照明光束径は開口絞り３の内径により決ま
る。

【００２３】図３は瞳面７の光束の状態を示している。
本実施例においては図３に示す様に照明光束径３２は瞳
径３１よりも後述する焦点検出用の検出光束１９が瞳面
７の周辺領域の検出光束径３３に入射できる程度に小さ
くなるように設定している。

【００２４】このように瞳面７上で照明光束２１と焦点
検出用の検出光束を分離させて後述するように試料９か
ら反射した照明光束が焦点検出系の光検出器１８に入射
しないようにしている。

【００２５】この他、観察における解像力の向上、及び
照明の際の試料の傾きを低減させることを目標として行
われる。試料９からの反射光束２２は最終的には試料９
と光学的に共役位置におかれたピンホール１３に入射す
る。即ちそのピンホール１３の試料９面上への逆投影像
の中に相当する位置から反射してくる光束のみが、順に
ハーフミラー６、観察系としての結像レンズ１０、ビー
ムスプリッター１１そしてピンホール１３を介して分光
器１４へと導光される。これにより試料９の分光特性が
測定される。又ビームスプリッター１１を透過した光は
ＴＶカメラ１２上に結像され、試料の観察の為に用いら
れる。

【００２６】次に焦点検出系について説明する。１５は
焦点検出系の光源（ＡＦ光源）である。ＡＦ光源１５か
らの光束（以下「検出光束」又は「ＡＦ光束」とい
う。）はコンデンサーレンズ１６により集光し、開口周
辺部に反射面３ａを有した開口絞り３の反射面３ａに斜
入射し、反射した後視野絞り面４の光軸付近に結像され
る。さらに第２コンデンサーレンズ５、ハーフミラー
６、対物レンズ８を介して、試料９上に再結像される。
この際、対物レンズ８の瞳面７で、図３に示した様に瞳
径３１の中心部の照明光束用の領域３２は瞳径３１よ
り、一般に小さく、周辺部は照明光束は通らない。この
周辺部の領域３３にＡＦ光束１９が通過するようにＡＦ
光源１５、コンデンサーレンズ１６を配置する。

【００２７】試料９からの反射光束２０は対物レンズ８
の瞳面７上で図３に示すように光軸８ａに対して領域３
３と対称な領域３４を通過する。そしてハーフミラー
６、第２コンデンサーレンズ５を介して視野絞り面４に
結像する。その後開口絞り３の反射面３ａで反射し、レ
ンズ１７によりＣＣＤ等から成る光電変換素子（センサ
ー）１８面上に集光する。

【００２８】センサー（１８）からの出力を用いて、試
料（９）の表面が対物レンズ（８）の焦点位置にくるよ
うに試料（９）をレンズ（８）の光軸方向に動かして焦
点検出を行なう。これは不図示の可動試料台、試料台駆
動装置、制御器により行なわれる。

【００２９】本実施例においては瞳面７と光学的に共役
位置の開口絞り３の位置において図３に示すように照明
光束２２と検出光束１９，２０とが領域３２と領域３３
又は領域３４の如く空間的に分離するようにしている。
これにより試料９で反射した照明光束は開口絞り３の反
射面３ａには入射しないようにしている。この為センサ
ー１８に入射する光束がＡＦ光源１５から出た光束の反
射光のみとなるようにし、照明光束２１に基づく光束は
入射しないようにしている。

【００３０】尚、本実施例においては光源１５として、
波長が異なる光を発する複数個のＬＥＤを用意してお
き、試料（９）面での反射率がよいものを選択して用い
ている。又、光源（１）からの光束に含まれる波長と同
じ波長の光を発するＬＥＤをＬＥＤ（１５）として用い
ても良く、波長が可変な光を発する光源（レーザ）をＬ
ＥＤ（１５）の代りに用いても良い。又光電変換素子
（１８）はＣＣＤ以外にも、ＰＳＤ（ポジション・セン
シティブ・ディテクター）や２分割センサー等を用いて
も良い。

【００３１】図４はこのときセンサ−１８から得られる
出力信号の模式図である。図４に示すようにセンサー１
８で得られる信号には図８で示した照明光束であるバッ
クライトに基づく信号は存在しなく検出光束に基づく信
号４１，４２，４３のみとなる。

【００３２】対物レンズ８と試料９とが合焦状態にある
場合の信号４１を示し、図４（Ａ）、（Ｃ）は対物レン
ズ８が試料９の下方又は上方のフォーカスしている場合
の信号４２，４３を示している。

【００３３】本実施例ではバックライトがセンサーに入
射しない為、ＡＦ光源１５として特に高出力のレーザダ
イオード（Ｌ・Ｄ）に限られず、例えばＬＥＤ等も使用
可能で、又波長の選択性が広がり、局所的にある波長で
反射率が低下した試料のときでも高精度の焦点検出が可
能となる。又高ＮＡ比のコンデンサーレンズを用いる必
要もなく、組立調整が容易となる等の特長を有してい
る。

【００３４】図２は本発明を顕微分光装置に適用した実
施例２の要部概略図である。本実施例では焦点検出系の
各要素が図１の実施例１と異っており、照明系等その他
の構成は同じである。

【００３５】同図において２０２はＡＦ光源、２０３は
コリメーターレンズ、２０４はミラー、２０９は結像レ
ンズ、２１０はＡＦ光束のみを透過させる為の開口部を
有した光束の分離手段としてのストッパー、２０５はコ
ンデンサーレンズ、２０６はバンドパスフィルター、２
０７はＣＣＤ等のセンサーである。

【００３６】ＡＦ光源２０２からの光束１９はコリメー
ターレンズ２０３により略平行光束となり、ミラー２０
４とハーフミラー２０８で反射され、ハーフミラー６と
対物レンズ８を通過して試料９へ投光され、その面上に
スポットを結像する。その後試料９からの反射光２０は
瞳面７上では投光時とは光軸８ａに対して対称な位置を
通り、ハーフミラー６を通過した後、ハーフミラー２０
８で反射し、結像レンズ２０９に入射する。

【００３７】そして結像レンズ２０９を通過し、瞳面７
と略共役位置に配置したストッパー２１０に導光され
る。このストッパー２１０においては瞳面７と同様に照
明光束とＡＦ光束は空間的に分離され入射している。

【００３８】ストッパー５は図５に示すようにＡＦ光束
２０の通過領域５２のみに開口部が設けられており、照
明光束の入射領域５３は遮光部となっている。尚図５に
おいて８ａは光軸である。

【００３９】ストッパー２１０の開口部５２を通過した
ＡＦ光束はバンドパスフィルター２０６を通過し、セン
サー２０７に入射する。これにより本実施例ではセンサ
ー２０７に入射する光束がＡＦ光束のみとなるようにし
照明光束は入射しないようにしている。この為センサー
２０７で得られる信号はバックライトに基づく信号が存
在しなく例えば図４と同様の信号となる。これにより図
１の実施例１と同様の効果を得ている。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く、照明系から
の照明光束と焦点検出系からの検出光束の双方の光束の
対物系の瞳面上への入射領域を適切に設定することによ
り、焦点検出系の光電変換素子（ＣＣＤ）面上には検出
光束のみが入射するようにし、焦点検出系に高ＮＡの光
学系や高出力の光源を用いなくても高精度な焦点検出が
可能な顕微鏡や顕微分光装置等に好適な焦点検出手段を
有した観察装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を顕微分光装置に適用したときの実施
例１の要部概略図

【図２】 本発明を顕微分光装置に適用したときの実施
例２の要部概略図

【図３】 図１の対物系の瞳面の光束の説明図

【図４】 図１の光電変換素子から得られる信号の模式
図

【図５】 図２のストッパーに入射する光束の説明図

【図６】 従来の顕微分光装置の要部概略図

【図７】 図６の対物レンズの瞳面の光束の説明図

【図８】 図６の光電変換素子から得られる信号の模式
図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 第１コンデンサーレンズ ３ 開口絞り（分離手段） ４ 視野絞り ５ 第２コンデンサーレンズ ６ ハーフミラー ７ 瞳面 ８ 対物系 １０ 結像系 １１ ハーフミラー １２ テレビカメラ １３ ピンホール １４ 分光器 １５，２０２ ＡＦ光源 １６，２０３ コンデンサーレンズ １７ レンズ １８，２０７ 光電変換素子 １９ 検出光束 ２１ 照明光束 ２１０ ストッパー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明系からの照明光束を対物系を介して
   被検面に照射し、該被検面からの反射光を該対物系を介
   して結像系により所定面上に導光して、該被検面を観察
   する際、焦点検出系からの検出光束を該対物系の瞳面上
   の該照明光束が通過しない領域を通過させて該被検面に
   入射させ、該被検面からの反射光を用いて該被検面に対
   する該対物系の合焦状態を検出したことを特徴とする焦
   点検出手段を有した観察装置。
2. 【請求項２】 照明系からの照明光束を対物系を介して
   被検面に照射し、該被検面からの反射光を該対物系を介
   して結像系により所定面上に導光して、該被検面を観察
   すると共に焦点検出系からの検出光束を該対物系を介し
   て該被検面に入射させ、該被検面からの反射光を光電変
   換素子で受光し、該光電変換素子からの信号を利用して
   該被検面に対する該対物系の合焦状態を検出する際、焦
   点検出系からの検出光束を該対物系の瞳面上の該照明光
   束が通過しない領域を通過させて該被検面に入射させ、
   該対物系の瞳面との共役面に該照明光束による該被検面
   からの正反射光と該検出光束による該被検面からの反射
   光とを空間的に分離する分離手段を設け、該分離手段を
   利用して該検出光束を該光電変換素子に導光しているこ
   とを特徴とする焦点検出手段を有した観察装置。
3. 【請求項３】 前記照明光束は前記対物系の瞳面の中央
   領域を通過し、前記検出光束は該対物系の瞳面の周辺領
   域を通過していることを特徴とする請求項１又は２の焦
   点検出手段を有した観察装置。
4. 【請求項４】 前記照明系中の前記対物系の瞳面と共役
   な位置に開口周辺部に反射面を設けた開口絞りを配置
   し、前記焦点検出系からの検出光束を該開口絞りの反射
   面を介して該対物系に導光していることを特徴とする請
   求項１又は２の焦点検出手段を有した観察装置。