JPH0637375Y2 - オートフォーカス装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、試料からの反射光を受光素子で受光して、試
料の焦点面を検出するオートフォーカス装置に関するも
のであり、例えば顕微鏡のオートフォーカス装置として
利用可能なものである。

（従来の技術） 従来のオートフォーカス装置の代表的な方式の一つとし
て、試料の像をカメラの撮像面に結像させるための撮像
光学系を構成し、焦点面においては像の明部と暗部との
差即ちコントラストが最大となることを利用して、カメ
ラの映像信号からコントラストが最大となる位置を合焦
位置として検出するコントラスト法が知られている。

従来のオートフォーカス装置の別の方式として、参照光
を用い、試料からの反射光量から合焦点を検出する参照
光方式が知られている。第８図はこの参照光方式の例を
示すもので、光源41と集光レンズ42を有してなる照明光
学系40からの反射光はハーフミラー43により反射される
と共に対物レンズ44を介して試料45に対して照射され
る。上記集光レンズ42による集光点と対物レンズ44の焦
点位置とが一致しており、試料45に照射される照明光が
平行光束となって試料45が均一に照明される。試料45か
らの反射光は対物レンズ44とハーフミラー43を通り、撮
像体46の撮像面上に試料45の像が結ばれる。対物レンズ
44を含む光学系は顕微鏡光学系を構成している。ハーフ
ミラー43と撮像体46との間にはハーフミラー54が配置さ
れている。ハーフミラー54には参照光源50からの参照光
が投光用光ファイバ47と投受光レンズ53を介して導か
れ、この参照光が上記顕微鏡光学系に導かれて試料45に
照射される。試料45による参照光の反射光は上記顕微鏡
光学系を逆に戻り、ハーフミラー54で反射光と透過光に
二分割され、反射光はレンズ53と受光用ファイバ48を介
して受光素子51に導かれる。受光素子51の検出信号は試
料45からの反射光の光量に対応しており、この検出信号
から合焦情報信号を得ることができる。なお、ハーフミ
ラー54と撮像体46との間には接眼レンズ56を通じて試料
45の像を観察するためのハーフミラー55が配置されてい
る。

（考案が解決しようとする課題） 従来のコントラスト法によるオートフォーカス装置によ
れば、合焦の情報信号を読み込むことができる速度は映
像信号が読み込まれる速度であって映像信号の読み込み
速度より速くすることはできず、高速処理を行うことは
できない。また、現在の位置から合焦点がどちらの方に
あるのか判断し難いという問題もある。

従来の参照光を利用するオートフォーカス装置によれ
ば、顕微鏡光学系等の結像光学系に、照明光学系とは別
にレンズや光ファイバや受光素子等でなるセンサを取り
つける必要があり、このセンサ部分の占めるコストが高
く、かつ、センサ部分の占有空間が大きいため、全体の
コストが高く、また、大型化するという問題がある。さ
らに、参照光を結像光学系の光軸上に導くためのハーフ
ミラーによって画像の劣化をまねくという問題がある。

本考案は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、合焦、非合焦の情報をリアルタイムで得
ることができると共に情報の処理を迅速に行うことがで
きるようにし、また、低コストで小型化が可能なオート
フォーカス装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本考案は、結像光学系中に置かれた試料に光を当てる照
明光学系と、上記試料からの反射光を一対の受光素子で
受光して上記試料の焦点面を検出する受光光学系とを有
してなるオートフォーカス装置において、上記結像光学
系の光路中に配置され、上記反射光を二分割する第１の
ビームスプリッタと、上記第１のビームスプリッタによ
って二分割された上記反射光のうち、上記受光光学系に
向かう反射光の光軸上に配置され、この反射光を二分割
する分割光学系と、上記第１のビームスプリッタと上記
分割光学系ととの間であって、上記照明光学系の光軸と
交わる位置に配置され、照明光を上記第１のビームスプ
リッタを介して上記結像光学系に導く第２のビームスプ
リッタとを有し、上記一対の受光素子を、上記分割光学
系で分割された二つの光路上に、結像点の前方と後方と
に分けてそれぞれ配置し、入射光量に応じた上記二つの
受光素子の出力で合焦点を求めることを特徴とする。

（作用） 照明光学系からの照明光はビームスプリッタを介して試
料に照射される。試料からの反射光は照明光学系側に戻
り、上記ビームスプリッタによって二分割される。二分
割された上記反射光の一方の反射光は分割光学系によっ
てさらに二分され、二分されたそれぞれの光路上に配置
された受光素子に導かれる。二つの受光素子は結像点の
手前と結像点より遠くに配置されているため、二つの受
光素子の出力差によって試料の焦点面が検出される。

（実施例） 以下、第１図乃至第７図を参照しながら本考案に係るオ
ートフォーカス装置の実施例について説明する。

第１図において、符号１は照明光学系を、２は例えば顕
微鏡の結像光学系を、３は受光光学系をそれぞれ示す。
照明光学系１は照明光源11とこの照明光源11からの照明
光を一定の直径の光束に収束させる集光レンズ系12を有
してなる。照明光学系１の光軸13上にはビームスプリッ
タとしてのハーフミラー５が斜設されている。

上記結像光学系２は、試料24の像を結ばせるための対物
レンズ22と、この対物レンズ22による試料24の像の結像
位置に撮像面が配置されたカメラ27を有し、また、対物
レンズ22とカメラ27との間にビームスプリッタとしての
ハーフミラー21が斜設されている。上記照明光学系１か
らの照明光は上記ハーフミラー５で反射され、かつ、ハ
ーフミラー21で反射されて結像光学系２に導入される。
照明光学系１のレンズ12による集光点23上に対物レンズ
22の焦点位置があり、もって、対物レンズ22を通過した
照明光が平行光束となり、試料24を均一に照明する。対
物レンズ22による試料24の像の結像点25はカメラ27の撮
像面上にあり、この撮像面上に試料24の像26を結ぶ。

上記ハーフミラー５は受光光学系３の一部を兼ねてい
る。このハーフミラー５は、対物レンズ22、ハーフミラ
ー21を介して照明光学系１側に戻る試料24からの反射光
を透過光と反射光に二分割し、二分割された一方の光で
ある透過光を受光光学系３に、他方の光である反射光を
照明光学系１に導く。ハーフミラー21を透過した光の光
軸36上にはこの光を中心位置からさらに二分割して両側
方に反射させる直角プリズム31が配置されている。この
直角プリズム31による双方の反射光路上に前記結像点25
と共役な結像点32,33があり、これらの結像点32,33にも
試料24の像34,35が結ばれる。また、直角プリズム31に
よる双方の反射光路上にそれぞれ上記試料24からの反射
光を受光して試料24の焦点面を検出するための受光素子
3a,3bが配置されている。ただし、一方の受光素子3aは
結像点32の手前に配置してあるのに対し、他方の受光素
子3bは結像点33よりも遠くに配置してある。なお、直角
プリズム31は光を二分する分割光学系を構成している。
直角プリズム31に代えて二つのハーフミラーを用いても
差支えない。

ここで、対物レンズ22から第１の受光素子3aまでに至る
光路長をＡ、対物レンズ22から第２の受光素子3bまでに
至る光路長をＢ、対物レンズ22から同対物レンズ22によ
る結像点25までに至る光路長をＣとしたとき、 Ａ＜Ｃ＜Ｂ （Ｃ−Ａ）＝（Ｂ−Ｃ） の条件を満足するように配置する。例えば、本実施例で
は、（Ｃ−Ａ）と（Ｂ−Ｃ）を１〜5mmの範囲に設定し
たが、これに限定されるものではない。

次に、上記実施例の動作を説明する。

照明光学系１からの照明光はビームスプリッタとしての
ハーフミラー５と今一つのハーフミラー21で反射されて
結像光学系２に導入され、対物レンズ22を経て試料24に
対して当てられる。試料24からの反射光は対物レンズ22
を通ったあとハーフミラー21で二分割され、ハーフミラ
ー21を透過した光はカメラ27の撮像面上に像26として結
ばれる。一方、ハーフミラー21で反射された光はさらに
ハーフミラー５で透過光と反射光に二分割される。二分
割された一方の光である透過光は直角プリズム31の二つ
の反射面により光軸36を中心として二分され、それぞれ
結像位置32,33において試料24の像34,35が結ばれると共
に、二つの受光素子3a,3bに入射される。

ここで、二つの受光素子3a,3bの位置は前述の如き条件
のもとに設定されているため、対物レンズ22と試料24と
の距離に対して受光素子3a,3bに入る光の量は第３図、
第４図に示すように変化する。第３図は対物レンズ22が
試料24に対して合焦した場合を示しており、受光素子3
a,3bの位置の中心位置を最大値として受光素子3a,3bへ
の入射光量は対称に変化し、受光素子3a,3bの入射光量
が等しくなる。これに対して第４図は試料24の位置が対
物レンズ22の焦点位置からずれている場合、即ち非合焦
の場合における各受光素子3a,3bへの入射光量の変化を
示すもので、受光素子3aと受光素子3bとでは光量の差Ｘ
を生じる。そこで、二つの受光素子3a,3bの出力を常時
比較しながらこの二つの受光素子3a,3bに入射する光量
の差を監視すれば、合焦状態にあるか非合焦状態にある
か、そして、非合焦の場合は合焦位置までの方向がどち
らの方向であるかが判る。

第２図は上記二つの受光素子3a,3bの出力に基づいて合
焦位置を検出する回路の例を示す。第２図において、受
光素子3aの出力は差動アンプ６の＋側の入力端子に、受
光素子3bの出力は差動アンプ６の−側の入力端子に入力
される。従って、受光素子3aの出力が受光素子3bの出力
より大きいときは差動アンプ６の出力は＋となり、受光
素子3aの出力より受光素子3bの出力が大きいときは差動
アンプ６の出力は−となる。対物レンズ22と試料24との
間の距離に対する上記差動アンプ６の出力の変化の関係
を示したのが第５図であり、合焦点を中心にして対物レ
ンズ22と試料24との間の距離が前後に変化すると、差動
アンプ６の出力が直線的に、かつ、合焦点を０として正
方向又は負方向に変化する。差動アンプ６の出力はウイ
ンドコンパレータ７の＋側の入力端子に入力される。ウ
インドコンパレータ７の−側の入力端子にはレベル調整
用可変抵抗Raによって一定レベルの参照電圧が入力され
る。また、コンパレータ７の−入力端子と出力端子との
間にはコンパレータ７の０レベルの出力幅を調整するた
めの可変抵抗Rbが接続されている。ウインドコンパレー
タ７は、周知のように入力レベルが所定の範囲内にある
とき出力を０レベルとし、入力レベルが上記所定の範囲
以下のときは出力をマイナスとし、入力レベルが上記所
定の範囲以上のときは出力をプラスとする。このウイン
ドコンパレータ７の出力を示したのが第６図であり、こ
こでは、コンパレータ７への入力を対物レンズ22と試料
24との間の距離情報に置き換えてある。第６図において
出力レベルが0Vのときは合焦状態である。この出力レベ
ルが0Vの幅Ｗは第２図における抵抗Rbの値によって決定
されるものであり、この値は主として対物レンズ22の被
写界深度に合わせて設定される。コンパレータ７の出力
は駆動回路８に入力される。駆動回路８は、例えば対物
レンズ22あるいは顕微鏡を載せたステージあるいは試料
24を載せたステージなどを結像光学系の光軸に沿って移
動させる回路として構成する。駆動回路８は、コンパレ
ータ７の出力が0Vのときは駆動を停止して合焦状態を維
持し、コンパレータ７の出力が＋のときは同コンパレー
タ７の出力が0Vとなる向きに駆動し、コンパレータ７の
出力が−のときは同コンパレータ７の出力が0Vとなる向
き即ち逆向きに駆動する。このように回路構成すること
により、自動的に常に合焦位置に制御することができ
る。

このように、以上述べた実施例によれば、照明光学系へ
の照明光の戻り光を利用して試料の焦点面を検出するよ
うにしたため、カメラの映像信号を用いることなく焦点
検出が可能であり、従来のコントラスト方式に比べて処
理の高速化を図ることができる。また、従来の参照光方
式のように参照光源や光ファイバ等を別に設ける必要も
ないため、コストの低廉化を図ることができると共に、
構造が簡単で小型化を図ることもできる。さらに、戻っ
てきた反射光をプリズム31で二分割して２個の受光素子
3a,3bで受光し、双方の出力差から合焦位置を検出する
ようにしたため、照明光の変動を無視することができ、
精度の良い検出が可能である。また、合焦位置とその方
向の情報を同時に得ることができるため、リアルタイム
のフォーカシングが可能である。

なお、第２図における駆動回路８はステッピングモータ
を用いた駆動でもよいしDCサーボモータを用いた駆動で
もよく、さらに、ピエゾ素子による微動装置を用いた駆
動であってもよい。

また、受光光学系では必ずしも試料からの戻り光を二分
割する必要はなく、例えば第７図に示すようにビームス
プリッタ５で二分割された戻り光の一方の光軸上に集光
レンズ37と受光素子38を配置してもよい。受光素子38は
光軸に沿って往復移動可能であり、しかも、この移動範
囲は、集光レンズ37による試料の結像点39を中心として
前後に往復移動可能に構成されている。第７図に示す例
では、受光素子38が結像点39の位置にあるとき出力が最
大となり、結像点39を中心として受光素子38が前後にず
れると出力が低下するので、受光素子38の出力が最大と
なる位置を中心とする所定の範囲を合焦位置として検出
する。

なお、第１図におけるハーフミラー21の代わりに、中心
部に透孔を形成した全反射ミラーを用い、試料24からの
戻り光の中心部を透過させ、戻り光の周辺部を照明光学
系及び受光光学系側に反射させるようにしてもよい。

本考案にかかるオートフォーカス装置は、顕微鏡光学系
以外にも、結像光学系を有するあらゆる光学機器に適用
可能である。

（考案の効果） 本考案によれば、照明光学系への照明光の戻り光を利用
して試料の焦点面を検出するようにしたため、カメラの
映像信号を用いることなく焦点検出が可能であり、従来
のコントラスト方式に比べて処理の高速化を図ることが
できる。さらに、照明光学系側に戻ってきた反射光を分
割光学系で二分割し、この二分割された光を結像点の前
後に配置された二つの受光素子でそれぞれ受光し、双方
の受光素子の出力差から合焦位置を検出するようにした
ため、照明光の変動を無視することができ、精度のよい
焦点検出が可能であると共に、合焦位置とその方向の情
報を同時に得ることができるため、リアルタイムのフォ
ーカシングが可能である。また、従来の参照光方式のよ
うに参照光源や光ファイバ等を別に設ける必要もないた
め、コストの低廉化を図ることができると共に、構造が
簡単で小型化を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るオートフォーカス装置の一実施例
を示す光学配置図、第２図は同上実施例に適用可能な合
焦位置検出回路の例を示すブロック図、第３図は上記実
施例における合焦状態での受光素子の出力レベルを示す
線図、第４図は同じく非合焦状態での受光素子の出力レ
ベルを示す線図、第５図は第２図における差動アンプの
出力を示す線図、第６図は同じく第２図におけるウイン
ドコンパレータの出力を示す線図、第７図は本考案に係
るオートフォーカス装置の受光光学系部分の変形例を示
す光学配置図、第８図は従来のオートフォーカス装置の
例を示す光学配置図である。 １……照明光学系、３……受光光学系 ５……ビームスプリッタ、24……試料 3a,3b,38……受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−235808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−239116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−106253（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−156933（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−143708（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】結像光学系中に置かれた試料に光を当てる
   照明光学系と、上記試料からの反射光を一対の受光素子
   で受光して上記試料の焦点面を検出する受光光学系とを
   有してなるオートフォーカス装置において、 上記結像光学系の光路中に配置され、上記反射光を二分
   割する第１のビームスプリッタと、 上記第１のビームスプリッタによって二分割された上記
   反射光のうち、上記受光光学系に向かう反射光の光軸上
   に配置され、この反射光を二分割する分割光学系と、 上記第１のビームスプリッタと上記分割光学系との間で
   あって、上記照明光学系の光軸と交わる位置に配置さ
   れ、照明光を上記第１のビームスプリッタを介して上記
   結像光学系に導く第２のビームスプリッタと、を有し 上記一対の受光素子を、上記分割光学系で分割された二
   つの光路上に、結像点の前方と後方とに分けてそれぞれ
   配置し、入射光量に応じた上記二つの受光素子の出力で
   合焦点を求めることを特徴とするオートフォーカス装
   置。