JPH07174962A - 自動焦点調節装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 合焦調節を正確かつ迅速に行うとともに、対
物レンズの変倍に応じて速やかに合焦させるようにす
る。 【構成】 投影光学系Ｘの投影マスク９に楕円形又は長
方形をなすピンホール１０を形成し、かつ試料面１ａか
らの反射光を受光するセンサ１９、２０、２２、２３を
結像される楕円形又は長方形反射光の長軸と直交する方
向に光電素子を配列したラインセンサとしたことによ
り、ピンホール像が長軸及び短軸いずれの方向にずれて
結像されても、センサに対する反射光の光強度のばらつ
きは極く僅かとなるため、センサよりの出力値に大きな
誤差が生じることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば顕微鏡等に用い
られる自動焦点調節装置に係わり、特に、高精度でかつ
迅速な合焦を可能とした自動焦点調節装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の自動焦点調節装置として
は、三角測量方式、スプリット方式、コントラスト比較
方式などがある。しかし、これらの方式は、いずれも高
い合焦精度が得られず、かつ合焦速度も遅いという問題
を有している。

【０００３】近年これらに代るものとして、例えば特開
平２ー１９０８０８号公報に開示されているように、被
観察体又は観察試料面に照射光を与え、その反射光をセ
ンサにより受光して合焦するようにしたものが提案され
ている。

【０００４】この従来の自動焦点調節装置の具体的構成
は、試料に対して位置決めをする対物レンズと、試料を
対物レンズを通して観察するための観察光学系と、対物
レンズが合焦点位置にあるときに同心円状の複数個の円
環パターンを有する環パターンを前記試料上に結像させ
るパターン投影光学系と、前記観察光学系と投影光学系
とを切換える１組のシャッタおよび半透明鏡と、対物レ
ンズからの反射光を２分割する第２の半透明鏡と、第２
の半透明鏡で２分割した前記対物レンズからの反射光の
それぞれを結像する、光学的に等距離に配設した２組の
結像系と対物レンズの前ピン位置での前記結像系の一方
の結像系の結像位置に設けた、前記パターン投影光学系
の環パターンよりも太い幅の複数個の円環パターンを有
する前ピン用パターンマスクと、前ピン用パターンマス
クの透過光を受光する第１の光電変換器と、対物レンズ
の後ピン位置での前記結像系の他方の結像系の結像位置
に設けた、前記前ピン用パターンマスクと同じ円環パタ
ーンを有する後ピン用マスクと、後ピン用マスクの透過
光を受光する第２の光電変換器と、第１の光電変換器と
第２の光電変換器の出力を入力してその差を求める差分
器を、差分器からの出力信号によって試料を対物レンズ
の合焦点位置に位置決めするために駆動する駆動回路と
を備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の焦点調
節装置のように、被観察体である試料に照射光を与える
投影光学系のパターンの形状を、図４に示すように円環
形とし、かつ試料からの戻りの反射光を透過させて光電
変換器（エリアセンサ）に結像させるパターンマスク
も、図５に示すように円環形としてあると、例えば、試
料からの戻り光の反射率が乱反射等によりばらついた
り、反射光を透過させるパターンマスクの位置精度が僅
かでもずれたりした際等に、光学的収差が生じ、図５の
想像線示のように、パターンマスクａと反射光ｂとが同
心とならず、半径方向にずれて結像される恐れがある。

【０００６】このようになると、光電変換器に対する光
量分布が一様でなくなり、光強度等のばらつきにより、
光電変換器からの出力信号に歪が生じ、正確かつ迅速な
合焦調節ができなくなる。

【０００７】また、従来の装置は、１対の光電変換器
（センサ）のみにより合焦調節を行うようにしているた
め、対物レンズを変倍したときのダイナミックレンジを
広くできず、焦点合せに時間がかかるという問題もあ
る。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、投影光学系よりの照射光を特殊形状とす
ることにより、試料面からの反射光がセンサに多少ずれ
て結像されても正確かつ迅速に合焦しうるようにすると
ともに、対物レンズの倍率に応じた速やかな合焦調節を
可能とした自動焦点調節装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は試料台上の物体を対物レンズを通して観察
する観察光学系と、試料面を投影マスクを透過した透過
光により照射し、試料面に所定形状の像を結像させる投
影光学系と、前記試料面に結像された像の反射光を受光
するとともに、その結像基準点の前方及び後方にぞれぞ
れ配置することにより、前ピン及び後ピン信号を出力す
る１対のセンサを有する焦点検出用光学系と、各センサ
からの出力信号を処理し、前記試料台又は対物レンズを
合焦位置に移動する制御手段とを備える自動焦点調節装
置において、前記投影マスクに略楕円形又は長方形をな
すピンホールを形成するとともに、各センサを、前記ピ
ンホールを透過して結像される略楕円形又は長方形反射
光の長軸と直交する方向に光電素子を配列したラインセ
ンサとしたことを特徴とするものである。

【００１０】前記焦点検出光学系に、対物レンズの倍率
に応じた１対ずつのセンサを複数個設けるのが好まし
い。この際、各センサを、高倍率の対物レンズほど結像
基準点に近付くように設置するのがよい。

【００１１】

【作用】投影光学系の投影マスクにほぼ楕円形又は長方
形をなすピンホールを形成し、かつ試料面の反射光を受
光するセンサを、結像させる楕円形反射光又は長方形の
長軸と直交する方向に光電素子を配列したラインセンサ
としたことにより、ピンホール像が長軸又は短軸方向に
ずれて結像されても、センサに対する反射光の光強度の
ばらつきは極く僅かとなるため、センサよりの出力値に
大きな誤差が生じることはない。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１３】図１は、本発明を顕微鏡に適用した例を示
すもので、１は試料台、２は試料台１の試料面１ａに対
して結像又は合焦させる対物レンズ、３はリレーレン
ズ、４はリレーレンズの上方にほぼ４５度傾斜させて設
けられたダイクロイックミラー、５は試料投影面であ
る。なお、対物レンズ２、リレーレンズ３、ダイクロイ
ックミラー４により観察光学系を構成している。

【００１４】ダイクロイックミラー４の右方（以下方向
は図についていう）の光軸上には、レーザ光源６とコリ
メータレンズ７と、リレーレンズ８と、投影マスク９と
からなる投影光学系Ｘが配設されている。

【００１５】投影マスク９には、図２（ａ）に拡大して
示すように、縦長楕円形もしくは長円のピンホール１
０、または図２（ｂ）の拡大して示すように、長方形の
ピンホール１０が形成されており、かつ対物レンズ２が
試料面１ａに対し合焦状態にあるとき、試料面１ａと共
役をなす位置に配置されている。

【００１６】レーザ光源６は、レーザ光照射用電源１１
に、またレーザ光照射用電源１１は、光量調節回路１２
にそれぞれ接続されている。

【００１７】Ｙは、焦点検出用光学系を示し、ダイクロ
イックミラー４と投影マスク９間の光軸上には、ハーフ
ミラー１３が配置されている。

【００１８】合焦時において、試料面１ａより反射され
た焦点検出用の像は、ハーフミラー１３により反射され
て、試料面１ａとほぼ共役な点１４に結像される。１５
は点１４に結蔵した像を全反射する反射ミラーで、ハー
フミラー１３の上方を向く反射光路上に配置されてい
る。

【００１９】反射ミラー１５の光軸上には、結像レンズ
１６が設けられ、これによる結像光束は、ハーフミラー
１７を介して、低倍率レンズ用焦点検出部Ｌと高倍率レ
ンズ用焦点検出部Ｈとに導かれる。

【００２０】低倍率レンズ用焦点検出部Ｌはハーフミラ
ー１７の透過光路に設けたハーフミラー１８と１対のラ
インセンサ１９、２０とからなり、また高倍率レンズ用
焦点検出部Ｈは、ハーフミラー１７の反射光路に設けら
れたハーフミラー２１と１対のラインセンサ２２、２３
とからなっている。

【００２１】各検出部Ｌ、Ｈにおける点Ａと点Ａ’及び
点Ｂ点Ｂ’は、結像の基準点で、それらの点同士は光学
的に等価である。

【００２２】各検出部Ｌ、Ｈにおける一方のラインセン
サ１９、２２は点Ａ及び点Ｂの後方にそれぞれ配置さ
れ、後ピン状態を検出する。同じく検出部Ｌ、Ｈの他方
のラインセンサ２０、２３は点Ａ’及び点Ｂ’の前方に
それぞれ配置され、前ピン状態を検出する。

【００２３】なお、高倍率レンズ用検出部Ｈの各ライン
センサ２２、２３は低倍率用センサ１９、２０に比し
て、結像の基準点Ｂ、Ｂ’に近い位置に設けてある。

【００２４】ラインセンサ１９と２０及び２２と２３
は、それぞれ合焦時において試料面１ａとほぼ共役の位
置関係にあり、ほぼ同じ大きさの像が結像されるように
設定されている。

【００２５】なお、ラインセンサ１９、２０、２２、２
３は、図３に示すように多数の光電素子（例えばフォト
ダイオード）２４を、結像される投影マスク９の楕円形
又は長方形をなすピンホール像２５の長軸の中心を直交
する方向を向いてシリコン基板２６上に直線状に配列し
て構成されている。

【００２６】各ラインセンサ１９、２０、２２、２３か
らの出力信号は、入力回路２７に発信されたのち、演算
回路２８、比較回路２９を経て試料台移動回路３０に入
力され、これにより発せされる制御信号に基づいて、試
料台１を昇降させる。

【００２７】入力回路２７には、対物レンズ２を変倍し
た際、低倍率レンズ用焦点検出部Ｌと高倍率用レンズ用
焦点検出部Ｈのいずれか一方の出力信号を選択して入力
するための切換スイッチ（図示略）が設けられている。

【００２８】次に、上記実施例の作用を説明する。

【００２９】レーザ光源６より発せられたレーザ光束
は、投影マスク９のピンホール１０を透過し、ハーフミ
ラー１３、ダイクロイックミラー４を介してリレーレン
ズ３に入射し、対物レンズ２により試料面１ａに楕円形
又は長方形状に結像される。

【００３０】試料面１ａからの戻りの反射光、すなわち
焦点検出用の楕円形のピンホール像は、再び対物レンズ
２及びリレーレンズ３を通過し、ダイクロイックミラー
４により全反射されたのち、ハーフミラー１３により反
射され、点１４において結像される。点１４に結像され
た像は、反射ミラー１５により、全反射されて結像レン
ズ１６に入射し、ハーフミラー１７と透過した一方の結
像光束は、低倍率レンズ用焦点検出部Ｌに、またハーフ
ミラー１７により反射された他方の結像光束はそれぞれ
ハーフミラー１８及び２１を介して合焦時試料面１ａと
共役関係にある各ラインセンサ１９、２０、２２、２３
上にほぼ同じ大きさで結像される。

【００３１】次に、焦点合せの制御例について説明す
る。

【００３２】なお、対物レンズ２を低倍率レンズとし、
低倍率レンズ用焦点検出部Ｌを用いた際の焦点合せにつ
いて説明する。

【００３３】試料面１ａが合焦位置（図１の状態）より
上下、すなわち前ピン位置と後ピン位置にずれると、各
ラインセンサ１９及び２０に結像されるピンホール１０
の像の大きさが変化し、（前ピンは拡大、後ピンは縮小
する）、各ラインセンサ１９、２０は、光量（光強度）
に応じた出力信号を入力回路２７に発信する。

【００３４】入力回路２７に入力された２つの信号の出
力差を演算回路２８が演算して、その演算結果と、予め
インプットしておいた合焦時の値とを比較回路２９が比
較し、その出力信号を試料台移動回路３０に入力し、出
力差が０となるまで、すなわち各ラインセンサ１９、２
０に結像されるピンホール１０の像の大きさがほぼ等し
くなるまで、試料台１を上下動させる。

【００３５】これにより、対物レンズ２に対する試料面
１ａを自動的に合焦させることができる。なお、上記入
力回路２７、演算回路２８、比較回路２９、試料台移動
回路３０により制御手段を構成している。

【００３６】対物レンズ２を高倍率のものと交換した際
は、高倍率レンズ用焦点検出部Ｈ側から入力回路２７に
出力信号が入力されるように切換えればよい。

【００３７】対物レンズ２を高倍率とすると、焦点深度
が浅くなるため、ピンホール１０の像の大きさが大とな
ってひずみやノイズが生じ易くなり、低倍率レンズに比
して合焦精度が低下するが、上記実施例のように、各ラ
インセンサ２２、２３を結像の基準点Ｂ、Ｂ’に近い位
置に設けることにより、合焦精度の低下を抑えることが
できる。

【００３８】なお、レーザ光源６よりの光量を、光量調
節回路１２により適正に調節し、各ラインセンサ１９、
２０、２２、２３上に結像されるピンホール像の輝度値
を対物レンズ２の倍率に応じて最適に設定すれば、ダイ
ナミックレンジをより広く取ることができる。

【００３９】投影マスク９のピンホール１０を楕円形又
は長方形とし、かつ各ラインセンサ１９、２０、２２、
２３を結像されるピンホール像の長軸の中心と直交する
方向に配列すると、図３に示すように、各ラインセンサ
等、結像系の位置精度にばらつきが生じたり、光学的収
差が発生したりして、ピンホール像２５がラインセンサ
１９等のずれた位置（図示想像線）に結像されたとして
も、合焦精度に大きく影響を及ぼすことはない。

【００４０】即ち、ピンホール像２５が上下（長軸）方
向に若干ずれて結像されても、各ラインセンサは曲率の
大きい楕円の長径の中間部又は長方形の長辺の中間部に
位置しているため、光電素子２４に対する反射光の光強
度のばらつきは極く僅かとなり、従って、出力値に大き
な誤差が生じることがない。

【００４１】一方、ピンホール像２５が左右（短軸）方
向にずれて結像された際は、単に光センサに対する照射
位置が左右に移動するだけなので、光電素子２４の検出
範囲内のずれであれば、出力値に誤差が生じることはな
い。

【００４２】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、種々の態様をとり得る。

【００４３】例えば、実施例では、対物レンズ２の倍率
に応じて、低倍率レンズ用焦点検出部Ｌと高倍率レンズ
用焦点検出部Ｈとを２個設けたが、図１の想像線で示す
ように、超高倍率レンズ用焦点検出部Ｓを別途設けるこ
ともできる。

【００４４】すなわち、ハーフミラー１７及び１８間の
光路上に、別のハーフミラー３１を傾斜方向を反対向き
として設け、その反射光路上に配置したハーフミラー３
２を介して、上述をと同様の１対のラインセンサ３３、
３４を、試料面１ａと共役をなすように設ける。

【００４５】この際、ラインセンサ３３、３４の、結像
の基準点Ｃ、Ｃ’に対する距離は、上記高倍率レンズ用
よりもさらに接近させ、合焦精度が低下するのを防止す
る。

【００４６】また、試料面１ａ上に載置した物体を照明
する照明光学系を設けてもよい。

【００４７】実施例では、試料台１を昇降させて合焦調
節を行うようにしたが、対物レンズ２側を昇降させるよ
うにしてもよい。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果を奏する。

【００４９】（ａ）試料面より反射される楕円形又は長
方形反射光を、その長軸を直交するラインセンサが受光
するようにしたことにより、反射光がラインセンサ上に
多少ずれて結像されても、センサよりの出力値に大きな
誤差が生じることはなく、従って、正確かつ迅速な合焦
が可能となる。

【００５０】（ｂ）顕微鏡システムとして対物レンズの
倍率に応じたセンサを複数設け、かつセンサ位置と結像
基準点とを倍率に適した距離に設定すると、対物レンズ
を変倍した際でも、合焦調節が容易となるとともに、合
焦精度を高めることができる。

【００５１】（ｃ）投影光学系の光源の光量を調節する
光量調節回路を設けると、センサ上に結像される像の輝
度値を対物レンズの倍率に応じて最適に設定することが
でき、その結果、合焦精度が高まる。

【００５２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を顕微鏡に適用した例を示す正面図であ
る。

【図２】投影マスクの縦断面図である。

【図３】ラインセンサとそれに結像されるピンホール像
との関係を示す説明図である。

【図４】従来の投影パターンを示す縦断面図である。

【図５】同じく投影パターンのパターンマスク上への結
像例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 試料台 １ａ 試
料面 ２ 対物レンズ ３ リ
レーレンズ ４ ダイクロイックミラー ５ 試
料投影面 ６ レーザ光源 ７ コ
リメータレンズ ８ リレーレンズ ９ 投
影マスク １０ ピンホール １３、１７ ハーフミラー １８、２１
ハーフミラー ３１、３２ ハーフミラー １４ 点 １５
反射ミラー １６ 結像レンズ １９、２０ ラインセンサ ２２、２３
ラインセンサ ３３、３４ ラインセンサ ２４ 光電素子 ２５
ピンホール像 ２６ シリコン基板 Ｈ 高倍率レンズ用焦点検出部 Ｌ 低倍率レンズ用焦点検出部 Ｓ 超高倍率レンズ用焦点検出部 Ｘ 投影光学系 Ｙ 焦点検出用光学系

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料台上の物体を対物レンズを通して観
   察する観察光学系と、試料面を投影マスクを透過した透
   過光により照射し、試料面に所定形状の像を結像させる
   投影光学系と、前記試料面に結像された像の反射光を受
   光するとともに、その結像基準点の前方及び後方にぞれ
   ぞれ配置することにより、前ピン及び後ピン信号を出力
   する１対のセンサを有する焦点検出用光学系と、各セン
   サからの出力信号を処理し、前記試料台又は対物レンズ
   を合焦位置に移動する制御手段とを備える自動焦点調節
   装置において、 前記投影マスクに略楕円形又は長方形をなすピンホール
   を形成するとともに、各センサを、前記ピンホールを透
   過して結像される略楕円形又は長方形反射光の長軸と直
   交する方向に光電素子を配列したラインセンサとしたこ
   とを特徴とする自動焦点調節装置。
2. 【請求項２】 焦点検出用光学系に、対物レンズの倍率
   に応じた１対ずつのセンサを複数設けたことを特徴とす
   る請求項１記載の自動焦点調節装置。
3. 【請求項３】 各センサを、高倍率の対物レンズほど結
   像基準点に近付くように設置するようにした請求項２記
   載の自動焦点調節装置。
4. 【請求項４】 投影光学系の光源がレーザ光で、かつ光
   量調節回路を備えている請求項１〜３のいずれかに記載
   の自動焦点調節装置。
5. 【請求項５】 ラインセンサにおける光電素子が略楕円
   形又は長方形反射光の長軸の中心を直交する方向に配列
   されている請求項１〜４のいずれかに記載の自動焦点調
   節装置。