JPH09133856A - Automatic focus detecting device for microscope - Google Patents

Automatic focus detecting device for microscope

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Publication number
JPH09133856A
JPH09133856A JP7314782A JP31478295A JPH09133856A JP H09133856 A JPH09133856 A JP H09133856A JP 7314782 A JP7314782 A JP 7314782A JP 31478295 A JP31478295 A JP 31478295A JP H09133856 A JPH09133856 A JP H09133856A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
image
pattern
ring
circular ring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP7314782A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Aoki
洋 青木
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP7314782A priority Critical patent/JPH09133856A/en
Publication of JPH09133856A publication Critical patent/JPH09133856A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Automatic Focus Adjustment (AREA)
  • Focusing (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a focusing position where the influence of surface properties of the surface of a body is small by limiting the width of a beam in a polygonal ring shape, a beam in a circular ring shape and either one beam on straight lines in mutually different directions by a limiting member. SOLUTION: Illumination light from a light source 3 lights up a slit plate 8 through a condenser lens and the beam in the circular ring shape having passed through its circulary ring-shaped aperture part 8a has its width limited by a light shield plate 10 almost to a half, so that the formed ring-shaped pattern is projected on the body surface 2. Then this light after being reflected by the body surface 2 is imaged and the image is photodetected by a photodetecting element. Further, an arithmetic part 13 calculates the radius of the ring-shaped pattern image from the radial light quantity distribution of the image according to the output signal of the photodetecting element 12, finds the direction of defocusing by regarding the calculated radius as the reference radius of a ring-shaped pattern image in the focusing state, and outputs a signal indicating the direction of defocusing.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、落射照明型顕微
鏡に用いられる顕微鏡用自動焦点検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microscope automatic focus detection device used in an epi-illumination microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の顕微鏡用自動焦点検出装置として
は、例えば図23に示すものが知られている(米国特許
第3721827号公報、特開昭60ー118814号
公報)。この自動焦点検出装置は、焦点検出のためのパ
ターン(細長い直線状のスリット光)を半透過鏡100
及び対物レンズ103を介して物体面101上に投影す
る投影光学系と、物体面101の像を対物レンズ103
及び半透過鏡100を介して結像する結像光学系と、こ
の結像光学系の結像位置に設けられ、物体面101で反
射された前記パターンの像を受光して、その位置を検出
できる受光素子108とを備えている。投影光学系に
は、光源102からの照明光(不可視光)のみを通すス
リット状の開口部を有するスリット板106が設けられ
ている。このスリット板106は、投影光学系中の対物
レンズ103及びコンデンサレンズ105に関し、合焦
時に物体面101と共役となる位置に設けられている。
また、投影光学系には、スリット板106のスリット状
の開口部を通過した細長い直線状のスリット光の幅を半
分に制限する遮光板107が対物レンズ103の瞳位置
近傍に設けられている。
2. Description of the Related Art As a conventional automatic focus detecting device for a microscope, for example, one shown in FIG. 23 is known (US Pat. No. 3,721,827, JP-A-60-118814). In this automatic focus detection device, a semi-transparent mirror 100 is provided with a pattern (elongated linear slit light) for focus detection.
And a projection optical system for projecting onto the object plane 101 via the objective lens 103, and an image of the object plane 101.
And an image forming optical system for forming an image through the semi-transmissive mirror 100, and an image of the pattern provided at the image forming position of the image forming optical system and reflected by the object plane 101 is received to detect the position. And a light receiving element 108 that can be used. The projection optical system is provided with a slit plate 106 having a slit-shaped opening through which only the illumination light (invisible light) from the light source 102 passes. The slit plate 106 is provided at a position that is conjugate with the object plane 101 when focusing, with respect to the objective lens 103 and the condenser lens 105 in the projection optical system.
Further, in the projection optical system, a light shielding plate 107 that limits the width of the elongated linear slit light passing through the slit-shaped opening of the slit plate 106 to half is provided near the pupil position of the objective lens 103.

【0003】光源102からの照明光は、不図示の集光
レンズによってスリット板106を照明する。スリット
板106から出たスリット光は、遮光板107によりそ
の幅を半分に制限された後半透過鏡100で反射され、
さらに、対物レンズ103により物体面101に結像す
る。この物体面101で反射されたスリット光は、再び
対物レンズ103を通り、半透過鏡100を透過して集
光レンズ104により受光素子108に結像する。
Illumination light from the light source 102 illuminates the slit plate 106 with a condenser lens (not shown). The slit light emitted from the slit plate 106 is reflected by the second-half transmission mirror 100 whose width is limited to half by the light shielding plate 107,
Further, an image is formed on the object plane 101 by the objective lens 103. The slit light reflected by the object plane 101 passes through the objective lens 103 again, passes through the semi-transmissive mirror 100, and forms an image on the light receiving element 108 by the condenser lens 104.

【0004】図23は、物体面101が合焦位置にあ
り、スリット光が受光素子108上に結像し、受光素子
108の中心にスリット光が結像している合焦状態を示
している。図24は、物体面101が合焦位置より上に
あり、スリット光が受光素子108の後方に結像し、受
光素子108の左半分にスリット光が到達している前ピ
ン状態を示している。図25は、物体面101が合焦位
置より下にあり、スリット光が受光素子108の前方に
結像し、受光素子108の右半分にスリット光が到達し
ている後ピン状態を示している。なお、図23〜図25
において、スリット板106から物体面10までの光束
を右上がりの斜線で、物体面101から受光素子108
までの光束を左上がりの斜線でそれぞれ示している。
FIG. 23 shows a focused state in which the object plane 101 is at the in-focus position, the slit light is imaged on the light receiving element 108, and the slit light is imaged at the center of the light receiving element 108. . FIG. 24 shows a front focus state in which the object plane 101 is above the focus position, the slit light is imaged behind the light receiving element 108, and the slit light reaches the left half of the light receiving element 108. . FIG. 25 shows a rear focus state in which the object plane 101 is below the in-focus position, the slit light is imaged in front of the light receiving element 108, and the slit light reaches the right half of the light receiving element 108. . 23 to 25
, The light flux from the slit plate 106 to the object plane 10 is drawn from the object plane 101 to the light receiving element 108 with a diagonal line rising to the right.
The luminous fluxes up to are shown by diagonal lines rising to the left.

【0005】上記従来の自動焦点検出装置は、物体面1
01が図23に示す合焦位置から対物レンズ103の光
軸方向にずれると、このずれに応じてスリット光がその
長手方向と直交する方向に受光素子108上でその中心
からずれるので、この位置ずれの方向を受光素子108
の出力信号から検出して合焦するようになっている。
The above-described conventional automatic focus detection device is provided with the object plane 1
When 01 shifts from the in-focus position shown in FIG. 23 in the optical axis direction of the objective lens 103, the slit light shifts from the center on the light receiving element 108 in the direction orthogonal to the longitudinal direction according to this shift. The light receiving element 108
Is detected from the output signal of and the focus is achieved.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の顕微鏡用自
動焦点検出装置では、鏡面のように光強度分布の差や段
差が小さい物体面に対しては合焦精度がよい。ところ
が、物体面に投影されるスリット光は細長い矩形でスリ
ット光に方向性があるために、物体面が下記のようなパ
ターンを有する場合、合焦位置が、物体面の表面性状
(物体面にあるパターンの段差や明暗差、ゴミや傷の付
き具合など)による影響を受けてピントがぼけてしまっ
たり、あるいは、パターン移動に対し不安定になってし
まい、安定した精度の高い合焦位置を検出することがで
きないという問題がある。この問題について、図26〜
図32に基づいて説明する。図26、28、29及び3
1で符号109は物体面101上での視野を示してい
る。図27及び図30は物体の一部の断面を示してい
る。図32は物体面上のパターンにスリット光が投影さ
れている様子を示している。
In the above-described conventional automatic focus detection device for a microscope, focusing accuracy is good for an object surface such as a mirror surface having a small difference in light intensity distribution or a small step. However, since the slit light projected on the object plane is an elongated rectangular shape and the slit light has directionality, when the object plane has the following pattern, the focus position is determined by the surface texture of the object plane (on the object plane). The focus may be out of focus due to the influence of the level difference of a certain pattern, the difference in brightness, the degree of dust or scratches, etc., or the pattern may become unstable, resulting in a stable and highly accurate focus position. There is a problem that it cannot be detected. 26-
It will be described with reference to FIG. 26, 28, 29 and 3
In FIG. 1, reference numeral 109 indicates a field of view on the object plane 101. 27 and 30 show partial cross sections of the object. FIG. 32 shows how slit light is projected on a pattern on the object plane.

【0007】(1)(段差の大きいパターン) 物体面101が段差の大きいパターンA、B(図26、
27参照)を有し、スリット光110が図26に示すよ
うな位置関係でパターンA、Bの両方にわたって投影さ
れた場合、パターンA、Bをスリット光110に対し図
26の矢印方向へ移動させると、合焦位置が徐々に変化
する。
(1) (Patterns with large steps) Patterns A and B on the object surface 101 with large steps (FIG. 26,
26) and the slit light 110 is projected over both patterns A and B in the positional relationship shown in FIG. 26, patterns A and B are moved in the arrow direction of FIG. Then, the focus position changes gradually.

【0008】これに対して、図28の実線で示すよう
に、スリット光110の長手方向とパターンBの一辺と
がほぼ平行になりかつスリット光110がパターンA、
Bの境界部に投影された場合、顕微鏡ステージの移動に
よりスリット光110とパターンA、Bとを相対的に図
の矢印方向に僅かに変位させただけで、合焦位置が大き
く変化してしまう。これによって、合焦位置が不安定に
なってしまうという問題があった。その理由は、スリッ
ト光110が物体面101で反射されて受光素子108
上に結像されるスリット像には、パターンAで反射され
た部分とパターンBで反射された部分とが含まれている
ために、前記僅かな変位によって両部分の比率(面積
比)が大きく変化し、受光素子108で受光されるスリ
ット像全体の光強度が大きく変化してしまうからであ
る。
On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 28, the longitudinal direction of the slit light 110 is substantially parallel to one side of the pattern B, and the slit light 110 has the pattern A,
When projected on the boundary portion of B, the focusing position is largely changed only by slightly displacing the slit light 110 and the patterns A and B relatively in the direction of the arrow in the figure by the movement of the microscope stage. . As a result, there is a problem that the in-focus position becomes unstable. The reason is that the slit light 110 is reflected by the object surface 101 and the light receiving element 108
Since the slit image formed on the upper part includes the part reflected by the pattern A and the part reflected by the pattern B, the ratio (area ratio) of both parts is large due to the slight displacement. This is because the light intensity of the entire slit image received by the light receiving element 108 changes significantly.

【0009】なお、図28の一点鎖線で示すようにスリ
ット光110がパターンA、B上に投影された場合に
は、受光素子108で受光されるスリット像全体の光強
度が前記僅かな変位によって大きく変化しないので、特
に問題ない。
When the slit light 110 is projected on the patterns A and B as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 28, the light intensity of the entire slit image received by the light receiving element 108 is reduced by the slight displacement. There is no problem because it does not change significantly.

【0010】(2)(繰り返しが多く方向性のあるパタ
ーン) 物体面101が、繰り返しが多くかつ方向性のあるパタ
ーン(例えば、図30に示すような規則的に並んだ多数
の溝からなるパターンC)を有する場合、図29の実線
で示すようにスリット光110の長手方向と溝の方向と
が一致するようにスリット光110がパターンC上に投
影されると、パターンCの各溝からの回折光の干渉によ
る影響によりオフセット信号が前記受光素子108から
の出力信号に含まれてしまい、そのオフセット信号の分
だけ合焦位置がずれてしまうという問題があった。な
お、スリット光110が図29の一点鎖線で示すように
投影された場合には、前記スリット像には、溝からの回
折光全体が含まれているので、前記僅かな変位によって
受光素子108で受光されるスリット像全体の光強度が
大きく変化したりせず、前記干渉による影響を受けな
い。
(2) (Pattern with a large number of repetitions and directionality) The object plane 101 has a pattern with a large number of repetitions and directionality (for example, a pattern composed of a number of regularly arranged grooves as shown in FIG. 30). C), when the slit light 110 is projected onto the pattern C so that the longitudinal direction of the slit light 110 and the direction of the groove coincide with each other as shown by the solid line in FIG. There is a problem that the offset signal is included in the output signal from the light receiving element 108 due to the influence of the interference of the diffracted light, and the focus position is displaced by the offset signal. When the slit light 110 is projected as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 29, the slit image includes the entire diffracted light from the groove. The light intensity of the entire received slit image does not change significantly and is not affected by the interference.

【0011】(3)(ゴミや傷の多いパターン) 物体面101のパターンに多くのゴミや傷があり、スリ
ット光110の一部がゴミや傷にあたった場合(図31
参照)、ピントを合わせたい面(例えばパターンBの
面)の合焦位置からずれた位置にピントが合ってしま
い、ピントを合わせたい面のピントがぼけてしまう。そ
の理由は、受光素子108で受光されるスリット像に
は、ゴミや傷パターンAで反射された部分が含まれてい
るために、ゴミや傷が明るいと、スリット像の光強度の
ピーク位置(合焦位置)が本来の合焦位置(パターンB
の合焦位置)からずれてしまうからである。
(3) (Pattern with lots of dust and scratches) When the pattern on the object surface 101 has lots of dust and scratches, and a part of the slit light 110 hits dust and scratches (FIG. 31).
However, the surface to be focused (for example, the surface of the pattern B) is out of focus and is out of focus, and the surface to be focused is out of focus. The reason is that the slit image received by the light receiving element 108 includes a portion reflected by the dust or scratch pattern A. Therefore, when the dust or scratch is bright, the peak position of the light intensity of the slit image ( Focus position is the original focus position (Pattern B)
This is because it is out of focus.

【0012】(4)(急傾斜のあるパターン) 物体面101が急傾斜したパターンDを有する場合(図
32参照)、スリット光110が同図の実線で示すよう
に投影された場合、スリット光110の両端部から反射
されて前記受光素子108で受光される光量が不足する
ために、合焦位置を検出できなかったり、合焦位置が不
安定になってしまうという問題があった。なお、スリッ
ト光110が図32の一点鎖線で示すように投影された
場合には、スリット光110の各部から同じ光量の光が
受光素子108で受光されるので、特に問題ない。
(4) (Pattern with steep slope) When the object plane 101 has the pattern D with steep slope (see FIG. 32), when the slit light 110 is projected as shown by the solid line in FIG. There is a problem that the focus position cannot be detected or the focus position becomes unstable because the amount of light reflected by both ends of 110 and received by the light receiving element 108 is insufficient. When the slit light 110 is projected as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 32, light of the same amount is received by the light receiving element 108 from each part of the slit light 110, so there is no particular problem.

【0013】(5)(低反射率のパターン) 物体面101が低反射率のパターンを有し、このパター
ンにスリット光110が投影された場合、そのパターン
からの反射光の光量が少なくなるため、前記受光素子1
08からの出力信号自体が小さく、しかもその信号全体
にノイズがのっている。そのため、S/N比が悪くて安
定した自動合焦を行なえず、さらには合焦位置の検出を
行なうことができないという問題があった。
(5) (Pattern with low reflectivity) When the object surface 101 has a pattern with low reflectivity and the slit light 110 is projected on this pattern, the amount of reflected light from the pattern decreases. , The light receiving element 1
The output signal itself from 08 is small, and the entire signal is noisy. Therefore, there is a problem that the S / N ratio is poor and stable automatic focusing cannot be performed, and furthermore, the focusing position cannot be detected.

【0014】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は物体面の表面性状による影響を受
けにくくして安定した精度の高い自動合焦を可能にした
顕微鏡用自動焦点検出装置を提供することである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its problem is that it is less affected by the surface texture of the object surface and enables stable and highly accurate automatic focusing. It is to provide a device.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め請求項1記載の発明に係る顕微鏡用自動焦点検出装置
は、焦点検出のためのパターンを光分割器を介して物体
面上に投影する投影光学系と、前記物体面の像を対物レ
ンズ及び前記光分割器を介して結像する結像光学系と、
この結像光学系の結像位置に設けられ、前記物体面で反
射された前記パターンの像を受光し、その受光位置に基
づき合焦位置を検出する検出手段とを備えた顕微鏡用自
動焦点検出装置において、前記パターンは、多角形のリ
ング状のビーム、円形のリング状のビーム及び互いに方
向の異なる2つ以上の直線状のビームのいずれか1つの
ビームを発生するビーム発生手段と、前記ビーム発生手
段からの前記ビームの幅を制限する光制限部材とにより
形成されることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, an automatic focus detection device for a microscope according to a first aspect of the present invention projects a focus detection pattern onto an object plane via an optical splitter. A projection optical system, and an imaging optical system that forms an image of the object plane through an objective lens and the light splitter,
Automatic focus detection for a microscope, which is provided at an image forming position of the image forming optical system, has a detecting means for receiving an image of the pattern reflected by the object surface, and detecting a focus position based on the light receiving position. In the apparatus, the pattern comprises a beam generating means for generating any one of a polygonal ring-shaped beam, a circular ring-shaped beam, and two or more linear beams whose directions are different from each other; And a light limiting member that limits the width of the beam from the generating means.

【0016】請求項2記載の発明に係る顕微鏡用自動焦
点検出装置は、前記ビーム発生手段は円形のリング状開
口部が形成されたスリット板と、前記開口部を通った円
形のリング状のビームの幅を制限する光制限部材とを有
し、前記検出手段は、前記スリット板と光制限部材とに
より形成された前記円形のリング状パターンの像を受光
する受光手段と、この受光手段からの出力に基づき前記
像の半径を複数の方向について求めるとともに、求めた
前記複数の半径に基づき合焦位置からの位置ずれの方向
を求める演算部とを有することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an automatic focus detecting device for a microscope, wherein the beam generating means has a slit plate having a circular ring-shaped opening, and a circular ring-shaped beam passing through the opening. And a light-restricting member that restricts the width of the light-receiving member, and the detection unit receives the image of the circular ring-shaped pattern formed by the slit plate and the light-restricting member; It is characterized by further comprising: an arithmetic unit that obtains the radius of the image in a plurality of directions based on the output, and that obtains a direction of positional deviation from the in-focus position based on the obtained plurality of radii.

【0017】請求項3記載の発明に係る顕微鏡用自動焦
点検出装置は、前記ビーム発生手段は円形のリング状の
ビームを発生する光源と前記リング状のビームの幅を制
限する光制限部材とを有し、前記検出手段は、前記光源
と前記光制限部材とにより形成された前記円形のリング
状パターンの像を受光する受光手段と、この受光手段か
らの出力に基づき前記像の内側領域の光量和とその外側
領域の光量和とを演算するとともに両光量和を比較し、
その比較結果に基づき合焦位置からの位置ずれの方向を
求める演算部とを有することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided an automatic focus detection device for a microscope, wherein the beam generating means includes a light source for generating a circular ring-shaped beam and a light limiting member for limiting the width of the ring-shaped beam. The detecting means has a light receiving means for receiving an image of the circular ring-shaped pattern formed by the light source and the light restricting member, and a light amount in an inner area of the image based on an output from the light receiving means. Compute the sum and the sum of the light amount of the outside area and compare the two sums of light amount,
And a calculation unit that determines the direction of displacement from the in-focus position based on the comparison result.

【0018】請求項4記載の発明に係る顕微鏡用自動焦
点検出装置は、前記検出手段は、受光した前記パターン
の像に基づき、前記物体面の凹凸の高さを演算するよう
に構成されていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an automatic focus detection device for a microscope, wherein the detection means is configured to calculate the height of the unevenness of the object surface based on the image of the received pattern. It is characterized by

【0019】請求項1記載の顕微鏡用自動焦点検出装置
では、ビーム発生手段が発生した多角形のリング状のビ
ーム、円形のリング状のビームが互いに方向の異なる2
つ以上の直線状のビームのいずれか1つのビームの幅が
光制限部材により制限され、これによって多角形のリン
グ状パターン、円形のリング状パターン及び互いに方向
の異なる2つ以上の直線状パターンのいずれか1つのパ
ターンが形成される。このパターンが物体面に投影され
る。このパターンの光は、物体面で反射された後、対物
レンズ及び光分割器を介して結像光学系により結像さ
れ、この結像されたパターン像が検出手段で受光され
る。このパターン像には、物体面の焦点位置を検出する
ためのデータで、方向の異なる複数の焦点検出用データ
が含まれている。そのため、前記パターン像に基づき合
焦状態を検出する検出手段による演算処理において、物
体面の表面性状(物体面にあるパターンの段差や明暗
差、ゴミや傷の付き具合など)による影響を受けた不要
なデータの除去や全てのデータの平均化などの処理を行
なうことにより、物体面の表面性状による影響の少ない
合焦位置の検出を行なうことができる。
In the automatic focus detection device for a microscope according to a first aspect of the present invention, the polygonal ring-shaped beam and the circular ring-shaped beam generated by the beam generating means have different directions.
The width of any one of the two or more linear beams is limited by the light restricting member, whereby a polygonal ring-shaped pattern, a circular ring-shaped pattern, and two or more linear patterns having different directions from each other are formed. Any one pattern is formed. This pattern is projected on the object plane. The light of this pattern is reflected by the object surface and then imaged by the imaging optical system via the objective lens and the light splitter, and the imaged pattern image is received by the detection means. This pattern image is data for detecting the focus position of the object plane, and includes a plurality of focus detection data in different directions. Therefore, in the arithmetic processing by the detection means for detecting the in-focus state based on the pattern image, it is affected by the surface texture of the object surface (the level difference of the pattern on the object surface, the difference in brightness, the degree of dust or scratches, etc.). By performing processing such as removal of unnecessary data and averaging of all data, it is possible to detect a focus position that is less affected by the surface texture of the object surface.

【0020】請求項2及び3記載の顕微鏡用自動焦点検
出装置では、円形のリング状パターンの光が物体面に投
影され、円形のリング状パターンの像が検出手段で受光
される。この円形のリング状パターンの像には、物体面
の合焦位置を検出するためのデータで、あらゆる方向の
焦点検出用データが含まれている。そのため、物体面の
表面性状による影響のより少ない合焦位置の検出を行な
うことができる。
In the microscope automatic focus detection device according to the second and third aspects, the light of the circular ring-shaped pattern is projected on the object plane, and the image of the circular ring-shaped pattern is received by the detection means. The image of this circular ring-shaped pattern is data for detecting the in-focus position of the object plane, and includes focus detection data in all directions. Therefore, it is possible to detect the in-focus position less affected by the surface texture of the object surface.

【0021】請求項4記載の顕微鏡用自動焦点検出装置
では、検出手段は、検出手段で受光したパターンの像に
基づき物体面の凹凸の高さを演算するので、物体面の形
状測定のための距離センサとして用いることができる。
In the automatic focus detecting device for a microscope according to the present invention, the detecting means calculates the height of the unevenness of the object surface based on the image of the pattern received by the detecting means. It can be used as a distance sensor.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0023】図1はこの発明の第1の実施形態に係る落
射照明型顕微鏡用自動焦点検出装置の概略構成を示して
いる。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an automatic focus detection device for an epi-illumination microscope according to a first embodiment of the present invention.

【0024】この自動焦点検出装置は、焦点検出のため
のパターン(円形のリング状パターン)を半透過鏡(光
分割器)1及び対物レンズ5を介して物体面2上に投影
する投影光学系4と、物体面2の像を対物レンズ5及び
半透過鏡1を介して集光レンズ6により結像する結像光
学系7と、この結像光学系7の結像位置に設けられ、物
体面101で反射された前記パターンの像を受光し、そ
の位置を検出できる受光素子12とを備えている。
This automatic focus detection device is a projection optical system for projecting a focus detection pattern (circular ring pattern) onto an object plane 2 via a semi-transmissive mirror (light splitter) 1 and an objective lens 5. 4, an image-forming optical system 7 for forming an image of the object plane 2 by the condenser lens 6 via the objective lens 5 and the semi-transmissive mirror 1, and an image-forming position of the image-forming optical system 7. The light receiving element 12 is provided which can receive the image of the pattern reflected by the surface 101 and detect its position.

【0025】投影光学系4には、光源3からの照明光
(不可視光)のみを通す円形のリング状開口部8aを有
するスリット板8が設けられている。このスリット板8
は、投影光学系4内の、対物レンズ5及びコンデンサレ
ンズ9に関し、合焦時に物体面2と共役となる位置に設
けられている。また、投影光学系4には、スリット板1
06の前記開口部8aを通過した円形のリング状ビーム
の幅をほぼ半分に制限する(そのビームの内側半分の幅
をカットする)遮光板(光制限部材)10が対物レンズ
5の瞳位置近傍に設けられている。この遮光板10は、
照明光を遮光する材質でできた円板である。
The projection optical system 4 is provided with a slit plate 8 having a circular ring-shaped opening 8a that allows only the illumination light (invisible light) from the light source 3 to pass therethrough. This slit plate 8
Is provided in the projection optical system 4 with respect to the objective lens 5 and the condenser lens 9 at a position that is conjugate with the object plane 2 when focused. Further, the projection optical system 4 includes a slit plate 1
The light shield plate (light restricting member) 10 that limits the width of the circular ring-shaped beam that has passed through the opening 8a of 06 to approximately half (cuts the width of the inner half of the beam) is near the pupil position of the objective lens 5. It is provided in. This shading plate 10
It is a disk made of a material that blocks the illumination light.

【0026】光源3からの照明光は、不図示の集光レン
ズによってスリット板8を照明する。スリット板8の開
口部8aを通過した円形のリング状ビームは、遮光板1
0によりその幅を半分に制限され、円形のリング状パー
タンが形成される。このパターンは半透過鏡1で反射さ
れ、さらに、対物レンズ5により物体面2に投影され
る。この物体面2で反射された円形のリング状パターン
の光は、再び対物レンズ5を通り、半透過鏡1を透過し
て集光レンズ6により受光素子12に結像する。
The illumination light from the light source 3 illuminates the slit plate 8 with a condenser lens (not shown). The circular ring-shaped beam that has passed through the opening 8 a of the slit plate 8 is shielded by the light shield plate 1.
The width is limited to half by 0, and a circular ring-shaped pattern is formed. This pattern is reflected by the semi-transmissive mirror 1 and is further projected onto the object plane 2 by the objective lens 5. The circular ring-shaped light reflected by the object plane 2 passes through the objective lens 5 again, passes through the semi-transmissive mirror 1, and is focused on the light receiving element 12 by the condenser lens 6.

【0027】図1中符号11a及び11bは、投影光学
系4及び結像光学系7にそれぞれ設けられた開口絞りで
ある。
Reference numerals 11a and 11b in FIG. 1 denote aperture stops provided in the projection optical system 4 and the imaging optical system 7, respectively.

【0028】前記受光素子12上には、物体面2に投影
され、この物体面2で反射される円形のリング状パター
ンの光が円形のリング状パターン像として結像するよう
になっている。
On the light receiving element 12, light of a circular ring pattern projected on the object plane 2 and reflected by the object plane 2 is formed as a circular ring pattern image.

【0029】さらに、自動焦点検出装置は、円形のリン
グ状パターン像を受光した受光素子12からの出力信号
に基づき合焦状態を検出するための演算処理を行なって
合焦位置からの位置ずれの方向を表す信号を出力する演
算部13と、演算部13からの出力信号に基づき物体面
2または対物レンズ5の一方を変位させて光軸方向にお
ける両者の相対位置を変化させる駆動部14とを備えて
いる。受光素子12と、演算部13と、駆動部14とに
より、結像光学系7の結像位置に設けられ、受光した円
形のリング状パターン像に基づき合焦状態を検出する検
出手段が構成されている。
Further, the automatic focus detection device performs arithmetic processing for detecting the in-focus state on the basis of the output signal from the light receiving element 12 which has received the circular ring-shaped pattern image, so that the positional deviation from the in-focus position is detected. A calculation unit 13 that outputs a signal indicating a direction and a drive unit 14 that displaces one of the object plane 2 and the objective lens 5 based on the output signal from the calculation unit 13 to change the relative position of the two in the optical axis direction. I have it. The light receiving element 12, the calculation unit 13, and the drive unit 14 constitute a detection unit which is provided at the image forming position of the image forming optical system 7 and detects the focus state based on the received circular ring-shaped pattern image. ing.

【0030】また、一実施形態に係る自動焦点検出装置
は、受光素子12の中心が結像光学系7の光軸と合致
し、かつ受光素子12の中心と円形のリング状パターン
像の中心とが合致するように構成されている。
Further, in the automatic focus detection apparatus according to one embodiment, the center of the light receiving element 12 coincides with the optical axis of the imaging optical system 7, and the center of the light receiving element 12 and the center of the circular ring-shaped pattern image are Are configured to match.

【0031】次に、上記構成を有する自動焦点検出装置
の動作を説明する。
Next, the operation of the automatic focus detection device having the above configuration will be described.

【0032】光源3からの照明光は、不図示の集光レン
ズによってスリット板8を照明する。スリット板8の円
形のリング状開口部8aを通過した円形のリング状ビー
ムは、その幅を遮光板10によりほぼ半分に制限され、
円形のリング状パターンが形成される。このパターン
は、コンデンサレンズ9、開口絞り11a、半透過鏡1
及び対物レンズ5を介して物体面2に投影される。この
円形のリング状パターンの光は、物体面2で反射された
後、対物レンズ5、半透過鏡1、開口絞り11b及び集
光レンズ6を介して結像され、この結像された円形のリ
ング状パターンの像(以下、単にリング状パターン像と
いう)が受光素子12で受光される。
Illumination light from the light source 3 illuminates the slit plate 8 with a condenser lens (not shown). The width of the circular ring-shaped beam that has passed through the circular ring-shaped opening 8a of the slit plate 8 is limited to approximately half by the light shielding plate 10,
A circular ring-shaped pattern is formed. This pattern includes a condenser lens 9, an aperture stop 11a, and a semitransparent mirror 1.
And projected onto the object plane 2 via the objective lens 5. The light of the circular ring-shaped pattern is reflected by the object plane 2 and then imaged through the objective lens 5, the semi-transmissive mirror 1, the aperture stop 11b and the condenser lens 6, and the imaged circular light is formed. An image of a ring-shaped pattern (hereinafter, simply referred to as a ring-shaped pattern image) is received by the light receiving element 12.

【0033】図1及び図4は、物体面2が合焦位置にあ
り、リング状パターン像が受光素子12上に結像してい
る合焦状態を示している。図7は、合焦状態において受
光素子12に受光されリング状パターン像20aを示し
ている。
1 and 4 show a focused state in which the object plane 2 is at the focused position and the ring-shaped pattern image is formed on the light receiving element 12. FIG. 7 shows the ring-shaped pattern image 20a received by the light receiving element 12 in the focused state.

【0034】図2及び図5は、物体面2が合焦位置より
上にあり、リング状パターン像が受光素子12の後方に
結像している前ピン状態を示している。図8は、前ピン
状態において受光素子12に受光されたリング状パター
ン像20bを示している。
FIGS. 2 and 5 show the front focus state in which the object plane 2 is above the focus position and the ring-shaped pattern image is formed behind the light receiving element 12. FIG. 8 shows the ring-shaped pattern image 20b received by the light receiving element 12 in the front focus state.

【0035】図3及び図6は、物体面2が合焦位置より
下にあり、リング状パターン像が受光素子12の前方に
結像している後ピン状態を示している。図9は、後ピン
状態において受光素子12に受光されたリング状パター
ン像20cを示している。
FIGS. 3 and 6 show the rear focus state in which the object plane 2 is below the in-focus position and the ring-shaped pattern image is formed in front of the light receiving element 12. FIG. 9 shows the ring-shaped pattern image 20c received by the light receiving element 12 in the rear focus state.

【0036】図4〜図9から明らかなように、物体面2
が図1に示す合焦位置から対物レンズ5の光軸方向にず
れると、この位置ずれに応じて受光素子12に受光され
るリング状パターン像の大きさが変化する。図7に示す
合焦状態におけるリング状パターン像20aの大きさ
(半径ra)を基準にすると、図8に示す前ピン状態で
はリング状パターン像20aより小さい(半径rb<半
径ra)リング状パターン像20bが得られ。図9に示
す後ピン状態では、リング状パターン像20aより大き
い(半径rc>半径ra)リング状パターン像20cが
得られる。
As is apparent from FIGS. 4 to 9, the object plane 2
Is shifted in the optical axis direction of the objective lens 5 from the in-focus position shown in FIG. 1, the size of the ring-shaped pattern image received by the light receiving element 12 changes in accordance with this positional shift. With reference to the size (radius ra) of the ring-shaped pattern image 20a in the focused state shown in FIG. 7, the ring-shaped pattern is smaller than the ring-shaped pattern image 20a (radius rb <radius ra) in the front focus state shown in FIG. Image 20b is obtained. In the rear focus state shown in FIG. 9, a ring-shaped pattern image 20c larger than the ring-shaped pattern image 20a (radius rc> radius ra) is obtained.

【0037】演算部13は、受光素子12の出力信号に
基づき、リング状パターン像20a〜20cの半径を、
その像の半径方向の光量分布より画像演算処理により算
出するとともに、算出した半径を基準となる合焦状態に
おけるリング状パターン像20aの半径raと比較する
ことにより焦点ずれの方向を求め、焦点ずれの方向を表
す信号を出力する。
The calculation unit 13 calculates the radii of the ring-shaped pattern images 20a to 20c based on the output signal of the light receiving element 12.
The defocus direction is calculated by the image calculation processing from the light amount distribution in the radial direction of the image, and the defocus direction is obtained by comparing the calculated radius with the radius ra of the ring-shaped pattern image 20a in the in-focus state serving as a reference to defocus. It outputs a signal indicating the direction of.

【0038】図10は合焦状態におけるリング状パター
ン像20aの半径方向の光量分布を示している。リング
状パターン像20aの中心から光量重心20a′までの
距離が半径raである。図11は前ピン状態におけるリ
ング状パターン像20bの半径方向の光量分布を示して
いる。リング状パターン像20bの中心から光量重心2
0b′までの距離が半径rbである。図12は後ピン状
態におけるリング状パターン像20cの半径方向の光量
分布を示している。リング状パターン像20cの中心か
ら光量重心20c′までの距離が半径rcである。
FIG. 10 shows the light quantity distribution in the radial direction of the ring-shaped pattern image 20a in the focused state. The distance from the center of the ring-shaped pattern image 20a to the light quantity center of gravity 20a 'is the radius ra. FIG. 11 shows the light amount distribution in the radial direction of the ring-shaped pattern image 20b in the front focus state. The center of gravity of the light amount 2 from the center of the ring-shaped pattern image 20b
The distance to 0b 'is the radius rb. FIG. 12 shows the light amount distribution in the radial direction of the ring-shaped pattern image 20c in the rear focus state. The distance from the center of the ring-shaped pattern image 20c to the light amount center of gravity 20c 'is the radius rc.

【0039】受光素子12で受光されるリング状パター
ン像20a〜20cには、物体面2の合焦位置を検出す
るためのデータで、あらゆる方向の焦点検出用データが
含まれている。そのため、演算部13は、リング状パタ
ーン像20a〜20cを受光した受光素子12の出力信
号に基づく前記画像演算処理において、物体面2の表面
性状(物体面2にあるパターンの段差や明暗差、ゴミや
傷の付き具合など)による影響を受けた不要なデータの
除去やデータの平均化などの処理を行なって合焦位置か
らの位置ずれの方向を求め、この方向を表わす信号を駆
動部14へ出力する。
The ring-shaped pattern images 20a to 20c received by the light receiving element 12 include data for detecting the in-focus position of the object plane 2 and focus detection data in all directions. Therefore, in the image calculation processing based on the output signal of the light receiving element 12 that receives the ring-shaped pattern images 20a to 20c, the calculation unit 13 determines the surface texture of the object surface 2 (steps of the pattern on the object surface 2 and difference in brightness). The direction of displacement from the in-focus position is obtained by performing processing such as removal of unnecessary data affected by dust or scratches, averaging of data, and the like, and a signal indicating this direction is output to the drive unit 14 Output to.

【0040】すなわち、演算部13は、前記画像演算処
理において、リング状パターン像20a〜20cの半径
を複数の方向について求めるとともに、求めた複数のデ
ータ(リング状パターン像20a〜20cの半径)につ
いて、物体面2の表面性状による影響を受けた不要なデ
ータの除去や、データの平均化などの処理を行なって位
置ずれの方向を求め、この方向を表わす信号を駆動部1
4へ出力する。データの除去について具体的には、他の
方向のデータに対し差の大きいデータを一定の基準に従
って除去する。
That is, the arithmetic unit 13 obtains the radii of the ring-shaped pattern images 20a to 20c in a plurality of directions in the image arithmetic processing and obtains a plurality of obtained data (radii of the ring-shaped pattern images 20a to 20c). , The unnecessary data affected by the surface texture of the object surface 2 is removed, the data is averaged, and the like to determine the direction of the positional deviation.
Output to 4. Regarding data removal, specifically, data having a large difference from data in other directions is removed according to a certain standard.

【0041】駆動部14は、演算部13から出力される
位置ずれの方向を表す信号に基づき物体面2または対物
レンズ5の一方を変位させて光軸方向における両者の相
対位置を変化させる。これによって、物体面2の表面性
状による影響を受けにくく、安定した精度の高い自動合
焦を行なうことができる。この利点について、図13〜
図16に基づいて具体的に説明する。これらの図は、物
体面2上のパターンに円形のリング状パターンの光30
が投影されている様子を示している。図13〜図16に
おいて符号31は物体面2上での視野を示している。
The drive unit 14 displaces one of the object plane 2 and the objective lens 5 based on a signal indicating the direction of positional deviation output from the arithmetic unit 13 to change the relative position of the two in the optical axis direction. This makes it possible to perform stable and highly accurate automatic focusing without being easily affected by the surface texture of the object surface 2. About this advantage, FIG.
This will be specifically described with reference to FIG. These figures show that the light on the object plane 2 has a circular ring-shaped pattern.
Is projected. 13 to 16, reference numeral 31 indicates a field of view on the object plane 2.

【0042】(1)(段差の大きいパターン) 図13で示すように、物体面2が段差の大きいパターン
A、B(図27と同様にパターンAはパターンBより低
い)を有し、円形のリング状パターンの光30がパター
ンA、Bの両方にわたって投影された場合、演算部13
は、前記画像演算処理において、受光素子12で受光さ
れるリング状パターン像20a〜20cの半径を、円形
のリング状パターンの光30の複数の方向(図13の実
線及び破線矢印で示す方向)にそれぞれ対応する方向に
ついて求める。求めた複数の方向の焦点検出用データ
(半径)のうち、図13の破線で示す方向に対応するデ
ータは、図28の実線で示すスリット光110と同様
に、顕微鏡ステージ(図示略)の移動によりパターン
A、Bと円形のリング状パターンの光30とを相対的に
図13の矢印方向に僅かに変位させただけで、パターン
A、Bの段差や明暗差(反射率の差)による影響を受け
て合焦位置が大きくずれてしまうために不要なデータで
ある。
(1) (Pattern with a large step) As shown in FIG. 13, the object plane 2 has patterns A and B with a large step (the pattern A is lower than the pattern B as in FIG. 27) and has a circular shape. When the ring-shaped pattern of light 30 is projected over both patterns A and B, the calculation unit 13
In the image calculation process, the radius of the ring-shaped pattern images 20a to 20c received by the light receiving element 12 is set in a plurality of directions of the circular ring-shaped pattern light 30 (directions indicated by solid lines and broken line arrows in FIG. 13). The directions corresponding to are obtained. Of the focus detection data (radius) obtained in a plurality of directions, the data corresponding to the direction indicated by the broken line in FIG. 13 is the movement of the microscope stage (not shown) as in the slit light 110 indicated by the solid line in FIG. The patterns A and B and the circular ring-shaped pattern light 30 are slightly displaced relatively in the direction of the arrow in FIG. 13 due to the influence of the step or the difference in brightness between the patterns A and B (difference in reflectance). This is unnecessary data because the in-focus position largely shifts in response to this.

【0043】そこで、演算部13は、求めた複数の方向
の焦点検出用データ(半径)のうち、物体面2の表面性
状(ここではパターンA、Bの段差や明暗差)による影
響を受ける前記不要なデータを除去する処理を行なう。
これによって、物体面2の表面性状による影響の少ない
精度の高い合焦状態の検出を行なうことができる。
Therefore, the calculation unit 13 is affected by the surface texture of the object plane 2 (here, the step difference between the patterns A and B and the difference in brightness) among the obtained focus detection data (radius) in a plurality of directions. Perform processing to remove unnecessary data.
As a result, it is possible to detect an in-focus state with high accuracy that is less affected by the surface texture of the object surface 2.

【0044】(2)(繰り返しが多く方向性のあるパタ
ーン) 物体面2が、繰り返しが多くかつ方向性のあるパターン
(例えば、図30に示すような規則的に並んだ多数の溝
からなるパターンC)を有する場合(図14参照)、演
算部13は、前記画像演算処理において、受光素子12
で受光されるリング状パターン像20a〜20cの半径
を、円形のリング状パターンの光30の複数の方向(図
14の実線及び破線矢印で示す方向)にそれぞれ対応す
る方向について求める。求めた複数の方向の焦点検出用
データ(半径)のうち、図14の破線で示す方向に対応
するデータは、図29の実線で示すスリット光110と
同様に、パターンCの各溝からの回折光の干渉による影
響によるオフセット信号が受光素子12からの出力信号
に含まれてしまい、そのオフセット信号の分だけ合焦位
置がずれてしまうために不要なデータである。
(2) (Pattern with a large number of repetitions and directionality) The object plane 2 has a pattern with a large number of repetitions and directionality (for example, a pattern composed of a number of regularly arranged grooves as shown in FIG. 30). C) (see FIG. 14), the calculation unit 13 uses the light receiving element 12 in the image calculation process.
The radii of the ring-shaped pattern images 20a to 20c received at are obtained with respect to the respective directions corresponding to the plurality of directions of the light 30 of the circular ring-shaped pattern (directions indicated by solid lines and broken line arrows in FIG. 14). Of the focus detection data (radius) obtained in a plurality of directions, the data corresponding to the direction indicated by the broken line in FIG. 14 is the same as the slit light 110 indicated by the solid line in FIG. This is unnecessary data because an offset signal due to the influence of light interference is included in the output signal from the light receiving element 12, and the focus position shifts by the offset signal.

【0045】そこで、演算部13は、求めた複数の方向
の焦点検出用データ(半径)のうち、物体面2の表面性
状(ここでは規則的に並んだ多数の溝からなるパターン
C)による影響を受ける前記不要なデータを除去する処
理を行なう。これによって、物体面2の表面性状による
影響の少ない安定した合焦状態の検出を行なうことがで
きる。なお、前記不要なデータを除去する処理を行なう
代わりに、全てのデータを平均化する処理を行なっても
よい。
Therefore, the calculation unit 13 has an influence of the surface texture of the object plane 2 (here, the pattern C consisting of a number of regularly arranged grooves) in the obtained focus detection data (radius) in a plurality of directions. The process of removing the unnecessary data is performed. As a result, it is possible to detect a stable focused state that is less affected by the surface texture of the object surface 2. Instead of performing the process of removing the unnecessary data, a process of averaging all data may be performed.

【0046】(3)(ゴミや傷の多いパターン) 物体面2のパターンに多くのゴミや傷があり、円形のリ
ング状パターンの光30の一部がゴミ32や傷にあたっ
た場合(図15参照)、演算部13は、前記画像演算処
理において、受光素子12で受光されるリング状パター
ン像20a〜20cの半径を、円形のリング状パターン
の光30の複数の方向(図15の実線及び破線矢印で示
す方向)にそれぞれ対応する方向について求める。求め
た複数の方向の焦点検出用データのうち、図15の破線
で示す方向に対応するデータは、図31で示すスリット
光110と同様に、ゴミ32や傷による影響を受けて合
焦位置がずれてしまうために不要なデータである。
(3) (Pattern with lots of dust and scratches) When the pattern on the object surface 2 has lots of dust and scratches, and a part of the circular ring-shaped light 30 hits the dust 32 and scratches (Fig. 15), the calculation unit 13 sets the radii of the ring-shaped pattern images 20a to 20c received by the light-receiving element 12 in a plurality of directions of the circular ring-shaped light 30 in the image calculation processing (solid line in FIG. 15). And directions indicated by broken line arrows). Of the obtained focus detection data in a plurality of directions, the data corresponding to the direction indicated by the broken line in FIG. 15 has the focus position affected by dust 32 or scratches, as in the slit light 110 shown in FIG. It is unnecessary data because it is displaced.

【0047】そこで、演算部13は、求めた複数の方向
の焦点検出用データのうち、物体面2の表面性状(ここ
ではゴミや傷の付き具合)による影響を受ける前記不要
なデータを除去する処理を行なう。これによって、物体
面2の表面性状による影響の少ない精度の高い合焦状態
の検出を行なうことができる。
Therefore, the calculation unit 13 removes the unnecessary data affected by the surface texture (here, the degree of dust or scratches) of the object surface 2 from the obtained focus detection data in a plurality of directions. Perform processing. As a result, it is possible to detect an in-focus state with high accuracy that is less affected by the surface texture of the object surface 2.

【0048】なお、前記不要なデータを除去する処理を
行なう代わりに、全てのデータを平均化する処理を行な
ってもよい。
Instead of performing the process of removing the unnecessary data, a process of averaging all data may be performed.

【0049】(4)(急傾斜のあるパターン) 物体面2が急傾斜したパターンを有する場合(図32参
照)、演算部13は、前記画像演算処理において、受光
素子12で受光されるリング状パターン像20a〜20
cの半径を、円形のリング状パターンの光30の複数の
方向にそれぞれ対応する方向について求める。求めた複
数の方向の焦点検出用データのうち、図32の斜面に沿
った方向のデータは、同図の実線で示すスリット光11
0の場合と同様に、受光素子12で受光される光量が不
足するために、合焦位置を検出できなかったり合焦位置
が不安定になってしまうために不要なデータである。
(4) (Pattern with a steep slope) When the object plane 2 has a pattern with a steep slope (see FIG. 32), the calculation section 13 causes the light receiving element 12 to receive a ring shape in the image calculation processing. Pattern images 20a-20
The radius of c is calculated for each of the directions corresponding to the plurality of directions of the light 30 having the circular ring-shaped pattern. Of the obtained focus detection data in a plurality of directions, the data in the direction along the slope in FIG. 32 is the slit light 11 shown by the solid line in FIG.
As in the case of 0, this is unnecessary data because the focus position cannot be detected or the focus position becomes unstable because the amount of light received by the light receiving element 12 is insufficient.

【0050】そこで、演算部13は、求めた複数の方向
の焦点検出用データのうち、物体面2の表面性状(ここ
では急傾斜のあるパターン)による影響を受ける前記不
要なデータを除去する処理を行なう。これによって、物
体面2の表面性状による影響の少ない安定した合焦状態
の検出を行なうことができる。あるいは、この場合に
も、前記不要なデータを除去する処理を行なう代わり
に、全てのデータを平均化する処理を行なってもよい。
Therefore, the calculation unit 13 removes the unnecessary data, which is affected by the surface texture of the object plane 2 (here, a pattern having a steep slope), from the obtained focus detection data in a plurality of directions. Do. As a result, it is possible to detect a stable focused state that is less affected by the surface texture of the object surface 2. Alternatively, also in this case, instead of performing the process of removing the unnecessary data, a process of averaging all data may be performed.

【0051】(5)(低反射率のパターン) 物体面2が低反射率のパターンAを有し、このパターン
Aに円形のリング状パターンの光30が投影された場合
(図16参照)、演算部13は、前記画像演算処理にお
いて、受光素子12で受光されるリング状パターン像2
0a〜20cの半径を、円形のリング状パターンの光3
0の複数の方向(図16の実線矢印で示す方向)にそれ
ぞれ対応する方向について求めるとともに、求めた全て
の方向の焦点検出用データを積算し、その積算値を平均
する。これによって、各データに含まれるノイズが相殺
されてS/N比が良好になり、物体面2の表面性状(こ
こでは低反射率のパターン)による影響の少ない精度の
高い合焦状態の検出を行なうことができる。
(5) (Pattern of low reflectance) When the object plane 2 has the pattern A of low reflectance, and the light 30 having a circular ring pattern is projected on the pattern A (see FIG. 16), In the image calculation processing, the calculation unit 13 receives the ring-shaped pattern image 2 received by the light receiving element 12.
The radius of 0a to 20c, the light 3 of the circular ring pattern
The directions corresponding to a plurality of 0 directions (directions indicated by solid arrows in FIG. 16) are obtained, and the focus detection data in all the obtained directions are integrated, and the integrated values are averaged. As a result, the noise included in each data is canceled out, the S / N ratio is improved, and a highly accurate in-focus state detection that is less affected by the surface texture of the object surface 2 (here, a pattern with low reflectance) can be detected. Can be done.

【0052】このように、上記第1の実施形態によれ
ば、物体面2の表面性状による影響を受けにくく、安定
した精度の高い自動合焦を行なうことができる。
As described above, according to the first embodiment, it is possible to perform stable and highly accurate automatic focusing without being easily influenced by the surface texture of the object surface 2.

【0053】また、上記第1の実施形態によれば、顕微
鏡ステージを動かしたときに合焦位置が急激に変化した
りせず、回折光の干渉の影響によるオフセット信号が受
光素子12からの出力信号に含まれないため、精度の高
い合焦位置の検出を行なうことができ、かつ光量が十分
でS/N比の良い合焦位置の検出を行なうことができ
る。
Further, according to the first embodiment, when the microscope stage is moved, the focus position does not change abruptly, and the offset signal due to the influence of the interference of the diffracted light is output from the light receiving element 12. Since it is not included in the signal, it is possible to detect the in-focus position with high accuracy, and it is possible to detect the in-focus position with a sufficient light amount and a good S / N ratio.

【0054】次に、図17〜図22に基づいてこの発明
の第2の実施形態に係る落射照明型顕微鏡用自動焦点検
出装置を説明する。
Next, an automatic focus detection device for an epi-illumination type microscope according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0055】図17は、合焦状態において受光素子12
に受光されたリング状パターン像20aを示している。
図20は、図17に示す合焦状態におけるリング状パタ
ーン像20aの内側の領域41の光量和51と、その外
側の領域42の光量和52とを示している。
FIG. 17 shows the light receiving element 12 in the focused state.
The ring-shaped pattern image 20a received is shown in FIG.
FIG. 20 shows a light amount sum 51 of an inner region 41 and a light amount sum 52 of an outer region 42 of the ring-shaped pattern image 20a in the focused state shown in FIG.

【0056】図18は、前ピン状態において受光素子1
2に受光されたリング状パターン像20aを示してい
る。図21は、図18に示す前ピン状態におけるリング
状パターン像20bの内側の領域41の光量和51と、
その外側の領域42の光量和52とを示している。
FIG. 18 shows the light receiving element 1 in the front pin state.
2 shows the received ring-shaped pattern image 20a. FIG. 21 shows the sum 51 of the light amount of the area 41 inside the ring-shaped pattern image 20b in the front focus state shown in FIG.
The light intensity sum 52 of the area 42 outside thereof is shown.

【0057】図19は、後ピン状態において受光素子1
2に受光されたリング状パターン像20aを示してい
る。図22は、図19に示す後ピン状態におけるリング
状パターン像20cの内側の領域41の光量和51と、
その外側の領域42の光量和52とを示している。
FIG. 19 shows the light receiving element 1 in the rear pin state.
2 shows the received ring-shaped pattern image 20a. FIG. 22 shows the sum 51 of the light amount of the area 41 inside the ring-shaped pattern image 20c in the rear focus state shown in FIG.
The light intensity sum 52 of the area 42 outside thereof is shown.

【0058】図20〜図22から明らかなように、合焦
状態では(光量和51=光量和52)となり、前ピン状
態では(光量和51>光量和52)となり、後ピン状態
では(光量和51<光量和52)となる。
As is clear from FIGS. 20 to 22, in the focused state (light amount sum 51 = light amount sum 52), in the front focus state (light amount sum 51> light amount sum 52), in the rear focus state (light amount sum). The sum 51 <sum of light intensity 52).

【0059】そこで、この第2実施形態では、演算部1
3は、受光素子12で受光されたリング状パターン像2
0a〜20cの内側領域41の光量和51とその外側領
域42の光量和52とを演算するとともに、光量和51
と光量和52とを比較し、この比較結果に基づいて合焦
位置からの位置ずれの方向を求め、その方向を表す信号
を駆動部14へ出力するようになっている。
Therefore, in the second embodiment, the calculation unit 1
3 is a ring-shaped pattern image 2 received by the light receiving element 12.
The light amount sum 51 of the inner region 41 and the light amount sum 52 of the outer region 42 of 0a to 20c are calculated, and the light amount sum 51 is calculated.
And the light amount sum 52 are compared, the direction of the positional deviation from the in-focus position is obtained based on the comparison result, and a signal indicating the direction is output to the drive unit 14.

【0060】このように、この第2実施形態によれば、
物体面2の表面性状による影響を受けた不要なデータの
除去を行なわずに、リング状パターン像20a〜20c
の内側領域41の光量和51とその外側領域42の光量
和52とを比較して位置ずれの方向を求めるので、不要
なデータによる影響、すなわち物体面の表面性状による
影響が少なく、安定した精度の高い自動合焦を行なうこ
とができる。また、物体面2の表面性状による影響を受
けた不要なデータの除去を行なったりする必要がないの
で、処理速度を速くすることができる。
As described above, according to the second embodiment,
The ring-shaped pattern images 20a to 20c are not removed without removing unnecessary data affected by the surface texture of the object plane 2.
Since the light amount sum 51 of the inner region 41 and the light amount sum 52 of the outer region 42 are compared to determine the direction of the positional deviation, there is little influence of unnecessary data, that is, the influence of the surface texture of the object surface, and stable accuracy is obtained. A high degree of automatic focusing can be performed. Moreover, since it is not necessary to remove unnecessary data affected by the surface texture of the object surface 2, the processing speed can be increased.

【0061】なお、上記第1実施形態において、スリッ
ト板8は、円形のリング状パターンの光を物体面2上に
投影するために、光源3からの照明光(不可視光)のみ
を通す円形のリング状開口部(円形のリング状パター
ン)8aを有しているが、スリット板8の開口部の形状
は円形のリング状パターンに限らない。このパターン以
外に、楕円形のリング状パターン、三角形や四角形を含
む多角形のリング状パターン、異なる2つ以上の方向の
直線状パターンを用いることができる。楕円形のリング
状パターンや多角形のリング状パターンを用いた場合、
遮光板10がスリット板8の開口部を通過したリング状
パターンの光の幅をほぼ半分に制限するように構成すれ
ばよい。また、前記直線状パターンを用いた場合、各方
向の直線状パターンの幅をそれぞれ制限する2つ以上の
遮光板を配置すればよい。
In the first embodiment, the slit plate 8 has a circular shape that allows only the illumination light (invisible light) from the light source 3 to pass through in order to project the light in the circular ring pattern onto the object plane 2. Although the ring-shaped opening (circular ring-shaped pattern) 8a is provided, the shape of the opening of the slit plate 8 is not limited to the circular ring-shaped pattern. Other than this pattern, an elliptical ring-shaped pattern, a polygonal ring-shaped pattern including a triangle or a quadrangle, and a linear pattern in two or more different directions can be used. When using an elliptical ring-shaped pattern or a polygonal ring-shaped pattern,
The light shield plate 10 may be configured to limit the width of the light of the ring-shaped pattern that has passed through the opening of the slit plate 8 to approximately half. When the linear pattern is used, two or more light-shielding plates that limit the width of the linear pattern in each direction may be arranged.

【0062】また、上記各実施形態において、演算部1
3が、受光素子12からの出力信号に基づき物体面2の
凹凸の高さを演算するように構成することにより、自動
焦点検出装置を物体面2の形状測定のための距離センサ
として用いることができる。
Further, in each of the above embodiments, the arithmetic unit 1
The automatic focus detection device can be used as a distance sensor for measuring the shape of the object plane 2 by configuring the height of the unevenness of the object plane 2 based on the output signal from the light receiving element 12. it can.

【0063】なお、上記第1実施形態では、光源3と、
スリット板8と、遮光板10とにより、円形のリング状
のビームを発生するビーム発生手段が構成されている。
このビーム発生手段を、LED等の自発光素子と遮光板
10とで構成することもできる。この場合、多数のLE
Dを、前記スリット板8の開口部8aを通過してできる
円形のリング状ビームと同様のビームを発生させるよう
に配置する。
In the first embodiment, the light source 3 and
The slit plate 8 and the light shield plate 10 constitute a beam generating means for generating a circular ring-shaped beam.
The beam generating means may be composed of a self-luminous element such as an LED and the light shielding plate 10. In this case, many LEs
D is arranged so as to generate a beam similar to a circular ring-shaped beam formed by passing through the opening 8a of the slit plate 8.

【0064】[0064]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の発
明に係る顕微鏡用自動焦点検出装置によれば、ビーム発
生手段が発生した多角形のリング状のビーム、円形のリ
ング状のビームが互いに方向の異なる2つ以上の直線状
のビームのいずれか1つのビームの幅が光制限部材によ
り制限され、これによって多角形のリング状パターン、
円形のリング状パターン及び互いに方向の異なる2つ以
上の直線状パターンのいずれか1つのパターンが形成さ
れる。このパターンが物体面に投影される。このパター
ンの光は、物体面で反射された後、対物レンズ及び光分
割器を介して結像光学系により結像され、この結像され
たパターン像が検出手段で受光される。このパターン像
には、物体面の焦点位置を検出するためのデータで、方
向の異なる複数の焦点検出用データが含まれている。そ
のため、前記パターン像に基づき合焦状態を検出する検
出手段による演算処理において、物体面の表面性状(物
体面にあるパターンの段差や明暗差、ゴミや傷の付き具
合など)による影響を受けた不要なデータの除去や全て
のデータの平均化などの処理を行なうことにより、物体
面の表面性状による影響の少ない合焦位置の検出を行な
うことができる。したがって、物体面の表面性状による
影響を受けにくく、安定した精度の高い自動合焦を行な
うことができる。
As described above, according to the automatic focus detection apparatus for a microscope of the first aspect of the present invention, the polygonal ring-shaped beam and the circular ring-shaped beam generated by the beam generator are generated. The width of one of the two or more linear beams having different directions is limited by the light restricting member, whereby a polygonal ring-shaped pattern,
Either one of a circular ring-shaped pattern and two or more linear patterns whose directions are different from each other is formed. This pattern is projected on the object plane. The light of this pattern is reflected by the object surface and then imaged by the imaging optical system via the objective lens and the light splitter, and the imaged pattern image is received by the detection means. This pattern image is data for detecting the focus position of the object plane, and includes a plurality of focus detection data in different directions. Therefore, in the arithmetic processing by the detection means for detecting the in-focus state based on the pattern image, it is affected by the surface texture of the object surface (the level difference of the pattern on the object surface, the difference in brightness, the degree of dust or scratches, etc.). By performing processing such as removal of unnecessary data and averaging of all data, it is possible to detect a focus position that is less affected by the surface texture of the object surface. Therefore, it is less affected by the surface texture of the object surface, and stable and highly accurate automatic focusing can be performed.

【0065】請求項2及び3記載の顕微鏡用自動焦点検
出装置によれば、円形のリング状パターンの光が物体面
に投影され、円形のリング状パターンの像が検出手段で
受光される。この円形のリング状パターンの像には、物
体面の合焦位置を検出するためのデータで、あらゆる方
向の焦点検出用データが含まれている。そのため、物体
面の表面性状による影響のより少ない合焦位置の検出を
行なうことができる。
According to the microscope automatic focus detection device of the second and third aspects, the light of the circular ring-shaped pattern is projected on the object plane, and the image of the circular ring-shaped pattern is received by the detection means. The image of this circular ring-shaped pattern is data for detecting the in-focus position of the object plane, and includes focus detection data in all directions. Therefore, it is possible to detect the in-focus position less affected by the surface texture of the object surface.

【0066】請求項4記載の顕微鏡用自動焦点検出装置
によれば、検出手段は、検出手段で受光したパターン像
に基づき物体面の凹凸の高さを演算するので、物体面の
形状測定のための距離センサとして用いることができ
る。
According to another aspect of the automatic focus detection apparatus for a microscope of the present invention, the detecting means calculates the height of the unevenness of the object surface based on the pattern image received by the detecting means. Can be used as a distance sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1はこの発明の第1の実施形態に係る落射照
明型顕微鏡用自動焦点検出装置を示す概略構成図で、合
焦状態を示す図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an automatic focus detection device for an epi-illumination microscope according to a first embodiment of the present invention, showing a focused state.

【図2】図2は図1と同様の構成図で、前ピン状態を示
す図である。
FIG. 2 is a configuration diagram similar to FIG. 1, showing a front pin state.

【図3】図3は図1と同様の構成図で、後ピン状態を示
す図である。
FIG. 3 is a configuration diagram similar to FIG. 1, showing a rear pin state.

【図4】図4は図1の一部を拡大して示した図である。FIG. 4 is an enlarged view of part of FIG. 1.

【図5】図5は図2の一部を拡大して示した図である。5 is an enlarged view of part of FIG. 2. FIG.

【図6】図6は図3の一部を拡大して示した図である。FIG. 6 is an enlarged view of a part of FIG. 3.

【図7】図7は合焦状態で円形のリング状パターン像が
受光素子に受光されている様子を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing how a circular ring-shaped pattern image is received by a light receiving element in a focused state.

【図8】図8は図7と同様の図で、前ピン状態を示す図
である。
FIG. 8 is a view similar to FIG. 7, showing a front pin state.

【図9】図9は図7と同様の図で、後ピン状態を示す図
である。
FIG. 9 is a view similar to FIG. 7, showing the rear pin state.

【図10】図10は合焦状態における円形のリング状パ
ターン像の光量分布を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a light quantity distribution of a circular ring-shaped pattern image in a focused state.

【図11】図11は図10と同様の図で、前ピン状態を
示す図である。
11 is a view similar to FIG. 10, showing a front pin state.

【図12】図12は図10と同様の図で、後ピン状態を
示す図である。
FIG. 12 is a view similar to FIG. 10, showing a rear pin state.

【図13】図13は第1の実施形態の動作説明図であ
る。
FIG. 13 is an operation explanatory diagram of the first embodiment.

【図14】図14は第1の実施形態の動作説明図であ
る。
FIG. 14 is an operation explanatory diagram of the first embodiment.

【図15】図15は第1の実施形態の動作説明図であ
る。
FIG. 15 is an operation explanatory diagram of the first embodiment.

【図16】図16は第1の実施形態の動作説明図であ
る。
FIG. 16 is an operation explanatory diagram of the first embodiment.

【図17】図17は第2の実施形態のための説明図で、
合焦状態で円形のリング状パターン像が受光素子に受光
されている様子を示す図である。
FIG. 17 is an explanatory diagram for the second embodiment,
It is a figure which shows a mode that the circular ring-shaped pattern image is received by the light receiving element in the focused state.

【図18】図18は図17と同様の説明図で、前ピン状
態で円形のリング状パターン像が受光素子に受光されて
いる様子を示す図である。
FIG. 18 is an explanatory view similar to FIG. 17, and is a view showing a state where a circular ring-shaped pattern image is received by the light receiving element in the front focus state.

【図19】図19は図17と同様の説明図で、後ピン状
態で円形のリング状パターン像が受光素子に受光されて
いる様子を示す図である。
19 is an explanatory view similar to FIG. 17, and is a view showing a state where a circular ring-shaped pattern image is received by the light receiving element in the rear focus state.

【図20】図20は第2の実施形態のための説明図で、
合焦状態における光量和を示す図である。
FIG. 20 is an explanatory diagram for the second embodiment,
It is a figure which shows the light amount sum in a focus state.

【図21】図21は第2の実施形態のための説明図で、
前ピン状態における光量和を示す図である。
FIG. 21 is an explanatory diagram for the second embodiment,
It is a figure which shows the light amount sum in a front focus state.

【図22】図22は第2の実施形態のための説明図で、
後ピン状態における光量和を示す図である。
FIG. 22 is an explanatory diagram for the second embodiment,
It is a figure which shows the light amount sum in a back focus state.

【図23】図23は従来の顕微鏡用自動焦点検出装置を
示し概略構成図で、合焦状態を示す図である。
FIG. 23 is a schematic configuration diagram showing a conventional microscope automatic focus detection device, and is a diagram showing a focused state.

【図24】図24は図23と同様の構成図で、前ピン状
態を示す図である。
FIG. 24 is a configuration diagram similar to FIG. 23, showing a front pin state.

【図25】図25は図23と同様の構成図で、後ピン状
態を示す図である。
FIG. 25 is a configuration diagram similar to FIG. 23, showing a rear pin state.

【図26】図26は従来の顕微鏡用自動焦点検出装置の
ための動作説明図である。
FIG. 26 is an operation explanatory diagram for a conventional automatic focus detection device for a microscope.

【図27】図27は図26に示す物体面の断面図であ
る。
27 is a cross-sectional view of the object plane shown in FIG.

【図28】図28は図26と同様の動作説明図である。FIG. 28 is an operation explanatory diagram similar to FIG. 26.

【図29】図29は図26と同様の動作説明図である。FIG. 29 is an operation explanatory diagram similar to FIG. 26.

【図30】図30は図29に示す物体面の断面図であ
る。
FIG. 30 is a sectional view of the object plane shown in FIG. 29.

【図31】図31は図26と同様の動作説明図である。FIG. 31 is an operation explanatory diagram similar to FIG. 26.

【図32】図32は図26と同様の動作説明図である。32 is an operation explanatory diagram similar to FIG. 26;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半透過鏡(光分割器) 2 物体面 4 投影光学系 7 結像光学系 8 スリット板 10 遮光板(光制限部材) 12 受光素子(検出手段) 13 演算部(検出手段) 14 駆動部(検出手段) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semi-transmissive mirror (light splitter) 2 Object plane 4 Projection optical system 7 Imaging optical system 8 Slit plate 10 Light-shielding plate (light limiting member) 12 Light receiving element (detection means) 13 Arithmetic section (detection means) 14 Driving section ( Detection means)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 焦点検出のためのパターンを光分割器を
介して物体面上に投影する投影光学系と、前記物体面の
像を対物レンズ及び前記光分割器を介して結像する結像
光学系と、この結像光学系の結像位置に設けられ、前記
物体面で反射された前記パターンの像を受光し、その受
光位置に基づき合焦位置を検出する検出手段とを備えた
顕微鏡用自動焦点検出装置において、 前記パターンは、多角形のリング状のビーム、円形のリ
ング状のビーム及び互いに方向の異なる2つ以上の直線
状のビームのいずれか1つのビームを発生するビーム発
生手段と、 前記ビーム発生手段からの前記ビームの幅を制限する光
制限部材とにより形成されることを特徴とする顕微鏡用
自動焦点検出装置。
1. A projection optical system for projecting a pattern for focus detection onto an object plane through a light splitter, and an imaging for forming an image of the object plane through an objective lens and the light splitter. A microscope provided with an optical system and a detection unit which is provided at an image forming position of the image forming optical system, receives an image of the pattern reflected by the object surface, and detects a focus position based on the light receiving position. In the automatic focus detection device for use with the above-mentioned pattern, the pattern is a beam generating means for generating any one of a polygonal ring-shaped beam, a circular ring-shaped beam, and two or more linear beams whose directions are different from each other. And an optical limiting member for limiting the width of the beam from the beam generating means.
【請求項2】 前記ビーム発生手段は円形のリング状開
口部が形成されたスリット板と、前記開口部を通った円
形のリング状のビームの幅を制限する光制限部材とを有
し、前記検出手段は、前記スリット板と光制限部材とに
より形成された前記円形のリング状パターンの像を受光
する受光手段と、この受光手段からの出力に基づき前記
像の半径を複数の方向について求めるとともに、求めた
前記複数の半径に基づき合焦位置からの位置ずれの方向
を求める演算部とを有することを特徴とする請求項1記
載の顕微鏡用自動焦点検出装置。
2. The beam generating means includes a slit plate having a circular ring-shaped opening formed therein, and a light limiting member for limiting a width of the circular ring-shaped beam passing through the opening. The detecting means detects the image of the circular ring-shaped pattern formed by the slit plate and the light limiting member, and the radius of the image in a plurality of directions based on the output from the light receiving means. The automatic focus detection device for a microscope according to claim 1, further comprising: a calculation unit that obtains a direction of displacement from a focus position based on the obtained plurality of radii.
【請求項3】 前記ビーム発生手段は円形のリング状の
ビームを発生する光源と前記リング状のビームの幅を制
限する光制限部材とを有し、前記検出手段は、前記光源
と前記光制限部材とにより形成された前記円形のリング
状パターンの像を受光する受光手段と、この受光手段か
らの出力に基づき前記像の内側領域の光量和とその外側
領域の光量和とを演算するとともに両光量和を比較し、
その比較結果に基づき合焦位置からの位置ずれの方向を
求める演算部とを有することを特徴とする請求項1記載
の顕微鏡用自動焦点検出装置。
3. The beam generating means includes a light source that generates a circular ring-shaped beam and a light limiting member that limits the width of the ring-shaped beam, and the detection means includes the light source and the light limiting member. A light receiving means for receiving the image of the circular ring-shaped pattern formed by a member, and a light quantity sum of the inner area of the image and a light quantity sum of the outer area of the image based on the output from the light receiving means. Compare the light intensity sum,
The automatic focus detection device for a microscope according to claim 1, further comprising a calculation unit that obtains a direction of displacement from a focus position based on the comparison result.
【請求項4】 前記検出手段は、受光した前記パターン
の像に基づき、前記物体面の凹凸の高さを演算するよう
に構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいず
れかに記載の自動焦点検出装置。
4. The detection means is configured to calculate the height of the unevenness of the object surface based on the received image of the pattern. The automatic focus detection device described.
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