JPH1047918A - 変位計測装置及び自動合焦機能付き顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】接眼レンズの位置が高くならず、楽な姿勢で観
察が行える合焦装置付き顕微鏡を提供する。 【解決手段】対物レンズ１０の焦点位置からの被検物体
１１の位置ずれを横ずれとして検出するための変位計測
装置８を配置する。変位計測装置８は、被検物体１１に
光を照射するために光源２と、光源２からの光束を光軸
２０９、２０４に対し非対称な形状にするための遮光部
４と、被検物体１１で反射された光の光軸からの変位を
検出するための受光素子とを有する。このとき、光源２
と遮光部４と受光素子等の変位計測装置８の光学素子を
マイクロマシニング技術により、シリコン基板１上に搭
載することにより、小型化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位計測装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】被検物体上へ一定のパターンを投影し、
かつ、このパターンを結像する光束が瞳位置近傍で光軸
に対し非対称となるようにし、被検物体と対物レンズの
間隔変動を、パターン像の横ずれとして検出する、いわ
ゆる横ずれ式と呼ばれる合焦検出方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の合焦検出方法は、光学系の寸法が大きいため、例
えば顕微鏡の対物レンズの合焦検出装置として顕微鏡に
取り付けると、合焦装置のない顕微鏡に比べて顕微鏡の
接眼レンズの位置が高くなる。そのため、観察者が像を
観察しながらステージを動かす等の作業をするのが大変
になるなるという問題点があった。

【０００４】本発明は、この問題を解決し、光学系の寸
法が小さい変位計測装置を提供することを第１の目的と
する。

【０００５】また、本発明は、接眼レンズの位置が高く
ならず、楽な姿勢で観察が行える合焦機能付き顕微鏡を
提供することを第２の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の第一の態様として、被検物体に光を
照射するために光源と、前記光源からの光束を光軸に対
して非対称な形状にするための遮光部と、前記被検物体
で反射された光の光軸からの変位量を検出するための受
光素子とを有し、前記光源と遮光部と受光素子は、シリ
コン基板上に搭載されていることを特徴とする変位計測
装置が提供される。

【０００７】上記第２の目的を達成するために、本発明
の第二の態様として、以下のような顕微鏡が提供され
る。

【０００８】すなわち、被検物体を搭載するためのステ
ージと、第１の光源と、前記第１の光源からの第１の光
を集光して被検物体に照射するための対物レンズと、前
記被検物体からの第１の光の反射光を集光する接眼レン
ズと、前記対物レンズの焦点からの前記被検物体の位置
ずれを検出するための変位計測部とを有し、前記変位計
測部は、前記被検物体に第２の光を照射するために第２
の光源と、前記第２の光源からの光束を光軸に対し非対
称な形状にするための遮光部と、前記被検物体で反射さ
れ前記対物レンズで集光された第２の光の光軸からの変
位量を検出するための受光素子とを有し、前記光源と遮
光部と受光素子は、シリコン基板上に搭載されているこ
とを特徴とする自動合焦機能付き顕微鏡である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。

【００１０】まず、図１を用いて本発明の変位計測装置
の構成について説明する。

【００１１】図１のように、本発明の変位計測装置８
は、シリコン基板１上に、光源２、マイクロフレネルレ
ンズ３、遮光板４、ビームスプリッタ５、ミラー６、受
光素子７とを備えた構成である。光源２からビームスプ
リッタ５までの光軸２０９、ならびに、ビームスプリッ
タ５からミラー６までの光軸２１０は、シリコン基板１
の表面と平行である。また、受光素子７の受光面は、図
３のように、シリコン基板１の基板面上に設けられてい
る。ミラー６は、光軸２１０を偏向して、光束を受光素
子７の受光面に入射させるように配置されている。

【００１２】つぎに、図１の変位計測装置８を対物レン
ズの合焦装置として組み込んだ顕微鏡の光学系を図２に
示す。

【００１３】顕微鏡は、光軸２０４上に、接眼レンズ２
０３と、ハーフミラー２０１と、ダイクロイックミラー
９と、対物レンズ１０とを順に備えている。被検物体１
１は、ステージ２１１上に搭載される。また、ハーフミ
ラー２０１により、光軸２０４から分離された光軸２０
７上には、可視光光源２０６と、集光レンズ２０５と、
絞り２０２とが配置されている。ダイクロイックミラー
９により分離された光軸２０８上に、変位計測装置８が
配置される。変位計測装置８は、光軸２０９が、光軸２
０８と一致するように配置される。光源２としては、波
長８３０ｎｍの赤外域の光を出射する半導体レーザを用
いる。ダイクロイックミラー９は赤外域の光を反射し、
可視域の光を透過するものを用いる。受光素子７として
は、受光位置を２組の電極の電圧差として検出できるポ
ジションセンシティブデバイス（ＰＳＤ）を用いる。

【００１４】シリコン基板１上に上述の光学素子を作製
する方法としては、周知の表面マイクロマシーニング技
術を用いる。また、受光素子７は、周知の半導体プロセ
スでシリコン基板１上に作製される。また、半導体レー
ザ２は、別途作製された半導体レーザチップを、シリコ
ン基板１上に周知の表面マイクロマシーニング技術で作
製された溝、もしくは微小留め具でシリコン基板１上に
固定することにより、取り付けられる。

【００１５】また、受光素子７には、検出回路１２が接
続されている。検出回路１２は、ステージ２１１を光軸
２０４方向に移動させるステージ駆動モータ１３に接続
されている。

【００１６】可視光光源２０６から出射された可視光
は、集光レンズ２０５により集光され、絞り２０２を透
過して、ハーフミラー２０１で偏向され、ダイクロイッ
クミラー９を通過し、対物レンズ１０で集光されて被検
物体１１に照射される。被検物体１１で反射された可視
光は、再び対物レンズ１０、ダイクロイックミラー９お
よびハーフミラー２０１を透過し、接続眼レンズ２０３
により集光され、観察者の目に入射する。これにより、
被検物体１１の像が観察される。

【００１７】一方、変位計測装置８の光源２から出射し
た赤外光は、集光用のマイクロフレネルレンズ３を通
り、光束分割用の遮光板４に達する。遮光板４は、光束
の半分の部分だけ遮光する。遮光板４を透過した光は、
ビームスプリッター５を通過し、ダイクロイックミラー
９で反射し、対物レンズ１０を経て被検物体１１に達す
る。被検物体１１で反射して再び対物レンズ１０を通
り、ダイクロイックミラー９で反射する。そしてさら
に、ビームスプリッター５で反射され、ミラー６で反射
されて、被検物体面と共役な位置に置かれた受光素子７
に達する。図３にミラー６と受光素子７の構成図を示
す。ミラー６はシリコン基板１に対し４５度の角度で配
置されている。受光素子７は、シリコン基板１上に作製
されている。被検物体１１からの反射光はミラー６で光
軸が９０度曲げられ、受光素子７に達する。

【００１８】周知の如く、対物レンズ１０と被検物体面
１１上の被検物体との距離が変わる、即ちデフォーカス
が生じると、受光素子７上での光スポット像は結像光束
が光軸に対し非対称になっているためボケると共に横ず
れを起す。

【００１９】具体的には、被検物体１１が対物レンズ１
０の焦点３０２に位置する場合には、光源２から出射さ
れ、遮光板４で遮光された半分の光束が、被検物体１１
上で焦点を結ぶため、被検物体からの反射光は、照射時
とは対称に進み、図４のように、受光素子７の受光面の
光軸２１０上で受光される。また、被検物体１１が対物
レンズ１０の焦点３０２よりも対物レンズ１０に近い場
合には、図５のように、被検物体１１からの反射光が、
対物レンズ１０の焦点３０２よりも対物レンズ１０側の
点３０１でいったん集光するため、反射光は、受光素子
７の受光面上の光軸２１０の片側にずれて受光される。
被検物体１１が対物レンズ１０の焦点３０２よりも遠い
場合には、図６のように、被検物体１１からの反射光
が、焦点３０２よりも遠い位置で見かけ上集光するた
め、反射光は、受光素子７の受光面上で、図５の場合と
は逆の方向にずれて受光される。

【００２０】この受光素子７の受光位置の横ずれ量を、
ＰＳＤの出力から検出回路１２によって検出することが
できる。検出回路１２は、検出結果に応じてステージ駆
動モータ１３を駆動して、対物レンズ１０と被検物体１
１との間隔を調整する。これにより、被検物体１１を対
物レンズ１０の焦点３０２の位置に移動でき、自動合焦
系を形成することができる。

【００２１】本実施の形態の変位計測装置８は、シリコ
ン基板上にマイクロマシーニング技術により作製されて
いるため、装置全体を小型にすることができる。そのた
め、図２のように、顕微鏡の自動合焦装置として搭載し
た場合にも、対物レンズ１０と接眼レンズ２０３との間
に変位計測装置８の光学系全体を配置することができ
る。よって、対物レンズ１０と接眼レンズ２０３との距
離を、変位計測装置８のために長くする必要がないた
め、被検物体１１のステージ２１１から接眼レンズ２０
３までの高さを、自動合焦装置を搭載しない場合と同程
度にすることができる。これにより、観察者が像観察を
行いながらステージを動かす等の作業が楽になり、自動
合焦装置付きの顕微鏡でありながら、使い勝手のよい顕
微鏡が提供できる。

【００２２】なお、本実施の形態では、変位計測装置８
への偏向光学系としてダイクロイックミラー９を用いて
いるが、可視光域の光は、ダイクロイックミラー９を通
過するため、観察にはまったく支障がない。また、ダイ
クロイックミラー８として、ハーフミラーを用いること
もできる。

【００２３】また、変位計測装置８の遮光板４は、ビー
ムスプリッター５とミラー６との間に挿入してもよい。

【００２４】また、受光素子７としては、ＰＳＤでなく
１次元イメージセンサを用いることもできる。

【００２５】本実施の形態では、変位計測装置８を顕微
鏡の合焦装置として用いたが、光ピックアップの合焦装
置や形状測定器に用いることができる。

【００２６】

【発明の効果】上述してきたように、本発明の第一の態
様によれば、光学系の寸法が小さい変位計測装置を提供
することができる。

【００２７】また、本発明の第二の態様によれば、接眼
レンズの位置が高くならず、楽な姿勢で観察が行える合
焦装置付き顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の変位計測装置の構成を
示す斜視図。

【図２】図１の変位計測装置を組み込んだ顕微鏡の構成
を示すブロック図。

【図３】図１の変位計測装置の部分的な構成を示す断面
図。

【図４】図２の顕微鏡において、被検物体１１が対物レ
ンズ１０の焦点に位置する場合の変位計測装置８の受光
装置７の受光位置を示すブロック図。

【図５】図２の顕微鏡において、被検物体１１が対物レ
ンズ１０の焦点３０２よりも手前側に位置する場合の変
位計測装置８の受光装置７の受光位置を示すブロック
図。

【図６】図２の顕微鏡において、被検物体１１が対物レ
ンズ１０の焦点３０２よりも向こう側に位置する場合の
変位計測装置８の受光装置７の受光位置を示すブロック
図。

【符号の説明】

１・・・シリコン基板 ２・・・光源 ３・・・マイクロフレネルレンズ ４・・・遮光板 ５・・・ビームスプリッタ ６・・・ミラー ７・・・受光素子 ８・・・変位計測装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検物体に光を照射するために光源と、前
   記光源からの光束を光軸に対して非対称な形状にするた
   めの遮光部と、前記被検物体で反射された光の光軸から
   の変位量を検出するための受光素子とを有し、 前記光源、遮光部および受光素子は、シリコン基板上に
   搭載されていることを特徴とする変位計測装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記受光素子は、前記
   シリコン基板上に作製されていることを特徴とする変位
   計測装置。
3. 【請求項３】被検物体を搭載するためのステージと、第
   １の光源と、前記第１の光源からの第１の光を集光して
   被検物体に照射するための対物レンズと、前記被検物体
   からの第１の光の反射光を集光する接眼レンズと、前記
   対物レンズの焦点からの前記被検物体の位置ずれを検出
   するための変位計測部とを有し、 前記変位計測部は、前記被検物体に第２の光を照射する
   ために第２の光源と、前記第２の光源からの光束を光軸
   に対して非対称な形状にするための遮光部と、前記被検
   物体で反射され前記対物レンズで集光された第２の光の
   光軸からの変位量を検出するための受光素子とを有し、 前記光源、遮光部および受光素子は、シリコン基板上に
   搭載されていることを特徴とする自動合焦機能付き顕微
   鏡。
4. 【請求項４】請求項３において、被検物体と前記対物レ
   ンズとの間隔を調節するための駆動部と、前記受光素子
   からの出力を用いて前記駆動部の駆動量を制御する制御
   部とをさらに有することを特徴とする自動合焦機能付き
   顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項３において、前記第１の光源は、可
   視光を出射する光源であり、第２の光源は、赤外光を出
   射する半導体レーザであることを特徴とする自動合焦機
   能付き顕微鏡。