JPH1096625A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】各構成品相互の光軸ずれを効率良く且つ高精度
に検出することが可能な焦点検出装置を提供する。 【解決手段】点光源１６と、点光源からの測定光を被測
定面１８に照射すると共に被測定面からの反射光を集光
させる光学系と、光学系によって集光した反射光を受光
して被測定面に対する焦点検出可能な焦点検出ユニット
２０と、焦点検出ユニットに受光されなかった光の光量
に基づいて、光学系の光軸に対する焦点検出ユニットの
光軸ずれを検出可能な信号処理ユニット２２とを備え
る。信号処理ユニットは、ミラー部材２８の微小開口２
８ａを通過すること無くミラー部材の反射面２８ｂから
反射した光を受光可能な光検出器３４と、光検出器から
出力された電気信号に所定の演算を施すことによって、
光軸Ａに対する微小開口の光軸ずれを検出する信号処理
系３６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば顕微鏡や光
学測定器等に用いられ、被検体に対して合焦を行うため
の焦点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、測定光を被検体に照射した際に、
この被検体から反射した反射光の光量に基づいて、被検
体に対する焦点検出を行う焦点検出装置が知られてい
る。図４には、その代表的な焦点検出装置の構成が概略
的に示されている。

【０００３】即ち、点光源２から出射した測定光は、そ
の一部の光がハーフミラー４を透過した後、収差補正が
施された対物レンズ６によって被検体の測定面８（以
下、被測定面という）に集光する。このとき、被測定面
８から反射した反射光は、対物レンズ６を介してハーフ
ミラー４に導光された後、その一部の光がハーフミラー
４から焦点検出ユニット１０方向に反射される。

【０００４】焦点検出ユニット１０には、反射光の集光
位置に開口が形成された例えばピンホール１２と、この
ピンホール１２を通過した反射光を受光する受光素子１
４とが設けられている。このため、ハーフミラー４から
反射した反射光は、ピンホール１２を通過して受光素子
１４に入射することになる。そして、この状態におい
て、被測定面８に対して測定光を例えばラスター走査す
ることによって、被測定面８の二次元画像を得ることが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示す
ように、実線で示された光路（以下、実線光路という）
は、対物レンズ６の焦点面ｆ１に被測定面８が位置付け
られている場合の光路であり、これに対して、点線で示
された光路（以下、点線光路という）は、対物レンズ６
の焦点面ｆ１からずれた位置ｆ２に被測定面８が位置付
けられている場合の光路である。

【０００６】この場合、実線光路に沿って進む光は、ピ
ンホール１２の開口の位置に集光し、殆ど全ての光が受
光素子１４に到達する。これに対して、点線光路に沿っ
て進む光は、ピンホール１２の開口からずれた位置に集
光し、その殆どの光は、受光素子１４に到達することは
無い。

【０００７】このような光学系は、対物レンズ６の集光
位置、即ち合焦位置のみを得ることが可能であって、光
軸方向の分解能を有している。かかる光学系において、
焦点検出ユニット１０の分解能を一定レベル以上に維持
させるためには、開口径は、あまり大きくすることは好
ましくなく可能な限り微小径に設定することが望まし
い。更に、高い検出精度を得るためには、ピンホール１
２の開口から受光素子１４に光を正確に到達させる必要
がある。このためには、焦点検出装置の各構成品とピン
ホール１２の開口との光軸を互いに一致させる必要があ
り、焦点検出装置には、高い組立精度が要求される。

【０００８】しかしながら、現状の焦点検出装置の組立
作業において、焦点検出装置の各構成品とピンホール１
２の開口との間の位置合わせ作業（即ち、光軸合わせ作
業）は、作業者の目視による監視の下で細心の注意を払
って行われている。この場合、組立完了の後の組立精度
（各構成品とピンホール１２の開口との間の位置決め精
度）が作業者の目視判断に依存している関係上、必然的
に焦点検出装置の組み立て作業に要する時間が長くな
る。この結果、装置の組立効率が低下してしまうといっ
た問題が生じる。

【０００９】更に、このような作業によって装置が完成
した後、“光軸ずれ”が生じたか否かを確認するメンテ
ナンス作業は、簡単に行うことができないといった問題
もある。即ち、従来では、例えば位置合わせ用治具を焦
点検出装置に別途取り付けた後、再度、作業者の目視判
断の下でメンテナンス作業が行われることになる。

【００１０】本発明は、このような課題を解決するため
に成されており、その目的は、各構成品相互の光軸ずれ
を効率良く且つ高精度に検出することが可能な焦点検出
装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の焦点検出装置は、光源と、この光源
から出射された測定光を被検体の測定面に照射すると共
に前記測定面から反射した反射光を集光させる光学系
と、この光学系によって集光した反射光を受光すること
によって、前記測定面に対する焦点検出可能な焦点検出
ユニットと、この焦点検出ユニットに受光されなかった
光の光量に基づいて、前記光学系の光軸に対する前記焦
点検出ユニットの光軸ずれを検出可能な信号処理ユニッ
トとを備えている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
に係る焦点検出装置について、図１を参照して説明す
る。図１に示すように、本実施の形態の焦点検出装置
は、光源即ち点光源１６と、この点光源１６から出射さ
れた測定光を被検体の測定面１８（以下、被測定面とい
う）に照射すると共に被測定面１８から反射した反射光
を集光させる光学系と、この光学系によって集光した反
射光を受光することによって、被測定面１８に対する焦
点検出可能な焦点検出ユニット２０と、この焦点検出ユ
ニット２０に受光されなかった光の光量に基づいて、光
学系の光軸に対する焦点検出ユニット２０の光軸ずれを
検出可能な信号処理ユニット２２とを備えている。

【００１３】光学系は、点光源１６から出射した測定光
の一部が透過可能なハーフミラー２４と、このハーフミ
ラー２４を透過した測定光を被測定面１８に集光すると
共に、被測定面１８から反射した反射光を再びハーフミ
ラー２４方向に導光して且つ集光させる対物レンズ２６
とを備えている。なお、対物レンズ２６には、収差補正
が施されている。

【００１４】焦点検出ユニット２０は、被測定面１８か
ら対物レンズ２６を介して集光した反射光の集光位置に
微小開口２８ａが形成されたミラー部材２８と、この微
小開口２８ａを通過した反射光を受光して所定の電気信
号に変換する受光素子３０と、この受光素子３０から出
力された電気信号に基づいて、被測定面１８に対する焦
点検出を行う焦点検出系３２とを備えている。なお、ミ
ラー部材２８は、その反射面２８ｂがハーフミラー２４
に対向するように設けられ、また更に、微小開口２８ａ
は、ハーフミラー２４からの反射光の光軸Ａ上に配置さ
れている。

【００１５】信号処理ユニット２２は、ミラー部材２８
の微小開口２８ａを通過すること無くミラー部材２８の
反射面２８ｂから反射した光を受光することができるよ
うに、ミラー部材２８の反射面２８ｂに対向配置された
光検出器３４と、ミラー部材２８の反射面２８ｂからの
光を受光した光検出器３４から出力された電気信号に所
定の演算を施すことによって、光学系の光軸（ハーフミ
ラー２４からの反射光の光軸Ａ）に対するミラー部材２
８の微小開口２８ａの光軸ずれを検出する信号処理系３
６とを備えている。

【００１６】このような構成において、点光源１６から
出射した測定光は、その一部の光がハーフミラー２４を
透過した後、対物レンズ２６によって被測定面１８に集
光する。このとき、被測定面１８から反射した反射光
は、対物レンズ２６を介してハーフミラー２４に導光さ
れた後、その一部の光がハーフミラー２４から焦点検出
ユニット２０方向に反射される。

【００１７】このとき、ハーフミラー２４から反射した
反射光は、ミラー部材２８の微小開口２８ａを通過して
受光素子３０に入射することになる。なお、図１中実線
で示された光路（以下、実線光路という）は、対物レン
ズ２６の焦点面ｆ１に被測定面１８が位置付けられてい
る場合の光路であり、これに対して、図中点線で示され
た光路（以下、点線光路という）は、対物レンズ２６の
焦点面ｆ１からずれた位置ｆ２に被測定面１８が位置付
けられている場合の光路である。

【００１８】この場合、実線光路に沿って進む光は、ミ
ラー部材２８の微小開口２８ａの位置に集光し、殆ど全
ての光が受光素子３０に到達する。これに対して、点線
光路に沿って進む光は、ミラー部材２８の微小開口２８
ａからずれた位置に集光し、その殆どの光は、受光素子
３０に到達することは無い。

【００１９】従って、受光素子３０の受光量に基づい
て、対物レンズ２６と被測定面１８とを相対的に変位さ
せることによって、対物レンズ２６の焦点面ｆ１に被測
定面１８を位置付けることが可能となる。そして、この
合焦状態において、被測定面１８に沿って測定光を例え
ばラスター走査することによって、被測定面１８の二次
元画像を得ることができる。

【００２０】上述したように、被測定面１８が対物レン
ズ２６の焦点面ｆ１に位置付けられている状態では、被
測定面１８から反射した反射光は実線光路に沿って進
み、その殆ど全ての反射光が、ミラー部材２８の微小開
口２８ａを介して受光素子３０に到達することになる。

【００２１】しかしながら、何等かの理由によって光学
系の光軸（ハーフミラー２４からの反射光の光軸Ａ）に
対してミラー部材２８の微小開口２８ａがずれている場
合、被測定面１８からの反射光は、その一部がミラー部
材２８の反射面２８ｂから反射した後、ハーフミラー２
４を透過して光検出器３４に到達する。そして、この光
検出器３４に受光された反射光は、その光量に対応した
電気信号に変換された後、信号処理系３６に入力される
ことになる。

【００２２】この場合、光検出器３４に受光された反射
光の光量は、“光軸ずれ量”に応じて増減変化する。同
時に、その光量変化に対応して、光検出器３４から出力
される電気信号の出力値も増減する。

【００２３】従って、信号処理系３６に入力される電気
信号の変化状態を検出することによって、“光軸ずれ
量”を検出することができる。即ち、信号処理系３６に
入力される電気信号の出力値が零のとき、光軸Ａと微小
開口２８ａとが一致していることが確認され、信号処理
系３６に入力される電気信号の出力値が零以外の値とな
ったとき、光軸Ａと微小開口２８ａとが一致していない
ことが確認される。

【００２４】このように本実施の形態の焦点検出装置に
よれば、ミラー部材２８の反射面２８ｂから反射する反
射光の光量変化を信号処理ユニット２２を介して検出す
ることによって、光軸Ａに対する微小開口２８ａの光軸
ずれを効率良く且つ高精度に検出することが可能とな
る。

【００２５】なお、この微小開口２８ａの光軸ずれは、
ずれ量に基づいてミラー部材２８を移動させることによ
って解消される。この移動は、手動若しくは信号処理系
３６の信号に基づいて、モータ（図示しない）を駆動す
るなどすることによって自動制御すれば良い。

【００２６】次に、本発明の第２の実施の形態の焦点検
出装置について、図２及び図３を参照して説明する。な
お、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形態と同
一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略す
る。

【００２７】図２に示すように、本実施の形態の焦点検
出装置は、光源即ち測定用レーザー光を出射可能なレー
ザー出射手段３８と、このレーザー出射手段３８から出
射された測定用レーザー光を被測定面１８に照射すると
共に被測定面１８から反射した反射光を集光させる光学
系とを備えている。

【００２８】本実施の形態に適用した光学系は、レーザ
ー出射手段３８から出射した測定用レーザー光のうち、
特定の偏光成分の測定用レーザー光を反射する偏光ビー
ムスプリッタ４０と、測定用レーザー光の偏光方向に対
して光学軸を４５°傾けて配置されたλ／４板４２と、
偏光ビームスプリッタ４０からλ／４板４２を介して射
出された測定用レーザー光を平行光束に変換する結像レ
ンズ４４と、平行光束に変換された測定用レーザー光を
被測定面１８に集光すると共に、被測定面１８から反射
した反射光を再び結像レンズ４４方向に導光する対物レ
ンズ２６とを備えている。

【００２９】このような光学系において、被測定面１８
から反射した反射光は、対物レンズ２６から結像レンズ
４４に導光された後、λ／４板４２を介して偏光ビーム
スプリッタ４０に照射される。このとき、偏光ビームス
プリッタ４０に照射された反射光の偏光方向は、λ／４
板４２によって９０°ずらされているため、かかる反射
光は、偏光ビームスプリッタ４０を透過する。

【００３０】また、光学系には、偏光ビームスプリッタ
４０を透過した透過光の光軸上に夫々第１及び第２の偏
光ビームスプリッタ４６，４８が設けられており、偏光
ビームスプリッタ４０を透過した透過光は、まず、第１
偏光のビームスプリッタ４６によって２方向に分割され
る。

【００３１】このとき、第１の偏光ビームスプリッタ４
６から反射した光は、入射レーザー光の偏光方向に対し
て光学軸を４５°傾けて配置された第１のλ／４板５０
を介して第１の焦点検出ユニット５２に集光される。一
方、第１の偏光ビームスプリッタ４６を透過した光は、
続いて、第２の偏光ビームスプリッタ４８によって反射
された後、入射レーザー光の偏光方向に対して光学軸を
４５°傾けて配置された第２のλ／４板５４を介して第
２の焦点検出ユニット５６に集光される。

【００３２】第１の焦点検出ユニット５２には、結像レ
ンズ４４の集光位置Ｑよりも物体側（前側）に配置され
且つ微小開口５８ａが形成された第１のミラー部材５８
と、この微小開口５８ａを通過した光を受光して所定の
電気信号に変換する第１の受光素子６０とが設けられて
いる。

【００３３】第２の焦点検出ユニット５６には、結像レ
ンズ４４の集光位置Ｑよりも像側（後側）に配置され且
つ微小開口６２ａが形成された第２のミラー部材６２
と、この微小開口６２ａを通過した光を受光して所定の
電気信号に変換する第２の受光素子６４とが設けられて
いる。

【００３４】また、本実施の形態の焦点検出装置には、
単一の焦点検出系６６が設けられており、第１及び第２
の受光素子６０，６４から夫々出力された電気信号は、
この焦点検出系６６に入力されるようになっている。

【００３５】このような構成において、いま、被測定面
１８が対物レンズ２６の焦点面ｆ１に位置付けられてい
る場合、被測定面１８から反射した反射光は、対物レン
ズ２６から結像レンズ４４及びλ／４板４２を介して偏
光ビームスプリッタ４０を通過した後、第１及び第２の
偏光ビームスプリッタ４６，４８から第１及び第２のλ
／４板５０，５４を介して集光して、その殆ど全ての反
射光が、第１及び第２のミラー部材５８，６２の微小開
口５８ａ，６２ａを通過して第１及び第２の受光素子６
０，６４に到達する。そして、この合焦状態において、
被測定面１８に沿って測定用レーザー光を例えばラスタ
ー走査することによって、被測定面１８の二次元画像を
得ることができる。

【００３６】しかしながら、何等かの理由によって光学
系の光軸（第１及び第２のビームスプリッタ４６，４８
からの反射光の光軸Ａ１，Ａ２）に対して第１及び第２
のミラー部材５８，６２の微小開口５８ａ，６２ａがず
れている場合、被測定面１８からの反射光は、その一部
が第１及び第２のミラー部材５８，６２の第１及び第２
の反射面５８ｂ，６２ｂから反射した後、第１及び第２
のλ／４板５０，５４を介して第１及び第２の偏光ビー
ムスプリッタ４６，４８に照射される。

【００３７】このとき、第１及び第２の偏光ビームスプ
リッタ４６，４８に照射された反射光は、夫々、その偏
光方向が第１及び第２のλ／４板５０，５４によって９
０°ずらされているため、かかる反射光は、夫々、第１
及び第２の偏光ビームスプリッタ４６，４８を透過す
る。

【００３８】また、本実施の形態の焦点検出装置は、第
１及び第２のミラー部材５８，６２の第１及び第２の反
射面５８ｂ，６２ｂから反射した反射光の光量に基づい
て、光学系の光軸（第１及び第２の偏光ビームスプリッ
タ４６，４８からの反射光の光軸Ａ１，Ａ２）に対する
第１及び第２のミラー部材５８，６２の微小開口５８
ａ，６２ａの光軸ずれを検出する信号処理ユニット６８
を備えている。

【００３９】信号処理ユニット６８には、第１及び第２
のミラー部材５８，６２の微小開口５８ａ，６２ａを通
過すること無く第１及び第２の反射面５８ｂ，６２ｂか
ら反射した反射光を受光することができるように、これ
ら第１及び第２の反射面５８ｂ，６２ｂに対向配置され
た第１及び第２の光検出器７０，７２と、第１及び第２
の反射面５８ｂ，６２ｂからの反射光を受光した第１及
び第２の光検出器７０，７２から夫々出力された電気信
号Ｓ１，Ｓ２（図３（ａ）参照）に所定の演算を施すこ
とによって、光学系の光軸（第１及び第２の偏光ビーム
スプリッタ４６，４８からの反射光の光軸Ａ１，Ａ２）
に対する微小開口５８ａ，６２ａの光軸ずれを検出する
信号処理系７４とが設けられている。

【００４０】このような構成によれば、第１及び第２の
ミラー部材５８，６２の第１及び第２の反射面５８ｂ，
６２ｂから反射した反射光は、夫々、第１及び第２のλ
／４板５０，５４から第１及び第２の偏光ビームスプリ
ッタ４６，４８を透過した後、第１及び第２の光検出器
７０，７２に照射される。このとき、第１及び第２の光
検出器７０，７２に照射された反射光は、夫々、その光
量に対応した電気信号Ｓ１，Ｓ２に変換された後、信号
処理系７４へ出力される。

【００４１】信号処理系７４では、Ｓ１，Ｓ２の信号が
“零”となるとき、即ち、図３においてＳ１，Ｓ２の信
号が横軸と接しているとき、光学系の光軸（第１及び第
２の偏光ビームスプリッタ４６，４８からの反射光の光
軸Ａ１，Ａ２）に対して第１及び第２のミラー部材５
８，６２の微小開口５８ａ，６２ａが一致していること
が認識される。

【００４２】従って、上記割算信号が、零以外の信号出
力状態にあるとき、光学系の光軸Ａ１，Ａ２が微小開口
５８ａ，６２ａからずれていることが認識され、その割
算信号の信号出力を検出することによって、光学系の光
軸Ａ１，Ａ２に対する微小開口５８ａ，６２ａの光軸ず
れを効率良く検出することが可能となる。

【００４３】なお、本実施の形態においても第１の実施
の形態と同様に、微小開口５８ａ，６２ａの光軸ずれ
は、ずれ量に基づいて第１及び第２のミラー部材５８，
６２を移動させることによって解消される。この場合、
手動若しくは信号処理系７４の信号に基づいて、モータ
（図示しない）を駆動するなどすることによって自動制
御すれば良い。

【００４４】このように本実施の形態の焦点検出装置に
よれば、第１及び第２のミラー部材５８，６２の第１及
び第２の反射面５８ｂ，６２ｂから反射する反射光の光
量変化を信号処理ユニット６８を介して検出することに
よって、光軸Ａ１，Ａ２に対する微小開口５８ａ，６２
ａの光軸ずれを効率良く且つ高精度に検出することが可
能となる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、焦点検出ユニットに受
光されなかった光の光量に基づいて、光学系に光軸に対
する焦点検出ユニットの光軸ずれを効率良く且つ高精度
に検出することが可能な焦点検出装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る焦点検出装置
の構成を示す図。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る焦点検出装置
の構成を示す図。

【図３】第２の実施の形態に適用した第１及び第２の光
検出器の出力状態を示す図。

【図４】従来の焦点検出装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１６ 点光源 １８ 被測定面 ２０ 焦点検出ユニット ２２ 信号処理ユニット ２８ ミラー部材 ２８ａ ミラー部材の微小開口 ２８ｂ ミラー部材の反射面 ３０ 受光素子 ３４ 光検出器 ３６ 信号処理系 Ａ 光軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源から出射された測定光を被検体の測定面に照射
   すると共に前記測定面から反射した反射光を集光させる
   光学系と、 この光学系によって集光した反射光を受光することによ
   って、前記測定面に対する焦点検出可能な焦点検出ユニ
   ットと、 この焦点検出ユニットに受光されなかった光の光量に基
   づいて、前記光学系の光軸に対する前記焦点検出ユニッ
   トの光軸ずれを検出可能な信号処理ユニットとを備えて
   いることを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記焦点検出ユニットは、前記測定面か
   ら前記光学系を介して集光した反射光の集光位置に微小
   開口が形成されたミラー部材と、前記微小開口を通過し
   た反射光を受光する受光素子とを備えており、前記信号
   処理ユニットは、前記微小開口を通過すること無く前記
   ミラー部材の反射面から反射した光を受光可能なよう
   に、前記反射面に対向配置された光検出器と、前記反射
   面からの光を受光した前記光検出器から出力された電気
   信号に所定の演算を施すことによって、前記光学系の光
   軸に対する前記ミラー部材の前記微小開口の光軸ずれを
   検出する信号処理系とを備えていることを特徴とする請
   求項１に記載の焦点検出装置。