JPH11218670A

JPH11218670A - 焦点検出装置

Info

Publication number: JPH11218670A
Application number: JP10036586A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kotaki; 健一小瀧
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便な構成で、迅速に焦点検出を行なうこと
ができる焦点検出を提供すること。【解決手段】光源１と、前記光源からの光を物体面１
１に照射する照明光学系１０と、前記物体面からの反射
光を２つの光束に分割する光分割部材２２と、前記２つ
の光束を受光する受光素子２３とを有し、前記受光素子
により得られる前記２つの光束の情報を比較することに
より合焦状態を検出する焦点検出装置において、前記光
分割部材２２は、前記２つの光束を同一結像面の異なる
位置に結像させ、前記受光素子２３の受光面は前記結像
面に対して所定角度傾いて設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学顕微鏡等の光
学的観察装置における焦点検出に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学的観察装置の焦点検出の手順
を以下に説明する。まず、対物レンズ等の光学系を介し
て物体面と共役な位置に設置してある撮像素子により物
体面を撮像する。そして、画像処理装置を用いて撮像し
た画像のエッジのシャープさの度合い又はコントラスト
を数値化し、かかる数値が最大となるよう対物レンズと
物体面を相対的に移動させて焦点位置を検出している。

【０００３】また、他の方式の焦点検出では、物体面か
らの反射光をハーフミラー等で２つの光束に分割し、前
記２つの光束のうち、一方の光束を物体面と共役な位置
よりわずかに手前の位置に配置された第１の撮像素子で
撮像し、前記２つの光束のうち、他方の光束を物体面と
共役な位置よりわずかに後方の位置に配置された第２の
撮像素子で撮像している。そして、第１および第２の撮
像素子で得た各々の画像について、画像処理装置を用い
てエッジのシャープさ又はコントラストを数値化し、そ
れらが等しくなるよう対物レンズと物体面を相対的に移
動させて焦点位置を検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術の前者の方法では、焦点位置検出を開始する際
に、対物レンズと物体面の距離間隔を大きくすべきか、
または小さくすべきかの判断が迅速に行うことができな
い。つまり、かかる判断を行うためには、最初の画像を
撮像素子で取り込み画像処理装置によりコントラスト量
等を数値化し、次に対物レンズと物体面との距離間隔を
変えて、第二回目の画像取り込みを行い、第二回目の測
定で得られたコントラスト量を最初の測定で得られたコ
ントラスト量と比較しなければならない。このため、余
分な動作が必要となり、焦点検出速度が遅くなってしま
い問題である。

【０００５】一方、上述の従来技術の後者の方法では上
記焦点検出速度の問題については改善されている。すな
わち後者の方法では、予め異なる光軸上の位置で物体面
の画像を同時に第１および第２の撮像素子を用いて各々
取り込むことができる。したがって、焦点検出時におけ
る対物レンズと物体面との距離間隔が小さいのか、また
は大きいのかは検出時の物体面と対物レンズの距離を変
えて再度測定を行わなくても、二つの撮像素子で撮像さ
れた画像のコントラスト量を比較することで判断でき
る。

【０００６】しかしながら、後者の方法では撮像素子が
２つ必要であり、コストがかかるという問題や、さらに
光軸を引き回すためのスペースや光学素子が必要である
という問題がある。

【０００７】また、両者の方法とも物体面が例えばガラ
スや鏡面といった場合は、幾何学的パターンが物体面に
存在しないため、その面を撮像してもコントラストの違
いやエッジといった画像情報をまったく得られないとい
う問題がある。

【０００８】本発明は、上記問題にかんがみてなされた
ものであり、簡便な構成で、迅速に焦点検出を行なうこ
とができる焦点検出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
に、請求項１記載の発明は、光源１と、前記光源からの
光を物体面１１に照射する照明光学系１０と、前記物体
面１１からの反射光を２つの光束に分割する光分割部材
２２と、前記２つの光束を受光する受光素子２３とを有
し、前記受光素子により得られる前記２つの光束の情報
を比較することにより合焦状態を検出する焦点検出装置
において、前記光分割部材２２は、前記２つの光束を同
一結像面の異なる位置に結像させ、前記受光素子２３の
受光面は前記結像面に対して所定角度傾いて設けられて
いることを特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、前記受光素
子２３の前記受光面は、前記２つの光束のうち、いずれ
か１つの光束を結像した状態で、前記結像面に対して傾
いて設けられていることを特徴とする。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、前記物体面
に指標像を形成するための指標部材３をさらに有し、前
記指標像からの光束を前記光分割部材２２で少なくとも
２つの光束に分割することを特徴とする。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、前記指標像
はスリット像であり、前記受光素子２３はＣＣＤカメラ
であり、前記ＣＣＤカメラの焦点深度をｄ、前記ＣＣＤ
カメラの撮像面における前記スリット像の線幅をｌ、前
記結像面に対する前記ＣＣＤカメラの撮像面の傾き角度
をθとしたとき、ｌ・ｔａｎθ≦ｄの条件を満足することを特徴とする。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、前記光分割
部材２２は前記照明光学系１０のほぼ瞳位置に設けられ
ていることを特徴とする。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、前記結像面
は、前記光分割部材２２の光軸に対して直交し、前記撮
像面は前記光分割部材２２の光軸に対して傾いているこ
とを特徴とする。（作用）請求項１記載の発明では、バイプリズムなどの
光分割部材により物体からの光束を２つに分割し、同一
結像面の異なる位置に結像させている。また、受光素子
の受光面が前記結像面に対して傾いている。このため、
一つの受光素子で２つの光束を結像状態が異なった状態
で取り込むことができる。そして、該２つの光束の画像
特徴情報を後述するように検出処理すれば、物体面での
合焦状態を認識することができる。したがって、簡便な
構成で、迅速な焦点検出を行なうことができる。

【００１５】また、請求項２記載の発明では、前記受光
素子２３の前記受光面は、前記２つの光束のうち、いず
れか１つの光束を結像した状態で前記結像面に対して傾
いて設けられている。したがって、結像している光束を
処理した信号を基準として合焦状態を判断することがで
きる。

【００１６】また、請求項３記載の発明は、前記物体面
に指標像を形成するための指標部材３をさらに有し、前
記指標像からの光束を前記光分割部材２２で少なくとも
２つの光束に分割している。したがって、物体がコント
ラストを有しない一様な面であっても、指標像を信号処
理することで焦点検出を行なうことができる。

【００１７】また、請求項４記載の発明は、前記指標像
はスリット像であり、前記受光素子２３はＣＣＤカメラ
であり、前記ＣＣＤカメラの焦点深度をｄ、前記ＣＣＤ
カメラの撮像面における前記スリット像の線幅をｌ、前
記結像面に対する前記ＣＣＤカメラの撮像面の傾き角度
をθとしたとき、ｌ・ｔａｎθ≦ｄの条件を満足する。かかる条件を満足することで、撮像
面におけるスリット像の巾が変化しても、正確に焦点検
出を行なうことができる。

【００１８】また、請求項５記載の発明は、前記光分割
部材２２は前記照明光学系１０のほぼ瞳位置に設けられ
ている。したがって、物体からの光束径の変化に関わら
ず、一定の大きさの光分割部材で光束を分割することが
できる。

【００１９】また、請求項６記載の発明は、前記結像面
は、前記光分割部材２２の光軸に対して直交し、前記撮
像面は前記光分割部材２２の光軸に対して傾いている。
したがって、光学部品を効率よく配置することができ、
また、小さい傾き角度で精度よく焦点検出できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施形
態にかかる焦点検出装置を有する顕微鏡光学系の配置を
示す図である。発光ダイオード（ＬＥＤ）１から発せら
れた赤外光はコンデンサレンズ２によって集光され、指
標３を照明する。指標３には図２で示すように中央部に
長方形のスリットが形成されている。スリット部分を透
過した赤外光は、指標像として、レンズ４、ハーフミラ
ー５、可視光カットフィルタ６を通り、ダイクロイック
ミラー７で光軸を垂直方向に９０度折り曲げられて、対
物レンズ１０を介して、物体面１１に投影される。指標
像は物体面１１で一部が反射され再び対物レンズ１０を
介して、ダイクロイックミラー７まで到達し、そこで水
平方向に９０度反射される。そして、可視光カットフィ
ルタ６を透過したのちにハーフミラー５で光量のうち５
０％が垂直方向に反射されフィールドレンズ２１を介し
て、対物レンズの瞳位置近傍に配置された光分割部材で
あるバイプリズム２２に入射する。本実施形態ではバイ
プリズム２２で指標像を二分割し、２つの指標像を光軸
と直交する面（結像面）に同時に結像させる。そして、
光軸に対して、撮像面が傾けられたＣＣＤカメラ２３を
配置して、前記２分割された指標像を撮像する構成であ
る。即ち、結像面に対して撮像面が傾斜する構成であ
る。傾き調整部２６によりＣＣＤカメラ２３の撮像面の
光軸に対する角度を調整することができる。

【００２１】次に、物体観察のための照明および結像系
について説明する。水銀ランプ１８から発した照明光
は、レンズ１７によりほぼ平行光となり、開口絞り１
６、レンズ１５、視野絞り１４を透過した後、赤外カッ
トフィルタ１３を通り赤外線成分が除去される。そし
て、コンデンサレンズ１２で集光されたのち、物体面１
１を裏面から照明する。即ち、本実施形態では透過照明
型の顕微鏡が構成される。

【００２２】ここで、物体面１１は透明な部材（例えば
ガラス）上に、半透明又は全く光を透過しない部材によ
り微細な幾何学的パターンが形成されているものとす
る。かかる物体面１１を透過照明すると、物体面１１を
透過した光によりパターン像が形成される。このパター
ン像は対物レンズ１０を介して、ダイクロイックミラー
７、レンズ８を介してＩＴＶカメラ９上に結像される。

【００２３】かかる構成において、指標３と物体面１１
とバイプリズム２２によって２つの像が結像する結像面
とは相互に共役な関係となっている。また、ＣＣＤカメ
ラ２３の撮像面は２分割された指標像を含む平面（結像
面）に対してわずかに傾きをもって配置されている。本
実施形態では、ＣＣＤカメラ２３の傾きは、バイプリズ
ム２２で瞳を二分割された指標像のうち、図１において
右側の指標像がＣＣＤカメラ２３の撮像面上で結像する
位置が指標３及び物体面１１と共役な関係になるように
設定されている。なお、左側の指標像の結像位置に基づ
いて該設定を行なっても良い事は言うまでもない。

【００２４】かかる光学的関係にある場合、図３（Ｂ）
で示したように物体面１１に対物レンズ１０の焦点位置
が一致している場合は、図３（Ｃ）のように二分割され
た指標像のうち、右側指標像がＣＣＤカメラ２３上で
焦点を結ぶようになる。その結果、図３（Ａ）で示した
とおり、ＣＣＤカメラ２３で撮像された各々の二分割さ
れた指標像間の結像状態は明確に異なることになる。

【００２５】次に、図４（Ｂ）で示すように対物レンズ
１０の焦点位置が物体面１１より後ろにある場合は、図
４（Ｃ）のように二分割された指標像のうち左側指標像
がＣＣＤカメラ２３上で焦点を結ぶ状態となる。その結
果、図４（Ａ）で示したとおり、ＣＣＤカメラ２３で撮
像された各々の二分割された指標像間の結像状態は明確
に異なることになる。

【００２６】また、図５（Ｂ）で示すように対物レンズ
１０の焦点位置が物体面１１より前にある場合は、図５
（Ｃ）のように二分割された指標像の両方ともＣＣＤカ
メラ２３上で焦点を結ばない状態となる。その結果、図
５（Ａ）で示したとおり、ＣＣＤカメラ２３で撮像され
た各々の二分割された指標像は両者とも合焦していない
状態になる。

【００２７】図３乃至図５の（Ｄ）は、それぞれ上述の
３つの焦点位置状態で撮像された映像信号のうち、１画
面の中のほぼ中央部分のラスタの信号を示している。図
からも明らかなように、二分割された指標像のうち、Ｃ
ＣＤカメラ２３上に焦点を結んでいる指標像を撮像した
場合が最も信号レベルが大きく、かつ信号の立ち上がり
が鋭いことがわかる。それぞれの場合について、これら
の信号を微分したもの（以下「微分値」という）を図３
乃至図５の（Ｅ）に示す。また、図中Ｎ１乃至Ｎ３は微
分値の振幅量（大きさ）を示している。この図から信号
レベルが大きく、かつ信号の立ち上がりが鋭いほど微分
したときの振幅が大きくなることがわかる。

【００２８】図６は、微分値の振幅量と、対物レンズ１
０と物体面１１間の距離Ｄとの関係を示す図である。具
体的には、対物レンズ１０と物体面１１間との距離ｄ１
乃至ｄ３を横軸、該距離における図３乃至図５（Ｅ）の
微分値の振幅量を縦軸にとり、右側指標像の微分値から
得られる関係を実線の微分値波形、左側指標像の微分値
から得られる関係を破線の微分値波形でそれぞれ示した
図である。ＣＣＤカメラ２３をわずかに傾けた結果、Ｃ
ＣＤカメラ２３上に結像された２つの指標像から得られ
る微分値波形はまったく同じ形状でありながら、対物レ
ンズ１０と物体面１１間の距離ｄ１乃至ｄ３の相違に比
例して、わずかにその方向にずれた曲線となる。したが
って、この二つの曲線で求められる微分値振幅量のう
ち、左側指標像で求められるものをＮＬ，右側指標像で
も求められるものをＮＲとすると、距離Ｄは（ＮＬ−Ｎ
Ｒ）に対応する値となる。なお、該ＮＲ，ＮＬは、図３
乃至図６に示す左右指標像の微分値振幅量Ｎ１、Ｎ２、
Ｎ３に対応する値である。そこで、Ｆを変数（ＮＬ−Ｎ
Ｒ）を有する所定の関数として、対物レンズ１０と物体
面１１との距離Ｄは次式、Ｄ＝Ｆ（ＮＬ−ＮＲ）で算出することができる。

【００２９】この結果、画像処理装置でＮＬ−ＮＲを演
算し、その値を任意関数Ｆに入力することにより、対物
レンズ１０の焦点検出時の位置を認識することが可能で
ある。さらに、その情報に基づきＺ軸制御ユニット３７
はモータ２０を動かし、Ｚ軸ステージ１９を駆動するこ
とで対物レンズ１０を上下動させる。この結果、物体面
１１に焦点が合う位置に対物レンジ１０を制御し合焦を
行うことができる。図６中で実線と破線で示すような二
つの微分値波形上に載った状態の微分信号が得られる状
態にあれば、対物レンズと物体面との相対的距離を常時
認識することができる。したがって、一度画像処理を行
うことにより、物体面より前に合焦している状態か、又
は後に合焦している状態かはＺ軸を駆動することなく判
断できるので、瞬時に焦点位置近傍に対物レンズを移動
させることができる。

【００３０】また、上記手順にしたがって、対物レンズ
を焦点位置近傍へ移動させた場合に、ステージ１９等の
対物レンズ移動機構部の機械的バックラッシュ等の機械
的なあそび（ガタ）の影響により対物レンズの位置合わ
せに誤差を生ずる場合もある。このため、本実施形態で
は、対物レンズを合焦するように移動させた後において
も、再度上記手順による焦点状態検出を行うことが好ま
しい。これにより、さらに正確に対物レンズを焦点位置
へ移動させることができる。このように、画像処理の回
数を既存の方法と比較して格段に少なくすることができ
るので、画像処理装置を用いても、１画面を撮像する程
度の時間の二回分程度（例えば、標準テレビ方式のＣＣ
Ｄカメラを用いた場合は１／１５秒）でほぼリアルタイ
ムで焦点検出および焦点位置合わせが可能となる。

【００３１】図７は上述の信号処理を行う電気処理系を
示す図である。ＣＣＤカメラ２３からの信号はバッファ
を介して信号処理装置３０に入力される。該信号はＡ／
Ｄ変換回路３１にてデジタル信号に変換され、該デジタ
ル信号を記憶するメモリ回路３２、同期信号と所望の信
号を分けるための同期分離回路・カウンタ３３を経た
後、ウィンドウ回路・微分演算回路３４においてウィン
ドウ処理により微分に必要な部分が抽出され、微分処理
をされる。そして、差分回路３５、関数回路３６にて合
焦に必要な移動量が求めらる。Ｚ軸制御ユニット３７
は、物体面１１に合焦するために必要な量だけレンズ１
０をモータ２０等により駆動する。

【００３２】また、本実施形態では、図８に示すよう
に、ＣＣＤカメラ２３の撮像面ＩＰにおけるスリット像
の線幅をｌ、結像面ＩＰに対する前記ＣＣＤカメラの撮
像面ＳＰの傾き角度をθとしたとき、ｌ・ｔａｎθ≦ｄの条件を満足することが好ましい。かかる条件を満足し
ているスリット幅ｌであれば、焦点深度内に収まってい
るので、正確な焦点検出を行なうことができる。

【００３３】また、本実施形態では、指標３を用いて焦
点検出を行っているが、コントラストを有する物体を測
定する場合は前記指標を用いなくとも容易に焦点検出を
行うことができることはいうまでもない。

【００３４】また、焦点が合っている時の状態は、図３
以外の状態、即ち図４、図５の状態に適宜設定できるよ
うにしても良い。

【００３５】また、ＣＣＤカメラ以外の受光素子、例え
ば光電変換素子を２次元的に配置してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明では、光分割部材により物体からの光束を２つに分割
し、同一結像面の異なる位置に結像させている。また、
受光素子の受光面が前記結像面に対して傾いている。こ
のため、一つの受光素子で２つの光束を結像状態が異な
った状態で取り込むことができる。そして、該２つの光
束の画像特徴情報を検出処理すれば、物体面での合焦状
態を認識することができる。したがって、簡便な構成
で、複数回の画像取り込みを行なうこと無く迅速な焦点
検出を行なうことができる。

【００３７】また、請求項２記載の発明では、前記受光
素子の前記受光面は、前記２つの光束のうち、いずれか
１つの光束を結像した状態で前記結像面に対して傾いて
設けられている。したがって、結像している光束を処理
した信号を基準として合焦状態を容易かつ迅速に判断す
ることができる。

【００３８】また、請求項３記載の発明は、前記物体面
に指標像を形成するための指標部材をさらに有し、前記
指標像からの光束を前記光分割部材で少なくとも２つの
光束に分割している。したがって、物体がコントラスト
を有しない一様な面であっても、指標像を信号処理する
ことで焦点検出を行なうことができる。

【００３９】また、請求項４記載の発明は、条件式ｌ・
ｔａｎθ≦ｄを満足する。かかる条件を満足すること
で、撮像面におけるスリット像の巾が変化しても、該幅
がＣＣＤカメラの焦点深度内に収まっているので正確に
焦点検出を行なうことができる。

【００４０】また、請求項５記載の発明は、光分割部材
は照明光学系のほぼ瞳位置に設けられている。したがっ
て、物体からの光束径の変化に関わらず、一定の大きさ
の光分割部材で光束を分割することができる。

【００４１】また、請求項６記載の発明は、結像面は、
光分割部材の光軸に対して直交し、前記撮像面は前記光
分割部材の光軸に対して傾いている。したがって、光学
部品を効率よく配置することができ、また、小さい傾き
角度で精度よく焦点検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる装置の光学系を示す
図である。

【図２】指標３に形成されているスリット・パターンを
示す図である。

【図３】物体面上に指標像の焦点位置がある状態におけ
る、（Ａ）はＣＣＤカメラで撮像された分割された指標
像、（Ｂ）は対物レンズと物体面との位置関係、（Ｃ）
はバイプリズムとＣＣＤカメラと指標像の光束との関
係、（Ｄ）はＣＣＤカメラで撮像された指標像の１ラス
タ分の映像信号、（Ｅ）は前記１ラスタ分の映像信号の
微分信号を示す図である。

【図４】物体面上より後ろに指標像の焦点位置がある状
態における、（Ａ）はＣＣＤカメラで撮像された分割さ
れた指標像、（Ｂ）は対物レンズと物体面との位置関
係、（Ｃ）はバイプリズムとＣＣＤカメラと指標像の光
束との関係、（Ｄ）はＣＣＤカメラで撮像された指標像
の１ラスタ分の映像信号、（Ｅ）は前記１ラスタ分の映
像信号の微分信号を示す図である。

【図５】物体面上より前に指標像の焦点位置がある状態
における、（Ａ）はＣＣＤカメラで撮像された分割され
た指標像、（Ｂ）は対物レンズと物体面との位置関係、
（Ｃ）はバイプリズムとＣＣＤカメラと指標像の光束と
の関係、（Ｄ）はＣＣＤカメラで撮像された指標像の１
ラスタ分の映像信号、（Ｅ）は前記１ラスタ分の映像信
号の微分信号を示す図である。

【図６】本発明の実施形態の微分値波形を示す図であ
る。

【図７】本発明の実施形態の電気処理系を示す図であ
る。

【図８】本発明の実施形態のＣＣＤカメラの焦点深度と
スリット像の幅との関係を示す図である。

【符号の説明】

１赤外ＬＥＤ２、１２コンデンサレンズ３指標４、８、１５、１７、２１レンズ５ハーフミラー６可視光カットフィルタ７ダイクロイックミラー９ＩＴＶカメラ１０対物レンズ１１物体面１３赤外カットフィルター１４視野絞り１６開口絞り１８水銀ランプ１９Ｚ軸ステージ２０モータ２１フイールドレンズ２２バイプリズム２３ＣＣＤカメラ２４画像処理装置２６傾き調整部３０画像処理装置３１Ａ／Ｄ変換回路３２メモリ回路３３同期分離回路・カウンタ３４ウィンドウ回路・微分演算回路３５差分回路３６関数回路３７Ｚ軸制御ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を物体面に照射する照明光学系と、前記物体面からの反射光を２つの光束に分割する光分割
部材と、前記２つの光束を受光する受光素子とを有し、前記受光
素子により得られる前記２つの光束の情報を比較するこ
とにより合焦状態を検出する焦点検出装置において、前記光分割部材は、前記２つの光束を同一結像面上の異
なる位置に結像させ、前記受光素子の受光面は前記結像面に対して所定角度傾
いて設けられていることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】前記受光素子の前記受光面は、前記２つ
の光束のうち、いずれか１つの光束を結像した状態で、
前記結像面に対して傾いて設けられていることを特徴と
する請求項１記載の焦点検出装置。
【請求項３】前記物体面に指標像を形成するための指
標部材をさらに有し、前記指標像からの光束を前記光分
割部材で少なくとも２つの光束に分割することを特徴と
する請求項１または２記載の焦点検出装置。
【請求項４】前記指標像はスリット像であり、前記受
光素子はＣＣＤカメラであり、前記ＣＣＤカメラの焦点
深度をｄ、前記ＣＣＤカメラの撮像面における前記スリ
ット像の線幅をｌ、前記結像面に対する前記ＣＣＤカメ
ラの撮像面の傾き角度をθとしたとき、ｌ・ｔａｎθ≦ｄの条件を満足することを特徴とする請求項３記載の焦点
検出装置。
【請求項５】前記光分割部材は前記照明光学系のほぼ
瞳位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至
４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項６】前記結像面は、前記光分割部材の光軸に
対して直交し、前記撮像面は前記光分割部材の光軸に対
して傾いていることを特徴とする請求項４記載の焦点検
出装置。