JPH0460602A - 焦点検出装置及びそれを備えた観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は焦点検出装置及び該焦点検出装置を備えた観察
装置に関し、特に投光手段からの光束を結像光学系の一
部の領域を介して物体へ投光し、該物体からの反射光束
のうち、該結像光学系の他の領域を通過する光束の検出
器面上の入射位置情報を検出することにより、該結像光
学系の焦点位置の検出を行った焦点検出装置及び該焦点
検出装置を備えた観察装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より結像光学系の焦点位置を充電的に検出する焦点
検出装置には、種々のタイプのものが提案されている。

例えば特開昭５７−２１０３０８号公報では投光手段よ
り光束を物体側に投光し、物体からの反射光束を利用し
て焦点検出を行う所謂能動方式の焦点検出装置か提案さ
れている。又特開昭５７−７２１１１号公報や特開昭６
０−４１０１３号公報等では結像光学系により形成され
た物体像の結像状態を利用して焦点検出を行う受動方式
の焦点検出装置が提案されている。又特開昭５７−２２
２１０号公報では能動方式で、このとき光束を結像光学
系を介して物体側へ投光するようにしたＴ　Ｔ　Ｌ　（
Ｔｈｒｏｕｇｈ　ＴｈｅＬｅｎｓ）方式の焦点検出装置
が提案されている。

第５図は従来の能動方式でかつＴＴＬ方式を用いた焦点
検出装置を備えた顕微鏡の光学系の要部概略図である。

同図において１は焦点合わせ用の光源で例えばレーザー
ダイオード、ＬＥＤ　（発光ダイオード）等から成って
いる。光源１からの光束はコンデンサーレンズ２により
集光される。コンデンサーレンズ２で集光された光束の
一部は光軸に対して一方の側の部分か反射面９１ｂ、他
方の側の部分が透過面９１ａになっているナイフェツジ
ミラー９１の透過面９１ａを通過する。透過面９１ａを
通過した光束はビームスプリッタ−８により反射され光
束１８として結像光学系９に入射する。結像光学系９へ
の入射光束は、第８図て示すようにその瞳面１１１上で
結像光学系９の光軸１１４に対して主光線が偏心した光
束であり、瞳面１１１中の斜線て示す領域１１２（１１
３の様な光束は、ナイフェツジミラー９１の透過・反射
面の形状によりつくる）内を通過する。

結像光学系９を通過した光束１８は、物体９２に投光さ
れ、その近傍に光源１の発光部のスボ・ソト像を結像す
る。物体９２て反射した光束のうち、投光時とは光軸１
１４に対して略対称な光路に沿フて反射した光束１７は
、結像光学系９を再通過する。そしてビームスプリッタ
−８で反射し、ナイフェツジミラー９１の反射面９１ｂ
で反射してコンデンサーレンズ６により集光されて焦点
検出用の充電変換素子７の受光面にスポット像を形成す
る。

同図において、光源１と物体９２、物体９２と光電変換
素子７は各々互いに略共役関係となっている。

１０は顕微鏡のテレビカメラてあり、結像光学系９を介
して物体９２と略共役位置にあり、物体９２を観察して
いる。今、物体９２か第５図の位置く合焦位置）１１に
あるとき充電変換素子７面上には第７図に示すような光
線１０４が良好なるスポット光として結像する。このと
き、光電変換素子７からは、第７図に示す曲線１０１の
如く急峻な強度分布が得られる。

又、物体９２が前ビン（後ピン）の位置１２（１３）に
あるときは、光電変換素子７面上には第７図に示すよう
な光線１０６（１０５）が入射する。このときの光線１
０６（１０５）は光線１０１に比べて拡がったスポット
光となり、充電変換素子７からは同図の曲線１０３のよ
うに広がりかつ物体９２からの反射光束１７か光軸１１
４に対して偏心している為に、光線１０４による強度分
布に対し横方向にズした強度分布が得られる。

このときの充電変換素子７面上での入射光束のズレ量と
物体９２の合焦位置１１からのデイフォーカス量とは一
定の関係にある。第９図の装置では、光電変換素子７面
上への入射光束の光量重心の所定位置からのズレ量を検
出することにより結像光学系９の焦点検出を行フている
。

即ち、光電変換素子７に２分割センサーを用いて、入射
光束の強度分布か曲線１０１のとき、第５図に示すよう
に左側のセンサー７ａからの出力値をＡ、右側のセンサ
ー７ｂからの出力値をＢとして出力値Ａと出力値Ｂとの
差信号Ａ−ＢがＡ−Ｂ＝Ｏとなるように設定しておく。

第９図は物体９２のデイフォーカス量に対する充電変換
素子７からの差信号Ａ−Ｂとの関係を示した説明図であ
る。即ち物体９２が位置１２にあるときは差信号はＡ−
Ｂ＞Ｏ１物体９２が位置１３にあるときは差信号はＡ−
Ｂ＜Ｏとなる。

第５図に示す焦点検出装置は、光電変換素子７からの出
力信号の差信号Ａ−ＢかＡ−Ｂ＝０となるように、結像
光学系９又は物体９２を光軸上に沿って移動させて、こ
れにより結像光学系９に物体９を合焦せしめている。

（発明が解決しようとする問題点） 第５図に示す焦点検出装置では、物体９２が位置１３に
あり、合焦位置１１より距離ΔＸたけデイフォーカスし
ていると、充電変換素子７付近では反射光束１７は、第
７図に示すように、光電変換素子７から距離β２　・２
・ΔＸ程度、手前の点１０５ａに結像する。

但し、βは物体９２か結像光学系９を介して充電変換素
子７側に結像される際の近軸横倍率である。

ここで、物体９２か結像光学系９から大きく離れると、
即ちデイフォーカス量ΔＸか大きくなってくると、第７
図における距離β２・２・ΔＸが増大し、第６図に示す
ように物体９２からの反射光束１７かナイフェツジミラ
ー９１よりも手前の点１７ａに集光するようになってく
る。この結果、物体９２からの反射光束１７の全てがナ
イフェツジミラー９１の透過部９１ａを通通し、反射面
９１ｂで反射されなくなり、充電変換素子７へは入射し
なくなってくる。このとき光電変換素子７からの差信号
Ａ−Ｂは、第９図に示すようにＡ−Ｂ＝Ｏとなる。

即ち、デイフォーカス量ΔＸがある値ΔＸ　ＭＡＸ以上
大きくなると、差信号Ａ−ＢはＡ−Ｂ＝０となり、この
結果、焦点検出が出来なくなってくるという問題点が生
してくる。

本発明は物体か大きくデイフォーカスしていた場合、駆
動手段により物体又は結像光学系を移動調整し、物体か
らの反射光束か光検出器に入射し、光検出器からは所定
の差信号が得られるようにして、結像光学系の焦点位置
を広範囲にわたり高鯖度に検出することができる焦点検
出装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の焦点検出装置及びそれを備えた観察装置は、光
源と、対物光学系と、該光源からの光の部を遮光して該
対物光学系の光軸に対して偏心した光束を該対物光学系
に向ける光制限部材と、該対物光学系を介して照明され
た被検面からの反射光を該対物光学系を介して検出する
光検出器とを有し、該光検出器からの信号に基づいて該
被検面の該光軸の方向に関する変位を検出する焦点検出
装置において、前記光制限部材か前記被検面からの反射
光を反射して前記光検出器に向ける反射面を有し、前記
被検面からの反射光のうち該反射面の傍を通過して前記
光検出器へ入射しない光を検出する補助光検出器を配置
し、該補助光検出器からの信号に基づいて前記被検面の
前記光軸の方向に関する位置を調整することを特徴とし
ている。

又、本発明では光源と、対物光学系と、該光源からの光
の一部を取り出して該対物光学系の光軸に対して偏心し
た光束を該対物光学系に向ける光制限部材と、該対物光
学系を介して照明された被検面からの反射光を該対物光
学系を介して検出する光検出器とを有し、該光検出器か
らの信号に基すいて該被検面の該光軸の方向に関する変
位を検出する焦点検出装置において、前記光制限部材か
前記光源からの光の一部を反射して前記対物光学系に向
ける反射面を有し、前記被検面からの反射光のうち該反
射面の傍を通過した光を前記光検出器で検出し、前記被
検面からの反射光のうち該反射面で反射して前記光検出
器へ入射しない光を検出する補助光検出器を配置し、該
補助光検出器からの信号に基づいて首記被検面の前記光
軸の方向に関する位置を調整することを特徴としている
。

この他本発明では次の構成を有することを特徴としてい
る。

（イ）前記光源が発光タイオート又はレーザーダイオー
ドを備えており前記光源か、首記発光ダイオード或は前
記レーザーダイオードからの光を集光して前記光制限部
材に向けるコンデンサーレンズを有すること。

（ロ）前記対物光学系か前記光制限部材からの光束を所
定位置に集光する対物レンズ系を有し、前記光検出器が
該所定位置と前記被検面との前記光軸方向に関する相対
的な変位に応じた信号を出力し、又前記光検出器が前記
光制限部材からの前記反射光を集光するレンズ系と該レ
ンズ系からの光を光電変換し、該光の入射位置に応じた
信号を出力するセンサーとを有し、前記センサーと前記
所定位置とか光学的に共役となるよう、又は／及び前記
光源の発光部と前記所定位置とか光学的に共役となるよ
う前記対物光学系を配置したこと。

（ハ）前記光検出器からの信号と前記補助光検出器から
の信号とに基づいて前記被検面の前記光軸方向に関する
位置を調整する調整手段を備えること。

（ニ）前記光制限部材か、透明基板と、該透明基板の一
部に前記反射面を構成するよう形成した反射膜とを有し
、該透明基板を前記光軸に対して傾けて配置し、該反射
膜で前記光源からの光を遮光すること。

（＊）前記光制限部材が、透明基板と、該透明基板の一
部に首記反射面を構成するよう形成した反射膜とを有し
、該透明基板を前記光軸に対して傾けて配置し、該透明
基板の該反射膜以外の部分を介して前記被検面からの反
射光を前記光検出器で検出していること。

（実施例） 第１図は本発明の焦点検出装置の第１実施例を示す概略
図であり、顕微鏡に本焦点検出装置を搭載した様子を図
示しである。

本実施例の装置は、第５図の従来の焦点検出装置とは異
なり、ナイフェツジミラー９１（光制限部材）の近傍に
フォトタイオート（ＰＤ）より成る補助光検出器３を設
け、この光検出器３て、ビームスプリッタ８側からナイ
フェツジミラー９１に入射した反射光束１７のうち反射
部９１ｂで反射せす透過面９１ａを通過した光（充電変
換素子７に入射しない光）を検出している。そしてこの
ときの該補助検出器３からの出力信号は制御器４に入力
され、制御器４からの指令信号で、駆動手段４０を介し
て物体９２を結像光学系９の光軸１１４方向に移動させ
る。これにより、光電変換素子７の受光面に物体９２の
表面で反射した反射光束（１７）が入射するように、物
体９２の位置を調整する。

又、制ａＩＪ器４は光＃１の発光のルｊｍを行なうと共
に、充電変換素子７からの出力信号（Ａ−Ｂ）に広答し
て、駆動手段４０に所定の信号を人力し、物体９２の表
面を結像光学、！−９に対して合焦させる為にも作動す
る。

次に本実施例の装置の構成を、第５図の従来の焦点検出
装置を一部重複するが、順次説明する。

第１図において、■は光源で中心波長λ。の準単色光を
放射するＬＥＤ　（発光タイオート）から成っており波
長λ。の単色光又は波長λ。を中心とした拡がりを有す
る光束を放射している。

２はコンデンサーレンズであり、光源１からの光束を集
光し、ナイフェツジミラー９１に向けている。コンデン
サーレンズ２は、光源１からの光束を効率的にナイフェ
ツジミラー９１に向ける為に設けてあり、また、光源１
の発光部の像を、物体９２の表面上に、結像光学系と共
に形成するように働く。コンデンサーレンズ２の交換等
によって、この発光部の像の大きさ（結像倍率）を調整
することができる。

光制限部材９１は、光軸１１４に関して一方の側（図中
、上側）に反射部９１ｂ、他方の側（図中、下側）に光
透過部９１ａを歯打するナイフェツジミラーで構成され
ている。８はビームスプリッタ−で、ハーフミラ−を光
軸１１４に対して斜設しである。ナイフェツジミラー９
１の光透過部９１ａを通過し、ビームスプリッタ８に入
射した光束は、ヒ゛−ムスブリッタ８により反射され、
光束１８として結像光学系９に入射する。結像光学系９
への入射光束は、第８図で示したように、その瞳面１１
１上で、結像光学系９の光軸１１４に対して、その主光
線か偏心した光束であり、瞳面１１１の斜線て示す領域
１１２内を通過する。

その後、結像光学系９を射出した光束１８は、物体９２
に入射し、物体９２の表面近傍に光源１の発光部の像を
結像する。物体９２の表面（被検面）で反射した反射光
束は、入射時の光路と、光軸１１４に対して略対称な光
路に沿って逆方向に向かい反射光束１７となって結像光
学系９を再び通過する。そしてビームスプリッタ８て反
射し、ナイフェツジミラー９１の反射部９１ｂで反射し
コンデンサーレンズ６により集光されて、焦点検出用の
充電変換素子７面に入射する。

同図において、物体９２の表面か結像光学系９に対して
合焦した時に、光源１の発光部と物体９２の表面、物体
９２の表面と充電変換素子７の受光面は各々互いに光学
的に共役になる。

１０はテレビカメラであり、その撮像面か結像光学系９
を介して物体９２の表面と光学的に共役になるよう、本
焦点検出装置は作動する。尚このテレビカメラ１０て、
物体９２を観察する。

本実施例の結像光学系９は顕微鏡の対物レンズ系であり
、このレンズ系は複数個のレンズを備えたレンズアセン
ブリより成る。また、光電変換素子７は２分割センサー
で構成されている。

また、第２図に示すように、ナイフェツジミラー９１は
、カラス板よりなる透明基板の一部にＡｆｌ、ＡＵ等の
金属膜を形成して反射部９１ｂを構成し、他の部分（金
属がない部分）を光透過部９１ａとしている。

第１図において、物体９２の表面か位置１１即ち合焦位
置にあれば、第１図に示すように、反射光束１７は、ナ
イフェツジミラー９１の反射部９１ｂで反射し、光電変
換素子７の受光面上に、第７図に示した光束１０４の如
く入射し、受光面上に鮮明な光スポットを形成する。

又、物体９２の表面か位置１２（前ピン）にあるとき、
反射光束１７は、光電変換素子７の後方に集光するよう
になるので反射光束１７はナイフェツジミラー９１の反
射部９１ｂで反射し、充電変換素子７の受光面上に、第
７図に示す光束１０６の如く入射し、受光面上に拡がっ
た光スポットを形成する。

一方、物体９２の表面か位置１３（後ピン）にあり、デ
イフォカス量ΔＸが大きい時には、第７図に示すように
、充電変換素子７に対し反射光束１７の結像位置１０５
ａか大きくすれてβ２２・ΔＸか大きくなってくる。従
って、第２図に示すように、反射光束１７はナイフェツ
ジミラー９１の手前の点１７ｂに結像した後に、ナイフ
ェツジミラー９１に入射するようになる。

このときの反射光束１７は前述したように、ナイフェツ
ジミラー９１の反射部９１ｂには入射しないか、入射し
ても、その量か小さく、光透過部９１ａに、反射光束１
７の殆とか入射するようになる。

即ち、充電変換素子７の受光面に反射光束１７か殆と入
射しない為に、充電変換素子７からの差信号Ａ−Ｂは常
にほぼＡ−Ｂ＝Ｏとなり合焦状態として誤まってしまう
誤信号か得られるようになる。

そこて、本実施例では、第２図に示すようにナイフェツ
ジミラー９１近傍の有効光束外に補助光検出器３を設け
、この補助光検出器３で、ナイフェツジミラー９１の透
過部９１ａを通過してきた光束１７の一部を検出するよ
うにしている。そして、補助光検出器３からの受光した
光の強度に応じた出力値（信号レベル）が所定値以上あ
るときは制御器４で物体９２か大きくデイフォーカス（
後ピン）しているものと見なし、制御器４から所定の指
令信号を駆動手段４０に与え、駆動手段４０により物体
９２を光軸上、合焦位置１１へ向う方向（結像光学系９
の方向）に移動させている。

第１Ｏ図は、デイフォーカス量と補助光検出器３からの
出力値Ｃとの関係を示す説明図である。

同図においては、デイフォーカス量ΔＸ　ＭＡＸ（第９
図参照）よりも大きくデイフォーカスしている範囲ΔＤ
内にあるとき、補助光検出器３からは出力信号Ｃ１が得
られることを示している。

このように、本実施例では、物体９２の表面が後ピン方
向で大きくデイフォーカスしているときは、補助光検出
器３から所定の信号が得られるのてこの出力信号に基づ
いて制御器４と駆動手段４０を用いて物体９２を所定量
光軸上１１４に沿って移動させることにより、物体９２
の表面からの反射光束１７がナイフェツジミラー９１の
反射部９１ｂて反射して充電変換素子７の受光面上に入
射するようにしている。

これにより、本実施例の焦点検出装置では、物体９２か
前ピン方向、後ピン方向で大きくデイフォーカスしてい
ても、物体９２の表面からの反射光束１７を、光電変換
素子７面上に入射させることができるようにしている。

本実施例によれば、物体９２が広い範囲にわたってデイ
フォーカスしていても、正確に焦点位置を検出すること
ができる。

第３図は本実施例の焦点検出装置を使用した焦点検出方
法の手順を示すフローチャート図である。同図に示す処
理は、電気回路を組んでハート的に行なっても良く、又
検出器３，７からの出力信号なＡ／Ｄ変換してＣＰＵを
利用してソフト的に行っても良い。

上記実施例において、光源ｌの出力（光強度）が大きく
て、光学系で光の利用効率を高める必要がない時には、
コンデンサーレンズ２を取りはずしたり、或は、コンデ
ンサーレンズ２．６を取りはずして、装置を構成するこ
ともできる。このように構成する場合も、物体９２の表
面が結像光学系９に対して合焦した時に、この表面と、
光Ｗ１の発光部及び光電変換素子７の受光面とが、互い
に共役になるよう、光源１と素子７を配列するのかいい
。

上記実施例では、充電変換素子７として２分割センサー
を用いていたか、このセンサーの代りにＰ　Ｓ　Ｄ　　
（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃ
ｔｏ）　、　　１次元また２次元ＣＣＤなとのセンサー
の使用が可能である。また、光源１としても、レーザー
タイオート（半導体レーザー）を、ＬＥＤの代りに使用
できる。

上記実施例において１例えば第４図に示すようにコンデ
ンサーレンズ２とナイフェツジミラー９１との間にハー
フミラ−５を配置し、コンデンサーレンズ２からの光束
をハーフミラ−５を通過させてナイフェツジミラー９１
の透過部９１ａに導光すると共に、ビームスプリッタ−
８で反射し、ナイフェツジミラー９１の透過部９１ａを
通過してきた反射光束１７を、ハーフミラ−５て反射し
、補助光検出器３に入射させるようにしても良い。

又、第１１図に示すように、光源１とコンデンサーレン
ズ２と補助光検出器３から成る系と、コンデンサーレン
ズ６と光電変換素子７から成る系とを入れ替えて構成し
ても本発明は同棟に通用することができる。また、ナイ
フエ・ソシミラ−９１は第２図で示した如く透明基板（
カラス板等）の一部にＡｌ１．Ａｕ、等の金属膜を形成
して構成できるが、第１２図に示す如く、単に、少なく
とも結像光学系９側の表面に反射面を備えるナイフェツ
ジを配置してもいい。また、第６図で示したナイフェツ
ジミラー９１を使用する場合には、反射膜のパターニン
グ形状を適宜設定することにより、第１３図に示すよう
に、結像光学系９の瞳面１１１の一部分の円形領域１１
３のみを光束１８が通過するようにすることもできる。

また、本発明では、被検面に対する合焦制御は、上記実
施例の如く物体を上下動させても良いが、顕微鏡全体を
上下動させたり、光学系の一部（例えば対物レンズ）を
上下動させて、合焦を行なうようにしてもいい。また、
本発明の焦点検出装置は顕微鏡以外の他の光学機器にも
通用可能である。

（発明の効果） 本発明によれば結像光学系の焦点位置を検出する際に航
述したように結像光学系に偏心した光束を入射させる為
の各要素と補助検出器等の各要素を適切に設定すること
により、デイフォーカス量か大きい広いデイフォーカス
範囲にわたって高鯖度に焦点位置の検出が出来る焦点検
出装置を達成することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図、第
２図は第１図の光学部材近傍の説明図、第３図は第１実
施例の信号処理のフローチャート図、第４図は本発明の
第２実施例の光学系の要部概略図、第５図は従来の焦点
検出装置の要部概略図、第６図は第５図の一部分の説明
図、第７図は焦点検出装置に用いられている検出器に入
射する光束の説明図、第８図は第１図の結像光学系の瞳
面上の光束の説明図、第９．第１０図は゛デイフォーカ
ス量と検出器からの出力信号との関係を示す説明図であ
る。第１１図は第１図で示した実尻側の変形例を示す図
、第１２図は光制限部材の他の例を示す図、第１３図は
光制限部材の他の例を示す為の結像光学系の瞳面上での
光束の説明図。 図中１は光源、２，６はコンデンサーレンズ、３は補助
検出器、４は制御器、４０は駆動手段、５はハーフミラ
−１７は検出器、８はビームスプリッタ−１９は結像光
学系、１０はテレビカメラ、９２は物体、１１１は結像
光学系の瞳面、１１４は光軸、９１はナイフェツジミラ
ー１２１はナイフェツジである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、対物光学系と、該光源からの光の一部を
   遮光して該対物光学系の光軸に対して偏心した光束を該
   対物光学系に向ける光制限部材と、該対物光学系を介し
   て照明された被検面からの反射光を該対物光学系を介し
   て検出する光検出器とを有し、該光検出器からの信号に
   基づいて該被検面の該光軸の方向に関する変位を検出す
   る焦点検出装置において、前記光制限部材が前記被検面
   からの反射光を反射して前記光検出器に向ける反射面を
   有し、前記被検面からの反射光のうち該反射面の傍を通
   過して前記光検出器へ入射しない光を検出する補助光検
   出器を配置し、該補助光検出器からの信号に基づいて前
   記被検面の前記光軸の方向に関する位置を調整すること
   を特徴とする焦点検出装置。
2. （２）前記焦点検出装置を用いたことを特徴とする観察
   装置。