JPH06214150A

JPH06214150A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JPH06214150A
Application number: JP5004751A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kotaki; 健一小瀧
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】収差やフレアの影響をまったく受けずに、か
つ簡単な構成で高精度なオートフォーカスを行なう。【構成】透過照明系１、２ａ、３、２ｂ、４、５、６
には物体面７の照明領域を撮像素子１１の撮像面１１’
にほぼ共役な大きさに制限する視野絞り４を設けると共
に、透過照明系１、２ａ、３、２ｂ、４、５、６による
物体面７の照明領域外に透過照明系１、２ａ、３、２
ｂ、４、５、６による物体照明光とほぼ等しい波長帯域
の指標光を照射する指標照射光学系８、９、１３、１
２、１０、１４、１５、１６を設け、さらに、物体面７
で反射した指標光を照明光と分離して受光する受光光学
系８、９、１３、１０、１７、１８とを有し、この受光
光学系８、９、１３、１０、１７、１８のビデオカメラ
１８からの信号に基づいて、物体面７の像を撮像素子１
１の撮像面１１’に合焦させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡等に使用される
オートフォーカス装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置としては、特開平１
−２０２７０８号公報に記載されたものがある。このも
のは、物体面に照明光を照射する透過照明系と、照明さ
れた物体を対物レンズにより物体投影面に結像させる観
察系と、対物レンズを通して照明光とは異なった波長の
指標光を物体面に結像させる指標照射系と、物体面で反
射した指標像を対物レンズの瞳位置で二つに分割する瞳
分別プリズムと、分割された第１の光束をその結像位置
で受光する第１ディテクタと、分割された第２の光束を
その結像位置で受光する第２ディテクタと、前記ディテ
クタの出力に基き、物体面と対物レンズとの間隔を制御
して、物体像を物体像面に合焦させる間隔制御手段とを
有するオートフォーカス装置である。そして、瞳面で２
分割された光情報はいずれも同一のパターン情報を含む
ことから、演算によって双方に共通のパターン情報は消
去され、合焦誤差情報のみとなることからパターンに影
響されない正確な合焦制御が可能となる。

【０００３】また、前記公報には、物体用の照明光と指
標照射照明光とを異なった周波数で、振幅変調すること
により、同じ波長領域の光を用いることができる旨の記
載もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】物体用の照明光と指標
照射照明光は、各々異なった波長帯域、例えば物体用の
照明光が４００〜６００nm付近の光源を用い指標照射用
照明光は８００nmの光源を使用した場合には、両方の光
源が共通に通過するレンズ部分においては、収差の影響
がさけられなかった。つまり観察系の解像力を向上する
為に対物レンズの収差補正を、使用波長である４００〜
６００nm付近で最もよくすると、指標照射用照明光の波
長での収差が大きくなる。その結果、指標像に歪が発生
し、良好なオートフォーカス状態が得られない。また、
対物レンズおよびその他のレンズ群において、フレアの
発生を抑える為、レンズ表面に反射防止コートを行って
いるが、この反射防止コートも広範囲の波長帯域におい
て良好な反射防止を行うことは困難である。よって物体
用の照明光の光源の波長に反射防止を行うと、指標照射
用照明光の波長帯域では、その効果は望めない。また、
振幅変調を行うことにより、同波長の物体間の照明光と
指標照射照明光とを用いる場合には、２つの照明光の波
長が異なることに起因する光学的な問題は解消するもの
の、変調、復調をするための構成が指標になる、という
問題が発生する。本発明はこの様な従来の問題点に鑑み
てなされたもので、収差やフレアの影響をまったく受け
ずにかつ簡単な構成で高精度なオートフォーカスを行な
うことを可能とすることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決する為の手段】上記問題点の解決の為に本
発明では、物体照明手段には、物体の照明領域を撮像手
段の撮像面にほぼ共役な大きさに制限する光束制限部材
を設けると共に、物体照明手段による物体の照明領域外
に物体照明光とほぼ等しい波長帯域の指標光を照射する
指標照射手段を設け、さらに、物体面で反射した指標光
を照明光と分離して受光する受光手段とこの受光手段の
出力に基づき、物体面を撮像手段の撮像面に一致させる
制御手段を設けた。

【０００６】

【作用】このように本発明においては、物体の照明光と
指標光とを簡単な構成で同波長帯の光とすることを可能
としたので、収差やフレアの影響を受けることなく、正
確なオートフォーカス動作が可能となる。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明の実施例の光学配置図であ
る。光源１は所定の波長の光束を発する光源であり、光
源１の射出光は、レンズ２ａ、開口絞り３、レンズ２
ｂ、視野絞り４、赤外カットフィルタ５、コンデンサレ
ンズ６を透過し、物体面７を照明している。物体面７の
照明領域は、視野絞り４の開口がレンズ６により物体面
７に結像された領域となる。この系１、２ａ、３、２
ｂ、４、５、６により物体照明手段としての透過照明系
を構成する。物体面７上の像は、対物レンズ８およびレ
ンズ１０によって撮像素子１１の撮像面（物体投影面に
あたる。）上に結像する。撮像素子１１の撮像面には、
透過照明系により照明された物体の部位が物体の像とし
て結像している。ここで視野絞り４の開口の形状は、図
６（ａ）で示した撮像素子１１の撮像面上において、撮
像面１１’とほぼ同じ領域４０’が照明されるように、
物体面７上での照明領域（図５の４０）が撮像面１１’
とほぼ共役になるように定められている。指標用光源１
６の照射光は、コンデンサレンズ１５を通り、図４に平
面図を示した指標板１４の２つのスリット１４ａ、１４
ｂを照明する。指標板１４の２つのスリットを透過した
指標光は集光レンズ１０、赤外カットフィルタ１２、ハ
ーフミラー１３を透過後、ハーフミラー９を反射するこ
とによって、光軸を直角に曲げられ、対物レンズ８によ
って、物体面７上に、指標用スリット像を投影してい
る。指標板１４に形成した２つのスリットは、物体面７
上での照明領域外の２ケ所に指標用スリット像を形成す
る位置に設けられている。この指標用スリット像を形成
した指標光は、物体面７で反射し、再び対物レンズ８を
通過し、ハーフミラー９で反射して直角に光路を曲げら
れ、次に再びハーフミラー１３で反射して光路を直角に
曲げられ、レンズ１０を通り、瞳面上に配置された瞳分
割プリズム１７で、二分割される。二分割された光束
は、図３に示したように、ビデオカメラ１８の撮像面１
８’上で各々指標用スリット像１４０ａ’、１４０
ａ”、１４０ｂ’、１４０ｂ”を結像する構成となって
いる。

【０００８】このように、光源１、１６の波長特性及び
赤外カットフィルタ５、１２の波長選択特性を合わせて
おくことにより、物体の照明光と指標光とをほぼ同じ波
長特性に設定できる。図２は、瞳分割プリズム１７で分
割した後、ビデオカメラ１８の撮像面１８’に結像され
る指標用スリット像の結像状態を説明するための図であ
る。物体面７が合焦位置にある場合の指標用スリット像
の位置Ｐ₁、Ｐ₂を境にして、物体面７が合焦位置より
下方にある場合は、位置Ｐ₁、Ｐ₂より互いに離れる方
向へずれた図２ａで示した部分が光束となり、逆に物体
面７が合焦位置より上方にある場合は、位置Ｐ₁、Ｐ₂
より互いに近づく方向へずれた図２ｂで示した部分が光
束となる。よってビデオカメラ１８の撮像面１８’での
指標用スリット像の結像位置は、物体面の上下動によ
り、互いに近づいたり離れたりする方向へ移動すること
になる。

【０００９】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図２で示
した指標用スリット像４０の移動の状態をビデオカメラ
で撮像した場合を説明するものである。図３（ａ）は、
物体面７が合焦位置より上方にある場合、また図３
（ｂ）は、物体面７が合焦位置にある場合、また図３
（ｃ）は、物体面７が合焦位置より下方にある場合を示
している。

【００１０】そして、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中の
Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは、物体面７上の幾何学的パターンが
透過照明系１、２ａ、３、２ｂ、４、５、６によって視
野絞り４の開口の形状に領域４ｃ’の範囲（撮像素子１
１の受光面１１’の形状にほぼ等しい）で照明されるこ
とによってできた像である。また、図３（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）において、１４０ａ’、１４０ａ”は指
標板１４のスリット１４ａの物体面７上での反射像、１
４０ｂ’、１４０ｂ”は、指標板１４のスリット１４ｂ
の物体面７上での反射像である。ビデオカメラ１８は、
指標用スリット像１４０ａ’、１４０ａ”、１４０
ｂ’、１４０ｂ”と共に、物体面７の幾何学的パターン
Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃも撮像するが、後述の画像処理によ
り、指標用スリット像１４０ａ’、１４０ａ”を走査す
る走査線Ｌ１と、指標用スリット像１４０ｂ’、１４０
ｂ”を走査する走査線Ｌ２の画像信号からそれぞれのス
リット像の間隔を求めている。

【００１１】図７は、ビデオカメラ１８の出力であるビ
デオ信号１９と水平同期信号２０と垂直同期信号２１か
ら、オートフォーカス駆動用のＤＣモータ３４までのサ
ーボ系を示したものであり、ビデオ信号１９を増幅する
増幅器２２、増幅器２２の出力を微分するハイパスフィ
ルタ２３、微分された２つの指標用スリット像波形のピ
ーク検出を行う為のピークホールド回路２４、サンプル
アンドホールド回路２５、タイミングパルス発生回路２
６、エッジ検出回路２７、ゲード回路２８、そしてピー
ク検出された２つの指標用スリット像のエッジ間の距離
を測定する為の同期回路２９、のこぎり波発生回路３
０、サンプルアンドホールド回路３１でモータ制御用目
標信号を求めて、演算回路３２の一方の入力端子に入力
する。他方、タコジェネレータ３５の出力電圧をプリア
ンプ３６で増幅し、ローパスフィルタ３７を通し平滑化
したフィード・バック信号を演算回路３２の他方の入力
端子に入力し、演算回路３２で作り出された制御信号に
より、モータドライブ回路３３がＤＣモータ３４を駆動
し、物体面７と対物レンズ８とを相対的に移動させるこ
とでオートフォカス制御を行う構成となっている。

【００１２】以下装置の動作の詳細説明を行う。本装置
は、指標板１４の２つのスリット１４ａ、１４ｂの像
が、指標投射系１６、１５、１４、１０、１２、１３、
９、８によって物体面７上に形成されている幾何学的パ
ターン上に投影され、その像が合焦状態にある時、スリ
ット１４ａ、１４ｂの像および物体投影像３９が、ビデ
オカメラ１８および撮像素子１１上に合焦する（図３
（ｃ）、図６）。そして、物体面７が合焦位置から上下
方向にずれた場合は、図３（ａ）、（ｂ）で示したよう
に、指標用スリット像１４０ａ’、１４０ａ”、１４０
ｂ’、１４０ｂ”は、左右方向に逆方向へ移動する。つ
まり、二分割された指標用スリット像１４０ａ’、１４
０ａ”および１４０ｂ’、１４０ｂ”は、フォーカスの
状態により、離れたり、近づいたりする（図２参照）。
そして、合焦状態のときは、その中間の位置で指標用ス
リットは合焦状態となる（図２のＰ₁、Ｐ₂）。このよ
うな本実施例による光学的原理は特開平１−２０２７０
８号公報に記載のものと同等であるので詳細な説明は省
略する。ビデオカメラ１８の撮像面１８’上には、透過
照明系（１、２ａ、３、２ｂ、４、５、６、７）によっ
て照明された物体投影像４０”も結像される（図３
（ａ）、（ｂ）（ｃ））。しかし、この物体投影像４
０”は、透過照明系（１、２ａ、３、２ｂ、４、５、
６、７）の視野絞り４で照明範囲がスリット１４ａ、１
４ｂの像１４０ａ’、１４０ａ”、１４０ｂ’、１４０
ｂ”と重さならないよう制限されている。この制限は、
図６で示したとおり、撮像素子の撮像面１１’に必要な
照明範囲が必要最少限の範囲で確保されるように決定さ
れている。しかし、撮像素子の撮像面１１’の範囲より
狭い照明範囲とはできない為、図６で示したとおり、ス
リット１４ａ、１４ｂの像１４０ａ’、１４０ａ”、１
４０ｂ’、１４０ｂ”がこの撮像面１１’と重ならない
ように、図４で示した光束の周縁近くに形成した２つの
スリット形状としている。ビデオカメラ１８で撮像され
たスリット１４ａ、１４ｂの像１４０ａ’、１４０
ａ”、１４０ｂ’、１４０ｂ”および物体投影像３９
は、ビデオ信号１９（図８（ａ））に変換され増幅器２
２に入力される。

【００１３】その後、ビデオ信号１９は、ハイ・パス・
フィルタ２３によって微分波形となる（図８（ｂ））。
タイミングパルス発生回路２６では、図３で示したスリ
ット１４ａ、１４ｂの像１４０ａ’、１４０ａ”、１４
０ｂ’、１４０ｂ”を横切るラスタＬ１とＬ２（その位
置はあらかじめ設計で定まる）がスキャンされたタイミ
ングを検出し、ピークホールド回路２４およびサンプル
アンドホールド回路２５を動作させ、ラスタＬ１および
Ｌ２上でのスリット１４ａ、１４ｂの像１４０ａ’、１
４０ａ”、１４０ｂ’、１４０ｂ”の左側エッジ部分を
検出する。二分割されたスリット１４ａの像１４０
ａ’、１４０ａ”およびスリット１４ｂの像１４０
ｂ’、１４０ｂ”の各々の左側エッジが２ケ所検出さ
れ、この位置に同期したパルスがエッジ検出回路２７で
出力される（図８（ｃ））。この２つのパルスを、ゲー
ト回路２８を介してのこぎり波発生回路３０およびサン
プルアンドホールド回路３１に入力する。のこぎり波発
生回路３０は、初めのパルスに同期して出力が時間に比
例して上昇し、サンプルアンドホールド回路３１が２つ
目のパルスに同期してのこぎり波発生回路３０の出力Ｖ
をホールドすることにより２つのパルス間隔ｔを電圧ｖ
に変換し、ＤＣモータ３４のサーボ目標電圧として演算
回路３２の一方の入力端子に入力する。演算回路３２
は、タコジェネレータ３５の出力電圧（実際には、プリ
アンプ３６、ローパスフィルタ３７を経た電圧）と比較
を行い、ＤＣモータ３４を制御し、物体面７と対物レン
ズ８とを相対的に移動させ、物体面７が常に合焦位置に
あるようにしている。

【００１４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、物体の照
明領域と指標光の物体照射位置とを重ならないように構
成し、物体の撮像手段および指標光の受光手段でそれぞ
れ分離して受光するので、簡単な構成で同一波長帯の光
を用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の実施例の光学系配置図であ
る。

【図２】瞳分割プリズムで分割された指標光のビデオカ
メラの撮像面上での到達領域を示した図である。

【図３】ビデオカメラの撮像面上での結像状態を示す図
である。

【図４】指標板の平面図である。

【図５】物体面の照明領域を示す図である。

【図６】撮像素子上での像の様子を示した図である。

【図７】電気信号処理回路ブロック図である。

【図８】図７のブロック図内の主な波形を示した波形タ
イミング図である。

【符号の説明】

１光源２ａ、２ｂレンズ３開口絞り４視野絞り５赤外カットフィルタ６コンデンサレンズ７物体面８対物レンズ９ハーフミラー１０レンズ１１撮像素子１１’ 撮像素子１１の受光面１２赤外カットフィルタ１３ハーフミラー１４指標板１４ａ、１４ｂスリット１５コンデンサレンズ１６指標用光源１７瞳分割プリズム１８ビデオカメラ１８’ ビデオカメラ１８の撮像面１９ビデオ信号２０水平同期信号２１垂直同期信号２２増幅器２３ハイ・パス・フィルタ２４ピークホールド回路２５サンプルアンドホールド回路２６タイミングパルス発生回路２７エッジ検出回路２８ゲート回路２９同期回路３０のこぎり波発生回路３１サンプルアンドホールド回路３２演算回路３３モータドライブ回路３４ＤＣモータ３５タコジェネレータ３６プリアンプ３７ローパスフィルタ４０物体面７上での照明領域４０’ 物体投影像の生じる領域４０” 物体投影像１４０ａ’、１４０ａ”１４０ｂ’、１４０ｂ” 指標
用スリット像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ物体面のパターンの像Ｌ１、Ｌ２走査線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体面に照明光を照射する照明手段と照
明された物体を対物レンズにより物体投影面に結像さ
せ、その像を撮像手段により撮像するための観察系とを
有する装置において、前記照明手段による物体の照明領
域を前記撮像手段の撮像面に共役な大きさに制限する光
束制限部材を前記照明手段に設けると共に、対物レンズ
を通して前記照明手段による物体の照明領域以外に前記
照明光とほぼ一致する波長帯域の指標光を物体面に結像
させる指標照射手段と、物体面で反射した指標光を前記
照明手段による照明光と分離して受光する受光手段と、
前記受光手段の出力に基づき、前記物体面を前記撮像手
段の撮像面に合焦させる制御手段とを設けたことを特徴
とするオートフォーカス装置。