JPH0843016A

JPH0843016A - 顕微鏡装置

Info

Publication number: JPH0843016A
Application number: JP17892894A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamagishi; 毅山岸; Masahiro Aoki; 雅弘青木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1996-02-16
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP3542171B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学部材による反射光ノイズ等が発生した状
況下においても、安定した合焦点の判定を行うことがで
きる焦点検出装置を備えた顕微鏡装置を提供すること。【構成】本発明による顕微鏡装置は、被検体を拡大観
察する顕微鏡装置において、観察光学系５１と、観察光
学系５１に比べて大きな倍率を有する焦点光学系５２
と、焦点光学系５２を介して前記被検体にプローブ光を
照射するレーザ出射手段（光源）２０と、焦点光学系５
２を介して前記被検体からの反射光の光量に対応した信
号を出力する光検出手段３０，３２と、光検出手段３
０，３２からの信号に基づき前記被検体の位置を判断す
るための信号を出力する信号処理系３３と、を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体に対して合焦を
行う焦点検出装置を備えた顕微鏡装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プローブ光を対物レンズを通して被測定
面に照射し、その被測定面からの反射光に基づいて、被
検体に対し焦点検出を行う焦点検出装置が従来から知ら
れている。この種の焦点検出装置としては、幾つかの構
成が知られているが、これらのうち代表的な二種につい
て以下に説明する。

【０００３】図５は、従来の焦点検出装置の構成を示す
図である。この図に示すように、まず半導体レーザ１か
ら出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２
に入射する。偏光ビームスプリッタ２で反射された光
は、１／４波長板３を介して半導体レーザ１の発振波長
に合わせた特定波長域の光のみを反射するダイクロイッ
クミラー４によって反射される。この反射光は、結像レ
ンズ５で平行光束に変換され、対物レンズ６を介して被
測定面７に集光される。そして、この被測定面７で反射
された反射光は、再度、対物レンズ６，結像レンズ５，
ダイクロイックミラー４及び１／４波長板３を介して偏
光ビームスプリッタ２に入射する。このとき、前記入射
光は、１／４波長板３を透過した際、その偏光の方向が
９０度ずらされる。従って、この入射光は、偏光ビーム
スプリッタ２を透過することが可能になり、更にビーム
スプリッタ８によって二方向に振り分けられる。そし
て、この一方の光線は、結像レンズ５の焦点位置Ｐの位
置より前に配置された第一の絞り９を介して第一の受光
素子１０に照射され、又、他方の光線は、結像レンズ５
の焦点位置Ｐより後に配置された第二の絞り１１を介し
て第二の受光素子１２に照射されるようになっている。

【０００４】第一の受光素子１０及び第二の受光素子１
２は、夫々受光した被測定面７からの反射光の光量に対
応した電気信号を信号処理系１３へ送出する機能を有し
ている。この信号処理系１３は、入力された各信号に対
して所定の演算を行い、被測定面７の変位に応じた変位
信号を出力する機能を備えている。今、第一の受光素子
１０及び第二の受光素子１２から信号処理系１３に向け
て、図６（ａ）に示すような特性を有する電気信号が送
出されたとすると、信号処理系１３によって、図６
（ｂ）に示すような特性を有する変位信号が形成され
る。そして、この変位信号に基づいて被測定面７におけ
る合焦判定が行われる。又、ダイクロイックミラー４の
透過側（図５中、ダイクロイックミラー４の上側）に
は、接眼レンズ１４が配置されており、図示しない照明
系により照明された被測定面７上の被検体の拡大像を観
察できるようになっている。

【０００５】図７は、図５に示したものとは異なるもう
一つの従来の焦点検出装置の構成を示した図である。こ
の図に示したように、半導体レーザ１から出射したレー
ザビームは、コリメータレンズ１５を介して平行光束に
された後、光路中に配置された遮蔽板１６によって、そ
の光束の半分が遮光される。又、その光束の残り半分
は、集光レンズ１７によって結像（Ｐは結像レンズ５の
焦点位置）された後、偏光ビームスプリッタ２に入射す
る。偏光ビームスプリッタ２によって反射されたレーザ
ビームは、順に、１／４波長板３，ダイクロイックミラ
ー４，結像レンズ５及び対物レンズ６を介して被測定面
７に集光されるようになっている。

【０００６】被測定面７で反射された光は、再度対物レ
ンズ６，結像レンズ５及びダイクロイックミラー４を介
して、１／４波長板３へ入射する。このとき、前記光線
が１／４波長板３を透過する際、その偏光方向が９０°
ずらされる。このようにして、被測定面７からの反射光
は、偏光ビームスプリッタ２を透過し、二分割受光素子
１８上に結像する（Ｐは結像レンズ５の焦点位置）。

【０００７】この二分割受光素子１８は、二つの光電変
換部Ａ，Ｂを備えている。そして、これら光電変換部
Ａ，Ｂは、夫々受光した光量に応じた電圧信号を出力で
きるようになっている。図８（ａ）には、図５に示した
焦点検出装置における光電変換部Ａ，Ｂから出力された
電圧信号ａ，ｂの変化特性が夫々示されている（横軸は
被測定面７の位置を示している）。そして、これらの電
圧信号ａ，ｂは、夫々信号処理系１３に送出され、所定
の演算が実行されて焦点検出信号が形成される。又、図
８（ｂ）には、電圧信号ａ，ｂに対して演算が実行され
た結果得られた変位信号特性が示されており、図５に示
した焦点検出装置では、かかる変位信号から焦点検出信
号が得られるようになっている。具体的には、点線ｃが
（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の演算結果から得られた変位信
号特性を示し、実線ｄが（ａ−ｂ）の演算結果から得ら
れた変位信号特性を示している。これら何れかの変位信
号ｃ，ｄのゼロクロスに基づいて合焦の状態が判定され
るようになっている。このような構成を有する装置にお
いても、前述の第一の従来例と同様に、ダイクロイック
ミラー４の透過側には接眼レンズ１４が配置され、図示
しない照明系によって照明された被測定面７上の被検体
の拡大像を観察できるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
焦点検出装置では、光学部材による反射光ノイズ，信号
の電気的ノイズ又は光学部材の調整度等により、合焦判
定に誤差を生じることがある。このような誤差は、観察
側との合焦位置のずれとして現れ、特に、焦点検出装置
を光学測定機器に用いた場合には、測定精度上問題とな
る。

【０００９】そこで、本発明は上記のような従来技術の
有する問題点に鑑みなされたもので、光学部材による反
射光ノイズ等が発生した状況下においても、安定した合
焦点の判定を行うことができる焦点検出装置を備えた顕
微鏡装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び手段】上記目的を達成
するため、本発明による顕微鏡装置は、被検体を拡大観
察する顕微鏡装置において、観察光学系と、この観察光
学系に比べて大きな倍率を有する焦点光学系と、この焦
点光学系を介して前記被検体にプローブ光を照射する光
源と、前記焦点光学系を介して前記被検体からの反射光
の光量に対応した信号を出力する光検出手段と、この光
検出手段からの信号に基づき前記被検体の位置を判断す
るための信号を出力する信号処理系と、を備えたことを
特徴とする。更に、本発明の装置は、前記光検出手段が
集光点の前後の位置に配置された絞り手段と光電変換手
段とから構成されているか、又は、前記光検出手段は集
光点に配置された分割受光素子から構成されていること
を特徴としている。

【００１１】以下、図４に基づき本発明の概念を説明す
る。前述のように、光学部材による反射光ノイズ，信号
の電気的ノイズ又は光学部材の調整誤差等が発生した場
合でも、安定した合焦判定を行うためには、図４に示す
ように、合焦点Ｆ近傍での変位信号の傾きを大きく設定
し、同量のノイズ成分に対して測定面の変位量が小さく
なるように制御すればよい。これを実現するためには、
焦点検出装置に備えられた光学系の倍率を観察光学系の
倍率よりも大きく設定すれば良い。これによって、測定
面の移動に対し、像側での集光点位置の移動量が大きく
なり、その結果、変位信号の合焦点Ｆ近傍での傾きが大
きくなる。

【００１２】図４（ａ）及び（ｂ）には、前述の第一の
従来例の装置と本発明の装置とを比較した倍率変化とそ
の変位信号に対する効果を、同図（ｃ）及び（ｄ）には
前述した第二の従来例の装置と本発明の装置とを比較し
た倍率変化とその変位信号に対する効果を夫々示してい
る。このように、焦点検出装置の光学系の倍率を観察系
の倍率と比較してより大きく設定することで、観察系の
合焦範囲（焦点深度）に対して、より安定した合焦判定
を行うことができる。

【００１３】

【実施例】第一実施例図１は、本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示した図
である。本実施例の装置は、結像レンズ２５の像側焦点
位置Ｐを集光レンズ２３によって点Ｑに拡大投影し、こ
の点Ｑに対する焦点検出系が構成されたものである。

【００１４】本実施例の装置では、図１に示すように、
まず、点Ｑの位置に配置されたレーザ出射手段（光源）
２０から出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリ
ッタ２１によって反射され、１／４波長板２２を介して
集光レンズ２３へ入射する。そして、集光レンズ２３に
入射した光は、集光レンズ２３によって結像レンズ２５
の像側焦点位置Ｐに縮小投影された後、特定波長域の光
のみを反射するダイクロイックミラー２４で反射され
る。この反射光は、結像レンズ２５で平行光束に変換さ
れ、対物レンズ２６を介して被検体が載置された被測定
面２７上に集光される。

【００１５】次に、被測定面２７で反射された光は、再
度、対物レンズ２６，結像レンズ２５を通過して、ダイ
クロイックミラー２４によって反射され、前記点Ｐに集
光される。点Ｐに集光されたスポットは、集光レンズ２
３により拡大されて１／４波長板２２に導かれる。そし
て、１／４波長板２２を通過した光は、偏光ビームスプ
リッタ２１を透過して、ビームスプリッタ２８に導かれ
る。そして、ビームスプリッタ２８に入射した光は、こ
のビームスプリッタ２８により二方向に分割されるよう
になっている。前記二方向に分割された光のうち、ビー
ムスプリッタ２８を透過した光は、点Ｑの位置より手前
に配置された第一の絞り２９を介して第一の受光素子３
０に入射する。又、ビームスプリッタ２８により反射さ
れた光は、点Ｑの位置より後側に配置された第二の絞り
３１を介して、第二の受光素子３２に入射するように構
成されている。

【００１６】第一の受光素子３０及び第二の受光素子３
２は光電変換素子であり、夫々受光した被測定面２７か
らの反射光に対応して出力した電気信号を信号処理系３
３に送出する機能を備えている。又、信号処理系３３
は、入力された各信号に対し所定の演算を行って、被測
定面２７の変位に対応した変位信号を出力し得る機能を
備えている。尚、ダイクロイックミラー２４の透過側
（図１中、ダイクロイックミラー２４の上側）には、従
来の装置と同様に、接眼レンズ３４が配置されており、
図示しない照明系により照明された被測定面２７上の被
検体の拡大像を観察できるようになっている。

【００１７】このように、本実施例の顕微鏡装置では、
結像レンズ２５，対物レンズ２６及び接眼レンズ３４に
より観察光学系５１が構成されている。又、偏光ビーム
スプリッタ２１，１／４波長板２２，集光レンズ２３，
ダイクロイックミラー２４，結像レンズ２５，対物レン
ズ２６，ビームスプリッタ２８及び絞り２９，３１によ
り焦点光学系５２が構成されている。

【００１８】上記のように、本実施例の顕微鏡装置で
は、焦点光学系の倍率が観察光学系の倍率と比較して大
きく設定されているため、装置を構成している光学部材
による反射光ノイズ等が発生した場合のような悪条件の
下でも、通常状態下での合焦点判定と変わらない安定し
た合焦点の判定を行うことができる。

【００１９】第二実施例図２は、本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示す図で
ある。本実施例は第一実施例において示した装置の変形
例を示したものであり、以下第一実施例の装置と同一の
部材には同一の符号を付して説明する。本実施例の顕微
鏡装置は、図２に示すように、レーザ出射手段２０から
出射されたレーザビームをコリメータレンズ３５を介し
て光軸に平行な光束とした後、光路中に配置された遮蔽
板３６によって前記平行光束の半分が遮断される。そし
て、残り半分の光が偏光ビームスプリッタ３７によって
反射され、１／４波長板３８を介して集光レンズ３９に
よって、結像レンズ２５の像側焦点位置Ｐに集光され
る。更に、この光線は、特定波長域の光のみを反射する
ダイクロイックミラー２４によって反射され、結像レン
ズ２５，対物レンズ２６を順に介して、被検体が載置さ
れた被測定面２７上に集光されるようになっている。

【００２０】次に、被検体面２７からの反射光は、第一
実施例において示した装置と同様に、対物レンズ２６，
結像レンズ２５を順に介してダイクロイックミラー２４
に入射される。この入射光は、ダイクロイックミラー２
４で反射されて、集光レンズ３９，１／４波長板３８を
順に介して平行光とされ、このまま偏光ビームスプリッ
タ３７を透過する。更に、この透過光は、集光レンズ４
０を介して点Ｑの位置に配置された二分割受光素子４１
上に集光される。この二分割受光素子４１は光電変換素
子であり、受光した被測定面２７からの反射光をこれに
対応したＡ，Ｂ二つの電気信号に変換した後、夫々を信
号処理系３３に送出する。そして、信号処理系３３にお
いて、所定の演算が行われて、被測定面２７の変位信号
が得られるようになっている。

【００２１】尚、本実施例の装置では、集光レンズ３９
の焦点距離ｆ₁と集光レンズ４０の焦点距離ｆ₂とが、
ｆ₂＞ｆ₁となるように設定されている。このため、点
Ｑは、点Ｐの拡大投影となっている。又、ダイクロッイ
ックミラー２４の透過側（図２中、ダイクロイックミラ
ー２４の上側）に接眼レンズ３４が配置されているの
は、第一実施例に示した装置と同様である。

【００２２】このように、本実施例の顕微鏡装置では、
結像レンズ２５，対物レンズ２６及び接眼レンズ３４に
より観察光学系５１が構成されている。又、ダイクロイ
ックミラー２４，結像レンズ２５，対物レンズ２６，コ
リメータレンズ３５，遮蔽板３６，偏光ビームスプリッ
タ３７，１／４波長板３８，集光レンズ３９及び集光レ
ンズ４０により焦点光学系５３が構成されている。

【００２３】上記のように、本実施例の顕微鏡装置にお
いても、焦点光学系の倍率が観察光学系の倍率と比較し
て大きく設定されているため、装置を構成している光学
部材による反射光ノイズ等が発生した場合のような悪条
件の下でも、通常状態下での合焦点判定と変わらない安
定した合焦点の判定を行うことができる。

【００２４】第三実施例図３は、本実施例にかかる顕微鏡装置の構成を示す図で
ある。本実施例も第一実施例において示した装置の変形
例を示したものであり、以下第一実施例に示した装置と
同一の部材には同一の符号を付して説明する。本実施例
の装置は、図３に示すように、まず、レーザ出射手段２
０から出射されたレーザビームが、偏光ビームスプリッ
タ４１で反射されて、１／４波長板４２を介し、集光レ
ンズ４３に入射する。この入射光は、集光レンズ４３に
よって平行光束とされた後、ミラー４４で反射され、更
に特定波長域の光のみを反射するダイクロイックミラー
４５により反射され、対物レンズ２６を介し被検体が載
置された被測定面２７上に集光される。次に、被測定面
２７からの反射光は、前記とは逆の光路、即ち対物レン
ズ２６を介し、ダイクロイックミラー４５及びミラー４
４において順次反射され、集光レンズ４３，１／４波長
板４２を順に介して、偏光ビームスプリッタ４１に導か
れる。このとき、１／４波長板４２を透過する光は、そ
の偏光の方向が９０°ずらされる。従って、１／４波長
４２を透過した光は、偏光ビームスプリッタ４１を透過
することができる。そして、偏光ビームスプリッタ４１
を透過した光は、ビームスプリッタ４６により二つの方
向に分割される。

【００２５】前記二方向に分割された光のうち、ビーム
スプリッタ４６を透過した光は、点Ｑの位置より手前に
配置された第一の絞り２９を介し第一の受光素子３０に
入射する。又、ビームスプリッタ４６により反射された
光は、点Ｑの位置より後側に配置された第二の絞り３１
を介して第二の受光素子３２に入射する。受光素子３０
及び３２は光電変換素子であり、夫々受光した被測定面
２７からの反射光に対応した電気信号に変換した後、こ
の電気信号を信号処理系３３に送出する機能を備えてい
る。又、信号処理系３３は、入力された各信号に対し所
定の演算を行って、被測定面２７の変位に対応した変位
信号を出力し得る機能を備えている。尚、ダイクロイッ
クミラー４５の透過側（図３中、ダイクロイックミラー
４５の上側）には、結像レンズ２５及び接眼レンズ３４
が配置されており、図示しない照明系により照明された
被測定面２７の拡大像を観察できるようになっている。
又、本実施例の装置では、集光レンズ４３の焦点距離ｆ
₁と結像レンズ２５の焦点距離ｆ₂とが、ｆ₁＞ｆ₂と
なるように設定されている。

【００２６】このように、本実施例の顕微鏡装置では、
結像レンズ２５，対物レンズ２６及び接眼レンズ３４に
より観察光学系５４が構成されている。又、ダイクロイ
ックミラー４５，対物レンズ２６，偏光ビームスプリッ
タ４１，１／４波長板４２，集光レンズ４３，ミラー４
４，ビームスプリッタ４６及び絞り２９，３１により焦
点光学系５５が構成されている。又、集光レンズ４３の
倍率は結像レンズ２５の倍率よりも大きく設定されてい
るため、焦点光学系５５の倍率は観察光学系５４の倍率
よりも大きくなっている。

【００２７】上記のように、本実施例の顕微鏡装置にお
いても、焦点光学系の倍率が観察光学系の倍率と比較し
て大きく設定されているため、装置を構成している光学
部材による反射光ノイズ等が発生した場合のような悪条
件の下でも、通常状態下での合焦点判定と変わらない安
定した合焦点の判定を行うことができる。

【００２８】

【発明の効果】上述のように、本発明による顕微鏡装置
は、焦点光学系の倍率が観察光学系の倍率よりも大きく
設定されているため、装置に備えられた光学部材の反射
光ノイズや電気的ノイズ等が発生した状況下でも、合焦
点判定において生じる誤差を小さく抑えることができ、
より安定した合焦判定を行うことができるという実用上
優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例にかかる顕微鏡装置の構成
を示す図である。

【図２】本発明の第二実施例にかかる顕微鏡装置の構成
を示す図である。

【図３】本発明の第三実施例にかかる顕微鏡装置の構成
を示す図である。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は第一の従来例の装置と本発
明の装置とを比較した倍率変化とその変位信号に対する
効果を示した図であり、（ｃ）及び（ｄ）は第二の従来
例の装置と本発明の装置とを比較した倍率変化とその変
位信号に対する効果を示した図である。

【図５】従来の焦点検出装置の構成を示す図である。

【図６】（ａ）は図５に示した装置に備えられている受
光素子による出力信号の特性を示した図であり、（ｂ）
は（ａ）に示した信号に基づき信号処理系により出力さ
れた合焦を判定するための信号を示した図である。

【図７】従来の焦点検出装置の構成を示す図である。

【図８】（ａ）は図７に示した装置に備えられている受
光素子による出力信号の特性を示した図であり、（ｂ）
は（ａ）に示した信号に基づき信号処理系により出力さ
れた合焦を判定するための信号を示した図である。

【符号の説明】

２０レーザ出射手段２１，３７，４１偏光ビームスプリッタ２２，３８，４２１／４波長板２３，３９，４０，４３集光レンズ２４，４５ダイクロイックミラー２５結像レンズ２６対物レンズ２７被測定面２８，４６ビームスプリッタ２９第一の絞り３０第一の受光素子３１第二の絞り３２第二の絞り３３信号処理系３４接眼レンズ３５コリメータレンズ３６遮蔽手段４４ミラー５１，５４観察光学系５２，５３，５５焦点光学系Ｐ，Ｑ集光点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体を拡大観察する顕微鏡装置におい
て、観察光学系と、該観察光学系に比べて大きな倍率を
有する焦点光学系と、該焦点光学系を介して前記被検体
にプローブ光を照射する光源と、前記焦点光学系を介し
て前記被検体からの反射光の光量に対応した信号を出力
する光検出手段と、該光検出手段からの信号に基づき前
記被検体の位置を判断するための信号を出力する信号処
理系と、を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】前記光検出手段は、集光点の前後の位置
に配置された絞り手段と光電変換手段とからなることを
特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】前記光検出手段は、集光点に配置された
分割受光素子からなることを特徴とする請求項１に記載
の顕微鏡装置。