JPH09318313A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】合焦判定の正確さを確保しつつ、被検体の高さ
方向に沿った広い領域にわたる合焦動作を可能とする。 【解決手段】被測定面２５からの反射光はビームスプリ
ッタ２６により分割され、分割された反射光は、該反射
光の集光位置Ｑ１，Ｑ２よりも前方及び後方に各々配置
された第一及び第二の受光素子２７，２８に入射する。
各受光素子は同心円状に配置された２つの受光領域２７
ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂを有している。各受光領域
は受光量に応じて電気信号を信号処理系３１及び比較器
３２に出力し、この電気信号に基づいて合焦動作が実行
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体に対して合
焦を行う焦点検出装置に関し、主に顕微鏡又は光学測定
機器などに用いられる。

【０００２】

【従来の技術】この種の焦点検出装置の一つとして特開
平４−２５７１１号公報に記載された装置があり、その
装置を図３に示す。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、結像レンズ４で平行光束にされ、対物レンズ５
を介して、被測定面６に集光される。被測定面６で反射
した反射光は、再度、対物レンズ５、結像レンズ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。

【０００３】偏光ビームスプリッタ２に入射した入射光
は、１／４波長板３を透過した際に、偏光の方向が９０
度ずらされているため、この入射光は、偏光ビームスプ
リッタ２を透過した後、ビームスプリッタ７により２方
向に分割される。２分割された光線のうちの一方の光線
は、結像レンズ４の集光点Ｐ１よりも距離Ｌだけ前方に
配置された第一の絞り８を介して、第一の受光素子９に
照射される。他方の光線は、結像レンズ４の集光点Ｐ２
よりも距離Ｌだけ後方に配置された第二の絞り１０を介
して、第二の受光素子１１に照射される。尚、第一の絞
り８や第二の絞り９としては、例えば、ピンホールなど
を用いても良い。

【０００４】第一の受光素子９及び第二の受光素子１１
は、それぞれ受光した被測定面６からの反射光の光量に
応じた電気信号を信号処理系１２に送信する。信号処理
系１２においては、入力された各信号に対して所定の演
算が行われ、被測定面６の変位に応じた変位信号を出力
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】第一の受光素子９及び
第二の受光素子１１から、図４（ａ）に示すような特性
を有する電気信号Ｂ及びＡがそれぞれ信号処理系１２に
送信されたとすると、信号処理系１２は、被測定面６の
変位を検知する信号として（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演
算を行い、図４（ｂ）に示すような合焦点Ｆにおいて０
となる変位信号を求める。この演算に基づいて、変位信
号が０となる位置、すなわち、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
＝０の条件を満たす位置に被測定面６が位置するよう
に、被測定面６自体又は焦点検出装置を移動させ、合焦
動作を行っている。

【０００６】また、図４（ａ）に示したグラフからも明
らかであるように、合焦点Ｆから離れた位置に被測定面
６がある場合には、生成される信号Ａ及びＢの出力レベ
ルは低くなるため、電気的影響や光学ノイズの影響を受
けやすくなる。このため、被測定面６が真の合焦点Ｆ以
外に位置する場合であっても、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
＝０の判定結果を生じる場合がある（以下、このような
現象を「擬合焦」という）。この擬合焦が生じている状
態は、図４（ｂ）の矢印Ｊ部分で示される。この矢印Ｊ
部分は、上述の光学ノイズなどの影響により座標横軸と
の交点がいくつも存在することが分かる。これら複数の
交点位置は、合焦点Ｆと同じ状態と判断される。即ち、
擬合焦位置を示している。

【０００７】そこで、このような擬合焦の発生を防止す
るため、図４（ｃ）に示すように、信号（Ａ＋Ｂ）に対
してしきい値Ｔを設定し、光量レベルがしきい値Ｔより
も低い場合、すなわち、被測定面６が合焦点Ｆからある
距離以上離れた場合には、合焦判定を行わないように
し、合焦動作範囲を限定している。しかしながら、一般
に、焦点検出装置においては、該装置の構成要素の一つ
である光学部材における反射光ノイズ、電気的ノイズ又
は光学部材の調整度などによって、合焦点Ｆの判定に誤
差を生じる場合がある。この合焦誤差は、特に、被測定
面に対して合焦させたときの対物レンズ又は被検体の高
さの位置を測定することにより被検体の高さ方向の寸法
を測定する光学測定機器として焦点検出装置を用いた場
合に、測定精度上の問題として現れる。

【０００８】このようなノイズを考慮したうえで合焦判
定をより正確に行うためには、後述するように、合焦点
Ｆの近傍における変位信号の傾きを大きくとり（図５参
照）、同量のノイズに対して被測定面の変位を小さく制
御できるようにすればよい。このためには、焦点検出装
置に備えられた光学系の倍率、すなわち、図３に示した
従来の焦点検出装置においては対物レンズ５及び結像レ
ンズ４による倍率を大きく設定すればよい。このような
設定を行うことにより、被測定面６の変位に対する受光
素子１１側の結像レンズ４の集光点Ｐ２の移動量が大き
くなり、変位信号の合焦点Ｆの近傍での傾きを大きくす
ることができる。

【０００９】図５には、図３に示した従来の焦点検出装
置における光学系の倍率変化とその変位信号に対する効
果が示されている。図５（ａ）に実線で示したグラフか
ら明らかであるように、従来の焦点検出装置において
は、光学系の倍率を大きくすると、光検出器出力も合焦
点Ｆの近傍の狭い領域に圧縮されてしまうことになる。
また、図５（ｃ）に示す信号（Ａ＋Ｂ）も同様に合焦点
Ｆの近傍の領域に圧縮される結果となる。このように、
従来の焦点検出装置においては、合焦動作を行うことが
できる実質的な範囲が狭い領域に限定されてしまってい
た。

【００１０】以上から明らかであるように、従来の焦点
検出装置においては、正確な合焦判定と、より広い領域
にわたる合焦動作とを同時に実現させることは極めて困
難であった。このことは、特に、焦点検出装置を光学測
定機器に適用する場合に、測定精度の高さと測定可能な
高さの範囲を広げることとを両立させることができない
という問題となって現れていた。

【００１１】本発明は、このような従来の焦点検出装置
の問題点に鑑みてなされたものであり、合焦判定の正確
さを確保しつつ、被検体の高さ方向に沿った広い領域に
わたる合焦動作を可能とし、様々な形状を有する被検体
への対応が可能な焦点検出装置を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明に係る焦点検出装置は、測定光を被測定面に
照射させるとともに、前記被測定面からの反射光を集光
させる光学系と、前記光学系により集光された反射光を
少なくとも二つに分割する光分割手段と、前記光分割手
段により分割された反射光の集光位置よりも前方及び後
方に各々配置され、各々少なくとも二つの受光領域を有
する第一及び第二の光検出手段とを備えており、前記第
一及び第二の光検出手段の各受光領域から受光量に応じ
て出力される信号に基づいて前記被測定面に焦点を合わ
せるように構成されていることを特徴とする。

【００１３】前記第一及び第二の光検出手段の前記受光
領域は二つ又は三つ以上設けることができ、それらの受
光領域は、各受光領域が受光し得る限りにおいて、どの
ようにも配置することができる。ただし、受光効率の点
からは、各受光領域を同心円状に配置することが最も好
ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１及び図２に本発明に係る焦点
検出装置の一実施形態を示す。図１（ａ）は本実施形態
に係る焦点検出装置の構成を示す。レーザ光源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、結像レン
ズ２３に入射する。この結像レンズ２３への入射光は結
像レンズ２３で平行光束にされ、対物レンズ２４を介し
て、被測定面２５に集光される。

【００１５】被測定面２５で反射された光は、再度、対
物レンズ２４、結像レンズ２３及び１／４波長板２２を
透過した後、偏光ビームスプリッタ２１を経て、ビーム
スプリッタ２６に導かれ、ここで２方向の光路に分割さ
れる。２分割されたビームのうちの一方は、結像レンズ
２３の集光点Ｑ１よりも前方に配置された第一の受光素
子２７に入射する。２分割されたビームのうちの他方
は、結像レンズ２３の集光点Ｑ２よりも後方に配置され
た第二の受光素子２８に入射する。

【００１６】図１（ｂ）に示すように、第一の受光素子
２７は、中央に位置する円形の第一の受光領域２７ａ
と、第一の受光領域２７ａと同心円状に配置された第二
の受光領域２７ｂとを有する光電変換素子からなる。第
一及び第二の受光領域２７ａ，２７ｂは、被測定面２５
からの反射光に応じて、電気信号Ｂ，ｂを生成する。

【００１７】第二の受光素子２８も第一の受光素子２７
と同一の構成を有しており、中央に位置する円形の第一
の受光領域２８ａと、第一の受光領域２８ａと同心円状
に配置された第二の受光領域２８ｂとを有する光電変換
素子からなる。第一及び第二の受光領域２８ａ，２８ｂ
も、被測定面２５からの反射光に応じて、電気信号Ａ，
ａを生成する。

【００１８】第一の受光素子２７の第一の受光領域２７
ａが生成する電気信号Ｂ及び第二の受光素子２８の第一
の受光領域２８ａが生成する電気信号Ａは信号処理系３
１に送信される。信号処理系３１は、入力した電気信号
Ｂ及びＡに対して、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算を行
い、被測定面２５の変位に対応する変位信号Ｃを生成す
る。

【００１９】第一の受光素子２７の第一及び第二の受光
領域２７ａ，２７ｂが生成する電気信号Ｂ，ｂ及び第二
の受光素子２８の第一及び第二の受光領域２８ａ，２８
ｂが生成する電気信号Ａ，ａは比較器３２に送られる。
比較器３２は（Ａ＋ａ＋Ｂ＋ｂ）の演算を行い、その演
算結果に対応する信号を出力する。この信号は合焦動作
の範囲を定める機能を奏する。又、この信号（Ａ＋ａ＋
Ｂ＋ｂ）が、従来用いられる信号（Ａ＋Ｂ）と異なる点
は、図３に示される第一の絞り８及び第二の絞り９によ
り遮られてしまう被測定面２５からの反射光を分割した
受光素子２７，２８により検出し、信号ａ及び信号ｂと
して有効活用している点にある。比較器３２にはしきい
値電圧発生器３３が接続されており、所定のしきい値を
表す電圧が比較器３２に供給される。

【００２０】次いで、図２を参照して、本実施形態に係
る焦点検出装置の動作を述べる。図２（ａ）は合焦動作
範囲の従来の設定方法を説明するためのグラフであり、
同図（ｂ）は本実施形態に係る焦点検出装置による合焦
動作範囲の設定方法を説明するためのグラフである。ま
ず、図２（ａ）に示すように、ほぼ山形の曲線をなして
いる信号（Ａ＋Ｂ）に対して、擬合焦を避けるためのし
きい値Ｔ₁ を設定し、このしきい値Ｔ₁ と等しいか、あ
るいは、しきい値Ｔ₁ よりも大きいレベルの信号（Ａ＋
Ｂ）の範囲を変位信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の有効範
囲と定める。このように設定した有効範囲内において
は、従来と同様の方法により、合焦動作を行う。

【００２１】信号（Ａ＋Ｂ）がしきい値Ｔ₁ よりも小さ
い場合には、信号（Ａ＋ａ＋Ｂ＋ｂ）に対して、しきい
値電圧発生器３２から出力されるしきい値Ｔ₂ を基準と
して、比較器３２においてレベル判定が行われる。これ
により、合焦点Ｆを含み、合焦点Ｆから所定距離だけ離
れた範囲内における識別が可能になる。この時の合焦動
作範囲は、図２（ｂ）に示されるように従来の合焦動作
範囲と比較して格段に広くなっていることが理解でき
る。これは上述の通り、信号ａ及び信号ｂを含む被測定
面２５からの全ての反射光を有効活用しているからであ
る。合焦動作は、この合焦点Ｆを含む範囲内において被
測定面２５又は焦点検出装置を移動させ、従来の合焦動
作範囲内に持ち込むことにより、行うことが可能にな
る。

【００２２】例えば、図２（ｂ）の矢印Ｗに示すよう
に、被測定面２５又は焦点検出装置を一旦（＋）の方向
に移動させ、合焦点Ｆから所定距離だけ離れたことをし
きい値Ｔ₂ を用いたレベル判定で識別した場合、移動方
向を逆転させれば、従来の合焦動作範囲内に入れること
ができ、変位信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を用いて、従
来と同様の方法で合焦に至らせることができる。

【００２３】この場合、信号（Ａ＋ａ＋Ｂ＋ｂ）の曲線
は、各受光素子２７，２８の第二の受光領域２７ｂ，２
８ｂの外径を変えることにより、変位信号（Ａ−Ｂ）／
（Ａ＋Ｂ）に影響を与えることなく、拡縮させることが
できる。このため、しきい値Ｔ₂ との併用により、従来
よりも広い合焦動作範囲を任意に設定することができ
る。

【００２４】以上述べたように、本実施形態に係る焦点
検出装置によれば、信号（Ａ＋ａ＋Ｂ＋ｂ）としきい値
Ｔ₂ とを併用することにより、図２（ａ）及び（ｂ）に
示すように、変位信号（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）に影響を
与えることなく、従来の方法による合焦動作範囲よりも
大きい合焦動作範囲を任意に設定することが可能にな
る。従って、合焦精度を確保するために、光学系倍率を
高くしても、広い合焦動作範囲を確保することができ、
正確な合焦判定をより広い合焦動作範囲において実現す
ることができる。

【００２５】上述の本発明に係る焦点検出装置の実施形
態は上述の構成に限定されるべきものではなく、種々の
変更が可能である。例えば、各受光素子が有する受光領
域の数は本実施形態においては２つであるが、３つ以上
とすることも可能である。数を大きくすれば、合焦判定
の正確性を向上させることができる。また、本実施形態
においては、各受光素子の受光領域は同心円状に配置さ
れているが、各受光領域がビームを検知することができ
るものである限り、配置の形態は任意である。例えば、
グリッド状や縞状に配置することも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る焦点検出装
置においては、各受光素子の受光領域を複数に分割し、
各受光領域が発する電気信号に基づいて合焦判定が行わ
れる。このため、従来の方法と比較して、合焦判定の正
確さを確保しつつ、被検体の高さ方向に沿ったより広い
領域にわたる合焦動作を可能とし、様々な形状を有する
被検体への対応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る焦点検出装置の一実施形
態の構成を示す概略図であり、（ｂ）は同装置に用いら
れる受光素子の拡大斜視図である。

【図２】（ａ）は合焦動作範囲の従来の設定方法を説明
するためのグラフであり、（ｂ）は本実施形態に係る焦
点検出装置による合焦動作範囲の設定方法を説明するた
めのグラフである。

【図３】従来の焦点検出装置の一例の構成を示す概略図
である。

【図４】図３に示した従来の焦点検出装置の動作を表す
ものであり、（ａ）は受光素子からの電気信号の特性を
示すグラフであり、（ｂ）は変位信号の特性を示すグラ
フであり、（ｃ）は合焦動作範囲としきい値との関係を
示すグラフである。

【図５】図３に示した従来の焦点検出装置において光学
系の倍率を変化させたときの動作を示すものであり、
（ａ）は受光素子からの電気信号の特性を示すグラフで
あり、（ｂ）及び（ｃ）は変位信号の特性を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 偏光ビームスプリッタ ３ １／４波長板 ４ 結像レンズ ５ 対物レンズ ６ 被測定面 ７ ビームスプリッタ ８ 第一の絞り ９ 第一の受光素子 １０ 第二の絞り １１ 第二の受光素子 １２ 信号処理系 ２０ レーザ光源 ２１ 偏光ビームスプリッタ ２２ １／４波長板 ２３ 結像レンズ ２４ 対物レンズ ２５ 被測定面 ２６ ビームスプリッタ ２７ 第一の受光素子 ２８ 第二の受光素子 ２７ａ，２８ａ 第一の受光領域 ２７ｂ，２８ｂ 第二の受光領域 ３１ 信号処理系 ３２ 比較器 ３３ しきい値電圧発生器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光を被測定面に照射させるととも
   に、前記被測定面からの反射光を集光させる光学系と、 前記光学系により集光された反射光を少なくとも二つに
   分割する光分割手段と、 前記光分割手段により分割された反射光の集光位置より
   も前方及び後方に各々配置され、各々少なくとも二つの
   受光領域を有する第一及び第二の光検出手段とを備え、 前記第一及び第二の光検出手段の各受光領域から受光量
   に応じて出力される信号に基づいて前記被測定面に焦点
   を合わせることを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記第一及び第二の光検出手段の前記受
   光領域は同心円状に配置され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。