JPH11344665A

JPH11344665A - 顕微鏡

Info

Publication number: JPH11344665A
Application number: JP10164366A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shionoya; 孝塩野谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】オートフォーカス光学系の光源に赤外光を用
いて可視光で観察した場合にもピンぼけが生じず、か
つ、焦点位置を適切にオフセットさせることができる顕
微鏡を提供すること。【解決手段】光源１３から出射した赤外光は、対物レ
ンズ２へ入射し、被検物体２４上で結像する。被検面２
３からの反射光は、光路を逆行して対物レンズ２を通過
し、ビームスプリッタ１７へ入射する。光検出器１８、
１９上には、分割された光スポット３７、３８がそれぞ
れ形成される。これらのように、増幅器２９、３０、３
１、３２の増幅率を変化させることにより、フォーカス
エラー信号が０となる光軸１方向の試料の位置を変化さ
せることができる。つまり、オートフォーカス光学系の
光源に赤外光を用いても、可視光で観察した場合に試料
面をピントがあった状態で観察することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、非接触で被測定
物の表面の変位を検出して自動焦点合せ等を可能にする
焦点検出装置を備える顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】焦点検出装置として、例えば、差動ビー
ムサイズ方式と呼ばれる方法を用いたものが知られてい
る。

【０００３】図１０は、落射照明型の顕微鏡の焦点検出
に差動ビームサイズ方式の焦点検出装置を用いた従来装
置の概略構成を示すブロック図である。この装置は、顕
微鏡本体の観察光学系と、観察用照明系と、オートフォ
ーカス光学系とから構成されている。

【０００４】観察光学系は、第１対物レンズ１０２と、
第２対物レンズ１０３と、俯視プリズム１０４と、接眼
レンズ１０５とを有する。第１対物レンズ１０２と第２
対物レンズ１０３との間には平行光路が形成されてい
る。この平行光路には、ダイクロイックミラー１０７と
ビームスプリッタ１０８とが、光軸１０１に対してそれ
ぞれ４５度の角度で設置されている。ダイクロイックミ
ラー１０７は赤外光を反射し可視光を透過する特性を有
する。

【０００５】観察用照明系は、可視光を出射する照明光
源１１０と集光レンズ１１１とを有し、照明光源１１０
からの照明光束は、集光レンズ１１１を経た後、ビーム
スプリッタ１０８によって反射され、上記の平行光路に
導かれる。オートフォーカス光学系は、赤外光を出射す
る光源１１３と、コリメータレンズ１１４と、ビームス
プリッタ１１５と、集光レンズ１１６と、ビームスプリ
ッタ１１７と、第１及び第２光検出器１１８、１１９と
を有する。第１光検出器１１８は、被検物体１２４の被
検面１２３が投影される収束点１２０よりも被検物体１
２４から離間して設置されている。一方、第２光検出器
１１９は、同様の収束点１２１よりも被検物体１２４に
近接して設置されている。なお、収束点１２０は、集光
レンズ１１６によって収束され、ビームスプリッタ１１
７を透過した光が収束する点である。また、収束点１２
１は、集光レンズ１１６によって収束されて、ビームス
プリッタ１１７で反射した光が収束する点である。

【０００６】制御装置１２６は、光軸１０１方向に移動
可能な移動ステージ１２５の動作を制御して、移動ステ
ージ１２５上に載置された被検物体１２４を第１対物レ
ンズ１０２に対して光軸１０１方向に適宜移動させる。

【０００７】図１１は、第１及び第２光検出器１１８、
１１９の光検出部の配置を示す図である。第１及び第２
光検出器１１８、１１９には、それぞれ中央部に円形の
光検出部１１８ａ、１１９ａと、これを取り囲む光検出
器１１８ｂ、１１９ｂとが形成されている。これらの光
検出部１１８ａ、１１８ｂ、１１９ａ、１１９ｂの出力
端子は、演算増幅器１２９、１３０に接続され、演算増
幅器１２９、１３０の出力端子は、演算増幅器１３１に
接続されている。各演算増幅器１２９、１３０、１３１
は、制御装置１２６内に配置される。

【０００８】図１０に基づいて動作について説明する。
光源１１３から出射し、コリメータレンズ１１４を通っ
た光束は、ビームスプリッタ１１５によって反射され、
さらにダイクロイックミラー１０７によって反射され、
第１対物レンズ１０２へ入射し、被検物体１２４上で結
像する。被検物体１２４の被検面１２３からの反射光束
は、第１対物レンズ１０２を通過し、ダイクロイックミ
ラー１０７によって反射され、ビームスプリッタ１１５
を透過し、ビームスプリッタ１１７へ入射する。両光検
出器１１８、１１９上には、ビームスプリッタ１１７で
分割された第１及び第２光線束によって、図１１に示す
ように、光スポット１３２、１３３がそれぞれ形成され
る。第１光検出器１１８上に形成される光スポット１３
２は、対物レンズ１０２と被検物体１２４とが離間すれ
ば大きくなり、接近すれば小さくなる。一方、第２光検
出器１１９上に形成される光スポット１３３は、光スポ
ット１３２とは逆に、対物レンズ１０２と被検物体１２
４とが離間すれば小さくなり、接近すれば大きくなる。
双方の光検出器１１８、１１９の検出信号、すなわち光
検出部１１８ａ、１１８ｂ、１１９ａ、１１９ｂの出力
ａ１、ｂ１、ａ２、ｂ２を演算増幅器１２９、１３０、
１３１に入力し、値（ａ１−ｂ１） −（ａ２−ｂ２）を求めて、この信号をフォーカスエラー信号とすれば、
Ｓ字特性をもつフォーカスエラー信号が得られる。この
フォーカスエラー信号が正のときは前ピン状態、負のと
きは後ピン状態、０のときは合点状態と判断することが
可能である。このフォーカスエラー信号から被検面１２
３の位置を判断して、制御装置１２６により移動ステー
ジ１２５を上下させ自動的に合点状態に位置合わせをす
ることが可能である。

【０００９】また、このフォーカスエラー信号から被検
物体１２４の変位量を計測することもできる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
顕微鏡では、オートフォーカス光学系の光源１１３とし
て赤外光を用いているため、赤外光と可視光では第１対
物レンズ１０９の色収差があるため、試料面すなわち被
検面を赤外光の焦点位置に合わせても、可視光で観察し
た場合、試料面がピンぼけになってしまうという問題点
があった。

【００１１】また、複数の段差部分を有する試料では、
特定の段差部分に焦点を合わせる必要があり、そのため
には焦点位置をオフセットさせる手段が必要となる。

【００１２】そこで、本発明は、オートフォーカス光学
系の光源に赤外光を用いて可視光で観察した場合にもピ
ンぼけが生じず、かつ、焦点位置を適切にオフセットさ
せることができる顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の顕微鏡は、対物レンズを含む観察光学系
と、被検物体を搭載するためのステージと、前記対物レ
ンズの焦点位置からの前記被検物体の位置ずれを検出す
る焦点検出手段とを有する顕微鏡であって、前記焦点検
出手段が、前記対物レンズを通して前記被検物体に照明
光を照射するための照明光学系と、前記被検物体からの
前記照明光の反射光束を収束するための集光光学系と、
前記反射光束を第１及び第２光束に分割するための分割
手段と、前記第１光束が前記集光光学系によって収束さ
れる収束点よりも前記被検物体から離れた位置に配置さ
れて、前記第１光束のうち光軸側の光束とその外側の光
束とを個別に検出する少なくとも２つの検出部を有する
第１検出手段と、前記第２光束が前記集光光学系によっ
て収束される収束点よりも前記被検物体に近い位置配置
されて、前記第２光束のうち光軸側の光束とその外側の
光束とを個別に検出する少なくとも２つの検出部を有す
る第２検出手段と、前記第１及び第２検出手段の検出結
果を演算することによりフォーカスエラー信号を求める
演算手段とを有し、前記演算手段が、第１検出手段の光
軸側の検出部からの電気信号を増幅する第１増幅器と、
第１検出手段の外側の検出部からの電気信号を増幅する
第２増幅器と、第２検出手段の光軸側の検出部からの電
気信号を増幅する第３増幅器と、第２検出手段の外側の
検出部からの電気信号を増幅する第４増幅器と、前記第
１及び第２増幅器の出力の差分と前記第３及び第４増幅
器の出力の差分とに基づいてフォーカスエラー信号を求
める演算部とを有することを特徴とする。

【００１４】上記顕微鏡によれば、前記演算手段が、第
１検出手段の光軸側の検出部からの電気信号を増幅する
第１増幅器と、第１検出手段の外側の検出部からの電気
信号を増幅する第２増幅器と、第２検出手段の光軸側の
検出部からの電気信号を増幅する第３増幅器と、第２検
出手段の外側の検出部からの電気信号を増幅する第４増
幅器と、前記第１及び第２増幅器の出力の差分と前記第
３及び第４増幅器の出力の差分とに基づいてフォーカス
エラー信号を求める演算部とを有するので、焦点検出用
の光に関する対物レンズの焦点位置と観察用の光に関す
る対物レンズの焦点位置とが一致しない場合であって
も、第１〜第４増幅器の増幅度を適宜調整することによ
り、観察用の光についての対物レンズの焦点位置を正確
に検出することができる。

【００１５】また、好ましい態様によれば、前記対物レ
ンズを含む異なる種類の複数の対物レンズを交換可能に
装着するレボルバーと、前記被検物体の観察に用いてい
る前記対物レンズの種類を検出する対物レンズ検出器
と、前記対物レンズ検出器からの検出信号に基づいて前
記第１、第２、第３、及び第４増幅器の増幅率を変化さ
せる制御装置とをさらに有することを特徴とする。これ
により、対物レンズを変更しても正確な合焦検出を行う
ことができる。

【００１６】また、好ましい態様では、前記照明光学系
が、前記被検物体上に線状の光を照射し、前記第１及び
第２検出手段は、前記線状の光の反射光束を受光するた
めに、光軸側の検出部の形状が線状であることを特徴と
する。これにより、被検物体の観察部分に段差が含まれ
ていても焦点検出を行うことができる。

【００１７】本発明の別の顕微鏡は、対物レンズを含む
観察光学系と、被検物体を搭載するためのステージと、
前記対物レンズの焦点位置からの前記被検物体の位置ず
れを検出する焦点検出手段とを有する顕微鏡であって、
前記焦点検出手段が、前記対物レンズを通して前記被検
物体に照明光を照射するための照明光学系と、前記被検
物体からの前記照明光の反射光束を収束するための集光
光学系と、前記反射光束を第１及び第２光束に分割する
ための分割手段と、前記第１光束が前記集光光学系によ
って収束される収束点よりも前記被検物体から離れた位
置に配置されて、前記第１光束のうち光軸側の光束とそ
の外側の光束とを個別に検出する少なくとも２つの検出
部を有する第１検出手段と、前記第２光束が前記集光光
学系によって収束される収束点よりも前記被検物体に近
い位置配置されて、前記第２光束のうち光軸側の光束と
その外側の光束とを個別に検出する少なくとも２つの検
出部を有する第２検出手段と、前記第１及び第２検出手
段の検出結果を演算することによりフォーカスエラー信
号を求める演算手段とを有し、前記演算手段が、前記第
１検出手段の光軸側の検出部からの出力と前記第１検出
手段の外側の検出部からの出力との差分と、前記第２検
出手段の光軸側の検出部からの出力と前記第２検出手段
の外側の検出部からの出力との差分とに基づいてフォー
カスエラー信号を求める演算部を有し、前記集光光学系
が、駆動系によって光軸方向に移動可能であることを特
徴とする。

【００１８】上記顕微鏡によれば、前記演算手段が、前
記第１検出手段の光軸側の検出部からの出力と前記第１
検出手段の外側の検出部からの出力との差分と、前記第
２検出手段の光軸側の検出部からの出力と前記第２検出
手段の外側の検出部からの出力との差分とに基づいてフ
ォーカスエラー信号を求める演算部を有し、前記集光光
学系が、駆動系によって光軸方向に移動可能であるの
で、焦点検出用の光に関する対物レンズの焦点位置と観
察用の光に関する対物レンズの焦点位置とが一致しない
場合であっても、集光光学系の位置を適宜調整すること
により、観察用の光についての対物レンズの焦点位置を
正確に調整することができる。

【００１９】また、好ましい態様では、前記対物レンズ
を含む異なる種類の複数の対物レンズを交換可能に装着
するレボルバーと、前記被検物体の観察に用いている前
記対物レンズの種類を検出する対物レンズ検出器と、前
記対物レンズ検出器からの検出信号に基づいて前記集光
光学系の位置を変化させる制御装置とをさらに有するこ
とを特徴とする。これにより、対物レンズを変更しても
正確な合焦検出を行うことができる。

【００２０】また、好ましい態様では、前記照明光学系
が、前記被検物体上に線状の光を照射し、前記第１及び
第２検出手段が、前記線状の光の反射光束を受光するた
めに、光軸側の検出部の形状が線状であることを特徴と
する。これにより、被検物体の観察部分に段差が含まれ
ていても焦点検出を行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は、第１実
施形態の顕微鏡を示す図である。図示の顕微鏡は、被検
物体２４を搭載して光軸１方向に移動可能な移動ステー
ジ２５と、移動ステージ２５上の被検物体２４を観察す
るための観察光学系２００と、被検物体２４を照明する
観察用照明系３００と、観察光学系２００に設けた第１
対物レンズ２の焦点位置からの被検物体２４の位置ずれ
を検出するオートフォーカス系４００と、オートフォー
カス系４００の出力に基づいて移動ステージ２５を適宜
移動させる制御装置２６とから構成されている。

【００２２】観察光学系２００は、被検物体２４側から
順に、第１対物レンズ２と、第２対物レンズ３と、俯視
プリズム４と、接眼レンズ５とを有する。第１対物レン
ズ２と第２対物レンズ３との間には、平行光路が形成さ
れている。この平行光路には、ダイクロイックミラー７
とビームスプリッタ８とが、平行光路の光軸１に対して
それぞれ４５度の角度で設置されている。ダイクロイッ
クミラー７は、焦点検出用の赤外光を反射し観察用の可
視光を透過する特性を有する。

【００２３】観察用照明系３００は、可視光を出射する
照明光源１０と、集光レンズ１１とを有し、観察用照明
系３００から出射された照明光束は、ビームスプリッタ
８によって反射され、上記の平行光路に導かれる。

【００２４】オートフォーカス光学系４００は、焦点検
出用の赤外光を出射する発光ダイオードからなる光源１
３と、光源１３からの赤外光を平行光にするコリメータ
レンズ１４と、赤外光を第１対物レンズ２側に導くビー
ムスプリッタ１５と、第１対物レンズ２側から戻ってビ
ームスプリッタ１５を通過した赤外光を集光する集光光
学系である集光レンズ１６と、赤外光の光路を２分割す
るビームスプリッタ１７と、分割された一対の光線束が
第１及び第２光検出器１８、１９とを有する。

【００２５】制御装置２６は、第１及び第２光検出器１
８、１９が出力する信号に基づいてフォーカスエラー信
号を求め、これらのフォーカスエラー信号から被検面２
３の位置を判断して移動ステージ２５を上下させ、第１
対物レンズ２の焦点位置に被検面２３が位置するよう
に、自動的な位置合わせを行う。

【００２６】ここで、光源１３と、コリメータレンズ１
４と、ビームスプリッタ１５とは、移動ステージ２５上
の被検物体２４に第１対物レンズ２を介して赤外光を照
射する照明光学系となっており、ビームスプリッタ１７
は、集光光学系が集光した反射光を分割する光路分割手
段となっている。分割された一方の反射光の光線束が入
射する第１光検出器１８は、この反射光の収束点２０よ
りも被検物体２から離間して設置され、分割された他方
の反射光の光線束が入射する第２光検出器１９は、この
反射光の収束点２１よりも被検物体２４に近接して設置
されている。ここで、収束点２０は、集光レンズ１６に
よって収束されてビームスプリッタ１７を透過した光が
収束する点であり、収束点２１は、集光レンズ１６によ
って収束されてビームスプリッタ１７で反射される光が
収束する点である。

【００２７】図２は、第１及び第２光検出器１８、１９
の光検出部と制御装置２６に組み込まれる信号処理回路
とを説明する図である。図示のように、両第１及び第２
光検出器１８、１９は、それぞれ光軸が通る中央側に、
円形の光検出領域からなる光検出部１８ａ、１９ａと、
外側に、これらの光検出部１８ａ、１９ａを取り囲むよ
うに形成された光検出領域からなる光検出部１８ｂ、１
９ｂとを有している。光検出部１８ａ、１８ｂ、１９
ａ、１９ｂの各光検出領域は、半導体基板に不純物をド
ープすることにより形成されている。なお、図２では、
隣接する光検出部同士が互いに接するように描いている
が、実際には、隣接する光検出部の間に光を検知しない
不感領域が形成されている。これにより、隣接する光検
出部同士を隔絶している。光検出部１８ａ、１８ｂ、１
９ａ、１９ｂの出力端子は、増幅器２９、３０、３１、
３２に接続され、増幅器２９、３０、３１、３２の出力
端子は、演算増幅器３３、３４の入力端子に接続され、
演算増幅器３３、３４の出力端子は、演算増幅器３５の
入力端子に接続されている。ここで、演算増幅器３３、
３４、３５は、入力された２つの信号を差分する増幅器
である。

【００２８】増幅器２９は、中央側の光検出部１８ａの
出力を増幅し、増幅器３０は、外側の光検出部１８ｂの
出力を増幅する。また、増幅器３１は、中央側の光検出
部１９ａの出力を増幅し、増幅器３２は、外側の光検出
部１９ｂの出力を増幅する。演算増幅器３３は、増幅器
２９の出力と増幅器３０の出力との差分を算出し、演算
増幅器３４は、増幅器３１の出力と増幅器３２の出力と
の差分を算出する。演算増幅器３５は、演算増幅器３３
の出力と演算増幅器３４の出力との差分を算出する。

【００２９】光検出器１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ
のそれぞれの出力を｜α１｜、｜β１｜、｜α２｜、｜
β２｜と表し、増幅器２９、３０、３１、３２の増幅率
をａ、ｂ、ｃ、ｄとした場合、演算増幅器３１の出力は（ａ×｜α１｜−ｂ×｜β１｜） −（ｃ×｜α２｜−ｄ×｜β２｜）と表すことができる。

【００３０】次に、図１に示す顕微鏡の動作について説
明する。光源１３から出射した赤外光は、コリメータレ
ンズ１４でコリメートされ、コリメートされた赤外光
は、ビームスプリッタ１５によって反射される。ビーム
スプリッタ１５によって反射された赤外光は、ダイクロ
イックミラー７によって反射され、第１対物レンズ２へ
入射し、被検物体２４上の被検面２３に結像する。

【００３１】被検物体２４の被検面２３からの反射光
は、光路を逆行して対物レンズ２を通過し、ダイクロイ
ックミラー７によって反射され、ビームスプリッタ１５
を通過し、集光レンズ１６を通過し、ビームスプリッタ
１７へ入射する。光検出器１８、１９上には、ビームス
プリッタ１７で分割された第１及び第２光線束によっ
て、図２に示すように、光スポット３７、３８がそれぞ
れ形成される。

【００３２】第１光検出器１８上に形成される光スポッ
ト３７は、第１対物レンズ２と被検物体２４とが離間す
れば大きくなり、接近すれば小さくなる。一方、第２光
検出器１９上に形成される光スポット３８は、光スポッ
ト３７とは逆に、第１対物レンズ２と被検物体２４とが
離間すれば小さくなり、接近すれば大きくなる。

【００３３】演算増幅器３５の出力値（ａ×｜α１｜−ｂ×｜β１｜） −（ｃ×｜α２｜−ｄ×｜β２｜）を用い、この信号をフォーカスエラー信号とする。

【００３４】図３は、上記のようにして求めたフォーカ
スエラー信号を示すグラフである。ここで、横軸は試料
の光軸１方向の位置、縦軸はフォーカスエラー信号であ
る。なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、増幅率ａ、ｂ、
ｃ、ｄの設定を変更した場合の効果を示すが、いずれの
場合も、フォーカスエラー信号はＳ字特性を示してい
る。

【００３５】図３（ａ）の場合、第１対物レンズ２に焦
点距離２のレンズを用い、増幅器２９の増幅率ａ＝
１．０、増幅器３０の増幅率ｂ＝１．０、増幅器３１の
増幅率ｃ＝１．０、増幅器３２の増幅率ｄ＝１．０とし
た。この場合、フォーカスエラー信号が正のときは前ピ
ン状態、負のときは後ピン状態、０のときは合点状態と
判断することが可能である。さらに、図３（ａ）のフォ
ーカスエラー信号が０となる光軸１方向の被検面２３の
位置を０とする。フォーカスエラー信号が０でない状態
からフォーカスエラー信号が０となるように移動ステー
ジ２５を駆動すると、被検面２３の位置を０の位置に移
動させることができる。

【００３６】図３（ｂ）の場合、増幅器２９の増幅率ａ
＝０．２５、増幅器３０の増幅率ｂ＝４．０、増幅器３
１の増幅率ｃ＝１．０、増幅器３２の増幅率ｄ＝１．０
とした。この場合、フォーカスエラー信号が０となる光
軸１方向の試料の位置は−２．１５μｍとなっている。
つまり、フォーカスエラー信号が０でない状態からフォ
ーカスエラー信号が０となるように移動ステージ２５を
駆動すると、被検面の位置を−２．１５μｍの位置に移
動させることができる。

【００３７】図３（ｃ）の場合、増幅器２９の増幅率ａ
＝１．０、増幅器３０の増幅率ｂ＝１．０、増幅器３１
の増幅率ｃ＝０．２５、増幅器３２の増幅率ｄ＝４．０
とした。この場合、フォーカスエラー信号が０となる光
軸１方向の被検面の位置は＋３．３０μｍとなってい
る。つまり、フォーカスエラー信号が０でない状態から
フォーカスエラー信号が０となるように移動ステージ２
５を駆動すると被検面の位置を＋３．３０μｍの位置に
移動させることができる。

【００３８】これらのように、増幅器２９、３０、３
１、３２の増幅率を変化させることにより、フォーカス
エラー信号が０となる光軸１方向の試料の位置を一定範
囲内で任意に変化させることができる。この方法によ
り、オートフォーカス光学系の光源に赤外光を用いるこ
とにより赤外光と可視光との色収差により第１対物レン
ズ２の焦点距離が異なる場合でも、増幅器２９、３０、
３１、３２の増幅率を適当な値に変化させることによ
り、フォーカスエラー信号が０となるように移動ステー
ジ２５を駆動することで、可視光で観察した場合に被検
面２３をピントがあった状態で観察することができる。

【００３９】また、高さの異なる複数の段差部を有する
試料を観察する場合でも、増幅器２９、３０、３１、３
２の増幅率を適当な値に変化させることにより、特定の
段差部分にピントを合わせることが可能となる。

【００４０】また、第１実施形態においてダイクロイッ
クミラー７とビームスプリッタ１５の間に１／４波長板
を設置し、光源１３を直線偏光の光を出射する光源と
し、ビームスプリッタ１５を偏光ビームスプリッタとす
る構成にすることにより、被検面２３で反射した光をす
べて光検出器１８、１９で検出することができ、光検出
器１８、１９の受光光量が増えるため、低反射率の被検
面２４でもより高感度でフォーカスエラー信号を得るこ
とができる。

【００４１】〔第２実施形態〕図４は、第２実施形態の
顕微鏡を示す図である。なお、第２実施形態の顕微鏡
は、第１実施形態の変形例であり、図１の第２対物レン
ズ２の部分を除き、図１の顕微鏡とほぼ同一構造となっ
ている。

【００４２】図４は、顕微鏡のうち、対物レンズ、移動
ステージ、制御装置の部分のみを示した図である。第２
実施形態による顕微鏡では、倍率等の異なる複数の対物
レンズ２ａ、２ｂ、２ｃが取り付けられたレボルバー９
６を有し、レボルバー９６の回転軸に対して、レボルバ
ー９６を回転させることにより、適当な対物レンズを選
択することができる。また、レボルバー９６には位置セ
ンサ９７が取り付けられており、どの倍率の対物レンズ
で観察を行っているかをレボルバー９６の位置センサ９
７から信号を出して、その信号により、制御装置９８か
ら制御装置２６へ制御信号を出し、増幅器２９、３０、
３１、３２の増幅率をあらかじめ設定された値に切り換
えるようにする。この方法により、対物レンズの種類に
より可視光と赤外光の色収差の値が異なるような場合で
も、位置センサ９７により対物レンズの種類を検出し、
制御装置９８からの制御信号で増幅器２９、３０、３
１、３２の増幅率を変えることにより、フォーカスエラ
ー信号が０となる光軸１方向の被検面２３の位置を変化
させることができ、対物レンズの種類が変化しても常に
ピント状態で試料を観察することが可能となる。

【００４３】〔第３実施形態〕図５及び図６は、第３実
施形態の顕微鏡を示す図である。第３実施形態の顕微鏡
は、第１実施形態の変形例であるので、同一部分には同
一の符号を付して重複説明を省略する。

【００４４】この顕微鏡では、光源１３とコリメータレ
ンズ１４の間に、コリメータレンズ９５とスリット８０
を配置している。つまり、オートフォーカス光学系は、
赤外光を出射する発光ダイオードである光源１３と、光
源１２からの赤外光を平行光にするコリメータレンズ９
５と、スリット像形成用のスリット８０と、スリット８
０を通過した赤外光を平行光にするコリメータレンズ１
４と、赤外光を第２対物レンズ２側に導くためのビーム
スプリッタ１５と、第２対物レンズ２から逆行してきて
ビームスプリッタ１５を通過した反射光を集光する集光
レンズ１６と、光分割用のビームスプリッタ１７と、ビ
ームスプリッタ１７で分岐された赤外光を検出するため
の第１及び第２光検出器８１、８２とを有する。第１光
検出器８１は、収束点２０よりも被検物体２４から離間
して設置されており、第２光検出器８２は、収束点２１
よりも被検物体２４に近接して設置されている。

【００４５】図６は、スリット８０を正面から見たもの
である。このスリット８０は、ライン状の開口部８０ａ
を有し、スリット８０のライン状のスリット像は、コリ
メータレンズ１４、第１対物レンズ２等を介して被検面
２３上に投影される。図７は、第１及び第２光検出器８
１、８２の光検出部と制御装置２６に組み込まれる信号
処理回路とを説明する図である。図示のように、第１光
検出器８１の光検出部と第２光検出器８２の光検出部と
は、それぞれ３個の矩形の光検出部８１ａ、８１ｂ、８
１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃを有している。外側の光
検出部８１ｂ、８１ｃは、演算増幅器８３に接続され、
外側の光検出部８２ｂ、８２ｃは、演算増幅器８４に接
続される。さらに、中央側の光検出部８１ａ、８２ａ
は、増幅器８５、８７にそれぞれ接続され、演算増幅器
８３、８４は、増幅器８６、８８に接続される。増幅器
８５、８６は演算増幅器８９に接続され、増幅器８７、
８８は演算増幅器９０に接続され、演算増幅器８９、９
０は演算増幅器９１に接続されている。

【００４６】なお、第１光検出器１８上には、スリット
８０のスリット像１３７が投影され、第２光検出器１９
上には、スリット８０のスリット像１３８が投影されて
いる。

【００４７】ここで、演算増幅器８３、８４は、入力さ
れた２つの信号を加算する増幅器であり、演算増幅器８
９、９０、９１は入力された２つの信号の差分を算出す
る増幅器である。演算増幅器８３は、光検出部８１ｂの
出力と光検出部８１ｃの出力とを加算し、演算増幅器８
４は、光検出部８２ｂの出力と光検出部８２ｃの出力と
を加算する。増幅器８５は、光検出部８１ａの出力を増
幅し、増幅器８６は、演算増幅器８３の出力を増幅し、
増幅器８７は、光検出部８２ａの出力を増幅し、増幅器
８８は、演算増幅器８４の出力を増幅する。演算増幅器
８９は、増幅器８５の出力と増幅器８６の出力との差分
を出力し、演算増幅器９０は、増幅器８７の出力と増幅
器８８の出力との差分を出力し、演算増幅器９１は、演
算増幅器８９の出力と演算増幅器９０の出力との差分を
出力する。

【００４８】光検出器８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８２
ａ、８２ｂ、８２ｃのそれぞれの出力を｜α１０｜、｜
β１１｜｜β１２｜、｜α２０｜、｜β２１｜、｜β２
２｜と表し、増幅器８５、８６、８７、８８の増幅率を
ｅ、ｆ、ｇ、ｈとした場合、演算増幅器９１の出力は（ｅ×｜α１０｜−ｆ×（｜β１１｜＋｜β１２｜）） −（ｇ×｜α２０｜−ｈ×（｜β２１｜＋｜β２２
｜））と表すことができる。

【００４９】第３実施形態では、スリット光が被検面２
３上に結像する。すなわち、光源１３から出射した光の
一部は、コリメータレンズ９５を通過して平行光とな
り、スリット８０を通過し、コリメータレンズ１４を通
った光束は、ビームスプリッタ１５によって反射され、
さらにダイクロイックミラー７によって反射され、対物
レンズ２へ入射し、制御装置２６によって光軸１方向に
移動可能な移動ステージ２５上に置かれた被検物体２４
の被検面２３上にスリット像を結像する。

【００５０】被検物体２４の被検面２３からの反射光束
は、対物レンズ２を通過し、ダイクロイックミラー７に
よって反射され、ビームスプリッタ１５を透過し、集光
レンズ１６を通過し、ビームスプリッタ１７へ入射す
る。光検出器８１、８２上には、ビームスプリッタ１７
で分割された第１及び第２光線束によって、スリット像
がそれぞれ形成される。

【００５１】焦点検出の方法とフォーカスエラー信号の
オフセット量の調整方法とは、第１実施形態の場合と同
様であるので説明を省略する。

【００５２】第３実施形態では、被検物体２４の被検面
２３上に線状の像を照射するため、線状の像の一部が、
被検面２３の段差部にかかっても、他の部分において正
常なフォーカスエラー信号を得ることができる。よっ
て、被検面２３に段差がある場合にも、フォーカスエラ
ー信号は段差の影響を受けにくくなる。

【００５３】また、第３実施形態では、コリメータレン
ズ９５とスリット８０によって線状の像を形成している
が、光源１３から出射した光をシリンドリカルレンズで
集光することにより、図５のスリット８０の位置に線状
の像を結像する構成とすることによっても、同様の効果
が得られる。この場合はコリメータレンズ９５とスリッ
ト８０が不要となる。

【００５４】〔第４実施形態〕図８は、第４実施形態の
顕微鏡を示す図である。第４実施形態の顕微鏡は、第１
実施形態の変形例である。

【００５５】この顕微鏡では、集光レンズ１６を光軸方
向に移動する駆動手段２１６が設けられている。また、
光検出部１８、１９の構造は、第１実施形態と同様であ
るが、その信号処理回路は、図９に示すように演算を行
わないタイプの増幅器を有しない。

【００５６】光検出部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ
の出力端子は、演算増幅器２３３、２３４に接続され、
両演算増幅器２３３、２３４の出力端子は、演算増幅器
２３５に接続されている。これらの演算増幅器２３３、
２３４、２３５は、制御装置２６内に配置される。

【００５７】演算増幅器２３３は、内側の光検出部１８
ａの出力と外側の光検出部１８ｂの出力との差分を算出
し、演算増幅器２３４は、内側の光検出部１９ａの出力
と外側の光検出部１９ｂの出力との差分を算出する。演
算増幅器２３５は、演算増幅器２３３の出力と演算増幅
器２３４の出力との差分を算出する。

【００５８】光検出器１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ
のそれぞれの出力を｜α１｜、｜β１｜、｜α２｜、｜
β２｜と表した場合、演算増幅器２３５の出力は（｜α１｜−｜β１｜） −（｜α２｜−｜β２｜）と表すことができる。

【００５９】この出力信号をフォーカスエラー信号とす
れば、Ｓ字特性をもつフォーカスエラー信号が得られ
る。図８の顕微鏡では、駆動手段２１６によって適宜集
光レンズ１６を移動させることにより、フォーカスエラ
ー信号が０となる試料面２３の位置を変化させることと
している。

【００６０】この方法により、第１対物レンズ２の赤外
光と可視光との色収差により第１対物レンズ２の焦点距
離が異なる場合でも、集光レンズ１６の位置を適当な位
置に変化させることにより、オートフォーカス光学系の
光源に赤外光を用いても、フォーカスエラー信号が０と
なるように移動ステージ２５を駆動することで、可視光
で観察した場合に被検面２３をピントがあった状態で観
察することができる。

【００６１】また、第４実施形態において高さの異なる
複数の段差部を有する試料を観察する場合でも、集光レ
ンズ１６の位置を適当な位置に変化させることにより、
特定の段差部分にピントを合わせることが可能となる。

【００６２】また、図５に示す第３実施形態のように、
被検面２３に焦点検出用のスリット像を投影することで
ピント合わせが容易となる。

【００６３】また、第４実施形態において集光レンズ１
６の位置は固定しておき、光検出器１８、１９側にこれ
らを光軸方向に移動させる駆動手段を設け、両光検出器
１８、１９の位置を適宜移動させることでも同様の効果
を得ることができる。

【００６４】また、第４実施形態において第２実施形態
のように、レボルバー９６を回転させることによって適
当な対物レンズを選択し、どの倍率の対物レンズで観察
を行っているかをレボルバー９６の位置センサ９７から
信号を出して、その信号により、制御装置９８から制御
装置２６へ制御信号を出し、集光レンズ１６の位置をあ
らかじめ設定された最適な位置に移動させることもでき
る。

【００６５】また、上記第１〜第４の各実施形態では光
源１３に発光ダイオードを用いたが、半導体レーザを用
いることもできる。

【００６６】また、上記第１〜第４の各実施形態では光
源１３として赤外光を出射するものを用いることとした
が、可視光光源を用いることもできる。このように可視
光光源を用いる場合は、ダイクロイックミラーの代わり
にビームスプリッタを用いる。

【００６７】また、光検出器１８、１９等としては、上
記実施形態では半導体基板に不純物をドープさせること
により検出領域を形成したものを用いると述べたが、光
検出器１８、１９等にＣＣＤを用いることもできる。そ
の場合は、適当な信号処理回路が必要になる。

【００６８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の顕微鏡によれば、前記演算手段が、第１検出手段の光
軸側の検出部からの電気信号を増幅する第１増幅器と、
第１検出手段の外側の検出部からの電気信号を増幅する
第２増幅器と、第２検出手段の光軸側の検出部からの電
気信号を増幅する第３増幅器と、第２検出手段の外側の
検出部からの電気信号を増幅する第４増幅器と、前記第
１及び第２増幅器の出力の差分と前記第３及び第４増幅
器の出力の差分とに基づいてフォーカスエラー信号を求
める演算部とを有するので、焦点検出用の光に関する対
物レンズの焦点位置と観察用の光に関する対物レンズの
焦点位置とが一致しない場合であっても、第１〜第４増
幅器の増幅度を適宜調整することにより、観察用の光に
ついての対物レンズの焦点位置を正確に検出することが
できる。

【００６９】また、本発明の別の顕微鏡によれば、前記
演算手段が、前記第１検出手段の光軸側の検出部からの
出力と前記第１検出手段の外側の検出部からの出力との
差分と、前記第２検出手段の光軸側の検出部からの出力
と前記第２検出手段の外側の検出部からの出力との差分
とに基づいてフォーカスエラー信号を求める演算部を有
し、前記集光光学系が、駆動系によって光軸方向に移動
可能であるので、焦点検出用の光に関する対物レンズの
焦点位置と観察用の光に関する対物レンズの焦点位置と
が一致しない場合であっても、集光光学系の位置を適宜
調整することにより、観察用の光についての対物レンズ
の焦点位置を正確に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態による顕微鏡の概略構成を示すブ
ロック図である。

【図２】図１に示す顕微鏡の光検出器の構成及び信号処
理回路を示すブロック図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、焦点検出装置で得
られたフォーカスエラー信号を示すグラフである。

【図４】第２実施形態による顕微鏡の対物レンズ、移動
ステージ、及び制御装置の部分の図である。

【図５】第３実施形態による顕微鏡の概略構成を示すブ
ロック図である。

【図６】図５に示す顕微鏡の焦点検出装置を構成するス
リットの正面図である。

【図７】図５に示す顕微鏡の光検出器の構成及び信号処
理回路を示すブロック図である。

【図８】第４実施形態による顕微鏡の概略構成を示すブ
ロック図である。

【図９】図８に示す顕微鏡の光検出器の構成及び信号処
理回路を示すブロック図である。

【図１０】従来の焦点検出装置付き顕微鏡の概略構成を
示すブロック図である。

【図１１】図１０に示す顕微鏡の光検出器の構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

２，２ａ，２ｂ，２ｃ，１０２…第１対物レンズ７，１０７…ダイクロイックミラー１３，１１３…光源１４，９５，１１４…コリメータレンズ１６，１１６…集光レンズ１５，１７，１１５，１１７…ビームスプリッタ１８，１９，８１，８２，１１８，１１９…光検出器１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，８１ａ，８１ｂ，８
１ｃ，８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，１１８ａ，１１８ｂ，
１１９ａ，１１９ｂ…光検出部２３，１２３…被検面２４，１２４…被検物体２５，１２５…移動ステージ２６，９８，１２６…制御手段３３，３４，３５，８３，８４，８９，９０，９１，２
３３，２３４，２３５・・・演算増幅器２９，３０，３１，３２，８５，８６，８７，８８…増
幅器３７，３８，１３２，１３３…光スポット８０…スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対物レンズを含む観察光学系と、被検物
体を搭載するためのステージと、前記対物レンズの焦点
位置からの前記被検物体の位置ずれを検出する焦点検出
手段とを有する顕微鏡であって、前記焦点検出手段は、前記対物レンズを通して前記被検
物体に照明光を照射するための照明光学系と、前記被検
物体からの前記照明光の反射光束を収束するための集光
光学系と、前記反射光束を第１及び第２光束に分割する
ための分割手段と、前記第１光束が前記集光光学系によ
って収束される収束点よりも前記被検物体から離れた位
置に配置されて、前記第１光束のうち光軸側の光束とそ
の外側の光束とを個別に検出する少なくとも２つの検出
部を有する第１検出手段と、前記第２光束が前記集光光
学系によって収束される収束点よりも前記被検物体に近
い位置配置されて、前記第２光束のうち光軸側の光束と
その外側の光束とを個別に検出する少なくとも２つの検
出部を有する第２検出手段と、前記第１及び第２検出手
段の検出結果を演算することによりフォーカスエラー信
号を求める演算手段とを有し、前記演算手段は、第１検出手段の光軸側の検出部からの
電気信号を増幅する第１増幅器と、第１検出手段の外側
の検出部からの電気信号を増幅する第２増幅器と、第２
検出手段の光軸側の検出部からの電気信号を増幅する第
３増幅器と、第２検出手段の外側の検出部からの電気信
号を増幅する第４増幅器と、前記第１及び第２増幅器の
出力の差分と前記第３及び第４増幅器の出力の差分とに
基づいてフォーカスエラー信号を求める演算部とを有す
ることを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】請求項１記載の顕微鏡において、前記対
物レンズを含む異なる種類の複数の対物レンズを交換可
能に装着するレボルバーと、前記被検物体の観察に用い
ている前記対物レンズの種類を検出する対物レンズ検出
器と、前記対物レンズ検出器からの検出信号に基づいて
前記第１、第２、第３、及び第４増幅器の増幅率を変化
させる制御装置とをさらに有することを特徴とする顕微
鏡。
【請求項３】請求項１及び請求項２のいずれか記載の
顕微鏡において、前記照明光学系は、前記被検物体上に
線状の光を照射し、前記第１及び第２検出手段は、前記
線状の光の反射光束を受光するために、光軸側の検出部
の形状が線状であることを特徴とする顕微鏡。
【請求項４】対物レンズを含む観察光学系と、被検物
体を搭載するためのステージと、前記対物レンズの焦点
位置からの前記被検物体の位置ずれを検出する焦点検出
手段とを有する顕微鏡であって、前記焦点検出手段は、前記対物レンズを通して前記被検
物体に照明光を照射するための照明光学系と、前記被検
物体からの前記照明光の反射光束を収束するための集光
光学系と、前記反射光束を第１及び第２光束に分割するための分割
手段と、前記第１光束が前記集光光学系によって収束さ
れる収束点よりも前記被検物体から離れた位置に配置さ
れて、前記第１光束のうち光軸側の光束とその外側の光
束とを個別に検出する少なくとも２つの検出部を有する
第１検出手段と、前記第２光束が前記集光光学系によっ
て収束される収束点よりも前記被検物体に近い位置配置
されて、前記第２光束のうち光軸側の光束とその外側の
光束とを個別に検出する少なくとも２つの検出部を有す
る第２検出手段と、前記第１及び第２検出手段の検出結
果を演算することによりフォーカスエラー信号を求める
演算手段とを有し、前記演算手段は、前記第１検出手段の光軸側の検出部か
らの出力と前記第１検出手段の外側の検出部からの出力
との差分と、前記第２検出手段の光軸側の検出部からの
出力と前記第２検出手段の外側の検出部からの出力との
差分とに基づいてフォーカスエラー信号を求める演算部
を有し、前記集光光学系は、駆動系によって光軸方向に移動可能
であることを特徴とする顕微鏡。
【請求項５】請求項４記載の顕微鏡において、前記対
物レンズを含む異なる種類の複数の対物レンズを交換可
能に装着するレボルバーと、前記被検物体の観察に用い
ている前記対物レンズの種類を検出する対物レンズ検出
器と、前記対物レンズ検出器からの検出信号に基づいて
前記集光光学系の位置を変化させる制御装置とをさらに
有することを特徴とする顕微鏡。
【請求項６】請求項４及び請求項５のいずれか記載の
顕微鏡において、前記照明光学系は、前記被検物体上に
線状の光を照射し、前記第１及び第２検出手段は、前記
線状の光の反射光束を受光するために、光軸側の検出部
の形状が線状であることを特徴とする顕微鏡。