JP3542171B2

JP3542171B2 - 顕微鏡装置

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Publication number: JP3542171B2
Application number: JP17892894A
Authority: JP
Inventors: 毅山岸; 雅弘青木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JPH0843016A

Description

【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１２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作用】
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観察光学系と、焦点検出光学系と、該焦点検出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、前記焦点検出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、を備えた顕微鏡装置において、前記焦点検出光学系は、前記観察光学系に比べて常に大きな倍率に設定されていることを特徴とする。
又、本発明の装置は、被検体を拡大観察する観察光学系と、該観察光学系に比べて常に大きな倍率に設定された焦点検出光学系と、該焦点検出光学系を介して前記被検体に焦点検出用のプローブ光を照射する光源と、前記被検体からの光を、前記観察光学系より倍率が大きく設定されている前記焦点検出光学系を介して検出し、光量に対応した信号を出力する光検出手段と、該観察光学系を通る前記被検体の観察光路上に配置され、前記焦点検出光学系からの焦点検出用のプローブ光を前記観察光路上に導き、且つ前記被検体からの光を前記観察光路上から分けるダイクロイックミラーと、前記焦点検出光学系の光路上に配置され、前記光源からの前記プローブ光を前記被検体に導き、且つ前記被検体からの光を前記光源の光路上から分けるビームスプリッタと、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している。
又、本発明の装置は、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している。
更に、本発明の装置は、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な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２３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３０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て出力した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２４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４０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ｆ_１と集光レンズ４０の焦点距離ｆ_２とが、ｆ_２＞ｆ_１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２０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４４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ｆ_２とが、ｆ_１＞ｆ_２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４４，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

被検体を拡大観察する観察光学系と、
焦点検出光学系と、
該焦点検出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、
前記焦点検出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、
を備えた顕微鏡装置において、
前記焦点検出光学系は、
前記観察光学系に比べて常に大きな倍率に設定されている
ことを特徴とする顕微鏡装置。
被検体を拡大観察する観察光学系と、
該観察光学系に比べて常に大きな倍率に設定された焦点検出光学系と、
該焦点検出光学系を介して前記被検体に焦点検出用のプローブ光を照射する光源と、
前記被検体からの光を、前記観察光学系より倍率が大きく設定されている前記焦点検出光学系を介して検出し、光量に対応した信号を出力する光検出手段と、該観察光学系を通る前記被検体の観察光路上に配置され、前記焦点検出光学系からの焦点検出用のプローブ光を前記観察光路上に導き、且つ前記被検体からの光を前記観察光路上から分けるダイクロイックミラーと、
前記焦点検出光学系の光路上に配置され、前記光源からの前記プローブ光を前記被検体に導き、且つ前記被検体からの光を前記光源の光路上から分けるビームスプリッタと、
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。
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又は２に記載の顕微鏡装置。
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又は２に記載の顕微鏡装置。