JP3542171B2 - 顕微鏡装置 - Google Patents
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Description
【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f1 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
22,38,42 1/4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 (4)
- 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。
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