JPH1164719A - 焦点検出手段を備えた顕微鏡および変位計測装置 - Google Patents
焦点検出手段を備えた顕微鏡および変位計測装置Info
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- JPH1164719A JPH1164719A JP9226472A JP22647297A JPH1164719A JP H1164719 A JPH1164719 A JP H1164719A JP 9226472 A JP9226472 A JP 9226472A JP 22647297 A JP22647297 A JP 22647297A JP H1164719 A JPH1164719 A JP H1164719A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】光源に発光ダイオードを用い、瞳径の小さい対
物レンズを用いた場合であっても、良好なフォーカスエ
ラー信号が得られる焦点検出手段付き顕微鏡を提供す
る。 【解決手段】対物レンズ102を含む観察光学系と、被
検物体123を搭載するためのステージと、対物レンズ
102の焦点位置からの被検物体123の位置ずれを検
出する焦点検出手段とを有する。焦点検出手段は、照明
光学系13、80、114と、集光光学系114と、集
光光学系114の集光した光束のビームサイズを集光光
学系116の焦点の前後でそれぞれ検出する第1および
第2の検出部118、119と、第1および第2の検出
部118、119の検出したビームサイズの差を求め、
フォーカスエラー信号を得る演算部126とを備える。
照明光学系は、発光ダイオード13と、発光ダイオード
13の出射光を通過させるためのピンホール80と、ピ
ンホール80を通過した光を平行光にするコリメータレ
ンズ114とを含む。
物レンズを用いた場合であっても、良好なフォーカスエ
ラー信号が得られる焦点検出手段付き顕微鏡を提供す
る。 【解決手段】対物レンズ102を含む観察光学系と、被
検物体123を搭載するためのステージと、対物レンズ
102の焦点位置からの被検物体123の位置ずれを検
出する焦点検出手段とを有する。焦点検出手段は、照明
光学系13、80、114と、集光光学系114と、集
光光学系114の集光した光束のビームサイズを集光光
学系116の焦点の前後でそれぞれ検出する第1および
第2の検出部118、119と、第1および第2の検出
部118、119の検出したビームサイズの差を求め、
フォーカスエラー信号を得る演算部126とを備える。
照明光学系は、発光ダイオード13と、発光ダイオード
13の出射光を通過させるためのピンホール80と、ピ
ンホール80を通過した光を平行光にするコリメータレ
ンズ114とを含む。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、自動焦点合わせ
のために焦点検出装置を備えた顕微鏡、ならびに、非接
触で被測定物の表面の変位を検出する変位計測装置に関
する。
のために焦点検出装置を備えた顕微鏡、ならびに、非接
触で被測定物の表面の変位を検出する変位計測装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来、焦点検出方法としては、例えば、
差動ビームサイズ方式と呼ばれる方法が知られている。
差動ビームサイズ方式と呼ばれる方法が知られている。
【0003】図6は、従来の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場
合の顕微鏡と焦点検出装置の概略構成のブロック図であ
る。図6の装置は、顕微鏡の観察光学系と照明光学系、
ならびに、オートフォーカス光学系とから構成されてい
る。
検出に差動ビームサイズ方式の焦点検出装置を用いた場
合の顕微鏡と焦点検出装置の概略構成のブロック図であ
る。図6の装置は、顕微鏡の観察光学系と照明光学系、
ならびに、オートフォーカス光学系とから構成されてい
る。
【0004】顕微鏡の観察光学系は、第1対物レンズ1
02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10
2と第2対物レンズ103との間には光軸101に沿っ
て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。
02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10
2と第2対物レンズ103との間には光軸101に沿っ
て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】顕微鏡の照明光学系は、可視光線を出射す
る照明光源110と集光レンズ111とを有し、照明光
束はビームスプリッタ108によって反射され、上記の
平行光路に導かれる。
る照明光源110と集光レンズ111とを有し、照明光
束はビームスプリッタ108によって反射され、上記の
平行光路に導かれる。
【0006】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の光検出器118と、第2の光検
出器119を有する。第1の光検出器118は、ビーム
スプリッタ117を透過した光束が収束する収束点12
0の近傍に配置されている。一方、第2の光検出器11
9は、ビームスプリッタ117で反射された光束が収束
する収束点121の近傍に配置されている。第1の光検
出器118と集光レンズ116との距離は、集光レンズ
116の焦点距離cよりもL1だけ長く設定され、第2
の光検出器119と集光レンズ116との距離は、集光
レンズ116の焦点距離cよりもL2だけ短く設定され
ている。すなわち、第1の光検出器118は、被検面1
23が対物レンズ102の焦点位置にある場合の収束点
120の位置からL1だけ離れた位置に配置され、第2
の光検出器119は、被検面123が対物レンズ102
の焦点位置にある場合の収束点121の位置からL2だ
け集光レンズ116寄りに配置されている。
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の光検出器118と、第2の光検
出器119を有する。第1の光検出器118は、ビーム
スプリッタ117を透過した光束が収束する収束点12
0の近傍に配置されている。一方、第2の光検出器11
9は、ビームスプリッタ117で反射された光束が収束
する収束点121の近傍に配置されている。第1の光検
出器118と集光レンズ116との距離は、集光レンズ
116の焦点距離cよりもL1だけ長く設定され、第2
の光検出器119と集光レンズ116との距離は、集光
レンズ116の焦点距離cよりもL2だけ短く設定され
ている。すなわち、第1の光検出器118は、被検面1
23が対物レンズ102の焦点位置にある場合の収束点
120の位置からL1だけ離れた位置に配置され、第2
の光検出器119は、被検面123が対物レンズ102
の焦点位置にある場合の収束点121の位置からL2だ
け集光レンズ116寄りに配置されている。
【0007】第1の光検出器118の光検出部と第2の
光検出器119の光検出部は、図7に示すようにそれぞ
れ中央部に円形の光検出部118a、119aと、これ
を取り囲む光検出部118b、119bとを有してい
る。これらの光検出部118a、118b、119a、
119bは、演算増幅器129、130に接続され、演
算増幅器129、130は演算増幅器131に接続され
ている。
光検出器119の光検出部は、図7に示すようにそれぞ
れ中央部に円形の光検出部118a、119aと、これ
を取り囲む光検出部118b、119bとを有してい
る。これらの光検出部118a、118b、119a、
119bは、演算増幅器129、130に接続され、演
算増幅器129、130は演算増幅器131に接続され
ている。
【0008】演算増幅器129、130、131は、制
御装置126内に配置される。被検物体124は、光軸
101方向に移動可能な移動ステージ125に搭載され
ている。制御装置126は、移動ステージ125の動作
を制御する。
御装置126内に配置される。被検物体124は、光軸
101方向に移動可能な移動ステージ125に搭載され
ている。制御装置126は、移動ステージ125の動作
を制御する。
【0009】図6の構成において、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、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1
17へ入射する。
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、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1
17へ入射する。
【0010】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の光線束によ
って、図7に示すように、光スポット132及び133
が夫々形成される。第1の光検出器118上に形成され
る光スポット132は、対物レンズ102と被検物体1
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の光検出器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124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
検出信号から演算増幅器129、130、131によ
り、光スポット132のスポット径と光スポット133
のスポット径との差を表す(|118a|−|118b
|)−(|119a|−|119b|)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。ただし、|118a
|、|118b|、|119a|、|119b|は、そ
れぞれ、光検出部118a、光検出部118b、光検出
部119a、光検出部119bの出力である。
プリッタ117で分割された第1及び第2の光線束によ
って、図7に示すように、光スポット132及び133
が夫々形成される。第1の光検出器118上に形成され
る光スポット132は、対物レンズ102と被検物体1
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の光検出器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124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
検出信号から演算増幅器129、130、131によ
り、光スポット132のスポット径と光スポット133
のスポット径との差を表す(|118a|−|118b
|)−(|119a|−|119b|)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。ただし、|118a
|、|118b|、|119a|、|119b|は、そ
れぞれ、光検出部118a、光検出部118b、光検出
部119a、光検出部119bの出力である。
【0011】よって、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、零のときは合焦
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焦状態に
位置合わせをすることが可能である。この状態で、照明
光学系の光源110の出射した可視光を、コリメータレ
ンズ111で平行光にして、ビームスプリッタ108で
偏向し、対物レンズ102で被検面123上に合焦さ
せ、反射光を、対物レンズ102、対物レンズ103、
俯視プリズム104、接眼レンズ105を介して観察す
ることにより、合焦状態で被検面123の像を観察する
ことができる。
は前ピン状態、負のときは後ピン状態、零のときは合焦
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焦状態に
位置合わせをすることが可能である。この状態で、照明
光学系の光源110の出射した可視光を、コリメータレ
ンズ111で平行光にして、ビームスプリッタ108で
偏向し、対物レンズ102で被検面123上に合焦さ
せ、反射光を、対物レンズ102、対物レンズ103、
俯視プリズム104、接眼レンズ105を介して観察す
ることにより、合焦状態で被検面123の像を観察する
ことができる。
【0012】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。
物体124の変位量を計測することもできる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の焦点
検出装置付き顕微鏡において、光源113として発光ダ
イオードを用いると、瞳径の小さい対物レンズ102を
用いた場合に良好なフォーカスエラー信号が得られない
という問題が生じていた。これを具体的に説明する。
検出装置付き顕微鏡において、光源113として発光ダ
イオードを用いると、瞳径の小さい対物レンズ102を
用いた場合に良好なフォーカスエラー信号が得られない
という問題が生じていた。これを具体的に説明する。
【0014】例えば、図6の焦点検出装置付き顕微鏡に
おいて、光源113として株式会社日立製作所製の赤外
発光ダイオード(型番HE760SG)を用い、対物レ
ンズ102として焦点距離20mm、瞳径12mmの瞳
径が比較的大きいものを用い、集光レンズ116の焦点
距離を40mm、L1およびL2を共に6000μm、対
物レンズ102と集光レンズ116との間の距離を18
0mm、光検出部118aおよび光検出部119aの直
径を共に1048μm、光検出部118bおよび119
bの外形サイズを共に6000μm×6000μmとし
た場合には、図2(a)に示すように良好なフォーカス
エラー信号が得られる。ただし、図2(a)において、
横軸は対物レンズ102の焦点位置を0とした場合の被
検面123の位置であり、縦軸はフォーカスエラー信号
の強度を示す。よって、図2(a)のように、被検面1
23の位置が対物レンズ102の焦点位置にあるときに
は、フォーカスエラー信号は0であり、被検面123が
正の方向にずれたときには、フォーカスエラー信号が正
の値になり、被検面123が負の方向にずれたときに
は、フォーカスエラー信号が負の値になり、フォーカス
エラー信号の値から被検面123の位置が検出できる。
おいて、光源113として株式会社日立製作所製の赤外
発光ダイオード(型番HE760SG)を用い、対物レ
ンズ102として焦点距離20mm、瞳径12mmの瞳
径が比較的大きいものを用い、集光レンズ116の焦点
距離を40mm、L1およびL2を共に6000μm、対
物レンズ102と集光レンズ116との間の距離を18
0mm、光検出部118aおよび光検出部119aの直
径を共に1048μm、光検出部118bおよび119
bの外形サイズを共に6000μm×6000μmとし
た場合には、図2(a)に示すように良好なフォーカス
エラー信号が得られる。ただし、図2(a)において、
横軸は対物レンズ102の焦点位置を0とした場合の被
検面123の位置であり、縦軸はフォーカスエラー信号
の強度を示す。よって、図2(a)のように、被検面1
23の位置が対物レンズ102の焦点位置にあるときに
は、フォーカスエラー信号は0であり、被検面123が
正の方向にずれたときには、フォーカスエラー信号が正
の値になり、被検面123が負の方向にずれたときに
は、フォーカスエラー信号が負の値になり、フォーカス
エラー信号の値から被検面123の位置が検出できる。
【0015】一方、対物レンズ102として焦点距離
1.33mm、瞳径2.4mmの瞳径が小さいレンズを
用い、光検出部118aおよび光検出部119aの直径
を共に983μmにし、これ以外の他の条件は上述の条
件と同じにした場合、フォーカスエラー信号は、図2
(b)に示すような形状になる。すなわち、図2(b)
のように、被検面123が焦点位置にあるときに、フォ
ーカスエラー信号は正の値であり、被検面123が正の
方向にずれた場合も負の方向にずれた場合もフォーカス
エラー信号は正の値ままである。このことは、一般に瞳
径の小さい高倍率な対物レンズを、発光ダイオードを光
源113として用いた場合には、被検面123を対物レ
ンズ102の焦点位置に位置あわせできないことを意味
する。
1.33mm、瞳径2.4mmの瞳径が小さいレンズを
用い、光検出部118aおよび光検出部119aの直径
を共に983μmにし、これ以外の他の条件は上述の条
件と同じにした場合、フォーカスエラー信号は、図2
(b)に示すような形状になる。すなわち、図2(b)
のように、被検面123が焦点位置にあるときに、フォ
ーカスエラー信号は正の値であり、被検面123が正の
方向にずれた場合も負の方向にずれた場合もフォーカス
エラー信号は正の値ままである。このことは、一般に瞳
径の小さい高倍率な対物レンズを、発光ダイオードを光
源113として用いた場合には、被検面123を対物レ
ンズ102の焦点位置に位置あわせできないことを意味
する。
【0016】なお、光源に半導体レーザを用いた場合に
は、同じ瞳径が小さい対物レンズ102を用いても、良
好なフォーカスエラー信号が得られ、このような問題は
生じない。
は、同じ瞳径が小さい対物レンズ102を用いても、良
好なフォーカスエラー信号が得られ、このような問題は
生じない。
【0017】本発明は、この問題を解決し、光源に発光
ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズを用いた場
合であっても、良好なフォーカスエラー信号が得られる
焦点検出手段付き顕微鏡を提供することを目的とする。
ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズを用いた場
合であっても、良好なフォーカスエラー信号が得られる
焦点検出手段付き顕微鏡を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明によれば以下のような焦点検出手段を備えた
顕微鏡が提供される。
め、本発明によれば以下のような焦点検出手段を備えた
顕微鏡が提供される。
【0019】すなわち、対物レンズを含む観察光学系
と、前記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し、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
照明光学系と、前記被検物体で反射され、再び前記対物
レンズを通過した前記照明光の反射光を集光する集光光
学系と、前記集光光学系の集光した前記反射光のビーム
サイズを前記集光光学系の焦点の前後でそれぞれ検出す
る第1および第2の検出部と、前記第1および第2の検
出部の検出したビームサイズの差を求め、フォーカスエ
ラー信号を得る演算部とを備え、前記照明光学系は、発
光ダイオードと、前記発光ダイオードの出射光を通過さ
せるためのピンホールと、前記ピンホールを通過した光
を平行光にするコリメータレンズとを含むことを特徴と
する焦点検出手段を備えた顕微鏡を提供する。
と、前記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し、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
照明光学系と、前記被検物体で反射され、再び前記対物
レンズを通過した前記照明光の反射光を集光する集光光
学系と、前記集光光学系の集光した前記反射光のビーム
サイズを前記集光光学系の焦点の前後でそれぞれ検出す
る第1および第2の検出部と、前記第1および第2の検
出部の検出したビームサイズの差を求め、フォーカスエ
ラー信号を得る演算部とを備え、前記照明光学系は、発
光ダイオードと、前記発光ダイオードの出射光を通過さ
せるためのピンホールと、前記ピンホールを通過した光
を平行光にするコリメータレンズとを含むことを特徴と
する焦点検出手段を備えた顕微鏡を提供する。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【0021】発明者は、焦点検出光学系の光源として発
光ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズの場合
に、良好なフォーカスエラー信号が得られなくなる原因
について検討したところ、発光ダイオードの発光部分の
径が大きいこと、ならびに、発光ダイオードの発光部分
の形状が影響しているのではないかと推測された。そこ
で、発光ダイオードから出射された光を一旦ピンホール
に通過させたものを、焦点検出光学系の照明光として用
いる実験を行ったところ、瞳径の小さい対物レンズであ
っても、良好なフォーカスエラー信号が得られることが
わかった。このような構造の焦点検出光学系を備えた顕
微鏡について、以下具体的に説明する。
光ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズの場合
に、良好なフォーカスエラー信号が得られなくなる原因
について検討したところ、発光ダイオードの発光部分の
径が大きいこと、ならびに、発光ダイオードの発光部分
の形状が影響しているのではないかと推測された。そこ
で、発光ダイオードから出射された光を一旦ピンホール
に通過させたものを、焦点検出光学系の照明光として用
いる実験を行ったところ、瞳径の小さい対物レンズであ
っても、良好なフォーカスエラー信号が得られることが
わかった。このような構造の焦点検出光学系を備えた顕
微鏡について、以下具体的に説明する。
【0022】まず、本発明の第1の実施の形態による焦
点検出光学系付き顕微鏡について、図1を用いて説明す
る。図1の顕微鏡は、観察光学系と照明光学系と焦点検
出光学系とから構成されている。図1の顕微鏡におい
て、観察光学系および照明光学系は、上述の図6の顕微
鏡と同じであるので、ここでは簡単に説明する。観察光
学系は、第1対物レンズ102と、第2対物レンズ10
3と、俯視プリズム104と、接眼レンズ105とを有
する。照明光学系は、可視光線を出射する照明光源11
0と集光レンズ111と、ビームスプリッタ108とを
有する。これらの配置は、図6の顕微鏡と同じである。
点検出光学系付き顕微鏡について、図1を用いて説明す
る。図1の顕微鏡は、観察光学系と照明光学系と焦点検
出光学系とから構成されている。図1の顕微鏡におい
て、観察光学系および照明光学系は、上述の図6の顕微
鏡と同じであるので、ここでは簡単に説明する。観察光
学系は、第1対物レンズ102と、第2対物レンズ10
3と、俯視プリズム104と、接眼レンズ105とを有
する。照明光学系は、可視光線を出射する照明光源11
0と集光レンズ111と、ビームスプリッタ108とを
有する。これらの配置は、図6の顕微鏡と同じである。
【0023】焦点検出光学系は、赤外光を出射する発光
ダイオード13と、発光ダイオード13から出射された
光を通過させるためのピンホール80と、コリメータレ
ンズ114と、ビームスプリッタ115と、ダイクロイ
ックミラー107と、集光レンズ116と、ビームスプ
リッタ117と、第1の光検出器118と、第2の光検
出器119とを有する。コリメータレンズ114は、ピ
ンホール80を通過した発光ダイオード13の光をコリ
メータする位置に配置されている。他の光学素子の配置
は、図6の顕微鏡と同じであるのでここでは説明を省略
する。また、第1の光検出器118および第2の光検出
器119の光検出部の構成も、図6の顕微鏡と同じ図7
の構成であるのでここでは説明を省略する。
ダイオード13と、発光ダイオード13から出射された
光を通過させるためのピンホール80と、コリメータレ
ンズ114と、ビームスプリッタ115と、ダイクロイ
ックミラー107と、集光レンズ116と、ビームスプ
リッタ117と、第1の光検出器118と、第2の光検
出器119とを有する。コリメータレンズ114は、ピ
ンホール80を通過した発光ダイオード13の光をコリ
メータする位置に配置されている。他の光学素子の配置
は、図6の顕微鏡と同じであるのでここでは説明を省略
する。また、第1の光検出器118および第2の光検出
器119の光検出部の構成も、図6の顕微鏡と同じ図7
の構成であるのでここでは説明を省略する。
【0024】なお、被検物体124は、光軸101方向
に移動可能な移動ステージ125に搭載される。制御装
置126は、移動ステージ125の動作を制御する。
に移動可能な移動ステージ125に搭載される。制御装
置126は、移動ステージ125の動作を制御する。
【0025】図1の構成では、発光ダイオード13から
出射された光は、ピンホール80の開口部を通過する。
これにより、ピンホール80の開口部の位置に光源が配
置されている場合と同じように、ピンホール80からコ
リメータレンズ114に光が入射する。コリメータレン
ズ114は、ピンホール80からの光をコリメートす
る。コリメートされた光は、図6の顕微鏡の場合と同様
に、ビームスプリッタ115、ダイクロイックミラー1
07で反射され、対物レンズ102で集光され、被検面
123で反射され、ダイクロイックミラー107で反射
され、ビームスプリッタ115を通過し、集光レンズ1
16で収束される。収束光は、ビームスプリッタ117
により、収束点120および収束点121に収束する2
つの光束に分離され、それぞれ第1の光検出器118お
よび第2の光検出器119に検出される。第1および第
2の光検出器118、119の光検出部118a、11
8b、119a、119bからの出力信号は、制御装置
126内の演算増幅器129、130、131により演
算され、図6の場合と同様に(|118a|−|118
b|)−(|119a|−|119b|)で表されるフ
ォーカスエラー信号が出力される。
出射された光は、ピンホール80の開口部を通過する。
これにより、ピンホール80の開口部の位置に光源が配
置されている場合と同じように、ピンホール80からコ
リメータレンズ114に光が入射する。コリメータレン
ズ114は、ピンホール80からの光をコリメートす
る。コリメートされた光は、図6の顕微鏡の場合と同様
に、ビームスプリッタ115、ダイクロイックミラー1
07で反射され、対物レンズ102で集光され、被検面
123で反射され、ダイクロイックミラー107で反射
され、ビームスプリッタ115を通過し、集光レンズ1
16で収束される。収束光は、ビームスプリッタ117
により、収束点120および収束点121に収束する2
つの光束に分離され、それぞれ第1の光検出器118お
よび第2の光検出器119に検出される。第1および第
2の光検出器118、119の光検出部118a、11
8b、119a、119bからの出力信号は、制御装置
126内の演算増幅器129、130、131により演
算され、図6の場合と同様に(|118a|−|118
b|)−(|119a|−|119b|)で表されるフ
ォーカスエラー信号が出力される。
【0026】本実施の形態では、図1の構成で、次のよ
うな条件で実験を行い、良好なフォーカスエラー信号を
得ることができることが確認された。
うな条件で実験を行い、良好なフォーカスエラー信号を
得ることができることが確認された。
【0027】すなわち、発光ダイオード13として、株
式会社日立製作所製の赤外発光ダイオード(型番HE7
60SG)を用い、ピンホール80として、開口部の径
が100μmφのものを用いた。また、対物レンズ10
2は、焦点距離を1.33mm、対物レンズ102の瞳
径を2.4mmと、瞳径が小さなものを用いた。集光レ
ンズ116の焦点距離は、40mm、L1およびL2は共
に6000μm、、対物レンズ102と集光レンズ11
6との間の距離は180mm、光検出部118aおよび
光検出部119aの直径は共に328μm、光検出部1
18bおよび119bの外形サイズは共に6000μm
×6000μmとした。
式会社日立製作所製の赤外発光ダイオード(型番HE7
60SG)を用い、ピンホール80として、開口部の径
が100μmφのものを用いた。また、対物レンズ10
2は、焦点距離を1.33mm、対物レンズ102の瞳
径を2.4mmと、瞳径が小さなものを用いた。集光レ
ンズ116の焦点距離は、40mm、L1およびL2は共
に6000μm、、対物レンズ102と集光レンズ11
6との間の距離は180mm、光検出部118aおよび
光検出部119aの直径は共に328μm、光検出部1
18bおよび119bの外形サイズは共に6000μm
×6000μmとした。
【0028】この条件で得られたフォーカスエラー信号
は、図3のような形状であり、瞳径が小さい対物レンズ
102を用いているにもかかわらず、被検面123の位
置が対物レンズ102の焦点位置にあるときには、フォ
ーカスエラー信号は0であり、被検面123が正の方向
にずれたときには、フォーカスエラー信号が正の値にな
り、被検面123が負の方向にずれたときには、フォー
カスエラー信号が負の値になっている。このことから、
ピンホール80を用いることにより、瞳径が小さい対物
レンズを用いた場合にも、良好なフォーカスエラー信号
が得られることが確認された。
は、図3のような形状であり、瞳径が小さい対物レンズ
102を用いているにもかかわらず、被検面123の位
置が対物レンズ102の焦点位置にあるときには、フォ
ーカスエラー信号は0であり、被検面123が正の方向
にずれたときには、フォーカスエラー信号が正の値にな
り、被検面123が負の方向にずれたときには、フォー
カスエラー信号が負の値になっている。このことから、
ピンホール80を用いることにより、瞳径が小さい対物
レンズを用いた場合にも、良好なフォーカスエラー信号
が得られることが確認された。
【0029】したがって、図1の構成の顕微鏡では、対
物レンズ102の瞳径が小さい場合であっても、フォー
カスエラー信号を用いて制御装置126が被検面123
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、自動的に合焦状態に位置合わせをす
ることが可能である。よって、一般に瞳径の小さい高倍
率の対物レンズ102を合焦させることが可能になり、
観察光学系で高倍率で被検面を観察することができる。
物レンズ102の瞳径が小さい場合であっても、フォー
カスエラー信号を用いて制御装置126が被検面123
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、自動的に合焦状態に位置合わせをす
ることが可能である。よって、一般に瞳径の小さい高倍
率の対物レンズ102を合焦させることが可能になり、
観察光学系で高倍率で被検面を観察することができる。
【0030】つぎに、本発明の第2の実施の形態の焦点
検出光学系付き顕微鏡について、図4を用いて説明す
る。
検出光学系付き顕微鏡について、図4を用いて説明す
る。
【0031】図4の顕微鏡は、発光ダイオード13とピ
ンホール80との間に、集光レンズ81を配置するもの
である。ピンホール80の開口部は、集光レンズ81が
発光ダイオード13の光を集光する位置に位置合わせさ
れている。他の構成は、第1の実施の形態の図1の構成
と同じであるので説明を省略する。
ンホール80との間に、集光レンズ81を配置するもの
である。ピンホール80の開口部は、集光レンズ81が
発光ダイオード13の光を集光する位置に位置合わせさ
れている。他の構成は、第1の実施の形態の図1の構成
と同じであるので説明を省略する。
【0032】図4の顕微鏡では、発光ダイオード13か
ら出射された光を集光レンズ8によって、ピンホール8
1の開口部に集光するため、ピンホールでカットされる
光量が図1の構成よりも少ない。よって、光検出器11
8、119の受光量が、図1の構成よりも増加し、被検
面123の反射率が低い場合であっても、高感度でフォ
ーカスエラー信号を得ることができる。また、図1と同
様に、ピンホール80を用いているため、対物レンズ1
02として瞳径が小さいレンズを用いた場合にも、良好
なフォーカスエラー信号が得られる。
ら出射された光を集光レンズ8によって、ピンホール8
1の開口部に集光するため、ピンホールでカットされる
光量が図1の構成よりも少ない。よって、光検出器11
8、119の受光量が、図1の構成よりも増加し、被検
面123の反射率が低い場合であっても、高感度でフォ
ーカスエラー信号を得ることができる。また、図1と同
様に、ピンホール80を用いているため、対物レンズ1
02として瞳径が小さいレンズを用いた場合にも、良好
なフォーカスエラー信号が得られる。
【0033】つぎに、本発明の第3の実施の形態の変位
計測装置について図5を用いて説明する。
計測装置について図5を用いて説明する。
【0034】第3の実施の形態の図5の変位計測装置
は、第1の実施の形態の図1の顕微鏡から、対物レンズ
102を除いた観察光学系、照明光学系、ダイクロイッ
クミラー107、および、ステージ125を除去したも
のである。発光ダイオード13とコリメータレンズ11
4との間には、図1の顕微鏡と同じく、ピンホール80
が配置されている。なお、図5では図1と同じ部品につ
いて同じ番号を付している。
は、第1の実施の形態の図1の顕微鏡から、対物レンズ
102を除いた観察光学系、照明光学系、ダイクロイッ
クミラー107、および、ステージ125を除去したも
のである。発光ダイオード13とコリメータレンズ11
4との間には、図1の顕微鏡と同じく、ピンホール80
が配置されている。なお、図5では図1と同じ部品につ
いて同じ番号を付している。
【0035】図5の変位計測装置では、被検物体124
の被検面123の光軸101方向についての変位量を制
御装置126のフォーカスエラー信号の大きさから計測
することができる。図5の変位計測装置では、図1の顕
微鏡のオートフォーカス光学系と同じく、瞳径の小さな
対物レンズ102を用いた場合にも、フォーカスエラー
信号を得ることができるため、高倍率の瞳径の小さな対
物レンズ102を用いて、精度良く変位を検出すること
ができる。各部の動作は図1の顕微鏡の焦点検出の動作
と同じであるので説明を省略する。
の被検面123の光軸101方向についての変位量を制
御装置126のフォーカスエラー信号の大きさから計測
することができる。図5の変位計測装置では、図1の顕
微鏡のオートフォーカス光学系と同じく、瞳径の小さな
対物レンズ102を用いた場合にも、フォーカスエラー
信号を得ることができるため、高倍率の瞳径の小さな対
物レンズ102を用いて、精度良く変位を検出すること
ができる。各部の動作は図1の顕微鏡の焦点検出の動作
と同じであるので説明を省略する。
【0036】なお、上述の第1、第2、第3の実施の形
態においては、ピンホール80として、開口部が100
μmφのものを用いたが、他の大きさのものを用いるこ
とも可能である。
態においては、ピンホール80として、開口部が100
μmφのものを用いたが、他の大きさのものを用いるこ
とも可能である。
【0037】このとき、図1、図5の構成の場合には、
ピンホール80の開口部の直径をΦ1、発光ダイオード
13の発光部の径をD、発光ダイオード13とピンホー
ル80との間の距離をH、発光ダイオード13から出射
する光の発散角をθとすると、 Φ1<(D+H×θ)・1/2 を満たす開口部の直径のピンホール80を用いることが
好ましい。
ピンホール80の開口部の直径をΦ1、発光ダイオード
13の発光部の径をD、発光ダイオード13とピンホー
ル80との間の距離をH、発光ダイオード13から出射
する光の発散角をθとすると、 Φ1<(D+H×θ)・1/2 を満たす開口部の直径のピンホール80を用いることが
好ましい。
【0038】また、図4の集光レンズ81を用いる構成
の場合には、ピンホール80の開口部の径をΦ2、発光
ダイオード13から出射された光のピンホール80上の
像サイズをKとすると、 Φ2<K・1/2 を満たす開口部の直径のピンホール80を用いることが
好ましい。
の場合には、ピンホール80の開口部の径をΦ2、発光
ダイオード13から出射された光のピンホール80上の
像サイズをKとすると、 Φ2<K・1/2 を満たす開口部の直径のピンホール80を用いることが
好ましい。
【0039】また、上述の第3の実施の形態では、発光
ダイオードから出射された光を直接ピンホールに通過さ
せる変位計測装置を示したが、ピンホールを通過する光
量を増加させるために、第2の実施の形態のように発光
ダイオードとピンホールとの間に集光レンズを配置する
変位計測装置にすることも可能である。
ダイオードから出射された光を直接ピンホールに通過さ
せる変位計測装置を示したが、ピンホールを通過する光
量を増加させるために、第2の実施の形態のように発光
ダイオードとピンホールとの間に集光レンズを配置する
変位計測装置にすることも可能である。
【0040】なお、上述の第1、第2、第3の実施の形
態において、赤外光を出射する発光ダイオード13を用
いたが、可視光を出射する発光ダイオードを用いること
もできる。この場合、ダイクロイックミラー107の代
わりにビームスプリッタを用いる。
態において、赤外光を出射する発光ダイオード13を用
いたが、可視光を出射する発光ダイオードを用いること
もできる。この場合、ダイクロイックミラー107の代
わりにビームスプリッタを用いる。
【0041】また、上述の第1、第2、第3の実施の形
態において、発光ダイオード13からの光を直線偏光に
してビームスプリッタ115に入射させるようにすると
ともに、ビームスプリッタ115と被検面123との間
に、四分の一波長板を設置して、直線偏光を円偏光に変
換して被検面123に照射し、反射光を四分の一波長板
により、直交する直線偏光に変換することにより、被検
面123で反射した光をすべて光検出器118、119
で検出することができる。これにより、光検出器11
8、119の受光光量が増加するため、低反射率の被検
面123でもより高感度でフォーカスエラ信号を得るこ
とができる。
態において、発光ダイオード13からの光を直線偏光に
してビームスプリッタ115に入射させるようにすると
ともに、ビームスプリッタ115と被検面123との間
に、四分の一波長板を設置して、直線偏光を円偏光に変
換して被検面123に照射し、反射光を四分の一波長板
により、直交する直線偏光に変換することにより、被検
面123で反射した光をすべて光検出器118、119
で検出することができる。これにより、光検出器11
8、119の受光光量が増加するため、低反射率の被検
面123でもより高感度でフォーカスエラ信号を得るこ
とができる。
【0042】また、光検出器118、119等として
は、第1の実施の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118、119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。
は、第1の実施の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118、119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。
【0043】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、光源に発
光ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズを用いた
場合であっても、良好なフォーカスエラー信号が得られ
る焦点検出手段付き顕微鏡を提供することができる。
光ダイオードを用い、瞳径の小さい対物レンズを用いた
場合であっても、良好なフォーカスエラー信号が得られ
る焦点検出手段付き顕微鏡を提供することができる。
【図1】本発明の第1の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図。
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図。
【図2】(a)図6の従来の焦点検出装置付き顕微鏡の
良好なフォーカスエラー信号を示すグラフ、(b)図6
の従来の焦点検出装置付き顕微鏡で光源113として発
光ダイオードを、対物レンズ102として瞳径の小さな
レンズを用いた場合のフォーカスエラ信号を示すグラ
フ。
良好なフォーカスエラー信号を示すグラフ、(b)図6
の従来の焦点検出装置付き顕微鏡で光源113として発
光ダイオードを、対物レンズ102として瞳径の小さな
レンズを用いた場合のフォーカスエラ信号を示すグラ
フ。
【図3】図1の焦点検出装置付き顕微鏡で対物レンズ1
02として瞳径の小さなレンズを用いた場合のフォーカ
スエラ信号を示すグラフ。
02として瞳径の小さなレンズを用いた場合のフォーカ
スエラ信号を示すグラフ。
【図4】本発明の第2の実施の形態による焦点検出装置
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図。
付き顕微鏡の概略構成を示すブロック図。
【図5】本発明の第3の実施の形態による変位計測装置
の概略構成を示すブロック図。
の概略構成を示すブロック図。
【図6】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。
すブロック図。
【図7】図1および図6の光検出器118、119の光
検出部の構成、および、信号処理回路の構成を示すブロ
ック図。
検出部の構成、および、信号処理回路の構成を示すブロ
ック図。
13 発光ダイオード 80 ピンホール 81 集光レンズ 102 対物レンズ 107 ダイクロイックミラー 113 光源 114 コリメータレンズ 116 集光レンズ 115、117 ビームスプリッタ 118、119 光検出器 118a、118b、119a、119b 光検出部 123 被検面 124 被検物体 125 ステージ 126 制御手段 129、130、131 演算増幅器 132、133 光スポット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G03B 3/00 A
Claims (5)
- 【請求項1】対物レンズを含む観察光学系と、前記被検
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
出手段とを有し、 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照明光学系と、前記被検物体で
反射され、再び前記対物レンズを通過した前記照明光の
反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系の集光
した前記反射光のビームサイズを前記集光光学系の焦点
の前後でそれぞれ検出する第1および第2の検出部と、
前記第1および第2の検出部の検出したビームサイズの
差を求め、フォーカスエラー信号を得る演算部とを備
え、 前記照明光学系は、発光ダイオードと、前記発光ダイオ
ードの出射光を通過させるためのピンホールと、前記ピ
ンホールを通過した光を平行光にするコリメータレンズ
とを含むことを特徴とする焦点検出手段を備えた顕微
鏡。 - 【請求項2】対物レンズを含む観察光学系と、前記被検
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
出手段とを有し、 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照明光学系と、前記被検物体で
反射され、再び前記対物レンズを通過した前記照明光の
反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系の集光
した前記反射光のビームサイズを前記集光光学系の焦点
の前後でそれぞれ検出する第1および第2の検出部と、
前記第1および第2の検出部の検出したビームサイズの
差を求め、フォーカスエラー信号を得る演算部とを備
え、 前記照明光学系は、発光ダイオードと、前記発光ダイオ
ードから出射された光を集光する集光レンズと、前記集
光レンズの集光位置に配置され、前記光を通過させるた
めのピンホールと、前記ピンホールを通過した光を平行
光にするコリメータレンズとを含むことを特徴とする焦
点検出手段を備えた顕微鏡。 - 【請求項3】請求項1に記載の焦点検出手段を備えた顕
微鏡において、前記発光ダイオードの発光部の径をD、
前記発光ダイオードと前記ピンホールとの距離をH、前
記発光ダイオードの出射する光の発散角をθとしたと
き、前記ピンホールの開口部の径をΦ1は、 Φ1<(D+H×θ)・1/2 を満たす大きさであることを特徴とする焦点検出手段を
備えた顕微鏡。 - 【請求項4】請求項2に記載の焦点検出手段を備えた顕
微鏡において、前記ピンホール上における前記集光レン
ズによって形成される前記発光ダイオードの像の径をK
としたとき、前記ピンホールの開口部の径をΦ2は、 Φ2<K・1/2 を満たす大きさであることを特徴とする焦点検出手段を
備えた顕微鏡。 - 【請求項5】被検物体に対して対向する位置に配置され
る対物レンズと、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照明光学系と、前記被検物体で反射
され、再び前記対物レンズを通過した前記照明光の反射
光を集光する集光光学系と、前記集光光学系の集光した
前記反射光の光束のビームサイズを前記集光光学系の焦
点の前後でそれぞれ検出する第1および第2の検出部
と、前記第1および第2の検出部の検出したビームサイ
ズの差を求め、フォーカスエラー信号を得る演算部とを
備え、 前記照明光学系は、発光ダイオードと、前記発光ダイオ
ードの出射光を通過させるためのピンホールと、前記ピ
ンホールを通過した光を平行光にするコリメータレンズ
とを含むことを特徴とする変位計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9226472A JPH1164719A (ja) | 1997-08-22 | 1997-08-22 | 焦点検出手段を備えた顕微鏡および変位計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9226472A JPH1164719A (ja) | 1997-08-22 | 1997-08-22 | 焦点検出手段を備えた顕微鏡および変位計測装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1164719A true JPH1164719A (ja) | 1999-03-05 |
Family
ID=16845643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9226472A Pending JPH1164719A (ja) | 1997-08-22 | 1997-08-22 | 焦点検出手段を備えた顕微鏡および変位計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1164719A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1969412A2 (en) * | 2005-12-30 | 2008-09-17 | General Electric Company | Autofocus method and system for an automated microscope |
CN101769717A (zh) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 株式会社三丰 | 扩大范围的聚焦检测仪器 |
JP2012008566A (ja) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Leica Microsystems Cms Gmbh | 顕微鏡用の自動合焦装置および適切な自動焦点開口絞り |
KR20140133808A (ko) * | 2011-10-17 | 2014-11-20 | 스텔라 얼라이언스, 엘엘시 | 고속 자동초점 시스템 |
-
1997
- 1997-08-22 JP JP9226472A patent/JPH1164719A/ja active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1969412A2 (en) * | 2005-12-30 | 2008-09-17 | General Electric Company | Autofocus method and system for an automated microscope |
EP1969412A4 (en) * | 2005-12-30 | 2010-11-10 | Gen Electric | AUTOMATIC FOCUSING METHOD AND SYSTEM FOR AUTOMATED MICROSCOPE |
CN101769717A (zh) * | 2008-12-29 | 2010-07-07 | 株式会社三丰 | 扩大范围的聚焦检测仪器 |
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