(57)【要約】【課題】部品点数が少なく簡素な構成で小型化、低コスト化を実現でき、自動焦点調節が可能な焦点検出装置を提供する。【解決手段】焦点検出装置１００を、被検物体６０に光を照射するための光源１０側に配置され、光源１０からの光を反射して光軸方向に導く第１の反射面２０ａと、被検物体６０で反射された光の光軸からの変位量を検出するための光検出手段８０側に配置され、被検物体６０からの光を反射し光検出手段８０に導く第２の反射面２０ｂとを有する反射光学素子２０を備えて構成する。【選択図】図１
2010107950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物体に光を照射するための光源と、
前記被検物体で反射された光の光軸からの変位量を検出するための光検出手段と、
前記光源側に配置され、前記光源からの光を反射して光軸方向に導く第１の反射面、及び、前記光検出手段側に配置され、前記被検物体からの光を反射し前記光検出手段に導く第２の反射面を有する反射光学素子と、を有する焦点検出装置。
【請求項２】
前記第１の反射面は前記光源を通る線を回転軸とするコーニック面であり、前記第２の反射面は前記光検出手段を通る線を回転軸とするコーニック面である請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記第１の反射面は、前記光源及び前記光軸上にあって前記被検物体と共役な像点を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転楕円面の一部であり、
前記第２の反射面は、前記像点及び前記光検出手段を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転楕円面の一部である請求項２に記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記第１の反射面は、前記光源を焦点とし、当該焦点を通り前記光軸に平行な線を回転軸とする回転放物面の一部であり、
前記第２の反射面は、前記光検出手段を焦点とし、当該焦点を通り前記光軸に平行な線を回転軸とする回転放物面の一部である請求項２に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記第１の反射面は、前記光源及び前記光軸上であって前記被検物体と共役な像点を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転双曲面の一部であり、
前記第２の反射面は、前記像点及び前記光検出手段を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転双曲面の一部である請求項２に記載の焦点検出装置。
【請求項６】
前記反射光学素子は、前記被検物体を観察するための対物レンズの瞳面と共役に配置され、前記反射光学素子の有効径をφ1、前記対物レンズの瞳径をφ2、前記反射光学素子から前記対物レンズの瞳への倍率をβとしたとき、次式
φ2  ＝  βφ1
の条件を満足するように構成された請求項１〜５いずれか一項に記載の焦点検出装置。
【請求項７】
前記第１の反射面及び前記第２の反射面は、前記被検物体からの光束の一部を反射し、残りを透過する半反射面である請求項１〜６いずれか一項に記載の焦点検出装置
【請求項８】
前記半反射面は、光束の偏光特性に応じて一部を反射し、残りを透過する偏光分離面である請求項７に記載の焦点検出装置。
【請求項９】
前記半反射面は、光束の波長に応じて一部を反射し、残りを透過する波長選択面である請求項７に記載の焦点検出装置。
【請求項１０】
前記光源、前記反射光学素子、及び、前記光検出手段を保持する保持部材を更に有し、前記保持部材を構成する材料の熱膨張率は、前記反射光学素子を構成する材料の熱膨張率に略等しい請求項１〜９いずれか一項に記載の焦点検出装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、落射照明型顕微鏡に用いられる焦点検出装置としては、レーザーダイオード等の点光源、若しくはスリットパターン等を被検物体に投影し、その反射像を受光素子で検出する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来の焦点検出装置での焦点検出手順について図１５を用いて説明する。光源１から放射される光束は、遮光板２により光束を半分にされ、コリメータレンズ３で平行光に変換され、ハーフミラー４で反射された後、対物レンズ５により被検物体６上に結像している。被検物体６で反射された光は再び対物レンズ５を通り、ハーフミラー４を透過して、集光レンズ７により２分割受光素子８上に結像している。２分割受光素子８では、２つの受光領域８ａ，８ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出する。この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５、または被検物体６を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３７２１８２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような焦点検出装置においては、光学系の構造が複雑であるため製造コストが高価になるとともに、装置が大型化するという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成により小型化、低コスト化を実現することができる焦点検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る焦点検出装置は、被検物体に光を照射するための光源と、被検物体で反射された光の光軸からの変位量を検出するための光検出手段と、光源側に配置され、光源からの光を反射して光軸方向に導く第１の反射面、及び、光検出手段側に配置され、被検物体からの光を反射し光検出手段に導く第２の反射面を有する反射光学素子と、を有して構成される。
【０００７】
このような焦点検出装置において、第１の反射面は光源を通る線を回転軸とするコーニック面であり、第２の反射面は光検出手段を通る線を回転軸とするコーニック面であることが好ましい。
【０００８】
また、このような焦点検出装置において、第１の反射面は、光源及び光軸上にあって被検物体と共役な像点を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転楕円面の一部であり、第２の反射面は、像点及び光検出手段を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転楕円面の一部であることが好ましい。
【０００９】
また、このような焦点検出装置において、第１の反射面は、光源を焦点とし、当該焦点を通り光軸に平行な線を回転軸とする回転放物面の一部であり、第２の反射面は、光検出手段を焦点とし、当該焦点を通り光軸に平行な線を回転軸とする回転放物面の一部であることが好ましい。
【００１０】
また、このような焦点検出装置において、第１の反射面は、光源及び光軸上であって被検物体と共役な像点を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転双曲面の一部であり、第２の反射面は、像点及び光検出手段を焦点とし、当該２つの焦点を結ぶ線を回転軸とする回転双曲面の一部であることが好ましい。
【００１１】
また、このような焦点検出装置において、反射光学素子は、被検物体を観察するための対物レンズの瞳面と共役に配置され、反射光学素子の有効径をφ1、対物レンズの瞳径をφ2、反射光学素子から対物レンズの瞳への倍率をβとしたとき、次式
φ2  ＝  βφ1
の条件を満足するように構成されていることが好ましい。
【００１２】
また、このような焦点検出装置において、第１の反射面及び第２の反射面は、被検物体からの光束の一部を反射し、残りを透過する半反射面であることが好ましい。
【００１３】
このとき、半反射面は、光束の偏光特性に応じて一部を反射し、残りを透過する偏光分離面であることが好ましい。
【００１４】
あるいは、半反射面は、光束の波長に応じて一部を反射し、残りを透過する波長選択面であることが好ましい。
【００１５】
また、このような焦点検出装置は、光源、反射光学素子、及び、光検出手段を保持する保持部材を更に有し、この保持部材を構成する材料の熱膨張率は、反射光学素子を構成する材料の熱膨張率に略等しいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る焦点検出装置を以上のように構成すると、従来に比べ部品点数が少なく簡素な構成で小型化、低コスト化を実現でき、かつ、自動焦点調節が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図２】第１の実施形態における反射光学素子の構成を説明するための説明図であり、（ａ）は反射光学素子の正面図、平面図、及び左右の側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ′線における断面図を示し、（ｃ）は反射光学素子の斜視図を示す。
【図３】第１の実施形態に係る焦点検出装置を有する顕微鏡光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図４】第１の実施形態に係る焦点検出装置を有する他の顕微鏡光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図５】第１の実施形態に係る焦点検出装置を、有限遠対物レンズに適用したものの構成を示すレンズ構成図である。
【図６】第２の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図７】第２の実施形態における反射光学素子の構成を説明するための説明図であり、（ａ）は反射光学素子の正面図、平面図、及び左右の側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ′線における断面図を示し、（ｃ）は反射光学素子の斜視図を示す。
【図８】第３の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図９】第３の実施形態に係る焦点検出装置を、スリットパターンを投影する光学系に適用したものの構成を示すレンズ構成図である。
【図１０】第４の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図１１】第５の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図１２】第６の実施形態に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【図１３】第６の実施形態における反射光学素子の構成を説明するための説明図であり、（ａ）は反射光学素子の正面図、平面図、及び左右の側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ′線における断面図を示し、（ｃ）は反射光学素子の斜視図を示す。
【図１４】第６の実施形態に係る焦点検出装置を、無限遠対物レンズに適用したものの構成を示すレンズ構成図である。
【図１５】従来技術に係る焦点検出装置の構成を示すレンズ構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
まず、図１を用いて、第１の実施形態に係る焦点検出装置の構成について説明する。この図１に示す焦点検出装置１００は、被検物体６０に光を照射するための光源１０と、反射光学素子２０と、対物レンズ５０と、被検物体６０で反射された光の光軸からの変位量を検出するための光検出手段としての２分割受光素子８０とを有して構成されている。
【００２０】
反射光学素子２０は、光源１０側に配置され、この光源１０からの光を反射して光軸方向に導く第１の反射面２０ａと、２分割受光素子８０側に配置され、被検物体６０からの光を反射し２分割受光素子８０に導く第２の反射面２０ｂとを有して構成されている。
【００２１】
図１に示すように、光源１０から放射される光束は、反射光学素子２０の第１の反射面２０ａで反射されて平行光に変換され、対物レンズ５０に入射する。この第１の実施形態に係る対物レンズ５０は無限遠対物レンズであり、反射光学素子２０からの平行光を被検物体６０上に集光して光源像を結像している。被検物体６０で反射された光は、再び対物レンズ５０を通り、平行光となって反射光学素子２０の第２の反射面２０ｂに入射する。この第２の反射面２０ｂで反射された光束は、２分割受光素子８０に集光する。この２分割受光素子８０は、隣接する２つの受光領域８０ａ，８０ｂを有し、これらの受光領域８０ａ，８０ｂの境界が、この焦点検出装置１００の光軸上に位置するように配置されている。そのため、２分割受光素子８０では、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差（すなわち、被検物体６０上で反射された光源１０の像の光軸からのずれ量）から焦点ずれの方向と、そのずれ量を検出することができる。この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５０、または被検物体６０を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００２２】
図２に、第１の実施形態における反射光学素子２０の詳細な構成を示す。この反射光学素子２０は光源１０からの光を反射して光軸Ｃ方向に導く第１の反射面２０ａと、被検物体６０からの光を反射して２分割受光素子８０に導く第２の反射面２０ｂとを有している。ここで、第１の反射面２０ａは、光源１０を通り光軸Ｃと平行な直線ｌ1を回転軸として放物線を回転することで得られる回転放物面Ｐａの部分領域であって、この回転放物面Ｐａの焦点Ｆａに光源１０が配置されている。また、反射面２０ｂは、２分割受光素子８０を通り光軸Ｃと平行な直線ｌ2を回転軸として放物線を回転することで得られる回転放物面Ｐｂの部分領域であって、回転放物面Ｐｂの焦点Ｆｂに２分割受光素子８０が配置されている。このように構成することで、光源１０から放射される光束を平行光に変換し、光軸Ｃの方向に導くことができる。また、被検物体６０で反射された光は対物レンズ５０により平行光となった後、２分割受光素子８０上に集光する。
【００２３】
反射光学素子２０は、ガラス表面にクロムやアルミニウムを蒸着したもの、金属の板金加工、切削加工等により反射鏡形状を形成したもの、熱可塑性樹脂によるモールド成型品の表面にクロムやアルミニウムを蒸着したものなどを用いることが好ましい。このように、この第１の実施形態においては、外面に反射面（２０ａ，２０ｂ）を設け、外面反射タイプの反射光学素子２０としている。
【００２４】
このとき、材料の熱膨張により反射面２０ａ，２０ｂの焦点ズレが生じることを防ぐため、光源１０、反射光学素子２０及び２分割受光素子８０を保持する不図示の保持部材は、熱膨張率が反射光学素子を構成する材料の熱膨張率に略等しい材料であることが望ましい。即ち、熱膨張により反射面２０ａ，２０ｂの焦点距離が変化した分、保持部材の大きさも変化することにより、反射光学素子２０と光源１０、２分割受光素子８０の共役関係を保つよう比例拡大（縮小）するよう構成されることで、装置を使用する温度環境によらず安定した焦点検出をおこなうことが可能となる。
【００２５】
なお、実際の無限遠対物レンズを用いた顕微鏡光学系においては、上述の焦点検出装置１００のほかに、被検物体６０からの光により対物レンズ及び第２対物レンズで被検物体６０の拡大像を結像し、この拡大像を観察する観察光学系、及び被検物体６０を照明する観察用照明光学系を具備している。これについて図３及び図４を参照して説明する。
【００２６】
図３に示す顕微鏡光学系５００は、図１に示した焦点検出装置１００の光学系に加えて観察光学系３００を構成するために、一部の光を反射し残りの光を透過する第１の分割ミラー４０及び第２の分割ミラー４１と、観察用照明光学系２００と、第２対物レンズ７０とを更に有している。また、観察用照明光学系２００は、観察用光源２０１と集光レンズ２０２とを有して構成されている。この観察用照明光学系２００から放出された光は第１の分割ミラー４１及び第２の分割ミラー４０で反射され、対物レンズ５０で被検物体６０上に集光されて照射される。被検物体６０から反射した光は、対物レンズ５０により略平行化された後、第１の分割ミラー４０で反射し、第２の分割ミラー４１を透過して第２対物レンズ７０により被検物体６０の拡大像Ｉを結像する。拡大像Ｉは不図示の接眼レンズを通して目視で観察されるか、或いは不図示の２次元撮像素子（ＣＣＤ等）により撮像される。
【００２７】
ここで、観察光学系３００の光路と焦点検出装置１００の光学系の光路を分割する為の第１の分割ミラー４０は、光の波長により選択的に光を透過または反射するダイクロイックミラーを用いるのが望ましい。例えば、光源１０の放射する光の波長を赤外光とし、観察用照明光学系２００の観察用光源２０１の放射する光の波長を可視光とした場合、第１の分割ミラー４０を、可視光を反射し、赤外光を透過するダイクロイックミラーとすることで、観察光学系３００の光路（可視光）と焦点検出装置１００の光学系の光路（赤外光）とを分岐することが可能となる。
【００２８】
図３に示す顕微鏡光学系５００においては、第１の分割ミラー４０で反射する光路を観察用照明光学系２００及び観察光学系３００とし、透過する光路を焦点検出装置１００の光学系としたが、図４に示す顕微鏡光学系５００′のように、反射する光路を焦点検出装置１００の光学系とし、透過する光路を観察用照明光学系２００及び観察光学系３００としてもよい。
【００２９】
なお本実施の形態において、対物レンズ５０は無限遠対物レンズであるとしたが、図５に示すように、有限遠対物レンズに適用することも可能である。図５に示す焦点検出装置１１０は、光源１０、反射光学素子２０、対物レンズ５１、２分割受光素子８０、及び、集光レンズ９０から構成されている。
【００３０】
光源１０から放射される光束は、反射光学素子２０の第１の反射面２０ａで反射され平行光に変換された後、集光レンズ９０に入射する。この集光レンズ９０は、その焦点が対物レンズ５１の像面上の点Ｆｃに位置するよう配置されており、集光レンズ９０に入射した平行光は対物レンズ５１の像面上（点Ｆｃ）に集光し光源１０の像を結像する。対物レンズ５１は有限遠対物レンズであり、この対物レンズ５１の像面上に集光した光源像を被検物体６０上に結像している。被検物体６０で反射された光は再び対物レンズ５１を通り、像面上（点Ｆｃ）で一端集光したのち集光レンズ９０により平行光に変換され反射光学素子２０の第２の反射面２０ｂに入射する。そして、この第２の反射面２０ｂで反射された光束は２分割受光素子８０に集光する。２分割受光素子８０では、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５１、または被検物体６０を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、図６を参照して第２の実施形態に係る焦点検出装置１２０の構成について説明する。なお、この図６及び以降の図においても、図１に示す焦点検出装置１００と同じ機能の構成要素は同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。この第２の実施形態における焦点検出装置１２０は、光源１０、反射光学素子２１、対物レンズ５１、及び、２分割受光素子８０から構成されている。
【００３２】
図６に示すように、光源１０から放射される光束は、反射光学素子２１の第１の反射面２１ａで反射され、対物レンズ５１の像面上（点Ｆｃ）に集光された後、対物レンズ５１に入射する。第２の実施形態に係る対物レンズ５１は有限遠対物レンズであり、反射光学素子２１からの光を被検物体６０上で集光し、光源１０の像を結像する。被検物体６０で反射された光は再び対物レンズ５１を通り、この対物レンズ５１の像面上に集光された後、反射光学素子２１の第２の反射面２１ｂに入射する。そして、第２の反射面２１ｂで反射された光束は、２分割受光素子８０上に集光する。この２分割受光素子８０では、第１の実施形態で説明したように、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５１、または被検物体６０を移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００３３】
図７に、本実施の形態における反射光学素子２１の詳細な構成を示す。この反射光学素子２１は光源１０からの光を反射して光軸Ｃ上の点Ｆｃへ導く第１の反射面２１ａと、光軸Ｃ上の点Ｆｃからの光を反射して２分割受光素子８０に導く第２の反射面２１ｂとを有している。ここで、第１の反射面２１ａは、点Ｆａと光軸上の点Ｆｃとをそれぞれ焦点とする楕円を、Ｆａ，Ｆｃを通る線ｍ1を回転軸として回転することで得られる回転楕円面ｈａの部分領域であって、この回転楕円面ｈａの焦点Ｆａに光源１０が配置され、点Ｆｃに像面が位置するよう対物レンズ５１が配置されている。また、第２の反射面２１ｂは、点Ｆｂと点Ｆｃとをそれぞれ焦点とする楕円を、Ｆｂ，Ｆｃを通る線ｍ2を回転軸として回転することで得られる回転楕円面ｈｂの部分領域であって、回転楕円面ｈｂの焦点Ｆｂに２分割受光素子８０が配置され、像面がＦｃに位置するよう対物レンズ５１が配置されている。このように構成することで、図６に示すように、光源１０から放射される光束を対物レンズ５１の像面上の点Ｆｃに集光することができる。また、被検物体６０で反射された光は対物レンズ５１により像面上の点Ｆｃに集光したのち、２分割受光素子８０上に集光する。
【００３４】
（第３の実施形態）
次に、図８を参照して第３の実施形態に係る焦点検出装置１３０の構成について説明する。この第３の実施形態における焦点検出装置１３０は、光源１０、第２の実施形態で示した反射光学素子２１、対物レンズ５０、２分割受光素子８０、及び、集光レンズ９０から構成されている。この焦点検出装置１３０において、集光レンズ９０は、その焦点が第２の実施形態で説明した点Ｆｃ上に位置するように配置されている。
【００３５】
図８に示すように、光源１０から放射される光束は、反射光学素子２１の第１の反射面２１ａで反射され、点Ｆｃに集光したのち、集光レンズ９０により平行光に変換され、対物レンズ５０に入射する。この第３の実施形態に係る対物レンズ５０は無限遠対物レンズであり、集光レンズ９０からの平行光を被検物体６０上に集光し、光源１０の像を結像している。被検物体６０で反射された光は再び対物レンズ５０を通り、平行光となって集光レンズ９０に入射し、点Ｆｃで一端集光した後、反射光学素子２１の第２の反射面２１ｂに入射する。そして、この第２の反射面２１ｂで反射された光束は、２分割受光素子８０に集光する。２分割受光素子８０では、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５０、または被検物体６０を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００３６】
ここで、第３の実施形態に係る反射光学素子２１は、集光レンズ９０を介して対物レンズ５０の瞳面Ｐと共役に配置されており、反射光学素子２１の有効径をφ1、対物レンズ５０の瞳径をφ2、反射光学素子２１から対物レンズ５０の瞳面Ｐへの倍率をβとしたとき、以下に示す条件式（１）を概ね満足するよう構成されている。
【００３７】
φ2  ＝  βφ1                                      （１）
【００３８】
この条件式（１）を満足するよう反射光学素子２１を配置することで、照明光として、対物レンズ５０に必要充分な光束を入射させることが可能となり、フレアの原因となる対物レンズ５０内での乱反射を防ぐことが可能となる。また、焦点ずれによらず対物レンズ５０の瞳から放射される光束を全て受光可能となるため、焦点のずれた際にも検出光量低下の少ない焦点検出装置１３０を構成することが可能となる。
【００３９】
また、光源１０の軸外光を、光学系でのケラレがなく良好に被検物体６０に投影することが可能となる。そのため、例えば図９に示すように、焦点検出装置１４０の光源ユニット１０′を、照明用光源１１と、集光レンズ１２と、スリット１３とから構成し、スリットパターンを被検物体６０上に投影する場合に好適である。
【００４０】
（第４の実施形態）
以下、図１０を参照して第４の実施形態に係る焦点検出装置１５０の構成について説明する。この第４の実施形態における焦点検出装置１５０は、光源１０、反射光学素子２２、対物レンズ５０、及び、２分割受光素子８０から構成されている。なお、第４の実施形態における反射光学素子２２は、光源１０から放射される波長の光を透過する透明体で構成し、反射面（２２ａ，２２ｂ）を内側に設けて内面反射とした点において、第１〜第３の実施形態の外面反射タイプの反射光学素子２０，２１と異なる。また、この反射光学素子２２は、対物レンズ５０側に界面２２ｃが配置され、光源１０側に界面２２ｄが配置され、さらに、２分割受光素子８０側に界面２２ｅが配置されている。なお、界面２２ｃは光軸Ｃに垂直な平面であり、界面２２ｄは光源１０の光路に垂直な平面であり，界面２２ｅは２分割受光素子８０の受光面に平行な平面である。
【００４１】
図１０に示すように、光源１０から放射される光束は、光源１０側の界面２２ｄから反射光学素子２２に入射し、第１の反射面２２ａで反射され平行光に変換された後、対物レンズ５０側の界面２２ｃから反射光学素子２２を射出する。この反射光学素子２２から射出された平行光は対物レンズ５０に入射する。この第４の実施形態に係る対物レンズ５０は無限遠対物レンズであり、反射光学素子２２からの平行光を被検物体６０上に集光して光源１０の像を結像している。そして、被検物体６０で反射された光は、再び対物レンズ５０を通り、平行光となって界面２２ｃから再び反射光学素子２２に入射し、第２の反射面２２ｂで反射され、２分割受光素子８０側の界面２２ｅから反射光学素子２２を射出した後、２分割受光素子８０に集光する。２分割受光素子８０では、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５０、または被検物体６０を移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００４２】
なお、第４の実施形態に係る反射光学素子２２は、熱可塑性樹脂によるモールド成型品を用いることが好ましく、安価に製造することができる。
【００４３】
（第５の実施形態）
以下、図１１を参照して観察光学系３１０の光路に焦点検出装置１５０′を挿入した第５の実施形態について説明する。この第５の実施形態では、第４の実施形態と同様の構成の焦点検出装置１５０′を、観察光学系３１０の光路中に挿入することで装置の小型化を可能としている。この観察光学系３１０を構成するために、焦点検出装置１５０′に加え、透明体で形成した光学素子２３、及び、第２対物レンズ７０を更に具備している。
【００４４】
なお、この第５の実施形態における焦点検出装置１５０′については、第４の実施形態における反射光学素子２２の第１及び第２の反射面２２ａ，２２ｂを、この面に入射する光の一部を透過し、残りを反射する半反射面からなる第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′で構成した反射光学素子２２′としていること以外は、第４の実施形態と同様である。例えば、光源１０の放射する光の波長を赤外光とし、第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′を、可視光を透過し、赤外光を反射する波長選択面とすることで、観察光学系３００の光路（可視光）と焦点検出装置１５０′の光学系の光路とを分岐することができる。
【００４５】
観察光学系３１０をこのような構成とすると、第４の実施形態で説明したように、光源１０から放射された光（赤外光）は、第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′で反射されて２分割受光素子８０に集光する。一方、被検物体６０からの光（可視光）は対物レンズ５０により略平行化された後、反射光学素子２２′（第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′）及び光学素子２３を透過し、第２対物レンズ７０により被検物体６０の拡大像Ｉを結像する。この拡大像Ｉは、不図示の接眼レンズを通して目視で観察される。
【００４６】
ここで、光学素子２３は、観察光学系３００の光束が反射光学素子２２′の第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′で屈折することを防ぐ目的で用いられ、反射光学素子２２′と光学素子２３とは屈折率の等しい材料で構成されて、第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′で接合されている。また、光学素子２３の界面２３ｃは光軸Ｃに垂直な平面である。このように構成することで対物レンズ５０からの光は反射光学素子２２′、光学素子２３で屈折することなく第２対物レンズ７０により拡大像Ｉを結像する。
【００４７】
この第５の実施形態に示すような構成とすることにより、被検物体６０を観察するための観察光学系３１０の光路中に、焦点検出装置１５０′を配置することができるため、全体として小型化することが可能となる。
【００４８】
なお、この第５の実施形態においては、反射光学素子２２′に形成された第１及び第２の半反射面２２ａ′，２２ｂ′を、入射する光の波長に応じて一部を反射し、残りを透過する波長選択面で構成した場合について説明したが、光源１０から放射される光の偏光状態と、被検物体６０の像を形成するための光の偏光状態とが異なる場合に、これらの半反射面２２ａ′，２２ｂ′を、この面に入射する光の偏光特性に応じて一部を反射し、残りを透過する偏光分離面で構成することも可能である。
【００４９】
（第６の実施形態）
次に、図１２を参照して第６の実施形態に係る焦点検出装置１６０の構成について説明する。この第６の実施形態における焦点検出装置１６０は、光源１０、反射光学素子２４、対物レンズ５１、及び、２分割受光素子８０から構成されている。この第６の実施形態は、第２の実施形態における反射光学素子２１の反射面２１ａ，２１ｂを楕円面から双曲面とした点において異なる。これにより第２の実施形態においては光軸Ｃ上の点Ｆｃ（対物レンズの像面上の点）が光源の実像を結ぶ点であったのに対し、第６の実施形態では図１２に示すように虚像を結ぶ点となる。そのため、第６の実施形態では実像を形成するための空間が不要となるため、特に有限遠対物レンズの焦点検出装置の小型化が可能となる利点がある。
【００５０】
図１２に示すように、光源１０から放射される光束は、反射光学素子２４の第１の反射面２４ａで反射された後、対物レンズ５１に入射する。第６の実施形態に係る対物レンズ５１は有限遠対物レンズであり、反射光学素子２４からの光を被検物体６０上で集光し、光源１０の像を結像する。被検物体６０で反射された光は再び対物レンズ５１を通り、反射光学素子２４の第２の反射面２４ｂに入射する。そして、第２の反射面２４ｂで反射された光束は、２分割受光素子８０上に集光する。この２分割受光素子８０では、第１の実施形態で説明したように、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検出し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５１、または被検物体６０を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００５１】
図１３に、本実施の形態における反射光学素子２４の詳細な構成を示す。この反射光学素子２４は光源１０からの光を反射して光軸Ｃ上の点Ｆｃから発散するのと同等の光に変換する第１の反射面２４ａと、光軸Ｃ上の点Ｆｃへ集光する光を反射して２分割受光素子８０に導く第２の反射面２４ｂとを有している。ここで、第１の反射面２４ａは、点Ｆａと光軸上の点Ｆｃとをそれぞれ焦点とする双曲線を、Ｆａ，Ｆｃを通る線ｎ1を回転軸として回転することで得られる回転双曲面ｈａの部分領域であって、この回転双曲面ｈａの焦点Ｆａに光源１０が配置され、点Ｆｃに像面が位置するように対物レンズ５１が配置されている。また、第２の反射面２４ｂは、点Ｆｂと点Ｆｃとをそれぞれ焦点とし、Ｆｂ，Ｆｃを通る線ｎ2を回転軸として回転することで得られる回転双曲面ｈｂの部分領域であって、回転双曲面ｈｂの焦点Ｆｂに２分割受光素子８０が配置され、像面がＦｃに位置するように対物レンズ５１が配置されている。このように構成することで、図１２に示すように、光源１０から放射される光束を対物レンズ５１の像面上の点Ｆｃから発散するのと同等の光に変換することができる。また、被検物体６０で反射された光は対物レンズ５１により像面上の点Ｆｃに集光する光束となり、第２の反射面２４ｂにより反射され、点Ｆｃと共役に配置された２分割受光素子８０上に集光する。
【００５２】
なお本実施の形態において、対物レンズ５１は有限遠対物レンズであるとしたが、図１４に示すように、無限遠対物レンズに適用することも可能である。この図１４に示す焦点検出装置１７０は、光源１０、反射光学素子２４、対物レンズ５０、２分割受光素子８０、及び、集光レンズ９０，９１から構成されている。光源１０から放射される光束は、反射光学素子２４の第１の反射面２４ａで反射された後、集光レンズ９１に入射する。この集光レンズ９１は、光源１０の虚像を成す点Ｆｃと、光軸上の点Ｆｃ′とを共役とするように配置されており、集光レンズ９１に入射した光束は点Ｆｃ′に集光し光源の実像を形成する。集光レンズ９１により点Ｆｃ′に集光した光束は、集光レンズ９０により平行光に変換され、対物レンズ５０に入射する。対物レンズ５０は無限遠対物レンズであり、集光レンズ９０からの平行光を被検物体６０上に集光し、光源１０の像を結像している。この被検物体６０で反射された光は再び対物レンズ５０を通り、平行光となって集光レンズ９０に入射し、点Ｆｃ′で一端集光し、集光レンズ９１を通り反射光学素子２４の第２の反射面２４ｂに入射する。そして、この第２の反射面２４ｂで反射された光束は、２分割受光素子８０に集光する。２分割受光素子８０では、２つの受光領域８０ａ，８０ｂへの入射光量の差から焦点ずれの方向と、ずれ量を検し、この焦点ずれの方向及びずれ量から対物レンズ５０、または被検物体６０を光軸方向に移動させて合焦点位置に位置決めを行う。
【００５３】
以上のように、反射光学素子に形成する２つの反射面は、第１の実施形態に示す回転放物面、第２の実施形態に示す回転楕円面、もしくは、この第６の実施形態に示す回転双曲面のように、光源１０及び２分割受光素子８０を通る線を回転軸とするコーニック面で構成することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０，１０′  光源    ２０，２１，２２，２２′，２４  反射光学素子
５０，５１  対物レンズ    ６０  被検物体
７０，９０，９１  集光レンズ    ８０  ２分割受光素子（光検出手段）
２０ａ，２１ａ，２２ａ，２４ａ  第１の反射面    ２２ａ′  第１の半反射面
２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ，２４ｂ  第２の反射面    ２２ｂ′  第２の半反射面
１００，１００′，１１０〜１７０  焦点検出装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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