(57)【要約】【課題】  対物レンズの軸上色収差が大きくても正確な焦点検出を行うことができる焦点検出装置を提供する。【解決手段】  光源１１から出射して視野絞り１３を通過した後の検出光に基づいて、視野絞りの中間像を形成する第１光学系１４,１５と、中間像の形成面１０Ａと対物レンズとの間に配置され、対物レンズを通過した後の検出光によって合焦面に視野絞りの最終像が形成されるように、非平行な状態で照明光を対物レンズに導く第２光学系５０と、合焦面またはその近傍に位置する物体３Ａからの反射光を対物レンズと第２光学系と中間像の形成面とを介して取り込み、物体の反射像を形成する第３光学系１５,２０と、中間像の形成面に共役な受光面を含み、第３光学系を通過した後の前記反射像に関わる光を前記受光面で検知し、前記第１波長域での焦点面と前記物体との相対位置に応じたフォーカス信号を生成する信号生成手段２２とを備える。【選択図】      図１
2006235089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長域の光によって物体の像を形成する結像光学系の無限遠補正型の対物レンズを介し、前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を用いて、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点面とは異なる前記第１波長域での焦点面を検出する焦点検出装置であって、
前記第２波長域の照明光を出射する光源と、
視野絞りを含み、前記光源から出射して前記視野絞りを通過した後の前記照明光に基づいて、前記視野絞りの中間像を形成する第１光学系と、
前記第１光学系による前記中間像の形成面と前記対物レンズとの間に配置され、該形成面を通過した後の前記照明光を前記対物レンズに導くと共に、該対物レンズを通過した後の前記照明光によって前記第１波長域での焦点面に前記視野絞りの最終像が形成されるように、非平行な状態で前記照明光を前記対物レンズに導く第２光学系と、
前記第１波長域での焦点面またはその近傍に位置する前記物体からの反射光を前記対物レンズと前記第２光学系と前記中間像の形成面とを介して取り込み、前記物体の反射像を形成する第３光学系と、
前記中間像の形成面に共役な受光面を含み、前記第３光学系を通過した後の前記反射像に関わる光を前記受光面で検知し、前記第１波長域での焦点面と前記物体との相対位置に応じたフォーカス信号を生成する信号生成手段とを備えた
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点検出装置において、
前記対物レンズの前記第１波長域での焦点面と前記第２波長域での焦点面との間隔をΔとし、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点距離をｆ１とし、前記第２光学系の前記第２波長域での焦点距離をｆ２とするとき、
前記対物レンズの主点面と前記第２光学系の主点面との間隔Ｓ１、および、前記第２光学系の主点面と前記第１光学系による前記中間像の形成面との間隔Ｓ２は、次の式により表される
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の焦点検出装置において、
前記対物レンズの前記第１波長域での焦点面と前記第２波長域での焦点面との間隔をΔとし、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点距離をｆ１とし、前記第２光学系と前記第１光学系とを組み合わせた第１合成系の前記第２波長域での焦点距離をｆ２とし、前記第２光学系と前記第３光学系とを組み合わせた第２合成系の前記第２波長域での焦点距離をｆ３とするとき、
前記対物レンズの主点面と前記第１合成系の主点面との間隔Ｓ１、前記第１合成系の主点面と前記視野絞りとの間隔Ｓ２、前記対物レンズの主点面と前記第２合成系の主点面との間隔Ｓ３、および、前記第２合成系の主点面と前記受光面との間隔Ｓ４は、次の式により表される
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ
Ｓ３＝ｆ１＋ｆ３
Ｓ４＝ｆ３＋(ｆ３/ｆ１)2・Δ
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の焦点検出装置において、
前記光源から前記対物レンズに向かう前記照明光の光路上に配置され、且つ、前記対物レンズの瞳面と共役に配置され、前記照明光が前記対物レンズを通過する際に前記瞳面の半分以下の領域を通過するように、前記照明光の一部を遮光する遮光部材をさらに備えた
ことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の焦点検出装置において、
前記第２光学系と前記対物レンズとの間に配置され、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とを分離する分離部材をさらに備えた
ことを特徴とする焦点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の像を形成する結像光学系の焦点検出を行う焦点検出装置に関し、特に、紫外光の使用を想定した結像光学系に好適な焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば顕微鏡に組み込まれた結像光学系は、一般に、可視光などの観察光を用いて物体の像を形成する。また、このような結像光学系の焦点検出装置では、一般に、観察光とは波長域の異なる光（例えば赤外光など）を検出光として用い、結像光学系の無限遠補正型の対物レンズを介して焦点検出を行う。
さらに、無限遠補正型の対物レンズを介して焦点検出を行う場合、検出光は、平行光として対物レンズに導かれ（例えば特許文献１を参照）、これを通過した後、対物レンズの焦点面に結像する。この焦点面は、検出光の波長域（例えば赤外域）での焦点面であり、観察光の波長域（例えば可視域）での焦点面とは異なることが多い。検出光の波長域での焦点面には、検出光による像が形成される。対物レンズの焦点面の波長域に応じた位置ずれは、対物レンズの軸上色収差に相当する。
【０００３】
そして、焦点検出の際には、対物レンズを通過した後の検出光によって物体を照明し、物体で反射して再び対物レンズを通過した検出光に基づいて、対物レンズの焦点面に関わる位置情報を取得する。このとき、検出光の波長域での焦点面と観察光の波長域での焦点面との位置ずれ分（対物レンズの軸上色収差）をオフセットとして加味することにより、観察光の波長域での焦点面（つまり合焦面）を検出することができる。
【０００４】
その結果、焦点検出装置では、合焦面と物体との相対位置に応じたフォーカス信号を生成し、物体を合焦面に一致させるための制御信号として、物体と合焦面との相対位置を調整する手段（例えば物体を支持するステージの制御装置）に出力する。
【特許文献１】特開平６−３５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のように検出光を平行光として対物レンズに導き、検出光による像を対物レンズの検出光の波長域での焦点面に形成する従来装置では、対物レンズの軸上色収差が大きくなるほど、検出光が対物レンズを通過する際のケラレの影響が大きくなり、焦点検出の精度が低下してしまう。従来装置を用いる場合、対物レンズの軸上色収差の許容範囲は、対物レンズの焦点深度と比べてそれほど大きくない程度と考えられる。したがって、観察光として紫外光を想定する場合や対物レンズの開口数を大きくする場合のように、対物レンズの軸上色収差を小さく設計することが難しい場合には、正確な焦点検出を行うことができなくなってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、対物レンズの軸上色収差が大きくても正確な焦点検出を行うことができる焦点検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の焦点検出装置は、第１波長域の光によって物体の像を形成する結像光学系の無限遠補正型の対物レンズを介し、前記第１波長域とは異なる第２波長域の光を用いて、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点面とは異なる前記第１波長域での焦点面を検出する焦点検出装置であって、前記第２波長域の照明光を出射する光源と、視野絞りを含み、前記光源から出射して前記視野絞りを通過した後の前記照明光に基づいて、前記視野絞りの中間像を形成する第１光学系と、前記第１光学系による前記中間像の形成面と前記対物レンズとの間に配置され、該形成面を通過した後の前記照明光を前記対物レンズに導くと共に、該対物レンズを通過した後の前記照明光によって前記第１波長域での焦点面に前記視野絞りの最終像が形成されるように、非平行な状態で前記照明光を前記対物レンズに導く第２光学系と、前記第１波長域での焦点面またはその近傍に位置する前記物体からの反射光を前記対物レンズと前記第２光学系と前記中間像の形成面とを介して取り込み、前記物体の反射像を形成する第３光学系と、前記中間像の形成面に共役な受光面を含み、前記第３光学系を通過した後の前記反射像に関わる光を前記受光面で検知し、前記第１波長域での焦点面と前記物体との相対位置に応じたフォーカス信号を生成する信号生成手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の焦点検出装置において、前記対物レンズの前記第１波長域での焦点面と前記第２波長域での焦点面との間隔をΔとし、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点距離をｆ１とし、前記第２光学系の前記第２波長域での焦点距離をｆ２とするとき、前記対物レンズの主点面と前記第２光学系の主点面との間隔Ｓ１、および、前記第２光学系の主点面と前記第１光学系による前記中間像の形成面との間隔Ｓ２は、次の式により表される。
【０００９】
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の焦点検出装置において、前記対物レンズの前記第１波長域での焦点面と前記第２波長域での焦点面との間隔をΔとし、前記対物レンズの前記第２波長域での焦点距離をｆ１とし、前記第２光学系と前記第１光学系とを組み合わせた第１合成系の前記第２波長域での焦点距離をｆ２とし、前記第２光学系と前記第３光学系とを組み合わせた第２合成系の前記第２波長域での焦点距離をｆ３とするとき、前記対物レンズの主点面と前記第１合成系の主点面との間隔Ｓ１、前記第１合成系の主点面と前記視野絞りとの間隔Ｓ２、前記対物レンズの主点面と前記第２合成系の主点面との間隔Ｓ３、および、前記第２合成系の主点面と前記受光面との間隔Ｓ４は、次の式により表される。
【００１０】
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ
Ｓ３＝ｆ１＋ｆ３
Ｓ４＝ｆ３＋(ｆ３/ｆ１)2・Δ
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の焦点検出装置において、前記光源から前記対物レンズに向かう前記照明光の光路上に配置され、且つ、前記対物レンズの瞳面と共役に配置され、前記照明光が前記対物レンズを通過する際に前記瞳面の半分以下の領域を通過するように、前記照明光の一部を遮光する遮光部材をさらに備えたものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の焦点検出装置において、前記第２光学系と前記対物レンズとの間に配置され、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光とを分離する分離部材をさらに備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、対物レンズの軸上色収差が大きくても正確な焦点検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の焦点検出装置１０は、図１に示す顕微鏡３０に組み込まれ、顕微鏡３０の結像光学系(３１〜３３)の焦点検出を行う。結像光学系(３１〜３３)は、紫外光（例えば波長域２４８ｎｍ）によって物体３Ａの像を形成する光学系であり、無限遠補正型の対物レンズ３１と紫外線透過フィルタ３２と結像レンズ３３とで構成される。物体３Ａは、水平方向および垂直方向に移動可能なステージ(不図示)の上に載置された状態で、対物レンズ３１の下方に配置される。
【００１４】
結像光学系(３１〜３３)の焦点検出は、無限遠補正型の対物レンズ３１を介して行われる。また、この焦点検出には、観察用の紫外光（例えば波長域２４８ｎｍ）とは波長域の異なる赤外光（例えば波長域７７０ｎｍ）が用いられる。
観察用の紫外光と同様に、焦点検出用の赤外光も対物レンズ３１を通過するため、対物レンズ３１の後側にはダイクロイックミラー１８が配置され、このダイクロイックミラー１８が焦点検出用の赤外光を透過して観察用の紫外光を反射することにより、焦点検出用の赤外光と観察用の紫外光との分離を行っている。
【００１５】
対物レンズ３１の後側にダイクロイックミラー１８を配置したことにより、結像光学系(３１〜３３)の光軸は折り曲げられ、略Ｌ字型となる。顕微鏡３０の照明部(４１〜４７)からの観察用の紫外光は、対物レンズ３１の光軸Ｏ31に垂直な方向からダイクロイックミラー１８に入射し、そこで反射した後、対物レンズ３１を介して物体３Ａに入射する。また、物体３Ａで反射した紫外光は、再び、対物レンズ３１を通過した後、ダイクロイックミラー１８で反射する。
【００１６】
一方、焦点検出装置１０の照明部(１１〜５０)の光軸は、対物レンズ３１の光軸Ｏ31に一致する。照明部(１１〜５０)からの焦点検出用の赤外光は、光軸Ｏ31に沿ってダイクロイックミラー１８に入射し、これを透過した後、対物レンズ３１を介して物体３Ａに入射する。そして、物体３Ａで反射した赤外光は、再び、対物レンズ３１を通過した後、ダイクロイックミラー１８を透過する。
【００１７】
無限遠補正型の対物レンズ３１としては、例えば特願２００３−４２８２７６号に記載の対物レンズを用いることができる。この場合、対物レンズ３１は、紫外光の使用を想定し、その中心波長２４８ｎｍ±３ｎｍの範囲（つまり観察用の紫外光の波長域）で軸上色収差が補正され、開口数=１.２４の液浸系である。また、その焦点距離は約２ｍｍである。さらに、この対物レンズ３１では、焦点検出用の赤外光の波長域７７０ｎｍで球面収差が低減されている。
【００１８】
ただし、上記例のように開口数の大きな対物レンズ３１は、設計の難度が高く、軸上色収差を補正可能な波長範囲（いわゆる色消し範囲）が狭くなる。また、観察用に紫外光を用いる場合、対物レンズ３１の硝材として使用できる材料は、紫外光を吸収しない石英や蛍石などに限られてしまい、色消し範囲が極端に狭くなる。
このため、上記例の対物レンズ３１では、観察用の紫外光と焦点検出用の赤外光とで軸上色収差を補正する（つまり各波長域での焦点面を一致させる）ことが非常に難しく、物体側の軸上色収差が１０μｍ程度となっている。この軸上色収差（１０μｍ程度）は、対物レンズ３１の焦点深度に比べて遙かに大きい。
【００１９】
図２(ａ)の模式図から分かるように、対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUVと赤外域での焦点面ＦIRとの位置関係は、紫外光の方が赤外光に比べて短波長のため、紫外域での焦点面ＦUVの方が対物レンズ３１に近く、赤外域での焦点面ＦIRは紫外域での焦点面ＦUVより対物レンズ３１から離れるのが一般的である。各波長域での焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δは、対物レンズ３１の軸上色収差（１０μｍ程度）を空気換算した長さ（Δ=８.１μｍ）に相当する。
【００２０】
このような無限遠補正型の対物レンズ３１に対し、観察用の紫外光は、ダイクロイックミラー１８から平行光として導かれ（図２(ｂ)）、対物レンズ３１を通過した後、紫外域での焦点面ＦUVに結像する。このため、物体３Ａが紫外域での焦点面ＦUVに位置決めされていれば、物体３Ａの鮮明な像を得ることができる。以下の説明では、適宜、紫外域での焦点面ＦUVを“合焦面”という。焦点検出装置１０では、紫外域での焦点面ＦUVと試料面との距離およびそのずれ方向の検出が行われる。
【００２１】
さらに、上記のような無限遠補正型の対物レンズ３１に対して、焦点検出用の赤外光を平行光として導くと（図２(ｃ)）、赤外光は対物レンズ３１を通過し、紫外域での焦点面ＦUVを通過した後、赤外域での焦点面ＦIRに結像する。このような場合に、各焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δが対物レンズ３１の焦点深度に比べて遙かに大きければ、赤外光が対物レンズ３１を通過する際のケラレの影響によって焦点検出の精度が低下してしまう。
【００２２】
そこで、本実施形態の焦点検出装置１０では、上記のような無限遠補正型の対物レンズ３１に対して、非平行な状態で、焦点検出用の赤外光を導く（図２(ｄ)）。つまり、対物レンズ３１を通過した後の赤外光が、紫外域での焦点面ＦUVに結像するように、非平行な状態で、焦点検出用の赤外光を対物レンズ３１に導く。この場合は、各焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δが対物レンズ３１の焦点深度に比べて遙かに大きくても、正確な焦点検出を行うことができる。
【００２３】
次に、本実施形態の焦点検出装置１０（図１）について具体的に説明する。
焦点検出装置１０には、照明部(１１〜５０)と、ダイクロイックミラー１８と、ナイフエッジミラー１９と、受光部(２０〜２２)とが設けられる。
照明部(１１〜５０)は、対物レンズ３１の光軸Ｏ13に沿って配置され、光源１１と、コレクタレンズ１２と、スリット１３と、リレーレンズ１４,１５,５０と、補助レンズ１７とで構成される。ダイクロイックミラー１８は、リレーレンズ５０と対物レンズ３１との間に配置される。ナイフエッジミラー１９は、リレーレンズ１４,１５の間に配置される。受光部(２０〜２２)は、ナイフエッジミラー１９の反射光路上に配置され、結像レンズ２０と、シリンドリカルレンズ２１と、ＣＣＤラインセンサ２２とで構成される。
【００２４】
光源１１は、赤外ＬＥＤであり、例えば波長域７７０ｎｍの赤外光を焦点検出用の照明光として出射する。光源１１からの照明光は、コレクタレンズ１２を介してスリット１３に照射される。
スリット１３から対物レンズ３１の焦点面ＦUV,ＦIR（図２(ａ)参照）までの各構成要素(１３,１４,１９,１５,５０,１８,３１)の位置関係は、基本的には各レンズの焦点距離に応じた間隔となっている（いわゆるｆｆ配置）。
【００２５】
スリット１３とリレーレンズ１４の主点面との間隔、および、リレーレンズ１４の主点面とナイフエッジミラー１９の先端（光軸Ｏ13側）との間隔は、リレーレンズ１４の赤外域での焦点距離に等しい。ナイフエッジミラー１９の先端とリレーレンズ１５の主点面との間隔は、リレーレンズ１５の赤外域での焦点距離に等しい。
このような位置関係により、リレーレンズ１５の主点面からリレーレンズ５０の方へリレーレンズ１５の赤外域での焦点距離だけ離れた地点は、中間結像面１０Ａとなる。中間結像面１０Ａはスリット１３に共役である。
【００２６】
さらに、中間結像面１０Ａとリレーレンズ５０の主点面との間隔Ｓ２は、リレーレンズ５０の赤外域での焦点距離ｆ２より大きく、対物レンズ３１の赤外域での焦点距離をｆ１と、対物レンズ３１の焦点面ＦUV,ＦIRの間隔Δ（図２(ａ)）とを加味して、次の式(１)により表される。
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ  …(１)
また、リレーレンズ５０の主点面と対物レンズ３１の主点面との間隔Ｓ１は、対物レンズ３１の焦点距離ｆ１と、リレーレンズ５０の焦点距離ｆ２とを用いて、次の式(２)により表される。
【００２７】
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２  …(２)
リレーレンズ５０の主点面から対物レンズ３１の方へリレーレンズ５０の焦点距離ｆ２だけ離れた地点の近傍には、ダイクロイックミラー１８が配置される。
そして、対物レンズ３１の主点面と赤外域での焦点面ＦIRとの間隔は、対物レンズ３１の赤外域での焦点距離ｆ１に等しく、対物レンズ３１の主点面と紫外域での焦点面ＦUVとの間隔は、対物レンズ３１の紫外域での焦点距離に等しくなる。
【００２８】
このように、本実施形態の焦点検出装置１０では、リレーレンズ５０の主点面と対物レンズ３１の主点面との間隔Ｓ１が各々の焦点距離ｆ１,ｆ２の和に等しく（式(２)）、リレーレンズ５０の主点面と中間結像面１０Ａとの間隔Ｓ２が式(１)を満足するため、中間結像面１０Ａが対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）と共役になる。
また、中間結像面１０Ａに共役なスリット１３も、対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）と共役になる。このスリット１３は、視野絞りとして機能する。スリット１３には光源１１から出射してコレクタレンズ１２を通過した後の照明光が照射される。スリット１３を通過した照明光は、リレーレンズ１４で集光され、ほぼ平行な光束となってナイフエッジミラー１９に入射する。
【００２９】
ナイフエッジミラー１９は、光源１１から対物レンズ３１に向かう照明光の光路上に配置された遮光部材であり、その先端が対物レンズ３１の瞳面と共役である。ナイフエッジミラー１９は、照明光が対物レンズ３１を通過する際に、対物レンズ３１の瞳面の半分の領域を通過するように、リレーレンズ１４からの照明光の半分を遮光する。図１の例では、リレーレンズ１４からの照明光の左側半分が遮光され、右側半分が対物レンズ３１に向かう。
【００３０】
照明光は、リレーレンズ１５で集光され、中間結像面１０Ａに到達する。リレーレンズ１５の主点面と中間結像面１０Ａとの間隔は、リレーレンズ１５の焦点距離に等しい。このとき、中間結像面１０Ａには、スリット１３の中間像が形成される。なお、中間結像面１０Ａとスリット１３との間に配置されたリレーレンズ１４,１５は、スリット１３を通過した後の照明光に基づいて、スリット１３の中間像を形成する光学系として機能する。
【００３１】
中間結像面１０Ａを通過した後の照明光は、中間結像面１０Ａから上記の間隔Ｓ２（式(１)）だけ離れたリレーレンズ５０を介して非平行な光束となり、ダイクロイックミラー１８を通過した後、対物レンズ３１に導かれる（図１,図２(ｄ)参照）。つまり、対物レンズ３１には、照明光（焦点検出用の赤外光）が、非平行な状態で導かれる。
そして、対物レンズ３１を通過した後の照明光は、中間結像面１０Ａに共役な紫外域での焦点面ＦUVに結像する。このとき、紫外域での焦点面ＦUVには、スリット３１の最終像が形成される。
【００３２】
また、上記のナイフエッジミラー１９を設けたことにより、対物レンズ３１を通過するの照明光は、対物レンズ３１の瞳面の半分（図１では左側半分）の領域を通過する。このため、対物レンズ３１を通過した後の照明光（非対称な光束）は、紫外域での焦点面ＦUVまたはその近傍に位置する物体３Ａ（図３(ａ)〜(ｃ)参照）に対し、斜め方向から入射する。
【００３３】
図３(ａ)は、物体３Ａが紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）より下方（対物レンズ３１から離れる方向）にデフォーカスした状態である。図３(ｂ)は、物体３Ａが紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）に位置決めされた状態（合焦状態）である。図３(ｃ)は、物体３Ａが紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）より上方（対物レンズ３１に近づく方向）にデフォーカスした状態である。
【００３４】
物体３Ａに斜め方向から入射する照明光は、上記の通り、紫外域での焦点面ＦUV（合焦面）で結像するように導かれる。このため、物体３Ａが図３(ａ),(ｃ)に示すデフォーカス状態のとき、物体３Ａにおける照明光の入射範囲（以下「照明範囲」）は、物体３Ａと合焦面との間隔に応じて広がる。また、その広がり方向は、物体３Ａのデフォーカス方向に応じて変化する。
【００３５】
図３(ａ)のように下方へデフォーカスした場合、照明範囲は右方へ広がる。上方へデフォーカスした場合（図３(ｃ)）、照明範囲は左方へ広がる。ただし、その照明範囲には常に光軸Ｏ31が含まれる。
物体３Ａにおける照明範囲の広がり状態（大きさと方向）は、物体３Ａのデフォーカス状態を表している。このため、物体３Ａからの反射光は、物体３Ａのデフォーカス状態に関わる情報（高さ情報）を含むことになる。
【００３６】
そして、物体３Ａからの反射光は、再び、対物レンズ３１とダイクロイックミラー１８とリレーレンズ５０と中間結像面１０Ａとを介し、リレーレンズ１５を介してナイフエッジミラー１９に入射する。このとき、物体３Ａからの反射光は、ナイフエッジミラー１９で反射して、受光部(２０〜２２)に導かれる。
受光部(２０〜２２)では、ナイフエッジミラー１９の先端から結像レンズ２０の主点面までの間隔、および、結像レンズ２０の主点面からＣＣＤラインセンサ２２の受光面までの距離が、結像レンズ２０の焦点距離に等しい。このため、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面は、リレーレンズ１５と結像レンズ２０を介して、中間結像面１０Ａに共役となる。リレーレンズ１５と結像レンズ２０とは、物体３Ａからの反射光を取り込み、物体３Ａの反射像を形成する光学系として機能する。
【００３７】
ナイフエッジミラー１９からの反射光は、結像レンズ２０により集光され、シリンドリカルレンズ２１によりスリット像の長手方向が圧縮され、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面に入射する。ＣＣＤラインセンサ２２の受光面に入射する光束の範囲は、物体３Ａにおける照明範囲（図３(ａ)〜(ｃ)）に応じて変化する。
例えば、物体３Ａが図３(ｂ)に示す合焦状態のとき、受光面に入射する光束の範囲は、結像レンズ２０の光軸を中心とした範囲になる。これに対し、物体３Ａが図３(ａ)に示すデフォーカス状態になると、物体３Ａにおける照明範囲は右方へ広がるため、受光面に入射する光束の範囲も図中下方へ広がる。また、物体３Ａが図３(ｃ)に示すデフォーカス状態のとき、物体３Ａにおける照明範囲は左方へ広がるため、受光面に入射する光束の範囲も図中上方へ広がる。
【００３８】
ＣＣＤラインセンサ２２は、シリンドリカルレンズ２１からの光束を受光面で検知し、その光束の入射範囲の重心位置に基づいて、対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUVと物体３Ａとの相対位置に応じたフォーカス信号を生成する。なお、シリンドリカルレンズ２１を設けたことにより、ＣＣＤラインセンサ２２での受光光量を増やすことができる。
本実施形態の焦点検出装置１０では、図２(ｄ)に示す通り、無限遠補正型の対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUVに焦点検出用の赤外光を結像させるように、対物レンズ３１に対して非平行な状態で赤外光を導くため、対物レンズ３１の軸上色収差が大きく、各焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δが対物レンズ３１の焦点深度に比べて遙かに大きくても、正確な焦点検出を行うことができる。
【００３９】
また、本実施形態の焦点検出装置１０では、対物レンズ３１に対して非平行な状態で照明光を導くために、焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δ（図２(ａ)）を加味してリレーレンズ５０の主点面と中間結像面１０Ａとの間隔Ｓ２を調整している（式(１)参照）。したがって、簡単な構成で、中間結像面１０Ａと紫外域での焦点面ＦUVとを共役にすることができる。
ちなみに、焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δ（図２(ａ)）は、対物レンズ３１とリレーレンズ５０とを介して光軸方向に拡大される。このときの拡大倍率（縦倍率）は、リレーレンズ５０の焦点距離ｆ２を対物レンズ３１の焦点距離ｆ１で割った値（＝ｆ２/ｆ１）の２乗となる。したがって、リレーレンズ５０の主点面と中間結像面１０Ａとの間隔Ｓ２が上記の式(１)となるように構成することで、中間結像面１０Ａと紫外域での焦点面ＦUVとを共役にできる。
【００４０】
また、リレーレンズ５０に代えて、図６に示すようなリレーレンズ１６と補正レンズ１７によって対物レンズ３１に非平行光束を導くようにしてもよい。この場合、上記したリレーレンズ５０の焦点距離ｆ２をリレーレンズ１６と補正レンズ１７との合成系の焦点距離ｆ２に置き換えて考えればよい。
図６において、リレーレンズ１６は、中間結像面１０Ａからリレーレンズ１６の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。したがって、中間結像面１０Ａからリレーレンズ１６に入射した光束は、リレーレンズ１６から補正レンズ１７までの光路において平行光束となる。補正レンズ１７は、この平行光束を入射して、無限遠補正型の対物レンズ３１の焦点検出用の赤外光が紫外域での焦点面ＦUVに結像するように、対物レンズ３１に対して非平行な状態で赤外光を導くような収束作用を与える。すなわち、リレーレンズ１６と補正レンズ１７との合成焦点距離ｆ２が、式(１),式(２)を満足する。この場合、Ｓ１はリレーレンズ１６と補正レンズ１７との合成系の主点面と対物レンズ３１の主点面との間隔、Ｓ２は合成系の主点面と中間結像面１０Ａとの光軸上の間隔となる。
【００４１】
また、図６の実施形態の焦点検出装置１０では、対物レンズ３１の赤外域での焦点距離ｆ１、および、対物レンズ３１と補正レンズ１７との主点面の間隔Ｌを用いて、補正レンズ１７の焦点距離ｆａを次の式(３)により表すことができる。
ｆａ＝Ｌ−ｆ１＋(ｆ１)2/Δ  …(３)
さらに、補正レンズ１７と対物レンズ３１とを組み合わせた合成系(１７,３１)の焦点距離ｆｂは、次の式(４)により表される。
【００４２】
ｆｄ＝ｆ１−Δ・(１−Ｌ/ｆ１)  …(４)
上記例の具体的な対物レンズ３１の場合、波長域７７０ｎｍの赤外光での焦点距離ｆ１が２.２７ｍｍ、軸上色収差が１０μｍ（空気換算長でΔ=８.１μｍ）である。また、ダイクロイックミラー１８を介して対物レンズ３１と補正レンズ１７とを配置する際、対物レンズ３１と補正レンズ１７との主点面の間隔Ｌは１００ｍｍとなる。この場合、補正レンズ１７の焦点距離ｆａ＝７３３.８９ｍｍ、合成系(１７,３１)の焦点距離ｆｂ＝２.５１ｍｍとなる。
【００４３】
また、本実施形態の焦点検出装置１０では、焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δを加味してリレーレンズ５０と中間結像面１０Ａとの間隔Ｓ２（式(１)）を調整することにより、対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUVと赤外域での結像面（スリット１３の最終像の形成面）とを一致させるため、観察用の紫外光とは異なる波長域の赤外光を用いて、正確な焦点検出を行える。紫外光を焦点検出に使用する必要がないため、全ての紫外光を物体３Ａの観察に用いることができ、明るい像を得ることができる。
【００４４】
ここで、顕微鏡３０の照明部(４１〜４７)は、水銀ランプやキセノンランプなどの紫外用の光源４１と、コレクタレンズ４２と、リレーレンズ４３と、開口絞り４４と、視野絞り４５と、コンデンサレンズ４６と、ハーフミラー４７とで構成される。光源４１からの光束は、コレクタレンズ４２で集光され、リレーレンズ４３を介して、開口絞り４４に光源４１の像を形成する（ケーラー照明）。開口絞り４４を通過した光束は、視野絞り４５とコンデンサレンズ４６とハーフミラー４７とを介した後、結像光学系(３１〜３３)の光軸上に導かれる。
【００４５】
顕微鏡３０の照明部(４１〜４７)からの観察用の紫外光は、対物レンズ３１の光軸Ｏ31に垂直な方向からダイクロイックミラー１８に入射し、そこで反射した後、対物レンズ３１を介して物体３Ａに入射する。また、物体３Ａで反射した紫外光は、再び、対物レンズ３１を通過した後、ダイクロイックミラー１８で反射する。そして、ハーフミラー４７と紫外線透過フィルタ３２とを通過し、結像レンズ３３を介して、撮像素子３４の受光面に入射する。
【００４６】
本実施形態の焦点検出装置１０を用いて物体３Ａが紫外域での焦点面ＦUV（つまり合焦面）に位置決めされていれば（合焦状態）、撮像素子３４の受光面には、物体３Ａの鮮明な像が形成される。撮像素子３４では、物体３Ａの像の光強度に応じた画像信号を生成し、不図示のモニタや画像処理装置に出力する。この場合、モニタに表示された画像に基づいて、物体３Ａの像を観察できる。
【００４７】
さらに、本実施形態の焦点検出装置１０では、無限遠補正型の対物レンズ３１の紫外域での焦点面ＦUV（合焦面）に焦点検出用の赤外光（照明光）を結像させるため、焦点検出の引き込み範囲が、合焦面を中心にして光軸方向に対称となる。特に、従来装置では対物レンズ３１から離れる方向の引き込み範囲が狭かったが、本実施形態の焦点検出装置１０では、対物レンズ３１から離れる方向の引き込み範囲を広く確保できる。
【００４８】
顕微鏡観察の場合、物体３Ａと対物レンズ３１の先端との接触を避けるため、観察倍率を変更する際の対物レンズ３１の切り替え時には、物体３Ａを対物レンズ３１の先端から離すことが多い。このため、物体３Ａの観察を開始する時点では、物体３Ａが対物レンズ３１から大きく離れていることが多い。したがって、対物レンズ３１から離れる方向の引き込み範囲を広く確保できることは、顕微鏡観察において大きな利点である。
【００４９】
また、本実施形態の焦点検出装置１０では、ＣＣＤラインセンサ２２を用いて、物体３Ａのデフォーカス量を１回の計測で求めることができるので、素早いフォーカス合わせを行うことができる。
さらに、本実施形態の焦点検出装置１０では、リレーレンズ１４,１５の間にナイフエッジミラー１９を設けるため、焦点検出時の光量損失を抑え、焦点検出用の赤外光を有効に使うことができる。また、物体３Ａの表面に周期パターンが形成されている場合でも、周期パターンからの回折光が受光部(２０〜２２)に入射する事態を回避できる。
【００５０】
また、ナイフエッジミラー１９を用いる場合、焦点検出用の赤外光の利用効率は、ナイフエッジミラー１９の先端の位置（光軸Ｏ31からの位置ずれ）によって変化する。赤外光の利用効率が最も高いのは、ナイフエッジミラー１９の先端が光軸Ｏ31に一致するときである。この状態では、赤外光の利用効率が最も高くなる他、物体３Ａのデフォーカス量に対する照明範囲の変化量（図３(ａ)〜(ｃ)）、つまり焦点検出の感度が、最も安定する。
【００５１】
ナイフエッジミラー１９の先端の位置に応じて焦点検出の感度も変化するため、焦点検出の感度を指標として用い、ナイフエッジミラー１９の先端を光軸Ｏ31に一致させることが考えられる。ナイフエッジミラー１９と光学系(１５〜３１)との位置関係を簡略化して、図４(ａ)〜(ｃ)に示す。
ナイフエッジミラー１９の先端は、上記した通り、光学系(１５〜３１)を介して対物レンズ３１の瞳面に共役である。光学系(１５〜３１)の合成焦点距離をｆｃとすると、物体３Ａを開口数ＮＡで照明する光束の半径Ｒは、合成焦点距離ｆｃと開口数ＮＡとの積に等しくなる（Ｒ＝ｆｃ・ＮＡ）。
【００５２】
ナイフエッジミラー１９の先端が光軸Ｏ31に一致する場合（図４(ｂ)）、物体３Ａがδだけデフォーカスすると、物体面３Ａにおけるスリット１３の最終像は、その短手方向に関して「δ・ＮＡ」だけ広がる。この広がりを光学系(１５〜３１)と結像レンズ２０とを介してβ倍に拡大し、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面に投影する。ＣＣＤラインセンサ２２ではスリット像の重心位置を検出するので、物体３Ａがδだけデフォーカスしたとき、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面上でのスリット像の重心位置の移動量は「δ・β・ＮＡ/２」となる。
【００５３】
これに対して、図４(ａ)に示す通り、ナイフエッジミラー１９の先端が光軸Ｏ31からεだけ入り込んでいる場合、ナイフエッジミラー１９を通過する照明光がεの分だけ余計に遮光され、周辺光のみが物体３Ａに到達することになる。そして、物体３Ａがδだけデフォーカスすると、周辺光により光束が広がる方向に移動し、物体３Ａにおけるスリット１３の最終像の広がり範囲は、その短手方向に関して「δ・ε/ｆｃ」から「δ・ＮＡ」の範囲となる。そして、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面上でのスリット像の重心位置の移動量は「δ・β・(ＮＡ＋ε/ｆｃ)/２」となる。すなわち、物体３Ａのデフォーカス量δに対するスリット像の重心位置の移動量の比は「β・ε/(２・ｆｃ)」だけ大きくなる。
【００５４】
また、図４(ｃ)に示す通り、ナイフエッジミラー１９の先端が光軸Ｏ31からεだけ離れている場合は、上記の図４(ａ)の場合とは逆に、ナイフエッジミラー１９を通過する照明光がεの分だけ多くなり、物体３Ａに到達することになる。しかし、物体３Ａからの反射光は、ナイフエッジミラー１９のεの分だけ余計に遮光され、受光部(２０〜２２)に導かれる光量は図４(ａ)の場合と略同じになる。そして、物体３Ａがδだけデフォーカスすると、ＣＣＤラインセンサ２２の受光面上でのスリット像の重心位置の移動量は「δ・β・(ＮＡ＋ε/ｆｃ)/２」となる。すなわち、物体３Ａのデフォーカス量δに対するスリット像の重心位置の移動量の比は「β・ε/(２・ｆｃ)」だけ大きくなる。
【００５５】
ナイフエッジミラー１９の先端の位置（光軸Ｏ31からの距離）と、物体３Ａのデフォーカス量δに対するスリット像の重心位置の移動量の比（つまり焦点検出の感度）との関係は、図５のようになる。図５から分かるように、ナイフエッジミラー１９の先端の位置が光軸Ｏ31に一致するとき（図４(ｂ)）、焦点検出の感度が最小となる。
したがって、ナイフエッジミラー１９の先端の位置を調整する際には、ナイフエッジミラー１９の先端を光軸Ｏ31と垂直な面内で移動させながら、焦点検出の感度（物体３Ａのデフォーカス量δに対するスリット像の重心位置の移動量の比）を調べ、その感度が最小となる位置でナイフエッジミラー１９を固定すればよい。このような調整の結果、ナイフエッジミラー１９の先端の位置を光軸Ｏ31に一致させることができ、赤外光の利用効率が最も高くなると共に、焦点検出の感度が最も安定する。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、無限遠補正型の対物レンズ３１に対して非平行な状態で照明光を導くために、焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δを加味して合成系(１６,１７)（またはレンズ５０）と中間結像面１０Ａとの間隔Ｓ２を調整したが（式(１)参照）、本発明はこれに限定されない。
【００５６】
例えば、レンズ５０（または合成系(１６,１７)）とリレーレンズ１４,１５とを組み合わせて“第１合成系”とし、レンズ５０（または合成系(１６,１７)）とリレーレンズ１５と結像レンズ２０とを組み合わせて“第２合成系”とし、対物レンズ３１の赤外域での焦点距離ｆ１と、焦点面ＦIR,ＦUVの間隔Δと、第１合成系の赤外域での焦点距離ｆ２と、第２光学系の赤外域での焦点距離ｆ３とが、次の式(５)〜(８)を満足するように構成することが考えられる。
【００５７】
Ｓ１＝ｆ１＋ｆ２  …(５)
Ｓ２＝ｆ２＋(ｆ２/ｆ１)2・Δ  …(６)
Ｓ３＝ｆ１＋ｆ３  …(７)
Ｓ４＝ｆ３＋(ｆ３/ｆ１)2・Δ  …(８)
式(５)の間隔Ｓ１は、対物レンズ３１の主点面と第１合成系の主点面との間隔である。式(６)の間隔Ｓ２は、第１合成系の主点面とスリット１３との間隔である。式(７)の間隔Ｓ３は、対物レンズ３１の主点面と第２合成系の主点面との間隔である。式(８)の間隔Ｓ４は、第２合成系の主点面とＣＣＤラインセンサ２２の受光面との間隔である。このように構成した場合でも、無限遠補正型の対物レンズ３１に対して非平行な状態で照明光を導くことができ、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
さらに、上記した実施形態では、リレーレンズ１４,１５の間にナイフエッジミラー１９を設けたが、本発明はこれに限定されない。ナイフエッジミラー１９に代えて、プリズムの斜面（接合面）の一部に反射膜をつけた分岐素子を設けてもよい。この場合には、ナイフエッジミラー１９を設けた場合と同様の効果を得ることができる。また、赤外光の光量損失は大きくなるが、遮光板とハーフミラーとの組み合わせに置き換えることもできる。
【００５９】
また、上記した実施形態では、ナイフエッジミラー１９によって照明光の半分を遮光する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。赤外光の光量損失は大きくなるが、遮光する領域が半分より大きくても小さくても、本発明を適用できる。つまり、対物レンズ３１の瞳面の一部の領域を通過するように、照明光の一部を遮光する場合であれば、本発明を適用できる。
【００６０】
さらに、上記した実施形態では、設計難度の高い対物レンズ３１（深紫外光を用いる液浸系）を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。物体３Ａと対物レンズ３１との間が空気や窒素などの気体（または真空）で満たされるような、乾燥系の対物レンズにも本発明を適用できる。
また、上記した実施形態では、観察光の波長域が深紫外域の２４８ｎｍである例を説明したが、４００ｎｍ以下の紫外光にも適用できる。さらに、観察光が紫外光の例に限らず、可視光の場合でも本発明を適用できる。また、焦点検出用の光も６００ｎｍ以上の赤外光に限らず、ダイクロイックミラーで十分な消光比を持って観察光と焦点検出光とを分離できれば、本発明を適用できる。
【００６１】
さらに、顕微鏡３０に組み込まれた結像光学系(３１〜３３)を例に説明したが、顕微鏡以外の一般的な結像光学系にも適用できる。ダイクロイックミラー１８に代えて、ダイクロイックプリズムを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態の焦点検出装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】観察用の紫外光と焦点検出用の赤外光の結像状態を説明する図である。
【図３】焦点検出の原理を説明する図である。
【図４】ナイフエッジミラー１９の調整について説明する図である。
【図５】焦点検出の感度の変化を説明する図である。
【図６】変形例の焦点検出装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  焦点検出装置
１０Ａ  中間結像面
１１  光源
１２  コレクタレンズ
１３  スリット
１４〜１６  リレーレンズ
１７  補助レンズ
１８  ダイクロイックミラー
１９  ナイフエッジミラー
２０，３３  結像レンズ
２１  シリンドリカルレンズ
２２  ＣＣＤラインセンサ
３１  無限遠補正型の対物レンズ
３２  紫外線透過フィルタ
【図１】
2006235089.tif 000003
【図２】
2006235089.tif 000004
【図３】
2006235089.tif 000005
【図４】
2006235089.tif 000006
【図５】
2006235089.tif 000007
【図６】
2006235089.tif 000008