(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出される第１の光束を対物レンズを介して標本に集光し、前記標本から反射された第２の光束を前記対物レンズを介して受光し、前記受光した第２の光束に基づいて焦点を検出する焦点検出装置において、
前記第１の光束を平行光束にする平行光束発生手段と、
前記平行光束の光軸を中心に前記平行光束の半分を遮光する遮光部材と、
前記標本から反射された前記第２の光束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系の集光位置に配置され、少なくとも２つの受光部を備える受光手段と、
前記光源から射出される前記第１の光束が前記標本に至るまでの第１の光路と、
前記標本により反射した前記第２の光束が前記集光光学系を介して前記受光手段に至るまでの第２の光路と、
前記第１の光路上を進行する前記第１の光束の断面形状を変形させる光束変形部材と、
を具備し、
前記対物レンズは、複数備え、前記複数の対物レンズのうち相対的に大きな瞳径を有する第１の対物ンンズと、前記複数の対物レンズのうち相対的に小さな瞳径を有する第２の対物レンズと、を有し、
前記光束の断面形状は、前記第１の光路と、前記第２の光路と、の境界面方向に前記第２の対物レンズの瞳径と略同一な寸法を有し、且つ前記第１の光路と、前記第２の光路と、の境界面に垂直な面方向に前記第１の対物レンズの瞳径以上の寸法を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記光束変形部材は、前記第１の光束の光軸を含み、且つ前記第１の光束と前記第２の光束との境界面に垂直な面を中心として、前記第１及び第２の光束の断面形状を略対称形状に変形することを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記光束変形部材は、前記対物レンズの瞳の位置又はその近傍、或いは、前記対物レンズの瞳と共役な位置又はその近傍に配置することを特徴とする請求項１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、顕微鏡や光学測定機器等の光学機器に搭載されて、標本の焦点検出を行う焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、標本に対して自動的に焦準を合わせて合焦する焦点検出装置が搭載された顕微鏡が知られている。このような焦点検出装置は、例えば特許文献１に開示されている。図１２は、開示された焦点検出装置の構成を概略的に示す図である。
【０００３】
この焦点検出装置において光源は、赤外領域の波長を有する半導体レーザである例えばレーザダイオード（ＬＤ）である。光源２から射出されコリメートレンズ３によって平行光束となったレーザ光は、光軸Ｐを境にその一部がシャッタ４によって遮蔽される。遮蔽されなかった残りのレーザ光は、ハーフミラー９を透過する。透過した後レーザ光は、ダイクロイックミラー５により対物レンズ９方向に反射される。その際、レーザ光は、図面上光軸に対して右側に図示する光路を通過し、対物レンズ６を経て標本面ヘスポット状に投影される。そして、標本面８で反射した復路の反射光は、光軸に対して左側の光路を通り、対物レンズ６を透過し、ダイクロイックミラー５、ハーフミラー９により反射される。反射された反射光は、集光レンズ１０によって光軸Ｐ上に配置された受光素子１１の境界線１６によって２分割された受光面１１ａ，１１ｂに集光される。この２分割された受光面で受光した光量に応じた出力信号は、図示しない信号処理系に送られ、合焦検出が行われる。
【０００４】
図１３を参照して受光素子８の受光面での再結像状態に応じたレーザ光の各受光位置ついて説明する。なお、図１３では、対物レンズ６と集光レンズ１０を合成し、簡略化した１枚の合成レンズ系１５を用いて説明する。
【０００５】
標本８と受光素子１１の受光面が共役な位置関係にある場合、標本８面からの反射光は、図１３（ａ）に示すように受光面の境界線１６に対して上下対称且つスポット状に集光する。２分割された受光素子上の２つの光の面積（光量）は、対称のために等しい。よって分割された受光素子１１から出力する出力信号も等しくなり図示しない信号処理系では合焦状態と判定される。
【０００６】
一方、標本８が例えば段差を有する半導体基板や液晶基板といった多配線構造である場合、段差による高さの違いから標本８の各段差面と対物レンズ６との距離が異なる。このため、標本８と対物レンズ６との距離を変えなければ、ある段差面では、標本８と受光素子１１の受光面との共役な位置関係がずれてしまう。このように標本８と受光素子１１の受光面との共役な位置関係から外れた場合、後述するようにスポットが受光面の境界線１６上からずれてしまい非合焦状態になる。
【０００７】
図１３（ｂ）に示すように標本８と対物レンズ６との間隔が離れた場合、標本８面からの反射光は、本来の受光面よりも前方に集光する。また、図１３（ｃ）に示すように標本８と対物レンズ６との間隔が狭まった場合、標本８面からの反射光は、本来の受光面よりも後方に集光する。このようにスポットは、境界線１６の下方又は上方の受光面にデフォーカスされた状態で集光する。よって像１７が境界線１６よりも下面又は上面に形成される。上下に分割された受光素子から送られる出力信号の大きさは、それぞれ異なるために図示しない信号処理系では非合焦状態と判定される。
【０００８】
このように標本８と対物レンズ６の距離の変化に応じて、受光素子１１に集光するスポット像１７の位置と大きさが変化する。その結果、受光素子１１の受光面から出力される信号が変化し、この信号を受けた図示しない信号処理系によって合焦方向や合焦・非合焦状態を判定することができる。
【０００９】
ところが、このような焦点検出装置の場合、以下のような問題があった。
【００１０】
対物レンズの瞳径は、対物レンズの種類や倍率によって異なる。そのため光源から出射された光束は、全ての対物レンズに対して有効に入射させたり、標本からの反射光を有効に受光されることができるとは限らなかった。また、対物レンズの瞳径より光源部から出射されたの光束径のほうが小さい場合には、対物レンズの持つ物体側開口数（ＮＡ）に比べて出射光束の物体側開口数が小さくなってしまう。その結果、対物レンズと標本との相対距離移動に対する受光手段上におけるスポット像の代表位置の移動量が小さくなる。即ち焦点深度が深くなるため検出精度が低下するという問題があった。
【００１１】
また、対物レンズの瞳径に対して、測定用光源の出射光束が大きすぎる場合には、有効利用光量が減って検出精度が低下するという問題があった。
【００１２】
そこで図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して対物レンズの瞳径が最も大きな場合を基準とした際の問題について説明する。同図は、瞳径の大きさによる受光側の光束径の違いを示した図である。  
図１４（ａ）は、例えば、最も大きな瞳径１８を有する対物レンズ６に対して最適な径を有する光束Ｓ１を透過させる場合を基準とする図である。同図（ｂ）は、同光束Ｓ１を例えば最も小さな瞳径１９を有する対物レンズ６に入射させる図である。同図（ｂ）に示すように当該光束Ｓ１の一部のみが対物レンズ６を透過し、標本８で反射して再び対物レンズ６を透過する。
【００１３】
このため、最も小さな瞳径１９を有する対物レンズ６を透過する光量は、最も大きな瞳径１８を有する対物レンズ６を透過する光量よりも減少し、光量不足が発生してしまう。また、受光素子１１の受光面に集光するレーザ光の光量損失が発生しやすい状況になる。
【００１４】
例えば、図１４（ｃ）に示すように例えば最も大きな対物レンズの瞳径１８が９ｍｍ、最も小さな対物レンズの瞳径１９が３ｍｍとする。両者の光量比を比較した場合、光量比は、瞳面での面積比と等しいため９：１となり、光量差が大きく光量が不足してしまう。そのうえ、瞳径の小さな対物レンズ１９で反射率の低い標本８に対する合焦検出動作をさせるなど、悪い条件が重なった場合には、受光素子１１で受光する有効利用光量がさらに不足しやすくなる。
【００１５】
そこで、これまでは受光素子１１から出力される信号を処理する積分回路の時定数及び積分時間を切り替えることで、受光素子１１から出力される微弱な信号に対して電気的な増幅処理を行い、フォーカスエラー信号を生成していた。ところが、増幅処理には限界があり、それを超えると温度変化などの時系列的に変動するノイズ成分がフォーカスエラー信号に付加される。その結果、フォーカスエラー信号のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ（信号）／Ｎｏｉｓｅ（ノイズ））が悪化し、合焦精度の信頼性が低下してしまう。
【００１６】
上述の問題は、例えば顕微鏡の対物レンズの倍率を低倍から高倍へと頻繁に切り替えて使用する光学機器においては重大なものであった。
【００１７】
そこで特許文献２に、対物レンズの合焦状態における軸上光の一つと一致する径路に沿って前記対物レンズの瞳の周辺を経て対象物に光を投射する光源と、上記対物レンズを介して対象物からの反射光を受光する受光手段と、を具え、前記受光手段に入射する光の入射位置の変位を検出して合焦判定を行う焦点検出装置において、光源と対物レンズとの間に光源からの光を軸上光の他の一つと一致する如く変更する光路変更手段を設け、前記光路変更手段と光軸方向に移動させることによって投射光束を対物レンズの瞳径に合わせて投射する焦点検出装置が開示されている。
【００１８】
このような焦点検出装置においては、対物レンズの瞳径が大きい場合には、プリズム型ミラーを、光軸に沿って対物レンズの方向へ移動させて、測定用光束を光軸から離れる方向にずらして、大きな瞳径に合わせて測定用光束を入射させることができる。
【００１９】
また、対物レンズの瞳径が小さい場合には、プリズム型ミラーを、光軸に沿って対物レンズから遠ざける方向に移動させることによって測定用光束を光軸に近づけ、小さな瞳径に合わせて測定用光束を入射させることができる。
【００２０】
また同様に、特許文献３に焦点検出装置が開示されている。  
この焦点検出装置は、少なくとも２個設けられた測定用光源から射出した測定用光束を対物レンズの瞳の周辺部を介して受光手段で受光し、この受光手段に入射する光の位置の変位を検出して合焦判定を行う。測定用光源を少なくとも２個設けたことで、対物レンズの倍率によっていずれか一個の測定用光源を選択使用するように構成している。
【００２１】
この焦点検出装置の場合、対物レンズの瞳位置において瞳の中心に対する偏心量がそれぞれ異なる少なくとも２つの測定用光束、瞳の大きさに対する光束径がそれぞれ異なる少なくとも２つの測定用光束、対物レンズによる像に対する測定用光学系によって受光手段に形成される像の倍率、即ち対物レンズから受光手段までの投影倍率がそれぞれ異なるような少なくとも２つの測定用光束、あるいは上記の異なる光学的性質を２つ以上組み合わせたそれぞれ異なる光学的性質をもつ少なくとも２つの測定用光束、のいずれかを得ることができる。また焦点検出装置は、対物レンズの倍率によっていずれか１つの光束を選択使用するために、種々の異なる大きさをもつ対物レンズの瞳に測定用光束と有効に投射させることが可能である。
【特許文献１】特開昭  ６０−０４２７２５号公報
【特許文献２】特開昭  ６２−１４３０１０号公報
【特許文献３】特開平  ０５−０４５５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところが、上述した特許文献２に開示された焦点検出装置は、種々の異なった大きさを有する対物レンズの瞳に測定用光束を有効に投射させるために、測定用光源と対物レンズとの間の光路変更手段を光軸方向に移動させる駆動装置と、を設ける必要がある。またこの装置は、光路変更手段の移動に伴い測定用光束が対物レンズ光軸に対して倒れ（ずれ）を生じることを防止するために、高精度な移動機構を必要とする。よって装置自体が大型化しコストアップになると共に、その制御が複雑になるという欠点がある。
【００２３】
また、特許文献３に開示された焦点検出装置は、測定用の光源を少なくとも２つ以上設ける必要がある。さらに対物レンズの倍率を検知する倍率検知装置や、２つ以上の測定光源をそれぞれ駆動するドライバが必要となるため、容易な構成とはならず、高価になってしまう。
【００２４】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、装置の構成を簡素化し安価にすると共に、倍率の異なる対物レンズの瞳径の違いに影響されることなく、標本に対する高い検出精度と高い合焦検出感度を得ることが可能な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】
【００２５】
本発明は、光源から射出される第１の光束を対物レンズを介して標本に集光し、前記標本から反射された第２の光束を前記対物レンズを介して受光し、前記受光した第２の光束に基づいて焦点を検出する焦点検出装置において、前記第１の光束を平行光束にする平行光束発生手段と、前記平行光束の光軸を中心に前記平行光束の半分を遮光する遮光部材と、前記標本から反射された前記第２の光束を集光する集光光学系と、前記集光光学系の集光位置に配置され、少なくとも２つの受光部を備える受光手段と、前記光源から射出される前記第１の光束が前記標本に至るまでの第１の光路と、前記標本により反射した前記第２の光束が前記集光光学系を介して前記受光手段に至るまでの第２の光路と、前記第１の光路上を進行する前記第１の光束の断面形状を変形させる光束変形部材と、を具備し、前記対物レンズは、複数備え、前記複数の対物レンズのうち相対的に大きな瞳径を有する第１の対物ンンズと、前記複数の対物レンズのうち相対的に小さな瞳径を有する第２の対物レンズと、を有し、前記光束の断面形状は、前記第１の光路と、前記第２の光路と、の境界面方向に前記第２の対物レンズの瞳径と略同一な寸法を有し、且つ前記第１の光路と、前記第２の光路と、の境界面に垂直な面方向に前記第１の対物レンズの瞳径以上の寸法を有することを特徴とする焦点検出装置である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、装置の構成を簡素化し安価にすると共に、倍率の異なる対物レンズの瞳径の違いに影響されることなく、標本に対する高い検出精度と高い合焦検出感度を得ることが可能な焦点検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。  
図１は、本実施形態に係る全体構成図である。図２は、図１に示す矢印Ａ方向から見た光束変形部材２０の正面図である。本装置の構成は、対物レンズ６の瞳位置近傍に光束変形部材２０を配置したことを特徴とする。
【００２８】
光源２には、例えばレーザダイオード（ＬＤ）である赤外領域の波長のレーザを出力する半導体レーザが設けられている。
【００２９】
光束変形部材２０は、長方形状の領域（以下、レーザ用透過領域）２１を有する。このレーザ用透過領域２１は、焦点検出装置１に設けられた光源２から射出されたレーザの波長域の光線を透過する特性を有する例えば硝子材で形成されている。この硝子材は、板状に形成されている。また、この硝子材に形成されたレーザ用透過領域２１の外縁側には、例えばマスクが施されている。このマスクは、例えば蒸着等により硝子材の周縁部を部分的にコートしてもので、これにより吸収反射領域２６が形成されている。この吸収反射領域２６の光学特性は、顕微鏡における図示しない例えば紫外領域や可視領域の波長の光のみを透過する。また吸収反射領域２６の光学特性は、焦点検出装置１に設けられた光源２から射出された例えば赤外領域の波長の光のみを遮光し、吸収または反射する特性である。この光束変形部材は、少なくともレーザ用透過領域２１のうち短辺方向に異なる分光透過率を有する光学フィルタである。
【００３０】
図２に示すようにコーティングされていないレーザ用透過領域２１のうち、短辺方向の寸法Ｌ１は、焦点検出装置１の光学系と組み合わせて使用する対物レンズ６の少なくとも最も小さい瞳径２３以上の寸法に合わせる。なお、短辺方向の寸法Ｌ１は、最も小さい瞳径２３よりも僅かに大きくしておくと、この光束変形部材２０を調整固定するときに、短辺方向の調整幅を大きくとることができる。
【００３１】
一方、長辺方向の寸法Ｌ２は、焦点検出装置１と組み合わせて使用する対物レンズ６のうち、最も大きい瞳径２４の寸法に合わせるか、あるいは最も大きい瞳径２４の寸法よりも大きな寸法であれば制限はない。
【００３２】
次に、光束変形部材２０の位置決めについて詳細に説明する。
【００３３】
図２において光束領域Ｋ１で示す光束３０は、最も瞳径の小さな対物レンズ（一般に高倍率の対物レンズ）の瞳２３を透過し、光束変形部材２０に入射する光束を示す。光束領域Ｋ２で示す光束３１は、標本８により反射されて再び光束変形部材２０に入射する光束を示す。これら光束３０と光束３１とは、境界線２２を境にそれぞれ進行する。この境界線２２とレーザ用透過領域２１の長辺方向とのなす角θが直角になるように、光束変形部材２０は位置決めされる。
【００３４】
次に、光束変形部材２０をレーザ用透過領域２１の短辺方向Ｈ１に移動し、少なくとも最も瞳径の小さな対物レンズの瞳２３がレーザ用透過領域２１内に全て含まれるように位置決めする。
【００３５】
最後に、光束変形部材２０をレーザ用透過領域２１の長辺方向Ｈ２に移動し、レーザ用透過領域２１の短辺が最も瞳径が大きな対物レンズ（一般に低倍率の対物レンズ）の瞳２４の外形と接するか、あるいは、はみ出すように位置決めして固定する。
【００３６】
また、光束変形部材２０は対物レンズ６の瞳位置又はその近傍に配置したが、上述のようなレーザ用透過領域２１の寸法と対物レンズ６の瞳径の寸法との関係が保たれていれば、対物レンズ６とダイクロイックミラー５の間の、どの位置に配置されていても構わない。また、レーザ透過領域２１の形状は長方形に限らず、例えば楕円形などの形状であっても構わない。
【００３７】
次に本実施形態における焦点検出方法について詳細に説明する。
【００３８】
光源２から射出されコリメートレンズ３によって平行光束となったレーザ光は、その一部がシャッタ４によって遮蔽される。遮蔽されなかった残りの光束は、ハーフミラー９を透過しダイクロイックミラー１０により９０°下方に反射され、光軸に対して図面上向かって右側の光路を通過する。その際、図３に示すようにレーザ光は、光束変形部材２０によって一部の光束が欠けられて透過し、対物レンズ６を透過して標本８にスポット状に集光する。  
標本６からの反射光は、光軸に対して図面上左側の光路を通り再び対物レンズ６、光束変形部材２０を透過し、ダイクロイックミラー５、ハーフミラー９によってそれぞれ反射され、集光レンズ１０を透過する。この集光レンズ１０を透過した光は、受光素子１１の面上に集光される。
【００３９】
次に図４及び図５（ａ）〜（ｃ）を参照して受光素子１１における受光状態について説明する。図４は、レーザ光が集光レンズ１０を透過し、受光素子１１面上に集光する際のレーザ光立体図である。図５（ａ）〜（ｃ）は、受光素子１１の受光面上における合焦・非合焦時に応じたレーザ光の各受光位置を示す図である。
【００４０】
レーザ光は、図４に示すように受光素子１１の受光面の２分割境界線１１ａ上に集光する。
【００４１】
次に図５を参照して受光素子１１における光束の集光状態について説明する。  
図５（ｂ）は合焦状態を示し、レーザ光は、受光素子１１の受光面の２分割境界線１１ａ上にスポット状に集光する。この際レーザ光は、２分割境界線１１ａに対して左右対称な光量分布となる。
【００４２】
標本８が対物レンズ６に近づくと、図５（ａ）に示すようにスポットはデフォーカスし、２分割境界線１１ａに対して例えば左側の受光面に像が形成される。ここで、レーザ光は、光束変形部材２０によって光束の一部が欠けているために、光束変形部材２０を設けないときに比べて図に示す点線内には光線が存在しない。
【００４３】
標本８が対物レンズから遠ざかると、図５（ｃ）に示すようにスポットはデフォーカスし、２分割境界線１１ａに対して例えば右側の受光面に像が形成される。このときも、光束変形部材２０を設けない場合に比べて図の点線内には光線が存在しない。
【００４４】
本実施形態におけるデフォーカス時の像の形状は、図１３に示した光束変形部材２０を配置していない場合の像形状と比べて異なるが、合焦検出感度は変わらない。なぜなら合焦位置近辺における合焦検出感度は、受光素子１１面での焦点深度によって決定するためである。この焦点深度は、受光素子１１に集光する光線のＮＡによって決定される。  
本構成において、この受光素子１１に集光する光束のうち、合焦検出に寄与する成分（受光素子の受光面を２分割する境界線２２と直角をなす方向成分）のＮＡは、光束変形部材２０を設けていない場合と比べ変化がないので、合焦検出感度は変わらない。なお、受光素子１１の受光面において光束変形部材２０によってレーザ光が欠ける領域は、対物レンズ６の瞳径が小さくなるほど少なくなり、光束変形部材２０を設けていない従来の場合での受光状態に近づくことになる。
【００４５】
また本実施の形態において、例えば瞳径９ｍｍの対物レンズ６と瞳径３ｍｍの対物レンズ６を使用すると、上述したようにレーザ用透過領域２１の短辺方向の寸法Ｌ１を３ｍｍ、長辺方向の寸法Ｌ２を９ｍｍとして合焦検出を行う。このとき、標本８面に投影および受光素子１１の受光面上で検出する瞳径９ｍｍの対物レンズ６と瞳径３ｍｍの対物レンズ６における光量の比は、上述したように瞳面の面積比と比例するので、約３．７５：１になる。
【００４６】
従来の方法において光量比は、９：１になることから、瞳径９ｍｍの対物レンズ６を透過するレーザ光において、標本８面に投影および受光素子１１の受光面で検出する光量は、従来の方法に比べて１／２以下に低下する。これによって仮に、半導体レーザ単体の射出強度を（光束変形部材２０によって遮光したか）従来の２倍にあげた場合、瞳径３ｍｍの対物レンズ６を透過したレーザ光の場合の光量は変わらないが、瞳径３ｍｍの対物レンズ６を透過した場合の光量を、２倍以上まで引きあげることが可能である。よって、レーザ波長帯での反射率限界としてきた標本８のさらに１／２以下の反射率の標本８に対しても合焦検出が可能になる。
【００４７】
このように第１の実施の形態によれば、合焦検出感度をそのまま維持し、対物レンズ６の瞳径の大きさにかかわらず標本８面に投影及び受光素子１１にて集光する際の光量の差を抑えることができる。また、瞳径の小さな対物レンズから標本に出射される光量が増加することによって、受光素子１１の受光面から出力される信号に対して電気的な増幅処理の拡大する幅も緩めることができる。したがって、従来の焦点検出装置で対象としてきた反射率の低い標本８に対して合焦検出をする際には、フォーカスエラー信号の信頼性が向上し、良好な合焦精度が得られる。
【００４８】
次に本発明に係る第２の実施形態について図６及び図７を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施形態に係る全体構成図、図６（ｂ）は、矢印Ｂ方向から見た図６（ａ）の上面図、図６（ｃ）は、矢印ｃ方向から見た図６（ａ）の側面図である。図７は、図６に示す矢印Ａ方向からみた断面図である。
【００４９】
本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態において対物レンズの瞳位置又はその近傍に配置した光束変形部材２０を対物レンズ６の瞳と共役な位置又はその近傍に配置する構成である。また図７に示すように光束変形部材２０は、光源２から出射されたレーザ光を反射または吸収する遮光部材に開口部２１ａを設けた単スリット構造である。これ以外の構成は、前述した第１の実施形態と同様のシングルスポット方式の光学系であるために第１の実施形態と同等部には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００５０】
光束変形部材２０におけるスリットの短辺方向の寸法Ｌ１は、焦点検出装置と組み合わせて使用する対物レンズ６の少なくとも最小の瞳径２３に合わせるとよい。  
具体的には、なお、短辺方向の寸法Ｌ１は、最小瞳径よりも僅かに大きくしておくと、この光束変形部材２０を調整固定するときに、短辺方向の調整幅を大きくとることができる。
【００５１】
一方、長辺方向の寸法Ｌ２は、焦点検出装置と組み合わせて使用する対物レンズ６のうち、最大の瞳径２４に合わせるとよい。  
具体的には、あるいは、最大の瞳径よりも大きな寸法であれば制限はない。
【００５２】
次に図７を参照して光束変形部材２０の位置決めを説明する。
【００５３】
まず、対物レンズ６の瞳の共役面とシャッタ４とによって構成される遮光・透過領域の境界線２２とスリット領域の長辺方向Ｈ１とのなす角θとが直角になるように、光束変形部材２０が位置決めされる。次に、光束変形部材２０をスリット領域の短辺方向Ｈ２に移動させ、最も瞳径の小さな対物レンズ６の瞳がスリット領域内に全て含まれるように位置決めする。
【００５４】
最後に、光束変形部材２０をスリット領域の長辺方向に移動し、スリット領域の短辺が最も瞳径の大きい対物レンズ６の瞳の外形と接するか、あるいはそれ以上に位置決めして固定する。
【００５５】
次に本実施形態の動作方法について説明する。  
光源２から射出されコリメートレンズ３によって平行光束となったレーザ光は、光軸を中心にその半分がシャッタ４によって遮蔽される。遮蔽されなかった残り半分のレーザ光は、光束変形部材２０を通過する際、図３に示すのと同様に、光束変形部材２０によって一部の光束が欠けられて通過する。一部を欠いた光束は、さらにハーフミラー９を透過し、ダイクロイックミラー５により９０°下方に反射され、光軸に対して図面上右側の光路を通過し、対物レンズ６を透過する。対物レンズ６を透過したレーザ光は、標本８にスポット状に集光される。  
標本８面からの反射光は、対物レンズ６を透過し、ダイクロイックミラー５、ハーフミラー３によってそれぞれ反射され、集光レンズ１０により図４に示すように受光素子１１に集光する。
【００５６】
なお、合焦時における受光素子１１の受光面での集光状態は、前述した第１の実施の形態と同様でありその説明は省略する。また、標本８が対物レンズ６から遠ざかる又は近づく場合の受光素子１１の受光面における集光状態も、前述した第１の実施形態と同様である。さらに合焦位置近辺での合焦検出感度についても、前述した第１の実施形態と同様である。
【００５７】
このように上記第２の実施の形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００５８】
なお、本実施形態は、光束変形部材２０を対物レンズ６の瞳と共役な位置近傍に配置して説明したが、これに限定されることはなくコリメートレンズ３及びダイクロイックミラー５の間に配置すればよい。
【００５９】
また、シャッタ４と光束変形部材２０を一体化する構成にし、通過するレーザ光の光束を上述のように一部遮光する構成でも良い。さらに、上述の光束変形部材２０が遮光する領域に相当するようコリメートレンズ３又はハーフミラー９の一部表面に例えば黒マスク等を蒸着させ、このスリット開口を光束変形部材２０として構成しても良い。
【００６０】
なお、光束変形部材２０は対物レンズ６の瞳位置又はその近傍に配置したが、上述のようなレーザ用透過領域２１の寸法と対物レンズ６の瞳径の寸法との関係が保たれていれば、対物レンズ６とダイクロイックミラー５の間の、どの位置に配置されていても構わない。また、開口部２１ａの形状は長方形に限らず、例えば楕円形などのその他の形状であっても構わない。
【００６１】
次に、本発明に係る第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
図８は、コリメートレンズ３から図示しないシャッタ４までの光路上の構成を示した図である。  
本実施形態の基本構成は、前述した第２の実施形態におけるシングルスポット方式の光学系と同一であるが、コリメートレンズ３周辺の構成に対して図９に示すようにコリメートレンズ３の後方にアナモルフィック光学系２７を設けた構成である。これ以外の構成は図１１に示した構成と同一のため同一符号を付しその説明は省略する。アナモルフィック光学系２７の光路上の前後に示す点線形状の円は、光束断面２８を示す。
【００６２】
アナモルフィック光学系２７によって変形する光束断面２８は、以下のように決めればよい。短辺方向の寸法Ｄ１は、焦点検出装置と組み合わせて使用する対物レンズ６のうち、最も小さい瞳径に合わせるとよい。  
なお、短辺方向の寸法Ｄ１は、最も小さい瞳径よりも僅かに大きくしておくと、この光束変形部材２０を調整固定するときに、短辺方向の調整幅を大きくすることができる。
【００６３】
一方、長辺方向の寸法Ｄ２は、焦点検出装置と組み合わせて使用する対物レンズ６のうち、最も大きい瞳径に合わせるとよい。  
次にアナモルフィック光学系２７によって変形された光束断面２８の位置決めについて説明する。  
まず、対物レンズ６の瞳の共役面とシャッタ４によって構成される遮光・透過領域の境界線２２とアナモルフィック光学系２７によって変形された光束断面２８の長辺方向のなす角が直角になるように、図８に示す構成全体を位置決めする。
【００６４】
次に、図８に示す構成全体をアナモルフィック光学系２７によって変形された光束断面２８の短辺方向に移動し、最も瞳径の小さな対物レンズ６の瞳が光束内に全て含まれるように位置決めする。
【００６５】
最後に、図８の構成全体をアナモルフィック光学系２７によって変形された光束の長辺方向に移動し、光束の端が最も瞳径が大きな対物レンズ６の瞳の外形と接するか、あるいは、はみ出すように位置決めして固定する。
【００６６】
このように上記第３の実施の形態によれば、アナモルフィック光学系２７によって光束を楕円形状に変形しても上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００６７】
また、光束変形部材２０の代わりにアナモルフィック光学系２７を使用することによって、レーザから射出される光量を損失なく使用でき光量使用効率が優れている。さらに本実施形態は、アナモルフィック光学系２７の代わりに、図９に示すシリンドリカルレンズ系２９やホログラフィック光学素子を構成しても同様の効果を得ることができる。
【００６８】
なお、アナモルフィック光学系２７はコリメートレンズ３とシャッタ４の間に配置したが、上述のようなアナモルフィック光学系２７によって変形する光束形状の寸法と、対物レンズ６の瞳径の寸法との関係が保たれていれば、コリメートレンズ３とダイクロイックミラー５の間の、どの位置に配置されていても構わない。
【００６９】
次に、本発明に係る第４の実施形態について詳細に説明する。なお、本構成において第１の実施形態で説明した構成部とは同一符号を付し、その構成等の詳細な説明は省略する。
【００７０】
前述した各実施形態において光源２から光を標本上に１点に集光させて合焦を行う。いわゆるシングルスポット方式を用いて説明したがこれに限定されことはなく、例えば標本に対して多数のスポットを発生させるマルチスポット方式を用いてもよい。
【００７１】
図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、前述した第１の実施形態に回折格子３５を配置しマルチスポット方式とした構成図である。同図１０（ａ）は、マルチスポット方式を用いた際の概略構成図、同図（ｂ）は、図１０（ａ）を矢印Ａ方向から見た際の図、同図（ｃ）は、図１０（ａ）を矢印Ｂ方向から見た際の図を示す。本構成は、コリメートレンズ３とシャッタ４の間に回折格子３５を設け、かつ対物レンズの瞳位置又はその近傍に光束変形部材２０を設けた構成である。
【００７２】
回折格子３５は、光源２から射出され、コリメートレンズ３により平行光束となったレーザ光を複数のそれぞれ異なる角度で射出する。この回折格子３５によって射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー５によって９０°下方に反射される。反射された反射光は、光束変形部材２０によってその一部を欠いた後、複数の異なる角度で対物レンズ６に入射及び透過する。透過した透過光は、標本８上にスポット状に複数点に集光する。集光した集光光は、標本８により反射され、対物レンズ６、光束変形部材２０を透過し、ダイクロイックミラー５、ハーフミラー９により反射され、集光レンズ９によって受光素子１１上に複数の点となって集光される。
【００７３】
本実施形態で設けた回折格子３５は、焦点深度以上の段差を有する例えば半導体等の標本に対してもその表面にそれぞれ焦点位置の異なる複数のスポットを発生させるので、例えば半導体等の標本における各段差面に対して集光可能であり、これにより受光素子１１上における合焦位置をより安定させることができる。なお合焦、非合焦の判定は、上述した図５の説明と同様である。
【００７４】
次に、本発明に係る第５の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本構成において前述した第２の実施形態で説明した構成部とは同一符号を付し、その構成等の詳細な説明は省略する。  
図１１は、前述した第２の実施形態に回折格子３５を配置したマルチスポット方式の構成図である。図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、前述した第２の実施形態に回折格子３５を配置しマルチスポット方式とした構成図である。図１１（ａ）は、マルチスポット方式を用いた際の概略構成図、同図（ｂ）は、図１１（ａ）を矢印Ａ方向から見た際の図、同図（ｃ）は、図１１（ａ）を矢印Ｂ方向から見た際の図を示す。
【００７５】
本構成は、コリメートレンズ３とシャッタ４の間に回折格子３５を設け、対物レンズの瞳と共役な位置又はその近傍に設けた構成である。
【００７６】
回折格子３５は、光源２から射出され、コリメートレンズ３によって平行光束となったレーザ光を複数のそれぞれ異なる角度で射出する。回折格子３５から射出されたレーザ光は、光束変形部材２０によってその一部が遮光された後、ダイクロイックミラー５によって光軸上下方の対物レンズ側に反射される。反射された反射光は、対物レンズ６を介して、標本８上にスポット状に複数点に集光する。集光された光は、標本８により反射され、対物レンズ６を介し、ダイクロイックミラー５、ハーフミラー９により反射され、集光レンズ９によって受光素子１１上に複数の点となって集光される。
【００７７】
本実施形態は、前述した第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では回折格子３５をコリメートレンズ３と光束変形部材２０の間に設けたが、コリメートレンズ３とシャッタ４の間に配置すれば前述した効果を同様に得ることができる。
【００７８】
なお、コリメートレンズ３及びハーフミラー９などの光路中に設けられた光学素子の表面に、光を反射・吸収する例えば黒マスク等を蒸着させてスリット開口を設け、上述のように光源２から出射されるレーザ光の光束を一部遮光する光束変形部材２０として構成してもよい。
【００７９】
また、本実施の形態では、実施の形態３に示すアナモルフィックプリズム系２７またはシリンドリカルレンズ系２９を、コリメートレンズ３からストッパー４までの光路上に配置しても構わない。
【００８０】
また本発明の各実施形態の構成において、コリメートレンズ３とダイクロイックミラー５の間、またはダイクロイックミラー５と対物レンズ６の間、またはハーフミラー９と集光レンズ１０の間の各光路上に１組のレンズを配置してリレー光学系を構成しても良い。
【００８１】
また、本発明の光束変形部材２０を、焦点検出装置の光路に対して着脱自在に構成しても良い。さらに、異なる対物レンズの種類に応じて複数の光束変形部材２０を用意し、例えばターレット状に構成することで対物レンズの切り換えに対応可能とする構成としても構わない。
【００８２】
また、本発明に係る光束変形部材２０として液晶を用い電圧を加えることで透過領域と遮光領域を任意に制御して、光束の一部を欠く態様でも構わない。
【００８３】
なお、本発明は、上述した実施形態の焦点検出方式に依らず、瞳径が異なる複数の対物レンズを備え、標本の合焦を検出する焦点検出方式、例えば、コントラスト方式やなどその他の焦点検出方式にも適用できる。
【００８４】
さらに、上記実施形態には、種々の段階的な発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の棚で述べた課題を解決でき、発明の効果の柵で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における焦点検出装置全体の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す矢印Ａ方向から示した図である。
【図３】対物レンズ側周辺の光束立体図である。
【図４】光束が集光レンズを透過し、受光素子面上にスポットする際の光束立体図である。
【図５】受光素子の受光面上での合焦・非合焦時に応じた光束の各受光位置を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態における焦点検出装置全体の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す矢印Ａ方向から示した図である。
【図８】本発明に係る第３の実施形態における焦点検出装置全体の概略構成を示す図である。
【図９】第３の実施形態においてシリンドリカルレンズ系の構成を示す図である。
【図１０】本発明に係る第４の実施形態における焦点検出装置全体の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明に係る第５の実施形態における焦点検出装置全体の概略構成を示す図である。
【図１２】従来の装置の概略構成を示す図である。
【図１３】従来の装置における受光素子の受光面での再結像状態に応じた各受光位置を示す図である。
【図１４】瞳の大きさによる受光側の光束径の違いを示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１：焦点検出装置、２：光源、３：コリメートレンズ、４：シャッタ、５：ダイクロイックミラー、６：対物レンズ、７：載置台、８：標本、９：ハーフミラー、１０：集光レンズ、１１：受光素子、１５：合成レンズ系、１６，２２：境界線、１７：像、１８，２３：最も瞳径が小さい対物レンズの瞳、１９，２４：最も瞳径が大きな対物レンズの瞳、２０：光束変形部材、２１：レーザ用透過領域、２６：吸収反射領域、２７：アナモルフィック光学系、２８：光束断面、２９：シリンドリカルレンズ系、３５：回折格子。
【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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