(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を照射する光源と、
前記光源から照射された測定光を被測定面に集光させる対物レンズと、
前記被測定面からの反射光を結像させる結像レンズと、
前記反射光を検出する信号検出手段と、
前記信号検出手段で検出された信号を基に前記測定面の合焦点近傍の誤差信号を検出する合焦検出手段と、
前記対物レンズと前記結像レンズとの間に設けられた微分干渉用プリズムと、
前記合焦検出手段による検出結果を基に、前記微分干渉用プリズムを合焦状態に応じて駆動する駆動手段と、
を具備したことを特徴とした合焦装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記微分干渉用プリズムのシアリング量に対する前記反射光の光量の割合から合焦の可否を判定する判定手段を備え、前記判定手段で合焦されていない場合、前記微分干渉用プリズムを光路外に駆動して合焦判定を行い、合焦された後、その合焦位置を保持して前記微分干渉用プリズムを光路内に戻すよう駆動することを特徴とする請求項１に記載の合焦装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に対して合焦を行なう自動焦点顕微鏡若しくは光学測定機等の拡大系光学機器に用いられる合焦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動合焦が可能な顕微鏡は、工業分野における検査工程のスループット向上のためになくてはならないものとなっている。また従来、この分野の顕微鏡において主となる検鏡法は明視野観察と暗視野観察であったが、近年の被検出体（ウェハー等）のパターンの微細化、複雑化に伴ない、微分干渉観察の需要も高くなってきている。
【０００３】
図２６は、従来例に係る合焦装置の構成を示す図である。この合焦装置は特開平４−２５７１１号公報に開示されており、測定光を対物レンズを通して被検体表面に照射し、その反射光に基づいて被検体表面に対し合焦を行なう。なお、この装置では対物レンズと被検体（サンプル）との距離を光軸方向（Ｚ方向）に可変とするために、ステージ１１６の位置を駆動器１１５により移動させる。同図において、１１７は観察用の照明光源、１１８は観察光路系を示している。
【０００４】
半導体レーザー１０１から出射されたレーザービームは、コリメートレンズ１０２により平行光となり、偏光ビームスプリッタ１０３に入射する。偏向ビームスプリッタ１０３で反射されたレーザー光は、１／４波長板１０４を透過した後、このレーザー光の波長成分のみを反射するダイクロックミラー１０５で反射され、対物レンズ１０６を介してステージ１１６上の被検体表面１０７に集光される。そして、この被検体表面１０７で反射された反射光は、再度対物レンズ１０６、１／４波長板１０４等を介して偏向ビームスプリッタ１０３に入射する。
【０００５】
図２７の（ａ），（ｂ）は、偏向ビームスプリッタ１０３から１／４波長板１０４に入射する入射光と１／４波長板１０４から偏向ビームスプリッタ１０３に入射する反射光の関係を示す図である。同図はレーザー光の振動方向を示すもので、（ａ）は入射光側、（ｂ）は反射光側をそれぞれ示している。また、Ｘ軸は偏向ビームスプリッタ１０３の通過方向成分、Ｙ軸は偏向ビームスプリッタ１０３の反射方向成分を示している。
【０００６】
図２７の（ａ），（ｂ）に示す様に、偏向ビームスプリッタ１０３から１／４波長板１０４に入射する入射光と、１／４波長板１０４から偏向ビームスプリッタ１０３に入射する反射光との関係は、１／４波長板１０４を２回通過した場合と同じになり、入射された直線偏光は、その振動方向が９０度傾いた直線偏光となり返ってくる。従って、この反射光は偏向ビームスプリッタ１０３を透過し、その後結像レンズ１０８を通過し、ビームスプリッタ１０９により二方向に振り分けられる。
【０００７】
振り分けられた一方の光線は、結像レンズ１０８の集光点Ｐより距離Ｌだけ後方に配置された第一の絞り１１０を介して第一の受光素子１１１に照射される。また、他方の光線は結像レンズ１０４の集光点Ｑより距離Ｌだけ前方に配置された第二の絞り１１２を介して第二の受光素子１１３に照射される。
【０００８】
第一の受光素子１１１及び第二の受光素子１１３は、それぞれ受光した被検体表面１０７からの反射光量に対応した電気信号を生成して信号処理系１１４へ送出する。信号処理系１１４は、入力した各信号に対して所定の演算を行ない、被検体表面１０７の変位に応じた誤差信号を出力する。
【０００９】
図２８は、第一の受光素子１１１及び第二の受光素子１１３から信号処理系１１４に向けてそれぞれ送出される電気信号Ａ、Ｂの特性を示す図である。いま、電気信号Ａ、Ｂが送出されたとすると、信号処理系１１４により被検体表面６の変位を検知する信号として（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算が行なわれ、図２９に示すような合焦点Ｆにおいて０となる誤差信号が求められる。この誤差信号が０となる位置に被検体表面１０７がくるように、駆動器１１５にて対物レンズ１０６と被検体表面１０７の距離を光軸方向に対して相対的に変えて合焦動作を行なう。
【００１０】
また、特開昭５８−２１７９０９号公報には、偏光光学系を用いない方式の合焦装置が開示されている。この装置では、前述した偏光ビームスプリッタを用いる代わりに、光源（レーザ）からの光束を半分だけ通し、戻りの光を光検出手段で取り出すよう、ミラー及びプリズムを用いている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図２６に示した特開平４−２５７１１号公報の構成で微分干渉観察を行おうとすると、微分干渉用プリズム１１９、ポラライザ１２０、アナライザ１２１を配置しなければならない。この場合、レーザー光が微分干渉用プリズム１１９を通過することになり、微分干渉用プリズムのシアリング量の影響により、さらに位相差がつくこととなる。
【００１２】
このため、偏向ビームスプリッタ１０３から１／４波長板１０４に入射する入射光と、１／４波長板１０４から偏向ビームスプリッタ１０３に入射する反射光との関係は、例えば図３０、図３１、図３２に示すように、本来入射光に対して９０度傾いた直線偏光になるべき光が、楕円偏向または円偏向等になってしまう場合がある。なお、図３０、図３１、図３２は図２７と同様にレーザー光の振動方向を示したもので、それぞれ（ａ）が入射光側、（ｂ）が反射光側を示している。
【００１３】
受光素子１１１、１１３で検出できるのは、図２７と同様に偏向ビームスプリッタ１０３を通過できるＸ軸成分のみであるため、検出量が著しく減少してしまう場合がある。このため、微分干渉観察時の合焦精度を著しく悪化させてしまうという問題が生じる。
【００１４】
また、上記特開昭５８−２１７９０９号公報の構成では、偏光による問題は回避できるが、焦点検出部内のレンズ等の光学部材による反射光が、被測定面からの光とともに光検出手段に入射してしまうため、信号演算時のノイズとなり、焦点検出精度を著しく悪化させてしまう。すなわち、従来の偏光光学系方式で微分干渉観察を行ないながら焦点検出を行なおうとすると、偏光部材、１／４波長板等の影響により、焦点検出ができなくなったり、検出精度が悪化したりする。また、偏光光学系を用いない方式では、内部のレンズ等の光学部材による反射光の影響でノイズがのり、微分干渉観察以前に、明視野、暗視野での検出精度が悪くなるという問題がある。
【００１６】
また本発明の目的は、微分干渉観察時に良好な合焦検出が可能な合焦装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の合焦装置は以下の如く構成されている。
【００２２】
（１）本発明の合焦装置は、測定光を照射する光源と、前記光源から照射された測定光を被測定面に集光させる対物レンズと、前記被測定面からの反射光を結像させる結像レンズと、前記反射光を検出する信号検出手段と、前記信号検出手段で検出された信号を基に前記測定面の合焦点近傍の誤差信号を検出する合焦検出手段と、前記対物レンズと前記結像レンズとの間に設けられた微分干渉用プリズムと、前記合焦検出手段による検出結果を基に、前記微分干渉用プリズムを合焦状態に応じて駆動する駆動手段と、から構成されている。
【００２３】
（２）本発明の自動焦点顕微鏡は上記（１）の顕微鏡であり、かつ前記駆動手段は、前記微分干渉用プリズムのシアリング量に対する前記反射光の光量の割合から合焦の可否を判定する判定手段を備え、前記判定手段で合焦されていない場合、前記微分干渉用プリズムを光路外に駆動して合焦判定を行い、合焦された後、その合焦位置を保持して前記微分干渉用プリズムを光路内に戻すよう駆動する。
【００２４】
上記手段を講じた結果、それぞれ以下のような作用を奏する。
【００２９】
（１）本発明の合焦装置によれば、微分干渉観察時の合焦動作において、微分干渉用プリズムの影響で測定光が受光素子に返ってこない場合でも、ユーザーの手を煩わせることなく、自動的に合焦動作を行なうことが可能となり、微分干渉観察時においても良好な合焦観察を行なえる。
【００３０】
（２）本発明の合焦装置によれば、微分干渉観察時の合焦動作において、微分干渉用プリズムの影響で測定光が受光素子に返ってこないシアリング量の場合でも、自動的に合焦動作を行なうことが可能となり、微分干渉観察時においても良好な合焦観察を行なえる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図である。この自動焦点顕微鏡は、図１に示すようにレーザ光源１から発光されたＰ偏光のレーザ光をコリメートレンズ２により平行光にする。遮蔽板３は、平行光束を半分遮蔽する。偏光ビームスプリッタ４は、前記平行光束の遮蔽されなかった半分のレーザ光束を９０゜反射させるよう、すなわちＰ偏光成分が反射しＳ偏光成分が透過するように配置されている。偏光ビームスプリッタ４から対物レンズ１１方向の光軸上に、前記半分のレーザ光束を通過させ、標本１２からの戻りレーザ光束のＰ偏光成分を反射し、Ｓ偏光成分を透過するような特殊偏光ビームスプリッタ５が配置されている。
【００３２】
また、レンズ６とレンズ７は前記レーザ光束をリレーし、１／４波長板８は、リレーされたＰ偏光の光束を円偏光に変換するように設けられている。さらに、ダイクロイックミラー９は対物レンズ１１の光軸上に前記レーザ光束の波長域のみを反射し、対物レンズ１１はダイクロイックミラー９により反射されたレーザ光束を標本１２上に照射する。そして、この標本１２で反射された反射光は、再度対物レンズ１１、ダイクロイックミラー９、１／４波長板８、偏向ビームスプリッタ４等を介して結像レンズ１９に入射する。
【００３３】
結像レンズ１９は、対物レンズ１１からのレーザ光束のＳ波成分を２分割受光素子２０に導き、遮蔽板１８は結像レンズ１９と対物レンズ１１からのレーザ光束の半分以外の光束を除去する。また、ミラー１４は対物レンズ１１からのレーザ光束のＰ波成分を２分割受光素子１７に導き、遮蔽板１５は対物レンズ１１からのレーザ光束の半分以外の光束を除去する。
【００３４】
信号処理系４１は２分割受光素子１７，２０に接続されており、２分割受光素子１７，２０から得られた信号を演算し、電動照準部３０を駆動制御することで標本１２を合焦位置に合わせる。また、ダイクロイックミラー９と対物レンズ１１の間には、落射照明用投光管６０が設けられ、落射照明用投光管６０と対物レンズ１１の間にはシアリング可能で着脱自在な微分干渉用プリズム１０が挿入されている。
【００３５】
そして、落射照明用投光管６０内の光軸上には光源６１、投光レンズ６２、及び挿脱可能なポラライザ６３が挿入され、光源６１からの光を対物レンズ１１の光軸に反射するようハーフミラー６７が備えられている。また、焦点検出部６４と鏡筒６５の間の光軸上には、挿脱可能なアナライザ６６が挿入されている。
【００３６】
次に、以上のように構成された自動焦点顕微鏡の動作について説明する。レーザ光源１から発光されたＰ偏光のレーザ光は、コリメートレンズ２により平行光になる。この平行光は遮蔽板３によって光束が半分にされ、偏光ビームスプリッタ４にて反射される。この反射光は、特殊偏光ビームスプリッタ５とリレーレンズ６，７を通過した後、１／４波長板８を通過し、直線偏光から円偏光になる。この円偏光はダイクロイックミラー９により反射され、ハーフミラー６７を通過した後、微分干渉用プリズム１０を通過し、対物レンズ１１により標本１２に照射される。
【００３７】
標本１２により反射したレーザ光は、照射したときとは反対の半分の光束側を通り、対物レンズ１１、微分干渉用プリズム１０、及びハーフミラー６７を通り、再びダイクロイックミラー９により反射される。この反射光は、１／４波長板８により再び円偏光から直線偏光になり、リレーレンズ７、６を通過し、特殊偏光ビームスプリッタ５でＰ波の成分が反射し、Ｓ波の成分が透過する。
【００３８】
特殊偏光ビームスプリッタ５で反射したレーザ光は、ミラー１４にてもう一度反射し、標本等の段差により発生した半分の光束からはみ出す光束が遮蔽板１５で除去され、結像レンズ１６により２分割受光素子１７上に照射される。一方、特殊偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４を透過し、反射したときと同様に標本等の段差により発生した半分の光束からはみ出す光束が遮蔽板１８で除去され、結像レンズ１９により２分割受光素子２０上に照射される。
【００３９】
これら二つの２分割受光素子１７、２０に照射されたレーザ光はそれぞれ出力信号となり、信号処理系４１に入力される。これら二つの信号は信号処理系４１内で足されて演算が実行され、標本１２の被測定面の位置が判定される。信号処理系４１は電導照準部３０へ指示を出力し、これにより標本１２への合焦点が得られる。
【００４０】
次に、微分干渉用プリズムのシアリング量によるレーザ光の振動の変化について説明する。
【００４１】
図２は、レーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図である。図２において図１と同一な部分には同符号を付してある。図２では、レーザ光源１から出射されたレーザ光束がコリメートレンズ２により平行光とされた後の振動方向をＡ、偏光ビームスプリッタ４を通過した後の振動方向をＢ、１／４波長板８を通過した後の振動方向をＣ、微分干渉用プリズム１０を通過した後の振動方向をＤで示している。
【００４２】
図３は、標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図である。図３において図１，図２と同一な部分には同符号を付してある。図３では、微分干渉用プリズム１０を通過した後の振動方向をＥ、１／４波長板８を通過した後の振動方向をＦ、特殊偏光ビームスプリッタ５を透過した後の振動方向はＧ、反射した後の振動方向はＨで示している。
【００４３】
図４、図５、図６は、微分干渉用プリズム１０のシアリング量による、図２、図３に示されるＡ〜Ｈの各点での振動方向を示すモデル図である。以下図４〜図６を基に、Ａ〜Ｈの各点における微分干渉用プリズム１０のシアリング位置による振動方向の変化を示す三つのパターンについて説明する。
【００４４】
まず、図４は微分干渉用プリズム１０を外した場合を示しており、レーザ光束はＡ，ＢではＰ偏光（Ｙ）であり、Ｃでは１／４波長板８を通るので直線偏光から円偏光となり、Ｄ、Ｅではそのまま変わらず、Ｆに入ると再び１／４波長板８を通るので、円偏光から９０度傾いた直線偏光、すなわちＳ偏光となる。そして、ＦでＳ偏光成分のみになるので、特殊偏光ビームスプリッタ５を透過し、ＧでもＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ４を通過できる。Ｈにはレーザ光束は導かれない。
【００４５】
図５は、微分干渉用プリズム１０を入れ、あるシアリング量でＦにおける振動方向がＰ偏光になってしまう場合を示しており、レーザ光束は図４と同様にＡ、ＢではＰ偏光であり、Ｃでは円偏光となる。その後、微分干渉用プリズム１０のシアリング位置により位相がずれ、ＤでＳ偏光となり対物レンズ１１により標本１２に照射し、反射したレーザ光束は再び微分干渉用プリズム１０により位相がずれ、Ｅで円偏光になる。Ｆになると、再び１／４波長板８を通るので、１／４波長分ずれＰ偏光のみになる。そして、特殊偏光ビームスプリッタ５でＰ偏光は反射されるので、Ｇにはレーザ光束は透過せず、ＨにＰ偏光のレーザ光束が導かれる。
【００４６】
図６は、微分干渉用プリズム１０を入れ、あるシアリング位置でＦにおける振動方向が円偏光になってしまう場合を示しており、レーザ光束は図４，図５と同様にＡ、ＢではＰ偏光であり、Ｃでは円偏光となる。その後、微分干渉用プリズム１０のシアリング位置により位相がずれ、ＤでＳ偏光方向の楕円となり、対物レンズ１１により標本１２に照射し、反射したレーザ光束は再び微分干渉用プリズム１０により位相がずれ、ＥでＳ偏光となる。Ｆになると、再び１／４波長板８を通るので、１／４波長分ずれて、円偏光となる。そして、特殊偏光ビームスプリッタ５でＰ偏光とＳ偏光に分けられ、Ｐ偏光は反射され、Ｓ偏光は透過するので、ＧとＨ共にレーザ光束が導かれる。
【００４７】
以上のように本第１の実施の形態によれば、レーザがアナライザを通過しないため、振動方向による光量ロスを回避できる。また、微分干渉用プリズムのシアリングにより発生する振動方向ズレに係わらず、二つの２分割受光素子のいずれか、あるいは両方にレーザ光束を導くことができるため、微分干渉観察時にも合焦動作が確実に行なえる。また、偏光光学系を採用しているため、レンズ等による光学系のノイズを除去でき高精度な検出が行なえる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態の係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図である。図７において図１と同一な部分には同符号を付してある。図８は、レーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図、図９は標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図である。
【００４９】
本第２の実施の形態では、上記第１の実施の形態に示した構成においてノイズ、エラーに対して配慮しており、受光素子を２分割受光素子５３のみとし、特殊偏光ビームスプリッタ５により反射されるＰ偏光側光路に、上記第１の実施の形態と同様にミラー１４を設けている。その後、偏光ビームスプリッタ５０が、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射するように配置され、その光軸上に対物レンズ１１からのレーザ光束の半分以外の光束を除去するための遮蔽板５１が配置されている。また、前記レーザ光束を２分割受光素子５３に照射する結像レンズ５２が設けられている。
【００５０】
一方、特殊偏光ビームスプリッタ５により透過されるＳ偏光側光路には、偏光ビームスプリッタ４が配置され、その先にはミラー５５が偏光ビームスプリッタ５０に直交しＰ偏光側と同軸になるよう設けられている。そして、２分割受光素子５３から得られた信号を演算し、標本１２に合焦位置を合わせるよう電導照準部３０を駆動制御する信号処理系４１が、２分割受光素子５３に接続されている。
【００５１】
このような構成により、レーザ光は特殊偏光ビームスプリッタ５でＰ波の成分が反射し、Ｓ波の成分が透過する。反射したレーザ光はミラー１４にて再び反射した後、偏光ビームスプリッタ５０を透過し、標本等の段差により発生した半分の光束からはみ出す光束が遮蔽板５１で除去され、結像レンズ５２により２分割受光素子５３上に照射される。一方、特殊偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４を透過した後、ミラー５５により反射し、偏光ビームスプリッタ５０によりＳ偏光が反射され、標本等の段差により発生した半分の光束からはみ出す光束が遮蔽板５１で除去され、結像レンズ５２により２分割受光素子５３上に照射される。
【００５２】
そして、２分割受光素子５３に照射されたレーザ光は出力信号となり、信号処理系４１に入力される。信号処理系４１は入力した信号について演算を実行して標本１２の被測定面の位置を判定し、電導照準部３０に指示を出力し、これにより標本３２への合焦点が得られる。
【００５３】
以上のように本第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態の効果に加え、２分割受光素子を一つとしているため、２分割受光素子間のバラツキを考慮する必要がなく、信号処理も単純となり、制御が簡易になる。また、レーザ光は最終的に同一光路を通るため、遮蔽板の調整差や結像レンズの調整差が発生することはなく、検出精度が高くなる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図である。図１０において図１，図７と同一な部分には同符号を付してある。
【００５５】
この自動焦点顕微鏡は、図１０に示すようにレーザ光源１から発光されたＰ偏光のレーザ光をコリメートレンズ２により平行光にする。遮蔽板３は、平行光束を半分遮蔽する。偏光板７１は、前記平行光束の遮蔽されなかった半分のレーザ光束を透過させるよう、Ｐ偏光成分が透過しＳ偏光成分が遮断されるように配置されている。偏光板７１から対物レンズ１１方向の光軸上に、前記半分のレーザ光束を通過させ、標本１２からの戻りレーザ光束を反射するミラー７２が配置されている。
【００５６】
また、レンズ６とレンズ７はレーザ光束をリレーし、１／４波長板８は、リレーされたＰ偏光の光束を円偏光に変換するように設けられている。さらに、ダイクロイックミラー９は対物レンズ１１の光軸上に前記レーザ光束の波長域のみを反射し、対物レンズ１１はダイクロイックミラー９により反射されたレーザ光束を標本１２上に照射する。さらに、標本１２から反射したレーザ光束を２分割受光素子２０に導くために、上記ミラー７２と、上記ミラー７２で反射したレーザ光束を９０゜折り返すためのミラー１４が配置されている。ミラー１４と２分割受光素子２０の間には、偏光板７３、遮蔽板１８、及び結像レンズ１９が設けられている。遮蔽板１８は、結像レンズ１９と標本１２から反射したレーザ光束の半分以外の光束を除去する。
【００５７】
信号処理系４１は２分割受光素子２０に接続されており、２分割受光素子２０から得られた信号出力を演算し、電動照準部３０を駆動制御して標本１２を合焦位置に合わせる。また、ダイクロイックミラー９と対物レンズ１１の間には落射照明投光管６０があり、落射照明用投光管６０と対物レンズ１１の間にはシアリング可能で着脱自在、さらにシアリング動作の有無を検出できる機能を有する微分干渉用プリズム１０が挿入されている。
【００５８】
そして、落射照明用投光管６０内の光軸上には光源６１、投光レンズ６２、及び挿脱可能なポラライザ６３が挿入され、光源６１からの光を対物レンズ１１の光軸に反射するようハーフミラー６７が備えられている。また、焦点検出部６４と鏡筒６５の間の光軸上には、挿脱可能なアナライザ６６が挿入されている。
【００５９】
図１１は、偏光板７３の構成を示す図である。図１１に示すように、偏光素子７３１はプーリー枠７３２に固定され、プーリー枠７３２は枠７３３に回転摺動可能に嵌合している。プーリー枠７３２の外周には、タイミングベルト７３４が掛けられ、このタイミングベルト７３４には、モータ７４の回転軸に取付けられたプーリー７３５が噛み合っている。このように、モータ７４の回転により振動方向が可変となる偏光板７３が構成されている。
【００６０】
次に、以上のように構成された自動焦点顕微鏡の動作について説明する。レーザ光源１から発光されたＰ偏光のレーザ光は、コリメートレンズ２により平行光になる。この平行光は遮蔽板３によって光束が半分にされ、偏光板７１にてＰ偏光成分のみ透過され、リレーレンズ６、７を通過した後、１／４波長板８を通過し、直線偏光から円偏光になる。この円偏光はダイクロイックミラー９により反射され、ハーフミラー６７を通過した後、微分干渉用プリズム１０を通過し、対物レンズ１１により標本１２に照射される。
【００６１】
標本１２により反射したレーザ光は、照射したときとは反対の半分の光束側を通り、対物レンズ１１、微分干渉用プリズム１０、及びハーフミラー６７を通り、再びダイクロイックミラー９により反射される。この反射光は、１／４波長板８により再び円偏光から直線偏光になり、リレーレンズ７、６を通過し、ミラー７２で反射する。
【００６２】
ミラー７２で反射したレーザ光は、ミラー１４にてもう一度反射し、偏光板７３を透過する。なお、微分干渉用プリズム１０のシアリング量は予め信号処理系４１伝えられており、偏光板７３は、微分干渉用プリズム１０のシアリング動作の有無により２分割受光素子２０上の光量が最大に変化する振動方向にモータ７４等で回転される。偏光板７３を透過したレーザ光は、標本等の段差により発生した半分の光束からはみ出す光束が遮蔽板１８で除去され、結像レンズ１９により２分割受光素子２０上に照射される。
【００６３】
この２分割受光素子２０に照射されたレーザ光は出力信号となり、信号処理系４１に入力される。信号処理系４１は前記信号に対して演算を実行して標本１２の被測定面の位置を判定し、電動照準部３０へ指示を出力し、これにより標本１２の合焦点が得られる。
【００６４】
次に、微分干渉用プリズムのシアリング量によるレーザ光の振動の変化について説明する。
【００６５】
図１２は、レーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図である。図１２において図１０と同一な部分には同符号を付してある。図１２では、レーザ光源１から出射されたレーザ光束がコリメートレンズ２により平行光とされ、遮蔽板３、偏光板７１を通過した後の振動方向をＡ、１／４波長板８を通過した後の振動方向をＢ、微分干渉用プリズム１０を通過した後の振動方向をＣで示している。
【００６６】
図１３は、標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図である。図１３において図１０，図１２と同一な部分には同符号を付してある。図１３では、微分干渉用プリズム１０を通過した後の振動方向をＤ、ミラー反射後の振動方向をＥ、偏光板７３を透過した後の振動方向はＦで示している。
【００６７】
図１４、図１５、図１６は、微分干渉用プリズム１０のシアリング量による、図１２、図１３に示されるＡ〜Ｆの各点での振動方向を示すモデル図である。以下図１４〜図１６を基に、Ａ〜Ｆの各点における微分干渉用プリズム１０のシアリングの位置による振動方向の変化を示す三つのパターンについて説明する。
【００６８】
まず、図１４は微分干渉用プリズム１０を外した場合、または振動方向に影響を与えないシアリング量の場合を示しており、ＡではＰ偏光（Ｙ）であり、Ｂでは１／４波長板８を通るので直線偏光から円偏光となり、Ｃ、Ｄではそのまま変わらず、Ｅに入ると再び１／４波長板８を通るので、円偏光から９０度傾いた直線偏光、すなわちＳ偏光となる。さらに偏光板７３で、Ｓ偏光を透過させるよう振動方向を合わせることによりＦへ通過できる。
【００６９】
図１５は、微分干渉用プリズム１０を入れ、あるシアリング量でＥにおける振動方向がＰ偏光になってしまう場合を示しており、図１４と同様にＡではＰ偏光、Ｂでは円偏光となる。その後、微分干渉用プリズム１０のシアリングにより位相がずれ、ＣでＳ偏光となり、対物レンズ１１により標本１２に照射し、反射したレーザ光束は再び微分干渉用プリズム１０により位相がずれ、Ｄで円偏光になる。Ｅになると、再び１／４波長板８を通るので、１／４波長分ずれて、Ｐ偏光のみになる。そして、この場合も偏光板７３で、Ｐ偏光を透過させるよう振動方向を合わせることによりＦへ通過できる。
【００７０】
図１６は、微分干渉用プリズム１０を入れ、あるシアリング量でＥにおける振動方向が円偏光になってしまう場合を示しており、図１４，図１５と同様にＡではＰ偏光であり、Ｂでは円偏光となる。その後、微分干渉用プリズム１０のシアリング位置により位相がずれ、ＣでＳ偏光方向の楕円となり、対物レンズ１１により標本１２に照射し、反射したレーザ光束は再び微分干渉用プリズム１０により位相がずれ、ＤでＳ偏光となる。Ｅになると、再び１／４波長板８を通るので、１／４波長分ずれ、円偏光になる。そして、この場合も偏光板７３で、Ｐ偏光とＳ偏光の両方の偏光成分を透過させるよう振動方向を合わせることによりＦへ通過できる。
【００７１】
以上のように本第３の実施の形態によれば、レーザがアナライザを通過しないため、振動方向による光量ロスを回避できる。また、微分干渉用プリズムのシアリングにより発生する振動方向ズレに係わらず、全てのレーザ光束を導くことができるため、微分干渉観察時にも合焦動作が確実に行なえる。また、偏光光学系を採用しているため、レンズ等による光学系のノイズを除去でき高精度な検出が行なえる。
【００７２】
（第４の実施の形態）
図１７は、本発明の第４の実施の形態の係る自動焦点顕微鏡において上記微分干渉用プリズム１０に代えて用いられる微分干渉用プリズムユニットの構成を示す図である。なお、本第４の実施の形態は上記第３の実施の形態を具体化したものである。
【００７３】
微分干渉用プリズム８１はプリズム枠８２に固定されており、プリズム枠８２は枠８３の内部で摺動可能に取付けられている。また枠８３には、ツマミネジ８４によりプリズム枠８２をねじ込み横方向に押せるように、ねじ部（不図示）が構成されている。さらに、ツマミネジ８４をねじ引いたとき、プリズム枠８２がツマミネジ８４に連動して戻るよう、枠８３とプリズム枠８２の間にバネ８５が設けられている。
【００７４】
また、枠８３にはリニアスケール８６が取付けられており、プリズム枠８２の対応した位置には透過センサー８７が取付けられている。透過センサー８７により得られた信号は信号処理系４１により処理される。なお、偏光板７３には、回転位置を認識するセンサが設けられている。
【００７５】
このような構成をなすことにより、ツマミネジ８４をねじ込み、またはねじ引くことでシアリングが行なえ、その量がリニアスケール８６と透過センサー８７により読み取られ、信号処理系４１にて予め記憶されている偏光板７３の最適な振動方向と回転量に換算され、実際に駆動がなされる。
【００７６】
以上のように本第４の実施の形態によれば、上記第３の実施の形態による効果に加え、素早く偏光板の回転を合わせることができるため、合焦速度が上がる。また、シアリング量を正確に認識でき、偏光板の回転も正確に合わせることができるため、より一層合焦精度の向上を図ることができる。
【００７７】
（第５の実施の形態）
図１８は、本発明の第５の実施の形態に係る自動焦点顕微鏡において上記微分干渉用プリズム１０に代えて用いられる微分干渉用プリズムユニットの構成を示す図である。図１８において図１７と同一な部分には同符号を付してある。なお、本第５の実施の形態は上記第３の実施の形態を具体化したものであり、上記第４の実施の形態の変形例である。
【００７８】
微分干渉用プリズム８１はプリズム枠８２に固定されており、プリズム枠８２は枠８３の内部で摺動可能に取付けられている。また枠８３には、パルスモータ８８の回転により、その先端に取付けられた歯車８９とリードネジ９０の端部に設けられた歯車９１とが噛みあって回転し、プリズム枠８２をねじ込み横方向に押せるように、ねじ部（不図示）が構成されている。さらに、リードネジ９０をねじ引いたとき、プリズム枠８２が連動して戻るよう、枠８３とプリズム枠８２の間にバネ８５が設けられいる。
【００７９】
また、枠８３にはセンサ板９２が取付けられており、プリズム枠８２の対応した位置には透過センサー８７が取付けられている。透過センサー８７により得られた信号は信号処理系４１により処理される。なお、偏光板７３には、回転位置を認識するセンサが設けられている。
【００８０】
このような構成をなすことにより、パルスモータ８８を回転させ、リードネジ９０をねじ込み、またはねじ引くことでシアリングが行なえる。また、原点位置をセンサ板９２と透過センサー８７により検出し、シアリングの量を原点からパルスモータ８８のパルス数でカウントし、その量が信号処理系４１にて予め記憶されている偏光板７３の最適な回転量に換算され、実際に駆動がなされる。
【００８１】
以上のように本第５の実施の形態によれば、上記第３，４の実施の形態による効果に加え、シアリング量の変化をツマミ等により行なうことなく自動化できるため、スループットの向上を図ることができる。また、標本より上側に操作部を配置しなくても良いため、操作によるゴミの発生を防ぐことができる。
【００８２】
（第６の実施の形態）
図１９は、本発明の第６の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図である。図１９において図２６と同一な部分には同符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１９において、プリズム駆動器１２２は微分干渉用プリズム１１９を駆動する手段であり、微分干渉用プリズム１１９を光路上から出し入れする機能を有している。判定器１２３は微分干渉観察時において、Ａ＋Ｂの値がしきい値Ｔに達しているか否かを判定する。
【００８３】
図２０は、本合焦装置の動作手順を示すフローチャートである。以下、図２０を基に本合焦装置の動作手順を説明する。まずステップＳ１で、微分干渉観察である場合、ステップＳ２で合焦動作を行なう。合焦動作は、まず通常通り、信号処理系１１４により測定光の反射光について、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算が行なわれ、図２９に示したような合焦点Ｆにおいて０となる誤差信号が求められる。そして、この誤差信号が０となる位置に被検体表面１０７がくるように、駆動器１１５にてステージ１１６を対物レンズ１０６に対して相対的に光軸方向へ駆動させて合焦動作を行なう。
【００８４】
次にステップＳ３で、判定器１２３により、図２１に示すようにＡ＋Ｂの値がしきい値Ｔを越えたか否かの判定を行なう。ここで越えなかった場合は、微分干渉用プリズム１１９により合焦判定に必要な信号が得られなかった場合であるため、一度合焦動作を中止する。そしてステップＳ４で、微分干渉用プリズム１１９をプリズム駆動器１２２により光路上から外し、ステップＳ５で、この状態で再び合焦動作を行なう。
【００８５】
そして合焦動作終了後、ステップＳ６で、合焦位置をこの状態に固定したまま、ステップＳ７で、再び微分干渉用プリズム１１９をプリズム駆動器１２２により光路上に挿入することで、微分干渉観察時における合焦観察が行なえるようになる。また、上記ステップＳ１で微分観察でない場合、ステップＳ８で通常の合焦動作を行ない、上記ステップＳ３でＡ＋Ｂの値がしきい値Ｔを越えた場合、ステップＳ９で通常の合焦動作を行なう。
【００８６】
以上のように本第６の実施の形態によれば、微分干渉観察時の合焦動作において、微分干渉用プリズムの影響で測定光が受光素子に返ってこない場合でも、ユーザーの手を煩わせることなく、自動的に合焦動作を行なうことが可能となる。従って、微分干渉観察時においても良好な合焦観察を行なえる。なお、本例ではしきい値Ｔが一つの場合について述べたが、しきい値を対物レンズ毎に設定してもよい。また、微分干渉用プリズム１１９のシアリング量を検出する図示しないシアリング量検出部を設け、信号処理系１１４で、予め前記シアリング量検出部で検出されたシアリング量に対する測定光の反射光の光量の割合を測定し、前記シアリング量から合焦の可否を判定してもよい。
【００８７】
（第７の実施の形態）
図２２は、本発明の第７の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図である。図２２において図２６、図１９と同一な部分には同符号を付し、その詳細な説明を省略する。図２２において、リニアスケール１２４は微分干渉用観察用プリズム１１９のシアリング量に対するプリズム１１９の位置を１ｕｍピッチで示すものである。また、判定器１２５はシアリング量に対する合焦可能な範囲を判定するものである。
【００８８】
はじめに、シアリング量に対する合焦可能範囲の設定動作について説明する。まず、微分干渉用プリズム１１９を光路上から外した状態で、基準サンプル等を用いて合焦動作を行なう。このときのＡ＋Ｂの値をＸとする。次に合焦位置をこの状態とし、微分干渉用プリズム１１９を光路上に挿入する。その後、シアリング量を変化させていき、シアリング量に対するＡ＋ＢすなわちＸの値の検出を行なう。
【００８９】
図２３は、シアリング量に対するＸの値の検出結果例を示す図である。図２３において、例えばＸ値が５％以上であるシアリングの範囲を合焦可能範囲Ｍとして、判定器１２５に記憶する。
【００９０】
図２４は、本合焦装置の動作手順を示すフローチャートである。以下、図２４を基に本合焦装置の動作手順を説明する。まずステップＳ１１で、微分干渉観察である場合、ステップＳ１２で、リニアスケール１２４により検出されたシアリング量が判定器１２５に送られる。次にステップＳ１３で、シアリング量が合焦可能範囲Ｍに入っていない場合は、ステップＳ１４で、自動的に一度合焦動作を中止し、プリズム駆動器１２２により微分干渉用プリズム１１９を光路上から外し、ステップＳ１５で、この状態で再び合焦動作を行なう。
【００９１】
そして合焦動作終了後、ステップＳ１６で、合焦位置をこの状態に固定したまま、ステップＳ１７で、再び微分干渉用プリズム１１９をプリズム駆動器１２２により光路上に挿入することで、微分干渉観察時における合焦観察が行なえるようになる。また、上記ステップＳ１１で微分観察でない場合、ステップＳ１８で通常の合焦動作を行ない、上記ステップＳ１３で、シアリング量が合焦可能範囲Ｍ内の位置であれば、ステップＳ１９で、通常の合焦動作を行なう。
【００９２】
以上のように本第７の実施の形態によれば、微分干渉観察時の合焦動作において、微分干渉用プリズムの影響で測定光が受光素子に返ってこないシアリング位置の場合でも、自動的に合焦動作を行なうことが可能となる。従って、微分干渉観察時においても良好な合焦観察を行なえる。
【００９３】
なお、前述した合焦可能範囲の設定動作は初期状態で一回行なうだけでなく、ユーザー等が設定できるようにしてもよい。また、設定範囲は対物レンズの倍率毎に複数設定してもよい。また、本例では合焦可能範囲Ｍから外れていたとき、微分干渉用プリズムを光路上から外す動作を行なう場合について述べたが、この動作は微分干渉用プリズムのシアリング量を合焦可能範囲Ｍに移動させる動作に置き換えてもよい。
【００９４】
（第８の実施の形態）
図２５は、本発明の第８の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図である。図２５において図２６、図１９、図２２と同一な部分には同符号を付し、その詳細な説明を省略する。図２５の合焦装置は、上記第７の実施の形態を瞳分割方式に適応したものである。
【００９５】
図２５において、遮蔽板１２６はレーザー光の半分を遮蔽し、遮蔽板１２７は反射光の半分を遮蔽する。また２分割受光素子１２８は、２分割フォトディテクタ等の素子である。この構成においても上記第７の実施の形態と同様に、合焦可能範囲Ｍの設定を行ない、微分干渉観察時において微分干渉用プリズム１１９のシアリング位置が合焦可能範囲Ｍに入っていない場合は、自動的に一度合焦動作を中止してプリズム駆動器１２２により微分干渉用プリズム１１９を光路上から外し、この状態で再び合焦動作を行なう。合焦動作終了後、合焦位置をこの状態に固定したまま、再びプリズム駆動器１２２により微分干渉用プリズム１１９を光路上に挿入することで、合焦観察を行なうことが可能になる。
【００９６】
なお、上記第６〜第８の実施の形態では、合焦方向を判定する手段としての光電変換素子が２個の場合、２分割受光素子の場合について述べたが、その数量はこれに限るものではない。また、駆動器１１５は対物レンズ１０６を光軸方向に駆動するものであってもよい。また合焦検出手段としては、上記第８の実施の形態で説明した方式に限らず、周知の他の方法に適応することができる。
【００９７】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施できる。
【００９８】
【発明の効果】
本発明によれば、微分干渉観察時に良好な合焦検出が可能な合焦装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の係るレーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図。
【図９】本発明の第２の実施の形態の係る標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の係る自動焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の係る偏光板の構成を示す図。
【図１２】本発明の第３の実施の形態の係るレーザ光を標本に照射した様子を表す光学系の立体図。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の係る標本から反射されたレーザ光が２分割受光素子に導かれる経路を示す光学系の立体図。
【図１４】本発明の第３の実施の形態の係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図１５】本発明の第３の実施の形態の係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図１６】本発明の第３の実施の形態の係る微分干渉用プリズムのシアリング量による振動方向を示すモデル図。
【図１７】本発明の第４の実施の形態の係る微分干渉用プリズムユニットの構成を示す図。
【図１８】本発明の第５の実施の形態の係る微分干渉用プリズムユニットの構成を示す図。
【図１９】本発明の第６の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図。
【図２０】本発明の第６の実施の形態に係る合焦装置の動作手順を示すフローチャート。
【図２１】本発明の第６の実施の形態に係る和信号を示す図。
【図２２】本発明の第７の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図。
【図２３】本発明の第７の実施の形態に係るシアリング位置に対するＸの値の検出結果例を示す図。
【図２４】本発明の第７の実施の形態に係る合焦装置の動作手順を示すフローチャート。
【図２５】本発明の第８の実施の形態に係る合焦装置を適用した顕微鏡装置の構成を示す図。
【図２６】従来例に係る合焦装置の構成を示す図。
【図２７】従来例に係る偏向ビームスプリッタから１／４波長板に入射する入射光と１／４波長板から偏向ビームスプリッタに入射する反射光の関係を示す図。
【図２８】従来例に係る第一の受光素子及び第二の受光素子から信号処理系に向けてそれぞれ送出される電気信号Ａ、Ｂの特性を示す図。
【図２９】従来例に係る誤差信号を示す図。
【図３０】従来例に係るレーザー光の振動方向を示した図。
【図３１】従来例に係るレーザー光の振動方向を示した図。
【図３２】従来例に係るレーザー光の振動方向を示した図。
【符号の説明】
１…レーザ光源
２…コリメートレンズ
３…遮蔽板
４…偏光ビームスプリッタ
５…特殊偏光ビームスプリッタ
６…レンズ
７…レンズ
８…１／４波長板
９…ダイクロイックミラー
１０…微分干渉用プリズム
１１…対物レンズ
１２…標本
１４…ミラー
１５…遮蔽板
１６…結像レンズ
１７…２分割受光素子
１８…遮蔽板
１９…結像レンズ
２０…２分割受光素子
３０…電導照準部
４１…信号処理系
５０…偏光ビームスプリッタ
５１…遮蔽板
５２…結像レンズ
５３…２分割受光素子
５５…ミラー
６０…落射照明用投光管
６１…光源
６２…投光レンズ
６３…ポラライザ
６４…焦点検出部
６５…鏡筒
６６…アナライザ
６７…ハーフミラー
７１…偏光板
７２…ミラー
７３…偏光板
７４…モータ
８１…微分干渉用プリズム
８２…プリズム枠
８３…枠
８４…ツマミネジ
８５…バネ
８６…リニアスケール
８７…透過センサー
８８…パルスモータ
８９…歯車
９０…リードネジ
９１…歯車
９２…センサ板
【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】
0004350186.tif 000008
【図８】
0004350186.tif 000009
【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】
0004350186.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0004350186.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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