フォーカス調整装置及び方法
【課題】合焦の判断が難しい被検体の合焦容易性を向上させる。
【解決手段】光源２１から低可干渉光を発光させ、発光させた低可干渉光を第１のビームスプリッタ２３により分離し、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光を反射板２５により反射させ、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光を被写体へと導き、第１のビームスプリッタ２３における反射面の中心と反射板２５との往復光路長は、第１のビームスプリッタ２３における反射面の中心から第２のビームスプリッタ１３を介して検量用としての被写体２に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整され、反射板２５を反射して第１のビームスプリッタ２３を反射した第１の戻り光と、被写体２を反射して第２のビームスプリッタ１３を反射して第１のビームスプリッタ２３を透過した第２の戻り光との干渉度合に基づいて、撮像光路のフォーカス調整を行う。
【解決手段】光源２１から低可干渉光を発光させ、発光させた低可干渉光を第１のビームスプリッタ２３により分離し、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光を反射板２５により反射させ、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光を被写体へと導き、第１のビームスプリッタ２３における反射面の中心と反射板２５との往復光路長は、第１のビームスプリッタ２３における反射面の中心から第２のビームスプリッタ１３を介して検量用としての被写体２に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整され、反射板２５を反射して第１のビームスプリッタ２３を反射した第１の戻り光と、被写体２を反射して第２のビームスプリッタ１３を反射して第１のビームスプリッタ２３を透過した第２の戻り光との干渉度合に基づいて、撮像光路のフォーカス調整を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コントラスト法に基づいてＡＦ（オートフォーカス）制御を行うフォーカス調整装置、またこれを適用したカメラが知られている。コントラスト法では、被写体をＣＣＤ等の撮像素子で撮像して画像信号を生成し、この生成した画像信号から所定エリア内の空間周波数帯域の成分を抽出し、その絶対値を積分することで焦点評価値を算出する。この算出した焦点評価値は、焦点検出エリアのコントラストに対応しているため、焦点評価値が高くなるにつれてコントラストそのものが高くなる。像のコントラストは、合焦レンズが合焦位置に近いほど高くなるため、焦点評価値がピークとなるレンズ位置を合焦位置と判断することが可能となる。このため、かかる焦点評価値のピーク位置を見つけて合焦レンズをフォーカスすることで、被写体に精度よく合焦させることができる。このようなコントラスト法を利用した技術としては、例えば特許文献１に示すようなレンズ制御システムが提案されている。
【０００３】
しかしながら、このようなコントラスト法に基づくオートフォーカスは、例えばガラスや水等といった被検体においては、被検体表面において反射する光が微小であるため、撮像素子において十分な戻り光を受光することができず、合焦の判断が困難になるという問題点があった。
【０００４】
また、このようなガラスや水等といった合焦と判断しにくい被検体の合焦容易性を向上させるためには、既存の撮像システムの大幅な改変が要求される場合もあり、システム改変に伴う製造コストの上昇が問題となっていた。即ち、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、かかる合焦容易性を向上させるための技術に対する要望が特に近年において高まっていた。
【０００５】
また生物等のように高速に動く被写体に対して焦点合わせを行う場合も合焦が容易ではないが、このような被写体に対しても精度よくフォーカス調整を行うことができるフォーカス調整方法に対する要望が従来より高まっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８００４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、例えばガラスや水等といった合焦の判断が難しい被検体や、生物等のように高速に動く被写体に対しても高精度にフォーカス調整を行うことができ、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、合焦容易性を向上させることが可能なフォーカス調整装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載のフォーカス調整装置は、低可干渉光を発光する光源と、上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段とを備え、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整されていること を特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載のフォーカス調整装置は、請求項１記載の発明において、上記光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載のフォーカス調整方法は、光源から低可干渉光を発光させ、上記発光させた上記低可干渉光を第１のビームスプリッタにより透過並びに反射することにより分離し、上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射板により反射させ、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられた第２のビームスプリッタにより、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導き、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整され、上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光し、上記受光した上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成からなる本発明によれば、例えばガラスや水等といった合焦の判断が難しい被検体や、生物等のように高速に動く被写体に対しても高精度にフォーカス調整を行うことができ、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、合焦容易性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したフォーカス調整装置のブロック構成図である。
【図２】本発明を適用したフォーカス調整装置の詳細なブロック構成図である。
【図３】本発明を適用したフォーカス調整装置による作用効果について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用したフォーカス調整装置１のブロック構成を示している。このフォーカス調整装置１は、既存の撮像光学系１０に対して新たに実装されるシステムであるが、これに限定されるものではなく、撮像光学系１０と合わせて新規のシステムとして提供されるものであってもよい。
【００１５】
このフォーカス調整装置１は、低可干渉光を出射する光源２１と、この光源２１から出射された低可干渉光を平行光とする凸レンズ２２と、この凸レンズ２２を通過する低可干渉光の光路中に配設され、当該低可干渉光を透過並びに反射することにより分離する第１のビームスプリッタ２３と、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光が照射される反射板２５と、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光を集光して縮径させる凸レンズ２４とを備えている。
【００１６】
また、フォーカス調整装置１は、第１のビームスプリッタ２３から出射した光を受光する受光素子２６を備え、この受光素子２６は、制御部２７に電気的に接続され、更にこの制御部２７は、フォーカス調整を実現するためのフォーカス調整部２８に接続されている。
【００１７】
また撮像光学系１０は、被検体２からの撮像光を集光するための対物レンズ１４と、少なくとも対物レンズ１４を通過した撮像光を分離する第２のビームスプリッタ１３と、第２のビームスプリッタ１３を透過した撮像光を集光するチューブレンズ１２と、このチューブレンズ１２からの撮像光を受光して光電変換するための撮像素子１１とを備えている。
【００１８】
被写体２は、本発明を適用したフォーカス調整装置１によるフォーカス調整の対象となるものであって、仮にフォーカス調整装置１が撮像装置に実装される場合には、その撮影対象が当該被検体２に相当する。かかる場合において、被写体２は、例えば水やガラス等、被検体表面において反射する光が微小であるものであってもよく、フォーカス制御装置１は、かかる水やガラス等のような一般的には合焦が困難とされる被写体２に対してフォーカス調整を行っていくことになる。
【００１９】
光源２１は、図示しないホルダに取り付けられ、例えばスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）等で構成される。このＳＬＤは、発光ダイオードと半導体レーザの中間に位置する発光デバイスである。スーパールミネッセンスダイオードは、発光ダイオードと異なり導波路構造を持ち、また半導体レーザと異なり共振器構造を持たないものである。このため、スーパールミネッセンスダイオードの出力光は、片方向のみ誘導放出による利得を受けた自然放出光とされる。また、スーパールミネッセンスダイオードは、シングルモードファイバに結合可能であり、出てくるスペクトル幅がレーザ光よりも広い、という利点を持っている。このような光源２１から出射される出力光は、可干渉距離が短い低可干渉光とされる。なお、この光源２１は、スーパールミネッセンスダイオードで構成される場合に限定されるものではなく、他の光源を用いてもよいことは勿論である。
【００２０】
凸レンズ２２は、光源２１から出射された低可干渉光が最初に入射する光学部品であり、拡散光線とされている低可干渉光を屈折させることによりこれを平行光線に変換する。凸レンズ２２を通過した低可干渉光は、第１のビームスプリッタ２３へと導かれる。
【００２１】
第１のビームスプリッタ２３は、凸レンズ２２から入射されてくる低可干渉光をそのまま直線状に透過させ、また撮像光学系１０の方向に屈折させることにより、これを分離する。またこの第１のビームスプリッタ２３は、反射板２５からの第１の戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げることによりこれを分離する。また、第１のビームスプリッタ２３は、後述するように被写体２からの戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げることにより、これを分離する。
【００２２】
凸レンズ２４は、第１のビームスプリッタ２３を反射した平行光からなる低可干渉光を第２のビームスプリッタ１３へ向けてそのビーム径を僅かに縮径させるように、これを屈折させる。
【００２３】
第２のビームスプリッタ１３は、凸レンズ２４から入射されてくる低可干渉光をそのまま直線状に透過させ、また撮像光学系１０の方向に屈折させることによりこれを分離する。またこの第２のビームスプリッタ１３は、被写体２からの第２の戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げて凸レンズ２４へと導くことによりこれを分離する。また、この第２のビームスプリッタ１３は、撮像光学系において、合焦後に、実際に被写体２を撮像する際において、被写体２からの撮像光をそのまま透過させる。このとき撮像光は、第２のビームスプリッタ１３を反射して第１のビームスプリッタ２３側へと導かれるが、実際の撮像においてこれが特段の問題とはならない。
【００２４】
対物レンズ１４は、第２のビームスプリッタ１３により分離された低可干渉光を被写体２上に集光させる。このとき対物レンズ１４は、被写体２に対して照射される低可干渉光をその表面上において合焦させるようにしてもよいし、平行光をその表面に照射するようにしてもよい。また、この対物レンズ１４は、合焦後において実際に被写体２の撮像を行う際においても、その撮像光を集光する役割をも担う。
【００２５】
チューブレンズ１２は、第２のビームスプリッタ１３を直線状に通過した撮像光が入射される。このチューブレンズ１２は、入射されてくる撮像光を集光し、これを撮像素子１１へ結像させる。
【００２６】
撮像素子１１は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）を配列させてなり、チューブレンズ１２から出射された撮像光をその受光部に結像させて光電変換する。この撮像素子１１は、受光部に加えて、該受光部で光電変換された信号の読み出し部を少なくとも有している。
【００２７】
反射板２５は、例えばミラー等で構成され、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光をその反射角度が９０°となるようにして反射する。反射板２５には図示しない調整機構が設けられ、第１のビームスプリッタ２３に対して近接離間自在に調整可能とされている。
【００２８】
受光素子２６は、第１のビームスプリッタ２３からの戻り光を受光して光電変換する。この光電変換された電気信号は、制御部２７に送られる。
【００２９】
制御部２７は、少なくともＣＰＵ(Central Processing Unit)を有する制御ユニットとして構成されていればよいが、外付けのＰＣ（パーソナルコンピュータ）等で具体化されるものであってもよい。この制御部２７は、受光素子２６から送信されてくる電気信号に含まれる、戻り光の干渉度合を識別する。この制御部２７は、識別した戻り光の干渉度合に基づいて、フォーカス調整部２８に対して、実際にフォーカス調整を行うための制御信号を送信する。このとき、制御部２７は、得られた戻り光のビーム形状を図示しない画像表示装置を介して表示させるようにしてもよい。
【００３０】
フォーカス調整部２８は、制御部２７から送信されてきた制御信号に基づいて、対物レンズ１４を光軸方向へ移動させることにより撮像光路のフォーカス調整を行う。このときフォーカス調整部２８は、受信した制御信号に基づいて、対物レンズ１４を被写体２に対して傾けるための制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
ちなみに、制御部２７、フォーカス調整部２８を独立した構成要素として捉えてもよいが、概念的にはこれらを一まとめにしてフォーカス調整手段として捉えるようにしてもよい。
【００３２】
次に、本発明を適用したフォーカス調整装置１の動作について説明をする。
【００３３】
先ず被写体２に対するフォーカス調整を行う前に、光路長の調整を行う。先ず第１のビームスプリッタ２３における反射面２３ｂの中心点２３ａを基準としたとき、当該中心点２３ａから反射板２５までの往復の光路長Ｌａは、図中一点破線により表される。また当該中心点２３ａから第２のビームスプリッタ１３の反射面１３ａを介して検量用としての被写体に到達するまでの往復の光路長Ｌｂは、図中点線により表される。このとき、この往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂとは互いに同一となるように各構成要素、部材の配置が予め調整されている。なお、ここでいう検量用としての被写体２とは、かかる往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂを実際に計算する上において基準となる被写体２であり、実際にこれから観察しようとする被写体２とは必ずしも同一物性、同一形状、同一高さで構成されていなくてもよい。この検量用の被写体２をあくまで基準として往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂとの光路長を合わせておき、実際にこれから観察しようとする被検体２を試料台に載置したときに生じる往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂのズレを無くすようにフォーカス調整を行う。この往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂのズレは、後述するように、互いの往復光路長Ｌａ、Ｌｂからの戻り光の干渉度合に基づいて識別する。
【００３４】
実際に、これから観察しようとする被検体２を試料台に載置した後、光源２１から低可干渉光を出射する。この出射された低可干渉光は、第１のビームスプリッタ２３により分離される。第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光は、そのまま直進して反射板２７へと導かれる。また、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光は、凸レンズ２４を介して第２のビームスプリッタ１３へと導かれる。
【００３５】
反射板２７へと導かれた低可干渉光は、反射板２７を略９０°の反射角を以って反射し、第１のビームスプリッタ２３へと導かれることになる。この反射板２７を反射して第１のビームスプリッタ２３へと戻る戻り光を、以下第１の戻り光という。
【００３６】
また第２のビームスプリッタ１３へと導かれた低可干渉光は、第２のビームスプリッタ１３を透過し、また反射することにより分離する。このうち、第２のビームスプリッタ１３を反射した低可干渉光の成分は、対物レンズ１４により集光されて、これから観察しようとする被写体２へと照射される。
【００３７】
被写体２へ照射された低可干渉光は、これを反射することになる。ちなみに、被写体２が水やガラス等であっても低可干渉光は、僅かながら反射する。この反射する低可干渉光の戻り光を第２の戻り光としたとき、この第２の戻り光を再び対物レンズ１４により捉え、これを第２のビームスプリッタ１３へと導く。第２のビームスプリッタ１３は、この第２の戻り光を透過させ、また反射させることにより分離する。そして、この第２のビームスプリッタ１３を反射した第２の戻り光は、凸レンズ２４を介して第１のビームスプリッタ２３へと導かれる。
【００３８】
その結果、第１の戻り光と、第２の戻り光とは、互いにビームスプリッタ２３において合流することになる。第１の戻り光は、第１のビームスプリッタ２３をそのまま透過し、また反射することにより分離する。この第１のビームスプリッタ２３を反射した第１の戻り光は、受光素子２６へ導かれる。また第２の戻り光は、第１のビームスプリッタ２３をそのまま透過し、また反射することにより分離する。この第１のビームスプリッタ２３を透過した第２の戻り光は、受光素子２６へ導かれる。
【００３９】
この受光素子２６へと導かれた、第１の戻り光、第２の戻り光は、ともに受光素子２６により光電変換されることになる。この光電変換された電気信号は、制御部２７へと送信される。
【００４０】
制御部２７では、この受光素子２６からの電気信号を受信することになるが、かかる受信信号は、第１の戻り光、第２の戻り光とが合わさった状態のものを光電変換したものである。このため、第１の戻り光、第２の戻り光との干渉状態がこの受信信号から識別可能となる。
【００４１】
往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが同一である場合には、第１の戻り光と第２の戻り光は、ともに位相が一致することになる。その結果、光波の強め合うところと弱め合うところが一致することになり、この第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞がより明確なものとして現われる。即ち、合焦時には、往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが同一であることから、第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞が最も明確なものとして現われる。
【００４２】
これに対して非合焦時、即ち往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが互いに相違する場合には、第１の戻り光と第２の戻り光は、ともに位相がずれることになり、第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞が不明確なものとなる。
【００４３】
即ち、本発明では、第１の戻り光と第２の戻り光の干渉度合を識別することにより、合焦か否かを識別する。実際にこの干渉度合を識別する際には、得られた第１の戻り光と第２の戻り光の干渉波形をＦＦＴ変換する等で識別するようにしてもよい。仮に第２の戻り光の光量が微弱なものであっても、第２の戻り光の波形を取り込めるものであれば、これと第１の戻り光との間の干渉度合を識別することが可能となる。仮に被写体２が水やガラス等のように、表面において反射する光が微小であるため、十分な戻り光を得ることができない場合であっても、単に第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合を識別することができれば、合焦させることができる。その結果、本発明によれば、ガラスや水等といった合焦と判断しにくい被検体の合焦容易性を向上させることが可能となる。
【００４４】
また本発明によれば、既存の撮像光学系１０に対して、別途光源２１と、凸レンズ２２と、第１のビームスプリッタと２３と、反射板２５と、受光素子２６からなる光学系を追加するのみで、上述したフォーカス調整を実現することができる。このため、既存の撮像システムの大幅な改変が要求されることなく、システム改変に伴う製造コストの上昇を抑えることができる。
【００４５】
また本発明によれば、第２の戻り光を介して細かい時間ピッチで第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合を識別することができる。このため、生物等のように高速に動く被写体に対して焦点合わせを行う場合においても、その動きに応じた干渉度合を識別することにより、リアルタイムな焦点合わせを行うことも可能となる。
【００４６】
更に、本発明では、光源２１として安価なＳＬＤを用いればよいため、製造コスト、システムの改変コストを低減させることが可能となる。
【００４７】
以下、光源２１としてＳＬＤを用いることができる理由について説明をする。 対物レンズ１４のＮＡ（開口数）が０．２であるときの当該対物レンズ１４の焦点深度Ｄは以下の式（１）によって表される。
【００４８】
Ｄ＝λ／（ＮＡ）2・・・・・・・・（１）
【００４９】
ここでλは、観察波長であり、上述した式（１）の例では、波長０．５５μｍの可視光と設定している。
【００５０】
その結果、この（１）式よりＤ＝１２．５μｍという解が得られる。
【００５１】
また、可干渉距離に約１２．５μｍを有する光源のスペクトル幅を計算する。
【００５２】
１２．５×１０-6＝３×１０18／Δｆ
より、Δｆ＝２．４×１０13Ｈｚとなる。これを波長変換すると、Δλ＝５０ｎｍとなる。即ち、スペクトル幅が約５０ｎｍを持つ光源といえば、ＳＬＤ等であることから、これを光源１１として使用することとし、干渉縞が明確に表れたときに合焦と判断することとしている。
【００５３】
なお本発明は、上述したフォーカス調整を目的とした装置に具体化される場合に限定されるものではなく、例えば制御部２７は、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合に応じた測定値を求め、これをプリンタや画像表示部等による図示しないユーザインターフェースを介して表示するものであってもよい。この干渉度合に応じた測定値は、干渉度合そのものを画像の濃淡で表示するものや、これを数値化して表示するもの等、干渉度合に対応するものであればいかなるものであってもよい。
【００５４】
なお本発明を適用したフォーカス調整装置１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図２に示すようなマッハツェンダー型の光学系で構成するようにしてもよい。
【００５５】
この図２に示すマッハツェンダー型のフォーカス調整装置３において、図１に示すフォーカス調整装置１と同一の構成要素、部材については、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。なお、このマッハツェンダー型のフォーカス調整装置３は、既存の撮像光学系１０に対して新たに実装されるシステムであるが、これに限定されるものではなく、撮像光学系１０と合わせて新規のシステムとして提供されるものであってもよい。ちなみに撮像光学系１０は、対物レンズ１４と、ビームスプリッタ１３と、チューブレンズ１２と、撮像素子１１とを備えている。
【００５６】
フォーカス調整装置３は、光源２１と、凸レンズ２２と、この凸レンズ２２を通過する無偏光状態の低可干渉光のうち一方向のみの偏光を通過させる偏光フィルタ５１と、偏光フィルタ５１を通過した一方向のみの偏光成分のうち、横偏光成分を通過させるとともに、縦偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ５２と、偏光ビームスプリッタ５２を反射した縦偏光成分の光を略９０°方向に反射させる反射板５３と、この反射板５３を反射した光を反射させるとともに、反射板５３との光路長を可変可能な反射部５４と、反射部５４から再び反射板５３を介して略９０°方向に反射された光を折り曲げる反射板５５とを備えている。
【００５７】
また、このフォーカス調整装置３は、偏光ビームスプリッタ５２を通過した横偏光成分の光をそのまま通過させるとともに、撮像光学系１０からの縦偏光の光を反射させる偏光ビームスプリッタ５６と、この偏光ビームスプリッタ５６を通過した横偏光の光を左円偏光に変換させた上で撮像光学系１０における偏光ビームスプリッタ１３へと導くとともに偏光ビームスプリッタ１３からの右円偏光の光を縦偏光に変換する波長板５７と、波長板５７により縦偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ５６を反射した光を横偏光に変換する波長板５８と、波長板５８を出射した横偏光の光と、反射板５５を反射した縦偏光の光が供給され、この横偏光の光をそのまま通過させるとともに縦偏光の光を反射させる偏光ビームスプリッタ５９と、偏光ビームスプリッタを出射した光を一方向のみの偏光の光に変換する波長板６０と、波長板６０を通過した光を受光する受光素子２６とを備えている。
【００５８】
このフォーカス調整装置３においても同様に、光路長の調整が予め行われる。偏光ビームスプリッタ５２、偏光ビームスプリッタ５６を通過し、被写体２を反射して偏光ビームスプリッタ５６を反射して偏光ビームスプリッタ５９に至るまでの光路長と、偏光ビームスプリッタ５２を反射して、反射板５３や、反射部５４を介して偏光ビームスプリッタ５９に至るまでの光路長とが同一となるように、換言すれば第１の戻り光と第２の戻り光の光路長が予め調整される。実際に調整を行う場合には、反射部５４と反射板５３との光路長を調整することにより行うようにしてもよい。
【００５９】
このようなフォーカス調整装置３においても、それぞれの戻り光の干渉度合を識別することにより、合焦か否かを識別することが可能となり、フォーカス調整装置１と同様の効果を得ることが可能となる。
【００６０】
また、本発明は、第１の戻り光と第２の戻り光のそれぞれの光路長が同一となるように調整される場合に限定されるものではない。第１の戻り光と第２の戻り光とが、互いに可干渉距離の範囲となるように調整されていれば、上述した本発明所期の効果を奏することになる。
【００６１】
また、本発明では、フォーカス調整装置１でいえば反射板２５を、フォーカス調整装置３でいえば反射部５４を図示しないアクチュエータを介して振動させるようにしてもよい。これにより、以下の図３に基づいて説明される効果が期待できる。
【００６２】
例えば、水滴に対して本発明を適用したフォーカス調整装置１、３により、第１の戻り光と、第２の戻り光との干渉縞を測定した場合には図３に示すような形態となるが、かかる水滴と対称な形状をした溝についても第１戻り光と、第２の戻り光との干渉縞を測定した場合も同様な干渉縞が得られる。このとき、干渉度合を介してフォーカス調整を行う場合に、水滴と溝とが判別できない場合には、全く逆方向に焦点位置合わせが行われる危険性も否定できない。かかる場合において、上述した反射板２５又は反射部５４を振動させることにより、干渉縞が図中矢印の何れの方向に動くかを判別することで、水滴か溝か、即ち、測定対象が凸状か凹状かを判別することが可能となる。
【００６３】
同様に測定対象の表面が撓んでいる場合においても、上述した反射板２５又は反射部５４を振動させて縞が消えるか否かを識別することにより、何れの方向に撓んでいるかを判定することも可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１、３ フォーカス調整装置
１０ 撮像光学系
１１ 撮像素子
１２ チューブレンズ
１３ 第２のビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
２１ 光源
２２、２４ 凸レンズ
２３ 第１のビームスプリッタ
２５ 反射板
２６ 受光素子
２７ 制御部
２８ フォーカス調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コントラスト法に基づいてＡＦ（オートフォーカス）制御を行うフォーカス調整装置、またこれを適用したカメラが知られている。コントラスト法では、被写体をＣＣＤ等の撮像素子で撮像して画像信号を生成し、この生成した画像信号から所定エリア内の空間周波数帯域の成分を抽出し、その絶対値を積分することで焦点評価値を算出する。この算出した焦点評価値は、焦点検出エリアのコントラストに対応しているため、焦点評価値が高くなるにつれてコントラストそのものが高くなる。像のコントラストは、合焦レンズが合焦位置に近いほど高くなるため、焦点評価値がピークとなるレンズ位置を合焦位置と判断することが可能となる。このため、かかる焦点評価値のピーク位置を見つけて合焦レンズをフォーカスすることで、被写体に精度よく合焦させることができる。このようなコントラスト法を利用した技術としては、例えば特許文献１に示すようなレンズ制御システムが提案されている。
【０００３】
しかしながら、このようなコントラスト法に基づくオートフォーカスは、例えばガラスや水等といった被検体においては、被検体表面において反射する光が微小であるため、撮像素子において十分な戻り光を受光することができず、合焦の判断が困難になるという問題点があった。
【０００４】
また、このようなガラスや水等といった合焦と判断しにくい被検体の合焦容易性を向上させるためには、既存の撮像システムの大幅な改変が要求される場合もあり、システム改変に伴う製造コストの上昇が問題となっていた。即ち、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、かかる合焦容易性を向上させるための技術に対する要望が特に近年において高まっていた。
【０００５】
また生物等のように高速に動く被写体に対して焦点合わせを行う場合も合焦が容易ではないが、このような被写体に対しても精度よくフォーカス調整を行うことができるフォーカス調整方法に対する要望が従来より高まっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８００４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、例えばガラスや水等といった合焦の判断が難しい被検体や、生物等のように高速に動く被写体に対しても高精度にフォーカス調整を行うことができ、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、合焦容易性を向上させることが可能なフォーカス調整装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載のフォーカス調整装置は、低可干渉光を発光する光源と、上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段とを備え、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整されていること を特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載のフォーカス調整装置は、請求項１記載の発明において、上記光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載のフォーカス調整方法は、光源から低可干渉光を発光させ、上記発光させた上記低可干渉光を第１のビームスプリッタにより透過並びに反射することにより分離し、上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射板により反射させ、被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられた第２のビームスプリッタにより、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導き、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一となるように予め調整され、上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光し、上記受光した上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成からなる本発明によれば、例えばガラスや水等といった合焦の判断が難しい被検体や、生物等のように高速に動く被写体に対しても高精度にフォーカス調整を行うことができ、既存の撮像システムに大幅な改変を施すことなく、合焦容易性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したフォーカス調整装置のブロック構成図である。
【図２】本発明を適用したフォーカス調整装置の詳細なブロック構成図である。
【図３】本発明を適用したフォーカス調整装置による作用効果について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用したフォーカス調整装置１のブロック構成を示している。このフォーカス調整装置１は、既存の撮像光学系１０に対して新たに実装されるシステムであるが、これに限定されるものではなく、撮像光学系１０と合わせて新規のシステムとして提供されるものであってもよい。
【００１５】
このフォーカス調整装置１は、低可干渉光を出射する光源２１と、この光源２１から出射された低可干渉光を平行光とする凸レンズ２２と、この凸レンズ２２を通過する低可干渉光の光路中に配設され、当該低可干渉光を透過並びに反射することにより分離する第１のビームスプリッタ２３と、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光が照射される反射板２５と、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光を集光して縮径させる凸レンズ２４とを備えている。
【００１６】
また、フォーカス調整装置１は、第１のビームスプリッタ２３から出射した光を受光する受光素子２６を備え、この受光素子２６は、制御部２７に電気的に接続され、更にこの制御部２７は、フォーカス調整を実現するためのフォーカス調整部２８に接続されている。
【００１７】
また撮像光学系１０は、被検体２からの撮像光を集光するための対物レンズ１４と、少なくとも対物レンズ１４を通過した撮像光を分離する第２のビームスプリッタ１３と、第２のビームスプリッタ１３を透過した撮像光を集光するチューブレンズ１２と、このチューブレンズ１２からの撮像光を受光して光電変換するための撮像素子１１とを備えている。
【００１８】
被写体２は、本発明を適用したフォーカス調整装置１によるフォーカス調整の対象となるものであって、仮にフォーカス調整装置１が撮像装置に実装される場合には、その撮影対象が当該被検体２に相当する。かかる場合において、被写体２は、例えば水やガラス等、被検体表面において反射する光が微小であるものであってもよく、フォーカス制御装置１は、かかる水やガラス等のような一般的には合焦が困難とされる被写体２に対してフォーカス調整を行っていくことになる。
【００１９】
光源２１は、図示しないホルダに取り付けられ、例えばスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）等で構成される。このＳＬＤは、発光ダイオードと半導体レーザの中間に位置する発光デバイスである。スーパールミネッセンスダイオードは、発光ダイオードと異なり導波路構造を持ち、また半導体レーザと異なり共振器構造を持たないものである。このため、スーパールミネッセンスダイオードの出力光は、片方向のみ誘導放出による利得を受けた自然放出光とされる。また、スーパールミネッセンスダイオードは、シングルモードファイバに結合可能であり、出てくるスペクトル幅がレーザ光よりも広い、という利点を持っている。このような光源２１から出射される出力光は、可干渉距離が短い低可干渉光とされる。なお、この光源２１は、スーパールミネッセンスダイオードで構成される場合に限定されるものではなく、他の光源を用いてもよいことは勿論である。
【００２０】
凸レンズ２２は、光源２１から出射された低可干渉光が最初に入射する光学部品であり、拡散光線とされている低可干渉光を屈折させることによりこれを平行光線に変換する。凸レンズ２２を通過した低可干渉光は、第１のビームスプリッタ２３へと導かれる。
【００２１】
第１のビームスプリッタ２３は、凸レンズ２２から入射されてくる低可干渉光をそのまま直線状に透過させ、また撮像光学系１０の方向に屈折させることにより、これを分離する。またこの第１のビームスプリッタ２３は、反射板２５からの第１の戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げることによりこれを分離する。また、第１のビームスプリッタ２３は、後述するように被写体２からの戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げることにより、これを分離する。
【００２２】
凸レンズ２４は、第１のビームスプリッタ２３を反射した平行光からなる低可干渉光を第２のビームスプリッタ１３へ向けてそのビーム径を僅かに縮径させるように、これを屈折させる。
【００２３】
第２のビームスプリッタ１３は、凸レンズ２４から入射されてくる低可干渉光をそのまま直線状に透過させ、また撮像光学系１０の方向に屈折させることによりこれを分離する。またこの第２のビームスプリッタ１３は、被写体２からの第２の戻り光をそのまま直線状に透過させ、またその戻り光を折り曲げて凸レンズ２４へと導くことによりこれを分離する。また、この第２のビームスプリッタ１３は、撮像光学系において、合焦後に、実際に被写体２を撮像する際において、被写体２からの撮像光をそのまま透過させる。このとき撮像光は、第２のビームスプリッタ１３を反射して第１のビームスプリッタ２３側へと導かれるが、実際の撮像においてこれが特段の問題とはならない。
【００２４】
対物レンズ１４は、第２のビームスプリッタ１３により分離された低可干渉光を被写体２上に集光させる。このとき対物レンズ１４は、被写体２に対して照射される低可干渉光をその表面上において合焦させるようにしてもよいし、平行光をその表面に照射するようにしてもよい。また、この対物レンズ１４は、合焦後において実際に被写体２の撮像を行う際においても、その撮像光を集光する役割をも担う。
【００２５】
チューブレンズ１２は、第２のビームスプリッタ１３を直線状に通過した撮像光が入射される。このチューブレンズ１２は、入射されてくる撮像光を集光し、これを撮像素子１１へ結像させる。
【００２６】
撮像素子１１は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）を配列させてなり、チューブレンズ１２から出射された撮像光をその受光部に結像させて光電変換する。この撮像素子１１は、受光部に加えて、該受光部で光電変換された信号の読み出し部を少なくとも有している。
【００２７】
反射板２５は、例えばミラー等で構成され、第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光をその反射角度が９０°となるようにして反射する。反射板２５には図示しない調整機構が設けられ、第１のビームスプリッタ２３に対して近接離間自在に調整可能とされている。
【００２８】
受光素子２６は、第１のビームスプリッタ２３からの戻り光を受光して光電変換する。この光電変換された電気信号は、制御部２７に送られる。
【００２９】
制御部２７は、少なくともＣＰＵ(Central Processing Unit)を有する制御ユニットとして構成されていればよいが、外付けのＰＣ（パーソナルコンピュータ）等で具体化されるものであってもよい。この制御部２７は、受光素子２６から送信されてくる電気信号に含まれる、戻り光の干渉度合を識別する。この制御部２７は、識別した戻り光の干渉度合に基づいて、フォーカス調整部２８に対して、実際にフォーカス調整を行うための制御信号を送信する。このとき、制御部２７は、得られた戻り光のビーム形状を図示しない画像表示装置を介して表示させるようにしてもよい。
【００３０】
フォーカス調整部２８は、制御部２７から送信されてきた制御信号に基づいて、対物レンズ１４を光軸方向へ移動させることにより撮像光路のフォーカス調整を行う。このときフォーカス調整部２８は、受信した制御信号に基づいて、対物レンズ１４を被写体２に対して傾けるための制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
ちなみに、制御部２７、フォーカス調整部２８を独立した構成要素として捉えてもよいが、概念的にはこれらを一まとめにしてフォーカス調整手段として捉えるようにしてもよい。
【００３２】
次に、本発明を適用したフォーカス調整装置１の動作について説明をする。
【００３３】
先ず被写体２に対するフォーカス調整を行う前に、光路長の調整を行う。先ず第１のビームスプリッタ２３における反射面２３ｂの中心点２３ａを基準としたとき、当該中心点２３ａから反射板２５までの往復の光路長Ｌａは、図中一点破線により表される。また当該中心点２３ａから第２のビームスプリッタ１３の反射面１３ａを介して検量用としての被写体に到達するまでの往復の光路長Ｌｂは、図中点線により表される。このとき、この往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂとは互いに同一となるように各構成要素、部材の配置が予め調整されている。なお、ここでいう検量用としての被写体２とは、かかる往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂを実際に計算する上において基準となる被写体２であり、実際にこれから観察しようとする被写体２とは必ずしも同一物性、同一形状、同一高さで構成されていなくてもよい。この検量用の被写体２をあくまで基準として往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂとの光路長を合わせておき、実際にこれから観察しようとする被検体２を試料台に載置したときに生じる往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂのズレを無くすようにフォーカス調整を行う。この往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂのズレは、後述するように、互いの往復光路長Ｌａ、Ｌｂからの戻り光の干渉度合に基づいて識別する。
【００３４】
実際に、これから観察しようとする被検体２を試料台に載置した後、光源２１から低可干渉光を出射する。この出射された低可干渉光は、第１のビームスプリッタ２３により分離される。第１のビームスプリッタ２３を透過した低可干渉光は、そのまま直進して反射板２７へと導かれる。また、第１のビームスプリッタ２３を反射した低可干渉光は、凸レンズ２４を介して第２のビームスプリッタ１３へと導かれる。
【００３５】
反射板２７へと導かれた低可干渉光は、反射板２７を略９０°の反射角を以って反射し、第１のビームスプリッタ２３へと導かれることになる。この反射板２７を反射して第１のビームスプリッタ２３へと戻る戻り光を、以下第１の戻り光という。
【００３６】
また第２のビームスプリッタ１３へと導かれた低可干渉光は、第２のビームスプリッタ１３を透過し、また反射することにより分離する。このうち、第２のビームスプリッタ１３を反射した低可干渉光の成分は、対物レンズ１４により集光されて、これから観察しようとする被写体２へと照射される。
【００３７】
被写体２へ照射された低可干渉光は、これを反射することになる。ちなみに、被写体２が水やガラス等であっても低可干渉光は、僅かながら反射する。この反射する低可干渉光の戻り光を第２の戻り光としたとき、この第２の戻り光を再び対物レンズ１４により捉え、これを第２のビームスプリッタ１３へと導く。第２のビームスプリッタ１３は、この第２の戻り光を透過させ、また反射させることにより分離する。そして、この第２のビームスプリッタ１３を反射した第２の戻り光は、凸レンズ２４を介して第１のビームスプリッタ２３へと導かれる。
【００３８】
その結果、第１の戻り光と、第２の戻り光とは、互いにビームスプリッタ２３において合流することになる。第１の戻り光は、第１のビームスプリッタ２３をそのまま透過し、また反射することにより分離する。この第１のビームスプリッタ２３を反射した第１の戻り光は、受光素子２６へ導かれる。また第２の戻り光は、第１のビームスプリッタ２３をそのまま透過し、また反射することにより分離する。この第１のビームスプリッタ２３を透過した第２の戻り光は、受光素子２６へ導かれる。
【００３９】
この受光素子２６へと導かれた、第１の戻り光、第２の戻り光は、ともに受光素子２６により光電変換されることになる。この光電変換された電気信号は、制御部２７へと送信される。
【００４０】
制御部２７では、この受光素子２６からの電気信号を受信することになるが、かかる受信信号は、第１の戻り光、第２の戻り光とが合わさった状態のものを光電変換したものである。このため、第１の戻り光、第２の戻り光との干渉状態がこの受信信号から識別可能となる。
【００４１】
往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが同一である場合には、第１の戻り光と第２の戻り光は、ともに位相が一致することになる。その結果、光波の強め合うところと弱め合うところが一致することになり、この第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞がより明確なものとして現われる。即ち、合焦時には、往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが同一であることから、第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞が最も明確なものとして現われる。
【００４２】
これに対して非合焦時、即ち往復光路長Ｌａと、往復光路長Ｌｂが互いに相違する場合には、第１の戻り光と第２の戻り光は、ともに位相がずれることになり、第１の戻り光と、第２の戻り光とを合波させることにより得られる干渉縞が不明確なものとなる。
【００４３】
即ち、本発明では、第１の戻り光と第２の戻り光の干渉度合を識別することにより、合焦か否かを識別する。実際にこの干渉度合を識別する際には、得られた第１の戻り光と第２の戻り光の干渉波形をＦＦＴ変換する等で識別するようにしてもよい。仮に第２の戻り光の光量が微弱なものであっても、第２の戻り光の波形を取り込めるものであれば、これと第１の戻り光との間の干渉度合を識別することが可能となる。仮に被写体２が水やガラス等のように、表面において反射する光が微小であるため、十分な戻り光を得ることができない場合であっても、単に第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合を識別することができれば、合焦させることができる。その結果、本発明によれば、ガラスや水等といった合焦と判断しにくい被検体の合焦容易性を向上させることが可能となる。
【００４４】
また本発明によれば、既存の撮像光学系１０に対して、別途光源２１と、凸レンズ２２と、第１のビームスプリッタと２３と、反射板２５と、受光素子２６からなる光学系を追加するのみで、上述したフォーカス調整を実現することができる。このため、既存の撮像システムの大幅な改変が要求されることなく、システム改変に伴う製造コストの上昇を抑えることができる。
【００４５】
また本発明によれば、第２の戻り光を介して細かい時間ピッチで第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合を識別することができる。このため、生物等のように高速に動く被写体に対して焦点合わせを行う場合においても、その動きに応じた干渉度合を識別することにより、リアルタイムな焦点合わせを行うことも可能となる。
【００４６】
更に、本発明では、光源２１として安価なＳＬＤを用いればよいため、製造コスト、システムの改変コストを低減させることが可能となる。
【００４７】
以下、光源２１としてＳＬＤを用いることができる理由について説明をする。 対物レンズ１４のＮＡ（開口数）が０．２であるときの当該対物レンズ１４の焦点深度Ｄは以下の式（１）によって表される。
【００４８】
Ｄ＝λ／（ＮＡ）2・・・・・・・・（１）
【００４９】
ここでλは、観察波長であり、上述した式（１）の例では、波長０．５５μｍの可視光と設定している。
【００５０】
その結果、この（１）式よりＤ＝１２．５μｍという解が得られる。
【００５１】
また、可干渉距離に約１２．５μｍを有する光源のスペクトル幅を計算する。
【００５２】
１２．５×１０-6＝３×１０18／Δｆ
より、Δｆ＝２．４×１０13Ｈｚとなる。これを波長変換すると、Δλ＝５０ｎｍとなる。即ち、スペクトル幅が約５０ｎｍを持つ光源といえば、ＳＬＤ等であることから、これを光源１１として使用することとし、干渉縞が明確に表れたときに合焦と判断することとしている。
【００５３】
なお本発明は、上述したフォーカス調整を目的とした装置に具体化される場合に限定されるものではなく、例えば制御部２７は、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉度合に応じた測定値を求め、これをプリンタや画像表示部等による図示しないユーザインターフェースを介して表示するものであってもよい。この干渉度合に応じた測定値は、干渉度合そのものを画像の濃淡で表示するものや、これを数値化して表示するもの等、干渉度合に対応するものであればいかなるものであってもよい。
【００５４】
なお本発明を適用したフォーカス調整装置１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図２に示すようなマッハツェンダー型の光学系で構成するようにしてもよい。
【００５５】
この図２に示すマッハツェンダー型のフォーカス調整装置３において、図１に示すフォーカス調整装置１と同一の構成要素、部材については、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。なお、このマッハツェンダー型のフォーカス調整装置３は、既存の撮像光学系１０に対して新たに実装されるシステムであるが、これに限定されるものではなく、撮像光学系１０と合わせて新規のシステムとして提供されるものであってもよい。ちなみに撮像光学系１０は、対物レンズ１４と、ビームスプリッタ１３と、チューブレンズ１２と、撮像素子１１とを備えている。
【００５６】
フォーカス調整装置３は、光源２１と、凸レンズ２２と、この凸レンズ２２を通過する無偏光状態の低可干渉光のうち一方向のみの偏光を通過させる偏光フィルタ５１と、偏光フィルタ５１を通過した一方向のみの偏光成分のうち、横偏光成分を通過させるとともに、縦偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ５２と、偏光ビームスプリッタ５２を反射した縦偏光成分の光を略９０°方向に反射させる反射板５３と、この反射板５３を反射した光を反射させるとともに、反射板５３との光路長を可変可能な反射部５４と、反射部５４から再び反射板５３を介して略９０°方向に反射された光を折り曲げる反射板５５とを備えている。
【００５７】
また、このフォーカス調整装置３は、偏光ビームスプリッタ５２を通過した横偏光成分の光をそのまま通過させるとともに、撮像光学系１０からの縦偏光の光を反射させる偏光ビームスプリッタ５６と、この偏光ビームスプリッタ５６を通過した横偏光の光を左円偏光に変換させた上で撮像光学系１０における偏光ビームスプリッタ１３へと導くとともに偏光ビームスプリッタ１３からの右円偏光の光を縦偏光に変換する波長板５７と、波長板５７により縦偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ５６を反射した光を横偏光に変換する波長板５８と、波長板５８を出射した横偏光の光と、反射板５５を反射した縦偏光の光が供給され、この横偏光の光をそのまま通過させるとともに縦偏光の光を反射させる偏光ビームスプリッタ５９と、偏光ビームスプリッタを出射した光を一方向のみの偏光の光に変換する波長板６０と、波長板６０を通過した光を受光する受光素子２６とを備えている。
【００５８】
このフォーカス調整装置３においても同様に、光路長の調整が予め行われる。偏光ビームスプリッタ５２、偏光ビームスプリッタ５６を通過し、被写体２を反射して偏光ビームスプリッタ５６を反射して偏光ビームスプリッタ５９に至るまでの光路長と、偏光ビームスプリッタ５２を反射して、反射板５３や、反射部５４を介して偏光ビームスプリッタ５９に至るまでの光路長とが同一となるように、換言すれば第１の戻り光と第２の戻り光の光路長が予め調整される。実際に調整を行う場合には、反射部５４と反射板５３との光路長を調整することにより行うようにしてもよい。
【００５９】
このようなフォーカス調整装置３においても、それぞれの戻り光の干渉度合を識別することにより、合焦か否かを識別することが可能となり、フォーカス調整装置１と同様の効果を得ることが可能となる。
【００６０】
また、本発明は、第１の戻り光と第２の戻り光のそれぞれの光路長が同一となるように調整される場合に限定されるものではない。第１の戻り光と第２の戻り光とが、互いに可干渉距離の範囲となるように調整されていれば、上述した本発明所期の効果を奏することになる。
【００６１】
また、本発明では、フォーカス調整装置１でいえば反射板２５を、フォーカス調整装置３でいえば反射部５４を図示しないアクチュエータを介して振動させるようにしてもよい。これにより、以下の図３に基づいて説明される効果が期待できる。
【００６２】
例えば、水滴に対して本発明を適用したフォーカス調整装置１、３により、第１の戻り光と、第２の戻り光との干渉縞を測定した場合には図３に示すような形態となるが、かかる水滴と対称な形状をした溝についても第１戻り光と、第２の戻り光との干渉縞を測定した場合も同様な干渉縞が得られる。このとき、干渉度合を介してフォーカス調整を行う場合に、水滴と溝とが判別できない場合には、全く逆方向に焦点位置合わせが行われる危険性も否定できない。かかる場合において、上述した反射板２５又は反射部５４を振動させることにより、干渉縞が図中矢印の何れの方向に動くかを判別することで、水滴か溝か、即ち、測定対象が凸状か凹状かを判別することが可能となる。
【００６３】
同様に測定対象の表面が撓んでいる場合においても、上述した反射板２５又は反射部５４を振動させて縞が消えるか否かを識別することにより、何れの方向に撓んでいるかを判定することも可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１、３ フォーカス調整装置
１０ 撮像光学系
１１ 撮像素子
１２ チューブレンズ
１３ 第２のビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
２１ 光源
２２、２４ 凸レンズ
２３ 第１のビームスプリッタ
２５ 反射板
２６ 受光素子
２７ 制御部
２８ フォーカス調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低可干渉光を発光する光源と、
上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、
上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段とを備え、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整されていること
を特徴とするフォーカス調整装置。
【請求項２】
上記光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）であること
を特徴とする請求項１記載のフォーカス調整装置。
【請求項３】
低可干渉光を発光する光源と、
上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、
上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に応じた測定値を出力する出力手段とを備え、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整されていること
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
光源から低可干渉光を発光させ、
上記発光させた上記低可干渉光を第１のビームスプリッタにより透過並びに反射することにより分離し、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射板により反射させ、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられた第２のビームスプリッタにより、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導き、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整され、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光し、
上記受光した上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うこと
を特徴とするフォーカス調整方法。
【請求項１】
低可干渉光を発光する光源と、
上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、
上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段とを備え、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整されていること
を特徴とするフォーカス調整装置。
【請求項２】
上記光源は、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）であること
を特徴とする請求項１記載のフォーカス調整装置。
【請求項３】
低可干渉光を発光する光源と、
上記光源から発光された上記低可干渉光を分離する第１のビームスプリッタと、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射する反射板と、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられ、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導く第２のビームスプリッタと、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光する受光手段と、
上記受光手段により受光された上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に応じた測定値を出力する出力手段とを備え、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整されていること
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
光源から低可干渉光を発光させ、
上記発光させた上記低可干渉光を第１のビームスプリッタにより透過並びに反射することにより分離し、
上記第１のビームスプリッタを透過した低可干渉光を反射板により反射させ、
被写体からの撮像光を撮像素子へと導く撮像光路中に設けられた第２のビームスプリッタにより、上記第１のビームスプリッタを反射した低可干渉光を更に反射させて上記被写体へと導き、
上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心と上記反射板との往復光路長は、上記第１のビームスプリッタにおける反射面の中心から上記第２のビームスプリッタを介して検量用としての被写体に至るまでの往復光路長と同一とされているか、又は可干渉距離となるように予め調整され、
上記反射板を反射して上記第１のビームスプリッタを反射した第１の戻り光と、上記被写体を反射して上記第２のビームスプリッタを反射して上記第１のビームスプリッタを透過した第２の戻り光をともに受光し、
上記受光した上記第１の戻り光と上記第２の戻り光との干渉度合に基づいて、上記撮像光路のフォーカス調整を行うこと
を特徴とするフォーカス調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１１２８４７（Ｐ２０１２−１１２８４７Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２９８１（Ｐ２０１０−２６２９８１）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
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