JP2001504592A - 距離測定方法および距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、レーザー光線を使用した距離測定の改良形に関わる。まずレーザー光線を平行光路において対物レンズ（１８）に指向させ、対物レンズ（１８）により合焦させる。対象物の面が焦点（Ａ）になければ、対象物の面上に２つのレーザースポット（Ｐ）が見られる。これらのレーザースポットをコード化すると、たとえば対物レンズ（１８）の前方に設けた適当な直列レンズまたはテンプレートにより水平方向または垂直方向の線の形状でコード化すると、マークの像が得られる。時間的なコード化を行なってもよく、このようにすると、たとえばまず一方のレーザー光線が輝き、次に他方のレーザー光線が時間的にずれて輝く。両レーザースポットの間隔は、主対物レンズ（１８）と対象物との距離を表わす量である。この量は、演算的には、対物レンズ（１８）の焦点距離と対物レンズ（１８）の前方における両スポット源の立体ベースとに依存している。

Description

【発明の詳細な説明】 距離測定方法および距離測定装置 本発明は、対物レンズと対象物の距離を測定するための方法、およびこの方法 にしたがって作動する距離測定装置に関するものである。 特に顕微鏡においては、対象物と顕微鏡の対物レンズとの距離を検出すること が使用者にとって必要である。 このため種々の方法が提案されている。たとえば、レーザー光線をパルスコー ド化して実行時間を測定する方法がある。スプリットイメージ方式または三角測 量方式のような光学的方法も種々知られている。たとえばツァイス社のいわゆる ＭＫＭ顕微鏡の構成では、焦点に向けられるパルス性のレーザー光線を使用する 。対象物の面がＺ方向において合焦面の前方または後方にある場合、レーザース ポットは顕微鏡の光軸の左側または右側で輝く。前者の方法は電子的に高コスト であるのに対し、後者の方法は光学的にかなりの高コストを要する。 本発明の課題は、光学的に簡単に評価でき、確実な距離測定を可能にする新規 な距離測定方法及び装置を提供することである。 このような方法は、本発明によれば請求項１の特徴部分により実現され、他方 この方法を実施するための装置は、請求項５の特徴部分にしたがって構成されて いる。 本発明の主要な技術思想は、ほぼ平行な２つの光線（通常はレーザー光線であ るが、これに限定されるものではない）を顕微鏡の平行光路内で対物レンズに指 向させ、或いは対物レンズを貫通するように指向せしめることである。仮に対物 レンズの焦点距離が未知であっても、両光線（焦点で合焦している）がただ１つ のスポットとして現れるので、対物レンズの未知の焦点距離を正確に測定するこ とができる。この場合、対物レンズの主面に対する間隔は焦点距離に対応してい る。しかし、対象物の面が焦点になければ、すなわちこれに対して異なった間隔 で位置していれば、対象物の面上には２つのレーザースポットが見られる。これ ら２つのレーザースポットの間隔は、合焦面と対象物の面との相違を表わす量で ある。距離は、対物レンズの焦点距離と両照明光源の立体ベースとに依存して算 出することができる。レーザースポットを、たとえばレーザー光路内に適当な直 列レンズまたはテンプレートを設けることにより、水平方向或いは垂直方向の線 へ幾何学的にコード化することにより、このようなマークの像を得ることができ 、よって合焦面に対する正の間隔または負の間隔も検出することができる。 これに対する変形実施形態および他の特殊な構成は従属項に記載されている。 たとえば幾何学的なコード化の代わりに、時間的なコード化を用いてもよい。時 間的なコード化においては、たとえば一方のレーザー光線がまず点灯し、次に時 間的にずれて他方のレーザー光線が点 灯する。本発明によれば、対物レンズの平行光路の前方において両レーザー光線 が実際に平行であることは必ずしも必要でない。レーザー光発生要素を取り付け た後、対物レンズ或いは顕微鏡が校正され、この校正が算出の際に考慮される限 りにおいては、平行性からずれた任意の角度でよい。このような変形実施形態で は、対象物の面におけるスポットの一定の所定の間隔は、対象物の面に対して対 物レンズが合焦状態にあることを表わしている。 本発明による距離測定の精度は、両光線が成す角度χによって影響される。 χ＝９０°のときに好適な測定結果が得られる。 光軸に対する対象物の面の位置も重要である。光軸と対象物の面とが互いに垂 直であると、測定は問題なく行なわれる。修正は必要ない。このとき測定点は光 軸に対して対称に位置している。非対称であれば、それぞれの測定点と光軸との それぞれの間隔を測定し、その測定結果から対象物の面の傾斜状態を逆算するこ とによって演算的に補正することができる。光軸の位置は、レーザー光線の交点 が可視になり次第、この交点によって光軸を表示することにより簡単に検出する ことができる。このようにして測定システムを校正することができる。 もちろん、レーザー光線の光周波数は、適当な検出手段が設けられていれば可 視範囲でも不可視範囲でもよい。たとえば、赤外線範囲でＣＣＤを検出手段とし て使用す ることができる。 次に、本発明を添付の図面を用いて詳細に説明する。 図１は 概略的に図示した本発明によるレーザー光線装置を備えた顕微鏡（象 徴的に図示）の主対物レンズを示す図である。 図２は 図１の変形実施形態を示す図である。 図３は 評価回路の概略構成図である。 図４は 主対物レンズ下流側でのレーザー光線の光路を示す図である。 図５は 距離測定と拡大測定とを併合した変形実施形態を示す図である。 図６は 非垂直な像・対称物面を示す図である。 本実施形態では顕微鏡を例にとって説明するが、本発明はこれに限定されるも のではなく、少なくとも一つの主対物レンズを備えた光路であればどのような光 路にも適用することができる。 主対物レンズ１８と、接眼レンズ８と、光軸１１とを備えた顕微鏡１内には、 ２つの転向ミラー１２ａと１２ｂを担持している透明な担持板１０が配置されて いる。本実施形態ではこれら転向ミラー１２ａ，１２ｂは整列しているが、これ に限定されるものではない。転向ミラー１２ａは半透明のスプリッターミラーで あり、したがってレーザー光線２（場合によっては顕微鏡の外部に配置されるレ ーザー光線源から放出される）は、２つの部分光線２ａ，２ｂに分割される。 転向ミラー１２ａ，１２ｂの下流側には、レーザー光線２ａと２ｂを光学的に コード化する絞り９ａと９ｂが配置されている。平行なレーザー部分光線２ａと ２ｂは、主対物レンズ１８を通過する際に、焦点面Ａ内にある主対物レンズ１８ の焦点５の方向へ屈曲する。このとき被検査物６が焦点面Ａの外側にあれば、レ ーザー部分光線２ａと２ｂは被検査物６に２つの発光マーク２０ａと２０ｂを生 じさせる。両発光マーク２０ａと２０ｂの間の距離１３は、主対物レンズ１８の 主面７と対物レンズ６の間の間隔Ｚを表わす量であり、或いは距離ｆ（焦点距離 ）マイナスＺに対応している。 図２は、時間的にコード化される部分光路２ａと２ｂの変形実施形態を示す。 この部分光路２ａと２ｂを発生させるため、レーザー光線は互いに整列している ２つの転向ミラー１７ａと１７ｂにより、互いに整列していない他の転向ミラー １２ｃ（しかし主対物レンズ１８の前に配置されている）の方向へ転向される。 この場合転向ミラー１７ａは部分透過性を有し、もしくは半透明である。転向ミ ラー１７と１２の間には、穴１６を備えた回転する穴付き絞り１４が設けられて いる。穴付き絞り１４は駆動部１５により回転せしめられる。穴１６と一方の部 分光路２ａまたは２ｂが重なったときだけ、この部分光路は主対物レンズ１８に よりフォーカシングされる。 図示した穴付き絞り１４の代わりに、従来の技術で知られているすべてのシャ ッターを使用してもよい。或い は、２つのパルスレーザーを使用してもよい。幾何学的なコーディングまたはパ ルスコーディングの代わりに、もちろんカラーコーディングでもよい。図１と図 ２に図示した実施形態は、理論的には裸眼による距離読み取りにも適しており、 たとえば接眼レンズ８を覗いている使用者に両スポット２０ａと２０ｂの距離測 定を可能にするスケーリングを観察光路内に設けることができる。 しかし、図３に図示した読み取り電子系が有利である。図３は図１の構成の詳 細を示したものである。平板状の透明な光学系担持体２４はほぼ中心に転向ミラ ー２５を担持している。転向ミラー２５は、対象物６から来る光線の一部分を結 像系２６を介して、局部的に感光性の光電検出器２７、たとえばＣＣＤ上に結像 させる。光学系担持体２４は、平行光線路内に設けた主対物レンズ１８のすぐ後 方に装着されている。このようにして、対象物６に形成される光像２０ｂと２０ ａを検出器２７に結像させることができる。評価ソフトウェアと適当なコンピュ ータを備えた評価ユニット１９には、たとえばＺ間隔を表示する表示ディスプレ イ２１が接続されている。評価ユニット１９の出力側には、顕微鏡を制御する構 成要素、たとえばオートフォーカス２２または立体動作用の出力部２３、特に顕 微鏡１或いは対象物６の相対位置を検出するための出力部２３を接続してもよい 。 光学系担持体１０または２４、或いは小型の転向要素１２ａ，１２ｂ，１２ｃ ，１７ａ，１７ｂは、特許出願 ＰＣＴ／ＥＰ９５／０１３１１またはＰＣＴ／ＥＰ９５／０１３０１に記載のも のを使用することができるが、もちろん本発明の範囲内で、光路から情報を反射 させるための、或いは取り出すための従来の他のすべての方式を採用してよい。 しかし、前記透明な光学系担持体を使用する方式が有利である。 主対物レンズ１８の前方に平行な光路を生じさせることは必ずしも必要でなく 、レーザー光線を任意の角度で主対物レンズ１８を貫通させてもよい。ただしこ の場合、対象物の面内におけるスポット間隔１３が対象物の面に関する主対物レ ンズ１８の合焦状態に対応するよう接続部において調整され、設定するのが前提 である。 図４の概略図は以下のことを示している。焦点Ｆの前方に被観察点Ｔがある。 レーザー光線Ｓ１は面Ｂ内に点Ｐ（Ｓ１）を生じさせる。レーザー光線Ｓ２は点 Ｐ（Ｓ２）を生じさせる。点Ｐ（Ｓ１）と点Ｐ（Ｓ２）は同じでない。これら２ つの点の間隔１３から、被観察点Ｔと合焦面Ａとの間隔が得られる。いまこれら ２つの点の相対位置を考慮すると、被観察点Ｔと合焦面Ａとの間隔が正の符号を 持つか、負の符号を持つかがわかる。被観察点Ｔが焦点Ｆの前方にあれば、顕微 鏡１を通じて見て点Ｐ（Ｓ１）は点Ｐ（Ｓ２）の右側にある。逆であれば、被観 察点Ｔ’は焦点Ｆの後方にある。この考察から明らかなことは、これら２つの点 Ｐ（Ｓ１）とＰ（Ｓ２）は別個に記録されること、すなわちコード化されていな け ればならないことである。すでに述べたように、これらの点を幾何学的にコード 化することができ、したがって点Ｐ（Ｓ１）がいつ発光し、点Ｐ（Ｓ２）がいつ 発光したかを正確に知ることによって、点Ｐ（Ｓ１）とＰ（Ｓ２）を区別するこ とができ、或いは適宜時間的にコード化することができる。これらの情報はコン ピュータに入力され、或いは方法の中に組み込まれ、これから焦点の前方にある か、または後方にあるかを算出することができる。 図５の変形実施形態は、Ｚ間隔を測定できるばかりでなく、ビームスプリッタ ー１２ｃ，１２ｄを介して拡大測定（Ｔ測定）も可能である。このためレーザー 光線２はさらに部分光線Ｓ２’とＳ２”に分割され、これらの部分光線は互いに 所定の角度αを成している。部分光線Ｓ２’とＳ２”は、図５には図示していな い顕微鏡１の他の光学系を通り、顕微鏡１の倍率を決定するために評価される。 この種の評価はＰＣＴ／ＥＰ９５／０１３１１に詳細に説明されている（特に、 この公報の図１ないし図７および第８頁ないし第１５頁の説明を参照）。この公 報に記載されている実施形態はすべて、測定光線の記録と評価に関し有効に使用 できる。 図６は対象物の面が傾斜し、間隔ａ１とａ２が光軸１１に対して非対称である 場合の問題性を示している。 本発明は、たとえばＰＣＴ／ＥＰ９５／０１３１１に説明されているような拡 大測定と組み合わせると有利で ある。このために必要な事項は当業者であれば前記ＰＣＴ出願から自明であり、 よってこのＰＣＴ出願の中に明瞭に開示されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１１月１２日（１９９８．１１．１２） 【補正内容】 請求の範囲 １．対象物（６）の表面と主対物レンズ（１８）との間隔（Ｚ）を光線を用いて 測定する方法において、光線の、コード化により互いに区別可能な少なくとも２ つの部分光線（２ａ，２ｂ）を、主対物レンズ（１８）前方の平行光路内におい て主対物レンズ（１８）により対象物（６）のほうへ指向させ、部分光線（２ａ ，２ｂ）が対象物（６）の表面にスポット（２０ａ，２０ｂ；Ｐ(Ｓ１)，Ｐ(Ｓ ２)）を生じさせ、これらスポットの相互の距離を、 前記間隔（Ｚ）を算出する ための量として評価ユニット（１９）において評価することを特徴とする方法。 ２．少なくとも一つの半透明のミラー（１２ａ；１７ａ）を用いて一つの光線（ ２）を分割することにより前記２つの部分光線（２ａ，２ｂ）を生じさせること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３．各部分光線（２ａ，２ｂ）を、場合によっては絞り（９ａ，９ｂ）を介して 区別可能に幾何学的にコード化し、評価の際に、光軸（１１）のまわりでの結像 部分光線像の左右交代が、合焦面（Ａ）のまわりでの対象物（６）の正負Ｚシフ トを表わすことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。 ４．部分光線（２ａ，２ｂ）をカラーコード化または周波数コード化し、或いは パルス変調し、これに対応し て、評価の際にカラーフィルタまたは像点積分器を使用することを特徴とする、 請求項１に記載の方法。 ５．請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置であ って、主対物レンズ（１８）が対象物（６）の表面までの間隔（Ｚ）内にある前 記装置 において、 主対物レンズ（１８）の後方に、コード化により互いに区別可能な少なくとも２ つの部分光線（２ａ，２ｂ）を主対物レンズ（１８）により対象物（６）の方向 へ送って、対象物（６）の表面にスポット（２０ａ，２０ｂ；Ｐ(Ｓ１)，Ｐ(Ｓ ２)）を生じさせる 少なくとも１つの光学的放射源（３）が配置されていること 、スポット（２０ａ，２０ｂ；Ｐ(Ｓ１)，Ｐ(Ｓ２)）間の距離から主対物レンズ （１８）と対象物（６）の表面との前記間隔（Ｚ）を算出する評価ユニット（１ ９）が設けられていること を特徴とする装置。 ６．部分光線（２ａ，２ｂ）をフェードインするため、および（または）対象物 （６）から来る光線の一部分をフェードアウトするため、透明で平らな光学系担 持体（１０，２４）が設けられ、光学系担持体（１０，２４）は、その上に配置 される小型で半透明の、および（または）反射性のみを備えた転向ミラー（１２ ，２５）を有していることを特徴とする、請求項５に記載の装置。 ７．主対物レンズ（１８）のすぐ後方で、対象物（６） における両部分光線（２ａ，２ｂ）の画像情報が局部解像性の光電検出器（２７ ）に結像され、光電検出器（２７）が評価ユニット（１９）に接続され、評価ユ ニット（１９）が、場合によっては間隔表示器（２１）および（または）オート フォーカス装置（２２）および（または）立体測定用の出力部（２３）に接続さ れていることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。 ８．パルス変調される部分光線（２ａ，２ｂ）を用いて方法を実施するための請 求項５から７までのいずれか一つに記載の装置において、放射源（３）に光線分 割装置（１７）が付設され、光線分割装置（１７）の上流側にシャッターホイー ル（１４）または回転可能な穴付き絞り（１４）またはＬＣＤシャッター要素が 設けられていることを特徴とする装置。 ９．赤外線領域の部分光線（２ａ，２ｂ）の光が選定されていることを特徴とす る、請求項５から８までのいずれか一つに記載の装置。 １０．光学系の倍率の決定に関し評価可能な２つの部分光線（Ｓ２’とＳ２“） を生じさせるため、光路内に付加的なスプリッターミラー（１２ｃ，１２ｄ）が 配置されていることを特徴とする、請求項５から９までのいずれか一つに記載の 装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．対象物（６）の対象物表面と主対物レンズ（１８）との間隔（Ｚ）を光線を 用いて測定する方法において、 光線の少なくとも２つの部分光線（２ａ，２ｂ）を、主対物レンズ（１８）前 方の平行光路内において主対物レンズ（１８）により対象物（６）のほうへ指向 させ、部分光線（２ａ，２ｂ）と対象物（６）の表面とのスプリットイメージ(S chnittbild)を、前記間隔（Ｚ）を算出するための量として評価ユニット（１９ ）において評価することを特徴とする方法。 ２．少なくとも一つの半透明のミラー（１２ａ；１７ａ）を用いて一つの光線（ ２）を分割することにより前記２つの部分光線（２ａ，２ｂ）を生じさせること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３．各部分光線（２ａ，２ｂ）を、場合によっては絞り（９ａ，９ｂ）を介して 区別可能に幾何学的にコード化し、評価の際に、光軸（１１）のまわりでの結像 部分光線像の左右交代が、合焦面（ａ）のまわりでの対象物（６）の正負Ｚシフ トを表わすことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。 ４．部分光線（２ａ，２ｂ）をカラーコード化または周波数コード化し、或いは パルス変調し、これに対応して、評価の際にカラーフィルタまたは像点積分器を 使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ５．請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置にお いて、 主対物レンズ（１８）の後方に、少なくとも２つの部分光線（２ａ，２ｂ）を 主対物レンズ（１８）により対象物（６）の方向へ送る少なくとも一つの光学的 放射源（３）が配置されていることを特徴とする装置。 ６．部分光線（２ａ，２ｂ）をフェードインするため、および（または）対象物 （６）から来る光線の一部分をフェードアウトするため、透明で平らな光学系担 持体（１０，２４）が設けられ、光学系担持体（１０，２４）は、その上に配置 される小型で半透明の、および（または）反射性のみを備えた転向ミラー（１２ ，２５）を有していることを特徴とする、請求項５に記載の装置。 ７．主対物レンズ（１８）のすぐ後方で、対象物（６）における両部分光線（２ ａ，２ｂ）の画像情報が局部解像性の光電検出器（２７）に結像され、光電検出 器（２７）が評価ユニット（１９）に接続され、評価ユニット（１９）が、場合 によっては間隔表示器（２１）および（または）オートフォーカス装置（２２） および（または）立体測定用の出力部（２３）に接続されていることを特徴とす る、請求項５または６に記載の装置。 ８．パルス変調される部分光線（２ａ，２ｂ）を用いて方法を実施するための請 求項５から７までのいずれか 一つに記載の装置において、放射源（３）に光線分割装置（１７）が付設され、 光線分割装置（１７）の上流側にシャッターホイール（１４）または回転可能な 穴付き絞り（１４）またはＬＣＤシャッター要素が設けられていることを特徴と する装置。 ９．赤外線領域の部分光線（２ａ，２ｂ）の光が選定されていることを特徴とす る、請求項５から８までのいずれか一つに記載の装置。 １０．光学系の倍率の決定に関し評価可能な２つの部分光線（Ｓ２’とＳ２”） を生じさせるため、光路内に付加的なスプリッターミラー（１２ｃ，１２ｄ）が 配置されていることを特徴とする、請求項５から９までのいずれか一つに記載の 装置。