專利名稱:自動(dòng)聚焦的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量物體和物鏡之間距離的自動(dòng)聚焦裝置和方法,根據(jù)測(cè)得的值進(jìn)行聚焦。
在如光學(xué)顯微鏡或測(cè)度儀這樣的光學(xué)測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域,已有自動(dòng)聚焦裝置被用于對(duì)已觀測(cè)到的物體進(jìn)行自動(dòng)聚焦。
在自動(dòng)聚焦儀器中,有那種向物體入射激光束并檢測(cè)從物體反射的激光束的聚焦化器用于測(cè)量距離以進(jìn)行自動(dòng)聚焦。這些自動(dòng)聚焦儀器包括一個(gè)光電探測(cè)器如光電二極管,并檢測(cè)從光電探測(cè)器反射的激光束。
如果自動(dòng)聚焦儀器用于光學(xué)顯微鏡,則從光源發(fā)出的激光束通過(guò)物鏡照射到物體上。通過(guò)物鏡照明的激光束被物體反射,再經(jīng)過(guò)物鏡又照射到光電探測(cè)器上。
反射的激光束在與物體和物鏡之間的距離相關(guān)聯(lián)的光電二極管上形成一個(gè)光斑。對(duì)于有自動(dòng)聚焦裝置裝載其上的光學(xué)顯微鏡,移動(dòng)物鏡以在一個(gè)處于預(yù)置位置的光電二極管上形成反射激光束的光斑。這樣就實(shí)現(xiàn)了在光學(xué)顯微鏡上的聚焦。
同時(shí),上述的自動(dòng)聚焦裝置也被研制用于如對(duì)光盤的光學(xué)拾取裝置中。在這種自動(dòng)聚焦裝置中,光源輻射光斑可被縮小為圓形光斑的激光束。
在這種情形中,試圖將自動(dòng)聚焦裝置中的激光束光斑的直徑減小至一個(gè)盡可能小的值。以這種方式,自動(dòng)聚焦裝置可對(duì)光學(xué)設(shè)備如光學(xué)拾取裝置實(shí)現(xiàn)精確聚焦。
這種用于光學(xué)設(shè)備如光學(xué)顯微鏡的自動(dòng)聚焦裝置需要對(duì)明亮和黑暗部分呈現(xiàn)顯著不同或具有非平滑表面態(tài)的物體實(shí)現(xiàn)精確的聚焦。如果物體的表面狀態(tài)很差,并且自動(dòng)聚焦裝置采用具有小直徑圓形光環(huán)的激光束斑,則反射的激光束被干擾。因此,對(duì)于自動(dòng)聚焦裝置,不能通過(guò)光電探測(cè)器最佳檢測(cè)反射的激光束,于是不能聚焦。
另一方面,如果自動(dòng)聚焦裝置被用于光學(xué)測(cè)量設(shè)備如光學(xué)顯微鏡,則需要對(duì)大于激光束光斑直徑的視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)聚焦。但是,因?yàn)閷?duì)物體照明的是小光斑直徑的激光束,所以僅對(duì)由激光照明的光學(xué)顯微鏡視場(chǎng)中的點(diǎn)聚焦。如果僅對(duì)光學(xué)顯微鏡視場(chǎng)中的點(diǎn)聚焦,則會(huì)帶來(lái)不能對(duì)其它部分實(shí)現(xiàn)聚焦的不便利。
為了避免這些問(wèn)題,有人提出在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)對(duì)小直徑的圓形光斑掃描,并對(duì)掃描線上各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行平均,得出一個(gè)用于進(jìn)行聚焦的平均值。但是,如果使用這種方法,則需要提供一個(gè)掃描激光束的機(jī)構(gòu),因而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜并耗費(fèi)聚焦時(shí)間。
因此,本發(fā)明的目的在于提供一種自動(dòng)聚焦方法和裝置,其中激光束照射到物體上,無(wú)需對(duì)正確的聚焦進(jìn)行掃描。
本發(fā)明提供的一種自動(dòng)聚焦方法對(duì)物體和物鏡間的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量以實(shí)現(xiàn)聚焦,該方法包括步驟經(jīng)過(guò)柱狀透鏡傳遞照射到物體上的激光束并將激光束會(huì)聚到一個(gè)方向,輻射激光束然后通過(guò)物鏡在一個(gè)方向上以線性形式將光束會(huì)聚到物體上,集中并探測(cè)由輻射到物體上的激光束反射產(chǎn)生的線性反射光束,從探測(cè)到的反射激光束測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置進(jìn)行聚焦。
這種自動(dòng)聚焦方法還被設(shè)計(jì)成在一個(gè)方向的激光被會(huì)聚后,至少其一部分被具有鏡面以照明物體的遮擋片遮擋,不被遮擋片遮擋的激光由物鏡反射并照射到遮擋片的鏡面,照射到遮擋片的反射激光束被鏡面反射落到探測(cè)裝置上。
利用本發(fā)明的自動(dòng)聚焦方法,激光被布置在激光光路上的柱狀透鏡轉(zhuǎn)變成線性光斑,照射到物體上。利用這種技術(shù),探測(cè)到作為線形光斑照射的反射激光束。順此,從上述探測(cè)到的反射激光束測(cè)量出物體和物鏡之間的距離以用于聚焦。
所以,利用這種技術(shù),即使物體在亮處和暗處呈現(xiàn)明顯的差異或物體表面不光滑,反射的激光束也可以無(wú)干擾狀態(tài)照射到光電探測(cè)器上。
本發(fā)明還提供一種自動(dòng)聚焦裝置,對(duì)物體和物鏡間的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量以實(shí)現(xiàn)聚焦,該裝置包括一個(gè)向物體輻射激光束的光源,一個(gè)布置在從光源發(fā)出的激光束光軸上的柱狀棱鏡,僅將光束會(huì)聚在一個(gè)方向,還包括一個(gè)探測(cè)裝置,集中并探測(cè)通過(guò)柱狀透鏡以線形形式反射的激光束。探測(cè)裝置通過(guò)反射激光束形成的光斑測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置以用于聚焦。
對(duì)于本發(fā)明的自動(dòng)聚焦裝置,因?yàn)橹鶢钔哥R布置在光源發(fā)出的激光光路上,所以照射到物體上的是線形激光束。該自動(dòng)聚焦裝置用線形激光束的反射光束實(shí)現(xiàn)聚焦。因此,對(duì)于本發(fā)明的自動(dòng)聚焦裝置,可測(cè)量物體和物鏡間的距離以進(jìn)行聚焦校正,即使物體在明暗處顯示顯著的差別或即使物體的表面不光滑。
對(duì)于本發(fā)明的自動(dòng)聚焦方法和自動(dòng)聚焦裝置,用呈線形光斑的激光束測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置。因此,對(duì)于本發(fā)明,可以在照射激光束不受物體表面狀態(tài)影響的情況下測(cè)得物體和物鏡間的相對(duì)位置。所以,對(duì)于本發(fā)明的自動(dòng)聚焦方法和自動(dòng)聚焦裝置,可在很寬的區(qū)域和短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行聚焦。
圖1是采用本發(fā)明自動(dòng)聚焦裝置的光學(xué)顯微鏡,尤其還顯示了自動(dòng)聚焦裝置中來(lái)自橫側(cè)的激光束。
圖2是采用本發(fā)明自動(dòng)聚焦裝置的光學(xué)顯微鏡,尤其還顯示了自動(dòng)聚焦裝置中來(lái)自垂直于圖1所示橫側(cè)的激光束。
圖3是用于本發(fā)明自動(dòng)聚焦裝置中的激光斑。
圖4a至圖4c是形成在兩段式探測(cè)器上的反射激光束光斑的光路,其中圖4a是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)大于焦距的距離的情形,圖4b是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)等于焦距的距離的情形,圖4c是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)小于焦距的距離的情形。
圖5a至5c是形成在兩段式探測(cè)器上的反射激光束光斑的平面圖,其中圖5a是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)大于焦距的距離的情形,圖5b是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)等于焦距的距離的情形,圖5c是物鏡和物體分開(kāi)一個(gè)小于焦距的距離的情形。
圖6a是照射到光電二極管PA和光電二極管PB上的反射激光束光量的曲線,圖6B是從光電二極管PA中減去二極管PB的光量所獲得的聚焦誤差信號(hào)的曲線。
圖7是本發(fā)明另外實(shí)施例整體型光學(xué)顯微鏡的示意圖。
下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的解釋。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中,自動(dòng)聚焦裝置和自動(dòng)聚焦方法應(yīng)用到圖1所示的光學(xué)顯微鏡1上。但本發(fā)明的自動(dòng)聚焦裝置和自動(dòng)聚焦方法也可應(yīng)用到其它的光學(xué)裝置上,如測(cè)度儀上,不局限于光學(xué)顯微鏡。
在圖示的實(shí)施例中,光學(xué)顯微鏡1包括一個(gè)具有物鏡2和目鏡3、放置在被觀察的物體4對(duì)面的鏡頭筒單元5,一個(gè)對(duì)物體4輻射照明光束的照明單元6和一個(gè)測(cè)量物體4和物鏡2分開(kāi)距離用于聚焦的自動(dòng)聚焦裝置7。
在本光學(xué)顯微鏡1中,鏡頭筒單元5包括一個(gè)面對(duì)被觀察物體4放置的物鏡2,一個(gè)放置在穿過(guò)物鏡2的光束光軸上的目鏡3。鏡頭筒單元5還包括一個(gè)設(shè)置在穿過(guò)反射鏡8的光束光軸上的CCD9,用于對(duì)透射光探測(cè)并成象。
在本光學(xué)顯微鏡1中,照明單元4包括一個(gè)輻射照明光束的照明光源10,一個(gè)第一透鏡11,一個(gè)光闌12,一個(gè)濾波器13,一個(gè)第二透鏡14和一個(gè)照明鏡15,這些組件按上述的順序布置在同一光軸上。
在本光學(xué)顯微鏡1中,自動(dòng)聚焦裝置7包括一個(gè)由激光二極管組成的用于輻射激光束的光源16,一個(gè)布置在光源16發(fā)出的激光束光軸上的柱狀透鏡17,一個(gè)用于至少遮擋穿過(guò)柱狀透鏡17的光束一部分的刃形邊緣18,一個(gè)用于會(huì)聚被刃形邊緣18遮擋的激光束的透鏡19和一個(gè)用于反射激光束,以將由透鏡19會(huì)聚的激光束透過(guò)物鏡2的反射鏡20,如圖1和2所示。自動(dòng)聚焦裝置7還包括一個(gè)光電探測(cè)器21,用于探測(cè)從物體4反射的激光束。
光電探測(cè)器接收天線單元21包括上述刃形邊緣18,反射由刃形邊緣18反射的反射激光束22的反射鏡,探測(cè)由反射鏡對(duì)反射激光束22反射的激光束光斑的兩段式探測(cè)器23。
對(duì)于圖示中實(shí)施例的光學(xué)顯微鏡1,通過(guò)自動(dòng)聚焦裝置7在向著或離開(kāi)物體4的方向上移動(dòng)物鏡2來(lái)聚焦。
自動(dòng)聚焦裝置7在聚焦時(shí)對(duì)物體4輻射激光。自動(dòng)聚焦裝置7通過(guò)光電探測(cè)器21探測(cè)被物體4反射的照明激光束以測(cè)量物體4和物鏡2之間的相對(duì)位置。
在自動(dòng)聚焦裝置7,從光源16發(fā)出的預(yù)定激光落到柱狀透鏡17上。入射到柱狀透鏡17上的激光在其一個(gè)方向上被準(zhǔn)直,而在其它方向上直接穿過(guò)透鏡,因此呈現(xiàn)一個(gè)大致為橢圓形的光斑。穿過(guò)柱狀透鏡17的激光束在入射到透鏡19之前被刃形邊緣18在大致沿長(zhǎng)軸的中心位置遮擋。
當(dāng)激光束入射到透鏡19上時(shí),大致為橢圓形光斑的長(zhǎng)軸方向被準(zhǔn)直,短軸方向被會(huì)聚。然后激光被反射鏡20反射并進(jìn)入鏡頭筒單元5落到物體上2。激光束在照到物體4上之前還被物鏡2會(huì)聚。
因?yàn)楣庠摧椛涞募す獍慈缟纤龅姆绞酱┻^(guò)具有柱狀透鏡17的光學(xué)系統(tǒng),所以如果物鏡2對(duì)于物體4聚焦,則在物體4上形成如圖3所示的線形光斑S。
照射到物體4上的激光束經(jīng)反射為反射激光束。該反射激光束經(jīng)過(guò)物鏡2、反射鏡20和透鏡19照射到刃形邊緣18落到光電探測(cè)器21上。照射到刃形邊緣18上的反射激光束由此被反射照射到反射激光束22的反射鏡上。反射的激光束被反射激光束22的反射鏡反射,從而照到兩段式探測(cè)器23上。反射的激光束在兩段式探測(cè)器23上形成光斑。
這也就是對(duì)于本光學(xué)顯微鏡1,激光束由自動(dòng)聚焦裝置7在圖2中箭頭所指的方向A上照射,照射圖2中箭頭B所示方向上的反射光。
兩段式探測(cè)器由二個(gè)光電二極管PA和PB組成,用于探測(cè)照射到其上的反射激光束。
具體地說(shuō),如果物體4和物鏡2的位置相隔大于物鏡2的焦距,如圖4a所示,則激光束在非聚焦?fàn)顟B(tài)照射到兩段式探測(cè)器23上。在這種情況下,僅在光電二極管PA上形成寬闊的光斑。
如果物體4和物鏡2的位置相隔等于物鏡2的焦距,如圖4b所示,則激光束在聚焦?fàn)顟B(tài)照射到兩段式探測(cè)器23上。在這種情況下,在橫跨光電二極管PA和PB的兩側(cè)形成唯一的光斑。
如果物體4和物鏡2的位置相隔小于物鏡2的焦距,如圖4c所示,則激光束在非聚焦?fàn)顟B(tài)照射到兩段式探測(cè)器23上。在這種情況下,僅在光電二極管PB上形成寬闊的光斑。
對(duì)于本自動(dòng)聚焦裝置7,如上所述,形成在兩段式探測(cè)器23上的反射激光束的光斑依據(jù)物體4和物鏡2的相對(duì)位置而變得不同。自動(dòng)聚焦裝置7探得兩段式探測(cè)器23上的光斑用于測(cè)量物體4和物鏡2的相對(duì)位置。自動(dòng)聚焦裝置7根據(jù)測(cè)量值驅(qū)動(dòng)物鏡2以聚焦。
具體來(lái)說(shuō),兩段式探測(cè)器23探測(cè)入射到光電二極管PA和PB上的光量,如圖6所示。兩段式探測(cè)器23借助于控制器24取得光電二極管PA和光電二極管PB的信號(hào)間的差,如圖6b所示。在這種方式下,控制器24根據(jù)以S形曲線獲得的所謂的聚焦誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)物鏡2。
本自動(dòng)聚焦裝置7驅(qū)動(dòng)物鏡,使得物鏡2和物體4處于聚焦?fàn)顟B(tài),如圖4b所示,并且使得將在光電二極管PA和PB上形成光斑,如圖5c所示。這也就是本自動(dòng)聚焦裝置7驅(qū)動(dòng)物鏡,使得在控制器24中的聚焦誤差信號(hào)將代表圖6b中的點(diǎn)A。
對(duì)于因而由自動(dòng)聚焦裝置7聚焦的光學(xué)顯微鏡1,照明單元6發(fā)出照明光照射到物體4上。該照射光借助于鏡頭筒單元5形成物體4的象。
照明單元6從照明光源10中發(fā)出預(yù)定光量的光。該光由第一透鏡11會(huì)聚,經(jīng)過(guò)光闌12和濾波器13落在第二透鏡14上。入射到第二透鏡14上的照明光被減小到理想的光斑直徑,并由照明鏡15反射進(jìn)入鏡頭筒單元5,落到物鏡2上。照明光由物鏡2準(zhǔn)直,以一理想的光斑尺寸照射到物體4上。
光學(xué)顯微鏡1用如上述所述發(fā)出的、由物鏡2、目鏡3和CCD9會(huì)聚的照明光對(duì)物體4成象。光學(xué)顯微鏡1通過(guò)具有柱狀透鏡17的自動(dòng)聚焦裝置7測(cè)得物體4和物鏡2的相對(duì)位置以實(shí)現(xiàn)聚焦。
這也就是自動(dòng)聚焦裝置7通過(guò)在物體4上照射線形激光束實(shí)現(xiàn)聚焦。因此,即使在物體4表面的光暗顯著不同,也不會(huì)破壞光束的完整性。自動(dòng)聚焦裝置7的使用,可以不依賴于物體4的表面狀態(tài)實(shí)現(xiàn)聚焦校正。
另外,如果欲對(duì)光學(xué)顯微鏡1的全視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)聚焦,使用自動(dòng)聚焦裝置7也可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到,因?yàn)槭蔷€形激光被用于聚焦。這也就是對(duì)于自動(dòng)聚焦裝置7,使用線形激光不需要激光掃描整個(gè)視場(chǎng)就可實(shí)現(xiàn)聚焦。
另外,對(duì)于光學(xué)顯微鏡1,如果物體4有兩層或多層,可通過(guò)對(duì)控制器24提供一個(gè)位置補(bǔ)償將待輻照的層用激光詳盡照射。這也就是對(duì)于本光學(xué)顯微鏡1,可以僅對(duì)處于理想高度的物體4聚焦。
同時(shí),圖示實(shí)施例的光學(xué)顯微鏡不僅局限于照明單元6有一個(gè)不同于自動(dòng)聚焦裝置7的光路的結(jié)構(gòu)。相反,光學(xué)顯微鏡1還可以是整體型的光學(xué)顯微鏡30,照明單元6有一個(gè)如同自動(dòng)聚焦裝置7的正弦光路。
在下列對(duì)圖7中所示的整體型光學(xué)顯微鏡30的描述中,與上述光學(xué)顯微鏡1中對(duì)應(yīng)的部分或組成采用相同的標(biāo)號(hào),并為簡(jiǎn)單起見(jiàn),省去對(duì)其結(jié)構(gòu)和操作的描述。
圖7中所示的整體型光學(xué)顯微鏡30粗略地由一個(gè)整體型裝置31組成,包括一個(gè)有物鏡2和CCD9并被設(shè)置在物體4對(duì)面的鏡頭筒單元5,一個(gè)輻射照明光束的照明單元6和輻射聚焦光束的自動(dòng)聚焦裝置7。
整體型裝置31具有這樣的結(jié)構(gòu),照明單元6的照明鏡15設(shè)置在反射鏡20和組成自動(dòng)聚焦裝置7的透鏡19之間。對(duì)于整體型光學(xué)顯微鏡30,結(jié)構(gòu)如上所述,從整體型裝置31的照明光源10發(fā)出的照明光的光軸和自動(dòng)聚焦裝置7的激光束光軸疊合作為照明光并進(jìn)入鏡頭筒單元5。照明光和激光落到鏡頭筒單元5中的物鏡2上從而照射物體4上。
對(duì)于上述的整體型光學(xué)顯微鏡30,物體4和物鏡2間的聚焦可達(dá)到和上述的光學(xué)顯微鏡1一樣的精確度。另外,因?yàn)檎彰鲉卧?和自動(dòng)聚焦裝置7在本整體型光學(xué)顯微鏡30中稱為一個(gè)獨(dú)立的整體單元,所以顯微鏡的尺寸可以減小。
本發(fā)明的自動(dòng)聚焦方法和裝置不局限于光學(xué)顯微鏡1和30。本發(fā)明當(dāng)然還可以應(yīng)用到具有光學(xué)系統(tǒng)和需要聚焦的任意的光學(xué)設(shè)備中。
對(duì)于上述的實(shí)施例,用到了所謂的刃形邊緣法,在該法中,刃形邊緣形狀的遮擋片用作探測(cè)裝置探測(cè)反射的激光。但是,本發(fā)明的自動(dòng)聚焦方法和裝置不局限于上述的探測(cè)反射激光的探測(cè)裝置,如也可采用傅科(Foucault)法或臨界角法。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)測(cè)量物體和物鏡的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦的自動(dòng)聚焦法,包括步驟經(jīng)過(guò)柱狀透鏡傳遞照射到物體上的激光束并僅在一個(gè)方向上會(huì)聚激光束;輻射激光束,然后通過(guò)物鏡在一個(gè)方向上以線性形式將光束會(huì)聚到物體上;集中并探測(cè)由輻射到物體上的激光束反射所產(chǎn)生的線性反射光束;和從探測(cè)到的反射激光束測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置進(jìn)行聚焦。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)聚焦法,還包括用遮擋片至少遮擋被會(huì)聚的一個(gè)方向的激光的一部分,該遮擋片具有用以照明物體上被部分遮擋的鏡面;由物鏡反射不被遮擋片遮擋的激光并照射到遮擋片的鏡面;和反射照射到遮擋片鏡面上的反射激光束,使反射的光束落到探測(cè)裝置上。
3.如權(quán)利要求2所述的自動(dòng)聚焦法,其特征在于具有兩個(gè)光電二極管的兩段式探測(cè)器被用于上述探測(cè)裝置。
4.如權(quán)利要求2所述的自動(dòng)聚焦法,其特征在于上述遮擋片是具有一個(gè)形狀為刃形邊緣的激光遮擋端的片。
5.一種通過(guò)測(cè)量物體和物鏡的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦的自動(dòng)聚焦裝置,包括一個(gè)向物體輻射激光束的光源;一個(gè)布置在從光源發(fā)出的激光束光軸上的柱狀透鏡,用于僅將光束會(huì)聚在一個(gè)方向;一個(gè)探測(cè)裝置,集中并探測(cè)通過(guò)柱狀透鏡以線形形式反射的激光束;上述探測(cè)裝置通過(guò)反射激光束形成的光斑測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置以用于聚焦。
6.如權(quán)利要求5所述的自動(dòng)聚焦裝置,其特征在于探測(cè)裝置包括一個(gè)具有鏡面并用于遮擋至少一部分激光的遮擋片;上述激光被反射到物體上,并且所得的反射的線形激光照射到遮擋片的鏡面。照射到遮擋片鏡面的激光被鏡面反射落到探測(cè)裝置上。
7.如權(quán)利要求6所述的自動(dòng)聚焦裝置,其特征在于探測(cè)裝置包括由兩個(gè)光電二極管形成的兩段式探測(cè)器。
8.如權(quán)利要求6所述的自動(dòng)聚焦裝置,其特征在于上述遮擋片是具有一個(gè)形狀為刃形邊緣的激光遮擋端的片。
全文摘要
一種能夠進(jìn)行正確聚焦的自動(dòng)聚焦裝置和方法。測(cè)量物體4和物鏡2之間的相對(duì)位置用于聚焦。照射到物體上的激光束經(jīng)過(guò)柱狀透鏡傳遞,使得被會(huì)聚在一個(gè)方向。會(huì)聚到一個(gè)方向上的激光通過(guò)物鏡2以線形形狀照射到物體4上。被物體4反射的照明激光束被探測(cè)裝置集中并探測(cè)。從探測(cè)到的反射激光束測(cè)量物體和物鏡間的相對(duì)位置以進(jìn)行聚焦。
文檔編號(hào)G02B7/28GK1191983SQ9712523
公開(kāi)日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1997年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月2日
發(fā)明者安部勇幸 申請(qǐng)人:索尼公司