專利名稱：自動聚焦的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量物體和物鏡之間距離的自動聚焦裝置和方法，根據(jù)測得的值進(jìn)行聚焦。
在如光學(xué)顯微鏡或測度儀這樣的光學(xué)測量設(shè)備領(lǐng)域，已有自動聚焦裝置被用于對已觀測到的物體進(jìn)行自動聚焦。
在自動聚焦儀器中，有那種向物體入射激光束并檢測從物體反射的激光束的聚焦化器用于測量距離以進(jìn)行自動聚焦。這些自動聚焦儀器包括一個光電探測器如光電二極管，并檢測從光電探測器反射的激光束。
如果自動聚焦儀器用于光學(xué)顯微鏡，則從光源發(fā)出的激光束通過物鏡照射到物體上。通過物鏡照明的激光束被物體反射，再經(jīng)過物鏡又照射到光電探測器上。
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光斑。對于有自動聚焦裝置裝載其上的光學(xué)顯微鏡，移動物鏡以在一個處于預(yù)置位置的光電二極管上形成反射激光束的光斑。這樣就實現(xiàn)了在光學(xué)顯微鏡上的聚焦。
同時，上述的自動聚焦裝置也被研制用于如對光盤的光學(xué)拾取裝置中。在這種自動聚焦裝置中，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，試圖將自動聚焦裝置中的激光束光斑的直徑減小至一個盡可能小的值。以這種方式，自動聚焦裝置可對光學(xué)設(shè)備如光學(xué)拾取裝置實現(xiàn)精確聚焦。
這種用于光學(xué)設(shè)備如光學(xué)顯微鏡的自動聚焦裝置需要對明亮和黑暗部分呈現(xiàn)顯著不同或具有非平滑表面態(tài)的物體實現(xiàn)精確的聚焦。如果物體的表面狀態(tài)很差，并且自動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，對于自動聚焦裝置，不能通過光電探測器最佳檢測反射的激光束，于是不能聚焦。
另一方面，如果自動聚焦裝置被用于光學(xué)測量設(shè)備如光學(xué)顯微鏡，則需要對大于激光束光斑直徑的視場實現(xiàn)聚焦。但是，因為對物體照明的是小光斑直徑的激光束，所以僅對由激光照明的光學(xué)顯微鏡視場中的點(diǎn)聚焦。如果僅對光學(xué)顯微鏡視場中的點(diǎn)聚焦，則會帶來不能對其它部分實現(xiàn)聚焦的不便利。
為了避免這些問題，有人提出在整個視場內(nèi)對小直徑的圓形光斑掃描，并對掃描線上各個點(diǎn)的測量值進(jìn)行平均，得出一個用于進(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)聚焦時間。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種自動聚焦方法和裝置，其中激光束照射到物體上，無需對正確的聚焦進(jìn)行掃描。
本發(fā)明提供的一種自動聚焦方法對物體和物鏡間的相對位置進(jìn)行測量以實現(xiàn)聚焦，該方法包括步驟經(jīng)過柱狀透鏡傳遞照射到物體上的激光束并將激光束會聚到一個方向，輻射激光束然后通過物鏡在一個方向上以線性形式將光束會聚到物體上，集中并探測由輻射到物體上的激光束反射產(chǎn)生的線性反射光束，從探測到的反射激光束測量物體和物鏡間的相對位置進(jìn)行聚焦。
這種自動聚焦方法還被設(shè)計成在一個方向的激光被會聚后，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裝置上。
利用本發(fā)明的自動聚焦方法，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)，探測到作為線形光斑照射的反射激光束。順此，從上述探測到的反射激光束測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干擾狀態(tài)照射到光電探測器上。
本發(fā)明還提供一種自動聚焦裝置，對物體和物鏡間的相對位置進(jìn)行測量以實現(xiàn)聚焦，該裝置包括一個向物體輻射激光束的光源，一個布置在從光源發(fā)出的激光束光軸上的柱狀棱鏡，僅將光束會聚在一個方向，還包括一個探測裝置，集中并探測通過柱狀透鏡以線形形式反射的激光束。探測裝置通過反射激光束形成的光斑測量物體和物鏡間的相對位置以用于聚焦。
對于本發(fā)明的自動聚焦裝置，因為柱狀透鏡布置在光源發(fā)出的激光光路上，所以照射到物體上的是線形激光束。該自動聚焦裝置用線形激光束的反射光束實現(xiàn)聚焦。因此，對于本發(fā)明的自動聚焦裝置，可測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。
對于本發(fā)明的自動聚焦方法和自動聚焦裝置，用呈線形光斑的激光束測量物體和物鏡間的相對位置。因此，對于本發(fā)明，可以在照射激光束不受物體表面狀態(tài)影響的情況下測得物體和物鏡間的相對位置。所以，對于本發(fā)明的自動聚焦方法和自動聚焦裝置，可在很寬的區(qū)域和短時間內(nèi)進(jìn)行聚焦。


圖1是采用本發(fā)明自動聚焦裝置的光學(xué)顯微鏡，尤其還顯示了自動聚焦裝置中來自橫側(cè)的激光束。
圖2是采用本發(fā)明自動聚焦裝置的光學(xué)顯微鏡，尤其還顯示了自動聚焦裝置中來自垂直于圖1所示橫側(cè)的激光束。
圖3是用于本發(fā)明自動聚焦裝置中的激光斑。
圖4a至圖4c是形成在兩段式探測器上的反射激光束光斑的光路，其中圖4a是物鏡和物體分開一個大于焦距的距離的情形，圖4b是物鏡和物體分開一個等于焦距的距離的情形，圖4c是物鏡和物體分開一個小于焦距的距離的情形。
圖5a至5c是形成在兩段式探測器上的反射激光束光斑的平面圖，其中圖5a是物鏡和物體分開一個大于焦距的距離的情形，圖5b是物鏡和物體分開一個等于焦距的距離的情形，圖5c是物鏡和物體分開一個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的曲線。
圖7是本發(fā)明另外實施例整體型光學(xué)顯微鏡的示意圖。
下面參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的解釋。
在本發(fā)明的第一實施例中，自動聚焦裝置和自動聚焦方法應(yīng)用到圖1所示的光學(xué)顯微鏡1上。但本發(fā)明的自動聚焦裝置和自動聚焦方法也可應(yīng)用到其它的光學(xué)裝置上，如測度儀上，不局限于光學(xué)顯微鏡。
在圖示的實施例中，光學(xué)顯微鏡1包括一個具有物鏡2和目鏡3、放置在被觀察的物體4對面的鏡頭筒單元5，一個對物體4輻射照明光束的照明單元6和一個測量物體4和物鏡2分開距離用于聚焦的自動聚焦裝置7。
在本光學(xué)顯微鏡1中，鏡頭筒單元5包括一個面對被觀察物體4放置的物鏡2，一個放置在穿過物鏡2的光束光軸上的目鏡3。鏡頭筒單元5還包括一個設(shè)置在穿過反射鏡8的光束光軸上的CCD9，用于對透射光探測并成象。
在本光學(xué)顯微鏡1中，照明單元4包括一個輻射照明光束的照明光源10，一個第一透鏡11，一個光闌12，一個濾波器13，一個第二透鏡14和一個照明鏡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，自動聚焦裝置7包括一個由激光二極管組成的用于輻射激光束的光源16，一個布置在光源16發(fā)出的激光束光軸上的柱狀透鏡17，一個用于至少遮擋穿過柱狀透鏡17的光束一部分的刃形邊緣18，一個用于會聚被刃形邊緣18遮擋的激光束的透鏡19和一個用于反射激光束，以將由透鏡19會聚的激光束透過物鏡2的反射鏡20，如圖1和2所示。自動聚焦裝置7還包括一個光電探測器21，用于探測從物體4反射的激光束。
光電探測器接收天線單元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，探測由反射鏡對反射激光束22反射的激光束光斑的兩段式探測器23。
對于圖示中實施例的光學(xué)顯微鏡1，通過自動聚焦裝置7在向著或離開物體4的方向上移動物鏡2來聚焦。
自動聚焦裝置7在聚焦時對物體4輻射激光。自動聚焦裝置7通過光電探測器21探測被物體4反射的照明激光束以測量物體4和物鏡2之間的相對位置。
在自動聚焦裝置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上的激光在其一個方向上被準(zhǔn)直，而在其它方向上直接穿過透鏡，因此呈現(xiàn)一個大致為橢圓形的光斑。穿過柱狀透鏡17的激光束在入射到透鏡19之前被刃形邊緣18在大致沿長軸的中心位置遮擋。
當(dāng)激光束入射到透鏡19上時，大致為橢圓形光斑的長軸方向被準(zhǔn)直，短軸方向被會聚。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會聚。
因為光源輻射的激光按如上所述的方式穿過具有柱狀透鏡17的光學(xué)系統(tǒng)，所以如果物鏡2對于物體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器23上。反射的激光束在兩段式探測器23上形成光斑。
這也就是對于本光學(xué)顯微鏡1，激光束由自動聚焦裝置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。
兩段式探測器由二個光電二極管PA和PB組成，用于探測照射到其上的反射激光束。
具體地說，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。
對于本自動聚焦裝置7，如上所述，形成在兩段式探測器23上的反射激光束的光斑依據(jù)物體4和物鏡2的相對位置而變得不同。自動聚焦裝置7探得兩段式探測器23上的光斑用于測量物體4和物鏡2的相對位置。自動聚焦裝置7根據(jù)測量值驅(qū)動物鏡2以聚焦。
具體來說，兩段式探測器23探測入射到光電二極管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驅(qū)動物鏡2。
本自動聚焦裝置7驅(qū)動物鏡，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。這也就是本自動聚焦裝置7驅(qū)動物鏡，使得在控制器24中的聚焦誤差信號將代表圖6b中的點(diǎn)A。
對于因而由自動聚焦裝置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會聚，經(jīng)過光闌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會聚的照明光對物體4成象。光學(xué)顯微鏡1通過具有柱狀透鏡17的自動聚焦裝置7測得物體4和物鏡2的相對位置以實現(xiàn)聚焦。
這也就是自動聚焦裝置7通過在物體4上照射線形激光束實現(xiàn)聚焦。因此，即使在物體4表面的光暗顯著不同，也不會破壞光束的完整性。自動聚焦裝置7的使用，可以不依賴于物體4的表面狀態(tài)實現(xiàn)聚焦校正。
另外，如果欲對光學(xué)顯微鏡1的全視場實現(xiàn)聚焦，使用自動聚焦裝置7也可在較短的時間內(nèi)達(dá)到，因為是線形激光被用于聚焦。這也就是對于自動聚焦裝置7，使用線形激光不需要激光掃描整個視場就可實現(xiàn)聚焦。
另外，對于光學(xué)顯微鏡1，如果物體4有兩層或多層，可通過對控制器24提供一個位置補(bǔ)償將待輻照的層用激光詳盡照射。這也就是對于本光學(xué)顯微鏡1，可以僅對處于理想高度的物體4聚焦。
同時，圖示實施例的光學(xué)顯微鏡不僅局限于照明單元6有一個不同于自動聚焦裝置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有一個如同自動聚焦裝置7的正弦光路。
在下列對圖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中對應(yīng)的部分或組成采用相同的標(biāo)號，并為簡單起見，省去對其結(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粗略地由一個整體型裝置31組成，包括一個有物鏡2和CCD9并被設(shè)置在物體4對面的鏡頭筒單元5，一個輻射照明光束的照明單元6和輻射聚焦光束的自動聚焦裝置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和組成自動聚焦裝置7的透鏡19之間。對于整體型光學(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，因為照明單元6和自動聚焦裝置7在本整體型光學(xué)顯微鏡30中稱為一個獨(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。
對于上述的實施例，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裝置探測反射的激光。但是，本發(fā)明的自動聚焦方法和裝置不局限于上述的探測反射激光的探測裝置，如也可采用傅科(Foucault)法或臨界角法。
權(quán)利要求
1.一種通過測量物體和物鏡的相對位置來實現(xiàn)聚焦的自動聚焦法，包括步驟經(jīng)過柱狀透鏡傳遞照射到物體上的激光束并僅在一個方向上會聚激光束；輻射激光束，然后通過物鏡在一個方向上以線性形式將光束會聚到物體上；集中并探測由輻射到物體上的激光束反射所產(chǎn)生的線性反射光束；和從探測到的反射激光束測量物體和物鏡間的相對位置進(jìn)行聚焦。
2.如權(quán)利要求1所述的自動聚焦法，還包括用遮擋片至少遮擋被會聚的一個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裝置上。
3.如權(quán)利要求2所述的自動聚焦法，其特征在于具有兩個光電二極管的兩段式探測器被用于上述探測裝置。
4.如權(quán)利要求2所述的自動聚焦法，其特征在于上述遮擋片是具有一個形狀為刃形邊緣的激光遮擋端的片。
5.一種通過測量物體和物鏡的相對位置來實現(xiàn)聚焦的自動聚焦裝置，包括一個向物體輻射激光束的光源；一個布置在從光源發(fā)出的激光束光軸上的柱狀透鏡，用于僅將光束會聚在一個方向；一個探測裝置，集中并探測通過柱狀透鏡以線形形式反射的激光束；上述探測裝置通過反射激光束形成的光斑測量物體和物鏡間的相對位置以用于聚焦。
6.如權(quán)利要求5所述的自動聚焦裝置，其特征在于探測裝置包括一個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裝置上。
7.如權(quán)利要求6所述的自動聚焦裝置，其特征在于探測裝置包括由兩個光電二極管形成的兩段式探測器。
8.如權(quán)利要求6所述的自動聚焦裝置，其特征在于上述遮擋片是具有一個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)行正確聚焦的自動聚焦裝置和方法。測量物體4和物鏡2之間的相對位置用于聚焦。照射到物體上的激光束經(jīng)過柱狀透鏡傳遞,使得被會聚在一個方向。會聚到一個方向上的激光通過物鏡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裝置集中并探測。從探測到的反射激光束測量物體和物鏡間的相對位置以進(jìn)行聚焦。
文檔編號G02B7/28GK1191983SQ9712523
公開日1998年9月2日 申請日期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 申請人:索尼公司