JP2006003542A - 所望の観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法、システムおよびこれらを用いた顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 顕微鏡装置において偽合焦することなく観察者が希望する観察位置に合焦することを可能とする。
【解決手段】 本発明の顕微鏡装置は、観察対象である試料を載せるステージ１と、対物レンズ３を備え試料Ｓの観察像を得る観察光学系（２７，２８，２，３、２９，１１など）と、ステージと対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段２１と、対物レンズ３の焦点位置に対するステージの位置を検出する手段４〜１４と、検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御する制御手段１５とを備える。検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う（Ｓ１１）。合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における出力信号の値をオフセットとし、出力信号にオフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御を行う（Ｓ１２）。
【選択図】 図６

Description

本発明は、概してオートフォーカス機能を備えた顕微鏡システムに関し、さらに詳細には、そのような顕微鏡システムにおいて観察対象（観察体または標本とも言う）に自動的に焦点を合わせる技術に関する。

近年、顕微鏡を用いて検査や記録などを行う装置は、各種機能面の自動化が進んでおり、標本にピント合わせを行うオートフォーカス（以下、ＡＦと略す）機能も自動化の必須項目となっている。これに伴い、オートフォーカスに関する種々の提案がなされている。

顕微鏡のオートフォーカス機能においてよく問題となるのは、ピントを合わせたい位置にピントが合わないこと(いわゆる「ピンぼけ」)があるということである。
例えば、不可視光を用いたアクティブＡＦの場合、この原因の１つとして、対物レンズの色収差によるピント位置のずれがある。対物レンズには、光の波長によって焦点位置がずれるという特性がある。すなわち、不可視光を用いたアクティブＡＦで検出される合焦位置と、可視光による観察者の目で判断される合焦位置には、ずれが生じる。

上記の対物レンズの色収差によるピント位置のずれを補正する技術が焦点調節装置として開示されている。この焦点調節装置では、第１４図に示すように、焦点検出光学系の前ピン位置と後ピン位置に置かれた２つの検出手段の出力信号の正規化された差信号からＳ字状のフォーカスエラー信号を求め(第１４図(Ａ)参照)、このフォーカスエラー信号に、対物レンズの色収差分のピント位置ずれに相当する信号強度のオフセットＶ０を履かせて(第１４図(Ｂ)参照)合焦動作させることにより、対物レンズの色収差によるピント位置のずれを補正している。

ただし、フォーカスエラー信号に単にオフセットを履かせただけでは、ゼロクロス点が２点(第１４図(Ｂ)に示す第１の点Ｚ１と第２の点Ｚ２)となり、ＡＦをかけられる範囲が狭くなってしまう(区間Ｌ６)。このため、この焦点調節装置では、上記２つの検出手段の出力信号の和信号に閾値Ｔ３、Ｔ４を設けることによりＡＦ駆動領域を区間Ｌ３、Ｌ５、Ｌ４に区分し(第１４図(Ｃ)参照)、第１のゼロクロス点が含まれる区間Ｌ５でのみフォーカスエラー信号にオフセットを履かせて合焦動作させるようにしている。
特開２００１−２４２３７５

しかしながら、上述の従来技術の焦点調節装置では、ゼロクロス点が２点となるのを避けるために、ＡＦ駆動領域を、フォーカスエラー信号にオフセットを履かせて合焦動作させる領域(区間Ｌ５)と、オフセットを履かせずに合焦動作させる領域(区間Ｌ３、Ｌ４)に分けている。そして、この区間を設定するために、検出手段の出力信号の和信号に閾値Ｔ３、Ｔ４を設けている。しかし、検出手段の出力信号の和信号は標本の反射率の影響を受けるため、閾値Ｔ３、Ｔ４は一意に決まるものではない。特に、閾値Ｔ４は、区間Ｌ４と区間Ｌ５の境界を決定する閾値である。標本によっては閾値Ｔ４の値が不適切となり、区間Ｌ５の中に第２のゼロクロス点が含まれてしまい、この第２のゼロクロス点に偽合焦する可能性がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、標本の反射率や対物レンズの個体差の影響を受けることなく、確実に、標本の任意の高さ位置に合焦することができる顕微鏡オートフォーカス装置を提供することを目的とする。

本発明は、一面において、顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、対物レンズを備え試料の観察像を得る観察光学系と、ステージと対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、対物レンズの焦点位置に対するステージの位置を検出する検出手段と、検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御する制御手段とを備えた顕微鏡装置におけるアクティブオートフォーカス方法を与える。本発明のアクティブオートフォーカス方法は、検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う予備合焦ステップと、合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における出力信号の値をオフセットとするオフセット設定ステップと、出力信号にオフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする本合焦ステップを含む。このような構成により、偽合焦することなく、観察者が希望する観察位置に合焦することが可能となる。

顕微鏡装置が、焦準駆動手段による前記変化の微調整を利用者の操作により可能とする半手動手段をさらに備え、オフセット設定ステップが、半手動手段を用いて希望する観察位置に焦点を合わせ、この時の出力信号の値をオフセットとして保存するステップからなり、本合焦ステップは、前記の保存したオフセットを用いる。

一実施形態では、顕微鏡装置が、複数の対物レンズを保持するレボルバを備え、対物レンズは、複数の対物レンズから選択された対物レンズである。複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求め、当該対物レンズに関係付けて保存するステップと、本合焦ステップに先立ち、利用者が複数の対物レンズから所望の対物レンズを選択するステップとをさらに備え、かつ本合焦ステップは、現在選択されている対物レンズに関係付けて保存されているオフセットを用いる。これにより、複数の対物レンズを切り換えた試料観察においても、偽合焦することなく、観察者が希望する観察位置に合焦することが可能となる。

複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求めて保存するステップが、（１）複数の対物レンズの１つを用いて検出手段の出力信号に基づき合焦制御を行うステップと、（２）半手動手段を用いて希望する観察位置に焦点を合わせる合焦ステップと、
（３）希望する観察位置に焦点を合わせた時の出力信号の値を前記１つの対物レンズのオフセットとして保存するステップと、複数の対物レンズの全てに（１）乃至（３）のステップを実行するステップとから構成されてもよい。

出力信号にオフセットを加味した信号値に基づき合焦しているか否かを周期的に判断するステップと、合焦していないと判断した場合、出力信号にオフセットを加味した信号値に基づき合焦制御を行うステップとをさらに備えてもよい。

本発明は、別の面において、観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置を与える。本発明の顕微鏡装置は、顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、対物レンズを備え試料の観察像を得る観察光学系と、ステージと対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、対物レンズの焦点位置に対するステージの位置を検出する検出手段と、検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う手段と、合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における出力信号の値をオフセットとする手段と、出力信号にオフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする手段を含む。

本発明は、さらに別の面において、顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、対物レンズを有する試料の観察像を得る観察光学系と、ステージと対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、対物レンズの焦点位置に対するステージの位置を検出する検出手段とを備えた顕微鏡装置において、検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御するアクティブオートフォーカスシステムを与える。本発明のアクティブオートフォーカスシステムは、検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う予備合焦手段と、合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における出力信号の値をオフセットとするオフセット設定手段と、出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする本合焦手段とを備える。これにより、偽合焦することなく、観察者が希望する観察位置に合焦することが可能となる。

請求項１、６および１１の発明によれば、偽合焦することなく、観察者が希望する観察位置に合焦することが可能となるため、フォーカシングの操作性が向上し、ひいては、試料観察のスループットを向上できる。

請求項３および８の発明によれば、複数の対物レンズを切り換えた試料観察においても、偽合焦することなく、観察者が希望する観察位置に合焦することが可能となる。
よって、複数の対物レンズを切り換えた試料観察においても、フォーカシングの操作性が向上し、ひいては、試料観察のスループットを向上できる。

以下、本発明の実施形態と添付図面とにより本発明を詳細に説明する。なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
〔第１の実施形態〕
第１図は、本発明の第１の実施形態による顕微鏡システムの全体構成を示す。図１において、顕微鏡システム１００は、観察対象Ｓ（これは、上記のガラスＳｇ、培養液Ｓｃおよび細胞Ｓｓなどをまとめて示したものである）を載せる固定ステージ１、照明用光源２７、平行光生成レンズ２８，ミラー２９、集光レンズ３０、複数の対物レンズ３、これらの対物レンズ３を取り付け回転可能な電動レボルバ２、任意の対物レンズ３を光路中に挿入できるようにレボルバ２を回転させるレボルバ用モータ１７、レボルバ２のどの対物レンズ取り付け位置が現在光路中に挿入されているかを検出する為のレボ穴位置検出部１８、およびレボルバ２を光軸方向に移動させる焦準用モータ２１を備えている。さらに、顕微鏡システム１００は、使用者が入力するための操作部２３、操作部２３からの入力情報とレボ穴位置検出部１８からの使用中の対物レンズ３の情報に基づきシステム全体を制御するコントロール部１５、コントロール部１５からの制御信号に基づいてレボルバ用モータ１７を駆動するレボルバ用モータ駆動部１６および焦準用モータ２１を駆動する焦準用モータ駆動部２０を備える。

観察対象Ｓは、固定ステージ１の上に載せられ、対物レンズ３で下側から観察できるようになっている。
コントロール部１５は周知のＣＰＵ回路であり、第２図に示す如く、ＣＰＵ本体３０と、システムを制御するためのプログラムを格納するＲＯＭ３１と、制御に必要なデータを格納するＲＡＭ３２と、制御信号の入出力を行うＩ／Ｏポート３３、及びＣＰＵを制御する為に必要な図示しない発振器、アドレスデコーダー等の周知の周辺回路から構成される。このＩ／Ｏポート３３やデータバス３４から、各々の周辺装置の制御を行うことになる。また、コンロトール部１５は、システム導入後に発生する種々の設定データが保存できるように、不揮発性メモリ（図示せず）を備えてもよい。

また、操作部２３は、各種操作スイッチを備え、ＡＦ開始／停止や対物レンズの切り替え等の操作やガラス厚などのＡＦに関する必要情報の入力を、観察者が行えるようになっている。さらに、操作部２３は、ＪＯＧダイアル２４を備え、これにより周知の要領でレボルバ２の上下移動の微調整が半手動で容易にできるようにすることが好ましい。

顕微鏡システム１００は、オートフォーカス手段として、レーザ駆動部１９、基準光源４、コリメートレンズ５、投光側ストッパ６、偏光ビームスプリッタ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７，集光レンズ群８，色収差補正レンズ群９、λ／４版１０、ダイクロックミラー１１、ＰＢＳ７を通過した戻り光を集光する集光レンズ群１２、集光レンズ群１２からの光を受光する受光センサ１３、受光センサ１３の出力を後述のように処理してコントロール部１５に渡す信号処理部１４、色収差補正レンズ群９を光軸方法に動かす色収差補正レンズ駆動モータ２６、および色収差補正レンズ駆動部２５を備える。

オートフォーカスに使用される基準光源４としては、赤外線レーザ等の可視外光波長領域の光源が使用される。レーザ駆動部１９は、基準光源４の強弱を制御しながら、光源４をパルス点灯させる。基準光源４からのレーザ光は、平行光を保つ為のコリメートレンズ５を通り、光束径の半分を投光側ストッパ６によりカットされる。その後、ＰＢＳ７でＰ偏光成分のみが反射され、標本側に導かれる。

集光レンズ群８により一旦集光された光束は、色収差補正レンズ群９を通過する。この色収差補正レンズ群９は、色収差補正レンズ群駆動用モータ２６により光軸方向に移動することにより、観察光と赤外線レーザの色収差補正を可能とし、ＡＦを行うとピントのあった目視観察が可能となる。

色収差補正レンズ群９を通過した光は、λ／４板１０を通過する時に４５°偏光され、ダイクロイックミラー１１に入射する。ダイクロイックミラー１１では、赤外域のみ反射されるため、レーザ光束は反射される。

反射された光束は、対物レンズ３により観察対象Ｓにスポット形状の像を形成する。そして、観察対象Ｓにより反射された光束は、逆に対物レンズ３、ダイクロイックミラー１１を通り、λ／４板１０を再び通過する時に更に４５°偏光され、Ｓ偏光成分に切り換わる。さらに、色収差補正レンズ群９、集光レンズ群８を経て、ＰＢＳ７に入射される。この時、光束は、Ｓ偏光成分になっているので、そのままＰＢＳ７を透過し、集光レンズ群１２を通過した後に受光センサ１３に結像する。

受光センサ１３は、光軸を中心に設置された２分割フォトダイオードからなる。受光センサ１３に結像されたスポットは、観察対象Ｓが対物レンズ３のピント位置にある場合は、図３Ｂに示すように、範囲が狭く高い信号強度となり、ピント位置より上側（後ピン位置）にある場合は図３Ａのように、Ｂの範囲に偏った強度分布となり、下側（前 ピン位置）にある場合は図３Ｃのように、Ａの範囲に偏った強度分布となり、それぞれ図４（ａ）に示したセンサ信号に変換される。変換された検出信号は、信号処理部１４で、ＡとＢの範囲に分割され、それぞれの範囲における強度の総和が算出される。従って図４(ａ)に示すように、横軸を対物レンズ３のピント位置に対する観察対象Ｓの相対位置、縦軸をそれぞれの受光センサに入射する光強度とすると、ピント位置を挟んで左右対称なＡ，Ｂ２つのカーブが検出できる。

この信号はコントロール部１５に入力される。コントロール部１５は、入力されたＡ，Ｂ信号から、図４(ｂ)に示すような
Ａ＋Ｂ ・・・・・（１）
及び、(ｃ)に示すような
Ｋ・（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ） ・・・・（２）
を算出する。ただし、Ｋは、式（２）の値が適当な範囲に収まるような定数である。特に図４（ｃ）の信号は、Ｓ字カーブのような特性を示し、その値を評価関数値（以下、Ｅｆ値と略す）と称する。図４（ｂ）および（ｃ）は、対物レンズ３の焦点に対する観察対象Ｓの相対位置により式（１）および（２）の値が変化するようすを示すグラフ（ｂ）および（ｃ）である。コントロール部１５は、Ｅｆ値の符号により合焦位置方向を判定する。例えば、図４のＰ１の位置からＡＦ動作を開始した場合には、Ｅｆ値の符号が正であるから、対物レンズ３を下降させる制御を行い、Ｐ２の位置からＡＦ動作を開始した場合には、Ｅｆ値の符号が負であるから、対物レンズ３を上昇させる制御を行い、最終的にＥｆ値が０となるように合焦制御を行い、観察対象Ｓを合焦へと導く。

このように、レーザ光が点灯制御され、標本に投影したレーザ光束の反射光を検出する事で、アクティブ型のＡＦ光学系が実現する。
また、観察のための照明光は照明用光源２７からレンズ２８を通り、ミラー２９で反射され、レンズ３０で集光された後、観察対象Ｓを上側から照射する。標本を透過した光は、対物レンズ３を通り、ダイクロイックミラー１１を通過して観察光となる。

以上の様な装置構成に基づき、本実施形態では、例えば、第５図に示すような細胞等の生物標本の任意の高さ位置にピントを合わせる場合について、本発明のＡＦ動作を図６乃至８のフローチャートを参照して説明する。

図６は、本実施形態のＡＦ動作の概略を示すフローチャートである。
大きく２つの動作に分れており、操作部２３を介して観察者がＡＦ開始の指示をコントロール部１５に出すと、まず、ステップＳ１１にて、通常のフォーカスエラー信号Ｆ１＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）(図５の例では、実線のフォーカスエラー信号)に基づきＡＦをかけ、観察試料Ｓのガラス表面に合焦させる。

次に、ステップＳ１２にて、ガラス表面から観察者が希望する合焦位置までの距離に相当するフォーカスエラー信号強度分のオフセットＯ(第５図参照)を、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）信号から差し引き、この信号(図５の例では、点線のフォーカスエラー信号Ｆ２＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−Ｏ）に基づいてＡＦをかけ、観察者が希望する合焦位置に合焦させる。

オフセットＯは、上記合焦動作を行う前に予め設定しておくパラメータである。ここで、オフセットＯの設定動作について、図９Ａのフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１０１にて、通常のフォーカスエラー信号Ｆ１に基づきＡＦをかけ、観察試料Ｓのガラス表面に合焦させる。この動作は、前記ステップＳ１１と同様の動作であり、その詳細は後述する。

次に、ステップＳ１０２にて、観察者がＪＯＧダイヤル２４を操作して、希望する位置にピントが合うように、対物レンズ３を移動させる。
ただし、ステップＳ１０２において、観察者が、希望する位置にピントが合うように対物レンズを移動させる際、フォーカスエラー信号Ｆがオフセット上限値Ｏmaxを越えないように対物レンズの移動を制御する。このオフセット上限値Ｏmaxは、前記ステップＳ１２にてフォーカスエラー信号Ｆ２に基づいてＡＦをかける際に、合焦判定に支障をきたさないオフセットＯの最大値であり、使用する対物レンズに応じて予め測定しておき、例えば図９Ｂに示すようにコントロール部１５のＲＯＭ３１、ＲＡＭ３２または上述の図示しない不揮発メモリに記憶しておく。図９Ｂは、各対物レンズのＩＤとオフセット上限値Ｏmaxとを関係付けて格納する表を示す。

そして、ステップＳ１０３にて、観察者が希望する合焦位置にあるときのフォーカスエラー信号強度をオフセットＯとして、ＲＡＭ３２または不揮発性メモリに記憶する。
このようにしてオフセットＯが設定される。

ここで、再び、本実施形態のＡＦ動作の説明に戻り、ステップＳ１１とステップＳ１２の動作の詳細を説明する。
第７図は、図６のステップＳ１１の動作の詳細を示すフローチャートである。図７において、まず、ステップＳ１１０にて、フォーカスエラー信号Ｆ１に基づきＡＦ動作を開始し、ステップＳ１１１にて、合焦したかどうかを判定する。合焦したかどうかの判定は、例えば、第１０図に示すように、フォーカスエラー信号の＋側と−側に対し閾値Ｊおよび−Ｊを予め設けておき、フォーカスエラー信号強度が、閾値−Ｊ〜Ｊの範囲(合焦判定範囲)に入り、かつ、フォーカスエラー信号強度の符号が反転した場合、すなわち、図中ｄの領域では、合焦したと判定する。図中ｄの領域でない場合は、合焦していないと判定する。閾値Ｊは、使用する対物レンズに応じて最適な値を予め測定しておき、コントロール部１５のＲＯＭ３１、ＲＡＭ３２または不揮発性メモリに記憶しておく。

ステップＳ１１１の合焦判定において合焦していないと判定された場合、ステップＳ１１２にて、焦準用モータ駆動部２０を介して焦準用モータ２１を駆動し、レボルバ２および対物レンズ３を光軸方向に動かす。駆動方向は、フォーカスエラー信号が負の場合、対物レンズ３が観察試料Ｓsに近づく方向(上方向)に駆動し、フォーカスエラー信号が正の場合、対物レンズ３が観察試料Ｓsから遠ざかる方向(下方向)に駆動する。

そして、再び、ステップＳ１１１にて合焦判定を行う。
上記ステップＳ１１１とステップＳ１１２の動作を繰り返し、観察資料Ｓsのガラス表面が対物レンズの焦点位置に来ると、ステップＳ１１１の合焦判定で合焦したと判定され、ステップＳ１１３にて焦準用モータ駆動部２０を介して駆動していた焦準用モータ２１を停止する。

以上のようにして、通常のフォーカスエラー信号Ｆに基づきＡＦをかけ、観察資料Ｓsのガラス表面に合焦させる。
図８は、図６のステップＳ１２の動作の詳細を示すフローチャートである。図８において、まず、ステップＳ１２０にて、今度は、オフセットを加味したフォーカスエラー信号Ｆ２に基づきＡＦ動作を開始し、ステップＳ１１１にて、合焦したかどうかを判定する。合焦判定方法については、ステップＳ１１１の合焦判定で説明した方法と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１２１の合焦判定において合焦していないと判定された場合、ステップＳ１２２にて、焦準用モータ駆動部２０を介して焦準用モータ２１を駆動し、レボルバ２および対物レンズ３を光軸方向に動かす。駆動方向の決定方法については、ステップＳ１１２で説明した駆動方向の決定方法と同様である。本実施形態では、観察者が希望する合焦位置はガラス表面よりも上方に位置するため、フォーカスエラー信号Ｆ２は負となる。よって、対物レンズ３が観察標本Ｓｓに近づく方向(上方向)に駆動する。

そして、再び、ステップＳ１２１にて合焦判定を行う。
上記ステップＳ１２１とステップＳ１２２の動作を繰り返し、観察資料Ｓｓの観察者が希望する合焦位置が対物レンズの焦点位置に来ると、ステップＳ１２１の合焦判定で合焦したと判定され、ステップＳ１２３にて焦準用モータ駆動部２０を介して駆動していた焦準用モータ２１を停止する。

以上のようにして、ガラス表面から観察者が希望する合焦位置までの距離に相当するフォーカスエラー信号強度分のオフセットＯを加味したフォーカスエラー信号Ｆ２に基づきＡＦをかけ、観察者が希望する合焦位置に合焦させる。
［作用］
従来技術の焦点調節装置では、オフセットを加味したフォーカスエラー信号の複数のゼロクロス点による偽合焦を回避するために、検出器の和信号に閾値を設け、通常のフォーカスエラー信号に基づきＡＦをかける区間と、オフセットを加味したフォーカスエラー信号に基づきＡＦをかける区間とにＡＦ駆動領域を分割していた。しかし、検出器の和信号は観察試料の反射率の影響を受けるため、閾値が不適切であった場合にはＡＦ駆動領域の分割が不適切となり偽合焦する可能性があった。

ところが、本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、ゼロクロス点が２点とならない通常のフォーカスエラー信号Ｆ１に基づき一旦ガラス表面上に合焦させる。その後で、ガラス表面から観察者が希望する任意の高さ位置に相当するフォーカスエラー信号強度分のオフセットＯを加味したフォーカスエラー信号Ｆ２に基づき、観察者が希望する任意の高さ位置に合焦させる。すなわち、観察試料の反射率の影響を受ける検出器の和信号に閾値を設ける必要がない。よって、標本の反射率の影響を受けることなく、観察者が希望する任意の高さ位置に確実に合焦させることが可能となる。
［効果］
第１の実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、標本の反射率の影響を受けることなく、観察者が希望する任意の高さ位置に確実に合焦させることが可能であるため、偽合焦によりＡＦをかけなおすといった手間がなくなり、フォーカシングの操作性が向上し、ひいては、試料観察の効率を向上させることができる。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態で示したような細胞等の生物標本の任意の高さ位置にピントを合わせた後、そのピント位置を維持し続ける場合のものである。

本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置の構成は、第１の実施形態に示した装置構成と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態のＡＦ動作を図１１および１２のフローチャートを参照して説明する。

図１１は、本実施形態のＡＦ動作の概略を示すフローチャートである。図１１において、操作部２３を介して観察者がＡＦ開始の指示をコントロール部１５に出すと、まず、ステップＳ２１の動作にて、一旦、フォーカスエラー信号Ｆ１に基づき観察試料Ｓsのガラス表面に合焦させた後、ステップＳ２２の動作で、フォーカスエラー信号Ｆ２に基づき、観察者が希望する合焦位置に合焦させる。

ステップＳ２１およびステップＳ２２の動作は、第１の実施形態で示したステップＳ１１およびステップＳ１２の動作と同じであるから、詳細な説明は省略する。
次に、ステップＳ２３にて、観察者がＡＦ動作を停止するまで、フォーカスエラー信号Ｆ２に基づきＡＦをかけ続ける制御を行うことにより、観察者が希望する合焦位置に対物レンズ３のピント位置を維持する。

この動作の詳細を、図１２のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ２３１にて、ＡＦ停止指示が出されているかどうか確認する。
ＡＦ停止指示が出されている場合、ステップＳ２３５にて焦準用モータを停止し、ＡＦ動作を終了する。

ＡＦ停止指示が出されていない場合は、ステップＳ２３２にて、フォーカスエラー信号Ｆ２に基づいた合焦判定を行う。合焦判定方法については、第１の実施形態に示した合焦判定方法と同じであるので、説明を省略する。

ステップＳ２３２にて合焦していると判定した場合、ステップＳ２３３にて焦準用モータを停止し、ＡＦ停止指示が出るまで、ステップＳ２３１、Ｓ２３２およびＳ２３３の動作を繰り返す。

しかし、機械的なドリフト等により、観察試料Ｓsと対物レンズ３との距離が合焦判定範囲を越えるくらい変化した場合には、ステップＳ２３２にて合焦していないと判定し、ステップＳ２３４にて焦準用モータを駆動して対物レンズ３を光軸方向に動かす。駆動方向の決定方法は、第１の実施形態に示した方法と同じであるため、説明を省略する。

そして、再び、ステップＳ２３２にて合焦判定を行い、観察者が希望する合焦位置にピントが合うまで、ステップＳ２３２とステップＳ２３４の動作を繰り返す。
このようにして、観察者がＡＦ動作を停止するまで、観察者が希望する合焦位置に対物レンズ３のピント位置を維持し続ける。
［作用］
以上述べた本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、第１の実施形態に示した顕微鏡オートフォーカス装置と同様に、標本の反射率の影響を受けることなく、観察者が希望する任意の高さ位置に確実に合焦させることが可能である。加えて、観察者がＡＦ動作を停止するまで、観察者が希望する任意の高さ位置にピントを維持することが可能である。
［効果］
第２の実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、第１の実施形態で示した効果に加え、温度変化等に起因する観察試料と対物レンズ間の距離の変化にもＡＦ動作が追従するため、長時間観察しても観察像のピントがぼけない安定した試料観察が可能となる。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３実施形態は、複数の対物レンズを切り換えながら、第１の実施形態で示したような細胞等の生物標本の任意の高さ位置にピントを合わせ、試料観察する場合のものである。

本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置の構成は、これまで説明してきた実施例に示した装置構成と同様であるため、説明を省略する。
また、ＡＦ動作に関しても、これまで説明してきた実施例と同様に、観察者が希望する任意の高さ位置に単発的あるいは継続的に合焦が可能なＡＦ動作となっている。

本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置では、ＡＦ動作に入る前に、レボルバ本体２に取り付けられた全ての対物レンズに対し、フォーカスエラー信号のオフセットを設定しておく点が、これまでの実施形態と異なる点である。

本実施形態のオフセット設定動作を、第１３図のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ３００にて、レボルバ本体２を回転動作させ、複数の対物レンズ３の１つ(仮に、対物レンズ３ａとする)を光路に挿入する。このとき、対物レンズと観察試料Ｓsもしくはステージ１との衝突を避けるために、対物レンズを一旦光軸下方に移動させたうえで、レボルバ本体２を回転動作させてもよい。

次に、ステップＳ３０１にて、通常のフォーカスエラー信号Ｆ１に基づきＡＦをかけ、観察試料Ｓsのガラス表面に合焦させる。この動作は、第１の実施形態に示したステップＳ１０１と同じ動作であり、詳細な説明は省略する。

次に、ステップＳ３０２にて、観察者がＪＯＧダイヤル２４を操作して、希望する位置にピントが合うように、対物レンズ３を移動させる。この動作は、第１の実施形態に示したステップＳ１０２と同じ動作である。

次に、ステップＳ３０３にて、観察者が希望する合焦位置にあるときのフォーカスエラー信号強度を、対物レンズ３ａ使用時のオフセットとして、ＲＡＭ３２に記憶する。ＲＡＭ３２には、レボルバ本体２に取り付けられた全ての対物レンズ３に対するオフセットを格納するための記憶領域が確保されており、使用する対物レンズごとにオフセットを記憶することが可能となっている。

そして、ステップＳ３０４にて、レボルバ本体２に取り付けられた全ての対物レンズに対してオフセットが設定されたかを確認し、全て設定されていない場合には、再び、ステップＳ３００にて対物レンズを切り換え(例えば、対物レンズ３ｂに切り換え)、ステップＳ３０１乃至ステップＳ３０３の動作にて、今度は、対物レンズ３ｂ使用時のオフセットをＲＡＭ３２に記憶する。

以上の動作を、レボルバ本体２に取り付けられた全ての対物レンズに対し実行することにより、レボルバ本体に取り付けられた各対物レンズ使用時のオフセットが設定される。
［作用］
このような本実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、レボルバに取り付けられた全ての対物レンズに対し、フォーカスエラー信号のオフセットを保持しているため、レボルバを回転させ対物レンズを切り換えたとしても、観察者が希望する任意の高さ位置に単発あるいは継続的に合焦させることが可能である。すなわち、対物レンズごとに最適な合焦動作が可能である。
［効果］
第３実施形態の顕微鏡オートフォーカス装置によれば、対物レンズの切り換えを伴う試料観察においても、第１の実施形態および第２の実施形態に示した効果を得ることができる。

以上は、本発明の説明のために実施形態を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って上述の実施形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。

例えば、以上の説明において、対物レンズまたはレボルバを光軸方向に移動させることにより照合動作を行う例を示したが、本発明は、ステージを光軸方向に移動させて照合を行う顕微鏡システムにも同様に適用できることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係る顕微鏡オートフォーカス装置の全体構成を示す図。 コントロール部の回路構成を示す図。 後ピン位置の場合の受光センサ上でのレーザスポットを示す図。 合焦位置の場合の受光センサ上でのレーザスポットを示す図。 前ピン位置の場合の受光センサ上でのレーザスポットを示す図。 受光センサの出力信号から算出する和信号とフォーカスエラー信号を示す図。 通常のフォーカスエラー信号およびオフセットを加味したフォーカスエラー信号と、対物レンズの焦点位置との関係を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る顕微鏡オートフォーカス装置のＡＦ動作の概略を示すフローチャート。 図６のフローチャートにおけるステップＳ１１の動作の詳細を示すフローチャート。 図６のフローチャートにおけるステップＳ１２の動作の詳細を示すフローチャート。 オフセット設定動作を示すフローチャート。 各対物レンズのＩＤとオフセット上限値Ｏmaxとを関係付けて格納する表を示す。 フォーカスエラー信号における合焦判定範囲を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡オートフォーカス装置のＡＦ動作の概略を示すフローチャート。 図１１のフローチャートにおけるステップＳ２３の動作の詳細を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態に係る顕微鏡オートフォーカス装置のオフセット設定動作を示すフローチャート。 従来技術の焦点調節装置の特徴を説明する図。

符号の説明

１ ステージ
２ レボルバ
３、３ａ、３ｂ 対物レンズ
４ 基準光源
５ コリメートレンズ
６ 投光側ストッパ
７ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
８ 集光レンズ群
９ 色収差補正レンズ群
１０ λ/４板
１１ ダイクロイックミラー
１２ 集光レンズ群
１３ 受光センサ
１４ 信号処理部
１５ コントロール部
１６ レボルバ用モータ駆動部
１７ レボルバ用モータ
１８ レボ穴位置検出部
１９ レーザ駆動部
２０ 焦準用モータ駆動部
２１ 焦準用モータ
２３ 操作部
２４ ＪＯＧダイヤル
２５ 色収差補正レンズ駆動部
２６ 色収差補正レンズ群駆動用モータ
２７ 照明用光源
２８、４０ レンズ
２９ ミラー
３０ ＣＰＵ本体
３１ ＲＯＭ
３２ ＲＡＭ
３３ Ｉ／Ｏポート
３４ データバス
Ｓ 観察試料

Claims (11)

1. 顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、対物レンズを備え前記試料の観察像を得る観察光学系と、前記ステージと前記対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、前記対物レンズの焦点位置に対する前記ステージの位置を検出する検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、前記焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御する制御手段とを備えた顕微鏡装置におけるアクティブオートフォーカス方法であり、
   前記検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う予備合焦ステップと、
   前記合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における前記出力信号の値をオフセットとするオフセット設定ステップと、
   前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする本合焦ステップを含む
   ことを特徴とする観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法。
2. 前記顕微鏡装置が、前記焦準駆動手段による前記変化の微調整を利用者の操作により可能とする半手動手段をさらに備え、
   前記オフセット設定ステップが、前記半手動手段を用いて前記希望する観察位置に焦点を合わせ、この時の前記出力信号の値を前記オフセットとして保存するステップからなり、
   前記本合焦ステップは、前記の保存したオフセットを用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法。
3. 前記顕微鏡装置が、複数の対物レンズを保持するレボルバを備え、前記対物レンズは、前記複数の対物レンズから選択された対物レンズであり、
   前記複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求め、当該対物レンズに関係付けて保存するステップと、
   前記本合焦ステップに先立ち、利用者が前記複数の対物レンズから所望の対物レンズを選択するステップとをさらに備え、かつ
   前記本合焦ステップは、現在選択されている前記対物レンズに関係付けて保存されているオフセットを用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法。
4. 前記複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求めて保存するステップが、
   （１）前記複数の対物レンズの１つを用いて前記検出手段の出力信号に基づき合焦制御を行うステップと、
   （２）前記半手動手段を用いて前記希望する観察位置に焦点を合わせる合焦ステップと、
   （３）前記希望する観察位置に焦点を合わせた時の前記出力信号の値を前記１つの対物レンズのオフセットとして保存するステップと、
   前記複数の対物レンズの全てに前記（１）乃至（３）のステップを実行するステップとからなる
   ことを特徴とする請求項３記載の観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法。
5. 前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき合焦しているか否かを周期的に判断するステップと、
   合焦していないと判断した場合、前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき合焦制御を行うステップとをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１または３記載の観察部位への合焦精度を高めたアクティブオートフォーカス方法。
6. 顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、
   対物レンズを備え前記試料の観察像を得る観察光学系と、
   前記ステージと前記対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、
   前記対物レンズの焦点位置に対する前記ステージの位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、前記焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段が、
   前記検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う予備合焦手段と、
   前記合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における前記出力信号の値をオフセットとするオフセット設定手段と、
   前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする本合焦手段を含む
   ことを特徴とする観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置。
7. 前記焦準駆動手段による前記変化の微調整を利用者の操作により可能とする半手動手段をさらに備え、
   前記オフセット設定手段が、前記半手動手段を用いて前記希望する観察位置に焦点を合わせ、この時の前記出力信号の値を前記オフセットとして保存する手段からなり、
   前記本合焦手段は、前記の保存したオフセットを用いる
   ことを特徴とする請求項６記載の観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置。
8. 前記顕微鏡装置が、複数の対物レンズを保持するレボルバを備え、前記対物レンズは、前記複数の対物レンズから選択された対物レンズであり、
   前記制御手段が、
   前記複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求め、当該対物レンズに関係付けて保存する手段とをさらに備え、かつ
   前記本合焦ステップは、現在選択されている前記対物レンズに関係付けて保存されているオフセットを用いる
   ことを特徴とする請求項６記載の観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置。
9. 前記複数の対物レンズの各々に対応するオフセットを予め求めて保存する手段が、
   （１）前記複数の対物レンズの１つを用いて前記検出手段の出力信号に基づき合焦制御を行う手段と、
   （２）前記半手動手段を用いて前記希望する観察位置に焦点を合わせる合焦手段と、
   （３）前記希望する観察位置に焦点を合わせた時の前記出力信号の値を前記１つの対物レンズのオフセットとして保存する手段と、
   前記複数の対物レンズの全てに前記（１）乃至（３）のステップを実行する手段とからなる
   ことを特徴とする請求項８記載の観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置。
10. 前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき合焦しているか否かを周期的に判断する手段と、
    合焦していないと判断した場合、前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき合焦制御を行う手段とをさらに備えた
    ことを特徴とする請求項６または８記載の観察部位への合焦精度を高めた顕微鏡装置。
11. 顕微鏡観察対象である試料を載せるステージと、対物レンズを有する前記試料の観察像を得る観察光学系と、前記ステージと前記対物レンズとの距離を光軸方向に変化させる焦準駆動手段と、前記対物レンズの焦点位置に対する前記ステージの位置を検出する検出手段とを備えた顕微鏡装置において、前記検出手段の出力信号に基づき合焦状態を判断し、前記焦準駆動手段を介して前記距離を合焦状態に制御するアクティブオートフォーカスシステムであり、
    前記検出手段の出力信号に基づき第１の合焦制御を行う予備合焦手段と、
    前記合焦位置近傍の観察者が希望する観察位置における前記出力信号の値をオフセットとするオフセット設定手段と、
    前記出力信号に前記オフセットを加味した信号値に基づき第２の合焦制御をする本合焦手段とを含む
    ことを特徴とする顕微鏡アクティブオートフォーカスシステム。
    
    

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