JP2012520478A - 自動合焦方法および自動合焦装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、光源（１２）からの光が試料（６）中の測定光焦点（５２）において合焦され、そこから反射され、反射された光は、２つの光経路（４８、５０）において光学系（２２）を通して、少なくとも２つの検出器要素（７２、７４）上に導かれる自動合焦方法に基づく。試料への迅速かつ正確な自動合焦を達成するために、測定光焦点（５２）が、光を異なる程度に反射する試料（６）の複数層において移動され、検出器要素（７２、７４）は、検出器要素（７２、７４）により示される放射特性のプロファイルが異なるように配置され、焦点位置は、プロファイルに基づいて設定される。
【解決手段】
【選択図】図１

Description

本出願は自動合焦方法に関し、光源からの光は試料中の測定光焦点において合焦され、そこから反射され、反射された光は２つの光経路において、光学系と少なくとも１つのアパーチャを通して、少なくとも２つの検出器要素上に導かれる。
顕微鏡を試料において自動的に合焦するための２つの方法が知られている。
・試料の位置または基準点からの試料の距離が測定され、試料から反射された光は、パターン、強度などについて干渉計を使用して調べられる。
・試料の画像は、コントラスト、解像度、自動相関、または位相コントラストについて調べられる。
顕微鏡検査においては、試料は通常、分析対象の試料材料から構成され、透明な標本スライドに塗布され、薄い透明カバースリップにより覆われる。試料材料の位置測定は、しばしば、試料の層境界面上の反射面の１つの位置の測定に繋がる。空気／カバースリップ境界面層における反射光は、試料材料上の境界面層における反射光よりもはるかに強いので、空気／カバースリップ反射光は典型的には、試料材料上の境界面層における反射光より強く光り、自動合焦にはより適切である。
試料の上方または下方における、強反射層の位置の測定、および反射層から既知の距離に配置された試料の厚さから、試料材料の位置についての結論を引き出すことは、米国特許第６，１３０，７４５号により知られている。しかし典型的には、記述された試料の場合に高解像度システムを使用するときは、層（例えば、カバースリップまたは標本スライド）の厚さにおける許容値は、撮像システムの被写界深度よりも大きく、そのような方法では合焦を常に保証することはできない。
本発明の目的は、例えば顕微鏡のような光学系を、試料の反射層上において、焦点に関して迅速かつ精度よく調整可能な自動合焦方法を開示することである。
この目的は、最初に引用したタイプの方法により達せられ、本発明によれば、測定光焦点は、異なる程度に光を反射する試料の層において移動され、検出器要素はこの場合は、検出器要素により示される放射特性のプロファイルがお互い異なるように配置され、焦点位置がプロファイルに依存する方法で設定される。この方法により、示された放射プロファイルの異なるプロファイルのため、試料中の特に際立つ層の位置、例えば、反射境界面の位置を見出してそこに合焦またはそこから既知の距離において配置された目標焦点面上に合焦できる。
表面、例えば境界面もまた下記においては層として考慮される。層の１つが境界面であると好都合である。好適には、光経路は少なくとも部分的にはお互いに分離され、特に光学系おいてはお互いに分離される。好適には、分離は光経路間の光遮断エリアにより遂行される。この光の遮断はダイヤフラムにより生じさせることが可能である。
プロファイル（分析結果）は、光経路により好適に分離された、測定光焦点のいくつかの位置における点状測定により検出できる。プロファイルとして、反射された光の放射特性としての放射強度であってよい。調整された焦点位置は所望の焦点位置であり、そこにおいて、光学系は試料の画像取得が所望の画像を作成するような方法で、試料に関して好適に配置される。
更に、本発明により、光経路の光路長が指定可能である。この場合の光路長は、試料から検出器の前のダイヤフラムまでとして測定できる。好適には、光経路の光路長は異なるように選択される。これにより、選択された反射／散乱試料構造への偏差信号が、光経路の光路長の分離した解析により生成可能であり、その上にまたはそこから既知の距離に配置された目標焦点面上に合焦可能である。光を反射する層は、反射および／または散乱試料構造であってよく、特に境界面層であってよく、特に、試料材料に隣接する境界面層または境界面であってよい。
自動合焦方法とは、光学系を、例えば試料内の所望の焦点位置または目標焦点面上に自動的に合焦する方法である。合焦が目標焦点面上であると、光学系はそこに配置された対象物の鮮明な画像を、検出器またはカメラが好適に配置されている画像面において形成可能である。自動合焦の後、試料はカメラにより描くことができる。
試料は、調査のために用意された試料材料であってよく、試料材料が塗られたスライド、および、それを覆うカバースリップであってよい。自動合焦光に対して透明な層構造であって、その層境界面上に、自動合焦光の反射光または散乱光が入射する構造もまた同様に適切である。試料は、合焦対象の層以降では、自動合焦光に対して透明である必要はない。ここで記述されている、境界面層における反射／散乱は、材料中の反射／散乱粒子層または欠陥層により引き起こすこともできる。層境界面は、自動合焦システムに対する信号を増やすために前処理（例えば、ミラーリング）できる。
目標焦点面とは、その上に光学系が合焦すると想定される試料内の面、または、そこから所定の距離に、所望の焦点の位置が移されると想定される試料内の面である。目標焦点面は好適には、入射光が反射される反射面である。また、目標焦点面は、試料内の境界面層、例えば、ガラス／試料材料境界面の面であってよい。同様に、試料上の散乱光自身も利用できる。
光経路に導かれる光は、好適には共通の光源からのものであり、発生元の放射材料だけでなく、反射層、アパーチャなどもまた光源と称される。一次元または二次元光源が典型的には使用される。２つの光経路は、好適にはお互い対称に形成され、光学系の光軸に特に対称に配置される。
光源、特に点状、または直線状、または細片形状であり、またはいくつかの光の点から構成されている光源は、光学機器により試料中の測定光焦点において合焦される。光源を、このようにして試料中で描くことがきる。測定光焦点は、通常は点状であるが、光源の形状によっては、一次元または二次元であってもよく、例えば、いくつかの点を含んでもよい。測定光焦点は、焦点内または合焦されている光学系の焦点の近くに位置すると好都合である。光学系の焦点は焦点面であってよい。光学系は、光学系の焦点に置かれている対象物の画像面において鮮明な画像を形成する。測定光焦点は、光学系の焦点から予め設定された距離に位置することも可能である。これにより、測定光焦点は、反射面上、例えば、カバースリップ／試料材料の境界面層上で調整でき、例えば、光学系の焦点は、この試料材料における境界面層から２０μm離れて位置する。
試料に入射する光の一部は反射される。下記においては、反射光および／または散乱光は、「反射された」と理解してよい。光を反射する層は、反射および／または散乱層であってよい。下記において反射光と言うときは、散乱光も含まれているものとする。
２つの光経路は好適には、光学系の光軸の周りに対称に導かれる。それらの光経路は、異なる方向において試料に到達すると好都合であり、それにより、その光経路からの反射光は異なる方向に放射され、従って、お互いから分離して容易に解析できる。入射光経路の角度が、隣接する層の反射光がお互いに重ならないように選択されると、層構造における個々の層の検出が容易になる。散乱層が焦点位置の決定に使用されると、光経路の分離がまず検出路において起こらなければならない。
自動合焦システムの光は、試料の画像を調べる、または形成するために使用できる光とは異なる周波数を有していると好都合である。光特性は、好適には光強度である。
光学系は、顕微鏡光学系であってよい。顕微鏡光学系は光軸を有し、通常光軸は、試料が延伸する試料面に直交して整列される。
光源と反射層の間の、または反射層と検出器の間の光経路は、照明路または検出路として設計できる。従って、自動合焦光経路は照明路と検出路から構成される。光路長における差は、ここでは、照明路と検出路の両方において生成できる。検出路の実現は、下記に記述される。
経路の光路長の測定は、少なくとも１つの、特に検出器の前のそれぞれのダイヤフラムにより行われる。ダイヤフラムにおける光経路の波長依存の位置のため、システムの光路長についての結論を引き出すことが可能である。可能な実現は、下記に記述される。
検出器要素は、例えば、光学系の要素に対して、例えば、ダイヤフラムに対して、検出器要素により示される放射特性のプロファイルがお互い異なるように配置される。光学系の要素は、例えば、検出器要素の直前のダイヤフラム、ビームスプリッタ、ミラー、または他の適切な要素であってよい。
光経路からの光が試料の２つの積層上で反射されると、１つの層から、例えば、検出器または検出器の前のダイヤフラムへの光の光経路または光路長は、他の層からの場合の光経路または光路長より長い。このため、この２層から、例えば、検出器要素までの２つの光経路は異なってよい。例えば、１つの光経路が完全に、または部分的にブロックされ、他方が部分的にブロックされるか、または全くブロックされないときは、好適には光経路は検出器要素の前のダイヤフラムにおいて異なる方法でブロックされるように延伸する。このようにして、光経路は個々に、かつ他の層からの他の光経路なしで検出可能である。
試料上方のガラス／空気境界面層からの主な反射光は、測定光焦点が、光を異なる程度に反射する下方の層を通して移動される間、検出器要素の前のダイヤフラムにより好適にマスクされる。これにより、これらの層からの光はダイヤフラムを通過できる。このようにして、ガラス／空気境界面層よりもかなり弱く反射する層は検出できる。
ダイヤフラムまたはそのアパーチャは、光学系の画像面において、つまり、光学系により合焦された対象物が投影される面において配置されると好都合である。アパーチャは光源の画像であってよい。
測定光焦点から反射された光は、測定光焦点の形状に従って、ダイヤフラムの面において好適に投影される。ダイヤフラムは、測定光焦点において反射された両者の光経路からの光を通過させるように、特に、同じ程度に通過させるように配置されると好都合である。これにより、ダイヤフラムは、測定光焦点の上方および下方で２つの光経路に関して完全に、または非対称に反射された光を好適にブロックする。
アパーチャは、通常とは異なり、光軸に対してむしろ非対称に、特に、アパーチャの位置における２つの光経路の光軸に非対称に、光学系の光軸の周りに好適に配置される。特に、光軸の完全な外側に配置される。これにより、簡単な方法で、測定光焦点の異なる位置での分離した解析のために、１つまたは他の光経路の選択が達成可能である。
プロファイルが連続して検出されるならば、特に精度のよい合焦が達成できる。
本発明の有利な実施の形態においては、光学系の焦点は検出器要素の信号がお互いに対して一定の比となるように調整される。一定の比率で検出器要素上に光が入射する場合は、光経路間の対称の位置、従って、目標焦点面は簡単な方法で検出できる。これは、信号が同じ程度の強度であると、より簡単に遂行できる。経路の光路長における差は、信号を重ねたときに信号が側面において重なり、従って、交点を有するように選択される。この交点での信号の強度は等しい。差分信号のゼロクロシングにより、簡単な方法で信号の同じ強度が検出できる。
本発明の他の実施の形態は、検出器要素の信号により検出される光学系の焦点の目標位置と、アクチュエータにより、検出された目標位置により調整される焦点を提供する。目標位置はアクチュエータにより出力される位置であってよく、例えば、検出器要素の信号が等しい位置であってよい。この調整を、前調整としてのみ使用することも可能である。または、例えば、精度のよい調整として、規制工程で目標位置に到達することも考えられ、この場合、検出器信号は規制入力信号として使用され、アクチュエータを制御する信号は規制出力信号として使用される。
簡単かつ信頼できる自動合焦は、検出器要素が、境界面層により反射された光によって引き起こされるそれらの信号の強度が同じになるように較正されると達成できる。これにより、焦点位置は、反射層または光を反射する層において好適に調整される。または、例えば目標とする焦点オフセットを達成するために、検出器要素はそれらの信号強度が目標とする方法で異なるように調整できる。
焦点の目標位置または目標焦点面を検索するときの良好な方位は、測定光焦点が目標焦点面を通して試料／空気境界面に向かって移動され、試料／空気境界面の反射光が、大まかな方向付けのために使用されるならば達成できる。
試料を調べるためには、例えば、試料が顕微鏡の視野よりも大きいときは、試料を異なる位置において調べる必要がある。これを行うためには、第１の調査の後に、試料を光学系の光軸に直交して移動し、その後、再調査する。そのような移動の後の迅速な自動合焦は達成可能であり、光学系の光軸に直交する試料の移動後の検出器要素の信号は、目標焦点面上で依然として効力のある大まかな調整に関する妥当性がチェックされる。妥当性があれば、時間のかかる完全な再合焦はなしで済ませることができる。妥当性は、超えることは許されない、信号の差異における限界値であってよい。更に、妥当性試験は、大まかな調整をするために使用してもよく、それにより、妥当性があるときは、微調整のみが依然として行う必要があることになる。
本発明の他の有利な実施の形態は、試料中に投影される光パターンを有する光源を提供する。光パターンは一次元、二次元、または三次元であってよく、試料中の光学系の光軸に直交する面内に好適に投影される。この場合、反射された光は、光経路によりそれぞれ分離された光パターンのいくつかのパターン点から検出される。その結果、目標焦点面の、例えば光軸に対する傾斜が、いくつかのパターン点のいくつかの目標位置から検出可能である。このようにして生成された信号は、自動合焦を規制するために利用できる。
更に、本発明は、試料中の測定光焦点において光を合焦し、そこから反射された光を、少なくとも２つの検出器要素上にアパーチャを通して導くための光学系を備える自動合焦装置を目指している。
自動合焦装置は、光学系の要素または試料を、アクチュエータを経由して、測定光焦点が、異なる程度に光を反射する試料の層において移動するように移動させるためのアクチュエータおよび制御手段を含むことが提案され、検出器要素は、この場合は、検出器要素により示される放射特性のプロファイルが異なるように配置され、制御手段はプロファイルを、測定光焦点のいくつかの位置において評価するために提供される。
試料に対する光学系の要素の移動の場合は、アクチュエータは要素または試料を、固定された基準点、例えば、地面に対して移動させることができる。
制御手段は、上記の工程ステップの１つ、いくつか、または全部を制御するように設計されると好都合である。
自動合焦装置は測定システムを含むと好都合であり、この測定システムは、試料から光学系の要素までの距離、またはそれに依存する距離を、特に光学的でない方法で検出するために設けられる。焦点位置が光学的に見出されるやいなや、距離は、更なる測定システムにより測定でき、試料の照明の間維持できる。
カラー感知検出器を備えるカラーカメラをカラー画像作成用に使用することが知られている。カラー感知検出器は通常、３色に限定されている。Bayerパターンを使用するときは、画素はそれぞれ、１つの青、１つの赤、および２つの緑感知検出器セルから構成され、これらのセルの信号から、すべての中間色が合成される。１つの画素当たり４つの検出器セルが必要なため、このタイプのカラー検出器の解像度は低い。
高いカラー解像度と連携して高い画像解像度を達成するための線分光器が知られている。対象物は線毎に走査され、線の画像はスぺクトル的に、例えば、プリズムにより拡大され、それにより、線の三次元画像が生成される。このようにして三次元画像が取得され、線毎に保存され、個々の画像は組み合わされて三次元カラー画像が形成される。
検出器の前で連続していくつかのカラーフィルタを移動し、異なる周波数範囲で対象物のいくつかの画像を連続して作成することも知られている。ショットを組み合わせてハイパースペクトル画像にすることもできる。
本発明は、高解像度のカラー画像を作成可能な対象物の画像を取得する方法を開示する。
この目的は、対象物の画像を取得する方法により達せられ、その方法においては、対象物は光学系により検出器のいくつかの検出器要素上に投影され、画像は、異なるようにフィルタ処理をするいくつかのフィルタエリアを備える濾光器により、異なるようにフィルタ処理をするいくつかの画像エリアに分離される。本発明によれば、画像の、異なるようにフィルタ処理された画像エリアが、検出器上に同時に投影、特に並んで投影されることが提案される。検出器の前でフィルタを交換することなしで済ますことが可能であり、対象物を高速連写で撮影することも可能である。
濾光器はスペクトルフィルタまたは偏光フィルタであってよい。濾光器は検出器の直前、または検出器上に直接配置できる。濾光器は光学系の画像面に好適に配置され、光学系の焦点距離の１／１０が濾光器に対して、数学的画像面からの距離として許容され、画像面において静止して見ることが可能である。濾光器はカットオフフィルタ、干渉フィルタ、または吸収フィルタであってよい。フィルタエリアはスペクトルフィルタ処理に関して異なってもよく、それにより、画像エリアはスペクトル的に異なってフィルタ処理される。フィルタエリアは具体的な形状を取ることができ、例えば、細片、市松模様および／またはマイクロパターンであってよく、その形状においては、フィルタエリアは１００μm未満の長さおよび／または幅を有する。それらの形状の拡張に関しては、フィルタエリアは２つの、特には、１０個の検出器要素または画素よりも大きいと好適である。空間的に連続して変化するフィルタ特性もまた同様に可能である。
検出器はチップとして設計でき、好適には、フィルタエリアのすべてのスペクトル範囲において感知可能である。検出器はＣＣＤ（電荷結合素子）またはＣＭＯＳセンサ（相補型金属酸化膜半導体）であってよい。検出器要素は行列の形状の二次元格子として配置すると好都合である。検出器は、好適には、モノクローム検出器として設計され、構造化フィルタのスペクトル範囲において感知可能である。
フィルタエリアの寸法は検出器要素の寸法に適合させると好都合であり、例えば、フィルタエリアの幅および／または長さはそれぞれ、検出器の検出器要素、例えば、ｍ×ｎの検出器要素の１つの量の整数倍である。濾光器は検出器上に直接固定でき、例えば、検出器チップ上に直接、または、チップの感知エリア上に直接載置できる。
フィルタエリアは、試料画像または試料または試料容器の構造および／または構成に好適に対応している。フィルタエリアは、試料画像の正規構造区画と同じ大きさであってよく、および／またはそれらの形状を有することができる。
本発明の有利な実施の形態においては、フィルタエリアは、画像の画像パターンを介して対象物の１つのショットから次のショットにかけて移動され、それにより、画像パターンのすべての点はいくつかの光特性、特に、スペクトルで示される。これらの値は、好適にはその点に割り当てられ、描くことおよび／または格納が可能である。この場合の画像パターンは画像全体であってよく、または画像の一区画であってよい。この移動は相対移動であり、フィルタエリアは、例えば、検出器収納容器に対して静止させて画像パターンを移動でき、またはその逆も可能である。
例えば色のような、いくつかの光特性における各点の複数のショットの場合は、カラー画像はいくつかのショットから構成できる。濾光器がフィルタエリアに分離しているため、濾光器を移動するときは、単一のフィルタエリアの寸法のサイズの小さな移動で十分であり、それにより、濾光器全体を検出器から遠ざけて移動する必要はなく、また、新しい濾光器を検出器に移動する必要もない。移動経路が短いため、移動は非常に迅速に行うことができる。
光の高い歩留まりを達成するためには、試料エリアの検出器に対する試料画像の移動により割り当てられる、フィルタエリア内の個々の検出器要素における信号寄与が値として累積されると好都合である。異なるフィルタエリアからの試料エリアのそのような累積値を組み合わせて、試料エリアの光特性についての全体情報とすることができる。
画像パターンは少なくとも、フィルタエリアの検出器への移動の間は静止してもよく、そのときは、フィルタエリアは検出器に対して移動される。画像を検出器の上方を移動させることも可能で、そのときは、フィルタエリアは検出器に対して静止している。画像を検出器上方で移動させることは、検出器に対する光学系または光学系の一部の移動により遂行される。更なる可能性は、光学系に対してフィルタまたは検出器を移動させることであり、光学系は、例えば、カメラ収納容器に対して静止している。一般的に述べれば、検出器、濾光器、および光学系の３つの要素の１つまたは２つは、例えば、カメラ収納容器に対して静止を保っていてもよく、残りの２つの要素または残りの１つの要素は、他の要素に対して移動可能である。
光学系は顕微鏡の一部であると好都合であり、その収納容器は、対象物が試料の形状で移動できる、例えば、可動トレーのような、特に、モーター付き駆動装置および制御手段を介する位置制御による標本台に確実に接続される。
対象物は、光学系と濾光器に対して移動されると好都合であり、対象物はいくつかのショットそれぞれにおいて、画像区画毎に取得され、画像区画におけるフィルタエリアの位置はそれぞれ不変である。この場合の光学系は、例えば、顕微鏡の収納容器において静止していてもよく、対象物と、それと共に、対象物の光パターンは光学系を通り過ぎて導かれ、画像区画と、それと共に、フィルタエリアは画像全体上を移動する。
例えば、対象物が細長いと、例えば、試料の列の形状であると、対象物全体を複数の連続して示された画像エリアを通して記録可能であり、その場合は、対象物の各画像点は多くの色または各色で、または各フィルタエリアを通して記録されている。このようにして、対象物全体のカラー画像を非常に迅速に作成することが可能である。カラーフィルタを光学系または検出器に対して移動させずに済ませることが可能である。試料の画像を取得する装置は、例えば、顕微鏡などの記録装置に沿う試料の制御された移動のためにアクチュエータを介して頻繁に導かれるので、記録装置は、これにより、特に簡単な方法によって保持することができる。
フィルタエリアは細片として好適に設計され、画像の一方の側から画像の他方の側に延伸し、移動方向に直交するその縦方向に関して整列される。画像区画の一方の側から、画像区画の反対側への延伸もまた十分である。対象物の各画像点は、これにより、特に簡単な方法で、濾光器のすべてのフィルタエリア上を導かれる。
この移動は、画像点が１つのショットから次のショットにかけて、フィルタエリアの幅だけ移動されると好都合である。幅は、好適には、それぞれいくつかの画素分である。小さな重なりエリア、例えば、移動されたアクチュエータの精度の倍に相当するエリアは、この場合は意味がある。
特に高い解像度を達成するためには、特に、特別な興味がある画像区画の場合においては、１つの画像取得から次の画像取得にかけての移動が、１つの画像画素よりも小さいと好都合である。サブ画素範囲における移動のため、サブ画素解像度の計算が可能である。
移動のデフォルトが制御手段により指定されると好都合であり、制御手段は、特に独立して特別に興味のある画像エリアを検出し、サブ画素移動をトリガする。この移動は異なるモードで行うこともでき、例えば、サブ画素モード、１つのショットから次のショットにかけての移動がフィルタエリアの幅の量になるフィルタエリア幅モード、または、移動が検出器のいくつかの画素の量になるマルチ画素モードで行うことができる。３つの記述したモードの２つのみの制御も可能である。
本発明の有利な実施の形態においては、濾光器はカットオフフィルタであり、そのカットオフ周波数は、カットオフに直交、および特には、移動に直交する濾光器の空間プロファイルにおいて変化する。このようにして、１つのショットから次のショットにかけての移動の増分を制御することにより、画像全体のカラー解像度は、ショットから制御可能である。濾光器はアクチュエータと制御手段に好適に接続され、制御手段は濾光器の移動の制御に使用される。
更に濾光器が、画像の光路において連続して配置される２つのカットオフフィルタを含むことが提案され、カットオフにそれぞれ直交する（そして、特に、その移動に直交する）カットオフフィルタの空間プロファイルにおけるカットオフ周波数は、お互いに関して反対である周波数応答に従って変化する。お互いに関するカットオフフィルタの対応する配置により、空間透過ウィンドウを生成可能であり、空間透過ウィンドウは、カットオフフィルタをお互いに対して移動することにより、空間的かつスペクトル的に拡大および縮小できる。結果として、これにより、記録された画像の周波数および空間エリアにおける高い可変性が可能になる。
検出器と濾光器の特に良好なスペクトル適合は、検出器が、カラーの感度に関して異なり、それぞれ１つのカラーエリアで感知可能ないくつかの検出器領域を有し、少なくとも１つのフィルタエリアがすべての検出器領域の前に配置されていれば達成できる。これは、濾光器のカラーエリアが異なるように、検出器のカラーエリアに対して、そのカラーエリアに関して適合されると好都合である。適合は、フィルタエリアの透過が対応する検出器領域の感知範囲にあり、他の検出器領域の１つのカラーエリアではないように遂行されると好都合である。
異なる検出器領域を空間的に直接並べて配置でき、例えば、検出器要素の凝縮行列に配置でき、またはお互いから空間的に分離して設定でき、それにより、光学系は対象物の画像をいくつかの検出器領域に導くための１つまたは２つ以上の要素、例えば、二色性ミラーなどを含むことができる。検出器領域は同期して動作すると好都合であり、それにより、検出器領域における対象物の画像は、いくつかのカラーチャネルにおいて同時に取得される。
本発明の他の有利な実施の形態は、フィルタエリアが異なる透過値を有し、透過値は検出器の記録特性にそれぞれ適合され、特に、検出器要素の不定スペクトル感度により一様な画像露出を達成する。このようにして、特に良好な画像結果を達成できる。適合は、フィルタエリアの異なるサイズによりもたらされてもよい。他の可能性は、フィルタエリアの異なる周波数透過幅の検出器への適合である。このようにして、周波数透過幅は、検出器の感度が低い周波数範囲においては大きくてもよく、検出器の感度が高い周波数範囲では小さくてもよい。
更に、透過強度、つまり、フィルタエリアの減衰を検出器に適合させることができ、それにより、より高い減衰が、検出器の感度が他の周波数範囲よりも高い周波数範囲において選択される。
高い画像品質は、フィルタエリアが異なる透過値を有し、検出器要素のトリガがそこへの光を遮断するフィルタエリアの透過値に適合されると同様に達成できる。このように、フィルタエリアが他のフィルタエリアと比較して高い減衰を有すると、増幅を増大可能であり、統合時間を延長可能であり、または画素を統合可能である。これにより、すべての周波数範囲において画像の一様な露光を達成することが可能になる。フィルタエリアの透過値が特に高いと、すべての第２画素のみを読出すこともまた可能である。
検出器要素の異なるトリガが検出器上方のフィルタエリアの移動に続くと好都合である。例えば、濾光器が検出器上方を移動すると、この移動は検出でき、それにより、各フィルタエリアに、エリアにカバーされる検出器要素を割り当てることができる。検出器要素の制御は、これにより、割り当てられたフィルタエリアそれぞれに対して画素毎に適合可能である。
更に本発明は、いくつかの検出器要素を有する検出器と、対象物を検出器上に投影する光学系と、異なるようにフィルタ処理をするいくつかのフィルタエリアを備える濾光器を備える検出器を備える、対象物の画像を取得する装置を目指している。
濾光器が、対象物の画像のいくつかの画像エリアが検出器上に同時に投影されるように配置されていると、特に高い解像度のカラー画像が作成可能である。これらの画像エリアは、フィルタエリアを通して異なるようにフィルタ処理される。
装置は制御手段を含み、制御手段は、上記の工程ステップの１つ、いくつか、または全部を制御するために設けられると好都合である。
本発明は、図に描かれている例としての実施の形態に基づいてより詳細に説明される。
自動合焦装置を備える顕微鏡の模式図である。 試料上の自動合焦の光路または照明路の模式図である。 ２つの検出器要素上の試料の反射光路または検出路を示す図である。 ２つの検出器要素上の試料の反射光路または検出路を示す図である。 ２つの検出器要素上の試料の反射光路または検出路を示す図である。 ２つの検出器要素上の試料の反射光路または検出路を示す図である。 時間に対してプロットした検出器要素の信号および修正作動距離の図である。 差分信号を伴う、信号の模式図である。 移動された斜めの試料上の光の点の投影図である。 静止している斜めの試料上の光源パターンの投影図である。 半透明ミラーによる光路の分離を示す図である。 二色性ミラーによる光路の分離を示す図である。 検出器上に濾光器を有するカメラを備える、試料に向けられた顕微鏡の模式図である。 ３つの検出器上への試料の光路を示す図である。 試料に関して４箇所の異なる位置における濾光器を備える検出器を示す図である。 試料に関して４箇所の異なる位置における濾光器を備える検出器を示す図である。 試料に関して４箇所の異なる位置における濾光器を備える検出器を示す図である。 試料に関して４箇所の異なる位置における濾光器を備える検出器を示す図である。 フィルタ表面における連続的な移動カットオフを伴うカットオフフィルタの図である。 連続に配置されている２つのカットオフフィルタに起因する透過図である。 検出器の感度図である。
図１は、光学撮像系４に統合されている自動合焦装置２を描いている。この特別な実施の形態における光学撮像系は、試料６中の生体材質の蛍光分析のための顕微鏡である。このため、光学撮像系４は、取得制御および取得した画像の保存のための制御手段１０に接続される画像検出器８またはカメラ、または試料を直接観察するための接眼レンズを含んでいる。制御手段１０は、自動合焦装置２と共に光学撮像系４両者の一部であり、下記に記述される自動合焦方法を制御するために使用される。
自動合焦装置２は、自動合焦方法のために光を利用できるようにする光源１２を含む。蛍光解析のための光を設けることもでき、一般的に、光学撮像系４がこのために他の光源（図示しない）を有するとより好適である。光源１２は光生成器１４、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）と、光拡散器を含むことができかつ放射された光を整形するための光学機器１６を有している。開口パターンを備えるダイヤフラム１８は、一次元または二次元の光源パターンを生成し、このパターンは、光学機器１６に加えて、光学撮像系４の追加的光学要素２４と対物レンズ２６を含むことのできる光学系２２の光軸２０に好適に対称である。空間的に規定された光源はまた、光学機器１６とダイヤフラム１８を交換できる。アパーチャ２８は、光源１２からの試料６の照明をいくつかの光経路に分離し、これらの光経路は、アパーチャ２８から試料６に向けてお互い分離して延伸し、試料６中の共通の測定光焦点（照明路）に運ばれる。代替的に、アパーチャ２８は、特に散乱対象物上に合焦するときは、ビームスプリッタ３０とアパーチャ４６の間の検出路（下記参照）に取り付けることができる。
光源１２からの光は、二色性または半透明ミラーの形状の２つのビームスプリッタ３０、３２を介して、光学撮像系４の対物レンズ２６に向けられる。光学撮像系は顕微鏡収納容器３４に搭載され、試料６上に光を合焦する。このため、対物レンズ２６は、アクチュエータ３８により対物レンズ２６の光軸２０に沿って、制御された方法で移動可能な光学要素３６、例えばレンズを有する。光学要素３６の位置の制御、すなわち試料６中の焦点の位置の制御は、制御手段１０により遂行される。アクチュエータ自身は、独立した距離メータを含むことができる。
試料６から反射された光は、対物レンズ２６を、破線矢印により指し示されているように反対方向に通過し、ビームスプリッタ３２を介して、一方では光学機器４０と画像検出器８に、他方では、ビームスプリッタ３０と追加的光学機器４２を介して、いくつかの検出器要素（検出路）を含む検出器４４に導かれる。検出器４４は個々のセンサ、例えば、フォトダイオードまたはセンサ格子であってよい。検出器４４の前には、アパーチャ４６を備える光学系２２のダイヤフラムが配置される。試料６から反射された光は、ダイヤフラム１８のアパーチャに従って整形され、試料６の画像が生成される光学系２２、すなわち試料６上に投影された光源パターンの画像面に配置される。ダイヤフラムのアパーチャ４６は、１つまたはいくつかの開口を含むことができ、下記においては、単にアパーチャ４６として称される。検出器４４はその信号を制御手段１０に供給し、制御手段１０はその信号を評価して、アクチュエータ３８を制御するための制御または規制入力として使用する。更に、制御手段１０はアクチュエータ３８の独立した距離信号を処理することもでき、随意的に、規制のためにその信号を利用できる。
図２は、試料６上の２つの光経路４８、５０における自動合焦装置２の光路（照明路）の模式表現を示している。この例としての実施の形態においては、光源１２の光パターンは光の点に縮小されて、光路４８、５０への分離のために、アパーチャ２８の２つの開口を通して放射する。図１に描かれているように、例えば、２つの光の点を生成するダイヤフラム１８の場合、各光の点からの光は、図１のアパーチャ２８により指し示されるように、２つの光経路４８、５０に分割される。
光経路４８、５０両者からの光は、試料６中の点状測定光焦点５２において合焦され、光源の形状を有することができ、例えば、点状、スリット形状の光源に対応する細長い形状であるか、または、他の随意の形状を有する。光源１２からの測定光のための光と、試料を調べるための光の両者は対物レンズ２６を通して導かれる。測定光焦点５２は、カメラまたは光学撮像系４の焦点にあってよい。しかし、測定光焦点５２はまた、カメラの焦点５６から既知の距離５４だけ移すことも可能である。
典型的な試料６は、生体試料材料６０が塗られている標本スライド５８を含み、標本スライド５８は、薄い透明カバースリップ６２により覆われている。この試料６は、３つの境界面６４、６６、６８、つまり、強く反射する空気／ガラス境界面６４と、相当弱く反射するガラス／試料材料境界面６６と、試料材料／ガラス境界面６８（下記においては、更には考慮しない）上に入射する光を反射し、非常に薄い試料材料の場合は、信号は、境界面６６と６８からの組み合わせを示すようになる。この場合、ガラス／試料材料境界面６６は、この例としての第１実施の形態において記述する目標焦点面７０を形成し、第１実施の形態においては、測定光焦点５２は、自動合焦方法により導かれると想定されている。
このために行われる自動合焦方法を、図３〜８に基づいて記述する。図３〜６は、試料６の上方に位置する光学系２２と対物レンズ２６を、非常に簡略化して示しており、試料６は、境界面６４、６６に基づいてのみ指し示されている。検出器４４は２つの検出器要素７２、７４に基づいて表現されており、この検出器要素７２、７４は光軸２０の両側に配置されている。２つの点光源を備える図１のような配置の場合は、４つの検出器要素があることになる。検出器４４の前のアパーチャ４６は、好適には光源と同じ形状、つまり、この例としての実施の形態においては点状または円形の形状を有している。アパーチャ４６は、光軸２０から非対称にオフセットされて位置するように配置され、軸２０はアパーチャ４６の外側にあり、つまり、アパーチャ４６を通過していない。
試料６に入射する２つの光経路４８、５０の部分は薄い点で描かれ、測定光焦点５２に向けられ、測定光焦点５２は標本スライド５８の中、つまり、境界面６６と同一な目標焦点面７０の下にある。異なる境界面６４、６６からアパーチャ４６または検出器要素７２、７４への異なる光経路は、異なる方法で描かれている。強く反射する境界面６４から反射された主な反射光の光経路は実線で表現されており、より弱く反射する境界面６６から反射された光の光経路は破線で表現されている。まず第１に、測定光焦点５２においては光は反射されないか、無視できる程度の少しの光しか反射されないということが自明であり、第２に、境界面６４、６６で反射された光はアパーチャ４６を通らず、それにより、そこからの光は検出器要素７２、７４に到達しないということが自明である。
図４においては、試料６は矢印で指し示されているように、図３に描かれているのと比べて下方に移動しており、それにより、測定光焦点５２は試料６に対して上方に移動している。試料６を移動することは、アクチュエータ３８を使用して対物レンズ２６を移動することと等価である。対物レンズ２６に対する試料６の、図４に描かれている位置において、測定光焦点５２は境界面６６の真下に位置している。光軸２０に対するアパーチャ４６の非対称性のため、この位置においては、光経路４８からの反射された光はアパーチャ４６を通過し、検出器要素７２に当たるが、光路５０からの光はアパーチャ４６を通らず、そのため、検出器要素７４への光は依然として遮断されている。
試料６を下方に更に移動するか、または試料６中の測定光焦点５２を上方に更に移動すると、測定光焦点５２は、図５に描かれているように、境界面層６６と目標焦点面７０に到達する。光経路４８、５０両者の反射光は、ダイヤフラムとアパーチャ４６が配置されている画像面において交差する。光軸２０の外側の非対称アパーチャ４６のため、光経路４８、５０両者は相当に光が遮断されるが、光経路４８、５０の平坦なアパーチャのため、完全には遮断されない。検出器要素７２、７４は共に少量かつ同じ量の光をそれぞれ受け、同一の信号を制御手段１０に送信する。
図６は、試料６を下方に更に移動、または試料６中の測定光焦点５２を上方に更に移動したときの光経路４８、５０を示している。測定光焦点５２は境界面層６６を出て、境界面層６４に接近し、そのため、検出器要素７４のみに到達する境界面層６６の反射光は依然として遮断されたままであり、境界面層６４の反射光はアパーチャ４６を通して検出器要素７２に更に強く入射する。
アパーチャ４６は対物レンズ２６の画像面に配置されている。測定光焦点５２から反射された光はアパーチャ４６を通過し、具体的には、光経路４８、５０の両方から等しい程度だけ好適に通過する。この場合のアパーチャ４６は、測定光焦点５２の上方または下方から反射された光が、２つの光経路４８、５０から異なる程度でアパーチャ４６を通過するように配置されている。従って、検出器要素７２、７４の等しい強さの照明は、境界面層６４、６６の１つが測定光焦点に位置していることを意味する。この場合のアパーチャは、測定光焦点５２から１００μmを超える遠くの境界面層６４、６６からの光が、光経路４８、５０のいずれからもアパーチャ４６を通過できないようにする程度にのみ大きいと好都合である。
アパーチャ４６により、異なる光経路からの光を光路長に従って選択することが可能になる。同様に、検出器要素７２、７４へ向かう異なる方向に従って、異なる光経路からの光の選択が可能になる。
図７は、検出器要素７２の信号７６の振幅と、検出器要素７４の信号７８の振幅を、図３〜６で記述したように、試料６における測定光焦点５２の移動の場合に、時間ｔの経過に従ってプロットしてある。更に、対物レンズ２６の光軸２０に平行なｚ方向における測定光焦点５２の位置８０の移動を、信号７６、７８に相関させて、時間ｔの経過に従ってプロットしてある。時間ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩにおける４つの点がマークされ、それらは、図３、４、５および６における測定光焦点５２の位置８０に対応している。
試料６に自動的に合焦するには、まず、自動合焦光源１２の光生成器１４のスイッチを入れ、アクチュエータ３８を介してその初期位置（図では、試料６の方向の完全に下方）に移動可能な対物レンズ２６またはその光学要素３６が移動し、それにより、測定光焦点５２は試料６内に位置するようになり、そこでは好適に、標本スライド５８内に位置する。
ここでアクチュエータ３８は、測定光焦点５２が試料材料６０と目標焦点面７０を通して完全に移動するように移動される。同時に、検出器要素７２、７４の信号７６、７８は連続的に記録され、アクチュエータ３８の位置信号もまた好適に記録される。まず始めに、検出器要素７２の信号７６が増加し、そして急速に再び低下する。そして、検出器要素７４の信号７８が増加して再び低下し、両者の信号は、図４〜６に記述されたようにアクチュエータ４６を通しての光の入射に従っている。
特に、下記において目標位置と称される、信号７６、７８の側面の交点の位置が記録され、その位置において測定光焦点５２は目標焦点面７０に位置する。この目標位置は、アクチュエータ３８に接続されている制御手段１０により検出され、アクチュエータ３８はその位置または光学要素３６の位置を連続的に、または制御手段の要求があると制御手段１０に送信する。
再び、最初は信号７６の、そして次に信号７８の、限界値ｇを超える急激な増加がある。このとき、測定光焦点５２が強く反射する境界面６４に接近し、そのため目標焦点面７０の上方に位置８０が変化する。そして、測定光焦点５２の上方への移動は停止する。
ここでアクチュエータ３８は、検出された目標位置に従って簡単な工程ステップで調整でき、試料６に迅速に合焦される。測定光焦点５２は目標焦点面７０に調整され、そのため、顕微鏡４の焦点も、測定光焦点５２がこの焦点に位置しているときは調整される。そうでないときは、焦点は目標焦点面７０から既知の距離だけ移されている所望の面に調整される。
より精度のよい合焦は、測定光焦点５２の移動が反転されると達成され、このとき測定光焦点５２は、図７に示されるように、よりゆっくりと試料材料６０内に導かれる。信号７６の最大値が再び形成され、信号７６、７８の信号を等しくする調整は、測定光焦点５２を目標焦点面７０内に導く。
測定光焦点５２が試料６の上方に位置し、そこから試料６内に延伸させるような代替の方法を始めることもできる。ガラス／空気境界面層６４からの最初の入射主要反射光は明確に特定される。カバースリップ６２の厚さは、例えば、１７０μmと知られているので、測定光焦点５２はこれだけの距離、または若干短い距離だけ迅速に下方に移動できる。そして、移動速度は減少可能で、測定光焦点５２を信号７６、７８が等しい強さになるまで更に下方に移動可能である。
下記に図８に基づいて、信号７６、７８に基づく目標位置への規制について説明する。差分信号８２は信号７６、７８間の差から、例えば、信号７６、７８に減算を施すことにより形成され、ゼロクロシング（ゼロクロス点）８４を制御目標値として、制御変数として使用される。ゼロクロシング８４において、測定光焦点５２は目標位置８６に位置している。検出器４４はこのために較正され、それにより信号７６、７８が、測定光焦点５２が目標焦点面７０に位置するときに等しくなると好都合である。測定光焦点５２が反射境界面層６６の若干外側に位置していると想定される場合は、信号７６、７８へのオフセットを与えることができ、または信号７６、７８はより多くまたは少なく増幅できる。これにより、ゼロクロシング８４はｚ方向に変位する。変位に対するオフセットまたは増幅の関係が知られている場合は、目標焦点面７０は、図７と８に関して記述された自動合焦方法を変更する必要なく、境界面６６の周りでそれに対応して調整できる。検出器４４の対応する調整は、自動合焦方法に先行して、あるいは自動合焦方法の間に制御手段１０により適切な指示を受けて較正として行うことができる。
焦点位置の調整または設定の後、光生成器１４はスイッチが切られ、焦点位置はアクチュエータ３８の位置信号により規制または維持される。この利点は自動合焦光パターンが露光の間、カメラに投影されないということである。随意的に、光生成器１４は連続してスイッチが入れられた状態であってもよく、規制は差分信号８２に従って行われる。
ここで、試料６または試料材料６０の画像を記録でき、必要であればいくつかのｚ方向において記録できる。前記位置には、アクチュエータ３８の対応する制御により接近できる。これらの位置へは、信号７６、７８の１つまたは両者の信号シフトを介しても到達可能である。
大きな試料６のいくつかの画像を記録するには、前記試料を、図９に指し示されているようにｘ−ｙ方向８８に、つまり、ｚ軸または光軸２０に直交する方向に移動する。合焦状態はこの工程で保持できる。しかし、試料６０が斜めであると、測定光焦点５２は試料６内でｚ方向に距離９０だけずれる。これを特定するために、信号７６、７８は新しいｘ−ｙ位置において妥当性がチェックされる。信号７６、７８が予想に反していれば、つまり、信号７６、７８が限界値の外側にあるときは、目標焦点面７０の大まかな位置決めが、図７に関して記述したように開始される。信号７６、７８が容認可能であれば規制を、例えば、ゼロクロシング８４に対して直接開始できる。
図１０は、光源パターンの、静止している斜めの試料６上の投影を示している。光の単一自動合焦点に基づいては、試料６が光軸２０に関して斜めであるかを検出することはできない。しかし、測定光焦点５２がいくつかの焦点９２を含むと、例えば、光パターンが試料中でいくつかの焦点９２上に投影されると、上述したように、すべての焦点９２からの反射光は、少なくとも２つの光経路それぞれを介して分離して解析できる。このようにして、それぞれに位置している目標焦点面が、個々の焦点９２とは同一ではないことを特定可能である。エラー信号を、試料６がその搭載部に直線的に再び挿入されるように出力できる。
図１１と図１２は代替の検出方式を示しており、これらの方式は光学系２２において分離されていない２つの光路を使用する。図１１において、ビームはまず検出路において、光学系２２の後かつ検出器７２、７４の前で半透明ミラー９４により分離される。検出器７２、７４の前でミラー９４に対して非対称に配置されている２つのアパーチャ４６を使用して、わずかに異なる経路の距離信号が検出される。非対称性はミラー９４に直交するアパーチャ４６の異なる距離９６、９８により例示されている。
図１２において、光生成器１４は２つの異なる周波数（λ１、λ２）の光線を出射し、その光線は二色性ミラー２００により検出器７２、７４の前で分離される。距離信号は今度は、アパーチャ４６により生成される。この場合、アパーチャ４６は、光学系２２の屈折率が、図１２に描かれているようにミラー１００の前の２つの光経路の距離だけ異なる周波数の光経路を空間的に十分に分離するならば、二色性ミラー１００に対称に配置できる。
図１１と図１２における例としての実施の形態においても、光路長に従って異なる光経路からの光の選択が、光学的手段、これらの場合は、半透明ミラー９４または二色性ミラー１００により可能となる。同様に、異なる光経路からの光の選択が、検出器要素７２、７４に向かう異なる方向に従って可能になる。
図１３は、例えば、顕微鏡として設計され、標本台１０４上に位置する試料６に向けられる光学撮像系１０２の模式表現を示している。光学撮像系１０２は光源１０８を含み、その光ビームは光学系１１２と二色性ミラー１１４により、光路（実線矢印１１０により指し示されている）において試料１０６に向けられる。光学系１１２は、試料１０６への合焦のために光路の光軸１２２に沿って、顕微鏡収納容器１２０に関してアクチュエータ１８により移動可能な対物レンズ１１６を含む。
試料１０６により反射または散乱された光線は、光学系１１２の二色性ミラー１１４と光学要素１２４（全体のみ指し示されている）を通して光路（波線矢印で指し示されている）においてカメラ１２６内に向けられ、カメラ１２６は濾光器１３０を備える検出器１２８を備えることを特徴としている。検出器１２８は、ＣＣＤ素子として設計されてチップ上に取り付けられる。検出器１２８は、二次元行列状に配置されている複数の検出器要素１３２を含む。濾光器１３０は、いくつかのフィルタエリア１３４を備えるスペクトルフィルタであり、フィルタエリア１３４はスペクトルフィルタ処理に関して異なり、これらもまたチップ上および検出器要素１３２の直接前の光路に配置される。
標本台１０４と、それと共に、試料１０６は、アクチュエータ１３６により、矢印１３８により指し示されるように、対物レンズ１１６の光軸１２２に直交して移動可能であり、それにより、顕微鏡１０２に関して試料１０６の異なる位置において、試料１０６のいくつかのショットが取得できる。アクチュエータ１３６は顕微鏡１０２の制御手段１４０により、ショット間の試料１０６の走行距離が、所定の値または制御手段により計算される値に調整できるようにトリガできる。制御手段１４０はまたカメラ１２６の制御手段１４０であってもよく、またはカメラ１２６の外側の顕微鏡１０２の追加的制御手段であってもよい。
制御手段１４０のため、濾光器１３０のアクチュエータ１４２および／または検出器１２８のアクチュエータ１４４は、アクチュエータ１３６の代替として、またはそれに追加するものとしてトリガでき、それにより、フィルタエリア１３４および／または検出器要素１３２は、光学系１１２に対して、カメラ１２６に入射する光路の光軸１２２に直交してトリガでき、移動可能である。これにより、試料１６の対象物の画像は濾光器１３０および／または検出器１２８を介して、１つまたは２つ以上の方法において移動できる。
いくつかの検出器領域１４８、１５０、１５２を備える検出器１４６の代替の実施の形態が図１４に示されている。下記の記述は、図１３の例としての実施の形態との違いに基本的には限定され、同じ特徴および機能に関しては図１３を参照する。基本的に変更されてない構成要素は原則として同じ参照番号で特定され、言及されない特徴は、それらを再び記述することなく採用される。
２つの二色性ビームスプリッタ１５４、１５６は、３つのスペクトル範囲により分割された試料６から反射された光線を検出器領域１４８、１５０、１５２に向ける。検出器領域１４８、１５０、１５２はそれぞれ、スペクトル範囲の１つにおいてのみ感知可能、または他のスペクトル範囲よりもより感度が高い。すべての検出器領域１４８、１５０、１５２の前にはフィルタエリア１５８、１６０、１６２がそれぞれ配置され、フィルタエリア１５８、１６０、１６２はスペクトル範囲の１つにおいてのみ透明、または他のスペクトル範囲よりもより透明である。それらの透明性は、それらに割り当てられたそれぞれの検出器領域１４８、１５０、１５２にスペクトル的に調整される。１つのまたはすべてのフィルタエリア１５８、１６０、１６２は、図１４に示されるように、スペクトルフィルタ処理に関して異なるサブエリアに分割される。スペクトル感度に関して異なり、スペクトルフィルタ処理に関して異なるそれぞれのフィルタエリア１５８、１６０、１６２を有する検出器領域１４８、１５０、１５２への分割により、特に高い光の歩留まりが広いスペクトル範囲上で達成できる。
図１５〜１８はそれぞれ、試料１０６の画像と、試料表面を表現することもできる３×１０の試料容器１６４を描いている。それぞれが同じまたは異なる試料物質を含む、相当に大きな数も考えられる。試料容器１６４は長方形行列に配置され、標本台１０４上に固定されている。調べられる対象物１６６は試料物質の中に位置している。試料１０６は、その全体およびその対象物における画像パターンを示している。
検出器１２８とその１１×１５の長方形の検出器要素１３２は、明確にする目的で波線で描かれており、５つの細片状のフィルタエリア１３４を備える濾光器１３０は実線で描かれている。フィルタエリア１３４の細片は、標本台の移動方向に直交して配置され、その移動方向は矢印１３８により描かれている。より明確に線を区別するために、試料の画像は二点鎖線で描写されている。
図１５は、検出器１２８と試料１０６の画像を、お互いに対向する位置において示している。そこにおいて画像は試料１０６により構成されているが、下記に説明するように最初の１つはそうではない。画像は５つの画像エリアを有する画像区画を表現しており、そこにおいて、内容物を含む１２個の試料容器１６４が完全に描かれ、３個の試料容器１６４は部分的にのみ描かれている。３個の試料容器１６４はそれぞれ、フィルタエリア１３４により描かれており、そのため、そのスペクトル範囲にある。フィルタエリア１３４はそれぞれ、画像区画の５つの画像エリアの１つを描いている。この場合の各フィルタエリア１３４と各画像エリアは、試料１０６の移動方向に直交する３つの検出器要素１３２に正確に重なっており、より一般的に表現すると、正確には検出器要素１３２と等しい数である。
次の画像に対して、試料１０６の画像はフィルタエリア１３４の幅に相当する距離だけ更に移動され、この場合の幅は、試料１０６の移動方向から見たときのものである。ここで試料１０６の他の画像区画が取得され、この画像区画が他の試料区画と他の対象物１６６を覆っている。画像区画中のフィルタエリア１３４の位置は不変であるが、試料区画と対象物１６６に対してではない。第２画像では、再び描かれている試料容器１６４が他のスペクトル、つまり他の色で描かれている。
図１７は、今度はフィルタエリア１３４の幅だけオフセットされた試料１０６を示しており、そのオフセットにより、今まで３回描かれた試料容器が３つの異なるスペクトルで描かれている。このように、試料１０６のすべてのエリアとすべての試料容器１６４は、少なくともフィルタエリア１３４に対応する回数、ここに示されている例としての実施の形態においては少なくとも５回は描かれ、それにより、各試料エリアは５つのスペクトルで記録される。５色の画像は、これらの５つの画像から各試料エリアに対して組み合わせることが可能である。すべての試料エリアを５回描くためには、最初のショットでは試料１０６は１つのフィルタエリア１３４によって記録されるだけで、２番目のショットでは２つのフィルタエリア１３４によって記録される、などとなる。従って、図１５は、試料１０６の５番目のショットを示している。
試料１０６はその全体が描かれている。つまり、試料１０６は検出器１２８上に画像区画ごとに描かれ、試料１０６と対象物１６６のいくつかの部分的に重なった画像が作成される。この場合、少なくとも、異なるフィルタエリア１３４に対応する数だけの画像が取得される。試料１０６または対象物１６６のマルチカラー画像はそれぞれ、異なるフィルタエリア１３４に対応する数だけの重なる画像から、例えば、制御手段１４０により生成される。
ショットはこの場合は、制御手段１４０における評価手段により評価され、この評価手段は信号によって検出器１２８に接続される。この工程は対象物１６８が特に重要で、高解像度で描くべき場合を特定する。この要求が検出されると、試料１０６は１つのショットから次のショットへかけて１つのピクセル長未満、つまり、図１８が図１７と比較して示すように、検出器要素１３２の長さだけ移動される。この場合対象物は、ショットからショットへかけてサブ画像毎に、２つのフィルタエリア１３４の境界上を移動する。解像度はこのエリアにおけるショットから達成でき、このエリアの上方をサブ画像範囲に位置する境界が移動しており、それにより、対象物１６８を特に高解像度で描くことができる。
なお、試料１０６を顕微鏡１０２に対して移動する代わりに、濾光器１３０および／または検出器１２８を試料１０６に対して、例えば、顕微鏡収納容器１２０に対して移動できるようにしてもよい。
更なる実施の形態においては、フィルタエリア内の個々の検出器要素の電荷は試料検出器要素毎の画像と共に変位でき、１回または２回以上の変位の後でのみ読み取ることができる。または、フィルタエリア内の試料画像の変位の間、試料位置に割り当てられている電荷には画像スペクトル値を割り振ることができる。このようにして、光により生成された電荷は試料により、より長い期間累積できる。
図１９は、濾光器１７０のフィルタ表面がｘ方向とｙ方向において描かれている二方向図を示している。
ｚ方向は、カメラ１２６への入口における光軸１２２の方向である。更に、濾光器１７０の吸収Ａも描かれている。濾光器１７０の透過性が高いほど吸収Ａは少ない。ハッチングされているエリアにおいて吸収は理想的に１００％に近く、濾光器１７０は透明ではない。濾光器１７０は、固有波長λのエッジ１７２を有するカットオフフィルタである。波長λは、濾光器１７０のｘ方向におけるエッジ１７２の位置の関数である。エッジ１７２の波長λは、濾光器においては更に左に向うよりも更に右に向う方が高い。描かれている例においては、濾光器の距離当たりのエッジの波長の変化は、ｘ方向において一定である。線形または非線形変化との他の関係もまた考えられる。濾光器１７０の場合は、非常に多くの数または莫大な数の、スペクトルフィルタ処理に関して異なるフィルタエリアが非常に接近して位置しており、またはきわめて接近して並んでいる。
図１５〜１８の濾光器１３０の代わりに濾光器１７０を使用するときは、各試料エリアは異なるスペクトルで要求される回数だけ描くことができ、それにより、試料１０６の全体の画像のスペクトル解像度は、ショット毎の試料１０６の移動の経路に依存するようになる。このようにして、全体の画像のスペクトル解像度は自由に選択できる。
開口エッジプロファイルを備える２つのカットオフフィルタ１７４、１７６が、図２０に示されるように連続して配置されると、透過ウィンドウ１７８は、お互いに対するカットオフフィルタ１７４、１７６の移動により、そのスペクトル増加部分Δλにおいてと同時に、空間増加部分Δｘの両者において調整できる。スペクトル範囲は除外することができ、スペクトル解像度は調整できる。
濾光器１３０の検出器１２８への適合は図２１に示されている。図２１においては、検出器１２８の感度Ｅのグラフが、記録された光の波長λ上にプロットされている。感度Ｅは光の波長λの関数であり、波長λ２よりも波長λ１による方が低い。全体の関連するスペクトル範囲上で、試料１０６のショットの最も一様である可能な露光を達成するために、波長λ１上の濾光器１３０の透過性フィルタエリア１３４は、より小さな波長範囲Δλ２でのみ透過性があり、波長λ２上の濾光器１３０の透過性フィルタエリア１３４よりも、より広い波長範囲Δλ１で透過性がある。
全体の関連するスペクトル範囲上で、試料１０６のショットの最も一様である可能な露光を達成するための他の可能性としては、試料１０６の前に位置するフィルタエリア１３４上の検出器要素１３２の電子的適合を行うことである。透過性のより低いフィルタエリア１３４の場合、このフィルタエリア１３４に割り当てられている検出器要素１３４は、透過性のより高いフィルタエリア１３４に割り当てられている検出器要素１３２とは異なる方法でトリガできる。異なるトリガは、検出器要素１３２の利得および／または統合時間の異なる調整により達成できる。画素のビニング（複数の画素を１つの画素であるとみて読み取る）、つまり２つまたはより多くの画素または検出器要素１３２を組み合わせることが、サブサンプリング、つまりｎ＝１、２、３などとして、すべてのｎ番目の検出器要素１３２からのみの読取りと同様に考えられる。対応する制御は、制御手段１４０により行うことができる。
特に有利な例としての実施の形態においては、検出器要素１３２の電子的調整の場合、検出器要素１３２の前のフィルタエリア１３４の変位が考慮される。この目的のため、検出器１２８に関する濾光器１３０の位置は知られていなければならず、例えば、アクチュエータ１４２、１４４の１つからの位置信号を通して知られていなければならない。
１ 自動合焦装置
２ 顕微鏡
６ 試料
８ 画像検出器
１０ 制御手段
１２ 光源
１４ 光生成器
１６ 光学機器
１８ ダイヤフラム
２０ 光軸
２２ 光学系
２４ 光学要素
２６ 対物レンズ
２８ 手段
３０ ビームスプリッタ
３２ ビームスプリッタ
３４ 顕微鏡収納容器
３６ 光学要素
３８ アクチュエータ
４０ 光学機器
４２ 光学機器
４４ 検出器
４６ アパーチャ
４８ 光経路
５０ 光経路
５２ 測定光焦点
５４ 距離
５６ 焦点
５８ 標本スライド
６０ 試料材料
６２ カバースリップ
６４ 境界面
６６ 境界面
６８ 境界面
７０ 目標焦点面
７２ 検出器要素
７４ 検出器要素
７６ 信号
７８ 信号
８０ 位置
８２ 差分信号
８４ ゼロクロシング
８６ 目標位置
８８ 方向
９０ 距離
９２ 焦点
９４ ミラー
９６ 距離
９８ 距離
１００ ミラー
１０２ 顕微鏡
１０４ 標本台
１０６ 試料
１０８ 光源
１１０ 矢印
１１２ 光学系
１１４ ミラー
１１６ 対物レンズ
１１８ アクチュエータ
１２０ 顕微鏡収納容器
１２２ 光軸
１２４ 光学要素
１２６ カメラ
１２８ 検出器
１３０ 濾光器
１３２ 検出器要素
１３４ フィルタエリア
１３６ アクチュエータ
１３８ 矢印
１４０ 制御手段
１４２ アクチュエータ
１４４ アクチュエータ
１４６ 検出器
１４８ 検出器領域
１５０ 検出器領域
１５２ 検出器領域
１５４ ミラー
１５６ ミラー
１５８ フィルタエリア
１６０ フィルタエリア
１６２ フィルタエリア
１６４ 試料容器
１６６ 対象物
１６８ 対象物
１７０ 濾光器
１７２ エッジ
１７４ カットオフフィルタ
１７６ カットオフフィルタ
１７８ 透過ウィンドウ
Ａ 吸収
Ｅ 感度
λ 波長
Δλ 波長範囲
Ａ 振幅
ｇ 限界値
ｔ 時間
ｚ 光軸方向

Claims (15)

  1. 光源（１２）からの光が試料（６）中の測定光焦点（５２）において合焦され、そこから反射され、前記反射された光は２つの光経路（４８、５０）において光学系（２２）を通して、少なくとも２つの検出器要素（７２、７４）上に導かれる自動合焦方法であって、
    前記測定光焦点（５２）は、光を異なる程度に反射する複数の層を有する前記試料（６）の複数層にわたって移動し、
    前記検出器要素（７２、７４）は、受光する２つの光経路の放射特性のプロファイルがお互いに異なるように設けられており、
    焦点位置は、前記検出器要素（７２、７４）により示される２つの光経路の放射特性のプロファイルに基づいて設定されることを特徴とする自動合焦方法。
  2. 前記反射された光は、前記光学系（２２）の光軸（２０）中心から外れて配置されている、少なくとも１つのアパーチャ（４６）を通して前記検出器要素（７２、７４）に導かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記測定光焦点（５２）から反射された、前記光経路（４８、５０）両者からの光は、等しい範囲で前記検出器要素（７２、７４）に当たることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記測定光焦点（５２）の上方または下方から反射された光は、異なる範囲で前記検出器要素（７２、７４）に当たることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の方法。
  5. 異なる境界面層（６４、６６）から反射された前記光の選択は、異なる光路長に従って光学手段により行われることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 異なる境界面層（６４、６６）から反射された前記光の選択は、前記検出器要素（７２、７４）に向かう異なる方向に従って光学手段により行われることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記光経路（４８、５０）は、光が遮断されたエリアによりお互いに分離されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記光経路（４８、５０）における前記光は異なるスペクトル特性を有し、前記光経路（４８、５０）は、前記スペクトル特性に従って前記検出器要素（７２、７４）の前で分離されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記プロファイルは連続して検出されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記光学系（２２）の焦点は、前記検出器要素（７２、７４）の信号（７６、７８）がお互いに対して一定の比であり、特に等しい強さであるように調整されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記測定光焦点（５２）は、光を反射する前記境界面層（６６）上で調整され、その後、前記試料（６）は、前記光学系（２２）の前記光軸（２０）に直交して移動され、前記検出器要素（７２、７４）の前記信号（７６、７８）は、前記反射する境界面層（６６）上で前記測定光焦点（５２）の調整に関する妥当性がその後にチェックされることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記反射された光は、形状に関して前記光源（１２）の前記形状に対応する、少なくとも１つのアパーチャ（４６）を通して導かれることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記光源（１２）は、前記試料（６）中に投影される光パターンを有し、前記光パターンのいくつかのパターン点から反射された光は、光経路（４８、５０）によりそれぞれ分離して検出されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 反射する境界面層（６６）の傾斜は、前記いくつかのパターン点のいくつかの目標位置から検出されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 光を試料（６）中の測定光焦点（５２）において合焦し、そこから反射された光を、少なくとも２つの検出器要素（７２、７４）上に導く光学系（２２）を備える自動合焦装置（２）であって、
    アクチュエータ（３８）と、前記アクチュエータ（３８）を介して、前記光学系（２２）の要素（３６）を前記試料（６）に対して、前記測定光焦点（５２）が光を異なる程度に反射する前記試料（６）の複数層において移動されるように移動させる制御手段（１０）を具備し、
    前記検出器要素（７２、７４）は、前記検出器要素（７２、７４）により示される放射特性のプロファイルが異なるように配置され、前記制御手段（１０）は、前記測定光焦点（５２）のいくつかの位置において、前記プロファイル（７２、７４）を評価するために設けられることを特徴とする自動合焦装置（２）。
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