JP3953591B2 - 自動焦点顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動焦点装置を備えた自動焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動合焦可能な顕微鏡は、生物分野の研究を初めとして工業分野の検査の広い範囲で使用されている。これらの顕微鏡においては、通常、拡大倍率の異なる複数の対物レンズを回転式のレボルバーに取り付けており、このレボルバーを電動で回転させて、任意の対物レンズを指定し、自動合焦動作を行っている。
【０００３】
ところが、この種の自動焦点顕微鏡では、取り付けられた対物レンズの倍率の幅が広く、全ての対物レンズの倍率に対応した自動合焦は難しく、自動合焦できない倍率の対物レンズに切り換えた場合は、対物レンズの切り換え後に自動合焦動作のスイッチ等を使ってＯＦＦにするか、自動合焦動作を行い検出不能と判断してＯＦＦにするによって自動合焦を停止する必要がある。
【０００４】
これに対し、特開平３−１５０１５号公報には、各対物レンズ毎の同焦データを記憶する記憶手段と、切換え前後の二つの対物レンズの同焦データに基づいて結像状態を補正する補正手段を備えた顕微鏡が記載されている。この顕微鏡によれば、レボルバーや対物レンズの精度誤差により発生する対物レンズ切換え時のピントボケをなくすことが可能となっている。
【０００５】
特開昭６２−１３１２９号公報及び特開昭５８−２１７０９号公報には、可視外の光像位置に検出器を設け、この検出器からの合焦信号により焦点検出を行う自動焦点顕微鏡が記載されている。この顕微鏡では、観察用の可視光と検出用の可視外光との色収差の補正用機構を具備していると共に、色収差の補正を対物レンズ毎に行うための記憶手段と、対物レンズを指示する指示手段と、この指示により補正を行う補正手段を有することにより合焦を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の顕微鏡では、対物レンズの各々のデータを記憶し、対物レンズ切換え時に、このデータに基づいて処理を行うことはなされている。しかしながら、実際の自動焦点顕微鏡では、高倍率の合焦を確保するため、試料の明るさを検出する場合に、検出できる明るさを得る必要性があると共に、焦点深度が非常に浅いため、より細かく高精度に準焦送りを行う必要がある。また試料の明るさをレーザ光で検出する場合、瞳径の小さい高倍率の対物レンズではレーザ光の透過効率が悪く、合焦に十分なＳ／Ｎ比を得るのは難しい。
【０００７】
一方、低倍率の対物レンズは、焦点深度が深いために、接眼部、写真撮影部では逆に深度が浅くなり、写真撮影のピントに耐え得る合焦精度を確保するのは難しい。以上のことから、低倍率から高倍率の全ての対物レンズに対応した焦点検出を行うことが難しいという問題を有している。
【０００８】
従って、従来では、対物レンズの切り換え後、自動合焦できない場合は、スイッチ等で焦点検出をＯＦＦにするか、対物レンズ切り換え時にユーザ判断で焦点検出をＯＮにするか、全ての対物レンズに対しての焦点検出は行うが、合焦検出できないと判断した場合は、合焦動作を断念している。このため、ユーザがその都度、合焦操作を行わなくてはならないばかりか、合焦の際に操作ミスを起こし易いものとなっている。また従来では、合焦できない対物レンズまでも合焦検出の対象となっており、検出のための時間ロスが大きい問題を有している。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、対物レンズの切り換え時に合焦が必要な対物レンズの合焦だけを行うことにより、無駄な合焦作動をなくし、ロス時間をなくすことが可能な自動焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、複数の対物レンズを保持し、観察光路内に挿入すべき対物レンズを切り換える対物レンズ切換え機構と、試料ステージ又は対物レンズ切り換え機構の少なくとも一方を光軸方向へ移動させる焦準機と、合焦信号により焦点検出を行う自動焦点機構とを具備した自動焦点顕微鏡において、前記各対物レンズの焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータを記憶する対物レンズデータ記憶手段と、前記観察光路内に挿入される対物レンズを指示する対物レンズ指示手段と、観察光路内に挿入される対物レンズのデータに基づき焦点検出のＯＮ／ＯＦＦの作動を制御する制御手段を具備していることを特徴とする。
【００１１】
この発明では、対物レンズ指示手段から対物レンズが指示されると対物レンズデータ記憶手段の記憶データを参照して試料ステージまたは対物レンズ切換え機構の移動と、自動焦点機構による焦点検出を行うか否かが決定される。そして、記憶データによって焦点検出がＯＮとなったときは試料ステージまたは対物レンズ切換え機構が移動して合焦が行われる。一方、記憶データによって焦点検出がＯＦＦとなったときは、対物レンズの切換え作動だけであり、焦点検出を行うことがない。このため、必要な対物レンズだけの合焦を行うことができ、無駄な作動をなくすことができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明であって、前記各対物レンズ毎の焦点検出のＯＮ／ＯＦＦを、高倍率の対物レンズの時がＯＮ、低倍率の対物レンズの時がＯＦＦに設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明では、低倍率の対物レンズを指示した場合は、焦点検出を行うことなく対物レンズ切換え作動だけとなり、高倍率の対物レンズを指示した場合は、焦点検出を行う。このため、高倍率の対物レンズの焦点を精度良く、迅速に検出することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の発明であって、前記各対物レンズ毎の焦点検出のＯＮ／ＯＦＦを、倍率５×以下の対物レンズの時にＯＮ、高倍率の対物レンズの時にＯＦＦに設定されていることを特徴とする。
【００１５】
この発明では、高倍率の対物レンズを指示したとき、焦点検出を行わないが、低倍率の対物レンズを指示したとき焦点検出を行う。
請求項４の発明は、請求項１の発明であって、前記指示手段によって前記観察光路内に挿入される対物レンズの焦点検出のデータがＯＦＦである場合、前記焦準機を駆動して前記試料ステージを光軸方向に退避移動させることを特徴とする。
この発明では、特に低倍率レンズから高倍率対物レンズにランダムに切り換えた場合、試料から対物レンズ先端までの距離の違いによる試料との干渉が防止される。
請求項５の発明は、複数の対物レンズを取付け、観察光路内に挿入すべき対物レンズを切り換える対物レンズ切換え機構と、試料ステージ又は対物レンズ切り換え機構の少なくとも一方を光軸方向へ移動させる焦準機と、合焦信号により焦点検出を行う自動焦点機構とを具備した自動焦点顕微鏡において、前記観察光路内に挿入される対物レンズに切換える対物切換えボタンを有する操作部と、前記操作部上の対物切換えボタンに対応付けられた前記対物レンズ切換え機構の取付位置に取付けられる対物レンズの倍率を記憶し、且つ前記各対物レンズの焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータを予め記憶する対物レンズデータ記憶手段と、通信ケーブルを介して前記操作部に接続され、観察光路内に挿入される対物レンズのデータに基づき焦点検出のＯＮ／ＯＦＦの作動を制御する制御手段と、を具備していることを特徴とする。
この発明では、対物切換えボタンにより対物レンズが切換えられると対物レンズデータ記憶手段の記憶データを参照して試料ステージまたは対物レンズ切換え機構の移動と、自動焦点機構による焦点検出を行うか否かが決定される。そして、記憶データによって焦点検出がＯＮとなったときは試料ステージまたは対物レンズ切換え機構が移動して合焦が行われる。一方、記憶データによって焦点検出がＯＦＦとなったときは、対物レンズの切換え作動だけであり、焦点検出を行うことがない。このため、必要な対物レンズだけの合焦を行うことができ、無駄な作動をなくすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る自動焦点顕微鏡の全体構成を示し、図２はそのメインコントロール部１１を示し、図３はその操作ＳＷ部１２を示している。
【００１７】
この自動焦点顕微鏡は、図１に示すように外部からのコントローラによって回転される電動レボルバ６が、顕微鏡本体１に着脱自在に取り付けて、顕微鏡本体１の観察光軸上に位置している。この電動レボルバ６には、複数の対物レンズ７が取り付けられている。これらの対物レンズ７との対向位置には、試料８を光軸方向に保持すると共に、光軸と垂直方向に移動可能なステージ９が配置されている。このステージ９は、Ｚドライブモータ１０の駆動により光軸方向に移動可能な準焦部（図示せず）を備えている。
【００１８】
一方、顕微鏡本体１の上方側の観察光軸上には、鏡筒２が取り付けられている。この鏡筒２によって接眼レンズ３を通して眼４によって試料８の観察可能な光路及び焦点検出等を行うことができる焦点検出機５が取り付けられる光路に２分割されている。
【００１９】
さらに、焦点検出機５、電動レボルバ６、Ｚドライブモータ部１０は、これらをコントロールするメインコントローラ部１１と通信ケーブル１３、１５、１４を介して電気的に接続されている。又、メインコントローラ部１１には、通信ケーブルを介して操作ＳＷ部１２に接続されている。
【００２０】
図２はメインコントロール部１１の内部構造を示す。メインコントロール部１１は、自動焦点顕微鏡全体の動作を管理するものであり、焦点検出機コントロール部２４、電動レボルバコントロール部２５、Ｚドライブモータコントロール部２６が専用シリアルバス駆動回路１７に接続されている。
【００２１】
焦点検出機コントロール部２４は、図１に示す焦点検出機５内のピント検知用受光素子（図示省略）から出力されたデータに基づいて所定の演算を行い、その演算に応じてＺモータドライブ１０を駆動してステージ９を光軸方向に移動させて自動合焦点検知を行う。電動レボルバーコントロール部２５は、操作ＳＷ部１２上の対物レンズ変換ボタン２７（図３参照）のいずれかを押すことにより、その対物レンズが光軸に入るように駆動する。Ｚドライブモータ部コントロール部２６は上述した自動合焦点検知の際の指示により駆動を行う。
【００２２】
専用シリアルバス駆動回路１７はＣＰＵ２１を接続されている。ＣＰＵ２１には、ＲＯＭ１８、ＲＡＭ１９がＣＰＵバス２８を介して接続されている。ＲＯＭ１８には制御を行うためのプログラムが記憶されており、ＲＡＭ１９には制御演算用のデータが格納されている。また、各種設定状態を記憶するための不揮発性メモリ２０がＣＰＵ２１に接続されている。
【００２３】
各種操作スイッチを設けた操作ＳＷ部１２には、図３に示すように対物レンズの切り換えボタン２７、対物倍率入力ボタン３０、３１、設定ボタン３２及び表示パネル２９が設けられている。この操作ＳＷ部１２内のＳＷ入力部２２、表示部２３はＣＰＵ２１に接続されている。
【００２４】
次に、この第１の実施の形態の動作について説明する。電動レボルバ６に取り付けられている複数の対物レンズ７の各取付穴位置と、操作ＳＷ部１２上の各対物切り換えボタン２７とが対応付けられている。倍率入力ボタン３０、３１によって各対物レンズ切り換えボタン２７に対応付けられる電動レボルバ６の各取付穴位置に取付けられた対物レンズの倍率が入力され、この状態で設定ボタン３２を押すことにより、その情報がＣＰＵ２１を介しＲＯＭ１８に記憶される。なお、ＲＯＭ１８には、対物倍率による焦点検知のＯＮ／ＯＦＦデータが予め記憶されている。
【００２５】
この設定により、対物レンズ切換えボタン２７のいずれかを押すことにより、その対物レンズに関するデータがＲＯＭ１８より取り出される。そして、焦点検知ＯＮの場合は、ＣＰＵ２１により専用シリアルバス駆動回路１７を介し、焦点検出機コントロール部２４と電動レボルバコントロール部２５とＺドライブモータ部コントロール部とにより、それぞれ焦点検出機５、電動レボルバ６、Ｚドライブモータ部１０を駆動し、合焦を行う。また焦点検出ＯＦＦの場合は、ＣＰＵ２１により専用シリアルバス回路１７を介し電動レボルバ６のみが切り換えられる。このとき入力されたデータは不揮発性メモリ２０にも記憶される。
【００２６】
このように初期設定として対物レンズの倍率をレボルバ穴位置に基づいて入力することにより、焦点検出できる対物レンズとできない対物レンズの判断をし、焦点検出動作のＯＮ／ＯＦＦを自動的に切り換えることができるため、操作性に優れる。又、ＯＦＦ時には、その都度、焦点検出動作を行わないため、時間を短縮することができる。
【００２７】
また、ＯＦＦ時には１ｍｍ程度退避し、同焦補正機能により復帰する機能を付加することによって、特に低倍対物レンズから高倍対物レンズにランダムに切り換えた場合、試料から対物レンズ先端までの距離の違い（低倍率が長く、高倍率が短い）による試料との干渉を防止できる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態における対物レンズの焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータを、図５はこのＯＮ／ＯＦＦデータが最も有効なレーザーを使用した自動焦点顕微鏡の光学原理図を示す。
【００２９】
この自動焦点顕微鏡は、図５に示すように、対物レンズ３３、瞳５５、鏡筒レンズ３４、１／４波長板５２、ダイクロイックミラー３５、縮小レンズ３６、赤外光スポット投射用レンズ３７、ビームスプリッタ３８、検出用レンズ３９、ＰＳＤ（受光素子）４０、プリズム４１、微小レンズ４２、４３及びレーザダイオード等の赤外光発光素子４４、４５によって焦点検出系を構成している。
【００３０】
発光素子４４及び４５から交互に発光される赤外光は微小レンズ４２、４３を通りプリズム４１で反射され、ビームスプリッタ３８を通り、投射レンズ３７により像面Ａ上に投射される。この赤外光は、更に縮小レンズ３６、ダイクロイックミラー３５、鏡筒レンズ３４、対物レンズ３３を通り試料Ｂ上に投射される。試料Ｂで反射された赤外光は再び対物レンズ３３、鏡筒レンズ３４、ダイクロイックミラー３５、縮小レンズ３６、投射レンズ３７を通り、ビームスプリッタ３８で反射されて検出レンズ３９によりＰＳＤ４０上にスポットを生じる。
【００３１】
一方、非合焦時の場合はＰＳＤ４０上の発光素子４４及び４５のスポット像はそれぞれ異なった位置に形成され、発光素子４４及び４５の点滅によってスポット像が交互に移動する。これに対し、合焦時の場合は発光素子４４及び４５のスポット像が両者とも同じ位置に形成されるため、両者の点滅によってもスポット像の移動が生じることがなく、その結果、スポット像の移動が生じないように試料Ｂを移動することにより合焦操作を行うことができる。又、合焦操作に伴うスポット像の移動方向及び量から前ピン、後ピンの判定及びデフォーカス量の測定が可能となる。
【００３２】
この実施の形態では、ハーフミラー面を有するプリズム５３、赤外光カットフィルター５６、接眼レンズ４６、フィルム面５４が設けられ、これらが対物レンズ３３、鏡筒レンズ３４と共に観察、撮影光学系を構成している。又、ハーフミラー４７、コンデンサーレンズ４８、照明光源４９を有しており、これらが対物レンズ３３、鏡筒レンズ３４と共に照明光学系を構成している。
【００３３】
さらに、ステージ５０はラック及びピニオン（図示省略）を介して光軸と垂直方向に移動可能となっていると共に、ピニオン（図示省略）を介して駆動モータ５１に連結されることによって光軸方向に電動で移動可能となっている。縮小レンズ３６は光軸方向に移動制御されるものであり、この移動によって赤外光による異なる対物レンズ毎の色収差補正を行うことができる。
【００３４】
この実施の形態では、図４に示すように、倍率５×、１０×の低倍率の対物レンズの時は焦点検出をＯＦＦ、倍率２０×〜２５０×の高倍率の対物レンズの時はＯＮとなるようにメインコントロール部１１（図２参照）の回路に記憶されている。従って、倍率５×、１０×の対物レンズに切り換えた場合はＲＯＭ１８の記憶からＣＰＵ２１に指示されて対物レンズ切り換えのみの動作を行い、焦点検出動作は行わない。一方、倍率２０×〜２５０×の対物レンズに切り換えた場合には、同様ＲＯＭ１８の記憶よりＣＰＵ２１に指示され、これにより合焦操作と、試料Ｂを伴ったステージ５０の移動により光軸方向に移動が合わせて行われる。このため、試料Ｂに合焦され、上述した照明光学系及び観察光学系により観察が可能となる。
【００３５】
このように第２の実施例の形態によれば、第１の実施の形態を具体化することにより、瞳の大きい５×、１０×では、レーザー光（発光素子）の出力がないため、対物レンズ先端から出射されるレーザー光の量が少なくなり、人体に与える被爆量を現象させることができ、安全性に優れる。実際においては、倍率５×、１０×を１００％とした場合、倍率２０×では瞳面積がこの約６０％となり、対物レンズ先端からのレーザ光束の減少（ケラレ）により減少する。また更に倍率５０×では、瞳面積が５×、１０×の約３０％となり、対物レンズ先端からのレーザ光量も更に減少する。このため、より高倍に設定することでレーザー光量が減少して安全性がさらに増す。
【００３６】
この実施の形態は、倍率５×、１０×での合焦を行わないことにより、その分レーザーの出力を増大することもでき、高倍である１５０×、２５０×での光量が増し、より精度良く合焦できる。なお、実際には、低倍対物レンズの焦点深度が深く、特公平３−１５０１５公報のような対物レンズ毎の同焦補正を行うだけで深度内に入るため、焦点検出は不要となる。また電気回路の観点からは、受光素子が受光する試料からのレーザー反射光量の幅が少なくなるため、負担が軽減され、設計上も価格的にも有利となる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態の焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータであり、倍率１５０×、２５０×の超高倍の対物レンズでは焦点検出動作をＯＦＦとし、倍率５×〜１００×の対物レンズでは焦点検出動作をＯＮとしている。このテーブルはＲＯＭ１８に書き込まれるものである。なお、倍率５×以下の極低倍のみＯＮにすることもできる。
【００３８】
この第３の実施の形態では、超高倍の対物レンズでは焦点検知を行わず、試料の微妙な段差部の観察が行え、ラフに観察する低倍の対物レンズでは焦点検知を行い、効率の良い焦点検知ができる。特に、倍率５×以下の極低倍対物レンズに光学、ＥＬ設計を行うことで、像面側深度が浅く、フィルム面との同焦差をとる時の目視誤差の影響が大きいため、肉眼でのピント合わせが難しいとされている倍率５×以下の写真撮影の精度を確保することができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、対物レンズデータ記憶手段の記憶データを参照して試料ステージまたは対物レンズ切換え機構の移動と、自動焦点機構による焦点検出を行うか否かを決定し、記憶データによって焦点検出がＯＮとなったときは試料ステージまたは対物レンズ切換え機構が移動して合焦を行い、記憶データによって焦点検出がＯＦＦとなったときは、対物レンズの切換え作動だけであり、焦点検出を行うことがない。このように対物レンズ交換する場合に、焦点検出のＯＮ／ＯＦＦを自動的に行うため、検出できない対物レンズでの煩わしい作業や、検出動作をしてからの判断が不要となるため、操作性に優れ、切り換えの高速化を図ることが可能となる。
【００４０】
請求項２の発明によれば、低倍率の対物レンズを指示した場合は、焦点検出を行うことなく対物レンズ切換え作動だけとなり、高倍率の対物レンズを指示した場合は、焦点検出を行うため、高倍率の対物レンズの焦点を精度良く、迅速に検出することができる。
【００４１】
請求項３の発明によれば、高倍率の対物レンズを指示したとき、焦点検出を行うため、低倍率で行う写真撮影のピント合わせを精度良く行うことができる。
請求項４の発明によれば、対物レンズの焦点検出のデータがＯＦＦである場合に試料ステージが光軸方向に退避移動し、特に低倍率レンズから高倍率対物レンズにランダムに切り換えた場合、試料から対物レンズ先端までの距離の違いによる試料との干渉を防止することができる。
請求項５の発明によれば、対物レンズデータ記憶手段の記憶データを参照して試料ステージまたは対物レンズ切換え機構の移動と、自動焦点機構による焦点検出を行うか否かを決定し、記憶データによって焦点検出がＯＮとなったときは試料ステージまたは対物レンズ切換え機構が移動して合焦を行い、記憶データによって焦点検出がＯＦＦとなったときは、対物レンズの切換え作動だけであり、焦点検出を行うことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の全体の斜視図である。
【図２】メインコントロール部のブロック図である。
【図３】操作ＳＷ部の正面図である。
【図４】第２の実施の形態の自動合焦のテーブル図である。
【図５】第２の実施の形態の光路図である。
【図６】第３の実施の形態のテーブル図である。
【符号の説明】
１ 顕微鏡本体
２ 鏡筒
３ 接眼レンズ
４ 眼
５ 焦点検出機
６ 電動レボルバ
７ 対物レンズ
８ 試料
９ ステージ
１０ Ｚドライブモータ
１１ メインコントローラ部
１２ 操作ＳＷ部
１３，１４，１５ 通信ケーブル

Claims (5)

1. 複数の対物レンズを保持し、観察光路内に挿入すべき対物レンズを切り換える対物レンズ切換え機構と、試料ステージ又は対物レンズ切り換え機構の少なくとも一方を光軸方向へ移動させる焦準機と、合焦信号により焦点検出を行う自動焦点機構とを具備した自動焦点顕微鏡において、
   前記各対物レンズの焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータを記憶する対物レンズデータ記憶手段と、
   前記観察光路内に挿入される対物レンズを指示する対物レンズ指示手段と、
   観察光路内に挿入される対物レンズのデータに基づき焦点検出のＯＮ／ＯＦＦの作動を制御する制御手段を具備していることを特徴とする自動焦点顕微鏡。
2. 前記各対物レンズ毎の焦点検出のＯＮ／ＯＦＦを、高倍率の対物レンズの時がＯＮ、低倍率の対物レンズの時がＯＦＦに設定されていることを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
3. 前記各対物レンズ毎の焦点検出のＯＮ／ＯＦＦを、倍率５×以下の対物レンズの時にＯＮ、高倍率の対物レンズの時にＯＦＦに設定されていることを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
4. 前記指示手段によって前記観察光路内に挿入される対物レンズの焦点検出のデータがＯＦＦである場合、前記焦準機を駆動して前記試料ステージを光軸方向に退避移動させることを特徴とする請求項１記載の自動焦点顕微鏡。
5. 複数の対物レンズを取付け、観察光路内に挿入すべき対物レンズを切り換える対物レンズ切換え機構と、
   試料ステージ又は対物レンズ切り換え機構の少なくとも一方を光軸方向へ移動させる焦準機と、
   合焦信号により焦点検出を行う自動焦点機構と
   を具備した自動焦点顕微鏡において、
   前記観察光路内に挿入される対物レンズに切換える対物切換えボタンを有する操作部と、
   前記操作部上の対物切換えボタンに対応付けられた前記対物レンズ切換え機構の取付位置に取付けられる対物レンズの倍率を記憶し、且つ前記各対物レンズの焦点検出のＯＮ／ＯＦＦデータを予め記憶する対物レンズデータ記憶手段と、
   通信ケーブルを介して前記操作部に接続され、観察光路内に挿入される対物レンズのデータに基づき焦点検出のＯＮ／ＯＦＦの作動を制御する制御手段と、
   を具備していることを特徴とする自動焦点顕微鏡。

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