JP4370554B2 - オートフォーカス装置およびオートフォーカス付き顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡のオートフォーカス装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液体中の生物標本を光学顕微鏡(生物顕微鏡)で蛍光観察する場合、蛍光は退色が早く、蛍光像に焦点を合わせている間に像が消えてしまうため、高速で焦点合わせが可能なオートフォーカス装置が望まれていた。従来の光学顕微鏡では蛍光像のコントラストを検出し、そのコントラストが最大となる位置を見つけて焦点を合わせる画像コントラスト式のオートフォーカス装置が使われていたが、この方式では色の薄い標本等ではコントラストの抽出に時間がかかるため、焦点調節に時間がかかる等の問題がある。一方、焦点調節の時間の早いタイプとしては、スリット投影式のオートフォーカス装置が知られている。このスリット投影式のオートフォーカス装置は、工業用顕微鏡では一般的によく用いられているが、生物顕微鏡では実用化されていない(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
本発明者は、スリット投影式オートフォーカス装置を生物顕微鏡に適用すべく、種々の実験を行った。以下に説明する。スリット投影式オートフォーカス装置とは、スリット状の照明光を標本に照射し、その反射光を利用して対物レンズの焦点に標本を位置決めする装置であり、具体的には以下に示す方法で焦点合わせを行うものである。LED(発光ダイオード)等を補助光源としてして使用し、その光をスリットに通してスリット状の照明光を作り、そのスリット状の照明光を光軸から長手方向に延びる中心線に沿って二分し、一方を遮光し、残った他方の照明光を対物レンズを通して標本に集光照射する。標本に集光照射された照明光はカバーガラスやカバーガラスと標本の境界面で反射し、対物レンズを通ってCCDセンサ等の光電変換器に結像されて検出され、その像から焦点情報(対物レンズの合焦位置からの相対的距離)が計算される。この焦点情報から例えばステージを光軸方向位置へ移動する制御信号を出力して、その制御信号によりステージの位置を移動させて対物レンズと標本の距離を調節し、オートフォーカス制御を行う。この制御信号の例を図8のグラフIに示す。ここでは対物レンズの合焦位置Jからの相対的距離とステージを駆動するDCモータへ印加する焦点検出信号VMの関係で表現されている。
【0004】
スライドガラスとカバーガラスに挟まれた液体中の標本を観察するような場合には、液体中の任意の位置で上述したスリット状の照明光を反射させることは難しく、オートフォーカス装置によりカバーガラスと標本の境界面に焦点を合わせ、そこからステージの位置を調節することにより、ステージを移動させて標本の液体中の観察したい位置に焦点合わせを行っている。オートフォーカス制御を働かせたまま実際に見たい位置に対物レンズの焦点が合うように標本を移動するためには、ステージを駆動するDCモータへ印加する焦点検出信号VMにDC電圧VBを加えることにより、オートフォーカス制御により位置決めされるステージの位置を光軸に沿ってずらす方法がある。例えばカバーガラスと標本の境界面から標本内部に入った点Pに焦点を合わせる場合、図8のグラフIIに示すように焦点検出信号VMがゼロになる点が点Pに合うようにDC電圧VBを焦点検出信号VMに加えることによりステージの光軸方向の位置を制御可能である。しかし、この方法によると、DC電圧VBによりステージを移動可能な範囲は、焦点検出信号VMが存在する領域までであり、VBを加えた結果、図8のグラフIIIの位置を超えるとオートフォーカス制御を行うことはできない。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−242375号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の実験によれば、液体中の生物標本を観察する場合、カバーガラスと標本の境界面の反射率は、カバーガラスと標本が浸されている液体の屈折率が近いことから非常に小さく、そのため、スリット状の赤外光を照射して得られる反射光が非常に小さくなり、結果、焦点検出信号VMも非常に小さなものとなる。よって、DC電圧VBを加えることによって境界面に合わせた焦点位置を調節できる範囲(図8のIからIIIまでの範囲)は、実際の観察において必要とする調節範囲に比べ非常に小さいため、上記の方法で、オートフォーカス制御をかけながらステージを光軸に沿って上下に移動させ、標本を観察したい位置まで移動させることは不可能であることが判明した。
【0007】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、フォーカス用照明光学系とフォーカス用結像光学系の共通光路上に焦点調節用のレンズを配設し、これによりオートフォーカス用照明光の結像位置を調節することにより、対物レンズの焦点に観察の対象物(標本)の任意の位置を合わせるオートフォーカス装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明に係る生物顕微鏡用オートフォーカス装置は、光源(例えば、実施形態におけるLED光源20)と、この光源からの光に基づく光像を対物レンズ(例えば、実施形態における第1対物レンズ12)を通して生物標本(例えば、実施形態における標本18)上に結像させるフォーカス用照明光学系と、生物標本からの光像の反射光を対物レンズを通して受けて光像の反射像を結像させるフォーカス用結像光学系と、フォーカス用結像光学系による反射像の結像位置に設けられて反射像を検出する光電変換器(例えば、実施形態におけるオートフォーカス用CCDセンサ30)と、光電変換器で得られた反射像の信号に基づいてフォーカスアクチュエータ(例えば、実施形態におけるステージ駆動部34)の作動を制御する信号を出力する信号出力手段(例えば、実施形態におけるオートフォーカス用信号処理部31)と、光像及び反射像の両方の結像位置を光軸方向に移動させて調節を行う結像位置調節手段(例えば、実施形態における焦点位置調節レンズ8)とを有して構成され、この結像位置調節手段は、対物レンズ側から順に配置される凸レンズと凹レンズ及びレンズ位置調節手段から構成され、レンズ位置調節手段が凹レンズを光軸方向に移動させてこれら両レンズ間の間隔を調節することで、対物レンズを含む観察光学系の結像位置とフォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節できるように構成される。
【0010】
また、結像位置調節手段は、フォーカス用照明光学系とフォーカス用結像光学系との共通光路上に配設される。
【0011】
また、本発明に係る生物標本を観察する対物レンズを有する生物顕微鏡は、フォーカス用光源と、このフォーカス用光源からの光に基づく光像を、対物レンズを通して生物標本上に結像させるために、フォーカス用光源を集光し、平行光束に変換して対物レンズに導くコレクタレンズと、対物レンズが集光し、平行光束で射出した生物標本からの光像の反射光を結像させるフォーカス用第2対物レンズと、フォーカス用第2対物レンズによる反射像の結像位置に設けられて反射像を検出する光電変換器と、コレクタレンズ及びフォーカス用第2対物レンズと、対物レンズとの間の共通光路の平行光束中に配置され、フォーカス用光源からの光像と光電変換器で検出される反射像とを分離するハーフミラーと、コレクタレンズ及びフォーカス用第2対物レンズと、対物レンズとの間の共通の平行光束中に配置され、光像及び反射像の両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段とを有して構成される。
【0012】
この生物顕微鏡において、結像位置調節手段が、対物レンズ側から順に配置される凸レンズと凹レンズ及びレンズ位置調節手段から構成され、凹レンズが光軸上に沿って移動可能に配置されて構成される。
【0013】
この顕微鏡において、結像位置調節手段が、対物レンズ側から順に配置される凸レンズと凹レンズとから構成され、凹レンズが光軸上に沿って移動可能に配置されて構成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以上、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。まず、本発明にかかるオートフォーカス装置を説明する前に、このオートフォーカス装置を搭載した顕微鏡について図1を用いて説明を行う。この顕微鏡は、観察の対象物である標本の拡大像を形成して観察に使用するものである。図1には図示しないが、図3等に示すように観察の対象物である標本18は水等の媒質に浸された状態でカバーガラス14およびスライドガラス15に挟まれてステージ11上に載置されている。
【0016】
まず、本発明に係る顕微鏡の光学系について説明する。本発明に係る顕微鏡の光学系は、標本の上部に配置されている観察光学系3と、その側方に配置されて本発明に係るオートフォーカス装置の光学系であるフォーカス用照明光学系5およびフォーカス用結像光学系7により構成されている。
【0017】
フォーカス用照明光学系5は、その光軸上に順に、LED光源20、第1コレクタレンズ21、スリット板22、第2コレクタレンズ23、第1瞳制限マスク24、第1ハーフミラー25、焦点位置調節レンズ8及び可視光カットフィルタ10が配設されて構成されている。スリット板22の中央部には長方形の細長いスリット開孔22aが形成されており、スリット板22は、スリット開孔22aの長手方向が図1において紙面に垂直方向に延びるように光軸を中心に配設されている。LED光源20から出射された赤外光(近赤外光)は第1コレクタレンズ21で集光されてスリット板22に入射し、標本面(カバーガラス14と標本が浸された媒質との境界面)と共役位置に配置したスリット板22のスリット開孔22aを通り、第2コレクタレンズ23で平行光に変換され、第1瞳制限マスク24に照射される。第1瞳制限マスク24は、瞳の半分を遮光するものであり、光軸を中心にスリット状の赤外光の長手方向の中心線にそって半分が遮光されるように配設されている。第1瞳制限マスク24を通過した赤外光Laは、第1ハーフミラー25を透過する。なお、第1ハーフミラー25は、フォーカス用照明光学系5とフォーカス用結像光学系7の光軸が交差する点に配設されており、赤外光の一部を反射して、他の一部を透過するものであり、後述するように、フォーカス用結像光学系7でも共用されている。
【0018】
フォーカス用照明光学系5と観察光学系3の光軸が交差する点には、ダイクロイックミラー16が配設されており、後述するように観察光学系3でも共用されている。ダイクロイックミラー16は、観察光学系3の観察光路上のアフォーカル系に配設され、赤外光を反射して可視光を透過する作用をする。第1ハーフミラー25を透過した赤外光Laは焦点位置調節レンズ8を透過した後、可視光カットフィルタ10で赤外光Laに含まれる可視光成分が除去された後、ダイクロイックミラー16に当たって下方に反射され(赤外光Lb)、第1対物レンズ12によって標本に集光されて照射される。なお、第1対物レンズ12は、後述するように、観察光学系3でも共用されている。また、焦点位置調節レンズ8については後述する。
【0019】
観察光学系3は、標本に近い方から順に、第1対物レンズ12、ダイクロイックミラー16、赤外光カットフィルタ18、第2ハーフミラー17および接眼用第2対物レンズ13が配設されて構成されており、さらに接眼用第2対物レンズ13の先には図示しないが接眼レンズが配設されて構成されている。また、図示しないが、ステージ11上に載置された標本を照明する照明装置が設けられている。この照明装置は、透過型または落射型であり、透過型の照明装置の場合はステージ11の下方に配置され、落射型の照明装置の場合はステージ11の上方に配置される。照明装置から照射された可視光は標本を透過して観察光となり、第1対物レンズ12を経て、ダイクロイックミラー16を透過し、赤外光カットフィルタ18で赤外光が除去されて、第2ハーフミラー17に入射する。第2ハーフミラー17は、観察光の一部を反射して、他の一部を透過するものであり、第2ハーフミラー17に入射した観察光は、一部が反射され接眼用第2対物レンズ13および接眼レンズで標本の観察像が結像され、観察に供せれる。
【0020】
なお、第2ハーフミラー17を透過した一部の観察光を、カメラ用第2対物レンズ36とカメラ用リレーレンズ37を通し、カメラ用CCDセンサ38の撮像面に結像させ、カメラ用信号処理部39で処理して標本の画像をモニタ(図示せず)に投影して利用することも可能である。
【0021】
次にフォーカス用結像光学系7について説明する。この光学系は、上述のようにフォーカス用照明光学系5によりステージ11上の標本に照射されて反射するスリット状の赤外光を受光するものである。ここで、ステージ11上の標本はカバーガラス14によって覆われているため、第1対物レンズ12で結像された赤外光は、カバーガラス14の表面やカバーガラス14と標本の境界面(標本面)で反射する。カバーガラス14や標本面等で反射した赤外光は、第1対物レンズ12で平行光に変換され(赤外光Lc)、ダイクロイックミラー16に当たって側方に反射され(赤外光Ld)、さらに可視光カットフィルタ10及び焦点位置調節レンズ8を通り、第1ハーフミラー25に入射する。
【0022】
第1ハーフミラー25に入射した赤外光Ldは、上方に一部が反射されフォーカス用結像光学系7に入る。フォーカス用結像光学系7は、光軸に沿って、第1ハーフミラー25、オートフォーカス用第2対物レンズ26、オートフォーカス用リレーレンズ27、第2瞳制限マスク28、オートフォーカス用リレーレンズ27、シリンドリカルレンズ29およびオートフォーカス用CCDセンサ30が配設されて構成されている。第1ハーフミラー25で反射された赤外光Ldは、オートフォーカス用第2対物レンズ26で集光して結像光に変換されスリット像を結像する。オートフォーカス用リレーレンズ27,27は、オートフォーカス用第2対物レンズ26によって結像されたスリット像(赤外光Le)をリレーし、シリンドリカルレンズ29を経て、オートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面にスリット像を再結像する。
【0023】
なお、第2瞳制限マスク28は、瞳の半分を遮光するように配設されており、遮光される領域は、上記に述べた第1瞳制限マスク24によって遮光される領域に対応している。また、シリンドリカルレンズ29は、所定方向のみに屈折作用を持つレンズであり、赤外光Leを図1において紙面に垂直方向(スリット像の長手方向)に圧縮して、オートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に結像させる作用をする。また、オートフォーカス用CCDセンサ30は、複数の受光部が1次元に配列されたラインセンサ、または、2次元に配列されたエリアセンサで構成することが可能である。
【0024】
以上の説明ではフォーカス用照明光学系5において、LED光源20から出射した光をスリット板22のスリット開孔22aを通してスリット状にしてスリット開孔22aの像を標本に照射している。これは、スポット光とした場合、標本面等に段差部分があると、その反射光が散乱して理想的な光量信号を得ることができないためであるが、標本面等の状態によってはこのスリット板22を無くし、上述の方法でLED光源20の像を標本に照射してオートフォーカス制御をすることも可能である。また、第1コレクタレンズ21はなくても実現可能である。
【0025】
次に、本発明に係るオートフォーカス装置において使用する焦点位置調節レンズ8について説明する。焦点位置調節レンズ8は図1に示す通り、ダイクロイックミラー16と第1ハーフミラー25の間、つまり、フォーカス用照明光学系5とフォーカス用結像光学系7の共通光路上に位置し、アフォーカル系に配設されている。また焦点位置調節レンズ8には焦点位置調節レンズ駆動部9が取り付けられており、図示しないが、焦点位置調節レンズ8を光軸に沿って前後に移動可能とする焦点位置調節レンズ用DCモータと、倍率の異なる複数の焦点位置調節レンズ8を交換可能とする焦点位置調節レンズ用電動ターレットで構成されている。また、後述する顕微鏡の入力部には焦点位置調節レンズ8を光軸に沿って移動させる焦点位置調節操作スイッチと焦点位置調節レンズ切り替えスイッチが配設されている。観察者は焦点位置調節操作スイッチを操作すると、焦点位置調節レンズ8を光軸にそって前後に移動させることができ、また、焦点位置調節レンズ切り替えスイッチにより、焦点位置調節レンズ用電動ターレットに装着された複数の焦点位置調節レンズ8から任意の焦点位置調節レンズ8を選択して切り替えることができる。
【0026】
焦点位置調節レンズ8の作用について、図2及び図3を用いて説明する。なお、図2及び図3では説明に必要な構成部品のみを図示している。また、図においてオートフォーカス用照明光を直線で示し、観察光を点線で示している。焦点位置調節レンズ8は、第1対物レンズ12で標本18に集光照射されるスリット像(オートフォーカス用照明光)の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらし、同時に、標本18で反射し、後述するオートフォーカス用CCDセンサー30の撮像面に再結像するスリット像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらす働きをする。
【0027】
以下に、オートフォーカス制御を行いながら、標本18における実際に観察したい位置に第1対物レンズ12の焦点を合わす方法について説明し、焦点位置調節レンズ8の効果について述べる。この焦点位置調節レンズ8は凸レンズ8aと凹レンズ8bとを有し、一方のレンズが光軸上に固定され、他方のレンズが光軸上に沿って移動可能に配置されて構成することができる。更に、変形例としては、凸レンズ8aと凹レンズ8bを光軸に沿って移動可能なように構成しても良い。なお、以降の説明では、凸レンズ8aが物体側に固定して配置され、その後方に凹レンズ8bが光軸に沿って移動可能に配置されている場合について説明する。
【0028】
まず、図2(a)に示すように、第1対物レンズ12の焦点fがカバーガラス14と標本18の境界面(以下、「標本面14b」と呼ぶ)に合っている状態で、スリット開孔22aを通して標本18に照射されるオートフォーカス用スリット像の焦点aが同じく標本面14bに合い、且つ、その反射像の焦点がオートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に合うように焦点位置調節レンズ8(凹レンズ8b)の位置を調節する(この位置を焦点位置調節レンズ8によるスリット像の「オフセットゼロの位置」と呼ぶ)。この状態ではスリット像が第1対物レンズ12の焦点つまり標本面14bに結像し、その反射光はオートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に結像している状態である。また、この状態では焦点位置調節レンズ8は単に望遠系となっており、焦点位置調節レンズ8の前後ではオートフォーカス用照明光は共に平行光束となっている。この状態で後述するオートフォーカス制御をかけると常に標本面14bに第1対物レンズ12の焦点fが合っている状態に制御される。
【0029】
次に焦点位置調節レンズ8(凹レンズ8b)を光軸に沿って前後に移動し、オートフォーカス用スリット像を移動させて、オートフォーカス用スリット像の結像位置と第1対物レンズ12の焦点位置をオフセットさせる。例えば、図2(b)に示すように凹レンズ8bを後方(凸レンズ8aから離れる方向)に距離xだけ移動させると、オートフォーカス用スリット像の焦点aは標本面14bより第1対物レンズ12側に所定の距離(この距離を「オフセット量OS」と呼ぶ)だけ移動する。この状態で、後述するオートフォーカス制御を行うと、ステージ14が移動するために標本面14bが移動して、図2(c)に示すように、オートフォーカス用スリット像の焦点aが標本面14bに一致する。このため、第1対物レンズ12の焦点fはオフセット量OSだけ標本の中に移動し、例えば、図3に示すように標本18内の点Pに一致させることができる。
【0030】
このとき、焦点位置調節レンズ8を構成する凹レンズ8bの移動量xと、標本面14bでのオフセット量OSは、第1対物レンズ12の倍率(焦点距離)に応じて決まる。顕微鏡装置として必要なオフセット量OSは、標本の構成上、50μm程度必要とされる。液浸対物レンズの場合、カバーガラスの下面の反射率は、媒質がオイルの場合ほぼ0であり、水の場合も上面(標本面)と同じ反射率となり、一般に40倍以上の高倍で開口数も大きく標本側の焦点深度は非常に浅いためカバーガラス下面の反射はオートフォーカス制御にとって妨げとはならない。また、本発明に係るオートフォーカス装置は一般的ないわゆる乾燥系対物レンズにも対応可能であるが、乾燥系の場合は、カバーガラス下面の反射率は上面の10倍以上となり焦点深度が比較的深いことから本来のカバーガラス上面をオートフォーカス基準面とするのは困難となる。従って、信号として10倍以上大きいカバーガラス下面を基準面とするのが適当となる。この場合、オフセット量は高倍/液浸対物レンズのオフセット量(50μm)に比べて非常に大きくなる(例えば、カバーガラス厚170μm+50μm)が、焦点位置調節レンズ8の適当な設定によりカバーガラス下面を基準とするような大きなオフセット量の設定が可能となる。
【0031】
以上のように、焦点位置調節レンズ8を凸レンズ8aと凹レンズ8bとで構成することにより、従来よりあるオートフォーカス装置にこの焦点位置調節レンズ8を組み込むことにより簡単な構成でオートフォーカス用照明光の結像位置と第1対物レンズ12の焦点位置をオフセットさせることができる。
【0032】
なお、上述の焦点位置調節レンズ8でずらす(オフセットさせる)ことが可能な距離は、焦点位置調節レンズ8の焦点距離により物理的な制限があるため、その物理的な制限以上にずらしたい場合には、焦点位置調節レンズ8を交換することで対応可能である。例えば、焦点距離の長いものに交換することにより長いずらし量を実現することができる。なお、焦点位置調節レンズ8を焦点距離の違うレンズに交換した場合、オフセットゼロの位置を決めるために、焦点位置調節レンズ8の位置を調節する必要がある。
【0033】
また、上記構成では焦点位置調節レンズ8をダイクロイックミラー16と第1ハーフミラー25の間、すなわちフォーカス用照明光学系5とフォーカス用結像光学系7の共通光路上に配設し、標本18に集光照射されるスリット像と標本18(標本面14b)で反射してオートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に再結像するスリット像の両方の焦点位置を光軸方向にずらしていたが、図4に示すように、第1ハーフミラー25と第1瞳制限マスク24の間、すなわち、フォーカス用照明光学系5に焦点位置調節レンズ8′を配設して標本18に集光照射されるスリット像の焦点位置を光軸方向にずらして実現することも可能である。また、第1ハーフミラー25とオートフォーカス用第2対物レンズ26の間、すなわち、フォーカス用結像光学系7に焦点位置調節レンズ8″を配設して、オートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に再結像するスリット像の焦点位置を光軸方向にずらして実現することも可能である。
【0034】
ここで、顕微鏡の制御系について説明する。顕微鏡の制御系は、フォーカス位置検出のためのオートフォーカス用信号処理部31、ステージ11を上下動させるステージ駆動部34、第1対物レンズ12を交換するための電動レボルバを駆動する電動レボルバ駆動部35およびそれらを制御するためのCPU41、メモリ42、入力部43で構成されている。
【0035】
まず、スリット投影式オートフォーカス制御の手順であるが、オートフォーカス用CCDセンサ30において検出したスリット像の信号は、オートフォーカス用信号処理部31に出力され、CPU41により処理され、第1対物レンズ12に対する標本の焦点情報が検出される。この焦点情報に関する信号は、CPU41によりステージ駆動部34に送られ、ステージ11の位置を光軸に沿って上下動させることにより第1対物レンズ12の焦点に標本を位置決めする。なお、オートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面の中でスリット像が形成される位置は、ステージ11の光軸に沿った上下動によって、標本やカバーガラス14の位置が変わると、それに合わせて、スリット像の短手方向に移動する。このようなオートフォーカス用CCDセンサ30で検出されたスリット像からステージ11を制御するオートフォーカス用の制御信号の求め方について、以下に説明する。
【0036】
オートフォーカス制御のブロック図を図5に示し、オートフォーカス用CCDセンサ30上のスリット像の信号状態を図6に示す。ここで、オートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面に結像するスリット像の位置として、オートフォーカス用CCDセンサ30の手前で結像する状態をF、後ろで結像する状態をR、さらにオートフォーカス用CCDセンサ30の撮像面で結像する状態をJとしている。また、オートフォーカス用CCDセンサ30は複数の受光部から構成されるがその出力は撮像面に沿って順に走査される。ここでは説明を簡単にするためにラインセンサーを想定し、端から順に走査をすることとし、走査を開始する位置(オートフォーカス用CCDセンサ30の一端)をt=0とし、中間点をt=t1、走査を終了する位置(オートフォーカス用CCDセンサ30の他端)をt=t2として説明する。
【0037】
オートフォーカス用CCDセンサ30から出力されたスリット像の信号を走査した結果は積分器114に入力される。積分器114の出力信号Sを図7に示す。積分器114の出力信号Sは図7のt1の位置で第1のサンプルホールド116にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図7のSAとなる。さらに積分されオートフォーカス用CCDセンサ30の終端t2で第2のサンプルホールド115にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図7のSCになる。第1の減算器117にて第1のサンプルホールド116の出力SAと第2のサンプルホールド115の出力SCが減算され出力SBが得られる。さらに第2の減算器118にてSAとSBが減算されてSA−SBが得られる。そして、加算器119にてSA−SBの値にオフセット電圧122を加えて制御信号として焦点検出信号VMを出力し、ステージ11を光軸に沿って上下に動かすステージ駆動用DCモータ34aに印加すると、SA−SBがゼロになるようにステージ駆動用DCモータ34aは駆動する。この焦点検出信号VMを縦軸に、ステージ11を光軸に沿って上下に移動することによりオートフォーカス用CCDセンサ30に結像するスリット像の焦点方向の位置を横軸にして表したグラフが図8のIに示されている。以上より、例えば、オートフォーカス制御にて標本面14bに第1対物レンズ12の焦点を合わせる場合は、標本面14bが第1対物レンズ12の焦点上にあるときに、SA−SBがゼロとなるようにt1の値を決めておけば、その位置に合焦させることが可能である。
【0038】
ステージ駆動部34は、図1には図示しないがステージ11に取り付けられたステージ駆動用DCモータ34aと、ステージ駆動用DCモータ34aを回転させるステージ駆動用モータドライバ34bと、ステージ駆動用DCモータ34aの回転角を検出するロータリエンコーダと、ロータリエンコーダの検出結果に基づいてステージ11の上下動をカウントするアップ/ダウンカウンタとで構成されている。上述したオートフォーカス制御はCPU41で処理され、制御信号は上下動制御信号と速度制御信号としてステージ駆動用モータドライバ34bに出力され、この信号に基づいてステージ駆動用DCモータ34aは駆動される。アップ/ダウンカウンタのカウント結果は、上下動位置信号としてCPU41に出力される。ステージ11はステージ駆動用DCモータ34aが回転すると、その回転角に応じて光軸に沿って上下動する。そして、ステージ11に載置された標本もカバーガラス14、スライドガラス15とともに上下動し、標本と第1対物レンズ12との位置関係が調節される。また、ステージ駆動部34には、図示しないがリミットセンサが設けられている。リミットセンサは、ステージ11の上下動の限界点を検出するセンサであり、第1対物レンズ12とカバーガラス14との接触を回避するために設けたものである。
【0039】
図1には1本の第1対物レンズ12のみを示したが、本実施形態の顕微鏡は、倍率が異なる複数の第1対物レンズ12によって構成可能である。複数の第1対物レンズ12は、図示しないが電動レボルバに装着されており、電動レボルバはこれを回転駆動する電動レボルバ駆動部35に接続される。電動レボルバ駆動部35には、図示しないが電動レボルバに取り付けられた電動レボルバ駆動用DCモータと、CPU41からの回転制御信号に基づいて電動レボルバ駆動用DCモータを回転させる電動レボルバ駆動用モータドライバとが設けられている。電動レボルバは、上記した電動レボルバ駆動用DCモータの回転に応じて回転する。そして、電動レボルバに装着された複数の第1対物レンズ12もともに回転し、いずれか1つの第1対物レンズ12が顕微鏡の観察光路上に位置決めされる。電動レボルバ駆動部35には、電動レボルバのレボルバ穴(例えば6個)のうち、顕微鏡の観察光路上に位置決めされたレボルバ穴の番号(1〜6)を検知するセンサ(図示せず)が設けられている。
【0040】
最後に入力部43について説明する。入力部43には、図示しないが、キーボード、対物レンズ切り替えスイッチ、オートフォーカス制御開始スイッチ、合焦位置記憶スイッチ、アップ/ダウン微調整スイッチ及び上述の焦点位置調節レンズ8を操作するスイッチ等が設けられている。
【0041】
キーボードは、第1対物レンズ12の情報を入力する時に使用される。キーボードから入力された第1対物レンズ12に関するデータは、メモリ42に記憶される。また、合焦位置記憶スイッチによって取得された合焦位置情報もメモリ42に記憶される。
【0042】
対物レンズ切り替えスイッチは、顕微鏡の観察光路上に位置決めされた第1対物レンズ12を別の第1対物レンズ12に切り替えるときに使用される。CPU41は、対物レンズ切り替えスイッチから入力された切り替え信号に基づいて電動レボルバ駆動部35を制御し、切り替え信号によって指定されたレボルバ穴を顕微鏡の観察光路上に位置決めする。
【0043】
オートフォーカス制御開始スイッチは、顕微鏡におけるオートフォーカス制御の開始を指示する時に使用される。CPU41は、オートフォーカス制御開始スイッチが操作されると、既に説明したスリット投影式オートフォーカス制御の実行を開始し、標本が第1対物レンズ12の焦点に位置決めされて、オートフォーカス制御が終了する。
【0044】
アップ/ダウン微調整スイッチは、手動操作によってステージ11の上下動を微調整する時に使用される。CPU41は、アップ/ダウン微調整スイッチから入力された微調整信号に基づいてステージ11を位置決めする。なお、アップ/ダウン微調整スイッチの操作は、操作者が顕微鏡の接眼用第2対物レンズ13および接眼レンズを介して標本の像を観察しながら行うものである。そして操作者にとってコントラストの高い像が良好に観察できた時点で、アップ/ダウン微調整スイッチの操作を終了し、ステージ11が位置決めされる。この時、本実施形態の顕微鏡では、標本の中の任意の面が第1対物レンズ12の焦点面に一致している。
【0045】
しかしながら上記に説明した方法では、標本を交換したり、第1対物レンズ12を交換するたびに焦点位置を合わせる操作を上述した手順に従って行う必要がある。そこで、上述したように本発明では焦点位置調節レンズ8を使い、オートフォーカス制御をしながら標本の任意の位置を観察することを可能にしている。
【0046】
ここで、上述の焦点位置調節レンズ8を操作したときのオートフォーカス制御について説明する。焦点位置調節レンズ8の凹レンズ8bを後方に移動させて、図9(a)で示す点P′の位置にオートフォーカス用スリット像を結像させると、反射像は図9(b)で示すQ点の位置に結像する。なお、点P′は標本面14bから実際に観察したい点Pと光軸に沿って反対方向に同じ距離だけ離れた点である。この状態での検出信号を図に表すと、図6の一点鎖線の曲線Pとなる。また、この時の焦点検出信号VMとステージ11が光軸に沿って移動することによる焦点方向の位置の関係は図10のIVで表される。
【0047】
ここでオートフォーカス制御をさせると、上述のようにオートフォーカス用CCDセンサ30で検出されたスリット像の信号に従ってステージ駆動用DCモータ34aを駆動し、光軸に沿ってステージ11を上下に移動させる。図9の場合、オートフォーカス用スリット像の反射像が、オートフォーカス用CCDセンサ30より後ろ(点Q)で結像している状態であり、ステージ11は第1対物レンズ12に近づく方向(上方)に移動し、結局、図3(c)に示すようにオートフォーカス用スリット像は標本面14bに焦点aが合い、また、第1対物レンズ12の焦点fは図9(a)に示す標本18の中にある点Pの位置に合っている状態に制御される。図10に示す通り、焦点位置調節レンズ8は、オートフォーカス用スリット像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらすため、焦点検出信号VMと焦点方向の位置の関係を示すグラフは焦点方向の位置に沿って移動することとなり、オートフォーカス用スリット像の反射量に関わりなく、常に焦点検出信号VMが存在するため、オートフォーカス制御が可能となる。
【0048】
このような構成によれば、以上の説明から示されるように、焦点位置調節レンズ8を前記オフセットゼロの位置からオートフォーカス制御をさせながら光軸に沿って移動させることにより、第1対物レンズ12の焦点の位置を自由に、且つ、標本面14bでのオートフォーカス用スリット像の反射量に関わりなく任意の位置までずらすことが可能である。また、このような構成によれば、標本面14bから常に一定の距離だけ光軸方向に離れたところに第1対物レンズ12の焦点を合わせることができるため、標本18をステージ上で移動して標本18の別の部分を観察する場合や、別の標本18に交換して観察をする場合等に効率の良い作業が可能となる。
【0049】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、オートフォーカス用の照明光を観察の生物標本に照射し、その反射光を利用して第1対物レンズの焦点に観察の生物標本を位置決めする生物顕微鏡用オートフォーカス装置において、オートフォーカス用の照明光とその反射光の両方の結像位置を調節する結像位置調節手段を備えるため、オートフォーカス制御をしながら、第1対物レンズの焦点に観察の生物標本の任意の位置を合わせることが可能となる。
【0050】
また、上記実施例では第1対物レンズ12の焦点に標本18を合焦させるために、ステージ11を光軸に沿って上下に移動していたが、ステージ11は固定とし、第1対物レンズ12を含む観察光学系3を光軸に沿って上下に移動するような構成とすることも可能である。
【0051】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、オートフォーカス用の照明光を観察の対象物に照射し、その反射光を利用して第1対物レンズの焦点に観察の対象物を位置決めするオートフォーカス装置において、オートフォーカス用の照明光とその反射光の両方の結像位置を調節する結像位置調節手段を備えるため、オートフォーカス制御をしながら、第1対物レンズの焦点に観察の対象物の任意の位置を合わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る顕微鏡の光学系および制御系の構成を模式的に示す図である。
【図2】焦点位置調節レンズを移動した時のスリット像の合焦状態を表す図であり、(a)はオフセット量0の状態であり、(b)は焦点位置調節レンズを移動したときの状態であり、(c)は焦点位置が調節された状態である。
【図3】焦点位置調節レンズにより、合焦位置が調整された状態を模式的に示す図である。
【図4】焦点位置調節レンズの配設可能な位置を模式的に示す図である。
【図5】オートフォーカス制御のブロック図である。
【図6】オートフォーカス用CCDセンサ上のスリット像の信号状態を表す図である。
【図7】積分器114の出力状態を表す図である。
【図8】オートフォーカス用CCDセンサに結像するスリット像の焦点位置とステージ駆動用DCモータに出力する焦点検出信号の関係を表す図である。
【図9】焦点位置調節レンズによりオートフォーカス用照明光の焦点位置をずらしたときの状態を示す図であり、(a)は標本側に結像している状態であり、(b)はその反射像の状態である。
【図10】焦点位置調節レンズを移動したときのステージ駆動用DCモータに出力する焦点信号の状態を表す図である。
【符号の説明】
5 フォーカス用照明光学系
7 フォーカス用結像光学系
8 焦点位置調節レンズ
8a 凸レンズ
8b 凹レンズ
9 焦点位置調節レンズ駆動部
12 第1対物レンズ
18 標本
21 LED光源
22 スリット板
22a スリット開孔
30 オートフォーカス用CCDセンサ
31 オートフォーカス用信号処理部
34 ステージ駆動部
41 CPU
Claims (3)
- 光源と、
前記光源からの光に基づく光像を対物レンズを通して生物標本上に結像させるフォーカス用照明光学系と、
前記生物標本からの前記光像の反射光を前記対物レンズを通して受けて前記光像の反射像を結像させるフォーカス用結像光学系と、
前記フォーカス用結像光学系による前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器と、
前記光電変換器で得られた前記反射像の信号に基づいてフォーカスアクチュエータの作動を制御する信号を出力する信号出力手段と、
前記光像及び前記反射像の両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段とを有し、
前記結像位置調節手段は、前記フォーカス用照明光学系と前記フォーカス用結像光学系との共通光路上に配設され、前記対物レンズ側から順に配置される凸レンズと凹レンズ及びレンズ位置調節手段から構成され、前記レンズ位置調節手段が前記凹レンズを光軸方向に移動させて前記両レンズ間の間隔を調節することで、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節できることを特徴とする生物顕微鏡用オートフォーカス装置。 - 前記フォーカス用照明光学系と前記フォーカス用結像光学系との共通光路は、前記両光学系と前記対物レンズとの間の平行光束を形成する光路であることを特徴とする請求項1記載の生物顕微鏡用オートフォーカス装置。
- 生物標本を観察する対物レンズを有する生物顕微鏡において、
フォーカス用光源と、
前記フォーカス用光源からの光に基づく光像を、前記対物レンズを通して前記生物標本上に結像させるために、前記フォーカス用光源を集光し、平行光束に変換して前記対物レンズに導くコレクタレンズと、
前記対物レンズが集光し、平行光束で射出した前記生物標本からの前記光像の反射光を結像させるフォーカス用第2対物レンズと、
前記フォーカス用第2対物レンズによる前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器と、
前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第2対物レンズと、前記対物レンズとの間の共通光路の平行光束中に配置され、前記フォーカス用光源からの光像と前記光電変換器で検出される前記反射像とを分離するハーフミラーと、
前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第2対物レンズと、前記対物レンズとの間の共通の平行光束中に配置され、前記光像及び前記反射像の両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段とを有し、
前記結像位置調節手段は、前記対物レンズ側から順に配置される凸レンズと凹レンズ及びレンズ位置調節手段から構成され、前記レンズ位置調節手段が前記凹レンズを光軸方向に移動させて前記両レンズ間の間隔を調節することで、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記コレクタレンズを含むフォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節できることを特徴とする生物顕微鏡。
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