JP4500918B2 - 顕微鏡システム及びオートフォーカスシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡システム、特に顕微鏡アクティブオートフォーカスシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、顕微鏡を用いた検査装置は自動化が進んでおり、自動的に観察体にピントを合わせるオートフォーカス（ＡＦ）装置は自動化に必須の機能となっている。
【０００３】
一般的に、オートフォーカスは、観察体のコントラストによりピント合わせを行う、いわゆるパッシブ方式と、観察体との距離を算出しピント合わせを行うアクティブ方式に分類される。
【０００４】
ところが、両方式は共に受光素子を備えており、パッシブ方式である場合には観察体光像を検出し、アクティブ方式の場合にはＡＦシステムから観察体に対して投光又は投影像を投射し、観察体からの反射光や反射像などを検出している。
【０００５】
一方、オートフォーカスの性能のひとつには、受光素子により観察体を捕捉できる範囲として合焦検出可能範囲が挙げられ、この範囲が大きいほど観察体の特徴によらず、どこからでも安定かつ高速なオートフォーカスが可能となる。
【０００６】
これらのＡＦ性能の向上には受光素子の感度アップが不可欠の要素であり、そこで受光素子の感度を上げる一つの手段として、例えば特開昭５４−４５１２７号公報の焦点検出装置では、積分型受光素子を用いて被写体像を取り込む場合の積分時間を被写体像の明るさに応じて制御し、見かけ上の感度を向上させる方法が開示されている。
【０００７】
また、特開昭５７−６７９０３号公報の焦点検出装置では、積分時間の大きさによって合焦検出の可否を決定するシステムが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの手段を顕微鏡に適用することはできない。図９（ａ），（ｂ）は、観察体（例えば標本が容器内に収納されたもの）Ｓの高さが高いもので一旦合焦とし、高さが低い観察体Ｓに対して投光方式のアクテイブＡＦを適用した場合のモデル図である。同図のＸ印の位置が合焦位置である。
【０００９】
同図のモデルに特開昭５４−４５１２７号公報のの積分時間の制御を行った場合、積分時間を長くすれば、（ｂ）のような観察体Ｓの反射光を捕捉が可能であり、ＡＦシステムはステージ１を上下させ、観察体Ｓを合焦へと導くことができる。
【００１０】
しかし、この観察体Ｓ自身の投射光に対する反射率が低く透過率が高いと、観察体Ｓを積載する例えばステージ１の反射率の方が観察体よりも高い場合、同図（ｃ）のモデルのようにＡＦシステムはステージ１の表面に対して合焦制御を行なうことになる。
【００１１】
ステージ１の表面に対して合焦と導くようにステージ１を駆動させると、ステージ１の表面に対して合焦と対物レンズ７と観察体Ｓの接触につながり、同図（ｄ）のように観察体あるいは対物レンズ７の破損が生じてしまう。
【００１２】
そこで特開昭５７−６７９０３号公報では、ＡＦシステムが観察体以外のノイズ等に過剰反応しないように、積分時間の大きさによって合焦検出の可否を決定するシステムとしている。
【００１３】
しかし顕微鏡のように対物レンズや観察状態により、同じ観察体の合焦位置であっても受光素子に入射する光の強度が変化する場合、単に積分時間の大きさによって、合焦検出の可否を決定することはできない。
【００１４】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、対物レンズの倍率や種類、観察方法などの観察条件によらず、観察体の高さ条件が変化しても、対物レンズと観察体を接触させることなく合焦制御可能な顕微鏡システムを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、観察体を照明する光源と、前記観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記光源からの照明状態や波長などを変化させ、観察体の観察条件を変える観察条件切換手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記受光手段の最長積分時間を前記光路上に配置される対物レンズに応じて変化させる制御手段を具備した顕微鏡システムである。
【００１６】
請求項１に対応する発明によれば、必要以上に観察体捕捉範囲が大きくなることが抑制され、観察体積載手段に対して合焦制御を行うことがなくなるため、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記観察体積載手段から反射される測距光または投影像が、前記投光手段からの測距光または投影像が、前記観察体積載手段上で反射することを抑制する反射抑制手段を具備した顕微鏡システムである。
【００１８】
請求項４に対応する発明によれば、観察体積載手段からの反射光や反射像は受光素子に入射されないため、観察体積載手段して合焦制御を行うことはなくなり、従って、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記対物レンズまたは観察方法切換時において、前記対物レンズまたは観察方法切換の指示を受けた際、切換直前の観察体の合焦状態が合焦もしくは合焦近辺と判断した場合、切換後の合焦制御で前記駆動手段の可動範囲および前記受光手段の最長積分時間のうち少なくとも一方を決定する予測手段を具備した顕微鏡システムである。
【００２０】
請求項６に対応する発明によれば、対物レンズ間あるいは観察方法のピントずれ量と透過率などの情報から、観察体の予測ピン卜位置および受光素子の予測積分時間が算出でき、従って、観察体積載手段からの反射光が抑制され、かつ予測ピント位置から必要以上に観察積載手段が合焦制御されることがなくなるため、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る顕微鏡システムの第１の実施形態を説明するための概略構成図である。図１のように、上下方向に移動可能な観察体積載手段例えばステージ１に積載した観察体Ｓを落射照明するための光源２を備えており、光源２からの照明光は、減光のためのＮＤフィルタ３、開口絞り４、視野絞り５、観察方法を変化させるキューブ６を介して観察体Ｓに入射するようになっている。
【００２３】
この観察体Ｓからの光束は、対物レンズ７およびＡＦユニット８を通過して、その一部が接眼レンズ９に導かれ、その他の光束は例えばＴＶカメラ１０や写真撮影装置などに入射するようになっている。
【００２４】
制御手段であるＣＰＵ１１はＡＦユニット８からのデフォーカス信号に基づいて、ステージ駆動装置１２を介して駆動手段例えばステージモータ１３によりステージ１を上下させ、観察体Ｓと対物レンズ７の相対距離を変化させて合焦調節を行ったり、観察方法を切り換えるためにキューブ駆動装置（キューブ駆動制御装置）１４を介してキューブモータ１５を制御したり対物レンズ７の変換を行うためにレボルバ駆動装置１６を介してレボルバモータ１７の制御を行う。
【００２５】
また制御手段例えばＣＰＵ１１は、ユーザーが操作する外部コントローラ１８によりＡＦのＯＮ／ＯＦＦや、対物レンズ７、観察法の切換が可能なようになっている。
【００２６】
ここで、本発明のアクティブＡＦ手段について図２を用いて説明する。アクティブＡＦ手段の構成は、レーザ光源２０から発光されたＰ偏光のレーザ光は平行にするためのコリメートレンズ２１、さらにその平行光束の半分を遮断するための遮蔽板２２を介して、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ２３は遮蔽板により遮断されなかった光束を９０゜反射するようにＰ偏光成分は反射、Ｓ偏光成分は透過するような特性を持っている。偏光ビームスプリッタ２３により反射されたレーザ光は、結像レンズ２４を介して１／４波長板２５を通過し、楕円偏光となり、対物レンズ７の光軸上に設置されたレーザ光の波長のみ反射するダイクロイックミラ２６により、図中に示した経路で対物レンズ７を介して観察体Ｓに入射するようになっている。
【００２８】
観察体Ｓから反射したレーザ光は、図中で示すように、１／４波長板２５で偏光ビームスプリッタ２３を透過するようなＳ偏光成分となり、結像レンズ２４，２８を介して積分型受光素子の２分割ディテクタ２７に入射する。
【００２９】
受光素子からの出力処理を図３で示す。受光素子３０からの２分割出力は、それぞれアナログ処理回路３１，３２に入力された後、アナログ―デジタル変換器（以下ＡＤと略す）３３，３４でデジタル変換されＡＦ演算制御部３５に入力し、ＡＦ演算制御部３５によりデフォーカス演算される。ここでＣＰＵ３５は受光素子３０からの出力をＡＤ変換に際して適正なアナログ処理のダイナミックレンジとなるように積分時間の制御を行う。
【００３０】
ここで、本発明の特徴である受光素子の積分時間制御に関して、詳細な説明を行う。観察体Ｓが低反射率で観察体積載台の反射率力が高かった場合に、アナログ処理のダイナミックレンジに適合するようにむやみに積分時間を長くすると、ステージ１からの反射光がＡＦ信号として入力されることになる。この条件でステージ１に対してＡＦ制御を行った場合には、観察体Ｓに高さと対物レンズ７の作動距離（以下、ＷＤと略す）によっては対物レンズ７と観察体が衝突してしまう。
【００３１】
そこで本発明では、ＡＦを適応する反射率、ピント位置からの距離から最長積分時間を予め設定し、必要以上に積分時間が長くなるのを禁止して、既知であるステージ１が所定以上の距離以上である場合には、ステージ１からの反射光がＡＦ信号として入力されないようにする。従って、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突する事故を未然に防ぐことが可能となる。
【００３２】
また、同じ観察体Ｓであっても対物レンズ７の倍率、種類あるいは観察方法によって観察体Ｓからの反射光の強度は異なるため、上記の最長積分時間は対物レンズ７毎により設定される。
【００３３】
以上のように構成された本実施形態のＡＦ制御について図４を参照して説明する。ＡＦが開始されると（Ｓ１）、現在光路中にある対物レンズ７の倍率・種類より予め設定してある最長積分時間（ＰＤ信号）を決定する（Ｓ２）。そしてＰＤ信号がアナログ処理ダイナミックレンジに適合しているか、すなわちアナログ処理レンジ下限Ｖａｒｌから上限Ｖａｒ２の範囲に入っているかチェックする（Ｓ３）。ＰＤ信号がアナログレンジの上限を越えている場合には積分時間を短くする処理を行う（Ｓ４，Ｓ５）。
【００３４】
一方、Ｐ号がアナログレンジの下限以下である場合には、積分時間が最長積分時間となるまで積分時間を長くする制御を行う（Ｓ７、Ｓ８）。最長積分時間まで積分時間を長くしてもアナロググイナミックレンジに反射レーザ光が入らない状態の場合には、観察者がステージをマニュアル駆動して観察体を合焦位置に近づけ操作を行うなど、所定量の反射レーザ光が検出されるまでステージ駆動は行わない。
【００３５】
アナログ処理回路３１，３２のダミックレンジ範囲内の反射レーザ光が検出された場合には、２分割ディテクタ２７（受光素子３０）の信号ＰＤ−Ａ、ＰＤ−Ｂの差が両者の差がＶｆ以下かチェックし（Ｓ９）、両者の大小からステージ１の方向を決定し（Ｓ１０）、ＰＤ−Ａ，ＰＤ−Ｂの差が所定値Ｖｆ以下となるまでステージ制御を行い（Ｓｌｌ，Ｓ１２）、両者の差がＶｆ以下となり、合焦と判断した時点でＡＦ制御を終了する（Ｓ１３）。
【００３６】
以上のような動作・制御される本発明の顕微鏡システムは、高さが異なる観察体Ｓに対して、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突することなく、合焦させることが可能となり、例えばステージ１の移動量を制限する上限や下限などの特別なＡＦ設定が不必要なため、利便性が高くなる。
【００３７】
従って、本発明の顕微鏡シスデムは、従来で得られなかった簡易性とＡＦ性能の両立を実現さことが可能となる。
【００３８】
また本実施形態のアクティブＡＦの方式はいわゆるナイフエッジ法を用いた例を挙げたが、これを観察体に像を投影する方式としても、同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では合焦制御に関して、ステージ１を上下駆動させる例としたが、これを対物レンズ７を駆動しても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
以上述べた第１の実施形態によれば、オートフォーカス制御において、観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことができるＡＦシステムを提供できる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の顕微鏡システムの全体の概略構成は第１実施形態と同様であるため、ここでは本実施形態の特徴である観察体Ｓを積載するステージ（積載台）１について説明する。図５は本実施形態のステージの断面モデル図である。同図中のステージ１に大きさの異なるア）〜ウ）の観察体Ｓのいずれかが積載されている。観察体Ｓの反射率が低く、透過率が高いと図中の斜線で示した部分からの反射光がＡＦシステムの受光素子に入力することになる。従って、ステージ１に対して合焦・制御を行うこととなり、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突してしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態のステージ１は同図の斜線で示した部分に投射光が反射しないように、吸収コート、散乱、透過するような処理の少なくとも１つの処理が施されている。従って、ステージ１からの反射光かＡＦシステムの受光素子に入力することかなくなり、対物レンズ７と観察体ＳがＡＦ制御によって衝突することを防ぐことか可能となる。
【００４２】
また、図６（ａ）、（ｂ）のように観察体Ｓを投射光と垂直に支持する積載方法とすれば、ステージ１から前述した実施形態と同様に反射光がＡＦシステムの受光素子に入力することはなく、同様の効果を得ることが可能である。
【００４３】
以上述べた第２の実施形態によれば、ＡＦ制御において、高さや反射率の異なる観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことができるＡＦシステムを提供できる。
【００４４】
＜第３の実施形態＞
本実施形態の顕微鏡システムの構成は第１の実施形態と同様であるため、ここでは本実施形態の特徴であるレンズ切換時の合焦制御について図７を用いて説明する。
【００４５】
ＡＦ追従中に対物レンズ７の切換が、図１の外部コントローラ１８により指示されると（Ｓ３０）、切換直前の合焦状態をチェックする（Ｓ３１）。切換直前の対物レンズ７において合焦状態もしくは合焦近辺ではなかった場合には、第１の実施形態で示したような合焦制御を行う（Ｓ３２）。
【００４６】
一方、切換直前の対物レンズ７において合焦状態もしくは合焦近辺であると判断されると、現在の合焦位置と観察体Ｓからの積分時間すなわち反射光強度の強度を変換前情報としてストアする（Ｓ３３、Ｓ３４）。変換前情報から後述する演算式より変換後の対物レンズ７のＷＤおよび開口数（以下、ＮＡと略す）から予測合焦位置と予測反射光強度を算出する（Ｓ３５、Ｓ３６）。
【００４７】
そして、予測合焦位置から観察体Ｓと対物レンズ７が衝突しないステージ１の範囲すなわちステージ可動範囲を算出し（Ｓ３７）、さらに予測反射光強度から最長積分時間を算出する（Ｓ３８）。合焦制御はこのステージ可動範囲内と積分時間制御範囲を越えないレベルで、第１の実施形態と同様に観察体Ｓを合焦へと導く（Ｓ３２）。
【００４８】
ここで、ステージ可動範囲と積分時間制御範囲の算出方法について説明する。
【００４９】
【表１】
【００５０】
例えば表１のような特性をもつ対物レンズ７が５０Ｘから１００Ｘへの対物レンズ変換を行うとすると、ステージ１の可動範囲は以下のような要素で決定できる。そのモデルを示したものが図８である。
【００５１】
ア）対物レンズ間同焦差Ｄ１
イ）焦点深度Ｄ２
ウ）作動距離（ＷＤ）Ｄ３
同図のように５０Ｘにおいて合焦位置であるならば、観察体が対物レンズと接触しないステージ範囲の要素として変換後の対物レンズのＷＤ分が挙げられる（同図Ａ）。
【００５２】
また変換前の５０Ｘのピント位置も焦点深度分の幅が挙げられるため、ステージ可動範囲の要素としては次に同図Ｂのように焦点深度が挙げられる。さらに同図では、対物レンズ取り付け面のみでモデル化しているが、もともと対物レンズ間の同焦差もステージ可動範囲を決定する項目である（同図Ｃ）。
【００５３】
従って、変換後の観察体と対物レンズか近づく方向へのステージ可動範囲は、
ステージ可動範囲（Ｄ）＝Ｄ３−Ｄ２−Ｄ１ …（１）
ただし、Ｄ１は観察体と対物レンズの近づく方向を正とする。
【００５４】
すなわち、例の５０Ｘ→１００Ｘの変換時には２９７［ｕｍ］となる。
【００５５】
一方、予測反射光は投射光が対物レンズの瞳径（レーザが通過する直径）で決定する場合には、レーザ光束の面積でレーザ強度が決定するため、瞳径の２乗の比で合焦位置における予測光強度が算出できる。すなわち、変換前の５０Ｘ合焦位置での積分時間を１［ｍｓｅｃ］とすると、１００Ｘ合焦位置で５０Ｘ使用時と同等の出力を得る場合の積分時間（Ｔｃｈ）は、
Ｔｃｈ＝１Ｘ［（２．０）２／（１．０）２］ …（２）
＝４．０［ｍｓｅｃ］
となる。また積分時間の制御範囲はシステム固有のマージンを合わせればさらに確実なものとすることができる。
【００５６】
本実施形態では、変換前の対物レンズ７の情報からステージ可動範囲および積分時間制御範囲を算出したが、これらをどちらか片方でも、観察体Ｓの保護として適応可能である。
【００５７】
また、本実施形態では対物レンズ切換のみの例を示したが、観察方法を切り換えた場合においても同様の算出を行えば、対物レンズと観察体の接触をなくすことができる。従って、本発明の顕微鏡用システムは、従来で得られなかった簡易性とＡＦ性能の両立を実現させることが可能となる。
【００５８】
以上述べた第３の実施形態によれば、対物レンズまたは観察方法切換時のオートフォーカス制御において、高さや反射率の異なる観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことが可能なＡＦシステムが得られる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、対物レンズの倍率や種類、観察方法などの観察条件によらず、観察体の高さ条件が変化しても、対物レンズと観察体を接触させることなく合焦制御可能な顕微鏡システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る顕微鏡システムの第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１のアクティブＡＦ手段を説明するための図。
【図３】図２の２分割ディテクタ（受光素子）で検出された信号の出力処理回路を説明するための図。
【図４】ＡＦ制御を説明するためのフローチャート。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するためのステージ（積載台）の断面モデル図。
【図６】本発明の第２の実施形態の変形例を説明するためのステージの断面モデル図。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるレンズ切換時の合焦制御を説明するためのフローチャート。
【図８】本発明の第３の実施形態におけるレンズ切換時の合焦制御を説明するための図。
【図９】従来の顕微鏡システムにおける課題を説明するための図。
【符号の説明】
１…ステージ
２…光源
３…ＮＤフィルタ
６…キューブ
６．９…結像光学系
７…対物レンズ
８…ＡＦユニット
９…接眼レンズ
１０…ＴＶカメラ
１１…ＣＰＵ
１３…ステージモータ
１４…キューブ駆動装置
１５…キューブモータ
１６…レボルバ駆動装置
１７…レボルバモータ
１８…外部コントローラ
２０…レーザ光源
２１…コリメートレンズ
２２…遮蔽板
２３…偏光ビームスプリッタ
２４．２８…結像レンズ
２５…波長板
２６…ダイクロイックミラ
２７…分割ディテクタ
３０…受光素子
３１．３２…アナログ処理回路
３３．３４…アナログ―デジタル変換器
３５…ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡システム、特に顕微鏡アクティブオートフォーカスシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、顕微鏡を用いた検査装置は自動化が進んでおり、自動的に観察体にピントを合わせるオートフォーカス（ＡＦ）装置は自動化に必須の機能となっている。
【０００３】
一般的に、オートフォーカスは、観察体のコントラストによりピント合わせを行う、いわゆるパッシブ方式と、観察体との距離を算出しピント合わせを行うアクティブ方式に分類される。
【０００４】
ところが、両方式は共に受光素子を備えており、パッシブ方式である場合には観察体光像を検出し、アクティブ方式の場合にはＡＦシステムから観察体に対して投光又は投影像を投射し、観察体からの反射光や反射像などを検出している。
【０００５】
一方、オートフォーカスの性能のひとつには、受光素子により観察体を捕捉できる範囲として合焦検出可能範囲が挙げられ、この範囲が大きいほど観察体の特徴によらず、どこからでも安定かつ高速なオートフォーカスが可能となる。
【０００６】
これらのＡＦ性能の向上には受光素子の感度アップが不可欠の要素であり、そこで受光素子の感度を上げる一つの手段として、例えば特開昭５４−４５１２７号公報の焦点検出装置では、積分型受光素子を用いて被写体像を取り込む場合の積分時間を被写体像の明るさに応じて制御し、見かけ上の感度を向上させる方法が開示されている。
【０００７】
また、特開昭５７−６７９０３号公報の焦点検出装置では、積分時間の大きさによって合焦検出の可否を決定するシステムが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの手段を顕微鏡に適用することはできない。図９（ａ），（ｂ）は、観察体（例えば標本が容器内に収納されたもの）Ｓの高さが高いもので一旦合焦とし、高さが低い観察体Ｓに対して投光方式のアクテイブＡＦを適用した場合のモデル図である。同図のＸ印の位置が合焦位置である。
【０００９】
同図のモデルに特開昭５４−４５１２７号公報のの積分時間の制御を行った場合、積分時間を長くすれば、（ｂ）のような観察体Ｓの反射光を捕捉が可能であり、ＡＦシステムはステージ１を上下させ、観察体Ｓを合焦へと導くことができる。
【００１０】
しかし、この観察体Ｓ自身の投射光に対する反射率が低く透過率が高いと、観察体Ｓを積載する例えばステージ１の反射率の方が観察体よりも高い場合、同図（ｃ）のモデルのようにＡＦシステムはステージ１の表面に対して合焦制御を行なうことになる。
【００１１】
ステージ１の表面に対して合焦と導くようにステージ１を駆動させると、ステージ１の表面に対して合焦と対物レンズ７と観察体Ｓの接触につながり、同図（ｄ）のように観察体あるいは対物レンズ７の破損が生じてしまう。
【００１２】
そこで特開昭５７−６７９０３号公報では、ＡＦシステムが観察体以外のノイズ等に過剰反応しないように、積分時間の大きさによって合焦検出の可否を決定するシステムとしている。
【００１３】
しかし顕微鏡のように対物レンズや観察状態により、同じ観察体の合焦位置であっても受光素子に入射する光の強度が変化する場合、単に積分時間の大きさによって、合焦検出の可否を決定することはできない。
【００１４】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、対物レンズの倍率や種類、観察方法などの観察条件によらず、観察体の高さ条件が変化しても、対物レンズと観察体を接触させることなく合焦制御可能な顕微鏡システムを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、観察体を照明する光源と、前記観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記光源からの照明状態や波長などを変化させ、観察体の観察条件を変える観察条件切換手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記受光手段の最長積分時間を前記光路上に配置される対物レンズに応じて変化させる制御手段を具備した顕微鏡システムである。
【００１６】
請求項１に対応する発明によれば、必要以上に観察体捕捉範囲が大きくなることが抑制され、観察体積載手段に対して合焦制御を行うことがなくなるため、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記観察体積載手段から反射される測距光または投影像が、前記投光手段からの測距光または投影像が、前記観察体積載手段上で反射することを抑制する反射抑制手段を具備した顕微鏡システムである。
【００１８】
請求項４に対応する発明によれば、観察体積載手段からの反射光や反射像は受光素子に入射されないため、観察体積載手段して合焦制御を行うことはなくなり、従って、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、観察体を積載する観察体積載手段と、複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、前記対物レンズまたは観察方法切換時において、前記対物レンズまたは観察方法切換の指示を受けた際、切換直前の観察体の合焦状態が合焦もしくは合焦近辺と判断した場合、切換後の合焦制御で前記駆動手段の可動範囲および前記受光手段の最長積分時間のうち少なくとも一方を決定する予測手段を具備した顕微鏡システムである。
【００２０】
請求項６に対応する発明によれば、対物レンズ間あるいは観察方法のピントずれ量と透過率などの情報から、観察体の予測ピン卜位置および受光素子の予測積分時間が算出でき、従って、観察体積載手段からの反射光が抑制され、かつ予測ピント位置から必要以上に観察積載手段が合焦制御されることがなくなるため、合焦制御に際して観察体と対物レンズの接触を回避させることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る顕微鏡システムの第１の実施形態を説明するための概略構成図である。図１のように、上下方向に移動可能な観察体積載手段例えばステージ１に積載した観察体Ｓを落射照明するための光源２を備えており、光源２からの照明光は、減光のためのＮＤフィルタ３、開口絞り４、視野絞り５、観察方法を変化させるキューブ６を介して観察体Ｓに入射するようになっている。
【００２３】
この観察体Ｓからの光束は、対物レンズ７およびＡＦユニット８を通過して、その一部が接眼レンズ９に導かれ、その他の光束は例えばＴＶカメラ１０や写真撮影装置などに入射するようになっている。
【００２４】
制御手段であるＣＰＵ１１はＡＦユニット８からのデフォーカス信号に基づいて、ステージ駆動装置１２を介して駆動手段例えばステージモータ１３によりステージ１を上下させ、観察体Ｓと対物レンズ７の相対距離を変化させて合焦調節を行ったり、観察方法を切り換えるためにキューブ駆動装置（キューブ駆動制御装置）１４を介してキューブモータ１５を制御したり対物レンズ７の変換を行うためにレボルバ駆動装置１６を介してレボルバモータ１７の制御を行う。
【００２５】
また制御手段例えばＣＰＵ１１は、ユーザーが操作する外部コントローラ１８によりＡＦのＯＮ／ＯＦＦや、対物レンズ７、観察法の切換が可能なようになっている。
【００２６】
ここで、本発明のアクティブＡＦ手段について図２を用いて説明する。アクティブＡＦ手段の構成は、レーザ光源２０から発光されたＰ偏光のレーザ光は平行にするためのコリメートレンズ２１、さらにその平行光束の半分を遮断するための遮蔽板２２を介して、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ２３は遮蔽板により遮断されなかった光束を９０゜反射するようにＰ偏光成分は反射、Ｓ偏光成分は透過するような特性を持っている。偏光ビームスプリッタ２３により反射されたレーザ光は、結像レンズ２４を介して１／４波長板２５を通過し、楕円偏光となり、対物レンズ７の光軸上に設置されたレーザ光の波長のみ反射するダイクロイックミラ２６により、図中に示した経路で対物レンズ７を介して観察体Ｓに入射するようになっている。
【００２８】
観察体Ｓから反射したレーザ光は、図中で示すように、１／４波長板２５で偏光ビームスプリッタ２３を透過するようなＳ偏光成分となり、結像レンズ２４，２８を介して積分型受光素子の２分割ディテクタ２７に入射する。
【００２９】
受光素子からの出力処理を図３で示す。受光素子３０からの２分割出力は、それぞれアナログ処理回路３１，３２に入力された後、アナログ―デジタル変換器（以下ＡＤと略す）３３，３４でデジタル変換されＡＦ演算制御部３５に入力し、ＡＦ演算制御部３５によりデフォーカス演算される。ここでＣＰＵ３５は受光素子３０からの出力をＡＤ変換に際して適正なアナログ処理のダイナミックレンジとなるように積分時間の制御を行う。
【００３０】
ここで、本発明の特徴である受光素子の積分時間制御に関して、詳細な説明を行う。観察体Ｓが低反射率で観察体積載台の反射率力が高かった場合に、アナログ処理のダイナミックレンジに適合するようにむやみに積分時間を長くすると、ステージ１からの反射光がＡＦ信号として入力されることになる。この条件でステージ１に対してＡＦ制御を行った場合には、観察体Ｓに高さと対物レンズ７の作動距離（以下、ＷＤと略す）によっては対物レンズ７と観察体が衝突してしまう。
【００３１】
そこで本発明では、ＡＦを適応する反射率、ピント位置からの距離から最長積分時間を予め設定し、必要以上に積分時間が長くなるのを禁止して、既知であるステージ１が所定以上の距離以上である場合には、ステージ１からの反射光がＡＦ信号として入力されないようにする。従って、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突する事故を未然に防ぐことが可能となる。
【００３２】
また、同じ観察体Ｓであっても対物レンズ７の倍率、種類あるいは観察方法によって観察体Ｓからの反射光の強度は異なるため、上記の最長積分時間は対物レンズ７毎により設定される。
【００３３】
以上のように構成された本実施形態のＡＦ制御について図４を参照して説明する。ＡＦが開始されると（Ｓ１）、現在光路中にある対物レンズ７の倍率・種類より予め設定してある最長積分時間（ＰＤ信号）を決定する（Ｓ２）。そしてＰＤ信号がアナログ処理ダイナミックレンジに適合しているか、すなわちアナログ処理レンジ下限Ｖａｒｌから上限Ｖａｒ２の範囲に入っているかチェックする（Ｓ３）。ＰＤ信号がアナログレンジの上限を越えている場合には積分時間を短くする処理を行う（Ｓ４，Ｓ５）。
【００３４】
一方、Ｐ号がアナログレンジの下限以下である場合には、積分時間が最長積分時間となるまで積分時間を長くする制御を行う（Ｓ７、Ｓ８）。最長積分時間まで積分時間を長くしてもアナロググイナミックレンジに反射レーザ光が入らない状態の場合には、観察者がステージをマニュアル駆動して観察体を合焦位置に近づけ操作を行うなど、所定量の反射レーザ光が検出されるまでステージ駆動は行わない。
【００３５】
アナログ処理回路３１，３２のダミックレンジ範囲内の反射レーザ光が検出された場合には、２分割ディテクタ２７（受光素子３０）の信号ＰＤ−Ａ、ＰＤ−Ｂの差が両者の差がＶｆ以下かチェックし（Ｓ９）、両者の大小からステージ１の方向を決定し（Ｓ１０）、ＰＤ−Ａ，ＰＤ−Ｂの差が所定値Ｖｆ以下となるまでステージ制御を行い（Ｓｌｌ，Ｓ１２）、両者の差がＶｆ以下となり、合焦と判断した時点でＡＦ制御を終了する（Ｓ１３）。
【００３６】
以上のような動作・制御される本発明の顕微鏡システムは、高さが異なる観察体Ｓに対して、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突することなく、合焦させることが可能となり、例えばステージ１の移動量を制限する上限や下限などの特別なＡＦ設定が不必要なため、利便性が高くなる。
【００３７】
従って、本発明の顕微鏡シスデムは、従来で得られなかった簡易性とＡＦ性能の両立を実現さことが可能となる。
【００３８】
また本実施形態のアクティブＡＦの方式はいわゆるナイフエッジ法を用いた例を挙げたが、これを観察体に像を投影する方式としても、同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では合焦制御に関して、ステージ１を上下駆動させる例としたが、これを対物レンズ７を駆動しても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
以上述べた第１の実施形態によれば、オートフォーカス制御において、観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことができるＡＦシステムを提供できる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の顕微鏡システムの全体の概略構成は第１実施形態と同様であるため、ここでは本実施形態の特徴である観察体Ｓを積載するステージ（積載台）１について説明する。図５は本実施形態のステージの断面モデル図である。同図中のステージ１に大きさの異なるア）〜ウ）の観察体Ｓのいずれかが積載されている。観察体Ｓの反射率が低く、透過率が高いと図中の斜線で示した部分からの反射光がＡＦシステムの受光素子に入力することになる。従って、ステージ１に対して合焦・制御を行うこととなり、対物レンズ７と観察体Ｓが衝突してしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態のステージ１は同図の斜線で示した部分に投射光が反射しないように、吸収コート、散乱、透過するような処理の少なくとも１つの処理が施されている。従って、ステージ１からの反射光かＡＦシステムの受光素子に入力することかなくなり、対物レンズ７と観察体ＳがＡＦ制御によって衝突することを防ぐことか可能となる。
【００４２】
また、図６（ａ）、（ｂ）のように観察体Ｓを投射光と垂直に支持する積載方法とすれば、ステージ１から前述した実施形態と同様に反射光がＡＦシステムの受光素子に入力することはなく、同様の効果を得ることが可能である。
【００４３】
以上述べた第２の実施形態によれば、ＡＦ制御において、高さや反射率の異なる観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことができるＡＦシステムを提供できる。
【００４４】
＜第３の実施形態＞
本実施形態の顕微鏡システムの構成は第１の実施形態と同様であるため、ここでは本実施形態の特徴であるレンズ切換時の合焦制御について図７を用いて説明する。
【００４５】
ＡＦ追従中に対物レンズ７の切換が、図１の外部コントローラ１８により指示されると（Ｓ３０）、切換直前の合焦状態をチェックする（Ｓ３１）。切換直前の対物レンズ７において合焦状態もしくは合焦近辺ではなかった場合には、第１の実施形態で示したような合焦制御を行う（Ｓ３２）。
【００４６】
一方、切換直前の対物レンズ７において合焦状態もしくは合焦近辺であると判断されると、現在の合焦位置と観察体Ｓからの積分時間すなわち反射光強度の強度を変換前情報としてストアする（Ｓ３３、Ｓ３４）。変換前情報から後述する演算式より変換後の対物レンズ７のＷＤおよび開口数（以下、ＮＡと略す）から予測合焦位置と予測反射光強度を算出する（Ｓ３５、Ｓ３６）。
【００４７】
そして、予測合焦位置から観察体Ｓと対物レンズ７が衝突しないステージ１の範囲すなわちステージ可動範囲を算出し（Ｓ３７）、さらに予測反射光強度から最長積分時間を算出する（Ｓ３８）。合焦制御はこのステージ可動範囲内と積分時間制御範囲を越えないレベルで、第１の実施形態と同様に観察体Ｓを合焦へと導く（Ｓ３２）。
【００４８】
ここで、ステージ可動範囲と積分時間制御範囲の算出方法について説明する。
【００４９】
【表１】
例えば表１のような特性をもつ対物レンズ７が５０Ｘから１００Ｘへの対物レンズ変換を行うとすると、ステージ１の可動範囲は以下のような要素で決定できる。そのモデルを示したものが図８である。
【００５１】
ア）対物レンズ間同焦差Ｄ１
イ）焦点深度Ｄ２
ウ）作動距離（ＷＤ）Ｄ３
同図のように５０Ｘにおいて合焦位置であるならば、観察体が対物レンズと接触しないステージ範囲の要素として変換後の対物レンズのＷＤ分が挙げられる（同図Ａ）。
【００５２】
また変換前の５０Ｘのピント位置も焦点深度分の幅が挙げられるため、ステージ可動範囲の要素としては次に同図Ｂのように焦点深度が挙げられる。さらに同図では、対物レンズ取り付け面のみでモデル化しているが、もともと対物レンズ間の同焦差もステージ可動範囲を決定する項目である（同図Ｃ）。
【００５３】
従って、変換後の観察体と対物レンズか近づく方向へのステージ可動範囲は、
ステージ可動範囲（Ｄ）＝Ｄ３−Ｄ２−Ｄ１ …（１）
ただし、Ｄ１は観察体と対物レンズの近づく方向を正とする。
【００５４】
すなわち、例の５０Ｘ→１００Ｘの変換時には２９７［ｕｍ］となる。
【００５５】
一方、予測反射光は投射光が対物レンズの瞳径（レーザが通過する直径）で決定する場合には、レーザ光束の面積でレーザ強度が決定するため、瞳径の２乗の比で合焦位置における予測光強度が算出できる。すなわち、変換前の５０Ｘ合焦位置での積分時間を１［ｍｓｅｃ］とすると、１００Ｘ合焦位置で５０Ｘ使用時と同等の出力を得る場合の積分時間（Ｔｃｈ）は、
Ｔｃｈ＝１Ｘ［（２．０）２／（１．０）２］ …（２）
＝４．０［ｍｓｅｃ］
となる。また積分時間の制御範囲はシステム固有のマージンを合わせればさらに確実なものとすることができる。
【００５６】
本実施形態では、変換前の対物レンズ７の情報からステージ可動範囲および積分時間制御範囲を算出したが、これらをどちらか片方でも、観察体Ｓの保護として適応可能である。
【００５７】
また、本実施形態では対物レンズ切換のみの例を示したが、観察方法を切り換えた場合においても同様の算出を行えば、対物レンズと観察体の接触をなくすことができる。従って、本発明の顕微鏡用システムは、従来で得られなかった簡易性とＡＦ性能の両立を実現させることが可能となる。
【００５８】
以上述べた第３の実施形態によれば、対物レンズまたは観察方法切換時のオートフォーカス制御において、高さや反射率の異なる観察体と対物レンズの接触による相互の破損を防ぐことが可能なＡＦシステムが得られる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、対物レンズの倍率や種類、観察方法などの観察条件によらず、観察体の高さ条件が変化しても、対物レンズと観察体を接触させることなく合焦制御可能な顕微鏡システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る顕微鏡システムの第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１のアクティブＡＦ手段を説明するための図。
【図３】図２の２分割ディテクタ（受光素子）で検出された信号の出力処理回路を説明するための図。
【図４】ＡＦ制御を説明するためのフローチャート。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するためのステージ（積載台）の断面モデル図。
【図６】本発明の第２の実施形態の変形例を説明するためのステージの断面モデル図。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるレンズ切換時の合焦制御を説明するためのフローチャート。
【図８】本発明の第３の実施形態におけるレンズ切換時の合焦制御を説明するための図。
【図９】従来の顕微鏡システムにおける課題を説明するための図。
【符号の説明】
１…ステージ
２…光源
３…ＮＤフィルタ
６…キューブ
６．９…結像光学系
７…対物レンズ
８…ＡＦユニット
９…接眼レンズ
１０…ＴＶカメラ
１１…ＣＰＵ
１３…ステージモータ
１４…キューブ駆動装置
１５…キューブモータ
１６…レボルバ駆動装置
１７…レボルバモータ
１８…外部コントローラ
２０…レーザ光源
２１…コリメートレンズ
２２…遮蔽板
２３…偏光ビームスプリッタ
２４．２８…結像レンズ
２５…波長板
２６…ダイクロイックミラ
２７…分割ディテクタ
３０…受光素子
３１．３２…アナログ処理回路
３３．３４…アナログ―デジタル変換器
３５…ＣＰＵ
Claims (7)
- 観察体を照明する光源と、
前記観察体を積載する観察体積載手段と、
複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、
前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、
前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、
前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、
前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、
前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、
前記受光手段の最長積分時間を前記光路上に配置される対物レンズに応じて変化させる制御手段を具備したことを特徴とする顕微鏡システム。 - 前記最長積分時間は、前記複数の対物レンズ毎に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡システム。
- 前記制御手段は、前記対物レンズの倍率、種類のうちの少なくとも一方に応じて前記最長積分時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡システム。
- 観察体を積載する観察体積載手段と、
複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、
前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、
前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、
前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、
前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、
前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、
前記投光手段からの測距光または投影像が、前記観察体積載手段上で反射することを抑制する反射抑制手段を具備したことを特徴とする顕微鏡システム。 - 前記反射抑制手段は、前記投光手段からの光を吸収、散乱、透過させることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡システム。
- 観察体を積載する観察体積載手段と、
複数の対物レンズのうちの１つを選択して前記観察体と対峙させる対物レンズ切換手段と、
前記観察体積載手段と前記対物レンズの少なくとも一方を前記観察体と対峙する対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、
前記対物レンズを介して前記観察体の像を結像させる結像光学系と、
前記観察体に対して測距光または投影像を投光する投光手段と、
前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、
前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導く顕微鏡システムにおいて、
前記対物レンズまたは観察方法切換の指示を受けた際、切換直前の観察体の合焦状態が合焦もしくは合焦近辺と判断した場合、切換後の合焦制御で前記駆動手段の可動範囲および前記受光手段の最長積分時間のうち少なくとも一方を決定する予測手段を具備したことを特徴とする顕微鏡システム。 - 観察体を積載する観察体積載手段と、前記観察体と対峙する対物レンズとの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸方向に駆動する駆動手段と、
前記観察体に対して前記対物レンズを介して測距光または投影像を投光する投光手段と、
前記観察体から反射した反射光あるいは反射像を受光する積分型の受光手段とを具備し、
前記受光手段からの出力信号に基づいて前記駆動手段を用いて前記観察体を合焦へと導くオートフォーカスシステムにおいて、
前記受光手段の最長積分時間を前記光路上に配置される対物レンズに応じて変化させる制御手段を具備したことを特徴とするオートフォーカスシステム。
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