JP4563643B2 - 顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、標本の観察に用いられる顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、顕微鏡用の焦点検出装置として、画像コントラスト方式を採用した構成が知られている。画像コントラスト方式とは、標本の像を画像として取り込み、その画像のコントラストに基づいて焦点検出を行う方式である。
【0003】
なお、画像コントラスト方式では、「ステップ送り方式」が主に採用されている。ステップ送り方式とは、ステージと対物レンズとの位置関係を細かいステップで変更して一旦停止し、コントラストのサンプリングを行うことを繰り返す方式である。このようなステップ送り方式には、焦点検出を精度良く行うことができるという利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のステップ送り方式では、細かいステップで位置関係を変更させるため、合焦までに時間がかかるという問題があった。
このような問題を解決するために、ステージと対物レンズとの位置関係を連続的に変更しながらコントラストのサンプリングを行う「スキャン方式」も提案されているが、スキャン方式では速度が速すぎて焦点検出の精度が悪くなったり、速度が遅すぎて時間がかかったり、サンプリング回数が無駄に多くなる場合があった。
【0005】
本発明の目的は、精度を落とすことなく短時間で焦点検出を行うことができる顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡を提供することにある。
【0006】
本発明の顕微鏡用焦点検出装置は、対物レンズを含み、標本の像を形成する結像光学系と、前記対物レンズを介して形成される標本の像のコントラストを所定の時間間隔(単位:時間/回)で周期的に検出する検出手段と、前記標本と前記対物レンズとのZ軸方向の相対的な位置関係を、所定の速度(単位:距離/時間)で連続的に変更する変更手段と、前記対物レンズの倍率で決まる焦点深度の幅より広く、かつ、前記倍率が低いほど広くなるよう予め設定された合焦可能範囲(単位:距離)を読み込む読込手段と、前記合焦可能範囲での前記コントラストの検出回数(単位:回)と、前記時間間隔とをユーザ操作に基づいて設定する設定手段と、前記合焦可能範囲と前記検出回数と前記時間間隔とを用いて、速度=合焦可能範囲÷時間間隔÷検出回数の式により前記位置関係の変更速度を算出し、前記変更速度に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して焦点検出を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0010】
本発明の顕微鏡は、上述した顕微鏡用焦点検出装置と、倍率が異なる複数の前記対物レンズを支持するとともに、前記複数の対物レンズのうち何れか1つを観察光路に挿入する挿入手段とを備え、前記顕微鏡用焦点検出装置の前記読込手段は、前記観察光路に挿入された対物レンズの倍率で決まる焦点深度の幅より広く、かつ、前記倍率が低いほど広くなるよう予め設定された前記合焦可能範囲を読み込むことを特徴とする。
【0011】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の顕微鏡用焦点検出装置が組み込まれた顕微鏡を用いて説明を行う。
本発明の顕微鏡10は、図1に示すように、観察対象となる標本(不図示)を載置するステージ11、対物レンズ12、第2対物レンズ13、中間変倍レンズ14、CCDセンサ15、信号処理部16、CPU17、メモリ18、表示部19、および入力部20から構成されている。
【0012】
ここで、不図示の標本は、カバーガラス21とスライドガラス22との間に挟まれた生物標本(例えば細胞)である。図示省略したが、顕微鏡10には、ステージ11上に載置された標本を照明する照明装置も設けられる。照明装置は、透過型または落射型である。透過型の照明装置はステージ11の下方に配置され、落射型の照明装置はステージ11の上方に配置される。
【0013】
また、図1には1本の対物レンズ12のみを示したが、本実施形態の顕微鏡10は、倍率が異なる複数の対物レンズ12によって観察可能である。複数の対物レンズ12は、不図示の電動レボルバに支持されている。そして、電動レボルバ(不図示)は、これを回転駆動する駆動部23に接続されている。
さらに、ステージ11はこれを駆動する駆動部24に接続され、図1の矢印aの方向に駆動される。ステージ11の移動によって、標本と対物レンズ12との相対的な位置関係が変更される。
【0014】
以上説明した構成の顕微鏡10において、対物レンズ12は、標本の像を拡大する。そして、第2対物レンズ13は、対物レンズ12からの平行光を集光して結像光に変換する。中間変倍レンズ14は、結像倍率を切り替える。
標本の像は、対物レンズ12と第2対物レンズ13と中間変倍レンズ14とを通過し、CCDセンサ15の撮像面に結像される。
【0015】
CCDセンサ15の撮像面では、各々の受光部に電荷が蓄積される。そして、CCDセンサ15の各受光部に蓄積された電荷は、CCDセンサ15を介して転送され、撮像信号として信号処理部16に出力される。
そして、信号処理部16で処理された画像は、表示部19において不図示のモニタに表示される。したがって、ユーザは、表示部19に表示された画像を見ることにより標本の像を観察することができる。
【0016】
次に、顕微鏡10における焦点検出装置について説明する。ただし、焦点検出装置の一部の構成は、顕微鏡10の構成を兼用したものであるため説明を省略する。ここでは、焦点検出に関わる部分の構成と焦点検出に際しての各部の動作について、以下に説明する。
始めに、ステージ11の駆動部24について図2を用いて説明する。
【0017】
駆動部24には、図2に示すように、ステージ11に取り付けられたDCモータ31と、DCモータ31を回転させるモータ駆動回路32と、DCモータ31の回転角を検出するロータリーエンコーダ33と、ロータリーエンコーダ33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34とが設けられている。アップ/ダウンカウンタ34のカウント結果は、上下動位置信号としてCPU17に出力される。なお、ロータリーエンコーダ33の代わりにリニアエンコーダーを用いても良い。
【0018】
また、駆動部24には、D/Aコンバータ35が設けられる。CPU17は、D/Aコンバータ35を介してステージ11の位置の変更速度を示す情報をモータ駆動回路32に対して出力する。なお、上記した変更速度を、以下では、「Z軸サーチ速度」と称する。Z軸サーチ速度を示す情報は、後述するメモリ18の変数Zspeed[ ]の領域に記憶される(詳細は後述する)。
【0019】
また、CPU17は、モータ駆動回路32に対して、後述するステップ送りの際にステージ11の位置を変更させる変更量を示す情報も出力する。なお、上記した変更量を、以下では、「ステップ送り量」と称する。ステップ送り量を示す情報は、後述するメモリ18の変数Zstep[ ]の領域に記憶される(詳細は後述する)。
【0020】
ステージ11は、上記したDCモータ31が回転すると、その回転角に応じて上下動する。そして、ステージ11上に載置された標本もカバーガラス21、スライドガラス22と共に上下動し、標本と対物レンズ12との位置関係が変更される。
また、駆動部24には、リミットセンサ36が設けられている。リミットセンサ36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、対物レンズ12とカバーガラス21との接触を回避するために設けたものである。
【0021】
次に、信号処理部16について、図2を用いて説明する。
信号処理部16は、図2に示すように、A/Dコンバータ37とコントラスト検出回路38とで構成されている。
A/Dコンバータ37は、CCDセンサ15から出力される撮像信号をディジタルデータ化し、画像信号としてCPU17とコントラスト検出回路38とに出力する。なお、画像信号の出力は一定の時間間隔で周期的に行われ、この周期を「サンプリング周期」と称する。サンプリング周期を示す情報は、後述するメモリ18の変数Mcycの領域に記憶され、本実施形態では、例えば、1/15(S)とする。このようなサンプリング周期は、一般的に、顕微鏡10および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じた固有の値である。
【0022】
コントラスト検出回路38は、CPU17からの指示に応じて、A/Dコンバータ37から出力された画像信号のコントラストを検出し、コントラストデータとしてCPU17に出力する。
ここで、コントラスト検出回路38からCPU17に対して出力されるコントラストデータについて図3(a)を用いて説明しておく。図3(a)の横軸は、ステージ11のZ位置を示し、縦軸は、コントラストデータを示している。コントラストデータは、標本像のコントラストの大小を示す。そのため、ステージ11が上下動してZ位置が変わると、コントラストデータも変化し、あるZ位置で最大となる。この位置が、図3(a)の合焦位置であり、以下、合焦位置Zpと称する。
【0023】
このようにコントラストデータに基づいて焦点検出を行う方式を「画像コントラスト方式」という。
CPU17は、上記したようにステージ11の駆動部24を制御しながら、コントラストデータとそのときのステージ11のZ位置とを読み出し、メモリ18に記憶する。ここで、Z軸サーチ速度の変化に応じたコントラストデータの例を図3(b)〜図3(d)に示す。図3(b)〜図3(d)は、対物レンズ12の倍率が同じで、Z軸サーチ速度が異なる場合のコントラストデータの例である。図3(b)がもっとも速度が遅く、図3(d)がもっとも速度が速い。また、図3(b)〜図3(d)中の点線の間隔は、分解能を表す。分解能とは、ステージ11の駆動部24のロータリーエンコーダ33が、「ステージ11のZ位置が変化した」と検出できる最小の間隔である。
【0024】
上記したように、サンプリング周期は一定(1/15(S))である。そのため、異なる2つのZ位置の間(例えば、合焦可能範囲内)で読み出されるコントラストデータの数は、Z軸サーチ速度が遅いほど多くなり、Z軸サーチ速度が速いほど少なくなる。図3(b)では、コントラストデータの数が多いので分解能よりも細かくサンプリングが行われている。したがって無駄が多い。また、図3(d)では、コントラストデータの数が少ないので焦点検出の精度が低い。
【0025】
次に、対物レンズ12が支持されている電動レボルバ(図1では図示せず)の駆動部23について、図2を用いて説明する。
図2に示すように、駆動部23には、電動レボルバ12aに取り付けられたDCモータ39と、CPU17からの回転制御信号に基づいてDCモータ39を回転させるモータドライバ40とが設けられる。
【0026】
電動レボルバ12aは、上記したDCモータ39の回転に応じて回転する。そして、電動レボルバ12aに支持された複数の対物レンズ12も共に回転し、何れか1つの対物レンズ12が顕微鏡10の観察光路に挿入される。
駆動部23には、電動レボルバ12aのレボルバ穴(例えば6個)のうち、顕微鏡10の観察光路に挿入されたレボルバ穴の番号(1〜6)を検知するセンサ(不図示)も設けられる。
【0027】
次に、入力部20について、図2を用いて説明する。
入力部20には、図2に示すように、キーボード41、対物レンズ切換スイッチ42および合焦制御開始スイッチ43が設けられている。
本実施形態の顕微鏡10において、キーボード41は、対物レンズ情報などを入力するときに使用される。キーボード41から入力された対物レンズ情報は、メモリ18に記憶される。
【0028】
対物レンズ切換スイッチ42は、顕微鏡10の観察光路に挿入された対物レンズ12を別の対物レンズ12に切り換えるときに使用される。CPU17は、対物レンズ切換スイッチ42から入力された切換信号に基づいて電動レボルバの駆動部23を制御し、切換信号によって指定されたレボルバ穴を顕微鏡10の観察光路に挿入する。
【0029】
合焦制御開始スイッチ43は、顕微鏡10における合焦制御の開始を指示するときに使用される。CPU17は、合焦制御開始スイッチ43が操作されると、AF制御を実行する。
このように、CPU17は、メモリ18に格納された制御プログラムや各種データ、信号処理部16からのコントラストデータ、入力部20から入力された各種の信号などを適宜参照しながら、上記したステージ11の駆動部24や電動レボルバの駆動部23を制御する。
【0030】
なお、メモリ18には、顕微鏡10において使用する可能性のある7本の対物レンズ12に関して、図4(d)に示すように、各々の倍率に応じて設定された合焦可能範囲(μm)のデータが、予め記憶されている。
ここで、対物レンズ12の倍率と合焦可能範囲との関係について図5を用いて説明する。図5に示すように対物レンズ12の倍率が低いほど、合焦可能範囲および焦点深度の幅は広くなる。また、対物レンズ12の倍率が高いほど、合焦可能範囲および焦点深度の幅は狭くなる。
【0031】
合焦可能範囲を示す情報は、メモリ18の変数Zarea[ ]の領域に記憶される。CPU17は、対物レンズ12が1倍のときにはZarea[1]、対物レンズ12が2倍のときにはZarea[2]というように、対物レンズ12の倍率に対応する部分を参照する(図4(d)参照)。
また、メモリ18には、前記した対物レンズ情報として、対物レンズ12の倍率情報が変数Mobj_mag[ ]の領域に記憶され(図4(a)参照)、対物レンズ12の開口数情報が変数Mobj_na[ ]の領域に記憶される(図4(b)参照)。さらに、メモリ18には、前記したサンプリング周期情報がMcycの領域に記憶され(図4(c)参照)、Z軸サーチ速度情報がZspeed[ ]の領域に記憶され(図4(e)参照)、Z軸ステップ送り量情報がZstep[ ]の領域に記憶される(図4(f)参照)。
【0033】
次に、上記のように構成された顕微鏡10における焦点検出動作について、図6〜図8のフローチャートを用いて説明する。図7に示す手順(ステップS21〜34)は、図6に示す手順(ステップS1〜12)のステップS10の処理を詳細に示したものであり、図8に示す手順(ステップS41〜50)は、図6に示す手順(ステップS1〜12)のステップS12の処理を詳細に示したものである。
【0034】
CPU17は、顕微鏡10に電源が投入されると、まず、顕微鏡10の各部(メモリ18など)を初期化する(図6のステップS1)。この初期化によって、ステージ11が基準位置に配置される。基準位置とは、予め定められたステージ11の移動開始位置であり、対物レンズ12の倍率に拘らず同じ位置である(図3,図5参照)。また、CCDセンサ15による標本の像の撮像が開始される。
【0035】
初期化の後、CPU17は、入力部20からの入力信号に基づく設定を行う(図6のステップS2〜S8)。その後、合焦制御開始スイッチ43の入力があれば(ステップS9がY)、CPU17は、各部を介して、後述するピークサーチ処理を行い(図6のステップS10)、ピークサーチが成功すると(図6のステップS11Y)、ピークサーチの結果に基づいて後述するピーク検出を行う(図6のステップS12)。
【0036】
まず始めに、入力部20からの入力信号に基づく設定処理(図6のステップS2〜S8)について説明する。
CPU17は、入力部20を介して対物レンズ情報が入力されると(ステップS2がY)、対物レンズ情報をレボルバ穴の番号に対応付けてメモリ18に記憶する(ステップS3)。対物レンズ情報は、レボルバ穴ごとの対物レンズ12の倍率と開口数とであり、倍率はMobj_mag[ ]の領域に記憶され(図4(a)参照)、開口数はMobj_na[ ]の領域に記憶される(図4(b)参照)。
【0037】
次に、CPU17は、図4(d)のデータを参照して、対物レンズ12の倍率に応じた合焦可能範囲(Zarea[ ])を読み出す(ステップS4)。
そして、CPU17は、メモリ18内の情報および合焦可能範囲情報に基づいて、Z軸サーチ速度とZ軸ステップ送り量とを算出する(ステップS5,S6)。
【0038】
Z軸サーチ速度は以下の式を用いて算出される。
Z軸サーチ速度(μm/S)=Zarea[ ]÷Mcyc÷8・・・式1
式1のZarea[ ]は対物レンズ12の倍率に対応した合焦可能範囲であり、Mcycはサンプリング周期である。
また、式1の「8」の部分は、合焦可能範囲内で8回程度サンプリング(コントラストの検出)を行うことを意味する。合焦可能範囲内で8回程度サンプリングを行うことにより、合焦位置Zpを大まかに見つけることができる。
【0039】
そして、CPU17は、算出したZ軸サーチ速度を、メモリ18のZspeed[ ]の領域に、レボルバ穴の番号に対応付けて記憶する(図4(e)参照)。
また、Z軸ステップ送り量は、以下の式を用いて算出される。
Z軸ステップ送り量(μm)=2×λ÷{2×(Mobj_na[ ])2×4}・・・式2式2のλは照明装置による照明光の波長であり、Mobj_na[ ]は対物レンズ12の開口数である。
【0040】
また、式2の「4」の部分は、焦点深度内で4回程度サンプリング(コントラストの検出)を行うことを意味する。焦点深度内で4回程度サンプリングを行うことにより、高精度で焦点検出を行い合焦位置Zpに位置決めすることができる。
そして、CPU17は、算出したZ軸ステップ送り量を、メモリ18のZstep[ ]の領域に、レボルバ穴の番号に対応付けて記憶する(図4(f)参照)。
【0041】
以上のような設定処理の結果、メモリ18には、対物レンズ情報(倍率:Mobj_mag[ ]、開口数:Mobj_na[ ])、サンプリング周期情報(Mcyc)、合焦可能範囲情報(Zarea[ ])、Z軸サーチ速度情報(Zspeed[ ])、Z軸ステップ送り量情報(Zstep[ ])が記憶されることになる。
その後、対物レンズ切換スイッチ42の入力があれば(ステップS7Y)、CPU17は、入力された切換信号に基づいて対物レンズ12の切換制御を行う(ステップS8)。
【0042】
次に、図7を用いてピークサーチ処理について詳細に説明する。ピークサーチ処理は、高速かつ連続的にステージ11の位置を変更しながら、周期的にサンプリングを行い、合焦位置Zpを大まかに見つけるスキャン方式の処理である。
まず、CPU17は、メモリ18を初期化する(ステップS21)。メモリ18には、以下の各領域が含まれる。
【0043】
・コントラストデータの最大値を記憶する領域:コントラスト最大値メモリCmax
・バックアップ用のコントラストデータを記憶する領域:コントラスト一時記憶メモリCo
・コントラスト最大値のときのZ位置を記憶する領域:最大Z位置メモリZmax・コントラスト一時記憶メモリCoの値に対応したZ位置を記憶する領域:Z軸位置一時記憶メモリZo
・更新されたコントラストデータを記憶する領域:コントラストメモリC
・コントラストメモリCの値に対応したZ位置を記憶する領域:Z位置メモリZ初期化により、コントラスト最大値メモリCmax、コントラスト一時記憶メモリCo、最大Z位置メモリZmax、Z軸位置一時記憶メモリZoにそれぞれ初期化データ(最小値)が記憶される。
【0044】
次に、CPU17は、ステージ11の駆動部24を制御して、ステージ11を基準位置(サーチ開始位置)に移動させ、Z位置を読み出す(ステップS22)。そして、CPU17は、最大Z位置メモリZmax、Z軸位置一時記憶メモリZoにそれぞれ現在位置を記憶する。
サーチ開始位置への移動が終了すると、CPU17は、メモリ18のZspeed[ ]の領域からZ軸サーチ速度情報を読み出し(ステップS23)、D/Aコンバータ35を介して、モータ駆動回路32に、Z軸サーチ速度情報を出力する。そして、CPU17は、ステージ11の駆動部24とコントラスト検出回路38とに制御開始信号を出力して、実際のピークサーチ処理を開始する(ステップS24)。
【0045】
CPU17により制御開始信号が出力されると、ステージ11の位置の連続的な変更が始まるとともに、コントラストの周期的な検出が始まる。この時のステージ11の位置の変更速度はZspeed[ ]に対応した速度であり、コントラストの検出周期はMcycに対応したサンプリング周期である。
コントラストデータが更新されると(ステップS25Y)、CPU17は、コントラストデータをコントラストメモリCに記憶し、そのときのZ位置をZ位置メモリZに記憶する(ステップS26)。
【0046】
このとき、ステージ11の駆動部24のリミットセンサ36を介して、リミット検出信号が検出された場合(ステップS27Y)、CPU17は、ステージ11の駆動部24に制御停止信号を出力し(ステップS28)、エラー処理を行う(ステップS29)。
リミット検出信号が検出されなかった場合(ステップS27N)、CPU17は、コントラストメモリCの値がコントラスト最大値メモリCmaxの値より大きいか否かを判定する(ステップS30)。そして、コントラストメモリCの値のほうが大きかった場合(ステップS30Y)、コントラスト最大値メモリCmaxの値をコントラストメモリCの値に更新し、最大Z位置メモリZmaxの値をZ位置メモリZの値に更新する(ステップS31)。その後、CPU17は、ステップS25に戻り、ステップS25〜ステップS31の処理を繰り返す。
【0047】
したがって、CPU17は、コントラストメモリCの値がコントラスト最大値メモリCmaxの値より小さくなる(ステップS30N)まで、ステージ11の位置を連続的に移動させつつ、Mcycのサンプリング周期でコントラストの検出を行い続ける。
そして、コントラストメモリCの値のほうが小さくなる(ステップS30N)と、CPU17は、ピーク位置を通過したか否か判定する(ステップS32)。
【0048】
なお、ピーク位置を通過したか否かの判定は、今回の処理で入力したコントラストメモリCの値とコントラスト最大値メモリCmaxの値との間に所定の差分があるかどうかを判断することにより行われる。
ピーク位置を通過したと判定した場合(ステップS32Y)、CPU17は、ステージ11の駆動部24とコントラスト検出回路38とに制御停止信号を出力し(ステップS33)、ピークサーチ処理を終了する。
【0049】
一方、ピーク位置を通過したと判定できなかった場合(ステップS32N)、CPU17は、今回の処理で入力したコントラストメモリCの値をバックアップ用にコントラスト一時記憶メモリCoにコピーし、Z位置メモリZの値をバックアップ用にZ位置一時記憶メモリZoにコピーする(ステップS34)。これらのバックアップ用のデータは、ピーク位置を通過したか否かを次に判定する(ステップS32)際に参照される。そして、CPU17は、ステップS25に戻り、ステップS25〜ステップS34の処理を繰り返す。
【0050】
ここで、ピークサーチ処理時のステージ11の移動およびコントラストの検出の様子を図9(a)のグラフを用いて説明する。ピークサーチ処理時におけるステージ11のZ位置の移動は図9(a)の矢印の通りである。CPU17が、ステージ11の駆動部24に対して出力する信号は、制御開始信号および制御停止信号だけである。したがって、ステージ11の位置は、CPU17により制御開始信号が出力されてから制御停止信号が出力されるまでの間、高速で、連続的に変更される。また、コントラストの検出は、<1>〜<8>のタイミングで周期的に行われる。そして、ピークサーチ処理が正常に終了した時点で、コントラスト最大値メモリCmaxには<7>のときのコントラストデータが記憶され、最大Z位置メモリZmaxには<7>のときのZ位置が記憶される。
【0051】
なお、CPU17により制御停止信号が出力されてから、実際にステージ11が停止するまでにはタイムラグがあるため、ピークサーチが終了した時点で、ステージ11は、<8>のZ位置よりも図9(a)のグラフ上の右方にシフトする。
【0052】
以上説明したピークサーチ処理の結果、ステージ11の位置は、高速で、連続的に変更され、合焦位置Zpの近傍に迅速に位置決めされることになる。
次に、図8を用いてピーク検出処理について詳細に説明する。ピーク検出処理は、ピークサーチ処理の結果を踏まえて、高精度で焦点検出を行い、合焦位置Zpにステージ11を位置決めするステップ送り方式の処理である。
【0053】
まず、CPU17は、コントラスト一時記憶メモリCoに初期化データ(最小値)を記憶し、Z位置一時記憶メモリZoに現在位置データを記憶する(ステップS41)。
次に、CPU17は、メモリ18のZstep[ ]の領域から、Z軸ステップ送り量情報を読み出し(ステップS42)、D/Aコンバータ35を介して、モータ駆動回路32に、Z軸ステップ送り量情報を出力する。そして、CPU17は、ステージ11の駆動部24とコントラスト検出回路38とに制御開始信号を出力して実際のピーク検出処理を開始する(ステップS43)。ただし、ピーク検出処理においては、ステージ11が移動する毎にコントラストの検出を行うにように、CPU17から制御開始信号が間欠的に出力されるものとする。ステージ11の位置が変更されると、コントラストの検出が行われ、検出結果に応じて、再びステージ11の位置が変更されることになる。また、ステージ11は、上記したピークサーチ方向とは逆の方向(図9(a)のグラフの左方)に移動するよう制御される。
【0054】
CPU17により制御開始信号が出力されると、ステージ11の位置の間欠的な変更(ステップ送り)が始まるとともに、ステージ11の位置が変更される毎にコントラストの検出が始まる。この時のステージ11の位置の変更量はZstep[ ]に対応したステップ送り量であり、コントラストはステージ11の位置が変更される毎に検出される。
【0055】
コントラストデータが更新されると(ステップS44Y)、CPU17は、コントラストデータをコントラストメモリCに記憶し、そのときのZ位置をZ位置メモリZに記憶する(ステップS45)。
次に、CPU17は、コントラストメモリCの値がコントラスト最大値メモリCmaxの値より大きいか否かを判定する(ステップS46)。そして、コントラストメモリCの値のほうが大きかった場合(ステップS46Y)、CPU17は、コントラスト最大値メモリCmaxの値をコントラストメモリCの値に更新し、最大Z位置メモリZmaxの値をZ位置メモリZの値に更新する(ステップS47)。そして、CPU17は、ステップS43に戻り、ステップS43〜ステップS47の処理を繰り返す。
【0056】
したがって、CPU17は、コントラストメモリCの値がコントラスト最大値メモリCmaxの値より小さくなる(ステップS46N)まで、ステージ11の位置を間欠的に変更させる毎に、コントラストの検出を行い続ける。
そして、コントラストメモリCの値のほうが小さくなる(ステップS46N)と、CPU17は、前回のコントラストデータが最大値であるか否かを判定する(ステップS48)。なお、前回のコントラストデータが最大値であるか否かの判定は、図7ステップS30と同様に行われる。
【0057】
前回のコントラストデータが最大値であると判定した場合(ステップS48Y)、CPU17は、前回のコントラストデータに対応付けて記憶されているZ位置にステージ11を移動する(ステップS49)。なお、「前回のコントラストデータに対応付けて記憶されているZ位置」は、コントラストデータが最大値であるZ位置、すなわち合焦位置Zpである。そして、CPU17は、ピーク検出処理を終了する。
【0058】
一方、前回のコントラストデータが最大値であると判定できなかった場合(ステップS48N)、CPU17は、今回の処理で入力したコントラストメモリCの値をバックアップ用にコントラスト一時記憶メモリCoにコピーし、Z位置メモリZの値をバックアップ用にZ位置一時記憶メモリZoにコピーする(ステップS50)。これらのバックアップ用のデータは、前回のコントラストデータが最大値であるか否かを次に判定する(ステップS48)際に参照される。そして、CPU17は、ステップS43に戻り、ステップS43〜ステップS50の処理を繰り返す。
【0059】
ここで、ピーク検出処理時のステージ11の移動およびコントラストの検出の様子を図9(b)のグラフを用いて説明する。ピーク検出処理時におけるステージ11のZ位置の移動は図9(b)の矢印の通りである。CPU17は、(1)〜(6)のタイミングで、ステージ11の駆動部24に制御開始信号を出力する。ステージ11の位置は、CPU17により制御開始信号が出力される度に、間欠的に変更(ステップ送り)される。また、コントラストの検出は<1>〜<6>のタイミングで、ステージ11の位置が変更される毎に行われる。そして、ピーク検出処理が終了した時点で、コントラスト最大値メモリCmaxには<5>のときのコントラストデータが記憶され、最大Z位置メモリZmaxには<5>のときのZ位置(合焦位置Zp)が記憶される。
【0060】
以上説明したピーク検出処理の結果、ステージ11は、合焦位置Zpに精度良く位置決めされることになる。
上記のように、本実施形態の顕微鏡10によれば、スキャン方式で大まかに焦点検出を行い、その結果に基づいてステップ送り方式の焦点検出を行うことにより、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる。
【0061】
特に、ステージ11の位置を変更する速度を、対物レンズ情報に基づいて調整することにより、最適な速度でスキャン方式の焦点検出を行うことができる。例えば、速度が速すぎて焦点検出の精度が悪くなるのを防ぐことができる。また、速度が遅すぎて時間がかかったり、サンプリング回数が無駄に多くなるのを防ぐことができる。また、ステップ送り量を、対物レンズ情報に基づいて調整することにより、最適なステップ送り量でステップ送り方式の焦点検出を行うことができる。
【0062】
また、本実施形態の顕微鏡10によれば、観察用画像を撮像する光学系(12〜14)およびCCDセンサ15を兼用して焦点検出を行う。したがって、焦点検出用の独自の光学系を必要としないためコストを抑えることができる。
なお、上記した実施形態では、スキャン方式とステップ送り方式とを組み合わせて焦点検出を行う例を示したが、スキャン方式のみを用いて焦点検出を行うようにしても良い。この場合、Z軸サーチ速度を調整してスキャン方式の焦点検出を行うことにより、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる。なお、スキャン方式のみを用いて焦点検出を行う場合、図3(c)に示したように、分解能に応じた数のコントラストデータを検出できるようにZ軸サーチ速度を調整することにより、無駄なく、精度良く焦点検出を行うことができる。
【0063】
また、対物レンズ12の倍率が低い場合には、スキャン方式のみで十分な焦点検出精度を得ることができる。さらに、対物レンズ12の倍率に応じて、スキャン方式とステップ送り方式とを組み合わせて焦点検出を行うか否かを決定するようにすると良い。
なお、上記した実施形態では、サンプリング周期(コントラストの検出周期)が顕微鏡10に応じた固有の値である例を示したが、顕微鏡10および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じて可変であっても良い。その場合、サンプリング周期とZ軸サーチ速度との何れか一方または両方を変化させることにより、サンプリング周期とZ軸サーチ速度との関係を調整することができる。
【0064】
サンプリング周期とZ軸サーチ速度とが決まると、焦点検出精度が決まる。また、焦点検出精度が決まると、サンプリング周期とZ軸サーチ速度とを決めることができる。すなわち、サンプリング周期とZ軸サーチ速度との間には、相関関係がある。例えば、ある焦点検出精度を実現するためには、サンプリング周期とZ軸サーチ速度との何れか一方または両方を変化させることにより、サンプリング周期とZ軸サーチ速度との関係を調整すれば良い。
【0065】
したがって、サンプリング周期とZ時サーチ速度との関係を調整することにより、焦点検出の精度を調整することになる。そのため、このような調整を行うことにより、例えば、対物レンズ12の倍率が変わっても同じ焦点検出精度で焦点検出を行うことができる。また、同様の調整を行うことにより、例えば、対物レンズ12が同じであっても所望の焦点検出精度で焦点検出を行うことができる。
【0066】
なお、サンプリング周期が可変である場合には、対物レンズ情報入力の際に、サンプリング周期を設定可能にすると良い。また、設定は、顕微鏡10および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じて予め決められたいくつかのサンプリング周期から選択するようにすると良い。
また、上記した実施形態では、Z軸サーチ速度を、予め設定された合焦可能範囲内でのサンプリング回数(コントラストの検出回数)に基づいて算出する例を示したが、このサンプリング回数をユーザ操作により設定するようにしても良い。
図6ステップS5で用いた式1の「8」の部分を「変数A」と置き換えると、式1により、合焦可能範囲内でA回程度サンプリング(コントラストの検出)を行うのに適当なZ軸サーチ速度を算出することができる。
【0067】
さらに、上記したようにサンプリング周期が可変であり、合焦可能範囲内でのサンプリング回数が設定可能である場合には、ユーザ操作により設定されたサンプリング回数を実現するようにサンプリング周期とZ軸サーチ速度とを調整すると良い。
なお、Z軸ステップ送り量についても同様に、焦点深度内でのサンプリング回数を設定可能にしても良い。
【0068】
また、上記した実施形態では、焦点検出に用いるCCDセンサ15として、観察像撮像用のエリアセンサを兼用して用いる例を示したが、受光部が一列に配列されたラインセンサを焦点検出用に新たに備えても良い。その場合、図1の対物レンズ12と第2対物レンズ13との間に光路分割素子を設け、観察像撮像用のエリアセンサと焦点検出用のラインセンサとに光路を分割すれば良い。
【0069】
また、上記した実施形態では、落射型または透過型の照明によって生物標本を観察する顕微鏡10の例を示したが、本発明は、生物標本に限らず、例えば半導体ウエハを落射照明で観察する顕微鏡などにも適用できる。
さらに、上記した実施形態では、標本と対物レンズ12との位置関係を調整するためにステージ11を上下動させる例を示したが、対物レンズ12を上下動させても良いし、対物レンズ12と標本との双方を上下動させても良い。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、精度を落とすことなく短時間で焦点検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の顕微鏡の全体構成を示す図である。
【図2】本実施形態の顕微鏡の電気的な構成を示すブロック図である。
【図3】コントラストデータについて説明する図である。
【図4】本実施形態の顕微鏡のメモリに記憶される情報を示すテーブルである。
【図5】対物レンズの倍率と合焦可能範囲および焦点深度との関係を示す図である。
【図6】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図7】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図8】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図9】焦点検出動作を説明する図である。
【符号の説明】
10 顕微鏡
11 ステージ
12 対物レンズ
13 第2対物レンズ
14 中間変倍レンズ
15 CCDセンサ
16 信号処理部
17 CPU
18 メモリ
19 表示部
20 入力部
21 カバーガラス
22 スライドガラス
23,24 駆動部
31,39 DCモータ
32 モータ駆動回路
33 ロータリーエンコーダ
34 アップ/ダウンカウンタ
35 D/Aコンバータ
36 リミットセンサ
37 A/Dコンバータ
38 コントラスト検出回路
40 モータドライバ
41 キーボード
42 対物レンズ切換スイッチ
43 合焦制御開始スイッチ
Claims (2)
- 対物レンズを含み、標本の像を形成する結像光学系と、
前記対物レンズを介して形成される標本の像のコントラストを所定の時間間隔(単位:時間/回)で周期的に検出する検出手段と、
前記標本と前記対物レンズとのZ軸方向の相対的な位置関係を、所定の速度(単位:距離/時間)で連続的に変更する変更手段と、
前記対物レンズの倍率で決まる焦点深度の幅より広く、かつ、前記倍率が低いほど広くなるよう予め設定された合焦可能範囲(単位:距離)を読み込む読込手段と、
前記合焦可能範囲での前記コントラストの検出回数(単位:回)と、前記時間間隔とをユーザ操作に基づいて設定する設定手段と、
前記合焦可能範囲と前記検出回数と前記時間間隔とを用いて、速度=合焦可能範囲÷時間間隔÷検出回数の式により前記位置関係の変更速度を算出し、前記変更速度に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して焦点検出を行う制御手段と
を備えたことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。 - 請求項1に記載の顕微鏡用焦点検出装置と、
倍率が異なる複数の前記対物レンズを支持するとともに、前記複数の対物レンズのうち何れか1つを観察光路に挿入する挿入手段とを備え、
前記顕微鏡用焦点検出装置の前記読込手段は、前記観察光路に挿入された対物レンズの倍率で決まる焦点深度の幅より広く、かつ、前記倍率が低いほど広くなるよう予め設定された前記合焦可能範囲を読み込む
ことを特徴とする顕微鏡。
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