JP5909902B2 - オートフォーカス装置、顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡装置用のオートフォーカス装置とこれを有する顕微鏡装置に関する。

生物顕微鏡において、フォーカス用の光像を照明光を標本に照射し、その反射光を用いて対物レンズの前側焦点（以後、「焦点」ともいう）に標本の観察位置を位置決めし、かつ焦点検出光学系に設けられた焦点位置調節レンズを焦点検出光学系の光軸に沿って移動させることにより、対物レンズの前側焦点を標本に対して光軸方向に移動するオートフォーカス装置（いわゆる、パーフェクトフォーカス装置）とこれを有する顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−７０２７６号公報

顕微鏡の高解像観察技術の進歩に伴い、上記パーフェクトフォーカス装置において観察対象物上の焦点位置（Ｚ位置とも言う）を正確に知ることが必要になり、これに対応したオートフォーカス装置と、これを搭載した顕微鏡装置が求められている。

本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、焦点位置調節レンズの移動と観察位置の関係を把握でき、観察対象物上の焦点位置を知ることができるオートフォーカス装置とこれを有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、
対物レンズと、
前記対物レンズを介して対象物の像を結像する観察光学系と、
前記対物レンズを介して前記対象物上にフォーカス用の光像を投影検出するフォーカス用光学系と、
前記フォーカス用光学系に配置され、前記観察光学系の結像位置と前記フォーカス用光学系の結像位置とのオフセット量を調節する結像位置調節手段と、
前記対物レンズの前記観察光学系に対する焦点位置を検出するＺ位置検出手段と、
前記結像位置調節手段の位置を検出するＸ位置検出手段と、
前記Ｘ位置検出手段からのＸ位置情報と前記Ｚ位置検出手段からのＺ位置情報とを関連付けた座標テーブルを記憶する記憶部と、
制御部とを有し、
前記制御部は、
前記対象物を最初に観察する直前に取得した前記Ｘ位置情報と前記Ｚ位置情報の関係と所定時間経過後の前記対象物を観察する前に取得した前記Ｘ位置情報と前記Ｚ位置情報の関係とを前記座標テーブルに記憶し、
前記最初の関係と前記所定時間経過後の関係とを比較し、径時変化に伴うＸ位置情報とＺ位置情報の関係のずれを補正したＸ−Ｚ関係に基づき、前記結像位置調節手段を介して前記所定時間経過後のＺ位置を前記最初の時のＺ位置に位置決めすることを特徴とするオートフォーカス装置を提供する。

また、本発明は、前記オートフォーカス装置を具備することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。

本発明によれば、焦点位置調節レンズの移動と観察位置の関係を把握でき、観察対象物上の焦点位置を知ることができるオートフォーカス装置とこれを有する顕微鏡装置を提供することができる。

実施形態にかかる顕微鏡装置の光学系および制御系の構成を模式的に示す図。 温度変化による焦点位置調節レンズ位置（Ｘ位置）と前側焦点位置（Ｚ位置）の変化の一例を示す。 焦点位置調節レンズ位置（Ｘ位置）と前側焦点位置（Ｚ位置）を対応付けた座標テーブルの一例。

以下、本願の一実施形態にかかるオートフォーカス装置を有する顕微鏡装置について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解を容易にするためのものに過ぎず、本願発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。

図１は、実施形態にかかるオートフォーカス装置を搭載した顕微鏡装置の概略構成図である。この顕微鏡装置は、観察の対象物である標本の拡大像を形成して観察あるいは画像取得に使用するものであり、観察の対象物である標本４８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。

図１において、本実施形態にかかる顕微鏡装置の光学系は、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た本実施形態にかか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。

フォーカス用照明光学系５は、その光軸上に、ＬＥＤ光源２０側から順に、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から出射されたオートフォーカス用の光である赤外光（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、この赤外光の焦点位置である標本面（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、フォーカス用照明光学系５の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の光軸が交差する位置に配設されており、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。

フォーカス用照明光学系５と観察光学系３の光軸が交差する位置には、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や蛍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で対物レンズ１２方向に反射され（赤外光Ｌｂ）、対物レンズ１２によって標本面に集光される。なお、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。

観察光学系３は、標本４８側から順に、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および第２対物レンズ１３が配設されて構成されており、さらに第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４８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。

透過照明の場合、照明装置から照射された光は標本４８を透過して観察光となり、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に入射した観察光は、一部が反射され第２対物レンズ１３および接眼レンズで標本４８の観察像が結像され、観察に供せれる。また、第２ハーフミラー１７を透過した一部の観察光は、カメラ用対物レンズ３６とカメラ用リレーレンズ３７を通過し、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）に投影する。

フォーカス用結像光学系７は、フォーカス用照明光学系５によりステージ１１上の標本面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４８はカバーガラス１４によって覆われているため、対物レンズ１２で結像された焦点検出用の赤外光は、カバーガラス１４の表面やカバーガラス１４と標本４８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、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で反射され（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を通過し、フォーカス用照明光学系５の光軸に対して略４５度傾けて配設された第１ハーフミラー２５に入射し、第１ハーフミラー２５で一部が反射されフォーカス用結像光学系７に入射する。

フォーカス用結像光学系７は、フォーカス用照明光学系５側から光軸に沿って順に、第１ハーフミラー２５、オートフォーカス用対物レンズ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。

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、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において紙面に対して垂直方向（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。なお、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。

なお、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の像を標本面に照射している。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の像を標本面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。

本発明にかか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に示すように、ダイクロイックミラー１６と第１ハーフミラー２５の間の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と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９ａ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。焦点位置調節レンズ駆動部９ａは後述するＣＰＵ４１の焦点位置調節レンズ移動制御部を介して移動が制御されている。

また、焦点位置調節レンズ８には焦点位置調節レンズ８の位置（Ｘ位置）を検出するＸ位置検出部９ｂが取り付けられており、検出されたＸ位置情報はＣＰＵ４１に伝達される。

また、焦点位置調節レンズ８を光軸方向に移動した時に、対物レンズ１２と標本４８との衝突を防止するための不図示のリミットセンサーＨＬ１（−）及びＨＬ２（＋）が配設されている。

また、後述する顕微鏡装置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レンズ操作ダイアル５１と不図示の焦点位置調節レンズ切り替えスイッチが配設されおり、観察者は焦点位置調節レンズ操作ダイアル５１を操作すると、これに結合された不図示のエンコーダからの信号に基づき焦点位置調節レンズ８を光軸にそって往復移動させることができる。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。

焦点位置調節レンズ８の作用について説明する。なお、図１においてオートフォーカス用照明光を実線で示し、観察光学系３における観察光を点線で示している。

焦点位置調節レンズ８は、対物レンズ１２で標本面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）の結像位置をフォーカス用照明光学系５の光軸に沿ってずらすと同時に標本面で反射し、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フォーカス用結像光学系７の光軸に沿ってずらす働きをする。

以下、オートフォーカス制御を行いながら、標本４８における実際に観察したい位置に対物レンズ１２の観察光学系３の前側焦点（以下、「焦点ｆ」という）を合わす方法について説明する。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に沿って移動可能に配置されて構成することができる。なお、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が物体側に固定され、その後方（ＬＥＤ光源２０側）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。

観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆがカバーガラス１４と標本４８の境界面（以後、標本面という）に合っている状態で、スリット開孔２２ａを通して照射されるオートフォーカス用スリット像の結像位置（フォーカス用照明光学系５による対物レンズ１２の焦点位置である）が同じく標本面に合い、かつ、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（Ｘ位置）を調節する。この状態では、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆと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による対物レンズ１２の焦点（標本面）とが一致している。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（図２のＸ＝０、Ｚ＝０に相当）。この状態ではスリット像が観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆつまり標本面に結像し、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とも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スリット像は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による対物レンズ１２の焦点である標本面と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆが一致している状態に制御される。

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標本面から移動させて、オートフォーカス用スリット像の結像位置と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置をずらす（オフセットさせる）。例えば、凹レンズ８ｂを後方（凸レンズ８ａから離れる方向）に距離Ｘ１だけ移動させると、オートフォーカス用スリット像の結像位置は標本面より対物レンズ１２側に所定の距離（この距離を「オフセット量Ｚ１」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１１が移動するために標本面が移動して、オートフォーカス用スリット像の結像位置が標本面に一致する。この時、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆはオフセット量Ｚ１だけ標本４８の中に移動する（図２のＸ＝Ｘ１、Ｚ＝Ｚ１参照）。この状態では、オートフォーカス用スリット像は標本面にあり、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆはオフセット量だけ標本４８の中にある。この結果、焦点位置調節レンズ８をオフセットゼロ位置（Ｘ＝０位置）から距離（Ｘ＝Ｘ１）移動することで、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置をＺ＝０、からＺ＝Ｚ１まで移動することができる。その後、オートフォーカス装置は、この状態を維持するように動作する。

このように焦点位置調節レンズ８の移動量と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの移動量とは関係しており、焦点位置調節レンズ８の移動に伴う位置（Ｘ値）の変化をモニタすることで観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置の変化（Ｚ値）を検出することができる。

このとき、焦点位置調節レンズ８を構成する凹レンズ８ｂの位置Ｘ１と、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置が標本面から移動するオフセット量Ｚ１は、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、本発明にかか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。

このように、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、簡単な構成でオートフォーカス用照明光の結像位置を移動させて観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆをオフセットさせることができる。

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オフセット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。

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、標本面に集光照射されるスリット像と標本面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の位置を光軸方向にずらしていたが、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を配設して標本面に集光照射されるスリット像の焦点の位置を光軸方向にずらすことで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の位置を光軸方向にずらすことで実現することも可能である。

顕微鏡装置の制御系は、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３４ａ、ステージ１１の上下位置（Ｚ位置）を検出するＺ位置検出部３４ｂ、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。

オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０が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、対物レンズ１２に対する標本面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対物レンズ１２の観察光学系３の焦点ｆ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、標本面やカバーガラス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の移動方向を制御する。

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モータと、ステージ駆動用ＤＣモータを回転させるステージ駆動用モータドライバと、ステージ駆動用ＤＣモータの回転角を検出するロータリエンコーダ（Ｚ位置検出３４ｂ）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。

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、標本と対物レンズ１２との位置関係が調節されるとともに、合焦位置のＺ位置が検出される。

また、ＣＰＵ４１には、顕微鏡装置の所定の位置に配置された温度検出器４４が接続され、顕微鏡装置周辺の環境温度を検出できるようになっている。そして、検出された温度情報は、後述する焦点位置調節レンズ８の位置と標本中の対物レンズ１２の焦点位置との関係を知る、あるいは再評価するために使用される。

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装置は、倍率が異なる複数の対物レンズ１２によって構成可能である。複数の対物レンズ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対物レンズ１２もともに回転し、いずれか１つの対物レンズ１２が顕微鏡装置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、顕微鏡装置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。

入力部４３には、焦点位置調節レンズ操作ダイアル５１、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。

キーボードは、電動リボルバにセットされている複数の対物レンズ１２の情報を入力する時等に使用される。キーボードから入力された複数の対物レンズ１２のそれぞれのデータは、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。

対物レンズ切り替えスイッチは、顕微鏡装置の観察光路上に位置決めされた対物レンズ１２を別の対物レンズ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対物レンズを顕微鏡装置の観察光路上に位置決めする。

オートフォーカス制御開始スイッチは、顕微鏡装置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４８が対物レンズ１２の焦点に位置決めされる。

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、操作者が顕微鏡装置の第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装置では、標本の中の任意の面が対物レンズ１２の焦点に一致している。

このような構成によれば、焦点位置調節レンズ８を前記オフセットゼロ（Ｚ＝０）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前後に移動させることにより、観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置を自由に、かつ、標本面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にずらすことが可能である。また、標本面から常に一定の距離だけ光軸方向に離れたところに観察光学系３による対物レンズ１２の焦点を合わせることができるため、標本４８をステージ上で移動して標本４８の別の部分を観察する場合や、別の標本４８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。

本実施形態にかかるオートフォーカス装置では、例えば、対物レンズの交換、暗視野、明視野、蛍光観察等の切換えによる観察方法の変更、例えば、温度などの観察環境条件の変化等により、上述した焦点距離レンズ８の移動量（Ｘ位置）に対するオフセット量（Ｚ位置）の関係がずれることが分かっている。一方、最近の観察技術の進歩によりより高解像の標本像を得るために焦点位置調節レンズ８の位置変化に対する標本に対する観察光学系３による対物レンズ１２の焦点位置をより正確に知ることが必要になっている。

そこで、本実施形態にかかるオートフォーカス装置は、上記のような状況変化が生じた場合でも焦点位置調節レンズ８の位置（Ｘ位置）の変化に対する観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置（Ｚ位置）をより正確に知るとことを可能にしたものである。

図２は、環境温度（顕微鏡装置の温度）が２５℃と３０℃における焦点位置調節レンズ８の移動（Ｘ位置）と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置（Ｚ位置）の関係（以後、「Ｘ−Ｚ関係」という）を示す一例である。

図２から分かるように、環境温度の変化により、標本４８の観察光学系、あるいはオート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等が変化し、Ｘ−Ｚ関係が変化する。温度２５℃の時、Ｘ＝Ｘ１でＺ＝Ｚ１であったものが、温度３５℃ではＺ＝Ｚ１’に変化する。これでは、焦点位置調節レンズ８の位置が同じでも、観察している標本４８の位置が異なってしまう。

そこで、本実施形態にかかるオートフォーカス装置は、図３に示すような観察条件に対応した（Ｘ−Ｚ）座標テーブルを記憶部４２に保存しておき、ＣＰＵ４１が観察条件に対応するＸ−Ｚ関係を該座標テーブルの値を参照することで焦点位置調節レンズ８の位置（Ｘ位置）から標本４８の観察位置（Ｚ位置）を知ることが可能になる。焦点位置調節レンズ８のＸ位置に対応する標本４８のＺ位置と共に、取得した標本像を記憶してこくことで、後日の解析に役立たせることができる。

図３では、対物レンズがＡ、Ｂの二種類、環境温度が２５℃と３５℃の二種類を、予め記憶したデータとして示している。なお、これらデータは、必要に応じて増やすこともできる。なお、その他の観察条件についてもデータとして記憶しておくことができる（例えば、フィルタ等）。

また、再測定データは、観察者が標本の観察を行う前に、焦点位置調節レンズ８のＸ位置と対物レンズ１２の焦点位置（Ｚ位置）との関係を測定して記憶したデータである。この再測定データは、観察者が顕微鏡装置を操作して上記オフセットゼロ位置である標本面にフォーカス用スリット像と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆを一致させたのち、ＣＰＵ４１が焦点位置調節レンズ８を光軸に沿って移動する。このとき、ＣＰＵ４１は、焦点位置調節レンズ８のＸ位置と観察光学系３による対物レンズ１２の焦点ｆの位置（Ｚ位置）とをＸ位置検出部９ｂとＺ位置検出部３４ｂを介してそれぞれ検出して図３に示すＸ−Ｚ座標テーブルを作成して記憶部４２に記憶する（例えば，図３のＲｂ）。このように、観察直前にＸ−Ｚ関係を再測定して記憶することで、焦点位置調節レンズ８のＸ位置と対物レンズ１２の焦点位置（Ｚ位置）の関係をより正確に把握することができる。

以上述べたように、本実施形態にかかるオートフォーカス装置は、焦点位置調節レンズ８の位置（Ｘ位置）と対物レンズの焦点位置（Ｚ位置）の関係を、前もって測定して記憶しておく、あるいは観察直前に測定して記憶することで、焦点位置調節レンズ８の移動による対物レンズ１２の焦点位置をより正確に知ることを可能にする。そして、焦点位置調節レンズ８の位置をずらしながら対物レンズ１２の焦点位置を標本中でずらして結像光学系で画像を取得し、Ｘ−Ｚ関係（Ｘ−Ｚ座標テーブル）から得られるＺ位置と共に所得した標本画像を記憶することができる。このようにして取得したＺ位置を有する画像は、後日の画像解析等に有効に活用することができる。

また、本顕微鏡装置を使ったタイムラプス観察を実行する場合、一度標本画像を取得して記憶した後、所定時間が経過して再度標本画像を取得する際、その取得開始前にＸ−Ｚ関係座標テーブルを再測定して座標テーブルに追記し、最初の座標テーブルのＸ−Ｚ関係と再測定後のＸ−Ｚ関係とを比較処理することで、径時変化に伴うＸ−Ｚ関係のずれを補正した標本画像を取得するように構成することができる。

このように本実施形態にかかるオートフォーカス装置は、焦点位置調節レンズの位置と対物レンズの焦点位置との関係をＣＰＵ４１がそれぞれに配置された位置検出部を介して検出し記憶する処理ルーチンを有することで、観察条件が変化したときでもＸ−Ｚ関係を再評価することができ、より正確な焦点位置（Ｚ位置）を取得することができる。ここでいう処理ルーチンは、ＣＰＵに格納されたプログラムによって関連する部材を所定の手順に従って動作させることで実行される。

なお、再評価は、ＣＰＵが対物レンズの交換、観察条件の変更、温度の変化、あるいはタイムラプス条件変化を検出した際に、自動的に再評価ルーチンを実施するように構成することも可能である。

３ 観察光学系
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
９ａ 焦点位置調節レンズ駆動部
９ｂ Ｘ位置検出部（焦点位置調節レンズ位置検出部）
１０ 可視光カットフィルタ
１１ ステージ
１２ 対物レンズ
１３ 第２対物レンズ
１４ カバーガラス
１５ スライドガラス
１６ ダイクロイックミラー
１７ 第２ハーフミラー
１８ 赤外光カットフィルタ
２０ ＬＥＤ光源
２１ ＬＥＤ光源
２２ スリット板
２３ 第２コレクタレンズ
２４ 第１瞳制限マスク
２５ 第１ハーフミラー
２６ オートフォーカス用対物レンズ
２７ オートフォーカス用リレーレンズ
２８ 第２瞳制限マスク
２９ シリンドリカルレンズ
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
３４ａ ステージ駆動部
３４ｂ Ｚ位置検出部（ステージ位置検出部）
３５ 電動リボルバ駆動部
３６ カメラ用対物レンズ
３７ カメラ用リレーレンズ
３８ カメラ用ＣＣＤセンサー
４１ ＣＰＵ
４２ メモリ
４３ 入力部
４４ 温度検出器
４８ 標本
５１ 焦点位置調節レンズ操作ダイアル
６１ エンコーダ
６２ 回転信号ＯＮ／ＯＦＦ

Claims (4)

1. 対物レンズと、
   前記対物レンズを介して対象物の像を結像する観察光学系と、
   前記対物レンズを介して前記対象物上にフォーカス用の光像を投影検出するフォーカス用光学系と、
   前記フォーカス用光学系に配置され、前記観察光学系の結像位置と前記フォーカス用光学系の結像位置とのオフセット量を調節する結像位置調節手段と、
   前記対物レンズの前記観察光学系に対する焦点位置を検出するＺ位置検出手段と、
   前記結像位置調節手段の位置を検出するＸ位置検出手段と、
   前記Ｘ位置検出手段からのＸ位置情報と前記Ｚ位置検出手段からのＺ位置情報とを関連付けた座標テーブルを記憶する記憶部と、
   制御部とを有し、
   前記制御部は、
   前記対象物を最初に観察する直前に取得した前記Ｘ位置情報と前記Ｚ位置情報の関係と所定時間経過後の前記対象物を観察する前に取得した前記Ｘ位置情報と前記Ｚ位置情報の関係とを前記座標テーブルに記憶し、
   前記最初の関係と前記所定時間経過後の関係とを比較し、径時変化に伴うＸ位置情報とＺ位置情報の関係のずれを補正したＸ−Ｚ関係に基づき、前記結像位置調節手段を介して前記所定時間経過後のＺ位置を前記最初の時のＺ位置に位置決めすることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記座標テーブルは、観察開始前に取得することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 前記座標テーブルは、前記対物レンズの交換、前記対象物の交換、観察環境温度の変化時、タイムラプス観察開始直前の少なくとも一つが生じたときに再度取得することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のオートフォーカス装置を有することを特徴とする顕微鏡装置。

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