JP7071815B2

JP7071815B2 - 顕微鏡装置

Info

Publication number: JP7071815B2
Application number: JP2017202408A
Authority: JP
Inventors: 庄太武永
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: JP2019074711A

Description

本発明は、顕微鏡装置に関するものである。

従来、観察光学系の焦点を試料に合わせる合焦制御をフォーカスマップに基づいて行う顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、試料表面上の複数の測定点に観察光学系の焦点が合うときの観察光学系のＸＹＺ座標をフォーカスマップとして記憶装置に格納し、測定点間におけるＸＹＺ座標を補間することで、試料表面の任意の点に観察光学系の焦点を合わせるためのＸＹＺ座標をフォーカスマップから求めている。

特開２００７－３０３８６９号公報

試料が配置されているステージが送り機構によってＸＹ方向に移動させられたときに、ステージは送り機構の機械的要因によってＺ方向にも変動し、それにより、観察光学系の焦点に対して試料がＺ方向に移動する。しかしながら、特許文献１では、このようなステージのＺ方向の変動を考慮していない。したがって、送り機構に因るステージのＺ方向の変動量が観察光学系の焦点深度に対して無視できない程度に大きい場合には、フォーカスマップから算出されるＸＹＺ座標に観察光学系を配置したときに、焦点が試料の表面に合わなくなる。特に、ステージのＺ方向の変動の周期がフォーカスマップの測定点のピッチよりも小さい場合には、試料表面に焦点が正確に合うＸＹＺ座標をフォーカスマップから求めることが難しい。

ＸＹＺ座標を測定する測定点の数を増やして測定点のピッチを小さくすることで、ステージのＺ方向の変動も加味したフォーカスマップを作成することもできるが、この場合には、フォーカスマップの作成に時間を要するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ステージの光軸方向の変動に関わらず観察光学系の焦点を試料に合わせる合焦制御を効率的に行うことができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、試料が配置されるステージと、該ステージ上に配置された前記試料を観察する観察光学系と、該観察光学系の焦点を該観察光学系の光軸方向に移動させる焦点位置調整部と、前記ステージを前記光軸に交差する方向に移動させる送り機構と、該送り機構によって前記ステージが前記光軸に交差する方向に移動させられたときの前記ステージの前記光軸方向の周期的な変動を示すＺ方向変動情報が記憶されているＺ方向変動情報記憶部と、前記観察光学系の前記焦点を前記試料に合わせるように前記焦点位置調整部を制御する焦点制御部とを備え、該焦点制御部が、前記Ｚ方向変動情報に基づいて前記焦点の前記光軸方向の位置を補正する顕微鏡装置である。

本態様によれば、焦点位置調整部によって観察光学系の焦点を光軸方向（Ｚ方向）に移動させることで観察光学系の焦点をステージ上の試料に合わせることができる。また、送り機構によってステージを光軸に交差する方向（ＸＹ方向）に移動させることで、観察光学系による試料上の観察位置を変更することができる。

この場合に、送り機構によってステージがＸＹ方向に移動させられたときに、送り機構の機械的要因によってステージはＺ方向にも変動し、それにより、観察光学系の焦点に対してステージ上の試料がＺ方向に移動する。焦点制御部は、Ｚ方向変動情報記憶部に予め記憶されているＺ方向変動情報に基づいて、ステージのＺ方向の変動に因る焦点と試料とのＺ方向の相対位置の変化を相殺するように焦点のＺ方向の位置を補正する。これにより、ステージの光軸方向の変動に関わらず観察光学系の焦点を試料に合わせる合焦制御を効率的に行うことができる。

上記態様においては、前記Ｚ方向変動情報が、前記光軸に交差する方向の複数の変動測定点における前記ステージの前記光軸方向の位置の情報を含み、前記光軸に交差する方向における前記複数の変動測定点の間隔が、前記ステージの変動の前記光軸に交差する方向における周期よりも小さくてもよい。
このように、ステージのＺ方向の変動がＸＹ方向において周期的に生じる場合には、Ｚ方向変動情報における変動測定点の間隔をステージの変動の周期よりも小さくすることで、試料への観察光学系の合焦精度をさらに向上することができる。

上記態様においては、前記送り機構が、ボールねじを備え、前記複数の変動測定点の前記間隔が、前記ボールねじのリードよりも小さくてもよい。
ボールねじを使用してステージをＸＹ方向に移動させる場合、ボールねじのリードと等しい周期で、ステージのＺ方向の変動が生じる。したがって、Ｚ方向変動情報における変動測定点の間隔をボールねじのリードよりも小さくすることで、試料への観察光学系の合焦精度をさらに向上することができる。

上記態様においては、前記光軸に交差する方向の複数の焦点測定点における、前記焦点が前記試料に合う前記観察光学系の前記光軸方向の合焦位置の情報を含むフォーカスマップが記憶されているフォーカスマップ記憶部を備え、前記焦点制御部は、前記フォーカスマップ記憶部に記憶されている前記フォーカスマップにおける前記合焦位置を前記Ｚ方向変動情報に基づいて補間し、前記合焦位置が補間されたフォーカスマップに基づいて前記焦点位置調整部を制御する。
このように、フォーカスマップの合焦位置をＺ方向変動情報に基づいて補間することで、焦点測定点の数が少ないフォーカスマップから、ステージのＺ方向の変動も加味した精細なフォーカスマップを作成することができる。すなわち、焦点測定点の数を減らしてフォーカスマップの作成に要する時間を短縮することができる。特に、試料の凹凸の周期がステージのＺ方向の変動の周期よりも大きい場合に、フォーカスマップにおける焦点測定点の数を効果的に減らすことができるので有利である。

上記態様の参考例においては、前記観察光学系の前記焦点を所定の開始位置から前記光軸方向に移動させて前記焦点が前記試料に合う合焦位置を検出する自動焦点測定部を備え、前記焦点制御部が、前記Ｚ方向変動情報記憶部に記憶されている前記Ｚ方向変動情報に基づいて、前記所定の開始位置を補正してもよい。
このようにすることで、ステージをＸＹ方向に移動させたときに合焦位置の探索を開始する開始位置が、ステージのＺ方向の変動に応じて変化する。これにより、合焦位置の探索に要する時間を短縮することができる。

本発明によれば、光軸方向のステージの変動に関わらず観察光学系の焦点が試料に正確に合うように合焦制御を効率的に行うことができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る顕微鏡装置の全体構成図である。図１の顕微鏡部のステージおよび送り機構の構成を示すＺ方向に見た平面図である。ＸＹ方向の移動に伴うステージのＺ位置の変動と、ステージ上の試料に焦点が合う対物レンズの合焦Ｚ位置とを示すグラフである。図１の顕微鏡装置のステージキャリブレーションを説明する図である。記憶装置に記憶されるＺ方向変動情報を示すグラフである。オートフォーカスマップと、Ｚ方向変動情報を用いて補間されたオートフォーカスマップとを説明する図である。本発明の参考実施形態に係る顕微鏡装置の全体構成図である。図７の顕微鏡装置のＡＦ動作における対物レンズの移動開始位置の補正方法を説明する図である。図７の顕微鏡装置のＡＦ動作における対物レンズの移動開始位置の補正方法の変形例を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡装置の全体構成図である。図１０の顕微鏡装置のステージキャリブレーションを説明する図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置１００は、図１に示されるように、試料Ｓを観察する顕微鏡部１と、顕微鏡部１を制御する制御部２と、顕微鏡部１のカメラ７５によって取得された画像を表示するモニタ３と、マウスおよびキーボードのような入力装置４とを備えている。

顕微鏡部１は、試料Ｓが配置されるステージ５と、ステージ５を移動させる送り機構６と、対物レンズ７１を有しステージ５上の試料Ｓを観察する観察光学系７と、対物レンズ７１の焦点を対物レンズ７１の光軸方向に移動させる焦準部（焦点位置調整部）８と、ステージ５、観察光学系７および焦準部８を支持するフレーム９とを備えている。
以下、対物レンズ７１の光軸方向をＺ方向と定義し、光軸方向にそれぞれ直交し、かつ相互に直交する方向をＸ方向およびＹ方向と定義する。また、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向におけるステージ５および対物レンズ７１の位置を、Ｘ位置、Ｙ位置、およびＺ位置とそれぞれ言う。

ステージ５は、Ｚ方向に垂直なＸＹ平面に配置されており、試料Ｓは観察光学系７によってＺ方向に観察されるようになっている。
送り機構６は、ステージ５をＸ方向およびＹ方向に移動させることができるようになっている。

図２は、ステージ５および送り機構６の具体的な構成を示している。図２に示されるように、ステージ５および送り機構６は、単一のユニットとして構成されている。
ステージ５は、顕微鏡部１のフレーム９に対して固定されたベース板５１と、ベース板５１上に配置されたＹ軸可動板５２と、Ｙ軸可動板５２上に配置されたＸ軸可動板５３とを備えている。Ｙ軸可動板５２は、Ｙ軸ガイド５４によってＹ方向に移動可能にベース板５１に支持されている。Ｘ軸可動板５３は、Ｘ軸ガイド５５によってＸ方向に移動可能にＹ軸可動板５２に支持されている。試料Ｓは、Ｘ軸可動板５３上に配置され、Ｘ軸可動板５３の移動によってＸ方向に移動し、Ｙ軸可動板５２の移動によってＹ方向に移動する。ステージ５は、試料ＳをＸ軸可動板５３に対して固定するためのクレンメルのような機構をさらに備えていてもよい。

送り機構６は、モータ６１と、Ｙ軸可動板５２に接続されモータ６１の回転をＹ方向の直線運動に変換するボールねじ６２とを備えている。ボールねじ６２は、ボールベアリング等の支持部６５によってＹ方向の中心軸回りに回転可能にベース板５１に支持され、カップリング６６を介してモータ６１に接続されている。

Ｙ軸可動板５２にはフラグ５２ａが取り付けられ、ベース板５１には、Ｙ方向に相互に間隔をあけた２つの位置にフラグ５２ａを検出するフォトインタラプタのような２つのセンサ１０ａ，１０ｂが固定されている。センサ１０ａ，１０ｂの一方が原点センサとして機能し、原点センサによってフラグ５２ａが検出される位置がＹ方向の原点と定義される。モータ６１は、例えばステッピングモータであり、制御部２内のステージ制御部２１（後述）からモータ６１に供給される駆動パルス数によってＹ軸可動板５２のＹ位置が制御されるようになっている。

また、送り機構６は、モータ６３と、Ｘ軸可動板５３に接続されモータ６３の回転をＸ方向の直線運動に変換するボールねじ６４とを備えている。ボールねじ６４は、ボールベアリング等の支持部６７によってＸ方向の中心軸回りに回転可能にＹ軸可動板５２に支持され、カップリング６８を介してモータ６３に接続されている。

Ｘ軸可動板５３にはフラグ５３ａが取り付けられ、Ｙ軸可動板５２には、Ｘ方向に相互に間隔をあけた２つの位置にフラグ５３ａを検出するフォトインタラプタのような２つのセンサ１０ｃ，１０ｄが固定されている。センサ１０ｃ，１０ｄの一方が原点センサとして機能し、原点センサによってフラグ５３ａが検出される位置がＸ方向の原点と定義される。モータ６３は、例えばステッピングモータであり、ステージ制御部２１からモータ６３に供給される駆動パルス数によってＸ軸可動板５３のＸ位置が制御されるようになっている。

ボールねじ６２，６４を使用した送り機構６によってステージ５がＸ方向およびＹ方向に移動させられたときに、送り機構６の機械的要因によってステージ５のＺ位置が変動する。具体的には、ボールねじ６２によってＹ軸可動板５２がＹ方向に移動させられたときに、ボールねじ６２の組立精度や製造誤差等が要因で、図３に示されるように、Ｙ軸可動板５２のＺ位置が、ボールねじ６２のリードＬｙと等しい周期で変動する。同様に、ボールねじ６４によってＸ軸可動板５３がＸ方向に移動させられたときに、ボールねじ６４の組立精度や製造誤差等が要因で、Ｘ軸可動板５３のＺ位置が、ボールねじ６４のリードＬｘと等しい周期で変動する。
したがって、焦点が試料Ｓに合うときの対物レンズ７１のＺ位置（合焦Ｚ位置）は、図３に示されるように、試料Ｓの凹凸のみならず、ステージ５のＺ位置の変動にも応じて変化する。

観察光学系７は、対物レンズ７１と、結像レンズ７２と、光路分割部７３と、接眼レンズ７４と、デジタルカメラ７５とを備えている。
対物レンズ７１は、ステージ５とＺ方向に対向して配置され、焦準部８を介してフレーム９に支持されている。

光路分割部７３は、対物レンズ７１および結像レンズ７２を通過した試料Ｓからの光が、接眼レンズ７４およびカメラ７５のいずれかに向かうように光路を切り替えることができるようになっている。このような光路分割部７３は、例えば、プリズムと、結像レンズ７２と接眼レンズ７４およびカメラ７５との間にプリズムを挿脱する切替機構とからなる。プリズムに代えてミラーを使用してもよい。

焦準部８は、対物レンズ７１をＺ方向に移動させることで対物レンズ７１の焦点をＺ方向に移動させる。このような焦準部８は、例えば、制御部２内の焦準部制御部２３（後述）からの駆動パルスによって回転するステッピングモータと、対物レンズ７１に接続されステッピングモータの回転をＺ方向の直線運動に変換するボールねじと、対物レンズ７１のＺ方向の原点を定義するための原点センサとを備えている。

制御部２は、ステージ制御部２１と、カメラ制御部２２と、焦準部制御部２３と、記憶装置２４，２５と、画像出力部２６と、入力制御部２７と、演算装置（焦点制御部）２８とを備えている。

制御部２は、例えば、専用または汎用のコンピュータによって実現される。すなわち、制御部２は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）のようなプロセッサと、プロセッサの作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）のような主記憶装置と、補助記憶装置とを備える。補助記憶装置は、ハードディスクドライブのようなコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体であり、各部２１，２２，２３，２６，２７，２８の後述の処理をプロセッサに実行させるプログラムを記憶している。モニタ３および入力装置４は、制御部２を構成するコンピュータに接続されている。ユーザは、顕微鏡部１の操作に必要な指示を入力装置４を使用して制御部２に入力することができるようになっている。

ステージ制御部２１は、Ｘ軸可動板５３をＸ方向に移動させるための駆動パルスを送り機構６のモータ６３に供給し、Ｙ軸可動板５２をＹ方向に移動させるための駆動パルスを送り機構６のモータ６１に供給することで、ステージ５のＸ位置およびＹ位置を制御する。
カメラ制御部２２は、カメラ７５の動作を制御するとともに、カメラ７５によって取得された画像信号を受信して処理する。
焦準部制御部２３は、対物レンズ７１をＺ方向に移動させるための駆動パルスを焦準部８に供給することで、焦準部８を介して対物レンズ７１のＺ位置を制御する。

画像出力部２６は、カメラ制御部２２から受信した画像信号から表示用の画像信号を生成し、生成された画像信号をモニタ３に出力する。
入力制御部２７は、入力装置４からの入力信号を処理して演算装置２８に送信する。
演算装置２８は、ステージ制御部２１、カメラ制御部２２、焦準部制御部２３、記憶装置２４，２５、画像出力部２６、入力制御部２７からの情報を処理するとともに、これら２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７を制御する。

記憶装置（Ｚ方向変動情報記憶部）２４は、ステージ５がＸ方向およびＹ方向に移動させられたときの送り機構６に起因するステージ５のＺ位置の変動を示すＺ方向変動情報を記憶している。Ｚ方向変動情報は、顕微鏡部１による試料Ｓの観察に先立って行われるステージキャリブレーションによって取得される。ステージキャリブレーションは、ユーザによって行われてもよく、顕微鏡装置１００の出荷前に製造業者によって行われてもよい。

ステージキャリブレーションは、図４に示されるように、試料Ｓの代わりに、平坦度が確保されたゲージ１３を使用して行われる。ゲージ１３は、ステージ５上に配置される。
ステージキャリブレーションにおいて、送り機構６によってＸＹ方向の複数の変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）にステージ５を順に移動させ、各変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）において焦点がゲージ１３に合う対物レンズ７１のＺ位置を求める。変動測定点ＰのＸ方向の間隔Δｘは、ボールねじ６４のリードＬｘよりも小さく、例えば、リードＬｘの８分の１以下である。変動測定点ＰのＹ方向の間隔Δｙは、ボールねじ６２のリードＬｙよりも小さく、例えば、リードＬｙの８分の１以下である。

ステージキャリブレーションによって得られた対物レンズ７１のＺ位置は、各変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）におけるステージ５のＺ位置を示す情報であり、図５に示されるように、ステージ５のＺ位置と同じく変動する。図５において、白丸が変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を示している。複数の変動測定点Ｐにおける対物レンズ７１のＺ位置は、Ｚ方向変動情報として記憶装置２４に記憶される。このようなＺ方向変動情報によれば、図３に示されるように、試料Ｓに焦点が合う対物レンズ７１の合焦Ｚ位置が、Ｚ方向変動情報と試料Ｓの凹凸情報との和として表わされる。

ステージキャリブレーションは、演算装置２８が、補助記憶装置に格納されたキャリブレーションプログラムに従ってステージ制御部２１および焦準部制御部２３を制御することで行われる。あるいは、ステージキャリブレーションは、ユーザまたは製造業者がステージ５および焦準部８を手動で移動させることで行われてもよい。

記憶装置（フォーカスマップ記憶部）２５は、試料Ｓの観察直前に作成される試料Ｓ用のフォーカスマップを記憶する。
演算装置２８は、記憶装置２４に記憶されているＺ方向変動情報および記憶装置２５に記憶されているフォーカスマップに基づいて、ステージ５のＺ位置の変動に応じて変動するように補正された各ＸＹ位置の合焦Ｚ位置を算出し、算出された合焦Ｚ位置に対物レンズ７を配置することで、対物レンズ７１の合焦制御を行う。
フォーカスマップおよび演算装置２８による対物レンズ７１の合焦制御の詳細については、後述する。

次に、このように構成された顕微鏡装置１００の作用について説明する。
顕微鏡装置１００を用いて試料Ｓを観察するためには、まず、ステージ５上に配置された試料Ｓのフォーカスマップが作成される。
フォーカスマップの作成において、送り機構６によってＸＹ方向の複数の焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）にステージ５を順に移動させ、各焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）において焦点が試料Ｓに合う対物レンズ７１の合焦Ｚ位置を求める。これにより、複数の焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）における対物レンズ７１の合焦Ｚ位置が、フォーカスマップとして記憶装置２５に記憶される。焦点測定点ＱのＸ方向およびＹ方向の間隔は、変動測定点Ｐの間隔Δｘ，Δｙよりも大きくなるように、試料Ｓの凹凸の周期に応じて設定される。
ここで、焦点測定点ＱのＸ方向およびＹ方向の間隔は、制御部２によって自動的に設定されてもよいし、ユーザが入力装置４を使用して制御部２に入力してもよい。

フォーカスマップの作成後、演算装置２８は、フォーカスマップにおける焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）間の合焦Ｚ位置を、記憶装置２４に記憶されているＺ方向変動情報に基づいて補間する。
まず、演算装置２８は、図５および図６に示されるように、Ｚ方向変動情報に含まれているＺ位置に基づいて、変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）間のＺ位置を補間する補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）を算出する。補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）の算出には、線形補間、多項式補間等の任意の手法が用いられる。

次に、演算装置２８は、フォーカスマップと補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）から、試料ＳのＺ方向の凹凸（高さ）を表す式Ｆｓ（Ｘ，Ｙ）を算出する。すなわち、演算装置２８は、フォーカスマップの各焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）における合焦Ｚ位置から、補間式Ｆｐから算出された各焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）におけるＺ位置を減算する（すなわち、ステージ５のＺ位置の変動成分を除去する）ことで、各焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）における試料Ｓの凹凸情報Ｚｓを算出する。次に、演算装置２８は、焦点測定点Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ）間における凹凸情報を補間する補間式Ｆｓ（Ｘ，Ｙ）を算出する。

次に、演算装置２８は、下式の通り、補間式Ｆｓ（Ｘ，Ｙ）と補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）とを加算することで、フォーカスマップにおける焦点測定点Ｑ間の合焦Ｚ位置を補間する補間式Ｇ（Ｘ，Ｙ）を得る。
Ｇ（Ｘ，Ｙ）＝Ｆｓ（Ｘ，Ｙ）＋Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）
このような補間式Ｇ（Ｘ，Ｙ）によれば、試料Ｓの凹凸情報Ｆｓ（Ｘ，Ｙ）に応じて変動する合焦Ｚ位置が算出される。さらに、焦点測定点Ｑ以外の位置では、補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）の項によって、ステージ５のＺ位置の変動に応じて変動するように補正された合焦Ｚ位置が算出される。

フォーカスマップの作成は、演算装置２８が、補助記憶装置に格納されたフォーカスマップ作成プログラムに従ってステージ制御部２１および焦準部制御部２３を制御することで行われ、フォーカスマップの補間は、演算装置２８が、補助記憶装置に格納されたフォーカスマップ補間プログラムに従って演算処理することで行われる。フォーカスマップの作成は、ユーザがステージ５および焦準部８を手動で移動させることで行われてもよい。

ユーザは、入力装置４を使用して、所望の点αのＸＹ位置を入力する。入力されたＸＹ位置は、入力制御部２７を介して演算装置２８に送られる。演算装置２８は、点αのＸＹ位置にステージ５を移動させる。また、演算装置２８は、点αにおける対物レンズ７１の合焦Ｚ位置を補間式Ｇ（Ｘ，Ｙ）から算出し、算出された合焦Ｚ位置に対物レンズ７１を移動させるように焦準部制御部２３を介して焦準部８を制御する。これにより、焦点が試料Ｓに合うように対物レンズ７１の合焦制御が演算装置２８によって行われる。

このように、送り機構６の機械的要因によってステージ５がＸＹ方向の移動時にＺ方向にも周期Ｌｘ，Ｌｙで変動する。したがって、フォーカスマップの離散的な焦点測定点Ｑでの合焦Ｚ位置のみに基づいて、ステージ５のＺ位置の変動に関わらず対物レンズ７１の焦点を試料Ｓに正確に合わせることは難しい。特に、焦点測定点ＱのＸＹ方向の間隔が周期Ｌｘ，Ｌｙよりも大きい場合には、焦点測定点Ｑ間での合焦Ｚ位置の変動を焦点測定点Ｑにおける合焦Ｚ位置から予測することができない。

本実施形態によれば、ステージ５がＸＹ方向に移動させられたときのステージ５のＺ位置の変動を示すＺ方向変動情報が記憶装置２４に予め記憶されている。そして、Ｚ方向変動情報に基づいて、ステージ５のＺ位置の変動に応じて変動するように補正された合焦Ｚ位置が焦点測定点Ｑ間に補間される。このように補間されたフォーカスマップ（すなわち、補間式Ｇ（Ｘ，Ｙ））に基づいて、対物レンズ７１の焦点を正確に試料Ｓに合わすことができる。また、凹凸の周期が大きい試料Ｓの場合には、フォーカスマップの焦点測定点Ｑの間隔を大きく設定して焦点測定点Ｑの数を減らすことができるので、フォーカスマップの作成に要する時間を短縮し、対物レンズ７１の合焦制御を効率的に行うことができる。

本実施形態においては、補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）の算出を試料Ｓの観察時に行うこととしたが、これに代えて、ステージキャリブレーションにおいて補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）の算出を行ってもよい。この場合、演算装置２８は、Ｚ方向変動情報として補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）を記憶装置２４に記憶させる。あるいは、演算装置２８は、各ＸＹ位置におけるＺ位置を補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）から算出し、ＸＹ位置とＺ位置とを相互に対応付けたテーブルデータをＺ方向変動情報として記憶装置２４に記憶させてもよい。
このようにすることで、試料Ｓの観察時の計算量および計算時間を削減することができる。

また、本実施形態においては、焦点測定点ＱのＸ方向およびＹ方向の間隔を、変動測定点Ｐの間隔Δｘ，Δｙよりも大きくなるように設定したが、変動測定点Ｐの間隔Δｘ，Δｙ以下となるように設定してもよい。この場合、制御部２は、フォーカスマップの補間演算を行わないように制御する。

（参考実施形態）
次に、本発明の参考実施形態に係る顕微鏡装置２００について図面を参照して説明する。
本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る顕微鏡装置２００は、対物レンズ７１の焦点を試料Ｓに自動的に合わせるオートフォーカス（ＡＦ）機能を備えている点において、第１の実施形態と異なっている。

顕微鏡装置２００は、図７に示されるように、顕微鏡部１と、顕微鏡部１に搭載されたＡＦユニット（自動焦点測定部）１１と、制御部２０１と、モニタ３と、入力装置４とを備えている。

オートフォーカス（ＡＦ）ユニット１１は、焦点が試料Ｓに合う対物レンズ７１の合焦Ｚ位置を検出する。ＡＦユニット１１としては、光路差方式、瞳分割方式、または位相差方式等の公知の方式のものが使用される。ＡＦユニット１１に代えて、カメラ７５によって取得された画像のコントラストに基づいて合焦Ｚ位置を検出するコントラストオートフォーカス方式の自動焦点測定部を用いてもよい。

制御部２０１は、ステージ制御部２１、カメラ制御部２２、焦準部制御部２３、記憶装置２４、画像出力部２６、入力制御部２７、および演算装置２８に加えて、オートフォーカス（ＡＦ）ユニット制御部２９を備えている。
記憶装置２４には、Ｚ方向変動情報として、ステージキャリブレーションによって取得された複数の変動測定点Ｐにおける対物レンズ７１のＺ位置が少なくとも記憶されており、補間式Ｆｐ（Ｘ，Ｙ）がさらに記憶されていてもよい。

演算装置２８は、ステージ制御部２１を介してステージ５をＸＹ方向に移動させたときに、対物レンズ７１の合焦Ｚ位置を検出して合焦Ｚ位置に対物レンズ７１を移動させるＡＦ動作を、焦準部制御部２３およびＡＦユニット制御部２９を介して焦準部８およびＡＦユニット１１に実行させる。

ＡＦ動作において、焦準部８は、焦点が所定の開始位置からＺ方向に移動するように対物レンズ７１を所定のＺ位置からＺ方向に移動させ、ＡＦユニット１１が各Ｚ位置における対物レンズ７１の合焦状態を評価することで、焦点が試料Ｓに合う合焦Ｚ位置を探索する。ＡＦユニット１１によって検出された合焦Ｚ位置は、ＡＦユニット制御部２９を介して演算装置２８に送られる。演算装置２８は、検出された合焦Ｚ位置に対物レンズ７１を配置するように焦準部制御部２３を介して焦準部８を制御する。

このときに、演算装置２８は、一度ＡＦ動作を実行させた後は、記憶装置２４に記憶されているＺ位置変動情報に基づいて、ＡＦ動作の合焦Ｚ位置の探索における焦点の移動の開始位置を補正する。
具体的には、図８に示されるように、演算装置２８は、ステージ５を、既にＡＦ動作が実行されたＸＹ位置（測定済位置）から、未だＡＦ動作が実行されていないＸＹ位置（未測定位置）へステージ５を移動させるときに、測定済位置と未測定位置との間でのステージ５のＺ方向の変動量をＺ位置変動情報から算出する。次に、演算装置２８は、ステージ５を測定済位置から未測定位置へＸＹ方向に移動させるとともに、測定済位置と未測定位置との間でのステージ５のＺ方向の変動を相殺する方向にこの変動量の分だけ対物レンズ７１を所定のＺ位置からＺ方向に移動させることで焦点の開始位置を補正する。その後、対物レンズ７１の移動を開始させる。

ＡＦ動作において、ステージ５をＸＹ方向に移動させたときに、送り機構６によるステージ５のＺ方向の変動により、ステージ５上の試料Ｓと対物レンズ７１の焦点とのＺ方向の相対位置が変化する。本実施形態によれば、ステージ５の移動に伴う試料Ｓと対物レンズ７１の焦点とのＺ方向の相対位置の変化が相殺されるように、合焦Ｚ位置の探索における焦点の移動の開始位置が補正される。これにより、合焦Ｚ位置の検出に要する時間を短縮し、Ｚ方向のステージ５の変動に関わらず観察光学系７の合焦制御を効率的に行うことができる。

本実施形態においては、演算装置２８が、対物レンズ７１の移動の開始位置の補正に加えて、図９に示されるように、既に検出された合焦Ｚ位置に基づいて、合焦Ｚ位置が未検出である点での合焦Ｚ位置を外挿してもよい。図９の例では、既に検出された近傍の合焦Ｚ位置から線形外挿によって未検出の合焦Ｚ位置を予測しているが、合焦Ｚ位置の予測には他の方法を用いてもよい。
このように、既に検出された合焦Ｚ位置から未検出の点における合焦Ｚ位置を予測して開始位置を補正することで、合焦Ｚ位置の検出に要する時間をさらに短縮することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡装置３００について図面を参照して説明する。
本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る顕微鏡装置３００は、図１０に示されるように、ステージ５および送り機構６のユニット（以下、ステージユニット５，６という。）が顕微鏡部１に着脱可能であり、ステージユニット５，６の制御に必要なステージ制御部２１１および記憶装置２４１が、制御部２０２とは別体のステージコントローラ１２に設けられている点において、第１および参考実施形態と異なっている。

顕微鏡装置３００は、顕微鏡部１と、制御部２０２と、モニタ３と、入力装置４と、ステージユニット５，６に接続されたステージコントローラ１２とを備えている。
制御部２０２は、カメラ制御部２２、焦準部制御部２３、記憶装置２５、画像出力部２６、入力制御部２７、および演算装置２８に加えて、ステージコントローラ接続部３０を備えている。

ステージコントローラ１２は、ステージコントローラ接続部３０に着脱可能である。ユーザは、用意された複数種類のステージユニット５，６の中から所望のものを選択して顕微鏡部１に取り付け、そのステージユニット５，６のステージコントローラ１２をステージコントローラ接続部３０に接続する。ステージコントローラ１２は、ステージコントローラ接続部３０を介して演算装置２８と接続される。

ステージコントローラ１２は、ステージ制御部２１１と、記憶装置（Ｚ方向変動情報記憶部）２４１とを備えている。
ステージ制御部２１１は、第１の実施形態におけるステージ制御部２１と同様にして、送り機構６を介してステージ５のＸ方向およびＹ方向の位置を制御する。

本実施形態において、ステージキャリブレーションは、図１１に示されるように、平坦度が確保されたゲージ１４およびステージ較正器４００を使用して行われる。符号４０２は、ステージ較正器４００用の制御装置である。ゲージ１４は、ステージ５上に配置される。

ステージキャリブレーションにおいて、送り機構６によってＸＹ方向の複数の変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）にステージ５を順に移動させ、各変動測定点Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）におけるステージ５のＺ位置が、レーザ測長器のような精密測定器４０１によって測定される。複数の変動測定点Ｐにおけるステージ５のＺ位置は、Ｚ方向変動情報として記憶装置２４１に記憶される。

本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、Ｚ方向変動情報が、ステージユニット５，６と共に持ち運び可能なステージコントローラ１２内の記憶装置２４１に記憶されている。したがって、顕微鏡部１に新たに取り付けたステージ５用のステージキャリブレーションは不要であり、ユーザは、新たに取り付けたステージ５をすぐに使用することができるという利点がある。

１００，２００，３００顕微鏡装置
２４，２４１記憶装置（Ｚ方向変動情報記憶部）
２５記憶装置（フォーカスマップ記憶部）
２８演算装置（焦点制御部）
５ステージ
６送り機構
６２，６４ボールねじ
７観察光学系
８焦準部（焦点位置調整部）
１１オートフォーカスユニット（自動焦点測定部）
Ｓ試料

Claims

試料が配置されるステージと、
該ステージ上に配置された前記試料を観察する観察光学系と、
該観察光学系の焦点を該観察光学系の光軸方向に移動させる焦点位置調整部と、
前記ステージを前記光軸に交差する方向に移動させる送り機構と、
該送り機構によって前記ステージが前記光軸に交差する方向に移動させられたときの前記ステージの前記光軸方向の周期的な変動を示すＺ方向変動情報が記憶されているＺ方向変動情報記憶部と、
前記観察光学系の前記焦点を前記試料に合わせるように前記焦点位置調整部を制御する焦点制御部と、
前記光軸に交差する方向の複数の焦点測定点における、前記焦点が前記試料に合う前記観察光学系の前記光軸方向の合焦位置の情報を含むフォーカスマップが記憶されているフォーカスマップ記憶部とを備え、
前記焦点制御部が、前記フォーカスマップ記憶部に記憶されている前記フォーカスマップにおける前記合焦位置を前記Ｚ方向変動情報に基づいて補間し、前記合焦位置が補間されたフォーカスマップに基づいて前記焦点位置調整部を制御する顕微鏡装置。
前記焦点制御部は、
前記Ｚ方向変動情報が、前記光軸に交差する方向の複数の変動測定点における前記ステージの前記光軸方向の位置の情報を含み、
前記光軸に交差する方向における前記複数の変動測定点の間隔が、前記ステージの変動の前記光軸に交差する方向における周期よりも小さい請求項１に記載の顕微鏡装置。
前記送り機構が、ボールねじを備え、
前記複数の変動測定点の前記間隔が、前記ボールねじのリードよりも小さい請求項２に記載の顕微鏡装置。