JP7071815B2 - 顕微鏡装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)
- 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。
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