JP2009180991A - 焦点調節装置及び顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察対象の標本にかかわらず、好適な焦点調節が可能な焦点調節装置を提供すること。
【解決手段】 観察対象の物体からの反射光を光路長が異なる位置で受光する焦点検出用受光素子を有する受光手段と、受光手段の出力信号を増幅する増幅回路を有する増幅手段と、増幅手段の出力信号に基づいて、光路長が異なる位置で配置された受光面に形成する像から、対物レンズの焦点位置と物体との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する焦点検出手段と、デフォーカス信号に基づき対物レンズと物体との間隔調節を行う調節手段とを備え、増幅手段は、光軸方向における第１の範囲では第１のゲインにより受光手段の出力信号を増幅し、第１の範囲と異なる第２の範囲では第１のゲインと異なる第２のゲインにより受光手段の出力信号を増幅する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡装置などに適用される焦点調節装置、及びそれを備えた顕微鏡装置に関する。

レンズの焦点検出方式には、主に工業顕微鏡に搭載されるスリット投影方式と、主に生物顕微鏡に搭載されるコントラスト検出方式とがある。また、２種類の方式の間で焦点検出方式を切り替えることのできる光学系も既に提案されている（特許文献１等を参照）。

一般に、コントラスト検出方式の方が高精度な焦点検出が可能であることが知られている。しかし、コントラスト検出方式においては、対物レンズ等に起因する回折光が原因で、合焦位置から離れた位置（デフォーカス量が大きい位置）でも合焦状態と判断してしまう場合がある。そこで、回折光を除外するために所定の閾値を設け、その閾値を上回る信号のみを検出に用いる技術が考えられている。
特開２００２−２７７７２９号公報

しかし、標本表面のパターンの多少や粗密、標本表面の反射率の違いにより、コントラスト検出方式における出力信号の大きさはかなり変動する。したがって、出力信号が全体的に小さい標本に関しては、出力信号と上述した閾値との差が小さくなり、高精度な焦点検出を行うことが困難な場合がある。また、出力信号と上述した閾値との差が小さくなると、結果として合焦可能範囲も狭くなるという問題もある。

そこで本発明は、観察対象の標本にかかわらず、好適な焦点調節が可能な焦点調節装置を提供することを目的とする。また、高性能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の焦点調節装置は、観察対象の物体からの反射光を光路長が異なる位置で受光する焦点検出用受光素子を有する受光手段と、前記受光手段の出力信号を増幅する増幅回路を有する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号に基づいて、光路長が異なる位置で配置された受光面に形成する像から、対物レンズの焦点位置と前記物体との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する焦点検出手段と、前記デフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行う調節手段とを備え、前記増幅手段は、前記光軸方向における第１の範囲では第１のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅し、前記第１の範囲と異なる第２の範囲では前記第１のゲインと異なる第２のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅する。

本発明の顕微鏡装置は、対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、前記対物レンズの焦点調節を行う上述した焦点調節装置とを備える。

本発明によれば、観察対象の標本にかかわらず、好適な焦点調節が可能な焦点調節装置を提供することができる。また、高性能な顕微鏡装置を提供することができる。

以下、本発明の焦点調節装置の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態の焦点調節装置の構成図である。図１に示す焦点調節装置は、スリット投影方式の焦点検出光学系と、コントラスト検出方式の焦点検出光学系との双方が搭載されたハイブリッド型の焦点調節装置である。

まず、図１においてＬＥＤ７は、焦点検出用の赤外光を発する。以下、この赤外光を「ＡＦ光」という。ＬＥＤ７から発せられたＡＦ光は、スリット板８、コレクタレンズ９、瞳マスク１０、ハーフミラー１６、ダイクロイックミラー４、第１対物レンズ３、標本２、第１対物レンズ３、ダイクロイックミラー４、ハーフミラー１６、第２対物レンズ１７、３分割プリズム１８を順に経由してから３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃに分岐され、ラインセンサ２２の互いに異なる領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃへ個別に入射する。

このうち３分割プリズム１８は、入射したＡＦ光を第１の半透過面１９において２つの光に分岐し、分岐後の一方の光を第２の半透過面２０において２つの光に分岐し、分岐後の一方の光を反射面２１において反射する。

したがって、ラインセンサ２２へ入射するまでに３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの間には、光路差が付与される。このうち光Ｌａと光Ｌｂとの間の光路差と、光Ｌｂと光Ｌｃとの間の光路差とは互いに等しい。

なお、ここでは光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの検出に１つのラインセンサ２２を共用したが、光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを個別に検出する３つのラインセンサを使用しても良い。また、ラインセンサの代わりに二次元の撮像素子を使用しても良い。

ここで、上述したスリット板８の中央には、図１（ａ）に示すとおりスリット開口が形成されている。よって、ＡＦ光は、物体面（ここでは標本面２ａ）の近傍にスリット状の赤外像を形成する。また、このとき標本面２ａで反射したＡＦ光は、ラインセンサ２２の領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々にスリット状の赤外像を形成する。この赤外像のスリット幅方向と、ラインセンサ２２のライン方向とは、互いに交差する。

また、瞳マスク１０は、光軸を含む平面でＡＦ光を分割してできる２つの光の一方を透過し、かつ他方を遮光する。したがって、ＡＦ光は第１対物レンズ３を往復する際、往路と復路とで第１対物レンズ３の瞳上の互いに異なる位置を通過する。したがって、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に形成される赤外像は、第１対物レンズ３のデフォーカス量（第１対物レンズ３の焦点と標本面２ａとの光軸方向のずれ）に応じて横ずれする。よって、このうち何れか１つの領域に形成される赤外像の横ずれ量から、スリット投影方式のデフォーカス信号を生成することができる。なお、第１対物レンズ３のデフォーカス量がゼロであるときに領域２２ｂに形成される赤外像の重心位置は、予め測定されているものとする。以下では、スリット投影方式のデフォーカス信号を、領域２２ｂに形成される赤外像の横ずれ量に基づいて求める場合を例に挙げて説明する。また、領域２２ｂに形成される赤外像に対応する出力信号を、「スリット信号」と称する。このスリット信号は、上述したように、ＬＥＤ７から発せられた照明光の波長の光により生成される信号である。

また、上述したように、光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの間には光路差が付与されているので、光Ｌａによる赤外像と、光Ｌｂによる赤外像と、光Ｌｃによる赤外像の形成位置は、光軸方向にずれる。例えば、図１に示すとおり光Ｌｂによる赤外合焦像がラインセンサ２２上に存在するときには、光Ｌａによる赤外合焦像はラインセンサ２２の後ろ側に形成され、光Ｌｃによる赤外合焦像はラインセンサ２２の前側に形成される。したがって、ラインセンサ２２の領域２２ａに形成される赤外合焦像と、領域２２ｂに形成される赤外合焦像と、領域２２ｃに形成される赤外合焦像との間では、ボケの程度（つまりコントラスト）が互いに異なる。

また、これら赤外像のコントラストの大小関係は、第１対物レンズ３のデフォーカス量に応じて変化する。よって、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に形成される赤外像のコントラストの大小関係から、コントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成することができる。以下では、コントラスト検出方式のデフォーカス信号を、領域２２ａ及び２２ｃに形成される赤外像のコントラストの大小関係に基づいて求める場合を例に挙げて説明する。ラインセンサ２２の位置は、本焦点調節装置を組み込んだ光学装置（例えば、顕微鏡装置）の合焦状態においては、領域２２ａ及び２２ｃに形成される赤外像のコントラストが同じになるよう予め調整されている。また、領域２２ａ及び２２ｃに形成される赤外像に対応する出力信号を、それぞれ、「前ピン像信号」、「後ピン像信号」と称する。

また、領域２２ｂに形成される赤外像が、本焦点調節装置を組み込んだ光学装置の合焦状態においてボケのない状態となるよう、領域２２ｂと光学装置の観察位置とが共役になるように設置されている。

なお、３分割プリズム１８の半透過面１９の反射率、半透過面２０の反射率、反射面２１の反射率の組み合わせは、３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光量が略等しくなるよう予め最適化されている。また、第２対物レンズ１７とラインセンサ２２との位置関係は、第１対物レンズ３のデフォーカス量がゼロであるときに、光Ｌｂによるスリット像がラインセンサ２２上に形成されるよう予め調整されている。

以上の焦点調節装置において、ラインセンサ２２の出力信号は、信号処理部２３へ取り込まれる。信号処理部２３は、取り込まれた信号を基に幾つかの信号を生成すると、それをＣＰＵ２４へ与える。ＣＰＵ２４は、与えられた信号に基づきスリット投影方式またはコントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成すると、そのデフォーカス信号に応じた駆動方向及び駆動速度を上下動駆動部（モータなど）２５へ指定する。上下動駆動部２５は、指定された駆動方向及び駆動速度で第１対物レンズ３を光軸方向へ駆動することにより、第１対物レンズ３の焦点調節を行う。なお、その上下動駆動部２５の駆動対象は、第１対物レンズ３の代わりにステージ１としても良いが、ここでは第１対物レンズ３であるという前提で説明する。また、ＣＰＵ２４は、ＬＥＤ７の光量を制御することもでき、ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）を必要に応じて切り替えることもできる。

図２は、ラインセンサ２２、信号処理部２３、ＣＰＵ２４、上下駆動部２５の詳細を示す機能ブロック図である。

図２に示すように、信号処理部２３は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路３１、ピークホールド回路３２、バンドパスフィルタ回路３３、スリット位置検出回路３４、絶対値変換回路３５、コントラスト信号増幅回路３６、切換スイッチ回路３７、積分回路３８の各部を備える（その他の構成については後述する。）。

ＡＧＣ回路３１には、ラインセンサ２２からの出力信号が順次入力される。ラインセンサ２２からは、上述したように、ラインセンサ２２の領域２２ａ及び２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号と、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号とが入力されるが、これらは、領域２２ａに対応する前ピン像信号、領域２２ｂに対応するスリット信号、領域２２ｃに対応する後ピン像信号の順にＡＧＣ回路３１に入力される。

ＡＧＣ回路３１は、ピークホールド回路３２によりラインセンサ２２からの出力信号のピーク値をホールドし、そのピーク値が一定なるようにラインセンサ２２からの出力信号を制御する。図３のＡ１は、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより前側（前ピン位置）にあるときの領域２２ａ及び領域２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号の波形を示す。また、図３のＢ１は、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａ（合焦位置）にあるときの領域２２ａ及び領域２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号の波形を示す。また、図３のＣ１は、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより後側（後ピン位置）にあるときの領域２２ａ及び領域２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号の波形を示す。ＡＧＣ回路３１は、第１対物レンズ３の焦点位置にかかわらず、領域２２ａ及び領域２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号のピーク値のうち大きい方のピーク値が一定電圧になるように前ピン像信号及び後ピン像信号を制御して、バンドパスフィルタ回路３３及びスリット位置検出回路３４に出力する。図３のＡ２からＣ２は、ＡＧＣ回路３１から出力される信号のうち、前ピン像信号及び後ピン像信号の波形を示す。なお、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号についても同様である。

バンドパスフィルタ回路３３は、ＡＧＣ回路３１から出力された前ピン像信号及び後ピン像信号から高周波成分だけを抽出してコントラスト信号を抽出し、絶対値変換回路３５に出力する。図３のＡ３からＣ３は、バンドパスフィルタ回路３３から出力されるコントラスト信号の波形を示す。なお、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号については、バンドパスフィルタ回路３３及び後述する絶対値変換回路３５をバイパスする。

スリット位置検出回路３４は、ラインセンサ２２と同期して、ＡＧＣ回路３１から出力された出力信号のうち、領域２２ｂに対応するスリット信号のみを入力する。すなわち、領域２２ａ及び領域２２ｃに対応する前ピン像信号及び後ピン像信号は入力しない。そして、後述する方法でスリット位置を検出し、コントラスト信号増幅回路３６に出力する。

絶対値変換回路３５は、バンドパスフィルタ回路３３から出力された出力信号に対して絶対値変換を行い、コントラスト信号増幅回路３６に出力する。

コントラスト信号増幅回路３６は、絶対値変換回路３５から出力されたコントラスト信号を後述する方法で増幅して、積分回路３８に出力する。図３のＡ４からＣ４は、コントラスト信号増幅回路３６から出力されるコントラスト信号の波形を示す。なお、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号については、そのまま切換スイッチ回路３７に出力する。

切換スイッチ回路３７は、ラインセンサ２２の領域２２ａ及び領域２２ｃに対応するコントラスト信号については、後述する方法で積分回路３８に出力するか否かを切り換える。また、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号については、切換スイッチ回路３７のスイッチ部を経由せず、不図示のバイパスを通じて、そのまま積分回路３８に出力する。

積分回路３８は、切換スイッチ回路３７を介してコントラスト信号増幅回路３６から出力された出力信号を積分して、ＣＰＵ２４に出力する。図３のＡ５からＣ５は、積分回路３８から出力されるコントラスト信号の積分波形を示す。なお、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号についても同様である。

ＣＰＵ２４は、演算回路５０を備える。演算回路５０は、スリット投影方式の焦点検出を行う際には、ラインセンサ２２と同期して、ＡＧＣ回路３１から出力された出力信号のうち、領域２２ｂに対応するスリット信号のみを入力する。すなわち、領域２２ａ及び領域２２ｃに対応するコントラスト信号は入力しない。そして、領域２２ｂに対応するスリット信号に基づいて駆動方向及び駆動速度を決定し、上下駆動部２５に出力する。駆動方向及び駆動速度量決定の詳細は公知技術と同様である。なお、スリット信号とともに領域２２ａ及び領域２２ｃに対応するコントラスト信号も入力し、コントラスト信号をスリット投影方式の焦点検出に加味する構成としても良い。例えば、コントラスト信号を適宜メモリに記憶しておき、差分信号を生成して焦点検出に加味しても良い。

一方、コントラスト検出方式の焦点検出を行う際には、演算回路５０は、ラインセンサ２２と同期して、ＡＧＣ回路３１から出力された出力信号のうち、ラインセンサ２２の領域２２ａ及び領域２２ｃに対応するコントラスト信号のみを入力する。すなわち、領域２２ｂに対応するスリット信号は入力しない。そして、領域２２ａ及び領域２２ｃに対応するコントラスト信号の差分信号を求めて駆動方向及び駆動速度を決定し、上下駆動部２５に出力する。駆動方向及び駆動速度決定の詳細は公知技術と同様である。なお、コントラスト信号とともに領域２２ｂに対応するスリット信号も入力し、スリット信号をコントラスト検出方式の焦点検出に加味する構成としても良い。

また、スリット投影方式の焦点検出とコントラスト検出方式の焦点検出とは、適宜切り換える構成とするのが好ましい。例えば、コントラスト検出方式による焦点検出の良否を示す評価値を監視し、その評価値が所定レベルを下回るときには、スリット投影方式の焦点検出を行い、評価値が所定レベルを上回るときには、コントラスト検出方式の焦点検出を行うと良い。また、ユーザ操作に応じて、スリット投影方式の焦点検出とコントラスト検出方式の焦点検出とを適宜切り換える構成としても良い。

上下駆動部２５は、ドライバ５１とモータ５２とを備える。ドライバ５１は、演算回路５０により決定された駆動方向及び駆動速度でモータ５２を駆動して、第１対物レンズ３と標本面２ａとの相対位置を光軸方向へ駆動することにより、第１対物レンズ３の焦点調節を行う。

ここで、コントラスト検出方式の焦点検出について図４を参照して説明する。図４Ａ及び図４Ｂの横軸はデフォーカス方向を示す。また、図４Ａの縦軸はコントラスト信号のピーク値を示し、図４Ｂの縦軸は、ラインセンサ２２の領域２２ａに対応するコントラスト信号をＶａとし、領域２２ｃに対応するコントラスト信号をＶｃとしたときに、ＶａとＶｃとの差分を正規化した（Ｖａ−Ｖｃ）／（Ｖａ＋Ｖｃ）を示す。図４Ａの実線で示すように、コントラスト信号Ｖａ及びＶｃは、対物レンズの性質上、ある程度デフォーカスした位置において、回折光（図４ＡのＥ１及びＥ２）が発生して再び大きくなる。この回折光の大きさは対物レンズの種類によって異なる。また、図４Ｂは、実際の駆動方向及び駆動速度の決定に用いられるいわゆるＳ字カーブである。このＳ字カーブの信号がゼロになるように駆動方向及び駆動速度の決定を行うと、合焦位置でない位置である回折光の発生位置に制御するように駆動方向及び駆動速度が決定されてしまうおそれがある。この場合、ピンぼけの状態で合焦状態に到達したと判定されてしまう。

そこで、回折光の発生位置を除外するために、所定の合焦可能閾値Ｔｈｃを設け、この合焦可能閾値Ｔｈｃを上回る信号が検出された場合のみコントラスト検出方式の焦点検出を行う。合焦可能閾値Ｔｈｃは、できるだけ反射率が大きく、かつ、パターンの粗い（またはパターンの反射率が大きい）標本、すなわち、できるだけコントラストの大きい標本において、回折光で合焦しない閾値であり、図２の合焦可能範囲判定回路３９に予め定められる。上述したように、回折光の大きさは対物レンズの種類によって異なるので、合焦可能閾値Ｔｈｃも対物レンズの種類によって異なる。合焦可能範囲判定回路３９は、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号と合焦可能閾値Ｔｈｃとを比較し、その大小関係を示す情報を切換スイッチ回路３７及び演算回路５０に出力する。切換スイッチ回路３７は、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号が合焦可能閾値Ｔｈｃよりも大きい場合のみコントラスト信号増幅回路３６の出力信号をＣＰＵ２４の演算回路５０に出力する。このような構成とすることにより、回折光の発生位置を除外することができる。

また、演算回路５０は、コントラスト信号のみを入力し、コントラスト検出方式の焦点検出を行う。一方、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号が合焦可能閾値Ｔｈｃよりも小さい場合には、演算回路５０は、スリット信号のみを入力するように信号取り込みタイミングを制御し、スリット投影方式の焦点検出を行う。

しかし、標本表面のパターンの多少や粗密、標本表面の反射率の違いにより、コントラスト信号の大きさはかなり変動する。図４Ａの粗い点線は、図４Ａの実線の標本よりもパターンが細かい（またはパターンの反射率が小さい）、あるいは、反射率が小さい標本に関するコントラスト信号Ｖａ及びＶｃを示す。また、図４Ａの細かい点線は、図４Ａの粗い点線の標本よりもパターンがさらに細かい（またはパターンの反射率が小さい）、あるいは、反射率がさらに小さい標本に関するコントラスト信号Ｖａ及びＶｃを示す。図４Ａに示すように、標本のパターンが細かくなる（またはパターンの反射率が小さくなる）ほど、あるいは、反射率が低下するほど、コントラスト信号は小さくなることが分かる。この結果、コントラスト信号と上述した合焦可能閾値Ｔｈｃとの差が小さくなり、高精度な焦点検出を行うことが困難になる。さらに、合焦可能範囲も狭くなる。合焦可能範囲が非常に狭くなると、合焦位置自体が合焦可能範囲外になるおそれもある。

そこで、コントラスト信号増幅回路３６により、コントラスト信号を適宜増幅する。ただし、上述した影響を鑑み、回折光の発生位置を除外しつつ、コントラスト信号を増幅する。具体的には、コントラスト信号増幅回路３６は、スリット位置検出回路３４により検出されたスリット位置に応じて、２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を使い分けてコントラスト信号を増幅する。

まず、スリット位置検出回路３４によるスリット位置の検出について図５を参照して説明する。図５Ａは、ラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号を示す図である。横軸は時刻（ｔ）を示し、縦軸はスリット信号の大きさを示す。スリット位置検出回路３４は、スリット信号を順次位置検出閾値Ｔｈｓと比較する。位置検出閾値Ｔｈｓは第１対物レンズ３の焦点位置を認識するための閾値であり、実験などにより予め定められる。スリット位置検出回路３４は、スリット信号が位置検出閾値Ｔｈｓと交わる最も前ピン側の時刻ＰＸ_Sと、スリット信号が位置検出閾値Ｔｈｓと交わる最も後ピン側の時刻ＰＸ_Lと求め、以下の式によりスリット位置ＰＸ_Cを算出する。

スリット位置ＰＸ_C＝（ＰＸ_S＋ＰＸ_L）／２・・・（式１）
このようにして求めたスリット位置ＰＸ_Cは、現在の対物レンズの焦点位置を示す。

なお、スリット位置として、ピーク値ＰＸ_Pを用いても良い。また、上述したスリット位置ＰＸ_Cとピーク値ＰＸ_Pとに適宜重み付けをして加算したものをスリット位置として用いても良い。

また、スリット信号が、図５Ｂに示すように、正規分布のようななめらかな凸形状を有さない場合にも、同様にスリット位置ＰＸ_C及びピーク値ＰＸ_Pを算出することができる。すなわち、図５Ｂに示すように、スリット信号が位置検出閾値Ｔｈｓと交わる最も前ピン側の時刻ＰＸ_Sと、スリット信号が位置検出閾値Ｔｈｓと交わる最も後ピン側の時刻ＰＸ_Lと求め、式１によりスリット位置ＰＸ_Cを算出することができる。

次に、コントラスト信号増幅回路３６における２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）の使い分けについて図６を参照して説明する。図６Ａは、図４Ａと同様の図である。また、図６Ｂの横軸は、時刻（ｔ）を示し、図６Ｂの縦軸は、図６Ａのコントラスト信号に対応するとともに、第１対物レンズ３と標本面２ａとを連続的に光軸方向に移動させたときのラインセンサ２２の領域２２ｂに対応するスリット信号の大きさを示す。なお、この時刻（ｔ）は、第１対物レンズ３と標本面２ａとの光軸方向における相対位置と相関がある。また、図６Ｂ中の矢印ＡからＩは、上述した方法により求めたスリット位置ＰＸ_Cを示す。

例えば、図６Ａ及び図６Ｂ中のある位置Ｄでは、スリット信号の中心位置は図６Ｂの矢印Ｄの位置である。したがって、合焦位置におけるスリット信号の中心位置（図６Ｂの矢印Ａ）とのずれ量は、Ｔｄとなる。同様に、他の位置においても、スリット位置検出回路３４により検出したスリット位置に応じて、合焦位置におけるスリット信号の位置とのずれ量Ｔｘを求めることができる。

コントラスト信号増幅回路３６は、スリット位置検出回路３４から取得したスリット位置に応じてずれ量Ｔｘを求め、このずれ量Ｔｘとゲイン切換閾値Ｔｈｇとを比較する。ゲイン切換閾値Ｔｈｇは上述した２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を使い分けるための閾値であり、図６Ａにおいて回折光の影響が小さく、かつ、コントラスト信号を好適に生成可能な範囲を示す閾値であり、実験などにより予め定められる。なお、図６Ｂの例では、ラインセンサ２２の領域２２ａに対応するコントラスト信号Ｖａと領域２２ｃに対応するコントラスト信号Ｖｃとの大小関係が反転しない最大の値をゲイン切換閾値Ｔｈｇとする例を示したが、実際には設計上のマージンなどにより、小さめにゲイン切換閾値Ｔｈｇを設定すると良い。

コントラスト信号増幅回路３６は、ずれ量Ｔｘ＞ゲイン切換閾値Ｔｈｇの場合にはゲインＬにしたがってコントラスト信号を増幅し、ずれ量Ｔｘ≦ゲイン切換閾値Ｔｈｇの場合にはゲインＨにしたがってコントラスト信号を増幅する。

次に、２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）の初期決定（キャリブレーション）方法について図２を参照して説明する。

初期決定には、標本２として、反射率が大きく、かつ、パターンが粗い（またはパターンの反射率が大きい）標本（例えば、ミラーなど）を用いる。これは、図４Ａに示したように、反射率が大きい、または、パターンが粗い（またはパターンの反射率が大きい）標本は、反射率が小さい、または、パターンが細かい（またはパターンの反射率が小さい）標本よりもコントラスト信号の大きさは大きいが、その反面、回折光の影響も大きいため、悪い方の条件に合わせるためである。

ピークホールド回路４０は、コントラスト信号増幅回路３６から出力された出力信号（コントラスト信号）のピーク値を検出して、ゲイン算出回路４１に出力する。

ゲイン算出回路４１に出力されたコントラスト信号のピーク値が、コントラスト信号増幅回路３６で飽和しない範囲で最大に増幅されたときの、コントラスト信号増幅回路３６におけるゲインをゲインＧｐとする。コントラスト信号の回折光が最大になる位置（極大値となる位置）において、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号が、図４で説明した合焦可能閾値Ｔｈｃを下回るまでコントラスト信号増幅回路３６のゲインを小さくしたときのゲインをゲインＧｄとすると、ゲインＧｐとゲインＧｄとの比率Ｋ１＝Ｇｄ／Ｇｐである。特に、ゲインＧｄに関しては、コントラスト信号増幅回路３６のゲインを小さくすることなく合焦可能閾値Ｔｈｃを下回る場合には、比率Ｋ１はＫ１＝１である。すなわち、ゲインＧｐ＝ゲインＧｄである。この比率Ｋ１は、対物レンズの種類により決定され、標本の種類には左右されない。また、合焦可能閾値Ｔｈｃは、上述したように、対物レンズの種類によって異なる。

ゲイン算出回路４１は、上述した比率Ｋ１を対物レンズの種類ごとに予め記憶する。そして、初期決定時には、ゲイン算出回路４１は、この比率Ｋ１に基づいて、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号が飽和しない最大のゲインをゲインＨｏとして決定する。また、ゲイン算出回路４１は、上述した比率Ｋ１に基づいて、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号のうち、回折光に相当するコントラスト信号の極大値が、合焦可能閾値Ｔｈｃを下回る最大のゲインをゲインＬｏとして決定する。

初期決定後に、コントラスト信号増幅回路３６は、ずれ量Ｔｘ＞ゲイン切換閾値Ｔｈｇの場合にはゲインＬｏにしたがってコントラスト信号を増幅し、ずれ量Ｔｘ≦ゲイン切換閾値Ｔｈｇの場合にはゲインＨｏにしたがってコントラスト信号を増幅する。そのため、ずれ量Ｔｘ＞ゲイン切換閾値Ｔｈｇの範囲においては、回折光の影響を受けない程度にコントラスト信号を増幅することができる。また、ずれ量Ｔｘ≦ゲイン切換閾値Ｔｈｇの範囲においては、飽和しない程度に大幅にコントラスト信号を増幅することができる。

ところで、標本２が変えられたり、標本２が動かされたりすることが無い限り、ラインセンサ２２からの出力信号（２つのコントラスト信号やスリット信号）は絶えず同じ値になっている。したがって、演算回路５０における演算結果が大きく変動することはない。しかし、標本２が変えられたり、標本２が動かされたりすると、ラインセンサ２２からの出力信号が変化し、それに伴って演算回路５０における演算結果が大きく変動する。この結果、上下駆動部２５により駆動が開始されてしまう。そこで、コントラスト信号増幅回路３６では、常に現状に適したゲインを設定することが好ましい。そこで、追加学習を実行する。

追加学習は、例えば、合焦状態に到達したタイミングで行われる。演算回路５０は、演算結果に基づいて合焦状態に到達したか否かを監視する。また、ゲイン算出回路４１は、例えば、３０ｍ秒の間隔で、コントラスト信号増幅回路３６の出力信号、または、ピークホールド回路４０の出力信号を順次記憶する。ただし、上下駆動部２５による駆動方向が反対向きになったときには、一旦記憶内容をクリアする。また、同一方向での駆動中には、そのまま順次記憶する。

そして、演算回路５０が合焦状態に到達したと判定すると、ゲイン算出回路４１は、記憶された値に基づき、上述した初期決定時と同様に、２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を再び算出する。そして、算出したゲインを示す情報をコントラスト信号増幅回路３６に出力する。コントラスト信号増幅回路３６は、上述したスリット位置検出回路３４により検出したスリット位置に基づいて、新たに算出した２種類のゲインの何れかを選択して、以降のコントラスト信号の増幅を行う。

なお、追加学習が行われるたびに、新たに算出した２種類のゲインを標本の種類などに対応づけて記憶しておき、ユーザ操作に基づいて再び使用可能な構成にしても良い。

以上説明した２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を用いてコントラスト信号を増幅した結果を図７を参照して説明する。図７Ａは、２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を用いてコントラスト信号を増幅した結果を示し、図７Ｂは、従来技術のように単一のゲインを用いてコントラスト信号を増幅した結果を示す。図７Ａ及び図７Ｂは、図４Ａの実線で示した、パターンが比較的粗い、あるいは、反射率が比較的大きい標本に関するコントラスト信号をコントラスト信号増幅回路３６により増幅した場合と、図４Ａの細かい点線で示した、パターンが比較的細かい、あるいは、反射率が比較的小さい標本に関するコントラスト信号をコントラスト信号増幅回路３６により増幅した場合との結果を示す。

２種類のゲインを用いた場合には、図７Ａに示すように、どのような標本であっても略一定の増幅結果が得られる。すなわち、ずれ量Ｔｘ＞ゲイン切換閾値Ｔｈｇの範囲においては、回折光の影響を受けない程度にコントラスト信号が増幅され、ずれ量Ｔｘ≦ゲイン切換閾値Ｔｈｇの範囲においては、飽和しない程度に大幅にコントラスト信号が増幅される。したがって、コントラスト信号が飽和しない程度に十分大きいコントラスト信号が得られるとともに、回折光の発生位置においても、コントラスト信号が合焦可能閾値Ｔｈｃを上回ることはない。したがって、回折光の影響を受けることなく、高精度な焦点検出を行うことができるとともに、十分な合焦可能範囲を得ることができる。

一方、従来技術のように単一のゲインを用いた場合には、図７Ｂに示すように、実線で示した、パターンが比較的粗い（またはパターンの反射率が比較的大きい）、あるいは、反射率が比較的大きい標本に関しては、回折光の発生位置において、コントラスト信号が合焦可能閾値Ｔｈｃを上回り、回折光の影響を受けてしまう。したがって、高精度な焦点検出を行うことができない。また、細かい点線で示した、パターンが比較的細かい（またはパターンの反射率が比較的小さい）、あるいは、反射率が比較的小さい標本に関しては、合焦可能範囲が狭いままである。

以上説明したように、本実施形態によれば、観察対象の標本のパターンの多少や粗密、反射率の違い、濃淡の違いなどにかかわらず、好適な焦点調節が可能である。

また、本実施形態によれば、コントラスト信号を増幅する際のゲインを標本ごとに変えたり、これらのゲインを標本の種類ごとにレシピ化する等の手間を必要としない。

なお、本実施形態では、ゲイン算出回路４１において、コントラスト信号のピーク値を用いて２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を算出するとともに、合焦可能範囲判定回路３９において、合焦可能範囲であるか否かの判定を行う例を示した。しかし、コントラスト信号の積分値を用いて２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）を算出するとともに、合焦可能範囲判定回路３９において、合焦可能範囲であるか否かの判定を行う構成としても良い。この場合、図８に示すように、ピークホールド回路４０に代えて、積分回路４２を設け、コントラスト信号増幅回路３６から積分回路４２に出力信号を出力するとともに、積分回路４２から合焦可能範囲判定回路３９及びゲイン算出回路４１に出力信号を出力する構成とすれば良い。

また、本実施形態では、スリット信号に基づいて２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）使い分ける例を示したが、スリット信号を出力しない焦点調節装置にも本発明を同様に適用することができる。この場合、スリット信号以外の情報に基づいて、現在の焦点位置を求め、求めた焦点位置に基づいて、２種類のゲイン（ゲインＬ及びゲインＨ）使い分ければ良い。

また、本実施形態では、前ピン像及び後ピン像とスリット像とで結像光学系を共有する例を示したが、それらを別々の光学系で構成しても良い。この場合には、ラインセンサを別々に備えれば良い。そして、前ピン像及び後ピン像として、スリット板８の像を用いる代わりに標本２のコントラスト像を用いても良い。

すなわち、図１において、３分割プリズム１８を排除して、スリット像用のラインセンサを、スリット像の結像位置に配置する。一方、コントラスト像に関しては、ダイクロイックミラー４とは別に、同じ観察光軸上にハーフミラーを設け、標本２の可視光像を半分だけ反射させて導き、その先に２分割プリズムを設ける。そして、図１における光Ｌｂ及び光Ｌｃと、領域２２ａ及び２２ｃと同様の関係を有する前ピン像及び後ピン像用のラインセンサを配置することにより、このラインセンサによって標本２のパターンによるコントラスト信号を得ることができるので、本実施形態の図１の構成におけるスリット板８によるコントラスト信号よりも大きな信号が得られる。

さらに、本実施形態では、前ピン像及び後ピン像としてスリット板８の反射光像を用いるため、それらから抽出したコントラスト信号は比較的小さい。このような場合には、図９に示すように、投影用の複数本のコントラストパターンを投影する構成を設けるとともに、図２で説明したバンドパスフィルタ回路３３の通過周波数を、投影用コントラストパターンだけが通過する周波数に設定すれば良い。このような構成とすることにより、複数本のスリット像から得られるコントラスト信号を合計したものを使うことができるのでコントラスト信号が飛躍的に大きくなり、好適な焦点調節を行うことができる。なお、このような構成における信号の推移は、図１０に示すとおりである。図１０中の各図は図３中の各図に対応し、図３と異なるのはスリット像の数のみである。

また、本実施形態の焦点調節装置は、工業用または生物用の顕微鏡装置などに適用することが可能である。その顕微鏡装置の構成は、例えば図１１に示すとおりである。図１１では、焦点調節装置の大部分（図１に示したハーフミラー１６の先）を省略した。

図１１に示すとおり、顕微鏡装置には、観察用の可視光を射出する光源６１と、光源６１の像を第１対物レンズ３の瞳へ投影する照明光学系６２と、照明光学系６２からの可視光を第１対物レンズ３へ導くハーフミラー６３と、第１対物レンズ３が捉えた標本２からの可視光（観察光）を結像する観察光学系６４と、観察光学系６４が形成する可視像を撮像する撮像素子６５とが備えられる。この顕微鏡装置に本実施形態の焦点調節装置が適用されれば、所要時間が短い焦点調節が可能となるので、顕微鏡装置の性能も高まる。

また、本実施形態の焦点調節装置は、コントラスト検出方式の焦点検出光学系として、スリット投影方式の焦点検出光学系（標本２へ投影するパターンの形状がスリット状）を採用したが、標本２へ投影するパターンの形状は、点状など他の形状に代えても良い。ただし、スリット状とした方が、ラインセンサ２２等の光学素子の位置合わせが容易という利点がある。

焦点調節装置の構成図である。 ラインセンサ２２、信号処理部２３、ＣＰＵ２４、上下駆動部２５の詳細を示す機能ブロック図である。 コントラスト信号について説明する図である。 コントラスト検出方式の焦点検出について説明する図である。 スリット位置の検出について説明する図である。 ２種類のゲインの使い分けについて説明する図である。 ２種類のゲインを用いてコントラスト信号を増幅した結果について説明する図である。 ラインセンサ２２、信号処理部２３、ＣＰＵ２４、上下駆動部２５の詳細を示す別の機能ブロック図である。 焦点調節装置の別の構成図である。 別の焦点調節装置におけるコントラスト信号について説明する図である。 焦点調節装置を適用可能な顕微鏡装置の構成図である。

符号の説明

１…ステージ，２…標本，３…第１対物レンズ，４…ダイクロイックミラー，７…ＬＥＤ，８…スリット板，９…コレクタレンズ，１０…瞳マスク，１６…ハーフミラー，１７…第２対物レンズ，１８…３分割プリズム，２２…ラインセンサ，２３…信号処理部，２４…ＣＰＵ，２５…上下動駆動部

Claims (8)

1. 観察対象の物体からの反射光を光路長が異なる位置で受光する焦点検出用受光素子を有する受光手段と、
   前記受光手段の出力信号を増幅する増幅回路を有する増幅手段と、
   前記増幅手段の出力信号に基づいて、光路長が異なる位置で配置された受光面に形成する像から、対物レンズの焦点位置と前記物体との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する焦点検出手段と、
   前記デフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行う調節手段とを備え、
   前記増幅手段は、前記光軸方向における第１の範囲では第１のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅し、前記第１の範囲と異なる第２の範囲では前記第１のゲインと異なる第２のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅する
   ことを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記増幅手段は、前記光軸方向において、前記対物レンズの焦点位置を含み、前記デフォーカス信号を好適に生成可能な範囲である前記第１の範囲では前記第１のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅し、前記第１の範囲を除く範囲である前記第２の範囲では前記第１のゲインよりも小さい前記第２のゲインにより前記受光手段の出力信号を増幅する
   ことを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記焦点検出用受光素子の受光面において、前記光路長が異なる位置で配置された受光面と異なる光路長位置で受光したときの出力信号に基づいて、前記対物レンズと前記物体との相対的な位置関係を検出する位置検出手段をさらに備え、
   前記増幅手段は、前記位置検出手段による検出結果に基づいて、前記第１のゲインと前記第２のゲインとの何れかを選択する
   ことを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記第１のゲインは、前記増幅手段の出力信号の最大値が、所定の閾値を下回る程度に設定される
   ことを特徴とする焦点調節装置。
5. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記焦点検出手段は、前記増幅手段の出力信号のうち、所定の閾値を上回る前記出力信号に基づいて前記デフォーカス信号を生成し、
   前記第２のゲインは、前記増幅手段の出力信号に含まれる回折光に相当する極大値が、前記所定の閾値を下回る程度に設定される
   ことを特徴とする焦点調節装置。
6. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記デフォーカス信号に基づいて、合焦状態に到達したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記合焦状態に到達したと判定すると、前記増幅手段に対して前記第１のゲインと前記第２のゲインとの少なくとも一方を再設定する設定手段とをさらに備える
   ことを特徴とする焦点調節装置。
7. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記焦点検出手段は、検出範囲が広く検出精度の低い第２の方式による第２のデフォーカス信号とを、並行又は時分割で生成し、
   前記調節手段は、前記コントラスト量に基づく前記デフォーカス信号の良否を示す評価値を監視し、その評価値が所定レベルを下回るときには、前記第２の方式で生成される前記第２のデフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行い、前記評価値が前記所定レベルを上回るときには、前記コントラスト量に基づく前記デフォーカス信号に基づき前記間隔調節を行う
   ことを特徴とする焦点調節装置。
8. 対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、
   前記対物レンズの焦点調節を行う請求項１から請求項７の何れか１項に記載の焦点調節装置と
   を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
   

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