CN111819485A

CN111819485A - 自动对焦装置和具备其的光学装置以及显微镜

Info

Publication number: CN111819485A
Application number: CN201980013041.5A
Authority: CN
Inventors: 安井真人; 广岛通夫; 上田昌宏
Original assignee: NATIONAL RESEARCH AND DEVELOPMENT CORP
Current assignee: NATIONAL RESEARCH AND DEVELOPMENT CORP
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: JP7226825B2; US20210041659A1; WO2019159627A1; CN111819485B; JPWO2019159627A1; DE112019000783T5; US11567293B2

Abstract

自动对焦装置，包括：支撑载置试样(20)的玻璃部件(19)的载物台(ST)；观察试样(20)的放大光学系统(L2、HM、DM、OL)；经过放大光学系统对试样(20)发射光的光源装置(11、M、13)；配置在和放大光学系统的试样(20)相反的位置，限制从光源装置发射的发射光的光圈(IR)；经由放大光学系统接收反射光的AF用相机(22)，该反射光为经由光圈(IR)以及放大光学系统到达玻璃部件(19)的发射光在反射面(S)所反射的反射光。光源装置相对于放大光学系统的轴以非零的角度(φ)发射光。控制装置(100)调整载物台(ST)的位置，以使被拍摄的遮蔽物的像的位置和目标位置一致。通过设置这种结构，能够实现高速的自动对焦。

Description

自动对焦装置和具备其的光学装置以及显微镜

技术领域

本公开涉及自动对焦装置和具备其的光学装置以及显微镜。

背景技术

一般地，显微镜通过数值孔径(NA：Numerical Aperture)决定分辨率为人所知。虽然如果数值孔径大则得到的图像的分辨率变好，但是焦深变短，其结果是难以进行聚焦。

如超分辨率成像这样的大数值孔径的显微镜的自动化尚未普及。如果说为什么自动化尚未普及，那是因为没有兼备高精度、宽范围、高速度的自动对焦技术。

虽然现有的自动对焦的方法很多，但是主要分为以下的两种方法。这些自动对焦技术，不管哪一种，在精度/范围/速度的其中之一都存在问题。

图30是用于说明现有的第一方法的图。第一方法是观察相机拍摄到的光圈的图像的对比度的方法。这种方法如图30所示，光圈502配置在和位于玻璃容器501的底面的试样共轭的位置，光圈502的像在试样的位置(玻璃容器的底面)成像。然后，通过相机503拍摄从玻璃面反射的光圈的像。通过进行载物台扫描使玻璃容器或者物镜上下移动而将焦点对准光圈的像，从而进行试样的像的聚焦。如果使用第一方法，即使是大数值孔径的显微镜，也能够以高精度自动地对准焦点。

第一方法的问题点是，在聚焦时需要载物台扫描，耗费时间。虽然取决于载物台扫描的速度，但是耗费大约数十秒左右的时间。另外，即使通过设置两台相机来形成多焦点系统而消除载物台扫描，从而加快速度，也还有光圈的像可见的范围窄的问题。

图31是用于说明现有的第二方法的图。第二方法是观察玻璃面的反射位置而对焦的方法。来自LED561的光穿过物镜523，带有角度地朝试样522入射。然后，通过CCD相机564获得反射光的位置。第二方法由于能够以光束的位置到达中心的方式进行控制，因此总是能够维持焦点。

第二方法的问题点在于聚焦的精度较差。精度变差的现象是由光学系统的歪斜所引起的。由于光学系统的偏移，如果光束的位置偏移X，那么入射光的位置偏移X/(倍数)。由于这种偏移因热、振动等各种外因而产生，因此每次都需要进行补偿的调整。另外，聚焦的范围和精度依赖光束朝玻璃面S入射的角度。因此，会出现精度和范围哪一个优先的两难处境。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-227940号公报

专利文献2：日本特许5621259号公报

发明内容

发明所要解决的课题

目前，难以实现同时兼备高精度、宽范围、高速度的自动对焦技术。这三个要素是高数值孔径的显微镜的自动化所需要的理由如下所述。第一，由于大数值孔径的显微镜焦深较短，因此如果不是高精度的自动对焦，像会模糊。另外，如果没有长时间维持精度，则每次都需要聚焦，会妨碍自动化。第二，载物台移动时观察试样和物镜之间产生偏移。此偏移如果不在自动对焦的范围内，则不能进行自动对焦。第三，为了高效率地进行样本的拍摄，要求快速地对准焦点的技术。如上所述，为了显微镜观察的自动化，兼备高精度、宽范围、高速的自动对焦技术是必须的。

本发明的目的是，提供即使在大数值孔径的显微镜中也可以高精度、宽范围、高速地自动对焦的自动对焦装置和具备其的光学装置以及显微镜。

解决课题的手段

本公开在某一方面中，涉及用于光学装置的自动对焦装置，该光学装置具有支撑载置观察对象物的透明部件的载物台，和对观察对象物进行观察的放大光学系统。自动对焦装置包括：光源装置，经过放大光学系统对观察对象物发射光；遮蔽物，相对于放大光学系统，配置在和观察对象物相反的位置，限制从光源装置发射的发射光；光检测装置，经由放大光学系统接收反射光，该反射光为经由遮蔽物以及放大光学系统到达透明部件的反射面的、来自光源装置的发射光在反射面所反射的反射光；控制装置，对载物台或者放大光学系统的位置进行控制。控制装置，基于使被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光以多种不同的条件入射到观察对象物而得到的遮蔽物的反射光，调整载物台或者放大光学系统的位置。

优选地，光源装置构成为能够可变地调整对遮蔽物射出的光的角度分布。

优选地，自动对焦装置进一步包括光学元件，其对被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光的一部分进行反射。在光学元件反射的来自光源装置的发射光，入射到观察对象物。

优选地，自动对焦装置进一步包括光学元件，其对被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光的一部分进行遮蔽、减光或者反射。未被光学元件遮蔽、减光或者反射而通过的来自光源装置的发射光，入射到观察对象物。

更加优选地，控制装置根据以多种不同的条件得到的遮蔽物的反射像的位置，来决定控制目标值，调整载物台或者放大光学系统的位置。

更加优选地，控制装置根据将以多种不同的条件得到的遮蔽物的像划分成多个而累计的光强度，来决定控制目标值，调整载物台或者放大光学系统的位置。

本公开在其他方面中，涉及用于光学装置的自动对焦装置，该光学装置具有支撑载置观察对象物的透明部件的载物台，和对观察对象物进行观察的放大光学系统。自动对焦装置包括：光源装置，经过放大光学系统向观察对象物发射光；遮蔽物，相对于放大光学系统，配置在和观察对象物相反的位置，限制从光源装置发射的发射光；拍摄装置，经由放大光学系统接收反射光，该反射光为经由遮蔽物以及放大光学系统到达透明部件的反射面的、来自光源装置的发射光在反射面所反射的反射光；控制装置，对载物台或者放大光学系统的位置进行控制。光源装置，相对于放大光学系统的轴，以非零的角度发射光。控制装置调整载物台或者放大光学系统的位置，以使被拍摄装置拍摄到的遮蔽物的像的位置和目标位置一致。

优选地，控制装置调整载物台或者放大光学系统的位置，以使被拍摄装置拍摄到的遮蔽物的像中的遮蔽物的开口部的位置和目标位置一致。

优选地，控制装置通过对用拍摄装置得到的图像进行图像处理，对遮蔽物的图像中的开口部的内部和外部进行分离。

优选地，光源装置构成为使对遮蔽物射出的光的角度可变。控制装置调整载物台或者放大光学系统的位置，以使第一位置和第二位置的差为目标值，其中，第一位置是使光源装置以第一角度射出光的情况下的遮蔽物的图像的位置，第二位置是使光源装置以和第一角度不同的第二角度射出光的情况下的遮蔽物的图像的位置。

优选地，光源装置构成为使对遮蔽物射出的光的角度可变。控制装置根据第一位置粗调整载物台或者放大光学系统的位置，根据第二位置微调整载物台或者放大光学系统的位置，其中，第一位置是使光源装置以第一角度射出光的情况下的遮蔽物的图像的位置，第二位置是使光源装置以大小比第一角度大的第二角度射出光的情况下的遮蔽物的图像的位置。

更加优选地，光源装置包含：光源，其射出高直进性的光；电动光学元件，构成为可接收光源射出的光并改变从光源装置射出的光朝遮蔽物入射的角度。控制装置在从光源装置射出的光的角度为第一角度的情况和为第二角度的情况下，使电动光学元件的角度改变。

优选地，放大光学系统包含：物镜，半透明反射镜，配置在半透明反射镜透射的光路、半透明反射镜反射的光路的其中一者的光源侧成像透镜，配置在半透明反射镜透射的光路、半透明反射镜反射的光路的另一者的相机侧成像透镜。

优选地，光源装置射出偏振光；放大光学系统包含：物镜，四分之一波长板，偏振光束分离器，配置在四分之一波长板和偏振光束分离器之间的成像透镜。

优选地，控制装置基于遮蔽物的像中的开口的像的重心的坐标，进行载物台或者放大光学系统的位置的调整。

优选地，控制装置基于遮蔽物的像中的开口的像的边缘的坐标，进行载物台或者放大光学系统的位置的调整。

该公开在其他的方面中，涉及光学装置，该光学装置包括：载物台；放大光学系统；上述任一项的自动对焦装置。

该公开进一步在其他的方面中，涉及显微镜，该显微镜包括：载物台；放大光学系统；上述任一项的自动对焦装置。

发明效果

根据本发明，能够实现可高精度、宽范围、高速地自动对焦的自动对焦。通过使用本发明，能够使大数值孔径的显微镜拍摄更容易自动化。

附图说明

图1是表示本实施方式的显微镜的光学系统的结构的图。

图2是表示控制装置控制的对象的框图。

图3是表示实施方式1执行的自动对焦的原理的图。

图4是用于说明在实施方式1中，使用狭缝代替光圈的情况下的变形例的图。

图5是表示入射角度为φL的情况下的光圈的开口部图像的重心位置和载物台的位置的关系的图。

图6是表示入射角度为φH(＞φL)的情况下的光圈的开口部图像的重心位置和载物台的位置的关系的图。

图7是表示本实施方式的自动对焦装置的光学系统的示意图。

图8是用于说明实施方式1的自动对焦的控制的流程图。

图9是表示实施方式2执行的自动对焦的原理的图。

图10是用于说明在实施方式2中，使用狭缝代替光圈的情况下的变形例的图。

图11是用于说明实施方式2的自动对焦的控制的流程图。

图12是以AF用相机捕捉到的狭缝的图像。

图13是表示实施方式3的显微镜的光学系统的结构的图。

图14是入射角度为正的角度时的图像。

图15是入射角度为负的角度时的图像。

图16是用于说明边缘的检测的图。

图17是用于说明实施方式3的自动对焦的控制的流程图。

图18是表示实施方式4的显微镜的光学系统的结构的图。

图19是表示图18的旋转镜RM1的形状和光B的位置关系的图。

图20是表示图18所示的显微镜201中，旋转镜RM1旋转180°的状态的图。

图21是表示图20所示的旋转镜RM1的状态和光B的位置关系的图。

图22是表示实施方式5的显微镜的光学系统的结构的图。

图23是表示图22的旋转罩RM2的形状和光B的位置关系的图。

图24是表示图22所示的显微镜251中，旋转罩RM2旋转180°的状态的图。

图25是表示图24所示的旋转罩RM2的状态和光B的位置关系的图。

图26是表示实施方式6的显微镜的光学系统的结构的图。

图27是表示图26的旋转罩RM3的形状和光B的位置关系的图。

图28是表示图26所示的显微镜271中，旋转罩RM3旋转180°的状态的图。

图29是表示图28所示的旋转罩RM3的状态和光B的位置关系的图。

图30是用于说明现有的第一方法的图。

图31是用于说明现有的第二方法的图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的附图中，相同或者相当的部分，赋予相同的附图标记，不重复对其进行说明。

[概要]

本实施方式涉及兼备“高精度、宽范围、高速度的自动对焦装置”。图1是表示本实施方式的显微镜的光学系统的结构的图。来自AF用激光器11的光被电动镜M反射而进入光圈IR。由于光圈IR和电动镜M是共轭的关系，因此通过电动镜M的角度θ，能够控制朝向光圈IR的光的入射角φ。来自光圈IR的光穿过成像透镜L2和物镜OL，到达载置有试样20的玻璃19的表面(玻璃面S)并反射。然后，反射光穿过物镜OL和成像透镜L1，以自动对焦用的相机(AF用相机)22进行成像，在AF用相机22映照出光圈IR的像。

本实施方式的特征是，具有角度地将整形的光照射到将试样20载置到载物台ST的玻璃面S，观察其反射像的位置。

对此，在专利文献1所示的第一方法中，不具有角度地将光垂直地照射到试样，观察到反射像的模糊。在本实施方式中，不同点在于，具有角度φ地入射光，并观察反射像的位置。在本实施方式中，通过具有角度φ地入射，并测量反射像中的光圈IR的像的位置，可知焦点从玻璃面S朝哪个方向以何种程度地偏移。这关系到聚焦的高速化。

另一方面，在专利文献2所示的第二方法中，没有对光进行整形而使其入射，观察其光的重心位置。在本实施方式的手法中，不同点在于，使用光圈IR对入射光进行整形。由于通过光圈IR决定像的形状，因此能够通过图像处理，消除来源于试样的反射像。这关系到自动对焦的高精度化。另外，还有不同点在于，专利文献2中，朝玻璃面照射的光的直进性低。如果光的直进性低，那么由于像因焦点的变化而显著的变化，因此容易丢失反射光而导致范围下降。进一步地，在本手法中，不同点还在于，能够调整入射角度。通过调整入射角度，能够调整范围和精度之间的均衡。

本实施方式的自动对焦装置的使用顺序的概要如以下所述。首先，使用者决定在离开玻璃面S多少距离的位置进行对焦。根据使用者所决定的位置，移动光圈IR的D方向的位置。然后，以提供入射角度φL的方式设定电动镜M的角度θ，通过AF用相机22拍摄光圈IR的反射像，并求出图像上的光圈IR的位置。移动Z载物台，或者物镜OL或其他的透镜(相机前或者光圈前的透镜)的位置，或者两者，以使光圈IR的位置和目标位置一致。反复操作上述步骤直至目标位置之差在指定的值以下。在以入射角度φL完成自动对焦后，以比入射角度φL大的入射角度φH，以和上述的顺序相同的方式，进行自动对焦。通过该方法，和现有方法相比，能够高精度、宽范围、高速地进行自动对焦。

[实施方式1]

本实施方式的自动对焦装置有利于更容易地实现显微镜的自动化。图1所示的显微镜1包含载物台ST、自动对焦用的光学系统和观察用的光学系统。

显微镜1中，作为自动对焦用的光学系统，包括光源、光圈IR、成像透镜L2、半透明反射镜HM、二向色镜DM、物镜OL、成像透镜L1和AF用相机22，其中，光源包括AF用激光器11、电动镜M以及开普勒式扩束镜13。

进一步地，显微镜1中，作为观察用的光学系统，包括激发滤光片23、观察用二向色镜24、吸收滤光片25、28、成像透镜26和观察用相机27。

在自动对焦用的光学系统中，被电动镜M反射的激光光束通过扩束镜13并入射到光圈IR。朝向光圈IR的激光的入射角度φ能够通过电动镜M的角度θ来控制。由于光圈IR和玻璃面S处于共轭位置，因此光圈IR的影在玻璃面S成像。光圈IR的像反射，被投影到AF用相机22。

在观察用的光学系统中，能够使用透过AF用二向色镜DM以及吸收滤光片28的波长的光。具体地，能够穿过观察用二向色镜24，向试样20照射光。然后，能够通过观察用相机27观察荧光或者反射光。吸收滤光片28只吸收来自AF用光源的光，防止来自AF用光源的泄漏光入射到观察用相机27。

显微镜1进一步包括控制装置100，控制装置100控制电动镜M的角度θ、光圈IR的D方向位置和载物台ST的位置。控制装置100也可以不控制载物台ST的位置，而控制物镜OL或其他的透镜(相机前或光圈前的透镜)的位置或者两者。以下，为了说明，以控制装置100控制载物台ST的位置的方式进行说明。

图2是表示控制装置控制的对象的框图。控制装置100通过光圈位置调整部101调整光圈IR的D方向的位置。控制装置100通过镜角度调整部102调整电动镜M的角度θ。控制装置100根据AF用相机22所拍摄的光圈IR的像的图像中的位置，驱动载物台位置调整部103，控制载物台ST的Z方向的位置。

图3是表示实施方式1执行的自动对焦的原理的图。激光光束以与朝光圈IR的入射角度φ对应的入射角，朝试样20入射。此时，在AF用相机22中，如相机图像P1所示地观察到光圈IR的像。根据玻璃面S的距离焦点位置的Z位置，光圈IR的像也在图像中位置左右移位。

设定好与预先合焦位置对应的光圈IR的像的目标位置XT，算出根据相机图像P1得到的光圈IR的像的位置X1和目标位置XT的差dx。差dx为零时是合焦位置。由于根据差dx，可知移动搭载玻璃面S的载物台ST的方向和移动量，因此，可高速地进行连续聚焦。

此外，虽然也可以使用分割光电二极管等的传感器代替AF用相机22，但是精度较差。这是因为，通过反射像，光圈IR的像的定位精度恶化。

光圈IR的开口部分，可看到观察对象的细胞等的试样的像。因此，由于光圈IR的开口部分的画面是依赖细胞等的试样的像，因此光圈IR的反射像不一样。因此，如果以分割光电二极管这种加权重心决定光圈IR的像的位置，那么焦点依赖试样的像而偏移。为了解决该问题并提高自动对焦的精度，优选地，通过图像处理(例如二值化处理或者轮廓提取处理)进行图像分离，以使开口部为白图像，光圈IR所致的遮蔽部为黑图像。由此，可实现不依赖试样的高精度的自动对焦。

图4是用于说明在实施方式1中，使用狭缝代替圆形的光圈的情况下的变形例的图。图3的情况下，虽然根据光圈IR的图像的加权重心的位置算出差dx，但是在狭缝的这种情况下，可以直接使用图像的X坐标，或者通过简单的计算算出X1来算出差dx。此外，光圈IR的形状除了图3的圆形，图4的狭缝状以外，还可以是星形、多角形等各种形状。

在本实施方式中，可将入射角度φ固定为非零的规定角度，并进行自动对焦。固定入射角度φ，并测定光圈IR的像的位置。并且，以光圈IR的像的位置朝目标位置移动的方式，使载物台ST移动并调整焦点。在该方法中，由于电动镜M的角度没有变化，因此能够高速地进行自动对焦，能够防止电动镜M的驱动部的磨损。

另一方面，通过改变自动对焦时朝光圈IR的入射角度φ，能够调节精度和范围。在入射角度φ较大的情况和较小的情况下，比较该关系并进行说明。图5是表示入射角度为φL的情况下的光圈的开口部图像的重心位置和载物台的位置的关系的图。图6是表示入射角度为φH(＞φL)的情况下的光圈的开口部图像的重心位置和载物台的位置的关系的图。在图5、图6中，横轴表示像素位置(px:pixel)，该像素位置表示光圈IR的开口部图像的重心位置，纵轴表示使试样的玻璃面移动的载物台的Z方向的位置(μm)。

入射角度φ＝φH的情况(入射角度φ较大的情况)光束的移动量变大，精度变高(大约50nm/px)。然而，移动量越大，范围(可自动对焦的Z方向范围)越窄。另一方面，入射角度φ＝φL的情况(入射角度φ较小的情况)光束的移动量变小，精度变粗(大约760nm/px)。然而，范围(可自动对焦的Z方向范围)变宽。

(自动对焦的顺序)

在实施方式1中，通过以下的方法，在自动对焦中兼顾宽范围和高精度。最初，使用宽范围的入射角度(φ＝φL)开始自动对焦，某种程度地粗对焦。然后，使用窄范围的入射角度(φ＝φH)，高精度地对焦。由此，可进行宽范围且高精度的自动对焦。

图7是表示本实施方式的自动对焦装置的光学系统的示意图。图8是用于说明实施方式1的自动对焦的控制的流程图。

作为自动对焦控制的前提，使用者设定的是，决定在距离玻璃面S多远的位置进行合焦。焦点的位置和光圈IR的光轴方向的位置成线性关系，当光圈IR位于成像透镜L2的焦点位置时，在玻璃面S合焦。因此，根据从玻璃面S的距离，光圈IR的距离唯一确定为DT。作为其他事先设定的参数，还有分别与粗动以及微动的载物台控制对应的电动镜的角度θL以及θH，和分别与其对应的判定合焦时的收敛判定值εL以及εH。这些基本上与使用者无关，是自动对焦装置的开发者决定的一定的值。

在步骤S1中，控制装置100将光圈IR的位置D设定为位置DT。然后，在步骤S2中，控制装置100决定将朝光圈IR的入射角度φ设定为粗精度的φL。

在步骤S3中，控制装置100将电动镜M的角度θ设定为入射角度φ(＝φL)所成的角度。另外，将判定收敛值设定为ε(＝εL)。然后，在步骤S4中，控制装置100通过AF用相机22取得反射像，计算光圈IR的重心的位置X1。

接着，在步骤S5中，控制装置100算出重心的X坐标的差dx(＝X1-XT)，在步骤S6中，使载物台ST沿Z方向只移动与对应于差dx的方向对应的移动量。在步骤S7中，控制装置100判断差dx是否比判定收敛值ε小。在步骤S7中，如果不是差dx＜ε(在S7为NO)，那么再次执行步骤S3～S6。

在步骤S7中，如果是差dx＜ε(在S7为YES)，那么在步骤S8中，判断是否已执行粗聚焦(入射角度φ的设定是否为φL)。在步骤S8中，进行了粗聚焦的情况下(在S8为YES)，那么控制装置100在步骤S9中将入射角度变更为φ＝φH，将判定收敛值变更为ε＝εH，之后执行步骤S3～S7的处理，进行高精度自动对焦。在步骤S8中，在不是粗聚焦的情况下(φ≠φL)，由于已执行高精度自动对焦(在S8为NO)，因此控制装置100结束自动对焦。

根据本实施方式，由于通过将入射角度φ设为非零角度，可根据光圈IR的图像的位置，立即算出载物台的移动方向和移动量，因此可进行高速的自动对焦。

另外，虽然即使固定入射角度φ也可以自动对焦，但是，通过用电动镜M将朝试样20的光的入射角度φ控制为φL和φH，能够调整自动对焦的精度和范围。朝光圈IR的入射角度φ较大时，如果使玻璃面S沿上下方向移动，那么玻璃面S上的光圈IR的像的重心位置较大地移动。其结果是，虽然光圈IR的像容易从AF用相机22偏离而范围变窄，但是由于像的位置变化变大，因此精度变高。相反地，如果朝光圈IR的入射角度φ较小，虽然精度变差，但是范围变宽。首先减小入射角度φ并以宽范围进行自动对焦，接着增大入射角度φ并以高精度进行自动对焦。如此地，可实现兼顾宽范围和高精度的自动对焦。

[实施方式2]

在实施方式1中，虽然能够实现高速且高范围地自动对焦，但是由于抗光学系统偏移的能力弱，因此精度不高。因此，每次观察前或者观察中，需要进行补偿调整。在实施方式2中，由于使光从多个方向入射来进行自动对焦，因此抗光学系统偏移的能力强，即使在长时间内也可进行稳定的自动对焦。

本实施方式的自动对焦装置的使用顺序的概要如以下所述。首先，使用者决定在距离玻璃面S多远进行对焦。根据使用者所决定的位置，移动光圈IR的D方向的位置。然后，以提供入射角度φL的方式设定电动镜M的角度θ，通过AF用相机22拍摄光圈IR的反射像，并计算重心的位置X1。然后，以提供入射角度-φL的方式设定电动镜M的角度θ后再次拍摄反射像，计算重心的位置X2。取得重心的位置X1和X2的差dx，移动Z载物台以使差dx为零。反复操作上述步骤直至差dx在指定的值以下。在以入射角度φL完成自动对焦后，以比入射角度φL大的入射角度φH，以和上述的顺序相同的方式，进行自动对焦。通过该方法，和现有方法相比，除了能够高精度、宽范围、高速地进行自动对焦之外，不需要预先设定光圈的目标位置。

图9是表示实施方式2执行的自动对焦的原理的图。激光光束B1以与朝光圈IR的入射角度φ对应的入射角，朝试样20入射。此时，在AF用相机22中，如相机图像P1所示地观察到光圈IR的像。根据玻璃面S的距离焦点位置的Z位置的变化，光圈IR的像也在图像中位置左右移位。

通过改变电动镜M的角度，将朝光圈IR的入射角度设为和入射角度φ相反的-φ来使激光光束B2朝试样入射。此时，光圈IR的像和角度φ相同地，如果玻璃面S的距离焦点位置的Z位置的变化，那么光圈IR的像也改变图像中的位置。但是，和角度φ时不同，光圈IR的像的位置反向地移位。

在入射角度φ和入射角度-φ处的光圈IR的像的位置的差dx为零时是合焦位置。由于根据在相机图像P1和相机图像P2时的光圈IR的像的位置的差dx，可知移动搭载玻璃面S的载物台ST的方向和移动量，因此，可高速地进行连续聚焦。

此外，虽然也可以使用分割光电二极管等的传感器代替AF用相机22，但是精度较差。因为通过反射像，光圈IR的像的定位精度恶化。

另外，光圈IR的开口部分，可看到观察对象的细胞等的试样的像。因此，由于光圈IR的开口部分的画面是依赖细胞等的试样的像，因此光圈IR的反射像不一样。因此，如果以分割光电二极管这种加权重心决定光圈IR的像的位置，那么焦点依赖试样的像而偏移。为了解决该问题并提高自动对焦的精度，优选地，通过图像处理(例如二值化处理或者轮廓提取处理)进行图像分离，以使开口部为白图像，光圈IR所致的遮蔽部为黑图像。由此，可实现不依赖试样的高精度的自动对焦。

在实施方式2中，作为使光圈IR的图像对准目标位置XT的方法，能够使用在入射角度φ以及入射角度-φ处的拍摄图像。通过如此地使用在入射角度φ以及入射角度-φ处的拍摄图像，使用者无需事先设定光圈IR的像的目标位置XT。

在实施方式2的情况下，通过改变自动对焦时朝光圈IR的入射角度φ，能够调节精度和范围。对于精度和范围的调节，由于在图4、图5进行了说明，在此不再重复说明。

图10是用于说明在实施方式2中，使用狭缝代替光圈的情况下的变形例的图。图9的情况下，虽然根据光圈IR的图像的加权重心的位置算出差dx，但是在狭缝的这种情况下，可以直接使用图像的X坐标，或者通过简单的计算算出X1、X2来算出差dx。此外，光圈IR的形状除了圆形、狭缝状以外，还可以是星形、多角形等各种形状。

(自动对焦的顺序)

实施方式2也和实施方式1同样地，可兼顾宽范围和高精度。最初，使用宽范围的入射角度(φ＝φL)开始自动对焦，某种程度地粗对焦。然后，使用窄范围的入射角度(φ＝φH)，高精度地对焦。

在实施方式2中，进一步地，分别在宽范围的入射角度和窄范围的入射角度中，从朝光圈IR的入射角度φ和-φ的两个方向对试样照射激光光束并依次拍摄，求出光圈IR的像的重心。在以只来自角度φ的反射光进行对焦的情况下，并不知道光圈IR和AF用相机为共轭的载物台ST位置。因此，需要事先设定光圈IR的重心位于哪个位置时光圈IR和AF用相机是共轭的。另一方面，在取得角度φ和-φ的位置的差分的方法中，光圈IR和AF用相机为共轭时，由于差分是为零的位置，因此不再需要事先设定参照位置。

图11是用于说明实施方式2的自动对焦的控制的流程图。在实施方式2中，和实施方式1同样地，根据在距离玻璃面S多远的位置进行合焦，决定光圈IR的位置DT，决定分别与粗动以及微动的载物台控制对应的电动镜的角度θL以及θH，分别预先决定判定为合焦时的收敛判定值εL以及εH。

在步骤S11中，控制装置100将光圈IR的位置D设定为DT。并且，在步骤S12中，控制装置100决定将朝光圈IR的入射角度φ设定为粗精度φL。另外，将收敛判定值ε设为εL。

在步骤S13中，控制装置100将电动镜M的角度θ设定为入射角度φ(＝φL)的角度。并且，在步骤S14中，控制装置100根据AF用相机22，获得反射像，并计算光圈IR的重心的位置X1。

之后，控制装置100在步骤S15中，改变电动镜M的角度θ为入射角度-φ(＝-φL)，在步骤S16中再次取得反射像，计算光圈IR的重心的位置X2。

接着，控制装置100在步骤S17中，算出重心的X坐标的差dx(＝X1-X2)，在步骤S18中，使载物台ST沿Z方向只移动与对应于差dx的方向对应的移动量。控制装置100在步骤S19中判断差dx是否比判定收敛值ε小。在步骤S19中，如果不是差dx＜ε(在S19为NO)，那么再次执行步骤S13～S18的处理。

在步骤S19中，如果是差dx＜ε(在S19为YES)，那么在步骤S20中，判断是否已执行粗聚焦。在步骤S20中，进行了粗聚焦的情况下(在S20为YES)，那么控制装置100在步骤S21中将入射角度变更为φ＝φH，将收敛判定值变更为ε＝εH，之后执行步骤S13～S18的处理，进行高精度自动对焦。在步骤S20中，在不是粗聚焦的情况下(φ≠φL)，由于已执行高精度自动对焦(在S20为NO)，因此控制装置100结束自动对焦。

实施方式2的自动对焦装置的一个优点是，即使不预先设定目标位置XT，也知道光圈IR的合焦位置。在以只来自角度φ的反射光进行对焦的情况下，并不知道光圈IR和AF用相机为共轭的载物台ST位置。因此，需要事先设定光圈IR的重心位于AF用相机上的哪个位置时光圈IR与AF用相机是共轭的。另一方面，在取得角度φ和-φ的位置的差分的方法中，由于和光圈IR共轭的玻璃面S的位置是差分为零的位置，因此不再需要事先设定目标位置XT。

图31所示的现有的自动对焦的方法，使光从一方向入射到玻璃面，检测返回光的位置的变化来进行。如果是该方法，那么如果光圈或者相机的位置偏移△X，则焦点只偏移“△X/倍率”。例如，在倍率为100倍的情况下，光圈IR的XY方向(与放大光学系统的轴正交的方向)稍微偏移100μm时，焦点位置也沿光轴方向偏移1μm。一分子成像的情况下，如果焦点位置偏移数百nm，那么得到的图像非常模糊。因此，在现有的自动对焦中，每次都需要调整补偿，难以实现观察中的自动化。

实施方式2所示的方法，从两个方向对光圈进行拍摄，并检测两者的光圈位置之差。因此，即使光圈IR的位置朝XY方向偏移也不存在问题。当然，虽然光圈IR的位置也往D方向(光轴方向)偏移，但是如果往D方向偏移△D，那么焦点位置为“△X/倍率²”。例如，在倍率为100倍的情况下，即使光圈IR的D方向的位置偏移100μm，焦点位置的偏移也只有10nm(＝100μm/100²)。由此，不需要每次观察时都进行补偿调整，从而可自动化。

此外，在上述的实施方式中，进行了在玻璃面S对焦的说明，但是，通过改变光圈IR的D方向的位置，能够使对焦的位置从玻璃面S错开。从玻璃面S到自动对焦焦点面的距离，和光圈IR的D方向的位置是线性的。因此，能够用距离指定具体地在距离玻璃面的哪个位置进行对焦。也能够不改变光圈的位置，而控制焦点面的位置。在实施方式1中，如果使目标位置XT偏移，那么焦点的位置线性地变化。在实施方式2中，如果将两个图像的光圈的重心的差dx控制为非零的值，那么焦点位置线性地变化。另外，通过改变光圈IR的XY方向(与放大光学系统的轴正交的方向)的位置，能够使自动对焦时发射的光避开试样20。

另外，在本实施方式中，虽然为了聚焦而使载物台的Z位置改变，但是，也可以使物镜或者其他的透镜(相机前或者光圈前的透镜)移动而进行对焦。

另外，本实施方式的自动对焦装置除了研究用的显微镜以外，也可以适用于集成在工业用的设备的显微镜。

[实施方式3]

在实施方式1和2中，有时会难以算出图像的重心。

图12是以AF用相机捕捉到的狭缝的像。虽然该像是一条狭缝SL的图像，但是在狭缝SL的内部产生了多条因干涉引起的竖条纹。如图12所示，对于狭缝SL的反射像，与右侧边缘相比，在左侧边缘部分，光从狭缝SL散射而变得模糊。该现象不管是在狭缝SL以外还是在光圈IR的图像中都是一样的。由于该现象，通过图像处理难以正确地检测出狭缝SL以及光圈IR的重心位置。

但是，该现象随着入射角度φ越高而越显著。另外，可知仅在单侧边缘可显著地看到。认为是因为入射到玻璃面的光反射时因某些理由散射，而在反射光侧产生散射。因此，没有散射的一侧的边缘，根据入射角度φ为正还是负而预先决定。因此，在实施方式中，代替算出图像的重心，检测狭缝图像的单侧的边缘位置，得到用于自动对焦的信息。

图13是表示实施方式3的显微镜的光学系统的结构的图。图13所示的显微镜105包含载物台ST、自动对焦用的光学系统和观察用的光学系统。

显微镜105中，作为自动对焦用的光学系统，包括光源、狭缝SL、偏振光束分离器BS、成像透镜L11、透镜L12、1/4波长板QR、二向色镜DM、物镜OL、滤光器F和AF用相机22，其中，光源包括AF用激光器11和电动镜M。

进一步地，显微镜105中，作为观察用的光学系统，包括激发滤光片23、观察用二向色镜24、吸收滤光片25、成像透镜26和观察用相机27。

在自动对焦用的光学系统中，使用通过电动镜M被反射的激光光束来得到用于对准载物台ST的位置的信息。

在观察用的光学系统中，能够使用透过AF用二向色镜DM的波长的光。具体地，能够穿过观察用二向色镜24，从未图示的光源向试样20照射光。然后，能够通过观察用相机27观察荧光或者反射光。

显微镜105进一步包括控制装置110，控制装置110控制电动镜M的角度θ、狭缝SL的D方向位置和载物台ST的位置。控制装置110也可以不控制载物台ST的位置，而控制物镜OL、成像透镜L11和透镜L12中的任意一个或者多个的位置。

来自AF用激光器11的光被电动镜M反射而进入狭缝SL。通过电动镜M的角度θ，能够控制朝向狭缝SL的光的入射角φ。来自狭缝SL的光被偏振光束分离器BS反射，通过成像透镜L11、1/4波长板QR后，用二向色镜DM反射，穿过物镜OL，到达载置有试样20的玻璃19的玻璃面S。如此地，狭缝像被投影到玻璃面S。

在图13的显微镜105中，和图1的显微镜1不同，激光光束被偏振光束分离器BS反射。激光光束在从AF用激光器11射出的时刻偏振，通过对准AF用激光器11的朝向，几乎100％的光在偏振光束分离器BS被反射。通过使用偏振光束分离器BS，能够在AF用相机22中无损失地获得入射的激光光束或者反射光。

到达玻璃19的表面的光，在玻璃19的表面反射。该反射光通过物镜OL后在二向色镜DM被反射，通过1/4波长板QR、成像透镜L11、偏振光束分离器BS、滤光器F以及透镜L12，在自动对焦用的相机(AF用相机)22成像。如此地，AF用相机22映出狭缝SL的像。

在图1的结构中，如果在二向色镜DM和半透明反射镜HM之间配置透镜，那么由于来自配置的透镜的反射光进入AF用相机22而成为噪声，因此使用了2片成像透镜L1以及L2。对此，在图13的结构中，成像透镜L11之后具有波长板QR，由于具有偏振光束分离器BS，因此在成像透镜L11的反射光不会入射到AF用相机22。因此，能够将图1的成像透镜L1以及L2合并为一枚成像透镜L11，能够减少一枚透镜。

另外，通过1/4波长板QR，只有1/4波长板QR以后的反射光穿过偏振光束分离器BS而朝AF用相机22传递。如果没有波长板QR，则来自成像透镜L11的返回光进入AF用相机22，成为噪音。另外，如果不将1/4波长板QR设置成具有一定角度，则来自1/4波长板QR的反射光进入AF用相机22，成为噪音。

通过使成像透镜L11或者透镜L12前后移动，能够使自动对焦的位置从玻璃面错开。此外，由于在实际的自动对焦模块中，成像透镜L11进入显微镜的内部，因此将透镜L12设置在显微镜的外部，以使得能够从外部进行补偿调整。但是，如果采用控制显微镜的内部的成像透镜L11的结构，那么不需要透镜L12。

通过二向色镜DM，能够将自动对焦光路和观察用的光路分开。因此，可以在显微镜105观察的同时进行自动对焦。此外，接近透镜L12的滤光器F用于去除自动对焦以外的光。如果不这样做，会导致观察光进入AF用相机22，在观察中时对自动对焦产生障碍。

在实施方式3中，具有角度地将用狭缝SL整形的光照射到将试样20载置到载物台ST的玻璃面S，观察其反射像的位置。

在图12中，虽然说明了只在一边的边缘显著地看到边缘的模糊，但是可知模糊显著的边缘是根据入射角度的φ的正负而不同的一侧。认为这是因为入射到玻璃面的光在反射时因某种理由而散射，在反射光侧产生散射。因此，没有散射的一侧的边缘，根据入射角度φ为正还是负而预先决定。

图14是入射角度为正的角度时的图像。入射角度为正的角度(+φ)的情况下，如果观察边缘，可以清晰看到左侧。图15是入射角度为负的角度时的图像。入射角度为负的角度(-φ)的情况下，如果观察边缘，可以清晰看到右侧。

图16是用于说明边缘的检测的图。例如如图16所示，在以AF用相机22拍摄到的图像是左侧的边缘模糊的图像的情况下，从图像的右侧对像素的亮度进行扫描，将超过阈值的位置作为边缘。虽然如果能清楚地看到两个边缘那么重心也可以，但是由于一边的边缘模糊，所以采用这种方法。

检测边缘的方法，在使用未浸入水或液体的物镜时也是有用的。油浸物镜的情况下，溶液和玻璃面之间的光会反射。另一方面，未浸入水或液体的物镜的情况下，玻璃的下表面和上表面的光会反射，反射像重叠。通过检测单侧的边缘，能够只检测玻璃面的上表面，能够不依赖于玻璃厚度而进行自动对焦。

边缘检测的图像处理的方法很多，以一个例子进行说明。首先，将图像在Y方向平均化而使其一维化。为了检测左边缘，从左侧对一维数据进行扫描，寻找超过指定的阈值的位置。希望检测右边缘时，从右进行扫描，寻找超过阈值的位置(参照图16)。如果没有超过阈值的位置，则认为自动对焦失败。由于图像处理方法简单，因此能够高速地进行运算。

作为其他方法，有对一维的数据进行微分来检测倾斜为最大(左边缘)或者最小(右边缘)的X方向的位置的方法。此时，事先决定阈值，在所有的像素没有超过阈值的情况下，则认为自动对焦失败。

另外，通过利用与入射角度φ的正负对应，清晰可见的边缘也在左侧和右侧交替的情况，能够进行高精度的自动对焦。

图17是用于说明实施方式3的自动对焦的控制的流程图。在实施方式3中，和实施方式1、2同样地，根据在距离玻璃面S多远的位置进行合焦，决定成像透镜L11的位置DT和电动镜的角度θ，预先决定判定为合焦时的收敛判定值ε。能够根据收敛判定值知道程序是否完成了自动对焦，防止自动对焦前开始自动拍摄。

在步骤S101中，控制装置110将成像透镜L11的位置D设定为DT，设定朝狭缝SL的入射角度φ。另外，将收敛判定值设为ε。

在步骤S102中，控制装置110将电动镜M的角度θ设定为入射角度φ所成的角度。并且，在步骤S103中，控制装置110根据AF用相机22，获得反射像，并检测出狭缝SL的左侧边缘的位置EL。

之后，控制装置110在步骤S104中，改变电动镜M的角度θ为入射角度-φ，在步骤S105中再次取得反射像，并计算狭缝SL的右侧边缘的位置ER。

接着，控制装置110在步骤S106中，算出边缘的坐标的差dx(＝ER-EL)加上补偿量的量，在步骤S107中，使载物台ST沿Z方向只移动与对应于该量的方向对应的移动量。控制装置110在步骤S108中，判断差dx是否比判定收敛值ε小。由此用户或者主程序能够知道是否在收敛值内。此外，也可以调节物镜OL等的位置代替使载物台ST移动。

另外，在步骤S108中，如果有来自主程序的结束命令(在S108为YES)，则控制装置110结束自动对焦。

实施方式3的自动对焦装置起到和实施方式2的自动对焦装置相同的效果。并且，实施方式3的自动对焦装置进一步提高自动对焦的精度。从朝狭缝SL的入射角度φ和-φ的两个方向对试样照射激光光束并依次拍摄，分别求出与入射角度的正负对应的一侧的狭缝SL的像的边缘。并且，取得边缘位置的差分，控制玻璃面S的上下位置以使差分接近实际的狭缝宽度。如果使用该方法，即使在光圈或者狭缝SL的图像的单侧边缘模糊的情况下，也能够正确地进行聚焦。

此外，在实施方式3中，虽然采用入射角度φ可变的结构，但是也可以和实施方式1同样地，将入射角度φ设为固定的非零的角度，以仅使清晰的边缘和目标位置一致的方式进行控制。这种情况下，用于聚焦的边缘是与入射角度φ的正负对应的一侧的边缘。

[实施方式4]

在实施方式1～3中，通过以非零的固定或者可变的入射角度φ，使来自AF用光源的光入射到放大光学系统，将在AF用相机成像的光圈或者狭缝的位置根据焦点的位置而不同这一点，利用到聚焦。

但是，即使没有以非零的角度入射到光圈或者狭缝，通过在通过光圈或者狭缝后遮挡光的一部分，也能够得到相同的效果。在实施方式4中，对采用在通过光圈或者狭缝后遮挡光的一部分的方法的例子进行说明。

图18是表示实施方式4的显微镜的光学系统的结构的图。图18所示的显微镜201包含载物台、自动对焦用的光学系统和观察用的光学系统。载物台和观察用的光学系统的详细情况由于和实施方式1～3相同，因此在此省略图示，图18只表示自动对焦用的光学系统。

显微镜201中，作为自动对焦用的光学系统，包含光源211、狭缝SL或者光圈IR、旋转镜RM1、成像透镜L211、二向色镜DM、物镜OL、传感器222和控制装置210。

传感器222可以使用和实施方式1～3相同的AF相机，也可以使用受讲面被分割的分割型受光元件。使用分割型受光元件的情况下，控制装置210根据将以多种不同的条件得到的遮蔽物的像划分成多个而累计的光强度来决定控制目标值，调整载物台或者放大光学系统的位置。

在自动对焦用的光学系统中，使用来自被旋转镜RM1反射的光源的光，得到用于对准载物台ST的位置的信息。

图19是表示图18的旋转镜RM1的形状和光B的位置关系的图。参照图18、图19，旋转镜RM1以旋转轴RA1为中心旋转。旋转镜RM1例如包含在透明的圆盘的玻璃上通过蒸镀形成的铝等的图案RP1、RP2。图案RP1以不同的图案对通过了狭缝SL或者光圈IR的光进行反射，图案RP2以和图案RP1不同的图案进行反射。为了简化，在图18中，相对于光的轴φ，设为左半部分和右半部分反射。如果使中心附近的光穿过，虽然范围变长，但是精度降低。注意到这一点而设计反射图案。

光源211也可以不是激光这种直进性高的光源。例如，也可以是LED或者水银灯。因此，来自光源211的光也可以从全方位入射到光圈IR或者狭缝SL。

在图19的例子中，穿过光圈IR的光B命中旋转镜RM1的图案RP1，光B只有一半进入成像透镜L211。透过成像透镜L211的光在二向色镜DM反射，穿过物镜OL后，命中玻璃面而反射。反射光经过物镜OL、二向色镜DM，穿过成像透镜而到达传感器222。

图20是表示图18所示的显微镜201中，旋转镜RM1旋转180°的状态的图。图21是表示图20所示的旋转镜RM1的状态和光B的位置关系的图。

参照图20、图21，如果旋转镜RM1旋转180°，那么到达成像透镜L11的光，和图18的例子相比是相反的一半。因此，在焦点没有对准的情况下，传感器222受光的位置和图18的情况相比，朝相反方向偏移。如果在图18所示的状态得到的图像和在图20所示的状态得到的图像不一致，那么判定为焦点没有对准。如果在图18所示的状态得到的图像和在图20所示的状态得到的图像一致，那么判定为焦点对准。如果只是传感器222中的光的位置的比较，那么即使是分割型的受光元件也可以进行。

在实施方式4中，使旋转镜RM1旋转，将显微镜201的状态交替地设为图18所示的状态和图20所示的状态，获得两个像。

如此地，控制装置210使光入射到夹着物镜OL的光轴的两个不同的位置，获得与各光对应的图像。通过对得到的多个图像进行比较，能够容易地实现精度提高的自动对焦。如果是这种方式，即使是由于光学系统的歪斜引起的光圈IR或者狭缝SL在传感器上的位置偏移，也没有问题。

[实施方式5]

在实施方式4中，使通过光圈或者狭缝后的光的一部分通过镜反射并传送到物镜。但是，代替通过镜反射一部分，即使通过罩遮挡一部分也能够实现同样的聚焦。

图22是表示实施方式5的显微镜的光学系统的结构的图。如图22所示的显微镜251，包含载物台、自动对焦用的光学系统和观察用的光学系统。载物台和观察用的光学系统的详细情况由于和实施方式1～3相同，因此在此省略图示，图22只表示自动对焦用的光学系统。

显微镜251中，作为自动对焦用的光学系统，包含光源211、狭缝SL或者光圈IR、旋转罩RM2、半透明反射镜HM2、成像透镜L211、二向色镜DM、物镜OL、传感器222和控制装置210。

传感器222和实施方式4一样，可以使用AF相机、被分割的分割型受光元件的任意一个。

在自动对焦用的光学系统中，使用透过旋转罩RM2的来自光源的光，得到用于对准载物台ST的位置的信息。

图23是表示图22的旋转罩RM2的形状和光B的位置关系的图。参照图22、图23，旋转罩RM2以旋转轴RA2为中心旋转。旋转罩RM2例如包含在透明的圆盘的玻璃上通过蒸镀形成的铝等的图案RP1、RP2。图案RP1和RP2使得通过了狭缝SL或者光圈IR的光成为不同的图案。在图23中，遮挡轴的一半。图案RP1、RP2如果能够遮挡光，也可以如镜一样朝向光源反射光。

光源211也可以和实施方式4一样不像激光那样直进性高。因此，来自光源211的光也可以从全方位入射到光圈IR或者狭缝SL。

通过光圈IR的光B，在图22的情况下，命中旋转罩RM2的图案RP2，光B只有一半被遮住，剩余的一半被半透明反射镜HM2反射，进入成像透镜L211。透过成像透镜L211的光在二向色镜DM反射，通过物镜OL后，命中玻璃面而反射。该反射光经过物镜OL、二向色镜DM，通过成像透镜L211，到达传感器222。

图24是表示图22所示的显微镜251中，旋转罩RM2旋转180°的状态的图。图25是表示图24所示的旋转罩RM2的状态和光B的位置关系的图。

参照图24、图25，如果旋转罩RM2旋转180°，则到达成像透镜L11的光和图22的例子相比，成为相反的一半。因此，焦点没有对准的情况下，传感器222受光的位置在和图22的情况相反的方向偏移。如果在图22所示的状态得到的图像和在图24所示的状态得到的图像不一致，那么判定为焦点没有对准。如果在图22所示的状态得到的图像和在图24所示的状态得到的图像一致，那么判定为焦点对准。如果只是传感器222中的光的位置的比较，那么即使是分割型的受光元件也可以进行。

在实施方式5中，使旋转镜RM2旋转，将显微镜251的状态交替地设为图22所示的状态和图24所示的状态，获得两个像。此外，代替旋转罩，也可以使用液晶的这种以电的方式操作光透过的这种元件作为罩，来得到同样的图像。

在实施方式5中，将罩的图案设为透射光相对于放大光学系统的光轴分别不对称的多个图案，向物镜照射光并观察反射光。由此，能够实现和实施方式1～4相同的精度的自动对焦。

[实施方式6]

实施方式6所示的显微镜在和实施方式5的显微镜使用罩这一点相当相似，但是，需要在一枚成像透镜前插入一枚半透明反射镜这种形式的两枚成像透镜。

图26是表示实施方式6的显微镜的光学系统的结构的图。图26所示的显微镜271包含载物台、自动对焦用的光学系统和观察用的光学系统。载物台和观察用的光学系统的详细情况由于和实施方式1～3相同，因此在此省略图示，图26只表示自动对焦用的光学系统。

显微镜271中，作为自动对焦用的光学系统，包含光源211，狭缝SL或者光圈IR，成像透镜L211A、L211B，旋转罩RM3，半透明反射镜HM3，二向色镜DM，物镜OL，传感器222和控制装置210。

在自动对焦用的光学系统中，使用透过旋转罩RM3的来自光源的光，得到用于对准载物台ST的位置的信息。

图27是表示图26的旋转罩RM3的形状和光B的位置关系的图。参照图26、图27，旋转罩RM3以旋转轴RA3为中心旋转。旋转罩RM3例如包含在透明的圆盘的玻璃上通过蒸镀形成的铝等的图案RP1、RP2。图案RP1以和通过了狭缝SL或者光圈IR的光的轴不同的图案构成，图案RP2以和图案RP1不同的图案构成。图案RP1、RP2如果能够遮挡光，也可以如镜一样朝向光源反射光。

光源211和实施方式4、实施方式5一样，如果发出LED这种具有一定的直进性的光，也可以不是激光。因此，来自光源211的光也可以从全方位入射到光圈IR或者狭缝SL。

穿过光圈IR的光B进入成像透镜L211。透过成像透镜L211的光如图26所示，命中旋转罩RM3的图案RP2，光B只有一半被遮住，剩余的一半被半透明反射镜HM3反射。被半透明反射镜HM3反射的光在二向色镜DM反射，通过物镜OL后，命中玻璃面而反射。该反射光经过物镜OL、二向色镜DM，通过成像透镜L211A，到达传感器222。

图28是表示图26所示的显微镜271中，旋转罩RM3旋转180°的状态的图。图29是表示图28所示的旋转罩RM3的状态和光B的位置关系的图。

参照图28、图29，如果旋转罩RM3旋转180°，则到达成像透镜L11A的光和图26的例子相比，成为相反的一半。因此，焦点没有对准的情况下，传感器222受光的位置在和图26的情况相反的方向偏移。如果在图26所示的状态得到的图像和在图28所示的状态得到的图像不一致，那么判定为焦点没有对准。如果在图26所示的状态得到的图像和在图28所示的状态得到的图像一致，那么判定为焦点对准。如果只是传感器222中的光的位置的比较，那么即使是分割型的受光元件也可以进行。

在实施方式6中，使旋转镜RM3旋转，将显微镜271的状态交替地设为图26所示的状态和图28所示的状态，获得两个像。此外，代替旋转罩，也可以使用液晶这种以电的方式操作光透过的这种元件作为罩，来得到同样的图像。

在实施方式6中，将罩的图案设为透射光相对于放大光学系统的光轴分别不对称的多个图案，向物镜照射光并观察反射光。由此，能够实现和实施方式1～5相同的精度的自动对焦。

(总结)

最后，再次参照附图，对上述的实施方式1～6概括说明。

本公开在某一方面中，涉及用于光学装置的自动对焦装置，该光学装置具有：支撑载置观察对象物(20)的透明部件(19)的载物台(ST)；对观察对象物进行观察的放大光学系统(L1、L2、HM、DM、OL)。自动对焦装置包括：光源装置(11、M、13、211)，经过放大光学系统向观察对象物发射光；遮蔽物(IR、SL)，相对于放大光学系统，配置在和观察对象物相反的位置，限制从光源装置发射的发射光；光检测装置(22、222)，经由放大光学系统接收反射光，该反射光为经由遮蔽物以及放大光学系统到达透明部件的反射面的、来自光源装置的发射光在反射面所反射的反射光；控制装置(100、110、210)，对载物台或者放大光学系统的位置进行控制。如图3、图4、图9、图10、图18～图29所示，控制装置基于使被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光以多种不同的条件入射到观察对象物而得到的遮蔽物的反射光，调整载物台或者放大光学系统的位置。

优选地，如图3、图4、图9、图10所示，光源装置构成为能够可变地调整对遮蔽物射出的光的角度分布。

优选地，如图18～图21所示，自动对焦装置进一步包括光学元件(RM1)，其对被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光的一部分进行反射。在光学元件反射的来自光源装置的发射光，入射到观察对象物。

优选地，如图22～图29所示，自动对焦装置进一步包括光学元件(RM2、RM3)，其对被遮蔽物限制的来自光源装置的发射光的一部分进行遮蔽、减光或者反射。未被光学元件遮蔽、减光或者反射而通过的来自光源装置的发射光，入射到观察对象物。

更加优选地，控制装置(210)根据以多种不同的条件得到的遮蔽物的反射像的位置来决定控制目标值，调整载物台或者放大光学系统的位置。

更加优选地，控制装置(210)根据将以多种不同的条件得到的遮蔽物的像划分成多个而累计的光强度来决定控制目标值，调整载物台或者放大光学系统的位置。

本公开在其他方面中，自动对焦装置用于光学装置，该光学装置具有：支撑载置观察对象物(20)的透明部件(19)的载物台(ST)；对观察对象物进行观察的放大光学系统(L1、L2、HM、DM、OL)。自动对焦装置包括：光源装置(11、M、13)，经过放大光学系统对观察对象物发射光；遮蔽物(IR)，相对于放大光学系统，配置在和观察对象物相反的位置，限制从光源装置发射的光；拍摄装置(22)，经由放大光学系统接收反射光，该反射光为经由遮蔽物以及放大光学系统到达透明部件的反射面的发射光在反射面所反射的反射光；控制装置(100)，对载物台或者放大光学系统的位置进行控制。光源装置相对于放大光学系统的轴，以非零的角度(φ)发射光。如图3、图4所示，控制装置(100)调整载物台或者放大光学系统的位置，以使被拍摄装置(22)拍摄到的遮蔽物的像的位置X1和目标位置XT一致。

如此地，由于通过将入射角度φ设为非零角度，可根据光圈IR的图像的位置，立即算出载物台的移动方向和移动量，因此可进行高速的自动对焦。

优选地，如图3所示，控制装置(100)调整载物台或者放大光学系统的位置，以使被拍摄装置(22)拍摄到的遮蔽物的像中的遮蔽物的开口部的位置X1或X2和目标位置XT一致。

优选地，控制装置(100)通过对用拍摄装置(22)得到的图像进行二值化处理等的图像处理，对遮蔽物(IR)的图像中的开口部的内部和外部进行分离。由此，可不受映在开口部的内部的观察对象的像的影响，而进行正确的自动对焦。

优选地，光源装置构成为能够可变地调整对遮蔽物(IR)射出的光的角度(φ)。控制装置(100)调整载物台或者放大光学系统的位置，以使第一位置(X1)和第二位置(X1)的差(dx)为目标值(例如零)，其中，第一位置(X1)是使光源装置以第一角度(φ)射出光的情况下的遮蔽物的图像的位置，第二位置(X1)是使光源装置以和第一角度(φ)不同的第二角度(-φ)射出光的情况下的遮蔽物(IR)的图像的位置。通过如此地进行，即使不预先设定与合焦点对应的拍摄图像上的目标位置，也能够进行合焦的判断。

优选地，光源装置构成为使对遮蔽物(IR)射出的光的角度可变。控制装置(100)根据第一位置粗调整载物台或者放大光学系统的位置，根据第二位置微调整载物台或者放大光学系统的位置，其中，第一位置是使光源装置以第一角度(φL)射出光的情况下的遮蔽物(IR)的图像的位置，第二位置是使光源装置以大小比第一角度(φL)大的第二角度(φH)射出光的情况下的遮蔽物(IR)的图像的位置。根据这样，能够实现宽范围并且高精度的自动对焦。

更加优选地，光源装置包含：光源(11)，其射出高直进性的光；电动光学元件(M)，构成为可接收光源射出的光，改变从光源装置射出的光朝遮蔽物入射的角度。控制装置(100)，在从光源装置射出的光的角度(φ)为第一角度(φ或者φL)的情况和为第二角度(-φ或者φH)的情况下，使电动光学元件(M)的角度(θ)改变。

优选地，放大光学系统包含：物镜(OL)，半透明反射镜(HM)，配置在半透明反射镜(HM)透射的光路、半透明反射镜(HM)反射的光路的其中一者的光源侧成像透镜(L2)，配置在半透明反射镜(HM)透射的光路、半透明反射镜(HM)反射的光路的另一者的相机侧成像透镜(L1)。

优选地，光源装置射出偏振光，放大光学系统包含：物镜(OL)，四分之一波长板(QR)，偏振光束分离器(BS)，配置在四分之一波长板(QR)和偏振光束分离器(BS)之间的成像透镜(L11)。通过设为这种结构，来自光源装置的光量的损失变少。另外，能够减少成像透镜的枚数。

优选地，控制装置(100)基于遮蔽物的像中的开口的像的重心的坐标，进行载物台(ST)或者放大光学系统的位置的调整。

优选地，控制装置(110)基于遮蔽物的像中的开口的像的边缘的坐标，进行载物台(ST)或者放大光学系统的位置的调整。相比于算出重心，如果使用边缘，那么有时能够精度更高地进行检测。

该公开在其他的方面中，涉及光学装置，该光学装置包括：载物台，放大光学系统，和上述任一项的自动对焦装置。

该公开进一步在其他的方面中，涉及光学装置，该光学装置包括：载物台，放大光学系统，和上述任一项的自动对焦装置。

本次公开的实施方式，应当认为在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围并非由上述实施方式的说明而是由权利要求书表示，包括和权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。

符号说明

1、105、201、251、271、显微镜；11、AF用激光器；13、扩束镜；19、玻璃；20、试样；22、AF用相机；23、激发滤光片；24、观察用二向色镜；25、28、吸收滤光片；26、L1、L2、L11、L11A、L211、L211A、L211B、成像透镜；27、观察用相机；100、110、210、控制装置；101、位置调整部；102、镜角度调整部；103、载物台位置调整部；211、光源；222、传感器；OL、物镜；B1、B2、激光光束；BS、偏振光束分离器；DM、二向色镜；HM、半透明反射镜；F、滤光器；M、电动镜；QR、波长板；RM1、旋转镜；RM3、旋转罩；RP1、RP2、图案；S、玻璃面；SL、狭缝；ST、载物台。

Claims

1.自动对焦装置，用于具有支撑载置观察对象物的透明部件的载物台，和对所述观察对象物进行观察的放大光学系统的光学装置，包括：

光源装置，经过所述放大光学系统对所述观察对象物发射光；

遮蔽物，相对于所述放大光学系统，配置在和所述观察对象物相反的位置，限制从所述光源装置发射的发射光；

光检测装置，经由所述放大光学系统接收反射光，所述反射光为经由所述遮蔽物以及所述放大光学系统到达所述透明部件的反射面的、来自所述光源装置的发射光在所述反射面所反射的反射光；

控制装置，对所述载物台或者所述放大光学系统的位置进行控制；

所述控制装置基于使被所述遮蔽物限制的来自所述光源装置的发射光以多种不同的条件入射到所述观察对象物而得到的所述遮蔽物的反射光，调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置。

2.根据权利要求1所述的自动对焦装置，所述光源装置构成为能够可变地调整对所述遮蔽物射出的光的角度分布。

3.根据权利要求1所述的自动对焦装置，还包括光学元件，其对被所述遮蔽物限制的来自所述光源装置的发射光的一部分进行反射；

在所述光学元件反射的来自所述光源装置的发射光，入射到所述观察对象物。

4.根据权利要求1所述的自动对焦装置，还包括光学元件，其对被所述遮蔽物限制的来自所述光源装置的发射光的一部分进行遮蔽、减光或者反射；

未被所述光学元件遮蔽、减光或者反射而通过的来自所述光源装置的发射光，入射到所述观察对象物。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的自动对焦装置，所述控制装置根据以所述多种不同的条件得到的所述遮蔽物的反射像的位置来决定控制目标值，调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的自动对焦装置，所述控制装置根据将以所述多种不同的条件得到的所述遮蔽物的像划分成多个而累计的光强度来决定控制目标值，调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置。

7.自动对焦装置，用于具有支撑载置观察对象物的透明部件的载物台，和对所述观察对象物进行观察的放大光学系统的光学装置，包括：

拍摄装置，经由所述放大光学系统接收反射光，所述反射光为经由所述遮蔽物以及所述放大光学系统到达所述透明部件的反射面的、来自所述光源装置的发射光在所述反射面所反射的反射光；

所述光源装置相对于所述放大光学系统的轴，以非零的角度发射光；

所述控制装置调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置，以使被所述拍摄装置拍摄到的所述遮蔽物的像的位置和目标位置一致。

8.根据权利要求7所述的自动对焦装置，所述控制装置调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置，以使被所述拍摄装置拍摄到的所述遮蔽物的像中的所述遮蔽物的开口部的位置和所述目标位置一致。

9.根据权利要求7或8所述的自动对焦装置，所述控制装置通过对用所述拍摄装置得到的图像进行图像处理，对所述遮蔽物的图像中的开口部的内部和外部进行分离。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的自动对焦装置，所述光源装置构成为使对所述遮蔽物射出的光的角度可变；

所述控制装置调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置，以使第一位置和第二位置的差为目标值，其中，所述第一位置是使所述光源装置以第一角度射出光的情况下的所述遮蔽物的图像的位置，所述第二位置是使所述光源装置以和所述第一角度不同的第二角度射出光的情况下的所述遮蔽物的图像的位置。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的自动对焦装置，所述光源装置构成为使对所述遮蔽物射出的光的角度可变；

所述控制装置根据第一位置粗调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置，根据第二位置微调整所述载物台或者所述放大光学系统的位置，其中，所述第一位置是使所述光源装置以第一角度射出光的情况下的所述遮蔽物的图像的位置，第二位置是使所述光源装置以大小比所述第一角度大的第二角度射出光的情况下的所述遮蔽物的图像的位置。

12.根据权利要求10或11所述的自动对焦装置，所述光源装置包含：

光源，其射出高直进性的光；

电动光学元件，其构成为可接收所述光源射出的光，改变从所述光源装置射出的光朝所述遮蔽物入射的角度；

所述控制装置在从所述光源装置射出的光的角度为所述第一角度的情况和为所述第二角度的情况下，使所述电动光学元件的角度改变。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的自动对焦装置，所述放大光学系统包含：

物镜；

半透明反射镜；

配置在所述半透明反射镜透射的光路、所述半透明反射镜反射的光路的其中一者的光源侧成像透镜；

配置在所述半透明反射镜透射的光路、所述半透明反射镜反射的光路的另一者的相机侧成像透镜。

14.根据权利要求7至12中任一项所述的自动对焦装置，所述光源装置射出偏振光；

所述放大光学系统包含：

物镜；

四分之一波长板；

偏振光束分离器；

成像透镜，其配置在所述四分之一波长板和所述偏振光束分离器之间。

15.根据权利要求7至12中任一项所述的自动对焦装置，所述控制装置基于所述遮蔽物的像中的开口的像的重心的坐标，进行所述载物台或者所述放大光学系统的位置的调整。

16.根据权利要求7至14中任一项所述的自动对焦装置，所述控制装置基于所述遮蔽物的像中的开口的像的边缘的坐标，进行所述载物台或者所述放大光学系统的位置的调整。

17.光学装置，包括：

所述载物台；

所述放大光学系统；

权利要求1至16中任一项所述的自动对焦装置。

18.显微镜，包括：

所述载物台；

所述放大光学系统；

权利要求1至16中任一项所述的自动对焦装置。