JP2000009989A - 顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焦点合わせに要する時間を短縮する。 【解決手段】 試料１１からの反射光に対する対物光学
系１３の焦点位置近傍にラインセンサ１５を配置し、到
達した光の光束径Ｌを検出する構成とする。試料１１が
ステージ１０に載置されたときの光束径と、その後にス
テージ１０が所定長だけ上昇されたときの光束径とを取
得すると、判定処理部１６は、その移動前後の光束径の
大小関係から、ステージ１０が合焦位置Ｚｆより前方又
は後方のいずれにあるのかを判断し、合焦動作のための
移動方向を決定する。これにより、一旦最低位置までス
テージ１０を下降させる必要がないので、迅速に焦点合
わせが行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に光を照射
し、透過又は反射した光によって試料の拡大像を得る顕
微鏡、或いは、試料の微小領域に赤外光を集光させ、透
過又は反射赤外光のスペクトルを測定することにより試
料の分析を行なう赤外顕微鏡に関し、更に詳しくは、こ
のような顕微鏡におけるオートフォーカス機能に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】顕微鏡は、カメラ等に比べ焦点深度が極
めて浅く、また視野画像に特徴がないことが多いため、
手動による焦点合わせが容易でない。そこで、オートフ
ォーカス機能が非常に有用であり、本願出願人はオート
フォーカス機能を実現した赤外顕微鏡を特開平６−１１
８２９６号公報において既に提案している。

【０００３】図４は、この赤外顕微鏡の光学系の要部の
構成図である。試料１１を載置するステージ１０の上方
にはカセグレン型反射鏡等を含んで構成される対物光学
系１３を備えており、ステージ移動機構１２によりステ
ージ１０が昇降することでステージ１０と対物光学系１
３との離間距離が変わる。また、試料１１からの反射光
は対物光学系１３を通過してミラー１４で反射され、ビ
デオカメラ２０へと入射するようになっている。

【０００４】赤外スペクトル測定を行う際には、まず合
焦動作を行うことにより、ステージ１０を赤外光が集光
する位置（図４中のＺｆの位置）まで移動する。これを
詳述すると、まず、ステージ移動機構１２によりステー
ジ１０を所定ステップ長で移動させる毎に、ビデオカメ
ラ２０により試料１１の像に対応した画像データを取得
する。そして、この画像データを基に試料像のコントラ
ストの高さを表わすコントラスト関数値を計算し、この
値が最大となるようにステージ１０を移動させるべくス
テージ移動機構１２を制御する。

【０００５】こうして焦点合わせを行った後に、試料１
１に赤外光を照射して赤外スペクトル測定を実行する。
すなわち、対物光学系１３を通して試料１１に赤外光を
集光し、試料１１で反射した光を再び対物光学系１３を
通過させて、図示しない赤外光学系により取り出し、同
じく図示しない検出器に導入する。なお、上記合焦動作
では、可視光を用いて試料１１の像をビデオカメラ２０
で撮影しているため、このような方法は赤外顕微鏡以外
の他の顕微鏡にも適用が可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では、ステージ１０が対物光学系１３に対して或る位
置にあるとき、それが合焦点位置より前方（例えば図４
中のＺｎの位置）であるのか或いは後方（例えば図４中
のＺ０の位置）であるのか、を判断することができな
い。このため、上記合焦動作では、始めにステージ１０
がいずれの位置にあっても一旦ステージ１０を最低位置
まで下降させ、その後、ステージ１０を所定ステップ長
ずつ上昇させながら合焦点位置を探すようにしている。
したがって、例えば、始めにステージ１０が在った位置
が合焦点位置に近かった場合であっても、ステージ１０
を一旦最低位置まで下降させた後に、再びほぼ同じ距離
だけ上昇させるという動作を行うことになり、合焦動作
に要する時間が長くなる。

【０００７】本発明は上記課題を解決するために成され
たものであって、その目的とするところは、焦点合わせ
に要する時間を短縮することができるオートフォーカス
機能を備えた顕微鏡を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る顕微鏡は、 a)試料を載置するステージと、 b)所定光源により前記試料に照射された光に対し該試料
から反射した又は透過した光を集光する集光手段と、 c)該集光手段による集光光束の大きさを検出するべく、
多数の微小光学素子が配列されて成る受光手段と、 d)前記集光手段と前記ステージとの離間距離を変えるべ
く、少なくともいずれか一方を光軸方向に移動させる移
動手段と、 e)該移動手段により前記離間距離を変えたとき、前記受
光手段により検出された集光光束の大きさの変化に基づ
いて合焦点位置への移動方向を判定する判定手段と、を
備えることを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る顕微鏡では、受光手
段として、例えば線状に多数の微小受光素子が配列され
たラインセンサ等を用いることができ、好ましくは、こ
の受光手段を集光手段の焦点位置近傍に配設しておく。
受光手段により検出される集光光束の大きさはステージ
が合焦点位置にあるとき最も小さくなり、前方側であっ
ても後方側であっても合焦点位置から外れるほど大きく
なる。したがって、例えば移動手段により上記離間距離
が小さくなるように所定距離だけステージ又は集光手段
を移動させたとき、その移動の後に集光光束が小さくな
ったならば、判定手段はそのときの移動方向が合焦点位
置に近付く方向であると判定する。また逆に、その移動
の後に集光光束が大きくなったならば、判定手段はその
ときの移動方向が合焦点位置から遠ざかる方向であると
判定する。このような判定により、合焦点位置にくるよ
うにするために、いずれの方向に移動すればよいかがわ
かる。

【００１０】

【発明の効果】本発明に係る顕微鏡によれば、始めにス
テージと集光手段との位置関係がどのようであっても、
ごく短い時間で合焦点位置への移動方向を見つけること
ができる。したがって、従来の顕微鏡のように始めにス
テージを最低位置まで下降させる動作は不要となり、迅
速に焦点合わせを行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例である赤外顕微鏡を
図面を参照して説明する。図１は本実施例の反射型の赤
外顕微鏡の要部の構成図、図２は本実施例の赤外顕微鏡
の全体の概略構成図である。図１は、この赤外顕微鏡に
おいてオートフォーカス機能を実現するための構成を中
心に示したものであって、試料に対する赤外光の照射や
試料から反射した赤外光を取り出して検出するための光
学系や検出器等に関しては省略している。

【００１２】まず、本実施例による赤外顕微鏡の全体構
成を図２により説明する。この赤外顕微鏡は、大別して
赤外分析部１とパーソナルコンピュータ２とから構成さ
れている。赤外分析部１は、赤外光及び可視光を試料に
照射するための光照射部と、試料を載置するためのステ
ージ１０と、試料からの光を収束させて試料像を結像さ
せるための対物光学系と、試料像を電気信号として出力
する撮像部とを備えている。撮像部は可視光を光源とす
る場合にはビデオカメラであり、赤外光を光源とする場
合には赤外光検出器である。なお、図２ではステージ１
０以外は省略している。

【００１３】一方、パーソナルコンピュータ２は、ＣＰ
Ｕ等を備える本体部３と、表示手段であるディスプレイ
４と、入力手段であるキーボード５及びマウス６とから
構成されている。勿論、必要に応じてプリンタ等、他の
構成要素を追加して設けることができる。上記赤外分析
部１の撮像部が出力する電気信号は本体部３において処
理され、赤外スペクトルを基に作成された画像信号やビ
デオカメラで撮影された画像信号がディスプレイ４へ送
られる。而して、ディスプレイ４の画面にはステージ１
０上に載置された試料の像７が表示される。

【００１４】次に、この赤外顕微鏡のオートフォーカス
機能に関する構成を図１により説明する。この顕微鏡で
は、ステージ１０が移動可能範囲のほぼ中間に位置した
状態で、ステージ１０面から反射する光が対物光学系１
３により集光される位置に、一次元上に多数の受光素子
が配列されたラインセンサ１５を配設している。このラ
インセンサ１５の素子数（検出可能長）は、対物光学系
１３の焦点深度やステージ１０の可動範囲に応じて予め
適当に決めておく必要があり、またラインセンサ１５の
中央の受光素子が光軸に垂直になるように配設すること
が望ましい。ラインセンサ１５の各受光素子の出力信号
は判定処理部１６へ入力されており、判定処理部１６及
び制御部１７で後述のような処理を行うことにより焦点
合わせを実行する。

【００１５】以下、この合焦点動作を説明する。まず、
任意の位置にあるステージ１０上に試料１１が載置され
ると、図示しない可視光又は赤外光光源から対物光学系
１３を通して試料１１に光が照射される。このための光
源は赤外スペクトル測定のための光源と兼用してもよ
い。照射光は試料１１に当たり、その反射光が再び対物
光学系１３を通過してミラー１４を介してラインセンサ
１５に導入される。到達する光束の径が比較的小さい場
合、ラインセンサ１５の中央側の受光素子のみに光が当
たる一方、周辺部の受光素子には光が到達しない。そこ
で、判定処理部１６では、このラインセンサ１５の各受
光素子の受光強度を所定の閾値と比較することにより、
到達した光束の径Ｌを得ることができる。

【００１６】仮に、ステージ１０が合焦点位置（図１中
のＺｆの位置）にあったとすると、ラインセンサ１５の
位置にはきわめて小さなスポット径の光が到達するた
め、光束径Ｌは非常に小さくなる。他方、ステージ１０
が合焦点位置より前方（例えば図１中のＺｎの位置）又
は後方（例えば図１中のＺ０の位置）のいずれかの位置
にある場合、焦点がぼけ（いわゆるピンぼけ状態）、上
記光束径Ｌは大きくなる。なお、このとき受光強度は全
体的に低下するが、上記閾値を適切に決めておくことに
より、光の有無を的確に判別することができる。ステー
ジ１０の位置が合焦点位置から遠ざかるほど焦点のぼけ
は甚だしくなるから、ステージ１０位置Ｚと光束径Ｌと
の関係はほぼ図３に示すようになる。

【００１７】上述のようにして判定処理部１６が上記初
期状態での光束径Ｌを取得した後、制御部１７はステー
ジ移動部１８を介してステージ移動機構１２を制御し、
ステージ１０を初期状態から所定長だけ上昇させる。す
ると、ステージ１０と対物光学系１３との離間距離が狭
くなるので、対物光学系１３により集光されるラインセ
ンサ１５での光束径Ｌが変化する。ステージ１０を上昇
させることは、図３において横軸（ステージ位置Ｚ）上
を右方向に移動させることになる。図３に明らかなよう
に、もし合焦点位置Ｚｆより後方（図３では左側）の範
囲で移動がなされた場合には、移動後の光束径Ｌは移動
前よりも小さくなる筈である。逆に、合焦点位置Ｚｆよ
り前方（図３では右側）の範囲で移動がなされた場合に
は、移動後の光束径Ｌは移動前よりも大きくなる筈であ
る。

【００１８】そこで、判定処理部１６はステージ１０の
移動後に再び光束径Ｌを求め、移動前後の光束径の大小
関係を判定する。そして、移動後の光束径のほうが小さ
い場合には、ステージ１０が合焦点位置Ｚｆより後方に
あると判断し、「上昇移動」の指示を制御部１７へ送
る。一方、移動後の光束径のほうが大きい場合には、ス
テージ１０が合焦点位置Ｚｆより前方にあると判断し、
「下降移動」の指示を制御部１７へ送る。制御部１７
は、このような指示に基づいてそれ以降の移動方向を決
定し、例えば所定ステップ長ずつステージ１０を移動さ
せつつ光束径Ｌを検出し、光束径Ｌが最小になる位置Ｚ
を見つけて、その位置で焦点合わせ動作を終了する。な
お、ステージ１０の移動のステップが大き過ぎると、合
焦点位置Ｚｆを挟んで移動してしまう可能性があり、そ
のような場合、光束径Ｌの大小関係と移動方向との関係
が判定できなくなる。したがって、このステップ長は光
束Ｌの変化が検出できる範囲でできる限り小さいほうが
好ましい。

【００１９】なお、上記実施例は反射型の赤外顕微鏡で
あったが、透過型でも同様のオートフォーカス機能を実
現することができる。透過型の赤外顕微鏡では、図１の
構成で、ステージ１０の下方に照射光学系を配置し、該
照射光学系を下方から通過した光がステージ１０及び試
料１１を透過した後に対物光学系１３を通過するように
すればよい。

【００２０】また、上記実施例では光束径の検出にライ
ンセンサを用いていたが、二次元的に受光素子を配置し
たセンサを用いてもよい。また、本発明に係る技術を、
上記特開平６−１１８２９６号公報に記載の焦点合わせ
の方法と組み合わせて用いることにより、迅速で且つよ
り正確なオートフォーカスを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である赤外顕微鏡の要部の
構成図。

【図２】 本実施例の赤外顕微鏡全体の概略構成図。

【図３】 本実施例の合焦動作においてステージ位置と
光束径との関係を示す図。

【図４】 従来の赤外顕微鏡の要部の構成図。

【符号の説明】

１０…ステージ １１…試料 １２…ステージ移動機構 １３…対物光学系 １４…ミラー １５…ラインセンサ １６…判定処理部 １７…制御部 １８…ステージ駆動部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 a)試料を載置するステージと、 b)所定光源により前記試料に照射された光に対し該試料
   から反射した又は透過した光を集光する集光手段と、 c)該集光手段による集光光束の大きさを検出するべく、
   多数の微小光学素子が配列されて成る受光手段と、 d)前記集光手段と前記ステージとの離間距離を変えるべ
   く、少なくともいずれか一方を光軸方向に移動させる移
   動手段と、 e)該移動手段により前記離間距離を変えたとき、前記受
   光手段により検出された集光光束の大きさの変化に基づ
   いて合焦点位置への移動方向を判定する判定手段と、 を備えることを特徴とする顕微鏡。