JP2001242375A - 焦点調節装置及び顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】オートフォーカスのステージ自動制御範囲を広
くする。 【解決手段】結像光学系と被検体との光軸方向の距離の
変化に応じて互いに逆方向の大きさに変化する第１及び
第２の光量信号Ｓ２９、Ｓ３０を生成する第１及び第２
の検出手段とを有する。更に、オートフォーカスの制御
手段は、結像光学系の焦点位置近傍の第１の領域Ｌ５に
おいて、結像光学系による合焦位置における第１及び第
２の光量信号の差分に相当するオフセットＶ０を加えた
第１及び第２の光量信号の大小関係に基づいて結像光学
系の焦点調節を行い、第１の領域Ｌ５よりも焦点位置か
ら遠い第２の領域Ｌ３，Ｌ４において、オフセットＶ０
を加えない第１及び第２の光量信号の大小関係に基づい
て結像光学系の焦点調節を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動焦点合わせを
行う焦点調節装置及びそれを利用した顕微鏡に関し、特
に、自動焦点制御領域を広くして焦点ぼけを少なくした
焦点調節装置及びそれを利用した顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】顕微鏡等に使用される焦点検出方法とし
ては、例えば、差動スポットサイズ法、ナイフエッジ
法、横ずらし法、フーコー法、非点収差法と呼ばれる方
法が知られている。これらの焦点検出方法では、例え
ば、焦点検出用の光源から対物レンズを通過して被検体
の面に光を照射し、被検体面からの反射光を焦点検出部
の光検出器に結像させ、光検出器からの光量信号を焦点
検出部の信号処理回路で信号処理する。即ち、光検出器
を焦点検出用の光学系における焦点の前後に挿入し、顕
微鏡の結像光学系と被検体との距離の変化に応じて互い
に逆方向の大きさに変化する第１及び第２の光量信号を
生成させ、それらを信号処理してＳ字形状のフォーカス
エラー信号を得る。

【０００３】図１６（Ａ）は、そのＳ字形状のフォーカ
スエラー信号Ｓａを示す図である。このグラフにおい
て、縦軸はフォーカスエラー信号強度、横軸は被検体面
の位置である。結像光学系が合焦位置にあるときは、第
１及び第２の光量信号が等しくなり、フォーカスエラー
信号Ｓａは０になる。従って、顕微鏡のステージに設置
されたモーターを駆動させて、フォーカスエラー信号Ｓ
ａが０になるようにステージを駆動することにより自動
的に焦点合せを行うことができる。

【０００４】図１６（Ｂ）は、第１及び第２の光量信号
の和信号Ｓｂを示す図であり、和信号Ｓｂは、結像光学
系が合焦位置にあるときに最大になり、合焦位置から離
れるに従い減少する。従って、従来例では、和信号Ｓｂ
が所定の閾値Ｔ１以上の範囲Ｌ１において、図１６
（Ａ）のフォーカスエラー信号Ｓａを利用した自動焦点
制御を行っている。

【０００５】具体的に説明すると、自動焦点調節におけ
るステージ駆動方法は、図１６（Ｂ）の和信号Ｓｂが閾
値Ｔ１以上になる範囲Ｌ１内にステージを駆動させた
後、図１６（Ａ）のフォーカスエラー信号Ｓａを用い、
フォーカスエラー信号の極性が＋であればステージに設
置モーターを駆動してステージを＋方向に動かし、フォ
ーカスエラー信号Ｓａの極性が−であればステージに設
置されたモーターを駆動してステージを−方向に動か
す。そして、焦点位置ではフォーカスエラー信号が０と
なるので、フォーカスエラー信号が０の時にステージ２
５を静止させる。このようにステージを制御することに
より、被検体面が焦点位置になるようにステージの光軸
方向の位置を追い込むことができる。但し、光検出器か
らの信号の総和Ｓｂが閾値Ｔ１より小さい範囲Ｌ１の外
に位置する場合は、上記のステージ制御は行わない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしがなら、観察に
利用される可視光と焦点検出用の光とを区別するため
に、焦点検出用の光源の波長に不可視光、例えば赤外光
を用いる。かかる場合に、顕微鏡の対物レンズの色収差
により、可視光と赤外光で対物レンズの焦点距離に差が
生じる。しかも、対物レンズの色収差は対物レンズ毎に
異なり、顕微鏡の倍率を変更することに伴って対物レン
ズの変更を行うと、その都度赤外光の合焦位置が異なる
ことになる。

【０００７】図１７（Ａ）の破線は、上記の色収差によ
り赤外線の合焦位置が−側の位置にずれた場合のフォー
カスエラー信号Ｓｃを示す。この信号Ｓｃを利用する
と、ゼロクロス点が可視光の合焦位置とずれてしまう。
そこで、従来は、対物レンズ毎にフォーカスエラー信号
に補正を行っている。この補正の方法の１つとして、フ
ォーカスエラー信号Ｓｃに直流オフセット信号を加えた
補正信号Ｓｄを利用して、目視で観察している状態の焦
点位置でフォーカスエラー信号Ｓｄが０となるようにす
る。

【０００８】しかしながら、図１７（Ａ）の補正された
フォーカスエラー信号Ｓｄは、可視光の合焦位置でゼロ
クロス点Ｚ１を有するが、それに加えて、被検体面の位
置が範囲Ｌ２の外側であって＋側の範囲にも別のゼロク
ロス点Ｚ２を有する。ゼロクロス点Ｚ２の近傍では、焦
点位置から遠ざかるとフォーカスエラー信号Ｓｄの極性
が−から＋に変化するため、上記のステージ駆動制御に
よれば、ステージが焦点位置と逆方向へ動いてしまい、
合焦させることができない。従って、上記のステージ駆
動方法を利用するためには、図１７（Ｂ）に示される通
り、和信号Ｓｂのより高い閾値Ｔ２を利用して、被検体
面の位置を第２のゼロクロス点Ｚ２が含まれない範囲Ｌ
２に追い込む必要がある。そして、領域Ｌ２内で、上記
のフォーカスエラー信号Ｓｄがゼロになるようにステー
ジを駆動する必要がある。この範囲Ｌ２は、図１６の範
囲Ｌ１より狭くなっている。

【０００９】このように、従来例によれば、合焦位置調
節のためのステージ駆動制御ができる範囲を広くするこ
とができず、観察時に被検体面が焦点ボケになりやすい
という課題があった。

【００１０】本発明は、この課題を解決し、自動合焦調
節範囲が広く、観察時に被検体面が焦点ボケになりにく
い焦点調節装置及びそれを利用した顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の一つの側面は、複数の結像光学系が交換
可能な取付手段と、前記結像光学系と被検体との光軸方
向の距離の変化に応じて互いに逆方向の大きさに変化す
る第１及び第２の光量信号を生成する第１及び第２の検
出手段と、前記結像光学系の焦点位置近傍の第１の領域
において、前記結像光学系による合焦位置における前記
第１及び第２の光量信号の差分に相当するオフセットを
加えた前記第１及び第２の光量信号の大小関係に基づい
て前記結像光学系の焦点調節を行い、前記第１の領域よ
りも前記焦点位置から遠い第２の領域において、前記オ
フセットを加えない前記第１及び第２の光量信号の大小
関係に基づいて前記結像光学系の焦点調節を行う制御手
段とを有することを特徴とする焦点調節装置である。

【００１２】上記の焦点調節装置によれば、結像光学系
と被検体との距離が第２の領域ではオフセットを加えな
いオートフォーカス信号を利用して距離を変更する制御
を行い、第１の領域ではオフセットを加えたオートフォ
ーカス信号を利用して合焦位置に追い込む制御を行う。
従って、従来例に比較して、自動焦点制御可能な領域を
広くすることができる。

【００１３】本発明の好ましい実施例の焦点調節装置
は、上記第１の側面において、前記第１及び第２の光量
信号の差分が前記オフセットになる前記光軸上の点であ
って、前記合焦位置にある第１の点と、前記合焦位置に
ない第２の点のうち、前記第１の領域は、前記第２の点
より前記合焦位置側に位置することを特徴とする。

【００１４】更に、本発明の好ましい実施例の焦点調節
装置は、上記第１の側面において、前記第１及び第２の
検出手段は、不可視光を前記結像光学系を介して前記被
検体に照射して得られる前記被検体からの反射光を検出
することを特徴とする。

【００１５】更に、本発明の好ましい実施例の焦点調節
装置は、上記第１の側面において、前記第１及び第２の
検出手段は、スリット光を前記結像光学系を介して前記
被検体に照射して得られる前記被検体からの反射光を検
出することを特徴とする。

【００１６】更に、本発明の好ましい実施例の焦点調節
装置は、上記第１の側面において、前記第１及び第２の
検出手段は、複数の光量検出素子をライン状に並べたラ
インセンサで構成され、前記第１及び第２の光量信号
は、それぞれ前記ラインセンサの中央部領域からの光量
信号とその両側領域からの光量信号の差分であり、前記
制御手段は、前記結像光学系が第１の開口数の場合の前
記中央部領域を、前記結像光学系が第１の開口数より大
きい第２の開口数の場合の前記中央部領域より大きくす
ることを特徴とする。

【００１７】上記の目的を達成するために、本発明の別
の側面は、複数の対物レンズが交換可能な観察光学系
と、前記対物レンズと被検体との光軸方向の距離の変化
に応じて互いに逆方向の大きさに変化する第１及び第２
の光量信号を生成する第１及び第２の検出手段と、前記
対物レンズの焦点位置近傍の第１の領域において、前記
対物レンズによる合焦位置における前記第１及び第２の
光量信号の差分に相当するオフセットを加えた前記第１
及び第２の光量信号の大小関係に基づいて前記対物レン
ズの焦点調節を行い、前記第１の領域よりも前記焦点位
置から遠い第２の領域において、前記オフセットを加え
ない前記第１及び第２の光量信号の大小関係に基づいて
前記対物レンズの焦点調節を行う制御手段とを有するこ
とを特徴とする顕微鏡にある。

【００１８】この顕微鏡でも、自動焦点制御の領域を従
来例より広くすることができる。従って、例えば凹凸の
ある被検体面を観察する場合に、ピンぼけになりにくく
なる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に従って説明する。

【００２０】図１は、第１の実施の形態における焦点調
節装置を備えた顕微鏡の構成図である。図１の装置は、
顕微鏡の観察光学系１００と、照明光学系２００と、オ
ートフォーカス光学系３００とから構成されている。図
１の装置は、焦点検出の方法として差動スポットサイズ
法を用いる。顕微鏡の観察光学系１００は、第１対物レ
ンズ２と、第２対物レンズ３と、俯視プリズム４と、接
眼レンズ５とを有する。第１対物レンズ２と第２対物レ
ンズ３との間には、光軸１に沿って平行光路が形成され
る。この平行光路にはダイクロイックミラー７と、ビー
ムスプリッタ８とが、光軸１に対してそれぞれ４５度の
角度で設置されている。ダイクロイックミラー７は赤外
光を反射し、可視光を透過する特性を有する。

【００２１】顕微鏡の照明光学系２００は、可視光を出
射する照明光源１０と集光レンズ１１とを有し、照明光
束はビームスプリッタ８によって反射され、上記の観察
光学系１００の平行光路に導かれる。

【００２２】オートフォーカス光学系３００は、赤外光
を出射する光源１３と、コリメータレンズ１４と、ビー
ムスプリッタ１５と、集光レンズ１６と、ビームスプリ
ッタ１７と、第１の光検出器１８と、第２の光検出器１
９を有する。第１の光検出器１８は、オートフォーカス
光学系内の収束点２０より被検体２４から離間する位置
に設置されている。一方、第２の光検出器１９は、収束
点２１より被検体２４に近接する位置に設置されてい
る。収束点２０は、集光レンズ１６によって収束され、
ビームスプリッタ１７を透過した光が収束する点であ
り、もう一方の収束点２１は、集光レンズ１６によって
収束されて、ビームスプリッタ１７で反射した光が収束
する点である。このオートフォーカス光学系３００とス
テージ駆動の制御装置２６とで焦点調節装置を構成し、
それには、観察光学系１００を交換取り付け可能な手段
が設けられている。

【００２３】図１の構成において、光源１３から出射
し、コリメータレンズ１４を通った光束は、ビームスプ
リッタ１５によって反射され、さらにダイクロイックミ
ラー７によって反射され、対物レンズ２へ入射し、被検
体２４の被検体面２３上で結像する。被検体２４の被検
体面２３からの反射光束は、対物レンズ２を通過し、ダ
イクロイックミラー７によって反射され、ビームスプリ
ッタ１５を透過し、ビームスプリッタ１７へ入射し、第
１の光検出器１８と、第２の光検出器１９へ入射する。

【００２４】図２は、第１および第２の光検出器１８、
１９の光検出部の形状と、信号処理回路を有する制御装
置２６を示す図である。図示される通り、第１の光検出
器１８の光検出部と第２の光検出器１９の光検出部は、
それぞれ中央部に円形の光検出部１８ａ、１９ａと、こ
れを取り囲む光検出部１８ｂ、１９ｂとを有している。
これらの光検出部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂは、
それぞれ光量信号α１、α２、β１、β２を出力する。

【００２５】これらの光検出部１８ａ、１８ｂ、１９
ａ、１９ｂは、演算増幅器２９、３０、３２、３３に接
続され、演算増幅器２９、３０は演算増幅器３１に接続
され、演算増幅器３２、３３は演算増幅器３４に接続さ
れ、演算増幅器３１、３４は割算器３５に接続され、割
算器３５からの信号線の一部と直流オフセット信号発生
手段４２は演算増幅器４３に接続される。ここで、演算
増幅器２９は光検出部１８ａの信号α１と光検出部１８
ｂの信号α２との差を演算し、演算増幅器３０は光検出
部１９ａの信号β１と光検出部１９ｂの信号β２との差
を演算し、演算増幅器３２は光検出部１８ａの信号α１
と光検出部１８ｂの信号α２との和を演算し、演算増幅
器３３は光検出部１９ａの信号β１と光検出部１９ｂの
信号β２との和を演算し、演算増幅器３１は演算増幅器
２９の信号Ｓ２９（α１−α２）と演算増幅器３０の信
号Ｓ３０（β１−β２）の差を演算し、演算増幅器３４
は演算増幅器３２の信号（α１＋α２）と演算増幅器３
３の信号（β１＋β２）の和を演算し、割算器３５は演
算増幅器３１の信号｛（α１−α２）−（β１−β
２）｝を演算増幅器３４の信号（α１＋α２＋β１＋β
２）で割り算し、演算増幅器４３は割算器３５の信号と
直流オフセット信号発生手段４２のオフセット信号Ｖ０
の和を演算する。

【００２６】演算増幅器２９、３０、３１、３２、３
３、３４、４３、割算器３５、直流信号発生手段４２
は、制御装置２６内に配置される。また、図１に示した
通り、被検体２４は、光軸１方向に移動可能な移動ステ
ージ２５に搭載されている。ステージ２５には図示しな
いモーターが設置されていて、制御装置２６からの信号
により、ステージ２５内のモーターが駆動し、光軸１方
向にステージ２５を移動させる。

【００２７】光検出器１８、１９上には、ビームスプリ
ッタ１７で分割された第１及び第２の光線束によって、
図２に示すように、光スポット４０及び４１が夫々形成
される。第１の光検出器１８上に形成される光スポット
４０は、対物レンズ２と試料２４とが離間すれば大きく
なり、接近すれば小さくなる。一方、第２の光検出器１
９上に形成される光スポット４１は、光スポット４０と
は逆に、対物レンズ２と試料２４とが離間すれば小さく
なり、接近すれば大きくなる。

【００２８】従って、第１の光検出器１８から出力され
る光量信号α１とα２の差である演算増幅器２９の出力
信号Ｓ２９は、ステージ２５が（−）側に移動すると小
さくなり、（＋）側に移動すると大きくなる特性を有す
る。但し、ステージ２５が極端に（＋）側に移動すると
再び光スポット４０は大きくなり、信号Ｓ２９は小さく
なる。一方、第２の光検出器１９から出力される光量信
号β１とβ２の差である演算増幅器３０の出力信号Ｓ３
０は、ステージ２５が（＋）側に移動すると小さくな
り、（−）側に移動すると大きくなる特性を有する。但
し、ステージ２５が極端に（−）側に移動すると再び光
スポット４１は大きくなり、信号Ｓ３０は小さくなる。

【００２９】そこで、信号Ｓ２９と信号Ｓ３０とは、観
察光学系１００と被検体２４との距離の変化に応じて互
いに逆方向の大きさに変化する光量信号に対応し、それ
らの差分（Ｓ２９−Ｓ３０）を求めると、合焦位置でゼ
ロクロスするフォーカスエラー信号を得ることができ
る。

【００３０】図２に示される通り、光検出器１８、１９
の検出信号から演算増幅器２９、３０、３１、３２、３
３、３４、割算器３５により、 ｛（α１−α２）−（β１−β２）｝／（α１＋α２＋
β１＋β２） を求めて、この信号Ｓ３５をフォーカスエラー信号とす
れば、図３（Ａ）のグラフに示すＳ字特性をもつフォー
カスエラー信号Ｓ３５が得られる。図３（Ａ）のグラフ
の縦軸は信号強度、横軸は被検体面２３の光軸１方向の
位置で、対物レンズ２に近づく方向を＋、対物レンズ２
から遠ざかる方向を−としている。図３（Ａ）のグラフ
では、対物レンズの色収差により、フォーカスエラー信
号Ｓ３５が０となるのは、被検体面２３が焦点位置（横
軸が０の位置）から左側にずれた位置である。尚、検出
信号の総和（α１＋α２＋β１＋β２）で除すのは、差
信号を正規化するためである。

【００３１】このため、図３（Ｂ）に示すように、割算
器３５の信号Ｓ３５に直流オフセット信号発生手段４２
から直流オフセット信号Ｖ０を加えた補正フォーカスエ
ラー信号Ｓ４３を生成し、被検体面２３が焦点位置（横
軸が０の位置）にある時にフォーカスエラー信号Ｓ４３
が０となるようにする。このオフセット信号値Ｖ０は、
図３に示される通り、合焦位置における信号Ｓ２９とＳ
３０との差を総和（α１＋α２＋β１＋β２）で除算し
た値に対応する。図３（Ｂ）のグラフも、縦軸は信号強
度、横軸は被検体面２３の光軸１方向の位置で、対物レ
ンズ２に近づく方向を＋、対物レンズ２から遠ざかる方
向を−としている。直流オフセット信号発生手段４２か
らの直流オフセット信号の値をＶ０とすると、補正を行
ったフォーカスエラー信号Ｓ４３は、 ［｛（α１−α２）−（β１−β２）｝／（α１＋α２
＋β１＋β２）］＋Ｖ0 となる。

【００３２】また、受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１
９ｂからの信号の総和（α１＋α２＋β１＋β２）の信
号Ｓ３４を、図４のグラフに示す。図４のグラフにおい
て、縦軸は信号強度、横軸は図３（ａ）、（ｂ）のグラ
フと同様に被検体面２３の光軸１方向の位置で、対物レ
ンズ２に近づく方向を＋、対物レンズ２から遠ざかる方
向を−としている。受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１
９ｂからの信号の総和（α１＋α２＋β１＋β２）は被
検体面２３の位置が０となる焦点位置にピークを持つ。

【００３３】上記の第１及び第２の光検出器１８，１９
から得られる信号Ｓ２９，Ｓ３０の差信号Ｓ３５と、そ
れにオフセットを加えた補正された差信号Ｓ４３と、総
和信号Ｓ３４とが、合焦のためのステージ制御を行う制
御部４７に供給される。制御部４７は、これらの３つの
信号を利用して、合焦位置にステージを駆動する。

【００３４】次に、本実施の形態の焦点調節装置を備え
た顕微鏡におけるステージ２５の制御方法について説明
する。図５は、制御部４７によるステージ２５の駆動制
御方法を説明するフローチャートである。図４に示すよ
うに受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂからの信号
の総和（α１＋α２＋β１＋β２）に２つの閾値Ｔ３、
Ｔ４を設ける。全受光部の総和（α１＋α２＋β１＋β
２）が閾値Ｔ３、Ｔ４の間にあるときは、被検体面２３
の位置は−側の範囲Ｌ３と＋側の範囲Ｌ４に分け、全受
光部の総和（α１＋α２＋β１＋β２）が閾値Ｔ４より
大きいときの被検体面２３の位置を範囲Ｌ５とする。

【００３５】第１に、受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、
１９ｂからの信号の総和（α１＋α２＋β１＋β２）が
閾値Ｔ３より小さい場合は、被検体面２３の位置が範囲
Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５以外にあるので、ステージ２５の制御
は行わない（工程Ｓ１，Ｓ２）。

【００３６】第２に、受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、
１９ｂからの信号の総和（α１＋α２＋β１＋β２）が
閾値Ｔ３とＴ４の間にあるときは、図３（Ａ）のフォー
カスエラー信号Ｓ３５の ｛（α１−α２）−（β１−β２）｝／（α１＋α２＋
β１＋β２） を用い、フォーカスエラー信号Ｓ３５の極性が＋であれ
ばステージ２５を＋方向に動かし、フォーカスエラー信
号Ｓ３５の極性が−であればステージ２５を−方向に動
かす（工程Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）。この後は、図５のフロ
ーチャートで示すように工程Ｓ３へ戻り、再度、受光部
１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂからの信号の総和（α
１＋α２＋β１＋β２）と閾値Ｔ３、Ｔ４との関係を調
べる。

【００３７】そして、受光部１８ａ、１８ｂ、１９ａ、
１９ｂからの信号の総和ａ１＋ａ２＋ｂ１＋ｂ２が、閾
値Ｔ４以上になった場合は（工程Ｓ３のYES）、ステー
ジ２５が範囲Ｌ５内に位置するので、図３（Ｂ）の補正
されたフォーカスエラー信号Ｓ４３の ［｛（α１−α２）−（β１−β２）｝／（α１＋α２
＋β１＋β２）］＋Ｖ0 を用いてステージ駆動制御を行う。即ち、このフォーカ
スエラー信号Ｓ４３が０になっているかを調べ（工程Ｓ
７）、０でない場合はフォーカスエラー信号Ｓ４３の極
性を調べ（工程Ｓ８）、フォーカスエラー信号Ｓ４３の
極性が＋であればステージ２５を＋方向に動かし（工程
Ｓ９）、フォーカスエラー信号Ｓ４３の極性が−であれ
ばステージ２５を−方向に動かす（工程Ｓ１０）。この
後は、工程Ｓ７に戻り、再度、補正されたフォーカスエ
ラー信号Ｓ４３が０になっているかを調べる。０でない
場合は、上記の補正されたフォーカスエラー信号Ｓ４３
の極性に応じて上記と同様のステージ駆動制御を行う。
補正されたフォーカスエラー信号Ｓ４３が０になった
ら、被検体面２３が焦点位置にあると判断し、ステージ
２５を停止する。

【００３８】このようにステージ２５を駆動することに
より、被検体面２３が焦点位置に来るようにステージ２
５の光軸方向の位置を追い込むように焦点調整をするこ
とができる。図５のフローチャートは、工程Ｓ９，Ｓ１
０から工程Ｓ７へ戻るように構成されているが、工程Ｓ
９，Ｓ１０から工程Ｓ３又は工程Ｓ１へ戻るように構成
しても良い。

【００３９】上記のステージの制御方法は、被検体面２
３のうちの観察している一カ所に対するものであるが、
ステージ２５が光軸１と垂直な平面内の１以上の方向に
移動可能である場合は、ステージ２５を光軸１と垂直な
平面内方向で移動させ、被検体面２３の観察している部
分を変更できる。その場合は、被検体面２３の凹凸や、
ステージ２５が傾斜していることにより、被検体面２３
が焦点ボケとなることがあるが、図５のフローチャート
によるステージ駆動制御を再度行えば、ステージ２５の
光軸方向の位置が制御され、被検体面２３が焦点位置へ
移動する。ステージ２５を水平方向に移動させても資料
面２３の位置が範囲Ｌ５の範囲内にあれば、図５の駆動
制御の工程S7〜S10の制御を行うだけでよい。または、
範囲Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の範囲内の場合は、工程S3〜Ｓ10
の制御を行うだけでよい。

【００４０】以上説明した通り、従来例では、図３
（Ｂ）の範囲Ｌ６でしかステージ駆動制御を行うことが
できなかったのに対して、本実施の形態例によれば、図
３（Ｂ）の領域Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５のすべての範囲でステ
ージの駆動制御ができるようになり、焦点調節の範囲を
広くすることができる。これにより、観察時に被検体面
が焦点ボケとなるのを低減することができる。特に、大
きな凹凸を持つ被検体の被検体面を変更した場合に、被
検体面に凹凸が存在することによる焦点ボケを、従来例
より少なくすることができる。

【００４１】更に、種類の異なる複数の対物レンズを備
えて、対物レンズを入れ替えることにより観察倍率を変
える顕微鏡においても、制御手段２６内に記憶装置を設
けて、対物レンズ毎に最適の直流オフセット信号Ｖ０の
値を記憶させておき、対物レンズを入れ替える時に記憶
装置から、対物レンズの直流オフセット信号を呼び出す
ことにより、上記実施の形態と同様の自動焦点合わせを
行うことが可能である。

【００４２】なお、本実施の形態では、焦点検出の方法
として差動スポットサイズ法を用いた場合について説明
したが、ナイフエッジ法や横ずらし法やフーコー法や非
点収差法等の他の焦点検出方法を用いた装置でもフォー
カスエラー信号を用いて同様のステージ制御方法を適用
できる。即ち、観察光学系と被検体との距離の変化に応
じて互いに逆方向の大きさに変化する第１及び第２の光
量信号を生成する第１及び第２の光検出手段を設け、焦
点位置近傍の第１の領域Ｌ５では第１及び第２の光量信
号の差信号にオフセットを加えたフォーカスエラー信号
Ｓ４３を利用してステージ駆動制御を行い、第１の領域
Ｌ５より焦点位置から遠い第２の領域Ｌ３，Ｌ４では第
１及び第２の光量信号の差信号Ｓ３５を利用してステー
ジ駆動制御を行うことで、より広い範囲にわたり自動焦
点調節の制御を行うことが可能になる。

【００４３】［第２の実施の形態］図６は、第２の実施
の形態における、第１および第２の光検出器１８、１９
の光検出部の形状と制御装置２６を示す図である。第１
の実施の形態と同様に、第１の光検出器１８と第２の光
検出器１９も光検出部はそれぞれ中央部に円形の光検出
部１８ａ、１９ａと、これを取り囲む光検出器１８ｂ、
１９ｂとを有している。

【００４４】第１の実施の形態では、光検出器１８から
の第１の光量信号Ｓ２９と光検出器１９からの第２の光
量信号Ｓ３０との差信号を、光量信号の総和（α１＋α
２＋β１＋β２）で除算した信号Ｓ３５と、それにオフ
セット信号Ｖ０を加えた補正信号Ｓ４３とを利用して、
より広い範囲での自動焦点調節を実現した。それに対し
て、第２の実施の形態は、第１の光量信号Ｓ２９を光検
出器１８の光量信号の合計（α１＋α２）で除した信号
Ｓ３５Ａと、第２の光量信号Ｓ３０を光検出器１９の光
量信号の合計（β１＋β２）で除した信号Ｓ３５Ｂとの
差信号Ｓ３１と、それにオフセット信号Ｖ０を加えた補
正信号Ｓ４３とを利用する。

【００４５】つまり、第２の実施の形態は、信号処理に
おける正規化の方法が異なるのみであり、原理的には第
１の実施の形態と同じである。従って、第２の実施の形
態では、図６に示される制御装置２６は、割り算器３５
Ａ，３５Ｂが設けられ、それぞれの出力信号Ｓ３５Ａ，
Ｓ３５Ｂの差信号Ｓ３１と、それにオフセット値Ｖ０を
加えた補正信号Ｓ４３とが、総和信号Ｓ３４と共に制御
部４７に与えられる。又は、出力信号Ｓ３５Ａ，Ｓ３５
Ｂの大小関係を検出する演算処理部３７を設け、その検
出結果を制御部４７に与えても良い。

【００４６】光検出器１８、１９の検出信号から演算増
幅器２９、３０、３１、３２、３３、３４、割算器３
５、３６により、差信号Ｓ３１は、光量信号Ｓ３５Ａと
Ｓ３５Ｂの差信号の、 ｛（α１−α２）／（α１＋α２）｝−｛（β１−β
２）／（β１＋β２）｝ になる。この信号は、図８に示される通り、光量信号Ｓ
３５ＡとＳ３５Ｂとが、被検体面の位置に対してずれた
関係にあり、被検体面の位置が（−）の領域では、光量
信号Ｓ３５Ａが単純増加の特性を有し、被検体面の位置
が（＋）の領域では、光量信号Ｓ３５Ｂが単純減少の特
性を有する。つまり、光量信号Ｓ３５Ａ，Ｓ３５Ｂは、
被検体面と観察光学系との距離の変化に応じて、逆方向
の変化を有する光量信号である。

【００４７】従って、この光量信号Ｓ３５Ａ，Ｓ３５Ｂ
の差信号Ｓ３１は、理想的には、図１６（Ａ）の特性を
有するが、赤外線の利用による色収差により、図３
（Ａ）の破線の如くずれた特性を有する場合もある。

【００４８】そこで、第２の実施の形態でも、差信号Ｓ
３１にオフセット信号Ｖ０を加えた補正されたフォーカ
スエラー信号Ｓ４３を生成する。この補正されたフォー
カスエラー信号Ｓ４３は、図７（Ａ）に示される通りで
ある。正規化の信号処理の方法は異なるが、第２の実施
の形態のフォーカスエラー信号Ｓ３１と補正されたフォ
ーカスエラー信号Ｓ４３は、第１の実施の形態例の信号
Ｓ３５とＳ４３とほぼ同じ特性を有する。また、受光部
１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂからの信号の総和Ｓ３
４（α１＋α２＋β１＋β２）は、図７（Ｂ）に示され
る通り、第１の実施の形態の総和信号Ｓ３４と同じであ
る。

【００４９】図９は、第２の実施の形態における焦点調
節のステージ駆動方法を説明するフローチャートであ
る。第１の実施の形態の図５のフローチャートと同じ工
程には同じ番号を与えている。図９のフローチャートで
図５と異なるのは、工程Ｓ４’と工程Ｓ７’，Ｓ８’と
で判断に利用する信号が異なるだけであり、全体の構成
は同じである。

【００５０】第２の実施の形態においても、受光部１８
ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂからの信号の総和α１＋α
２＋β１＋β２に２つの閾値Ｔ３、Ｔ４を設け、全受光
部の総和がＴ３、Ｔ４の間にあるときは、ステージ２５
の位置は＋側の範囲Ｌ３と−側の範囲Ｌ４に分けられ、
全受光部の総和がＴ４より大きいときのステージ２５の
位置は範囲Ｌ５とする。

【００５１】そして、工程Ｓ４’では、割算器３５Ａ、
３５Ｂからの出力Ｓ３５Ａ＝（α１−α２）／（α１＋
α２）とＳ３５Ｂ＝（β１−β２）／（β１＋β２）と
の大小関係に応じて、工程Ｓ５，Ｓ６でのステージ２５
の駆動制御を行う。また、工程Ｓ７’，Ｓ８’では、差
信号Ｓ３１にオフセット値Ｖ０を加えた補正された信号
Ｓ４３が０か、＋か−かにより、ステージ停止（工程Ｓ
１１）、ステージ駆動（工程Ｓ９，Ｓ１０）の制御を行
う。

【００５２】第２の実施の形態でも、図７に示される通
り、広い範囲Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５においてオートフォーカ
スのためのステージ駆動制御を行うことができる。

【００５３】［第３の実施の形態］第３の実施の形態
は、オートフォーカス光学系において、スポット光では
なくスリット光を使用する。第１及び第２の実施の形態
で利用したスポット光の場合は、被検体面の段差部分に
スポット光が照射された場合、その反射光が散乱して、
理想的な光量信号を得ることができない。そこで、凹凸
を有する被検体を観察する顕微鏡では、スポット光に代
えてスリット光を利用する場合がある。第３の実施の形
態でも、同様の理由によりスリット光を利用してオート
フォーカスを行う。

【００５４】図１０は、第３の実施の形態における焦点
調節装置を備えた顕微鏡のブロック図である。図１と同
じ部分には同じ引用番号を与えている。図１０の構成で
は、オートフォーカス光学系３００において、光源１３
とコリメータレンズ１４の間に、コリメータレンズ５０
とスリット５１を配置し、スリット光に対応する光検出
部５２、５３がそれぞれ収束点２０の後ろ側と収束点２
１の手前側に配置される。それ以外の構成は、図１と同
様である。

【００５５】図１１は、スリット５１の平面図であり、
スリット５１は、長方形の開口部５１ａを有する。図１
２は、第１の光検出器５２と第２の光検出器５３の光検
出部と、制御装置２６とを示す図である。光検出器５
２，５３は、図１２に示すように、それぞれ中央部に矩
形の光検出部５２ａ、５３ａと、これと隣り合う矩形の
光検出部５２ｂ、５２ｃ、５３ｂ、５３ｃとを有してい
る。そして、スリット５１により成形されたスリット光
が、ビームスプリッタ１７を通過してスリット像５４と
して光検出器５２に照射され、ビームスプリッタ１７を
反射してスリット像５５として光検出器５３に照射され
る。

【００５６】光検出器５２上に形成されるスリット像５
４のＸ方向の幅（図１２参照）は、対物レンズ２と被検
物体２４とが離間すれば細くなり、接近すれば太くな
る。一方、光検出器５３上に形成されるスリット像５５
のＸ方向の幅は、スリット像５４とは逆に対物レンズ２
と被検物体２４とが離間すれば太くなり、接近すれば細
くなる。

【００５７】制御装置２６において、周辺部の光検出部
５２ｂ、５２ｃ、５３ｂ、５３ｃは、演算増幅器５６、
５７に接続され、中央部の光検出部５２ａ、５３ａ、演
算増幅器５６、５７は、演算増幅器２９、３０、３２、
３３に接続される。演算増幅器５６は、周辺部５２ｂ，
５２ｃからの信号の合計α２を出力し、演算増幅器５７
は、周辺部５３ｂ、５３ｃからの信号の合計β２を出力
する。そして、中央部の光検出部５２ａ，５３ａからの
信号をそれぞれα１，β１とすると、それ以降の信号処
理回路は、図６に示した第２の実施の形態と同じにな
る。

【００５８】光検出器５２、５３の検出信号から演算増
幅器２９、３０、３１、３２、３３、３４、５６、５
７、割算器３５Ａ、３５Ｂにより、フォーカスエラー信
号Ｓ３１として、 ｛（α１−α２）／（α１＋α２）｝−｛（β１−β
２）／（β１＋β２）｝ が求められる。この差信号Ｓ３１は、図３（Ａ）の差信
号Ｓ３５と同じ特性を有する。理想的には図１６（Ａ）
のような信号であるが、赤外線に対して色収差が発生す
る場合は、図３（Ａ）のようなゼロクロス点が可視光の
合焦位置からずれた信号である。演算処理部３７は、信
号Ｓ３５Ａ，Ｓ３５Ｂの大小関係を検出し、その結果を
制御部４７に与える。

【００５９】また、上記の差信号Ｓ３１にオフセット信
号Ｖ０を加えた補正された信号Ｓ４３は、図７（Ａ）に
示されたフォーカスエラー信号と同じ特性を有する。更
に、光検出器からの全ての信号の総和信号Ｓ３４は、図
７（Ｂ）に示された信号と同様に、合焦位置で最大とな
る特性を有する。

【００６０】第３の実施の形態例でのオートフォーカス
のためのステージの駆動制御の方法は、第２の実施の形
態と同様である。つまり、図９のフローチャートによっ
てステージが駆動制御されるので、駆動制御の範囲Ｌ
３，Ｌ４，Ｌ５を従来例より広くすることができる。

【００６１】第３の実施の形態では、被検物体２４の被
検面２３上にスリット光を照射するため、スリット状の
光像の一部が被検面内の段差部にかかっても、他の部分
において正常なフォーカスエラー信号を得ることができ
る。よって、被検面２３に段差がある場合にも、フォー
カスエラー信号は段差の影響を受けにくくなる。

【００６２】また、第３の実施の形態の構成において、
コリメータレンズ５０とスリット５１によってスリット
状の光像を形成しているが、光源１３から出射した光を
シリンドリカルレンズで集光することにより、図６のス
リット５１の位置にスリット状の像を結像する構成とす
ることでも良い。この場合は、コリメータレンズ５０と
スリット５１の代わりにシリンドリカルレンズが設けら
れる。

【００６３】［第４の実施の形態］図１３は、第４の実
施の形態による焦点調節装置を備えた顕微鏡の構成を示
す図である。第４の実施の形態の焦点調節装置は、第１
の実施の形態の焦点調節装置の変形例であり、同一部分
には同一の符号を与えている。この顕微鏡は、オートフ
ォーカス光学系３００の光検出器にＣＣＤリニアセンサ
やＭＯＳリニアイメージセンサ等のラインセンサ６１を
用い、第１の実施の形態のビームスプリッタ１７の代わ
りに、ビームスプリッタ５９とミラー６０が設置されて
いる。そして、集光レンズ１６とビームスプリッタ５９
の間にシリンドリカルレンズ５８が設置されている。そ
れ以外の構成は、第１の実施の形態と同じである。

【００６４】図１４は、シリンドリカルレンズ５８の斜
視図である。図１４において、Ｚ方向からシリンドリカ
ルレンズ５８へ入射する光束６２は、シリンドリカルレ
ンズ５８により座標のＹ方向に収束され、Ｘ方向には収
束されずに出射する。従って、シリンドリカルレンズ５
８を通過した光６３は、スリット形状になり、ラインセ
ンサ６１の両側にそれぞれ結像する。

【００６５】図１５は、ラインセンサ６１の光検出部を
示す図である。図１５（Ａ）に示される通り、ラインセ
ンサ６１の光検出部は、Ｚ方向にアレイ状に配列した多
数の光検出部から構成されている。第３実施の形態と同
様に、ラインセンサ６２の光検出部上にはスリット像６
４、スリット像６５が形成される。そして、このスリッ
ト光６４，６５は、Ｚ軸方向の長さが、ステージの上下
動に応じて、逆方向に伸長する。従って、ラインセンサ
６１の左側において、領域６１ａを中央部、領域６１
ｂ、６１ｃを周辺部とすることにより、第３の実施の形
態と同様の信号を得ることができる。同様に、ラインセ
ンサ６１の右側において、領域６１ｄを中央部、領域６
１ｅ，６１ｆを周辺部とすることにより、同様の信号を
得ることができる。

【００６６】制御装置２６の構成は、図１２の構成と同
じにすることができる。即ち、図１５（Ａ）に示したよ
うにラインセンサ６１の光検出部を、スリット像６４に
対しては６１ａ、６１ｂ、６１ｃの3つの領域に分け
て、領域６１ａ内の全ての光検出部の光量の和をβ１、
領域６１ｂ、６１ｃ内の全ての光検出部の光量の和をβ
２とする。また、スリット像６５に対しては６１ｄ、６
１ｅ、６１ｆの3つの領域に分けて、領域６１ｄ内の全
ての光検出部の光量の和をα１、領域６１ｅ，６１ｆ内
の全ての光検出部の光量の和をα２とする。そして、図
１２と同じ信号処理により、差信号 ｛（α１−α２）／（α１＋α２）｝−｛（β１−β
２）／（β１＋β２）｝ と、それにオフセット信号Ｖ０を加えた補正された信号
を求めると、それぞれ図３（Ａ），（Ｂ）に示したフォ
ーカスエラー信号になる。また、それらの信号の総和
（α１＋α２＋β１＋β２）は、図４に示した信号にな
る。

【００６７】従って、オートフォーカス制御のためのス
テージ駆動制御は、第２の実施の形態と同じように図９
のフローチャートに従って行われる。

【００６８】ビームスプリッタ５９およびミラー６０か
らラインセンサ６１へ入射するスリット像の光は、シリ
ンドリカルレンズ５８によりスリットの幅方向（Ｙ方
向）に収束されるので、ラインセンサ６１の光検出部の
Ｙ方向の幅が狭くても、十分な光量を得ることができ
る。従って、被検物体２４の反射率が小さい場合にも感
度良くフォーカスエラー信号を検出することができる。

【００６９】図１５（Ｂ）には、ラインセンサの感度を
上げる方法が示される。顕微鏡では、低倍率では低倍の
対物レンズ２が使用され、高倍率では高倍の対物レンズ
２が使用される。即ち、対物レンズ２は、適宜選択され
切り替えられる。一般に、低倍の対物レンズはその開口
数が小さく、ラインセンサ上に結像するスリット像の長
さは、（１）に示される通り長くなる傾向にある。実線
６４は例えば合焦位置のスリット像であり、破線は合焦
位置から外れた時のスリット像である。一方、高倍の対
物レンズはその開口数が大きく、ラインセンサ上に結像
するスリット像の長さは、（２）に示される通り短くな
る傾向にある。

【００７０】そこで、ラインセンサから生成される第１
及び第２の光量信号（α１−α２）、（β１−β２）を
大きくして感度を高めるためには、対物レンズの開口数
に応じて、中央領域６１ａの大きさを変えることが望ま
しい。即ち、開口数が大きい時は中央領域６１ａを小さ
くし、開口数が小さい時は中央領域６１ａを大きくする
ことにより、それぞれの対物レンズにおいてラインセン
サから感度の高い光量信号（α１−α２）、（β１−β
２）を得ることができる。

【００７１】上記の実施の形態では、オートフォーカス
光学系３００での光源１３に、赤外光を利用したが、本
発明はそれに限定されず、可視光以外の不可視光であれ
ば良い。また、上記の実施の形態では、観察光学系１０
０を有する顕微鏡を例にして説明したが、本発明は、観
察光学系１００等の結像光学系を交換可能に取り付ける
手段を有する焦点調節装置であっても良い。

【００７２】尚、本発明の保護範囲は、上記の実施の形
態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とそ
の均等物に及ぶものである。

【００７３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、オートフォーカ
ス制御における自動制御可能な範囲を従来例より広くす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態による焦点調節装置を備えた
顕微鏡のブロック図である。

【図２】第１の実施の形態における光検出器と制御装置
の構成を示すブロック図である。

【図３】第１の実施の形態におけるフォーカスエラー信
号と補正されたフォーカスエラー信号と被検体面の位置
との関係を示す図である。

【図４】第１の実施の形態における全光検出部からの信
号の和と被検体面の位置との関係を示す図である。

【図５】第１の実施の形態におけるステージ駆動制御方
法を示すフローチャート図である。

【図６】第２の実施の形態における光検出器と制御装置
の構成を示すブロック図である。

【図７】第２の実施の形態における補正されたフォーカ
スエラー信号と光検出部からの信号の総和と被検体面の
位置との関係を示す図である。

【図８】第２の実施の形態における第１及び第２の光検
出部からの第１及び第２の光量信号と被検体面の位置と
の関係を示す図である。

【図９】第２の実施の形態におけるステージ駆動制御方
法を示すフローチャート図である。

【図１０】第３の実施の形態による焦点調節装置を備え
た顕微鏡のブロック図である。

【図１１】第３の実施の形態におけるスリット５１の平
面図である。

【図１２】第３の実施の形態における光検出器と制御装
置の構成を示すブロック図である。

【図１３】第４の実施の形態による焦点調節装置を備え
た顕微鏡のブロック図である。

【図１４】第４の実施の形態におけるシリンドリカルレ
ンズ５８の斜視図である。

【図１５】第４の実施の形態におけるラインセンサ６１
の構成を示す図である。

【図１６】従来の理想的なフォーカスエラー信号及び光
検出部からの信号の総和と被検体面の位置との関係を示
す図である。

【図１７】従来の補正されたフォーカスエラー信号及び
光検出部からの信号の総和と被検体面の位置との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１００ 観察光学系 ２００ 照明光学系 ３００ オートフォーカス光学系 ７ ダイクロイックミラー １３ オートフォーカス用光源 １８、１９ 光検出器 １８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ
光検出部 ２３ 被検体面 ２４ 被検体 ２５ ステージ ２６ 制御装置 ５１ スリット ５８ シリンドリカルレンズ ６１ ラインセンサ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の結像光学系が交換可能な取付手段
   と、 前記結像光学系と被検体との光軸方向の距離の変化に応
   じて互いに逆方向の大きさに変化する第１及び第２の光
   量信号を生成する第１及び第２の検出手段と、 前記結像光学系の焦点位置近傍の第１の領域において、
   前記結像光学系による合焦位置における前記第１及び第
   ２の光量信号の差分に相当するオフセットを加えた前記
   第１及び第２の光量信号の大小関係に基づいて前記結像
   光学系の焦点調節を行い、前記第１の領域よりも前記焦
   点位置から遠い第２の領域において、前記オフセットを
   加えない前記第１及び第２の光量信号の大小関係に基づ
   いて前記結像光学系の焦点調節を行う制御手段とを有す
   ることを特徴とする焦点調節装置。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の光量信号の差分が前
   記オフセットになる前記光軸上の点であって、前記合焦
   位置にある第１の点と、前記合焦位置にない第２の点の
   うち、前記第１の領域は、前記第２の点より前記合焦位
   置側に位置することを特徴とする請求項１に記載の焦点
   調節装置。
3. 【請求項３】 前記第１及び第２の検出手段は、不可視
   光を前記結像光学系を介して前記被検体に照射して得ら
   れる前記被検体からの反射光を検出することを特徴とす
   る請求項１に記載の焦点調節装置。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２の検出手段は、スリッ
   ト光を前記結像光学系を介して前記被検体に照射して得
   られる前記被検体からの反射光を検出することを特徴と
   する請求項１に記載の焦点調節装置。
5. 【請求項５】 前記第１及び第２の検出手段は、複数の
   光量検出素子をライン状に並べたラインセンサで構成さ
   れ、前記第１及び第２の光量信号は、それぞれ前記ライ
   ンセンサの中央部領域からの光量信号とその両側領域か
   らの光量信号の差分であり、 前記制御手段は、前記結像光学系が第１の開口数の場合
   の前記中央部領域を、前記結像光学系が第１の開口数よ
   り大きい第２の開口数の場合の前記中央部領域より大き
   くすることを特徴とする請求項１に記載の焦点調節装
   置。
6. 【請求項６】 複数の対物レンズが交換可能な観察光学
   系と、 前記対物レンズと被検体との光軸方向の距離の変化に応
   じて互いに逆方向の大きさに変化する第１及び第２の光
   量信号を生成する第１及び第２の検出手段と、 前記対物レンズの焦点位置近傍の第１の領域において、
   前記対物レンズによる合焦位置における前記第１及び第
   ２の光量信号の差分に相当するオフセットを加えた前記
   第１及び第２の光量信号の大小関係に基づいて前記対物
   レンズの焦点調節を行い、前記第１の領域よりも前記焦
   点位置から遠い第２の領域において、前記オフセットを
   加えない前記第１及び第２の光量信号の大小関係に基づ
   いて前記対物レンズの焦点調節を行う制御手段とを有す
   ることを特徴とする顕微鏡。