JP2001305432A

JP2001305432A - フォーカス安定装置

Info

Publication number: JP2001305432A
Application number: JP2000117740A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kami; 喜裕上
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲温度の変化による影響を受けることな
く、常に安定した試料観察を行うことができるフォーカ
ス安定装置を提供する。【解決手段】観察試料１１に対峙して配置された対物
レンズ９に、この対物レンズ９と観察試料１１との相対
距離を調整する位置調整装置４を設け、対物レンズ９の
変位量を変位センサ１３で検出するとともに、この検出
出力に基づいて対物レンズ９と観察試料１１との相対距
離が一定になるように位置調整装置４をコントローラ１
５により制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡などの光学
機器のフォーカス状態を安定させるためのフォーカス安
定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、顕微鏡を使用した試料観察は、
顕微鏡ステージ上に載置された試料に対して対物レンズ
を接近させ、試料上の観察要部を拡大することで行うよ
うにしている。この場合、試料に近接される対物レンズ
は、倍率が高くなるほど焦点深度が小さくなるため、対
物レンズと観察試料との位置合わせが難しくなるととも
に、対物レンズと試料との間の距離の微小の変化にも観
察像が大きく劣化してしまう。

【０００３】一方、対物レンズと観察試料との見かけ上
の位置は、非常に近接しているが、これらの機械的結合
長さは、顕微鏡フレーム、対物レンズ移動機構、レボル
バなどの多数の機械部品が介在するため非常に大きい。
そして、これらの機械部品は、温度変化によりその寸法
を変化しやすいことから、これら機械部品の数が多くな
るほど寸法変化量が大きくなり、また、機械部品が多く
なって、機械結合長さが大きくなるほど振動に対しても
弱く、振動振幅が大きくなってしまう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、試料観察時
に、観察試料に対して対物レンズの焦点合わせを行って
も、例えば、照明のオンオフや内部電源および空調設備
の作動により周囲温度が変化して各機械部品の寸法が変
化すると、対物レンズと試料間の距離が大きく変化する
ため焦点が簡単にずれてしまうという問題があった。

【０００５】そこで、従来、これらの焦点ずれを補償す
る方法として、特開平９−１２００３０号公報に開示さ
れるようにラックと駆動歯車を介して対物レンズの光軸
方向に駆動されるステージの、ラックとステージとの間
に熱膨張の異なる少なくとも２つのロッドを介挿し、こ
のうちの一方のロッドの熱膨張方向を、他のロッドの熱
膨張方向と反対方向に作用するように構成することで、
焦点ずれを補償するものがある。

【０００６】しかし、このような方法では、ロッドが顕
微鏡内部にあり、周囲温度の変化に対して温度補償され
るまでに時間がかかるため、試料観察の作業能率が低下
するおそれがあり、また、顕微鏡自体に大きな改造を必
要になり、さらには、観察対象が生体細胞などの場合、
観察試料周辺のみを保温器により保温することがある
が、このような場合、温度ドリフトを補償できないとい
う問題があった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、周囲温度の変化による影響を受けることなく、常に
安定した試料観察を行うことができるフォーカス安定装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
観察試料と、前記観察試料に対峙して配置された対物レ
ンズと、前記対物レンズに設けられ、該対物レンズと前
記観察試料との相対距離を調整可能にした位置調整手段
と、前記対物レンズの変位量を検出する変位量検出手段
と、前記変位量検出手段の検出出力に基づいて前記対物
レンズと観察試料との相対距離が一定になるように前記
位置調整手段を制御する制御手段とを具備したことを特
徴としている。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記位置調整手段は、固定台と、前記対物
レンズを支持するとともに、前記固定台に対して前記対
物レンズの光軸方向に移動可能に設けられたテーブル
と、前記テーブルを前記対物レンズの光軸方向へ平行移
動可能に支持するガイド手段と、前記テーブルを光軸方
向に移動させるアクチュエータとを具備したことを特徴
としている。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記ガイド手段は、平行ばね、前記アクチ
ュエータは、圧電アクチュエータであり、これら平行ば
ねおよび圧電アクチュエータは、それぞれ前記対物レン
ズの光軸に対して対称な位置に配置されることを特徴と
している。

【００１１】この結果、本発明によれば、周囲温度が変
化しても、これらの影響を受けることなく、観察試料と
対物レンズの焦点が一致した状態を維持することがで
き、常に安定した試料観察を行うことができる。

【００１２】また、本発明によれば、平行ばねおよび圧
電アクチュエータは、それぞれ対物レンズの光軸に対し
て対称な位置に配置されるので、テーブルの光軸方向の
平行移動をスムーズにでき、対物レンズの光軸がが傾く
などの不安定さを回避できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。

【００１４】図１は、本発明のフォーカス安定装置が適
用される倒立型顕微鏡で、特に、生体細胞を長時間観察
する顕微鏡の概略構成を示している。

【００１５】図において、１は顕微鏡本体で、この顕微
鏡本体１には、ステージ２が設けられ、このステージ２
の下方に、ステージ２に対応させてレボルバ３が配置さ
れ、このレボルバ３に後述する対物レンズ９と観察試料
１１との相対距離を調整する位置調整装置４が設けられ
ている。

【００１６】図２は、このような位置調整装置４を拡大
して示す概略構成図で、固定台５、微動テーブル６、ガ
イド手段としての平行ばね７および圧電アクチュエータ
８を有している。この場合、固定台５は、筒状をなすも
ので、図示下側の開口端部には、図示しない対物ねじ部
が形成され、この対物ねじ部がレボルバ３の対物取付け
穴部（図示せず）にねじ込まれている。固定台５の中空
部には、微動テーブル６が配置されている。この微動テ
ーブル６は、筒状をなすとともに、中空部のほぼ中間位
置に中心軸方向に延出した対物支持部６ａが形成され、
この対物支持部６ａにより対物レンズ９を固定台５の中
心軸方向に沿って支持している。また、微動テーブル６
の対物支持部６ａと固定台５との間には、対物レンズ９
の光軸９ａに対して対称な位置にそれぞれ圧電アクチュ
エータ８が配置されている。この圧電アクチュエータ８
は、電気信号に基づいて伸縮動作するもので、この伸縮
動作により微動テーブル６を光軸９ａ方向に微動させる
ようにしている。また、固定台５と微動テーブル６との
間には、光軸９ａに対して対称な位置にそれぞれ平行ば
ね７が配置されている。これら平行ばね７は、微動テー
ブル６を固定台５に支持するとともに、光軸９ａ方向の
平行移動をスムーズにするためのものである。

【００１７】この場合、平行ばね７は、図３（ａ）に示
すように平行に配置された一対の移動体７ａ、７ｂの間
を、平行に配置された一対の板ばね７ｃ、７ｄにより連
結するとともに、移動体７ｂ両端を平行に配置された他
の一対の板ばね７ｅ、７ｆを介して固定部に連結するよ
うに構成され、移動体７ａが図示破線位置から、板ばね
７ｃ、７ｄを変形させながら図示実線位置までΔｘだけ
移動されると、移動体７ｂは、板ばね７ｅ、７ｆを変形
させながら図示実線での位置までΔｚだけ持ち上げられ
て移動し、移動体７ａ側の高さ位置を常に変位のない状
態に維持するようにしている。これにより、このような
平行ばね７を、図３（ｂ）に示すように対物レンズ９の
光軸９ａに対して対称な位置に配置すると、微動テーブ
ル６の微動にも光軸９ａと直交する方向の引っ張り力な
どが一切生じることなく、微動テーブル６を光軸９ａ方
向にスムーズに平行移動させることができる。

【００１８】ちなみに、通常の平行板ばね１００とし
て、図４（ａ）に示すように固定部１０１に対して平行
に配置される移動体１０２を、平行に配置された一対の
板ばね１０３ａ、１０３ｂにより連結したものがある
が、このように構成したものでは、移動体１０２が図示
実線位置から板ばね１０３ａ、１０３ｂを変形させなが
ら図示破線位置までΔｘ’だけ移動されると、移動体１
０２自身が、高さ方向にΔｚ’だけ移動してしまう。こ
れにより、このような平行ばね１００を図４（ｂ）に示
すように光軸９ａに対して対称な位置に配置すると、微
動テーブル６の微動により光軸９ａと直交する方向の引
っ張り力が作用することとなり、微動テーブル６の光軸
９ａ方向の移動がスムーズに行かなくなる。

【００１９】図１に戻って、ステージ２は、対物レンズ
９の光軸９ａに対応する位置に穴部２ａが形成され、こ
の穴部２ａを有するステージ２上に中座１０が載置され
ている。この中座１０も、対物レンズ９の光軸９ａに対
応する位置に観察用穴部１０ａが形成され、この観察用
穴部１０ａ上に、生体細胞からなる観察試料１１が載置
されている。この場合、観察試料１１の周囲は、保温用
チャンバ１２により囲まれている。

【００２０】中座１０の観察用穴部１０ａに沿ってリン
グ状の変位センサ１３（例えば静電容量センサ）が配置
されている。この場合、変位センサ１３は、観察試料１
１に近接していることが望ましい。また、変位センサ１
３に対応するセンサターゲット１４が対物レンズ９に設
けられており、変位センサ１３により対物レンズ９と観
察試料１１の間の距離に応じた出力を得られるようにな
っている。

【００２１】変位センサ１３には、コントローラ１５が
接続されている。コントローラ１５は、記憶部１５ａ、
比較部１５ｂおよび制御部１５ｃを有している。記憶部
１５ａは、観察試料１１と対物レンズ９の焦点が一致し
ている合焦状態での変位センサ１３の出力を記憶するも
のである。比較部１５ｂは、周囲温度の変化による観察
試料１１と対物レンズ９との間の距離の変化により合焦
が外れると、この時の変位センサ１３の出力値と記憶部
１５ａに記憶された合焦時の変位センサ１３の出力値を
比較するものである。そして、制御部１５ｃは、比較部
１５ｂでの比較結果から観察試料１１と対物レンズ９と
の間の距離変化をキャンセルするのに必要な電気信号を
圧電アクチュエータ８に出力するものである。

【００２２】顕微鏡本体１には、準焦ハンドル１６が設
けられている。この準焦ハンドル１６は、回転操作する
ことでレボルバ３を光軸９ａに沿った方向に移動可能に
している。

【００２３】そして、中座１０上の観察試料１１の観察
像は、対物レンズ９を介して顕微鏡本体１内部の図示し
ない観察光学系に投影され、接眼レンズ１７により観察
可能にしている。

【００２４】次に、このように構成された実施の形態の
作用を説明する。

【００２５】まず、準焦ハンドル１６を回転操作して観
察試料１１と対物レンズ９の焦点との位置合わせを行
う。この場合、準焦ハンドル１６を回転操作すると、レ
ボルバ３が光軸９ａ方向に移動し、観察試料１１と対物
レンズ９の相対位置関係が変化して観察試料１１と対物
レンズ９の焦点が一致される。

【００２６】そして、観察試料１１と対物レンズ９の焦
点が一致する合焦状態での変位センサ１３の出力がコン
トローラ１５の記憶部１５ａに記憶される。

【００２７】この状態から、周囲温度が変化して、機械
部品に温度ドリフトが起こり、観察試料１１と対物レン
ズ９との間の距離の変化により合焦が外れると、コント
ローラ１５の比較部１５ｂにより、この時の変位センサ
１３の出力値と、予め記憶部１５ａに記憶された合焦時
の変位センサ１３の出力値が比較される。そして、この
比較部１５ｂでの比較結果に基づいて、制御部１５ｃよ
り観察試料１１と対物レンズ９との間の距離変化をキャ
ンセルするのに必要な電気信号が圧電アクチュエータ８
に出力される。これにより、圧電アクチュエータ８は、
伸縮され、この伸縮に合わせて平行ばね７に支持された
微動テーブル６は光軸９ａ方向に平行移動され、この移
動にともない微動テーブル６に支持された対物レンズ９
も光軸９ａ方向に移動される。この時の対物レンズ９の
移動方向および移動量は、周囲温度変化により合焦がず
れた方向と反対方向で、かつ同じ移動量であり、これに
より、速やかに観察試料１１と対物レンズ９の焦点が一
致するように調整される。

【００２８】従って、このようにすれば、例えば、照明
のオンオフや内部電源および空調設備の作動により周囲
温度が変化して機械部品が温度ドリフトを起こしても、
これらの影響を受けることなく、観察試料１１と対物レ
ンズ９の焦点が一致した状態を維持することができるの
で、常に安定した試料観察を行うことができる。

【００２９】また、観察試料１１と対物レンズ９との間
の距離の変化は、変位センサ１３により検出され、この
センサ出力により直ちに補正されるため、温度補償され
るまでの時間を短縮でき、しかも、観察試料１１の周囲
が保温用チャンバ１２により囲まれていても、観察試料
１１と対物レンズ９との間の距離変化を変位センサ１３
により検出する方法が取られているため、この場合も温
度ドリフトを補償することができる。

【００３０】さらに、固定台５をレボルバ３の対物取付
け穴部ににねじ込む構成としているので、顕微鏡側に大
きな改造を加えることなく、容易に顕微鏡に着脱するこ
とができる。

【００３１】さらに、平行ばね７および圧電アクチュエ
ータ８は、それぞれ光軸９ａに対して対称な位置に配置
されるので、微動テーブル６の光軸方向の平行移動をス
ムーズにでき、対物レンズ９の光軸が９ａが傾くなどの
不安定さを回避できる。また、圧電アクチュエータ８に
コントローラ１５よりそれぞれ独立して電気信号を与え
ることができるので、これらの電気信号を調整すること
で、圧電アクチュエータ８ごとの変位の固体差を調整す
ることもできる。

【００３２】さらに、中座１０に設けられる変位センサ
１３は、リング状のもの用いることで、検出系の形状的
な対称性がよくなり、センサターゲット１４に対し、よ
り確実な変位検出が可能になり、さらに変位センサの面
積をリング状とすることで、大きくなるので、変位検出
距離を大きくでき、さらに、変位計測は行わないため、
センサの直線性をあまり必要としない。このため、正立
型顕微鏡のようにステージと対物レンズの間に観察試料
がある場合やセンサターゲット１４との間の雰囲気が空
気以外であっても適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、周囲
温度の変化による影響を受けることなく、常に安定した
試料観察を行うことができるフォーカス安定装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態が適用される倒立型顕微鏡
の概略構成を示す図。

【図２】本発明の実施の形態に用いられる位置調整装置
の概略構成を示す図。

【図３】本発明の実施の形態に用いられる平行ばねを説
明するための図。

【図４】本発明の実施の形態に用いられる平行ばねに対
応する従来の平行ばねを説明するための図。

【符号の説明】

１…顕微鏡本体２…ステージ２ａ…穴部３…レボルバ４…位置調整装置５…固定台６…微動テーブル６ａ…対物支持部７ａ．７ｂ…移動体８…圧電アクチュエータ９…対物レンズ９ａ…光軸１０…中座１０ａ…観察用穴部１１…観察試料１２…保温用チャンバ１３…変位センサ１４…センサターゲット１５…コントローラ１５ａ…記憶部１５ｂ…比較部１５ｃ…制御部１６…準焦ハンドル１７…接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察試料と、前記観察試料に対峙して配置された対物レンズと、前記対物レンズに設けられ、該対物レンズと前記観察試
料との相対距離を調整可能にした位置調整手段と、前記対物レンズの変位量を検出する変位量検出手段と、前記変位量検出手段の検出出力に基づいて前記対物レン
ズと観察試料との相対距離が一定になるように前記位置
調整手段を制御する制御手段とを具備したことを特徴と
するフォーカス安定装置。
【請求項２】前記位置調整手段は、固定台と、前記対物レンズを支持するとともに、前記固定台に対し
て前記対物レンズの光軸方向に移動可能に設けられたテ
ーブルと、前記テーブルを前記対物レンズの光軸方向へ平行移動可
能に支持するガイド手段と、前記テーブルを光軸方向に移動させるアクチュエータと
を具備したことを特徴とする請求項１記載のフォーカス
安定装置。
【請求項３】前記ガイド手段は、平行ばね、前記アク
チュエータは、圧電アクチュエータであり、これら平行
ばねおよび圧電アクチュエータは、それぞれ前記対物レ
ンズの光軸に対して対称な位置に配置されることを特徴
とする請求項２記載のフォーカス安定装置。