JP2004302391A - オートフォーカス機構、および該機構を備えた顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】オートフォーカス動作に要する時間の短縮化を図ったオートフォーカス機構、および該機構を備えた顕微鏡を提供する。
【解決手段】光学系（６，７，８）の焦点位置を光軸方向に走査して標本４への合焦を行うオートフォーカス機構において、標本４の存在する光軸方向の範囲を検出する検出手段１３を有し、検出手段１３で検出した標本４の存在する範囲に基づいて光学系（６，７，８）の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とするオートフォーカス機構。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートフォーカス機構、および該機構を備えた顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レンズ光学系の焦点位置を光軸方向に走査し、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いて焦点位置毎の標本像のコントラストを検出し、該コントラストに基づいて標本に対する合焦を行うオートフォーカス装置が知られている。斯かる装置として、次のような構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来のオートフォーカス装置は、予め定めた第１の走査範囲にわたってレンズ光学系の焦点位置を走査し、コントラストが最大になる焦点位置を検出する。この焦点位置の検出は、次の２つの動作によって行われる。
まず、第１の走査幅の範囲（第１の走査範囲と同範囲）にわたって、第１の走査ピッチで画像を取得しコントラストの検出を行い、コントラストが極大になる位置を検出する粗フォーカス動作を行う。ここで、コントラストが極大になる位置が検出されない場合には、第１の走査範囲に隣接する第２の走査範囲について同様に粗フォーカス動作を行い、コントラストが極大になる位置を検出する。
【０００４】
次に、粗フォーカス動作によって検出された位置を含む第１の走査幅より小さい第２の走査幅の範囲にわたって、第１の走査ピッチよりも細かな第２の走査ピッチでコントラストの検出を行い、コントラストが最大になる焦点位置を検出する密フォーカス動作を行う。
そして従来のオートフォーカス装置は、この密フォーカス動作によって検出された焦点位置を、標本に対する合焦位置（フォーカスポイント）として合焦を行う。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−４８５０５号公報
【００００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のオートフォーカス装置は、第１の走査範囲における粗フォーカス動作によってコントラストが極大になる位置が検出されない場合、上述のように第２の走査範囲において粗フォーカス動作を繰り返し行わなければならない。このような場合、合焦位置を求めるための時間が増大してしまう。したがって、上記従来のオートフォーカス装置は、焦点位置を求め、標本への合焦を完了するまでの時間（オートフォーカス動作に要する時間）が増大してしまうという問題がある。
【０００７】
特に、不透明の筐体に覆われた顕微鏡に上記従来のオートフォーカス装置を適用した場合、使用者は標本とレンズ光学系の位置を直接目視にて確認することができない。したがって使用者は、レンズ光学系の焦点位置を標本の近傍へ配置するためにレンズ光学系の位置を調整することができない。このため、斯かる顕微鏡においては、標本に対する合焦位置の検出をレンズ光学系の焦点位置と標本とが大きく離れた状態で行わなければならない。したがって、粗フォーカス動作を繰り返し行わなければならなくなり、標本に対する合焦位置を求めるための時間が増大し、その結果オートフォーカス動作に要する時間が増大することとなってしまう。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、オートフォーカス動作に要する時間の短縮化を図ったオートフォーカス機構、および該機構を備えた顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、
光学系の焦点位置を光軸方向に走査して標本への合焦を行うオートフォーカス機構において、
前記標本の存在する前記光軸方向の範囲を検出する検出手段を有し、
前記検出手段で検出した前記標本の存在する範囲に基づいて前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とするオートフォーカス機構を提供する。
【００１０】
また、請求項２に記載のオートフォーカス機構は、
前記オートフォーカス機構は、前記光軸の複数の位置で前記標本の画像を取得し、前記標本の画像のコントラストに基づいて前記標本の合焦を行うことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載のオートフォーカス機構は、
前記標本の存在する範囲で前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載のオートフォーカス機構は、
前記標本は、ガラス基板に保持され、
前記検出手段は、前記標本および前記ガラス基板の存在する光軸方向の範囲を検出し、
前記検出手段で検出した前記標本および前記ガラス基板の存在する範囲で前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の顕微鏡は、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオートフォーカス機構を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の顕微鏡は、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオートフォーカス機構を備え、当該オートフォーカス機構とともに不透明な筐体内に配設されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の顕微鏡は、
前記標本はステージに載置され、
前記ステージは前記筐体外で標本を載置して前記筐体内に移動し、
前記検出手段は前記標本が前記筐体外から前記筐体内に移動する際に、前記標本の存在する光軸方向の範囲を検出することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡の外観を示す部分透視図である。また図２は、本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡と該顕微鏡の制御系とを示す概略構成図である。
【００１７】
まず、本実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡１の基本的な構成について説明する。
図１に示すように、顕微鏡１は、不透明の筐体２内に配設されている。この筐体２の側面には、ステージ３を筐体２から出し入れするための挿脱口２ａが設けられている。また、挿脱口２ａの下方には、ステージ３を筐体２外へせり出させ、せり出したステージ３上に標本４を載置して再び筐体２内へ挿入するための挿脱指示ボタン２ｂが設けられている。
【００１８】
図２に示すように、顕微鏡１において、ステージ３の下方には、標本４を照明するための光源５が配置されている。ステージ３は、不図示のステージ用駆動モータによりステージ３の平面方向（ｘｙ方向）へ移動可能である。尚、このステージ用駆動モータは、コントローラ１５からの制御信号に基づいてステージ制御回路１９によって制御されている。
一方、ステージ３の上方には、対物レンズ６とミラー７と結像レンズ８とからなるレンズ光学系と、ＣＣＤカメラ９とが配置されている。対物レンズ６は、不図示の駆動モータを介して光軸方向（ｚ方向）へ移動可能である。これにより、標本４への合焦、およびレンズ光学系の焦点位置のｚ方向への走査を行うことができる。また、ＣＣＤカメラ９は、撮像素子１０とＣＣＤ制御回路１１とを備えており、モニタ１２に接続されている。
また、ステージ３の上方であって挿脱口２ａ付近には、後述する反射変位センサ１３が配設されている（図１を参照。）。
【００１９】
以上の構成の下、光源５によって照明された標本４からの光は、対物レンズ６で集光され、ミラー７によって反射される。ミラー７によって反射されたこの光は、結像レンズ８によって結像され、ＣＣＤカメラ９における撮像素子１０の撮像面上に標本４の像（以下、「標本像」という。）が形成される。撮像素子１０で得られた標本像は、その映像信号がＣＣＤ制御回路１１に送られ、モニタ１２上に表示される。このようにして使用者は、モニタ１３を介して標本４を観察することができる。
【００２０】
次に、本実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡１のオートフォーカス動作について説明する。
まず、オートフォーカス制御部１４およびコントローラ１５は、レンズ光学系の焦点位置をｚ方向へ走査するために、対物レンズ駆動回路１６に対して制御信号を送る。
対物レンズ駆動回路１６は、この制御信号に基づいて上記不図示の駆動モータを回転させて、対物レンズ６をｚ方向へ移動させる。上述のように、これによってレンズ光学系の焦点位置を光軸方向へ走査することができる。また、対物レンズ駆動回路１６は、対物レンズ６に設けられた不図示のｚ方向カウンタによって対物レンズ６のｚ方向における位置（ｚ方向位置）を求め、該ｚ方向位置を表す信号をコントローラ１５へ出力する。尚、ｚ方向カウンタは、不図示のｚ方向駆動モータのエンコーダを使用しても構わない。
【００２１】
レンズ光学系の焦点位置をｚ方向へ走査することにより、ＣＣＤカメラ９では焦点位置毎の標本像が得られる。ＣＣＤ制御回路１１は、得られた標本像の映像信号をオートフォーカス制御部１４に出力する。
オートフォーカス制御部１４は、映像信号から焦点位置毎の標本像のコントラストを検出する。そして、コントラストが最大となった標本像が得られた焦点位置を求め、この焦点位置を標本４に対する顕微鏡１の合焦位置（フォーカスポイント）として採用する。
オートフォーカス制御部１４およびコントローラ１５は、対物レンズ駆動回路１６を制御して対物レンズ６をｚ方向へ移動させ、採用したフォーカスポイントにレンズ光学系の焦点位置を合わせる。
本実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡１では、以上のオートフォーカス動作によって、標本４に対する合焦が行われる。
【００２２】
次に、本実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡１において最も特徴的なオートフォーカス動作の前処理について説明する。
上述の反射変位センサ１３は、測定対象物に対して検出光を照射し、測定対象物からの反射光を受光して測定対象物のｚ方向の変位を測定するセンサである。この反射変位センサ１３は、コントローラ１５からの制御信号に基づき、反射変位センサ制御回路１７によって制御される。尚、反射変位センサ１３には、光を利用したセンサに限られず、超音波や静電容量を利用したセンサを用いることもできる。
【００２３】
本実施の形態では、標本４を載置したステージ３を筐体２内へ挿入する際に、オートフォーカス動作の前処理として次の処理が行われる。尚、図３は、本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡におけるオートフォーカス動作の前処理を説明する図である。
まず、ステージ３の筐体２内への挿入直前、反射変位センサ１３は、ステージ３に向かって検出光を照射する。照射された検出光はステージ３の上面で反射され、反射変位センサ１３はこの反射光を受光する。このとき反射変位センサ１３において検出されるｚ方向の変位をゼロとして初期化する。尚、反射変位センサ１３は、ステージ３の筐体２内への挿入が終了するまでステージ３へ向かって検出光を照射する。
【００２４】
挿脱指示ボタン２ｂを操作した直後、ステージ３は筐体２内へ入り始める。しかし、反射変位センサ１３は、この時点においてステージ３の上面からの反射光を受光しているため、検出される変位はゼロのままである（図３（ａ）を参照）。
【００２５】
ステージ３が筐体２内へ挿入され、スライドガラス４ａが反射変位センサ１３の真下を通過するとき、反射変位センサ１３から照射された検出光は、スライドガラス４ａの上面で反射される。このため、反射変位センサ１３では、スライドガラス４ａの上面による反射光が受光される。したがって、このとき反射変位センサ１３では、ステージ３の上面からスライドガラス４ａの上面までのｚ方向における間隔を示す変位Ｄ１が検出される（図３（ｂ）を参照）。すなわちこの変位Ｄ１は、標本４における最もステージ３側の位置（標本４の下面）を示し、上記オートフォーカス動作においてレンズ光学系の焦点位置を走査する際の走査開始位置となる。
【００２６】
ステージ３が筐体２内へさらに挿入され、カバーガラス４ｂが反射変位センサ１３の真下を通過するとき、反射変位センサ１３から照射された検出光は、カバーガラス４ｂの上面で反射される。このため、反射変位センサ１３では、カバーガラス４ｂの上面による反射光が受光される。したがって、このとき反射変位センサ１３では、スライドガラス４ａの上面からカバーガラス４ｂの上面までのｚ方向における間隔を示す変位Ｄ２が検出される（図３（ｃ）を参照）。すなわちこの変位Ｄ２は、標本４における上述した最もステージ３側の位置に対して反対側の位置（標本４の上面）を示し、上記オートフォーカス動作においてレンズ光学系の焦点位置を走査する際の走査終了位置となる。尚、上記説明のように本実施の形態では、標本４の上面としてカバーガラス４ｂの上面を検出している。
【００２７】
以上の処理により、標本４における最もステージ３側の位置（Ｄ１）と、反対側の位置（Ｄ２）とが検出される。
反射変位センサ制御回路１７は、反射変位センサ１３によって検出された変位Ｄ１，Ｄ２をコントローラ１５へ出力する。そしてコントローラ１５は、ステージ３の挿入動作終了時に、変位Ｄ１，Ｄ２をメモリ１８へ保存する。
【００２８】
そして、顕微鏡使用者からの指示により、コントローラ１５は、レンズ光学系の焦点位置を走査開始位置に配置するための対物レンズ６のｚ方向位置を求める。このｚ方向位置は、レンズ光学系の焦点位置がステージ３の上面に位置するときの対物レンズ６のｚ方向位置に、メモリ１８に保存されている変位Ｄ１を加算することによって求められる。
対物レンズ制御回路１６は、求めたｚ方向位置まで対物レンズ６を移動させることによって、レンズ光学系の焦点位置を走査開始位置に配置する。
本実施の形態では、以上によってオートフォーカス動作の前処理が終了し、これに続いて上述のオートフォーカス動作が行われる。
【００２９】
ここで、オートフォーカス動作についてさらに説明する。
顕微鏡１において、レンズ光学系の焦点位置の走査は、走査開始位置すなわちスライドガラス４ａの上面から＋ｚ方向へ向かって行われる。ここで、検出したいフォーカスポイントは、ふつう標本４内に位置する。このため、このレンズ光学系の焦点位置の走査は、フォーカスポイントの近傍から、確実に該フォーカスポイントの存在する方向へ向かって行われていると言うことができる。
【００３０】
そして、レンズ光学系の焦点位置の走査は、該焦点位置が上述の走査終了位置すなわちカバーガラス４ｂの上面に到達するまで行われる。これにより、レンズ光学系の焦点位置の走査を、フォーカスポイントが確実に存在する範囲であって、かつフォーカスポイントの近傍範囲に制限することができる。尚、走査終了位置における対物レンズ６のｚ方向位置は、走査開始位置における対物レンズ６のｚ方向位置に、メモリ１８に保存されている変位Ｄ２を加算することによって求められる。
【００３１】
尚、本実施の形態では、レンズ光学系の焦点位置の走査終了後、コントラストが最大となる焦点位置すなわちフォーカスポイントが検出されなかった場合、走査を行った箇所には標本４がなかったと判断することができる。
また、本実施の形態では、上述のように走査終了位置としてカバーガラス４ｂの上面を検出する構成である。しかしこれに限られず、カバーガラス４ｂのｚ方向の厚さが予め分かっている場合、変位Ｄ２からこの厚さ分を差し引いた位置を走査終了位置として走査を行う構成とすることもできる。
また、本実施の形態では、スライドガラス４ａの上面からカバーガラス４ｂの上面までを走査しているが、走査する範囲はこれに限られずもっと広い範囲を走査しても構わない。例えば、ステージ３の上面から、カバーガラス４ｂの上面まで走査しても良い。
【００３２】
また、本実施の形態では、対物レンズ６の先端からステージ３の上面までの間隔が、変位Ｄ１と変位Ｄ２とを足し合わせた間隔を下回ると、対物レンズ６によって標本４を破損してしまう危険がある。このため、この変位Ｄ１と変位Ｄ２とを足し合わせた間隔を、手動によるフォーカス動作の−ｚ方向の限界値として利用し、標本４の破損を防止する構成とすることができる。さらにオートフォーカス時に、変位Ｄ１と変位Ｄ２を足し合わせた範囲が、対物レンズ６のワーキングディスタンスよりも大きい場合にも同様に標本４の破損を防止することができる。
また、本実施の形態では、上述の変位Ｄ１と変位Ｄ２とを足し合わせた間隔がゼロである場合には、標本４がステージ３上に載置されていないと判断することができる。このため、斯かる判断がされた場合、光源５の照明をオフにするなどの構成とすることにより、消費電力の軽減を図ることもできる。
尚、本実施の形態では標本像のコントラストから焦点位置を検出しているが、焦点位置の検出方法はこれに限られず、光を標本に照射しその反射光の位置から焦点位置を検出する方法や、標本からの光の強度が最大になる位置から焦点位置を検出する方法などを使用しても構わない。
【００３３】
以上、本実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡１は、走査開始位置として標本４における最もステージ３側位置（スライドガラス４ａの上面）を検出することによって、上述のようにレンズ光学系の焦点位置の走査を標本４に対する合焦位置が確実に存在する方向に向かって行うことができる。これにより、オートフォーカス動作に要する時間を短縮することができる。
また、本実施の形態では、走査終了位置として標本４における最もステージ３側位置の反対側位置（スライドガラス４ａの上面）を検出することによって、上述のようにレンズ光学系の焦点位置の走査を標本４に対する合焦位置が確実に存在する走査範囲内で行うことができる。これにより、オートフォーカス動作に要する時間をさらに短縮することができる。
また、本実施の形態では、走査開始位置が標本４における最もステージ３側位置であるため、カバーガラス４ｂ上にゴミなどが付着している場合であっても標本４に対して正確に合焦を行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、オートフォーカス動作に要する時間の短縮化を図ったオートフォーカス機構、および該機構を備えた顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡の外観を示す部分透視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡と該顕微鏡の制御系とを示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るオートフォーカス機構を適用した顕微鏡におけるオートフォーカス動作の前処理を説明する図である。
【符号の説明】
１ 顕微鏡
２ 筐体
３ ステージ
４ 標本
６ 対物レンズ
９ ＣＣＤカメラ
１３ 反射変位センサ

Claims (7)

1. 光学系の焦点位置を光軸方向に走査して標本への合焦を行うオートフォーカス機構において、
   前記標本の存在する前記光軸方向の範囲を検出する検出手段を有し、
   前記検出手段で検出した前記標本の存在する範囲に基づいて前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とするオートフォーカス機構。
2. 前記オートフォーカス機構は、前記光軸の複数の位置で前記標本の画像を取得し、前記標本の画像のコントラストに基づいて前記標本の合焦を行うことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス機構。
3. 前記標本の存在する範囲で前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオートフォーカス機構。
4. 前記標本は、ガラス基板に保持され、
   前記検出手段は、前記標本および前記ガラス基板の存在する光軸方向の範囲を検出し、
   前記検出手段で検出した前記標本および前記ガラス基板の存在する範囲で前記光学系の焦点位置を光軸方向に走査することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオートフォーカス機構。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオートフォーカス機構を備えたことを特徴とする顕微鏡。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオートフォーカス機構を備え、当該オートフォーカス機構とともに不透明な筐体内に配設されていることを特徴とする顕微鏡。
7. 前記標本はステージに載置され、
   前記ステージは前記筐体外で標本を載置して前記筐体内に移動し、
   前記検出手段は前記標本が前記筐体外から前記筐体内に移動する際に、前記標本の存在する光軸方向の範囲を検出することを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡。

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