JP2005114859A

JP2005114859A - 顕微鏡

Info

Publication number: JP2005114859A
Application number: JP2003346203A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ogiwara; 康史荻原; Ryosuke Komatsu; 亮介小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28
Also published as: US20050105174A1

Abstract

【課題】従来の技術では観察中に対物レンズの倍率を変えたり、観察ポイントを変更した場合、焦点検出装置を再起動させるために、観察者が焦点検出動作開始を指令する必要があり、操作が煩雑であった。
【解決手段】請求項１に記載の顕微鏡は、標本を観察するための対物光学系と、前記対物光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置とを備えた顕微鏡において、倍率の異なる複数の前記対物光学系を備えた対物光学系切換え手段と、前記対物光学系切換え手段に前記対物光学系の切換えを指示する切換え指示手段と、前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

焦点検出装置を備えた顕微鏡に関するものである。

従来の顕微鏡システムは、電動レボルバ装置が装備された光学顕微鏡に、自動合焦装置であるＡＦユニット（焦点検出ユニット）が後付けされた顕微鏡システムを構成する（特許文献１）。
ＡＦユニットは、ＡＦ光学系、ＡＦの制御を行なうＡＦ制御部、自動焦準の為の電動焦準モータ、電動レボルバの各穴毎の対物レンズの有無設定やＡＦのＯＮ／ＯＦＦや対物レンズ切換え等を操作するハンドスイッチで構成される。
ＡＦボタンを押すことにより、ＡＦ制御の開始・停止動作が行なわれる。
従って、観察者は、標本の観察位置（観察ポイント）を変更すると、ＡＦボタンを押すことで標本に焦点を合わせることができる。
特開２００１−２１７９３号公報

従来の技術では観察中に対物レンズの倍率を変えたり、観察ポイントを変更した場合、焦点検出装置を再起動させるために、観察者が焦点検出動作開始を指令する必要があり、操作が煩雑であった。

請求項１に係る発明は、標本を観察するための対物光学系と、前記対物光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置とを備えた顕微鏡において、倍率の異なる複数の前記対物光学系を備えた対物光学系切換え手段と、前記対物光学系切換え手段に前記対物光学系の切換えを指示する切換え指示手段と、前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させる制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の顕微鏡において、前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を低倍率から高倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記焦点検出装置を起動させることを特徴とする。

請求項１に記載の顕微鏡において、前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を高倍率から低倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記焦点検出装置を不作動状態を維持することを特徴とする。

請求項２又は請求項３に記載の顕微鏡において、前記複数の対物光学系間における焦点ズレ量の同焦データを備える同焦データ記憶手段と、前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記対物光学系の前記同焦データに従い焦点位置の調整を行う調整手段とを備え、前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を低倍率から高倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記調整手段を作動させると共に、前記焦点検出装置を起動させることを特徴とする。

請求項２又は請求項３に記載の顕微鏡において、前記複数の対物光学系間における焦点ズレ量の同焦データを備える同焦データ記憶手段と、前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記対物光学系の前記同焦データに従い焦点位置の調整を行う調整手段とを備え、前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を高倍率から低倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記調整手段を作動させるが、前記焦点検出装置を不作動状態に維持することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、標本のマクロ画像を取得するマクロ画像取得手段と、対物光学系により前記標本の一部分のミクロ画像を取得するミクロ画像取得手段と、前記マクロ画像取得後に、前記マクロ画像を表示するマクロ画像表示手段と、前記マクロ画像表示手段に表示された前記マクロ画像表示画面上において前記ミクロ画像取得手段の取得する座標を指定する指定手段と、前記指定手段により指定された座標位置の前記標本の前記ミクロ画像を表示するミクロ画像表示手段と、前記指定手段により指定された座標に前記対物光学系の光軸を移動する制御手段と、前記ミクロ画像取得前に前記対物光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置とを備え、前記制御手段は、前記指定手段による指定信号に基づき、前記ミクロ画像取得手段を作動させ、前記ミクロ画像表示手段に前記ミクロ画像を一時的に表示させると共に、前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させた後、再度、前記ミクロ画像取得手段を作動させ、前記ミクロ画像表示手段に表示された前記ミクロ画像を更新することを特徴とする。

請求項６に記載の顕微鏡において、前記標本を含むプレパラートを載置するステージと、前記指定手段の指定信号に基づき、前記指定座標に向けて前記ステージをＸＹ平面方向に駆動するステージ駆動手段とを備え、前記制御手段は、前記ステージ駆動手段により前記ステージが前記指定座標に到達したことを検知し、その後に前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させることを特徴とする。

本件発明は、観察者が観察中にＡＦボタン（焦点検出起動ボタン）を操作することなく、自動的に再度、焦点位置の検出が起動されることで、観察中に対物光学系を異なる倍率に変更したり、また、標本の観察ポイントを変更した場合に焦点位置の補正が可能となり、煩わしいＡＦ操作なしにピントの合った画像を取得できる。

焦点検出装置を備えた顕微鏡10は、対物光学系（対物レンズ）14、電動ＸＹステージ20、電動フォーカス、ＣＣＤカメラ30を備えている。顕微鏡システムを図1に示す。
顕微鏡10の電動ＸＹステージ20の上に置かれたスライドガラス1上の標本は、対物レンズ14、鏡筒16、を経てＣＣＤカメラ30に内蔵されているＣＣＤ撮像面（不図示）に光学像として結像する。光学像はＣＣＤにより画像信号に変換されコントローラ50に送られてテレビモニタ60に映像として出力される。また、その画像信号は焦点検出の演算に使用される。

電動ＸＹステージ20は2つのステッピングモータ21,22を内蔵しておりスライドガラス1をＸＹ方向に移動することができる。顕微鏡本体11には電動ＸＹステージ20およびサブステージ23を上下に移動させるためのガイドおよびステッピングモータ（不図示）が内蔵されており、これらを上下動させることによりスライドガラス1上の標本にピントを合わせることができる。

テレビモニタ60上には電動ＸＹステージ20を操作するための４つのスイッチ62（ＸＹ方向に左右前後の移動スイッチ）、上下動を操作するためのスイッチ63（Ｚ軸方向の移動スイッチ）がＧＵＩで用意されており、コントローラ50につながれたマウス70を操作することにより動作させることができる。
テレビモニタ上には対物レンズ切換スイッチ61がＧＵＩで用意されており、マウス70で操作することにより異なる倍率の対物レンズ（低倍率から高倍率）を切り換えることができる。

コントローラ50は、標本がステージ20上に載置されると、まず標本を含むスライドガラス１の全体像（マクロ画像）を取得すべく、マクロ用の対物レンズ14が選択され、ＣＣＤカメラ30によりマクロ画像を取得する。マクロ画像取得後には、テレビモニタ60のマクロ画像表示領域66にマクロ画像が表示される。マクロ画像表示領域66には、十字マーク67が表示されており、十字マーク67の指定する標本の一部分がミクロ画像表示領域65に表示される。この十字マーク67はスイッチ62によって移動できる。またコントローラ50は、テレビモニタ60のマクロ画像領域66とミクロ画像領域65とステージ20との位置関係を定義しているので、テレビモニタ60のマクロ画像領域66の任意の点をマウスでクリックするとその点に十字マーク67が位置するようにステージ20をＸＹ移動させることもできる。

ミクロ画像表示領域65に表示されたミクロ画像は、マクロ画像取得後には自動的にミクロ用の対物レンズ14が選択されるので、そのミクロ用対物レンズ14及びＣＣＤカメラ30によって画像取得される。その後、ミクロ用対物レンズ14の倍率を切換える場合には、テレビモニタ60の対物レンズ切換スイッチ61によって切換えることが出来る。
電動レボルバ17にはモータ（不図示）が内蔵されている。電動レボルバ17は、レボ穴に設けられた複数の対物レンズ14（複数の異なる倍率を有する対物レンズ）を、コントローラ50からの切換え指示信号に基づき指定された倍率の対物レンズを観察光軸上に移動させる。コントローラ50には、隣接する対物レンズ14間に生じる焦点位置の焦点ズレのデータすなわち同焦データが同焦データメモリ部（同焦データ記憶手段）に記憶されている。従って、対物レンズ14が電動レボルバ17により切換えられるとき、観察光軸に位置する対物レンズ14の同焦データに基づき、サブステージ23がＺ軸方向の移動され、補正が自動的に行われる（すなわち、同焦データ補正動作）。

画像方式のＡＦでは、観察者がＡＦ起動の指令を行うことにより、ＣＣＤカメラ30の画像信号に基づいてＡＦ動作完了までの一連の動作が始まる。テレビモニタ上60のＡＦスイッチ64をマウス70でクリックすると、ステージ20およびサブステージ23を上下に動かすためのステッピングモータが作動し、予め設定されたＺ座標の範囲をサーチする。それと同時にコントローラ50内部の焦点検出装置（焦点検出用ソフトを含む）ではカメラ30から入力された画像信号（デジタル画像情報）をもとにＺ座標毎にコントラストを算出する。
縦軸をコントラスト、横軸をＺ座標としてグラフを描くと図2のような山型のプロファイルが得られる。山のピークがコントラストの最大値となり、このＺ座標が対物レンズ14の焦点位置（合焦位置）である。こうして得られた合焦位置にステージを移動させて合焦完了となる。

（第１実施形態）
図３は、コントローラ50の焦点検出装置による焦点検出（ＡＦ）動作シーケンスについてのフローチャートである。本フローチャートによれば「ＡＦボタン64をクリックする」という方法に加えて以下の顕微鏡の変更動作によって焦点検出装置を起動できる。

《対物レンズの切換え動作によるＡＦ動作起動シーケンスの説明》
観察者が、電動レボルバ17を操作して、対物レンズ14を低倍率から高倍率に切り換える動作をすると、コントローラ50内の焦点検出装置のＡＦ動作を起動する。この動作について図３を用いて説明する。
ステップ１：ＡＦボタン64がオンされおらず、ＡＦ検出動作開始信号が出力されていないことを検知する。
ステップ２：ステージ20の移動指令が出力されていないことを検知する。
ステップ３：観察者が対物切換ボタン61をクリックすると、対物レンズ14が電動レボルバ17により駆動されて切換わる。次に対物レンズ14の倍率が「低倍→高倍」又は「高倍→低倍」に切換わったのかを判断し、「低倍→高倍」に切り換わったことを検知する。
ステップ４：電動レボルバ17により対物レンズ14が指定された高倍率に切り換わる。
ステップ５：対物レンズ14の切換え後に、観察光軸上に来た対物レンズの同焦データに基づき、上述した同焦データ補正動作が行われる。
ステップ９：焦点検出動作シーケンスを起動する。

上記シーケンスでは、ミクロ用対物レンズ１4が低倍から高倍に切り換わったときのみ、同焦データの補正に加え、ＡＦ動作を再起動している。しかし、ミクロ用対物レンズ１4が高倍から低倍に切り換わったときは、同焦データの補正を行うが、ＡＦ動作は行わない。その理由は、ミクロ用対物レンズを低倍から高倍に変更するとピントズレが生じやすく、その逆では生じにくい。図5に対物レンズの焦点深度を示す。低倍対物レンズの焦点深度ａは高倍対物レンズの焦点深度ｂに比べて大きい。低倍観察時にＺ₁の位置であれば高倍に切り換えた場合でも焦点深度ｂの中に入っているが、Ｚ₂の位置であった場合には高倍に切り換えると焦点深度ｂから外れてしまい、ピントがずれてしまう。高倍観察時はｂの範囲内に位置しているはずであるから、低倍に切り換えた場合でも必ずａの範囲に入っているため、ピントはずれない。そのため低倍から高倍への切換え時のみＡＦを起動している。

《観察ポイント変更（ステージ移動）によるＡＦ動作起動シーケンスの説明》
観察者がテレビモニタ60のマクロ画像領域66上において、十字マーク67によって所望する観察ポイントを選択すると、コントローラ50はその観察ポイントのミクロ画像を取得すべく、ミクロ用対物レンズ14が選択されると共にステージ20が電動駆動される。その後ＡＦが起動する。
ステップ２：コントローラ50は、十字マーク67の座標を読み取り、ステージ20に移動指令を出力する。
ステップ６：移動指令に基づき、ステージ20を駆動する。
ステップ７：十字マーク67により指定された観察ポイントにステージ20が移動されたことを検知し（例えば、ＸＹ座標を検知するエンコーダがステージ20に配置され、移動量をモニターする）、ステージ20を停止する。
ステップ８：ステージ20の停止が検知されると、ＣＣＤカメラ30によって観察ポイントの標本のミクロ画像が取得される。
ステップ９：焦点検出動作シーケンスを起動する。

《焦点検出シーケンス及びミクロ画像の更新の説明》
ステップ１０：ＡＦが起動すると、その時点におけるＺ座標を記憶する。
ステップ１１：Ｚ座標を記憶した後、予め設定されたＺ座標の所定範囲のサーチを開始する。
ステップ１２：それと同時にコントローラ50内部の焦点検出装置ではＣＣＤカメラ30から入力された画像情報をもとにＺ座標毎にコントラストを算出する。
縦軸をコントラスト、横軸をＺ座標としたプロファイルを作成する。
ステップ１３：焦点検出装置では適正なプロファイルであるかどうかを判断し、適正であればプロファイルをもとにコントラストのピークのＺ座標すなわち合焦位置を算出し、合焦位置にステージを移動してＡＦ動作完了となる。
ステップ１６：ＡＦ動作完了となると、ＣＣＤカメラ３０によりミクロ画像が取得される。
ステップ１７：取得されたミクロ画像がミクロ画像領域65に表示される。
ステップ１４、１５、１８：適正なプロファイルが採れなかった場合はエラー表示を示し、ステージＺ座標をはじめに記憶した位置にもどして終了となる。

（第2実施形態）
第２実施形態は、第1実施形態と基本的には同じであり、顕微鏡の形態が異なるだけである。従って、異なる符合の構成だけを以下に説明する。
図4は、第2実施形態における顕微鏡システムの全体図を示す。図４の顕微鏡システムは、光源12、コンデンサレンズ13、対物レンズ14、第2対物レンズ15、電動ＸＹステージ20、電動フォーカス（不指示）、撮像素子31（図1のＣＣＤカメラ３０と同機能）、コントローラ（不指示）等が一体となってハウジング40に収められている。
顕微鏡の外観以外は全て図1と同じである。テレビモニタ60上にはミクロ用対物レンズ１4による拡大像、いわゆるミクロ像がリアルタイムでミクロ画像領域65に表示されており、その他にプラパラート１のほぼ全域を表すマクロ像がマクロ画像表示領域66に表示されている。

マクロ画像は予め低倍の対物レンズ14、第2対物レンズ15を使ってプレパラート１の各部位を取得した画像を貼りあわせて一つの画像として構築したものである。テレビモニタ60上のマクロ画像とステージ位置との位置関係が定義されており、マクロ画像上で任意の位置を十字マーク67で指定すると、その点がミクロ画像の中心になるようにステージをＸＹ方向に移動することができる（既に説明した通り）。

ＡＦを動作させるシーケンスについては図3のフローチャートと同様である。
いずれの実施形態においてもマウスボタン70のクリックによって各種の指令がされるようになっているが、一般に市販されているマウスは左右2つのボタン71,72があるので、ステージ移動、対物切換ともに、右ボタン72でクリックしたときのみＡＦが起動するような割付けを行ってもよい。

なお実施形態においてステージのＸＹ方向の移動は画像上の点を指定することによりその点がモニタの中心になるように動作する方式や、モニタの画面上にＸＹの矢印を配置して、その矢印をマウスでクリックすることを移動指令とした例を紹介したが、ステージ移動手段は上記に限定されるものではない。ジョイスティックやトラックボールのついた操作パッドを用いてもよい。あるいは画像を表示するモニタ自身がタッチパネルになっているものを採用し、これに直接触れることによって動作指令としてもよい。
また、ここまでは一般的な顕微鏡に電動ステージ、電動フォーカス、カメラを取り付けた顕微鏡システムを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の第1実施形態における顕微鏡システムの構成を示す全体図である。図２は、Ｚ座標−コントラスト値のグラフ図である。図３は、第1実施形態に係るフローチャート図である。図４は、第2実施形態における顕微鏡システムの構成を示す全体図である。図５は、対物レンズの焦点深度を表す図である。

符号の説明

1 スライドガラス
10 顕微鏡
11 顕微鏡本体
12光源
13コンデンサ
14対物レンズ
15第2対物レンズ
16鏡筒
17電動レボルバ
20 電動ＸＹステージ
21、22 ステッピングモータ
23 サブステージ
30 カメラ
31 撮像素子
40 ハウジング
50 コントローラ
60 テレビモニタ
61 対物レンズ切換ボタン
62 ステージ移動ボタン
63 上下動ボタン
64 ＡＦボタン
70 マウス
71 左ボタン
72 右ボタン

Claims

標本を観察するための対物光学系と、
前記対物光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置とを備えた顕微鏡において、
倍率の異なる複数の前記対物光学系を備えた対物光学系切換え手段と、
前記対物光学系切換え手段に前記対物光学系の切換えを指示する切換え指示手段と、
前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させる制御手段とを備えたことを特徴とする顕微鏡。
請求項１に記載の顕微鏡において、
前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を低倍率から高倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記焦点検出装置を起動させることを特徴とする顕微鏡。
請求項１に記載の顕微鏡において、
前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を高倍率から低倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記焦点検出装置を不作動状態を維持することを特徴とする顕微鏡。
請求項２又は請求項３に記載の顕微鏡において、
前記複数の対物光学系間における焦点ズレ量の同焦データを備える同焦データ記憶手段と、
前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記対物光学系の前記同焦データに従い焦点位置の調整を行う調整手段とを備え、
前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を低倍率から高倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記調整手段を作動させると共に、前記焦点検出装置を起動させることを特徴とする顕微鏡。
請求項２又は請求項３に記載の顕微鏡において、
前記複数の対物光学系間における焦点ズレ量の同焦データを備える同焦データ記憶手段と、
前記切換え指示手段の切換え指示信号に基づき、前記対物光学系の前記同焦データに従い焦点位置の調整を行う調整手段とを備え、
前記制御手段は、前記切換え指示手段が前記対物光学系を高倍率から低倍率のものに切換え指示した場合には、前記指示信号に基づき、前記調整手段を作動させるが、前記焦点検出装置を不作動状態に維持することを特徴とする顕微鏡。
標本のマクロ画像を取得するマクロ画像取得手段と、
対物光学系により前記標本の一部分のミクロ画像を取得するミクロ画像取得手段と、
前記マクロ画像取得後に、前記マクロ画像を表示するマクロ画像表示手段と、
前記マクロ画像表示手段に表示された前記マクロ画像表示画面上において前記ミクロ画像取得手段の取得する座標を指定する指定手段と、
前記指定手段により指定された座標位置の前記標本の前記ミクロ画像を表示するミクロ画像表示手段と、
前記指定手段により指定された座標に前記対物光学系の光軸を移動する制御手段と、
前記ミクロ画像取得前に前記対物光学系の焦点位置を検出する焦点検出装置とを備え、
前記制御手段は、前記指定手段による指定信号に基づき、前記ミクロ画像取得手段を作動させ、前記ミクロ画像表示手段に前記ミクロ画像を一時的に表示させると共に、前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させた後、再度、前記ミクロ画像取得手段を作動させ、前記ミクロ画像表示手段に表示された前記ミクロ画像を更新することを特徴とする顕微鏡。
請求項６に記載の顕微鏡において、
前記標本を含むプレパラートを載置するステージと、
前記指定手段の指定信号に基づき、前記指定座標に向けて前記ステージをＸＹ平面方向に駆動するステージ駆動手段とを備え、
前記制御手段は、前記ステージ駆動手段により前記ステージが前記指定座標に到達したことを検知し、その後に前記焦点検出装置を不作動状態から作動状態に起動させることを特徴とする顕微鏡。