JP2007187809A - 自動焦点機構を備えた顕微鏡およびその調整方法 - Google Patents

自動焦点機構を備えた顕微鏡およびその調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 自動焦点機構の調整にかかる時間と労力を大幅に軽減する。
【解決手段】 照明光源9と、照明光源9から出射された第1の光を被検物体12上に集光する対物レンズ2と、被検物体12によって反射され、対物レンズ2を通過した第1の光を結像させる照明光源9と、対物レンズ2の焦点位置からのマイクロタイタープレート12の位置ずれを検出する焦点検出手段1Cとを具備し、焦点検出手段1Cが、第2の光として焦点検出光を出射する焦点検出用光源13と、該焦点検出光を集光させる焦点検出光取得手段18と、焦点検出光取得手段18によって取得される焦点検出光の合焦状態判定可能領域を、焦点検出光取得手段18の任意の位置に設定可能な領域設定手段19とを有する自動焦点機構を有する顕微鏡を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば、細胞スクリーニング装置に用いられる顕微鏡の焦点検出装置に関するもので、さらには、該焦点検出装置の調整方法に関するものである。
従来の技術として特許文献1には、被検物体上へ一定のパターンを投影し、かつ、このパターンを結像する光束が瞳位置近傍で光軸に対し非対称となるようにし、被検物体と対物レンズの間隔変動をパターン像の横ずれとして検出する、いわゆる横ずれ式と呼ばれる焦点検出方法を搭載した顕微鏡が紹介されている。
特開平10−133117号公報
特許文献1においては、焦点検出光を検出するのに2分割ディテクタを使用し、各々のセンサからの出力を差動検出器を通してその出力が0になったところを焦点位置と判断している。この状態を正しく検出するためには、2分割ディテクタの各々のセンサの分割線上に極小スポットの中心が正確に投影されていなくてはならない。そうでないと、各々のセンサの出力が均等にならないため、誤った位置を合焦点として判断してしまうことになる。そのため、この焦点検出機構を組み立てる際に発生する調整作業は、サブミリオーダーでセンサ位置を動かしながら各々のセンサ出力を確認して2分割ディテクタの位置合わせを行う必要がある。この作業には多大な労力と時間がかかり、製品コスト増大の原因になることがあった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、自動焦点機構の調整にかかる時間と労力を大幅に軽減することが可能な自動焦点機構を備えた顕微鏡およびその調整方法を提供することを目的とする。
上記の問題を解決するために、本発明では以下のような自動焦点機構を備えた顕微鏡とその調整方法を提供する。
本発明の自動焦点機構を備えた顕微鏡は、観察用光源と、前記観察用光源から出射された第1の光を被検物体上に集光する対物レンズと、前記被検物体によって反射され、前記対物レンズを通過した前記第1の光を結像させる観察光学系と、前記対物レンズの焦点位置からの前記被検物体の位置ずれを検出する焦点検出手段とを具備し、前記焦点検出手段は、第2の光として焦点検出光を出射する焦点検出用光源と、該焦点検出用光源から発せられ、前記対物レンズを介して前記被検物体上に集光され、該被検物体で反射されて、前記対物レンズを通過して戻る前記焦点検出光が集光される焦点検出光取得手段と、該焦点検出光取得手段によって取得される前記焦点検出光の合焦状態判定可能領域を、前記焦点検出光取得手段の任意の位置に設定可能な領域設定手段とを有する。
本発明によれば、焦点検出光の合焦状態を焦点検出光取得手段の任意の位置で判定することが可能となる。したがって、組み立ての際に多大な労力と時間をかけて極小スポットの位置調整を行っていた従来の2分割ディテクタと比較して、容易に調整を行うことができる。
より具体的には、調整の際に前記焦点検出光取得手段に集光する焦点検出光の位置を合焦状態判定可能領域として記憶しておき、自動焦点検出動作の際には、前記記憶した位置において焦点検出光の合焦状態を判定する。
また、前記領域設定手段は、調整の際に前記焦点検出光取得手段に集光する焦点検出光を中心として少なくとも2つのデータ領域に前記焦点検出光取得手段を分割し、自動焦点検出動作の際には該分割されたデータ領域に集光する焦点検出光の輝度に基づいて前記焦点検出光の合焦状態を判定するようにしてもよい。
対物レンズが合焦状態に位置決めした状態では、焦点検出用光源から出射した焦点検出光も被検物体に焦点が合っており、その反射光が焦点検出光取得手段に極小スポットとして集光する。領域設定手段は、このスポットを境界として前記焦点検出光取得手段のデータ領域を少なくとも2つの部分に分割する。該領域設定手段はこの分割されたデータ領域を記憶しておき、実際の使用時に該各データ領域内における前記焦点検出光の輝度値の変化に基づいて前記対物レンズの合焦状態が判定される。
前記焦点検出光取得手段はエリアセンサとすることができる。また、前記被検物体はマイクロタイタープレートとすることができる。
また、本発明は、上記顕微鏡の調整方法において、前記被検物体を対物レンズの焦点位置に位置決めし、次いで前記焦点検出光取得手段のデータ領域を、前記焦点検出光取得手段上に集光した焦点検出光を中心として少なくとも2つの部分に分割し、以後の自動焦点検出動作の際には前記分割された各データ領域内における前記焦点検出光の輝度値に基づいて前記対物レンズの合焦状態を判定し、該判定結果に基づいて前記対物レンズを合焦位置に移動させる自動焦点機構を備えた顕微鏡の調整方法を提供する。
自動焦点機構の調整時には、まずユーザが目視によって対物レンズを合焦状態に位置決めする。この状態では焦点検出用光源から出射した焦点検出光も被検物体に焦点が合っており、その反射光が焦点検出光取得手段に極小スポットとして集光する。このスポットを境界として前記焦点検出光取得手段のデータ領域を少なくとも2つの部分に分割する。この分割されたデータ領域を記憶しておくことで、実際の使用時に該各データ領域内における前記焦点検出光の輝度値に基づいて前記対物レンズの合焦状態を判定することが可能となる。
本発明によれば、焦点検出光取得手段の焦点検出光検出領域を任意に設定できる領域設定手段により、焦点検出光取得手段の位置決め調整を容易に行うことができ、調整にかかる時間と労力を大幅に軽減することができる。
<第1の実施形態>
以下、図を用いて本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡について、図1〜図5を参照して説明する。
図1は、本実施の形態の倒立型顕微鏡システム(自動焦点機構を備えた顕微鏡)を表す図である。符号1は倒立型顕微鏡本体である。図1の倒立顕微鏡本体1の光学系は、観察光学系1Aと、照明光学系1Bと、オートフォーカス光学系(焦点検出手段)1Cとから構成されている。
観察光学系1Aは、対物レンズ2と、反射ミラー3と、中間光学系4,5とを備え、さらに中間光学系4,5の先には接眼レンズを含む不図示の結像光学系が設けられている。対物レンズ2と反射ミラー3との間には平行光路が形成されており、この平行光路にはダイクロイックミラー6とハーフミラー7とが該光路の光軸に対して45°の角度で設置されている。
照明光学系1Bは、可視光線(第1の光)を出射する、例えば、メタルハライドランプである照明光源(観察用光源)9とコリメートレンズ10とを有している。照明光束は、ハーフミラー7によって反射され、対物レンズ2と反射ミラー3の間の平行光路に導かれる。そして、XY電動ステージ11上のマイクロタイタープレート(被検物体)12内部に設置されたサンプル(例えば、細胞)を照射するようになっている。
オートフォーカス光学系1Cは、焦点検出光として785nmの赤外光を出射するレーザーダイオード(焦点検出用光源)13、コリメータレンズ14、遮光板15、ハーフミラー16、集光レンズ17、アレイ状検出器(焦点検出光取得手段)18、および焦点検出演算部(領域設定手段)19を有する。なお、本実施形態におけるアレイ状検出部18は赤外光領域に感度を持つCCDエリアセンサであり、有効画素数が約150万画素で、1ピクセルの大きさが4.65μm×4.65μmの正方形である。以後、アレイ状検出器18はCCD18と称する。
顕微鏡1には、接続コネクタ25を介してコントロールボックス24およびコンピュータ20が接続されており、オペレータがコンピュータ20、モニター21、キーボード22,およびマウス23を操作することで顕微鏡1が制御される。コンピュータ20とコントロールボックス24はRS−232Cで接続されており、コンピュータ20からのコマンドを受けて顕微鏡1の対物レンズ2,照明光源9,XYステージ11、焦点検出演算部19を駆動させると同時に、各ユニットの動作状況を把握してコンピュータ20に送信する役割を担っている。
焦点検出演算部19は、図2に示すような構造になっている。TG191はタイミングジェネレーターで、CCD18を駆動するための駆動パルスをCCD18に出力するようになっている。CCD18から出力された各ピクセルの出力信号は、バッファアンプ192を通りサンプルホールド回路193でサンプリングされるようになっている。
このサンプルホールド回路193のサンプルホールドに必要な信号は、TG191から与えられている。サンプルホールドされたCCD18の出力信号はA/D変換器194でデジタルデータに変換される。A/D変換器194のデジタルデータ変換にはTG191からの変換クロック信号が用いられている。
A/D変換器194から出力されたデジタルデータはCCD18の全画素分のデジタルデータを格納することができる容量を有するRAM196に転送される。RAM196はメモリコントローラ195によって書き込みタイミングと書き込みアドレスが指示される。メモリコントローラ195はFPGA197から動作制御信号を受け、それに基づき動作する。FPGA197は、TG191にCCD18の駆動信号の出力指示をし、メモリコントローラ195に動作指示を与え、RAM196に書き込まれているCCD18面の受光データを解析演算し、合焦状態かどうかの判断を行う。
そして、対物レンズ2を上下に動作させるために、I/F190を通してコントロールボックス24に指示を出す。また、FPGA197はレーザーダイオード13をON/OFFする制御をLDドライバー199を通じて行う。ROM198には後ほど詳細を述べる合焦解析演算を行うため、CCD18面上の演算領域を示すアドレスが書き込まれている。FPGA197は、ROM198のデータを読み出し、そのデータを元にRAM196に書き込まれているCCD18面上のデータを解析演算する。
以上のように構成される本実施の形態の顕微鏡について、その具体的動作の詳細を説明する。以下、
(1)自動焦点検出動作を行うことができるようにするための調整作業、および、
(2)調整が行われた顕微鏡を用いて被検物体を観察する際に自動焦点検出を行う動作
について説明する。
(1)自動焦点検出動作を行うことができるようにするための調整作業
まず、本実施の形態で用いられている顕微鏡1のCCD18で自動焦点検出動作ができるようにするための調整方法について説明する。
調整者は、顕微鏡1、コントロールボックス24,コンピュータ20,およびモニター21の電源を入れ、システムを起動するとともに、調整プログラムをコンピュータ20上で起動する。次に、XYステージ11にマイクロタイタープレート12を設置し、コンピュータ20を操作してXYステージ11を動作させ、マイクロタイタープレート12の所望のウエルを対物レンズ2の視野に入れる。マイクロタイタープレート12の光学像は、接眼レンズもしくはカメラポートに設置されているCCDカメラで観察することができ、現在の焦点状態を目視で確認することができる。
調整者はコンピュータ20を操作してレーザーダイオード13および焦点検出演算部19をONにする。これによりレーザーダイオード13から赤外光が出射され、マイクロタイタープレート12で反射してハーフミラー16,集光レンズ17を通してCCD18上に集光される。CCD18の撮像エリアはモニター21の画面上に表示されるため、CCD18上における赤外光の状態を確認することができる。
次に、調整者はコンピュータ20を操作して対物レンズ2を上下(Z方向)に動作させ、接眼レンズ、もしくはCCD18により取得された画像を確認しながらマイクロタイタープレート12の底面の対物レンズ2側の面に焦点を合わせる。このとき、レーザーダイオード13から出射された赤外光も対物レンズ2によってマイクロタイタープレート12の底面の対物レンズ2側の面に焦点が合っており、その反射光がダイクロイックミラー6で反射されハーフミラー16,集光レンズ17を通してCCD18上に極小スポットとして集光される。
その様子を図3の(a)に示す。モニター21上にも同様の画像が表示される。合焦状態の極小スポットがCCD18面上の中心よりやや左に寄った場所に集光している。次に調整者はコンピュータ20から分割線検出指示を出す。すると、焦点検出演算部19のFPGA197はCCD18面上のどこにスポットが存在するかをRAM196に書き込まれているデータから解析演算処理する。スポットがFPGA197によって認識されると、FPGA197は図3の(b)に示されるようにスポットを矩形で囲み、さらにその矩形の中心を求めCCD18面上の縦方向、横方向分割線を算出し、その線のCCD18面上のピクセルアドレスをROM198に記録する。
この処理により、図3の(c),(d)に示すように、CCD18上の領域は、領域Aと領域Bとに分割される。なお、これら一連の処理は、モニター21上でGUIにて表示される。
また、図4の(a),(b)に示すように、マイクロタイタープレート12の底面が焦点位置より遠くにある場合はCCD18面上には(a)のように赤外光が照射され、マイクロタイタープレート12の底面が焦点位置より近くにある場合はCCD18面上には(b)のように赤外光が照射される。
このようにしてCCD18面上の縦方向横方向の分割線を算出し、以後の自動焦点検出のためにROM198にその値を書き込むが、縦方向横方向分割線がCCD18面上の周縁部に近づきすぎると焦点位置が遠く離れた状態でのCCD18面上の赤外光がCCD18面外に出てしまい、正しい焦点検出演算が行われない可能性が出てくる。
したがって、調整プログラムは図5に示すように縦方向分割線pおよび横方向分割線qが予め設定された領域rよりも外に出てしまった場合は、モニター21にCCD18の機械的な配置が正しくない旨メッセージを表示し、調整者にCCD18の設置をやり直させる。この場合、CCD18の設置がミリ単位でずれている可能性が大きいので、CCD18を固定する部材の加工不良や締付がきちんと行われていなかった可能性がある。正しい部材で正しく設置すればこのようなことが発生することはない。
以上の一連の操作により、調整作業は終了となるので調整者はコンピュータ20の調整プログラムを終了して作業を終了する。
(2)調整が行われた顕微鏡を用いて被検物体を観察する際に自動焦点検出を行う動作
続いてこのようにして調整された顕微鏡の自動焦点検出動作について説明する。作業者は顕微鏡1、コントロールボックス24,コンピュータ20、モニター21の電源を入れ、コンピュータ20で顕微鏡1の制御プログラムを起動する。
続いて、作業者はXYステージ11上にマイクロタイタープレート12をセットする。そして、対物レンズ2上のマイクロタイタープレート12の所望のウエルを移動させる。続いて作業者はコンピュータ20からオートフォーカス開始を指示する。コントロールボックス24は顕微鏡1の各ユニットに対して動作開始指示を出す。
焦点検出演算部19はレーザーダイオード13のパワーを制御し、FPGA197の指示によりTG191が起動してCCD18を駆動する。CCD18から出力された信号はRAM196に書き込まれ、FPGA197は前述の調整作業によって決定された縦方向分割線pを元に、RAM196のデータ領域を図3(c),(d)および図4の(a),(b)のようにAB2つの領域に分け、各々の領域内で規定の値以上の輝度値を持つピクセルの個数を計算しA−Bの計算をする。
本実施の形態の場合、A/D変換器194は12ビットのものであり、規定の輝度値は100とした。この計算を後ピン〜合焦〜前ピン状態にわたって行うと、図9のようなグラフが形成される。FPGA197は上記の計算値から現在のフォーカス状態を判断してI/F190を通してコントロールボックス24に対物レンズ2の動作を指示する。コントロールボックス24はモータードライバ(図示略)を操作して対物レンズ2のモータを動作させる。そして、領域A,Bの演算結果が0になったところで対物レンズ2の動作を止めるようにI/F190を通してコントロールボックス24に指示を出す。このようにしてオートフォーカス動作が行われる。
以上のように、調整時においてCCD18のデータ領域を極小スポットの位置で分割しておき、自動焦点検出動作時において、分割された各データ領域における焦点検出光の輝度に基づいて合焦状態を判定する。すなわち、CCD18面上の任意の位置で焦点検出光の合焦状態判定が可能となるため、組み立ての際にCCD18を極めて正確に位置決めしておく必要がなく、適宜調整を行うことで自動焦点検出を実現することができる。
<第2の実施形態>
以下、本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡について説明する。なお、上記第1の実施形態と同じ構成については、同じ符号を付与し、説明を割愛する。
図6に示されるように、本実施形態に係る顕微鏡1は、対物レンズセンサ26を備え、現在何倍の対物レンズ2が装着されているかを認識するようになっている。この対物レンズセンサ26からは、4ビットの信号が出力され、焦点検出演算部19Aおよびコントロールボックス24にその信号が伝送されている。符号27は対物レンズ電動切替機構であり、コンピュータ20から指示入力されるとコントロールボックス24による制御によって対物レンズ2を切り替えるようになっている。
焦点検出演算部19Aは、図7に示すような構造になっている。本実施形態の焦点検出演算部19Aは、FPGA197に対物レンズセンサ26のデータを読み込むI/F190Bを備えている。
図6において、調整者は、顕微鏡1、コントロールボックス24、コンピュータ20、およびモニター21の電源を入れ、システムを起動すると共に、調整プログラムをコンピュータ20上で起動する。次にXYステージ11にマイクロタイタープレート12を設置し、コンピュータ20を操作してXYステージ11を動作させ、マイクロタイタープレート12の所望のウエルを対物レンズ2の視野に入れる。マイクロタイタープレート12の光学像は、接眼レンズもしくはカメラポートに接続されているCCDカメラで観察することができるので、現在の焦点状態を目視で確認することができる。
次に、本実施形態における顕微鏡1について、自動焦点検出動作を行うことができるようにするための調整作業について説明する。なお、調整が行われた顕微鏡を用いて被検物体を観察する際に自動焦点検出を行う動作については第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
まず、調整者はコンピュータ20を操作してレーザーダイオード13および焦点検出演算部19AをONにする。これによりレーザーダイオード13から赤外光が出射され、マイクロタイタープレート12で反射してハーフミラー16,集光レンズ17を通してCCD18上に集光される。CCD18の撮像エリアはモニター21の画面上に表示されるため、CCD18上における赤外光の状態を確認することができる。
次に、調整者はコンピュータ20を操作して所望の対物レンズ2を対物レンズ電動切替機構27により光路に入れ、対物レンズ2を上下に動作させ、接眼レンズ、もしくは不図示のCCDカメラの画像を確認しながらマイクロタイタープレート12の底面、すなわちマイクロタイタープレート底面の対物レンズ2側の面に焦点を合わせる。このとき、レーザーダイオード13から出射された赤外光も対物レンズ2によってマイクロタイタープレート底面の対物レンズ2側の面に焦点があっており、その反射光がダイクロイックミラー6で反射されハーフミラー16,集光レンズ17を通してCCD18上に極小スポットとして集光される。
その様子を図8(a)に示す。次に調整者はコンピュータ20から分割線検出指示を出す。すると、焦点検出演算部19AのFPGA197はCCD18面上のどこにスポットが存在するかを、RAM196に書き込まれているデータから解析演算処理する。スポットがFPGA197によって認識されると、FPGA197は図8(b)に示されているようにスポットを矩形で囲み、さらにその矩形の中心を求めCCD18面上の縦方向、横方向分割線を算出する。
この線のCCD18面上のピクセルアドレスを、I/F190Bから読み込んだ対物レンズセンサ26のデータとともにROM198に記録する。調整者はこの作業を全ての対物レンズに対して行い、対物レンズ毎にCCD18面上のピクセルアドレスをROM198に記録する。以上の一連の操作により、調整作業は終了となるので調整者はコンピュータ20の調整プログラムを終了して作業を終了する。
以上のような構成にすることにより、第1実施形態の効果に加え、対物レンズの倍率に応じて発生する収差の違いによる赤外光スポットのCCD18面上の結像位置ずれを容易に調整することができ、良好なオートフォーカス動作を行うことができるという効果がある。
本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡を示す構成図である。 図1の顕微鏡の焦点検出演算部を示すブロック図である。 CCD上に集光された極小スポットを示した図である。 CCD上に集光された極小スポットを示した図であり、マイクロタイタープレートが対物レンズの焦点位置からずれている場合の図である。 CCD上に集光された極小スポットを示した図であり、極小スポットが位置すべき領域について示した図である。 本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡を示す構成図である。 図6の顕微鏡の焦点検出演算部を示すブロック図である。 CCD上に集光された極小スポットを示した図である。 フォーカス状態を示すCCDの信号強度を示すグラフである。
符号の説明
1A 観察光学系
1C 焦点検出手段(オートフォーカス光学系)
2 対物レンズ
9 照明光源(観察用光源)
12 マイクロタイタープレート(被検物体)
13 レーザーダイオード(焦点検出用光源)
18 焦点検出光取得手段(アレイ状検出器、CCD)
19,19A 焦点検出演算部(領域設定手段)

Claims (5)

  1. 観察用光源と、
    該観察用光源から出射された第1の光を被検物体上に集光する対物レンズと、
    前記被検物体によって反射され、前記対物レンズを通過した前記第1の光を結像させる観察光学系と、
    前記対物レンズの焦点位置からの前記被検物体の位置ずれを検出する焦点検出手段とを備え、
    前記焦点検出手段が、第2の光として焦点検出光を出射する焦点検出用光源と、該焦点検出用光源から発せられ、前記対物レンズを介して前記被検物体上に集光され、該被検物体で反射されて、前記対物レンズを通過して戻る前記焦点検出光が集光される焦点検出光取得手段と、該焦点検出光取得手段によって取得される前記焦点検出光の合焦状態判定可能領域を前記焦点検出光取得手段の任意の位置に設定可能な領域設定手段とを有する自動焦点機構を備えた顕微鏡。
  2. 前記領域設定手段が、調整の際に、前記焦点検出光取得手段に集光する焦点検出光を中心として少なくとも2つのデータ領域に前記焦点検出光取得手段を分割し、自動焦点検出動作の際に、該分割されたデータ領域に集光する焦点検出光の輝度に基づいて前記焦点検出光の合焦状態を判定する請求項1に記載の自動焦点機構を備えた顕微鏡。
  3. 前記焦点検出光取得手段がエリアセンサである請求項1または請求項2に記載の自動焦点機構を備えた顕微鏡。
  4. 前記被検物体がマイクロタイタープレートである請求項1から請求項3のいずれかに記載の自動焦点機構を備えた顕微鏡。
  5. 請求項1に記載の自動焦点機構を備えた顕微鏡の調整方法において、
    前記被検物体を対物レンズの焦点位置に位置決めし、次いで、前記焦点検出光取得手段のデータ領域を、前記焦点検出光取得手段上に集光した焦点検出光を中心として少なくとも2つの部分に分割し、以後の自動焦点検出動作の際には、分割された各データ領域内における前記焦点検出光の輝度値に基づいて前記対物レンズの合焦状態を判定し、該判定結果に基づいて前記対物レンズを合焦位置に移動させる自動焦点機構を備えた顕微鏡の調整方法。
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