JP2007323094A - オートフォーカス装置及び顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】第１対物レンズの焦点に、乾燥系あるいは液浸系の観察対象物（標本）の任意の位置合わせを可能とするオートフォーカス装置及びそれを用いる顕微鏡を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ光源２０からの照明光をスリット状にし、第１対物レンズ１２で集光結像し、ステージ１１上の標本１８に照射し、その反射像を第１対物レンズ１２を通してオートフォーカス用ＣＣＤ３０で結像し、第１対物レンズ１２の焦点に標本１８を位置決めするオートフォーカス装置において、ダイクロイックミラー１６と第１ハーフミラー２５の間に焦点位置調節レンズ８を配設し、この焦点位置調節レンズ８を光軸に沿って前後に移動することにより、前記スリット照明光の焦点位置を調節可能とし、それにより、第１対物レンズ１２の焦点に標本１８の任意の位置合わせを可能とする。更に、標本が液浸系、乾燥系の場合に応じた基準面を設定し、共に観察可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡のオートフォーカス装置及びそれを用いた顕微鏡に関する。

液体中の生物標本を光学顕微鏡（生物顕微鏡）で蛍光観察する場合、蛍光は退色が早く、蛍光像に焦点を合わせている間に像が消えてしまうため、高速で焦点合わせが可能なオートフォーカス装置が望まれていた。従来の光学顕微鏡では蛍光像のコントラストを検出し、そのコントラストが最大となる位置を見つけて焦点を合わせる画像コントラスト式のオートフォーカス装置が使われていたが、この方式では色の薄い標本等ではコントラストの抽出に時間がかかるため、焦点調節に時間がかかる等の問題がある。一方、焦点調節の時間の早いタイプとしては、スリット投影式のオートフォーカス装置が知られている。このスリット投影式のオートフォーカス装置は、工業用顕微鏡では一般的によく用いられているが、生物顕微鏡では実用化されていない（例えば、特許文献１参照）。

本発明者は、スリット投影式オートフォーカス装置を生物顕微鏡に適用すべく、種々の実験を行った。以下に説明する。スリット投影式オートフォーカス装置とは、スリット状の照明光を標本に照射し、その反射光を利用して対物レンズの焦点に標本を位置決めする装置であり、具体的には以下に示す方法で焦点合わせを行うものである。ＬＥＤ（発光ダイオード）等を補助光源としてして使用し、その光をスリットに通してスリット状の照明光を作り、そのスリット状の照明光を光軸から長手方向に延びる中心線に沿って二分し、一方を遮光し、残った他方の照明光を対物レンズを通して標本に集光照射する。標本に集光照射された照明光はカバーガラスやカバーガラスと標本の境界面で反射し、対物レンズを通ってＣＣＤセンサ等の光電変換器に結像されて検出され、その像から焦点情報（対物
レンズの合焦位置からの相対的距離）が計算される。この焦点情報から例えばステージを光軸方向位置へ移動する制御信号を出力して、その制御信号によりステージの位置を移動させて対物レンズと標本の距離を調節し、オートフォーカス制御を行う。この制御信号の例を図８のグラフＩに示す。ここでは対物レンズの合焦位置Ｊからの相対的距離とステージを駆動するＤＣモータへ印加する焦点検出信号Ｖ_Ｍの関係で表現されている。

スライドガラスとカバーガラスに挟まれた液体中の標本を観察するような場合には、液体中の任意の位置で上述したスリット状の照明光を反射させることは難しく、オートフォーカス装置によりカバーガラスと標本の境界面に焦点を合わせ、そこからステージの位置を調節することにより、ステージを移動させて標本の液体中の観察したい位置に焦点合わせを行っている。オートフォーカス制御を働かせたまま実際に見たい位置に対物レンズの焦点が合うように標本を移動するためには、ステージを駆動するＤＣモータへ印加する焦点検出信号Ｖ_ＭにＤＣ電圧Ｖ_Ｂを加えることにより、オートフォーカス制御により位置決めされるステージの位置を光軸に沿ってずらす方法がある。例えばカバーガラスと標本の境界面から標本内部に入った点Ｐに焦点を合わせる場合、図８のグラフＩＩに示すように
焦点検出信号Ｖ_Ｍがゼロになる点が点Ｐに合うようにＤＣ電圧Ｖ_Ｂを焦点検出信号Ｖ_Ｍに加えることによりステージの光軸方向の位置を制御可能である。しかし、この方法によると、ＤＣ電圧Ｖ_Ｂによりステージを移動可能な範囲は、焦点検出信号Ｖ_Ｍが存在する領域までであり、Ｖ_Ｂを加えた結果、図８のグラフＩＩＩの位置を超えるとオートフォーカス制御を行うことはできない。

特開２００１−２４２３７５号公報

本発明者の実験によれば、液体中の生物標本を観察する場合、カバーガラスと標本の境界面の反射率は、カバーガラスと標本が浸されている液体の屈折率が近いことから非常に小さく、そのため、スリット状の赤外光を照射して得られる反射光が非常に小さくなり、結果、焦点検出信号Ｖ_Ｍも非常に小さなものとなる。よって、ＤＣ電圧Ｖ_Ｂを加えることによって境界面に合わせた焦点位置を調節できる範囲（図８のＩからＩＩＩまでの範囲）は、実際の観察において必要とする調節範囲に比べ非常に小さいため、上記の方法で、オートフォーカス制御をかけながらステージを光軸に沿って上下に移動させ、標本を観察したい位置まで移動させることは不可能であることが判明した。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、フォーカス用照明光学系とフォーカス用結像光学系の共通光路上またはいずれか一方の光学系の光路上に焦点調節用のレンズを配設し、これによりオートフォーカス用照明光の結像位置を調節することにより、対物レンズの焦点に観察の対象物（標本）の任意の位置を合わせるオートフォーカス装置、およびそれを用いる顕微鏡を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係るオートフォーカス装置は、対象物（例えば、実施形態における標本１８）を観察する乾燥系あるいは液浸系の対物レンズ（例えば、実施形態における第１対物レンズ１２）を使用できる顕微鏡に用いられるオートフォーカス装置において、ガラス面上に載置された標本に対して、前記対物レンズを通してオートフォーカス用の照明光像を照射するフォーカス用照明光学系と、前記標本からの前記光像の反射光を前記対物レンズを通して受けて前記光像の反射像を結像させるフォーカス用結像光学系と、前記フォーカス用結像光学系による前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器（例えば、実施形態におけるオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０）と、前記光電変換器で得られた前記反射像の信号に基づいてフォーカスアクチュエータ（例えば、実施形態におけるステージ駆動部３４）の作動を制御する信号を出力する信号出力手段（例えば、実施形態におけるオートフォーカス用信号処理部３１）と、前記光像及び前記反射像のいずれか一方または両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段（例えば、実施形態における焦点位置調節レンズ８）とを有し、前記結像位置調節手段は、前記対物レンズが前記液浸系である場合には前記ガラス面と前記標本との境界面である標本面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節し、また、前記対物レンズが前記乾燥系である場合には前記標本面の反対側の前記ガラス面の下面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節することを特徴とする。

また、結像位置調節手段は、凸レンズ及び凹レンズからなる望遠系のレンズ構成となっており、前記凸レンズ及び前記凹レンズの少なくとも何れか一方を移動するように構成することが好ましい。

さらに、結像位置調節手段は、フォーカス用照明光学系とフォーカス用結像光学系との共通光路上に配設されるか、または両光学系の一方のみの光路上に配設されることができる。

また、フォーカス用照明光学系とフォーカス用結像光学系との共通光路、または両光学系の一方のみの光路は、両光学系と対物レンズとの間の平行光束を形成する光路であることが好ましい。

前述の課題を解決するために本発明に係る顕微鏡は、対象物（例えば、実施形態における標本１８）を観察する乾燥系あるいは液浸系の対物レンズ（例えば、実施形態における第１対物レンズ１２）を使用できる顕微鏡において、フォーカス用光源（例えば、実施形態におけるＬＥＤ光源２０）と、前記フォーカス用光源からの光に基づく光像を、前記対物レンズを通して前記対象物上に結像させるために、前記フォーカス用光源を集光し、平行光束に変換して前記対物レンズに導くコレクタレンズと、前記対象物からの前記光像の反射光を、前記対物レンズが集光し、平行光束で射出された前記光像の反射像を結像させるフォーカス用第２対物レンズと、前記フォーカス用第２対物レンズによる前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器（例えば、実施形態におけるオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０）と、前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第２対物レンズと、前記対物レンズとの間の共通光路の平行光束中に配置され、前記フォーカス用光源からの光像と前記光電変換器で検出される前記反射像とを分離するハーフミラーと、前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第２対物レンズと、前記対物レンズとの間の平行光束中に配置され、前記光像及び前記反射像のいずれか一方または両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段（例えば、実施形態における焦点位置調節レンズ８）とを有し、前記結像位置調節手段は、前記対物レンズが前記液浸系である場合には前記ガラス面と前記標本との境界面である標本面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節し、また、前記対物レンズが前記乾燥系である場合には前記標本面の反対側の前記ガラス面の下面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節することを特徴とする。

また、本発明に係る顕微鏡にあっては、結像位置調節手段が、凸レンズ及び凹レンズとからなる望遠系のレンズ構成となっており、一方のレンズが光軸上に固定され、他方のレンズが光軸上に沿って移動可能に配置されることが好ましい。

さらに、本発明に係る顕微鏡にあっては、結像位置調節手段が、凸レンズ及び凹レンズとからなる望遠系のレンズ構成となっており、前記レンズを交換するレンズ交換手段を有することが好ましい。

以上、本発明によれば、オートフォーカス用の照明光を観察の対象物に照射し、その反射光を利用して第１対物レンズの焦点に観察の対象物を位置決めするオートフォーカス装置において、オートフォーカス用の照明光とその反射光のいずれか一方または両方の結像位置を調節する結像位置調節手段を備えているため、オートフォーカス制御をしながら、第１対物レンズの焦点に観察の対象物の任意の位置を合わせることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。まず、本発明にかかるオートフォーカス装置を説明する前に、このオートフォーカス装置を搭載した顕微鏡について図１を用いて説明を行う。この顕微鏡は、観察の対象物である標本の拡大像を形成して観察に使用するものである。図１には図示しないが、図３等に示すように観察の対象物である標本１８は水等の媒質に浸された状態でカバーガラス１４およびスライドガラス１５に挟まれてステージ１１上に載置されている。

まず、本発明に係る顕微鏡の光学系について説明する。本発明に係る顕微鏡の光学系は、標本の上部に配置されている観察光学系３と、その側方に配置されて本発明に係るオートフォーカス装置の光学系であるフォーカス用照明光学系５およびフォーカス用結像光学系７により構成されている。

フォーカス用照明光学系５は、その光軸上に順に、ＬＥＤ光源２０、第１コレクタレンズ２１、スリット板２２、第２コレクタレンズ２３、第１瞳制限マスク２４、第１ハーフミラー２５、焦点位置調節レンズ８及び可視光カットフィルタ１０が配設されて構成されている。スリット板２２の中央部には長方形の細長いスリット開孔２２ａが形成されており、スリット板２２は、スリット開孔２２ａの長手方向が図１において紙面に垂直方向に延びるように光軸を中心に配設されている。ＬＥＤ光源２０から出射された赤外光（近赤外光）は第１コレクタレンズ２１で集光されてスリット板２２に入射し、標本面（カバーガラス１４と標本が浸された媒質との境界面）と共役位置に配置したスリット板２２のスリット開孔２２ａを通り、第２コレクタレンズ２３で平行光に変換され、第１瞳制限マス
ク２４に照射される。第１瞳制限マスク２４は、瞳の半分を遮光するものであり、光軸を中心にスリット状の赤外光の長手方向の中心線にそって半分が遮光されるように配設されている。第１瞳制限マスク２４を通過した赤外光Ｌａは、第１ハーフミラー２５を透過する。なお、第１ハーフミラー２５は、フォーカス用照明光学系５とフォーカス用結像光学系７の光軸が交差する点に配設されており、赤外光の一部を反射して、他の一部を透過するものであり、後述するように、フォーカス用結像光学系７でも共用されている。

フォーカス用照明光学系５と観察光学系３の光軸が交差する点には、ダイクロイックミラー１６が配設されており、後述するように観察光学系３でも共用されている。ダイクロイックミラー１６は、観察光学系３の観察光路上のアフォーカル系に配設され、赤外光を反射して可視光を透過する作用をする。第１ハーフミラー２５を透過した赤外光Ｌａは焦点位置調節レンズ８を透過した後、可視光カットフィルタ１０で赤外光Ｌａに含まれる可視光成分が除去された後、ダイクロイックミラー１６に当たって下方に反射され（赤外光Ｌｂ）、第１対物レンズ１２によって標本に集光されて照射される。なお、第１対物レンズ１２は、後述するように、観察光学系３でも共用されている。また、焦点位置調節レンズ８については後述する。

観察光学系３は、標本に近い方から順に、第１対物レンズ１２、ダイクロイックミラー１６、赤外光カットフィルタ１９、第２ハーフミラー１７および接眼用第２対物レンズ１３が配設されて構成されており、さらに接眼用第２対物レンズ１３の先には図示しないが接眼レンズが配設されて構成されている。また、図示しないが、ステージ１１上に載置された標本を照明する照明装置が設けられている。この照明装置は、透過型または落射型であり、透過型の照明装置の場合はステージ１１の下方に配置され、落射型の照明装置の場合はステージ１１の上方に配置される。照明装置から照射された可視光は標本を透過して観察光となり、第１対物レンズ１２を経て、ダイクロイックミラー１６を透過し、赤外光カットフィルタ１９で赤外光が除去されて、第２ハーフミラー１７に入射する。第２ハー
フミラー１７は、観察光の一部を反射して、他の一部を透過するものであり、第２ハーフミラー１７に入射した観察光は、一部が反射され接眼用第２対物レンズ１３および接眼レンズで標本の観察像が結像され、観察に供せれる。

なお、第２ハーフミラー１７を透過した一部の観察光を、カメラ用第２対物レンズ３６とカメラ用リレーレンズ３７を通し、カメラ用ＣＣＤセンサ３８の撮像面に結像させ、カメラ用信号処理部３９で処理して標本の画像をモニタ（図示せず）に投影して利用することも可能である。

次にフォーカス用結像光学系７について説明する。この光学系は、上述のようにフォーカス用照明光学系５によりステージ１１上の標本に照射されて反射するスリット状の赤外光を受光するものである。ここで、ステージ１１上の標本はカバーガラス１４によって覆われているため、第１対物レンズ１２で結像された赤外光は、カバーガラス１４の表面やカバーガラス１４と標本の境界面（標本面）で反射する。カバーガラス１４や標本面等で反射した赤外光は、第１対物レンズ１２で平行光に変換され（赤外光Ｌｃ）、ダイクロイックミラー１６に当たって側方に反射され（赤外光Ｌｄ）、さらに可視光カットフィルタ１０及び焦点位置調節レンズ８を通り、第１ハーフミラー２５に入射する。

第１ハーフミラー２５に入射した赤外光Ｌｄは、上方に一部が反射されフォーカス用結像光学系７に入る。フォーカス用結像光学系７は、光軸に沿って、第１ハーフミラー２５、オートフォーカス用第２対物レンズ２６、オートフォーカス用リレーレンズ２７、第２瞳制限マスク２８、オートフォーカス用リレーレンズ２７、シリンドリカルレンズ２９およびオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０が配設されて構成されている。第１ハーフミラー２５で反射された赤外光Ｌｄは、オートフォーカス用第２対物レンズ２６で集光して結像光に変換されスリット像を結像する。オートフォーカス用リレーレンズ２７，２７は、オートフォーカス用第２対物レンズ２６によって結像されたスリット像（赤外光Ｌｅ）をリレーし、シリンドリカルレンズ２９を経て、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮
像面にスリット像を再結像する。

なお、第２瞳制限マスク２８は、瞳の半分を遮光するように配設されており、遮光される領域は、上記に述べた第１瞳制限マスク２４によって遮光される領域に対応している。また、シリンドリカルレンズ２９は、所定方向のみに屈折作用を持つレンズであり、赤外光Ｌｅを図１において紙面に垂直方向（スリット像の長手方向）に圧縮して、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に結像させる作用をする。また、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０は、複数の受光部が１次元に配列されたラインセンサ、または、２次元に配列されたエリアセンサで構成することが可能である。

以上の説明ではフォーカス用照明光学系５において、ＬＥＤ光源２０から出射した光をスリット板２２のスリット開孔２２ａを通してスリット状にしてスリット開孔２２ａの像を標本に照射している。これは、スポット光とした場合、標本面等に段差部分があると、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ためであるが、標本面等の状態によってはこのスリット板２２を無くし、上述の方法でＬＥＤ光源２０の像を標本に照射してオートフォーカス制御をすることも可能である。また、第１コレクタレンズ２１はなくても実現可能である。

次に、本発明に係るオートフォーカス装置において使用する焦点位置調節レンズ８について説明する。焦点位置調節レンズ８は図１に示す通り、ダイクロイックミラー１６と第１ハーフミラー２５の間、つまり、フォーカス用照明光学系５とフォーカス用結像光学系７の共通光路上に位置し、アフォーカル系に配設されている。また焦点位置調節レンズ８には焦点位置調節レンズ駆動部９が取り付けられており、図示しないが、焦点位置調節レンズ８を光軸に沿って前後に移動可能とする焦点位置調節レンズ用ＤＣモータと、倍率の異なる複数の焦点位置調節レンズ８を交換可能とする焦点位置調節レンズ用電動ターレットで構成されている。また、後述する顕微鏡の入力部には焦点位置調節レンズ８を光軸に沿って移動させる焦点位置調節操作スイッチと焦点位置調節レンズ切り替えスイッチが配
設されている。観察者は焦点位置調節操作スイッチを操作すると、焦点位置調節レンズ８を光軸にそって前後に移動させることができ、また、焦点位置調節レンズ切り替えスイッチにより、焦点位置調節レンズ用電動ターレットに装着された複数の焦点位置調節レンズ８から任意の焦点位置調節レンズ８を選択して切り替えることができる。

焦点位置調節レンズ８の作用について、図２及び図３を用いて説明する。なお、図２及び図３では説明に必要な構成部品のみを図示している。また、図においてオートフォーカス用照明光を直線で示し、観察光を点線で示している。焦点位置調節レンズ８は、第１対物レンズ１２で標本１８に集光照射されるスリット像（オートフォーカス用照明光）の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらし、同時に、標本１８で反射し、後述するオートフォーカス用ＣＣＤセンサー３０の撮像面に再結像するスリット像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらす働きをする。

以下に、オートフォーカス制御を行いながら、標本１８における実際に観察したい位置に第１対物レンズ１２の焦点を合わす方法について説明し、焦点位置調節レンズ８の効果について述べる。この焦点位置調節レンズ８は凸レンズ８ａと凹レンズ８ｂとを有し、一方のレンズが光軸上に固定され、他方のレンズが光軸上に沿って移動可能に配置されて構成することができる。更に、変形例としては、凸レンズ８ａと凹レンズ８ｂを光軸に沿って移動可能なように構成しても良い。なお、以降の説明では、凸レンズ８ａが物体側に固定して配置され、その後方に凹レンズ８ｂが光軸に沿って移動可能に配置されている場合について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、第１対物レンズ１２の焦点ｆがカバーガラス１４と標本１８の境界面（以下、「標本面１４ｂ」と呼ぶ）に合っている状態で、スリット開孔２２ａを通して標本１８に照射されるオートフォーカス用スリット像の焦点ａが同じく標本面１４ｂに合い、且つ、その反射像の焦点がオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に合うように焦点位置調節レンズ８（凹レンズ８ｂ）の位置を調節する（この位置を焦点位置調節レンズ８によるスリット像の「オフセットゼロの位置」と呼ぶ）。この状態ではスリット像が第１対物レンズ１２の焦点つまり標本面１４ｂに結像し、その反射光はオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に結像している状態である。また、この状態では焦点位置調節レンズ８は単に望遠系となっており、焦点位置調節レンズ８の前後では
オートフォーカス用照明光は共に平行光束となっている。この状態で後述するオートフォーカス制御をかけると常に標本面１４ｂに第１対物レンズ１２の焦点ｆが合っている状態に制御される。

次に焦点位置調節レンズ８（凹レンズ８ｂ）を光軸に沿って前後に移動し、オートフォーカス用スリット像を移動させて、オートフォーカス用スリット像の結像位置と第１対物レンズ１２の焦点位置をオフセットさせる。例えば、図２（ｂ）に示すように凹レンズ８ｂを後方（凸レンズ８ａから離れる方向）に距離ｘだけ移動させると、オートフォーカス用スリット像の焦点ａは標本面１４ｂより第１対物レンズ１２側に所定の距離（この距離を「オフセット量ＯＳ」と呼ぶ）だけ移動する。この状態で、後述するオートフォーカス制御を行うと、ステージ１４が移動するために標本面１４ｂが移動して、図２（ｃ）に示すように、オートフォーカス用スリット像の焦点ａが標本面１４ｂに一致する。このため、第１対物レンズ１２の焦点ｆはオフセット量ＯＳだけ標本の中に移動し、例えば、図３
に示すように標本１８内の点Ｐに一致させることができる。

このとき、焦点位置調節レンズ８を構成する凹レンズ８ｂの移動量ｘと、標本面１４ｂでのオフセット量ＯＳは、第１対物レンズ１２の倍率（焦点距離）に応じて決まる。顕微鏡装置として必要なオフセット量ＯＳは、標本の構成上、５０μｍ程度必要とされる。液浸対物レンズの場合、カバーガラスの下面の反射率は、媒質がオイルの場合ほぼ０であり、水の場合も上面（標本面）と同じ反射率となり、一般に４０倍以上の高倍で開口数も大きく標本側の焦点深度は非常に浅いためカバーガラス下面の反射はオートフォーカス制御にとって妨げとはならない。また、本発明に係るオートフォーカス装置は一般的ないわゆる乾燥系対物レンズにも対応可能であるが、乾燥系の場合は、カバーガラス下面の反射率は上面の１０倍以上となり焦点深度が比較的深いことから本来のカバーガラス上面をオー
トフォーカス基準面とするのは困難となる。従って、信号として１０倍以上大きいカバーガラス下面を基準面とするのが適当となる。この場合、オフセット量は高倍／液浸対物レンズのオフセット量（５０μｍ）に比べて非常に大きくなる（例えば、カバーガラス厚１７０μｍ＋５０μｍ）が、焦点位置調節レンズ８の適当な設定によりカバーガラス下面を基準とするような大きなオフセット量の設定が可能となる。

以上のように、焦点位置調節レンズ８を凸レンズ８ａと凹レンズ８ｂとで構成することにより、従来よりあるオートフォーカス装置にこの焦点位置調節レンズ８を組み込むことにより簡単な構成でオートフォーカス用照明光の結像位置と第１対物レンズ１２の焦点位置をオフセットさせることができる。

なお、上述の焦点位置調節レンズ８でずらす（オフセットさせる）ことが可能な距離は、焦点位置調節レンズ８の焦点距離により物理的な制限があるため、その物理的な制限以上にずらしたい場合には、焦点位置調節レンズ８を交換することで対応可能である。例えば、焦点距離の長いものに交換することにより長いずらし量を実現することができる。なお、焦点位置調節レンズ８を焦点距離の違うレンズに交換した場合、オフセットゼロの位置を決めるために、焦点位置調節レンズ８の位置を調節する必要がある。

また、上記構成では焦点位置調節レンズ８をダイクロイックミラー１６と第１ハーフミラー２５の間、すなわちフォーカス用照明光学系５とフォーカス用結像光学系７の共通光路上に配設し、標本１８に集光照射されるスリット像と標本１８（標本面１４ｂ）で反射してオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に再結像するスリット像の両方の焦点位置を光軸方向にずらしていたが、図４に示すように、第１ハーフミラー２５と第１瞳制限マスク２４の間、すなわち、フォーカス用照明光学系５に焦点位置調節レンズ８′を配設して標本１８に集光照射されるスリット像の焦点位置を光軸方向にずらして実現することも可能である。また、第１ハーフミラー２５とオートフォーカス用第２対物レンズ２６の間、すなわち、フォーカス用結像光学系７に焦点位置調節レンズ８″を配設して、オー
トフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に再結像するスリット像の焦点位置を光軸方向にずらして実現することも可能である。

ここで、顕微鏡の制御系について説明する。顕微鏡の制御系は、フォーカス位置検出のためのオートフォーカス用信号処理部３１、ステージ１１を上下動させるステージ駆動部３４、第１対物レンズ１２を交換するための電動レボルバを駆動する電動レボルバ駆動部３５およびそれらを制御するためのＣＰＵ４１、メモリ４２、入力部４３で構成されている。

まず、スリット投影式オートフォーカス制御の手順であるが、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０において検出したスリット像の信号は、オートフォーカス用信号処理部３１に出力され、ＣＰＵ４１により処理され、第１対物レンズ１２に対する標本の焦点情報が検出される。この焦点情報に関する信号は、ＣＰＵ４１によりステージ駆動部３４に送られ、ステージ１１の位置を光軸に沿って上下動させることにより第１対物レンズ１２の焦点に標本を位置決めする。なお、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面の中でスリット像が形成される位置は、ステージ１１の光軸に沿った上下動によって、標本やカバーガラス１４の位置が変わると、それに合わせて、スリット像の短手方向に移動する。このようなオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０で検出されたスリット像からステージ１１
を制御するオートフォーカス用の制御信号の求め方について、以下に説明する。

オートフォーカス制御のブロック図を図５に示し、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０上のスリット像の信号状態を図６に示す。ここで、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に結像するスリット像の位置として、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の手前で結像する状態をＦ、後ろで結像する状態をＲ、さらにオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の撮像面で結像する状態をＪとしている。また、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０は複数の受光部から構成されるがその出力は撮像面に沿って順に走査される。ここでは説明を簡単にするためにラインセンサーを想定し、端から順に走査をすることとし、走査を開始する位置（オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の一端）をｔ＝０とし、中間点をｔ＝ｔ_１、走査を終了する位置（オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の他端）をｔ
＝ｔ_２として説明する。

オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０から出力されたスリット像の信号を走査した結果は積分器１１４に入力される。積分器１１４の出力信号Ｓを図７に示す。積分器１１４の出力信号Ｓは図７のｔ_１の位置で第１のサンプルホールド１１６にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図７のＳＡとなる。さらに積分されオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０の終端ｔ_２で第２のサンプルホールド１１５にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図７のＳＣになる。第１の減算器１１７にて第１のサンプルホールド１１６の出力ＳＡと第２のサンプルホールド１１５の出力ＳＣが減算され出力ＳＢが得られる。さらに第２の減算器１１８にてＳＡとＳＢが減算されてＳＡ−ＳＢが得られる。そして、加算器１１９にてＳＡ−ＳＢの値にオフセット電圧１
２２を加えて制御信号として焦点検出信号Ｖ_Ｍを出力し、ステージ１１を光軸に沿って上下に動かすステージ駆動用ＤＣモータ３４ａに印加すると、ＳＡ−ＳＢがゼロになるようにステージ駆動用ＤＣモータ３４ａは駆動する。この焦点検出信号Ｖ_Ｍを縦軸に、ステージ１１を光軸に沿って上下に移動することによりオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０に結像するスリット像の焦点方向の位置を横軸にして表したグラフが図８のＩに示されている。以上より、例えば、オートフォーカス制御にて標本面１４ｂに第１対物レンズ１２の焦点を合わせる場合は、標本面１４ｂが第１対物レンズ１２の焦点上にあるときに、ＳＡ−ＳＢがゼロとなるようにｔ_１の値を決めておけば、その位置に合焦させることが可能である。

ステージ駆動部３４は、図１には図示しないがステージ１１に取り付けられたステージ駆動用ＤＣモータ３４ａと、ステージ駆動用ＤＣモータ３４ａを回転させるステージ駆動用モータドライバ３４ｂと、ステージ駆動用ＤＣモータ３４ａの回転角を検出するロータリエンコーダと、ロータリエンコーダの検出結果に基づいてステージ１１の上下動をカウントするアップ／ダウンカウンタとで構成されている。上述したオートフォーカス制御はＣＰＵ４１で処理され、制御信号は上下動制御信号と速度制御信号としてステージ駆動用モータドライバ３４ｂに出力され、この信号に基づいてステージ駆動用ＤＣモータ３４ａは駆動される。アップ／ダウンカウンタのカウント結果は、上下動位置信号としてＣＰＵ４１に出力される。ステージ１１はステージ駆動用ＤＣモータ３４ａが回転すると、その
回転角に応じて光軸に沿って上下動する。そして、ステージ１１に載置された標本もカバーガラス１４、スライドガラス１５とともに上下動し、標本と第１対物レンズ１２との位置関係が調節される。また、ステージ駆動部３４には、図示しないがリミットセンサが設けられている。リミットセンサは、ステージ１１の上下動の限界点を検出するセンサであり、第１対物レンズ１２とカバーガラス１４との接触を回避するために設けたものである。

図１には１本の第１対物レンズ１２のみを示したが、本実施形態の顕微鏡は、倍率が異なる複数の第１対物レンズ１２によって構成可能である。複数の第１対物レンズ１２は、図示しないが電動レボルバに装着されており、電動レボルバはこれを回転駆動する電動レボルバ駆動部３５に接続される。電動レボルバ駆動部３５には、図示しないが電動レボルバに取り付けられた電動レボルバ駆動用ＤＣモータと、ＣＰＵ４１からの回転制御信号に基づいて電動レボルバ駆動用ＤＣモータを回転させる電動レボルバ駆動用モータドライバとが設けられている。電動レボルバは、上記した電動レボルバ駆動用ＤＣモータの回転に応じて回転する。そして、電動レボルバに装着された複数の第１対物レンズ１２もともに回転し、いずれか１つの第１対物レンズ１２が顕微鏡の観察光路上に位置決めされる。電
動レボルバ駆動部３５には、電動レボルバのレボルバ穴（例えば６個）のうち、顕微鏡の観察光路上に位置決めされたレボルバ穴の番号（１〜６）を検知するセンサ（図示せず）が設けられている。

最後に入力部４３について説明する。入力部４３には、図示しないが、キーボード、対物レンズ切り替えスイッチ、オートフォーカス制御開始スイッチ、合焦位置記憶スイッチ、アップ／ダウン微調整スイッチ及び上述の焦点位置調節レンズ８を操作するスイッチ等が設けられている。

キーボードは、第１対物レンズ１２の情報を入力する時に使用される。キーボードから入力された第１対物レンズ１２に関するデータは、メモリ４２に記憶される。また、合焦位置記憶スイッチによって取得された合焦位置情報もメモリ４２に記憶される。

対物レンズ切り替えスイッチは、顕微鏡の観察光路上に位置決めされた第１対物レンズ１２を別の第１対物レンズ１２に切り替えるときに使用される。ＣＰＵ４１は、対物レンズ切り替えスイッチから入力された切り替え信号に基づいて電動レボルバ駆動部３５を制御し、切り替え信号によって指定されたレボルバ穴を顕微鏡の観察光路上に位置決めする。

オートフォーカス制御開始スイッチは、顕微鏡におけるオートフォーカス制御の開始を指示する時に使用される。ＣＰＵ４１は、オートフォーカス制御開始スイッチが操作されると、既に説明したスリット投影式オートフォーカス制御の実行を開始し、標本が第１対物レンズ１２の焦点に位置決めされて、オートフォーカス制御が終了する。

アップ／ダウン微調整スイッチは、手動操作によってステージ１１の上下動を微調整する時に使用される。ＣＰＵ４１は、アップ／ダウン微調整スイッチから入力された微調整信号に基づいてステージ１１を位置決めする。なお、アップ／ダウン微調整スイッチの操作は、操作者が顕微鏡の接眼用第２対物レンズ１３および接眼レンズを介して標本の像を観察しながら行うものである。そして操作者にとってコントラストの高い像が良好に観察できた時点で、アップ／ダウン微調整スイッチの操作を終了し、ステージ１１が位置決めされる。この時、本実施形態の顕微鏡では、標本の中の任意の面が第１対物レンズ１２の焦点面に一致している。

しかしながら上記に説明した方法では、標本を交換したり、第１対物レンズ１２を交換するたびに焦点位置を合わせる操作を上述した手順に従って行う必要がある。そこで、上述したように本発明では焦点位置調節レンズ８を使い、オートフォーカス制御をしながら標本の任意の位置を観察することを可能にしている。

ここで、上述の焦点位置調節レンズ８を操作したときのオートフォーカス制御について説明する。焦点位置調節レンズ８の凹レンズ８ｂを後方に移動させて、図９（ａ）で示す点Ｐ′の位置にオートフォーカス用スリット像を結像させると、反射像は図９（ｂ）で示すＱ点の位置に結像する。なお、点Ｐ′は標本面１４ｂから実際に観察したい点Ｐと光軸に沿って反対方向に同じ距離だけ離れた点である。この状態での検出信号を図に表すと、図６の一点鎖線の曲線Ｐとなる。また、この時の焦点検出信号Ｖ_Ｍとステージ１１が光軸に沿って移動することによる焦点方向の位置の関係は図１０のＩＶで表される。

ここでオートフォーカス制御をさせると、上述のようにオートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０で検出されたスリット像の信号に従ってステージ駆動用ＤＣモータ３４ａを駆動し、光軸に沿ってステージ１１を上下に移動させる。図９の場合、オートフォーカス用スリット像の反射像が、オートフォーカス用ＣＣＤセンサ３０より後ろ（点Ｑ）で結像している状態であり、ステージ１１は第１対物レンズ１２に近づく方向（上方）に移動し、結局、図３（ｃ）に示すようにオートフォーカス用スリット像は標本面１４ｂに焦点ａが合い、また、第１対物レンズ１２の焦点ｆは図９（ａ）に示す標本１８の中にある点Ｐの位置に合っている状態に制御される。図１０に示す通り、焦点位置調節レンズ８は、オートフォーカス用スリット像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらすため、焦点検出信号Ｖ
_Ｍと焦点方向の位置の関係を示すグラフは焦点方向の位置に沿って移動することとなり、オートフォーカス用スリット像の反射量に関わりなく、常に焦点検出信号Ｖ_Ｍが存在するため、オートフォーカス制御が可能となる。

このような構成によれば、以上の説明から示されるように、焦点位置調節レンズ８を前記オフセットゼロの位置からオートフォーカス制御をさせながら光軸に沿って移動させることにより、第１対物レンズ１２の焦点の位置を自由に、且つ、標本面１４ｂでのオートフォーカス用スリット像の反射量に関わりなく任意の位置までずらすことが可能である。また、このような構成によれば、標本面１４ｂから常に一定の距離だけ光軸方向に離れたところに第１対物レンズ１２の焦点を合わせることができるため、標本１８をステージ上で移動して標本１８の別の部分を観察する場合や、別の標本１８に交換して観察をする場合等に効率の良い作業が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではない。本発明の実施例では焦点位置調節操作スイッチにより焦点位置調節レンズ８の位置を移動していたが、手動で操作するように実現することも可能である。また、焦点位置をずらす量を調節するために焦点位置調節レンズ８を交換可能としていたが、固定の焦点位置調節レンズ８だけで実現することも可能である。このような構成によれば、焦点位置調節のための構造が簡単になり、制御系も簡単にすることができ、オートフォーカス装置を小型化し、また、コストを低くすることができる。

また、上記実施例では第１対物レンズ１２の焦点に標本１８を合焦させるために、ステージ１１を光軸に沿って上下に移動していたが、ステージ１１は固定とし、第１対物レンズ１２を含む観察光学系３を光軸に沿って上下に移動するような構成とすることも可能である。

本発明に係る顕微鏡の光学系および制御系の構成を模式的に示す図である。 焦点位置調節レンズを移動した時のスリット像の合焦状態を表す図であり、（ａ）はオフセット量０の状態であり、（ｂ）は焦点位置調節レンズを移動したときの状態であり、（ｃ）は焦点位置が調節された状態である。 焦点位置調節レンズにより、合焦位置が調整された状態を模式的に示す図である。 焦点位置調節レンズの配設可能な位置を模式的に示す図である。 オートフォーカス制御のブロック図である。 オートフォーカス用ＣＣＤセンサ上のスリット像の信号状態を表す図である。 積分器１１４の出力状態を表す図である。 オートフォーカス用ＣＣＤセンサに結像するスリット像の焦点位置とステージ駆動用ＤＣモータに出力する焦点検出信号の関係を表す図である。 焦点位置調節レンズによりオートフォーカス用照明光の焦点位置をずらしたときの状態を示す図であり、（ａ）は標本側に結像している状態であり、（ｂ）はその反射像の状態である。 焦点位置調節レンズを移動したときのステージ駆動用ＤＣモータに出力する焦点信号の状態を表す図である。

符号の説明

５ フォーカス用照明光学系
７ フォーカス用結像光学系
８ 焦点位置調節レンズ
８ａ 凸レンズ
８ｂ 凹レンズ
９ 焦点位置調節レンズ駆動部
１２ 第１対物レンズ
１８ 標本
２０ ＬＥＤ光源
２２ スリット板
２２ａ スリット開孔
３０ オートフォーカス用ＣＣＤセンサ
３１ オートフォーカス用信号処理部
３４ ステージ駆動部
４１ ＣＰＵ

Claims (7)

1. 対象物を観察する乾燥系あるいは液浸系の対物レンズを使用できる顕微鏡に用いられるオートフォーカス装置において、
   ガラス面上に載置された標本に対して、前記対物レンズを通してオートフォーカス用の照明光像を照射するフォーカス用照明光学系と、
   前記標本からの前記光像の反射光を前記対物レンズを通して受けて前記光像の反射像を結像させるフォーカス用結像光学系と、
   前記フォーカス用結像光学系による前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器と、
   前記光電変換器で得られた前記反射像の信号に基づいてフォーカスアクチュエータの作動を制御する信号を出力する信号出力手段と、
   前記光像及び前記反射像のいずれか一方または両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段とを有し、
   前記結像位置調節手段は、前記対物レンズが前記液浸系である場合には前記ガラス面と前記標本との境界面である標本面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節し、また、前記対物レンズが前記乾燥系である場合には前記標本面の反対側の前記ガラス面の下面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節することを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記結像位置調節手段は、凸レンズ及び凹レンズからなる望遠系のレンズ構成となっており、前記凸レンズ及び前記凹レンズの少なくとも何れか一方を移動することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 前記結像位置調節手段は、前記フォーカス用照明光学系と前記フォーカス用結像光学系との共通光路上に配設されるか、または前記両光学系の一方のみの光路上に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のオートフォーカス装置。
4. 前記フォーカス用照明光学系と前記フォーカス用結像光学系との共通光路、または前記両光学系の一方のみの光路は、前記両光学系と前記対物レンズとの間の平行光束を形成する光路であることを特徴とする請求項３に記載のオートフォーカス装置。
5. 対象物を観察する乾燥系あるいは液浸系の対物レンズを使用できる顕微鏡において、
   フォーカス用光源と、
   前記フォーカス用光源からの光に基づく光像を、前記対物レンズを通して前記対象物上に結像させるために、前記フォーカス用光源を集光し、平行光束に変換して前記対物レンズに導くコレクタレンズと、
   前記対象物からの前記光像の反射光を、前記対物レンズが集光し、平行光束で射出された前記光像の反射像を結像させるフォーカス用第２対物レンズと、
   前記フォーカス用第２対物レンズによる前記反射像の結像位置に設けられて前記反射像を検出する光電変換器と、
   前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第２対物レンズと、前記対物レンズとの間の共通光路の平行光束中に配置され、前記フォーカス用光源からの光像と前記光電変換器で検出される前記反射像とを分離するハーフミラーと、
   前記コレクタレンズ及び前記フォーカス用第２対物レンズと、前記対物レンズとの間の平行光束中に配置され、前記光像及び前記反射像のいずれか一方または両方の結像位置を光軸方向に移動させる調節を行う結像位置調節手段とを有し、
   前記結像位置調節手段は、前記対物レンズが前記液浸系である場合には前記ガラス面と前記標本との境界面である標本面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節し、また、前記対物レンズが前記乾燥系である場合には前記標本面の反対側の前記ガラス面の下面を基準にして、前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置と前記フォーカス用照明光学系の結像位置とのオフセット量を調節することを特徴とする顕微鏡。
6. 前記結像位置調節手段が、凸レンズ及び凹レンズとからなる望遠系のレンズ構成となっており、
   前記一方のレンズが光軸上に固定され、前記他方のレンズが光軸上に沿って移動可能に配置されることを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡。
7. 前記結像位置調節手段が、凸レンズ及び凹レンズとからなる望遠系のレンズ構成となっており、
   前記レンズを交換するレンズ交換手段を有することを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡。

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