JP2008046484A - 自動焦点検出装置及び自動焦点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、光学顕微鏡において、光検出器の検出感度値を合焦評価値として用いて、サンプルに依存しない自動焦点検出装置を提供する。
【解決手段】試料が載置されたステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に連続移動可能な顕微鏡の合焦を行う自動焦点検出装置は、前記試料に照明光を照射してその反射光に応じた輝度データを検出する光検出手段と、前記光検出手段から取得した輝度データに基づいて、該光検出手段の検出感度を調整して該調整した検出感度を該光検出手段に設定する検出感度調整手段と、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定する合焦点位置推定手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡などの光学機器に適用される自動焦点検出技術に関する。

従来、顕微鏡などに適用される自動焦点方法として、様々な方式が考えられている。例えば、試料面で反射した反射光を受光素子により検出して得られた輝度データを焦点評価値として扱い、この評価値が最高値となるようにステージまたは対物レンズをＺ軸方向に移動させ合焦させるという山登りサーボ方式によるオートフォーカス制御が知られている（例えば、特許文献１。）。

また、上記オートフォーカス制御において合焦時間を短縮したい場合は、焦点評価値を所定の関数で近似し、その関数に基づいて合焦位置を推測する方法が知られている（例えば、特許文献２。）。
特開２００１−５９９３５号公報 特開平８−２９６６７号公報

従来技術では、使用者は光検出器の感度設定を最適に調整してからオートフォーカスを実行する必要があった。そのため、反射率の異なるサンプルを連続して観察する場合、サンプルごとに光検出器の感度設定を調整する必要があり、使用者の負担が大きかった。

上記課題に鑑み、本発明では、光学顕微鏡において、光検出器の検出感度値を合焦評価値として用いて、サンプルに依存しない自動焦点検出装置及び自動焦点検出方法を提供する。

本発明にかかる、試料が載置されたステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に連続移動可能な顕微鏡の合焦を行う自動焦点検出装置は、前記試料に照明光を照射してその反射光に応じた輝度データを検出する光検出手段と、前記光検出手段から取得した輝度データに基づいて、該光検出手段の検出感度を調整して該調整した検出感度を該光検出手段に設定する検出感度調整手段と、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定する合焦点位置推定手段と、を備えることを特徴とする。

前記自動焦点検出装置は、さらに、前記輝度データより構築される２次元画像データ内の所定の領域の輝度値を検出する輝度検出手段と、を備えることを特徴とする。
前記自動焦点検出装置において、前記輝度検出手段は、前記輝度データより構築される２次元画像内の所定の領域を構成する画素群のうちの輝度値の最大値及び最小値のうち少なくともいずれかを検出し、該検出した輝度値が前記光検出手段の検出感度の調整条件として設定されている所定の閾値の誤差範囲内に含まれるか否かを判断することを特徴とする。

前記自動焦点検出装置において、前記検出感度調整手段は、前記輝度検出手段による検出結果に基づいて、前記光検出手段の検出感度を調整することを特徴とする。
前記自動焦点検出装置において、前記所定の領域は、前記２次元画像全体、または該２次元画像の一部の領域であることを特徴とする。

前記自動焦点検出装置において、前記所定の閾値は、前記光検出手段から出力された検出信号に基づいて設定される値、または任意に設定される値であることを特徴とする。
前記自動焦点検出装置は、さらに、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定後の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段を備えることを特徴とする。

前記自動焦点検出装置は、さらに、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定前の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段を備えることを特徴とする。

前記自動焦点検出装置において、前記合焦点位置推定手段は、前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値を表す関数のピーク位置を合焦点とすることを特徴とする。
前記自動焦点検出装置は、さらに、前記合焦位置推定手段により推定された合焦点位置情報に基づいて、前記ステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に移動させる移動制御手段を備えることを特徴とする。

前記自動焦点検出装置は、顕微鏡システムに搭載されることを特徴とする。
試料が載置されたステージと対物レンズとの間の距離を光軸方向に相対的に移動させることができ、該試料に照明光を照射してその反射光を光検出器により検出することが可能な顕微鏡の自動焦点検出方法は、前記光検出器より出力される輝度信号を取得し、前記取得された輝度信号により表される２次元画像データ内の所定の領域の輝度値に基づいて、前記光検出器の検出感度を調整して該調整した検出感度を該検出器に設定し、前記設定された前記光検出器の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定することを特徴とする。

使用者は、光検出器の検出感度の設定をすることなく、合焦点を検出することが可能となる。また、オートゲインコントロール（以下、「ＡＧＣ」と称する）により試料の反射率に合わせて光検出器の設定を調整する必要がないので、使用者の負担を軽減させることができる。

本発明の実施形態にかかる自動焦点検出装置は、試料が載置されたステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に連続移動可能な顕微鏡の合焦制御を行うものである。自動焦点検出装置は、光検出手段と、検出感度調整手段と、合焦点位置推定手段とを備える。

光検出手段（以下の実施形態で言えば、光検出器１１に相当する）は、前記試料からの反射光に応じた輝度データを検出する。
検出感度調整手段（以下の実施形態で言えば、ＡＧＣ１０２に相当する）は、前記光検出手段から取得した輝度データに基づいて、該光検出手段の検出感度を調整して該調整した検出感度を該光検出手段に設定する。この検出感度調整手段は、後述の輝度検出手段による検出結果に基づいて、前記光検出手段の検出感度を調整する。

合焦点位置推定手段（以下の実施形態で言えば、合焦点判断手段１０３に相当する）は、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定する。

このように構成することにより、ＡＧＣ後の光検出器の検出感度設定値と、ＡＧＣにより調整される前の輝度値から、ＡＧＣ後の輝度値を算出し、それを新たな焦点評価値として用いることにより、オートフォーカス前の光検出器の調整を必要としない自動焦点検出装置を提供することができる。

前記自動焦点検出装置は、さらに、輝度検出手段を備える。輝度検出手段（以下の実施形態で言えば、輝度検出手段１０１に相当する）は、前記輝度データより構築される２次元画像データ内の所定の領域の輝度値を検出する。この輝度検出手段は、前記輝度データより構築される２次元画像内の所定の領域を構成する画素群のうちの輝度値の最大値及び最小値のうち少なくともいずれかを検出し、該検出した輝度値が前記光検出手段の検出感度の調整条件として設定されている所定の閾値の誤差範囲内に含まれるか否かを判断する。

このように構成することにより、前記光検出器の検出感度を最適な値になるように調整することができる。
前記所定の領域は、前記２次元画像全体、または該２次元画像の一部の領域である。このように構成することにより、ＡＧＣをどの領域に対して有効にするか目的に合わせて任意に設定することが可能となる。

前記所定の閾値は、前記光検出手段から出力された検出信号に基づいて設定される値、または任意に設定される値である。このように構成することにより、ＡＧＣの調整条件を、使用者により任意に設定することが可能となる。

前記自動焦点検出装置は、さらに、焦点評価値生成手段を備える。この焦点評価値生成手段（以下の実施形態で言えば、焦点評価値生成手段６０１）は、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定後の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成する。

このように構成することにより、ＡＧＣ後の光検出器の検出感度設定値と、該検出感度設定値が適応された後の光検出器からの出力値とに基づいて、新たな焦点評価値を生成することにより、合焦位置検出の精度の向上を図ることができる。

また、焦点評価値生成手段は、前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定前の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成することもできる。

このように構成することにより、ＡＧＣ後の光検出器の検出感度設定値と、該検出感度設定値が適応される前の光検出器からの出力値とに基づいて、新たな焦点評価値を生成することにより、合焦位置検出の精度の向上を図ることができる。

前記合焦点位置推定手段は、前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値を表す関数のピーク位置を合焦点とすることができる。
前記自動焦点検出装置は、さらに、移動制御手段を備える。移動制御手段（以下の実施形態で言えば、移動駆動部８に相当する）は、前記合焦位置推定手段により推定された合焦点位置情報に基づいて、前記ステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に移動させる。

それでは、以下に、本発明の実施形態の詳細について説明する。
＜第１の実施形態＞
本実施形態では、光検出器の検出感度値を合焦評価値に用いた顕微鏡システムについて説明する。

（実施例１）
図１は、本実施形態における共焦点走査型顕微鏡システムの概略構成を示す。同図において、光源１は、レーザ光などの点光源から構成される。この光源１からのスポット光は、２次元走査用スキャナ２に導かれる。

２次元走査用スキャナ２は、光源１からのスポット光を試料４上に２次元方向に走査する。２次元走査用スキャナ２は、例えば、Ｘ軸方向走査用のＸスキャナ（レゾナントスキャナまたはガルバノミラー）と、Ｙ軸方向走査用のＹスキャナ（ガルバノミラー）を有している。２次元走査用スキャナ２は、これらＸスキャナとＹスキャナをＸ軸方向及びＹ軸方向に振ることで、スポット光を試料４上でＸＹ方向に振らせるようになっている。

対物レンズ３を透過して２次元走査されたスポット光は、ステージ５上の試料４に照射される。この場合、対物レンズ３は、サーボモータなどの移動駆動部８によりスポット光の光軸方向、つまりＺ軸方向に連続的に移動可能になっている。

試料４からの反射光は、対物レンズ３を通して２次元走査用スキャナ２に戻り、この２次元走査用スキャナ２からの反射光は光検出器１１に導かれる。光検出器１１は、受光面の前面に図示しないピンホールを有する。光検出器１１は、ピンホールを介してその反射光を受光し、その光量に対応した輝度信号をＡ／Ｄ変換器６に出力する。

光検出器１１は、Ａ／Ｄ変換器６を介してＣＰＵ７と接続されている。ＣＰＵ７には、２次元走査用スキャナ２、移動駆動部８の他に、フレームメモリ９を介して表示部１０が接続されている。

ＣＰＵ７は、移動駆動部８に対して対物レンズ３のＺ軸方向の移動速度の設定、移動開始停止の指示及び停止位置の読み込みなどを行なう。また、ＣＰＵ７は、所定のメモリより本実施形態にかかるプログラムを読み出すことにより、ＣＰＵ７は輝度検出手段１０１、ＡＧＣ１０２、合焦点判断手段１０３、感度検出手段１０４として機能する。

輝度検出手段１０１は、対物レンズ３のＺ軸方向の移動に伴って、所定のピッチまたはサンプリング間隔で光検出器１１からの輝度信号を検出する。
ＡＧＣ１０２は、この輝度検出手段１０１により検出された輝度信号を所定の範囲のダイナミックレンジにするために、光検出器１１に対して適切な検出感度を設定する。

感度検出手段１０４は、ＡＧＣ１０２により設定された検出感度値（ゲイン値）を記憶して、この記憶した検出感度値と新たに設定した検出感度値とを比較する。
合焦点判断手段１０３は、光検出器１１に設定された検出感度値の変化に基づいて、合焦点を判断する。

ＣＰＵ７は、さらに、２次元走査用スキャナ２に対してスポット光の走査を指示し、このスポット光走査により得られる反射光を光検出器１１で受光して、光検出器１１により検出された輝度信号により共焦点観察像を生成する。表示部１０は、ＣＰＵ７で生成されたその共焦点観察像を、フレームメモリ９を介して表示する。

なお、不図示のＲＯＭ（リードオンリーメモリ）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等の記憶装置も備えており、ＣＰＵ７は、これらの記憶装置から後述する調整条件や誤差範囲その他のパラメータを読み込む。また、これらの記憶装置には、後述するフローを実行するためのプログラムも格納されており、ＣＰＵ７はそのプログラムを読み込んで本実施形態を実行し、顕微鏡システムを制御する。

次に本発明の原理について説明する。
図２は、本実施形態におけるＩＺ曲線と焦点評価値との関係を示す。ＩＺ曲線２０１は、光検出器１１から出力される輝度信号（Ｉ）と対物レンズ３の光軸方向の位置（Ｚ）との関係を表したものである。すなわち、ＩＺ曲線２０１は、ある一定の検出感度設定値で取得した曲線であり、試料４に充分近い位置から遠ざかる方向に向かって、対物レンズ３を移動させたときに得られる光検出器１１から出力される輝度信号を表したものである。

焦点評価値曲線２０２は、光検出器１１から得られる輝度信号を所定のレンジ２０３になるようにＡＧＣ１０２を実行した時に光検出器１１に設定された検出感度設定値（焦点評価値）とＺ位置との関係を表している。

今、対物レンズ３を試料４に充分近い位置（例えばＡ点）から遠ざかる方向へ連続的に移動させる。そうすると、光検出器１１により検出される輝度値は、対物レンズ３の移動とともに増加していき、最高輝度値を超えた時点から減少するようになる（ＩＺ曲線２０１）。従来は、この最高輝度値を合焦点と判断していた。

一方、新たな焦点評価値２０２は、対物レンズ３を試料４に充分近い位置（例えばＡ点）から遠ざかる方向に連続的に移動させると、ＡＧＣ１０２により設定された検出感度設定値は、対物レンズ３の移動とともに減少していき、最小検出感度設定値を超えた時点から増加するようになる。本実施形態では、この新たな焦点評価値２０２の最小検出感度設定値を合焦点と判断することを特徴とする。

次に、図１の共焦点走査型顕微鏡システムを用いて、大まかな合焦位置を検出するための動作を、図３に従い説明する。
図３は、本実施形態における合焦点検出処理フローを示す。まず、ＣＰＵ７は対物レンズ３を開始位置へ移動させる（ステップ１。以下、ステップを「Ｓ」と称する。）。具体的には、対物レンズ３を試料４に充分近付けて位置させる。それから、光源１からのスポット光を、対物レンズ３を介して試料４上に照射するとともに、試料４からの反射光を光検出器１１により検出させて輝度信号として出力するように設定する。

次に、ＣＰＵ７は、移動駆動部８を駆動させて対物レンズ３を上方向へ移動させる（Ｓ２）。すなわち、Ｓ１の状態から、移動駆動部８により、試料４から離れる方向にＺ軸に沿って所定のピッチで対物レンズ３を離散的に移動させる。このＺ方向の移動ピッチは、対物レンズ３が高倍の場合には狭く、低倍の場合には広く設定している。

次に、ＣＰＵ７は光検出器１１により検出された輝度データの取り込みを開始する（Ｓ３）。ここでは、所定のピッチ毎に試料４を２次元走査することで得られた反射光が光検出器１１により検出されて、その光検出器１１から出力された輝度信号がＣＰＵ７により取得される。

次に、ＣＰＵ７は感度検出処理を行う（Ｓ４）。ここでは、Ｓ３で取得された輝度信号が輝度検出手段１０１により所定のレンジの範囲外であると判断された場合は、ＡＧＣ１０２により光検出器１１に対して最適な検出感度値が設定される。すなわち、そのレンジ内に収まるようにゲインがかけられる。

一方、Ｓ３で取得された輝度信号が輝度検出手段１０１により所定のレンジの範囲内であると判断された場合は、ＡＧＣ１０２は光検出器１１に設定されている検出感度値を変えない。

ＡＧＣ１０２により光検出器１１に設定された検出感度値は、対物レンズ３の移動とともに減少していき、最小検出感度を越えた時点から増加するようになる。このＳ４については、図４で詳述する。

次に、ＣＰＵ７により対物レンズ３が最小検出感度値を通過し所定ステップ移動したか否かが判断される（Ｓ５）。対物レンズ３は所定のピッチで光軸方向に移動するので、光検出器１１に設定した検出感度値は、そのピッチ毎に感度検出手段１０４により記憶される。感度検出手段１０４は、前回記憶した検出感度値と今回記憶した設定した検出感度値とを比較する。これにより、前回設定した検出感度値より今回設定した検出感度値が大きいという判断が所定回数続けば、最小検出感度値を越えたと判断することができる。

このようにして、前回の検出感度値と今回の検出感度値を順次比較することにより、連続して検出感度値が所定回数増加する傾向が見られると（Ｓ５で「ＹＥＳ」へ進む）、ＣＰＵ７は移動駆動部８を制御して、対物レンズ３の移動を停止させる。

Ｓ５で「ＮＯ」の場合、ＣＰＵ７は対物レンズ３がＺ軸方向の所定の範囲内を移動したかを判断する（Ｓ６）。対物レンズ３が所定の範囲内を移動していない場合は（Ｓ６で「ＮＯ」へ進む）、所定のピッチ分、対物レンズ３を上方向へ移動させ、Ｓ３の処理に戻る。

Ｓ６で「ＹＥＳ」の場合、ＣＰＵ７の合焦点判断手段１０３は最小検出感度値を取得した対物レンズ３のＺ位置を推定する（Ｓ７）。対物レンズ３は所定のピッチで離散的に移動しているため、合焦点判断手段１０３は、それまでに離散的に停止してきた対物レンズ３のＺ位置と、そのＺ位置に対応する検出感度値とに基づいて、理想とする最小検出感度値に対応する対物レンズ３のＺ位置を算出する。このようにして、検出感度値とそれに対応する対物レンズ３のＺ位置を用いると、合焦点を所定の関数でフィッティングすることにより推定することができる。

ここでは、ガウス曲線を用いたフィッティング処理の一例を示す。例えば、各点の取得データ間にガウス曲線（理想曲線）を描き、この曲線と取得した検出感度値との誤差距離が最小になるように曲線近似を行い、その曲線を表す関数を数学的に算出する。そして、フィッティング処理された曲線からピーク位置を推定できる。

なお、上記の例では対物レンズ３のＺ位置が離散的に移動したため計算によりＺ位置を推定したが、これに限定されず、例えば推定値を用いずに、実際の位置を用いてもよい。すなわち、ピッチを十分細かくし、対物レンズ３のＺ位置を連続的に移動させることにより実際に測定された最小検出感度値に対応するＺ位置を用いてもよい。

次に、推定した位置に対物レンズ３を移動駆動部８により移動させる（Ｓ８）。このようにして、合焦位置を検出することができる。
図４は、本実施形態におけるＡＧＣ処理のフローの一例である。当該フローは、ＣＰＵ７により実行されるフローであって、図３のＳ４の詳細を示すフローである。なお、本実施形態では、光検出器１１としてフォトマルチプライヤを用いるが、これに限定されず、例えば、フォトダイオードやＣＣＤのような固体撮像素子であってもよい。

まず、２次元走査用スキャナ２を駆動させて試料４を１回以上走査させることで、ＣＰＵ７は輝度データ（画像データ）を取得する（Ｓ４−１）。次に、輝度検出手段１０１は、その取得した画像データから、例えば関心領域を構成する画素群の輝度値の最大値や最小値等を取得する。関心領域は、予め本実施形態にかかるプログラム上で設定しておくか、もしくは使用者により指定されてもよい。なお、その取得した画像データの全画素群の輝度値の最大値や最小値等を取得してもよい。

次に、輝度検出手段１０１は、その算出した輝度値の最大値が所定の閾値（調整条件）に対して、所定の誤差範囲に入っているかどうか判断する（Ｓ４−２）。所定の誤差範囲は、予め本実施形態にかかるプログラム上で設定しておくか、もしくは使用者により指定される。輝度検出手段１０１は、例えば、関心領域の輝度値の最大値が調整条件（例えば、ダイナミックレンジの６０％）に対して、所定の誤差範囲（例えば、±５％）内に入っているかどうか判断する。

Ｓ４−２において、関心領域の輝度値の最大値が所定の誤差範囲内に入ってないと判断された場合（Ｓ４−２で「ＮＯ」へ進む）、ＡＧＣ１０２は、調整条件になるように、現在の検出感度設定と輝度値から、光検出器１１に設定して検出感度を調整するための調整値を算出する（Ｓ４−３）。

本実施形態では、光検出器としてフォトマルチプライヤを用いているので、ＡＧＣ１０２は、検出感度を印加電圧ＨＶで制御することで調整できる。検出感度Ｇは、ある印加電圧ＨＶにおいて、
Ｇ＝ｋ×ＨＶ＾ａ
で表すことができる。ここで、ａ，ｋは、フォトマルチプライヤ固体毎に決まる値である。

例えば、最大値がダイナミックレンジの６０％以下、最小値が５０％という調整条件が設定されている場合、調整前の状態では、輝度値Ｉ（１）は、印加電圧ＨＶ（１）でサンプルの反射率がｒ、光学系効率がｔとすると、
Ｉ（１）＝Ｇ（１）×ｒ×ｔ （式１）
であるから、
Ｉ（１）＝ｒ×ｔ×ｋ×ＨＶ（１）＾ａ
となる。輝度値をＩ（６０％）に調整したい場合は、
Ｉ（１）／Ｉ（６０％）＝｛ＨＶ（１）＾ａ｝／｛ＨＶ（６０％）＾ａ｝
より、係数ａが定まれば、ＨＶ（６０％）を求めることが可能である。

ここで、係数ａは、フォトマルチプライヤの特性として、例えば製造メーカの示す値を用いても良いし、厳密には、装置毎に実験的に特性を求めればよい。同様に、ＨＶ（５０％）を求める。

仮に、光検出器１１にフォトディテクタを用いた場合は、増幅器の特性に基づいて、調整値を同様に算出することは可能である。通常、増幅器の特性についてのグラフにおける増幅にかかる部分は線形で示されるので、演算はより容易である。

また、演算方法は、従来技術にあるような、２分式探索方法等を用いても良い。また、オフセット等の他のパラメータがある場合は、そのパラメータに応じて演算式を立てて、その式に基づいて演算すればよい。

次に、ＡＧＣ１０２はＳ４−３で得られた調整パラメータを光検出器１１に設定する（Ｓ４−４）。本実施形態では、Ｓ４−３で得られた調整パラメータは、フォトマルチプライヤに設定される。その後に、Ｓ４−１と同様にして再度画像データを取得し、Ｓ４−２と同様にして輝度値を求めて、再度調整が必要かどうか判断し（Ｓ４−２）、必要があれば再度調整する処理（Ｓ４−３，Ｓ４−４）を加えても良い。

本実施形態では、計算式により検出感度値を算出したが、光検出器への入力信号が予め決められた閾値よりも低い場合は、予め決められた設定値分だけ光検出器の検出感度を上げてもよい。なお、光検出器が飽和してしまう場合は、予め決められた設定値分だけ光検出器の検出感度を下げてもよい。

（実施例２）
実施例１では、最小検出感度値を取得する度に、対物レンズ３を一定の間隔で停止させていたが、本実施例２では、対物レンズ３を連続的に移動させ、それに従って最小検出感度値を取得するようにしてもよい。

すなわち、所定のサンプリング周期、例えば１ＫＨｚで光検出器１１から輝度データを取得し、その輝度データに対して、上記の実施形態と同様にＡＧＣ１０２を実行し、焦点評価値を取得し、ピーク位置を推定すればよい。

ただし、対物レンズ３の移動中のある時点での位置をＣＰＵ７で読み取ることができないという制約がある場合は、特許文献１のような手法でピーク位置周辺を往復運動させてピーク位置を特定すればよい。

（実施例３）
実施例１では、光検出器１１の検出感度を調整したが、本実施例では、光源１の光量設定を調整する。

図５は、本実施形態（実施例３）における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す。同図では、図１のＣＰＵ７内にあるＡＧＣ１０２の代わりに、自動光量調整手段５０２が設けられている。また、ＣＰＵ７は、光源１と接続されている。

図３のＳ４において、光検出器１１から取得した輝度信号が所定のレンジの範囲であった場合は、自動光量調整手段５０２により最適な光源１の光量を設定する。これにより、実施例１と同一の作用、効果を得ることができる。

光検出器１１への入力信号が予め決められた閾値よりも低い場合は、自動光量調整手段５０２により予め決められた設定値分だけ光源１の光量を上げてもよいし、計算により光量を求めてもよい。また、光検出器１１が飽和してしまう場合は、自動光量調整手段５０２により予め決められた設定値分だけ光源1の光量を下げてもよいし、計算により光量を求めてもよい。

以上より、本実施形態によれば、使用者は、光検出器の検出感度の設定をすることなしに、合焦点を検出することができる。また、ＡＧＣにより試料の反射率に合わせて、光検出器の設定を調整する必要がないので、使用者の負担を軽減させることができる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、ＡＧＣ１０２による調整後の光検出器１１の検出感度設定値と、その検出感度設定値を適応する前または後の光検出器１１への入力信号とに基づいて、合焦評価値を算出する。

図６は、本実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す。本実施形態は、第１の実施形態のＣＰＵ７内に、さらに、焦点評価値生成手段６０１を追加したものである。

実施例１では、焦点評価値生成手段６０１を用いて、ＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値と、その検出感度設定値を適応後の光検出器への入力信号とに基づいて、その検出感度設定値における光検出器１１の出力値を計算により求める。

実施例２では、焦点評価値生成手段６０１を用いて、ＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値と、その検出感度設定値を適応前の光検出器への入力信号とに基づいて、その検出感度設定値における光検出器１１の出力値を計算により求める。

（実施例１）
本実施例では、ＡＧＣ１０２により設定された光検出器１１の検出感度設定値と、その検出感度設定値を光検出器に設定した後の輝度値とから、その検出感度設定値における光検出器１１の出力値を算出する方法について説明する。ここで、出力値の計算方法の一例を図7を用いて説明する。

図７は、本実施形態（実施例１）におけるＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値（７０１）と、その検出感度設定値の適応後の光検出器への入力信号（７０２）から、合焦評価値（７０４）を取得することについて説明するための図である。

符号７０１は、ＡＧＣ１０２の実行後の光検出器１１の感度設定値を示している。符号７０２は、符号７０１の検出感度を光検出器１１に設定した後の、光検出器１１への入力信号（輝度値）を示している。符号７０３は、図２の符号２０３で表したレンジに相当する。

焦点評価値生成手段６０１は、符号７０１と符号７０２の信号から、新たな焦点評価値７０４を生成する。計算方法は、例えば、式（１）によりＡＧＣ１０２により設定された光検出器１１の検出感度設定値にＡＧＣ１０２を実行後の輝度値を乗じればよい。出力値は、実際には光検出器１１の種類に応じた計算方法で算出すればよい。

この場合、符号７０４のような従来のＩＺ曲集と同様な信号が得られる。すなわち、対物レンズを試料に充分近い位置から、試料から遠ざかる方向に連続的に移動させると、新たな焦点評価値は、対物レンズ３の移動とともに増加していき、最大値を超えた時点から減少するようになる。

合焦点判断手段１０３では、以上のようにして求めた新たな焦点評価値を用いて、合焦判断を行う。
（実施例２）
本実施例では、ＡＧＣ１０２により設定された光検出器１１の検出感度設定値と、その検出感度設定値を光検出器に設定する前の輝度値とから、その検出感度設定値における光検出器１１の出力値を算出する方法について説明する。ここで、出力値の計算方法の一例を図８を用いて説明する。

図８は、本実施形態（実施例２）におけるＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値（８０１）と、その検出感度設定値の適応後の光検出器への入力信号（８０２）から、合焦評価値（８０４）を取得することについて説明するための図である。
符号８０１は、ＡＧＣ１０２の実行後の光検出器１１の感度設定値を示している。符号８０２は、符号８０１の検出感度を光検出器１１に設定前の、光検出器１１への入力信号（輝度値）を示している。

焦点評価値生成手段６０１は、符号８０１と符号８０２の信号から、新たな焦点評価値８０４を生成する。計算方法は、例えば、式（１）によりＡＧＣ１０２により設定された光検出器１１の検出感度設定値にＡＧＣ１０２を実行前の輝度値を乗じればよい。出力値は、実際には光検出器１１の種類に応じた計算方法で算出すればよい。

この場合、符号８０４のような従来のＩＺ曲集と同様な信号が得られる。すなわち、対物レンズを試料に充分近い位置から、試料から遠ざかる方向に連続的に移動させると、新たな焦点評価値は、対物レンズ３の移動とともに増加していき、最大値を超えた時点から減少するようになる。

合焦点判断手段１０３では、以上のようにして求めた新たな焦点評価値を用いて、合焦判断を行う。
このように、本実施形態では、ＡＧＣ１０２による調整後の光検出器１１の検出感度設定値と、その検出感度設定値を適応する前または後の光検出器１１への入力信号との２種類の生データを用いるので、より精密な焦点評価値を算出することができる。

本発明によれば、合焦点検出のための焦点評価値として、ＡＧＣ後の光検出器の検出感度設定値を用いることにより、オートフォーカス前の光検出器の調整を必要としない自動焦点検出装置を提供することができる。

また、本発明によれば、ＡＧＣ後の光検出器の検出感度設定値と、ＡＧＣにより調整される前の輝度値から、ＡＧＣ後の輝度値を算出し、それを新たな焦点評価値として用いることにより、オートフォーカス前の光検出器の調整を必要としない自動焦点検出装置を提供することができる。

また、本発明によれば、ＡＧＣをどの領域に対して有効にするか目的に合わせて任意に設定することが可能となる。
また、本発明によれば、ＡＧＣの調整条件を、使用者により任意に設定することが可能となる。

また、本発明によれば、合焦点検出のための焦点評価値として、自動光量調整後の光量を用いることにより、オートフォーカス前の光検出器の調整を必要としない自動焦点検出装置を提供することができる。

また、本発明によれば、自動光量調整をどの領域に対して有効にするか目的に合わせて任意に設定することが可能となる。
また、本発明によれば、自動光量調整の調整条件を、使用者により任意に設定することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

第１の実施形態における共焦点走査型顕微鏡システムの概略構成を示す。 第１の実施形態（実施例１）におけるＩＺ曲線と焦点評価値との関係を示す。 第１の実施形態（実施例１）における合焦点検出処理フローを示す。 第１の実施形態（実施例１）におけるＡＧＣ処理のフローの一例である。 第１の実施形態（実施例３）における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す。 第２の実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す。 第２の実施形態（実施例１）におけるＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値（７０１）と、その検出感度設定値の適応後の光検出器への入力信号（７０２）から、合焦評価値（７０４）を取得することについて説明するための図である。 第２の実施形態（実施例２）におけるＡＧＣ１０２による調整後の光検出器の検出感度設定値（８０１）と、その検出感度設定値の適応後の光検出器への入力信号（８０２）から、合焦評価値（８０４）を取得することについて説明するための図である

符号の説明

１ 光源
２ ２次元走査用スキャナ
３ 対物レンズ
４ 試料
５ ステージ
６ Ａ／Ｄ変換器
７ ＣＰＵ
８ 移動駆動部
９ フレームメモリ
１０ 表示部
１１ 光検出器
１０１ 輝度検出手段
１０２ ＡＧＣ
１０３ 合焦点判断手段
１０４ 感度検出手段
５０２ 自動光量調整手段
６０１ 焦点評価値生成手段

Claims (12)

1. 試料が載置されたステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に連続移動可能な顕微鏡の合焦を行う自動焦点検出装置であって、
   前記試料に照明光を照射してその反射光に応じた輝度データを検出する光検出手段と、
   前記光検出手段から取得した輝度データに基づいて、該光検出手段の検出感度を調整して該調整した検出感度を該光検出手段に設定する検出感度調整手段と、
   前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定する合焦点位置推定手段と、
   を備えることを特徴とする自動焦点検出装置。
2. 前記自動焦点検出装置は、さらに、
   前記輝度データより構築される２次元画像データ内の所定の領域の輝度値を検出する輝度検出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動焦点検出装置。
3. 前記輝度検出手段は、前記輝度データより構築される２次元画像内の所定の領域を構成する画素群のうちの輝度値の最大値及び最小値のうち少なくともいずれかを検出し、該検出した輝度値が前記光検出手段の検出感度の調整条件として設定されている所定の閾値の誤差範囲内に含まれるか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項２に記載の自動焦点検出装置。
4. 前記検出感度調整手段は、前記輝度検出手段による検出結果に基づいて、前記光検出手段の検出感度を調整する
   ことを特徴とする請求項２に記載の自動焦点検出装置。
5. 前記所定の領域は、前記２次元画像全体、または該２次元画像の一部の領域である
   ことを特徴とする請求項２に記載の自動焦点検出装置。
6. 前記所定の閾値は、前記光検出手段から出力された検出信号に基づいて設定される値、または任意に設定される値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の自動焦点検出装置。
7. 前記自動焦点検出装置は、さらに、
   前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定後の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動焦点検出装置。
8. 前記自動焦点検出装置は、さらに、
   前記検出感度調整手段により設定された前記光検出手段の検出感度設定値と、該検出感度設定値を設定前の該光検出手段により検出された輝度情報とに基づいて、焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動焦点検出装置。
9. 前記合焦点位置推定手段は、前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値を表す関数のピーク位置を合焦点とする
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の自動焦点検出装置。
10. 前記自動焦点検出装置は、さらに、
    前記合焦位置推定手段により推定された合焦点位置情報に基づいて、前記ステージと対物レンズとを光軸方向に相対的に移動させる移動制御手段
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動焦点検出装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の自動焦点検出装置を搭載した顕微鏡システム。
12. 試料が載置されたステージと対物レンズとの間の距離を光軸方向に相対的に移動させることができ、該試料に照明光を照射してその反射光を光検出器により検出することが可能な顕微鏡の自動焦点検出方法であって、
    前記光検出器より出力される輝度信号を取得し、
    前記取得された輝度信号により表される２次元画像データ内の所定の領域の輝度値に基づいて、前記光検出器の検出感度を調整して該調整した検出感度を該検出器に設定し、
    前記設定された前記光検出器の検出感度設定値に基づいて、合焦点位置を推定する
    ことを特徴とする自動焦点検出方法。

Images