JP2009037153A - オートフォーカス装置と、これを有する顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子に最適な光量が入射する光源の発光量を短時間で設定可能なオートフォーカス装置と、これを有する顕微鏡装置を提供すること。
【解決手段】光電変換器３０と、フォーカス用の光源２０と、前記光源からの光に基づく光像を観察対象物上に結像させるフォーカス用照明光学系５と、前記観察対象物からの前記光像の反射光を受光し前記光像の反射像を前記光電変換器の受光面に結像させるフォーカス用結像光学系７と、前記光電変換器の信号により前記フォーカス用結像光学系と前記観察対象物とを前記光軸方向に相対移動可能な焦点位置調節手段８、３４と、前記光電変換器の信号が所定範囲内にあるか否かに基づき、前記光源の発光量に所定値を乗じ、前記光源の発光量を増減させて前記光電変換器の信号を前記所定範囲内に設定する光量調整手段４１とを有するオートフォーカス装置１と顕微鏡装置２。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子の信号に基づき光源の発光量を調整可能なオートフォーカス装置と、これを有する顕微鏡装置に関する。

従来、生物顕微鏡において、スリット状の光像を照明光を標本に照射し、その反射光を用いて対物レンズの前側焦点に標本の観察位置を位置決めし、かつ焦点検出光学系に設けられた焦点位置調節レンズを焦点検出光学系の光軸に沿って移動させることにより、対物レンズの前側焦点を標本に対して移動するオートフォーカス装置とこれを有する顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。従来のオートフォーカス制御には、焦点情報を利用しているが、その元はＣＣＤセンサ等の受光素子に結像された像である。そして受光素子上のこの像の光量が適正な値となるように、スリット状の光像を照射するための光源の光量を自動的に調整することが行われている。
特開２００４−７０２７６号公報

従来の光量調整は、受光素子の信号に所定範囲の閾値を設け、信号が閾値を上回っている場合、或いは下回っている場合、光源の発光量をデジタル的に１ステップずつ加減算することで受光素子に入射する光量調整を行っている。このため、光量調整範囲が広くなればなるほど光量調整に時間がかかり、結果としてオートフォーカス制御開始が遅れ、観察開始までに時間がかかると言う問題がある。

上記課題を解決するため、本発明は、光電変換器と、フォーカス用の光源と、前記光源からの光に基づく光像を観察対象物上に結像させるフォーカス用照明光学系と、前記観察対象物からの前記光像の反射光を受光し前記光像の反射像を前記光電変換器の受光面に結像させるフォーカス用結像光学系と、前記光電変換器の信号により前記フォーカス用結像光学系と前記観察対象物とを前記光軸方向に相対移動可能な焦点位置調節手段と、前記光電変換器の信号が所定範囲内にあるか否かに基づき、前記光源の発光量に所定値を乗じ、前記光源の発光量を増減させて前記光電変換器の信号を前記所定範囲内に設定する光量調整手段とを有することを特徴とするオートフォーカス装置を提供する。

また、本発明は、前記オートフォーカス装置を有することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。

本発明によれば、受光素子に最適な光量が入射する光源の発光量を短時間で設定可能なオートフォーカス装置と、これを有する顕微鏡装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態に関し図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態にかかる光源装置１を搭載したオートフォーカス装置を有する顕微鏡２の概略構成図である。

図１において、顕微鏡２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た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、光学装置１を構成するＬＥＤ光源（以後、単にＬＥＤと記す）２０側から順に、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。

ＬＥＤ２０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や蛍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で反射されて対物レンズ１２方向に反射され（赤外光Ｌｂ）、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、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、標本側から順に、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１８、第２ハーフミラー１７および第２対物レンズ１３が配設されて構成されており、さらに第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光は標本を透過して観察光となり、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１８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に入射した観察光は、一部が反射され第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。また、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）に投影する。

光学装置１を構成するフォーカス用結像光学系７は、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、対物レンズ１２で結像された焦点検出用の赤外光は、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、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で反射され（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、フォーカス用照明光学系５の光軸に対して略４５度傾けて配設された第１ハーフミラー２５に入射し、第１ハーフミラー２５で一部が反射されフォーカス用結像光学系７に入射する。

フォーカス用結像光学系７は、フォーカス用照明光学系５側から光軸に沿って順に、第１ハーフミラー２５、オートフォーカス用対物レンズ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（以後、単にＣＣＤと記す）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、ＣＣＤ３０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、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において紙面に対して垂直方向（スリット像の長手方向）に圧縮して、ＣＣＤ３０の撮像面に結像させる作用をする。なお、ＣＣＤ３０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。

なお、フォーカス用照明光学系５において、ＬＥＤ２０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ＬＥＤ２０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。

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に示すように、ダイクロイックミラー１６と第１ハーフミラー２５の間の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と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。焦点位置調節レンズ駆動部９は後述するＣＰＵ４１の焦点位置調節レンズ移動制御部を介して移動が制御されている。

また、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レンズ操作ダイアル５１と不図示の焦点位置調節レンズ切り替えスイッチが配設されおり、観察者は焦点位置調節レンズ操作ダイアル５１を操作すると、これに結合されたエンコーダ（不図示）からの信号に基づき焦点位置調節レンズ８を光軸にそって往復移動させることができる。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は、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ずらし、同時に、標本１８で反射し、ＣＣＤ３０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ずらす働きをする。

この時のＣＣＤ３０から図２に示すような信号が得られる。図２は、ＬＥＤ２０の発光量が最適な状態で、合焦してる場合を示している。合焦している時には、スリット像の信号のピーク値がＩｍａｘとなり、Ｉｍａｘからの垂線で二分される領域Ｓ１とＳ２の面積がほぼ等しい状態となっている。

一方、非合焦時には図３に示すように、ＣＣＤ３０からの信号がほとんど観測されない。この場合、ＬＥＤ２０の発光量を上げてスリット像が検出されないか試す必要がある。或いは、図４に示すように、ＬＥＤ２０の発光量が大きすぎて、スリット像の信号が飽和してしまい、焦点検出ができなくなる。この場合には、ＬＥＤ２０の発光量を下げて、図２に示す信号にする必要がある。

従来、ＬＥＤ２０の発光量の調整は、図１に示すＣＰＵ４１からの指令に基づき、光量調節ドライバー４５が、１ステップずつ加減算してＬＥＤ２０の発光量を増減して行っていた。光量調整ドライバー４５は、ＬＥＤ２０の発光量ゼロから最大値までをデジタル的に所定数のステップに分割してＤ／Ａを介してＬＥＤ２０の発光量を調整している。このため、ステップ数が多くなると、加減算を行っているために最適な光量に達するまでに時間を要していた。

本実施の形態では、ＬＥＤ２０の光量調整をより早く行えるようにしている。以下、図５〜図７を参照しつつ説明する。図５は、光量調節のための制御フォローを示し、図６、７は、光量調整過程におけるＣＣＤ３０からの受光信号の変化を模式的に示している。

ステップＳ１
顕微鏡装置の電源が投入されると、ＣＰＵ４１はＣＣＤ３０の受光信号をオートフォーカス用信号処理部３１を介して読み取る。この時得られた信号は、例えば図２に示すようになっている。

ステップＳ２
オートフォーカスがＯＮか否かをＣＰＵ４１が検出し、ＯＦＦ状態（Ｎ）であれば、信号処理の必要が無いのでステップＳ１にもどり、ＣＣＤ３０の受光信号を読み取るステップＳ１とＳ２の動作を継続する。

ステップＳ３
オートフォーカスがＯＮの状態（Ｙ）の場合、ＣＰＵ４１はＣＣＤ３０の信号の中から最大値Ｉｍａｘを求める。

ステップＳ４
求めたＩｍａｘが、ＣＣＤ３０の受光量が最適な受光範囲を規定している上限閾値ｔｈＨよりも大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｙ）はステップＳ１０にジャンプし、小さい場合にはステップＳ５を実行する。

ステップＳ５
求めたＩｍａｘが、ＣＣＤ３０の受光量が最適な受光範囲を規定している下限閾値ｔｈＬより小さいか否かを判定し、小さい場合（Ｙ）はステップＳ８にジャンプし、大きい場合はステップＳ６を実行する。

ステップＳ６
求めたＩｍａｘは、受光量が最適な受光範囲のｔｈＬとｔｈＨの間にあるので信号をオートフォーカス用信号処理部３１で処理し、オートフォーカシング制御パラメータを算出する。

ステップＳ７
算出された制御パラメータに基づきオートフォーカス制御を実行する。

ステップＳ８
求めたＩｍａｘが図６の破線で示すようにｔｈＬより小さいので、オートフォーカス制御を停止し、焦点調節レンズ８の移動を停止する。

ステップＳ９
ＬＥＤ２０の発光量を現在の発光量を基に再設定する。この時、再設定する発光量は、現在の発光量に比率ＰＬを乗じた値に設定する。即ち、
再設定する発光量＝現在の発光量×ＰＬ
とする。その後、ステップＳ１に戻る。

図６は、現在の発光量が小さいために、ＣＣＤ３０の信号のＩｍａｘが閾値ｔｈＬより小さい場合の光量調整について説明する図を示している。この例では、比率ＰＬ＝２の場合を示している。

ＣＣＤ３０の信号のＩｍａｘを最適な受光範囲内に入れるため、ＣＰＵ４１が光量調整ドライバー４５を介してＬＥＤ２０の発光量を増加させる。この時、現在の発光量が２０であれば、比率ＰＬ＝２の場合、変更後の発光量を２０×２＝４０になる。図６の場合、発光量４０でも、ＣＣＤ３０の信号のＩｍａｘが最適な受光範囲に達していないため、再度発光量の変更を行う。再度の変更によって変更後の発光量は、４０×２＝８０となり、Ｉｍａｘを最適な受光範囲内に設定できる。このよう、本実施の形態では、２ステップで、Ｉｍａｘを最適な受光範囲に設定することができる。

この例を、従来の１ステップごとの変更で実行すると、数十ステップ以上のステップを踏まなければならず、１ステップにかかる時間が同じであれば、数十倍以上の時間を要することになる。このように、本実施の形態の方式では、従来に比べ短時間で、最適なＬＥＤ２０の光量を設定することが可能になる。

ステップＳ１０
求めたＩｍａｘが図７の破線に示すようにｔｈＨより大きいので、オートフォーカス制御を停止し、焦点調節レンズ８の移動を停止する。

ステップＳ１１
ＬＥＤ２０の発光量を現在の発光量を基に再設定する。この時、再設定する発光量は、現在の発光量を比率ＰＨで除した値に設定する。即ち、
再設定する発光量＝現在の発光量／ＰＨ
とする。その後、ステップＳ１に戻る。

図７は、現在の発光量が大きすぎるため、ＣＣＤ３０の信号のＩｍａｘが閾値ｔｈＨより大きい場合の光量調整の例を示している。この例では、比率ＰＨ＝２の場合を示している。現在の発光量が１００で大きすぎため、変更後の発光量を１００／２＝５０とすることで、Ｉｍａｘを最適な受光範囲内に設定できる。このよう、本実施の形態では、１ステップで、Ｉｍａｘを最適な受光範囲に設定することができる。この例を、従来の１ステップごとの変更で実行すると、数十ステップ以上のステップを踏まなければならず、１ステップにかかる時間が同じであれば、数十倍以上の時間を要することになる。このように、本実施の形態の方式では、従来に比べ短時間で、最適なＬＥＤ２０の光量を設定することが可能になる。

なお、上記の説明では、比率ＰＬ、ＰＨは同じ値（例えば、２）としているが、ＰＬ、ＰＨは異なる値を用いることも可能である。例えば、Ｉｍａｘが下限閾値ｔｈＬ以下の場合は、上限閾値以上の場合に比べ同じ比率でもＬＥＤ２０の発光量変化が小さいので、比率ＰＬを比率ＰＨより大きい値（例えば、ＰＬ＝４）に設定し、最適な受光範囲内に設定するまでのステップ数を少なくすることも可能である。或いは、変更するステップ数を極力する少なくするように適宜比率を変更するようにしても良い。また、上記実施の形態では、ＰＬ＝ＰＨ＝２の場合について説明したが、１．５、２．５、３・・等の値に適宜設定することも可能である。

また、上記の比率は、対物レンズの倍率に応じた比率をＣＰＵ４１に接続されたメモリ４２に保存しておき、対物レンズ交換に応じて適宜読み出して使用するように構成しても良い。これは、ＬＥＤ２０が同じ発光量でも、対物レンズの倍率を高倍から低倍に変えるとＣＣＤ３０の受光量Ｉｍａｘが上限閾値ｔｈＨを超えてしまうことが多くなり、対物レンズを低倍から高倍に換えるとＩｍａｘが下限閾値ｔｈＬ以下になることが多くなる。よって、対物レンズの交換に応じて発光量をかえる比率を設定しておけば、より早くオートフォーカス動作を実行することが可能になる。

以上述べたように、実施の形態にかかる光学装置１を用いることによって、オートフォーカス顕微鏡２において、オートフォーカス動作に入るまでの設定時間を大幅に短縮することが可能になる。この結果、オートフォーカスを使用する顕微鏡観察の観察開始時間を短縮することが可能になる。

なお、上記実施の形態では、オートフォーカス用の受光素子に対する光量調整について説明したが、その他の受光素子の受光量を最適にする光量調節にも適用可能である。

また、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

実施の形態にかかる顕微鏡装置の光学系及び制御系の構成の概略図。 合焦した状態におけるＣＤＤの受光信号例。 非合焦状態におけるＣＣＤの受光信号例。 光源の発光量が大きすぎてＣＣＤの受光信号が飽和してしまった例。 最適受光範囲にＣＣＤの受光信号値を入れるための発光量の制御フローを示す。 ＣＣＤの受光信号が下限閾値以下の場合の発光量変更例。 ＣＣＤの受光信号が上限閾値以上の場合の発光量変更例。

符号の説明

１ 光学装置
２ 顕微鏡装置（オートフォーカス顕微鏡）
３ 観察光学系
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
９ 焦点位置調節レンズ駆動部
１０ 可視光カットフィルタ
１１ ステージ
１２ 対物レンズ
１３ 第２対物レンズ
１４ カバーガラス
１５ スライドガラス
１６ ダイクロイックミラー
１７ 第２ハーフミラー
１８ 標本
２０ ＬＥＤ光源
２１ ＬＥＤ光源（ＬＥＤ）
２２ スリット板
２３ 第２コレクタレンズ
２４ 第１瞳制限マスク
２５ 第１ハーフミラー
２６ オートフォーカス用対物レンズ
２７ オートフォーカス用リレーレンズ
２８ 第２瞳制限マスク
２９ シリンドリカルレンズ
３０ オートフォーカス用ＣＣＤセンサ（ＣＣＤ）
３１ オートフォーカス用信号処理部
３４ ステージ駆動部
３５ 電動リボルバ駆動部
３６ カメラ用対物レンズ
３７ カメラ用リレーレンズ
３８ カメラ用ＣＣＤセンサー
４１ ＣＰＵ
４２ メモリ
４３ 入力部
４５ 光量調整ドライバー
５１ 焦点位置調節レンズ操作ダイアル

Claims (6)

1. 光電変換器と、
   フォーカス用の光源と、
   前記光源からの光に基づく光像を観察対象物上に結像させるフォーカス用照明光学系と、
   前記観察対象物からの前記光像の反射光を受光し前記光像の反射像を前記光電変換器の受光面に結像させるフォーカス用結像光学系と、
   前記光電変換器の信号により前記フォーカス用結像光学系と前記観察対象物とを前記光軸方向に相対移動可能な焦点位置調節手段と、
   前記光電変換器の信号が所定範囲内にあるか否かに基づき、前記光源の発光量に所定値を乗じ、前記光源の発光量を増減させて前記光電変換器の信号を前記所定範囲内に設定する光量調整手段と、を有することを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記光電変換器の信号が前記所定範囲の下限値より小さい時、前記発光量調整手段は、前記光源の発光量に下限値用の前記所定値を乗じて、前記光源の発光量を増やす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. 前記光電変換器の信号が前記所定範囲の上限値より大きい時、前記光量調整手段は、前記光源の発光量に上限値用の前記所定値を乗じて、前記光源の発光量を減らす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。
4. 前記下限値は、前記上限値に前記上限値用の所定値を乗じた値より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
5. 前記下限値用の所定値は、前記上限値用の所定値の逆数に等しいことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
6. 請求項１から５に記載のオートフォーカス装置を有することを特徴とする顕微鏡装置。

Images