JP2009098437A - Focus adjustment device and microscope device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a focus adjustment device in which a time required for performing focus detection is shortened in a pattern projection system. <P>SOLUTION: The focus adjustment device includes: a projection means projecting a pattern on a measurement object via a part of a pupil of an objective lens; a light receiving means including a light receiving element row comprising a plurality of focus detection light receiving elements receiving pattern images reflected from the measurement object; a focus detection means detecting a position of the pattern image projected on the light receiving element row on the basis of a light receiving signal from the light receiving means and obtaining a lateral shift amount between the position of the pattern image and a predetermined position on the light receiving element row; and a focusing means setting an adjustment speed for adjusting a relative gap between the objective lens and the measurement object on the basis of the lateral shift amount obtained by the focus detection means and leading to the focused state. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、顕微鏡装置などに適用される焦点調節装置、及びそれを備えた顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a focus adjustment apparatus applied to a microscope apparatus and the like, and a microscope apparatus including the same.

レンズの焦点検出方式には、主に工業顕微鏡に搭載されるスリット投影方式がある。スリット投影方式の焦点検出は、対物レンズの瞳の一部を介して物体へパターンを投影し、ラインセンサ上に結像される反射光に基づきデフォーカス信号(差分信号)を生成して焦点検出を行っている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−277729号公報
As a lens focus detection method, there is a slit projection method mainly mounted on an industrial microscope. In the focus detection of the slit projection method, a pattern is projected onto an object through a part of the pupil of the objective lens, and a defocus signal (difference signal) is generated based on the reflected light imaged on the line sensor to detect the focus. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2002-277729 A

しかしながらこの方法によると、焦点制御曲線は横軸にデフォーカス量、縦軸にデフォーカス信号の出力レベルを取ると、S字カーブとなる。そして、このデフォーカス信号から求められるのはデフォーカス方向のみであり、このデフォーカス方向に従い、S字カーブに沿った焦点調節速度で制御される。そのため、デフォーカス量が大きくなると、デフォーカス信号の出力レベルが小さくなり、結果として駆動速度も遅くなり焦点調節の所要時間が長期化される傾向にある。   However, according to this method, the focus control curve becomes an S-curve when the horizontal axis indicates the defocus amount and the vertical axis indicates the output level of the defocus signal. Then, only the defocus direction is obtained from the defocus signal, and control is performed at a focus adjustment speed along the S-curve according to the defocus direction. For this reason, when the defocus amount increases, the output level of the defocus signal decreases, and as a result, the drive speed also decreases and the time required for focus adjustment tends to be prolonged.

そこで本発明は、パターン投影方式の焦点検出において、所要時間の短い焦点調節装置を提供することを目的とする。また、高性能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a focus adjustment apparatus that requires a short time for pattern projection focus detection. It is another object of the present invention to provide a high-performance microscope apparatus.

本発明の焦点調節装置は、対物レンズの瞳の一部を介して被測定対象物へパターンを投影する投影手段と、前記被測定対象物から反射した前記パターン像を受光する複数の焦点検出用受光素子からなる受光素子列を備える受光手段と、前記受光手段からの受光信号に基づいて、前記受光素子列上に投影された前記パターン像の位置を検出し、前記パターン像の位置と、前記受光素子列上の予め決められた位置との横ずれ量を求める焦点検出手段と、前記焦点検出手段により求められた前記横ずれ量に基づき、前記対物レンズと前記被測定対象物との相対的間隔を調整する調整速度を設定し、合焦状態に導く焦点調節手段とを備える。   The focus adjustment apparatus of the present invention includes a projection unit that projects a pattern onto a measurement target object through a part of a pupil of an objective lens, and a plurality of focus detection light sources that receive the pattern image reflected from the measurement target object. A light receiving means including a light receiving element array composed of light receiving elements; and a position of the pattern image projected on the light receiving element array based on a light reception signal from the light receiving means; and the position of the pattern image; A focus detection means for obtaining a lateral deviation amount with respect to a predetermined position on the light receiving element array, and a relative distance between the objective lens and the object to be measured based on the lateral deviation amount obtained by the focus detection means. Focus adjustment means for setting an adjustment speed to be adjusted and for bringing the focus into a focused state.

なお、好ましくは、前記焦点検出手段は、前記パターン像の位置を検出するために、前記受光素子列上の各画素のセンサ信号を信号処理して分布を求め、前記受光素子列上の画素位置を求めても良い。   Preferably, the focus detection unit obtains a distribution by performing signal processing on the sensor signal of each pixel on the light receiving element array in order to detect the position of the pattern image, and the pixel position on the light receiving element array. You may ask for.

また、好ましくは、前記焦点検出手段は、前記各画素のセンサ信号が閾値を超えたか否かを検出し、前記パターン像のエッジを求め、前記エッジに相当する画素位置に基づき、前記パターン像の位置を検出し、前記パターン像の位置と前記受光素子列上に予め決められた位置とから前記横ずれ量を求めても良い。   Preferably, the focus detection unit detects whether a sensor signal of each pixel exceeds a threshold, obtains an edge of the pattern image, and based on a pixel position corresponding to the edge, A position may be detected, and the lateral shift amount may be obtained from the position of the pattern image and a predetermined position on the light receiving element array.

また、好ましくは、前記焦点検出手段は、偽信号(前記被測定対象物の種類や前記対物レンズを含む光学系に起因する迷光により生じる信号)の発生する前記受光素子列上の画素位置を記憶する記憶部を有し、前記パターン像の分布する前記受光素子列上の画素位置と前記記憶部に記憶された前記偽信号の画素位置とを比較し、前記両画素位置が一致していないことを判断して前記横ずれ量を求めても良い。   Preferably, the focus detection unit stores a pixel position on the light receiving element array where a false signal (a signal generated by stray light caused by an optical system including the type of the object to be measured or the objective lens) is generated. The pixel position on the light receiving element array where the pattern image is distributed is compared with the pixel position of the false signal stored in the storage unit, and the two pixel positions do not match. The lateral deviation amount may be obtained by judging the above.

また、好ましくは、前記焦点調節手段は、前記横ずれ量に基づき段階的な駆動速度設定を行っても良い。   Preferably, the focus adjusting unit may perform stepwise driving speed setting based on the lateral shift amount.

本発明の顕微鏡装置は、対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、前記対物レンズの焦点調節を行う上述した何れかの焦点調節装置とを備える。   A microscope apparatus according to the present invention includes a microscope optical system for observing an image captured by an objective lens, and any one of the focus adjustment apparatuses described above that adjusts the focus of the objective lens.

本発明によれば、パターン投影方式の焦点検出において、所要時間の短い焦点調節装置が実現する。また、高性能な顕微鏡装置が実現する。   According to the present invention, it is possible to realize a focus adjustment apparatus that requires a short time for pattern projection focus detection. In addition, a high-performance microscope apparatus is realized.

以下、本発明の焦点調節装置の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the focus adjustment device of the present invention will be described.

図1は、本実施形態の焦点調節装置の構成図である。図1に示す焦点調節装置は、スリット投影方式の焦点検出光学系が搭載された焦点調節装置である。   FIG. 1 is a configuration diagram of the focus adjustment apparatus of the present embodiment. The focus adjustment apparatus shown in FIG. 1 is a focus adjustment apparatus equipped with a slit projection type focus detection optical system.

図1においてLED7は、スリット投影方式用の赤外光を発する。以下、この赤外光を「スリット投影方式のAF光」という。LED7から発せられたスリット投影方式のAF光は、スリット板8、コレクタレンズ9、瞳マスク10、ハーフミラー16、色収差補正レンズ30、ダイクロイックミラー4、第1対物レンズ3、標本2、第1対物レンズ3、ダイクロイックミラー4、色収差補正レンズ30、ハーフミラー16、第2対物レンズ17を順に経由してからラインセンサ22に入射する。   In FIG. 1, an LED 7 emits infrared light for slit projection. Hereinafter, this infrared light is referred to as “slit projection AF light”. The slit projection AF light emitted from the LED 7 is a slit plate 8, a collector lens 9, a pupil mask 10, a half mirror 16, a chromatic aberration correction lens 30, a dichroic mirror 4, a first objective lens 3, a specimen 2, and a first objective. The light passes through the lens 3, the dichroic mirror 4, the chromatic aberration correction lens 30, the half mirror 16, and the second objective lens 17 before entering the line sensor 22.

ここで、上述したスリット板8の中央には、図1(a)に示すとおりスリット開口が形成されている。よって、スリット投影方式のAF光は、物体面(ここでは標本面2a)の近傍にスリット状の赤外像を形成する。また、このとき標本面2aで反射したスリット投影方式のAF光は、ラインセンサ22にスリット状の赤外像を形成する。以下、この赤外像を「スリット像」という。このスリット像のスリット幅方向と、ラインセンサ22のライン方向とは、互いに交差する。   Here, a slit opening is formed in the center of the slit plate 8 as shown in FIG. Therefore, the slit projection AF light forms a slit-like infrared image in the vicinity of the object plane (here, the sample plane 2a). At this time, the slit projection AF light reflected by the sample surface 2 a forms a slit-like infrared image on the line sensor 22. Hereinafter, this infrared image is referred to as a “slit image”. The slit width direction of the slit image and the line direction of the line sensor 22 intersect each other.

また、瞳マスク10は、光軸を含む平面でスリット投影方式のAF光を分割してできる2つの光の一方を透過し、かつ他方を遮光する。したがって、スリット投影方式のAF光は第1対物レンズ3を往復する際、往路と復路とで第1対物レンズ3の瞳上の互いに異なる位置を通過する。したがって、ラインセンサ22上に形成されるスリット像は、第1対物レンズ3のデフォーカス量(第1対物レンズ3の焦点と標本面2aとの光軸方向のずれ)に応じて横ずれする。なお、第1対物レンズ3のデフォーカス量がゼロであるときにラインセンサ22に形成されるスリット像の重心位置は、予め測定されているものとする。   The pupil mask 10 transmits one of two lights obtained by dividing the slit projection AF light on a plane including the optical axis and shields the other. Therefore, when the slit projection type AF light reciprocates through the first objective lens 3, it passes through different positions on the pupil of the first objective lens 3 in the forward path and the backward path. Therefore, the slit image formed on the line sensor 22 is laterally shifted according to the defocus amount of the first objective lens 3 (shift in the optical axis direction between the focal point of the first objective lens 3 and the sample surface 2a). It is assumed that the center of gravity position of the slit image formed on the line sensor 22 when the defocus amount of the first objective lens 3 is zero is measured in advance.

以上の焦点調節装置において、CPU24は、スリット投影方式の光源であるLED7を制御する。LED7が点灯している期間には、スリット投影方式のスリット像が形成されるので、ラインセンサ22からスリット像に対応する出力信号を得ることができる。   In the focus adjusting apparatus described above, the CPU 24 controls the LED 7 that is a slit projection type light source. Since the slit projection type slit image is formed during the period in which the LED 7 is lit, an output signal corresponding to the slit image can be obtained from the line sensor 22.

ラインセンサ22の出力信号は、信号処理部23へ取り込まれる。信号処理部23は、取り込まれた信号を基に幾つかの信号を生成すると、それをCPU24へ与える。CPU24は、与えられた信号に基づきスリット投影方式の信号を生成すると、その信号に応じた駆動方向及び駆動速度を上下動駆動部(パルスモータなど)25へ指定する。上下動駆動部25は、指定された駆動方向及び駆動速度で第1対物レンズ3を光軸方向へ駆動することにより、第1対物レンズ3の焦点調節を行う。なお、その上下動駆動部25の駆動対象は、第1対物レンズ3の代わりにステージ1としても良いが、ここでは第1対物レンズ3であるという前提で説明する。   The output signal of the line sensor 22 is taken into the signal processing unit 23. When the signal processing unit 23 generates some signals based on the captured signals, the signal processing unit 23 gives them to the CPU 24. When the CPU 24 generates a slit projection type signal based on the given signal, the CPU 24 designates a driving direction and a driving speed in accordance with the signal to the vertical movement driving unit (such as a pulse motor) 25. The vertical movement drive unit 25 adjusts the focus of the first objective lens 3 by driving the first objective lens 3 in the optical axis direction at a designated drive direction and drive speed. Although the vertical movement drive unit 25 may be driven by the stage 1 instead of the first objective lens 3, the following description is based on the assumption that the first objective lens 3 is used.

また、CPU24は、LED7の光量を制御することもでき、ラインセンサ22の電荷蓄積時間(走査時間)を必要に応じて切り替えることもできる。   The CPU 24 can also control the light amount of the LED 7 and can switch the charge accumulation time (scanning time) of the line sensor 22 as necessary.

次に、信号処理部23及びCPU24の信号生成動作を説明する。   Next, signal generation operations of the signal processing unit 23 and the CPU 24 will be described.

図2,図3,図4は、信号生成動作を説明する図である。図2,図3,図4は、第1対物レンズ3のデフォーカス量と、ラインセンサ22のセンサ信号との関係を示している。(a)はデフォーカス量、(b)はラインセンサ22に入射する光の振る舞い、(c)は、ラインセンサ22のセンサ信号を示している。   2, 3 and 4 are diagrams for explaining the signal generation operation. 2, 3, and 4 show the relationship between the defocus amount of the first objective lens 3 and the sensor signal of the line sensor 22. (A) is a defocus amount, (b) is a behavior of light incident on the line sensor 22, and (c) is a sensor signal of the line sensor 22.

信号処理部23は、センサ信号をピークホールドして得られるピーク電圧信号V102と、後述する方法で得られる代表位置PXCとを取得し、CPU24へ与える。 The signal processing unit 23 acquires a peak voltage signal V 102 obtained by peak-holding the sensor signal and a representative position PX C obtained by a method described later, and provides the CPU 24 with it.

CPU24は、信号処理部23から与えられるピーク電圧信号V102を、スリット投影方式のデフォーカス信号の生成状態を評価するための評価値として使用する。また、CPU24は、信号処理部23から与えられる代表位置PXCを、後述する速度設定に使用する。 The CPU 24 uses the peak voltage signal V 102 given from the signal processing unit 23 as an evaluation value for evaluating the generation state of the slit projection type defocus signal. Further, the CPU 24 uses the representative position PX C given from the signal processing unit 23 for speed setting to be described later.

図2(a)に示すように、第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2aより奥側(後ピン位置)にあるとき、ラインセンサ22のセンサ信号は、図2(c)に示すように合焦位置100よりもR側に分布する。また、代表位置PXCは、合焦位置100よりもR側に分布する。 As shown in FIG. 2A, when the focal position of the first objective lens 3 is on the back side (rear pin position) from the sample surface 2a, the sensor signal of the line sensor 22 is as shown in FIG. Are distributed on the R side of the in-focus position 100. Further, the representative position PX C is distributed on the R side from the in-focus position 100.

図3(a)に示すように、第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2a(合焦位置)にあるとき、ラインセンサ22のセンサ信号は、図3(c)に示すように合焦位置100に分布する。また、代表位置PXCは、合焦位置100と略重なる位置にある。 As shown in FIG. 3A, when the focal position of the first objective lens 3 is at the sample surface 2a (in-focus position), the sensor signal of the line sensor 22 is in-focus as shown in FIG. 3C. Distributed at position 100. The representative position PX C is at a position that substantially overlaps the in-focus position 100.

図4(a)に示すように、第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2aより手前(前ピン位置)にあるときは、ラインセンサ22のセンサ信号は、図4(c)に示すように合焦位置100よりもF側に分布する。また、代表位置PXCは、合焦位置100よりもF側に分布する。 As shown in FIG. 4A, when the focal position of the first objective lens 3 is in front of the sample surface 2a (front pin position), the sensor signal of the line sensor 22 is as shown in FIG. 4C. Are distributed on the F side from the in-focus position 100. The representative position PX C is distributed on the F side with respect to the in-focus position 100.

以上説明した傾向によれば、代表位置PXCがF側に分布するときには、第1対物レンズ3の駆動方向を上方向(標本2から離れる方向)とし、代表位置PXCがF側に分布するときには、第1対物レンズ3の駆動方向を下方向(標本2に近づく方向)とすれば良い。 According to the tendency described above, when the representative position PX C is distributed on the F side, the driving direction of the first objective lens 3 is set to the upward direction (direction away from the sample 2), and the representative position PX C is distributed on the F side. In some cases, the driving direction of the first objective lens 3 may be a downward direction (a direction approaching the sample 2).

次に、上述した代表位置PXCの求め方について説明する。図5(a)は、ラインセンサ22のセンサ信号を表す図である。横軸はラインセンサ22上の画素位置を示し、縦軸はセンサ信号の大きさを示す。信号処理部23は、ラインセンサ22からのセンサ信号を順次閾値Tと比較する。閾値Tは第1対物レンズ3の焦点位置を認識するための閾値であり、実験などにより予め定められる。信号処理部23は、センサ信号が閾値Tと交わる最も前ピン側の画素位置PXSと、センサ信号が閾値Tと交わる最も後ピン側の画素位置PXLと求め、以下の式により代表位置PXCを算出する。 Next, how to obtain the above-described representative position PX C will be described. FIG. 5A is a diagram illustrating a sensor signal of the line sensor 22. The horizontal axis indicates the pixel position on the line sensor 22, and the vertical axis indicates the magnitude of the sensor signal. The signal processing unit 23 sequentially compares the sensor signal from the line sensor 22 with the threshold value T. The threshold value T is a threshold value for recognizing the focal position of the first objective lens 3 and is determined in advance by an experiment or the like. The signal processing unit 23 obtains the pixel position PX S on the most front pin side where the sensor signal intersects with the threshold value T and the pixel position PX L on the most rear pin side where the sensor signal intersects with the threshold value T, and the representative position PX is obtained by the following equation. C is calculated.

代表位置PXC=(PXS+PXL)/2・・・(式1)
このようにして求めた代表位置PXCは、現在の対物レンズの焦点位置を示し、後述する速度の設定に用いられる。
Representative position PX C = (PX S + PX L ) / 2 (Expression 1)
The representative position PX C obtained in this way indicates the current focal position of the objective lens, and is used for setting the speed described later.

なお、代表位置として、上述したピーク電圧信号V102に対応する画素位置PXPを用いても良い。また、上述した代表位置PXCとピーク電圧信号V102に対応する画素位置PXPとに適宜重み付けをして加算したものを代表値として用いても良い。 Incidentally, as the representative position may be used pixel position PX P corresponding to the peak voltage signal V 102 described above. May also be used those obtained by adding to an appropriate weighting the pixel position PX P corresponding to the representative position PX C and a peak voltage signal V 102 described above as the representative value.

また、センサ信号が図5(b)に示すようになめらかな凸形状を有さない場合にも、同様に代表位置PXC及び画素位置PXPを算出することができる。すなわち、図5(b)に示すように、センサ信号が閾値Tと交わる最も前ピン側の画素位置PXSと、センサ信号が閾値Tと交わる最も後ピン側の画素位置PXLと求め、式1により代表位置PXCを算出することができる。 Further, when the sensor signal does not have a smooth convex shape as shown in FIG. 5B, the representative position PX C and the pixel position PX P can be calculated in the same manner. That is, as shown in FIG. 5B, the pixel position PX S on the most front pin side where the sensor signal intersects with the threshold value T and the pixel position PX L on the most rear pin side where the sensor signal intersects with the threshold value T are obtained. 1, the representative position PX C can be calculated.

次に、本実施形態の焦点調節時における第1対物レンズ3の駆動速度の変化パターンを詳しく説明する。   Next, a change pattern of the driving speed of the first objective lens 3 at the time of focus adjustment according to the present embodiment will be described in detail.

図6の横軸は、横軸はラインセンサ22上の画素位置を示しており、図6(a)の縦軸は、ラインセンサ22により生成されるセンサ信号を示す。また、図6(b)は、駆動速度の変化パターンを示し、図6(b)の縦軸は、駆動速度を示す。   The horizontal axis in FIG. 6 indicates the pixel position on the line sensor 22, and the vertical axis in FIG. 6A indicates a sensor signal generated by the line sensor 22. FIG. 6B shows a change pattern of the driving speed, and the vertical axis of FIG. 6B shows the driving speed.

図6(a)において、Tは上述した閥値Tを示す。図6(a)においてPXS(X=1〜7)は、センサ信号が閾値Tと交わる最も前ピン側の点を示し、PXL(X=1〜7)は、センサ信号が閾値Tと交わる最も後ピン側の点を示す。 In FIG. 6A, T represents the above-described threshold value T. In FIG. 6A, PX S (X = 1 to 7) indicates a point on the most front pin side where the sensor signal intersects with the threshold T, and PX L (X = 1 to 7) indicates that the sensor signal has the threshold T. The point on the back pin side that intersects is shown.

信号処理部23は、上述したように、式1を用いて代表位置PXC(X=1〜7)を算出し、代表位置PXC(X=1〜7)をCPU24に出力する。CPU24は、代表位置PXC(X=1〜7)に基づいて駆動速度を設定する。 The signal processing unit 23, as described above, to calculate a representative position PX C (X = 1~7) using Equation 1, and outputs the representative position PX C a (X = 1 to 7) in CPU 24. The CPU 24 sets the drive speed based on the representative position PX C (X = 1 to 7).

図6(a)において、代表位置PXC(X=1〜3)は、図4で示したように第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2aより手前側(前ピン位置)にあるときの代表位置である。また、代表位置P4XCは、図3に示したように第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2a上にあるときの代表位置である。また、代表位置PXC(X=5〜7)は、図2に示したように第1対物レンズ3の焦点位置が標本面2aより奥側(後ピン位置)にあるときの代表位置である。 In FIG. 6A, the representative position PX C (X = 1 to 3) is when the focal position of the first objective lens 3 is on the near side (front pin position) from the sample surface 2a as shown in FIG. This is the representative position. The representative position P4X C is a representative position when the focal position of the first objective lens 3 is on the sample surface 2a as shown in FIG. Further, the representative position PX C (X = 5 to 7) is a representative position when the focal position of the first objective lens 3 is on the back side (rear pin position) from the sample surface 2a as shown in FIG. .

CPU24は、図6(b)に示すように、P1Cよりデフォーカス側の領域A1及びP7Cよりデフォーカス側の領域A7では、駆動速度の絶対値をV1に設定する。また、CPU24は、図6(b)に示すように、P1C〜P2Cの領域A2及びP6C〜P7Cの領域A6では、駆動速度の絶対値をV2に設定する。また、CPU24は、図6(b)に示すように、P2C〜P3Cの領域A3及びP5C〜P6Cの領域A5では、駆動速度の絶対値をV3に設定する。また、CPU24は、図6(b)に示すように、P3C〜P5Cの領域A4では、合焦したと判断して駆動速度をV4=0に設定する。なお、V3<V2<V1である。 CPU24, as shown in FIG. 6 (b), set in the region A7 of defocus side of the region A1 and P7 C defocus side than P1 C, the absolute value of the driving speed V1. Further, as shown in FIG. 6B, the CPU 24 sets the absolute value of the driving speed to V2 in the region A2 of P1 C to P2 C and the region A6 of P6 C to P7 C. Further, as shown in FIG. 6B, the CPU 24 sets the absolute value of the driving speed to V3 in the region A3 of P2 C to P3 C and the region A5 of P5 C to P6 C. Further, as shown in FIG. 6B, the CPU 24 determines that the in-focus state is set in the region A4 of P3 C to P5 C and sets the drive speed to V4 = 0. Note that V3 <V2 <V1.

その結果、第1対物レンズ3の駆動速度の絶対値は、合焦状態から遠いときほど速く、合焦点状態に近いときほど小さく遅くれることになる。   As a result, the absolute value of the driving speed of the first objective lens 3 is faster as it is farther from the focused state, and is smaller and slower as it is closer to the focused state.

したがって、本実施形態の焦点調節は効率的である。因みに、従来のスリット投影方式の焦点調節装置では、デフォーカス信号が大きいときほど駆動速度を速く設定し、デフォーカス信号が小さいときほど駆動速度を遅く設定するので、合焦状態から遠くても駆動速度が低く設定される可能性があり、非効率的であった。   Therefore, the focus adjustment of this embodiment is efficient. By the way, in the conventional slit projection type focus adjustment device, the drive speed is set faster as the defocus signal is larger, and the drive speed is set slower as the defocus signal is smaller. The speed could be set low and was inefficient.

なお、本実施形態のCPU24は、図6(b)に示したとおり、駆動速度の段階数を一方向につき4としたが、4以外の数としても良い。また、その段階数を第1対物レンズ3の種類に応じて変化させても良い。   In addition, as shown in FIG. 6B, the CPU 24 of the present embodiment sets the number of steps of the driving speed to 4 per direction, but may be a number other than 4. Further, the number of steps may be changed according to the type of the first objective lens 3.

また、本実施形態のCPU24は、図6(b)に示したとおり、駆動速度の変化を階段状にしたが、その一部を折れ線状又は曲線状にしても良い。   Further, as shown in FIG. 6B, the CPU 24 of the present embodiment changes the driving speed in a step shape, but a part thereof may be a polygonal line or a curved line.

但し、代表位置PXCが領域A3又はA5から領域A4へと移行する際には、第1対物レンズ3のオーバーランを防ぐため、階段状とする(つまり急速にゼロへ移行させる)ことが望ましい。また、領域A3及びA5における駆動速度V4は、急停止時におけるモータの脱調を防ぐため、モータの特性によって決まる十分に低い速度(モータの自起動周波数相当)に設定されることが望ましい。 However, when the representative position PX C shifts from the region A3 or A5 to the region A4, it is desirable to make it stepped (that is, rapidly shift to zero) in order to prevent overrun of the first objective lens 3. . In addition, the driving speed V4 in the regions A3 and A5 is desirably set to a sufficiently low speed (corresponding to the self-starting frequency of the motor) determined by the characteristics of the motor in order to prevent the motor from stepping out during a sudden stop.

次に、CPU24による焦点調節動作を説明する。はじめに、焦点調節動作に関連する偽信号について図7を用いて説明する。センサ信号には、図7に示すような偽信号が発生する場合がある。偽信号には、ゴースト、フレア、回折光などが含まれ、標本の種類(標本表面の反射率など)や対物レンズを含む光学系に起因して発生する迷光が原因となっている。これらの偽信号が発生すると、本来焦点調節を行うべき信号に基づかず、この偽信号に基づいて焦点調節を行ってしまう場合がある。また、この偽信号は、標本の種類や光学系にかかわらず、ラインセンサ22上の或る程度決まった画素位置に発生することが知られている。   Next, the focus adjustment operation by the CPU 24 will be described. First, a false signal related to the focus adjustment operation will be described with reference to FIG. The sensor signal may generate a false signal as shown in FIG. The false signal includes ghost, flare, diffracted light, and the like, and is caused by stray light generated due to the type of specimen (reflectance of the specimen surface, etc.) and the optical system including the objective lens. When these false signals are generated, there is a case where the focus adjustment is performed based on the false signals without being based on the signal that should be focused. Further, it is known that this false signal is generated at a certain pixel position on the line sensor 22 regardless of the type of specimen and the optical system.

そこで、本実施形態において、CPU24のメモリ部は、予め偽信号を解析して、偽信号が発生する画素位置を記憶している。   Therefore, in the present embodiment, the memory unit of the CPU 24 analyzes a false signal in advance and stores a pixel position where the false signal is generated.

図8は、CPU24による焦点調節動作のフローである。   FIG. 8 is a flow of the focus adjustment operation by the CPU 24.

ステップS1:フローの開始時点では、第1対物レンズ3と標本2との間隔は、或る程度広く確保される。   Step S1: At the start of the flow, the distance between the first objective lens 3 and the sample 2 is secured to some extent.

ステップS2:CPU24は、ラインセンサ22の電荷蓄積時間(走査時間)を標準値2.7msに設定し、このときに信号処理部23から与えられるピーク電圧信号V102を参照する。さらにCPU24は、そのピーク電圧信号V102を閾値V200以上にするべくLED7の光量を調節する。 Step S2: CPU 24, the charge accumulation time of the line sensor 22 (scanning time) is set to the standard value 2.7 ms, refer to peak voltage signal V 102 supplied from the signal processing unit 23 at this time. Further CPU24 adjusts the amount of LED7 order to the peak voltage signal V 102 to or higher than the threshold V 200.

ステップS3:CPU24は、調節後に信号処理部23から与えられるピーク電圧信号V102を参照し、そのピーク電圧信号V102が閾値V200以上となっていた場合は、スリット投影方式のデフォーカス信号を良好に生成できる(スリット投影方式による焦点検出が可能)と判断してステップS4へ進み、閾値V200未満であった場合は、スリット投影方式のデフォーカス信号を良好に生成できない(スリット投影方式による焦点検出が不可能)と判断してステップS6へ進む。 Step S3: CPU 24 refers to the peak voltage signal V 102 supplied from the signal processing unit 23 after adjusting, if the peak voltage signal V 102 has been a threshold V 200 or more, a defocus signal of the slit projection system proceeds is determined that can be satisfactorily produced (possible focus detection by the slit projection system) to step S4, if less than the threshold value V 200, it can not be satisfactorily generate the defocus signals slit projection system by (a slit projection type It is determined that focus detection is impossible), and the process proceeds to step S6.

ステップS4:CPU24は、信号処理部23から与えられるセンサ信号に基づいて、上述した代表位置PXCを算出することにより焦点位置を確認し、ステップS5へ進む。 Step S4: The CPU 24 confirms the focal position by calculating the above-described representative position PX C based on the sensor signal given from the signal processing unit 23, and proceeds to step S5.

ステップS5:CPU24は、ステップS4で確認した焦点位置と、予め記憶した偽信号が発生する画素位置とを比較し、ステップS4で確認した焦点位置が、偽信号の位置に該当するか否かを判定する。CPU24は、偽信号の位置に該当する(偽信号に基づいて焦点調節を行っている)と判定した場合、ステップS10へ進む。一方、CPU24は、偽信号の位置に該当しない(偽信号に基づいて焦点調節を行っていない)と判定した場合、ステップS8へ進む。   Step S5: The CPU 24 compares the focal position confirmed in step S4 with the pixel position where the false signal stored in advance is stored, and determines whether or not the focal position confirmed in step S4 corresponds to the position of the false signal. judge. When the CPU 24 determines that the position corresponds to the position of the false signal (focus adjustment is performed based on the false signal), the CPU 24 proceeds to step S10. On the other hand, if the CPU 24 determines that the position does not correspond to the position of the false signal (the focus adjustment is not performed based on the false signal), the CPU 24 proceeds to step S8.

ステップS6:CPU24は、ラインセンサ22の電荷蓄積時間(走査時間)を7msに変更し、変更後に信号処理部23から与えられるピーク電圧信号V102が閾値V200以上であった場合は、スリット投影方式の焦点検出が可能と判断してステップS4へ進み、閾値V200未満であった場合は、スリット投影方式の焦点検出が不可能と判断してステップS7へ進む。 Step S6: CPU 24, if the charge accumulation time is changed (scanning time) to 7 ms, the peak voltage signal V 102 supplied from the signal processing unit 23 after the change of the line sensor 22 to the threshold V 200 or more, slits projection and determined to be the focus detection method proceeds to step S4, if less than the threshold value V 200, the process proceeds to decision impossible to focus detection of the slit projection system to step S7.

ステップS7:CPU24は、第1対物レンズ3の焦点位置が調節可能範囲から外れていると判断してフローを終了する。   Step S7: The CPU 24 determines that the focal position of the first objective lens 3 is out of the adjustable range, and ends the flow.

ステップS8:CPU24は、ステップS4で算出した代表位置PXCが、図6の領域A4内である場合には、第1対物レンズ3の焦点深度内に標本面2aが入ったと判断してステップ9に進む。一方、CPU24は、代表位置PXCが、図6の領域A4以外の領域である場合には、第1対物レンズ3の焦点深度内に標本面2aが入っていないと判断してステップ10に進む。 Step S8: If the representative position PX C calculated in step S4 is within the area A4 in FIG. Proceed to On the other hand, if the representative position PX C is an area other than the area A4 in FIG. 6, the CPU 24 determines that the sample surface 2a is not within the depth of focus of the first objective lens 3, and proceeds to step 10. .

ステップS9:CPU24は、第1対物レンズ3の駆動速度をゼロに設定してフローを終了する。   Step S9: The CPU 24 sets the driving speed of the first objective lens 3 to zero and ends the flow.

ステップS10:CPU24は、ステップS4で確認した焦点位置を参照し、図6を用いて説明したように、駆動速度を設定する。そして、CPU24は、ステップS2に戻る。   Step S10: The CPU 24 refers to the focal position confirmed in step S4, and sets the drive speed as described with reference to FIG. Then, the CPU 24 returns to step S2.

以上説明したように、本実施形態によれば、いわゆるS字カーブに対応するデフォーカス信号を用いずに焦点調節が可能である。したがって、スリット投影方式の焦点検出において、所要時間の短い焦点調節装置が実現する。   As described above, according to the present embodiment, focus adjustment can be performed without using a defocus signal corresponding to a so-called S-shaped curve. Therefore, a focus adjustment device with a short required time is realized in the focus detection by the slit projection method.

また本実施形態によれば、焦点調節において偽信号を適宜回避することにより、誤検出及び誤検出に伴う焦点調節の所要時間の長期化を防ぐことができる。   In addition, according to the present embodiment, by appropriately avoiding false signals in focus adjustment, it is possible to prevent an increase in time required for focus adjustment due to erroneous detection and erroneous detection.

また、本実施形態では、スリット投影方式のみを搭載する焦点調節装置を例に挙げて説明したが、スリット投影方式の焦点検出光学系とコントラスト検出方式の焦点検出光学系との双方を搭載したいわゆるハイブリット型の焦点調節装置にも本発明を同様に適用することができる。   Further, in the present embodiment, the focus adjustment apparatus having only the slit projection method is described as an example, but a so-called focus detection optical system having a slit projection method and a focus detection optical system having a contrast detection method are both mounted. The present invention can be similarly applied to a hybrid focus adjustment apparatus.

また、本実施形態の焦点調節装置は、工業用又は生物用の顕微鏡装置などに適用することが可能である。その顕微鏡装置の構成は、例えば図9に示すとおりである。図9では、焦点調節装置の大部分(図1に示したハーフミラー16の先)を省略した。   Further, the focus adjustment apparatus of the present embodiment can be applied to an industrial or biological microscope apparatus. The configuration of the microscope apparatus is, for example, as shown in FIG. In FIG. 9, most of the focus adjusting device (the tip of the half mirror 16 shown in FIG. 1) is omitted.

図9に示すとおり、顕微鏡装置には、観察用の可視光を射出する光源31と、光源31の像を第1対物レンズ3の瞳へ投影する照明光学系32と、照明光学系3からの可視光を第1対物レンズ3へ導くハーフミラー33と、第1対物レンズ3が捉えた標本2からの可視光(観察光)を結像する観察光学系34と、観察光学系34が形成する可視像を撮像する撮像素子35とが備えられる。この顕微鏡装置に本実施形態の焦点調節装置が適用されれば、所要時間が短い焦点調節が可能となるので、顕微鏡装置の性能も高まる。   As shown in FIG. 9, the microscope apparatus includes a light source 31 that emits visible light for observation, an illumination optical system 32 that projects an image of the light source 31 onto the pupil of the first objective lens 3, and the illumination optical system 3. A half mirror 33 that guides visible light to the first objective lens 3, an observation optical system 34 that forms an image of visible light (observation light) from the specimen 2 captured by the first objective lens 3, and the observation optical system 34 are formed. An image sensor 35 that captures a visible image is provided. If the focus adjustment apparatus of the present embodiment is applied to this microscope apparatus, it is possible to perform focus adjustment with a short required time, and the performance of the microscope apparatus is also improved.

また、本実施形態の焦点調節装置は、パターン投影方式の焦点検出光学系として、スリット投影方式の焦点検出光学系(標本2へ投影するパターンの形状がスリット状)を採用したが、標本2へ投影するパターンの形状は、点状など他の形状に代えても良い。但し、スリット状とした方が、ラインセンサ22等の光学素子の位置合わせが容易という利点がある。   In addition, the focus adjustment apparatus of the present embodiment employs a slit projection type focus detection optical system (the shape of the pattern projected onto the sample 2 is slit) as the pattern projection type focus detection optical system. The shape of the pattern to be projected may be replaced with another shape such as a dot shape. However, the slit shape has an advantage that the optical elements such as the line sensor 22 can be easily aligned.

焦点調節装置の構成図である。It is a block diagram of a focus adjustment apparatus. スリット投影方式の後ピン状態を説明する図である。It is a figure explaining the back pin state of a slit projection system. スリット投影方式の合焦状態を説明する図である。It is a figure explaining the focusing state of a slit projection system. スリット投影方式の前ピン状態を説明する図である。It is a figure explaining the front pin state of a slit projection system. 代表位置PXCの求め方について説明する図である。It is a diagram illustrating a method of determining the representative position PX C. 第1対物レンズ3の駆動速度を説明する図である。It is a figure explaining the drive speed of the 1st objective lens. 偽信号について説明する図である。It is a figure explaining a false signal. 焦点調節のフローチャートである。It is a flowchart of focus adjustment. 焦点調節装置を適用可能な顕微鏡装置の構成図である。It is a block diagram of the microscope apparatus which can apply a focus adjustment apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…ステージ,2…標本,3…第1対物レンズ,4…ダイクロイックミラー,7…LED,8…スリット板,9…コレクタレンズ,10…瞳マスク,16…ハーフミラー,17…第2対物レンズ,22…ラインセンサ,23…信号処理部,24…CPU,25…上下動駆動部,26…LED切替部,30…色収差補正レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stage, 2 ... Specimen, 3 ... 1st objective lens, 4 ... Dichroic mirror, 7 ... LED, 8 ... Slit plate, 9 ... Collector lens, 10 ... Pupil mask, 16 ... Half mirror, 17 ... 2nd objective lens , 22 ... line sensor, 23 ... signal processing unit, 24 ... CPU, 25 ... vertical movement drive unit, 26 ... LED switching unit, 30 ... chromatic aberration correction lens

Claims (6)

対物レンズの瞳の一部を介して被測定対象物へパターンを投影する投影手段と、
前記被測定対象物から反射した前記パターン像を受光する複数の焦点検出用受光素子からなる受光素子列を備える受光手段と、
前記受光手段からの受光信号に基づいて、前記受光素子列上に投影された前記パターン像の位置を検出し、前記パターン像の位置と、前記受光素子列上の予め決められた位置との横ずれ量を求める焦点検出手段と、
前記焦点検出手段により求められた前記横ずれ量に基づき、前記対物レンズと前記被測定対象物との相対的間隔を調整する調整速度を設定し、合焦状態に導く焦点調節手段と
を備えたことを特徴とする焦点調節装置。
A projection means for projecting a pattern onto the object to be measured through a part of the pupil of the objective lens;
A light receiving means comprising a light receiving element array comprising a plurality of focus detection light receiving elements for receiving the pattern image reflected from the measurement object;
A position of the pattern image projected on the light receiving element array is detected based on a light receiving signal from the light receiving means, and a lateral shift between the position of the pattern image and a predetermined position on the light receiving element array Focus detection means for determining the quantity;
A focus adjusting means for setting an adjustment speed for adjusting a relative distance between the objective lens and the object to be measured based on the lateral deviation amount obtained by the focus detecting means, and for leading to a focused state. Focus adjustment device characterized by.
請求項1に記載の焦点調節装置において、
前記焦点検出手段は、前記パターン像の位置を検出するために、前記受光素子列上の各画素のセンサ信号を信号処理して分布を求め、前記受光素子列上の画素位置を求める
ことを特徴とする焦点調節装置。
The focus adjustment apparatus according to claim 1,
In order to detect the position of the pattern image, the focus detection unit obtains a distribution by performing signal processing on a sensor signal of each pixel on the light receiving element array to obtain a pixel position on the light receiving element array. Focus adjustment device.
請求項2に記載の焦点調節装置において、
前記焦点検出手段は、前記各画素のセンサ信号が閾値を超えたか否かを検出し、前記パターン像のエッジを求め、前記エッジに相当する画素位置に基づき、前記パターン像の位置を検出し、前記パターン像の位置と前記受光素子列上に予め決められた位置とから前記横ずれ量を求める
ことを特徴とする焦点調節装置。
The focusing apparatus according to claim 2, wherein
The focus detection means detects whether or not the sensor signal of each pixel exceeds a threshold, obtains an edge of the pattern image, detects the position of the pattern image based on the pixel position corresponding to the edge, The focus adjustment apparatus, wherein the lateral shift amount is obtained from a position of the pattern image and a predetermined position on the light receiving element array.
請求項2に記載の焦点調節装置において、
前記焦点検出手段は、偽信号(前記被測定対象物の種類や前記対物レンズを含む光学系に起因する迷光により生じる信号)の発生する前記受光素子列上の画素位置を記憶する記憶部を有し、前記パターン像の分布する前記受光素子列上の画素位置と前記記憶部に記憶された前記偽信号の画素位置とを比較し、前記両画素位置が一致していないことを判断して前記横ずれ量を求める
ことを特徴とする焦点調節装置。
The focusing apparatus according to claim 2, wherein
The focus detection unit includes a storage unit that stores a pixel position on the light receiving element array where a false signal (a signal generated by stray light caused by the type of the measurement target object or the optical system including the objective lens) is generated. The pixel position on the light receiving element array in which the pattern image is distributed is compared with the pixel position of the false signal stored in the storage unit, and it is determined that the two pixel positions do not match. A focus adjustment device characterized by obtaining a lateral shift amount.
請求項1に記載の焦点調節装置において、
前記焦点調節手段は、前記横ずれ量に基づき段階的な駆動速度設定を行う
ことを特徴とする焦点調節装置。
The focus adjustment apparatus according to claim 1,
The focus adjustment device, wherein the focus adjustment unit performs stepwise drive speed setting based on the lateral shift amount.
対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、
前記対物レンズの焦点調節を行う請求項1から請求項5の何れか1項に記載の焦点調節装置と
を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
A microscope optical system for observing an image captured by the objective lens;
A microscope apparatus comprising: the focus adjustment apparatus according to claim 1, which performs focus adjustment of the objective lens.
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