JP2009145754A - 焦点調節装置および顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 標本のパターン形状にかかわらずに高い合焦精度を確保できる焦点検出装置を提供する。
【解決手段】 焦点調節装置は、標本に対してパターン光を投影する投影部と、結像光学系と、焦点検出部と、駆動部と、演算部と、制御部とを備える。焦点検出部は、標本からの反射光から結像光学系によって形成される像のコントラスト量に基づいて、対物レンズの焦点位置と標本との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する。駆動部は、デフォーカス信号に基づいて対物レンズと標本との間隔を調整する。演算部は、対物レンズの移動量に対するデフォーカス信号の出力の変化の割合を求める。制御部は、対物レンズの焦点深度と変化の割合とを用いて、標本の観察時に合焦範囲となるデフォーカス信号の出力値を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡装置などに適用される焦点調節装置に関する。

顕微鏡装置などに適用されるレンズの焦点検出方式の一つとして、コントラスト検出方式が公知である（特許文献１参照）。このコントラスト検出方式は、焦点調節が可能な範囲（引き込み範囲）が狭いが、例えばスリット投影方式の焦点調節と比べて高精度な合焦動作が可能であるという特徴を有している。
特許第３４２３０９１号公報

しかし、コントラスト検出方式の焦点調節では、標本上にあるパターン形状が存在する場合、フォーカス信号にパターン形状の成分が重畳し、合焦範囲の判定に影響を与える場合がある点でなお改善の余地があった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものである。本発明の目的は、標本のパターン形状にかかわらずに高い合焦精度を確保できる焦点検出装置を提供することにある。

一の形態の焦点調節装置は、標本に対してパターン光を投影する投影部と、結像光学系と、焦点検出部と、駆動部と、演算部と、制御部とを備える。焦点検出部は、標本からの反射光から結像光学系によって形成される像のコントラスト量に基づいて、対物レンズの焦点位置と標本との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する。駆動部は、デフォーカス信号に基づいて対物レンズと標本との間隔を調整する。演算部は、対物レンズの移動量に対するデフォーカス信号の出力の変化の割合を求める。制御部は、対物レンズの焦点深度と変化の割合とを用いて、標本の観察時に合焦範囲となるデフォーカス信号の出力値を決定する。

上記の一の形態において、焦点検出部は、初期状態での合焦範囲内の第１焦点位置と、第１焦点位置と異なる第２焦点位置とでデフォーカス信号をそれぞれ取得してもよい。そして、制御部は、第１焦点位置および第２焦点位置でのデフォーカス信号を用いて求めた変化の割合に応じて合焦範囲を初期状態から変更するとともに、該変更後の合焦範囲に基づいて合焦動作を実行してもよい。

上記の一の形態において、合焦範囲の調整指示を受け付ける入力部を焦点調節装置がさらに備えてもよい。また、焦点検出部は、調整指示に応じて、各々の対物レンズの焦点位置を相違させてデフォーカス信号を複数回取得するサンプリング動作を実行してもよい。そして、演算部は、サンプリング動作で取得した各々のデフォーカス信号の出力値と焦点位置との対応関係から変化の割合を求めてもよい。

上記の一の形態において、駆動部は、間隔を調整するときの合焦速度を、変化の割合に応じて変化させてもよい。

ここで、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、上記の一の形態に係る焦点調節装置とを備える顕微鏡装置も本発明の技術的範囲に含まれる。なお、上記の焦点調節装置の構成を、焦点調節方法の形式に変換して表現したものや、上記の焦点調節方法を焦点調節装置に後付けで実行させるためのファームウェアプログラムおよびそのプログラム記憶媒体も本発明の具体的態様として有効である。

本発明の焦点調節装置では、対物レンズの駆動量に対するデフォーカス信号の出力の変化の割合と対物レンズの焦点深度とを用いて合焦範囲を決定し、標本のパターン形状にかかわらずに高い合焦精度を確保できる。

＜本実施形態の焦点検出装置の構成＞
図１は、本実施形態におけるコントラスト検出方式の焦点検出装置の構成例を示している。図２は、図１の焦点検出装置が組み込まれる顕微鏡装置の構成例を示している。なお、本実施形態では、例えば、液晶方式やプラズマ方式等のフラット表示デバイスに用いるガラス基板や、ウェハなどを主な観察対象とする工業用の顕微鏡装置の例を説明する。

まず、図２を参照しつつ顕微鏡装置の概要を説明する。簡単のため、図２では、図１に示す焦点調節装置の大部分（図１におけるダイクロイックミラー４の先）の図示を省略している。図２の顕微鏡装置は、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３２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とを備えている。

次に、図１に戻って、本実施形態の焦点検出装置の光学系の構成を説明する。この焦点検出装置は、標本２へ投光したパターン光に基づいて合焦動作を行うアクティブ方式を採用する。

図１に示すＬＥＤ７は、コントラスト検出方式用の赤外光を発する（以下、この赤外光を「ＡＦ光」と称する）。ＬＥＤ７から発せられたＡＦ光は、スリット板８、コレクタレンズ９、ハーフミラー１０、色収差補正レンズ６、ダイクロイックミラー４および第１対物レンズ３を経て、ステージ１上に載置された標本２を照射する。ここで、上述したスリット板８の中央には、図１（ａ）で示した１８本のスリット開口が形成されている。よって、ＡＦ光は、標本２の標本面２ａの近傍にストライプ状の赤外像（以下、この赤外像を「ストライプ像」と称する）を形成する。

そして、標本２からの反射光は、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６、ハーフミラー１０、第２対物レンズ１７および３分割プリズム１８を経て、３つの光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃにそれぞれ分岐される。そして、３分割プリズム１８で分岐された光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、ラインセンサ２２の互いに異なる領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃへ個別に入射し、第１対物レンズ３から第２対物レンズ１７までの結像光学系による作用により、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃにそれぞれストライプ像を結像させる。なお、ラインセンサ２２のライン方向は、ストライプ像のピッチ方向と互いに交差するように設定されている。

但し、光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃはそれぞれ標本２からラインセンサ２２までの光学的な距離が異なるので、光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃによるストライプ像の結像位置は、それぞれ光軸方向にずれることとなる。例えば、図１に示すように、光路Ｌｂ中のストライプ像がラインセンサ２２上に存在するときには、光路Ｌａによるストライプ像はラインセンサ２２の後側に形成され、光路Ｌｃによるストライプ像はラインセンサ２２の前側に形成される。したがって、ラインセンサ２２の領域２２ａに形成されるストライプ像と、領域２２ｂに形成されるストライプ像と、領域２２ｃに形成されるストライプ像との間では、ボケの程度（つまりコントラスト）が互いに相違する。

また、これらのストライプ像のコントラストの大小関係は、第１対物レンズ３のデフォーカス量に応じて変化する。よって、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に形成されるストライプ像のコントラストの大小関係（好ましくは領域２２ａ，２２ｃに形成されるストライプ像のコントラストの大小関係）から、コントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成できる。

なお、スリット板８に形成されるスリット開口の本数、つまりストライプ像のストライプ本数は、標本２のパターンに応じて変えることができる。また、３分割プリズム１８の半透過面１９の反射率、半透過面２０の反射率、反射面２１の反射率の組み合わせは、３つの光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを伝搬する光量が略等しくなるように予め最適化されている。また、第２対物レンズ１７とラインセンサ２２との位置関係は、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、光路Ｌｂで形成されるストライプ像がラインセンサ２２上に形成されるよう予め調整されている。

次に、図１における焦点検出装置の回路構成を説明する。焦点検出装置は、上述のＬＥＤ７およびラインセンサ２２と、信号処理部２３と、ＣＰＵ２４と、上下動駆動部２５と、メモリ２６と、入力部２７とを有している。ラインセンサ２２の出力は信号処理部２３と接続されている。また、ＬＥＤ７、信号処理部２３、駆動部２５、メモリ２６および入力部２７は、それぞれＣＰＵ２４に接続されている。なお、入力部２７は、ユーザーからの各種入力を受け付ける。

信号処理部２３は、内部にバンドパスフィルタを備え、ラインセンサ２２の各領域（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）における出力信号から直流成分または所定値以下の空間周波数成分を除去し、各領域のコントラスト信号を取得する。なお、本明細書では、投光したパターン光の標本による反射光の像のうち、所定値以上の空間周波数成分からなる像信号をコントラスト信号という。

そして、信号処理部２３は、全領域のコントラスト信号をピークホールドして得られるピーク電圧信号Ｖ₁₁₀と、領域２２ａのコントラスト信号の積分信号Ｖ_aと、領域２２ｂのコントラスト信号の積分信号Ｖ_bと、領域２２ｃのコントラスト信号の積分信号Ｖ_cをＣＰＵ２４へ出力する。

ＣＰＵ２４は、焦点検出装置の各部を統括的に制御するプロセッサである。例えば、ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から得た信号に基づいてデフォーカス信号を生成し、そのデフォーカス信号に応じて上下動駆動部２５を動作させる。また、ＣＰＵ２４は、ＬＥＤ７の光量の制御や、ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）の制御を行う。

さらに、ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の移動量に対するデフォーカス信号の出力の変化の割合を求める。そして、ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の焦点深度と上記の変化の割合とを用いて、デフォーカス信号の合焦範囲の閾値を決定する（この点については後述する）。

上下動駆動部２５は、ＣＰＵ２４から指定された駆動方向、駆動量および駆動速度に基づいて第１対物レンズ３を光軸方向へ駆動させる。この上下動駆動部２５の動作によって、第１対物レンズ３の焦点調節が行われる。また、上下動駆動部２５はエンコーダ（不図示）を内蔵し、第１対物レンズ３の焦点位置を示す位置信号をＣＰＵ２４に対して出力する。なお、上下動駆動部２５は第１対物レンズ３の代わりにステージ１を駆動させてもよいが、本実施形態では上下動駆動部２５が第１対物レンズ３を駆動させる前提で説明を行う。

メモリ２６は、標本２の観察時において、第１対物レンズ３の焦点位置とデフォーカス信号の出力値との対応関係を示すＡＦデータを記録する。また、メモリ２６には、第１対物レンズ３の焦点深度のデータが予め記憶されている。

＜本実施形態における焦点検出の説明＞
まず、図３〜図５を参照しつつ、ＣＰＵ２４の信号生成動作を説明する。図３〜図５の各図は、第１対物レンズ３のデフォーカス量と、ラインセンサ２２における領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの信号との関係を示している。また、図３〜図５の各図において、（ａ）はデフォーカス量、（ｂ）は光路Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの振る舞い、（ｃ）は、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各位置（横軸）に対するコントラスト信号の強度（縦軸）、（ｄ）はそれらコントラスト信号の積分値を示している。なお、各図の（ｃ），（ｄ）において、横軸はラインセンサ上の位置（左側が原点）であり、縦軸が積分値である。

ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から与えられる積分信号Ｖ_aと積分信号Ｖ_cとの差分信号（Ｖ_a−Ｖ_c）を生成する。そして、ＣＰＵ２４は、さらに差分信号（Ｖ_a−Ｖ_c）を正規化し、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）を生成する。なお、信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ₁₁₀や積分信号Ｖ_a，Ｖ_cは、コントラスト検出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される。

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より奥側（後ピン位置）にあるとき、図３（ｃ）に示すように、領域２２ｃのコントラスト信号にピークが出現する。このとき、図３（ｄ）に示すように、積分信号Ｖ_a，Ｖ_cの大小関係はＶ_a＜Ｖ_cとなるので、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）は負となる。

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（合焦位置）にあるとき、図４（ｃ）に示すように、領域２２ｂのコントラスト信号にピークが出現する。このとき、図４（ｄ）に示すように、積分信号Ｖ_a，Ｖ_cの大小関係はＶ_a＝Ｖ_cとなるので、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）はほぼゼロとなる。

図５（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より前側（前ピン位置）にあるとき、図５（ｃ）に示すように、領域２２ａのコントラスト信号にピーク信号が出現する。このとき、図５（ｄ）に示すように、積分信号Ｖ_a，Ｖ_cの大小関係はＶ_a＞Ｖ_cとなるので、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）は正となる。

したがって、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）によって焦点調節を行う場合、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）の極性が負であるときには第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、デフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）の極性が正であるときには第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）とすればよい。

次に、図６を参照しつつ、標本２のパターン形状（回路パターンなど）がコントラスト信号に与える影響について説明する。

図６（ａ）は、パターン形状のない標本２を観察したときの合焦位置のずれに対するコントラスト信号の積分値の軌跡を示している。図６（ａ）の横軸はデフォーカス量と方向とを示し、縦軸は信号強度を示している。パターン形状のない標本２のストライプ像を観察した場合には、前ピンコントラスト信号の積分値の変化の軌跡（３０）と、後ピンコントラスト信号の積分値の変化の軌跡（３１）とがそれぞれデフォーカス方向にずれて略同じ形状に形成されることとなる。

一方、図６（ｂ）は、パターン形状を有する標本２を観察したときのコントラスト信号の積分値の変化の軌跡（３２，３３）を示している。図６（ｂ）の横軸はデフォーカス方向を示し、縦軸は信号強度を示している。なお、図６（ｂ）で観察される標本面２ａには、スリット板８のパターン形状に類似したストライプ状のパターン（以下、「標本パターン」と称する）が形成されているものとする。

図６（ｂ）の場合には、ＡＦ光によるストライプ像と、標本パターンの像との空間周波数が近似する。そのため、信号処理部２３でのバンドパスフィルタ処理後もコントラスト信号に標本パターンの成分が残ってしまい、コントラスト信号の積分値の変化の軌跡は図６（ａ）と相違することとなる。以下、図６（ｃ）を参照しつつ、図６（ｂ）のコントラスト信号が生成される原理を具体的に説明する。

スリット板８によって標本面２ａに形成されたストライプ像の反射光と、標本パターンの反射光とはいずれもラインセンサ２２に入射する。そして、信号処理部２３は、ラインセンサ２２の出力に信号処理を施してコントラスト信号を取得する。

図６（ｃ）の符号３０はストライプ像に対応する前ピンコントラスト信号の積分値の軌跡を示している。図６（ｃ）の符号３１はストライプ像に対応する後ピンコントラスト信号の積分値の軌跡を示している。また、図６（ｃ）の符号３４は標本パターンの像に対応する前ピンコントラスト信号の積分値の軌跡を示している。図６（ｃ）の符号３５は標本パターンの像に対応する後ピンコントラスト信号の積分値の軌跡を示している。実際には、ストライプ像のコントラスト信号と標本パターンの像によるコントラスト信号とが合成されるため、前ピン側の合成された積分値の軌跡は符号３２のようになり、後ピン側の合成された積分値の軌跡は符号３３のようになる（図６（ｂ）参照）。

なお、図６（ｃ）でストライプ像の場合と標本パターンの像の場合とでコントラスト信号が異なるのは、第１対物レンズ３を光束が通過する回数が異なることによる。すなわち、ストライプ像は、標本２へ入射するまでに第１対物レンズ３を１回通過し、標本面２ａで反射されてラインセンサ２２へ入射するまでに第１対物レンズ３を１回通過する光線で形成される。一方、標本パターンの像は標本２上で生成され、ラインセンサ２２へ入射するまでに第１対物レンズ３を１回のみ通過する。よって、ストライプ像は、標本パターンの像の光束よりも第１対物レンズ３で２倍の屈折を受けた光線で形成される。このことから、ストライプ像のコントラスト信号は、第１対物レンズ３により受ける屈折の影響が大きくなり、デフォーカス方向において標本パターンのコントラスト信号の１／２の範囲で現れることとなる。

図７は、標本パターンのない標本２のデフォーカス信号（３６）と、標本パターンをもつ標本２のデフォーカス信号（３７）との軌跡を示している。図７の横軸はデフォーカス方向を示し、図７の縦軸はデフォーカス信号の出力値を示している。なお、図７に示すデフォーカス信号３６，３７は、上記のように（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a＋Ｖ_c）から導出される。

図７において、合焦位置３８を交差する領域でのデフォーカス信号の軌跡の傾き（レンズの焦点位置に対するデフォーカス信号の出力値の変化量）は、標本パターンのない標本２の場合（３６）に比べて、標本パターンをもつ標本２の場合（３７）の方がより緩やかである。

すなわち、標本パターンのない標本２を観察する場合と、標本パターンをもつ標本２を観察する場合とでは、デフォーカス信号の出力値が同じときにレンズの焦点位置が相違することが図７から分かる。そのため、より早く精度の高い合焦動作を行うためには、標本パターンに応じて合焦範囲を調整する必要が生じる。

そこで、本実施形態の焦点検出装置では、合焦動作時に取得したデフォーカス信号と焦点位置との関係に応じて、デフォーカス信号の合焦範囲の閾値を調整する。本実施形態の焦点検出装置では、合焦範囲の閾値を自動調整する第１モードと、ユーザーの指示をトリガとして合焦範囲の閾値を調整する第２モードとを有している。以下、本実施形態の焦点検出装置の動作例を、第１モードと第２モードとに分けてそれぞれ説明する。

＜第１モードでの動作説明＞
図８は、焦点検出装置の第１モードでの動作例を示す流れ図である。また、図９は、第１モードでの合焦範囲の求め方を説明する図である。

ここで、デフォーカス信号の合焦範囲の閾値は、第１対物レンズ３の焦点位置が焦点深度（６０）の端にあるときのデフォーカス信号の出力値である。なお、第１モードの初期状態では、標本パターンのない標本２から取得したデフォーカス信号（４０）に基づいて、合焦範囲の閾値Ｔｈ１が予め設定されるものとする（図９参照）。

ステップＳ１０１：ＣＰＵ２４は、ＬＥＤ７を点灯してストライプ状のパターン光を標本２に投光するとともに、ラインセンサ２２および信号処理部２３を駆動させてストライプ像のコントラスト信号を取得する。

ステップＳ１０２：ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から得た積分信号Ｖ_a，Ｖ_cによりデフォーカス信号（Ｖ_a−Ｖ_c）／（Ｖ_a ＋Ｖ_c）を生成する。

ステップＳ１０３：ＣＰＵ２４は、Ｓ１０２でのデフォーカス信号の出力値と第１対物レンズ３の焦点位置との対応関係を示すＡＦデータをメモリ２６に記録する。なお、ＡＦデータは、後述の焦点調節によって第１対物レンズ３が移動するたびに逐次メモリ２６へ記録されることとなる。

ステップＳ１０４：ＣＰＵ２４は、Ｓ１０２でのデフォーカス信号の出力値が、合焦範囲の閾値（初期状態ではＴｈ１）の範囲内にあるか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０６に移行する。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）にはＳ１０５に移行する。

ステップＳ１０５：ＣＰＵ２４は、Ｓ１０２で取得したデフォーカス信号に基づいて、上下動駆動部２５を制御して第１対物レンズ３の焦点調節を行う。その後、ＣＰＵ２４はＳ１０１に戻って上記動作を繰り返す。

具体的には、Ｓ１０５でのＣＰＵ２４は、デフォーカス信号の極性が負であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を上方向に設定し、デフォーカス信号の極性が正であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を下方向に設定する。また、ＣＰＵ２４は、デフォーカス信号の絶対値に応じて第１対物レンズ３の駆動速度を調整する。このとき、ＣＰＵ２４は、デフォーカス信号の絶対値が小さくなるほど第１対物レンズ３の駆動速度を小さく設定し、ＡＦのハンチングを抑制する。

ステップＳ１０６：ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の移動による焦点調節が行われたか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０７に移行する。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）にはＳ１１０に移行する。

ステップＳ１０７：ＣＰＵ２４は、ＡＦデータ（Ｓ１０３で生成されたもの）をメモリ２６から読み出す。そして、ＣＰＵ２４は、少なくとも２以上のＡＦデータを用いて、第１対物レンズ３の移動量に対するデフォーカス信号の出力値の変化の割合を求める。このＳ１０７で求める変化の割合は、図９に示すデフォーカス信号の軌跡の傾きに相当する。なお、同じ焦点位置で取得したＡＦデータが多数ある場合には、ＣＰＵ２４はＡＦデータの値を平均化してから変化の割合を求めても良い。

ステップＳ１０８：ＣＰＵ２４は、Ｓ１０７で求めた変化の割合が、現在の合焦範囲の閾値を求めたときのものと異なるか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０９に移行する。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）にはＳ１１０に移行する。

一例として、図９を参照しつつ、合焦範囲の閾値が初期状態のＴｈ１であって、標本パターンの有無が異なる標本２を観察した場合を考える。標本パターンをもつ標本２の場合、デフォーカス信号の軌跡は図９の符号４１のものとなる。一方、初期状態の閾値Ｔｈ１は、標本パターンのない標本２から取得したデフォーカス信号（図９の符号４０）に基づいて決定されている。したがって、上記の状況では、閾値Ｔｈ１を求めたときのデフォーカス信号の軌跡の傾きとＳ１０７で求めた変化の割合とが相違するので、Ｓ１０８でのＣＰＵ２４はＹＥＳ側の判定を行うこととなる。

なお、現在観察中の標本２に標本パターンがない場合には、閾値Ｔｈ１を求めたときのデフォーカス信号の軌跡の傾きとＳ１０７で求めた変化の割合とが一致するので、Ｓ１０８でのＣＰＵ２４はＮＯ側の判定を行うこととなる。

ステップＳ１０９：ＣＰＵ２４は、Ｓ１０７で求めた変化の割合（デフォーカス信号の軌跡の傾き）を用いて、現在観察中の標本２に対応する合焦範囲の閾値を決定する。具体的には、ＣＰＵ２４は、Ｓ１０７で求めた変化の割合（デフォーカス信号の軌跡の傾き）から、第１対物レンズ３の焦点位置が焦点深度の端にあるときの値を閾値として求める。その後、ＣＰＵ２４は、デフォーカス信号の合焦範囲の閾値をＳ１０９で求めた値に更新してＳ１０１に戻る。

このとき、ＣＰＵ２４は、上下動駆動部２５による合焦速度を、Ｓ１０７で求めた変化の割合に応じて調整してもよい。一例として、ＣＰＵ２４は、焦点位置の差に対してデフォーカス信号の値の変化が小さくなるほど（つまり、図９に示す軌跡の傾きが緩いほど）合焦速度を速く設定する。

ステップＳ１１０：ＣＰＵ２４は、前回の合焦動作から所定時間が経過したか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）には、ＣＰＵ２４はＳ１０１に戻って上記動作を繰り返す。なお、所定時間毎に取得されるデフォーカス信号によって、第１対物レンズ３の焦点位置が合焦範囲から外れたか否かをＣＰＵ２４が判定することとなる。そして、第１対物レンズ３の焦点位置が合焦範囲から外れた場合には、再び合焦動作が行なわれることとなる。

一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２４は所定時間の経過まで待機する。以上で、図８の流れ図の説明を終了する。

ここで、図９を参照しつつ、標本パターンのない標本２から標本パターンをもつ標本２に観察対象を切り替えた場合の動作を具体的に説明する。この場合において、合焦範囲の閾値は当初はＴｈ１となっている。

標本２の変更に伴って第１対物レンズ３の焦点位置がＰ１にずれると、次回にＣＰＵ２４が取得するデフォーカス信号の値がＤ１となる。Ｄ１の絶対値は閾値Ｔｈ１の絶対値よりも大きいため、ＣＰＵ２４は第１対物レンズ３の焦点調節を行うこととなる。

ここで、第１対物レンズ３の焦点位置がＰ２に移動した場合、ＣＰＵ２４が取得するデフォーカス信号の値はＤ２となる。Ｄ２の絶対値は閾値Ｔｈ１の絶対値よりも小さいため、ＣＰＵ２４は第１対物レンズ３の焦点位置が合焦範囲内にあると判定し、合焦動作を一旦停止する。

このとき、ＣＰＵ２４は、ＡＦデータ（焦点位置Ｐ１でのデフォーカス信号の値Ｄ１，焦点位置Ｐ２でのデフォーカス信号の値Ｄ２）をメモリ２６から読み出す。そして、ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の移動量に対するデフォーカス信号の出力値の変化の割合（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｐ１−Ｐ２）を求める。上記のケースにおいて、閾値Ｔｈ１は図９に示すデフォーカス信号４０から求めたものである。その一方で、変化の割合（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｐ１−Ｐ２）の傾きは、図９に示すデフォーカス信号４１のものとほぼ一致する。

そのため、ＣＰＵ２４は、変化の割合（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｐ１−Ｐ２）に基づいて、第１対物レンズ３の焦点位置が焦点深度（６０）の端にあるときのデフォーカス信号の出力値（閾値Ｔｈ２）を求める。

その後、ＣＰＵ２４は、デフォーカス信号の出力値が新たな閾値Ｔｈ２の範囲に収まるように合焦動作を行うこととなる。これにより、標本パターンの状態が異なる標本２を前後して観察するとき（ステージ１の移動や標本２の入れ替えがあった場合など）に、いずれの場合でも精度良く合焦動作を行うことが可能となる。

＜第２モードでの動作説明＞
図１０は、焦点検出装置の第２モードでの動作例を示す流れ図である。また、図１１は、第２モードでの合焦範囲の求め方を説明する図である。この第２モードでは、例えば、同じ標本２内で視野をスライドさせた場合や標本２を交換した場合などに、ユーザーからの合焦範囲の調整指示をトリガとしてＣＰＵ２４が合焦範囲の閾値を調整する。

ステップＳ２０１：ＣＰＵ２４は、合焦範囲の調整指示を受け付けると、第１対物レンズ３の焦点位置をずらしながら、デフォーカス信号を複数回取得するサンプリング動作を実行する。このとき、ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の焦点位置とデフォーカス信号の出力値との対応関係を示すＡＦデータをそれぞれメモリ２６に記録しておく。

ステップＳ２０２：ＣＰＵ２４は、サンプリング動作（Ｓ２０１）で取得した複数のＡＦデータ（図１１でプロットされている点）を用いて、第１対物レンズ３の移動量に対するデフォーカス信号の出力値の変化の割合を求める。

ステップＳ２０３：ＣＰＵ２４は、Ｓ２０２で求めた変化の割合（デフォーカス信号の軌跡の傾き）を用いて、現在観察中の標本２に対応する合焦範囲の閾値を決定する。具体的には、ＣＰＵ２４は、Ｓ２０２で求めた変化の割合（デフォーカス信号の軌跡の傾き）から、第１対物レンズ３の焦点位置が焦点深度の端にあるときの値を閾値Ｔｈ２として求める（図１１参照）。その後、ＣＰＵ２４は、初期状態における合焦範囲の閾値Ｔｈ１をＳ２０３で求めた値（Ｔｈ２）に更新し、図１０の一連の処理を終了する。

このとき、ＣＰＵ２４は、上下動駆動部２５による合焦速度を、Ｓ２０２で求めた変化の割合に応じて調整してもよい。一例として、ＣＰＵ２４は、焦点位置の差に対してデフォーカス信号の値の変化が小さくなるほど（つまり、図１１に示す軌跡の傾きが緩いほど）合焦速度を速く設定する。

この第２モードでは、ステージ１の移動や標本２の入れ替えがあった場合において、ユーザーの操作に応じて、焦点検出装置の合焦範囲を標本２に合わせて迅速に調整できる。

＜実施形態の補足事項＞
（１）上記実施形態の焦点調節装置において、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よい。

（２）上記実施形態では、ＣＰＵ２４がハードウェア的に焦点検出動作を行う例を説明した。しかし、メモリ２６などに記憶されたファームウエアプログラムをＣＰＵ２４が実行することで、上記実施形態での焦点検出動作をソフトウエア的に実行するものでもよい。つまり、既存の焦点検出装置のファームウエアプログラムを更新することで、本実施形態の焦点検出装置の動作を実現するようにしてもよい。

なお、本発明は、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

本実施形態における顕微鏡装置の構成例を示す図 図１の焦点検出装置が組み込まれる顕微鏡装置の構成例を示す図 コントラスト検出方式の後ピン状態を説明する図 コントラスト検出方式の合焦状態を説明する図 コントラスト検出方式の前ピン状態を説明する図 コントラスト信号の積分値の軌跡を示す図 標本パターンのない標本および標本パターンをもつ標本でのデフォーカス信号の軌跡を示す図 焦点検出装置の第１モードでの動作例を示す流れ図 第１モードでの合焦範囲の求め方を説明する図 焦点検出装置の第２モードでの動作例を示す流れ図 第２モードでの合焦範囲の求め方を説明する図

符号の説明

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…ハーフミラー，１８…３分割プリズム，２２…ラインセンサ，２３…信号処理部，２４…ＣＰＵ，２５…上下動駆動部，２６…メモリ，２７…入力部，３４…観察光学系

Claims (5)

1. 標本に対してパターン光を投影する投影部と、
   前記標本からの反射光を基に前記パターン光による像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系によって異なる位置に形成される像のコントラスト量に基づいて、前記結像光学系による合焦位置と前記標本との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を生成する焦点検出部と、
   前記デフォーカス信号に基づいて前記対物レンズと前記標本との間隔を調整する駆動部と、
   前記結像光学系を構成する対物レンズの移動量に対する前記デフォーカス信号の出力の変化量を求める演算部と、
   前記結像光学系の焦点深度と前記変化の割合とに基づいて、前記標本の観察時に合焦範囲となる前記デフォーカス信号の出力値の範囲を決定する制御部と、
   を備えることを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記焦点検出部は、初期状態での合焦範囲内の第１焦点位置と、前記第１焦点位置と異なる第２焦点位置とで前記デフォーカス信号をそれぞれ取得し、
   前記制御部は、前記第１焦点位置および前記第２焦点位置での前記デフォーカス信号を用いて求めた前記変化の割合に応じて前記合焦範囲を前記初期状態から変更するとともに、該変更後の合焦範囲に基づいて合焦動作を実行することを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   合焦範囲の調整指示を受け付ける入力部をさらに備え、
   前記焦点検出部は、前記調整指示に応じて、各々の前記対物レンズの焦点位置を相違させて前記デフォーカス信号を複数回取得するサンプリング動作を実行し、
   前記演算部は、前記サンプリング動作で取得した各々の前記デフォーカス信号の出力値と前記焦点位置との対応関係から前記変化の割合を求めることを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記駆動部は、前記間隔を調整するときの合焦速度を、前記変化の割合に応じて変化させることを特徴とする焦点調節装置。
5. 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、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焦点調節装置と、
   を備えることを特徴とする顕微鏡装置。
   
   

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