JP2011175289A - 顕微鏡、顕微鏡の焦点調節制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の観察位置に対物レンズの前側焦点位置を設定する作業の煩雑さを改善した自動焦点調節装置を内蔵する顕微鏡を提供すること。
【解決手段】光源２０からの光に基づく光像を対物レンズ１２を介して対象物上に結像させ、前記対象物からの前記光像の反射光を前記対物レンズを介して前記光像の反射像を結像させる焦点検出光学系７と、前記焦点検出光学系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前記対物レンズを含む観察光学系３の結像位置を調節する観察光学系結像調節手段５２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前記焦点検出光学系の結像位置を調節する焦点検出光学系結像調節手段８と、前記観察光学系結像調節手段５２または前記焦点検出光学系結像調節手段８に前記光電変換器３０からの信号を切替える切替制御手段４１を有する顕微鏡。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動焦点調節装置を内蔵する顕微鏡、顕微鏡の焦点調節制御方法に関する。

従来、生物標本を光学顕微鏡（生物顕微鏡）で蛍光観察する場合に、標本を載置したカバーガラスと標本との境界面に焦点を合わせオートフォーカス装置をＯＮ状態にした後、焦点検出光学系内に配設された焦点位置調節レンズ（本明細書中では以後、オフセットレンズと記す）を移動させて標本内部の観察したい位置に観察光学系の焦点位置（対物レンズの前側焦点位置）をずらして、標本像を結像させる自動焦点調節装置を内蔵した顕微鏡が知られてる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２８４９３号公報

しかしながら、前述の顕微鏡では、観察位置を標本中の所望の位置に位置付けする場合、接眼レンズを介して標本像を観察しながら標本とカバーガラスの標本面に観察光学系の焦点位置と焦点検出光学系の焦点位置とを最初に位置付けし、その後オフセットレンズを光軸に沿って移動することでオフセット量を付与し、観察光学系の焦点位置を標本内部の所望の位置に位置付けすることを行っている。このような作業は所望の観察位置を見つけ出すために多数のポイントをサーチする必要があり、観察位置に観察光学系の焦点位置を位置付けする作業が煩雑になると言う問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、所望の観察位置に対物レンズの前側焦点位置を設定する作業の煩雑さを改善した自動焦点調節装置を内蔵する顕微鏡、および顕微鏡の焦点調節制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、対物レンズを含む光学系であって、前記対象物を観察する観察光学系と、
前記対象物中の所望の観察位置に前記観察光学系の焦点位置を調整する観察光学系結像調節手段と、
前記対物レンズを含む光学系であって、前記観察光学系と異なる光路に配置されたオフセットレンズを含み、前記対象物からの光像を焦点検出用の光電変換器に結像させる焦点検出光学系と、
前記焦点検出光学系の結像位置と前記観察光学系の焦点位置とに所定のオフセット量を与えるために前記オフセットレンズを調整するオフセットレンズ駆動部と、
前記焦点検出用の光電変換器からの電気信号に基づき焦点検出信号を算出する焦点検出用信号処理手段とを備えた顕微鏡の焦点調節制御方法において、
前記焦点検出用信号処理手段の焦点検出信号を前記オフセットレンズ駆動部に入力し、
前記焦点検出信号に基づき前記オフセットレンズ駆動部により前記オフセットレンズの自動焦点制御を行い、
前記オフセットレンズの自動焦点制御中に、前記観察光学系結像調節手段の操作により前記対象物中の所望の観察位置に前記観察光学系の焦点位置を調整し、
前記観察光学系結像調節手段の操作終了に応じて、前記焦点検出信号を前記観察光学系結像調節手段に入力し、
前記焦点検出信号に基づき前記観察光学系結像調整手段により前記観察光学系の自動焦点制御を行うことを特徴とする顕微鏡の焦点調節制御方法を提供する。
また、本発明は、対物レンズを含む光学系であって、前記対象物を観察する観察光学系と、
前記対象物中の所望の観察位置に前記観察光学系の焦点位置を調整する観察光学系結像調節手段と、
前記対物レンズを含む光学系であって、前記観察光学系と異なる光路に配置されたオフセットレンズを含み、前記対象物からの光像を焦点検出用の光電変換器に結像させる焦点検出光学系と、
前記焦点検出光学系の結像位置と前記観察光学系の焦点位置とに所定のオフセット量を与えるために前記オフセットレンズを調整するオフセットレンズ駆動部と、
前記焦点検出用の光電変換器からの電気信号に基づき焦点検出信号を算出する焦点検出用信号処理手段と、
前記焦点検出用信号処理手段からの焦点検出信号の入力先を、前記オフセットレンズ駆動部から前記観察光学系結像調節手段に切り替える入力切替手段と、
前記焦点検出信号に基づき前記オフセットレンズ駆動部により前記オフセットレンズを自動焦点制御し、前記入力切替手段により前記焦点検出信号の入力先が前記観察光学系結像調節手段に切り替わると前記観察光学系を自動焦点制御する制御手段とを備えたことを特徴とする顕微鏡を提供する。

本発明によれば、所望の観察位置に対物レンズの前側焦点位置を設定する作業の煩雑さを改善した自動焦点調節装置を内蔵する顕微鏡、および顕微鏡の焦点調節制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る顕微鏡の概略構成図である。 オフセットレンズを移動した時の焦点調節用スリット像の合焦状態を表す図であり、（ａ）はオフセット量ゼロの状態、（ｂ）はオフセットレンズを移動したときの状態、（ｃ）は焦点位置が調節された状態をそれぞれ示す。 オフセットレンズによりスリット像の合焦位置が調整された状態を模式的に示す図である。 本発明の参考例にかかる顕微鏡において標本を観察するまでのシーケンスを示す。 同焦点ずれを有する対物レンズ交換時のシーケンスを示す。 同焦点ずれの無い対物レンズ交換時のシーケンスを示す。 本発明の実施の形態にかかる顕微鏡において標本を観察するまでのシーケンスを示す。

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、本発明の実施の形態に係る顕微鏡の概略構成図である。図２は、オフセットレンズを移動した時の焦点調節用スリット像の合焦状態を表す図であり、（ａ）はオフセット量ゼロの状態であり、（ｂ）はオフセット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。図３は、オフセットレンズによりスリット像の合焦位置が調整された状態を模式的に示す図である。
図１において、本発明に係る顕微鏡は、標本１８の光学像或いは蛍光像を観察する観察光学系３と、焦点検出用照明光学系５、焦点検出光学系７及び顕微鏡制御装置（ＣＰＵ）４１から構成されている。

焦点検出用照明光学系５は、ＬＥＤ光源２０側から光軸に沿って順に、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、焦点検出光学系結像位置調節手段であるオフセットレンズ８及び光学フィルタ１０（例えば、可視光カットフィルタ）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１８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、焦点検出用照明光学系５と焦点検出光学系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、焦点検出光学系７でも共用されている。

焦点検出用照明光学系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、赤外光を反射してその他の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はオフセットレンズ８を透過した後、光学フィルタ１０で赤外光Ｌａ以外の波長成分が除去された後、ダイクロイックミラー１６で第１対物レンズ１２（以後、単に対物レンズと記す）の方向に反射され（赤外光Ｌｂ）、対物レンズ１２によって標本１８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、オフセットレンズ８については後述する。

観察光学系３は、標本１８側から順に、対物レンズ１２、ダイクロイックミラー１６、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１８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照明光（または励起光）は標本を透過または反射して観察光（または蛍光）となり、対物レンズ１２で集光され、ダイクロイックミラー１６を透過し、蛍光フィルタ１１８で所定の波長の蛍光が選択されてカメラ用第２対物レンズ３６、カメラ用リレーレンズ３７、カメラ用ＣＣＤセンサ３８に入射する。なお、蛍光観察の際には、第２ハーフミラー１７は光路から移動可能に構成されている。

焦点検出光学系７は、焦点検出用照明光学系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上のスライドガラス１５に載置された標本１８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１８の境界面（標本面１４ｂ、図３参照）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ＬＥＤ光源２０側に反射され（赤外光Ｌｄ）、さらに光学フィルタ１０及びオフセットレンズ８を通り、光軸に略４５度傾けて配設された第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、一部が光路を略９０度偏向され焦点検出光学系７に入る。焦点検出光学系７は、焦点検出用照明光学系５側から光軸に沿って、第１ハーフミラー２５、焦点検出用第２対物レンズ２６、焦点検出用リレーレンズ２７、第２瞳制限マスク２８、焦点検出用リレーレンズ２７、シリンドリカルレンズ２９および焦点検出用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、焦点検出用第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。焦点検出用リレーレンズ２７は、焦点検出用第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、焦点検出用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に結像させる作用をする。また、焦点検出用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。

以上の説明では焦点検出用照明光学系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１８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。なお、第１コレクタレンズ２１はなくても実現可能である。

次に、オフセット付加において使用するオフセットレンズ８について説明する。オフセットレンズ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、焦点検出用照明光学系５と焦点検出光学系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。またオフセットレンズ８にはオフセットレンズ駆動部９が取り付けられており、図示しないが、オフセットレンズ８を光軸に沿って前後に移動可能とするオフセットレンズ用ＤＣモータと、倍率の異なる複数のオフセットレンズ８を交換可能とするオフセットレンズ用電動ターレットで構成されている。

また、後述する入力部４３にはオフセットレンズ８を光軸に沿って移動させるオフセット調節ダイアル５１と不図示のオフセットレンズ切り替えスイッチが配設されている。観察者はオフセット調節ダイアル５１を操作すると、オフセットレンズ８を光軸にそって前後に移動させることができ、また、オフセットレンズ切り替えスイッチにより、オフセットレンズ用電動ターレットに装着された複数のオフセットレンズ８から任意のオフセットレンズ８を選択して切り替えることができる。

オフセットレンズ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、図において焦点検出用照明光を実線で示し、観察光学系３における観察光を点線で示している。オフセットレンズ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の結像位置ａを光軸に沿ってずらし、同時に、標本１８で反射し、焦点検出用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ずらす働きをする。

以下、対物レンズオートフォーカス制御（以後、対物レンズＡＦ制御と記す）を行いながら、標本１８における実際に観察したい位置に対物レンズ１２の観察光学系３の焦点位置（対物レンズの前側焦点位置）を合わす方法について説明する。オフセットレンズ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構成されている。また、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、対物レンズ１２の前側焦点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に照射される焦点検出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焦点検出用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に合うようにオフセットレンズ８（凹レンズ８ｂ）の位置を調節する（この位置をオフセットレンズ８によるスリット像の「オフセットゼロ位置」と呼ぶ）。この状態ではスリット像が対物レンズ１２の前側焦点ｆつまり標本面１４ｂに結像し、その反射光は焦点検出用ＣＣＤセンサ３０の撮像面に結像している状態である。また、この状態ではオフセットレンズ８は単に望遠系となっており、オフセットレンズ８の前後では焦点検出用照明光は共に平行光束となっている。この状態で対物レンズＡＦ制御をかけると常に標本面１４ｂに対物レンズ１２の前側焦点ｆと焦点検出光学系７の焦点ａが合っている状態に制御される。

次にオフセットレンズ８（凹レンズ８ｂ）を光軸に沿って前後に移動し、焦点検出用スリット像の結像位置を移動させて、対物レンズ１２における焦点検出用スリット像の結像位置ｆ（実線）と観察光学系３の焦点位置ａ（破線）の位置をずらす（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、焦点検出用スリット像の焦点ａは標本面１４ｂより対物レンズ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、対物レンズＡＦ制御を行うと、対物レンズ１２が標本１８に向かって移動して、図２（ｃ）に示すように、焦点検出用スリット像の焦点ａが標本面１４ｂに一致する。このため、対物レンズ１２の前側焦点ｆはオフセット量ＯＳだけ標本１８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、オフセットレンズ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、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１８の構成上、５０μｍ程度必要とされる。液浸対物レンズの場合、カバーガラスの入射面１４ａの反射率は、媒質がオイルの場合ほぼ０であり、水の場合も標本面１４ｂ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入射面１４ｂの反射は焦点検出制御にとって妨げとはならない。

なお、オフセット付加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、カバーガラス入射面１４ａの反射率は標本面１４ｂ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標本面１４ｂを焦点検出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入射面１４ａ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、オフセットレンズ８の適当な設定によりカバーガラス入射面１４ａ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、焦点検出光学系７にオフセットレンズ８を組み込むことにより焦点検出用照明光の結像位置（焦点ａ）と対物レンズ１２の前側焦点位置（焦点ｆ）をオフセット（ＯＳ）させることができ、標本１８内部の所定の位置に観察光学系３の前側焦点位置（焦点ｆ）を設定することができる。

なお、上述のオフセットレンズ８でオフセットさせることが可能な距離は、オフセットレンズ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、オフセットレンズ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。

また、上記構成ではオフセットレンズ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、すなわち焦点検出用照明光学系５と焦点検出光学系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）で反射して焦点検出用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、第１ハーフミラー２５と第１瞳制限マスク２４の間にオフセットレンズ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と焦点検出用第２対物レンズ２６の間にオフセットレンズ８配設して、焦点検出用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。

次に、顕微鏡の制御系について説明する。顕微鏡の制御系は、焦点検出位置検出のための焦点検出用信号処理部３１、対物レンズ１２を上下動する合焦リング５４、焦点検出光学系７からの信号に基づき対物レンズ１２を上下動し対物レンズＡＦ制御を行う観察光学系結像調節手段の一部である対物レンズ駆動部５２、対物レンズ１２の光軸に沿った位置（Ｚ方向位置）を検出するエンコーダ５３、ステージ１１をＸＹ方向に移動させるステージ駆動部３４、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。なお、合焦リング５４からＣＰＵ４１に対物レンズ１２の光軸方向の位置が不図示のエンコーダを介して送られている。

焦点検出用ＣＣＤセンサ３０において検出したスリット像の信号は、焦点検出用信号処理部３１に出力され、ＣＰＵ４１の観察光学系結像調節手段の一部である観察光学系信号処理部により処理され、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の観察光学系信号処理部を介して対物レンズ駆動部５２に送られ、対物レンズ１２の位置を光軸に沿って上下動させることにより対物レンズ１２による対物レンズＡＦ制御が達成される。

なお、焦点検出用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、対物レンズ１２の光軸に沿った上下動によって、標本１８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。このような焦点検出用ＣＣＤセンサ３０で検出されたスリット像から対物レンズ１２の光軸方向の位値を制御する。このような対物レンズＡＦ制御を用いて標本１８に対物レンズ１２の焦点ｆを合わせることが可能になる。

対物レンズ駆動部５３は、図１には図示しないが対物レンズ１２に取り付けられた対物レンズ駆動用ＤＣモータと、対物レンズ駆動用ＤＣモータを回転させる対物レンズ駆動用モータドライバと、対物レンズ駆動用ＤＣモータの回転角を検出するエンコーダ５３（例えば、ロータリエンコーダ等）と、エンコーダ５３の検出結果に基づいて対物レンズ１２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。対物レンズＡＦ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対物レンズ駆動用モータドライバに出力され、この信号に基づいて対物レンズ駆動用ＤＣモータは駆動される。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。対物レンズ１２は対物レンズ駆動用ＤＣモータが回転すると、その回転角に応じて光軸に沿って上下動する。そして、対物レンズ１２が上下動し、ステージ１１に載置された標本１８と対物レンズ１２との位置関係が調節される。

図１では１本の対物レンズ１２のみを示したが、本実施の形態にかかる顕微鏡は、倍率が異なる複数の対物レンズ１２によって構成可能である。複数の対物レンズ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。

入力部４３について説明する。入力部４３には、オフセットレンズ８の移動量を与えるオフセットレンズ調整ダイアル５１、図示しないが、キーボード、対物レンズ切り替えスイッチ、焦点検出信号切替スイッチ、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、及び各種スイッチ等が設けられている。

キーボードは、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対物レンズ１２を別の対物レンズ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。

焦点検出信号切替スイッチは、後述する焦点検出用信号処理部３１からの信号で対物レンズ１２を駆動するかオフセットレンズ８を駆動するかを切替えるためのスイッチである。

オートフォーカス制御開始スイッチは、顕微鏡における対物レンズＡＦ制御または後述するオフセットレンズＡＦ制御の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対物レンズオートフォーカス制御の実行を開始し、標本１８が第１対物レンズ１２の焦点に位置決めしたり、後述するオフセットレンズＡＦ制御の実行を開始したりする。

アップ／ダウン微調整スイッチは、手動操作によって対物レンズ１２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対物レンズ１２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、操作者が顕微鏡の不図示の接眼用第２対物レンズ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、対物レンズ１２が位置決めされる。この時、本実施形態の顕微鏡では、標本１８の中の任意の面が対物レンズ１２の前側焦点位置に一致している。このようにして、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡が構成されている。

以下、本発明の参考例にかかる顕微鏡の光学像を観察する際の制御に関し説明する。

図４ステップＳ１〜Ｓ５は、標本１８の所望の観察位置に観察光学系の焦点位置（焦点ｆ）を設定するまでのステップを示している。以下、各ステップ毎に説明する。

（ステップ１）
スライドガラス１５に載置された標本１８にカバーガラス１４をセットしてステージ１１にセットした後、対物レンズ１２を合焦ダイアル５４を上下に移動して標本１８とカバーガラス１４の標本面１４ｂに対物レンズ１２の焦点ｆを位置付ける。この時、オフセットレンズ８の位置はオフセットゼロ位置にセットされており、観察光学系３の焦点位置ｆ（破線で示す）と焦点検出光学系７の焦点位置ａ（実線で示す）とが一致している。

（ステップ２）
この状態にセットした後、オートフォーカス制御開始スイッチをＯＮにし、対物レンズＡＦ制御を開始し、対物レンズ１２の焦点位置を所定の位置に維持するように制御する。

（ステップ３、４）
続いて、対物レンズ１２の観察光学系の焦点位置ｆを標本１８中の所望の位置に移動するために、オフセット調節ダイアル５１を回動してオフセットレンズ８を光軸に沿って移動する。オフセットレンズ８を移動（例えば、移動量ｘ）すると、焦点検出光学系７の焦点位置ａが標本面１４ｂからずれるため、これを補正するように対物レンズ１２が標本１８方向にＯＳ移動し、焦点検出光学系７の焦点位置ａが標本面１４ｂに一致する。

（ステップ５）
対物レンズ１２が標本方向に距離ＯＳ移動した結果、観察光学系３の焦点位置ｆが標本１８中に移動して所望の位置の光学像が観察可能になり、対物レンズＡＦ制御によって焦点位置が維持される。

従来の顕微鏡において対物レンズ１２を倍率の異なる対物レンズに交換する場合、標本１８中の同じ位置に観察光学系３の焦点位置ｆを位置付けるためのオフセットレンズ８のオフセット量ＯＳが交換前後の対物レンズでは異なっている。このため対物レンズを交換する際には、対物レンズＡＦ制御スイッチを一端ＯＦＦにした後、対物レンズを電動リボルバ駆動部３５を介して切替え、オートフォーカス制御開始スイッチをＯＮにし、光学像を目視で観察しながら標本面１４ｂに位置付けしたのち、再度オフセットレンズ８のオフセット量を調節すると言う煩雑な作業が必要であった。なお、交換する対物レンズ同士の同焦点がずれている場合には、オートフォーカス制御開始スイッチをＯＮにする前に、オフセットレンズ８の位置をオフセットゼロ位置に戻した後、目視で境界面１４ｂに焦点位置をセットしオートフォーカス制御開始スイッチをＯＮにし、光学像を目視で観察しながら再度オフセットレンズ８のオフセット量を調節する煩雑な作業が必要であった。

本発明の参考例に係る顕微鏡は、対物レンズ交換時の諸調整を自動で行うことができるように構成されている。以下、対物レンズ交換の際の制御ステップに関し説明する。

図４のステップＳ６において、対物レンズの切替を行うかどうかを判断する。

（ステップ６）
対物レンズ１２を切替えるか判断する。切替えない場合はステップ３に戻る。対物レンズを切替える時はステップＳ７の「対物レンズ切替シーケンス」を実行する。

図５は、対物レンズ切替に伴う顕微鏡の制御フローチャートを示す。

（ステップ７−１）
対物レンズ１２の切替の指令を入力部４２から入力する。この時、入力部４３から電動リボルバに位置決めされている対物レンズ１２を選択指示する（例えば、電動リボルバの穴番号を入力する）。

(ステップ７−２〜７−４)
対物レンズ１２による対物レンズＡＦ制御を行いながら（Ｓ７−２）、オフセットレンズ８が固定され（Ｓ７−３）、現在光路中に挿入されている対物レンズ１２の光軸に沿ったＺ位置（Ｚａ値）がエンコーダ５３を介して読み取られてＣＰＵ４１に送られメモリ４２に記憶される（Ｓ７−４）。

（ステップ７−５〜７−７）
対物レンズ１２による対物レンズＡＦ制御（Ｓ７−５）を行いながらオフセットレンズ８をオフセットゼロ位置（オフセット基準位置）に移動し（Ｓ７−６）、このときの対物レンズ１２のＺ位置（Ｚｂ値）をエンコーダ５３を介して読み取りＣＰＵ４１に送りメモリ４２に記憶する（Ｓ７−７）。オフセット基準位置では、標本面１４ｂに焦点位置ｆとａが位置付けられる。

（ステップ７−８）
ＣＰＵ４１を介して対物レンズ１２のオートフォーカス制御開始スイッチがＯＦＦにされ対物レンズＡＦ制御が解除され、電動リボルバ駆動部３５にＣＰＵ４１から回転の指示が送られ、指定された対物レンズ１２が電動リボルバ駆動部３５を介して選択され光路中に挿入される。

（ステップ７−９）
電動リボルバ駆動部３５からの交換完了信号を受け、交換後の対物レンズ１２の対物レンズＡＦ制御を開始する。オフセットレンズ８はオフセット基準位置に固定されているので対物レンズ１２の焦点検出光学系７の焦点位置ａは標本面１４ｂに位置付けられるように対物レンズＢが制御される。

（ステップ７−１０）
この状態における対物レンズ１２の光軸に沿ったＺ位置（Ｚｃ値）がエンコーダ５３を介して読み取られてＣＰＵ４１に送られメモリ４２に記憶される。

（ステップ７−１１）
ＣＰＵ４１において、Ｚａ値、Ｚｂ値、及びＺｃ値から交換前の対物レンズと交換後の対物レンズのＺ位置の補正値（Ｚａ−（Ｚｂ−Ｚｃ））が計算される。ここで（Ｚｂ−Ｚｃ）が交換前の対物レンズと交換後の対物レンズの同焦点ずれに相当する。計算されたＺ位置の補正値の基づき対物レンズ１２が移動されるが、この時、対物レンズ１２への対物レンズＡＦ制御が一旦ＯＦＦにされた状態でＺ方向に補正値だけ移動される。

（ステップ７−１２）
ステップ７−１１で対物レンズ１２を移動したので、焦点検出光学系７の焦点位置ａがずれてしまう。これを補正するために、焦点検出用信号処理部３１からの信号を用いた焦点調節をオフセットレンズ駆動部９に与えて、オフセットレンズ８によるフォーカス制御（これをオフセットレンズＡＦ制御と言う）を行うようにＣＰＵ４１で信号を切替える。これにより、焦点検出用ＣＣＤセンサー３０上で結像のボケが無いようにオフセットレンズ８が光軸に沿って移動され、焦点検出光学系７の焦点位置ａが境界面１４ｂに位置付けられる。以上のステップにより対物レンズの同焦点ずれの補正が完了する。

（ステップ７−１３）
その後、ＣＰＵ４１はオートフォーカス制御をオフセットレンズＡＦ制御から対物レンズＡＦ制御に切替、さらに対物レンズ１２における所定のオフセット量をオフセットレンズ８に与えることで、交換前の対物レンズで観察していた観察光学系３の焦点位置ｆに対物レンズ１２における観察光学系の焦点位置ｆを位置付けることが可能になる。交換後の対物レンズのオフセットレンズ８の移動量とオフセット量の関係は、メモリ４２中に前もって保存されており、このデータから交換後の対物レンズ１２におけるオフセットレンズ８の移動量を算出して所定の焦点位置に位置付けすることが可能になる。

（ステップ７−１４）
オフセットレンズ８が所定の位置にセットされた時点でオフセットレンズ８は固定される。以後、対物レンズＡＦ制御が継続され観察光学系３の焦点位置ｆが所望の観察位置に維持される。

このように、本発明の参考例にかかる顕微鏡では、交換前後の対物レンズの同焦点ずれを検出し補正することができ、かつ交換後の対物レンズに応じたオフセットレンズ８の移動量を有しているため、対物レンズを交換した後でも対物レンズの交換前の観察光学系３の焦点位置ｆに容易に位置付けすることが可能になる。

なお、同焦点ずれが無い複数の対物レンズをレボルバに固定している場合には、上記ステップは簡単になり図６に示すステップで対物レンズの交換を行うことができる。図６に示すように、交換前後の対物レンズに同焦点ずれが無いことが前もって知られている場合には、図５に示す処理ステップの内、ステップ７−２〜ステップ７−６、及びステップ７−９〜ステップ７−１０が省略でき、ステップ７−１１で対物レンズが固定され、より簡単な処理ステップで対物レンズの交換を行うことができる。

次に、本発明の実施の形態に係る顕微鏡の制御に関し説明する。

従来の顕微鏡では、観察位置を標本中の所望の位置に位置付けする場合、接眼レンズを介して標本像を観察しながら標本１８とカバーガラス１４の標本面１４ｂに観察光学系３の焦点位置ｆと焦点検出光学系７の焦点位置ａとを最初に位置付けし、その後オフセットレンズ８を光軸に沿って移動することでオフセット量ＯＳを付与し、観察光学系３の焦点位置ｆを標本１８内部の所望の位置に位置付けすることを行っている。このような作業は所望の観察位置を見つけ出すために多数のポイントをサーチする必要があり、観察位置に観察光学系３の焦点位置ｆを位置付けする作業が煩雑になると言う問題があり、本実施の形態にかかる顕微鏡ではこの問題を解決することができる。

本実施の形態にかかる顕微鏡では、標本１８の所望の観察位置に容易に観察光学系３の焦点位置ｆを位置付けすることが出来る機能を有している。以下、図７に示すフローチャートに従って顕微鏡の動作を説明する。図４と同様のステップには同じ符号を付し説明する。

（ステップ１−１）
標本１８をステージ１１に設置後、オフセットレンズ８の位置をオフセットゼロ位置にセットする。この状態では、図２（ａ）に示すように観察光学系３の焦点位置ｆ（破線で示す）と焦点検出光学系７の焦点位置ａ（実線で示す）とは一致している。

（ステップ２−１）
焦点検出用信号処理部３１からの信号をＣＰＵ４１が受けて、この信号に基づくオフセットレンズＡＦ制御を開始する。オフセットレンズＡＦ制御は前述と同様である。

（ステップ３−１、４−１）
オフセットレンズＡＦ制御を行い、接眼レンズを介して標本像を観察しながら顕微鏡の合焦リング５３を操作して標本１８中の所望の観察位置に観察光学系３の焦点位置ｆを位置付けする。この際、オフセットレンズＡＦ制御が行われているので、焦点検出光学系７の焦点位置ａは、標本面１４ｂに位置付けされるようにオフセットレンズ駆動部９により光軸に沿って前後に移動する。

（ステップ５−１）
オフセットレンズＡＦ制御から対物レンズＡＦ制御にＣＰＵ４１を介して切替える。これにより標本１８の所望の位置に観察光学系３の焦点位置ｆを所望の位置に位置付けし続けることが可能になる。なお、オフセットＡＦ制御と対物レンズＡＦ制御の切替は、手動の場合には入力部４３の焦点検出信号切替スイッチにより切替えることで行うことが可能である。また、自動で切替える場合には、ＣＰＵ４１が合焦ダイアル５４からの入力信号を検出し、所定時間合焦ダイアル５４からの信号に変化がない場合自動的に切替えるようにすることで可能になる。

（ステップ６）
対物レンズ１２を切替えるか判断する。切替えない場合はステップ３に戻る。対物レンズを切替える時はステップＳ７の「対物レンズ切替シーケンス」を実行する。ステップＳ７以降のシーケンスは、前述の図５、図６と同様であり説明を省略する。これら同様のシーケンスを実行することにより、同様の効果を奏することができる。

このように、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡は、焦点検出用信号処理部３１からの信号を対物レンズＡＦ制御とオフセットレンズＡＦ制御とに適宜切替えることが可能であり、これにより対物レンズの交換や観察位置の選択等を容易に行うことが可能になる。

なお、上述の説明は、正立型の顕微鏡の場合について行ったが倒立型の顕微鏡でも同様の効果を奏することができる。また、自動焦点調節制御を対物レンズを上下駆動する対物レンズＡＦ制御の場合について説明したが、ステージ１１を上下駆動することで対物レンズＡＦ制御と同様の制御を行うことも可能である。

なお、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。

３ 観察光学系
５ 焦点検出用照明光学系
７ 焦点検出光学系
８ オフセットレンズ
９ オフセットレンズ駆動部
１０ 光学フィルタ
１１ ステージ
１２ 第１対物レンズ（対物レンズ）
１３ 接眼用第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 第１コレクタレンズ
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 焦点検出用第２対物レンズ
２７ 焦点検出用リレーレンズ
２８ 第２瞳制限マスク
２９ シリンドリカルレンズ
３０ 焦点検出用ＣＣＤセンサー
３１ 焦点検出用信号処理部
３４ ステージ駆動部
３５ 電動リボルバ駆動部
３６ カメラ用第２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 顕微鏡制御部（ＣＰＵ）
４２ メモリ
４３ 入力部
５１ オフセットレンズ位置調節ダイアル
５２ 対物レンズ駆動部
５３ エンコーダ
５４ 焦準ダイアル
１１８ 蛍光フィルタ

Claims (4)

1. 光源からの光に基づく光像を対物レンズを介して対象物上に結像させ、前記対象物からの前記光像の反射光を前記対物レンズを介して前記光像の反射像を結像させる焦点検出光学系と、
   前記焦点検出光学系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前記対物レンズを含む観察光学系の結像位置を調節する観察光学系結像調節手段と、
   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前記焦点検出光学系の結像位置を調節する焦点検出光学系結像調節手段と、
   前記観察光学系結像調節手段または前記焦点検出光学系結像調節手段に前記光電変換器からの信号を切替える切替制御手段を有することを特徴とする顕微鏡。
2. 前記対物レンズは、互いに異なる倍率を有する複数の対物レンズを切替える対物レンズ切替手段に配置され、
   前記対物レンズが前記対物レンズ切替手段により切替えられた際、前記切替制御手段は前記光電変換器からの信号を前記観察光学系結像調節手段から前記焦点検出光学系結像調節手段に切替え、前記観察光学系結像調節手段により前記焦点検出光学系の結像位置を調節した後、前記観察光学系結像調節手段に切替えることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記対物レンズが前記対物レンズ切替手段により切替えられた際、切替前後の対物レンズの同焦点ずれを検出して、前記同焦点ずれを補正する同焦点ずれ補正手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
4. 前記同焦点ずれ補正手段による前記同焦点ずれの補正は、交換後の対物レンズに対する前記焦点検出光学系結像調節手段による前記焦点検出結像光学系の結像位置の調節開始前に、前記観察光学系結像調節手段を介して行われることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡。

Images