JP2014038284A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】前ピンセンサと後ピンセンサが検出するサンプルの領域が異なる場合においても、サンプルの合焦精度を向上し、ピントが合った撮影画像を取得することができる。
【解決手段】光学系は、サンプル１０１の像を第１平面に結像し、サンプル１０１の一部の前ピン像を第２平面に投影し、サンプル１０１の一部の後ピン像を第３平面に投影する。コントラスト値算出部１１２は、第２平面に入射された光の第１コントラスト値と第３平面に入射された光の第２コントラスト値とを出力する。合焦部は、第１コントラスト値と第２コントラスト値との差が所定の値になる位置を第１合焦点候補として算出し、第１コントラスト値から予測される第１コントラスト特性と第２コントラスト値から予測される第２コントラスト特性とに基づいて第２合焦点候補を算出し、第１合焦点候補および第２合焦点候補の少なくとも一方を用いて合焦点を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

従来、顕微鏡等の光学機器では、生物標本等のサンプルからの光を受光素子へ照射し、その受光素子から出力される信号からサンプルのコントラスト値を検出し、その検出したコントラスト値に基づいてサンプルの合焦点を算出するコントラストＡＦ（Ａｕｔｏｆｏｃｕｓ、オートフォーカス）制御が用いられている。

例えば、コントラストＡＦの方式の一つとして、光軸方向にレンズを移動させながら、撮像素子で取得した画像信号のコントラスト値を検出し、そのコントラスト値が最大となる位置を合焦点と判定する山登りサーボ方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。山登りサーボ方式では、合焦点に向けたレンズの駆動方向が分からず、コントラスト値の増加や減少を検出しながら、そのコントラスト値が最大となる位置を検出しなければならないために、合焦点を検出するまでに時間がかかる。

一方、山登りサーボ方式の弱点を改善したコントラストＡＦの方式として知られている光路差方式は、検出したコントラスト値により合焦点に向けたレンズの駆動方向を常に判定しながら合焦制御を行うことができる（例えば、特許文献２参照）。光路差方式では、予定合焦点に対して光軸方向の共役な前後２ヶ所に前ピンセンサと後ピンセンサの受光素子を配置し、前ピンセンサと後ピンセンサに投影されたサンプルのコントラスト値の差分を検出し、検出したコントラスト値の差分値が０となる位置を合焦点として検出する。ここで、前ピンセンサとは、サンプルの前ピン像が投影され、予定合焦点に対して後側に配置されたセンサである。一方、後ピンセンサとは、サンプルの後ピン像が投影され、予定合焦点に対して前側の位置に配置されたセンサである。

上述した光路差方式について、図７と図８とを用いて説明する。図７は、従来知られている前ピンセンサと後ピンセンサとが検出したサンプルのコントラスト値の特性を示したグラフである。図示するグラフの横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はコントラスト値を示す。曲線７０１は、デフォーカス量と前ピンセンサのコントラスト値との関係を示す。また、曲線７０２は、デフォーカス量と後ピンセンサのコントラスト値との関係を示す。

図８は、従来知られている、前ピンセンサが検出したコントラスト値から後ピンセンサが検出したコントラスト値を差分した特性を示したグラフである。図示するグラフの横軸はデフォーカス量を示し、縦軸は前ピンセンサが検出したコントラスト値から後ピンセンサが検出したコントラスト値を差分した値（以下、「差分コントラスト値」という）を示す。曲線８０１は、デフォーカス量と差分コントラスト値との関係を示す。

図７に示すように、前ピンセンサが検出したコントラスト値は合焦点からマイナス方向へ離れた位置で最大となり、後ピンセンサが検出したコントラスト値は合焦点からプラス方向へ離れた位置で最大となる。このとき、前ピンセンサと後ピンセンサの位置を予定合焦点から等距離に配置すると、前ピンセンサが検出したコントラスト値と後ピンセンサが検出したコントラスト値が最大となる位置はそれぞれ合焦点から等距離の位置となる。よって、前ピンセンサと後ピンセンサが検出したコントラスト値が一致する位置は合焦点となる。

すなわち、図８に示すように、前ピンセンサが検出したコントラスト値から後ピンセンサが検出したコントラスト値を差分した値（差分コントラスト値）が０となる位置は合焦点となる。また、サンプルが合焦点より対物レンズ側に近い場合には、差分コントラスト値が正となる。一方、サンプルが合焦点より反対物レンズ側へ離れている場合には、差分コントラスト値が負となる。従って、光路差方式による合焦制御では、差分コントラスト値を検出し、その差分コントラスト値の極性に応じた方向に基づいて対物レンズもしくはステージを移動させる。そして、上述した動作を差分コントラスト値が０に最接近するまで繰り返し行うことによって、合焦点を検出する。

上述した光路差方式を用いて、サンプル全体を高解像度のデジタル画像で取得できる顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。図９は、従来知られている顕微鏡装置の構成を示した概略図である。図示する例では、顕微鏡装置９００は、ステージ９０２と、光源９０３と、コンデンサレンズ９０４と、対物レンズ９０５と、光路分割装置９０６と、第１の結像レンズ９０７と、第２の結像レンズ９０８と、分割プリズム９０９と、撮像素子９１０と、ラインセンサ９１１と、コントラスト値算出部９１２と、差分コントラスト値算出部９１３と、水平駆動信号生成部９１４とを備えている。また、ラインセンサ９１１は、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２とを備えている。なお、図示する例では、光源９０３と、コンデンサレンズ９０４と、対物レンズ９０５と、光路分割装置９０６と、第１の結像レンズ９０７と、撮像素子９１０とが並んでいる方向、すなわち光源９０３の発した光が撮像素子９１０に入射する方向（光軸方向）をＺ軸方向とし、ステージ９０２の平面をＸＹ平面とする。

ステージ９０２に設置されているサンプル９０１には、光源９０３からの照明光がコンデンサレンズ９０４を通して照射されている。サンプル９０１の透過光は、対物レンズ９０５を通して、光路分割装置９０６に入射される。光路分割装置９０６に入射したサンプル９０１の透過光は、一部は光路分割装置９０６で透過して、第１の結像レンズ９０７により撮像素子９１０に入射される。撮像素子９１０は、合焦動作完了後に、第１の結像レンズ９０７により結像されたサンプル９０１の透過光の像を撮像する。

一方、光路分割装置９０６で反射した光は、第２の結像レンズ９０８に導かれる。第２の結像レンズ９０８を通過した光は分割プリズム９０９で２分割され、これら２つの光が平行な状態でラインセンサ９１１に入射される。ラインセンサ９１１に入射する２つの光は、第２の結像レンズ９０８の出射面からラインセンサ９１１に至るまでの光路長が異なる。この時、ラインセンサ９１１の受光面には、予定合焦点に対して光軸方向に共役な２つの光像（前ピン像、後ピン像）が投影される。

ラインセンサ９１１は、投影された光像（前ピン像と後ピン像）の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出する。ラインセンサ９１１により検出された信号は、コントラスト値算出部９１２に送信される。コントラスト値算出部９１２は、ラインセンサ９１１より出力された信号から前ピン像と後ピン像のコントラスト値を算出する。コントラスト値算出部９１２により算出された前ピン像と後ピン像のコントラスト値は、差分コントラスト値算出部９１３に送信される。

差分コントラスト値算出部９１３は、コントラスト値算出部９１２より出力された前ピン像と後ピン像のコントラスト値を用いて、差分コントラスト値を算出する。そして、その算出結果より、光軸方向における対物レンズ９０５の移動量と方向を算出し、駆動信号を生成する。差分コントラスト値算出部９１３により生成された駆動信号は、対物レンズ９０５に送信される。対物レンズ９０５は、差分コントラスト値算出部９１３により生成された駆動信号に基づいて、光軸方向に所定の距離だけ移動する。

例えば、算出された差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内の場合、差分コントラスト値算出部９１３は合焦状態であると判定し、駆動信号を生成せず、合焦動作を完了する。一方、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以上の場合、差分コントラスト値算出部９１３は非合焦状態であると判定し、差分コントラスト値の極性に基づいて、光軸方向における対物レンズ９０５の移動量と方向を算出し、駆動信号を生成する。そして、対物レンズ１００５が光軸方向に移動した後、再びラインセンサ９１１は前ピン像と後ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出する。次に、ラインセンサ９１１により検出された信号は、コントラスト値算出部９１２にて前ピン像と後ピン像のコントラスト値が算出され、差分コントラスト値算出部９１３にて差分コントラスト値を算出し、合焦状態であるかを判定する。そして、上述した動作を差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内になるまで繰り返し行い、合焦点を検出する。

撮像素子９１０は、合焦動作が完了した後に、サンプル９０１の所定の領域を撮像する。撮像素子９１０がサンプル９０１の所定の領域を撮像した後、水平駆動信号生成部９１４から送信された水平信号により、ステージ９０２を水平方向に所定量だけ移動させる。このときのステージ９０２の水平方向の移動間隔は、撮像素子９１０で撮影されるサンプル９０１の撮像領域同士が重なり合うか、もしくは隣り合うように調整される。

ステージ９０２を水平方向に移動させた後、サンプル９０１の合焦点を検出し、撮像素子９１０によりサンプル９０１の所定の領域を撮像する。そして、撮像素子９１０により撮像されたそれぞれの分割画像を合成することによって、サンプル９０１全体を含む一枚のデジタル画像を生成する。

例えば、図１０に示すようなサンプル９０１全体を含む一枚のデジタル画像を生成する方法について示す。図１０は、従来知られているサンプル９０１全体を含む一枚のデジタル画像を示した概略図である。図示する例では、９つの分割画像からサンプル９０１の全体を含む一枚のデジタル画像を生成する場合の例を示している。

初めに、観察対象のサンプル９０１の全体を含む領域は、撮像素子９１０によって撮像される９つの小領域Ｘ１Ｙ１、Ｘ２Ｙ１、・・・Ｘ３Ｙ３に分割される。次に、それぞれの小領域ごとに合焦制御を行いながら、撮像素子９１０がＸ１Ｙ１、Ｘ２Ｙ１、Ｘ３Ｙ１、Ｘ３Ｙ２、Ｘ２Ｙ２、Ｘ１Ｙ２、Ｘ１Ｙ３、Ｘ２Ｙ３、Ｘ３Ｙ３と順次撮像する。ここで、撮像素子９１０がｎ番目の領域を撮像する動作を「第ｎショット目」とする。すなわち、撮像素子９１０がＸ１Ｙ１、Ｘ２Ｙ１の領域を撮像する動作を第１ショット目、第２ショット目と呼ぶ。そして、ソフトウェアによる画像合成技術を用いることによって、撮像素子９１０が撮像した９枚の分割画像から、サンプル９０１の全体を高解像度に撮像した１枚のデジタル画像を生成する。

特開２００４−１７０４８１号公報 特開平８−１６０２８４号公報 特開２０１１−９５５００号公報

光路差方式では、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２とのそれぞれが、等しいＸＹ領域のサンプル９０１の前ピン像と後ピン像を検出するように光学調整を行う必要がある。しかしながら、光路分割装置９０６や分割プリズム９０９の角度などを高精度に調整し、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２とが検出するサンプル９０１のＸＹ領域が完全に同領域となるように合わせることは困難である。そして、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２が検出するサンプル９０１のＸＹ領域が異なった場合、ＡＦ精度が低下し、ピントが合った鮮明な撮影画像を取得することができない場合がある。

上記課題について図１１と図１２とを用いて具体的に説明する。図１１は、従来知られている前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２が検出するサンプル９０１のＸＹ領域が異なる場合における、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２が検出するサンプル９０１のＸＹ領域の一例を示した概略図である。図１１において、撮像領域１１０１は、撮像素子９１０が撮像するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、前ピンセンサ９１１１の検出領域１１０２は、前ピンセンサ９１１１が検出するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、後ピンセンサ９１１２の検出領域１１０３は、後ピンセンサ９１１２が検出するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、領域１１０４は、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２が共に検出するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、領域１１０５は、前ピンセンサ９１１１のみが検出するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、領域１１０６は、後ピンセンサ９１１２のみが検出するサンプル９０１のＸＹ領域を示す。また、組織１１０７は、大きさが約５ｕｍである細胞核などのようなコントラスト値が高い組織を示す。図示する例では、組織１１０７は前ピンセンサ９１１１のみが検出するサンプル９０１の領域１１０５に存在する。

図１２は、従来知られている前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２とが検出した、図１１に示したサンプル９０１のコントラスト値の特性を示したグラフである。図示するグラフの横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はコントラスト値を示す。曲線１２１１は、デフォーカス量と前ピンセンサ９１１１のコントラスト値との関係を示す。また、曲線１２１２は、デフォーカス量と後ピンセンサ９１１２のコントラスト値との関係を示す。

図１２において、サンプル９０１の真の合焦点１２０１は、前ピンセンサ９１１１のコントラスト値がピーク値をもつ位置１２０２と、後ピンセンサ９１１２のコントラスト値がピーク値をもつ位置１２０３との中間地点である。ここで、顕微鏡装置９００では、対物レンズ９０５を真の合焦点１２０１より光軸方向の前後に駆動したとしても、撮影画像にピントが合っている範囲（被写界深度）が存在する。したがって、図１２において、撮影画像にピントが合う範囲は合焦範囲１２０４となる。

しかしながら、図１１に示すように、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２が検出するサンプル９０１のＸＹ領域が異なり、前ピンセンサ９１１１のみが検出するサンプル９０１の領域１１０５、もしくは後ピンセンサ９１１２のみが検出する領域１１０６にのみコントラスト値の高い組織が分布する場合、前ピンセンサ９１１１のコントラスト値の特性と後ピンセンサ９１１２のコントラスト値の特性が大きく異なる。そのため、合焦動作により検出される合焦点１２０５が合焦範囲１２０４より外れた位置となり、図１２に示した例では、検出される合焦点１２０５となる。この場合、検出される合焦点１２０５は合焦範囲１２０４に含まれていないため、ピントが合った鮮明な撮影画像を取得することができないという問題がある。

このように、光路差方式を用いた顕微鏡装置９００では、前ピンセンサ９１１１と後ピンセンサ９１１２とが検出するサンプル９０１のＸＹ領域が異なる場合、分割画像を撮像する際に精度良く合焦点を検出することができない可能性がある。そのため、ピントが合った撮影画像を取得することができない可能性があるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、前ピンセンサと後ピンセンサが検出するサンプルの領域が異なる場合においても、サンプルの合焦精度を向上し、ピントが合った撮影画像を取得することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、サンプルの像を第１平面に結像し、前記サンプルの少なくとも一部の前ピン像を第２平面に投影し、前記サンプルの少なくとも一部の後ピン像を第３平面に投影する光学系と、前記第１平面に入射された光に基づいた像を撮像する撮像部と、前記第２平面に入射された光の第１コントラスト値と前記第３平面に入射された光の第２コントラスト値とを出力するコントラスト検出部と、前記第１コントラスト値と前記第２コントラスト値とに基づいて、前記サンプルと前記光学系との相対位置を順次変化させ、前記第１コントラスト値と前記第２コントラスト値との差が所定の値になる位置を第１合焦点候補として算出し、前記第１コントラスト値から予測される第１コントラスト特性と前記第２コントラスト値から予測される第２コントラスト特性とに基づいて第２合焦点候補を算出し、前記第１合焦点候補および前記第２合焦点候補の少なくとも一方を用いて合焦点を検出する合焦部と、を備えることを特徴とする撮像装置である。

また、本発明の撮像装置において、前記合焦部は、前記第１コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第１コントラスト特性を予測し、前記第２コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第２コントラスト特性を予測し、前記第１コントラスト特性がピーク値をもつ第１デフォーカス量と前記第２コントラスト特性がピーク値をもつ第２デフォーカス量との中間位置を、前記第２合焦点候補として算出することを特徴とする。

また、本発明の撮像装置において、前記合焦部は、前記第１コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第１コントラスト特性を予測し、前記第２コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第２コントラスト特性を予測し、前記第１コントラスト特性のピーク値と前記第２コントラスト特性のピーク値とが揃うように前記第１コントラスト特性と前記第２コントラスト特性との少なくとも一方を調整し、調整後の前記第１コントラスト特性と前記第２コントラスト特性との差が所定の値になる位置を前記第２合焦点候補として算出することを特徴とする。

また、本発明は、前記サンプルを設置するステージと、前記ステージと前記光学系との相対位置を順次変化させ、前記撮像装置に前記サンプルの異なる部分を順次撮影させる駆動制御部と、を備え、前記合焦部は、前記第１合焦点候補と前記第２合焦点候補のうち、直前の撮影時に設定された前記合焦点に近いいずれか一方を前記合焦点とすることを特徴とする撮像装置である。

本発明によれば、光学系は、サンプルの像を第１平面に結像し、サンプルの少なくとも一部の前ピン像を第２平面に投影し、サンプルの少なくとも一部の後ピン像を第３平面に投影する。また、撮像部は、第１平面に入射された光に基づいた像を撮像する。また、コントラスト検出部は、第２平面に入射された光の第１コントラスト値と第３平面に入射された光の第２コントラスト値とを出力する。また、合焦部は、第１コントラスト値と第２コントラスト値とに基づいて、サンプルと光学系との相対位置を順次変化させ、第１コントラスト値と第２コントラスト値との差が所定の値になる位置を第１合焦点候補として算出し、第１コントラスト値から予測される第１コントラスト特性と第２コントラスト値から予測される第２コントラスト特性とに基づいて第２合焦点候補を算出し、第１合焦点候補および第２合焦点候補の少なくとも一方を用いて合焦点を検出する。

この構成により、第１コントラスト値と第２コントラスト値との差が所定の値になる位置を第１合焦点候補として算出し、第１コントラスト値から予測される第１コントラスト特性と第２コントラスト値から予測される第２コントラスト特性とに基づいて第２合焦点候補を算出し、第１合焦点候補および第２合焦点候補の少なくとも一方を用いて合焦点を検出することができる。従って、第２平面に結像されるサンプルの領域と第３平面に結像されるサンプルの領域が異なる場合においても、サンプルの合焦精度を向上し、ピントが合った撮影画像を取得することができる。

本発明の第１の実施形態における顕微鏡装置の構成を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態における前ピンセンサと後ピンセンサが検出するサンプルのＸＹ領域の一例を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態における前ピンセンサと後ピンセンサが検出したコントラスト値の特性を示したグラフである。 本発明の第１の実施形態における第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点と、第１の合焦点と、第２の合焦点との関係を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態における顕微鏡装置の合焦動作の処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における前ピンセンサと後ピンセンサが検出したコントラスト値の特性を示したグラフである。 従来知られている前ピンセンサと後ピンセンサとが検出したサンプルのコントラスト値の特性を示したグラフである。 従来知られている、前ピンセンサが検出したコントラスト値から後ピンセンサが検出したコントラスト値を差分した特性を示したグラフである。 従来知られている顕微鏡装置の構成を示した概略図である。 従来知られているサンプル全体を含む一枚のデジタル画像を示した概略図である。 従来知られている前ピンセンサと後ピンセンサが検出するサンプルのＸＹ領域の一例を示した概略図である。 従来知られている前ピンセンサと後ピンセンサとが検出したサンプルのコントラスト値の特性を示したグラフである。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における顕微鏡装置１００の構成を示した概略図である。図示する例では、顕微鏡装置１００は、ステージ１０２と、光源１０３と、コンデンサレンズ１０４と、対物レンズ１０５と、光路分割装置１０６と、第１の結像レンズ１０７と、第２の結像レンズ１０８と、分割プリズム１０９と、撮像素子１１０（撮像部）と、ＡＦ信号検出素子１１１と、コントラスト値算出部１１２（コントラスト検出部）と、差分コントラスト値算出部１１３と、位置情報検出部１１４と、第１の合焦点検出部１１５と、メモリ部１１６と、第２の合焦点検出部１１７と、判定部１１８と、水平駆動信号生成部１１９と、画像処理部１２０とを備えている。

なお、図示する例では、光源１０３と、コンデンサレンズ１０４と、対物レンズ１０５と、光路分割装置１０６と、第１の結像レンズ１０７と、撮像素子１１０とが並んでいる方向、すなわち光源１０３の発した光が撮像素子１１０に入射する方向（光軸方向）をＺ軸方向とし、ステージ１０２の平面をＸＹ平面とする。

また、例えば、コンデンサレンズ１０４と、対物レンズ１０５と、光路分割装置１０６と、第１の結像レンズ１０７と、第２の結像レンズ１０８と、分割プリズム１０９とが、請求項における光学系に相当する。また、例えば、第１の合焦点検出部１１５と、メモリ部１１６と、第２の合焦点検出部１１７と、判定部１１８とが、請求項における合焦部に相当する。

ステージ１０２は、サンプル１０１を載置するための台であり、水平駆動信号生成部１１９が出力する水平信号に基づいて、水平方向（図中の直交するＸ軸方向とＹ軸方向）に移動する。光源１０３は照明光を発する。コンデンサレンズ１０４は、光源１０３が発した光を集光してサンプル１０１に照射する。これにより、ステージ１０２に設置されているサンプル１０１には、光源１０３からの照明光がコンデンサレンズ１０４を通して照射される。

対物レンズ１０５は、サンプル１０１に対向するように配置されている。また、対物レンズ１０５はサンプル１０１からの光束を集光させ、光路分割装置１０６に照射する。これにより、サンプル１０１の透過光は光路分割装置１０６に照射される。光路分割装置１０６はハーフミラーなどであり、照射されたサンプル１０１の透過光の一部を第２の結像レンズ１０８の方向に反射し、一部を第１の結像レンズ１０７の方向に透過する。

第１の結像レンズ１０７は、光路分割装置１０６が透過したサンプル１０１からの光を撮像素子１１０の撮像面（第１平面）上に結像させる。これにより、サンプル１０１からの透過光の一部は、対物レンズ１０５と、光路分割装置１０６と、第１の結像レンズ１０７とを介して撮像素子１１０に入射される。撮像素子１１０は、合焦動作完了後に、第１の結像レンズ１０７により撮像面上に結像されたサンプル１０１の所定の領域の部分画像を撮像する。なお、撮像素子１１０が撮像した部分画像（画像信号）は、画像処理部１２０に入力される。

第２の結像レンズ１０８は、対物レンズ１０５が集光した光のうち、光路分割装置１０６が反射した光を分割プリズム１０９に照射する。これにより、サンプル１０１からの光は、分割プリズム１０９に導かれる。

分割プリズム１０９は、照射されたサンプル１０１からの光の一部を透過し、一部を分割プリズム１０９内で反射させることで、サンプル１０１からの光を２分割し、分割した光を平行な状態でＡＦ信号検出素子１１１の前ピンセンサ１１１１の受光面（第２平面）と、後ピンセンサ１１１２の受光面（第３平面）とに照射する。なお、分割プリズム１０９が透過した光の光路を光路Ａとし、分割プリズム１０９が反射した光の光路を光路Ｂとする。なお、光路Ｂは分割プリズム１０９内で光を反射する光路であるため、光路Ｂの光路長は光路Ａの光路長よりも長い。

また、ＡＦ信号検出素子１１１が備える画素のうち、光路Ａに導かれた光が入射する画素の集合を後ピンセンサ１１１２とし、光路Ｂに導かれた光が入射する画素の集合を前ピンセンサ１１１１とする。従って、ＡＦ信号検出素子１１１の受光面である前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とには、予定合焦点に対して光軸方向に共役な２つの光像（前ピン像、後ピン像）が投影される。前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とはそれぞれ、投影された前ピン像と後ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を出力する。なお、ＡＦ信号検出素子１１１が出力した信号は、コントラスト値算出部１１２に入力される。

コントラスト値算出部１１２は、ＡＦ信号検出素子１１１が出力した信号を解析し、前ピン像のコントラスト値（第１コントラスト値）と後ピン像のコントラスト値（第２コントラスト値）とを算出する。コントラスト値算出部１１２は、算出した前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値を、差分コントラスト値算出部１１３とメモリ部１１６とに対して出力する。

差分コントラスト値算出部１１３は、前ピン像のコントラスト値から後ピン像のコントラスト値を差分し、差分コントラスト値を算出する。また、差分コントラスト値算出部１１３は、差分コントラスト値に基づいて、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点であるか否かを判定し、第１の合焦点ではないと判定した場合には対物レンズ１０５を駆動させる駆動信号を生成する。そして、差分コントラスト値算出部１１３は、生成した駆動信号を対物レンズ１０５に対して出力する。また、差分コントラスト値算出部１１３は、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点であると判定した場合には駆動信号を生成しない。なお、差分コントラスト値算出部１１３が判定する第１の合焦点は、従来の光路差方式と同様に、差分コントラスト値を解析することによって検出されたサンプル１０１の仮の合焦点である。

例えば、差分コントラスト値算出部１１３は、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以上の場合、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点ではないと判定し、光軸方向における対物レンズ１０５の移動量と方向を算出し、駆動信号を生成する。一方、差分コントラスト値算出部１１３は、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内の場合、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点であると判定し、駆動信号を生成しない。

対物レンズ１０５は、差分コントラスト値算出部１１３が生成した駆動信号に基づいて、光軸方向（図中のＺ軸方向）に所定の距離だけ移動する。ここで、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点でないと判定され、対物レンズ１０５が光軸方向に移動した場合、再びＡＦ信号検出素子１１１は前ピン像と後ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出する。そして、コントラスト値算出部１１２が前ピン像と後ピン像のコントラスト値を算出し、差分コントラスト値算出部１１３が差分コントラスト値を算出し第１の合焦点を検出したかを判定する。上述した動作を第１の合焦点が検出されるまで、繰り返し行う。

位置情報検出部１１４は、対物レンズ１０５の位置情報を検出する。位置情報検出部１１４は、検出した対物レンズ１０５の位置情報を、第１の合焦点検出部１１５とメモリ部１１６とに対して出力する。第１の合焦点検出部１１５は、差分コントラスト値算出部１１３が第１の合焦点を検出したと判定したときに、位置情報検出部１１４が検出した対物レンズ１０５の位置情報を第１の合焦点として検出する。第１の合焦点検出部１１５は、検出した第１の合焦点を示す情報を判定部１１８に対して出力する。

メモリ部１１６は、コントラスト値算出部１１２が出力した前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値と、位置情報検出部１１４が出力した対物レンズ１０５の位置情報とを記憶する。また、メモリ部１１６は、記憶している前ピン像のコントラスト値と、後ピン像のコントラスト値と、対物レンズ１０５の位置情報とを第２の合焦点検出部１１７に対して出力する。

第２の合焦点検出部１１７は、メモリ部１１６が出力した前ピン像のコントラスト値と、後ピン像のコントラスト値と、対物レンズ１０５の位置情報とを解析することによって、第２の合焦点を検出する。第２の合焦点検出部１１７は、検出した第２の合焦点を示す情報を、判定部１１８に対して出力する。ここで、第２の合焦点は、前ピン像のコントラスト値と、後ピン像のコントラスト値と、対物レンズ１０５の位置情報とを解析することによって検出された、サンプル１０１の仮の合焦点である。なお、第２の合焦点検出部１１７が第２の合焦点を検出する詳細手順に関しては後述する。

判定部１１８は、第１の合焦点検出部１１５が出力する第１の合焦点を示す情報と、第２の合焦点検出部１１７が出力する第２の合焦点を示す情報とに基づいて、第１の合焦点と第２の合焦点のうち、どちらが真の合焦点であるかを判定する。また、判定部１１８は、真の合焦点の判定結果に基づいて、対物レンズ１０５の焦点が真の合焦点となる位置に移動するように補正用駆動信号を生成する。なお、判定部１１８が第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを判定する詳細手順に関しては後述する。また、判定部１１８は、生成した補正用駆動信号を対物レンズ１０５に対して出力する。

対物レンズ１０５は、判定部１１８が出力した補正用駆動信号に基づいて、光軸方向に所定の距離だけ移動する。このときの対物レンズ１０５の焦点が真の合焦点である。そして、判定部１１８は、合焦動作が完了したときの対物レンズ１０５の位置を記憶する。撮像素子１１０は、対物レンズ１０５の焦点が真の合焦点に移動した後、すなわち合焦動作が完了した後、第１の結像レンズ１０７により撮像面上に結像されたサンプル１０１の所定の領域を撮像する。

水平駆動信号生成部１１９は、撮像素子１１０がサンプル１０１の所定の領域を撮像した後、水平信号を出力する。ステージ１０２は、水平信号に基づいて水平方向に所定量だけ移動する。このときのステージ１０２の水平方向の移動間隔は、撮像素子１１０で撮影されるサンプル１０１の撮像領域同士が重なり合うか、もしくは隣り合うように調整される。ステージ１０２が水平方向に移動した後、上述した処理によりサンプル１０１の合焦点を検出し、撮像素子１１０は、サンプル１０１の所定の領域を撮像する。そして、画像処理部１２０は、撮像素子１１０が撮像した複数の分割画像を合成することによって、サンプル１０１全体の一枚のデジタル画像を生成する。

次に、第２の合焦点検出部１１７が第２の合焦点を検出する方法について、図２と図３を用いて示す。図２は、本実施形態において、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合における、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出するサンプル１０１のＸＹ領域の一例を示した概略図である。撮像領域２０１は、撮像素子１１０が撮像するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。前ピンセンサの検出領域２０２は、前ピンセンサ１１１１が検出するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。後ピンセンサの検出領域２０３は、後ピンセンサ１１１２が検出するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。領域２０４は、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが共に検出するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。領域２０５は、前ピンセンサ１１１１のみが検出するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。領域２０６は、後ピンセンサ１１１２のみが検出するサンプル１０１のＸＹ領域を示す。組織２０７は、細胞核などのようなコントラスト値が高い組織である。図示する例では、組織２０７は、前ピンセンサ１１１１のみが検出する領域２０５に存在している。

図３は、前ピンセンサ１１１１が検出するサンプル１０１のＸＹ領域と、後ピンセンサ１１１２が検出するサンプル１０１のＸＹ領域とが異なる場合において、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値の特性を示したグラフである。図示するグラフの横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はコントラスト値を示す。

図３において、ａ１、ａ２、およびａ３は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値を示す。ｂ１、ｂ２、およびｂ３は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値を示す。なお、ａ１とｂ１、ａ２とｂ２、およびａ３とｂ３は、デフォーカス量が等しい時に、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値である。また、曲線３０１は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値ａ１、ａ２、およびａ３に対してガウス分布で近似した曲線であり、デフォーカス量と前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値との関係を示す。また、曲線３０２は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値ｂ１、ｂ２、およびｂ３に対してガウス分布で近似した曲線であり、デフォーカス量と後ピンセンサ１１１２のコントラスト値との関係を示す。

また、前ピンセンサの合焦点３０３は、曲線３０１のコントラスト値がピーク値をもつ位置であり、曲線３０１に基づいて検出された前ピンセンサの合焦点である。また、後ピンセンサの合焦点３０４は、曲線３０２のコントラスト値がピーク値をもつ位置であり、曲線３０２に基づいて検出された後ピンセンサの合焦点である。また、第１の合焦点３０５は、前ピンセンサ１１１１が検出するコントラスト値と後ピンセンサ１１１２が検出するコントラスト値が一致する位置であり、従来の光路差方式によって検出される合焦点である。また、第２の合焦点３０６は、第２の合焦点検出部１１７が検出する合焦点である。

図３において、サンプル１０１の真の合焦点は、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４との中間地点である第２の合焦点３０６である。しかし、前ピンセンサと後ピンセンサが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合、従来の光路差方式によって検出される第１の合焦点３０５は、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４との中間地点である第２の合焦点３０６とは異なる位置となる。そこで、本実施形態では、第２の合焦点検出部１１７は、第１の合焦点３０５を検出するときに、前ピンセンサ１１１１が検出した前ピン像のコントラスト値と、後ピンセンサ１１１２が検出した後ピン像のコントラスト値と、位置情報検出部１１４が検出した対物レンズ１０５の位置情報とを解析することによって、真の合焦点である第２の合焦点３０６を検出する。

具体的には、第２の合焦点検出部１１７は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、曲線３０１を算出する（第１コントラスト特性を予測する）。また、第２の合焦点検出部１１７は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、曲線３０２を算出する（第２コントラスト特性を予測する）。ここで、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とは、サンプル１０１の異なるＸＹ領域を検出しているが、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出するコントラスト値の特性グラフは互いに独立しており、ガウス分布に近似される。対物レンズ１０５を光軸方向に駆動し、対物レンズ１０５とサンプル１０１との距離すなわちデフォーカス量が変化するに伴って、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２に結像されるサンプル１０１の被写体像のコントラスト値はガウス分布のように変化する。

続いて、第２の合焦点検出部１１７は、算出した曲線３０１と曲線３０２とに基づいて、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４とを検出する。そして、第２の合焦点検出部１１７は、検出した前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４との中間地点を算出し、この位置を第２の合焦点３０６として検出する。ここで、第２の合焦点検出部１１７は、検出したコントラスト値をガウス分布で近似することにより第２の合焦点３０６を検出する。従って、第２の合焦点３０６を精度良く検出するためには、３つ以上の異なるデフォーカス量でコントラスト値を検出する必要がある。

上述した手順により、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合においても、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４とを検出し、その中間地点を算出することによって、真の合焦点を第２の合焦点３０６として検出することができる。

次に、判定部１１８が、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６とのどちらが、ｎショット目の撮像領域の真の合焦点であるかを判定する方法について図４を参照して説明する。図４は、本実施形態において、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点と、第１の合焦点と、第２の合焦点との関係を示した概略図である。図示する例では、第１の合焦点３０５は、第１の合焦点検出部１１５が検出した合焦点である。また、第２の合焦点３０６は、第２の合焦点検出部１１７が検出した合焦点である。また、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１は、第ｎショット目の直前の撮影時に設定した合焦点である。また、ｄ１は、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第１の合焦点３０５との光軸方向の距離を示す。また、ｄ２は、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第２の合焦点３０６との光軸方向の距離を示す。

判定部１１８は、直前の撮影時に設定した合焦点である第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と、第１の合焦点３０５と、第２の合焦点３０６との位置関係を比較することによって、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６のどちらが真の合焦点であるかを判定する。具体的には、判定部１１８は、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６とのうち、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１に近いいずれか一方を、真の合焦点として検出する。すなわち、ｄ１とｄ２の大小関係を比較し、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６のどちらが真の合焦点であるかを検出する。

例えば、ｄ１＜ｄ２の場合には、判定部１１８は、第１の合焦点３０５が真の合焦点であると判定する。また、ｄ１＞ｄ２の場合には、判定部１１８は、第２の合焦点３０６が真の合焦点であると判定する。これは、サンプル１０１の部分画像の撮像領域においては、隣接する撮像領域の合焦点がほぼ等しいために、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６とのうち、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１に近い方を選択することによって、高精度に合焦点を検出することができる確率を向上させるためである。図４に示した例では、ｄ１＞ｄ２であり、第１の合焦点３０５よりも第２の合焦点３０６の方が第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１に近い。従って、この場合、判定部１１８は、第ｎショット目の撮像領域の合焦点（真の合焦点）を、第２の合焦点３０６であると判定する。

上述したように、第１の合焦点３０５と第２の合焦点３０６とのうち、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１に近いいずれか一方を、ｎショット目の撮像領域の真の合焦点として選択することによって、第ｎショット目の撮像領域の合焦点をより正確に検出することができる。

次に、顕微鏡装置１００の合焦動作の処理手順について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における顕微鏡装置１００の合焦動作の処理手順を示したフローチャートである。図示するフローチャートは、顕微鏡装置１００が第ｎショット目の合焦動作を行う際の手順を示している。なお、顕微鏡装置１００は、サンプル１０１の合焦動作を完了した後、サンプル１０１の分割画像を撮像する。また、顕微鏡装置１００の判定部１１８は、合焦動作を完了したときの対物レンズ１０５の位置を記憶する。

（ステップＳ１）撮像素子１１０が第ｎ−１ショット目の撮像を行った後、水平駆動信号生成部１１９は、水平信号をステージ１０２に対して出力する。ステージ１０２は、水平信号に基づいて第ｎショット目の撮像を行う位置に水平移動する。ステージ１０２の水平移動が完了した後、顕微鏡装置１００は、合焦動作を開始する。その後、ステップＳ２の処理に進む。

（ステップＳ２）ＡＦ信号検出素子１１１の受光面である前ピンセンサ１１１１にはサンプル１０１の前ピン像が投影され、後ピンセンサ１１１２にはサンプル１０１の後ピン像が投影される。前ピンセンサ１１１１は、投影された前ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出して出力する。また、後ピンセンサ１１１２は、投影された後ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出して出力する。コントラスト値算出部１１２は、前ピンセンサ１１１１が出力した信号と後ピンセンサ１１１２が出力した信号を解析し、前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値とを算出し、メモリ部１１６に対して出力する。メモリ部１１６は、コントラスト値算出部１１２が出力した前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値とを記憶する。その後、ステップＳ３の処理に進む。

（ステップＳ３）差分コントラスト値算出部１１３は、前ピン像のコントラスト値から後ピン像のコントラスト値を差分し、差分コントラスト値を算出する。続いて、差分コントラスト値算出部１１３は、算出した差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内であるかを判定する。差分コントラスト値算出部１１３が、算出した差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内であると判定した場合にはステップＳ５の処理に進み、それ以外の場合にはステップＳ４の処理に進む。

（ステップＳ４）差分コントラスト値算出部１１３は、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内ではないため、第１の合焦点を検出していないと判定する。そして、差分コントラスト値算出部１１３は、光軸方向における対物レンズ１０５の移動量と方向を算出し、駆動信号を生成して出力する。対物レンズ１０５は、差分コントラスト値算出部１１３が出力した駆動信号に基づいて、光軸方向に所定の距離だけ移動する。その後、ステップＳ２の処理に戻る。本実施形態では、上述したステップＳ２〜ステップＳ４の処理を、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内になるまで繰り返し行う。

（ステップＳ５）差分コントラスト値算出部１１３は、差分コントラスト値の絶対値が基準値α以内であるため、第１の合焦点を検出したと判定する。そして、差分コントラスト値算出部１１３は、このときの対物レンズ１０５の焦点を、第１の合焦点として検出する。その後、ステップＳ６の処理に進む。

（ステップＳ６）差分コントラスト値算出部１１３は、３つ以上の異なるデフォーカス量で検出したコントラスト値のデータがメモリ部１１６に記憶されているか否かを判定する。３つ以上の異なるデフォーカス量で検出したコントラスト値のデータがメモリ部１１６に記憶されていると差分コントラスト値算出部１１３が判定した場合にはステップＳ９の処理に進み、それ以外の場合にはステップＳ７の処理に進む。

（ステップＳ７）３つ以上の異なるデフォーカス量で検出したコントラスト値のデータがメモリ部１１６に保存されていないため、差分コントラスト値算出部１１３は、第２の合焦点を精度良く検出するために、再び対物レンズ１０５を光軸方向に所定の距離だけ移動させる。具体的には、差分コントラスト値算出部１１３は、光軸方向における対物レンズ１０５の移動量と方向を算出し、駆動信号を生成して出力する。このとき、差分コントラスト値算出部１１３は、メモリ部１１６に記憶されていない位置に対物レンズ１０５が移動するように駆動信号を生成する。対物レンズ１０５は、差分コントラスト値算出部１１３が出力した駆動信号に基づいて、光軸方向に所定の距離だけ移動する。その後、ステップＳ８の処理に進む。

（ステップＳ８）前ピンセンサ１１１１は、投影された前ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出して出力する。また、後ピンセンサ１１１２は、投影された後ピン像の入射光量と蓄積時間に応じた信号を検出して出力する。コントラスト値算出部１１２は、前ピンセンサ１１１１が出力した信号と後ピンセンサ１１１２が出力した信号を解析し、前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値とを算出し、メモリ部１１６に対して出力する。メモリ部１１６は、コントラスト値算出部１１２が出力した前ピン像のコントラスト値と後ピン像のコントラスト値とを記憶する。その後、ステップＳ６の処理に戻る。本実施形態では、上述したステップＳ６〜ステップＳ８の処理を、メモリ部１１６が３つ以上の異なるデフォーカス量で検出したコントラスト値のデータを記憶するまで繰り返し行う。

（ステップＳ９）３つ以上の異なるデフォーカス量で検出したコントラスト値のデータがメモリ部１１６に保存されているため、第２の合焦点検出部１１７は、位置情報検出部１１４は、前ピン像のコントラスト値をガウス分布で近似して近似曲線を算出し、後ピン像のコントラスト値をガウス分布で近似して近似曲線を算出する。そして、第２の合焦点検出部１１７は、算出した近似曲線に基づいて、前ピンセンサの合焦点と後ピンセンサの合焦点を検出する。そして、第２の合焦点検出部１１７は、検出した前ピンセンサの合焦点と後ピンセンサの合焦点の中間地点を算出し、この位置を第２の合焦点として検出する。その後、ステップＳ１０の処理に進む。

（ステップＳ１０）判定部１１８は、ステップＳ５の処理で検出した第１の合焦点と、ステップＳ９の処理で検出した第２の合焦点とのうち、どちらが真の合焦点かを判定する。判定方法は、上述したように、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第１の合焦点３０５との距離であるｄ１と、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第２の合焦点３０６との距離であるｄ２の大小関係を比較することによって、第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを判定する。そして、判定部１１８は、対物レンズ１０５の位置が真の合焦点と判定した位置となるように、補正用駆動信号を生成して出力する。例えば、判定部１１８は、ｄ１＞ｄ２であるため第１の合焦点が真の合焦点であると判定した場合、対物レンズ１０５の焦点が第１の合焦点となるように、補正用駆動信号を生成する。また、判定部１１８は、ｄ１＞ｄ２であるため第２の合焦点が真の合焦点であると判定した場合、対物レンズ１０５の焦点が第２の合焦点となるように、補正用駆動信号を生成する。対物レンズ１０５は、判定部１１８が出力した補正用駆動信号に基づいて真の合焦点となる位置に移動する。その後、ステップＳ１１の処理に進む。
（ステップＳ１１）顕微鏡装置１００は、合焦動作を終了する。

上述したとおり、本実施形態によれば、光路差方式を用いて、第１の合焦点３０５を検出することができる。また、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４とを検出し、その中間地点を算出する。これにより、前ピンセンサ１１１１が検出するサンプル１０１のＸＹ領域と、後ピンセンサ１１１２が検出するサンプル１０１のＸＹ領域とが異なる場合においても、第２の合焦点３０６を検出することができる。

そして、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第１の合焦点３０５との距離であるｄ１と、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第２の合焦点３０６との距離であるｄ２の大小関係を比較することによって、第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを判定する。これにより、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合においても、サンプル１０１の真の合焦点を算出し、ピントが合った撮影画像を取得することができる。

例えば、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる時においても、第１の合焦点検出部１１５は偽合焦点である第１の合焦点を検出するが、第２の合焦点検出部１１７が真の合焦点である第２の合焦点を検出することができる。そして、判定部１１８が、第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを精度良く判定することができるために、ピントが合った撮影画像を取得することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態における顕微鏡装置１００の構成と第１の実施形態における顕微鏡装置１００の構成とは同様の構成である。本実施形態と第１の実施形態とでは、第２の合焦点検出部１１７が第２の合焦点を検出する方法が異なる。なお、第１の実施形態で示した顕微鏡装置１００の構成や、合焦動作の手順に関して共通する部分については、同一符号を付けて示し、説明を一部省略する。

以下、第２の合焦点検出部１１７が第２の合焦点を検出する方法について、図６を用いて説明する。図６は、前ピンセンサ１１１１が検出するサンプル１０１のＸＹ領域と、後ピンセンサ１１１２が検出するサンプル１０１のＸＹ領域とが異なる場合において、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値の特性を示したグラフである。図示するグラフの横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はコントラスト値を示す。

図６において、ａ１、ａ２、およびａ３は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値を示す。ｂ１、ｂ２、およびｂ３は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値を示す。なお、ａ１とｂ１、ａ２とｂ２、およびａ３とｂ３は、デフォーカス量が等しい時に、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値である。また、曲線３０１は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値ａ１、ａ２、およびａ３に対してガウス分布で近似した曲線であり、デフォーカス量と前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値との関係を示す。また、曲線３０２は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値ｂ１、ｂ２、およびｂ３に対してガウス分布で近似した曲線であり、デフォーカス量と後ピンセンサ１１１２のコントラスト値との関係を示す。また、曲線６０１は、曲線３０１のピーク値と曲線３０２のピーク値とが等しくなるように、曲線３０２を補正した曲線である。

また、前ピンセンサの合焦点３０３は、曲線３０１のコントラスト値がピーク値をもつ位置であり、曲線３０１に基づいて検出された前ピンセンサの合焦点である。また、後ピンセンサの合焦点３０４は、曲線３０２もしくは曲線６０１のコントラスト値がピーク値をもつ位置であり、曲線３０２もしくは曲線６０１に基づいて検出された後ピンセンサの合焦点である。また、第１の合焦点３０５は、前ピンセンサ１１１１が検出するコントラスト値と後ピンセンサ１１１２が検出するコントラスト値が一致する位置であり、従来の光路差方式によって検出される合焦点である。また、第２の合焦点３０６は、曲線３０１のコントラスト値と曲線６０１のコントラスト値とが一致する位置であり、第２の合焦点検出部１１７が検出する第２の合焦点である。

図６において、サンプル１０１の真の合焦点は、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４との中間地点である第２の合焦点３０６である。しかし、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合、従来の光路差方式によって検出される第１の合焦点３０５は、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４との中間地点である第２の合焦点３０６とは異なる位置となる。そこで、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、第２の合焦点検出部１１７は、第１の合焦点３０５を検出するときに、前ピンセンサ１１１１が検出した前ピン像のコントラスト値と、後ピンセンサ１１１２が検出した後ピン像のコントラスト値と、位置情報検出部１１４が検出した対物レンズ１０５の位置情報とを解析することによって、真の合焦点である第２の合焦点３０６を検出する。

具体的には、第２の合焦点検出部１１７は、前ピンセンサ１１１１が検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、曲線３０１を算出する。また、第２の合焦点検出部１１７は、後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、曲線３０２を算出する。ここで、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とは、サンプル１０１の異なるＸＹ領域を検出しているが、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出するコントラスト値の特性グラフは互いに独立しており、ガウス分布に近似される。対物レンズ１０５を光軸方向に駆動し、対物レンズ１０５とサンプル１０１との距離すなわちデフォーカス量が変化するに伴って、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２に結像されるサンプル１０１の被写体像のコントラスト値はガウス分布のように変化する。

続いて、第２の合焦点検出部１１７は、算出した曲線３０１と曲線３０２とに基づいて、前ピンセンサの合焦点３０３と後ピンセンサの合焦点３０４とを検出する。そして、第２の合焦点検出部１１７は、前ピンセンサの合焦点３０３における曲線３０１のコントラスト値と、後ピンセンサの合焦点３０４における曲線３０２のコントラスト値とが等しくなるように、曲線３０１と曲線３０２とのうち、少なくとも一方の曲線を補正する。

図６に示す例では、前ピンセンサの合焦点３０３における曲線３０１のコントラスト値と、後ピンセンサの合焦点３０４における曲線３０２のコントラスト値とが一致するように、曲線３０２を補正して曲線６０１を生成している。そして、曲線３０１のコントラスト値と曲線６０１のコントラスト値とが一致する位置を算出し、この位置を第２の合焦点３０６として検出している。

このように、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２が検出したコントラスト値をガウス分布で近似し、前ピンセンサのコントラスト値のピーク値と後ピンセンサのコントラスト値のピーク値が等しくなるように、前ピンセンサの近似曲線もしくは後ピンセンサの近似曲線の少なくとも一方を補正する。これにより、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合においても、真の合焦点を第２の合焦点３０６として検出することができる。

また、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、光路差方式を用いて、第１の合焦点３０５を検出する。そして、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第１の合焦点３０５との距離であるｄ１と、第ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点４０１と第２の合焦点３０６との距離であるｄ２の大小関係を比較することによって、第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを判定する。これにより、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる場合においても、サンプル１０１の真の合焦点を算出し、ピントが合った撮影画像を取得することができる。

例えば、前ピンセンサ１１１１と後ピンセンサ１１１２とが検出するサンプル１０１のＸＹ領域が異なる時においても、第１の合焦点検出部１１５は偽合焦点である第１の合焦点を検出するが、第２の合焦点検出部１１７が真の合焦点である第２の合焦点を検出することができる。そして、判定部１１８が、第１の合焦点と第２の合焦点のどちらが真の合焦点であるかを精度良く判定することができるために、ピントが合った撮影画像を取得することができる。

以上、この発明の第１の実施形態および第２の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

例えば、上述した第１の実施形態および第２の実施形態では、対物レンズ１０５の駆動によりサンプル１０１に対する合焦動作を行っているが、これに限らない。例えば、ステージ１０２の移動により合焦動作を行ってもよい。

１００，９００・・・顕微鏡装置、１０１，９０１・・・サンプル、１０２，９０２・・・ステージ、１０３，９０３・・・光源、１０４，９０４・・・コンデンサレンズ、１０５，９０５・・・対物レンズ、１０６，９０６・・・光路分割装置、１０７，９０７・・・第１の結像レンズ、１０８，９０８・・・第２の結像レンズ、１０９，９０９・・・分割プリズム、１１０，９１０・・・撮像素子、１１１・・・ＡＦ信号検出素子、１１２，９１２・・・コントラスト値算出部、１１３，９１３・・・差分コントラスト値算出部、１１４・・・位置情報検出部、１１５・・・第１の合焦点検出部、１１６・・・メモリ部、１１７・・・第２の合焦点検出部、１１８・・・判定部、１１９，９１４・・・水平駆動信号生成部、１２０・・・画像処理部、２０１，１１０１・・・撮像領域、２０２，１１０２・・・前ピンセンサの検出領域、２０３，１１０３・・・後ピンセンサの検出領域、２０４〜２０６，１１０４〜１１０６・・・領域、２０７，１１０７・・・組織、３０１，３０２，６０１，７０１，８０１，１２１１，１２１２・・・曲線、３０３・・・前ピンセンサの合焦点、３０４・・・後ピンセンサの合焦点、３０５・・・第１の合焦点、３０６・・・第２の合焦点、４０１・・・ｎ−１ショット目の撮像領域の合焦点、９１１・・・ラインセンサ、１１１１，９１１１・・・前ピンセンサ、１１１２，９１１２・・・後ピンセンサ、１２０１・・・真の合焦点、１２０２・・・前ピンコントラスト値がピーク値をもつ位置、１２０３・・・後ピンコントラスト値がピーク値をもつ位置、１２０４・・・合焦範囲、１２０５・・・検出される合焦点、

Claims (4)

1. サンプルの像を第１平面に結像し、前記サンプルの少なくとも一部の前ピン像を第２平面に投影し、前記サンプルの少なくとも一部の後ピン像を第３平面に投影する光学系と、
   前記第１平面に入射された光に基づいた像を撮像する撮像部と、
   前記第２平面に入射された光の第１コントラスト値と前記第３平面に入射された光の第２コントラスト値とを出力するコントラスト検出部と、
   前記第１コントラスト値と前記第２コントラスト値とに基づいて、前記サンプルと前記光学系との相対位置を順次変化させ、前記第１コントラスト値と前記第２コントラスト値との差が所定の値になる位置を第１合焦点候補として算出し、前記第１コントラスト値から予測される第１コントラスト特性と前記第２コントラスト値から予測される第２コントラスト特性とに基づいて第２合焦点候補を算出し、前記第１合焦点候補および前記第２合焦点候補の少なくとも一方を用いて合焦点を検出する合焦部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記合焦部は、前記第１コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第１コントラスト特性を予測し、前記第２コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第２コントラスト特性を予測し、前記第１コントラスト特性がピーク値をもつ第１デフォーカス量と前記第２コントラスト特性がピーク値をもつ第２デフォーカス量との中間位置を、前記第２合焦点候補として算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記合焦部は、前記第１コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第１コントラスト特性を予測し、前記第２コントラスト値を用いたガウスフィッティングで前記第２コントラスト特性を予測し、前記第１コントラスト特性のピーク値と前記第２コントラスト特性のピーク値とが揃うように前記第１コントラスト特性と前記第２コントラスト特性との少なくとも一方を調整し、調整後の前記第１コントラスト特性と前記第２コントラスト特性との差が所定の値になる位置を前記第２合焦点候補として算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記サンプルを設置するステージと、
   前記ステージと前記光学系との相対位置を順次変化させ、前記撮像装置に前記サンプルの異なる部分を順次撮影させる駆動制御部と、
   を備え、
   前記合焦部は、前記第１合焦点候補と前記第２合焦点候補のうち、直前の撮影時に設定された前記合焦点に近いいずれか一方を前記合焦点とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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