JP2016161600A - 顕微鏡、顕微鏡システム、オートフォーカス方法、及び、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善する技術を提供する。
【解決手段】顕微鏡１００は、無限遠補正型の対物レンズ１０１と、対物レンズ１０１を介して入射する標本Ｓからの光を結像する結像光学系１０６と、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系１０６の焦点距離を変更するための可変焦点機構１０３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡、顕微鏡システム、オートフォーカス方法、及び、プログラムに関する。

顕微鏡で標本中の対象部位を観察するためには、フォーカス作業や位置決め作業などの種々の作業が行われるが、これらの作業はいずれも手間のかかる作業である。

フォーカス作業では、利用者は対物レンズを標本の近くまで近づける必要がある。特に、対物レンズが高倍対物レンズの場合には、その距離は１ｍｍ以下となるため、この作業は慎重に行われる。さらに、顕微鏡が倒立顕微鏡の場合には、対物レンズが標本の下側に位置し、対物レンズを利用者が目視で確認することは困難であるため、作業の難易度も高くなる。このように、フォーカス作業は、概して利用者の負担の大きな作業であることから、利用者の作業負担を軽減するために、多くの顕微鏡メーカーからオートフォーカスユニットが提供されている。

位置決め作業では、利用者は、ステージなどを移動させて、観察対象部位を顕微鏡の視野内に納める。この場合、まず、低倍対物レンズを用いて比較的広い範囲から観察対象部位を探した後に、高倍対物レンズでその観察対象部位が視野内に収まるように位置決めするのが通常である。

特開平１１−２４９０２７号公報 特開平８−１３６８１１号公報

オートフォーカスユニットによって利用者の作業負担は軽減されるものの、対物レンズの焦点深度は１０倍の対物レンズでも１０μｍ程度と狭いため、標本から数ｍｍ以上離れた位置からオートフォーカス処理を開始すると、処理が完了するまでに長い時間が掛かってしまう。

また、高倍高ＮＡ（開口数）での観察を行う場合には、液浸対物レンズが用いられる。この場合、低倍の対物レンズから高倍の対物レンズへ切り替える際に、対物レンズに浸液を付けるという追加の作業が生じてしまう。また、高倍の対物レンズに切り替えた後には、低倍の対物レンズへの切り替えが制限されてしまう。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、無限遠補正型の対物レンズと、前記対物レンズを介して入射する標本からの光を結像する結像光学系と、前記対物レンズと前記標本との相対距離に応じて前記結像光学系の焦点距離を変更するための可変焦点機構と、を備える顕微鏡を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の顕微鏡において、前記結像光学系は、挿脱自在に配置されたレンズを含み、前記可変焦点機構は、前記レンズを挿脱する機構を含む顕微鏡を提供する。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の顕微鏡において、前記可変焦点機構は、さらに、前記レンズを光軸方向に移動させる機構を含む顕微鏡を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の顕微鏡において、前記結像光学系は、ズーム光学系であり、前記可変焦点機構は、前記ズーム光学系のレンズを光軸方向に移動させる機構を含む顕微鏡を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の顕微鏡と、前記顕微鏡を制御する制御装置と、を備え、前記顕微鏡は、さらに、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変更する準焦機構を備え、前記制御装置は、前記準焦機構と前記可変焦点機構を制御して、前記顕微鏡の動作モードを、前記対物レンズが形成する前記標本の光学像をリレーして前記標本を観察する第１のモードと前記対物レンズから出射する無限遠光束を結像して前記標本を観察する第２のモードとの間で切り替える顕微鏡システムを提供する。

本発明の第６の態様は、第５の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、前記第１の動作モードは、前記対物レンズの倍率未満の倍率で前記標本を観察するための動作モードである顕微鏡システムを提供する。

本発明の第７の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の顕微鏡と、前記顕微鏡を制御する制御装置と、を備え、前記顕微鏡は、さらに、前記結像光学系と、前記可変焦点機構と、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変更する準焦機構と、を含むオートフォーカスユニットを備え、前記制御装置は、前記オートフォーカスユニットを制御して、前記顕微鏡の動作モードを、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせる第１のモードと前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせる第２のモードとの間で切り替える顕微鏡システムを提供する。

本発明の第８の態様は、無限遠補正型の対物レンズと結像光学系とを備える顕微鏡システムのオートフォーカス方法であって、前記結像光学系の焦点距離を変更して、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせ、前記結像光学系の焦点距離に基づいて算出した前記対物レンズと標本の間の距離に応じて前記対物レンズを前記標本に近づけて、前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせるオートフォーカス方法を提供する。

本発明の第９の態様は、無限遠補正型の対物レンズと結像光学系とを備える顕微鏡システムのコンピュータを、前記結像光学系の焦点距離を変更して、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせる手段、前記結像光学系の焦点距離に基づいて算出した前記対物レンズと標本の間の距離に応じて前記対物レンズを前記標本に近づける手段、前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせる手段、として機能させるプログラムを提供する。

本発明によれば、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善する技術を提供することができる。

実施例１に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。 図１に示す顕微鏡システムで行われる処理の流れを示すフローチャートである。 図１に示す顕微鏡システムの表示装置に表示される表示画面の一例を示す図である。 ニュートンの結像式を説明するための図である。 図１に示す顕微鏡システムで行われる処理の変形例の流れを示すフローチャートである。 図１に示す顕微鏡システムで行われる処理の別の変形例の流れを示すフローチャートである。 実施例２に係る顕微鏡の構成を例示した図である。 実施例３に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。 実施例４に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。 図９に示す顕微鏡システムで行われる処理の流れを示すフローチャートである。 実施例５に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。 実施例６に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。

図１は、本実施例に係る顕微鏡システム１の構成を例示した図である。図１に示す顕微鏡システム１は、顕微鏡１００と、カメラ１１０と、制御装置１２０と、表示装置１３０と、入力装置１４０とを備えている。

顕微鏡１００は、例えば、図示しない透過照明手段によって照明された標本Ｓの光学像を形成する倒立顕微鏡である。顕微鏡１００は、無限遠補正型の対物レンズ１０１と、対物レンズ１０１を介して入射する標本Ｓからの光を結像する結像光学系１０６と、を備えている。

対物レンズ１０１は、特に限定されないが、高倍で高い開口数を有する対物レンズであることが望ましい。対物レンズ１０１は、例えば、標本と対物レンズの間を水やオイルなどの浸液で満たした状態で使用される液浸対物レンズであってもよい。

結像光学系１０６は、レンズ１０４と結像レンズ１０５とを含んでいる。レンズ１０４は、結像光学系１０６の光軸上に挿脱自在に配置されたレンズであり、結像光学系１０６の光軸方向に移動自在に配置されたレンズである。結像レンズ１０５は、対物レンズ１０１から無限遠光束が入射したときに標本Ｓの光学像をカメラ１１０の受光面上に形成するレンズであり、その後側焦点位置がカメラ１１０の受光面に位置するように配置されている。なお、図１では、レンズ１０４は、結像レンズ１０５よりも物体側に配置されているが、結像レンズ１０５よりも像側に配置されてもよい。

顕微鏡１００は、さらに、対物レンズ１０１を光軸方向に移動させる準焦機構１０２と、結像光学系１０６の焦点距離を変更する可変焦点機構１０３と、を備えている。準焦機構１０２及び可変焦点機構１０３は、制御装置１２０に制御される。

準焦機構１０２は、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離を変更する機構であればよく、例えば、対物レンズ１０１の代わりに、標本Ｓが配置される図示しないステージを光軸方向に移動させる機構（電動ステージなど）であってもよい。

可変焦点機構１０３は、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系１０６の焦点距離を変更するために用いられる。可変焦点機構１０３は、結像光学系１０６を構成するレンズ１０４を挿脱する、ターレット機構やスライダ機構などの機構を含んでいる。可変焦点機構１０３が制御装置１２０の指示に応じてレンズ１０４を挿脱することで、結像光学系１０６の焦点距離が変化する。さらに、可変焦点機構１０３は、レンズ１０４を光軸方向に移動させる機構を含んでいる。可変焦点機構１０３は、制御装置１２０の指示に応じて、標本Ｓにフォーカスを合わせるために、結像光学系１０６に挿入されたレンズ１０４を光軸方向に移動させる。つまり、可変焦点機構１０３は、顕微鏡システム１の第２の準焦機構である。なお、本明細書では、フォーカスを合わせるという表現は、対象物（ここでは、標本Ｓ）と光検出器（ここでは、カメラ１１０）を共役な位置関係にすることをいうものとする。

カメラ１１０は、顕微鏡１００が形成する標本Ｓの光学像を撮像する撮像装置であり、例えば、２次元イメージセンサであるＣＣＤイメージセンサを備えるＣＣＤカメラである。カメラ１１０が生成した標本Ｓの画像データは、制御装置１２０へ出力される。

制御装置１２０は、顕微鏡１００を制御する装置であり、プロセッサ１２１とメモリ１２２を備える顕微鏡システム１のコンピュータである。プロセッサ１２１は、メモリ１２２が提供するワーク領域を利用してプログラムを実行する。制御装置１２０は、少なくとも準焦機構１０２、可変焦点機構１０３、及びカメラ１１０と電気的に接続されていて、これらを制御する。

表示装置１３０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどである。表示装置１３０は、顕微鏡システム１で取得された標本Ｓの画像や、顕微鏡システム１を操作するためのＧＵＩ（グラフィカルユーザインターフェース）画面を表示する。入力装置１４０は、例えば、キーボードやマウスなどである。入力装置１４０は利用者によって直接操作される。

以上のように構成された顕微鏡システム１では、顕微鏡１００は、対物レンズ１０１が形成する標本Ｓの光学像をリレーして標本Ｓを観察する広視野観察モード（第１のモード）と対物レンズ１０１から出射する無限遠光束を結像して標本Ｓを観察する拡大観察モード（第２のモード）の２つの動作モードを備えている。顕微鏡１００は、広視野観察モードでは、標本Ｓを対物レンズ１０１の倍率未満の倍率に拡大（又は縮小）した標本Ｓの光学像をカメラ１１０の受光面に形成し、拡大観察モードでは、標本Ｓを対物レンズ１０１の倍率に拡大した標本Ｓの光学像をカメラ１１０の受光面に形成する。

顕微鏡システム１では、制御装置１２０が準焦機構１０２及び可変焦点機構１０３を制御することで、顕微鏡１００の動作モードがこれら２つのモード間で切り替わる。即ち、制御装置１２０は、顕微鏡１００の動作モードを第１のモードと第２のモードの間で切り替えるモード切替手段である。

図１から図４を参照しながら、顕微鏡システム１を用いて標本Ｓを観察する手順について説明する。図２は、図１に示す顕微鏡システム１で行われる処理の流れを示すフローチャートである。図３は、図１に示す顕微鏡システム１の表示装置１３０に表示される表示画面１３１の一例を示す図である。図４は、ニュートンの結像式を説明するための図である。

図２に示す処理の開始前に、利用者は、標本Ｓをステージに配置し、対物レンズ１０１を観察光路上に設置する。対物レンズ１０１が液浸対物レンズの場合には、利用者は、対物レンズ１０１に浸液をつけた後に対物レンズ１０１を観察光路上に設置し、浸液が標本Ｓに触れるまで対物レンズ１０１を標本Ｓに近づける。なお、液浸対物レンズ、乾燥対物レンズのいずれの場合であっても、この状態では、標本Ｓと対物レンズ１０１の主点の間の距離は、対物レンズ１０１の焦点距離より長い。

以上の準備作業が完了すると、利用者は、所定のプログラムの実行を指示し、顕微鏡システム１が図２に示す処理を開始する。まず、制御装置１２０が表示装置１３０に図３に示すＧＵＩ画面１３１を表示させる（ステップＳ１）。ＧＵＩ画面１３１には、標本Ｓの画像を表示する領域１３２と、対物レンズ１０１の仕様を表示する領域１３４と、顕微鏡１００の動作モードを選択するためのラジオボタンが表示された領域１３５と、光軸方向への対物レンズ１０１又はレンズ１０４の移動を指示するための領域１３６と、光軸と直交する方向へのステージの移動を指示するための領域１３７が含まれている。なお、領域１３２に表示された標本Ｓの画像上には、現在の観察倍率を示す倍率情報１３３が重ねて表示される。

次に、制御装置１２０は、広視野観察モード（第１の動作モード）を選択する操作を検出する（ステップＳ２）。ここでは、利用者による領域１３５のラジオボタン（広視野観察モード）の押下を検出する。

広視野観察モードが選択されると、制御装置１２０は、モード設定処理を実行する（ステップＳ３）。ここでは、顕微鏡１００を広視野観察モードで動作させるために、制御装置１２０は、可変焦点機構１０３を制御して、可変焦点機構１０３にレンズ１０４を結像光学系１０６の光軸上に挿入させる。図１（ａ）には、動作モードが広視野観察モードであるときの顕微鏡１００が示されている。レンズ１０４は正のパワーを有し、レンズ１０４挿入後の結像光学系１０６は、レンズ１０４挿入前の結像光学系１０６よりも短い焦点距離（合成焦点距離）を有する。

その後、第１の準焦処理が行われる（ステップＳ４）。第１の準焦処理は、レンズ１０４を光軸方向に移動させて標本Ｓにフォーカスを合わせる処理である。第１の準焦処理は、領域１３２に表示されている画像を見ながら利用者が手動で、つまり、可変焦点機構１０３を直接操作することにより行われてもよい。また、利用者の指示（例えば、領域１３６のボタン操作）に従って制御装置１２０が可変焦点機構１０３を制御することにより行われてもよい。また、カメラ１１０から出力される画像に基づいて制御装置１２０により自動で行われてもよい。即ち、制御装置１２０が、パッシブ方式のオートフォーカス処理（例えば、コントラストＡＦ処理など）を行ってもよい。

上述したように、標本Ｓと対物レンズ１０１の主点との間の距離は、対物レンズ１０１の焦点距離よりも長い。このため、標本Ｓからの光は対物レンズ１０１で無限遠光束には変換されない。標本Ｓからの光は対物レンズ１０１によって収斂光束に変換されて、標本Ｓの光学像Ｓ’（以降、対物レンズ１０１が形成する標本Ｓの光学像を中間像Ｓ’と記す）が対物レンズ１０１と結像光学系１０６の間に形成される。第１の準焦処理では、中間像Ｓ’が結像光学系１０６によってカメラ１１０の受光面にリレーされるように、可変焦点機構１０３が制御される。即ち、レンズ１０４を光軸方向に移動させて結像光学系１０６の焦点距離を変更し、標本Ｓにフォーカスを合わせる。これにより、受光面に形成された標本Ｓの光学像がカメラ１１０で撮像されて、フォーカスが合っている標本Ｓの画像が表示装置１３０に表示される。図１（ａ）には、標本Ｓにフォーカスが合っている状態の光線図が描かれている。

このとき表示装置１３０に表示される標本Ｓの画像の倍率は、対物レンズ１０１の倍率未満の倍率となる。この点について以下で説明する。中間像Ｓ’が形成される位置は、以下に示すニュートンの結像式（１）で算出される。ここで、ｆは対物レンズ１０１の焦点距離である。また、図４に示すように、ｘは標本Ｓと対物レンズ１０１の前側焦点位置Ｐ１との間の距離を示し、ｘ’は中間像Ｓ’と対物レンズ１０１の後側焦点位置Ｐ２との間の距離を示す。なお、距離の正負は、焦点位置を基準にして定義される。具体的には、焦点位置と焦点位置よりもＸ軸の正側の位置との間の距離は正、焦点位置と焦点位置よりもＸ軸の負側の位置との間の距離は負と定義する。図４の例では、距離ｘは、標本Ｓが前側焦点位置Ｐ１よりもＸ軸の負方向に位置するため、負の値を有する。一方、距離ｘ’は、中間像Ｓ’が後側焦点位置Ｐ２よりもＸ軸の正方向に位置するため、正の値を有する。

また、中間像Ｓ’の倍率ｍは、以下の式（２）で算出される。ここで、ｙは標本Ｓの高さを示し、ｙ’は中間像Ｓ’の像高を示す。なお、式（２）は、高倍の対物レンズ（焦点距離の短い対物レンズ）ほどわずかな距離の変化で倍率が大きく変化することを示している。

そして、以下の式（３）を満たすような位置に標本Ｓが配置されている場合には、中間像Ｓ’の倍率ｍは対物レンズ１０１の倍率ｍ_ｏｂ未満の倍率となることが、式（２）から導かれる。

対物レンズ１０１の焦点距離は短い。また、対物レンズ１０１と標本Ｓとの衝突を避けるために、対物レンズ１０１と標本Ｓがある程度離れた状態から図２に示す処理は開始される。このため、ステップＳ４では、標本Ｓの位置は式（３）を満している。

さらに、式（１）より、中間像Ｓ’は、対物レンズ１０１の近くの位置に形成される。また、結像レンズ１０５と対物レンズ１０１の間隔は、顕微鏡の準焦機構や図示しない対物レンズの切り替え機構、照明光学系などが配置されるため、通常100ｍｍ以上となることが多い。従って、結像光学系１０６によって形成される中間像Ｓ’のカメラ１１０の受光面への投影倍率（中間像Ｓ’位置から受光面までの倍率）は、式（２）から、1倍〜3倍程度と低くなる。

ここで、簡単のためレンズはすべて薄肉レンズとみなし、具体的な数値例を示す。
対物レンズ１０１の焦点距離3ｍｍ（対物レンズの倍率60X）、結像レンズ１０５の焦点距離180ｍｍ、対物レンズ１０１と結像レンズ１０５の間隔120ｍｍ、結像レンズ１０１と受光面の距離180ｍｍの場合に、標本Ｓを対物レンズ１０１の焦点面（前側焦点位置Ｐ１）から0.5ｍｍ遠ざけたとすると、式（１）とｘ＝-0.5、ｆ＝3より、ｘ’＝18となる。

したがって、対物レンズ１０１の焦点面（後側焦点位置Ｐ２）から結像レンズ１０５側に18ｍｍの位置に中間像Ｓ’が形成され、標本Ｓの中間像Ｓ’への投影倍率（標本Ｓ位置から中間像Ｓ’位置までの倍率）は、式（２）より-6倍となる。
中間像Ｓ’を受光面にリレーするための結像光学系１０６の焦点距離ｆは、式（１）から求められ、63.87ｍｍとなる。従って、結像光学系１０６による中間像Ｓ’の受光面への投影倍率（中間像Ｓ’位置から受光面までの倍率）は式（２）より、-1.818倍となる。よって、標本Ｓの受光面への投影倍率（標本Ｓ位置から受光面までの倍率）は10.91倍となり、対物レンズの倍率60Xより小さくなる。

従って、ステップＳ４後に、表示装置１３０に表示される画像の倍率は、対物レンズ１０１の倍率未満である。そして、この状態では、利用者は、広い視野で標本Ｓを観察することできるので、標本Ｓ中から観察対象部位を容易に探し出すことができる。このため、利用者は、ステップＳ４後に、ＧＵＩ画面１３１の領域１３２に表示されている画像を見ながら、領域１３７に表示されたキーを操作して、観察対象部位が視野中心に位置するようにステージを移動させることが望ましい。

第１の準焦処理が完了すると、準焦準備処理を実行する（ステップＳ５）。準焦準備処理は、対物レンズ１０１を光軸方向に移動させて、対物レンズ１０１の主点を標本Ｓから対物レンズ１０１の焦点距離だけ離れた位置に近づける処理である。

準焦準備処理は、画像を見ながら利用者が手動で、つまり、準焦機構１０２を直接操作することにより行われてもよい。また、利用者の指示（例えば、領域１３６のボタン操作）に従って制御装置１２０が準焦機構１０２を制御することにより行われてもよい。この場合、利用者は、対物レンズ１０１から無限遠光束が出射されて対物レンズ１０１が中間像Ｓ’を形成しなくなるまで、即ち、表示装置１３０に表示される画像で標本Ｓが確認できなくなるまで、対物レンズ１０１を標本Ｓに近づける。

また、準焦準備処理は、以下のように制御装置１２０により自動で行われてもよい。まず、レンズ１０４の位置を特定する。レンズ１０４の位置は、例えば、センサ等で検出してもよく、可変焦点機構１０３の制御履歴から特定してもよい。次に、レンズ１０４の位置に基づいて結像光学系１０６の焦点距離を算出して中間像Ｓ’の位置を特定する。さらに、中間像Ｓ’の位置と対物レンズ１０１の焦点距離から標本Ｓと対物レンズ１０１の主点との間の距離を算出する。これにより、標本Ｓと対物レンズ１０１の主点との間の距離を対物レンズ１０１の焦点距離に一致させるために、対物レンズ１０１を移動させるべき距離が特定される。最後に、準焦機構１０２を制御して、特定された距離だけ対物レンズ１０１を光軸方向に移動させる。以降では、このような制御装置１２０による準焦準備処理を準焦アシスト処理と記す。

次に、制御装置１２０は、拡大観察モード（第２の動作モード）を選択する操作を検出する（ステップＳ６）。ここでは、利用者による領域１３５のラジオボタン（拡大観察モード）の押下を検出する。

拡大観察モードが選択されると、制御装置１２０は、モード設定処理を実行する（ステップＳ７）。ここでは、顕微鏡１００を拡大観察モードで動作させるために、制御装置１２０は、可変焦点機構１０３を制御して、レンズ１０４を結像光学系１０６の光軸上から取り除く。これにより、対物レンズ１０１から出射された無限遠光束が結像レンズ１０５に入射し、カメラ１１０の受光面に標本Ｓの光学像が形成される。なお、図１（ｂ）には、動作モードが拡大観察モードであるときの顕微鏡１００が示されている。

顕微鏡システム１では、ステップＳ５からステップＳ７の処理により、対物レンズ１０１の主点と標本Ｓとの間の距離はおよそ対物レンズ１０１の焦点距離と一致した状態となる。このため、表示装置１３０に表示される標本Ｓの画像の倍率は、対物レンズ１０１の倍率となる。この状態（拡大観察モード）では、広視野観察モードに比べて高い倍率で標本Ｓを観察することができる。このため、利用者は、ステップＳ７後に、標本Ｓの詳細な観察を行うことが望ましい。

顕微鏡システム１では、対物レンズを切り替えることなく低倍から高倍まで広い観察倍率で標本を観察することができる。このため、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。特に、液浸対物レンズを使用する場合には、対物レンズの切り替えに伴う浸液の付け直しなどの作業を省略することができるため、好適である。

なお、広視野観察モードと拡大観察モードでは、結像回数が異なる。このため、表示装置１３０に表示される画像の向きを揃えるために、例えば、広視野観察モードで画像を上下左右に反転させる画像処理が行われることが望ましい。拡大観察モードで画像を上下左右に反転させる画像処理が行われてもよい。

また、図２では、準焦準備処理（ステップＳ５）後に、拡大観察モードを選択する操作を検出して拡大観察モードへ切り替える処理（ステップＳ６及びステップＳ７）を行う例が示されている。しかしながら、準焦準備処理が制御装置１２０により自動で行われる場合には、図５に示すように、拡大観察モードを選択する操作を検出する処理（ステップＳ５ａ）、及び、拡大観察モードへ動作モードを切り替える処理（ステップＳ６ａ）の後に、準焦準備処理が行われてもよい（ステップＳ７ａ）。

また、図６に示すように、モード設定処理（ステップＳ７）が終了した後に、第２の準焦処理（ステップＳ８）が行われてもよい。第２の準焦処理を行うことで、拡大観察モードでより確実にフォーカスのあった画像を得ることができる。なお、第２の準焦処理は、準焦準備処理と同様に、対物レンズ１０１を光軸方向に移動させる処理である。領域１３２に表示されている画像を見ながら利用者が手動で準焦機構１０２を操作することにより行われてもよく、利用者の指示（例えば、領域１３６のボタン操作）に従って制御装置１２０が準焦機構１０２を制御することにより行われてもよい。また、カメラ１１０から出力される画像に基づいて制御装置１２０がパッシブ方式のオートフォーカス処理を実行することにより行われてもよい。

図７は、本実施例に係る顕微鏡２００の構成を例示した図である。顕微鏡２００は、標本Ｓを目視観察するための接眼レンズ２０４を備えた顕微鏡であり、例えば、図示しない透過照明手段によって照明された標本Ｓの光学像を形成する倒立顕微鏡である。なお、図７（ａ）には、動作モードが広視野観察モードであるときの顕微鏡２００が、図７（ｂ）には、動作モードが拡大観察モードであるときの顕微鏡２００が示されている。

顕微鏡２００は、無限遠補正型の対物レンズ１０１と、準焦機構１０２と、可変焦点機構２０１と、結像光学系２０３と、接眼レンズ２０４と、を備えている。対物レンズ１０１及び準焦機構１０２については、実施例１に係る顕微鏡１００と同様である。

結像光学系２０３は、レンズ１０４と結像レンズ１０５に加えて、像を反転させるイメージローテータ２０２を含む点が、実施例１に係る結像光学系１０６とは異なっている。なお、イメージローテータ２０２は、広視野観察モードと拡大観察モードで像の向きを揃えるためのものであり、対物レンズ１０１と接眼レンズ２０４の間の任意の位置に配置し得る。

可変焦点機構２０１は、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系２０３の焦点距離を変更するために用いられる。可変焦点機構２０１は、レンズ１０４及びイメージローテータ２０２を挿脱する、ターレット機構やスライダ機構などの機構を含んでいる。また、可変焦点機構２０１は、レンズ１０４を光軸方向に移動させる機構を含んでいる。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、可変焦点機構２０１は、レンズ１０４とイメージローテータ２０２の両方を同時に挿入または取り除くように構成されている。

利用者が図２のステップＳ３からステップＳ５及びステップＳ７を手動で行うことで、本実施例に係る顕微鏡２００は、実施例１に係る顕微鏡１００と同様に、広視野観察モードと拡大観察モードの両方のモードで動作する。このため、顕微鏡２００でも、対物レンズを切り替えることなく低倍から高倍まで広い観察倍率で標本を観察することが可能であり、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。

なお、可変焦点機構２０１は、レンズ１０４及びイメージローテータ２０２の一方を挿入し他方を取り除くように構成されてもよい。即ち、レンズ１０４が光路外に配置されているときに、イメージローテータ２０２が挿入されてもよい。この場合も、広視野観察モードと拡大観察モードで像の向きを揃えることができる。

図８は、本実施例に係る顕微鏡システム３の構成を例示した図である。図８に示す顕微鏡システム３は、顕微鏡１００の代わりに顕微鏡３００を備える点が、実施例１に係る顕微鏡システム１とは異なっている。顕微鏡３００は、結像光学系１０６の代わりにズーム光学系である結像光学系３０５を備える点、可変焦点機構１０３の代わりに可変焦点機構３０１を備える点が、実施例１に係る顕微鏡１００とは異なっている。なお、図８（ａ）には、動作モードが広視野観察モードであるときの顕微鏡３００が、図８（ｂ）には、動作モードが拡大観察モードであるときの顕微鏡３００が示されている。

結像光学系３０５は、レンズ３０２、レンズ３０３、レンズ３０４を含み、これらのレンズ間の距離を変化させることで、光学ズーム機能を実現するズーム光学系である。

可変焦点機構３０１は、結像光学系３０５を構成するレンズを光軸方向に移動させる機構を備えていて、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系３０５の焦点距離を変更するために用いられる。

顕微鏡システム３は、図２に示す処理を実行する。ただし、顕微鏡システム３では、ステップＳ３及びステップＳ７では、レンズの挿脱は行われない。また、ステップＳ４では、制御装置１２０が可変焦点機構３０１を制御して、結像光学系３０５を構成するレンズ間の間隔を変化させることで標本Ｓにフォーカスを合わせる。さらに、ステップＳ７では、制御装置１２０が可変焦点機構３０１を制御して、結像光学系３０５を構成するレンズの位置を基準位置に戻すことで標本Ｓにフォーカスを合わせる。なお、結像光学系３０５は、結像光学系３０５を構成するレンズが基準位置にある場合には、標本Ｓ側から入射する無限遠光束をカメラ１１０の受光面に集光するように構成されている。

本実施例に係る顕微鏡システム３によっても、実施例１に係る顕微鏡システム１と同様に、対物レンズを切り替えることなく低倍から高倍まで広い観察倍率で標本を観察することができる。このため、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。

図９は、本実施例に係る顕微鏡システム４の構成を例示した図である。図９に示す顕微鏡システム４は、顕微鏡１００の代わりに顕微鏡４００を備える点が、実施例１に係る顕微鏡システム１とは異なっている。

顕微鏡４００は、対物レンズ１０１とカメラ１１０との間にオートフォーカスユニット４２０と結像レンズ１０５を備えている。オートフォーカスユニット４２０は、アクティブ方式のオートフォーカス処理、より具体的には、対物レンズ１０１の瞳面を２分割した一方の領域を介して標本Ｓに照射したオートフォーカス用の光（以降、ＡＦ光と記す）を光検出器４３１で検出し、その検出信号に基づいて合焦状態を検出するオートフォーカス処理、を実行するユニットである。

オートフォーカスユニット４２０は、光源４２１と、ハーフミラー４２３と、遮光板（遮光板４２２、遮光板４３０）と、結像光学系４２７と、ダイクロイックミラー４２９と、光検出器４３１と、を含んでいる。オートフォーカスユニット４２０は、さらに、対物レンズ１０１を光軸方向に移動させる準焦機構１０２と、結像光学系４２７の焦点距離を変更する可変焦点機構４２８を含んでいる。

結像光学系４２７は、レンズ４２４と、レンズ４２５、レンズ４２６を含んでいる。レンズ４２５及びレンズ４２６は、結像光学系４２７の光軸上に挿脱自在に配置されたレンズであり、レンズ４２５は、結像光学系４２７の光軸方向に移動自在に配置されたレンズである。レンズ４２４は、その後側焦点位置が光検出器４３１の受光面に位置するように配置されている。

可変焦点機構４２８は、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系４２７の焦点距離を変更するために用いられる。可変焦点機構４２８は、結像光学系４２７を構成するレンズ４２５及びレンズ４２６を挿脱する、ターレット機構やスライダ機構などの機構を含んでいる。さらに、可変焦点機構４２８は、レンズ４２５を光軸方向に移動させる機構を含んでいる。可変焦点機構４２８は、制御装置１２０の指示に応じて、標本Ｓにフォーカスを合わせるために、レンズ４２５及びレンズ４２６を挿脱し、レンズ４２５を光軸方向に移動させる。

光源４２１は、ＡＦ光を出射する光源であり、例えば、レーザダイオードである。ＡＦ光は、例えば、赤外光であり、カメラ１１０で検出される観察光とは異なる波長を有している。光源４２１から出射したＡＦ光は、ハーフミラー４２３の直前に配置された遮光板４２２に入射する。遮光板４２２はＡＦ光の光束の半分を遮蔽するように配置されているため、遮光板４２２で遮蔽されなかった、ＡＦ光の残りの半分の光束がハーフミラー４２３に入射する。ハーフミラー４２３で反射したＡＦ光は、結像光学系４２７を介して入射するダイクロイックミラー４２９で反射し、対物レンズ１０１を介して標本Ｓに照射される。

標本Ｓで反射したＡＦ光は、対物レンズ１０１に入射し、ダイクロイックミラー４２９、結像光学系４２７を介してハーフミラー４２３に入射する。ハーフミラー４２３を透過したＡＦ光は、迷光を遮蔽する遮光板４３０が配置されている領域とは反対の領域を通って光検出器４３１に入射する。光検出器４３１は、例えば、光軸に対して対称な２つの領域を有する２分割フォトダイオードである。オートフォーカスユニット４２０は、光軸に対して対称な２つの領域で受光したＡＦ光の光量に基づいて、合焦状態を検出する。より具体的には、オートフォーカスユニット４２０は、受光した光量の合計が一定以上であり、且つ、２つの領域で受光した光量が同じときに、合焦状態にあると判定し、合焦状態を検出する。

以上のように構成された顕微鏡システム４では、顕微鏡４００は、広視野ＡＦモード（第１のモード）と、拡大ＡＦモード（第２のモード）の２つの動作モードを備えている。広視野ＡＦモードは、まず、対物レンズ１０１の前側焦点位置よりも対物レンズ１０１から離れた第１の位置にある標本Ｓにフォーカスを合わせて、その後、対物レンズ１０１の前側焦点位置を標本Ｓに近づける動作モードである。拡大ＡＦモードは、対物レンズ１０１の前側焦点位置と標本Ｓとを一致させて標本Ｓにフォーカスを合わせる動作モードであり、対物レンズ１０１の前側焦点位置と標本Ｓが近い状態で行われる。なお、図９（ａ）には、動作モードが広視野ＡＦモードであるときの顕微鏡４００が、図９（ｂ）には、動作モードが拡大ＡＦモードであるときの顕微鏡４００が示されている。

顕微鏡システム４では、制御装置１２０がオートフォーカスユニット４２０を制御することで、顕微鏡４００の動作モードがこれら２つのモード間で切り替わる。即ち、制御装置１２０は、顕微鏡４００の動作モードを第１のモードと第２のモードの間で切り替えるモード切替手段である。

図１０は、図９に示す顕微鏡システム４で行われる処理の流れを示すフローチャートである。図１０に示す処理の開始前に利用者が行う処理は、実施例１と同様である。また、ステップＳ１１、Ｓ１２の処理は、図２に示すステップＳ１、Ｓ２の処理と同様である。

広視野ＡＦモードが選択されると、制御装置１２０は、モード設定処理を実行する（ステップＳ１３）。ここでは、顕微鏡４００を広視野ＡＦモードで動作させるために、制御装置１２０は、可変焦点機構４２８を制御して、可変焦点機構４２８にレンズ４２５及びレンズ４２６を結像光学系４２７の光軸上に挿入させる。

その後、制御装置１２０は、オートフォーカスユニット４２０を制御して、第１の準焦処理を行う（ステップＳ１４）。オートフォーカスユニット４２０は、可変焦点機構４２８を制御してレンズ４２５を光軸方向に移動させて、対物レンズ１０１の前側焦点位置よりも対物レンズ１０１から離れた位置（第１の位置）にある標本Ｓにフォーカスを合わせる。

第１の準焦処理が完了すると、制御装置１２０は、準焦準備処理を実行する（ステップＳ１５）。準焦準備処理は、対物レンズ１０１を光軸方向に移動させて、対物レンズ１０１の前側焦点位置を標本Ｓに近づける処理であり、準焦アシスト処理である。具体的には、まず、レンズ４２５の位置を特定する。レンズ４２５の位置は、例えば、センサ等で検出してもよく、可変焦点機構４２８の制御履歴から特定してもよい。次に、レンズ４２５の位置に基づいて結像光学系４２７の焦点距離を算出して対物レンズ１０１が形成する中間像Ｓ’の位置を特定する。さらに、中間像Ｓ’の位置と対物レンズ１０１の焦点距離から標本Ｓと対物レンズ１０１の主点との間の距離を算出する。これにより、標本Ｓと対物レンズ１０１の主点との間の距離を対物レンズ１０１の焦点距離に一致させるために、対物レンズ１０１を移動させるべき距離が特定される。最後に、準焦機構１０２を制御して、特定された距離だけ対物レンズ１０１を光軸方向に移動させる。これにより、対物レンズ１０１の前側焦点位置と標本Ｓが近い状態になる。

その後、制御装置１２０は、拡大ＡＦモードを選択する操作を検出すると（ステップＳ１６）、モード設定処理を実行する（ステップＳ１７）。ここでは、制御装置１２０は、可変焦点機構４２８を制御して、レンズ４２５を結像光学系４２７の光軸上から取り除く。

最後に、制御装置１２０は、オートフォーカスユニット４２０を制御して、第２の準焦処理を行う（ステップＳ１８）。オートフォーカスユニット４２０は、準焦機構１０２を制御して対物レンズ１０１を光軸方向に移動させることで、標本Ｓにフォーカスを合わせる。これにより、対物レンズ１０１の前側焦点位置に標本Ｓが位置することになる。

この状態で、図示しない照明手段によって標本Ｓを照明することで、カメラ１１０の受光面に対物レンズ１０１の倍率に拡大された標本Ｓの光学像が形成される。従って、フォーカスの合った標本Ｓの画像が表示装置１３０に表示されることになるため、利用者は、直ぐに標本Ｓの詳細な観察を開始することができる。

顕微鏡システム４では、広視野ＡＦモードと拡大ＡＦモードの両モードを用いて、標本Ｓにフォーカス合わせる。特に、顕微鏡４００は、広視野ＡＦモードで動作することで、対物レンズ１０１から比較的離れた位置にある標本Ｓにフォーカスを合わせた状態で光学的な関係から対物レンズ１０１と標本Ｓとの距離を算出し、その後、対物レンズ１０１の前側焦点位置を標本Ｓ近傍まで一度に近づけることができる。このため、拡大ＡＦモードでのみ動作する場合に比べて、短時間で対物レンズ１０１の前側焦点位置と標本Ｓとを一致させて標本Ｓにフォーカスを合わせることができる。従って、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。

図１１は、本実施例に係る顕微鏡システム５の構成を例示した図である。顕微鏡システム５は、顕微鏡４００の代わりに顕微鏡５００を備える点が、実施例４に係る顕微鏡システム４とは異なっている。顕微鏡５００は、オートフォーカスユニット４２０の代わりにオートフォーカスユニット５２０を備える点が、実施例４に係る顕微鏡４００とは異なっている。フォーカスユニット５２０は、結像光学系４２７の代わりにズーム光学系である結像光学系５２３を備える点、可変焦点機構４２８の代わりに可変焦点機構５２４を備える点が、オートフォーカスユニット４２０とは異なっている。なお、図１１（ａ）には、動作モードが広視野ＡＦモードであるときの顕微鏡５００が、図１１（ｂ）には、動作モードが拡大ＡＦモードであるときの顕微鏡５００が示されている。

結像光学系５２３は、レンズ４２４、レンズ５２１、レンズ５２２を含み、これらのレンズ間の距離を変化させることで、光学ズーム機能を実現するズーム光学系である。

可変焦点機構５２４は、結像光学系５２３を構成するレンズを光軸方向に移動させる機構を備えていて、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系５２３の焦点距離を変更するために用いられる。

顕微鏡システム５は、図１０に示す処理を実行する。ただし、顕微鏡システム５では、ステップＳ１３及びステップＳ１７では、レンズの挿脱は行われない。また、ステップＳ１４では、制御装置１２０が可変焦点機構５２４を制御して、結像光学系５２３を構成するレンズ間の間隔を変化させることで標本Ｓにフォーカスを合わせる。さらに、ステップＳ１７では、制御装置１２０が可変焦点機構５２４を制御して、結像光学系５２３を構成するレンズの位置を基準位置に戻す。

本実施例に係る顕微鏡システム５によっても、実施例４に係る顕微鏡システム４と同様に、拡大ＡＦモードでのみ動作する場合に比べて、短時間で対物レンズ１０１の前側焦点位置と標本Ｓとを一致させて標本Ｓにフォーカスを合わせることができる。従って、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。

図１２は、本実施例に係る顕微鏡システム６の構成を例示した図である。顕微鏡システム６は、顕微鏡６００と、カメラ１１０及びカメラ１５０と、制御装置１２０と、表示装置１３０と、入力装置１４０とを備えている。

顕微鏡６００は、例えば、図示しない透過照明手段によって照明された標本Ｓの光学像を形成する倒立顕微鏡である。顕微鏡６００は、無限遠補正型の対物レンズ１０１と、準焦機構１０２と、ハーフミラー６０１と、結像レンズ１０５を備えている。

顕微鏡６００は、さらに、ハーフミラー６０１とカメラ１１０の間に、結像レンズ１０５を備えていて、ハーフミラー６０１とカメラ１５０の間に、可変焦点機構６２０により焦点距離が変更される結像光学系６１０と、イメージローテータ６３０を備えている。

結像レンズ１０５は、対物レンズ１０１から無限遠光束が入射したときに標本Ｓの光学像をカメラ１１０の受光面上に形成するレンズであり、その後側焦点位置がカメラ１１０の受光面に位置するように配置されている。

結像光学系６１０は、レンズ６１１、レンズ６１２、レンズ６１３を含み、これらのレンズ間の距離を変化させることで、光学ズーム機能を実現するズーム光学系である。

可変焦点機構６２０は、結像光学系６１０を構成するレンズを光軸方向に移動させる機構を備えていて、対物レンズ１０１と標本Ｓとの相対距離に応じて結像光学系６１０の焦点距離を変更するために用いられる。

以上のように構成された顕微鏡システム６では、対物レンズ１０１が形成する標本Ｓの光学像Ｓ’をリレーして標本Ｓを観察する広視野観察モード（第１のモード）と対物レンズ１０１から出射する無限遠光束を結像して標本Ｓを観察する拡大観察モード（第２のモード）の２つの動作モードを備えている。顕微鏡６００は、広視野観察モードでは、標本Ｓを対物レンズ１０１の倍率未満の倍率に拡大（又は縮小）した標本Ｓの光学像をカメラ１５０に形成し、拡大観察モードでは、標本Ｓを対物レンズ１０１の倍率に拡大した標本Ｓの光学像をカメラ１１０に形成する。

顕微鏡システム６は、図２に示す処理を実行する。ただし、顕微鏡システム３では、ステップＳ３及びステップＳ７では、レンズの挿脱は行われない。ステップＳ３では、カメラ１５０からの出力に基づいて制御装置１２０が表示装置１３０に画像を表示し、ステップＳ７では、カメラ１１０からの出力に基づいて制御装置１２０が表示装置１３０に画像を表示する。また、ステップＳ４では、制御装置１２０が可変焦点機構６２０を制御して、結像光学系６１０を構成するレンズ間の間隔を変化させることで標本Ｓにフォーカスを合わせる。

本実施例に係る顕微鏡システム６によっても、実施例１に係る顕微鏡システム１と同様に、対物レンズを切り替えることなく低倍から高倍まで広い観察倍率で標本を観察することができる。このため、顕微鏡を用いた観察作業の作業効率を改善することができる。

上述した各実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。顕微鏡、顕微鏡システム、オートフォーカス方法及びプログラムは、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

例えば、第１のモードと第２のモードで形成される像の向きを揃えるために、イメージローテータを用いる例が示されたが、像を反転させる構成はイメージローテータに限られず、プリズム対が用いられてもよい。また、リレー光学系を挿脱することで、第１のモードと第２のモードでの結像回数を奇数回又は偶数回にそろえてもよい。

１、３、４、５、６ 顕微鏡システム
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 顕微鏡
１０１ 対物レンズ
１０２ 準焦機構
１０３、２０１、３０１、４２８、５２４、６２０ 可変焦点機構
１０４ レンズ
１０５ 結像レンズ
１０６、２０３、３０５、４２７、５２３、６１０ 結像光学系
１１０、１５０ カメラ
１２０ 制御装置
１２１ プロセッサ
１２２ メモリ
１３０ 表示装置
１３１ ＧＵＩ画面
１３２、１３４、１３５、１３６、１３７ 領域
１３３ 倍率情報
１４０ 入力装置
２０２、６３０ イメージローテータ
２０４ 接眼レンズ
４２０、５２０ オートフォーカスユニット
４２１ 光源
４２２、４３０ 遮光板
４２３、６０１ ハーフミラー
４２９ ダイクロイックミラー
４３１ 光検出器

Claims (9)

1. 無限遠補正型の対物レンズと、
   前記対物レンズを介して入射する標本からの光を結像する結像光学系と、
   前記対物レンズと前記標本との相対距離に応じて前記結像光学系の焦点距離を変更するための可変焦点機構と、を備える
   ことを特徴とする顕微鏡。
2. 請求項１に記載の顕微鏡において、
   前記結像光学系は、挿脱自在に配置されたレンズを含み、
   前記可変焦点機構は、前記レンズを挿脱する機構を含む
   ことを特徴とする顕微鏡。
3. 請求項２に記載の顕微鏡において、
   前記可変焦点機構は、さらに、前記レンズを光軸方向に移動させる機構を含む
   ことを特徴とする顕微鏡。
4. 請求項１に記載の顕微鏡において、
   前記結像光学系は、ズーム光学系であり、
   前記可変焦点機構は、前記ズーム光学系のレンズを光軸方向に移動させる機構を含む
   ことを特徴とする顕微鏡。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡と、
   前記顕微鏡を制御する制御装置と、を備え、
   前記顕微鏡は、さらに、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変更する準焦機構を備え、
   前記制御装置は、前記準焦機構と前記可変焦点機構を制御して、前記顕微鏡の動作モードを、前記対物レンズが形成する前記標本の光学像をリレーして前記標本を観察する第１のモードと前記対物レンズから出射する無限遠光束を結像して前記標本を観察する第２のモードとの間で切り替える
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
6. 請求項５に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記第１の動作モードは、前記対物レンズの倍率未満の倍率で前記標本を観察するための動作モードである
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡と、
   前記顕微鏡を制御する制御装置と、を備え、
   前記顕微鏡は、さらに、前記結像光学系と、前記可変焦点機構と、前記対物レンズと前記標本との相対距離を変更する準焦機構と、を含むオートフォーカスユニットを備え、
   前記制御装置は、前記オートフォーカスユニットを制御して、前記顕微鏡の動作モードを、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせる第１のモードと前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせる第２のモードとの間で切り替える
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
8. 無限遠補正型の対物レンズと結像光学系とを備える顕微鏡システムのオートフォーカス方法であって、
   前記結像光学系の焦点距離を変更して、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせ、
   前記結像光学系の焦点距離に基づいて算出した前記対物レンズと標本の間の距離に応じて前記対物レンズを前記標本に近づけて、
   前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせる
   ことを特徴とするオートフォーカス方法。
9. 無限遠補正型の対物レンズと結像光学系とを備える顕微鏡システムのコンピュータを、
   前記結像光学系の焦点距離を変更して、前記対物レンズの前側焦点位置よりも前記対物レンズから離れた第１の位置にフォーカスを合わせる手段、
   前記結像光学系の焦点距離に基づいて算出した前記対物レンズと標本の間の距離
   に応じて前記対物レンズを前記標本に近づける手段、
   前記対物レンズの前側焦点位置にフォーカスを合わせる手段、
   として機能させることを特徴とするプログラム。