JP2020052090A - 焦点調整装置及び焦点調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点の調整精度の低下を抑制することが可能な焦点調整装置及び焦点調整方法を提供する。【解決手段】焦点調整装置は、被写体からの光を集光する集光部材と、前記集光部材によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する撮像部と、回転することによって前記集光部材を前記集光部材の光軸に沿って往復運動させるカム部材と、前記カム部材を回転駆動する駆動部と、前記画像に基づき、前記被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出する算出部と、前記カム部材を所定の回転方向に回転させながら、前記カム部材の回転に対する前記評価値の変化を示す変化情報を生成する変化情報生成部と、前記駆動部を駆動して前記カム部材を前記回転方向に回転させながら、前記変化情報に基づき焦点を調整する焦点調整部と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明の一態様は、顕微鏡などの焦点を調整する焦点調整装置などに関する。

レンズを光軸方向に対して略平行に移動させて焦点を調整するレンズ装置がある。このようなレンズ装置は、たとえば特許文献１などに開示されている。

特開２００８−２０６７３号公報

河村 尚登、「デジタルカメラの機構と高画質化技術」、The Journal of the Institute of Image Electronics Engineers of Japan、２０１４年、第４３巻、第３号、ｐ．４０４−４１９

拡大光学系のように被写界深度の範囲が小さい光学系では、被写体が載置されたステージ、または対物レンズを光軸方向に動かすことによって焦点調整が行われることがある。たとえば、特許文献１に記載のレンズ装置では、レンズに連結されたラックが偏心カムと当接し、ステッピングモータが偏心カムを回転駆動する構成となっており、偏心カムが時計回りまたは反時計回りに回転駆動されることでレンズが光軸方向に移動し、焦点の調整が行われる。

しかしながら、たとえば、偏心カムとステッピングモータとの連結において遊びがあることがある。このような場合、ステッピングモータの軸の角度が同じであっても、軸を時計回りに回転駆動させて当該角度に停止させたときのレンズの位置と、軸を反時計回りに回転駆動させて当該角度に停止させたときのレンズの位置とが、異なることがある。このような場合、焦点の調整精度が低下するため、好ましくない。

本発明は、上記の課題などを解決するために次のような手段を採る。なお、以下の説明において、発明の理解を容易にするために図面中の符号等を括弧書きで付記するが、本発明の各構成要素はこれらの付記したものに限定されるものではなく、当業者が技術的に理解しうる範囲にまで広く解釈されるべきものである。

本発明の一の手段は、
被写体からの光を集光する集光部材（２３）と、
前記集光部材によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する撮像部（２２）と、
回転することによって前記集光部材を前記集光部材の光軸に沿って往復運動させるカム部材（３３）と、
前記カム部材を回転駆動する駆動部（３１）と、
前記画像に基づき、前記被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出する算出部（１１）と、
前記カム部材を所定の回転方向に回転させながら、前記カム部材の回転に対する前記評価値の変化を示す変化情報を生成する変化情報生成部（１３、１５）と、
前記駆動部を駆動して前記カム部材を前記回転方向に回転させながら、前記変化情報に基づき焦点を調整する焦点調整部（１３、１５）と、を備える、
焦点調整装置である。

上記構成の焦点調整装置によれば、変化情報を生成する際のカム部材の回転方向と焦点を調整する際のカム部材の回転方向とを同じにすることで、カム部材と駆動部との連結において遊びがある場合であっても、変化情報に基づき設定した位置にカム部材を精度よく停止させることができる。これにより、たとえば、焦点の合う位置を変化情報に基づき取得し、当該位置に精度よくカム部材を停止させることができるので、集光部材を焦点の合う位置に精度よく移動させることができる。したがって、焦点の調整精度の低下を抑制することができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記カム部材に固定される第１の歯車（３４）と、
前記第１の歯車とかみ合い、前記駆動部に固定される第２の歯車（３２）と、をさらに備え、
前記第１の歯車が１回転する際に、前記第２の歯車が正の整数回回転する。

上記構成の焦点調整装置によれば、カム部材が１回転する前後において、第１の歯車と第２の歯車とを同じ歯でかみ合わせることができるので、各歯車の歯の形状にばらつきがある場合であっても、変化情報に基づき設定した停止位置にカム部材を精度よく停止させることができる。また、カム部材が１回転する前後において、たとえばステッピングモータの停止位置を同じにすることができるので、ステッピングモータの停止位置精度のばらつきに基づくカム部材の回転角度のばらつきを低減することができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記カム部材の外形が、略円形である。

上記構成の焦点調整装置によれば、たとえば旋盤などによる旋削加工、または円筒研磨加工によって、高精度の真円を形成し、滑らかな表面に仕上げることができるので、高品質なカム部材を簡易に作成することができる。また、外形の中心から所定の偏芯量離れた位置にカム部材の回転中心を設ける簡易な構成により、当該偏芯量の２倍の範囲で集光部材を往復運動させることができる。つまり、焦点の調整可能範囲を簡易に設定することができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記算出部は、前記画像における表示のコントラストを前記評価値として算出する。

上記構成の焦点調整装置によれば、被写体についての焦点の合い度合いを簡易に算出することができるので、変化情報を簡易に生成することができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記駆動部は、ステッピングモータである。

上記構成の焦点調整装置によれば、たとえば、カム部材の回転量の制御、及びカム部材の位置決めの制御などを簡易な制御で行うことができるので、変化情報の生成及び焦点調整を良好に行うことができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記変化情報生成部は、前記カム部材を前記回転方向に少なくとも１回転させて前記変化情報を生成する。

上記構成の焦点調整装置によれば、焦点の合うカム部材の位置を変化情報に含めることができるので、焦点の合う位置を変化情報に基づき確実に取得することができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記焦点調整部（１３）は、前記変化情報に基づき、前記焦点調整装置が合焦する前記カム部材の角度である合焦角度を決定し、前記カム部材を前記回転方向に回転させ、前記合焦角度で前記カム部材の回転を停止する。

上記構成の焦点調整装置によれば、カム部材を合焦角度で精度よく停止させることができるので、集光部材を焦点の合う位置に確実に移動させることができる。

上記焦点調整装置において、好ましくは、
前記焦点調整部（１５）は、前記変化情報に基づき、前記焦点調整装置が合焦する前記評価値である合焦評価値を決定し、前記カム部材を前記回転方向に回転させながら前記算出部が算出する前記評価値を監視し、前記評価値と前記合焦評価値とが一致する位置で、前記カム部材の回転を停止する。

上記構成の焦点調整装置によれば、評価値と合焦評価値とが一致する位置でカム部材を精度よく停止させることができるので、たとえば、カム部材の位置を検出する機能を有しない場合においても、集光部材を焦点の合う位置に確実に移動させることができる。

また、本発明の別の手段は、
被写体からの光を集光する集光部材と、前記集光部材によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する撮像部と、回転することによって前記集光部材を前記集光部材の光軸に沿って往復運動させるカム部材と、前記カム部材を回転駆動する駆動部と、を備える焦点調整装置における焦点調整方法であって、
前記画像に基づき、前記被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出するステップと、
前記カム部材を所定の回転方向に回転させながら、前記カム部材の回転に対する前記評価値の変化を示す変化情報を生成するステップと、
前記カム部材を前記回転方向に回転させながら、前記変化情報に基づき焦点を調整するステップと、を有する、
焦点調整方法である。

上記構成の焦点調整方法によれば、変化情報を生成する際のカム部材の回転方向と焦点を調整する際のカム部材の回転方向とを同じにすることで、カム部材と駆動部との連結において遊びがある場合であっても、変化情報に基づき設定した位置にカム部材を精度よく停止させることができる。これにより、たとえば、焦点の合う位置を変化情報に基づき取得し、当該位置に精度よくカム部材を停止させることができるので、集光部材を焦点の合う位置に精度よく移動させることができる。したがって、焦点の調整精度の低下を抑制することができる。

図１は、本実施形態の焦点調整装置の構成を示す図である。 図２は、本実施形態の顕微鏡の斜視図である。 図３は、本実施形態の顕微鏡の正面図である。 図４は、本実施形態の顕微鏡の側面図である。 図５は、本実施形態の顕微鏡の透過図である。 図６は、本実施形態の顕微鏡の図５の切断線ＶＩ−ＶＩの位置における断面図である。 図７は、本実施形態の顕微鏡における偏心カムの正面図である。 図８は、本実施形態の制御装置の構成を示す図である。 図９は、本実施形態の算出部によって算出されるコントラスト値の変化の一例を示す図である。 図１０は、本実施形態の焦点調整装置における焦点調整処理を示すフローチャートである。 図１１は、本実施形態の変形例の制御装置の構成を示す図である。 図１２は、本実施形態の変形例の焦点調整装置における焦点調整処理を示すフローチャートである。

本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定的に解釈させるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
１．実施形態
（１）焦点調整装置の構成例
（２）動作例
２．変形例
３．本実施形態の特徴
４．補足事項

＜１．実施形態＞
本実施形態の焦点調整装置は、被写体からの光を集光する集光部材と、集光部材の光軸に沿って当該集光部材を往復運動させるカム部材と、集光部材によって集光された光に基づき撮像された画像に基づき、被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出する算出部と、を備える構成において、カム部材を所定の回転方向に回転させながら、カム部材の回転に対する評価値の変化を示す変化情報を生成し、カム部材を当該回転方向に回転させながら、変化情報に基づき焦点を調整する点を特徴のひとつとしている。以下、本実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

＜（１）焦点調整装置の構成＞
図１は、本実施形態の焦点調整装置の構成を示す図である。図１に示されるように、焦点調整装置１は、制御装置５及び顕微鏡６を含んで構成される。

＜顕微鏡６の構成例＞
図２は、本実施形態の顕微鏡の斜視図である。図３は、本実施形態の顕微鏡の正面図である。図４は、本実施形態の顕微鏡の側面図である。図５は、本実施形態の顕微鏡の透過図である。図６は、本実施形態の顕微鏡の図５の切断線ＶＩ−ＶＩの位置における断面図である。図７は、本実施形態の顕微鏡における偏心カムの正面図である。

図２〜図７に示されるように、本実施形態の顕微鏡６は、光学機構２、調整機構３及び支持機構４を含んで構成される。光学機構２は、筐体２１、撮像装置２２、対物レンズ２３、ボールベアリング２４、摺動部材２５、プレート２６及び支持軸２７を含んで構成される。調整機構３は、ステッピングモータ３１、ピニオンギア３２、偏心カム３３、ドライブギア３４及びカム軸３５を含んで構成される。支持機構４は、支持プレート４１、試料台４２及びレール４３を含んで構成される。

図２〜図７にはｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を示している。対物レンズ２３の光軸２３ａに平行な軸であって、被写体４４から見て撮像装置２２へ向いている軸を「ｚ軸」と定義する。ｚ軸に垂直な軸であって、ステッピングモータ３１から見て筐体２１へ向いている軸を「ｘ軸」と定義する。また、ｚ軸およびｘ軸の両方に垂直な軸を「ｙ軸」と定義する。ここでは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、右手系の３次元の直交座標を形成する。以下、ｚ軸の矢印方向をｚ軸＋側、矢印とは逆方向をｚ軸−側と呼ぶことがあり、その他の軸についても同様である。また、ｚ軸＋側及びｚ軸−側をそれぞれ「上側」及び「下側」と呼ぶことがある。

＜支持機構４＞
＜支持プレート４１＞
支持プレート４１は、光学機構２及び調整機構３を支持する。本実施形態では、支持プレート４１は、たとえば、樹脂または金属により形成された板状の部材である。支持プレート４１は、ｘ軸＋側に向いた第１面４１ａと、ｘ軸−側に向いた第２面４１ｂと、を有する。支持プレート４１の上側の側面には、略半円状の断面を有し、ｘ軸に平行な溝部４１ｃが設けられる（図２参照）。

＜試料台４２＞
試料台４２は、支持プレート４１の下側からｘ軸＋側に向かって延びる板状の部材である。試料台４２は、たとえば、樹脂または金属により形成される。試料台４２の上側の面には、試料４４が載置される。試料４４は、本発明でいう「被写体」の一具体例である。

＜レール４３＞
レール４３は、支持プレート４１の第１面４１ａにおいて、溝部４１ｃと試料台４２との間に固定される。レール４３は、摺動部材２５と嵌合可能な断面を有し、ｚ軸と平行に延びる部材である。

＜光学機構２＞
＜筐体２１＞
筐体２１は、樹脂または金属により形成された略直方体の部材であり、本体を形成する。筐体２１は、対物レンズ２３の光軸２３ａを覆う４つの側面と、ｚ軸＋側に向いた上側面２１ａと、ｚ軸−側に向いた下側面２１ｂと、を有する。ここで、光軸２３ａを覆う４つの側面のうち、第１面４１ａと対向する面を対向面２１ｃと定義する。対向面２１ｃは、ｘ軸−側に向いている。下側面２１ｂには、対物レンズ２３からの光を通過させるための開口部（図示しない）が、光軸２３ａを含むように形成される。上側面２１ａには、対物レンズ２３からの光を通過させるための開口部（図示しない）が、光軸２３ａを含むように形成される。対向面２１ｃには、偏心カム３３を筐体２１の内部へ導入するための開口部２１ｄが形成される（図５及び図６参照）。

＜対物レンズ２３＞
本実施形態では、対物レンズ２３は、略円筒形のレンズ鏡筒及び複数のレンズ（図示しない）を含んで構成される。複数のレンズは、レンズ鏡筒の内部に固定される。レンズ鏡筒は、筐体２１の下側面２１ｂにおける開口部に取り付けられる。この際、対物レンズ２３の光軸２３ａすなわちｚ軸は、たとえば鉛直と略平行になる。複数のレンズは、試料４４から受ける光を屈折させることで、対物レンズ２３に対するｚ軸＋側において試料４４からの光を集光する。なお、対物レンズ２３は、１つのレンズを含む構成であってもよい。対物レンズ２３は、本発明でいう「集光部材」の一具体例である。

＜撮像装置２２＞
撮像装置２２は、対物レンズ２３によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する。本実施形態では、撮像装置２２は、撮像素子（図示しない）及び基板（図示しない）を含んで構成される。撮像素子は、筐体２１に対するｚ軸＋側に位置し、対物レンズ２３によって集光された試料４４からの光を受光する。撮像素子は、照射された光を電気信号に変換する光電変換素子であり、たとえばＣ−ＭＯＳセンサまたはＣＣＤなどであるが、これらに限定されるものではない。対物レンズ２３と撮像素子との間の距離は、固定されている。撮像装置２２は、本発明でいう「撮像部」の一具体例である。

基板は、たとえば、撮像素子を含む電子部品が搭載されたリジッド基板である。基板は、たとえば、制御装置５から撮像命令を受けると、撮像素子によって取得された電気信号に対して、基板に搭載された電子部品によって所定の電気処理または信号処理を施すことで、撮像素子の撮像結果すなわち試料４４を含む画像を示す画像情報を生成する。基板は、生成した画像情報を撮像命令の応答として制御装置５へ出力する。

＜摺動部材２５及びプレート２６＞
本実施形態では、プレート２６は、ｙｚ面に平行な板状の部材であり、樹脂または金属により形成される。プレート２６は、対向面２１ｃにおける開口部２１ｄの下側に固定される。摺動部材２５は、レール４３と嵌合し、レール４３の延伸方向に沿って摺動する部材である。本実施形態では、摺動部材２５は、プレート２６のｘ軸−側の面に固定される。摺動部材２５は、レール４３と嵌合することで、レール４３の延伸方向すなわちｚ軸に沿って摺動可能となるが、ｘ軸方向の移動及びｙ軸方向の移動が制限される。これにより、光学機構２は、ｚ軸方向に移動可能になるとともに、ｘ軸方向の移動及びｙ軸方向の移動が制限される。

＜支持軸２７＞
支持軸２７は、ボールベアリング２４を支持する。本実施形態では、支持軸２７は、樹脂または金属により形成される略円柱形状の部材である（図５及び図６参照）。支持軸２７は、中心軸がｘ軸に平行になるように、開口部２１ｄの内部に設けられる。

＜ボールベアリング２４＞
ボールベアリング２４は、たとえば、内輪（図示しない）、外輪（図示しない）及び複数のボール（図示しない）を含んで構成される。内輪は、たとえば支持軸２７を圧入可能な径の貫通孔を有する円筒形状を有する。外輪は、内輪の外形より大きい内径を有する円筒形状を有する。複数のボールは、内輪の外周面及び外輪の内周面の両方に当接するように、内輪と外輪との間に設けられる。ボールベアリング２４は、内輪の貫通孔に支持軸２７が圧入されることで、開口部２１ｄの内部であって偏心カム３３の上側で支持軸２７に支持される。この状態において、外輪はｙｚ面内で回転自在となり、外輪の外周面が偏心カム３３と当接する。外輪は、偏心カム３３の回転に応じて回転する。また、光学機構２に重力が加わるため光学機構２がｚ軸−側へ移動しようとするが、外輪の外周面が偏心カム３３と当接するため、光学機構２のｚ軸−側への移動が制限される。つまり、光学機構２のｚ軸方向の位置は、外輪の外周面と偏心カム３３とが当接する位置によって定まる。

＜調整機構３＞
上述したように、調整機構３は、ステッピングモータ３１、ピニオンギア３２、偏心カム３３、ドライブギア３４及びカム軸３５を含んで構成される。

＜ステッピングモータ３１＞
ステッピングモータ３１は、偏心カム３３を回転駆動する。詳細には、ステッピングモータ３１は、駆動軸３１ａ及びモータ本体３１ｂを含んで構成される。モータ本体３１ｂは、駆動軸３１ａがｘ軸に平行となり、支持プレート４１の溝部４１ｃに駆動軸３１ａの一部が含まれるように支持プレート４１の第２面４１ｂに固定される。モータ本体３１ｂは、たとえば、制御装置５からパルス電流を受けると、受けたパルス電流の極性に応じた回転方向に、駆動軸３１ａを所定の角度（以下、１パルス角度と称することがある。）回転させる。ここで、ｘ軸＋側からｘ軸−側を見て時計回りに回転する方向を時計方向と定義する。ｘ軸＋側からｘ軸−側を見て反時計回りに回転する方向を反時計方向と定義する。１パルス角度は、３６０°を１回転ステップ数（以下、Ｒ１と称することがある。）で除した値である。ここで、１回転ステップ数は、正の整数である。ステッピングモータ３１は、本発明でいう「駆動部」の一具体例である。

本実施形態では、ステッピングモータ３１は、たとえば、正極性のパルス電流（以下、正パルス電流と称することがある。）を制御装置５から受けると、駆動軸３１ａを時計方向に１パルス角度回転させる。つまり、ステッピングモータ３１が正パルス電流を制御装置５からＲ１回受けると、駆動軸３１ａが時計方向に合計３６０°回転する。一方、ステッピングモータ３１は、たとえば、負極性のパルス電流（以下、負パルス電流と称することがある。）を制御装置５から受けると、駆動軸３１ａを反時計方向に１パルス角度回転させる。

＜ピニオンギア３２＞
ピニオンギア３２は、ステッピングモータ３１に固定される。本実施形態では、ピニオンギア３２は、たとえば平歯車である。詳細には、ピニオンギア３２は、たとえば、ステッピングモータ３１の駆動軸３１ａを圧入可能な径の貫通孔を中心に有する。ピニオンギア３２の外周面には、径方向に突出する複数の歯が、周方向に等間隔に形成される。ここで、ピニオンギア３２の歯の個数を、Ｎ１と定義する。ピニオンギア３２は、貫通孔にステッピングモータ３１の駆動軸３１ａが圧入されることで、駆動軸３１ａに固定される。そして、ピニオンギア３２は、駆動軸３１ａの回転とともにｙｚ面内で回転する。ピニオンギア３２は、本発明でいう「第２の歯車」の一具体例である。

＜カム軸３５＞
カム軸３５は、樹脂または金属により形成される略円柱形状の部材であり、支持プレート４１によって回転自在に支持される（図４〜図７参照）。本実施形態では、カム軸３５は、たとえば、溝部４１ｃの下側において、支持プレート４１からｘ軸＋側に突出するように設けられる。カム軸３５は、たとえば、ボールベアリングなどの軸受３６を介して支持プレート４１に固定されており、ｘ軸に平行な軸を回転軸として回転自在である。なお、カム軸３５は、他の種類の軸受を介して支持プレート４１に固定されてもよい。

＜ドライブギア３４＞
ドライブギア３４は、カム軸３５に固定される。本実施形態では、ドライブギア３４は、たとえば平歯車である。詳細には、ドライブギア３４は、たとえば、カム軸３５を圧入可能な径の貫通孔を中心に有する。ドライブギア３４の外周面には、径方向に突出する複数の歯が、周方向に等間隔に形成される。ここで、ドライブギア３４の歯の個数を、Ｎ２と定義する。ドライブギア３４は、貫通孔にカム軸３５の駆動軸３１ａが圧入されることで、ピニオンギア３２とかみ合うとともに、カム軸３５に固定される。ドライブギア３４は、ピニオンギア３２が回転する際、歯を介してピニオンギア３２から回転力を受け、ｙｚ面内でカム軸３５とともに回転する。ドライブギア３４は、本発明でいう「第１の歯車」の一具体例である。

ドライブギア３４が１回転する際のピニオンギア３２の回転数は、正の整数回である。詳細には、Ｎ２／Ｎ１が正の整数となるように、ピニオンギア３２の歯及びドライブギア３４の歯が形成されている。本実施形態では、Ｎ２／Ｎ１がたとえば２であり、ピニオンギア３２が２回転する際に、ドライブギア３４が１回転する。これにより、ピニオンギア３２の歯とドライブギア３４の歯とは、ドライブギア３４が１回転するごとに同じかみ合わせにすることができるので、歯の形成精度のばらつきによる偏心カム３３の回転角度のばらつきを低減することができる。なお、Ｎ２／Ｎ１が１または３以上の整数となる構成であってもよい。

＜偏心カム３３＞
偏心カム３３は、回転することによって対物レンズ２３を光軸２３ａに沿って往復運動させる。本実施形態では、偏心カム３３の外形が、略円形である。詳細には、偏心カム３３は、樹脂または金属により形成される略円柱形状の部材であり、カム軸３５によって支持される（図５〜図７参照）。偏心カム３３には、中心軸から偏芯量Ｅ１ずれた位置に、カム軸３５を圧入可能な径の貫通孔３３ａが形成される。偏心カム３３は、貫通孔３３ａにカム軸３５が圧入されることで、一部が開口部２１ｄの内部に含まれるようにカム軸３５に支持される。この状態において、偏心カム３３は、カム軸３５及びドライブギア３４とともにｙｚ面内で回転する。また、偏心カム３３は、ボールベアリング２４と接し、ボールベアリング２４を介して光学機構２を支持する。つまり、ステッピングモータ３１と偏心カム３３とが駆動軸３１ａ、ピニオンギア３２、ドライブギア３４及びカム軸３５を介して連結されるので、ステッピングモータ３１が時計方向に回転すると、偏心カム３３は、反時計方向に回転する。また、偏心カム３３が１回転する際に、ボールベアリング２４は、偏芯量Ｅ１の２倍の範囲でｚ軸方向に上下する。つまり、偏心カム３３の回転角度を調整することで、光学機構２のｚ軸方向の位置を偏芯量Ｅ１の２倍の範囲内で調整することができる。偏心カム３３は、本発明でいう「カム部材」の一具体例である。

偏心カム３３が１回転する際のステッピングモータ３１の回転数は、Ｎ２／Ｎ１回すなわち２回である。これにより、偏心カム３３が１回転する前後におけるステッピングモータ３１の駆動軸３１ａの停止位置（回転角度）を同じにすることができるので、ステッピングモータ３１の停止位置精度のばらつきに基づく偏心カム３３の回転角度のばらつきを低減することができる。

＜制御装置５の構成例＞
図８は、本実施形態の制御装置の構成を示す図である。図８に示されるように、制御装置５は、算出部１１、制御部１３及びパルス電流源１４を含んで構成される。

＜算出部１１＞
本実施形態では、非特許文献１に記載された「コントラスト方式ＡＦ」を用いて、光学機構２の焦点の調整が行われる。詳細には、算出部１１は、制御部１３から正パルス出力情報を受けると、撮像命令を撮像装置２２へ出力し、撮像命令の応答として画像情報を撮像装置２２から受ける。正パルス出力情報については、後述する。算出部１１は、撮像装置２２から受けた画像情報に基づき、試料４４の焦点の合い度合いを示す評価値を算出する。具体的には、算出部１１は、画像における表示のコントラストを評価値として算出する。より具体的には、たとえば、白色及び黒色で構成される所定の模様を試料４４に形成しておく。算出部１１は、画像における当該模様に基づき、たとえば白色の輝度と黒色の輝度との比をコントラスト値として算出し、算出結果を含むコントラスト情報を制御部１３へ出力する。

＜パルス電流源１４＞
パルス電流源１４は、制御部１３の制御に従って動作し、パルス電流をステッピングモータ３１へ供給する。

＜制御部１３＞
制御部１３は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、制御装置５を制御する。詳細には、制御部１３は、パルス電流源１４を制御することで、正パルス電流または負パルス電流をステッピングモータ３１へ供給する。これにより、制御部１３は、ステッピングモータ３１を時計方向または反時計方向へ１パルス角度回転させることが可能となる。制御部１３は、本発明でいう「焦点調整部」及び「変化情報生成部」の一具体例である。

＜変化情報の生成処理＞
図９は、本実施形態の算出部によって算出されるコントラスト値の変化の一例を示す図である。なお、図９では、縦軸はコントラスト値を示し、横軸はパルス電流源１４が正パルス電流を供給した回数（以下、パルス数とも称することがある。）を示す。

図８及び図９に示されるように、制御部１３は、たとえば、偏心カム３３を反時計方向に回転させながら、偏心カム３３の回転に対するコントラスト値の変化を示す変化情報を生成する。本実施形態では、制御部１３は、偏心カム３３を反時計方向に１回転させて変化情報を生成する。詳細には、制御部１３は、パルス電流源１４を制御して正パルス電流をステッピングモータ３１へＲ２回繰り返し供給し、偏心カム３３を反時計方向へ１回転させる。ここで、Ｒ２＝（Ｒ１×Ｎ２／Ｎ１）＝２×Ｒ１である。この際、制御部１３は、パルス電流源１４を制御して正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給するごとに、正パルス電流が供給されたことを示す正パルス出力情報を算出部１１へ出力する。制御部１３は、正パルス出力情報の応答としてコントラスト情報を算出部１１から受けると、受けたコントラスト情報を蓄積する。制御部１３は、Ｒ２個のコントラスト情報が蓄積されると、Ｒ２個のコントラスト情報を受けた順にまとめることで、Ｒ２個のコントラスト値が１〜Ｒ２のインデックス順に配列された変化情報を生成する。この変化情報に含まれるコントラスト値をインデックス順にプロットすると、図９に示すように、パルス数１とパルス数Ｒ２との間に含まれる波形が得られる。この波形は、偏心カム３３が反時計方向に１回転する際のコントラスト値の変化を示す波形である。

＜合焦処理＞
制御部１３は、ステッピングモータ３１を駆動して偏心カム３３を反時計方向に回転させながら、変化情報に基づき焦点を調整する。本実施形態では、制御部１３は、変化情報に基づき、焦点調整装置１が合焦する偏心カム３３の角度である合焦角度を決定する。具体的には、制御部１３は、変化情報に基づき、パルス数Ｐ１において最大のコントラスト値Ｃ１を示すことを認識し、パルス数Ｐ１に、偏心カム３３を１回転させるのに要するパルス数Ｒ２を加えたパルス数Ｐ２を合焦角度として決定する（図９参照）。

制御部１３は、偏心カム３３を反時計方向に回転させ、合焦角度で偏心カム３３の回転を停止する。詳細には、制御部１３は、正パルス電流がすでにステッピングモータ３１へＲ２回供給されているので、パルス電流源１４を制御し、正パルス電流を（Ｐ２−Ｒ２）回すなわちＰ１回さらにステッピングモータ３１へ供給してから動作を停止する。
する。

なお、制御部１３は、パルス数１からパルス数Ｐ２まで、同じ時間間隔でパルス電流源１４に正パルス電流を供給させる。つまり、変化情報の生成処理と合焦処理とが連続して行われる。なお、変化情報の分析に時間を要する場合、パルス数Ｒ２とパルス数（Ｒ２＋１）との間の間隔をより長くしてもよい。また、コントラスト値の算出に時間を要する場合、パルス数１からパルス数Ｒ２までの時間間隔を、パルス数（Ｒ２＋１）からパルス数Ｐ２までの時間間隔より長くしてもよい。

＜（２）動作例＞
次に、本実施形態の焦点調整装置における焦点調整処理について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態の焦点調整装置における焦点調整処理を示すフローチャートである。

＜Ｓ１００＞
光学機構２の焦点が、ｚ軸方向についての光学機構２の移動範囲内で試料４４に合うように、試料４４が試料台４２に載置される。また、制御部１３は、パルス数を示すカウント値を保持する（Ｓ１００）。

＜Ｓ１０２＞
次に、制御部１３は、カウント値をゼロにセットする（Ｓ１０２）。

＜Ｓ１０４＞
次に、制御部１３は、パルス電流源１４を制御し、正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給するとともに、正パルス出力情報を算出部１１へ出力する（Ｓ１０４）。

＜Ｓ１０６＞
次に、制御部１３は、カウント値をインクリメントする（Ｓ１０６）。

＜Ｓ１０８＞
次に、算出部１１は、制御部１３から正パルス出力情報を受けると、撮像命令を撮像装置２２へ出力する。撮像装置２２は、算出部１１から撮像命令を受けると、試料４４を撮像して試料４４を含む画像を生成し、生成した画像を含む画像情報を算出部１１へ出力する（Ｓ１０８）。

＜Ｓ１１０＞
次に、算出部１１は、画像情報を撮像装置２２から受けると、受けた画像情報に基づきコントラスト値を算出し、算出結果を含むコントラスト情報を制御部１３へ出力する。制御部１３は、算出部１１からコントラスト情報を受けると、受けたコントラスト情報を蓄積する（Ｓ１１０）。

＜Ｓ１１２＞
次に、制御部１３は、偏心カム３３が１回転したか否かを判断する。具体的には、制御部１３は、カウント値がＲ２より小さい場合（Ｓ１１２でＮＯ）、偏心カム３３が１回転していないと判断する。そして、制御部１３は、パルス電流源１４を制御し、新たな正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給するとともに、新たな正パルス出力情報を算出部１１へ出力する（Ｓ１０４）。

＜Ｓ１１４＞
一方、制御部１３は、カウント値がＲ２と一致する場合（Ｓ１１２でＹＥＳ）、偏心カム３３が１回転した判断する。そして、制御部１３は、Ｒ２個のコントラスト情報を受けた順にまとめることで変化情報を生成する（Ｓ１１４）。

＜Ｓ１１６＞
次に、制御部１３は、変化情報に基づき、パルス数Ｐ１において最大のコントラスト値Ｃ１を示すことを認識し、パルス数Ｐ１に、偏心カム３３を１回転させるのに要するパルス数Ｒ２を加えたパルス数Ｐ２を合焦角度として決定する（Ｓ１１６）。

＜Ｓ１１８＞
次に、制御部１３は、パルス電流源１４を制御し、正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給する（Ｓ１１８）。

＜Ｓ１２０＞
次に、制御部１３は、カウント値をインクリメントする（Ｓ１２０）。

＜Ｓ１２２＞
次に、制御部１３は、カウント値がＰ２より小さい場合（Ｓ１２２でＮＯ）、パルス電流源１４を制御し、新たな正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給する（Ｓ１１８）。

＜Ｓ１２４＞
一方、制御部１３は、カウント値がＰ２と一致する場合（Ｓ１２２でＹＥＳ）、光学機構２が合焦状態になったと判断し、焦点調整処理を終了する（Ｓ１２４）。

なお、上記フローチャートにおける各処理は、動作に影響がない範囲で入れ換えられてもよい。たとえば、上記フローチャートにおけるＳ１０４とＳ１０６との処理の順序は入れ換えられてもよい。また、上記フローチャートにおけるＳ１１８とＳ１２０との処理の順序は入れ換えられてもよい。

＜２．変形例＞
次に、本発明の実施形態の変形例について説明する。この変形例は、実施形態と比較して、合焦する方法が異なっている。以下の説明では、実施形態との相違点について説明し、実施形態と共通な部分については説明を省略する。

図１１は、本実施形態の変形例の制御装置の構成を示す図である。図１１に示されるように、本実施形態の変形例の制御装置５は、実施形態の制御装置５（図８参照）と比較して、制御部１３の代わりに、制御部１５を備える点において相違している。以下、制御部１５が、制御部１３の内容と相違する点について具体的に説明する。

＜制御部１５の構成＞
＜合焦処理＞
本実施形態では、制御部１５は、変化情報を生成した後、変化情報に基づき、焦点調整装置１が合焦するコントラスト値である合焦評価値を決定する。具体的には、制御部１５は、変化情報に基づき、パルス数Ｐ１において最大のコントラスト値Ｃ１を示すことを認識し、コントラスト値Ｃ１を合焦評価値として決定する（図９参照）。

制御部１５は、偏心カム３３を反時計方向に回転させながら算出部１１が算出するコントラスト値を監視し、コントラスト値と合焦評価値とが一致する位置で、偏心カム３３の回転を停止する。詳細には、制御部１５は、合焦評価値を決定した後、パルス電流源１４を制御して正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給し、偏心カム３３を反時計方向へ１パルス角度回転させるとともに、正パルス出力情報を算出部１１へ出力する。そして、制御部１５は、正パルス出力情報の応答として算出部１１からコントラスト情報を受けると、受けたコントラスト情報に含まれるコントラスト値と合焦評価値とが一致するか否かを確認する。制御部１５は、コントラスト値と合焦評価値とが一致しない場合、パルス電流源１４を制御して正パルス電流をステッピングモータ３１へさらに供給する。一方、制御部１５は、コントラスト値と合焦評価値とが一致する場合、光学機構２の焦点が試料４４に合ったと判断し、動作を停止する。具体的には、制御部１５は、コントラスト値がＣ１を示すパルス数Ｐ２において光学機構２の焦点が試料４４に合ったと判断し、動作を停止する。

なお、制御部１５は、コントラスト値と合焦評価値とが一致するか否かの判断において、コントラスト値と合焦評価値とが完全に一致しなくても、コントラスト値と合焦評価値との差が許容誤差内であれば、コントラスト値と合焦評価値とが一致すると判断してもよい。

＜動作例＞
次に、本実施形態の変形例の焦点調整装置における焦点調整処理について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の変形例の焦点調整装置における焦点調整処理を示すフローチャートである。本焦点調整処理のフローチャートは、図１０に示す焦点調整処理のフローチャートと比較して、変化情報に基づき、偏心カム３３が１回転する際の最大のコントラスト値が合焦評価値として決定され、制御部１５が、コントラスト値と合焦評価値とが一致するまで偏心カム３３を反時計方向へ回転させて合焦させる点において相違している。Ｓ１００〜Ｓ１１４は実施形態の焦点調整処理と同様であるため説明を省略する。

＜Ｓ２１６＞
次に、制御部１５は、変化情報に基づき、パルス数Ｐ１において最大のコントラスト値Ｃ１を示すことを認識し、コントラスト値Ｃ１を合焦評価値として決定する（Ｓ２１６）。

＜Ｓ２１８＞
次に、制御部１５は、パルス電流源１４を制御し、正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給するとともに、正パルス出力情報を算出部１１へ出力する（Ｓ２１８）。

＜Ｓ２２０＞
次に、算出部１１は、制御部１５から正パルス出力情報を受けると、撮像命令を撮像装置２２へ出力する。撮像装置２２は、算出部１１から撮像命令を受けると、試料４４を撮像して試料４４を含む画像を生成し、生成した画像を含む画像情報を算出部１１へ出力する（Ｓ２２０）。

＜Ｓ２２２＞
次に、算出部１１は、画像情報を撮像装置２２から受けると、受けた画像情報に基づきコントラスト値を算出し、算出結果を含むコントラスト情報を制御部１５へ出力する（Ｓ２２２）。

＜Ｓ２２４＞
次に、制御部１５は、算出部１１からコントラスト情報を受けると、受けたコントラスト情報に含まれるコントラスト値と合焦評価値とが一致するか否かを確認する（Ｓ２２４）。制御部１５は、コントラスト値と合焦評価値とが一致しない場合（Ｓ２２４でＮＯ）、パルス電流源１４を制御し、新たな正パルス電流をステッピングモータ３１へ供給するとともに、新たな正パルス出力情報を算出部１１へ出力する（Ｓ２１８）。

＜Ｓ２２６＞
一方、制御部１５は、コントラスト値と合焦評価値とが一致する場合（Ｓ２２４でＹＥＳ）、光学機構２が合焦状態になったと判断し、焦点調整処理を終了する（Ｓ２２６）。

このように、本実施形態の変形例では、コントラスト値を監視しながら光学機構２の焦点の調整が行われるため、ステッピングモータ３１のような位置決めする機能を有するモータを用いなくても、光学機構２の焦点の調整を行うことができる。

＜（３）本実施形態の特徴＞
上記構成の焦点調整装置によれば、変化情報を生成する際の偏心カム３３の回転方向と焦点を調整する際の偏心カム３３の回転方向とを同じにすることで、偏心カム３３とステッピングモータ３１との連結において遊びがある場合であっても、変化情報に基づき設定した位置に偏心カム３３を精度よく停止させることができる。これにより、たとえば、焦点の合う位置を変化情報に基づき取得し、当該位置に精度よく偏心カム３３を停止させることができるので、対物レンズ２３を焦点の合う位置に精度よく移動させることができる。したがって、焦点の調整精度の低下を抑制することができる。

上記構成の焦点調整装置では、偏心カム３３に固定されるドライブギア３４が１回転する際に、ドライブギア３４とかみ合い、ステッピングモータ３１に固定されるピニオンギア３２が正の整数回回転するため、偏心カム３３が１回転する前後において、ドライブギア３４とピニオンギア３２とを同じ歯でかみ合わせることができる。これにより、各歯車の歯の形状にばらつきがある場合であっても、変化情報に基づき設定した停止位置に偏心カム３３を精度よく停止させることができる。また、偏心カム３３が１回転する前後において、ステッピングモータ３１の停止位置を同じにすることができるので、ステッピングモータ３１の停止位置精度のばらつきに基づく偏心カム３３の回転角度のばらつきを低減することができる。

上記構成の焦点調整装置では、偏心カム３３の外形が、略円形であるため、たとえば旋盤などによる旋削加工、または円筒研磨加工によって、高精度の真円を形成し、滑らかな表面に仕上げることができるので、高品質な偏心カム３３を簡易に作成することができる。また、外形の中心から偏芯量Ｅ１離れた位置に偏心カム３３の回転中心を設ける簡易な構成により、偏芯量Ｅ１の２倍の範囲で集光部材を往復運動させることができる。つまり、焦点の調整可能範囲を簡易に設定することができる。

上記構成の焦点調整装置では、算出部１１が、画像における表示のコントラストを評価値として算出するため、試料４４についての焦点の合い度合いを簡易に算出することができるので、変化情報を簡易に生成することができる。

上記構成の焦点調整装置では、ステッピングモータ３１が、偏心カム３３を回転駆動するため、たとえば、偏心カム３３の回転量の制御、及び偏心カム３３の位置決めの制御などを簡易な制御で行うことができるので、変化情報の生成及び焦点調整を良好に行うことができる。

上記構成の焦点調整装置では、制御部１３、１５は、偏心カム３３を反時計方向に１回転させて変化情報を生成するため、焦点の合う偏心カム３３の位置を変化情報に含めることができるので、焦点の合う位置を変化情報に基づき確実に取得することができる。

上記構成の焦点調整装置では、制御部１３が、変化情報に基づき、焦点調整装置１が合焦する偏心カム３３の角度である合焦角度を決定し、偏心カム３３を反時計方向に回転させ、合焦角度で偏心カム３３の回転を停止する。これにより、偏心カム３３を合焦角度で精度よく停止させることができるので、対物レンズ２３を焦点の合う位置に確実に移動させることができる。

上記の変形例の焦点調整装置では、制御部１５が、変化情報に基づき、焦点調整装置１が合焦する評価値である合焦評価値を決定し、偏心カム３３を反時計方向に回転させながら算出部１１が算出する評価値を監視し、評価値と合焦評価値とが一致する位置で、偏心カム３３の回転を停止する。これにより、評価値と合焦評価値とが一致する位置で偏心カム３３を精度よく停止させることができるので、たとえば、偏心カム３３の位置を検出する機能を有しない場合においても、対物レンズ２３を焦点の合う位置に確実に移動させることができる。

＜４．補足事項＞
以上、本発明の実施形態についての具体的な説明を行った。上記説明では、あくまで一実施形態としての説明であって、本発明の範囲はこの一実施形態に留まらず、当業者が把握可能な範囲にまで広く解釈されるものである。

本実施形態の焦点調整装置では、対物レンズ２３が「集光部材」の一具体例である構成について説明したが、被写体からの光を反射によって集光する凹面鏡などの他の種類の光学部材が「集光部材」の一具体例となる構成であってもよい。

また、本実施形態の焦点調整装置では、偏心カム３３を反時計方向に回転させながら、変化情報の生成処理及び合焦処理が行われる構成について説明したが、偏心カム３３を時計方向に回転させながら、変化情報の生成処理及び合焦処理が行われる構成であってもよい。

また、本実施形態の焦点調整装置では、変化情報の生成処理及び合焦処理の間、偏心カム３３の回転方向が維持される構成について説明したが、変化情報の生成処理及び合焦処理の間、偏心カム３３の回転方向の切り替えが行われる構成であってもよい。具体的には、たとえば、偏心カム３３を反時計方向に回転させながら変化情報の生成処理を行った後、一旦偏心カム３３を時計方向に回転させ、再び偏心カム３３を反時計方向に回転させながら合焦処理が行われる構成であってもよい。たとえば、偏心カム３３を反時計方向に１回転させて変化情報を生成した状態において、偏心カム３３を時計方向に少し戻した位置で焦点が合う場合がある。このような場合、当該位置を過ぎるまで偏心カム３３を時計方向に戻した後、再び偏心カム３３を反時計方向に回転させながら当該位置で停止させることで、焦点の調整をより早く完了させることができる。

また、本実施形態の焦点調整装置では、非特許文献１に記載された「コントラスト方式ＡＦ」を用いて、光学機構２の焦点の調整が行われる構成について説明したが、非特許文献１に記載された「位相差方式ＡＦ」または「像面位相差方式ＡＦ」などの他の方法を用いて、光学機構２の焦点の調整が行われる構成であってもよい。この場合、焦点検出用のセンサが「撮像部」の一具体例として設けられる。

また、本実施形態の焦点調整装置では、ステッピングモータ３１が偏心カム３３を回転駆動する構成について説明したが、位置決め制御機能を有しない通常の回転モータが偏心カム３３を回転駆動する構成であってもよい。実施形態においてステッピングモータ３１の代わりに通常の回転モータを用いる場合、たとえばフォトインタラプタなどの当該モータの回転角度を検出するセンサが設けられる。なお、変形例においてステッピングモータ３１の代わりに通常の回転モータを用いる場合、回転角度を検出するセンサを設けなくても焦点を調整することができる。

また、本実施形態の焦点調整装置では、偏心カム３３を反時計方向に１回転させて変化情報を生成する構成について説明したが、偏心カム３３を反時計方向に１回転より多く回転させて変化情報を生成する構成であってもよい。しかしながら、偏心カム３３を反時計方向に１回転より多く回転させた場合、変化情報の生成時間が長くなるため、偏心カム３３を反時計方向に１回転させて変化情報を生成する構成が好ましい。

本発明の焦点調整装置は、たとえば、顕微鏡などの焦点調整に好適に適用される。

１…焦点調整装置
２…光学機構
３…調整機構
４…支持機構
５…制御装置
６…顕微鏡
１１…算出部
１３、１５…制御部
１４…パルス電流源
２１…筐体
２１ａ…上側面
２１ｂ…下側面
２１ｃ…対向面
２１ｄ…開口部
２２…撮像装置
２３…対物レンズ
２３ａ…光軸
２４…ボールベアリング
２５…摺動部材
２６…プレート
２７…支持軸
３１…ステッピングモータ
３１ａ…駆動軸
３１ｂ…モータ本体
３２…ピニオンギア
３３…偏心カム
３３ａ…貫通孔
３４…ドライブギア
３５…カム軸
３６…軸受
４１…支持プレート
４１ａ…第１面
４１ｂ…第２面
４１ｃ…溝部
４２…試料台
４３…レール
４４…試料

Claims (9)

1. 被写体からの光を集光する集光部材と、
   前記集光部材によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する撮像部と、
   回転することによって前記集光部材を前記集光部材の光軸に沿って往復運動させるカム部材と、
   前記カム部材を回転駆動する駆動部と、
   前記画像に基づき、前記被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出する算出部と、
   前記カム部材を所定の回転方向に回転させながら、前記カム部材の回転に対する前記評価値の変化を示す変化情報を生成する変化情報生成部と、
   前記駆動部を駆動して前記カム部材を前記回転方向に回転させながら、前記変化情報に基づき焦点を調整する焦点調整部と、を備える、
   焦点調整装置。
2. 前記カム部材に固定される第１の歯車と、
   前記第１の歯車とかみ合い、前記駆動部に固定される第２の歯車と、をさらに備え、
   前記第１の歯車が１回転する際に、前記第２の歯車が正の整数回回転する、
   請求項１に記載の焦点調整装置。
3. 前記カム部材の外形が、略円形である、
   請求項１または請求項２に記載の焦点調整装置。
4. 前記算出部は、前記画像における表示のコントラストを前記評価値として算出する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
5. 前記駆動部は、ステッピングモータである、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
6. 前記変化情報生成部は、前記カム部材を前記回転方向に少なくとも１回転させて前記変化情報を生成する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
7. 前記焦点調整部は、前記変化情報に基づき、前記焦点調整装置が合焦する前記カム部材の角度である合焦角度を決定し、前記カム部材を前記回転方向に回転させ、前記合焦角度で前記カム部材の回転を停止する、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
8. 前記焦点調整部は、前記変化情報に基づき、前記焦点調整装置が合焦する前記評価値である合焦評価値を決定し、前記カム部材を前記回転方向に回転させながら前記算出部が算出する前記評価値を監視し、前記評価値と前記合焦評価値とが一致する位置で、前記カム部材の回転を停止する、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
9. 被写体からの光を集光する集光部材と、前記集光部材によって集光された光を受光して撮像し、画像を生成する撮像部と、回転することによって前記集光部材を前記集光部材の光軸に沿って往復運動させるカム部材と、前記カム部材を回転駆動する駆動部と、を備える焦点調整装置における焦点調整方法であって、
   前記画像に基づき、前記被写体の焦点の合い度合いを示す評価値を算出するステップと、
   前記カム部材を所定の回転方向に回転させながら、前記カム部材の回転に対する前記評価値の変化を示す変化情報を生成するステップと、
   前記カム部材を前記回転方向に回転させながら、前記変化情報に基づき焦点を調整するステップと、を有する、
   焦点調整方法。

Images