JP3290606B2

JP3290606B2 - 顕微鏡用オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP3290606B2
Application number: JP3447197A
Authority: JP
Inventors: 秀幸近藤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2002-06-10
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: JPH10232342A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡観察を行う
際に対物レンズの焦点を自動的に合わせるための顕微鏡
用オートフォーカス装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生物顕微鏡写真の撮影を行なうためのシ
ステムとしては、光学顕微鏡に取り付けた写真撮影装置
のフォーカス動作を自動化するために、ＣＣＤカメラに
よるオートフォーカス装置を備えたものが知られ、この
オートフォーカス装置を用いれば、目視によるフォーカ
ス動作よりも精度が良く、ボケの無い写真撮影を行なう
ことができる。すなわち、光学顕微鏡で病理標本等を撮
影する場合等には、標本の全体像を把握するための低倍
率（弱拡大）写真と、病変部を精査するための高倍率
（強拡大）写真を撮ることが多いが、低倍率写真の撮影
においては、フォーカシングが難しく、目視で観察した
ときにははっきり見えても、写真に撮影したものはボケ
でいることが多いからである。低倍率対物レンズ使用時
のフォーカシングが難しいのは、写真撮影装置の光学系
の焦点深度が目視での焦点深度よりも浅いことが原因で
ある。

【０００３】この点に鑑みて、本願人は、先に実願平５
−２５４７８号明細書において、顕微鏡における対物レ
ンズの倍率が１乃至４倍程度の低倍率の場合にも、写真
撮影装置のオートフォーカスを簡単に行なうためのオー
トフォーカス装置を備えた顕微鏡写真装置を提案してい
る。このオートフォーカス装置はコントラスト検出型の
ものである。図７を参照してその動作の概要を説明す
る。オートフォーカス装置２００では、光学顕微鏡およ
び写真撮影装置のレンズ光学系２０１を介して形成され
る被写体２０２の像を、ＣＣＤカメラ等の撮像素子２０
３を介して取込み可能となっている。光学顕微鏡のステ
ージを移動させながら、一定のタイミングで映像信号を
取込み、その高周波成分の検出を行い、映像信号のコン
ラストを算出する。ステージは、レンズ光学系２０１を
その遠点側と近点側の間で走査する。この走査により曲
線Ｃで示すようなコントラストカーブが得られる。最も
コントラストの高い値Ｐが得られた位置がフォーカスポ
イントであると判断する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなコ
ントラスト検出型のオートフォーカス装置２００を備え
たシステムは、レンズ光学系２０１を走査しなければ焦
点位置が検出できないため、図８に示すように連続的に
移動しているワークに対する焦点合わせには不向きであ
る。また、レンズ光学系２０１を通して撮像した画像信
号を用いるため、その性能はレンズ光学系２０１の特性
に大きく左右される。しかも、図９に実線ＬＮ１で示す
ように、ワークのコントラストが不十分の場合には正確
なオートフォーカス動作が期待できない。また、図９に
実線ＬＮ２、ＬＮ３で示すように、照度が明るすぎる場
合や暗すぎる場合には正確なオートフォーカス動作が期
待できない。さらに、図９に実線ＬＮ４で示すように、
焦点深度が深い場合には走査した結果のコントラストの
ピークが急峻でなく、その精度が低い。さらにまた金属
表面などといった光沢面では、図１０に示すように、レ
ンズ光学系２０１の歪みによる擬解像Ｑによって誤動作
することもある。

【０００５】本発明の課題は、このような点に鑑みて、
連続的に移動しているワークや光沢面などの各種の検体
をレンズ光学系の特性に大きく左右されることなく、し
かも焦点深度が深い場合でも、高い精度でオートフォー
カス動作を行うことができる顕微鏡用オートフォーカス
装置を実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る顕微鏡用オートフォーカス装置では、
顕微鏡の検体観察用対物レンズの光軸と平行な光軸方向
に移動可能な合焦用対物レンズと、該合焦用対物レンズ
を介してレーザ光を検体の合焦基準領域に照射するレー
ザ光源部と、前記合焦基準領域からの戻り光を検出する
受光部と、該受光部での検出結果に基づいて前記合焦用
対物レンズの合焦位置誤差を検出する誤差検出部と、該
誤差検出部の検出結果に基づいて前記合焦用対物レンズ
を光軸方向に駆動して該合焦用対物レンズを前記合焦基
準領域に合焦させる合焦用対物レンズ駆動コイルと、該
合焦用対物レンズ駆動コイルおよび前記合焦用対物レン
ズと一体に前記検体観察用対物レンズを光軸方向に駆動
して該検体観察用対物レンズを検体の観察領域に合焦さ
せるためのレンズ駆動機構と、該レンズ駆動機構によっ
て前記検体観察用対物レンズを前記観察領域に合焦させ
る際に前記合焦用対物レンズを前記合焦基準領域に合焦
させるための前記合焦用対物レンズ駆動コイルへの印加
電圧が、予め設定してある基準電圧と一致するように前
記レンズ駆動機構による前記検体観察用対物レンズの駆
動を制御する駆動制御手段とを有することを特徴とす
る。

【０００７】本発明に係る顕微鏡用オートフォーカス装
置では、受光部での検体からの戻り光に基づいて合焦用
対物レンズを検体の合焦基準領域に合焦させるときの合
焦用対物レンズ駆動コイルへの印加電圧が、予め設定し
てある基準電圧となるようにサーボ制御することによ
り、検体観察用対物レンズを検体の観察領域に合焦させ
る。従って、受光部での結像形状などで検体観察用対物
レンズの焦点位置を探っていくことになるので、検体の
コントラストが不十分な場合、照度が明るすぎる場合や
暗すぎる場合、焦点深度が深い場合、さらには金属表面
などといった光沢面に対しても、光学系の歪みの影響な
どを受けることなく、検体観察用対物レンズを検体に高
い精度で合焦させることができる。また、コントラスト
検出型のオートフォーカス装置と違って、時間をかけて
光学系を光軸方向に走査しなくてもよいため、タイミン
グさえ合わせれば、連続的に移動しているワークに対す
るフォーカシングも可能である。

【０００８】本発明において、前記基準電圧は、前記観
察領域と前記合焦基準領域とが光軸方向において異なる
位置にあるときの値として設定されている場合、または
前記観察領域と前記合焦基準領域とが光軸方向において
一致する位置にあるときの値として設定されている場合
のいずれでもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態を説明する。

【００１０】（全体構成）図１は、本発明に係る顕微鏡
用オートフォーカス装置の全体構成を示すブロック図で
ある。

【００１１】この図に示す顕微鏡用オートフォーカス装
置１は、光軸Ｌ１を備える検体観察用対物レンズ１１を
有する顕微鏡１０と、検体観察用対物レンズ１１の近く
で光軸Ｌ１と平行な光軸Ｌ２を備える合焦用対物レンズ
２１を有する合焦装置２０と、顕微鏡１０と合焦装置２
０とを一体に搭載したフレーム３０と、このフレーム３
０を介して検体観察用対物レンズ１１を合焦用対物レン
ズ２１などと一体に光軸Ｌ１、Ｌ２の方向に沿って上下
に移動させるレンズ駆動装置４０とから構成されてい
る。レンズ駆動装置４０には、フレーム３０を上下に駆
動するステッピングモータ５０（対物レンズ駆動機構）
と、このステッピングモータ５０によって検体観察用対
物レンズ２１を検体に合焦させる際の制御を行う駆動制
御部６０とが構成されている。

【００１２】顕微鏡１０は、フレーム３０上に搭載され
ている点を除けば従来からあるものと同一であり、検体
を載せるステージ１２に検体観察用対物レンズ１１が対
峙している。

【００１３】（合焦装置の構成）合焦装置２０は、基本
的にはコンパクトディスクの再生などを行うための光ピ
ックアップのフォーカシング機構と同様、磁気駆動式の
ものであり、合焦用対物レンズ２１と、この合焦用対物
レンズ２１を介してレーザ光を検体に照射するレーザ光
源部２２と、検体からの戻り光を検出する受光部２３
と、この受光部２３での検出結果に基づいて合焦用対物
レンズ２１の合焦位置誤差を検出する誤差検出部２４
と、この誤差検出部２４の検出結果に基づいて合焦用対
物レンズ２１を光軸Ｌ２の方向に駆動して合焦用対物レ
ンズ２１を検体に合焦させる合焦用対物レンズ駆動コイ
ル２５とが構成されている。誤差検出部２４は、その検
出結果に基づいて合焦用対物レンズ駆動コイル２５に所
定の電圧を印加する合焦制御部２６の一部として構成さ
れている。この合焦制御部２６からレンズ駆動装置４０
の駆動制御部６０には、検体の観察を行う前に予め設定
されるべき基準電圧Ｖ０と、検体を観察するときに合焦
用対物レンズ駆動コイル２５を合焦させるために印加さ
れている電圧Ｖとが入力されるようになっており、この
入力結果に基づいて、駆動制御部６０は、ステッピング
モータ５０による検体観察用対物レンズ２１の光軸Ｌ１
方向の駆動を制御する。

【００１４】（制御系の構成）このように構成される顕
微鏡用オートフォーカス装置１における制御系の構成
は、図２に示す回路ブロック図として表すことができ
る。すなわち、レンズ駆動装置４０の駆動制御部６０に
は、電源部としてのスイッチングレギュレータ６０１、
ステッピングモータへのドライバー６０２、およびステ
ッピングモータ駆動回路６０３が構成されている他、本
形態では、合焦装置２０の合焦制御部２６からの出力
（合焦用対物レンズ駆動コイル２５に印加されている電
圧Ｖ）は、後述する基準電圧Ｖ０（初期位置電圧）とと
もにサーボ回路６０４に入力されるように構成されてい
る。

【００１５】（受光部の構成）図１からわかるように、
合焦装置２０では、光ピックアップと同様、レーザ光源
部２２から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッ
タ（図示せず。）や合焦用対物レンズ２１を介してステ
ージ１２上の検体に照射され、そこからの戻り光は、再
び合焦用対物レンズ２１を通って受光部２３に届く。こ
こで、受光部２３は、非点収差法を利用したフォーカシ
ング機構と同様、４つの受光素子を有する。すなわち、
受光部２３には、図３（Ａ）に示すように、４つのホト
ダイオード２３Ａ乃至２３Ｄを備える光検出器２３０が
用いられ、図３（Ａ）にはそこに形成される戻り光のス
ポット径の変化例を示してある。フォーカシングエラー
の無い状態、すなわち合焦位置では、光検出器２３０に
は真円形状の光スポットＰｂが形成され、各ホトダイオ
ード２３Ａ乃至２３Ｄからの出力Ａ乃至Ｄは等しくな
る。これに対して、合焦位置に対して検体が遠点側にあ
る場合（メリジオナル合焦位置）では、横軸の方向が長
軸となった楕円状の光スポットＰａが光検出器２３０に
形成される。この場合には、ホトダイオード２３Ａ、２
３Ｃからの出力Ａ、Ｃに比べて、ホトダイオード２３
Ｂ、２３Ｄの出力Ｂ、Ｄが高い。これとは逆に、合焦位
置に対して検体が近点側にある場合（サジタル合焦位
置）では、縦軸方向が長軸となった楕円状の光スポット
Ｐｃが光検出器２３０に形成される。この場合には、ホ
トダイオード２３Ｂ、２３Ｄの出力Ｂ、Ｄに比べて、ホ
トダイオード２３Ａ、２３Ｃの出力Ａ、Ｃが大きい。従
って、このような各ホトダイオード２３Ａ乃至２３Ｄの
受光量に変化に基づいて合焦用対物レンズ２１の合焦位
置誤差信号［（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）］が求められ、こ
の値は、図３（Ｂ）のように変化するので、そのゼロク
ロス点が合焦位置に相当する。

【００１６】（観察対象／検体）このように構成した顕
微鏡用オートフォーカス装置１では、図４（Ａ）に示す
ように、顕微鏡の検体観察用対物レンズ１１と合焦装置
２０の合焦用対物レンズ２１とは、それぞれ同じ検体Ｒ
の異なる領域Ｒ１、Ｒ２にそれぞれ合焦する。本願明細
書では、前記２つの領域Ｒ１、Ｒ２のうち、検体観察用
対物レンズ１１が合焦する領域を観察領域Ｒ１といい、
合焦用対物レンズ２１が合焦する領域を合焦基準領域Ｒ
２という。すなわち、観察領域Ｒ１とは顕微鏡１０を介
して実際に観察を行う領域であり、合焦基準領域Ｒ２と
は、後述するように、あくまで検体観察用対物レンズ１
１を観察領域Ｒ１に合焦させる際のレンズ位置を設定す
るための参照領域である。従って、観察領域Ｒ１と合焦
基準領域Ｒ２とは光軸Ｌ１、Ｌ２の方向において同一の
高さ位置にある場合、光軸Ｌ１、Ｌ２の方向において異
なる高さ位置にある場合のいずれであってもよいが、本
形態の顕微鏡用オートフォーカス装置１の適用は、図４
（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、いずれの検体Ｒ
においても観察領域Ｒ１と合焦基準領域Ｒ２とは光軸Ｌ
１、Ｌ２の方向における相対位置が一致することが前提
である。

【００１７】（動作）このように構成した顕微鏡用オー
トフォーカス装置１で行われる動作を図１、図４を参照
して説明する。この装置では、まず、これから観察され
る検体Ｒに対する基準電圧Ｖ０が設定される。基準電圧
Ｖ０の設定にあたっては、サンプル検体Ｒをステージ１
２上に設置した後、外部から直接、あるいは駆動制御部
６０を介してステッピングモータ５０に駆動信号を入力
し、フレーム３０ごと検体観察用対物レンズ１１を上下
に移動させて、図４（Ｂ）に示すように、目視でサンプ
ル検体Ｒ上の観察領域Ｒ１に対して検体観察用対物レン
ズ１１を合焦させる。この状態のまま、合焦装置２０の
側では、レーザ光源部２２から合焦用対物レンズ２１を
通してサンプル検体Ｒの合焦基準領域Ｒ２２に対してレ
ーザ光を照射する。このときの戻り光は、合焦用対物レ
ンズ２１を通って受光部２３に届くが、図３を参照して
説明したように、このときの結像形状によって受光部２
３からの出力が相違する。従って、この出力に基づい
て、合焦用対物レンズ駆動コイル２５に電圧Ｖを印加す
れば、合焦対物レンズ２１をサンプル検体Ｒの合焦基準
領域Ｒ１に合焦させることができる。このとき、合焦用
対物レンズ駆動コイル２５に印加されている電圧Ｖは、
それ以降、同じタイプの検体Ｒを観察するときに基準電
圧Ｖ０として駆動制御部６０に入力される。なお、フレ
ーム３０上における合焦装置２０の高さ位置は、合焦用
対物レンズ駆動コイル２５の高さ寸法の略中央位置に合
焦用対物レンズ２１が位置したときに、合焦用対物レン
ズ２１がサンプル検体Ｒの合焦基準領域Ｒ２に合焦する
ように調整し、その焦点位置の可動範囲を広くしてお
く。

【００１８】以下、新たな検体Ｒを顕微鏡観察を行う場
合の動作を説明する。まず、今回の検体とサンプル検体
Ｒとの間で、観察領域Ｒ１と合焦用基準領域Ｒ２との高
さ位置が同じで、かつ、その厚さ寸法も同じであれば、
図４（Ｂ）に示すように、この検体Ｒをステージ１２上
に置いただけで、観察領域Ｒ１に対して検体観察用対物
レンズ１１は合焦した状態にある。

【００１９】これに対して、図４（Ｃ）に示すように、
今回の検体Ｒがサンプル検体との間で観察領域Ｒ１と合
焦用基準領域Ｒ２との相対位置は同じであるが、今回の
検体Ｒの厚さ寸法がサンプル検体よりも薄いとする。こ
の場合には、検体Ｒをステージ１２上に置いただけで
は、合焦基準領域Ｒ２は合焦用対物レンズ２１に対して
遠点にあり、観察領域Ｒ１は検体観察用対物レンズ１１
に対して遠点にある。但し、合焦装置２０の側では、受
光部２３での検出結果に基づいて所定の電圧Ｖが合焦用
対物レンズ駆動コイル２５に印加され、合焦用対物レン
ズ２１は、図４（Ｃ）に点線で示すように、合焦基準領
域Ｒ２に合焦するまで移動する。このままでは、検体観
察用対物レンズ１１は観察領域Ｒ１が遠点のままである
が、本形態では、レンズ駆動装置４０において、合焦用
対物レンズ駆動コイル２５に印加されている電圧Ｖの極
性（±）に基づいて、駆動制御部６０がステッピングモ
ータ５０に対して駆動信号を出力し、検体観察用対物レ
ンズ２１を検体Ｒに近づける方向に移動させる。この際
には、合焦用対物レンズ２１も検体Ｒに近づく方向に移
動するので、合焦用対物駆動コイル２５への印加電圧Ｖ
が変化する。そこで、駆動制御部６０は、先に設定した
基準電圧Ｖ０と、現在の合焦用対物駆動コイル２５への
印加電圧Ｖとを比較した結果をフィードバックしながら
ステッピングモータ５０を駆動し、それらが一致した時
点でステッピングモータ５０の駆動を停止する。このよ
うなサーボ制御の結果、検体観察用対物レンズ１１は観
察領域Ｒ１に合焦することになる。

【００２０】これとは逆に、図４（Ｄ）に示すように、
今回の検体Ｒがサンプル検体との間で観察領域Ｒ１と合
焦用基準領域Ｒ２との相対位置は同じであるが、今回の
検体Ｒの厚さ寸法がサンプル検体よりも厚いとする。こ
の場合には、検体Ｒをステージ１２上に置いただけで
は、合焦基準領域Ｒ２は合焦用対物レンズ２１に対して
近点にあり、観察領域Ｒ１は検体観察用対物レンズ１１
に対して近点にある。但し、合焦装置２０の側では、受
光部２３での検出結果に基づいて所定の電圧Ｖが合焦用
対物レンズ駆動コイル２５に印加され、合焦用対物レン
ズ２１は、図４（Ｄ）に点線で示すように、合焦基準領
域Ｒ２に合焦するまで移動する。このままでは、検体観
察用対物レンズ１１は観察領域Ｒ１が近点のままである
が、本形態では、レンズ駆動装置４０において、合焦用
対物レンズ駆動コイル２５に印加されている電圧Ｖの極
性（±）に基づいて、駆動制御部６０がステッピングモ
ータ５０に対して駆動信号を出力し、検体観察用対物レ
ンズ２１を検体Ｒから遠ざかる方向に移動させる。この
際には、合焦用対物レンズ２１も検体Ｒから遠ざかる方
向に移動するので、合焦用対物駆動コイル２５への印加
電圧Ｖが変化する。そこで、駆動制御部６０は、先に設
定した基準電圧Ｖ０と、現在の合焦用対物駆動コイル２
５への印加電圧Ｖとを比較した結果をフィードバックし
ながらステッピングモータ５０を駆動し、それらが一致
した時点でステッピングモータ５０の駆動を停止する。
このようなサーボ制御の結果、検体観察用対物レンズ１
１は観察領域Ｒ１に合焦する。

【００２１】（本形態の効果）このように、本形態で
は、検体Ｒにおいて観察領域Ｒ１と合焦基準領域Ｒ２と
があくまで光軸Ｌ１、Ｌ２の方向における相対位置が同
じであることを利用して、検体観察用対物レンズ１１を
観察領域Ｒ１に合焦させるのに必要なレンズ位置を、合
焦基準領域Ｒ２に合焦用対物レンズ２１を合焦させるの
に必要な合焦用対物レンズ駆動コイル２５への印加電圧
Ｖと基準電圧Ｖ０との比較結果より求める。すなわち、
合焦用対物レンズ２１を検体Ｒの合焦基準領域Ｒ２に合
焦させるときに合焦用対物レンズ駆動コイル２５に印加
されている電圧Ｖが基準電圧Ｖ０と等しくなるように、
検体観察用対物レンズ１１を光軸Ｌ１の方向にサーボ駆
動してその合焦動作を行う。従って、受光部２３での結
像形状などで検体観察用対物レンズ１１の焦点位置を探
っていくことになるので、検体Ｒのコントラストが不十
分な場合、照度が明るすぎる場合や暗すぎる場合、焦点
深度が深い場合、さらには金属表面などといった光沢面
に対しても、検体観察用対物レンズ１１を高い精度で合
焦させることができる。それ故、ビッカース硬度計にお
いて、金属表面に正確に焦点を合わせるのが容易であ
る。また、低倍率の生物顕微鏡でプレパラート上の病理
標本を観察する際に、プレパラートを合焦基準領域Ｒ２
として病理標本に正確に焦点を合わせるのも容易であ
る。

【００２２】また、コントラスト検出型のオートフォー
カス装置と違い、時間をかけて光学系を光軸方向に走査
しなくてもよいため、タイミングさえ合わせれば、連続
的に移動しているワークに対するフォーカシングも可能
である。

【００２３】さらに、合焦装置２０として光ピックアッ
プ程度の小型のものを追加するだけでよいので、合焦装
置２０を顕微鏡１０に組み込むのも容易である。

【００２４】（レンズ駆動装置の構成例）本形態の顕微
鏡用オートフォーカス装置におけるレンズ駆動装置の構
成例を説明する。駆動制御部６０や合焦制御部２６は、
ＲＯＭなどに格納されているプログラムに基づいて動作
するマイクロコンピュータの機能として実現することも
できる他、図５に示すように、各種の制御回路（電子回
路）を利用してハード的に構成することもできる。

【００２５】図５において、受光部２３の各ホトダーオ
ード２３Ａ乃至２３Ｄからの受光量に対応する出力Ａ乃
至Ｄは、それぞれ信号Ｖref にのって差動アンプ１０１
に入力され、この差動アンプで取り出された出力Ａ乃至
Ｄに基づいて、オペアンプ１０２、１０３は、合焦位置
誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］および加算値（Ａ
＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を求める。

【００２６】ここで、合焦位置誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−
（Ｃ＋Ｄ）］は、図６（Ａ）に示すように、Ｓ字形状の
カーブＨを描く。このカーブＨのゼロクロス点Ｚに相当
する位置が合焦用対物レンズ２１の合焦位置である。そ
こで、合焦装置２０の側では、領域Ｔに相当する範囲に
おいて駆動制御部６０は前記のサーボ制御を行う。

【００２７】このようなサーボ制御を行うために、図５
に示すオペアンプ１０２、１０３で求められた演算結果
のうち、合焦位置誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］
は、バッファ１０４および微分回路１０５を介して各ア
ンプ１０６、１０７において位相補償、ゲイン、レベル
の調整が施される。しかる後、オペアンプ１０７の出力
およびオペアンプ１０８の反転出力は、切替スイッチ１
０９よびアナログスイッチ１１０を介して駆動アンプ１
１１に入力され、ここから出力されたコイル駆動信号が
対物レンズ駆動コイル２５に印加されることにより、合
焦用対物レンズ２１の合焦動作が行われる。ここで、対
物レンズ駆動コイル２５に印加される電圧Ｖは、合焦用
対物レンズ２１を検体Ｒに接近させる駆動電圧−Ｆ、ま
たは検体Ｒから離間させる駆動電圧＋Ｆである。

【００２８】これに対して、オペアンプ１０３で求めら
れた加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）は、切替スイッチ１２１
を介して比較電位とともにコンパレータ１２２に入力さ
れ、このコンパレータ出力１２０はフリップ−フロップ
１４１に入力される。また、オペアンプ１０２で求めら
れた合焦位置誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］も、
オペアンプ１３１を介して、比較電位とともにコンパレ
ータ１３２に入力され、このコンパレータ出力１３０は
フリップ−フロップ１４１に入力され、前記のゼロクロ
ス点Ｚの検出および合焦用対物レンズ２１の合焦のため
の駆動とのタイミングが図られる。

【００２９】すなわち、図６（Ａ）に示すカーブＨに沿
って、加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）および合焦位置誤差信
号［（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］は、それぞれ図６
（Ｂ）、（Ｃ）に示すように変化する。図６（Ｂ）、
（Ｃ）には、加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）および合焦位置
誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］の変化、およびこ
れらの信号のコンパレート出力１２０、１３０、および
フロップ−フロップ１４１の出力をそれぞれ示してあ
る。まず、加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）のレベルが上昇し
てコンパレート出力１２０が２値化信号の「Ｈ」から
「Ｌ」に立ち下がるまでは（領域ａ）、フロップ−フロ
ップ１４１をリセットする。これにより、図５に示すよ
うに、鋸歯状波１４２を発生させ、この鋸歯状波１４２
をオペアンプ１４３、１４４でゲイン調整、レベル調整
する。また、ＮＯＴ回路１４５を介してアナログスイッ
チ１４６をオンにして、合焦用対物レンズ駆動コイル２
５を駆動し、合焦位置検出の動作に入る。

【００３０】以降、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、
加算値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）のコンパレート出力１２０が
「Ｌ」に立ち下がった以降、合焦位置誤差信号［（Ａ＋
Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］のコンパレート出力が「Ｌ」に立ち
下がるまでの間に（領域ｂ）、合焦位置誤差信号［（Ａ
＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）］がゼロクロス点Ｚを通過するの
で、合焦用対物レンズ２１の合焦位置が求まる。

【００３１】そして、合焦位置誤差信号［（Ａ＋Ｂ）−
（Ｃ＋Ｄ）］のコンパレート出力１３０が「Ｌ」に立ち
下がってフリップ−フロップ１４１をトリガーし、その
出力１４０が「Ｈ」に立ち上がると（領域ｃ）、前記の
アナログスイッチ１４６が切替り、合焦用対物レンズ２
１の合焦位置へのサーボ駆動が行われる。

【００３２】このような合焦用対物レンズ２１の合焦動
作が行われる際に、合焦用対物レンズ駆動コイル２５に
印加される電圧Ｖ（−Ｆ、＋Ｆ）は、駆動制御部６０
（図２に示すサーボ回路６０４）の差動アンプ１６１に
入力され、基準電圧Ｖ０と比較される。この比較結果に
基づいて、電圧−周波数変換回路１６２において駆動電
圧Ｖ（＋Ｆ、−Ｆ）が周波数変換され、ステッピングモ
ータ５０の駆動パルス１６３がステッピングモータ駆動
回路６０３（図２参照。）に出力されてステッピングモ
ータ５０が駆動される。このようなサーボ制御の結果、
合焦用対物レンズ駆動コイル２５に印加されている電圧
Ｖと基準電圧Ｖ０と等しくなるように検体観察用対物レ
ンズ１１の位置が設定され、このレンズ位置で、検体観
察用対物レンズ１１は観察領域Ｒ２に対して合焦状態と
なる。

【００３３】なお、図５に示す駆動アンプ１１１により
合焦用対物レンズ駆動コイル２５を駆動する際に、アン
プ１１１で駆動信号に１８０°の位相ずれが発生する
と、発振を起こし、サーボ制御が不安定になる。そこ
で、図６（Ｄ）に示すように、微分回路１７０により位
相を９０°進め、かつ、位相の微補正を行うことによっ
てサーボ制御の安定化を図ってある。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る顕微
鏡用オートフォーカス装置では、受光部での検体からの
戻り光に基づいて合焦用対物レンズを検体の合焦基準領
域に合焦させるための合焦用対物レンズ駆動コイルへの
印加電圧が、予め設定してある基準電圧となるようにサ
ーボ制御することにより、検体観察用対物レンズを検体
の観察領域に合焦させる。従って、本発明によれば、受
光部での結像形状などで焦点位置を探っていくので、検
体のコントラストが不十分な場合、照度が明るすぎる場
合や暗すぎる場合、焦点深度が深い場合、さらには金属
表面などといった光沢面に対しても、光学系の歪みの影
響などを受けることなく、検体観察用対物レンズを検体
の観察領域に高い精度で合焦させることができる。ま
た、コントラスト検出型のオートフォーカス装置と違っ
て、時間をかけて光学系を光軸方向に走査しなくてもよ
いため、タイミングさえ合わせれば、連続的に移動して
いるワークに対する焦点合わせも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した顕微鏡オートフォーカス装置
の概略構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示すオートフォーカス装置の制御系の構
成を示すブロック図である。

【図３】（Ａ）は、図１に示すオートフォーカス装置の
受光部に用いた光検出器への結像形状の変化を示す説明
図、（Ｂ）は、この光検出器の出力から求めた合焦位置
誤差信号の説明図である。

【図４】（Ａ）乃至（Ｄ）は、図１に示すオートフォー
カス装置の動作原理を示す説明図である。

【図５】図１に示すオートフォーカス装置の合焦制御部
および駆動制御部の構成例である。

【図６】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ図５に示す合焦制
御部および駆動制御部の動作を示す説明図であり、
（Ｄ）は図５に示す合焦制御部および駆動制御部で用い
られるサーボアンプの回路図である。

【図７】従来のオートフォーカス装置における第１の問
題点を示す説明図である。

【図８】従来のオートフォーカス装置における第２の問
題点を示す説明図である。

【図９】従来のオートフォーカス装置における第３の問
題点を示す説明図である。

【図１０】従来のオートフォーカス装置における第４の
問題点を示す説明図である。

【符号の説明】

１顕微鏡用オートフォーカス装置１１検体観察用対物レンズ１０顕微鏡１２ステージ２０合焦装置２１合焦用対物レンズ２２レーザ光源部２３受光部２３Ａ乃至２３Ｄホトダイオード２４誤差検出部２５合焦用対物レンズ駆動コイル２６合焦制御部３０フレーム４０レンズ駆動装置５０ステッピングモータ（対物レンズ駆動機構）６０駆動制御部２３０光検出器Ａ乃至Ｄホトダイオードの出力Ｌ１検体観察用対物レンズの光軸Ｌ２合焦用対物レンズの光軸Ｐａメリジオナル合焦位置での光スポットＰｂ合焦状態の光スポットＰｃサジタル合焦位置での光スポットＲ検体Ｒ１検体の観察領域Ｒ２合焦基準領域Ｖ合焦用対物レンズ駆動コイルへの印加電圧Ｖ０基準電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 7/28 - G03B 7/34 G02B 21/00 G03B 13/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】顕微鏡の検体観察用対物レンズの光軸と
平行な光軸方向に移動可能な合焦用対物レンズと、該合
焦用対物レンズを介してレーザ光を検体の合焦基準領域
に照射するレーザ光源部と、前記合焦基準領域からの戻
り光を検出する受光部と、該受光部での検出結果に基づ
いて前記合焦用対物レンズの合焦位置誤差を検出する誤
差検出部と、該誤差検出部の検出結果に基づいて前記合
焦用対物レンズを光軸方向に駆動して該合焦用対物レン
ズを前記合焦基準領域に合焦させる合焦用対物レンズ駆
動コイルと、該合焦用対物レンズ駆動コイルおよび前記
合焦用対物レンズと一体に前記検体観察用対物レンズを
光軸方向に駆動して該検体観察用対物レンズを検体の観
察領域に合焦させるためのレンズ駆動機構と、該レンズ
駆動機構によって前記検体観察用対物レンズを前記観察
領域に合焦させる際に前記合焦用対物レンズを前記合焦
基準領域に合焦させるための前記合焦用対物レンズ駆動
コイルへの印加電圧が、予め設定してある基準電圧と一
致するように前記レンズ駆動機構による前記検体観察用
対物レンズの駆動を制御する駆動制御手段とを有するこ
とを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項２】請求項１において、前記基準電圧は、前
記観察領域と前記合焦基準領域とが光軸方向において異
なる位置にあるときの値として設定されていることを特
徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項３】請求項１において、前記基準電圧は、前
記観察領域と前記合焦基準領域とが光軸方向において一
致する位置にあるときの値として設定されていることを
特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。