JP3316985B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料に光を照射し、透
過した光によって試料の拡大像を得る顕微鏡や、試料の
微小部分に赤外光を集光させ、透過赤外光のスペクトル
を測定することにより試料の分析を行なう赤外顕微鏡の
ように、透過モードで動作する顕微鏡に関するものであ
り、更に詳しくは、このような顕微鏡におけるオートフ
ォーカス機能（自動的に焦点を合わせる機能）に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】顕微鏡はカメラ等に比べて焦点深度が極
めて浅く、手動による焦点合わせが容易ではないため、
顕微鏡においてオートフォーカス機能は有効である。そ
こで、本願出願人は、オートフォーカス機能を実現した
赤外顕微鏡を提案し、特許出願を行なっている（特願平
４−２８６９６９号）。このオートフォーカス機能は、
試料の像に対応する画像データから所定のコントラスト
関数の値（像のコントラストの大きさを表わす値）を計
算し、この値が最大となるように試料ステージや光学系
を移動させることにより実現されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の赤外顕微鏡で
は、合焦動作の際には他の顕微鏡と同様に可視光を用い
て試料の像を撮像素子で撮影するため、上記の方法は、
赤外顕微鏡以外の顕微鏡にも適用可能である。しかし、
顕微鏡を透過モードで使用する場合には、次のような問
題がある。すなわち透過モードでは、紙等に形成した矩
形の穴に薄くかつ微小な試料を架け渡すようにして置い
た状態で光を照射し、透過した光を撮像素子が受光して
画像信号を得る。合焦動作において必要なコントラスト
関数の値は、この画像信号を用いて計算される。しか
し、試料が置かれる紙等によって光の一部が遮断されて
明暗が生じ、この明暗も画像信号に反映してコントラス
ト関数の値に影響を与える。したがって、図５（ａ）に
示すようにコントラスト関数において、試料の像として
の明暗によるピークＰbの他に、この紙などによる明暗
に基づくピークＰaが現われる。そして、このようなピ
ークＰaがピークＰbよりも大きいと、ピークＰaが合焦
状態に対応するピークであると誤認される。この結果、
オートフォーカス機能による合焦動作において合焦状態
に到達できない場合が生じる。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、透過モ
ードで使用する場合であっても確実に合焦状態とするこ
とができるオートフォーカス機能を有する顕微鏡を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る顕微鏡では、a)対物光学系及び
撮像素子を含む光学系であって、試料に光を照射し、透
過光で該試料の像を対物光学系によって撮像素子上に形
成する透過光学系と、 b)前記対物光学系及び前記撮像素子を透過光学系と共有
する光学系であって、試料に光を照射し、反射光で該試
料の像を前記対物光学系によって前記撮像素子上に形成
する反射光学系と、 c)前記撮像素子が出力する画像信号による画像のコント
ラストを示す値に基づいて合焦か否かを判定しつつ、前
記試料が載置されたステージを光軸方向に移動させるこ
とにより合焦状態とする合焦手段と、 d)前記透過光学系を使用する透過モードと前記反射光学
系を使用する反射モードとを切り換える切換手段と、 e)透過モードでの測定に際し、まず反射モードにおいて
前記合焦手段を動作させて合焦状態とした後、前記切換
手段によって透過モードに切り換え、該透過モードにお
いて再び前記合焦手段を動作させて合焦状態とする制御
手段と、を備えた構成としている。

【０００６】

【作用】本発明の顕微鏡は、透過モードでの測定を行な
う場合に、制御手段による制御の下、以下の合焦動作を
行なう。まず、反射モードにおいて合焦手段が動作す
る。反射モードでは、反射光学系が試料に光を照射し、
試料からの反射光で対物光学系により試料の像を撮像素
子上に形成する。合焦手段は、この状態において撮像素
子から出力される画像信号による画像のコントラストを
示す値に基づき、試料が載置されたステージを光軸方向
に移動させることにより、試料を合焦位置に置く（合焦
状態とする）。具体的な動作としては、例えば、画像信
号から画像のコントラストの大きさを表わす値を算出
し、その値が極大となるようにステージを移動させれば
よい。

【０００７】反射モードにおいて合焦状態となった後
は、切換手段が透過モードに切り換え、再び合焦手段が
動作する。透過モードでは、透過光学系が試料に光を照
射し、試料を透過した光で対物光学系により試料の像を
撮像素子上に形成する。合焦手段は、この状態において
撮像素子から出力される画像信号による画像のコントラ
ストを示す値に基づき、試料が載置されたステージを光
軸方向に移動させる。この動作の開始時点において、ス
テージは反射モードにおける合焦位置に置かれている。
反射モードと透過モードとでは対物光学系を共通にし、
この対物光学系によって撮像素子上に試料の像が形成さ
れるため、反射モードにおける合焦位置は透過モードに
おける合焦位置にほぼ等しい。したがって、この動作で
は、ステージは透過モードにおける合焦位置に極めて近
い位置から移動を開始し、透過モードにおける合焦位置
を含む狭い範囲でその合焦位置を探すことになる。この
ため、前述のように試料以外の部分が光の一部を遮断す
ることによって明暗が生じても、合焦手段は、この明暗
を試料の像による明暗と誤認することなく、ステージを
確実に透過モードにおける合焦位置まで移動させる。

【０００８】以上の合焦動作により、透過モードで使用
する場合にも顕微鏡を確実に合焦状態とすることができ
る。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例である顕微鏡の側面図を図
２に示す。本顕微鏡は、試料を載置するステージ１３の
上方に対物光学系１１を、下方にコンデンサ光学系１２
をそれぞれ備える。対物光学系１１の上方には三眼鏡筒
３０が配置され、試料の拡大像を肉眼で観察できるとと
もに、三眼鏡筒３０の更に上方に設けられたビデオカメ
ラ２９によって試料の拡大像を撮影できるように構成さ
れている。ステージ１３は、ステージ移動機構３４によ
り対物光学系１１とコンデンサ光学系１２との間で光軸
方向（上下方向）に移動することができる。後述の合焦
動作が行なわれると、このステージ１３の移動により試
料が合焦位置に置かれる。

【００１０】本顕微鏡は透過モードと反射モードの双方
で動作することができる。図３（ａ）は透過モードにお
いて使用される光学系の構成を、図３（ｂ）は反射モー
ドにおいて使用される光学系の構成を、それぞれ模式的
に示した図である。これらの図からわかるように、ビデ
オカメラ２９内の撮像素子２１と対物光学系１１の間の
光路中にハーフミラー１７を挿入し、又は光路から外す
ことができるように構成されており、これによって透過
モードと反射モードの間での切り換えが行なわれる。な
お、これらの図では、対物光学系１１及びコンデンサ光
学系１２がレンズで構成されているが、赤外顕微鏡の場
合には、通常、反射鏡によって構成される。また、赤外
顕微鏡では、試料の微小部分に赤外光を集光させ、透過
又は反射赤外光のスペクトルを測定することにより試料
の分析が行なわれる。しかし、本発明が問題とする合焦
動作の際には、他の顕微鏡と同様に可視光を用いて試料
の像を撮像素子２１で撮影する。したがって、以下では
赤外顕微鏡か否かを区別せずに説明する。

【００１１】透過モードでは、図３（ａ）に示すよう
に、対物光学系１１とコンデンサ光学系１２の双方が使
用され、顕微鏡の下部に設けられた透過用光源１６によ
り、可視光がコンデンサ光学系１２の下から上方に向か
って投射される。この光はコンデンサ光学系１２を経て
ステージ１３に載置された試料に照射される。透過モー
ドの場合は薄い試料が載置されているため、照射された
光は試料を透過し、対物光学系１１を経てビデオカメラ
２９内の撮像素子２１に到達する。

【００１２】反射モードでは、図３（ｂ）に示すよう
に、ステージ１３より上部の光学系のみが用いられ、撮
像素子２１と対物光学系１１との間の光路中にハーフミ
ラー１７が挿入される。そして、顕微鏡の上部に設けら
れた反射用光源１８からの可視光が、このハーフミラー
１７によって対物光学系１１の上から下方に向かって投
射される。この光は対物光学系１１を経てステージ１３
に載置された試料に照射される。この照射光のうち試料
で反射された光は、再び対物光学系１１を経てハーフミ
ラー１７を通過し、撮像素子２１に到達する。

【００１３】透過モード、反射モードのいずれの場合に
も、撮像素子２１に到達した光はそこで画像信号に変換
され、この画像信号に同期信号の付加などが行なわれて
ビデオ信号Ｓvとしてビデオカメラ２９から出力され
る。ビデオ信号Ｓvは図４に示す電気回路に入力され、
この電気回路によって合焦動作が制御される。

【００１４】図４は、本顕微鏡内の電気回路を示す図で
ある。この電気回路は、内部バス４１に、Ａ／Ｄコンバ
ータ３６、ＤＭＡコントローラ３７、スタティックＲＡ
Ｍ（ＳＲＡＭ）３８、ＲＯＭ３９、同期信号分離用回路
４０、ＣＰＵ４２、モータドライバ４３、及び、光源Ｏ
Ｎ／ＯＦＦコントローラ４４が接続された構成となって
いる。ビデオカメラ２９から出力されたビデオ信号Ｓv
は、同期信号分離用回路４０に入力されるとともに、ビ
デオアンプ３５を経てＡ／Ｄコンバータ３６に入力され
る。同期信号分離用回路４０は、ビデオ信号Ｓvから水
平同期信号及び垂直同期信号を分離し、これらの同期信
号が到来している間のみ特定のポートを所定レベル（Ｈ
ｉｇｈレベル、Ｌｏｗレベルのいずれか）に保持する。
ＣＰＵ４２は、ＲＯＭ３９に格納されたプログラムに基
づいて以下のように動作する。

【００１５】まずＣＰＵ４２は、上記の特定のポートを
監視することによって水平同期信号及び垂直同期信号の
到来を検知し、この検知に基づいてＤＭＡコントローラ
３７の起動を制御する。ＤＭＡコントローラ３７は、Ｃ
ＰＵ４２によって起動されると、Ａ／Ｄコンバータ３６
にビデオ信号Ｓvの変換を開始させるとともに、変換に
よって得られるビデオ信号のデジタル値を画像データと
してＳＲＡＭ３８へ転送してそこに記憶させる。このよ
うにして１画面分の画像データが取り込まれると、ＣＰ
Ｕ４２は、この画像データからその時点のステージ１３
の位置（以下「ステージ位置」という）におけるコント
ラスト関数の値を計算する。そして、この計算結果に基
づき、モータドライバ４３を介してステージ移動機構３
４内のモータ５６に制御信号を供給し、合焦位置に向か
ってステージ１３を移動させる。

【００１６】ここで、コントラスト関数はステージ位置
Ｚnの関数であり、例えば、ステージ位置Ｚnに対してそ
の位置に対応する１画面分の画像データの最大値と最小
値との差を与える関数をコントラスト関数として用いる
ことができる。このコントラスト関数の値（以下「コン
トラスト値」という）が最大となるステージ位置が通常
は合焦位置であるため、ＣＰＵ４２はこの値が最大とな
るようにステージ１３を移動させる。しかし、透過モー
ドの場合には、既述のように、試料以外の部分が光の一
部を遮断することによって生じる明暗のため、コントラ
スト関数において合焦位置に対応するピーク以外に別の
ピークが現われる。例えば、図５（ａ）に示すように、
合焦位置Ｚfbに対応するピークＰb以外にそれよりも大
きなピークＰaが現われる場合がある。この場合、上記
の合焦動作においてピークＰaを合焦位置に対応するピ
ークと誤認し、ステージ１３が合焦位置Ｚfbに到達でき
なくなる。一方、反射モードの場合には、試料が合焦位
置からずれると撮像素子２１に到達する反射光の量が大
幅に減少して撮影画像は全体的に暗くなるため、図５
（ｂ）に示すように、コントラスト関数には合焦位置に
対応するピークＰcのみが現われる。そこで、本顕微鏡
を透過モードで使用する場合には、反射モードにおいて
合焦状態とした後に透過モードにおいて合焦状態とする
という合焦動作を行なわせている。

【００１７】以下、このような合焦動作の詳細を図１に
示したフローチャート及び前述の電気回路（図４）を参
照しつつ説明する。まず、ステップＳ１０においてＣＰ
Ｕ４２は、モータドライバ４３を介してハーフミラー用
モータ５５を駆動することによりハーフミラー１７を光
路中に挿入するとともに、光源ＯＮ／ＯＦＦコントロー
ラ４４により透過用光源１６を消灯し、反射用光源１８
を点灯する。これによって本顕微鏡は反射モードとなる
（図３（ｂ）参照）。次のステップＳ２０では、ＣＰＵ
４２が前述のようにして計算したコントラスト関数の値
（コントラスト値）に基づいてステージ１３の移動を制
御することにより、コントラスト値が極大となる位置に
ステージ１３を置く。反射モードでは、図５（ｂ）に示
すように、コントラスト関数におけるピークは合焦位置
に対応するピークＰcのみであるため、ステージ１３は
確実に反射モードにおける合焦位置Ｚfcに到達する。こ
の合焦位置Ｚfcは、試料の上面に焦点が合った状態とな
る位置であるため、透過モードにおける合焦位置とはわ
ずかにずれている。

【００１８】反射モードにおける上記合焦動作が終了す
るとステップＳ３０へ進み、ＣＰＵ４２は、モータドラ
イバ４３を介してハーフミラー用モータ５５を駆動する
ことによりハーフミラー１７を光路から外すとともに、
光源ＯＮ／ＯＦＦコントローラ４４により透過用光源１
６を点灯し、反射用光源１８を消灯する。これによって
本顕微鏡は透過モードとなる（図３（ａ）参照）。次の
ステップＳ４０では、コントラスト値が極大となるよう
にステージ１３を移動させる。このステップＳ４０の直
前にはステージ１３は反射モードにおける合焦位置Ｚfc
に位置し、反射モードと透過モードとで対物光学系１１
及び撮像素子２１を共通にしているため、反射モードに
おける合焦位置Ｚfcは透過モードにおける合焦位置にほ
ぼ等しい。この結果、ステップＳ４０において、ステー
ジ１３は、透過モードにおける合焦位置に極めて近い位
置から移動を開始することになる。したがって、図５
（ａ）に示すようにコントラスト関数に二つのピークＰ
a、Ｐbが現われても、ステップＳ４０では、ピークＰb
を含む狭い範囲で合焦位置を探すことになり、確実に透
過モードにおける合焦位置Ｚfbにステージ１３が到達す
る。このステップＳ４０の動作の終了により、透過モー
ドで使用する場合における合焦動作が完了する。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、反射モードにおいて合
焦状態とした後に透過モードに切り換えて合焦動作を行
なわせることができるため、透過モードで使用する場合
においても、オートフォーカス機能による合焦動作によ
って顕微鏡を確実に合焦状態とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である顕微鏡を透過モード
で使用する場合における合焦動作を示すフローチャー
ト。

【図２】 前記顕微鏡の全体を示す側面図。

【図３】 前記顕微鏡において透過モードの場合に使用
される光学系の構成を示す図（ａ）、及び反射モードの
場合に使用される光学系の構成を示す図（ｂ）。

【図４】 前記顕微鏡内の電気回路を示す図。

【図５】 透過モードにおけるコントラスト関数を示す
図（ａ）、及び反射モードにおけるコントラスト関数を
示す図（ｂ）。

【符号の説明】

１１…対物光学系 １２…コンデン
サ光学系（透過光学系） １３…ステージ １６…透過用光
源（透過光学系） １８…反射用光源（反射光学系） １７…ハーフミ
ラー（切換手段） ２１…撮像素子 ２９…ビデオカ
メラ ３４…ステージ移動機構（合焦手段） ４２…ＣＰＵ
（制御手段） ４３…モータドライバ（切換手段） ４４…光源ＯＮ／ＯＦＦコントローラ（切換手段） ５５…ハーフミラー用モータ（切換手段） ５６…ステージ用モータ（合焦手段） Ｓv …ビデオ信号

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 19/00 - 21/00 G02B 21/04 - 21/36

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 a)対物光学系及び撮像素子を含む光学系
   であって、試料に光を照射し、透過光で該試料の像を対
   物光学系によって撮像素子上に形成する透過光学系と、 b)前記対物光学系及び前記撮像素子を透過光学系と共有
   する光学系であって、試料に光を照射し、反射光で該試
   料の像を前記対物光学系によって前記撮像素子上に形成
   する反射光学系と、 c)前記撮像素子が出力する画像信号による画像のコント
   ラストを示す値に基づいて合焦か否かを判定しつつ、前
   記試料が載置されたステージを光軸方向に移動させるこ
   とにより合焦状態とする合焦手段と、 d)前記透過光学系を使用する透過モードと前記反射光学
   系を使用する反射モードとを切り換える切換手段と、 e)透過モードでの測定に際し、まず反射モードにおいて
   前記合焦手段を動作させて合焦状態とした後、前記切換
   手段によって透過モードに切り換え、該透過モードにお
   いて再び前記合焦手段を動作させて合焦状態とする制御
   手段と、 を備えたことを特徴とする顕微鏡。