JP3631304B2 - 顕微鏡の自動焦点整合装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡ステージの標本に自動的にピント合わせを行なう顕微鏡の自動焦点整合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、顕微鏡で標本を観察する場合、対物レンズの焦点深度は浅く画像が見える光軸方向の範囲が狭いので、顕微鏡用自動焦点整合装置では、第１ステップとしてステージまたは対物レンズを光軸方向に移動させて、ある程度のコントラストが得られる位置を探し、その後第２ステップとして、コントラスト等の合焦度評価値を演算しながら合焦位置までステージまたは対物レンズを移動させるという制御が行なわれている。
【０００３】
例えば、特開昭６４−５４４０８号公報によれば、載置台（ステージ）を所定回数を限定として予め定められた一定距離ずつ移動させるとともに、各位置でのコントラストを検出し、コントラストが予め定めたしきい値以上となる位置を探索する。
【０００４】
そして、該探索結果を基に載置台を予め定めた一定距離ずつ移動して、コントラストが上記しきい値以上となる範囲で、その中間位置でのコントラストが最大となる連続した３位置を求め、それぞれの位置のコントラストの値を用い加重平均演算により得られる位置を焦点位置として位置合わせを行う自動焦点整合方法が開示されている。
【０００５】
ところが、特開昭６４−５４４０８号公報に示された従来技術においては、標本が対物レンズの焦点深度範囲から大きくはずれて画像が見えていなくても常に一定間隔でコントラスト演算を行なうので、画像検出までに時間を要する結果、合焦時間が長くなってしまう。
【０００６】
特に、画像が暗い場合には、像のコントラストを演算するためのイメージセンサの蓄積時間を長くしなければならないので、合焦時間がさらに長くなるという欠点を有する。
【０００７】
このような欠点を解消するものとして、特願平６−１１１１７８号公報では、対物レンズにより形成される標本像をＣＣＤイメージセンサ上に投影し、得られた電気信号を所定の評価関数に従って演算し、この演算結果に基づいて焦点状態を検出しつつ標本と対物レンズの相対距離を調節することにより焦点調整を行う顕微鏡自動焦点検出装置において、焦点状態を検出するための評価関数を、第１ステップとして像の明るさを示す関数とし、第２ステップで像のコントラスト等の合焦度を示す関数に切換えて、合焦度が所定の値になるように標本と対物レンズの相対距離を調節するようにした顕微鏡自動焦点検出方法が開示されている。
【０００８】
前述の特開昭６４−５４４０８号公報では、画像が見えていなくても常に一定間隔でコントラスト演算を行っていたのに対し、特願平６−１１１１７８号公報では、画像の明るさと合焦度との対応に着目し、画像が見えないうちは画像の明るさを示す評価関数により焦点状態を検出し、画像の明るさが最大となる位置に調整を行ない、画像が検出されてから評価関数を像のコントラスト等の合焦度を示す関数に切換えて焦点状態を検出するため、画像を検出するまでの時間が短縮され、その結果、合焦時間を短かくすることが可能である。
【０００９】
画像の明るさの演算は、画像のコントラスト等の合焦度の演算に比べれば単純であり演算時間も短かいが、対物レンズとステージの相対距離を調節しながら、画像の明るさが最大となるように制御が行なわれるので、対物レンズまたはステージの移動速度を極端に大きくすることはできず、画像検出までの時間の短縮化にも限度がある。
【００１０】
上述の他に、標本をスライドガラス標本に限定したものとして、特公平５−１６５６６号公報に示された自動焦点装置がある。特公平５−１６５６６号公報によれば、対物レンズのピント位置よりスライドガラス厚、カバーガラス厚およびこれらを含むステージ等の精度のバラツキを含む量だけ下方にステージの基準位置を設定し、ステージが基準位置よりも下方にある場合には、まず、ステージを基準位置まで移動した後に、画像のコントラスト等の合焦度演算を開始するようにしたので、スライドガラス標本に対しては画像の見えない部分では合焦度演算を行なわないようになっており迅速なピント合わせが可能である。
【００１１】
しかしながら、スライドガラス標本以外の標本、例えば、スライドガラスよりも厚みがある金属標本等には対応できないので汎用性に欠けるという欠点を有する。
【００１２】
また、顕微鏡で標本を観察する場合は、目的とする観察部位の全領域を一度に観察できる場合は少なく、Ｘ−Ｙステージを走査しながら、標本の異なる小領域を順次観察していくのが通常である。
【００１３】
前述の３つの従来例においては、標本のある一部分についての焦点調整を迅速、正確に行うことを主眼としているが、このようにＸ−Ｙステージを走査しながら標本の異なる小領域を順次観察する場合の自動焦点調整については、記述されていない。
【００１４】
特開昭６３−１６７３１３号公報では、Ｘ−Ｙステージの走査によって生じる対物レンズとステージ間の相対距離の変化によるピントずれに対する自動焦点制御方法について記載されている。
【００１５】
同公報によると、顕微鏡の対物レンズを上下方向に駆動する対物レンズ駆動装置と、ステージを水平方向に駆動するステージ駆動装置と、顕微鏡画像を光電変換して得られた電気信号を用いて焦点信号を出力する自動焦点装置とを備えたものにおいて、顕微鏡を用いて観察、測定をする前にあらかじめステージの任意の格子点における合焦点位置を求めて記憶しておき、実際の測定時には記憶されている近傍の合焦点位置より測定点の合焦点位置を内挿し、対物レンズを、求めた近似合焦点位置に高速移動させた後に自動焦点を行なうようにしている。
【００１６】
この例においては、標本の観察、測定を行なう前にステージの任意の格子点における合焦点位置が記憶されていることにより、実際の測定時には、測定点の近傍の格子点より測定点における近似合焦点位置が求められ、測定点の真の合焦点位置の近くから自動焦点処理を実行することが可能であるため、ステージを水平方向に走査しながら、標本の異なる領域を順次観察する場合に有効な方法である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６３−１６７３１３号公報に示された従来例では、観察、測定の前にあらかじめステージの任意の格子点における合焦点位置を求めて記憶するという初期動作を行なっている。
【００１８】
この初期動作の際には、参照すべき合焦点位置データ等は存在しないため標本の一点における焦点調整に時間を要する上に、この動作を格子点の数だけ行なう必要があるので初期動作全体にかなりの時間がかかる。
【００１９】
また、異なる標本を順次交換して観察、測定を行なう場合、標本の厚みに全くバラツキがなければ問題ないが、そのようなことは実際にはほとんどなく標本を交換する度に初期動作を行わなければならないという欠点を有する。
【００２０】
さらに、標本の平面度が悪く、うねりがある場合には、近似合焦点位置まで対物レンズを移動した後に自動焦点動作を開始するのが必ずしも最適であるとは限らず、前回の合焦点位置から自動焦点動作を開始した方が処理が早い場合がある。
【００２１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、顕微鏡ステージを走査しながら標本の異なる部位を順次観察する場合に、ステージの機械的精度や、標本の厚み、平面度等にバラツキがあっても迅速かつ正確なピント合わせを行なうことができる顕微鏡の自動焦点整合装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
従って、まず、上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、コントラスト等の評価値により標本像の合焦度を演算し、対物レンズの光軸に対して略垂直な平面内で走査可能なＸ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動することにより、標本に対して合焦を行なう顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記Ｘ−Ｙステージの光軸に対する位置を示すＸ−Ｙ座標を検出するＸ−Ｙ座標検出手段と、前記Ｘ−Ｙステージ又は前記対物レンズの光軸方向の移動可能範囲のうち、前記Ｘ−Ｙステージの複数の特定範囲に対する標本像の合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲設定手段と、前記Ｘ−Ｙ座標検出手段にて検出されたＸ−Ｙ座標に対応する前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に基づいて、前記Ｘ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動させて前記標本に対して合焦を行なう合焦手段とを具備したことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記対物レンズの倍率を検出する倍率検出手段と、前記倍率検出手段により検出された対物レンズの倍率に基づいて、前記合焦度演算範囲設定手段にて設定された複数の合焦度演算範囲を前記対物レンズの倍率に適合する合焦度演算範囲に変換する合焦度演算範囲変換手段とを付加したことを特徴とする。
【００２４】
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記合焦手段により合焦が行なわれた際のＸ−Ｙステージと対物レンズとの光軸方向の相対位置を示すｚ座標を検出するｚ座標検出手段と、前記ｚ座標検出手段により検出されたｚ座標及びこのときのＸ−Ｙ座標検出手段により検出されるＸ−Ｙ座標を逐次記憶する記憶手段と、前記記憶手段により記憶された特定範囲に対応するＸ−Ｙ座標及びｚ座標に基づいて、合焦動作の都度、それぞれの特定範囲に対応する予測合焦位置を算出する予測合焦位置算出手段と、前記予測合焦位置算出手段により算出された予測合焦位置に基づいて、新たに合焦度演算範囲を算出し、合焦動作の都度、前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に代えて、新たに算出された合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲再設定手段とを付加したことを特徴とする。
【００２５】
請求項１に係る発明は、合焦度演算範囲設定手段によりＸ−Ｙステージ又は対物レンズの光軸方向の移動可能範囲のうち、Ｘ−Ｙステージの複数の特定範囲に対する標本像の合焦度演算範囲を設定し、合焦手段により、Ｘ−Ｙ座標検出手段にて検出されたＸ−Ｙ座標に対応する合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に基づいて、Ｘ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動させて標本に対して合焦を行なうので、標本の厚みに変化があったり、ＸＹステージの精度が悪くても、合焦度演算範囲を小さくすることができ、合焦動作に要する時間を著しく短縮することができる。
【００２６】
請求項２に係る発明は、合焦度演算範囲変換手段により、倍率検出手段により検出された対物レンズの倍率に基づいて、合焦度演算範囲設定手段にて設定された複数の合焦度演算範囲を対物レンズの倍率に適合する合焦度演算範囲に変換するので、対物レンズの倍率に合わせて合焦度演算範囲が縮小され、その結果、合焦動作に要する時間をさらに短縮することができる。
【００２７】
請求項３に係る発明は、予測合焦位置算出手段により、記憶手段により記憶された特定範囲に対応するＸ−Ｙ座標及びｚ座標に基づいて、合焦動作の都度、それぞれの特定範囲に対応する予測合焦位置を算出し、合焦度演算範囲再設定手段により、予測合焦位置算出手段により算出された予測合焦位置に基づいて、新たに合焦度演算範囲を算出し、合焦動作の都度、前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に代えて、新たに算出された合焦度演算範囲を設定するので、標本の厚みやステージの精度に合わせて、常に最適な合焦度演算範囲が自動的に設定され、常に迅速かつ正確な合焦動作を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。同図において、顕微鏡フレーム（以下単にフレームと略す）１の背面下方に取付けられた光源２からの光はミラー３によって上方に反射させられる。そして、このミラー３で反射した反射光は、コンデンサレンズ４を通過してＸＹステージ５上の標本Ｓに照射される。
【００２９】
そして、標本Ｓを透過、回折した光が対物レンズ６により集光された後、フレーム１の前側上方に取付けられた鏡筒７内の図示しない分割プリズムによって２分される。この二分割された光のうち、一方は、接眼レンズ８へ導かれ、他方は鏡筒７をそのまま通過して、鏡筒７の上部に取付けられたセンサヘッド９へと導かれる。
【００３０】
このセンサヘッド９内には、対物レンズ６からの光束を２分するハーフミラー１０が設けられており、ミラー１０で反射した光束は合焦度検出のためのイメージセンサ１１へと導かれ、ミラー１０を通過した光束は、センサヘッド９の上部に取付けられた撮像手段１２へと導かれるようになっている。
【００３１】
なお、鏡筒７内の図示しない分割プリズムおよびセンサヘッド９内のハーフミラー１０は、光路に対してそれぞれ独立して退避、挿入が可能である。また、分割プリズムやハーフミラー１０の代わりに光束全てを反射する全反射プリズムや全反射ミラーが光路に対して挿入退避できるような構成であってもよい。
【００３２】
対物レンズ６は、電動レボルバ１３に取付けられており、電動レボルバ駆動制御手段１４により図示しない倍率の異なる複数の対物レンズへと電動切換が可能となっている。
【００３３】
１５は対物レンズ６の光軸に対するＸＹステージ５の位置を表すＸＹ座標を検出するＸＹ座標検出手段であり、ここで検出されたＸＹ座標はＣＰＵ１６へと入力される。一方、１７はＣＰＵ１６からの制御により適正なタイミングでイメージセンサ１１へ駆動パルスを出力するイメージセンサ駆動回路である。
【００３４】
イメージセンサ１１は入力された駆動パルスに従ったタイミングで受光した画像を電気信号に変換する。１８は、この電気信号に所定の処理を施すためのアナログ信号処理回路であり、処理後の信号を、コントラスト等の標本の合焦度を検出するための合焦度演算手段１９に送る。
【００３５】
合焦度演算手段１９では、所定の演算式に従って合焦度が演算され、その結果がＣＰＵ１６に送られるようになっている。また、２０は、ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸に沿ってＺ方向に駆動し標本Ｓにピントを合わせるためのＺ駆動制御手段であり、ＣＰＵ１６の指令により適切な速度で指定量の駆動を行うことによって標本Ｓにピントが合わされるようになっている。
【００３６】
２１はＸＹステージ５の光軸方向位置を検出するＺ座標検出手段である。２２は合焦動作開始の指示やその他の設定を入力するための外部コントローラである。
【００３７】
この外部コントローラ２２には、合焦度演算手段１９の合焦度演算範囲を設定してＣＰＵ１６に記憶させるための合焦度演算範囲設定手段や、マニュアルでピント合わせを行うためのパワーフォーカス指示手段も含まれている。
【００３８】
２３は、対物レンズ６の倍率を検知する倍率検知手段であり、検知される倍率データはＣＰＵ１６に入力されるようになっている。
さらに、ＸＹステージ５について図２を参照して説明する。図２は、ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸上方よりみた図である。
【００３９】
同図において、３１は図示しない下ステージに対しＹ方向に移動自在の上ステージ、３２はスライドガラス標本を保持し、上ステージ３１上でＸ方向に移動自在のクレンメルであり、２枚のスライドガラス標本Ｓ１ およびＳ２ を保持できるようになっている。
【００４０】
３３は操作ハンドルで、Ｘ方向移動用ハンドル（以下単にＸハンドルと称す）と、Ｙ方向移動用ハンドル（以下単にＹハンドルと称す）とが同軸に構成されており、Ｙハンドルを回転することにより上ステージ３１が図示しない下ステージに対してＹ方向に移動し、Ｘハンドルを回転することによりクレンメル３２が上ステージ３１に対してＸ方向に移動するので、標本Ｓ１ およびＳ２ が光軸位置０に対してＸＹ方向に移動し、標本Ｓ１ およびＳ２ が光軸位置０に対してＸＹ方向に自在に位置合わせできるようになっている。
【００４１】
そして、３４は上ステージ３１に対するクレンメル３２のＸ方向位置を検出するべく上ステージ３１に取付けられたＸ座標検出手段、３５は、図示しない下ステージに対する上ステージ３１のＹ方向位置を検出するべく下ステージに取付けられたＹ座標検出手段である。
【００４２】
図示しない下ステージが光軸位置０に対して所定の位置に取付けられているので、その結果、これらＸ座標検出手段３４およびＹ座標検出手段３５の検出結果により光軸位置０に対する標本Ｓ１ およびＳ２ のＸＹ方向位置が認識されることになる。なお、これらＸおよびＹ座標検出手段は、それぞれ周知のリニアエンコーダ等で構成できる。
【００４３】
次に上述の如く構成された顕微鏡の動作について図３に示すフローチャートを参照して説明する。
外部コントローラ２２により、まず合焦動作を行うための初期設定を以下の手順で行なう。外部コントローラ２２に含まれるパワーフォーカス指示手段からの指示により、ＸＹステージ５をＺ方向にマニュアル駆動させ、ＸＹステージ５の操作ハンドル３３を操作して標本Ｓ１ を光軸位置０に移動させることにより、標本Ｓ１ に該略のピント合わせを行なう（ｓｔｅｐ１）。
【００４４】
そして、標本Ｓ１ の範囲に対応したＹ座標の始点ＹＳ１および終点ＹＥ１、さらに、このＹ座標範囲における合焦度演算手段１９の演算範囲ΔＺαを外部コントローラ２２の入力手段により入力する。
【００４５】
同様に、操作ハンドル３３を操作して標本Ｓ２ に該略のピント合わせを行ない、標本Ｓ２ の範囲に対応したＹ座標の始点ＹＳ２および終点ＴＥ２さらに合焦度演算手段１９の演算範囲ΔＺβを入力する。この操作により、標本Ｓ１ に対応するＹ座標範囲における合焦度演算範囲は、
下限位置 ＺＬ１＝Ｚｃ１−ΔＺα … （１）
上限位置 ＺＨ１＝Ｚｃ１＋ΔＺα … （２）
（ただしＺｃ１は標本Ｓ１ の該略ピント位置）
標本Ｓ２ に対応するＹ座標範囲における合焦度演算範囲は
下限位置 ＺＬ２＝Ｚｃ２−ΔＺβ … （３）
上限位置 ＺＨ２＝Ｚｃ２＋ΔＺβ … （４）
（ただしＺｃ２は標本Ｓ２ の該略ピント位置）
と設定できる（ｓｔｅｐ２）。これら座標の関係を図４に示す。
【００４６】
次に、実際の合焦動作について説明する。
まず、観察部位へステージを移動する（ｓｔｅｐ３）。外部コントローラ２２により、合焦動作開始の指令が発せられると（ｓｔｅｐ４）、ＸＹ座標検出手段１５で検出（ｓｔｅｐ５）されたＸＹステージ５のＸＹ座標を参照して、ＣＰＵ１６がそのＸＹ座標に対する合焦度演算範囲を設定する（ｓｔｅｐ６）。
【００４７】
ここでは、Ｙ座標に応じて合焦度演算範囲の下限位置をＺＬ１あるいはＺＬ２に設定する。そして、Ｚ座標検出手段２１で検出（ｓｔｅｐ７）されたＺ座標が、これら合焦度演算範囲の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２よりも下側（対物レンズ６と離れる方向を下側という）にある場合は、ＣＰＵ１６がＺ駆動制御手段２０に指令を出し、前述の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２までＸＹステージ５をＺ方向に駆動する（ｓｔｅｐ８、ｓｔｅｐ９）。
【００４８】
ＸＹステージ５が前述の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２に達すると、ＣＰＵ１６の制御により、合焦度演算（ｓｔｅｐ１０）と、所定量のＺ駆動とを１サイクルとしてこれを繰返すモードに入る。
【００４９】
このモードにおけるＸＹステージ５のＺ方向駆動について図５を参照して説明する。このモードでは、イメージセンサ１１の蓄積時間に応じた時間Δｔｓ の間ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸方向に駆動せずに、イメージセンサ１１からの電気信号をアナログ信号処理回路１８を経由して合焦度演算手段１９で合焦度評価値に変換するステップと、時間Δｔｚ の間ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸方向にΔＺ１ だけ駆動するステップとが図５に示されるよう階段状に繰り返される。
【００５０】
そして、合焦度演算手段１９からＣＰＵ１６に入力される合焦度評価値が所定の値になるとＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動がこの合焦位置Ｚｆ で停止されるとともに（ｓｔｅｐ１１、ｓｔｅｐ１２）、外部コントローラ２２に設けられた表示部に合焦完了の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１３）。
【００５１】
また、所定時間ｔＬ の間上記のモードで合焦動作を行っても合焦度評価値が所定の値とならない場合には、ＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動が停止されるとともに（ｓｔｅｐ１５、ｓｔｅｐ１６）、外部コントローラ２２の表示部に非合焦の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１７）。
【００５２】
また、時間ｔＬ 以内であっても、合焦度評価値が所定の値とならないままＸＹステージ５のＺ座標が最初に設定した合焦度演算範囲の上限ＺＨ１あるいはＺＨ２に達した場合（ｓｔｅｐ１８、ｓｔｅｐ１９）にも、ＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動が停止され（ｓｔｅｐ１６）、外部コントローラ２２の表示部に非合焦の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１７）。
【００５３】
以上のように本実施の形態においては、ＸＹステージ５のＸＹ座標により、合焦度演算手段１９の演算範囲を可変できるようにしたので、ＸＹステージ５上に異なる２枚のスライドガラス標本を載せて観察する場合等標本のピント位置にバラツキがあった場合でも、合焦点の演算範囲を適切に小さくできるので、ピント合わせが迅速かつ正確に行なうことができる。
【００５４】
なお、上述の説明においては、図４に示されるように合焦度演算範囲をＹ座標によってのみ変えるようにしたが、もちろんＸ座標によっても変えることができる。
【００５５】
また、本実施の形態の説明においては、ＸＹステージを移動させる場合について説明したが、対物レンズを移動することにより、焦点を合わせるようにしてもよい。
【００５６】
合焦度演算範囲の入力方法も座標の始点と終点を指示する方法を採用したが、この方法に限ったものではない。また、本実施の形態においては、ＸＹステージ５のＸＹ駆動操作は操作ハンドル３３による手動操作としたが、アクチュエータを用いて電動駆動するタイプのものであってもよいのは当然のことである。
＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態に係る顕微鏡について説明する。
【００５７】
本実施の形態においては、合焦度演算手段１９の演算範囲を倍率検知手段２３によって検知される対物レンズの倍率データに応じて可変とする。例えば、対物レンズ６が４０倍〜１００倍のような高倍率の場合を基準に観察者が合焦度演算範囲ΔＺαを入力した場合、演算範囲は前述の第１の実施の形態において述べたように、
ＺＬ１＝Ｚｃ１−ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨ１＝Ｚｃ１＋ΔＺα … （５）
となるが、対物レンズ６を低倍率のものに切換えた場合、ＣＰＵ１６により、低倍率の場合の合焦度演算範囲を、
ΔＺα′＝ｋ・ΔＺα … （６）
（ｋは対物レンズの焦点深度に比例した定数）
と定め、自動的に演算範囲を
ＺＬ１′＝Ｚｃ１−ΔＺα′≦Ｚ≦ ＺＨ１′＝Ｚｃ１＋ΔＺα′ … （７）
と設定する。
【００５８】
図６は、変換前後の合焦度演算範囲の関係を示す図である。
したがって、観察者は、倍率の異なる対物レンズ毎に合焦度演算範囲を設定する必要がなく、特定の倍率における演算範囲のみを入力するだけで、各倍率の対物レンズに適した合焦度演算範囲を自動的に設定できるため、操作の簡略化が計れるという利点を有する。
【００５９】
なお、本実施の形態においては、合焦度演算範囲を低倍率と高倍率とで分けるようにしたが、さらに細かく対物レンズの倍率毎に演算範囲を設定するように構成することで、さらに合焦動作の効率化が可能であることは言うまでもない。
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態にかかる顕微鏡の動作について、図７のフローチャートを参照して説明する。上述の第１の実施の形態に係る顕微鏡と本実施の形態に係る顕微鏡と異なる点は、合焦度演算手段１９の合焦度演算範囲の設定方法にある。
【００６０】
まず、標本Ｓ１ の適切な部位で該略のピントを合わせるために、外部コントローラ２２に設けられたパワーフォーカス指示手段の指示によりＸＹステージ５をＺ方向にマニュアル駆動させる（ｓｔｅｐ３１）。
【００６１】
次に、ほぼピントが合ったことを確認したら、初期の合焦度演算範囲として、演算範囲中心値Ｚｃ および演算範囲ΔＺαを外部コントローラ２２の操作により入力する。この操作により初期の合焦度演算範囲は、
ＺＬ１＝ Ｚｃ −ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨ１＝Ｚｃ ＋ΔＺα … （８）
と設定される（ｓｔｅｐ３２）。
【００６２】
そして、標本Ｓ１ の観察したい部位を光軸ｏ上に合わせるべくＸＹステージ５をＸＹ平面内で移動し（ｓｔｅｐ３３）、合焦動作開始の指令を外部コントローラ２２によって与える（ｓｔｅｐ３４）。
【００６３】
合焦動作開始の指令が発せられると、ＣＰＵ１６はまず、今回の合焦動作が何回目の動作かを判断する（ｓｔｅｐ３５）。１回目あるいは２回目の合焦動作であれば、Ｚ座標検出手段２１で検出されるＺ座標（ｓｔｅｐ３９）と初期設定された合焦度演算範囲ＺＬ ≧Ｚ≧ＺＨ とを比較し、現在のＺ座標が合焦度演算範囲内にあることを確認して、合焦度の演算に移る（ｓｔｅｐ４０、ｓｔｅｐ４２）。
【００６４】
現在のＺ座標が合焦度演算範囲外であれば、ＸＹステージ５を演算範囲下限ＺＬ へ駆動（ｓｔｅｐ４１）してから合焦度の演算を開始する。そして、第１の実施の形態及び第２の実施形態において述べたように、合焦度演算と所定量のＺ駆動とを１サイクルとしてこれを繰返し行なうことにより（ｓｔｅｐ４３、４８、５１、５２）、最終的に所定時間ｔＬ 内かつ合焦度演算範囲内で合焦度評価値が所定の値となった場合にはＸＹステージ５がその位置が停止し合焦が得られる（ｓｔｅｐ４４、４５）。
【００６５】
１回目の合焦完了時の座標（ｘ１ ，ｙ１ ，ｚ１ ）、そして２回目の合焦動作であればさらに２回目の合焦完了時の座標（ｘ２ ，ｙ２ ，ｚ２ ）は順にＣＰＵ１６内の合焦座標記憶手段に記憶される（ｓｔｅｐ４６）。
【００６６】
一般に、顕微鏡で標本を観察する場合ＸあるいはＹ座標のうち、一方は固定のまま、Ｘ方向あるいはＹ方向にのみステージを移動しながら観察するケースも少なくない。
【００６７】
今、Ｙ座標を固定してＸ方向にＸＹステージ５を移動している場合、すなわち前述の合焦座標（ｘ１ ，ｙ１ ，ｚ１ ）、（ｘ２ ，ｙ２ ，ｚ２ ）において、ｙ１ ＝ｙ２ である場合を考える。
【００６８】
３回目の合焦動作を行う場合、３回目の観察部位のＸＹ座標（ｘ３ ，ｙ３ ）においてもｙ１ ＝ｙ２ ＝ｙ３ であり、Ｘ方向に極端に大きな移動でなければ、この３回目の観察部位における合焦完了時のＺ座標Ｚ３ は、前回の１回目、２回目の合焦座標（ｘ１ ，ｚ１ ）、（ｘ２ ，ｚ２ ）を通る直線上に存在すると仮定し予測することができる。
【００６９】
即ち、予測合焦位置Ｚ３ ′は連立一次方程式を解くことにより
と求められる。
【００７０】
同様にして、Ｎ回目の予測合焦位置ＺＮ ′は、その直前２回の記憶された合焦座標（ｘＮ−１ ，ｚＮ−１ ）、（ｘＮ−２ ，ｚＮ−２ ）を用いて次のように求められる。
図８は、記憶された合焦位置と予測合焦位置との関係を示す図である。
【００７１】
また、ＸＹステージ５をＸ方向にもＹ方向にも移動させながら観察を行う場合には、直前３回の記憶された合焦座標（ｘＮ−１ ，ｙＮ−１ ，ｚＮ−１ ）、（ｘＮ−２ ，ｙＮ−２ ，ｚＮ−２ ）、（ｘＮ−３ ，ｙＮ−３ ，ｚＮ−３ ）を３次元空間上の平面を表す一般式
ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝ｚ … （１１）
に代入して得られる連立一次方程式を周知の数値演算法で解くことにより予測合焦位置ｚＮ ′が求められる。以上のように予測合焦位置ＺＮ ′が求められたら、ＣＰＵ１６に記憶されている合焦度演算範囲を消去し、新たに合焦度演算範囲を
ＺＬＮ＝ＺＮ ′−ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨＮ＝ＺＮ ′＋ΔＺα … （１２）
のように設定する。
【００７２】
そして、現在のＺ座標を検出し、更新設定された合焦度演算範囲ＺＬＮ≦Ｚ≦ＺＨＮと比較し、１回目、２回目と同様のステップでＣＰＵ１６が制御を行い、合焦動作完了に到る。
【００７３】
従って、本実施の形態においては、毎回の合焦動作によって得られる合焦座標データを用いて次の観察部位における予測合焦点位置を求め、この予測合焦点位置に基づいて合焦度を演算する範囲を設定しこれを合焦動作の都度更新するようにしたので、標本の厚みに変化があったり、ステージが傾いていたりしても合焦度演算範囲を小さくすることができ無駄な合焦度演算を行なわずに合焦までに要する時間を短縮できる。
【００７４】
また、本実施の形態においては、予測合焦位置を、直前の２回もしくは３回の合焦座標データを用いて直線あるいは平面上の点として求めたが、３回以上の合焦座標データを用いて２次曲線あるいは曲面上の点として求めることも有効である。
【００７５】
さらに、第１の実施の形態と同様に、ＸＹステージをアクチュエータで駆動する電動ステージとして構成することも当然可能である。さらに、本実施の形態においては、観察部位を移動する度に合焦動作開始の指令を入力するようにしたが、ＣＰＵの制御により観察部位を移動しながら適切な時間間隔で合焦動作を繰り返すような連続型の焦点制御法に適用することも可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、ＸＹステージの座標を検出するＸＹ座標検出手段と、標本像の合焦度を演算する範囲を設定する合焦度演算範囲設定手段を設け、検出されるＸＹ座標に応じて合焦度演算範囲を可変とするようにしたので、標本の厚みに変化があったり、ＸＹステージの精度が悪くても、合焦度演算範囲を小さくすることができ、合焦動作に要する時間を著しく短縮することができる。
【００７７】
また、対物レンズの倍率を検知する倍率検知手段を設け、合焦度演算範囲を対物レンズの倍率によって可変とするようにしたので、観察者の操作の簡略化できる上に、対物レンズの倍率に合わせて合焦度演算範囲がさらに縮小される結果合焦動作に要する時間をさらに短縮することができる。
【００７８】
さらに、合焦動作完了時の座標を逐次記憶する合焦座標記憶手段を設け、直前の合焦座標を含む少くとも２個の合焦座標データを用いて次の観察部位における予測合焦位置を求め、この予測合焦点位置を基に合焦度演算範囲を設定し、これを合焦動作の都度更新するようにしたので、標本の厚みやステージの精度に合わせて常に最適な合焦度演算範囲が自動的に設定され、標本の広範囲な領域に渡り、常に迅速かつ正確な合焦動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】同第１の実施の形態における顕微鏡のＸＹステージの構成を示す図である。
【図３】同第１の実施の形態における顕微鏡の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】同第１の実施の形態における顕微鏡の合焦度演算範囲を示す図である。
【図５】同第１の実施の形態における顕微鏡のＸＹステージの駆動を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る顕微鏡の変換前後の合焦演算範囲の関係を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る顕微鏡の動作を説明するフローチャートである。
【図８】同第３の実施の形態に係る顕微鏡の合焦位置と予測合焦位置との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…顕微鏡フレーム、２…光源、３…ミラー、４…コンデンサレンズ、５…ＸＹステージ、６…対物レンズ、７…鏡筒、８…接眼レンズ、９…センサヘッド、１０…ハーフミラー、１１…イメージセンサ、１２…撮像手段、、１３…電動レボルバ、１４…電動レボルバ駆動制御手段、１５…ＸＹ座標検出手段、１６…ＣＰＵ、１７…イメージセンサ駆動回路、１８…アナログ信号処理回路、１９…合焦度演算手段、２０…Ｚ駆動制御手段、２１…Ｚ座標検出手段、２２…外部コントローラ、２３…倍率検知手段、３１…上ステージ、３２…クレンメル、３３…操作ハンドル、３４…Ｘ座標検出手段、３５…Ｙ座標検出手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡ステージの標本に自動的にピント合わせを行なう顕微鏡の自動焦点整合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、顕微鏡で標本を観察する場合、対物レンズの焦点深度は浅く画像が見える光軸方向の範囲が狭いので、顕微鏡用自動焦点整合装置では、第１ステップとしてステージまたは対物レンズを光軸方向に移動させて、ある程度のコントラストが得られる位置を探し、その後第２ステップとして、コントラスト等の合焦度評価値を演算しながら合焦位置までステージまたは対物レンズを移動させるという制御が行なわれている。
【０００３】
例えば、特開昭６４−５４４０８号公報によれば、載置台（ステージ）を所定回数を限定として予め定められた一定距離ずつ移動させるとともに、各位置でのコントラストを検出し、コントラストが予め定めたしきい値以上となる位置を探索する。
【０００４】
そして、該探索結果を基に載置台を予め定めた一定距離ずつ移動して、コントラストが上記しきい値以上となる範囲で、その中間位置でのコントラストが最大となる連続した３位置を求め、それぞれの位置のコントラストの値を用い加重平均演算により得られる位置を焦点位置として位置合わせを行う自動焦点整合方法が開示されている。
【０００５】
ところが、特開昭６４−５４４０８号公報に示された従来技術においては、標本が対物レンズの焦点深度範囲から大きくはずれて画像が見えていなくても常に一定間隔でコントラスト演算を行なうので、画像検出までに時間を要する結果、合焦時間が長くなってしまう。
【０００６】
特に、画像が暗い場合には、像のコントラストを演算するためのイメージセンサの蓄積時間を長くしなければならないので、合焦時間がさらに長くなるという欠点を有する。
【０００７】
このような欠点を解消するものとして、特願平６−１１１１７８号公報では、対物レンズにより形成される標本像をＣＣＤイメージセンサ上に投影し、得られた電気信号を所定の評価関数に従って演算し、この演算結果に基づいて焦点状態を検出しつつ標本と対物レンズの相対距離を調節することにより焦点調整を行う顕微鏡自動焦点検出装置において、焦点状態を検出するための評価関数を、第１ステップとして像の明るさを示す関数とし、第２ステップで像のコントラスト等の合焦度を示す関数に切換えて、合焦度が所定の値になるように標本と対物レンズの相対距離を調節するようにした顕微鏡自動焦点検出方法が開示されている。
【０００８】
前述の特開昭６４−５４４０８号公報では、画像が見えていなくても常に一定間隔でコントラスト演算を行っていたのに対し、特願平６−１１１１７８号公報では、画像の明るさと合焦度との対応に着目し、画像が見えないうちは画像の明るさを示す評価関数により焦点状態を検出し、画像の明るさが最大となる位置に調整を行ない、画像が検出されてから評価関数を像のコントラスト等の合焦度を示す関数に切換えて焦点状態を検出するため、画像を検出するまでの時間が短縮され、その結果、合焦時間を短かくすることが可能である。
【０００９】
画像の明るさの演算は、画像のコントラスト等の合焦度の演算に比べれば単純であり演算時間も短かいが、対物レンズとステージの相対距離を調節しながら、画像の明るさが最大となるように制御が行なわれるので、対物レンズまたはステージの移動速度を極端に大きくすることはできず、画像検出までの時間の短縮化にも限度がある。
【００１０】
上述の他に、標本をスライドガラス標本に限定したものとして、特公平５−１６５６６号公報に示された自動焦点装置がある。特公平５−１６５６６号公報によれば、対物レンズのピント位置よりスライドガラス厚、カバーガラス厚およびこれらを含むステージ等の精度のバラツキを含む量だけ下方にステージの基準位置を設定し、ステージが基準位置よりも下方にある場合には、まず、ステージを基準位置まで移動した後に、画像のコントラスト等の合焦度演算を開始するようにしたので、スライドガラス標本に対しては画像の見えない部分では合焦度演算を行なわないようになっており迅速なピント合わせが可能である。
【００１１】
しかしながら、スライドガラス標本以外の標本、例えば、スライドガラスよりも厚みがある金属標本等には対応できないので汎用性に欠けるという欠点を有する。
【００１２】
また、顕微鏡で標本を観察する場合は、目的とする観察部位の全領域を一度に観察できる場合は少なく、Ｘ−Ｙステージを走査しながら、標本の異なる小領域を順次観察していくのが通常である。
【００１３】
前述の３つの従来例においては、標本のある一部分についての焦点調整を迅速、正確に行うことを主眼としているが、このようにＸ−Ｙステージを走査しながら標本の異なる小領域を順次観察する場合の自動焦点調整については、記述されていない。
【００１４】
特開昭６３−１６７３１３号公報では、Ｘ−Ｙステージの走査によって生じる対物レンズとステージ間の相対距離の変化によるピントずれに対する自動焦点制御方法について記載されている。
【００１５】
同公報によると、顕微鏡の対物レンズを上下方向に駆動する対物レンズ駆動装置と、ステージを水平方向に駆動するステージ駆動装置と、顕微鏡画像を光電変換して得られた電気信号を用いて焦点信号を出力する自動焦点装置とを備えたものにおいて、顕微鏡を用いて観察、測定をする前にあらかじめステージの任意の格子点における合焦点位置を求めて記憶しておき、実際の測定時には記憶されている近傍の合焦点位置より測定点の合焦点位置を内挿し、対物レンズを、求めた近似合焦点位置に高速移動させた後に自動焦点を行なうようにしている。
【００１６】
この例においては、標本の観察、測定を行なう前にステージの任意の格子点における合焦点位置が記憶されていることにより、実際の測定時には、測定点の近傍の格子点より測定点における近似合焦点位置が求められ、測定点の真の合焦点位置の近くから自動焦点処理を実行することが可能であるため、ステージを水平方向に走査しながら、標本の異なる領域を順次観察する場合に有効な方法である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６３−１６７３１３号公報に示された従来例では、観察、測定の前にあらかじめステージの任意の格子点における合焦点位置を求めて記憶するという初期動作を行なっている。
【００１８】
この初期動作の際には、参照すべき合焦点位置データ等は存在しないため標本の一点における焦点調整に時間を要する上に、この動作を格子点の数だけ行なう必要があるので初期動作全体にかなりの時間がかかる。
【００１９】
また、異なる標本を順次交換して観察、測定を行なう場合、標本の厚みに全くバラツキがなければ問題ないが、そのようなことは実際にはほとんどなく標本を交換する度に初期動作を行わなければならないという欠点を有する。
【００２０】
さらに、標本の平面度が悪く、うねりがある場合には、近似合焦点位置まで対物レンズを移動した後に自動焦点動作を開始するのが必ずしも最適であるとは限らず、前回の合焦点位置から自動焦点動作を開始した方が処理が早い場合がある。
【００２１】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、顕微鏡ステージを走査しながら標本の異なる部位を順次観察する場合に、ステージの機械的精度や、標本の厚み、平面度等にバラツキがあっても迅速かつ正確なピント合わせを行なうことができる顕微鏡の自動焦点整合装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
従って、まず、上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、コントラスト等の評価値により標本像の合焦度を演算し、対物レンズの光軸に対して略垂直な平面内で走査可能なＸ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動することにより、標本に対して合焦を行なう顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記Ｘ−Ｙステージの光軸に対する位置を示すＸ−Ｙ座標を検出するＸ−Ｙ座標検出手段と、前記Ｘ−Ｙステージ又は前記対物レンズの光軸方向の移動可能範囲のうち、前記Ｘ−Ｙステージの複数の特定範囲に対する標本像の合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲設定手段と、前記Ｘ−Ｙ座標検出手段にて検出されたＸ−Ｙ座標に対応する前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に基づいて、前記Ｘ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動させて前記標本に対して合焦を行なう合焦手段とを具備したことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記対物レンズの倍率を検出する倍率検出手段と、前記倍率検出手段により検出された対物レンズの倍率に基づいて、前記合焦度演算範囲設定手段にて設定された複数の合焦度演算範囲を前記対物レンズの倍率に適合する合焦度演算範囲に変換する合焦度演算範囲変換手段とを付加したことを特徴とする。
【００２４】
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置において、前記合焦手段により合焦が行なわれた際のＸ−Ｙステージと対物レンズとの光軸方向の相対位置を示すｚ座標を検出するｚ座標検出手段と、前記ｚ座標検出手段により検出されたｚ座標及びこのときのＸ−Ｙ座標検出手段により検出されるＸ−Ｙ座標を逐次記憶する記憶手段と、前記記憶手段により記憶された特定範囲に対応するＸ−Ｙ座標及びｚ座標に基づいて、合焦動作の都度、それぞれの特定範囲に対応する予測合焦位置を算出する予測合焦位置算出手段と、前記予測合焦位置算出手段により算出された予測合焦位置に基づいて、新たに合焦度演算範囲を算出し、合焦動作の都度、前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に代えて、新たに算出された合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲再設定手段とを付加したことを特徴とする。
【００２５】
請求項１に係る発明は、合焦度演算範囲設定手段によりＸ−Ｙステージ又は対物レンズの光軸方向の移動可能範囲のうち、Ｘ−Ｙステージの複数の特定範囲に対する標本像の合焦度演算範囲を設定し、合焦手段により、Ｘ−Ｙ座標検出手段にて検出されたＸ−Ｙ座標に対応する合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に基づいて、Ｘ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動させて標本に対して合焦を行なうので、標本の厚みに変化があったり、ＸＹステージの精度が悪くても、合焦度演算範囲を小さくすることができ、合焦動作に要する時間を著しく短縮することができる。
【００２６】
請求項２に係る発明は、合焦度演算範囲変換手段により、倍率検出手段により検出された対物レンズの倍率に基づいて、合焦度演算範囲設定手段にて設定された複数の合焦度演算範囲を対物レンズの倍率に適合する合焦度演算範囲に変換するので、対物レンズの倍率に合わせて合焦度演算範囲が縮小され、その結果、合焦動作に要する時間をさらに短縮することができる。
【００２７】
請求項３に係る発明は、予測合焦位置算出手段により、記憶手段により記憶された特定範囲に対応するＸ−Ｙ座標及びｚ座標に基づいて、合焦動作の都度、それぞれの特定範囲に対応する予測合焦位置を算出し、合焦度演算範囲再設定手段により、予測合焦位置算出手段により算出された予測合焦位置に基づいて、新たに合焦度演算範囲を算出し、合焦動作の都度、前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に代えて、新たに算出された合焦度演算範囲を設定するので、標本の厚みやステージの精度に合わせて、常に最適な合焦度演算範囲が自動的に設定され、常に迅速かつ正確な合焦動作を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。同図において、顕微鏡フレーム（以下単にフレームと略す）１の背面下方に取付けられた光源２からの光はミラー３によって上方に反射させられる。そして、このミラー３で反射した反射光は、コンデンサレンズ４を通過してＸＹステージ５上の標本Ｓに照射される。
【００２９】
そして、標本Ｓを透過、回折した光が対物レンズ６により集光された後、フレーム１の前側上方に取付けられた鏡筒７内の図示しない分割プリズムによって２分される。この二分割された光のうち、一方は、接眼レンズ８へ導かれ、他方は鏡筒７をそのまま通過して、鏡筒７の上部に取付けられたセンサヘッド９へと導かれる。
【００３０】
このセンサヘッド９内には、対物レンズ６からの光束を２分するハーフミラー１０が設けられており、ミラー１０で反射した光束は合焦度検出のためのイメージセンサ１１へと導かれ、ミラー１０を通過した光束は、センサヘッド９の上部に取付けられた撮像手段１２へと導かれるようになっている。
【００３１】
なお、鏡筒７内の図示しない分割プリズムおよびセンサヘッド９内のハーフミラー１０は、光路に対してそれぞれ独立して退避、挿入が可能である。また、分割プリズムやハーフミラー１０の代わりに光束全てを反射する全反射プリズムや全反射ミラーが光路に対して挿入退避できるような構成であってもよい。
【００３２】
対物レンズ６は、電動レボルバ１３に取付けられており、電動レボルバ駆動制御手段１４により図示しない倍率の異なる複数の対物レンズへと電動切換が可能となっている。
【００３３】
１５は対物レンズ６の光軸に対するＸＹステージ５の位置を表すＸＹ座標を検出するＸＹ座標検出手段であり、ここで検出されたＸＹ座標はＣＰＵ１６へと入力される。一方、１７はＣＰＵ１６からの制御により適正なタイミングでイメージセンサ１１へ駆動パルスを出力するイメージセンサ駆動回路である。
【００３４】
イメージセンサ１１は入力された駆動パルスに従ったタイミングで受光した画像を電気信号に変換する。１８は、この電気信号に所定の処理を施すためのアナログ信号処理回路であり、処理後の信号を、コントラスト等の標本の合焦度を検出するための合焦度演算手段１９に送る。
【００３５】
合焦度演算手段１９では、所定の演算式に従って合焦度が演算され、その結果がＣＰＵ１６に送られるようになっている。また、２０は、ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸に沿ってＺ方向に駆動し標本Ｓにピントを合わせるためのＺ駆動制御手段であり、ＣＰＵ１６の指令により適切な速度で指定量の駆動を行うことによって標本Ｓにピントが合わされるようになっている。
【００３６】
２１はＸＹステージ５の光軸方向位置を検出するＺ座標検出手段である。２２は合焦動作開始の指示やその他の設定を入力するための外部コントローラである。
【００３７】
この外部コントローラ２２には、合焦度演算手段１９の合焦度演算範囲を設定してＣＰＵ１６に記憶させるための合焦度演算範囲設定手段や、マニュアルでピント合わせを行うためのパワーフォーカス指示手段も含まれている。
【００３８】
２３は、対物レンズ６の倍率を検知する倍率検知手段であり、検知される倍率データはＣＰＵ１６に入力されるようになっている。
さらに、ＸＹステージ５について図２を参照して説明する。図２は、ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸上方よりみた図である。
【００３９】
同図において、３１は図示しない下ステージに対しＹ方向に移動自在の上ステージ、３２はスライドガラス標本を保持し、上ステージ３１上でＸ方向に移動自在のクレンメルであり、２枚のスライドガラス標本Ｓ１ およびＳ２ を保持できるようになっている。
【００４０】
３３は操作ハンドルで、Ｘ方向移動用ハンドル（以下単にＸハンドルと称す）と、Ｙ方向移動用ハンドル（以下単にＹハンドルと称す）とが同軸に構成されており、Ｙハンドルを回転することにより上ステージ３１が図示しない下ステージに対してＹ方向に移動し、Ｘハンドルを回転することによりクレンメル３２が上ステージ３１に対してＸ方向に移動するので、標本Ｓ１ およびＳ２ が光軸位置０に対してＸＹ方向に移動し、標本Ｓ１ およびＳ２ が光軸位置０に対してＸＹ方向に自在に位置合わせできるようになっている。
【００４１】
そして、３４は上ステージ３１に対するクレンメル３２のＸ方向位置を検出するべく上ステージ３１に取付けられたＸ座標検出手段、３５は、図示しない下ステージに対する上ステージ３１のＹ方向位置を検出するべく下ステージに取付けられたＹ座標検出手段である。
【００４２】
図示しない下ステージが光軸位置０に対して所定の位置に取付けられているので、その結果、これらＸ座標検出手段３４およびＹ座標検出手段３５の検出結果により光軸位置０に対する標本Ｓ１ およびＳ２ のＸＹ方向位置が認識されることになる。なお、これらＸおよびＹ座標検出手段は、それぞれ周知のリニアエンコーダ等で構成できる。
【００４３】
次に上述の如く構成された顕微鏡の動作について図３に示すフローチャートを参照して説明する。
外部コントローラ２２により、まず合焦動作を行うための初期設定を以下の手順で行なう。外部コントローラ２２に含まれるパワーフォーカス指示手段からの指示により、ＸＹステージ５をＺ方向にマニュアル駆動させ、ＸＹステージ５の操作ハンドル３３を操作して標本Ｓ１ を光軸位置０に移動させることにより、標本Ｓ１ に該略のピント合わせを行なう（ｓｔｅｐ１）。
【００４４】
そして、標本Ｓ１ の範囲に対応したＹ座標の始点ＹＳ１および終点ＹＥ１、さらに、このＹ座標範囲における合焦度演算手段１９の演算範囲ΔＺαを外部コントローラ２２の入力手段により入力する。
【００４５】
同様に、操作ハンドル３３を操作して標本Ｓ２ に該略のピント合わせを行ない、標本Ｓ２ の範囲に対応したＹ座標の始点ＹＳ２および終点ＴＥ２さらに合焦度演算手段１９の演算範囲ΔＺβを入力する。この操作により、標本Ｓ１ に対応するＹ座標範囲における合焦度演算範囲は、
下限位置 ＺＬ１＝Ｚｃ１−ΔＺα … （１）
上限位置 ＺＨ１＝Ｚｃ１＋ΔＺα … （２）
（ただしＺｃ１は標本Ｓ１ の該略ピント位置）
標本Ｓ２ に対応するＹ座標範囲における合焦度演算範囲は
下限位置 ＺＬ２＝Ｚｃ２−ΔＺβ … （３）
上限位置 ＺＨ２＝Ｚｃ２＋ΔＺβ … （４）
（ただしＺｃ２は標本Ｓ２ の該略ピント位置）
と設定できる（ｓｔｅｐ２）。これら座標の関係を図４に示す。
【００４６】
次に、実際の合焦動作について説明する。
まず、観察部位へステージを移動する（ｓｔｅｐ３）。外部コントローラ２２により、合焦動作開始の指令が発せられると（ｓｔｅｐ４）、ＸＹ座標検出手段１５で検出（ｓｔｅｐ５）されたＸＹステージ５のＸＹ座標を参照して、ＣＰＵ１６がそのＸＹ座標に対する合焦度演算範囲を設定する（ｓｔｅｐ６）。
【００４７】
ここでは、Ｙ座標に応じて合焦度演算範囲の下限位置をＺＬ１あるいはＺＬ２に設定する。そして、Ｚ座標検出手段２１で検出（ｓｔｅｐ７）されたＺ座標が、これら合焦度演算範囲の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２よりも下側（対物レンズ６と離れる方向を下側という）にある場合は、ＣＰＵ１６がＺ駆動制御手段２０に指令を出し、前述の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２までＸＹステージ５をＺ方向に駆動する（ｓｔｅｐ８、ｓｔｅｐ９）。
【００４８】
ＸＹステージ５が前述の下限位置ＺＬ１あるいはＺＬ２に達すると、ＣＰＵ１６の制御により、合焦度演算（ｓｔｅｐ１０）と、所定量のＺ駆動とを１サイクルとしてこれを繰返すモードに入る。
【００４９】
このモードにおけるＸＹステージ５のＺ方向駆動について図５を参照して説明する。このモードでは、イメージセンサ１１の蓄積時間に応じた時間Δｔｓ の間ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸方向に駆動せずに、イメージセンサ１１からの電気信号をアナログ信号処理回路１８を経由して合焦度演算手段１９で合焦度評価値に変換するステップと、時間Δｔｚ の間ＸＹステージ５を対物レンズ６の光軸方向にΔＺ１ だけ駆動するステップとが図５に示されるよう階段状に繰り返される。
【００５０】
そして、合焦度演算手段１９からＣＰＵ１６に入力される合焦度評価値が所定の値になるとＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動がこの合焦位置Ｚｆ で停止されるとともに（ｓｔｅｐ１１、ｓｔｅｐ１２）、外部コントローラ２２に設けられた表示部に合焦完了の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１３）。
【００５１】
また、所定時間ｔＬ の間上記のモードで合焦動作を行っても合焦度評価値が所定の値とならない場合には、ＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動が停止されるとともに（ｓｔｅｐ１５、ｓｔｅｐ１６）、外部コントローラ２２の表示部に非合焦の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１７）。
【００５２】
また、時間ｔＬ 以内であっても、合焦度評価値が所定の値とならないままＸＹステージ５のＺ座標が最初に設定した合焦度演算範囲の上限ＺＨ１あるいはＺＨ２に達した場合（ｓｔｅｐ１８、ｓｔｅｐ１９）にも、ＣＰＵ１６からの指令によりＸＹステージ５の駆動が停止され（ｓｔｅｐ１６）、外部コントローラ２２の表示部に非合焦の表示が行なわれる（ｓｔｅｐ１７）。
【００５３】
以上のように本実施の形態においては、ＸＹステージ５のＸＹ座標により、合焦度演算手段１９の演算範囲を可変できるようにしたので、ＸＹステージ５上に異なる２枚のスライドガラス標本を載せて観察する場合等標本のピント位置にバラツキがあった場合でも、合焦点の演算範囲を適切に小さくできるので、ピント合わせが迅速かつ正確に行なうことができる。
【００５４】
なお、上述の説明においては、図４に示されるように合焦度演算範囲をＹ座標によってのみ変えるようにしたが、もちろんＸ座標によっても変えることができる。
【００５５】
また、本実施の形態の説明においては、ＸＹステージを移動させる場合について説明したが、対物レンズを移動することにより、焦点を合わせるようにしてもよい。
【００５６】
合焦度演算範囲の入力方法も座標の始点と終点を指示する方法を採用したが、この方法に限ったものではない。また、本実施の形態においては、ＸＹステージ５のＸＹ駆動操作は操作ハンドル３３による手動操作としたが、アクチュエータを用いて電動駆動するタイプのものであってもよいのは当然のことである。
＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態に係る顕微鏡について説明する。
【００５７】
本実施の形態においては、合焦度演算手段１９の演算範囲を倍率検知手段２３によって検知される対物レンズの倍率データに応じて可変とする。例えば、対物レンズ６が４０倍〜１００倍のような高倍率の場合を基準に観察者が合焦度演算範囲ΔＺαを入力した場合、演算範囲は前述の第１の実施の形態において述べたように、
ＺＬ１＝Ｚｃ１−ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨ１＝Ｚｃ１＋ΔＺα … （５）
となるが、対物レンズ６を低倍率のものに切換えた場合、ＣＰＵ１６により、低倍率の場合の合焦度演算範囲を、
ΔＺα′＝ｋ・ΔＺα … （６）
（ｋは対物レンズの焦点深度に比例した定数）
と定め、自動的に演算範囲を
ＺＬ１′＝Ｚｃ１−ΔＺα′≦Ｚ≦ ＺＨ１′＝Ｚｃ１＋ΔＺα′ … （７）
と設定する。
【００５８】
図６は、変換前後の合焦度演算範囲の関係を示す図である。
したがって、観察者は、倍率の異なる対物レンズ毎に合焦度演算範囲を設定する必要がなく、特定の倍率における演算範囲のみを入力するだけで、各倍率の対物レンズに適した合焦度演算範囲を自動的に設定できるため、操作の簡略化が計れるという利点を有する。
【００５９】
なお、本実施の形態においては、合焦度演算範囲を低倍率と高倍率とで分けるようにしたが、さらに細かく対物レンズの倍率毎に演算範囲を設定するように構成することで、さらに合焦動作の効率化が可能であることは言うまでもない。
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態にかかる顕微鏡の動作について、図７のフローチャートを参照して説明する。上述の第１の実施の形態に係る顕微鏡と本実施の形態に係る顕微鏡と異なる点は、合焦度演算手段１９の合焦度演算範囲の設定方法にある。
【００６０】
まず、標本Ｓ１ の適切な部位で該略のピントを合わせるために、外部コントローラ２２に設けられたパワーフォーカス指示手段の指示によりＸＹステージ５をＺ方向にマニュアル駆動させる（ｓｔｅｐ３１）。
【００６１】
次に、ほぼピントが合ったことを確認したら、初期の合焦度演算範囲として、演算範囲中心値Ｚｃ および演算範囲ΔＺαを外部コントローラ２２の操作により入力する。この操作により初期の合焦度演算範囲は、
ＺＬ１＝ Ｚｃ −ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨ１＝Ｚｃ ＋ΔＺα … （８）
と設定される（ｓｔｅｐ３２）。
【００６２】
そして、標本Ｓ１ の観察したい部位を光軸ｏ上に合わせるべくＸＹステージ５をＸＹ平面内で移動し（ｓｔｅｐ３３）、合焦動作開始の指令を外部コントローラ２２によって与える（ｓｔｅｐ３４）。
【００６３】
合焦動作開始の指令が発せられると、ＣＰＵ１６はまず、今回の合焦動作が何回目の動作かを判断する（ｓｔｅｐ３５）。１回目あるいは２回目の合焦動作であれば、Ｚ座標検出手段２１で検出されるＺ座標（ｓｔｅｐ３９）と初期設定された合焦度演算範囲ＺＬ ≧Ｚ≧ＺＨ とを比較し、現在のＺ座標が合焦度演算範囲内にあることを確認して、合焦度の演算に移る（ｓｔｅｐ４０、ｓｔｅｐ４２）。
【００６４】
現在のＺ座標が合焦度演算範囲外であれば、ＸＹステージ５を演算範囲下限ＺＬ へ駆動（ｓｔｅｐ４１）してから合焦度の演算を開始する。そして、第１の実施の形態及び第２の実施形態において述べたように、合焦度演算と所定量のＺ駆動とを１サイクルとしてこれを繰返し行なうことにより（ｓｔｅｐ４３、４８、５１、５２）、最終的に所定時間ｔＬ 内かつ合焦度演算範囲内で合焦度評価値が所定の値となった場合にはＸＹステージ５がその位置が停止し合焦が得られる（ｓｔｅｐ４４、４５）。
【００６５】
１回目の合焦完了時の座標（ｘ１ ，ｙ１ ，ｚ１ ）、そして２回目の合焦動作であればさらに２回目の合焦完了時の座標（ｘ２ ，ｙ２ ，ｚ２ ）は順にＣＰＵ１６内の合焦座標記憶手段に記憶される（ｓｔｅｐ４６）。
【００６６】
一般に、顕微鏡で標本を観察する場合ＸあるいはＹ座標のうち、一方は固定のまま、Ｘ方向あるいはＹ方向にのみステージを移動しながら観察するケースも少なくない。
【００６７】
今、Ｙ座標を固定してＸ方向にＸＹステージ５を移動している場合、すなわち前述の合焦座標（ｘ１ ，ｙ１ ，ｚ１ ）、（ｘ２ ，ｙ２ ，ｚ２ ）において、ｙ１ ＝ｙ２ である場合を考える。
【００６８】
３回目の合焦動作を行う場合、３回目の観察部位のＸＹ座標（ｘ３ ，ｙ３ ）においてもｙ１ ＝ｙ２ ＝ｙ３ であり、Ｘ方向に極端に大きな移動でなければ、この３回目の観察部位における合焦完了時のＺ座標Ｚ３ は、前回の１回目、２回目の合焦座標（ｘ１ ，ｚ１ ）、（ｘ２ ，ｚ２ ）を通る直線上に存在すると仮定し予測することができる。
【００６９】
即ち、予測合焦位置Ｚ３ ′は連立一次方程式を解くことにより
【００７０】
同様にして、Ｎ回目の予測合焦位置ＺＮ ′は、その直前２回の記憶された合焦座標（ｘＮ−１ ，ｚＮ−１ ）、（ｘＮ−２ ，ｚＮ−２ ）を用いて次のように求められる。
【００７１】
また、ＸＹステージ５をＸ方向にもＹ方向にも移動させながら観察を行う場合には、直前３回の記憶された合焦座標（ｘＮ−１ ，ｙＮ−１ ，ｚＮ−１ ）、（ｘＮ−２ ，ｙＮ−２ ，ｚＮ−２ ）、（ｘＮ−３ ，ｙＮ−３ ，ｚＮ−３ ）を３次元空間上の平面を表す一般式
ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝ｚ … （１１）
に代入して得られる連立一次方程式を周知の数値演算法で解くことにより予測合焦位置ｚＮ ′が求められる。以上のように予測合焦位置ＺＮ ′が求められたら、ＣＰＵ１６に記憶されている合焦度演算範囲を消去し、新たに合焦度演算範囲を
ＺＬＮ＝ＺＮ ′−ΔＺα ≦ Ｚ ≦ ＺＨＮ＝ＺＮ ′＋ΔＺα … （１２）
のように設定する。
【００７２】
そして、現在のＺ座標を検出し、更新設定された合焦度演算範囲ＺＬＮ≦Ｚ≦ＺＨＮと比較し、１回目、２回目と同様のステップでＣＰＵ１６が制御を行い、合焦動作完了に到る。
【００７３】
従って、本実施の形態においては、毎回の合焦動作によって得られる合焦座標データを用いて次の観察部位における予測合焦点位置を求め、この予測合焦点位置に基づいて合焦度を演算する範囲を設定しこれを合焦動作の都度更新するようにしたので、標本の厚みに変化があったり、ステージが傾いていたりしても合焦度演算範囲を小さくすることができ無駄な合焦度演算を行なわずに合焦までに要する時間を短縮できる。
【００７４】
また、本実施の形態においては、予測合焦位置を、直前の２回もしくは３回の合焦座標データを用いて直線あるいは平面上の点として求めたが、３回以上の合焦座標データを用いて２次曲線あるいは曲面上の点として求めることも有効である。
【００７５】
さらに、第１の実施の形態と同様に、ＸＹステージをアクチュエータで駆動する電動ステージとして構成することも当然可能である。さらに、本実施の形態においては、観察部位を移動する度に合焦動作開始の指令を入力するようにしたが、ＣＰＵの制御により観察部位を移動しながら適切な時間間隔で合焦動作を繰り返すような連続型の焦点制御法に適用することも可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、ＸＹステージの座標を検出するＸＹ座標検出手段と、標本像の合焦度を演算する範囲を設定する合焦度演算範囲設定手段を設け、検出されるＸＹ座標に応じて合焦度演算範囲を可変とするようにしたので、標本の厚みに変化があったり、ＸＹステージの精度が悪くても、合焦度演算範囲を小さくすることができ、合焦動作に要する時間を著しく短縮することができる。
【００７７】
また、対物レンズの倍率を検知する倍率検知手段を設け、合焦度演算範囲を対物レンズの倍率によって可変とするようにしたので、観察者の操作の簡略化できる上に、対物レンズの倍率に合わせて合焦度演算範囲がさらに縮小される結果合焦動作に要する時間をさらに短縮することができる。
【００７８】
さらに、合焦動作完了時の座標を逐次記憶する合焦座標記憶手段を設け、直前の合焦座標を含む少くとも２個の合焦座標データを用いて次の観察部位における予測合焦位置を求め、この予測合焦点位置を基に合焦度演算範囲を設定し、これを合焦動作の都度更新するようにしたので、標本の厚みやステージの精度に合わせて常に最適な合焦度演算範囲が自動的に設定され、標本の広範囲な領域に渡り、常に迅速かつ正確な合焦動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】同第１の実施の形態における顕微鏡のＸＹステージの構成を示す図である。
【図３】同第１の実施の形態における顕微鏡の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】同第１の実施の形態における顕微鏡の合焦度演算範囲を示す図である。
【図５】同第１の実施の形態における顕微鏡のＸＹステージの駆動を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る顕微鏡の変換前後の合焦演算範囲の関係を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る顕微鏡の動作を説明するフローチャートである。
【図８】同第３の実施の形態に係る顕微鏡の合焦位置と予測合焦位置との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…顕微鏡フレーム、２…光源、３…ミラー、４…コンデンサレンズ、５…ＸＹステージ、６…対物レンズ、７…鏡筒、８…接眼レンズ、９…センサヘッド、１０…ハーフミラー、１１…イメージセンサ、１２…撮像手段、、１３…電動レボルバ、１４…電動レボルバ駆動制御手段、１５…ＸＹ座標検出手段、１６…ＣＰＵ、１７…イメージセンサ駆動回路、１８…アナログ信号処理回路、１９…合焦度演算手段、２０…Ｚ駆動制御手段、２１…Ｚ座標検出手段、２２…外部コントローラ、２３…倍率検知手段、３１…上ステージ、３２…クレンメル、３３…操作ハンドル、３４…Ｘ座標検出手段、３５…Ｙ座標検出手段。
Claims (3)
- コントラスト等の評価値により標本像の合焦度を演算し、対物レンズの光軸に対して略垂直な平面内で走査可能なＸ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動することにより、標本に対して合焦を行なう顕微鏡の自動焦点整合装置において、
前記Ｘ−Ｙステージの光軸に対する位置を示すＸ−Ｙ座標を検出するＸ−Ｙ座標検出手段と、
前記Ｘ−Ｙステージ又は前記対物レンズの光軸方向の移動可能範囲のうち、前記Ｘ−Ｙステージの複数の特定範囲に対する標本像の合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲設定手段と、
前記Ｘ−Ｙ座標検出手段にて検出されたＸ−Ｙ座標に対応する前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に基づいて、前記Ｘ−Ｙステージ又は対物レンズを光軸方向に移動させて前記標本に対して合焦を行なう合焦手段と
を具備したことを特徴とする顕微鏡の自動焦点整合装置。 - 前記対物レンズの倍率を検出する倍率検出手段と、
前記倍率検出手段により検出された対物レンズの倍率に基づいて、前記合焦度演算範囲設定手段にて設定された複数の合焦度演算範囲を前記対物レンズの倍率に適合する合焦度演算範囲に変換する合焦度演算範囲変換手段と
を付加したことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置。 - 前記合焦手段により合焦が行なわれた際のＸ−Ｙステージと対物レンズとの光軸方向の相対位置を示すｚ座標を検出するｚ座標検出手段と、
前記ｚ座標検出手段により検出されたｚ座標及びこのときのＸ−Ｙ座標検出手段により検出されるＸ−Ｙ座標を逐次記憶する記憶手段と、
前記記憶手段により記憶された特定範囲に対応するＸ−Ｙ座標及びｚ座標に基づいて、合焦動作の都度、それぞれの特定範囲に対応する予測合焦位置を算出する予測合焦位置算出手段と、
前記予測合焦位置算出手段により算出された予測合焦位置に基づいて、新たに合焦度演算範囲を算出し、合焦動作の都度、前記合焦度演算範囲設定手段により設定された合焦度演算範囲に代えて、新たに算出された合焦度演算範囲を設定する合焦度演算範囲再設定手段と
を付加したことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡の自動焦点整合装置。
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