JP3709238B2 - 自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡 - Google Patents
自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡等の光学機器に適用される自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、顕微鏡などに適用される自動焦点検出装置は、その焦点検出方式には様々なものが考えられており、一例として、特開昭５９−１８２４０９号公報に開示されるような、映像信号の高周波成分に着目した焦点検出装置が知られている。
【０００３】
この焦点検出装置は、映像信号の高周波成分に現れるコントラスト値をデフォーカス量として扱い焦点検出を行うもので、映像信号の高周波成分に現れるコントラスト値が図７に示すように、合焦位置ではコントラスト値が最大となり、デフォーカス量の増大と共にコントラスト値が減少していく特性を利用して、いわゆる山登りサーボ方式でオートフォーカス（以下ＡＦと略す）制御を行うようにしている。
【０００４】
また、特開昭６４？４２４１６号公報に開示されるような、いわゆる光路差方式を採用したＡＦ制御も知られており、このような焦点検出方式においても図７と同様の特性を有する前ピン／後ピンのコントラスト特性を利用するようにしている。
【０００５】
つまり、このような焦点位置検出装置は、基本的には予定結像面に対して前後２ケ所にイメージセンサ等の受光素子を配し、それぞれの受光素子で撮像される受光像のコントラストに対応する信号に基づいて光学系のサーボ機構を作動させてＡＦ制御を行うようにしている。
【０００６】
図８は、このような光路差方式をさらに詳述するもので、この場合、同図（ａ）に示すように基準結像面より前に配置された受光素子によって撮像した光像（このボケ像を前ピン像と呼ぶ）のコントラスト信号の値Ｂと、基準結像面より後に配置された受光素子によって撮像した光像（このボケ像を後ピン像と呼ぶ）のコントラスト信号の値Ａが得られ、このうち前ピン像のコントラスト値Ｂは合焦位置から（＋）側へ少し離れたステージＺ位置で最大となり、後ピン像のコントラスト値Ａは合焦位置から少し（−）側に離れたステージＺ位置で最大となる。この時、合焦位置前後の２ケ所のセンサは、基準結像面から等距離に配置されているので、前ピン像及び後ピン像のコントラストの最大値をとる場所は合焦位置から等距離となる。
【０００７】
そして、同図（ｂ）に示すように後ピン像のコントラスト値Ａから前ピン像のコントラスト値Ｂを差し引いた信号の特性（以下、Ｓ字カーブと呼ぶ）を求めると、（Ａ−Ｂ）の値が０となる合焦点に一致する。この点がクロスポイントと呼ばれ、被写体が合焦点より対物レンズ側に近づいている場合、（Ａ−Ｂ）は正となり、被写体が合焦点より離れている場合は（Ａ−Ｂ）は負となって与えられることから、この差分値の極性に応じた方向で被写体または撮像レンズを移動させ、前ピン／後ピン像のコントラスト値Ａ、Ｂの差分が０近くなるまで、この動作を繰り返すことにより、ＡＦ制御が行われることになる。
【０００８】
ところで、先述した２つの光学素子に入射する被写体像の光量の割合（以下、光量バランスと呼ぶ）が異なるような場合、図８（ａ）に示した前ピン像のコントラスト値Ｂと後ピン像のコントラスト信号Ａは、図９（ａ）に示すように、それぞれピークレベルの異なった信号となることがある。
【０００９】
このような場合、図８（ｂ）に示すＳ字カーブは、図９（ｂ）の様に変形してしまい、クロスポイントは本来の合焦点からシフトしてしまう。このことは、光路差方式によるＡＦ制御では、クロスポイントを検出し、これを合焦位置と判断するようになっているため、ＡＦ誤動作を招くことになる。
【００１０】
そこで、このようなＡＦ誤動作を解消するため、予め２つの受光素子の感度を同一に調整、固定することが行われ、さらに特開平５−９３８４５号公報に開示されるように、より高精度なＡＦを実現するため、光学的条件の変更に伴ってセンサ位置や制御方法などを変更可能にした自動焦点検出装置も提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した光量バランスは、被写体とセンサとの間に挿入される光学素子の若干の特性の違いによっても変動する。すなわち、顕微鏡でいえば、検鏡法、対物レンズ等の変更によって光学的条件が変化しただけで、これにともない光量バランスも変化する。
【００１２】
このことから光量バランスは、予め２つの受光素子の感度を同一に調整、固定しただけでは、挿入される光学素子の組合せによっては、十分な合焦精度が得られないという問題点があった。本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、精度の高い安定した合焦動作を実現できる自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被写体を載置するステージと、前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、前記結像光学系の光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出する状態検出手段と、前記状態検出手段の状態検出により前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルを調整する光量バランス調整手段と、前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段とを具備したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに前記結像光学系の各種条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせを記憶した記憶手段を有し、前記光量バランス調整手段は、前記状態検出手段の状態検出により前記記憶手段より現在の結像光学系の条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせ情報を読み出し、該組み合わせ情報に基づいて前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整することを特徴ととしてる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、被写体を載置するステージと、前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、前記結像光学系の状態を検出する状態検出手段と、前記状態検出手段の状態検出により前記被写体と結像光学系の距離を所定量に調整した後、前記イメージセンサより出力される前後の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整する光量バランス調整手段と、前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段とを具備したことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記状態検出手段は、光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１、２，４に記載の発明において、前記状態検出手段は、さらに、光路中に挿入されている光学素子の種類を検出することを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板であることを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、位相差検鏡時に用いるリングスリット、位相差板であることを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、ノマルスキー検鏡時に用いるノマルスキープリズムであることを特徴としている。
請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の自動焦点検出装置を顕微鏡に備えたことを特徴とする自動焦点検出装置を適用した顕微鏡としている。
【００１６】
この結果、請求項１記載の発明によれば、イメージセンサ上に被写体像を結像させる結像光学系で、例えば光学要素が変更されるなどして光学的条件が変化し、この状態を状態検出手段が検出すると、光量バランス調整手段によりイメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルが、最適光量バランスになるように調整され、その後、被写体に対する合焦動作が実行されるようになるので、結像光学系の光学的条件の変化に対しても精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明によれば、予め、記憶手段に結像光学系の各種条件に対応する前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせを記憶しておき、結像光学系に条件変化が生じると、この時の条件変化に対応するゲインの組み合わせ情報を読み出し、この情報に基づいてイメージセンサより出力される前後の光像の画像信号のレベルを調整するようになっていて、画像信号の輝度レベル調整に必要なゲインの組み合わせ情報は、すべて記憶手段から読み出すようになるので、輝度レベル調整に要する時間を大幅に短縮でき、合焦動作の高速化を実現できる。
【００１８】
また、請求項３記載の発明によれば、初めて合焦動作を開始する際、あるいは合焦動作を開始する際に、結像光学系に条件変化が生じると、一旦被写体と結像光学系の距離を所定量に調整し、この状態から、イメージセンサより出力される前後の画像信号の輝度レベルが等しくなるように調整していて、前回の光量バランス調整時と光学的条件が異なった場合のみ光量バランスの調整を行うようにしているので、かかる光量バランス調整による合焦動作高速化への悪影響を最小限に止めることができる。
また、請求項４記載の発明によれば、光路中に光学素子が挿入されているか否かを状態検出手段で検出することができる。
さらに、請求項５記載の発明によれば、光路中に挿入されている光学素子の種類も状態検出手段で検出することができる。
また、請求項６乃至８記載の発明によれば、状態検出手段によって透過偏向検鏡や位相差検鏡、ノマルスキー検鏡の状態を検出することができる。
また、請求項９記載の発明によれば、上述したような自動焦点検出装置を顕微鏡に適用することで、常に精度の高い安定した顕微鏡の合焦動作を実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の自動焦点検出装置を顕微鏡に適用した場合の概略構成を示している。
【００２０】
図において、１はステージで、このステージ１は、標本である被写体Ｓを載置し、図示上下方向への移動を可能にしている。
そして、顕微鏡の光学系にステージ１上の被写体Ｓを照明する落射検鏡のための落射用光源２と透過検鏡のための透過用光源２´を配置している。
【００２１】
この場合、落射用光源２の落射照明光は、観察光軸上に配置したハーフミラー４で被写体側へ反射され、対物レンズ３を通って被写体Ｓへ入射するようにしている。また、透過用光源２´の透過照明光は、ステージ１の光路用開口部を通って被写体Ｓを下から照明するようにしている。
【００２２】
そして、これらいずれかの光源２、２´より得られる被写体Ｓからの光束は、対物レンズ３、ハーフミラー４を通過して光路分岐部材５に入射され、この光路分岐部材５により光束の一部が接眼レンズＬに、他の一部が結像レンズ６を通して分割プリズム７へ導かれるようになっている。
【００２３】
分割プリズム７は、結像レンズ６を通過した光束を２分割するとともに、これら分割した２つの光束を平行な状態で、ＣＣＤラインセンサ８の受光面に入射するようにしている。
【００２４】
この場合、ＣＣＤセンサ８に入射する２光束は、分割プリズム７内での反射回数により、結像レンズ６の出射面からＣＣＤセンサ８に至るまでの光路長を異ならしている。また、この時のＣＣＤセンサ８の受光面は、結像レンズ６を含む結像光学系の予定結像面に対する前後の光学的に共役に位置（前側共役面と後側共役面）に一致させている。
【００２５】
これによりＣＣＤセンサ８の受光面には、予定結像面から共役な２位置の被写体像（前ピン像、後ピン像）が投影されることになる。これら２つの被写体像は被写体Ｓが合焦位置に来た時のみに同一形状となる。
【００２６】
ＣＣＤセンサ８には、タイミングジェネレータ９を接続し、このタイミングジェネレータ９によりＣＰＵ１０の命令に応じた電荷蓄積時間だけタイミング信号が与えられるようになっている。
【００２７】
また、ＣＰＵ１０は、外部コントローラ１１より入力される現在の検鏡法、倍率によって対物レンズ３を切り換えるようになっている。
なお、図面中ＰＯ、ＡＮは偏向板などの光学素子で、これら光学素子ＰＯ、ＡＮは、透過偏向検鏡の際に用いられる。また、これら光学素子ＰＯ、ＡＮには、それぞれ状態検出装置１２、１３を接続している。これら状態検出装置１２、１３は、ホール素子、ホトインタラプタ等の位置検出器からなるもので、各光学素子ＰＯ、ＡＮが光路中に挿入されているか否かを検出するとともに、さらに挿入されている光学素子ＰＯ、ＡＮの種類を検出するようにしている。そして、これらの検出した状態信号は、ＣＰＵ１０に送信するようになっている。
【００２８】
一方、ＣＣＤセンサ８には、光学系の合焦状態を制御するための以下に述べるＡＦ制御部が接続されている。
この場合、ＣＣＤセンサ８には、光量バランス調整部１４を接続し、光量バランス調整部にはメモリ１５、アナログ処理部１６およびＣＰＵ１０を接続している。また、アナログ処理部１６には、Ａ／Ｄ変換器１７を接続し、Ａ／Ｄ変換器１７には、ＣＰＵ１０、メモリ１８を接続し、さらにメモリ１８には演算回路１９を接続し、演算回路１９には、ＣＰＵ１０を接続している。
【００２９】
ここで、ＣＣＤセンサ８は、その受光面に投影された光像（前ピン像、後ピン像）の入射光量と蓄積時間に応じた電圧をもつアナログ信号を画像信号として出力し、この画像信号を光量バランス調整部１４に入力するようにしている。
【００３０】
メモリ１５は、予め、結像光学系のさまざまな条件を想定して、これのら光学的条件に対応する前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せを格納したもので、ＣＰＵ１０の指令によって、これらゲインの組合わせ情報を光量バランス調整部１４に与えるようにしている。
【００３１】
光量バランス調整部１４は、ＣＰＵ１０からの指令に応じて前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せ情報をメモリ１５から読み込み、この時の組み合わせ情報に基づいて各画像信号のゲイン調整を行うようにしている。そして、この光量バランス調整部１４からの出力を、アナログ処理部１６においてフィルタ処理し、ピークホールド等のアナログ処理を行った後、Ａ／Ｄ変換器１７に与えるようにしている。
【００３２】
Ａ／Ｄ変換器１７は、アナログ処理部１６でアナログ処理されたＣＣＤセンサ８の出力信号をデジタル化するものである。また、Ａ／Ｄ変換器１７は、ＣＣＤセンサ８から出力される信号がアナログ処理部１６のレンジに適合しているかをＣＰＵ１０により監視されるようにもなっている。なお、ＣＣＤセンサ８から出力される被写体像のアナログ信号がアナログ処理部１６のレンジに適合していなければ、ＣＰＵ１０の命令がタイミングジェネレータ９に送信され、ＣＣＤセンサ８での電荷蓄積時間がアナログ処理部１６のレンジに適合するような蓄積時間に設定される。
【００３３】
メモリ１８は、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル化されたＣＣＤセンサ８の出力信号を前ピンと後ピンとで別々に格納するものである。演算回路１９は、ＣＰＵ１０の命令によりメモリ１８の格納内容を読出可能になっていて、メモリ１８に取り込まれた２つの被写体像のデジタル信号を用いて、各被写体像のコントラスト値を算出すると共に、これら２つの被写体像のコントラスト値の差分から被写体Ｓの合焦状態を示すデフォーカス量を算出し、そのデフォーカス信号をＣＰＵ１０に出力するようにしている。
【００３４】
なお、ＣＰＵ１０は、演算回路１９からデフォーカス信号が与えられると、被写体Ｓを合焦位置へ移動させるためのステージ１の移動量及び移動方向の信号を算出し、この信号に基づいて駆動回路２０によりステージ１を上下移動させて合焦調節を行うようにしている。
【００３５】
図２は、このようなＡＦ制御部に採用される光量バランス調整部１４の概略構成を示している。同図では、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲイン調整を行う部分の回路構成を示している。
【００３６】
この場合、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号は、入力部１４１から入力される。そして、これら信号を、前ピン、後ピンそれぞれのゲイン調整部１４２、１４３に与え、異なるゲインで増幅するようにしている。
【００３７】
ゲイン調整部１４２は、オペアンプＯＰ1 と抵抗Ｒ1 、Ｒ2 からなっていて、これら抵抗Ｒ1 、Ｒ2 の設定により、前ピンの画像信号のゲインを１倍にし、また、ゲイン調整部１４３は、オペアンプＯＰ2 と抵抗Ｒ3 、Ｒ4 からなっていて、これら抵抗Ｒ3 、Ｒ4 の設定により、後ピンの画像信号のゲインを２倍にするようにしている。
【００３８】
前ピン側のゲイン調整部１４２の増幅信号をスイッチ部１４４に入力し、後ピン側のゲイン調整部１４３の増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５に入力するようにしている。この場合、Ｄ／Ａコンバータ１４５は、入力された後ピン側の増幅信号を、ＣＰＵ１０からの８ビットの指令に応じて０〜１倍まで、２５６段階で調整できるようになっている。
【００３９】
そして、Ｄ／Ａコンバータ１４５からの出力信号をスイッチ部１４４に入力している。このスイッチ部１４４は、ＣＰＵ１０からの指示に従い、前ピン、後ピンを選択的に出力できるようにしている。
【００４０】
つまり、このような光量バランス調整部１４では、ＣＰＵ１０の指示に応じて前ピンの画像信号に対して、後ピンの画像信号のゲインを０〜２倍まで２５６段階で調整できるようにしている。
【００４１】
次に、以上のように構成した実施の形態の動作を図３に従い説明する。
この場合、外部コントローラ１１により焦点検出動作を指示すると、図３に示すフローチャートが実行される。
【００４２】
この場合、外部コントローラ１１から焦点検出動作の信号をＣＰＵ１０が受信すると、ステップ３０１で、外部コントローラ１１により予め設定されている現在の検鏡法、現在使用している対物レンズの種類、さらに状態検出部１２、１３により現在光路中に挿入している光学素子の種類、状態を検出する。
【００４３】
そして、ステップ３０２で、これらの光学的条件に対応した前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せをメモリ１５から読み出し、このゲインの組合せ情報を光量バランス調整部１４に与える。これにより、光量バランス調整部１４では、ステップ３０３で、ゲインの組合せ情報に応じて後ピン側のゲイン調整部１４３での増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５により２５６段階に調整することで、現在の光学的条件の下での、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１となるような光量バランス調整が設定される。
【００４４】
この状態から、ステップ３０４で、ＣＣＤセンサ８での蓄積時間を所定の値に固定し、ステップ３０５で、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号を光量バランス調整部１４に読み込み、光量バランス調整部１４により、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスを調整する。
【００４５】
そして、ステップ３０６で、光量バランスが調整された画像信号をアナログ処理部１６に取り込み、ピークホールド手段を用いて、画像信号中の最大電圧値をピーク信号として検出する。次に、ステップ３０７で、ピーク信号をＡ／Ｄ変換し、このデータをＣＰＵ１０に送る。
【００４６】
ＣＰＵ１０では、ステップ３０８で、ピーク信号の値がアナログ処理部１６のレンジに適合しているか否かを判定する。ここで、レンジに適合していない場合は、ステップ３０９で、タイミングジェネレータ９に指令を送り、適正な蓄積時間に変更する。一方、レンジに適合していれば、現在の蓄積時間は適正であると判断して、ステップ３１０で、前ピン、後ピンの画像信号の演算結果から合焦位置の方向を検出し、ステップ３１１で、検出した焦点位置へステージ１上の被写体Ｓが位置するように駆動回路２０を介してステージ１を駆動し、ＡＦ制御を行うようになる。
【００４７】
従って、このようにすれば、ステージ１に載置される被写体Ｓに対して対物レンズ３などの結像光学系を介しイメージセンサ８より、光軸に対して共役な前後の光像を取り込むようにしていて、結像光学系に条件変化が生じ、状態検出装置１２、１３で、このことを検出すると、光量バランス調整部１４により、この時の光学的条件に応じた適正なゲインの組み合わせ情報に基づいてイメージセンサ８より出力される前後の光像の画像信号のレベルが調整され、その後、この調整された前後の光像の画像信号に基づいてステージ１に載置された被写体Ｓに対する合焦動作が実行されるようになるので、光学的条件が、予め光量バランスを１：１に調整、固定した時の状態と異なった場合も、常に光量バランスが１：１を保用に調整でき、これにより光量バランスの変化に伴う合焦精度の低下を阻止し、精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００４８】
また、各種の光学的条件の下での適正なゲインの組み合わせ情報をメモリ１５に記憶しておき、これを光量バランス調整の際に読みだして使用するようにしたので、合焦動作において光量バランス調整に費やす時間を非常に短くでき、合焦時間の高速化を実現できる。
【００４９】
また、光量バランス調整の際に、前回光量バランス調整を行った時と光学的条件が異なっていない場合には、光量バランス調整を行わないようにすれば、さらに合焦時間の短縮化を図ることができる。
【００５０】
なお、第１の実施の形態における状態検出部１２、１３は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板の検出手段としているが、これら検出手段については、位相差検鏡時に使用するリングスリット、位相差板、ノマルスキー検鏡時に使用するノマルスキープリズムなどの光学素子の検出手段としてもよい。これらの検出手段は、その数を増やすようにしても同様の効果を得られる。
【００５１】
また、一度ＡＦ動作が終了して、ステージが合焦位置にあったとしても、光学素子の着脱があったことを検出手段で検出すると、再び合焦動作を繰り返すようなシーケンスをとれば、さらにＡＦ動作の信頼性を向上させることができる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５２】
図４は、第２の実施の形態における自動焦点検出装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
この場合、第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態のさまざまな光学的条件を想定し、これのら光学的条件に対応する前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せを格納するためのメモリ１５を削除して、合焦動作を行う際に、最初に現在の前ピン、後ピンの画像信号のレベルを検出して、これら信号を一致させるような制御を行うことで光量バランスを１：１に保持させるようにしている。その他は、図１で述べた構成と同様である。
【００５３】
次に、このように構成した実施の形態の動作を図５に従い説明する。
この場合、光量バランスを調整するのは、最初に合焦動作を行う場合と検鏡法、対物レンズ等の光学的条件を変更した後に合焦動作を行う場合があるが、両者において制御方法に違いがないので、ここでは、光学的条件を変更した後に、合焦動作を行う場合について説明する。
【００５４】
また、ここでは、一例として透過明視野検鏡で１０倍の対物レンズ３を使用していた状態から、透過偏向検鏡で２０倍の対物レンズ３に変更する場合について説明する。このような変更を行うには、外部コントローラ１１での指示により検鏡法、及び対物レンズの変更を行い、さらに光路中に偏向板ＰＯ、ＡＮを挿入するようになる。
【００５５】
まず、ステップ５０１で、ＣＰＵ１０は、外部コントローラ１１から検鏡法、対物レンズのうち、少なくとも１つの状態の変更、あるいは状態検出部１２、１３のうち少なくとも１つの状態の変更が有るかを判断する。そして、状態の変更を検出すると、ステップ５０２で、駆動回路２０を付勢して、ステージ１を所定の位置に移動する。つまり、被写体Ｓと結像光学系の距離を所定量に調整する。この時の所定の位置は合焦位置から十分離れた位置とする。
【００５６】
この場合のステージ位置における前ピン、後ピンの出力信号、即ち画像信号は、図６（ｂ）に示すような形状となる。これは、いわゆるおおぼけ状態であるため、本来の画像信号である同図（ａ）に示す波形に対して全体的に変化がなく、前ピン、後ピンの画像信号の形状にも殆ど違いがない状態にある。
【００５７】
この状態において、ＣＣＤセンサ８から出力される画像信号を、光量バランス調整部１４（ここではまだバランス調整を行わない）を通し、さらにアナログ処理部１６でフィルタ処理などを行った後、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル化し、メモリ１８に格納する。
【００５８】
そして、演算回路１９において、ステップ５０３で、メモリ１８のデータを用い、ＣＣＤセンサ８の前ピン、後ピンそれぞれの画像信号の各画素のレベルの総和を算出する。この場合、演算回路１９での演算結果は、画像成分を含まないため、前ピン、後ピンそれぞれに入射する光量に比例した値とみなすことができることから、前ピン、後ピンそれぞれの画像信号の各画素レベルの総和の比が１：１であれば、光量バランスも１：１であると言える。
【００５９】
このことから、ＣＰＵ１０では、ステップ５０４で、前ピン、後ピンそれぞれの演算結果が同一であるかを判断し、同一でなければ、ステップ５０５で、光量バランス調整部１４において、前ピン、後ピンの画像信号のゲイン比を調整するようになる。この場合、光量バランス調整部１４において、前ピン側のゲイン調整部１４２での増幅信号に対し、後ピン側のゲイン調整部１４３での増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５により２５６段階に調整することで、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスが調整される。
【００６０】
そして、ステップ５０４で、前ピン、後ピンそれぞれの演算結果が同一であることをモニターなどにより確認すると、以下、第１の実施の形態と同様にして合焦動作を行う。
【００６１】
この場合、ステップ５０６で、ＣＣＤセンサ８での蓄積時間を所定の値に固定し、ステップ５０７で、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンの画像信号を光量バランス調整部１４に読み込み、光量バランス調整部１４により、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスを調整する。
【００６２】
そして、ステップ５０８で、光量バランスが調整された画像信号をアナログ処理部１６に取り込み、ピークホールド手段を用いて、画像信号中の最大電圧値をピーク信号として検出する。次に、ステップ５０９で、ピーク信号をＡ／Ｄ変換し、このデータをＣＰＵ１０に送る。
【００６３】
ＣＰＵ１０では、ステップ５１０で、ピーク信号の値がアナログ処理部１６のレンジに適合しているか否かを判定する。ここで、レンジに適合していない場合は、ステップ５１１で、タイミングジェネレータ９に指令を送り、適正な蓄積時間に変更する。一方、レンジに適合していれば、現在の蓄積時間は適正であると判断して、ステップ５１２で、前ピン、後ピンの画像信号の演算結果から合焦位置の方向を検出し、ステップ５１３で、検出した焦点位置へステージ１上の被写体Ｓが位置するように駆動回路２０を介してステージ１を駆動し、ＡＦ制御を行うようになる。
【００６４】
従って、このようにすれば、初めて合焦動作を開始する際、あるいは合焦動作を開始する際に、前回の光量バランス調整時と光学的な環境に変化が生じると、その都度、適正な光量バランスに補正するようになるため、光量バランスの変化に伴う合焦精度の低下を阻止することができる。
【００６５】
また、光学的条件が変更された場合、常に補正後の光量バランスをモニタしながら光量バランスを調整するため、より正確な補正が可能である。
さらに光量バランス調整の際に、前回光量バランス調整を行った時と光学的条件が異なっていない場合には、光量バランス調整を行わないようにすれば、さらに合焦時間の短縮化を図ることができる。
【００６６】
なお、第２の実施の形態においても、状態検出部１２、１３は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板の検出手段としているが、これら検出手段については、位相差検鏡時に使用するリングスリット、位相差板、ノマルスキー検鏡時に使用するノマルスキープリズムなどの光学素子の検出手段としてもよい。これらの検出手段は、その数を増やすようにしても同様の効果を得られる。
【００６７】
また、一度ＡＦ動作が終了して、ステージが合焦位置にあったとしても、光学素子の着脱があったことを検出手段で検出すると、再び合焦動作を繰り返すようなシーケンスをとれば、さらにＡＦ動作の信頼性を向上させることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、イメージセンサ上に被写体像を結像させる結像光学系の光学的条件が変化すると、イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号のレベルが最適光量バランスになるように調整され、その後に合焦動作を行うようになるため、結像光学系の光学的条件の変更に伴う光量バランスの変動を補正して、常に精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００６９】
また、画像信号のレベル調整に必要なゲインの組み合わせ情報は、予め記憶された情報を用いるので、レベル調整に要する時間を大幅に短縮でき、合焦動作の高速化を実現できる。
【００７０】
さらに、前回の光量バランス調整時と光学的条件が異なった場合のみ光量バランス調整を行うようになるので、かかる光量バランス調整による合焦動作高速化への悪影響を最小限に止めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】 第１の実施の形態に用いられる光量バランス調整部の概略構成を示す図。
【図３】 第１の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図４】 本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図５】 第２の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】 第２の実施の形態での光量バランス調整を説明するための図。
【図７】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【図８】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【図９】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【符号の説明】
１…ステージ、
２…落射用光源、
２´…透過用光源、
３…対物レンズ、
４…ハーフミラー、
５…光路分岐部材、
６…結像レンズ、
７…分割プリズム、
８…ＣＣＤラインセンサ、
９…タイミングジェネレータ、
１０…ＣＰＵ、
１１…外部コントローラ、
１２、１３…状態検出装置、
１４…光量バランス調整部、
１５…メモリ、
１６…アナログ処理部、
１７…Ａ／Ｄ変換器、
１８…メモリ、
１９…は演算回路、
２０…駆動回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡等の光学機器に適用される自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、顕微鏡などに適用される自動焦点検出装置は、その焦点検出方式には様々なものが考えられており、一例として、特開昭５９−１８２４０９号公報に開示されるような、映像信号の高周波成分に着目した焦点検出装置が知られている。
【０００３】
この焦点検出装置は、映像信号の高周波成分に現れるコントラスト値をデフォーカス量として扱い焦点検出を行うもので、映像信号の高周波成分に現れるコントラスト値が図７に示すように、合焦位置ではコントラスト値が最大となり、デフォーカス量の増大と共にコントラスト値が減少していく特性を利用して、いわゆる山登りサーボ方式でオートフォーカス（以下ＡＦと略す）制御を行うようにしている。
【０００４】
また、特開昭６４？４２４１６号公報に開示されるような、いわゆる光路差方式を採用したＡＦ制御も知られており、このような焦点検出方式においても図７と同様の特性を有する前ピン／後ピンのコントラスト特性を利用するようにしている。
【０００５】
つまり、このような焦点位置検出装置は、基本的には予定結像面に対して前後２ケ所にイメージセンサ等の受光素子を配し、それぞれの受光素子で撮像される受光像のコントラストに対応する信号に基づいて光学系のサーボ機構を作動させてＡＦ制御を行うようにしている。
【０００６】
図８は、このような光路差方式をさらに詳述するもので、この場合、同図（ａ）に示すように基準結像面より前に配置された受光素子によって撮像した光像（このボケ像を前ピン像と呼ぶ）のコントラスト信号の値Ｂと、基準結像面より後に配置された受光素子によって撮像した光像（このボケ像を後ピン像と呼ぶ）のコントラスト信号の値Ａが得られ、このうち前ピン像のコントラスト値Ｂは合焦位置から（＋）側へ少し離れたステージＺ位置で最大となり、後ピン像のコントラスト値Ａは合焦位置から少し（−）側に離れたステージＺ位置で最大となる。この時、合焦位置前後の２ケ所のセンサは、基準結像面から等距離に配置されているので、前ピン像及び後ピン像のコントラストの最大値をとる場所は合焦位置から等距離となる。
【０００７】
そして、同図（ｂ）に示すように後ピン像のコントラスト値Ａから前ピン像のコントラスト値Ｂを差し引いた信号の特性（以下、Ｓ字カーブと呼ぶ）を求めると、（Ａ−Ｂ）の値が０となる合焦点に一致する。この点がクロスポイントと呼ばれ、被写体が合焦点より対物レンズ側に近づいている場合、（Ａ−Ｂ）は正となり、被写体が合焦点より離れている場合は（Ａ−Ｂ）は負となって与えられることから、この差分値の極性に応じた方向で被写体または撮像レンズを移動させ、前ピン／後ピン像のコントラスト値Ａ、Ｂの差分が０近くなるまで、この動作を繰り返すことにより、ＡＦ制御が行われることになる。
【０００８】
ところで、先述した２つの光学素子に入射する被写体像の光量の割合（以下、光量バランスと呼ぶ）が異なるような場合、図８（ａ）に示した前ピン像のコントラスト値Ｂと後ピン像のコントラスト信号Ａは、図９（ａ）に示すように、それぞれピークレベルの異なった信号となることがある。
【０００９】
このような場合、図８（ｂ）に示すＳ字カーブは、図９（ｂ）の様に変形してしまい、クロスポイントは本来の合焦点からシフトしてしまう。このことは、光路差方式によるＡＦ制御では、クロスポイントを検出し、これを合焦位置と判断するようになっているため、ＡＦ誤動作を招くことになる。
【００１０】
そこで、このようなＡＦ誤動作を解消するため、予め２つの受光素子の感度を同一に調整、固定することが行われ、さらに特開平５−９３８４５号公報に開示されるように、より高精度なＡＦを実現するため、光学的条件の変更に伴ってセンサ位置や制御方法などを変更可能にした自動焦点検出装置も提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した光量バランスは、被写体とセンサとの間に挿入される光学素子の若干の特性の違いによっても変動する。すなわち、顕微鏡でいえば、検鏡法、対物レンズ等の変更によって光学的条件が変化しただけで、これにともない光量バランスも変化する。
【００１２】
このことから光量バランスは、予め２つの受光素子の感度を同一に調整、固定しただけでは、挿入される光学素子の組合せによっては、十分な合焦精度が得られないという問題点があった。本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、精度の高い安定した合焦動作を実現できる自動焦点検出装置及びそれを適用した顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被写体を載置するステージと、前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、前記結像光学系の光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出する状態検出手段と、前記状態検出手段の状態検出により前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルを調整する光量バランス調整手段と、前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段とを具備したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに前記結像光学系の各種条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせを記憶した記憶手段を有し、前記光量バランス調整手段は、前記状態検出手段の状態検出により前記記憶手段より現在の結像光学系の条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせ情報を読み出し、該組み合わせ情報に基づいて前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整することを特徴ととしてる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、被写体を載置するステージと、前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、前記結像光学系の状態を検出する状態検出手段と、前記状態検出手段の状態検出により前記被写体と結像光学系の距離を所定量に調整した後、前記イメージセンサより出力される前後の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整する光量バランス調整手段と、前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段とを具備したことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記状態検出手段は、光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１、２，４に記載の発明において、前記状態検出手段は、さらに、光路中に挿入されている光学素子の種類を検出することを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板であることを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、位相差検鏡時に用いるリングスリット、位相差板であることを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記光学素子は、ノマルスキー検鏡時に用いるノマルスキープリズムであることを特徴としている。
請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の自動焦点検出装置を顕微鏡に備えたことを特徴とする自動焦点検出装置を適用した顕微鏡としている。
【００１６】
この結果、請求項１記載の発明によれば、イメージセンサ上に被写体像を結像させる結像光学系で、例えば光学要素が変更されるなどして光学的条件が変化し、この状態を状態検出手段が検出すると、光量バランス調整手段によりイメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルが、最適光量バランスになるように調整され、その後、被写体に対する合焦動作が実行されるようになるので、結像光学系の光学的条件の変化に対しても精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明によれば、予め、記憶手段に結像光学系の各種条件に対応する前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせを記憶しておき、結像光学系に条件変化が生じると、この時の条件変化に対応するゲインの組み合わせ情報を読み出し、この情報に基づいてイメージセンサより出力される前後の光像の画像信号のレベルを調整するようになっていて、画像信号の輝度レベル調整に必要なゲインの組み合わせ情報は、すべて記憶手段から読み出すようになるので、輝度レベル調整に要する時間を大幅に短縮でき、合焦動作の高速化を実現できる。
【００１８】
また、請求項３記載の発明によれば、初めて合焦動作を開始する際、あるいは合焦動作を開始する際に、結像光学系に条件変化が生じると、一旦被写体と結像光学系の距離を所定量に調整し、この状態から、イメージセンサより出力される前後の画像信号の輝度レベルが等しくなるように調整していて、前回の光量バランス調整時と光学的条件が異なった場合のみ光量バランスの調整を行うようにしているので、かかる光量バランス調整による合焦動作高速化への悪影響を最小限に止めることができる。
また、請求項４記載の発明によれば、光路中に光学素子が挿入されているか否かを状態検出手段で検出することができる。
さらに、請求項５記載の発明によれば、光路中に挿入されている光学素子の種類も状態検出手段で検出することができる。
また、請求項６乃至８記載の発明によれば、状態検出手段によって透過偏向検鏡や位相差検鏡、ノマルスキー検鏡の状態を検出することができる。
また、請求項９記載の発明によれば、上述したような自動焦点検出装置を顕微鏡に適用することで、常に精度の高い安定した顕微鏡の合焦動作を実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の自動焦点検出装置を顕微鏡に適用した場合の概略構成を示している。
【００２０】
図において、１はステージで、このステージ１は、標本である被写体Ｓを載置し、図示上下方向への移動を可能にしている。
そして、顕微鏡の光学系にステージ１上の被写体Ｓを照明する落射検鏡のための落射用光源２と透過検鏡のための透過用光源２´を配置している。
【００２１】
この場合、落射用光源２の落射照明光は、観察光軸上に配置したハーフミラー４で被写体側へ反射され、対物レンズ３を通って被写体Ｓへ入射するようにしている。また、透過用光源２´の透過照明光は、ステージ１の光路用開口部を通って被写体Ｓを下から照明するようにしている。
【００２２】
そして、これらいずれかの光源２、２´より得られる被写体Ｓからの光束は、対物レンズ３、ハーフミラー４を通過して光路分岐部材５に入射され、この光路分岐部材５により光束の一部が接眼レンズＬに、他の一部が結像レンズ６を通して分割プリズム７へ導かれるようになっている。
【００２３】
分割プリズム７は、結像レンズ６を通過した光束を２分割するとともに、これら分割した２つの光束を平行な状態で、ＣＣＤラインセンサ８の受光面に入射するようにしている。
【００２４】
この場合、ＣＣＤセンサ８に入射する２光束は、分割プリズム７内での反射回数により、結像レンズ６の出射面からＣＣＤセンサ８に至るまでの光路長を異ならしている。また、この時のＣＣＤセンサ８の受光面は、結像レンズ６を含む結像光学系の予定結像面に対する前後の光学的に共役に位置（前側共役面と後側共役面）に一致させている。
【００２５】
これによりＣＣＤセンサ８の受光面には、予定結像面から共役な２位置の被写体像（前ピン像、後ピン像）が投影されることになる。これら２つの被写体像は被写体Ｓが合焦位置に来た時のみに同一形状となる。
【００２６】
ＣＣＤセンサ８には、タイミングジェネレータ９を接続し、このタイミングジェネレータ９によりＣＰＵ１０の命令に応じた電荷蓄積時間だけタイミング信号が与えられるようになっている。
【００２７】
また、ＣＰＵ１０は、外部コントローラ１１より入力される現在の検鏡法、倍率によって対物レンズ３を切り換えるようになっている。
なお、図面中ＰＯ、ＡＮは偏向板などの光学素子で、これら光学素子ＰＯ、ＡＮは、透過偏向検鏡の際に用いられる。また、これら光学素子ＰＯ、ＡＮには、それぞれ状態検出装置１２、１３を接続している。これら状態検出装置１２、１３は、ホール素子、ホトインタラプタ等の位置検出器からなるもので、各光学素子ＰＯ、ＡＮが光路中に挿入されているか否かを検出するとともに、さらに挿入されている光学素子ＰＯ、ＡＮの種類を検出するようにしている。そして、これらの検出した状態信号は、ＣＰＵ１０に送信するようになっている。
【００２８】
一方、ＣＣＤセンサ８には、光学系の合焦状態を制御するための以下に述べるＡＦ制御部が接続されている。
この場合、ＣＣＤセンサ８には、光量バランス調整部１４を接続し、光量バランス調整部にはメモリ１５、アナログ処理部１６およびＣＰＵ１０を接続している。また、アナログ処理部１６には、Ａ／Ｄ変換器１７を接続し、Ａ／Ｄ変換器１７には、ＣＰＵ１０、メモリ１８を接続し、さらにメモリ１８には演算回路１９を接続し、演算回路１９には、ＣＰＵ１０を接続している。
【００２９】
ここで、ＣＣＤセンサ８は、その受光面に投影された光像（前ピン像、後ピン像）の入射光量と蓄積時間に応じた電圧をもつアナログ信号を画像信号として出力し、この画像信号を光量バランス調整部１４に入力するようにしている。
【００３０】
メモリ１５は、予め、結像光学系のさまざまな条件を想定して、これのら光学的条件に対応する前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せを格納したもので、ＣＰＵ１０の指令によって、これらゲインの組合わせ情報を光量バランス調整部１４に与えるようにしている。
【００３１】
光量バランス調整部１４は、ＣＰＵ１０からの指令に応じて前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せ情報をメモリ１５から読み込み、この時の組み合わせ情報に基づいて各画像信号のゲイン調整を行うようにしている。そして、この光量バランス調整部１４からの出力を、アナログ処理部１６においてフィルタ処理し、ピークホールド等のアナログ処理を行った後、Ａ／Ｄ変換器１７に与えるようにしている。
【００３２】
Ａ／Ｄ変換器１７は、アナログ処理部１６でアナログ処理されたＣＣＤセンサ８の出力信号をデジタル化するものである。また、Ａ／Ｄ変換器１７は、ＣＣＤセンサ８から出力される信号がアナログ処理部１６のレンジに適合しているかをＣＰＵ１０により監視されるようにもなっている。なお、ＣＣＤセンサ８から出力される被写体像のアナログ信号がアナログ処理部１６のレンジに適合していなければ、ＣＰＵ１０の命令がタイミングジェネレータ９に送信され、ＣＣＤセンサ８での電荷蓄積時間がアナログ処理部１６のレンジに適合するような蓄積時間に設定される。
【００３３】
メモリ１８は、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル化されたＣＣＤセンサ８の出力信号を前ピンと後ピンとで別々に格納するものである。演算回路１９は、ＣＰＵ１０の命令によりメモリ１８の格納内容を読出可能になっていて、メモリ１８に取り込まれた２つの被写体像のデジタル信号を用いて、各被写体像のコントラスト値を算出すると共に、これら２つの被写体像のコントラスト値の差分から被写体Ｓの合焦状態を示すデフォーカス量を算出し、そのデフォーカス信号をＣＰＵ１０に出力するようにしている。
【００３４】
なお、ＣＰＵ１０は、演算回路１９からデフォーカス信号が与えられると、被写体Ｓを合焦位置へ移動させるためのステージ１の移動量及び移動方向の信号を算出し、この信号に基づいて駆動回路２０によりステージ１を上下移動させて合焦調節を行うようにしている。
【００３５】
図２は、このようなＡＦ制御部に採用される光量バランス調整部１４の概略構成を示している。同図では、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲイン調整を行う部分の回路構成を示している。
【００３６】
この場合、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号は、入力部１４１から入力される。そして、これら信号を、前ピン、後ピンそれぞれのゲイン調整部１４２、１４３に与え、異なるゲインで増幅するようにしている。
【００３７】
ゲイン調整部１４２は、オペアンプＯＰ1 と抵抗Ｒ1 、Ｒ2 からなっていて、これら抵抗Ｒ1 、Ｒ2 の設定により、前ピンの画像信号のゲインを１倍にし、また、ゲイン調整部１４３は、オペアンプＯＰ2 と抵抗Ｒ3 、Ｒ4 からなっていて、これら抵抗Ｒ3 、Ｒ4 の設定により、後ピンの画像信号のゲインを２倍にするようにしている。
【００３８】
前ピン側のゲイン調整部１４２の増幅信号をスイッチ部１４４に入力し、後ピン側のゲイン調整部１４３の増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５に入力するようにしている。この場合、Ｄ／Ａコンバータ１４５は、入力された後ピン側の増幅信号を、ＣＰＵ１０からの８ビットの指令に応じて０〜１倍まで、２５６段階で調整できるようになっている。
【００３９】
そして、Ｄ／Ａコンバータ１４５からの出力信号をスイッチ部１４４に入力している。このスイッチ部１４４は、ＣＰＵ１０からの指示に従い、前ピン、後ピンを選択的に出力できるようにしている。
【００４０】
つまり、このような光量バランス調整部１４では、ＣＰＵ１０の指示に応じて前ピンの画像信号に対して、後ピンの画像信号のゲインを０〜２倍まで２５６段階で調整できるようにしている。
【００４１】
次に、以上のように構成した実施の形態の動作を図３に従い説明する。
この場合、外部コントローラ１１により焦点検出動作を指示すると、図３に示すフローチャートが実行される。
【００４２】
この場合、外部コントローラ１１から焦点検出動作の信号をＣＰＵ１０が受信すると、ステップ３０１で、外部コントローラ１１により予め設定されている現在の検鏡法、現在使用している対物レンズの種類、さらに状態検出部１２、１３により現在光路中に挿入している光学素子の種類、状態を検出する。
【００４３】
そして、ステップ３０２で、これらの光学的条件に対応した前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せをメモリ１５から読み出し、このゲインの組合せ情報を光量バランス調整部１４に与える。これにより、光量バランス調整部１４では、ステップ３０３で、ゲインの組合せ情報に応じて後ピン側のゲイン調整部１４３での増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５により２５６段階に調整することで、現在の光学的条件の下での、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１となるような光量バランス調整が設定される。
【００４４】
この状態から、ステップ３０４で、ＣＣＤセンサ８での蓄積時間を所定の値に固定し、ステップ３０５で、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンそれぞれの画像信号を光量バランス調整部１４に読み込み、光量バランス調整部１４により、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスを調整する。
【００４５】
そして、ステップ３０６で、光量バランスが調整された画像信号をアナログ処理部１６に取り込み、ピークホールド手段を用いて、画像信号中の最大電圧値をピーク信号として検出する。次に、ステップ３０７で、ピーク信号をＡ／Ｄ変換し、このデータをＣＰＵ１０に送る。
【００４６】
ＣＰＵ１０では、ステップ３０８で、ピーク信号の値がアナログ処理部１６のレンジに適合しているか否かを判定する。ここで、レンジに適合していない場合は、ステップ３０９で、タイミングジェネレータ９に指令を送り、適正な蓄積時間に変更する。一方、レンジに適合していれば、現在の蓄積時間は適正であると判断して、ステップ３１０で、前ピン、後ピンの画像信号の演算結果から合焦位置の方向を検出し、ステップ３１１で、検出した焦点位置へステージ１上の被写体Ｓが位置するように駆動回路２０を介してステージ１を駆動し、ＡＦ制御を行うようになる。
【００４７】
従って、このようにすれば、ステージ１に載置される被写体Ｓに対して対物レンズ３などの結像光学系を介しイメージセンサ８より、光軸に対して共役な前後の光像を取り込むようにしていて、結像光学系に条件変化が生じ、状態検出装置１２、１３で、このことを検出すると、光量バランス調整部１４により、この時の光学的条件に応じた適正なゲインの組み合わせ情報に基づいてイメージセンサ８より出力される前後の光像の画像信号のレベルが調整され、その後、この調整された前後の光像の画像信号に基づいてステージ１に載置された被写体Ｓに対する合焦動作が実行されるようになるので、光学的条件が、予め光量バランスを１：１に調整、固定した時の状態と異なった場合も、常に光量バランスが１：１を保用に調整でき、これにより光量バランスの変化に伴う合焦精度の低下を阻止し、精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００４８】
また、各種の光学的条件の下での適正なゲインの組み合わせ情報をメモリ１５に記憶しておき、これを光量バランス調整の際に読みだして使用するようにしたので、合焦動作において光量バランス調整に費やす時間を非常に短くでき、合焦時間の高速化を実現できる。
【００４９】
また、光量バランス調整の際に、前回光量バランス調整を行った時と光学的条件が異なっていない場合には、光量バランス調整を行わないようにすれば、さらに合焦時間の短縮化を図ることができる。
【００５０】
なお、第１の実施の形態における状態検出部１２、１３は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板の検出手段としているが、これら検出手段については、位相差検鏡時に使用するリングスリット、位相差板、ノマルスキー検鏡時に使用するノマルスキープリズムなどの光学素子の検出手段としてもよい。これらの検出手段は、その数を増やすようにしても同様の効果を得られる。
【００５１】
また、一度ＡＦ動作が終了して、ステージが合焦位置にあったとしても、光学素子の着脱があったことを検出手段で検出すると、再び合焦動作を繰り返すようなシーケンスをとれば、さらにＡＦ動作の信頼性を向上させることができる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５２】
図４は、第２の実施の形態における自動焦点検出装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
この場合、第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態のさまざまな光学的条件を想定し、これのら光学的条件に対応する前ピン、後ピンそれぞれの画像信号のゲインの組合せを格納するためのメモリ１５を削除して、合焦動作を行う際に、最初に現在の前ピン、後ピンの画像信号のレベルを検出して、これら信号を一致させるような制御を行うことで光量バランスを１：１に保持させるようにしている。その他は、図１で述べた構成と同様である。
【００５３】
次に、このように構成した実施の形態の動作を図５に従い説明する。
この場合、光量バランスを調整するのは、最初に合焦動作を行う場合と検鏡法、対物レンズ等の光学的条件を変更した後に合焦動作を行う場合があるが、両者において制御方法に違いがないので、ここでは、光学的条件を変更した後に、合焦動作を行う場合について説明する。
【００５４】
また、ここでは、一例として透過明視野検鏡で１０倍の対物レンズ３を使用していた状態から、透過偏向検鏡で２０倍の対物レンズ３に変更する場合について説明する。このような変更を行うには、外部コントローラ１１での指示により検鏡法、及び対物レンズの変更を行い、さらに光路中に偏向板ＰＯ、ＡＮを挿入するようになる。
【００５５】
まず、ステップ５０１で、ＣＰＵ１０は、外部コントローラ１１から検鏡法、対物レンズのうち、少なくとも１つの状態の変更、あるいは状態検出部１２、１３のうち少なくとも１つの状態の変更が有るかを判断する。そして、状態の変更を検出すると、ステップ５０２で、駆動回路２０を付勢して、ステージ１を所定の位置に移動する。つまり、被写体Ｓと結像光学系の距離を所定量に調整する。この時の所定の位置は合焦位置から十分離れた位置とする。
【００５６】
この場合のステージ位置における前ピン、後ピンの出力信号、即ち画像信号は、図６（ｂ）に示すような形状となる。これは、いわゆるおおぼけ状態であるため、本来の画像信号である同図（ａ）に示す波形に対して全体的に変化がなく、前ピン、後ピンの画像信号の形状にも殆ど違いがない状態にある。
【００５７】
この状態において、ＣＣＤセンサ８から出力される画像信号を、光量バランス調整部１４（ここではまだバランス調整を行わない）を通し、さらにアナログ処理部１６でフィルタ処理などを行った後、Ａ／Ｄ変換器１７でデジタル化し、メモリ１８に格納する。
【００５８】
そして、演算回路１９において、ステップ５０３で、メモリ１８のデータを用い、ＣＣＤセンサ８の前ピン、後ピンそれぞれの画像信号の各画素のレベルの総和を算出する。この場合、演算回路１９での演算結果は、画像成分を含まないため、前ピン、後ピンそれぞれに入射する光量に比例した値とみなすことができることから、前ピン、後ピンそれぞれの画像信号の各画素レベルの総和の比が１：１であれば、光量バランスも１：１であると言える。
【００５９】
このことから、ＣＰＵ１０では、ステップ５０４で、前ピン、後ピンそれぞれの演算結果が同一であるかを判断し、同一でなければ、ステップ５０５で、光量バランス調整部１４において、前ピン、後ピンの画像信号のゲイン比を調整するようになる。この場合、光量バランス調整部１４において、前ピン側のゲイン調整部１４２での増幅信号に対し、後ピン側のゲイン調整部１４３での増幅信号をＤ／Ａコンバータ１４５により２５６段階に調整することで、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスが調整される。
【００６０】
そして、ステップ５０４で、前ピン、後ピンそれぞれの演算結果が同一であることをモニターなどにより確認すると、以下、第１の実施の形態と同様にして合焦動作を行う。
【００６１】
この場合、ステップ５０６で、ＣＣＤセンサ８での蓄積時間を所定の値に固定し、ステップ５０７で、ＣＣＤセンサ８からの前ピン、後ピンの画像信号を光量バランス調整部１４に読み込み、光量バランス調整部１４により、前ピン、後ピンの画像信号のレベルが１：１になるように光量バランスを調整する。
【００６２】
そして、ステップ５０８で、光量バランスが調整された画像信号をアナログ処理部１６に取り込み、ピークホールド手段を用いて、画像信号中の最大電圧値をピーク信号として検出する。次に、ステップ５０９で、ピーク信号をＡ／Ｄ変換し、このデータをＣＰＵ１０に送る。
【００６３】
ＣＰＵ１０では、ステップ５１０で、ピーク信号の値がアナログ処理部１６のレンジに適合しているか否かを判定する。ここで、レンジに適合していない場合は、ステップ５１１で、タイミングジェネレータ９に指令を送り、適正な蓄積時間に変更する。一方、レンジに適合していれば、現在の蓄積時間は適正であると判断して、ステップ５１２で、前ピン、後ピンの画像信号の演算結果から合焦位置の方向を検出し、ステップ５１３で、検出した焦点位置へステージ１上の被写体Ｓが位置するように駆動回路２０を介してステージ１を駆動し、ＡＦ制御を行うようになる。
【００６４】
従って、このようにすれば、初めて合焦動作を開始する際、あるいは合焦動作を開始する際に、前回の光量バランス調整時と光学的な環境に変化が生じると、その都度、適正な光量バランスに補正するようになるため、光量バランスの変化に伴う合焦精度の低下を阻止することができる。
【００６５】
また、光学的条件が変更された場合、常に補正後の光量バランスをモニタしながら光量バランスを調整するため、より正確な補正が可能である。
さらに光量バランス調整の際に、前回光量バランス調整を行った時と光学的条件が異なっていない場合には、光量バランス調整を行わないようにすれば、さらに合焦時間の短縮化を図ることができる。
【００６６】
なお、第２の実施の形態においても、状態検出部１２、１３は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板の検出手段としているが、これら検出手段については、位相差検鏡時に使用するリングスリット、位相差板、ノマルスキー検鏡時に使用するノマルスキープリズムなどの光学素子の検出手段としてもよい。これらの検出手段は、その数を増やすようにしても同様の効果を得られる。
【００６７】
また、一度ＡＦ動作が終了して、ステージが合焦位置にあったとしても、光学素子の着脱があったことを検出手段で検出すると、再び合焦動作を繰り返すようなシーケンスをとれば、さらにＡＦ動作の信頼性を向上させることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、イメージセンサ上に被写体像を結像させる結像光学系の光学的条件が変化すると、イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号のレベルが最適光量バランスになるように調整され、その後に合焦動作を行うようになるため、結像光学系の光学的条件の変更に伴う光量バランスの変動を補正して、常に精度の高い安定した合焦動作を実現できる。
【００６９】
また、画像信号のレベル調整に必要なゲインの組み合わせ情報は、予め記憶された情報を用いるので、レベル調整に要する時間を大幅に短縮でき、合焦動作の高速化を実現できる。
【００７０】
さらに、前回の光量バランス調整時と光学的条件が異なった場合のみ光量バランス調整を行うようになるので、かかる光量バランス調整による合焦動作高速化への悪影響を最小限に止めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】 第１の実施の形態に用いられる光量バランス調整部の概略構成を示す図。
【図３】 第１の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図４】 本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図５】 第２の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】 第２の実施の形態での光量バランス調整を説明するための図。
【図７】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【図８】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【図９】 従来の自動焦点検出装置を説明するための図。
【符号の説明】
１…ステージ、
２…落射用光源、
２´…透過用光源、
３…対物レンズ、
４…ハーフミラー、
５…光路分岐部材、
６…結像レンズ、
７…分割プリズム、
８…ＣＣＤラインセンサ、
９…タイミングジェネレータ、
１０…ＣＰＵ、
１１…外部コントローラ、
１２、１３…状態検出装置、
１４…光量バランス調整部、
１５…メモリ、
１６…アナログ処理部、
１７…Ａ／Ｄ変換器、
１８…メモリ、
１９…は演算回路、
２０…駆動回路。
Claims (9)
- 被写体を載置するステージと、
前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、
前記結像光学系の光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段の状態検出により前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルを調整する光量バランス調整手段と、
前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段と
を具備したことを特徴とする自動焦点検出装置。 - さらに前記結像光学系の各種条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせを記憶した記憶手段を有し、前記光量バランス調整手段は、前記状態検出手段の状態検出により前記記憶手段より現在の結像光学系の条件に対応する前記前後の光像の画像信号のゲインの組み合わせ情報を読み出し、該組み合わせ情報に基づいて前記イメージセンサより出力される前後の光像の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整することを特徴とする請求項１記載の自動焦点検出装置。
- 被写体を載置するステージと、
前記被写体に対する結像光学系の予定結像面の光軸に対して分割プリズムで２分割された共役な前後の光像を取り込むイメージセンサと、
前記結像光学系の状態を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段の状態検出により前記被写体と結像光学系の距離を所定量に調整した後、前記イメージセンサより出力される前後の画像信号の輝度レベルが互いに等しくなるように調整する光量バランス調整手段と、
前記光量バランス調整手段により調整された前記前後の光像の画像信号に基づいて前記ステージに載置された被写体に対する合焦動作を実行する合焦動作実行手段と
を具備したことを特徴とする自動焦点検出装置。 - 前記状態検出手段は、光路中に光学素子が挿入されているか否かを検出することを特徴とする請求項３項記載の自動焦点検出装置。
- 前記状態検出手段は、さらに、光路中に挿入されている光学素子の種類を検出することを特徴とする請求項１、２、４に記載の自動焦点検出装置。
- 前記光学素子は、透過偏向検鏡時に用いる偏向板であることを特徴とする請求項５項記載の自動焦点検出装置。
- 前記光学素子は、位相差検鏡時に用いるリングスリット、位相差板であることを特徴とする請求項５項記載の自動焦点検出装置。
- 前記光学素子は、ノマルスキー検鏡時に用いるノマルスキープリズムであることを特徴とする請求項５項記載の自動焦点検出装置。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載の自動焦点検出装置を顕微鏡に備えたことを特徴とする自動焦点検出装置を適用した顕微鏡。
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