JP4614907B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、焦点誤差信号を用いた観察光学系の自動合焦機能を有する顕微鏡に関する。

顕微鏡の対物レンズをアクチュエータで駆動することで、自動的な合焦制御を実行する自動焦点装置が知られている。この装置では、顕微鏡の対物レンズの焦点位置からの焦点誤差を検出し、そのずれの検出信号に応じて圧電素子等のアクチュエータにより対物レンズを移動させ、合焦させている（特許文献１参照）。
特開平５−８８０７２号公報

このような自動焦点装置では、上記検出信号を得るための検出光学系が対物レンズを含んで構成されている。このため、複数の対物レンズを用いる顕微鏡では、対物レンズを切り替えるとその開口数が変化し、適切な検出信号が得られなくなる。また、対物レンズの切り替えによる光軸のずれなどに対応できない。さらに、生物顕微鏡では、カバーガラスを介して観察対象物を観察するという特殊性があり、カバーガラスの内側に置かれた細胞等の観察対象物への自動合焦のためには高精度の焦点誤差検出光学系が必要となる。このため、選択される対物レンズに依らず、常に適切な焦点誤差検出特性を維持しなくてはならないという事情がある。

本発明の目的は、対物レンズを切り替えても、常に適切な焦点誤差検出特性を獲得できる顕微鏡を提供することにある。

本発明の顕微鏡は、焦点誤差検出光学系により得られる焦点誤差信号を用いて観察光学系の自動合焦を行う顕微鏡において、前記観察光学系に選択的に挿入される複数の対物レンズと、個々の前記対物レンズの開口数に対応した光学パラメータをそれぞれ有する、複数の焦点誤差検出光学系と、使用されている前記対物レンズに対応する前記焦点誤差検出光学系を選択する選択手段と、前記選択手段で選択された前記焦点誤差検出光学系により得られる焦点誤差信号を用いて、前記観察光学系の焦点を合焦位置に位置づける合焦手段と、を備え、前記複数の焦点誤差検出光学系の光軸が互いに独立していることを特徴とする。
この顕微鏡によれば、使用されている対物レンズに対応する焦点誤差検出光学系を選択するので、対物レンズを切り替えても、常に焦点誤差検出光学系の光学パラメータを最適化でき、適切な焦点誤差検出特性が失われない。

前記複数の焦点誤差検出光学系においてそれぞれ焦点誤差検出光を受光して前記焦点誤差信号を出力する素子が、互いに独立していてもよい。

前記複数の焦点誤差検出光学系のそれぞれに焦点誤差検出光を分岐する光学系を備えてもよい。

使用されている前記対物レンズに依らず、前記複数の焦点誤差検出光学系のそれぞれは不変とされていてもよい。

本発明の顕微鏡によれば、使用されている対物レンズに対応する焦点誤差検出光学系を選択するので、対物レンズを切り替えても、常に焦点誤差検出光学系の光学パラメータを最適化でき、適切な焦点誤差検出特性が失われない。

以下、図１〜図４を参照して、本発明による顕微鏡を生物顕微鏡に適用した一実施形態について説明する。

図１は本実施形態の顕微鏡の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の顕微鏡は、観察光学系１０および焦点誤差検出光学系２０，２０Ａ，２０Ｂを含んで構成される光学系１と、顕微鏡各部を制御するための制御部３と、を備える。

光学系１は、試料５の近傍に配置される対物レンズ１１、対物レンズ１１Ａおよび対物レンズ１１Ｂと、試料５側からの光を観察光および焦点誤差検出光に分離するダイクロイックミラー１２と、ダイクロイックミラー１２を透過した観察光を受け付ける観察部１３と、焦点誤差検出用光源としてのレーザダイオード２１と、レーザダイオード２１から照射された焦点誤差検出光を試料５に向けて通過させるレンズ群２２と、焦点誤差検出光の一部を折り曲げるハーフミラー２３と、対物レンズ１１に最適化された光学ユニット２と、対物レンズ１１Ａに最適化された光学ユニット２Ａと、対物レンズ１１Ｂに最適化された光学ユニット２Ｂと、を備える。

光学ユニット２は、試料５で反射されハーフミラー２３で折り曲げられた焦点誤差検出光を反射させるハーフミラー２４と、焦点誤差検出光を受光し、焦点誤差信号を生成する４分割フォトダイオード２５と、４分割フォトダイオード２５に入射する焦点誤差検出光のビーム形状を所定形状に成形するコリメータレンズ２６およびシリンドリカルレンズ２７と、を備える。

光学ユニット２Ａは、試料５で反射されハーフミラー２３で折り曲げられ、ハーフミラー２４を通過した焦点誤差検出光を反射させるハーフミラー２４Ａと、焦点誤差検出光を受光し、焦点誤差信号を生成する４分割フォトダイオード２５Ａと、４分割フォトダイオード２５に入射する焦点誤差検出光のビーム形状を所定形状に成形するコリメータレンズ２６Ａおよびシリンドリカルレンズ２７Ａと、を備える。

光学ユニット２Ｂは、試料５で反射されハーフミラー２３で折り曲げられ、ハーフミラー２４，２４Ａを通過した焦点誤差検出光を反射させるミラー２４Ｂと、焦点誤差検出光を受光し、焦点誤差信号を生成する４分割フォトダイオード２５Ｂと、４分割フォトダイオード２５に入射する焦点誤差検出光のビーム形状を所定形状に成形するコリメータレンズ２６Ｂおよびシリンドリカルレンズ２７Ｂと、を備える。

図１に示すように、対物レンズ１１、対物レンズ１１Ａおよび対物レンズ１１Ｂは選択的に用いられ、使用される対物レンズは制御部３により選択される。選択された対物レンズは、アクチュエータ１６によりＺ方向(光軸方向)に移動可能とされている。アクチュエータ１６は制御部３により制御される。

また、光学ユニット２は対物レンズ１１に、光学ユニット２Ａは対物レンズ１１Ａに、光学ユニット２Ｂは対物レンズ１１Ｂに、それぞれ対応付けられて設けられている。光学ユニット２、光学ユニット２Ａ、および光学ユニット２Ｂは使用される対物レンズに応じて選択的に用いられる。すなわち、対物レンズ１１の使用時には光学ユニット２が、対物レンズ１１Ａの使用時には光学ユニット２Ａが、対物レンズ１１Ｂの使用時には光学ユニット２Ｂが、それぞれ使用される。

次に、本実施形態の顕微鏡の動作について説明する。ここでは、対物レンズ１１および光学ユニット２が使用されている。

試料５からの観察光は、対物レンズ１１、ダイクロイックミラー１２を介して観察部１３に入射し、観察部１３において試料５の観察像が得られる。これら、対物レンズ１１、ダイクロイックミラー１２および観察部１３は、観察光学系１０を構成する。

一方、レーザダイオード２１から照射された焦点誤差検出光は、レンズ群２２、ハーフミラー２３を通ってダイクロイックミラー１２により折り曲げられ、対物レンズ１１を介して試料５に照射される。試料５で反射された焦点誤差検出光は、対物レンズ１１を介してダイクロイックミラー１２に戻り折り曲げられる。さらに、焦点誤差検出光は、ハーフミラー２３、ハーフミラー２４で折り返され、コリメータレンズ２６およびシリンドリカルレンズ２７を通過する。コリメータレンズ２６およびシリンドリカルレンズ２７を通過した焦点誤差検出光は、４分割フォトダイオード２５で受光される。

これら、レンズ群２２、ハーフミラー２３、ダイクロイックミラー１２、対物レンズ１１、ハーフミラー２４、４分割フォトダイオード２５、コリメータレンズ２６およびシリンドリカルレンズ２７は、焦点誤差検出光学系２０を構成する。

コリメータレンズ２６およびシリンドリカルレンズ２７は、光軸（ｚ軸）と直交し、かつ互いに直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）について焦点距離を異ならせ、４分割フォトダイオード２５の受光量に基づく、非点収差法を用いた焦点誤差検出が可能となる。後述のように、焦点誤差検出光学系２０および制御部３等は合焦手段として機能する。

図２は、４分割フォトダイオード２５に照射される焦点誤差検出光の投影形状を示しており、図２（ａ）は合焦時の形状、図２（ｂ）は焦点が遠い場合の形状、図２（ｃ）は焦点が近い場合の形状を、それぞれ示している。フォトダイオード２５の領域２５ａの出力レベルを「Ａ」、領域２５ｂの出力レベルを「Ｂ」、領域２５ｃの出力レベルを「Ｃ」、領域２５ｄの出力レベルを「Ｄ」とすると、「（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）」を演算することで、焦点誤差（フォーカスエラー）検出信号を得ることができる。いわゆる焦点誤差検出信号のＳ字カーブにおいて、信号強度が「０」の点で合焦状態が得られる。４分割フォトダイオード２５から出力された焦点誤差検出信号は制御部３に与えられ、制御部３は焦点誤差検出信号に基づくフィードバック制御によりアクチュエータ１６を制御し、対物レンズ１１を駆動する。なお、非点収差法による焦点誤差検出は周知の技術であるため、詳細説明は省略する。

対物レンズ１１Ａが使用される場合には光学ユニット２Ａにより、対物レンズ１１Ｂが使用される場合には光学ユニット２Ｂにより、それぞれ同様に焦点誤差検出光学系２０Ａおよび焦点誤差検出光学系２０Ｂが構成され、同様の焦点誤差検出信号が得られる。

図３（ａ）は、焦点誤差検出光学系２０，２０Ａ，２０Ｂにより得られる焦点誤差検出信号を例示する図である。図３（ａ）に示すグラフにおいて、縦軸は焦点誤差検出信号の信号強度Ｅを、横軸は焦点位置Ｚをそれぞれ示している。

図３（ａ）に示す例では、矢印Ｐで示す位置と、矢印Ｑで示す位置において、それぞれ合焦状態が示される。図において、矢印Ｐと矢印Ｑとの間隔（Ｐ−Ｑ）が、カバーガラス５２の厚みに相当しており、ａ、ｂはそれぞれ、合焦動作における引込範囲（焦点引込幅）である。

図４は、観察光学系１０の合焦時の状態を示す図である。

図４（ａ）は、図３（ａ）における矢印Ｐでの合焦状態を示している。図４（ａ）では、細胞等の観察対象物５１の手前側（対物レンズ１１，１１Ａ，１１Ｂの側）に置かれたカバーガラス５２の表面５２ａに、観察光学系１０の焦点ｆｃが位置づけられている。

一方、図４（ｂ）は、図３（ａ）における矢印Ｑでの合焦状態を示している。図４（ｂ）では、カバーガラス５２の裏面５２ｂに、観察光学系１０の焦点ｆｃが位置づけられている。観察対象物５１の観察時には、対物レンズ１１，１１Ａ，１１ＢをＺ軸に沿ってさらにΔＺ（例えば、１〜１０μｍ程度）だけ押し込むことにより、焦点ｆｃを観察対象物５１に位置づけることができる。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の顕微鏡によれば、カバーガラス５２の表面５２ａおよび裏面５２ｂへの合焦状態を示す焦点誤差検出信号のカーブが互いに分離するように、焦点誤差検出光学系２０，２０Ａ，２０Ｂの光学パラメータが定められている。したがって、観察対象物５１に正確に観察光学系１０を合焦させることが可能となる。

また、本実施形態の顕微鏡では、対物レンズ１１，１１Ａ，１１Ｂに対応する光学パラメータを有する光学ユニット２，２Ａ，２Ｂが設けられ、使用される対物レンズ１１，１１Ａ，１１Ｂに応じて対応する光学ユニット２，２Ａ，２Ｂ（焦点誤差検出光学系２０，２０Ａ，２０Ｂ）が使用される。このため、どの対物レンズ１１，１１Ａ，１１Ｂが使用されても、常に、図３（ａ）に示すような焦点誤差検出信号のカーブを得ることができ、合焦精度を低下させることはない。

これに対し、図３（ｂ）には、対物レンズ以外の光学系が共通して用いられる場合に、低開口数の対物レンズに切り替えた際の焦点誤差検出信号が例示されている。図３（ｂ）の例では、焦点誤差検出信号のＳ字カーブがブロードになるため、カバーガラス５２の裏面５２ｂへの合焦を示すカーブがカバーガラス５２の表面５２ａへの合焦を示す大振幅のカーブに吸収されてしまい、裏面５２ｂへの合焦状態を検出することができない。

また、図３（ｃ）には、対物レンズ以外の光学系が共通して用いられる場合に、高開口数の対物レンズに切り替えた際の焦点誤差検出信号が例示されている。図３（ｃ）の例では、焦点誤差検出の焦点引込幅が狭すぎて、正常な自動合焦動作を獲得できない。

また、本実施形態の顕微鏡では、対物レンズ１１，１１Ａ，１１Ｂに合わせて、それぞれ光学ユニット２，２Ａ，２Ｂにおいて光軸を独立して調整できる。このため、対物レンズの切り替えに伴う焦点誤差検出光学系の光軸ずれを解消できるとともに、光軸調整のための作業を容易なものとすることができる。また、対物レンズに応じて光学ユニット２，２Ａ，２Ｂのレンズを最適化し、あるいは４分割フォトダイオードのゲインを最適化することで、常に最適な焦点誤差検出信号のカーブを得ることができる。

以上説明したように、本発明の顕微鏡によれば、使用されている対物レンズに対応する焦点誤差検出光学系を選択するので、対物レンズを切り替えても、常に焦点誤差検出光学系の光学パラメータを最適化でき、常に適切な焦点誤差検出特性を獲得できる。また、対物レンズの切り替えに伴う光軸ずれの調整なども可能となる。また、本発明の顕微鏡によれば、合焦性能の高い生物顕微鏡を得ることも可能となる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、焦点誤差信号を用いた観察光学系の自動合焦機能を有する顕微鏡に対し、広く適用することができる。

本実施形態の顕微鏡の構成を示すブロック図。 ４分割フォトダイオードに照射される焦点誤差検出光の投影形状を示す図であり、（ａ）は合焦時の形状、（ｂ）は焦点が遠い場合の形状、（ｃ）は焦点が近い場合の形状を、それぞれ示す図。 焦点誤差検出信号を例示する図であり、（ａ）は本実施形態の顕微鏡における例を、（ｂ）および（ｃ）は共通の光学系を用いる場合の例を、それぞれ示す図。 観察光学系の合焦時の状態を示す図であり、（ａ）はカバーガラスの表面への合焦状態を、（ｂ）はカバーガラスの裏面への合焦状態を、それぞれ示す図。

符号の説明

２，２Ａ，２Ｂ 光学ユニット（焦点誤差検出光学系）
３ 制御部（合焦手段、選択手段）
１０ 観察光学系
１１，１１Ａ，１１Ｂ 対物レンズ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 焦点誤差検出光学系（合焦手段）

Claims (4)

1. 焦点誤差検出光学系により得られる焦点誤差信号を用いて観察光学系の自動合焦を行う顕微鏡において、
   前記観察光学系に選択的に挿入される複数の対物レンズと、
   個々の前記対物レンズの開口数に対応した光学パラメータをそれぞれ有する、複数の焦点誤差検出光学系と、
   使用されている前記対物レンズに対応する前記焦点誤差検出光学系を選択する選択手段と、
   前記選択手段で選択された前記焦点誤差検出光学系により得られる焦点誤差信号を用いて、前記観察光学系の焦点を合焦位置に位置づける合焦手段と、
   を備え、
   前記複数の焦点誤差検出光学系の光軸が互いに独立していることを特徴とする顕微鏡。
2. 前記複数の焦点誤差検出光学系においてそれぞれ焦点誤差検出光を受光して前記焦点誤差信号を出力する素子が、互いに独立していることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記複数の焦点誤差検出光学系のそれぞれに焦点誤差検出光を分岐する光学系を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
4. 使用されている前記対物レンズに依らず、前記複数の焦点誤差検出光学系のそれぞれは不変とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の顕微鏡。

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