JP5101867B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡の技術に関し、特に、対物レンズの結像面と観察物である標本の表面との位置のずれを検出する焦点検出の技術に関する。

顕微鏡の対物レンズの結像面と観察物である標本の表面との位置のずれを検出する焦点検出の技術に関し、幾つかの提案がされている。
例えば特許文献１には、標本観察像への写り込みを防ぐために用いられる光である、赤外レーザ光等の、可視光とは波長の異なる光（ＡＦ光）を標本に照射したときに標本表面で反射した光に基づいてＡＦ（オートフォーカス）動作を行うために、観察光（可視光）とＡＦ光（赤外光）とのピント位置のズレ（色収差）を補正するための色収差補正レンズを備え、対物レンズを切り換える度に、対物レンズの観察光とＡＦ光とのピントが合う位置へ色収差レンズを移動させることにより、低倍から高倍の各種の対物レンズにおいて観察光とＡＦ光とを意識することなくＡＦ動作を実現する技術が開示されている。

また、例えば特許文献２には、ＡＦ用の光学系を測定用の光学系と分離して設けることで、測定精度とＡＦ感度とを向上させると共にＡＦ用と測定用との照明光の波長の違いに起因して生じる色収差がＡＦ感度に及ぼす影響を回避し、更に、ＡＦ用照明光を広帯域波長の光とすることにより、測定対象の状況（例えば、半導体ウエハにおけるレジストの膜厚ムラなどの干渉条件）によるＡＦ感度の変動を低減させる技術が開示されている。

また、例えば特許文献３には、単一波長の光を標本に照射したときに標本表面で反射した光を分岐し、その一方の分岐光を更に２分割し、分割された光束に所定の光路差を与えた上で光軸をずらして結像させることにより、光束同士が干渉して標本観察像の輪郭像が得られるので、この輪郭像のコントラストの高さに基づいて焦点検出を行う技術が開示されている。
特開平１１−２４９０２７号公報 特開２００２−１９６２２３号公報 特開２００５−３３８２５５号公報

上掲した特許文献１や特許文献２に開示の技術では、標本表面で反射したＡＦ光を同時に反射した観察光と分離するためにダイクロイックミラーを用いている。しかし、例えばＡＦ光が強い場合や標本表面の光反射率が高い場合には、ＡＦ光の一部がダイクロイックミラーを直進し、更にＡＦ光を遮断するために備えられているＩＲカットフィルタ（赤外線除去フィルタ）をも通過して、標本観察像を撮像するＣＣＤ（電荷結合素子）カメラにまで届いてしまうことがある。ＣＣＤ等の撮像素子は、一般的には赤外域でも感応するため、このような場合には、ＣＣＤカメラでの撮像画像にＡＦ光の写り込みが発生してしまう。

また、上掲した特許文献２の技術では、ＡＦ用照明光として広帯域波長の光を用いるため、ＡＦ用光学系がＡＦ用照明光の波長帯域幅の中で色収差分布を有していると、ＡＦ感度が鈍るという問題点を抱えていた。

一方、上掲した特許文献３の技術では、観察光として単一波長のものを使用しなければならないため、ＤＵＶ（深紫外域）観察のような特定の用途にしか適用することが難しい。なお、特許文献３では、可視光である観察光を標本に照射し、標本表面で反射した光の分岐光を２分割する手前で単色光フィルタを挿入するという技術も開示されている。しかし、この技術では標本観察像の輪郭像の形成に用いることのできる光量が激減するため、表面の光反射率が低い標本では、焦点検出が困難になると考えられる。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、汎用性の高い焦点検出装置を提供することである。

本発明の態様のひとつである焦点検出装置は、観察用の照明光を標本へ照射する観察照明用光源と、観察用照明光が照射されている標本からの光を、対物レンズを通した後に結像させて該標本の観察像を形成させる観察光学系と、観察光学系により形成された標本の観察像を撮像する撮像手段と、焦点検出用の光を標本へ照射する焦点検出用光源と、受光した光を電気信号に変換する光電変換器と、焦点検出用光が照射されている標本からの光を、対物レンズを通した後に光電変化器の受光面で結像させる焦点検出用光学系と、光電変換器から出力される電気信号に基づいて、対物レンズの結像面と標本との位置のずれを検出する焦点検出手段と、位置が一致したか否かの判定を、焦点検出手段の検出結果に基づいて行う合焦判定手段と、位置が一致していないとの判定結果を合焦判定手段が下した場合に、観察照明用光と焦点検出用光とを繰り返し交互に標本へ照射させると共に、該観察照明用光を標本へ照射させている期間にのみ撮像手段に観察像の撮像を行わせる制御手段と、を有することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る焦点検出装置において、焦点検出用光の波長は、観察照明用光源が発する光の波長域に含まれているように構成することができる。
なお、このとき、観察照明用光源は可視光を発するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、標本と対物レンズとの相対的な距離を変化させる照準駆動手段を更に有しており、制御手段が、照準制御手段を制御して、焦点検出手段により検出される位置のずれの量を減少させる合焦手段を更に有するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、制御手段は、観察照明用光を標本へ照射させている期間毎に１フレーム分の観察像を撮像手段に撮像させる、ように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、制御手段は、位置が一致したとの判定結果を合焦判定手段が下した場合には、焦点検出用光の標本への照射を止めて観察照明用光の標本への照射を継続させる、ように構成することもできる。

なお、このとき、制御手段は、観察照明用光と焦点検出用光とを交互に標本へ照射させているときには該観察照明用光を標本へ照射させている期間毎に１フレーム分の観察像を撮像手段に撮像させ、焦点検出用光の標本への照射を止めて観察照明用光の前記標本への照射を継続させているときには所定の時間間隔毎に１フレーム分の該観察像を該撮像手段に撮像させる、ように構成することができる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、光電変換器は、標本からの光を焦点検出用光学系が結像させるときの受光面上の結像位置に応じた電気信号を出力するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、焦点検出用光学系が標本からの光を結像させる位置を該光の光軸方向に変化させる結像位置変化手段を更に有するように構成することもできる。

あるいは、前述した本発明に係る焦点検出装置において、焦点検出用光学系は、標本からの光より該標本の輪郭像を形成して光電変化器の受光面に結像させるように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、制御手段による観察照明用光と焦点検出用光との標本への交互照射における各々の照射時間を設定する設定手段を更に有するように構成することができる。
また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、制御手段は、観察照明用光と焦点検出用光とを所定時間間隔で繰り返し交互に標本へ照射させるように構成することができる。

また、前述した本発明に係る焦点検出装置において、制御手段は、位置が一致していないとの判定結果を合焦判定手段が下した場合には、観察照明用光と焦点検出用光とを繰り返し交互に標本へ照射させると共に、焦点検出用光を標本へ照射させている期間にのみ合焦手段に照準駆動手段の制御をさせて、焦点検出手段により検出される前記位置のずれの量を減少させる、ように構成することもできる。

本発明によれば、以上のようにすることにより、汎用性の高い焦点検出装置を提供できるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１について説明する。同図は、本発明を実施する焦点検出装置を含む顕微鏡の構成の第一の例を示している。

図１において、コントロール部２３がレーザ駆動部２０を制御することによって駆動される例えばレーザダイオードである基準光源４が発する焦点検出用光は、赤外光ではなく、その波長が可視領域に設定されている単色光である。この基準光源４から放たれた焦点検出用光は、コリメーションレンズ５で平行光束にされた後、遮光板６で光束の半分を正確に遮光されて、半月形の断面を持つ光束となる。この光束は偏光ビームスプリッタ７で反射してリレーレンズ８で一旦集光された後にリレーレンズ９を通されて平行光束となり、λ／４波長板１０を通過するときに４５°偏光されてハーフミラー１１で反射する。

ハーフミラー１１で反射したこの光束は、レボルバ２に装備されている対物レンズ３ａ、３ｂ、…のうち光路上に挿入されている対物レンズ３ａに入射し、ステージ１上に載置されている標本Ｓに照射されてその表面で結像する。なお、対物レンズ３ａは、可視領域の光に対して十分な色収差の補正がなされている。

標本Ｓの表面で反射した光束は、対物レンズ３ａを通って平行光束に戻される。このときの光束の断面は、入射時とは光軸を挟んで反対側に半月形の形状を呈している。この光束は、ハーフミラー１１で反射し、λ／４波長板１０を通過するときに更に４５°偏光され、レンズ９及び８を経て偏光ビームスプリッタ７を今度は直進する。そして、受光側ストッパ１２で遮光されることなく結像光学系１３に届き、受光素子１４付近で結像する。

受光した光を電気信号に変換する光電変換器である受光素子１４は、その受光面が結像光学系１３の焦点面に一致するように予め正確に位置決めしておく。また、結像光学系１３の焦点面は、対物レンズ３ａの焦点面と共役になるように予め調整しておく。従って、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａの結像面に一致すると、標本Ｓの表面にはスポットが結像し、また受光素子１４の受光面上にも極小のスポットが結像する。

ここで、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に対し例えばニアフォーカスの位置関係にある場合には、標本Ｓの表面からの戻り光は対物レンズ３ａの下流で扇の骨の如く末広がりの不平行の光束となる。すると、受光素子１４の受光面では、この戻り光がファー側に結像しようとして、受光素子１４の受光面における半分の表面（「Ａ部」とする）に半月状の広がりを以って到達する。

一方、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に対し例えばファーフォーカスの位置関係にある場合には、戻り光は結像光学系１３のニア側に結像して、受光素子１４の受光面におけるＡ部とは逆の半分の表面（「Ｂ部」とする）に半月状の広がりを以って到達する。

受光素子１４は、その受光面に到達する戻り光のＡ部とＢ部とにおける強度に対応する電気信号を出力する。そこで、この電気信号を、増幅器２１及びＡ／Ｄ変換器２２を介してコントロール部２３が検出して、この両者の強度差を求めると、対物レンズ３ａの結像面と標本Ｓの表面との位置のずれを検出することができる。また、コントロール部２３が焦準用モータ駆動部１８を制御して焦準用モータ１６を駆動してステージ１を上下動させ、標本Ｓと対物レンズ３ａとの相対的な距離を変化させて、上述した戻り光のＡ部とＢ部とにおける強度差を減少するように標本Ｓの表面位置を移動させる。このときに、この強度差が極小になれば（すなわち、Ａ部とＢ部との境界である、受光面の中央に極小の点を結ぶようになれば）、自動合焦が実現される。

一方、図１に示した顕微鏡では、上述した焦点検出装置の上部に、ランプハウス２６、投光管２７、及びＣＣＤカメラ３０等が配置されている。
ランプハウス２６は観察用の照明光を出射する。ランプハウス２６内部に設置されている照明光源２６ａは、システム制御部３２による制御に従って可視光を発する。照明光源２６ａは、光束に点滅制御が可能である例えばＬＥＤが望ましいが、ハロゲン灯などの電球にシャッタなどの遮光手段を組み合わせて用いてもよい。この可視光は、レンズ２６ｂを通って観察照明用光束となり、投光管２７に入る。

投光管２７の詳しい溝造については説明を省くが、投光管２７に入った観察照明用光束は、投光管２７内に備えられているハーフミラー等のビームスプリッタ２８によって光路を曲げられた後、ハーフミラー１１を直進して対物レンズ３ａに入射して標本Ｓの表面に照射される。

一方、この照射による標本Ｓからの反射光は、対物レンズ３ａを通って平行光束とされた後、ハーフミラー１１とビームスプリッタ２８とを直進し、結像レンズ２９で集光されて、標本観察像を結像する。結像レンズ２９の集光面にはＣＣＤカメラ３０が配置されており、結像した標本観察像は、システム制御部３２によって動作制御されているＣＣＤカメラ３０により撮像される。なお、本実施形態では、ＣＣＤカメラ３０として、ごく一般的であるＩＲカットフィルタ３１が内蔵されているものを使用しているが、ＩＲカットフィルタ３１は本発明の実施に必須のものではない。

以上のように、図１に示した顕微鏡では、焦点検出用光として用いている可視領域の単色光の波長が、可視光を用いている観察照明用光の波長域に含まれているので、対物レンズ３ａの色収差が生じない。従って、この顕微鏡には色収差の補正のための機構を備えていない。

この他、コントロール部２３は、不図示の切り替えスイッチに対するユーザによる操作を検出すると、この操作に応じてレボルバ用モータ駆動部１７を制御してレボルバ用モータ１５を駆動し、レボルバ２を回転させて、光軸上に挿入される対物レンズ３ａ、３ｂ、…の切り替えを行う。なお、コントロール部２３は、レボ穴位置検出部１９から送られてくる検出情報に基づき、対物レンズ３ａ、３ｂ、…のうち光軸上に挿入されているものがどれであるかを認識することができる。

更に、コントロール部２３は、ジョグエンコーダ２５に対するユーザによる操作によって発生するパルスの数の計数値をパルスカウンタ２４から受け取ると、この計数値に応じて焦準用モータ駆動部１８を制御して焦準用モータ１６を駆動し、ステージ１を上下動させる。なお、コントロール部２３で行われる各種の制御動作はシステム制御部３２によって制御される。

なお、システム制御部３２は、所定のプログラムを実行することによって各種の制御処理を行うＭＰＵ（演算処理装置）と、ＭＰＵが実行するプログラムが予め格納されているＲＯＭと、各種データの記憶保持やＭＰＵがプログラムを実行する際に作業用記憶保持領域として用いるＲＡＭと、図１の顕微鏡の各部とのデータ授受を管理するインタフェース部とを備えて構成されている。

次に、システム制御部３２によるＣＣＤカメラ３０の動作制御について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。
図２Ａは、ＣＣＤからの画像情報の読み出し様子の一般例を示しており、ＣＣＤから画像情報を読み出すための走査方式としてインタレース方式を採用した場合の例を示している。

図２Ａにおいて、（ａ）は、ＣＣＤでの電荷蓄積の様子を表しており、横軸は時間経過を、縦軸は蓄積電荷量を、それぞれ示している。また、（ｂ）は、蓄積電荷が読み出される様子を示しており、横軸は（ａ）と同一スケールの時間経過を、縦軸は読み出しの進捗を、それぞれ示している。

図２Ａの（ａ）に示されている鋸歯状波形の１周期は、１フレームの画像の撮像に要する時間であり、例えば１／３０秒である。また、（ｂ）の波形に付した斜線の期間は、（ａ）の波形に斜線を付した周期で蓄積された電荷が読み出される期間を表している。

図２Ａから分かるように、ＣＣＤに蓄積された電荷は、その蓄積の周期終了から遅れた時刻より、奇数フィールドと偶数フィールドとの２回に分けて読み出され、同図の例では、ＣＣＤへの電荷の蓄積が完了してから１．５周期後（１．５／３０秒後）に完了する。

一方、図２Ｂは、本実施形態におけるシステム制御部３２によって行われる制御動作の様子を示している。
図２Ｂにおいて、（ａ）は焦点検出用光源である基準光源４の点灯パルスの発生タイミングを表しており、横軸は時間経過を示している。なお、本実施形態では、基準光源４をパルス点灯させるようにしており、点灯パルスのパルス幅を変化させることで基準光源４の実質的な光量をコントロールすることができる。従って、例えば標本Ｓの表面の反射率の高低に応じて焦点検出用光の光量を調整することができる。

また、図２Ｂにおいて、（ｂ）は、ＣＣＤでの電荷蓄積の様子を表しており、横軸は（ａ）と同一スケールの時間経過を、縦軸は蓄積電荷量を、それぞれ示している。また、（ｃ）は、蓄積電荷が読み出される様子を示しており、横軸は（ａ）と同一スケールの時間経過を、縦軸は読み出しの進捗を、それぞれ示している。

この図２Ｂを参照すると分かるように、システム制御部３２は、ＣＣＤカメラ３０と基準光源４とを制御して、ＣＣＤカメラ３０による１フレーム分の画像撮像動作（つまり、ＣＣＤへの電荷蓄積動作）と基準光源４の発光動作（つまり、自動合焦動作）とが繰り返し交互に行われるようにする。このようにすると、ＣＣＤカメラ３０が１フレーム分の画像撮像動作を行っている期間は基準光源４が消灯しているので、ＣＣＤカメラ３０が取得する標本観察像への焦点検出用光の写り込みが生じることはない。

なお、本実施形態においては、ＣＣＤカメラ３０による１フレーム分の画像撮像動作と基準光源４の発光動作とを１／３０秒間隔で行うようにする。この場合、画像の取得枚数は１秒当たり１５枚となり、一般の動画像の取得枚数よりも少なくなるが、静止画像の取得を目的としている場合には何ら問題はない。

なお、システム制御部３２は、観察照明用光源であるランプハウス２６内の照明光源２６ａについても、ＣＣＤカメラ３０による１フレーム分の画像撮像動作に同期させて点灯させる制御を行う。つまり、システム制御部３２は、照明光源２６ａと基準光源４とを繰り返し交互に点灯させると共に、照明光源２６ａを点灯させている１期間毎に１フレーム分の観察像の撮像をＣＣＤカメラ３０に行わせ、一方、基準光源４を点灯させている期間には自動合焦のための焦点検出動作を行うのである。

ここで図３Ａについて説明する。同図は、システム制御部３２によって行われる顕微鏡制御処理の処理内容をフローチャートで示したものである。この処理は、システム制御部３２内のＲＯＭに予め格納されている所定のプログラムをＭＰＵが読み出して実行することによって実現される。なお、この処理は、不図示の操作部に対してユーザが行った、観察開始に対応する指示操作が検出されると開始される。

図３Ａにおいて、Ｓ１０１からＳ１０６にかけての処理は、図１の顕微鏡に自動合焦動作を所定期間行わせるためのものである。
まず、Ｓ１０１では、コントロール部２３に指示を与えて、焦点検出用光源である基準光源４を所定の光量で点灯（パルス点灯）させる処理が行われる。

Ｓ１０２では、コントロール部２３に指示を与えて、このときにおける標本Ｓの表面からの戻り光についての、受光素子１４の受光面におけるＡ部とＢ部とでの強度を示す情報（この情報を「焦点情報」と称することとする）を取得させる処理が行われる。

Ｓ１０３では、コントロール部２３に指示を与えて、デフォーカス量（上記の戻り光についてのＡ部とＢ部とでの強度差を示す値）を焦点情報から算出させる処理が行われる。
Ｓ１０４では、コントロール部２３に指示を与えて、標本Ｓの表面の像が合焦しているか否か、すなわち、標本Ｓの表面の位置が、光軸に挿入されている対物レンズ３ａの結像面に一致しているか否かを判定させる処理が行われる。なお、この判定は、上述したデフォーカス量が極小値を呈しているか否かを以って行われる。ここで、合焦していると判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１１３に処理を進め、合焦していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１０５に処理を進める。

Ｓ１０５では、基準光源４を直近に点灯させてからの経過時間が所定時間（例えば１／３０秒）に達したか否かを判定する処理が行われる。ここで、所定時間が経過したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１０７に処理を進め、所定時間が経過していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１０６へと処理を進める。

Ｓ１０６では、コントロール部２３に指示を与えて、標本Ｓが載置されているステージ１を、上方向若しくは下方向のうちデフォーカス量が極小となる方向に所定量移動させる処理が行われ、その後はＳ１０２へと処理を戻して上述した自動合焦のための処理を繰り返す。

Ｓ１０７からＳ１１２にかけての処理は、焦点検出用光源を消灯し、代わりに、標本Ｓの観察像の取得のために、観察照明用光源を所定期間点灯させて１フレーム分の画像に対応する電荷をＣＣＤカメラ３０のＣＣＤに蓄積させるためのものである。

Ｓ１０７では、コントロール部２３に指示を与えて、点灯中の基準光源４を消灯させる処理が行われる。
Ｓ１０８では、観察照明用光源であるランプハウス２６内の照明光源２６ａを点灯させる処理が行われる。

Ｓ１０９では、ＣＣＤカメラ３０を制御して露光を開始させ、標本Ｓの観察像に対応する電荷をＣＣＤカメラ３０内のＣＣＤに蓄積させる処理が行われる。
Ｓ１１０では、Ｓ１０９の処理によってＣＣＤカメラ３０の露光が開始されてからの経過時間が所定時間（例えば１／３０秒）に達したか否かを判定する処理が行われる。ここで、所定時間が経過したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１１１に処理を進め、所定時間が経過していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には所定時間が経過するまでこのＳ１１０の判定処理を繰り返す。

Ｓ１１１では、ＣＣＤカメラ３０を制御して、Ｓ１０９の処理によって開始された露光を完了させる処理が行われる。この結果、ＣＣＤには、１フレーム分の画像に対応する電荷が蓄積される。

Ｓ１１２では、点灯中の照明光源２６ａを消灯させる処理が行われ、その後はＳ１０１へと処理を戻して前述した自動合焦のための処理が改めて実行される。
ところで、Ｓ１０４の判定処理において合焦していると判定したときに実行されるＳ１１３からＳ１１７にかけての処理は、自動合焦が完了したので焦点検出用光源を消灯し、代わりに、標本Ｓの観察像の動画像の取得のために、観察照明用光源を点灯させて１フレーム分の画像に対応する電荷をＣＣＤカメラ３０のＣＣＤに所定時間間隔で繰り返し蓄積させるためのものである。

Ｓ１１３では、コントロール部２３に指示を与えて、点灯中の基準光源４を消灯させる処理が行われる。
Ｓ１１４では、観察照明用光源であるランプハウス２６内の照明光源２６ａを点灯させる処理が行われる。なお、システム制御部３２は、以降のＳ１１５からＳ１１７の処理が繰り返し実行されている間、照明光源２６ａの点灯状態を継続する。

Ｓ１１５では、ＣＣＤカメラ３０を制御して露光を開始させ、標本Ｓの観察像に対応する電荷をＣＣＤカメラ３０内のＣＣＤに蓄積させる処理が行われる。
Ｓ１１６では、Ｓ１１５の処理によってＣＣＤカメラ３０の露光が開始されてからの経過時間が所定時間（例えば１／３０秒）に達したか否かを判定する処理が行われる。ここで、所定時間が経過したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１１７に処理を進め、所定時間が経過していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には所定時間が経過するまでこのＳ１１６の判定処理を繰り返す。

Ｓ１１７では、ＣＣＤカメラ３０を制御して、Ｓ１１５の処理によって開始された露光を完了させる処理が行われる。この結果、ＣＣＤには、１フレーム分の画像に対応する電荷が蓄積される。その後はＳ１１５へと処理を戻し、次のフレームの画像に対応する電荷をＣＣＤに蓄積させる処理が行われる。

以上の処理が顕微鏡制御処理である。この処理をシステム制御部３２が行うことで、照明光源２６ａと基準光源４とを交互に点灯させているときには、照明光源２６ａを点灯させている期間毎に１フレーム分の標本Ｓの観察像をＣＣＤカメラ３０に撮像させると共に、基準光源４を点灯させている期間には自動合焦のための焦点検出動作を行うことが可能となる。更に、照明光源２６ａを継続して点灯させているときには所定の間隔毎に１フレーム分の当該観察像をＣＣＤカメラ３０に撮像させることが可能となる。

次に図３Ｂについて説明する。同図は、システム制御部３２によって行われる画像形成処理の処理内容をフローチャートで示したものである。この処理は、ＣＣＤカメラ３０内のＣＣＤに蓄積された電荷に対応する標本Ｓの観察像の形成をＣＣＤカメラ３０に行わせる処理である。

図３Ｂの処理は、システム制御部３２内のＲＯＭに予め格納されている所定のプログラムをＭＰＵが読み出して実行することによって実現されるものであり、図３Ａに示した顕微鏡制御処理の実行が開始されると並行して開始される。

図３Ｂにおいて、まず、Ｓ１２１では、図３ＡのＳ１１１若しくはＳ１１７の処理が実行されて、１フレーム分の画像に対応する電荷のＣＣＤカメラ３０内のＣＣＤへの蓄積が完了したか否かを判定する処理が行われる。ここで、電荷の蓄積が完了したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２２に処理を進め、電荷の蓄積が完了していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には電荷の蓄積が完了となるまでこのＳ１２１の判定処理を繰り返す。

Ｓ１２２では、現在時間が、予め設定されているＣＣＤからの電荷の読み出しタイミングに達したか否かを判定する処理が行われる。ここで、当該読み出しタイミングに達したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２３に処理を進め、当該読み出しタイミングに達していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には当該読み出しタイミングに達するまでこのＳ１２２の判定処理を繰り返す。

Ｓ１２３では、ＣＣＤカメラ３０を制御して、インタレース方式でのＣＣＤからの電荷読み出しにおける奇数フィールドの各電荷の読み出しを行わせる処理が実行され、続くＳ１２４では、ＣＣＤカメラ３０を制御して、インタレース方式でのＣＣＤからの電荷読み出しにおける偶数フィールドの各電荷の読み出しを行わせる処理が実行される。

Ｓ１２５では、ＣＣＤカメラ３０を制御して、Ｓ１２３の処理で読み出された奇数フィールドの各電荷の量と、Ｓ１２４の処理で読み出された偶数フィールドの各電荷の量とに基づいた標本Ｓの観察像を１フレーム形成させて出力させる処理が行われる。その後はＳ１２１へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。

以上の処理が画像形成処理である。
以上の図３Ａ及び図３Ｂの処理をシステム制御部３２が行うことにより、ＣＣＤカメラ３０による１フレーム分の画像撮像動作（つまり、ＣＣＤへの電荷蓄積動作）と基準光源４の発光動作（つまり、自動合焦動作）とが交互に行われる。従って、ＣＣＤカメラ３０が１フレーム分の画像撮像動作を行っている期間は基準光源４が消灯しているので、ＣＣＤカメラ３０が取得する標本観察像への焦点検出用光の写り込みが生じることはない。

以上のように、図１に示した顕微鏡では、焦点検出用光を可視域のものとしても、焦点検出用光が標本Ｓの観察画像に写り込むことはない。また、観察用照明光と焦点検出用光とで対物レンズ３ａの色収差に差異がないので、色収差の補正のための特段の機構が不要である。

なお、図１に示した顕微鏡の構成において、リレーレンズ９を光軸方向に所定量ずらした位置に固定しておくと、例えば標本Ｓが透明膜で覆われているものである場合に、焦点検出用光を当該透明膜の表面で合焦させることで、観察照明光が当該透明膜下の標本Ｓの表面に合焦して当該表面の観察像を得るという、フォーカスオフセット機能を提供することができ、有益である。

また、図１に示した顕微鏡における焦点検出装置を、図４に示すように構成してもよい。
図４に示した焦点検出装置は、リレーレンズ９を光軸方向に移動させるリレーレンズ用モータ４１と、リレーレンズ用モータ４１を駆動するリレーレンズ用モータ駆動部４２と、リレーレンズ９の光軸方向の移動範囲を制限するリミット検出部４３とが設けられている点において、図１におけるものと異なっている。なお、コントロール部２３は、リレーレンズ用モータ駆動部４２を制御可能であり、リミット検出部４３による制限範囲内でリレーレンズ９の位置を任意に設定することができる。

リレーレンズ９は、その位置を光軸方向に移動させると、標本Ｓの表面で反射した光束を結像光学系１３が結像させる位置を当該光軸方向に変化させることができる。従って、この図４の構成によれば、前述したフォーカスオフセット機能におけるオフセット量（焦点検出用光と観察照明光との標本Ｓにおける合焦位置のずれ量）の設定を変更することができる。

なお、図４におけるリレーレンズ９の位置を移動させる構成を、前掲した特許文献１では、色収差の補正機能とフォーカスオフセット機能におけるオフセット量の変更機能とで共用していた。これに対し、本実施形態では、前述したように、自動焦点検出用光として可視域のものを使用するので、観察用照明光と焦点検出用光との色収差に差異がない。従って、このリレーレンズ９の位置を移動させる構成を、専らフォーカスオフセット機能におけるオフセット量の変更機能のために利用することができる。つまり、本実施形態によれば、リミット検出部４３による制限範囲内の全域をフォーカスオフセット機能におけるオフセット量の設定のために利用できるので、オフセット量の設定可能範囲が、従来のものよりも拡大するという効果が得られるのである。

このことは、例えれば、従来のものにおけるオフセット量の設定可能範囲が半導体ウエハなどの表面に形成された透明保護膜に対応できる程度であったのに対し、本実施形態によれば、透明な板ガラスの表面からの反射が支配的である場合に、当該板ガラスの底面に合焦させるような動作をも可能にするのである。

次に図５について説明する。同図は、本発明を実施する焦点検出装置を含む顕微鏡の構成の第二の例を示している。この構成例は、前掲した特許文献３に開示されている顕微鏡に本発明を適用したものである。

なお、図５において、図１に示した第一の例と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。
図５において、焦点検出用光源である基準光源４から発せられて標本Ｓで反射して戻ってきた焦点検出用光の一部は、λ／４波長板１０により直線偏光にされた後にビームスプリッタ７ｂで分岐させて取り出される。この取り出された分岐光は、更にハーフミラー５１で分岐されて焦点検出用戻り光として輪郭抽出光学系５０Ａ及び５０Ｂへと導かれる。なお、基準光源４が発する焦点検出用光は、その波長が可視領域に設定されている単色光とする。

輪郭抽出光学系５０Ａと５０Ｂとは、同様の構成を有している。
上述した焦点検出用戻り光は、台形断面の複屈折光学素子５２を通ると常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅに分けられる。ここで、複屈折光学素子５２の寸法形状を意図的に設定して構成しておくことにより、常光線Ｌｏと異常光線Ｌｅとが、出射位置において微少距離離れており、且つ（ｎ＋１／２）×λの光路差を有するようにすることができる。

結像レンズ５３は、この常光線Ｌｏ及び異常光線Ｌｅを像面５６上に所定の距離だけ離して結像させようとする。但し、結像レンズ５３と像面５６との間にはλ／４波長板５４が配置されており、常光線Ｌｏ及び異常光線Ｌｅとして出射された偏光成分をそれぞれ円偏光に変換して可干渉性を与えている。なお、像面５６は対物レンズ３ａの焦点面に共役な面である。

ここで、検出器５５がλ／４波長板５４を挟んで結像レンズ５３と反対側に配置されている。但し、輪郭抽出光学系５０Ａでは、検出器５５の受光面が像面５６よりもλ／４波長板５４寄りとなるように配置されており、輪郭抽出光学系５０Ｂでは、検出器５５の受光面が像面５６を挟んでλ／４波長板５４とは反対側に配置されている。なお、この両者において、検出器５５の受光面と像面５６との距離は同一とする。

この構成において、標本Ｓの表面が対物レンズ３ａの焦点面に一致している場合には、検出器２０８の受光面には、位相が互いに反転した同一の像が、受光面と像面５６との位置関係に応じてわずかにずれて投影される。つまり、受光面には、標本Ｓの表面の輪郭像が形成される。

ここで、この受光面での受光光量の差をコントロール部２３で求めれば、対物レンズ３ａの結像面と標本Ｓの表面との位置のずれを検出することができる。また、コントロール部２３がステージ駆動部１６ａを制御して、ステージ１を上下動させ、上述した受光光量の差が極小になるように標本Ｓの表面位置を移動させると、自動合焦が実現される。

以上のように構成されている図５の顕微鏡においても、システム制御部３２が図３Ａに示した顕微鏡制御処理及び図３Ｂに示した画像形成処理を行うことにより、図２Ｂに示した制御動作、すなわち、ＣＣＤカメラ３０による１フレーム分の画像撮像動作（つまり、ＣＣＤへの電荷蓄積動作）と基準光源４の発光動作（つまり、自動合焦動作）とが交互に行われる。従って、ＣＣＤカメラ３０が１フレーム分の画像撮像動作を行っている期間は基準光源４が消灯しているので、ＣＣＤカメラ３０が取得する標本観察像への焦点検出用光の写り込みが生じることはない。しかも、図５の顕微鏡では、特許文献３におけるものとは異なり、ランプハウス２６内の照明光源２６ａから発せられる観察照明用光は汎用的な可視光でよく、単一波長の光にする必要はない。

以上のように、図５に示した顕微鏡でも、自動焦点検出用光を可視域のものとしても、焦点検出用光が標本Ｓの観察画像に写り込むことはない。従って、観察用照明光と焦点検出用光とで対物レンズ３ａの色収差の差異がないので、色収差の補正のための特段の機構が不要である。

なお、図１や図５に示した顕微鏡では、前述したように基準光源４をパルス点灯させているので、例えば標本Ｓの表面の反射率が高い場合には、基準光源４に与える点灯パルスのパルス幅を、図６Ａに示すように、図２Ｂにおけるものよりも狭くする制御をシステム制御部３２が行うことで、基準光源４の実質的な光量を減少させることができる。

ここで、例えば標本Ｓの表面の反射率が著しく高い場合には、基準光源４に与える点灯パルスのパルス幅を図６Ａに示すように狭くしても、設定されているＣＣＤカメラ３０の露光時間（例えば１／３０秒）の経過前にＣＣＤでの蓄積電荷量が飽和してしまう。このような場合には、システム制御部３２が、図６Ｂに示すように、ＣＣＤでの蓄積電荷量が飽和する時点で１フレーム分の画像撮像動作（つまり、ＣＣＤへの電荷蓄積動作）から基準光源４の発光動作（つまり、自動合焦動作）への切り替えの制御を行うようにし、自動合焦動作の動作時間の割合を、画像撮像動作よりも長くするようにしてもよい。

このためには、例えば、ユーザにより指示される、照明光源２６ａと基準光源４との交互点灯における各々の点灯時間の設定の入力を取得する入力部を顕微鏡に設けるようにし、システム制御部３２は、取得した設定時間に応じて、図３ＡのＳ１１０の判定処理における判定条件となる所定時間を短く設定し、Ｓ１０５の判定処理における判定条件となる所定時間をその分だけ長く設定すればよい。

このようにすると、自動合焦動作の動作時間を長く取ることができるので、自動合焦動作を早期に完了させることができる。
以上のように、本発明に係る焦点検出装置は、図１や図５に示したものを始めとしても各種の顕微鏡に適用できるので、汎用性が高い。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
例えば、図１及び図５に示した顕微鏡において、基準光源４の発する焦点検出光が赤外光であっても、焦点検出用光の標本Ｓの観察画像への写り込みは防止される。

また、例えば、図１及び図５に示した顕微鏡において、標本Ｓの表面の光反射率が著しく低い場合であっても、焦点検出用光の強度を観察照明光よりも極端に強くすることで、標本Ｓの観察画像には影響を与えずに焦点検出を行うことができる。

本発明を実施する焦点検出装置を含む顕微鏡の構成の第一の例を示す図である。 ＣＣＤからの画像情報の読み出し様子の一般例を示す図である。 システム制御部によって行われる制御動作の様子（その１）を示す図である。 顕微鏡制御処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 画像形成処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 図１における焦点検出装置の変形例を示す図である。 本発明を実施する焦点検出装置を含む顕微鏡の構成の第二の例を示す図である。 システム制御部によって行われる制御動作の様子（その２）を示す図である。 システム制御部によって行われる制御動作の様子（その３）を示す図である。

符号の説明

１ ステージ
２ レボルバ
３ａ、３ｂ 対物レンズ
４ 基準光源
５ コリメーションレンズ
６ 遮光板
７ 偏光ビームスプリッタ
８、９ リレーレンズ
１０、５４ λ／４波長板
１１ ハーフミラー
１２ 受光側ストッパ
１３ 結像光学系
１４ 受光素子
１５ レボルバ用モータ
１６ 焦準用モータ
１６ａ ステージ駆動部
１７ レボルバ用モータ駆動部
１８ 焦準用モータ駆動部
１９ レボ穴位置検出部
２０ レーザ駆動部
２１ 増幅器
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ コントロール部
２４ パルスカウンタ
２５ ジョグエンコーダ
２６ ランプハウス
２６ａ 照明光源
２６ｂ レンズ
２７ 投光管
２８ ビームスプリッタ
２９ 結像レンズ
３０ ＣＣＤカメラ
３１ ＩＲカットフィルタ
４１ リレーレンズ用モータ
４２ リレーレンズ用モータ駆動部
４３ リミット検出部
５０Ａ、５０Ｂ 輪郭抽出光学系
５１ ハーフミラー
５２ 複屈折光学素子
５３ 結像レンズ
５５ 検出器
５６ 像面
Ｌｅ 異常光線
Ｌｏ 常光線
Ｓ 標本

Claims (13)

1. 観察用の照明光を標本へ照射する観察照明用光源と、
   前記観察用照明光が照射されている前記標本からの光を、対物レンズを通した後に結像させて該標本の観察像を形成させる観察光学系と、
   前記観察光学系により形成された前記標本の観察像を撮像する撮像手段と、
   焦点検出用の光を前記標本へ照射する焦点検出用光源と、
   受光した光を電気信号に変換する光電変換器と、
   前記焦点検出用光が照射されている前記標本からの光を、前記対物レンズを通した後に前記光電変化器の受光面で結像させる焦点検出用光学系と、
   前記光電変換器から出力される電気信号に基づいて、前記対物レンズの結像面と前記標本との位置のずれを検出する焦点検出手段と、
   前記位置が一致したか否かの判定を、前記焦点検出手段の検出結果に基づいて行う合焦判定手段と、
   前記位置が一致していないとの判定結果を前記合焦判定手段が下した場合に、前記観察照明用光と前記焦点検出用光とを繰り返し交互に前記標本へ照射させると共に、該観察照明用光を前記標本へ照射させている期間にのみ前記撮像手段に前記観察像の撮像を行わせる制御手段と、
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記焦点検出用光の波長は、前記観察照明用光源が発する光の波長域に含まれていることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記観察照明用光源は可視光を発することを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
4. 前記標本と前記対物レンズとの相対的な距離を変化させる照準駆動手段を更に有しており、
   前記制御手段は、前記照準制御手段を制御して、前記焦点検出手段により検出される前記位置のずれの量を減少させる合焦手段を更に有することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
5. 前記制御手段は、前記観察照明用光を前記標本へ照射させている期間毎に１フレーム分の前記観察像を前記撮像手段に撮像させることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
6. 前記制御手段は、前記位置が一致したとの判定結果を前記合焦判定手段が下した場合には、前記焦点検出用光の前記標本への照射を止めて前記観察照明用光の前記標本への照射を継続させる、
   ことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
7. 前記制御手段は、前記観察照明用光と前記焦点検出用光とを交互に前記標本へ照射させているときには該観察照明用光を前記標本へ照射させている期間毎に１フレーム分の前記観察像を前記撮像手段に撮像させ、前記焦点検出用光の前記標本への照射を止めて前記観察照明用光の前記標本への照射を継続させているときには所定の時間間隔毎に１フレーム分の該観察像を該撮像手段に撮像させることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
8. 前記光電変換器は、前記標本からの光を前記焦点検出用光学系が結像させるときの前記受光面上の結像位置に応じた電気信号を出力することを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
9. 前記焦点検出用光学系が前記標本からの光を結像させる位置を該光の光軸方向に変化させる結像位置変化手段を更に有することを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
10. 前記焦点検出用光学系は、前記標本からの光より該標本の輪郭像を形成して前記光電変化器の受光面に結像させることを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
11. 前記制御手段による前記観察照明用光と前記焦点検出用光との前記標本への交互照射における各々の照射時間を設定する設定手段を更に有することを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の焦点検出装置。
12. 前記制御手段は、前記観察照明用光と前記焦点検出用光とを所定時間間隔で繰り返し交互に前記標本へ照射させることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
13. 前記制御手段は、前記位置が一致していないとの判定結果を前記合焦判定手段が下した場合には、前記観察照明用光と前記焦点検出用光とを繰り返し交互に前記標本へ照射させると共に、該焦点検出用光を前記標本へ照射させている期間にのみ前記合焦手段に前記照準駆動手段の制御をさせて、前記焦点検出手段により検出される前記位置のずれの量を減少させることを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。

Images