JP5830310B2 - 顕微鏡装置、及び、顕微鏡装置の合焦方法 - Google Patents

Description

本発明は、合焦機能を備えた顕微鏡装置及び顕微鏡装置の合焦方法に関し、特に、合焦位置とは異なる位置を合焦位置と誤認する偽合焦を防止する顕微鏡装置及び顕微鏡装置の合焦方法に関する。

顕微鏡の分野では、焦準部により標本に対して焦点位置をＺ方向に比較的広い間隔で動かす低精度探索と比較的狭い間隔で動かす高精度探索とを組み合わせて、短時間で且つ高精度に標本に合焦する技術が知られている。このような技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された技術では、まず、焦準部をある一定の向きに動作させる低精度探索の各Ｚ位置において標本像のコントラストを算出し、前回のＺ位置で算出したコントラストよりも小さいか否かを判定する。そして、コントラストが前回のＺ位置のコントラストよりも小さい場合には、合焦位置を通り過ぎたと判断し、その位置から逆向きに高精度探索を行い、コントラストのピーク位置である合焦位置を検出して、標本に合焦する。

特許４５６３６４３号公報

ところで、特許文献１に開示される技術は、各Ｚ位置におけるコントラストを示すカーブ（以降、コントラストカーブと記す。）が、図１２（ａ）に例示されるような、合焦位置までは単調に増加し合焦位置を通過後は単調に減少する形状を有することを前提としている。

しかしながら、顕微鏡の観察では、必ずしもこのようなコントラストカーブが得られるとは限らない。例えば、産業用途で使用される顕微鏡の観察対象には、半導体表面などコントラストがほとんど生じない標本や、電子部品等が半田付けされた実装基板など強いハレーションが生じる標本が含まれる。これらの標本から得られるコントラストカーブは、上述した前提に合致しない。

コントラストがほとんど生じない標本から得られるコントラストカーブは、図１２（ｂ）に例示されるように、Ｚ方向に対してコントラストの変化がほとんどないため、通常はコントラストカーブからは合焦位置を特定することはできない。しかしながら、特許文献１に開示される技術を用いると、ノイズ等に起因するコントラストの微小な増減によって形成されるコントラストのピーク位置を合焦位置として誤認してしまう。つまり、正しい位置に合焦できないばかりではなく、誤った位置を合焦位置と誤認するいわゆる偽合焦が生じてしまう。

また、強いハレーションが生じる標本は、ハレーションを除去することを目的として、フレームレートが長い設定またはＩＳＯ感度が高い設定で偏光観察により観察されるため、コントラストカーブは、図１２（ｃ）に例示されるように、ノイズの影響を強く受けてしまう。具体的には、白点ノイズの影響によりコントラストがオフセットされ、また、暗点ノイズの影響によりコントラストが増減する。このため、特許文献１に開示される技術を用いると、ノイズ等に起因するコントラストの増減によって形成されるコントラストのピーク位置を合焦位置として誤認してしまう。つまり、コントラストがない標本の場合と同様に、いわゆる偽合焦が生じてしまう。
以上のような実情を踏まえ、本発明では、偽合焦を防止することができる合焦機能を備えた顕微鏡装置、及び、合焦方法を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、標本を撮像する撮像手段を含み、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させる焦準部と、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出部と、前記コントラスト算出部により前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定部と、前記合焦位置判定部による判定結果に基づいて前記焦準部を制御する制御部と、を含み、前記合焦位置判定部は、前記判定において前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合、更に、前記コントラスト算出部により前記探索範囲の一端の探索終了位置で算出されたコントラストである終了コントラストから前記コントラスト算出部により前記探索範囲の他端の探索開始位置で算出されたコントラストである開始コントラストを引いた値が第２の所定値より大きいか否かを判定し、前記制御部は、前記引いた値が前記第２の所定値より大きいと前記合焦位置判定部が判定した場合には、前記低精度探索の終了位置に前記焦準部を移動させ、前記引いた値が前記第２の所定値以下であると前記合焦位置判定部が判定した場合には、前記低精度探索の開始位置に前記焦準部を移動させる顕微鏡装置を提供する。

本発明の第２の態様は、標本を撮像する撮像手段を含み、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させる焦準部と、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出部と、前記コントラスト算出部により前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定部と、前記合焦位置判定部による判定結果に基づいて前記焦準部を制御する制御部と、を含み、前記合焦位置判定部は、前記判定において前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合、更に、前記コントラストの最大値から前記コントラストの最小値を引いた値が前記第３の所定値より大きいか否かを判定し、 前記引いた値が前記第３の所定値より大きい場合には、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記引いた値が前記第３の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する顕微鏡装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に記載の顕微鏡装置において、前記制御部は、前記合焦位置判定部により前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定された場合、前記焦準部を制御して前記高精度探索を開始する顕微鏡装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つに記載の顕微鏡装置において、さらに、合焦位置判定部による判定結果を外部に通知する通知部を含み、前記通知部は、前記合焦位置判定部が前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合に、合焦の失敗を通知する顕微鏡装置を提供する。

本発明の第５の態様は、標本と撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置の合焦方法であって、前記低精度探索の工程であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させながら、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出工程と、前記低精度探索の工程であって、前記コントラスト算出工程で前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定し、更に、前記コントラスト算出工程で前記探索範囲の一端の探索終了位置で算出されたコントラストである終了コントラストから前記コントラスト算出工程で前記探索範囲の他端の探索開始位置で算出されたコントラストである開始コントラストを引いた値が第２の所定値より大きいか否かを判定する合焦位置判定工程と、前記引いた値が前記第２の所定値より大きいと前記合焦位置判定工程で判定された場合には、前記低精度探索の終了位置に焦準部を移動させ、前記引いた値が前記第２の所定値以下であると前記合焦位置判定工程で判定された場合には、前記低精度探索の開始位置に前記焦準部を移動させる移動工程と、を含む顕微鏡装置の合焦方法を提供する。

本発明の第６の態様は、標本と撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置の合焦方法であって、前記低精度探索の工程であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させながら、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出工程と、前記低精度探索の工程であって、前記コントラスト算出工程で前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きく且つ前記コントラストの最大値から前記コントラストの最小値を引いた値が前記第３の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きく且つ前記引いた値が前記第３の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定工程と、を含む顕微鏡装置の合焦方法を提供する。

本発明の第７の態様は、第５の態様または第６の態様に記載の顕微鏡装置の合焦方法において、さらに、前記合焦位置判定工程で前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定された場合に、前記高精度探索を開始する顕微鏡装置の合焦方法を提供する。

本発明の第８の態様は、第５の態様乃至第７の態様のいずれか１項に記載の顕微鏡装置の合焦方法において、さらに、前記合焦位置判定工程で前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定された場合に、合焦の失敗を通知する通知工程を含む顕微鏡装置の合焦方法を提供する。

本発明によれば、偽合焦を防止することができる合焦機能を備えた顕微鏡装置、及び、合焦方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係る顕微鏡装置の構成を例示した図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置の一部分についてのより詳細な構成を例示した図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置の探索範囲指示部の構成を例示した図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置のＲＯＭに記憶された探索範囲情報を例示した図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡装置が合焦の失敗を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。 本発明の実施例２に係る顕微鏡装置により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。 本発明の実施例２に係る顕微鏡装置が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。 本発明の実施例３に係る顕微鏡装置により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。 本発明の実施例３に係る顕微鏡装置が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。 標本によってコントラストカーブが異なることについて説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施例について説明する。

図１は、本実施例に係る顕微鏡装置の構成を例示した図である。図２は、本実施例に係る顕微鏡装置の一部分についてのより詳細な構成を例示した図である。図３は、本実施例に係る顕微鏡装置の探索範囲指示部の構成を例示した図である。図４は、本実施例に係る顕微鏡装置のＲＯＭに記憶された探索範囲情報を例示した図である。
図１から図４を参照しながら、本実施例に係る顕微鏡装置の構成について説明する。

図１に例示される顕微鏡装置１は、自動で標本６に合焦する自動合焦機能を備えた顕微鏡装置であって、標本６の光学像を電気信号に変換して出力する顕微鏡本体２と、顕微鏡本体２から出力される電気信号から標本６の画像データを生成するＰＣ３と、ＰＣ３から画像データを受信して標本６の画像を表示するモニタ４と、を備えている。

顕微鏡本体２は、図１に例示されるように、照明光を射出する光源７と、不図示の照明光学系を介して入射する照明光を標本６に向けて反射するハーフミラー８と、光軸上に配置する対物レンズを切替えるレボルバ９と、照明光を標本に照射する対物レンズ１０と、内部に標本６からの光の光路を切替えるミラー１１ａを備えた鏡筒１１と、ミラー１１ａの反射光路に配置された接眼レンズ１２と、標本６からの光を受光するＣＣＤカメラ１３と、標本６に合焦するために対物レンズ１０の焦点位置を標本６に対してＺ方向に移動させるＺ軸駆動部１４と、光源７やＺ軸駆動部１４の動作を制御する制御部１５と、制御部１５に電力を供給する電源部１６と、を含んでいる。
ＣＣＤカメラ１３は、標本６からの光を電気信号に変換してＰＣ３に出力することで、標本６を撮像する撮像手段である。

Ｚ軸駆動部１４は、レボルバ９をＺ方向に移動させることで標本６とＣＣＤカメラ１３との間隔を連続的に変化させる焦準部であり、図２に例示されるように、レボルバ９をＺ方向に移動させるための駆動源であるステッピングモータ１４ａと、レボルバ９のＺ方向への移動が制限されるリミット位置を検出するリミットセンサ１４ｂとを含んでいる。リミットセンサ１４ｂは、例えば、不図示の遮光板とフォトインタラプタを利用したセンサであり、遮光板とフォトインタラプタのうちの一方がレボルバ９とともに移動することで、レボルバ９がリミット位置に達した際に生じるフォトインタラプタからの信号の変化に基づいて、リミット位置を検出するものである。

なお、図１では、Ｚ軸駆動部１４がレボルバ９を駆動する例を示したが、Ｚ軸駆動部１４により動作される対象は、レボルバ９に限られず、例えば、ステージ５であってもよい。

制御部１５は、図２に例示されるように、自動合焦処理などのための制御プログラムを実行するＣＰＵ１７と、制御プログラムが記憶されたＲＯＭ１８と、制御プログラムの実行により生じる一時記憶データを記憶するＲＡＭ１９と、ＣＰＵ１７、ＲＯＭ１８、ＲＡＭ１９を相互に接続するバス２０と、Ｚ軸駆動部１４が標本６とＣＣＤカメラ１３との間の間隔を変化させる範囲（以降、探索範囲と記す。）を指示する探索範囲指示部２１と、ステッピングモータ１４ａを駆動させるモータドライバ２２と、光源７の発光を制御する照明部２３と、を含んでいる。

ＣＰＵ１７は、偽合焦を防止するために自動合焦処理の過程で探索範囲内に合焦位置が存在するか否かを判断する。即ち、ＣＰＵ１７は、合焦位置判定部として機能する。なお、ＣＰＵ１７の合焦位置判定部としての機能については、後に詳述する。

探索範囲指示部２１は、図３に例示されるように、レボルバ９に設けられた対物レンズを装着するための穴（以降、固定穴と記す。）と同数のロータリースイッチを含んでいる。探索範囲指示部２１は、ロータリースイッチのクリック位置により、各ロータリースイッチに対応する固定穴に装着された対物レンズの種類を指定するものである。ロータリースイッチは、それぞれ１６箇所（１−１０、Ａ−Ｆ）のクリック位置を有している。各クリック位置が示している対物レンズに関する情報（以降、探索範囲情報と記す。）は、クリック位置の番号と関連付けて予めＲＯＭ１８などに格納されており、例えば、図４に例示されるように、対物レンズの名称、探索範囲の幅（焦点深度の３３倍の値）、対物レンズの倍率、開口数（ＮＡ）、焦点深度などが含まれる。

自動合焦処理において、ＣＰＵ１７は、探索範囲指示部２１の設定に基づいて探索範囲を決定して、標本６とＣＣＤカメラ１３との間の間隔がその探索範囲内で連続的に変化するようにＺ軸駆動部１４を制御する。具体的には、ＣＰＵ１７は、まず、光軸上に配置されている固定穴を特定する。次に、探索範囲指示部２１の対応するロータリースイッチで選択されているクリック位置をキーに図４に例示される探索範囲情報を検索して探索範囲の幅を決定する。そして、その探索範囲の幅と予め設定された初期間隔により探索範囲を決定して、その探索範囲内でＺ軸駆動部１４を制御する。

なお、ここでは、探索範囲指示部２１が制御部１５（顕微鏡本体２）に設けられた図３に例示されるようなロータリースイッチである場合について説明したが、探索範囲指示部２１は制御部１５に接続されたＰＣ３であってもよい。ＰＣ３で動作するアプリケーションによりモニタ４に表示されるＧＵＩを介して、探索範囲を設定してもよい。

モータドライバ２２は、ＣＰＵ１７からの指示に応じて、Ｚ軸駆動部１４のステッピングモータ１４ａを駆動する。具体的には、モータドライバ２２は、ＣＰＵ１７からの指示により、探索範囲指示部２１の設定に基づいて決定された探索範囲内で上記間隔が変化するように、ステッピングモータ１４ａにパルス信号を送信する。なお、探索範囲内であってもレボルバ９がリミット位置に達すると、リミットセンサ１４ｂがリミット位置を検出してＣＰＵ１７に通知するため、モータドライバ２２は、ＣＰＵ１７からの指示に従ってステッピングモータ１４ａの駆動を停止してレボルバ９の移動を中止する。

照明部２３は、例えば、定電流回路で構成されている。照明部２３は、ＣＰＵ１７からの指示に応じて定電流回路に流す電流値の基準電圧を決定し、光源７に適切な駆動電流を供給する。

ＰＣ３は、ＣＣＤカメラ１３からの電気信号に基づいて標本６の画像データを生成する。また、ＰＣ３は、生成された画像データからコントラストを算出するコントラスト算出部３ａを含む。コントラスト算出部３ａは、Ｚ位置の異なる画像データから周期的にコントラストを算出し、算出したコントラストをＣＰＵ１７から受信したそのコントラストの画像データが取得されたときのレボルバ９のＺ位置の情報と関連付けて蓄積する。コントラスト算出部３ａは、ＣＰＵ１７からの指示があったタイミングでコントラストとＺ位置の情報をＣＰＵ１７へ出力する。

モニタ４は、ＣＰＵ１７による合焦位置が探索範囲内に存在するか否かの判定結果を利用者に通知する通知部であり、ＣＰＵ１７が探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合には、自動合焦処理による合焦が失敗したことを表示して利用者に通知する。これにより、利用者が合焦位置とは異なる位置を合焦位置と誤認すること、即ち、偽合焦を防止することができる。

なお、ＣＰＵ１７による判定結果は、モニタ４に表示することにより通知する方法に限られず、他の種々の方法によって外部に通知されてもよい。例えば、スピーカーからの発する音声によって外部に通知されてもよく、また、顕微鏡本体２に設けられた発光部の点灯によって外部に通知されてもよい。その他、周辺機器等に判定結果をデータとして送信することにより外部へ通知してもよい。

図５は、顕微鏡装置１により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。図６は、顕微鏡装置１が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。図７は、顕微鏡装置１が合焦の失敗を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。
図５から図７を参照しながら、顕微鏡装置１によって実行される自動合焦処理について説明する。

自動合焦処理が開始されると、まず、探索範囲を決定する（ステップＳ１）。具体的には、ＣＰＵ１７が光軸上に配置されている固定穴を特定して、探索範囲指示部２１の対応するロータリースイッチで選択されているクリック位置をキーにＲＯＭ１８に格納されている探索範囲情報を検索して探索範囲の幅を決定する。その探索範囲の幅と予め設定された初期間隔により探索範囲を決定する。

ステップＳ２では、探索範囲内のコントラストカーブを取得する。具体的には、ＣＰＵ１７からの指示を受けて、Ｚ軸駆動部１４がレボルバ９を標本６に近づく方向に移動させることにより標本６とＣＣＤカメラ１３との間隔を探索範囲内で連続的に変化させて、ＣＣＤカメラ１３が探索範囲内の各Ｚ位置における標本像から変換した電気信号をＰＣ３に出力する。ＰＣ３はＣＣＤカメラ１３からの電気信号に基づいて標本６の画像データを生成する。コントラスト算出部３ａは生成された標本６の画像データから周期的に画像のコントラストを算出し、算出した画像のコントラストをその画像が取得されたときのＺ位置の情報とともに記憶することでコントラストカーブを作成する。

なお、ステップＳ２の処理は、いわゆる低精度探索であり、Ｚ軸駆動部１４によりレボルバ９は、後述するステップＳ５の処理の場合に比べて、比較的高速に移動する。

ステップＳ３では、ＣＰＵ１７は、コントラスト算出部３ａから最新のコントラストとＺ位置の情報を随時受信して、探索範囲内に合焦位置が存在するか否かを判定する。具体的には、ＣＰＵ１７は、探索開始後に受信したコントラストの最大値と最小値、さらに、探索開始位置でのコントラスト（以降、開始コントラストと記す。）と現在位置でのコントラストをそのＺ位置の情報と関連付けて、ＲＡＭ１９に記憶させる。そして、ＲＡＭ１９に記憶されたコントラストの最大値がコントラストの最小値の２倍以上であるかどうかを判定する。換言すると、コントラスト算出部３ａにより探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合が１／２以下であるかどうかを判定する。ＣＰＵ１７は、最大値に対する最小値の割合が１／２以下ある場合、探索範囲内に合焦位置が存在すると判定して、低精度探索を終了してステップＳ４の処理を実行する。一方、探索範囲全域の探索が終了してもなお、最大値に対する最小値の割合が１／２を上回っている場合には、ＣＰＵ１７は、探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定して、ステップＳ９の処理を実行する。

ステップＳ４では、ＣＰＵ１７はレボルバ９を高精度探索開始位置に移動させる。具体的には、ＣＰＵ１７は、ＲＡＭ１９からコントラストの最大値が得られたＺ位置を読み出し、Ｚ軸駆動部１４にレボルバ９を読み出したＺ位置まで移動させる。さらに、ＣＰＵ１７は、低精度探索でのレボルバ９の移動速度から算出される画像取得間隔（以降、ピッチと記す。）だけ標本６から離れる方向にレボルバ９を移動させる。つまり、探索終了位置から最大値が得られたＺ位置までの距離に１ピッチ加えた距離（以降、マージン量と記す。）だけ、レボルバ９の位置をステップＳ２での動作方向と反対向きに移動させる。

ステップＳ５では、高精度探索開始位置から再びコントラストカーブを取得する。具体的には、ＣＰＵ１７がレボルバ９をステップＳ２での移動速度よりも低速に動作させる。これにより、コントラスト算出部３ａが、より短いピッチで画像のコントラストを算出し、算出した画像のコントラストをその画像が取得されたときのＺ位置の情報とともに記憶することで、コントラストカーブを作成する。

ステップＳ６では、ＣＰＵ１７は、コントラスト算出部３ａから受信した最新のコントラストを前回受信したコントラストと比較する。ＣＰＵ１７は、最新のコントラストが前回受信したコントラスト以上である場合には、合焦位置を未だ通過していないと判定し、ＲＡＭ１９に最新のコントラストを記憶させて同様の処理を繰り返す。一方、最新のコントラストが前回受信したコントラストよりも小さい場合には、前回受信したコントラストの画像が取得されたＺ位置が合焦位置であると判定し、高精度探索を終了してステップＳ７の処理を実行する。
ステップＳ７では、ＣＰＵ１７は、レボルバ９を高精度探索の探索方向と反対向きに１ピッチ分だけ移動させて、標本６に合焦する。
ステップＳ８では、ＣＰＵ１７は、標本６に合焦した旨をモニタ４に表示させて、自動合焦処理を終了する。

ステップＳ３で探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定された場合は、ステップＳ９で、ＣＰＵ１７は、探索開始位置でのコントラストである開始コントラストと探索終了位置でのコントラストである終了コントラストをＲＡＭ１９から読み出す。そして、終了コントラストから開始コントラストを引いた値が予め設定されている所定の閾値ＴＨ１を上回るか否かを判定する。なお、終了コントラストは、ＲＡＭ１９に現在位置でのコントラストとして記憶されている。また、閾値ＴＨ１は、コントラストが変動する一要因であるノイズレベルよりも大きな固定値であり、標本の種類や装置の特性や使用環境などを考慮して決定される。

終了コントラストから開始コントラストを引いた値が閾値ＴＨ１よりも大きい場合には、探索開始位置から探索終了位置に向かってコントラストが増加しているものと考えられることから、探索終了位置側の探索範囲外に合焦位置が存在する可能性がある。このため、ＣＰＵ１７は、レボルバ９を探索終了位置に移動させる（ステップＳ１０）。その後、合焦が失敗した旨をモニタ４に表示させて（ステップＳ１１）から自動合焦処理を終了する。

一方、終了コントラストから開始コントラストを引いた値が閾値ＴＨ１以下である場合には、合焦位置はコントラストカーブからは特定することができないと考えられる。このため、ＣＰＵ１７は、レボルバ９を探索開始位置に移動させる（ステップＳ１２）。その後、合焦が失敗した旨をモニタ４に表示させて（ステップＳ１３）から自動合焦処理を終了する。なお、ステップＳ９とステップＳ１１でモニタ４に表示される合焦が失敗した旨の表示は、異ならせてもよい。

本実施例に係る顕微鏡装置１によれば、低精度探索で取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２以下であるかを判定することで、偽合焦を防止することができる。

具体的には、顕微鏡装置１では、例えば、図６（ａ）に例示されるような理想的なコントラストカーブが得られる標本だけではなく、図６（ｂ）に例示されるような、白点ノイズの影響によりコントラストがオフセットされ、また、暗点ノイズの影響によりコントラストが増減したコントラストカーブが得られる強いハレーションが生じる標本に対しても、適切に合焦することができる。

また、例えば、図７（ａ）に例示されるようなコントラストの変化がほとんどないコントラストカーブが得られる標本の場合には、誤った位置を合焦位置と誤認することなく、合焦の失敗を通知することができる。このため、顕微鏡観察に不慣れな観察者が顕微鏡を使用する場合であっても、誤った位置を合焦位置と誤認することが防止することができる。

また、例えば、図７（ｂ）に例示されるように、探索範囲が適切でない場合も、誤った位置を合焦位置と誤認することなく、合焦の失敗を通知することができる。また、観察者が合焦作業を継続するのに適した位置までレボルバが移動するため、作業を継続する観察者の作業効率を改善することができる。

なお、本実施例では、探索範囲内における合焦位置の有無の判定に使用するコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合として１／２を用いたが、判定の基準とする割合は１／２に限られない。産業用標本では、通常１／２程度の割合を設定することが適切に機能するが、使用する標本や環境など種々の条件を考慮して他の所定値に設定してもよい。例えば、ノイズが乗り易く全体にコントラストが高くなる場合には、より小さな割合としてもよい。

本実施例に係る顕微鏡装置は、自動で標本に合焦する自動合焦機能を備えた顕微鏡装置であって、その構成は、図１に例示される実施例１に係る顕微鏡装置の構成と同様である。このため、顕微鏡装置の構成についての説明は省略する。

図８は、本実施例に係る顕微鏡装置により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。図９は、本実施例に係る顕微鏡装置が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。
図８及び図９を参照しながら、本実施例に係る顕微鏡装置によって実行される自動合焦処理について説明する。
図８に例示される合焦処理のフローは、ステップＳ３ａが追加されている点のみが、図５に例示される合焦処理のフローと異なっている。

ステップＳ３ａの処理は、ステップＳ３で探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定された場合に実行される。ステップＳ３ａでは、ＣＰＵ１７は、ＲＡＭ１９に記憶されている探索範囲内でのコントラストの最大値とコントラストの最小値を読み出して、その差分をとる。そして、その差分、つまり、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が予め設定されている所定の閾値ＴＨ２を上回るか否かを判定する。なお、閾値ＴＨ２は、コントラストが変動する一要因であるノイズレベルよりも大きな固定値であり、標本の種類や装置の特性や使用環境などを考慮して決定される。

コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が閾値ＴＨ２よりも大きい場合には、探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、ステップＳ４に遷移して、高精度探索を実行する。一方 コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が閾値ＴＨ２以下である場合には、探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定し、ステップＳ９に遷移して、合焦の失敗を通知する。

本実施例に係る顕微鏡装置でも、実施例１に係る顕微鏡装置１と同様に、低精度探索で取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２以下であるかを判定することで、偽合焦を防止することが可能であり、実施例１に係る顕微鏡装置１と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例に係る顕微鏡装置によれば、低精度探索で取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２未満であっても、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が所定の閾値ＴＨ２を上回るか否かを判定することで、偽合焦をより確実に防止することができる。

具体的には、図９に例示されるように、露光時間が長い等の理由で暗ノイズの影響が強くなり、その結果、コントラストカーブが増減（振動）するだけでなく、大きくオフセットされた場合には、コントラストカーブの最大値に対する最小値の割合によっては、焦点位置の存在を認定できない。しかしながら、本実施例に係る顕微鏡装置１では、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値を評価することで、このような大きなオフセットが乗ったコントラストカーブであっても、合焦位置の存在を認定することができるため、標本に適切に合焦することができる。

なお、本実施例でも、判定に用いられるコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合は１／２に限られず、他の所定値であってもよい点については、実施例１と同様である。

本実施例に係る顕微鏡装置は、自動で標本に合焦する自動合焦機能を備えた顕微鏡装置であり、その構成は、図１に例示される実施例１に係る顕微鏡装置の構成と同様である。このため、顕微鏡装置の構成についての説明は省略する。

図１０は、本実施例に係る顕微鏡装置により実行される合焦処理のフローを例示したフローチャートである。図１１は、本実施例に係る顕微鏡装置が合焦の成功を通知する場合に得られるコントラストカーブを例示する図である。
図１０及び図１１を参照しながら、本実施例に係る顕微鏡装置によって実行される自動合焦処理について説明する。

自動合焦処理が開始されると、まず、探索範囲を決定し（ステップＳ１）、探索範囲内のコントラストカーブを取得する（ステップＳ２）。これらの処理は、図５に例示される実施例１に係る顕微鏡装置１の自動合焦処理と同様である。また、ＣＰＵ１７が探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合が１／２以下であるかどうかを判定し（ステップＳ３）、割合が１／２以下ある場合は、探索範囲内に合焦位置が存在すると判定して、高精度探索の実行により標本に合焦して合焦を通知する点も、実施例１に係る顕微鏡装置１の自動合焦処理と同様である（ステップＳ４からステップＳ８）。

ステップＳ３でコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合が１／２を上回っていると判定された場合には、ＣＰＵ１７は、ＲＡＭ１９に記憶されている探索範囲内でのコントラストの最大値とコントラストの最小値を読み出して、その差分をとる。そして、その差分、つまり、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が予め設定されている所定の閾値ＴＨ２を上回るか否かを判定する（ステップＳ３ａ）。なお、閾値ＴＨ２は、コントラストが変動する一要因であるノイズレベルよりも大きな固定値であり、標本の種類や装置の特性や使用環境などを考慮して決定される。

コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が閾値ＴＨ２よりも大きい場合には、探索範囲内に合焦位置が存在する可能性があると判定し、ステップＳ９に遷移する。

ステップＳ９では、ＣＰＵ１７は、開始コントラストと終了コントラストをＲＡＭ１９から読み出す。そして、終了コントラストから開始コントラストを引いた値が予め設定されている所定の閾値ＴＨ１を上回るか否かを判定する。なお、終了コントラストは、ＲＡＭ１９に現在位置でのコントラストとして記憶されている。また、閾値ＴＨ１は、コントラストが変動する一要因であるノイズレベルよりも大きな固定値であり、標本の種類や装置の特性や使用環境などを考慮して決定される。

終了コントラストから開始コントラストを引いた値が閾値ＴＨ１よりも大きい場合には、ＣＰＵ１７は、探索範囲内に合焦位置が存在すると判定する。ただし、コントラストカーブが白点ノイズなどの影響で、例えば、図１１（ａ）に例示されるように、大きく傾いている可能性があるため、ＣＰＵ１７は、コントラストカーブの傾きを補正するためのオフセット補正値を算出する（ステップＳ１４）。

具体的には、以下の算出式により、各Ｚ位置Ｚにおけるオフセット補正値Ｃを算出する。ここで、探索開始位置のＺ座標をａ１、開始コントラストをｂ１、探索終了位置のＺ座標をａ２、終了コントラストをｂ２であり、それぞれ、ＲＡＭ１９に記憶されている。

ステップＳ１５では、ＣＰＵ１７は、低精度探索によりすでに取得されているコントラストカーブにステップＳ１４で取得されたオフセット補正値を加算して、再度、低精度探索を実行し、取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２以下であることを検出し、低精度探索を終了する。

ステップＳ１６では、ＣＰＵ１７は、ステップＳ１５の低精度探索終了位置から補正後の最大値が得られたＺ位置までの距離に１ピッチ加えた距離であるマージン量を算出し、レボルバ９をステップＳ２での動作方向と反対向きにマージン量だけ移動させる。

その後、ステップＳ１６で移動した高精度探索開始位置から高精度探索を実行して標本に合焦する（ステップＳ５からステップＳ７）。そして、合焦を通知して自動合焦処理を終了する（ステップＳ８）。

なお、ステップＳ３ａでコントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が閾値ＴＨ２以下であった場合は、探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定し、ステップＳ１２に遷移する。また、ステップＳ９で終了コントラストから開始コントラストを引いた値が閾値ＴＨ１以下であった場合も、すでに合焦位置を通過した位置から探索が開始されており、探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定し、同じく、ステップＳ１２に遷移する。

ＣＰＵ１７は、ステップＳ１２で、レボルバ９を探索開始位置に移動させ、さらに、ステップＳ１３で、合焦が失敗した旨をモニタ４に表示させて、自動合焦処理を終了する。

本実施例に係る顕微鏡装置でも、実施例１に係る顕微鏡装置１と同様に、低精度探索で取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２以下であるかを判定することで、偽合焦を防止することが可能であり、実施例１に係る顕微鏡装置１と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例に係る顕微鏡装置によれば、低精度探索で取得されたコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合が１／２未満であっても、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が所定の閾値ＴＨ２を上回るか否か、さらに、終了コントラストから開始コントラストを引いた値が所定の閾値ＴＨ１を上回るか否かを判定することで、偽合焦をより確実に防止することができる。

具体的には、図９に例示されるように、コントラストが大きくオフセットされた場合であっても、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値を評価することで、合焦位置の存在を認定することができるため、標本に適切に合焦することができる。また、図１１（ｂ）に例示されるように、コントラストカーブが白点ノイズなどの影響で大きく傾き、本来のコントラストカーブのピーク位置ではなく、探索終了位置でコントラストが最大となる場合であっても、オフセット補正値によりコントラストカーブが補正されることで、標本に適切に合焦することができる。

なお、本実施例でも、判定に用いられるコントラストカーブの最大値に対する最小値の割合は１／２に限られず、他の所定値であってもよい。

以上では、実施例１から実施例３に係る顕微鏡装置の自動焦点処理のフローを例示したが、本発明は、上述した実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、図５や図８に例示されるステップＳ３ａでは、コントラストの最大値からコントラストの最小値を引いた値が所定の閾値ＴＨ２を上回るか否かが判定されているが、コントラストの最大値からコントラストの平均値を引いた値が所定の閾値を上回るか否かを判定してもよい。

また、図１１（ｂ）に例示されるようなコントラストカーブでは、探索終了位置のコントラストが最大値になる可能性が高い。このため、探索終了位置のコントラストが最大値か否かを判断する工程を追加することで、図１１（ｂ）に例示されるようなコントラストカーブが取得される場合に生じうる偽合焦を防止してもよい。

１・・・顕微鏡装置
２・・・顕微鏡本体
３・・・ＰＣ
３ａ・・・コントラスト算出部
４・・・モニタ
５・・・ステージ
６・・・標本
７・・・光源
８・・・ハーフミラー
９・・・レボルバ
１０・・・対物レンズ
１１・・・鏡筒
１１ａ・・・ミラー
１２・・・接眼レンズ
１３・・・ＣＣＤカメラ
１４・・・Ｚ軸駆動部
１４ａ・・・ステッピングモータ
１４ｂ・・・リミットセンサ
１５・・・制御部
１６・・・電源部
１７・・・ＣＰＵ
１８・・・バス
１９・・・ＲＯＭ
２０・・・ＲＡＭ
２１・・・探索範囲指示部
２２・・・モータドライバ
２３・・・照明部

Claims (8)

1. 標本を撮像する撮像手段を含み、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置であって、
   前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させる焦準部と、
   前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出部と、
   前記コントラスト算出部により前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定部と、
   前記合焦位置判定部による判定結果に基づいて前記焦準部を制御する制御部と、を含み、
   前記合焦位置判定部は、
   前記判定において前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合、更に、前記コントラスト算出部により前記探索範囲の一端の探索終了位置で算出されたコントラストである終了コントラストから前記コントラスト算出部により前記探索範囲の他端の探索開始位置で算出されたコントラストである開始コントラストを引いた値が第２の所定値より大きいか否かを判定し、
   前記制御部は、
   前記引いた値が前記第２の所定値より大きいと前記合焦位置判定部が判定した場合には、前記低精度探索の終了位置に前記焦準部を移動させ、
   前記引いた値が前記第２の所定値以下であると前記合焦位置判定部が判定した場合には、前記低精度探索の開始位置に前記焦準部を移動させる
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
2. 標本を撮像する撮像手段を含み、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置であって、
   前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させる焦準部と、
   前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出部と、
   前記コントラスト算出部により前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定部と、
   前記合焦位置判定部による判定結果に基づいて前記焦準部を制御する制御部と、を含み、
   前記合焦位置判定部は、
   前記判定において前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合、更に、前記コントラストの最大値から前記コントラストの最小値を引いた値が前記第３の所定値より大きいか否かを判定し、
   前記引いた値が前記第３の所定値より大きい場合には、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、
   前記引いた値が前記第３の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置において、
   前記制御部は、前記合焦位置判定部により前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定された場合、前記焦準部を制御して前記高精度探索を開始する
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、さらに、
   合焦位置判定部による判定結果を外部に通知する通知部を含み、
   前記通知部は、前記合焦位置判定部が前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定した場合に、合焦の失敗を通知する
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
5. 標本と撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置の合焦方法であって、
   前記低精度探索の工程であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させながら、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出工程と、
   前記低精度探索の工程であって、
   前記コントラスト算出工程で前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、
   前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定して、更に、前記コントラスト算出工程で前記探索範囲の一端の探索終了位置で算出されたコントラストである終了コントラストから前記コントラスト算出工程で前記探索範囲の他端の探索開始位置で算出されたコントラストである開始コントラストを引いた値が第２の所定値より大きいか否かを判定する合焦位置判定工程と、
   前記引いた値が前記第２の所定値より大きいと前記合焦位置判定工程で判定された場合には、前記低精度探索の終了位置に焦準部を移動させ、前記引いた値が前記第２の所定値以下であると前記合焦位置判定工程で判定された場合には、前記低精度探索の開始位置に前記焦準部を移動させる移動工程と、を含む
   ことを特徴とする顕微鏡装置の合焦方法。
6. 標本と撮像手段との間隔を所定の間隔で変化させる低精度探索と、前記間隔を前記低精度探索よりも狭い間隔で変化させる高精度探索とによって合焦位置を検出する顕微鏡装置の合焦方法であって、
   前記低精度探索の工程であって、前記標本と前記撮像手段との間隔を所定の探索範囲内で変化させながら、前記撮像手段で撮像された前記標本の画像データから画像のコントラストを算出するコントラスト算出工程と、
   前記低精度探索の工程であって、
   前記コントラスト算出工程で前記探索範囲内で算出されたコントラストの最大値に対するコントラストの最小値の割合であって前記低精度探索で得られる割合が第１の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、
   前記割合が前記第１の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定して、更に、前記コントラストの最大値から前記コントラストの最小値を引いた値が前記第３の所定値より大きいか否かを判定し、
   前記引いた値が前記第３の所定値より大きい場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定し、
   前記引いた値が前記第３の所定値以下である場合に、前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定する合焦位置判定工程と、を含む
   ことを特徴とする顕微鏡装置の合焦方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の顕微鏡装置の合焦方法において、さらに、
   前記合焦位置判定工程で前記探索範囲内に合焦位置が存在すると判定された場合に、前記高精度探索を開始する
   ことを特徴とする顕微鏡装置の合焦方法。
8. 請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の顕微鏡装置の合焦方法において、さらに、
   前記合焦位置判定工程で前記探索範囲内に合焦位置が存在しないと判定された場合に、合焦の失敗を通知する通知工程を含む
   ことを特徴とする顕微鏡装置の合焦方法。