JP6362415B2 - Autofocus device and microscope system - Google Patents

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本発明は、オートフォーカス装置および顕微鏡システムに関するものである。   The present invention relates to an autofocus device and a microscope system.

光学顕微鏡など測定装置に搭載されるオートフォーカス装置において、観察画像のコントラストに基づいてオートフォーカス機能を実現するものや、観察画像の空周波数を解析し、空間周波数のスペクトル強度に基づいてオートフォーカス機能を実現するものが知られている。   An autofocus device installed in a measuring device such as an optical microscope that realizes an autofocus function based on the contrast of the observed image, or analyzes the sky frequency of the observed image, and an autofocus function based on the spectral intensity of the spatial frequency What realizes is known.

このようなオートフォーカス装置の例として、特許文献1には、観察画像の全画素または一部の画素について、隣接画素との差分和をコントラストとして算出し、このコントラストに基づいてオートフォーカス機能を実現する技術が開示されている。また、特許文献2には、観察画像について高速フーリエ変換を用いて算出した空間周波数のスペクトル強度に基づいてオートフォーカス機能を実現する技術が提案されている。   As an example of such an autofocus device, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 calculates the sum of differences from adjacent pixels as a contrast for all or some of the pixels in the observation image, and realizes an autofocus function based on this contrast. Techniques to do this are disclosed. Patent Document 2 proposes a technique for realizing an autofocus function based on a spatial frequency spectrum intensity calculated using fast Fourier transform for an observation image.

特開2002−162558号公報JP 2002-162558 A 特開2006−301270号公報JP 2006-301270 A

しかしながら、特許文献1に開示されたオートフォーカス装置では、得られた試料の観察画像のコントラストが低い場合には、コントラストに基づいて正確に焦点を合わせることが困難となる。また、観察画像を取得する際の光学系の倍率が高倍であればあるほど、焦点調節、すなわち、オートフォーカスの精度が低下する。
特許文献2に開示されたオートフォーカス装置では、試料の観察画像の空間周波数を解析するための計算量が膨大であり、高速オートフォーカスを実現することが困難となる。
However, in the autofocus device disclosed in Patent Document 1, when the contrast of the obtained observation image of the sample is low, it is difficult to focus accurately based on the contrast. Further, the higher the magnification of the optical system when acquiring the observation image, the lower the accuracy of focus adjustment, that is, autofocus.
In the autofocus device disclosed in Patent Document 2, the amount of calculation for analyzing the spatial frequency of the observation image of the sample is enormous, and it is difficult to realize high-speed autofocus.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、高速かつ正確に焦点調節を行うオートフォーカス装置および顕微鏡システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an autofocus device and a microscope system that perform high-speed and accurate focus adjustment.

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら、前記光学系により結像された前記標本の光学像を撮像して前記標本の観察像に係る複数の画像を取得する撮像装置に適用され、複数の前記画像について、コントラストの高低を示すコントラスト値を夫々算出するコントラスト算出手段と、複数の前記画像の空間周波数を夫々解析する空間周波数解析手段と、前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値及び前記空間周波数解析手段による解析結果の少なくとも一方に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定するフォーカス位置判定手段と、前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値に基づいて前記空間周波数解析手段による解析を行うか否かを判定するモード切替判定手段とを備え、前記フォーカス位置判定手段が、前記モード切替判定手段の判定結果、前記空間周波数解析手段による解析を行う場合、前記空間周波数解析手段による解析結果に基づいて前記フォーカス位置を判定し、前記空間周波数解析手段による解析を行わない場合、前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値に基づいて前記フォーカス位置を判定するオートフォーカス装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
According to one aspect of the present invention, an optical image of the specimen imaged by the optical system is captured while changing a distance in the optical axis direction between the optical system and the specimen, and a plurality of images related to the observation image of the specimen A contrast calculating means for calculating a contrast value indicating a level of contrast for each of the plurality of images, a spatial frequency analyzing means for analyzing a spatial frequency of each of the plurality of images, and the contrast A focus position determination unit that determines a focus position between the optical system and the sample based on at least one of a contrast value calculated by the calculation unit and an analysis result by the spatial frequency analysis unit, and calculated by the contrast calculation unit A mode switch for determining whether to perform analysis by the spatial frequency analysis means based on a contrast value. And a judging means, wherein the focus position determination means, the determination result of the mode changeover judging part, when performing analysis by the spatial frequency analysis means determines the focus position based on the analysis result by the spatial frequency analysis means the case without analysis by the spatial frequency analysis means provides an autofocus device you determine the focus position based on the contrast value calculated by the contrast calculating means.

本態様によれば、光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら取得した標本の光学像に係る複数の画像について、コントラスト算出手段によりコントラストの高低を示すコントラスト値を算出し、空間周波数解析手段により空間周波数を夫々解析する。そして、フォーカス位置判定手段が、コントラスト値及び空間周波数の解析結果の少なくとも一方に基づいて、光学系と標本とのフォーカス位置を判定する。このように、フォーカス位置を判定するので、精度よく高速に焦点調節を行うことができる。   According to this aspect, for a plurality of images related to the optical image of the specimen acquired while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the specimen, the contrast value indicating the level of contrast is calculated by the contrast calculating means, and the space Each spatial frequency is analyzed by frequency analysis means. Then, the focus position determination means determines the focus position between the optical system and the sample based on at least one of the contrast value and the spatial frequency analysis result. Thus, since the focus position is determined, it is possible to perform focus adjustment with high accuracy and high speed.

また、モード切替判定手段がコントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値に基づいて空間周波数解析手段による解析を行うか否かを判定しているため、必要なとき以外、空間周波数解析手段による解析を行わずに済み、精度よく高速に焦点調節を行うことができる。 Further , since the mode switching determination means determines whether or not the analysis by the spatial frequency analysis means is performed based on the contrast value calculated by the contrast calculation means, the analysis by the spatial frequency analysis means is performed except when necessary. Therefore, the focus can be adjusted with high accuracy and high speed.

上記した発明において、光軸方向において前記光学系と前記標本との距離を変化させる範囲を決定するサーチ範囲決定手段を備え、前記コントラスト算出手段が、光軸方向の第1の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、前記サーチ範囲決定手段が、前記第1の範囲のうち、フォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて決定し、前記空間周波数解析手段による解析を行う場合、前記空間周波数解析手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々空間周波数を夫々解析し、前記空間周波数解析手段による解析を行わない場合、前記コントラスト算出手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出することとしてもよい。 In the above-described invention, the apparatus further comprises search range determining means for determining a range in which a distance between the optical system and the specimen is changed in the optical axis direction, and the contrast calculating means is configured to include the optical system in the first range in the optical axis direction. The contrast range is calculated for each of a plurality of images related to the observed image of the sample acquired while changing the distance between the sample and the sample, and the search range determination unit searches the focus position in the first range in detail. When the second range in the optical axis direction is to be determined based on the contrast value calculated by the contrast calculation unit and the analysis by the spatial frequency analysis unit is performed, the spatial frequency analysis unit includes the first range A plurality of images related to the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the specimen in the range of 2 respectively. The number was respectively analyzed, the case of not performing analysis by spatial frequency analysis means, the contrast calculating means, the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the second range A contrast value may be calculated for each of the plurality of images .

このように、コントラスト算出手段によって第1の範囲において光学系と標本との距離を変化させながら取得した複数の画像のコントラスト値を算出し、このコントラスト値に基づいて、サーチ範囲決定手段が、第1の範囲のうちフォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を決定する。すなわち、コントラスト値を算出することによって大雑把にフォーカス位置がいずれの位置であるかの見当をつけ、より詳細にフォーカス位置を探索すべき範囲として第2の範囲を決定する。そして、第2の範囲内において取得した標本に係る複数の画像について空間周波数解析手段により空間周波数を解析し、この解析結果に基づいて、フォーカス位置判定手段が光学系と標本とのフォーカス位置を判定する。   As described above, the contrast calculation unit calculates the contrast values of the plurality of images acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the first range, and based on the contrast values, the search range determination unit calculates the first range. A second range in the optical axis direction is determined as a range in which the focus position is to be searched in detail within the range of one. That is, the second range is determined as a range in which the focus position should be searched in more detail by calculating the contrast value and roughly ascertaining which position the focus position is. Then, the spatial frequency analysis means analyzes the plurality of images related to the sample acquired within the second range, and the focus position determination means determines the focus position between the optical system and the sample based on the analysis result. To do.

つまり、コントラスト値の算出によって高速に空間周波数を解析すべき範囲をコントラスト値を算出した範囲より狭い範囲とし、空間周波数の解析を行うべき範囲を限定的なものとすることで、空間周波数の解析に要する計算コストを抑制するので、精度よく高速に焦点調節を行うことができる。   In other words, the spatial frequency analysis is performed by limiting the range where the spatial frequency analysis should be performed to a narrower range than the range where the contrast value is calculated by limiting the spatial frequency analysis range by calculating the contrast value. Therefore, the focus adjustment can be performed with high accuracy and high speed.

上記した発明において、光軸方向において前記光学系と前記標本との距離を変化させる範囲を決定するサーチ範囲決定手段を備え、前記コントラスト算出手段が、光軸方向の第1の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、前記サーチ範囲決定手段が、前記第1の範囲のうち、フォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて決定し、前記第2の範囲が所定範囲以上である場合、前記空間周波数解析手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々空間周波数を夫々解析し、前記フォーカス位置判定手段が、前記空間周波数解析手段による解析結果に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定し、前記第2の範囲が所定範囲未満である場合、前記コントラスト算出手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、前記フォーカス位置判定手段が、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定することとしてもよい。
In the above-described invention, the apparatus further comprises search range determining means for determining a range in which a distance between the optical system and the specimen is changed in the optical axis direction, and the contrast calculating means is configured to include the optical system in the first range in the optical axis direction. The contrast range is calculated for each of a plurality of images related to the observed image of the sample acquired while changing the distance between the sample and the sample, and the search range determination unit searches the focus position in the first range in detail. When the second range in the optical axis direction is to be determined based on the contrast value calculated by the contrast calculation unit, and the second range is equal to or greater than a predetermined range, the spatial frequency analysis unit is Spatial frequencies for a plurality of images related to the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the specimen in the second range. Each analyzed, the focus position determination unit, based on the analysis result by the spatial frequency analyzing means determines the focus position of the specimen and the optical system, if the second range is less than the predetermined range, The contrast calculation unit calculates a contrast value for each of a plurality of images related to the observation image of the sample acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the second range, and the focus position determination unit The focus position between the optical system and the sample may be determined based on the contrast value calculated by the contrast calculation means.

このように、コントラスト算出手段によって第1の範囲において光学系と標本との距離を変化させながら取得した複数の画像のコントラスト値を算出し、このコントラスト値に基づいて、サーチ範囲決定手段が、第1の範囲のうちフォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を決定する。すなわち、第1の範囲において取得された画像のコントラスト値に基づいてフォーカス位置が含まれる範囲を大雑把に把握し、より詳細にフォーカス位置を探索すべき範囲として第2の範囲を決定する。この第2の範囲が所定範囲以下である場合には、第2の範囲内において取得した標本に係る複数の画像についてコントラスト値を算出し、コントラスト値に基づいて、フォーカス位置判定手段が光学系と標本とのフォーカス位置を判定する。   As described above, the contrast calculation unit calculates the contrast values of the plurality of images acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the first range, and based on the contrast values, the search range determination unit calculates the first range. A second range in the optical axis direction is determined as a range in which the focus position is to be searched in detail within the range of one. That is, the range including the focus position is roughly grasped based on the contrast value of the image acquired in the first range, and the second range is determined as a range where the focus position should be searched in more detail. When the second range is equal to or smaller than the predetermined range, a contrast value is calculated for a plurality of images related to the sample acquired in the second range, and the focus position determination unit is connected to the optical system based on the contrast value. Determine the focus position with the sample.

つまり、第2の範囲が所定範囲以下である場合には、コントラストの算出のみで精度よくフォーカス位置を判定することができるので、第2の範囲において取得された標本に係る複数の画像についてもコントラスト値を算出し、これに基づいて、光学系と標本とのフォーカス位置を判定する。従って、空間周波数の解析に要する計算コストを抑制するので、高速でありながら精度よく焦点調節を行うことができる。   That is, when the second range is equal to or smaller than the predetermined range, the focus position can be accurately determined only by calculating the contrast. Therefore, the contrast of a plurality of images related to the sample acquired in the second range is also included. A value is calculated, and based on this value, the focus position between the optical system and the sample is determined. Accordingly, since the calculation cost required for the analysis of the spatial frequency is suppressed, the focus adjustment can be performed with high accuracy while being high speed.

また、本発明の他の態様は、上記した発明に係るオートフォーカス装置と、前記標本を載せるステージと、前記標本の像を形成する光学系と、該光学系及び前記ステージの少なくとも一方を駆動することにより、前記標本と前記光学系とを相対的に移動させる駆動手段と、前記光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら、前記光学系により結像された前記標本の光学像を撮像して前記標本の観察像に係る複数の画像を取得する撮像手段と、を有する顕微鏡と、を備えた顕微鏡システムを提供する。   In another aspect of the present invention, the autofocus device according to the above-described invention, a stage on which the specimen is placed, an optical system that forms an image of the specimen, and at least one of the optical system and the stage are driven. Thus, an optical image of the specimen imaged by the optical system while changing a distance in the optical axis direction between the optical system and the specimen, and a driving unit that relatively moves the specimen and the optical system. And a microscope having imaging means for acquiring a plurality of images related to the observation image of the specimen.

本態様によれば、顕微鏡による標本の観察時においても精度よく高速に焦点調節を行うことができる。   According to this aspect, it is possible to perform focus adjustment with high accuracy and high speed even when observing a specimen with a microscope.

本発明によれば、高速かつ正確に焦点調節を行うことができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to perform focus adjustment at high speed and accurately.

本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡システムを示す全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a microscope system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡システムにおいて生成した評価値カーブの例である。It is an example of the evaluation value curve produced | generated in the microscope system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡システムによるオートフォーカスについてのフローチャートである。It is a flowchart about the autofocus by the microscope system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡システムにおいて評価値カーブからファインサーチ範囲を決定する場合の例を示す参考図である。It is a reference figure showing an example in the case of determining a fine search range from an evaluation value curve in a microscope system concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る顕微鏡システムにおいて空間周波数の解析結果の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the analysis result of a spatial frequency in the microscope system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡システムを示す全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure which shows the microscope system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡システムによるオートフォーカスについてのフローチャートである。It is a flowchart about the autofocus by the microscope system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る顕微鏡システムによって生成された評価値カーブから決定されたファインサーチ範囲を示す参考図である。It is a reference figure which shows the fine search range determined from the evaluation value curve produced | generated by the microscope system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の各実施形態の変形例に係る顕微鏡システムによるオートフォーカスについてのフローチャートである。It is a flowchart about the autofocus by the microscope system which concerns on the modification of each embodiment of this invention. 本発明の各実施形態の変形例に係る顕微鏡システムによってファインサーチ範囲における画像の取得を終了させる場合の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example in the case of ending acquisition of the image in a fine search range by the microscope system concerning the modification of each embodiment of the present invention.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るオートフォーカス装置および顕微鏡システムについて、図面を参照して以下に説明する。
図1に示すように、顕微鏡システムは、標本Aの光学像を撮像して画像を取得する顕微鏡1、顕微鏡1を制御する制御部2、及び制御部2に接続され顕微鏡1により取得した画像に対して所定の処理を施す画像処理部として機能すると共に顕微鏡1により取得した画像から顕微鏡1の光学系と標本Aとのフォーカス位置を判定するオートフォーカス装置としても機能するコンピュータ(PC)3を備えている。
(First embodiment)
An autofocus device and a microscope system according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the microscope system captures an optical image of the specimen A to acquire an image, a control unit 2 that controls the microscope 1, and an image acquired by the microscope 1 connected to the control unit 2. A computer (PC) 3 that functions as an image processing unit that performs predetermined processing on the image and that also functions as an autofocus device that determines a focus position between the optical system of the microscope 1 and the specimen A from an image acquired by the microscope 1 is provided. ing.

顕微鏡1では、光源6から出射した照明光がコンデンサユニット7を経由してステージ8に設置された標本Aを照明し、レボルバに装着されている対物レンズ9及び図示しない結像レンズ(光学系)を介して撮像部10の撮像面において標本Aの光学像を結像し、この光学像を撮像部10が画像として取得する。   In the microscope 1, the illumination light emitted from the light source 6 illuminates the specimen A placed on the stage 8 via the condenser unit 7, and an objective lens 9 mounted on the revolver and an imaging lens (optical system) not shown. An optical image of the specimen A is formed on the imaging surface of the imaging unit 10 via the imaging unit 10, and the optical unit 10 acquires the optical image as an image.

顕微鏡1のステージ8には図示しないステッピングモータが設けられており、このモータ11を駆動機構制御部20により駆動することにより、ステージ8に載置された標本Aを対物レンズ9及び結像レンズからなる光学系に対して対物レンズ9の光軸方向(Z方向)に相対的に移動させる。なお、ステージ8は、対物レンズ9の光軸に対して垂直な2方向(X方向、Y方向)にも移動可能である。   The stage 8 of the microscope 1 is provided with a stepping motor (not shown). By driving the motor 11 by the drive mechanism control unit 20, the specimen A placed on the stage 8 is removed from the objective lens 9 and the imaging lens. The optical system is moved relatively in the optical axis direction (Z direction) of the objective lens 9. The stage 8 is also movable in two directions (X direction and Y direction) perpendicular to the optical axis of the objective lens 9.

撮像部10はCCD、CMOS等の撮像素子を備えたデジタルカメラであり、結像した光学像を撮像し、デジタル画像として制御部2の撮像制御部21に出力する。撮像部10は、撮像制御部21により制御される。また、撮像制御部21は、後述するコンピュータ3からの指示に従って、撮像部10における露光時間やISO感度等の撮像条件を設定したり、撮像した画像の現像処理を行って現像処理後の画像をコンピュータ3に出力したりする。   The imaging unit 10 is a digital camera provided with an imaging element such as a CCD or a CMOS, captures the formed optical image, and outputs it as a digital image to the imaging control unit 21 of the control unit 2. The imaging unit 10 is controlled by the imaging control unit 21. Further, the imaging control unit 21 sets imaging conditions such as exposure time and ISO sensitivity in the imaging unit 10 according to an instruction from the computer 3 to be described later, or performs development processing of the captured image to display an image after development processing. Or output to the computer 3.

制御部2は、撮像部10を制御する撮像制御部21とステージ8を制御する駆動機構制御部20とを備え、撮像制御部21により撮像部10を、駆動機構制御部20によりステージ8を夫々制御して所定の位置、所定枚数の画像を撮像する。より具体的には、制御部2は、撮像部10及びステージ8を制御して、光学系と標本Aとの光軸方向(Z方向)の距離を相対的に変化させながら、光学系により結像された標本の光学像を撮像して標本の観察像に係る複数の画像を取得し、取得したこれらの画像を画像処理部4に出力する。   The control unit 2 includes an imaging control unit 21 that controls the imaging unit 10 and a driving mechanism control unit 20 that controls the stage 8. The imaging unit 10 is controlled by the imaging control unit 21, and the stage 8 is controlled by the driving mechanism control unit 20. A predetermined position and a predetermined number of images are taken by control. More specifically, the control unit 2 controls the imaging unit 10 and the stage 8 to relatively change the distance in the optical axis direction (Z direction) between the optical system and the specimen A, and connect the optical system with the optical system. An optical image of the imaged specimen is captured to obtain a plurality of images related to the observation image of the specimen, and these acquired images are output to the image processing unit 4.

コンピュータ3は、演算部としてのCPU(中央処理部)を備え、撮像制御部21から入力された画像に対して所定の画像処理を行うと共に、コンピュータ3に接続された制御部2、モニタ23、キーボード24及びマウス25を統括的に制御する。コンピュータ3としては、汎用又は専用のコンピュータを適用することができ、CPUが、撮像部10によって取得された標本Aの画像に対して所定の画像処理を行う他、光学系と標本Aとのフォーカス位置を判定するなど、種々の制御プログラムを実行する。   The computer 3 includes a CPU (central processing unit) as a calculation unit, performs predetermined image processing on the image input from the imaging control unit 21, and controls the control unit 2, the monitor 23, and the like connected to the computer 3. The keyboard 24 and the mouse 25 are controlled in an integrated manner. As the computer 3, a general-purpose or dedicated computer can be applied, and the CPU performs predetermined image processing on the image of the specimen A acquired by the imaging unit 10, and also focuses the optical system and the specimen A. Various control programs are executed, such as determining the position.

コンピュータ3は、CPUが所定のプログラムを展開して実行することによって実現される処理部としての画像処理部4と、画像処理部4に接続される評価値カーブ生成部12、ファインサーチ範囲決定部13及びフォーカス位置判定部14を備えている。
画像処理部4は、領域抽出部15、コントラスト算出部16及び空間周波数解析部17を備えている。
The computer 3 includes an image processing unit 4 as a processing unit realized by a CPU developing and executing a predetermined program, an evaluation value curve generating unit 12 connected to the image processing unit 4, a fine search range determining unit 13 and a focus position determination unit 14.
The image processing unit 4 includes a region extraction unit 15, a contrast calculation unit 16, and a spatial frequency analysis unit 17.

領域抽出部15は、顕微鏡1において取得された画像のうち、キーボード24やマウス25等により入力されたフォーカスを合わせたい領域を、以降の処理の対象領域として抽出する。
コントラスト算出部16は、光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら取得した標本に係る複数の画像について、領域抽出部15によって抽出された領域のコントラストを夫々算出する。
空間周波数解析部17は、光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら取得した標本に係る複数の画像について、領域抽出部15によって抽出された領域の空間周波数を夫々解析する。
The area extraction unit 15 extracts an area to be focused input from the keyboard 24, the mouse 25, or the like from the images acquired by the microscope 1 as a target area for subsequent processing.
The contrast calculation unit 16 calculates the contrasts of the regions extracted by the region extraction unit 15 for a plurality of images related to the sample acquired while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the sample.
The spatial frequency analysis unit 17 analyzes the spatial frequencies of the regions extracted by the region extraction unit 15 for a plurality of images related to the sample acquired while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the sample.

評価値カーブ生成部12は、コントラスト算出部16により算出されたコントラストから、合焦の度合いを示す評価値を算出し、この評価値と、評価値と対応する光軸方向の位置とに基づいて、例えば図2に示す評価値カーブを生成する。評価値としては、例えばコントラスト値の二乗を適用することができる。   The evaluation value curve generation unit 12 calculates an evaluation value indicating the degree of focus from the contrast calculated by the contrast calculation unit 16, and based on the evaluation value and the position in the optical axis direction corresponding to the evaluation value. For example, the evaluation value curve shown in FIG. 2 is generated. As the evaluation value, for example, the square of the contrast value can be applied.

ファインサーチ範囲決定部13は、評価値カーブ生成部12により生成された評価値カーブに基づいて、フォーカス位置を詳細に探索すべき光軸方向の範囲を決定する。つまり、コントラストを算出した画像は、光軸方向の第1の範囲において光学系と標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像であり、これら画像のコントラストから大雑把にフォーカス位置がいずれの位置であるかの見当をつけている。そこで、第1の範囲のうち、より詳細にフォーカス位置を探索すべき範囲として第2の範囲をファインサーチ範囲決定部13により決定する。   Based on the evaluation value curve generated by the evaluation value curve generation unit 12, the fine search range determination unit 13 determines a range in the optical axis direction where the focus position should be searched in detail. In other words, the contrast-calculated images are a plurality of images related to the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the specimen in the first range in the optical axis direction, and roughly from the contrast of these images. I have an idea of which position the focus position is. Therefore, the fine search range determination unit 13 determines the second range as the range in which the focus position should be searched in more detail in the first range.

フォーカス位置判定部14は、ファインサーチ範囲決定部13により決定された第2の範囲内において光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら取得した複数の画像からフォーカス位置を判定する。すなわち、空間周波数解析部17により取得した第2の範囲内において光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら取得した複数の画像についての空間周波数の解析結果に基づいてフォーカス位置を判定する。   The focus position determination unit 14 determines the focus position from a plurality of images acquired while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the sample within the second range determined by the fine search range determination unit 13. That is, the focus position is determined based on the spatial frequency analysis results for a plurality of images acquired while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the sample within the second range acquired by the spatial frequency analysis unit 17. To do.

以下、このように構成された顕微鏡システムによるオートフォーカスの流れについて、図3のフローチャートに従って説明する。   Hereinafter, the flow of autofocus by the microscope system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.

はじめに、光軸方向の第1の範囲で光学系と標本との距離を変化させてラフサーチを行うために、対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置を予め定めた初期位置とする。すなわち、例えば標本Aが対物レンズ9と接触しない程度に接近する位置にステージ8を移動させる。そして、ステップS101において、撮像制御部21がコンピュータ3の指示に従って標本Aの光学像を撮像する旨の指示を撮像部10に行い、この指示を受けて撮像部10が、標本Aの画像を撮像する。撮影した画像及び撮影した際の光軸方向の位置(以下、「Z位置」という)は、PC3に備えられた図示しないデータ記録部に出力される。   First, in order to perform a rough search by changing the distance between the optical system and the sample in the first range in the optical axis direction, the relative position in the optical axis direction between the objective lens 9 and the sample A is set as a predetermined initial position. . That is, for example, the stage 8 is moved to a position that approaches the specimen A so as not to contact the objective lens 9. In step S101, the imaging control unit 21 instructs the imaging unit 10 to capture an optical image of the specimen A according to the instruction of the computer 3, and the imaging unit 10 captures an image of the specimen A in response to this instruction. To do. The captured image and the position in the optical axis direction (hereinafter referred to as “Z position”) at the time of capturing are output to a data recording unit (not shown) provided in the PC 3.

次に、ステップS102にて、ラフサーチの際に、ラフサーチ範囲である第1の範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させるピッチ、つまり対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置の移動量であるラフ間隔で対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させる、つまり、両者の相対位置を移動させる。ラフ間隔は、予めPC3の図示しない記憶部などに記憶しておき、これに従って、ラフサーチ範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの相対位置を移動させることで、両者の距離を変化させる。予め定めたラフ間隔として、例えば、対物レンズの焦点深度の5倍の移動量を設定することができ、ラフ間隔は適宜設定することができる。本実施形態においては、対物レンズ9の焦点深度の5倍でステージ8を移動させることにより対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させることとする。   Next, in step S102, during the rough search, the pitch for changing the distance between the objective lens 9 and the specimen A within the first range which is the rough search range, that is, the optical axis direction between the objective lens 9 and the specimen A. The distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by a rough interval that is the amount of movement of the relative position of the two, that is, the relative position of the two is moved. The rough interval is stored in advance in a storage unit (not shown) of the PC 3, and the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the relative position of the objective lens 9 and the sample A in accordance with the rough interval. As the predetermined rough interval, for example, a movement amount that is five times the focal depth of the objective lens can be set, and the rough interval can be set as appropriate. In the present embodiment, the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the stage 8 at 5 times the focal depth of the objective lens 9.

次のステップS103において、ラフサーチ範囲における画像の撮像が終了したか否かを判定する。これは、例えば、現在のステージ8の位置がラフサーチ範囲を超えたか否かについて、下限をラフサーチの初期位置、上限を標本Aが対物レンズ9から最も離れる位置とした範囲内であるか判定し、範囲外である場合に、ラフサーチ範囲における画像の撮像を終了したと判定し次のステップS104に進む。第1の範囲における撮像が終了していない場合には、ステップS101に戻り第1の範囲内における撮像を継続する。   In the next step S103, it is determined whether or not the imaging of the image in the rough search range has been completed. For example, it is determined whether or not the current position of the stage 8 exceeds the rough search range, whether the lower limit is within the range of the initial position of the rough search and the upper limit is within the range where the sample A is farthest from the objective lens 9; If it is out of the range, it is determined that the imaging of the image in the rough search range is finished, and the process proceeds to the next step S104. If imaging in the first range has not been completed, the process returns to step S101 and imaging in the first range is continued.

ステップS104では、先のステップにおいてラフサーチによって撮影されたラフサーチ範囲の全ての画像に対して、フォーカスしたい領域の画像を領域抽出部15により抽出し、抽出した領域についてコントラスト算出部16により夫々コントラスト値を算出する。コントラスト算出部16は、例えば、抽出した領域において、隣接する画素同士の差分和の絶対値をコントラスト値として演算する。算出されたコントラスト値は評価値カーブ生成部12に出力される。   In step S104, the image of the region to be focused is extracted by the region extraction unit 15 for all the images in the rough search range captured by the rough search in the previous step, and the contrast calculation unit 16 sets the contrast value for each of the extracted regions. calculate. For example, in the extracted area, the contrast calculation unit 16 calculates the absolute value of the difference sum between adjacent pixels as the contrast value. The calculated contrast value is output to the evaluation value curve generator 12.

次のステップS105では、入力されたコントラスト値に基づいて、評価値カーブ生成部12が合焦の度合いを示す評価値として、例えばコントラスト値の二乗を算出する。そして、この評価値と、ステップS101において画像撮像時に記憶した画像を撮影した際のZ位置とに基づいて、例えば、ラグランジュ補間等の補間法を用いて評価値カーブを生成する(図2)。図2において、点501〜点509は算出された評価値をプロットした点を模式的に示しており、曲線510は点501〜点509について補間法を適用して求めた曲線を模式的に表したものであり、本ステップで生成する評価値カーブである。なお、補間法はラグランジュ補間以外の手法を用いても良い。   In the next step S105, based on the input contrast value, the evaluation value curve generator 12 calculates, for example, the square of the contrast value as an evaluation value indicating the degree of focus. Based on this evaluation value and the Z position when the image stored at the time of image capturing in step S101 is captured, an evaluation value curve is generated using an interpolation method such as Lagrangian interpolation (FIG. 2). In FIG. 2, points 501 to 509 schematically indicate points where the calculated evaluation values are plotted, and a curve 510 schematically represents a curve obtained by applying an interpolation method to points 501 to 509. This is an evaluation value curve generated in this step. Note that a method other than Lagrange interpolation may be used as the interpolation method.

ステップS106では、先のステップで生成された評価値カーブとあらかじめ定めた閾値、例えば、評価値カーブにおけるカーブの山が最も高いピーク位置の評価値の70%の値を用いて、より詳細にフォーカス位置を探索すべき範囲である第2の範囲としてのファインサーチ範囲を決定する。図4の曲線601は評価値カーブを、直線602は閾値を、直線603は評価値が閾値を越える画像のZ位置の最小値、直線604は評価値が閾値を超える画像のZ位置の最大値を、矢印605は直線603と直線604から決定したファインサーチの範囲を模式的に示している。なお、閾値は適宜設定することができ、PCの図示しない記憶部等に記憶させるなど、予め定めることができる。ファインサーチ範囲の決定後、対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置をファインサーチ範囲の初期位置とする、すなわち、ファインサーチの範囲の下限位置にステージ8を移動させる。   In step S106, the evaluation value curve generated in the previous step and a predetermined threshold, for example, 70% of the evaluation value of the peak position where the peak of the curve in the evaluation value curve is the highest, are used for focusing in more detail. A fine search range as a second range that is a range in which a position is to be searched is determined. A curve 601 in FIG. 4 is an evaluation value curve, a straight line 602 is a threshold value, a straight line 603 is a minimum value of the Z position of an image whose evaluation value exceeds the threshold value, and a straight line 604 is a maximum value of the Z position of an image whose evaluation value exceeds the threshold value. The arrow 605 schematically shows the fine search range determined from the straight line 603 and the straight line 604. The threshold value can be set as appropriate, and can be determined in advance, for example, stored in a storage unit (not shown) of the PC. After determining the fine search range, the relative position of the objective lens 9 and the specimen A in the optical axis direction is set as the initial position of the fine search range, that is, the stage 8 is moved to the lower limit position of the fine search range.

ステップS107では、ステップS101と同様に、撮像制御部21がコンピュータ3の指示に従って標本Aの光学像を撮像する旨の指示を撮像部10に行い、この指示を受けて撮像部10が、標本Aの画像を撮像する。撮影した画像及び撮影した際のZ位置は、PC3に備えられた図示しないデータ記録部に出力される。   In step S107, as in step S101, the imaging control unit 21 instructs the imaging unit 10 to capture an optical image of the specimen A according to the instruction of the computer 3, and the imaging unit 10 receives the instruction and the imaging unit 10 receives the instruction. The image of is taken. The captured image and the Z position at the time of capturing are output to a data recording unit (not shown) provided in the PC 3.

次に、ステップS108で、ファインサーチの際に、ファインサーチ範囲において、対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させるピッチ、つまり対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置の移動量であるファイン間隔で対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させる、つまり、両者の相対位置を移動させる。ファイン間隔は、予めPC3の図示しない記憶部などに記憶しておき、これに従って、ファインサーチ範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの相対位置を移動させることで、両者の距離を変化させる。予め定めたファイン間隔として、例えば、対物レンズの焦点深度の1倍の移動量を設定することができ、ファイン間隔はラフ間隔よりも小さい距離で適宜設定することができる。本実施形態においては、対物レンズ9の焦点深度の1倍でステージ8を移動させることにより対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させることとする。   Next, in step S108, the pitch for changing the distance between the objective lens 9 and the sample A in the fine search range, that is, the amount of movement of the relative position between the objective lens 9 and the sample A in the optical axis direction in the fine search range in step S108. The distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed at a fine interval, that is, the relative position of both is moved. The fine interval is stored in advance in a storage unit (not shown) of the PC 3, and the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the relative position between the objective lens 9 and the specimen A within the fine search range. As the predetermined fine interval, for example, an amount of movement that is one time the focal depth of the objective lens can be set, and the fine interval can be appropriately set at a distance smaller than the rough interval. In the present embodiment, the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the stage 8 at one time the focal depth of the objective lens 9.

次のステップS109において、ファインサーチ範囲における画像の撮像が終了したか否かを判定する。これは、例えば、現在のステージ8の位置がファインサーチ範囲を超えたか否かについて判定し、ステージ8の位置がファインサーチ範囲外である場合に、ファインサーチ範囲における画像の撮像を終了したと判定し次のステップS110に進む。ファインサーチ範囲における撮像が終了していない場合には、ステップS107に戻りファインサーチ範囲内における撮像を継続する。   In the next step S109, it is determined whether or not the imaging of the image in the fine search range is finished. For example, it is determined whether or not the current position of the stage 8 has exceeded the fine search range. If the position of the stage 8 is outside the fine search range, it is determined that imaging of the image in the fine search range has ended. Then, the process proceeds to the next step S110. If imaging in the fine search range has not been completed, the process returns to step S107 and imaging in the fine search range is continued.

ステップS110では、先のステップにおいてファインサーチによって撮影されたファインサーチ範囲の全ての画像に対して、フォーカスしたい領域の画像を領域抽出部15により抽出し、抽出した領域について、空間周波数解析部17で空間周波数を解析する。空間周波数の解析は、例えば、高速フーリエ変換による解析で各空間周波数のスペクトルを解析する。なお、空間周波数の解析手法は高速フーリエ変換に限られず適宜選択することができる。解析した空間周波数の解析結果はフォーカス位置判定部14に出力される。   In step S110, the region extraction unit 15 extracts an image of a region to be focused on all the images in the fine search range captured by the fine search in the previous step, and the spatial frequency analysis unit 17 extracts the extracted region. Analyze the spatial frequency. For the analysis of the spatial frequency, for example, the spectrum of each spatial frequency is analyzed by analysis by fast Fourier transform. The spatial frequency analysis method is not limited to the fast Fourier transform and can be selected as appropriate. The analysis result of the analyzed spatial frequency is output to the focus position determination unit 14.

ステップS111では、解析した空間周波数の解析結果の入力を受けて、フォーカス位置判定部14が、空間周波数の解析結果の全体からDC成分を除いた空間周波数のスペクトルの強度の総和をとったものを評価値として算出する。図5の701の棒グラフはDC成分を、702は全体からDC成分を除いたスペクトルを模式的に示したものである。なお、評価値に用いる空間周波数のスペクトルは上述のものに限られず、適宜選択することができる。   In step S111, in response to the input of the analysis result of the analyzed spatial frequency, the focus position determination unit 14 obtains the sum of the intensity of the spectrum of the spatial frequency excluding the DC component from the entire analysis result of the spatial frequency. Calculated as an evaluation value. A bar graph 701 in FIG. 5 schematically shows a DC component, and 702 schematically shows a spectrum obtained by removing the DC component from the whole. Note that the spectrum of the spatial frequency used for the evaluation value is not limited to that described above, and can be appropriately selected.

フォーカス位置判定部14は、算出した評価値の大きさを比較し、評価値の値が最も大きくなる画像を撮影した位置をフォーカス位置であると判定する。
本実施形態においては、オートフォーカス装置は顕微鏡システムに適用されているので、フォーカス位置判定部14により、判定したフォーカス位置を駆動機構制御部20に出力し、駆動機構制御部20が判定したフォーカス位置にステージ8を移動させることで対物レンズ9と標本Aとがフォーカス位置に合うように相対移動させられる。
The focus position determination unit 14 compares the calculated evaluation values, and determines that the position where the image having the largest evaluation value is taken is the focus position.
In the present embodiment, since the autofocus device is applied to a microscope system, the focus position determination unit 14 outputs the determined focus position to the drive mechanism control unit 20, and the focus position determined by the drive mechanism control unit 20. When the stage 8 is moved, the objective lens 9 and the specimen A are relatively moved so as to be in focus.

このように、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、ラフサーチを行った範囲についてコントラストを算出することにより高速にファインサーチを実施する範囲を決定することで、空間周波数の解析を行うべき範囲を限定的なものとしているので、膨大な計算を行うことなく高速にフォーカス位置を判定することができる。また、ファインサーチ範囲について空間周波数の解析結果に基づいてフォーカス位置を判定しているので、精度よくフォーカス位置を判定することができる。   As described above, according to the microscope system according to the present embodiment, the range for performing the fine search at high speed is determined by calculating the contrast for the range in which the rough search has been performed, so that the range where the spatial frequency analysis should be performed is determined. Since it is limited, the focus position can be determined at high speed without performing enormous calculations. In addition, since the focus position is determined based on the spatial frequency analysis result for the fine search range, the focus position can be determined with high accuracy.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡システムは、図6に示すように、ファインサーチ範囲における画像について、どのようにしてフォーカス位置の判定を行うかを判定するモード切替判定部18を備えている点が、上述した第1の実施形態に係る顕微鏡システムと異なっている。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 6, the microscope system according to the present embodiment includes the mode switching determination unit 18 that determines how to determine the focus position for an image in the fine search range. This is different from the microscope system according to the first embodiment.

すなわち、本実施形態に係る顕微鏡システムにおいて、PC3が、CPUが所定のプログラムを展開して実行することによって実現される処理部として、さらにモード切替判定部18を備えている。本実施形態に係る顕微鏡システムは、その他の構成については上述した第1の実施形態と略同一の構成であるため、各構成についての説明を省略し、オートフォーカスの流れについて、図7のフローチャートに従って説明する。   That is, in the microscope system according to the present embodiment, the PC 3 further includes a mode switching determination unit 18 as a processing unit realized by the CPU developing and executing a predetermined program. Since the microscope system according to the present embodiment has substantially the same configuration as that of the first embodiment described above, the description of each configuration is omitted, and the flow of autofocus is according to the flowchart of FIG. explain.

はじめに、光軸方向の第1の範囲で光学系と標本との距離を変化させてラフサーチを行うために、対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置を予め定めた初期位置とする。すなわち、例えば標本Aが対物レンズ9と接触しない程度に接近する位置にステージ8を移動させる。そして、ステップS201において、撮像制御部21がコンピュータ3の指示に従って標本Aの光学像を撮像する旨の指示を撮像部10に行い、この指示を受けて撮像部10が、標本Aの画像を撮像する。撮影した画像及び撮影した際のZ位置は、PC3に備えられた図示しないデータ記録部に出力される。   First, in order to perform a rough search by changing the distance between the optical system and the sample in the first range in the optical axis direction, the relative position in the optical axis direction between the objective lens 9 and the sample A is set as a predetermined initial position. . That is, for example, the stage 8 is moved to a position that approaches the specimen A so as not to contact the objective lens 9. In step S <b> 201, the imaging control unit 21 instructs the imaging unit 10 to capture an optical image of the specimen A according to the instruction of the computer 3, and the imaging unit 10 captures an image of the specimen A in response to this instruction. To do. The captured image and the Z position at the time of capturing are output to a data recording unit (not shown) provided in the PC 3.

次に、ステップS202にて、ラフサーチの際に、ラフサーチ範囲である第1の範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させるピッチ、つまり対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置の移動量であるラフ間隔で対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させる、つまり、両者の相対位置を移動させる。ラフ間隔は、予めPC3の図示しない記憶部などに記憶しておき、これに従って、ラフサーチ範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの相対位置を移動させることで、両者の距離を変化させる。予め定めたラフ間隔として、例えば、対物レンズの焦点深度の5倍の移動量を設定することができ、ラフ間隔は適宜設定することができる。本実施形態においては、対物レンズ9の焦点深度の5倍でステージ8を移動させることにより対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させることとする。   Next, in step S202, the pitch for changing the distance between the objective lens 9 and the sample A within the first range, which is the rough search range, in the rough search, that is, the optical axis direction between the objective lens 9 and the sample A is determined. The distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by a rough interval that is the amount of movement of the relative position of the two, that is, the relative position of the two is moved. The rough interval is stored in advance in a storage unit (not shown) of the PC 3, and the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the relative position of the objective lens 9 and the sample A in accordance with the rough interval. As the predetermined rough interval, for example, a movement amount that is five times the focal depth of the objective lens can be set, and the rough interval can be set as appropriate. In the present embodiment, the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the stage 8 at 5 times the focal depth of the objective lens 9.

次のステップS203において、ラフサーチ範囲における画像の撮像が終了したか否かを判定する。これは、例えば、現在のステージ8の位置がラフサーチ範囲を超えたか否かについて、下限をラフサーチの初期位置、上限を標本Aが対物レンズ9から最も離れる位置とした範囲内であるか判定し、範囲外である場合に、ラフサーチ範囲における画像の撮像を終了したと判定し次のステップS204に進む。第1の範囲における撮像が終了していない場合には、ステップS201に戻り第1の範囲内における撮像を継続する。   In the next step S203, it is determined whether or not the imaging of the image in the rough search range is finished. For example, it is determined whether or not the current position of the stage 8 exceeds the rough search range, whether the lower limit is within the range of the initial position of the rough search and the upper limit is within the range where the sample A is farthest from the objective lens 9; When it is out of the range, it is determined that the image capturing in the rough search range is finished, and the process proceeds to the next step S204. If the imaging in the first range has not been completed, the process returns to step S201 to continue imaging in the first range.

ステップS204では、先のステップにおいてラフサーチによって撮影されたラフサーチ範囲の全ての画像に対して、フォーカスしたい領域の画像を領域抽出部15により抽出し、抽出した領域についてコントラスト算出部16により夫々コントラスト値を算出する。コントラスト算出部16は、例えば、抽出した領域において、隣接する画素同士の差分和の絶対値をコントラスト値として演算する。算出されたコントラスト値は評価値カーブ生成部12に出力される。   In step S204, the image of the region to be focused is extracted by the region extraction unit 15 for all images in the rough search range photographed by the rough search in the previous step, and the contrast calculation unit 16 sets the contrast value for each of the extracted regions. calculate. For example, in the extracted area, the contrast calculation unit 16 calculates the absolute value of the difference sum between adjacent pixels as the contrast value. The calculated contrast value is output to the evaluation value curve generator 12.

次のステップS205では、入力されたコントラスト値に基づいて、評価値カーブ生成部12が合焦の度合いを示す評価値として、例えばコントラスト値の二乗を算出する。そして、この評価値と、ステップS201において画像撮像時に記憶した画像を撮影した際のZ位置とに基づいて評価値カーブを生成する(上記第1の実施形態における図2参照)。   In the next step S205, based on the input contrast value, the evaluation value curve generation unit 12 calculates, for example, the square of the contrast value as an evaluation value indicating the degree of focus. Then, an evaluation value curve is generated based on this evaluation value and the Z position when the image stored at the time of image capturing in step S201 is captured (see FIG. 2 in the first embodiment).

ステップS206では、先のステップで生成された評価値カーブとあらかじめ定めた閾値、例えば、評価値カーブにおけるカーブの山が最も高いピーク位置の評価値の70%の値を用いて、より詳細にフォーカス位置を探索すべき範囲である第2の範囲としてのファインサーチ範囲を決定する(上記第1の実施形態における図4参照)。ファインサーチ範囲の決定後、対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置をファインサーチ範囲の初期位置とする、すなわち、ファインサーチの範囲の下限位置にステージ8を移動させる。   In step S206, the evaluation value curve generated in the previous step and a predetermined threshold, for example, 70% of the evaluation value of the peak position where the peak of the curve in the evaluation value curve is the highest, are used for focusing in more detail. A fine search range as a second range that is a range in which a position is to be searched is determined (see FIG. 4 in the first embodiment). After determining the fine search range, the relative position of the objective lens 9 and the specimen A in the optical axis direction is set as the initial position of the fine search range, that is, the stage 8 is moved to the lower limit position of the fine search range.

ステップS207では、ステップS201と同様に、撮像制御部21がコンピュータ3の指示に従って標本Aの光学像を撮像する旨の指示を撮像部10に行い、この指示を受けて撮像部10が、標本Aの画像を撮像する。撮影した画像及び撮影した際のZ位置は、PC3に備えられた図示しないデータ記録部に出力される。   In step S207, as in step S201, the imaging control unit 21 instructs the imaging unit 10 to capture an optical image of the specimen A according to the instruction of the computer 3, and the imaging unit 10 receives the instruction and the imaging unit 10 receives the instruction. The image of is taken. The captured image and the Z position at the time of capturing are output to a data recording unit (not shown) provided in the PC 3.

次に、ステップS208で、ファインサーチの際に、ファインサーチ範囲において、対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させるピッチ、つまり対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置の移動量であるファイン間隔で対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させる、つまり、両者の相対位置を移動させる。ファイン間隔は、予めPC3の図示しない記憶部などに記憶しておき、これに従って、ファインサーチ範囲内において、対物レンズ9と標本Aとの相対位置を移動させることで、両者の距離を変化させる。予め定めたファイン間隔として、例えば、対物レンズの焦点深度の1倍の移動量を設定することができ、ファイン間隔はラフ間隔よりも小さい距離で適宜設定することができる。本実施形態においては、対物レンズ9の焦点深度の1倍でステージ8を移動させることにより対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させることとする。   Next, in step S208, in the fine search, the pitch for changing the distance between the objective lens 9 and the specimen A in the fine search range, that is, the movement amount of the relative position between the objective lens 9 and the specimen A in the optical axis direction. The distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed at a fine interval, that is, the relative position of both is moved. The fine interval is stored in advance in a storage unit (not shown) of the PC 3, and the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the relative position between the objective lens 9 and the specimen A within the fine search range. As the predetermined fine interval, for example, an amount of movement that is one time the focal depth of the objective lens can be set, and the fine interval can be appropriately set at a distance smaller than the rough interval. In the present embodiment, the distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed by moving the stage 8 at one time the focal depth of the objective lens 9.

次のステップS209において、ファインサーチ範囲における画像の撮像が終了したか否かを判定する。これは、例えば、現在のステージ8の位置がファインサーチ範囲を超えたか否かについて判定し、ステージ8の位置がファインサーチ範囲外である場合に、ファインサーチ範囲における画像の撮像を終了したと判定し次のステップS210に進む。ファインサーチ範囲における撮像が終了していない場合には、ステップS207に戻りファインサーチ範囲内における撮像を継続する。   In the next step S209, it is determined whether or not imaging of an image in the fine search range is finished. For example, it is determined whether or not the current position of the stage 8 has exceeded the fine search range. If the position of the stage 8 is outside the fine search range, it is determined that imaging of the image in the fine search range has ended. Then, the process proceeds to the next step S210. If imaging in the fine search range has not been completed, the process returns to step S207 to continue imaging in the fine search range.

ステップS210では、ファインサーチ範囲において撮像した画像について、空間周波数による解析が必要か否か、すなわちモード切替が必要か否かを判定する。つまり、モード切替判定部18が、コントラストを算出することによりフォーカス位置を判定するのか、又は、空間周波数を解析することによりフォーカス位置を判定するのかについて、先のステップにおけるラフサーチによって生成された評価値カーブに基づいて判定する。   In step S210, it is determined whether an image captured in the fine search range needs to be analyzed by a spatial frequency, that is, whether mode switching is necessary. That is, the evaluation value generated by the rough search in the previous step as to whether the mode switching determination unit 18 determines the focus position by calculating the contrast, or determines the focus position by analyzing the spatial frequency. Judge based on the curve.

評価値カーブの山がなだらかな場合、ノイズの影響を受けてピーク(最大値)の判定が困難となるため、評価値カーブに対する閾値を予め設定し、この閾値に基づいてモード切替の要否を判定する。本実施形態においては、対物レンズ9の焦点深度の6倍を閾値とし、図8に示すように、評価値カーブに対してこの閾値を適用した場合にファインサーチ範囲(図8における矢印Fの範囲)が、閾値未満の場合は、コントラストを算出することによりフォーカス判定を行うと判定され、ファインサーチ範囲が閾値以上の場合に空間周波数の解析が必要と判定される。よって、ファインサーチ範囲が閾値以上の場合には、ステップS211に進み、閾値未満の場合はステップS213に進む。   When the peaks of the evaluation value curve are gentle, it becomes difficult to determine the peak (maximum value) due to the influence of noise. Therefore, a threshold value for the evaluation value curve is set in advance, and whether or not mode switching is necessary is determined based on this threshold value. judge. In this embodiment, when the threshold value is 6 times the depth of focus of the objective lens 9 and this threshold value is applied to the evaluation value curve as shown in FIG. 8, the fine search range (the range indicated by the arrow F in FIG. 8). ) Is less than the threshold value, it is determined that focus determination is performed by calculating contrast, and it is determined that spatial frequency analysis is necessary when the fine search range is equal to or greater than the threshold value. Therefore, if the fine search range is equal to or greater than the threshold, the process proceeds to step S211. If the fine search range is less than the threshold, the process proceeds to step S213.

ステップS211では、先のステップにおいてファインサーチによって撮影されたファインサーチ範囲の全ての画像に対して、フォーカスしたい領域の画像を領域抽出部15により抽出し、抽出した領域について、空間周波数解析部17で空間周波数を解析する。空間周波数の解析は、例えば、高速フーリエ変換による解析で各空間周波数のスペクトルを解析する。なお、空間周波数の解析手法は高速フーリエ変換に限られず適宜選択することができる。解析した空間周波数の解析結果はフォーカス位置判定部14に出力される。   In step S211, the image of the area to be focused is extracted by the area extraction unit 15 for all the images in the fine search range photographed by the fine search in the previous step, and the spatial frequency analysis unit 17 extracts the extracted area. Analyze the spatial frequency. For the analysis of the spatial frequency, for example, the spectrum of each spatial frequency is analyzed by analysis by fast Fourier transform. The spatial frequency analysis method is not limited to the fast Fourier transform and can be selected as appropriate. The analysis result of the analyzed spatial frequency is output to the focus position determination unit 14.

ステップS212では、解析した空間周波数の解析結果の入力を受けて、フォーカス位置判定部14が、空間周波数の解析結果の全体からDC成分を除いた空間周波数のスペクトルの強度の総和をとったものを評価値として算出する。図5の701の棒グラフはDC成分を、702は全体からDC成分を除いたスペクトルを模式的に示したものである。なお、評価値に用いる空間周波数のスペクトルは上述のものに限られず、適宜選択することができる。
フォーカス位置判定部14は、算出した評価値の大きさを比較し、評価値の値が最も大きくなる画像を撮影した位置をフォーカス位置であると判定する。
In step S212, upon receiving the analysis result of the analyzed spatial frequency, the focus position determination unit 14 obtains the sum of the intensity of the spectrum of the spatial frequency obtained by removing the DC component from the entire analysis result of the spatial frequency. Calculated as an evaluation value. A bar graph 701 in FIG. 5 schematically shows a DC component, and 702 schematically shows a spectrum obtained by removing the DC component from the whole. Note that the spectrum of the spatial frequency used for the evaluation value is not limited to that described above, and can be appropriately selected.
The focus position determination unit 14 compares the calculated evaluation values, and determines that the position where the image having the largest evaluation value is taken is the focus position.

ステップS213では、ファインサーチによって撮影されたファインサーチ範囲の全ての画像に対して、フォーカスしたい領域の画像を領域抽出部15により抽出し、抽出した領域についてコントラスト算出部16により夫々コントラスト値を算出する。コントラスト算出部16は、例えば、抽出した領域において、隣接する画素同士の差分和の絶対値をコントラスト値として演算する。   In step S213, an image of a region to be focused is extracted by the region extraction unit 15 for all images in the fine search range photographed by the fine search, and the contrast calculation unit 16 calculates a contrast value for each of the extracted regions. . For example, in the extracted area, the contrast calculation unit 16 calculates the absolute value of the difference sum between adjacent pixels as the contrast value.

ステップS214において、フォーカス位置判定部14は、入力されたコントラスト値に基づいて、合焦の度合いを示す評価値として、例えばコントラスト値の二乗を算出し、算出した評価値の大きさを比較し、評価値の値が最も大きくなる画像を撮影した位置をフォーカス位置であると判定する。
本実施形態においては、オートフォーカス装置は顕微鏡システムに適用されているので、フォーカス位置判定部14により、判定したフォーカス位置を駆動機構制御部20に出力し、駆動機構制御部20が判定したフォーカス位置にステージ8を移動させることで対物レンズ9と標本Aとがフォーカス位置に合うように相対移動させられる。
In step S214, the focus position determination unit 14 calculates, for example, the square of the contrast value as an evaluation value indicating the degree of focusing based on the input contrast value, and compares the calculated evaluation values. The position where the image having the largest evaluation value is taken is determined as the focus position.
In the present embodiment, since the autofocus device is applied to a microscope system, the focus position determination unit 14 outputs the determined focus position to the drive mechanism control unit 20, and the focus position determined by the drive mechanism control unit 20. When the stage 8 is moved, the objective lens 9 and the specimen A are relatively moved so as to be in focus.

本実施の形態にかかる顕微鏡システムによれば、コントラストを算出するのみでフォーカス位置を判定可能な場合は、膨大な計算量を要する空間周波数の解析処理を行わずにフォーカス位置を判定するので、計算コストを低減し、高速にフォーカス位置を判定することができる。   According to the microscope system according to the present embodiment, when the focus position can be determined only by calculating the contrast, the focus position is determined without performing spatial frequency analysis processing that requires a large amount of calculation. Cost can be reduced and the focus position can be determined at high speed.

(変形例)
以下、上記した第1の実施形態及び第2の実施形態の変形例について説明する。
本変形例では、ファインサーチ範囲が決定した後に、ファインサーチ範囲において画像を撮像している間、画像の撮像毎に評価値を算出し、算出した評価値が予め定めた所定の条件を満たす場合に、ファインサーチ範囲における全範囲の画像の取得が終了していない場合であっても、画像の取得を終了し、フォーカス位置を判定する。
(Modification)
Hereinafter, modifications of the first embodiment and the second embodiment described above will be described.
In this modification, after the fine search range is determined, while an image is captured in the fine search range, an evaluation value is calculated for each image capture, and the calculated evaluation value satisfies a predetermined condition Even if the acquisition of the image of the entire range in the fine search range is not completed, the acquisition of the image is terminated and the focus position is determined.

より詳細には、図9のフローチャートに従って、ファインサーチを強制的に終了させるか否かを判定する。
図9はファインサーチ範囲の決定後からの処理を示しており、対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置をファインサーチ範囲の初期位置とする、すなわち、ファインサーチの範囲の下限位置にステージ8を移動させた状態である。
More specifically, it is determined whether or not the fine search is forcibly terminated according to the flowchart of FIG.
FIG. 9 shows the processing after the fine search range is determined. The relative position of the objective lens 9 and the specimen A in the optical axis direction is the initial position of the fine search range, that is, the lower limit position of the fine search range. In this state, the stage 8 is moved.

ステップS301では、撮像制御部21がコンピュータ3の指示に従って標本Aの光学像を撮像する旨の指示を撮像部10に行い、この指示を受けて撮像部10が、標本Aの画像を撮像する。撮影した画像及び撮影した際のZ位置は、PC3に備えられた図示しないデータ記録部に出力される。
ステップS302において、撮像した画像について、フォーカス位置判定部14が、コントラスト算出又は空間周波数解析に基づいて評価値を算出する。
In step S <b> 301, the imaging control unit 21 instructs the imaging unit 10 to capture an optical image of the specimen A according to the instruction of the computer 3, and the imaging unit 10 captures an image of the specimen A in response to this instruction. The captured image and the Z position at the time of capturing are output to a data recording unit (not shown) provided in the PC 3.
In step S302, the focus position determination unit 14 calculates an evaluation value for the captured image based on contrast calculation or spatial frequency analysis.

次に、ステップS303で、ファインサーチの際に、ファインサーチ範囲において、対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させるピッチ、つまり対物レンズ9と標本Aとの光軸方向の相対位置の移動量であるファイン間隔で対物レンズ9と標本Aとの距離を変化させる、つまり、両者の相対位置を移動させる。   Next, in step S303, the pitch for changing the distance between the objective lens 9 and the specimen A in the fine search range in the fine search range, that is, the amount of movement of the relative position between the objective lens 9 and the specimen A in the optical axis direction. The distance between the objective lens 9 and the specimen A is changed at a fine interval, that is, the relative position of both is moved.

ステップS304では、先のステップで算出された評価値がファインサーチの所定の終了条件を満たす場合に、ファインサーチを強制的に終了させると判定する。終了条件としては、例えば、評価値の最大値の20%の値を閾値とし、評価値の算出が所定の回数を超えても評価値が閾値を超えない場合にファインサーチを終了させる等と定めることができる。ファインサーチを終了させると判定した場合は、次のステップS305によりフォーカス位置の判定を行い、ファインサーチを終了させないと判定した場合には、ステップS301に戻りファインサーチ内における画像の取得を繰り返す。   In step S304, it is determined that the fine search is forcibly terminated when the evaluation value calculated in the previous step satisfies a predetermined end condition of the fine search. As an end condition, for example, a value of 20% of the maximum value of the evaluation value is set as a threshold value, and the fine search is ended when the evaluation value does not exceed the threshold value even if the evaluation value calculation exceeds a predetermined number of times. be able to. If it is determined that the fine search is to be ended, the focus position is determined in the next step S305. If it is determined that the fine search is not to be ended, the process returns to step S301 to repeat the image acquisition in the fine search.

図10に、ファインサーチの終了条件に従ってファインサーチの範囲の途中までファインサーチを実施し、演算した評価値をプロットした場合の一例を示す。つまり、点線801がファインサーチ範囲の途中までファインサーチを実施し、演算した評価値をプロットしたものであり、矢印802はその途中までファインサーチを実施した範囲を、矢印803はファインサーチ範囲全体を模式的に示している。フォーカス位置の判定は、算出した評価値の中から最大値を選択することで行われる。   FIG. 10 shows an example in which the fine search is performed partway through the fine search range according to the fine search end condition, and the calculated evaluation values are plotted. In other words, the dotted line 801 is a result of performing a fine search to the middle of the fine search range and plots the calculated evaluation value, the arrow 802 indicates the range in which the fine search has been performed halfway, and the arrow 803 indicates the entire fine search range. This is shown schematically. The focus position is determined by selecting the maximum value from the calculated evaluation values.

このように、本変形例に係る顕微鏡システムによれば、不要なファインサーチを行う回数を減少させることでより高速にフォーカス位置を判定することができる。特に、空間周波数の解析結果に基づいてファインサーチを行う場合に有効となる。   Thus, according to the microscope system according to the present modification, the focus position can be determined at a higher speed by reducing the number of unnecessary fine searches. This is particularly effective when performing a fine search based on the analysis result of the spatial frequency.

1 顕微鏡
2 制御部
3 コンピュータ(PC)
4 画像処理部
8 ステージ
9 対物レンズ
10 撮像部
12 評価値カーブ生成部
13 ファインサーチ範囲決定部
14 フォーカス位置判定部
15 領域抽出部
16 コントラスト算出部
17 空間周波数解析部
18 モード切替判定部
20 駆動機構制御部
21 撮像制御部
1 Microscope 2 Control unit 3 Computer (PC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Image processing part 8 Stage 9 Objective lens 10 Imaging part 12 Evaluation value curve generation part 13 Fine search range determination part 14 Focus position determination part 15 Area extraction part 16 Contrast calculation part 17 Spatial frequency analysis part 18 Mode switching determination part 20 Drive mechanism Control unit 21 Imaging control unit

Claims (4)

光学系と標本との光軸方向の距離を変化させながら、前記光学系により結像された前記標本の光学像を撮像して前記標本の観察像に係る複数の画像を取得する撮像装置に適用され、
複数の前記画像について、コントラストの高低を示すコントラスト値を夫々算出するコントラスト算出手段と、
複数の前記画像の空間周波数を夫々解析する空間周波数解析手段と、
前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値及び前記空間周波数解析手段による解析結果の少なくとも一方に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定するフォーカス位置判定手段と、
前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値に基づいて前記空間周波数解析手段による解析を行うか否かを判定するモード切替判定手段とを備え
前記フォーカス位置判定手段が、前記モード切替判定手段の判定結果、前記空間周波数解析手段による解析を行う場合、前記空間周波数解析手段による解析結果に基づいて前記フォーカス位置を判定し、前記空間周波数解析手段による解析を行わない場合、前記コントラスト算出手段によって算出されたコントラスト値に基づいて前記フォーカス位置を判定するオートフォーカス装置。
Applied to an imaging apparatus that captures an optical image of the specimen imaged by the optical system and obtains a plurality of images related to the observation image of the specimen while changing the distance in the optical axis direction between the optical system and the specimen. And
Contrast calculation means for calculating a contrast value indicating the level of contrast for each of the plurality of images,
A spatial frequency analyzing means for analyzing a spatial frequency of each of the plurality of images;
A focus position determination unit that determines a focus position between the optical system and the sample based on at least one of a contrast value calculated by the contrast calculation unit and an analysis result by the spatial frequency analysis unit;
Mode switching determination means for determining whether to perform analysis by the spatial frequency analysis means based on the contrast value calculated by the contrast calculation means ,
When the focus position determination means performs analysis by the determination result of the mode switching determination means and the spatial frequency analysis means, the focus position is determined based on the analysis result by the spatial frequency analysis means, and the spatial frequency analysis means If due not performed analysis, autofocus device you determine the focus position based on the contrast value calculated by the contrast calculating means.
光軸方向において前記光学系と前記標本との距離を変化させる範囲を決定するサーチ範囲決定手段を備え、
前記コントラスト算出手段が、光軸方向の第1の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、
前記サーチ範囲決定手段が、前記第1の範囲のうち、フォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて決定し、
前記空間周波数解析手段による解析を行う場合、
前記空間周波数解析手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々空間周波数を夫々解析し、
前記空間周波数解析手段による解析を行わない場合、
前記コントラスト算出手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出する請求項1記載のオートフォーカス装置。
Search range determining means for determining a range for changing the distance between the optical system and the sample in the optical axis direction;
The contrast calculation means calculates a contrast value for each of a plurality of images related to the observation image of the sample acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the first range in the optical axis direction,
The search range determination unit determines a second range in the optical axis direction as a range in which the focus position should be searched in detail among the first ranges based on the contrast value calculated by the contrast calculation unit. ,
When performing the analysis by the spatial frequency analysis means,
The spatial frequency analysis means analyzes the spatial frequency for each of the plurality of images related to the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the specimen in the second range,
When the analysis by the spatial frequency analysis means is not performed,
2. The autofocus according to claim 1 , wherein the contrast calculation unit calculates a contrast value for each of a plurality of images related to an observation image of the sample acquired while changing a distance between the optical system and the sample in the second range. apparatus.
光軸方向において前記光学系と前記標本との距離を変化させる範囲を決定するサーチ範囲決定手段を備え、
前記コントラスト算出手段が、光軸方向の第1の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、
前記サーチ範囲決定手段が、前記第1の範囲のうち、フォーカス位置を詳細に探索すべき範囲として光軸方向の第2の範囲を、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて決定し、
前記第2の範囲が所定範囲以上である場合、
前記空間周波数解析手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々空間周波数を夫々解析し、
前記フォーカス位置判定手段が、前記空間周波数解析手段による解析結果に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定し、
前記第2の範囲が所定範囲未満である場合、
前記コントラスト算出手段が、前記第2の範囲において前記光学系と前記標本との距離を変化させながら取得した標本の観察像に係る複数の画像について夫々コントラスト値を算出し、
前記フォーカス位置判定手段が、前記コントラスト算出手段により算出されたコントラスト値に基づいて前記光学系と前記標本とのフォーカス位置を判定する請求項1記載のオートフォーカス装置。
Search range determining means for determining a range for changing the distance between the optical system and the sample in the optical axis direction;
The contrast calculation means calculates a contrast value for each of a plurality of images related to the observation image of the sample acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the first range in the optical axis direction,
The search range determination unit determines a second range in the optical axis direction as a range in which the focus position should be searched in detail among the first ranges based on the contrast value calculated by the contrast calculation unit. ,
When the second range is not less than a predetermined range,
The spatial frequency analysis means analyzes the spatial frequency for each of the plurality of images related to the observation image of the specimen acquired while changing the distance between the optical system and the specimen in the second range,
The focus position determination means determines a focus position between the optical system and the sample based on an analysis result by the spatial frequency analysis means;
If the second range is less than the predetermined range,
The contrast calculation means calculates a contrast value for each of a plurality of images related to the observation image of the sample acquired while changing the distance between the optical system and the sample in the second range,
2. The autofocus device according to claim 1, wherein the focus position determination unit determines a focus position between the optical system and the sample based on a contrast value calculated by the contrast calculation unit.
請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のオートフォーカス装置と、
前記標本を載せるステージと、前記標本の像を形成する光学系と、該光学系及び前記ステージの少なくとも一方を駆動することにより、前記標本と前記光学系とを相対的に移動させる駆動手段と、前記光学系と前記標本との光軸方向の距離を変化させながら、前記光学系により結像された前記標本の光学像を撮像して前記標本の観察像に係る複数の画像を取得する撮像手段と、を有する顕微鏡と、
を備えた顕微鏡システム。
The autofocus device according to any one of claims 1 to 3 ,
A stage on which the specimen is placed; an optical system that forms an image of the specimen; and a driving unit that relatively moves the specimen and the optical system by driving at least one of the optical system and the stage; Imaging means for capturing an optical image of the specimen imaged by the optical system and acquiring a plurality of images related to the observation image of the specimen while changing a distance in the optical axis direction between the optical system and the specimen And a microscope having
Microscope system equipped with.
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