JP6576442B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、第１の出力結合ビーム路に配置されており、且つ、第１の画像を記録するための第１の画像センサと、第２の出力結合ビーム路に配置されており、且つ、第２の画像を記録するための第２の画像センサと、を有しているオートフォーカスシステムを備えている、顕微鏡に関する。

公知のアクティブオートフォーカスシステムでは、補助構造又は補助ビームが、検査すべき対象物の表面に投影され、また反射ビームが評価される。補助構造は、典型的には、観察部に同軸に投影される。しかしながら、補助構造が観察部の大きい拡大領域に適したものであるためには、投影を付加的な光学系によって各対物レンズフィールドに適合させなければならない。それに対し、補助ビームは、通常の場合、近軸に投影され、例えば三角測量によって投影される。このために、多くの場合、レーザ光源又は発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用される。相応の方法は、レーザオートフォーカス法又はＬＥＤオートフォーカス法と称される。しかしながら、これについても、コストの掛かる視準光学系及び結像光学系が必要になる。更に、近軸の結像の場合には、大抵の場合、検出及び評価のために第２の光学系が必要になる。これら２つの光学系の相互的な位置合わせは、フォーカシングの精度に影響を及ぼす。対象物の結像が観察者にとって害とならないようにするために、通常の場合、可視スペクトルを超える波長、通常はＩＲ（赤外線）帯域にある波長が使用される。それに対し、顕微鏡の大多数は、可視波長領域における用途に合わせて設計されている。この場合、例えば、色収差補正がアポクロマートを用いて実施される。公知の方法では、これによって、ＩＲ補助ビームに関する結像の縦色収差が生じ、これは、やはり、観察者が感じる焦点位置に対する「オフセット」を表している。「偏差調整」によって、このオフセットを補正することができる。しかしながら、この補正はモジュール式の構造又は連続ズームシステムにおいて行うには煩雑であり、また、誤操作又は誤動作に繋がる可能性がある。波長に依存する侵入深さによって、特に半導体では、対象物に依存するオフセットが生じ、このオフセットは、補正することができないか、又は、その都度１種類の対象物についてしか補正できない。

全てのアクティブオートフォーカスシステムの信頼性は、検査すべき対象物の反射特性に依存している。これによって、特に、近軸の投影が行われる場合には、対象物の結像と投影される補助ビーム乃至投影される補助構造の結像との間に顕著な差異が生じる可能性がある。これによって、フォーカシングの際に偏差が生じ、また極端な場合には、完全に機能不全に陥る。

図５から図７には、従来技術による顕微鏡の種々の実施の形態が示されている。図５には、オートフォーカスシステムを備えていない、ディジタル形式で画像が記録される顕微鏡の実施の形態が示されている。図６には、オートフォーカスシステムを備えていない、視覚的な観察が行われる顕微鏡の実施の形態が示されている。図７には、画像側で一定の開口数を有しており、従って、軸線方向における結像スケールにわたり、第１の画像センサと第２の画像センサとの間の一定の距離を有している、顕微鏡の実施の形態が示されている。

公知の従来技術から出発した本発明の課題は、フォーカシングの高精度、高速性及び改善されたロバスト性を実現する、オートフォーカスシステムを備えている顕微鏡を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を備えている顕微鏡によって解決される。有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。

請求項１の特徴を備えている顕微鏡によって、有利なフォーカシングが達成される。何故ならば、特にオートフォーカスシステムは、第１の画像センサによって記録された第１の画像のコントラスト値及び第２の画像センサによって記録された第２の画像のコントラスト値に基づいて、コントラストの差分を求め、また、求めたコントラストの差分に基づいて、物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するために構成されているからである。この場合、第１の画像及び第２の画像の各画像は、それぞれが面センサとして構成されている第１の画像センサ及び第２の画像センサから供給された画像情報を含んでいる。従って、フォーカシングを、フレキシブルに又は著しい制限が課されることなく実施することができる。更に、フォーカシングが、比較的高速且つ精確に達成される。このことは、フォーカシングの高精度、高速性及び改善されたロバスト性を実現する。

２つ又はそれ以上の数の画像センサを用いる代わりに、画像センサを１つだけ使用することもできる。その場合、その１つの画像センサの面は、少なくとも２つの部分領域に分割される。その１つの画像センサを、例えば２つのビームスプリッタと組み合わせて利用することができる。１つの代替的な実施の形態においては、画像センサの２つの部分領域を、ただ１つのビーム路における１つのレンズアレイによって形成することができる。

ここで説明する構成要素及びそれらの機能は、２つ又はそれ以上の数の画像センサの使用に関連付けられる。更に、それらの構成要素及びそれらの機能を、２つの部分領域を備えているただ１つの画像センサの使用に相応に関連付けることもできる。この場合、第１の部分領域内で１つの画像センサにおいて形成可能な第１の画像は、２つ又はそれ以上の数の画像センサのうちの第１の画像センサによって記録される第１の画像に実質的に相当しており、それに対し、第２の部分領域内で１つの画像センサにおいて形成可能な第２の画像は、２つ又はそれ以上の数の画像センサのうちの第２の画像センサによって記録される第２の画像に実質的に相当している。

好適には、オートフォーカスシステムは、フォーカシング工程が少なくとも１つの第１の動作モード及び少なくとも１つの第２の動作モードに基づいて実施できるように構成されている。

この場合、第１の動作モードにおいて、第１の画像センサによって記録された第１の画像のコントラスト値及び第２の画像センサによって記録された第２の画像のコントラスト値を求め、また、第２の動作モードにおいて、第１の画像センサによって記録された第１の画像のコントラスト値及び第２の画像センサによって記録された第２の画像のコントラスト値を求め、且つ、求めたコントラスト値に基づいて、物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するように、オートフォーカスシステムは構成されている。更に、第１の動作モードにおいて、焦平面が、物体面の前後に位置している第１の許容範囲内に位置しているように、物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整し、また、第２の動作モードにおいて、焦平面が、物体面の前後に位置している第２の許容範囲内に位置しているように、物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するために、オートフォーカスシステムは構成されている。ここで、第２の許容範囲は、第１の許容範囲よりも小さい。更に、第１の動作モードにおいて、比較的粗いフォーカシングが達成され、それに対し、第２の動作モードにおいて、比較的精密なフォーカシングが達成される。この場合、第１の動作モードにおける比較的粗いフォーカシングを、比較的高速に実施することができる。更に、第２の動作モードにおける比較的精密なフォーカシングを、比較的精確に実施することができる。

更に有利には、物体面に対する焦平面の相対的な位置の調整に関する方向識別を、第１の画像センサによって記録された第１の画像の第１のコントラスト値と第２の画像センサによって記録された第２の画像の第２のコントラスト値との比較に基づいて実施するために、オートフォーカスシステムは構成されている。従って、本発明によるアルゴリズムは、プレパラートが移動されるべき距離だけを提供するのでなく、どの方向にプレパラートが移動されるべきかをも提供する。更に、コントラスト評価によって、焦点はずれも確認して定量化することができる。

ここで、第１の画像センサによって記録された第１の画像の第１のコントラスト値が第２の画像センサによって記録された第２の画像の第２のコントラスト値よりも大きい場合には、焦平面が物体面の方向にずらされるか、又は、物体面が焦平面の方向にずらされ、その結果、焦平面と物体面との間の距離が縮小されるように、方向識別に基づいて物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するために、オートフォーカスシステムは構成されている。

更に、第２の画像センサによって記録された第２の画像の第２のコントラスト値が第１の画像センサによって記録された第１の画像の第１のコントラスト値よりも大きい場合には、焦平面が物体面から離れる方向にずらされるか、又は、物体面が焦平面から離れる方向にずらされ、その結果、焦平面と物体面との間の距離が拡大されるように、方向識別に基づいて物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するために、オートフォーカスシステムは構成されている。

更に有利には、顕微鏡に、第３の画像センサ、対物レンズ、第１のビームスプリッタ及び第２のビームスプリッタを備えている結像システムが設けられており、その際、第１のビームスプリッタが、対物レンズと第３の画像センサとの間のビーム路及び対物レンズと第１の画像センサとの間のビーム路に配置されており、また、第２のビームスプリッタが、対物レンズと第３の画像センサとの間のビーム路及び対物レンズと第２の画像センサとの間のビーム路に配置されている。これによって、対物レンズと第３の画像センサとの間のビーム路から、オートフォーカスシステムに関する第１の出力結合ビーム路及び第２の出力結合ビーム路を分離させることができる。

オプションとして、第３の画像センサの代わりに、顕微鏡の結像システムに接眼レンズを設けることもできる。更に、本発明によるオートフォーカスシステムを従来の顕微鏡に組み込むこともできる。

好適には、第１のビームスプリッタは、物体面に共役な第１の像面を形成するために構成されており、それに対し、第２のビームスプリッタは、物体面に共役な第２の像面を形成するために構成されている。

更に有利には、第１のビームスプリッタ及び第２のビームスプリッタが、対物レンズと第３の画像センサとの間のビーム路において相互に距離を置いて配置されており、物体面に共役な第１の像面及び物体面に共役な第２の像面が、相互に距離を置いており、また、物体面に共役な第１の像面と物体面に共役な第２の像面との間の距離が、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の距離に相当している。これによって、第１の出力結合ビーム路における第１の画像センサ及び第２の出力結合ビーム路における第２の画像センサを、物体面に共役な第１の像面と物体面に共役な第２の像面との間に配置することができる。好適には、この場合、第１の出力結合ビーム路に配置されている第１の画像センサ及び第２の出力結合ビーム路に配置されている第２の画像センサは、物体面に共役な第１の像面及び物体面に共役な第２の像面に対して同一の距離を有している同一の平面に位置している。

好適には、第２の許容範囲は、第１の許容範囲の半分以下である。

好適には、第１の許容範囲は、少なくとも、顕微鏡の被写界深度の２．５倍に相当しており、それに対し、第２の許容範囲は、最大でも、顕微鏡の被写界深度に相当している。これによって、特に、比較的精密なフォーカシングを高い精度で達成することができる。

更に有利には、画像センサが面センサである。これによって、改善されたコントラスト評価が行われる、ディジタル式の画像形成部を備えている顕微鏡を実現することができる。

更に有利には、ユーザが画像センサにおいて部分領域（関心領域：ＲＯＩ＝Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を選択することができ、その部分領域において焦点算出を実施することができる。これによって、対象物のどの高さにフォーカシングされるべきかを決定することができる。

更に有利には、第１の動作モードに基づいて実施できるフォーカシング工程は１回だけ実施され、また、第２の動作モードに基づいて実施できるフォーカシング工程は、所定の中断条件が満たされるまで何度も繰り返されるように、オートフォーカスシステムは構成されている。従って、所定の中断条件を含んでいる継続的なフォーカシングを実現することができる。

更に有利には、第２の動作モードにおいて、コントラストの差分に基づいて求めたオフセット分だけ焦平面と物体面との間の距離が縮小されるように、物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するために、オートフォーカスシステムは構成されている。これによって、比較的精密なフォーカシングを、比較的精確に且つ対象物の特性から十分に独立して実施することができる。

更に有利には、第１の画像センサによって記録される第１の画像及び第２の画像センサによって記録される第２の画像を記録するための画像記録時間中に、物体面に対する焦平面の相対的な位置を、所定の焦点移動速度で調節するために、オートフォーカスシステムは構成されている。この場合、焦点移動速度は、画像記録時間に対するステップ幅の比率に等しい。更に、ステップ幅は、顕微鏡の被写界深度よりも大きい。これによって、第１の画像センサによって記録される第１の画像又は第２の画像センサによって記録される第２の画像の積分に起因する顕著なモーションブラーが生じることなく、フォーカシングの所要時間を短縮することができる。

更に有利には、ステップ幅は、顕微鏡の被写界深度の２．５倍以上である。好適には、ステップ幅は、顕微鏡の被写界深度の１０倍以下である。これによって、一方ではフォーカシングの所要時間を大幅に短縮することができ、またそれと同時に、他方では画像積分に起因するモーションブラーを回避することができるか、又は、少なくとも低減することができる。

好適には、焦点移動速度は一定である。

１つの別の実施例によれば、顕微鏡は、出力結合ビーム路に配置されている、第１の画像及び第２の画像を記録するための１つの画像センサを用いて、フォーカシング工程を実施するためのオートフォーカスシステムを含んでいる。この場合、出力結合ビーム路には１つのレンズアレイが配置されており、このレンズアレイによって、第１の画像を１つの画像センサにおける第１の部分領域において形成することができ、また第２の画像を１つの画像センサにおける第２の部分領域において形成することができる。更に、画像センサによって記録される第１の画像及び第２の画像を記録するための画像記録時間中に、物体面に対する焦平面の相対的な位置を、所定の焦点移動速度で調節するために、オートフォーカスシステムは構成されている。ここで、焦点移動速度は、画像記録時間に対するステップ幅の比率に等しい。更に、ステップ幅は、顕微鏡の被写界深度よりも大きい。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面と関連させて複数の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する以下の記述より明らかになる。

物体面に対する焦平面の相対的な位置を調整するためのオートフォーカスシステムを備えている、本発明による顕微鏡の概略図を示す。 焦平面を、物体面の前後に位置している第１の許容範囲及びより小さい第２の許容範囲内に調整するための、図１ａによるオートフォーカスシステムを備えている、本発明による顕微鏡の概略図を示す。 本発明による顕微鏡の第１の動作モードにおいて比較的粗いフォーカシングを実施するための方法のフローチャートを示す。 本発明による顕微鏡の第２の動作モードにおいて比較的精密なフォーカシングを実施するための方法のフローチャートを示す。 本発明の１つの実施例による、１回だけのフォーカシングを実施するための方法のフローチャートを示す。 本発明の１つの別の実施例による、継続的なフォーカシングを実施するための方法のフローチャートを示す。 オートフォーカスシステムを備えていない、ディジタル形式で画像が記録される顕微鏡の例示的な実施の形態を示す。 オートフォーカスシステムを備えていない、視覚的な観察が行われる顕微鏡の例示的な実施の形態を示す。 画像側で一定の開口数を有しており、従って、軸線方向における結像スケールにわたり、第１の画像センサと第２の画像センサとの間の一定の距離を有している、顕微鏡の例示的な実施の形態を示す。

本発明の第１の態様は、公知のオートフォーカスシステムにおけるフォーカシングが実際には十分ではないという欠点に取り組むものである。

図１ａには、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置を調整するためのオートフォーカスシステム１１を備えている、本発明による顕微鏡１０の概略図が示されている。図１ａに示されているように、オートフォーカスシステム１１は、第１の出力結合ビーム路１２ａに配置されており、且つ、第１の画像１６ａを記録するための第１の画像センサ１４ａと、第２の出力結合ビーム路１２ｂに配置されており、且つ、第２の画像１６ｂを記録するための第２の画像センサ１４ｂと、を含んでいる。特に図１ａにおいては、第１の画像センサ１４ａには、物体面２２に共役な第１の像面１８ａが対応付けられており、且つ、第１の画像センサ１４ａが、第１の出力結合ビーム路１２ａにおいて、光の伝播方向に見て、物体面２２に共役な第１の像面の１８ａの上流側に配置されていることが示されている。更に図１ａにおいては、第２の画像センサ１４ｂには、物体面２２に共役な第２の像面１８ｂが対応付けられており、且つ、第２の画像センサ１４ｂが、第２の出力結合ビーム路１２ｂにおいて、光の伝播方向に見て、物体面２２に共役な第２の像面の１８ｂの下流側に配置されていることが示されている。

図１ａに示されている顕微鏡１０は、第３の画像センサ２５、対物レンズ２６、第１のビームスプリッタ２８ａ及び第２のビームスプリッタ２８ｂを備えている結像システム３２が設けられていることを特徴としている。第１のビームスプリッタ２８ａは、対物レンズ２６と第３の画像センサ２５との間のビーム路及び対物レンズ２６と第１の画像センサ１４ａとの間のビーム路に配置されている。更に、第２のビームスプリッタ２８ｂは、対物レンズ２６と第３の画像センサ２５との間のビーム路及び対物レンズ２６と第２の画像センサ１４ｂとの間のビーム路に配置されている。図１ａに示されている顕微鏡１０の第３の画像センサ２５は、第３の画像３０を記録するために使用される。

図１ａに示されているように、第１のビームスプリッタ２８ａは、物体面２２に共役な第１の像面１８ａを形成するために使用される。更に、第２のビームスプリッタ２８ｂは、物体面２２に共役な第２の像面１８ｂを形成するために使用される。この場合、第１のビームスプリッタ２８ａは、第１の出力結合ビーム路１２ａが対物レンズ２６と第３の画像センサ２５との間のビーム路から分離されるように配置されている。更に、第２のビームスプリッタ２８ｂは、第２の出力結合ビーム路１２ｂが対物レンズ２６と第３の画像センサ２５との間のビーム路から分離されるように配置されている。

図１ａに示されている顕微鏡１０の結像システム３２は、物体面２２を、その物体面２２に共役な第１の像面１８ａ又は物体面２２に共役な第２の像面１８ｂに光学的に結像するために使用される。結像システム３２は、ズームシステム３３を含んでいる。このズームシステム３３の構造は当業者には公知であるので、ここでは詳細には説明しない。

本発明による顕微鏡１０では、第１のビームスプリッタ２８ａ及び第２のビームスプリッタ２８ｂが、対物レンズ２６と第３の画像センサ２５との間のビーム路において、相互に距離を置いて配置されている。更に、物体面２２に共役な第１の像面１８ａ及び物体面２２に共役な第２の像面１８ｂも相互に距離を置いている。この場合、物体面２２に共役な第１の像面１８ａと物体面２２に共役な第２の像面１８ｂとの間の距離は、第１のビームスプリッタ２８ａと第２のビームスプリッタ２８ｂとの間の距離に相当している。図１ａに示されているように、第１の画像センサ１４ａ及び第２の画像センサ１４ｂは、物体面２２に共役な第１の像面１８ａと物体面２２に共役な第２の像面１８ｂとの間に配置されている。好適には、第１の画像センサ１４ａ及び第２の画像センサ１４ｂはそれぞれ、物体面２２に共役な第１の像面１８ａ及び物体面２２に共役な第２の像面１８ｂまで同一の距離を有している。

図１ａに示されている顕微鏡１０のオートフォーカスシステム１１は、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置を調整するために使用される。このことは、図１ａにおいて矢印２３によって概略的に示されている。焦平面２０は、結像システム３２の対物レンズ２６の焦点２１を通るように延在している。更に、焦平面２０は、焦点２１と第３の画像センサ２５との間のビーム路の光軸に対して垂直に位置している。

図１ａには、顕微鏡１０の完全なフォーカシング状態が概略的に示されている。この場合、焦平面２０は、厳密に物体面２２に位置している。フォーカシング状態の調整は、焦平面２０を物体面２２の方向にずらすことによって、又は、物体面２２を焦平面２０の方向にずらすことによって達成される。この場合、このずらしは、ビーム路の光軸３１に対して平行に行われる。１つの別の実施の形態においては、光軸３１と物体面との間の既知の角度で、物体面２２及び焦平面２０を相対的にずらすことができる。この場合、光軸３１は、フォーカシング状態において、好適には物体面の中心を通っている。

図１ｂには、焦平面２０を、物体面２２の前後に位置している第１の許容範囲３４及びより小さい第２の許容範囲３６内に調整するための、図１ａによるオートフォーカスシステム１１を備えている、本発明による顕微鏡１０の概略図が示されている。図１ｂには、顕微鏡１０の完全ではないフォーカシング状態が、即ち許容範囲内でのフォーカシング状態が概略的に示されている。この場合、焦平面２０は、厳密に物体面２２に位置していない。その代わりに、焦平面２０は、物体面２２の前後に位置している第１の許容範囲３４乃至より小さい第２の許容範囲３６内に位置している。

好適には、第１の許容範囲３４は、少なくとも、顕微鏡１０の被写界深度の２．５倍に相当しており、それに対し、第２の許容範囲３６は、最大でも、顕微鏡１０の被写界深度に相当している。換言すれば、図１ｂには、ほぼ被写界深度に位置している許容範囲内での、顕微鏡１０のフォーカシング状態が示されている。図１ｂに示されているこのフォーカシング状態の調整は、焦平面２０を物体面２２の方向にずらすことによって行われる。この場合、焦平面２０は、先ず第１の許容範囲３４外に位置している領域から、第１の許容範囲３４へとずらされる。その後、焦平面２０は、第１の許容範囲３４から、より小さい第２の許容範囲３６へとずらされる。従って、先ず比較的粗いフォーカシングが達成され、その後に比較的精密なフォーカシングが達成される。

択一的に、図１ｂに示されている顕微鏡１０では、比較的粗いフォーカシング乃至比較的精密なフォーカシングを達成するために、物体面２２を焦平面２０の方向にずらすこともできる。

更に、画像解析データを評価するために、例えば第１の画像センサ１４ａによって記録された第１の画像１６ａのコントラスト値及び第２の画像センサ１４ｂによって記録された第２の画像１６ｂのコントラスト値を評価するために、オートフォーカスシステム１１が使用される。画像解析データ乃至コントラスト値のこの評価に基づいて、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置が調整される。

図１ｂについて言及すると、オートフォーカスシステム１１を用いた、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置の調整は、第１の画像センサ１４ａによって記録された第１の画像１６ａの第１のコントラスト値が第２の画像センサ１４ｂによって記録された第２の画像１６ｂの第２のコントラスト値よりも大きい場合には、焦平面２０が物体面２２の方向にずらされるように、又は、物体面２２が焦平面２０の方向にずらされるように行われる。

好適には、第１の画像センサ１４ａ及び第２の画像センサ１４ｂの各画像センサは、複数のピクセルが２次元に配置されているディジタル画像センサである。特に、それらのセンサは当業者には、面センサとしても公知である。面センサは、異なる全ての対象物領域への選択的なフォーカシングを実施できることから、好適にはほぼ像フィールドに相当している。

図２には、本発明による顕微鏡１０の第１の動作モードにおいて比較的粗いフォーカシングを実施するための方法１００のフローチャートが示されている。図２に示されている方法１００は、焦平面２０が、物体面２２の前後に位置している第１の許容範囲３４内に位置するように、第１の動作モードにおいて物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置を調整するために使用される。

方法１００は、「焦点の発見を開始」と表されているステップ１１０を含んでいる。このステップ１１０は、比較的粗いフォーカシングを実施するための方法１００の開始を表している。更に、方法１００は、「第１のカメラによる画像記録」及び「第２のカメラによる画像記録」と表されているステップ１１２ａ、１１２ｂを含んでいる。ステップ１１２ａの間に、第１の画像１６ａが第１の画像センサ１４ａによって記録される。ステップ１１２ｂの間に、第２の画像１６ｂが第２の画像センサ１４ｂによって記録される。更に、方法１００は、それぞれが「第１の動作モードにおける画像解析Ａ₁」乃至「第１の動作モードにおける画像解析Ａ₂」と表されているステップ１１４ａ、１１４ｂを含んでいる。ステップ１１４ａの間に、第１の画像解析Ａ₁が、第１の画像センサ１４ａによって記録された第１の画像１６ａに基づいて実施される。ステップ１１４ｂの間に、同様にして、第２の画像解析Ａ₂が、第２の画像センサ１４ｂによって記録された第２の画像１６ｂに基づいて実施される。更に、方法１００は、ステップ１１４ａ、１１４ｂの間に求められた画像解析データを評価するための、例えばコントラスト値を評価するためのステップ１１６を含んでいる。特に、ステップ１１６においては、画像解析データの差分Ｄ_i
Ｄ_i＝Ａ₁−Ａ₂
が算出される。ここで、Ｄ_iは、画像解析データの差分（例えばコントラスト値の差分）であり、Ａ₁は、ステップ１１４ａから求められた第１の画像解析データ（例えば第１のコントラスト値）であり、またＡ₂は、ステップ１１４ｂから求められた第２の画像解析データ（例えばコントラスト値）である。ここで、ｉは、反復的に実施可能な方法１００のｉ回目の反復を表す整数の添え字である。

更に、方法１００は、次式
Ｄ_i×Ｄ_i-1＞０
を用いて、画像解析の差分（例えばコントラスト値の差分）を比較するためのステップ１１８を含んでいる。ここで、Ｄ_iは、方法１００の目下の反復の間に求められた、画像解析データの差分（コントラスト値の差分）であり、またＤ_i-1は、方法１００の先行の反復の間に求められた、画像解析データの差分（例えばコントラスト値の差分）である。更に、方法１００は、ステップ１１６の間に求められたコントラスト値の差分を評価するためのステップ１２０を含んでいる。ここで、ステップ１１８の間に実施された比較の結果が正である場合には、即ち上述の式による条件が満たされている場合には、ステップ１２０が実施される。ステップ１２０の間に、以下の条件
Ｄ_i＞０
が満たされているか否かについての検査が行われる。更に、方法１００は、「プレパラートを２．５×ＤＯＦ（ＤＯＦ＝ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ：被写界深度）上昇させる」と表されているステップ１２２及び「プレパラートを２．５×ＤＯＦ降下させる」と表されているステップ１２４を含んでいる。ここで、ステップ１２０の間に検査された条件が満たされている場合には、ステップ１２２が実施され、ステップ１２０の間に検査された条件が満たされていない場合には、ステップ１２４が実施される。ステップ１２２の間に、プレパラートは、被写界深度の２．５倍上昇される。ステップ１２４の間に、プレパラートは、被写界深度の２．５倍降下される。この場合、検査すべきプレパラートは、実質的に、図１ａ及び図１ｂに示した物体面２２に設けられている。更に、方法は、この方法１００を中断するか又は繰り返し実施するかを判定するためのステップ１２８を含んでいる。ステップ１２８の間に、以下の条件
ｉ≦Ｘ
が満たされているか否かについての検査が行われる。ここで、Ｘは、反復回数の上限を表している。上限Ｘを例えば３０以下に、好適には１５から２０までの間に設定することができる。更に、方法１００は、「フォーカシング失敗」と表されているブロック１３０を含んでいる。ここでブロック１３０は、ステップ１２８の間に検査された条件が満たされていないこと、即ち方法１００の反復が既に１６回を超える回数実施されたことを表している。１６回を超えていない場合には、方法が再びステップ１１２ａ、１１２ｂから始まって繰り返し実施される。

更に、方法１００は、「降下／上昇取り消し」と表されているステップ１２６を含んでいる。ここで、このステップ１２６は、ステップ１１８の間に実施された比較の結果が負である場合に、即ち方法１００の目下の反復の差分（例えばコントラスト値の差分）と、方法１００の先行の反復の差分（例えばコントラスト値の差分）と、が異なる場合に実施される。ステップ１２６の間に、ステップ１２２の間に実施されたプレパラートの上昇又はステップ１２４の間に実施されたプレパラートの降下が取り消される。即ち、プレパラートはそれぞれ、被写界深度の２．５倍降下又は上昇される。更に、方法１００は、「焦点の発見を終了」と表されているブロック１３２を含んでいる。

ブロック１３０は、方法１００では有意義なフォーカシングが実現されなかった場合の方法１００の終了を表している。ブロック１３２は、フォーカシングの実施が成功した場合の方法１００の終了を表している。

図２に基づいて説明した、比較的粗いフォーカシングを実施するための方法１００は、自動的なフォーカシング工程の間に焦点を発見するための方法を表している。

図３には、本発明による顕微鏡１０の第２の動作モードにおいて比較的精密なフォーカシングを実施するための方法２００のフローチャートが示されている。図３に示されている方法２００は、焦平面２０が、物体面２２の前後に位置している、第１の許容範囲３４に比べて小さい第２の許容範囲３６内に位置するように、第２の動作モードにおいて物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置を調整するために使用することができる。

方法２００は、「焦点の維持を開始」と表されているステップ２１０を含んでいる。このステップ２１０は、比較的精密なフォーカシングを実施するための方法２００の開始を表している。更に、方法２００は、「第１のカメラによる画像記録」と表されているステップ２１２ａ及び「第２のカメラによる画像記録」と表されているステップ２１２ｂを含んでいる。ステップ２１２ａの間に、第１の画像１６ａが第１の画像センサ１４ａによって記録される。ステップ２１２ｂの間に、第２の画像１６ｂが第２の画像センサ１４ｂによって記録される。更に、方法２００は、それぞれが「第２の動作モードにおける画像解析」と表されているステップ２１４ａ、２１４ｂを含んでいる。ステップ２１４ａ、２１４ｂの間に、画像解析データ、例えば第１の画像センサ１４ａによって記録された第１の画像１６ａの第１のコントラスト値Ｂ１が求められる。ステップ２１４ｂの間に、別の画像解析データ、例えば第２の画像センサ１４ｂによって記録された第２の画像１６ｂの第２のコントラスト値Ｂ２が求められる。更に、方法２００は、「画像解析データから焦点オフセット、Ｏ＝ｆ（Ｂ１、Ｂ２）を決定」と表されているステップ２１８を含んでいる。ステップ２１８の間に、オフセットとも称される、プレパラートのずらしに関する値が、以下の関数関係
Ｏ＝ｆ（Ｂ１、Ｂ２）
を使用して求められる。ここで、Ｏは、オフセットであり、またＢ１及びＢ２は、画像解析値である。更に、方法２００は、以下の条件
Ｏ＞ＤＯＦ／２
を検査するためのステップ２２０を含んでいる。ここで、Ｏは、オフセットであり、またＤＯＦは顕微鏡１０の被写界深度である。更に、方法２００は、「プレパラートをオフセット分だけ移動」と表されているステップ２２２及び「焦点の維持の終了」と表されているブロック２２４を含んでいる。ここで、ステップ２２０の間に検査された条件が満たされている場合には、ステップ２２２が実施される。ステップ２２２の間に、プレパラートは、ステップ２１８の間に求められたオフセット分だけ移動される。ここで、検査すべきプレパラートは、実質的に、図１ａ及び図１ｂに示した物体面２２に位置している。ステップ２２２の実施後に、方法２００は、再びステップ２１２ａ、２１２ｂから始まって繰り返し実施される。ステップ２２０の間に検査された条件が満たされていない場合には、ブロック２２４に進む。ブロック２２４は、方法２００の終了を表している。

図３に基づいて説明した、比較的精密なフォーカシングを実施するための方法２００は、自動的なフォーカシング工程の間に焦点を維持するための方法を表している。

図２及び図３について言及すると、フォーカシングのための自動的な工程が、２つの異なるフェーズ乃至方法１００、２００に分割される。ここで、図２に示した方法１００は、焦点を発見するために使用され、それに対し、図３に示した方法２００は、焦点を維持するために使用される。焦点を発見するための方法１００では、大きい捕捉領域が優先される。ここで、捕捉領域は、焦点位置に到達するための方向を識別することができる限界である、焦点位置からの最大距離として規定されている。焦点を維持するための方法２００では、焦点面を決定することができる精度が重要である。この関係において、精度は、理想的な焦点位置に対する、到達した焦点位置の残存する偏差として規定されている。

２つの画像解析において、２次元の画面が評価されることを言及しておく。コントラスト評価乃至画像解析が、１本の線に沿ってのみ行われるのではないということは有利である。更に、コントラスト評価は、次の隣接ピクセルだけに関して実施されるものでもない。

図４ａには、本発明の１つの実施例による、１回だけのフォーカシングを実施するための方法３００のフローチャートが示されている。方法３００は、「１回だけのフォーカシングの開始」と表されているステップ３１０、「焦点の発見」と表されている方法１００、「焦点の維持」と表されている方法２００及び「フォーカシングの終了」と表されているブロック３４０を含んでいる。ステップ３１０の間に、顕微鏡１０のオートフォーカスシステム１１を用いた１回だけのフォーカシングが開始される。その後、図２に基づいて説明したような、焦点を発見するための方法１００が実施される。その後、図３に基づいて説明したような、焦点を維持するための方法２００が実施される。ブロック３４０は、フォーカシングの終了を表している。図４ａに示した、１回だけのフォーカシングを実施するための方法３００では、焦点を発見するための方法１００及び焦点を維持するための方法２００がそれぞれ１回だけ実施される。

図４ｂには、本発明の１つの別の実施例による、継続的なフォーカシングを実施するための方法４００のフローチャートが示されている。方法４００は、「継続的なフォーカシングの開始」と表されているステップ４１０、焦点を発見するための方法１００、焦点を維持するための方法２００、方法の中断に関する条件を検査するためのステップ４４０及び「フォーカシングの終了」と表されているブロック４５０を含んでいる。ステップ４１０の間に、顕微鏡１０のオートフォーカスシステム１１を用いた継続的なフォーカシングが開始される。その後、焦点を発見するための方法１００が実施される。その後、焦点を維持するための方法２００が実施される。ステップ４４０の間に、方法の中断に関する条件が満たされているか否かが検査される。ここで、方法の中断に関する条件は、フォーカシングの所望の精度が得られるように設定されている。ステップ４４０の間に検査された条件が満たされている場合には、方法が中断され、それによってフォーカシングが終了される。条件が満たされていない場合には、焦点を維持するための方法２００及び中断に関する条件を検査するためのステップ４４０が繰り返し実施される。図４ｂに示した、継続的にフォーカシングを実施するための方法４００では、焦点を発見するための方法１００は１回だけ実施され、それに対し、焦点を維持するための方法２００は、所定の中断条件が満たされるまで何度も繰り返される。

本発明の第２の態様は、検査すべき対象物が異なる場合、画像センサ１４ａ、１４ｂによって記録される画像１６ａ、１６ｂのコントラスト経過もそれぞれ異なるという別の欠点に取り組むものである。

図３に示した、比較的精密なフォーカシングを実施するための方法２００では、第１の画像センサ１４ａによって記録された第１の画像１６ａのコントラスト値及び第２の画像センサ１４ｂによって記録された第２の画像１６ｂのコントラスト値に基づいて、コントラストの差分が求められる。更に、求められたコントラストの差分に基づいて、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置が調整される。

本発明の別の態様は、公知のオートフォーカスシステムにおいては、画像積分に起因するモーションブラーが生じるという別の欠点に取り組むものである。

好適には、第１の画像センサ１４ａによって記録される第１の画像１６ａ及び第２の画像センサ１４ｂによって記録される第２の画像１６ｂを記録するための画像記録時間中に、物体面２２に対する焦平面２０の相対的な位置が、所定のステップ幅及び所定の焦点移動速度で調整されるように、顕微鏡１０のオートフォーカスシステム１１は構成されている。この場合、焦点移動速度は、画像記録時間に対するステップ幅の比率に等しい。更に、ステップ幅は、顕微鏡１０の被写界深度よりも大きい。好適には、フォーカシングを確実に実施することができる最大焦点移動速度は、次式
Ｖ＝（ＤＯＦ×ＳＴ）／ＡＴ
によって表される。ここで、ｖは、最大焦点移動速度であり、ＤＯＦは、被写界深度であり、ＡＴは、画像記録時間（「Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ」）であり、またＳＴは、被写界深度の倍数を表している。ここで、ＤＯＦ×ＳＴの積は、フォーカシング中のステップ幅に相当している。

好適には、ステップ幅は、顕微鏡１０の被写界深度の２．５倍以上である。これによって、フォーカシングの所要時間を著しく短縮することができる。

更に、顕微鏡１０の被写界深度の１０倍に等しいステップ幅まで、確実なフォーカシングを実施することができる。

好適には、フォーカシングの調整は、一定の焦点移動速度で実施される。従って、フォーカシングの所要時間を短縮するために、画像記録中も焦点面を一定の速度で更に移動させることができる。これによって、確かに、記録される画像にある程度のモーションブラーが生じる。しかしながら、画像記録時間あたり１０倍の被写界深度の移動距離までは、精度の本質的な低下は確認されないことが分かった。

本発明によれば、自動的なフォーカシングのためのマルチセンサ顕微鏡が実現される。この場合、顕微鏡には、対象物の表面への自動的なフォーカシングを行うために、対象物の画像の面積が拡大された輝度情報及び色情報を検出するための複数の画像センサが装備されている。更に、本発明によれば、顕微鏡による高速で、精確且つ確実なフォーカシングのための相応の方法が実現される。

有利には、拡大領域全体にわたって、画像側で一定の開口数を有している光学系が使用される。これによって、構造側で事前に選択されるべき、名目上の像面までのセンサの距離を、最適な尺度に調整することができる。コントラスト曲線の変曲点までの距離が最適であるとみなされる。何故ならば、そこでは、最大勾配が存在しており、従ってオートフォーカス制御のための最大精度が存在しているからである。

システムを、特に、ハンドヘルド顕微鏡に使用することができる。この場合、焦点面の移動は、必ずしもモータ駆動式に行われるわけではない。ユーザへの適切なフィードバックによって、ユーザは自身で焦点を発見及び／又は維持することもできる。この場合、焦点の維持をモータによって行うこともできる。小さい移動領域、短い記録時間及び短い評価時間、また可能な限り小さい移動質量体でもって、非常に短い制御時間を達成することができる。従って、約８０倍の拡大まで、焦点位置の確実な安定化を達成することができる。

また、口径食の補償によって、又は、２つのセンサ１４ａ、１４ｂの側方のずれの補償によって、システムの精度を更に高めることができる。

１０ 顕微鏡
１１ オートフォーカスシステム
１２ａ、１２ｂ ビーム路
１４ａ、１４ｂ、２５ 画像センサ
１６ａ、１６ｂ、３０ 画像
１８ａ、１８ｂ 像面
２０ 焦平面
２２ 物体面
２６ 対物レンズ
２８ａ、２８ｂ ビームスプリッタ
３２ 結像システム
３３ 結像縮尺を無段階に調節するための装置（「ズーム」）
３４、３６ 許容範囲
１００、２００、３００、４００ 方法
１１０〜１３２、２１０〜２２４ 方法の構成要素
３１０、３４０、４１０、４５０ 方法の構成要素

Claims (11)

1. 顕微鏡（１０）において、
   前記顕微鏡（１０）は、第１の出力結合ビーム路（１２ａ）に配置されており、且つ、第１の画像（１６ａ）を記録するための第１の画像センサ（１４ａ）と、第２の出力結合ビーム路（１２ｂ）に配置されており、且つ、第２の画像（１６ｂ）を記録するための第２の画像センサ（１４ｂ）と、を用いてフォーカシング工程を実施するオートフォーカスシステム（１１）を備えており、
   前記オートフォーカスシステム（１１）は、前記第１の画像センサ（１４ａ）によって記録された前記第１の画像（１６ａ）の第１のコントラスト値及び前記第２の画像センサ（１４ｂ）によって記録された前記第２の画像（１６ｂ）の第２のコントラスト値に基づいて、コントラストの差分を求め、且つ、求めたコントラストの差分に基づいて、物体面（２２）に対する焦平面（２０）の相対的な位置を調整するために構成されており、
   前記第１の画像（１６ａ）及び前記第２の画像（１６ｂ）の各画像は、それぞれが面センサとして構成されている前記第１の画像センサ（１４ａ）及び前記第２の画像センサ（１４ｂ）から供給された画像情報を含み、
   前記オートフォーカスシステム（１１）は、前記フォーカシング工程が、焦点を発見するための少なくとも１つの第１の動作モード及び前記焦点を維持するための少なくとも１つの第２の動作モードに基づいて実施できるように構成されており、
   前記オートフォーカスシステム（１１）は、
   前記第１の動作モードにおいて、前記第１のコントラスト値及び前記第２のコントラスト値を複数回求め、且つ、ｉ回目に求めた前記第１のコントラスト値と前記第２のコントラスト値との差分をＤ_ｉとしたとき、Ｄ_ｉ×Ｄ_ｉ−１＜０のとき、前記第１の動作モードを終了し、
   前記第２の動作モードにおいて、前記第１のコントラスト値及び前記第２のコントラスト値を求め、且つ、求めた第１及び第２のコントラスト値と前記顕微鏡（１０）の被写界深度（ＤＯＦ）との比較に基づいて、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整するように構成されている、
   顕微鏡（１０）。
2. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、
   前記第１の動作モードにおいて、前記焦平面（２０）が、前記物体面（２２）の前後に位置している第１の許容範囲内に位置しているように、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整し、
   前記第２の動作モードにおいて、前記焦平面（２０）が、前記物体面（２２）の前後に位置しており、且つ、前記第１の許容範囲よりも小さい第２の許容範囲内に位置しているように、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整するために構成されている、
   請求項１に記載の顕微鏡（１０）。
3. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、
   前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置の調整を、前記第１のコントラスト値と前記第２のコントラスト値との比較に基づいて実施するために構成されている、
   請求項１又は２に記載の顕微鏡（１０）。
4. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、
   前記第１のコントラスト値が前記第２のコントラスト値よりも大きい場合には、前記焦平面（２０）が前記物体面（２２）の方向にずらされるか、又は、前記物体面（２２）が前記焦平面（２０）の方向にずらされ、その結果、前記焦平面（２０）と前記物体面（２２）との間の距離が縮小されるように、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整するために構成されている、
   請求項３に記載の顕微鏡（１０）。
5. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、
   前記第２のコントラスト値が前記第１のコントラスト値よりも大きい場合には、前記焦平面（２０）が前記物体面（２２）から離れる方向にずらされるか、又は、前記物体面（２２）が前記焦平面（２０）から離れる方向にずらされ、その結果、前記焦平面（２０）と前記物体面（２２）との間の距離が拡大されるように、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整するために構成されている、
   請求項３又は４に記載の顕微鏡（１０）。
6. 第３の画像センサ（２５）、対物レンズ（２６）、第１のビームスプリッタ（２８ａ）及び第２のビームスプリッタ（２８ｂ）を備えている結像システム（３２）が設けられており、
   前記第１のビームスプリッタ（２８ａ）は、前記対物レンズ（２６）と前記第３の画像センサ（２５）との間のビーム路及び前記対物レンズ（２６）と前記第１の画像センサ（１４ａ）との間のビーム路に配置されており、
   前記第２のビームスプリッタ（２８ｂ）は、前記対物レンズ（２６）と前記第３の画像センサ（２５）との間のビーム路及び前記対物レンズ（２６）と前記第２の画像センサ（１４ｂ）との間のビーム路に配置されている、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の顕微鏡（１０）。
7. 前記第１のビームスプリッタ（２８ａ）は、前記物体面（２２）に共役な第１の像面（１８ａ）を形成するために構成されており、
   前記第２のビームスプリッタ（２８ｂ）は、前記物体面（２２）に共役な第２の像面（１８ｂ）を形成するために構成されている、
   請求項６に記載の顕微鏡（１０）。
8. 前記第１のビームスプリッタ（２８ａ）及び前記第２のビームスプリッタ（２８ｂ）は、前記対物レンズ（２６）と前記第３の画像センサ（２５）との間の前記ビーム路において相互に距離を置いて配置されており、
   前記物体面（２２）に共役な第１の像面（１８ａ）及び前記物体面（２２）に共役な第２の像面（１８ｂ）は、相互に距離を置いており、
   前記物体面（２２）に共役な前記第１の像面（１８ａ）と前記物体面（２２）に共役な前記第２の像面（１８ｂ）との間の距離は、前記第１のビームスプリッタ（２８ａ）と前記第２のビームスプリッタ（２８ｂ）との間の距離に相当している、
   請求項６又は７に記載の顕微鏡（１０）。
9. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、前記第２の動作モードにおいて、前記コントラストの差分に基づいて求めたオフセット分だけ前記焦平面（２０）と前記物体面（２２）との間の距離が縮小されるように、前記物体面（２２）に対する前記焦平面（２０）の前記相対的な位置を調整するために構成されている、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の顕微鏡（１０）。
10. 前記オートフォーカスシステム（１１）は、
    前記第１の動作モードに基づいて実施できる前記フォーカシング工程が、１回だけ実施され、
    前記第２の動作モードに基づいて実施できる前記フォーカシング工程が、所定の中断条件が満たされるまで何度も繰り返される、
    ように構成されている、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の顕微鏡（１０）。
11. ユーザが前記第１及び第２の画像センサにおいて部分領域（関心領域：ＲＯＩ＝Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を選択することができ、前記部分領域において焦点算出を実施することができる、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の顕微鏡（１０）。

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