JP7226825B2 - オートフォーカス装置ならびにそれを備える光学装置および顕微鏡 - Google Patents
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Description
本実施の形態は、「高精度・広レンジ・高速を兼ね備えたオートフォーカス装置」に関するものである。図1は、本実施の形態の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。AF用レーザー11からの光が電動ミラーMで反射されて絞りIRへと入る。絞りIRと電動ミラーMは共役の関係になっているので、電動ミラーMの角度θにより、絞りIRへの光の入射角φを制御できる。絞りIRからの光は結像レンズL2と対物レンズOLを通して、試料20を載置したガラス19の表面(ガラス面S)に至り反射する。そして、反射光は対物レンズOLと結像レンズL1を通して、オートフォーカス用のカメラ(AF用カメラ)22で結像しAF用カメラ22には絞りIRの像が映る。
本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、顕微鏡の自動化を容易に実現するために有用である。図1に示す顕微鏡1は、ステージSTと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。
実施の形態1では、以下の方法により、オートフォーカスにおいて広レンジと高精度を両立させた。最初はレンジの広い入射角度(φ=φL)を用いてオートフォーカスを開始し、ある程度粗く焦点を合わせる。そして、レンジの狭い入射角度(φ=φH)を使用して、高精度にフォーカスを合わせる。これにより、広いレンジで高精度なオートフォーカスが可能となる。
実施の形態1では、高速かつ高レンジでオートフォーカスが実現できるが、光学系のずれに弱いため精度は高くない。そのため、毎回観察前もしくは観察中にオフセット調整を行う必要がある。実施の形態2では、複数方向から光を入射させてオートフォーカスするため、光学系のずれに強く長時間経過しても安定したオートフォーカスが可能となる。
実施の形態2でも実施の形態1と同様に、広レンジと高精度を両立することが可能となる。最初はレンジの広い入射角度(φ=φL)を用いてオートフォーカスを開始し、ある程度粗く焦点を合わせる。そして、レンジの狭い入射角度(φ=φH)を使用して、高精度にフォーカスを合わせる。
実施の形態1と2では、画像の重心を算出するのが困難な場合がある。
実施の形態1~3では、非ゼロの固定または可変の入射角度φで、AF用光源からの光を拡大光学系に入射することによって、AF用カメラに結像する絞りまたはスリットの位置がフォーカス位置によって異なることをフォーカス合わせに利用した。
実施の形態4では、絞りまたはスリットを通過した後の光の一部をミラーで反射させて対物レンズに送った。しかし、ミラーで一部を反射する代わりに、マスクで一部を遮っても同様なフォーカス合わせが実現できる。
実施の形態6に示す顕微鏡は、実施の形態5の顕微鏡とマスクを使用する点でかなり似ているが、結像レンズ前にハーフミラーをいれた形式で結像レンズが2枚必要となる。
最後に、上記の実施の形態1~6について、再び図面を参照して総括する。
Claims (16)
- 観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、前記観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置であって、
前記拡大光学系を介して前記観察対象物に光を放射する光源装置と、
前記拡大光学系に対して前記観察対象物とは反対の位置に配置され、前記光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、
前記遮蔽物および前記拡大光学系を経由して前記透明部材の反射面に至った前記光源装置からの放射光が前記反射面で反射した反射光を、前記拡大光学系を経由して受ける光検出装置と、
前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光を前記観察対象物に対して複数の異なる条件で入射させて得られた前記遮蔽物の反射光に基づいて、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整するように構成され、
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度分布を可変に調整できるように構成される、オートフォーカス装置。 - 前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光の一部を反射する光学素子をさらに備え、
前記光学素子で反射した前記光源装置からの放射光は、前記観察対象物に入射する、請求項1に記載のオートフォーカス装置。 - 前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光の一部を遮蔽、減光または反射する光学素子をさらに備え、
前記光学素子で遮蔽、減光または反射されずに通過した前記光源装置からの放射光は、前記観察対象物に入射する、請求項1に記載のオートフォーカス装置。 - 前記制御装置は、前記複数の異なる条件で得られた前記遮蔽物の反射像の位置から制御目標値を決め、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項2または3に記載のオートフォーカス装置。
- 前記制御装置は、前記複数の異なる条件で得られた前記遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項2または3に記載のオートフォーカス装置。
- 観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、前記観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置であって、
前記拡大光学系を介して前記観察対象物に光を放射する光源装置と、
前記拡大光学系に対して前記観察対象物とは反対の位置に配置され、前記光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、
前記遮蔽物および前記拡大光学系を経由して前記透明部材の反射面に至った前記光源装置からの放射光が前記反射面で反射した反射光を、前記拡大光学系を経由して受ける撮像装置と、
前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備え、
前記光源装置は、前記拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度で光を放射し、
前記制御装置は、前記撮像装置で撮影された前記遮蔽物の像の位置が目標位置と一致するように前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整するように構成され、
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成され、
前記制御装置は、前記光源装置に第1の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第1位置と、前記光源装置に前記第1の角度とは異なる第2の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第2位置との差が目標値になるように、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整するように構成される、オートフォーカス装置。 - 観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、前記観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置であって、
前記拡大光学系を介して前記観察対象物に光を放射する光源装置と、
前記拡大光学系に対して前記観察対象物とは反対の位置に配置され、前記光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、
前記遮蔽物および前記拡大光学系を経由して前記透明部材の反射面に至った前記光源装置からの放射光が前記反射面で反射した反射光を、前記拡大光学系を経由して受ける撮像装置と、
前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備え、
前記光源装置は、前記拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度で光を放射し、
前記制御装置は、前記撮像装置で撮影された前記遮蔽物の像の位置が目標位置と一致するように前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整するように構成され、
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成され、
前記制御装置は、前記光源装置に第1の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第1位置に基づいて前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を粗調整し、前記光源装置に前記第1の角度よりも大きさが大きい第2の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第2位置に基づいて前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を微調整する、オートフォーカス装置。 - 前記制御装置は、前記撮像装置で撮影された前記遮蔽物の像における前記遮蔽物の開口部の位置が前記目標位置と一致するように前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項6または7に記載のオートフォーカス装置。
- 前記制御装置は、前記撮像装置で得られた画像を画像処理することによって、前記遮蔽物の画像における開口部の内部と外部を分離する、請求項6から8のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置。
- 前記光源装置は、
直進性の高い光を出射する光源と、
前記光源が出射する光を受け、前記光源装置から出射する光が前記遮蔽物に向けて入射する角度を変えることが可能に構成された電動光学素子とを含み、
前記制御装置は、前記光源装置から出射する光の角度が前記第1の角度である場合と前記第2の角度である場合とで前記電動光学素子の角度を変化させる、請求項6または7に記載のオートフォーカス装置。 - 前記拡大光学系は、
対物レンズと、
ハーフミラーと、
前記ハーフミラーが透過する光路、前記ハーフミラーが反射する光路のいずれか一方に配置された光源側結像レンズと、
前記ハーフミラーが透過する光路、前記ハーフミラーが反射する光路のいずれか他方に配置されたカメラ側結像レンズとを含む、請求項6から10のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置。 - 前記光源装置は、偏光を出射し、
前記拡大光学系は、
対物レンズと、
4分の1波長板と、
偏光ビームスプリッターと、
前記4分の1波長板と前記偏光ビームスプリッターとの間に配置された結像レンズとを含む、請求項6から10のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置。 - 前記制御装置は、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置の調整を、前記遮蔽物の像のうちの開口の像の重心の座標に基づいて行なう、請求項6から10のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置。
- 前記制御装置は、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置の調整を、前記遮蔽物の像のうちの開口の像のエッジの座標に基づいて行なう、請求項6から12のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置と、
前記ステージと、
前記拡大光学系と、
を備える光学装置。 - 請求項1から14のいずれか1項に記載のオートフォーカス装置と、
前記ステージと、
前記拡大光学系と、
を備える顕微鏡。
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