JPH0588091A

JPH0588091A - 顕微鏡

Info

Publication number: JPH0588091A
Application number: JP25103391A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yoshikawa; 治吉川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】試料に対する焦点合わせを自動的に行なう。【構成】顕微鏡光学系の光路中に透明平板を挿入及び
排除し、その間の、画像センサにより検出される顕微鏡
像のコントラスト差から、コントラスト差の極大及び極
小の間の点として、合焦点を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外顕微鏡を含む光学顕
微鏡に関し、特に、試料に焦点を自動的に合わせる機構
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉱物顕微鏡では目視観察用の光学系と写
真撮影用の光学系、また、赤外顕微鏡では赤外線光学系
と可視光光学系、というように、一つの顕微鏡内で２種
以上の光学系が備えられるものがある。このような場
合、通常は、試料側の対物光学系（対物レンズ系）は各
光学系について共用され、対物レンズの焦点に試料の観
測したい点を合わせれば、両光学系において共に焦点が
合うように設定されている。従って、例えば試料の顕微
鏡像を写真で撮影する場合には、観測者が目視観察用の
接眼レンズを覗きながら試料ステージを上下に移動さ
せ、対物レンズの焦点面の位置に試料を持ってくるとい
う操作を行なっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、顕微鏡の光学
系の焦点深度は非常に浅いため、試料の像は試料が焦点
面のごく近くまで来ないと見ることができず、また、そ
の面を過ぎるとすぐに見えなくなってしまう。従って、
試料を焦点を合わせるためには、試料ステージの移動を
少しづつゆっくりと行なわなければならず、観測者の大
きな負担となっていた。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、試料に
対する焦点合わせを自動的に行なう顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明では、試料の測定点が光学系の一端側
の所定の焦点位置に来るように試料を光学系の光軸の方
向に移動させる試料ステージを備えた顕微鏡において、ａ）光学系の他端に配置された画像センサと、ｂ）画像センサにより検出される画像のコントラストを
検出するコントラスト検出手段と、ｃ）光学系の光路中へ挿入し、及び、光路から排除する
ことのできる透明な平面板と、ｄ）試料ステージを移動させながら、試料の各位置にお
いて平面板の光路中への挿入及び排除を行ない、両状態
におけるコントラスト検出手段の出力より、上記所定焦
点位置を検出する焦点位置検出手段と、を備えることを特徴とする。

【０００６】

【作用】図３に顕微鏡の光学系の基本的構成を示す。対
物レンズＬ1により位置Ｐ0にある試料Ｓの像が位置Ｐ1
に形成され、その像を接眼レンズＬ2で見ると、拡大さ
れた虚像Ｉが観察される。ここで、上述のような複数の
光学系を備えた顕微鏡では、通常、対物レンズＬ1によ
る試料Ｓの像は所定の位置Ｐ1に形成する必要がある。
従って、試料Ｓを光軸ＡＸ方向に移動させることによ
り、試料Ｓを対物レンズＬ1の前方の所定の位置Ｐ0に持
ってくる必要がある。

【０００７】顕微鏡は一般に倍率が高いため、焦点深度
が非常に小さい（浅い）。すなわち、対物レンズＬ1と
試料Ｓとの間の距離をｘとすると、ｘに対する試料Ｓの
像のコントラストは図４に示すように変化し、合焦点ｘ
0（図３の位置Ｐ0）の極く近くのみでコントラストが生
じ（像が現われ）、そこから少しでも外れると試料Ｓの
像の輪郭さえとらえることができなくなる。

【０００８】一方、光路ＡＸ中に例えばガラスのような
透明の平面板を挿入すると、合焦点ｘ1は、平面板を挿
入しない場合の位置ｘ0から僅かに移動する。平面板を
挿入した場合と挿入しない場合のコントラストのグラフ
を図５に示す。なお、図５では説明のためにｘ軸を図４
の場合よりも拡大している。図５には両場合のコントラ
ストの差Δｃ（ｘ）も示したが、Δｃ（ｘ）は距離ｘが
増加すると共に０→極大→０→極小→０と変化し、合焦
点ｘ0及びｘ1は、このカーブΔｃ（ｘ）の正及び負の極
大の箇所に挟まれたコントラスト０の箇所の近傍という
ことで検出できることがわかる。

【０００９】上記の焦点位置検出手段ｄは、試料ステー
ジを移動させながら（図５ではｘの値を変化させなが
ら）、各位置で透明平面板ｃを挿入及び排除の状態に置
き、両状態において画像センサａにより検出されるコン
トラスト検出手段ｂの出力の差を計算する。そして、試
料ステージを移動する間に変化するこの出力差のカーブ
から、所定の焦点位置を検出する。例えば、試料ステー
ジを移動させる間にこの差は上記の通り極大から極小に
変化するが、それらに挟まれた部分でコントラストが０
となる位置を検出し、それに所定の補正値（この値は、
透明平面板の厚さと屈折率から予め計算することができ
る）を加えた点を焦点位置とする。また、極大値から下
がり始める点として定めてもよい。なお、光路中に挿入
する平面板としては、望ましくは光の透過率が十分高
く、しかも、高屈折率を有するものを使用する。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例を図１及び図２により説明
する。図１は本実施例の顕微鏡の構成を模式的に示した
ものであり、左側に光学系、右側に制御装置を示してい
る。なお、図１では接眼レンズ１３と対物レンズ１７は
単レンズとして単純化して示しているが、実際には各レ
ンズ１３、１７は複数のレンズから構成されるレンズ
群、或いは、（特に赤外顕微鏡の場合）シュバルツシル
ド光学系等の凹面反射鏡レンズ等で実現される。また、
光路１２が途中で曲がっている場合もある。

【００１１】本実施例の顕微鏡は、試料１９に焦点が合
うように、試料ステージ１８を自動的に移動させる機能
を有する。この機能を実現するために、本実施例の顕微
鏡は、上記接眼レンズ１３、対物レンズ１７の他に、透
過チョッパ１４、撮像装置１０、試料ステージ移動装置
及び制御装置２２を備える。

【００１２】透過チョッパ１４は接眼レンズ１３と対物
レンズ１７との間に設けられ、その間の光路１２中に透
明平面板１５を任意に挿入し、及び、排除することがで
きるようにしたものである。本実施例では透明平面板１
５は半円状の高屈折率ガラスにより構成されており、パ
ルスモータ１６で回転されることにより、光路１２内に
挿入され、また、排除される。パルスモータ１６は制御
装置２２により制御される。

【００１３】試料ステージ移動装置はパルスモータ２０
により構成され、制御装置２２からの指令に従って試料
ステージ１８を光路１２方向に上下に移動させる。

【００１４】撮像装置１０は接眼レンズ１３の上部に配
置され、目視の場合の網膜の位置と等価な位置にＣＣＤ
等の撮像素子１１が来るように、顕微鏡の鏡筒に固定さ
れる。撮像素子１１からの出力信号はビデオアンプ２１
により増幅された後、制御装置２２に送られる。

【００１５】制御装置２２はマイコンを使用した装置で
あり、主処理装置（ＭＰＵ）３０、ＲＯＭ２９、ＲＡＭ
２８、バスライン２７、及び、フラッシュＡ／Ｄコンバ
ータ２４、パルスモータドライバ２５、２６等のインタ
フェイス等で構成される。ＭＰＵ３０はＲＯＭ２９に予
め格納された、或いは、図示せぬ外部記憶装置からＲＡ
Ｍ２８にロードされるプログラムに従い、上記の自動焦
点合わせ処理を行なう。この処理を図２のフローチャー
トにより説明する。

【００１６】まず、試料ステージ１８を最も下の位置に
置く（ステップＳ１）。以後、ＭＰＵ３０はパルスモー
タドライバ２６を介して試料ステージ移動装置（パルス
モータ２０）を制御することにより試料ステージ１８を
徐々に上げてゆくが、対物レンズ１７に最も近づいた位
置では、試料ステージ１８は図示せぬ安全装置により強
制的に停止されるようになっている。なお、逆に、最初
に対物レンズ１７に最も近い位置に置き、そこから下げ
てゆくようにしてもよい。

【００１７】このように試料ステージ１８を徐々に移動
させてゆく間、以下のような処理が行われる。まず、Ｍ
ＰＵ３０はパルスモータドライバ２５を介して透過チョ
ッパ１４のパルスモータ１６に信号を送り、透明平面板
１５を光路１２の外に排除する。そして、この状態で撮
像素子１１からの信号をフラッシュＡ／Ｄコンバータ２
４、バスライン２７を介して受け取る。

【００１８】そして、このように受け取った１枚の画像
データから、現在の試料ステージ１８の位置ｘにおけ
る、透明平面板１５が排除された状態でのコントラスト
ｃo（ｘ）を算出する（ステップＳ２）。ここで、コン
トラストｃo（ｘ）としては、例えば、撮像素子１１を
構成する全画素（フォトセンサ）のデータ中の最高値
（最も輝度が高い値）から最低値（最も輝度が低い値）
を引いた値として定義することができる。なお、コント
ラストｃo（ｘ）はその他にも種々の定義によるものを
用いることができる。

【００１９】次に、透過チョッパ１４のパルスモータ１
６に信号を送り、透明平面板１５を光路１２内に挿入し
て、上記と同様に、その試料ステージの位置ｘにおけ
る、透明平面板１５が挿入された状態でのコントラスト
ｃi（ｘ）を算出する（ステップＳ３）。これらのコン
トラストの値ｃo（ｘ）、ｃi（ｘ）は共にＲＡＭ２８に
記憶される。

【００２０】そして、位置ｘにおける両状態のコントラ
スト値ｃo（ｘ）、ｃi（ｘ）の差Δｃ（ｘ）＝ｃo
（ｘ）−ｃi（ｘ）を計算し、ＲＡＭ２８に記憶する
（ステップＳ４）。

【００２１】その後、試料ステージ１８が所定の最大可
動幅分だけ移動したか否かを判断し（ステップＳ５）、
未だ最終点まで至っていなければ、ステップＳ６で試料
ステージ１８を所定の微小量（例えば、５μｍ）だけ上
に移動させ、ステップＳ２に戻る。以後、試料ステージ
１８が所定の最終点に至るまでステップＳ２からＳ６の
処理を繰り返し、その間の各位置ｘにおけるコントラス
ト差Δｃ（ｘ）の値をＲＡＭ２８に記憶する。

【００２２】ステップＳ６で試料ステージ１８が所定の
可動幅分だけ移動したと判断されたとき、ＭＰＵ３０は
ＲＡＭ２８に格納されたコントラスト差Δｃ（ｘ）のデ
ータから、図５のグラフの合焦点ｘ0に該当する点を求
める（ステップＳ７）。そして、パルスモータドライバ
２６を介してパルスモータ２０を駆動し、試料ステージ
１８を位置ｘ0まで移動させる（ステップＳ８）。これ
により、本顕微鏡の光学系は試料ステージ１８上の試料
１９に焦点が合うようにセットされたことになる。

【００２３】なお、撮像装置１０として通常のＴＶカメ
ラを使用する場合には、１秒間に６０枚の画像（フィー
ルド）が撮影されるため、パルスモータ１６の回転速度
を３０Ｈｚとするのが便利である。また、合焦点ｘ0の
検出方法は上記のように全ての点ｘにおけるコントラス
ト差Δｃ（ｘ）をＲＡＭ２８に記憶するのではなく、各
点ｘにおいて前の点（ｘ−１）におけるコントラスト差
Δｃ（ｘ−１）との差ΔΔｃ（ｘ）＝｛Δｃ（ｘ）−Δ
ｃ（ｘ−１）｝を算出し、その値ΔΔｃ（ｘ）が初めて
負となる点（或いは、所定数以上負の値が続いたときの
最初の点）をｘ0としてもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係る顕微鏡では、試料への焦点
合わせを自動的に行なうため、鏡筒を覗きながら微妙に
試料ステージを移動させるという面倒でかつ操作者を疲
労させる操作が不要となり、焦点合わせの操作が著しく
容易となる。特に赤外顕微鏡等では、本発明に係る自動
焦点合わせ機構を用いることにより、鏡筒を全く覗くこ
となく、多数の試料の測定を連続して行なうことができ
るようになるので、操作が非常に楽となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である顕微鏡の構成を示す
ブロック図。

【図２】実施例の顕微鏡の制御装置が行なう自動焦点
合わせ処理のフローチャート。

【図３】顕微鏡の光学系の光路図。

【図４】顕微鏡における試料の位置とコントラストの
関係を示すグラフ。

【図５】同じく試料の位置とコントラスト及びコント
ラスト差の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１０…撮像装置１１…撮像素子１２…光路１３…接眼レン
ズ１４…透過チョッパ１５…透明平面
板１７…対物レンズ１８…試料ステ
ージ１９…試料２１…ビデオア
ンプ２２…制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の測定点が光学系の一端側の所定の
焦点位置に来るように試料を光学系の光軸の方向に移動
させる試料ステージを備えた顕微鏡において、ａ）光学系の他端に配置された画像センサと、ｂ）画像センサにより検出される画像のコントラストを
検出するコントラスト検出手段と、ｃ）光学系の光路中へ挿入し、及び、光路から排除する
ことのできる透明な平面板と、ｄ）試料ステージを移動させながら、試料の各位置にお
いて平面板の光路中への挿入及び排除を行ない、両状態
におけるコントラスト検出手段の出力より、上記所定焦
点位置を検出する焦点位置検出手段と、を備えることを特徴とする顕微鏡。