JPH0593845A - 自動焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低倍率から高倍率まで安定した高精度な合焦点
検出が可能な自動焦点検出装置を提供することを目的と
する。 【構成】対物レンズ２が低倍率のときには、予定焦点面
前方及び後方の位置に形成される光像の２画像のコント
ラストの差により合焦点を検出し、対物レンズ２が高倍
率のときには、対物レンズ２及び試料１を光軸方向に移
動させ２画像のうち、一方又は両方についてのコントラ
ストの合焦度評価値の変化により合焦点を検出すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡のように、低倍
率から高倍率まで幅広い倍率条件による観察を行う光学
機器の合焦点検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特公昭６１−６０４１３号公報による
と、結像面前方の光像と結像面後方の光像とをイメージ
センサでとらえ両光像の光強度に応じた電気信号の差信
号が所定値になるように対物光学系と試料との間隙を調
整する装置において、対物光学系の倍率切換にともなっ
て、結像面とイメージセンサとの間の光路長を可変にす
る手段を設けた焦点調節装置が考案されている。

【０００３】また特開昭６３−７８１１３号公報による
と、被検体側からラインセンサに向かう測距用光線を複
数の光線に分割し、分割光線の結像位置をラインセンサ
の光軸方向前後にずらし、両光像の信号を比較しながら
合焦動作を行い、測距用光線の光路中、光線の分割後ラ
インセンサに至る間に、分割光線の一方に空気と屈折率
が近似せずかつ正透過性の高い透明部材を退避可能とし
た自動焦点調整機構が考案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、予定焦
点面前後の光像をイメージセンサ上に投影し、両光像の
信号を比較することにより合焦点を検出する方法では、
高倍率の対物レンズを使用すると、予定焦点面前後の両
光像の信号に差がほとんど現れなくなってしまい合焦点
を検出できないという欠点がある。この問題を解決する
ために、特公昭６１−６０４１３号公報では、対物レン
ズの切換など光学系の倍率切換にともなって、予定焦点
面とイメージセンサとの間の光路差を可変とし、高倍率
の場合には、光路差を大きくする方法が考案されてい
る。しかしながらこの方法では、高倍率時に大きな光路
差を設けなければならないため、光路のための領域が大
きくとられ装置が大きくなってしまうとともに、光路差
を変えるための装置が必要となる欠点がある。

【０００５】さらに高倍率においては、光像の光量が非
常に少なくなるにもかかわらず２光像に分割されるため
さらに光量が減少し、合焦点検出が困難になるという欠
点もある。

【０００６】本発明の自動焦点検出装置はこのような課
題に着目してなされたもので、その目的とするところ
は、低倍率から高倍率まで安定した高精度な合焦点検出
が可能な自動焦点検出装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の自動焦点検出装置は、試料を観察するた
めの対物光学系とこの対物光学系によって形成された前
記試料からの光像を少なくとも１つのイメージセンサに
より光電変換し、前記光像のコントラスト等を評価する
ことにより合焦点を検出する装置において、予定焦点面
前方の所定距離だけ離れた位置に形成される光像及び予
定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形成される光
像との２画像を前記イメージセンサ上に投影し、対物レ
ンズが低倍率のときには前記２画像のコントラスト等の
差により合焦点を検出し、対物レンズが高倍率のときに
は対物レンズまたは前記試料を光軸方向に移動させ、前
記２画像のうち、一方または両方についてのコントラス
ト等の合焦度評価値の変化により合焦点を検出するもの
である。

【０００８】さらに、本発明の自動焦点検出装置は試料
を観察するための対物光学系とこの対物光学系によって
形成された前記試料からの光像をイメージセンサにより
光電変換し、前記光像のコントラスト等を評価すること
により合焦点を検出する装置において、予定焦点面前方
の所定の距離だけ離れた位置に形成される光像及び予定
焦点面後方の所定の距離だけ離れた位置に形成される光
像の２画像を前記イメージセンサ上に投影する光学系
と、予定焦点面の光像のみを前記イメージセンサ上に投
影する光学系との２種類の光学系を切換可能とする。

【０００９】

【作用】すなわち、本発明においては、対物レンズが低
倍率のときには、予定焦点面前方及び後方の位置に形成
される光像の２画像のコントラストの差により合焦点を
検出するが、対物レンズが高倍率のときには、対物レン
ズ及び試料を光軸方向に移動させ２画像のうち、一方又
は両方についてのコントラストの合焦度評価値の変化に
より合焦点を検出することによって、低倍率から高倍率
までの合焦点検出が可能になる。

【００１０】さらに、本発明においては、予定焦点面前
方の所定の距離だけ離れた位置に形成される光像及び予
定焦点面後方の所定の距離だけ離れた位置に形成される
光像の２画像を前記イメージセンサ上に投影する光学系
と、予定焦点面の光像のみを前記イメージセンサ上に投
影する光学系との２種類の光学系を切換可能とすること
によって、低倍率から高倍率までの合焦点検出が可能に
なる。

【００１１】

【実施例】まず、本発明にかかる自動焦点検出装置の第
１実施例の基本的概念について図１を参照して説明す
る。

【００１２】第１実施例においては、検出された対物レ
ンズ２の倍率が低倍であるときには、イメージセンサ６
の受光面上に投影された２画像の信号をアナログ処理回
路１３、Ａ／Ｄコンバータ１２を介して画像メモリ１１
に記憶し、ＣＰＵ１０によって画像メモリ１１の画像信
号を読み取り、２画像のコントラスト等の差を演算する
ことによって合焦点を検出する。また、倍率が高倍であ
るときには、ＣＰＵ１０はＺ駆動部９によりステージ７
を移動させるとともに、２画像のうち１方または両方の
画像信号を入力し、ステージ７の位置の変化に対するコ
ントラスト等の合焦評価値の変化の関係から合焦点を検
出する。特に高倍の対物レンズの場合には、予定焦点面
前方と予定焦点面後方の２画像にほとんど差が出なくな
るため、２画像のコントラスト等の差により合焦点を求
めるのは困難であるので、ステージ移動と合焦度評価値
との変化関係から合焦点を求めることによって、低倍か
ら高倍までの対物レンズに対応した合焦点検出が可能と
なる。

【００１３】以下に、上記した本発明の第１実施例の動
作を説明する。

【００１４】観察標本１の光像は対物レンズ２、プリズ
ム３、結像レンズ４を透過し、光路差プリズム５によっ
て平行な２光線に分割され、予定焦点面前方の光像及び
予定焦点面後方の光像がイメージセンサ６の受光面上に
投影される。ステージ７は焦点調整のために上下に移動
可能である。対物レンズ２の倍率は倍率検出器８によっ
て検出され、ＣＰＵ１０に入力される。イメージセンサ
６の受光面上に投影された予定焦点面前後の光像は、光
電変換され、アナログ処理回路１３、Ａ／Ｄコンバータ
１２を介して画像メモリ１１に記憶される。ここで、対
物レンズ２が低倍であることが検出された場合には、Ｃ
ＰＵ１０は画像メモリ１１から予定焦点面前後の画像信
号をそれぞれ読み出し、コントラスト等の合焦度評価値
を演算し、予定焦点面前後の合焦度評価値の差から合焦
点までのずれ量、ずれ方向を検出する。また、対物レン
ズ２が高倍であることが検出された場合には、ＣＰＵ１
０はＺ駆動部９によりステージ７を移動させるととも
に、予定焦点面前後の画像信号を画像メモリ１１から読
み出し、予定焦点面前後の２画像のうち一方または両方
について、ステージ７の移動量と合焦度評価値との関係
を演算し、その演算結果によって合焦点を算出する。

【００１５】以上のように、対物レンズの倍率によって
焦点検出方法を切換えることで低倍から高倍までの倍率
に対応した自動焦点検出を実現する。

【００１６】次に、本発明の第２実施例の基本的概念を
図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図において、
２４は結像レンズ、２５は光路差プリズムでイメージセ
ンサ２７の受光面上に予定焦点面前方及び後方に同じだ
け光路差のある光像をそれぞれ投影する光学系である。
２６は予定焦点面投影光学系で、イメージセンサ２７の
受光面が予定焦点面となるように構成されている。光路
差プリズム２５と予定焦点面投影光学系２６は、ともに
図２（ａ）、（ｂ）の２８の方向に移動可能であり、対
物レンズ２２（図３）が低倍で光像が充分明るいとき
は、図２（ａ）に示すように結像レンズ２４からイメー
ジセンサ２７へ向かう光路中に光路差プリズム２５が挿
入され、対物レンズ２２が高倍であるときまたは低倍で
も光像が暗いときには、図２（ｂ）に示すように、結像
レンズ２４からイメージセンサ２７へ向かう光路中に予
定焦点面投影光学系２６が挿入される。すなわち、対物
レンズ２２（図３）の倍率が低く光像が充分明るい場合
には、図２（ａ）のように光学系を構成し、予定焦点面
前後のＺ画像のコントラスト等を比較することにより合
焦点を検出し、対物レンズ２２（図３）の倍率が高い場
合または低倍でも光像が暗い場合には、図２（ｂ）のよ
うに光学系を構成し、対物レンズ２２と観察標本２０
（図３）との相対的距離を変化させ、コントラスト等の
合焦度評価レベルが最大となる点をサーチすることによ
り合焦点を検出する。

【００１７】なお、低倍においては、小さな光路差でも
デフォーカス時に予定焦点面前後の光像の合焦度評価値
に差が現れやすく、デフォーカスの方向と量が１回の画
像入力で検出できるため合焦点の検出の高精度、高速化
のために有利である。反面、高倍時においては、デフォ
ーカス時にも予定焦点面前後の光像の合焦度評価値に差
が出にくいとともに、高倍または低倍でも光像が暗いと
きにおいては結像レンズ２４を透過してくる光量が非常
に少なくなるため、光路を分割するのは非常に不利とな
る。したがって、本発明のように高倍時または、低倍で
も光像が暗いときには光路分割せず、イメージセンサ２
７の受光面上を予定焦点面となるように光像を投影し、
対物レンズ２２と観察標本２０（図３）との相対的な距
離を変化させ、合焦度評価レベルの最大となる点をサー
チする方法に切換える方法により、簡単な構成で低倍か
ら高倍まで様々な倍率に対応した合焦点検出が実現でき
る。

【００１８】以下に、上記の第２実施例を図３の自動焦
点検出装置に適用した場合の動作を説明する。

【００１９】落射照明装置１９は観察標本２０を照明す
るためのものである。ステージ２１は焦点を合わせるた
めに上下に移動される。観察標本２０から反射した光像
は、対物レンズ２２、プリズム２３、結像レンズ２４を
介しイメージセンサ２７上に投影される。結像レンズ２
４からイメージセンサ２７へ向かう光路中には、光路を
平行な２光路に分割する光路差プリズム２５と光路分割
しない予定焦点面投影光学系２６の２種類の光学系が挿
入可能であり、光路切換装置２９により光路差プリズム
２５と予定焦点面投影光学系２６はともに図中２８の方
向に移動され、２種類の光学系が切換えられる。光路差
プリズム２５が光路中に挿入されると予定焦点面前方及
び予定焦点面後方の光像がイメージセンサ２７の受光面
上に投影され、予定焦点面投影光学系２６が光路中に挿
入されると予定焦点面の光像がイメージセンサ２７の受
光面上に投影される。

【００２０】次に、合焦点検出動作について説明する。
倍率検出器３６により対物レンズ２２の倍率が検出さ
れ、その検出結果に基いてＣＰＵ３４は、光路切換装置
２９を駆動し低倍率であれば光路差プリズム２５を、高
倍率であれば予定焦点面投影光学系２６を光路中に挿入
する。イメージセンサ２７は、駆動回路３３により駆動
されている。対物レンズ２２が低倍率である場合には、
光路差プリズム２５が光路中にあるため、イメージセン
サ２７の受光面上には、予定焦点面前後の光像がそれぞ
れ投影され、イメージセンサ２７により光面変換された
画像信号はアナログ処理回路３０、Ａ／Ｄコンバータ３
１を介して画像メモリ３２に入力される。ＣＰＵ３４は
画像メモリ３２から画像信号を読み出し、予定焦点面前
後の画像状態を比較することにより、合焦点からのずれ
方向とずれ量を算出し、Ｚ駆動部３５により、ステージ
２１を所定量移動させることにより、合焦を得ることが
できる。

【００２１】また、対物レンズ２２が高倍率である場合
には、予定焦点面投影光学系２６が光路中にあるためイ
メージセンサ２７の受光面上には予定焦点面の光像が投
影され、イメージセンサ２７により光電変換された画像
信号は、アナログ処理回路３０、Ａ／Ｄコンバータ３１
を介して画像メモリ３２に入力される。ＣＰＵ３４は画
像メモリ３２から画像信号を読み出し合焦度を算出する
とともにＺ駆動部３５によりステージ２１を移動させ、
合焦度の最も高くなる位置にステージを移動させること
により合焦を得る。一般に顕微鏡によって標本を観察す
る場合、低倍率の対物レンズや高倍率の対物レンズ等を
切換えて使用することが多い。このように対物レンズの
倍率を切りかえた場合、従来の装置においては焦点検出
が困難である。予定焦点面の画像を比較する方法におい
ては、たとえば特公昭６１−６０４１３号公報のように
倍率に応じて予定焦点面とイメージセンサとの間の光路
長を可変にする方法が考案されているが、高倍率に対応
するためには、光路長をかなり大きくとらなければ予定
焦点面前後の画像に差が出ないため、実現するために
は、装置が大きくなってしまうとともに、１つのイメー
ジセンサ上に２画像を投影するのも困難であり、さらに
高倍率では光像の光量が少なくなるので光路分割するの
は非常に不利である。本発明の第２実施例によれば、簡
単な装置で低倍率から高倍率までの倍率に対応した合焦
点検出が可能であり、光量が少なくなる高倍においては
光路分割しないので光像の光量を減らすことなくイメー
ジセンサ上に画像が投影できる。

【００２２】以下に、図４（ａ）、（ｂ）を参照して、
上記した第２実施例の変形例を説明する。２４は結像レ
ンズ、２５は光路差プリズムで図中２８の方向に移動可
能である。図４（ａ）に示すような場合には、結像レン
ズ２４を透過した光像は光路差プリズム２５によって光
路分割され、イメージセンサ２７の受光面上に予定焦点
面前方の光像と予定焦点面後方の光像を投影し、また光
路差プリズム２５を図中２８の方向に移動し、図４
（ｂ）のような光路に切換えると、結像レンズ２４を透
過した光像は、光路差プリズム２５をそのまま透過し、
イメージセンサ２７の受光面上に予定焦点面の光像が投
影される。

【００２３】以上により、光路差プリズム２５を図中２
８の方向に移動させることによって、予定焦点面前後の
２画像をイメージセンサ２７上に投影する光学系と、予
定焦点面の画像をイメージセンサ２７上に投影する光学
系とを切換えることができる。

【００２４】以下に、図３を参照して本発明の第３実施
例を説明する。

【００２５】一般に、顕微鏡で標本を観察する際、低倍
率から高倍率まで数種の対物レンズを切換えて観察する
ことから、同様の標本を観察していても対物レンズと標
本との距離に対する合焦度評価レベルの変化も対物レン
ズの倍率等または検鏡法により様々である。第３実施例
では第２実施例と構成を同様にして、顕微鏡に通常観察
する標本をセットし、各対物レンズの倍率等または検鏡
法について、Ｚ駆動部３５によりステ−ジ２１を合焦位
置を中心にして所定間隔で移動させ、各位置におけるイ
メ−ジセンサ２７により光電変換された画像信号をアナ
ログ処理回路３０、Ａ／Ｄコンバータ３１、画像メモリ
３２を介してＣＰＵ３４に取り込み、合焦度評価レベル
を演算することによりステージ２１の位置と合焦度評価
レベルとの関係をそれぞれの対物レンズの倍率等または
検鏡法について算出した初期設定デ−タを記憶する。

【００２６】合焦点検出動作は第２実施例と同様に行な
い、対物レンズ２２が低倍率であれば光路差プリズム２
５を、高倍率であれば予定焦点面投影光学系２６を光路
中に挿入する。対物レンズ２２が低倍率で光像が充分明
るい場合には、光路差プリズム２５が光路中にあるた
め、イメージセンサ２７の受光面上に予定焦点面前後の
光像がそれぞれ投影され、イメージセンサ２７により光
電変換された画像信号はアナログ処理回路３０、Ａ／Ｄ
コンバータ３１を介して画像メモリ３２に記憶される。
ＣＰＵ３４は画像メモリから画像信号を読み出し、予定
焦点面前後の画像状態を比較するとともに、記憶された
合焦度評価レベルとステージ２１の位置関係を参照し、
合焦点からのずれ方向、ずれ量を算出し、Ｚ駆動部３５
によりステージ２１を所定量移動させることにより合焦
を得ることができる。

【００２７】また、対物レンズ２２が高倍率である場合
または、低倍率でイメージセンサ２７の受光面における
照度が低いとＣＰＵ３４により判定された場合には、予
定焦点面投影光学系２６が光路中に挿入され、イメージ
センサ２７の受光面上には予定焦点面の光像が投影され
てイメージセンサ２７により光電変換された画像信号は
アナログ処理回路３０、Ａ／Ｄコンバータ３１を介して
画像メモリ３２に記憶される。ＣＰＵ３４は画像メモリ
３２から画像信号を読み出すとともに、記憶された合焦
度評価レベルとステージ２１の位置関係を比較参照し合
焦位置を算出してその結果に基いて、Ｚ駆動部３５によ
りステージ２１を移動させ、合焦度の最も高くなる位置
にステージ２１を移動させることにより合焦を得る。

【００２８】特に、対物レンズ２２が高倍率であるよう
な場合には、予定焦点面のみの画像を入力するために合
焦点からのずれ方向、ずれ量が１回の入力では精度良く
算出できないので、本実施例のように、対物レンズの倍
率等または検鏡法と、それらの組み合わせとの光学的条
件に応じてステージ位置と合焦度評価レベルの関係を記
憶しておくことにより、画像入力結果と記憶された初期
設定データとから合焦点検出演算することにより高倍に
おいても合焦点検出の高速化、高精度化が可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、(1) 対物レンズ
の倍率に対応して合焦点検出方法を変更することによっ
て低倍から高倍まで様々な倍率に対応した自動焦点検出
が実現可能となるとともに、(2) 対物レンズの倍率等光
学的な条件、画像の明暗等の条件に応じてイメージセン
サへの光像投影光学系を切換えることによって簡単な構
成で低倍から高倍まで様々な倍率に対応した自動焦点検
出が可能となる。特に高倍時においては、光路分割方式
では、光路差を大きくとらなければ合焦点検出が困難で
あるが、本発明によれば高倍時または低照度時には光路
分割はせず、光路分割による光量低減をなくすことがで
き特に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す自動焦点検出装置
の構成図。

【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の第２実施
例の基本的概念を説明するための光学配置図。

【図３】本発明の第２，３の実施例を示す自動焦点検出
装置の構成図。

【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の第２の実
施例の変形例を説明するための光学配置図。

【符号の説明】

１…観察標本（試料）、２…対物レンズ、３…プリズ
ム、４…結像レンズ、５…光路差プリズム、６…イメ−
ジセンサ、７…ステ−ジ、８…倍率検出器、９…Ｚ駆動
部、１０…ＣＰＵ、１１…画像メモリ、１２…Ａ／Ｄコ
ンバ−タ、１３…アナログ処理回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高浜 康輝 東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を観察するための対物光学系とこの
   対物光学系によって形成された前記試料からの光像を少
   なくとも１つのイメージセンサにより光電変換し、前記
   光像のコントラスト等を評価することにより合焦点を検
   出する装置において、 予定焦点面前方の所定距離だけ離れた位置に形成される
   光像及び予定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形
   成される光像との２画像を前記イメージセンサ上に投影
   し、対物レンズが低倍率のときには前記２画像のコント
   ラスト等の差により合焦点を検出し、対物レンズが高倍
   率のときには対物レンズまたは前記試料を光軸方向に移
   動させ、前記２画像のうち、一方または両方についての
   コントラスト等の合焦度評価値の変化により合焦点を検
   出するようにしたことを特徴とする自動焦点検出装置。
2. 【請求項２】 試料を観察するための対物光学系とこの
   対物光学系によって形成された前記試料からの光像をイ
   メージセンサにより光電変換し、前記光像のコントラス
   ト等を評価することにより合焦点を検出する装置におい
   て、 予定焦点面前方の所定の距離だけ離れた位置に形成され
   る光像及び予定焦点面後方の所定の距離だけ離れた位置
   に形成される光像の２画像を前記イメージセンサ上に投
   影する光学系と、 予定焦点面の光像のみを前記イメージセンサ上に投影す
   る光学系との２種類の光学系を切換可能としたことを特
   徴とする自動焦点検出装置。
3. 【請求項３】 前記２種類の光学系を対物レンズの倍率
   等光学的条件により切換えるようにしたことを特徴とす
   る請求項２記載の自動焦点検出装置。
4. 【請求項４】 前記２種類の光学系を前記イメージセン
   サ上に投影される光像の明るさ等の条件により切換える
   ようにしたことを特徴とする請求項２記載の自動焦点検
   出装置。