JPH06118296A - 赤外顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外顕微鏡において焦点合わせの操作を自動
化する。 【構成】 対物光学系１３によって得られるステージ１
１上の試料１０の像をビデオカメラ１６で電気信号（輝
度信号）に変換し、さらにＡ／Ｄコンバータ２２によっ
てデジタル信号に変換して画像データを得る。ＣＰＵ２
６等により、試料１０の像に対応する１画面分の画像デ
ータのうちの最大値と最小値を求め、これらの差が最大
となる位置にステージ１１が移動するように、ステージ
移動機構１８を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の微小部分に赤外
光を集光させ、透過又は反射赤外光のスペクトルを測定
することにより試料の分析を行なう赤外顕微鏡に関する
ものであり、更に詳しくは、このような赤外顕微鏡にお
けるオートフォーカス機能（自動的に焦点を合わせる機
能）に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外顕微鏡で試料の微小部分の分析を行
なうためには、目的とする微小な部分に赤外光を集光さ
せなければならないが、このために従来は、試料への赤
外光の照射に先立ち、可視光を用いて通常の顕微鏡の場
合と同様に測定者が手動で焦点合わせを行なっていた。

【０００３】一方、スチルカメラやビデオカメラでは種
々の方法でオートフォーカス機能が実現されている。例
えば、ハンディタイプのビデオカメラにおいて、以下の
ようにしてオートフォーカス機能を実現している。図５
に示すように、固定光学系５３の他に焦点合わせのため
の移動可能な光学系５２を備えており、これらの両光学
系を通過してＣＣＤ素子５４に達した光は、そのＣＣＤ
素子５４で電気信号に変換される。いま、ビデオカメラ
の移動光学系５２を移動させると、ＣＣＤ素子５４に焦
点が合う被写体の位置（合焦位置）が変わる。ここで、
ビデオカメラ内のＣＣＤ素子５４から得られる画像デー
タを用いて画像のコントラストの高低を調べると、通
常、被写体の位置が合焦位置にあるときコントラストが
最も高く、合焦位置から離れるにつれてコントラストが
下がる。そこで、ビデオカメラでは、移動光学系５２を
移動させながらコントラストを表わす所定のコントラス
ト関数の値を計算し、この値が最大（極大）になるよう
に移動光学系５２の位置を設定することにより、焦点合
わせを行なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】顕微鏡の光学系が通常
のカメラ等の光学系と異なるところは、焦点深度が非常
に浅いということである。このため、操作者が顕微鏡の
接眼レンズを覗きながら焦点合わせを行なう際、注意深
く行なわないとすぐに合焦位置を通過してしまうので、
顕微鏡における焦点合わせ操作は従来より非常に時間が
掛かり、かつ、目の疲れるものであった。赤外顕微鏡の
場合、これに加え、分析を主目的とするものであるた
め、試料の表面に特徴が無いものについても焦点合わせ
を行なわなければならないことがあり、特に焦点合わせ
が困難となっていた。さらに、一般にガラスは赤外光を
吸収しやすいため、赤外顕微鏡における赤外光光学系
は、通常、反射鏡によって構成されている。このため、
光学系の各種収差を完全に除去することが困難であっ
て、正確な合焦位置というものが一義的に確定し難いと
いう赤外顕微鏡特有の問題があり、測定者により、或い
は測定毎に、合焦位置のバラツキが発生し、赤外顕微測
定の再現性を損なっていた。

【０００５】本発明はこのような各種困難を解決し、容
易にかつ短時間に、しかも、再現性良く、測定を行なう
ことができる赤外顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、ステージ上に載置された試料の微小な
部分に光学系によって赤外光を集光させ、その透過又は
反射赤外光のスペクトルを測定することにより試料の分
析を行なう赤外顕微鏡において、可視光を用い前記光学
系によって得られる前記試料の像より画像信号を生成す
る撮像手段と、１画面分の前記画像信号より、所定のコ
ントラスト値を算出するコントラスト値算出手段と、前
記ステージと前記光学系との相対位置を、前記光学系に
より定まる少なくとも大小２種の移動単位毎に光軸方向
に移動させる移動手段と、最初は大移動単位で、次に小
移動単位で上記相対位置を移動させつつ前記コントラス
ト値算出手段により算出されるコントラスト値を検出す
ることにより、コントラスト値が最大となる合焦位置を
検出し、前記ステージ及び／又は前記光学系を該合焦位
置に移動させる制御手段と、を備える構成としている。

【０００７】

【作用】このような構成によると、ステージ上に載置さ
れた試料の像を形成する光が撮像手段によって電気信号
に変換され、その像に対応する画像信号が得られる。そ
して、制御手段がコントラスト値算出手段及び移動手段
を制御することにより、最初は大移動単位で、次に小移
動単位でステージと光学系との相対位置を移動させなが
ら、１画面分の前記画像信号より所定のコントラスト値
を検出する。これにより、まず、ステージの移動範囲内
の大移動単位毎の各位置におけるコントラスト値が得ら
れ、制御手段は、このコントラスト値に基づき合焦位置
付近へステージ又は／及び光学系を移動させる。次に、
小移動単位毎の各位置におけるコントラスト値が得ら
れ、制御手段は、このコントラスト値に基づきより正確
な合焦位置へステージ又は／及び光学系を移動させる。
なお、上記大小移動単位は光学系によって定まり、光学
系の焦点深度を考慮してその深さの範囲内で大きな値を
大移動単位として選択すれば、コントラスト値が最大と
なる位置を見逃すことなく、確実にかつ短時間で合焦位
置付近にステージ又は／及び光学系を移動させることが
できる。そして、その後に小移動単位で移動させれば、
上記の合焦動作において速度と精度を両立させることが
できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例につ
いて説明する。図１は、本発明の一実施例である赤外顕
微鏡の要部の構成を示す図である。本赤外顕微鏡は、試
料１０を載せるステージ１１の上方に対物光学系１３
を、下方にコンデンサ光学系１２をそれぞれ備える。対
物光学系１３及びコンデンサ光学系１２はともにカセグ
レン型反射鏡で構成され、図２に示すように、ステージ
１１はこれら二つの光学系の間をステッピングモータを
利用したステージ移動機構１８によって移動することが
できる。そして後述の合焦動作により、赤外スペクトル
測定を行なう際には、ステージ１１は赤外光が集光する
位置（図２におけるＺfの位置）まで移動する。この位
置では対物光学系１３及びコンデンサ光学系１２が共に
合焦状態となるようになっている。これにより、試料１
０で反射した赤外光のスペクトルを測定する場合（反射
型測定の場合）は、対物光学系１３を通過した赤外光が
試料１０に集光し、試料１０で反射した赤外光が再び対
物光学系１３を通過した後に赤外光光学系（図示せず）
により検出器へ導かれ、検出器（図示せず）で検出され
る。一方、試料１０を透過した赤外光を測定する場合
（透過型測定の場合）は、コンデンサ光学系１２を通過
した赤外光が試料１０に集光し、試料１０を透過した赤
外光が対物光学系１３を通過した後に同様に赤外光光学
系により検出器へ導かれ、検出器で検出される。

【０００９】赤外顕微鏡では、上記のように赤外光が集
光する位置までステージ１１を移動させるために、赤外
スペクトルの測定に先立ち、可視光を用いて焦点合わせ
が行なわれる。この焦点合わせでは、試料１０からの光
は、対物光学系１３を通過してミラー１４で反射した
後、ビデオカメラ１６へ入射する。ビデオカメラ１６へ
入射した光は電気信号に変換され、これにより、試料１
０の像に対応する輝度信号が得られる。この輝度信号は
電気系ボードへ入力される。電気系ボードは、ビデオア
ンプ２１、Ａ／Ｄコンバータ２２、スタチックＲＡＭ２
４、ＤＭＡコントローラ２５、ＣＰＵ２６、モータドラ
イバ２８、及びこれらを接続するデータバスから構成さ
れる。ビデオカメラ１６からこの電気系ボードへ入力さ
れた輝度信号は、まず、ビデオアンプ２１で増幅された
後、Ａ／Ｄコンバータ２２でデジタル信号に変換され
る。このデジタル信号の値は試料１０の像に対応する画
像データであり、この画像データはＤＭＡコントローラ
２５によってＡ／Ｄコンバータ２２からスタチックＲＡ
Ｍ２４へ転送され、そこに記憶される。ＣＰＵ２６は、
１画面分の画像データからその時点のステージ１１の位
置（以下「ステージ位置」という）におけるコントラス
ト関数の値を計算する。そしてＣＰＵ２６は、この計算
結果に基づき、モータドライバ２８を介してステージ移
動機構１８に制御信号を供給し、合焦位置に向かってス
テージ１１を移動させる。ここで、コントラスト関数は
ステージ位置Ｚnの関数であって、本実施例では、ステ
ージ１１上の試料１０の像に対応する１画面分の画像デ
ータの最大値と最小値との差をコントラスト関数の値と
している。図４（ａ）はこのようなコントラスト関数全
体の形状を示す図であり、図４（ｂ）はこの関数が最大
となる付近を拡大して示した図である。後述のように、
このコントラスト関数が最大となる位置（図４における
Ｚf）が合焦位置である。なお、コントラスト関数とし
て、他の関数を採用してもよい。

【００１０】以下、上記の合焦動作の詳細を図３に示す
フローチャートに基づいて説明する。なお、合焦動作の
開始直後は、ステージ１１はその移動範囲の最下部Ｚ0
にあるものとする。まずステップＳ１０において、ステ
ージ１１上の試料１０の像に対応する輝度信号をＡ／Ｄ
コンバータ２２でデジタル信号に変換する際のサンプリ
ングの間隔を設定する。ここでは、ビデオカメラ１６で
画像（試料１０の像を形成する光）を電気信号に変換す
る際の走査線のすべてについてサンプリングするのでは
なく、合焦動作の速度を上げるため、走査線を間引いて
所定の本数置きにサンプリングするように設定する。次
にステップＳ２０において、初期値の設定を行なう。す
なわち、ステージ１１を移動させた回数を表わす変数ｎ
を０に、ステージ１１の１回分の移動距離（以下「移動
間隔」という）ＬをＬ１に、それぞれ設定する。ここで
Ｌ１は、対物光学系１３の焦点深度を考慮して、その深
さ以内の値となるように設定する。また、ｎ＝０のとき
のステップＳ７０での処理の都合上、コントラスト関数
Ｃ（Ｚ_-1）の値を０に設定する。

【００１１】上記の初期値設定後はステップＳ３０へ進
み、ステージ位置がＺnのときの試料１０の像の画像デ
ータ（試料１０の像に対応する輝度信号をサンプリング
してデジタル化することによって得られたデジタル信号
の値）を、ＤＭＡコントローラ２５によってスタチック
ＲＡＭ２４へ転送し、そこに記憶する。次にＣＰＵ２６
が、スタチックＲＡＭ２４に記憶された１画面分の画像
データのうちの最大値と最小値を求め（ステップＳ４
０）、この最大値と最小値の差を、コントラスト関数Ｃ
（Ｚn）の値とする（ステップＳ５０）。そして、次の
ステップＳ６０で移動間隔ＬがＬ１か否かを判定し、Ｌ
１であればステップＳ７０へ進み、Ｌ１でなければステ
ップＳ１２０へ進む。最初にこのステップへ来た時点で
は、移動間隔はＬ１であるのでステップＳ７０へ進むこ
とになる。

【００１２】ステップＳ７０では、現在のステージ位置
Ｚnでのコントラスト関数の値Ｃ（Ｚn）と、一つ前のス
テージ位置Ｚn-1でのコントラスト関数の値Ｃ（Ｚn-1）
との大小を比較し、現在のステージ位置Ｚnでの値の方
が大きければステップＳ８０へ進み、一つ前のステージ
位置Ｚn-1での値の方が大きければステップＳ１１０へ
進む。ステップＳ８０ではｎの値を１だけ増加させ、次
のステップＳ９０では、ステージ１１を上方に間隔Ｌ１
だけ移動させる。この後、ステップＳ３０へ戻り、ステ
ップＳ７０におけるコントラスト関数値の大小の判定に
おいてＣ（Ｚn）≧Ｃ（Ｚn-1）となる限り、ステップＳ
３０→Ｓ４０→Ｓ５０→Ｓ６０→Ｓ７０→Ｓ８０→Ｓ９
０→Ｓ３０というループを繰り返し実行する。そして、
ステップＳ７０においてＣ（Ｚn）＜Ｃ（Ｚn-1）と判定
されれば、ステップＳ１１０で移動間隔ＬとしてＬ１よ
りも小さな値Ｌ２を設定し、ステップＳ１３０へ進む。

【００１３】図４（ｂ）からわかるように、この時点で
ステージ１１は、コントラスト関数が最大となるステー
ジ位置Ｚfを通り過ぎている。コントラストが最大とな
るとき可視光について合焦状態にあり、赤外光はこのと
きのステージ位置の試料に対して集光するように設定さ
れているので、以下のステップでは、コントラスト関数
が最大となる合焦位置Ｚfに向かってステージ１１を下
方へ移動させる。すなわち、ステップＳ１３０でｎを１
だけ増加させ、ステップＳ１４０でステージ１１を下方
に間隔Ｌ２だけ移動させる。この後、ステップＳ３０へ
戻り、ステップＳ１２０におけるコントラスト関数値の
大小の判定においてＣ（Ｚn）≧Ｃ（Ｚn-1）となる限
り、ステップＳ３０→Ｓ４０→Ｓ５０→Ｓ６０→Ｓ１２
０→Ｓ１３０→Ｓ１４０→Ｓ３０というループを繰り返
し実行する。そして、ステップＳ１２０においてＣ（Ｚ
n）＜Ｃ（Ｚn-1）と判定されれば、ステップＳ１５０へ
進む。図４（ｂ）からわかるように、この時点でステー
ジ１１は合焦位置Ｚfを通り過ぎているので、ステップ
Ｓ１５０でステージを一つ前の位置Ｚn-1へ戻して合焦
動作を終了する。この終了時点において、コントラスト
関数が最大となり、ステージ１１はほぼ合焦位置Ｚfに
ある。

【００１４】上記の合焦動作では、まずＬ１という比較
的大きな間隔（しかし、コントラスト関数のピーク幅よ
りも小さく、ピークを逃すことはない）でステージ１１
を上方へ移動させており、これにより、比較的短時間で
合焦位置付近までステージ１１を移動させることができ
る。次にＬ２という比較的小さな間隔でステージを下方
に移動させており、これにより、効率よくしかも高精度
に合焦位置までステージ１１を移動させることができ
る。このように本実施例では、移動間隔を２段階に変え
ることにより、合焦動作において速度と精度を両立させ
ている。

【００１５】以上の合焦動作によってステージ１１を合
焦位置に移動させた後に赤外光を照射すると、反射型測
定では対物光学系１３により、透過型測定ではコンデン
サ光学系１２により、赤外光はステージ１１上の試料１
０に集光するようになっているので、試料１０の微小な
部分について赤外スペクトルの測定（赤外顕微測定）を
行なうことができる。このように赤外顕微鏡においてオ
ートフォーカス機能を実現すれば、試料の微小な部分に
赤外光を集光させるための操作が自動化されるので、赤
外顕微測定に必要な操作が簡略化される。この結果、測
定操作が容易になるとともに測定作業の効率も向上す
る。

【００１６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、赤
外顕微鏡において試料の微小部分に赤外光を集光させる
ために必要な焦点合わせが自動的にかつ短時間で行なわ
れるので、赤外顕微測定を容易にかつ効率よく行なうこ
とができ、測定者の目の疲れも防止される。

【００１７】また、本発明によれば、焦点合わせが機械
的に行なわれるため、合焦位置が一義的に決定され、再
現性の良い赤外顕微測定を行なうことができる。さら
に、試料表面に特徴のない場合でも確実に焦点合わせを
行なうことができるため、目視による焦点合わせのため
に試料を特別に調整するという必要がなくなり、測定時
の焦点合わせの作業のみならず測定前の試料調整作業に
おいても省力化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である赤外顕微鏡の要部の
構成を示す図。

【図２】 前記赤外顕微鏡におけるステージの移動を示
す図。

【図３】 前記赤外顕微鏡における合焦動作を示すフロ
ーチャート。

【図４】 前記赤外顕微鏡における合焦動作で使用する
コントラスト関数を示す図。

【図５】 ハンディタイプのビデオカメラにおけるオー
トフォーカスの機構を示す図。

【符号の説明】

１０…試料 １１…ステージ １２…コンデンサ光学系（下部カセグレン） １３…対物光学系（上部カセグレン） １６…ビデオカメラ（撮像手段） １８…ステージ移動機構（移動手段） ２６…ＣＰＵ（コントラスト値算出手段、制御手段）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 7/36 21/00 8106−2Ｋ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステージ上に載置された試料の微小な部
   分に光学系によって赤外光を集光させ、その透過又は反
   射赤外光のスペクトルを測定することにより試料の分析
   を行なう赤外顕微鏡において、 可視光を用い前記光学系によって得られる前記試料の像
   より画像信号を生成する撮像手段と、 １画面分の前記画像信号より、所定のコントラスト値を
   算出するコントラスト値算出手段と、 前記ステージと前記光学系との相対位置を、前記光学系
   により定まる少なくとも大小２種の移動単位毎に光軸方
   向に移動させる移動手段と、 最初は大移動単位で、次に小移動単位で上記相対位置を
   移動させつつ前記コントラスト値算出手段により算出さ
   れるコントラスト値を検出することにより、コントラス
   ト値が最大となる合焦位置を検出し、前記ステージ及び
   ／又は前記光学系を該合焦位置に移動させる制御手段
   と、 を備えることを特徴とする赤外顕微鏡。