JPH07117639B2

JPH07117639B2 - 自動焦点装置を備えた顕微鏡

Info

Publication number: JPH07117639B2
Application number: JP7427292A
Authority: JP
Inventors: 正美川崎
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH0580247A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動焦点装置を備えた
顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来顕微鏡における自動焦点装置として
は、対物レンズと試料表面との距離をレーザー光線等で
測定することにより焦点合せを行なう方式や対物レンズ
先端部から試料面に向けてエアーを噴出させてその圧力
変化により距離を測定して焦点合せを行なう方式等が知
られている。しかしながらこれらの方式においては、特
に生物用顕微鏡の場合に例えばカバーガラスの厚さのバ
ラツキ等により合焦位置のずれが生じるため、正確な焦
点合せが困難となり、また対物レンズの同焦の違いによ
るバラツキも問題になる。

【０００３】さらに、撮像素子を用いた方式の顕微鏡の
場合には、複雑な顕微鏡操作により条件設定した後、撮
像素子に必要な条件を満たして初めて焦点合せが可能に
なるため、自動焦点方式とするには不適当であった。ま
た低倍率の対物レンズを使用した顕微鏡による写真撮影
を行なう場合には、物体側の被写界深度が深いため接眼
レンズを通して観察することにより焦点合せを行なうと
焦点がどこにあっても目の調節作用により焦点があって
いるように観察され、一方像側では焦点深度が浅いため
フィルム面においては良好なピント合せが行なわれ得な
いという欠点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】又、顕微鏡の自動焦点
調整を行う場合、撮像素子で得られた光量に基づいてス
テージを上下動させて、合焦位置を検出して停止させる
ようになっているが、従来の装置では、任意位置にある
ステージを撮像素子の受光量に応じて単に上下動させて
調整するため、合焦位置にステージを持ち来すのに時間
がかかる欠点があった。しかもステージの駆動速度によ
ってはオーバーランを起こすので、合焦位置付近で前後
動させることになり、短時間で正確に合焦位置にステー
ジを停止させるのは困難でもあった。

【０００５】本発明は、このような問題点に鑑み、自動
焦点調整時に迅速且つ正確に合焦位置にステージを移動
及び停止できるようにした自動焦点装置を備えた顕微鏡
を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による自動焦点装
置を備えた顕微鏡は、撮像素子で受光された光量に基づ
いて焦準駆動部によってステージを上下動させ、合焦位
置でステージを停止させるようにした、自動焦点装置を
備えた顕微鏡において、対物レンズの合焦位置より光路
方向に若干ずれた位置を基準位置として設定して記憶す
る手段と、焦点調整時にステージを基準位置に移動させ
る基準位置移動手段と、この基準位置から所定間隔毎に
合焦位置方向にステージを移動させる手段と、合焦位置
でステージを停止させるステージ停止手段とを備えたこ
とを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】焦点調整時にステージを基準位置まで移動さ
せ、撮像素子で得られた撮像データに基づいて所定間隔
づつ対物レンズの合焦位置方向にステージを移動させ、
撮像素子で得られるデータが合焦位置を検出した位置で
ステージを停止させる。

【０００８】

【実施例】以下図面に基づき本発明の概略について説明
する。図１は本発明の基礎となる顕微鏡の光学系を示し
ており、１は例えばハロゲンランプの如き光源、２はコ
レクターレンズ、３は光源１の色温度を変えずに調光す
るための複数枚のＮＤフィルターから成るＮＤフィルタ
ーユニット、４は視野絞り、５は開口絞り、６は光路中
に選択的に挿入され得る複数のユニット６ａ，６ｂ，６
ｃから成るコンデンサーレンズ、７はステージ、８は各
々レボルバー９に取付けられたユニット８ａ，８ｂ，８
ｃから成る対物レンズ、１０，１１は必要に応じて光路
を観察系または写真撮影系に切り換えるために光路中に
挿脱可能に配設されたビームスプリッタ、１２は接眼光
学系、１３は写真撮影用光路中に選択的に挿入され得る
複数のユニット１３ａ，１３ｂ，１３ｃから成る撮影レ
ンズ、１４は写真撮影のために結像レンズ，フレアー等
の有害光除去用スリットを介して測光用受光素子１５に
一定の割合で光量を分割するビームスプリッタ、１６は
結像レンズ及びカメラ用シャッタ１７を介してカメラ１
８のフィルム面にそして他の結像レンズを介してピント
検出用撮像素子１９に光量を分割するビームスプリッ
タ、２０は自動焦準用の光束分割チョッパである。

【０００９】次に図２には図１の光学系を有する顕微鏡
の制御システムのブロック図が示されている。２１はピ
ント検出用撮像素子１９の制御及びその出力信号を処理
する撮像信号処理回路、２２は写真撮影の際にシャッタ
１７を駆動しまたカメラ１８のフィルム巻上げを行なう
駆動回路、２３は受光素子１５からの出力によりダイレ
クト測光を行なう測光回路、２４は撮影レンズ１３の倍
率選択を行なう切換駆動部、２５はビームスプリッタ１
０，１１の挿脱を行なう光路切換駆動部、２６は対物レ
ンズ８を切り換える切換駆動部、２７はステージ７を上
下動せしめる焦準駆動部、２８はコンデンサーレンズ６
の切換えを行なう切換駆動部、２９は開口絞り５及び視
野絞り４のための制御駆動部、３０はＮＤフィルター３
の選択切換を行なう切換駆動部、３１は光源１の調光を
行なう光源装置である。ここで各駆動部２４乃至３０は
同時に切換状態，制御状態等を検出し得るように構成さ
れている。３２はＣＰＵ、３３はマイクロコンピュータ
を含む自動露出演算制御部、３４は写真撮影に必要なフ
ィルムデータまたはレリーズ等の操作ボタンを含む撮影
操作表示部、３５は対物レンズデータ，フィルムデー
タ，自動焦準用データ等を記憶する記憶部で、必要に応
じてバッテリーによりバックアップされている。３６は
各駆動部に対して必要な操作スイッチ，自動焦準用スイ
ッチ，対物レンズデータセットに必要な操作スイッチ等
を含む操作表示部である。

【００１０】このように構成された顕微鏡に関して、次
にその動作を説明する。先づ電源が投入されると、ＣＰ
Ｕ３２は対物レンズ切換駆動部２６から光路中に挿入さ
れている対物レンズ８に関する信号が入力されることに
より該対物レンズについての倍率及び種別（開口数）を
記憶部３５から読み出し、これらのデータから適正なコ
ンデンサーレンズ６を選定しコンデンサーレンズ切換駆
動部２８を介してコンデンサーレンズ６の切換えを行な
い、同時に開口絞り５，視野絞り４の適正な絞り径を演
算し絞り制御駆動部を介して絞り径の設定を行なう。さ
らにＣＰＵ３２は読み出した対物レンズデータに基づき
光源１の光量，ＮＤフィルター３の組合せを選定し、光
源装置３１，ＮＤフィルター切換駆動部３０を介して所
定の標準的な明るさに設定する。かくして、電源を投入
すると自動的に照明光は標準状態に設定され得る。ま
た、対物レンズ，撮影レンズ等を切換えた場合にも、こ
れらの切換情報がＣＰＵ３２に入力され、同様に自動設
定が行なわれ得る。さらに、カメラのフィルムデータ
（ＡＳＡ値等）が記憶部３５に記憶されており、電源投
入と同時に撮影可能状態にあるフィルムのデータが記憶
部３５から読み出され自動露出演算制御部３３において
演算されて、撮影操作表示部３４にて表示を行ない且つ
露出を決定する。一方、ピント検出用撮像素子１９から
の撮像信号がＣＰＵ３２に入力されると、ＣＰＵ３２は
そのとき光路中にある対物レンズデータに基づき該撮像
信号から合焦状態を演算判別し焦準駆動部２７を介して
ステージ７を駆動し、かくして自動焦点合せが行なわれ
る。

【００１１】以上が本発明の概要であるが、次に本発明
の一実施例について図面に基づき詳しく説明する。図３
は本発明による顕微鏡の制御装置５０を示しており、５
１はＣＰＵ、５２はバッテリー５３により電源遮断時に
バックアップされるＲＡＭ、５４はプログラムメモリと
してのＲＯＭ、５５は演算精度及び時間短縮のために使
用される演算器、５６は制御装置５０のコントロールを
外部から行なう外部制御装置５７のためのインターフェ
ース、５８は写真撮影装置５９のためのインターフェー
ス、６０は光路切換，レボルバー等のすべての駆動部と
ＣＰＵ５１とのデータ及び信号の受渡しを行なうＩ／Ｏ
ポートである。６１は自動焦点合せのための一次元イメ
ージセンサーを使用した撮像素子、６２は撮像素子６１
の駆動及び撮像信号処理回路、６３はＡ／Ｄ変換器であ
る。６４は操作スイッチ及び表示器を含む操作パネル
で、対物レンズに関するデータの入出力信号，各駆動部
への切換信号等をインターフェース６５を介してＩ／Ｏ
ポート６０に入出力する。

【００１２】６６は撮影レンズ６７を切換えるための駆
動部、６８は観察系と写真撮影系に光路を切換えるビー
ムスプリッタ６９の駆動部で、同時に光路が何れである
かを検出してその検出信号をＣＰＵ５１に出力し得る。
７０はレボルバー７１を回転駆動させる対物レンズ切換
駆動部で、同時にレボルバー７１の位置即ち光路に挿入
されている対物レンズを検出し得る。７２はステージ７
３を上下動させて焦点合せを行なう焦準ステージ駆動
部、７４はコンデンサーレンズ７５を対物レンズの倍率
に応じて切換える切換駆動部、７６は開口絞り７７の絞
り径を制御する制御駆動部、７８は視野絞り７９の絞り
径を制御する制御駆動部、８０は調光のために使用する
ＮＤフィルターユニット８１を切換えて透過光量比を調
整する切換駆動部、８２は光源８３を調光するための調
光回路、８４は自動焦点合せのために使用される瞳分割
用チョッパ８５のための駆動部である。

【００１３】図４は操作パネル６４の一例を示してお
り、８６は操作パネル、８７は対物レンズの倍率及び種
別（SPLAN,SPLAN APO,DPLAN 等）を入力するためのスイ
ッチ、８８は対物レンズの倍率表示器、８９は対物レン
ズの種別表示器、９０は光路を観察系，写真撮影光学系
等に切換えるためのスイッチ、９１は使用状態に切換え
られている光路の種別を示す表示器、９２，９３は各々
視野絞り７９，開口絞り７７を手動により適当な絞り径
に調整するためのスイッチ、９４は調光用のスイッチ、
９５は撮影レンズ６７の倍率切換スイッチ、９６は撮影
レンズの倍率表示器、９７は焦準ステージ駆動のための
スイッチ、９８はレボルバー起動スイッチ、９９は自動
焦点合せ起動スイッチである。

【００１４】本実施例は以上のように構成されており、
最初に対物レンズのデータセット及びそれに関連する動
作について説明する。ここで一例としてレボルバー７１
の光路上に対物レンズＳＰＬＡＮ１０×が切換挿入さ
れている場合について説明すれば、操作パネル８６上に
おいてスイッチ８７により倍率１０×，種別ＳＰＬＡＮ
を選択しセット入力すると、この情報はインターフェー
ス６５及びＩ／Ｏポート６０を介してＣＰＵ５１に入力
される。ＣＰＵ５１はレボルバー７１の光路上の対物レ
ンズ位置を対物レンズ切換駆動部７０により読み出し、
そのレボルバー位置と操作パネル８６からの情報とによ
り対物データテーブル１００（図５）を作成し、ＲＡＭ
５２に記憶させる。この対物データテーブル１００は、
レボルバー位置データに対応して対物レンズの倍率及び
種別を含み、図５の場合六ヶ所のレボルバー位置に関し
て対物データテーブル１００が作成されるようになって
いる。

【００１５】そしてＣＰＵ５１は常に対物データテーブ
ル１００をモニターして次の演算及び制御を行なう。即
ちＣＰＵ５１は対物データテーブル１００により図６の
テーブルからコンデンサーレンズ７５の倍率を決定して
コンデンサーレンズ切換駆動部７４へ切換データを出力
し、適正なコンデンサーレンズへの切換が行なわれる。
ここでコンデンサーレンズ７０は対物レンズの倍率によ
って三段階に切換えられる。その後、さらに最良の観察
条件を設定するために、対物データテーブル１００から
視野絞り７９，開口絞り７７の絞り径が決定されるが、
先づ視野絞り７９の絞り径の求め方を説明する。視野絞
りの絞り径ｄ₁は次式により演算される。ｄ₁＝〔ＦＮo.（視野数）／（対物レンズ倍率×ＦＳ投影倍率）〕×Ｋ１・・・・ここで、ＦＮo.（視野数）は図７のテーブルに示されて
いるように光路が観察系（Ｂｉ）であるか又は写真撮影
系（ＦＫ）光路における撮影レンズ６７の倍率により決
まり、ＦＳ投影倍率は前出の図６のテーブルに示されて
いるようにコンデンサーレンズ７５の倍率により決ま
る。またＫ１は視野に対する比率で、Ｋ１＝１ならば
式で演算された値ｄ₁は視野外接の絞り径を与えるが、
本実施例では対物レンズのデータセット時及び電源投入
時はＫ１＝１として視野絞り７９の絞り径ｄ₁が決定さ
れるようになっており、従って光路が観察系であっても
写真撮影系であっても視野絞りは常に式により視野外
接の絞り径ｄ₁に設定されることになる。

【００１６】次に開口絞り７７の絞り径ｄ₂は次式によ
り演算される。ｄ₂＝ＮＡ×２×ｆ×Ｋ２・・・・ここでＮＡは図６のテーブルに示したように対物レンズ
の倍率及び種別により決まる開口値、ｆは同様に図６の
テーブルから求められるコンデンサーレンズ７５の焦点
距離である。またＫ２は瞳径に対する比率で、Ｋ２＝１
ならば式から得られた値ｄ₂は瞳径の１００％の絞り
径を与えるが、本実施例では対物レンズのデータセット
時及び電源投入時はＫ２＝０．８として開口絞り７７の
絞り径ｄ ₂が観察時に最適とされている対物レンズの瞳
径の８０％に初期設定されるようになっている。尚、図
６及び図７のテーブルはＲＯＭ５４に記憶されている。
ここで対物レンズがＳＰＬＡＮ１０×で光路が観察系
である場合、自動設定される各絞り径ｄ₁，ｄ₂は以下
のように演算される。図６及び図７のテーブルよりＦＮ
o.＝２８，ＦＳ投影倍率＝０．１３３が得られ、またＫ
１＝１とすれば、式よりｄ₁＝〔２８／（１０×０．１３３）〕×１≒２１．１（mm）となり、同様にして図６のテーブルからＮＡ＝０．３，
ｆ＝１２が得られ、またＫ２＝０．８とすれば式か
ら、ｄ₂＝０．３×２×１２×０．８≒５．８（mm）が求められる。

【００１７】以上の演算はＣＰＵ５１及び演算器５５に
よって行なわれ、その演算結果により視野絞り制御駆動
部７８及び開口絞り制御駆動部７６を介して視野絞り７
９及び開口絞り７７が前記絞り径ｄ₁，ｄ₂に設定され
る。図８は視野絞り７９または開口絞り７７の制御を示
すブロック図であり、１１０はＤ／Ａ変換器、１１１，
１１２はアンプ、１１３はモータ駆動回路、１１４はモ
ータ、１１５はギヤを介してモータ１１４により開閉さ
れる絞り機構、１１６は絞り機構１１５の位置をギヤに
より検出するポテンショメータである。前述のように演
算された絞り径は、デジタル変換されるが、ここで８ビ
ットのデジタル変換を行なう場合、絞り径の範囲を０〜
３４mmとすると、Ｄ／Ａデータ＝視野絞り径×7.５ ∴Ｄ／Ａデータ＝〔ＦＮo.（視野数）／（対物レンズ倍率×ＦＳ投影倍率）〕 ×Ｋ１×７.５・・・・となるから、分解能は０．１３mm／ビットとなる。

【００１８】８ビットにデジタル変換されたデータはＣ
ＰＵ５１からＩ／Ｏポート６０を介してＤ／Ａ変換器１
１０に入力され、ここでアナログ信号に変換されアンプ
１１１により増幅されてモータ駆動回路１１３によって
モータ１１４を駆動する。従って絞り機構１１５が開閉
され得るが、その位置がポテンショメータ１１６により
常にモニターされアンプ１１２を介してアンプ１１１に
フィードバックされているので、所定の絞り径に制御さ
れ得る。

【００１９】次に対物レンズデータセット時に観察に対
して最適な明るさにするための自動設定の動作について
説明する。観察光の像面における照度Ｌは次のように表
わされる。Ｌ＝ＬＡ×ＮＤ×ＡＳ×Ｏｂ×Ｂｉ（ｌｘ）・・・・ここで、ＮＤは例えば図９に示されているような複数枚
（ここでは４枚）のＮＤフィルターＮＤ０，ＮＤ１，Ｎ
Ｄ２，ＮＤ３の組合せにより透過率を変更するようにし
たＮＤフィルターユニット１２０（実願昭５７−３４６
４５号）によって与えられる光量比で、各ＮＤフィルタ
ーがモータ１２１により駆動されるカム１２２によりレ
バー１２３を示して光路に挿脱されることにより図１０
に示すように１１段階に制御され、図９ではＮＤ０及び
ＮＤ２が光路中に挿入されており、図１０より光量比Ｎ
Ｄ＝１／１６が与えられている。ＡＳは開口絞り７７の
明るさ比で、瞳径の８０％を標準値とすると明るさ比Ａ
Ｓは、０．８²＝０．６４となる。Ｂｉは図１１に示さ
れているようにＢｉ１００％の光路を１としたときの
光量比、Ｏｂは図１２で示されているように対物レンズ
の倍率及び種別から参照する光量比であり対物レンズSP
LAN １０×を基準として１にとっている。ＬＡは対物レ
ンズSPLAN １０×，光量比ＮＤ＝１，明るさ比ＡＳ＝
１，Ｂｉ１００％の光路における像面照度であり、本
実施例ではＬＡ＝１８９ｌｘを定数として使用する。

【００２０】この状態で像面照度Ｌを常に０．５〜１ｌ
ｘの範囲に維持するには、なる目標値により式から従って、ＮＤ＝0.707 ／（ 189×0.64×Ob×Bi）＝ 5.84×10^-3／（ Ob ×Bi）・・・・が得られ、ＮＤフィルターの光量比の目標値が与えられ
る。

【００２１】ところで、ＮＤフィルターユニット１２０
は４枚のＮＤフィルターの組み合わせで構成されている
ので、式によるＮＤの目標値は２^1/4の分解能で与え
られなければならない。そこで式において２^1/4 を
底とする対数をとると、 log ａND = -30 - log a Ob - log ａBi ・・・・となる。従って実際のＮＤフィルターの組合せを求める
ためには、図１２のテーブルから対物レンズに対応して
log a Ob を求め、また図１１のテーブルからlog a Bi
を求めて式よりlog a NDが得られる。かくしてこのlo
g a NDに対応して図１３に示されているテーブルに基づ
き光量比ＮＤが得られ、この光量比ＮＤを与えるような
ＮＤフィルターの制御が図１０に従ってＮＤフィルター
切換駆動部８０により行なわれる。尚、図１０乃至図１
３のテーブルは必要に応じて読み出されるデータとして
ＲＯＭ５４に記憶されている。

【００２２】ここで、対物レンズＳＰＬＡＮ１０×，
Ｂｉ２０％の光路の場合には、図１１及び図１２よりlo
g a Bi＝−９，log a Ob＝０となり、式から log a ND＝ -30 - 0 - (-9) = - 21 が得られ、図１３のテーブルよりＮＤ＝１／３２とな
り、図１０のテーブルによれば、ＮＤ０及びＮＤ３が光
路に挿入されれば適正な明るさが得られる。従って、Ｃ
ＰＵ５１はＮＤフィルター切換駆動部８０に信号を出力
してＮＤフィルターＮＤ０及びＮＤ３を光路内に挿入せ
しめ、観察系の明るさが最適に而も一定に設定され得
る。

【００２３】かくして、対物レンズのデータセット時の
一連の関連動作が行なわれるが、複数の対物レンズのデ
ータセットをする場合各対物レンズについて上記動作が
行なわれる。また一度セットされた対物レンズのデータ
は図５の対物データテーブル１００としてレボルバー位
置と共にＲＡＭ５２に記憶され、ＲＡＭ５２はバッテリ
ー５３により電源遮断時にもバックアップされているの
で、最初に一回だけセット操作すればよい。さらに、対
物データテーブル１００が記憶されているから、例えば
レボルバー７１を切換えると、そのレボルバー位置が検
出され、対物データテーブル１００により対物レンズの
倍率及び種別が読み出され、ＣＰＵ５１が前述の如く演
算し又はＲＯＭに記憶されたテーブルのデータを参照し
て自動的に最適なコンデンサーレンズ７５，視野絞り７
９及び開口絞り７７の絞り径，ＮＤフィルターユニット
８１の組合せを決定して各駆動部に信号を出力し自動設
定を行なう。尚、対物レンズの切換時だけでなく、観察
系（Ｂｉ）光路の切換，撮影レンズ６７の切換等の場合
にも全く同様に上記自動設定が行なわれるので、観察者
は顕微鏡の複雑な操作から開放され且つ操作ミスのない
検鏡を行なうことができる。

【００２４】以上のようにデータセット及びその関連動
作が行なわれた後に、自動焦点合せのための光学系バッ
クグラウンドデータが入力されるが、これはステージ７
３の試料面に何も置かない状態で撮像素子６１に投影さ
れる像の照明ムラ及び光学系のムラ並びに撮像素子６１
に固定的に存在するノイズパターンを自動焦点合せに対
して補正するために行なわれる。而もこの補正データ入
力シーケンスは、ＲＡＭ５２の対物データテーブル１０
０により最適の投影像データとして入力するようにＮＤ
フィルターユニット８１，視野絞り７９，開口絞り７７
のデータを設定する。瞳分割用チョッパ８５により瞳分
割された二つの投影像データＡ，Ｂは撮像素子６１によ
り図１４の如く得られ、このデータが補正データとして
使用される。ここで、ｘ軸は撮像素子のビットを、ｙ軸
は撮像素子の各ビットの出力信号即ち光量を示してい
る。このデータに基づき各ビットの補正係数を求める
と、補正データＡ，Ｂに対する補正係数Ａ′，Ｂ′は図
１５のように表わされ、該補正係数Ａ′，Ｂ′はＲＡＭ
５２に入力して対物データテーブル１００と対比させる
ことにより、レボルバー７１に接続される対物レンズの
各々についての補正係数を順次ＲＡＭ５２に記憶させ
て、自動焦点合せの際に撮像素子６１からの投影像デー
タが入力されるときには該投影像データを補正係数演算
して、投影像データの精度が向上せしめられる。

【００２５】この補正データ入力シーケンスの後、ＮＤ
フィルター８１，視野絞り７９，開口絞り７７は各々観
察に対して最良の条件を示すように決定された前述の値
に設定される。対物レンズのデータセット及びそれに関
連する動作は以上のように行なわれるが、これをまとめ
ると図１６のフローチャートに示す通りである。

【００２６】次に自動焦点合せについて説明する。図１
７は、自動焦点合せのための制御回路のブロック図であ
り、１３０はアンプ、１３１はサンプルホールド回路で
ある。撮像素子６１に投影された像に対する撮像信号
は、アンプ１３０で増幅されサンプルホールド回路１３
１を介してＡ／Ｄ変換器６３により５１２ビットの画素
情報信号からデジタル信号に変換され、ＣＰＵ５１に入
力された後、ＲＡＭ５２内に記憶される。このとき、前
述した通り予めＲＡＭ５２に記憶されている（対物レン
ズ切換駆動部７０により検出された対物レンズに対応す
る）補正係数により演算器５５で補正係数演算が行なわ
れてから、撮像信号はＲＡＭ５２に記憶されるようにな
っている。またＣＰＵ５１は、チョッパ駆動部８４を介
して瞳分割用チョッパを駆動せしめることにより図１８
に示すように光学系瞳位置をＡ，Ｂに分割切換するの
で、瞳位置Ａ，Ｂに対する撮像素子６１からの撮像信号
に基づき合焦算出のための演算が演算器５５で行なわ
れ、その演算の結果ステージ７３の移動量が求められ、
これがＣＰＵ５１に入力されることにより、ＣＰＵ４１
は焦準ステージ駆動部７２を介してステージ７３を合焦
位置に駆動せしめる。

【００２７】尚ここで瞳分割による焦点合せの光学的原
理を説明しておく。図１８において、１３２は結像レン
ズ，１３３は結像レンズ１３２の前側で瞳の近傍に配設
された開口１３３ａを有する遮光板、１３４は像面であ
り、遮光板１３３の開口１３３ａが図１８（ａ）の如く
位置Ａにある場合、合焦時には像面３上に像Ｑが結像さ
れ、非合焦時には像Ｑに関して光軸Ｏに垂直方向にずれ
た像面１３４上の位置にボケた像Ｑ₁，Ｑ₂が形成さ
れ、また遮光板１３３の開口１３３ａが図１８（ｂ）の
如く位置Ｂにある場合、合焦時には像面３上に像Ｑ′が
結像され、非合焦時には同様にボケた像Ｑ₁′，Ｑ₂′
が形成される。

【００２８】かくして遮光板１３３の開口１３３ａを位
置ＡからＢまたはその逆に移動させたとき、合焦時の像
Ｑ及びＱ′は全く同一で移動しないが、非合焦時の像は
Ｑ₁からＱ₁′へ又はその逆にもしくはＱ₂からＱ₂′
へ又はその逆に移動する。従って、像面１３４上に撮像
素子を配設して像の移動状態を検出することにより、合
焦か否か、また非合焦の場合前ピンか後ピンか、そして
その場合のピントのずれ量を知ることができる。この原
理に基づき、瞳分割用チョッパで分割された二つの瞳位
置に関する撮像信号は図１９（ａ）において各々ｆ_A，
ｆ_Bにより示され、このｆ_A，ｆ_Bから相関演算式によりｆ_Aに対してｆ_Bをδだけずらした相関演算を行
ない、Ｒ（δ）の最小値を与えるδ′（図１９（ｂ）参
照）がこの場合の位相差となる。但し、ＡＢＳ｛α｝は
αの絶対値を示す。尚図１９にて斜線で示された部分の
面積は式でδ＝０としたＲ（０）で表わされる。かく
して自動焦点合せはこのδ′を０にするように制御する
ことにより行なわれる。

【００２９】図２０は瞳分割用チョッパの一実施例を示
しており、１３５はチョッパで、回転軸１３６の周りに
回動可能に配設されていて、（ａ）の位置では瞳１３７
の下半分を通る光束のみが開口部１３５ａを通過して撮
像素子に達し、（ｂ）位置では瞳１３７の上半分を通る
光束のみがチョッパ１３５の外側を通って撮影素子に達
するようにして瞳分割が行なわれ得、瞳分割を行わない
場合には（ｃ）の如く全体が瞳１３７の外側に退避せし
められる。さらに後述するコントラスト値を求める場合
には、チョッパ１３５は図２０（ａ）又は（ｂ）の位置
に設定されればよいが、この実施例では（ａ）の位置に
設定されるようになっている。また撮像素子は例えば５
１２個の電荷蓄積モードで動作するフォトダイオードか
ら成るフォトダイオードアレイにより構成されていて、
その出力信号は入射光量（ｆｔ−Ｄｄ）×繰返し走査時
間（秒）に比例し図２１に示す通りである。尚、この出
力信号は飽和点を有するため、撮像素子に対して適切な
光量が与えられるように、対物データテーブル１００に
基づきＣＰＵ５１が光源８３のための調光回路８２及び
ＮＤフィルターユニットの切換駆動部８０を制御すると
共に、撮像素子駆動回路６１に適当な繰返し走査時間に
対する情報を与えることにより、最適な電荷蓄積時間に
設定され得る。

【００３０】ここで照明光学系の自動制御の説明につい
て簡単に述べたバックグラウンドデータ入力について図
２２のフローチャートに従いさらに詳しく説明する。操
作パネル６４により対物レンズのデータが入力される
と、対物レンズに応じたコンデンサーレンズ７５，開口
絞り７７，視野絞り７９，ＮＤフィルター８１が最適に
切換及び制御されると同時にバックグラウンドデータの
入力シーケンスが開始される。先づ、ステージ７３が焦
準ステージ駆動部７２によりピント位置より下方に設定
された基準位置に駆動せしめられる。この基準位置は以
下のように設定される。図２３において、１４０は対物
レンズ，１４１はステージ７３の上限位置，１４２はス
テージ７３の下限位置，１４３はピント位置，１４４は
基準位置で、ピント位置１４３よりスライドグラス７３
ａ及びカバーグラス７３ｂの最大厚だけ下方に在る。１
４５，１４６，１４７は位置１４１，１４２，１４４を
検出するためのフォトセンサーの如き位置センサーであ
る。

【００３１】従って、位置センサー１４７により検出が
行なわれたときに駆動部７２を停止させれば、ステージ
７３は基準位置１４４に停止せしめられ、カバーグラス
７３ｂ及びスライドグラス７３ａの厚さのバラツキによ
り実際のピント位置を与えるステージ７３の位置は必ず
基準位置１４４の上方に在ることになる。またステージ
７３が上限位置１４１または下限位置１４２に持ち来さ
れると、各センサー１４５，１４６がこれを検出して駆
動部７２を停止せしめ、自動焦点合せの際には好ましく
は同時に非合焦の表示が行なわれ得る。かくしてステー
ジ７３が基準位置に駆動せしめられると同時に、ビーム
スプリッタ１６（図１及び図２参照）が切換駆動され
て、撮像素子１９への光路が構成される。

【００３２】また対物レンズデータに基づき開口絞り７
７及び視野絞り７９が各制御駆動部７６及び７８により
最適な絞り径に駆動され、さらに光源８３のための調光
装置８２及びＮＤフィルターユニット８１のための切換
駆動部８０が、撮像素子６１に対して最適な光量を得る
ように制御される。同時に撮影レンズ６７を５倍にする
ようにその駆動部６６が制御される。尚、撮影レンズ６
７を５倍にするのは、撮像素子６１上に結像された投影
像の分解能と撮像素子自体の分解能を整合させるためで
あり、撮影レンズの分解能Δｘは、 Δｘ＝ΔＺ×ＮＡ＝０．５λ／ＮＡ（但し ΔＺ＝λ／（２ＮＡ²）（焦点深度））で表わされ、５倍拡大系の場合には、対物レンズ後側の
ＮＡを一般的に０．０４とすれば、５倍拡大系の像側で
はＮＡ＝０．００８となり、λ≒０．５とすると、Δｘ
＝３１．２５（μｍ）となる。ここで使用されている撮
像素子の各センサー間のピッチは２８μｍであるから、
この５倍拡大系による投影像に対して十分な撮像データ
分解能を得ることができる。

【００３３】かくして撮影レンズ６７が５倍に切換えら
れた後、対物レンズデータから撮像素子６１のダイナミ
ックレンジを有効に使うために適当な撮像素子電荷蓄積
時間が演算され、駆動及び撮像信号処理回路６２にコン
トロールデータとして送られる。各駆動部６６，６８，
７４，７６，７８，８０，８２が各々指定された状態に
作動したことをＣＰＵ５１が確認した後、チョッパ駆動
部８４により瞳分割用チョッパ８５が第一の瞳分割位置
（例えば図２０（ａ）の位置）Ａに駆動せしめられ、こ
のときの撮像素子６１からの撮像素子データがＣＰＵ５
１及び演算部５５で演算処理され、各ビットの補正係数
としてＲＡＭ５２に記憶される。次に該チョッパ８５が
第二の瞳分割位置（例えば図２０（ｂ）の位置）Ｂに駆
動せしめられ、同様にしてこのときの補正係数がＲＡＭ
５２に記憶される。これは、対物レンズを切換えた場合
各対物レンズに対して行なわれ得る。

【００３４】かくして補正係数がＲＡＭ５２に入力され
た後、撮影レンズ６７，光源８３，ＮＤフィルターユニ
ット８１，開口絞り７７，視野絞り７９及びビームスプ
リッタ１６は最初の位置または設定状態に復帰せしめら
れ、チョッパ８５は光路外（図２０（ｃ）の位置）にハ
ネノケられる。

【００３５】以上のようにバックグラウンドデータ入力
のシーケンスが実行されることにより、この後行なわれ
る自動焦準の際に得られる試料像の撮像データがバック
グラウンドデータとして記憶された補正係数により演算
処理されて、より高い精度の自動焦点合せが可能にな
る。

【００３６】次に自動焦点合せの動作を図２４及び図２
５のフローチャートに従って対物レンズＳＰＬＡＮ１
０×の場合について説明する。先づ自動焦点合せのため
の光学系の条件設定を行なう。操作パネル８６のスイッ
チ９９を押すと、ＣＰＵ５１は、その時どのような光路
であっても、各ビームスプリッタの切換状態をＲＡＭ５
２に記憶させると共に、光路切換駆動部によりビームス
プリッタ１６（図１参照）を駆動することにより撮像素
子６１に至る光路が形成される。また、その時の開口絞
り７７及び視野絞り７９の絞り値，ＮＤフィルターユニ
ット８１の切換状態，光源８３の調光状態が各々ＲＡＮ
５２に記憶されると共に、バックグラウンドデータ入力
の際になされたように開口絞り７７，視野絞り７９，Ｎ
Ｄフィルターユニット８１及び光源８３は各々撮像素子
６１上の投影像が最適となるように設定される。

【００３７】即ち、対物データテーブル１００に基づき
光路中に挿入されている対物レンズに従って、開口絞り
７７の絞り径は式でＫ２＝１としたときに得られる
（瞳径に対して１００％の）絞り径，視野絞り７９の絞
り径は式でＫ１＝１としたときに得られる（視野外接
の）絞り径，ＮＤフィルターユニット８１及び光源８３
は式から得られる像面照度の係数０．７０７を１とするような値に、各々ＣＰＵ５
１及び演算器５５により演算されて、各駆動部及び調光
回路により設定される。さらに、撮像素子６１に対する
投影像の分解能を上げるために、撮影レンズ６７が５倍
に切換設定される。

【００３８】以上の設定が行なわれた後これをＣＰＵ５
１が確認すると、瞳分割用チョッパ８５がチョッパ駆動
部８４により第一の瞳分解位置（図２０（ａ））Ａに移
動せしめられ、同時にステージ７３の位置が検出され
る。ステージ７３が基準位置１４４より上方にあるとき
は、瞳分解位置Ａにおける撮像データが撮像素子６１か
らＣＰＵ５１に入力され、ＣＰＵ５１はこの撮像データ
をバックグラウンドデータとしてＲＡＭ５２に記憶され
ている補正係数により演算処理してｆ_Aを得、これをＲ
ＡＭ５２に記憶すると共に、コントラスト値を演算す
る。ここでコントラスト値の演算は例えば図２６により
次のように行なわれる。撮像素子６１上の５１２ビット
のセンサーをａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの五群に分け、ｆ(x)
をｘビット目の信号としｘを４つおきに計算すれば、コ
ントラストＣはで表わされる。これは、各々５ビット離れたセンサーの
信号の差の絶対値を４ビット毎に計算していることにな
る。

【００３９】従ってａ群のコントラストＣａはとなる。同様にして各群のコントラストを演算して全体
のコントラスト値を演算する。

【００４０】このようにして演算されたコントラスト値
が予め設定されたしきい値以下であるとき、そしてステ
ージ７３が基準位置１４４より下方にある場合には、ス
テージ７３がステージ駆動部７２により基準位置１４４
に移動せしめられ、再び瞳位置Ａにおける撮像データが
演算処理され、ＲＡＭ５２に記憶されると共にコントラ
スト値が演算される。ここでコントラスト値がしきい値
以下であれば、ステージ７３が１００μｍだけ上方へ移
動せしめられ、このときのステージ７３の位置が上限位
置１４１でないことを確認した後再び瞳位置Ａにおける
撮像データが演算処理され、ＲＡＭ５２に記憶されると
共にコントラスト値が演算され、この動作はコントラス
ト値がしきい値以上になるまで繰返されるが、途中でス
テージ７３がその上限位置１４１に達すると位置センサ
ー１４５によりこれが検出されることによって上記動作
は中断され、さらに操作パネル６４上に非合焦の表示が
行なわれる。

【００４１】コントラスト値がしきい値以上になると、
瞳分割用チョッパ８５がチョッパ駆動部８４により第二
の瞳分割位置（図２０（ｂ））Ｂに移動せしめられ、瞳
分割位置Ｂにおける撮像データが撮像素子６１からＣＰ
Ｕ５１に入力され、ＣＰＵ５１はこの撮像データを、バ
ックグラウンドデータ入力としてＲＡＭ５２に記憶され
ている補正係数により演算処理してｆ_Bを得、先づＲＡ
Ｍ５２に記憶されたｆ _Aを読み出して演算器５５により
式に示した相関演算を行ってＲ（δ）の最小値を与え
るδ′（位相差）を求め、この位相差δ′に基づき、ス
テージ７３の移動量を決定してステージ駆動部７２によ
りステージ７３を移動せしめる。続いて再び瞳分割用チ
ョッパ８５を駆動せしめて瞳位置Ａ，Ｂにおける撮像デ
ータｆ_A，ｆ_Bを演算してその相関演算によるＲ（δ）
の最小値を与えるδ′を求め、δ′が０になるまで相関
演算の動作は繰返される。δ′が０になることにより合
焦が確認され上記動作が中断され、操作パネル６４上に
合焦の表示が行なわれる。

【００４２】かくして操作パネル６４上に合焦または非
合焦の表面が行なわれた後、自動焦点合せの動作の最初
にＲＡＭ５２に記憶されたデータに基づいて、各光学系
要素は、自動焦点合せ以前の状態に復帰せしめられる。
即ち、瞳分割用チョッパ８５は光路外（図２０（ｃ））
に退避せしめられ、撮影レンズ６７が元の倍率に切換え
られ、開口絞り７７，視野絞り７９，ＮＤフィルターユ
ニット及び光源８３が元の制御及び切換状態に戻され
る。さらにビームスプリッタ１６が光路内に挿入されて
写真撮影系の光路が構成される。以上で自動焦点合せの
動作が完了する。

【００４３】上述の如く、本実施例によれば、１）焦点合せの操作が自動化されたことにより検鏡者の
操作が容易となり操作ミスが防止され且つ所要時間が短
縮され、また焦点合せの精度が向上する。２）撮像データの補正係数がバックグラウンドデータと
してＲＡＭに記憶されていることにより焦点合せ精度が
向上し、さらに該補正係数の入力が簡単に行なわれるこ
とにより操作性が向上する。３）自動焦点合せの際に各光学系要素は自動的にこれに
適した状態に設定され、自動焦点合せ終了後は各光学系
要素は自動的にそれ以前の状態に復帰せしめられる。４）自動焦点合せの際に絞り、明るさ等の光学的条件が
対物レンズデータに基づき最適値に演算され自動的に設
定されることにより、撮像データの精度が向上する。５）自動焦点合せのために、対物レンズの合焦位置の近
傍にステージの基準位置を設けることにより、焦点合せ
時間が大幅に短縮され、特に高倍の対物レンズにおける
焦点合せの場合に有効であって、ステージの位置をモニ
ターしながら自動焦点合せの動作が行なわれるので、撮
像データ以外のデータを含めて自動焦点合せがなされる
ため、合焦精度が向上する。６）焦点合せのための演算処理として、相関演算式、コ
ントラスト値が併用されていることにより、処理時間が
短縮され且つ合焦精度が向上する。という効果が得ら
れ、極めて便利である。

【００４４】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る自動焦点装
置を備えた顕微鏡は、焦点合わせの際、ステージの基準
位置を設けるようにしたから、焦点合せ時間を大幅に短
縮させることができ、特に高倍の対物レンズにおける焦
点合せの場合に有効であるという実用上重要な利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】顕微鏡の光学系の一例を示す概略図である。

【図２】図１の顕微鏡のための本発明による制御システ
ムのブロック図である。

【図３】本発明による顕微鏡の一実施例の制御装置を示
す詳細なブロック図

【図４】図３の制御装置における操作パネルの一例を示
す正面図である。

【図５】対物データテーブルを示す図表である。

【図６】対物レンズとコンデンサーレンズの対照を示す
図表である。

【図７】光路のＦＮo.（視野数）を示す図表である。

【図８】絞り制御のブロック図である。

【図９】ＮＤフィルターユニットの一例を示す図であ
る。

【図１０】ＮＤフィルターの組合せによる光量比を示す
図表である。

【図１１】光路による光量比Ｂｉを示す図表である。

【図１２】対物レンズによる光量比Ｏｂを示す図表であ
る。

【図１３】ＮＤフィルターによる光量比ＮＤを示す図表
である。

【図１４】撮像素子上の投影像の補正データを示すグラ
フである。

【図１５】撮像素子上の投影像の補正係数を示すグラフ
である。

【図１６】対物レンズデータセット時の制御のフローチ
ャートである。

【図１７】自動焦点合せのための制御回路のブロック図
である。

【図１８】瞳分割による焦点合せの原理を示す概略図で
ある。

【図１９】瞳分割による撮像データとその相関演算によ
る位相差を示すグラフである。

【図２０】瞳分割用チョッパの一実施例を各作動状態に
て示す図である。

【図２１】撮像素子の出力を示すグラフである。

【図２２】自動焦点合せのためのバックグラウンドデー
タ入力のフローチャートである。

【図２３】ステージの基準位置を示す図である。

【図２４】自動焦点合せのフローチャートの一部であ
る。

【図２５】図２４のフローチャートに接続される自動焦
点合せのフローチャートの一部である。

【図２６】コントラストを求めるときの各群を示す図で
ある。

【符号の説明】

７・・・・ステージ、８・・・・対物レンズ、９・・・・レボルバ
ー、１９・・・・撮像素子、２１・・・・撮像信号処理回路、２
６・・・・対物レンズ切換駆動部、２７・・・・焦準駆動部、３
２・・・・ＣＰＵ、３５・・・・記憶部、６１・・・・撮像素子、６
２・・・・駆動及び撮像信号処理回路、７０・・・・対物レンズ
切換駆動部、７１・・・・レボルバー、７２・・・・焦準ステー
ジ駆動部、７３・・・・ステージ、１３５・・・・瞳分割用チョ
ッパ、１００・・・・対物データテーブル、１４０・・・・対物
レンズ、１４１・・・・上限位置、１４２・・・・下限位置、１
４３・・・・ピント位置、１４４・・・・基準位置、１４５，１
４６，１４７・・・・位置センサー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像素子で受光された光量に基づいて焦準
駆動部によってステージを上下動させ、合焦位置でステ
ージを停止させるようにした、自動焦点装置を備えた顕
微鏡において、対物レンズの合焦位置より光路方向に若
干ずれた位置を基準位置として設定する手段と、焦点調
整時に前記ステージを該基準位置に移動させる基準位置
移動手段と、該基準位置から所定間隔毎に前記合焦位置
方向にステージを移動させる手段と、合焦位置で前記ス
テージを停止させるステージ停止手段とを備えたことを
特徴とする自動焦点装置を備えた顕微鏡。