JPH09230250A - 光学顕微鏡自動合焦点装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】レーザ光等のスポット光を試料に投射して、反
射光量を検出し、合焦点位置までの距離を知り、合焦点
を制御できるようにした光学顕微鏡自動合焦点装置を提
供する。 【解決手段】試料にレーザ光を投射する手段と、レーザ
光を反射するためのハーフミラーと、対物レンズの焦点
と共役位置に結像する合焦点用結像レンズと、光量を検
出する光センサと、合焦点用結像レンズの光路中を光軸
に対してほぼ垂直方向に所定周期で回転する厚み変化ガ
ラスと、光量検出信号にもとづく演算を行ない駆動機構
部を駆動するとともに厚み変化ガラスが連結された駆動
用モータを駆動する制御部とを有し、光センサへの入射
光量が最大となる厚み変化ガラスの回転角位置を検出
し、検出した回転角位置と、あらかじめ設定した最大光
量位置との差出力を得て、制御部からの差出力に応じた
駆動信号により駆動機構部を駆動して試料台を垂直方向
に移動させる光学顕微鏡自動合焦点装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学顕微鏡で試料
を観察する場合に、顕微鏡焦点内に設定した試料を、観
察のために平面上で動かしても、試料の凹凸に対して常
に合焦点となるように追従することができる光学顕微鏡
自動合焦点装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術による光学顕微鏡自動合焦点装
置の１つとして、例えば、図６に示す光学顕微鏡におい
て、試料台６１に載置した試料６２を光学顕微鏡で観察
しつつ、結像レンズ６４の結像面位置６５に配置したテ
レビカメラ等の光電変換装置（図示していない。）より
映像信号を出力し、この映像信号の微分成分を処理装置
（図示していない。）において処理して駆動出力信号と
し、駆動機構部６６を駆動して試料台６１を上下移動さ
せ、合焦点を行なう光学顕微鏡自動合焦点装置がある。
この光学顕微鏡自動合焦点装置は、光電変換装置より出
力される映像信号から、処理装置において微分成分を検
出して、微分成分に応じた駆動出力信号を、試料と対物
レンズの相対距離を制御する駆動機構へ出力して、微分
成分が最大出力となるように駆動機構を制御することで
合焦点とするものである。

【０００３】したがって、このような光学顕微鏡自動合
焦点装置は、合焦点を行なうときの映像信号に微分成分
がないと合焦点とすることは不可能であり、観察する試
料は、試料の平面に段差や輝度変化があり、映像に輪郭
が出る試料、すなわち、映像信号に微分成分が含まれる
試料に限られる。この観察試料が限定されるという欠点
を補うために、映像に輪郭が出ない試料を観察する場合
は、輝度変化のあるパターンを、映像に輪郭が出ない試
料へ投影し、映像に疑似輪郭を常に形成し微分成分を得
る手段がある。また、上述の光学顕微鏡自動合焦点装置
における微分成分の検出は、１回に光学顕微鏡の光軸方
向上の１点の微分成分を検出するもので、光軸方向上の
複数点の微分成分は、試料と対物レンズの相対距離を光
軸方向上に複数回移動させながら得られる。そのため、
複数点の微分成分を検出し比較してから、最大微分成分
を検出した位置に、試料と対物レンズの相対距離を駆動
することになり、光軸上の複数点の微分成分を検出し比
較するのに、所定の検出時間と駆動時間とを必要とし、
すばやい合焦点の検出はできない。

【０００４】さらには、合焦点の方向を検出する手段が
必要であり、例えば図６に示すような、一般にボケ方式
と言われるものがある。この合焦点方向検出手段は、光
学顕微鏡の光路中にハーフミラー６７を設けて対物レン
ズ６３からの光を分岐し、分岐した光の合焦点用結像レ
ンズ６８の結像位置の前に光電変換素子７０を、ハーフ
ミラー６９を介した結像位置の後に光電変換素子７１を
それぞれ配置し、図７に示すような前ピン信号、後ピン
信号を得て、この前ピン信号、後ピン信号を処理装置
（図示していない。）において処理し、信号出力により
駆動出力信号を得て光軸上を試料台６１が移動するよう
に駆動するものである。前ピン信号と後ピン信号の微分
成分出力が同じになる光軸距離を合焦点位置とする手段
であり、合焦点時前ピン位置と後ピン位置は両者共にボ
ケているのでボケ方式と言われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の前者では、
観察したい個所の微分成分を検出するので高精度である
が、時間がかかるという問題がある。また、試料の輪郭
と投影させたパターンの輪郭が干渉することもあり、観
察に悪影響を与えるという問題もある。後者の前ピン信
号および後ピン信号による制御では、光軸上の２点の制
御となり、複雑な試料に対しては完全な制御ができな
い。また、合焦点位置から、前後にどのくらいの距離が
ずれているのか定量的に知ることができない。本発明
は、前記の問題点を解決するために、レーザダイオード
等で発光させたレーザ光等のスポット光を試料の表面に
投射して、反射した光量を光軸上で検出するようにし、
合焦点位置までの距離を定量的に知ることができるよう
にした光学顕微鏡自動合焦点装置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】前記目的を達成するため
に、本発明の光学顕微鏡自動合焦点装置は、少なくと
も、観察する試料に対し合焦点位置とするように設けら
れた対物レンズと、該対物レンズからの光の結像を所定
結像面位置に得るように設けられた結像レンズとを備え
た光学顕微鏡の自動合焦点装置であって、少なくとも、
前記試料を載置し水平方向および垂直方向に移動可能な
試料台を垂直方向に移動させる駆動機構部を有する光学
顕微鏡自動合焦点装置において、前記試料台に載置され
た試料にスポット光を投射する手段と、前記試料から反
射するスポット光を反射するための前記光学顕微鏡の光
路中に設けたハーフミラーと、該ハーフミラーからの反
射光が、前記対物レンズの焦点位置と共役な位置に結像
するように配置された合焦点用結像レンズと、前記結像
レンズの結像面位置と共役な位置である前記合焦点用結
像レンズの結像位置に設けた光量を検出する光センサ
と、前記合焦点用結像レンズの光路中に配置された光路
長可変手段と、前記光センサからの光量検出信号にもと
づく演算を行ない前記駆動機構部を駆動信号により駆動
するとともに、前記光路長可変手段を駆動する制御部と
を有し、前記光路長可変手段における前記光センサへの
入射光量が最大となる前記光路長可変手段の制御位置を
検出し、検出した前記光路長可変手段の制御位置と、あ
らかじめ設定した最大光量位置との差出力を得て、前記
制御部からの差出力に応じた駆動信号により前記駆動機
構部を駆動して前記試料台を垂直方向に移動させるもの
である。

【０００７】また、さらに詳しくは、本発明の光学顕微
鏡自動合焦点装置は、光路長可変手段が、円板状をな
し、厚みの最も大の部分と最も小の部分が隣合い、厚み
が連続して変化しているとともに、厚みの方向が合焦点
用結像レンズの光軸と一致するように配置された厚み変
化ガラスと、該厚み変化ガラスを前記合焦点用結像レン
ズの光路中における厚みが変化するように駆動する手段
とからなるものであり、さらに、厚み変化ガラスは、厚
みが多段階に順次変化しているものであり、光センサ
は、光路長可変手段の可変範囲における、結像している
ときおよび結像していないときの入射光のすべてが入射
可能な広さの受光部分を有するものである。

【０００８】本発明の作用について説明すると、本発明
の光学顕微鏡自動合焦点装置は、少なくとも、観察する
試料に対し合焦点位置とするように設けられた対物レン
ズと、該対物レンズからの光の結像を所定結像面位置に
得るように設けられた結像レンズとを備えた光学顕微鏡
に使用するもので、少なくとも、前記試料を載置し水平
方向および垂直方向に移動可能な試料台を垂直方向に移
動させる駆動機構部を有する光学顕微鏡自動合焦点装置
であって、スポット光を投射する手段で前記試料台に載
置された試料にスポット光を投射し、前記光学顕微鏡の
光路中に設けたハーフミラーで前記試料から反射するス
ポット光を反射し、合焦点用結像レンズで前記ハーフミ
ラーからの反射光を前記対物レンズの焦点位置と共役な
位置に結像し、前記合焦点用結像レンズの結像位置に設
けた光センサで光量を検出し、光路長可変手段を前記合
焦点用結像レンズの光路中に配置し、制御部で前記光セ
ンサからの光量検出信号にもとづく演算を行ない前記駆
動機構部を駆動信号により駆動するとともに、前記光路
長可変手段を駆動しており、前記光路長可変手段におけ
る前記光センサへの入射光量が最大となる前記光路長可
変手段の制御位置を検出し、検出した前記光路長可変手
段の制御位置と、あらかじめ設定した最大光量位置との
差出力を得て、前記制御部からの差出力に応じた駆動信
号により前記駆動機構部を駆動して前記試料台を垂直方
向に移動させる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明による光学顕微鏡自動合焦
点装置の実施の形態を説明する前に、本発明にかかる基
本事項を説明する。レーザダイオード等でレーザ光を発
光させ、そのスポット光を試料の表面に投射し、試料か
らの反射光を、光学顕微鏡の光軸方向に配置された光セ
ンサ列に入射して光量プロファイルを検出することで合
焦点の制御を行なうことができる。しかし、光学顕微鏡
の光軸方向に光センサを配置すると、装置が大型となる
ため、光センサを１個とし、光センサに到達するまでの
光路長を変化させる手段を使用することで、前記光セン
サ列による検出と同様に合焦点の制御を行なうことがで
きる。光路長を変化させる手段は、空気とガラスの屈折
率の違いを応用するもので、ガラスの厚みの差で光路長
の差を作り、光センサに到達させるものである。合焦点
の制御は、ガラスの厚みが薄いものから厚いものまで連
続変化する周期の中で、中央の厚さ（中間の厚さ）に最
大の光量が光センサで得られたときを合焦点となるよう
に設定する。最大光量部分は、対物レンズと試料が、合
焦点を越えて近づいたときはガラスの厚い位置に、遠ざ
かったときはガラスの薄い位置に移動することになる。
したがって、最大光量部分の位置と中央位置との差で、
合焦点ずれ量が判断できることになり、そのずれ量だけ
試料を光学顕微鏡の光軸方向に移動させることで合焦点
制御ができる。

【００１０】本発明による光学顕微鏡自動合焦点装置の
実施の形態を図１に示し、説明をする。図１において、
１は試料台、６は、試料台１を移動駆動信号により移動
させる駆動機構部、２は、試料台１に載置された試料、
３は光学顕微鏡の対物レンズ、４は光学顕微鏡の結像レ
ンズ、５は、結像レンズ４の結像面、７は光学顕微鏡の
光路中に設けた光分岐用ハーフミラー、８は、ハーフミ
ラー７により分岐された光による合焦点用結像レンズ、
９は、合焦点用結像レンズ８の結像光路中に設けた反射
鏡、１０は、合焦点用結像レンズ８の結像光路中に設け
た厚み変化ガラス例えば厚み連続変化ガラス、１５は、
厚み連続変化ガラス１０を回転駆動信号により回転させ
る駆動用モータ、１４は、合焦点用結像レンズ８の結像
位置に設けた光量を検出するためのホトセンサ（光セン
サ）、１６は、ホトセンサ１４からの光量検出信号にも
とづく演算を行ない駆動信号を出力する制御部、１１は
レーザ光を発光するレーザダイオード、１２はレーザ光
の光束を拡大するビームエキスパンダ、１３は、光学顕
微鏡の光路中に設けたレーザ光を反射するハーフミラー
を示す。

【００１１】光学顕微鏡および自動合焦点装置におい
て、レーザ光の発光源であるレーザダイオード１１から
発光されたレーザ光は、その光束をビームエキスパンダ
１２で拡大され、光学顕微鏡の光路中に設けたハーフミ
ラー１３へ投射される。光束を拡大されたレーザ光は、
ハーフミラー１３で反射され、対物レンズ３に入射し、
対物レンズ３により、試料２の表面にスポットを結ぶよ
うに集光される。試料２の表面にスポットを結んだレー
ザ光は、試料２の表面で反射され、対物レンズ３および
ハーフミラー１３を通過し、ハーフミラー７において、
結像レンズ４へ通過するレーザ光と合焦点用結像レンズ
８へ反射されるレーザ光とに分岐される。なお、図示し
ていないが、対物レンズ３と結像レンズ４に関して、合
焦点となる試料２の表面と共役な位置である結像面５に
は、観察用のテレビカメラが設置されており、テレビモ
ニタへ映像信号が出力され、試料２を観察できる。

【００１２】さらに、合焦点用結像レンズ８の結像位置
に設けたホトセンサ１４にいたる光路には、一定の周期
で回転する厚み連続変化ガラス１０と反射鏡９とが設け
られている。厚み連続変化ガラス１０は、駆動用モータ
１５と連結されており、制御部１６からの回転駆動信号
で駆動用モータ１５が駆動されることにより、一定周期
で回転する。この回転により厚み連続変化ガラス１０の
ガラスの厚みが連続変化するため、合焦点用結像レンズ
８とホトセンサ１４との間の光路長が変化することにな
る。ホトセンサ１４は、光路長可変手段であるこの厚み
連続変化ガラス１０の連続して変化しているガラスの厚
みの中央位置における光路長が、対物レンズ３と合焦点
用結像レンズ８に関して、試料２の表面と共役な位置
（合焦点位置）となるように設置されている。

【００１３】試料台１は、駆動機構部６と接続されてお
り、制御部１６からの移動駆動信号で駆動機構部６が駆
動されることにより上下移動するようになっており、こ
の上下移動により、対物レンズ３と試料２との相対距離
を変化させる。厚み連続変化ガラス１０は、所要の厚み
のものを使用するが、例えば図２（ａ）の平面図に示す
厚み連続変化ガラス１０は、図２（ｂ）の直線性説明図
に示すように回転角α＝０°が一番薄く３ｍｍ、α＝３
５０°が一番厚く２３ｍｍ、その中間は直線的に変化し
ているものを使用する。この場合、ガラスの光屈折率＝
１．５、大気の光屈折率＝１．０とすると、最大、下記
（１）式で算出した値の光路長を変化させることができ
る。 （２３−３）×（１．５−１．０）＝１０（ｍｍ）・・・・・（１）

【００１４】さらに、ここで、対物レンズを１００倍と
したときを例に説明をすると、（１）式で算出した値１
０ｍｍは、対物レンズ３と試料２との距離で、下記
（２）式で算出した値に相当する。 Δｚ＝１０／１００＝０．１（ｍｍ）＝１００（μｍ）・・・（２） なお、合焦点位置は、中央の回転角α＝１７５°を基準
としているので、±５０μｍの範囲で合焦点検出が可能
となる。

【００１５】制御部１６から出力される回転駆動信号に
より駆動用モータ１５を駆動し、厚み連続変化ガラス１
０を回転させ、回転角α＝１７５°の位置でホトセンサ
１４へのレーザ光の入射光量が他の回転角位置に比べて
最大となるようにして合焦点結像位置とするが、このと
きのホトセンサ１４の入射光量は、図３に示す特性曲線
ｊとなる。また、対物レンズ３と試料２との距離が近づ
くと、図３に示す特性曲線ｎ、遠ざかると、図３に示す
特性曲線ｆとなる。したがって、特性曲線ｎのときは、
試料２を対物レンズ３から離す方向に、特性曲線ｆのと
きは、試料２を対物レンズ３へ近づける方向に、制御部
１６からの移動駆動信号で駆動機構部６を駆動し試料台
１を移動することで特性ｊとすることができ、自動で焦
点合わせが可能となる。なお、ホトセンサ１４の受光部
は、合焦点時の入射光の面積の数十倍の面積とし、偏向
の角度が多少あっても受光可能としてある。

【００１６】また、（２）式で算出したΔｚは、合焦点
を検出できる範囲であり、（１）式から厚み連続変化ガ
ラス１０の傾きを大きくすることにより、Δｚを大きく
できるが、但し、図８に模式図で示したように傾きθを
大きくすると、厚み連続変化ガラス１０の傾斜角が鋭く
なり、厚み連続変化ガラス１０内部における光の２次、
３次反射がセンサに入射し誤認識の原因となる。この場
合、図２に示すように、厚みを多段階として、傾きθの
影響がでないようにする方法もある。

【００１７】光学顕微鏡では、対物レンズ３として、回
転変倍機構の電動レボルバ等で、５倍、１０倍、２０
倍、５０倍、１００倍等に変倍できるものを使用するこ
ともある。この場合でも、焦点深度の異なる全倍率にお
いて自動焦点を求められるが、明るい５倍時は、光量を
少なくする必要があり、暗い１００倍時は、光量を多く
する必要がある。この変倍については、５倍（低倍）時
は、駆動用モータ１５の回転を高速に動かしてホトセン
サ１４の光蓄積時間を短くすることで光量を少なくし、
１００倍時は、駆動用モータ１５の回転を低速にして光
蓄積時間を長くすることで光量を多くし、全ての倍率で
自動合焦点を可能としている。

【００１８】また、図４に示すように、試料２の輪郭部
２ａに光束が当たったときには、光は乱反射して図３の
ような最大光量＝焦点位置とならずに、図５のように最
大光量のピークが２つ以上となるときがあり、このよう
なときに、最大光量を合焦点位置とすると誤動作とな
る。この誤動作防止としては、下記（３）式に示すよう
に、各回転角での光量Ｖの和Ｓを求め、再度各回転角で
の光量をｋ＝０、１、２と加えていき、下記（４）式に
示すように（Ｓ／２）値に達する回転角位置ｘを求め、
ｘ＝焦点位置と想定する制御を行なう。つまり、ホトセ
ンサ１４への各回転角での光量Ｖの和 を求め、 となるｘの位置を、合焦点位置と想定する制御を行な
う。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、レーザダイオード等で
発光させたレーザ光等のスポット光を試料の表面に投射
し、反射した光量を光軸上で検出するようにして、合焦
点位置までの距離を定量的に知ることができるようにし
た高速、かつ、高精度の光学顕微鏡自動合焦点装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学顕微鏡自動合焦点装置を備え
た光学顕微鏡の概略構成配置図。

【図２】本発明による光学顕微鏡自動合焦点装置の厚み
変化ガラスの平面図と直線性説明図。

【図３】本発明による光学顕微鏡自動合焦点装置を備え
た光学顕微鏡におけるホトセンサの出力波形図。

【図４】観察する試料に投射されたレーザ光の反射状況
を説明する図。

【図５】図４に示すレーザ光の反射光をセンサで検出し
た場合の出力波形図。

【図６】従来技術の自動合焦点装置を備えた光学顕微鏡
を説明するための概略構成配置図。

【図７】自動合焦点装置を備えた光学顕微鏡の従来技術
を説明するための出力波形図。

【図８】本発明による光学顕微鏡自動合焦点装置の厚み
連続変化ガラスの反射説明図。

【符号の説明】

１、６１…試料台、２、６２…試料、３、６３…対物レ
ンズ、４、６４…結像レンズ、５、６５…結像面位置、
６、６６…駆動機構部、７、１３、６７、６９…ハーフ
ミラー、８、６８…合焦点用結像レンズ、９…反射鏡、
１０…厚み連続変化ガラス、１１…レーザダイオード、
１２…ビームエキスパンダ、１４…ホトセンサ、１５…
モータ、１６…制御部、７０、７１…光電変換装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、観察する試料に対し合焦点
   位置とするように設けられた対物レンズと、該対物レン
   ズからの光の結像を所定結像面位置に得るように設けら
   れた結像レンズとを備えた光学顕微鏡の自動合焦点装置
   であって、 少なくとも、前記試料を載置し水平方向および垂直方向
   に移動可能な試料台を垂直方向に移動させる駆動機構部
   を有する光学顕微鏡自動合焦点装置において、 前記試料台に載置された試料にスポット光を投射する手
   段と、 前記試料から反射するスポット光を反射するための前記
   光学顕微鏡の光路中に設けたハーフミラーと、 該ハーフミラーからの反射光が、前記対物レンズの焦点
   位置と共役な位置に結像するように配置された合焦点用
   結像レンズと、 前記結像レンズの結像面位置と共役な位置である前記合
   焦点用結像レンズの結像位置に設けた光量を検出する光
   センサと、 前記合焦点用結像レンズの光路中に配置された光路長可
   変手段と、 前記光センサからの光量検出信号にもとづく演算を行な
   い前記駆動機構部を駆動信号により駆動するとともに、
   前記光路長可変手段を駆動する制御部とを有し、 前記光路長可変手段における前記光センサへの入射光量
   が最大となる前記光路長可変手段の制御位置を検出し、 検出した前記光路長可変手段の制御位置と、あらかじめ
   設定した最大光量位置との差出力を得て、前記制御部か
   らの差出力に応じた駆動信号により前記駆動機構部を駆
   動して前記試料台を垂直方向に移動させることを特徴と
   する光学顕微鏡自動合焦点装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のものにおいて、光路長可
   変手段は、円板状をなし、厚みの最も大の部分と最も小
   の部分が隣合い、厚みが連続して変化しているととも
   に、厚みの方向が合焦点用結像レンズの光軸と一致する
   ように配置された厚み変化ガラスと、該厚み変化ガラス
   を前記合焦点用結像レンズの光路中における厚みが変化
   するように駆動する手段とからなるものであることを特
   徴とする光学顕微鏡自動合焦点装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のものにおいて、厚み変化
   ガラスは、厚みが多段階に順次変化しているものである
   ことを特徴とする光学顕微鏡自動合焦点装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のものにおいて、光センサ
   は、光路長可変手段の可変範囲における、結像している
   ときおよび結像していないときの入射光のすべてが入射
   可能な広さの受光部分を有するものであることを特徴と
   する光学顕微鏡自動合焦点装置。