KR20200127024A - 자동 현미경 초점을 위한 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

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나노트로닉스 이미징, 인코포레이티드
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Abstract

적어도 두 개의 카메라를 사용함으로써 더 빠르게 초점을 맞출 수 있는 광학 현미경용 자동 초점 시스템이 개시된다. 제 1 카메라는 제 1 이미지 형성 켤레면에 배치될 수 있고 제 1 파장 범위의 광을 투과하는 제 1 조명원으로부터 광을 수신한다. 제 2 카메라는 제 1 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에 배치될 수 있고 제 2 파장 범위의 광을 투과하는 제 2 조명원으로부터 광을 수신한다.

Description

자동 현미경 초점을 위한 시스템, 장치 및 방법
본 발명은 자동 현미경 초점을 위한 이미지-기반 메커니즘에 관한 것이다.
현미경으로 관찰되는 대부분의 표본은 이들의 표면에 걸쳐 높이의 작은 변화를 갖는다. 이러한 변화는 흔히 인간의 눈에는 보이지 않지만, 현미경으로 캡처한 표본의 일부 이미지가 초점이 맞지 않게 할 수 있다.
초점이 맞춰진 유용한 이미지를 현미경이 생성할 수 있는 범위를 피사계 심도(depth of field)라고 한다. 현미경은 유용한 이미지를 생성하기 위해 피사계 심도 내에 표본의 일부를 유지해야 한다. 그러나 표본의 제 1 부분의 관찰에서 표본의 제 2 부분의 관찰로 전환할 때, 표본 높이의 작은 변화로 인해 제 2 부분이 피사계 심도 밖에 있을 수 있다.
현미경에 의해 캡처된 이미지의 초점 품질을 측정하기 위해, 그 중에서도, 이미지 대비, 해상도, 엔트로피 및/또는 공간 주파수 내용과 같은 다양한 선명도 측정이 사용될 수 있다. 일반적으로 표본의 초점이 맞춰질 때, 캡처된 이미지는 최고의 선명도 품질(예를 들어, 큰 대비, 높은 범위의 강도 값 및 샤프 에지(sharp edge))을 나타낸다. 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하기 위해 사용할 수 있는 다양한 선명도 측정은 일반적으로 이미지의 초점에 맞춰질 때까지 일련의 이미지를 캡처하고 현미경 대물렌즈와 표본 사이의 거리를 늘리거나 줄이는 것을 필요로 한다. 이는 각각의 표본의 총 현미경 스캔 시간을 증가시키고, 따라서 이러한 측정을 사용하는 방법은 높은 처리량의 스캐닝 응용에 대해 엄청나게 느리다.
따라서, 적은 수의 이미지를 사용하여 표본의 적절한 초점면(in-focus plane)을 찾는 것이 바람직하다.
자동 현미경 초점을 위한 시스템, 방법 및 매체가 제공된다.
일부 실시형태에서, 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은 대물렌즈(objective)와; 제 1 이미지 형성 켤레면(image-forming conjugate plane) 상에 표본을 배치하기 위한 스테이지(stage)와; 제 2 이미지 형성 켤레면에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 1 카메라와; 제 2 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라와; 제 1 파장 범위의 광을 방출하는 주 조명원으로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 주 조명원과; 제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 방출하고, 제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴(focusing pattern)을 통해 광을 투사하는 보조 조명원으로서, 투사된 광은 제 2 카메라에 의해 수신되는, 보조 조명원; 및 제 1 카메라와 제 2 카메라에 결합된 하드웨어 프로세서를 포함하고, 하드웨어 프로세서는: 제 1 카메라를 사용하여, 선명도 값(sharpness value)을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하고; 제 2 카메라를 사용하여, 제 1 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값(sharpness setpoint)을 결정하고; 표본의 이동 후, 제 2 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하고; 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하고; 및 제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은 대물렌즈와; 제 1 이미지 형성 켤레면에 표본을 배치하기 위한 스테이지와; 제 2 이미지 형성 켤레면에 배치되어 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성된 제 1 카메라와; 제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라와; 제 3 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 3 카메라와; 제 1 파장 범위의 광을 방출하는 주 조명원으로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 주 조명원과; 제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 방출하고, 제 4 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 광을 투사하는 보조 조명원으로서, 투사된 광은 제 2 및 제 3 카메라에 의해 수신되는, 보조 조명원; 및 제 2 카메라와 제 3 카메라에 결합된 하드웨어 프로세서를 포함하고, 하드웨어 프로세서는: 제 2 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하고; 제 3 카메라를 사용하여, 제 2 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하고; 표본의 이동 후, 제 3 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하고; 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하고; 및 제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 방법이 제공되며, 방법은 제 1 이미지 형성 켤레면의 스테이지 상에 표본을 배치하는 단계와; 제 2 이미지 형성 켤레면에, 초점을 맞추도록 구성된 제 1 카메라를 배치하는 단계와; 제 2 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에, 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라를 배치하는 단계와; 제 1 파장 범위의 광을 주 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 단계와; 제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 보조 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 광은 제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 투사되고, 투사된 광은 제 2 카메라에 의해 수신되는, 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 제 1 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하는 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 제 1 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하는 단계와; 표본의 이동 후, 하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하는 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하는 단계; 및 하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 방법이 제공되며, 방법은 제 1 이미지 형성 켤레면의 스테이지 상에 표본을 배치하는 단계와; 제 2 이미지 형성 켤레면에, 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성된 제 1 카메라를 배치하는 단계와; 제 3 이미지 형성 켤레면에, 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라를 배치하는 단계와; 제 3 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에, 초점을 맞추도록 구성된 제 3 카메라를 배치하는 단계와; 제 1 파장 범위의 광을 주 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 단계와; 제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 보조 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 광은 제 4 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 투사되고, 투사된 광은 제 2 및 제 3 카메라에 의해 수신되는, 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하는 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여, 제 2 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하는 단계와; 표본의 이동 후, 하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하는 단계와; 하드웨어 프로세서에 의해, 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하는 단계; 및 하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함한다.
도 1은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템의 예를 도시한다.
도 2는 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 조명 유닛(illumination unit)의 예를 도시한다.
도 3은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 초점 유닛(focusing unit)의 예를 도시한다.
도 4는 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 광학 경로(optical pathway)의 예를 도시한다.
도 5는 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 주 초점 카메라(primary focusing camera)에 대한 선명도 곡선의 예를 도시한다.
도 6은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 오프셋 초점 카메라(offset focusing camera)에 대한 선명도 곡선의 예를 도시한다.
도 7은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 이미지 형성 켤레면으로부터 다양한 거리에 있는 오프셋 초점 카메라에 대한 선명도 곡선의 예를 도시한다.
도 8은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른, 도 1에 도시된 시스템과 같은 자동 초점 시스템을 사용하여 자동 초점을 수행하기 위한 프로세스의 흐름도의 예를 도시한다.
개시된 주제의 일부 실시형태에 따르면, 표본의 자동 현미경 초점을 위한 메커니즘(시스템, 방법, 장치, 기구 등을 포함할 수 있음)이 제공된다.
도 1은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템의 예(100)를 도시하고 있다. 높은 수준에서, 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템(100)의 기본 구성요소는 광을 제공하기 위한 조명 유닛(200)과, 표본의 초점면을 찾기 위한 초점 유닛(300)과, 수직 조명기(vertical illuminator)(13)와, 이미지 카메라(imaging camera)(5)와, 대물렌즈(25)와, 스테이지(30), 및 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 포함하는 제어 시스템(108)을 포함한다.
자동 초점 시스템(100)은 임의의 적절한 유형의 현미경의 일부로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 시스템(100)은 투과광 또는 반사광을 사용하는 광학 현미경의 일부로서 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 시스템(100)은 오하이오주 카이어호가 폴스의 나노트로닉스 이미징 인코포레이티드(Nanotronics Imaging, Inc.)로부터 입수 가능한 nSpec® 광학 현미경의 일부로서 구현될 수 있다. 다음의 설명은 반사광 수직 조명기(13)를 언급하지만, 본원에서 기술하는 메커니즘은 반사광 수직 조명기를 사용하지 않는 현미경의 일부일 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, 현미경은 하나 이상의 대물렌즈(25)를 포함할 수 있다. 대물렌즈는 다양한 배율을 가질 수 있고 및/또는 명시야/암시야 현미경, 차등 간섭 대비(differential interference contrast, DIC) 현미경 및/또는 임의의 다른 적절한 형태의 현미경과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 표본을 검사하기 위해 사용되는 대물렌즈 및/또는 현미경 기법은 일부 실시형태에서 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 펌웨어에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시형태에서, 스테이지(30)를 향해 그리고 이로부터 멀리 Z 방향으로 대물렌즈(25)를 구동시키기 위해 미세 초점 액추에이터(fine focus actuator)(23)가 사용될 수 있다. 미세 초점 액추에이터(23)는 대물렌즈(25)의 고정밀 및 미세 초점 조정을 위해 설계될 수 있다. 미세 초점 액추에이터(23)는 스테퍼 모터(stepper motor), 서보 모터(servo motor), 리니어 액추에이터(linear actuator), 피에조 모터(piezo motor), 및/또는 임의의 다른 적절한 메커니즘일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 피에조 모터가 사용될 수 있고, 0 내지 50 마이크로미터(μm), 0 내지 100 μm, 또는 0 내지 200 μm, 및/또는 임의의 다른 적절한 거리 범위(들)로 대물렌즈를 구동시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 스테이지(30)에 대해 XY 변환 스테이지(XY translation stage)가 사용될 수 있다. XY 변환 스테이지는 스테퍼 모터, 서보 모터, 리니어 모터 및/또는 임의의 다른 적절한 메커니즘에 의해 구동될 수 있다.
일부 실시형태에서, 대물렌즈(25)를 향해 그리고 이로부터 멀리 Z 방향으로 스테이지(30)를 조정하기 위해 액추에이터(35)를 포함하는 초점 유닛(32)이 사용될 수 있다. 액추에이터(35)는 예를 들어 0 내지 5 mm, 0 내지 10 mm, 0 내지 30 mm, 및/또는 임의의 다른 적절한 거리 범위(들)의 거친 초점(coarse focus) 조정을 하기 위해 사용될 수 있다. 액추에이터(35)는 또한 스테이지(30)를 위아래로 이동시켜 다양한 두께의 표본이 스테이지 상에 배치될 수 있도록 하기 위해 사용될 수 있다. 액추에이터(35)는 또한 일부 실시형태에서 예를 들어 0 내지 50 μm, 0 내지 100 μm, 0 내지 200 μm, 및/또는 임의의 다른 적절한 거리 범위(들)의 미세 초점을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 초점 유닛(32)은 또한 위치 장치(location device)(33)를 포함할 수 있다. 위치 장치는 자동 초점 시스템(100)의 재설정 및/또는 전원 제어 때에도 스테이지(30)의 절대 위치(예를 들어, 표본의 초점이 맞춰진 때의 스테이지의 위치)를 저장하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 위치 장치는 리니어 인코더(linear encoder), 로터리 인코더(rotary encoder) 또는 대물렌즈에 대한 스테이지(30)의 절대 위치를 추적하기 위한 임의의 다른 적절한 메커니즘일 수 있다.
일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)은 적절하게 초점이 맞춰지고 정렬될 때, 현미경을 통해 광학 경로를 따라 발생하는 한 세트의 켤레 초점면(conjugate focal plane), 예를 들어 이미지 형성 켤레 세트를 포함할 수 있다. 이미지 형성 켤레 세트 내의 각각의 평면은 해당 세트 내의 다른 평면과 결합되는데, 평면이 동시에 초점이 맞춰지고 현미경을 통해 표본을 관찰할 때 서로 겹쳐 보여질 수 있기 때문이다. 자동 초점 시스템(100) 내의 이미지 형성 켤레면 세트는 주 초점 카메라(70) 이미지면(image plane), 이미지 카메라(5) 이미지면, 초점 패턴(55) 이미지면, 시야 조리개(field diaphragm, F-stop)(14) 이미지면 및 표본 이미지면을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 이미지 형성 켤레면에 주 초점 카메라(70)와 이미지 카메라(5)를 배치하는 것에 대한 모든 언급은 이미지 형성 켤레면의 카메라(5 및 7) 내에 센서를 배치하는 것을 의미한다.
일부 실시형태에서, 초점 패턴(55)은 재료에서 컷아웃(cut out)된 패턴을 갖는 불투명 재료로 형성될 수 있다. 재료의 컷아웃 부분은 광이 표본 이미지면을 통과할 수 있도록 하는 반면, 불투명 재료 부분은 광이 통과하는 것을 차단한다. 다른 실시형태에서, 초점 패턴(55)은 투명 유리 또는 플라스틱을 통과하는 광에 의해 이미지가 표본 이미지면에 투영되게 하는 불투명 패턴을 갖는 투명 유리 또는 투명 플라스틱과 같은 투명 재료로 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이미지 카메라(5)는 자동 초점 시스템(100)의 이미지 형성 켤레면에 배치되는 이미지 센서(6)를 포함할 수 있다. 표본의 초점이 맞춰진 것을 제어 시스템(108)이 결정하고 나면, 이미지 카메라(5)가 사용되어 표본의 이미지를 캡처할 수 있다. 이미지 센서(6)는 예를 들어 CCD, CMOS 및/또는 표본의 이미지를 캡처하고 저장할 수 있는 임의의 다른 적절한 전자 장치일 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어기(110)와 제어기 인터페이스(107)를 포함하는 제어 시스템(108)은 자동 초점 시스템(100)의 구성요소(예를 들어, 액추에이터(35 및 23), 주 조명원(65), 보조 조명원(40), 초점 카메라(70 및 72), 스테이지(30), 초점 패턴(55), 이미지 카메라(5) 및 대물렌즈(25))의 모든 설정뿐만 아니라, 통신, 작업(예를 들어, 이미지 촬영하기, 조명원 켜고 끄기, 스테이지(30)와 대물렌즈(25) 이동시키기, 표본과 관련된 다양한 값 저장하기) 및 자동 초점 시스템의 구성요소에 의해 이들 사이에서 수행되는 계산(예를 들어, 선명도 계산)을 제어할 수 있다. 제어 시스템(108)은 예를 들어 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 주문형 집적 회로(ASIC) 및 디지털 신호 프로세서(이들 중 임의의 것이 하드웨어 프로세서라고 지칭될 수 있음)와 같은 임의의 적절한 하드웨어(일부 실시형태에서 소프트웨어를 실행할 수 있음) 인코더, 인코더를 읽기 위한 회로, 메모리 장치(하나 이상의 EPROMS, 하나 이상의 EEPROM, 동적 랜덤 액세스 메모리("DRAM"), 정적 랜덤 액세스 메모리("SRAM") 및/또는 플래시 메모리를 포함함), 및/또는 임의의 다른 적절한 하드웨어 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100) 내의 개별 구성요소는, 개별 구성요소를 제어하고 자동 초점 시스템(100)의 다른 구성요소와 통신하기 위해 자체 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어 시스템(예를 들어, 제어기(110)와 제어기 인터페이스(107))과 자동 초점 시스템(100)의 구성요소 사이의 통신(120)은 아날로그 기술(예를 들어, 릴레이 로직), 디지털 기술(예를 들어, RS232 사용, 이더넷 또는 무선) 및/또는 임의의 다른 적절한 통신 기술을 사용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 조작자 입력은 임의의 적절한 입력 장치(예를 들어, 키보드, 마우스 또는 조이스틱)를 사용하여 제어 시스템에 전달될 수 있다.
도 2는 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템의 조명 유닛의 실시형태의 일반적인 구성을 도시하고 있다. 조명 유닛(200)은 두 개의 조명원, 예를 들어 주 조명원(65)과 보조 조명원(40)을 포함할 수 있다. 조명원은 서로 다른 파장 범위의 광빔을 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서, 예를 들어, 주 조명원(65)는 451 내지 750 나노미터(nm) 범위의 파장을 갖는 광빔을 제공하는 반면, 보조 조명원(40)은 주 조명원에 대해 사용되는 파장 범위보다 더 높거나 낮은 파장을 갖는 광빔을 제공한다. 예를 들어, 주 조명원(65)의 파장 범위는 550 내지 750 nm 범위에 있을 수 있고 보조 조명원의 파장 범위는 400 내지 450 nm 범위에 있을 수 있다. 범위의 값이 알려져 있고 공지된 필터링 기술을 사용하여 다른 파장으로부터 분리될 수 있는 한, 임의의 파장 범위의 광이 주 조명원(65)에 사용될 수 있다. 유사하게, 광이 주 조명원(65)과 동일한 파장 범위에 있지 않는 한, 임의의 파장 범위의 광이 보조 조명원(40)에 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 주 조명원(65)은 이의 광이 수직 조명기(13)를 향해 수평 방향으로 투과되도록 배치된다. 주 조명원(65)은 주 광빔을 집광하기 위한 초점 렌즈(49)(예를 들어, 이중 볼록 렌즈)를 포함할 수 있다. 보조 조명원(40)은 이미지 형성 켤레면(54) 상에 위치하는 초점 패턴(55) 아래의 적절한 거리에 배치될 수 있다. 초점 패턴(55)의 직경(예를 들어, 5 mm)은 초점 패턴(55)의 투영이 초점 카메라(70 및 72)의 시야각(field of view, FOV)보다 작도록 조정될 수 있다. 초점 패턴(55)은, 예를 들어, 원, 직사각형, 삼각형 또는 육각형 같은 임의의 적절한 기하학적 형태일 수 있다. 초점 패턴(55)은 또한 일련의 개별 개구를 포함할 수 있고, 따라서 광이 개별 개구를 통해 투과될 때 라인과 공간이 시야각을 가로질러 투영된다. 일부 실시형태에서, 주 조명원(65)과 보조 조명원(40)의 위치는 전환될 수 있다.
일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)은, 초점 카메라(70 및 72)에 의해 캡쳐될 수 있는 초점 패턴 이미지를 표본 상에 연속적으로 투영하기 위해 보조 조명원(40)로부터의 광이 초점 패턴(55)을 통해 연속적으로 투과되도록 구성될 수 있다. 초점 패턴 이미지의 연속적인 투영은 특히 투명한 표본 또는 시각적으로 인식할 수 있는 특징이 없는 표본의 경우 표본의 선명도 초점을 용이하게 할 수 있다. 초점 패턴(55)은 선명도 초점을 위해 시야 조리개 대신에 또는 추가로 사용될 수 있다. 예를 들어, 자동 초점 시스템(100)은 또한 초점 패턴(55)에 더하여 수직 조명기(13)에 배치될 수 있는 시야 조리개(F-stop)(14)를 포함할 수 있다. 시야 조리개(14)는 또한 자동 초점 시스템(100)의 이미지 형성 켤레면에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 시야 조리개(14)는 조명원(65 및 40)에 의해 방출되고 대물렌즈(25)로 전달되는 광의 직경을 제어한다. 보다 구체적으로, 일부 실시형태에서, 시야 조리개의 크기를 감소시킴으로써, 통과하는 광의 직경이 감소된다. 이는 초점 카메라(70 및 72)에 의해 수신된 표본의 이미지 주위에 어두운 윤곽선을 생성하고 표본의 초점을 조정하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 표본과 대물렌즈를 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킴으로써). 측정된 선명도가 가장 큰 지점에서, 표본의 초점이 맞춰진 것으로 간주되고, 시야 조리개를 더 큰 크기로 열어서 이미지 카메라(5)로 표본을 촬영할 수 있다. 시야 조리개를 줄이고 원래 크기로 되돌리는 것은 그러나 시간이 걸리고(예를 들어, 2-5 초) 스캐닝 과정과 처리량을 낮출 수 있다.
초점 패턴(55)은, 초점 패턴(55)이 이미지 카메라(5)에 투영되지 않도록 하기 위해 필요한 경우 적절한 필터가 사용될 수 있는 한, 자동 초점 시스템(100)의 임의의 적절한 이미지 형성 켤레면에(예를 들어, 보조 조명원(40)(도 1에 도시됨) 위 또는 시야 조리개(14)에) 배치될 수 있다. 예를 들어, 초점 패턴(55)이 시야 조리개(14) 대신에 시야 조리개(14) 이미지 형성 켤레면에 배치되는 경우, 필터가 필요할 수 있다. 일부 실시형태에서, 시야 조리개 이미지 형성 켤레면에 (시야 조리개(14) 대신에) 대역 필터가 배치될 수 있고, 패턴 컷아웃 형태의 초점 패턴이 밴드 필터 내에 생성될 수 있다. 보다 구체적으로, 주 조명원(65)의 동일한 파장 범위(예를 들어, 450 nm 초과)의 광을 투과하고, 초점 패턴(55) 영역을 제외하고 보조 조명원(40)의 동일한 파장 범위(예를 들어, 450 nm 이하)의 광을 차단하는 대역 필터가 선택될 수 있다. 다시 말해서, 보조 조명원(40)의 동일한 파장 범위의 광이 초점 패턴(55)의 영역을 제외하고 차단될 것이며, 따라서 보조 조명원(40)으로부터의 광이 초점 카메라(70 및 72)로 투과될 수 있을 것이다. 도 4과 관련하여 아래에서 기술하는 바와 같이, 광학 필터(11)는 주 조명원(65)로부터의 광만이 이미지 카메라(5)로 전달되도록 한다.
일부 실시형태에서, 보조 조명원(40)을 위한 400 nm 자외선 시준 발광 다이오드(LED) 및 주 조명원(65)을 위한 5500 K 백색광 시준 LED와 같은 임의의 적절한 조명원이 조명 유닛(200)과 함께 사용될 수 있음을 주목한다.
일부 실시형태에서 보조 조명원(40)과 초점 패턴(55) 사이의 적절한 거리에 초점 렌즈(45)(예를 들어, 60 mm 초점 거리 이중 볼록 렌즈(bioconvex lens))가 배치될 수 있다. 또한, 초점 패턴(55)의 다른 면의 적절한 거리에 또 다른 초점 렌즈(47)가 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 초점 패턴(55)으로부터 렌즈(45 및 47)의 거리는 광의 초점 맞추기 및 초점 패턴(55)의 배치가 이미지 형성 켤레면에 있도록 하기 위해 현미경의 광학적 특성을 기반으로 할 수 있다.
일부 실시형태에서, 광이 수직 조명기(13)로 이동하기 전에 주 조명원(65)과 보조 조명원(40) 모두의 광학 경로에 다이크로익(dichroic)(60)이 배치된다. 본원에서 사용되는 다이크로익(60)은 알려진 특정 파장의 광을 투과하고 또 다른 알려진 특정 파장의 광과 결합시키는 미러, 빔 분할기(beam splitter), 필터 또는 빔 결합기(beam combiner)라 할 수 있다. 상기한 장치들의 조합은 원하는 조명원 및 파장을 반사하고 전송하는 데 사용될 수 있음을 주목한다. 일부 실시형태에서, 보조 조명원(40)에 의해 방출된 광의 파장을 반사하고 주 조명원(65)으로부터 방출된 광의 파장이 통과할 수 있도록 특정 차단 파장을 갖는 다이크로익이 선택된다. 예를 들어, 보조 조명원(40)이 400-450 nm의 파장 범위의 광을 방출하고 주 조명원(65)이 550-750 nm의 파장 범위의 광을 방출하는 경우, 보조 조명원(40)으로부터의 광을 반사하고 주 조명원(65)으로부터의 광이 통과할 수 있도록 하기 위해 450 nm 차단 다이크로익(즉, 450 nm 이하의 파장을 갖는 광을 반사하고 450 nm 초과의 파장을 갖는 광이 통과하도록 함으로써 빔을 결합하는 다이크로익)이 사용될 수 있다. 다이크로익(60)은 45° 입사각을 위해 설계될 수 있고, 따라서 보조 조명원(40)으로부터의 거부된 광은 90°의 각도로 반사되고 주 조명원(65)으로부터의 광 경로에 평행하게 이동한다.
일부 실시형태에서, 주 조명원(65)은 이미지 카메라(5)의 이미지 센서(6) 상의 표본을 촬영하기 위해 사용되는 광원일 수 있고, 보조 조명원(40)은 초점 카메라(70 및 72)의 초점 센서(71 및 73) 상의 표본을 촬영하기 위해 사용되는 광원일 수 있다.
일부 실시형태에서, 임의의 적절한 다이크로익, 조명기, 조명원, 초점 렌즈, 센서 및 초점 패턴이 조명 유닛(200)과 함께 사용될 수 있음을 주목한다. 일부 실시형태에서, 이들 구성요소의 임의의 적절한 배열이 조명 유닛(200)과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 조명 유닛(200)의 구성요소는 임의의 적절한 방식으로, 예를 들어, 가변 형상을 제공하기 위해 초점 카메라(72)가 도 3(아래에서 기술됨)에서 초점 하우징(18)에 장착된 것으로 도시된 것과 유사한 방식으로 가이드 로드(guide rod)를 사용함으로써 조명기(13)에 장착될 수 있다.
도 3은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템의 초점 유닛의 실시형태의 일반적인 구성의 예를 도시하고 있다. 초점 유닛(300)은 두 개의 카메라, 즉 주 초점 카메라(70)와 오프셋 초점 카메라(72)를 포함할 수 있다. 이들 카메라는 예를 들어 전하 결합 소자(charged coupled device(CCD)) 이미지 센서, CMOS 이미지 센서 및/또는 표본의 이미지를 캡처할 수 있는 임의의 다른 적절한 이미지 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 캡처된 이미지는 제어 시스템(108)에 의해 저장되고 분석된다.
초점 유닛(300)은 수직 조명기(13)와 이미지 카메라 렌즈 튜브(10) 사이의 영역에 장착될 수 있다. 이 영역은 무한 공간으로 알려져 있다. 일부 실시형태에서, 초점 유닛(300)은 선택된 위치를 시스템의 광학적 특성에 맞추기 위해 적절한 구성요소를 사용하여 다른 위치에 장착될 수 있다.
주 초점 카메라(70)는 자동 초점 시스템(100)의 이미지 형성 켤레면(예를 들어 라인 80으로 표시됨)에 배치되는 센서(71)를 포함할 수 있다.
오프셋 초점 카메라(72)는 이미지 형성 켤레면(80)에 대한 오프셋에 배치될 수 있는 센서(73)를 포함할 수 있다. 오프셋은 양의 방향(81) 또는 음의 방향(79)일 수 있다. 오프셋 초점 카메라(72)는 주 초점 카메라(70) 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 오프셋 초점 카메라(72)는 오프셋 카메라(72)의 오프셋 거리를 조정하기 위해 가이드 로드(76) 또는 임의의 다른 적절한 구조물을 따라 이동할 수 있다. 오프셋 거리는, 도 7과 관련하여 아래에서 논의되는 바와 같이, 이미지 형성 켤레면(80)으로부터 다양한 거리에 있는 오프셋 초점 카메라(72)를 위한 계산된 선명도 곡선을 기반으로 조정될 수 있다.
초점 유닛(300)은 또한 두 개의 초점 렌즈(24 및 22)를 포함할 수 있다. 초점 렌즈(22)는 주 초점 카메라(70)와 동일한 수평 광학 경로에 배치될 수 있고 초점 렌즈(24)는 오프셋 초점 카메라(72)와 동일한 수평 광학 경로에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 초점 렌즈(22 및 24)는, 센서(71 및 73)가 이미지 형성 켤레면(80)에 배치될 때 각각 초점이 맞춰지도록 하기 위해, 현미경 튜브 렌즈(tube lens)(10)와 동일한 초점 거리를 달성한다. 현미경 튜브 렌즈(10)는, 센서(6)가 자동 초점 시스템(100)의 이미지 형성 켤레면에 배치될 때 표본의 초점이 맞춰지도록 센서(6)에 표본 이미지의 초점을 맞추기 위한 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 렌즈(22 및 24)는 이중 볼록 렌즈 또는 임의의 다른 적절한 유형의 렌즈일 수 있음을 주목한다. 일부 실시형태에서, 렌즈의 초점 거리는 현미경의 광학적 특성을 기반으로 할 수 있다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 초점 유닛(300)은 또한 표본에서 반사된 광의 광학 경로에서 수직 조명기(13) 위에 배치되는 차단 다이크로익(15)을 포함할 수 있다. 다이크로익(15)은 다이크로익의 차단 아래에 있는 표본에서 반사된 광이 주 초점 카메라(70)를 향해 90°의 각도로 반사되도록 배치된다. 보조 조명원(40)에 의해 방출된 광("초점 빔")의 파장을 반사하기 위해 특정 차단 파장을 갖는 다이크로익이 선택될 수 있다. 예를 들어, 초점 빔이 400 내지 450 nm 범위에 있는 경우, 초점 빔을 주 초점 카메라(70)를 향해 반사하기 위해 초점 유닛(300)과 함께 450 nm 차단 필터가 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 초점 유닛(300)은 다이크로익(15)과 주 초점 카메라(70) 사이에 배치될 수 있는 빔 분할기(26)를 포함할 수 있다. 빔 분할기(26)는, 예를 들어, 초점 광빔의 50%를 주 초점 카메라(70)로 전송하고 초점 광빔의 50%를 오프셋 초점 카메라(72)로 전송하도록 설계된 50/50 빔 분할기일 수 있다. 미러(28)는 빔 분할기(26) 바로 위의 거리에 배치될 수 있으며 빔 분할기(26)로부터의 광빔을 오프셋 초점 카메라(72)로 유도하도록 설계될 수 있다.
일부 실시형태에서, 차단 필터(17)는 다이크로익(15)과 빔 분할기(26) 사이에 배치되어 주 조명원(65)로부터 나오는 모든 광("이미징 빔")을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 이미징 빔이 450 nm 이상의 범위의 파장을 갖는 경우, 450 nm 차단 필터를 사용하여 이미징 빔을 필터링하고 이미징 빔이 초점 카메라(70 및 72)로 광을 전송하는 것을 방지할 수 있다. 다른 실시형태에서, 두 개의 차단 필터가 사용될 수 있으며 각각의 필터는 예를 들어 렌즈(22 및 24)의 앞이나 뒤에 배치될 수 있다.
일부 실시형태에서 임의의 적절한 다이크로익, 초점 카메라, 초점 렌즈, 미러, 이미지 센서, 빔 분할기 및 차단 필터가 초점 유닛(300)과 함께 사용될 수 있음을 주목한다. 일부 실시형태에서, 이들 구성요소의 임의의 적절한 배열이 초점 유닛(300)과 함께 사용될 수 있다. 초점 유닛(300)의 구성요소는 구성요소를 연결하기 위한 가이드 로드 또는 임의의 다른 적절한 구조물에 장착될 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 주 초점 카메라(70)는 필요하지 않으며 주 초점 카메라(70)에 대해 본원에서 기술된 초점 동작은 대신 이미지 카메라(5)에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 개시된 주제의 일부 실시형태에 따라 자동 초점 시스템(100)에 대해 한 쌍의 점선으로 나타낸 예시적인 광학 경로를 도시하고 있다. 자동 초점 시스템(100)은 보조 조명원(40)으로부터 방출된 광(짧은 점선으로 나타낸 "초점 빔(FB)")이 표본(S)에 투사된 다음 초점 카메라(70 및 72)로 반사되도록 구성될 수 있다. 자동 초점 시스템(100)은 또한 주 조명원(65)으로부터 방출된 광(긴 점선으로 나타낸 "이미징 빔(IB)")이 표본(S)에 투사된 다음 이미지 카메라(5)로 반사되도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 일부 실시형태에서, 초점 빔은 조명원(40)으로부터 초점 패턴(55)을 통해 다이크로익(60)으로 이동할 수 있다. 다이크로익(60)은 수직 조명기(13)를 향해 초점 빔을 반사할 수 있다.
이미징 빔은 주 조명원(65)으로부터 이동하고, 초점 빔과 결합하기 위해 다이크로익(60)을 통과할 수 있다.
결합된 빔은 이후 수직 조명기(13)를 통해 프리즘(20)으로 이동할 수 있다. 프리즘(20)은 노스피스(nosepiece)와 대물렌즈(25)를 통해 아래로 90°에서 조명원에서 나오는 광을 표본(S)으로 반사할 수 있다. 표본(S)은 결합된 빔을 대물렌즈(25)를 통해 위쪽으로 반사할 수 있고, 이는 이후 프리즘(20)을 통해 다이크로익(15)으로 전달된다. 다이크로익(15)은, 예를 들어, 초점 빔의 파장을 초점 카메라(70, 72)를 향해 반사하고 이미징 빔의 파장이 카메라(5)를 통과하도록 함으로써, 투과된 빔을 이미징 빔과 초점 빔으로 다시 분리할 수 있다.
일부 실시형태에서, 다이크로익(15)에 의해 반사된 초점 빔은 차단 필터(17)를 통과하여 차단 파장 이상의 모든 광을 제거할 수 있다. 이후, 초점 빔은 빔 분할기(26)로 이동할 수 있다. 빔 분할기(26)는 초점 하우징(18) 내에 위치하는 초점 렌즈(22)를 통해 광을 유도함으로써 초점 빔의 50%를 주 초점 카메라(70)를 향해 전송할 수 있다. 여기에서부터 초점 빔은 카메라(70) 내의 광 센서(71)(도 3)로 이동할 수 있다. 초점 빔의 나머지 50%는 빔 분할기(26)에 의해 미러(28)를 향해 위쪽으로 유도될 수 있다. 미러(28)는 초점 하우징(19) 내에 위치하는 초점 렌즈(24)를 향해 초점 빔을 반사할 수 있다. 여기에서부터 초점 빔은 오프셋 카메라(72) 내의 센서(73)(도 3)로 유도할 수 있다.
일부 실시형태에서, 다이크로익(15)을 통과하는 이미징 빔은 광학 필터(11)(예를 들어, 이미징 빔으로부터 파장만을 투과하는 필터)를 통과하고, 튜브 렌즈(10)를 통해 위로, 그리고 이미지 카메라(5) 내에 위치하는 카메라 센서(6)로 이동할 수 있다.
일부 실시형태에서, 주 초점 카메라(70)는 표본의 초점이 맞는 지점을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표본의 초점은, 예를 들어, 대물렌즈와 스테이지를 Z 축(도 1 참조)을 따라 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킴으로써 조정될 수 있다. 보다 구체적으로, 주 초점 카메라(70)는 (예를 들어, Z 방향으로 스테이지(30) 및/또는 대물렌즈(25)를 이동시킴으로써) 두 개 이상의 Z 위치에서 표본의 이미지를 획득하기 위해 사용될 수 있다. 생성된 이미지로부터, 초점의 품질을 결정하기 위해 표본의 각각의 Z 위치에 대해 제어 시스템(108)에 의해 상대적 선명도 값이 계산될 수 있다. 자동 초점 시스템(100)은 생성된 이미지의 상대적 선명도를 계산하기 위해 임의의 적절한 선명도 방정식을 사용할 수 있다. 상대적 선명도 점수를 계산하기 위해 자동 초점 시스템(100)에 의해 사용될 수 있는 하나의 예시적인 방정식은 강도 변동을 설명하기 위해 평균(μ)에 의해 정규화된 이미지 분산(V)의 측정이다:
Figure pct00001
여기서 s(i,j)는 좌표(i,j)의 그레이스케일 픽셀 값이고, N과 M은 각각 i와 j 방향의 픽셀 수를 나타낸다. 자동 초점 시스템(100)에 의해 사용될 수 있는, 상대적 선명도 값을 계산하기 위한 다른 예시적인 방법은 Sivash Yazdanfar 등에 의해 "디지털 현미경을 위한 단순하고 견고한 이미지-기반 자동 초점(Simple and Robust Image-Based Autofocusing for Digital Microscopy)"(Optics Express Vol. 16, No. 12, 8670(2008))에 기술되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다. 상기 개시된 방법은 단지 예일 뿐이며 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 5는 Z 방향("Z 위치")에서 표본의 상대 위치를 나타내는 X 축과 상대적 선명도 점수를 나타내는 Y 축을 포함하는 그래프를 도시하고 있다. 상대 Z 위치는 스테이지(30)의 상단과 대물렌즈(25) 사이의 거리를 나타낸다. Z 위치는 스테이지(30)를 대물렌즈(25)를 향해 또는 이로부터 멀리 조정함으로써 및/또는 대물렌즈(25)를 스테이지(30)를 향해 또는 이로부터 멀리 조정함으로써 변경될 수 있다. 도 5에 도시된 선명도 곡선은, 곡선을 따른 각각의 측정 지점에서, 주 초점 카메라(70)에 의해 캡처된 이미지의 상대적 선명도를 상대 Z 위치와 비교한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 표본에 대한 선명도 값은 주어진 상대 위치(예를 들어, Z 위치(130))(초점이 맞는 위치라고 할 수 있음)에서 가장 큰 측정된 선명도(예를 들어, 도 5에서 선명도 점수 70)를 가질 수 있고, 초점이 맞는 위치(예를 들어, Z 위치(130))의 각각의 측면에서 대칭적으로 감소할 수 있다. 일부 예에서, 도 5에서의 곡선의 기울기는 초점이 맞는 위치에서 0이거나 0에 가까울 수 있다. 본원에서 사용된 "초점이 맞는"이라는 용어는 대물렌즈와 스테이지의 상대 위치가, 선명도 측정이 선명도 곡선의 상단 또는 그 근처에 있는 지점에 있는 시점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. "초점이 맞는"이라는 용어는 완벽한 또는 최적의 초점으로 제한되지 않는다.
거친 Z 이동 범위는 라인 137(예를 들어, 500 um) 및 라인 142(예를 들어, 2500 μm)에 의해 나타나 있다. 미세 초점 Z 이동 범위는 라인 136(예를 들어, 1400 μm) 및 라인 141(예를 들어, 1600 μm)에 의해 나타나 있다. Z 이동 범위는 대물렌즈(25)와 스테이지(30) 사이에서 다양한 Z 위치를 달성하기 위한 실제 이동 범위를 나타낸다. Z 이동 범위는 또한 표본의 초점을 맞추기 위해 선명도 계산이 사용될 수 있는 Z 이동 범위를 말한다. 화살표 135는 스테이지(30)와 대물렌즈(25)가 더 멀리 이동함에 따라 Z 위치(130)(상기한 바와 같이 이미지의 초점이 맞춰진 것으로 간주됨을 나타냄)에 있는 최대 지점까지 증가하는 선명도 점수를 보여주고, 화살표 140은 스테이지(30)와 대물렌즈(25)가 계속해서 더 멀리 이동함에 따라 선명도 점수가 Z 위치(130)에 있는 최대 지점에서부터 감소하는 것을 보여준다.
도 6은 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 예시적인 선명도 곡선을 도시하고 있다. 도 5와 유사하게, 그래프의 X 축은 상대 Z 위치를 나타내고, Y 축은 상대적 선명도 점수를 나타내며, 라인 130은 주 초점 카메라(70)에 대해 측정된 최대 선명도 값이 발견되는 Z 위치를 나타낸다. 도 6에 도시된 선명도 곡선은, 곡선을 따른 각각의 지점에서, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 상대적 선명도를 상대 Z 위치와 비교한다. 일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)은 주 초점 카메라(70)와 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 선명도 곡선을 계산하기 위해 동일한 방정식을 사용할 수 있다.
도 6의 예에 도시된 바와 같이, 도 5와 관련하여 상기한 바와 같이 주 초점 카메라(70)를 사용하여 결정된 초점이 맞는 위치(예를 들어, Z 위치(130))에서, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지에 대한 상대적 선명도 값은 약 28이다(화살표 138로 나타냄). 이 값(예를 들어, 28)은 해당 특정 표본, 표본 등급 및/또는 임의의 다른 적절한 분류 그룹에 대한 오프셋 카메라(72)에 대한 선명도 선명도 설정값으로서 제어 시스템(108)에 의해 저장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 유사한 반사 품질의 재료로 제조된 표본을 기반으로 표본 등급이 정의될 수 있다. 일부 예시적인 표본 등급은, 베어 실리콘 웨이퍼; 알려진 패턴을 갖는 반도체 웨이퍼; 및 유리 슬라이드와 커버 슬립으로 일관되게 제조된 동일한 공지된 물질의 생물학적 표본을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
도 6에 도시된 바와 같이, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 촬영된 이미지에 대한 선명도 곡선은 라인 137 및 라인 142(Z 이동 범위를 나타냄) 사이에서 (화살표 150으로 나타낸 바와 같이) 지속적으로 증가한다. 표본 또는 일련의 표본에 대한 선명도 설정값이 발견되고 나면, 오프셋 초점 카메라(72)를 사용하여 스테이지(30)와 대물렌즈(25)를 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킬지 결정할 수 있다. 예를 들어, 표본의 선명도 설정값이 28로 결정되고, 표본이 더 이상 초점이 맞지 않도록 스테이지(30)가 Z 축에 수직인 X/Y 평면에서 이동한 경우, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 선명도 값이 선명도 설정값 및 선명도 곡선과 함께 사용되어 표본의 초점을 다시 맞출 수 있다. 예를 들어, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 표본의 이미지에 대한 선명도 설정값이 상기한 바와 같이 28이고, 스테이지 이동 이후 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 표본 이미지의 상대적 선명도 값이 (예를 들어) 52인 경우, 도 6의 선명도 곡선으로부터 명백한 바와 같이, 표본의 초점을 다시 맞추기 위해서는 스테이지와 대물렌즈 사이의 거리를 줄여야 한다(예를 들어, 2000 μm에서 1500 μm로). 반면에, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 표본의 이미지에 대한 상대적 선명도 값이 28 미만(예를 들어, 20)인 경우, 도 6의 선명도 곡선으로부터 명백한 바와 같이, 표본의 초점을 다시 맞추기 위해서는 스테이지와 대물렌즈 사이의 거리를 늘려야 한다(예를 들어, 1000 μm에서 1500 μm로). 선명도 설정값과 함께 오프셋 초점 카메라(72)의 상대적 선명도 곡선은 스테이지와 대물렌즈 사이의 거리를 줄여야 하는지 증가시켜야 하는지 여부를 나타내므로, 표본의 초점을 다시 맞추기 위해 표본의 이미지를 더 적게 촬영할 수 있다.
스테이지와 대물렌즈를 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킬 것인지에 대한 이러한 동일한 정보는 도 5에 도시된 선명도 곡선으로부터 얻을 수 없다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 주 초점 카메라(70)에 의해 포착된 표본의 가장 큰 측정된 선명도 값이 70이고, 표본의 실제 선명도 값이 51로 측정되는 경우, 선명도 곡선은 상대 Z 위치가 Z 위치(130)에서 초점이 맞는 지점의 오른쪽 또는 왼쪽일 수 있음을 보여준다. 상대 Z 위치는 Z 위치(130)에서 초점이 맞는 지점의 오른쪽 또는 왼쪽일 수 있기 때문에, 선명도 곡선을 사용하여 스테이지와 대물렌즈를 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킬지 결정할 수 없다.
도 7은 오프셋 초점 카메라(72)가 (도 3에 도시된 바와 같이) 이미지 형성 켤레면(80)으로부터 다양한 거리에 배치될 때 이에 대한 다양한 예시적인 선명도 곡선(즉, 선명도 곡선 A, B 및 C)을 도시하고 있다. 도 6와 유사하게, 도 7에서 그래프의 X 축은 상대 Z 위치를 나타내고, Y 축은 상대적 선명도 점수를 나타내며, 라인 130은 주 초점 카메라(70)에 대해 측정된 최대 선명도 값이 발견되는 Z 위치를 나타낸다. 선명도 곡선 A, B 및 C는, 곡선을 따른 각각의 지점에서, 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 상대적 선명도를 상대 Z 위치와 비교한다. 선명도 곡선 D는, 곡선을 따른 각각의 지점에서, 주 초점 카메라(70)에 의해 캡처된 이미지의 상대적 선명도를 상대 Z 위치와 비교한다. 일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)은 동일한 선명도 방정식을 사용하여 선명도 곡선 A, B, C 및 D를 계산한다. 여기서 오프셋 초점 카메라(72)의 배치는 초점 카메라(72) 내의 센서(73)의 배치를 의미한다는 점을 주목한다.
세 개의 선명도 곡선 중에서, 곡선 C는 오프셋 초점 카메라(72)가 이미지 형성 켤레면(80)에 가장 근접할 때 이에 대한 선명도 곡선을 나타낸다. 곡선 B는 오프셋 카메라가 곡선 C에 대한 오프셋 거리보다는 멀지만 곡선 A에 대한 오프셋 거리보다 가까운 거리에 있을 때 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 선명도 곡선을 나타낸다. 곡선 A는 오프셋 카메라가 이미지 형성 켤레면(80)에서 가장 멀리 떨어져 있을 때 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 선명도 곡선을 나타낸다. 오프셋 거리는 오프셋 초점 카메라(72)의 센서(73)와 이미지 형성 켤레면(80) 사이의 거리를 나타낸다.
라인 A', B' 및 C'는 주 초점 카메라(70)에 대해 (도 5와 관련해서 상기한 바와 같이) 표본의 초점이 맞춰진 것으로 간주되는 Z 위치(예를 들어, 라인 130)에서 각각의 곡선 A, B 및 C의 기울기를 나타낸다. 오프셋 초점 카메라(72)가 이미지 형성 켤레면(80)에 더 가까워짐에 따라 곡선의 기울기는 더 가파르게 된다. 더 가파른 기울기는 Z 높이의 작은 변화에 비해 더 큰 선명도 변화를 나타낸다(더 큰 해상도라고도 함). 더 가파른 기울기가 바람직한데, 더 정밀한 초점 조정과 제어를 제공하기 때문이다.
일부 실시형태에서, 표본의 초점을 맞추기 위해 필요한 Z 이동 범위는 오프셋 거리를 결정할 수 있다. Z 이동 범위는, 예를 들어, 표본의 두께 및/또는 임의의 다른 적절한 특성; 표본 등급 및/또는 표본의 다른 적절한 그룹; 및/또는 현미경의 광학적 특성(예를 들어, 대물렌즈의 배율)을 기반으로 할 수 있다. Z 이동 범위는 또한 오프셋 거리를 지속적으로 조정할 필요가 없도록 광범위한 표본 유형을 포함하도록 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)에 대한 적절한 오프셋 거리를 결정하기 위해, 오프셋 초점 카메라(72)는 다양한 오프셋 거리에 배치될 수 있다. 각각의 오프셋 거리에서 선명도 곡선이 계산될 수 있다. 원하는 Z 이동 범위를 나타내고 해당 범위에서 지속적으로 증가(양의 기울기로 표시됨) 또는 감소(음의 기울기로 표시됨)하는 선명도 곡선을 생성하는 오프셋 거리가 선택될 수 있다.
보다 구체적으로, Z 이동 범위가 큰 경우(예를 들어, 도 7에 도시된 라인 137 및 142 사이의 거리), 오프셋 초점 카메라(72)는 (곡선 A로 나타낸 바와 같이) 이미지 형성 켤레면(80)으로부터 더 멀리 배치될 수 있다. 예를 들어, 원하는 Z 이동 범위가 (라인 137과 142로 나타낸 바와 같이) 500 μm 내지 2500 μm인 경우, 곡선 B와 곡선 C를 생성한 오프셋 거리에 오프셋 카메라가 배치되어서는 안 되며, 이는 곡선 B와 곡선 C가 모두 원하는 Z 이동 범위에서 증가하고 감소하며, 표본과 대물렌즈를 서로 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시킬지 결정하기 위해 사용될 수 없기 때문이다.
일부 실시형태에서, 오프셋 거리는 또한 표본이 주 초점 카메라(70)에 대해 최적의 초점에 있는 위치에서 선명도 곡선의 가파른 정도(예를 들어, 라인 A', B' 및 C'로 표시됨)를 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 표본의 초점을 맞추는 데 필요한 Z 이동 범위가 작은 경우(예를 들어, 1300 μm-1700 μm), 오프셋 초점 카메라(72)는 이미지 형성 켤레면(80)에 더 가깝게(예를 들어, 곡선 C를 생성한 오프셋 거리에) 배치될 수 있다. 더 큰 오프셋 거리가 허용 가능한 선명도 곡선(예를 들어, 곡선 B 및 A)을 생성할 수 있지만, 곡선 C를 생성하는 오프셋 초점 카메라(72)의 위치가 선택될 수 있으며, 이 위치는 이미지 형성 켤레면(80)으로부터 더 먼 오프셋 거리에 비해 가장 가파른 기울기와 가장 큰 해상도를 가지기 때문이다. 일부 실시형태에서, 자동 초점 시스템(100)에 대한 Z 이동의 최대 범위를 수용하기 위해 이미지 형성 켤레면(80)으로부터 더 멀리 떨어진 위치가 선택될 수 있고, 따라서 오프셋 초점 카메라(72)는 다양한 두께의 표본에 대해 지속적으로 재배치될 필요가 없다.
오프셋 초점 카메라(72)는 이미지 형성 켤레면(80)의 오른쪽 또는 왼쪽의 오프셋 거리에 배치될 수 있음을 주목한다. 오른쪽 또는 왼쪽에 배치될 때 Z 이동 범위에 걸친 선명도 기울기는 한 방향으로 그리고 서로 반대 방향으로 이동할 것이다. 예를 들어, 오프셋 초점 카메라(72)가 이미지 형성 켤레면(80)의 오른쪽에 배치되고 선명도 기울기가 증가하는 Z 값의 범위에서 증가하는 경우, 이후 오프셋 초점 카메라(72)가 이미지 형성 켤레면(80)의 왼쪽에 배치되든 경우, 선명도 기울기는 반대(즉, 증가하는 Z 값의 범위에서 감소)가 될 것이다. 다시 말해서, 선명도 기울기의 부호(즉, 기울기가 양인지 음인지)는 오프셋 초점 카메라가 이미지 형성 켤레면의 오른쪽 또는 왼쪽에 있는지에 따라 달라진다. 따라서 오프셋 초점 카메라의 상대 위치(즉, 오프셋 초점 카메라가 이미지 형성 켤레면의 오른쪽 또는 왼쪽에 있는지 여부), 선명도 설정 및 선명도 값이 알려진 경우, 더 나은 초점을 얻기 위해 대물렌즈와 스테이지의 상대 위치를 증가시킬지 감소시킬지 여부가 추론될 수 있다.
일부 실시형태에서, 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 오프셋 거리는 자동 초점 시스템(100)에 대해 한 번 설정될 수 있다. 다른 실시형태에서, 오프셋 거리는 다양한 대물렌즈, 다양한 표본 두께, 다양한 표본 등급 또는 임의의 다른 적절한 기준을 수용하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 오프셋 카메라(72)는 더 작은 피사계(초점) 심도 및 더 작은 Z 이동 범위를 수용하기 위해 더 높은 배율의 대물렌즈에 대해 이미지 형성 켤레면에 더 가깝게 이동될 수 있다. 일부 실시형태에서, 오프셋 거리는 오프셋 거리 설정값으로서 제어 시스템(108)에 의해 저장될 수 있다. 오프셋 거리 설정값은, 예를 들어, 표본의 두께 및/또는 임의의 다른 적절한 특성; 표본 등급 및/또는 표본의 다른 적절한 그룹; 및/또는 현미경의 광학적 특성(예를 들어, 대물렌즈의 배율)과 관련될 수 있다. 오프셋 거리 설정값은 오프셋 초점 카메라(72)를 자동으로 배치하기 위해 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 7을 더 참조하여, 도 8은 개시된 주제의 일부 실시형태에 따른 자동 초점 시스템(100)의 자동 초점 동작의 예를 높은 수준으로 도시하고 있다. 자동 초점 프로세스(800)는 자동 초점 시스템(100)을 사용할 수 있다.
810에서, 스테이지(30) 상에 표본이 배치될 수 있다.
자동 초점 시스템(100)이 표본에 대한 선명도 설정값을 알지 못하는 경우(예를 들어, 값은 사용자 입력에 의해 획득되거나 또는 제어 시스템(108)에 의해 저장되고 특정 표본, 특정 표본 등급 및/또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 관련된 사전 값일 수 있음), 820에서, 제어 시스템은, (도 5와 관련하여 상기한 바와 같은) 적절한 선명도 알고리즘을 사용하여, 제어 시스템이 주 초점 카메라(70)에 의해 캡처된 이미지가 초점이 맞는지를 결정할 때까지(예를 들어, 제어 시스템(108)이 초점이 맞는 위치(예를 들어, Z 위치(130), 즉 도 5에 도시된 바와 같이 주 초점 카메라(70)에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 간주되는 Z 위치)를 결정할 때까지) 스테이지(30)와 대물렌즈(25)를 서로 더 가깝게 및/또는 더 멀리 이동시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 표본에 대해 가장 큰 측정된 선명도 값을 결정하기 위해 주 초점 카메라(70) 대신에 이미지 카메라(5)가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 초점 맞추는 과정 동안 스테이지와 대물렌즈의 다양한 Z 위치에서 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지를 기반으로 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 선명도 곡선이 계산될 수 있다. 오프셋 초점 카메라(72)에 대한 선명도 곡선은 선명도 곡선 설정값으로서 저장될 수 있고, 특정 표본, 특정 표본 등급 및/또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 관련될 수 있다.
830에서, 일부 실시형태에서, 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정되면, 초점이 맞은 이미지가 이미지 카메라(5)에 의해 캡처될 수 있다.
840에서, 주 초점 카메라(70)(또는 이미지 카메라(5))에 의해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정되면, 표본의 이미지는 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처될 수 있다. 캡처된 이미지에 대한 선명도 값이 (예를 들어, 주 초점 카메라(70)에 대해 사용된 동일한 선명도 방정식을 사용하여) 계산되고 제어 시스템(108)에 의해 저장될 수 있다. 저장된 값은 초점이 맞는 선명도 설정값으로 저장될 수 있고, 특정 표본, 특정 표본 등급 및/또는 또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 관련될 수 있다. 일부 실시형태에서, 주 카메라(70) 또는 이미지 카메라(5)에 대해 표본의 초점이 맞춰졌을 때, 스테이지(30); 대물렌즈(25); 스테이지(30) 상의 표본의 상단의 절대 위치; 및/또는 스테이지(30)의 상단과 대물렌즈(25) 사이의 거리는 위치 설정값으로서 제어 시스템(108)에 의해 저장될 수 있다. 위치 설정값은 특정 표본, 특정 표본 등급 및/또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 관련될 수 있다.
850에서, 스테이지(30)는 Z 축에 수직인 X/Y 평면에서 이동될 수 있다.
860에서, 일부 실시형태에서, 스테이지(30)의 새로운 X, Y 위치에서 표본의 이미지를 캡처하기 위해 오프셋 카메라(72)가 사용될 수 있고, 제어 시스템(108)은 해당 이미지에 대한 선명도 값을 계산할 수 있다. 초점 선명도 설정값과 비교한 이미지의 선명도 값을 기반으로 제어 시스템(108)은 표본의 초점을 다시 맞추기 위해, 스테이지(30)의 새로운 X, Y 좌표에서 표본의 초점이 맞춰졌는지 아니면 Z 높이가 조정될 필요가 있는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 선명도 곡선을 기반으로, 계산된 선명도 값이 저장된 초점이 맞는 선명도 설정값보다 큰 경우, 오프셋 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 선명도 값이 저장된 선명도 설정값과 동일하게 계산될 때까지 스테이지(30)와 대물렌즈(25)는 Z 방향으로 서로 더 가까워질 수 있다. 반대로, 계산된 선명도 값이 저장된 초점이 맞는 초점 선명도 설정값보다 작은 경우, 오프셋 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 선명도 값이 저장된 초점이 맞는 선명도 설정값과 동일하게 계산될 때까지 스테이지(30)와 대물렌즈(25)는 Z 방향으로 서로 더 멀어질 수 있다. Z 위치를 조정하기 위한 방향은 820에서 포커싱 프로세스 동안 오프셋 카메라(72)에 대해 캡처된 선명도 곡선으로부터 또는 이미지 형성 켤레면(72)에 대한 오프셋 초점 카메라(72)의 위치를 기반으로 결정될 수 있다. 오프셋 초점 카메라에 의한 이미지의 선명도 값을 계산하고 이를 저장된 초점이 맞는 선명도 설정값과 비교하기 위한 이러한 과정은 스테이지(30)의 X, Y 좌표가 변경될 때마다 반복될 수 있다.
870에서, 스테이지(30) 상에 새로운 표본이 배치될 수 있다. 제어 시스템(108)이 표본, 표본 등급 및/또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 이미 관련된 선명도 설정값이 있다고 결정하는 경우, 제어 시스템은 840에서 기술한 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지를 사용하여 새로운 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정할 수 있다. 예를 들어, 새로운 표본의 이미지는 오프셋 초점 카메라(72)에 의해 캡처될 수 있고, 선명도 값은 새로운 표본과 관련된 선명도 설정값과 비교될 수 있다. 오프셋 카메라(72)에 의해 캡처된 이미지의 선명도 값이 저장된 선명도 설정값과 동일하게 계산될 때까지 스테이지와 대물렌즈는 Z 방향으로 서로 더 가까워지거나 더 멀어질 수 있다.
일부 실시형태에서, 오프셋 초점 카메라(72)를 사용하여, 표본에 대해 계산된 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하면, 주 초점 카메라(70)가 사용되어 표본의 초점 및 오프셋 초점 카메라(72)의 선명도 설정값을 미세 조정할 수 있다. 예를 들어, 추정된 최대 선명도가 달성되었는지 또는 추정된 최대 선명도(즉, 기울기가 0이거나 0에 가까운 선명도 곡선 상의 지점)를 달성하기 위해 상대 Z-위치가 조정될 필요가 있는지 여부를 결정하기 위해, 주 초점 카메라(70)를 사용하여, 스테이지와 대물렌즈의 적어도 두 개의 상대 Z 위치에 대해 선명도 값이 계산될 수 있다. 추정된 최대 선명도가 달성되면, 오프셋 초점 카메라를 사용하여, 표본의 선명도 값이 계산되고 새로운 선명도 설정값으로 저장될 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어 시스템(108)은 또한 새로운 표본, 표본 등급 및/또는 표본에 대한 임의의 다른 적절한 분류 그룹과 관련된 위치 설정값이 있는지 여부를 결정할 수 있으며, 상기한 포커싱 프로세스를 시작하기 전에 자동 초점 시스템(100)을 해당 위치 설정값에 배치할 수 있다. 상대 Z 위치를 알면, 표본의 초점을 맞추는 데 필요한 상대 Z 거리를 줄이고 오프셋 카메라를 이미지 형성 켤레면에 더 가깝게 배치할 수 있다. 도 7과 관련하여 위에서 논의한 바와 같이, 오프셋 초점 카메라(72)가 이미지 형성 켤레면에 더 가까워짐에 따라 선명도 곡선의 기울기는 더 가파르게 될 수 있다. 더 가파른 기울기는 Z 높이의 작은 변화에 비해 더 큰 해상도 또는 더 큰 선명도의 변화를 나타낸다. 더 가파른 기울기는 더 정밀한 초점 조정과 제어를 제공할 수 있다.
프로세스(800)의 특정 부분이 수행되는 시기의 구분은 다양할 수 있으며, 분할 또는 다른 분할이 본원에 개시된 주제의 범위 내에 있다. 일부 실시형태에서, 프로세스(800)의 블록은 임의의 적절한 시간에 수행될 수 있음을 주목한다. 본원에 기술된 프로세스(800)의 부분 중 적어도 일부는 일부 실시형태에서 도 8에 도시되고 기술된 순서 및 시퀀스로 제한되지 않는 임의의 다른 순서 또는 시퀀스로 수행될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 본원에 기술된 프로세스(800)의 일부는 적절한 경우 실질적으로 동시에 또는 일부 실시형태에서 병렬로 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로세스(800)의 일부는 일부 실시형태에서 생략될 수 있다.
프로세스(800)는 임의의 적절한 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 프로세스(800)는 제어 시스템(108)에서 구현될 수 있다.
이러한 예시된 실시형태를 구체적으로 참조하여 자동 현미경 초점 시스템 및 방법이 상세하게 기술되었다. 그러나, 상기한 명세서에서 기술된 본 개시의 사상 및 범위 내에서 다양한 수정과 변경이 이루어질 수 있으며, 이러한 수정과 변경은 본 개시의 등가물 및 일부로 간주되어야 한다는 것이 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (32)

  1. 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 시스템으로서, 시스템은:
    대물렌즈와;
    제 1 이미지 형성 켤레면 상에 표본을 배치하기 위한 스테이지와;
    제 2 이미지 형성 켤레면에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 1 카메라와;
    제 2 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라와;
    제 1 파장 범위의 광을 방출하는 주 조명원으로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 주 조명원과;
    제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 방출하고, 제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 광을 투사하는 보조 조명원으로서, 투사된 광은 제 2 카메라에 의해 수신되는, 보조 조명원; 및
    제 1 카메라와 제 2 카메라에 결합된 하드웨어 프로세서를 포함하고, 하드웨어 프로세서는:
    제 1 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하고;
    제 2 카메라를 사용하여, 제 1 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하고;
    표본의 이동 후, 제 2 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하고;
    표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하고; 및
    제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는:
    제 2 카메라를 사용하여 표본에 대한 선명도 곡선을 결정하고; 및
    제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 선명도 곡선을 기반으로 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 더 구성되는, 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    보조 조명원으로부터의 광이 제 1 카메라에 도달하는 것을 방지하기 위해 보조 조명원과 제 1 카메라 사이의 광학 경로에 배치되는 제 1 필터; 및
    주 조명원으로부터의 광이 제 2 카메라에 도달하는 것을 방지하기 위해 주 조명원과 제 2 카메라 사이의 광학 경로에 배치되는 제 2 필터를 더 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 카메라는 또한 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    주 조명원과 대물렌즈 사이의 광학 경로에 배치되는 시야 조리개를 더 포함하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는 거친 초점과 미세 초점을 달성하기 위해 스테이지와 대물렌즈 중 적어도 하나를 이동시키도록 더 구성되는, 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 것은:
    대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 것과;
    제 2 카메라를 사용하여 제 2 선명도 값을 결정하는 것; 및
    제 2 선명도 값을 선명도 설정값과 비교하는 것을 반복적으로 포함하는, 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는 대물렌즈에 대한 스테이지의 위치를 저장하도록 더 구성되는, 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    저장된 위치는 제 2 이미지 형성 켤레면에 대한 제 2 카메라의 위치를 결정하기 위해 사용되는, 시스템.
  10. 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 시스템으로서, 시스템은:
    대물렌즈와;
    제 1 이미지 형성 켤레면에 표본을 배치하기 위한 스테이지와;
    제 2 이미지 형성 켤레면에 배치되어 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성된 제 1 카메라와;
    제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라와;
    제 3 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에 배치되어 초점을 맞추도록 구성된 제 3 카메라와;
    제 1 파장 범위의 광을 방출하는 주 조명원으로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 주 조명원과;
    제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 방출하고, 제 4 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 광을 투사하는 보조 조명원으로서, 투사된 광은 제 2 및 제 3 카메라에 의해 수신되는, 보조 조명원; 및
    제 2 카메라와 제 3 카메라에 결합된 하드웨어 프로세서를 포함하고, 하드웨어 프로세서는:
    제 2 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하고;
    제 3 카메라를 사용하여, 제 2 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하고;
    표본의 이동 후, 제 3 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하고;
    표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하고; 및
    제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 구성되는, 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는:
    제 3 카메라를 사용하여 표본에 대한 선명도 곡선을 결정하고; 및
    제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 선명도 곡선을 기반으로 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하도록 더 구성되는, 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    보조 조명원으로부터의 광이 제 1 카메라에 도달하는 것을 방지하기 위해 보조 조명원과 제 1 카메라 사이의 광학 경로에 배치되는 제 1 필터; 및
    주 조명원으로부터의 광이 제 2 카메라에 도달하는 것을 방지하기 위해 주 조명원과 제 2 및 제 3 카메라 사이의 광학 경로에 배치되는 제 2 필터를 더 포함하는 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    주 조명원과 대물렌즈 사이의 광학 경로에 배치되는 시야 조리개를 더 포함하는 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는 거친 초점과 미세 초점을 달성하기 위해 스테이지와 대물렌즈 중 적어도 하나를 이동시키도록 더 구성되는, 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 것은:
    대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 것과;
    제 3 카메라를 사용하여 제 2 선명도 값을 결정하는 것; 및
    제 2 선명도 값을 선명도 설정값과 비교하는 것을 반복적으로 포함하는, 시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    하드웨어 프로세서는 대물렌즈에 대한 스테이지의 위치를 저장하도록 더 구성되는, 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    저장된 위치는 제 3 이미지 형성 켤레면에 대한 제 3 카메라의 위치를 결정하기 위해 사용되는, 시스템.
  18. 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 방법으로서, 방법은:
    제 1 이미지 형성 켤레면의 스테이지 상에 표본을 배치하는 단계와;
    제 2 이미지 형성 켤레면에, 초점을 맞추도록 구성된 제 1 카메라를 배치하는 단계와;
    제 2 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에, 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라를 배치하는 단계와;
    제 1 파장 범위의 광을 주 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 단계와;
    제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 보조 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 광은 제 3 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 투사되고, 투사된 광은 제 2 카메라에 의해 수신되는, 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 1 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하는 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 제 1 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하는 단계와;
    표본의 이동 후, 하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하는 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하는 단계; 및
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 2 카메라를 사용하여 표본에 대한 선명도 곡선을 결정하는 단계; 및
    제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 선명도 곡선을 기반으로 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    보조 조명원으로부터의 광이 제 1 카메라에 도달하는 것을 방지하는 단계; 및
    주 조명원으로부터의 광이 제 2 카메라에 도달하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    제 1 카메라는 또한 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성되는, 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    거친 초점과 미세 초점을 달성하기 위해 스테이지와 대물렌즈 중 적어도 하나를 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    제 2 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계는:
    대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계와;
    제 2 카메라를 사용하여 제 2 선명도 값을 결정하는 단계; 및
    제 2 선명도 값을 선명도 설정값과 비교하는 단계를 반복적으로 포함하는, 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    대물렌즈에 대한 스테이지의 위치를 저장하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    저장된 위치는 제 2 이미지 형성 켤레면에 대한 제 2 카메라의 위치를 결정하기 위해 사용되는, 방법.
  26. 자동으로 현미경의 초점을 맞추기 위한 방법으로서, 방법은:
    제 1 이미지 형성 켤레면의 스테이지 상에 표본을 배치하는 단계와;
    제 2 이미지 형성 켤레면에, 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본의 이미지를 촬영하도록 구성된 제 1 카메라를 배치하는 단계와;
    제 3 이미지 형성 켤레면에, 초점을 맞추도록 구성된 제 2 카메라를 배치하는 단계와;
    제 3 이미지 형성 켤레면으로부터의 오프셋 거리에, 초점을 맞추도록 구성된 제 3 카메라를 배치하는 단계와;
    제 1 파장 범위의 광을 주 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 방출된 광은 제 1 카메라에 의해 수신되는, 단계와;
    제 1 파장 범위와는 다른 제 2 파장 범위의 광을 보조 조명원으로부터 방출하는 단계로서, 광은 제 4 이미지 형성 켤레면에 배치되는 초점 패턴을 통해 투사되고, 투사된 광은 제 2 및 제 3 카메라에 의해 수신되는, 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 2 카메라를 사용하여, 선명도 값을 기반으로 표본의 초점이 맞춰진 때를 결정하는 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여, 제 2 카메라에 대해 표본의 초점이 맞춰진 것으로 결정될 때 표본에 대한 선명도 설정값을 결정하는 단계와;
    표본의 이동 후, 하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여, 표본의 제 1 선명도 값을 결정하는 단계와;
    하드웨어 프로세서에 의해, 표본의 제 1 선명도 값이 선명도 설정값보다 높은지 낮은지를 결정하는 단계; 및
    하드웨어 프로세서에 의해, 제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    제 3 카메라를 사용하여 표본에 대한 선명도 곡선을 결정하는 단계; 및
    제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 선명도 곡선을 기반으로 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    보조 조명원으로부터의 광이 제 1 카메라에 도달하는 것을 방지하는 단계; 및
    주 조명원으로부터의 광이 제 2 및 제 3 카메라에 도달하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제 26 항에 있어서,
    거친 초점과 미세 초점을 달성하기 위해 스테이지와 대물렌즈 중 적어도 하나를 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제 26 항에 있어서,
    제 3 카메라를 사용하여 결정된 표본의 제 2 선명도 값이 선명도 설정값과 일치하도록 대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계는:
    대물렌즈와 스테이지 사이의 거리를 조정하는 단계와;
    제 3 카메라를 사용하여 제 2 선명도 값을 결정하는 단계; 및
    제 2 선명도 값을 선명도 설정값과 비교하는 단계를 반복적으로 포함하는, 방법.
  31. 제 26 항에 있어서,
    대물렌즈에 대한 스테이지의 위치를 저장하는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    저장된 위치는 제 3 이미지 형성 켤레면에 대한 제 3 카메라의 위치를 결정하기 위해 사용되는, 방법.
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