TW594045B - A microscope suitable for high-throughput screening having an autofocusing apparatus - Google Patents

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594045 A7 _ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（/ ) 【發明範圍】 本發明係關於一種包含具有展開之主要光學軸之自動 聚焦裝置之適用於高通過量篩選的顯微鏡。又，本發明亦 關於一種自動聚焦裝置，並關於一種有助於高通過量篩選 5 之自動聚焦方法。 【發明背景】 多項顯微鏡之自動聚焦技術已經存在多年。 大部分的自動聚焦方法係落在兩個範轉：位置感測與 影像内容分析。影像内容自動聚焦函數以前已針對明視場 10 (brightfield)顯微鏡作比較。Groen、Y〇ung、與 Ligthart (Groen FCA、Young IT、Ligthart G : A comparison of different focus functions for use in autofocus algorithms (tb 較自動聚焦演算法使用之不同的聚焦函數））。Cytometry 6 : 81-91，1985)係藉由使用電子顯微鏡光栅與中期擴展 15 (metaphase spread)而在明視場之下比較11個自動聚焦函 數，而 Vollath (Vollath D : Automatic Focusing by Correlative Methods(依據相關方法之自動聚焦）。J Microsc 147 : 279-288，1987)係藉由使用麻痺鋼鐵（paralytic steel) 標本而在明視場之下測試自動校正函數。Groen等人作出 20 以下結論：三個自動聚焦函數（亦即，兩個梯度函數與強 度變異數）能做得最好。其最重要的限制係為取決於計算 性能之速度。 在一般的自動聚焦影像内容技術中，物鏡係被置於離 開待掃描之樣品一段預定距離，並對物體進行成像。然後， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·% · 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 3 i A7 五、發明說明（2 B7 10 15 20 大致評估由顯微鏡所建 物體内之平面)能對二像以決定物體之㈣ t例Γ均信息量(ent，)、空間分辨率、空間頻率、對 比之影像特徵，或八 對大量的電腦處理二旦:::=。分析這些特徵需要相當 之物體間的距離就會改二’：::鏡::掃描 新影像，並在最後沖¥隹=: 接者評估 X于聚“、、衫像之前重複作幾次處理。最 於物體表面上之前，重複分析影像之步 驟了使传1焦動作必須耗費—段不希望花費的長時間。對 於各種型式之成像動作而言，自動聚焦所增加的處理時間 之/而求尤其厭重。舉例而言，當在顯微鏡下觀察物體時， 必須維持數個聚焦條件，以便維持物體之適當聚焦影像。 因此，如果沒有採取校正步驟的話’即使物體一開始就對 準焦點’物體亦可能由於例如熱效應與振動之種種外部因 素而逐漸地脫離焦點。此外，當物體大於顯微鏡之視野時， 顯微鏡只可以聚焦在可透過顯微鏡之視野進行觀察之部分 物體上。因此，必較期檢查並調整聚焦條件，以便維ς 全部物體之清晰影像。 、、 X蓉於上述㈣明，吾人需要一種改良的顯微鏡之自動 聚焦系統與方法，其可執行快速與正確的自動聚焦動作， 同時維持清晰的影像。 在第一實施樣態中，本發明係關於一種具有有助於高 通過量篩選之自動聚焦位置感測裝置之顯微鏡。運用自S 聚焦測試之不確定性，乃起因於一種顯微鏡方法到本發明

訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公茇） 4 594045 A7 B7 五、發明說明（ 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 所引導出的另-種顯微鏡方法。本發明之發展包括探索勞 光染色的生物標本之顯微鏡之自動聚焦性能。 舉例而 δ ’ 從 〇ffenlegungsschrift DE 34 46 727 與 DE 3”8 821，可得知數種自動聚焦位置感測方法與設備。 运些德國文獻揭露一種供顯微鏡用的自動聚焦裝置，其 中，由兩個分離光源所引起之光強度的變化可提供調整焦 距的信號。這些已知的自動聚焦方法尤其有助於待被成像 之平坦樣品。自動聚焦光束係沿著包含數個光學元件（例 如數個透鏡與至少兩個分光鏡）的實質上之大零件行進。 在自動聚焦程序中，這種大零件會導致實質上的延遲。本 發明係針對於-種更簡化的自動聚焦系統，藉以使一部份 之自動聚焦光源最小化。運用自動聚焦測試之不確定性， 係起因於-種顯微鏡方法到本發明所引導出的另一種 鏡方法。本發明之發展包括探索螢光染色的生物標本;顯 微鏡之自動聚焦性能。 - 【發明之概述】 本發明之優點與目的將部分於隨後之說明中提出，而 一部分將可從說明而輕易理解’或可能藉由實現本發明而 得知。藉由利用尤其於以下的中請專利_所指出之 /、、、·且s，將可實現並獲得本發明之優點與目的。 為了依據本發明獲得其優點與目的，如於此所 :廣泛說明的’在第一實施樣態中，本發明係指向用以 察物面之顯微鏡。顯微鏡包含：複數個透鏡，沿著 之主光軸配置：及—探針臂，支持複數個透鏡。此探針^ 訂 本紙張尺度翻1 _祕丰（U如A4規格（21〇 χ 297公楚） 5 W4045 A7 B7 五 、發明說明（4* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一般係沿著主光軸延伸。顯微鏡更包含：支架，具有待檢 查物面之物體係置於其上，此物面實質上沿著經由顯微鏡 觀察之聚焦平面而延伸；及光學輸出裝置，用以在影像平 2上產生物面之影像。此主光軸是展開的，且實質上沿著 早一平面延伸。 在又另一個實施樣態中，本發明係針對使用螢光成像 技術之自動聚焦方法與設備，藉以在特定範圍内選擇自動 聚焦光束之波長、照明與激發光束： 在又另種貝施樣態中，本發明係關於一種適用於高 通過量篩選之顯微鏡的自動聚焦方法之使用。 在另一個實施樣態中，本發明係關於一種具有用以自 動聚焦物面之影像的自動聚焦裝置之顯微鏡。顯微鏡一般 包含：光學系統設計成用以形成待觀察之物面的影像、自 動聚焦偵測系統、以及聚焦校正系統。光學系統包含：物 Μ鏡，設計成用以聚焦於物面上；照明光束源，用以利用照 明光束照明物面；及影像透鏡，設計成用以建構物面之影 像。自動聚焦偵測系統包含：自動聚焦光束源用以產生 自動聚焦光束；分光鏡，設計成用以將自動聚焦光束引導 至物面並使自動聚焦光束反射離開物面；偵測系統透鏡， 用以將反射的自動聚焦光束引導至自動聚焦檢測裝置；以 及自動聚焦檢測裝置。自動聚焦檢測裝置係基於自動聚焦 偵測系統之反射的自動聚焦光束的影像平面離開預定參考 平面所债測到的位移4，而蚊在光學系統中的物面之影 像離開期望聚焦的參考平面的位移量。此自動聚焦檢測裝 頁 10 訂 20 本紙張尺度適” _家標準（CNS)A4規格（ χ撕公爱） 6 594045 A7 B7 五、發明說明（5 ) -- 置包含至少-感測器，用以感測反射的自動聚焦光束並谓 測影像平面之位移。此聚焦校正系統包含反饋控制器與焦 點調整裝置，用以基於由該至少一感測器所感測之反射的 自動聚焦光束’自動調整物鏡與物面之間的距離，以便適 5當地將影像聚焦於光學系統中。 在又另一個實施樣態中，本發明係指向一種用以自動 把影像聚焦於顯微射之系統。此系統包含：成像系統， 用以藉由使用第一波長之照明光束而產生物面之影像；及 自動聚焦偵測系統。自動聚焦偵測系統包含具有第二波長 10之自動聚焦光束。自動聚焦光束係被引導以反射離開物 面。自動聚焦偵測系統更包含具有光圈與光偵測器之自動 聚焦檢測裝置，與偵測系統透鏡。偵測系統透鏡將反射的 自動聚焦光束引導至自動聚焦檢測裝置。自動聚焦檢測裝 置接收來自偵測系統透鏡之反射的自動聚焦光束。此光圈 15至少允許反射的自動聚焦光束之一部份通過光涵之開口。 此光偵測器測量通過光圈之開口之部分反射的自動聚焦光 束之強度，以便偵測成像系統中之物面的影像離開期望的 聚焦參考表面之距離。 在另一個實施樣態中’本發明係指向能自動聚焦影像 20之顯微鏡之另一個實施例。此系統包含：成像系統，用以 藉由使用第一波長之照明光束而產生物面之影像；及自動 聚焦偵測系統。自動聚焦偵測系統包含具有第二波長之自 動聚焦光束。自動聚焦光束係被引導以反射離開物面。自 動聚焦偵測系統更包含包括複數個光感測器之自動聚焦檢 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 594045 A7 -----_______ 五、發明說明（G ) 測裝置，與偵測系統透鏡。偵測系統透鏡將反射的自動聚 焦光束引導至自動聚焦檢測裝置。自動聚焦檢測裝置接收 來自偵測系統透鏡之反射的自動聚焦光束。複數個光感測 裔測里反射的自動聚焦光束之光強度，以便偵測成像系統 5中之物面的影像離開期望的聚焦參考表面之距離。 在又另一個實施樣態中，本發明係指向一種自動將物 面之影像聚焦於顯微鏡中之方法。此方法包含：產生自動 聚焦光束；將自動聚焦光束引導至待檢查之物面；及使自 動聚焦光束反射離開物面。此方法更包含將反射的自動聚 1〇焦光束引導至偵測系統，並以偵測系統之光偵測器感測自 動聚焦光束。此方法更包含基於感測的自動聚焦光束，決 定反射的自動聚焦光束之影像平面離開期望參考平面之位 移®，並聚焦於物面上，用以建構適當之聚焦影像。此感 傳送反射的自動聚焦光束至少部分通過光圈之開 並利用偵測系統之光偵測器，測量傳輸通過開口之反 射的自動聚焦光束之光強度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在又另一個實施樣態中，本發明係指向一種自動將物 面之影像聚焦於顯微鏡中之方法。此方法包含··產生自動 來焦光束；將自動聚焦光束引導至待檢查之物面；及使自 動聚焦光束反射離開物面。此方法更包含將反射的自動聚 ^光束引導至偵測系統，並以债測系統之複數個光债測器 自動I焦光束。此方法更包含基於感測的自動聚焦光 束決疋反射的自動聚焦光束之影像平面離開期望參考平 面之位移量，並聚焦於物面上，用以建構適當之聚焦影像。

8 五、發明說明（7 ) 此決定包含比較由複數個光偵測器所偵測之反射的自動聚 焦光束的光強度。 吾人應理解到上述的一般說明與下述的詳細說明兩者 係僅作例示之目的，而並未限制如以下之申請專利範圍所 5 界定之本發明。 【圖式之簡單說明】 併入並構成此說明書之一部份的附圖，顯示並說明本 發明之數個實施例，用以依據附圖說明本發明之原理。在 附圖中： 〇 圖1顯示依據本發明之用以形成物面之影像的光學系 統之基本原理； 圖2顯示具有對準與離開焦點的物面之圖1之光學系 統； 圖3A顯示依據本發明之一個實施例之具有圖丨的光 15學系統與自動聚焦系統之顯微鏡； * 圖3B顯示圖3 A之自動聚焦系統之自動聚焦檢測裝 置； 圖3C係為在實際影像平面與期望影像平面間之各種 不同的相對位置之由圖3B之自動聚焦檢測裝置所偵測之 光強度的曲線圖； 圖4A顯示依據本發明之另一個實施例之具有圖1的 光學系統與自動聚焦系統之顯微鏡； 圖4B顯示圖4A之自動聚焦系統之自動聚焦檢測裝 置； 五、發明說明（》 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 圖4C係為在實際影像平面與期望影像平面間之各種 不同的相對位置之由圖4B之自動聚焦檢測裝置所摘測之 光強度的曲線圖； 圖413顯不具有調整自動聚焦偵測系統之圖4 a的顯 微鏡之變化； /圖5顯示依據本發明之另_個實施例之具有圖1的光 學系統與自動聚焦系統之顯微鏡； 、、圖6A、6B'與6C分別顯示具有對準焦點之物面、 k ;遠離物鏡之物面、α及過於靠近物鏡之物面的圖$之 自動聚焦系統之自動聚焦檢測裝置； 、圖7 A、7Β '與7C分別顯示具有對準焦點之物面、 k 離物鏡之物面、以及過於靠近物鏡之物面的形成於 圖5之自動聚焦檢測裝置的二極體上之光點的位置； 圖8A顯示依據本發明之另一個實施例之具有圖！的 光學系統與自動聚焦系統之顯微鏡； 、=8B、8C、與8D分別顯示具有對準焦點之物面、 過於遠離物鏡之物面、以及過於靠近物鏡之物面的形成於 圖8A之自動聚焦檢測裝置的二極體上之光點的位置； 圖9係為可利用於圖3-4之顯微鏡中的物面之影像之 自動聚焦方法的示範流程圖； 圖1〇係為可利用於圖5-8之顯微鏡中的物面之影像 之自動聚焦方法的示範流程圖； 圖11係為依據本發明之另一個實施例之顯微鏡的側 視圖；以及

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10 圖12係為安置於離開掃描平台之 顯微鏡的側視圖。 工< 圖11之 【發明之詳細說明】 以下將參考附圖中所顯示之例子，詳 較佳實施例。在遍及所有附圖中，儘可能使用：：發明之 數字以表神同的或類似的部分。 5的參考 關於顯微鏡之具體的重要性方面，首先 其内之自動聚焦系統。 ‘ ▽匕β於 本發明提供一種具有自勤令隹姑 聚㈣罢r“ 有自動聚焦裝置之顯微鏡，此自動 :焦裝置係用以自動地將顯微鏡聚焦至例如樣品之 平面上0 請 先 閲 讀 背 面 之 注 項 再 填 寫 本 頁 % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 為了清楚說明起見，以下將分別探討自動聚焦裝置與 …充之、、’田筇與顯微鏡之細節。然而，所有特徵都包含在内。 ㈣本發明之_個實施例，設有-種自動聚焦裝置， 5其包含：光學系統，設成以形成待觀察之取樣半面的光學 影像；自動聚焦偵測系統；以及聚焦校正系統。此光學系 '、，可έ物鏡，恥明光束源，用以使用照明光束照亮取 樣平面，以及影像透鏡（例如聚光鏡），用以產生取樣平面 之衫像。此自動聚焦偵測系統可包含：自動聚焦光束源， 20用以產生自動聚焦光束；分光鏡，設成以將自動聚焦光束 引導至取樣平面，並使自動聚焦光束反射離開樣品表面。 本發明之自動聚焦偵測系統可更包含偵測系統透鏡， 其乃設成以將返回的自動聚焦光束引導至自動聚焦檢測裝 置。自動聚焦檢測裝置最好是能基於自動聚焦光束之影像 I 訂

本紙張尺度適用中國國家標準（C^T4規格（21G χ 297公爱） 11 五、發明說明（0) 平面^自動聚焦檢測裝置中之預定參考平面的偵測位移， 而決定樣品表面之影像離期望聚焦的參考平面之位移量。 聚焦校正系統最好是包含反饋控制器與焦點調整裝置，後 者乃用以自動調整物鏡與取樣平面之間的距離，以便適當 5地將影像聚焦於光學系統卜本發明亦關於一種自動把^ 樣平面之影像聚焦於顯微鏡中之方法。 在顯微鏡中，當取樣平面並非位於物鏡之焦距時，_ 微鏡中所產生之影像將會離開焦點·。舉例而言，圖丨與2 說明了這種問題如何發生於用以在顯微鏡中形成待觀察之 ίο樣品的光學影像之光學系統中。圖卜2之系統只是為了例 證的目的而作顯示，所以並不包含以下將參考圖3·8而更 詳細說明之本發明的自動聚焦系統。 如圖1-2所具體顯示，光學系統1〇係在顯微鏡中形 成待觀察之取樣平面16之光學影像。光學系統1〇包含分 15光鏡12、物鏡14、局部反射物面或取樣平面16、影像透 鏡18、影像平面20、以及照明光束22之光源25。在圖i 所示之例子令，樣品之取樣平面16係被置於對應至物鏡 14之焦距（Π)的距離。因此，在圖丨之顯微鏡中，樣品所 產生之影像係為適當聚焦的影像。相較之下，圖2之取樣 2〇平面16係被置於脫離透鏡之焦距的位置（脫離了 dl的距 離），因此，所產生之影像並未受到適當聚焦。在圖i與 2中局σ卩反射平面16可對應至樣品表面之底部或樣品 内部的平面。又，取樣平面16可對應至表面之底部，而 樣品係被置於此表面之底部上。為了以下討論之方便起 乃刊45 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（// ) 見，將以取樣平面16表示待聚焦之平面。 如圖1與2所示，光源25產生照明光束22。照明光 束22可能具有適用於照亮顯微鏡之取樣平面的任何波 5長。雖然所示之例子顯示出平行的照明光束，但並不一定 5需f平行光束。光束亦可為發散式或收敛式。為了討論， 將况明平行光束之使用。光源25可為例如燈管或雷射之 2何習知型式之光源。雖然圖顯示出光源係鄰近於 分光鏡12，但將光源置於圖中之取樣平面i㈣左側上亦 是可行的方式，以便使光線透過取樣平面。在此種構造中， 〇將不需要分光鏡12。在另-種構造中，取樣平面本身可 發光，所以不需要特定的照明光源。這種情況何時可能產 之個例子，就疋在樣品接受發光化學反應的時候。隨 後將參考本發明所揭㈣自動聚焦债測系統，探討特定型 式之光源與照明光束之較佳波長。 15八在圖1與2之例子中，照明光束22係指向分光鏡12。 分光鏡12可能為適合本發明使用之任何型式的習知分光 鏡。分光鏡12使照明光束22反射至物鏡14與沿著第一 光學軸56而設立之取樣平面16。在圖i中，取樣平面16 正好位於物鏡14之聚焦平面，亦即，物鏡14之焦距η。 20因為取樣平面16正好位於遠離物鏡i4之焦距，所以來自 物鏡1。4之照明光束22之外邊界將與取樣平面16相交於 -個單點’如圖1所示。姑且說物鏡14係以使光束相交 以照在表面上之單點（亦即，光束之直徑將會是最小）的配 置’而聚焦對準於取樣平面16上。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： 線· 13 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 594045 A7 ----B7 五、發明說明（u) 照在平面16之照明光束22係反射離開平面16並回 到物鏡14。當照明光束通過物鏡14時，照明光束係平行 返回至其原始的型式，並指向分光鏡12。分光鏡Η係設 成以使沿著第一光學軸56返回之照明光束傳輸通過分光 5鏡12，而不會受到任何微擾影響。在將光束傳輸通過分 光鏡12之後，平行光束會到達影像透鏡18。 影像透鏡18可能為例如聚光鏡之任何一種習知透 鏡，用以產生表面之影像。雖然圖i之簡圖只顯示一種影 像透鏡18，但是一般的顯微鏡將具有熟習本項技藝者所 1〇熟知之一組中繼光學元件。為了簡化之目的，並未顯示中 繼光學元件。在圖1所示之構造中，影像透鏡18將照明 光束投影至配置於影像透鏡18之焦距f2的影像平面2〇 上。例如影像透鏡18(或物鏡14)之透鏡具有以其放大率 為根據之預定的焦距（f)。在適合本發明之影像透鏡之例 15子中，焦距係在160公釐至25〇公釐之間。然而，影像透 鏡之焦距可能小於或大於這個範圍相當多。 焦距（f)係對應至離透鏡之距離，而通過透鏡之平行 光束將適當地被聚焦於透鏡，亦即，光束之直徑將是最小。 舉例而言，圖1所示之物鏡14具有焦距fl。因此，位於 20離物鏡14之距離fl的取樣平面16，將具有來自聚焦於 取樣平面上之分光鏡12的平行照明光束22,如圖1所示。 因為取樣平面16正好位於物鏡14之焦距fi，所以當反 射光束沿著第一光學軸56傳送返回通過物鏡14而到達影 像透鏡18時，來自表面之反射光束將是平行的。然後， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再^寫本頁) 訂： --線· 14 594045 A7 B7 五、發明說明（G ) 由影像透鏡18所引導之反射照明光束（移向圖1之右方）， 將聚焦於位於影像透鏡18之焦距f2的影像平面2〇上。 因此，當取樣平面16係位於物鏡14之焦距fl時，由影 像透鏡18所產生之影像將適當地被聚焦。 然而，一般而言，取樣平面16起初並非恰巧位於物 鏡14之焦距。即使取樣平面起初即位於離物鏡一段期望 距離，例如熱效應或振動之外部因素仍可能導致取樣平面 與物鏡之間的相對移動。當平面16係位於除了遠離物鏡 14之焦距fi以外的位置（亦即，從圖丨所示之位置向左方 或右方移動）時，物鏡將不會聚焦於取樣平面上。舉例而 。’相較於圖1之距離’圖2顯示取樣平面16係位於離 物鏡14—段較長的距離（fl加上dl的距離）。在這個新的 位置上，樣品之表面已從圖i所示之位置移動一段額外的 距離dl。當取樣平面並未位於物鏡之焦距fi時，照明光 束將藉物鏡14而聚焦在位於離物鏡14 一段距㈣、的樣 ^圖2之虛線所示）之期望參考平面23，而非聚焦於取樣 較u ΐ隹樣品(圖2所示)之期望參考平面23正好位於 物鏡14之焦距Π，因而對應至來自物鏡 之直徑係呈現最小的位置。 .....月先束 然而，吾人期望的照明光束之直徑係在取樣 之實際平面（以實線顯示）呈現最小，， 開之炎者平面~在，、取樣平面隔 阀您要考+面23呈現最小。因以產生，最後仍期望將取樣平面16置為於了期使望適參二的聚= 以下將說明用《獲得這種聚焦之方法與設儀千面23 5 10 15 20 本紙張尺度翻τ關家標準（cns)A4

-------------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線· -n I— H 1 n n · 15 594045 A7 B7 五、發明說明（/仏） 在圖2中，取樣平面16係位於離期望參考平面23 — 段額外距離d1(以虛線顯示）。這段dl之移動可能 ― 因素所導致。如圖2所示，照明光束之直徑係在期望來 平面23呈現最小’目此於超過離物鏡14 一段距離/ 10 5位置照在取樣平面16上。然後，照明光束22將反射_ 取樣平面以作為反射光束24。因為照明光束U並未 取樣平面16上之單點或最小直徑位置（如於圖ι所完成 所以反射光束24之外邊界將位於朝向取樣平面16之照明 光束22之外邊界之外部。如圖2所示，在通過返回經由 物鏡14之後，反射光束24將不再是平行的。 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 然後’反射光束24將沿著第一光學軸56傳輸通過分 先鏡12而到達影像透鏡18。因為反射光束並不是平行的， 7以接著影像透鏡18將投射反射光束24，俾能使它們相 交於影像平面20(並非位於影像透鏡18之適當焦距⑺。 位於影像透鏡之焦距f 2的平面係以影像平面之”期望的” 參考平面表示。在圖2以及整篇說明書當中，在影像平面 之期望參考平面26(以虛線表示）與影像平面2〇之實際位 置（以實線表示）之間的距離係表示為d2。如圖i所示，當 相對於物鏡而適當地安置取樣平面時，影像平面2〇之實 際位置係與期望參考平面26相同。 、 例如電荷耦合裝置(charge couple device, CCD)或照相 機之影像形成裝置，係可安置於光學系統1〇之期望參考 平面26上。又，用以觀察影像之目鏡係可安置於期望參 考平面26 ’俾能使觀察者的眼睛對準期望參考平面％。 本紙張尺度翻中國國家標準x 297公爱 16 594045 五、發明說明) 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 :二為了適當地使光學儀器聚焦，理想上是可引導反射 而使光束與期望參考平面26相交於一點(如圖1 告 斤不之系統，在取樣平面16被置於與適 2焦位置相距dl之距離（物鏡之焦距η)的情況下，將 曰生相對應的位移d2，而此位移d2係為影像平面20 與顯微鏡之期望夹者承& % 〃考千面26的距離。因此，相對應的影 象將在焦點之外’此乃因為其並未位於影像透鏡Μ之適 當焦距f2。 與本發明之原理相符之自動聚焦系統提供了快速精確 的自動聚焦於取樣平面上。自動聚焦系統包含自動聚焦偵 、J系統用以直接決定實際影像平面相對於光學系統之影 像=面之期望參考平面的位移量。此段位移量一般係對應 至影像脫離焦點之位移量。依據本發明之一個實施樣態， 耗費在評估複數影像之特徵所需要的時間，係藉由直接決 疋〜像脫離焦點之距離而得以消除。因此，可快速並有效 地調整顯微鏡，俾能使影像適當聚焦。本發明之自動聚焦 系統更包含聚焦校正系統，用以調整在物鏡與取樣平面之 間的距離，俾能使顯微鏡快速地聚焦於取樣平面。 依據本發明之用以自動將光學儀器的聚焦至取樣平面 上之a又備的第一例子係顯示於圖3 a、3 B、與3 C中。如 圖3A-3C所具體顯示，用以自動地將光學儀器聚焦至取 樣平面上之設備30係包含：光學系統1 〇，用以形成影像 (如先蝻於圖1 -2所說明）；自動聚焦偵測系統32 ;以及聚 焦校正系統34。如圖3A-3C所示，設備30包含用以形成 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 f 本 頁 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 17 04 940 A7 —_______B7_ 五、發明說明（Μ ) 待觀察之樣品的光學影像之光學系統10。光學系統1〇包 含分光鏡12、物鏡14、影像透鏡18、影像平面2〇、盘= 明光源25，實質上如以前之圖1-2之說明與討論。圖ϋ 3C中之光學系統1〇之原理，係在與圖卜2之先前說明相 5同的原理之下運作。以下將詳細說明關於自動聚㈣測系 統32、聚焦校正系統34、與光學系統1〇的元件。 如圖3 A，3C所具體顯示，設有自動聚焦偵測系統32， 其包含：用以產生自動聚焦光束40之光源39;第一自動 聚焦分光鏡42 ;與第二自動聚焦分光鏡44。自動聚焦系 10統32更包含：偵測系統透鏡46，用以引導並傳回自動聚 焦光束；以及檢測裝置50，用以決定影像離開期望聚焦 的參考平面之位移量。檢測裝置5〇可能是例如那些圖 3A-3C所示與本發明之其他實施例的許多裝置。 如圖3A-3B所示，光源39產生使用於自動聚焦偵測 15系統32之自動聚焦光束40。光源39可能是任何適當的 光源，例如燈管或雷射。如果選用雷射，則雖然本發明可 使用許多其他雷射型式，但亦可用二極體雷射或氦氖雷射 作為光源39。又，雖然圖3A所示之自動聚焦光束40係 為平行狀’但是自動聚焦光束亦可是收斂或發散狀。為了 20簡化討論起見，所顯示的光束係為平行狀。 在圖3A所示之例子中，自動聚焦光束具波長Aa。 最好是選擇自動聚焦光束之波長，使其與照明光束52之 波長相異。在大部分的實例中，自動聚焦光束最好是具有 比照明光束來得較長的波長。雖然本發明係適合於除螢 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再^寫本頁) 訂· -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 18 594045 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（π ) 成像光譜學以外之多數個其他應用，但是為了說明之目的 起見，以下將說明關於螢光成像光譜學之光源與光束。在 螢光成像中，照明光束52具有激發波長；(e，並用來在光 學系統10中，以類似於關於圖1所討論之方式產生影像。 5自動聚焦光束40與照明光束52之波長被選擇成彼此不 同，俾能使自動聚焦光束40不至於干擾或阻礙用來建構 影像之照明光束52。 在使用螢光成像之顯微鏡中，最好是選擇照明光束52 的波長，使其儘可能狹小且在研究中之螢光樣品的吸收頻 10 帶内。當照明光束照在表面時，會產生具有波長^ f之螢 光光束。最好是，螢光光束之波長係不同於照明光束之波 長。在一個例子中，波長間之差異可能是小到5〇毫微米， 农好疋10宅微米或更較小。激發光束之任何光乃不被允 許進入影像透鏡18中。因此，在圖3A所示之例子中， 15分光鏡12係设成以阻播具有波長又^之所有光，同時允 許螢光波長久f之光傳輸通過其中。 如上所述，應該選擇具有不同於激發波長（Ae)與螢 光波長（λ f)之波長（λ a)之自動聚焦光束。以下將僅為例 示之目的顯示一個特別的例子。在吸收大約51〇毫微米之 20波長並以大約550毫微米發螢光的樣品之情況下，可選擇 具有514毫微米之波長的Ar+離子雷射之激發光束。吾人 可選擇大於大約600毫微米之自動聚焦光束之波長。這個 波長的例子係只為了例示的目的，所以並不會限制本發 明。藉由使用不同的波長，本系統能夠同時決定系統離開 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公复） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} .· 裝

n n n n 一：OJ« n ϋ ϋ n 1- ϋ -ϋ I

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10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 二 之影像。執行這兩種處理之能 、门仏南自動聚焦裝置之速度與效率。 動聚隹所示之例子，自動聚焦光束源39產生自 動广焦先束4。並使自動聚焦光 56之第一方向投射。自m #先學軸 系％之第八^ 0照在自動聚焦制上，並沿著第二光學軸64反射至自俾妒在不1笛一刀先鏡44上。又，具體形成此設備， b在不而要弟一分光鏡42的情況 源39產生直接到兹一八止… 仗目料焦先束 苐一刀先鏡44上的自動聚焦光束40。 ^種可能的構造中，自動聚焦光束之光源39可產生 直接到物鏡14之自動聚焦光束4〇。 於本發明令所使用之分光鏡42、44可能為熟習本項 技藝者所熟知的任何習知型式之分光鏡。舉例而言，分光 f 42、44可能是局部反射之傳統分光鏡。分光鏡44最好 疋设成以傳輸波長Ae與Af之所有照明光束，同時反射 波長；I a之自動聚焦光束。在一個例子中，分光鏡42最 好是設計成用以使用一種偏振光豎分光器與一種1/4波長 感光板（wavelength plate)。如圖3 A所示，在自動聚焦光. 束40照在第二分光鏡44時，其係沿著第一光學軸56反 射至物鏡14。分光鏡44係設成以使波長；1&之自動聚焦 光束反射。如果這些光束同時運作，則分光鏡44亦會如 之前所說明地允許反射照明光束52通過其中。 自動5^焦光束係沿著第一·光學軸5 6而行進至物鏡 14。物鏡14可能為任何型式之顯微鏡物鏡。物鏡14具有 意 i 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 20 594045

五、發明說明（Θ) 焦距f卜此焦距f i係為物鏡之放大率的函數。對於大部 分的應用而言，有效的焦距fl 一般將在40公釐與i公釐 之間的範圍内。然而，具有這個範圍外的焦距之物鏡亦適 合於本發明。物鏡14將波長又3之自動聚焦光束引導至 5位於物鏡之焦距£丨的取樣平面16上。於圖3八所示之本 實施例中，取樣平面16係位於遠離物鏡之焦距£1，因此， 取樣平面所產生之影像將由於光學系統之特性（包含影像 透鏡18之特性）而適當地被聚焦。 接著，來自物鏡14之自動聚焦光束4〇至少部分地反 10射離開取樣平面16，並被引導回到物鏡14。然後，藉由 物鏡14可將具有波長λ a之反射的自動聚焦光束沿著第 一光學軸56引導至第二自動聚焦分光鏡料。第二自動聚 焦分光鏡44使波長；t a之自動聚焦光束反射至第一自動 聚焦分光鏡42(沿著圖3A之第二光學軸64而往朝下方向 15反射）。在沒有微擾影響的情況下，第一自動聚焦分光鏡 42允許從第二自動聚焦分光鏡料反射的自動聚焦光束傳 輸通過其中。藉以使自動聚焦光束4〇傳輸至偵測系統透 鏡46與自動聚焦檢測裝置5〇。以下將更詳細探討用以偵 測影像離開焦點的位移量之方法與設備。 20 如以前所探討的，用以產生影像之光學系統包含用以 照明取樣平面之照明光束源。在螢光成像系統中，照明光 束具有波長λ e以產生取樣平面之螢光。如圖3 a之例子 所示，光學系統之分光鏡12使照明光束52沿著第一光學 轴56反射至取樣平面16。第二自動聚焦分光鏡料 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ^ ---! I!訂----I----

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 21 594045 A7 --------By______ 五、發明說明（V ) 成以允許波長Ae之照明光束傳輸通過其中而到達物鏡 14。物鏡接著將照明光束引導至與物鏡14相距距㈣ 的一點。照明光束係設成以與對應於物鏡之焦距fi的參 考平面相交。在圖3A中，因為取樣平面係位於物鏡之焦 5距fl ,所以照明光束將照在取樣平面上之一個單點並反… 射離開，如圖3A所示。當照明光束反射離開取樣平面時， 其係被轉換成例如具有波長Af之營光光束之照明的榮光 光束（在一個螢光成像例子中）。這種波長最好是完全不同 於自動聚焦波長，以使干擾並不會在照明的光束與自動聚 10 焦光束之間產生。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

來自取樣平面16之榮光光束具有波長Af並通過物 鏡（當其向圖3A之右方移動時）。在圖3八所示之例子令， 當螢光光束通過物鏡時，螢光光束是平行的，並朝向第二 自動聚焦分光鏡44。第二自動聚焦分光鏡44係設以允許 15螢光光束通過其中。螢光光束接著沿著第-光學軸6而通 過影像系統之分光鏡12。然後，影像透鏡18會於形成影 像之影像透鏡之焦距f2處，而把螢光光束聚焦至影像平 面2〇上。在圖3A所示之例子中，因為取樣平面16正好 位於物鏡之焦距f卜所以影像平面2〇係與期望參考平面 2〇 26共平面，而適當之聚焦影像係形成於此期望參考平面％ 上。如之前所探討的，期望參考平面一般係對應至一個表 面’於此表面上可包含-種例如CCD照相機或用以直接 觀察影像之目鏡的影像偵測裝置。 如之前所說明的，本發明併入了用以在不需要分析複 本紙張尺錢財國職標準（CNS)A4規袼（21〇^97公髮5-------- 22 594045 A7 B7 五、發明說明U/ ) 5 10 15 20 量之設備與方徵的情況下’直接決定影像離開焦點之位移 焦位置的^法。本發明之設備與方法直接確定其適當聚移量，然後㈣光學线㈣得聚焦影 p:隹自動聚焦系統包含一種用以直接決定影像離 正統自動聚焦檢測裝置，並包含一種聚焦校 i一此叹備可能包含數種不㈣式的自動聚焦檢測裝置之 ^一。圖3A顯示依據本發明之實施樣態之具有_個特定 型式的自動聚焦檢測裝置之設傷。圖3八所示的自動聚声 核測裝置5〇之例子’係包含配置於偵測系統透鏡46之隹 距f3的光圈6〇。谓測系統透鏡46之焦距係為侦測系 充透鏡46之尺寸與倍率的函數。光圈⑼可能為任何型式 二平板或其他具有開口之構造，用以允許光線傳輸通過： 當取樣平面16係配置於適當的聚焦位置（物鏡14之 距離fl )時’在沒有干擾的情況下，光圈將允許來自侦测 系統透鏡46之波長之自動聚焦光束（以圖3β之實線 f不）通過此光圈並到達光偵測器62。偵測系統透鏡邨 最好是具有適當的焦距f3，俾能在表面對準焦點時，使 自動聚焦光束將小到足以通過此光圈。當焦距變大時，自 動聚焦光束將變小。然而，具有較小焦距之自動聚焦系統 將是踏實而穩健的。因此，偵測系統透鏡之焦距的選擇係 為這些考量的平衡點。在本發明之一個典型的實施例中’，、 偵測系統透鏡46具有50公釐至200公釐之間的焦距。然 項

訂 «張尺度適國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 23 594045 A7

五、發明說明（U 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 而，依據尺寸與其他特徵，焦距亦可能大於或小於這個範 圍。於圖3 A所示之本實施例中，光偵測器62係沿著第 二光學軸64而配置於相對於偵測系統透鏡46之光圈6〇 的反側上。 在自動聚焦期間，當取樣平面16係位於與物鏡相距 Π之距離時，自動聚焦光束4〇會通過此光圈6〇並以最 大強度被傳輸至偵測器。在這個位置，影像會產生在偵測 系統透鏡46之焦距f3處。影像從而直接建構於光圈6〇 上，如圖3B之實線所示。因為自動聚焦光束4〇實質上 通過光圈60之開口，所以由光偵測器62所測量的光強度 係處於峰值。在這個位置，可決定取樣平面以藉由光學^ 統10而適當聚焦。 當取樣平面16從圖3A所示之位置移動時，在沒有 微擾影響的情況下，來自偵測系統透鏡46之自動聚焦光 束40(以圖3B之虛線表示）將不會直接通過光圈♦。光束將 相交於一點"X”，而此點"X，，係位於與光圈相距们之距離 處。因此，對於取樣平面16與期望參考平面相距之既定 位移dl (譬如，如圖u所示之位於與物鏡14相距η之 參考平面23)而言，將會產生相對應的位移d3，而此位移 d3係為偵測影像平面66與光圈6〇之平面的距離，此最 佳狀態係顯示於圖3B。當偵測影像平面66係位於與光圈 相距-段距離時，因為並非所有的自動聚焦光束將會通過 光圈開口，故由光偵測器所測量的光強度會較少。 圖3C顯示描繪出用以藉由光偵測器62計算们之方 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 裝 ·1111111 % 24 594045 五、發明說明（w 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 去的兩個圖。上圖（標示為i)顯示由谓測器所測量之光強 度⑴相對於位移距離d3之關係。下圖（標示為ii)顯示由 偵測器所測量之光強度⑴之導函數相對於位移距離心之 關，。如圖3C所示，在距離d3為零時，由光偵測器所 測置之光線強度最大。經由光偵測器62之測量，位移距 離d2係基於通過光圈之光束強度而決定。 在圖3A與3B之實施例中，可能難以區別们之正負 號（亦即，在圖3A_3C中，聚焦在光圈以上或以下之光束卜 因此此系統最好是為了解決這種電位問題而進行調整。因 此，圖3A-3C所示之例子之自動聚焦偵測系統最好是以 小振幅調整距冑dl。此調整會導致光強度之改變，其乃 與強度（I)之導函數成比例。最好調整在取樣平面16與物 鏡14之間的距離，俾能使強度之改變成為零，如圖冗 之下圖所示。d3之數值接著被送至反饋控制器，說明於 15 下0 本發明之-個重要實施樣態係為：自動聚焦_系統 係基於影像平面2G與期望影像平面26相距之位移们的 =算值而執行自動聚焦（參見圖W)。自動聚焦侦測系統 直接測量d3之數值。光學系統1〇與自動聚焦系統％可 設形以使d3之測量可直接轉換成d2之數值。亦即a 之數值可設定成直接與们相關。舉例而言，成像系統盘 自動聚焦系統之透鏡可被配置成能使们等於们。又，透 鏡可被配置成能使d2之數值與d3之數值成比例。於另一 種可能的構造中，透鏡係被配置成能使d2<數值可直接 10 20 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨·· 裝 I . 25 594045 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2V· 由基於d3之經驗計算而計算出。於另一種可能的構造中， 犯之數值係可基於一組資料點或一張圖而蜂定。關於每-種選擇方案，d3之測量數值係代表们之數值。因此， 自動聚焦系統5G可在不必要分析形成於影像表面上之影 像之實際特徵的情況下，谓測到影像平面2〇離開焦點之 位移量。這可增進本發明之自動聚焦運作之速度與效率。 猎由上述測量之結果而用以將物鏡聚焦於取樣平面之方法 與構造將詳細說明於下。 ‘ 依據本發明’此設備包含聚焦校正系統34。如圖3A 所具體顯示，聚焦校正系統34包含反饋控制器7〇與聚焦 調整裝置72。反饋控制器7G可能是—種類比或數位反饋 控制器，此乃為熟習本項技藝者所熟知的。反饋控制器7〇 係對應於位移距離d3而接收來自光個器62之信號，並 產生接著被送至聚焦調整裝置72之反饋電壓。 聚焦調整裝置72可以是許多不同的型式。在一個較 佳實施例中，聚焦調整裝置72調節物鏡14相對於取樣平 二6之位置。在另-個實施例中，聚焦調整裝置72調節 取樣平面16相對於物鏡14之位置。吾人可設計任一 的裝置（調整物鏡之位置或調整取樣平面之位置）以定位=面：Γ吏取樣平面可快速聚焦，並使聚焦影像可從 取樣千面取出。-種用以添加這些型式之小位移之 裝置係為㈣式定位器。在圖3A所示之 ，聚的=置72調整物鏡14之位置，俾能使其位於距離取樣平 面16之期雙* 望“、、距fl上。因此，光學系統之影像平面2〇 t @ 1 (cns)A4 ；297^^) 10 15 20 ------I--丨丨-丨 ί丨丨丨訂·—丨·!丨- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 26

五、發明說明（Μ 10 15 經濟部智慧財產局員工消脅合作社印製 20 係设置於聚隹駐 自動聚焦_=1使d2與d3之數值趨近於零。如果 則可使聚f、校正h3；|异出大於預定閾值的d3之數值， 隹點Α μ 、系、、先34再運作，直到取樣平面設置於聚 特作 因為本系統並不像其他系統《地分析影像之 特徵，所以這種運作能以較短的時間完成。 -於m 4Δ本發月之自動聚焦檢測裝置之另—個實施例係顯 "回一 4B、與4C中。除了光圈之配置以外，圖4A 與犯所不之構造係類似於圖3A與3B之例子。以下的討 論將集中在不同於圖3咖已經說明的構造與方法。 圖4A-4C所不的自動聚焦檢測裝置78之例？包含光圈80 ”光摘測裔84。在圖4A_4C之自動聚焦檢測裝置78中， « 係置於非對應至侦測系統透鏡46之焦距f3之一 段距離的位置。亦即，光圈係與參考平面82(以圖4A之 虛線表示）隔開’而參考平面82係位於侧系統透鏡46 之焦距f3上。如圖4B所示，吾人可將此自動聚焦裝置設 计成能使光圈80平行於參考平面82並隔開距離d3。 如圖4B所示’光圈8〇係置於離開偵測系統透鏡46 之一段距離（f3之距離減去d3之距離）處。一般而言，在 圖4A-4C之系統中，當光偵測器料測量某個預定強度時， 樣品之表面將會聚焦。然而，如果有表面反射率之變動或 如果光源功率之變動，則縱使取樣平面仍然是處於聚焦狀 態’由光偵測器所測量之強度亦可能會變動。自動聚焦偵 測系統之精度因而可能受到光源之穩定度與取樣平面反射 率之均一性所限制。然而，即使有光源穩定度或表面反射 I------! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 27 594045 A7 B7 五、發明說明（26 ) 率之變動，在由W則器所測量之光功率與光源功率之間的 比率亦不會受這些變動的影響。 為了使由於這些變動所引發之任何電位問題最小化， 第二例子之自動聚焦系統可更包含第三自動聚焦分光鏡 5 90與第二光偵測器92，如圖4D所示。如圖所示，第 三自動聚焦分光鏡90係沿著第二光學軸64而配置於偵測 系統透鏡46與光圈80之間。舉例而言，第二光偵測器” 係置於離開第二光學軸64 —段偏移量，如圖4D所示。 第二光偵測器92亦可配置於其他位置。 10 第三自動聚焦分光鏡90係設計成用以將某個百分比 (譬如50%)的自動聚焦光束強度分散至第二光備測器 92。分散至第二光偵測器92之光強度（12)係與平面^所 反射之總強度成比例。剩下的50%的光會進行到光圈8〇。 進行到光圈80之這些殘留的50%之一部份，係由第一光 15偵測器84所偵測。然後，第一光偵測器84所桃測之光強 度（Π)與第二光偵測器92所偵測之光強度（12)之比率係用 以直接計算數值d3。藉忐這種配置，將可計算出光束強 度與取樣平面之反射率的變動。又，光圈會被配置於光圈 的二極體陣列所置換掉。自動聚焦偵測系統32包含聚焦 20 校正系統34，其乃類似於圖3A-3C所作之說明。 依據本發明之自動5^焦檢測裝置之另一實施例係顯示 於圖5-7中。以下討論將集中於不同於已經說明於圖3A 與3B之構造與方法。圖5-7之自動聚焦檢測裝置98包含 棱鏡或透鏡，用以使波長Aa之返回的自動聚焦光束偏 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 I n n n · I I 1 n —i n I— 8 — 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 28 594045

五、發明說明 至離開偵測系統透鏡一段距離f3之表面上的許多點上。 如圖5_7所示，稜鏡100係設置於偵測系統透鏡46與偵 测表面102之間。稜鏡100使返回的自動聚焦光束偏離至 位於偵測系統透鏡46之焦距f3上的偵測表面1〇2之上。 5圖5所示之焦距f3係對應至偵測系統透鏡46與稜鏡1〇〇 之組合的焦距。以下將探討焦距f3之選擇。 自動5^焦積測系統9 8更包含二極體對。如圖5所示， 例如104與1〇6之二極體對係可安置於偵測表面1〇2上的 光學軸64之兩側。在圖5_7所示之例子中，第一二極體 10對104包含第一二極體108與第二二極體110，而第二二 極體對106包含第三二極體112與第四二極體114。在圖 5_7中，包含第一與第二二極體1〇8與11〇之第一二極體 =^04係置於第二光學軸64之左側（如圖5所示），而包 含第三與第四二極體112與114之第二二極體對1〇6係置 15於第二光學軸64之右側。 圖5、6A、與7A顯示當取樣平面16位於物鏡之焦 距Π俾能使影像平面20所產生之影像聚焦時的自動聚焦 私測裝置98之實施樣態。當取樣平面丨6係適當地位於聚 焦處時，指向偵測系統透鏡46之自動聚焦光束通常是平 2〇行狀態，如圖6A所示。然後，偵測系統透鏡46將自動 聚焦光束投影至例如顯示於圖5與6a之棱鏡1〇〇。在所 示之例子中，自動聚焦光束係由棱鏡1〇〇分成第一光束118 與第二光束120。 當平面16係適當地位於聚焦處時，第一光束118將 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規~^1() χ 297公 jy (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i -裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 29 594045

發明說明（Μ 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 ，好聚焦在位於偵測系統透鏡46之焦距£3上之_表面 如圖5與6A所示。第一光束118將在第一二極體1〇8 '、尊—一極體U〇之間的中間產生第一光點122,其乃最 佳地顯示於圖7A中之二極體之前視圖。第二光束12〇將 在第三二極體112與第四二極體114之間的中間產生第二 光點124，其乃最佳地顯示於圖7A。因為每個光束係於 偵測表面1〇2變成最小’所以二極體上之光點將會是相當 小。畲如圖7A所示地產生光點時，將可適當聚焦取樣平 面。 圖6B與7B顯示當取樣平面16係位於超過物鏡14 之焦距π時之偵測系統之實施樣態。當取樣平面16離物 鏡太遠時，返回的自動聚焦光束一般將不是平行的（如圖 6B所示）。接著，偵測系統透鏡46將自動聚焦 至將光束分別分割成第一與第二光束118與12〇之棱鏡。 於圖6B所示之本實施例中，第一光束118係處於最小直 徑，並於位於離偵測表面1 〇2 一段距離d3的一點γι形 成影像平面130(以虛線表示，亦以期望影像平面表示）。 因為第一光束118並非在偵測表面102上處於最小直徑， 所以形成於一極體上之光點122係大幅大於圖7A所示之 光點。如圖6B與7B所示，在位於離偵測表面ι〇2 一段 距離d3的一點Y2，第二光束12〇係於影像平面13〇上處 於最小直徑。如圖7B所示，光點122與124將相對於圖 7A之光點地向内移動。 當取樣平面係如上所述地離物鏡太遠時，光點丨22與 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 - 30 594045 A7 五、發明說明（勾） 主要疋刀別幵y成於第二二極體11〇與第三二極體U 2 f -乃最佳地顯τκ於圖7B。自動聚㈣測系統測量於 每個-極體之強度值，並決定來自參考表面⑽之自動聚 焦光束之位移值d3。然後，反饋控制器7〇將反饋電壓信 號傳ϋ至1焦才又正系統72，以如先前所討論地調整物鏡14 與取樣平面16間之距離。當在第一與第四二極體所測量 之總強度係等於在第二與第三二極體所測量之總強度時， 平面16將適當被聚焦。 、 10 圖6C與7C顯示當平面16位於小於物鏡之焦距衍 時之自動聚焦檢測裝置98之實施樣態。當表面太靠近物

鏡時返回的自動聚焦光束一般亦將是非平行的（如圖6C 戶^ ) °於圖6C所不之本實施例中，第—光束i 18係處於 最小直彳k，並在位於偵測表面i 〇2後方一段距離们之一 15 點zi形成影像平面132(期望影像平面）。因為當光束ιΐ8 照在偵測表面102上時，光束118尚未處於最小直徑，所 以形成於二極體上之光點122係大於圖7A所示之光點相 當多。第二光束120相交並在亦位於偵測表面102後方一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I又距離d3之一點Z2形成影像平面，如圖7 c所示。如圖 20 7C所示，光點122與124將從相對於圖7A之光點的第 二光學軸64而向外移動。光點122與124係主要分別形 成於第一二極體108與第四二極體114上，其乃最佳地顯 示於圖7C。 在以上所时論之配置中，吾人應選擇偵測系統透鏡46 之焦距與稜鏡1〇〇，使吾人可利用二極體偵測光點122與 31 594045

10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 124。光點應具有適#地尺寸，俾能使讀取光強度。在一種典型 冑對此正確地大瑪m之尺寸，;f配置中，如果光點具有 、〗先點將疋可偵測到五知的疋具有大約之畫素尺寸的二 口人已热圖5-7(與圖8)所示之分 H在例如^ τ ^ 妁一極體配置之應用上，大約0 1 ，之光束位移係為可測量的。這可在自動聚隹系統之· 個例子中，對應至焦距fl面之定位狀態。 “一於1·—之取樣平 、圖7之聚焦枚正系統34如先前所說明地產生功能， =便快速將光料、統聚焦於取樣平面16上並獲得聚焦影 依據本發明之自動聚焦檢測裝置之另一個實施例係顯 不於圖8A-8Dt。在這個例子中，自動聚焦仙系統⑽ 包含類似於之前所說明之偵射、統透鏡、圓柱透鏡、與夸 特（q^ad)光電二極體。如圖8A-8D所具體顯示，-圓柱透鏡 140係配置於偵測系統透鏡46和具有夸特光電二極體144 之偵測表面142之間。偵測表面142最好是正好位於偵測 系統透鏡46之焦距f3上。如圖8B所示，夸特光電二極 體〗44分別包含第一、第二、第三、與第四二極體段146、 148、150、與152。偵測系統透鏡46與圓柱透鏡140將 自動聚焦光束投影至偵測表面142上，以形成位於偵測表 面142上之夸特二極體144上的光點ι54。夸特二極體144係藉由在四個二極體段146、148、150、與152之每一個測量光強度，而決定相對於偵測表 -----------U裝------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1111111« #- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 32 五、 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 發明說明（沟） 面142之影像的位移d3。圓柱透鏡14〇係依據相對於物 =之取樣平面的位置而改變光點154之形狀。圖8B顯示 當取樣平面16被適當地置於離開物鏡14 一段距離衍時 之光點154的位置。光點大體上將位於四個二極體之中 ^圖8C顯示當取樣平面16被置於小於物鏡14之焦距 η的距離時之光點的位置。光點將成為糖圓形，而大多 數的光點會位於第二二極體段148與第三二極體段15Q 上如圖8C所示。基於二極體段所測得的強度，反饋控 制器70可計算出相對於偵測表面142之影像的距離d3。 圖8D顯示當取樣平面位在大於物鏡之焦距η之 距離時之光點的位置。此光點將成為橢圓形，而大多數的 光”占^位於弟一二極體段146與第四二極體段152上。 在這個例子中，反饋控制器7〇產生所欲傳送至焦點 調整裝置之一個信號，用以利用類似於上述三個例子中所 5、 方式控制在物鏡14與取樣平面16之間的距離。 除上述例子以外，本發明之自動聚焦系統亦適合於寬 廣的應用範圍。光源之選擇與配置係取決於所選擇的顯微 ^之種類。雖然上述的自動聚焦线主要係探討關於螢光 顯微鏡，但本發明亦適用於例如透射照明與發光成像顯微 鏡之其他型式的顯微鏡。 >在透射照明顯微鏡中，吾人將以一種熟習本項技藝者 所熟知的方式，使照明之光源從取樣平面之左側進入。如 等不再舄要如圖所示之分光鏡12。照明光源可以是 具有寬廣光譜（亦即，可見光譜）之燈管、被狹窄帶通遽波 請 先 閱 讀 背 © 之 注 意 事 項Lί裝 頁 訂 本紙張尺度適用中國國⑽心7面 33

五、發明說明（A 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 ==之燈管、或雷射光束。在—種透射照明系統中，可 的清、*在圖3A之刀光鏡44與影像透鏡18之間添加適當 = 波器。這有助於避免任何一條自動聚焦光束經由分光 =而汽漏掉。當選擇可見光以作為激發光束時，可選 外線範圍内之自動聚焦系統之光束。在具有550毫 ;、右之狹小激發光譜之一個例？ 統中#用士奶U 1古侃， J社目勃知展、糸 、、 笔米之光束。這些數值係僅為例示的 目的而顯示。 · 在發光成像顯微鏡中，物體不需要激發光束即可放射 =!。如之前所說明的’不再需要圖3A中之分光鏡(例 、土刀、’鏡12)。取好是選擇離開取樣平面之發光波長足夠 =之自動聚焦光束之波長。在這種配置中，周圍光線可以 :助表面之照明。物體本身可能以在發光成像顯微鏡中作 為照明光源表示。 如之前所探討的，通常是使用燈管或雷射以作為照明 :源。如果選擇燈管，則添加濾波器以選擇應用所需之光 譜。如果選擇雷射，則雷射之型式係取決於具體應用所需 =的波長與功率。舉例而言’特別適合於本發明之雷射包 含Αι·+與KPf射。這些雷射通常可以遍佈光譜之數個不 連續波長發光，並具有彳艮多我以供多數個制使用。例 如光學參量振in系統之其他型式之雷㈣統亦 發明。 、4 〇在上述所有的自動聚焦技術中，取樣平面係可位於樣 口口之外表面或樣品内部之平面。在一種適合本發明之技術 本紙張尺度適用中國國家標準格咖χ挪公爱） —丨丨丨丨丨丨丨—丨•丨丨—丨丨—丨訂-丨丨丨丨丨丨— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 34 A7

Ύ 係使用樣品表面作為參考 ▼ 朝向樣品之光束係偏移 了某個位移量，以便掃描（或聚焦）於樣品之平面内部。這 種技術尤其適合聚焦於單元之内部。 、 10 依據本發明之另-實施樣態，係提供一種在顯微鏡中 自動地將物面之影像聚焦之方法。—般而言，與本發明之 原理相符之方法包含：產生自動聚焦光束；將自動聚隹光 束引導至待檢查之物面；以及將自動聚焦光束反射離開物 面。然後，反射的自動聚焦光束被導引至積測系統，而债 測系統之至少-光偵測器或感測器係於該處感測到反射的 自動聚焦光束。接著，基於感測的自動聚焦光束以決定反 :的自動聚焦光束之影像平面離開期望參考平面的位移 =以這種資訊，可將物面予以聚焦以建構適當聚焦之影

『裝 ----訂： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • ϋ n ·1 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 在與本發明之原理相符之方法中，感測之步驟可包 含.將反射的自動聚焦光束至少部分地傳送通過光圈之開 口 ’：及以偵測系統之光谓測器或感測器 測器或感測器_之反:的:動 猎由非限制之例子，圖9顯示與本發明 符之用以自動將物面之影像聚#、於顯 ，圖、 之實施例可能藉由關於圖3·4所討論之自動聚=圖9 9所ΐ ’自動聚焦光束係在步驟產 牛歹，5，自動聚焦光束4G可由自動聚焦光束源39 ά

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 35 594045 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（并） 產生，如圖3-4所示。接著，在步驟31〇中，自動聚焦光 束係朝向物面，例如圖3-4之物面16。然後，在步驟320 中，自動聚焦光束40係反射離開物面，並朝向例如圖3a 之偵測系統32之偵測系統。接著，於步驟33〇中，反射 的自動聚焦光束係傳輸通過偵測系統之光圈。舉例而言， 在圖3 A中，自動聚焦光束40係傳輸通過光圈6〇。 更進一步地如圖9所示，在將自動聚焦光束傳送通過 偵測系統之光圈之後，於步驟340中以偵測系統之光偵測 器或感測器感測自動聚焦光束。為了實現這種步驟，可選 擇例如圖3-4所示之任何一種型式之光偵測器。此外，為 了實現步驟330,可設置例如圖3_4所示之光圈。舉例而 言，於圖3A之本實施例中，光偵測器62係位於鄰近光 圈60之開口，而光圈大約位於偵測系統透鏡46之焦距上。 又，如圖4A所示，光圈80可位於偵測系統透鏡杯之焦 距上，而光偵測器84係位於鄰近光圈之開口。* 在感測反射的自動聚焦光束之光強度之後，可決定影 像平面離開期望參考平面之位移量，如圖9之步驟35〇所 不。又，可利用上述關於圖3_4之特徵與技術以基於感測 之自動聚焦光束之光強度決定影像平面之位移量。在步驟 360中，藉由影像平面之決定的位移，接著將物面予以聚 焦，以便建構適當聚焦之影像。因此，圖3_4之反饋控制 益7〇與聚焦調整裝置72可用以調整在物鏡與樣品或物面 之間的距離。 圖10顯示用以自動將物面之影像聚焦於顯微鏡中之 5 10 15 20

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂--------- # A7 B7 五、發明說明（π 另種方法。圖10之方法可藉由關於圖5_8之上述討論 之自動聚焦系統與特徵而實現。在圖10所示之方法中， 自動聚焦光束係在步驟400中產生。舉例而言，自動聚焦 光束4〇係藉由自動聚焦光束源39而產生，如圖5-8所示。 在γ驟410 t ’自冑聚焦光束係接著朝向例如物面16之 物面。然後，在步驟42〇中，自動聚焦光束4〇係反射離 開物面並朝向偵測系統。如於圖丨〇之步驟所示，反 射的自動聚焦光束係接著由複數個光偵測器或感測器所感 測。為了實現步驟420與430,可提供如圖5-8之任何一 1〇個實施例所示的感測器之配置。舉例而言，在圖5-7中， 反射的自動5^焦光束可被稜鏡1〇〇分為兩個分離光束118 與120，而這些光束係由複數對之光二極體1〇4與1〇6所 偵測。又，如圖8A-8C所示，自動聚焦光束可被傳輸通 過圓柱透鏡140，並由夸特光電二極體144•所感測。 15 更進一步地如圖1〇所示，在以感測器感測反射的自 動聚焦光束之後，被複數個感測器所感測到的光強度值係 於步驟440作比較。舉例而言，在圖5-7中，對被四個二 極體108 ' 110、112、與114之每一個所感測到的光強度 之數值作比較。又’如圖8 A-8C所不，對被四個二極體 20段146、148、150、與152之每一個所感測到的光強度之 數值作比較。在比較光強度值之後，即可於步驟450決定 影像平面離開期望參考平面之位移量。為了實現這種步 驟，可利用上述關於圖5-8之特徵與技術以基於感測器之 比較數值而決定影像之位移量平面。在步驟460中，藉由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項J 再霞 填i 5裝 本 _ 頁 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 37 594045 五、發明說明（# 10 15 經濟部智慧財產局員K消費合作社印製 20 影！平面之位移而將物面聚焦，以便建構適當聚焦之 :叮此’圖5-8之反饋控制器7〇與聚焦調整裝置72 糸可：以調整在物鏡與物面之間的距離。 本發明之方法係可從上述設備而清楚理解到。吾 人亦可對本發明之方法作其他變化。 種自動1焦方法尤其關於適合偵測、特徵化、组量 1浮於流體中之微粒物質之自動聚焦方法與設備。^體 2 ’本發明提供—種用則貞測微粒，尤其是懸浮於流體 (特別是生物流體）中之細胞的自動聚焦系統。更尤其，本 ^月提供了㈣以對親合鍵結基之待分析物進行成像之 自動聚焦平台。 現代化的藥品發現係受限於用以筛選可能具有期望效 果之化:物之待分析物之產能。尤其，不同化合物之最大 數目之篩選系要降低關於每個篩選之時間與勞工需求。在 數的If况下，反應谷積係很小，用以計算可利用的小量 測試化合物。這種小樣品容積化合物之顯微鏡筛選會導致 與離開影像焦點相關的誤差。因為這些影像通常係為單一 測量結果，所以譬如電腦計算之更進—步的調查係於其上 執行。 ^在鬲產能篩選測試中，用以獲得並維持自動聚焦之速 度係為-項重要因素。在多數的實施例中，樣品將包含於 標準多井微滴定盤（microtlterplate)中，每個板具有井陣 列，例如那些具有96、384、1536，或較多數目的井。標 準96井微滴定盤（86公釐χ 129公釐，具有6公釐直徑的

297公釐） -------------^---I----^---------丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 38 594045 A7 B7 五、發明說明（w) 井彼此隔開9公釐之間隔）係用來與目前自動化負荷與機 杰人處理系統相容。其他已知的微滴定盤通常是公釐 X 30公釐，而細胞位置之尺寸大約是1〇〇至2〇〇微米， 並具有大約500微米之間隔。用語，，井，，與“微井（micr〇well)，， 5通常表示在任何構造之陣列中具體的位置，而細胞係附著 至此位置，且細胞係於此位置被成像。 軟體程序可依據使用者之選擇而提供，以便獲得經由 幾個不同位置Z軸之移動，於每個位置獲得影像，以及 尋得估計每個影像之對比之最大的計算聚焦。 1〇 本發明亦指向一種改良的顯微鏡，其包含用以觀察取 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 樣平面之自動聚焦裝置。如結合圖1 -10所說明之自動聚 焦裝置，係可包含於顯微鏡外殼之内部或外部。依據本發 明之顯微鏡包含：複數個透鏡，沿著主光軸而配置丨一探 針臂，支撐複數個透鏡；一支架，於其上置有待檢查之取 15樣平面；以及一光學輸出裝置，用以在影像平面上產生取 樣平面之影像。於所示之本實施例中，主光軸是展開的， 且實質上係沿著單一平面延伸。如圖1M2所示，顯微鏡 200包含探針臂213。吾人係沿著主光軸 202而配置一組 透鏡與其他光學裝置。在圖Π所示之例子中，一組透鏡 20包含發射濾光鏡204、管透鏡（tubus lens)206、照明入口 2〇8、中繼透鏡21〇、以及主體透鏡（c〇rpus ―仰2。吾 人亦可/〇著探針臂213之主光軸而安置任何種類的光學裝 置。 在圖11所示之例子中，普通反射鏡214係安置於最 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ X挪公爱）~- --

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 罪近待掃描之物體的探針臂之末端。反射鏡214之表面係 相對於主光軸202形成一個角度，俾能使沿著主光軸2〇2 之光束反射至物鏡220與物面216之上。在圖u所示之 例子中，反射鏡214係以例如45度角傾斜配置，俾能使 5來自物面之光線將被反射回到反射鏡，並沿著主光軸2〇2 以形成影像。待檢驗之樣品或物體可直接置於對應於物面 216之掃描表面221上。物體表面可對應至實際物體之表 面或物體内之平面。當這些物體或樣品可具有相當深之深 度時，則可藉由容積影像而更進一步地增加自動聚焦之速 1〇度。這樣的容積影像（volume image)可藉由於複數個影像 平面之每個影像平面觀察影像物體而獲得，其中每個影像 平面係相對於彼此影像平面地被垂直安置。又，物體表面 係可能對應至使樣品置放於其上之掃描表面22〗。樣品（或 物體）可置於樣品保持裝置（例如圖丨丨與丨2所示之一個或 15 一個以上的微滴定盤218)中。微滴定盤218與樣品係受 到支架219所支撐，如圖12所示。支架219係被安裝並 剛性地被固定至裝設至第一工作台242之掃描平台24〇 上。支架219保留樣品，俾能使它們基於將討論於下之理 由而實體上與顯微鏡隔離。掃描表面221係可包含可於 20 X、X-Y或χ_γ-Ζ運動的工作台。 、 圖11所示的實施例之顯微鏡，更包含位於探針臂213 之主光軸202之最左邊部分的第二普通反射鏡222。反射 離開第二普通反射鏡222之光線係朝向第一影像輪出23〇 與第一影像聚焦平面232。顯微鏡亦包含第二影像輸出234 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 40 A7 五、發明說明（对） ΐίί影像：面238之目鏡總成236。如熟習本項技藝者 、、日的，衫像平面可能為觀察者的眼睛所位於之位置， $者疋照相機或影像偵測裝置所安置之位置。 5 .顯微鏡最好是設成以使探針臂213具有如圖1Μ2κ pI伸形狀。這係藉由下述方式達成：設計探針臂以使 、光軸202展開。為了基於將討論於下之理由而使來自鄰 =於探針臂之振動產生構造的振動之傳送最小化，吾人尤 〔、功望延伸的形狀與展開的主軸。本發明之第二實施例亦 1〇 、於掃為物體之影像的顯微鏡裝置。在掃描期間，掃描 馬達-般會造成不受歡迎的振動。如果具有掃描馬達之掃 1平台位於或靠緊顯微鏡之探針臂，則來自馬達之振動-般會傳輪至顯微鏡，而導致低品質之影像。 顯微鏡之延伸設計允許顯微鏡安裝於離開工作台（掃 描平台係裝設於此工作台上）之分離臺上。舉例而言，如 15圖12所不，顯微鏡之掃描平台240可位於第一工作台242 上，而顯微鏡200可位於分離臺244上。第一工作台242 可月b為重的或堅固的工作台結構，而掃描平台可能穩 固地裝設或固定至第—卫作台之表面上。如圖12所更進、 一步之顯示，微滴定盤218係可藉由掃描平台24〇上之支 撐構w 219而夂到支撐，俾能使這些微滴定盤實體上與顯 微鏡之探針臂213隔離。依此方式，來自掃描平台24〇之 振動並未傳至顯微鏡2〇〇上。因此，因為顯微鏡上缺少振 動，所以將可較容易地藉由手動或自動程序而獲得樣品之 聚焦影像。 五、 發明說明U” 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 在圖11-12所示之例子中，顯微鏡之主光軸202係與 物面216平行。此種構造與延長的探針臂一起允許觀察者 ，於實質上離開被觀察樣品—段距離之處。如果處理具有 母的化學物品之樣品，或如果樣品必須置於隔離容室或 腔室（從觀察者所位於之區域移除），這尤其是受歡迎的。 此外，可在不需進入隔離容室或腔室的情況下改變光學特 性。因此，本發明之改良的顯微鏡允許較寬範圍之樣品型 式的顯微鏡。 ‘ 圖1M2之延伸的探針臂與顯微鏡亦具有其他益處。 舉例而言，較長的探針臂允許吾人以顯微鏡掃描較大物 體。較長的探針臂亦允許一次掃描數個物體，而不需要卸 載與重新裝載掃描平台。此外，較長的探針臂可允許其更 谷易接近光學元件。因為此設計，亦可較容易地將額外光 學併入至儀器之探針臂中。較長的探針臂亦允許包含額外 配件，例如本發明之第一實施例之自動聚焦系統。 熟習本項技藝者應可輕易地理解到，在不背離本發明 之範疇或精神之下，仍可使用本發明之設備與在此種設備 之構ie，對於揭露之實施例（關於用以自動地聚焦光學儀 器至物面上之設備、自動地聚焦光學儀器至物面上之方 法、以及用以聚焦於物面上之顯微鏡）作許多修改與變化。 揭露之實施例之特徵與實施樣態可能加以結合、變化或替 代，以提供額外優點與特徵。 舉例而言，雖然本發明之特徵係藉由參考不同波長以 允許同時運作之自動聚焦與照明光束而進行揭露，但^當 -----------ιφ> Μ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I I I I 訂------- · 42 594045 A7 五、發明說明（萃/ 然亦可選擇具有相同或類似波長之光束。在這種狀況下， 可利用非同步模式實現本發明之特徵，於其中之自動聚焦 光束係在不同於照明光束之時間產生並施加。在不管光束 之波長為何（亦即，不論自動聚焦光束與照明光束是否具 有相同的或不同的波長）的情況下，亦可能以非同步模式 實現本發明之光束與特徵。 熟習本項技藝者應可在考量說明書與實現揭露於此之 本發明後，更輕易地瞭解本發明之其他實施例。說明書與 10 閱 讀 背 之 注 考量之例子係僅為例示之目的’而本發明之真實範疇與精 神應由以下申請專利範圍所界定。 訂 用 適 度 張 紙_一本 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 準 標 家

43 594045 A7 B7 五、發明說明（似 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 圖式之代號說明】 6〜第一光學軸 12〜分光鏡 16〜取樣平面（物面） 20〜影像平面 23〜參考平面 25〜照明光源 30〜設備 34〜聚焦校正系統 40〜自動聚焦光束 44〜第二分光鏡 50〜自動聚焦（偵測）系統 56〜第一光學軸 62〜光偵測器 66〜偵測影像平面 72〜聚焦調整裝置 80〜光圈 84〜第一光债測器 92〜第二光偵測器 10 0〜梭鏡 104〜第一二極體對 108〜自動聚焦偵測系統（第 110〜第二二極體 114〜第四二極體 10〜光學糸統 14〜物鏡 18〜影像透鏡 22〜照明光束 24〜反射光束 26〜參考平面 32〜自動聚焦偵測系統 39〜光源 42〜第一分光鏡 46〜偵測系統透鏡 52〜照明光束 60〜光圈 64〜第二光學軸 70〜反饋控制器_ 78〜自動聚焦檢測裝置 82〜參考平面 90〜第三自動聚焦分光鏡 98〜自動聚焦檢測裝置 102〜偵測表面 106〜第二二極體對 一二極體） 112〜第三二極體 118〜第一光束 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — I---I! I I II ! t i I I I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 44 594045 A7 B7 五、發明說明（斗3 ) 120〜第二光束 124〜第二光點 132〜影像平面 142〜偵測表面 5 146〜第一二極體段 150〜第三二極體段 15 4〜光點 2 0 2〜主光轴 206〜透鏡 10 210〜中繼透鏡 213〜探針臂 216〜物面 219〜支架 221〜掃描表面 15 230〜第一影像輸出 234〜第二影像輸出 238〜影像平面 242〜工作台 122〜第一光點 130〜影像平面 140〜圓柱透鏡 144〜夸特光電二極體 148〜第二二極體段 152〜第四二極體段 200〜顯微鏡 204〜發射濾光鏡 2 0 8〜照明入口 212〜透鏡 214〜反射鏡 218〜微滴定盤 220〜物鏡 222〜反射鏡 232〜聚焦平面 236〜目鏡總成 240〜掃描平台 244〜分離臺 (請先閱讀背面之注意事^^填寫本頁) -裝 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 45

Claims (1)

1. 補充衣卞/年Η 3哿曰 六、$專利範Ϊ 專利申請案第90106130號 ROC Patent Application Νο.90106130 中文申請專利範圍修正本-附件一 Amended Claims in Chinese - Encl.I (民-91年11月4曰送呈） (Submitted on November 4, 2002) -10 15 20 25 L一種用以觀察物面之適用於高通過量篩選的顯微 镜’包含： 複數個透鏡，沿著顯微鏡之主光軸配置； 钬針臂，支持該複數個透鏡，該探針臂一般係沿著 王光輕延伸； 每柄支架，具有待檢查物面之物體係置於其上，此物面 汽貝上沿著經由顯微鏡觀察之聚焦平面而延伸；像；^學輪出裝置，用以在影像平面上產生物面之影 :自動聚焦裝置，用以自動聚焦物面之影像， 伸。其中’該主光軸是展開的，且實質上沿著單-平面延先學=專項所述之顯微鏡，更包含第二 該苐係位於聚焦平面與主光轴之間，且 一先予軸貫質上係垂直於主光軸。 3·如申請專利範圍第2項所述 軸，哕Μ _ 叼〜彳冢干面之間的第三光學 f第二先學㈣設計成與社光_成-角度。•如申請專利範圍第卜3項中 鏡.其令，聚焦平面實質上係平行項所述之顯微5.如申請專利範圍第Μ項中之任一項所述之顯微 計 線 本紙張尺度咖國物卿)Α4規格 46 - (210x297 公愛） 90120Β 594045 Αδ Β8 C8

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 鏡’更包”財纟，聰針臂做計 描平台所產生之振動隔離。 、上”由物 6. 如申請專利_第5項所述之顯微鏡，其中 平台，物體係安置於與顯微鏡之探針臂分離的分離支擇構 造’每個分離支撐構造實質上倾此隔離振動。 7. 如申請專利範圍第^射之心項所述之顯微 鏡，其t，待檢驗之物體係安置於連接至該掃描平台之分 離支樓構造的支架上，而該探針臂係安置於待檢驗:物體 與該掃描平台之間。 &如中請專利範圍帛W帛中之任-項所述之顯微 鏡，其中，該探針臂實質上係延伸成能使該光學輸出裝置 可安置遠離待檢驗之物體。 9·如申凊專利範圍第ι_3項中之任一項所述之顯微 鏡，其中，該物體係被置於例如一個或一個以上的微滴定 15 盤之樣品保持裝置中。 10.如申請專利範圍第1-3項中之任一項所述之顯微 鏡，其中，該自動聚焦裝置包含： 光學糸統’設計成用以形成待觀察之物面的影像，該 光學系統包含·· 物鏡，設計成用以聚焦於物面上， 照明光束源，用以利用照明光束照明物面，及 影像透鏡，設計成用以建構物面之影像； 自動聚焦偵測系統，包含： 自動聚焦光束源，用以產生自動聚焦光束， 10 20 -47 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐） 計 線 594045

   刀光鏡’没什成用以將自動聚焦光束弓丨導至物 面’並使自動聚焦光束反射離開物面， 偵測系統透鏡，用以將反射的自動聚焦光束引導 至自動聚焦檢測裝置，以及 5 自動聚焦檢測裝置，用以基於自動聚焦偵測系統 I 之反射的自動聚焦光束的影像平面離開預定參考平面所债 測到的位移量，決·定在光學系統中的物面之影像離開期望 I焦的參考平面的位移量，該自動聚焦檢測裝置包含至少 一感測器’用以感測反射的自動聚焦光束並偵測影像平面 10 之位移；以及 tf 聚焦校正系統，包含反饋控制器與焦點調整裝置，用 以基於由該至少一感測器所感測之反射的自動聚焦光束， 自動調整物鏡與物面之間的距離，以便適當地將影像聚焦 於光學系統中。 15 1L一種適用於高通過量篩選之自動聚焦裝置，其中， 自動聚焦檢測裝置更包含光圈，用以允許反射的自動聚焦 光束至少部分通過光圈之開口，該至少一感測器測量通過 光圈之開口的反射的自動聚焦光束之強度。 經濟部智慧財產局員工消費合作札印製 12·如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中，該光 20圈實質上係安置於偵測系統透鏡之焦距上，且該感測器係 安置得鄰近於光圈之開口。 13·如申請專利範圍第n項所述之裝置，其中，該光 圈係安置於偵測系統透鏡之焦距上，且該感測器係安置得 鄰近於光圈之開口。 _—_ - 48 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（2版公爱） 594045 六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 10 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 20 14.如中專利範圍第13項所述之裝置，其中，該自 動聚焦檢測裝置更包含輔助分光鏡與辅助光感測器，輔助 f光鏡係位於偵測系統透鏡與光圈之間，輔助分光鏡係設 。十成用以將4里之反射的自動聚焦光束反射至辅助光感測 器。 15•如中請專利範圍第14項所述之裝置，其中，反射 的自動聚絲束距_定參考平面之⑽量，絲於由光 感測器與辅助光感咖所測量之光強度而計算出，且其 中’反饋控制器係基於反射的自動聚焦光束距離預定參考 平面，位移量，而計算4影像距離期望《、的參考平面之 位移量。 1如申請專利範圍第叫5項中之任—項所述之裝 置’其中’至少-感測器包含複數個二極體，用以測量摘測表面上之反射的自動聚焦光束的光強度與位置。 π.如申請專利範_ 16項所叙裝置，1中，自動 聚焦檢測裝置更包含位於制系統透鏡與複數個二極體之 間的稜鏡，職鏡係設計成㈣肢射的自動聚焦光束分 成至少兩個分離光束。 18. 如申請專鄕圍第17销収Μ，其中，該複 數個二極體包含兩個二極體對，第-二極體對實質上係斑 來自棱鏡之第-光束對準，第二二極料實f上係與來自 稜鏡之第二光束對準，該複數之二極體對測量照在每個二 極體對之第一與第二光束之強度。 19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中，該第 594045 六 申清專利範圍 A8 B8 C8 D8 ^ 一極體對係位於偵測系統透鏡之光學軸的第一侧上，而 ^ 極體斜係位於偵測系統透鏡之光學軸的第；側上， 二極體對包含第一與第二二極體，第二二極體對包含 第，與第四二極體，而其中，由個別二極體所測量之光強 度係隨著物面與物鏡間之距離的函數而改變。 2〇·如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中，該自 動聚焦檢測裝置更包含設置在偵測系統透鏡與複數個二極 體之間的圓柱透鏡，當物面與物鏡之間的距離改變時，該 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 圓柱透鏡係用以改變位於複數個二極體上之反射的自動聚 焦光束的光點之形狀。 A 21·如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中，該複 數個二極體包含具有四個相異的二極體段之夸特光電二極 體。 一 22·如申請專利範圍第1M5項中之任一項所述之裝 置二其中，該反饋控制器會基於反射的自動聚焦光束離開 預定參考平面所偵測到的位移量，而計算出影像離 聚焦的參考平面之位移量。 ， 23·如申請專利範圍第11-15項中之任一項所述之裝 置，其中，該自動聚焦偵測系統係設計成以使反射的自動 聚焦光束離開預定參考平面所測量到的位移量與影像離開 期望聚焦的參考平面之位移量成比例。 24·如申請專利範圍第u_15項中之任—項所述之裝 置，其中，選擇具有不同波長之照明光束與自動聚焦光 束’俾能使光束不會彼此干擾。 -50 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（21〇 χ297公釐） 594045 A8 B8 C8 __D8 六、申請專利範圍 25·如申請專利範圍第1M5項中之任一項所述之裝 置，其中，該焦點調整裝置係設計成用以調整物鏡之位 置，以便適當地將光學系統聚焦在物面上。 26·如申請專利範圍第11-15項中之任一項所述之裝 5 置，其中，該焦點調整裝置係設計成用以調整物面之位 置，以便適當地將光學系統聚焦在物面上。 27· —種用以自動把影像聚焦於顯微镜中之系統，包 含： 成像系統，用以藉由使用第一波長之照明光束而產生 10 物面之影像；以及 自動聚焦4貞測系統，包含： 具有第二波長之自動聚焦光束，自動聚焦光束係被 引導以反射離開物面； 自動聚焦檢測裝置，包含光圈與光偵測器；及 15 偵測系統透鏡，用以將反射的自動聚焦光束引導至 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 自動聚焦檢測裝置，自動聚焦檢測裝置接收來自偵測系統 透鏡之反射的自動聚焦光束，該光圈至少允許反射的自動 聚焦光束之一部份通過該光圈之開口，而該光偵測器測量 通過光圈之開口之部分反射的自動聚焦光束之強度，以便 20偵測成像系統中之物面的影像離開期望的聚焦參考表面之 距離。 28·如申請專利範圍第27項所述之系統，其中，該光 圈實質上係安置於偵測系統透鏡之焦距上，且該光偵測器 係安置得鄰近於光圈之開口。 -51 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 594045 A8 B8 C8 ____ 六、申請專利範圍 29.如申請專利範圍第28項所述之系統，其中，該光 圈係安置於偵測系統透鏡之焦距上，且該光偵測器係安置 得鄰近於光圈之開口。 30·如申請專利範圍第29項所述之系統，其中，該自 5 動聚焦檢測裝置更包含輔助分光鏡與辅助光偵測器，辅助 分光鏡位於偵測系統透鏡與光圈之間，辅助分光鏡係設計 成用以將少量的反射的4動聚焦光束反射至輔.助光偵測 31.如申請專利範圍第27項所述之系統，該成像系統 10包含物鏡，該系統更包含聚焦校正系統，該聚焦校正系統 包括反饋控制器與焦點調整裝置，用以基於由該光偵測器 所感測之反射的自動聚焦光束而自動調整物鏡與物面之間 的距離，以便適當地將影像聚焦於成像系統中。 32·如申請專利範圍第31項所述之系統，其中，該焦 15 點調整裝置係設計成用以調整物鏡之位置，以便適當地將 成像系統聚焦於物面上。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 33·如申請專利範圍第31項所述之系統，其中，該焦 點調整裝置係設計成用以調整物面透鏡之位置，以便適當 地將成像系統聚焦於物面上。 20 34·如申請專利範圍第27項所述之系統，其中，該成 像系統中之物面的影像離開期望的聚焦參考表面之距離， 係為由自動聚焦檢測裝置之光偵測器所測量之光強度的函 數。 35· —種用以自動把影像聚焦於顯微鏡中之系統，包 -52 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X297公釐） 594045 A8 B8 C8

   A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 38.如申請專利範圍第π項所述之系統，其中，該複 數個光感測器包含旦古 / 4 有四個相異的二極體段之夸特光電二 極體。 帛35項所述之系統 ，該成像系統 ^兄’ «統更包含聚焦校正系統，該聚焦校正系統 匕括反饋控制器與焦點調整裝置，用以基於由該光债測器 所感測之反射的自動聚焦光束，而自動調整在物鏡與物面 之間的距離，以便適當地將影像聚焦於成像系統中。 4〇·如中請專利範圍第39項所述之系統，其中 ’焦點 10 調整裝置係设計成用以調整物鏡之位置，以便適當地將成 像系統聚焦於物面上。 41·一種自動將物面之影像聚焦於顯微鏡中之方法，包 含： 產生自動聚焦光束； 15 將自動聚焦光束引導至待檢查之物面； 使自動聚焦光束反射離開物面； 使反射的自動聚焦光束引導至偵測系統； 以偵測系統之光偵測器感測自動聚焦光束； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 基於感測的自動聚焦光束，決定反射的自動聚焦光束 20 之影像平面離開期望參考平面之位移量；以及 聚焦於物面上，用以建構適當之聚焦影像， 其中，該感測步驟包含傳送反射的自動聚焦光束至少 部分通過光圈之開口，並利用偵測系統之光偵測器’測量 傳輸通過開口之反射的自動聚焦光束之光強度。 54 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公爱） 594045 A8 B8 C8 ---—--D8 /、、申清專利範圍 42.如申請專利範圍第41項所述之方法，其中自動將 物面之影像聚焦於顯微鏡係以依據申請專利範圍第11-26 項之任一項所述之自動聚焦裝置與依據申請專利範圍第 27-40項之任一項所述之用於自動聚焦裝置之系統實行。 5 43·如申請專利範圍第41項所述之方法，其中，該光 圈實質上係安置於偵測系統透鏡之焦距上，且該光偵測器 係安置得鄰近於光圈之開口。一 44.如申請專利範圍第μ項所述之方法，其中，該光 圈係置於偵測系統透鏡之焦距上，且該光偵測器係安置得 10鄰近於光圈之開口。 45·如申請專利範圍第44項所述之方法，其中，該弓丨 導步驟包含反射少量之自動聚焦光束通過分光鏡而到達第 二光镇測器，並測量在第二光偵測器之光強度。 46.如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含：在 15與產生自動聚焦光束之同時， 產生照明光束； 以照明光束照明物面；以及 使照明光束反射離開物面以建構物面之影像。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4入如申請專利範圍第46項所述之方法，其中，該聚 2〇焦步驟包含：建立代表物面之影像離開期望聚焦的參= 面的位移量之參考信號。 48· —種自動把物面之影像聚焦於顯微鏡中之方 含： ’包 產生自動聚焦光束； -55 - 594045

   將自動I焦光束引導至待檢查之物面； 使自動聚焦光束反射離開物面； 將反射的自動聚焦光束引導至偵測系統； 以偵測系統之複數個光偵測器感測自動聚焦光束； 5 基於感測的自動聚焦光束，決定反射的自動聚焦光束 之影像平面離開期望參考平面的位移量；以及 — 聚焦於物面上，用以建構適當之聚焦影像，其中，該 決定步驟包含：比較由複數個光偵測器所偵測之反射的自 動聚焦光束的光強度。 10 49·如申請專利範圍第48項所述之方法，其中，該感 測自動聚焦光束包含：藉由配置在偵測系統透鏡與複數個 光偵測器之間的稜鏡，將自動聚焦光束分成至少兩個分離 光束。 50·如申請專利範圍第49項所述之方法，其中，該感 15測自動聚焦光束包含測量於兩個二極體對之光強度，第一 二極體對實質上係與來自稜鏡之第一光束對準，第二二極 體對實質上係與來自稜鏡之第二光束對準。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 51·如申請專利範圍第48項所述之方法，其中，該咸 測自動聚焦光束包含將自動聚焦光束傳送通過配置在偵測 2〇系統透鏡與複數個光偵測器之間的圓柱透鏡，以改變投影 至光賴測器上之光束的形狀。 52·如申請專利範圍第51項所述之方法，更包含設置 具有四個相異的二極體段之夸特光電二極體，以作為光偵 測器。 、 -56 - ------------- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） 594045 A8 B8 C8 _D8_ 六、申請專利範圍 53. 如申請專利範圍第48項所述之方法，更包含：在 與產生自動聚焦光束的同時， 產生照明光束； 以照明光束照明物面；以及 5 使照明光束反射離開物面以建構物面之影像。 54. 如申請專利範圍第53項所述之方法，其中，該聚 焦包含：建立代表物面之影像離開期望聚焦的參考平面的 位移量之參考信號。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐）