WO1992017805A1

WO1992017805A1 - Apparatus for sensing automatic focusing

Info

Publication number: WO1992017805A1
Application number: PCT/JP1992/000393
Authority: WO
Inventors: Motokazu Yamana; Nobuyuki Nagasawa; Hirokazu Konishi; Yasuteru Takahama
Original assignee: Olympus Optical Co., Ltd.
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1992-10-15
Also published as: US5245173A; ATE194871T1; DE69231269T2; EP0531543B1; EP0531543A1; EP0531543A4; DE69231269D1

Description

明細書自動焦点検出装置 [技術分野]

本発明は、顕微鏡のように、低倍率から高倍率まで幅広い倍率条件による観察を行う光学機器の合焦点検出装置に関するものである。

[背景技術]

特公昭 6 1 — 6 0 4 1 3号公報によると、結像面前方の光像と結像面後方の光像とをイメージセンサでとらえ両光像の光強度に応じた電気信号の差信号が所定値になるように対物光学系と試料との間隙を調整する装置において、対物光学系の倍率切換にともなって、結像面とイメージセンサとの間の光路長を可変にする手段を設けた焦点調節装置が考案されている。

また特開昭 6 3 - 7 8 1 1 3号公報によると、被検体側からラインセンサに向かう測距用光線を複数の光線に分割し、分割光線の結像位置をラインセンサの光軸方向前後にずらし、両光像の信号を比較しながら合焦動作を行い、測距用光線の光路中、光線の分割後ラインセンサに至る間に、分割光線の —方に空気と屈折率が近似せずかつ正透過性の高い透明部材を退避可能とした自動焦点調整機構が考案されている。

しかしながら、予定焦点面前後の光像をィメージセンサ上に投影し、両光像の信号を比較することにより合焦点を検出する方法では、高倍率の対物レンズを使用すると、予定焦点面前後の両光像の信号に差がほとんど現れなくなつてしまい合焦点を検出できないという欠点がある。この問題を解決するために、特公昭 6 1 — 6 0 4 1 3号公報では、対物レンズの切換など光学系の倍率切換にともなつて、予定焦点面とィメージセンサとの間の光路差を可変とし、高倍率の場合には、光路差を大きくする方法が考案されている。しかしながらこの方法では、高倍率時に大きな光路差を設けなければならないため、光路のための領域が大きくとられ装置が大きくなつてしまうとともに、光路差を変えるための装置が必要となる欠点がある。

さらに高倍率においては、光像の光量が非常に少なくなるにもかかわらず 2光像に分割されるためさらに光量が減少し、合焦点検出が困難になるという欠点もある。

[発明の開示]

そこで、本発明の自動焦点検出装置は以上のような点に鑑みてなされたものであり、低倍率から高倍率まで安定した高精度な合焦点検出が可能な自動焦点検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第 1の態様によれば、試料を照明するための照明光学系と、

この照明光学系によつて照明された前記試料からの光像を受けて、予定焦点面前方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 1の光像と、予定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 2の光像とを形成する対物光学系と、上記対物光学系からの上記第 1、第 2の光像を受ける第 1 第 2の受光部を有し、受光した上記第 1、第 2の光像をそれぞれ対応する電気信号に変換する少なくとも 1つのイメージセンサと、

上記対物光学系の倍率を検出する倍率検出手段と、上記少なくとも 1つのイメージセンサからの上記電気信号に基づいて上記第 1、第 2の光像のコントラストを演算する演算手段と、

上記倍率検出手段による検出結果が低倍率であるときは、上記演算手段によつて演算された上記第 1、第 2の光像のコントラストの差に基づいて合焦点を検出するとともに、上記倍率検出手段による検出結果が高倍率であるときは、上記対物光学系の一部又は上記試料を光軸方向に移動させ、上記第 1、第 2の光像のうち一方または両方についてのコントラス卜の変化に基づいて合焦点を検出する合焦点検出手段とを具備する自動焦点検出装置が提供される。

また、本発明の第 2の態様によれば、試料を照明するための照明光学系と、

この照明光学系によつて照明された前記試料からの光像を受けて、予定焦点面前方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 1の光像と、予定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 2の光像とを形成する第 1の光学系と、上記対物光学系からの上記光像を受ける第 1、第 2の受光 805 P JP92

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部を有し、受光した上記第 1、第 2の光像をそれぞれ対応する電気信号に変換する少なくとも 1つのイメージセンサと、上記試料からの光像が上記予定焦点面上のみに投影されるように上記第 1の光学系に隣接して設けられた第 2の光学系と、

所定の条件に応じて、上記第 1、第 2の光学系を切り換えることによつて合焦点を検出する合焦点検出手段とを具備する自動焦点検出装置が提供される。

[図面の簡単な説明]

第 1図は本発明の第 1の実施例を示す自動焦点検出装置の構成図、

第 2 A図及び第 2 B図は本発明の第 2の実施例の基本的概念を説明するための光学配置図、 ' 第 3図は本発明の第 2 , 3の実施例を適用した自動焦点検出装置の構成図、

第 4 A図及び第 4 B図は本発明の第 2の実施例の変形例を説明するための光学配置図、

第 5 A図及び第 5 B図は本発明の第 4の実施例の原理を説明するための図、

第 6図は本発明の第 4の実施例を適用した自動焦点検出装置の構成図、

第 7図は本発明の第 5の実施例を適用した自動焦点検出装置の構成図、

第 8図は本発明の第 6の実施例の概念を説明するための光学配置図、

第 9 A図及び第 9 B図は本発明の第 6の実施例の概念を説明するためのイメージセンサの撮像面を示す図、

第 1 0図は本発明の第 6の実施例を適用した自動焦点検出装置の構成図、

第 1 1図は第 1 0図に示すイメージセンサの受光部を示す図、

第 1 2 A〜 1 2 D図はイメージセンサの出力波形図、第 1 3図は本発明の第 7の実施例におけるイメージセンサの受光部を示す図である。

[発明を実施するための最良の形態] まず、本発明にかかる自動焦点検出装置の第 1実施例の基本的概念について第 1図を参照して説明する。

第 1実施例においては、倍率検出器 8によって検出された対物レンズ 2の倍率が低倍であるときには、 C P U 1 0において 2画像のコントラスト等の差を演算することによって合焦点を検出する。また、倍率が高倍であるときには、 C P U 1 0は Z駆動部 9によりステージ 7を移動させるとともに、 2画像のうち 1方または両方の画像信号を入力し、ステージ 7の位置の変化に対するコントラスト等の合焦評価値の変化の関係から合焦点を検出する。

すなわち、高倍の対物レンズの場合には、予定焦点面前方と予定焦点面後方の 2画像にほとんど差が出なくなるため、 2画像のコントラスト等の差により合焦点を求めるのは困難であるので、ステージ移動と合焦度評価値との変化関係から合焦点を求めることによって、低倍から高倍までの対物レンズに対応した合焦点検出が可能となる。

以下に、第 1図を参照して、上記した本発明の第 1実施例の動作を説明する。

光源 1 5 と集光レンズ 1 4 とからなる照明光学系によつて照明された観察標本 1の光像は対物レンズ 2、プリズム 3、結像レンズ 4を透過し、光路差プリズム 5によって平行な 2 光線に分割され、予定焦点面前方の光像及び予定焦点面後方の光像がィメージセンサ 6の受光面上に投影される。受光面上に投影された予定焦点面前後の光像は、イメージセンサ 6 によって光電変換され、アナログ処理回路 1 3、 A Z Dコンバー夕 1 2を介してデジタルデータとして画像メモリ 1 1に記憶される。

対物レンズ 2の倍率は倍率検出器 8によって検出され、 C P U 1 0に入力される。ここで、対物レンズ 2が低倍であることが検出された場合には、 C P U 1 0は画像メモリ 1 1 から予定焦点面前後の画像信号をそれぞれ読み出し、コントラスト等の合焦度評価値を演算し、予定焦点面前後の合焦度評価値の差から合焦点までのずれ量、ずれ方向を検出する。

また、対物レンズ 2が高倍であることが検出された場合には、 C P U 1 0は Z駆動部 9により焦点調節のために上下に移動可能なステージ 7を移動させるとともに、予定焦点面前後の画像信号を画像メモリ 1 1から読み出し、予定焦点面前後の 2画像のうち一方または両方について、ステージ 7の移動量と合焦度評価値との関係を演算し、その演算結果によつて合焦点を算出する。

以上のように、対物レンズの倍率によって焦点検出方法を切換えることで低倍から高倍までの倍率に対応した自動焦点検出を実現する。

次に、第 2実施例の基本的概念を第 2 A図及び第 2 B図を参照して説明する。図において、 2 4は結像レンズ、 2 5は光路差プリズムでイメージセンサ 2 7の受光面上に予定焦点面前方及び後方に同じだけ光路差のある光像をそれぞれ投影する光学系である。 2 6は予定焦点面投影光学系で、ィメージセンサ 2 7の受光面が予定焦点面となるように構成されている。

光路差プリズム 2 5と予定焦点面投影光学系 2 6は、ともに第 2 A図、第 2 B図の 2 8の方向に移動可能であり、'対物レンズ 2 2 (第 3図）が低倍で光像が充分明るいときは、第 2 A図に示すように結像レンズ 2 4からイメージセンサ 2 7 へ向かう光路中に光路差プリズム 2 5が挿入され、対物レンズ 2 2が高倍であるときまたは低倍でも光像が暗いときには、第 2 B図に示すように、結像レンズ 2 4からイメージセンサ 2 7へ向かう光路中に予定焦点面投影光学系 2 6が挿入されすなわち、対物レンズ 2 2 (第 3図）の倍率が低く光像が充分明るい場合には、第 2 A図のように光学系を構成し、予定焦点面前後の 2画像のコントラスト等を比較することにより合焦点を検出し、対物レンズ 2 2 (第 3図）の倍率が高い場合または低倍でも光像が暗い場合には、第 2 B図のように光学系を構成し、対物レンズ 2 2と観察標本 2 0 (図 3 ) との相対的距離を変化させ、コントラスト等の合焦度評価レべルが最大となる点をサーチすることにより合焦点を検出する。

なお、低倍においては、小さな光路差でもデフォーカス時に予定焦点面前後の光像の合焦度評価値に差が現れやすく、デフォーカスの方向と量が 1回の画像入力で検出できるため合焦点の検出の高精度、高速化のために有利であるが、反面、高倍時においては、デフォーカス時にも予定焦点面前後の光像の合焦度評価値に差が出にくいとともに、高倍または低倍でも光像が暗いときにおいては結像レンズ 2 4を透過してくる光量が非常に少なくなるため、光路を分割するのは非常に不利となる。したがって、本実施例のように高倍時または、低倍でも光像が暗いときには光路分割せず、イメージセンサ 2 7の受光面上を予定焦点面となるように光像を投影し、対物レンズ 2 2 と観察標本 2 0 (第 3図）との相対的な距離を変化させ、合焦度評価レベルの最大となる点をサーチする方法に切換える方法により、簡単な構成で低倍から高倍まで様々な倍率に対応した合焦点検出が実現できる。

以下に、上記した第 2実施例を第 3図の自動焦点検出装置に適用した場合の動作を説明する。

落射照明装置 1 9は観察標本 2 0を照明するためのものである。ステージ 2 1 は焦点を合わせるために上下に移動される。観察標本 2 0から反射した光像は、対物レンズ 2 2、プリズム 2 3、結像レンズ 2 4を介しイメージセンサ 2 7上に投影される力《、本実施例においては、結像レンズ 2 4からィメージセンサ 2 7へ向かう光路中に、光路を平行な 2光路に分割する光路差プリズム 2 5 と光路分割しない予定焦点面投影光学系 2 6の 2種類の光学系が挿入される。すなわち、光路切換装置 2 9により光路差プリズム 2 5と予定焦点面投影光学系 2 6はともに図中 2 8の方向に移動され、 2種類の光学系が切換えられる。

光路差プリズム 2 5が光路中に挿入されると予定焦点面前方及び予定焦点面後方の光像がィメージセンサ 2 7の受光面上に投影され、予定焦点面投影光学系 2 6が光路中に挿入されると予定焦点面の光像がィメージセンサ 2 7の受光面上に投影される。

さらに、合焦点検出動作について説明する。倍率検出器 3 6により対物レンズ 2 2の倍率が検出され、その検出結果に基いて C P U 3 4は、光路切換装置 2 9を駆動し低倍率であれば光路差プリズム 2 5を、高倍率であれば予定焦点面投影光学系 2 6を光路中に揷入する。イメージセンサ 2 7は、駆動回路 3 3により駆動されている。対物レンズ 2 2が低倍率である場合には、光路差プリズム 2 5が光路中にあるため、イメージセンサ 2 7の受光面上には、予定焦点面前後の光像がそれぞれ投影され、イメージセンサ 2 7により光電変換された画像信号はアナログ処理回路 3 0、 A Z Dコンバータ 3 1を介して画像メモリ 3 2に入力される。

C P U 3 4は画像メモリ 3 2から画像信号を読み出し、予定焦点面前後の画像状態を比較することにより、合焦点からのずれ方向とずれ量を算出し、 Z駆動部 3 5により、ステージ 2 1を所定量移動させることにより、合焦を得ることがでさる o

また、対物レンズ 2 2が高倍率である場合には、予定焦点面投影光学系 2 6が光路中にあるためイメージセンサ 2 7の受光面上には予定焦点面の光像が投影され、イメージセンサ 2 7 により光電変換された画像信号は、アナログ処理回路 3 0、 A / D コンバータ 3 1 を介して画像メモリ 3 2に入力される。 C P U 3 4は画像メモリ 3 2から画像信号を読み出し合焦度を算出するとともに Z駆動部 3 5によりステージ 2 1を移動させ、合焦度の最も高くなる位置にステージを移動させることにより合焦を得る。

一般に顕微鏡によって標本を観察する場合、低倍率の対物レンズや高倍率の対物レンズ等を切換えて使用することが多い。このように対物レンズの倍率を切りかえた場合、従来の装置においては焦点検出が困難である。予定焦点面の画像を比較する方法においては、たとえば特公昭 6 1 - 6 0 4 1 3 号公報のように倍率に応じて予定焦点面とイメージセンサとの間の光路長を可変にする方法が考案されているが、高倍率に対応するためには、光路長をかなり大きくとらなければ予定焦点面前後の画像に差が出ないため、実現するためには、装置が大きくなつてしまうとともに、 1つのイメージセンサ上に 2画像を投影するのも困難であり、さらに高倍率では光像の光量が少なくなるので光路分割するのは非常に不利である o これに対して本発明の上記第 2実施例によれば、簡単な装置で低倍率から高倍率までの倍率に対応した合焦点検出が可能であり、光量が少なくなる高倍においては光路分割しないので光像の光量を減らすことなくイメージセンサ上に画像が投影できる。

以下に、第 4 A図及び第 4 B図を参照して、上記した第 2 実施例の変形例を説明する。 2 4は結像レンズ、 2 5は光路差プリズムで図中 2 8の方向に移動可能である。第 4 A図に示す構成の場合には、結像レンズ 2 4を透過した光像は光路差プリズム 2 5によって光路分割され、イメージセンサ 2 7 の受光面上に予定焦点面前方の光像と予定焦点面後方の光像を投影する。そして、光路差プリズム 2 5を図中 2 8の方向に移動し、第 4 B図のような光路に切換えると、結像レズ 2 4を透過した光像は、光路差プリズム 2 5をそのまま透過し、イメージセンサ 2 7の受光面上に予定焦点面の光像が投影される。

以上により、光路差プリズム 2 5を図中 2 8の方向に移動させることによって、予定焦点面前後の 2画像をイメージセンサ 2 7上に投影する光学系と、予定焦点面の画像をィメ一ジセンサ 2 7上に投影する光学系とを切換えることができる。以下に、第 3図を参照して本発明の第 3実施例を説明する。一般に、顕微鏡で標本を観察する際、低倍率から高倍率まで数種の対物レンズを切換えて観察することから、同様の標本を観察していても対物レンズと標本との距離に対する合焦度評価レベルの変化も対物レンズの倍率等または検鏡法により様々である。第 3実施例では第 2実施例と構成を同様にして、顕微鏡に通常観察する標本をセットし、各対物レンズの倍率等または検鏡法について、 Z駆動部 3 5によりステージ 2 1を合焦位置を中心にして所定間隔で移動させ、各位置におけるイメージセンサ 2 7により光電変換された画像信号をアナ口グ処理回路 3 0、 A Z Dコンバータ 3 1、画像メモリ 3 2を介して C P U 3 4に取り込み、合焦度評価レベルを演算することによりステージ 2 1 の位置と合焦度評価レベルとの関係をそれぞれの対物レンズの倍率等または検鏡法について算出した初期設定データを記憶する。

合焦点検出動作は第 2実施例と同様に行ない、対物レンズ 2 2が低倍率であれば光路差プリズム 2 5を、高倍率であれば予定焦点面投影光学系 2 6を光路中に挿入する。対物レンズ 2 2が低倍率で光像が充分明るい場合には、光路差プリズム 2 5が光路中にあるため、イメージセンサ 2 7の受光面上に予定焦点面前後の光像がそれぞれ投影され、ィメージセンサ 2 7により光電変換された画像信号はアナログ処理回路 3 0、 A Dコンバータ 3 1を介して画像メモリ 3 2に記億される。 C P U 3 4は画像メモリから画像信号を読み出し、予定焦点面前後の画像状態を比較するとともに、記憶された合焦度評価レベルとステージ 2 1の位置関係を参照し、合焦点からのずれ方向、ずれ量を算出し、 Z駆動部 3 5によりステ一ジ 2 1を所定量移動させることにより合焦を得ることができる。

また、対物レンズ 2 2が高倍率である場合または、低倍率でイメージセンサ 2 7の受光面における照度が低いと C P U 3 4により判定された場合には、予定焦点面投影光学系 2 6 が光路中に挿入され、イメージセンサ 2 7の受光面上には予定焦点面の光像が投影されてィメージセンサ 2 7により光電変換された画像信号はアナ口グ処理回路 3 0、 A Z Dコンパ一夕 3 1を介して画像メモリ 3 2に記憶される。 C P U 3 4 は画像メモリ 3 2から画像信号を読み出すとともに、記憶された合焦度評価レベルとステージ 2 1 の位置関係を比較参照し合焦位置を算出してその結果に基いて、 Z駆動部 3 5によりステージ 2 1を移動させ、合焦度の最も高くなる位置にステージ 2 1を移動させることにより合焦を得る。

特に、対物レンズ 2 2が高倍率であるような場合には、予定焦点面のみの画像を入力するために合焦点からのずれ方向、ずれ量が 1回の入力では精度良く算出できないので、本実施例のように、対物レンズの倍率等または検鏡法と、それらの組み合わせとの光学的条件に応じてステージ位置と合焦度評価レベルの関係を記憶しておくことにより、画像入力結果と記憶された初期設定データとから合焦点検出演算することにより高倍においても合焦点検出の高速化、高精度化が可能となる。

以上、上記した第 1〜第 3の実施例によれば、（1 ) 対物レンズの倍率に対応して合焦点検出方法を変更することによつて低倍から高倍まで様々な倍率に対応した自動焦点検出が実現可能となるとともに、（2) 対物レンズの倍率等光学的な条件、画像の明暗等の条件に応じてイメージセンサへの光像投影光学系を切換えることによって簡単な構成で低倍から高倍まで様々な倍率に対応した自動焦点検出が可能となる。特に高倍時においては、光路分割方式では、光路差を大きくとらなければ合焦点検出が困難であるが、本発明によれば高倍時または低照度時には光路分割はせず、光路分割による光量低減をなくすことができ特に有利である。

以下に本発明の第 4の実施例の概念を説明する。

この実施例では、照明光学系の開口数を変化させる開口絞りと、この開口絞りを駆動する開口絞り駆動手段とを設け、この開口絞り駆動手段を受光素子列から得られる画像情報および Zまたは結像光学系の開口数を含む光学的条件に基づいて制御することにより、対物レンズの高倍時と低倍時とにおける合焦度評価値曲線のデフォ一カス特性を極力近似させて、倍率変換による影響を少なくしょうとするものである。

以下、照明光学系の開口数を変化させることによって、受光素子列からの出力信号を演算処理して得られる合焦度評価値曲線のデフォーカス特性を変化させることができるという原理について第 5 A図と第 5 B図を参照して説明する。

周知のように、顕微鏡対物レンズによる結像は、アッベの理論として知られているように、回折および干渉という波動光学的な 2段階の写像であるといえる。図は顕微鏡対物レンズによる結像を模式的に示したもので、第 5 A図は照明光学系の開口絞り 1 06 を小さく絞ったときの、光源の中心付近、詳しくは光軸上の 1点から出て開口絞り 106 の中心を通る照明光について、第 5 B図は照明光学系の開口絞り 106 を大きく開いたときの、光源の端部 1 点から出て開口絞り 106 の最縁部を通る照明光についてそれぞれ表している。

第 5 A図において、開口絞り 106 の中心を通り、コンデンサレンズ 104 によって光軸に対して平行に進む平面波（平行光）となった照明光は、一様に観察物体 105 を照明する。ここで、観察物体 105 がピッチ Pの正弦波格子であると仮定すると、観察物体 105 による回折光は、照明光の入射方向すなわち光軸方向の 0 次光 B G と、これと土 e方向の + 1 次回折光 B 1 および一 1 次回折光 B -1となって、三方向に平行光となって進む。この場合の回折角 Sは、格子のピッチ Pおよび波長； Iによって、

s i n θ = λ / V

で表され、ピッチ Ρが小さい程（周波数が高い程）、回折角 0は大きくなる。

その後、三つの光 B O , Β 1 および B -1は、対物レンズ 108 によって対物レンズ 108 の後側焦点面 119 にフラウンホ —ファの回折像 Q 0 ， Q 1 および Q -1を作り、さらに Q 0 , Q 1 ， Q -1を中心とする球面となって進んで、観察物体 105 の予定結像面 120 で最も鮮明な干渉像を作る。この干渉像は、観察物体 105 と同じく正弦波格子であり、そのピッチ P ' は、

P ' = m · P (mは対物レンズ 108 の倍率）

となる。

実際の観察物体 105 は、種々のピッチをもった正弦波格子の重ね合わせと考えられるので、対物レンズ 108 による物体像も種々の回折角をもった高次回折波（高調波）による無数の正弦波格子の重ね合わせであるといえる。本来、正しい像再現を行うには、これら無数の高調波をすベて対物レンズ 108 に入射させなくてはならないが、実際には対物レンズ 108 の開口数に制限があるため、その開口数の値によってどの程度の高次の回折光まで集めることができるかということ、すなわち分解能が決定されている。

そこで、第 5 B図のように、開口絞り 106 を大きく開いた場合には、対物レンズ 108 の開口数が同じであっても、開口絞り 106 の周縁部を通過する照明光によって生じる高次の回折光 B _2を集めることができ、そのフラウンホ一ファの回折像 Q-2を対物レンズ 108 の後側焦点面 119 に形成できるが、プラス側の回折光 B 1 は対物レンズ 108 では集めることができなくなる。その結果、開口絞り 106 を大きく開いた場合の方が、より高調波成分の比率の高い物体像が得られ、予定結像面 120 における焦点深度は小さくなる。

このように、開口絞り 106 によって照明光学系の開口数を変化させることにより、対物レンズ 108 の性能を何ら劣化させることなく、受光素子列からの出力信号を演算して得られる合焦度評価値曲線のデフォ一カスに対する特性を変化させることができることになる。

なお、第 5 A、 5 B図において、従来例のように対物レンズ（結像光学系） 108 から予定結像面（受光素子列位置） 120 に到る光路中、例えば対物レンズ 108 の後側焦点面 119 に絞り手段を配置した場合は、対物レンズ 108 の開口数そのものが小さくなる場合と同様に高次回折光が力ッ卜されてしまうので、対物レンズ 1 08 の性能が劣化し、満足な合焦度評価値が得られなくなる。

この実施例では、上記の開口絞り 106 を、受光素子列から得られる画像情報およびまたは結像光学系の開口数を含む光学的条件に基づいて開口絞り駆動手段を介して制御手段によりほぼ最適な合焦度評価値が得られるように駆動制御するようにしたので、観察物体 10 5 を交換した場合や対物レンズを交換して開口数、焦点距離等の光学的条件が変化した場合に、その都度照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように自動的に設定することができる。したがつて、顕微鏡や光学測定器等においては既存の構成を大幅に変更することなく、結像光学系の開口数等の光学的条件や様々なパワースぺクトルを有する観察物体に対しても常に高精度で焦点状態を検出することが可能となる。

第 6図は上記した第 4の実施例を顕微鏡の自動焦点整合装置に適用した例である。光源 10 1 からの光はコレクタレンズ 102 によって集光した後、レンズ 103 を介してコンデンサレンズ 104 に入射させて、種々の角度をもった平行光束により観察物体 105 を照明するようにする。

この実施例では、光源 10 1 の像が形成されるコンデンサレンズ 104 の前側焦点面に開口絞り 1 06 を設けて照明光の開口数を変化させるようにすると共に、コレクタレンズ 102 の直後で観察物体 1 0 5 と光学的に共役な位置に視野絞り 1 G 7 を設けて観察物体 1 05 の照明範囲を変化させるようにする。すなわち、この実施例では、照明光学系をいわゆるケーラー照明法による構成とする。

上記の照明光学系による照明によつて観察物体 105 上の一点から出射する光は、結像光学系すなわち対物レンズ 108 および結像レンズ 109 を経て受光素子列から成る撮像素子 110 上に結像させる。なお、対物レンズ 108 は図示しないが顕微鏡のレボルバに取り付けられ、倍率の異なる複数の対物レンズの中から任意の倍率の対物レンズが選択されるようになつている。ここで、合焦時においては、照明光学系の開口絞り 106 の結像面と、対物レンズ 108 の後側焦点面とが一致し、観察物体 105 と撮像素子 110 とが共役な位置関係となる。撮像素子 110 は、制御装置（C P U) 111 からの指令によりタイミング回路 112 および撮像素子ドライバ 113 を経て所定のタイミングで駆動し、その映像信号をプリアンプ 114 で增幅した後、 AZD変換器 115 によりデジタル信号に変換して C P U111 に供給するようにする。

この実施例では、選択された対物レンズ 108 の倍率や開口数等の光学的条件を検知する検知手段 1 、開口絞り 1D6 を駆動する開口絞り駆動手段 117 、対物レンズ 108 および観察物体 105 を相対的に駆動してそれら間の距離を調節する調節手段 118 を設け、検知手段 116 の出力を C P U111 に供給し、開口絞り駆動手段 117 および調節手段 118 を C P U111 によつて制御するようにする。

以下、この実施例の動作を説明する。

先ず、合焦動作開始の指令により、 C P U111 は検知手段 116 からの光学的条件を取り込み、その光学的条件に基づいて開口絞り駆動手段 117 を介して開口絞り 106 を駆動し、これにより照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように調節する。

ここで、最適な照明光学系の開口数とは、例えば対物レンズ 108 が低倍率（開口数が小さい）の場合には観察に適した開口数より小さく、逆に高倍率（開口数が大きい）の場合には観察に適した開口数より大きくする。

このようにして、照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように調節した後は、 C P U111 においてタイミング回路 112 および撮像素子ドライバ 113 を経て撮像素子 11ϋ を駆動し、その映像信号をプリアンプ 114 および AZD変換器 115 を経て取込んで所定の評価関数に従って演算して得られる合焦度評価値に基づいて、合焦度が最も高くなるように調節手段 118 を介して対物レンズ 108 および観察物体 105 の相対的距離を調節する。

このとき、観察物体 105 によっては、合焦度評価値が小さすぎて焦点状態が検出できなかったり、あるいは合焦度評価値のデフォーカスに対する変化が緩やかで合焦精度が悪い場合があるので、得られた合焦度評価値によりさらに開口絞り駆動手段 1Π を介して開口絞り 106 を駆動し、照明光学系の開口数を合焦検出に最適な値とした後、合焦動作を継続することにより高精度な合焦度位置を得る。

この実施例では、照明光学系の開口数を、対物レンズ 108 が低倍率のときには観察に適した開口数より小さく、高倍率のときには大きく設定するようにしたので、対物レンズ 108 の倍率変換に伴う合焦度評価値曲線のデフオーカスに対する特性の変化を最小限に抑えることができ、したがって対物レンズ 108 の倍率変換に影響されることなく、常に高精度の焦点整合動作を行うことができる。

なお、この実施例において、焦点整合動作の完了後は、照明光学系の開口数を対物レンズ 108 の倍率における観察に適した値に自動設定あるいは使用者の好みによつて任意の値に手動設定できることは勿論である。

第 7図はこの発明の第 5の実施例を示すものである。この実施例は、結像光学系による観察物体 105 の像を予定結像面の前後に配置したそれぞれ受光素子列から成る一対の撮像素子 121 および 122 で受光するようにしたものである。このため、この実施例では結像光学系を構成する結像レンズ 109 の像側にハーフミラー 123 および反射ミラー 124 を配置して、観察物体 105 上の一点から出射した光を対物レンズ 108 および結像レンズ 109 を通過後、ハーフミラー 123 で二分しその —方を予定結像面より前方の光軸上に配置した撮像素子 121 で受光し、他方を反射ミラー 124 で反射させた後、予定結像面より後方の光軸上に配置した撮像素子 122 で受光するようにする。

撮像素子 121 および 122 は、それぞれ C P U 111 からの指令によりタイミング回路 125 , 126 および撮像素子ドライバ 127, 128 を経て所定のタイミングで駆動し、それらの映像信号をプリアンプ 129, 130 で増幅した後、 AZD変換器 131, 132 によりデジタル信号に変換して C P U 111 にそれぞれ供給するようにする。その他の構成は第 4実施例と同様であり、同一符号は同一作用を成すものを示す。

この実施例では、第 4の実施例と同様に、先ず合焦動作開始の指令により、 C P U111 に検知手段 116 からの光学的条件を取り込み、その光学的条件に基づいて開口絞り駆動手段 117 を介して開口絞り 106 を駆動し、これにより照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように調節する 0

このようにして、照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように調節した後は、 C P U111 においてタイミング回路 125, 126 および撮像素子ドライバ 127, 128 を経て撮像素子 121, 122 を駆動し、それらの映像信号をブリアンプ 129, 130 および AZD変換器 131, 132 を経て取込んでそれぞれ所定の評価関数に従って演算して得られる合焦度評価値の比較に基づいてデフオーカス量を算出し、それが最小となるように調節手段 118 を介して対物レンズ 108 および観察物体 105 の相対的距離を調節する。

このとき、観察物体 105 によっては、合焦度評価値が小さすぎて焦点状態が検出できなかったり、あるいは合焦度評価値のデフオーカスに対する変化が緩やかで合焦精度が悪い場合があるので、得られた合焦度評価値によりさらに開口絞り駆動手段 117 を介して開口絞り 106 を駆動し、照明光学系の開口数を合焦検出に最適な値とした後、合焦動作を継続することにより高精度な合焦位置を得る。

この実施例においても、第 4実施例と同様に照明光学系の開口数を、対物レンズ 108 が低倍率のときには観察に適した開口数より小さく、高倍率のときには大きく設定することにより、対物レンズ 1 08 の倍率変換に伴う合焦度評価値曲線のデフオーカスに対する特性の変化を最小限に抑えることができるので、一対の撮像素子 12 1, 122 からの映像信号による合焦度評価値の差が連続的に零となるデットゾ一ンが生じることなく、常に高精度の焦点整合動作を行うことができる。なお、この実施例においても、焦点整合動作の完了後は、照明光学系の開口数を対物レンズ 108 の倍率における観察に適した値に自動設定あるいは使用者の好みによって任意の値に手動設定できることは勿論である。

なお、上述した実施例では、対物レンズの倍率や開口数等の光学的条件および撮像素子からの映像信号を所定の評価関数に従って演算して得られる合焦度評価値に基づいて、 '照明光学系の開口数をほぼ最適な合焦度評価値が得られるように調節するようにしたが、合焦度評価値のみ、あるいは光学的条件のみによつて照明光学系の開口数を制御するよう構成することもできる。

なお、合焦度評価値のみによつて照明光学系の開口数を制御する場合には、先ずユーザの設定値のままで合焦動作を開始し、撮像素子からの影像信号を所定の評価関数に従って演算して得られる合焦度評価値に基づいて対物レンズ 108 および観察物体 1 05 の相対的距離を調節し、ほぼ合焦位置に近付いてからその時の合焦度評価値をもとに開口絞り駆動手段 11 7 を介して開口絞り 106 を駆動し、照明光学系の開口数を合焦検出に最適な値とした後、合焦動作を継続することにより高精度な合焦位置を得る。このように、合焦度評価値のみによつて照明光学系の開口数を制御する場合には、対物レンズの倍率や開口数等の光学的条件を検知する検知手段は不要となる。

また、この実施例は顕微鏡のみでなく、照明光学系を有する各種の光学機器における焦点検出に有効に適用することができる。

以上のように、上記した第 4、第 5の実施例によれば、照明光学系の開口数を変化させる開口絞りと、この開口絞りを駆動する開口絞り駆動手段とを設け、この開口絞り駆動手段を受光素子列から得られる画像情報およびまたは結像光学系の開口数を含む光学的条件に基づいてほぼ最適な合焦度評価値が得られるように駆動制御するようにしたので、既存の顕微鏡や光学測定器等の構成を大幅に変更することなく、対物レンズの高倍時と低倍率とにおける合焦度評価値曲線のデフォーカス特性を極力近似させることができ、対物レンズの倍率変換による影響を少なくできる。したがって、結像光学系の開口数等の光学的条件や様々なパワースぺクトルを有する観察物体に対して常にほぼ最適な合焦度評価値を得ることができ、常に高精度で焦点状態を検出することができる。以下に本発明の第 6の実施例について説明する。

まず、第 6の実施例の基本的概念を第 8図、第 9 A図、第 9 B図を参照して説明する。

第 8図において 3 0 1 は結像光学系であり、 30 3 , 3 0 3 ' は予定結像面近傍の 2つの物体像をそれぞれ撮像する 2つのィメージセンサである。 304 は前記 2つのイメージセンサに前記 2つの物体を投影するための光学系である。 302 , 302 ' は結像光学系 301 の予定結像面を示す。

第 9 A、 9 B図は、前記 2つのイメージセンサ 303 , 303 ' の撮像面を 1 0個の画素のラインセンサを例にとって示したものであり、イメージセンサ 303 の撮像面は画素寸法が縦横の順に a , bで画素ピッチが pである。そして、ィメ —ジセンサ 303 ' の撮像面は、画素寸法が縦、横の順に k a , k bで、画素ピッチが k pである。このように、本実施例においては、 2つのイメージセンサ間で、画素寸法、画素ピッチの比率を一定値 k としたことを特徴とする。

すなわち、本実施例においては、物体像が入射したとき、結像光学系 301 より、イメージセンサ 303 ， 303 ' 上に、ィンフォーカス像とァゥトフォ一カス像が形成され、アウトフォ一カス像はインフォーカス像の k倍となる。 kは結像光学系 301 によって決定されるが、通常の顕微鏡では 1. 1以上となる。また、 2つのイメージセンサ 303 、 303 ' の撮像面は第 9図のように形成されているので、ィンフォーカス像は第 9 A図の画素寸法、画素ピッチで撮像される。そしてインフォーカス像の k倍のアウトフォーカス像は、第 9 B図で示されるような k倍の画素寸法、画素ピッチで撮像される。

従って、 k倍の倍率比のある 2つの物体像を、物体がもともともつ空間周波数分布に対して同レベルの分解能で撮像することが可能となる。以下に、第 1 0図を参照して、上記した第 6の実施例を詳細に説明する。

30 1 は結像光学系であり、 303 は予定結像面近傍の 2つの物体像を撮像するイメージセンサである。投影光学系 304 、 304 ' は前記イメージセンサ 303 に 2つの物体像を投影するものであり、ハーフミラーとミラー、又はプリズムなどによつて構成される。補正回路 305 は、イメージセンサ 303 の出力について、固定パターン雑音、暗電流成分などを補正する回路であり、外部よりのクロック信号に同期して各画素に対して補正を行う。可変ゲインアンプ 306 は外部コントロール信号によってゲインをコントロールする。 A Z Dコンバータ 307 は外部よりのクロック信号に同期して A Z D変換を行う c ドライバ 308 は外部からクロック信号を受けてィメ一ジセンサ 303 をドライブ可能な信号に変換してイメージセンサ 303 に供給する。メモリ回路 309 は高速で読み出される映像信号を一時蓄積するものである。蓄積は外部よりのクロック信号に同期して行われる。タイミングコントローラ 310 は、補正回路 305、可変ゲインアンプ 306 、 A Z Dコンバータ 307 、ドライバ 308 、メモリ回路 309 の各々にクロック信号などを供給する。

C P U 31 1 は、タイミングコントローラ 31 0 の制御や、メモリ回路 30 9 より画像データを読みだし、合焦評価の演算を行ったり、その結果を出力したりする。表示回路 3 1 2 は C P U 31 1 の合焦評価の演算結果を合焦検出装置使用者に対して表示を行う。第 1 1図はイメージセンサ 30 3 の受光部を示す図であり、本実施例では図示するようなラインセンサを使用する。インフオーカス像受光用として画素 32 1 が 2 0 0 ケ、アウトフォ一力ス像受光用として画素 322 が 2 0 0 ケ同一直線上に配置されている。画素 32 1 のサイズは縦 a，横 bであり、ピッチ pで配置される。画素 322 のサイズは縦 a ' , 横 b ' でありピッチ P ' で配置される。

よつて受光ェリアはインフォ一カス像用として縦 b、横 1 となり、アウトフォーカス像用として縦 b ' 、横 1 ' となる _c ここで a , b， p 1 a b ' P 1 ' は以下の関係を満たす。

a = k a

b ' = k b - p ' = k p

1 = 2 0 0 x p - ( p - a )

1 ' = 2 0 0 x p ' 一 ( p ' — a ' )

上式で kは結像光学系によって決まる定数であり、本実施例では約 1 . 2である。

以下に、第 1 0、 1 1、 1 2図を参照して本実施例の作用を説明する。

結像光学系 30 1 に入射された物体像は光学系 304 によってイメージセンサ 3 03 上に、インフォーカス像、アウトフォ一カス像として投影される。. この投影像のパターン例を第 1 2 A図に示す。横軸はラインセンサのピッチ方向の物理的位置を示す。図で示されるようにインフォーカス像、ァゥトフォーカス像の輝度分布はそのレベル、大きさが異なつている。そして大きさはインフォーカス像の k倍がァゥトフォーカス像の大きさとなり、レベルはィンフォーカス像の 1 / k ² 倍がアウトフォーカス像のレベルとなる。 kは前記結像光学系によって決まる定数である。

イメージセンサ 303 の蓄積時間はタイミングコントローラ 310 によって適切なものとされるので、物体像を光電変換したイメージセンサ 303 の出力は、第 1 2 B図で示すようなものとなり、インフォーカス像とアウトフォーカス像の像の大きさは同じとなる。イメージセンサ 303 の出力を補正回路 305 によって補正すると、第 1 2 C図で示すような信号となる。インフォーカス像、アウトフォーカス像はセンサの感度誤差、光学系 304 の光量分割比の誤差などによって第 1 2 C 図の Δ Eなどの誤差があるので次段の可変ゲインアンプ 306 によって、インフォーカス像出力時、アウトフォーカス像出力時でゲインを変えてやり、第 1 2 D図のように出力レベルをそろえることができる。以上のようにして新たに光学部品を追加することなく、物体像は合焦評価のための演算に適切なものとなる。

ここで、 C P U 311 は、タイミングコントローラ 310 にィメージセンサ 303 の画像蓄積の開始、終了、さらに蓄積終了した画像データの読み出しをスター卜させるための制御信号を送る。画像データの読み出しがスタートすると、前記したように可変ゲインアンプ 306 より適切な状態に変換されたデ一夕が時系列的に出力される。可変ゲインアンプ 306 の出力は A D コンバータ 307 によって順次デジタルデータに変換されメモリ回路 309 に画像データとして蓄積される。

タイミングコントローラ 310 は画像デー夕の読み出しが終了すると、終了信号を C P U 311 にステータス信号として送 o

C P U 311 はさらにメモリ回路 309 より画像データを読み出し、合焦度を評価するための演算を行い、その結果を表示回路 312 に表示する。表示としては前ピン、後ピン、合焦の 3種類のいずれか 1つを表示してもよいし、合焦位置までの距離を表示してもよい。

上記の撮像、撮像信号処理、合焦度評価演算、合焦度評価結果の表示をくり返し行うことにより、リアルタイムに合焦度を表示可能なフォーカスインジケータを構成できる。又、合焦度評価結果をもとにフォー力シング動作（自動合焦動作）を行えば、自動合焦装置が構成できることは言うまでもない。又、本発明実施例では結像光学系 1 とイメージセンサ 303 のァライメントを容易にするため、インフォーカス像検出部とアウトフォーカス像検出部を同一シリコン基板上に形成したが、インフォーカス像検出とアウトフォーカス像検出を別個のイメージセンサで行うことも可能である。

次に、本発明の第 7の実施例を第 1 3図を参照して説明す O

本実施例は、イメージセンサとして 2次元のエリアセンサを用いて合焦評価エリアの選択を行う例である。システムのブロック構成は、第 1 0図の第 6の実施例と同じであり、ィメージセンサの受光面の形状は第 1 3図で示すようなものである。インフォ一カス像受光用画素 323 が 20 0 X 20 0 = 4 0 0 0 0画素、アウトフォー力ス像受光用画素 324 が 2 0 0 x 2 0 0 = 4 0 0 0 0画素配置されている。

画素 323 のサイズは縦、横 Cでピッチ P x , P yで配置され、画素 324のサイズは縦、横 C ' でピッチ P x ' ， P y ' で配置される。

—般的には X方向、 y方向のサンプリングピッチを等しくするように P x = P y、 P X ' = P y ' に設定する。そして C、 C ' 、 P x、 P y、 P x ' 、 P y ' は以下の関係を満たす。

C ' = k C

P X ' = k P ( P y ' = k P y ) . 上式で kは第 6の実施例と同じく結像光学系によつて決まる定数であり、約 1. 2である。

本実施例においては、第 6の実施例と同様に、適切な状態となった画像データがメモリ回路 309 に書き込まれる。ここで合焦評価エリアの選択を行なった場合、インフォーカス像データ数とァゥトフォーカス像データ数を等しく対応させることができ、 C P U 311 による演算及びメモリ回路 309 からの画像データの口一ドを簡単にすることができる。ィンフォ一カス像検出エリアとァゥトフォーカス像検出エリアの画素サイズ、及び画素ピッチが等しい場合はエリア選択時に、物体像の同一部分の画素データをロードし演算することは非常に複雑となる。以上、上記した第 6、第 7の実施例によれば、新たに光学部品を設けることなく、インフォーカス像、アウトフォー力ス像の大きさの違いによる、合焦位置検出誤差を取り除くことができ、そのスペース削減効果、コスト低減効果は非常に大きい。

[産業上の利用可能性]

以上のように、本発明の自動焦点検出装置ほ、対物レンズの倍率が高倍率であつても光路差を大きくとる必要がなく焦点検出の構成も簡単になるので装置の小型化が計れ、顕微鏡あるいは他の光学機器への利用可能性が大きい。

Claims

請求の範囲

1 . 試料を照明するための照明光学系と、

この照明光学系によって照明された前記試料からの光像を受けて、予定焦点面前方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 1の光像と、予定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 2の光像とを形成する対物光学系と、

上記対物光学系からの上記第 1、第 2の光像を受ける第 1 . 第 2の受光部を有し、受光した上記第 1、第 2の光像をそれぞれ対応する電気信号に変換する少なくとも 1つのイメージセンサと、

上記対物光学系の倍率を検出する倍率検出手段と、

上記少なくとも 1つのイメージセンサからの上記電気信号に基づいて上記第 1、第 2の光像のコントラストを演算する演算手段と、

上記倍率検出手段による検出結果が低倍率であるときは、上記演算手段によつて演算された上記第 1、第 2の光像のコントラストの差に基づいて合焦点を検出するとともに、上記倍率検出手段による検出結果が高倍率であるときは、上記対物光学系の一部又は上記試料を光軸方向に移動させ、上記第

1、第 2の光像のうち一方または両方についてのコントラス卜の変化に基づいて合焦点を検出する合焦点検出手段とを具備することを特徴とする自動焦点検出装置。

2 . 試料を照明するための照明光学系と、

この照明光学系によつて照明された前記試料からの光像を受けて、予定焦点面前方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 1の光像と、予定焦点面後方の所定距離だけ離れた位置に形成される第 2の光像とを形成する第 1の光学系と、上記対物光学系からの上記第 1、第 2の光像を受ける第 1 . 第 2の受光部を有し、受光した上記第 1、第 2の光像をそれぞれ対応する電気信号に変換する少なくとも 1つのイメージセンサと、

上記試料からの光像が上記予定焦点面上のみに投影されるように上記第 1 の光学系に隣接して設けられた第 2の光学系と、

所定の条件に応じて、上記第 1、第 2の光学系を切り換えることによって合焦点を検出する合焦点検出手段とを具備することを特徴とする自動焦点検出装置。

3 . 上記自動焦点検出装置がさらに上記第 1の光学系'の倍率を検出する倍率検出手段を具備し、上記合焦点検出手段は上記倍率検出手段による検出結果に応じて、上記第 1、第 2 の光学系を切り換えることを特徴とする請求の範囲 2に従つた自動焦点検出装置。

4 . 上記合焦点検出手段が上記ィメ一ジセンサ上に投影される光像の明るさに応じて上記第 1、第 2の光学系を切り換えることを特徴とする請求の範囲 2に従った自動焦点検出装。

5 . 上記自動焦点検出装置がさらに、上記照明光学系の開口数を前記ィメージセンサからの出力信号に基づいて変化させる手段を具備することを特徴とする請求の範囲 1乃至 4のいずれかに従った自動焦点検出装置。

6 . 上記自動焦点検出装置がさらに、上記照明光学系の開口数を、上記対物光学系の開口数や倍率を含む光学的条件に基づいて変化させる手段を具備することを特徴とする請求の範囲 1乃至 4のいずれかに従った自動焦点検出装置。

7 . 上記自動焦点検出装置がさらに、上記照明光学系の開口数を、上記対物光学系の開口数や倍率を含む光学的条件と、上記イメージセンサからの出力信号に基づいて変化させる手段を具備することを特徴とする請求の範囲 1乃至 4のいずれかに従つた自動焦点検出装置。

8 . 上記イメージセンサの上記第 1、第 2の受光部の画素寸法と画素ピッチが 2つの受光部間で一定の比率を有することを特徴とする請求の範囲 1乃至 7のいずれかに従った自動焦点検出装置。