WO2012099034A1 - 焦点位置維持装置及び顕微鏡 - Google Patents

焦点位置維持装置及び顕微鏡 Download PDF

Info

Publication number
WO2012099034A1
WO2012099034A1 PCT/JP2012/050673 JP2012050673W WO2012099034A1 WO 2012099034 A1 WO2012099034 A1 WO 2012099034A1 JP 2012050673 W JP2012050673 W JP 2012050673W WO 2012099034 A1 WO2012099034 A1 WO 2012099034A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
objective lens
image
optical axis
lens
specimen
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/050673
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
文宏 嶽
Original Assignee
株式会社ニコン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ニコン filed Critical 株式会社ニコン
Priority to JP2012553693A priority Critical patent/JP5626367B2/ja
Publication of WO2012099034A1 publication Critical patent/WO2012099034A1/ja
Priority to US13/927,747 priority patent/US9749591B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/24—Base structure
    • G02B21/241—Devices for focusing
    • G02B21/244—Devices for focusing using image analysis techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses

Definitions

  • the present invention relates to a focal position maintaining device and a microscope.
  • the blur is detected from the change in the maximum contrast position of the observation image of the specimen, and the relative position in the optical axis direction (z direction) between the objective lens and the specimen by feedback to the z-axis stage or the objective lens driving unit.
  • Change focus to maintain focus.
  • the active method represented by the slit projection method
  • the focus adjustment is quick because the z position of the sample is detected from the reflection of infrared light or the like irradiated on the sample (such as a cover glass).
  • both methods can correct the fluctuation in the z direction, but cannot cope with the fluctuation in the direction (x, y direction) orthogonal to the z direction.
  • Non-Patent Document 1 the active method and image analysis are combined to achieve three-dimensional drift correction.
  • the z drift is corrected by the active method, and the x, y drift and the remaining z drift are corrected by analyzing the time lapse image.
  • Non-Patent Document 1 has a problem that the focus position cannot be corrected in real time because the drift is corrected from the image information after acquiring a series of images.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and a focal position maintaining device capable of three-dimensionally correcting a sample variation in real time to maintain the focal point of the objective lens at a desired position of the sample, and
  • An object of the present invention is to provide a microscope having this focal position maintaining device.
  • the focus position maintaining apparatus controls the operation of a focus actuator that changes the relative position between the specimen and the objective lens, thereby bringing the focus of the objective lens to a desired position with respect to the specimen.
  • a focus position maintaining device for maintaining an optical mechanism which is disposed at a position for receiving light from the specimen through the objective lens, divides the wavefront of the light and forms an image of the specimen, and light from the optical mechanism
  • a control unit that outputs a signal for controlling the operation of the focus actuator based on the imaging position of the sample image detected by the imaging device via the optical mechanism. It is characterized by having.
  • the optical mechanism is disposed at a position substantially conjugate with the exit pupil of the objective lens.
  • the optical mechanism is preferably a micro optical element array composed of a plurality of unit lenses.
  • the optical mechanism has an imaging optical system and a mechanism capable of acquiring light including the optical axis of the objective lens and other light.
  • the optical mechanism includes an opening, and includes a mechanism that acquires light including the optical axis of the objective lens and other light by switching the opening.
  • the image sensor is arranged at the focal positions of a plurality of unit lenses constituting the micro optical element array.
  • the optical axis of a predetermined unit lens among the plurality of unit lenses constituting the micro optical element array is substantially coincident with the optical axis of the objective lens.
  • control unit forms an image with a unit lens located outside the optical axis of the objective lens among the sample images formed with the unit lens of the micro optical element array. It is preferable to detect the displacement amount and displacement direction of the specimen along the optical axis of the objective lens from the displacement direction and displacement amount of the image.
  • control unit forms an image formed by the unit lens positioned on the optical axis of the objective lens among the sample images formed by the unit lens of the micro optical element array. It is preferable to detect the deviation amount and the deviation direction of the sample in the plane orthogonal to the optical axis of the objective lens from the deviation direction and deviation amount.
  • control unit determines the sample along the optical axis of the objective lens from the shift direction and shift amount of the image formed by light other than the light including the optical axis of the objective lens. It is preferable to detect the shift amount and the shift direction.
  • control unit is configured in a plane orthogonal to the optical axis of the objective lens from the shift direction and shift amount of the image formed by the light including the optical axis of the objective lens. It is preferable to detect the deviation amount and the deviation direction of the sample.
  • Such a focal position maintaining device further includes a projection unit that projects a pattern onto the sample via the objective lens, and the control unit detects the amount and direction of deviation of the sample using the pattern image. Is preferred.
  • the microscope according to the present invention is characterized by having an objective lens, a focus actuator that changes the relative position of the specimen and the objective lens, and any one of the above-described focal position maintaining devices.
  • the present invention it is possible to three-dimensionally correct the sample variation in real time and maintain the focal point of the objective lens at a desired position of the sample.
  • the optical system of the microscope 10 includes an observation optical system 11 that forms an image of the specimen surface P on the observation imaging device 4 and an objective lens that is disposed on the side of the observation optical system 11. And a focus optical system 12 of a focus position maintaining device 20 that maintains one focus at a desired position of the specimen.
  • the observation optical system 11 includes an objective lens 1, a half mirror 2, an imaging lens 3, and an observation imaging element 4 in order from the sample side.
  • the focus optical system 12 uses the objective lens 1 and the half mirror 2 of the observation optical system 11 in common, and is sequentially arranged from the half mirror 2 at a position for receiving light from the sample via the objective lens 1.
  • the optical mechanism 5 divides the wavefront of the light and forms an image of the sample, and the focusing image sensor 6 disposed at a position where the light from the optical mechanism 5 is received.
  • the light emitted from the sample at the focal plane of the objective lens 1 is converted into substantially parallel light by the objective lens 1, passes through the half mirror 2, and then is imaged on the imaging surface of the imaging element 4 for observation by the imaging lens 3. And collected as a sample image. That is, the half mirror 2 is arranged in an afocal light beam between the objective lens 1 and the imaging lens 3. Further, by arranging an eyepiece instead of the observation imaging element 4, it is possible to directly observe the sample image.
  • a micro optical element array in which a plurality of minute optical elements are two-dimensionally arranged is used.
  • a microlens array in which a plurality of unit lenses (microlenses) are two-dimensionally arranged is used.
  • Such a microlens array functions as an optical element that divides the wavefront of light incident by each unit lens. Therefore, in the following description, this optical mechanism is referred to as a microlens array 5.
  • the focus imaging element 6 has a plurality of pixels arranged two-dimensionally.
  • the configuration of the focus optical system 12 of the focal position maintaining device 20 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the half mirror 2 is omitted.
  • the microlens array 5 is disposed so as to substantially coincide with the exit pupil plane P1 of the objective lens 1 (or a plane conjugate with the exit pupil plane P1).
  • the focus imaging device 6 is arranged so that its imaging surface substantially coincides with the image-side focal plane P ⁇ b> 2 of the microlens array 5. Therefore, the image-side focal plane P2 of the microlens array 5 and the object-side focal plane (specimen plane P) of the objective lens 1 are conjugate.
  • the microlens array 5 arranged on the exit pupil plane P1 of the objective lens 1 divides the exit pupil by the unit lens 5a. Therefore, when the microlens array 5 is composed of N ⁇ N unit lenses 5a, the numerical aperture (NA) at which each unit lens 5a looks into the object (sample surface P) is determined by the aperture of each unit lens 5a. The aperture is reduced to 1 / N. Therefore, the depth of field becomes very deep, and in the focus optical system 12 according to the present embodiment, a substantially focused image, so-called omnifocal image, is obtained by each unit lens 5a regardless of the depth of the specimen.
  • NA numerical aperture
  • the focal position maintaining device 20 when the optical axis direction is the z direction and the directions orthogonal to each other in the plane orthogonal to the z direction are the x direction and the y direction, the focal position maintaining device 20 according to the present embodiment. Is a variation in the x, y, and z directions of the sample with respect to the objective lens 1 from a change in position on the imaging plane of an image at a predetermined position on the sample obtained by each unit lens 5a of the microlens array 5. Configured to detect. Therefore, the focus position maintaining device 20 controls the focus actuator 8 of the microscope 10 to operate based on the image output from the focus imaging device 6 so as to maintain the focus of the objective lens 1 at a desired position of the sample.
  • a control unit 7 for outputting a signal is provided.
  • the focus actuator 8 can be a moving mechanism that moves the stage on which the sample is placed in the z direction and the x and y directions.
  • the focus imaging device 6 detects displacement of an image formed by each unit lens 5a of the microlens array 5, a plurality of pixels 6a are assigned to an image formed by one unit lens 5a. It is configured to be.
  • 7 ⁇ 7 pixels are assigned as the pixels 6a of the focus imaging device 6 corresponding to one unit lens 5a.
  • a group of pixels 6a corresponding to each unit lens 5a is referred to as a pixel group 6b.
  • the sample in the following description may be the sample itself observed with the microscope 10 or a marker for position correction (for example, a fluorescent bead), or may be a sample using a projection unit 30 as shown in FIG. It may be a specific projected pattern.
  • a pattern an appropriately sized pinhole image or the like is desirable.
  • the projection unit 30 in FIG. 7 has a light source 31 that emits illumination light for focusing, and an illumination optical system 15 that irradiates the specimen with illumination light from the light source 31.
  • the illumination optical system 15 includes: In order from the light source 31 side, a first condenser lens 32 that converts illumination light from the light source 31 into substantially parallel light, a second condenser lens 33 that condenses the substantially parallel light, and a second condenser lens 33.
  • the light shielding plate 34 arranged so that the image of the light source 31 imaged by the pinhole and the pinhole substantially coincide with each other, and the third condenser lens 35 that converts the illumination light passing through the pinhole into substantially parallel light Is done.
  • the illumination light emitted from the third condenser lens 35 passes through the half mirror 2 and is then irradiated onto the sample surface P via the objective lens 1.
  • the configuration for detecting the illumination light reflected by the sample surface P is the same as that of the focus optical system 12 described above.
  • first and second relay lenses 13 and 14 that relay an image of the exit pupil plane P1 of the objective lens 1 are provided, and the first and second relay lenses 13 and 14 are provided.
  • the microlens array 5 is disposed so as to substantially coincide with the formed image of the exit pupil plane P1 (at a position substantially conjugate with the exit pupil plane P1). Further, the imaging lens 3 and the observation imaging element 4 constituting the observation optical system 11 are omitted in FIG. It is desirable that the pinhole image projected on the focus image sensor 6 is larger than the size of one pixel 6a (the size of one pixel) of the focus image sensor 6.
  • the illumination light may be either coherent or incoherent.
  • FIG. 3 shows light emitted from a point O on the optical axis of the sample
  • FIG. 3A shows a case where the focal plane of the objective lens 1 coincides with the sample surface. That is, the point O is located on the focal plane of the objective lens 1 (this state is P 0 ).
  • the image of the point O formed by each unit lens 5a of the microlens array 5 is formed at a substantially central portion of the pixel group 6b corresponding to each unit lens 5a. ing.
  • the unit lens 5a when the specimen surface approaches the objective lens 1 side in the z direction without changing the x direction and the y direction (this state is assumed to be P + z ), the unit lens 5a.
  • the image formation position of the image of the point O of the unit lens 5a whose optical axis coincides with the optical axis of the objective lens 1 is unchanged, but the image formation position of the image of the point O by the peripheral unit lens 5a is
  • the unit lens 5a moves outward in a point-symmetrical manner with respect to the image of the unit lens 5a on the optical axis. In this case, the moving distance increases as the image of the unit lens 5a is farther from the optical axis. Further, as shown in FIG.
  • the image of the point O is formed at the same position in the pixel group 6b corresponding to each unit lens 5a. Image.
  • the imaging position is always unchanged in the unit lens 5a on the optical axis, but in the other unit lenses 5a, the optical axis of the objective lens 1 is the center (symmetric point). As shown in FIG. At this time, the amount of displacement increases as the peripheral unit lens 5a increases.
  • the control unit 7 of the focal position maintaining device 20 is positioned on the optical axis in the focal plane of the objective lens 1 (hereinafter referred to as a reference).
  • Image the optical axis in the focal plane of the objective lens 1
  • the control unit 7 determines that the image of the reference point has moved within each pixel group 6b and the sample has shifted in any of the x, y, and z directions, first, the unit lens on the optical axis is used.
  • the shift information in the x and y directions is calculated from the moving direction and moving amount of the image of the pixel group 6b corresponding to 5a, and feedback control for the x and y coordinates is performed on the focus actuator 8 of the microscope 10 based on this information. Then, control is performed so that the reference point is positioned on the optical axis of the objective lens 1 in the xy plane (the image detected by the central pixel group 6b is positioned substantially at the center of the pixel group 6b). . Then, the control unit 7 calculates shift information in the z direction from the moving direction and moving amount of the image of the pixel group 6b with respect to the unit lens 5a other than on the optical axis, and performs feedback control on the z coordinate to the focus actuator 8.
  • the pixel shift relative to the shift in the optical axis direction is larger when the image of the unit lens 5a far from the optical axis is used for detection of the shift in the z direction of the specimen. Accurate position detection is possible.
  • control unit 7 feeds back the operation of the focus actuator 8 so that the position of the image of the reference point in each pixel group 6b of the focus image sensor 6 is maintained in the center in the pixel group 6b.
  • the variation of the sample position with respect to the objective lens 1 is three-dimensionally corrected in real time, and the focus of the objective lens 1 can always be maintained at a desired position on the sample.
  • the focus imaging device 6 is composed of a plurality of pixels 6a arranged two-dimensionally, and a plurality of pixels are provided for each unit lens 5a of the microlens array 5 as shown in FIGS.
  • the relative position between the objective lens 1 and the sample changes in the y direction within the plane orthogonal to the z direction, and the image formation position in the pixel group 6b of the focusing image sensor 6 is determined.
  • the displacement since the x and y directions are isotropic, the x direction can be handled in the same way.
  • the pupil diameter of the objective lens 1 is D 0, and the number of divisions of the pupil of the objective lens 1 by the unit lens 5 a of the microlens array 5 is N. That is, it is assumed that the pupil of the objective lens 1 is divided by the N ⁇ N unit lens 5a.
  • the focal length of the unit lens 5a is f MLA, and light passing through the center of the unit lens 5a is the unit lens. If the angle formed by the optical axis 5a is ⁇ and the distance between the objective lens 1 and the microlens array 5 is d, the imaging position ylo in the m-th unit lens 5a is expressed by the following equation (2). .
  • the resolution in the optical axis direction (z direction) of the focal position maintaining device 20 it is desirable that the displacement of the imaging position ylo is large with respect to the defocus of the objective lens 1.
  • the number N of divisions of the microlens array 5 is increased and the displacement ⁇ ylo of the imaging position in the first or Nth unit lens 5a may be detected.
  • FIG. 9 shows the relationship between the defocus dz and the imaging position ylo in the first unit lens 5a.
  • FIG. 9A shows the relationship when the focal length f MLA of the unit lens 5a is 20 mm and the number of divisions N is 4, 5, 11, 101.
  • FIG. 9B shows the relationship when the division number N is 11, and the focal length f MLA of the unit lens 5a is 5, 10, and 20 mm, respectively.
  • 9A and 9B it can be said that as the focal length f MLA of the unit lens 5a is larger and the division number N is larger, the resolution of the imaging position with respect to defocus is higher. In order to increase the resolution of the detection of the imaging position, it is desirable to reduce the pixel size of the pixel 6a that constitutes the focus imaging device 6.
  • the focal position maintaining apparatus 20 As described above, in the focal position maintaining apparatus 20 according to the present embodiment, high resolution is achieved by selecting the unit lens 5a used for processing (that is, selecting the detection result in the pixel group 6b corresponding to the unit lens 5a). And a wide detection range. This is a trade-off relationship in normal observation.
  • the imaging magnification ⁇ is expressed by the following equation (5).
  • the displacement ⁇ ylo on the pixel group 6b of the imaging device 6 for focusing when the object point on the optical axis is shifted by ⁇ y in the y direction is expressed by the following equation (6).
  • microlens array 5 composed of a plurality of unit lenses 5a arranged two-dimensionally has been described.
  • a microlens array composed of a plurality of unit lenses arranged one-dimensionally is used. It may be used.
  • FIG. 1 An imaging optical system 51 that is disposed at a position for receiving light from the specimen via the objective lens 1 to form an image of the specimen, and is disposed on the image side of the imaging optical system 51. It is also possible to comprise a diaphragm 52 having an opening 52a through which a part of the emitted light passes. Here, the diaphragm 52 moves in a direction orthogonal to the optical axis with respect to the imaging optical system 51, thereby opening the aperture in a plane orthogonal to the optical axis in the light beam emitted from the imaging optical system 51.
  • the diaphragm 52 has a function as a mechanism capable of acquiring light including the optical axis of the objective lens 1 and other light.
  • the opening 52a when detecting a change in the position of the sample in the xy plane, the opening 52a includes the optical axis of the objective lens 1.
  • the diaphragm 52 is moved.
  • the imaging position of the specimen image formed by the light that has passed through the opening 52a is moved in the same manner as described above.
  • the opening 52a when detecting a change in the position of the sample in the z direction, the opening 52a is positioned so as not to include the optical axis of the objective lens 1 (at the periphery of the light beam emitted from the imaging optical system 51). Move the diaphragm 52.
  • the control unit 7 controls the operation of the focus actuator 8 so that this image is positioned at the center of the pixel group 6b corresponding to the position of the opening 52a of the stop 52, thereby obtaining the sample position. Can be three-dimensionally corrected.

Abstract

　標本の変動をリアルタイムに３次元補正して対物レンズの焦点を標本の所望の位置に維持することができる焦点位置維持装置、及び、この焦点位置維持装置を有する顕微鏡を提供する。　焦点位置維持装置２０は、複数の単位レンズ５ａを有し、対物レンズ１を介して標本からの光を受光する位置に配置されたマイクロレンズアレイ５と、このマイクロレンズアレイ５の単位レンズ５ａからの光を受光する位置に配置されたフォーカス用撮像素子６と、マイクロレンズアレイ５を介してフォーカス用撮像素子６により検出された標本の複数の像の結像位置に基づいて、フォーカスアクチュエータ８の作動を制御するための信号を出力する制御部７と、を有する

Description

焦点位置維持装置及び顕微鏡
　本発明は、焦点位置維持装置及び顕微鏡に関する。
　従来の光学顕微鏡のオートフォーカス方式には、大別してパッシブ方式とアクティブ方式の２種類がある。パッシブ方式では、例えば標本の観察画像のコントラストの最大位置の変化からボケを検出し、ｚ軸ステージもしくは対物レンズ駆動部へのフィードバックにより、対物レンズと標本の光軸方向（ｚ方向）の相対位置を変化させて焦点を維持する。しかし、輝度やコントラストが低い標本に対しては画像解析に時間がかかり、焦点調節の遅延やエラーを生じる。一方、スリット投影式に代表されるアクティブ方式は、標本（カバーガラスなど）に照射した赤外光等の反射から標本のｚ位置を検出するため焦点調節が迅速である。しかし、双方の手法は、ｚ方向の変動を補正することはできるが、このｚ方向に直交する方向（ｘ，ｙ方向）の変動には対応できない。
　近年の超解像技術等の発展により、光学顕微鏡の分解能を超えたナノメートル精度の顕微鏡観察が脚光を浴びつつある。この分解能領域の観察では、これまで問題とならなかった、装置の機械的なドリフトやカバーガラスの熱膨張などによる、標本観察位置の位置変化が無視できない問題となる。このため、対物レンズと標本の相対位置を３次元方向に高精度で維持できる技術が求められている。例えば、非特許文献１に示す装置では、アクティブ方式と画像解析とを組み合わせて、３次元ドリフト補正を達成している。これは、アクティブ方式によりｚドリフトを補正し、タイムラプス画像を解析することによりｘ，ｙドリフトと残存するｚドリフトを補正している。
Bo Huang 他、「Three-Dimensional Super-Resolution Imaging by Stochastic Optical Reconstruction Microscopy」、SCIENCE、The American Association for the Advancement of Science、２００８年２月１１日、ＶＯＬ３１９、ｐ．８１０－８１３
　しかしながら、非特許文献１に示された画像解析手法は、一連の画像を取得した後に画像情報からドリフトを補正するため、リアルタイムで焦点位置を補正することができないという課題があった。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、標本の変動をリアルタイムに３次元補正して対物レンズの焦点を標本の所望の位置に維持することができる焦点位置維持装置、及び、この焦点位置維持装置を有する顕微鏡を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る焦点位置維持装置は、標本と対物レンズとの相対位置を変化させるフォーカスアクチュエータの作動を制御することにより、対物レンズの焦点を標本に対する所望の位置に維持させる焦点位置維持装置であって、対物レンズを介して標本からの光を受光する位置に配置され、光の波面を分割するとともに標本の像を形成する光学機構と、この光学機構からの光を受光する位置に配置された撮像素子と、光学機構を介して、撮像素子により検出された標本の像の結像位置に基づいて、フォーカスアクチュエータの作動を制御するための信号を出力する制御部と、を有することを特徴とする。
　このような焦点位置維持装置において、光学機構は、対物レンズの射出瞳と略共役な位置に配置されることが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、光学機構は、複数の単位レンズで構成されるマイクロ光学素子アレイであることが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、光学機構は、結像光学系と対物レンズの光軸を含む光及びそれ以外の光をそれぞれ取得可能な機構とを有することが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、光学機構は、開口部を有し、対物レンズの光軸を含む光及びそれ以外の光を、開口部を切り替えて取得する機構を含むことが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、撮像素子は、マイクロ光学素子アレイを構成する複数の単位レンズの焦点位置に配置されることが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、マイクロ光学素子アレイを構成する複数の単位レンズのうちの所定の単位レンズの光軸は、対物レンズの光軸と略一致していることが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、制御部は、マイクロ光学素子アレイの単位レンズで結像される標本の像のうち、対物レンズの光軸上以外に位置する単位レンズで結像される像のずれ方向及びずれ量から、対物レンズの光軸に沿った標本のずれ量及びずれ方向を検出することが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、制御部は、マイクロ光学素子アレイの単位レンズで結像される標本の像のうち、対物レンズの光軸上に位置する単位レンズで結像される像のずれ方向及びずれ量から、対物レンズの光軸に対して直交する面内での標本のずれ量及びずれ方向を検出することが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、制御部は、対物レンズの光軸を含む光以外の光によって結像される像のずれ方向及びずれ量から、対物レンズの光軸に沿った標本のずれ量及びずれ方向を検出することが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置において、制御部は、対物レンズの光軸を含む光によって結像される像のずれ方向及びずれ量から、対物レンズの光軸に対して直交する面内での標本のずれ量及びずれ方向を検出することが好ましい。
　また、このような焦点位置維持装置は、対物レンズを介して標本にパターンを投影する投影部をさらに有し、制御部は、パターンの像を用いて標本のずれ量及びずれ方向を検出することが好ましい。
　また、本発明に係る顕微鏡は、対物レンズと、標本と対物レンズとの相対位置を変化させるフォーカスアクチュエータと、上述の焦点位置維持装置のいずれかと、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、標本の変動をリアルタイムに３次元補正して対物レンズの焦点を標本の所望の位置に維持することができる。
焦点位置維持装置を有する顕微鏡の光学系及び制御系の構成を示す説明図である。 焦点位置維持装置の光学系を示す説明図である。 対物レンズに対して標本がｚ方向にずれたときの結像状態を示す説明図であって、（ａ）は標本の所望の位置が対物レンズの焦点面上に一致している場合を示し、（ｂ）は標本が対物レンズ側に近づいた場合を示し、（ｃ）は標本が対物レンズから離れた場合を示す。 図３の状態におけるマイクロレンズアレイにより形成された像の状態を示す説明図である。 対物レンズに対して標本がｙ方向にずれたときの結像状態を示す説明図であって、（ａ）は左右方向の一方にずれた場合を示し、（ｂ）は他方にずれた場合を示す。 図５の状態におけるマイクロレンズアレイにより形成された像の状態を示す説明図である。 標本にパターンを投影する投影部の構成を示す説明図である。 マイクロレンズアレイによる標本の像の結像位置を示す説明図であって、（ａ）は対物レンズ、マイクロレンズアレイ及びフォーカス用撮像素子との関係を示し、（ｂ）は単位レンズと画素群との関係を示す。 焦点ずれと結像位置との関係を示すグラフであって、（ａ）は分割数を変化させた場合を示し、（ｂ）は単位レンズの焦点距離を変化させて場合を示す。 単位レンズの位置による焦点ずれと結像位置との関係を示すグラフである。 焦点位置維持装置の光学機構を結像光学系及び絞りで構成した場合を説明する説明図であって、（ａ）はｘｙ平面内での標本の位置の変動を検出する場合を示し、（ｂ）は絞り及び開口部の形状を示し、（ｃ）はｚ方向での標本の位置の変更を検出する場合を示す。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る焦点位置維持装置を有する顕微鏡の構成について説明する。この顕微鏡１０の光学系は、標本面Ｐの像を観察用撮像素子４上に結像する観察光学系１１と、観察光学系１１の側方に配置され、この観察光学系１１が有する対物レンズ１の焦点を標本の所望の位置に維持する焦点位置維持装置２０のフォーカス光学系１２と、から構成される。
　観察光学系１１は、標本側から順に、対物レンズ１、ハーフミラー２、結像レンズ３、及び、観察用撮像素子４から構成される。また、フォーカス光学系１２は、観察光学系１１の対物レンズ１及びハーフミラー２を共通に使用し、このハーフミラー２から順に、対物レンズ１を介して標本からの光を受光する位置に配置され、光の波面を分割するとともに標本の像を形成する光学機構５、及び、この光学機構５からの光を受光する位置に配置されたフォーカス用撮像素子６から構成される。なお、対物レンズ１の焦点面にある標本から出た光はこの対物レンズ１で略平行光に変換され、ハーフミラー２を透過した後、結像レンズ３で観察用撮像素子４の撮像面上に集光され、標本の像として結像される。すなわち、ハーフミラー２は、対物レンズ１と結像レンズ３との間のアフォーカル光束中に配置されている。また、観察用撮像素子４の代わりに接眼レンズを配置することで、標本の像を直接観察することができる。
　ここで、本実施形態に係る焦点位置維持装置２０の光学機構５としては、複数の微小な光学素子が２次元状に配置されたマイクロ光学素子アレイが用いられる。特に、本実施形態では、複数の単位レンズ（マイクロレンズ）が２次元状に配置されたマイクロレンズアレイが用いられている。このようなマイクロレンズアレイは、各々の単位レンズにより入射する光の波面を分割する光学素子として機能する。そのため、以降の説明ではこの光学機構をマイクロレンズアレイ５と称する。また、フォーカス用撮像素子６は、複数の画素が２次元状に配置されている。
　それでは、図２を合わせて用いて、焦点位置維持装置２０のフォーカス光学系１２の構成について説明する。なお、図２においては、ハーフミラー２は省略している。このフォーカス光学系１２において、マイクロレンズアレイ５は、対物レンズ１の射出瞳面Ｐ１（若しくは、この射出瞳面Ｐ１と共役な面）と略一致するように配置されている。また、フォーカス用撮像素子６は、その撮像面がマイクロレンズアレイ５の像側の焦点面Ｐ２に略一致するように配置されている。そのため、このマイクロレンズアレイ５の像側の焦点面Ｐ２と、対物レンズ１の物体側の焦点面（標本面Ｐ）とは共役である。
　対物レンズ１の射出瞳面Ｐ１に配置されたマイクロレンズアレイ５は、その単位レンズ５ａにより射出瞳を分割している。従って、マイクロレンズアレイ５がＮ×Ｎ個の単位レンズ５ａで構成されている場合、各単位レンズ５ａが物体（標本面Ｐ）を見込む開口数（ＮＡ）は、各単位レンズ５ａの口径で決まる開口で１／Ｎに縮小される。そのため、被写界深度が非常に深くなり、本実施形態に係るフォーカス光学系１２では、標本の奥行きに関係無く、ほぼ焦点の合った像、いわゆる全焦点画像が各単位レンズ５ａで得られる。
　ここで、図２に示すように、光軸方向をｚ方向とし、このｚ方向に直交する面内における互いに直交する方向をｘ方向及びｙ方向とすると、本実施形態に係る焦点位置維持装置２０は、マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａで得られる標本上の所定の位置の像の、結像面での位置変化から、対物レンズ１に対する標本のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の変動を検出するように構成されている。そのため、この焦点位置維持装置２０は、フォーカス用撮像素子６から出力された画像に基づいて、対物レンズ１の焦点を標本の所望の位置に維持させるように顕微鏡１０のフォーカスアクチュエータ８を作動させる制御信号を出力する制御部７が設けられている。ここで、フォーカスアクチュエータ８としては、標本が載置されたステージをｚ方向及びｘ，ｙ方向に移動させる移動機構とすることができる。また、フォーカス用撮像素子６は、マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａにより形成される像の変位を検出するため、一つの単位レンズ５ａにより結像される像に対して複数の画素６ａが割り当てられるように構成されている。例えば、図２の場合、１つの単位レンズ５ａに対応するフォーカス用撮像素子６の画素６ａとして、７×７ピクセルを割り当てている。以降の説明では、各単位レンズ５ａに対応する画素６ａの集まりを画素群６ｂと呼ぶ。
　なお、以降の説明における標本とは、顕微鏡１０で観察する標本それ自体でも良いし、位置補正用のマーカー（例えば蛍光ビーズ）でも良いし、図７に示すような投影部３０を用いて標本に投影した特定のパターンでも良い。ここで、パターンとしては、適切な大きさのピンホール像などが望ましい。例えば、図７における投影部３０は、フォーカス用の照明光を放射する光源３１と、この光源３１からの照明光を標本に照射する照明光学系１５とを有し、この照明光学系１５は、光源３１側から順に、光源３１からの照明光を略平行光に変換する第１の集光レンズ３２、この略平行光を集光する第２の集光レンズ３３、第２の集光レンズ３３により結像された光源３１の像とピンホールが略一致するように配置された遮光板３４、及び、ピンホールを通過した照明光を略平行光に変換する第３の集光レンズ３５から構成される。そして、この第３の集光レンズ３５を出射した照明光は、ハーフミラー２を通過した後、対物レンズ１を介して標本面Ｐに照射される。この標本面Ｐで反射した照明光を検出するための構成は、上述したフォーカス光学系１２と同様である。但し、図７においては、対物レンズ１の射出瞳面Ｐ１の像をリレーする第１及び第２のリレーレンズ１３，１４が設けられており、この第１及び第２のリレーレンズ１３，１４により形成された射出瞳面Ｐ１の像と略一致するように（射出瞳面Ｐ１と略共役な位置に）マイクロレンズアレイ５が配置されている。また、観察光学系１１を構成する結像レンズ３及び観察用撮像素子４は、図７においては省略されている。なお、フォーカス用撮像素子６に投影されるピンホール像は、このフォーカス用撮像素子６の１つの画素６ａの大きさ（１ピクセルの大きさ）よりも、大きいことが望ましい。また、照明光はコヒーレント、インコヒーレントを問わない。また、、マイクロレンズアレイ５を構成する単位レンズ５ａの一つ（通常は中央に位置する単位レンズ５ａ）の光軸を対物レンズ１の光軸と略一致させるように配置することが望ましい。
　それでは、対物レンズ１と標本との相対位置が変化したときに、マイクロレンズアレイ５で結像される像の変化について説明する。まず、図３及び図４を用いて、相対位置がｚ方向に変化した場合について説明する。この図３は、標本の光軸上の点Ｏから射出した光を示しており、図３（ａ）は対物レンズ１の焦点面が標本面と一致している場合を示している。すなわち、上記点Ｏは対物レンズ１の焦点面上に位置する（この状態をＰ0とする）。このとき、マイクロレンズアレイ５の各々の単位レンズ５ａで結像される点Ｏの像は、図４に示す様に、各々の単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂの略中央部に結像している。
　一方、図３（ｂ）に示すように、ｘ方向及びｙ方向は変化させずに、ｚ方向に標本面が対物レンズ１側に近づく（この状態をＰ+zとする）と、単位レンズ５ａのうち、その光軸が対物レンズ１の光軸と一致する単位レンズ５ａの点Ｏの像の結像位置は不変であるが、周辺の単位レンズ５ａによる点Ｏの像の結像位置は、光軸上の単位レンズ５ａの像を中心として点対称に外側に移動する。この場合、光軸から遠い単位レンズ５ａの像ほど、移動距離は大きくなる。また、図３（ｃ）に示す様に、ｘ方向及びｙ方向は変化させずに、ｚ方向に標本面が対物レンズ１から遠ざかる（この状態をＰ-zとする）と、対物レンズ１の光軸に一致する単位レンズ５ａによる点Ｏの像の結像位置は不変であるが、周辺の単位レンズ５ａによる点Ｏの像の結像位置は、光軸上の単位レンズ５ａの像を中心に点対称に内側に移動する。この場合も、光軸から遠い単位レンズ５ａの像ほど、移動距離は大きくなる。
　このように、本手法では、標本の光軸方向（ｚ方向）の位置の変動を、フォーカス用撮像素子６上での結像位置の変動として検出する。その際、マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａで結像される像は被写界深度が深く、全焦点画像とみなせる。従って、図３（ｂ），（ｃ）のように、標本が光軸方向に移動しても、点像分布の形はほぼ変わらない。そのため、焦点ずれによる点像分布の強度低下もほぼなく、信号対雑音比を保持したまま、高精度にピーク強度位置を算出することができる。
　次に、図５及び図６を用いて、相対位置がｚ方向に直交する面内で変化した場合について説明する（ここではｙ方向に変化した場合について説明するが、ｘ方向も同様である）。まず、対物レンズ１の焦点面が標本面と一致しているときの、標本の光軸上の点Ｏから出射した光の結像状態（上述のＰ0の状態）は上述の図４に示した通りである。すなわち、マイクロレンズアレイ５の各々の単位レンズ５ａで結像される点Ｏの像は、各々の単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂの略中央部に結像している。
　一方、図５（ａ），（ｂ）に示す様に、標本上の点Ｏが対物レンズ１の光軸に対してｙ方向にずれると、フォーカス用撮像素子６の各画素群６ｂに結像されている像もｙ方向に移動する。このとき、対物レンズ１に対して点Ｏが移動する方向に対して、画素群６ｂの中心から点Ｏの像が移動する方向は逆向きとなる。また、各画素群６ｂにおける点Ｏの像の移動量はほぼ同じとなる（点Ｏの像が、各画素群６内の同じ位置に結像する）。
　以上より、標本が横（ｘ，ｙ）方向にシフトした（光軸と垂直方向にずれた）ときは、各単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂにおいて、点Ｏの像は同一の位置に結像する。一方、標本が光軸（ｚ）方向にずれたときには、光軸上の単位レンズ５ａでは常に結像位置は不変だが、それ以外の単位レンズ５ａでは対物レンズ１の光軸を中心（対称点）として点対称に結像位置がずれる。このとき、周辺の単位レンズ５ａほど、ずれの量も大きくなる。
　従って、対物レンズ１の焦点が、標本上の所望の位置にあるときに、焦点位置維持装置２０の制御部７は、対物レンズ１の焦点面内の光軸上に位置する点（以下、基準点と呼ぶ）の像を記憶する。すなわち、その基準点の像は、撮像素子６の各画素群６ｂの中心に結像されている。そして、制御部７は、各画素群６ｂ内で基準点の像が移動し、標本にｘ，ｙ，ｚのいずれかの方向にずれが生じたと判断したときは、まず光軸上の単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂの像の移動方向及び移動量からｘ方向及びｙ方向のずれ情報を算出し、この情報を基に顕微鏡１０のフォーカスアクチュエータ８に、ｘ，ｙ座標に対するフィードバック制御を実施して、基準点がｘｙ平面内において対物レンズ１の光軸上に位置するように（中心の画素群６ｂで検出される像が、この画素群６ｂの略中心に位置するように）制御する。そして、次に制御部７は、光軸上以外の単位レンズ５ａに対する画素群６ｂの像の移動方向及び移動量からｚ方向のずれ情報を算出し、フォーカスアクチュエータ８にｚ座標に対するフィードバック制御をすることで、基準点を対物レンズ１の焦点面の光軸上に移動させる（全ての画素群６ｂで検出される像がそれぞれの画素群６ｂの略中心に位置するように移動させる）ことにより、標本の３次元ドリフトを補正できる。なお、詳細については後述するが、標本のｚ方向のずれの検知には光軸から遠い単位レンズ５ａの像を用いた方が、光軸方向（ｚ方向）のずれに対する画素ずれが大きく、より正確な位置検出が可能である。
　このように、制御部７により、フォーカス用撮像素子６の各画素群６ｂ内での基準点の像の位置が、その画素群６ｂ内で中心に維持されるようにフォーカスアクチュエータ８の作動をフィードバック制御すると、対物レンズ１に対する標本位置の変動をリアルタイムに３次元補正し、常に対物レンズ１の焦点を、標本上の所望の位置に維持させることができる。
　このような構成の焦点位置維持装置２０において、図３（ａ）に示すように物点が光軸上にあり、焦点ずれもないとする。このとき、物点の像は、マイクロレンズアレイ５の各々の単位レンズ５ａにより、フォーカス用撮像素子６の単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂの中心位置に結像する。上述したように、フォーカス用撮像素子６は２次元状に配置された複数の画素６ａで構成されており、図２及び図８に示すように、マイクロレンズアレイ５の単位レンズ５ａ毎に、複数の画素６ａからなる画素群６ｂが割り当てられている（例えば、図２に示すように、一つの単位レンズ５ａに対して、７×７＝４９個の画素６ａが割り当てられている）。そして、単位レンズ５ａの光軸が各画素群６ｂの中心を通るとし、この画素群６ｂの中心座標を（ｘlo，ｙlo）＝（０，０）とすると、焦点ずれがなければ、図４の黒塗りの画素６ａに示すように、全ての画素群６ｂ上での結像位置は（ｘlo，ｙlo）＝（０，０）である。
　ここで、対物レンズ１と標本との相対位置が、上述の説明と同様に、ｚ方向に直交する面内でｙ方向に変化した場合のフォーカス用撮像素子６の画素群６ｂにおける結像位置の変位について考える（ｘ，ｙ方向は等方的なので、ｘ方向も同様の考え方で対応できる）。まず、対物レンズ１の瞳直径をＤ0とし、マイクロレンズアレイ５の単位レンズ５ａによる対物レンズ１の瞳の分割数をＮとする。すなわち、対物レンズ１の瞳がＮ×Ｎの単位レンズ５ａにより分割されているとする。なお、単位レンズ５ａの数え方（次数）ｍを、図２においてｙがプラス側から１，２，…，Ｎ－１，Ｎであるとすると、ｍ番目の単位レンズ５ａの中心位置ｈmは次式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ｍ＝１及びｍ＝２の場合、すなわち、ｙ方向プラス側で最も外側の単位レンズ及びこの単位レンズより１つ内側の単位レンズによる像の中心位置ｈ1，ｈ2を図８（ａ）に示す。なお、対物レンズ１の光軸とマイクロレンズアレイ５のいずれかの単位レンズ５ａの光軸とを一致させることが望ましいことにより、分割数Ｎは奇数であることが望ましい。この場合、ｍ＝（Ｎ＋１）／２のときにｈm＝０となり、対物レンズ１の光軸と一致する。なおこの場合、中心位置ｈmの原点は、対物レンズ１の光軸上であり、上述した（ｘlo，ｙlo）とは座標の取り方が異なる。すなわち、対物レンズ１の焦点面と標本面とが一致している場合（ずれがない場合）、上述したように、次数ｍに対応するｈmが各単位レンズ５ａにおけるｙlo＝０に対応する。
　図８（ｂ）に示すように、ある１つの単位レンズ５ａとそれに対応する画素群６ｂに注目し、単位レンズ５ａの焦点距離をｆMLAとし、単位レンズ５ａの中心を通る光がこの単位レンズ５ａの光軸となす角をαとし、対物レンズ１とマイクロレンズアレイ５との距離をｄとすると、ｍ番目の単位レンズ５ａにおける結像位置ｙloは次式（２）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この式（２）において、Ｓ′は対物レンズ１の像点位置であり、対物レンズ１の焦点距離をｆOBとし、焦点ずれをｄｚとしたときに次式（３）で表される対物レンズ１の物点位置Ｓより、次式（４）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、焦点ずれがないとｄｚ＝０となるため、式（４）において像点位置Ｓ′は無限大に発散する。つまり、対物レンズ１から射出する光は平行光となる。
　それでは、この焦点位置維持装置２０の光軸方向（ｚ方向）の分解能について考える。高分解能を得るためには、対物レンズ１の焦点ずれに対して結像位置ｙloの変位が大きいことが望ましい。このためにはマイクロレンズアレイ５の分割数Ｎを増やし、１番目あるいはＮ番目の単位レンズ５ａにおける結像位置の変位Δｙloを検出すれば良い。
　図９に１番目の単位レンズ５ａにおける焦点ずれｄｚと結像位置ｙloとの関係を示す。図９（ａ）は、単位レンズ５ａの焦点距離ｆMLAを２０ｍｍとし、分割数Ｎを３，５，１１，１０１の４通りとしたときの関係を示している。また、図９（ｂ）は、分割数Ｎを１１とし、単位レンズ５ａの焦点距離ｆMLAをそれぞれ５，１０，２０ｍｍとしたときの関係を示している。これらの図９（ａ），（ｂ）より、単位レンズ５ａの焦点距離ｆMLAが大きいほど、また、分割数Ｎが大きいほど、焦点ずれに対する結像位置の分解能が高いといえる。また、結像位置の検出の高分解能化のためにはフォーカス用撮像素子６を構成する画素６ａのピクセルサイズを小さくすることが望ましい。
　次に検出可能範囲について考える。対物レンズ１と標本との相対位置がｚ方向へのずれに伴うフォーカス用撮像素子６の各画素群６ｂでの結像位置の変化量は、光軸から遠い単位レンズ５ａほど大きくなる。この関係を図１０に示す。この図１０では分割数Ｎを１１としたときの、ｍ＝１の単位レンズ５ａ（光軸から最も遠い単位レンズ）及びｍ＝５の単位レンズ５ａ（光軸上にある単位レンズの隣にある単位レンズ）による、焦点ずれｄｚと結像位置ｙloとの関係を示している。結像位置ｙloに対する広い検出可能範囲を得るためには、変位量の小さい、光軸の横の単位レンズ５ａを使うことが望ましい（光軸上の単位レンズ（ｍ＝６）は焦点ずれで結像位置が変位しないため）。
　このように、本実施形態に係る焦点位置維持装置２０においては、処理に使用する単位レンズ５ａの選択（すなわち、この単位レンズ５ａに対応する画素群６ｂでの検出結果の選択）により、高分解能と広い検出範囲の双方を実現できる。これは通常の観察ではトレードオフの関係にある。
　次に、対物レンズ１と標本との相対位置がｚ方向に直交する面内で変化した場合（ｘ，ｙ方向に変化した場合）のｘ，ｙ分解能について考える。対物レンズ１の焦点距離をｆOBとし、マイクロレンズアレイ５の単位レンズ５ａの焦点距離をｆMLAとすると、結像倍率βは次式（５）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　そして、光軸上の物点がｙ方向にΔｙずれたときの、フォーカス用撮像素子６の画素群６ｂ上での変位Δｙloは、次式（６）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　この式（６）より明らかなように、単位レンズ５ａの焦点距離ｆMLAが大きいほど、結像位置の横分解能が高くなる。
　次に、対物レンズ１と標本との相対位置がｘ，ｙ方向に変化したときの検出可能範囲について考える。１つの単位レンズ５ａの径をｄMLAとすると、上述の式（６）の関係より、フォーカス用撮像素子６の各画素群６ｂ上での変位Δｙloは、次式（７）の関係を満たすことが必要である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　この式（７）より、検出したいずれ量ｙと倍率βより、必要なマイクロレンズアレイ５を構成する単位レンズ５ａの径ｄMLAを算出することが望ましい。
　なお、以上の説明においては、２次元状に配列された複数の単位レンズ５ａからなるマイクロレンズアレイ５を用いて説明したが、１次元状に配列された複数の単位レンズからなるマイクロレンズアレイを用いても良い。
　また、以上の説明では、本実施形態に係る焦点維持装置２０を構成する光学機構５としてマイクロ光学素子アレイ（マイクロレンズアレイ）を用いて構成した場合について説明したが、図１１に示すように、対物レンズ１を介して標本からの光を受光する位置に配置されて標本の像を形成する結像光学系５１と、この結像光学系５１の像側に配置され、結像光学系５１から射出する光の一部を通過させる開口部５２ａが形成された絞り５２と、から構成することも可能である。ここで、絞り５２は、結像光学系５１に対して光軸に直交する方向に移動することにより、この結像光学系５１から射出された光束内の光軸に直交する面内で開口部５２ａを移動させることができ、これにより、絞り５２は、対物レンズ１の光軸を含む光及びそれ以外の光をそれぞれ取得可能な機構としての機能を有している。
　このような、結像光学系５１及び絞り５２を有する光学機構５において、標本のｘｙ平面内での位置の変動を検出する場合には、開口部５２ａが対物レンズ１の光軸を含むように絞り５２を移動させる。このような状態で標本がｘｙ平面内で移動すると、それに伴って開口部５２ａを通過した光により形成される標本の像の結像位置が、上述の説明と同様に移動する。一方、標本のｚ方向での位置の変動を検出する場合には、開口部５２ａが対物レンズ１の光軸を含まないように（結像光学系５１から射出された光束の周縁部に位置するように）絞り５２を移動させる。このような状態で標本がｚ方向に移動すると、それに伴って開口部５２ａを通過した光により形成される標本の像の結像位置が、上述の説明と同様に移動する。以上より、図１１には図示しない制御部７によりこの像が絞り５２の開口部５２ａの位置に対応した画素群６ｂの中心に位置するようにフォーカスアクチュエータ８の作動を制御することにより、標本位置の変動を３次元補正することができる。
１　対物レンズ　　５　光学機構（マイクロレンズアレイ）　　５ａ　単位レンズ
６　フォーカス用撮像素子　　７　制御部　　８　フォーカスアクチュエータ
１０　顕微鏡　　２０　焦点位置維持装置　　３０　投影部　　５１　結像光学系
５２　絞り　　５２ａ　開口部

Claims (13)

  1. 　標本と対物レンズとの相対位置を変化させるフォーカスアクチュエータの作動を制御することにより、前記対物レンズの焦点を前記標本に対する所望の位置に維持させる焦点位置維持装置であって、
    　前記対物レンズを介して前記標本からの光を受光する位置に配置され、前記光の波面を分割するとともに前記標本の像を形成する光学機構と、
    　前記光学機構からの光を受光する位置に配置された撮像素子と、
    　前記光学機構を介して、前記撮像素子により検出された前記標本の像の結像位置に基づいて、前記フォーカスアクチュエータの作動を制御するための信号を出力する制御部と、を有することを特徴とする焦点位置維持装置。
  2. 　前記光学機構は、前記対物レンズの射出瞳と略共役な位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の焦点位置維持装置。
  3. 　前記光学機構は、複数の単位レンズで構成されるマイクロ光学素子アレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点位置維持装置。
  4. 　前記光学機構は、結像光学系と前記対物レンズの光軸を含む光及びそれ以外の光をそれぞれ取得可能な機構とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点位置維持装置。
  5. 　前記光学機構は、開口部を有し、
    　前記対物レンズの光軸を含む光及びそれ以外の光を、前記開口部を切り替えて取得する機構を含むことを特徴とする請求項４に記載の焦点位置維持装置。
  6. 　前記撮像素子は、前記マイクロ光学素子アレイを構成する複数の前記単位レンズの焦点位置に配置されることを特徴とする請求項３に記載の焦点位置維持装置。
  7. 　前記マイクロ光学素子アレイを構成する複数の前記単位レンズのうちの所定の単位レンズの光軸は、前記対物レンズの光軸と略一致していることを特徴とする請求項６記載の焦点位置維持装置。
  8. 　前記制御部は、
    　前記マイクロ光学素子アレイの前記単位レンズで結像される前記標本の像のうち、前記対物レンズの光軸上以外に位置する前記単位レンズで結像される像のずれ方向及びずれ量から、前記対物レンズの光軸に沿った前記標本のずれ量及びずれ方向を検出することを特徴とする請求項６又は７に記載の焦点位置維持装置。
  9. 　前記制御部は、
    　前記マイクロ光学素子アレイの前記単位レンズで結像される前記標本の像のうち、前記対物レンズの光軸上に位置する前記単位レンズで結像される像のずれ方向及びずれ量から、前記対物レンズの光軸に対して直交する面内での前記標本のずれ量及びずれ方向を検出することを特徴とする請求項６～８のいずれか一項に記載の焦点位置維持装置。
  10. 　前記制御部は、
    　前記対物レンズの光軸を含む光以外の光によって結像される像のずれ方向及びずれ量から、前記対物レンズの光軸に沿った前記標本のずれ量及びずれ方向を検出することを特徴とする請求項４又は５に記載の焦点位置維持装置。
  11. 　前記制御部は、
    　前記対物レンズの光軸を含む光によって結像される像のずれ方向及びずれ量から、前記対物レンズの光軸に対して直交する面内での前記標本のずれ量及びずれ方向を検出することを特徴とする請求項４、５、１０のいずれか一項に記載の焦点位置維持装置。
  12. 　前記対物レンズを介して前記標本にパターンを投影する投影部をさらに有し、
    　前記制御部は、前記パターンの像を用いて前記標本のずれ量及びずれ方向を検出することを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の焦点位置維持装置。
  13. 　対物レンズと、
    　標本と前記対物レンズとの相対位置を変化させるフォーカスアクチュエータと、
    　請求項１～１２のいずれか一項に記載の焦点位置維持装置と、を有することを特徴とする顕微鏡。
PCT/JP2012/050673 2011-01-21 2012-01-16 焦点位置維持装置及び顕微鏡 WO2012099034A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012553693A JP5626367B2 (ja) 2011-01-21 2012-01-16 焦点位置維持装置及び顕微鏡
US13/927,747 US9749591B2 (en) 2011-01-21 2013-06-26 Focus position maintaining apparatus, and microscope

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011010445 2011-01-21
JP2011-010445 2011-01-21
JP2011-230560 2011-10-20
JP2011230560 2011-10-20

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/927,747 Continuation US9749591B2 (en) 2011-01-21 2013-06-26 Focus position maintaining apparatus, and microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012099034A1 true WO2012099034A1 (ja) 2012-07-26

Family

ID=46515660

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/050673 WO2012099034A1 (ja) 2011-01-21 2012-01-16 焦点位置維持装置及び顕微鏡

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9749591B2 (ja)
JP (1) JP5626367B2 (ja)
WO (1) WO2012099034A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019526836A (ja) * 2016-09-01 2019-09-19 ライカ マイクロシステムズ シーエムエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＬｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＣＭＳ ＧｍｂＨ マイクロレンズアレイを有する、個々に照明される斜面を観察するための顕微鏡

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140022373A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 University Of Utah Research Foundation Correlative drift correction
US9215425B1 (en) * 2013-02-04 2015-12-15 Bruker Nano Inc. Camera-aided focusing in optical metrology
CN110398480A (zh) * 2019-07-22 2019-11-01 中国科学院广州生物医药与健康研究院 一种超分辨显微镜
JP7036396B1 (ja) * 2021-12-30 2022-03-15 株式会社 Zido オートフォーカス装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0980301A (ja) * 1995-09-12 1997-03-28 Nikon Corp オートフォーカス装置
JP2001330557A (ja) * 2000-05-19 2001-11-30 Yokogawa Electric Corp 光スキャナ及びこれを用いた断層画像取得装置
JP2008304808A (ja) * 2007-06-11 2008-12-18 Nikon Corp 焦点検出装置および撮像装置
JP2010217317A (ja) * 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp 焦点位置制御方法及び焦点位置制御装置

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4562345A (en) * 1982-12-08 1985-12-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method and apparatus for detecting focus conditions of a photographic optical system
US4932781A (en) * 1983-11-04 1990-06-12 Canon Kabushiki Kaisha Gap measuring apparatus using interference fringes of reflected light
US5910940A (en) * 1996-10-08 1999-06-08 Polaroid Corporation Storage medium having a layer of micro-optical lenses each lens generating an evanescent field
US5995143A (en) * 1997-02-07 1999-11-30 Q3Dm, Llc Analog circuit for an autofocus microscope system
JPH11118446A (ja) * 1997-10-14 1999-04-30 Takaoka Electric Mfg Co Ltd ２次元配列型共焦点光学装置
US7034883B1 (en) * 1999-08-10 2006-04-25 Cellavision Ab Automatic focusing
JP2001236663A (ja) * 2000-02-18 2001-08-31 Sony Corp 光学系の位置制御装置、光学系の位置制御方法および記録再生装置
US6711283B1 (en) * 2000-05-03 2004-03-23 Aperio Technologies, Inc. Fully automatic rapid microscope slide scanner
TWI220998B (en) * 2001-02-13 2004-09-11 Nikon Corp Exposure method, exposure apparatus and manufacture method of the same
WO2003009579A2 (en) * 2001-07-17 2003-01-30 Amnis Corporation Computational methods for the segmentation of images of objects from background in a flow imaging instrument
JP4370554B2 (ja) * 2002-06-14 2009-11-25 株式会社ニコン オートフォーカス装置およびオートフォーカス付き顕微鏡
US7633616B2 (en) * 2003-06-02 2009-12-15 Sensovation Ag Apparatus and method for photo-electric measurement
US7813579B2 (en) * 2004-05-24 2010-10-12 Hamamatsu Photonics K.K. Microscope system
US8164622B2 (en) * 2005-07-01 2012-04-24 Aperio Technologies, Inc. System and method for single optical axis multi-detector microscope slide scanner
US7837357B2 (en) * 2006-06-30 2010-11-23 Applied Materials, Inc. Combined illumination and imaging system
JP4478670B2 (ja) * 2006-09-08 2010-06-09 ソニー株式会社 １次元照明装置及び画像生成装置
JP4521561B2 (ja) * 2006-12-19 2010-08-11 レーザーテック株式会社 フォーカス制御方法及び位相シフト量測定装置
US7923801B2 (en) * 2007-04-18 2011-04-12 Invisage Technologies, Inc. Materials, systems and methods for optoelectronic devices
US8290358B1 (en) * 2007-06-25 2012-10-16 Adobe Systems Incorporated Methods and apparatus for light-field imaging
US7645971B2 (en) * 2008-01-18 2010-01-12 Ffei Limited Image scanning apparatus and method
WO2010044870A1 (en) * 2008-10-14 2010-04-22 The Burnham Institute For Medical Research Automated scanning cytometry using chromatic aberration for multiplanar image acquisition
JP2010191402A (ja) * 2009-01-26 2010-09-02 Toshiba Corp プロジェクタ装置及び映像表示方法ならびに携帯電話装置
US8049811B2 (en) * 2009-01-28 2011-11-01 Board Of Regents, The University Of Texas System Automatic focusing apparatus and method for digital images using automatic filter switching
EP2244484B1 (en) * 2009-04-22 2012-03-28 Raytrix GmbH Digital imaging method for synthesizing an image using data recorded with a plenoptic camera
CN102483509B (zh) 2009-07-13 2015-04-22 株式会社尼康 三维方向漂移控制装置以及显微镜装置
EP2339534A1 (en) * 2009-11-18 2011-06-29 Panasonic Corporation Specular reflection compensation
JP5621325B2 (ja) * 2010-05-28 2014-11-12 ソニー株式会社 焦点制御装置、焦点制御方法、レンズ装置、フォーカスレンズ駆動方法、および、プログラム
US20120127297A1 (en) * 2010-11-24 2012-05-24 Baxi Vipul A Digital microscopy with focus grading in zones distinguished for comparable image structures

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0980301A (ja) * 1995-09-12 1997-03-28 Nikon Corp オートフォーカス装置
JP2001330557A (ja) * 2000-05-19 2001-11-30 Yokogawa Electric Corp 光スキャナ及びこれを用いた断層画像取得装置
JP2008304808A (ja) * 2007-06-11 2008-12-18 Nikon Corp 焦点検出装置および撮像装置
JP2010217317A (ja) * 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp 焦点位置制御方法及び焦点位置制御装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019526836A (ja) * 2016-09-01 2019-09-19 ライカ マイクロシステムズ シーエムエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＬｅｉｃａ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＣＭＳ ＧｍｂＨ マイクロレンズアレイを有する、個々に照明される斜面を観察するための顕微鏡
JP7130625B2 (ja) 2016-09-01 2022-09-05 ライカ マイクロシステムズ シーエムエス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング マイクロレンズアレイを有する、個々に照明される斜面を観察するための顕微鏡

Also Published As

Publication number Publication date
US9749591B2 (en) 2017-08-29
JP5626367B2 (ja) 2014-11-19
US20130286182A1 (en) 2013-10-31
JPWO2012099034A1 (ja) 2014-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9810896B2 (en) Microscope device and microscope system
JP4544904B2 (ja) 光学系
US9488824B2 (en) Microscopic device and microscopic method for the three-dimensional localization of point-like objects
JP5626367B2 (ja) 焦点位置維持装置及び顕微鏡
CN108254853B (zh) 一种显微成像系统及其实时对焦方法
JP6090607B2 (ja) 共焦点スキャナ、共焦点顕微鏡
JP2012038927A5 (ja)
WO2016010096A1 (ja) 位相変調素子調整システムおよび位相変調素子調整方法
EP2568326B1 (en) Imaging device and imaging method for an imaging device
CN106796404B (zh) 制造光刻结构的光学系统
JP5929204B2 (ja) 走査型顕微鏡
JP4997834B2 (ja) 顕微鏡
JP5084183B2 (ja) 顕微鏡用落射照明光学系
JP2022519567A (ja) 波面解析装置、蛍光顕微鏡画像化システムおよび対象を顕微鏡画像化する方法
JP2009288075A (ja) 収差測定装置及び収差測定方法
EP3282300B1 (en) Microscope
JP5822067B2 (ja) 顕微鏡装置
US20150130922A1 (en) Objective optical system and image acquisition apparatus
JP4528023B2 (ja) レーザ集光光学系
JP2014056078A (ja) 画像取得装置、画像取得システム及び顕微鏡装置
JP2009186679A (ja) 観察装置
JP6332327B2 (ja) 走査型顕微鏡
KR101133562B1 (ko) 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치
US11971531B2 (en) Method and microscope for determining the thickness of a cover slip or slide
JP2011027804A (ja) コンフォーカル顕微鏡

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12736625

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2012553693

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12736625

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1