WO2018207255A1

WO2018207255A1 - 合焦機能を備えた標本観察装置

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Publication number: WO2018207255A1
Application number: PCT/JP2017/017532
Authority: WO
Inventors: 大平まゆみ
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-11-15
Also published as: US11150459B2; US20200041777A1

Abstract

誤差要因となる明るさを持つ画素が含まれていても、合焦状態を検出することができる合焦機能を備えた標本観察装置を提供する。　標本観察装置１は、光源と、照明光学系２と、観察光学系３と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備え、照明光学系２は、コンデンサレンズ４と、開口部材５と、を有し、観察光学系３は、対物レンズ６と、減光部材７と、を有し、減光部材７は、開口部材５と共役な位置に配置され、開口部材５は、開口領域５ａを有し、減光部材７は、減光領域７ａを有し、所定の状態が生じるように、開口領域５ａの大きさ、開口領域５ａの位置、減光領域７ａの大きさ、及び減光領域７ａの位置が設定されており、処理装置は、検出素子が受光した光の光量を求め、駆動制御装置は、光量が最小となるように、光量に基づいて標本Ｓと対物レンズ６との間隔を変える。

Description

合焦機能を備えた標本観察装置

　本発明は、合焦機能を備えた標本観察装置に関するものである。

　オートフォーカスの方式として、例えば、コントラストＡＦ方式がある。コントラストＡＦ方式では、撮像素子で撮像された観察像の画像に基づいて、コントラストの値が算出される。コントラストの値は、フォーカシングする画像領域において、例えば、隣接する画素の差分二乗和から求めることができる。

　コントラストＡＦ方式を備えた顕微鏡では、標本と顕微鏡対物レンズとの間隔を変えながら、各間隔でコントラストの値が評価される。そして、コントラストの値が最大となったときが、合焦状態と判定される。

　コントラストＡＦ方式による合焦装置が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された合焦装置では、撮像によって得られた画像の全画素、又は、一部の画素によりコントラストの値を算出している。

特開２００２－１６２５５８号公報

　顕微鏡による観察では、無色透明な標本の観察、例えば、生細胞の観察が行われる。生細胞の観察では、培養液を介して観察が行われる。このとき、培養液中にゴミなどの浮遊物が混ざっていると、浮遊物の像も生細胞と一緒に観察されることになる。

　浮遊物の像の明るさが生細胞の像の明るさよりも常に小さい場合は、コントラストＡＦ方式による合焦でも大きな問題は生じない。しかしながら、浮遊物の大きさ、浮遊物の表面の形状、及び浮遊物と生細胞との距離等によっては、非合焦状態であっても、浮遊物の像の明るさが生細胞の像の明るさよりも大きくなることがある。

　コントラストＡＦ方式による合焦だと、浮遊物の画像が含まれた画像からコントラストの値が算出される。そのため、浮遊物の画像が含まれていない画像におけるコントラストの値に比べると、算出されたコントラストの値は大きくなる。その結果、非合焦状態であるにも関わらず、合焦状態と判定されてしまう。異物の画像が含まれている場合も、同様である。

　また、スライドガラスを使った標本の観察では、スライドガラスの表面やカバーガラスの表面にゴミなどの異物が付着する。この場合も、異物の像が標本と一緒に観察されることになる。この場合も、異物の像の明るさが生細胞の像の明るさよりも大きくなることがある。この場合も、非合焦状態であるにも関わらず、合焦状態と判定されてしまう。

　また、顕微鏡による観察として、位相差観察がある。位相差観察では、位相差観察用の顕微鏡対物レンズが用いられる。位相差観察用の顕微鏡対物レンズは、位相板を供えている。

　位相差観察では、標本の像の縁に、ハロと呼ばれる独特の明るい縁取りができる。ハロは、標本の縁で生じた０次光の一部が位相板を通過しなくなることで生じる。ハロの明るさは、非合焦状態でも明るい。

　コントラストＡＦ方式による合焦だと、ハロが含まれた画像からコントラストの値が算出される。そのため、ハロが含まれていない画像におけるコントラストの値に比べると、算出されたコントラストの値は大きくなる。その結果、非合焦状態であるにも関わらず、合焦状態と判定されてしまう。

　このように、コントラストＡＦ方式では、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていると、合焦状態を検出することが困難になる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていても、合焦状態を検出することができる合焦機能を備えた標本観察装置を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の合焦機能を備えた標本観察装置は、
　光源と、照明光学系と、観察光学系と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備え、
　照明光学系は、コンデンサレンズと、開口部材と、を有し、
　観察光学系は、対物レンズと、減光部材と、を有し、
　開口部材は、照明光学系の瞳位置に配置されるか、又は、照明光学系の瞳と共役な位置に配置され、
　減光部材は、開口部材と共役な位置に配置され、
　開口部材は、開口領域を有し、
　減光部材は、減光領域を有し、
　判定領域は、開口領域の像と減光領域の両方が含まれている領域であり、
　所定の状態は、判定領域において、開口領域の像が減光領域の領域内のみに位置している状態であり、
　所定の状態が生じるように、開口領域の大きさ、開口領域の位置、減光領域の大きさ、及び減光領域の位置が設定されており、
　照明光学系により標本に照射された照明光は、標本を透過してから観察光学系に入射し、
　検出素子は、観察光学系から出射した光を受光し、
　処理装置は、検出素子が受光した光の光量を求め、
　駆動制御装置は、光量が最小となるように、光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変えることを特徴とする。

　本発明によれば、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていても、合焦状態を検出することができる合焦機能を備えた標本観察装置を提供できる。

本実施形態の標本観察装置の主要な構成を示す図である。２つのレンズの間隔と合成焦点距離との関係を示すグラフである。合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。開口領域の像、減光領域及び出射光量のシミュレーション結果を示す図である。合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。標本面が小さく傾斜している場合の出射光量を示すグラフである。合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。標本面が大きく傾斜している場合の出射光量を示すグラフである。出射光量を示すグラフである。本実施形態の標本観察装置の具体例を示す図である。出射光量と合焦状態を示す図である。開口領域の形状と減光領域の形状を示す図である。開口領域の形状と減光領域の形状を示す図である。本実施形態の別の標本観察装置の主要な構成を示す図である。合焦状態の画像と非合焦状態の画像である。出射光量と合焦状態を示すグラフである。本実施形態の別の標本観察装置の主要な構成を示す図である。

　本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって本発明は例示される態様に限定されるものではない。

　本実施形態の合焦機能を備えた標本観察装置は、光源と、照明光学系と、観察光学系と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備え、照明光学系は、コンデンサレンズと、開口部材と、を有し、観察光学系は、対物レンズと、減光部材と、を有し、開口部材は、照明光学系の瞳位置に配置されるか、又は、照明光学系の瞳と共役な位置に配置され、減光部材は、開口部材と共役な位置に配置され、開口部材は、開口領域を有し、減光部材は、減光領域を有し、判定領域は、開口領域の像と減光領域の両方が含まれている領域であり、所定の状態は、判定領域において、開口領域の像が減光領域の領域内のみに位置している状態であり、所定の状態が生じるように、開口領域の大きさ、開口領域の位置、減光領域の大きさ、及び減光領域の位置が設定されており、照明光学系により標本に照射された照明光は、標本を透過してから観察光学系に入射し、検出素子は、観察光学系から出射した光を受光し、処理装置は、検出素子が受光した光の光量を求め、駆動制御装置は、光量が最小となるように、光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変えることを特徴とする。

　本実施形態の合焦機能を備えた標本観察装置（以下、「本実施形態の標本観察装置」という）における合焦原理について説明する。図１は、本実施形態の標本観察装置の主要な構成を示す図である。

　標本観察装置１は、例えば、正立型顕微鏡であって、照明光学系２と、観察光学系３と、を有する。標本観察装置１は、更に、光源と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備えている。図１では、光源、検出素子、処理装置及び駆動制御装置は図示されていない。光源、検出素子、処理装置及び駆動制御装置は、後述の標本観察装置に示されている。

　照明光学系２は、コンデンサレンズ４と、開口部材５と、を有する。コンデンサレンズ４は、レンズ４ａと、レンズ４ｂと、を有する。観察光学系３は、対物レンズ６と、減光部材７と、を有する。開口部材５の構造と減光部材７の構造については、後述する。

　対物レンズには、無限遠補正対物レンズと有限補正対物レンズとがある。無限遠補正対物レンズでは、それ単体で標本の像は形成されない。標本の像を形成するために結像レンズが用いられる。対物レンズ６は、無限遠補正対物レンズである。よって、観察光学系３は、結像レンズ９を有している。対物レンズ６が有限補正対物レンズの場合、結像レンズ９は、用いられても、用いられなくても良い。

　開口部材５は、照明光学系２の瞳位置に配置されている。より具体的には、開口部材５は、コンデンサレンズ４の瞳位置、すなわち、コンデンサレンズ４の焦点位置に配置されている。開口部材５は、照明光学系２の瞳と共役な位置に配置されていても良い。よって、開口部材５は、コンデンサレンズ４の瞳と共役な位置に配置されていても良い。

　開口部材５は、開口領域５ａを有する。開口部材５の位置には、光源の像が形成されている。よって、開口領域５ａの各点から、発散光が出射する。発散光は、コンデンサレンズ４によって平行光束に変換される。その結果、標本Ｓには、平行光束の照明光が照射される。このように、照明光学系２から、標本Ｓに照明光が照射される。

　開口領域５ａは、光軸ＡＸを含まないように位置している。よって、標本Ｓに照射される照明光には、光軸と平行な平行光束は含まれていない。すなわち、光軸ＡＸと交差する平行光束だけで、標本Ｓの照明が行われる。

　標本Ｓが照明されることで、標本Ｓから結像光が出射する。結像光は、観察光学系３に入射する。標本Ｓの一点から出射した結像光について説明する。この場合、対物レンズ６には、発散光が入射する。対物レンズ６に入射した発散光は、対物レンズ６と結像レンズ９とによって、像面ＩＭに集光される。よって、像面ＩＭに標本Ｓの像が形成される。

　標本Ｓの広い範囲から出射した結像光について説明する。標本Ｓの照明は、平行光束で行われている。よって、対物レンズ６には、平行光束が入射する。対物レンズ６に入射した平行光束は、対物レンズ６で集光される。対物レンズ６で集光された光は、発散しながら結像レンズ９に入射する。結像レンズ９から出射した光は、像面ＩＭに到達する。

　平行光束の集光位置には、減光部材７が位置している。減光部材７は、減光領域７ａを有する。平行光束は、減光領域７ａの位置で集光している。開口領域５ａの各点から出射した発散光は、コンデンサレンズ４と対物レンズ６によって集光される。したがって、減光領域７ａの集光点は、開口領域５ａの出射点の像である。

　これは、減光領域７ａが、開口領域５ａと共役であることを意味している。このように、標本観察装置１では、減光部材７は、開口部材５と共役な位置に配置されている。よって、減光部材７の位置に、開口部材の像８が形成される。

　図１では、開口部材の像８は、減光部材７から少し離れた位置に、描かれている。これは、開口部材の像８の位置を分かりやすくするためである。実際には、減光部材７の位置と開口領域の像８の位置は、一致している。

　上述のように、対物レンズ６は、無限遠補正対物レンズである。この場合、平行光束の集光位置は、対物レンズ６の瞳になる。よって、減光部材７は、対物レンズ６の瞳位置に配置されていることになる。

　開口部材５は、コンデンサレンズ４の瞳位置に配置されている。減光部材７は、対物レンズ６の瞳位置に配置されている。そして、減光部材７は、開口部材５と共役な位置に配置されている。よって、標本観察装置１では、コンデンサレンズ４と対物レンズ６は、コンデンサレンズ４の瞳と対物レンズ６の瞳が共役となるように、各々が位置決めされている。

　標本観察装置１では、観察光学系３は、対物レンズ６と結像レンズ９とで構成されている。この場合、対物レンズ６の瞳位置は、観察光学系３の瞳位置と見なすことができる。よって、標本観察装置１では、減光部材７は、観察光学系３の瞳位置に配置されていることになる。減光部材７は、対物レンズ６の瞳と共役な位置に配置されていても良い。すなわち、減光部材７は、観察光学系３の瞳と共役な位置に配置されていても良い。

　開口部材５は、開口領域５ａを有する。開口領域５ａは、照明光がそのまま通過する領域である。「そのまま」とは、減光や遮光が、ほとんど生じていない状態を意味する。開口領域５ａの形状は、円環である。

　開口部材５には、不透明な板、又は、無色透明な板を用いることができる。不透明な板としては、例えば、金属板や不透明な樹脂板がある。無色透明な板としては、例えば、ガラス板や透明な樹脂板がある。

　不透明な板を用いる場合は、不透明な板に貫通孔を形成すれば良い。この場合、貫通孔の部分が、開口領域５ａになる。

　無色透明な板を用いる場合は、無色透明な板の一部に遮光塗料を塗布すれば良い。このようにすると、遮光塗料が塗布されていない領域と、遮光塗料が塗布されている領域と、が形成される。この場合、遮光塗料が塗布されていない領域が、開口領域５ａになる。

　減光部材７は、減光領域７ａを有する。減光領域７ａは、結像光が減光されて通過する領域である。減光領域７ａの形状は、円環である。

　減光は、反射のみ、吸収のみ、又は、反射と吸収の両方によって行うことができる。反射による減光では、例えば、誘電体多層膜フィルタを用いれば良い。吸収による減光では、例えば、色ガラスフィルタや吸収型ＮＤフィルタを用いれば良い。

　誘電体多層膜フィルタでは、無色透明な部材の表面に、多層膜が形成されている。誘電体多層膜フィルタでは、多層膜の構造（薄膜の厚み、薄膜の材料、薄膜の総数等）によって、反射率特性（又は透過率特性）が決まる。色ガラスフィルタでは、無色透明な部材に着色した色の濃度によって、吸収率が決まる。吸収型ＮＤフィルタでは、基板の吸収作用によって吸収率が決まる。

　減光部材７には、不透明な板、又は、無色透明な板を用いることができる。不透明な板と無色透明な板の例は、上述したとおりである。

　不透明な板を用いる場合は、不透明な板に貫通孔を形成すれば良い。この場合、貫通孔の部分が、減光領域７ａになる。ただし、貫通孔で減光を行う必要がある。

　反射による減光を貫通孔で行う場合は、無色透明な板に誘電体多層膜を形成し、この無色透明な板を貫通孔に位置させれば良い。貫通孔で吸収による減光を行う場合は、色ガラスを貫通孔に位置させれば良い。

　無色透明な板を用いる場合は、無色透明な板の一部に減光領域７ａを形成すれば良い。

　反射による減光を行う場合は、無色透明な板の一部に誘電体多層膜を形成すれば良い。このようにすると、誘電体多層膜が形成されている領域と、誘電体多層膜が形成されていない領域と、が形成される。誘電体多層膜が形成されている領域が、減光領域７ａになる。

　吸収による減光を行う場合は、無色透明な板の一部に色ガラスを載置すれば良い。又は、無色透明な板の一部を色ガラスに置換すれば良い。このようにすると、色ガラスが存在する領域と、色ガラスが存在しない領域と、が形成される。色ガラスが存在する領域が、減光領域７ａになる。

　上述のように、減光領域７ａは、開口領域５ａと共役な位置に配置されている。よって、減光領域７ａの位置に、開口領域５ａの像が形成される。標本観察装置１では、所定の状態が生じるように、開口領域５ａの大きさ、開口領域５ａの位置、減光領域７ａの大きさ、及び減光領域７ａの位置が設定されている。

　所定の状態は、判定領域において、開口領域５ａの像が減光領域７ａ内のみに位置している状態である。また、判定領域は、開口領域５ａの像と減光領域７ａの両方が含まれている領域である。

　以下、開口領域、減光領域、合焦位置、標本の位置及び標本面の傾きについて、説明する。減光領域の大きさと減光領域の位置は、予め決まっているものとする。

　標本について説明する。標本としては、例えば、培養液中の生細胞がある。培養液中の生細胞の形状は、球の一部を平面で切り取った形状（以下、「平凸形状」という）に単純化することができる。この場合、平凸形状の標本は、レンズと見なすことができる。

　照明光学系と観察光学系との間に平凸形状の標本が位置する場合、標本の位置によって、レンズとして作用したり、作用しなかったりする。レンズとして作用する場合、レンズ作用の大きさは、標本の位置によって変化する。

　この点について説明する。以下の説明では、照明光学系、観察光学系及び平凸形状の標本を、各々、コンデンサレンズ、対物レンズ及び平凸レンズに置き換えている。また、コンデンサレンズ、対物レンズ及び平凸レンズを、薄肉レンズと見なしている。

　照明光学系と観察光学系との間に平凸形状の標本が存在する場合について説明する。この場合、コンデンサレンズと対物レンズとの間に、平凸レンズが位置している。対物レンズと平凸レンズとの合成焦点距離ｆcomは、以下の式（Ａ）で表される。
　ｆcom＝（ｆlen×ｆob）／（ｆlen＋ｆob－ｄ）　　　（Ａ）
　ここで、
　ｆlenは、平凸レンズの焦点距離、
　ｆobは、対物レンズの焦点距離、
　ｄは、対物レンズと平凸レンズとの間隔、
である。

　図２は、２つのレンズの間隔と合成焦点距離との関係を示すグラフである。図２は、式（Ａ）をグラフで表したもので、ｆob＝１５ｍｍ、ｆlen＝２５ｍｍとしている。

　薄肉レンズでは、焦点距離は、主点から焦点位置までの距離になる。また、２つの薄肉レンズの間隔は、一方のレンズの主点から他方の主点までの距離になる。

　図２に示すように、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍのとき、合成焦点距離は１５ｍｍとなっている。対物レンズの焦点距離は１５ｍｍであるから、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍのとき、合成焦点距離は対物レンズの焦点距離と等しくなる。これは、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍのとき、平凸レンズがレンズとして作用しないことを意味している。

　無限遠補正対物レンズでは、合焦位置は焦点位置に置き換えることができる。対物レンズの焦点距離が１５ｍｍのとき、対物レンズの主点から１５ｍｍ離れた位置が合焦位置になる。よって、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍのとき、平凸レンズは対物レンズの合焦位置と一致していることになる。

　上述のように、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍのとき、平凸レンズはレンズとして作用しない。よって、平凸レンズが対物レンズの合焦位置と一致している状態では、平凸レンズはレンズとして作用しない。

　対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも小さいとき、合成焦点距離は対物レンズの焦点距離よりも短くなる。対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも大きいとき、合成焦点距離は対物レンズの焦点距離よりも長くなる。これらは、平凸レンズがレンズとして作用することを意味している。

　対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも小さいとき、又は、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも大きいとき、平凸レンズが対物レンズの合焦位置と一致していないことになる。

　上述のように、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも小さいとき、又は、対物レンズと平凸レンズとの間隔が１５ｍｍよりも大きいとき、平凸レンズはレンズとして作用する。よって、平凸レンズが対物レンズの合焦位置と一致していない状態では、平凸レンズはレンズとして作用する。

　照明光学系と観察光学系との間に何も存在していない場合について説明する。この場合、コンデンサレンズと対物レンズとの間に、平凸レンズは位置していない。この場合の瞳倍率は、コンデンサレンズと対物レンズとで構成される光学系の横倍率と等しい。瞳倍率βは、以下の式（Ｂ）で表される。
　β＝ｆob／ｆc　　　（Ｂ）
　ここで、
　ｆobは、対物レンズの焦点距離、
　ｆcは、コンデンサレンズの焦点距離、
である。

　照明光学系と観察光学系の間に平凸レンズが存在する場合、瞳倍率は、コンデンサレンズ、対物レンズ及び平凸レンズで構成される光学系の横倍率と等しい。瞳倍率β’は以下の式（Ｃ）で表される。
　β’＝ｆcom／ｆc
　　　＝｛（ｆlen×ｆob）／（ｆlen＋ｆob-ｄ）｝／ｆc
　　　＝（ｆlen×ｆob）／｛ｆc×（ｆlen＋ｆob-ｄ）｝
　　　＝β×βp　　　（Ｃ）
　ここで、
　βp＝ｆlen／（ｆlen＋ｆob-ｄ）、
　βpは、瞳倍率の変化率、
である。

　平凸レンズが対物レンズの合焦位置と一致している状態では、合成焦点距離は、対物レンズの焦点距離と等しい。この場合、β’はβと等しくなる。よって、βp＝１になる。
　ｆcom／ｆc＝ｆob／ｆc
　β’＝β’

　平凸レンズが対物レンズの合焦位置と一致していない状態では、合成焦点距離は、対物レンズの焦点距離よりも短いか、又は長い。

　合成焦点距離が対物レンズの焦点距離よりも短い場合、β’はβよりも小さくなる。よって、βp＜１になる。
　ｆcom／ｆc＜ｆob／ｆc
　β’＜β

　合成焦点距離が対物レンズの焦点距離よりも長い場合、β’はβよりも大きくなる。よって、βp＞１になる。
　ｆcom／ｆc＞ｆob／ｆc
　β’＞β

　上述のように、減光部材７の位置には、開口部材の像８が形成される。開口部材の像８は、コンデンサレンズ、平凸レンズ（標本）及び対物レンズを介して形成される。よって、開口部材の像８の大きさは、コンデンサレンズ、平凸レンズ（標本）及び対物レンズで構成される光学系の横倍率、すなわち、β’によって決まる。

　β’は、βとβpとの積である。βは定数であるから、開口部材の像８の大きさは、βpによって決まることになる。

　βpは、平凸レンズと対物レンズの合焦位置との一致度合いで異なる。この一致度合いは、対物レンズの合焦位置と平凸レンズの位置とのずれ量で表すことができる。また、対物レンズは観察光学系、平凸レンズは標本に置き換えることができる。よって、βpは、観察光学系の合焦位置と標本の位置とのずれ量によって異なる。

　開口部材の像８の大きさはβpによって決まるので、開口部材の像８の大きさは、観察光学系の合焦位置と標本の位置とのずれ量によって決まる。以下、観察光学系の合焦位置と標本の位置とのずれ量を用いて、開口部材の像８の大きさの変化と位置の変化について説明する。

　開口領域の像の位置は、標本の標本面の傾きによって変化する。以下の説明では、標本面が平坦な場合と、標本面が傾斜している場合について説明する。標本面が傾斜している場合については、標本面の傾斜が小さい場合と、標本面の傾斜が大きい場合と、について説明する。

　ずれ量がゼロの場合、標本の位置と観察光学系の合焦位置とは一致している。ずれ量がゼロでない場合、標本の位置と観察光学系の合焦位置とは一致していない。以下の説明では、ずれ量がゼロの場合を合焦状態、ずれ量がゼロでない場合を非合焦状態という。非合焦状態には、第１の非合焦状態と、第２の非合焦状態と、がある。

　合焦状態では、標本は平凸レンズとして作用しない。そのため、βpは１である。非合焦状態では、標本は平凸レンズとして作用する。そのため、βpは１よりも小さくなるか、又は１よりも大きくなる。

　標本面が平坦な場合について説明する。図３は、合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。図２では、以下、合焦状態、第１の非合焦状態、第２の非合焦状態の順で説明する。観察光学系の合焦位置として、対物レンズの合焦位置を用いる。

　合焦状態を示す図は、図３（ｄ）、図３（ｅ）、図３（ｆ）である。

　図３（ｄ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。合焦状態では、ずれ量がゼロなので、標本Ｓの位置と合焦位置Ｆとは一致している。合焦状態では、βp＝１である。

　図３（ｅ）は、合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。

　図３（ｆ）は、合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。

　開口領域の像８を示す円環の全体は、減光領域７ａを示す円環と重なっている。上述のように、判定領域は「開口領域の像と減光領域の両方が含まれている領域」である。よって、判定領域は、減光領域の内縁７ａiから減光領域の外縁７ａoまでの間になる。

　開口領域の像の内縁８iと開口領域の像の外縁８oは、共に、減光領域の内縁７ａiから減光領域の外縁７ａoまでの間に位置している。よって、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内のみに位置している。

　上述のように、所定の状態は「判定領域において、開口領域の像が減光領域の領域内のみに位置している状態」である。よって、標本面が平坦な標本における合焦状態は、所定の状態に該当する。

　第１の非合焦状態を示す図は、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）である。

　図３（ａ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第１の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置と合焦位置Ｆとは一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも短い。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。

　図３（ｂ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。よって、第１の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも小さい。

　図３（ｃ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも小さい。

　開口領域の像８を示す円環の一部が、減光領域７ａを示す円環と重なっている。判定領域は、開口領域の像の内縁８iから減光領域の外縁７ａoまでの間になる。

　開口領域の像の内縁８iは、減光領域の内縁７ａiよりも内側（光軸側）に位置している。開口領域の像の外縁８oは、減光領域の内縁７ａiから減光領域の外縁７ａoまでの間に位置している。

　このように、第１の非合焦状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内だけでなく、減光領域７ａの領域外にも位置している。よって、標本面が平坦な標本における第１の非合焦状態は、所定の状態に該当しない。

　第２の非合焦状態を示す図は、図３（ｇ）、図３（ｈ）、図３（ｉ）である。

　図３（ｇ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第２の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置と合焦位置Ｆとは一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも短い。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。

　図３（ｈ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。よって、第２の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも大きい。

　図３（ｉ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも大きい。

　開口領域の像８を示す円環の一部が、減光領域７ａを示す円環と重なっている。判定領域は、減光領域の内縁７ａiから開口領域の像の外縁８oまでの間になる。

　開口領域の像の内縁８iは、減光領域の内縁７ａiから減光領域の外縁７ａoまでの間に位置している。開口領域の像の外縁８oは、減光領域の外縁７ａoよりも外側に位置している。

　このように、第２の非合焦状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内だけでなく、減光領域７ａの領域外にも位置している。よって、標本面が平坦な標本における第２の非合焦状態は、所定の状態に該当しない。

　以上説明したように、標本観察装置１では、合焦位置Ｆに対する標本Ｓの位置に応じて、所定の状態と、所定の状態ではない状態と、が生じる。言い換えると、標本観察装置１では、所定の状態と所定の状態ではない状態が生じるように、開口領域の大きさ、開口領域の位置、減光領域の大きさ、及び減光領域の位置が設定されている。

　合焦状態では、図３（ｆ）に示すように、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内のみに位置している。ただし、図３（ｆ）では、開口領域の像の内縁８iと減光領域の内縁７ａiとの間には、隙間が生じている。また、開口領域の像の外縁８oと減光領域の外縁７ａoとの間にも、隙間が生じている。

　この場合、開口領域の像の内縁８iが減光領域の内縁７ａiと一致したときに、開口領域の像の外縁８oが減光領域の外縁７ａoに到達していない状態では、開口領域の像８は減光領域７ａの領域内のみに位置する。

　あるいは、開口領域の像の外縁８oが減光領域の外縁７ａoと一致したときに、開口領域の像の内縁８iが減光領域の内縁７ａiに到達していない状態では、開口領域の像８は減光領域７ａの領域内のみに位置する。

　上記２つの状態における開口領域の像８の位置は、合焦状態における開口領域の像８の位置と異なる。よって、上記２つの状態は、非合焦状態である。ただし、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内のみに位置している。よって、上記２つの状態は非合焦状態であるにもかかわらず、所定の状態に該当している。

　上記２つの状態は非合焦状態なので、βpは１ではない。ただし、上記２つの状態でのβpは１に近い。このように、開口領域の像８の大きさが減光領域７ａの大きさよりも小さい場合、βpが１に近いと、非合焦状態が所定の状態に該当することがある。

　図３（ｆ）において、開口領域の像の内縁８iと減光領域の内縁７ａiとが一致し、且つ、開口領域の像の外縁８oと減光領域の外縁７ａoとが一致していると、βpが１に近い場合であっても、非合焦状態が所定の状態に該当することはない。

　言い換えると、開口領域の像の大きさと減光領域の大きさが同じで、且つ、開口領域の像の位置と減光領域の位置が一致している場合は、βpが１に近い場合であっても、非合焦状態が所定の状態に該当することはない。

　減光領域７ａを通過する光について説明する。減光領域７ａを通過する光は、以下のように、照明光又結像光と見なすことができる。

　開口領域は、照明光が通過する領域である。よって、開口領域の像８は、照明光の像と見なすことができる。また、開口領域を通過した照明光は、標本Ｓを通過する。標本Ｓを通過した照明光は、結像光となって標本Ｓから出射する。よって、開口領域の像８は、結像光の像と見なすことができる。以下、結像光を用いて説明する。

　上述のように、所定の状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内のみに位置している。よって、所定の状態では、結像光は、全て、減光領域７ａを通過することになる。

　一方、所定の状態ではない場合、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内と領域外に位置している。よって、この場合、結像光の一部は減光領域７ａを通過し、残りは、減光領域７ａを通過しないことになる。

　減光領域は、減光部材に設けられている。減光部材には、更に、減光領域以外の領域（以下、「非減光領域」という）が設けられている。所定の状態ではない場合、結像光の一部は減光領域を通過し、残りは、非減光領域を通過することになる。

　減光領域における光透過率は、非減光領域における光透過率よりも小さい。よって、減光領域に入射する光量と、非減光領域に入射する光量と、が同じだとすると、減光領域から出射する光の光量は、非減光領域から出射する光の強度よりも小さくなる。

　上述のように、所定の状態では、結像光は、全て、減光領域を通過する。一方、所定の状態でない場合、結像光の一部は減光領域を通過し、残りは非減光領域を通過する。よって、所定の状態で減光部材から出射する結像光の光量は、所定の状態でない場合に減光部材から出射する結像光の光量よりも小さくなる。

　所定の状態でない場合、非減光領域を通過する結像光の範囲は、合焦位置に対する標本の位置に応じて変化する。よって、合焦位置に対する標本の位置に応じて、減光部材から出射する結像光の光量が変化する。

　図４は、開口領域の像、減光領域及び出射光量のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は、開口領域の像を示す図、図４（ｂ）は、減光領域を示す図、図４（ｃ）は、標本面が平坦な場合の出射光量を示すグラフである。

　減光部材から出射する結像光の光量（以下、「出射光量」という）は、シミュレーションによって算出された光量である。横軸は瞳倍率を表し、縦軸は出射光量を表している。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、シミュレーションでは、開口領域の像の形状と減光領域の形状を、共に円環としている。

　開口領域の像については、内縁の直径を０．７８、外縁の直径を０．９６としている。減光領域については、内縁の直径を０．７１、外縁の直径を１．００としている。各直径の値は、減光領域の外縁の直径で規格化したときの値である。

　図４（ｃ）に示すように、出射光量Ｉは、βpの値によって変化する。βpが約０．９２から約１．０５の範囲では、出射光量Ｉは最少になる。この点については、後述する。

　βpが約０．９２よりも小さい範囲では、βpが小さくになるにつれて、出射光量Ｉは大きくなる。また、βpが約１．０５よりも大きい範囲では、βpが大きくなるにつれて、出射光量Ｉは大きくなる。

　βpが１のとき、標本の位置と合焦位置とは一致している。βpが１ではないとき、標本の位置と合焦位置とは一致していない。よって、図４（ｃ）の横軸は、合焦位置に対する標本の位置のずれ量を表していることになる。

　破線で示す位置は、βpが１のときの位置である。出射光量Ｉが最少になる範囲には、βpが１の状態、すなわち、標本の位置と合焦位置とが一致している状態が含まれている。よって、出射光量Ｉが最少になる範囲を検出することで、標本の位置と合焦位置とが一致している状態を検出することができる。

　上述のように、開口領域の像の大きさが減光領域の大きさよりも小さい場合、βpが１に近いと、非合焦状態であっても所定の状態に該当する。所定の状態では、出射光量Ｉは最少になる。そのため、このような場合、βpが１に近いと、出射光量は最少になる。

　図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、開口領域の像の内縁の直径（０．７８）は、減光領域の内縁の直径（０．７１）よりも大きい。また、開口領域の像の外縁の直径（０．９６）は、減光領域の外縁の直径（１．００）よりも小さい。

　そのため、開口領域の像の内縁と減光領域の内縁との間、及び、開口領域の像の外縁と減光領域の外縁との間に隙間が生じている。このように、図４（ｃ）におけるシミュレーションは、開口領域の像の大きさが減光領域の大きさよりも小さい状態で行っている。そのため、βpが約０．９２から約１．０５の範囲では、出射光量は最少になっている。

　出射光量が最少になる範囲の検出、すなわち、標本の位置が合焦位置と一致している状態の検出は、検出素子、処理装置及び駆動制御装置によって行うことができる。

　標本の観察や標本の撮像では、標本がステージ上に載置される。通常、最初に標本が載置された時点では、標本の位置と合焦位置とは一致していない。そのため、標本の像は不鮮明になっている。標本の鮮明な像を得るためには、標本の位置と合焦位置とを一致させなくてはならない。

　標本の位置と合焦位置とが一致していない状態から、標本の位置と合焦位置とが一致している状態にするには、標本の位置と合焦位置との相対位置を変化させれば良い。標本の位置と合焦位置との相対位置の変化は、標本と対物レンズとの間隔を変化させることで生じる。

　標本観察装置１は、駆動制御装置を備えている。よって、標本と対物レンズとの間隔は、駆動制御装置で変化させることができる。

　標本と対物レンズとの間隔が変化すると、出射光量が変化する。出射光量の変化は、検出素子と処理装置で捉えることができる。

　像面ＩＭの位置には、検出素子が配置されている。検出素子は、観察光学系から出射した光を受光する。減光部材から出射する結像光は、観察光学系から出射した光である。よって、結像光が検出素子で受光される。

　検出素子で受光した光（結像光）の光量は、処理装置で求まる。出射光は検出素子で受光された光なので、出射光量は処理装置で求めることができる。出射光量が求まることで、出射光量の変化を捉えることができる。出射光量の変化を捉えることができると、出射光量の最小値を検出することができる。

　駆動制御装置は、処理装置で求めた光量が最小となるように、処理装置で求めた光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変える。

　出射光量の最小値は、標本の位置と合焦位置が一致している状態を表している。よって、出射光量が最小となるように、出射光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変える。このようにすることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。

　次に、標本面が傾斜している場合について説明する。標本面が傾斜している場合、開口領域の像の位置と減光領域の位置との間に、ずれが生じる。以下の説明では、開口領域の像が減光領域に対して右方向にずれているものと仮定する。左右方向は、紙面内の水平方向である。

　判定領域は、上下方向の範囲と左右方向の範囲で決まる。ただし、開口領域の像の位置と減光領域の位置との間で、上下方向にずれは生じない。よって、判定領域の説明では、上下方向の範囲については説明を省略し、左右方向のみを使って説明する。

　標本面の傾斜が小さい場合について説明する。図５は、合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。以下、合焦状態、第１の非合焦状態、第２の非合焦状態の順で説明する。

　合焦状態を示す図は、図５（ｄ）、図５（ｅ）、図５（ｆ）である。

　図５（ｄ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。合焦状態では、ずれ量がゼロなので、標本Ｓの位置は合焦位置Ｆと一致している。合焦状態では、βp＝１である。

　図５（ｅ）は、合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。

　図５（ｆ）は、合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。

　標本面が傾斜している場合、標本Ｓから出射する結像光の出射方向が、標本面が平坦な場合と異なる。そのため、開口領域の像８を示す円環の全体は、減光領域７ａを示す円環と重ならない。すなわち、開口領域の像８を示す円環の一部しか、減光領域７ａを示す円環と重ならない。判定領域は、減光領域の外縁７ａoの左端から開口領域の像の外縁８oの右端までの間になる。

　開口領域の像の内縁８iの一部は、減光領域の内縁７ａiよりも内側に位置している。開口領域の像の外縁８oの一部は、減光領域の内縁７ａiよりも外側に位置している。

　このように、合焦状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内だけでなく、減光領域７ａの領域外にも位置している。よって、標本面が傾斜している標本における合焦状態は、所定の状態に該当しない。

　第１の非合焦状態を示す図は、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）である。

　図５（ａ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第１の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置は合焦位置Ｆと一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも長い。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。

　図５（ｂ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。よって、第１の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも小さい。

　図５（ｃ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも小さい。

　開口領域の像８を示す円環の一部が、減光領域７ａを示す円環と重なっている。判定領域は、減光領域の外縁７ａoの内側になる。

　開口領域の像の内縁８iの一部と開口領域の像の外縁８oの一部は、減光領域の内縁７ａiよりも内側に位置している。

　このように、第１の非合焦状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内だけでなく、減光領域７ａの領域外にも位置している。よって、標本面が傾斜している標本における第１の非合焦状態は、所定の状態に該当しない。

　第２の非合焦状態を示す図は、図５（ｇ）、図５（ｈ）、図５（ｉ）である。

　図５（ｇ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第２の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置と合焦位置Ｆとは一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも短い。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。

　図５（ｈ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。よって、第２の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも大きい。

　図５（ｉ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも大きい。

　開口領域の像８を示す円環の一部が、減光領域７ａを示す円環と重なっている。判定領域は、減光領域の外縁７ａoの左端から開口領域の像の外縁８oの右端までの間になる。

　開口領域の像の内縁８iは、減光領域の内縁７ａiから減光領域の外縁７ａoまでの間に位置している。開口領域の像の外縁８oの一部は、減光領域の外縁７ａoよりも外側に位置している。

　このように、第２の非合焦状態では、開口領域の像８は、減光領域７ａの領域内だけでなく、減光領域７ａの領域外にも位置している。よって、標本面が傾斜している標本における第２の非合焦状態は、所定の状態に該当しない。

　標本面が傾斜している場合、合焦状態、第１の非合焦状態及び第２の合焦状態は、いずれも、所定の状態に該当しない。結像光の一部は減光領域を通過し、残りは非減光領域を通過する。

　上述のように、非減光領域を通過する結像光の範囲は、合焦位置に対する標本の位置に応じて変化する。よって、合焦位置に対する標本の位置に応じて、減光部材から出射する結像光の光量が変化する。

　図６は、標本面が小さく傾斜している場合の出射光量を示すグラフである。出射光量は、シミュレーションによって算出された光量である。シミュレーションに用いた開口領域の像と減光領域は、標本面が平坦な標本で行ったシミュレーションと同じである。

　出射光量Ｉは、βpが１の近傍、すなわち、βpが１よりもわずかに小さいところで最少になる。βpが１の近傍以外の範囲では、βpが小さくになるにつれて、出射光量Ｉは大きくなるか、又は、βpが大きくなるにつれて、出射光量Ｉは大きくなる。

　破線で示す位置は、βpが１のときの位置である。出射光量Ｉが最少になる範囲には、βpが１の状態、すなわち、標本の位置と合焦位置が一致している状態が含まれている。よって、出射光量Ｉが最少になる範囲を検出することで、標本の位置と合焦位置が一致している状態を検出することができる。

　図６に示すグラフを図４（ｃ）に示すグラフと比較すると、βpが１の付近でのグラフの形が異なる。

　上述のように、標本面が平坦な場合、合焦状態では、開口領域の像の内縁と減光領域の内縁との間、及び、開口領域の像の外縁と減光領域の外縁との間に隙間が生じている。一方、標本面の傾斜が小さい場合、合焦状態であっても、このような隙間は生じていない。

　そのため、標本面の傾斜が小さい場合では、標本面が平坦な場合と比べると、βpがより１に近いところから出射光量Ｉが変化し始める。このような理由から、βpが１の付近でのグラフの形が、図４（ｃ）と図６とで異なっている。

　また、標本面の傾斜が小さい場合では、合焦状態でも、開口領域の像の一部は、減光領域７ａの領域外に位置している。ただし、減光領域の領域外に位置している開口領域の像の割合は少ない。そのため、最小光量は、標本面が平坦な場合と比べてそれほど変わらない。

　標本面の傾斜が大きい場合について説明する。図７は、合焦位置と標本の位置との関係を示す図、及び、開口領域の像と減光領域との関係を示す図である。図７では、図５に比べて標本面は大きく傾斜している。以下、合焦状態、第１の非合焦状態、第２の非合焦状態の順で説明する。

　合焦状態を示す図は、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）である。

　図７（ｄ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。合焦状態では、ずれ量がゼロなので、標本Ｓの位置は合焦位置Ｆと一致している。合焦状態では、βp＝１である。

　図７（ｅ）は、合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。

　図７（ｆ）は、合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。

　上述のように、標本面が傾斜している場合、標本Ｓから出射する結像光の出射方向が、標本面が平坦な場合と異なる。そのため、開口領域の像８を示す円環の全体は、減光領域７ａを示す円環と重ならない。すなわち、開口領域の像８を示す円環の一部しか、減光領域７ａを示す円環と重ならない。判定領域は、減光領域の外縁７ａoの左端から開口領域の像の外縁８oの右端までの間になる。

　第１の非合焦状態を示す図は、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）である。

　図７（ａ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第１の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置は合焦位置Ｆと一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも長い。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。

　図７（ｂ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第１の非合焦状態では、βpは１よりも小さい。よって、第１の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも小さい。

　図７（ｃ）は、第１の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも小さい。

　第２の非合焦状態を示す図は、図７（ｇ）、図７（ｈ）、図７（ｉ）である。

　図７（ｇ）は、合焦位置Ｆと標本Ｓの位置との関係を示す図である。第２の非合焦状態では、ずれ量がゼロではないので、標本Ｓの位置と合焦位置Ｆとは一致していない。対物レンズ６から標本Ｓまでの距離は、対物レンズ６から合焦位置Ｆまでの距離よりも短い。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。

　図７（ｈ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８を示す図である。開口領域の像８の形状は、円環である。第２の非合焦状態では、βpは１よりも大きい。よって、第２の非合焦状態における開口領域の像８の大きさは、合焦状態における開口領域の像８の大きさよりも大きい。

　図７（ｉ）は、第２の非合焦状態における開口領域の像８と減光領域７ａを示す図である。減光領域７ａの形状は円環である。開口領域の像８の形状と減光領域７ａの形状は、同一である。ただし、開口領域の像８の大きさは、減光領域７ａの大きさよりも大きい。

　開口領域の像の内縁８iの一部は、減光領域の内縁７ａiよりも内側と、減光領域の外縁７ａoよりも外側に位置している。開口領域の像の外縁８oの一部は、減光領域の外縁７ａoよりも外側に位置している。

　図８は、標本面が大きく傾斜している場合の出射光量を示すグラフである。出射光量は、シミュレーションによって算出された光量である。シミュレーションに用いた開口領域の像と減光領域は、標本面が平坦な標本で行ったシミュレーションと同じである。

　図８に示すグラフを、図４（ｃ）に示すグラフや図６に示すグラフと比較すると、βpが１の付近でのグラフの形が異なる。この点については、標本面の傾斜が小さい場合で説明したとおりである。

　ただし、標本面の傾斜が大きい場合では、標本面の傾斜が小さい場合に比べると、減光領域の領域外に位置している開口領域の像の割合は多い。そのため、最小光量Ｉは、標本面が平坦な場合や標本面の傾斜が小さい場合と比べると大きくなる。

　図６に示すグラフや図８に示すグラフは、標本面の傾斜が小さい場合であっても、標本面の傾斜が大きい場合であっても、出射光量が最小となる位置で概ね合焦している状態を表している。よって、出射光量が最小となるように、出射光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変える。このようにすることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。

　以上説明したように、本実施形態の標本観察装置によれば、標本面の傾斜の有無や傾斜の大小に関係なく、出射光量が最小となるように標本と対物レンズとの間隔を変えることで、合焦位置を決定することができる。

　また、標本観察装置１では、合焦状態を検出に、取得した画像の全画素の情報、すなわち、検出素子で受光した光の光量の全てを用いている。この場合、取得した画像の中に、例えば、ゴミなどによって生じた明るい領域（以下、「領域Ａ」という）が存在していたとしても、光量の総和に占める領域Ａの光量の割合は小さい。そのため、領域Ａの影響を受けにくい。

　その結果、ゴミなどによって明るい光が発生している状態であっても、出射光量が最小となるように、出射光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変えることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。このように、標本観察装置１によれば、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていても、合焦状態を検出することができる。

　出射光量について、更に説明する。図９は、出射光量を示すグラフである。横軸は、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺを表し、縦軸は出射光量Ｉを表している。

　図９（ａ）は、レンズ作用のみが生じたときの出射光量を示すグラフである。図９（ｂ）は、デフォーカス作用のみが生じたとき出射光量を示すグラフである。図９（ｃ）は、レンズ作用とデフォーカス作用が生じたときの出射光量を示すグラフである。

　上述のように、光路中に標本が存在すると、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺに応じて、標本によるレンズ作用の大きさが変化する（レンズ作用なしの場合も含む）。レンズ作用の大きさが変化すると、βpの値が変化する。その結果、図９（ａ）に示すように、出射光量Ｉが変化する。このように、光路中に標本が存在する場合、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺの変化に応じて、出射光量Ｉが変化する。

　ただし、光路中に標本が存在しない場合でも、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺは出射光量Ｉに関係する。

　合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺは、デフォーカス量を表している。デフォーカス量がゼロでない場合、デフォーカス作用が生じる。よって、光路中に標本が存在しない場合、標本によるレンズ作用は生じないが、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺに応じて、デフォーカス作用の大きさが変化する（デフォーカス作用なしの場合も含む）。

　デフォーカス作用の大きさが変化すると、像のコントラストや像全体の明るさが変化する。その結果、図９（ｂ）に示すように、出射光量Ｉが変化する。このように、光路中に標本が存在しない場合であっても、合焦位置と標本の位置とのずれ量ΔＺの変化に応じて、出射光量Ｉが変化する。

　実際の測定では、レンズ作用とデフォーカス作用が同時に発生する。よって、出射光量Ｉの変化は、図９（ｃ）に示すグラフのようになる。

　図９（ｃ）に示すグラフにおいても、出射光量が最小になる状態を捉えることができる。よって、本実施形態の標本観察装置によれば、出射光量が最小となるように標本と対物レンズとの間隔を変えることで、合焦位置を決定することができる。

　本実施形態の標本観察装置の具体例について説明する。図１０は、本実施形態の標本観察装置の具体例を示す図である。

　標本観察装置１００は、正立型顕微鏡に合焦機能を持たせた装置である。標本観察装置１００は、本体部１０と、照明部２０と、観察部３０と、処理装置４０と、を備える。ここで、照明部２０と観察部３０とは、本体部１０に取り付けられている。また、本体部１０と処理装置４０とは、有線または無線で接続されている。

　標本観察装置１００は、表示装置５０を備えていても良い。表示装置５０は、有線または無線で処理装置４０に接続されている。

　本体部１０はステージ１１を有する。ステージ１１は保持部材である。このステージ１１には、標本Ｓが載置される。標本Ｓの移動はステージ１１に取り付けられた操作ノブ（不図示）や焦準ノブ（不図示）で行われる。操作ノブの操作により、光軸と垂直な面内で、標本Ｓが移動する。焦準ノブの操作により、光軸に沿って標本Ｓが移動する。

　照明部２０は、光源２１と照明光学系２２とを有する。照明光学系２２は、コンデンサレンズ２３と開口部材２４とを有する。なお、図１０に示すように、照明光学系２２は、レンズ２５と、ミラー２６と、レンズ２７とを備えていても良い。図１０では、コンデンサレンズ２３と開口部材２４はステージ１１に保持されている。照明光学系２２は、光源２１からステージ１１までの間の光路中に配置されている。

　観察部３０は、観察光学系３１と撮像装置３２とを有する。観察部３０は、レボルバ３３と観察鏡筒３４とを備えていても良い。

　観察光学系３１は、顕微鏡対物レンズ３５と、減光部材６０と、撮像レンズ３６と、を有する。撮像装置３２は検出素子３９を有する。検出素子３９には、例えば、フォトダイオードが用いられている。

　減光部材６０は、顕微鏡対物レンズ３５の内部に配置されている。観察光学系３１は、結像レンズ３７とプリズム３８とを備えていても良い。観察光学系３１は、ステージ１１から撮像装置３２までの間の光路中に配置されている。

　標本観察装置１００では、照明部２０は、ステージ１１を挟んで観察部３０と対向する側に配置されている。よって、標本観察装置１００では、標本Ｓは透過照明で照明される。

　光源２１から照明光が出射する。照明光は照明光学系２２を通過して、ステージ１１に到達する。この照明光によって、標本Ｓが照明される。標本Ｓからの光は観察光学系３１によって集光され、これにより、集光位置に標本Ｓの像（光学像）が形成される。

　観察光学系３１の光路中にプリズム３８がない場合、観察光学系３１から出射した光が、検出素子３９によって受光される。検出素子３９によって受光した光の光量、すなわち、出射光量は、処理装置４０で求めることができる。

　標本観察装置１００は、開口部材２４と、減光部材６０と、を備えている。そのため、標本Ｓの位置と合焦位置とが一致していない状態から、標本Ｓの位置と合焦位置とが一致している状態に近づくにつれて、出射光量は、徐々に小さくなる。

　出射光量は、標本Ｓと顕微鏡対物レンズ３５との間隔を変えることで変化する。そこで、焦準ノブを操作して、標本Ｓと顕微鏡対物レンズ３５との間隔を変化させる。これにより、出射光量が変化する。出射光量の変化は、検出素子３９と処理装置４０で捉えることができる。

　出射光量の変化を捉えながら、出射光量が最小となるように焦準ノブを操作する。そして、出射光量が最小となったときに、焦準ノブによる操作を終了する。

　本体部１０は、モータ１２（駆動制御装置）を備えていても良い。図１０では、モータ１２はステージ１１に接続されている。モータ１２によって、ステージ１１を光軸に沿って移動させることで、焦準ノブを使用せずに、標本Ｓと顕微鏡対物レンズ３５との間隔を変えることができる。そして、出射光量が最小となったときに、ステージ１１の移動を停止する。

　このように、標本観察装置１００によれば、標本面の傾斜の有無や傾斜の大小に関係なく、出射光量が最小となるように標本と対物レンズとの間隔を変えることで、合焦位置を決定することができる。

　出射光量が最小となる範囲と、合焦状態との関係について説明する。図１１は、出射光量と合焦状態を示す図である。図１１（ａ）は、出射光量を示すグラフである。図１１（ｂ）は、標本の位置と合焦位置との関係を示す図である。

　標本Ｓと顕微鏡対物レンズ３５との間隔を変えることで、出射光量は、図１１（ａ）に示すグラフのように変化する。図１１（ａ）において、矢印で示す範囲で、出射光量がほぼ最小になる。よって、合焦状態は矢印の範囲内に存在する。出射光量が一点で最小にならない理由は、上述の通りである。

　矢印で示す範囲を、標本Ｓと顕微鏡対物レンズ３５との間隔に置き換えると、例えば、図１１（ｂ）に示すようにＨ１からＨ２までの範囲になる。Ｈ１は標本の底面、Ｈ２は標本の最高点である。

　上述のように、標本の観察や標本の撮像では、標本がステージ上に載置される。通常、最初に標本が載置された時点では、標本の位置と合焦位置とは一致していない。そのため、標本の像は不鮮明になっている。

　そこで、観察者が焦準ノブを操作して、標本Ｓを合焦位置に向けて移動させる。又は、モータ１２によってステージ１１を移動させ、標本Ｓを合焦位置に向けて移動させる。

　標本Ｓの位置が顕微鏡対物レンズ３５に非常に近い場合、標本Ｓが顕微鏡対物レンズ３５から離れる方向にステージ１１を移動させれば良い。一方、標本Ｓの位置が顕微鏡対物レンズ３５から大きく離れている場合、標本Ｓが顕微鏡対物レンズ３５に近づく方向にステージ１１を移動させれば良い。

　標本Ｓの位置が顕微鏡対物レンズ３５に非常に近い状態では、デフォーカス量が多いので出射光量は小さく、また、βpは１よりも小さい。この状態は、例えば、Ｐ１の位置に対応する。

　この状態から、標本Ｓを顕微鏡対物レンズ３５から離れる方向に移動させると、出射光量が徐々に大きくなる。その後、出射光量は徐々に小さくなる。そして、Ｐ２の位置で、出射光量が最小に近い状態になる。この状態での合焦位置は、Ｈ１の位置である。

　一方、標本Ｓの位置が顕微鏡対物レンズ３５から大きく離れている状態では、デフォーカス量が多いので出射光量は小さく、また、βpは１よりも大きい。この状態は、例えば、Ｐ４の位置に対応する。

　この状態から、標本Ｓを顕微鏡対物レンズ３５に近づく方向に移動させると、出射光量が徐々に大きくなる。その後、出射光量は徐々に小さくなる。そして、Ｐ３の位置で、出射光量が最小に近い状態になる。この状態での合焦位置は、Ｈ２の位置である。

　このように、標本観察装置１００では、出射光量が最小になるように標本Ｓと対物レンズ６との間隔を変えることで、標本Ｓの近くで合焦することができる。ただし標本観察装置１００では、合焦位置と判断した位置は、図１１（ｂ）に示すように、Ｈ１からＨ２までの間になる、よって、本実施形態の標本観察装置は、粗調用の合焦に適している。粗調用の合焦では、標本Ｓの近くに合焦させることができる。よって、粗調用の合焦は、例えば、最初に標本が載置された時点で行う合焦に用いられる。

　標本観察装置１００では、観察光学系３１の光路中に、プリズム３８を挿入することもできる。このようにすることで、標本Ｓからの光は、観察鏡筒３４の接眼レンズに導かれる。観察者は、接眼レンズを介して、標本Ｓの光学像を観察できる。

　以上の説明では、開口領域の形状と減光領域の形状は、共に円環であった。しかしながら、開口領域の形状と減光領域の形状は、円環に限られない。また、開口領域の形状と減光領域の形状は、同一形状又は相似形状でなくても良い。

　図１２は、開口領域の形状と減光領域の形状を示す図である。開口領域の形状と減光領域の形状は、異なる。図１２（ａ）は、開口領域の形状の第１例を示す図、図１２（ｂ）は、減光領域の形状と開口領域の像の形状の第１例を示す図、図１２（ｃ）は、開口領域の形状の第２例を示す図、図１２（ｄ）は、減光領域の形状と開口領域の像の形状の第２例を示す図である。

　図１２（ａ）に示すように、第１例では、開口領域１１０の形状は、円環を半分にした形状である。また、図１２（ｂ）に示すように、減光領域１１１の形状は、円環である。開口領域の像１１２の形状は、円環を半分にした形状である。

　第１例では、減光領域１１１の形状が円環である。そのため、開口領域１１０が光軸の周りに回転しても、開口領域の像１１２を減光領域１１１の領域内に位置させることができる。

　図１２（ｃ）に示すように、第２例では、開口領域１２０の形状は、円環である。また、図１２（ｄ）に示すように、減光領域１２１の形状は、円環を半分にした形状である。開口領域の像１２２の形状は、円環である。

　第２例では、減光領域１１１の形状が、円環の約１／４を取り除いた形状である。この場合、非減光領域を通過する光が増加するので、明るい光学像が得られる。ただし、出射光量の変化が少なくなるので、減光領域を多くすることが好ましい。

　図１３は、開口領域の形状と減光領域の形状を示す図である。開口領域の形状と減光領域の形状が、同一形状になっている。図１３（ａ）は、開口領域の形状の第３例を示す図、図１３（ｂ）は、減光領域の形状と開口領域の像の形状の第３例を示す図、図１３（ｃ）は、開口領域の形状の第４例を示す図、図１３（ｄ）は、減光領域の形状と開口領域の像の形状の第４例を示す図、図１３（ｅ）は、開口領域の形状の第５例を示す図、図１３（ｆ）は、減光領域の形状と開口領域の像の形状の第５例を示す図である。

　図１３（ａ）に示すように、第３例では、開口領域１３０の形状は、全体が四角形で、枠状になっている。また、図１３（ｂ）に示すように、減光領域１３１の形状と開口領域の像１３２の形状は、共に、全体が四角形で、枠状になっている。

　図１３（ｃ）に示すように、第４例では、開口領域１４０の形状は、全体が半円形で、枠状になっている。また、図１３（ｄ）に示すように、減光領域１４１の形状と開口領域の像１４２の形状は、共に、全体が半円形で、枠状になっている。

　図１３（ｅ）に示すように、第５例では、開口領域１５０の形状は、全体が星形で、枠状になっている。また、図１３（ｆ）に示すように、減光領域１５１の形状と開口領域の像１５２の形状は、共に、全体が星形で、枠状になっている。

　本実施形態の標本観察装置では、検出素子は、２次元に配列された微小な受光素子を有することが好ましい。

　ＣＣＤ又はＣＭＯＳでは、微小な受光素子が２次元配列されている。検出素子３９にＣＣＤ又はＣＭＯＳが用いられた場合、検出素子３９で受光した光の光量、すなわち、出射光量は、各受光素子で受光した光の光量の総和になる。よって、検出素子３９にＣＣＤ又はＣＭＯＳが用いられた場合は、この総和した光量に基づいて、出射光量が最小となるように標本と対物レンズとの間隔を変えることで、合焦位置を決定することができる。

　合焦位置の決定は、各受光素子で受光した光の光量の平均値で行っても良い。平均値は、各受光素子で受光した光の光量の総和を画素数で割ることで得ることができる。

　また、検出素子３９にＣＣＤ又はＣＭＯＳが用いられた場合、検出素子３９によって標本Ｓの像の撮像が行える。撮像によって、標本Ｓの像は電子画像（デジタルデータ）に変換される。電子画像は処理装置４０に送られる。処理装置４０では各種の処理が行われる。

　標本観察装置１００が表示装置５０を備えている場合、電子画像は表示装置５０に表示される。観察者は表示装置５０に表示された電子画像を見ることで、標本Ｓ（標本Ｓの像）を観察できる。

　本実施形態の標本観察装置では、開口領域の形状と減光領域の形状が、共に、円環であることが好ましい。

　このようにすると、開口領域の形状や減光領域の形状が、光軸に対して回転対称な形状になる。よって、開口部材の位置や、減光部材の位置を容易に決めることができる。

　本実施形態の標本観察装置は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
　ＲOBin＜β×ＲILin＜β×ＲILout＜ＲOBout　　　（１）
　ここで、
　ＲILinは、照明光学系の光軸から開口領域の内縁までの距離、
　ＲILoutは、照明光学系の光軸から開口領域の外縁までの距離、
　ＲOBinは、観察光学系の光軸から減光領域の内縁までの距離、
　ＲOBoutは、観察光学系の光軸から減光領域の外縁までの距離、
　βは、対物レンズの焦点距離をコンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。

　条件式（１）を満足することで、精度良く合焦位置を決定することができる。

　本実施形態の標本観察装置では、減光部材は、位相領域を有し、位相領域の少なくとも一部と、減光領域の少なくとも一部と、が重なっていることが好ましい。

　図１４は、本実施形態の別の標本観察装置の主要な構成を示す図である。本実施形態の標本観察装置の光学系は、位相差観察が可能な光学系になっている。

　標本観察装置２００は、照明光学系２０１と、観察光学系２０２と、を有する。標本観察装置２００は、更に、光源と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備えている。図１４では、光源、検出素子、処理装置及び駆動制御装置は図示されていない。

　照明光学系２０１は、コンデンサレンズ２０３と、開口部材２０４と、を有する。コンデンサレンズ２０３は、レンズ２０３ａと、レンズ２０３ｂと、を有する。観察光学系２０２は、対物レンズ２０５と、減光部材２０６と、結像レンズ２０７と、を有する。

　コンデンサレンズ２０３と対物レンズ２０５は、コンデンサレンズ２０３の瞳と対物レンズ２０５の瞳が共役となるように、各々が位置決めされている。

　開口部材２０４は、照明光学系２０１の瞳位置に配置されている。より具体的には、開口部材２０４は、コンデンサレンズ２０３の瞳位置、すなわち、コンデンサレンズ２０３の焦点位置に配置されている。

　開口部材２０４は、開口領域２０４ａを有する。開口部材２０４の構造は、開口部材５の構造と同じである。よって、開口部材２０４の説明は省略する。また、標本観察装置２００では、標本Ｓは、標本観察装置１と同様に照明が行われる。よって、標本観察装置２００における照明の説明は省略する。

　減光部材２０６は、減光領域２０６ａと、位相領域２０６ｂと、を有する。減光領域２０６ａは、結像光が減光されて通過する領域である。位相領域２０６ｂは、結像光の位相を変調する領域である。

　減光領域２０６ａの形状と位相領域２０６ｂの形状は、共に円環である。位相領域２０６ｂは、減光領域２０６ａと重なるように配置されている。位相差観察用の顕微鏡対物レンズでは、位相板が用いられる。減光部材２０６は、この位相板と同じである。

　標本観察装置２００においても、標本Ｓには、平行光束の照明光が照射される。図１４では、照明光が一本の実線で示されている。標本Ｓからは、０次の結像光（以下、「１次光」という）と、±１次の結像光（以下、「１次光」という）とが出射する。図１４では、０次光が実線で示され、１次光が破線で示されている。

　０次光と１次光は、共に、減光部材２０６に入射する。０次光は減光領域２０６ａを通過し、１次光は非減光領域を通過する。０次光は、更に、位相領域２０６ｂを通過する。

　０次光が位相領域２０６ｂを通過することで、０次光の位相は１／４波長だけ進むか、又は、１／４波長だけ遅れる。一方、１次光の位相に変化が生じない。

　減光部材２０６に入射する前では、０次光の位相と１次光の位相との間には、１／４波長のずれが生じている。０次光が位相領域２０６ｂを通過することで、次光の位相と１次光の位相との差が、ゼロ、又は、１／２波長になる。その結果、通常では見えない位相の差を、光の明暗として観察すること、すなわち、位相差観察を行うことができる。

　上述のように、位相差観察では、標本Ｓの像の縁に、ハロと呼ばれる独特の明るい縁取りができる。これは、標本Ｓの縁で生じた０次光の一部が、減光領域２０６ａと位相領域２０６ｂを通過しなくなることによる。ハロは、非合焦状態でも明るい。

　標本観察装置２００では、合焦状態を検出に、取得した画像の全画素の情報、すなわち、検出素子で受光した光の光量の全てを用いている。この場合、取得した画像の中に、例えば、ハロによって生じた明るい領域（以下、「領域Ｂ」という）が存在していたとしても、合焦位置の前後での光量よりは、合焦位置での光量の方が小さい。

　その結果、ハロが発生している状態であっても、出射光量が最小となるように、出射光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変える。このようにすることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。このように、標本観察装置２００によれば、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていても、合焦状態を検出することができる

　図１５は、合焦状態の画像と非合焦状態の画像である。図１５（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）は非合焦状態の画像、図１５（ｃ）は、合焦状態の画像である。

　各画像は、標本観察装置２００によって取得している。標本観察装置２００では、位相差像が形成される。よって、各画像は位相差観察による画像である。画像の中央部にiPS細胞の画像が位置し、iPS細胞の画像の周囲にフィーダー細胞が位置している。

　各画像におけるずれ量ΔＺは、以下の通りである。
　　　　画像　　　　　ずれ量ΔＺ
　　図１５（ａ）　　　２００μｍ
　　図１５（ｂ）　　　１００μｍ
　　図１５（ｃ）　　　　　０μｍ
　　図１５（ｄ）　　－１００μｍ
　　図１５（ｅ）　　－２００μｍ
　図１６は、出射光量と合焦状態を示すグラフである。出射光量Ｉは、標本観察装置２００によって取得した画像から求めることができる。画像を構成する各画素の値は、出射光量に対応する。全画素の値を総和することで、出射光量Ｉを求めることができる。

　各画像から分かるように、iPS細胞の画像ではハロが生じている。特に、合焦状態での画像、すなわち、ΔＺ＝０μｍのときの画像（図１５（ｃ））では、非合焦状態での画像に比べると、ハロの明るさが、非常に明るい。

　一方、図１６に示すグラフでは、出射光量Ｉは、合焦状態、すなわち、ΔＺ＝０μｍのときに最小になっている。これは、ハロの明るさが明るくても、出射光量Ｉを検出する方法では、ハロの影響を受けにくいことを意味している。

　このように、本実施形態の標本観察装置における合焦方法では、出射光量Ｉが最小となるように、標本と対物レンズとの間隔を変えることで、標本を合焦位置、又は合焦位置の近傍に位置させることができる。

　本実施形態の標本観察装置では、照明光学系と観察光学系は、照明光学系の光軸と観察光学系の光軸が交差するように配置されていることが好ましい。

　図１７は、本実施形態の別の標本観察装置の主要な構成を示す図である。本実施形態の標本観察装置の光学系は、位相差観察が可能な光学系になっている。

　標本観察装置３００は、照明光学系３０１と、観察光学系３０２と、を有する。標本観察装置３００は、更に、光源と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備えている。図１７では、光源、検出素子、処理装置及び駆動制御装置は図示されていない。

　照明光学系３０１は、コンデンサレンズ３０３と、開口部材３０４と、を有する。観察光学系３０２は、対物レンズ３０５と、減光部材３０６と、結像レンズ３０８と、を有する。

　コンデンサレンズ３０３と対物レンズ３０５は、コンデンサレンズ３０３の瞳と対物レンズ３０５の瞳が共役となるように、各々が位置決めされている。

　開口部材３０４は、照明光学系３０１の瞳位置に配置されている。より具体的には、開口部材３０４は、コンデンサレンズ３０３の瞳位置、すなわち、コンデンサレンズ３０３の焦点位置に配置されている。

　開口部材３０４は、開口領域３０４ａを有する。開口部材３０４の構造は、開口部材５の構造と同じである。よって、開口部材３０４の説明は省略する。減光部材３０６は、減光領域３０６ａと、位相領域３０６ｂと、を有する。減光部材３０６の構造は、減光部材２０６の構造と同じである。よって、減光部材３０６の説明は省略する。

　標本観察装置３００では、標本Ｓは容器３０７に保持されている。標本Ｓが生細胞の場合、細胞は培養液のような液体と共に容器３０７で保持されている。容器３０７としては、シャーレやマイクロウェルプレートがある。標本観察装置３００においても、標本Ｓには、平行光束の照明光が照射される。

　標本観察装置１では、照明光学系２の光軸と観察光学系３の光軸が一致するように、照明光学系２と観察光学系３が配置されている。この場合、照明光学系２から標本Ｓに照射された照明光は、標本Ｓを通過する。標本Ｓを通過した照明光の進行方向には、観察光学系３が位置している。よって、標本Ｓを通過した照明光は、観察光学系３に入射する。

　これに対して、標本観察装置３００では、照明光学系３０１と観察光学系３０２は、標本Ｓに対して、紙面内の下方向に配置されている。すなわち、照明光学系３０１の光軸と観察光学系３０２の光軸が交差するように、照明光学系３０１と観察光学系３０２が配置されている。

　この場合も、照明光学系３０１から標本Ｓに照射された照明光は、標本Ｓを通過する。ただし、標本Ｓを通過した照明光の進行方向には、観察光学系３０２が位置していない。よって、照明光の進行方向に何も無いと、標本Ｓを通過した照明光は、観察光学系３０２に入射しない。

　標本観察装置３００では、容器３０７に反射膜３０７ａが形成されている。標本Ｓが無色透明な場合、標本Ｓに照射され照明光は標本Ｓを透過する。標本Ｓを透過した照明光は、容器３０７に入射する。

　反射膜３０７ａは、標本Ｓの上に位置している。容器３０７は、反射膜３０７ａが形成された面が標本Ｓ側に向くように配置されている。よって、標本Ｓを透過した照明光は反射膜３０７ａで反射され、反射された照明光が標本Ｓに再び照射される。その結果、標本Ｓに対して透過照明が行われる。

　このように、標本観察装置３００では、標本観察装置１における透過照明と同様に、標本Ｓに対して透過照明を行うことができる。

　標本観察装置３００では、合焦状態を検出に、標本Ｓの像の光量の総和を用いている。この場合、光量の総和に占めるハロの光量の割合は、小さい。そのため、ハロの影響を受けにくい。その結果、ハロが発生している状態でも、出射光量が最小となるように、出射光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変える。このようにすることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。

　また、標本観察装置３００では、照明光学系３０１と観察光学系３０２は、共に、標本Ｓの一方の側に位置している。そのため、装置を小型化することができる。

　本実施形態の標本観察装置は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
　０．６×ＲOBout＜ＲOBin＜０．９×ＲOBout　　　（２）
　ここで、
　ＲOBinは、観察光学系の光軸から減光領域の内縁までの距離、
　ＲOBoutは、観察光学系の光軸から減光領域の外縁までの距離、
である。

　条件式（２）を満足することで、より精度良く合焦位置が決定できる。

　本実施形態の標本観察装置は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
　０．８×ＲOBout＜β×ＲILout＜ＲOBout　　　（３）
　ここで、
　ＲILoutは、照明光学系の光軸から開口領域の外縁までの距離、
　ＲOBoutは、観察光学系の光軸から減光領域の外縁までの距離、
　βは、対物レンズの焦点距離をコンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。

　条件式（３）を満足することで、より精度良く合焦位置が決定できる。

　本実施形態の標本観察装置は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
　ＲOBin＜β×ＲILin＜１．２×ＲOBin　　　（４）
　ここで、
　ＲILinは、照明光学系の光軸から開口領域の内縁までの距離、
　ＲOBinは、観察光学系の光軸から減光領域の内縁までの距離、
　βは、対物レンズの焦点距離をコンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。

　条件式（４）を満足することで、より精度良く合焦位置が決定できる。

　上述のように、本実施形態の標本観察装置では、観察光学系に減光部材が配置されている。減光部材には、減光領域と非減光領域が形成されている。減光領域は、例えば、図３（ｃ）に示すように、円環の部分が減光領域になっている。この場合、円環の内側と円環の外側が、非減光領域になる。

　しかしながら、円環の部分を非減光領域にしても良い。この場合、円環の内側と円環の外側が、減光領域になる。このようにすると、光量が最大となるように、光量に基づいて標本と対物レンズとの間隔を変えることで、標本の位置が合焦位置と一致している状態、すなわち、合焦位置を決定することができる。

　以上のように、本発明は、合焦状態の検出の誤差要因となる明るさを持つ画素が、合焦状態の検出に用いる全画素の中に含まれていても、合焦状態を検出することができる合焦機能を備えた標本観察装置に適している。

　１　標本観察装置
　２　照明光学系
　３　観察光学系
　４　コンデンサレンズ
　４ａ、４ｂ　レンズ
　５　開口部材
　５ａ　開口領域
　６　対物レンズ
　７　減光部材
　７ａ　減光領域
　７ａi　減光領域の内縁
　７ａo　減光領域の外縁
　８　開口領域の像
　８i　開口領域の像の内縁
　８o　開口領域の像の外縁
　９　結像レンズ
　１００　標本観察装置
　１０　本体部
　１１　ステージ
　１２　モータ
　２０　照明部
　２１　光源
　２２　照明光学系
　２３　コンデンサレンズ
　２４　開口部材
　２５、２７　レンズ
　２６　ミラー
　３０　観察部
　３１　観察光学系
　３２　撮像装置
　３３　レボルバ
　３４　観察鏡筒
　３５　顕微鏡対物レンズ
　３６　撮像レンズ
　３７　結像レンズ
　３８　プリズム
　３９　検出素子
　４０　処理装置
　５０　表示装置
　６０　減光部材
　１１０、１２０、１３０、１４０、１５０　開口領域
　１１１、１２１、１３１、１４１、１５１　減光領域
　１１２、１２２、１３２、１４２、１５２　開口領域の像
　２００、３００　標本観察装置
　２０１、３０１　照明光学系
　２０２、３０２　観察光学系
　２０３、３０３　コンデンサレンズ
　２０３ａ、２０３ｂ　レンズ
　２０４、３０４　開口部材
　２０４ａ、３０４ａ　開口領域
　２０５、３０５　対物レンズ
　２０６、３０６　減光部材
　２０６ａ、３０６ａ　減光領域
　２０６ｂ、３０６ｂ　位相領域
　２０７、３０８　結像レンズ
　３０７　容器
　３０７ａ　反射膜
　Ｓ　標本
　ＡＸ　光軸
　ＩＭ　像面
　Ｆ　合焦位置
　βp　瞳倍率
　ΔＺ　ずれ量
　Ｈ１　標本の底面
　Ｈ２　標本の最高点

Claims

　光源と、照明光学系と、観察光学系と、検出素子と、処理装置と、駆動制御装置と、を備え、
　前記照明光学系は、コンデンサレンズと、開口部材と、を有し、
　前記観察光学系は、対物レンズと、減光部材と、を有し、
　前記開口部材は、前記照明光学系の瞳位置に配置されるか、又は、前記照明光学系の瞳と共役な位置に配置され、
　前記減光部材は、前記開口部材と共役な位置に配置され、
　前記開口部材は、開口領域を有し、
　前記減光部材は、減光領域を有し、
　判定領域は、前記開口領域の像と前記減光領域の両方が含まれている領域であり、
　所定の状態は、前記判定領域において、前記開口領域の像が前記減光領域の領域内のみに位置している状態であり、
　前記所定の状態が生じるように、前記開口領域の大きさ、前記開口領域の位置、前記減光領域の大きさ、及び前記減光領域の位置が設定されており、
　前記照明光学系により標本に照射された照明光は、前記標本を透過してから前記観察光学系に入射し、
　前記検出素子は、前記観察光学系から出射した光を受光し、
　前記処理装置は、前記検出素子が受光した光の光量を求め、
　前記駆動制御装置は、前記光量が最小となるように、前記光量に基づいて前記標本と前記対物レンズとの間隔を変えることを特徴とする合焦機能を備えた標本観察装置。
　前記検出素子は、２次元に配列された微小な受光素子を有することを特徴とする請求項１に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　前記開口領域の形状と前記減光領域の形状が、共に、円環であることを特徴とする請求項１に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項２に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　ＲOBin＜β×ＲILin＜β×ＲILout＜ＲOBout　　　（１）
　ここで、
　ＲILinは、前記照明光学系の光軸から前記開口領域の内縁までの距離、
　ＲILoutは、前記照明光学系の光軸から前記開口領域の外縁までの距離、
　ＲOBinは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の内縁までの距離、
　ＲOBoutは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の外縁までの距離、
　βは、前記対物レンズの焦点距離を前記コンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。
　前記減光部材は、位相領域を有し、
　前記位相領域の少なくとも一部と、前記減光領域の少なくとも一部と、が重なっていることを特徴とする請求項１に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　前記照明光学系と前記観察光学系は、前記照明光学系の光軸と前記観察光学系の光軸が交差するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項２に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　０．６×ＲOBout＜ＲOBin＜０．９×ＲOBout　　　（２）
　ここで、
　ＲOBinは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の内縁までの距離、
　ＲOBoutは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の外縁までの距離、
である。
　以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項２に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　０．８×ＲOBout＜β×ＲILout＜ＲOBout　　　（３）
　ここで、
　ＲILoutは、前記照明光学系の光軸から前記開口領域の外縁までの距離、
　ＲOBoutは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の外縁までの距離、
　βは、前記対物レンズの焦点距離を前記コンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。
　以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項２に記載の合焦機能を備えた標本観察装置。
　ＲOBin＜β×ＲILin＜１．２×ＲOBin　　　（４）
　ここで、
　ＲILinは、前記照明光学系の光軸から前記開口領域の内縁までの距離、
　ＲOBinは、前記観察光学系の光軸から前記減光領域の内縁までの距離、
　βは、前記対物レンズの焦点距離を前記コンデンサレンズの焦点距離で割った値、
である。