(57)【要約】  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
2012099034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点位置維持装置及び顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】焦点位置維持装置の光学系を示す説明図である。
【図３】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４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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）。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
【数１】
2012099034.tif 000003
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
【数２】
2012099034.tif 000004
【００４３】
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。
【００４４】
【数３】
2012099034.tif 000005
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
【数４】
2012099034.tif 000006
【００５２】
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。
【００５３】
【数５】
2012099034.tif 000007
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【数６】
2012099034.tif 000008
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
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
【図１】
2012099034.tif 000009
【図２】
2012099034.tif 000010
【図３】
2012099034.tif 000011
【図４】
2012099034.tif 000012
【図５】
2012099034.tif 000013
【図６】
2012099034.tif 000014
【図７】
2012099034.tif 000015
【図８】
2012099034.tif 000016
【図９】
2012099034.tif 000017
【図１０】
2012099034.tif 000018
【図１１】
2012099034.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、を備え、
前記制御部は、前記像の結像位置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焦点位置維持装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
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、を備え、制御部は、像の結像位置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を特徴とする。
【国際調査報告】
2012099034.tif 000020
2012099034.tif 000021
2012099034.tif 000022
2012099034.tif 000023