(57)【要約】【課題】傾いた物体を高速で移動させても合焦させることが可能な顕微鏡のオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】常には、コントラスト方式のオートフォーカス制御信号でフォーカス用モータ１１の作動が制御されるように構成されており、コントラスト方式による合焦動作を所定回数だけ行う毎に、コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置とが一致するようにオフセットレンズ３７のオフセット量を調節し、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９で得られた２つの光束のコントラスト信号が所定の閾値よりも小さい場合には、補助光方式のオートフォーカス制御信号でフォーカス用モータ１１の作動が制御されるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を観察するための対物レンズを含む観察光学系を備えた顕微鏡のオートフォーカス装置であって、
不可視光線を発するフォーカス用光源と、
前記フォーカス用光源からの前記不可視光線に基づく光像を前記対物レンズを通して前記対象物上に結像させるフォーカス用照明光学系と、
前記光像が結像した前記対象物からの反射光を前記対物レンズを通して受けて前記光像の反射像を結像させる第１のフォーカス用結像光学系と、
前記第１のフォーカス用結像光学系により結像した前記光像の反射像を検出する第１の光電変換器と、
前記第１の光電変換器で得られた前記光像の反射像の検出信号に基づいて、フォーカスアクチュエータの作動を制御するための第１の制御信号を出力する第１の信号処理部と、
凸レンズおよび凹レンズを有し、前記凸レンズと前記凹レンズとの間の間隔を変化させることで、前記観察光学系の合焦位置と前記第１の照明光学系による前記光像の結像位置との間のオフセット量を調節する調節部と、
前記対象物からの光を前記対物レンズを通して結像させる第２のフォーカス用結像光学系と、
第２のフォーカス用結像光学系により結像された前記対象物の光像のコントラストを検出する第２の光電変換器と、
前記第２の光電変換器で得られた前記コントラストの検出信号に基づいて、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第２の制御信号を出力する第２の信号処理部とを備え、
前記第２の制御信号に基づいて前記フォーカスアクチュエータの作動が制御されるように構成されており、
前記第２の信号処理部が所定回数だけ前記第２の制御信号を出力する毎に、前記第２の制御信号に基づく前記フォーカスアクチュエータの作動によって得られる前記観察光学系の合焦位置が前記第１の制御信号に基づく前記フォーカスアクチュエータの作動によって得られる前記合焦位置と一致するように前記調節部が前記オフセット量を調節し、
前記第２の光電変換器により検出された前記コントラストが所定値よりも小さい場合には、前記第１の制御信号に基づいて前記フォーカスアクチュエータの作動が制御されることを特徴とする顕微鏡のオートフォーカス装置。
【請求項２】
前記第２のフォーカス用結像光学系は、前記対象物からの光を前記対物レンズを通して受けて光路差を有する２つの光束に分解し、前記２つの光束のうち一方を第１結像位置に結像させるとともに、前記２つの光束のうち他方を第２結像位置に結像させ、
前記第２の光電変換器は、前記第１結像位置と前記第２結像位置との間に跨って配設されて前記２つの光束における前記コントラストを検出することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡のオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡のオートフォーカス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物標本において、カバーガラスの下の細胞等の物体にオートフォーカスでピントを合わせるため、いわゆるコントラスト方式（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）により、物体自身の像のコントラストを検出してそれが最大になる位置にピントを合わせる方法が知られている。ここで、一般的な生物標本の構成図を図８（ａ）に示す。図８（ａ）において、標本１５は、細胞等の薄くスライスした物体１７をスライドガラス１８に載せ、さらに封入剤１７ａを入れてその上にカバーガラス１６を被せたものである。
【０００３】
カバーガラス１６、物体１７、封入剤１７ａ、スライドガラス１８の相対位置はさまざまであり、カバーガラス１６の表面１６ａはスライドガラス１８の表面に対して傾いているのが普通である。そこで、物体１７上の点Ｐ１においてコントラスト方式のオートフォーカスでピントを合わせると、ピントの合う位置（合焦位置）は点Ｐ１ａになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−０６０４１３号公報
【特許文献２】特開平８−３０４７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、点Ｐ２を見ようとして標本１５が載っているステージをＸ方向またはＹ方向に（ステージ上の位置Ｐ１からＰ２へ）移動させると、ステージの移動中は検出される像が流れる為、像のコントラストは非常に小さくなってしまう。そのため、コントラスト方式のオートフォーカス制御では、像のコントラストを検出できず、移動終了後の点Ｐ２においてピントの合う位置（合焦位置）は、移動前の点Ｐ１ａと同じ高さの点Ｐ２ａに留まり、物体１７が位置する点Ｐ２ｂから外れてしまい像がボケてしまう。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、傾いた物体を高速で移動させても合焦させることが可能な顕微鏡のオートフォーカス装置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】
このような目的達成のため、本発明に係るオートフォーカス装置は、対象物を観察するための対物レンズを含む観察光学系を備えた顕微鏡のオートフォーカス装置であって、不可視光線を発するフォーカス用光源と、前記フォーカス用光源からの前記不可視光線に基づく光像を前記対物レンズを通して前記対象物上に結像させるフォーカス用照明光学系と、前記光像が結像した前記対象物からの反射光を前記対物レンズを通して受けて前記光像の反射像を結像させる第１のフォーカス用結像光学系と、前記第１のフォーカス用結像光学系により結像した前記光像の反射像を検出する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換器で得られた前記光像の反射像の検出信号に基づいて、フォーカスアクチュエータの作動を制御するための第１の制御信号を出力する第１の信号処理部と、凸レンズおよび凹レンズを有し、前記凸レンズと前記凹レンズとの間の間隔を変化させることで、前記観察光学系の合焦位置と前記第１の照明光学系による前記光像の結像位置との間のオフセット量を調節する調節部と、前記対象物からの光を前記対物レンズを通して結像させる第２のフォーカス用結像光学系と、第２のフォーカス用結像光学系により結像された前記対象物の光像のコントラストを検出する第２の光電変換器と、前記第２の光電変換器で得られた前記コントラストの検出信号に基づいて、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第２の制御信号を出力する第２の信号処理部とを備え、前記第２の制御信号に基づいて前記フォーカスアクチュエータの作動が制御されるように構成されており、前記第２の信号処理部が所定回数だけ前記第２の制御信号を出力する毎に、前記第２の制御信号に基づく前記フォーカスアクチュエータの作動によって得られる前記観察光学系の合焦位置が前記第１の制御信号に基づく前記フォーカスアクチュエータの作動によって得られる前記合焦位置と一致するように前記調節部が前記オフセット量を調節し、前記第２の光電変換器により検出された前記コントラストが所定値よりも小さい場合には、前記第１の制御信号に基づいて前記フォーカスアクチュエータの作動が制御されるようになっている。
【０００８】
また、上述の発明において、前記第２のフォーカス用結像光学系は、前記対象物からの光を前記対物レンズを通して受けて光路差を有する２つの光束に分解し、前記２つの光束のうち一方を第１結像位置に結像させるとともに、前記２つの光束のうち他方を第２結像位置に結像させ、前記第２の光電変換器は、前記第１結像位置と前記第２結像位置との間に跨って配設されて前記２つの光束における前記コントラストを検出することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、傾いた物体を高速で移動させても合焦させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るオートフォーカス装置を備えた顕微鏡の概略構成図である。
【図２】オートフォーカス制御のブロック図である。
【図３】ＣＣＤセンサ上のスリット像の信号状態を示す図である。
【図４】積分器の出力状態を示す図である。
【図５】オフセットレンズを移動させたときの焦点検出信号の状態を示す図である。
【図６】オフセットレンズによりオートフォーカス用照明光の焦点位置をずらしたときの状態を示す図であり、（ａ）は標本側に結像している状態であり、（ｂ）はその反射像の状態である。
【図７】オフセットレンズを移動させた時のスリット像の合焦状態を示す図であり、（ａ）はオフセット量０の状態であり、（ｂ）はオフセットレンズを移動させたときの状態であり、（ｃ）は焦点位置が調節された状態である。
【図８】（ａ）は標本の拡大図であり、（ｂ）はサーチ動作の模式図である。
【図９】合焦動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態のオートフォーカス装置を備えた顕微鏡の概略図を図１に示す。本実施形態の顕微鏡１は、標本１５を支持するステージ１０と、標本１５を観察するための観察光学系２０と、フォーカス用照明光学系３０と、第１および第２のフォーカス用結像光学系４０，４５と、ＣＰＵ５０とを主体に構成される。
【００１２】
標本１５は、前述したように、細胞等の薄くスライスした物体１７をスライドガラス１８に載せ、さらに封入剤１７ａを入れてその上にカバーガラス１６を被せたものである（図８（ａ）も参照）。ステージ１０は、水平方向（ＸＹ方向）および上下方向（Ｚ方向）へ移動可能に標本１５を支持する。なお、ステージ１０は、フォーカス用モータ１１が回転すると、その回転角に応じて光軸に沿って上下移動する。そうすると、ステージ１０に載置された標本１５もカバーガラス１６およびスライドガラス１８とともに上下移動し、標本１５と第１対物レンズ２１との位置関係が調節されるようになっている。また、ステージ１０は、図示しないＸ軸用モータおよびＹ軸用モータを用いて、Ｘ方向またはＹ方向へ水平移動する。
【００１３】
観察光学系２０は、物体側から順に、第１対物レンズ２１と、第１のハーフミラー２２と、赤外線カットフィルタ２３と、第２のハーフミラー２４と、接眼用第２対物レンズ２５とを有して構成される。さらに、接眼用第２対物レンズ２５の先には、図示しない接眼レンズが配設される。また、図示しないが、観察光学系２０には、ステージ１０上に載置された標本１５を照明する照明装置が設けられている。この照明装置は、透過型または落射型であり、透過型の照明装置の場合はステージ１０の下方に配置され、落射型の照明装置の場合はステージ１０の上方に配置される。
【００１４】
照明装置から射出された可視光（照明光）はステージ１０上の標本１５を透過もしくは反射して観察光となり、第１対物レンズ２１を経て第１のハーフミラー２２を透過し、赤外光カットフィルタ２３で赤外光が除去されて、第２のハーフミラー２４に入射する。第１および第２のハーフミラー２２，２４はそれぞれ、アフォーカル系に配設され、観察光の一部を反射させるとともに、他の一部を透過させるものである。そこで、第２のハーフミラー２４に入射した観察光の一部は、当該第２のハーフミラー２４で反射して、接眼用第２対物レンズ２５および接眼レンズ（図示せず）により標本１５の観察像が結像され、観察者による標本１５の観察に供される。
【００１５】
一方、第２のハーフミラー２４に入射した他の一部の観察光は、当該第２のハーフミラー２４を透過し、カメラ用第２対物レンズ２６およびカメラ用リレーレンズ２７により、観察用ＣＣＤセンサ２８の撮像面上に標本１５の観察像が結像される。観察用ＣＣＤセンサ２８は、撮像面上に結像された標本１５の観察像を撮像して画像信号を観察用信号処理部５１へ出力する。観察用信号処理部５１は、観察用ＣＣＤセンサ２８から入力された画像信号に基づいて標本１５のデジタル画像を生成し、標本１５の画像が図示しない画像表示装置に表示される。
【００１６】
フォーカス用照明光学系３０および第１のフォーカス用結像光学系４０は、いわゆる補助光方式のオートフォーカスにより合焦動作を行うための光学系である。フォーカス用照明光学系３０は、光源側から順に、不可視光である赤外光（近赤外光）を発するＬＥＤ光源３１と、第１のコレクタレンズ３２と、スリット板３３と、第２のコレクタレンズ３４と、瞳制限マスク３５と、第３のハーフミラー３６と、オフセットレンズ３７と、可視光カットフィルタ３８と、第４のハーフミラー３９とを有して構成される。ただし、前記光源３１は半導体レーザーでもよい。
【００１７】
スリット板３３は、標本面（カバーガラス１６の裏面）１６ｂと共役な位置に配置される。スリット板３３の中央部には、長方形の細長いスリット開口（図示せず）が形成されており、光軸を中心にスリット開口の長手方向が図１における紙面と垂直な方向へ延びるように配設される。瞳制限マスク３５は、瞳の半分を遮光するものであり、光軸を中心にスリット状に延びる赤外光の長手方向の中心線に沿って、瞳の半分が遮光されるように配設される。第３のハーフミラー３６は、フォーカス用照明光学系３０の光軸と第１のフォーカス用結像光学系４０の光軸が交差する位置（アフォーカル系）に配置され、赤外光の一部を反射させるとともに、他の一部を透過させる。第４のハーフミラー３９は、フォーカス用照明光学系３０の光軸と第２のフォーカス用結像光学系４５の光軸が交差する位置（アフォーカル系）に配置され、赤外光もしくは可視光の一部を反射させるとともに、他の一部を透過させる。
【００１８】
ＬＥＤ光源３１から射出された赤外光（近赤外光）は、第１のコレクタレンズ３２で集光されてスリット板３３のスリット開口（図示せず）を通り、第２のコレクタレンズ３４で平行光に変換されて、瞳制限マスク３５に達する。瞳制限マスク３５を通過した赤外光は、スリット状の赤外光Ｌａとなって第３のハーフミラー３６を透過する。第３のハーフミラー３６を透過した赤外光Ｌａは、オフセットレンズ３７を透過し、可視光カットフィルタ３８で赤外光Ｌａに含まれる可視光成分が除去された後、第４のハーフミラー３９および第１のハーフミラー２２で順に反射する、第１のハーフミラー２２で反射した赤外光Ｌｂは、観察光学系２０の第１対物レンズ２１によって標本１５に集光されて照射される。なお、オフセットレンズ３７については後述する。
【００１９】
このように、フォーカス用照明光学系３０では、ＬＥＤ光源３１から射出された赤外光をスリット板３３のスリット開口（図示せず）を通してスリット状にしてスリット開口の像（以下、スリット像と称する）を標本１５に照射している。これは、スリット板３３を無くし、上述の方法でＬＥＤ光源３１の像を標本１５に照射してオートフォーカス制御をすることも可能である。なお、第１のコレクタレンズ３２は無くても実現可能である。
【００２０】
ところで、ステージ１０上の標本１５は、カバーガラス１６によって覆われているため、第１対物レンズ２１により結像したスリット像（スリット状の赤外光）は、カバーガラス１６の表面１６ａやカバーガラス１６と標本１５との境界面（標本面１６ｂ）で反射する。カバーガラス１６の表面１６ａや標本面１６ｂ（標本１５の細胞面）で反射した赤外光は第１対物レンズ２１により平行光に変換され、第１対物レンズ２１で平行光に変換された赤外光Ｌｃは、第１のハーフミラー２２で図１の右方に反射する。第１のハーフミラー２２で反射した赤外光Ｌｄは、さらに第４のハーフミラー３９で反射し、可視光カットフィルタ３８およびオフセットレンズ３７を通って一部が第３のハーフミラー３６で反射する。第３のハーフミラー３６で反射した赤外光Ｌｅは、第１のフォーカス用結像光学系４０に達する。
【００２１】
第１のフォーカス用結像光学系４０は、上述のように、フォーカス用照明光学系３０によりステージ１０上の標本１５に照射されて反射するスリット状の赤外光を受光するものであり、物体側から順に、補助光方式用第２対物レンズ４１と、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２とを有して構成される。第３のハーフミラー３６で反射した赤外光Ｌｅは、補助光方式用第２対物レンズ４１により集光され、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の撮像面上にスリット像が結像される。第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２は、撮像面上に結像されたスリット像を検出して検出信号を第１のフォーカス用信号処理部５２へ出力する。なお、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２は、複数の受光部が１次元に配列されたラインセンサ、または、２次元に配列されたエリアセンサで構成することが可能である。
【００２２】
次に、オフセットレンズ３７について説明する。オフセットレンズ３７は、図１に示すように、第３のハーフミラー３６と可視光カットフィルタ３８との間、すなわち、フォーカス用照明光学系３０と第１のフォーカス用結像光学系４０の共通光路上に位置し、アフォーカル系に配設されている。このようなオフセットレンズ３７は、物体側に固定して配置された凸レンズ３７ａと、光源側に光軸に沿って移動可能に配置された凹レンズ３７ｂとを有して構成される。なお、凸レンズ３７ａを移動可能にして、凹レンズ３７ｂを固定するようにしてもよく、一方のレンズを光軸上に固定して配置し、他方のレンズを光軸に沿って移動可能に配置して構成することができる。さらに、凸レンズ３７ａおよび凹レンズ３７ｂを両方とも光軸に沿って移動可能なように構成しても良い。
【００２３】
また、オフセットレンズ３７には、オフセットレンズ駆動部５５が取り付けられている。このオフセットレンズ駆動部５５は、詳細な図示を省略するが、オフセットレンズ３７を光軸に沿って前後に移動可能とするオフセットレンズ用モータと、倍率の異なる複数のオフセットレンズ３７を交換可能とするオフセットレンズ用電動ターレットから構成されている。
【００２４】
このようなオフセットレンズ３７は、図７に示すように、第１対物レンズ２１により標本１５に集光照射されるスリット像（オートフォーカス用照明光）の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらし、同時に、標本１５で反射して第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の撮像面上に再結像するスリット開口の像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらす働きをする。なお、図７においては、説明に必要な構成部品のみを図示している。また、図７においてオートフォーカス用照明光を実線で示し、観察光を破線で示している。
【００２５】
第２のフォーカス用結像光学系４５は、いわゆるコントラスト方式のオートフォーカスにより合焦動作を行うための光学系であり、図１に示すように、物体側から順に、コントラスト方式用第２対物レンズ４６と、第５のハーフミラー４７およびミラー４８と、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９とを有して構成される。ところで、第１のハーフミラー２２で反射した観察光は、コントラスト方式用第２対物レンズ４６により結像されるが、コントラスト方式用第２対物レンズ４６を通った観察光は、第５のハーフミラー４７により光路の異なる２つの光束に分解される。そして、第５のハーフミラー４７を透過した観察光は、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９の後方に位置する第１結像位置に結像し、第５のハーフミラー４７で反射した観察光は、さらにミラー４８で反射して第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９の前方に位置する第２結像位置に結像する。
【００２６】
このように、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９は、第１結像位置と第２結像位置との間に跨って配設されているため、光路差を有する２つの光束に分解された観察光がそれぞれ第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９の撮像面上にボケた状態で結像する。そして、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９は、撮像面上にボケた状態で結像された２つの光束（観察光）による像を検出して検出信号を第２のフォーカス用信号処理部５３へ出力する。
【００２７】
ここで、顕微鏡１の制御系について説明する。ＣＰＵ５０には、観察用の画像を生成する観察用信号処理部５１と、オートフォーカス用の制御信号を出力するための第１および第２のフォーカス用信号処理部５２，５３と、フォーカス用モータ１１等の作動を制御するステージモータドライバ５４と、オフセットレンズ３７を駆動するオフセットレンズ駆動部５５と、メモリ５６と、入力部５７とが電気的に接続される。
【００２８】
入力部５７には、図示しないが、キーボード、対物レンズ切り替えスイッチ、オートフォーカス制御開始スイッチ、合焦位置記憶スイッチ、アップ／ダウン微調整スイッチ、および前述のオフセットレンズ３７を操作するスイッチ等が設けられている。キーボードは、第１対物レンズ２１の情報を入力する際に使用される。なお、キーボードから入力された第１対物レンズ２１に関するデータは、メモリ５６に記憶される。また、図３におけるｔ１の値は、合焦位置記憶スイッチによって倍率の異なる複数の第１対物レンズ２１ごとに取得され、合焦位置情報としてメモリ５６に記憶される。
【００２９】
対物レンズ切り替えスイッチは、顕微鏡１（観察光学系２０）の観察光路上に位置決めされた第１対物レンズ２１を別の第１対物レンズ２１に切り替えるときに使用される。ＣＰＵ５０は、対物レンズ切り替えスイッチから入力された切り替え信号に基づいて、電動レボルバ駆動部（図示せず）を制御し、切り替え信号によって指定されたレボルバ穴を顕微鏡１（観察光学系２０）の観察光路上に位置決めする。ＣＰＵ５０は、位置決めされた第１対物レンズ２１の情報をメモリ５６から呼び出し、オートフォーカス制御のパラメータとして使用する。オートフォーカス制御開始スイッチは、顕微鏡１におけるオートフォーカス制御の開始を指示する際に使用される。
【００３０】
また、オフセットレンズ３７を操作するスイッチには、オフセットレンズ３７を光軸に沿って移動させる焦点位置調節操作スイッチと、オフセットレンズ３７を別のオフセットレンズ３７に切り替えるオフセットレンズ切り替えスイッチがある。観察者は、焦点位置調節操作スイッチを操作すると、オフセットレンズ３７を光軸に沿って前後に移動させることができ、また、オフセットレンズ切り替えスイッチにより、オフセットレンズ用電動ターレットに装着された複数のオフセットレンズ３７から任意のオフセットレンズ３７を選択して切り替えることができる。
【００３１】
以上のように構成された顕微鏡１における補助光方式のオートフォーカス制御について、以下に説明する。補助光方式のオートフォーカス制御を行う際、フォーカス用照明光学系３０によりスリット状の赤外光（スリット像）を標本１５に照射し、第１のフォーカス用結像光学系４０により標本１５で反射したスリット状の赤外光（スリット像）を検出する。第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２で検出された赤外光によるスリット像の検出信号は、第１のフォーカス用信号処理部５２に出力され、第１のフォーカス用信号処理部５２およびＣＰＵ５０により所定の信号処理が行われ、第１対物レンズ２１に対する標本の焦点情報が検出される。この焦点情報に関する信号は、オートフォーカス用の制御信号としてＣＰＵ５０からステージモータドライバ５４およびフォーカス用モータ１１へ送られ、ステージ１０の位置を光軸に沿って上下移動させることにより第１対物レンズ２１の焦点に標本１５を位置決めする。なお、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の撮像面上でスリット像が形成される位置は、ステージ１０の上下移動によって標本１５やカバーガラス１６の位置が変わると、それに合わせてスリット像の短手方向に移動する。
【００３２】
このような第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２で検出されたスリット像から、ステージ１０の上下移動を制御するオートフォーカス用の制御信号を求める方法について、以下に説明する。補助光方式のオートフォーカス制御のブロック図を図２に示し、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２で検出されるスリット像の信号状態を図３に示す。ここで、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の撮像面上に結像するスリット像の位置として、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の手前側で結像する状態をＦとし、後ろ側で結像する状態をＲおよびＰとし、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の撮像面上に結像する状態をＪとしている。また、第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２は複数の受光部から構成されるが、その出力は撮像面に沿って順に走査される。ここでは、説明を簡単にするためにラインセンサを想定し、端から順に走査をすることとし、走査を開始する位置（第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の一端）をｔ＝０とし、任意の中間点をｔ＝ｔ１とし、走査を終了する位置（第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の他端）をｔ＝ｔ２として説明する。
【００３３】
第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２から出力されたスリット像の検出信号を走査した結果は、第１のフォーカス用信号処理部５２の積分器６４に入力される。積分器６４の出力信号Ｓを図４に示す。積分器６４の出力信号Ｓは、図４におけるｔ１の位置で第１のサンプルホールド６６にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図４におけるＳＡとなる。積分器６４によりさらに積分されて図４におけるｔ２の位置で第２のサンプルホールド６５にてサンプリングされホールドされる。ホールドされた出力信号は図４におけるＳＣとなる。第１の減算器６７にて第１のサンプルホールド６６の出力ＳＡと第２のサンプルホールド６５の出力ＳＣが減算され出力ＳＢが得られる。さらに、第２の減算器６８にてＳＡとＳＢが減算されてＳＡ−ＳＢが得られる。そして、ＳＡ−ＳＢを焦点検出信号ＶＭとして出力し、（ＣＰＵ５０およびステージモータドライバ５４等を介して）ステージ１０を光軸に沿って上下に動かすフォーカス用モータ１１に印加すると、ＳＡ−ＳＢがゼロになるようにフォーカス用モータ１１がステージ１０を駆動する。
【００３４】
この焦点検出信号ＶＭを縦軸とし、ステージ１０の上下移動に応じた第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２に結像するスリット像の焦点方向の位置を横軸として表したグラフが図５であり、いわゆるＳ字カーブと呼ばれているものである。以上より、例えば、補助光方式のオートフォーカス制御により標本面１６ｂに第１対物レンズ２１の焦点を合わせる場合には、標本面１６ｂが第１対物レンズ２１の焦点上にあるときに、ＳＡ−ＳＢがゼロとなるようにｔ１の値を決めておけば、その位置に合焦させることが可能である。なお、その設定は前述の合焦位置記憶スイッチ（図示せず）によって行う。
【００３５】
ところで、上述のようにして位置決めされた合焦位置は、観察者の見たい位置でない場合がある。その場合は、オフセットレンズ３７を駆動して合焦位置を移動させる。そこで、オフセットレンズ３７を駆動操作したときのオートフォーカス制御について説明する。なお、図７（ａ）に示すような、オフセットレンズ３７を移動させる前の位置（オフセットゼロの位置）での検出信号は、図３における実線の曲線Ｊで表される。このとき、第１対物レンズ２１の焦点の位置は、図６（ａ）に示す標本面１６ｂとする。また、このときの焦点検出信号ＶＭとステージ１０の上下移動に応じた焦点方向の位置の関係は、図５における曲線Iで表わされる。
【００３６】
オフセットレンズ３７の凹レンズ３７ｂを後方に移動させて、図６（ａ）で示す点Ｐ′の位置にオートフォーカス用スリット像を結像させると、反射像は図６（ｂ）で示す点Ｑの位置に結像する。なお、点Ｐ′は標本面１６ｂから実際に観察したい点Ｐと光軸に沿って反対方向に同じ距離だけ離れた点である。この状態での検出信号を図に表すと、図３における一点鎖線の曲線Ｐとなる。また、このときの焦点検出信号ＶＭとステージ１０の上下移動に応じた焦点方向の位置の関係は、図５における曲線IVで表わされる。
【００３７】
図７（ｂ）に示すようにオフセットレンズ３７の凹レンズ３７ｂを後方に移動させた状態で、補助光方式のオートフォーカス制御を行うと、上述のように第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２で検出されたスリット像の検出信号に従って、焦点検出信号ＶＭがゼロになるようにフォーカス用モータ１１がステージ１０を上下に移動させる。このとき、図６の場合、オートフォーカス用スリット像の反射像が第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２より後ろ側（点Ｑ）で結像している状態であり、ステージ１０は第１対物レンズ２１に近づく方向（上方）へ移動して、結局、図７（ｃ）に示すようにオートフォーカス用スリット像は標本面１６ｂに焦点ａが合うこととなる。またこのとき、第１対物レンズ２１の焦点ｆは、図６（ａ）に示す標本１５の中にある点Ｐの位置に合っている状態に制御される。
【００３８】
図５に示す通り、オフセットレンズ３７は、オートフォーカス用スリット像の結像位置を光軸に沿って焦点方向にずらすため、焦点検出信号ＶＭと焦点方向の位置との関係を示す曲線は、例えばIからIVのように焦点方向の位置に沿って移動する。図６（ａ）における点Ｐは、図５における点Ｐの位置に相当する。従って、オートフォーカス用スリット像の反射量に拘わらず、常に焦点検出信号ＶＭ（図５におけるＶＰに相当）が存在するため、オートフォーカス制御が可能となる。
【００３９】
このように、補助光方式のオートフォーカス制御によれば、オフセットレンズ３７をオフセットゼロの位置から光軸に沿って移動させることにより、標本面１６ｂでのオートフォーカス用スリット像の反射量に拘わらず、第１対物レンズ２１の焦点の位置を自由にずらすことが可能である。また、標本面１６ｂから常に一定の距離だけ光軸方向に離れた位置に、第１対物レンズ２１の焦点を合わせることができるため、標本１５をステージ１０上で移動させて標本１５の別の部分を観察する場合や、別の標本１５に交換して観察する場合等に効率の良い作業が可能となる。
【００４０】
次に、本実施形態の顕微鏡１におけるコントラスト方式のオートフォーカス制御について、以下に説明する。コントラスト方式のオートフォーカス制御を行う際、第２のフォーカス用結像光学系４５により、第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９の撮像面上にボケた状態で結像された光路の異なる２つの光束（観察光）による像を検出して、その検出信号を第２のフォーカス用信号処理部５３へ出力する。
【００４１】
このような第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ４９で検出された光路の異なる２つの光束（観察光）による像から、ステージ１０の上下移動を制御するオートフォーカス用の制御信号を求めるには、第２のフォーカス用信号処理部５３により、検出した２つの像のコントラスト（検出信号の差）を求める。そして、求めたコントラスト信号を焦点検出信号として出力し、（ＣＰＵ５０およびステージモータドライバ５４等を介して）フォーカス用モータ１１に印加すると、コントラストがゼロになるようにフォーカス用モータ１１がステージ１０を駆動する。このとき、コントラスト方式では、標本１５における見たい位置（図６（ａ）における点Ｐの位置）、すなわち、物体像におけるコントラストの一番高い位置に合焦する。なお、本実施形態におけるコントラスト方式のオートフォーカス制御の詳細は、特願２００７−１６８６７８号に記載された（ただし、複数パターン投影部分を除いたオーソドックスな）コントラスト方式のオートフォーカス制御と同様であり、詳細な説明を省略する。
【００４２】
ところで、細胞等の物体１７に合焦させるにはコントラスト方式の方が適しているが、合焦可能範囲が狭く、容易に合焦範囲外になってしまう。例えば、前述の図８（ａ）に示すように、標本１５における点Ｐ２を見ようとしてステージ１０をＸ方向またはＹ方向に（ステージ１０上の位置Ｐ１からＰ２へ）移動させると、ステージ１０の移動中は検出される像が流れる為、像のコントラストは非常に小さくなってしまう。そのため、コントラスト方式のオートフォーカス制御では、像のコントラストを検出できず、移動終了後の点Ｐ２においてピントの合う位置（合焦位置）は、移動前の点Ｐ１ａと同じ高さの点Ｐ２ａに留まり、物体１７が位置する点Ｐ２ｂから外れてしまい像がボケてしまう。
【００４３】
このとき、図８（ｂ）の（１）に示すように上下にサーチをすれば、像を見つけて合焦できる一方で時間がかかる。特に、図８（ｂ）の（２）に示すように反対方向からサーチしてしまう場合は、多くの時間がかかる。さらに、標本１５における点Ｐ３のように像が無い位置の場合、または、像が有ってもコントラストが小さくて検出できない場合には、図８（ｂ）の（３）に示すように、上、下、下、上の順でサーチを行い、サーチ前の位置に戻ってから初めて合焦範囲外とわかるので、より多くの時間がかかる。
【００４４】
そこで、本実施形態においては、コントラスト方式に合焦可能範囲の広い補助光方式を組み合わせたハイブリッド方式を採用している。本実施形態のハイブリッド方式では、原則、コントラスト方式（すなわち、第２のフォーカス用信号処理部５３およびＣＰＵ５０より出力されるオートフォーカス用制御信号）により合焦動作を行っているが、コントラスト方式で合焦範囲外となった場合に補助光方式（すなわち、第１のフォーカス用信号処理部５２およびＣＰＵ５０より出力されるオートフォーカス用制御信号）により合焦動作を行う。
【００４５】
前述したように、コントラスト方式では、標本１５における見たい位置（図６（ａ）における点Ｐの位置）、すなわち、物体像におけるコントラストの一番高い位置に合焦する。一方、補助光方式のグラフである図５におけるＪ点を、第１対物レンズ２１の焦点が図６（ａ）に示す標本１５の中にある場合の補助光方式の合焦位置とすると、図６（ａ）における点Ｐの位置は、図５における曲線Iの焦点検出信号ＶＭがＶＰとなる点Ｐに相当する。そこで、本実施形態においては、図５におけるＪ点をＰ点に一致させるべく、所定のタイミングでオフセットレンズ３７を移動させるようにしている。なお、一致後の曲線は、図５における曲線IVになる。そして、移動させたオフセットレンズ３７の位置を、それまで記憶していたオフセットレンズ３７の位置と置き換えて記憶する。この動作により、コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置を一致させることができる。
【００４６】
コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置を一致させる具体的な方法について以下に述べる。標本１５における見たい位置（図６（ａ）における点Ｐの位置）、すなわち、物体像におけるコントラストの一番高い位置に第１対物レンズ２１の焦点があって、コントラスト方式で物体像に合焦しており、この位置を補助光方式のグラフである図５におけるＰ点とする。一方、補助光方式において第１対物レンズ２１の焦点が反射物体の表面、例えば図６（ａ）に示す標本面１６ｂにあり、且つ、オフセットレンズ３７がゼロの位置（オフセットゼロ）で焦点検出信号ＶＭがゼロとなるように第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ４２の光軸方向の位置をオートフォーカス装置製造時にセットする。そうすると、第１対物レンズ２１の焦点が図６（ａ）におけるＰ面にあるため、補助光方式での焦点検出信号ＶＭは図５におけるＶＰのレベルにある。ちなみにオフセットゼロの曲線は図５における曲線Iである。
【００４７】
そして、コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置を一致させるには、ＣＰＵ５０が図５における焦点検出信号ＶＭを監視しながらそれがゼロになるまでオフセットレンズ３７を動かし、ゼロになったら停止させればよい。すなわち、オフセットレンズ３７を動かすということは、図５において曲線Iを左方向にシフトさせて焦点検出信号ＶＭがＶＰからゼロになるまで動かすことになる。結果として、このオフセットレンズ位置での曲線は曲線IVになる。このようにして両方式の合焦位置を一致させる。
【００４８】
もし、カバーガラス１６の傾きが非常に大きく、ステージ移動後の見たい位置が図５における点Ｑであった場合は、この時点で図５における焦点検出信号ＶＭは既にゼロとなっているが、この位置では補助光方式は合焦範囲外になっており、まず合焦範囲内に入るまでオフセットレンズ３７を動かして、合焦範囲に入ったら、さらに焦点検出信号ＶＭがゼロになるまでオフセットレンズ３７を動かせばよい。すなわち、曲線Iと横軸との交点が点Ｑと一致するように曲線Iを紙面上左側に水平移動することになる。
【００４９】
コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置が一致した状態では、コントラスト方式で合焦動作を行っている。そこで、実際の合焦動作について、図９に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、コントラスト方式で検出したコントラスト信号が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。判定がＹｅｓの場合、コントラスト方式で合焦動作を行う（ステップＳ１０２）。
【００５０】
コントラスト方式で合焦動作を行うと、コントラスト方式による合焦動作（第２のフォーカス用信号処理部５３およびＣＰＵ５０によるオートフォーカス用制御信号の出力）を９回行ったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。判定がＮｏの場合、ステップＳ１０１へ戻り、コントラスト方式による合焦動作を９回行うまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２までの処理を繰り返す。一方、判定がＹｅｓの場合、補助光方式に切り替える（ステップＳ１０４）。
【００５１】
補助光方式に切り替えると、コントラスト方式の合焦位置を補助光方式の合焦位置に置き換える（ステップＳ１０５）。すなわち、前述のようにして、コントラスト方式の合焦位置と補助光方式の合焦位置を一致させ、焦点位置が一致したときのオフセットレンズ３７の位置を、それまで記憶していたオフセットレンズ３７の位置と置き換えて記憶する。
【００５２】
ただし、１０回目の合焦動作はコントラスト方式で行い（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０１へ戻る。このとき、９回目で検出したコントラスト信号に基づいて合焦動作を行い、コントラスト方式による合焦動作の回数がゼロに戻される。ただし、物体のコントラストの状態によって前記回数を変えてもよい。
【００５３】
一方、ステップＳ１０１において、判定がＮｏの場合、すなわち、コントラスト方式の合焦動作中、コントラスト信号が閾値未満になった場合、補助光方式に切り替える（ステップＳ１０７）。補助光方式に切り替えると、補助光方式で検出したスリット像の検出信号（補助光信号）が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。判定がＹｅｓの場合、補助光方式で合焦動作を行う（ステップＳ１０９）。
【００５４】
具体的には、例えば図８（ａ）に示すように、コントラスト方式の合焦位置も補助光方式の合焦位置も点Ｐ１ａである場合、点Ｐ２ｂにおける物体１７を観察するためにステージ１０をＸ方向またはＹ方向に（ステージ上の位置Ｐ１からＰ２へ）高速移動させると、ステージ１０の移動中は物体１７の像が流れ、コントラストが非常に小さくなってしまう。この場合、多くはコントラスト信号が閾値未満になってしまう。そこで、コントラスト信号が閾値未満になると、補助光方式に切り替えて合焦動作を行うことになる。このとき、補助光方式の合焦位置はコントラスト方式の合焦位置と一致しており、ステージ１０の移動中はずっと補助光方式で合焦動作を行うため、第１対物レンズ２１の焦点位置は、カバーガラス１６と一定の距離だけ離れた平行に近い一点鎖線の付近を辿り、ステージ１０の停止後は点Ｐ２ｂの付近に補助光方式で合焦する。このときのコントラスト信号が閾値以上なっていれば、コントラスト方式で点Ｐ２ｂの物体像に合焦する。なお、コントラスト方式のみの場合には、点Ｐ２ａの位置で停止してしまう。また、ステージ１０の停止時の位置が物体の無い点Ｐ３だった場合には、もちろん物体が無いのでコントラスト信号は無く、一点鎖線上の点Ｐ３に補助光方式で合焦する。
【００５５】
この補助光方式で１回合焦動作を行ったら、コントラスト方式に切り替えて（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０１へ戻る。このとき、ステップＳ１０１において、コントラスト信号が所定の閾値以上であるならばコントラスト方式で合焦動作を行い、コントラスト信号が閾値未満であるならば再度補助光方式に切り替えることとなる。
【００５６】
一方、ステップＳ１０８において、判定がＮｏの場合、すなわち、補助光方式で検出したスリット像の検出信号（補助光信号）が閾値未満である場合、サーチ有りの設定であるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。判定がＹｅｓの場合、ステージ１０を一定量上下移動させてサーチ動作を行う（ステップＳ１１２）。
【００５７】
そして、サーチ動作を行う間にスリット像の検出信号（補助光信号）が閾値以上になったか否かを判定する（ステップＳ１１３）。判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０９へ進んで補助光方式で合焦動作を行い、判定がＮｏの場合、ステップＳ１１４へ進んで合焦動作を停止し、合焦範囲外としてステップＳ１０１へ戻る。なお、ステップＳ１１１において、判定がＮｏの場合、すなわち、サーチ有りの設定でない場合にも、ステップＳ１１４へ進んで合焦動作を停止し、合焦範囲外としてステップＳ１０１へ戻る。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、コントラスト信号が所定の閾値よりも小さい場合に、補助光方式のオートフォーカス制御を行うため、傾いた物体を高速で移動させても合焦させることが可能になる。また、コントラストが小さい物体や、コントラストが殆どない物体でも、その物体の近くに合焦させることが可能になる。
【００５９】
なお、上述の実施形態において、コントラスト方式では物体像のコントラストが一番高い位置に合焦するが、時にはその位置が見たい位置ではない場合がある。コントラスト方式による合焦中に、見たい位置まで合焦位置をずらすため、コントラスト方式用第２対物レンズ４６と第５のハーフミラー４７との間に補助光方式のオフセットレンズ３７と同様のレンズ群を挿入して、その位置を外部から制御できるようにすることで、コントラスト方式でもオフセット動作を可能にしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  顕微鏡
１０  ステージ
１１  フォーカス用モータ（フォーカスアクチュエータ）
１５  標本（対象物）
２０  観察光学系                        ２１  第１対物レンズ
３０  フォーカス用照明光学系（オートフォーカス装置）
３１  ＬＥＤ光源（フォーカス用光源）
３７  オフセットレンズ（３７ａ  凸レンズ、３７ｂ  凹レンズ）
４０  第１のフォーカス用結像光学系（オートフォーカス装置）
４２  第１のフォーカス用ＣＣＤセンサ（第１の光電変換器）
４５  第２のフォーカス用結像光学系（オートフォーカス装置）
４９  第２のフォーカス用ＣＣＤセンサ（第２の光電変換器）
５０  ＣＰＵ
５２  第１のフォーカス用信号処理部（第１の信号処理部）
５３  第２のフォーカス用信号処理部（第２の信号処理部）
５４  ステージモータドライバ
５５  オフセットレンズ駆動部（調節部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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