(57)【要約】【課題】オートフォーカスの精度を向上させた顕微鏡装置を提供する。【解決手段】顕微鏡装置１において、カメラコントロールユニット３０は、ステージ移動機構１１によりステージ１０を相対移動させながら、所定時間毎に第１のカメラヘッド２０および第２のカメラヘッド２５に駆動信号を同時に出力して被観察物Ｈの観察像および表示部１６を同時に撮像させる制御を行うとともに、被観察物Ｈの画像（観察像）のコントラストが最大となるステージ１０の相対位置をベストフォーカス位置として記憶部３７から読み出して、ステージ移動機構１１により当該読み出したベストフォーカス位置へステージ１０を相対移動させる制御を行うようになっている。【選択図】図１
2010286760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観察物を支持するステージと、
前記ステージに支持された前記被観察物を観察するための観察光学系と、
前記観察光学系の光軸に沿って前記ステージを相対移動させる相対移動部と、
前記観察光学系の光軸に沿った前記ステージの相対位置に関する情報を表示する表示部と、
前記観察光学系による前記被観察物の観察像を撮像する第１撮像部と、
前記表示部を撮像する第２撮像部と、
前記相対移動部により前記ステージを相対移動させながら、所定時間毎に前記第１撮像部および前記第２撮像部に駆動信号を同時に出力して前記観察像および前記表示部を同時に撮像させる制御を行う制御部と、
前記第１撮像部により前記所定時間毎に撮像された前記観察像のコントラストをそれぞれ求めるコントラスト情報生成部と、
前記第２撮像部により前記所定時間毎に撮像された前記表示部の画像から前記所定時間毎の前記ステージの相対位置をそれぞれ求める位置情報生成部と、
前記コントラスト情報生成部および前記位置情報生成部により求められた前記観察像のコントラストおよび前記ステージの相対位置をそれぞれ前記所定時間毎に対応させて記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、前記観察像のコントラストが最大となる前記ステージの相対位置を前記記憶部から読み出して、前記相対移動部に前記ステージを前記読み出した前記相対位置へ相対移動させる制御を行うことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記第２撮像部が前記第１撮像部の撮像速度に対応可能であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オートフォーカス機能を備えた顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステージ上の被観察物をデジタルカメラで撮像して顕微鏡観察を行う顕微鏡装置には、オートフォーカス機能を備えるものがある。このような顕微鏡装置に用いられるオートフォーカスシステムとして、画像のコントラストから合焦点を求める方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、まず、ステージの焦点方向（Ｚ方向）の最適移動ピッチを予め計算しておき、対応するピッチのＺ位置にステージが到達する度に、カメラで被観察物の画像を取得してこのときのＺ位置とともに保存する。そして、取得した画像の輝度情報を抽出してその最大値と最小値の差（コントラスト）が最大となる画像のＺ位置を合焦点として求め、求めたＺ位置にステージを移動させる。そのため、このような方法では、オートフォーカスのシーケンスを高速に行うために、ステージのＺ位置を一方向へ変位させながら被観察物を撮像して画像を取得する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２５８１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ステージのＺ位置が所定の位置に達したことを検出してから画像の取得を開始したのでは、画像の取得に遅れが生じて、実際に取得した画像に対応するステージのＺ位置を正確に把握できない。そのため、最適な位置（合焦点の位置）にステージを移動させることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、オートフォーカスの精度を向上させた顕微鏡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】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明に係る顕微鏡装置は、被観察物を支持するステージと、前記ステージに支持された前記被観察物を観察するための観察光学系と、前記観察光学系の光軸に沿って前記ステージを相対移動させる相対移動部と、前記観察光学系の光軸に沿った前記ステージの相対位置に関する情報を表示する表示部と、前記観察光学系による前記被観察物の観察像を撮像する第１撮像部と、前記表示部を撮像する第２撮像部と、前記相対移動部により前記ステージを相対移動させながら、所定時間毎に前記第１撮像部および前記第２撮像部に駆動信号を同時に出力して前記観察像および前記表示部を同時に撮像させる制御を行う制御部と、前記第１撮像部により前記所定時間毎に撮像された前記観察像のコントラストをそれぞれ求めるコントラスト情報生成部と、前記第２撮像部により前記所定時間毎に撮像された前記表示部の画像から前記所定時間毎の前記ステージの相対位置をそれぞれ求める位置情報生成部と、前記コントラスト情報生成部および前記位置情報生成部により求められた前記観察像のコントラストおよび前記ステージの相対位置をそれぞれ前記所定時間毎に対応させて記憶する記憶部とを備え、前記制御部は、前記観察像のコントラストが最大となる前記ステージの相対位置を前記記憶部から読み出して、前記相対移動部に前記ステージを前記読み出した前記相対位置へ相対移動させる制御を行うようになっている。
【０００７】
なお、上述の顕微鏡装置において、前記第２撮像部が前記第１撮像部の撮像速度に対応可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、精度の高いオートフォーカスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】顕微鏡装置を示す図である。
【図２】オートフォーカス動作を行う場合の手順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】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の顕微鏡装置１を図１に示している。この顕微鏡装置１は、顕微鏡部５と、カメラコントロールユニット３０とを主体に構成される。また、顕微鏡部５は、ベース部６およびアーム部７と、ステージ１０と、観察光学系１５と、第１および第２のカメラヘッド２０，２５とを有して構成される。アーム部７は、ベース部６の上側に取り付けられ、上下方向に延びてステージ１０や観察光学系１５等が取り付けられるようになっている。
【００１１】
ステージ１０は、アーム部７の下側に取り付けられ、顕微鏡観察が行われる被観察物Ｈが載置される。また、ステージ１０は、ステッピングモータ（図示せず）を装備したステージ移動機構１１により、観察光学系１５の光軸に沿って上下移動可能に構成されており、これにより被観察物Ｈを上下移動可能に支持する。ステージ１０の上下方向位置（以下便宜上、Ｚ位置と称する）は、図示しないリニアスケール（直線位置検出器）によりリニアスケール値として常時検出され、観察光学系１５に取り付けられた表示部１６で表示されるようになっている。なお、ステージ１０のＺ位置の上下のリミット（Ｚ位置の上限および下限）は、予めカメラコントロールユニット３０に記憶されている。
【００１２】
観察光学系１５は、対物レンズやリレーレンズ等を有して構成され、ステージ１０に支持された被観察物Ｈを観察するため、ステージ１０と対向した状態でアーム部７の上側に取り付けられる。観察光学系１５の鏡筒部分には、数値を表示可能な表示部１６が取り付けられている。表示部１６は、７セグメントＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いて構成され、前述のリニアスケール（図示せず）により検出されたステージ１０のＺ位置（リニアスケール値）を表示する。
【００１３】
第１のカメラヘッド２０は、観察光学系１５の上端に位置するポート部に取り付けられ、カメラインターフェースケーブル２１を介してカメラコントロールユニット３０に接続されている。また、第１のカメラヘッド２０は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（図示せず）を内蔵しており、観察光学系１５により結像して得られる被観察物Ｈの観察像を撮像し、デジタルデータに変換してからカメラコントロールユニット３０に出力する。
【００１４】
第２のカメラヘッド２５は、表示部１６と対向するようにアーム部７等に取り付けられており、カメラインターフェースケーブル２６を介してカメラコントロールユニット３０に接続されている。また、第２のカメラヘッド２５は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（図示せず）を内蔵しており、表示部１６を撮像し、デジタルデータに変換してからカメラコントロールユニット３０に出力する。また、第２のカメラヘッド２５は、第１のカメラヘッド２０と同種のカメラヘッドであり、第１のカメラヘッド２０と同じ撮像タイミング（フレームレート）で表示部１６を撮像できるようになっている。なお、第２のカメラヘッド２５は、第１のカメラヘッド２０と同種のカメラヘッドでなくてもよく、第１のカメラヘッド２０の撮像速度に対応可能なものであればよい。
【００１５】
カメラコントロールユニット３０は、所定の回路基板を用いて構成され、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）３１や、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）３９等を備えている。また、ＡＳＩＣ３１には、第１の画像取得用メモリー３２と、第２の画像取得用メモリー３３と、画像処理部３４と、コントラスト情報生成部３５と、パターン認識部３６と、コントラスト情報用メモリー３７等が設けられる。
【００１６】
第１の画像取得用メモリー３２は、カメラインターフェースケーブル２１を介して第１のカメラヘッド２０と電気的に接続されており、第１のカメラヘッド２０より被観察物Ｈの画像のデジタルデータが入力される。そして、第１の画像取得用メモリー３２に入力された被観察物Ｈの画像のデジタルデータは画像処理部３４およびコントラスト情報生成部３５に送られる。第２の画像取得用メモリー３３は、カメラインターフェースケーブル２６を介して第２のカメラヘッド２５と電気的に接続されており、第２のカメラヘッド２５より表示部１６の画像のデジタルデータが入力される。そして、第２の画像取得用メモリー３３に入力された表示部１６の画像のデジタルデータは画像処理部３４に送られる。
【００１７】
画像処理部３４は、第１の画像取得用メモリー３２と電気的に接続されており、第１の画像取得用メモリー３２から送られた被観察物Ｈの画像のデジタルデータに対して所定の画像処理を行い、被観察物Ｈの画像データをＲＧＢフォーマットに変換してモニター４１に出力する。また、画像処理部３４は、第２の画像取得用メモリー３３と電気的に接続されており、第２の画像取得用メモリー３３から送られた表示部１６の画像のデジタルデータに対して所定の画像処理を行い、表示部１６の画像データをＲＧＢフォーマットに変換してパターン認識部３６に出力する。
【００１８】
コントラスト情報生成部３５は、第１の画像取得用メモリー３２から送られた被観察物Ｈの画像のデジタルデータに基づいて、被観察物Ｈの画像（観察像）のコントラスト（輝度値の最大値と最小値の差）を求める。具体的には、被観察物Ｈの画像のデジタルデータにおける（各色ごとの）信号強度を画素単位で輝度値に変換し、画素単位で変換した輝度値の最大値と最小値の差を求める。そして、コントラスト情報生成部３５が求めたコントラストの値は、コントラスト情報用メモリー３７に送られる。
【００１９】
パターン認識部３６は、画像処理部３４から送られた表示部１６の画像データに対してパターンマッチング等を行い、表示部１６に表示されたステージ１０のＺ位置（リニアスケール値）を求める。そして、パターン認識部３６が求めたステージ１０のＺ位置は、パターン情報値としてコントラスト情報用メモリー３７に送られる。コントラスト情報用メモリー３７は、コントラスト情報生成部３５から送られたコントラストの値および、パターン認識部３６から送られたパターン情報値（ステージ１０のＺ位置）をそれぞれ、第１および第２のカメラヘッド２０，２５が（同じタイミングで）撮像した時間毎に対応させて記憶する。
【００２０】
ＣＰＵ３９は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブル４５を介して、顕微鏡部５と電気的に接続されており、ステージ移動機構１１や第１および第２のカメラヘッド２０，２５等の作動を制御する。また、カメラコントロールユニット３０には、モニター４１が電気的に接続されており、このモニター４１は、画像処理部３４から出力された被観察物Ｈの画像を表示するとともに、顕微鏡部５等を操作するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示する。さらに、マウス４２やキーボード４３もカメラコントロールユニット３０と電気的に接続されており、ＧＵＩによる操作に使用される。なお、ＧＵＩから顕微鏡部５の作動が指示された場合、カメラコントロールユニット３０が顕微鏡部５へ指示に応じた制御コマンドを出力する。
【００２１】
以上のように構成される顕微鏡装置１における、オートフォーカス動作を行う場合の手順について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ユーザーがＧＵＩをモニター４１に表示させて、マウス４２等によりオートフォーカス動作を選択する操作を行うと、カメラコントロールユニットのＣＰＵ３９は、第１および第２のカメラヘッド２０，２５に対してオートフォーカス開始コマンドを出力し、フレームレート（撮像速度）を上げるフォーカスモードになることを指示する。それと同時に、ＣＰＵ３９は、ＵＳＢケーブル４５を介して、ステージ１０のＺ位置が下限となる位置に（下端に）ステージ１０を移動させる命令をステージ移動機構１１に出力する（ステップＳ１０１）。
【００２２】
ステージ１０が下端まで移動したら、ＣＰＵ３９は、ステージ１０を上方へ移動させる命令をステージ移動機構１１に出力する（ステップＳ１０２）。これにより、ステージ１０が観察光学系１５に対して上方へ相対移動することになる。
【００２３】
ステージ移動機構１１によりステージ１０が上方へ移動する間、ＣＰＵ３９は、第１のカメラヘッド２０および第２のカメラヘッド２５に対してそれぞれ、撮像（露光）を開始するためのシャッター信号（パルス）を同時に出力する（ステップＳ１０３）。そうすると、第１のカメラヘッド２０が観察光学系１５による被観察物Ｈの観察像を撮像し、これと同時に、第２のカメラヘッド２５が表示部１６を撮像する。
【００２４】
このとき、第１のカメラヘッド２０により撮像して得られた被観察物Ｈの画像のデジタルデータは、カメラインターフェースケーブル２１を介して第１の画像取得用メモリー３２に送られ、画像処理部３４で所定の画像処理が行われて被観察物Ｈの画像がモニター４１に表示されるとともに、コントラスト情報生成部３５で被観察物Ｈの画像（観察像）のコントラストが求められる。一方、第２のカメラヘッド２５により撮像して得られた表示部１６の画像のデジタルデータは、カメラインターフェースケーブル２６を介して第２の画像取得用メモリー３３に送られ、画像処理部３４で所定の画像処理が行われるとともに、パターン認識部３６でパターン情報値（表示部１６に表示されたステージ１０のＺ位置）が求められる。
【００２５】
またこのとき、コントラスト情報生成部３５で求めたコントラストの値および、パターン認識部３６で求めたパターン情報値（ステージ１０のＺ位置）がそれぞれ、コントラスト情報用メモリー３７に記憶される。なお、画像処理部３４による画像処理は、第１のカメラヘッド２０からのデジタルデータおよび、第２のカメラヘッド２５からのデジタルデータについて、交互に処理が行われる。また、これに限らず、２台のカメラヘッド２０，２５からのデジタルデータをそれぞれ画像処理する画像処理部を別個に２つ設けるようにしてもよい。
【００２６】
次に、ステージ１０が上端まで移動したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定がＮｏの場合、ステップＳ１０３の処理を繰り返す。すなわち、ステージ１０のＺ位置が上限に（上端に）到達するまで、ステップＳ１０３の処理を繰り返す。このとき、ＣＰＵ３９が２台のカメラヘッド２０，２５に対して同時に出力するシャッター信号は、ベストフォーカス位置（合焦位置）を求めるのに適した時間ピッチで出力されることが好ましい。
【００２７】
一方、判定がＹｅｓの場合、すなわち、ステージ１０が上端まで移動すると、ＣＰＵ３９は、コントラスト情報用メモリー３７に記憶された情報に基づいて、ベストフォーカス位置（合焦位置）を求める（ステップＳ１０５）。このとき、ＣＰＵ３９は、コントラスト情報用メモリー３７に記憶されたコントラストの値の中から最大値を求め、最大値となるコントラスト値に対応したパターン情報値（ステージ１０のＺ位置）をベストフォーカス位置としてコントラスト情報用メモリー３７から読み出す。
【００２８】
そして、ＣＰＵ３９は、先のステップで求めたベストフォーカス位置（合焦位置）にステージ１０を移動させる命令をステージ移動機構１１に出力し（ステップＳ１０６）、各カメラヘッド２０，２５のフォーカスモードを解除して処理を終了する。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、第１のカメラヘッド２０および第２のカメラヘッド２５に駆動信号（シャッター信号）を同時に出力して被観察物Ｈの観察像および表示部１６を同時に撮像するため、撮像（露光）を開始したときのステージ１０の位置情報を正確に取得することができることから、精度の高いオートフォーカスを実現することができる。
【００３０】
なお、第２のカメラヘッド２５は、第１のカメラヘッド２０の撮像速度に対応可能であることが好ましく、これにより、確実に被観察物Ｈの観察像および表示部１６を同時に撮像することができる。
【００３１】
また、上述の実施形態において、第１のカメラヘッド２０および第２のカメラヘッド２５は、同じクロック周波数で撮像するのがより好ましい。これにより、確実に被観察物Ｈの観察像および表示部１６を同時に撮像することができる。
【００３２】
また、上述の実施形態において、表示部１６は、ステージ１０のＺ位置としてリニアスケール値を表示しているが、これに限られるものではなく、例えば、液晶表示装置等により、ステージ１０のＺ位置と連動してゲージを表示するようにしてもよく、ステージ１０の（観察光学系１５の光軸に沿った）位置情報を表示していればよい。
【符号の説明】
【００３３】
Ｈ  被観察物
１  顕微鏡装置                          ５  顕微鏡部
１０  ステージ                          １１  ステージ移動機構（相対移動部）
１５  観察光学系                        １６  表示部
２０  第１のカメラヘッド（第１撮像部）  ２５  第２のカメラヘッド（第２撮像部）
３０  カメラコントロールユニット        ３１  ＡＳＩＣ
３５  コントラスト情報生成部            ３６  パターン認識部（位置情報生成部）
３７  コントラスト情報用メモリー（記憶部）
３９  ＣＰＵ（制御部）
【図１】
2010286760.tif 000003
【図２】
2010286760.tif 000004