(57)【要約】【課題】AF制御処理中の対物レンズと試料の衝突を回避する。【解決手段】顕微鏡装置１は、ステージ１０と、ステージ１０に載置された試料Ｓからの光を集光する対物レンズ２１と、対物レンズ２１で集光された試料Ｓからの光を検出する光検出器３１と、対物レンズ２１とステージ１０の間の距離を変更するように移動する焦準装置６０と、自動合焦制御を行う制御装置４０と、を備える。制御装置４０は、対物レンズ２１とステージ１０の間の距離が短くなる第１方向へ焦準装置６０が移動中に、光検出器３１からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であったときに、焦準装置６０の第１方向への移動を停止する。【選択図】図１
2019070738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、
前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、
自動合焦制御を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であったときに、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記制御装置は、前記第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記合焦評価値と前記閾値との比較結果が第１複数回連続して前記合焦評価値が前記閾値以下の結果であったときに、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項２に記載の顕微鏡装置において、
前記制御装置は、前記第１方向へ前記焦準装置が移動中に、
前記合焦評価値が第２複数回連続して前記閾値を上回った後に前記第１複数回連続して前記閾値以下であったときは、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止せず、
前記合焦評価値が前記第２複数回連続して前記閾値を上回る前に前記第１複数回連続して前記閾値以下であったときは、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項３に記載の顕微鏡装置において、
前記第１複数回は、前記第２複数回よりも多い
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記制御装置は、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止した後に、前記第１方向とは反対の第２方向への前記焦準装置の移動を開始する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記制御装置は、前記光検出器からの出力信号に基づいて、前記焦準装置の現在位置と合焦状態における前記焦準装置の位置との距離と負の相関を有する前記合焦評価値を算出する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項６に記載の顕微鏡装置において、さらに、
前記光検出器を含む撮像装置を備え、
前記制御装置は、前記撮像装置で取得した前記試料の画像のコントラスト値を前記合焦評価値として算出する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項７に記載の顕微鏡装置において、
前記制御装置は、
前記対物レンズの倍率と前記撮像装置に投影された合焦対象領域のサイズの少なくとも一方に応じた前記閾値を取得し、
前記合焦評価値と前記閾値を比較する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項９】
請求項６に記載の顕微鏡装置において、さらに、
前記対物レンズを含み、前記試料からの光を前記光検出器へ導く共焦点光学系を備え、
前記制御装置は、前記光検出器で検出された輝度値を前記合焦評価値として算出する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項１０】
ステージと、前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、を備える顕微鏡装置の自動合焦制御方法であって、
前記顕微鏡装置が有する制御装置が、
前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であるか否かを判定し、
前記合焦評価値が継続して前記閾値以下であると判定すると、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する
ことを特徴とする自動合焦制御方法。
【請求項１１】
ステージと、前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、を備える顕微鏡装置の制御装置に、
前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であるか否かを判定し、
前記合焦評価値が継続して前記閾値以下であると判定すると、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する
処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の開示は、顕微鏡装置、自動合焦制御方法、及び、プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の顕微鏡装置は、観察作業を効率的に行うために、自動合焦（以降、AFと記す）機能を搭載している。AFには様々な方式が存在するが、撮像装置を備える顕微鏡装置に採用されるAF方式としては、画像データから画像のコントラスト値を算出しそのコントラスト値が最も高くなる位置を合焦位置として検出するコントラストAFが一般的である。コントラストAF方式のAF制御処理を行う顕微鏡装置は、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
コントラストAFにもいくつかの方式が存在する。代表的なものとしては、焦準装置を予め決められた方向に動かしながら合焦位置を検出する方式（以降、方向固定方式と記す。）がある。また、焦準装置のわずかな移動前後で算出されたコントラスト値に基づいてコントラスト値が高くなる方向を判別し、コントラスト値が高くなる方向へ焦準装置を動かしながら合焦位置を検出する方式（以降、方向判別方式と記す。）も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５４１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、顕微鏡装置が行うAF制御処理では、焦準装置を動かしながら合焦位置が探索されるため、対物レンズと試料とが衝突する可能性がある。
【０００６】
例えば、方向固定方式では、予め決められた方向が、対物レンズが試料に近づく方向である場合に、衝突が発生し得る。また、方向判別方式でも、対物レンズが試料から遠ざかる方向に合焦位置が存在するにも関わらず、ノイズ等の影響により方向の判別を誤り、対物レンズが試料へ近づく方向へ焦準装置が移動した場合に、衝突が発生し得る。
【０００７】
なお、対物レンズと試料の衝突は、コントラストAFに限らず他のAF方式でも生じ得る。例えば、レーザ走査型顕微鏡装置で採用される輝度値が最も高くなる位置を合焦位置として検出するコンフォーカルAF方式などでも対物レンズと試料の衝突は生じ得る。
【０００８】
以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、AF制御処理中の対物レンズと試料の衝突を回避する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る顕微鏡装置は、ステージと、前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、自動合焦制御を行う制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であったときに、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する。
【００１０】
本発明の一態様に係る自動合焦制御方法は、ステージと、前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、を備える顕微鏡装置の自動合焦制御方法であって、前記顕微鏡装置が有する制御装置が、前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であるか否かを判定し、前記合焦評価値が継続して前記閾値以下であると判定すると、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する。
【００１１】
本発明の一態様に係るプログラムは、ステージと、前記ステージに載置された試料からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記ステージの間の距離を変更するように移動する焦準装置と、を備える顕微鏡装置の制御装置に、前記距離が短くなる第１方向へ前記焦準装置が移動中に、前記光検出器からの出力信号に基づいて算出される合焦評価値が継続してノイズレベルに関する閾値以下であるか否かを判定し、前記合焦評価値が継続して前記閾値以下であると判定すると、前記焦準装置の前記第１方向への移動を停止する処理を実行させる。  
【発明の効果】
【００１２】
上記の態様によれば、AF制御処理中の対物レンズと試料の衝突を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。
【図２】スキャンAF方式について説明するための図である。
【図３】ピーク検出AF方式について説明するための図である。
【図４】コントラスト値の算出方法について説明するための図である。
【図５】第１の実施形態に係る顕微鏡装置１の状態遷移図である。
【図６】閾値テーブルの一例である。
【図７】閾値テーブルの別の例である。
【図８】閾値テーブルの更に別の例である。
【図９】第１の実施形態に係る焦準装置６０の動きの一例を示した図である。
【図１０】AF制御処理でサンプリングしたコントラスト値の一例を示した図である。
【図１１】AF制御処理で記憶部に記憶されたヒストリ情報の一例を示した図である。
【図１２】AF制御処理でサンプリングしたコントラスト値の別の例を示した図である。
【図１３】AF制御処理で記憶部に記憶されたヒストリ情報の別の例を示した図である。
【図１４】コンピュータ９０の構成を例示した図である。
【図１５】第２の実施形態に係る顕微鏡装置の状態遷移図である。
【図１６】第２の実施形態に係る焦準装置６０の動きの一例を示した図である。
【図１７】第３の実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。
【図１８】第４の実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。図１に示す顕微鏡システムは、コントラストAFを行う顕微鏡装置１と、顕微鏡装置１が取得した画像を表示する表示装置７０と、顕微鏡装置１へ命令を入力する入力装置８０を備えている。顕微鏡装置１は、試料Ｓが載置されるステージ１０と、試料Ｓの光学像を形成する光学系２０と、試料Ｓの光学像を画像データへ変換する撮像装置３０を備えている。
【００１５】
光学系２０は、試料Ｓからの光を集光する対物レンズ２１を含む結像光学系であり、試料Ｓの光学像を撮像装置３０に投影する。光学系２０に含まれる対物レンズ２１は、図示しないレボルバに装着されており、レボルバの回転により異なる仕様（例えば、倍率、開口数など）の対物レンズと切り替えて使用される。撮像装置３０は、例えば、デジタルスチールカメラ、デジタルビデオカメラなどのカメラである。撮像装置３０は、対物レンズ２１で集光された試料Ｓからの光を検出する光検出器３１として、例えば、CCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサなどの撮像素子を有している。
【００１６】
顕微鏡装置１は、さらに、AF制御を行う制御装置４０と、焦準装置６０を動かす駆動装置５０と、対物レンズ２１とステージ１０の間の距離を変更するように移動する焦準装置６０を備えている。
【００１７】
制御装置４０は、顕微鏡装置１の筐体内に実装された電子回路であり、例えば、FPGA（Field Programmable Gate Array）を含んでいる。制御装置４０は、処理部４１と記憶部４２を備えている。処理部４１は、コントラストAF方式のAF制御処理を行う。記憶部４２は、AF制御処理で算出された情報（例えば、コントラスト値、座標情報など）を記憶する。
【００１８】
駆動装置５０は、例えば、制御装置４０から出力されたパルス信号により駆動するモータである。焦準装置６０には、光学系２０と撮像装置３０が保持されている。焦準装置６０は、駆動装置５０の動力により、対物レンズ２１の光軸方向に沿って移動する。
【００１９】
表示装置７０は、例えば、液晶ディスプレイであるが、有機ＥＬ（OLED）ディスプレイ、ＣＲＴディスプレイなどであってもよい。入力装置８０は、例えば、キーボードであるが、マウス、ジョイスティック、タッチパネルなどであってもよい。
【００２０】
以上のように構成された顕微鏡装置１は、焦準装置６０を動かしながら焦準装置６０の各位置（サンプリングポイントという。）において試料Ｓの画像を取得する。そして、最も高いコントラストの画像を取得したときの焦準装置６０の位置を合焦位置として検出し、焦準装置６０を合焦位置へ動かす。これにより、コントラストAFが実現される。なお、以降では、合焦位置を検出するために焦準装置６０を動かしながら画像を取得する処理をAFサーチと記す。
【００２１】
図２は、スキャンAF方式について説明するための図である。図３は、ピーク検出AF方式について説明するための図である。図４は、コントラスト値の算出方法について説明するための図である。図２から図４を参照しながら、顕微鏡装置１で行われるコントラストAFの方式について説明する。
【００２２】
図２に示すスキャンAF方式は、焦準装置６０が予め決められた位置範囲（以降、サーチ範囲と記す。）をAF開始位置ZstartからAF終了位置ZendまでスキャンしてAFサーチを行う方式である。そして、その間に取得した画像の各々から合焦評価値としてコントラスト値を算出し、コントラスト値が最大（Ipeak）となる位置Zpeakを合焦位置として検出するというものである。スキャンAF方式は、後述するピーク検出AF方式に比べて偽合焦が生じにくいといった点で有利である。
【００２３】
図３に示すピーク検出AF方式は、AFサーチ中に検出されたコントラスト値のピーク位置を合焦位置として検出するコントラストAFの方式である。より詳細には、焦準装置６０がサーチ範囲を開始位置Zstartから終了位置Zendへ向かって移動しながら各位置で画像を取得しコントラスト値を算出する。算出した最新のコントラスト値とその時点における最大のコントラスト値を比較し、最新のコントラスト値がその時点における最大のコントラスト値よりも大きい場合には最大のコントラスト値を最新のコントラスト値で更新する。そして、最新のコントラスト値がその時点における最大のコントラスト値に対して所定の割合（例えば、25%）を越えて低くなったときにその時点（例えば、サンプリングポイントP1）における最大のコントラスト値が算出された画像を取得したときの焦準装置６０の位置を合焦位置として検出する、というものである。ピーク検出AF方式は、焦準装置６０が終了位置Zendに達する前にAFサーチを打ち切ることができるため、スキャンAF方式に比べてAFの高速化が可能である。
【００２４】
なお、コントラスト値の算出方法には、様々な方法が提案されている。例えば、隣接画素の画素値（輝度値）の差分の二乗の総和、つまり、シフト量１のBrenner gradient、を用いて算出してもよい。また、図４に示すように、隣接する２つの画素を一組として、各組みの画素値（輝度値）の差分を用いてコントラスト値を算出してもよい。
【００２５】
図５は、本実施形態に係る顕微鏡装置１の状態遷移図である。図６、図７及び図８は、閾値テーブルを例示した図である。図１、及び図５から図８を参照しながら、顕微鏡装置１が行うAF制御処理について説明する。なお、以降では、焦準装置６０が対物レンズ２１とステージ１０との距離が短くなる方向（第１方向、Near方向ともいう。）へ向かって移動するように、制御装置４０がスキャンAF方式のAF制御処理を行う場合を例に説明する。
【００２６】
制御装置４０は、入力装置８０からAF開始指示であるAFトリガ信号を受信すると（イベントEO）、次の処理（アクションA0）を実行する。
【００２７】
まず、制御装置４０は、AF開始処理を行う。AF開始処理では、処理部４１は、記憶部４２に記憶されている座標情報とコントラスト値を消去し、撮像装置３０が１フレーム毎に出力する画像データについてのカメラフレーム入力割込み（以降、フレーム割込みと記す。）を許可する。その後、制御装置４０は、AF中断機能をＯＮに設定する。なお、AF中断機能は、試料Ｓと対物レンズ２１の衝突を未然に回避するための機能である。最後に、制御装置４０は、駆動装置５０へパルス信号を出力して、現在の位置であるAF開始位置からNear方向へ所定距離だけ離れたAF終了位置へ向けて、焦準装置６０の移動を開始する。これらの動作により、制御装置４０の状態は、状態“アイドルS0”から状態“AFサーチS1”へ遷移する。
【００２８】
AFサーチ状態の制御装置４０は、フレーム割込みが発生すると（イベントE1）、次の処理（アクションA1）を実行する。
【００２９】
まず、制御装置４０は、AF演算処理を行う。AF演算処理では、処理部４１は、画像データからコントラスト値を算出し、算出したコントラスト値と現在のモータ座標（焦準装置６０の位置を示す座標情報）を１対１で対応させて記憶部４２に記憶させる。
【００３０】
続いて、制御装置４０は、AF中断機能がＯＮに設定されているか否かを判定する。AF中断機能がＯＮに設定されていない場合には、制御装置４０は、追加の処理を行うことなく、AFサーチ状態を維持する（アクションA1-2）。一方で、AF中断機能がＯＮに設定されている場合には、制御装置４０は、ヒストリ情報を更新し、更新後のヒストリ情報を分析し、分析結果に応じた処理を行う（アクションA1-1）。
【００３１】
ヒストリ情報とは、フレーム割込み毎に算出されるコントラスト値とコントラスト閾値との比較結果についての履歴のことであり、例えば、記憶部４２に記録されている。また、コントラスト閾値とは、取得した画像が十分なコントラストを有しているか否かを判定する基準となるコントラスト値のことであり、ノイズレベルに関する閾値である。コントラスト閾値以下のコントラスト値は、画像に試料Ｓが写っていない状態を示しており、対物レンズ２１の焦点面が試料Ｓの表面から大きく逸れている状態にあることを示している。
【００３２】
コントラスト閾値は、例えば、図６に示すように、記憶部４２内に構築された閾値テーブルに格納されていても良い。処理部４１は、記憶部４２に構築された閾値テーブルから画像中の合焦対象領域（関心領域）の面積（以降、ROI面積と記す）に応じたコントラスト閾値を取得し、コントラスト値と比較し、比較結果に基づいてヒストリ情報を更新してもよい。この場合、コントラスト閾値は、ROI面積と正の相関を有することが望ましい。これはAF演算処理で算出されるコントラスト値はROI面積と正の相関を有することがあり、その場合、ROI面積と正の相関を有するコントラスト閾値を用いることで、ROI面積によらずコントラストの有無を適切に判定することができるからである。
【００３３】
なお、閾値テーブルは、図７に示すように、対物レンズの倍率に応じたコントラスト閾値を格納していてもよい。対物レンズの倍率によって画像の明るさが変化することから画像のコントラスト値も対物レンズの倍率によって変化し得るからである。従って、閾値テーブルは、対物レンズの倍率と撮像装置３０に投影された合焦対象領域のサイズ（つまり、ROI面積）の少なくとも一方に応じたコントラスト閾値を格納していることが望ましく、図８に示すように、対物レンズの倍率とROI面積の両方に応じたコントラスト閾値を格納していてもよい。
【００３４】
制御装置４０は、ヒストリ情報を分析した結果に基づいて、サーチを継続することで十分なコントラストを有する画像が得ることができる、つまり、合焦位置を検出することができるか、合焦位置を検出できないか、又は、現時点ではこれらを特定できないかを判定する。
【００３５】
具体的には、制御装置４０は、ヒストリ情報を参照した結果、コントラスト値が継続してコントラスト閾値を上回っていたときには、合焦位置を検出できると判定する。より具体的には、制御装置４０は、所定の複数回連続してコントラスト閾値を上回っていたとき、合焦位置を検出できると判定してもよい。そして、AF中断機能をＯＦＦに設定し、AFサーチ状態を維持する（アクションA1-1-1）。AF中断機能をＯＦＦに設定する理由は、サーチ範囲内に合焦位置が存在する場合、サーチ範囲の幅が適切に設定されている限り対物レンズ２１と試料Ｓが衝突することなくAF終了位置までAFサーチを行うことができるからである。
【００３６】
また、制御装置４０は、ヒストリ情報を参照した結果、コントラスト値が継続してコントラスト閾値以下であったときには、画像に試料Ｓが写っていない状態が継続していることを意味しているため、合焦位置を検出できないと判定する。より具体的には、制御装置４０は、所定の複数回連続してコントラスト閾値以下であったとき、合焦位置を検出できないと判定してもよい。そして、フレーム割込みを禁止するAF中断処理を行い、焦準装置６０の移動の停止を開始する（アクションA1-1-2）。焦準装置６０の移動を停止する理由は、画像に試料Ｓが写っていない状態で対物レンズ２１をステージ１０に近づけ続けると対物レンズ２１と試料Ｓが衝突する可能性が高いからである。これらの動作により、制御装置４０の状態は、状態“AFサーチS1”から状態“停止処理S2”へ遷移する。その後、焦準装置６０の移動の停止が完了すると（イベントE2）、制御装置４０の状態は、状態“停止処理S2”から状態“アイドルS0”へ遷移する。
【００３７】
また、制御装置４０は、ヒストリ情報を参照した結果、コントラスト値が継続してコントラスト閾値を上回っておらず、また、継続してコントラスト閾値以下でもないときには、現時点では合焦位置を検出することができるかどうかを特定できないと判定する。この場合、追加の処理を行うことなく、AFサーチ状態を維持する（アクションA1-1-3）。
【００３８】
AFサーチ状態の制御装置４０は、焦準装置６０がAF終了位置に到達すると（イベントE3）、次の処理（アクションA3）を実行する。
【００３９】
まず、制御装置４０は、AF終了処理を行う。AF終了処理では、処理部４１は、フレーム割込みを禁止する。さらに、記憶部４２に記憶されている最大のコントラスト値を特定し、特定したコントラスト値に対応するモータ座標（焦準装置６０の位置）を合焦位置として検出する。
【００４０】
続いて、制御装置４０は、駆動装置５０へパルス信号を出力して、合焦位置へ向けて焦準装置６０の移動を開始する。これらの動作により、制御装置４０の状態は、状態“AFサーチS1”から状態“フォーカス調整S3”へ遷移する。その後、焦準装置６０が合焦位置に到達すると（イベントE4）、制御装置４０の状態は、状態“フォーカス調整S3”から状態“アイドルS0”へ遷移する。これにより、コントラストAFが完了する。
【００４１】
以上のように構成された顕微鏡装置１では、制御装置４０は、図５に示すように各イベントに応じたアクションを行うことで、第１方向であるNear方向へ焦準装置６０が移動中に、光検出器３１からの出力信号に基づいて算出されるコントラスト値が継続してコントラスト閾値以下であったときに、焦準装置６０のNear方向への移動を停止する。これにより、AF制御処理中の対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避することができる。
【００４２】
以下、図９から図１３を参照しながら、顕微鏡装置１の動作例を説明する。なお、図９から図１１は、コントラストAFが中断する例であり、図１２及び図１３は、コントラストAFが中断することなく完了する例である。いずれの場合も、ヒストリ情報hstは長さ15の配列であり、比較結果が配列の要素として格納されている。比較結果“0”は最新のコントラスト値Inowがコントラスト閾値Ith以下であることを示し、比較結果“1”は最新のコントラスト値Inowがコントラスト閾値Ithを上回ったことを示している。また、ヒストリ情報の各要素は初期状態では“2”で満たされている。ヒストリ情報の更新処理は、各要素を一つ前の要素へシフトした後に、ヒストリ情報hstの最後の要素を比較結果で更新するというものである。
【００４３】
図９は、本実施形態に係る焦準装置６０の動きの一例を示した図である。図１０は、AF制御処理でサンプリングしたコントラスト値の一例を示した図である。図１１は、AF制御処理で記憶部４２に記憶されたヒストリ情報の一例を示した図である。
【００４４】
図９から図１１に示す例では、４回目のサンプリング（画像取得）で一度、十分なコントラスト値が算出されている。しかし、その後、５回目から１４回目のサンプリングで１０回連続して十分なコントラストが算出されなかった結果、１４回目のサンプリング後に焦準装置６０の移動を停止し、予定した全１５回の最後のサンプリングを行わずコントラストAFを中断している。これにより、１５回目に起こり得た衝突が回避されている。
【００４５】
この例では、制御装置４０は、Near方向へ焦準装置６０が移動中に、コントラスト値とコントラスト閾値との比較結果が１０回連続してコントラスト値がコントラスト閾値以下の結果であったときに、コントラスト値が継続してコントラスト閾値以下であったと判断し、焦準装置６０のNear方向への移動を停止している。しかしながら、連続回数は１０回に限らず、第１複数回連続してコントラスト値がコントラスト閾値以下の結果であったときに、焦準装置６０の移動を停止してもよい。また、連続回数（第１複数回）は、対物レンズの倍率に応じて変更してもよい。
【００４６】
図１２は、AF制御処理でサンプリングしたコントラスト値の別の例を示した図である。図１３は、AF制御処理で記憶部４２に記憶されたヒストリ情報の別の例を示した図である。
【００４７】
図１２及び図１３に示す例では、４回目のサンプリングで十分なコントラスト値が算出されたが、５回目のサンプリングで再度コントラスト閾値未満のコントラスト値が算出されている。しかし、その後、６回目から１０回目のサンプリングまで５回連続十分なコントラストが算出された結果、AF中断機能を停止し、１１回目のサンプリングからはヒストリ情報の更新は行われていない。その結果、全１５回のサンプリングが最後まで行われて、合焦位置が検出されている。このようにAF中断機能を停止することでサーチ範囲を最後までサーチすることができる。このため、ピークが検出されているにも関わらず最後までサーチが行われずAFが失敗に終わるといった事態を回避することができる。
【００４８】
この例では、制御装置４０は、Near方向へ焦準装置６０が移動中に、コントラスト値が５回連続してコントラスト閾値を上回ったときに、AF中断機能を停止している。しかしながら、連続回数は５回に限らず、第２複数回連続してコントラスト値がコントラスト閾値を上回ったときに、AF中断機能を停止してもよい。連続回数（第２複数回）は、対物レンズの倍率に応じて変更してもよい。これは、次のように言い換えることができる。即ち、制御装置４０は、Near方向へ焦準装置６０が移動中に、コントラスト値が第２複数回連続してコントラスト閾値を上回った後に第１複数回連続してコントラスト閾値以下であったときは、焦準装置６０のNear方向への移動を停止せず、コントラスト値が第２複数回連続してコントラスト閾値を上回る前に第１複数回連続してコントラスト閾値以下であったときは、焦準装置６０のNear方向への移動を停止する。
【００４９】
なお、第２複数回は、ショットノイズにより大きく算出されたコントラスト値により誤った判定が行われないような連続回数であれば十分であるため、それほど大きな値を必要としない。これに対して、第１複数回は、衝突が生じない範囲で比較的大きな値とすることが望ましい。これは、コントラスト値が低くなりやすい反射率の低い試料を用いた場合や、合焦位置から大きく離れた位置からAF制御を開始する場合などには、コントラスト閾値以下のコントラスト値が算出される範囲が広いからである。従って、第１複数回は第２複数回よりも多いことが望ましい。
【００５０】
以上では、顕微鏡装置１は、制御装置４０がFPGAで構成されている例を示したが、顕微鏡装置１に含まれる制御装置は、マイコンを含んでもよく、また、図１４に示すような標準的なコンピュータであってもよい。
【００５１】
図１４は、コンピュータ９０のハードウェアの構成を例示した図である。コンピュータ９０は、例えば、標準的なコンピュータであり、図１４に示すように、プロセッサ９１、メモリ９２、ストレージ９３、インターフェース装置９４、及び、可搬記憶媒体９６が挿入される可搬記憶媒体駆動装置９５を備える。そして、これらの構成要素はバス９７によって相互に接続されている。なお、図１４は、コンピュータ９０のハードウェア構成の一例であり、コンピュータ９０はこの構成に限定されるものではない。
【００５２】
プロセッサ９１は、例えば、CPU（Central Processing Unit）、MPU（Micro Processing Unit）、DSP（Digital Signal Processor）などであり、プログラムを実行してプログラムされたAF制御処理を行う。メモリ９２は、例えば、RAM（Random Access Memory）であり、プログラムの実行の際に、ストレージ９３または可搬記憶媒体９６に記録されているプログラム、または、コントラスト値、座標情報などのデータを一時的に記憶する。ストレージ９３は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリであり、主に各種データやプログラムの記録に用いられる。インターフェース装置９４は、コンピュータ９０以外の装置（例えば、表示装置７０、入力装置８０など）と信号をやり取りする回路である。可搬記憶媒体駆動装置９５は、光ディスクやコンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬記憶媒体９６を収容するものである。可搬記憶媒体９６は、ストレージ９３を補助する役割を有する。
【００５３】
［第２の実施形態］
図１５は、本実施形態に係る顕微鏡装置の状態遷移図である。図１６は、本実施形態に係る焦準装置６０の動きの一例を示した図である。本実施形態に係る顕微鏡装置は、図５に示す状態遷移を伴うAF制御の代わりに、図１５に示す状態遷移を伴うAF制御を行う点を除き、顕微鏡装置１と同様である。従って、同一の構成要素については同一の符号で参照する。
【００５４】
図１５に示す状態遷移では、焦準装置６０の移動停止完了後に、制御装置４０が状態“停止処理S2”から状態“アイドルS0”ではなく状態“AFサーチS1”に遷移する点が、図５に示す状態遷移とは異なっている。
【００５５】
具体的には、制御装置４０は、焦準装置６０の移動の停止が完了すると（イベントE2）、次の処理（アクションA2）を実行し、その後、状態“AFサーチS1”へ遷移する。
【００５６】
まず、制御装置４０は、AF開始処理を行う。AF開始処理では、処理部４１は、記憶部４２に記憶されている座標情報とコントラスト値を消去し、フレーム割込みを許可する。その後、制御装置４０は、駆動装置５０へパルス信号を出力して、図１６に示すように、現在の位置（AF中断位置）から第２方向であるFar方向へ所定距離だけ離れたAF終了位置２へ向けて焦準装置６０の移動を開始する。なお、AF中断位置からAF終了位置２までの距離は、AF開始位置から現在位置までの距離より大きければよく、例えば、AF開始位置からAF終了位置１までの距離と同じであってもよい。
【００５７】
アクションA2は、AF中断機能をONにしない点、焦準装置６０の移動方向がNear方向ではなくFar方向である点、焦準装置６０の移動目標位置がAF終了位置１ではなくAF終了位置２である点が、アクションA0とは異なる。
【００５８】
本実施形態に係る顕微鏡装置では、制御装置４０は、図１５に示すように各イベントに応じたアクションを行うことで、Near方向へ焦準装置６０が移動中に、光検出器３１からの出力信号に基づいて算出されるコントラスト値が継続してコントラスト閾値以下であったときに、焦準装置６０のNear方向への移動を停止する。これにより、顕微鏡装置１と同様に、AF制御処理中の対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避することができる。
【００５９】
また、本実施形態に係る顕微鏡装置では、制御装置４０は、対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避するために焦準装置６０のNear方向への移動を停止した後に、Near方向とは反対のFar方向への移動を開始してAF制御処理を継続する。これにより、AF制御処理中の対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避しながらAFの成功率を高めることができる。
【００６０】
［第３の実施形態］
図１７は、本実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、顕微鏡装置１の代わりに顕微鏡装置２を備える点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと異なっている。その他の点は、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと同様である。
【００６１】
顕微鏡装置２は、ステージ１０の代わりにステージ１１を備える点、駆動装置５０の代わりに駆動装置５１を備える点が、顕微鏡装置１とは異なる。
【００６２】
ステージ１１は、試料Ｓが載置される電動ステージであり、対物レンズ２１とステージ１１の間の距離を変更するように移動する焦準装置である。駆動装置５１は、焦準装置であるステージ１１を対物レンズ２１の光軸方向へ動かす。
【００６３】
本実施形態に係る顕微鏡装置２によっても、図５に示す各イベントに応じたアクションを行うことで、AF制御処理中の対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避することができる。また、第２の実施形態に係る顕微鏡装置と同様に、図１５に示す各イベントに応じたアクションを行うことで、AF制御処理中の対物レンズ２１と試料Ｓの衝突を回避しながらAFの成功率を高めることができる。
【００６４】
［第４の実施形態］
図１８は、本実施形態に係る顕微鏡システムの構成を例示した図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、コントラストAFを行う顕微鏡装置１の代わりにコンフォーカルAFを行う顕微鏡装置３を備える点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと異なっている。その他の点は、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと同様である。
【００６５】
顕微鏡装置３は、共焦点顕微鏡であり、試料Ｓが載置されるステージ１０と、光学系１２０と、光検出器１３０を備えている。光学系１２０は、試料Ｓからの光を光検出器１３０へ導く共焦点光学系であり、対物レンズ１２１と、試料Ｓを走査するスキャナ１２２とを含んでいる。光学系１２０に含まれる対物レンズ１２１は、図示しないレボルバに装着されていて、レボルバの回転により異なる仕様（例えば、倍率、開口数など）の対物レンズと切り替えて使用される。光検出器１３０は、例えば、フォトマルチプライヤ（PMT）、アバランシェフォトダイオード（APD）などであり、対物レンズ１２１で集光された試料Ｓからの光を検出する。
【００６６】
顕微鏡装置３は、さらに、AF制御を行う制御装置１００と、焦準装置１６０を動かす駆動装置５０と、対物レンズ１２１とステージ１０の間の距離を変更するように移動する焦準装置１６０を備えている。
【００６７】
制御装置１００は、処理部１０１と記憶部１０２を備えている。処理部１０１は、光検出器１３０からの信号とスキャナ１２２の同期信号に基づいて、画像を構築する。処理部１０１は、さらに、コントラストAF方式のAF制御処理を行う。記憶部１０２は、AF制御処理で算出された情報（例えば、輝度値、座標情報など）を記憶する。
【００６８】
制御装置１００は、例えば、顕微鏡装置３の筐体内に実装された電子回路であり、例えば、FPGA（Field Programmable Gate Array）を含んでいてもよい。また、制御装置１００は、マイコンを含んでもよく、また、標準的なコンピュータであってもよい。制御装置１００は、顕微鏡装置３の筐体と有線または無線で接続された別体内に構成されてもよい。
【００６９】
駆動装置５０は、例えば、制御装置１００から出力されたパルス信号により駆動するモータである。焦準装置１６０には、光学系１２０と光検出器１３０が保持されている。焦準装置１６０は、駆動装置５０の動力により、対物レンズ１２１の光軸方向に沿って移動する。
【００７０】
以上のように構成された顕微鏡装置３は、焦準装置１６０を動かしながら焦準装置１６０の各位置（サンプリングポイントという。）において輝度値を測定する。そして、最も高い輝度値を取得したときの焦準装置１６０の位置を合焦位置として検出し、焦準装置１６０を合焦位置へ動かす。これにより、コンフォーカルAFが実現される。
【００７１】
制御装置１００は、第１の実施形態に係る制御装置４０と同様に、図５に示す状態遷移を伴うAF制御を行う。ただし、コントラスト値の代わりに光検出器１３０で検出された輝度値を合焦評価として算出する。そして、輝度値が、継続してノイズレベルに関する閾値である輝度閾値以下であったときに焦準装置１６０のNear方向への移動を停止する。また、輝度値が第２複数回連続して輝度閾値を上回った後に第１複数回連続して輝度閾値以下であったときには、焦準装置１６０のNear方向への移動を停止せず、輝度値が第２複数回連続して輝度閾値を上回る前に第１複数回連続して輝度閾値以下であったときに、焦準装置１６０のNear方向への移動を停止してもよい。さらに、制御装置１００は、図１５に示す状態遷移を伴うAF制御を行ってもよい。この場合もコントラスト値の代わりに合焦評価として輝度値が用いられる。
【００７２】
なお、コンフォーカルAFでは、試料Ｓ上の一点における輝度値が合焦評価値として用いられる。このため、輝度閾値は、コントラスト閾値とは異なり、ROI面積に依存するものではない。輝度閾値としては、固定値、又は、対物レンズの倍率に応じた値が設定される。
【００７３】
本実施形態に係る顕微鏡装置３によっても、図５に示す各イベントに応じたアクションを行うことで、AF制御処理中の対物レンズ１２１と試料Ｓの衝突を回避することができる。また、第２の実施形態に係る顕微鏡装置と同様に、図１５に示す各イベントに応じたアクションを行うことで、AF制御処理中の対物レンズ１２１と試料Ｓの衝突を回避しながらAFの成功率を高めることができる。
【００７４】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするための具体例を示したものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。顕微鏡装置、合焦制御方法、及び、プログラムは、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【００７５】
上述した実施形態では、合焦位置を検出するために用いられる合焦評価値としてコントラスト値と輝度値を例示したが、合焦評価値はこれらに限らない。合焦評価値は、焦準装置の現在位置と合焦状態における焦準装置の位置（即ち、合焦位置）との距離と相関、特に、負の相関を有していればよい。また、上述した実施形態では、スキャンAF方式を例に説明したが、ピーク検出AF方式が採用されてもよい。
【００７６】
また、上述した実施形態では、記憶部４２に構築されている閾値テーブルからROI面積に応じたコントラスト閾値を取得する例を示したが、ROI面積に応じたコントラスト閾値は演算により算出されてもよい。コントラスト閾値を算出することで、ROI面積に応じた適切な閾値を算出することができる。
【００７７】
例えば、コントラスト値が図４に示すように隣接する２つの画素を一組とした各組みの画素値（輝度値）の差分を用いて算出されている場合であれば、以下のように最大コントラスト値を算出し、最大コントラスト値の一定割合をコントラスト閾値Ithとしてもよい。ここで、RxはROIのx方向の画素数、RyはROIのy方向の画素数、Idfは隣接画素間で生じる輝度値の差の最大値、ImaxはROIに対して取りうる最大コントラスト値、r[%]は最大コントラスト値とコントラスト閾値の割合を示すコントラスト係数である。
Ith=Imax×r
=(Rx×Ry)/2×Idf×r
【００７８】
また、上述した実施形態では、光検出器を備えた顕微鏡装置を例示したが、顕微鏡装置は、光検出器に加えて、接眼レンズを含む目視観察用の接眼ユニットを備えてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１、２、３                顕微鏡装置
１０、１１                ステージ
２０、１２０              光学系
２１、１２１              対物レンズ
３０                      撮像装置
３１、１３０              光検出器
４０、１００              制御装置
４１、１０１              処理部
４２、１０２              記憶部
５０、５１                駆動装置
６０、１６０              焦準装置
７０                      表示装置
８０                      入力装置
９０                      コンピュータ
９１                      プロセッサ
９２                      メモリ
９３                      ストレージ
９４                      インターフェース装置
９５                      可搬記憶媒体駆動装置
９６                      可搬記憶媒体
９７                      バス
１２２                    スキャナ
Ｓ                        試料
【図１】
2019070738.tif 000003
【図２】
2019070738.tif 000004
【図３】
2019070738.tif 000005
【図４】
2019070738.tif 000006
【図５】
2019070738.tif 000007
【図６】
2019070738.tif 000008
【図７】
2019070738.tif 000009
【図８】
2019070738.tif 000010
【図９】
2019070738.tif 000011
【図１０】
2019070738.tif 000012
【図１１】
2019070738.tif 000013
【図１２】
2019070738.tif 000014
【図１３】
2019070738.tif 000015
【図１４】
2019070738.tif 000016
【図１５】
2019070738.tif 000017
【図１６】
2019070738.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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