(57)【要約】【課題】カラースイッチとモノクロタイプの撮像素子を用いる顕微鏡においてオートフォーカスの性能を向上する。【解決手段】フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行しているときは、カラースイッチ２４がＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタのうち１つのカラーフィルタに固定することでカラーフィルタの切り替えを停止する。【選択図】図１
2015082101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡であって、
試料に照明光を照射する光源と、
対物レンズと、
前記試料を載置する載置手段と、
前記試料に対して相対的に前記対物レンズを光軸と平行な方向や当該光軸と直交する方向に移動させる移動手段と、
前記対物レンズを通じて前記試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置と、
複数の制御パラメータに基づいて前記撮像装置を制御する撮像制御部と、
前記光軸上に設けられ前記試料からの光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチと、
前記対物レンズを前記試料に対して相対的に移動させて合焦位置を探索するフォーカス制御部と
を有し、
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記カラースイッチが前記Ｒフィルタ、前記Ｇフィルタおよび前記Ｂフィルタのうち１つのカラーフィルタを光軸上に固定することでカラーフィルタの連続的な切り替えを停止することを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記撮像制御部が、前記撮像装置に対してビニングを設定することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記撮像制御部が、前記撮像装置が取得する画像の範囲を制限することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記画像の範囲は、前記顕微鏡の観察視野を中心とした一定の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記撮像制御部が、前記撮像装置のゲインを増加させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項６】
前記フォーカス制御部が合焦位置の探索を開始する前に、前記撮像制御部は前記撮像装置に１つの画像を取得させ、取得した画像から前記合焦位置の探索のための露光時間を決定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項７】
前記フォーカス制御部が合焦位置の探索を実行する直前に、前記撮像制御部はそれぞれ異なる露光時間を設定して前記撮像装置に画像を取得させ、取得した画像から前記合焦位置の探索のための露光時間を決定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項８】
前記撮像制御部は、複数の画像のそれぞれについて平均輝度を算出し、当該複数の画像のそれぞれを取得する際に前記撮像装置に設定されていた露光時間と当該平均輝度との関係から、平均輝度が最大輝度の半分となる露光時間を決定することを特徴とする請求項７に記載の顕微鏡。
【請求項９】
前記撮像制御部は、前記Ｒ画像、前記Ｇ画像および前記Ｂ画像のそれぞれについて露光時間を決定し、前記Ｒ画像の露光時間、前記Ｂ画像の露光時間および前記Ｂ画像の露光時間のうちで最も短い露光時間を前記合焦位置の探索のための露光時間として決定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１０】
前記撮像制御部が決定した露光時間が所定の露光時間よりも長いときは、前記合焦位置の探索のための前記対物レンズの移動速度を低下させることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１１】
前記フォーカス制御部が合焦位置の探索を実行する前に、前記撮像制御部は前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させ、取得したＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像に基づき前記合焦位置の探索に用いるカラーフィルタを決定することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１２】
前記照明光は、前記試料に添加された試薬を発光させるための励起光であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１３】
試料に照明光を照射する光源と、対物レンズと、前記試料を載置する載置手段と、前記試料に対して相対的に前記対物レンズを光軸と平行な方向や当該光軸と直交する方向に移動させる移動手段と、前記対物レンズを通じて前記試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置と、前記光軸上に設けられ透過する光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチと、前記撮像装置により取得された画像を転送する転送部とを有する顕微鏡を制御する制御装置であって、
前記転送部により転送されて来た画像に基づき合焦状態を判定し、判定結果に応じて前記対物レンズを前記試料に対して相対的に移動させて合焦位置を探索するフォーカス制御部を有し、
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記カラースイッチが前記Ｒフィルタ、前記Ｇフィルタおよび前記Ｂフィルタのうち１つのカラーフィルタを光軸上に固定することでカラーフィルタの切り替えを停止することを特徴とする制御装置。
【請求項１４】
前記カラースイッチは、電気的に透過する光の波長を切り替え可能なフィルタであることを特徴とする請求項１３に記載の制御装置。
【請求項１５】
試料に照明光を照射する光源と、対物レンズと、前記試料を載置する載置手段と、前記試料に対して相対的に前記対物レンズを光軸と平行な方向や当該光軸と直交する方向に移動させる移動手段と、前記対物レンズを通じて前記試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置と、前記光軸上に設けられ透過する光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチと、前記撮像装置により取得された画像を転送する転送部とを有する顕微鏡を制御する制御方法であって、
前記転送部により転送されて来た画像に基づき合焦状態を判定し、判定結果に応じて前記対物レンズを前記試料に対して相対的に移動させて合焦位置を探索するフォーカス制御工程を有し、
前記フォーカス制御工程において合焦位置の探索が実行されているときは、前記カラースイッチが前記Ｒフィルタ、前記Ｇフィルタおよび前記Ｂフィルタのうち１つのカラーフィルタを光軸上に固定することでカラーフィルタの切り替えを停止することを特徴とする制御方法。
【請求項１６】
顕微鏡と当該顕微鏡を制御する制御装置とを有する顕微鏡システムであって、
前記顕微鏡は、
試料に照明光を照射する光源と、
対物レンズと、
前記試料を載置する載置手段と、
前記試料に対して相対的に前記対物レンズを光軸と平行な方向や当該光軸と直交する方向に移動させる移動手段と、
前記対物レンズを通じて前記試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置と、
複数の制御パラメータに基づいて前記撮像装置を制御する撮像制御部と、
前記光軸上に設けられ前記試料からの光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチと
を有し、
前記顕微鏡または前記制御装置は、
前記対物レンズを前記試料に対して相対的に移動させて合焦位置を探索するフォーカス制御部を有し、
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記カラースイッチが前記Ｒフィルタ、前記Ｇフィルタおよび前記Ｂフィルタのうち１つのカラーフィルタを光軸上に固定することでカラーフィルタの切り替えを停止することを特徴とする顕微鏡システム。
【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技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡においても近年ではカラー画像を取得することが望まれている。特許文献１によればカラーフィルタが受光面上に形成されているカラー撮像素子を備えた顕微鏡が提案されている。このカラーフィルタとしてはベイヤー配列のカラーフィルタが採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−００５０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ベイヤー配列の撮像素子は安価であるが色再現性について劣ることが知られている。この課題を解決するにはＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを回転させて切り替えるカラースイッチとモノクロタイプの撮像素子とを使用することが考えられる。この場合、ＲフィルタでＲ画像が撮影され、次にカラースイッチでＧフィルタを光軸位置にセットしてＧ画像を撮影され、最後にＢフィルタをセットしてＢ画像が撮影される。それぞれ独立して撮影されたＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を組み合わせてカラー画像が作成されるため、ＲＧＢそれぞれに専用の撮像素子を用意する三板式と同様の色再現性を実現できる利点がある。モノクロ画像を取得するときはいずれのフィルタも使用されないため、フィルタによる減衰が無くなり、より微弱な光も撮像素子で検出できる利点もある。しかしながら、カラースイッチによりカラーフィルタを切り替えるにはある程度の切り替え時間が必要になってしまう。これはカラースイッチを回転させなければならないからである。このようなカラースイッチ式の顕微鏡でオートフォーカスを実行するにはカラースイッチの切り替え時間がボトルネックとなってしまう。とりわけ、コントラスト方式のオートフォーカスでは複数のＺ位置で評価値を取得しなければならず、合焦位置を決定するのに時間がかかる。これは各Ｚ位置でＺステージを停止させて、Ｒ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得しなければならないからである。オートフォーカスに要する時間を短縮するために、Ｚステージを移動しながらＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得することも考えられる。しかし、この場合は、Ｒ画像を取得したＺ位置と、Ｇ画像を取得したＺ位置と、Ｂ画像を取得したＺ位置は異なるため、合焦位置の算出精度が低下しやすい。
【０００５】
そこで、本発明は、カラースイッチとモノクロタイプの撮像素子を用いる顕微鏡においてオートフォーカスの性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、たとえば、顕微鏡であって、
試料に照明光を照射する光源と、
対物レンズと、
前記試料を載置する載置手段と、
前記試料に対して相対的に前記対物レンズを光軸と平行な方向や当該光軸と直交する方向に移動させる移動手段と、
前記対物レンズを通じて前記試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置と、
複数の制御パラメータに基づいて前記撮像装置を制御する撮像制御部と、
前記光軸上に設けられ前記試料からの光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、前記撮像装置にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチと、
前記対物レンズを前記試料に対して相対的に移動させて合焦位置を探索するフォーカス制御部と
を有し、
前記フォーカス制御部が合焦位置を探索しているときは、前記カラースイッチが前記Ｒフィルタ、前記Ｇフィルタおよび前記Ｂフィルタのうち１つのカラーフィルタを光軸上に固定することでカラーフィルタの連続的な切り替えを停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、カラースイッチとモノクロタイプの撮像素子を用いる顕微鏡においてオートフォーカスの性能を向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】顕微鏡システムの外観を示す図
【図２】顕微鏡システムを構成する主要部を示すブロック図
【図３】カラースイッチの一例を示す図
【図４】オートフォーカスに関与する機能を示すブロック図
【図５】オートフォーカスの各工程を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の一実施形態を示す。以下で説明される個別の実施形態は、本発明の上位概念、中位概念および下位概念など種々の概念を理解するために役立つであろう。また、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。
【００１０】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は顕微鏡システムの中核をなす顕微鏡１の斜視図である。図１（Ａ）が示すように顕微鏡１は、筐体自体を暗室として利用するため、ユーザーが暗室を用意する必要がない。ユーザー（操作者）は、上面カバー１９０を開けると、透過照明光学系５の下方に配置されたＸＹステージ６にアクセス可能となる。ＸＹステージ６は試料を載置する載置手段の一例であり、対物レンズの光軸方向に対して直交方向に移動するステージである。上面カバー１９０を閉じることで、暗室が形成される。ユーザーは前面カバー１９１を開けることでフィルタターレット１４に搭載されたフィルタキューブ（カラーフィルタなど）を交換できる。
【００１１】
図２は、顕微鏡システム１００を構成する主要部を示すブロック図である。顕微鏡１は図２に示す制御装置２によって制御される。制御装置２は、たとえば、制御プログラムをインストールされた情報処理装置（パーソナルコンピュータ：ＰＣ）である。つまりＰＣが顕微鏡１の制御装置２として機能する。このように顕微鏡システム１００は、顕微鏡１と制御装置２とを有している。
【００１２】
顕微鏡１は、試料３のモノクロ画像、カラー画像および蛍光画像を取得することができる顕微鏡であるが、このうち１つの画像のみを取得する顕微鏡であってもよい。ＸＹステージ６には試料３を保持するための容器ユニット７が固定される。試料３は標本、サンプル、検体またはワークと呼ばれることもある。容器ユニット７は、プレパラート、ディッシュまたはウェル等の容器と容器を支持する容器ホルダーとを有している。透過照明光源４が出力された照明光はコンデンサレンズなどを含む透過照明光学系５を介して試料３に照射される。透過照明光学系５には遮光用のメカシャッターが設けられていてもよい。透過照明光源４からの照明光は、試料３のモノクロ画像やカラー画像を取得する際に使用される。試料３について蛍光観察を実行する際は、蛍光落射照明光源８から励起光が出力される。励起光は、蛍光落射照明光学系９および励起フィルタ１０を通過する。蛍光落射照明光学系９には遮光機構２５としてメカシャッターや絞り、光変調素子が設けられていてもよい。同様に蛍光落射照明光源８に関しても遮光機構２５が設けられていてもよい。遮光機構２５は制御部２０によって制御され、蛍光落射照明光源８からの光を遮光したり、通過させたりする。励起フィルタ１０は、蛍光落射照明光源８から出力された光のうち励起光となる波長成分のみを透過させる波長選択性フィルタである。励起光はさらにダイクロックミラー１１で反射され、対物レンズユニット１２の対物レンズを通過して試料３に照射される。ダイクロックミラー１１も波長選択性のミラーであり、励起光を反射するが、試料３に添加された蛍光試薬（蛍光染料や蛍光色素とも呼ばれる）が発光する蛍光については透過する。対物レンズユニット１２は、モータ１３によって回転する電動レボルバと、電動レボルバに搭載された複数の対物レンズとを有している。
【００１３】
フィルタターレット１４は、４つの開口を有している。そのうち３つの開口にはフィルタキューブがそれぞれ取り付けられている。フィルタキューブは励起フィルタ１０、ダイクロイックミラー１１および吸収フィルタ１６がとして一体化したものである。残りの１つの開口には何も取り付けられていない。フィルタの取り付けられていない開口は、たとえば、明視野画像を取得する際に使用される。フィルタターレット１４は、制御部２０によって駆動されるモータによって駆動されて回転する。図３では回転方向が矢印で示されている。
【００１４】
カラースイッチ２４は、制御部２０によって制御されて透過波長を切り替えることが可能な波長選択性フィルタ（電気的に透過する波長を選択可能なチューナブルフィルタなど）や、図３が示すようなカラーフィルタターレットによって実現される。本実施形態では、説明の便宜上、カラースイッチ２４が、カラーフィルタターレットによって実現されるものとして説明するが、フィルタの切り替えの高速性の観点からは波長選択性フィルタが有利である。図３においてカラーフィルタターレットは、４つの開口１４１、１４２、１４３、１４４を有している。そのうち３つの開口１４１、１４２、１４３にはＲ（レッド）フィルタ１４０Ｒ、Ｇ（グリーン）フィルタ１４０Ｇ、Ｂ（ブルー）フィルタ１４０Ｂがそれぞれ取り付けられている。残りの１つの開口１４４には何も取り付けられていない。フィルタの取り付けられていない開口１４４は、蛍光観察やモノクロ画像を取得する際に使用される。
【００１５】
さらに、図３では、Ｒフィルタ１４０Ｒが光軸ＡＸ上に配置されている。カラー画像を取得する際にはＲ（レッド）フィルタ１４０Ｒ、Ｇ（グリーン）フィルタ１４０Ｇ、Ｂ（ブルー）フィルタ１４０Ｂが高速で切り替えられながら、撮像装置１８がカラースイッチ２４の回転に同期して撮像を実行する。これによりＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像が取得される。画像処理部１９がＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像を合成することでカラー画像が作成される。
【００１６】
吸収フィルタ１６は、試料３からの光のうち必要な波長成分のみを透過させる波長選択性フィルタである。結像光学系１７は、試料３を撮像装置１８の撮影面に結像させるレンズである。画像処理部１９は、撮像装置１８から出力される画像信号を増幅してＡ／Ｄ変換し、さらにシェーディング補正を行ったりするなど、様々な画像処理を行う。制御部２０は、制御装置２からの指示にしたがって顕微鏡１の各部を制御する。たとえば、制御部２０は、モータ群２１を制御してＸＹステージ６をＸ軸方向またはＹ軸方向へ移動させたり、モータ２２を制御してＺステージと呼ばれることもある対物レンズユニット１２をＺ軸方向に移動させたりする。このように、モータ群２１やモータ２２は、試料３に対して相対的に対物レンズを光軸と平行な方向や光軸と直交する方向に移動させる移動手段として機能する。対物レンズユニット１２をＺ軸方向に移動させることで合焦位置が変化し、オートフォーカスが実行される。ＸＹステージ６およびＺステージは手動調整機構を有していてもよい。ここで、Ｚ軸方向は対物レンズの光軸方向であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向はＺ軸方向に直交した方向である。通信部２３は、制御装置２からの指示を受信したり、制御部２０からの情報や画像データを制御装置２へ送信したりするユニットである。制御部２０は、たとえば、マイクロプロセッサやＣＰＵ、ＬＳＩ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどで構成される。つまり、制御部２０は、ソフトウエアとその実行手段で実現されてもよいし、ハードウエアのみで実現されてもよいし、前者と後者との混在によって実現されてもよい。
【００１７】
制御装置２においてＣＰＵ３０は、記憶装置３１に記憶された制御プログラムを実行して顕微鏡１を制御したり、通信インタフェース３２を通じて受信した画像データを表示部３４に表示させたりする。通信部２３および通信インタフェース３２は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４、ＬＡＮなどの一般的な通信プロトコルで接続されていてもよいし、専用の通信プロトコルで接続されていてもよい。記憶装置３１は、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリやハードディスク記憶装置などを含んでいる。記憶装置３１には、ＳＳＤなどの半導体記憶装置や光ディスク、磁気ディスクがふくまれてもよい。またコンシューマ用のデジタルカメラで使用されているようなメモリカードであってもよい。操作部３３は、キーボードやポインティングデバイスなどの入力装置である。表示部３４は、顕微鏡１を制御するための制御パラメータを設定するユーザーインタフェース（ＵＩ）や観察結果（静止画または動画）を表示するＵＩを提供する。
【００１８】
顕微鏡システム１００はＺスタック画像の撮影やタイムラプス撮影を実行できる。Ｚスタックとは試料３とレンズとの間における光軸方向（Ｚ軸方向）の距離を変化させながら試料３を撮影して複数枚の画像（Ｚスタック画像）を取得する技術である。つまり、Ｚスタック画像とは、Ｚステージを少しずつ移動させることで合焦位置をずらしながら各合焦位置において取得された試料３の複数の画像（レイヤー画像）をいう。微生物などの試料３は観察中にＸ軸方向、Ｙ軸方向だけでなくＺ軸方向にも移動する。よって、Ｚ軸方向に少量ずつ合焦位置をずらして複数の画像を取得することで、試料３に合焦した画像を取得しやすくなる。なお、１回のＺスタックによって取得される画像の枚数をＺスタック数またはＺスタック枚数と呼ぶことにする。つまり、Ｚスタック数Ｎｚは、Ｚスタック画像を構成している画像の枚数を示している。タイムラプス撮影とは、一定時間ごとに１枚または複数枚の画像を取得する撮影方法をいう。微生物などの試料３は観察中に成長したり変化したりする。そのため、その経過を知る上でタイムラプス撮影は有効である。本実施形態は、基本的に、Ｚスタックとタイムラプス撮影とを組み合わせて実行する。つまり、顕微鏡１は、一定時間ごとに到来する各撮影タイミングでＺスタックを実行する。なお、タイムラプス撮影の開始から終了までの全工程において取得された画像の枚数をトータル撮影枚数Ｎｔと呼ぶことにする。
【００１９】
［Ｚスタック画像］
操作部３３を通じてＺスタック画像の取得（つまりＺスタックの実行）が指示されると、ＣＰＵ３０は、Ｚスタックの実行を顕微鏡１の制御部２０に指示する。この際に、ＣＰＵ３０は、操作部３３を通じてユーザーにより設定された制御パラメータ（たとえば、露光時間、Ｚスタック数Ｎｚ、トータル撮影枚数Ｎｔ、撮影開始時刻、光源の種類、フィルタ、対物レンズの倍率、Ｚステージの移動範囲Ｗなど）も制御部２０に送信される。制御部２０は、制御パラメータにしたがって露光時間などを撮像装置１８に設定するとともに、Ｚステージ（対物レンズユニット１２）を撮影開始位置に移動させるためにモータ１３を制御する。制御部２０は、撮影開始時刻になると光源を点灯させて撮影を開始する。制御部２０は、移動範囲ＷをＺスタック数Ｎｚ撮影枚数で除算して一回の移動距離である移動ピッチＰを求め、それに応じてモータ１３を駆動してＺステージを移動させる。つまり、１枚の画像を取得するたびに移動ピッチＰだけＺステージが移動する。撮影枚数がＺスタック数Ｎｚに一致するまでＺステージの移動と撮影とが繰り返し実行される。これにより、指定された枚数（Ｚスタック数Ｎｚ）の画像が取得される。制御部２０は、各画像を撮影したときの制御パラメータ（たとえば、撮影時刻、対物レンズ、ＺステージのＺ位置）を含むメタデータを作成して各画像に添付する。ＺステージのＺ位置は、実質的に、対物レンズと試料３との間の距離を示しており、Ｚ位置を示す位置データは距離を示す距離データに相当する。制御部２０は、画像を取得するたびに通信部２３を通じて当該画像を制御装置２に送信してもよいし、または、Ｚスタック数Ｎｚ分の複数の画像の取得が完了するたびにこれらの画像を一括して制御装置２に送信してもよい。なお、制御部２０は、メタデータとしてＺ位置を示す位置データ（距離データ）を各画像に付与してもよいが、制御パラメータに基づいてＣＰＵ３０がこのようなメタデータを作成してもよい。顕微鏡１に設定した制御パラメータには移動範囲および移動ピッチの情報が含まれているため、ＣＰＵ３０は移動範囲を移動ピッチで除算することによって各画像のＺ位置を求めることができる。ＣＰＵ３０は、通信インタフェース３２を通じて受信した複数のレイヤー画像を記憶装置３１に記憶する。このように、記憶装置３１は、顕微鏡１において対物レンズと試料３との間の距離を変えながら当該試料を撮影して取得された複数の画像と、各画像を取得したときの対物レンズの光軸方向における位置を示す位置データとを関連付けて記憶する記憶手段として機能する。この複数のレイヤー画像がＺスタック画像である。ＣＰＵ３０は、操作部３３からの指示に応じてＺスタック画像から３次元画像を構築して表示部３４に表示してもよい。
【００２０】
［オートフォーカスに関与する機能］
図４は、オートフォーカスに関与する主な機能を示すブロック図である。撮像制御部４０１は、複数の制御パラメータに基づいて撮像装置１８を制御する。メカ制御部４０３は、撮像制御部４０１によって制御される。メカ制御部４０３は、モータ１５を駆動してカラースイッチ２４を回転させ、試料３からの光をフィルタリングするカラーフィルタを光軸上に配置させる。カラースイッチ２４が回転することで、Ｒフィルタ１４０Ｒ、Ｇフィルタ１４０ＧおよびＢフィルタ１４０Ｂが順番に切り替えられる。撮像制御部４０１は、撮像装置１８を制御してＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させる。フォーカス制御部４０２は、メカ制御部４０３を通じてＺステージを含む対物レンズユニット１２を試料３に対して相対的に移動させてオートフォーカス制御を実行する。フォーカス制御部４０２が合焦位置を探索しているときは、カラースイッチ２４がＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタのうちいずれか１つのカラーフィルタを光軸ＡＸ上に固定し、カラーフィルタの連続的な切り替えを停止する。
【００２１】
撮像制御部４０１は、オートフォーカスの性能を向上させるため、たとえば、合焦位置の決定時間を短縮するために、次のユニットうち１つ以上のユニットを有することができる。ビニング設定部４１１は、フォーカス制御部４０２が合焦位置を探索しているときは、撮像装置１８に対してビニングを設定するユニットである。範囲設定部４１２は、フォーカス制御部４０２が合焦位置を探索しているときは、撮像装置１８が取得する画像の範囲を制限する。画像の範囲は、たとえば、顕微鏡１の観察視野を中心とした一定の範囲内であるユニットである。ゲイン設定部４１３は、フォーカス制御部４０２が合焦位置を探索しているときは、撮像装置１８のゲインを増加させるユニットである。フィルタ決定部４１４は、フォーカス制御部４０２がオートフォーカス制御を実行する直前に、撮像装置１８にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させ、取得したＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像に基づきオートフォーカス制御に用いるカラーフィルタを決定するユニットである。露光時間決定部４１５は、フォーカス制御部４０２がオートフォーカス制御を実行する直前に、それぞれ異なる露光時間を設定して撮像装置１８に画像を取得させ、取得した画像からオートフォーカス制御のための露光時間を決定するユニットである。露光時間決定部４１５は、たとえば、それぞれ異なる露光時間を設定して撮像装置１８に画像を取得させ、取得した画像からオートフォーカス制御のための露光時間を決定してもよい。この場合、露光時間決定部４１５は、複数の画像のそれぞれについて平均輝度を算出し、当該複数の画像のそれぞれを取得する際に撮像装置１８に設定されていた露光時間と当該平均輝度との関係から、平均輝度が最大輝度の半分となる露光時間を決定してもよい。また、露光時間決定部４１５は、Ｒ画像、Ｇ画像およびＢ画像のそれぞれについて露光時間を決定し、Ｒ画像の露光時間、Ｂ画像の露光時間およびＢ画像の露光時間のうちで最も短い露光時間をオートフォーカス制御のための露光時間として決定してもよい。なお、露光時間決定部４１５が決定した露光時間が所定の露光時間よりも長いときは、メカ制御部４０３がオートフォーカス制御のための対物レンズユニット１２の移動速度（Ｚ方向（光軸方向）の移動速度）を低下させてもよい。
【００２２】
表示制御部４２１は、顕微鏡１によって取得された画像データを表示部３４に表示させるための制御を実行する。設定部４２３は、ユーザーによって入力される制御パラメータを受け付けて顕微鏡１の制御部２０に設定するユニットである。
【００２３】
記憶装置３１には顕微鏡１によって取得された画像データ４３１やメタデータ４３２が記憶される。メタデータ４３２は画像データ４３１に関連付けて記憶され、たとえば、画像データ４３１を取得したときに顕微鏡１で使用された制御パラメータ（例：露光時間、撮影位置、カラーフィルタの種別、光源の種別など）を有している。
【００２４】
［オートフォーカスの基本フロー］
図５は、オートフォーカスの各工程を示すフローチャートである。オートフォーカスは様々な場面で実行される。たとえば、表示部３４にＲＧＢカラー画像が表示されているときに操作部３３を通じてオートフォーカスの実行が指示される。とりわけ、本実施例は、カラースイッチ２４とモノクロタイプの撮像素子を用いる顕微鏡においてオートフォーカスの性能を向上させるものである。とりわけ、オートフォーカスの実行中には１つのカラースイッチ２４の切り替えを停止して１つのカラーフィルタを継続して光軸位置に固定する。これにより、カラースイッチ２４の切り替え動作が不要となり、切り替えに伴う静定時間も不要となり、オートフォーカスの動作時間を短縮することが可能となる。また、ビニングを用いることで１画素当たりの受光面積が拡大するため露光時間を短縮でき、ひいてはオートフォーカスの動作時間を短縮することが可能となる。ビニングでは、隣り合う複数の素子がまとめられるため、露光時間が短くても十分な明るさの画像が得られる。つまり、露光時間を短縮できる。たとえば、微弱な蛍光しか発しない生物細胞について十分な明るさの画像を得るために、数秒の露光時間が必要となることがある。このような試料に対してビニングをかけることで露光時間を短縮でき。たとえば、露光時間が６．４秒で適切な画像が得られる試料３に対して、８ｘ８のビニングをかけると、０．１秒で同等の明るさの画像が得られる。このようにビニングによって露光時間を大幅に短縮することが可能となる。なお、ビニングによって、ＣＣＤなどの撮像装置１８からデータを読み出す回数が減るため、フレームレートが向上する。また、画像自体のピクセル数が減るため、データ転送量が減り、フレームレートが向上する。データ転送量が減ることにより、顕微鏡１と制御装置２との間における通信帯域が圧迫されにくくなる。このようにビニングによってさまざまな利点がもたらされる。以下では図５を参照しながらオートフォーカスの基本フローについて説明する。
【００２５】
Ｓ５０１で、制御部２０の撮像制御部４０１は制御装置２のＣＰＵ３０からオートフォーカス（ＡＦ）の開始指示を受信したかどうかを判定する。ＣＰＵ３０は、操作部３３からＡＦ開始指示が入力されると、ＡＦ開始指示を意味する制御信号を顕微鏡１に送信する。撮像制御部４０１は、受信した制御信号がＡＦ開始指示を意味する制御信号であれば、Ｓ５０２に進む。
【００２６】
Ｓ５０２で、撮像制御部４０１はＡＦのための初期設定を実行する。本実施例では、露光時間やビニング、ゲイン、フィルタ、ＡＦに使用する画像のサイズ（範囲）などの制御パラメータを決定するために画像を取得する。この画像を取得するための初期設定として、撮像制御部４０１はメカ制御部４０３に対してＺステージを予め定められた初期位置へ移動するよう指示する、メカ制御部４０３は、この指示に従ってモータ２２を駆動し、Ｚステージを初期位置に移動する。
【００２７】
Ｓ５０３で、撮像制御部４０１は所定のカラーフィルタが光軸位置に来るようにメカ制御部４０３にカラースイッチ２４の回転を指示する。メカ制御部４０３は、指示されたカラーフィルタが光軸位置に来るようにモータ１５を駆動してカラースイッチ２４を回転させる。なお、すでに指示されたカラーフィルタが光軸位置に固定されているときは、メカ制御部４０３はカラースイッチ２４を回転させずに、完了信号を撮像制御部４０１に送信する。
【００２８】
Ｓ５０４で、撮像制御部４０１は撮像装置１８を制御し、制御パラメータを決定するために使用する画像を取得する。この画像は１つであってもよいが、複数であってもよい。Ｓ５０５で、撮像制御部４０１は、取得した画像に基づいてＡＦ用の制御パラメータを決定する。たとえば、露光時間は短ければ短いほどＡＦに要する時間を短縮できるが、あまりにも短すぎると照度不足となって合焦位置を探索できなくなってしまう。よって、適切な露光時間を決定する必要がある。
【００２９】
たとえば、Ｓ５０４で、複数の露光時間（１ｍｓ、４ｍｓ、１６ｍｓ、６４ｍｓ、２５６ｍｓ）のそれぞれで画像を取得する。このような露光時間の最短時間や最長時間は、予め対物レンズや観察方法ごとに定めておくことができる。観察方法としては、たとえば、試料３に励起光を照射して観察を行う蛍光観察や、ＬＥＤの透過照明を当てて観察を行う透過照明観察などがある。撮像制御部４０１は、その時点で使用している対物レンズ（倍率）と観察方法との組み合わせに対応した複数の露光時間をＲＯＭなどに保持されているテーブルなどを参照して決定する。なお、操作部３３を通じてユーザーが複数の露光時間を設定してもよい。露光時間決定部４１５は、複数の露光時間に対応した複数の画像のそれぞれについて平均輝度を算出する。露光時間決定部４１５は、画像の取得に使用した露光時間と、その露光時間に対応した平均輝度との関係を線形補間し、平均輝度が中間値となるときの露光時間を算出する。たとえば、輝度のレンジが０から２５５の範囲であれば、中間値は１２８となる。
【００３０】
撮像制御部４０１は、露光時間を変化させる代わりにビニング設定部４１１がビニングを変化させてもよい。これにより露光時間の短縮を行うことができる。たとえば、露光時間のとりうる値域が１ｍｓから１６ｍｓまでだったと仮定する。ビニングを使用せずに取得された画像に基づき露光時間決定部４１５が決定した露光時間が４ｍｓだったと仮定する。このときは露光時間を短くして、転送フレームレートを向上させるために、露光時間決定部４１５が露光時間を１ｍｓに決定し、ビニング設定部４１１がビニングを２ｘ２に設定する。
【００３１】
なお、何らかの事情によってビニングを使用できないこともある。たとえば、画像の解像度をこれ以上下げたくない状況が該当する。ビニングによって複数の画素がまとめられると、画像の解像度が低下してしまうからである。このような場合、ゲイン設定部４１３がゲインを増大させてもよい。たとえば、露光時間を４分の１に低下させるには、ゲイン設定部４１３がゲインを４倍に設定する。
【００３２】
このように露光時間とビニングとを組み合わせる例と、露光時間とゲインとを組み合わせる例とを説明したが、露光時間、ビニングおよびゲインのうち１つのみを使用してもよいし、露光時間、ビニングおよびゲインの３つを組み合わせてもよい。
【００３３】
Ｓ５０６で、フォーカス制御部４０２は、撮像装置１８が出力する画像に基づき合焦位置を探索する。たとえば、フォーカス制御部４０２は画像のコントラストに基づき合焦位置を決定する。合焦位置の求め方自体はすでによく知られており、本発明でもコントラスト方式以外の合焦位置検出方法を使用できる。
【００３４】
ところで、オートフォーカスのさらなる高速化のために、観察視野中心に位置する特定の矩形領域のみの画像が使用されてもよい。オートフォーカスにおいては、観察視野のすべてをカバーする画像は必要がない。一般に顕微鏡１では観察視野の中心に試料３が配置されることが多いため、合焦の対象も観察視野の中心付近となる。よって、観察視野中心に位置する特定の矩形領域のみの画像が使用されてもよい。
【００３５】
また、本実施例では合焦位置の探索の開始前に制御パラメータ（露光時間）の決定を行っているが、合焦位置の探索を開始した後でステージを動かしながら制御パラメータの決定が実行されてもよい。
【００３６】
上記の実施例では、予め定めた特定の色の画像を用いてオートフォーカスを実行するものとして説明した。しかしながら、Ｓ５０３、Ｓ５０４で、Ｒ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得し、Ｓ５０５で、Ｒ画像、Ｇ画像およびＢ画像のそれぞれの露光時間を算出し、そのうちでもっとも露光時間が短くなる画像（カラーフィルタ）を決定してもよい。たとえば、Ｇ画像の露光時間が最短であれば、Ｓ５０６ではＧ画像を取得するようにカラースイッチ２４が設定され、合焦位置が探索される。これによりさらに露光時間を短縮することが可能となる。
【００３７】
合焦位置の探索時に利用する露光時間が長すぎると、フレームレートが著しく低下してしまうことがある。この場合、メカ制御部４０３は、Ｚステージの移動速度を予め設定されているオートフォーカス用の移動速度よりもさらに低下させてもよい。移動速度を低下させることで、合焦位置の探索精度の低下を抑制できる。
【００３８】
フォーカス制御部４０２は、はじめにスキャン方式で指定された区間についておおよその合焦位置を求め、おおよその合焦位置の周辺をステップ方式で探索して合焦位置を詳細に決定してもよい。このとき山登り方式（特開平６−３２４２５４号公報）が使用されてもよいし、または指定区間を移動して区間移動完了後にもっともコントラストが高かった場所を合焦位置として決定する方法が採用されてもよい。
【００３９】
［まとめ］
本実施例によれば、顕微鏡１は、試料３に照明光を照射する光源と、対物レンズと、対物レンズを光軸と平行に移動させる対物レンズユニット１２と、試料を光軸と直交した方向に移動させるＸＹステージ６と、対物レンズを通じて試料を撮像するモノクロタイプの撮像装置１８と、複数の制御パラメータに基づいて撮像装置１８を制御する撮像制御部４０１と、光軸上に設けられ試料からの光をフィルタリングするＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタを順番に切り替えて、撮像装置１８にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させるカラースイッチ２４と、対物レンズユニット１２を試料に対して相対的に移動させて合焦位置の探索を実行するフォーカス制御部４０２とを有している。とりわけ、フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行しているときは、カラースイッチ２４がＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタのうち１つのカラーフィルタに固定することでカラーフィルタの切り替えを停止する。これによりカラースイッチ２４の動作が制限されるため、オートフォーカスの性能である合焦速度（合焦時間）が向上する。
【００４０】
フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行しているときは、撮像制御部４０１が、撮像装置１８に対してビニングを設定してもよい。ビニングによって露光時間を短縮できるため、合焦時間をさらに短縮することが可能となる。
【００４１】
フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行しているときは、撮像制御部４０１が、撮像装置１８が取得する画像の範囲を制限してもよい。観察視野範囲をすべてカバーするような画像のサイズと比較して、オートフォーカス用の画像のサイズが小さくなる。これにより、合焦のための演算量を削減でき、合焦時間を短縮できる。画像サイズが削減されるため、顕微鏡１と制御装置２との間の通信量を削減できる。
【００４２】
画像の範囲は、顕微鏡１の観察視野を中心とした一定の範囲内であってもよい。これは、試料３は観察視野の中心に置かれることが多いためである。
【００４３】
フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行しているときは、撮像制御部４０１が、撮像装置１８のゲインを増加させてもよい。ゲインを増加させることで露光時間をさらに短縮し、合焦時間を短縮することが可能となる。
【００４４】
フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行する直前に、撮像制御部４０１は撮像装置１８に１つの画像を取得させ、取得した画像から合焦位置の探索のための露光時間を決定してもよい。あるいは、フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行する直前に、撮像制御部４０１はそれぞれ異なる露光時間を設定して撮像装置１８に画像を取得させ、取得した複数の画像から合焦位置の探索のための露光時間を決定してもよい。このように実際に画像を取得してみることでより適切な露光時間を決定しやすくなろう。
【００４５】
たとえば、撮像制御部４０１は、複数の画像のそれぞれについて平均輝度を算出し、当該複数の画像のそれぞれを取得する際に撮像装置１８に設定されていた露光時間と当該平均輝度との関係から平均輝度が最大輝度の半分となる露光時間を決定してもよい。上述したように露光時間と平均輝度とを線形補間することで、最大輝度の半分となる輝度に対応する露光時間を求めることが可能となる。輝度レンジが０から２５５であれば、最大輝度の半分となる輝度は１２８となる。最大輝度の半分となる輝度は、合焦位置を探索する上で都合がよい値であるため、最大輝度の半分を基準として露光時間を決定することには合理性がある。
【００４６】
撮像制御部４０１は、Ｒ画像、Ｇ画像およびＢ画像のそれぞれについて露光時間を決定し、Ｒ画像の露光時間、Ｂ画像の露光時間およびＢ画像の露光時間のうちで最も短い露光時間を合焦位置の探索のための露光時間として決定してもよい。このようにＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像のうちでもっとも短い露光時間がオートフォーカスに使用されるため、合焦時間を短縮できるようになろう。
【００４７】
撮像制御部４０１が決定した露光時間が所定の露光時間よりも長いときは、合焦位置の探索のための対物レンズユニット１２の移動速度を低下させてもよい。露光時間が長くなると、画像がぶれたりするため、合焦位置の探索精度が低下する。よって、対物レンズユニット１２の移動速度を低下させることで画像のブレを削減し、合焦位置の探索精度が向上する。なお、所定の露光時間は、撮像装置１８の感度などに依存するため、たとえば工場出荷時に決定された制御部２０内のＲＯＭに記憶されて、露光時間との比較のために使用される。
【００４８】
フォーカス制御部４０２が合焦位置の探索を実行する直前に、撮像制御部４０１は撮像装置１８にＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像を取得させ、取得したＲ画像、Ｇ画像およびＢ画像に基づき合焦位置の探索に用いるカラーフィルタを決定してもよい。上述したように３つのカラーフィルタのうちでもっとも露光時間の短くなるカラーフィルタが使用されるようになり、合焦時間を効率よく短縮できるようになろう。
【００４９】
照明光は、試料３に添加された試薬を発光させるための励起光であってもよい。本実施例に係る発明は、透過照明光源４からの照明光が使用されてもよいが蛍光落射照明光源８からの励起光が使用されてもよい。とりわけ、蛍光試薬が添加された試料３については蛍光落射照明光源８からの励起光によって試料３が発光する光をオートフォーカスに用いることで効率よく合焦位置を探索することが可能となろう。
【００５０】
図４においては、オートフォーカスに関与する機能のほとんどが顕微鏡１の制御部２０によって実現されるものとして説明したが、これらの機能は制御装置２のＣＰＵ３０によって実現されてもよい。ただし、オートフォーカスでは画像の転送が必要になるため、合焦時間を短縮するためには、できる限り多くの機能が顕微鏡１内に実装されてもよい。もちろん、顕微鏡１と制御装置２の通信帯域が十分広く、かつ、制御装置２のＣＰＵ３０の処理速度が顕微鏡１の制御部２０の処理速度を上回っていれば、制御装置２により多くの機能が実装されてもよい。たとえば、顕微鏡１の通信部２３は、撮像装置１８により取得された画像を転送する転送部として機能する。制御装置２のＣＰＵ３０は、通信部２３により転送されて来た画像に基づき合焦状態を判定し、判定結果に応じて対物レンズユニット１２を試料に対して相対的に移動させて合焦位置の探索を実行するフォーカス制御部を有していていもよい。このフォーカス制御部の機能は図４において説明したフォーカス制御部４０２と同様の動作を実行する。その他、撮像制御部４０１の機能も制御装置２のＣＰＵ３０によって実現されてもよい。
【００５１】
上述したように、カラースイッチ２４は、電気的に透過する光の波長を切り替え可能なチューナブルフィルタであってもよい。制御部２０からの制御信号によってチューナブルフィルタは、Ｒフィルタとして機能したり、Ｇフィルタとして機能したり、およびＢフィルタとして機能したりする。このようなチューナブルフィルタは、カラーフィルタターレットと比較して切替速度を短縮できること、および、コンパクト化の点で有利である。
【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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