(57)【要約】【課題】短時間で精度良く焦点検出を行うことができる顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡を提供する。【解決手段】対物レンズを介して形成される標本の像のコントラストを周期的に検出する検出手段と、検出手段による検出結果に基づいて、標本と対物レンズとの相対的な位置関係を所定の速度で連続的に変更する変更手段と、コントラストの検出周期と位置関係の変更速度との関係を調整する調整手段と、調整手段による調整結果に基づいて検出手段および変更手段を制御して焦点検出を行う制御手段とを備える。【選択図】　　　図１
2004021185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを介して形成される標本の像のコントラストを周期的に検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に基づいて、前記標本と前記対物レンズとの相対的な位置関係を所定の速度で連続的に変更する変更手段と、
前記コントラストの検出周期と前記位置関係の変更速度との関係を調整する調整手段と、
前記調整手段による調整結果に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して焦点検出を行う制御手段と
を備えたことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、
前記調整手段は、前記対物レンズの倍率に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整する
ことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、
前記対物レンズの合焦可能範囲内での前記コントラストの検出回数を設定する設定手段をさらに備え、
前記調整手段は、前記検出回数に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整する
ことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、
前記調整手段は、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整する際に、前記検出周期と前記変更速度とのうち何れか一方または両方を変化させる
ことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、
前記コントラストを所定のタイミングで検出する補助検出手段と、
前記補助検出手段による検出結果に基づいて、前記位置関係を所定の変更量で間欠的に変更する補助変更手段と、
前記補助変更手段による前記位置関係の変更量を調整する補助調整手段とを新たに備え、
前記制御手段は、前記調整手段による調整結果に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して、前記位置関係を連続的に変更させつつ前記コントラストを周期的に検出させる第１の制御モードと、前記補助調整手段による調整結果に基づいて前記補助検出手段および前記補助変更手段を制御して、前記位置関係を間欠的に変更させる毎に前記コントラストを検出させる第２の制御モードとを有し、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り換えて実行する
ことを特徴とする顕微鏡用焦点検出装置。
【請求項６】
対物レンズを含み、標本の像を形成する結像光学系と、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置と、
倍率が異なる複数の前記対物レンズを支持するとともに、前記複数の対物レンズのうち何れか１つを観察光路に挿入する挿入手段とを備え、
前記顕微鏡用焦点検出装置の前記調整手段は、前記観察光路に挿入された対物レンズの倍率に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整する
ことを特徴とする顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、標本の観察に用いられる顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、顕微鏡用の焦点検出装置として、画像コントラスト方式を採用した構成が知られている。画像コントラスト方式とは、標本の像を画像として取り込み、その画像のコントラストに基づいて焦点検出を行う方式である。
【０００３】
なお、画像コントラスト方式では、「ステップ送り方式」が主に採用されている。ステップ送り方式とは、ステージと対物レンズとの位置関係を細かいステップで変更して一旦停止し、コントラストのサンプリングを行うことを繰り返す方式である。このようなステップ送り方式には、焦点検出を精度良く行うことができるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のステップ送り方式では、細かいステップで位置関係を変更させるため、合焦までに時間がかかるという問題があった。
このような問題を解決するために、ステージと対物レンズとの位置関係を連続的に変更しながらコントラストのサンプリングを行う「スキャン方式」も提案されているが、スキャン方式では十分な精度が得られないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる顕微鏡用焦点検出装置およびそれを備えた顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の顕微鏡用焦点検出装置は、対物レンズを介して形成される標本の像のコントラストを周期的に検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて、前記標本と前記対物レンズとの相対的な位置関係を所定の速度で連続的に変更する変更手段と、前記コントラストの検出周期と前記位置関係の変更速度との関係を調整する調整手段と、前記調整手段による調整結果に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して焦点検出を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の顕微鏡用焦点検出装置は、請求項１に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、前記調整手段は、前記対物レンズの倍率に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の顕微鏡用焦点検出装置は、請求項１または請求項２に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、前記対物レンズの合焦可能範囲内での前記コントラストの検出回数を設定する設定手段をさらに備え、前記調整手段は、前記検出回数に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の顕微鏡用焦点検出装置は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、前記調整手段は、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整する際に、前記検出周期と前記変更速度とのうち何れか一方または両方を変化させることを特徴とする。
請求項５に記載の顕微鏡用焦点検出装置は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置において、前記コントラストを所定のタイミングで検出する補助検出手段と、前記補助検出手段による検出結果に基づいて、前記位置関係を所定の変更量で間欠的に変更する補助変更手段と、前記補助変更手段による前記位置関係の変更量を調整する補助調整手段とを新たに備え、前記制御手段は、前記調整手段による調整結果に基づいて前記検出手段および前記変更手段を制御して、前記位置関係を連続的に変更させつつ前記コントラストを周期的に検出させる第１の制御モードと、前記補助調整手段による調整結果に基づいて前記補助検出手段および前記補助変更手段を制御して、前記位置関係を間欠的に変更させる毎に前記コントラストを検出させる第２の制御モードとを有し、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り換えて実行することを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の顕微鏡は、対物レンズを含み、標本の像を形成する結像光学系と、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の顕微鏡用焦点検出装置と、倍率が異なる複数の前記対物レンズを支持するとともに、前記複数の対物レンズのうち何れか１つを観察光路に挿入する挿入手段とを備え、前記顕微鏡用焦点検出装置の前記調整手段は、前記観察光路に挿入された対物レンズの倍率に基づいて、前記検出周期と前記変更速度との関係を調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の顕微鏡用焦点検出装置が組み込まれた顕微鏡を用いて説明を行う。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項６に対応する。
本発明の顕微鏡１０は、図１に示すように、観察対象となる標本（不図示）を載置するステージ１１、対物レンズ１２、第２対物レンズ１３、中間変倍レンズ１４、ＣＣＤセンサ１５、信号処理部１６、ＣＰＵ１７、メモリ１８、表示部１９、および入力部２０から構成されている。
【００１２】
ここで、不図示の標本は、カバーガラス２１とスライドガラス２２との間に挟まれた生物標本（例えば細胞）である。図示省略したが、顕微鏡１０には、ステージ１１上に載置された標本を照明する照明装置も設けられる。照明装置は、透過型または落射型である。透過型の照明装置はステージ１１の下方に配置され、落射型の照明装置はステージ１１の上方に配置される。
【００１３】
また、図１には１本の対物レンズ１２のみを示したが、本実施形態の顕微鏡１０は、倍率が異なる複数の対物レンズ１２によって観察可能である。複数の対物レンズ１２は、不図示の電動レボルバに支持されている。そして、電動レボルバ（不図示）は、これを回転駆動する駆動部２３に接続されている。
さらに、ステージ１１はこれを駆動する駆動部２４に接続され、図１の矢印ａの方向に駆動される。ステージ１１の移動によって、標本と対物レンズ１２との相対的な位置関係が変更される。
【００１４】
以上説明した構成の顕微鏡１０において、対物レンズ１２は、標本の像を拡大する。そして、第２対物レンズ１３は、対物レンズ１２からの平行光を集光して結像光に変換する。中間変倍レンズ１４は、結像倍率を切り替える。
標本の像は、対物レンズ１２と第２対物レンズ１３と中間変倍レンズ１４とを通過し、ＣＣＤセンサ１５の撮像面に結像される。
【００１５】
ＣＣＤセンサ１５の撮像面では、各々の受光部に電荷が蓄積される。そして、ＣＣＤセンサ１５の各受光部に蓄積された電荷は、ＣＣＤセンサ１５を介して転送され、撮像信号として信号処理部１６に出力される。
そして、信号処理部１６で処理された画像は、表示部１９において不図示のモニタに表示される。したがって、ユーザは、表示部１９に表示された画像を見ることにより標本の像を観察することができる。
【００１６】
次に、顕微鏡１０における焦点検出装置について説明する。ただし、焦点検出装置の一部の構成は、顕微鏡１０の構成を兼用したものであるため説明を省略する。ここでは、焦点検出に関わる部分の構成と焦点検出に際しての各部の動作について、以下に説明する。
始めに、ステージ１１の駆動部２４について図２を用いて説明する。
【００１７】
駆動部２４には、図２に示すように、ステージ１１に取り付けられたＤＣモータ３１と、ＤＣモータ３１を回転させるモータ駆動回路３２と、ＤＣモータ３１の回転角を検出するロータリーエンコーダ３３と、ロータリーエンコーダ３３の検出結果に基づいてステージ１１の上下動をカウントするアップ／ダウンカウンタ３４とが設けられている。アップ／ダウンカウンタ３４のカウント結果は、上下動位置信号としてＣＰＵ１７に出力される。なお、ロータリーエンコーダ３３の代わりにリニアエンコーダーを用いても良い。
【００１８】
また、駆動部２４には、Ｄ／Ａコンバータ３５が設けられる。ＣＰＵ１７は、Ｄ／Ａコンバータ３５を介してステージ１１の位置の変更速度を示す情報をモータ駆動回路３２に対して出力する。なお、上記した変更速度を、以下では、「Ｚ軸サーチ速度」と称する。Ｚ軸サーチ速度を示す情報は、後述するメモリ１８の変数Ｚｓｐｅｅｄ［　］の領域に記憶される（詳細は後述する）。
【００１９】
また、ＣＰＵ１７は、モータ駆動回路３２に対して、後述するステップ送りの際にステージ１１の位置を変更させる変更量を示す情報も出力する。なお、上記した変更量を、以下では、「ステップ送り量」と称する。ステップ送り量を示す情報は、後述するメモリ１８の変数Ｚｓｔｅｐ［　］の領域に記憶される（詳細は後述する）。
【００２０】
ステージ１１は、上記したＤＣモータ３１が回転すると、その回転角に応じて上下動する。そして、ステージ１１上に載置された標本もカバーガラス２１、スライドガラス２２と共に上下動し、標本と対物レンズ１２との位置関係が変更される。
また、駆動部２４には、リミットセンサ３６が設けられている。リミットセンサ３６は、ステージ１１の上下動の限界点を検出するセンサであり、対物レンズ１２とカバーガラス２１との接触を回避するために設けたものである。
【００２１】
次に、信号処理部１６について、図２を用いて説明する。
信号処理部１６は、図２に示すように、Ａ／Ｄコンバータ３７とコントラスト検出回路３８とで構成されている。
Ａ／Ｄコンバータ３７は、ＣＣＤセンサ１５から出力される撮像信号をディジタルデータ化し、画像信号としてＣＰＵ１７とコントラスト検出回路３８とに出力する。なお、画像信号の出力は一定の時間間隔で周期的に行われ、この周期を「サンプリング周期」と称する。サンプリング周期を示す情報は、後述するメモリ１８の変数Ｍｃｙｃの領域に記憶され、本実施形態では、例えば、１／１５（Ｓ）とする。このようなサンプリング周期は、一般的に、顕微鏡１０および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じた固有の値である。
【００２２】
コントラスト検出回路３８は、ＣＰＵ１７からの指示に応じて、Ａ／Ｄコンバータ３７から出力された画像信号のコントラストを検出し、コントラストデータとしてＣＰＵ１７に出力する。
ここで、コントラスト検出回路３８からＣＰＵ１７に対して出力されるコントラストデータについて図３（ａ）を用いて説明しておく。図３（ａ）の横軸は、ステージ１１のＺ位置を示し、縦軸は、コントラストデータを示している。コントラストデータは、標本像のコントラストの大小を示す。そのため、ステージ１１が上下動してＺ位置が変わると、コントラストデータも変化し、あるＺ位置で最大となる。この位置が、図３（ａ）の合焦位置であり、以下、合焦位置Ｚｐと称する。
【００２３】
このようにコントラストデータに基づいて焦点検出を行う方式を「画像コントラスト方式」という。
ＣＰＵ１７は、上記したようにステージ１１の駆動部２４を制御しながら、コントラストデータとそのときのステージ１１のＺ位置とを読み出し、メモリ１８に記憶する。ここで、Ｚ軸サーチ速度の変化に応じたコントラストデータの例を図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示す。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、対物レンズ１２の倍率が同じで、Ｚ軸サーチ速度が異なる場合のコントラストデータの例である。図３（ｂ）がもっとも速度が遅く、図３（ｄ）がもっとも速度が速い。また、図３（ｂ）〜図３（ｄ）中の点線の間隔は、分解能を表す。分解能とは、ステージ１１の駆動部２４のロータリーエンコーダ３３が、「ステージ１１のＺ位置が変化した」と検出できる最小の間隔である。
【００２４】
上記したように、サンプリング周期は一定（１／１５（Ｓ））である。そのため、異なる２つのＺ位置の間（例えば、合焦可能範囲内）で読み出されるコントラストデータの数は、Ｚ軸サーチ速度が遅いほど多くなり、Ｚ軸サーチ速度が速いほど少なくなる。図３（ｂ）では、コントラストデータの数が多いので分解能よりも細かくサンプリングが行われている。したがって無駄が多い。また、図３（ｄ）では、コントラストデータの数が少ないので焦点検出の精度が低い。
【００２５】
次に、対物レンズ１２が支持されている電動レボルバ（図１では図示せず）の駆動部２３について、図２を用いて説明する。
図２に示すように、駆動部２３には、電動レボルバ１２ａに取り付けられたＤＣモータ３９と、ＣＰＵ１７からの回転制御信号に基づいてＤＣモータ３９を回転させるモータドライバ４０とが設けられる。
【００２６】
電動レボルバ１２ａは、上記したＤＣモータ３９の回転に応じて回転する。そして、電動レボルバ１２ａに支持された複数の対物レンズ１２も共に回転し、何れか１つの対物レンズ１２が顕微鏡１０の観察光路に挿入される。
駆動部２３には、電動レボルバ１２ａのレボルバ穴（例えば６個）のうち、顕微鏡１０の観察光路に挿入されたレボルバ穴の番号（１〜６）を検知するセンサ（不図示）も設けられる。
【００２７】
次に、入力部２０について、図２を用いて説明する。
入力部２０には、図２に示すように、キーボード４１、対物レンズ切換スイッチ４２および合焦制御開始スイッチ４３が設けられている。
本実施形態の顕微鏡１０において、キーボード４１は、対物レンズ情報などを入力するときに使用される。キーボード４１から入力された対物レンズ情報は、メモリ１８に記憶される。
【００２８】
対物レンズ切換スイッチ４２は、顕微鏡１０の観察光路に挿入された対物レンズ１２を別の対物レンズ１２に切り換えるときに使用される。ＣＰＵ１７は、対物レンズ切換スイッチ４２から入力された切換信号に基づいて電動レボルバの駆動部２３を制御し、切換信号によって指定されたレボルバ穴を顕微鏡１０の観察光路に挿入する。
【００２９】
合焦制御開始スイッチ４３は、顕微鏡１０における合焦制御の開始を指示するときに使用される。ＣＰＵ１７は、合焦制御開始スイッチ４３が操作されると、ＡＦ制御を実行する。
このように、ＣＰＵ１７は、メモリ１８に格納された制御プログラムや各種データ、信号処理部１６からのコントラストデータ、入力部２０から入力された各種の信号などを適宜参照しながら、上記したステージ１１の駆動部２４や電動レボルバの駆動部２３を制御する。
【００３０】
なお、メモリ１８には、顕微鏡１０において使用する可能性のある７本の対物レンズ１２に関して、図４（ｄ）に示すように、各々の倍率に応じて設定された合焦可能範囲（μｍ）のデータが、予め記憶されている。
ここで、対物レンズ１２の倍率と合焦可能範囲との関係について図５を用いて説明する。図５に示すように対物レンズ１２の倍率が低いほど、合焦可能範囲および焦点深度の幅は広くなる。また、対物レンズ１２の倍率が高いほど、合焦可能範囲および焦点深度の幅は狭くなる。
【００３１】
合焦可能範囲を示す情報は、メモリ１８の変数Ｚａｒｅａ［　］の領域に記憶される。ＣＰＵ１７は、対物レンズ１２が１倍のときにはＺａｒｅａ［１］、対物レンズ１２が２倍のときにはＺａｒｅａ［２］というように、対物レンズ１２の倍率に対応する部分を参照する（図４（ｄ）参照）。
また、メモリ１８には、前記した対物レンズ情報として、対物レンズ１２の倍率情報が変数Ｍｏｂｊ＿ｍａｇ［　］の領域に記憶され（図４（ａ）参照）、対物レンズ１２の開口数情報が変数Ｍｏｂｊ＿ｎａ［　］の領域に記憶される（図４（ｂ）参照）。さらに、メモリ１８には、前記したサンプリング周期情報がＭｃｙｃの領域に記憶され（図４（ｃ）参照）、Ｚ軸サーチ速度情報がＺｓｐｅｅｄ［　］の領域に記憶され（図４（ｅ）参照）、Ｚ軸ステップ送り量情報がＺｓｔｅｐ［　］の領域に記憶される（図４（ｆ）参照）。
【００３２】
なお、ＣＣＤセンサ１５，信号処理部１６，ＣＰＵ１７は、請求項の「検出手段」に対応し、ステージ１１，駆動部２４，ＣＰＵ１７は、請求項の「変更手段」，「補助変更手段」に対応する。また、ＣＰＵ１７は、請求項の「調整手段」，「制御手段」，「補助調整手段」に対応し、入力部２０，ＣＰＵ１７は、請求項の「設定手段」に対応する。さらに、駆動部２３，ＣＰＵ１７は、請求項の「挿入手段」に対応する。
【００３３】
次に、上記のように構成された顕微鏡１０における焦点検出動作について、図６〜図８のフローチャートを用いて説明する。図７に示す手順（ステップＳ２１〜３４）は、図６に示す手順（ステップＳ１〜１２）のステップＳ１０の処理を詳細に示したものであり、図８に示す手順（ステップＳ４１〜５０）は、図６に示す手順（ステップＳ１〜１２）のステップＳ１２の処理を詳細に示したものである。
【００３４】
ＣＰＵ１７は、顕微鏡１０に電源が投入されると、まず、顕微鏡１０の各部（メモリ１８など）を初期化する（図６のステップＳ１）。この初期化によって、ステージ１１が基準位置に配置される。基準位置とは、予め定められたステージ１１の移動開始位置であり、対物レンズ１２の倍率に拘らず同じ位置である（図３，図５参照）。また、ＣＣＤセンサ１５による標本の像の撮像が開始される。
【００３５】
初期化の後、ＣＰＵ１７は、入力部２０からの入力信号に基づく設定を行う（図６のステップＳ２〜Ｓ８）。その後、合焦制御開始スイッチ４３の入力があれば（ステップＳ９がＹ）、ＣＰＵ１７は、各部を介して、後述するピークサーチ処理を行い（図６のステップＳ１０）、ピークサーチが成功すると（図６のステップＳ１１Ｙ）、ピークサーチの結果に基づいて後述するピーク検出を行う（図６のステップＳ１２）。
【００３６】
なお、ピークサーチ処理は、請求項の「第１の制御モード」に対応し、ピーク検出処理は、請求項の「第２の制御モード」に対応する。
まず始めに、入力部２０からの入力信号に基づく設定処理（図６のステップＳ２〜Ｓ８）について説明する。
ＣＰＵ１７は、入力部２０を介して対物レンズ情報が入力されると（ステップＳ２がＹ）、対物レンズ情報をレボルバ穴の番号に対応付けてメモリ１８に記憶する（ステップＳ３）。対物レンズ情報は、レボルバ穴ごとの対物レンズ１２の倍率と開口数とであり、倍率はＭｏｂｊ＿ｍａｇ［　］の領域に記憶され（図４（ａ）参照）、開口数はＭｏｂｊ＿ｎａ［　］の領域に記憶される（図４（ｂ）参照）。
【００３７】
次に、ＣＰＵ１７は、図４（ｄ）のデータを参照して、対物レンズ１２の倍率に応じた合焦可能範囲（Ｚａｒｅａ［　］）を読み出す（ステップＳ４）。
そして、ＣＰＵ１７は、メモリ１８内の情報および合焦可能範囲情報に基づいて、Ｚ軸サーチ速度とＺ軸ステップ送り量とを算出する（ステップＳ５，Ｓ６）。
【００３８】
Ｚ軸サーチ速度は以下の式を用いて算出される。
Ｚ軸サーチ速度（μｍ／Ｓ）＝Ｚａｒｅａ［　］×Ｍｃｙｃ÷８・・・式１
式１のＺａｒｅａ［　］は対物レンズ１２の倍率に対応した合焦可能範囲であり、Ｍｃｙｃはサンプリング周期である。
また、式１の「８」の部分は、合焦可能範囲内で８回程度サンプリング（コントラストの検出）を行うことを意味する。合焦可能範囲内で８回程度サンプリングを行うことにより、合焦位置Ｚｐを大まかに見つけることができる。
【００３９】
そして、ＣＰＵ１７は、算出したＺ軸サーチ速度を、メモリ１８のＺｓｐｅｅｄ［　］の領域に、レボルバ穴の番号に対応付けて記憶する（図４（ｅ）参照）。
また、Ｚ軸ステップ送り量は、以下の式を用いて算出される。
Ｚ軸ステップ送り量（μｍ）＝２×λ÷｛２×（Ｍｏｂｊ＿ｎａ［　］）２×４｝・・・式２
式２のλは照明装置による照明光の波長であり、Ｍｏｂｊ＿ｎａ［　］は対物レンズ１２の開口数である。
【００４０】
また、式２の「４」の部分は、焦点深度内で４回程度サンプリング（コントラストの検出）を行うことを意味する。焦点深度内で４回程度サンプリングを行うことにより、高精度で焦点検出を行い合焦位置Ｚｐに位置決めすることができる。そして、ＣＰＵ１７は、算出したＺ軸ステップ送り量を、メモリ１８のＺｓｔｅｐ［　］の領域に、レボルバ穴の番号に対応付けて記憶する（図４（ｆ）参照）。
【００４１】
以上のような設定処理の結果、メモリ１８には、対物レンズ情報（倍率：Ｍｏｂｊ＿ｍａｇ［　］、開口数：Ｍｏｂｊ＿ｎａ［　］）、サンプリング周期情報（Ｍｃｙｃ）、合焦可能範囲情報（Ｚａｒｅａ［　］）、Ｚ軸サーチ速度情報（Ｚｓｐｅｅｄ［　］）、Ｚ軸ステップ送り量情報（Ｚｓｔｅｐ［　］）が記憶されることになる。
その後、対物レンズ切換スイッチ４２の入力があれば（ステップＳ７Ｙ）、ＣＰＵ１７は、入力された切換信号に基づいて対物レンズ１２の切換制御を行う（ステップＳ８）。
【００４２】
次に、図７を用いてピークサーチ処理について詳細に説明する。ピークサーチ処理は、高速かつ連続的にステージ１１の位置を変更しながら、周期的にサンプリングを行い、合焦位置Ｚｐを大まかに見つけるスキャン方式の処理である。
まず、ＣＰＵ１７は、メモリ１８を初期化する（ステップＳ２１）。メモリ１８には、以下の各領域が含まれる。
【００４３】
・コントラストデータの最大値を記憶する領域：コントラスト最大値メモリＣｍａｘ
・バックアップ用のコントラストデータを記憶する領域：コントラスト一時記憶メモリＣｏ
・コントラスト最大値のときのＺ位置を記憶する領域：最大Ｚ位置メモリＺｍａｘ・コントラスト一時記憶メモリＣｏの値に対応したＺ位置を記憶する領域：Ｚ軸位置一時記憶メモリＺｏ
・更新されたコントラストデータを記憶する領域：コントラストメモリＣ
・コントラストメモリＣの値に対応したＺ位置を記憶する領域：Ｚ位置メモリＺ初期化により、コントラスト最大値メモリＣｍａｘ、コントラスト一時記憶メモリＣｏ、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘ、Ｚ軸位置一時記憶メモリＺｏにそれぞれ初期化データ（最小値）が記憶される。
【００４４】
次に、ＣＰＵ１７は、ステージ１１の駆動部２４を制御して、ステージ１１を基準位置（サーチ開始位置）に移動させ、Ｚ位置を読み出す（ステップＳ２２）。そして、ＣＰＵ１７は、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘ、Ｚ軸位置一時記憶メモリＺｏにそれぞれ現在位置を記憶する。
サーチ開始位置への移動が終了すると、ＣＰＵ１７は、メモリ１８のＺｓｐｅｅｄ［］の領域からＺ軸サーチ速度情報を読み出し（ステップＳ２３）、Ｄ／Ａコンバータ３５を介して、モータ駆動回路３２に、Ｚ軸サーチ速度情報を出力する。そして、ＣＰＵ１７は、ステージ１１の駆動部２４とコントラスト検出回路３８とに制御開始信号を出力して、実際のピークサーチ処理を開始する（ステップＳ２４）。
【００４５】
ＣＰＵ１７により制御開始信号が出力されると、ステージ１１の位置の連続的な変更が始まるとともに、コントラストの周期的な検出が始まる。この時のステージ１１の位置の変更速度はＺｓｐｅｅｄ［　］に対応した速度であり、コントラストの検出周期はＭｃｙｃに対応したサンプリング周期である。
コントラストデータが更新されると（ステップＳ２５Ｙ）、ＣＰＵ１７は、コントラストデータをコントラストメモリＣに記憶し、そのときのＺ位置をＺ位置メモリＺに記憶する（ステップＳ２６）。
【００４６】
このとき、ステージ１１の駆動部２４のリミットセンサ３６を介して、リミット検出信号が検出された場合（ステップＳ２７Ｙ）、ＣＰＵ１７は、ステージ１１の駆動部２４に制御停止信号を出力し（ステップＳ２８）、エラー処理を行う（ステップＳ２９）。
リミット検出信号が検出されなかった場合（ステップＳ２７Ｎ）、ＣＰＵ１７は、コントラストメモリＣの値がコントラスト最大値メモリＣｍａｘの値より大きいか否かを判定する（ステップＳ３０）。そして、コントラストメモリＣの値のほうが大きかった場合（ステップＳ３０Ｙ）、コントラスト最大値メモリＣｍａｘの値をコントラストメモリＣの値に更新し、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘの値をＺ位置メモリＺの値に更新する（ステップＳ３１）。その後、ＣＰＵ１７は、ステップＳ２５に戻り、ステップＳ２５〜ステップＳ３１の処理を繰り返す。
【００４７】
したがって、ＣＰＵ１７は、コントラストメモリＣの値がコントラスト最大値メモリＣｍａｘの値より小さくなる（ステップＳ３０Ｎ）まで、ステージ１１の位置を連続的に移動させつつ、Ｍｃｙｃのサンプリング周期でコントラストの検出を行い続ける。
そして、コントラストメモリＣの値のほうが小さくなる（ステップＳ３０Ｎ）と、ＣＰＵ１７は、ピーク位置を通過したか否か判定する（ステップＳ３２）。
【００４８】
なお、ピーク位置を通過したか否かの判定は、今回の処理で入力したコントラストメモリＣの値とコントラスト最大値メモリＣｍａｘの値との間に所定の差分があるかどうかを判断することにより行われる。
ピーク位置を通過したと判定した場合（ステップＳ３２Ｙ）、ＣＰＵ１７は、ステージ１１の駆動部２４とコントラスト検出回路３８とに制御停止信号を出力し（ステップＳ３３）、ピークサーチ処理を終了する。
【００４９】
一方、ピーク位置を通過したと判定できなかった場合（ステップＳ３２Ｎ）、ＣＰＵ１７は、今回の処理で入力したコントラストメモリＣの値をバックアップ用にコントラスト一時記憶メモリＣｏにコピーし、Ｚ位置メモリＺの値をバックアップ用にＺ位置一時記憶メモリＺｏにコピーする（ステップＳ３４）。これらのバックアップ用のデータは、ピーク位置を通過したか否かを次に判定する（ステップＳ３２）際に参照される。そして、ＣＰＵ１７は、ステップＳ２５に戻り、ステップＳ２５〜ステップＳ３４の処理を繰り返す。
【００５０】
ここで、ピークサーチ処理時のステージ１１の移動およびコントラストの検出の様子を図９（ａ）のグラフを用いて説明する。ピークサーチ処理時におけるステージ１１のＺ位置の移動は図９（ａ）の矢印の通りである。ＣＰＵ１７が、ステージ１１の駆動部２４に対して出力する信号は、制御開始信号および制御停止信号だけである。したがって、ステージ１１の位置は、ＣＰＵ１７により制御開始信号が出力されてから制御停止信号が出力されるまでの間、高速で、連続的に変更される。また、コントラストの検出は、＜１＞〜＜８＞のタイミングで周期的に行われる。そして、ピークサーチ処理が正常に終了した時点で、コントラスト最大値メモリＣｍａｘには＜７＞のときのコントラストデータが記憶され、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘには＜７＞のときのＺ位置が記憶される。
【００５１】
なお、ＣＰＵ１７により制御停止信号が出力されてから、実際にステージ１１が停止するまでにはタイムラグがあるため、ピークサーチが終了した時点で、ステージ１１は、＜８＞のＺ位置よりも図９（ａ）のグラフ上の右方にシフトする。
【００５２】
以上説明したピークサーチ処理の結果、ステージ１１の位置は、高速で、連続的に変更され、合焦位置Ｚｐの近傍に迅速に位置決めされることになる。
次に、図８を用いてピーク検出処理について詳細に説明する。ピーク検出処理は、ピークサーチ処理の結果を踏まえて、高精度で焦点検出を行い、合焦位置Ｚｐにステージ１１を位置決めするステップ送り方式の処理である。
【００５３】
まず、ＣＰＵ１７は、コントラスト一時記憶メモリＣｏに初期化データ（最小値）を記憶し、Ｚ位置一時記憶メモリＺｏに現在位置データを記憶する（ステップＳ４１）。
次に、ＣＰＵ１７は、メモリ１８のＺｓｔｅｐ［　］の領域から、Ｚ軸ステップ送り量情報を読み出し（ステップＳ４２）、Ｄ／Ａコンバータ３５を介して、モータ駆動回路３２に、Ｚ軸ステップ送り量情報を出力する。そして、ＣＰＵ１７は、ステージ１１の駆動部２４とコントラスト検出回路３８とに制御開始信号を出力して実際のピーク検出処理を開始する（ステップＳ４３）。ただし、ピーク検出処理においては、ステージ１１が移動する毎にコントラストの検出を行うにように、ＣＰＵ１７から制御開始信号が間欠的に出力されるものとする。ステージ１１の位置が変更されると、コントラストの検出が行われ、検出結果に応じて、再びステージ１１の位置が変更されることになる。また、ステージ１１は、上記したピークサーチ方向とは逆の方向（図９（ａ）のグラフの左方）に移動するよう制御される。
【００５４】
ＣＰＵ１７により制御開始信号が出力されると、ステージ１１の位置の間欠的な変更（ステップ送り）が始まるとともに、ステージ１１の位置が変更される毎にコントラストの検出が始まる。この時のステージ１１の位置の変更量はＺｓｔｅｐ［　］に対応したステップ送り量であり、コントラストはステージ１１の位置が変更される毎に検出される。
【００５５】
コントラストデータが更新されると（ステップＳ４４Ｙ）、ＣＰＵ１７は、コントラストデータをコントラストメモリＣに記憶し、そのときのＺ位置をＺ位置メモリＺに記憶する（ステップＳ４５）。
次に、ＣＰＵ１７は、コントラストメモリＣの値がコントラスト最大値メモリＣｍａｘの値より大きいか否かを判定する（ステップＳ４６）。そして、コントラストメモリＣの値のほうが大きかった場合（ステップＳ４６Ｙ）、ＣＰＵ１７は、コントラスト最大値メモリＣｍａｘの値をコントラストメモリＣの値に更新し、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘの値をＺ位置メモリＺの値に更新する（ステップＳ４７）。そして、ＣＰＵ１７は、ステップＳ４３に戻り、ステップＳ４３〜ステップＳ４７の処理を繰り返す。
【００５６】
したがって、ＣＰＵ１７は、コントラストメモリＣの値がコントラスト最大値メモリＣｍａｘの値より小さくなる（ステップＳ４６Ｎ）まで、ステージ１１の位置を間欠的に変更させる毎に、コントラストの検出を行い続ける。
そして、コントラストメモリＣの値のほうが小さくなる（ステップＳ４６Ｎ）と、ＣＰＵ１７は、前回のコントラストデータが最大値であるか否かを判定する（ステップＳ４８）。なお、前回のコントラストデータが最大値であるか否かの判定は、図７ステップＳ３０と同様に行われる。
【００５７】
前回のコントラストデータが最大値であると判定した場合（ステップＳ４８Ｙ）、ＣＰＵ１７は、前回のコントラストデータに対応付けて記憶されているＺ位置にステージ１１を移動する（ステップＳ４９）。なお、「前回のコントラストデータに対応付けて記憶されているＺ位置」は、コントラストデータが最大値であるＺ位置、すなわち合焦位置Ｚｐである。そして、ＣＰＵ１７は、ピーク検出処理を終了する。
【００５８】
一方、前回のコントラストデータが最大値であると判定できなかった場合（ステップＳ４８Ｎ）、ＣＰＵ１７は、今回の処理で入力したコントラストメモリＣの値をバックアップ用にコントラスト一時記憶メモリＣｏにコピーし、Ｚ位置メモリＺの値をバックアップ用にＺ位置一時記憶メモリＺｏにコピーする（ステップＳ５０）。これらのバックアップ用のデータは、前回のコントラストデータが最大値であるか否かを次に判定する（ステップＳ４８）際に参照される。そして、ＣＰＵ１７は、ステップＳ４３に戻り、ステップＳ４３〜ステップＳ５０の処理を繰り返す。
【００５９】
ここで、ピーク検出処理時のステージ１１の移動およびコントラストの検出の様子を図９（ｂ）のグラフを用いて説明する。ピーク検出処理時におけるステージ１１のＺ位置の移動は図９（ｂ）の矢印の通りである。ＣＰＵ１７は、（１）〜（６）のタイミングで、ステージ１１の駆動部２４に制御開始信号を出力する。ステージ１１の位置は、ＣＰＵ１７により制御開始信号が出力される度に、間欠的に変更（ステップ送り）される。また、コントラストの検出は＜１＞〜＜６＞のタイミングで、ステージ１１の位置が変更される毎に行われる。そして、ピーク検出処理が終了した時点で、コントラスト最大値メモリＣｍａｘには＜５＞のときのコントラストデータが記憶され、最大Ｚ位置メモリＺｍａｘには＜５＞のときのＺ位置（合焦位置Ｚｐ）が記憶される。
【００６０】
以上説明したピーク検出処理の結果、ステージ１１は、合焦位置Ｚｐに精度良く位置決めされることになる。
上記のように、本実施形態の顕微鏡１０によれば、スキャン方式で大まかに焦点検出を行い、その結果に基づいてステップ送り方式の焦点検出を行うことにより、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる。
【００６１】
特に、ステージ１１の位置を変更する速度を、対物レンズ情報に基づいて調整することにより、最適な速度でスキャン方式の焦点検出を行うことができる。例えば、速度が速すぎて焦点検出の精度が悪くなるのを防ぐことができる。また、速度が遅すぎて時間がかかったり、サンプリング回数が無駄に多くなるのを防ぐことができる。また、ステップ送り量を、対物レンズ情報に基づいて調整することにより、最適なステップ送り量でステップ送り方式の焦点検出を行うことができる。
【００６２】
また、本実施形態の顕微鏡１０によれば、観察用画像を撮像する光学系（１２〜１４）およびＣＣＤセンサ１５を兼用して焦点検出を行う。したがって、焦点検出用の独自の光学系を必要としないためコストを抑えることができる。
なお、上記した実施形態では、スキャン方式とステップ送り方式とを組み合わせて焦点検出を行う例を示したが、スキャン方式のみを用いて焦点検出を行うようにしても良い。この場合、Ｚ軸サーチ速度を調整してスキャン方式の焦点検出を行うことにより、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる。なお、スキャン方式のみを用いて焦点検出を行う場合、図３（ｃ）に示したように、分解能に応じた数のコントラストデータを検出できるようにＺ軸サーチ速度を調整することにより、無駄なく、精度良く焦点検出を行うことができる。
【００６３】
また、対物レンズ１２の倍率が低い場合には、スキャン方式のみで十分な焦点検出精度を得ることができる。さらに、対物レンズ１２の倍率に応じて、スキャン方式とステップ送り方式とを組み合わて焦点検出を行うか否かを決定するようにすると良い。
なお、上記した実施形態では、サンプリング周期（コントラストの検出周期）が顕微鏡１０に応じた固有の値である例を示したが、顕微鏡１０および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じて可変であっても良い。その場合、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度との何れか一方または両方を変化させることにより、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度との関係を調整することができる。
【００６４】
サンプリング周期とＺ軸サーチ速度とが決まると、焦点検出精度が決まる。また、焦点検出精度が決まると、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度とを決めることができる。すなわち、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度との間には、相関関係がある。例えば、ある焦点検出精度を実現するためには、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度との何れか一方または両方を変化させることにより、サンプリング周期とＺ軸サーチ速度との関係を調整すれば良い。
【００６５】
したがって、サンプリング周期とＺ時サーチ速度との関係を調整することにより、焦点検出の精度を調整することになる。そのため、このような調整を行うことにより、例えば、対物レンズ１２の倍率が変わっても同じ焦点検出精度で焦点検出を行うことができる。また、同様の調整を行うことにより、例えば、対物レンズ１２が同じであっても所望の焦点検出精度で焦点検出を行うことができる。
【００６６】
なお、サンプリング周期が可変である場合には、対物レンズ情報入力の際に、サンプリング周期を設定可能にすると良い。また、設定は、顕微鏡１０および顕微鏡用焦点検出装置の構成、性能に応じて予め決められたいくつかのサンプリング周期から選択するようにすると良い。
また、上記した実施形態では、Ｚ軸サーチ速度を、予め設定された合焦可能範囲内でのサンプリング回数（コントラストの検出回数）に基づいて算出する例を示したが、このサンプリング回数をユーザ操作により設定するようにしても良い。図６ステップＳ５で用いた式１の「８」の部分を「変数Ａ」と置き換えると、式１により、合焦可能範囲内でＡ回程度サンプリング（コントラストの検出）を行うのに適当なＺ軸サーチ速度を算出することができる。
【００６７】
さらに、上記したようにサンプリング周期が可変であり、合焦可能範囲内でのサンプリング回数が設定可能である場合には、ユーザ操作により設定されたサンプリング回数を実現するようにサンプリング周期とＺ軸サーチ速度とを調整すると良い。
なお、Ｚ軸ステップ送り量についても同様に、焦点深度内でのサンプリング回数を設定可能にしても良い。
【００６８】
また、上記した実施形態では、焦点検出に用いるＣＣＤセンサ１５として、観察像撮像用のエリアセンサを兼用して用いる例を示したが、受光部が一列に配列されたラインセンサを焦点検出用に新たに備えても良い。その場合、図１の対物レンズ１２と第２対物レンズ１３との間に光路分割素子を設け、観察像撮像用のエリアセンサと焦点検出用のラインセンサとに光路を分割すれば良い。
【００６９】
また、上記した実施形態では、落射型または透過型の照明によって生物標本を観察する顕微鏡１０の例を示したが、本発明は、生物標本に限らず、例えば半導体ウエハを落射照明で観察する顕微鏡などにも適用できる。
さらに、上記した実施形態では、標本と対物レンズ１２との位置関係を調整するためにステージ１１を上下動させる例を示したが、対物レンズ１２を上下動させても良いし、対物レンズ１２と標本との双方を上下動させても良い。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、短時間で精度良く焦点検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の顕微鏡の全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態の顕微鏡の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】コントラストデータについて説明する図である。
【図４】本実施形態の顕微鏡のメモリに記憶される情報を示すテーブルである。
【図５】対物レンズの倍率と合焦可能範囲および焦点深度との関係を示す図である。
【図６】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態の顕微鏡における焦点検出動作を示すフローチャートである。
【図９】焦点検出動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０　顕微鏡
１１　ステージ
１２　対物レンズ
１３　第２対物レンズ
１４　中間変倍レンズ
１５　ＣＣＤセンサ
１６　信号処理部
１７　ＣＰＵ
１８　メモリ
１９　表示部
２０　入力部
２１　カバーガラス
２２　スライドガラス
２３，２４　駆動部
３１，３９　ＤＣモータ
３２　モータ駆動回路
３３　ロータリーエンコーダ
３４　アップ／ダウンカウンタ
３５　Ｄ／Ａコンバータ
３６　リミットセンサ
３７　Ａ／Ｄコンバータ
３８　コントラスト検出回路
４０　モータドライバ
４１　　キーボード
４２　対物レンズ切換スイッチ
４３　合焦制御開始スイッチ
【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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