(57)【要約】【課題】合焦時間を短くし、高速且つ安定したピント合わせを可能とする顕微鏡用オートフォーカス装置及び顕微鏡用オートフォーカス方法を提供すること。【解決手段】試料を載置するステージと対物レンズとの間の距離を調整する焦準部制御機構を持つ顕微鏡に適用される顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記試料からの可視光像、もしくは、前記対物レンズを通して、前記試料に投光した可視外スポット光の前記試料で反射された光像の強度に基づいて、前記試料の合焦位置を調整する手段と、試料が合焦位置に調節された後も、前記合焦状態信号に基づいて継続して試料の合焦位置を調整する手段を備え、前記光像の強度が所定のしきい値を下回った時に、予め記憶された合焦状態信号に基づいて焦準部制御機構を駆動する手段を備えた。【選択図】  図１
2005010665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置するステージと対物レンズとの間の距離を調整する焦準部制御機構を持つ顕微鏡に適用される顕微鏡用オートフォーカス装置において、
前記試料からの可視光像を検出、もしくは、前記対物レンズを通して、前記試料に投光した可視外スポット光の前記試料で反射された光像を検出する光電変換器と、
前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の可視光像のコントラスト強度、あるいは前記可視外スポット光の強度を算出する強度検出手段と、
前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の合焦状態を示す合焦状態信号を発生させる合焦状態検出手段と、
前記合焦状態信号に基づいて前記試料の合焦位置を調整する合焦位置調節手段と、
前記合焦合焦位置調節手段による合焦位置調整を再度行わせる再調整開始手段と、
前記合焦位置調節手段により試料が合焦位置に調節された後も、前記合焦状態信号に基づいて継続して試料の合焦位置を調整する合焦位置追従手段と、を備え、
前記合焦状態検出手段は、前記試料の合焦状態を記憶する手段を備え、
前記合焦位置追従手段は、前記強度検出手段で算出された値が、所定のしきい値を下回った時に、前記記憶された合焦状態に基づいて前記焦準部制御機構の駆動方向を設定すると共に、前記焦準部制御機構の駆動を停止させて待機状態とする追従動作待機手段と、前記待機状態時に前記再調整開始手段からの信号を受けた場合に、前記追従動作待機手段において設定した駆動方向に基づいて合焦位置調節手段を駆動する手段を備えたことを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記追従動作待機手段は、前記合焦位置追従手段に対する動作停止命令を受けた時に、設定された前記焦準部制御機構の駆動方向の情報を消去する手段を更に備えたことを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記強度検出手段で算出された値が、所定のしきい値を下回る時に、前記追従動作待機機能は、前記焦準部制御機構の駆動方向を、前記合焦状態信号に基づいて設定するか、又は予め設定された駆動方向に基づいて設定するかを選択する手段を更に備えたことを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記合焦状態検出手段は、前記光電変換器からの信号に基づいて、０、正又は負の符号を発生することを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス装置。
【請求項５】
試料を載置するステージと対物レンズとの間の距離を調整する焦準部制御機構を持つ顕微鏡に適用される顕微鏡用オートフォーカス装置に適用されるオートフォーカス方法において、
前記試料からの可視光像を検出、もしくは、前記対物レンズを通して、前記試料に投光した可視外スポット光の、前記試料で反射された光像を検出して、その光像に応じた信号を出力するステップと、
前記光像に応じた信号に基づいて、前記試料の可視光像のコントラスト強度、あるいは前記可視外スポット光の強度を算出するステップと、
前記光像に応じた信号に基づいて、前記試料の合焦状態を示す合焦状態信号を発生するステップと、
前記合焦状態信号に基づいて前記試料の合焦位置を調整するステップと、
前記合焦位置調整を再度行わせるステップと、
前記試料が合焦位置に調節された後も、前記合焦状態信号に基づいて継続して試料の合焦位置を調整するステップと、を備え、
前記合焦状態信号を発生するステップは、前記試料の合焦状態を記憶するステップを備え、
前記合焦位置を調整するステップは、前記強度を算出するステップで算出された値が、所定のしきい値を下回った時に、前記記憶された合焦状態に基づいて前記焦準部制御機構の駆動方向を設定すると共に、前記焦準部制御機構の駆動を停止させて待機状態とするステップと、前記待機状態時に前記合焦位置調整を再度行わせる信号を受けた場合に、前記設定した駆動方向に基づいて焦準部制御機構を駆動する手段を備えたことを特徴とする顕微鏡用オートフォーカス方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば対物レンズと試料との間の相対距離を調節して焦点を合わせる電動焦準機構を備えた顕微鏡システムに搭載されるオートフォーカス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、微細な試料を観察したり、観察像をビデオ画像として記録することのできる顕微鏡は、生物分野の研究をはじめ、工業分野の検査工程まで幅広く利用されている。このような顕微鏡を使用する場合、通常、焦準ハンドル操作により試料の焦点調節を行うことによってピント合わせ作業を行う。ところが、高倍対物レンズのように焦点深度が浅く、合焦範囲が狭い場合に素早くピント合わせ操作を行う為にはかなりの熟練を要するものの、このピント合わせ操作に対する操作性が悪いと生産効率の低下等の悪影響を及ぼすことになる。特に検査工程などルーチン作業の中では、この操作を素早く行い検査時間を短縮することが非常に重要となる。
【０００３】
そこで、このようなピント合わせ操作を自動的に行うことの出来る顕微鏡用のオートフォーカス（ＡＦ）装置が種々提案されており、しかもそれらの改善を目的とした提案も数多くされている。
【０００４】
工業分野でのＡＦ装置は、先述した様な操作性や、スループットの向上のみならず、例えば多層形成された半導体ウェハーのような段差のある試料に対して、それぞれの層の欠陥やパターン間の線幅を漏れなく検出・測定、或いは試料上の微少な段差を高精度で測定する、といった用途へのニーズがあり、これらの検査・測定に適した性能を持つＡＦ装置が提案されている。この様な工業分野のＡＦ装置では、試料への対応性、ＡＦ時間の短縮等の理由から、赤外光レーザ等の光を試料に投射し、反射した光の状態を検出して合焦動作を行う、いわゆるアクティブ型ＡＦ方式が多く採用されている。
【０００５】
一方、生物分野では、より正確なピント位置が要求される事や、アクティブ方式では不可能な、反射率の低い、透過型の試料を使用する事などから、観察画像のコントラストを検出してＡＦ動作を行う、いわゆるパッシブ型ＡＦ方式が主流である。
【０００６】
しかし、いずれのタイプのＡＦ装置においても、合焦時間の短縮は重要な課題である。そこで、如何に短時間で合焦位置を検出し、ＡＦ動作を完了させるか、という観点から考えた場合、ＡＦアルゴリズムは大きな要因の１つである。
【０００７】
このＡＦアルゴリズムの中でも、試料からの信号が検出されない時点でのピント位置検索動作、いわゆるＡＦサーチシーケンスは、ＡＦ時間に多大な影響を与える。
【０００８】
例えば、試料と対物レンズとの間隔が、ピント位置から離れている位置において、低反射率や低コントラストに起因する検出信号のレベル不足が発生している場合には、通常のＡＦシーケンスでは、予め設定された所定方向への駆動を行うことによってピント位置を探すようにしている。例えば特許文献１では、このような場合には、試料と対物レンズが接近する方向（近接方向）へ、ステージもしくはレボルバを駆動する。そして、試料からの信号を検出できないままリミット位置に達した場合には、駆動方向を逆転させる。従って、例えばステージ駆動の場合において、ピント位置が現在のステージＺ位置よりも下方に離れている場合には、まず逆方向である上方向へ向かってサーチを開始する。そして、上限リミットに達すると、元の位置まで戻る。次に、下方向へサーチを行い、ようやく試料からの信号を検出すると、ピント合わせ動作に入る。このように、特許文献１に記載の方法では、無駄な範囲をサーチするため、合焦時間が遅く（すなわち、長く）なる。
【０００９】
また、特許文献２には、リミット位置より前に駆動方向を切り替えて、不要な範囲のサーチを軽減する手法が示されている。しかし、これには再ＡＦ時において、試料（すなわち、被写体）からの信号が不可欠である。従って、この方法でも、信号が検出されない場合のサーチ動作は、特許文献１と同様に、やはり時間を費やしてしまう。
【００１０】
また上記の特許文献１及び特許文献２において、初回のＡＦが成功した後に常に試料を追従する動作、いわゆるリアルタイムＡＦ動作時に、ピント位置を見失いＡＦ不能に陥った場合には観察者により再びＡＦ開始の指令が出さることになるが、初回のＡＦシーケンスと再ＡＦ時のＡＦシーケンスとに違いは見られない。従って、再ＡＦ時においても、初回のＡＦシーケンスと同様なサーチが行われるため、再び不要なサーチ時間を費やしてしまう可能性が高い。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３５０７３８号公報
【００１２】
【特許文献２】特開昭５９−２０４８０９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ＡＦ動作中のサーチシーケンスに費やす時間を極力抑えることで、合焦時間を短くし、高速且つ安定したピント合わせを可能とする顕微鏡用オートフォーカス装置及び顕微鏡用オートフォーカス方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の様な手段を講じた。
【００１５】
本発明の一局面に係る発明は、試料を載置するステージと対物レンズとの間の距離を調整する焦準部制御機構を持つ顕微鏡に適用される顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記試料からの可視光像を検出、もしくは、前記対物レンズを通して、前記試料に投光した可視外スポット光の、前記試料で反射された光像を検出する光電変換器と、前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の可視光像のコントラスト強度、あるいは前記可視外スポット光の強度を算出する強度検出手段と、前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の合焦状態を示す合焦状態信号を発生させる合焦状態検出手段と、前記合焦状態信号に基づいて前記試料の合焦位置を調整する合焦位置調節手段と、前記合焦合焦位置調節手段による合焦位置調整を再度行わせる再調整開始手段と、前記合焦位置調節手段により試料が合焦位置に調節された後も、前記合焦状態信号に基づいて継続して試料の合焦位置を調整する合焦位置追従手段と、を備え、前記合焦状態検出手段は、前記試料の合焦状態を記憶する手段を備え、前記合焦位置追従手段は、前記強度検出手段で算出された値が、所定のしきい値を下回った時に、前記記憶された合焦状態に基づいて前記焦準部制御機構の駆動方向を設定すると共に、前記焦準部制御機構の駆動を停止させて待機状態とする追従動作待機手段と、前記待機状態時に前記再調整開始手段からの信号を受けた場合に、前記追従動作待機手段において設定した駆動方向に基づいて合焦位置調節手段を駆動する手段を備えたことを特徴とする。なお、本発明は、装置に限らず、オートフォーカスを実現するための方法或いはプログラムとしても成立する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るオートフォーカス（ＡＦ）装置及び同装置が適用される顕微鏡の全体構成を示す図である。
電動レボルバは、対物レンズ３と、複数の対物レンズ３を取り付け可能なレボルバ本体２と、レボルバ本体２を回転させて、任意の対物レンズ３を光路中に挿入させるために電気的な駆動を行うレボルバ用モータ１７と、レボルバ本体２の対物レンズ取り付け位置（以下、「レボ穴」とも称する）が現在光路中に挿入されているかを検出する為のレボ穴位置検出部１８から構成されている。また、レボ穴位置検出部１８は、レボルバ本体２のどの穴位置に対物レンズ３が装着されているかを検出する設定する。
【００１８】
電動レボルバは、コントロール部１５からの制御信号により制御される。すなわち、レボ穴位置検出部１８は、レボルバ本体２のどの穴位置に対物レンズ３が装着されているかを検出する信号をコントロール部１５に出力し、コントロール部１５は、レボルバ用モータ１７を回転させるためのレボルバ用モータ駆動部１６に制御信号を出力して、電動レボルバの回転制御を行う。
【００１９】
コントロール部１５は周知のＣＰＵ回路であり、図２に示すように、ＣＰＵ本体３０と、システムを制御するためのプログラムを格納するＲＯＭ３１と、制御に必要なデータを格納する揮発性メモリ等のＲＡＭ３２と、制御信号の入出力を行うＩ／Ｏポート３３と、ＣＰＵを制御する為に必要な図示しない発振器やアドレスデコーダー等の周知の周辺回路とを備えている。このＩ／Ｏポート３３やデータバス３４を介して、各周辺装置の制御を行う。
【００２０】
また、コントロール部１５には、各種操作ＳＷを配した操作部２３が接続されており、この操作部２３によって、ＡＦ開始／停止や対物レンズの切り替え等の操作を、観察者が行えるようになっている。
【００２１】
さらにＪＯＧエンコーダ２４が、パルスカウンタ２２を介してコントロール部１５に接続されており、例えば、エンコーダ等を使用したＪＯＧダイアル等によるステージの上下移動が可能である。
【００２２】
試料Ｓは、ステージ１の上に搭載され、対物レンズ３で観察できるようになっている。ステージ１には、焦準用モータ２１が接続されており、この焦準用モータ２１によって、ステージ１を光軸方向に上下動させることが可能になっている。焦準用モータ２１は、焦準用モータ駆動部２０により駆動される。なお、焦準用モータ駆動部はＩ／Ｏポート３３を介してコントロール部１５から制御を受けられる。
【００２３】
オートフォーカスに使用される基準光源４として、赤外線レーザ等の可視外光波長領域の光源が使用される。基準光源４は、光源のパルス点灯等を行い、光源の強弱をコントロールするレーザ駆動部１９によって制御される。基準光源４からのレーザ光は、コリメートレンズ５を通過して平行光になり、レーザ光の光束径の半分が投光側ストッパ６によりカットされる。その後、ＰＢＳ７（偏光ビームスプリッタ）でＰ偏光成分のみが反射されて、試料側に導かれる。
【００２４】
集光レンズ群８で一旦集光されたレーザ光の光束（以下、単に「光束」とのみ称する場合もある）は、色収差レンズ群９を通過する。この色収差レンズ群９は、コントロール部１５から色収差レンズ駆動部２５を介して色収差レンズ駆動用モータ２６により光軸方向へ移動することにより、色収差の補正が可能となっている。
【００２５】
色収差レンズ群９を通過した光は、λ／４板１０を通過する時に４５°偏光され、ダイクロイックミラー１１に入射する。
【００２６】
ここで、ダイクロイックミラー１１は、赤外域の光のみを反射する為、光束は反射される。
【００２７】
反射された光束は、対物レンズ３により試料Ｓにスポット形状の像を形成する。そして、試料Ｓにより反射された光束は、今度は逆に対物レンズ３、及びダイクロイックミラー１１を介して、λ／４板１０を再び通過する時に更に４５°偏光されて、Ｓ偏光成分に切り換わる。さらに、光束は、色収差レンズ群９、集光レンズ群８を戻り、ＰＢＳ７へ入射する。そして、光束がＳ偏光成分になっているので、光束は、そのままＰＢＳ７を透過し、集光レンズ群１２を通過した後に受光センサ１３に結像される。
【００２８】
この受光センサ１３は、光軸を中心に設置された２分割フォトダイオードで構成される。図３を参照して、受光センサ１３による合焦位置の検出について説明する。図３は、合焦状態による受光センサ１３の検出結果を示す図である。図３において、（ａ）が前ピン位置、（ｂ）が合焦位置、（ｃ）が後ピン位置の場合を示している。この場合において、受光センサ１３に結像されたスポットは、図３（ｂ）に示す様に、試料Ｓがピント位置にある場合（すなわち、合焦位置である場合）には、範囲が狭く高い信号強度になる。受光センサ１３に結像されたスポットがピント位置から下方向（すなわち後ピン位置）にある場合には、図３（ａ）に示す様に、Ａの範囲に偏った強度分布になる。また、受光センサ１３に結像されたスポットがピント位置から上方向（すなわち前ピン位置）にある場合には図３（ｃ）に示す様に、Ｂの範囲に偏った強度分布となり、それぞれ図３中に示したセンサ信号に変換される。センサ信号に変換された検出信号は、信号処理部１４で、図３において、ＡとＢの範囲に分割・検出されて、それぞれの範囲における強度の総和が算出される。これにより、図４（ａ）に示す様に、その横軸をステージの上下方向（デフォーカス）とすると、試料Ｓがピント位置にある場合には、ピント位置を挟んで左右対称なＡとＢの２つのカーブが検出できる。
【００２９】
これらのＡ及びＢの信号はコントロール部１５に入力され、コントロール部１５は、入力されたＡとＢの信号から、図４（ｂ）に示すような
Ａ＋Ｂ
及び、図４（ｃ）に示すような
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
を算出して、これらの信号に基づき、合焦動作を行う。
【００３０】
この様に、レーザ光が点灯制御され、試料に投影したレーザ光束の反射光を検出する事で、アクティブ型のＡＦ光学系が実現する。
【００３１】
なお、観察の為の照明光は、照明用光源２７からレンズ２８を通り、ハーフミラー２９で反射して、試料Ｓを上方向から照射する。試料からの反射光は、対物レンズ３を通り、ハーフミラー２９を透過した後、ダイクロイックミラー１１を通過して、観察光となる。
【００３２】
上記のような構成において、本発明の第１の実施形態におけるＡＦ動作を、図１と図５のフローチャートとを参照して説明する。
【００３３】
試料がピント位置から離れている（試料がぼけている）位置において、観察者は操作部２３に配された、図示しないＡＦ開始スイッチを押す（Ｓ１）。コントロール部１５は、観察者により予め設定されたＡＦ動作範囲内までステージ１を移動させる（Ｓ２）。このＡＦ動作範囲（以下、「ＡＦ−Ｚｏｎｅ」と称する）は、試料の厚みや対物レンズのＷＤを考慮して大まかに決められたピント位置の存在するＺ方向範囲である。
【００３４】
ＡＦ−Ｚｏｎｅ内にステージが移動した場合、もしくは最初から入っていた場合には、コントロール部１５はサーチ方向を上方向に仮設定して（Ｓ３）、現在位置でのＡ、Ｂ信号を検出（Ｓ４）する。この値より（Ａ＋Ｂ）、及びＥｆ値：（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が算出される。（Ｓ５、Ｓ６）。
【００３５】
（Ａ＋Ｂ）の値が所定の値ＴＨ１より高い場合（Ｓ７のＹｅｓ）には、試料からの信号、すなわちレーザ反射光強度が十分あるので、試料がピント位置近辺にいると判断し、Ｅｆ値の評価を行う（Ｓ１３）。Ｅｆ値の絶対値が、各対物レンズの焦点深度から決められる所定値ＴＨ２以下になった時（Ｓ１３のＹｅｓ）のステージＺ位置をピント位置とする（Ｓ１７）。Ｅｆ値の絶対値が所定値ＴＨ２より大きい場合には、Ｅｆ値の絶対値が０より大きければ、ステージ１の移動方向を下方向に設定して（Ｓ１６）、ステージ１を下方向に駆動させて（Ｓ１２）、再度、現在位置でのＡ、Ｂ信号を検出（Ｓ４）する。また、Ｅｆ値の絶対値が所定値ＴＨ２より大きい場合には、Ｅｆ値の絶対値が０であれば、ステージ１の移動方向を上方向に設定して（Ｓ１６）、ステージ１を上方向に駆動させて（Ｓ１２）、再度、現在位置でのＡ、Ｂ信号を検出（Ｓ４）する。
【００３６】
ステップＳ７において、（Ａ＋Ｂ）の値が所定の値ＴＨ１以下の場合には、ステップＳ３において設定したステージ方向である上方向へステージ１を駆動し、所定値ＴＨ１以上の（Ａ＋Ｂ）となる範囲をサーチする（Ｓ８）。観察者が予め設定したＡＦ−Ｚｏｎｅの上側リミットに到達した場合（Ｓ１０）、駆動方向を反転させ（Ｓ１１）、設定したＡＦ−Ｚｏｎｅ内の全範囲をサーチする（Ｓ８）。
【００３７】
ここで、全範囲をサーチしてもＴＨ１以上となる（Ａ＋Ｂ）が検出されなかった場合（Ｓ８のＹｅｓ）、試料の低反射率に起因するＡＦ不能と判断しＡＦ動作を中断する（Ｓ９）。
【００３８】
ＡＦが成功した場合には、試料ピント位置の追従動作（「リアルタイムＡＦ動作」と称する）へと移行し（Ｓ１７）、試料のピント位置を追従する動作を繰り返す（Ｓ１８〜Ｓ３３）。
すなわち、Ａ＋Ｂ＞ＴＨ１となる範囲で、｜Ｅｆ｜＜ＴＨ２となるステージ位置へ移動させる動作を繰り返す事で、ピント位置を追従する。なお、この追従動作は、ステップＳ７からＳ１６に示す動作と略同様であるので、その動作に係る詳細な説明は省略する。
【００３９】
ピント位置の追従中に、試料の移動により検出したＡ、Ｂ信号レベルが低下し、（Ａ＋Ｂ）がＴＨ１を下回った場合には（Ｓ２６）、コントロール部１５はステージ１の駆動を停止し、現在のＥｆ値の符号からステージ駆動方向を設定するものの、ステージ１の駆動は行わず、再び（Ａ＋Ｂ）がＴＨ１を上回る様なＡ、Ｂ信号を検出するまで、ピント合わせを行わない状態、すなわちウェイト状態となる（Ｓ２７）。
【００４０】
また、観察者により、操作部２３内に配された図示しない再ＡＦスイッチが押された場合（Ｓ２１）、コントロール部１５は、その時点でのステージ駆動方向情報をＲＡＭ３２に記憶し（Ｓ２２）、再びＡＦ動作を行う。この際、次に検出した（Ａ＋Ｂ）の値は所定の値ＴＨ１より低い為、先述した試料サーチ動作に入る。この場合において、ステージ１は、ステップＳ３で設定した方向ではなく、ＲＡＭ３２に記憶された方向に基づいて駆動する。なお、ステップＳ２１において、再ＡＦを行う場合に、ステージ１が駆動していない場合も考えられる。この場合には、ステージ駆動方向情報は、その直前の情報であっても良い。すなわち、ステージ１が駆動を開始した時点で、そのステージ駆動方向情報をＲＡＭ３２に逐次書き込む（前のデータを上書きしても良い）ようにし、直前にＲＡＭ３２に書き込まれた情報に基づいてステージ１を駆動させても良い。また、ステージ駆動方向情報を一定時間毎にＲＡＭ３２に書き込むようにしても良い。
【００４１】
一方リアルタイムＡＦ動作中に、観察者によりＡＦ動作が中断された場合（Ｓ１８）には、コントロール部１５は、その時点でのステージ駆動方向をＲＡＭ３２に記憶することなくクリアし（Ｓ１９）、ステージを停止させて、ＡＦ動作を終了させる（Ｓ２０）。この後、再びＡＦ動作を行う場合は、ステップＳ１からのシーケンスを実行する。
【００４２】
以上のような動作を行うＡＦ装置を用いて観察者が実際に試料を移動させながら観察を行う時のＡＦ装置の挙動を、図６を用いて説明する。なお、観察者は、図６に示した試料Ｓに対し、ＡＦ装置を動作させながら、観察を行うものとする。
【００４３】
試料Ｓには段差や勾配を持つ部分が存在する。今、観察者は試料Ｓを積載したステージ１を図６の矢印１の方向に移動させながら観察しようとしている。従って、対物レンズで観察できる測定個所、すなわちＡＦによるピント合わせの対象となる箇所は、図６の矢印２の方向へ移動する。ＡＦシステムによる試料信号の検出サイクルと、ステージ１の移動速度を考慮して、試料信号の検出箇所は、経時的にそれぞれａ→ｂ→ｃと変化するものとする。
【００４４】
また、ａ〜ｃの検出箇所における、前述した試料信号：Ａ、Ｂ信号から算出した（Ａ＋Ｂ）及び（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の、ステージＺ位置に伴う信号変化を、それぞれａ′〜ｃ′、ａ″〜ｃ″とする。
【００４５】
ａの位置でＡＦを開始させた場合、前述したＡＦシーケンスにより、ステージ１はまず上方向へ移動する。
【００４６】
この方向への移動は初期設定であり、（Ａ＋Ｂ）が所定値ＴＨ１を上回った後での（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の符号判定、もしくは上限リミットに到達する位置まで、移動方向は変わらない。
【００４７】
ａ′に示した（Ａ＋Ｂ）カーブの、所定値ＴＨ１より大きい範囲内を検出すると、その後ａ″に示した（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）カーブの０レベル付近すなわちαの位置でピント合わせを成功させ、リアルタイムＡＦ動作に移行する。
【００４８】
この後、観察者がステージ１をＸ方向に移動させ、ＡＦによるＡ、Ｂ信号の検出位置がｂに移ったとする。
この時、（Ａ＋Ｂ）のカーブはｂ′に変化するが、ステージ位置はαのままである。ｂ′中のα位置に対応する（Ａ＋Ｂ）は所定値ＴＨ１を上回っている為、リアルタイムＡＦ動作は継続可能である。すなわちｂ″中のβ位置までステージを移動させ、ピント位置を追従する。
【００４９】
次に、ＡＦによるＡ、Ｂ信号の検出位置がｃに移った時を考える。
この時、（Ａ＋Ｂ）のカーブはｃ′に変化し、ステージ位置はβのままである。ｃ′中のβ位置に対応する（Ａ＋Ｂ）は所定値ＴＨ１を下回っている為、試料ピント位置を追従しない、ウェイト状態をし、ｃ″中のβ位置に相当する箇所の符号を判定する。該当個所の符号は負である為、ステージ駆動方向を「上方向」と設定する。
【００５０】
同時に、図１における操作部２３に配された、図示しない表示部（ＬＥＤなど）により、追従動作が不能となっている事を観察者に知らせる。
【００５１】
観察者が、ｃ位置でのピント像を観察するべく、図１における操作部２３に配された図示しない再ＡＦスイッチを押すと、試料サーチ動作に移行し、先程設定した「上方向」、すなわちγ方向へステージ１を駆動する。
【００５２】
するとｃ′に示した（Ａ＋Ｂ）は所定値ＴＨ１を上回り、ｃ″に基づいて、γ位置にてＡＦが成功し、再びリアルタイムＡＦ動作に移行する。
【００５３】
この位置で、観察者が図１における操作部２３に配された図示しないＡＦ停止スイッチを押し、再び試料をａの位置に戻し、さらにＡＦ開始スイッチにてＡＦ動作を再開させた場合、試料サーチ動作における初回のサーチ方向は上方向である。これは先述した初期設定の方向であり、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の符号から判断した方向ではない。
【００５４】
一方、観察者がＡＦ停止をせずに、再び試料をａの位置に戻した場合、同様の理由でウェイト状態となるが、その後、再ＡＦスイッチを押した場合の、試料サーチ動作における初回のサーチ方向は下方向となる。理由は、ａ′中のγ位置の符号が正である為である。
【００５５】
この様に、ＡＦが試料の追従中に動作不能となり、再ＡＦが必要な場合に、直前の信号から試料ピント位置の、現在位置からの方向を判定し、これに基づいてＡＦ動作を再開する為、従来の固定方向へのステージ駆動にあった、間違った方向へのステージ駆動を回避し、合焦位置方向への確実なアプローチが可能となる。
従って、ＡＦ時間の短縮が可能となり、高速ＡＦが実現する。
【００５６】
また、ＡＦ動作中にＡＦ停止スイッチを押せば、先述のピント位置予測での試料サーチではなく、初期設定の駆動方向に基づいた動作となる為、試料の交換時や、マニュアルでのステージ移動後のＡＦ開始時に、意に反した方向へステージが移動する事もなく、安定した操作性が得られる。
【００５７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る装置の構成は前記第１の実施形態と同様であるため図示及び説明を省略する。
また、本第２の実施形態におけるＡＦシーケンスは、第１の実施形態におけるＡＦシーケンスの一部を変更したものであるので、図５のフローチャートと異なるシーケンスに新たな番号を付け、それ以外は図５と同じ番号を付す。
【００５８】
本第２の実施形態において前記第１の実施形態と異なる点は、リアルタイムＡＦ動作中のウェイト状態において、再ＡＦが行われる場合のステージ駆動方向の設定方法である。すなわちステップＳ３３に示したシーケンスであり、リアルタイムＡＦ動作中、ウェイト状態となった時にＥｆ値の符号から判定した駆動方向を使用するか、もしくはこれを使用せず、ステップＳ３に示した初期設定の方向を使用するかを、選択可能としている。その他の構成については、図５と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
第２の実施形態に係るＡＦシーケンスに従って、観察者が実際に試料を移動させながら観察を行う時のＡＦの挙動を、図８を用いて説明する。この場合において、観察者は、図８に示した試料Ｓに対し、ＡＦを動作させながら、観察を行うものとする。
また、試料Ｓは図５に示した試料と同じ形状であるが、各段差で反射率が異なるものとする。すなわち、ａ位置よりｂ位置の方が反射率が低く、ｃ位置ではさらに低反射率となっているものとする。
【００６０】
ａの位置でＡＦを開始させた場合、第１の実施形態同様、試料サーチ動作を行い、ａ′に示した（Ａ＋Ｂ）カーブの、所定値ＴＨ１より大きい範囲内を検出し、その後ａ″に示した（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）カーブの０レベル付近すなわちαの位置でピント合わせを成功させ、リアルタイムＡＦ動作に移行する。
【００６１】
この後、観察者がステージ１をＸ方向に移動させ、ＡＦによるＡ、Ｂ信号の検出位置がｂに移ったとする。
この時、（Ａ＋Ｂ）のカーブはｂ′に変化するが、ステージ位置はαのままである。ｂ′中のα位置に対応する（Ａ＋Ｂ）は所定値ＴＨ１を上回っているため、リアルタイムＡＦ動作は継続可能である。すなわちｂ″中のβ位置までステージを移動させ、ピント位置を追従する。
【００６２】
次に、ＡＦによるＡ、Ｂ信号の検出位置がｃに移った時を考える。
この時、（Ａ＋Ｂ）のカーブはｃ′に変化し、ステージ位置はβのままである。ｃ′中のβ位置に対応する（Ａ＋Ｂ）は所定値ＴＨ１を大きく下回っており、試料ピント位置を追従しない、ウェイト状態をし、ｃ″中のβ位置に相当する箇所の符号を判定する。ここで、本来であれば負となる（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の符号は正と検出される。理由は、試料の低反射率に起因するレーザ反射光不足の為にＡ、Ｂ両信号のレベルが極端に低下し、各信号に混入するノイズ成分によって、ピント位置から若干離れた位置での（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値が乱れる為である。
【００６３】
従って、ステージ駆動方向は「下方向」に設定される。同時に、図１における操作部２３に配された、図示しない表示部（ＬＥＤなど）により、追従動作が不能となっている事を観察者に知らせる。
【００６４】
観察者が、ｃ位置でのピント像を観察するべく、図１における操作部２３に配された図示しない再ＡＦスイッチを押すと、試料サーチ動作に移行し、先程設定した「下方向」、すなわち本来のピント方向であるγ方向とは逆方向へステージ１を駆動する。
その結果、無駄なサーチ時間を費やし、合焦時間が延びてしまう。
【００６５】
ところで、観察者が図１における操作部２３に配された、図示しない駆動方向設定スイッチにより、前述したような駆動方向記憶の機能を解除していた場合には、再ＡＦ動作における最初のステージ駆動方向は、常に初期設定である「上方向」になるので、試料の状態により、どちらに動くか予想が付かないというような不安定なＡＦシーケンスは回避される。
【００６６】
この様に、本第２の実施形態によれば、試料サーチ動作の初回駆動方向を、リアルタイムＡＦ動作中にウェイト状態になった時の（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の符号から設定するか、もしくは初期設定である固定方向への駆動とするかを、観察者が選択可能としたため、例えば反射率の非常に異なる箇所を持つ試料等の場合における、不安定なＡＦ動作を回避する事ができる。
【００６７】
上記の各実施形態において、試料と対物レンズ間の距離の調節は、ステージ駆動によって説明したが、例えば対物レンズを装着するレボルバを上下駆動する方式等に変更しても、全く同様の効果が得られる。
【００６８】
また、上記の各実施形態では、レーザ光を試料に照射し、反射光の状態に基づいてＡＦ動作を行う、いわゆるアクティブ型ＡＦについて説明を行ったが、試料像をＣＣＤラインセンサ等で検出し、コントラスト値に基づいてＡＦ動作を行う、いわゆるパッシブ型ＡＦにしても、その効果は同様である。
【００６９】
なお、上記の各実施形態では、ピント位置付近か否かの判断に使用した所定値ＴＨ１の値を、レーザ光の強度（Ａ＋Ｂ）に対して設定したが、例えばコントラスト方式などのパッシブ型ＡＦの場合は、ＣＣＤラインセンサ等で検出された試料像のコントラストの総和値に対して所定値ＴＨ１を設定すれば、同様のシーケンスにて効果が保持される。
【００７０】
更に、上記の各実施形態において、リアルタイムＡＦ動作中のＡＦ停止は、観察者によるＡＦ停止スイッチとしたが、これを例えば、ＪＯＧエンコーダ２４の回転を検出した場合や、コントロール部１５に接続された図示しないホストＰＣからのステージ駆動コマンドに同期して、ＡＦ動作を停止させるような構成としても良い。
【００７１】
また、上記の各実施形態において、ＡＦ開始、ＡＦ停止、再ＡＦ、駆動方向設定等の操作は、図１における操作部２３に配されたスイッチによるものとして説明したが、これを例えばコントロール部１５に接続した図示しないホストＰＣによる通信コマンドにより設定する方式をとっても、その効果になんら変わりはない。
【００７２】
上記のいずれの実施形態においても、その趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。
【００７３】
上記の各実施形態から下記の発明が抽出できる。なお、下記の各発明は単独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良い。
【００７４】
本発明の一局面に係る顕微鏡用オートフォーカス装置は、試料を載置するステージと対物レンズとの間の距離を調整する焦準部制御機構を持つ顕微鏡に適用される顕微鏡用オートフォーカス装置において、前記試料からの可視光像を検出、もしくは、前記対物レンズを通して、前記試料に投光した可視外スポット光の前記試料で反射された光像を検出する光電変換器と、前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の可視光像のコントラスト強度、あるいは前記可視外スポット光の強度を算出する強度検出手段と、前記光電変換器からの信号に基づいて、前記試料の合焦状態を示す合焦状態信号を発生させる合焦状態検出手段と、前記合焦状態信号に基づいて前記試料の合焦位置を調整する合焦位置調節手段と、前記合焦合焦位置調節手段による合焦位置調整を再度行わせる再調整開始手段と、前記合焦位置調節手段により試料が合焦位置に調節された後も、前記合焦状態信号に基づいて継続して試料の合焦位置を調整する合焦位置追従手段とを備え、前記合焦状態検出手段は、前記試料の合焦状態を記憶する手段を備え、前記合焦位置追従手段は、前記強度検出手段で算出された値が、所定のしきい値を下回った時に、前記記憶された合焦状態に基づいて前記焦準部制御機構の駆動方向を設定すると共に、前記焦準部制御機構の駆動を停止させて待機状態とする追従動作待機手段と、前記待機状態時に前記再調整開始手段からの信号を受けた場合に、前記追従動作待機手段において設定した駆動方向に基づいて合焦位置調節手段を駆動する手段を備えたことを特徴とする。これにより、ＡＦによる試料のピント位置の追従中に低コントラストや低反射率などにより動作不能となった場合の再ＡＦ動作時において、現在位置に対する試料ピント位置の方向を予測し、これに基づいてＡＦ動作を行う事が出来るため、ＡＦ時間の短縮が可能となり、高速ＡＦが実現する。
【００７５】
本発明の一局面の好ましい実施態様は以下の通りである。なお、下記の各実施態様は、それぞれ独立で適用しても良いし、適宜組合わせて適用しても良い。
（１）  前記追従動作待機手段は、前記合焦位置追従手段に対する動作停止命令を受けた時に、設定された前記焦準部制御機構の駆動方向の情報を消去する手段を更に備えたこと。これにより、試料の交換時や、マニュアルでのステージ移動後のＡＦ開始時に、意に反した方向へステージが移動する事もなく、安定した操作性を得る事が可能となる。
【００７６】
（２）  前記強度検出手段で算出された値が、所定のしきい値を下回る時に、前記追従動作待機機能は、前記焦準部制御機構の駆動方向を、前記合焦状態信号に基づいて設定するか、又は予め設定された駆動方向に基づいて設定するかを選択する手段を更に備えたこと。これにより試料の種類によって発生する可能性のある、意に反した方向へのステージ移動を回避し、安定したＡＦ性能を確保する事が可能となる。
【００７７】
（３）  前記合焦状態検出手段は、前記光電変換器からの信号に基づいて、０、正又は負の符号を発生すること。
【００７８】
本発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【００７９】
また、例えば各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の一局面における顕微鏡用オートフォーカス装置によれば、ＡＦ動作中のサーチシーケンスに費やす時間を極力抑えることで、合焦時間を短くし、高速且つ安定したピント合わせをすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るオートフォーカス（ＡＦ）装置及び同装置が適用される顕微鏡の全体構成を示す図。
【図２】コントロール部１５の概略構成を示す図。
【図３】合焦状態による受光センサ１３の検出結果を示す図。
【図４】受光センサ１３の検出結果に基づいて得られた信号例を示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるＡＦ動作を示す図。
【図６】第１の実施形態において、観察者が実際に試料を移動させながら観察を行う時のＡＦ装置の挙動を説明するための図。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるＡＦ動作を示す図。
【図８】第２の実施形態において、観察者が実際に試料を移動させながら観察を行う時のＡＦ装置の挙動を説明するための図。
【符号の説明】
１…ステージ
２…レボルバ本体
３…対物レンズ
４…基準光源
５…コリメートレンズ
６…投光側ストッパ
７…ＰＢＳ
８…集光レンズ群
９…色収差レンズ群
１０…板
１１…ダイクロイックミラー
１２…集光レンズ群
１３…受光センサ
１４…信号処理部
１５…コントロール部
１６…レボルバ用モータ駆動部
１７…レボルバ用モータ
１８…レボ穴位置検出部
１９…レーザ駆動部
２０…焦準用モータ駆動部
２１…焦準用モータ
２２…パルスカウンタ
２３…操作部
２４…ＪＯＧエンコーダ
２５…色収差レンズ駆動部
２６…色収差レンズ駆動用モータ
２７…照明用光源
２８…レンズ
２９…ハーフミラー
３０…ＣＰＵ本体
３１…ＲＯＭ
３２…ＲＡＭ
３３…Ｏポート
３４…データバス
【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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