(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本を載置するステージと、前記ステージと対物レンズとの間の相対距離を調整する焦準手段とを有する光学機器に取付けられる合焦状態信号出力装置において、
前記標本からの光を検出して光電変換を行う光検出手段と、
前記光検出手段からの信号に基づいて、合焦位置を挟んで逆符号で且つ前記合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧変化を呈し、前記標本に対する合焦状態を示す合焦状態信号を算出するとともに，前記合焦状態信号を前記光学機器の焦準手段に出力する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記焦準手段から与えられる波形設定情報を入力するとともに，該波形設定情報に基づいて前記合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き、前記合焦状態信号の出力電圧範囲、前記合焦状態信号に対するオフセット電圧量のうち少なくとも１つの設定を可変であることを特徴とする合焦状態信号出力装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記合焦状態信号を演算する演算手段と、前記焦準手段との情報の送受信を行う通信手段と、を有することを特徴とする請求項１記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記合焦状態信号に対して所定のしきい値を設定し，これら合焦状態信号およびしきい値の大小関係に基づいて合焦判定信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記対物レンズの倍率及び検鏡法に応じたしきい値を記憶する記憶手段を有し，
前記合焦状態信号の傾きの変化に応じて前記しきい値を設定することを特徴とする請求項３記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項５】
前記制御部は，前記光検出手段からの信号に対して所定のしきい値を設定し、これら信号およびしきい値の大小関係に基づいて合焦動作許可信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記対物レンズの倍率及び検鏡法に応じたしきい値を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項５記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項７】
前記合焦状態信号に対して設定されるしきい値または前記光検出手段からの信号に対して設定されるしきい値は、前記焦準手段からの指令に基づいて変更可能にしたことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の合焦状態信号出力装置。
【請求項８】
標本を載置するステージと、前記ステージと対物レンズとの間の相対距離を調整する焦準手段とを有する光学機器に取付けられる合焦状態信号出力装置において、
前記標本からの光を検出して光電変換を行う光検出手段と、
前記光検出手段からの信号に基づいて、合焦位置を挟んで逆符号で且つ前記合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧変化を呈し、前記標本に対する合焦状態を示す合焦状態信号を算出するとともに，前記合焦状態信号を前記光学機器の焦準手段に出力する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記焦準手段から与えられる波形設定情報を入力するとともに，該波形設定情報に基づいて前記合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き及び前記合焦状態信号の出力電圧範囲を可変であることを特徴とする合焦状態信号出力装置。
【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、顕微鏡の対物レンズと標本の間の相対距離に応じた合焦状態を示す合焦状態信号を出力する合焦状態信号出力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、微細な標本を観察したり、観察像をビデオ画像として記録できる顕微鏡は、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。そして、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標本の焦点調節を行いピント合わせ作業を行うようにしている。
【０００３】
ところが、例えば、高倍の対物レンズを用いた観察の場合、この種の高倍対物レンズは、焦点深度が浅く、合焦範囲が狭いため、素早くピント合わせ操作を行うのが難しく、かなりの熟練を要し、作業者の疲労、生産効率の低下を招くという問題があった。この問題は、特に、検査工程などのルーチン作業の中では、ピント合わせ操作を素早く行い検査時間を短縮ためにも非常に重要な事項であった。
【０００４】
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を可能にした顕微鏡用のオートフォーカス（ＡＦ）装置が種々提案され、さらに、それらの改善を目的としたものも種々提案されている。
【０００５】
例えば、工業分野に用いられるＡＦ装置では、上述した操作性、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表面に段差を有する標本に対し、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して、測定したり、標本上の微少な段差を高精度で測定するような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有するものが提案されている。
【０００６】
このような工業分野に用いられるＡＦ装置は、標本への対応性、ＡＦ時間の短縮等の理由から、赤外光レーザ等の光を標本に投射し、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方式のものが主流である。一方、生物分野に用いられるＡＦ装置は、より正確なピント位置が要求されることや、アクティブ方式では不可能な反射率の低い透過型の標本を対象とすることなどから、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方式のものが用いられている。
【０００７】
ところで、これまでのＡＦ装置は、アクティブ方式、パッシブ方式に関わらず、これらの性能を確保するため、顕微鏡の対物レンズと標本との間の相対距離に応じた合焦状態を示す合焦状態信号を出力する合焦状態信号出力部と、この合焦状態信号出力部からの信号に基づいて対物レンズと標本との間の相対距離を調節して焦点を合わせる焦準手段とを一体にして提供されるものが全てである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、最近では様々な検査装置やシステムに用いられる光学機器は、独自のＡＦ機能を求められるようになっており、これらの光学機器の多くは、焦準部である標本搭載用のステージ、あるいは対物レンズを装着するレボルバ等を独自の方式で駆動するものが少なくない。
【０００９】
そこで、焦準部の種類や駆動方法に関わらず、安定したＡＦ機能を実現させるためには、対物レンズと標本との間の相対距離に応じた合焦状態を示す合焦状態信号を出力する合焦状態信号出力部のみを別に用意し、このような合焦状態信号出力部からの信号を用いたＡＦ動作を、それぞれの焦準部の駆動機構に応じて、各装置メーカが開発すると言う、いわゆるＯＥＭ製品としての独立した「合焦状態信号出力装置」のニーズが高まっている。
【００１０】
この場合、合焦状態信号出力装置に最も要求される条件としては、誤差信号と呼ばれる標本の合焦状態を示す信号を、各装置メーカが開発する各々の焦準機構に最適な状態で出力し、高精度なＡＦ動作を実現させるということである。
【００１１】
このような誤差信号の検出手段を複数用意し、状況に応じて最良の信号を選択すると方式を採用したものとして、特開平１０-２６０３６３号公報に開示されたものがある。
【００１２】
この方法では、一対の受光センサのそれぞれを３つ（同心上）に分割し、各々の受光面に入射されるレーザ光を、複数の受光面組み合わせに基づいて誤差信号を演算し、この演算した複数の誤差信号のうち、対物レンズの瞳径に応じて、最適（良好な特性を持つカーブ）となる受光面の組み合わせを選択することで安定したＡＦ動作を可能とするものである。
【００１３】
ところが、このような方式のものでは、誤差信号は、予めメカ的に調整され、設定された組み合わせの受光素子から択一的に選択するものであるため、誤差信号の形状を任意に変更させることは不可能である。また、誤差信号を外部に出力させるような考え自体存在しておらず、ＡＦ動作を外部システムに任せるような工夫はなされていない。さらに、複雑かつ精密な光学系で構成された装置からの信号を自在にカスタマイズすることは困難であり、上述したようなメカ的な誤差信号の選択では、ＯＥＭ等への汎用性を考えた場合、十分な性能は確保することができない。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、特性の異なる焦準手段に対して最適な波形の合焦状態信号を提供でき、高精度かつ高速なＡＦ動作を可能にした合焦状態信号出力装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、標本を載置するステージと、前記ステージと対物レンズとの間の相対距離を調整する焦準手段とを有する光学機器に取付けられる合焦状態信号出力装置において、前記標本からの光を検出して光電変換を行う光検出手段と、前記光検出手段からの信号に基づいて、合焦位置を挟んで逆符号で且つ前記合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧変化を呈し、前記標本に対する合焦状態を示す合焦状態信号を算出するとともに，前記合焦状態信号を前記光学機器の焦準手段に出力する制御部と、を有し、前記制御部は、前記焦準手段から与えられる波形設定情報を入力するとともに，該波形設定情報に基づいて前記合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き、前記合焦状態信号の出力電圧範囲、前記合焦状態信号に対するオフセット電圧量のうち少なくとも１つの設定を可変であることを特徴としている。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御部は、前記合焦状態信号を演算する演算手段と、前記焦準手段との情報の送受信を行う通信手段と、を有することを特徴としている。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明におい、前記制御部は、前記合焦状態信号に対して所定のしきい値を設定し，これら合焦状態信号およびしきい値の大小関係に基づいて合焦判定信号を出力することを特徴としている。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記制御部は、前記対物レンズの倍率及び検鏡法に応じたしきい値を記憶する記憶手段を有し，前記合焦状態信号の傾きの変化に応じて前記しきい値を設定することを特徴としている。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記制御部は，前記光検出手段からの信号に対して所定のしきい値を設定し、これら信号およびしきい値の大小関係に基づいて合焦動作許可信号を出力することを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記制御部は、前記対物レンズの倍率及び検鏡法に応じたしきい値を記憶する記憶手段を有することを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項３乃至６のいずれかに記載の発明において、前記合焦状態信号に対して設定されるしきい値または前記光検出手段からの信号に対して設定されるしきい値は、前記焦準手段からの指令に基づいて変更可能にしたことを特徴としている。
請求項８記載の発明は，標本を載置するステージと、前記ステージと対物レンズとの間の相対距離を調整する焦準手段とを有する光学機器に取付けられる合焦状態信号出力装置において、前記標本からの光を検出して光電変換を行う光検出手段と、前記光検出手段からの信号に基づいて、合焦位置を挟んで逆符号で且つ前記合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧変化を呈し、前記標本に対する合焦状態を示す合焦状態信号を算出するとともに，前記合焦状態信号を前記光学機器の焦準手段に出力する制御部と、を有し、前記制御部は、前記焦準手段から与えられる波形設定情報を入力するとともに，該波形設定情報に基づいて前記合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き及び前記合焦状態信号の出力電圧範囲を可変であることを特徴としている。
【００２０】
この結果、本発明によれば、焦準手段側より与えられる波形設定情報に基づいて標本の合焦状態を示す合焦状態信号のゼロクロス付近の傾き、出力電圧範囲およびオフセット電圧を任意に設定できるので、様々な特性を有する焦準手段に対しても最適な波形の合焦状態信号を提供することができ、どのような焦準手段についても誤動作を回避した高精度かつ高速なＡＦ動作が可能となる。
【００２１】
また、本発明によれば、合焦状態信号に対して、しきい値を設定したことにより、常に一定の出力期間を有する合焦判定信号を出力することができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、光検出手段からの信号に対しても、しきい値を設定し、ＡＦ動作許可信号を出力するようにしたので、このＡＦ動作許可信号の範囲以外では、合焦位置の判定は行わずに、ＡＦ動作を継続するようにすることで、大ぼけ位置でのＡＦ誤動作（偽合焦）を回避できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明が適用される合焦状態信号出力装置を有する顕微鏡の概略構成を示している。
【００２５】
この場合、図面中、破線で囲まれた部分が本発明を適用した基本構成、すなわち、合焦状態信号出力装置１００を示し、破線の外に合焦状態信号出力装置１００から合焦状態信号が与えられる焦準手段として外部ユニット２００を示している。外部ユニット２００は、後述する機能が達成されていれば、どのような構成でも全く同様の効果を得ることができる。
【００２６】
図において、１は基準光源で、この基準光源１には、赤外光レーザ等の可視外光波長領域の光源が使用される。また、基準光源１は、光源のパルス点灯等を行うとともに、光源の強弱をコントロールするレーザ駆動部２より制御される。
【００２７】
基準光源１からのレーザ光は、平行光を保つためのコリメートレンズ３を通り、平行光となった後、光束の半分を投光側ストッパ４によりカットされる。その後、ビームスプリッタ５でＰ偏光成分のみが反射され、集光レンズ群６に入射する。そして、集光レンズ群６により一旦集光された光束は、色収差補正レンズ群７を通り、λ／４板８を通過する時に４５°偏光され、ダイクロックミラー９に入射する。
【００２８】
ここで、色収差補正レンズ群７は、後述する対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を通って図示しない接眼レンズに導かれる可視光像とレーザ光との波長ズレに起因するピントのズレを補正するもので、色収差レンズ用モータ駆動部１１により駆動モータ１２を介して光軸方向（図示矢印方向）に移動可能となっている。また、ダイクロックミラー９は、赤外域のみを反射し、可視域は通過する性質を有しており、これにより、レーザー光を反射し、標本観察のための可視光（観察及び照明光）は、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）側から垂直に抜け、図示しない接眼レンズでの観察が可能になっている。
【００２９】
ダイクロックミラー９により反射した光束は、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介して標本としての観察試料Ｓ上にスポット形状の像を形成する。
【００３０】
ここで、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）は、回転可能な電動レボルバ本体１３に設けられている。電動レボルバ本体１３は、レボルバ用モータ駆動部１４によりレボルバ用モータ１５を介して回転され、任意の対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を光路上に切換えるようになっている。図示例では、対物レンズ１０ａが光路上に位置している場合を示している。また、観察試料Ｓは、外部ユニット２００の試料移動ステージ２１に載置され、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介して観察できるようになっている。
【００３１】
試料移動ステージ２１は、外部制御手段２２により光軸方向（図中矢印の方向）に上下動可能となっている。ここでの外部制御手段２２は、合焦状態信号出力装置１００と別に装置メーカなどで独自に開発されるもので、ステージ駆動手段として、例えばモータやピエゾ素子などを有し、これらによる光軸上の任意の位置へのステージ移動と、後述する制御部２０からの誤差信号ａに基づいて観察試料Ｓを合焦位置に導くＡＦ機能を併せ持っている。
【００３２】
一方、観察試料Ｓにより反射した光束は、今度は逆に対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を介してダイクロックミラー９に入射し、ここで反射してλ／４板８を通過する際に、さらに４５°偏光され、Ｓ偏光成分に切り換わる。そして、色収差補正レンズ群７、集光レンズ群６を戻り、ビームスプリッタ５へ入射される。この場合、光束は、Ｓ偏光成分になっているので、そのままビームスプリッタ５を透過し、集光レンズ群１６を通過した後に光検出器１７に結像される。
【００３３】
光検出器１７は、光軸を中心に２個のフォトダイオード（センサーＡ、Ｂ）を並べて設けたもので、このような光検出器１７で結像されたスポットは、増幅器１８で電流・電圧変換された後、Ａ／Ｄ変換器１９で処理し易い電圧レベルに増幅される。つまり、光検出器１７より出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１９でデジタル信号に変換され、制御部２０に入力される。
【００３４】
制御部２０は、光検出器１７からの出力により観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号ａ、後述する合焦状態に応じた種々の合焦判定信号ｂ、ＡＦ動作許可信号ｅなどを演算する演算手段２０ａ、外部ユニット２００の外部制御手段２２とのデータのやり取りを行う、例えばＲＳ−２３２Ｃを用いた通信手段２０ｂおよび上述したレーザ駆動部２、色収差レンズ用モータ駆動部１１、レボルバ用モータ駆動部１４に対してコントロール指示を与える制御手段２０ｃを有している。この場合、演算手段２０ａにより演算される観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号ａは、アナログ信号として出力可能であるとともに、合焦判定信号ｂやＡＦ動作許可信号ｅは、ロジックレベルとして出力可能となっている。
【００３５】
図２は、このような制御部２０の具体的構成図を示すもので、ここでは、周知のＣＰＵ回路として、ＣＰＵ本体２０１、システムを制御するためのプログラムを格納してあるＲＯＭ２０２、制御に必要なデータを格納する揮発性メモリ等のＲＡＭ２０３、制御信号の入出力を行うＩ／Ｏポート２０４、およびＣＰＵ本体２０１を制御するのに必要な図示しない発振器、アドレスデコーダー等の周知の周辺回路から構成されている。そして、Ｉ／Ｏポート２０４やデータバス２０５から各々の周辺装置の制御を行うようにしている。
【００３６】
次に、外部ユニット２００の指示により合焦位置検出を行う場合の動作を説明する。
【００３７】
いま、外部制御手段２２からの通信コマンドにより、合焦位置検出動作が開始されると、制御部２０は、合焦位置検出用のスポットを観察試料Ｓに照射するためにレーザ駆動部２に指示を与え、基準光源１の発振を開始する。
【００３８】
基準光源１からの光束は、観察試料Ｓにスポットとして照射され、ここで反射した光束は、光検出器１７に投影される。制御部２０は、この投影されたスポットの位置および強度に基づいて演算手段２０ａにより合焦状態を示す誤差信号ａを演算する。
【００３９】
ここで、合焦状態の検出方法を説明すると、いま、仮に、試料移動ステージ２１の位置が合焦位置より下、すなわち対物レンズ１０ａから遠い場合（以下、後ピンと呼ぶ）を想定すると、基準光源１のレーザ光により光検出器１７に結像されるスポット像は、図３（ｃ）に示すようになり、中心位置からセンサーＢ側に、大きな範囲で結像される。
【００４０】
逆に、試料移動ステージ２１が合焦位置より上にある場合、すなわち対物レンズ１０ａに近い場合（以下、前ピンと呼ぶ）は、図３（ａ）に示すようにセンサーＡよりに結像される。これら２つの位置では、光検出器１７面上に全てのスポットが入りきらないため、検出される強度は低くなる。
【００４１】
一方、合焦位置にあるときのスポット像は、図３（ｂ）に示すように、センサーＡ、Ｂに対して均等な範囲でほぼ光軸の中心に結像する。また、スポット光は、光検出器１７面上に全て入射されるため、強度は最大となる。
【００４２】
これにより、光検出器１７で光電変換され、増幅器１８を通った検出信号Ａ、Ｂは、図４（ａ）に示すように、横軸を試料移動ステージ２１の上下方向（デフォーカス）とすると、ピント位置を挟んで左右対称な２つのカーブとして検出できる。これらの信号Ａ、Ｂは、Ａ／Ｄ変換器１９によりデジタル信号に変換され、制御部２０に入力される。制御部２０では、演算手段２０ａにより入力された信号Ａ、Ｂから、合焦状態信号として、図４（ｂ）に示すように合焦位置を挟んで逆符号で、且つ合焦位置でゼロクロスとなるような連続する電圧レベル変化を呈する誤差信号ａを下式から演算する。
【００４３】
ａ＝Ｋ×（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）…（１）
ここで、Ｋは、傾き（係数）であり、外部ユニット２００側の外部制御手段２２より通信コマンドにより制御部２０の通信手段２０ｂを介して演算手段２０ａに入力される値で、例えば０．１〜１０の範囲で設定される。
【００４４】
この場合、例えばＫ＝１であれば、誤差信号ａは図５（ａ）に示すような波形となり、Ｋ＝２ならば、同図（ｂ）、Ｋ＝０．５ならば、同図（ｃ）に示すような波形となる。
【００４５】
次に、制御部２０は、（１）式により演算された誤差信号ａのレベルと出力電圧範囲Ｖｃとしての所定値Ｖを比較する。この所定値Ｖは、制御部２０から誤差信号ａをアナログ出力する際の出力電圧範囲を設定するもので、外部制御手段２２より通信コマンドにより制御部２０の通信手段２０ｂを介して演算手段２０ａに入力されている。
【００４６】
ここで、誤差信号ａの絶対値がＶを上回る場合、
｜Ｋ×（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｜＞Ｖ
であれば、誤差信号ａの値を強制的にＶもしくは−Ｖに固定する。
【００４７】
例えば、図６（ａ）に示すように、誤差信号ａの波形が±１０（Ｖ）の出力範囲を取る場合、所定値Ｖ＝５（Ｖ）を設定して制御部２０に入力しておけば、誤差信号ａの波形は、図６（ｂ）の波形となり、常に、±５（Ｖ）の出力範囲に収まるようになる。このような処理の後、制御部２０は、観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号ａを、図示しないＤ／Ａ変換器を通してアナログ信号として出力する。
【００４８】
次に、外部ユニット２００側でのＡＦ動作について説明する。
【００４９】
この場合、上述したように外部制御手段２２からの通信コマンドにより合焦位置検出の開始指令を与えた後、制御部２０から出力される誤差信号ａに基づいて、外部制御手段２２によるＡＦ動作が実行される。
【００５０】
この場合、外部制御手段２２は、制御部２０からの誤差信号ａにより
∫｛Ｋ（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝＝０…（２）
となる点に試料移動ステージ２１を移動させる。すなわち、誤差信号ａの符号が（＋）であれば、試料移動ステージ２１を図示下側に、誤差信号ａの符号が（−）であれば、試料移動ステージ２１を図示上側に駆動させる。そして、外部制御手段２２において予め設定してある値以内に誤差信号ａの絶対値が収まれば、合焦位置と判定してＡＦ動作を終了する。
【００５１】
この場合、このようなＡＦ動作では、合焦位置に達するまでに要する時間が、その性能の善し悪しを決める重要な要素となる。そこで、外部制御手段２２は、制御部２０から入力される誤差信号ａの電圧値により試料移動ステージ２１の移動速度を変更させるようにしている。すなわち、誤差信号ａの電圧が大きければ、観察試料Ｓは合焦位置から離れた場所にあると判定し、高速に試料移動ステージ２１を移動し、逆に誤差信号ａの電圧が小さければ、観察試料Ｓは合焦位置付近にあると判断し、低速で試料移動ステージ２１を移動するようにして合焦時間を短縮している。
【００５２】
ところが、外部ユニット２００側の外部制御手段２２として、合焦状態信号出力装置１００と別に装置メーカなどで独自に開発されたものを使用した場合、誤差信号ａの波形が１種類に固定されていると、外部制御手段２２の種類によっては、安定したＡＦ動作を実現させるためにシーケンスに多大な修正を加える必要があり、合焦状態信号出力装置１００の誤差信号ａを十分活用できなかったり、試料移動ステージ２１のセッティングに多大な工数と時間を費やすなどの問題が生じる。
【００５３】
そこで、これらの問題を回避するため、外部制御手段２２では、ＡＦ動作の開始前に、外部制御手段２２自身の特性を考慮して、通信コマンドにより誤差信号ａの傾き、すなわち図５で述べた傾きＫを最適な値に設定する。これにより、合焦状態信号出力装置１００から試料移動ステージ２１の駆動に最適な誤差信号ａが得られるようになり、外部制御手段２２のシーケンスを変更させることなく、安定したＡＦ動作を得ることができる。
【００５４】
例えば、入力される誤差信号ａの電圧レベルに対して早すぎるステージ駆動速度を有する外部制御手段２２の場合は、合焦位置を挟んでステージ位置制御が発振してしまう、いわゆるハンチング現象が発生する。つまり、図５（ａ）において、合焦位置Ｆ０からＦだけ離れた位置に観察試料Ｓがある場合、誤差信号ａの電圧はＡ１となる。この電圧Ａ１に対して、次の合焦状態を表わす信号が出力されるまでに、ＶＡ１の駆動量でＡＦ動作が行われると、観察試料Ｓは、合焦位置Ｆ０を通り過ぎでしまう。このような場合は、外部制御手段２２によりＫ＝０．５を設定し、図５(ｃ)に示す波形の誤差信号ａを使用する。こうすると、合焦位置Ｆ０からＦだけ離れた位置に対する誤差信号ａの電圧はＡ２となり、この電圧Ａ２に対する駆動量はＶＡ２となるため、観察試料Ｓは、合焦位置Ｆ０を通り過ぎることなく、ハンチング現象を発生させずに合焦位置Ｆ０に位置させることができる。
【００５５】
また、合焦と判定する範囲を誤差信号ａの電圧で判断するような場合、試料移動ステージ２１の変位量に対する誤差信号ａの変化の割合が緩慢であると、高精度なピント合わせが不可能になる。
【００５６】
例えば、図５（ａ）に示すように、ある対物レンズの焦点深度がＤである場合、外部制御手段２２内で記憶している合焦位置Ｆ０と判定する電圧範囲がＶ１とすると、Ｄ１の範囲で合焦動作は完了してしまい、焦点深度以内の精度を持つピント合わせは不可能になってしまう。このような場合は、外部制御手段２２によりＫ＝２を設定し、図５（ｂ）の波形の誤差信号ａを使用する。こうすれば、合焦位置Ｆ０と判定する電圧範囲が、同じＶ１であっても、同図中Ｄ２の範囲で合焦動作を行うことができ、この時の対物レンズの焦点深度Ｄよりも狭い、高精度のピント合わせを実現することができる。
【００５７】
ところで、合焦状態信号出力装置１００の制御部２０からの出力信号はアナログ出力であるため、外部制御手段２２における入力電圧範囲内に収まるように信号レベルを抑える必要がある。
【００５８】
この場合、外部制御手段２２では、ＡＦ動作の開始前に、外部制御手段２２自身の入力電圧範囲を考慮して通信コマンドにより誤差信号ａの出力電圧範囲を設定することにより、必要以上の電圧値の入力による、回路の破壊や不安定なＡＦ動作を防ぐことが可能となる。
【００５９】
例えば、制御部２０からの誤差信号ａの電圧範囲が、図６（ａ）に示すように±１０（Ｖ）で、外部制御手段２２自身の入力電圧範囲が±５Ｖ以内であれば、出力電圧範囲としてＶ＝５Ｖと設定すれば、誤差信号ａは、図６（ｂ）に示すように±５（Ｖ）の出力範囲に収められ、±５Ｖ以外の範囲で出力されることはなくなる。
【００６０】
このようにすれば、例えば、５Ｖ以上の誤差信号ａでステージ駆動を行うと、脱調などのエラーを起こす恐れのある駆動部を搭載した外部制御手段２２を使用したような場合に有効であり、図６（ｂ）に示した誤差信号ａを用いれば安定したＡＦ動作が可能となる。
【００６１】
一方、制御部２０は、外部制御手段２２からの通信コマンドにより誤差信号ａのオフセット電圧Ｖｏｆｆを設定可能にしている。この場合、図７に示すように図示破線の誤差信号ａの電圧レベルＶａに対してオフセット電圧Ｖｏｆｆを設定し、図示実線の誤差信号ａ’を出力させる。このようにすれば、例えば、温度変化に伴う誤差信号ａのドリフト等を補正し、より詳細な誤差信号ａの調整が可能となる。
【００６２】
以上述べたような一連の動作は、具体的には、図８に示すフローチャートに従って実行される。
【００６３】
この場合、始めに、外部ユニット２００側の外部制御手段２２で、誤差信号ａの波形設定情報として、ゼロクロス付近の傾きＫ、出力電圧範囲Ｖｃおよびオフセット電圧Ｖｏｆｆなどを必要に応じて設定する。これらの情報は、通信コマンドにより合焦状態信号出力装置１００の制御部２０に送られる。
【００６４】
この状態で、制御部２０では、光検出器１７により検出される検出信号Ａ、Ｂを演算部２０ａに取り込み(ステップ８０１、８０２)、合焦状態信号として誤差信号ａを（１）式から演算する(ステップ８０３)。
【００６５】
次に、オフセット電圧Ｖｏｆｆが設定されている場合は、誤差信号ａの電圧レベルＶａにオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算した誤差信号ａ’を設定する(ステップ８０４)。
【００６６】
そして、誤差信号ａ’の電圧レベルＶｂと出力電圧範囲Ｖｃを比較し(ステップ８０５)、ＶｂがＶｃより小さければ、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算された誤差信号ａ’をそのまま合焦状態信号として外部制御手段２２に出力し(ステップ８０６)、ＶｂがＶｃ以上ならば、出力電圧範囲Ｖｃにより出力範囲を規制された誤差信号ａ’を合焦状態信号として外部制御手段２２に出力する(ステップ８０７)。
【００６７】
従って、このようにすれば、特性の異なる焦準手段を有する外部ユニット２００に対して合焦状態信号出力装置１００が独立して設けられ、外部ユニット２００側の外部制御手段２２より合焦状態信号出力装置１００に与えられる波形設定情報により、合焦状態信号出力装置１００より出力される誤差信号ａのゼロクロス付近の傾き、出力電圧範囲およびオフセット電圧などを任意に変更できるので、様々な駆動手段を持つ外部制御手段２２に対して最適な誤差信号ａを提供することができ、いかなる外部制御手段２２に対しても誤動作を回避した高精度かつ高速なＡＦ動作が可能となり、汎用性の高い、高精度かつ高速なＡＦシーケンスの設計が可能となる。
【００６８】
また、外部制御手段２２に、対物レンズ倍率や各検鏡法あるいは観察試料Ｓ毎に誤差信号ａの波形設定情報を記憶しておけば、さらに簡単に、安定したＡＦ動作を実現することもできる。
【００６９】
(第２の実施の形態)
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００７０】
この場合、本発明が適用される合焦状態信号出力装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。また、制御部２０は、光検出器１７からの出力により観察試料Ｓの合焦状態を示す誤差信号ａとともに、合焦状態に応じた種々の合焦判定信号ｂやＡＦ動作許可信号ｅを出力するようになっている。
【００７１】
第１の実施の形態において、外部制御手段２２は、制御部２０からの誤差信号ａに基づいてＡＦ動作を行う場合を述べたが、外部制御手段２２に入力される誤差信号ａの傾き調整（Ｋの値により変更可能）と電圧レベルの制限（Ｖの値により変更可能）については、外部制御手段２２から制御部２０への通信コマンドにより最適化が可能である。
【００７２】
さらに、外部制御手段２２において、より高精度で、高速なＡＦ動作を行うには、以下のことが必要となる。
【００７３】
（ａ）外部制御手段２２内部に、合焦位置と判定するしきい値として所定値ＴＨ１を対物レンズや検鏡法等の種々の状態毎に記憶しておく。そして、誤差信号ａの傾きを変更した場合、この変更に応じて所定値ＴＨ１も変更する。
【００７４】
（ｂ）合焦位置から遠く離れたステージ位置（＝大ぼけ位置）からのＡＦ時間を短縮させる、もしくは該当する位置での不安定なＡＦ動作を回避するため、大ぼけ位置であることを判定する手段が必要である。
【００７５】
まず、(ａ)の場合を述べると、合焦位置と判定するには、誤差信号ａのレベルが所定値ＴＨ１の範囲内に収まっているか否かを判定する必要があり、この所定置ＴＨ１を対物レンズの種類や検鏡法毎に予め記憶しておかなければならない。
【００７６】
また、所定値ＴＨ１を記憶していても、誤差信号ａの傾き（Ｋの値）を変更することにより、合焦と判定するステージ位置の範囲が狂ってしまう。例えば、図９において、Ｋ＝１の場合の誤差信号ａ１に所定値ＴＨ１を適用した場合の合焦判定範囲がｄ１であるのに対し、Ｋ＝０．５の場合の誤差信号ａ２に所定値ＴＨ１を適用すると、合焦判定範囲はｄ２となってｄ１の場合より広がり、結果として合焦精度が低下することが分かる。従って、誤差信号ａの傾きを通信コマンドによって変更する場合、所定値ＴＨ１もこれに伴って変更しなければ高精度なＡＦ動作は望めない。
【００７７】
このような機能を外部制御手段２２に搭載することは可能だが、パラメータの記憶、所定値ＴＨ１の変更機能が必要となるため、種々のステージ制御を考えた場合、汎用性に欠ける。そこで、この実施の形態では、合焦判定に用いる所定値ＴＨ１を制御部２０内部に記憶させ、外部制御手段２２からの通信コマンドにより変更可能にしている。また、誤差信号ａが所定値ＴＨ１以内に相当するステージ位置になったときにアクティブとなる論理信号を合焦判定信号ｂとして制御部２０から出力する。
【００７８】
この場合、制御部２０は、図１０に示すように対物レンズ倍率、検鏡法（明視野、暗視野、偏光など）毎に、所定値ＴＨ１の値を予めテーブルとして記憶、格納している。そして、外部制御手段２２から制御部２０の通信手段２０ｂを介して通信コマンドにて対物レンズ倍率や検鏡法の情報を入力することにより、これに対応する所定値ＴＨ１をテーブルから選択する。さらに、外部制御手段２２から誤差信号ａの傾きＫを入力すると、選択された所定値ＴＨ１に対して、
ＴＨ１×Ｋ…（３）
を演算し、この値を新たな所定値ＴＨ１として設定し、図１１に示すように、この所定値ＴＨ１に応じた合焦判定信号ｂを出力する。
【００７９】
例えば、傾きＫ＝２、検鏡法は明視野、対物レンズ倍率１０倍を装着するような場合、図１０に示すテーブルから所定値ＴＨ１としてＰ２１が選択され、Ｐ２１×２を新たな所定ＴＨ１として設定している。
【００８０】
これにより、図１１に示すように、Ｋ＝２の誤差信号ａに対して設定された所定値ＴＨ１＝±（Ｐ２１×２）により図中ｄで示した期間でアクティブとなる論理信号が合焦判定信号ｂとして出力され、観察試料Ｓが合焦位置にあることを外部制御手段２２に通知する。この場合、誤差信号ａは、合焦位置付近では直線性を持っているため、式（３）で算出される所定値ＴＨ１を用いれば、Ｋの値に関わらず、合焦判定信号ｂの出力期間ｄは、ほぼ一定となり、安定したＡＦ精度が確保できる。そして、外部制御手段２２では、この合焦判定信号ｂを受け、ステージの移動を停止し、ＡＦ動作が完了する。
【００８１】
なお、図１１において、ａ’は、Ｋ＝１の場合の誤差信号で、この場合は、所定ＴＨ１＝±（Ｐ２１）が設定され、この所定ＴＨ１に応じた期間でアクティブとなる論理信号が合焦判定信号ｂとして出力される。
【００８２】
このような機能により、外部制御手段２２では、対物レンズ倍率や検鏡法などに対応する所定値ＴＨ１を記憶しておく必要がなくなり、また、Ｋの値により誤差信号ａの波形を変更した場合でも、常に同じ精度でＡＦ動作を行うことができる。さらに、制御部２０からの合焦判定信号ｂに基づいてのみＡＦ動作を完了させればよいため、複雑な合焦判定シーケンスを用いることなく、容易に安定したＡＦ動作を実現することができる。さらにまた、観察試料Ｓの状態などに応じたＡＦ精度の変更が、通信手段を介して容易に行うことができる。
【００８３】
次に、(ｂ)の場合を述べると、大ぼけ位置での誤差信号は、図１２（ｂ）中のＰで示す範囲のように、
Ｋ｛（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）｝＝０…（４）
となる部分が複数存在する場合がある。
【００８４】
これは、図１２（ａ）から明らかなように、光検出器１７で結像されるレーザ光に応じた検出信号Ａ、Ｂが極端に小さくなる範囲では、迷光などのノイズ成分が支配的になって、式（４）が０付近となる、すなわち合焦位置と誤認識してしまう現象である。
【００８５】
これを回避するため、図１２（ａ）に示すように検出信号Ａ、Ｂの和分値Ａ＋Ｂに対して、所定のしきい値ＴＨ２を設定し、Ａ＋Ｂ＞ＴＨ２となる場合のみ、同図（ｃ）に示すようにアクティブとなる論理信号をＡＦ動作許可信号ｅとして、制御部２０から外部制御手段２２に出力するようにしている。
【００８６】
外部制御手段２２では、ＡＦ動作許可信号ｅがアクティブでないステージ位置、つまり図１２（ｃ）中のＡＦ動作許可信号ｅの範囲以外では、合焦位置の判定は行わずに、ＡＦ動作を継続することで、大ぼけ位置でのＡＦ誤動作（偽合焦）を回避することができる。
【００８７】
また、誤差信号ａの電圧レベルが比較的低い範囲、例えば、図１２（ｂ）中の範囲Ｑで低速のＡＦ動作を行うようなＡＦシーケンスについても、ＡＦ動作許可信号ｅ以外の範囲では、誤差信号ａの電圧レベルに関わらず高速サーチを行うシーケンスに変更し、ＡＦ動作許可信号ｅの範囲内でのみ誤差信号ａのレベルに応じた駆動速度による合焦動作を行うようにすれば、ＡＦ動作時間の短縮を図ることができる。
【００８８】
さらに、しきい値ＴＨ２についても、制御部２０内部に、対物レンズ倍率や検鏡法ごとに設定した値を予め記憶しているので、これら対物レンズ倍率や検鏡法の情報を通信コマンドにより制御部２０に入力するだけで、最適なしきい値ＴＨ２を適用することができる。ここでの「最適」とは、各検鏡法、各対物レンズ倍率において、迷光等によるノイズ成分で発生する信号強度（Ａ＋Ｂ）よりも大きい値という意味である。
【００８９】
さらにまた、しきい値ＴＨ２は、通信コマンドにより、任意の値に変更可能である。これにより、例えば、特定の観察試料Ｓや特定のステージ範囲にて繰り返しＡＦ動作を行う際、しきい値ＴＨ２のレベルをさらに下げることで、安定したＡＦ性能と、ＡＦ動作時間の向上が両立できる。
【００９０】
なお、上述した実施の形態では、観察試料Ｓと対物レンズ１０ａ間の距離の調節は、試料移動ステージ２１の駆動によって行うようにしたが、例えば、対物レンズ１０ａ（１０ｂ）を装着する電動レボルバ本体１３を上下駆動するようにしても、全く同様の効果が得られる。また、上述では、いわゆるアクティブ方式のＡＦ光学系について説明を行ったが、観察試料Ｓからの可視光像を、光路長の異なる複数の撮像面に投影し、それらのコントラストを演算することで、誤差信号を発生させる、いわゆるパッシブ方式のＡＦ光学系についても、誤差信号の使用方法が同等である場合、全く同様な効果を得ることができる。さらに上述では、合焦状態信号出力装置を適用した顕微鏡について述べたが、他の光学機器への適用も可能である。
【００９１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００９２】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されてい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を解決でき、発明の効果の欄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できる。
【００９３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、種々の特性を有する焦準手段に対して最適な波形の合焦状態信号を提供でき、高精度かつ高速なＡＦ動作を可能にした合焦状態信号出力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態が適用される合焦状態信号出力装置を有する顕微鏡の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に用いられる制御部の具体的構成を示す図。
【図３】第１の実施の形態での合焦状態の検出方法を説明するための図。
【図４】第１の実施の形態での合焦状態の検出方法を説明するための図。
【図５】第１の実施の形態の誤差信号と傾きＫの関係を説明するための図。
【図６】第１の実施の形態の誤差信号と出力電圧範囲の関係を説明するための図。
【図７】第１の実施の形態の誤差信号とオフセット電圧の関係を説明するための図。
【図８】第１の実施の形態の一連の動作を説明するためのフローチャート。
【図９】本発明の第２の実施の形態の誤差信号と合焦判定範囲の関係を説明するための図。
【図１０】第２の実施の形態の対物レンズ倍率および検鏡法毎に所定値を記憶したテーブルを示す図。
【図１１】第２の実施の形態の誤差信号に対する合焦判定信号を説明するための図。
【図１２】第２の実施の形態の誤差信号に対するＡＦ動作許可信号を説明するための図。
【符号の説明】
１００…合焦状態信号出力装置
１…基準光源
２…レーザ駆動部
３…コリメートレンズ
４…投光側ストッパ
５…ビームスプリッタ
６…集光レンズ群
７…色収差補正レンズ群
８…λ／４板
９…ダイクロックミラー
１０ａ、１０ｂ…対物レンズ
１１…色収差レンズ用モータ駆動部
１２…駆動モータ
１３…電動レボルバ本体
１４…レボルバ用モータ駆動部
１５…レボルバ用モータ
１６…集光レンズ群
１７…光検出器
１８…増幅器
１９…Ａ／Ｄ変換器
２０…制御部
２０ａ…演算手段
２０ｂ…通信手段
２０ｃ…制御手段
２０１…ＣＰＵ本体
２０２…ＲＯＭ
２０３…ＲＡＭ
２０４…Ｉ／Ｏポート
２０５…データバス
２００…外部ユニット
２１…試料移動ステージ
２２…外部制御手段
【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】
0004021183.tif 000009
【図９】
0004021183.tif 000010
【図１０】
0004021183.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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