(57)【要約】【課題】本発明は、２種類の焦点検出方式を有効利用しながらも所要時間の短い焦点調節装置を提供することを目的とする。また、高性能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の焦点調節装置は、対物レンズ（３）の焦点と物体（２）との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を、検出範囲が広く検出精度の低い第１の方式と検出範囲が狭く検出精度の高い第２の方式との２種類の方式により並行又は時分割で生成する焦点検出手段（７〜１４，１６〜２２）と、前記第２の方式で生成される第２デフォーカス信号の良否を示す評価値を監視し、その評価値が所定レベルを下回るときには、前記第１の方式で生成される第１デフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行い、前記評価値が前記所定レベルを上回るときには、前記第２デフォーカス信号に基づき前記間隔調節を行う調節手段（２３，２４，２５，２６）とを備えたことを特徴とする。【選択図】      図１
2009008787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズの焦点と物体との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を、検出範囲が広く検出精度の低い第１の方式と検出範囲が狭く検出精度の高い第２の方式との２種類の方式により並行又は時分割で生成する焦点検出手段と、
前記第２の方式で生成される第２デフォーカス信号の良否を示す評価値を監視し、その評価値が所定レベルを下回るときには、前記第１の方式で生成される第１デフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行い、前記評価値が前記所定レベルを上回るときには、前記第２デフォーカス信号に基づき前記間隔調節を行う調節手段と
を備えたことを特徴とする焦点調節装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点調節装置において、
前記焦点検出手段は、
前記対物レンズの瞳の一部を介して前記物体へパターンを投影すると共に、その物体からの反射光が焦点検出用受光素子の受光面に形成するパターン像の横ずれ量に基づき前記第１デフォーカス信号を生成する第１検出部と、
前記物体からの反射光が焦点検出用受光素子の受光面に形成する像のコントラスト量に基づき前記第２デフォーカス信号を生成する第２検出部と
を有することを特徴とする焦点調節装置。
【請求項３】
請求項２に記載の焦点調節装置において、
前記第１検出部の焦点検出用受光素子と前記第２検出部の焦点検出用受光素子とは同一の受光素子である
ことを特徴とする焦点調節装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の焦点調節装置において、
前記調節手段は、
前記評価値が前記所定レベルを下回るときにおける前記調節の速度を、前記評価値が前記所定レベルを上回るときにおける前記調節の速度よりも高く設定する
ことを特徴とする焦点調節装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の焦点調節装置において、
前記調節手段は、
前記調節の開始に当たり、前記１の方式で生成される第１デフォーカス信号の良否を示す評価値を参照し、その評価値が所定レベルを下回っていた場合には、前記第１デフォーカス信号を生成するための焦点検出用受光素子の露光時間を延長する
ことを特徴とする焦点調節装置。
【請求項６】
対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、
前記対物レンズの焦点調節を行う請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の焦点調節装置と
を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡装置などに適用される焦点調節装置、及びそれを備えた顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズの焦点検出方式には、主に工業顕微鏡に搭載されるスリット投影方式と、主に生物顕微鏡に搭載されるコントラスト検出方式とがある。また、２種類の方式の間で焦点検出方式を切り替えることのできる光学系も既に提案されている（特許文献１等を参照）。
【０００３】
また、特許文献１には、２種類の方式を有効利用する方法として、一方の方式で焦点調節を試み、それに失敗した場合には他方の方式へ切り替え、改めて焦点調節を行う方法が開示されている（特許文献１の図７）。この方法によれば、より多種類の観察物に対処することができる。
【特許文献１】特開２００２−２７７７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらこの方法によると、１つの観察物に対して合焦位置の探索動作が複数回繰り返される可能性があるので、焦点調節の所要時間が長期化される傾向にある。
【０００５】
そこで本発明は、２種類の焦点検出方式を有効利用しながらも所要時間の短い焦点調節装置を提供することを目的とする。また、高性能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の焦点調節装置は、対物レンズの焦点と物体との光軸方向のズレを示すデフォーカス信号を、検出範囲が広く検出精度の低い第１の方式と検出範囲が狭く検出精度の高い第２の方式との２種類の方式により並行又は時分割で生成する焦点検出手段と、前記第２の方式で生成される第２デフォーカス信号の良否を示す評価値を監視し、その評価値が所定レベルを下回るときには、前記第１の方式で生成される第１デフォーカス信号に基づき前記対物レンズと前記物体との間隔調節を行い、前記評価値が前記所定レベルを上回るときには、前記第２デフォーカス信号に基づき前記間隔調節を行う調節手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
なお、前記焦点検出手段は、前記対物レンズの瞳の一部を介して前記物体へパターンを投影すると共に、その物体からの反射光が焦点検出用受光素子の受光面に形成するパターン像の横ずれ量に基づき前記第１デフォーカス信号を生成する第１検出部と、前記物体からの反射光が焦点検出用受光素子の受光面に形成する像のコントラスト量に基づき前記第２デフォーカス信号を生成する第２検出部とを有することが望ましい。
【０００８】
また、前記第１検出部の焦点検出用受光素子と前記第２検出部の焦点検出用受光素子とは同一の受光素子であってもよい。
【０００９】
また、前記調節手段は、前記評価値が前記所定レベルを下回るときにおける前記調節の速度を、前記評価値が前記所定レベルを上回るときにおける前記調節の速度よりも高く設定することが望ましい。
【００１０】
また、前記調節手段は、前記調節の開始に当たり、前記１の方式で生成される第１デフォーカス信号の良否を示す評価値を参照し、その評価値が所定レベルを下回っていた場合には、前記第１デフォーカス信号を生成するための焦点検出用受光素子の露光時間を延長することが望ましい。
【００１１】
また、本発明の顕微鏡装置は、対物レンズが捉えた像を観察するための顕微鏡光学系と、前記対物レンズの焦点調節を行う本発明の何れかの焦点調節装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、２種類の焦点検出方式を有効利用しながらも所要時間の短い焦点調節装置が実現する。また、高性能な顕微鏡装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の焦点調節装置の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の焦点調節装置の構成図である。図１に示す焦点調節装置は、スリット投影方式の焦点検出光学系と、コントラスト検出方式の焦点検出光学系との双方が搭載されたハイブリッド型の焦点調節装置である。
【００１５】
先ず、スリット投影方式の焦点検出光学系を説明する。図１においてＬＥＤ７は、スリット投影方式用の赤外光を発する。以下、この赤外光を「スリット投影方式のＡＦ光」という。ＬＥＤ７から発せられたスリット投影方式のＡＦ光は、スリット板８、コレクタレンズ９、瞳マスク１０、ハーフミラー１１、ハーフミラー１６、ダイクロイックミラー４、第１対物レンズ３、標本２、第１対物レンズ３、ダイクロイックミラー４、ハーフミラー１６、第２対物レンズ１７、３分割プリズム１８を順に経由してから３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃに分岐され、ラインセンサ２２の互いに異なる領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃへ個別に入射する。
【００１６】
このうち３分割プリズム１８は、入射したスリット投影方式のＡＦ光を第１の半透過面１９において２つの光に分岐し、分岐後の一方の光を第２の半透過面２０において２つの光に分岐し、分岐後の一方の光を反射面２１において反射する。したがって、ラインセンサ２２へ入射するまでに３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの間には、光路差が付与される。このうち光Ｌａと光Ｌｂとの間の光路差と、光Ｌｂと光Ｌｃとの間の光路差とは互いに等しい。
【００１７】
なお、ここでは光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの検出に１つのラインセンサ２２を共用したが、光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを個別に検出する３つのラインセンサを使用してもよい。また、ラインセンサの代わりに撮像素子を使用してもよい。
【００１８】
ここで、上述したスリット板８の中央には、図１（ａ）に示すとおりスリット開口が形成されている。よって、スリット投影方式のＡＦ光は、物体面（ここでは標本面２ａ）の近傍にスリット状の赤外像を形成する。また、このとき標本面２ａで反射したスリット投影方式のＡＦ光は、ラインセンサ２２の領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々にスリット状の赤外像を形成する。以下、この赤外像を「スリット像」という。このスリット像のスリット幅方向と、ラインセンサ２２のライン方向とは、互いに交差する。
【００１９】
また、瞳マスク１０は、光軸を含む平面でスリット投影方式のＡＦ光を分割してできる２つの光の一方を透過し、かつ他方を遮光する。したがって、スリット投影方式のＡＦ光は第１対物レンズ３を往復する際、往路と復路とで第１対物レンズ３の瞳上の互いに異なる位置を通過する。したがって、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に形成されるスリット像は、第１対物レンズ３のデフォーカス量（第１対物レンズ３の焦点と標本面２ａとの光軸方向のずれ）に応じて横ずれする。よって、このうち何れか１つの領域（好ましくは領域２２ａ）に形成されるスリット像の横ずれ量から、スリット投影方式のデフォーカス信号を生成することができる。なお、第１対物レンズ３のデフォーカス量がゼロであるときに領域２２ａに形成されるスリット像の重心位置は、予め測定されているものとする。
【００２０】
次に、コントラスト検出方式の焦点検出光学系を説明する。図１においてＬＥＤ１４は、コントラスト検出方式用の赤外光を発する。以下、この赤外光を「コントラスト検出方式のＡＦ光」という。ＬＥＤ１４から発せられたコントラスト検出方式のＡＦ光は、スリット板１３、コレクタレンズ１２、ハーフミラー１１、ハーフミラー１６、ダイクロイックミラー４、第１対物レンズ３、標本２、第１対物レンズ３、ダイクロイックミラー４、ハーフミラー１６、第２対物レンズ１７、３分割プリズム１８を順に経由してから、３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃに分岐され、ラインセンサ２２の互いに異なる領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃへ個別に入射する。つまり、コントラスト検出方式の焦点検出光学系は、ハーフミラー１６、第２対物レンズ１７、３分割プリズム１８、ラインセンサ２２を、スリット投影方式の焦点検出光学系と共用している。
【００２１】
ここで、上述したスリット板１３の中央には、図１（ｂ）に示すとおり１８本のスリット開口が形成されている。よって、コントラスト検出方式のＡＦ光は、標本面２ａの近傍にストライプ状の赤外像を形成する。また、このとき標本面２ａで反射したコントラスト検出方式のＡＦ光は、ラインセンサ２２の領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々にストライプ状の赤外像を形成する。以下、この赤外像を「ストライプ像」という。このストライプ像のピッチ方向と、ラインセンサ２２のライン方向とは、互いに交差する。
【００２２】
但し、光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの間には光路差が付与されているので、光Ｌａによるストライプ像と、光Ｌｂによるストライプ像と、光Ｌｃによるストライプ像の形成位置は、光軸方向にずれる。例えば、図１に示すとおり光Ｌｂによるストライプ像がラインセンサ２２上に存在するときには、光Ｌａによるストライプ像はラインセンサ２２の後ろ側に形成され、光Ｌｃによるストライプ像はラインセンサ２２の前側に形成される。したがって、ラインセンサ２２の領域２２ａに形成されるストライプ像と、領域２２ｂに形成されるストライプ像と、領域２２ｃに形成されるストライプ像との間では、ボケの程度（つまりコントラスト）が互いに異なる。
【００２３】
また、これらストライプ像のコントラストの大小関係は、第１対物レンズ３のデフォーカス量に応じて変化する。よって、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に形成されるストライプ像のコントラストの大小関係（好ましくは領域２２ａ，２２ｃに形成されるストライプ像のコントラストの大小関係）から、コントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成することができる。
【００２４】
なお、スリット板１３に形成されるスリット開口の本数、つまりストライプ像のストライプ本数は、標本２の持つパターンに応じて変えることができる。また、３分割プリズム１８の半透過面１９の反射率、半透過面２０の反射率、反射面２１の反射率の組み合わせは、３つの光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光量が略等しくなるよう予め最適化されている。また、第２対物レンズ１７とラインセンサ２２との位置関係は、第１対物レンズ３のデフォーカス量がゼロであるときに、光Ｌｂによるストライプ像がラインセンサ２２上に形成されるよう予め調整されている。
【００２５】
以上の焦点調節装置において、ＣＰＵ２４は、ＬＥＤ切替部２６を介してスリット投影方式の光源であるＬＥＤ７と、コントラスト検出方式の光源であるＬＥＤ１４との切り替え制御を行うことができる。ＬＥＤ７の方が点灯している期間には、スリット投影方式のスリット像が形成されるので、ラインセンサ２２の出力信号からスリット投影方式のデフォーカス信号を生成することが可能となる。一方、ＬＥＤ１４の方が点灯している期間には、コントラスト検出方式のストライプ像が形成されるので、ラインセンサ２２の出力信号からコントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成することが可能となる。以下、スリット投影方式の光源が点灯される状態を「スリット投影モード」といい、コントラスト検出方式の光源が点灯される状態を「コントラスト検出モード」という。
【００２６】
ラインセンサ２２の出力信号は、信号処理部２３へ取り込まれる。信号処理部２３は、取り込まれた信号を基に幾つかの信号を生成すると、それをＣＰＵ２４へ与える。ＣＰＵ２４は、与えられた信号に基づきスリット投影方式又はコントラスト検出方式のデフォーカス信号を生成すると、そのデフォーカス信号に応じた駆動方向及び駆動速度を上下動駆動部（パルスモータなど）２５へ指定する。上下動駆動部２５は、指定された駆動方向及び駆動速度で第１対物レンズ３を光軸方向へ駆動することにより、第１対物レンズ３の焦点調節を行う。なお、その上下動駆動部２５の駆動対象は、第１対物レンズ３の代わりにステージ１としてもよいが、ここでは第１対物レンズ３であるという前提で説明する。
【００２７】
また、ＣＰＵ２４は、ＬＥＤ切替部２６を介してＬＥＤ７の光量と、ＬＥＤ１４の光量とをそれぞれ制御することもでき、ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）を必要に応じて切り替えることもできる。
【００２８】
次に、スリット投影モードにおける信号処理部２３及びＣＰＵ２４の信号生成動作を説明する。
【００２９】
図２，図３，図４は、スリット投影モードにおける信号生成動作を説明する図である。図２，図３，図４は、第１対物レンズ３のデフォーカス量と、領域２２ｂのセンサ信号との関係を示している。（ａ）はデフォーカス量、（ｂ）は光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの振る舞い、（ｃ）は、領域２２ｂのセンサ信号、（ｄ）はそのセンサ信号の積分値を示している。
【００３０】
信号処理部２３は、領域２２ｂのセンサ信号をピークホールドして得られるピーク電圧信号Ｖ102と、領域２２ｂのセンサ信号を一端（Ｆ側）から重心位置１００まで積分して得られる積分信号ＶFと、領域２２ｂのセンサ信号を重心位置１００から他端（Ｒ側）まで積分して得られる積分信号ＶRとを取得し、ＣＰＵ２４へ与える。
【００３１】
ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から与えられる積分信号ＶFと積分信号ＶRとの差分信号（ＶF−ＶR）を、スリット投影方式のデフォーカス信号として生成する。なお、信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ102は、スリット投影方式のデフォーカス信号の生成状態を評価するための評価値として使用される。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより奥側（後ピン位置）にあるとき、領域２２ｂのセンサ信号は、図２（ｃ）に示すように重心位置１００よりもＲ側に分布する。このとき、図２（ｄ）に示すように、積分信号ＶFと積分信号ＶRの大小関係はＶF＜ＶRとなるので、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）は負となる。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａ（合焦位置）にあるとき、領域２２ｂのセンサ信号は、図３（ｃ）に示すように重心位置１００に分布する。このとき、図３（ｄ）に示すように、積分信号ＶF，積分信号ＶRの大小関係はＶF＝ＶRとなるので、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）はゼロとなる。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより手前（前ピン位置）にあるときは、領域２２ｂのセンサ信号は、図４（ｃ）に示すように重心位置１００よりもＦ側に分布する。このとき、図４（ｄ）に示すように、積分信号ＶF，積分信号ＶRの大小関係はＶF＞ＶRとなるので、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）は正となる。
【００３５】
図５の符号４１は、第１対物レンズ３のデフォーカス量とスリット投影方式のデフォーカス信号（ＶF−ＶR）との関係を示している。図５に示すとおり、第１対物レンズ３が前ピン状態にあるときにはデフォーカス信号（ＶF−ＶR）が正となり、合焦状態に近づくにつれてデフォーカス信号（ＶF−ＶR）はゼロに近づく。第１対物レンズ３が後ピン状態にあるときにはデフォーカス信号（ＶF−ＶR）が負となり、合焦状態に近づくにつれてデフォーカス信号（ＶF−ＶR）はゼロに近づく。
【００３６】
したがって、このデフォーカス信号（ＶF−ＶR）により焦点調節を行う場合、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）の極性が負であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を上方向（標本２から離れる方向）とし、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）の極性が正であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を下方向（標本２に近づく方向）とすればよい。
【００３７】
次に、コントラスト検出モードにおける信号処理部２３及びＣＰＵ２４の信号生成動作を説明する。
【００３８】
図６，図７，図８は、コントラスト検出モードにおける信号生成動作を説明する図である。図６，図７，図８は、第１対物レンズ３のデフォーカス量と、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃのセンサ信号との関係を示している。（ａ）はデフォーカス量、（ｂ）は光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの振る舞い、（ｃ）は、領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃのコントラスト信号、（ｄ）はそれらコントラスト信号の積分値を示している。
【００３９】
信号処理部２３は、各領域のセンサ信号からＤＣ成分を除去し、各領域のコントラスト信号を取得する。そして、全領域のコントラスト信号をピークホールドして得られるピーク電圧信号Ｖ110と、領域２２ａのコントラスト信号の積分信号Ｖaと、領域２２ｂのコントラスト信号の積分信号Ｖbと、領域２２ｃのコントラスト信号の積分信号Ｖcとを取得してＣＰＵ２４へ与える。
【００４０】
ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から与えられる積分信号Ｖaと積分信号Ｖcとの差分信号（Ｖa−Ｖc）を生成し、さらに差分信号（Ｖa−Ｖc）を正規化したもの（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）を、コントラスト検出方式のデフォーカス信号として生成する。なお、信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ110や積分信号Ｖa，Ｖcは、コントラスト検出方式のデフォーカス信号の生成状態を評価するための評価値として使用される。
【００４１】
図６（ａ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより奥側（後ピン位置）にあるとき、図６（ｃ）に示すように、領域２２ｃのコントラスト信号にピークが出現する。このとき、図６（ｄ）に示すように、積分信号Ｖa，Ｖcの大小関係は、Ｖa＜Ｖcとなるのでで、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）は負となる。
【００４２】
図７（ｂ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａ（合焦位置）にあるとき、図７（ｃ）に示すように、領域２２ｂのコントラスト信号にピークが出現する。このとき、図７（ｄ）に示すように、積分信号Ｖa，Ｖcの大小関係は、Ｖa＝Ｖcとなるので、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）はゼロとなる。
【００４３】
図８（ａ）に示すように、第１対物レンズ３の焦点が標本面２ａより前側（前ピン位置）にあるとき、図８（ｃ）に示すように、領域２２ａのコントラスト信号にピーク信号が出現する。このとき、図８（ｄ）に示すように、積分信号Ｖa，Ｖcの大小関係は、Ｖa＞Ｖcとなるのでで、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）は正となる。
【００４４】
図５の符号４２は、第１対物レンズ３のデフォーカス量とコントラスト検出方式のデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）との関係を示している。図５に示すとおり、第１対物レンズ３が前ピン状態にあるときにはデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）が正となり、合焦状態に近づくにつれてデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）はゼロに近づく。第１対物レンズ３が後ピン状態にあるときにはデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）が負となり、合焦状態に近づくにつれてデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）はゼロに近づく。
【００４５】
したがって、このデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）により焦点調節を行う場合、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）の極性が負であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を上方向（標本２から離れる方向）とし、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）の極性が正であるときには第１対物レンズ３の駆動方向を下方向（標本２に近づく方向）とすればよい。
【００４６】
ここで、図５を参照すると明らかなとおり、スリット投影方式のデフォーカス信号（ＶF−ＶR）は、対物レンズ３の焦点と標本面２ａとのズレ量に対する変化率が低いものの、その変化範囲が広いので、広範囲に亘る焦点検出が可能である。一方、コントラスト検出方式のデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc））は、変化範囲は狭いものの、対物レンズ３の焦点と標本面２ａとのズレ量に対する変化率が高いので、高精度な焦点検出が可能である。
【００４７】
また、仮に、スリット投影方式のデフォーカス信号（ＶF−ＶR）だけを参照した場合は、第１対物レンズ３の焦点が合焦位置に近い範囲Ａ1と合焦位置から遠い範囲Ａ2との何れに属しているのかを判定することはできないが、コントラスト検出方式のデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）／（Ｖa＋Ｖc）の状態を参照すれば、第１対物レンズ３の焦点が範囲Ａ1，Ａ2の何れに属しているのかを峻別し、個々の範囲に適した速度で焦点調節を行うことが可能となる。
【００４８】
次に、ＣＰＵ２４による焦点調節動作を説明する。図９は、ＣＰＵ２４による焦点調節動作のフローである。
【００４９】
ステップＳ１：フローの開始時点では、第１対物レンズ３と標本２との間隔は、或る程度広く確保される。
【００５０】
ステップＳ２：ＣＰＵ２４は、コントラスト検出方式の光源であるＬＥＤ１４を点灯し、スリット投影方式の光源であるＬＥＤ７を消灯する。また、ＣＰＵ２４は、信号処理部２３をコントラスト検出モードで動作させる。
【００５１】
ステップＳ３：ＣＰＵ２４は、ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）を標準値２．７ｍｓに設定し、このときに信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ110を参照する。そしてＣＰＵ２４は、そのピーク電圧信号Ｖ110を閾値Ｖ201以上にするべくＬＥＤ１４の光量を調節する。
【００５２】
ステップＳ４：ＣＰＵ２４は、調節後に信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ110を参照し、そのピーク電圧信号Ｖ110が閾値Ｖ201以上となっていた場合はステップＳ５へ進み、閾値Ｖ201未満であった場合は、コントラスト検出方式のデフォーカス信号を良好に生成できない（コントラスト検出方式による焦点検出が不可能）と判断してステップＳ１１へ進む。
【００５３】
ステップＳ５：ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から与えられる積分信号Ｖa，Ｖcの値を閾値Ｖ202以上にするべく、それら積分信号Ｖa，Ｖcのゲイン調整を行う。
【００５４】
ステップＳ６：ＣＰＵ２４は、ゲイン調整後の積分信号Ｖa，Ｖcと閾値Ｖ202とを比較し、積分信号Ｖa，Ｖcの少なくとも一方が閾値Ｖ202以上であればコントラスト検出方式のデフォーカス信号を良好に生成できる（コントラスト検出方式による焦点検出が可能）と判断してステップＳ７へ進み、積分信号Ｖa，Ｖcの双方が閾値Ｖ202未満であればコントラスト検出方式による焦点検出が不可能と判断してステップＳ１１へ進む。
【００５５】
ステップＳ７：ＣＰＵ２４は、ゲイン調整後の積分信号Ｖa，Ｖcによりコントラスト検出方式のデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)を生成する。
【００５６】
ステップＳ８：ＣＰＵ２４は、生成されたデフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)の絶対値を参照し、閾値Ｖ70と比較する。閾値Ｖ70未満であった場合には、第１対物レンズ３の焦点深度内に標本面２ａが入ったと判断してステップＳ９へ進み、閾値Ｖ70以上であった場合には、第１対物レンズ３の焦点深度内に標本面２ａが入っていないと判断してステップＳ１０へ進む。
【００５７】
ステップＳ９：ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の駆動速度をゼロに設定してフローを終了する。
【００５８】
ステップＳ１０：ＣＰＵ２４は、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)の極性を参照し、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)の極性が負であったならば、第１対物レンズ３の駆動方向を上方向に設定し、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)の極性が正であったならば、第１対物レンズ３の駆動方向を下方向に設定する。また、デフォーカス信号（Ｖa−Ｖc）/ (Ｖa ＋Ｖc)の絶対値が閾値Ｖ71未満であった場合は第１対物レンズ３の駆動速度の絶対値を小さい値Ｖ74に設定し、閾値Ｖ71以上であった場合は第１対物レンズ３の駆動速度の絶対値を中程度の値Ｖ73に設定し、ステップＳ３へ戻る。なお、値Ｖ74，Ｖ73はＶ74＜Ｖ73の関係を満たす。
【００５９】
ステップＳ１１：ＣＰＵ２４は、スリット投影方式の光源であるＬＥＤ７を点灯し、コントラスト検出方式の光源であるＬＥＤ１４を消灯する。また、ＣＰＵ２４は、信号処理部２３をスリット投影モードで動作させる。
【００６０】
ステップＳ１２：ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）を標準値２．７ｍｓに設定し、このときに信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ102を参照する。さらにＣＰＵ２４は、そのピーク電圧信号Ｖ102を閾値Ｖ200以上にするべくＬＥＤ７の光量を調節する。
【００６１】
ステップＳ１３：ＣＰＵ２４は、調節後に信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ102を参照し、そのピーク電圧信号Ｖ102が閾値Ｖ200以上となっていた場合は、スリット投影方式のデフォーカス信号を良好に生成できる（スリット投影方式による焦点検出が可能）と判断してステップＳ１４へ進み、閾値Ｖ200未満であった場合は、スリット投影方式のデフォーカス信号を良好に生成できない（スリット投影方式による焦点検出が不可能）と判断してステップＳ１６へ進む。
【００６２】
ステップＳ１４：ＣＰＵ２４は、信号処理部２３から与えられる積分信号ＶR，ＶFの値を許容範囲内に収めるべく、それら積分信号ＶR，ＶFのゲイン調整を行う。
【００６３】
ステップＳ１５：ＣＰＵ２４は、ゲイン調整後の積分信号ＶR，ＶFによりスリット投影方式のデフォーカス信号（ＶF−ＶR）を生成し、そのデフォーカス信号（ＶF−ＶR）の極性を参照する。デフォーカス信号（ＶF−ＶR）の極性が負であったならば、ＣＰＵ２４は第１対物レンズ３の駆動方向を上方向に設定し、デフォーカス信号（ＶF−ＶR）の極性が正であったならば、第１対物レンズ３の駆動方向を下方向に設定する。また、第１対物レンズ３の駆動速度の絶対値を大きい値Ｖ72に設定する。この値Ｖ72は、Ｖ74＜Ｖ73＜Ｖ72の関係を満たす。
【００６４】
ステップＳ１６：ＣＰＵ２４は、ラインセンサ２２の電荷蓄積時間（走査時間）を７ｍｓに変更し、変更後に信号処理部２３から与えられるピーク電圧信号Ｖ102が閾値Ｖ200以上であった場合は、スリット投影方式の焦点検出が可能と判断してステップＳ１４へ進み、閾値Ｖ200未満であった場合は、スリット投影方式の焦点検出が不可能と判断してステップＳ１７へ進む。
【００６５】
ステップＳ１７：ＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３の焦点が調節可能範囲から外れていると判断してフローを終了する。以上が、図９のフローの説明である。
【００６６】
なお、上述した閾値Ｖ70，Ｖ71，Ｖ200，Ｖ202や値Ｖ72，Ｖ73，Ｖ74は、第１対物レンズ３やモータの種類に応じて予め決められる。特に、閾値Ｖ70は、第１対物レンズ３の焦点深度の深さに応じて決定され、値Ｖ74は、モータの自起動周波数に応じて決定される。
【００６７】
以上、本実施形態のＣＰＵ２４は、第１対物レンズ３のデフォーカス量を焦点深度相当まで追い込む１回の焦点調節期間中に、コントラスト検出方式の信号の状態を繰り返し参照し（ステップＳ４，Ｓ６）、コントラスト検出方式による焦点検出が不可能である期間（ステップＳ４ＮＯ，ステップＳ６ＮＯ）には、スリット投影方式のデフォーカス信号の極性に応じて第１対物レンズ３を駆動し（ステップＳ１１〜Ｓ１５）、コントラスト検出方式による焦点検出が可能である期間（ステップＳ６ＹＥＳ）には、コントラスト検出方式のデフォーカス信号の極性に応じて第１対物レンズ３を駆動する。
【００６８】
したがって、第１対物レンズ３の焦点がスリット投影方式の調節可能範囲から外れてさえいなければ、本実施形態のＣＰＵ２４は合焦位置の探索動作を１回行うだけで、コントラスト検出方式の調節精度で焦点調節を行うことができる。
【００６９】
次に、本実施形態の焦点調節時における第１対物レンズ３の駆動速度の変化パターンを詳しく説明する。
【００７０】
図１０の横軸は、第１対物レンズ３の焦点の位置（デフォーカス量）を示しており、図１０（ａ）は、スリット投影方式のピーク電圧信号Ｖ102の変化カーブであり、図１０（ｂ）は、コントラスト検出方式の積分信号Ｖa，Ｖb，Ｖcの変化カーブであり、図１０（ｃ）は、コントラスト検出方式のデフォーカス信号の変化カーブであり、図１０（ｄ）は、第１対物レンズ３の駆動速度の変化カーブである。
【００７１】
先ず、スリット投影方式のピーク電圧信号Ｖ102（図１０（ａ）参照）が閾値Ｖ200未満であった場合、つまり第１対物レンズ３の焦点が図１０の範囲Ａ50に属していた場合は、駆動速度はゼロに設定される（図１０（ｄ）参照）。
【００７２】
また、スリット投影方式のピーク電圧信号Ｖ102（図１０（ａ）参照）が閾値Ｖ200以上であって、コントラスト検出方式の積分信号Ｖa，Ｖc（図１０（ｂ））の双方が閾値Ｖ202未満であった場合、つまり第１対物レンズ３の焦点が図１０の範囲Ａ51に属していた場合は、駆動速度の絶対値は大きな値Ｖ72に設定される（図１０（ｄ）参照）。
【００７３】
また、コントラスト検出方式の積分信号Ｖa，Ｖc（図１０（ｂ）参照）の少なくとも一方が閾値Ｖ202以上であって、コントラスト検出方式のデフォーカス信号（図１０（ｃ）参照）の絶対値が閾値Ｖ71以上であった場合、つまり第１対物レンズ３の焦点が図１０の範囲Ａ52に属していた場合は、駆動速度の絶対値は中程度の値Ｖ73に設定される（図１０（ｄ）参照）。
【００７４】
また、コントラスト検出方式の積分信号Ｖa，Ｖc（図１０（ｂ）参照）の少なくとも一方が閾値Ｖ202以上であって、コントラスト検出方式のデフォーカス信号（図１０（ｃ）参照）の絶対値が範囲Ｖ71〜Ｖ70に属していた場合、つまり第１対物レンズ３の焦点が図１０の範囲Ａ53に属していた場合は、駆動速度の絶対値は小さい値Ｖ74に設定される（図１０（ｄ）参照）。
【００７５】
また、コントラスト検出方式の積分信号Ｖa，Ｖc（図１０（ｂ）参照）の少なくとも一方が閾値Ｖ202以上であって、コントラスト検出方式のデフォーカス信号（図１０（ｃ）参照）の絶対値が閾値Ｖ70未満であった場合、つまり第１対物レンズ３の焦点が図１０の範囲Ａ54に属していた場合は、駆動速度はゼロに設定される（図１０（ｄ）参照）。
【００７６】
その結果、第１対物レンズ３の焦点が調節可能範囲（Ａ51〜Ａ54）から外れてさえいなければ、第１対物レンズ３の駆動速度の絶対値は、合焦状態から遠いときほど大きく、合焦点状態に近いときほど小さく設定されることになる。
【００７７】
したがって、本実施形態の焦点調節は効率的である。因みに、スリット投影方式の非ハイブリッド型の焦点調節装置では、デフォーカス信号が大きいときほど駆動速度を高く設定し、デフォーカス信号が小さいときほど駆動速度を低く設定するので、合焦状態から遠くても駆動速度が低く設定される可能性があり、非効率的であった。
【００７８】
なお、本実施形態のＣＰＵ２４は、図１０（ｄ）に示したとおり、駆動速度の段階数を一方向につき４としたが、４以外の数としてもよい。また、その段階数を第１対物レンズ３の種類に応じて変化させてもよい。
【００７９】
また、本実施形態のＣＰＵ２４は、図１０（ｄ）に示したとおり、調節可能範囲（Ａ51〜Ａ54）における駆動速度カーブの全体を階段状にしたが、その一部を折れ線状又は曲線状にしてもよい。
【００８０】
但し、第１対物レンズ３の焦点が領域Ａ53から領域Ａ54へと移行する際には、第１対物レンズ３のオーバーランを防ぐため、階段状とする（つまり急速にゼロへ移行させる）ことが望ましい。また、領域53における値Ｖ74は、急停止時におけるモータの脱調を防ぐため、モータの特性によって決まる十分に低い速度（モータの自起動周波数相当）に設定されることが望ましい。
【００８１】
また、本実施形態の焦点調節装置は、工業用又は生体用の顕微鏡装置などに適用することが可能である。その顕微鏡装置の構成は、例えば図１１に示すとおりである。図１１では、焦点調節装置の大部分（図１に示したハーフミラー１６の先）を省略した。
【００８２】
図１１に示すとおり、顕微鏡装置には、観察用の可視光を射出する光源３１と、光源３１の像を第１対物レンズ３の瞳へ投影する照明光学系３２と、照明光学系３からの可視光を第１対物レンズ３へ導くハーフミラー３３と、第１対物レンズ３が捉えた標本２からの可視光（観察光）を結像する観察光学系３４と、観察光学系３４が形成する可視像を撮像する撮像素子３５とが備えられる。この顕微鏡装置に本実施形態の焦点調節装置が適用されれば、２種類の焦点検出方式を有効利用しながら所要時間が短い焦点調節が可能となるので、顕微鏡装置の性能も高まる。
【００８３】
また、本実施形態の焦点調節装置では、スリット投影方式の焦点検出光学系とコントラスト検出方式の焦点検出光学系とが受光側の光学系を共用し、スリット投影方式の信号とコントラスト検出方式の信号とを時分割で生成したが、受光側の光学系を独立させ、スリット投影方式の信号とコントラスト検出方式の信号とを同時並行的に生成してもよい。
【００８４】
また、本実施形態のコントラスト検出方式の焦点検出光学系は、２種類の像のコントラストに基づき極性を持つデフォーカス信号を生成したが、１種類の像のコントラストに基づき極性を持たないデフォーカス信号を生成してもよい。因みに、極性を持たないデフォーカス信号による焦点調節は、例えば山登り方式によって行われる。
【００８５】
また、本実施形態のコントラスト検出方式は、ＡＦ光を標本２へ投光し、その標本２で反射したＡＦ光に基づきデフォーカス信号を生成するアクティブ方式であったが、ＡＦ光を標本２へ投光せずに、標本２からの観察光に基づきデフォーカス信号を生成するパッシブ方式に代えてもよい。
【００８６】
また、本実施形態の焦点調節装置は、パターン投影方式の焦点検出光学系として、スリット投影方式の焦点検出光学系（標本２へ投影するパターンの形状がスリット状）を採用したが、標本２へ投影するパターンの形状は、点状など他の形状に代えてもよい。但し、スリット状とした方が、ラインセンサ２２等の光学素子の位置合わせが容易という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】焦点調節装置の構成図である。
【図２】スリット投影方式の後ピン状態を説明する図である。
【図３】スリット投影方式の合焦状態を説明する図である。
【図４】スリット投影方式の前ピン状態を説明する図である。
【図５】デフォーカス量とデフォーカス信号との関係を示す図である。
【図６】コントラスト検出方式の後ピン状態を説明する図である。
【図７】コントラスト検出方式の合焦状態を説明する図である。
【図８】コントラスト検出方式の前ピン状態を説明する図である。
【図９】焦点調節のフローチャートである。
【図１０】第１対物レンズ３の駆動速度を説明する図である。
【図１１】焦点調節装置を適用可能な顕微鏡装置の構成図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…ステージ，２…標本，３…第１対物レンズ，４…ダイクロイックミラー，７…ＬＥＤ，８…スリット板，９…コレクタレンズ，１０…瞳マスク，１１…ハーフミラー，１２…コレクタレンズ，１３…スリット板，１４…ＬＥＤ，１６…ハーフミラー，１７…第２対物レンズ，１８…３分割プリズム，２２…ラインセンサ，２３…信号処理部，２４…ＣＰＵ，２５…上下動駆動部，２６…ＬＥＤ切替部
【図１】
2009008787.tif 000003
【図２】
2009008787.tif 000004
【図３】
2009008787.tif 000005
【図４】
2009008787.tif 000006
【図５】
2009008787.tif 000007
【図６】
2009008787.tif 000008
【図７】
2009008787.tif 000009
【図８】
2009008787.tif 000010
【図９】
2009008787.tif 000011
【図１０】
2009008787.tif 000012
【図１１】
2009008787.tif 000013