(57)【要約】  オートフォーカス装置は、試料（２０）を載せるガラス部材（１９）を支持するステージ（ＳＴ）と、試料（２０）を観察する拡大光学系（Ｌ２，ＨＭ，ＤＭ，ＯＬ）と、拡大光学系を介して試料（２０）に光を放射する光源装置（１１、Ｍ，１３）と、拡大光学系の試料（２０）とは反対の位置に配置され、光源装置から放射される放射光を制限する絞り（ＩＲ）と、絞り（ＩＲ）および拡大光学系を経由してガラス部材（１９）に至った放射光が反射面（Ｓ）で反射した反射光を、拡大光学系を経由して受けるＡＦ用カメラ（２２）とを備える。光源装置は、拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度（φ）で光を放射する。制御装置（１００）は、撮影された遮蔽物の像の位置が目標位置と一致するようにステージ（ＳＴ）の位置を調整する。このような構成とすることによって、高速なオートフォーカスを実現することができる。
2019159627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、前記観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置であって、
前記拡大光学系を介して前記観察対象物に光を放射する光源装置と、
前記拡大光学系に対して前記観察対象物とは反対の位置に配置され、前記光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、
前記遮蔽物および前記拡大光学系を経由して前記透明部材の反射面に至った前記光源装置からの放射光が前記反射面で反射した反射光を、前記拡大光学系を経由して受ける光検出装置と、
前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光を前記観察対象物に対して複数の異なる条件で入射させて得られた前記遮蔽物の反射光に基づいて、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、オートフォーカス装置。
【請求項２】
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度分布を可変に調整できるように構成される、請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項３】
前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光の一部を反射する光学素子をさらに備え、
前記光学素子で反射した前記光源装置からの放射光は、前記観察対象物に入射する、請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項４】
前記遮蔽物により制限された前記光源装置からの放射光の一部を遮蔽、減光または反射する光学素子をさらに備え、
前記光学素子で遮蔽、減光または反射されずに通過した前記光源装置からの放射光は、前記観察対象物に入射する、請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記複数の異なる条件で得られた前記遮蔽物の反射像の位置から制御目標値を決め、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項２から４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記複数の異なる条件で得られた前記遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項２から４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項７】
観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、前記観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置であって、
前記拡大光学系を介して前記観察対象物に光を放射する光源装置と、
前記拡大光学系に対して前記観察対象物とは反対の位置に配置され、前記光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、
前記遮蔽物および前記拡大光学系を経由して前記透明部材の反射面に至った前記光源装置からの放射光が前記反射面で反射した反射光を、前記拡大光学系を経由して受ける撮像装置と、
前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備え、
前記光源装置は、前記拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度で光を放射し、
前記制御装置は、前記撮像装置で撮影された前記遮蔽物の像の位置が目標位置と一致するように前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、オートフォーカス装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記撮像装置で撮影された前記遮蔽物の像における前記遮蔽物の開口部の位置が前記目標位置と一致するように前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項７に記載のオートフォーカス装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記撮像装置で得られた画像を画像処理することによって、前記遮蔽物の画像における開口部の内部と外部を分離する、請求項７または８に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１０】
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成され、
前記制御装置は、前記光源装置に第１の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第１位置と、前記光源装置に前記第１の角度とは異なる第２の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第２位置との差が目標値になるように、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を調整する、請求項７から９のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１１】
前記光源装置は、前記遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成され、
前記制御装置は、前記光源装置に第１の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第１位置に基づいて前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を粗調整し、前記光源装置に前記第１の角度よりも大きさが大きい第２の角度で光を出射させた場合の前記遮蔽物の画像の位置である第２位置に基づいて前記ステージまたは前記拡大光学系の位置を微調整する、請求項７から９のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１２】
前記光源装置は、
直進性の高い光を出射する光源と、
前記光源が出射する光を受け、前記光源装置から出射する光が前記遮蔽物に向けて入射する角度を変えることが可能に構成された電動光学素子とを含み、
前記制御装置は、前記光源装置から出射する光の角度が前記第１の角度である場合と前記第２の角度である場合とで前記電動光学素子の角度を変化させる、請求項１０または１１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１３】
前記拡大光学系は、
対物レンズと、
ハーフミラーと、
前記ハーフミラーが透過する光路、前記ハーフミラーが反射する光路のいずれか一方に配置された光源側結像レンズと、
前記ハーフミラーが透過する光路、前記ハーフミラーが反射する光路のいずれか他方に配置されたカメラ側結像レンズとを含む、請求項７から１２のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１４】
前記光源装置は、偏光を出射し、
前記拡大光学系は、
対物レンズと、
４分の１波長板と、
偏光ビームスプリッターと、
前記４分の１波長板と前記偏光ビームスプリッターとの間に配置された結像レンズとを含む、請求項７から１２のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１５】
前記制御装置は、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置の調整を、前記遮蔽物の像のうちの開口の像の重心の座標に基づいて行なう、請求項７から１２のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１６】
前記制御装置は、前記ステージまたは前記拡大光学系の位置の調整を、前記遮蔽物の像のうちの開口の像のエッジの座標に基づいて行なう、請求項７から１４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
【請求項１７】
前記ステージと、
前記拡大光学系と、
請求項１から１６のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置と
を備える光学装置。
【請求項１８】
前記ステージと、
前記拡大光学系と、
請求項１から１６のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置と
を備える顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、オートフォーカス装置ならびにそれを備える光学装置および顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に顕微鏡は開口数（ＮＡ：Numerical  Aperture）で分解能が決まることが知られている。開口数が大きいと得られる画像の分解能がよくなるが、焦点深度が短くなり、その結果フォーカス合わせが難しくなる。【０００３】
超解像イメージングのように開口数が大きい顕微鏡の自動化は普及していない。なぜ自動化が普及しないかというと、高精度・広レンジ・高速度を兼ね備えたオートフォーカス技術がないからである。【０００４】
従来法のオートフォーカスの方法は数多くあるが、主に以下の２つの方法に分類される。これらのオートフォーカス技術はどれも精度・レンジ・速度のいずれかに問題がある。【０００５】
図３０は、従来の第１方法を説明するための図である。第１の方法は、カメラで撮影された絞りの画像のコントラストを見る方法である。この方法では図３０に示すように、ガラス容器５０１の底面にある試料と共役の位置に絞り５０２が配置されており、試料の位置（ガラス容器の底面）に絞り５０２の像が結像する。そして、ガラス面からの反射した絞りの像をカメラ５０３で撮影する。ガラス容器もしくは対物レンズを上下に動かすステージスキャンを行ない、絞りの像にピントを合わせることで、試料の像のフォーカス合わせを行なう。第１の手法を用いると、開口数が大きい顕微鏡でも高い精度でピントを自動で合わせることができる。【０００６】
第１の方法の問題点は、フォーカス合わせの際にステージスキャンが必要で、時間がかかることである。ステージスキャンの速度によるが、約数十秒ほどの時間がかかる。また、カメラを２台つけて多焦点系にしてステージスキャンをなくすことで速度を早めたとしても、絞りの像が見えるレンジが狭いという問題もある。【０００７】
図３１は、従来の第２方法を説明するための図である。第２の方法は、ガラス面における反射位置を見て焦点を合わせる方法である。ＬＥＤ５６１からの光が対物レンズ５２３を通り、角度をつけて試料５２２へ入射する。そして、反射光の位置をＣＣＤカメラ５６４により取得する。第２の手法は、ビームの位置が中心にくるように制御できるので、常時焦点を維持することが可能である。【０００８】
第２の方法の問題点は、フォーカス合わせの精度が悪い点にある。精度が悪くなる現象は、光学系の歪みに起因する。光学系のずれにより、ビームの位置がＸずれると、入射光の位置はＸ／（倍率）ずれる。このずれは熱や振動など様々な外的要因により生じるため、毎回オフセットの調整が必要となる。また、フォーカス合わせのレンジと精度はビームがガラス面Ｓに入射する角度に依存する。そのため、精度とレンジのいずれを優先させるかの板挟みが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−２２７９４０号公報
【特許文献２】特許第５６２１２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来は、高精度・広レンジ・高速度を同時に兼ね備えたオートフォーカス技術を実現することは困難であった。これら３つの要素が高開口数の顕微鏡の自動化に必要な理由は以下のとおりである。第一に、開口数が大きな顕微鏡は焦点深度が短いため、高精度のオートフォーカスでないと像がボケてしまう。また、精度は長時間たっても維持してないと、毎回フォーカス合わせが必要となり自動化の妨げになる。第二に、ステージ移動の際に観察試料と対物レンズとの間にずれが生じる。このずれがオートフォーカスのレンジ内に入らないと、オートフォーカスができない。第三に、効率よくサンプルの撮影を行なうために、焦点を素早く合わせる技術が求められる。上記のように高精度・広レンジ・高速を兼ね備えたオートフォーカス技術は顕微鏡観察の自動化のために必須である。【００１１】
本発明の目的は、開口数が大きな顕微鏡においても高精度・広レンジ・高速にオートフォーカス可能なオートフォーカス装置ならびにそれを備える光学装置および顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示は、ある局面では、観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置に関する。オートフォーカス装置は、拡大光学系を介して観察対象物に光を放射する光源装置と、拡大光学系に対して観察対象物とは反対の位置に配置され、光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、遮蔽物および拡大光学系を経由して透明部材の反射面に至った光源装置からの放射光が反射面で反射した反射光を、拡大光学系を経由して受ける光検出装置と、ステージまたは拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光を観察対象物に対して複数の異なる条件で入射させて得られた遮蔽物の反射光に基づいて、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００１３】
好ましくは、光源装置は、遮蔽物に対して出射する光の角度分布を可変に調整できるように構成される。【００１４】
好ましくは、オートフォーカス装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光の一部を反射する光学素子をさらに備える。光学素子で反射した光源装置からの放射光は、観察対象物に入射する。【００１５】
好ましくは、オートフォーカス装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光の一部を遮蔽、減光または反射する光学素子をさらに備える。光学素子で遮蔽、減光または反射されずに通過した光源装置からの放射光は、観察対象物に入射する。【００１６】
より好ましくは、制御装置は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の反射像の位置から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００１７】
より好ましくは、制御装置は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００１８】
本開示は他の局面では、観察対象物を載せる透明部材を支持するステージと、観察対象物を観察する拡大光学系とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置に関する。オートフォーカス装置は、拡大光学系を介して観察対象物に光を放射する光源装置と、拡大光学系に対して観察対象物とは反対の位置に配置され、光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物と、遮蔽物および拡大光学系を経由して透明部材の反射面に至った光源装置からの放射光が反射面で反射した反射光を、拡大光学系を経由して受ける撮像装置と、ステージまたは拡大光学系の位置を制御する制御装置とを備える。光源装置は、拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度で光を放射する。制御装置は、撮像装置で撮影された遮蔽物の像の位置が目標位置と一致するようにステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００１９】
好ましくは、制御装置は、撮像装置で撮影された遮蔽物の像における遮蔽物の開口部の位置が目標位置と一致するようにステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００２０】
好ましくは、制御装置は、撮像装置で得られた画像を画像処理することによって、遮蔽物の画像における開口部の内部と外部を分離する。【００２１】
好ましくは、光源装置は、遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成される。制御装置は、光源装置に第１の角度で光を出射させた場合の遮蔽物の画像の位置である第１位置と、光源装置に第１の角度とは異なる第２の角度で光を出射させた場合の遮蔽物の画像の位置である第２位置との差が目標値になるように、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。【００２２】
好ましくは、光源装置は、遮蔽物に対して出射する光の角度を可変に構成される。制御装置は、光源装置に第１の角度で光を出射させた場合の遮蔽物の画像の位置である第１位置に基づいてステージまたは拡大光学系の位置を粗調整し、光源装置に第１の角度よりも大きさが大きい第２の角度で光を出射させた場合の遮蔽物の画像の位置である第２位置に基づいてステージまたは拡大光学系の位置を微調整する。【００２３】
より好ましくは、光源装置は、直進性の高い光を出射する光源と、光源が出射する光を受け、光源装置から出射する光が遮蔽物に向けて入射する角度を変えることが可能に構成された電動光学素子とを含む。制御装置は、光源装置から出射する光の角度が第１の角度である場合と第２の角度である場合とで電動光学素子の角度を変化させる。【００２４】
好ましくは、拡大光学系は、対物レンズと、ハーフミラーと、ハーフミラーが透過する光路、ハーフミラーが反射する光路のいずれか一方に配置された光源側結像レンズと、ハーフミラーが透過する光路、ハーフミラーが反射する光路のいずれか他方に配置されたカメラ側結像レンズとを含む。【００２５】
好ましくは、光源装置は、偏光を出射し、拡大光学系は、対物レンズと、４分の１波長板と、偏光ビームスプリッターと、４分の１波長板と偏光ビームスプリッターとの間に配置された結像レンズとを含む。【００２６】
好ましくは、制御装置は、ステージまたは拡大光学系の位置の調整を、遮蔽物の像のうちの開口の像の重心の座標に基づいて行なう。【００２７】
好ましくは、制御装置は、ステージまたは拡大光学系の位置の調整を、遮蔽物の像のうちの開口の像のエッジの座標に基づいて行なう。【００２８】
この開示は他の局面では、ステージと、拡大光学系と、上記いずれかのオートフォーカス装置を備える光学装置に関する。【００２９】
この開示はさらに他の局面では、ステージと、拡大光学系と、上記いずれかのオートフォーカス装置を備える顕微鏡に関する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、高精度・広レンジ・高速にオートフォーカス可能なオートフォーカスを実現できる。本発明を用いることで、開口数が大きな顕微鏡による撮像を容易に自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施の形態の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。
【図２】制御装置が制御する対象を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１で実行されるオートフォーカスの原理を示す図である。
【図４】実施の形態１において、絞りに変えてスリットを使用した場合の変形例を説明するための図である。
【図５】入射角度がφＬである場合の絞りの開口部画像の重心位置とステージの位置との関係を示した図である。
【図６】入射角度がφＨ（＞φＬ）である場合の絞りの開口部画像の重心位置とステージの位置との関係を示した図である。
【図７】本実施の形態のオートフォーカス装置の光学系の模式図である。
【図８】実施の形態１における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。
【図９】実施の形態２で実行されるオートフォーカスの原理を示す図である。
【図１０】実施の形態２において、絞りに変えてスリットを使用した場合の変形例を説明するための図である。
【図１１】実施の形態２における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。
【図１２】ＡＦ用カメラで捉えたスリットの画像である。
【図１３】実施の形態３の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。
【図１４】入射角度が正の角度である場合の画像である。
【図１５】入射角度が負の角度である場合の画像である。
【図１６】エッジの検出について説明するための図である。
【図１７】実施の形態３における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。
【図１８】実施の形態４の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。
【図１９】図１８における回転ミラーＲＭ１の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。
【図２０】図１８に示した顕微鏡２０１において、回転ミラーＲＭ１が１８０°回転した状態を示す図である。
【図２１】図２０に示した回転ミラーＲＭ１の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【図２２】実施の形態５の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。
【図２３】図２２における回転マスクＲＭ２の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。
【図２４】図２２に示した顕微鏡２５１において、回転マスクＲＭ２が１８０°回転した状態を示す図である。
【図２５】図２４に示した回転マスクＲＭ２の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【図２６】実施の形態６の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。
【図２７】図２６における回転マスクＲＭ３の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。
【図２８】図２６に示した顕微鏡２７１において、回転マスクＲＭ３が１８０°回転した状態を示す図である。
【図２９】図２８に示した回転マスクＲＭ３の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【図３０】従来の第１方法を説明するための図である。
【図３１】従来の第２方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３３】
［概要］
本実施の形態は、「高精度・広レンジ・高速を兼ね備えたオートフォーカス装置」に関するものである。図１は、本実施の形態の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。ＡＦ用レーザー１１からの光が電動ミラーＭで反射されて絞りＩＲへと入る。絞りＩＲと電動ミラーＭは共役の関係になっているので、電動ミラーＭの角度θにより、絞りＩＲへの光の入射角φを制御できる。絞りＩＲからの光は結像レンズＬ２と対物レンズＯＬを通して、試料２０を載置したガラス１９の表面（ガラス面Ｓ）に至り反射する。そして、反射光は対物レンズＯＬと結像レンズＬ１を通して、オートフォーカス用のカメラ（ＡＦ用カメラ）２２で結像しＡＦ用カメラ２２には絞りＩＲの像が映る。
【００３４】
本実施の形態の特徴は、整形した光を、試料２０をステージＳＴに載置したガラス面Ｓに対して角度をつけて照射し、その反射像の位置を見ることである。
【００３５】
これに対して、特許文献１に示した第１の方法では、角度をつけずに光を垂直に試料に照射し、反射像のボケを見ている。本実施の形態では、角度φをつけて光を入射し、反射像の位置を見ている点が異なる。本実施の形態では角度φをつけて入射し、反射像における絞りＩＲの像の位置を計測することで、焦点がガラス面Ｓからどの方向へどれくらいずれているかがわかる。このことがフォーカス合わせの高速化につながる。
【００３６】
一方、特許文献２に示した第２の方法では、光を整形させずに入射させて、その光の重心位置を観察している。本実施の形態の手法では、絞りＩＲを使用して入射光を整形している点が異なる。絞りＩＲによって像の形状が決まるので、画像処理により試料に由来する反射像を消すことができる。このことがオートフォーカスの高精度化につながる。また、特許文献２はガラス面へ照射する光の直進性が低い点でも異なる。光の直進性が低いと、フォーカスの変化で像が著しく変化するため、反射光を失い易くなりレンジの低下を導く。さらに、本手法では、入射角度を調整できる点でも異なる。入射角度を調整することで、レンジと精度の兼ね合いを調整することができる。
【００３７】
本実施の形態に係るオートフォーカス装置の使用手順の概要は以下のようになる。はじめに、ガラス面Ｓからどのくらいの距離離れた位置にフォーカスを合わせるかを使用者が決める。使用者の決定した位置に基づいて、絞りＩＲのＤ方向の位置を移動する。そして、入射角度φＬを与えるように電動ミラーＭの角度θを設定して絞りＩＲの反射像をＡＦ用カメラ２２で撮影し画像上の絞りＩＲの位置を求める。絞りＩＲの位置が目標位置と一致するようにＺステージもしくは対物レンズＯＬや他のレンズ（カメラ前や絞りの前のレンズ）の位置もしくは両方を動かす。目標位置との差が指定した値以下になるまで、上記を繰り返す。入射角度φＬでオートフォーカスが完了したら、入射角度φＬよりも大きい入射角度φＨで上記の手順と同じようにオートフォーカスを行なう。この方法により、従来法と比べて高精度・広レンジ・高速にオートフォーカスを行なうことができる。
【００３８】
［実施の形態１］
本実施の形態に係るオートフォーカス装置は、顕微鏡の自動化を容易に実現するために有用である。図１に示す顕微鏡１は、ステージＳＴと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。
【００３９】
顕微鏡１は、オートフォーカス用の光学系として、ＡＦ用レーザー１１、電動ミラーＭおよびケプラー式のビームエキスパンダー１３からなる光源と、絞りＩＲと、結像レンズＬ２と、ハーフミラーＨＭと、ダイクロイックミラーＤＭと、対物レンズＯＬと、結像レンズＬ１と、ＡＦ用カメラ２２とを備える。
【００４０】
顕微鏡１は、さらに、観察用の光学系として、励起フィルタ２３と、観察用ダイクロイックミラー２４と、吸収フィルタ２５，２８と、結像レンズ２６と、観察用カメラ２７とを備える。
【００４１】
オートフォーカス用の光学系では、電動ミラーＭで反射されたレーザー光が、ビームエキスパンダー１３を通過して絞りＩＲへと入射する。絞りＩＲへのレーザーの入射角度φは電動ミラーＭの角度θにより制御できる。絞りＩＲとガラス面Ｓは共役の位置にあるので、ガラス面Ｓに絞りＩＲの影が結像される。絞りＩＲの像は反射し、ＡＦ用カメラ２２に投影される。
【００４２】
観察用光学系では、ＡＦ用のダイクロイックミラーＤＭおよび吸収フィルタ２８を透過する波長の光を使用することができる。具体的には、観察用ダイクロイックミラー２４を通して、光を試料２０へ照射することができる。そして、観察用カメラ２７で蛍光や反射光を観察することができる。吸収フィルタ２８は、ＡＦ用の光源からの光のみを吸収し、観察用カメラ２７にＡＦ用の光源からの漏れた光が入射するのを防ぐ。
【００４３】
顕微鏡１は、電動ミラーＭの角度θと、絞りＩＲのＤ方向位置と、ステージＳＴの位置とを制御する制御装置１００をさらに備える。制御装置１００はステージＳＴの位置ではなく、対物レンズＯＬや他のレンズ（カメラ前や絞りの前のレンズ）の位置もしくは両方を制御してもよい。以下は説明のため制御装置１００がステージＳＴの位置を制御する方式で話を進める。
【００４４】
図２は、制御装置が制御する対象を示すブロック図である。制御装置１００は、絞り位置調整部１０１によって絞りＩＲのＤ方向の位置を調整する。制御装置１００は、ミラー角度調整部１０２によって電動ミラーＭの角度θを調整する。制御装置１００は、ＡＦ用カメラ２２が撮像した絞りＩＲの像の画像中の位置に基づいてステージ位置調整部１０３を駆動し、ステージＳＴのＺ方向の位置を制御する。
【００４５】
図３は、実施の形態１で実行されるオートフォーカスの原理を示す図である。レーザー光は、絞りＩＲへの入射角度φに対応する入射角で、試料２０へ入射している。このときＡＦ用カメラ２２ではカメラ画像Ｐ１のように絞りＩＲの像が観察される。焦点位置からのガラス面ＳのＺ位置に応じて、絞りＩＲの像も画像中で位置が左右にシフトする。
【００４６】
予め合焦位置に対応する絞りＩＲの像の目標位置ＸＴを定めておき、カメラ画像Ｐ１から得られた絞りＩＲの像の位置Ｘ１と目標位置ＸＴとの差ｄｘを算出する。差ｄｘがゼロのときが合焦位置となる。差ｄｘから、ガラス面Ｓを乗せたステージＳＴを動かす方向と移動量がわかるので、高速に常時フォーカス合わせを行なうことが可能となる。
【００４７】
なお、ＡＦ用カメラ２２の代わりに分割フォトダイオードなどのセンサーを用いることができるが、精度は悪くなる。なぜなら、反射像により絞りＩＲの像の位置決め精度が悪化するからである。
【００４８】
絞りＩＲの開口部分には、観察対象の細胞などの試料の像が見えている。したがって絞りＩＲの開口部分の映像は、細胞などの試料に依存した像となるので、絞りＩＲの反射像は一様ではない。そのため、分割フォトダイオードのような重み付き重心で絞りＩＲの像の位置を決めると、試料の像に依存してフォーカスがずれる。この問題を解決しオートフォーカスの精度を上げるには、開口部が白画像、絞りＩＲによる遮蔽部が黒画像となるように画像処理（例えば２値化処理や輪郭抽出処理等）により画像を分離することが好ましい。これによって、試料に依存しない高精度なオートフォーカスが可能となる。
【００４９】
図４は、実施の形態１において、円形の絞りに変えてスリットを使用した場合の変形例を説明するための図である。図３の場合は絞りＩＲの画像の重み付き重心の位置から差ｄｘを算出したが、スリットのような場合には、画像のＸ座標をそのまま使用するか、または簡単な演算によってＸ１を算出して差ｄｘを算出することができる。なお、絞りＩＲの形状は図３の円形、図４のスリット状以外にも、星形、多角形等種々の形状であっても良い。
【００５０】
本実施の形態では、入射角度φをゼロでない所定角度に固定して、オートフォーカスをすることが可能である。入射角度φを固定して、絞りＩＲの像の位置を測定する。そして、絞りＩＲの像の位置が目標位置へ移動するように、ステージＳＴを移動させてフォーカスを調整する。この方法では電動ミラーＭの角度変化がないので、高速にオートフォーカスを行なうことができ、電動ミラーＭの駆動部の摩耗を防ぐことができる。
【００５１】
一方、オートフォーカスの際の絞りＩＲへの入射角度φを変えることで、精度とレンジを調節することができる。この関係を入射角度φが大きい場合と小さい場合で比較して説明する。図５は、入射角度がφＬである場合の絞りの開口部画像の重心位置とステージの位置との関係を示した図である。図６は、入射角度がφＨ（＞φＬ）である場合の絞りの開口部画像の重心位置とステージの位置との関係を示した図である。図５、図６において横軸は、絞りＩＲの開口部画像の重心位置を示す画素位置（ｐｘ：ピクセル）を示し、縦軸は、試料のガラス面を移動させるステージのＺ方向の位置（μｍ）を示す。
【００５２】
入射角度φ＝φＨの場合（入射角度φが大きい場合）ビームの移動量が大きくなり、精度が高くなる（約５０ｎｍ／ｐｘ）。しかし、移動量が大きい分、レンジ（オートフォーカス可能なＺ方向範囲）は狭くなる。一方、入射角度φ＝φＬの場合（入射角度が小さい場合）ビームの移動量が小さくなり、精度が粗くなる（約７６０ｎｍ／ｐｘ）。しかし、レンジ（オートフォーカス可能なＺ方向範囲）は広くなる。
【００５３】
（オートフォーカスの手順）
実施の形態１では、以下の方法により、オートフォーカスにおいて広レンジと高精度を両立させた。最初はレンジの広い入射角度（φ＝φＬ）を用いてオートフォーカスを開始し、ある程度粗く焦点を合わせる。そして、レンジの狭い入射角度（φ＝φＨ）を使用して、高精度にフォーカスを合わせる。これにより、広いレンジで高精度なオートフォーカスが可能となる。
【００５４】
図７は、本実施の形態のオートフォーカス装置の光学系の模式図である。図８は、実施の形態１における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。
【００５５】
オートフォーカス制御の前提として使用者が設定しておくことは、ガラス面Ｓからどの程度離れた位置に合焦させるかを決めることである。フォーカスの位置は絞りＩＲの光軸方向の位置と線形な関係にあり、結像レンズＬ２の焦点位置に絞りＩＲがあるとガラス面Ｓにフォーカスが合う。そのため、ガラス面Ｓからの距離より、絞りＩＲの位置がＤＴと一意に定まる。他の事前に設定するパラメータとしては、粗動および微動のステージ制御にそれぞれ対応する電動ミラーの角度θＬおよびθＨと、それぞれに対応した合焦と判定する際の収束判定値εＬおよびεＨがある。これらは、基本的に使用者によらずオートフォーカス装置の開発者が決める一定値となる。
【００５６】
ステップＳ１において、制御装置１００は、絞りＩＲの位置Ｄを位置ＤＴに設定する。そして、ステップＳ２において、制御装置１００は、絞りＩＲへの入射角度φを精度の粗いφＬに設定することを決める。
【００５７】
ステップＳ３において、制御装置１００は、電動ミラーＭの角度θを入射角度φ（＝φＬ）となる角度に設定する。また、判定収束値をε（＝εＬ）設定する。そして、ステップＳ４において、制御装置１００は、ＡＦ用カメラ２２によって反射像を取得し、絞りＩＲの重心の位置Ｘ１を計算する。
【００５８】
次に、ステップＳ５において、制御装置１００は、重心のＸ座標の差ｄｘ（＝Ｘ１−ＸＴ）を算出し、ステップＳ６において差ｄｘに対応する方向に対応する移動量だけステージＳＴをＺ方向に動かす。制御装置１００は、ステップＳ７において、差ｄｘが判定収束値εより小さいか否かを判断する。ステップＳ７において差ｄｘ＜εでなければ（Ｓ７でＮＯ）、再びステップＳ３〜Ｓ６の処理を実行する。
【００５９】
ステップＳ７において差ｄｘ＜εであれば（Ｓ７でＹＥＳ）、ステップＳ８において、粗いフォーカス合わせを実行したか否か（入射角度φの設定がφＬであるか否か）を判断する。ステップＳ８において粗いフォーカス合わせを実行していた場合（Ｓ８でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ９において入射角度をφ＝φＨ、判定収束値をε＝εＨに変更して、その後ステップＳ３〜Ｓ７の処理を実行し高精度オートフォーカスを行なう。ステップＳ８において、粗いフォーカス合わせでなかった場合（φ≠φＬ）、高精度オートフォーカスが実行済みであるため（Ｓ８でＮＯ）、制御装置１００はオートフォーカスを終了する。
【００６０】
本実施の形態によれば、入射角度φをゼロでない角度とすることによって、絞りＩＲの画像の位置からステージの移動方向と移動量を直ちに算出することが可能であるので、高速なオートフォーカスが可能となる。
【００６１】
また、入射角度φを固定していてもオートフォーカスは可能であるが、電動ミラーＭによって試料２０への光の入射角度φをφＬとφＨに制御することで、オートフォーカスの精度とレンジを調整できる。絞りＩＲへの入射角度φが大きいと、ガラス面Ｓを上下方向に動かすとガラス面Ｓにおける絞りＩＲの像の重心位置が大きく動くようになる。その結果、ＡＦ用カメラ２２から絞りＩＲの像が外れやすくなりレンジが狭くなるが、像の位置変動が大きくなるため精度は高くなる。逆に、絞りＩＲへの入射角度φが小さいと、精度は悪くなるが、レンジが広くなる。はじめに入射角度φを小さくし広レンジでオートフォーカスし、次に入射角度φを大きくし高精度でオートフォーカスをする。こうすることで、広いレンジと高精度を両立させたオートフォーカスが実現される。
【００６２】
［実施の形態２］
実施の形態１では、高速かつ高レンジでオートフォーカスが実現できるが、光学系のずれに弱いため精度は高くない。そのため、毎回観察前もしくは観察中にオフセット調整を行う必要がある。実施の形態２では、複数方向から光を入射させてオートフォーカスするため、光学系のずれに強く長時間経過しても安定したオートフォーカスが可能となる。
【００６３】
本実施の形態に係るオートフォーカス装置の使用手順の概要は以下のようになる。はじめに、ガラス面Ｓからどの位置にフォーカスを合わせるかを使用者が決める。使用者の決定した位置に基づいて、絞りＩＲのＤ方向の位置を移動する。そして、入射角度φＬを与えるように電動ミラーＭの角度θを設定して絞りＩＲの反射像をＡＦ用カメラ２２で撮影し、重心の位置Ｘ１を計算する。そして、入射角度−φＬを与えるように電動ミラーＭの角度θを設定してから再度反射像を撮影し、重心の位置Ｘ２を計算する。重心の位置Ｘ１とＸ２の差ｄｘをとり、差ｄｘがゼロになるようにＺステージを動かす。差ｄｘが指定した値以下になるまで、上記を繰り返す。入射角度φＬでオートフォーカスが完了したら、入射角度φＬよりも大きい入射角度φＨで上記の手順と同じようにオートフォーカスを行なう。この方法により、従来法と比べて高精度・広レンジ・高速にオートフォーカスを行なうことができることに加えて、予め絞りの目標位置を設定しておく必要がなくなる。
【００６４】
図９は、実施の形態２で実行されるオートフォーカスの原理を示す図である。レーザー光Ｂ１は、絞りＩＲへの入射角度φに対応する入射角で、試料２０へ入射している。このときＡＦ用カメラ２２ではカメラ画像Ｐ１のように絞りＩＲの像が観察される。焦点位置からのガラス面ＳのＺ位置の変化に応じて、絞りＩＲの像も画像中で位置が左右にシフトする。
【００６５】
電動ミラーＭの角度を変えることにより絞りＩＲへの入射角度を入射角度φとは逆の−φにしてレーザー光Ｂ２を試料へ入射する。この際、絞りＩＲの像は角度φと同様に、焦点位置からのガラス面ＳのＺ位置が変化すると絞りＩＲの像も画像中の位置を変える。しかし、角度φのときと異なり、絞りＩＲの像の位置は逆向きにシフトする。
【００６６】
入射角度φと入射角度−φでの絞りＩＲの像の位置の差ｄｘがゼロのときが合焦位置となる。カメラ画像Ｐ１とカメラ画像Ｐ２での絞りＩＲの像の位置の差ｄｘから、ガラス面Ｓを乗せたステージＳＴを動かす方向と移動量がわかるので、高速に常時フォーカス合わせを行なうことが可能となる。
【００６７】
なお、ＡＦ用カメラ２２の代わりに分割フォトダイオードなどのセンサーを用いることができるが、精度は悪くなる。反射像により絞りＩＲの像の位置決め精度が悪化するからである。
【００６８】
また、絞りＩＲの開口部分には、観察対象の細胞などの試料の像が見えている。したがって絞りＩＲの開口部分の映像は、細胞などの試料に依存した像となるので、絞りＩＲの反射像は一様ではない。そのため、分割フォトダイオードのような重み付き重心で絞りＩＲの像の位置を決めると、試料の像に依存してフォーカスがずれる。この問題を解決しオートフォーカスの精度を上げるには、開口部が白画像、絞りＩＲによる遮蔽部が黒画像となるように画像処理（例えば２値化処理や輪郭抽出処理等）により画像を分離することが好ましい。これによって、試料に依存しない高精度なオートフォーカスが可能となる。
【００６９】
実施の形態２では、目標位置ＸＴに絞りＩＲの画像を合わせる方法として入射角度φおよび入射角度−φでの撮影画像を用いることができる。このように入射角度φおよび入射角度−φでの撮影画像を用いることによって、使用者が絞りＩＲの像の目標位置ＸＴを事前に設定する必要がなくなる。
【００７０】
実施の形態２の場合においても、オートフォーカスの際の絞りＩＲへの入射角度φを変えることで、精度とレンジを調節することができる。精度とレンジの調節については、図４、図５で説明したのでここでは説明は繰り返さない。
【００７１】
図１０は、実施の形態２において、絞りに変えてスリットを使用した場合の変形例を説明するための図である。図９の場合は絞りＩＲの画像の重み付き重心の位置から差ｄｘを算出したが、スリットのような場合には、画像のＸ座標をそのまま使用するか、または簡単な演算によってＸ１，Ｘ２を算出して差ｄｘを算出することができる。なお、絞りＩＲの形状は円形、スリット状以外にも、星形、多角形等種々の形状であっても良い。
【００７２】
（オートフォーカスの手順）
実施の形態２でも実施の形態１と同様に、広レンジと高精度を両立することが可能となる。最初はレンジの広い入射角度（φ＝φＬ）を用いてオートフォーカスを開始し、ある程度粗く焦点を合わせる。そして、レンジの狭い入射角度（φ＝φＨ）を使用して、高精度にフォーカスを合わせる。
【００７３】
実施の形態２では、さらに、レンジの広い入射角度とレンジの狭い入射角度の各々において、試料に対して、絞りＩＲへの入射角度φと−φの２つの方向からレーザー光を照射し順次撮影して、絞りＩＲの像の重心を求める。角度φのみからの反射光で焦点を合わせる場合、絞りＩＲとＡＦ用カメラが共役となるステージＳＴ位置はわからない。そのため、事前に絞りＩＲの重心がどの位置にあれば、絞りＩＲとＡＦ用カメラが共役かを設定する必要がある。一方、角度φと−φの位置の差分をとる方法では、絞りＩＲとＡＦ用カメラが共役なとき、差分がゼロとなる位置であるため、参照位置を事前に設定する必要はなくなる。
【００７４】
図１１は、実施の形態２における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、ガラス面Ｓからどの程度離れた位置に合焦させるかに従って、絞りＩＲの位置ＤＴを決定し、粗動および微動のステージ制御にそれぞれ対応する電動ミラーの角度θＬおよびθＨを決定し、合焦と判定する際の収束判定値εＬおよびεＨをそれぞれ予め決定しておく。
【００７５】
ステップＳ１１において、制御装置１００は、絞りＩＲの位置ＤをＤＴに設定する。そして、ステップＳ１２において、制御装置１００は、絞りＩＲへの入射角度φを精度の粗いφＬに設定することを決める。また、収束判定値εをεＬとする。
【００７６】
ステップＳ１３において、制御装置１００は、電動ミラーＭの角度θを入射角度φ（＝φＬ）となる角度に設定する。そして、ステップＳ１４において、制御装置１００は、ＡＦ用カメラ２２によって反射像を取得し、絞りＩＲの重心の位置Ｘ１を計算する。
【００７７】
その後、制御装置１００は、ステップＳ１５において入射角度−φ（＝−φＬ）となるように電動ミラーＭの角度θを変更し、ステップＳ１６において再び反射像を取得し、絞りＩＲの重心の位置Ｘ２を計算する。
【００７８】
次に、制御装置１００は、ステップＳ１７において重心のＸ座標の差ｄｘ（＝Ｘ１−Ｘ２）を算出し、ステップＳ１８において差ｄｘに対応する方向に対応する移動量だけＺ方向にステージＳＴを動かす。制御装置１００は、ステップＳ１９において、差ｄｘが判定収束値εより小さいか否かを判断する。ステップＳ１９において差ｄｘ＜εでなければ（Ｓ１９でＮＯ）、再びステップＳ１３〜Ｓ１８の処理を実行する。
【００７９】
ステップＳ１９において差ｄｘ＜εであれば（Ｓ１９でＹＥＳ）、ステップＳ２０において、粗いフォーカス合わせを実行したか否かを判断する。ステップＳ２０において粗いフォーカス合わせを実行していた場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ２１において入射角度をφ＝φＨ、収束判定値をε＝εＨに変更して、その後ステップＳ１３〜Ｓ１８の処理を実行し高精度オートフォーカスを行なう。ステップＳ２０において、粗いフォーカス合わせでなかった場合（φ≠φＬ）、高精度オートフォーカスが実行済みであるため（Ｓ２０でＮＯ）、制御装置１００はオートフォーカスを終了する。
【００８０】
実施の形態２のオートフォーカス装置の利点の一つは、目標位置ＸＴを予め設定していなくても絞りＩＲの合焦位置がわかることである。角度φのみからの反射光で焦点を合わせる場合、絞りＩＲとＡＦ用カメラが共役となるステージＳＴの位置はわからない。そのため、事前に絞りＩＲの重心がＡＦ用カメラ上のどの位置にあれば、絞りＩＲとＡＦ用カメラが共役となるかを設定する必要がある。一方、角度φと−φの位置の差分をとる方法では、絞りＩＲとの共役なガラス面Ｓの位置は差分がゼロとなる位置であるため、目標位置ＸＴを事前に設定する必要はなくなる。
【００８１】
図３１に示す従来のオートフォーカス方法は、ガラス面に一方向から光を入射させて、戻り光の位置の変化を検出して行なう。この方法だと、絞りやカメラの位置がΔＸずれるとフォーカスは「ΔＸ／倍率」だけずれてしまう。例えば、倍率が１００倍である場合に絞りＩＲのＸＹ方向（拡大光学系の軸に直交する方向）がわずかに１００μｍずれたとき、１μｍもフォーカス位置が光軸方向にずれてしまう。１分子イメージングの場合フォーカス位置が数百ｎｍずれると得られる画像は大きくボケてしまう。そのため、従来のオートフォーカスでは、毎回オフセットを調整する必要があり、観察中の自動化が困難であった。
【００８２】
実施の形態２に示した方法は、絞りに対して２つの方向から撮影し、両者の絞り位置の差を検出する。そのため、絞りＩＲの位置がＸＹ方向にずれても問題はない。もちろん、絞りＩＲの位置はＤ方向（光軸方向）にもずれるが、Ｄ方向にΔＤずれるとフォーカス位置は「ΔＤ／倍率２」となる。例えば、倍率が１００倍である場合に絞りＩＲのＤ方向の位置が１００μｍずれたとしても、フォーカス位置のずれは１０ｎｍ（＝１００μｍ／１００２）で済む。これにより、観察ごとに毎回オフセット調整する必要がなく自動化が可能となった。
【００８３】
なお、上記の実施の形態では、ガラス面Ｓに焦点を合わせる説明をしたが、絞りＩＲのＤ方向の位置を変えることにより、焦点を合わせる位置をガラス面Ｓからずらすことができる。ガラス面Ｓからオートフォーカス焦点面までの距離と絞りＩＲのＤ方向の位置は線形である。そのため、具体的にガラス面からのどの位置に焦点を合わせるかを距離で指定できる。絞りの位置を変えずに、焦点面の位置を制御することもできる。実施の形態１では、目標位置ＸＴをずらせば線形的にフォーカスの位置が変化する。実施の形態２では、２画像の絞りの重心の差ｄｘをゼロではない値に制御すれば線形的にフォーカスの位置が変化する。また、絞りＩＲのＸＹ方向（拡大光学系の軸に直交する方向）の位置を変えることで、オートフォーカスの際に放射する光を試料２０から避けることができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、フォーカス合わせのために、ステージのＺ位置を変化させたが、対物レンズや他のレンズ（カメラ前や絞りの前のレンズ）を動かして焦点を合わせても良い。
【００８５】
また、本実施の形態のオートフォーカス装置は、研究用の顕微鏡以外にも、工業用の設備に組み込まれた顕微鏡にも適用することができる。
【００８６】
［実施の形態３］
実施の形態１と２では、画像の重心を算出するのが困難な場合がある。
【００８７】
図１２は、ＡＦ用カメラで捉えたスリットの画像である。この画像は１本のスリットＳＬの画像であるが、スリットＳＬの内部には干渉による縦縞が多数生じている。図１２に示すように、スリットＳＬの反射像は、右側エッジに比べて左側エッジ部分ではスリットＳＬから光が散乱してぼやけたようになっている。この現象は、スリットＳＬ以外でも絞りＩＲの画像でも同じである。この現象により、スリットＳＬおよび絞りＩＲの重心位置を画像処理により正確に検出することは困難となる。
【００８８】
ただし、この現象は、入射角度φを高くするほど顕著になる。また、片方エッジのみに顕著に見られることがわかった。ガラス面に入射した光が反射する際に何らかの理由で散乱し、反射光側に散乱が生じるからであると考えられる。したがって、散乱しない側のエッジは入射角度φが正か負かによって予め決まる。そこで、実施の形態では、画像の重心を算出する代わりにスリット画像の片側のエッジ位置を検出し、オートフォーカスのための情報を得る。
【００８９】
図１３は、実施の形態３の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図１３に示す顕微鏡１０５は、ステージＳＴと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。
【００９０】
顕微鏡１０５は、オートフォーカス用の光学系として、ＡＦ用レーザー１１、電動ミラーＭからなる光源と、スリットＳＬと、偏光ビームスプリッターＢＳと、結像レンズＬ１１、レンズＬ１２と、１／４波長板ＱＲと、ダイクロイックミラーＤＭと、対物レンズＯＬと、フィルタＦと、ＡＦ用カメラ２２とを備える。
【００９１】
顕微鏡１０５は、さらに、観察用の光学系として、励起フィルタ２３と、観察用ダイクロイックミラー２４と、吸収フィルタ２５と、結像レンズ２６と、観察用カメラ２７とを備える。
【００９２】
オートフォーカス用の光学系では、電動ミラーＭで反射されたレーザー光を用いてステージＳＴの位置を合わせるための情報を得る。
【００９３】
観察用光学系では、ＡＦ用のダイクロイックミラーＤＭを透過する波長の光を使用することができる。具体的には、観察用ダイクロイックミラー２４を通して、図示しない光源から光を試料２０へ照射することができる。そして、観察用カメラ２７で蛍光や反射光を観察することができる。
【００９４】
顕微鏡１０５は、電動ミラーＭの角度θと、スリットＳＬのＤ方向位置と、ステージＳＴの位置とを制御する制御装置１１０をさらに備える。制御装置１１０はステージＳＴの位置ではなく、対物レンズＯＬ、結像レンズＬ１１、レンズＬ１２のいずれか１つまたは複数の位置を制御してもよい。
【００９５】
ＡＦ用レーザー１１からの光が電動ミラーＭで反射されてスリットＳＬへと入る。電動ミラーＭの角度θにより、スリットＳＬへの光の入射角φを制御できる。スリットＳＬからの光は偏光ビームスプリッターＢＳによって反射され、結像レンズＬ１１、１／４波長板ＱＲを通過した後に、ダイクロイックミラーＤＭで反射され、対物レンズＯＬを通して、試料２０を載置したガラス１９のガラス面Ｓに至る。このようにして、ガラス面Ｓにスリット像が投影される。
【００９６】
図１３の顕微鏡１０５では、図１の顕微鏡１と異なり、レーザー光は偏光ビームスプリッターＢＳにより反射される。レーザー光はＡＦ用レーザー１１から出射した時点で偏光しており、ＡＦ用レーザー１１の向きを合わせることでほぼ１００％の光が偏光ビームスプリッターＢＳにおいて反射される。偏光ビームスプリッターＢＳを使用することによって、入射させるレーザー光や反射光をロスなくＡＦ用カメラ２２において取得することができる。
【００９７】
ガラス１９の表面に至った光は、ガラス１９の表面で反射する。この反射光は対物レンズＯＬを通過した後にダイクロイックミラーＤＭで反射され、１／４波長板ＱＲ、結像レンズＬ１１、偏光ビームスプリッターＢＳ、フィルタＦおよびレンズＬ１２を通過して、オートフォーカス用のカメラ（ＡＦ用カメラ）２２で結像する。このようにして、ＡＦ用カメラ２２はスリットＳＬの像が映る。
【００９８】
図１の構成では、ダイクロイックミラーＤＭとハーフミラーＨＭの間にレンズを配置すると、配置したレンズからの反射光がＡＦ用カメラ２２へ入り込みノイズとなるため、２枚の結像レンズＬ１およびＬ２を使用していた。これに対し、図１３の構成では、結像レンズＬ１１の次に波長板ＱＲがあり、結像レンズＬ１１での反射光は偏光ビームスプリッターＢＳがあるのでＡＦ用カメラ２２へ入射しない。したがって、図１の結像レンズＬ１およびＬ２を一枚の結像レンズＬ１１にまとめることができ、レンズを１枚減らすことができる。
【００９９】
また、１／４波長板ＱＲにより、１／４波長板ＱＲ以降の反射光だけが偏光ビームスプリッターＢＳを通してＡＦ用カメラ２２へと伝わる。波長板ＱＲがないと結像レンズＬ１１からの戻り光がＡＦ用カメラ２２へ入り、ノイズとなる。また、１／４波長板ＱＲにある程度角度をつけて設置しないと、１／４波長板ＱＲからの反射光がＡＦ用カメラ２２へ入り、ノイズとなる。
【０１００】
結像レンズＬ１１またはレンズＬ１２を前後に動かすことにより、オートフォーカスの位置をガラス面からずらすことができる。なお、実際のオートフォーカスモジュールでは結像レンズＬ１１が顕微鏡の内部に入るため、レンズＬ１２を顕微鏡の外部に設置し外部からオフセットを調整できるようにしてある。ただし、顕微鏡の内部の結像レンズＬ１１を制御する構成を採用すれば、レンズＬ１２は必要ない。
【０１０１】
ダイクロイックミラーＤＭによってオートフォーカス光路と観察用の光路とを分けることができる。そのため、顕微鏡１０５でも観察しながらのオートフォーカスが可能である。なお、レンズＬ１２近くのフィルタＦはオートフォーカス以外の光を除くためにある。これがないと観察光がＡＦ用カメラ２２に入り込んでしまい、観察中にオートフォーカスに支障が生じる。
【０１０２】
実施の形態３においても、スリットＳＬで整形した光を、試料２０をステージＳＴに載置したガラス面Ｓに対して角度をつけて照射し、その反射像の位置を見る。
【０１０３】
図１２では、エッジの乱れは、片方エッジのみに顕著に見られることを説明したが、乱れが顕著になるエッジは、入射角度φの正負によって異なる側であることがわかった。これは、ガラス面に入射した光が反射する際に何らかの理由で散乱し、反射光側に散乱が生じるからであると考えられる。したがって、散乱しない側のエッジは入射角度φが正か負かによって予め決まる。
【０１０４】
図１４は、入射角度が正の角度である場合の画像である。入射角度が正の角度（＋φ）の場合は、エッジを観察すると左側が明瞭に見える。図１５は、入射角度が負の角度である場合の画像である。入射角度が負の角度（−φ）の場合は、エッジを観察すると右側が明瞭に見える。
【０１０５】
図１６は、エッジの検出について説明するための図である。例えば図１６に示すようにＡＦ用カメラ２２で撮影した画像が左側のエッジが乱れた画像である場合、画像の右側から画素の輝度をスキャンして、しきい値を超える位置をエッジとする。両方のエッジが明瞭に見えれば重心でよいが、片方のエッジが乱れるのでこのような方法を採用する。
【０１０６】
エッジを検出する方法は、水浸や液浸でない対物レンズを使用する際にも役立つ。油浸対物レンズの場合、溶液とガラス面の間の光が反射する。一方、水浸や液浸でない対物レンズの場合、ガラスの下面と上面の光が反射し、反射像が重なる。片側のエッジを検出することで、ガラス上面だけを検出でき、ガラスの厚さによらないオートフォーカスが可能となる。
【０１０７】
エッジ検出の画像処理の方法は多くあるが一例を述べる。まず、画像をＹ方向に平均化して一次元にする。左のエッジを検出するには、１次元のデータを左側からスキャンして指定したしきい値を超える場所を探す。右のエッジを検出したい場合は、右からスキャンしてしきい値を超える場所を探す（図１６参照）。もし、しきい値を超えない場合は、オートフォーカスは失敗したものとする。画像処理方法がシンプルなので、高速に演算することができる。
【０１０８】
他の方法としては、１次元のデータを微分して傾きが最大（左のエッジ）もしくは最小（右のエッジ）となるＸ方向の位置を検出する方法がある。この際、しきい値を事前に決めておき、すべての画素でしきい値を超えない場合はオートフォーカスが失敗したものとする。
【０１０９】
また、入射角度φの正負に対応して、明瞭に見えるエッジも左側と右側で入れ替わることを利用することで高精度なオートフォーカスが可能となる。
【０１１０】
図１７は、実施の形態３における、オートフォーカスの制御を説明するためのフローチャートである。実施の形態３においても、実施の形態１、２と同様に、ガラス面Ｓからどの程度離れた位置に合焦させるかに従って、結像レンズＬ１１の位置ＤＴと電動ミラーの角度θを決定し、合焦と判定する際の収束判定値εを予め決定しておく。収束判定値によりプログラムがオートフォーカスを完了したかを知ることができ、オートフォーカス前に自動撮影を開始することを防ぐ。
【０１１１】
ステップＳ１０１において、制御装置１１０は、結像レンズＬ１１の位置ＤをＤＴに設定し、スリットＳＬへの入射角度φを設定する。また、収束判定値をεとする。
【０１１２】
ステップＳ１０２において、制御装置１１０は、電動ミラーＭの角度θを入射角度φとなる角度に設定する。そして、ステップＳ１０３において、制御装置１１０は、ＡＦ用カメラ２２によって反射像を取得し、スリットＳＬの左側エッジの位置ＥＬを検出する。
【０１１３】
その後、制御装置１１０は、ステップＳ１０４において入射角度−φとなるように電動ミラーＭの角度θを変更し、ステップＳ１０５において再び反射像を取得し、スリットＳＬの右側エッジの位置ＥＲを計算する。
【０１１４】
次に、制御装置１１０は、ステップＳ１０６においてエッジの座標の差ｄｘ（＝ＥＲ−ＥＬ）にオフセット量を加えた量を算出し、ステップＳ１０７においてその量に対応する方向に対応する移動量だけＺ方向にステージＳＴを動かす。制御装置１１０は、ステップＳ１０８において、差ｄｘが判定収束値εより小さいか否かを判断する。これにより収束値に入ったどうかをユーザーやメインプログラムが知ることができる。なお、ステージＳＴを動かす代わりに、対物レンズＯＬなどの位置を調節しても良い。
【０１１５】
また、ステップＳ１０８においてメインプログラムから終了命令があれば（Ｓ１０８でＹＥＳ）、制御装置１１０はオートフォーカスを終了する。
【０１１６】
実施の形態３のオートフォーカス装置は、実施の形態２のオートフォーカス装置と同様な効果を奏する。加えて、実施の形態３のオートフォーカス装置は、さらにオートフォーカスの精度を上げられる。試料に対して、スリットＳＬへの入射角度φと−φの２つの方向からレーザー光を照射し順次撮影して、入射角度の正負に対応する側のスリットＳＬの像のエッジをそれぞれ求める。そして、エッジ位置の差分をとり、差分が実際のスリット幅に近くなるようにガラス面Ｓの上下位置を制御する。この方法を使うと、絞りまたはスリットＳＬの画像の片側エッジが乱れる場合でも正確にフォーカス合わせを行なうことができる。
【０１１７】
なお、実施の形態３では、入射角度φが可変となる構成を採用しているが、実施の形態１と同様に、入射角度φを固定の非ゼロの角度とし、明瞭となるエッジのみを目標位置に一致させるように制御しても良い。この場合、フォーカス合わせに使用するエッジは、入射角度φの正負に対応する側のエッジとなる。
【０１１８】
［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、非ゼロの固定または可変の入射角度φで、ＡＦ用光源からの光を拡大光学系に入射することによって、ＡＦ用カメラに結像する絞りまたはスリットの位置がフォーカス位置によって異なることをフォーカス合わせに利用した。
【０１１９】
しかし、非ゼロの角度で絞りまたはスリットに入射しなくても、絞りまたはスリットを通過後に光の一部を遮ることで同じ効果を得ることができる。実施の形態４では、絞りまたはスリット通過後に光の一部を遮る方法を採用した例を説明する。
【０１２０】
図１８は、実施の形態４の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図１８に示す顕微鏡２０１は、ステージと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。ステージと、観察用の光学系の詳細については、実施の形態１〜３と同様であるので、ここでは図示を省略し、図１８にはオートフォーカス用の光学系のみを示す。
【０１２１】
顕微鏡２０１は、オートフォーカス用の光学系として、光源２１１と、スリットＳＬまたは絞りＩＲと、回転ミラーＲＭ１と、結像レンズＬ２１１と、ダイクロイックミラーＤＭと、対物レンズＯＬと、センサー２２２と、制御装置２１０とを含む。
【０１２２】
センサー２２２は、実施の形態１〜３と同様のＡＦカメラを使用しても良いが、受講面が分割された分割型の受光素子を使用しても良い。分割型の受光素子を使用する場合には、制御装置２１０は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１２３】
オートフォーカス用の光学系では、回転ミラーＲＭ１で反射された光源からの光を用いてステージＳＴの位置を合わせるための情報を得る。
【０１２４】
図１９は、図１８における回転ミラーＲＭ１の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。図１８、図１９を参照して、回転ミラーＲＭ１は、回転軸ＲＡ１を中心に回転するように構成されている。回転ミラーＲＭ１は、例えば、透明な円盤のガラスに蒸着によって形成されたアルミなどのパターンＲＰ１、ＲＰ２を含む。パターンＲＰ１は、スリットＳＬまたは絞りＩＲを通過した光を異なるパターンで反射するように構成され、パターンＲＰ２は、パターンＲＰ１とは異なるパターンで反射するように構成される。図１８では簡単のため、光の軸φに対して、左半分と右半分が反射するようになっている。中心付近の光を通すとレンジが長くなるが、精度は低くなる。このことに留意して反射パターンを設計する。
【０１２５】
光源２１１は、レーザーのように直進性が高い光源でなくても良い。例えば、ＬＥＤや水銀ランプでもよい。したがって、光源２１１からの光は絞りＩＲまたはスリットＳＬに対して全方位から入射しても良い。
【０１２６】
絞りＩＲを通過した光Ｂは、図１９の例では回転ミラーＲＭ１のパターンＲＰ１にあたり、光Ｂの半分だけが結像レンズＬ２１１へと進む。結像レンズＬ２１１を透過した光は、ダイクロイックミラーＤＭで反射し、対物レンズＯＬを通過した後に、ガラス面へあたり反射する。反射光は、対物レンズＯＬ、ダイクロイックミラーＤＭを経て、結像レンズを通過しセンサー２２２へと到達する。
【０１２７】
図２０は、図１８に示した顕微鏡２０１において、回転ミラーＲＭ１が１８０°回転した状態を示す図である。図２１は、図２０に示した回転ミラーＲＭ１の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【０１２８】
図２０、図２１を参照して、回転ミラーＲＭ１が１８０°回転すると、結像レンズＬ１１に至る光は、図１８の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図１８の場合とは逆方向にずれる。図１８に示す状態で得られた画像と図２０に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図１８に示す状態で得られた画像と図２０に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【０１２９】
実施の形態４では、回転ミラーＲＭ１を回転させて顕微鏡２０１の状態を交互に図１８に示す状態と図２０に示す状態とし、２つの像を取得する。
【０１３０】
このように、制御装置２１０は、対物レンズＯＬの光軸を挟む２つの異なる位置に光を入射させ、各光に対応する画像を取得する。得られた複数の画像を比較することによって、容易に精度が向上したオートフォーカスが実現できる。この方式なら、光学系の歪みにより絞りＩＲまたはスリットＳＬのセンサー上での位置ずれが起きても、問題ないからである。
【０１３１】
［実施の形態５］
実施の形態４では、絞りまたはスリットを通過した後の光の一部をミラーで反射させて対物レンズに送った。しかし、ミラーで一部を反射する代わりに、マスクで一部を遮っても同様なフォーカス合わせが実現できる。
【０１３２】
図２２は、実施の形態５の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図２２に示す顕微鏡２５１は、ステージと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。ステージと、観察用の光学系の詳細については、実施の形態１〜３と同様であるので、ここでは図示を省略し、図２２にはオートフォーカス用の光学系のみを示す。
【０１３３】
顕微鏡２５１は、オートフォーカス用の光学系として、光源２１１と、スリットＳＬまたは絞りＩＲと、回転マスクＲＭ２と、ハーフミラーＨＭ２と、結像レンズＬ２１１と、ダイクロイックミラーＤＭと、対物レンズＯＬと、センサー２２２と、制御装置２１０とを含む。
【０１３４】
センサー２２２は、実施の形態４と同様、ＡＦカメラ、分割された分割型の受光素子のいずれを使用しても良い。
【０１３５】
オートフォーカス用の光学系では、回転マスクＲＭ２を透過した光源からの光を用いてステージＳＴの位置を合わせるための情報を得る。
【０１３６】
図２３は、図２２における回転マスクＲＭ２の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。図２２、図２３を参照して、回転マスクＲＭ２は、回転軸ＲＡ２を中心に回転するように構成されている。回転マスクＲＭ２は、例えば、透明な円盤のガラスに蒸着によって形成されたアルミなどのパターンＲＰ１、ＲＰ２を含む。パターンＲＰ１とＲＰ２は、スリットＳＬまたは絞りＩＲを通過した光が異なるパターンになるように構成される。図２３では、軸に対して半分を遮断するように構成される。パターンＲＰ１，ＲＰ２は、光を遮断することができれば、ミラーのように光源に向けて光を反射するものであっても良い。
【０１３７】
光源２１１は、実施の形態４と同様に、レーザーのように直進性が高くなくても良い。したがって、光源２１１からの光は絞りＩＲまたはスリットＳＬに対して全方位から入射しても良い。
【０１３８】
絞りＩＲを通過した光Ｂは、図２２の場合は回転マスクＲＭ２のパターンＲＰ２にあたり、光Ｂの半分だけが遮られ残りの半分がハーフミラーＨＭ２によって反射され結像レンズＬ２１１へと進む。結像レンズＬ２１１を透過した光は、ダイクロイックミラーＤＭで反射し、対物レンズＯＬを通過した後に、ガラス面へあたり反射する。この反射光は、対物レンズＯＬ、ダイクロイックミラーＤＭを経て、結像レンズＬ２１１を通過しセンサー２２２へと到達する。
【０１３９】
図２４は、図２２に示した顕微鏡２５１において、回転マスクＲＭ２が１８０°回転した状態を示す図である。図２５は、図２４に示した回転マスクＲＭ２の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【０１４０】
図２４、図２５を参照して、回転マスクＲＭ２が１８０°回転すると、結像レンズＬ１１に至る光は、図２２の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図２２の場合と逆方向にずれる。図２２に示す状態で得られた画像と図２４に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図２２に示す状態で得られた画像と図２４に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【０１４１】
実施の形態５では、回転マスクＲＭ２を回転させて顕微鏡２５１の状態を交互に図２２に示す状態と図２４に示す状態とし、２つの像を取得する。なお、回転マスクに代えて、液晶のような電気的に光透過を操作するような素子をマスクとして用いて同様な画像を得ても良い。
【０１４２】
実施の形態５では、マスクのパターンを透過光が拡大光学系の光軸に対して各々非対称となるような複数のパターンとし、対物レンズへと光を照射し反射光を観察する。これにより実施の形態１〜４と同様な精度のオートフォーカスを実現することができる。
【０１４３】
［実施の形態６］
実施の形態６に示す顕微鏡は、実施の形態５の顕微鏡とマスクを使用する点でかなり似ているが、結像レンズ前にハーフミラーをいれた形式で結像レンズが２枚必要となる。
【０１４４】
図２６は、実施の形態６の顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図２６に示す顕微鏡２７１は、ステージと、オートフォーカス用の光学系と、観察用の光学系とを含んで構成される。ステージと、観察用の光学系の詳細については、実施の形態１〜３と同様であるので、ここでは図示を省略し、図２６にはオートフォーカス用の光学系のみを示す。
【０１４５】
顕微鏡２７１は、オートフォーカス用の光学系として、光源２１１と、スリットＳＬまたは絞りＩＲと、結像レンズＬ２１１Ａ，Ｌ２１１Ｂと、回転マスクＲＭ３と、ハーフミラーＨＭ３と、ダイクロイックミラーＤＭと、対物レンズＯＬと、センサー２２２と、制御装置２１０とを含む。
【０１４６】
センサー２２２は、実施の形態４と同様、ＡＦカメラ、分割された分割型の受光素子のいずれを使用しても良い。
【０１４７】
オートフォーカス用の光学系では、回転マスクＲＭ３を透過した光源からの光を用いてステージＳＴの位置を合わせるための情報を得る。
【０１４８】
図２７は、図２６における回転マスクＲＭ３の形状と光Ｂとの位置関係を示した図である。図２６、図２７を参照して、回転マスクＲＭ３は、回転軸ＲＡ３を中心に回転するように構成されている。回転マスクＲＭ３は、例えば、透明な円盤のガラスに蒸着によって形成されたアルミなどのパターンＲＰ１、ＲＰ２を含む。パターンＲＰ１は、スリットＳＬまたは絞りＩＲを通過した光の軸と異なるパターンで構成され、パターンＲＰ２は、パターンＲＰ１とは異なるパターンで構成される。パターンＲＰ１，ＲＰ２は、光を遮断することができれば、ミラーのように光源に向けて光を反射するものであっても良い。
【０１４９】
光源２１１は、実施の形態４、実施の形態５と同様に、ＬＥＤのようなある程度の直進性の光を発するものであれば、レーザーでなくても良い。したがって、光源２１１からの光は絞りＩＲまたはスリットＳＬに対して全方位から入射しても良い。
【０１５０】
絞りＩＲを通過した光Ｂは、結像レンズＬ２１１へと進む。結像レンズＬ２１１を透過した光は、図２６に示すように回転マスクＲＭ３のパターンＲＰ２にあたり、光Ｂの半分だけが遮られ残りの半分がハーフミラーＨＭ３によって反射される。ハーフミラーＨＭ３によって反射された光は、ダイクロイックミラーＤＭで反射し、対物レンズＯＬを通過した後に、ガラス面へあたり反射する。この反射光は、対物レンズＯＬ、ダイクロイックミラーＤＭを経て、結像レンズＬ２１１Ａを通過しセンサー２２２へと到達する。
【０１５１】
図２８は、図２６に示した顕微鏡２７１において、回転マスクＲＭ３が１８０°回転した状態を示す図である。図２９は、図２８に示した回転マスクＲＭ３の状態と光Ｂとの位置関係を示す図である。
【０１５２】
図２８、図２９を参照して、回転マスクＲＭ３が１８０°回転すると、結像レンズＬ１１Ａに至る光は、図２６の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図２６の場合と逆方向にずれる。図２６に示す状態で得られた画像と図２８に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図２６に示す状態で得られた画像と図２８に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【０１５３】
実施の形態６では、回転マスクＲＭ３を回転させて顕微鏡２７１の状態を交互に図２６に示す状態と図２８に示す状態とし、２つの像を取得する。なお、回転マスクに代えて、液晶のような電気的に光透過を操作するような素子をマスクとして用いて同様な画像を得ても良い。
【０１５４】
実施の形態６では、マスクのパターンを透過光が拡大光学系の光軸に対して各々非対称となるような複数のパターンとし、対物レンズへと光を照射し反射光を観察する。これにより実施の形態１〜５と同様な精度のオートフォーカスを実現することができる。
【０１５５】
（まとめ）
最後に、上記の実施の形態１〜６について、再び図面を参照して総括する。
【０１５６】
本開示は、ある局面では、観察対象物（２０）を載せる透明部材（１９）を支持するステージ（ＳＴ）と、観察対象物を観察する拡大光学系（Ｌ１，Ｌ２，ＨＭ，ＤＭ，ＯＬ）とを有する光学装置に用いられるオートフォーカス装置に関する。オートフォーカス装置は、拡大光学系を介して観察対象物に光を放射する光源装置（１１，Ｍ，１３，２１１）と、拡大光学系に対して観察対象物とは反対の位置に配置され、光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物（ＩＲ，ＳＬ）と、遮蔽物および拡大光学系を経由して透明部材の反射面に至った光源装置からの放射光が反射面で反射した反射光を、拡大光学系を経由して受ける光検出装置（２２，２２２）と、ステージまたは拡大光学系の位置を制御する制御装置（１００，１１０，２１０）とを備える。図３、図４、図９、図１０、図１８〜図２９で示すように、制御装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光を観察対象物に対して複数の異なる条件で入射させて得られた遮蔽物の反射光に基づいて、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１５７】
好ましくは、図３、図４、図９、図１０で示すように、光源装置は、遮蔽物に対して出射する光の角度分布を可変に調整できるように構成される。
【０１５８】
好ましくは、図１８〜図２１で示すように、オートフォーカス装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光の一部を反射する光学素子（ＲＭ１）をさらに備える。光学素子で反射した光源装置からの放射光は、観察対象物に入射する。
【０１５９】
好ましくは、図２２〜図２９で示すように、オートフォーカス装置は、遮蔽物により制限された光源装置からの放射光の一部を遮蔽、減光または反射する光学素子（ＲＭ２，ＲＭ３）をさらに備える。光学素子で遮蔽、減光または反射されずに通過した光源装置からの放射光は、観察対象物に入射する。
【０１６０】
より好ましくは、制御装置（２１０）は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の反射像の位置から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１６１】
より好ましくは、制御装置（２１０）は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１６２】
本開示の他の局面では、オートフォーカス装置は、観察対象物（２０）を載せる透明部材（１９）を支持するステージ（ＳＴ）と、観察対象物を観察する拡大光学系（Ｌ１，Ｌ２，ＨＭ，ＤＭ，ＯＬ）とを有する光学装置に用いられる。オートフォーカス装置は、拡大光学系を介して観察対象物に光を放射する光源装置（１１、Ｍ，１３）と、拡大光学系に対して観察対象物とは反対の位置に配置され、光源装置から放射される放射光を制限する遮蔽物（ＩＲ）と、遮蔽物および拡大光学系を経由して透明部材の反射面に至った放射光が反射面で反射した反射光を、拡大光学系を経由して受ける撮像装置（２２）と、ステージまたは拡大光学系の位置を制御する制御装置（１００）とを備える。光源装置は、拡大光学系の軸に対して、非ゼロの角度（φ）で光を放射する。図３、図４で示すように、制御装置（１００）は、撮像装置（２２）で撮影された遮蔽物の像の位置Ｘ１が目標位置ＸＴと一致するようにステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１６３】
このように、入射角度φをゼロでない角度とすることによって、絞りＩＲの画像の位置からステージの移動方向と移動量を直ちに算出することが可能であるので、高速なオートフォーカスが可能となる。
【０１６４】
好ましくは、図３に示すように、制御装置（１００）は、撮像装置（２２）で撮影された遮蔽物の像における遮蔽物の開口部の位置Ｘ１またはＸ２が目標位置ＸＴと一致するようにステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【０１６５】
好ましくは、制御装置（１００）は、撮像装置（２２）で得られた画像を２値化処理などの画像処理することによって、遮蔽物（ＩＲ）の画像における開口部の内部と外部を分離する。これにより、開口部の内部に映った観察対象の像の影響を受けずに正確なオートフォーカスが可能となる。
【０１６６】
好ましくは、光源装置は、遮蔽物（ＩＲ）に対して出射する光の角度（φ）を可変に構成される。制御装置（１００）は、光源装置に第１の角度（φ）で光を出射させた場合の遮蔽物の画像の位置である第１位置（Ｘ１）と、光源装置に第１の角度（φ）とは異なる第２の角度（−φ）で光を出射させた場合の遮蔽物（ＩＲ）の画像の位置である第２位置（Ｘ１）との差（ｄｘ）が目標値（例えばゼロ）になるように、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。このようにすることによって合焦点に対応する撮像画像上の目標位置を予め設定しておかなくても合焦の判断をすることができる。
【０１６７】
好ましくは、光源装置は、遮蔽物（ＩＲ）に対して出射する光の角度を可変に構成される。制御装置（１００）は、光源装置に第１の角度（φＬ）で光を出射させた場合の遮蔽物（ＩＲ）の画像の位置である第１位置に基づいてステージまたは拡大光学系の位置を粗調整し、光源装置に第１の角度（φＬ）よりも大きさが大きい第２の角度（φＨ）で光を出射させた場合の遮蔽物（ＩＲ）の画像の位置である第２位置に基づいてステージまたは拡大光学系の位置を微調整する。このようにすれば、広レンジかつ高精度なオートフォーカスが実現できる。
【０１６８】
より好ましくは、光源装置は、直進性の高い光を出射する光源（１１）と、光源が出射する光を受け、光源装置から出射する光が遮蔽物に向けて入射する角度を変えることが可能に構成された電動光学素子（Ｍ）とを含む。制御装置（１００）は、光源装置から出射する光の角度（φ）が第１の角度（φまたはφＬ）である場合と第２の角度（−φまたはφＨ）である場合とで電動光学素子（Ｍ）の角度（θ）を変化させる。
【０１６９】
好ましくは、拡大光学系は、対物レンズ（ＯＬ）と、ハーフミラー（ＨＭ）と、ハーフミラー（ＨＭ）が透過する光路、ハーフミラー（ＨＭ）が反射する光路のいずれか一方に配置された光源側結像レンズ（Ｌ２）と、ハーフミラー（ＨＭ）が透過する光路、ハーフミラー（ＨＭ）が反射する光路のいずれか他方に配置されたカメラ側結像レンズ（Ｌ１）とを含む。
【０１７０】
好ましくは、光源装置は、偏光を出射し、拡大光学系は、対物レンズ（ＯＬ）と、４分の１波長板（ＱＲ）と、偏光ビームスプリッター（ＢＳ）と、４分の１波長板（ＱＲ）と偏光ビームスプリッター（ＢＳ）との間に配置された結像レンズ（Ｌ１１）とを含む。このような構成とすることによって、光源装置からの光量のロスが少なくなる。また、結像レンズの枚数を少なくすることができる。
【０１７１】
好ましくは、制御装置（１００）は、ステージ（ＳＴ）または拡大光学系の位置の調整を、遮蔽物の像のうちの開口の像の重心の座標に基づいて行なう。
【０１７２】
好ましくは、制御装置（１１０）は、ステージ（ＳＴ）または拡大光学系の位置の調整を、遮蔽物の像のうちの開口の像のエッジの座標に基づいて行なう。エッジを使用すると、重心を算出するよりも精度良く検出できる場合がある。
【０１７３】
この開示は他の局面では、ステージと、拡大光学系と、上記いずれかのオートフォーカス装置を備える光学装置に関する。
【０１７４】
この開示はさらに他の局面では、ステージと、拡大光学系と、上記いずれかのオートフォーカス装置を備える光学装置に関する。
【０１７５】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１７６】
１，１０５，２０１，２５１，２７１  顕微鏡、１１  ＡＦ用レーザー、１３  ビームエキスパンダー、１９  ガラス、２０  試料、２２  ＡＦ用カメラ、２３  励起フィルタ、２４  観察用ダイクロイックミラー、２５，２８  吸収フィルタ、２６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１１Ａ，Ｌ２１１，Ｌ２１１Ａ，Ｌ２１１Ｂ  結像レンズ、２７  観察用カメラ、１００，１１０，２１０  制御装置、１０１  位置調整部、１０２  ミラー角度調整部、１０３  ステージ位置調整部、２１１  光源、２２２  センサー、ＯＬ  対物レンズ、Ｂ１，Ｂ２  レーザー光、ＢＳ  偏光ビームスプリッター、ＤＭ  ダイクロイックミラー、ＨＭ  ハーフミラー、Ｆ  フィルタ、Ｍ  電動ミラー、ＱＲ  波長板、ＲＭ１  回転ミラー、ＲＭ３  回転マスク、ＲＰ１，ＲＰ２  パターン、Ｓ  ガラス面、ＳＬ  スリット、ＳＴ  ステージ。
【図１】
2019159627.tif 000003
【図２】
2019159627.tif 000004
【図３】
2019159627.tif 000005
【図４】
2019159627.tif 000006
【図５】
2019159627.tif 000007
【図６】
2019159627.tif 000008
【図７】
2019159627.tif 000009
【図８】
2019159627.tif 000010
【図９】
2019159627.tif 000011
【図１０】
2019159627.tif 000012
【図１１】
2019159627.tif 000013
【図１２】
2019159627.tif 000014
【図１３】
2019159627.tif 000015
【図１４】
2019159627.tif 000016
【図１５】
2019159627.tif 000017
【図１６】
2019159627.tif 000018
【図１７】
2019159627.tif 000019
【図１８】
2019159627.tif 000020
【図１９】
2019159627.tif 000021
【図２０】
2019159627.tif 000022
【図２１】
2019159627.tif 000023
【図２２】
2019159627.tif 000024
【図２３】
2019159627.tif 000025
【図２４】
2019159627.tif 000026
【図２５】
2019159627.tif 000027
【図２６】
2019159627.tif 000028
【図２７】
2019159627.tif 000029
【図２８】
2019159627.tif 000030
【図２９】
2019159627.tif 000031
【図３０】
2019159627.tif 000032
【図３１】
2019159627.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月7日(2020.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２２】
センサー２２２は、実施の形態１〜３と同様のＡＦカメラを使用しても良いが、受光面が分割された分割型の受光素子を使用しても良い。分割型の受光素子を使用する場合には、制御装置２１０は、複数の異なる条件で得られた遮蔽物の像を複数に区切り積算した光強度から制御目標値を決め、ステージまたは拡大光学系の位置を調整する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
図２０、図２１を参照して、回転ミラーＲＭ１が１８０°回転すると、結像レンズＬ２１１に至る光は、図１８の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図１８の場合とは逆方向にずれる。図１８に示す状態で得られた画像と図２０に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図１８に示す状態で得られた画像と図２０に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４０】
図２４、図２５を参照して、回転マスクＲＭ２が１８０°回転すると、結像レンズＬ２１１に至る光は、図２２の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図２２の場合と逆方向にずれる。図２２に示す状態で得られた画像と図２４に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図２２に示す状態で得られた画像と図２４に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５０】
絞りＩＲを通過した光Ｂは、結像レンズＬ２１１Ｂへと進む。結像レンズＬ２１１Ｂを透過した光は、図２６に示すように回転マスクＲＭ３のパターンＲＰ２にあたり、光Ｂの半分だけが遮られ残りの半分がハーフミラーＨＭ３によって反射される。ハーフミラーＨＭ３によって反射された光は、ダイクロイックミラーＤＭで反射し、対物レンズＯＬを通過した後に、ガラス面へあたり反射する。この反射光は、対物レンズＯＬ、ダイクロイックミラーＤＭを経て、結像レンズＬ２１１Ａを通過しセンサー２２２へと到達する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５２】
図２８、図２９を参照して、回転マスクＲＭ３が１８０°回転すると、結像レンズＬ２１１Ａに至る光は、図２６の例と比べて逆半分になる。したがって、フォーカスが合っていない場合にはセンサー２２２に受光される位置が図２６の場合と逆方向にずれる。図２６に示す状態で得られた画像と図２８に示す状態で得られた画像が一致しなければフォーカスが合っていないと判定される。図２６に示す状態で得られた画像と図２８に示す状態で得られた画像が一致していればフォーカスが合っていると判定される。センサー２２２における光の位置の比較だけであれば、分割型の受光素子でも行なうことが可能である。
【国際調査報告】
2019159627.tif 000034
2019159627.tif 000035
2019159627.tif 000036
2019159627.tif 000037
2019159627.tif 000038
2019159627.tif 000039
2019159627.tif 000040
2019159627.tif 000041