JP2995411B2 - 顕微鏡の自動焦点合わせ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、本発明は、探索を実行し、フォーカシング
駆動器を最大画像コントラストに相応する位置で停止す
る、顕微鏡の自動焦点合わせ方法であって、 光点ないしマークを対象物表面ないしカバーガラス表
面に投影し、この光点の位置状態ないし形状を第１の焦
点基準として用い、 フォーカシング駆動器を第１の焦点基準に相応する位
置に制御し、 引き続き探索を実行し、その際画像コントラストを第
２の焦点基準として用い、そのために画像センサのビデ
オ信号を評価する、顕微鏡の自動焦点合わせ方法、およ
び それ自体公知のアクティブ自動焦点装置とそれ自体公知
のパッシブ自動焦点装置と制御ユニットとを有し、 前記アクティブ自動焦点装置は光点ないしマークを対
象物ないしカバーガラスに投影し、該光点の位置ないし
形状に依存して第１のフォーカシング信号を形成するた
めの検出器を有しており、 前記パッシブ自動焦点装置は画像センサと該画像セン
サのビデオ信号から第２のフォーカシング信号形成する
ための電子回路装置を有しており、 前記制御ユニットには２つのフォーカシング信号が供
給され、該制御ユニットはフォーカシング駆動器を相次
いで２つのフォーカシング信号に相応して操作する、顕
微鏡の自動焦点合わせ装置に関する。

従来の技術 現在顕微鏡に使用されている自動焦点装置は大きく２
つの異なるクラスに分けられる。第１のクラスはいわゆ
るアクティブ自動焦点装置である。アクティブ自動焦点
装置は補助照明装置を用いて光点またはマークを被検対
象物の表面に投影し、光点ないしマークの形状、大き
さ、位置を焦点基準として評価する。このようなアクテ
ィブ自動焦点装置は例えば西独特許第3328821号明細
書、西独特許第3446727号明細書ならびに米国特許第463
9587号明細書に記載されている。この装置は専ら反射形
顕微鏡に使用されており、非常に迅速に作動するという
利点を有する。すなわち、対象物移動に迅速に追従する
ことができる。その他この装置は比較的大きな捕捉領域
を有する。透光性対象物、特に覆われた透光性対象物に
おける顕微鏡研究に対してこの装置は何の問題もなく適
している。というのは覆われた対象物の場合、対象物平
面自体は反射しなからである。それに対し、カバーガラ
スに発生する補助光の反射は通常、自動焦点装置が対象
物平面でなくカバーガラス表面に鮮明に調整される程強
いものである。相応することが覆っていない対象物に対
しても当て嵌まる。覆っていない対象物では、実際の対
象物平面がしばしば対象物表面と一致せず、対象物の内
部にあることが有り得る。

成程、この焦点装置はカバーガラス厚に同調した一定
のオフセット電圧により補償されている。しかしこれは
小さな結像倍率の対物レンズに対してのみである。比較
的に大きな結像倍率の対物レンズは非常に僅かな焦点深
度しか有さず、従ってカバーガラス表面／対象物平面の
間隔が自動焦点装置の捕捉領域よりも大きい。

さらに、覆われた対象物に対し自動焦点装置の補助照
明用の特別な光学系を設けることできよう。この手段に
より観察に用いる可視光の焦点面すなわち対象物平面
と、通常赤外線で動作する補助照明装置の焦点位置とが
カバーガラスの厚さだけ離れるようになる。しかし比較
的に高いコストを無視してもこの解決策は最適ではな
い。というのは第１にカバーガラスの厚さは一定ではな
く偏差があり、第２に波長に依存する焦点差は対物レン
ズ毎に異なるからである。そのためこの手段によっても
特に対物レンズが高い結像倍率と小さな焦点深度を有す
る場合、フォーカシングは十分に正確には行われない。

アクティヴ自動焦点装置も覆われていない対象物の観
察の際に、この対象物が強い構造的な表面を有し、表面
が対象となる対象物平面と一致しない場合には困難性を
有する。補助光は分散により非常に強く減衰する。その
ため自動焦点がもはや申し分なく動作しない。その他、
測定点が照明対象物の隆起部または穴部にあることもあ
り、従って所望の面に焦点が合わない。測定点を拡大す
ることはここでは解決にならない。というのは、これも
実際の対象物表面に絶対に対応するわけではない中間面
に焦点が合ってしまうからである。

従って透過形顕微鏡では第２のクラスのパッシヴ自動
焦点装置が使用される。このパッシヴ自動焦点装置は、
撮像センサ例えばテレビジョンカメラからのビデオ信号
を評価する。焦点調節するための焦点基準は通常画像コ
ントラストである。画像コントラストは種々の方法で検
出することができる。このようなパッシヴ自動焦点装置
は例えば西独特許第2615841号明細書、西独特許第22463
84号明細書および米国特許第4600832号と同内容の西独
出願公開第3439304号公報に記載されている。

しかしこの形式の公知の自動焦点装置の動作はまさに
ゆっくりである。というのは画像コントラストには方向
情報が含まれず、従って最大コントラストの個所を見付
けるために探索を実行しなければならないからである。
成程例えば米国特許第3883689号から公知のように方向
情報を次のようにして形成することができる。すなわ
ち、２つの画像センサを像平面のそれぞれ前と後ろの設
けるのである。しかしそのためには何重もの複雑なビー
ム分割が必要である。すなわち顕微鏡に対する操作調整
を行わなければならなくなる。その他、観察に用いるテ
レビジョンカメラの他に、少なくとも１つの自動焦点の
ためのみに用いる付加的カメラが必要である。従ってこ
の解決策のコストは非常に高い。パッシヴTV自動焦点装
置の別の欠点は、その捕捉領域が制限されていることで
ある。すなわち、自動焦点の調節される領域、ないし探
索の実行される領域が狭い。この領域を大きく選択する
と、自動焦点のピントがいわゆる“寄生平面”に合って
しまう危険性がある。これは例えば顕微鏡の光学的構造
部の表面の画像平面、例えば汚れたコンデンサレンズ等
であり得る。

発明が解決しようとする課題 本発明の課題は顕微鏡に対して次のような自動焦点装
置を提供することである。すなわち、反射形動作にも、
覆われた対象物および覆われていない対象物に対する透
過形顕微鏡にも適し、高速度で十分に正確に動作する自
動焦点装置を提供することである。

課題を解決するための手段 この課題は、冒頭に述べた自動焦点合わせ方法におい
て、覆われた対象物の場合、使用するカバーガラスの厚
さを前以て記憶し、第１の焦点基準を、記憶したカバー
ガラスの厚さだけ修正するようにして解決される。

また本発明の自動焦点合わせ装置においても、覆われ
た対象物の場合、使用するカバーガラスの厚さを前以て
記憶し、第１の焦点基準を、記憶したカバーガラスの厚
さだけ修正するように構成して解決される。

本発明による方法は２段階で動作する。まずそれ自体
公知のアクティブ自動焦点装置により、覆われた透過光
対象物の場合例えばカバーガラス表面に、あるいは覆わ
れていない対象物の場合実際の対象物表面の近傍に焦点
を合わせる。第２のパッシブ自動焦点装置が行うそれに
続く探索で、僅かな距離のみが戻される。それにより最
大コントラストの面が非常に迅速に発見され、その際寄
生平面に焦点の合うことはない。

この解決策は、アクティブ自動焦点装置とパッシブ自
動焦点装置の利点を１つにまとめたもので、それらの欠
点を有していない。というのは、アクティブ系と関連し
て説明して誤機能がデフォーカスに至ることがないから
である。なぜならばパッシブ系が引き続き焦点調整を受
け継ぐからである。また本発明の装置がコストの点で、
２つの独立した自動焦点装置の２倍になることは決して
ない。というのは、２つの個々の系が相互に機能を補強
し合う他に制御部の電子素子を共通に利用できるので、
２つの別個の系と比較して明らかにコストは低減してい
る。

従って既にアクティブ自動焦点装置を有する顕微鏡は
大きなコストをかけずに、本発明による方法を実行でき
るように改造することができる。

本発明の有利な発展形態は下位請求項に記載されてお
り、以下実施例の示されている第１図から第４図を用い
て説明する。

実施例 第１図には本発明を理解するために必要な顕微鏡の部
分が示されている。観察光路は、対物レンズ１、対象物
３を中間結像面４に結像させる鏡胴レンズ２を有し、中
間結像面にて接眼レンズ18により観察することができ
る。接眼レンズ18と鏡胴レンズ２との間には分光器17が
挿入されており、分光器の第２像出路の後方には画像セ
ンサ32、例えばテレビジョンカメラが配置されている。

モータにより高さの調節できる顕微鏡の台の下方には
透光照明に必要なコンデンサ21が配置されている。

対物レンズ１と鏡胴レンズ２の間には半透光性のハー
フミラー５が配置されており、このハーフミラーを介し
て顕微鏡光源６から発する投光照明光路は観察光路に反
射される。このハーフミラー５は次のように構成するこ
とができる。すなわち、さらに説明すべき、アクティブ
自動焦点装置用の補助照明装置の光りの波長に対するハ
ーフミラーの反射能力が、白熱ランプ６から発する“通
常の”顕微鏡照明の波長に対する反射能力よりも大きく
なるように構成することができる。

反射形顕微鏡の投光照明光路はここでは簡略化して図
示されている。投光照明光路は集光器７、赤外線遮断フ
ィルタ８、照明視野絞り９並びに補助レンズ10を有す
る。

照明視野絞り９と補助レンズ10の間には半透明の分光
器15が配置されており、この分光器15を介して１つの構
成ユニット12に統合されたアクティブ自動焦点装置の補
助照明光路は顕微鏡の投光照明光路に反射される。

アクティブ自動焦点装置の補助照明光路は、対物レン
ズ１の絞り11に対して変化される面内で相互に配置され
た２つの光源13aと13bから発する。この光源は発光ダイ
オードまたはレーザダイオードである。光源13a,13bは
制御モデュール20により交互にパルス制御される。

分光器15により反射された補助光の１部は補助レンズ
10、投光反射器５および対物レンズを介して対象物ない
しそのカバーガラスに達し、そこで対象物およびカバー
ガラスの表面特性に依存して反射される。補助光束の反
射された１部、すなわち測定光束は再び分光器15に達
し、１部は分光器15を透光して２光性のハーフミラー25
を介し顕微鏡の照明光路から外れるよう反射される。

レンズ26は透過後の測定光束を、偽光絞り31およびフ
ィルタ28により、視野をこの箇所で片側に制限する絞り
24の面にフォーカスする。この絞り24は対象物平面に対
し共役している。絞り24の直接後方には検出器29があ
り、検出器はアクティブ自動焦点装置の実際の第１フォ
ーカシング信号を送出する。所属の信号線路はｄにより
示されている。

既に記載されているように、第１図に示した顕微鏡の
写真出力側には撮像センサ、例えば映像管カメラまたは
CCDカメラ32が設けられている。センサにより観察対象
物の像が、さらに説明するように第４図に示したモニタ
に示される。センサ32のビデオ信号は信号線路ａを介し
て、信号線路ｄの検出器29の信号と同様に第２図に示す
電子装置に供給される。相応の接続が第１図および第２
図に同じ文字で示されている。

第２図に示された電子回路の中心部はマイクロプロセ
ッサ45である。マイクロプロセッサは以下に述べるよう
に線路ｄ上の検出器29の信号および線路ａ上の画像セン
サ信号の処理を制御し、これらの信号から第１図のフォ
ーカシング駆動部のモータ23に対する制御命令を形成す
る。モータ23には、制御信号を整合するためのモータ出
力段52が前置接続されている。モータ23への接続線路は
ｃで示されている。

その他マイクロプロセッサ45は線路ｂを介してアクテ
ィブ自動焦点装置の光源13aおよび13bに接続されてお
り、それらのパルス周波数に同期している。

第２図からわかるように、アクティブ自動焦点装置の
検出器29の線路ｄ上の出力は調整可能な増幅係数を有す
る増幅器38に供給される。

マイクロプロセッサ45は増幅係数を対象物３の反射特
性に依存して、一定信号レベルを保証するために制御す
る。

増幅器38の出力信号はサンプルアンドホールド段40に
て光源13a,13bのパルス周波数に同期し正しい位相で走
査される。そしてサンプルアンドホールド段の出力信号
はマルチプレクサ42の入力側に印加される。このマルチ
プレクサはマイクロプロセッサ45に接続されており、こ
のマイクロプロセッサは交番して点灯する光源13a,13b
に所属する信号成分の差を形成する。その際マイクロプ
ロセッサ49はさらに補正値を付加する。この補正値は顕
微鏡に依存する影響、例えば被検対象物の反射特性を考
慮している。このようにして処理された差信号は線路ｃ
を介しモータ出力段52に供給される。

線路ａ上の画像センサ32のビデオ信号はブランキング
段33に供給される。ブランキング段にて同期信号および
その他の画像情報を搬送しない信号成分がフェードアウ
トされる。その後信号路は分割され、a1で示した分岐路
ではビデオ信号が切り替え可能なフィルタパラメータを
有する高域フィルタ34を介し、同様に調整可能な増幅係
数を有するビデオ増幅器35に達する。オフセットおよび
増幅係数の制御を介してここで、種々の試料に存在する
異なるコントラスト比が補償される。

増幅器35には切り替え可能なパラメータを有する積分
器36が後置接続されている。：積分開始と積分終了は信
号入力側“イネーブル"EIと“リセット"RIを介して制御
される。適切に調整されている場合、焦点調節に対する
所定の画像部分のビデオ信号、例えば第４図のモニター
49に示した画像フィールド５のみを選択することができ
る。選択はデータバス53を介しマイクロプロセッサ45と
接続された操作卓を用いて行うことができる。

積分器36には第２のサンプルアンドホールド段37が接
続されている。ここには選別されたビデオ信号のアナロ
グ値が中間記憶される。サンプルアンドホールド段37の
出力側には、最大コントラストに基づき制御される、線
路ｆ上のパッシブ自動焦点装置の第２フォーカシング信
号が存在する。この信号ｆは同様にマルチプレクサ42に
供給される。信号Ａは画像ないし選択された画像部分の
コントラストに関する情報を含む。

同様に記述された信号路にて、画像センサ32のビデオ
信号中の高周波成分ないし画像センサの最大値が焦点基
準として評価される。この信号評価はリアルタイムで、
従って特別に高速に行われる。そのためのa2で示した並
列の信号路ではブランキング段33の出力側のビデオ信号
が高速サンプルアンドホールド素子41に直接供給され
る。高速サンプルアンドホールド素子はビデオ信号の画
素毎の評価を可能にする。それによりディジタル路で別
の焦点基準を、分岐a1を通過するまさに簡単なアナログ
コントラスト評価として実現することが可能になる。サ
ンプルアンドホールド素子41の出力は同様にマルチプレ
クサ42の入力側に供給され、その結果ビデオ信号はこの
経路を介して画像メモリ47に読み込むことができ、コン
トラスト評価に対してだけでなく、その他に付加的画像
処理ルーチンに対しても使用可能となる。

マルチプレクサ42の出力側はアナログ／ディジタル変
換器44を介してマイクロプロセッサ45に接続されてい
る。このマイクロプロセッサは２つのフォーカシング信
号g,fのディジタル値を評価し、フォーカシング過程な
いしフォーカシング駆動部のモータ23を線路ｃを介し所
定のプログラムに従い制御する。操作卓46を介し種々の
プログラムバージョンを選択できる。２つの信号g,fの
内それぞれ１つのみを選択的にフォーカシングに使用す
る前記３つのプログラムバージョンの他に、ここではサ
ブプログラム“補償”および“オフセット調整”、並び
に本発明によるプログラム“結合自動焦点”が選択でき
る このプログラムは以下第3a図と第3b図並びに第５図に
示されたフローチャート図を用い説明する。このプログ
ラムは以下のように経過する。

ここでは以下のことが前提となっている。すなわち、
２つの増幅器35と38の増幅係数はサブプログラム“補
償”を介して、被検対象物のコントラスト特性および反
射特性に適合されていることが前提となっている。その
他焦点と対象物平面３上のカバーガラス48表面との距離
はアクティブ自動焦点装置29の捕捉領域内にあるものと
する。キー“自動焦点ON"が操作されると、マイクロプ
ロセッサ45はアクティブ自動焦点装置の制御モデュール
を作動し、検出器29による信号ｇの評価が正しいフォー
カシングを通報するまで台22の駆動を行う。この位置で
は第3a図に示したよようにカバーガラス48の表面、ない
し覆っていない対象物３の表面に焦点が合っている。

引き続きマイクロプロセッサ45はアクティブ自動焦点
装置を遮断し、台22を対物レンズ１方向にさらに移動す
る。この探索の間にマイクロプロセッサ45はパッシブ自
動焦点装置の信号ｆを評価し、それぞれ順次連続するサ
ンプルアンドホールド段37の信号値を相互に比較する。
探索はコントラスト信号がさらに上昇する限り続けられ
る。最大信号に達すると、対象物３に焦点が合ってお
り、駆動部23は停止する。最後のステップとしてさらに
使用者により前以て設定された“オフセット”だけ高さ
を調整することができる。このオフセットは、使用者に
より視覚的に知覚される１番ピントの合った印象の面と
電子回路が最大コントラストを検出した面との差に相応
する。相応の補正値は前以て顕微鏡の種々の対物レンズ
に対して検出し、記憶することができる。

ここから僅かに異なる動作は第６図のフローチャート
図に記載されている。ここでもまずアクティブ自動焦点
装置によりカバーガラス48の表面に焦点が合わせられ
る。しかし信号ｇが値零に達すると、台は急速に所定量
Ｄだけ上昇される。この値は前以て記憶されており、使
用するカバーガラスの厚さに相応する。その後対象物平
面３は顕微鏡の焦点面の非常に近傍にある。引き続き行
われる探索で信号ｆの最大値が求められる。これは非常
に短い時間しか必要としない。

発明の効果 本発明により、反射形動作にも、覆われた対象物およ
び覆われていない対象物に対する透過形顕微鏡にも適
し、高速度で十分に正確に動作する自動焦点装置が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はアクティブ自動焦点装置と画像センサを有する
顕微鏡光学系の基本図、第２図は自動焦点装置の信号処
理および制御に用いられる電子回路のブロック回路図、
第3a図は第１図の基本図からの顕微鏡の覆った対象物を
示す拡大図、第3b図は第１図の基本図からの顕微鏡の覆
われていない対象物を示す拡大図、第４図は第１図の画
像センサ32に接続されたモニタを示す図、第５図および
第６図は第１図から第３図に示した自動焦点装置の動作
経過を示すフローチャート図である。 １……対物レンズ、２……鏡胴レンズ、３……対象物、
４……中間結像面、５……ハーフミラー、６……白熱ラ
ンプ、７……集光器、８……赤外線フィルタ、９……照
明視野絞り、10……補助レンズ、11……絞り、13a,13b
……光源、15……分光器、29……検出器、32……セン
サ、45……マイクロプロセッサ、f,g……フォーカシン
グ信号

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−69218（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−53909（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−221716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−235809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−115906（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32411（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−98615（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−243907（ＪＰ，Ａ) 国際公開87／6714（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 21/00 - 21/36 G02B 7/11

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】探索を実行し、フォーカシング駆動器を最
   大画像コントラストに相応する位置で停止する、顕微鏡
   の自動焦点合わせ方法であって、 光点ないしマークを対象物表面ないしカバーガラス表面
   に投影し、この光点の位置状態ないし形状を第１の焦点
   基準として用い、 フォーカシング駆動器（23）を第１の焦点基準に相応す
   る位置に制御し、 引き続き探索を実行し、その際画像コントラストを第２
   の焦点基準として用い、そのために画像センサ（32）の
   ビデオ信号を評価する、顕微鏡の自動焦点合わせ方法に
   おいて、 覆われた対象物の場合、使用するカバーガラス（48）の
   厚さを前以て記憶し、第１の焦点基準を、記憶したカバ
   ーガラスの厚さだけ修正する、 ことを特徴とする、顕微鏡の自動焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】それ自体公知のアクティブ自動焦点装置と
   それ自体公知のパッシブ自動焦点装置と制御ユニット
   （45）とを有し、 前記アクティブ自動焦点装置は光点（46）ないしマーク
   を対象物（３）ないしカバーガラス（48）に投影し、該
   光点の位置ないし形状に依存して第１のフォーカシング
   信号（d,g）を形成するための検出器（29）を有してお
   り、 前記パッシブ自動焦点装置は画像センサ（32）と該画像
   センサ（32）のビデオ信号（ａ）から第２のフォーカシ
   ング信号（ｆ）形成するための電子回路装置（34−36）
   を有しており、 前記制御ユニット（45）には２つのフォーカシング信号
   （f,g）が供給され、該制御ユニットはフォーカシング
   駆動器を相次いで２つのフォーカシング信号（f,g）に
   相応して操作する顕微鏡の自動焦点合わせ装置におい
   て、 覆われた対象物の場合、使用するカバーガラス（48）の
   厚さを前以て記憶し、第１の焦点基準を、記憶したカバ
   ーガラスの厚さだけ修正する、 ことを特徴とする、顕微鏡の自動焦点合わせ装置。