JPH063599A - 顕微鏡の開口絞り径設定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】クローズドループ制御でより最適な開口絞り径
を自動的に設定する。 【構成】複数の対物レンズに応じたＭ−Ｕカーブと経験
的に得た最適開口絞り径に応じた像フーリエスペクトル
とを対物レンズデータＲＡＭ１２にメモリする。顕微鏡
の像面上で光電センサ１０により像フーリエスペクトル
を測定する。測定した像フーリエスペクトルが高周波成
分が多い場合、ＡＳ１００％のＭ−ＵカーブでＭＴＦが
約５％になる空間周波数をカットオフ周波数として最適
開口絞り径を決める。低周波成分が多い場合、測定した
像フーリエスペクトルが最も近似する特性を有する開口
絞り径を選び、測定する像フーリエスペクトルの比がＭ
ＴＦの比に一致するように、演算回路１４で最適開口絞
り径を演算して設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ケーラー照明を用いた
光学顕微鏡の開口絞り径の設定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ケーラー照明を用いた顕微鏡に
よる試料の像の画質は、対物レンズの射出瞳径に対する
開口絞り投影像の径の比（以下、これをＡＳ係数とい
う）で変化する。開口絞り径を絞り過ぎると解像が劣化
し、開口絞り径を開き過ぎるとコントラストが低下する
ことになる。尚、ＡＳ係数について、例えばＡＳ係数が
０．８ならばＡＳ８０％、ＡＳ係数が０．６ならばＡＳ
６０％と表示するものとする。最適な開口絞り径とは、
解像の劣化がなく且つ最もコントラストの高い像が得ら
れる径であり、この開口絞りの最適径は、対物レンズの
射出瞳径、フィラメント投影像ムラ、収差（特に球面収
差）の補正状態、コンデンサレンズ及び対物レンズの各
焦点距離（つまり開口絞りの投影倍率）、対物レンズの
射出側の開口数ＮＡ（＝ＮＡ′とする）及び試料のフー
リエスペクトルにより異なる。従来は、観察者が顕微鏡
観察の際、目視観察でコントラストと解像によって判断
して、手動によって最適な開口絞り径を設定していた。
しかし、この手動による開口絞り径の精密な設定には熟
練を要し、調整は非常に困難であった。

【０００３】このような最適な開口絞り径の設定の困難
さを改善する手段として、本出願人が特開昭５９−１７
２６１７号公報を以て提案したものがあり、この顕微鏡
は各種メモリと選択された対物レンズやコンデンサレン
ズの入力情報等に基づいて、開口絞り径を電気的に自動
制御できるようにしたものである。即ち、この顕微鏡
は、対物レンズの倍率やＮＡ等のデータ入力部と、複数
の対物レンズデータ記憶部と、複数の対物レンズのうち
光路中に位置させられた対物レンズの検出手段と、電気
的に制御し得る開口絞りと、コンデンサレンズ等の照明
光学要素の駆動制御部が備えられていて、選択された対
物レンズが検出手段によって検出され、これに対応して
記憶部から読み出された対物レンズデータに基づいて演
算がなされ、開口絞り径を含めた各照明光学要素が自動
的に適正値に制御されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな顕微鏡では、開口絞り径を自動制御するために、対
物レンズのデータに加えてコンデンサレンズの焦点距離
等のデータをプリセットしてメモリする必要がある上
に、選択されるコンデンサレンズとそのデータの検出手
段が必要であった。又、対物レンズのデータについて
も、倍率やＮＡや焦点距離をプリセットして入力してお
かなければならなかった。更に、上述の顕微鏡における
開口絞り径を適正値に制御するための手法は、対物レン
ズの射出瞳径に対して開口絞り投影像の径は、目視観察
時には７０〜８０％に、写真撮影時には更にやや絞られ
た状態になるよう設定するというものであった。

【０００５】このような開口絞り径の制御手段は、前述
したように開口絞りの最適径のパラメータであるフィラ
メント投影像ムラ、試料の像フーリエスペクトル、対物
レンズの射出側のＮＡ′及び対物レンズの収差の補正状
態が考慮されておらず、しかもオープンループ制御にな
っているため、常に最適の開口絞り径が得られる訳では
なく、従って必ずしも試料の最適の像が得られるもので
はないという欠点がある。

【０００６】本発明は、このような課題に鑑みて、開口
絞り径設定のためのプリセット情報とその検出手段を削
減すると共に、より良質な像を得るためのより最適な開
口絞り径が得られるようにした顕微鏡の開口絞り径設定
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による顕微鏡の開
口絞り径設定装置は、ケーラー照明を用いた顕微鏡にお
いて、対物レンズの光学特性を予め記憶しておく手段
と、像面上のコントラスト情報から信号を得る手段と、
選択された対物レンズの光学特性及び像面上のコントラ
スト情報とに基づいて自動的に最適な開口絞り径を設定
する手段とが備えられたことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】本発明では、選択された対物レンズを検出して
その光学特性をメモリから取り出し、又像面上に投影さ
れた試料の像からコントラスト情報を測定して信号を得
て、対物レンズの光学特性とコントラスト情報から最適
な開口絞り径を演算した後、開口絞りの径が最適な大き
さに駆動制御される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の第一実施例を図１及び図２に
より説明する。図１は本実施例による顕微鏡の概略構成
図、図２はＡＳ係数に応じた対物レンズのＭＴＦと空間
周波数に関するＭ−Ｕカーブを示す図である。図１にお
いて、図示しない光源からの光を集束させるコンデンサ
レンズ１の前側（光源側）に、電気的に絞り径を変化さ
せ得る開口絞り２が配設されている。この開口絞り２
は、後述の演算回路で演算された最適開口絞り径に基づ
いて開口絞り２を駆動制御する開口絞り駆動装置３に接
続されている。又、コンデンサレンズ１の後方（像面
側）の集光位置には試料面４が配設され、更にその後方
には試料面４にピントが合わされた対物レンズ５が配設
されている。コンデンサレンズ１と対物レンズ５は図示
しないが複数種類設けられていて、選択的に光路上に進
退できるようになっている。対物レンズ５の後方には試
料４の像を観察用の像６と測光用の一次像７とに分割す
るハーフミラー８が設けられ、一次像７の結像面には像
７の光強度分布信号を得るための光電センサ１０の受光
面が位置している。光電センサ１０にはその強度信号か
らコントラストを検出するためのコントラスト演算回路
１１が接続され、強度信号から高速フーリエ変換（Ｆ．
Ｆ．Ｔ）若しくは差分法を用いた疑似フーリエ変換を行
い、像のフーリエスペクトルが求められるようになって
いる。

【００１０】又、複数の対物レンズ４については、ＳＰ
ｌａｎ１０×，ＳＰｌａｎ２０×等の対物レンズ５の種
類に応じて、図２に示すようなＭ−Ｕカーブが夫々対物
レンズデータＲＡＭ１２にメモリされている。ここで、
Ｍ−Ｕカーブとは、対物レンズ４を通過する光について
のＭＴＦと空間周波数の特性曲線のことであり、一般に
ケーラー照明による顕微鏡の各対物レンズのＭ−Ｕカー
ブは、対物レンズのデータからＣＰＵで算出でき、或る
対物レンズ５ではＡＳ係数の変化に従って図２に示すよ
うな特性を呈する。尚、図２は、これらＭ−Ｕカーブの
一部として、ＡＳ１００％，ＡＳ８０％，ＡＳ５０％，
ＡＳ３０％であるときの特性曲線のみが示されている
が、他のＡＳ係数についての特性曲線も容易に算出でき
るようになっている。図２に示すようなこれらの特性曲
線は、ＡＳ係数がＡＳ１００％から小さくなるに従っ
て、低周波数成分のＭＴＦは大きくなり、又高周波成分
のＭＴＦは小さくなるように変化している。又、複数種
類の対物レンズ４が取り付けられた図示しないレボルバ
ーには、選択されて光路上に配置された対物レンズ４を
検出する穴等の被検出部が設けられており、この被検出
部を対物レンズ検出器１３で検出して選択された対物レ
ンズ４の情報が演算回路１４に入力されるようになって
いる。

【００１１】演算回路１４には、コントラスト演算回路
１１から像のフーリエスペクトル信号が入力されると共
に、対物レンズデータＲＡＭ１２からは対物レンズ検出
器１３で検出された信号に基づいて選択された対物レン
ズ４に対応するＭ−Ｕカーブの情報が読み出される。そ
して、これら入力データに基づいて最適開口絞り径を演
算するようになっている。又、最適なＡＳ係数は対物レ
ンズのＭ−Ｕカーブと像フーリエスペクトルに応じて経
験的に定まっているものであり、この最適なＡＳ係数に
対応する複数の像フーリエスペクトル曲線を予め対物レ
ンズデータＲＡＭ１２に記憶させておくものとする。そ
して、演算回路１４では、光電センサ１０で測定され演
算された像フーリエスペクトル曲線に基づいて、記憶さ
れた像フーリエスペクトル曲線の内から特性が最も近似
するものを選択し、これに対応するＡＳ係数を取り出す
ようにもなっている。

【００１２】本実施例は上述のように構成されており、
次に作用を説明する。本実施例による装置を備えた顕微
鏡で開口絞り２の最適径を設定する場合、まず、開口絞
り２の絞り径を開放状態にし（ＡＳ係数は１００％にな
る）、この状態で試料面４上の試料に光源からの光を照
射する。すると、対物レンズ５を通過した光はハーフミ
ラー８で分割され、一方の反射光は反射されて観察像６
として結像され、他方の透過光は光電センサ１０の受光
面で一次像７として結像され、光電センサ１０によって
像７の光強度分布信号が得られる。この信号はコントラ
スト演算回路１１によって高速フーリエ変換又は疑似フ
ーリエ変換が行われ像のフーリエスペクトルが演算され
る。一方、選択され顕微鏡の光路上に位置させられた対
物レンズ５の種類が、対物レンズ検出器１３によって検
出され、演算回路１４に入力される。この入力信号に基
づいて対物レンズデータＲＡＭ１２では、選択された対
物レンズ５の種類に応じた光学特性を有するところの、
例えば図２に示すようなＭ−Ｕカーブが読み出される。
そして、入力された像のフーリエスペクトルとＭ−Ｕカ
ーブに基づいて、次に説明するようにして最適な開口絞
り径が演算される。尚、最適な開口絞り径の設定手法
は、測定された像フーリエスペクトルについて高周波成
分が多いか、低周波成分が多いかによって異なる。

【００１３】最初にコントラスト演算回路１１で得られ
たＡＳ１００％の時の像フーリエスペクトルの特性に関
し、高周波成分が多い場合には、次のようにする。即
ち、前述したように、最適な開口絞り径とは、投影され
た像が、解像の劣化がなく且つコントラストが最も良い
状態となる径である。従って、図２において、ＡＳ１０
０％の状態がカットオフ周波数が最も高くて好ましく、
このカットオフ周波数は空間周波数Ｕｃであるが、一般
にＭＴＦが５〜６％以下の場合、人間の眼ではコントラ
ストを識別できず、解像の劣化を判別できない。そのた
め、ＡＳ１００％のＭ−Ｕカーブにおいて、ＭＴＦが約
５％の時の空間周波数Ｕｂがカットオフ周波数となるよ
うなＭ−Ｕカーブの特性を有するＡＳ係数即ち開口絞り
径を設定することが好ましい。つまり、コントラスト演
算回路１１から得られる像フーリエスペクトル曲線につ
いて、空間周波数Ｕｂのときのコントラストが０となる
ように開口絞り径を設定すればよい。

【００１４】この絞り径は、演算回路１４で演算される
が、ここでは図２のＭ−ＵカーブからＡＳ８０％である
ことがわかる。このようにして、演算回路１４で開口絞
りの最適径が求められると、その信号はＡＳ駆動装置３
に出力され、開口絞り２の口径がこの最適径に調整され
る。

【００１５】又、始めにコントラスト演算回路１１で得
られるＡＳ１００％の時の像フーリエスペクトルにおい
て、低周波成分が多い場合には、選択された対物レンズ
５の信号に基づいて、対物レンズデータＲＡＭ１５に予
め記憶されている経験的に設定された複数の最適ＡＳ係
数に対応する複数の像フーリエスペクトル曲線から、測
定された像フーリエスペクトル曲線と特性の最も近似し
た像フーリエスペクトル曲線を選出し、これに応じた最
適ＡＳ係数を決定する。このようにして得られた最適Ａ
Ｓ係数が例えばＡＳ５０％であるとする。そして、図２
における各ＡＳ係数毎のＭ−Ｕカーブ間におけるＭＴＦ
の変化の大きい周波数を適当に選択し、これを空間周波
数Ｕａとすると、空間周波数Ｕａにおいて、ＡＳ１００
％のＭＴＦ値を基準にとって、ＡＳ１００％とＡＳ５０
％のＭＴＦの比を演算する。そして、コントラスト演算
回路１１から得る像フーリエスペクトル曲線について、
空間周波数ＵａでのＡＳ１００％の像フーリエスペクト
ル曲線のコントラスト値を基準にしてコントラストの比
が、上述のＭＴＦの比と一致するように、像フーリエス
ペクトルのコントラストを測定しながら、開口絞り駆動
装置３を介して開口絞り２の口径を調整してゆく。そし
て、測定した像フーリエスペクトル曲線のコントラスト
の比がＭ−ＵカーブについてのＭＴＦの比と一致した時
の開口絞り２の口径が最適の開口絞り径として設定され
ることになる。この開口絞り径は本例の場合、ＡＳ５０
％であることが、確認的に認識できる。

【００１６】上述のように本実施例によれば、像面上で
測定されたコントラスト情報と、予めメモリされた各対
物レンズのＭＴＦ及び経験的に得られる最適ＡＳ係数に
応じた像フーリエスペクトル曲線と、に基づいて開口絞
り径を設定するようにしたから、コンデンサレンズの焦
点距離等のデータをプリセットする必要がなく、記憶す
るデータ及び検出するデータと、検出手段等を削減でき
て構成及び作用がより簡単になる。しかも、本実施例で
得られた最適開口絞り径は、像面上の像フーリエスペク
トルに基づいているから、フィラメント投影像ムラ，試
料４のフーリエスペクトル，対物レンズの射出側のＮ
Ａ′及び対物レンズの収差の補正状態の情報や、選択さ
れたコンデンサーレンズの情報が含まれており、本実施
例による開口絞り設定装置はクローズドループ制御が採
用されるものとなり、より高精度に最適な開口絞り径を
設定でき、より良質の像が得られるという利点がある。

【００１７】次に、本発明の第二実施例を図３及び図４
により説明する。本実施例においては、測定された像フ
ーリエスペクトルの低周波成分が多い場合だけ、図３に
示すように、光電センサ１０の受光面を一次像７の位置
から光軸上に距離ΔＺ離れた位置に移動させるようにし
たものである。第一実施例で述べたように、光電センサ
１０で測定される像の光強度分布から得られる像フーリ
エスペクトルについて低周波成分が多い場合には、ＡＳ
係数に応じたＭ−ＵカーブについてのＭＴＦの比と測定
した像フーリエスペクトル曲線のコントラストの比とか
ら、最適ＡＳ径を設定するようにしている。ところで、
空間周波数がＵａのときの光軸に沿ったＭＴＦの変化特
性を示すと、図４のようになる。即ち、横軸にとった光
軸座標が０（一次像７の結像位置）のときの各ＡＳ係数
間のＭＴＦの差よりも、光軸座標がΔＺ（一次像７から
距離ΔＺの位置）のときの各ＡＳ係数間のＭＴＦの差の
方が大きい。そのため、本実施例で定める位置に光電セ
ンサ１０の受光面を置いた方が、ＭＴＦの比の値が大き
く、より精度良く開口絞り２の最適径を設定できること
になる。

【００１８】次に、本発明の第三実施例を図５により説
明する。本実施例においては、一次像７の位置の後方に
ズームレンズ１６が配置され、その二次像１７の結像位
置に光電センサ１０の受光面が配設されているものであ
る。又、対物レンズデータＲＡＭ１２には対物レンズの
種類に応じた物体側のＮＡ′が記憶されていて、ズーム
レンズ倍率演算回路１８では対物レンズ検出器１３から
の信号を受けると、対物レンズデータＲＡＭ１２から選
択された対物レンズに応じたＮＡ′の信号を読み出し
て、選択された対物レンズに関わらずズームレンズ１６
の射出側ＮＡ（＝ＮＡ″）が一定になるようにズーム倍
率が演算される。そして、ズーム倍率信号を受けたズー
ム駆動装置１９によってズームレンズ１６が駆動制御さ
れるようになっている。

【００１９】これにより、対物レンズ５によって結像さ
れる一次像７はズームレンズ１６によって二次像１７ま
でリレーされ、しかもズームレンズ１６が選択された対
物レンズに応じて駆動制御されることによって、ズーム
レンズ１６の射出側のＮＡ″は、対物レンズ５の射出側
のＮＡ′の変化に関わらず一定であるように制御され
る。そして、ズームレンズ１６の射出側ＮＡ″が一定に
なるため、対物レンズ５とズームレンズ１６のＭＴＦは
ほぼ同じ値になり、ＡＳ１００％のＭ−Ｕカーブはほぼ
一定になる。又、光電センサ１０で測定される像フーリ
エスペクトルに高周波成分が多い場合の、ＡＳ径決定の
ための基準となる空間周波数Ｕｂは、各種対物レンズ及
びズーム状態の平均値を採用することにより、対物レン
ズの種類によらず、固定の空間周波数Ｕｂの像フーリエ
スペクトルだけで検出すればよいことになる。そのた
め、ＡＳ径設定のための演算回路１４で行われる演算が
大幅に軽減される。又、対物レンズデータＲＡＭ１２の
メモリとしても、ズーム倍率演算のための対物レンズの
ＮＡ′のみをプリセットしておけばよく、各対物レンズ
毎のＭ−Ｕカーブを読み出す必要がない。以上のように
本実施例では、メモリを削減できるから構成が簡単にな
り、最適開口絞り径の演算が容易になる利点がある。

【００２０】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る顕微鏡の開
口絞り径設定装置は、試料の像面上のコントラスト情報
に基づいて開口絞りの最適径を設定できるようにしたか
ら、コンデンサレンズの焦点距離等のデータをプリセッ
トする必要がなく、記憶するデータ及び検出するデータ
と検出手段等を削減できて、最適な開口絞り径の設定が
容易になる。しかも、本発明で得られた最適開口絞り径
は、フィラメント投影像ムラ，試料のフーリエスペクト
ル，対物レンズの射出側のＮＡ及び対物レンズの収差の
補正状態の情報や、選択されたコンデンサーレンズの情
報が含まれているから、クローズドループ制御が採用さ
れるものであり、より高精度に最適な開口絞り径が得ら
れ、より良質の像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による顕微鏡の開口絞り径設定装置の第
一実施例の概略構成を示す図である。

【図２】ＡＳ係数に応じた、対物レンズのＭＴＦ特性を
示すＭ−Ｕカーブの図である。

【図３】本発明による顕微鏡の開口絞り径設定装置の第
二実施例の概略構成を示す図である。

【図４】図２のＭ−Ｕカーブについて、特定の空間周波
数における光軸上のＭＴＦ特性の変化を示す図である。

【図５】本発明による顕微鏡の開口絞り径設定装置の第
三実施例の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

２……開口絞り、３……開口絞り駆動装置、５……対物
レンズ、７……一次像、１０……光電センサ、１１……
コントラスト演算回路、１２……対物レンズデータＲＡ
Ｍ、１３……対物レンズ検出器、１４……演算回路、１
６……ズームレンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーラー照明を用いた顕微鏡において、対
   物レンズの光学特性を予め記憶しておく手段と、像面上
   のコントラスト情報から信号を得る手段と、選択された
   対物レンズの光学特性及び像面上のコントラスト情報に
   基づいて自動的に最適な開口絞り径を設定する手段と、
   が備えられたことを特徴とする開口絞り径設定装置。