JPS6052404B2 - 自動焦点調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は顕微鏡の自動焦点調節装置に関する。

〔発明の背景〕顕微鏡の焦点調節は、試料（被写体）と
対物レンズ間の光路長を一定に保つことによりおこなわ
れている。

この光路長の変動が顕微鏡像の焦点ずれの生じる理由で
あり、この値が対物レンズの焦点深度（対物レンズの倍
率と開口数により定まり、２皓ては通常±１．７μｍ程
度）以上になると焦点ずれの状態となる。焦点ずれの像
と焦点の合つている像の差は、像の濃度、一次微分に顕
著に表われることが一般に知られている。第１図は、横
軸に光路長の変位、縦軸に一次微分値（絶対値）を取つ
てこの関係の例を示したものであり、焦点の合つた位置
で微分値が最大となり、焦点がずれるにしたがつて徐々
に減少する。したがつて、この微分値を像の焦点の度合
を示す信号として有効に用いることができる。なお焦点
の度合を示す信号としては、上述した像の濃度を用いる
こともできるが、ここでは微分値を用いた場合を例に説
明する。顕微鏡の自動焦点調節は、今述べた微分値の最
大値を山登ほり法と呼ばれる方法を用いて検出しておこ
なわれている。

これは、試料と対物レンズ間の光路長を微分値の大きく
なる方向にｄ（焦点深度以上）ずつ変化させ（ステージ
上下、鏡筒上下、対物レンズ上下などの方法があるが、
ここではステージ上下を例に以後述べる）、光路長Ｄｌ
Ｄ−Ｄ．．Ｄ＋ｄの微分値Ｖ。．．ＶＯ−Ｄ．．ＶＯ＋
ｄが次の関係を満たす位置を求める方法である。ＩＶＯ
ｌ＞１Ｖ０−ｄｌかつＩＶＤＩ＞ＶＯ＋ＤＩこの方法を
用いると、焦点が合つていることを確かめるだけだも３
回のステージ移動をおこなう必要があり、撮像系の残像
およびステージの振動による画像の劣化を除くためには
長い時間が自動一焦点調節に、必要となる。〔発明の目
的〕 本発明は、上記自動焦点調節の持つ欠点を除き、高速な
顕微鏡用自動焦点調節装置を提供するものである。

〔発明の概要〕 まず、本発明の基礎となる光学系の性質について述べる
。

顕微鏡は対物レンズと接眼レンズから構成されており、
撮像系の撮像面に試料の像が結ばれるときに焦点が合つ
た状態となる。いま、対物レンズと試料の光路長が＋ｄ
だけ長くなつたとすると、接眼レンズの像はΔＫだけ接
眼レンズに近づく。一般に倍率Ｍのレンズで被写体が微
少値”Δａだけ移動したとすると、像の位置はΔＡＭ２
だけ変化する。したがつて対物レンズ、接眼レンズの倍
率をそれぞれＭ，ｎとするとΔＫ＝Ｄｍ２ｎ２となり、
ΔＫは極めて大きな値となり総合倍率が無視出来ないほ
ど変わる。ここで、接眼レンズをΔＬだけ移動し、撮像
面を固定にする方法を取ると、ΔＬ≧Ｄｍ２となり総合
倍率の変化もあまりない。（ｄ＝５μ、ｍ＝２へｎ＝１
０として総合倍率の変動は１％以下、ΔＬ〉２ｗＲ）つ
まり、この方法を用いれば焦点がｄだけずれた像を取り
入れることができる。すなわち、本来焦点ずれの像を焦
点の合つた像として取らえられるわけである。

そこで、対物レンズから光を三等分し、接眼レンズまで
の光路長をＬ−ΔＬ．，Ｌ，Ｌ＋ΔＬとなるよう等倍率
の接眼レンズを配置し、各々に撮像系を置けば、各撮像
系は対物レンズと試料の光路長がＤ＋ｄ（後焦点位置）
、Ｄ（合焦点）、Ｄ−ｄ（前焦点位置）の像を結んでい
ることになる。

この場合、先に述べたようにｄとΔＬの関係は対物レン
ズ、接眼レンズの倍率で決まり、たとえば、各々を２０
ｆ８、１＠としたとき、ｄ＝５μｍとすればΔＬ５−２
７！ｒ！ｎである。したがつて、これらの像を比較すれ
ばステージの移動なしに焦点のずれ具合がわかる。つま
り接眼レンズまでの光路長がＬ一ΔＬ，．Ｌ．．Ｌ＋Δ
Ｌの像の微分値をそれぞれＶし−△いＶＬ〜ＶＬ＋Δし
で示すと〜１，−Δ，くＶＬくぃΔ，のとき、接眼レン
ズまでの光路長がより長い光学系に焦点が合つている。

すなわち−ｄ方向の焦点ずれ、２ＶＬ−Δ，くＬ，，〉
ＶＬ＋Δ，のとき、接眼レンズまでの光路長がＬの光学
系に焦点があつている。

３ＶＬ−Δし〉Ｖし〉ＶＬ＋△しのとき、接眼レンズま
での光路長がより短い光学系に焦点があつている、すな
わち＋ｄ方向の焦点ずれ、と判定できる。

したがつて、上記１）の場合は試料と対物レンズから一
定距離だけ遠ざけ、３）の場合は試料を対物レンズに一
定距離だけ近づけ、上記２）の状態になるまでこれをく
り返すことにより光路長Ｌの接眼レンズを介する撮像系
に焦点のあつた像を得ることができる。

この調節動作は顕微鏡の視野を移動するごとに行なわれ
るが、各視野における最初の判定で２）の状態であれば
試料ステージの上下方向の移動を行なう必要がなく、焦
点調節を最少のステージ移動で実現できる。また、いま
述べたことと同様な効果は、焦点距離の異なる三つの接
眼レンズを適当な位置におくことによつても実現できる
。

たとえば、対物レンズから接眼レンズまでの距離が一定
な位置に三つの接眼レンズを配置し、Ｄ−Ｄ．．Ｄ．．
Ｄ＋ｄの像を撮像面に結ぶような焦点距離を持つ三種類
の接眼レンズを用いればよい。このようなレンズは、簡
単に作成することができる。〔発明の実施例〕 次に、本発明の実施例を光路長の異なる３種類の接眼レ
ンズを有する方式について述べる。

第２図は本発明による装置のプロツク図を示したもので
ある。光源１で照射されたステージ２上の試料３を顕微
鏡４で拡大し、接眼鏡筒６て光を３等分する。これは、
ハーフミラ等を用いて容易に実現でき、対物レンズ５か
らの光路長がＬ−ΔＬｌＬ．．Ｌ＋ΔＬとなるように同
倍率の接眼レンズ７，８，９を置き、この像を撮像装置
、（たとえば、Ｔカメラ）１０，１１，１２で撮像する
。この撮像動作は同期信号発生回路１８からの同期信号
により行なわれる。すなわち、ステージ駆動回路１７に
よりステージ２を横方向に移動し、視野の変更が完了し
た後に撮像装置１０，１１，１２に同期信号が発せられ
、三種類の像の撮像が行なわれる。各々の画像信号は微
分回路１３，１４，１５で微分される。比較器１６では
微分回路１３，１４，１５のそれぞれの出力のピーク値
し一ΔぃぃＶし＋ΔＬを保持する。さらに各像の撮像が
完了した時点で同期信号発生回路１８から発せられるタ
イミング信号により、上記ピーク値Ｖし一Δし、Ｖし、
ＶＬ＋Δしの大小比較が行なわれるとともに、保持され
たピーク値はりセツトされる。大小比較の結果、Ｖし一
ΔしくＶし〈ＶＬ＋Δ，のときは接眼レンズまでの光路
長がより長い光学系に焦点があつている。すなわち−ｄ
方向の焦点ずれであることを比較器１６の出力は示して
おり、同期信号発生回路１８からステージ駆動回路１７
にタイミング信号が発せられるとステージ駆動回路１７
は上記比較回路１６の出力に応動してステージ２を対物
レンズ５から一定距離だけ遠ざける。ＶＬ−Δ，〉ＶＬ
〉ぃΔ，のときは接眼レンズまでの光路長がより短かい
顕微鏡について、焦点があつている。すなわち＋ｄ方向
の焦点ずれであることを比較器１６の出力は示しており
、同期信号発生回路１８からステージ駆動回路１７にタ
イミング信号が発せられるとステージ駆動回路はステー
ジ２を対物レンズに一定距離だけ近づける。このような
制御により上下方向のステージ移動が完了した時点で同
期信号発生回路１８から撮像装置１０，１１，１２に再
び同期信号が発せられ、Ｖし一Δしくし〉ＶＬ＋ΔＬが
満たされるまで上述の操作が繰り返される。以上述べた
のは、三系統の撮像装置を用いた自動焦点調節について
である。

しかし、焦点ずれの像（光路長Ｌ±ΔＬ）を取るために
二系統の撮像装置を用いるのは必ずしも得策ではない。
そこで、第３図に示したように光路長Ｌの画像と画像の
半分が光路長Ｌ＋ΔＬ１他の半分が光路長Ｌ−ΔＬの画
像とが得られたとすれば、画像の半分を用いて各光路長
の画像の比較をおこなうことができ、実質的に三系統を
用いた場合と同じことになる。

一画面内に光路長Ｌ±ΔＬの像を作る方法としては二つ
の方法があり、一つはガラスなどを光路長の途中に画像
が二分されるように入れ実効的な光路長を短かくする方
法、他の一つは焦点距離の異なるレンズを複合して接眼
レンズを構成する方法である。

上に述べた方法を用いれば、一画面内にＬ±ΔＬの画像
を作成することができ、前に述べた二系統の撮像装置に
よる自動焦点調節が可能となる。

第４図は二系統の撮像装置を用いた自動焦点調節の実施
例をプロツク図で示したものである。光源２１で照射さ
れたステージ２２上の試料２３を顕微鏡２４で拡大し、
接眼鏡筒２６で光を２等分する。これはハーフ・ミラ等
を用いて容易に実現でき、対物レンズ２５からの光路長
がＬ．．Ｌ＋ΔＬとなるように同倍率の、接眼レンズ２
７，２８を置き、この像を撮像装置２９，３０で撮像す
る。接眼レンズ２８の前に実効的な光路長がＬΔΔＬと
なるような厚さのガラス３１（たとえば、半円形のオプ
テイカル、フラツト）を挿入し、撮像装置３０でＬ＋Δ
Ｌ＜！１．Ｌ−ΔＬの像が半分ずつ写るようにする。こ
れらの画像を微分回路３２，３３に送り微分値を求める
。これを詳細に説明すると、ます同期信号発生回路３６
から同期信号が撮像装置２９及び３０に与えられると、
３０は光路長Ｌ＋ΔＬの部分の画像を撮像し、２９はこ
れに対して光部長Ｌの画像のうちＬ１の部分（第３図を
参照）を撮像する。これらの部分の画像信号の微分値は
それぞれ微分回路３３，３２から出され、比較回路３４
ではそれぞれの微分値のピーク値ＶＬ−Δ，及びＬ１を
保持する。上記の部分の撮像が完了した時点で同期信号
発生回路からタイミング信号が比較回路３４に発せられ
、比較回路３４では光路長Ｌ＋ΔＬの画像の微分値のピ
ーク値Ｖし一Δしと、この画像に対応する光路長Ｌの画
像の半分の部分レの微分値のピーク値ＶＬｌを比較して
結果を保持するとともにピークホールドされた値をりセ
ツトする。続いて撮像装置３０では光路長Ｌ−ΔＬの部
分の画像の撮像が、２９では光路長Ｌの画像のうちの残
りのＬ２の部分の撮像が行なわれる。この間に保持され
た光路長Ｌ−ΔＬの部分の微分値のピーク値，−△，と
、光路長Ｌの画像の残りの部分！の微分値のピーク値Ｖ
Ｌ２とは撮像が完了した時点で同期信号３６から３４へ
再びタイミング信号が与えられる事により比較され、ホ
ールドされていたこれらの値は再びりセツトされる。こ
のとぎ比較回器３４の出力は、１Ｖし一ΔしくＶＬｌか
つＶし２くＶし＋Δしのとき、接眼レンズまでの光路長
がより長い光学系に焦点があつている、すなわち−ｄ方
向の焦点ずれ、２Ｖし一ΔしくＶし１かつＶし２〉Ｖし
＋Δしのとき、焦点一致、３Ｖし一ΔＬ＞Ｖし，かつＶ
Ｌ２〉ＶＬ＋Δしのとき、接眼レンズまでの光路長がよ
り短かい光学系に焦点があつている、すなわち＋ｄ方向
の焦点ずれ、との判定結果を示している。

したがつて第２図の実施例と同様に“同期信号発生回路
３６からタイミング信号をステージ駆動回路３５に与え
ることにより１）、３）の場合は、ステージ駆動回路３
５を働かせてステージ２２を移動し、２）が充たされる
まで上に述べた操作を繰り返す。この装置を用いること
により、二系統の撮像装置で高速自動焦点調節が可能と
なる。

以上の実施例においては、ステージを移動させる例をあ
げたが、その他対物レンズ、鏡筒等を移動させてもよい
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば焦点が合つていれ
ばステージの移動なしに、焦点が合つていない場合でも
最少のステージ移動で焦点調節ができ、極めて高速の焦
点調節が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、試料と対物レンズ間の充路長変位すなわち焦
点ずれの程度と一次微分値の変化を示した図、第２図は
、本発明の一実施例を示す図、第３図は本発明を説明す
るための図、第４図は本発明の他の実施例を示す図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １個の対物レンズ、該対物レンズからの光路を３つ
   の光路に分ける手段及び該３つの光路中に設けられ該対
   物レンズまでの光路長が互いに異なる３個の接眼レンズ
   を有し、これらレンズにより同一の被写体に対して焦点
   位置、前焦点位置および後焦点位置の３種の光学像を同
   時に得る顕微鏡と、上記３種の光学像を撮像して電気信
   号にそれぞれ変換する３系統の撮像手段と、上記電気信
   号より上記３種の光学像の焦点ずれの度合をそれぞれ示
   す第１、第２、第３の微分値をそれぞれ求める手段と、
   上記焦点位置の光学像の焦点ずれの度合を示す第１の微
   分値を上記前焦点位置の光学像の焦点ずれの度合を示す
   第２の微分値および上記後焦点位置の光学像の焦点ずれ
   の度合を示す第３の微分値の各々と比較する手段と、こ
   の比較手段の出力により上記第１の微分値が上記第２、
   第３の微分値よりも大きくなるように上記対物レンズの
   上記被写体までの距離を制御する手段とからなることを
   特徴とする顕微鏡の自動焦点調節装置。 ２ １個の対物レンズ、該対物レンズからの光路を２つ
   の光路に分ける手段及び該２つの光路中に設けられ該対
   物レンズまでの光路長が互いに異なる２個の接眼レンズ
   を有し、上記対物レンズと一方の上記接眼レンズにより
   被写体に対して焦点位置の光学像を得ると共に上記対物
   レンズと他方の上記接眼レンズにより両レンズ間の実質
   光路長を部分的に変えて上記被写体に対して同一の視野
   内に前焦点位置および後焦点位置の光学像を得る顕微鏡
   と、上記焦点位置の光学像を撮像して電気信号に変換す
   る第１の手段と、上記前焦点位置および後焦点位置の光
   学像を撮像して電気信号に変換する第２の手段と、上記
   第１の手段からの電気信号より上記焦点位置の光学像の
   うち上記前焦点位置の光学像に対応する部分の焦点ずれ
   の度合を示す第１の微分値と、上記後焦点位置の光学像
   に対応する部分の焦点ずれの度合を示す第２の微分値を
   求める手段と、上記第２の手段からの電気信号より上記
   前焦点位置および後焦点位置の光学像の焦点ずれの度合
   をそれぞれ示す第３、第４の微分値を求める手段と、上
   記、第１の微分値と上記第３の微分値、及び上記第２の
   微分値と上記第４の微分値をそれぞれ比較する手段と、
   この比較手段の出力により上記第１、第２の微分値がそ
   れぞれ上記第３、第４の微分値よりも大きくなるように
   上記対物レンズの上記被写体までの距離を制御する手段
   とからなることを特徴とする顕微鏡の自動焦点調節装置
   。