JP5207213B2

JP5207213B2 - オートフォーカス装置

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Publication number: JP5207213B2
Application number: JP2008235949A
Authority: JP
Inventors: 広之山宮
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010072017A

Description

本発明は、観察対象物と対物レンズ間の相対距離を調整することにより対物レンズの焦点が観察対象物に合う合焦状態を得るオートフォーカス装置に関する。

一般に顕微鏡用のオートフォーカスにはパッシブ方式とアクティブ方式が知られている。パッシブ方式は画像のコントラスト値などから焦点の最適位置を求めるものであるが、画像処理を介して制御を行うため、高速化に適していない。より高速に適したオートフォーカスとしてアクティブ方式があるが、これらは観察対象物にレーザ光等を照射して、その戻り光の位置や形などの情報を用いて位置情報を得る。主な方式として特開2005-10665号公報、特開2007-148161号公報に記載されているようなナイフエッジ方式があるが、この方式は対物レンズに照射するレーザ光の半分を遮蔽することにより、対象物の位置に応じて戻り光の位置が変化することで対象物の位置情報を得るものである。また、特開2007-271978号公報、特開2008-46327号公報に開示されているような非点収差方式が知られている。これは戻り光の光路にシリンドリカルレンズを挿入し、対象物の位置に応じて検出器上のビームの形が変化することを計測して、対象物の位置を知るものである。

また、変位計を用いるオートフォーカスとしては、特開平5−323179号公報に開示されているようなものが知られている。この例では、対物レンズと同軸に、もしくは別の位置に変位計を設けてワークの高さ情報を検出し、オートフォーカスを行っている。

特開２００５−１０６６５号公報特開２００７−１４８１６１号公報特開２００７−２７１９７８号公報特開２００８−０４６３２７号公報特開Ｈ０５−３２３１７９号公報

しかしながら、前述のアクティブ方式の対象物の位置検出方式は、いずれも対物レンズを通して情報を取得しているために、光軸方向に極めて限られた範囲の焦点の情報を得ているに過ぎない。従って目標対象物の焦点情報を得るためには、光軸方向に対象物か対物レンズを走査する必要が生じる。また、一度前記の走査を行って目標とする焦点位置を発見して、それに対して追従動作をかけることが行われるが、これらの焦点位置検出方式が検出している領域が極めて小さいために、この範囲にゴミなどの微弱な外乱があるだけで、対象物の位置を安定して検出できなくなるという欠点がある。さらに、薄いガラスのように光軸方向に複数の面を有する対象物にオートフォーカスをかけようとした場合に、走査範囲によっては焦点を合わせたい面とは違う面に焦点を合わせてしまうことがある。さらに、これらの方式では、焦点位置の検出精度が対物レンズに依存するため、低倍の対物レンズを用いた場合には、焦点を精度良く検出することができなかった。

また、変位計を用いたオートフォーカス方式も、ただ単順に対象物の高さを計測するだけでは、薄いガラスの向こうに観察対象があるウェルプレートなどに用いることはできない。

本発明の目的は、高精度かつ高速に合焦状態を得ることができるオートフォーカス装置を提供することにある。

本発明のオートフォーカス装置は、観察対象物と対物レンズ間の相対距離を調整することにより前記対物レンズの焦点が前記観察対象物に合う合焦状態を得るオートフォーカス装置において、前記相対距離を、三角測量変位計を用いた三角測量方式により計測する計測手段と、前記計測手段による計測結果に応じて、前記合焦状態が得られるように前記相対距離を制御する制御手段と、を備え、前記計測手段は前記観察対象物の手前に存在する透明体の裏面の位置を前記計測結果として計測し、前記制御手段は、前記計測手段による前記計測結果に応じて、前記相対距離を制御し、前記三角測量変位計の測定位置と前記対物レンズの焦点とが、前記対物レンズの光軸と直交する方向にオフセットしており、前記透明体はアレイ状に複数のウェルが配列されたウェルプレートであり、前記オフセットのオフセット量が、前記ウェルプレートにおける前記ウェル間の距離の整数倍であることを特徴とする。
このオートフォーカス装置によれば、三角測量変位計を用いた三角測量方式により相対距離を計測し、その計測結果に応じて合焦状態が得られるように相対距離を制御するので、高精度かつ高速に合焦状態を得ることができる。

前記計測手段により計測された前記ウェルについての前記計測結果を記憶する記憶手段と、前記オフセット量だけ前記ウェルプレートを相対的に駆動することで、前記対物レンズを前記記憶手段における記憶対象とされた当該ウェルに対向させる駆動手段と、を備え、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記計測結果に応じて前記相対距離を制御することにより、当該ウェルについての合焦状態を得てもよい。

前記ウェルプレートにおける特定のウェルについて前記対物レンズによる前記観察対象物の観察が行われている間に、当該特定のウェルから前記オフセット量だけオフセットしたウェルについて予め前記計測手段による計測を前記観察と並行して実行し、前記記憶手段は当該計測結果を記憶してもよい。

前記オフセット量だけ前記ウェルプレートを相対的に駆動させる駆動時に同期して、前記相対距離の制御を行ってもよい。

前記オフセット量が可変とされていてもよい。

前記オフセット量をゼロとすることが可能であってもよい。

前記三角測量変位計は投光光学系および受光光学系を備え、前記投光光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とのなす角度の二等分線と、前記対物レンズの光軸とが平行となってもよい。

前記三角測量変位計の測定範囲内に、前記合焦状態における前記対物レンズの焦点が位置してもよい。

前記三角測量変位計は前記透明体の表面および前記裏面からの信号を検出し、前記計測手段は、検出されたこれらの信号および前記透明体の屈折率を用いて前記透明体の裏面の位置を計測してもよい。

前記観察対象物と前記対物レンズの焦点の相対位置関係を前記計測手段と独立して検出する相対位置検出手段を備えてもよい。

前記相対位置検出手段は、前記対物レンズを通して撮影した画像に基づいて前記相対位置関係を検出してもよい。

前記相対位置検出手段は、前記対物レンズを通して投影したレーザ光を用いて前記相対位置関係を検出してもよい。

前記相対位置検出手段により検出された前記相対位置関係に基づいて、前記計測手段を校正する校正手段を備えてもよい。

前記制御手段は、前記相対位置検出手段により検出された前記相対位置関係または前記計測手段による前記計測結果のいずれかを選択的に用いて、前記合焦状態が得られるように前記相対距離を制御してもよい。

複数の前記対物レンズの中から特定の対物レンズを選択するレンズ選択手段と、前記選択手段による前記対物レンズの交換時に前記対物レンズから前記三角測量変位計を退避させる退避手段と、を備えてもよい。

本発明のオートフォーカス装置によれば、三角測量変位計を用いた三角測量方式により相対距離を計測し、その計測結果に応じて合焦状態が得られるように相対距離を制御するので、高精度かつ高速に合焦状態を得ることができる。

以下、本発明によるオートフォーカス装置の実施形態について説明する。

本発明によるオートフォーカス装置は顕微鏡システムのオートフォーカスに関し、特に多数のウェルを有するウェルプレートの顕微鏡画像を高速に観察するような顕微鏡システムに適する。ただし、本発明の適用範囲は上記のものに限定されず、通常の顕微鏡システムや、工業用の顕微鏡システムにも適用可能である。

以下、図１〜図６を参照して実施例１のオートフォーカス装置について説明する。

図１は、本実施例のオートフォーカス装置の構成を示すブロック図、図２はウェルプレートの構造を示す斜視図である。

図２に示すように、観察対象物を収容するウェルプレート１は、細胞を入れるウェル１ａと呼ばれる微小容器がアレイ状に配列されて構成されており、その一つ一つの薬剤などの条件を変えることにより、効率的に実験ができるようになっている。また、このウェルプレート１の底面は透明なガラスプレート１ｂから構成され、図１に示すように、ウェル１ａはガラスプレート１ｂを介して対物レンズ３によって下面から観察可能とされている。

また、このウェルプレート１は、ＸＹテーブル２によって、対物レンズ３の光軸方向（図１において上下方向）に対して垂直な平面内で移動可能とされている。

対物レンズ３は、Ｚステージ４によってその光軸方向（図１において上下方向）に微動が可能とされ、ウェルプレート１との相対位置が可変とされている。さらに対物レンズ３は顕微鏡鏡筒５に光学的に接続されており、顕微鏡鏡筒５には高感度カメラ６と観察対象物を照明する光源７が接続されている。

また、対物レンズ３と顕微鏡鏡筒５を接続する光路途中にはダイクロイックミラー８が設置されている。このダイクロイックミラー８は顕微鏡観察に影響を与えない近赤外レーザを反射するように構成されている。さらにこのダイクロイックミラー８は光学的にフォーカスセンサ９に接続されている。

フォーカスセンサ９は、近赤外レーザを発し、かつその戻り光を図示しない光学系によってディテクタに導き、光の位置や形状が対象物との位置関係に応じて変化することを検出して出力する。

また、対物レンズ３近傍には、三角測量変位計１０が配置されている。

図３は、三角測量変位計１０の形状を示す斜視図である。

図１および図３に示すように、三角測量変位計１０はレーザ投光ユニット１１と受光ユニット１２によって構成されている。また、図１に示すように、投光ユニット１１の光軸１１ａと受光ユニット１２の光軸１２ａの成す角度の二等分線と、対物レンズ３の光軸がほぼ一致するように配置されている。このとき、三角測量変位計１０の測定範囲内に、対物レンズ３の焦点がくるように配置されている。

図１に示すように、ＸＹテーブル２、Ｚステージ４、高感度カメラ６、フォーカスセンサ９および受光ユニット１２は、点線で示す制御配線によってコントローラ１４と接続されている。また、後述する三角測量変位計１０の位置出力と対物レンズ３の位置の対応関係がコントローラ１４に格納されており、コントローラ１４は、この対応関係を用いて、三角測量変位計１０の信号に基づくフォーカシング動作を実行する。

三角測量変位計１０およびコントローラ１４は、本発明における計測手段を、フォーカスセンサ９およびコントローラ１４は、本発明における相対位置検出手段を、コントローラ１４は、本発明における制御手段、校正手段および記憶手段を、それぞれ構成する。

次に、本実施例のオートフォーカス装置の動作について説明する。

図４は三角測量変位計１０の動作原理を示す図である。

図４に示すように、投光ユニット１１のレーザ光源１１ａからのレーザ光は投光光学系１１ｂを介して対象物２０に照射され、対象物２０からの光は受光ユニット１２の受光光学系１２ａを介してディテクタ１２ｂに導かれる。対象物２０が近くにある場合を実線で、遠くにある場合を点線で示すように、対象物２０との距離に応じてディテクタ１２ｂでの結像位置が異なるため、対象物２０との距離に応じた信号を出力可能になっている。

従来の対物レンズを通したフォーカスセンサのスポット径はミクロンオーダであり、スポット径はごく小さい。これに対し、三角測量変位計１０では投影するレーザ光のスポット径は数１０μｍから数１００μｍと大きいため、外乱に強いという特徴がある。

図５は、ウェルプレート１の位置を計測する様子を示す図である。

コントローラ１４によってＸＹテーブル２が駆動され、ウェルプレート１の中の一つのウェル１ａが対物レンズ３の光軸下に位置決めされる。この状態で、三角測量変位計１０がウェル１ａの位置を計測する。

図６は、計測時にディテクタ１２ｂにより得られる位置出力を示す図である。

ウェル１ａの底面は薄板ガラスであるガラスプレート１ｂで構成されているため（図５）、三角測量変位計１０のディテクタ１２ｂ（図４）により、図６に示すようにガラスプレート１ｂの表面１ｃ（図５）からの大きい出力とガラスプレート１ｂの裏面１ｄ（図５）からの小さい出力の二つの位置出力が得られる。このうち、表面１ｃに基づく位置出力により、表面１ｃの位置は正確に計測できる。しかし、裏面１ｄから反射される光線は、ガラスプレート１ｂ内を経由しているので、正確な裏面１ｄの位置を知るには補正が必要である。

補正では、コントローラ１４において、２つの出力から、ガラスを通ることによる屈折率の補正などを行い、ガラスの厚みを算出し、正確にガラスの裏面位置を算出する。具体的には、表面１ｃおよび裏面１ｄに基づく２つの信号と、投光ユニット１１の光軸１１ａとガラスプレート１ｂのなす角度、受光ユニット１２の光軸１２ａとガラスプレート１ｂのなす角度、およびガラスプレート１ｂを構成するガラスの屈折率を用いて、ガラスプレート１ｂの厚みを算出し、表面１ｃの位置と算出したガラスプレート１ｂの厚みから正確な裏面１１ｄの位置を算出する。

このように、三角測量変位計１０を用いることにより、対物レンズ３の焦点を光軸方向に走査することなく、ガラスプレート１ｂの裏面１ｄの位置を得ることできる。また、対物レンズを通す方式と異なり、対物レンズの倍率に依存することなく、常時、精度の良好な計測が可能となる。このデータを用いて、コントローラ１４は、対物レンズ３の焦点がウェルプレート底面を構成するガラスプレート１ｂの裏面１ｄの数μｍ先にある細胞の位置にくるように、Ｚステージ４を駆動する。

この状態で、顕微鏡光筒５は光源７からの光を、対物レンズ３を介して観察対象の細胞に照射し、細胞からの蛍光などの光をダイクロイックミラー８や図示しないフィルタを介して高感度カメラ６に結像させる。コントローラ１４はフォーカスの合った画像を保存すると共に、ＸＹテーブル２を駆動して次のウェルへと移動する。この一連の動作を繰り返すことによって、高速にウェルごとのフォーカスの合った画像を取得することができる。

また、長時間使用による熱膨張の影響などで、三角測量変位計１０と対物レンズ３の位置関係にずれが生じる場合がある。このような場合には、三角測量変位計１０の信号に応じて対物レンズ３を駆動しても、フォーカスが合わなくなってくることが考えられる。この場合にもう一つのフォーカスセンサ９を用いる。フォーカスセンサ９の信号によって焦点をウェルプレート１のガラス表面にフォーカスさせると共に、この時のＺステージ４の位置信号をコントローラ１４で記憶することにより、再度、三角測量変位計１０の信号と対物レンズ３の位置の対応を取ることができるようになり、三角測量変位計１０の校正動作が完了する。校正により三角測量変位計１０の位置出力と対物レンズ３の位置の対応関係が更新され、コントローラ１４に格納される。

このような校正動作は頻繁に行う必要が無く、例えばウェルプレートの計測を何枚か行うごとに校正を行うようにすれば良い。また、高倍率の対物レンズによっては、その対物レンズの鏡筒本体によって、三角測量変位計１０の光軸を遮ってしまうものがある。このような場合には、三角測量変位計１０に基づくフォーカシングに代えて、フォーカスセンサ９に基づくフォーカシングを行うなど、状況に応じて使いわけることが可能である。

上記実施例では、Ｚステージ４で対物レンズ３を光軸方向に駆動しているが、対物レンズ３を駆動する代わりにウェルプレート１を動かしても良い。また、顕微鏡は蛍光顕微鏡に限らず、明視野観察、位相差観察でも良い。さらに、顕微鏡は共焦点顕微鏡を用いても良い。

また、フォーカスセンサ９としてレーザ投影式のものを記載したが、これに限らず、例えば顕微鏡画像の輝度値を元にフォーカス信号を抽出するものでも良い。

また、ウェルプレートの位置が大きく変わった場合に対物レンズ３と三角測量変位計１０を一体的に対物レンズの光軸方向に動作させる粗動ステージを追加しても良い。

以上のように、本実施例のオートフォーカス装置によれば、対物レンズの近傍に三角測量変位計を設け、常時ウェルプレートの位置を三角測量変位計で計測しながら、フォーカスを合わせるので、対物レンズあるいはウェルプレートを光軸方向に走査することなく、ウェルプレート底面にあるガラスの裏面の位置を計測でき、オートフォーカス動作を高速にできる。また、レーザ光を照射するスポット径が大きいので、従来よりも外乱に強いオートフォーカスを提供できる。さらに対物レンズの倍率に依存することなく、常時高精度でフォーカス位置を調整できる。例えば、低倍の対物レンズであっても、高精度なオートフォーカスを実現できる。

また、三角測量変位計の投光光学系の光軸と受光光学系の光軸の成す角度の二等分線と、対物レンズの光軸とを概ね一致させたので、三角測量変位計による計測位置と対物レンズの観察位置を同位置に構成でき、精度良いオートフォーカスが可能である。また、投光光学系からの光がウェルプレートで正反射して受光光学系に入る構成となるので、検出信号が大きく安定した計測が可能である。

また、三角測量変位計の測定範囲内部に、対物レンズの焦点が位置するように構成したので、三角測量変位計でウェルプレートの位置を計測しながら対物レンズのフォーカスを調整できるので、高速かつ高精度にオートフォーカスが可能である。

また、三角測量変位計によってウェルプレート底面のガラスの表面からの信号、裏面からの信号を検出し、これらの信号とガラスの屈折率とを用いて、透明体の裏面の位置を算出しているため、より正確に裏面の位置を求めることができる。このように、対象物を透明体越しに観察する場合であっても、安定した位置合わせが可能となる。

また、三角測量変位計の他にウェルプレートと対物レンズの焦点の相対位置関係を判別するフォーカスセンサ９を別途、設けたので、対物レンズなどの特性に応じて、三角測量変位計の計測結果またはフォーカスセンサ９の計測結果のいずれかを選択的に使いわけることが可能になる。また、フォーカスセンサ９の信号を用いて、三角測量変位計の信号と対物レンズの焦点位置の校正を行うことが可能になる。

以下、図７を参照して実施例２のオートフォーカス装置について、実施例１との相違点について説明する。本実施例では三角測量変位計１０による計測位置が対物レンズの光軸からオフセットした例を示す。図７において、実施例１と同一要素には同一符合を付し、その詳細説明は省略する。また、実施例１と同一構成部分についての説明は省略する。

図７は、顕微鏡鏡筒方向からウェルプレート方向を見た場合の対物レンズ３および三角測量変位計１０の平面図である。図７に示すウェルプレート１Ａは９６穴のもので、ウェルＷ１〜Ｗ９６が横方向に１２列、縦方向に８行に並んだレイアウトになっており、ウェルＷ１〜Ｗ９６間のピッチは９ｍｍである。

一方、図７に示すように、対物レンズ３の光軸中心３ａと、三角測量変位計１０の計測点１０ａはＬだけオフセットしている。ここで、ＬはウェルＷ１〜Ｗ９６間のピッチ９ｍｍと等しい。また、投光ユニット１１および受光ユニット１２の光軸１１ａおよび光軸１２ａが作る垂直面内において、光軸１１ａおよび光軸１２ａの成す角度の二等分線が対物レンズ３の光軸３ａと平行な位置関係になるように構成されている。また、三角測量変位計１０は移動ステージ１３によって、対物レンズ３の光軸３ａに対するオフセット量が矢印Ｐの方向に可変となっている。

観察時には、図７に示すように、ＸＹテーブル２（図１）によってウェルプレート１を順次、矢印Ｑの方向に移動することにより、図７において左上のウェルＷ１から観察を開始し、順に隣接する右側のウェルＷ２，ウェルＷ３，・・・に観察対象を切り替える。

まず三角測量変位計１０の観察位置１０ａの上に、ウェルＷ１の底面が位置決めされる。ここで三角測量変位計１０はウェルＷ１の底面にあるガラスの表面および裏面の位置を実施例１と同様に計測し、計測値をコントローラ１４に記憶する。

さらにウェルプレート１ピッチＬだけ左に移動させると同時に、コントローラ１４に記憶された上記計測値に基づいて対物レンズ３をＺステージ４で駆動を行ってフォーカスする。

ここで対物レンズ３はウェルＷ１の細胞にフォーカスされて画像を撮影すると同時に、三角測量変位計１０は次のウェルＷ２の底面の計測を同時に行い、計測値をコントローラ１４に記憶する。次に、ウェルプレート１が１ピッチ分駆動されると同時に、対物レンズ３はウェルＷ２の細胞にフォーカスされる。この状態で画像を撮影すると同時に、三角測量変位計１０は次のウェルＷ３の底面の計測を同時に行い、計測値をコントローラ１４に記憶する。このような動作を順次繰り返すことによって、ウェルプレートの１行分のウェルＷ１〜ウェルＷ１２のフォーカス動作と観察動作を行う。第１行の観察を終えた後は、１行下のウェルに移り、再度左方向のウェルＷ１３からフォーカスと観察を開始する。このようにして、１枚のウェルプレートの観察を行う。

本実施例でＬが９ｍｍの例を示したが、これに限らずＬを９ｍｍの倍数としてもよい。また、ピッチの細かい３８４穴のウェルプレートに対応して、Ｌをウェル間ピッチである4.5ｍｍの倍数としても構わない。さらにピッチの細かい１５２６穴のウェルプレートに対応してＬをウェル間ピッチである2.25ｍｍの倍数としても構わない。

また、対物レンズによっては三角測量変位計１０の光軸を遮ることがあるので、ステージ１３を駆動して最適なＬになるように三角測量変位計１０を移動させればよい。また、ステージ１３を駆動して実施例１のように対物レンズ３の光軸上に三角測量変位計１０の測定点を移動させても構わない。

また、本実施例でも実施例１のフォーカスセンサ９と同様の、あるいはそれに代わるフォーカスセンサを用いて、三角測量変位計１０の校正動作を行うことが好ましい。この動作を行う場合、実施例１の動作の他にオフセットしていることを考慮して、対応する位置データを用いて校正を行うことによって精度よく校正が実現できる。すなわち、同一位置での計測値を比較して構成できるように、例えば、三角測量変位計１０による計測後に、オフセット量Ｌだけ計測対象物の移動等を行い、フォーカスセンサによる計測を行えばよい。

以上のように、実施例２のオートフォーカス装置によれば、変位計の測定位置と、対物レンズの焦点がオフセットするように構成し、オフセット量をウェル間距離の整数倍にしている。そして、変位計が観察を行うウェルの位置情報を先行して計測して、ウェルの移動と同時に、その計測信号を用いて対物レンズを移動させるので、非常に高速にオートフォーカスが可能になる。

また、投光光学系の光軸と受光光学系の光軸の成す角度の二等分線と対物レンズの光軸を概ね平行にしたので、投光光学系からの光がウェルでほぼ全反射して受光光学系へ入るので、信号強度が大きくなり安定して計測ができる。

また、変位計の測定位置と、上記対物レンズの焦点がオフセットする量を可変に構成したので対物レンズやウェルプレートの状況に応じて最適な構成とすることができる。

その他、実施例２のオートフォーカス装置は、実施例１と同様の利点を有する。

以下、図８を参照して実施例３のオートフォーカス装置について説明する。本実施例は、実施例２のオートフォーカス装置において、対物レンズを複数有する例を示す。図８において、実施例２と同一要素には同一符合を付し、その詳細説明は省略する。また、実施例２と同一構成部分についての説明は省略する。

図８はウェルプレート側から見た対物レンズ付近の構成である。

図８に示すように、４本の対物レンズ３１、３２、３３、３４が搭載された十文字型のレボルバ３０が、回転軸３５に対して回転自在に取り付けられている。ここで対物レンズを交換する際には、移動ステージ１３によって変位センサをＳ方向に退避させてから、レボルバ３０を図示しない回転アクチュエータによってＲ方向に回転させる。これによって複数の対物レンズを使用できるという効果がある。

ここで回転軸３５と観察中の対物レンズの光軸は平行でも良いが、好ましくは回転軸３５は光軸に対して１０度程度の角度を成して、観察中の対物レンズ３１以外の対物レンズはウェルプレートから距離が離れるような一般的な顕微鏡のレボルバ構成をとることが望ましい。

以下、図９を参照して実施例４のオートフォーカス装置について説明する。本実施例は、実施例３のオートフォーカス装置に対し、対物レンズの交換方法が直線移動となっている。対物レンズを複数有する例を示す。図８において、実施例２と同一要素には同一符合を付し、その詳細説明は省略する。また、実施例２と同一構成部分についての説明は省略する。

図９はウェルプレート側からみた図である。対物レンズ３５、３６、３７は対物レンズ台３８上に直線状に配置されており、移動ステージ３９によってＴ方向に移動可能になっている。対物レンズを交換する際には、移動ステージ１３により、変位計１０をＵ方向へと退避させる。図９は、対物レンズ３６が使用されている状態を示している。

対物レンズの配列方法は、図９のように直線状の配列に限らず、図１０のように対物レンズ３５、３６、３７を円弧状の対物台４０に配置し、円弧方向（Ｖ方向）に移動することによって交換しても構わない。図１０は、対物レンズ３６が使用されている状態を示している。

以上説明したように、本発明のオートフォーカス装置によれば、三角測量変位計を用いた三角測量方式により相対距離を計測し、その計測結果に応じて合焦状態が得られるように相対距離を制御するので、高精度かつ高速に合焦状態を得ることができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、観察対象物と対物レンズ間の相対距離を調整することにより対物レンズの焦点が観察対象物に合う合焦状態を得るオートフォーカス装置に対し、広く適用することができる。

実施例１のオートフォーカス装置の構成を示すブロック図。ウェルプレートの構造を示す斜視図。三角測量変位計の形状を示す斜視図。三角測量変位計の動作原理を示す図。ウェルプレートの位置を計測する様子を示す図。計測時にディテクタにより得られる位置出力を示す図。実施例２のオートフォーカス装置を示す平面図。実施例３のオートフォーカス装置を示す図。実施例４のオートフォーカス装置を示す図。対物レンズ円弧方向に移動させる例を示す図。

符号の説明

９フォーカスセンサ（相対位置検出手段）
１０三角測量変位計（計測手段）
１４コントローラ（計測手段、相対位置検出手段、校正手段）

Claims

観察対象物と対物レンズ間の相対距離を調整することにより前記対物レンズの焦点が前記観察対象物に合う合焦状態を得るオートフォーカス装置において、
前記相対距離を、三角測量変位計を用いた三角測量方式により計測する計測手段と、
前記計測手段による計測結果に応じて、前記合焦状態が得られるように前記相対距離を制御する制御手段と、
を備え、
前記計測手段は前記観察対象物の手前に存在する透明体の裏面の位置を前記計測結果として計測し、
前記制御手段は、前記計測手段による前記計測結果に応じて、前記相対距離を制御し、
前記三角測量変位計の測定位置と前記対物レンズの焦点とが、前記対物レンズの光軸と直交する方向にオフセットしており、
前記透明体はアレイ状に複数のウェルが配列されたウェルプレートであり、前記オフセットのオフセット量が、前記ウェルプレートにおける前記ウェル間の距離の整数倍であることを特徴とするオートフォーカス装置。
前記計測手段により計測された前記ウェルについての前記計測結果を記憶する記憶手段と、
前記オフセット量だけ前記ウェルプレートを相対的に駆動することで、前記対物レンズを前記記憶手段における記憶対象とされた当該ウェルに対向させる駆動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記計測結果に応じて前記相対距離を制御することにより、当該ウェルについての合焦状態を得ることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記ウェルプレートにおける特定のウェルについて前記対物レンズによる前記観察対象物の観察が行われている間に、当該特定のウェルから前記オフセット量だけオフセットしたウェルについて予め前記計測手段による計測を前記観察と並行して実行し、
前記記憶手段は当該計測結果を記憶することを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス装置。
前記オフセット量だけ前記ウェルプレートを相対的に駆動させる駆動時に同期して、前記相対距離の制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のオートフォーカス装置。
前記オフセット量が可変とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記オフセット量をゼロとすることが可能であることを特徴とする請求項５に記載のオートフォーカス装置。
前記三角測量変位計は投光光学系および受光光学系を備え、
前記投光光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とのなす角度の二等分線と、前記対物レンズの光軸とが平行となることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記三角測量変位計の測定範囲内に、前記合焦状態における前記対物レンズの焦点が位置することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記三角測量変位計は前記透明体の表面および前記裏面からの信号を検出し、前記計測手段は、検出されたこれらの信号および前記透明体の屈折率を用いて前記透明体の裏面の位置を計測することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記観察対象物と前記対物レンズの焦点の相対位置関係を前記計測手段と独立して検出する相対位置検出手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記相対位置検出手段は、前記対物レンズを通して撮影した画像に基づいて前記相対位置関係を検出することを特徴とする請求項１０に記載のオートフォーカス装置。
前記相対位置検出手段は、前記対物レンズを通して投影したレーザ光を用いて前記相対位置関係を検出することを特徴とする請求項１１に記載のオートフォーカス装置。
前記相対位置検出手段により検出された前記相対位置関係に基づいて、前記計測手段を校正する校正手段を備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記制御手段は、前記相対位置検出手段により検出された前記相対位置関係または前記計測手段による前記計測結果のいずれかを選択的に用いて、前記合焦状態が得られるように前記相対距離を制御することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
複数の前記対物レンズの中から特定の対物レンズを選択するレンズ選択手段と、
前記選択手段による前記対物レンズの交換時に前記対物レンズから前記三角測量変位計を退避させる退避手段と、
を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。