特開 2022-137838 オートフォーカス装置及び顕微鏡装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022137838

(43)【公開日】2022-09-22

(54)【発明の名称】オートフォーカス装置及び顕微鏡装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/24 20060101AFI20220914BHJP

   G02B 7/28 20210101ALI20220914BHJP

   G02B 7/36 20210101ALI20220914BHJP

   G03B 13/36 20210101ALI20220914BHJP

   G02B 7/04 20210101ALI20220914BHJP

【ＦＩ】

G02B21/24

G02B7/28 J

G02B7/36

G03B13/36

G02B7/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021037522

(22)【出願日】2021-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(72)【発明者】

【氏名】中村 剛

(72)【発明者】

【氏名】栗田 和信

(72)【発明者】

【氏名】今井 裕也

【テーマコード（参考）】

2H011

2H044

2H052

2H151

【Ｆターム（参考）】

2H011AA06

2H011BA33

2H011BB02

2H044BB05

2H044BB07

2H052AA08

2H052AD06

2H052AD09

2H052AD16

2H052AD19

2H151AA11

2H151BA45

2H151BA47

2H151CB22

2H151CE32

(57)【要約】      （修正有）

【課題】対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるオートフォーカス装置及び顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】オートフォーカス装置２０は、対物レンズ１１を光軸方向に移動させる駆動部２５と、対物レンズ１１の焦点面から予め規定された基準距離だけずれた検出位置ＤＰに対象物が配置されたか否かを検出する検出部２８と、対象物が検出位置ＤＰに配置されたと検出部２８で検出された場合に、駆動部２５を駆動して対物レンズ１１を基準距離だけ移動させて対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせる制御を行う制御部２９と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対物レンズを光軸方向に移動させる駆動部と、
前記対物レンズの焦点面から予め規定された基準距離だけずれた検出位置に対象物が配置されたか否かを検出する検出部と、
前記対象物が前記検出位置に配置されたと前記検出部で検出された場合に、前記駆動部を駆動して前記対物レンズを前記基準距離だけ移動させて前記対物レンズの焦点を前記対象物に合わせる制御を行う制御部と、
を備えるオートフォーカス装置。

【請求項2】

前記検出位置は、前記対物レンズの光軸上において、前記対物レンズから前記焦点面に向かう方向である前側方向に、前記焦点面から前記基準距離だけ離れた位置である、請求項１記載のオートフォーカス装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記対象物が前記検出位置に配置されたと前記検出部で検出されるまで、前記駆動部を駆動して前記対物レンズを前記前側方向に移動させる、請求項２記載のオートフォーカス装置。

【請求項4】

前記検出部は、前記対物レンズを介して前記検出位置と光学的に共役となる位置に配置され、検出面が複数に分割された分割フォトダイオードと、
前記対物レンズと前記分割フォトダイオードとの間の光路上に配置されたシリンドリカルレンズと、
を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。

【請求項5】

前記検出部は、前記対物レンズを介して前記検出位置と光学的に共役となる位置にピンホールが位置するように配置されたピンホール板と、
前記ピンホールを介した光を受光するフォトダイオードと、
を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。

【請求項6】

前記対物レンズの焦点に集光される光を射出する光源部を備える請求項１から請求項５の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。

【請求項7】

前記検出部は、三角測量方式の変位センサを備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載のオートフォーカス装置。

【請求項8】

対物レンズと、
前記対物レンズを介した対象物からの光が導かれる顕微鏡と、
前記対物レンズの焦点を前記対象物に合わせる請求項１から請求項７の何れか一項に記載のオートフォーカス装置と、
を備える顕微鏡装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オートフォーカス装置及び顕微鏡装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、落射蛍光顕微鏡、共焦点顕微鏡、その他の顕微鏡を備える顕微鏡システムを用いて、生体の組織、器官、細胞等の試料を２次元画像又は３次元画像に画像化する技術が注目されている。この顕微鏡システムは、蛍光色素が添加された試料に照明光（励起光）を照射して得られる蛍光を顕微鏡で取得し、その画像をカメラで撮影するシステムである。このような顕微鏡システムは、生体の組織、器官、細胞等の試料の挙動を解析することができるため、生物の基礎研究から創薬の応用開発の分野で幅広く利用されている。

【0003】

このような顕微鏡システムは、ウェルプレートに形成された多数の窪み（ウェル）に収容された試料を順次観察する用途に用いられることが多いため、試料に対して対物レンズの焦点を自動的に合わせる（合焦させる）オートフォーカス装置を備えるものが多い。以下の特許文献１には、４分割フォトダイオードの検出信号から焦点誤差（フォーカスエラー）を求め、焦点誤差が最小となる位置に対物レンズの焦点を合わせる従来のオートフォーカス装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４９７４０６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した特許文献１に開示された従来のオートフォーカス装置は、まず、対物レンズをウェルプレートに近づく方向に移動させながら焦点誤差を順次検出する。次に、検出された焦点誤差が最小となる位置（合焦位置）を求め、その位置に対物レンズの焦点が合うように対物レンズを逆方向に移動させる。このように、従来は、対物レンズの焦点がウェルプレートを通過するように移動させ（オーバーランさせ）、その後にオーバーランした分だけ対物レンズを逆方向に移動させているため、対物レンズの焦点を試料に合わせるのに要する時間が長くなるという問題がある。

【0006】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるオートフォーカス装置及び顕微鏡装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の一態様によるオートフォーカス装置（２０、３０、４０）は、対物レンズ（１１）を光軸（ＡＸ）方向に移動させる駆動部（２５）と、前記対物レンズの焦点面（ＰＬ）から予め規定された基準距離（ｄ）だけずれた検出位置（ＤＰ）に対象物（ＷＰ）が配置されたか否かを検出する検出部（２７、２８、３１、３２、ＳＮ）と、前記対象物が前記検出位置に配置されたと前記検出部で検出された場合に、前記駆動部を駆動して前記対物レンズを前記基準距離だけ移動させて前記対物レンズの焦点を前記対象物に合わせる制御を行う制御部（２９）と、を備える。

【0008】

また、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記検出位置が、前記対物レンズの光軸上において、前記対物レンズから前記焦点面に向かう方向である前側方向に、前記焦点面から前記基準距離だけ離れた位置である。

【0009】

また、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記制御部が、前記対象物が前記検出位置に配置されたと前記検出部で検出されるまで、前記駆動部を駆動して前記対物レンズを前記前側方向に移動させる。

【0010】

また、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記検出部が、前記対物レンズを介して前記検出位置と光学的に共役となる位置に配置され、検出面が複数に分割された分割フォトダイオード（２８）と、前記対物レンズと前記分割フォトダイオードとの間の光路上に配置されたシリンドリカルレンズ（２７）と、を備える。

【0011】

或いは、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記検出部が、前記対物レンズを介して前記検出位置と光学的に共役となる位置にピンホール（３１ａ）が位置するように配置されたピンホール板（３１）と、前記ピンホールを介した光を受光するフォトダイオード（３２）と、を備える。

【0012】

また、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記対物レンズの焦点に集光される光を射出する光源部（２１）を備える。

【0013】

或いは、本発明の一態様によるオートフォーカス装置は、前記検出部が、三角測量方式の変位センサ（ＳＮ）を備える。

【0014】

本発明の一態様による顕微鏡装置（１）は、対物レンズ（１１）と、前記対物レンズを介した対象物（ＷＰ）からの光が導かれる顕微鏡（１２）と、前記対物レンズの焦点を前記対象物に合わせる上記の何れかに記載のオートフォーカス装置（２０、３０、４０）と、を備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係る顕微鏡システムの要部構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置を拡大して示す図である。

【図3】本発明の第１実施形態において、４分割フォトダイオードに結像される光学像と４分割フォトダイオードから出力される検出信号とを説明するための図である。

【図4】本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【図5】本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置の動作を説明するための図である。

【図6】本発明の第２実施形態によるオートフォーカス装置の要部構成を示す図である。

【図7】本発明の第３実施形態によるオートフォーカス装置の要部構成を示す図である。

【図8】本発明の第３実施形態における変位センサの要部構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるオートフォーカス装置及び顕微鏡装置について詳細に説明する。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の実施形態の詳細について説明する。

【0018】

〔概要〕
本発明の実施形態は、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるオートフォーカス装置及び顕微鏡装置を提供するものである。具体的には、対物レンズの移動を少なくすることで、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮するものである。

【0019】

上述した特許文献１に開示されたオートフォーカス装置は、４分割フォトダイオードの検出信号から焦点誤差（フォーカスエラー）を求め、焦点誤差が最小となる位置に対物レンズの焦点を合わせている。ここで、対物レンズの焦点が対象物に合っている状態（合焦状態）では焦点誤差が小さくなり、対物レンズの焦点が対象物に合っていない状態（非合焦状態）では焦点誤差が大きくなる。

【0020】

上述した特許文献１に開示されたオートフォーカス装置は、合焦状態となる位置を検出するため、対物レンズの焦点が対象物を通過するように移動させ（オーバーランさせ）ている。そして、合焦状態となる位置（焦点誤差が最小となる位置）が検出されたら、オーバーランした分だけ対物レンズを逆方向に移動させている。このように、従来は、対物レンズをオーバーランさせた上に、対物レンズを逆方向に移動させる必要があったため、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間が長くなっていた。

【0021】

本発明の実施形態では、対物レンズの焦点面から予め規定された基準距離だけずれた検出位置に対象物が配置されたか否かを検出する検出部を設け、対象物が検出位置に配置されたと検出部で検出された場合に、対物レンズを基準距離だけ移動させて対物レンズの焦点を対象物に合わせる制御を行うようにしている。これにより、対物レンズの移動を従来よりも少なくすることができ、対物レンズの焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができる。

【0022】

〔第１実施形態〕
〈顕微鏡システム〉
図１は、第１実施形態に係る顕微鏡システムの要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の顕微鏡システムＭＳは、顕微鏡装置１、共焦点スキャナ２、及びカメラ３を備える。このような顕微鏡システムＭＳは、ウェルプレートＷＰ（対象物）に収容された試料ＳＰに励起光を照射し、これにより得られる蛍光を、共焦点スキャナ２を介してカメラ３で撮影することにより、試料ＳＰの共焦点像を得るものである。

【0023】

尚、ウェルプレートＷＰは、試料ＳＰを収容する多数の窪みＷ（ウェル）が形成された透明な板状の器具である。このウェルプレートＷＰは、例えば、窪みＷが形成された面を上方に向けた状態でＸＹステージ（図示省略）上に載置されており、水平面内で移動可能にされている。試料ＳＰは、例えば、蛍光色素が添加された生体の組織、器官、細胞等である。

【0024】

顕微鏡装置１は、観察光学系１０とオートフォーカス装置２０とを備える。観察光学系１０は、試料ＳＰを観察するための光学系であり、対物レンズ１１及び顕微鏡１２を備える。この観察光学系１０は、無限遠補正光学系であることが望ましい。対物レンズ１１は、ウェルプレートＷＰの底面近傍に配置され、励起光を試料ＳＰに照射するとともに、励起光を試料ＳＰに照射して得られる蛍光を顕微鏡１２に向けて出力する。顕微鏡１２は、対物レンズ１１から出力されてダイクロイックミラー２４（詳細は後述する）を透過した蛍光を共焦点スキャナ２に導く。尚、オートフォーカス装置２０の詳細については後述する。

【0025】

共焦点スキャナ２は、顕微鏡装置１に設けられた観察光学系１０とともに共焦点光学系を構成する。この共焦点スキャナ２は、例えば、マイクロレンズアレイディスク及びピンホールアレイディスクが回転軸に結合された回転ディスクを備えており、回転ディスクを回転させることで、顕微鏡１２によって導かれる蛍光を走査（スキャン）する。

【0026】

カメラ３は、共焦点スキャナ２から出力される蛍光を撮像することにより、試料ＳＰの共焦点像を得るものである。このカメラ３は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）等の固体撮像素子を備えており、二次元の静止画像又は動画を撮影可能なカメラである。尚、カメラ３で得られた試料ＳＰの共焦点像を、例えば不図示の表示装置に表示するようにしても良い。

【0027】

〈オートフォーカス装置〉
図２は、本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置を拡大して示す図である。図１，２に示す通り、オートフォーカス装置２０は、レーザ２１（光源部）、レンズ群２２、ハーフミラー２３、ダイクロイックミラー２４、アクチュエータ２５（駆動部）、コリメートレンズ２６、シリンドリカルレンズ２７（検出部）、４分割フォトダイオード２８（検出部、分割フォトダイオード）、及び制御部２９を備える。尚、図１では、制御部２９の図示を省略している。

【0028】

レーザ２１は、対物レンズ１１の焦点ＦＰに集光されるレーザ光（以下、検出光という）を射出する。レーザ２１から射出される検出光は、オートフォーカス（対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に自動的に合わせる）を実現するために用いられる。尚、以下では、説明を簡単にしつつ理解を容易にするために、対物レンズ１１の焦点は、オートフォーカス装置２０によって、ウェルプレートＷＰの底面に合わせられるものとする。

【0029】

レンズ群２２は、レーザ２１から射出された検出光を平行光に変換する。ハーフミラー２３は、レンズ群２２によって平行光に変換された検出光の一部（例えば、半分）をダイクロイックミラー２４に向けて反射させ、ダイクロイックミラー２４から反射されてきた検出光の一部（例えば、半分）を透過させる。

【0030】

ダイクロイックミラー２４は、観察光学系１０に設けられた対物レンズ１１と顕微鏡１２との間の光路上に配置され、試料ＳＰに照射される励起光及び試料ＳＰから得られる蛍光を透過させ、オートフォーカスに用いられる検出光を反射させる。アクチュエータ２５は、制御部２９の制御の下で、対物レンズ１１を光軸ＡＸに沿う方向（例えば、鉛直方向）に移動させる。尚、対物レンズ１１の移動に伴って、対物レンズ１１の焦点ＦＰ及び焦点面ＰＬも光軸ＡＸに沿う方向に移動する。

【0031】

コリメートレンズ２６は、ダイクロイックミラー２４から反射されてきて、ハーフミラー２３を透過した検出光を集光する。シリンドリカルレンズ２７は、入射面が平面とされ、射出面が円筒面とされたレンズであり、特定の方向（射出面が曲率を有する方向）にのみ検出光を集光する。４分割フォトダイオード２８は検出面が４つの領域に分割されたフォトダイオードである。シリンドリカルレンズ２７及び４分割フォトダイオード２８は、非点収差法によって焦点誤差（フォーカスエラー）を検出するために設けられる。

【0032】

ここで、コリメートレンズ２６及びシリンドリカルレンズ２７の位置は、図２に示す検出位置ＤＰで反射された検出光が、４分割フォトダイオード２８の中心に照射されるように調整されている。つまり、４分割フォトダイオード２８は、その検出面の中心が対物レンズ１１を介して検出位置ＤＰと光学的に共役となる位置に配置されている。このように、本実施形態では、オートフォーカス装置２０が焦点誤差を検出する際の基準となる検出位置ＤＰが、対物レンズ１１の焦点ＦＰとは異なる位置に設定されている。

【0033】

このような検出位置ＤＰを設定するのは、対物レンズ１１の焦点ＦＰがウェルプレートＷＰの底面に達するのに先んじて、検出位置ＤＰにウェルプレートＷＰの底面が配置されたか否かを検出するためである。そして、対物レンズ１１の移動を従来よりも少なくすることで、対物レンズ１１の焦点ＦＰをウェルプレートＷＰの底面に合わせるのに要する時間を短縮するためである。

【0034】

上記の検出位置ＤＰは、対物レンズ１１の焦点面ＰＬから予め規定された基準距離ｄだけずれた位置である。より具体的に、検出位置ＤＰは、対物レンズ１１の光軸ＡＸ上において、対物レンズ１１から焦点面ＰＬに向かう方向である前側方向に、焦点面ＰＬから基準距離ｄだけ離れた位置である。尚、基準距離ｄは、特定の距離に限られる訳ではなく、任意の距離に設定することができる。

【0035】

図３は、本発明の第１実施形態において、４分割フォトダイオードに結像される光学像と４分割フォトダイオードから出力される検出信号とを説明するための図である。尚、図３（ａ），（ｂ）は、４分割フォトダイオード２８の検出面に結像される検出光の光学像の一例を示す図であり、図３（ｃ）は、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の一例を示す図である。

【0036】

図３（ａ），（ｂ）に示す通り、４分割フォトダイオード２８の検出面は、４つの領域２８ａ～２８ｄに分割されている。これら４つの領域２８ａ～２８ｄの各々から出力される信号をそれぞれＡ～Ｄとすると、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号Ｖは、以下の（１）式で表される。
Ｖ＝(Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ） …（１）
つまり、検出信号Ｖの大きさは、４つの領域２８ａ～２８ｄのうちの隣接しない２つの領域（例えば、領域２８ａ，２８ｃ）から出力される信号の和と、残りの２つの領域（例えば、領域２８ｂ，２８ｄ）から出力される信号の和との差から求められる。

【0037】

オートフォーカス装置２０の受光側における光学系は、シリンドリカルレンズ２７によって非点収差を有する光学系になっている。また、４分割フォトダイオード２８は、前述の通り、その検出面の中心が対物レンズ１１を介して検出位置ＤＰと光学的に共役となる位置に配置されている。このため、４分割フォトダイオード２８の検出面に結像する検出光の光学像は、対物レンズ１１の位置（例えば、鉛直方向の位置：Ｚ方向の位置）に応じて変化する。これにより、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号Ｖは、図３（ｃ）に示す通り、対物レンズ１１の位置（Ｚ）に応じて変化する。

【0038】

例えば、図２に示す検出位置ＤＰがウェルプレートＷＰの底面よりも鉛直下方に位置するように対物レンズ１１が配置されている場合（対物レンズ１１が図３（ｃ）中の位置Ｚ１に配置されている場合）を考える。この場合には、図３（ａ）に示す通り、楕円形状の検出光が４分割フォトダイオード２８の検出面に結像する。これにより、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号Ｖの大きさは、図３（ｃ）に示す通り、例えば、Ｖ１となる。

【0039】

これに対し、図２に示す検出位置ＤＰがウェルプレートＷＰの底面に位置するように対物レンズ１１が配置されている場合（対物レンズ１１が図３（ｃ）中の位置Ｚ２に配置されている場合）を考える。この場合には、図３（ｂ）に示す通り、円形状の検出光が４分割フォトダイオード２８の検出面に結像する。これにより、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号Ｖの大きさは、図３（ｃ）に示す通り、例えば、零（或いは、ほぼ零）となる。

【0040】

制御部２９は、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号を用いて、ウェルプレートＷＰの底面に対物レンズ１１の焦点ＦＰを合わせ込む制御を行う。具体的に、制御部２９は、アクチュエータ２５を駆動して、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になるまで（例えば、零になるまで）、対物レンズ１１を前側方向に移動させる。尚、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になるのは、ウェルプレートＷＰの底面が検出位置ＤＰに配置された場合である。

【0041】

制御部２９は、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になった場合に、アクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１１を基準距離ｄだけ前側方向に移動させる制御を行う。かかる制御が行われることで、対物レンズ１１の焦点をウェルプレートＷＰの底面に合わせることができる。尚、上記の基準距離ｄは、予め制御部２９に格納されている。

【0042】

〈オートフォーカス装置の動作〉
図４は、本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置の動作の一例を示すフローチャートである。また、図５は、本発明の第１実施形態によるオートフォーカス装置の動作を説明するための図である。尚、図４に示すフローチャートは、ウェルプレートＷＰに収容された試料ＳＰのうち、ＸＹステージの駆動によって、観察対象の試料ＳＰが対物レンズ１１の上方に配置される度に開始される。

【0043】

図４に示すフローチャートの処理が開始されると、まず、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号を参照しつつ、対物レンズ１１を移動させる動作が、制御部２９の制御の下で行われる（ステップＳ１１）。具体的には、対物レンズ１１が初期位置に配置されている状態のときに、制御部２９によるアクチュエータ２５の駆動が開始される。これにより、光軸ＡＸに沿う方向（例えば、鉛直上方向：Ｚ方向）への対物レンズ１１の移動が開始される。そして、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号を参照しつつ、対物レンズ１１を移動させる動作が行われる（図５（ａ）参照）。

【0044】

次に、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になったか否かを判断する処理が制御部２９によって行われる（ステップＳ１２）。具体的には、図３（ｃ）に示す通り、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値がピークを迎えた後に零（或いは、ほぼ零）になったか否かが制御部２９によって判断される。尚、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値は、検出位置ＤＰがウェルプレートＷＰの底面に達した場合に最小となる（図５（ｂ）参照）。

【0045】

４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になっていないと判断された場合（ステップＳ１２の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１１の動作が継続して行われる（図５（ａ）参照）。これに対し、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になったと判断された場合（ステップＳ１２の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、対物レンズ１１を基準距離ｄだけ前側方向に移動させる動作が制御部２９の制御によって行われる（ステップＳ１３）。

【0046】

具体的には、制御部２９によってアクチュエータ２５が駆動され、検出位置ＤＰがウェルプレートＷＰの底面に位置している状態（図５（ｂ）参照）から、制御部２９に格納されている基準距離ｄだけ対物レンズ１１を前側方向に移動させる動作が行われる。以上の動作が行われると、対物レンズ１１の焦点ＦＰがウェルプレートＷＰの底面に位置し、対物レンズ１１の焦点ＦＰが対象物に合っている状態になる（図５（ｃ）参照）。以上によってオートフォーカス装置２０の一連の動作が終了する。

【0047】

尚、対物レンズ１１の焦点ＦＰが対象物に合っている状態で、観察光学系１０、共焦点スキャナ２、及びカメラ３による試料ＳＰの観察が行われる。観察対象となっている試料ＳＰの観察が終了すると、制御部２９によってアクチュエータ２５が駆動され、対物レンズ１１を初期位置に戻す動作が行われる。そして、ＸＹステージの駆動によって、次の観察対象である試料ＳＰを対物レンズ１１の上方に配置する動作が行われる。

【0048】

以上の通り、本実施形態では、４分割フォトダイオード２８から出力される検出信号の絶対値が最小になったか否かにより、検出位置ＤＰに対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が配置されたか否かを検出している。そして、対象物が検出位置ＤＰに配置されたと検出された場合に、制御部２９がアクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１１を基準距離ｄだけ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、対物レンズ１１の移動を従来よりも少なくすることができ、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができる。

【0049】

また、本実施形態では、対物レンズ１１を一方向（鉛直上方向）にのみ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、従来のように、対物レンズの焦点が対象物を通過するように移動させ（オーバーランさせ）た後に、対物レンズを逆方向に移動させる必要がないため、振動を低減することができる。その結果として、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるのみならず、対物レンズ１１の位置合わせを高精度に行うことができる。

【0050】

尚、従来、１サイクル当たりのオートフォーカスに要する時間が、約４４０［ｍｓｅｃ］であったとする。本実施形態によって、オートフォーカスに要する時間を１サイクル当たり８５［ｍｓｅｃ］削減できたとすると、約１９％の時間短縮が図られる。従来、９６個の窪みＷが形成されたウェルプレートＷＰに格納された試料ＳＰを全て観察するのに必要な時間が約６０秒であったとする。本実施形態によって、同じウェルプレートＷＰに格納された試料ＳＰを全て観察するのに必要な時間を約５２秒に短縮することができる。

【0051】

〔第２実施形態〕
〈顕微鏡システム〉
本実施形態に係る顕微鏡システムは、図１に示すオートフォーカス装置２０に代えて図６に示すオートフォーカス装置３０を設けた構成であり、オートフォーカス装置３０以外の構成は、図１と同様である。このため、本実施形態に係る顕微鏡システムの詳細な説明は省略する。

【0052】

〈オートフォーカス装置〉
図６は、本発明の第２実施形態によるオートフォーカス装置の要部構成を示す図である。本実施形態のオートフォーカス装置３０は、図２に示すオートフォーカス装置２０のシリンドリカルレンズ２７及び４分割フォトダイオード２８を、ピンホール板３１（検出部）及びフォトダイオード３２（検出部）に替えた構成である。

【0053】

ピンホール板３１は、ピンホール３１ａが形成された板状部材である。ピンホール板３１は、遮光性を有する材料を用いて形成されている。ピンホール板３１は、対物レンズ１１を介して検出位置ＤＰと光学的に共役となる位置にピンホール３１ａが位置するように配置されている。フォトダイオード３２は、ピンホール３１ａを透過した光を検出するものである。ピンホール板３１及びフォトダイオード３２は、共焦点法によって焦点誤差（フォーカスエラー）を検出するために設けられる。

【0054】

本実施形態では、対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が検出位置ＤＰに配置されている場合に、対象物で反射された検出光の全てがピンホール３１ａを通過する。これに対し、対象物が検出位置ＤＰとは異なる位置に配置されている場合には、ピンホール板３１に入射する検出光の光径が大きくなって、ピンホール３１ａを通過する光量が減少する。このため、ピンホール３１ａを通過する光量が最大になったか否か（フォトダイオード３２の検出信号が最大になったか否か）により、検出位置ＤＰに対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が配置されたか否かを検出することができる。

【0055】

〈オートフォーカス装置の動作〉
本実施形態のオートフォーカス装置３０は、第１実施形態のオートフォーカス装置２０とは、検出方法が異なるだけであり、第１実施形態のオートフォーカス装置２０の動作（図５を用いて説明した動作）と同様の動作が行われる。このため、本実施形態のオートフォーカス装置３０の動作の詳細な説明は省略する。

【0056】

以上の通り、本実施形態では、フォトダイオード３２から出力される検出信号が最大になったか否かにより、検出位置ＤＰに対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が配置されたか否かを検出している。そして、対象物が検出位置ＤＰに配置されたと検出された場合に、制御部２９がアクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１１を基準距離ｄだけ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、対物レンズ１１の移動を従来よりも少なくすることができ、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができる。

【0057】

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、対物レンズ１１を一方向（鉛直上方向）にのみ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、第１実施形態と同様に、振動を低減することができる。その結果として、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるのみならず、対物レンズ１１の位置合わせを高精度に行うことができる。

【0058】

〔第３実施形態〕
〈顕微鏡システム〉
本実施形態に係る顕微鏡システムは、図１に示すオートフォーカス装置２０に代えて図７に示すオートフォーカス装置４０を設けた構成であり、オートフォーカス装置４０以外の構成は、図１と同様である。このため、本実施形態に係る顕微鏡システムの詳細な説明は省略する。

【0059】

〈オートフォーカス装置〉
図７は、本発明の第３実施形態によるオートフォーカス装置の要部構成を示す図である。本実施形態のオートフォーカス装置４０は、図２に示すオートフォーカス装置２０のレーザ２１、レンズ群２２、ハーフミラー２３、ダイクロイックミラー２４、コリメートレンズ２６、シリンドリカルレンズ２７、及び４分割フォトダイオード２８を省略し、変位センサＳＮ（検出部）を設けた構成である。変位センサＳＮは、投光器４１及び受光器４２を備えており、三角測量方式によって、対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が検出位置ＤＰに配置されたか否かを検出する。

【0060】

図８は、本発明の第３実施形態における変位センサの要部構成を示すブロック図である。図８に示す通り、変位センサＳＮの投光器４１は、レーザ４１ａ及び投光光学系４１ｂを備えており、レーザ４１ａから射出されるレーザ光（以下、検出光という）を斜め方向から検出位置ＤＰに向けて投光する。尚、ここにいう斜め方向とは、対物レンズ１１の光軸ＡＸに対して斜め方向（或いは、ウェルプレートＷＰの底面に対して斜め方向）の意である。変位センサＳＮの受光器４２は、受光光学系４２ａ及び検出器４２ｂを備えており、ウェルプレートＷＰの底面で反射された検出光を検出する。

【0061】

ウェルプレートＷＰの底面が検出位置ＤＰに配置されている場合には、図８において実線で示す通り、ウェルプレートＷＰの底面で反射された検出光は、検出器４２ｂの中央部に結像する。これに対し、ウェルプレートＷＰの底面が検出位置ＤＰに配置されていない場合には、図８において破線で示す通り、ウェルプレートＷＰの底面で反射された検出光は、検出器４２ｂの中央部とは異なる位置に結像する。このため、検出光が検出器４２ｂの中央部に結像したか否かにより、検出位置ＤＰに対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が配置されたか否かを検出することができる。

【0062】

〈オートフォーカス装置の動作〉
本実施形態のオートフォーカス装置４０は、第１実施形態のオートフォーカス装置２０とは、検出方法が異なるだけであり、第１実施形態のオートフォーカス装置２０の動作（図５を用いて説明した動作）と同様の動作が行われる。このため、本実施形態のオートフォーカス装置４０の動作の詳細な説明は省略する。

【0063】

以上の通り、本実施形態では、検出光が検出器４２ｂの中央部に結像したか否かにより、検出位置ＤＰに対象物（ウェルプレートＷＰの底面）が配置されたか否かを検出している。そして、対象物が検出位置ＤＰに配置されたと検出された場合に、制御部２９がアクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１１を基準距離ｄだけ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、対物レンズ１１の移動を従来よりも少なくすることができ、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができる。

【0064】

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、対物レンズ１１を一方向（鉛直上方向）にのみ移動させて対物レンズ１１の焦点ＦＰを対象物に合わせるようにしている。これにより、第１実施形態と同様に、振動を低減することができる。その結果として、対物レンズ１１の焦点を対象物に合わせるのに要する時間を短縮することができるのみならず、対物レンズ１１の位置合わせを高精度に行うことができる。

【0065】

以上、本発明の実施形態によるオートフォーカス装置及び顕微鏡装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、検出位置ＤＰが対物レンズ１１の光軸ＡＸ上に設定されている例について説明した。しかしながら、検出位置ＤＰは、対物レンズ１１の光軸ＡＸ上に必ずしも設定されている必要は無く、対物レンズ１１の光軸ＡＸからずれた位置に設定されていても良い。

【0066】

また、上述した実施形態では、検出位置ＤＰが、焦点面ＰＬから前側方向に基準距離ｄだけ離れた位置に設定されている例について説明した。しかしながら、検出位置ＤＰは、焦点面ＰＬから前側方向とは反対の方向に基準距離ｄだけ離れた位置に設定されていても良い。このような設定がなされている場合には、例えば、対物レンズ１１の初期位置をウェルプレートＷＰに近い位置に設定し、対物レンズ１１をウェルプレートＷＰから遠ざけながら検出位置ＤＰに対象物が配置されたか否かを検出するようにしても良い。

【符号の説明】

【0067】

１ 顕微鏡装置
１１ 対物レンズ
１２ 顕微鏡
２０ オートフォーカス装置
２１ レーザ
２５ アクチュエータ
２７ シリンドリカルレンズ
２８ ４分割フォトダイオード
２９ 制御部
３０ オートフォーカス装置
３１ ピンホール板
３１ａ ピンホール
３２ フォトダイオード
４０ オートフォーカス装置
ＡＸ 光軸
ｄ 基準距離
ＤＰ 検出位置
ＰＬ 焦点面
ＳＮ 変位センサ
ＷＰ ウェルプレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】