顕微鏡システム、焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラム
【課題】観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置を自動的に検出することが可能な顕微鏡システムおよび焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラムを提供する。
【解決手段】レーザ光源から出射された光が集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物により反射される光が対物レンズを通して受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。複数の画素データに基づく評価値が、出力上限値Ｅｍａｘよりも小さくかつノイズレベルと評価値を算出するための画素数との乗算値Ｅｎｌよりも大きくなるように設定される。対物レンズを現在の位置ｚｓ１から上に向かう方向に移動させつつ設定されたゲインで評価値を算出する。評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。評価値がピークになるときの対物レンズ３のＺ方向の位置が検出される。
【解決手段】レーザ光源から出射された光が集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物により反射される光が対物レンズを通して受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。複数の画素データに基づく評価値が、出力上限値Ｅｍａｘよりも小さくかつノイズレベルと評価値を算出するための画素数との乗算値Ｅｎｌよりも大きくなるように設定される。対物レンズを現在の位置ｚｓ１から上に向かう方向に移動させつつ設定されたゲインで評価値を算出する。評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。評価値がピークになるときの対物レンズ３のＺ方向の位置が検出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡システム、焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点顕微鏡では、レーザ光源から出射されたレーザ光が対物レンズにより測定対象物に集光される。測定対象物からの反射光が受光レンズにより集光され、ピンホールを通して受光素子に入射する（例えば、特許文献１参照）。レーザ光は測定対象物の表面で二次元的に走査される。また、測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離を変化させることにより受光素子の受光量の分布が変化する。測定対象物の表面に焦点が合ったときに受光量のピークが現れる。受光量分布のピーク強度に基づいて非常に高い焦点深度を有する超深度画像を得ることができる。また、受光量分布のピーク位置に基づいて測定対象物の表面の高さ分布を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８３６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共焦点顕微鏡の受光素子の出力信号はＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）によりデジタル信号に変換され、各画素に対応する画素データとして出力される。測定対象物の一定の領域の画素データに基づいて共焦点画像データが生成され、共焦点画像データに基づいて観察対象物の共焦点画像が表示部に表示される。使用者は、ステージを対物レンズに対して相対的に上下に移動させることにより、対物レンズの焦点を観察対象物の所望の領域に合わせることができる。それにより、所望の領域で焦点が合った共焦点画像を表示部に表示させることができる。
【０００５】
しかしながら、焦点合わせの際に、受光素子のゲインが大きすぎると、受光素子の出力信号が飽和してしまう。その場合には、ステージを上下方向に移動させることにより得られる画素データの変化にピークが現れない。逆に、受光素子のゲインが小さすぎると、ステージを上下方向に移動させることにより得られる画素データの変化におけるピークをノイズから識別することができない。このような場合、対物レンズの焦点を観察対象物の所望の領域に合わせることができない。
【０００６】
そのため、使用者は、受光素子のゲインを調整しながらステージを上下に移動させる作業を繰り返し行う必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置を自動的に検出することが可能な顕微鏡システムおよび焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）第１の発明に係る顕微鏡システムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、光を出射する光源と、受光素子と、光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く光学系と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点を光学系の光軸方向の複数の位置に移動させる制御部とを備え、制御部は、光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を検出するものである。
【０００９】
その顕微鏡システムにおいては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００１０】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００１１】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００１２】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００１３】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【００１４】
（２）制御部は、光源から出射される光の量、光学系における光の減衰量および受光素子のゲインの少なくとも１つを制御することにより感度パラメータを設定してもよい。この場合、制御部により感度パラメータが自動的に設定および変更される。
【００１５】
（３）制御部は、光学系の焦点の初期の位置で評価値が上限値と下限値との間の範囲内になるように感度パラメータを設定した後に、光学系の焦点を一方向に移動させることにより光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、一方向の移動により光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値が示されない場合に、光学系の焦点の位置を一方向と逆の方向に移動させてもよい。
【００１６】
この場合、光学系の焦点の初期の位置にかかわらず、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。
【００１７】
（４）制御部は、光学系の焦点の光軸方向の移動により評価値が上限値に達したときに感度パラメータを減少させてもよい。
【００１８】
この場合、制御部は、簡単な処理で評価値が飽和することを防止することができる。
【００１９】
（５）顕微鏡システムは、画素データ出力部から出力される画素データに基づいて画像データを生成する画像データ生成部と、画像データ生成部により生成される画像データに基づいて画像を表示する表示部とをさらに備え、制御部は、検出された位置に光学系の焦点が合うように光学系の焦点を移動させてもよい。
【００２０】
この場合、光学系の焦点が観察対象物の所定数の画素に対応する領域に合った状態で画像が表示部に表示される。したがって、使用者は、煩雑な焦点合わせの作業を行うことなく、所望の領域で光学系の焦点が合った観察対象物の画像を観察することができる。
【００２１】
（６）制御部は、検出された位置から光学系の焦点を一方向に移動させることにより、光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた検出限界以下になった時点での光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置として判定し、検出された位置から光学系の焦点の位置を一方向と逆の方向に移動させることにより、光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、算出された評価値が検出限界以下になった時点での光学系の焦点の位置を他方側の移動限界位置として判定してもよい。
【００２２】
この場合、光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置と他方側の移動限界位置との範囲内で移動させることにより、複数の画素の各々について、画素データがピーク値を示す光学系の焦点の位置を検出することができる。その結果、複数の画素の各々について光学系の焦点を観察対象物の表面に合わせることが可能となる。
【００２３】
（７）第２の発明に係る焦点位置検出方法は、顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出方法であって、光源から出射された光を光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導くステップと、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、制御部により光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、制御部により観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点を光学系の光軸方向の複数の位置に移動させるステップとを備え、移動させるステップは、制御部により光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を制御部により検出するステップを含むものである。
【００２４】
その焦点位置検出方法においては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００２５】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００２６】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００２７】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００２８】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【００２９】
（８）第３の発明に係る焦点位置検出プログラムは、顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出処理を処理装置に実行させる焦点位置検出プログラムであって、光源から出射された光を光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く処理と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、制御部により光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、制御部により観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点の位置を光学系の光軸方向に移動させる処理とを、処理装置に実行させ、移動させる処理は、制御部により光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を制御部により検出する処理を含むものである。
【００３０】
その焦点位置検出プログラムにおいては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００３１】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００３２】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００３３】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００３４】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置を自動的に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図２】Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。
【図３】１つの画素についての観察対象物のＺ方向の位置と受光素子の受光強度との関係を示す図である。
【図４】表示部の一表示例を示す図である。
【図５】１つの画素についての対物レンズのＺ方向の位置と受光素子の受光強度との関係を説明するための図である。
【図６】ピーク位置の検出方法の概念を説明するための図である。
【図７】ピーク位置の検出時における受光素子のゲイン設定を説明するための図である。
【図８】図８は、評価値を用いたピーク位置探索処理を説明するための図である。
【図９】１つの画素についての対物レンズのＺ方向の位置と有効な画素データの値との関係を説明するための図である。
【図１０】高さ画像データおよび超深度画像データの生成時における対物レンズのＺ方向の上限位置および下限位置の設定方法を説明するための図である。
【図１１】オートフォーカス処理のフローチャートである。
【図１２】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１３】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１４】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１５】上下限自動設定処理のフローチャートである。
【図１６】上下限自動設定処理のフローチャートである。
【図１７】境界位置探索処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システムについて図面を参照しながら説明する。以下では、顕微鏡システムの一例として共焦点顕微鏡システムを説明する。
【００３８】
（１）共焦点顕微鏡システムの基本構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システム５００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、共焦点顕微鏡システム５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部４００を備える。測定部１００は、レーザ光源１０、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０、受光素子３０、照明用白色光源４０、カラーＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５０およびステージ６０を含む。ステージ６０上には、観察対象物Ｓが載置される。
【００３９】
レーザ光源１０は、例えば半導体レーザである。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、レンズ１により平行光に変換された後、ハーフミラー４を透過してＸ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。なお、レーザ光源１０に代えて水銀ランプ等の他の光源が用いられてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とＸ−Ｙスキャン光学系２０との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。
【００４０】
Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、例えばガルバノミラーである。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、ステージ６０上の観察対象物Ｓの表面上においてレーザ光をＸ方向およびＹ方向に走査する機能を有する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義については後述する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により走査されたレーザ光は、ハーフミラー５により反射された後、ハーフミラー６を透過し、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。なお、ハーフミラー４〜６に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。
【００４１】
観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光は、対物レンズ３およびハーフミラー６を透過した後、ハーフミラー５により反射され、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過したレーザ光は、ハーフミラー４により反射され、レンズ２により集光され、ピンホール部材７のピンホールおよびＮＤ（Neutral Density）フィルタ８を透過して受光素子３０に入射する。このように、本実施の形態においては反射型の共焦点顕微鏡システム５００が用いられるが、観察対象物Ｓが細胞等の透明体である場合には、透過型の共焦点顕微鏡システムが用いられてもよい。
【００４２】
ピンホール部材７のピンホールは、レンズ２の焦点位置に配置される。ＮＤフィルタ８は、受光素子３０に入射するレーザ光の強度を減衰させるために用いられる。そのため、レーザ光の強度が十分減衰されている場合には、ＮＤフィルタ８は設けられなくてもよい。
【００４３】
本実施の形態では、受光素子３０は光電子増倍管である。受光素子３０としてフォトダイオードおよび増幅器を用いてもよい。受光素子３０は、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）を出力する。制御部３００は、２つのＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）、ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリおよびＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。受光素子３０から出力される受光信号は、制御部３００の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。
【００４４】
照明用白色光源４０は、例えばハロゲンランプまたは白色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。照明用白色光源４０により発生された白色光は、ハーフミラー６により反射された後、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。
【００４５】
観察対象物Ｓにより反射された白色光は、対物レンズ３、ハーフミラー６およびハーフミラー５を透過してカラーＣＣＤカメラ５０に入射する。カラーＣＣＤカメラ５０に代えてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の撮像素子が用いられてもよい。カラーＣＣＤカメラ５０は、受光量に対応する電気信号を出力する。カラーＣＣＤカメラ５０の出力信号は、制御部３００の他の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、カメラデータとして順次ＰＣ２００に転送される。
【００４６】
制御部３００は、画素データおよびカメラデータをＰＣ２００に与えるとともに、ＰＣ２００からの指令に基づいてカラーＣＣＤカメラ５０を制御する。また、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいて感度パラメータとして受光素子３０のゲイン（受光感度）を制御する。ここで、感度パラメータとは、観察対象物Ｓの表面の状態（反射率、向き、粗さおよび色等）が一定の条件で制御部３００により取得されるべき画素データの値を調整するためのパラメータをいう。
【００４７】
さらに、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてＸ−Ｙスキャン光学系２０を制御することによりレーザ光を観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査させる。
【００４８】
対物レンズ３は、レンズ駆動部６３によりＺ方向に移動可能に設けられる。制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてレンズ駆動部６３を制御することにより対物レンズ３をＺ方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置を変化させることができる。
【００４９】
ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０および記憶装置２４０を含む。ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、焦点位置検出プログラムが記憶されるとともに、制御部３００から与えられる画素データおよびカメラデータ等の種々のデータを保存するために用いられる。焦点位置検出プログラムの詳細は後述する。
【００５０】
ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。以下、画素データに基づいて生成される画像データを共焦点画像データと呼ぶ。また、共焦点画像データに基づいて表示される画像を共焦点画像と呼ぶ。
【００５１】
ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられるカメラデータに基づいて画像データを生成する。以下、カメラデータに基づいて生成される画像データをカメラ画像データと呼ぶ。また、カメラ画像データに基づいて表示される画像をカメラ画像と呼ぶ。
【００５２】
ＣＰＵ２１０は、生成した共焦点画像データおよびカメラ画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、共焦点画像データに基づく共焦点画像およびカメラ画像データに基づくカメラ画像を表示部４００に表示させる。また、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部６２に駆動パルスを与える。
【００５３】
表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。
【００５４】
ステージ６０は、Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構を有する。Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構には、ステッピングモータが用いられる。
【００５５】
ステージ６０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構は、ステージ操作部６１およびステージ駆動部６２により駆動される。使用者は、ステージ操作部６１を手動で操作することにより、ステージ６０を対物レンズ３に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることができる。
【００５６】
ステージ駆動部６２は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ６０のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ６０を対物レンズ３に相対的にＸ方向、Ｙ方向またはＺ方向に移動させることができる。
【００５７】
（２）共焦点画像、超深度画像および高さ画像
図２は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。図２に示すように、対物レンズ３により集光されたレーザ光が観察対象物Ｓに照射される。本実施の形態においては、対物レンズ３の光軸の方向をＺ方向と定義する。また、Ｚ方向と直交する面において、互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向と定義する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印Ｘ，Ｙ，Ｚでそれぞれ示す。
【００５８】
Ｚ方向において対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの表面の相対的な位置を観察対象物ＳのＺ方向の位置と呼ぶ。共焦点画像データの生成は、単位領域ごとに行なわれる。単位領域は対物レンズ３の倍率により定まる。
【００５９】
観察対象物ＳのＺ方向の位置が一定の状態で、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により単位領域内のＹ方向の端部でレーザ光がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザ光がＸ−Ｙスキャン光学系２０によりＹ方向に一定の間隔変移される。この状態でレーザ光がＸ方向に走査される。単位領域内でレーザ光のＸ方向の走査およびＹ方向の変移が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が終了する。次に、対物レンズ３がＺ方向に移動される。それにより、対物レンズ３のＺ方向の位置が前回と異なる一定の状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。
【００６０】
観察対象物ＳのＺ方向の位置ごとにＸ方向およびＹ方向の走査により共焦点画像データが生成される。これにより、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の共焦点画像データが生成される。
【００６１】
ここで、共焦点画像データのＸ方向の画素数は、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＸ方向の走査速度と制御部３００のサンプリング周期とにより定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、単位領域の共焦点画像データのＹ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了ごとのＸ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数がＹ方向の画素数となる。さらに、単位領域の共焦点画像データの数は、対物レンズ３のＺ方向の移動回数により定まる。単位領域の複数の共焦点画像データに基づいて後述する方法で、超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。
【００６２】
図２の例では、まず、ステージ６０の最初の位置で単位領域ｓ１における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ１の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。続いて、ステージ６０が順次移動することにより単位領域ｓ２〜ｓ４における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ２〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。この場合、隣接する単位領域の一部が互いに重なるように、単位領域ｓ１〜ｓ４が設定されてもよい。それにより、パターンマッチングを行うことにより、複数の単位領域ｓ１〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データを高い精度で連結することができる。特に、複数の単位領域の合計の面積が後述する画素データの取得範囲よりも大きい場合には、取得範囲からはみ出す部分の面積に相当する部分が重なり部分として設定される。
【００６３】
図３は、１つの画素についての観察対象物ＳのＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係を示す図である。図１に示したように、ピンホール部材７のピンホールはレンズ２の焦点位置に配置される。そのため、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光がピンホール部材７のピンホールの位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。この場合、受光素子３０の受光強度は最大になる。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は最大となる。
【００６４】
一方、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置が外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光はピンホール部材７のピンホールの前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の多くはピンホール部材７のピンホールの周囲の部分で遮られ、受光素子３０の受光強度は低下する。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は低下する。
【００６５】
このように、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にある状態で受光素子３０の受光強度分布にピークが現れる。各単位領域の複数の共焦点画像データから、画素ごとにＺ方向における受光強度分布が得られる。それにより、画素ごとに受光強度分布のピーク位置とピーク強度（ピークの受光強度）とが得られる。
【００６６】
各単位領域の複数の画素についてのＺ方向におけるピーク位置を表すデータを高さ画像データと呼び、高さ画像データに基づいて表示される画像を高さ画像と呼ぶ。高さ画像は、観察対象物Ｓの表面形状を表す。また、各単位領域の複数の画素についてのピーク強度を表すデータを超深度画像データと呼び、超深度画像データに基づいて表される画像を超深度画像と呼ぶ。超深度画像は、観察対象物Ｓの表面のすべての部分に対物レンズ３の焦点が合った状態で得られる画像である。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の共焦点画像データを生成し、複数の共焦点画像データに基づいて単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。
【００６７】
（３）オートフォーカス処理および上下限自動設定処理
図４は、表示部４００の一表示例を示す図である。図４に示すように、表示部４００の画面上には、画像表示領域４１０および条件設定領域４２０が表示される。画像表示領域４１０には、共焦点画像データに基づく共焦点画像またはカメラ画像データに基づくカメラ画像が表示される。条件設定領域４２０には、共焦点画像ボタン４２２、オートフォーカスボタン４２３、上下限自動設定ボタン４２４および取得開始ボタン４２５が表示される。
【００６８】
使用者は、図１の共焦点顕微鏡システム５００のステージ６０に観察対象物Ｓを載置する。使用者は、ＰＣ２００に接続されたマウス等のポインティングデバイスを用いて図４の条件設定領域４２０の共焦点画像ボタン４２２を操作する。これにより、制御部３００は、画素データを順次ＰＣ２００に与える。ＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御部３００により与えられた画素データに基づいて共焦点画像データを生成し、観察対象物Ｓの共焦点画像ＳＶを表示部４００の画像表示領域４１０に表示させる。
【００６９】
表示部４００に共焦点画像ＳＶが表示された状態で、使用者が条件設定領域４２０のオートフォーカスボタン４２３を操作すると、後述するオートフォーカス処理が実行される。
【００７０】
オートフォーカス処理は、対物レンズ３の焦点位置を観察対象物Ｓの表面の一部に合わせるために、対物レンズ３のＺ方向の位置を自動的に調整する処理である。これにより、使用者は、観察対象物Ｓの表面の一部分に焦点が合った状態で共焦点画像ＳＶを観察することができる。オートフォーカス処理の詳細は後述する。
【００７１】
使用者が条件設定領域４２０の上下限自動設定ボタン４２４を操作すると、後述する上下限自動設定処理が実行される。
【００７２】
上下限自動設定処理は、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時に移動する対物レンズ３のＺ方向における上限位置および下限位置を設定する処理である。上下限自動設定処理の詳細は後述する。
【００７３】
上下限自動設定処理が実行された後、使用者が条件設定領域４２０の取得開始ボタン４２５を操作すると、設定された上限位置と下限位置との間のＺ方向の複数の位置でレーザ光が単位領域のＸ方向およびＹ方向に走査され、複数の画素データが取得される。これにより、単位領域内においてＺ方向の異なる複数の位置に対応する複数の共焦点画像データが生成され、生成された複数の共焦点画像データに基づいて高さ画像データおよび超深度画像データが生成される。
【００７４】
（４）オートフォーカス処理の詳細
（４−１）対物レンズのＺ方向の位置
図５は、１つの画素についての対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係を説明するための図である。図５（ｄ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係が示される。図５（ｄ）において、縦軸は受光素子３０の受光強度を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。
【００７５】
図５（ａ）に示すように、対物レンズ３の焦点位置ｆｐが観察対象物Ｓの表面の一部ＳＴにあるときに受光素子３０の受光強度がピークとなる。受光強度がピークとなる対物レンズ３のＺ方向の位置をピーク位置ｚ０と呼ぶ。
【００７６】
図５（ｂ）に、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０よりも近い位置ｚ１にある状態が示される。この場合、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置ｆｐから外れた位置にあるため、図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度がピークよりも十分に低い。
【００７７】
図５（ｃ）に、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０よりも遠い位置ｚ２にある状態が示される。この場合、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置ｆｐから外れた位置にあるため、図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度がピークよりも十分に低い。
【００７８】
図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３が観察対象物Ｓに近接する位置からピーク位置ｚ０に近づくにつれて大きくなる。また、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０から遠ざかるにつれて小さくなる。さらに、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３がピーク位置ｚ０の近傍を移動することにより大きく変化する。
【００７９】
（４−２）ピーク位置の検出
図６は、ピーク位置ｚ０の検出方法の概念を説明するための図である。図６には、１つの画素における対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係が示される。図６において、縦軸は受光素子３０の受光強度を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図６の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【００８０】
上記のように、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３の焦点位置が観察対象物Ｓの表面にあるときにピーク値となり、対物レンズ３がピーク位置ｚ０の近傍を移動することにより大きく変化する。
【００８１】
そこで、図６に太い実線の矢印で示すように、例えば対物レンズ３を現在のＺ方向の位置ｚｓ１（ピーク位置ｚ０よりも低い位置）から徐々に上方向に移動させつつ受光素子３０の受光強度を取得する。
【００８２】
取得される受光素子３０の受光強度は、ピーク値まで指数関数的に増加した後、ピーク値から指数関数的に減少する。そこで、対物レンズ３をＺ方向の一方向（上方向）に移動させることにより、受光強度の増減が切り替わったことを検出することができる。これにより、受光強度がピーク値を示すときの対物レンズ３の位置をピーク位置ｚ０として検出することができる。
【００８３】
対物レンズ３のＺ方向に移動可能な範囲は、対物レンズ３の倍率により予め定められている。予め許容された対物レンズ３の下側の位置を下端位置ｚｔ１と呼び、予め許容された対物レンズ３の上側の位置を上端位置ｚｔ２と呼ぶ。
【００８４】
図６に太い点線の矢印で示すように、最初に対物レンズ３がピーク位置ｚ０よりも高い位置ｚｓ２にある場合、対物レンズ３を上方向に移動させてもピーク位置ｚ０を検出することはできない。この場合、対物レンズ３を上端位置ｚｔ２まで移動させた後、対物レンズ３を逆方向（下方向）に移動させる。これにより、上記と同様に、ピーク位置ｚ０を検出することができる。
【００８５】
（４−３）画素データの値
上記では、受光素子３０の受光強度に基づいてピーク位置ｚ０を検出する方法について説明したが、実際にはピーク位置ｚ０は画素データの値に基づいて検出される。
【００８６】
画素データは受光素子３０から出力される受光信号に対応するデジタル信号である。そのため、画素データの値は、受光素子３０のゲインが大きくなるほど大きく、受光素子３０のゲインが小さくなるほど小さい。また、画素データはＡ／Ｄ変換器から出力される。したがって、画素データの上限値は、Ａ／Ｄ変換器の出力レンジの上限値（以下、出力上限値と呼ぶ。）である。
【００８７】
ピーク位置ｚ０を検出する場合には、以下のようにして受光素子３０のゲインが設定される。図７は、ピーク位置ｚ０の検出時における受光素子３０のゲイン設定を説明するための図である。
【００８８】
図７（ａ）に、受光素子３０のゲインが適切である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ａ）において、縦軸は画素データの値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。
【００８９】
図７（ａ）の例では、画素データのピーク値が、出力上限値ｍａｘよりも小さく、受光素子３０のノイズのデジタル値（以下、ノイズレベルｎｌと呼ぶ。）よりも十分に大きい。この場合、画素データが出力上限値ｍａｘで飽和せず、画素データのピークを受光素子３０のノイズから明確に識別することができる。これにより、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を容易かつ正確に検出することができる。
【００９０】
図７（ｂ）に、受光素子３０のゲインが過小である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ｂ）の例では、画素データのピーク値が、ノイズレベルｎｌ以下である。この場合、画素データのピークをノイズから識別することができない。そのため、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を正確に検出することはできない。
【００９１】
図７（ｃ）に、受光素子３０のゲインが過大である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ｃ）の例では、画素データが、対物レンズ３のＺ方向の位置の一部の範囲に渡って出力上限値ｍａｘで飽和している。そのため、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を正確に検出することはできない。
【００９２】
ピーク位置ｚ０の検出開始時点で、使用者はピーク位置ｚ０における受光素子３０の受光強度を認識していない。そのため、ピーク位置ｚ０の検出開始前に、予め受光素子３０のゲインを設定することは難しい。そこで、本実施の形態では、受光素子３０のゲインが調整されつつピーク位置ｚ０が探索される。以下、受光素子３０のゲインを調整しつつピーク位置ｚ０を探索する処理をピーク位置探索処理と呼ぶ。
【００９３】
画素データの値は、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量またはＮＤフィルタ８の減衰率が変化する場合にも変化する。したがって、感度パラメータとして、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量、またはＮＤフィルタ８の減衰率が変更および設定されつつピーク位置ｚ０が探索されてもよい。さらに、感度パラメータとして、受光素子３０のゲイン、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量、およびＮＤフィルタ８の減衰率のうち２つ以上が変更および設定されつつピーク位置ｚ０が探索されてもよい。
【００９４】
（４−４）ピーク位置探索処理
次に、評価値を用いたピーク位置探索処理について説明する。図８は、評価値を用いたピーク位置探索処理を説明するための図である。ここで、評価値は、観察対象物Ｓの表面のうち予め定められた領域内の複数の画素に対応する複数の画素データの値に基づいて算出される値である。本実施の形態では、評価値は、予め定められた領域内の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）の画素データの値の和である。評価値がピーク値を示すときの対物レンズ３のＺ方向の位置を評価ピーク位置Ｅｚ０と呼ぶ。また、Ａ／Ｄ変換器の出力上限値ｍａｘと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値を出力上限値Ｅｍａｘと呼ぶ。
【００９５】
図８（ａ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と評価値との関係が示される。図８（ａ）において、縦軸は評価値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図８（ａ）の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【００９６】
ピーク位置探索処理の開始時においては、受光素子３０のゲインは、算出される評価値が出力上限値Ｅｍａｘよりも小さくかつノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも十分に大きくなるように設定される。受光素子３０のゲインは、算出される評価値が出力上限値Ｅｍａｘの例えば１／２になるように設定される。
【００９７】
その後、図８（ａ）に太い実線の矢印で示すように、対物レンズ３を現在のＺ方向の位置ｚｓ１（評価ピーク位置Ｅｚ０よりも低い位置）から徐々に上方向に移動させつつ設定されたゲインで評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データを取得するとともに評価値を算出する。
【００９８】
この場合、評価値は対物レンズ３が評価ピーク位置Ｅｚ０に到達するまでの間、指数関数的に増加する。そこで、このピーク位置探索処理においては、評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。
【００９９】
これにより、対物レンズ３がＺ方向の位置ｚｓ１から評価ピーク位置Ｅｚ０に移動するまでの間、指数関数的に増加する評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和することが防止される。その結果、評価ピーク位置Ｅｚ０の近傍では、最終的に受光素子３０のゲインが適切な値に設定される。
【０１００】
評価値は受光素子３０のゲインが減少すると小さくなる。そのため、ピーク位置探索処理においては、受光素子３０のゲインの減少回数に基づいて、算出された評価値を補正する。
【０１０１】
評価値は受光素子３０のゲインが減少すると小さくなる。そのため、ピーク位置探索処理においては、受光素子３０のゲインの減少回数に基づいて、算出された評価値を補正する。
【０１０２】
この場合、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に所定の演算を行うことにより、ゲインの減少時点の評価値を出力上限値Ｅｍａｘ以上の値に補正する。ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値に同じ演算を行うことにより、それらの評価値を補正する。例えば、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に出力上限値ｍａｘを加算し、ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値にそれぞれ同じ出力上限値ｍａｘを加算する。あるいは、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に減少後のゲインと減少前のゲインとの比を乗算し、ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値に同じ比をそれぞれ乗算する。
【０１０３】
本実施の形態では、算出された評価値にピーク位置探索処理の開始後の受光素子３０のゲインの減少回数と出力上限値ｍａｘとの乗算値を加算する。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを近似的に対応付けることが可能となる。あるいは、算出された評価値に、ピーク位置探索処理の開始時の受光素子３０のゲインと各評価値の算出に用いた画素データの取得時のゲインとの比を乗算してもよい。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを正確に対応付けることが可能となる。
【０１０４】
図８（ｂ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と補正された評価値との関係が示される。図８（ｂ）において、縦軸は補正後の評価値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図８（ｂ）の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【０１０５】
図８（ｂ）に示すように、補正後の評価値は、受光素子３０の受光強度と同様に、ピーク値まで指数関数的に増加した後、ピーク値から指数関数的に減少する。これにより、対物レンズ３をＺ方向の一方向（上方向）に移動させることにより、補正後の評価値の増減が切り替わったことが検出され、補正後の評価値の増減の切り替わりの後に補正後の評価値が予め定められた値ｐｉ２分減少したことが検出され、補正後の評価値の増減の切り替わりの前に補正後の画素データの値が予め定められた値ｐｉ１分増加したことが検出された場合に、評価値がピーク値を示すときの対物レンズ３の位置を評価ピーク位置Ｅｚ０として検出することができる。
【０１０６】
画素データの値は、受光素子３０のノイズの影響により変化する。そこで、上記の値ｐｉ１，ｐｉ２は、例えばノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも大きい値に設定される。これにより、補正後の評価値が受光素子３０のノイズの影響により変化する場合でも、評価ピーク位置Ｅｚ０が誤って検出されることが防止される。上記の値ｐｉ１，ｐｉ２は、後述する第１および第２の識別値にそれぞれ対応する。値ｐｉ１，ｐｉ２は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
【０１０７】
上記のように、オートフォーカス処理が実行された場合には、ピーク位置探索処理により受光素子３０のゲインが調整されつつ評価ピーク位置Ｅｚ０が探索される。この場合、評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和しない。また、評価値がノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも小さくならない。これにより、対物レンズ３が移動することによる評価値の変化におけるピークの位置が検出され、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。その後、オートフォーカス処理では、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３が移動される。
【０１０８】
このように、受光素子３０のゲインが自動的に設定されるとともに、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。したがって、使用者は、煩雑な焦点合わせの作業を行うことなく、所望の領域で対物レンズ３の焦点が合った観察対象物Ｓの共焦点画像を観察することができる。
【０１０９】
上記では、評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる例を説明したが、評価値が乗算値Ｅｎｌに達した場合には、受光素子３０のゲインを一定量増加させてもよい。この場合、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値に所定の演算を行うことにより、ゲインの増加時点の評価値を乗算値Ｅｎｌ以下の値に補正する。ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値に同じ演算を行うことにより、それらの評価値を補正する。例えば、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値から出力上限値ｍａｘを減算し、ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値にそれぞれ同じ出力上限値ｍａｘを減算する。あるいは、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値に増加後のゲインと増加前のゲインとの比を乗算し、ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値に同じ比をそれぞれ乗算する。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを対応付けることが可能となる。
【０１１０】
（５）上下限自動設定処理の詳細
図９は、１つの画素についての対物レンズ３のＺ方向の位置と有効な画素データの値との関係を説明するための図である。図９において、縦軸は画素データの値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図９の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【０１１１】
画素データの値が出力上限値ｍａｘで飽和すると、受光素子３０の受光強度に対応する画素データの値を得ることができない。また、画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると、画素データのピークを受光素子３０のノイズから明確に識別することはできない。以下では、出力上限値ｍａｘよりも小さく、ノイズレベルｎｌよりも大きい画素データの値を有効な画素データの値と呼ぶ。
【０１１２】
図９においては、有効な画素データの値の範囲が矢印ＨＬで示される。この場合、曲線ｌ１で示すように、受光素子３０に任意の第１のゲインが設定されているときに、１つの画素についての画素データの値は、対物レンズ３がピーク位置ｚ０よりも低い位置ｍａ１からピーク位置ｚ０よりも高い位置ｍｂ１までの範囲にある状態で有効となる。
【０１１３】
したがって、１つの画素についての有効な画素データの値を取得するための対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置は、出力上限値ｍａｘおよびノイズレベルｎｌに応じて定まる。
【０１１４】
図９に曲線ｌ２で示すように、受光素子３０に第１のゲインよりも小さい第２のゲインが設定されると、画素データの値は、受光素子３０に第１のゲインが設定されている場合に比べて全体的に小さくなる。この場合、１つの画素についての画素データの値は、対物レンズ３が位置ｍａ１よりも高い位置ｍａ２から位置ｍｂ１よりも低い位置ｍｂ２までの範囲にある状態で有効となる。このように、受光素子３０に設定されるゲインが変化すると、有効な画素データの値を得ることができる対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置も変化する。
【０１１５】
図１０は、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時における対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置の設定方法を説明するための図である。
【０１１６】
初めに対物レンズ３をＺ方向の任意の位置ｚｓ１に保持した状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。この状態で、全ての画素データの値が予め定められた規定値以上でない場合、受光素子３０のゲインを一定量増加させる。
【０１１７】
次に、上述の評価値を用いたピーク位置探索処理により、図１０に太い実線の矢印ｎａで示すように、例えば対物レンズ３を一定量づつＺ方向に移動させつつ評価値を算出し、算出された評価値に基づいて評価ピーク位置Ｅｚ０を探索する。ここで、評価値は、単位領域の全画素に対応する画素データの値の和である。この探索時には、算出される評価値が、出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。この場合の出力上限値Ｅｍａｘは、Ａ／Ｄ変換器３０の出力上限値ｍａｘと単位領域内の全画素数との乗算値である。これにより、検出される評価ピーク位置Ｅｚ０を基準として対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰを探索することができる。
【０１１８】
続いて、対物レンズ３を評価ピーク位置Ｅｚ０に移動させる。この状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１１９】
いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合には、その画素データの値は有効ではない。そこで、受光素子３０のゲインを一定量減少させる。その後、再び単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２０】
上記のゲイン調整および画素データの取得を繰り返すことにより、全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなった場合に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であるか否かを判定する。
【０１２１】
全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下でない場合、図１０に太い実線の矢印ｎｂで示すように、対物レンズ３を一定量上方向に移動させる。
【０１２２】
続いて、上記のゲイン調整、画素データの取得、画素データの判定動作および対物レンズ３の上方向への移動を繰り返す。それにより、最終的に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると判定されたときの対物レンズ３のＺ方向の位置を上限位置ＵＰとして設定する。
【０１２３】
上限位置ＵＰの設定後、対物レンズ３を最後に受光素子３０のゲインが減少された時点の位置までＺ方向に移動させる。この状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２４】
この場合においても、上記と同様に、いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合には、受光素子３０のゲインを一定量減少させる。その後、再び単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２５】
上記のゲイン調整および画素データの取得を繰り返すことにより、全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなった場合には、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であるか否かを判定する。
【０１２６】
全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下でない場合、図１０に太い実線の矢印ｎｃで示すように、対物レンズ３を一定量下方向に移動させる。続いて、上記のゲイン調整、画素データの取得、画素データの判定動作および対物レンズ３の下方向への移動を繰り返す。最終的に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると判定されたときの対物レンズ３のＺ方向の位置を下限位置ＢＰとして設定する。
【０１２７】
ここで、受光素子３０のゲインが変化すると、有効な画素データの値を得ることができる対物レンズ３のＺ方向の範囲も変化する。そこで、上限位置ＵＰの設定後の下限位置ＢＰの設定時に受光素子３０のゲインが減少された場合、対物レンズ３を最後に受光素子３０のゲインが減少された時点の位置に移動させた後、図１０に太い実線の矢印ｎｄで示すように、再び上限位置ＵＰを探索する。
【０１２８】
再度の上限位置ＵＰの探索時には、対物レンズ３は初回の上限位置ＵＰの探索時とほぼ同じ範囲でＺ方向に移動する。そのため、受光素子３０のゲインはほとんど減少されない。これにより、受光素子３０が下限位置ＢＰの設定時のゲインとほぼ同じゲインに調整された状態で、上限位置ＵＰが再設定される。
【０１２９】
上記のように、上下限自動設定処理が実行された場合には、ピーク位置探索処理により受光素子３０のゲインが調整されつつ対物レンズ３の評価ピーク位置Ｅｚ０が探索される。この場合、評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和しない。また、評価値がノイズレベルｎｌと単位領域内の全画素数との乗算値Ｅｎｌよりも小さくならない。これにより、対物レンズ３が移動することによる評価値の変化におけるピークの位置が検出され、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。
【０１３０】
その後、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３が移動され、上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰの探索が行われる。これにより、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時の対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰが設定される。
【０１３１】
この場合、対物レンズ３を上限位置ＵＰと下限位置ＢＰとの範囲内で移動させることにより、単位領域内の全ての画素の各々について、ピーク位置ｚ０を検出することができる。したがって、単位領域内の全ての画素の各々について対物レンズ３の焦点を観察対象物Ｓの表面に合わせることが可能となる。また、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時の受光素子３０のゲインも最適な値に調整される。これらの結果、使用者は、煩雑な上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰの設定作業を行うことなく、安定した高さ画像および超深度画像を観察することが可能になる。
【０１３２】
さらに、対物レンズ３が、上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰを超えて移動されないことにより、レーザ光の無駄な走査が低減され、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時間が短縮される。
【０１３３】
（６）オートフォーカス処理フロー
図１１は、オートフォーカス処理のフローチャートである。上述のように、オートフォーカス処理は、使用者により図４の条件設定領域４２０のオートフォーカスボタン４２３が操作されることにより開始される。図１のＣＰＵ２１０は、記憶装置２４０に記憶される焦点位置検出プログラムを実行することによりオートフォーカス処理を行う。以下の説明では、Ｚ方向における対物レンズ３の位置をＺ位置と呼ぶ。
【０１３４】
図１１に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出し、算出された評価値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ１）。評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、例えば図４の画像表示領域４１０に表示される中央部の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）に対応する画素データが用いられる。
【０１３５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、記憶された評価値が予め定められた規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この規定値は、出力上限値ｍａｘに評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも小さくなるように設定される。また、この規定値は、後述するピーク位置探索処理のステップＳ２２，２３で用いられる第１または第２の識別値とノイズレベルｎｌとの加算値に、評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。
【０１３６】
評価値が規定値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について後述する図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ３）。
【０１３７】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ４）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３を移動させ（ステップＳ５）、オートフォーカス処理を終了する。
【０１３８】
上記ステップＳ２において、記憶された評価値が規定値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量増加させ（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。
【０１３９】
上記ステップＳ４において、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について後述する図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ６）。
【０１４０】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ６で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ７）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３を移動させ（ステップＳ５）、オートフォーカス処理を終了する。
【０１４１】
一方、ステップＳ７で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を初期のＺ位置に移動させ（ステップＳ８）、オートフォーカス処理を終了する。このとき、ＣＰＵ２１０は、表示部４００にオートフォーカス処理が正常に行われなかった旨の表示を行ってもよい。
【０１４２】
（７）ピーク位置探索処理フロー
図１２〜図１４は、ピーク位置探索処理のフローチャートである。ピーク位置探索処理は、上記のオートフォーカス処理および後述する上下限自動設定処理の一部を構成する。ピーク位置探索処理は、オートフォーカス処理のステップＳ３，Ｓ６の処理時に開始される。また、ピーク位置探索処理は、後述する上下限自動設定処理の後述するステップＳ３２，Ｓ４１の処理時に開始される。
【０１４３】
図１２に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出する（ステップＳ１１）。ＣＰＵ２１０は、算出された評価値を初期評価値および最大評価値として図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ１２）。
【０１４４】
上述のように、オートフォーカス処理中のピーク位置探索処理では、評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、例えば画像表示領域４１０に表示される中央部の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）に対応する画素データが用いられる。一方、後述する上下限自動設定処理中のピーク位置探索処理では、評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、単位領域内の全ての画素に対応する画素データが用いられる。
【０１４５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３をＺ方向の一方向（例えば上方向）に一定量移動させ（ステップＳ１３）、移動後の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を再度取得することにより評価値を算出する（ステップＳ１４）。
【０１４６】
次に、ＣＰＵ２１０は、算出された評価値を補正する（ステップＳ１５）。この補正は、例えば、後述するステップＳ２１における受光素子３０のゲインの減少回数と上述の出力上限値Ｅｍａｘとの乗算値に、ステップＳ１４で算出された評価値を加算することにより行う。
【０１４７】
その後、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値が作業用メモリ２３０に記憶された最大評価値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。これにより、受光素子３０の受光強度の増減が切り替わったか否かが判定される。
【０１４８】
補正された評価値が記憶された最大評価値以上である場合（受光素子３０の受光強度の増減が切り替わっていない場合）、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値で作業用メモリ２３０に記憶された最大評価値を更新する（ステップＳ１７）。
【０１４９】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ１４において評価値を算出する際に取得された複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘであるか否かを判定する（ステップＳ１８）。
【０１５０】
全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘでない場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えたか否かを判定する（ステップＳ１９）。ここでいう探索範囲とは、対物レンズ３の倍率により予め定められた対物レンズ３のＺ方向に移動可能な範囲であり、図６の下端位置ｚｔ１から上端位置ｚｔ２までの範囲に相当する。
【０１５１】
これにより、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えた場合には、ＣＰＵ２１０はピーク位置探索処理が失敗したと判定する（ステップＳ２０）。一方、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えていない場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ１３の処理に戻る。
【０１５２】
上記のステップＳ１８において、複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘである場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量減少させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の処理に進む。
【０１５３】
上記のステップＳ１６において、補正された評価値が記憶された最大評価値よりも小さい場合（受光素子３０の受光強度の増減が切り替わった場合）、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値と最大評価値との差分が予め定められた第１の識別値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。第１の識別値は、図８の値ｐｉ２に対応する。第１の識別値は、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素の数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。
【０１５４】
補正された評価値と最大評価値との差分が第１の識別値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、作業用メモリ２３０に記憶された初期評価値と最大評価値との差分が予め定められた第２の識別値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。第２の識別値は、図８の値ｐｉ１に対応する。第２の識別値も、第１の識別値と同様に、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。第１および第２の識別値は同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
【０１５５】
初期評価値と最大評価値との差分が第２の識別値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、最大評価値が算出されたときの対物レンズ３のＺ位置を評価ピーク位置Ｅｚ０として検出する（ステップＳ２４）。上記のように、第１および第２の識別値は、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。これにより、評価値が受光素子３０のノイズの影響により変化する場合でも、評価ピーク位置Ｅｚ０が誤って検出されることが防止される。
【０１５６】
上記のステップＳ２２において、補正された評価値と最大評価値との差分が第１の識別値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ１９の処理に進む。
【０１５７】
上記のステップＳ２３において、初期評価値と最大評価値との差分が第２の識別値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、初期の対物レンズ３のＺ位置に対してＺ方向の逆方向（例えば下方向）の位置に評価ピーク位置Ｅｚ０が存在することを判定する（ステップＳ２５）。
【０１５８】
これらより、オートフォーカス処理のステップＳ４，Ｓ７および後述する上下限自動設定処理のステップＳ３３，Ｓ４２においては、ピーク位置探索処理のステップＳ２４の処理が行われることにより評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたことが判定される。また、ピーク位置探索処理のステップＳ２０，Ｓ２５の処理が行われることにより評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかったことが判定される。
【０１５９】
（８）上下限自動設定処理フロー
図１５および図１６は、上下限自動設定処理のフローチャートである。上述のように、上下限自動設定処理は、使用者により図４の条件設定領域４２０の上下限自動設定ボタン４２４が操作されることにより開始される。図１のＣＰＵ２１０は、記憶装置２４０に記憶される焦点位置検出プログラムを実行することにより上下限自動設定処理を行う。
【０１６０】
図１５に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得し、取得された画素データの値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ３０）。
【０１６１】
続いて、ＣＰＵ２１０は、記憶された全ての画素データの値が予め定められた規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。この規定値は、出力上限値ｍａｘよりも小さくなるように設定される。また、この規定値は、上記のピーク位置探索処理のステップＳ２２，２３で用いられる第１または第２の識別値とノイズレベルｎｌとの加算値よりも大きくなるように設定される。
【０１６２】
全ての画素データの値が規定値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ３２）。
【０１６３】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３２で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ３３）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ３４）。
【０１６４】
続いて、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を評価ピーク位置Ｅｚ０に移動させる（ステップＳ３５）。ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ３６）。境界位置探索処理は、受光素子３０のゲイン調整を行いつつ上限位置ＵＰまたは下限位置ＢＰを探索する処理である。境界位置探索処理の詳細は後述する。
【０１６５】
境界位置探索処理においては、後述する図１７のステップＳ６１で受光素子３０のゲインが一定量減少される場合がある。そこで、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３６の境界位置探索処理において受光素子３０のゲインが減少したか否かを判定する（ステップＳ３７）。受光素子３０のゲインが減少していない場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ３８）。
【０１６６】
続いて、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３７と同様に、ステップＳ３８の境界位置探索処理において受光素子３０のゲインが減少したか否かを判定する（ステップＳ３９）。
【０１６７】
後述する境界位置探索処理においては、最終ステップＳ５７の処理で作業用メモリ２３０に対物レンズ３のＺ位置の境界位置が記憶される。ステップＳ３９において受光素子３０のゲインが減少していない場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３６で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の上限位置ＵＰを設定し、ステップＳ３８で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の下限位置ＢＰを設定する（ステップＳ５０）。これにより、上下限自動設定処理が終了する。
【０１６８】
上記のステップＳ３３において、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ４１）。
【０１６９】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ４１で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ４２）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３４の処理に進む。一方、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、表示部４００に上下限自動設定処理が失敗した旨の表示を行い（ステップＳ４３）、上下限自動設定処理を終了する。
【０１７０】
上記のステップＳ３７において、受光素子３０のゲインが減少している場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を後述する境界位置探索処理のステップＳ５２またはステップＳ６２で最後に記憶された対物レンズ３のＺ位置へ移動させる（ステップＳ４４）。
【０１７１】
上記のステップＳ３９において、受光素子３０のゲインが減少している場合も同様に、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を後述する境界位置探索処理のステップＳ５２またはステップＳ６２で最後に記憶された対物レンズ３のＺ位置へ移動させる（ステップＳ４５）。その後、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について再度後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ４６）。
【０１７２】
その後、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ５０の処理に進む。ステップＳ５０において、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ４６の処理を行った場合、ステップＳ４６で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の上限位置ＵＰを再設定し、ステップＳ３８で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の下限位置ＢＰを設定する。これにより、受光素子３０のゲインが最適な値に調整された状態で、対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰが設定される。
【０１７３】
（９）境界位置探索処理フロー
図１７は、境界位置探索処理のフローチャートである。上述のように、境界位置探索処理は、上下限自動設定処理のステップＳ３６，Ｓ３８，Ｓ４６の処理時に開始される。
【０１７４】
図１７に示すように、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５２）。
【０１７５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置において、単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得し、取得された画素データの値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５３）。
【０１７６】
次に、ＣＰＵ２１０は、記憶された複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘであるか否かを判定する（ステップＳ５４）。全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘでない場合、ＣＰＵ２１０は、単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出し（ステップＳ５５）、算出された評価値が予め定められたしきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５６）。ここで、しきい値は、例えば、ノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数（本例では単位領域内の全画素数）との乗算値と等しい値に設定されてもよいし、その乗算値よりも大きい値に設定されてもよい。さらに、しきい値は、互いに異なる受光素子３０の複数のゲインにそれぞれ対応するように複数設定されてもよい。この場合、ステップＳ５６において、ＣＰＵ２１０は、算出された評価値が現在設定されている受光素子３０のゲインに対応するしきい値以下であるか否かを判定する。
【０１７７】
算出された評価値がしきい値以下である場合、ＣＰＵ２１０は現在の対物レンズ３のＺ位置をＺ方向の一方向における境界位置（例えば上述の上限位置ＵＰまたは下限位置ＢＰ）として作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５７）。
【０１７８】
上記のステップＳ５４において、いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量減少させるとともにゲインを減少した旨を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ６１）。これにより、上記の上下限自動設定処理においては、ステップＳ３７，３９で作業用メモリ２３０にゲインを減少した旨が記憶されているか否かを判定することにより、受光素子３０のゲインが減少されたか否かを判定することができる。
【０１７９】
続いて、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置によりステップＳ５２で作業用メモリ２３０に記憶された対物レンズ３のＺ位置を更新し（ステップＳ６２）、ステップＳ５３の処理に戻る。
【０１８０】
上記のステップＳ５６において、算出された評価値がしきい値よりも大きい場合、ＣＰＵ２１０は対物レンズ３をＺ方向の一方向に一定量移動させ（ステップＳ６３）、ステップＳ５３の処理に戻る。
【０１８１】
（１０）他の実施の形態
（１０−１）上記では、共焦点顕微鏡システム５００においてオートフォーカス処理、ピーク位置探索処理、上下限自動設定処理および境界位置探索処理が実行される。
【０１８２】
これに限らず、上記のオートフォーカス処理、ピーク位置探索処理、上下限自動設定処理および境界位置探索処理は、観察対象物に投射され、受光素子３０に導かれる光の強さに対応して取得されるデジタル信号に基づいて観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに適用することができる。このような顕微鏡システムとして、例えば光干渉法を用いた顕微鏡システムがある。
【０１８３】
（１０−２）上記実施の形態において、対物レンズ３がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されるが、これに限定されない。ステージ６０がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されてもよい。
【０１８４】
（１０−３）上記実施の形態において、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が制御されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ６０が移動されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されてもよい。
【０１８５】
また、レーザ光としてライン光（例えばＸ方向に延びる細長い光）が用いられてもよい。この場合、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に代えてＸ方向への走査を行わないＹスキャン光学系が用いられる。また、受光素子３０に代えて、Ｘ方向に対応する方向に配列された複数の受光素子からなるラインＣＣＤカメラ等が用いられる。
【０１８６】
なお、ラインＣＣＤカメラの各受光素子のＹ方向に対応する方向の受光面のサイズは一般的に数１０μｍである。この場合、ラインＣＣＤカメラの受光面がレンズ２の焦点位置に配置される。観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたライン光がラインＣＣＤカメラの受光面に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の大部分がラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。
【０１８７】
一方、観察対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置から外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたライン光はラインＣＣＤカメラの受光面の前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の一部のみがラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。したがって、ラインＣＣＤカメラの前にピンホール部材７を配置することが不要となる。
【０１８８】
（１０−４）上記実施の形態において、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０が制御部３００の機能を有していてもよい。この場合、制御部３００は設けられなくてもよい。
【０１８９】
（１０−５）ピーク位置探索処理において、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えるまで対物レンズ３がＺ方向に一定量移動するごとに、評価値を算出し、算出された評価値と算出時の受光素子３０のゲインとを作業用メモリ２３０に記憶してもよい。この場合、ＣＰＵ２１０は、例えば対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えた時点で、記憶された複数の評価値とそれぞれの算出時の受光素子３０のゲインとに基づいて各評価値を補正し、補正された複数の評価値に基づいて最大評価値を検出してもよい。
【０１９０】
（１０−６）評価値は、予め定められた領域内の複数の画素に対応する複数の画素データの値の平均値であってもよい。
【０１９１】
（１１）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１９２】
観察対象物Ｓが観察対象物の例であり、共焦点顕微鏡システム５００が顕微鏡システムの例であり、レーザ光源１０が光源の例であり、受光素子３０が受光素子の例であり、レンズ１，２、対物レンズ３、ピンホール部材７、およびＮＤフィルタ８が光学系の例である。
【０１９３】
また、制御部３００が画素データ出力部および制御部の例であり、出力上限値Ｅｍａｘが上限値の例であり、ノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌが下限値の例であり、しきい値が検出限界の例である。
【０１９４】
さらに、ＰＣ２００が画像データ生成部の例であり、表示部４００が表示部の例であり、上限位置ＵＰが一方側の移動限界位置の例であり、下限位置ＢＰが他方側の移動限界位置の例であり、ＰＣ２００が処理装置の例である。
【０１９５】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、種々の顕微鏡システムに有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１９７】
１，２ レンズ
３ 対物レンズ
４〜６ ハーフミラー
７ ピンホール部材
８ ＮＤフィルタ
１０ レーザ光源
２０ Ｘ−Ｙスキャン光学系
３０ 受光素子
４０ 照明用白色光源
５０ カラーＣＣＤカメラ
６０ ステージ
６１ ステージ操作部
６２ ステージ駆動部
６３ レンズ駆動部
１００ 測定部
２００ ＰＣ
２１０ ＣＰＵ
２２０ ＲＯＭ
２３０ 作業用メモリ
２４０ 記憶装置
３００ 制御部
４００ 表示部
４１０ 画像表示領域
４２０ 条件設定領域
４２２ 共焦点画像ボタン
４２３ オートフォーカスボタン
４２４ 上下限自動設定ボタン
４２５ 取得開始ボタン
５００ 共焦点顕微鏡システム
ＢＰ 下限位置
Ｅｎｌ 乗算値
Ｅｚ０ 評価ピーク位置
ｆｐ 焦点位置
ｌ１，ｌ２ 曲線
ｍａ１，ｍａ２，ｍｂ１，ｍｂ２，ｚ１，ｚ２，ｚｓ１，ｚｓ２ 位置
ｍａｘ，Ｅｍａｘ 出力上限値
ｎｌ ノイズレベル
ｐｉ１，ｐｉ２ 値
Ｓ 観察対象物
ｓ１〜ｓ４ 単位領域
ＳＶ 共焦点画像
ＵＰ 上限位置
ｚ０ ピーク位置
ｚｔ１ 下端位置
ｚｔ２ 上端位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡システム、焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点顕微鏡では、レーザ光源から出射されたレーザ光が対物レンズにより測定対象物に集光される。測定対象物からの反射光が受光レンズにより集光され、ピンホールを通して受光素子に入射する（例えば、特許文献１参照）。レーザ光は測定対象物の表面で二次元的に走査される。また、測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離を変化させることにより受光素子の受光量の分布が変化する。測定対象物の表面に焦点が合ったときに受光量のピークが現れる。受光量分布のピーク強度に基づいて非常に高い焦点深度を有する超深度画像を得ることができる。また、受光量分布のピーク位置に基づいて測定対象物の表面の高さ分布を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８３６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共焦点顕微鏡の受光素子の出力信号はＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）によりデジタル信号に変換され、各画素に対応する画素データとして出力される。測定対象物の一定の領域の画素データに基づいて共焦点画像データが生成され、共焦点画像データに基づいて観察対象物の共焦点画像が表示部に表示される。使用者は、ステージを対物レンズに対して相対的に上下に移動させることにより、対物レンズの焦点を観察対象物の所望の領域に合わせることができる。それにより、所望の領域で焦点が合った共焦点画像を表示部に表示させることができる。
【０００５】
しかしながら、焦点合わせの際に、受光素子のゲインが大きすぎると、受光素子の出力信号が飽和してしまう。その場合には、ステージを上下方向に移動させることにより得られる画素データの変化にピークが現れない。逆に、受光素子のゲインが小さすぎると、ステージを上下方向に移動させることにより得られる画素データの変化におけるピークをノイズから識別することができない。このような場合、対物レンズの焦点を観察対象物の所望の領域に合わせることができない。
【０００６】
そのため、使用者は、受光素子のゲインを調整しながらステージを上下に移動させる作業を繰り返し行う必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置を自動的に検出することが可能な顕微鏡システムおよび焦点位置検出方法および焦点位置検出プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）第１の発明に係る顕微鏡システムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、光を出射する光源と、受光素子と、光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く光学系と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点を光学系の光軸方向の複数の位置に移動させる制御部とを備え、制御部は、光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を検出するものである。
【０００９】
その顕微鏡システムにおいては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００１０】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００１１】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００１２】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００１３】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【００１４】
（２）制御部は、光源から出射される光の量、光学系における光の減衰量および受光素子のゲインの少なくとも１つを制御することにより感度パラメータを設定してもよい。この場合、制御部により感度パラメータが自動的に設定および変更される。
【００１５】
（３）制御部は、光学系の焦点の初期の位置で評価値が上限値と下限値との間の範囲内になるように感度パラメータを設定した後に、光学系の焦点を一方向に移動させることにより光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、一方向の移動により光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値が示されない場合に、光学系の焦点の位置を一方向と逆の方向に移動させてもよい。
【００１６】
この場合、光学系の焦点の初期の位置にかかわらず、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。
【００１７】
（４）制御部は、光学系の焦点の光軸方向の移動により評価値が上限値に達したときに感度パラメータを減少させてもよい。
【００１８】
この場合、制御部は、簡単な処理で評価値が飽和することを防止することができる。
【００１９】
（５）顕微鏡システムは、画素データ出力部から出力される画素データに基づいて画像データを生成する画像データ生成部と、画像データ生成部により生成される画像データに基づいて画像を表示する表示部とをさらに備え、制御部は、検出された位置に光学系の焦点が合うように光学系の焦点を移動させてもよい。
【００２０】
この場合、光学系の焦点が観察対象物の所定数の画素に対応する領域に合った状態で画像が表示部に表示される。したがって、使用者は、煩雑な焦点合わせの作業を行うことなく、所望の領域で光学系の焦点が合った観察対象物の画像を観察することができる。
【００２１】
（６）制御部は、検出された位置から光学系の焦点を一方向に移動させることにより、光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた検出限界以下になった時点での光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置として判定し、検出された位置から光学系の焦点の位置を一方向と逆の方向に移動させることにより、光学系の光軸方向の複数の位置で評価値を算出し、算出された評価値が検出限界以下になった時点での光学系の焦点の位置を他方側の移動限界位置として判定してもよい。
【００２２】
この場合、光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置と他方側の移動限界位置との範囲内で移動させることにより、複数の画素の各々について、画素データがピーク値を示す光学系の焦点の位置を検出することができる。その結果、複数の画素の各々について光学系の焦点を観察対象物の表面に合わせることが可能となる。
【００２３】
（７）第２の発明に係る焦点位置検出方法は、顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出方法であって、光源から出射された光を光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導くステップと、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、制御部により光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、制御部により観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点を光学系の光軸方向の複数の位置に移動させるステップとを備え、移動させるステップは、制御部により光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を制御部により検出するステップを含むものである。
【００２４】
その焦点位置検出方法においては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００２５】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００２６】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００２７】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００２８】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【００２９】
（８）第３の発明に係る焦点位置検出プログラムは、顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出処理を処理装置に実行させる焦点位置検出プログラムであって、光源から出射された光を光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く処理と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、制御部により光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、制御部により観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点の位置を光学系の光軸方向に移動させる処理とを、処理装置に実行させ、移動させる処理は、制御部により光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を制御部により検出する処理を含むものである。
【００３０】
その焦点位置検出プログラムにおいては、光源から出射された光が光学系を通して集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。
【００３１】
また、観察対象物の表面に相対的な光学系の焦点が制御部により光軸方向の複数の位置に移動される。光学系の焦点の各位置で画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値が算出される。
【００３２】
算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、算出された評価値が当該位置に対応する評価値となる。一方、算出された評価値が範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が範囲内に収まるように感度パラメータが変更され、感度パラメータの変更後に光学系の焦点の各位置で算出される評価値が感度パラメータの変更に応じて補正される。補正後の評価値が各位置に対応する評価値となる。
【００３３】
これにより、評価値が上限値で飽和せず、評価値のピークが下限値よりも小さくならないように感度パラメータが自動的に設定および変更される。また、感度パラメータが変更された場合、その変更後に算出される評価値が補正される。このようにして、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布が得られる。
【００３４】
したがって、光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す光学系の焦点の位置を正確に検出することが可能となる。その結果、感度パラメータが適切な値に自動的に設定されるとともに観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置が自動的に検出される。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、観察対象物の所望の領域に対して相対的な光学系の焦点の位置を自動的に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図２】Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。
【図３】１つの画素についての観察対象物のＺ方向の位置と受光素子の受光強度との関係を示す図である。
【図４】表示部の一表示例を示す図である。
【図５】１つの画素についての対物レンズのＺ方向の位置と受光素子の受光強度との関係を説明するための図である。
【図６】ピーク位置の検出方法の概念を説明するための図である。
【図７】ピーク位置の検出時における受光素子のゲイン設定を説明するための図である。
【図８】図８は、評価値を用いたピーク位置探索処理を説明するための図である。
【図９】１つの画素についての対物レンズのＺ方向の位置と有効な画素データの値との関係を説明するための図である。
【図１０】高さ画像データおよび超深度画像データの生成時における対物レンズのＺ方向の上限位置および下限位置の設定方法を説明するための図である。
【図１１】オートフォーカス処理のフローチャートである。
【図１２】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１３】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１４】ピーク位置探索処理のフローチャートである。
【図１５】上下限自動設定処理のフローチャートである。
【図１６】上下限自動設定処理のフローチャートである。
【図１７】境界位置探索処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の一実施の形態に係る顕微鏡システムについて図面を参照しながら説明する。以下では、顕微鏡システムの一例として共焦点顕微鏡システムを説明する。
【００３８】
（１）共焦点顕微鏡システムの基本構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システム５００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、共焦点顕微鏡システム５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部４００を備える。測定部１００は、レーザ光源１０、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０、受光素子３０、照明用白色光源４０、カラーＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５０およびステージ６０を含む。ステージ６０上には、観察対象物Ｓが載置される。
【００３９】
レーザ光源１０は、例えば半導体レーザである。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、レンズ１により平行光に変換された後、ハーフミラー４を透過してＸ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。なお、レーザ光源１０に代えて水銀ランプ等の他の光源が用いられてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とＸ−Ｙスキャン光学系２０との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。
【００４０】
Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、例えばガルバノミラーである。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、ステージ６０上の観察対象物Ｓの表面上においてレーザ光をＸ方向およびＹ方向に走査する機能を有する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義については後述する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により走査されたレーザ光は、ハーフミラー５により反射された後、ハーフミラー６を透過し、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。なお、ハーフミラー４〜６に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。
【００４１】
観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光は、対物レンズ３およびハーフミラー６を透過した後、ハーフミラー５により反射され、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過したレーザ光は、ハーフミラー４により反射され、レンズ２により集光され、ピンホール部材７のピンホールおよびＮＤ（Neutral Density）フィルタ８を透過して受光素子３０に入射する。このように、本実施の形態においては反射型の共焦点顕微鏡システム５００が用いられるが、観察対象物Ｓが細胞等の透明体である場合には、透過型の共焦点顕微鏡システムが用いられてもよい。
【００４２】
ピンホール部材７のピンホールは、レンズ２の焦点位置に配置される。ＮＤフィルタ８は、受光素子３０に入射するレーザ光の強度を減衰させるために用いられる。そのため、レーザ光の強度が十分減衰されている場合には、ＮＤフィルタ８は設けられなくてもよい。
【００４３】
本実施の形態では、受光素子３０は光電子増倍管である。受光素子３０としてフォトダイオードおよび増幅器を用いてもよい。受光素子３０は、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）を出力する。制御部３００は、２つのＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）、ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリおよびＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。受光素子３０から出力される受光信号は、制御部３００の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。
【００４４】
照明用白色光源４０は、例えばハロゲンランプまたは白色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。照明用白色光源４０により発生された白色光は、ハーフミラー６により反射された後、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。
【００４５】
観察対象物Ｓにより反射された白色光は、対物レンズ３、ハーフミラー６およびハーフミラー５を透過してカラーＣＣＤカメラ５０に入射する。カラーＣＣＤカメラ５０に代えてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の撮像素子が用いられてもよい。カラーＣＣＤカメラ５０は、受光量に対応する電気信号を出力する。カラーＣＣＤカメラ５０の出力信号は、制御部３００の他の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、カメラデータとして順次ＰＣ２００に転送される。
【００４６】
制御部３００は、画素データおよびカメラデータをＰＣ２００に与えるとともに、ＰＣ２００からの指令に基づいてカラーＣＣＤカメラ５０を制御する。また、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいて感度パラメータとして受光素子３０のゲイン（受光感度）を制御する。ここで、感度パラメータとは、観察対象物Ｓの表面の状態（反射率、向き、粗さおよび色等）が一定の条件で制御部３００により取得されるべき画素データの値を調整するためのパラメータをいう。
【００４７】
さらに、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてＸ−Ｙスキャン光学系２０を制御することによりレーザ光を観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査させる。
【００４８】
対物レンズ３は、レンズ駆動部６３によりＺ方向に移動可能に設けられる。制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてレンズ駆動部６３を制御することにより対物レンズ３をＺ方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置を変化させることができる。
【００４９】
ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０および記憶装置２４０を含む。ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、焦点位置検出プログラムが記憶されるとともに、制御部３００から与えられる画素データおよびカメラデータ等の種々のデータを保存するために用いられる。焦点位置検出プログラムの詳細は後述する。
【００５０】
ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。以下、画素データに基づいて生成される画像データを共焦点画像データと呼ぶ。また、共焦点画像データに基づいて表示される画像を共焦点画像と呼ぶ。
【００５１】
ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられるカメラデータに基づいて画像データを生成する。以下、カメラデータに基づいて生成される画像データをカメラ画像データと呼ぶ。また、カメラ画像データに基づいて表示される画像をカメラ画像と呼ぶ。
【００５２】
ＣＰＵ２１０は、生成した共焦点画像データおよびカメラ画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、共焦点画像データに基づく共焦点画像およびカメラ画像データに基づくカメラ画像を表示部４００に表示させる。また、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部６２に駆動パルスを与える。
【００５３】
表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。
【００５４】
ステージ６０は、Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構を有する。Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構には、ステッピングモータが用いられる。
【００５５】
ステージ６０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構は、ステージ操作部６１およびステージ駆動部６２により駆動される。使用者は、ステージ操作部６１を手動で操作することにより、ステージ６０を対物レンズ３に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることができる。
【００５６】
ステージ駆動部６２は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ６０のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ６０を対物レンズ３に相対的にＸ方向、Ｙ方向またはＺ方向に移動させることができる。
【００５７】
（２）共焦点画像、超深度画像および高さ画像
図２は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。図２に示すように、対物レンズ３により集光されたレーザ光が観察対象物Ｓに照射される。本実施の形態においては、対物レンズ３の光軸の方向をＺ方向と定義する。また、Ｚ方向と直交する面において、互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向と定義する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印Ｘ，Ｙ，Ｚでそれぞれ示す。
【００５８】
Ｚ方向において対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの表面の相対的な位置を観察対象物ＳのＺ方向の位置と呼ぶ。共焦点画像データの生成は、単位領域ごとに行なわれる。単位領域は対物レンズ３の倍率により定まる。
【００５９】
観察対象物ＳのＺ方向の位置が一定の状態で、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により単位領域内のＹ方向の端部でレーザ光がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザ光がＸ−Ｙスキャン光学系２０によりＹ方向に一定の間隔変移される。この状態でレーザ光がＸ方向に走査される。単位領域内でレーザ光のＸ方向の走査およびＹ方向の変移が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が終了する。次に、対物レンズ３がＺ方向に移動される。それにより、対物レンズ３のＺ方向の位置が前回と異なる一定の状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。
【００６０】
観察対象物ＳのＺ方向の位置ごとにＸ方向およびＹ方向の走査により共焦点画像データが生成される。これにより、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の共焦点画像データが生成される。
【００６１】
ここで、共焦点画像データのＸ方向の画素数は、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＸ方向の走査速度と制御部３００のサンプリング周期とにより定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、単位領域の共焦点画像データのＹ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了ごとのＸ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数がＹ方向の画素数となる。さらに、単位領域の共焦点画像データの数は、対物レンズ３のＺ方向の移動回数により定まる。単位領域の複数の共焦点画像データに基づいて後述する方法で、超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。
【００６２】
図２の例では、まず、ステージ６０の最初の位置で単位領域ｓ１における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ１の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。続いて、ステージ６０が順次移動することにより単位領域ｓ２〜ｓ４における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ２〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。この場合、隣接する単位領域の一部が互いに重なるように、単位領域ｓ１〜ｓ４が設定されてもよい。それにより、パターンマッチングを行うことにより、複数の単位領域ｓ１〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データを高い精度で連結することができる。特に、複数の単位領域の合計の面積が後述する画素データの取得範囲よりも大きい場合には、取得範囲からはみ出す部分の面積に相当する部分が重なり部分として設定される。
【００６３】
図３は、１つの画素についての観察対象物ＳのＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係を示す図である。図１に示したように、ピンホール部材７のピンホールはレンズ２の焦点位置に配置される。そのため、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光がピンホール部材７のピンホールの位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。この場合、受光素子３０の受光強度は最大になる。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は最大となる。
【００６４】
一方、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置が外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光はピンホール部材７のピンホールの前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の多くはピンホール部材７のピンホールの周囲の部分で遮られ、受光素子３０の受光強度は低下する。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は低下する。
【００６５】
このように、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にある状態で受光素子３０の受光強度分布にピークが現れる。各単位領域の複数の共焦点画像データから、画素ごとにＺ方向における受光強度分布が得られる。それにより、画素ごとに受光強度分布のピーク位置とピーク強度（ピークの受光強度）とが得られる。
【００６６】
各単位領域の複数の画素についてのＺ方向におけるピーク位置を表すデータを高さ画像データと呼び、高さ画像データに基づいて表示される画像を高さ画像と呼ぶ。高さ画像は、観察対象物Ｓの表面形状を表す。また、各単位領域の複数の画素についてのピーク強度を表すデータを超深度画像データと呼び、超深度画像データに基づいて表される画像を超深度画像と呼ぶ。超深度画像は、観察対象物Ｓの表面のすべての部分に対物レンズ３の焦点が合った状態で得られる画像である。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の共焦点画像データを生成し、複数の共焦点画像データに基づいて単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。
【００６７】
（３）オートフォーカス処理および上下限自動設定処理
図４は、表示部４００の一表示例を示す図である。図４に示すように、表示部４００の画面上には、画像表示領域４１０および条件設定領域４２０が表示される。画像表示領域４１０には、共焦点画像データに基づく共焦点画像またはカメラ画像データに基づくカメラ画像が表示される。条件設定領域４２０には、共焦点画像ボタン４２２、オートフォーカスボタン４２３、上下限自動設定ボタン４２４および取得開始ボタン４２５が表示される。
【００６８】
使用者は、図１の共焦点顕微鏡システム５００のステージ６０に観察対象物Ｓを載置する。使用者は、ＰＣ２００に接続されたマウス等のポインティングデバイスを用いて図４の条件設定領域４２０の共焦点画像ボタン４２２を操作する。これにより、制御部３００は、画素データを順次ＰＣ２００に与える。ＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御部３００により与えられた画素データに基づいて共焦点画像データを生成し、観察対象物Ｓの共焦点画像ＳＶを表示部４００の画像表示領域４１０に表示させる。
【００６９】
表示部４００に共焦点画像ＳＶが表示された状態で、使用者が条件設定領域４２０のオートフォーカスボタン４２３を操作すると、後述するオートフォーカス処理が実行される。
【００７０】
オートフォーカス処理は、対物レンズ３の焦点位置を観察対象物Ｓの表面の一部に合わせるために、対物レンズ３のＺ方向の位置を自動的に調整する処理である。これにより、使用者は、観察対象物Ｓの表面の一部分に焦点が合った状態で共焦点画像ＳＶを観察することができる。オートフォーカス処理の詳細は後述する。
【００７１】
使用者が条件設定領域４２０の上下限自動設定ボタン４２４を操作すると、後述する上下限自動設定処理が実行される。
【００７２】
上下限自動設定処理は、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時に移動する対物レンズ３のＺ方向における上限位置および下限位置を設定する処理である。上下限自動設定処理の詳細は後述する。
【００７３】
上下限自動設定処理が実行された後、使用者が条件設定領域４２０の取得開始ボタン４２５を操作すると、設定された上限位置と下限位置との間のＺ方向の複数の位置でレーザ光が単位領域のＸ方向およびＹ方向に走査され、複数の画素データが取得される。これにより、単位領域内においてＺ方向の異なる複数の位置に対応する複数の共焦点画像データが生成され、生成された複数の共焦点画像データに基づいて高さ画像データおよび超深度画像データが生成される。
【００７４】
（４）オートフォーカス処理の詳細
（４−１）対物レンズのＺ方向の位置
図５は、１つの画素についての対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係を説明するための図である。図５（ｄ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係が示される。図５（ｄ）において、縦軸は受光素子３０の受光強度を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。
【００７５】
図５（ａ）に示すように、対物レンズ３の焦点位置ｆｐが観察対象物Ｓの表面の一部ＳＴにあるときに受光素子３０の受光強度がピークとなる。受光強度がピークとなる対物レンズ３のＺ方向の位置をピーク位置ｚ０と呼ぶ。
【００７６】
図５（ｂ）に、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０よりも近い位置ｚ１にある状態が示される。この場合、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置ｆｐから外れた位置にあるため、図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度がピークよりも十分に低い。
【００７７】
図５（ｃ）に、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０よりも遠い位置ｚ２にある状態が示される。この場合、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置ｆｐから外れた位置にあるため、図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度がピークよりも十分に低い。
【００７８】
図５（ｄ）に示すように、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３が観察対象物Ｓに近接する位置からピーク位置ｚ０に近づくにつれて大きくなる。また、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３が観察対象物Ｓに対してピーク位置ｚ０から遠ざかるにつれて小さくなる。さらに、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３がピーク位置ｚ０の近傍を移動することにより大きく変化する。
【００７９】
（４−２）ピーク位置の検出
図６は、ピーク位置ｚ０の検出方法の概念を説明するための図である。図６には、１つの画素における対物レンズ３のＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係が示される。図６において、縦軸は受光素子３０の受光強度を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図６の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【００８０】
上記のように、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３の焦点位置が観察対象物Ｓの表面にあるときにピーク値となり、対物レンズ３がピーク位置ｚ０の近傍を移動することにより大きく変化する。
【００８１】
そこで、図６に太い実線の矢印で示すように、例えば対物レンズ３を現在のＺ方向の位置ｚｓ１（ピーク位置ｚ０よりも低い位置）から徐々に上方向に移動させつつ受光素子３０の受光強度を取得する。
【００８２】
取得される受光素子３０の受光強度は、ピーク値まで指数関数的に増加した後、ピーク値から指数関数的に減少する。そこで、対物レンズ３をＺ方向の一方向（上方向）に移動させることにより、受光強度の増減が切り替わったことを検出することができる。これにより、受光強度がピーク値を示すときの対物レンズ３の位置をピーク位置ｚ０として検出することができる。
【００８３】
対物レンズ３のＺ方向に移動可能な範囲は、対物レンズ３の倍率により予め定められている。予め許容された対物レンズ３の下側の位置を下端位置ｚｔ１と呼び、予め許容された対物レンズ３の上側の位置を上端位置ｚｔ２と呼ぶ。
【００８４】
図６に太い点線の矢印で示すように、最初に対物レンズ３がピーク位置ｚ０よりも高い位置ｚｓ２にある場合、対物レンズ３を上方向に移動させてもピーク位置ｚ０を検出することはできない。この場合、対物レンズ３を上端位置ｚｔ２まで移動させた後、対物レンズ３を逆方向（下方向）に移動させる。これにより、上記と同様に、ピーク位置ｚ０を検出することができる。
【００８５】
（４−３）画素データの値
上記では、受光素子３０の受光強度に基づいてピーク位置ｚ０を検出する方法について説明したが、実際にはピーク位置ｚ０は画素データの値に基づいて検出される。
【００８６】
画素データは受光素子３０から出力される受光信号に対応するデジタル信号である。そのため、画素データの値は、受光素子３０のゲインが大きくなるほど大きく、受光素子３０のゲインが小さくなるほど小さい。また、画素データはＡ／Ｄ変換器から出力される。したがって、画素データの上限値は、Ａ／Ｄ変換器の出力レンジの上限値（以下、出力上限値と呼ぶ。）である。
【００８７】
ピーク位置ｚ０を検出する場合には、以下のようにして受光素子３０のゲインが設定される。図７は、ピーク位置ｚ０の検出時における受光素子３０のゲイン設定を説明するための図である。
【００８８】
図７（ａ）に、受光素子３０のゲインが適切である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ａ）において、縦軸は画素データの値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。
【００８９】
図７（ａ）の例では、画素データのピーク値が、出力上限値ｍａｘよりも小さく、受光素子３０のノイズのデジタル値（以下、ノイズレベルｎｌと呼ぶ。）よりも十分に大きい。この場合、画素データが出力上限値ｍａｘで飽和せず、画素データのピークを受光素子３０のノイズから明確に識別することができる。これにより、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を容易かつ正確に検出することができる。
【００９０】
図７（ｂ）に、受光素子３０のゲインが過小である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ｂ）の例では、画素データのピーク値が、ノイズレベルｎｌ以下である。この場合、画素データのピークをノイズから識別することができない。そのため、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を正確に検出することはできない。
【００９１】
図７（ｃ）に、受光素子３０のゲインが過大である場合の対物レンズ３のＺ方向の位置と画素データの値との関係が示される。図７（ｃ）の例では、画素データが、対物レンズ３のＺ方向の位置の一部の範囲に渡って出力上限値ｍａｘで飽和している。そのため、画素データのピーク値およびピーク位置ｚ０を正確に検出することはできない。
【００９２】
ピーク位置ｚ０の検出開始時点で、使用者はピーク位置ｚ０における受光素子３０の受光強度を認識していない。そのため、ピーク位置ｚ０の検出開始前に、予め受光素子３０のゲインを設定することは難しい。そこで、本実施の形態では、受光素子３０のゲインが調整されつつピーク位置ｚ０が探索される。以下、受光素子３０のゲインを調整しつつピーク位置ｚ０を探索する処理をピーク位置探索処理と呼ぶ。
【００９３】
画素データの値は、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量またはＮＤフィルタ８の減衰率が変化する場合にも変化する。したがって、感度パラメータとして、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量、またはＮＤフィルタ８の減衰率が変更および設定されつつピーク位置ｚ０が探索されてもよい。さらに、感度パラメータとして、受光素子３０のゲイン、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の光量、およびＮＤフィルタ８の減衰率のうち２つ以上が変更および設定されつつピーク位置ｚ０が探索されてもよい。
【００９４】
（４−４）ピーク位置探索処理
次に、評価値を用いたピーク位置探索処理について説明する。図８は、評価値を用いたピーク位置探索処理を説明するための図である。ここで、評価値は、観察対象物Ｓの表面のうち予め定められた領域内の複数の画素に対応する複数の画素データの値に基づいて算出される値である。本実施の形態では、評価値は、予め定められた領域内の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）の画素データの値の和である。評価値がピーク値を示すときの対物レンズ３のＺ方向の位置を評価ピーク位置Ｅｚ０と呼ぶ。また、Ａ／Ｄ変換器の出力上限値ｍａｘと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値を出力上限値Ｅｍａｘと呼ぶ。
【００９５】
図８（ａ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と評価値との関係が示される。図８（ａ）において、縦軸は評価値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図８（ａ）の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【００９６】
ピーク位置探索処理の開始時においては、受光素子３０のゲインは、算出される評価値が出力上限値Ｅｍａｘよりも小さくかつノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも十分に大きくなるように設定される。受光素子３０のゲインは、算出される評価値が出力上限値Ｅｍａｘの例えば１／２になるように設定される。
【００９７】
その後、図８（ａ）に太い実線の矢印で示すように、対物レンズ３を現在のＺ方向の位置ｚｓ１（評価ピーク位置Ｅｚ０よりも低い位置）から徐々に上方向に移動させつつ設定されたゲインで評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データを取得するとともに評価値を算出する。
【００９８】
この場合、評価値は対物レンズ３が評価ピーク位置Ｅｚ０に到達するまでの間、指数関数的に増加する。そこで、このピーク位置探索処理においては、評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。
【００９９】
これにより、対物レンズ３がＺ方向の位置ｚｓ１から評価ピーク位置Ｅｚ０に移動するまでの間、指数関数的に増加する評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和することが防止される。その結果、評価ピーク位置Ｅｚ０の近傍では、最終的に受光素子３０のゲインが適切な値に設定される。
【０１００】
評価値は受光素子３０のゲインが減少すると小さくなる。そのため、ピーク位置探索処理においては、受光素子３０のゲインの減少回数に基づいて、算出された評価値を補正する。
【０１０１】
評価値は受光素子３０のゲインが減少すると小さくなる。そのため、ピーク位置探索処理においては、受光素子３０のゲインの減少回数に基づいて、算出された評価値を補正する。
【０１０２】
この場合、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に所定の演算を行うことにより、ゲインの減少時点の評価値を出力上限値Ｅｍａｘ以上の値に補正する。ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値に同じ演算を行うことにより、それらの評価値を補正する。例えば、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に出力上限値ｍａｘを加算し、ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値にそれぞれ同じ出力上限値ｍａｘを加算する。あるいは、受光素子３０のゲインの減少時点の評価値に減少後のゲインと減少前のゲインとの比を乗算し、ゲインの減少時点後からゲインの次の減少時点前までの複数の評価値に同じ比をそれぞれ乗算する。
【０１０３】
本実施の形態では、算出された評価値にピーク位置探索処理の開始後の受光素子３０のゲインの減少回数と出力上限値ｍａｘとの乗算値を加算する。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを近似的に対応付けることが可能となる。あるいは、算出された評価値に、ピーク位置探索処理の開始時の受光素子３０のゲインと各評価値の算出に用いた画素データの取得時のゲインとの比を乗算してもよい。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを正確に対応付けることが可能となる。
【０１０４】
図８（ｂ）に対物レンズ３のＺ方向の位置と補正された評価値との関係が示される。図８（ｂ）において、縦軸は補正後の評価値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図８（ｂ）の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【０１０５】
図８（ｂ）に示すように、補正後の評価値は、受光素子３０の受光強度と同様に、ピーク値まで指数関数的に増加した後、ピーク値から指数関数的に減少する。これにより、対物レンズ３をＺ方向の一方向（上方向）に移動させることにより、補正後の評価値の増減が切り替わったことが検出され、補正後の評価値の増減の切り替わりの後に補正後の評価値が予め定められた値ｐｉ２分減少したことが検出され、補正後の評価値の増減の切り替わりの前に補正後の画素データの値が予め定められた値ｐｉ１分増加したことが検出された場合に、評価値がピーク値を示すときの対物レンズ３の位置を評価ピーク位置Ｅｚ０として検出することができる。
【０１０６】
画素データの値は、受光素子３０のノイズの影響により変化する。そこで、上記の値ｐｉ１，ｐｉ２は、例えばノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも大きい値に設定される。これにより、補正後の評価値が受光素子３０のノイズの影響により変化する場合でも、評価ピーク位置Ｅｚ０が誤って検出されることが防止される。上記の値ｐｉ１，ｐｉ２は、後述する第１および第２の識別値にそれぞれ対応する。値ｐｉ１，ｐｉ２は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
【０１０７】
上記のように、オートフォーカス処理が実行された場合には、ピーク位置探索処理により受光素子３０のゲインが調整されつつ評価ピーク位置Ｅｚ０が探索される。この場合、評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和しない。また、評価値がノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌよりも小さくならない。これにより、対物レンズ３が移動することによる評価値の変化におけるピークの位置が検出され、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。その後、オートフォーカス処理では、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３が移動される。
【０１０８】
このように、受光素子３０のゲインが自動的に設定されるとともに、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。したがって、使用者は、煩雑な焦点合わせの作業を行うことなく、所望の領域で対物レンズ３の焦点が合った観察対象物Ｓの共焦点画像を観察することができる。
【０１０９】
上記では、評価値が出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる例を説明したが、評価値が乗算値Ｅｎｌに達した場合には、受光素子３０のゲインを一定量増加させてもよい。この場合、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値に所定の演算を行うことにより、ゲインの増加時点の評価値を乗算値Ｅｎｌ以下の値に補正する。ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値に同じ演算を行うことにより、それらの評価値を補正する。例えば、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値から出力上限値ｍａｘを減算し、ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値にそれぞれ同じ出力上限値ｍａｘを減算する。あるいは、受光素子３０のゲインの増加時点の評価値に増加後のゲインと増加前のゲインとの比を乗算し、ゲインの増加時点後からゲインの次の増加時点前までの複数の評価値に同じ比をそれぞれ乗算する。これにより、対物レンズ３のＺ方向の全範囲に渡って、補正後の評価値と受光素子３０の受光強度とを対応付けることが可能となる。
【０１１０】
（５）上下限自動設定処理の詳細
図９は、１つの画素についての対物レンズ３のＺ方向の位置と有効な画素データの値との関係を説明するための図である。図９において、縦軸は画素データの値を表し、横軸は対物レンズ３のＺ方向の位置を表す。図９の横軸においては、左から右に向かって対物レンズ３のＺ方向の位置が高くなる。
【０１１１】
画素データの値が出力上限値ｍａｘで飽和すると、受光素子３０の受光強度に対応する画素データの値を得ることができない。また、画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると、画素データのピークを受光素子３０のノイズから明確に識別することはできない。以下では、出力上限値ｍａｘよりも小さく、ノイズレベルｎｌよりも大きい画素データの値を有効な画素データの値と呼ぶ。
【０１１２】
図９においては、有効な画素データの値の範囲が矢印ＨＬで示される。この場合、曲線ｌ１で示すように、受光素子３０に任意の第１のゲインが設定されているときに、１つの画素についての画素データの値は、対物レンズ３がピーク位置ｚ０よりも低い位置ｍａ１からピーク位置ｚ０よりも高い位置ｍｂ１までの範囲にある状態で有効となる。
【０１１３】
したがって、１つの画素についての有効な画素データの値を取得するための対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置は、出力上限値ｍａｘおよびノイズレベルｎｌに応じて定まる。
【０１１４】
図９に曲線ｌ２で示すように、受光素子３０に第１のゲインよりも小さい第２のゲインが設定されると、画素データの値は、受光素子３０に第１のゲインが設定されている場合に比べて全体的に小さくなる。この場合、１つの画素についての画素データの値は、対物レンズ３が位置ｍａ１よりも高い位置ｍａ２から位置ｍｂ１よりも低い位置ｍｂ２までの範囲にある状態で有効となる。このように、受光素子３０に設定されるゲインが変化すると、有効な画素データの値を得ることができる対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置も変化する。
【０１１５】
図１０は、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時における対物レンズ３のＺ方向の上限位置および下限位置の設定方法を説明するための図である。
【０１１６】
初めに対物レンズ３をＺ方向の任意の位置ｚｓ１に保持した状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。この状態で、全ての画素データの値が予め定められた規定値以上でない場合、受光素子３０のゲインを一定量増加させる。
【０１１７】
次に、上述の評価値を用いたピーク位置探索処理により、図１０に太い実線の矢印ｎａで示すように、例えば対物レンズ３を一定量づつＺ方向に移動させつつ評価値を算出し、算出された評価値に基づいて評価ピーク位置Ｅｚ０を探索する。ここで、評価値は、単位領域の全画素に対応する画素データの値の和である。この探索時には、算出される評価値が、出力上限値Ｅｍａｘに達するごとに一定量ゲインを減少させる。この場合の出力上限値Ｅｍａｘは、Ａ／Ｄ変換器３０の出力上限値ｍａｘと単位領域内の全画素数との乗算値である。これにより、検出される評価ピーク位置Ｅｚ０を基準として対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰを探索することができる。
【０１１８】
続いて、対物レンズ３を評価ピーク位置Ｅｚ０に移動させる。この状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１１９】
いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合には、その画素データの値は有効ではない。そこで、受光素子３０のゲインを一定量減少させる。その後、再び単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２０】
上記のゲイン調整および画素データの取得を繰り返すことにより、全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなった場合に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であるか否かを判定する。
【０１２１】
全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下でない場合、図１０に太い実線の矢印ｎｂで示すように、対物レンズ３を一定量上方向に移動させる。
【０１２２】
続いて、上記のゲイン調整、画素データの取得、画素データの判定動作および対物レンズ３の上方向への移動を繰り返す。それにより、最終的に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると判定されたときの対物レンズ３のＺ方向の位置を上限位置ＵＰとして設定する。
【０１２３】
上限位置ＵＰの設定後、対物レンズ３を最後に受光素子３０のゲインが減少された時点の位置までＺ方向に移動させる。この状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２４】
この場合においても、上記と同様に、いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合には、受光素子３０のゲインを一定量減少させる。その後、再び単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。
【０１２５】
上記のゲイン調整および画素データの取得を繰り返すことにより、全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなった場合には、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であるか否かを判定する。
【０１２６】
全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下でない場合、図１０に太い実線の矢印ｎｃで示すように、対物レンズ３を一定量下方向に移動させる。続いて、上記のゲイン調整、画素データの取得、画素データの判定動作および対物レンズ３の下方向への移動を繰り返す。最終的に、全ての画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると判定されたときの対物レンズ３のＺ方向の位置を下限位置ＢＰとして設定する。
【０１２７】
ここで、受光素子３０のゲインが変化すると、有効な画素データの値を得ることができる対物レンズ３のＺ方向の範囲も変化する。そこで、上限位置ＵＰの設定後の下限位置ＢＰの設定時に受光素子３０のゲインが減少された場合、対物レンズ３を最後に受光素子３０のゲインが減少された時点の位置に移動させた後、図１０に太い実線の矢印ｎｄで示すように、再び上限位置ＵＰを探索する。
【０１２８】
再度の上限位置ＵＰの探索時には、対物レンズ３は初回の上限位置ＵＰの探索時とほぼ同じ範囲でＺ方向に移動する。そのため、受光素子３０のゲインはほとんど減少されない。これにより、受光素子３０が下限位置ＢＰの設定時のゲインとほぼ同じゲインに調整された状態で、上限位置ＵＰが再設定される。
【０１２９】
上記のように、上下限自動設定処理が実行された場合には、ピーク位置探索処理により受光素子３０のゲインが調整されつつ対物レンズ３の評価ピーク位置Ｅｚ０が探索される。この場合、評価値が出力上限値Ｅｍａｘで飽和しない。また、評価値がノイズレベルｎｌと単位領域内の全画素数との乗算値Ｅｎｌよりも小さくならない。これにより、対物レンズ３が移動することによる評価値の変化におけるピークの位置が検出され、評価ピーク位置Ｅｚ０が自動的に検出される。
【０１３０】
その後、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３が移動され、上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰの探索が行われる。これにより、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時の対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰが設定される。
【０１３１】
この場合、対物レンズ３を上限位置ＵＰと下限位置ＢＰとの範囲内で移動させることにより、単位領域内の全ての画素の各々について、ピーク位置ｚ０を検出することができる。したがって、単位領域内の全ての画素の各々について対物レンズ３の焦点を観察対象物Ｓの表面に合わせることが可能となる。また、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時の受光素子３０のゲインも最適な値に調整される。これらの結果、使用者は、煩雑な上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰの設定作業を行うことなく、安定した高さ画像および超深度画像を観察することが可能になる。
【０１３２】
さらに、対物レンズ３が、上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰを超えて移動されないことにより、レーザ光の無駄な走査が低減され、高さ画像データおよび超深度画像データの生成時間が短縮される。
【０１３３】
（６）オートフォーカス処理フロー
図１１は、オートフォーカス処理のフローチャートである。上述のように、オートフォーカス処理は、使用者により図４の条件設定領域４２０のオートフォーカスボタン４２３が操作されることにより開始される。図１のＣＰＵ２１０は、記憶装置２４０に記憶される焦点位置検出プログラムを実行することによりオートフォーカス処理を行う。以下の説明では、Ｚ方向における対物レンズ３の位置をＺ位置と呼ぶ。
【０１３４】
図１１に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出し、算出された評価値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ１）。評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、例えば図４の画像表示領域４１０に表示される中央部の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）に対応する画素データが用いられる。
【０１３５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、記憶された評価値が予め定められた規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この規定値は、出力上限値ｍａｘに評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも小さくなるように設定される。また、この規定値は、後述するピーク位置探索処理のステップＳ２２，２３で用いられる第１または第２の識別値とノイズレベルｎｌとの加算値に、評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。
【０１３６】
評価値が規定値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について後述する図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ３）。
【０１３７】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ４）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３を移動させ（ステップＳ５）、オートフォーカス処理を終了する。
【０１３８】
上記ステップＳ２において、記憶された評価値が規定値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量増加させ（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。
【０１３９】
上記ステップＳ４において、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について後述する図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ６）。
【０１４０】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ６で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ７）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０に対物レンズ３を移動させ（ステップＳ５）、オートフォーカス処理を終了する。
【０１４１】
一方、ステップＳ７で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を初期のＺ位置に移動させ（ステップＳ８）、オートフォーカス処理を終了する。このとき、ＣＰＵ２１０は、表示部４００にオートフォーカス処理が正常に行われなかった旨の表示を行ってもよい。
【０１４２】
（７）ピーク位置探索処理フロー
図１２〜図１４は、ピーク位置探索処理のフローチャートである。ピーク位置探索処理は、上記のオートフォーカス処理および後述する上下限自動設定処理の一部を構成する。ピーク位置探索処理は、オートフォーカス処理のステップＳ３，Ｓ６の処理時に開始される。また、ピーク位置探索処理は、後述する上下限自動設定処理の後述するステップＳ３２，Ｓ４１の処理時に開始される。
【０１４３】
図１２に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出する（ステップＳ１１）。ＣＰＵ２１０は、算出された評価値を初期評価値および最大評価値として図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ１２）。
【０１４４】
上述のように、オートフォーカス処理中のピーク位置探索処理では、評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、例えば画像表示領域４１０に表示される中央部の複数の画素（例えば５画素または１０画素等）に対応する画素データが用いられる。一方、後述する上下限自動設定処理中のピーク位置探索処理では、評価値を算出するための複数の画素に対応する画素データとしては、単位領域内の全ての画素に対応する画素データが用いられる。
【０１４５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３をＺ方向の一方向（例えば上方向）に一定量移動させ（ステップＳ１３）、移動後の対物レンズ３のＺ位置において複数の画素に対応する画素データの値を再度取得することにより評価値を算出する（ステップＳ１４）。
【０１４６】
次に、ＣＰＵ２１０は、算出された評価値を補正する（ステップＳ１５）。この補正は、例えば、後述するステップＳ２１における受光素子３０のゲインの減少回数と上述の出力上限値Ｅｍａｘとの乗算値に、ステップＳ１４で算出された評価値を加算することにより行う。
【０１４７】
その後、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値が作業用メモリ２３０に記憶された最大評価値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。これにより、受光素子３０の受光強度の増減が切り替わったか否かが判定される。
【０１４８】
補正された評価値が記憶された最大評価値以上である場合（受光素子３０の受光強度の増減が切り替わっていない場合）、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値で作業用メモリ２３０に記憶された最大評価値を更新する（ステップＳ１７）。
【０１４９】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ１４において評価値を算出する際に取得された複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘであるか否かを判定する（ステップＳ１８）。
【０１５０】
全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘでない場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えたか否かを判定する（ステップＳ１９）。ここでいう探索範囲とは、対物レンズ３の倍率により予め定められた対物レンズ３のＺ方向に移動可能な範囲であり、図６の下端位置ｚｔ１から上端位置ｚｔ２までの範囲に相当する。
【０１５１】
これにより、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えた場合には、ＣＰＵ２１０はピーク位置探索処理が失敗したと判定する（ステップＳ２０）。一方、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えていない場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ１３の処理に戻る。
【０１５２】
上記のステップＳ１８において、複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘである場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量減少させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の処理に進む。
【０１５３】
上記のステップＳ１６において、補正された評価値が記憶された最大評価値よりも小さい場合（受光素子３０の受光強度の増減が切り替わった場合）、ＣＰＵ２１０は、補正された評価値と最大評価値との差分が予め定められた第１の識別値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。第１の識別値は、図８の値ｐｉ２に対応する。第１の識別値は、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素の数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。
【０１５４】
補正された評価値と最大評価値との差分が第１の識別値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、作業用メモリ２３０に記憶された初期評価値と最大評価値との差分が予め定められた第２の識別値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。第２の識別値は、図８の値ｐｉ１に対応する。第２の識別値も、第１の識別値と同様に、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。第１および第２の識別値は同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
【０１５５】
初期評価値と最大評価値との差分が第２の識別値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、最大評価値が算出されたときの対物レンズ３のＺ位置を評価ピーク位置Ｅｚ０として検出する（ステップＳ２４）。上記のように、第１および第２の識別値は、ノイズレベルｎｌの値に評価値を算出するための画素数を乗算して得られる値よりも大きくなるように設定される。これにより、評価値が受光素子３０のノイズの影響により変化する場合でも、評価ピーク位置Ｅｚ０が誤って検出されることが防止される。
【０１５６】
上記のステップＳ２２において、補正された評価値と最大評価値との差分が第１の識別値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ１９の処理に進む。
【０１５７】
上記のステップＳ２３において、初期評価値と最大評価値との差分が第２の識別値よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は、初期の対物レンズ３のＺ位置に対してＺ方向の逆方向（例えば下方向）の位置に評価ピーク位置Ｅｚ０が存在することを判定する（ステップＳ２５）。
【０１５８】
これらより、オートフォーカス処理のステップＳ４，Ｓ７および後述する上下限自動設定処理のステップＳ３３，Ｓ４２においては、ピーク位置探索処理のステップＳ２４の処理が行われることにより評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたことが判定される。また、ピーク位置探索処理のステップＳ２０，Ｓ２５の処理が行われることにより評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかったことが判定される。
【０１５９】
（８）上下限自動設定処理フロー
図１５および図１６は、上下限自動設定処理のフローチャートである。上述のように、上下限自動設定処理は、使用者により図４の条件設定領域４２０の上下限自動設定ボタン４２４が操作されることにより開始される。図１のＣＰＵ２１０は、記憶装置２４０に記憶される焦点位置検出プログラムを実行することにより上下限自動設定処理を行う。
【０１６０】
図１５に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず初期の対物レンズ３のＺ位置において単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得し、取得された画素データの値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ３０）。
【０１６１】
続いて、ＣＰＵ２１０は、記憶された全ての画素データの値が予め定められた規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。この規定値は、出力上限値ｍａｘよりも小さくなるように設定される。また、この規定値は、上記のピーク位置探索処理のステップＳ２２，２３で用いられる第１または第２の識別値とノイズレベルｎｌとの加算値よりも大きくなるように設定される。
【０１６２】
全ての画素データの値が規定値以上である場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ３２）。
【０１６３】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３２で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ３３）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、検出された評価ピーク位置Ｅｚ０を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ３４）。
【０１６４】
続いて、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を評価ピーク位置Ｅｚ０に移動させる（ステップＳ３５）。ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ３６）。境界位置探索処理は、受光素子３０のゲイン調整を行いつつ上限位置ＵＰまたは下限位置ＢＰを探索する処理である。境界位置探索処理の詳細は後述する。
【０１６５】
境界位置探索処理においては、後述する図１７のステップＳ６１で受光素子３０のゲインが一定量減少される場合がある。そこで、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３６の境界位置探索処理において受光素子３０のゲインが減少したか否かを判定する（ステップＳ３７）。受光素子３０のゲインが減少していない場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ３８）。
【０１６６】
続いて、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３７と同様に、ステップＳ３８の境界位置探索処理において受光素子３０のゲインが減少したか否かを判定する（ステップＳ３９）。
【０１６７】
後述する境界位置探索処理においては、最終ステップＳ５７の処理で作業用メモリ２３０に対物レンズ３のＺ位置の境界位置が記憶される。ステップＳ３９において受光素子３０のゲインが減少していない場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３６で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の上限位置ＵＰを設定し、ステップＳ３８で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の下限位置ＢＰを設定する（ステップＳ５０）。これにより、上下限自動設定処理が終了する。
【０１６８】
上記のステップＳ３３において、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の逆方向（例えば下方向）について図１２〜図１４のピーク位置探索処理を行う（ステップＳ４１）。
【０１６９】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ４１で評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されたか否かを判定する（ステップＳ４２）。評価ピーク位置Ｅｚ０が検出された場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ３４の処理に進む。一方、評価ピーク位置Ｅｚ０が検出されなかった場合、ＣＰＵ２１０は、表示部４００に上下限自動設定処理が失敗した旨の表示を行い（ステップＳ４３）、上下限自動設定処理を終了する。
【０１７０】
上記のステップＳ３７において、受光素子３０のゲインが減少している場合、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を後述する境界位置探索処理のステップＳ５２またはステップＳ６２で最後に記憶された対物レンズ３のＺ位置へ移動させる（ステップＳ４４）。
【０１７１】
上記のステップＳ３９において、受光素子３０のゲインが減少している場合も同様に、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３を後述する境界位置探索処理のステップＳ５２またはステップＳ６２で最後に記憶された対物レンズ３のＺ位置へ移動させる（ステップＳ４５）。その後、ＣＰＵ２１０は、Ｚ方向の一方向（例えば上方向）について再度後述する図１７の境界位置探索処理を行う（ステップＳ４６）。
【０１７２】
その後、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ５０の処理に進む。ステップＳ５０において、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ４６の処理を行った場合、ステップＳ４６で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の上限位置ＵＰを再設定し、ステップＳ３８で境界位置探索処理により記憶された境界位置に基づいて対物レンズ３の下限位置ＢＰを設定する。これにより、受光素子３０のゲインが最適な値に調整された状態で、対物レンズ３の上限位置ＵＰおよび下限位置ＢＰが設定される。
【０１７３】
（９）境界位置探索処理フロー
図１７は、境界位置探索処理のフローチャートである。上述のように、境界位置探索処理は、上下限自動設定処理のステップＳ３６，Ｓ３８，Ｓ４６の処理時に開始される。
【０１７４】
図１７に示すように、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５２）。
【０１７５】
続いて、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置において、単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得し、取得された画素データの値を図１の作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５３）。
【０１７６】
次に、ＣＰＵ２１０は、記憶された複数の画素データのうちのいずれかの値が出力上限値ｍａｘであるか否かを判定する（ステップＳ５４）。全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘでない場合、ＣＰＵ２１０は、単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値を取得することにより評価値を算出し（ステップＳ５５）、算出された評価値が予め定められたしきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５６）。ここで、しきい値は、例えば、ノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数（本例では単位領域内の全画素数）との乗算値と等しい値に設定されてもよいし、その乗算値よりも大きい値に設定されてもよい。さらに、しきい値は、互いに異なる受光素子３０の複数のゲインにそれぞれ対応するように複数設定されてもよい。この場合、ステップＳ５６において、ＣＰＵ２１０は、算出された評価値が現在設定されている受光素子３０のゲインに対応するしきい値以下であるか否かを判定する。
【０１７７】
算出された評価値がしきい値以下である場合、ＣＰＵ２１０は現在の対物レンズ３のＺ位置をＺ方向の一方向における境界位置（例えば上述の上限位置ＵＰまたは下限位置ＢＰ）として作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ５７）。
【０１７８】
上記のステップＳ５４において、いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合、ＣＰＵ２１０は、受光素子３０のゲインを一定量減少させるとともにゲインを減少した旨を作業用メモリ２３０に記憶する（ステップＳ６１）。これにより、上記の上下限自動設定処理においては、ステップＳ３７，３９で作業用メモリ２３０にゲインを減少した旨が記憶されているか否かを判定することにより、受光素子３０のゲインが減少されたか否かを判定することができる。
【０１７９】
続いて、ＣＰＵ２１０は、現在の対物レンズ３のＺ位置によりステップＳ５２で作業用メモリ２３０に記憶された対物レンズ３のＺ位置を更新し（ステップＳ６２）、ステップＳ５３の処理に戻る。
【０１８０】
上記のステップＳ５６において、算出された評価値がしきい値よりも大きい場合、ＣＰＵ２１０は対物レンズ３をＺ方向の一方向に一定量移動させ（ステップＳ６３）、ステップＳ５３の処理に戻る。
【０１８１】
（１０）他の実施の形態
（１０−１）上記では、共焦点顕微鏡システム５００においてオートフォーカス処理、ピーク位置探索処理、上下限自動設定処理および境界位置探索処理が実行される。
【０１８２】
これに限らず、上記のオートフォーカス処理、ピーク位置探索処理、上下限自動設定処理および境界位置探索処理は、観察対象物に投射され、受光素子３０に導かれる光の強さに対応して取得されるデジタル信号に基づいて観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに適用することができる。このような顕微鏡システムとして、例えば光干渉法を用いた顕微鏡システムがある。
【０１８３】
（１０−２）上記実施の形態において、対物レンズ３がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されるが、これに限定されない。ステージ６０がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されてもよい。
【０１８４】
（１０−３）上記実施の形態において、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が制御されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ６０が移動されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されてもよい。
【０１８５】
また、レーザ光としてライン光（例えばＸ方向に延びる細長い光）が用いられてもよい。この場合、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に代えてＸ方向への走査を行わないＹスキャン光学系が用いられる。また、受光素子３０に代えて、Ｘ方向に対応する方向に配列された複数の受光素子からなるラインＣＣＤカメラ等が用いられる。
【０１８６】
なお、ラインＣＣＤカメラの各受光素子のＹ方向に対応する方向の受光面のサイズは一般的に数１０μｍである。この場合、ラインＣＣＤカメラの受光面がレンズ２の焦点位置に配置される。観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたライン光がラインＣＣＤカメラの受光面に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の大部分がラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。
【０１８７】
一方、観察対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置から外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたライン光はラインＣＣＤカメラの受光面の前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の一部のみがラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。したがって、ラインＣＣＤカメラの前にピンホール部材７を配置することが不要となる。
【０１８８】
（１０−４）上記実施の形態において、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０が制御部３００の機能を有していてもよい。この場合、制御部３００は設けられなくてもよい。
【０１８９】
（１０−５）ピーク位置探索処理において、ＣＰＵ２１０は、対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えるまで対物レンズ３がＺ方向に一定量移動するごとに、評価値を算出し、算出された評価値と算出時の受光素子３０のゲインとを作業用メモリ２３０に記憶してもよい。この場合、ＣＰＵ２１０は、例えば対物レンズ３のＺ位置が探索範囲を超えた時点で、記憶された複数の評価値とそれぞれの算出時の受光素子３０のゲインとに基づいて各評価値を補正し、補正された複数の評価値に基づいて最大評価値を検出してもよい。
【０１９０】
（１０−６）評価値は、予め定められた領域内の複数の画素に対応する複数の画素データの値の平均値であってもよい。
【０１９１】
（１１）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１９２】
観察対象物Ｓが観察対象物の例であり、共焦点顕微鏡システム５００が顕微鏡システムの例であり、レーザ光源１０が光源の例であり、受光素子３０が受光素子の例であり、レンズ１，２、対物レンズ３、ピンホール部材７、およびＮＤフィルタ８が光学系の例である。
【０１９３】
また、制御部３００が画素データ出力部および制御部の例であり、出力上限値Ｅｍａｘが上限値の例であり、ノイズレベルｎｌと評価値を算出するための複数の画素の数との乗算値Ｅｎｌが下限値の例であり、しきい値が検出限界の例である。
【０１９４】
さらに、ＰＣ２００が画像データ生成部の例であり、表示部４００が表示部の例であり、上限位置ＵＰが一方側の移動限界位置の例であり、下限位置ＢＰが他方側の移動限界位置の例であり、ＰＣ２００が処理装置の例である。
【０１９５】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、種々の顕微鏡システムに有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１９７】
１，２ レンズ
３ 対物レンズ
４〜６ ハーフミラー
７ ピンホール部材
８ ＮＤフィルタ
１０ レーザ光源
２０ Ｘ−Ｙスキャン光学系
３０ 受光素子
４０ 照明用白色光源
５０ カラーＣＣＤカメラ
６０ ステージ
６１ ステージ操作部
６２ ステージ駆動部
６３ レンズ駆動部
１００ 測定部
２００ ＰＣ
２１０ ＣＰＵ
２２０ ＲＯＭ
２３０ 作業用メモリ
２４０ 記憶装置
３００ 制御部
４００ 表示部
４１０ 画像表示領域
４２０ 条件設定領域
４２２ 共焦点画像ボタン
４２３ オートフォーカスボタン
４２４ 上下限自動設定ボタン
４２５ 取得開始ボタン
５００ 共焦点顕微鏡システム
ＢＰ 下限位置
Ｅｎｌ 乗算値
Ｅｚ０ 評価ピーク位置
ｆｐ 焦点位置
ｌ１，ｌ２ 曲線
ｍａ１，ｍａ２，ｍｂ１，ｍｂ２，ｚ１，ｚ２，ｚｓ１，ｚｓ２ 位置
ｍａｘ，Ｅｍａｘ 出力上限値
ｎｌ ノイズレベル
ｐｉ１，ｐｉ２ 値
Ｓ 観察対象物
ｓ１〜ｓ４ 単位領域
ＳＶ 共焦点画像
ＵＰ 上限位置
ｚ０ ピーク位置
ｚｔ１ 下端位置
ｚｔ２ 上端位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、
光を出射する光源と、
受光素子と、
前記光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導く光学系と、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、
前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点を前記光学系の光軸方向の複数の位置に移動させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、前記算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を検出することを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記光源から出射される光の量、前記光学系における光の減衰量および前記受光素子のゲインの少なくとも１つを制御することにより前記感度パラメータを設定することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記光学系の焦点の初期の位置で前記評価値が前記上限値と前記下限値との間の範囲内になるように前記感度パラメータを設定した後に、前記光学系の焦点を一方向に移動させることにより前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、前記一方向の移動により前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値が示されない場合に、前記光学系の焦点の位置を前記一方向と逆の方向に移動させることを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記光学系の焦点の前記光軸方向の移動により前記評価値が前記上限値に達したときに前記感度パラメータを減少させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項５】
前記画素データ出力部から出力される画素データに基づいて画像データを生成する画像データ生成部と、
前記画像データ生成部により生成される画像データに基づいて画像を表示する表示部とをさらに備え、
前記制御部は、前記検出された位置に前記光学系の焦点が合うように前記光学系の焦点を移動させる請求項１〜４のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記検出された位置から前記光学系の焦点を一方向に移動させることにより、前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた検出限界以下になった時点での前記光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置として判定し、前記検出された位置から前記光学系の焦点の位置を前記一方向と逆の方向に移動させることにより、前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、算出された評価値が前記検出限界以下になった時点での前記光学系の焦点の位置を他方側の移動限界位置として判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項７】
顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出方法であって、
光源から出射された光を前記光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導くステップと、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、
制御部により前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、前記制御部により観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点を前記光学系の光軸方向の複数の位置に移動させるステップとを備え、
前記移動させるステップは、
前記制御部により前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を前記制御部により検出するステップを含むことを特徴とする焦点位置検出方法。
【請求項８】
顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出処理を処理装置に実行させる焦点位置検出プログラムであって、
光源から出射された光を前記光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導く処理と、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、
前記制御部により前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、前記制御部により観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点の位置を前記光学系の光軸方向に移動させる処理とを、
前記処理装置に実行させ、
前記移動させる処理は、
前記制御部により前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を前記制御部により検出する処理を含むことを特徴とする焦点位置検出プログラム。
【請求項１】
観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、
光を出射する光源と、
受光素子と、
前記光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導く光学系と、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、
前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点を前記光学系の光軸方向の複数の位置に移動させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、前記算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を検出することを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記光源から出射される光の量、前記光学系における光の減衰量および前記受光素子のゲインの少なくとも１つを制御することにより前記感度パラメータを設定することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記光学系の焦点の初期の位置で前記評価値が前記上限値と前記下限値との間の範囲内になるように前記感度パラメータを設定した後に、前記光学系の焦点を一方向に移動させることにより前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、前記一方向の移動により前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値が示されない場合に、前記光学系の焦点の位置を前記一方向と逆の方向に移動させることを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記光学系の焦点の前記光軸方向の移動により前記評価値が前記上限値に達したときに前記感度パラメータを減少させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項５】
前記画素データ出力部から出力される画素データに基づいて画像データを生成する画像データ生成部と、
前記画像データ生成部により生成される画像データに基づいて画像を表示する表示部とをさらに備え、
前記制御部は、前記検出された位置に前記光学系の焦点が合うように前記光学系の焦点を移動させる請求項１〜４のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記検出された位置から前記光学系の焦点を一方向に移動させることにより、前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた検出限界以下になった時点での前記光学系の焦点の位置を一方側の移動限界位置として判定し、前記検出された位置から前記光学系の焦点の位置を前記一方向と逆の方向に移動させることにより、前記光学系の光軸方向の複数の位置で前記評価値を算出し、算出された評価値が前記検出限界以下になった時点での前記光学系の焦点の位置を他方側の移動限界位置として判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の顕微鏡システム。
【請求項７】
顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出方法であって、
光源から出射された光を前記光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導くステップと、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、
制御部により前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、前記制御部により観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点を前記光学系の光軸方向の複数の位置に移動させるステップとを備え、
前記移動させるステップは、
前記制御部により前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を前記制御部により検出するステップを含むことを特徴とする焦点位置検出方法。
【請求項８】
顕微鏡システムが備える光学系の焦点の位置を検出する焦点位置検出処理を処理装置に実行させる焦点位置検出プログラムであって、
光源から出射された光を前記光学系を通して集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を前記受光素子に導く処理と、
前記受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、
前記制御部により前記光源、前記光学系および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するとともに、前記制御部により観察対象物の表面に相対的な前記光学系の焦点の位置を前記光学系の光軸方向に移動させる処理とを、
前記処理装置に実行させ、
前記移動させる処理は、
前記制御部により前記光学系の焦点の各位置で前記画素データ出力部から出力される画素データのうち所定数の画素に対応する画素データの値を用いた評価値を算出し、算出された評価値が予め定められた上限値と予め定められた下限値との間の範囲内に収まる場合に、前記算出された評価値を当該位置に対応する評価値とし、前記算出された評価値が前記範囲内に収まらない場合に、算出される評価値が前記範囲内に収まるように設定された感度パラメータを変更し、感度パラメータの変更後に前記光学系の焦点の各位置で算出される評価値を感度パラメータの変更に応じて補正し、補正後の評価値を各位置に対応する評価値とし、前記光学系の焦点の複数の位置に対応する複数の評価値の分布においてピーク値を示す前記光学系の焦点の位置を前記制御部により検出する処理を含むことを特徴とする焦点位置検出プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１２】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１５５０１１（Ｐ２０１２−１５５０１１Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２０３３（Ｐ２０１１−１２０３３）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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