CN105143954B - 图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统 - Google Patents

图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统 Download PDF

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Abstract

在图像取得装置(1)中，作为摄像元件(6)，使用具有多列像素列(31)并且能够滚动读出的二维摄像元件。然后，利用滚动读出中的各个像素列(31)中的读出时机的延迟，使物镜(25)的焦点位置变更并以试样(S)上的规定部位(Sa)的光学图像在摄像元件(6)的各个像素列(31)上被曝光的方式使在物镜(25)的视野(V)内的试样(S)的规定部位(Sa)的移动与滚动读出相同步。由此，在来自各个像素列(31)的图像数据中，包含物镜(25)的焦点位置在试样(S)的同一部位被变更的时候的对比度信息，所以基于该信息能够迅速而且高精度地计算出对准焦点信息。

Description

图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统
技术领域
本发明涉及图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统。
背景技术
在用于观察组织细胞等的试样的图像取得装置中，如果使工作台上的试样与物镜的距离恒定的话则会有由于试样的表面的凹凸而成为混合存在有焦点未对准的区域的图像的情况。因此，应用了一边取得对准焦点信息一边进行试样的摄像的动态聚焦方式或在试样的摄像之前取得对准焦点信息的预聚焦方式等的各种聚焦方法的图像取得装置被开发。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2012-108184号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在上述的现有的装置中，能够把握由摄像元件进行摄像的图像中焦点对准的对准焦点区域和焦点未对准的非对准焦点区域。因此，能够从对应于对焦区域的像素列进行摄像的时候的工作台的位置求得焦点位置信息。然而，在该方法中，因为在每列像素列上被摄像的试样的位置(平面位置)不同，所以实际上取得一点点不同的部位的焦点位置信息。另外，上述装置因为是以例如20倍～40倍等的高倍率来进行摄像的显微镜装置，所以被摄体深度小并且显微镜光学系统的视野相对于试样非常小。因此，对于取得试样全体的焦点位置信息来说有必要使显微镜光学系统的视野移动来进行摄像，但是，在不驱动工作台的该装置中可以认为操作变得复杂。
本发明是为了解决上述问题而完成的发明，其目的在于，提供一种能够迅速而且高精度地取得试样的对准焦点信息的图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统。
解决课题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的一个方面所涉及的图像取得装置，其特征在于，具备：工作台，载置试样；光源，朝着试样照射光；导光光学系统，包含以与工作台上的试样相对峙的方式被配置的物镜；摄像元件，对由导光光学系统导光后的试样的光学图像进行摄像；对准焦点计算部，基于来自摄像元件的图像数据计算出试样的对准焦点信息；第1驱动部，使相对于试样的物镜的视野位置移动；第2驱动部，变更相对于试样的物镜的焦点位置；控制部，控制摄像元件、第1驱动部以及第2驱动部；摄像元件是一种具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件，控制部以一边由第2驱动部来使相对于试样的物镜的焦点位置变更一边使试样上的规定部位的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使由第1驱动部得到的在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与摄像元件的滚动读出相同步。
另外，本发明的一个方面所涉及的取得试样的对准焦点信息的系统，其特征在于，具备：工作台，保持试样；导光光学系统，包含以与工作台上的试样相对峙的方式被配置的物镜；摄像元件，由具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件所构成并且对由导光光学系统导光后的试样的光学图像进行摄像；对准焦点计算部，基于来自摄像元件的图像数据计算出试样的对准焦点信息；以一边使相对于试样的物镜的焦点位置变更一边使试样的规定部位的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与摄像元件的滚动读出相同步。
在这些图像取得装置以及系统中，作为摄像元件，使用具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件。在滚动读出方式中，因为在各个像素列上的图像数据的读出的时机不同并且如果相对于移动的被摄体进行使用的话则在图像上会产生失真，所以一般相对于静止的被摄体进行使用。相对于此，在这些图像取得装置以及系统中，利用滚动读出中的在各个像素列上的图像数据的读出时机的延迟，并以使物镜的焦点位置变更且使试样上的规定部位(同一部位)的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与滚动读出相同步。由此，在来自各个像素列的图像数据中包含物镜的焦点位置在试样的同一部位上被变更的时候的对比度信息，基于该信息能够迅速而且高精度地计算出对准焦点信息。
另外，控制部也可以以在物镜的视野内的试样的规定部位的移动成为恒定速度的方式控制第1驱动部。由此，能够容易地控制在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与滚动读出的同步。
另外，控制部也可以在自相对于试样的物镜的视野位置的移动由第1驱动部而被开始起经过规定时间之后开始摄像元件的各个像素列的曝光。由此，能够适当地实施曝光。
另外，也可以设定由摄像元件进行摄像的多个分割区域，试样的规定部位也可以以位于分割区域的端部以外的区域的方式被设定。如果将试样的规定部位设定于分割区域的端部的话则在由第1驱动部来使试样的规定部位移动的时候容易受到加速度的影响。因此，通过将试样的规定部位设定于分割区域的端部以外的区域从而能够更加容易地控制在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与滚动读出的同步。
另外，对准焦点计算部也可以在物镜的视野位置由第1驱动部而在分割区域之间进行移动的时候进行对准焦点信息的计算。由此，能够在物镜的视野位置的移动中取得对准焦点信息，并且能够迅速地进行试样的摄像。
另外，控制部也可以以相对于试样的物镜的视野位置的移动遍及至少3个分割区域的方式控制第1驱动部。通过将遍及3个以上的分割区域的摄像线作为对象从而能够谋求控制的简单化并实现摄像所需要的时间的缩短化。
另外，摄像元件也可以能够切换滚动读出的读出方向。由此，可以扩大试样的规定部位的移动方向的自由度。
另外，摄像元件的各个像素列也可以由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。由这样的构成，能够以简单的结构来进行物镜的视野位置的双向扫描。
另外，控制部也可以在试样的规定部位的移动与摄像元件的滚动读出的同步中以在相对于试样的物镜的焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制第2驱动部。在此情况下，因为能够取得更多的物镜的焦点位置被变更的时候的对比度信息，所以能够进一步高精度地计算出对准焦点信息。
另外，对准焦点计算部也可以基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图(focusmap)。由此，能够高精度地制作焦点图。
对准焦点计算部也可以对于每个分割区域计算出对准焦点信息。在此情况下，能够高精度地制作试样全体的焦点图。
另外，本发明的一个方面所涉及的图像取得装置的聚焦方法，其特征在于，是图像取得装置的聚焦方法，所述图像取得装置具备：工作台，载置试样；光源，朝着试样照射光；导光光学系统，包含以与工作台上的试样相对峙的方式被配置的物镜；摄像元件，对由导光光学系统导光后的试样的光学图像进行摄像；对准焦点计算部，基于来自摄像元件的图像数据计算出试样的对准焦点信息；第1驱动部，使相对于试样的物镜的视野位置移动；第2驱动部，变更相对于试样的物镜的焦点位置；控制部，控制摄像元件、第1驱动部以及第2驱动部；作为摄像元件，使用具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件，由控制部以一边由第2驱动部来使相对于试样的物镜的焦点位置变更一边使试样上的规定部位的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使由第1驱动部得到的在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与摄像元件的滚动读出相同步。
另外，本发明的一个方面所涉及的取得试样的对准焦点信息的方法，其特征在于，是使用具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件来取得试样的对准焦点信息的方法，以一边使相对于试样的物镜的焦点位置变更一边使试样的规定部位的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与摄像元件的滚动读出相同步，基于来自摄像元件的图像数据取得试样的对准焦点信息。
在这些图像取得装置的聚焦方法以及取得试样的对准焦点信息的方法中，作为摄像元件，使用具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件。在滚动读出方式中，因为在各个像素列上的图像数据的读出的时机不同并且如果在相对于移动的被摄体进行使用的话则在图像上会产生失真，所以一般相对于静止的被摄体进行使用。相对于此，在这些图像取得装置的聚焦方法以及取得试样的对准焦点信息的方法中，利用滚动读出中的在各个像素列上的图像数据的读出时机的延迟并以使物镜的焦点位置变更且使试样上的规定部位(同一部位)的光学图像在摄像元件的各个像素列上被曝光的方式使在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与滚动读出相同步。由此，通过在来自各个像素列的图像数据中包含物镜的焦点位置在试样的同一部位上被变更的时候的对比度信息，从而基于该信息而能够迅速而且高精度地计算出对准焦点信息。
发明的效果
根据本发明，能够迅速而且高精度地取得试样的对准焦点信息。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的图像取得装置的一个实施方式的图。
图2是表示摄像元件的一个例子的图，(a)表示摄像元件的受光面，(b)表示摄像元件中的滚动读出。
图3是表示相对于试样的图像取得区域的扫描的一个例子的图。
图4是表示在物镜的视野内的试样的规定部位的移动与摄像元件6的滚动读出的同步的情况的图，(a)表示物镜的视野与分割区域的位置关系，(b)表示相对于各个像素列的试样的规定部位和摄像元件的曝光以及读出的时机。
图5是表示图4的后续状态的图。
图6是表示图5的后续状态的图。
图7是表示摄像元件中的像素列的结构的一个例子的图。
图8是表示由图像处理部进行处理的对比度信息的一个例子的图。
图9是表示图1所表示的图像取得装置的动作的流程图。
图10是表示制作焦点图的情况下的分割区域与试样的规定部位的关系的图。
图11是表示制作焦点图的情况下的图像取得装置的动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的图像取得装置、取得试样的对准焦点信息的方法以及系统的优选的实施方式进行详细的说明。
图1是表示本发明所涉及的图像取得装置的一个实施方式的图。如同图所示，图像取得装置1具备载置试样S的工作台2、朝着试样照射光的光源3、包含以与工作台2上的试样S相对峙的方式进行配置的物镜25的导光光学系统5、对由导光光学系统5导光后的试样S的光学图像进行摄像的摄像元件6。
另外，图像取得装置1具备使相对于试样S的物镜25的视野位置移动的工作台驱动部(第1驱动部)11、使相对于试样S的物镜25的焦点位置变更的物镜驱动部(第2驱动部)12、控制摄像元件6、工作台驱动部11以及物镜驱动部12的控制部13、以及图像处理部14。
由图像取得装置1观察的试样S例如是组织细胞等的生物样品，以被密封于载片(slide glass)的状态被载置于工作台2。光源3被配置于工作台2的底面侧。作为光源3，可以使用例如激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLD)、卤素灯等的灯式光源等。
导光光学系统5由被配置于光源3与工作台2之间的照明光学系统21、被配置于工作台2与摄像元件6之间的显微镜光学系统22构成。照明光学系统21具有例如由聚光透镜23和投影透镜24构成的科勒照明光学系统，对来自光源3的光进行导光并将均匀的光照射于试样S。另一方面，显微镜光学系统22具有物镜25、被配置于物镜25的后段侧(摄像元件6侧)的成像透镜26，将试样S的光学图像导光到摄像元件6。还有，所谓试样S的光学图像，在亮视野照明的情况下为由透过光形成的图像，在暗视野照明的情况下为由散射光形成的图像，在发光测量的情况下为由发光(荧光)形成的图像。另外，也可以是由来自试样S的反射光形成的图像。
摄像元件6是一种具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件。作为这样的摄像元件6，例如可以列举CMOS图像传感器。在摄像元件6的受光面6a，如图2(a)所示，在垂直于读出方向的方向上多个像素被排列而成的像素列31在读出方向上被排列有多列。
摄像元件6中，如图2(b)所示，通过基于驱动时钟的驱动周期输出复位信号、读出开始信号以及读出结束信号从而对每列像素列31控制曝光以及读出。一个像素列31的曝光期间是从伴随着复位信号的电荷的排出到伴随着读出开始信号的电荷的读出为止的期间。另外，一个像素列31的读出期间是从伴随着读出开始信号的电荷的读出开始到伴随着读出结束信号的电荷的读出结束为止的期间。还有，也能够将相对于下一像素列的读出开始信号作为读出结束信号来使用。
在滚动读出中，在每个像素列31输出的读出开始信号以规定的时间差按顺序被输出。因此，与同时地进行所有像素列的读出的全(global)像素读出不同，每列像素列31的读出具有规定的时间差并按顺序被进行。滚动读出中的读出速度由用于读出各个像素列31的读出开始信号的时间间隔来进行控制。如果缩短读出开始信号的时间间隔的话则读出速度变快，如果延长读出开始信号的时间间隔的话则读出速度变慢。在所邻接的像素列31,31之间的读出间隔的调整能够由例如驱动时钟的频率的调整、读出期间中的延迟期间的设定、规定读出开始信号的时钟数的变更等的方法来实施。
工作台驱动部11由例如步进马达(脉冲马达)或者压电致动器(piezo actuator)等的马达或致动器来构成。工作台驱动部11基于由控制部13进行的控制，对于相对于物镜25的光轴的垂直面具有规定的角度(例如90℃)的面来说使工作台2在XY方向上移动。由此，被固定于工作台2的试样S相对于物镜的光轴进行移动，相对于试样S的物镜25的视野位置进行移动。
在图像取得装置1中，以例如20倍～40倍等的高倍率进行试样S的摄像。因此，物镜25的视野V相对于试样S较小，如图3所示，能够以一次摄像取得图像的区域也相对于试样S变小。因此，为了对试样S的整体进行摄像而有必要相对于试样S对物镜25的视野V进行扫描。
因此，在图像取得装置1中，以相对于保持试样S的试样容器(例如载片)包含试样S的方式设定图像取得区域32，基于图像取得区域32以及物镜25的试样S上的视野V来设定多个分割区域22的位置。于是，在通过对对应于分割区域33的试样S的一部分进行摄像从而取得对应于分割区域33的部分图像数据之后，以物镜25的视野V成为接下来进行摄像的分割区域33的位置的方式驱动工作台驱动部11，再次进行摄像来取得部分图像数据。此时，控制部13驱动工作台驱动部11并在使试样S上的物镜25的视野V从分割区域33向下一分割区域33移动的时候使工作台2加速·减速，在试样S上的视野V成为下一分割区域33的位置上使工作台2停止。之后，在图像取得装置1中，该动作被重复进行，图像处理部14结合所取得的部分图像数据来制作试样S的整体的图像。
为了对试样S的整体进行摄像，在图像取得装置1中，控制部13以在沿着由多个分割区域33构成的摄像线Ln(n为自然数)的扫描方向上使相对于试样S的物镜25的视野位置移动的方式进行控制。此时，控制部13以试样S上的物镜25的视野V位于接下来被摄像的分割区域33的方式沿着扫描方向使工作台2移动。在所邻接的摄像线Ln之间的相对于试样S的物镜25的视野位置的移动例如如图3所示采用在所邻接的摄像线Ln之间扫描方向进行翻转的双向扫描。另外，也可以为扫描方向在各个摄像线Ln上成为同方向的单向扫描。还有，也可以是物镜25的视野位置在分割区域33之间随机移动的随机扫描。
物镜驱动部12与工作台驱动部11相同，由例如步进马达(脉冲马达)或者压电致动器等的马达或致动器来构成。物镜驱动部12基于由控制部13进行的控制，在沿着物镜25的光轴的Z方向上使物镜25移动。由此，相对于试样S的物镜25的焦点位置进行移动。
控制部13是分别控制摄像元件6、工作台驱动部11以及物镜驱动部12的动作的部分。具体来说，控制部13由物镜驱动部12使相对于试样S的物镜25的焦点位置(焦点面)变更。此时，相对于试样S的物镜25的焦点位置沿着一个方向进行移动。具体来说，控制部13由物镜驱动部12来使相对于工作台2的物镜25的Z方向的位置变更并且使工作台2与物镜25的间隔变更。
还有，在工作台驱动部11能够沿着沿物镜25的光轴的Z方向使工作台2移动的情况下，控制部13也可以由工作台驱动部11来使相对于物镜25的工作台2的Z方向的位置变更并使工作台2与物镜25的间隔变更。在此情况下，工作台驱动部11因为成为使相对于试样S的物镜25的焦点位置移动的驱动部，所以起到与本实施方式相同等的功能。
另外，控制部13以试样S中的规定部位的光学图像在摄像元件6的各个像素列31上被曝光(受光)的方式使由工作台驱动部11得到的在物镜25的视野V内的试样S的规定部位的移动与摄像元件6的滚动读出相同步。例如，使由工作台驱动部11得到的工作台2的移动与摄像元件6的滚动读出相同步。还有，在物镜驱动部12能够在XY方向上使包含物镜25的导光光学系统5移动的情况下，控制部13也可以以试样S上的规定部位的光学图像在摄像元件6的各个像素列31上被曝光(受光)的方式使由物镜驱动部12得到的在物镜25的视野V内的试样S的规定部位的移动与摄像元件6的滚动读出相同步。在此情况下，物镜驱动部12因为成为使相对于试样S的物镜25的视野位置移动的驱动部，所以起到与本实施方式相同等的功能。
在本实施方式中，采用在即将摄像之前进行接下来被摄像的分割区域33中的试样S的对准焦点信息的取得的动态预聚焦方式。在本实施方式中，因为在物镜25的视野位置向接下来被摄像的分割区域33移动中能够取得对准焦点信息，所以在物镜25的视野V位于接下来进行摄像的分割区域33的时间点上可以使试样S位于对准焦点位置。因此，能够迅速地进行试样S的摄像。
控制部13以在如图4(a)所示物镜25的视野V从一个分割区域33a向下一分割区域33b进行移动的时候在物镜25的视野V内的试样S的移动成为恒定速度的方式控制工作台驱动部11。另外，控制部13以如图4(b)所示摄像元件6的受光面6a上的试样S的光学图像的成像Sb的移动方向与摄像元件6的各个像素列31的读出方向相一致的方式控制工作台驱动部11以及摄像元件6。还有，在使用能够可变地设定滚动读出的读出速度的摄像元件的情况下，控制部13也可以基于在物镜25的视野V内的试样S的移动速度来变更滚动读出的读出速度。
被用于焦点信息的取得的试样S的规定部位Sa的位置能够基于从相对于试样S的物镜25的视野V的移动的开始到像素列31的曝光的开始为止的时间来进行设定。在将分割区域33中的规定部位Sa的位置作为任意的位置的情况下，控制部13以在物镜25的视野V进行移动之后自仅经过规定的时间起开始像素列31的曝光的方式将用于曝光开始的复位信号输出至摄像元件6。另外，在将规定部位Sa的位置设定于分割区域33的特定的位置的情况下，控制部13基于分割区域33上的规定部位Sa的位置和在物镜25的视野V内的试样S的移动速度(或者移动加速度)来计算出相对于试样S的物镜25的视野V的移动开始到像素列31的曝光的开始为止的时间。然后，控制部13在从视野V的移动的开始经过被计算出的时间之后使像素列31的曝光开始。
例如试样S的规定部位Sa的位置会有优选被设定于分割区域33的端部(接触于分割区域33的边界的区域)以外的区域的情况。在此情况下，试样S的规定部位Sa以不包含分割区域33的边界的方式被设定，基于分割区域33的端部(接触于分割区域33的边界的区域)以外的区域的位置和在物镜25的视野V内的试样S的移动速度(或者移动加速度)来控制像素列31的曝光的开始。
另外，各个像素列31上的曝光时间至少基于试样S的规定部位Sa的扫描方向上的宽度以及在物镜25的视野V内的试样S的规定部位Sa的移动速度来进行设定。更优选可以还考虑导光光学系统5的倍率。由此，由各个像素列31，能够对试样S的规定部位Sa的光学图像进行曝光。
在此，在时间T1，如果如图4(b)所示摄像元件6的受光面6a上的来自试样S的规定部位Sa的光的成像Sb到达摄像区域的第1列的像素列31的话则该第1列的像素列31的曝光被开始。
如果移到时间T2的话，则如图5(a)所示在物镜25的视野V内的试样S的位置进行移动。另外，物镜25的焦点位置与时间T1的时候的焦点位置相比较，例如在试样S与物镜25之间的间隔变窄的方向上发生变化。相对于试样S的物镜25的焦点位置沿着一个方向进行移动。此时，如图5(b)所示，来自试样S的规定部位Sa的光的成像Sb到达摄像区域的第2列的像素列31，第2列的像素列31的曝光被开始。另外，以来自试样S的规定部位Sa的光的成像Sb通过第1列的像素列31的时机开始第1列像素列31的读出。
再有，如果移到时间T3的话，则如图6(a)所示，在物镜25的视野V内的试样S的位置在扫描方向上进一步移动。另外，物镜25的焦点位置与时间T1的时候的焦点位置相比较，在试样S与物镜25之间的间隔进一步变窄的方向上发生变化。此时，如图6(b)所示，来自试样S的规定部位Sa的光的成像Sb到达摄像区域的第3列的像素列31，第3列的像素列31的曝光被开始。另外，以来自试样S的规定部位Sa的光的成像Sb通过第2列的像素列31的时机开始第2列的像素列31的读出。再有，与第2列的像素列31的读出同时地结束第1列的像素列31的读出。
以下，直至到达规定的像素列数为止，以同样的程序进行在物镜25的视野内的试样S的规定部位Sa的移动、以及在像素列31上的滚动读出。在各个像素列31上被读出的图像数据按顺序被输出至图象处理部14。还有，摄像元件6优选能够切换滚动读出的读出方向。这样的话，如双向扫描或随机扫描那样，即使是在相对于试样S的物镜25的视野位置的扫描方向发生变化的情况下也能够容易地使来自试样S的光的成像Sb的移动方向与摄像元件6的各个像素列31的读出方向相一致。
构成摄像元件6的受光面6a的多列像素列31如图7所示被分成由多列像素列构成的第1像素列群31a和第2像素列群31b，并且也可以为分别读出第1像素列群31a和第2像素列群31b的结构。在此情况下，也可以以成为相反方向的方式设定第1像素群31a的读出方向和第2像素群31b的读出方向并且对应于扫描方向选择被用于焦点信息取得的像素列群。具体来说，在第1像素列群31a，以从端部的像素群向中央的像素群按顺序被读出的方式进行控制，即使是在第2像素列群31b也以从端部的像素群向中央的像素群按顺序被读出的方式进行控制。当然，也可以在第1像素列群31a中以从中央的像素列向端部的像素列按顺序被读出的方式进行控制，即使是在第1像素列群31a中也以从中央的像素列向端部的像素列按顺序被读出的方式进行控制。由此，能够对应于双向扫描。另外，也可以以从端部的像素群向中央的像素群按顺序读出第1像素列群31a的方式进行控制，同时，以从中央的像素群向端部的像素群按顺序读出第2像素列群31b的方式进行控制。在此情况下，因为对在第1像素列群31a和第2像素列群31b上不同的试样位置的光学图像进行曝光(受光)，所以能够同时取得在2个位置上的对准焦点信息。还有，在双向扫描的时候可以使第1像素列群31a与第2像素列群31b的读出方向相反。
图像处理部14是合成由摄像元件6进行摄像的部分图像数据并生成试样S的观察图像的部分。图像处理部14按顺序接受从摄像元件6输出的各个分割区域33的部分图像数据，通过合成它们而生成试样S的整体的观察图像。
另外，图象处理部14起到作为基于来自摄像元件6的图像数据计算试样S的对准焦点信息的对准焦点计算部的功能。具体来说，图象处理部14基于来自摄像元件6的各个像素列31的图像数据计算试样S的对准焦点信息。作为对准焦点信息，例如可以列举在物镜25的焦点位置上试样S一致的物镜25或者工作台2的Z方向的位置信息。作为这样的信息，例如可以列举物镜25的Z方向上的位置或相对于试样S(工作台2)的物镜25的高度(间隔)、工作台2的Z方向上的位置、相对于物镜25的试样S(工作台2)的高度(间隔)等。
如以上所述，控制部13以一边由物镜驱动部12来使物镜25的焦点位置变更一边使试样S上的规定部位Sa的光学图像在摄像元件6的各个像素列31上被曝光的方式使由工作台驱动部11得到的在物镜25的视野内的试样S的规定部位Sa的移动与摄像元件6的滚动读出相同步。因此，各个像素列31因为对试样S的规定部位Sa的光学图像进行曝光，所以在进行上述焦点位置的取得的时候的来自摄像元件6的图像数据中包含物镜25的焦点位置在试样S的规定部位Sa(同一部位)进行变更的时候的对比度信息。
图8是表示由图像处理部进行处理的对比度信息的一个例子的图。在同图所表示的例子中，显示了从摄像区域的第1列的像素列31到第n列的像素列31为止的图像数据的对比度值，第i列的像素列31上的图像数据的对比度值成为峰值。在此情况下，使在第i列的像素列31上进行试样S的规定部位Sa的曝光的时候的物镜25的焦点位置为对准焦点位置，图象处理部14生成对准焦点信息。还有，对比度值也可以使用包含于各个像素列31的像素中的特定的像素上的对比度值，也可以使用包含于各个像素列31的像素的全体或者一部分的对比度值的平均值。
接着，对上述的图像取得装置1的动作进行说明。图9是表示图像取得装置的动作的流程图。
在采用了动态预聚焦方式的图像取得装置1中，如果在一个分割区域33中的试样S的摄像被进行(步骤S01)的话则物镜25的视野V朝着下一分割区域33移动(步骤S02)。接着，在物镜25的视野V的移动中以使物镜25的焦点位置变更的状态在经过了规定的时间之后，以试样S上的规定部位Sa的光学图像在摄像元件6的各个像素列31上被曝光的方式使在物镜25的视野V内的试样S的规定部位Sa的移动与摄像元件6的滚动读出相同步(步骤S03)。
在结束了在规定的像素列31上的图像数据的读出之后，基于各个像素列的图像数据的对比度值进行对准焦点信息的计算(步骤S04)。于是，在基于被计算出的对准焦点信息来调整相对于试样S的物镜25的焦点位置并且物镜25的视野V位于下一分割区域33之后，进行在下一分割区域33中的试样S的摄像(步骤S05)。如果重复步骤S01～S05的处理并在所有分割区域33中结束试样S的摄像的话则各个分割区域33的图像被合成，生成试样S的整体的观察图像。
如以上所说明的那样，在图像取得装置1中，作为摄像元件6，使用具有多列像素列31并且能够滚动读出的二维摄像元件。在滚动读出方式中，因为在各个像素列31上的图像数据的读出的时机不同并且如果相对于移动的被摄体进行使用的话则在图像上会产生失真，所以一般相对于静止的被摄体进行使用。相对于此，在图像取得装置1中，利用滚动读出中的在各个像素列31上的图像数据的读出时机的延迟并以使物镜25的焦点位置变更且试样S上的规定部位Sa(同一部位)的光学图像在摄像元件6的各个像素列31上被曝光的方式使在物镜25的视野内的试样S的规定部位Sa的移动与滚动读出相同步。由此，在来自各个像素列31的图像数据中包含物镜25的焦点位置在试样S的同一部位上进行变更的时候的对比度信息，基于该信息而能够迅速而且高精度地计算出对准焦点信息。
另外，在图像取得装置1中，以在物镜25的视野V内的试样S的规定部位Sa的移动成为恒定速度的方式控制工作台驱动部11。由此，能够容易地控制在物镜25的视野内的试样S的规定部位Sa的移动与滚动读出的同步。
另外，试样S的规定部位Sa以在摄像元件6的图像取得区域32中位于分割区域33的端部以外的区域的方式被设定。如果将试样S的规定部位Sa设定于分割区域33的端部的话则在由工作台驱动部11来使试样S的规定部位Sa移动的时候容易受到加速度的影响。因此，通过将试样S的规定部位Sa设定于分割区域33的端部以外的区域从而能够更加容易地控制在物镜25的视野内的试样S的规定部位Sa的移动与滚动读出的同步。
本发明并不限于上述的实施方式。例如，在上述实施方式中设想在试样S的规定部位Sa的移动与摄像元件6的滚动读出的同步中以向物镜25的焦点位置变高的方向以及变低的方向的任意一方移动的方式控制物镜驱动部12，但是，也可以以在物镜25的焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式进行物镜驱动部12的控制。在此情况下，物镜25与工作台2之间的Z方向上的距离(间隔)以重复扩大以及缩小的方式被控制。
在试样S为组织细胞的情况下，其厚度例如为10μm左右。因此，如果将每列像素列31的物镜25的焦点位置的移动距离设定为0.1μm左右的话则能够以100像素列程度相对于试样S的整体的厚度取得对比度信息。相对于此，CMOS图像传感器等的二维摄像元件因为具有例如数千程度的像素列，所以在1帧之间可以取得多次的对比度信息。因此，通过在高度方向上使物镜25往复移动从而关于试样S的多个规定区域而言能够计算出对准焦点信息，能够更加高精度地计算出对准焦点信息。
另外，在上述实施方式中，采用了动态预聚焦方式，但是，也能够采用焦点图方式。在动态预聚焦方式中，在一个分割区域33的摄像与下一分割区域33的摄像的间歇期间进行对准焦点信息的取得，但是，在焦点图方式中，在进行试样S的摄像之前，关于图像取得区域32或者摄像线Ln，取得各个分割区域33中的对准焦点信息。
在此情况下，控制部13以物镜25的视野V遍及多个分割区域33以恒定速度进行移动的方式控制工作台驱动部11。此时，在摄像元件6的受光面6a，使来自试样S的规定的位置的光的成像Sb的移动方向与摄像元件6的读出方向相一致。另外，使试样S的规定部位Sa的移动与摄像元件6的滚动读出相同步。于是，通过以结束1帧的读出的时机使下1帧的读出开始从而如图10所示被用于对准焦点信息的计算的试样S的规定部位Sa以一定间隔出现，在各个分割区域33中能够取得至少一个对准焦点信息。通过以在各个分割区域33中的对准焦点信息为基础而应用最小二乘法等，从而能够高精度地制作摄像线Ln或者试样S的整体的焦点图。
图11是表示制作焦点图的情况下的图像取得装置的动作的流程图。如同图所示，在采用焦点图方式的图像取得装置1中，如果由工作台驱动部11得到的工作台2的移动开始的话则物镜25的视野V遍及多个分割区域33进行移动(步骤S11)。另外，一边以沿着Z方向往复移动的方式使物镜25的焦点位置变更，一边以试样S上的规定部位Sa的光的成像Sb在摄像元件6的各个像素列31上被曝光的方式使在物镜25的视野V内的试样S的规定部位Sa的移动与摄像元件6的滚动读出相同步(步骤S12)，并计算出各个分割区域33上的对准焦点信息(步骤S13)。
其后，关于所期望的摄像线Ln判断对准焦点信息的计算的取得是否结束(步骤S14)，如果在对准焦点信息的计算的取得没有结束的情况下，使物镜25的视野V向下一摄像线Ln移动(步骤S15)，重复进行步骤S01～S03的处理。在结束了对准焦点信息的计算的取得的情况下，基于对准焦点信息制作试样S的焦点图(步骤S16)。于是，基于被制作好的焦点图，一边使物镜25的焦点位置对准试样S一边取得各个分割区域33的图像数据。
还有，也可以在取得关于1条摄像线Ln的对准焦点信息之后制作相对于该摄像线Ln的焦点图，基于所制作的焦点图一边将物镜25的焦点位置对准试样S一边取得构成该摄像线Ln的各个分割区域33的图像数据。另外，焦点图的制作除了以在各个分割区域33中的对准焦点信息为基础而应用最小二乘法之外，还可以将在各个分割区域33中的对准焦点信息自身作为焦点图。
符号的说明
1…图像取得装置、2…工作台、3…光源、5…导光光学系统、6…摄像元件、11…工作台驱动部(第1驱动部)、12…物镜驱动部(第2驱动部)、13…控制部、14…图象处理部(对准焦点计算部)、25…物镜、31…像素列、32…图像取得区域、33…分割区域、S…试样、Sa…试样的规定部位、V…物镜的视野。

Claims (66)

1.一种图像取得装置，其特征在于：
具备：
工作台，载置试样；
光源，朝着所述试样照射光；
导光光学系统，包含以与所述工作台上的所述试样相对峙的方式配置的物镜；
摄像元件，对由所述导光光学系统导光后的所述试样的光学图像进行摄像；
对准焦点计算部，基于来自所述摄像元件的图像数据，计算所述试样的对准焦点信息；
第1驱动部，使相对于所述试样的所述物镜的视野位置移动；
第2驱动部，变更相对于所述试样的所述物镜的焦点位置；以及
控制部，控制所述摄像元件、所述第1驱动部以及所述第2驱动部，
所述摄像元件是具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件，
所述控制部以一边由所述第2驱动部来使相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变更一边使所述试样上的同一部位的光学图像在所述摄像元件的各个像素列上被曝光的方式，使由所述第1驱动部得到的在所述物镜的视野内的所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出相同步。
2.如权利要求1所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部以在所述物镜的视野内的所述试样的同一部位的移动成为恒定速度的方式控制所述第1驱动部。
3.如权利要求1所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在自相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动被开始起经过规定时间之后开始所述摄像元件的各个像素列的曝光，相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动由所述第1驱动部而被开始。
4.如权利要求2所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在自相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动被开始起经过规定时间之后开始所述摄像元件的各个像素列的曝光，相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动由所述第1驱动部而被开始。
5.如权利要求1～4中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
设定由所述摄像元件进行摄像的多个分割区域，
所述试样的所述同一部位以位于所述分割区域的端部以外的区域的方式被设定。
6.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部在所述物镜的视野位置由所述第1驱动部而在所述分割区域之间移动的时候进行所述对准焦点信息的计算。
7.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部以相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动遍及至少3个分割区域的方式控制所述第1驱动部。
8.如权利要求6所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部以相对于所述试样的所述物镜的所述视野位置的移动遍及至少3个分割区域的方式控制所述第1驱动部。
9.如权利要求1～4中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件能够切换所述滚动读出的读出方向。
10.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件能够切换所述滚动读出的读出方向。
11.如权利要求6所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件能够切换所述滚动读出的读出方向。
12.如权利要求7所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件能够切换所述滚动读出的读出方向。
13.如权利要求8所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件能够切换所述滚动读出的读出方向。
14.如权利要求1～4中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件的各个像素列由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。
15.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件的各个像素列由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。
16.如权利要求6所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件的各个像素列由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。
17.如权利要求7所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件的各个像素列由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。
18.如权利要求8所述的图像取得装置，其特征在于：
所述摄像元件的各个像素列由读出方向互为不同的第1像素列群以及第2像素列群构成。
19.如权利要求1～4中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
20.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
21.如权利要求6所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
22.如权利要求7所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
23.如权利要求8所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
24.如权利要求9所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
25.如权利要求10所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
26.如权利要求11所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
27.如权利要求12所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
28.如权利要求13所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
29.如权利要求14所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
30.如权利要求15所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
31.如权利要求16所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
32.如权利要求17所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
33.如权利要求18所述的图像取得装置，其特征在于：
所述控制部在所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出的同步中，以在相对于所述试样的所述物镜的所述焦点位置变高的方向以及变低的方向上往复移动的方式控制所述第2驱动部。
34.如权利要求1～4中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
35.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
36.如权利要求6所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
37.如权利要求7所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
38.如权利要求8所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
39.如权利要求9所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
40.如权利要求10所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
41.如权利要求11所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
42.如权利要求12所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
43.如权利要求13所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
44.如权利要求14所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
45.如权利要求15所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
46.如权利要求16所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
47.如权利要求17所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
48.如权利要求18所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
49.如权利要求19所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
50.如权利要求20所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
51.如权利要求21所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
52.如权利要求22所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
53.如权利要求23所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
54.如权利要求24所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
55.如权利要求25所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
56.如权利要求26所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
57.如权利要求27所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
58.如权利要求28所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
59.如权利要求29所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
60.如权利要求30所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
61.如权利要求31所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
62.如权利要求32所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
63.如权利要求33所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部基于所计算出的对准焦点信息来制作焦点图。
64.如权利要求5所述的图像取得装置，其特征在于：
所述对准焦点计算部对于每个所述分割区域计算所述对准焦点信息。
65.一种试样的对准焦点信息取得方法，其特征在于：
是使用具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件来取得试样的对准焦点信息的方法，
以一边使相对于所述试样的物镜的焦点位置变更一边使所述试样的同一部位的光学图像在所述摄像元件的各个像素列上被曝光的方式，使在所述物镜的视野内的所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出相同步，
基于来自所述摄像元件的图像数据，取得所述试样的对准焦点信息。
66.一种试样的对准焦点信息取得系统，其特征在于：
是取得试样的对准焦点信息的系统，
具备：
工作台，保持所述试样；
导光光学系统，包含以与所述工作台上的所述试样相对峙的方式配置的物镜；
摄像元件，由具有多列像素列并且能够滚动读出的二维摄像元件所构成，对由所述导光光学系统导光后的所述试样的光学图像进行摄像；以及
对准焦点计算部，基于来自所述摄像元件的图像数据，计算所述试样的对准焦点信息，
以一边使相对于所述试样的所述物镜的焦点位置变更一边使所述试样的同一部位的光学图像在所述摄像元件的各个像素列上被曝光的方式，使在所述物镜的视野内的所述试样的同一部位的移动与所述摄像元件的滚动读出相同步。
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