CN106576129A - 图像取得装置以及图像形成系统 - Google Patents

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矢泽庆祐
香山信三
加藤刚久
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Abstract

提供提高了实用性的图像取得装置以及图像形成系统。本申请的图像取得装置具备光学系统、照明角度调整机构和台。光学系统具有透镜以及在透镜的焦点面内配置的光源，生成准直后的照明光。照明角度调整机构构成为能够变更照明光相对于被摄体的照射方向。台构成为以装卸自由的方式装填将被摄体以及图像传感器一体化以使透射了被摄体的照明光入射到图像传感器而成的模块，具有在装填了模块的状态下获取图像传感器的输出的电路。

Description

图像取得装置以及图像形成系统
技术领域
本申请涉及图像取得装置以及图像形成系统。
背景技术
以往，为了观察生物体组织等中的微构造而使用光学显微镜。光学显微镜利用透射了观察对象的光或反射后的光。观察者通过透镜观察被放大的像。还已知对由显微镜的透镜放大后的像进行拍摄并显示在显示器上的数字显微镜。通过利用数字显微镜，能够由多个人同时观察、在远程地观察等。
近年，通过CIS(接触式图像传感：Contact Image Sensing)方式来观察微构造的技术受到瞩目。在基于CIS方式的情况下，观察对象与图像传感器的摄像面接近地配置。作为图像传感器，一般来说，使用将多个光电转换部在摄像面内排列为行以及列状而成的二维图像传感器。光电转换部典型地是在半导体层或半导体基板上形成的光电二极管，接受入射光而生成电荷。
由图像传感器取得的图像通过多个像素被规定。各像素通过包含一个光电转换部的单位区域被划分出来。从而，二维图像传感器中的分辨率(析像度)通常依赖于摄像面上的光电转换部的排列间距或排列密度。在本说明书中，有时将由光电转换部的排列间距决定的分辨率称为图像传感器的“固有分辨率”。各个光电转换部的排列间距短到可见光的波长程度，因此难以进一步提高固有分辨率。
提出了实现超过图像传感器的固有分辨率的分辨率的技术。专利文献1公开了使用使被摄体的成像位置偏移而得到的多个图像来形成该被摄体的图像的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开昭62-137037号公报
发明内容
本申请提供能够提高高分辨率化技术的实用性的图像取得装置以及图像形成系统，高分辨率化技术用于实现超过图像传感器的固有分辨率的分辨率。
作为本申请的例示的实施方式，提供以下。
一种图像取得装置，具备：光学系统，具有透镜以及在所述透镜的焦点面内配置的光源，且生成准直后的照明光；照明角度调整机构，构成为能够变更所述照明光相对于被摄体的照射方向；以及台(stage)，构成为以装卸自由的方式装填将所述被摄体以及所述图像传感器一体化以使透射了所述被摄体的所述照明光入射到图像传感器而成的模块，且具有在装填了所述模块的状态下获取所述图像传感器的输出的电路。
上述的一般性且特定的方式能够以方法、系统或计算机程序的形式安装。或能够使用方法、系统以及计算机程序等的组合来实现。
根据本申请，实现超过图像传感器的固有分辨率的分辨率的高分辨率化技术的实用性得以提高。
附图说明
图1A是示意性地表示被摄体2的一部分的俯视图。
图1B是提取与图1A所示的区域的摄像相关的光电二极管并示意性地表示的俯视图。
图2A是示意性地表示透射被摄体2而入射到光电二极管4p的光线的方向的图。
图2B是示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列例的俯视图。
图2C是示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pa的图。
图3A是示意性地表示使光线从与第一方向不同的第二方向入射的状态的图。
图3B是示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列的俯视图。
图3C是示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pb的图。
图4A是示意性地表示使光线从与第一方向以及第二方向不同的第三方向入射的状态的图。
图4B是示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列的俯视图。
图4C是示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pc的图。
图5A是示意性地表示使光线从与第一方向、第二方向以及第三方向不同的第四方向入射的状态的图。
图5B是示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列的俯视图。
图5C是示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pd的图。
图6是表示由4张子图像Sa、Sb、Sc以及Sd合成的高分辨率图像HR的图。
图7是示意性地表示以经过了被摄体2的邻接的两个区域后的光线分别入射到不同的光电二极管的方式调整的照射方向的图。
图8是示意性地表示模块的剖面构造的一例的图。
图9是表示本申请的实施方式的图像取得装置的概略的结构的图。
图10是表示本申请的实施方式的图像取得装置的结构的一例的图。
图11是表示照明角度调整机构的结构的一例的图。
图12是表示照明角度调整机构的结构的另一例的图。
图13是作为比较例而表示多个光源被分散配置的结构的图。
图14是表示本申请的实施方式的图像取得装置的结构的另一例的图。
图15是表示照明角度调整机构的结构的再另一例的图。
图16是表示照明角度调整机构的结构的再另一例的图。
图17是表示本申请的实施方式的图像取得装置的结构的再另一例的图。
图18是表示照明角度调整机构的结构的再另一例的图。
图19是表示本申请的实施方式的图像形成系统中的例示的电路的结构、以及信号的流动的概略图。
图20是表示图像形成系统的结构的另一例的概略图。
图21是表示CCD图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子的图。
图22A是表示背面照射型CMOS图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子的图。
图22B是表示背面照射型CMOS图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子的图。
图23是表示光电转换膜层叠型图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子的图。
具体实施方式
首先，参照图1A～图6，说明本申请的实施方式中的摄像的原理。在本申请的实施方式中，使用通过改变照明光的照射角度地执行多次拍摄从而得到的多个图像，形成与这些多个图像中的各个图像相比分辨率更高的图像(以下称为“高分辨率图像”)。在此，例示CCD(电荷耦合器件：Charge Coupled Device)图像传感器进行说明。
参照图1A以及图1B。图1A是示意性地表示被摄体2的一部分的俯视图，图1B是提取图像传感器4的光电二极管4p之中与图1A所示的区域的摄像相关的光电二极管并示意性地表示的俯视图。在此说明的例子中，在图1B中示出了6个光电二极管4p。另外，为了参考，在图1B中，图示了表示相互正交的x方向、y方向以及z方向的箭头。z方向示出了摄像面的法线方向。在图1B中，还图示了表示在xy面内从x轴向y轴旋转了45°的方向即u方向的箭头。在其他附图中，有时图示表示x方向、y方向、z方向或u方向的箭头。
图像传感器4中的除光电二极管4p以外的结构要素被遮光层覆盖。在图1B中，阴影的区域表示被遮光层覆盖的区域。CCD图像传感器的摄像面上的一个光电二极管的受光面的面积(S2)比包含该光电二极管的单位区域的面积(S1)小。受光面积S2相对于像素的面积S1的比率(S2/S1)被称为“开口率”。在此，设为开口率为25％而进行说明。
图2A示意性地表示透射被摄体2而入射到光电二极管4p的光线的方向。图2A示出了使光线从相对于摄像面垂直的方向(第一方向)入射的状态。图2B是示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列例的俯视图，图2C是示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pa的图。多个像素Pa分别具有表示入射到各个光电二极管4p的光的量的值(像素值)。在该例中，由图2C的像素Pa构成图像Sa(第一子图像Sa)。第一子图像Sa具有被摄体2的整体之中例如位于图2B所示的6个光电二极管4p的正上方的区域A1、A2、A3、A4、A5以及A6(参照图1A)的信息。
从图2A可知，在此，被摄体2的图像使用透射被摄体2的实质上平行的光线来取得。在被摄体2和图像传感器4之间不配置用于成像的透镜。从图像传感器4的摄像面至被摄体2为止的距离典型地为1mm以下，例如能够被设定为1μm左右。
图3A示出了使光线从与图2A所示的第一方向不同的第二方向入射的状态。图3B示意性地示出所关注的6个光电二极管4p的排列，图3C示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pb。由图3C的像素Pb构成图像Sb(第二子图像Sb)。第二子图像Sb具有被摄体2的整体之中与区域A1、A2、A3、A4、A5以及A6不同的区域B1、B2、B3、B4、B5以及B6(参照图1A)的信息。如图1A所示，区域B1例如是与区域A1的右侧邻接的区域。
通过将图2A和图3A比较而可理解，通过适当地设定光线相对于被摄体2的照射方向，能够使透射了被摄体2的不同的区域的光线入射到光电二极管4p。其结果，第一子图像Sa和第二子图像Sb能够包含与在被摄体2中不同的位置对应的像素信息。
图4A示出了使光线从与图2A所示的第一方向以及图3A所示的第二方向不同的第三方向入射的状态。图4A所示的光线相对于z方向向y方向倾斜。图4B示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列，图4C示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pc。由图4C的像素Pc构成图像Sc(第三子图像Sc)。如图示那样，第三子图像Sc具有被摄体2的整体之中图1A所示的区域C1、C2、C3、C4、C5以及C6的信息。如图1A所示，在此，区域C1例如是与区域A1的上侧邻接的区域。
图5A示出了使光线从与图2A所示的第一方向、图3A所示的第二方向、以及图4A所示的第三方向不同的第四方向入射的状态。图5A所示的光线相对于z方向，向在xy面内与x轴成45°的角的方向倾斜。图5B示意性地表示所关注的6个光电二极管4p的排列，图5C示意性地表示由6个光电二极管4p取得的6个像素Pd。由图5C的像素Pd构成图像Sd(第四子图像Sd)。第四子图像Sd具有被摄体2的整体之中图1A所示的区域D1、D2、D3、D4、D5以及D6的信息。如图1A所示，在此，区域D1例如是与区域C1的右侧邻接的区域。
图6示出了由4张子图像Sa、Sb、Sc以及Sd合成的高分辨率图像HR。如图6所示，高分辨率图像HR的像素数或像素密度是4张子图像Sa、Sb、Sc以及Sd各自的像素数或像素密度的4倍。
例如，关注于被摄体2中的图1A所示的区域A1、B1、C1以及D1的块。从至此为止的说明可知，图6所示的子图像Sa的像素Pa1具有仅区域A1的信息而不是上述的块整体的信息。从而，子图像Sa能够称为缺少了区域B1、C1以及D1的信息的图像。各个子图像的分辨率与图像传感器4的固有分辨率相等。
但是，通过使用具有与在被摄体2中不同的位置对应的像素信息的子图像Sb、Sc以及Sd，如图6所示，对在子图像Sa中缺少的信息进行补充，能够形成具有块整体的信息的高分辨率图像HR。在该例中，得到图像传感器4的固有分辨率的4倍的分辨率。高分辨率化(超解像)的程度依赖于图像传感器的开口率。在该例中，图像传感器4的开口率为25％，所以能够根据来自不同的4个方向的光照射而进行最大4倍的高分辨率化。在将N设为2以上的整数时，只要图像传感器4的开口率近似地等于1/N，则能够进行最大N倍的高分辨率化。
这样，通过以被摄体为基准而从多个不同的照射方向依次照射平行光而进行被摄体的摄像，从而能够增加从被摄体“在空间上”采样的像素信息。通过将所得到的多个子图像合成，能够形成与多个子图像中的各个子图像相比分辨率更高的高分辨率图像。另外，在上述的例子中，图6所示的子图像Sa、Sb、Sc以及Sd具有被摄体2中的相互不同的区域的像素信息，不具有重合。但是，也可以在不同的子图像间具有重合。
此外，在上述的例子中，经过了在被摄体2中邻接的两个区域后的光线都入射到同一光电二极管。但是，照射方向的设定不限定于该例。例如，也可以如图7所示，调整照射方向以使经过了被摄体2的邻接的两个区域后的光线分别入射到不同的光电二极管。只要知道被摄体中光线经过的区域、和透射光线所入射的光电二极管之间的相对的配置，就能够形成高分辨率图像。照射方向不限定于参照图2A～图5A说明的第一～第四方向。
接着，说明在本申请的实施方式中使用的模块的结构。在本申请的实施方式中，使用具有将被摄体以及图像传感器一体化而成的构造的模块。
图8示意性地表示模块的剖面构造的一例。在图8所示的模块M中，在图像传感器4的摄像面4A侧配置有被摄体2。在图8所例示的结构中，被封入剂6覆盖的被摄体2被夹在图像传感器4和透明板(典型地为玻璃板)8之间。作为透明板8，例如，能够使用一般的玻片。此外，在图8所例示的结构中，图像传感器4被固定于封装5。封装5在与透明板8相反侧的面具有背面电极5B。背面电极5B经由在封装5上形成的未图示的布线图案与图像传感器4电连接。即，能够经由背面电极5B取出图像传感器4的输出。
被摄体2可以是生物组织的薄片(典型地，具有几十μm以下的厚度)。具有生物组织的薄片作为被摄体2的模块能够被利用于病理诊断。如图8所示，模块M与在基于光学显微镜的观察中支撑被摄体(典型地为生物组织的薄片)的玻片标本不同，具备取得被摄体的图像的图像传感器。也可以将这样的模块称为“电子玻片标本”。通过使用将被摄体2以及图像传感器4一体化而成的模块M，可得到能够固定被摄体2和图像传感器4之间的配置的优点。
在使用模块M取得被摄体2的图像时，经由透明板8向被摄体2照射照明光。透射了被摄体2的照明光入射到图像传感器4。通过在照射时改变角度而取得多个不同的图像，能够形成与这些图像中的各个图像相比分辨率更高的图像。
本申请提供能够提高高分辨率化技术的实用性的图像取得装置(数字转换器：digitizer)以及图像形成系统，该高分辨率化技术用于实现超过图像传感器的固有分辨率的分辨率。在详细说明本申请的实施方式前，首先，说明本申请的实施方式的概要。
作为本申请的一方式的图像取得装置具备光学系统、照明角度调整机构和台。光学系统具有透镜以及在透镜的焦点面内配置的光源。光学系统生成准直后的照明光。照明角度调整机构构成为能够将以被摄体为基准的照明光的照射方向变更为多个不同的方向。台是构成为以装卸自由的方式装填将被摄体以及图像传感器一体化以使透射了被摄体的照明光入射到图像传感器而成的模块的台。台具有在装填了模块的状态下获取图像传感器的输出的电路。
在某方式中，照明角度调整机构包含能够使台以及光源的朝向中的至少一方绕正交的2个轴独立地旋转的机构。
在某方式中，照明角度调整机构包含使台的姿态以及光源的朝向中的至少一方变化的偏角(gonio)机构。
在某方式中，照明角度调整机构包含使台以及光源中的至少一方相对于经过台的中心的旋转轴旋转的机构。
在某方式中，照明角度调整机构包含使台、光源以及透镜中的至少一个平行移动的滑动机构。
在某方式中，光源具有射出相互不同的波段的光的多个发光元件所成的组。
在某方式中，光源具有多个由多个发光元件所成的组。这些多个组被配置在相互不同的位置。
在某方式中，透镜是消色差(achromat)透镜。
在某方式中，台具有第一电路基板，该第一电路基板包含将图像传感器的输出转换为数字信号并进行输出的第一处理电路。
在某方式中，台具有第二电路基板，该第二电路基板包含生成图像传感器的控制信号的第二处理电路，第二电路基板与第一电路基板一体结合。
基于某方式的图像取得装置还具备第三处理电路，该第三处理电路构成为：在每次与多个不同的方向相应地得到表示被摄体的像的图像信号时，依次进行平均化处理。
作为本申请的其他一方式的图像形成系统具备上述的任一项所述的图像取得装置、以及图像处理装置。图像处理装置通过将改变照明光的照射方向而取得的多个图像合成，从而形成与多个图像中的各个图像相比分辨率更高的被摄体的高分辨率图像。
以下参照附图详细说明本申请的实施方式。另外，在以下的说明中，具有实质上相同的功能的结构要素以共通的参照标号来表示，有时省略说明。
＜图像取得装置＞
图9表示本申请的实施方式的图像取得装置的概略的结构。图9所示的图像取得装置100具有生成照明光的光学系统110、以及构成为以装卸自由的方式装填模块10的台130。台130可具有能够插入模块10的至少一部分的安装部、或用于固定模块10的夹子等固定器具。模块10被装填到台130，从而相对于台130被固定。作为模块10，可使用具有与参照图8说明的模块M同样的结构的模块。即，模块10可具有将被摄体2以及图像传感器4一体化而成的构造。在台130中装填了模块10的状态下，模块10的被摄体2以及图像传感器4具有使得透射了被摄体2的照明光入射到图像传感器4那样的配置。在图示的例子中，图像传感器4的摄像面与位于模块10的上方的光学系统110对置。光学系统110、被摄体2以及图像传感器4的配置不限定于图示的例子。
光学系统110包含光源30以及透镜40。光源30被配置在透镜40的焦点面内。由光学系统110生成的照明光是准直后的平行光。由光学系统110生成的照明光被入射到被摄体。
台130具有获取图像传感器4的输出的电路50。通过在台130中装填模块10，从而例如经由背面电极5B(参照图8)，确立电路50和图像传感器4之间的电连接。
图像取得装置100进而具有照明角度调整机构120。如之后详细说明的那样，照明角度调整机构120是将以被摄体2为基准的照明光的照射方向变更为多个不同的方向的机构。从而，通过使用图像取得装置100，一边依次变更照射方向一边执行被摄体2的摄像，能够取得用于形成高分辨率图像的多个子图像。
图10表示本申请的实施方式的图像取得装置的结构的一例。在图10所例示的结构中，光源30a具有在分别不同的波段上具有峰值的3个LED芯片32B、32R、32G。邻接的LED芯片的间隔例如是100μm左右，在这样将多个发光元件接近配置的情况下，可将它们看作点光源。3个LED芯片32B、32R、32G分别是射出蓝色、红色、以及绿色的光的LED芯片。在使用射出相互不同的颜色的光的多个发光元件的情况下，使用消色差透镜作为透镜40。
通过使用射出相互不同的颜色的光的多个发光元件，例如按每个照射方向以时间顺序照射不同的颜色的光，从而能够取得关于各自的颜色的多个子图像。若是使用3个LED芯片32B、32R、32G的情况，则得到蓝色子图像的组、红色子图像的组、以及绿色子图像的组。若使用所取得的子图像的组，则能够形成彩色的高分辨率图像。例如在病理诊断的场景中，通过利用彩色的高分辨率图像，能够得到与有无病变等相关的更大量的有益信息。
光源30所具有的发光元件的数目也可以是1个。也可以使用白色LED芯片作为光源30，且光路上配置滤色器，从而按时间顺序得到相互不同的颜色的照明光。此外，也可以使用彩色摄像用的图像传感器作为图像传感器4。其中，从抑制入射到图像传感器的光电转换部的光量降低的观点来看，如图10所示不配置滤色器的结构是更有利的。另外，在利用多个不同的颜色的光的情况下，若波段窄，则透镜40也可以不是消色差透镜。光源30不限于LED，也可以是白炽灯泡、激光元件、光纤激光器、放电管等。从光源30射出的光不限定于可见光，也可以是紫外线、红外线等。
图10所示的图像取得装置100a通过使台130的姿态变化，从而变更以被摄体2为基准的照明光的照射角度。以被摄体2为基准的照明光的照射角度例如由图像传感器4的摄像面的法线与向被摄体2的入射光线所成的角(天顶角)、以及在摄像面上设定的基准方位与入射光线向摄像面的射影所成的角(方位角)的组来表示。在图示的例子中，照明角度调整机构120a具有使台130相对于基准面(典型地为水平面)倾斜的偏角机构122、以及使台130相对于经过台130的中心的旋转轴(在此铅直轴)旋转的旋转机构124。偏角机构122的偏角中心Gc位于未图示的被摄体的中央部。偏角机构122构成为能够使台130相对于基准面以例如±20°左右的范围倾斜。如上所述，模块在被装填到台130的状态下，相对于台130固定。从而，通过将由偏角机构122进行的铅直面内的旋转、和由旋转机构124进行的绕铅直轴的旋转组合，从而能够使照明光相对于被摄体从任意的照射方向入射。
用于使台130的姿态变化的机构不限定于偏角机构122和旋转机构124的组合。在图11所例示的结构中，照明角度调整机构120b包含能够在正交的铅直面内使被摄体的朝向旋转的两个偏角机构122a以及122b的组。偏角机构122a以及122b的偏角中心Gc位于未图示的被摄体的中央部。通过这样的结构，也能够使照明光相对于被摄体从任意的照射方向入射。
图12是表示照明角度调整机构的结构的另一例。图12所示的照明角度调整机构120c具有使透镜40平行移动的滑动机构126。通过使透镜40向基准面内的X轴及/或Y轴的方向移动任意的距离，从而能够变更以被摄体为基准的照明光的照射角度。根据图12所例示的结构，不需要使台130的姿态变化，因此即使在将光源和图像传感器以直线配置的情况下，也能够实现更小型的图像取得装置。
在本申请的实施方式中，对从光源射出的光线进行准直的透镜被配置在连接光源和台上的被摄体而成的光路上。由此，与将多个光源单纯地分散配置的情况相比，能够使图像取得装置小型化及/或轻量化。
图13将多个光源被分散配置的结构作为比较例来示出。在图示的例子中，多个子弹型LED(发光二级管：Light Emitting Diode)30C被分散配置，在子弹型LED30C和台130之间没有配置透镜。子弹型LED30C的数目例如为25个。通过将多个发光元件分散配置，使发光元件依次点亮，从而能够使照射方向依次变化。或通过在基准面上使台130平行地移动，从而能够使照射方向依次变化。台能够通过滑动机构126移动的距离例如为25mm左右。
但是，在这样的结构中，若不使发光元件和图像传感器充分地分离，则不能将照明光视为平行光。在图13所示的结构中，LED30C和未图示的图像传感器之间的距离LC2可以是500mm左右。进而，根据本发明人的研究，在图13所示的结构中，对根据通过依次切换发光的LED30C而取得的多个子图像来形成高分辨率图像来说，需要对子图像进行明暗(Shading)校正。
相对于此，在本申请的实施方式中，生成照明光的光学系统110包含透镜40，光源30被配置在透镜40的焦点面内。在图10所例示的光学系统110a中，透镜40和未图示的图像传感器之间的距离L2可以是150mm左右。此外，光源30a和透镜40之间的距离L1可以是70mm左右。从而，即使将光源和图像传感器以直线配置，与将多个发光元件分散配置的情况相比也能够实现更小型的图像取得装置。
此外，根据本发明人的研究，通过使用包含透镜40的光学系统110而生成准直后的照明光，从而能够实现大致均匀的照度分布。例如，在30mm角的区域中，区域端部附近的照度相对于区域中心部的照度的变化可以是0.5％左右。若照明光的光线平行度为几度左右则需要进行子图像的明暗校正，相对于此，在图10所例示的结构中，光线平行度为0.7°以下，不需要进行明暗校正。在此，光线平行度是通过改变光源和照射面之间的距离而测定照度分布来得到的、根据离光源的距离与照度分布的关系而决定的参数，表示光线的扩散程度。
图14表示本申请的实施方式的图像取得装置的结构的另一例。在图14所示的图像取得装置100b中，台130被固定。在图14所例示的结构中，照明角度调整机构120d具有使光源30b在透镜40的焦点面内平行移动的滑动机构126。通过使光源30b在透镜40的焦点面内的X轴及/或Y轴的方向上移动任意的距离，从而能够变更以被摄体为基准的照明光的照射角度。光源30b能够通过滑动机构126移动的距离例如可以是15mm左右。也可以采用还对透镜40附加滑动机构126，从而能够使透镜40以及光源30b独立平行地移动的结构。也可以在基准面上平行地使台130移动。
在图14所例示的结构中，光学系统110b中的光源30b与图10所示的光源30a同样，具有在分别不同的波段上具有峰值的3个LED芯片32B、32R、32G的组Gr。在图14所例示的结构中，光源30b具有9组LED芯片的组。在此，LED芯片的组Gr被配置为3×3的矩阵状。在这样的结构中，也通过依次切换发光的LED芯片，从而能够变更以被摄体为基准的照明光的照射角度。通过在相互不同的位置上配置射出相互不同的颜色的光的多个发光元件的组，从而能够实现光的颜色以及照射方向的多种组合，能够进行更灵活的应用。
在图14所例示的结构中，使用从与透镜的光轴偏离的位置射出的光。因此，有时需要明暗校正。其反面，不需要使台130的姿态变化，因此即使在将光源和图像传感器以直线配置的情况下，也能够实现更小型的图像取得装置。在图14所示的结构中，透镜40和未图示的图像传感器之间的距离L4例如为30mm左右，光源30b和透镜40之间的距离L3例如为20mm左右。
图15表示照明角度调整机构的结构的另一例。图15所示的照明角度调整机构120e具有使光源30b的朝向变化的偏角机构122、和使光源30b关于经过台130的中心的旋转轴(在此为铅直轴)旋转的旋转机构124。根据这样的结构，也能够使相对于被摄体的照射方向变化。此外，如图16所示，也可以应用具有两个偏角机构122a以及122b的照明角度调整机构120f。另外，也可以对透镜40以及光源30的至少一方，附加用于使其沿着光轴平行地移动的调节机构。在取得子图像时光源30位于透镜40的焦点面内即可。
照明角度调整机构也可以还包含使台130的姿态变化的机构。如图17所示，例如，也可以使用具有使光源30在透镜40的焦点面内平行移动的滑动机构126、和使台130倾斜的偏角机构122以及使台130旋转的旋转机构124的照明角度调整机构120g。通过增加参数，用于实现最佳的照射方向的选择幅度变大。
也可以代替偏角机构122以及旋转机构124的组合(参照图10、图15)、或两个偏角机构122a以及122b的组合(参照图11、图16)，而采用图18所示的结构。图18所示的照明角度调节机构120h具有通过接头(节)129连结的上部板128t以及下部板128b。接头129的例子是具有正交的两个旋转轴的万向接头(万向节)或球接头(球节)。
在图示的例子中，上部板128t以及下部板128b分别在从与上表面垂直的方向观看时形状为长方形，在长方形的四个顶点之中的一个附近配置有接头129。此外，如图示那样，在下部板128b中长方形的其他三个顶点之中的两个附近配置有线性致动器127a以及127b。上部板128t通过接头129、线性致动器127a以及127b被支撑在下部板128b上。线性致动器127a以及127b分别例如能够使用滚珠丝杠和电机的组合、或压电致动器等。
在图示的例子中，通过使线性致动器127a以及127b独立动作，从而能够使上部板128t中的2点(与长方形的四个顶点之中的两个对应的位置)的高度独立变化。例如若在上部板128t上配置台130，则能够使台130相对于正交的2轴(图18中所示的X轴以及Y轴)独立地旋转。也可以在上部板128t上配置光源30。根据这样的结构，也能够使照明光对被摄体从任意的照射方向入射。
＜图像形成系统＞
接着，说明本申请的实施方式的图像形成系统。
图19表示本申请的实施方式的图像形成系统中的例示的电路的结构、以及信号的流动。图19所示的图像形成系统500a具有图像取得装置100和图像处理装置150。图19表示模块10被安装在台上的状态。其中，省略模块10中的被摄体2的图示和台130的图示。图19中的箭头示意性地表示信号或电力的流动。
在图像形成系统500a中，由图像取得装置100取得的子图像的数据被传送至图像处理装置150。图像处理装置150使用参照图1A～图6说明的原理，对多个子图像进行合成，形成与各个子图像相比分辨率更高的被摄体的高分辨率图像。
图像处理装置150能够通过通用或专用的计算机来实现。图像处理装置150既可以是与图像取得装置100不同的装置，也可以是图像取得装置100的一部分。图像处理装置150可以是具备作为控制装置的功能的装置，该控制装置供应用于对图像取得装置100的各部的动作进行控制的各种指令。在此，例示图像处理装置150还具有作为控制装置的功能的结构进行说明。当然，还能够是具有图像处理装置150和控制装置为独立的装置的结构的系统。例如，也可以经由互联网等网络将控制装置和图像处理装置150连接。也可以构成为：被设置在与控制装置不同的地点的图像处理装置150经由网络从控制装置获取子图像的数据，形成高分辨率图像。
在图19所示的例子中，图像取得装置100具有电路基板CB1、向图像传感器4供应定时信号的电路基板CB2、以及电路基板CB3，该电路基板CB1具有获取图像传感器4的输出的电路50(在图19中未图示)。在此，电路基板CB1以及电路基板CB2被配置在台130内。
在图19所例示的结构中，电路基板CB1具有处理电路p1以及AFE(模拟前端：AnalogFront End)62。在在此说明的例子中，图像传感器4的输出经由AFE62被传送至处理电路p1。处理电路p1可以由FPGA(现场可编程门阵列：Field Programmable Gate Array)、ASSP(专用标准产品：Application Specific Standard Produce)、ASIC(专用集成电路：Application Specific Integrated Circuits)、DSP(数字信号处理器：Digital SignalProcessor)等构成。电路基板CB2具有处理电路p2、以及构成为能够与图像处理装置150连接的输入输出部65。处理电路p2可以包含FPGA、ASSP、ASIC、DSP、微机等。电路基板CB3具有处理电路p3、以及构成为能够与图像处理装置150连接的输入输出部66。处理电路p3可以由FPGA、ASSP、ASIC、DSP等构成。电路基板CB2及电路基板CB3与图像处理装置150例如可以通过USB连接。
图像处理装置150向图像取得装置100供应用于使其执行期望的动作的指令。例如，为了在适当的照射角度下取得子图像，与图像取得装置100的光源30以及台130的动作相关的指令被传送至图像取得装置100。电路基板CB3的处理电路p3基于所获取到的指令，生成用于对台控制器68进行控制的控制信号。台控制器68基于该控制信号而使照明角度调整机构120动作。在图示的例子中，使用两个偏角机构的组合作为照明角度调整机构120。通过台控制器68的控制，变更台130的姿态。伴随台130的姿态的变化，台130上的图像传感器4的姿态变化。此外，处理电路p3生成用于对光源驱动电路70进行控制的信号，对光源30的点亮以及熄灭进行控制。在图示的例子中，用于使光源30驱动的电力经由DC-DC转换器72从电源70被供应。
在图19所例示的结构中，电路基板CB2的处理电路p2从图像处理装置150获取与图像传感器4的驱动相关的信息。处理电路p2基于从图像处理装置150获取到的与驱动相关的信息，生成定时信号等。被装填到台130的状态的模块中的图像传感器4基于从处理电路p2传送的控制信号执行被摄体的摄像。由图像传感器4取得的表示被摄体的像的图像信号被传送至电路基板CB1的处理电路p1。
处理电路p1可以是构成为输出数字信号的处理电路。来自处理电路p1的数字信号例如通过LVDS(低压差分信号：Low Voltage Differential Signaling)被转发至电路基板CB3的处理电路p3。另外，也可以是AFE62具有AD转换电路。在AFE62为这样的AD转换电路内置型的情况下，处理电路p1进行用于向处理电路p3转发信息的定时调整、数据格式转换等。在图示的例子中，电路基板CB1和电路基板CB3通过与LVDS对应的线缆74来连接。如上所述，在此，电路基板CB1被配置在台130内。通过将图像传感器4的输出以数字信号的形式送出至电路基板CB1的外部，从而与将图像传感器4的输出以模拟信号的形式送出的情况相比能够降低噪声。
在此，电路基板CB2也被配置在台130内。电路基板CB2能够与电路基板CB1一体地结合。例如，也可以随着台130的姿态的变化而电路基板CB1以及电路基板CB2的姿态变化。通过将包含模拟信号电路的电路基板与其他电路基板分离而配置在台130内，从而得到能够实现小型的可动台的优点。
所得到的子图像的数据经由电路基板CB3被传送至图像处理装置150。其后，通过使照明角度调整机构120动作而反复进行被摄体的摄像，能够取得多个子图像。
另外，也可以在每次与多个不同的方向相应地得到表示被摄体的像的图像信号时，依次执行图像信号的平均化处理。通过在每次得到与不同的照射方向对应的图像信号时执行平均化处理，能够进一步降低子图像中的噪声。平均化处理例如能够通过电路基板CB3的处理电路p3来执行。执行平均化处理的处理电路不限定于电路基板CB3的处理电路p3，在图像取得装置100内的任一个处理电路中执行平均化处理即可。
图20表示图像形成系统的结构的另一例。图20所示的图像形成系统500b中的与图19的图像形成系统500a的不同点是，电路基板CB1具有输入输出部64，电路基板CB1和图像处理装置150被连接。电路基板CB1和图像处理装置150例如能够通过USB而连接。
在图20所例示的结构中，所得到的子图像的数据不经由电路基板CB3而从电路基板CB1被传送至图像处理装置150。也可以是图像处理装置150将与图像传感器4的驱动定时相关的指令给予电路基板CB1的处理电路p1。通过将电路基板CB1和图像处理装置150不经由电路基板CB3而连接，从而能够省略带状的线缆。作为结果，易于采用使电路基板CB1的姿态与台130的姿态一起变化的结构。
如以上说明的那样，通过使图像传感器4相对于从光源30射出的光线的配置相对地变化，能够从多个角度照射被摄体2，取得与不同的照射方向对应的多个子图像。在上述中，例示了光源30、透镜40以及被摄体2以直线配置的结构。但是，光源30、透镜40以及被摄体2的配置不限定于至此为止说明的例子，例如，也可以使用镜子等变更光线的朝向而向被摄体2照射照明光。根据这样的结构，能够使图像取得装置进一步小型化。
另外，图像传感器4不限定于CCD图像传感器，也可以是CMOS(互补金属氧化物半导体：Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器、或其他图像传感器(作为一例，后述的光电转换膜层叠型图像传感器)。CCD图像传感器以及CMOS图像传感器是正面照射型或背面照射型的任一个都可以。以下，说明图像传感器的元件构造与向图像传感器的光电二极管入射的光的关系。
图21表示CCD图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子。如图21所示，CCD图像传感器概略地具有基板80、基板80上的绝缘层82、以及被配置在绝缘层82内的布线84。在基板80上，形成有多个光电二极管88。在布线84上，形成遮光层(在图21中未图示)。在此，省略晶体管等的图示。在以下的附图中也省略晶体管等的图示。另外，概略地，正面照射型CMOS图像传感器中的光电二极管附近的剖面构造与CCD图像传感器中的光电二极管附近的剖面构造大致同样。因此，在此，省略正面照射型CMOS图像传感器的剖面构造的图示以及说明。
如图21所示，在照明光从摄像面的法线方向入射的情况下，透射了被摄体之中处于光电二极管88的正上方的区域R1的照射光入射到光电二极管88。另一方面，透射了被摄体之中处于布线84上的遮光层的正上方的区域R2的照射光入射到图像传感器的遮光区域(形成了遮光膜的区域)。从而，在从摄像面的法线方向照射的情况下，得到表示被摄体之中处于光电二极管88的正上方的区域R1的图像。
为了取得表示处于遮光膜的正上方的区域的图像，从相对于摄像面的法线方向倾斜的方向进行照射以使透射了区域R2的光入射到光电二极管88即可。此时，根据照射方向，有时透射了区域R2的光之中的一部分被布线84遮挡。在图示的例子中，经过由阴影示出的部分的光线没有到达光电二极管88。因此，在斜入射中，有时像素值有所几分。但是，不会遮挡透射光的全部，因此能够使用此时得到的子图像形成高分辨率图像。
图22A以及图22B表示背面照射型CMOS图像传感器的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子。如图22A所示，在背面照射型CMOS图像传感器中，即使在斜入射的情况下透射光也不会被布线84遮挡。但是，由于透射了被摄体之中与想要进行摄像的区域不同的其他区域的光(在图22A以及后述的图22B中，以粗箭头BA示意性地表示的光)入射到基板80而产生噪声，存在子图像的质量恶化的顾虑。这样的恶化能够如图22B所示那样通过在基板中除了形成有光电二极管的区域以外的区域上形成遮光层90来降低。
图23表示具备由有机材料或无机材料形成的光电转换膜的图像传感器(以下称为“光电转换膜层叠型图像传感器”)的剖面构造、和被摄体的相对的透射率Td的分布的例子。
如图23所示，光电转换膜层叠型图像传感器概略地具有基板80、设置了多个像素电极的绝缘层82、绝缘层82上的光电转换膜94、以及光电转换膜94上的透明电极96。如图示那样，在光电转换膜层叠型图像传感器中，代替在半导体基板上形成的光电二极管，进行光电转换的光电转换膜94被形成在基板80(例如半导体基板)上。光电转换膜94以及透明电极96典型地，在摄像面的整体上形成。在此，省略保护光电转换膜94的保护膜的图示。
在光电转换膜层叠型图像传感器中，通过光电转换膜94中的入射光的光电转换而产生的电荷(电子或空穴)由像素电极92来汇集。由此，得到表示入射到光电转换膜94的光的量的值。从而，在光电转换膜层叠型图像传感器中，可以说在摄像面中包含一个像素电极92的单位区域相当于一个像素。在光电转换膜层叠型图像传感器中，即使在与背面照射型CMOS图像传感器同样地斜入射的情况下，透射光也不会被布线遮挡。
如参照图1A～图6说明的那样，在形成高分辨率图像时，使用表示由被摄体的不同的部分构成的像的多个子图像。然而，在典型的光电转换膜层叠型图像传感器中，在摄像面的整体上形成有光电转换膜94，因此例如在垂直入射的情况下，通过透射了被摄体的期望的区域以外的区域后的光在光电转换膜94中也能够产生光电转换。若此时产生的多余的电子或空穴被引入像素电极92，则存在得不到适当的子图像的顾虑。从而，将在像素电极92和透明电极96重合的区域(在图23中有网格的区域)中产生的电荷选择性地引入像素电极92是有益的。
在图23所例示的结构中，与像素电极92分别对应地在像素内设置有伪电极98。在取得被摄体的像时，在像素电极92和伪电极98之间被施加适当的电位差。由此，能够将在像素电极92和透明电极96重合的区域以外的区域中产生的电荷引入伪电极98，将在像素电极92和透明电极96重合的区域中产生的电荷选择性地引入像素电极92。另外，通过透明电极96或光电转换膜94的构图，也能够得到同样的效果。在这样的结构中，能够认为像素电极92的面积S3相对于像素的面积S1的比率(S3/S1)相当于“开口率”。
如已经说明的那样，在将N设为2以上的整数时，若图像传感器4的开口率近似地等于1/N，则能够进行最大N倍的高分辨率化。换言之，开口率小对高分辨率化是有利的。在光电转换膜层叠型图像传感器中，通过调整像素电极92的面积S3，能够调整相当于开口率的比率(S3/S1)。该比率(S3/S1)例如被设定为10％～50％的范围。比率(S3/S1)处于上述的范围内的光电转换膜层叠型图像传感器可以被用于超解像。
另外，从图21以及图22B可知，在CCD图像传感器以及正面照射型CMOS图像传感器中与被摄体对置的表面不平坦。例如，在CCD图像传感器中，在其表面上存在阶差。此外，在背面照射型CMOS图像传感器中，为了取得用于形成高分辨率图像的子图像，需要将构图后的遮光层设置在摄像面上，与被摄体对置的表面不平坦。
相对于此，光电转换膜层叠型图像传感器的摄像面从图23可知，是大致平坦的面。从而，即使在摄像面上配置了被摄体的情况下，也基本不产生由于摄像面的形状引起的被摄体的变形。换言之，通过使用光电转换膜层叠型图像传感器来取得子图像，能够观察被摄体的更详细的构造。
在本说明书中说明的上述的各种方式只要不产生矛盾，就能够相互组合。
工业实用性
根据本申请，能够提供更小型的图像取得装置。本申请的实施方式的图像取得装置或图像形成系统能够容易地应用高分辨率化技术，该高分辨率化技术用于实现超过图像传感器的固有分辨率的分辨率。高分辨率图像例如在病理诊断的场景中提供有益的信息。
标号说明：
2 被摄体
4 图像传感器
8 透明板
10、M 模块
30、30a、30b、30c 光源
40 透镜
100、100a、100b 图像取得装置
110、110a、110b 光学系统
120、120a、120b、120c、120d、120e、120f、120g、120h 照明角度调整机构
130 台(stage)
500a、500b 图像形成系统
CB1、CB2、CB3 电路基板
p1、p2、p3 处理电路。

Claims (12)

1.一种图像取得装置，具备：
光学系统，具有透镜以及在所述透镜的焦点面内配置的光源，且生成准直后的照明光；
照明角度调整机构，构成为能够变更所述照明光相对于被摄体的照射方向；以及
台，构成为以装卸自由的方式装填使所述被摄体以及图像传感器一体化而成的模块，且具有在装填了所述模块的状态下获取所述图像传感器的输出的电路，所述被摄体以及所述图像传感器以使透射了所述被摄体的所述照明光入射到所述图像传感器的方式被一体化。
2.如权利要求1所述的图像取得装置，
所述照明角度调整机构包含能够使所述台及所述光源的朝向中的至少一方绕正交的2个轴独立地旋转的机构。
3.如权利要求1或2所述的图像取得装置，
所述照明角度调整机构包含使所述台的姿态及所述光源的朝向中的至少一方变化的偏角机构。
4.如权利要求1至3的任一项所述的图像取得装置，
所述照明角度调整机构包含使所述台及所述光源中的至少一方相对于经过所述台的中心的旋转轴旋转的机构。
5.如权利要求1至4的任一项所述的图像取得装置，
所述照明角度调整机构包含使所述台、所述光源及所述透镜中的至少一个平行移动的滑动机构。
6.如权利要求1至5的任一项所述的图像取得装置，
所述光源具有由射出相互不同的波段的光的多个发光元件所成的组。
7.如权利要求6所述的图像取得装置，
所述光源具有被配置在相互不同的位置处的多个所述组。
8.如权利要求6或7所述的图像取得装置，
所述透镜是消色差透镜。
9.如权利要求1至8的任一项所述的图像取得装置，
所述台具有第一电路基板，该第一电路基板包含将所述图像传感器的输出转换为数字信号并进行输出的第一处理电路。
10.如权利要求9所述的图像取得装置，
所述台具有第二电路基板，该第二电路基板包含生成所述图像传感器的控制信号的第二处理电路，
所述第二电路基板与第一电路基板一体地结合。
11.如权利要求1至10的任一项所述的图像取得装置，
所述图像取得装置还具备第三处理电路，该第三处理电路构成为：在每次与所述多个不同的方向相应地得到表示所述被摄体的像的图像信号时，依次进行平均化处理。
12.一种图像形成系统，具备：
如权利要求1至11的任一项所述的图像取得装置；以及
图像处理装置，通过将改变所述照明光的所述照射方向而取得的所述多个图像合成，从而形成与所述多个图像中的各个图像相比分辨率更高的所述被摄体的高分辨率图像。
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