JP2004163949A - 顕微鏡および顕微鏡における光束の変更方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
照明用光学系の開口数を変更するに際し、試料画像の明るさと知覚色を一定に保つような顕微鏡の提供。
【解決手段】
制御デバイスを有する光源（１）と、照明用の光学系（２、３、４）と、照明用光路における開口部（６）とを備え、照明用の光学系（２、３、４）の開口数が開口部（６）で変更可能であり、光源（１）によって放射される光の強度が光源（１）の制御デバイスによって変更可能である。開口部（６）によって開口を変更する際、光源（１）は、照明用の光学系（２、３、４）を通る光束が実質上変わらないように光源（１）の制御デバイスにより同時に制御される。この目的のために、照明の光路あるいは画像の光路にスペクトル補正装置（８）を配置し、そこでは、光源（１）の制御デバイスの制御にために生じる、光源（１）によって放射される光のスペクトル強度分布の変更がすくなくとも大きく補正される。
【選択図】
図１

Description

本発明は、顕微鏡、一般的にその照明の制御に関する。そして特に本発明は、関連の制御デバイスを有する光源と、試料を照明するための照明用光学系と、照明用光路における開口部とを備え、照明用の光学系の開口数が開口部で変更可能であり、光源によって放射される光の強度が光源の制御デバイスによって制御可能な顕微鏡に関する。また、本発明は、制御デバイスを有する光源と、照明用光学系と、顕微鏡の照明用光路における開口部とを備え、照明用の光学系の開口数が開口部で変更可能であり、光源によって放射される光の強度が光源の制御デバイスによって制御可能な顕微鏡における光束の変更方法に関する。

照明用光学系あるいは画像の光学系における開口数の変更は、光学的画像系で達成される解像度における変化および光学的画像系を使って生成される画像のコントラストにおける変化の原因となる。特に顕微鏡では、開口数を変更するために直径の調整可能な絞り（開口部）が照明用光路に配置される。開口直径が最大の時、コンデンサの全開口数および顕微鏡の対物レンズ（objective）が照明され、解像度は最大だが、コントラストは低い画像が与えられる。これに対して開口の直径が減少し、あるいは最小になると、光学的画像系は、低い解像度と、増加したコントラストを与える。

照明用光路に与えられる開口によって解像度およびコントラストが変化する場合、照明用光路を通り顕微鏡の対物レンズに入る光束が変更され、画像の明るさがさらに変化する。照明用光路における開口の直径の減少によって、低い解像度と高いコントラストの画像のみならずより暗い画像が生じる原因となる。

顕微鏡では通常２つの異なる照明方法、すなわち透過光と投下光による照明が使われる。開口部は、通常、照明用光路に配置され、照明用光路の開口数が開口部で変更される。照明用光路は光源から試料へと伸びる。原則として開口部は、また画像の光路にも配置される。例えば、ある顕微鏡では、内蔵のアイリス絞り（可調整絞り）によって内部の開口数を調整することができ、この場合には開口部は、画像の光路に配置される。画像の光路は、試料から顕微鏡の使用者の眼、あるいは試料が撮像されるカメラの撮像面へと伸びる。以下では主に照明用光路に開口部のある顕微鏡に基づいて説明を行う。

また、原則として顕微鏡の構成では、開口部を画像の光路、あるいは画像の光路と照明用光路とに配置することが考えられ、本発明の主題は、同様にこれらの構成に適用可能なものである。開口部は、開口部が配置された光路の開口数を変更し、これにより画像の解像度と画像のコントラストが変更される。

顕微鏡の解像度とコントラストに関する設定の変更は、顕微鏡画像の明るさの変化を引き起こす。 特に量的検出対比を行う顕微鏡（quantitative microscopy）では異なる試料の比較による計測が必要であり、顕微鏡画像におけるこの種の明るさの変化は、ゆがめられた結果を与える。結局、これらの関係が顕微鏡の動作パラメータの調節を大いに複雑にしてしまう。

白熱灯あるいはハロゲンランプでは、光源に供給される電力が変更されると、それぞれの光源から放射される光の色温度あるいはスペクトル強度分布が変化する。これは、白熱灯が黒体と同様の光の放射特性を示すからであって、供給される電力が減少すると、白熱灯から放射されるスペクトルの色温度が青のスペクトル領域から赤のスペクトル領域に移動する。これは一般に「赤方偏移」と呼ばれている。これにより試料画像の知覚色の変化を生ずる。

本発明の一目的は、照明用光学系の開口数を変更するに際し、試料画像の明るさと知覚色を一定に保つような顕微鏡を開発することにある。

また、本発明の他の目的は、顕微鏡における光束を変更するための方法を提供することである。そこでは、照明用の光学系の開口数を変更するに際し、試料画像の明るさと知覚色が一定に保たれる。

本発明に基づく種類の顕微鏡は、請求項１に記載の特徴により前述の目的を達成する。請求項１によれば、この種の顕微鏡は、次の特徴を有する（基本構成１）。

開口部により開口数を変更するに際し、照明用の光学系を通る光束が実質上変更されないようにして、光源が同時に光源の制御デバイスにより制御可能とすること。

そして、照明の光路あるいは画像の光路にスペクトル補正装置を配置し、制御デバイスにより光源を制御するために生じる、光源によって放射される光のスペクトル強度分布の変更が、試料に当てられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きくは変更されないように修正（補正）可能であるよう構成すること。

また、本発明の他の目的は、請求項８記載の特徴を有する方法によって達成される。それは以下のステップで特徴付けられる。
−開口部により開口数を変更するに際し、照明用の光学系を通る光束が実質上変更されないようにして、光源が同時に光源の制御デバイスにより制御されるステップ、
−光源の制御デバイスにより光源を制御するために生じる、光源によって放射される光のスペクトル強度分布の変更を、試料に当てられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きくは変更されないように修正（補正）するステップ（基本構成２）。

光源が同時に制御され、あるいは調整される場合には、試料画像の明るさの影響を受けずに、光学画像の解像度およびコントラストを変更することができる。これに関連して、開口部が照明用の光学系に配置される場合には、開口数の変更に際し、照明用の光学系を通過する光束が実質上変更されないようにして、光源が制御される。開口部が画像の光路に配置される状況にも対応して同様に適用される。

試料画像の知覚色を保つために、本発明によれば、スペクトル補正装置が与えられる。 スペクトル補正装置でもって、制御デバイスにより光源を制御するために生じる、光源によって放射される光のスペクトル強度分布の変更が修正可能である。修正は、試料に当てられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きくは変更されないようになされる。これにより、照明用の光学系あるいは画像の光学系の開口数の変更が明るさの変化も試料画像の色の不要な変化も引き起こさないことを保証する。

なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様への限定を意図するものではない。

上述の基本構成１、２の下に、本発明によれば、さらに様々な展開形態が可能である。
光電性の検知器が顕微鏡の光路に配置され、照明用の光学系を通る光束の少なくとも一部を検知し、検知の結果、光源および／またはスペクトル補正装置の開ループあるいは閉ループ制御に使用可能な信号を発生すること（形態１）。
開口部は、直径の変更がモータによりなされる開口を含むこと（形態２）。
光源に電力が供給され、光源の制御デバイスが光源に供給される電力を変更すること（形態３）。
スペクトル補正装置は、吸収フィルタとして具現化されるフィルタを含み、前記フィルタの動作位置が照明用光路に配置され、種々の厚さを有し、フィルタのスペクトル透過率が厚みの関数として変化し、フィルタのスペクトル透過率が、連続的にあるいは不連続ないし階段状に変化すること（形態４）。
スペクトル補正装置は、照明用光路に配置される動作位置に対応するフィルタ表面で種々のスペクトル干渉あるいは反射の性能を示す干渉フィルタあるいは反射フィルタを含み、フィルタのスペクトル透過率が、連続的にあるいは不連続ないし階段状に変化すること（形態５）。
光源によって放射される光のスペクトル強度分布の変更は、照明用光路に関係するスペクトル補正装置の動きにより達成され、動きがモータにより引き起こされること（形態６）。
照明用の光学系を通る光束の少なくとも一部が検出され、検出による信号が生成され、前記信号が、光源の開ループあるいは閉ループ制御、または光源によって放射される光のスペクトル強度分布の補正に使用されること（形態７）。

本発明によれば、顕微鏡における照明用光学系の開口数を変更するに際し、試料画像の明るさと知覚色を一定に保つことができ、顕微鏡の動作パラメータの調節が楽になり、顕微鏡画像における計測を精度あるものとすることができる。

照明用光路の開口数の変更は、例えば、開口直径が変更可能な開口デバイス（アイリス絞り）を用いて実現される。例えば、開口の直径が値Ｄから値ｄに変化したとすると、係数（ｄ／Ｄ）^２による画像の明るさの変更を生じる。

この係数により、光源の光の強度を最終的に増加させるか減少させるかは、開口直径を大きくするか小さくするかに依存する。これにより大変都合よく、均一な明るさの条件が光学の画像に存在することを保証することが可能である。前述の例では、試料が透過光で照明され、光源の光の強度を係数（ｄ／Ｄ）^２により変更することで照明用の光学系を通る光束に変更が生じなくなる。

例えば、試料は、組み込まれたアイリス絞りを有する顕微鏡の対物レンズを用いて観測される。開口数の変更は、組み込まれたアイリス絞りの調整によってなされる。この場合に明るさが中間の画像になるように、顕微鏡の対物レンズでは、顕微鏡の対物レンズに設定される開口数の値を読み出す対応のデコーダが用意され、それを基として光源が制御され調整される。

試料画像の明るさが開ループあるいは閉ループで制御される精度に依存するので、画像の光路あるいは照明用光路に配置される光電性の検知器を用意する必要がある。この検知器は、照明用の光学系を通る光束の少なくとも一部を検出するように配置され、その働きとして光源の開ループあるいは閉ループでの制御に使われる信号を発生する。この検知器は、例えばフォトダイオードであって、光の一部が、例えばそれぞれの光路にガラス板を（例えば、光軸に４５度の角度で）挿入することで分離され、フォトダイオードに向けられる。この動作により、画像の明るさの目標となる制御が、顕微鏡のユーザの主観的な印象をあてにすることなく成し遂げられる。

具体的に開口部は、直径が変更可能な開口、例えばアイリス絞りを含んでいる。これに関し、光学で使われる標準的なコンポーネントが存在するので、材料費を最小化することができる。開口直径の変更はモータにより行われる。適切なモータの制御および校正によって開口直径が設定されていることとなる。ステッピングモータがモータとして好んで使われる。

ほとんどの場合、光源には電力が供給される。光源の制御デバイスは、供給される電力の変更により光源を制御し、その結果、光源によって放射される光のパワーレベルが変化する。白熱灯あるいはハロゲンランプが、例えば光源として使われ、制御デバイスは、光源を流れる電流を増減させる。

スペクトル補正装置は、原則として照明用光路あるいは画像の光路に配置される。通常は照明用光路にスペクトル補正装置を配置するのが望ましく、スペクトル補正装置は、例えば、画像の光路に配置した場合には画像のアーティファクトをもたらす構造化されたコーティングのあるフィルタにより構成される。

スペクトル補正装置は、ドイツ特許出願 DE 101 32 360 Aに従って具体化される光フィルタを含んでいてもよい。

具体的な実施例では、スペクトル補正装置は、吸収フィルタとして具体化されるフィルタを含んでいる。フィルタは、照明用光路に挿入される異なる厚みによって種々の動作位置を備え、フィルタのスペクトル透過率が厚みの関数として変化する。この種のフィルタは楔形の板あるいは円盤として具体化される。フィルタの最大および最小の厚みは、フィルタのスペクトル透過率が光源によって放射される光のスペクトル強度分布の最大および最小の変更をもたらすように選定される。

この代案としては、スペクトル補正装置は、照明用光路に配置される動作位置に対応するフィルタ表面を覆う異なるスペクトル干渉あるいは反射の能力を示す干渉フィルタあるいは反射フィルタを含んでもよい。例えば、干渉フィルタは、スペクトル透過率が表面で最小値から最大値に増加するような干渉フィルタ層を備える透明ガラス板の形で具体化される。照明用光路に対するこのフィルタの位置決めの役目として、対応するフィルタのスペクトル透過率を設定することができる。

両方の場合、フィルタのスペクトル透過率は、連続的にあるいは不連続ないし階段状に変化してもよい。特に吸収フィルタは、スペクトル透過率が連続的に変化する楔形の板の形で具体化される。これに対し、反射あるいは干渉フィルタは、スペクトル透過率の一定の値が存在する個々の領域を備えている。

光源によって放射される光のスペクトル強度分布の変更は、特に前述のフィルタの場合に、照明用光路に対するスペクトル補正装置の動作によって成し遂げられる。この種の関連の動作は、好ましくはフィルタを個々の動作位置に動かすモータによって成し遂げられる。また、ステッピングモータを使うことが望ましい。

与えられるスペクトル補正装置の関連の動作は、特に線形状のフィルタの移動あるいは円盤形状になったフィルタの回転である。フィルタに対応する誘導装置は、例えば回転軸として働くピンの形で、 顕微鏡に固定する方法で取り付けられる。

顕微鏡の自動操作に関連し、好ましい実施例としては、備えられるスペクトル補正装置の動作位置は、データ蓄積ユニットに蓄えられる。このデータ蓄積ユニットは、例えば顕微鏡に対応付けられた電子制御基板上に実装のＲＡＭモジュールの形で具体化される。蓄えられたスペクトル補正装置の動作位置は、無論データ蓄積ユニットから読み出すことができ、スペクトル補正装置の相対的な動きを実行するために、与えられる動作位置に対応の値をデータ蓄積ユニットから読み出すことができる。

スペクトル補正装置は、光源によって放射される光の緑色、特に赤色のスペクトル領域の光の強度が影響を受けるように具体化される。光源に供給される電力が減少し、光源によって放射される光のスペクトル強度特性が赤色の方に偏移すると、スペクトル補正装置は、光源によって放射される光の対応するスペクトル領域をより強く吸収するような領域を持った動作位置にあるようにする必要がある。光源の光の緑色、特に赤色のスペクトル領域を動かせば原理的に充分である。無彩色の明るさの変化が起こるように青色のスペクトル領域は、大きくは変化しないままである。

具体的にスペクトル補正装置は、光源の制御デバイスおよび／または開口部で同時に制御される制御デバイスを含んでいる。スペクトル補正装置の制御デバイスは、例えばスペクトル補正装置を動作位置にもっていくモータを制御する。スペクトル補正装置と光源の制御デバイスとを同時に制御する結果、光源によって放射される光の強度の変更において、関連の画像の知覚色の変化が都合よく補償される。例えば、光源によって放射される光の強度が上昇（あるいは下降）した場合に、関連したのスペクトルの青方偏移（あるいは赤方偏移）が同時にスペクトル補正装置によって補償される。

開口部の同時の制御が本発明により与えられ、開口の変更では、他の２つのパラメータ、すなわちランプの光の強度とスペクトル補正装置の位置とが対応して制御され調整される。

これらのパラメータを同時に変更するための具体的な実現のために、開口部、光源の制御デバイス、および／またはスペクトル補正装置の制御デバイスは、制御用コンピュータによって制御あるいは調整される。通常のパーソナルコンピュータあるいはノート型パーソナルコンピュータが、例えば制御用コンピュータとして適する。また、顕微鏡の場合、顕微鏡スタンドあるいは顕微鏡に接続の制御デバイスに収納される回路基板上に制御用コンピュータを実装することもできる。

本発明の教えを都合よく実施し展開させる種々の方法ないし実施の形態が存在する。この目的のために、一方で独立項に従属の請求項が参照され、他方、図を参照した発明の好ましい実施例についての以下の説明が参照される。図を参照した発明の好ましい実施例についての説明と共に、説明は一般的に好ましい実施例と本発明の教えの展開を与えるものである。

図１は、顕微鏡の一部、特に照明用光路の部分を示す。不図示の試料（照明用光路の光軸１１の左方向の延長に位置する）は、光源１の光により照明される。照明用の光学系がこの目的のために用意されており、照明用の光学系は、試料に対し光源１の光をあて、照明用の光学系のレンズ２、３、４が図示されている。

制御用コンピュータ５と関連する光源１の制御デバイスは、光源１によって放射される光の強度を制御する。開口部６は、顕微鏡の照明用光路に配置され、画像の開口数（さらに解像度およびコントラスト）が開口部（開口デバイス）６で変更される。

開口部６は、直径が開口部６に関連するモータ７と駆動小歯車１５によって変更される開口を含んでいる。

開口部６によって照明用の光学系の開口数を変更する際、光源１は、照明用の光学系を通る光束が実質上変更されないままであるように、光源１の制御デバイスにより同時に制御される。

本発明によれば、スペクトル補正装置８が備えられ、そこでは光源１によって放射される光のスペクトル強度分布の変化が、光源１の制御デバイスによる光源１の制御により引き起こされ、試料に向けられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きく変更されないままであるように修正される。

スペクトル補正装置８は、照明用光路に配置され、フィルタ９を含み、フィルタ９は、円盤形状の干渉フィルタとして実現され、照明用光路にある動作位置に対応するフィルタ表面で、種々のスペクトル干渉の能力と、関連して種々のスペクトル透過率を持っている。配置されるフィルタの表面は、種々のシェーディングを示す。

光源１によって放射される光のスペクトル強度分布の変更は、照明用光路に関係したスペクトル補正装置８のフィルタ９の動きにより成し遂げられる。この関連の動きとは、モータ１０により引き起こされる回転である。円盤形状のフィルタ９は、モータ軸１２に取りつけられる。与えられるスペクトル補正装置８のフィルタ９の動作位置は、制御用コンピュータ５のデータ蓄積ユニットに蓄えられている 。

スペクトル補正装置８は、制御デバイスを含み、制御デバイスは、制御用コンピュータ５に関連し、光源１の制御システムと開口部６とを同時に制御する。

開口部６、光源１の制御デバイス、およびスペクトル補正装置８の制御デバイスは、制御用コンピュータ５によって制御され、あるいは調節される。制御用コンピュータ５は、パーソナルコンピュータ１３によって制御可能である。さらに開口部６の開口の直径は、ロータリスイッチ１４を用いて直接設定できる。この設定は、制御用コンピュータ５と開口部６のモータ７を介して実行される。制御用コンピュータ５は、試料が実質上同じ光のパワーレベルで照明されるように光源１に供給される電力を算出し、対応する電力を光源１に供給する。また、同時に制御用コンピュータ５は、変更された光のパワーレベルに関し、試料に向けられる光のスペクトル強度がほとんど変化しないようなスペクトル補正装置８のフィルタ９の位置を算出する。接続線１６は、一方が制御用コンピュータ５に、他方が光源１、開口部６のモータ７、スペクトル補正装置８のモータ１０、パーソナルコンピュータ１３、およびロータリスイッチ１４にそれぞれ伸びている。

なお、上記実施例は、本発明の一実施例であってこれに限定されるものではない。本発明の基本構成と方法の原理に基づき、同様の目的と機能を達成する任意の手段、要素、方法ステップの変更、修正等が許容される。

本発明の実施例の概略図である。

符号の説明

１ 光源
２ レンズ
３ レンズ
４ レンズ
５ 制御用コンピュータ
６ 開口部
７ モータ
８ スペクトル補正装置
９ フィルタ
１０ モータ
１１ 照明用光路の光軸
１２ モータ軸
１３ パーソナルコンピュータ
１４ ロータリスイッチ
１５ 駆動小歯車
１６ 接続線

Claims (10)

1. 関連する制御デバイスを有する光源（１）と、試料を照明する照明用の光学系（２、３、４）と、照明用光路における開口部（６）とを備え、
   照明用の光学系（２、３、４）の開口数が開口部（６）により変更可能であり、光源（１）によって放射される光の強度が光源（１）の制御デバイスによって制御可能であって、
   開口部（６）により開口数を変更するに際し、照明用の光学系（２、３、４）を通る光束が実質上変更されないようにして、光源（１）が同時に光源（１）の制御デバイスにより制御可能に構成され、
   照明用光路あるいは画像の光路にスペクトル補正装置（８）が配置され、光源１によって放射される光のスペクトル強度分布の変化が、光源（１）の制御により引き起こされ、試料に向けられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きく変更されないようにスペクトル補正装置で補正するよう構成される
   ことを特徴とする顕微鏡。
2. 光電性の検知器が顕微鏡の光路に配置され、照明用の光学系を通る光束の少なくとも一部を検知し、検知の結果、光源および／またはスペクトル補正装置（８）の開ループあるいは閉ループ制御に使用可能な信号を発生することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
3. 開口部（６）は、直径の変更がモータ（７）によりなされる開口を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか一記載の顕微鏡。
4. 光源（１）に電力が供給され、光源（１）の制御デバイスが光源（１）に供給される電力を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一記載の顕微鏡。
5. スペクトル補正装置（８）は、吸収フィルタとして具現化されるフィルタを含み、前記フィルタの動作位置が照明用光路に配置され、種々の厚さを有し、フィルタのスペクトル透過率が厚みの関数として変化し、フィルタ（９）のスペクトル透過率が、連続的にあるいは不連続ないし階段状に変化することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
6. スペクトル補正装置（８）は、照明用光路に配置される動作位置に対応するフィルタ表面で種々のスペクトル干渉あるいは反射の性能を示す干渉フィルタ（９）あるいは反射フィルタを含み、フィルタ（９）のスペクトル透過率が、連続的にあるいは不連続ないし階段状に変化することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
7. 光源（１）によって放射される光のスペクトル強度分布の変更は、照明用光路に関係するスペクトル補正装置（８）の動きにより達成され、動きがモータ（１０）により引き起こされることを特徴とする請求項５または６のいずれか一記載の顕微鏡。
8. 制御デバイスを有する光源（１）と、照明用の光学系（２、３、４）と、顕微鏡の照明用光路における開口部（６）とを備え、
   照明用の光学系（２、３、４）の開口数が開口部（６）で変更可能であり、光源（１）によって放射される光の強度が光源（１）の制御デバイスによって制御可能であって、
   開口部（６）により開口数を変更するに際し、照明用の光学系（２、３、４）を通る光束が実質上変更されないようにして、光源（１）が同時に光源（１）の制御デバイスにより制御可能であり、
   照明用光路あるいは画像の光路にスペクトル補正装置（８）が配置され、光源（１）によって放射される光のスペクトル強度分布の変化が、光源（１）の制御により引き起こされ、試料に向けられる光のスペクトル強度分布が少なくとも大きく変更されないようにスペクトル補正装置でもって補正されることを特徴とする顕微鏡における光束の変更方法。
9. 照明用の光学系を通る光束の少なくとも一部が検出され、検出による信号が生成され、前記信号が、光源の開ループあるいは閉ループ制御、または光源（１）によって放射される光のスペクトル強度分布の補正に使用されることを特徴とする請求項８記載の顕微鏡における光束の変更方法。
10. スペクトル補正装置（８）が照明用光路に対して動くことで、光源（１）によって放射される光のスペクトル強度分布の変更がなされることを特徴とする請求項８または９のいずれか一記載の顕微鏡における光束の変更方法。

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