JP2006067171A - カラー撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色分解光学系及び複数のイメージセンサを用いることなく、単一のリニァイメージセンサを用いてカラー画像を撮像できるカラー撮像装置を実現する。
【解決手段】３つのカラー光源(1〜3)を時分割により駆動する。光源からの照明ビームを振動ミラー(11)及び対物レンズ(14)を介して試料(15)に入射させる。試料(15)からの反射光又は透過光は振動ミラーを介してリニァイメージセンサ(18)に入射させる。リニァイメージセンサからの出力信号はスィチング回路(23)により光源の発光動作に応じて切り換え、メモリ(24〜26)に記憶し、合成回路(28)により合成して回路ビデオ信号を発生する。このように、3つの光源を時分割により駆動すると共にリニァイメージセンサからの出力信号を同一の周波数で時分割処理することにより、単一のリニァイメージセンサだけでカラー画像を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単一のイメージセンサを用いてカラー画像を出力するカラー撮像装置に関するものである。
尚、本明細書において、カラー撮像装置の概念はカラー顕微鏡及びカラースキャナを含み、試料等のカラー映像出力を発生する装置を意味するものである。

半導体デバイスや生体試料を観察する装置としてカラーレーザ顕微鏡が実用化されている。従来のカラー顕微鏡は、赤、緑及び青の三原色のレーザ光源を用い、これらＲ，Ｇ，Ｂの光ビームを音響光学素子によりそれぞれ主走査方向にスキャンし、ダイクロィックミラーのようなビーム合成光学系を介して共通の光路に入射させている。そして、振動ミラーによりを副走査方向にスキャンし、対物レンズを介して試料上に微小光スポットとして投射し、試料表面をＲ，Ｇ，Ｂの３本の光ビームにより走査している。試料表面で反射した反射光は、再び振動ミラーを通過しビームスプリッタを経て、ダイクロィックミラーのような色分解光学系に入射する。そして、色分解光学系によりＲ，Ｇ，Ｂの３本の反射ビームに分解され、それぞれ対応するリニァイメージセンサに入射させている。そして、Ｒ，Ｇ，Ｂの３個のリニァイメージセンサの出力を合成して試料のカラー映像出力が得られている。

上述したカラー顕微鏡は、コンフォーカル光学系を構成しているので、高い分解能の映像出力を得ることができ、半導体デバイスや各種生体試料の観察に広く利用されている。

上述したＲ，Ｇ，Ｂのカラービームを用いるレーザ顕微鏡は、高い分解能が得られる利点が達成されるものの、試料からの反射光又は透過光を色分解光学系を介して３本の反射ビームに分解し、各Ｒ，Ｇ，Ｂの反射ビームを対応するリニァイメージセンサにそれぞれ入射させているため、光学系の光路構成が複雑になる欠点があった。また、色分解光学系及びＲ，Ｇ，Ｂの３個のリニァイメージセンサを用いる必要があるため製造コストが高価になると共に、高い位置決め精度が必要であり、製造作業が煩雑になる欠点も指摘されている。

従って、本発明の目的は、上述した欠点を解消し、色分解光学系を用いることなく、１個のリニァイメージセンサを用いて映像出力を形成できるカラー撮像装置を実現することにある。

本発明によるカラー撮像装置は、互いに波長が異なり、第１の方向に延在するライン状の第１、第２及び第３の照明光をそれぞれ放出する第１、第２及び第３の光源と、
前記３つの光源から放出された照明光を観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
前記３つの光源と対物レンズとの間の光路中に配置され、前記第１〜第３の照明光を第１の方向と直交する第２の方向に第１の周波数で周期的に偏向するビーム偏向装置と、
前記第１の方向と対応する方向にライン状に配列した複数の受光素子を有し、前記試料からの反射光又は透過光を受光するリニァイメージセンサと、
前記第１〜第３の光源を、第２の周波数で交互に順次発光させる光源駆動回路と、
前記リニァイメージセンサの受光素子に蓄積された電荷を第３の周波数で１ライン毎に読み出すイメージセンサ駆動回路と、
前記リニァイメージセンサから読み出された出力信号を、前記第１〜第３の光源の発光動作に応じて順次切り換えて出力するスィチング手段と、
前記スィチング手段から出力され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像信号をそれぞれ記憶する第１〜第３のメモリと、
前記第１〜第３のメモリに記憶され、前記第１〜第３の照明光にそれぞれ対応する画像信号を同時に出力するように前記第１〜第３のメモリを駆動制御するメモリ駆動回路と、
前記第１〜第３のメモリの出力側に接続され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像信号を合成し、カラービデオ信号として出力する合成回路とを具えることを特徴とする。

本発明では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのカラー光源を時分割駆動により発光させると共に、試料からの反射光又は透過光を受光するリニァイメージセンサから出力された画像信号を各カラー光源の発光動作に対応して処理し、各カラー光の画像信号をフィールド単位又はライン単位で合成し、試料のカラー画像信号を発生させる。このように、３つのカラー光源を時分割により駆動することにより、各カラー光毎に色分解光学系及びリニァイメージセンサを用いる必要がなく、単一のリニァイメージセンサを用いるだけで試料のカラー画像を得ることができる。リニァイメージセンサとして、モノクロ用のイメージセンサを用いることができるので、製造コストを一層安価にすることができる。
さらに、光学系の光路構成も大幅に簡単化されるので、組み立て時における位置決め作業が容易になり、製造時の煩雑性を大幅に緩和することができる。
さらに重要なことは、光源側からライン状に収束した照明ビームが発生し、リニァイメージセンサは前面にピンホールである空間フィルタが配置されているものと等価であるため、ラインコンフォーカル光学系が構成され、高い分解能のカラー画像を撮像できる効果が達成される。

フィールド単位で時分割駆動を行うカラー撮像装置の好適実施例は、第１〜第３の照明光のカラーをそれぞれＲ，Ｇ，Ｂとし、前記第１の周波数をフィールド周波数とし、前記第１〜第３の光源を駆動する第２の周波数を前記第１の周波数に等しい周波数とし、前記第１〜第３のメモリを１フィールド分の画像信号を蓄積できるフレームメモリとし、前記合成回路においてＲ，Ｇ，Ｂのカラー画像信号を１フィールド単位で合成することを特徴とする。フィールド単位で時分割駆動を行う場合、３つのカラー光源の駆動周波数を、副走査を行う振動ミラーやガルバノミラーのようなビーム偏向装置の駆動周波数に等しくすることにより実現することができる。この場合、振動ミラーの駆動周波数をＮＴＳＣに規定される副走査周波数の３倍に設定することにより、テレビレートで試料画像を表示することができる。

ライン単位で時分割駆動を行うカラー撮像装置の好適実施例は、第１〜第３の照明光のカラーをそれぞれＲ，Ｇ，Ｂとし、前記第１の周波数をフィールド周波数とし、前記第１〜第３の光源を駆動する第２の周波数を前記リニァイメージセンサの読出周波数である第３の周波数に等しい周波数とし、前記第１前記第１〜第３のメモリをリニァイメージセンサから出力される１ライン分の画像信号を記憶できるラインメモリとし、前記合成回路においてＲ，Ｇ，Ｂのカラー画像信号を１ライン単位で合成して出力することを特徴とする。ライン単位で光源を駆動制御する場合、リアルタイムで試料画像を表示できる利点が達成される。

図１は本発明によるカラー撮像装置の一例を示す線図である。本例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの光源をフィールド単位（フレーム単位）で時分割駆動する例について説明する。赤、緑及び青の光ビームをそれぞれ放出する第１〜第３のレーザ光源１〜３を配置する。赤の光ビームを放出する第１の光源１の前面に、出射した光ビームをライン状の光ビームに変換する光学系４を配置する。この光学系は、例えばエキスパンダレンズとシリンドリカルレンズとの組み合わせとすることができる。緑の光ビームを放出する第２の光源２及び青の光ビームを放出する第３の光源３の前面にも同様な光学系５及び６をそれぞれ配置し、各レーザ光源から放出された光ビームをライン状の光ビームに変換する。これら３本のライン状光ビームは、後述するリニァイメージセンサの受光素子の配列方向と対応する方向である第１の方向（主走査方向）に延在し、互いにオーバラップして集光レンズ７に入射する。集光された３本のライン状ビームは、第１及び第２リレーレンズ８及び９を経てビームスプリッタ１０に入射する。このビームスプリッタ１０は、例えばハーフミラーで構成することができる。

ビームスプリッタ１０を透過して光ビームは、振動ミラー１１に入射する。振動ミラー１１は、入射した光ビームを第１の方向（主走査方向）と直交する第２の方向（副走査方向）に一定の周波数（フィールド周波数）で周期的に偏向する。振動ミラー１１から出射した光ビームは第３及び第４のリレーレンズ１２及び１３を経て対物レンズ１４に入射し、収束したライン状ビームに変換されて観察すべき試料１５に入射する。従って、試料台１６に載置された試料１５は、ライン状の光ビームにより振動ミラー１１の回転周波数で周期的に２次元的に走査されることになる。

試料１５の表面で反射した反射ビームは、再び同一の光路を戻り、対物レンズ１４、リレーレンズ１３及び１２を経て振動ミラー１１に入射する。入射した反射ビームは、振動ミラー１１を通過することによりデスキャンされ、ビームスプリッタ１０に入射する。このビームスプリッタ１０により、光源側の照明ビームから分離され、結像レンズ１７を介してリニァイメージセンサ１８に入射する。リニァイメージセンサ１８は複数の受光素子を有し、これら受光素子は、第１の方向（主走査方向）と対応する方向に配列されており、入射した反射ビームは振動ミラー１１によりデスキャンされているから、入射したライン状ビームは、リニァイメージセンサの受光素子の配列方向にそって延在する静止したライン状ビームとして入射する。リニァイメージセンサ１８の各受光素子に蓄積された電荷は、所定の読出周波数で読み出され、振動ミラーが１回転することにより１フィールド分の映像信号が出力される。尚、振動ミラー１１には振動ミラー駆動回路１９を接続し、後述するコントローラ２０からの駆動信号により振動ミラーを駆動制御する。

次に、光源の駆動制御について説明する。本発明では、コントローラ２０を用い、このコントローラ２０から各種の同期信号及び駆動信号を発生し、３つの光源を同期して時分割で順次発光させる。ＲＧＢの３つの光源１〜３は光源駆動回路２１に接続され、この光源駆動回路により振動ミラー１１の駆動周波数と同一の周波数、例えばＮＴＳＣの副走査周波数の３倍の駆動周波数で交互に順次発光させる。従って、例えば初めにＲの光源１が１周期の時間期間にわたって発光し、当該期間中にＲの光ビームを用いて試料を全面走査してＲの１フィールド分の画像が作成され、次にＧの光源が１フィールドの時間期間にわたって発光し、さらに、Ｂの光源３が１フィールドの時間期間にわたって発光する。この結果、リニァイメージセンサ１８からＲ，Ｇ，Ｂの１フィールド分のビデオ信号が順次出力される。

次に、リニァイメージセンサ１８から出力されるビデオ信号の信号処理について説明する。リニァイメージセンサ１８には、コントローラ２０に接続された読出制御回路２２が接続され、所定の読出周波数で各受光素子に蓄積された電荷を１ライン毎に順次読み出す。この読み出し速度は、例えばＮＴＳＣの主走査周波数とすることができる。リニァイメージセンサ１８からの出力信号は、スィチング回路２３により１フィールド毎に順次切り換えられ、Ｒ，Ｇ，Ｂのフレームメモリ２４〜２６に順次記憶する。スィチング回路２３の切換周波数は、３つの光源の駆動周波数及び振動ミラー１１の駆動周波数と同一周波数とする。すなわち、スィチング回路２３は、３つのカラー光源の発光動作に応じて切り換えて出力する。

Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの映像出力をそれぞれ記憶するフレームメモリ２４〜２６は、メモリ駆動回路２７により駆動制御され、例えばＲ，Ｇ，Ｂの映像出力が各フレームメモリに記憶された後、メモリ駆動回路２７からの駆動信号により３つのフレームメモリに記憶された各映像出力を合成回路２８に出力する。合成回路２８は、Ｒ，Ｇ，Ｂの映像出力を同時に合成してカラービデオ信号を出力する。

次に、図１を参照して、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの光源をライン単位で時分割駆動してカラービデオ信号を発生する例について説明する。ここで、ライン単位とは、１主走査毎に、すなわちリニァイメージセンサ１８の１ラインの読み出し毎を意味する。このライン単位で光源を駆動制御する場合、フレームメモリ２４〜２６の代わりに１ライン分のデータを記憶するラインメモリを用いる。コントローラ２０から光源駆動回路２１にリニァイメージセンサ１８の読出周波数と同一の周波数の駆動信号を供給する。そして、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの光源１〜３をリニァイメージセンサ１８の読出周波数と同一の周波数の周期で順次発光させる。従って、試料１５は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのライン状照明光で１ライン毎に交互に照明される。リニァイメージセンサ１８は、試料からのＲ，Ｇ，Ｂのライン状の反射光を順次受光し、各受光素子に蓄積された電荷をＲ，Ｇ，Ｂの照明光の駆動周波数と同一の周波数で順次出力する。この出力信号は、スィチング回路２３により３個の光源の駆動周波数と同一の周波数で順次切り換えられ、Ｒ，Ｇ，Ｂのラインメモリにそれぞれ記憶する。

本発明は叙述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、ライン状の照明ビームを用いて試料を走査する例について説明したが、レーザ光源から発生したレーザビームを例えば音響光学素子のようなビーム偏向装置を用いて主走査方向にスキャンする構成を採用することもできる。この実施例においては、各レーザ光源の進行方向の前側に音響光学素子をそれぞれ配置し、各音響光学素子により主走査方向に周期的にビーム偏向することができる。尚、この場合、各レーザ光源毎に音響光学素子を配置してもよく、或いは、３つの光源から発生したカラービームをビーム合成光学系を介して単一の音響光学素子に入射させ、単一の音響光学素子を用いて３本のカラービームを主走査方向に周期的に偏向することも可能である。

さらに、叙述した実施例では、試料からの反射光を用いて試料の反射像を撮像する例について説明したが、勿論試料からの透過光を利用して試料の透過像を撮像することも可能である。この場合、試料をはさんで対物レンズと反対側に集光レンズを配置し、当該集光レンズ及び振動ミラーを介して試料からの透過ビームをリニァイメージセンサに入射させることにより試料の透過像を撮像することができる。

さらに、上述した実施例では、ビーム偏向装置として振動ミラーを用いたが、ガルバノミラーやポリゴンミラー等のビーム偏向装置を用いることも可能である。

本発明によるカラー撮像装置の一例の構成を示す線図である。

符号の説明

１，２，３ 光源
４，５，６ 光学系
７ 集光レンズ
８，９，１２，１３ リレーレンズ
１０ ビームスプリッタ
１１ 振動ミラー
１４ 対物レンズ
１５ 試料
１６ 試料台
１７ 結像レンズ
１８ リニァイメージセンサ
２０ コントローラ
２１ 光源駆動回路
２２ イメージセンサ駆動回路
２３ スィチング回路
２４〜２６ フレームメモリ
２７ メモリ駆動回路
２８ 合成回路

Claims (7)

1. 互いに波長が異なり、第１の方向に延在するライン状の第１、第２及び第３の照明光をそれぞれ放出する第１、第２及び第３の光源と、
   前記３つの光源から放出された照明光を観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
   前記３つの光源と対物レンズとの間の光路中に配置され、前記第１〜第３の照明光を第１の方向と直交する第２の方向に第１の周波数で周期的に偏向するビーム偏向装置と、
   前記第１の方向と対応する方向にライン状に配列した複数の受光素子を有し、前記試料からの反射光又は透過光を受光するリニァイメージセンサと、
   前記第１〜第３の光源を、第２の周波数で交互に順次発光させる光源駆動回路と、
   前記リニァイメージセンサの受光素子に蓄積された電荷を第３の周波数で１ライン毎に読み出すイメージセンサ駆動回路と、
   前記リニァイメージセンサから読み出された出力信号を、前記第１〜第３の光源の発光動作に応じて順次切り換えて出力するスィチング手段と、
   前記スィチング手段から出力され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像信号をそれぞれ記憶する第１〜第３のメモリと、
   前記第１〜第３のメモリに記憶され、前記第１〜第３の照明光にそれぞれ対応する画像信号を同時に出力するように前記第１〜第３のメモリを駆動制御するメモリ駆動回路と、
   前記第１〜第３のメモリの出力側に接続され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像信号を合成し、カラービデオ信号として出力する合成回路とを具えることを特徴とするカラー撮像装置。
2. 請求項１に記載のカラー撮像装置において、前記第１〜第３の照明光のカラーをそれぞれＲ，Ｇ，Ｂとし、前記第１の周波数をフィールド周波数とし、前記第１〜第３の光源を駆動する第２の周波数を前記第１の周波数に等しい周波数とし、前記第１〜第３のメモリを１フィールド分の画像信号を蓄積できるフレームメモリとし、前記合成回路においてＲ，Ｇ，Ｂのカラー画像信号を１フィールド単位で合成することを特徴とするカラー撮像装置。
3. 請求項１に記載のカラー撮像装置において、前記第１〜第３の照明光のカラーをそれぞれＲ，Ｇ，Ｂとし、前記第１の周波数をフィールド周波数とし、前記第１〜第３の光源を駆動する第２の周波数を前記リニァイメージセンサの読出周波数である第３の周波数に等しい周波数とし、前記第１前記第１〜第３のメモリをリニァイメージセンサから出力される１ライン分の画像信号を記憶できるラインメモリとし、前記合成回路においてＲ，Ｇ，Ｂのカラー画像信号を１ライン単位で合成して出力することを特徴とするカラー撮像装置。
4. 前記第１〜第３の光源は、各カラー光を発生するレーザ光源と、レーザ光源から放出されたレーザ光を拡大ビームに変換するエキスパンダと、拡大された光ビームを前記第１の方向と直交する方向に収束させるシリンドリカルレンズとを有することを特徴とするカラー撮像装置。
5. 互いに波長が異なる第１、第２及び第３の照明ビームをそれぞれ放出する第１、第２及び第３の光源と、
   前記第１〜第３の光源からそれぞれ放出された照明ビームを第１の方向に周期的に偏向する第１〜第３のビーム偏向装置と、
   前記３つの光源から放出された照明光を観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
   前記３つの光源と対物レンズとの間の光路中に配置され、前記第１〜第３の照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に第１の周波数で周期的に偏向する第４のビーム偏向装置と、
   前記第１の方向と対応する方向にライン状に配列した複数の受光素子を有し、前記試料からの反射光又は透過光を受光するリニァイメージセンサと、
   前記第１〜第３の光源を、前記第２の周波数で交互に順次発光させる光源駆動回路と、
   前記リニァイメージセンサの受光素子に蓄積された電荷を第３の周波数で１ライン毎に読み出すイメージセンサ駆動回路と、
   前記リニァイメージセンサから読み出された出力信号を、前記第１〜第３の光源の発光動作に応じて順次切り換えて出力するスィチング手段と、
   前記スィチング手段から出力され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像情報をそれぞれ記憶する第１〜第３のメモリと、
   前記第１〜第３のメモリに記憶され、前記第１〜第３の照明光にそれぞれ対応する画像情報を同時に出力するように前記第１〜第３のメモリを駆動制御するメモリ駆動回路と、
   前記第１〜第３のメモリの出力側に接続され、前記第１〜第３の照明光に対応する画像情報を合成し、カラービデオ信号として出力する合成回路とを具えることを特徴とするカラー撮像装置。
6. 請求項５に記載のカラー撮像装置において、前記第１〜第３の照明光のカラーをそれぞれＲ，Ｇ，Ｂとし、前記第１の周波数をフィールド周波数とし、前記第１〜第３の光源を駆動する第２の周波数を前記第２のビーム偏向装置を駆動する第１の周波数に等しい周波数又は前記リニァイメージセンサの読出周波数である第３の周波数に等しい周波数とし、前記合成回路においてＲ，Ｇ，Ｂのカラー画像信号を１フィールド単位又は１ライン単位で合成して出力することを特徴とするカラー撮像装置。
7. 請求項５又は６に記載のカラー撮像装置において、前記第１〜第３のビーム偏向装置を１つの単一のビーム偏向装置で構成し、当該単一のビーム偏向装置を用いて３つの光源から放出された照明ビームを第１の方向に周期的に偏向することを特徴とするカラー撮像装置。

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