JP2013034127A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、標本を撮像して広視野かつ高精細なデジタル画像を取得する撮像装置に関し、詳細には、撮像装置の収差を補正するための技術に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus that captures a sample to acquire a wide-field and high-definition digital image, and more particularly to a technique for correcting aberrations of the imaging apparatus.
近年、病理診断の分野において、人体の組織片等の顕微鏡像を撮像し、デジタル画像データによる蓄積、観察を可能にする撮像装置が注目を集めている。この種の撮像装置では、一般に、観察対象となる試料を透光性の保護部材(カバーグラス)で覆い固定したプレパラート(標本)が被写体として用いられる。このような被写体を撮像する場合、試料と結像光学系とのあいだにカバーグラスが介在するために、このカバーグラスに起因する各種収差の変動によって観察像が劣化する(コントラストの低下、ぼやけ)可能性がある。
そこで従来から、上記のような収差を補正するための方法が提案されている。例えば、特許文献1の撮像装置では、カバーグラスの厚さが基準値と異なることに起因する球面収差を、対物レンズの像側に挿入された可動レンズ群を光軸方向に移動させることで、補正している。また特許文献2では、カバーグラスの厚さと基準値との差を計測し、その計測値から収差の補正量を見積もる方法が提案されている。
最近では、病理診断に利用する画像をまとめて取得する目的で、大量の標本を連続的に撮像し画像化する処理が行われることが多い。このような長時間の連続撮像により、結像光学系に照明光による熱が蓄積され、収差が発生するという新たな問題が生じている。
なお光学系の収差補正の方法としては、例えば、特許文献3のようなアルバレツレンズとよばれる光学素子を用いる方法や、特許文献4のようなアダプティブオプティクスを用いる方法も知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of pathological diagnosis, an imaging apparatus that captures a microscopic image of a human tissue piece or the like and enables accumulation and observation using digital image data has attracted attention. In this type of imaging apparatus, generally, a preparation (specimen) in which a sample to be observed is covered and fixed by a translucent protective member (cover glass) is used as a subject. When such a subject is imaged, a cover glass is interposed between the sample and the imaging optical system, so that the observation image is degraded due to various aberration variations caused by the cover glass (decrease in contrast and blurring). there is a possibility.
Therefore, conventionally, a method for correcting the aberration as described above has been proposed. For example, in the imaging apparatus of
Recently, for the purpose of collectively acquiring images used for pathological diagnosis, a large number of specimens are frequently imaged and imaged. Due to such continuous imaging for a long time, a new problem arises that heat due to illumination light accumulates in the imaging optical system and aberrations occur.
As an aberration correction method for an optical system, for example, a method using an optical element called an Alvarez lens as in
上述のように収差補正の方法は各種提案されているが、これらの従来方法はいずれも結像光学系の視野全体を一律に補正するものであった。そのため、カバーグラスの表面形状(高さ)や厚さが視野内で均一でなかったり、撮像による熱変化が場所的に大きくばらついていたりすると、従来方法では収差を補正しきれない(視野内に過補正又は補正不足の領域が残る)おそれがある。従来は撮像装置の視野が狭く解像度も低かったため、このような補正不良はさほど問題とならなかったが、最近の広視野化および高精細化の要求にともない、この問題が無視できなくなってきている。 As described above, various methods for correcting aberrations have been proposed. However, all of these conventional methods uniformly correct the entire field of view of the imaging optical system. For this reason, if the surface shape (height) and thickness of the cover glass are not uniform within the field of view, or if thermal changes due to imaging vary greatly in location, the conventional method cannot correct the aberration (within the field of view). Overcorrected or undercorrected areas may remain). Conventionally, since the field of view of the imaging device was narrow and the resolution was low, such a correction defect was not so much a problem. However, with the recent demand for wider field of view and higher definition, this problem cannot be ignored. .
本発明は、上記従来の問題点を鑑みてなされたものであり、広視野かつ高解像の撮像装置において、視野全体にわたり良好な収差補正を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of performing good aberration correction over the entire field of view in a wide-field and high-resolution imaging apparatus. To do.
本発明は、撮像部と、試料の像を拡大して前記撮像部に導く結像光学系と、制御手段と、を備え、前記撮像部は、前記試料の像を複数の小区画に分けて撮像するための複数の撮
像素子ユニットを有しており、前記複数の撮像素子ユニットのそれぞれは、撮像する小区画の像に含まれる収差を補正する収差補正手段と、前記収差補正手段により補正された像を撮像する撮像素子と、を有し、前記制御手段は、撮像する小区画の位置に応じて各撮像素子ユニットの収差補正手段の補正量を個別に制御する撮像装置を提供する。
The present invention includes an imaging unit, an imaging optical system that enlarges an image of a sample and guides the image to the imaging unit, and a control unit. The imaging unit divides the sample image into a plurality of small sections. A plurality of image sensor units for imaging, and each of the plurality of image sensor units is corrected by an aberration correction unit that corrects an aberration included in an image of a small section to be imaged, and the aberration correction unit; An image pickup device that picks up an image, and the control means provides an image pickup apparatus that individually controls the correction amount of the aberration correction means of each image pickup element unit in accordance with the position of the small section to be picked up.
本発明によれば、広視野かつ高解像の撮像装置において、視野全体にわたり良好な収差補正を行うことができ、高品質な画像を取得することができる。 According to the present invention, in a wide-field and high-resolution imaging apparatus, it is possible to perform good aberration correction over the entire field of view, and a high-quality image can be acquired.
本発明は、標本を撮像してデジタル画像を取得する撮像装置において、組織片等の試料を保護する保護部材の厚さばらつき、試料や保護部材の表面形状(凹凸)、撮像時の熱変化等に起因する収差の補正を精度良くかつ自動で行う技術に関する。より詳しくは、本発明は、撮像部を複数の撮像素子で構成するとともに、撮像素子ごとに独立して補正量を制御可能な収差補正手段(補正光学系)を設けた点に一つの特徴を有している。これにより、保護部材厚さ、表面形状、温度等の視野内分布に応じて、撮像素子ごとに補正量を調整できるため、視野全体で良好な収差補正を実現することを可能にしている。したがって、本発明は、結像光学系の視野を複数の撮像素子で分割して撮像し、得られた複数の部分画像を合成することによって広視野かつ高解像の全体画像を生成するタイプの撮像装置に特に好ましく適用することができる。 The present invention relates to a thickness variation of a protective member that protects a sample such as a tissue piece, a surface shape (unevenness) of the sample or the protective member, a thermal change at the time of imaging, etc. The present invention relates to a technique for accurately and automatically correcting the aberration caused by the above. More specifically, the present invention has one feature in that the imaging unit is composed of a plurality of imaging elements, and aberration correction means (correcting optical system) capable of controlling the correction amount independently for each imaging element is provided. Have. As a result, the correction amount can be adjusted for each image sensor in accordance with the distribution in the field of view such as the thickness of the protective member, the surface shape, and the temperature, so that it is possible to achieve good aberration correction over the entire field of view. Therefore, the present invention is of a type that generates a wide field of view and a high resolution overall image by dividing the field of view of the imaging optical system with a plurality of image sensors and combining the obtained partial images. The present invention can be particularly preferably applied to an imaging device.
本発明は、撮像装置として具現化することもできるし、撮像装置と画像処理用のコンピュータ(さらには表示装置や画像記憶装置)を組み合わせた撮像システムとして具現化することもできる。このような撮像装置または撮像システムは、バーチャルスライド作成システムやデジタル顕微鏡などに好適に利用が可能であり、例えば病理診断等の用途に非常に有用である。 The present invention can be embodied as an imaging device, or can be embodied as an imaging system that combines an imaging device and an image processing computer (and also a display device and an image storage device). Such an imaging apparatus or imaging system can be suitably used for a virtual slide creation system, a digital microscope, and the like, and is very useful for applications such as pathological diagnosis.
(装置構成)
図1は、本発明の実施形態にかかる撮像装置の概略構成を示している。図1に示すように、本実施形態の撮像装置は、撮像前に標本のプレ計測を行う計測ユニット100と、プレ計測の結果を利用して標本の撮像を行いデジタル画像を取得する撮像ユニット300と、これらを制御する制御部400とから構成される。
(Device configuration)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 1, the imaging apparatus according to the present embodiment includes a
本実施形態で用いる標本(プレパラート)は、観察対象となる試料(生体の組織片など)をスライドグラス上に載置し、これを透光性の保護部材(カバーグラスなど)で覆って
固定したものである。試料を均一な厚さで作製することは難しいため、試料の表面(保護部材側の表面)や保護部材の表面には微小な凹凸が生じる。また、保護部材自体にも、数μmから十数μm程度の厚さのむらがある。
The specimen (preparation) used in the present embodiment is a sample to be observed (a living tissue piece or the like) placed on a slide glass, which is covered and fixed with a translucent protective member (a cover glass or the like). Is. Since it is difficult to produce a sample with a uniform thickness, minute irregularities are generated on the surface of the sample (the surface on the protective member side) and the surface of the protective member. Also, the protective member itself has uneven thickness of several μm to several tens of μm.
図1において、計測ユニット100は、計測用照明部101、計測用ステージ102、計測用光学系104、計測部105からなる。計測用照明部101は、計測用ステージ102上に設置されているプレパラート(標本)103に光源からの光を導く照明光学系を有する。計測用ステージ102はプレパラート103を保持し、計測用光学系104に対するプレパラート103の位置を調整する支持手段である。
In FIG. 1, the
計測用光学系104は、プレパラート103を透過した光を計測部105に導く光学系である。計測ユニット100ではプレパラート全体の計測を行うことが目的のため、計測用光学系104は低倍率のものでよい。計測部105は、計測用光学系104を介して受光した光に基づいて、プレパラート103上の試料(観察対象物)の大きさや、試料または保護部材の表面の形状や、保護部材の厚さを計測する手段である。計測部105で計測したデータは制御部400へ伝送され、後述する収差補正や焦点位置補正に利用される。
The measurement
計測部105には、計測目的に応じて各種のセンサを利用可能である。例えば試料の大きさを計測する目的であれば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子で標本像の輝度や色を取得すればよい。試料もしくは保護部材の凹凸(表面形状)、あるいは保護部材の厚さを計測する目的であれば、反射光や干渉光を利用する各種のセンサを用いることができる。例えば特開平6−011341号公報に開示があるような三角測量法を応用した光学式距離測定方法や、特開2005−98833号公報に開示があるような共焦点光学系を用いてグラス境界面で反射するレーザー光の距離の差を測定する方法がある。レーザー干渉計などにより保護部材の厚さを計測することもできる。なお図1では、透過型の計測ユニットを例示したが、計測する物理量やセンサの種類に応じて、保護部材側から光を照射し反射光を計測する反射型の計測ユニットを用いたり、複数のユニットもしくはセンサを組み合わせて用いてもよい。
Various sensors can be used for the
図1において、撮像ユニット300は、撮像用照明部301、撮像用ステージ302、結像光学系304、撮像部305から構成される。
撮像用照明部301は、撮像用ステージ302上に設置されているプレパラート303に光源からの光を導く照明光学系を有する。撮像用照明部301は光源201と、照明光学系202で構成される。光源には、例えばハロゲンランプやキセノンランプ、LED(Light Emitting Diode)を用いることができる。
結像光学系304は、プレパラート303上の試料を広視野かつ高解像度で撮像するために、面Aで照明された試料の像を拡大し撮像部305の撮像面Bへと導く光学系である。
In FIG. 1, the
The
The imaging
撮像用ステージ302は、プレパラート303を保持し、撮像部305あるいは結像光学系304に対するプレパラート303の相対位置を調整する支持手段である。撮像用ステージ302は光軸(Z方向)に対して直交するX方向とY方向に独立して平行移動、または傾き駆動をおこなうことができる。図1に座標系を示すが、X軸は紙面に垂直な方向である。
計測用ステージ102から撮像用ステージ302へのプレパラートの移動は、不図示の搬送部により行われる。搬送部の機構としては、例えば計測用ステージ102自体が移動して撮像用ステージ302として機能する機構でもよいし、ハンド装置によりプレパラートを把持または吸着してステージ上に移動する機構でもよい。なお、複数のプレパラートの撮像を連続的に行う場合は、不図示のストッカに収容されているプレパラートが搬送部
によって1枚ずつ計測用ステージ102、撮像用ステージ302へと順に搬送される。なお、計測用ステージ102上と撮像用ステージ302上に異なるプレパラートが同時に設置され、計測ユニット100による計測処理と撮像ユニット300による撮像処理とが並列に行われてもよい。
The
The preparation is moved from the
撮像用ステージ302の上、あるいは、ステージ302の内部の標本近くには、温度計測手段である温度センサ308が設置されている。この温度センサ308は、撮像時にプレパラート303の近傍の温度を計測するものである。温度センサ308は、標本内部(例えばカバーグラスとスライドグラスの間)に設置してもよいし、結像光学系304の内部や撮像用照明部301の内部などに設置してもよい。あるいは、温度の面内分布を得るために、複数のセンサをそれぞれ異なる位置に設置することもできる。温度センサ308で計測したデータは制御部400に伝送され、後述する収差補正に利用される。
A
撮像部305は、結像光学系304を介して受光した光(試料の光学像)を光電変換し、画像データを生成、出力する手段である。得られた画像データは不図示の画像処理部に伝送され、現像、ガンマ補正、ノイズ除去、合成、圧縮等の画像処理が行われる。
The
例えば、プレパラート上の10mm×10mmの撮像領域を光学倍率10倍で撮像することを考えた場合、撮像面Bでの撮像領域の大きさは100mm×100mm、すなわち直径141mm程度になる。これほどの面積を一括で撮像可能な大判の撮像素子は、画素欠陥等による歩留り低下の影響によりコスト高となる。そのため本実施形態では、撮像領域を複数の小区画に分割し、複数の撮像素子を用いて小区画単位で撮像を行い、得られた部分画像を合成(繋ぎ合わせ)することで、広視野かつ高精細の全体画像を生成する構成を採用する。 For example, when imaging an imaging region of 10 mm × 10 mm on a slide with an optical magnification of 10 times, the size of the imaging region on the imaging surface B is 100 mm × 100 mm, that is, about 141 mm in diameter. A large image sensor capable of capturing an image of such an area at a time is costly due to the influence of yield reduction due to pixel defects or the like. Therefore, in the present embodiment, the imaging region is divided into a plurality of small sections, images are captured in units of small sections using a plurality of image sensors, and the obtained partial images are combined (joined), so that a wide field of view and A configuration that generates a high-definition whole image is adopted.
図2(A)は、撮像部305の構成例を示している。撮像部305は、結像光学系304の視野304a内に二次元的に配置された19個の撮像素子306から構成されている。各撮像素子306は、例えばCCD、CMOSなどのイメージセンサからなる。ここで、撮像素子306が離散的に配置されているのは、撮像素子306の有効受光面306aの周囲に存在する回路基板306bが物理的に干渉し、受光面306aを隙間なく配列することができないためである。なお、図示の便宜のため、上2列の素子以外は、受光面306aのみを示している。各撮像素子306の受光面306aの大きさは撮像単位である小区画の大きさに対応しており、各撮像素子306はその受光面306aが結像光学系304の焦平面に一致するように配置される。撮像素子306の数及び配置は任意であるが、より少ない撮像回数で全ての小区画を撮像できるように決定するとよい。
FIG. 2A illustrates a configuration example of the
図3(A)、(B)を用いて、撮像部305による撮像手順の一例を説明する。図3(A)は、撮像面上での、結像光学系304の視野304aと撮像素子306の位置を示している。灰色の矩形が撮像素子306の受光面306a、すなわち、1回で撮像できる小区画(部分画像の領域)を示している。図3(A)の位置1,2,3,4はそれぞれ1回目、2回目、3回目、4回目の撮像における結像光学系304の視野の中心位置を示している。図3(B)は、撮像面上での撮像領域を示しており、1回目で撮像される小区画を1、2回目で撮像される小区画を2、3回目で撮像される小区画を3、4回目で撮像される小区画を4で示している。例えば、結像光学系304の中心位置を固定し、図3(A)の位置1,2,3,4の順に撮像用ステージ302の基準位置を順次移動させて撮像を4回繰り返すことで、図3(B)のように撮像領域を埋めつくす76枚の部分画像を取得することができる。
An example of the imaging procedure by the
また図1に示すように、本実施形態の撮像部305は、結像光学系304から撮像素子306に入射する光束310に対して収差補正を施すための収差補正部307を有してい
る。収差補正部307は撮像素子306ごとに個別に設けられており、各々の収差補正部307の補正量は独立に制御可能となっている(以下、対となる撮像素子306と収差補正部307を合わせて、撮像素子ユニットと呼ぶ。)。なお本実施形態では、全ての撮像素子ユニットを同一の電気基板上に配置したが、撮像素子ユニット毎に別の電気基板上に配置してもよい。
As shown in FIG. 1, the
図2(B)、(C)に、撮像素子306と収差補正部307の配置及び構成を模式的に示す。図2(B)、(C)は撮像部305を光軸と直交する方向から眺めた図である。
図2(B)は、収差補正部307が、補正光学系307aと補正光学系307aを駆動する駆動部307bとから構成された例である。撮像素子306は基板309上に固定されており、撮像素子306と結像光学系304の間の光路中に補正光学系307aが配置されている。駆動部307bは駆動用配線により基板309に電気的に接続されており、制御部400からの補正指令値に従って補正光学系307aの補正量を変化させる。補正光学系307aとしては、機械的な作用により光学特性を変化させる方式の光学系と、電気的な作用により光学特性を変化させる方式の光学系のいずれも用いることができる。前者の例としては圧電素子等により駆動されるアルバレツレンズがあり、後者の例としては液体レンズや液晶レンズなどのアダプティブオプティクスがある。
2B and 2C schematically show the arrangement and configuration of the
FIG. 2B illustrates an example in which the
図2(C)は、収差補正部307が、補正光学系307aに加え、撮像素子306の光軸方向の位置や傾きを調整するための姿勢調整部307cを有している例である。姿勢調整部307cの動作も制御部400からの補正指令値により制御される。姿勢調整部307cは、撮像素子306の姿勢のみを調整する構成でもよいが、図2(C)のごとく、補正光学系307aと撮像素子306を一体化し、両者の姿勢を一体的に調整する構成が好ましい。補正光学系307aと撮像素子306の相対位置を固定することで、補正光学系307aによる収差の補正と姿勢調整部307cによる収差の補正を独立に考えることができ、補正量の制御が容易になるからである。
FIG. 2C illustrates an example in which the
姿勢調整部307cは、フォーカスシフト(焦点ずれ)の補正や歪曲収差の補正に利用することができる。例えば、姿勢調整部307cにて撮像素子306を基準の撮像面Bから微小量だけ光軸方向に動かすことで試料表面の凹凸に起因するフォーカスシフトを補正し、補正光学系307aでは熱収差によるフォーカスシフトを補正してもよい。あるいは、姿勢調整部307cだけでフォーカスシフトを補正し、補正光学系307aでは別の収差を補正してもよい。さらには、姿勢調整部307cにより撮像素子306を光軸方向に対して傾けるとともに、補正光学系307aでも光束310の傾きを調整することで、両方で歪曲収差を補正してもよい。あるいは、姿勢調整部307cだけで歪曲収差を補正し、補正光学系307aでは別の収差を補正してもよい。
The
制御部400は、計測ユニット100及び温度センサ308から得られた計測データに基づいて、プレパラート上の位置ごと(小区画ごと)の収差量を計算し、補正指令値を対応する撮像素子ユニットに対し送出する手段である。また、制御部400は、計測ユニット100、撮像ユニット300、搬送部、画像処理部など、撮像装置を構成する各ブロックを制御する機能も有する。制御部400の動作、並びに、収差補正及び焦点位置補正の具体例については、後述する。
Based on the measurement data obtained from the
(撮像装置の動作)
次に、図4のフローチャートを参照して、撮像装置による画像取得処理の手順を説明する。
まず、制御部400が搬送部(不図示)を制御し、計測用ステージ102上にプレパラート103を設置する(S101)。なお、計測用ステージ102への設置については、自動でなく、オペレータ自身が行ってもよい。
(Operation of imaging device)
Next, the procedure of image acquisition processing by the imaging apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, the
その後、計測用照明部101が計測用ステージ102上に設置されたプレパラート103を照明する。計測用光学系104からの光を計測部105で受光し、試料の形状や大きさ、試料又は保護部材の表面形状などを計測する(S102)。計測部105は計測データを制御部400に伝送する。また、温度センサ308が撮像ユニット300の温度を計測し、その計測データを制御部400に伝送する(S103)。
Thereafter, the
次に、制御部400は、S102とS103で取得した計測データに基づいて、プレパラート上の撮像領域を決定するとともに、その撮像領域内の各小区画における収差量を計算し、その収差を補正するための補正量を決定する(S104)。なお、多数のプレパラートを連続撮像する場合(つまり図4のフローが繰り返し実行される場合)には、毎回温度計測を行うのではなく、予め用意した予測式やテーブルを用いて、温度あるいは収差量の変化を推定し、補正量を求めてもよい。
Next, the
ここで発生し得る収差としては、大きく分けて、プレパラート(試料、保護部材)に起因して生じる収差と、結像光学系304に起因して生じる収差とがある。前者の例は、保護部材の厚さが基準値(設計値)に比べて厚い又は薄いことに起因して生じる球面収差、試料又は保護部材の表面の凹凸あるいは保護部材の厚さむらに起因して生じる焦点位置ずれ(フォーカスシフト)や焦平面の傾きなどである。また照明光の熱や環境温度によるプレパラートの変形に起因する収差変動も前者の例に該当する。一方、後者の例としては、照明光の熱や環境温度による結像光学系304を構成する物質の屈折率変化や光学素子の変形によって生じる収差変動がある。収差変動は球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲などに現れる。上記の収差の中でも特に、焦点位置ずれ、球面収差、倍率誤差、歪曲収差が問題となるが、収差補正部307では、これらの収差のうち少なくとも1つを補正するとよい。
The aberrations that can be generated here are broadly classified into aberrations caused by the preparation (sample, protection member) and aberrations caused by the imaging
プレパラートに起因する収差の場合、その収差量は、プレパラート上の位置によって変化し得る。そのため、S104では、制御部400は、図3(B)で示した小区画ごとに収差量ないし補正量を計算する必要がある。一方、結像光学系304に起因する収差の場合、その収差量は、結像光学系304の視野内の位置によって変わる。図3(A)、(B)のように撮像素子306と結像光学系304の視野304aの相対位置が固定されている場合には、撮像素子306ごとに収差量や補正量を計算すればよい。したがって、プレパラートに起因する収差と結像光学系304に起因する収差の両方を補正する場合、制御部400は、小区画の位置(プレパラート上の位置)と視野内の位置(撮像素子の位置)に基づいて収差の補正量を決定するとよい。
In the case of aberration due to a preparation, the amount of aberration can vary depending on the position on the preparation. Therefore, in S104, the
例えば、制御部400は、プレ計測によって得られた表面形状(表面の凹凸)などの情報に基づいて、各小区画の焦平面の傾きを求め、この傾きを補正するための補正量を決定する。また、制御部400は、温度センサ308で計測された温度の情報に基づいて収差の変動量を求め、焦点位置補正、倍率補正、歪曲補正の量を決定する。このとき、制御部400は、光学系及び鏡筒の構造や物性の情報と計測された温度情報とから、収差あるいは収差の変動をシミュレーションによって計算し、補正量を計算するとよい。あるいは、温度変化と収差の補正量との関係を表す近似式やテーブルをあらかじめメモリ等に記憶させておき、制御部400が、計測された温度情報から補正量を求めることもできる。
For example, the
なお、本実施形態では、温度の計測結果を用いたが、他の方法により収差量を見積もる構成を採ることもできる。例えば、標本(プレパラート)を撮像する前に、テストチャートを撮像位置に設置して撮像を行い、得られたテストチャート画像を解析することにより、フォーカスシフト、倍率誤差、歪曲収差などを求めてもよい。テストチャートの撮像は、プレパラートを撮像する度に行ってもよいし、所定の間隔(例えば複数枚のプレパラー
トが撮像された後や、所定の時間が経過した後など)で行ってもよい。あるいは、多数のプレパラートを連続撮像する場合は、撮像開始からの経過時間と収差の補正量との関係を収差補正テーブルとしてあらかじめ記憶させておき、経過時間から補正量を決定することもできる。すなわち、温度などの計測結果から補正量を計算によって決定してもいいし、収差量を直接計測して補正量を得てもいいし、事前に得られている収差の情報に基づいて補正量を決定してもよい。温度の計測結果を収差の計算に用いない場合は、温度センサ308を省略することができる。
In the present embodiment, the temperature measurement result is used, but a configuration in which the aberration amount is estimated by another method may be employed. For example, before imaging a specimen (preparation), a test chart is placed at the imaging position, imaging is performed, and the obtained test chart image is analyzed to obtain focus shift, magnification error, distortion, etc. Good. The imaging of the test chart may be performed every time the preparation is imaged, or may be performed at a predetermined interval (for example, after a plurality of preparations are imaged or after a predetermined time has elapsed). Alternatively, when a large number of slides are continuously imaged, the relationship between the elapsed time from the start of imaging and the correction amount of aberration can be stored in advance as an aberration correction table, and the correction amount can be determined from the elapsed time. In other words, the correction amount may be determined by calculation from the measurement result such as temperature, the aberration amount may be directly measured to obtain the correction amount, and the correction amount based on the aberration information obtained in advance. May be determined. When the temperature measurement result is not used for calculating the aberration, the
制御部400が補正量を求めている時間を利用して、プレパラート103が搬送部(不図示)によって計測用ステージ102から撮像用ステージ302へと搬送される(S105)。処理時間の短縮のため、S104とS105の処理は並列に行われる。
The
その後、制御部400は、決定した補正量に基づいて、各々の撮像素子ユニットに対し補正指令値(駆動信号)を送出し、収差補正部307の補正光学系307a及び/又は姿勢調整部307cを駆動する(S106)。このとき、制御部400は、撮像素子ユニットごとに、その撮像素子306で撮像する小区画に対応した補正量を選択する。
Thereafter, the
そして、撮像用照明部301が撮像用ステージ302上に設置されたプレパラート303を照明し、撮像を行う(S107)。このとき、プレパラート303上の試料の像は、結像光学系304によって拡大され、収差補正部307によって適切な収差補正が行われた後に、撮像素子306の撮像面(受光面)上に結像する。各々の撮像素子306から出力された部分画像データは、撮像装置内部または外部の記憶装置に一時的に格納される。
Then, the
続いて、制御部400は、全ての小区画の撮像が完了したか否かを判定し(S108)、撮像していない小区画が残っている場合は、ステージ302と撮像部305のいずれか又は両方を移動させて、撮像素子306を次に撮像する小区画の位置に合わせる(S109)。撮像する小区画が変わると収差量も変わるため、制御部400は、変更後の小区画の位置に応じた補正量となるように収差補正部307を駆動した後(S106)、撮像を行う(S107)。
Subsequently, the
S106〜S109の処理を繰り返すことで全ての小区画の部分画像データを取得した後、画像処理部がこれらの部分画像データを合成して、広視野且つ高精細の標本全体の画像データを生成する(S110)。このとき必要に応じて、ガンマ補正、ノイズ除去、圧縮等の画像処理も行われる。画像処理装置は、生成した画像データを撮像装置内部または外部の記憶装置に格納する(S111)。 After acquiring the partial image data of all the small sections by repeating the processing of S106 to S109, the image processing unit synthesizes these partial image data to generate image data of the entire specimen with a wide field of view and high definition. (S110). At this time, image processing such as gamma correction, noise removal, and compression is also performed as necessary. The image processing apparatus stores the generated image data in an internal or external storage device (S111).
(本実施形態の利点)
本実施形態の撮像装置では、撮像部305を複数の撮像素子306で構成し、かつ、撮像素子306ごとに独立して制御可能な収差補正部307を設けている。これにより、撮像素子306ごとに個別に収差の補正量を調整することができるため、視野内で収差量にばらつきがある場合でも視野全体にわたり良好な収差補正を実現でき、高品質なデジタル画像を取得することができる。また、計測ユニット100の計測結果に基づいて収差の補正量を計算しているため、試料又は保護部材の表面形状(凹凸)や保護部材の厚さむらに起因する収差を好適に補正することができる。さらに温度センサ308の計測結果を利用することにより、環境温度や照明光の熱などに起因する結像光学系304の収差をも好適に補正することができる。
(Advantages of this embodiment)
In the imaging apparatus of the present embodiment, the
<実施例1>
実施例1では、収差補正部307の補正光学系307aとしてアルバレツレンズを用いた例を説明する。アルバレツレンズとは、同一形状の非球面を有する一対の光学素子を、
非球面が対向するように近接させて配置した光学系である。一対の光学素子を光軸と直交する方向に相対的に移動させることにより、その光学特性を変化させることができる。
<Example 1>
In Example 1, an example in which an Alvarez lens is used as the correction
This is an optical system arranged close to each other so that the aspheric surfaces face each other. By relatively moving the pair of optical elements in the direction orthogonal to the optical axis, the optical characteristics can be changed.
図5(A)、(B)はそれぞれ1つの撮像素子ユニット(撮像素子306と収差補正部307の組)を示している。図5(A)の収差補正部307は、2つの光学素子O1、O2で構成されたアルバレツレンズからなる補正光学系307aと各光学素子を駆動する駆動部307bとからなる。また、図5(B)は、3つの光学素子O1、O2、O3で構成されたアルバレツレンズの例であり、これはO1とO2、O2とO3の二組のアルバレツレンズを組み合わせたものに相当する。このように2以上のアルバレツレンズを組み合わせることもできる。
5A and 5B each show one image sensor unit (a set of the
まず、図6(A)、(B)を用いて光学素子の横ずらしによって光学的なパワー(焦点距離)を発生させる例をもとに収差補正方法を説明する。図6(A)、(B)は、図5(A)のアルバレツレンズのXZ平面での断面を模式的に示している。 First, an aberration correction method will be described based on an example in which optical power (focal length) is generated by laterally shifting an optical element with reference to FIGS. 6A and 6B schematically show a cross section of the Alvarez lens in FIG. 5A on the XZ plane.
図6(A)において、2つの光学素子O1とO2は互いに向かい合って配置されている。光学素子O1とO2の向き合っている面(内側の面)が同一形状の非球面となっている。光学素子O1とO2の外側の面は平面である。外側の面を平面にすると、横ずらししたときに外側の面からは収差が発生しないため、収差補正部の制御が簡単になるという利点がある。しかし、必ずしも外側の面を平面にする必要はない。 In FIG. 6A, the two optical elements O1 and O2 are arranged to face each other. The facing surfaces (inner surfaces) of the optical elements O1 and O2 are aspherical surfaces having the same shape. The outer surfaces of the optical elements O1 and O2 are flat surfaces. If the outer surface is flat, there is an advantage that the aberration correction unit can be easily controlled because no aberration is generated from the outer surface when the surface is shifted laterally. However, the outer surface does not necessarily have to be a flat surface.
図中Z軸は光軸である。光軸に直交する形でX,Y軸を取る。光学素子O1の非球面形状をf1(x,y)、光学素子O2の非球面形状をf2(x,y)とする。ずらす方向をx方向とすると、両者の非球面形状は定数項だけ異なる次の式で与えられる。x方向への素子の横ずらしによって光学的なパワー(焦点距離)を発生させるため、xは3次の項まで、yは2次の項までを用いる。
f1(x,y)=a(x3+3xy2)+c1
f2(x,y)=a(x3+3xy2)+c2 …(1)
ここで、aは非球面のうねりの大きさを表す係数であり、aが大きくなるほどうねりが大きく、aが小さくなるほど平面に近づく。
In the figure, the Z axis is the optical axis. The X and Y axes are taken perpendicular to the optical axis. The aspherical shape of the optical element O1 is f 1 (x, y), and the aspherical shape of the optical element O2 is f 2 (x, y). Assuming that the shifting direction is the x direction, the aspheric shapes of the two are given by the following formulas that differ by a constant term. In order to generate optical power (focal length) by laterally shifting the element in the x direction, x is used up to the third order term, and y is used up to the second order term.
f 1 (x, y) = a (x 3 + 3xy 2 ) + c 1
f 2 (x, y) = a (x 3 + 3xy 2 ) + c 2 (1)
Here, a is a coefficient representing the size of the aspherical undulation, and the larger the a, the larger the undulation, and the smaller a, the closer to the plane.
アルバレツレンズは図6(A)のように中心の厚さdの2枚のレンズが間隔sを隔てて配置されている。図では、説明の便宜から、非球面のうねり及び間隔sを誇張して描いてあるが、実際のうねりa及び間隔sは非常に小さいものである。間隔sは小さいほうがよく、数μmから数100μm程度が望ましい。図6(B)は一方の素子のみをx方向へ横ずらしした状態を示している。 In the Alvarez lens, as shown in FIG. 6A, two lenses having a central thickness d are arranged with a gap s therebetween. In the drawing, for convenience of explanation, the aspherical undulation and the interval s are exaggerated, but the actual undulation a and the interval s are very small. The interval s is preferably small, and is preferably about several μm to several hundred μm. FIG. 6B shows a state in which only one element is laterally shifted in the x direction.
図6(A)の初期状態においては光学素子O1の非球面形状f1(x,y)と光学素子O2の非球面形状f2(x,y)の凹凸が完全に一致するため、光学素子O1と光学素子O2より成る光学系は光学的パワーのない平行平面板と同じ働きをする。ここで図6(B)のように光学素子O2を距離Δだけx方向に動かすと、初期状態との光路長差は次のようになる。nはレンズの屈折率である。
光路長差=(n・d’+s’)−(n・d+s)
=(1−n)(f1(x+Δ,y)−f2(x,y)) …(2)
Aspheric f 1 (x, y) and the aspherical shape f 2 (x, y) of the optical element O2 of the optical element O1 in the initial state shown in FIG. 6 (A) for the unevenness of the match completely, the optical element The optical system composed of O1 and the optical element O2 functions in the same manner as a plane-parallel plate having no optical power. Here, when the optical element O2 is moved in the x direction by a distance Δ as shown in FIG. 6B, the optical path length difference from the initial state is as follows. n is the refractive index of the lens.
Optical path length difference = (n · d ′ + s ′) − (n · d + s)
= (1-n) (f 1 (x + Δ, y) −f 2 (x, y)) (2)
ここでΔの2次以上の高次の項の影響は小さいとして無視すると次のようになる。
光路長差=(1−n)(3aΔ(x2+y2)+(c1−c2)) …(3)
したがって、横ずらし量Δによって(x2+y2)の項が発生し、このため光学素子O1とO2からなる光学系は光軸に対して回転対称なパワーを持つ。しかもそのパワーを横ずらし量Δによって自由に制御することが可能である。
Here, if the influence of the second and higher order terms of Δ is small and ignored, the result is as follows.
Optical path length difference = (1−n) (3aΔ (x 2 + y 2 ) + (c 1 −c 2 )) (3)
Therefore, a term of (x 2 + y 2 ) is generated by the lateral shift amount Δ, and thus the optical system composed of the optical elements O1 and O2 has a rotationally symmetric power with respect to the optical axis. Moreover, the power can be freely controlled by the lateral shift amount Δ.
例として撮像素子306の1辺の大きさを20mmとすると補正光学系307aの視野の半径は10mmである。パワー成分として発生させる量を1mmとし、このときのずらし量Δを1mm、レンズの屈折率を1.5とすると式(3)より、a=6.7×10−3となる。
このような光学素子において、光学素子を1mm横ずらしすると(Δ=1)、パワー成分が1mm発生し、光学素子を2mm横ずらしすると(Δ=2)、パワー成分が2mm発生する。
この例では、一方の光学素子のみを動かしたが、両方の素子を逆方向にΔ/2ずつ動か
しても同様の結果が得られる。
For example, when the size of one side of the
In such an optical element, when the optical element is laterally shifted by 1 mm (Δ = 1), a power component is generated by 1 mm, and when the optical element is laterally shifted by 2 mm (Δ = 2), a power component is generated by 2 mm.
In this example, only one optical element is moved, but the same result can be obtained by moving both elements in the opposite direction by Δ / 2.
次に、図6(C)、(D)を参照して、複数のアルバレツレンズを組み合わせることにより、2種類の収差補正を独立に行う例を説明する。以下の例では、光学素子O1とO2を用いて焦点位置を補正し、光学素子O2とO3を用いて倍率変化を補正する。 Next, an example in which two types of aberration correction are performed independently by combining a plurality of Alvarez lenses will be described with reference to FIGS. In the following example, the focus position is corrected using the optical elements O1 and O2, and the magnification change is corrected using the optical elements O2 and O3.
図6(C)のアルバレツレンズでは、中心の厚さdの3枚の光学素子O1〜O3が間隔sを隔てて配置されている。光学素子O1とO2の向き合っている面が同一形状の非球面となっており、その形状は図6(A)のものと同じである。すなわち、光学素子O1の光学素子O2側の非球面形状は、f1(x,y)であり、光学素子O2の光学素子O1側の非球面形状は、f2(x,y)である。また、光学素子O2とO3の向き合っている面も同一形状の非球面である。光学素子O2の光学素子O3側の非球面形状をf3(x,y)、光学素子O3の光学素子O2側の非球面形状をf4(x,y)とする。つまり、真ん中の光学素子O2は両面が非球面になっている。 In the Alvarez lens shown in FIG. 6C, three optical elements O1 to O3 having a central thickness d are arranged with an interval s. The surfaces of the optical elements O1 and O2 facing each other are aspherical surfaces having the same shape, and the shape is the same as that shown in FIG. That is, the aspherical shape of the optical element O1 on the optical element O2 side is f 1 (x, y), and the aspherical shape of the optical element O2 on the optical element O1 side is f 2 (x, y). Further, the faces of the optical elements O2 and O3 facing each other are also aspherical surfaces having the same shape. The aspherical shape on the optical element O3 side of the optical element O2 is f 3 (x, y), and the aspherical shape on the optical element O2 side of the optical element O3 is f 4 (x, y). That is, both surfaces of the middle optical element O2 are aspheric.
光学素子O1とO2の光学特性及び作用については、図6(A)、(B)で説明したものと同様である。一方、光学素子O2とO3の光学特性及び作用については、次のようになる。ずらす方向をx方向とすると、光学素子O2とO3の非球面形状は定数項だけ異なる次の式で与えられる。x方向への素子の横ずらしによって倍率変化を発生させるため、xは4次の項まで、yは3次の項までを用いる。簡単のため、定数項を省略する。
f3(x,y)=b(x4+4xy3)
f4(x,y)=b(x4+4xy3) …(4)
The optical characteristics and functions of the optical elements O1 and O2 are the same as those described with reference to FIGS. On the other hand, the optical characteristics and functions of the optical elements O2 and O3 are as follows. Assuming that the shifting direction is the x direction, the aspherical shapes of the optical elements O2 and O3 are given by the following equations that differ by a constant term. In order to change the magnification by laterally shifting the element in the x direction, x is used up to the fourth order term, and y is used up to the third order term. For simplicity, the constant term is omitted.
f 3 (x, y) = b (x 4 + 4xy 3 )
f 4 (x, y) = b (x 4 + 4xy 3 ) (4)
ここで図6(D)のように光学素子O2を動かさず、光学素子O3を距離Δ’だけx方向に動かすと、初期状態との光路長差は次のようになる。nはレンズの屈折率である。ここで、Δ’の2次以上の高次の項の影響は小さいとして無視している。
光路長差=(1−n)(4bΔ’(x3+y3)) …(5)
したがって、横ずらし量Δ’によって(x3+y3)の項が発生し、このため光学素子O2とO3は倍率変化を生じる。しかもその量を横ずらし量Δ’によって自由に制御することが可能である。
Here, when the optical element O3 is moved in the x direction by the distance Δ ′ without moving the optical element O2 as shown in FIG. 6D, the optical path length difference from the initial state is as follows. n is the refractive index of the lens. Here, the influence of the second and higher order terms of Δ ′ is neglected because it is small.
Optical path length difference = (1−n) (4bΔ ′ (x 3 + y 3 )) (5)
Accordingly, a term of (x 3 + y 3 ) is generated by the lateral shift amount Δ ′, and thus the optical elements O2 and O3 change in magnification. Moreover, the amount can be freely controlled by the lateral shift amount Δ ′.
例として撮像素子の1辺の大きさを20mmとすると補正光学系の視野の半径は10mmとなる。倍率変化を発生させる量を1mmとし、このときのずらし量Δ’を1mm、レンズの屈折率を1.5とすると式(5)より、b=5.0×10−4となる。 As an example, if the size of one side of the image sensor is 20 mm, the field radius of the correction optical system is 10 mm. Assuming that the amount of change in magnification is 1 mm, the shift amount Δ ′ at this time is 1 mm, and the refractive index of the lens is 1.5, b = 5.0 × 10 −4 from equation (5).
また、別の例として、光学素子O2とO3を用いて球面収差を補正する例を説明する。光学素子O2の非球面形状をf3(x,y)、光学素子O3の非球面形状をf4(x,y)とする。ずらす方向をx方向とすると、両者の非球面形状は定数項だけ異なる次の式で与えられる。x方向への素子の横ずらしによって球面収差を発生させるため、xは5次の項まで、yは4次の項までを用いる。簡単のため、定数項を省略する。
f3(x,y)=b(x5+5xy4)
f4(x,y)=b(x5+5xy4) …(6)
As another example, an example in which spherical aberration is corrected using optical elements O2 and O3 will be described. The aspherical shape of the optical element O2 is f 3 (x, y), and the aspherical shape of the optical element O3 is f 4 (x, y). Assuming that the shifting direction is the x direction, the aspheric shapes of the two are given by the following formulas that differ by a constant term. In order to generate spherical aberration by laterally shifting the element in the x direction, x is used up to the fifth order term and y is used up to the fourth order term. For simplicity, the constant term is omitted.
f 3 (x, y) = b (x 5 + 5xy 4 )
f 4 (x, y) = b (x 5 + 5xy 4 ) (6)
ここで図6(D)のように光学素子O2を動かさず、光学素子O3を距離Δ’だけx方向に動かすと、初期状態との光路長差は次のようになる。nはレンズの屈折率である。ここでΔ’の2次以上の高次の項の影響は小さいとして無視している。
光路長差=(1−n)(5bΔ’(x4+y4)) …(7)
Here, when the optical element O3 is moved in the x direction by the distance Δ ′ without moving the optical element O2 as shown in FIG. 6D, the optical path length difference from the initial state is as follows. n is the refractive index of the lens. Here, the influence of the higher-order terms of Δ ′ or higher is ignored because it is small.
Optical path length difference = (1−n) (5bΔ ′ (x 4 + y 4 )) (7)
したがって、横ずらし量Δ’によって(x4+y4)の項が発生し、このため光学素子O2とO3は球面収差を発生させる。しかもその量を横ずらし量Δ’によって自由に制御することが可能である。
例として球面収差を発生させる量を1mmとし、補正光学系の視野半径を10mm、このときのずらし量Δ’を1mm、レンズの屈折率を1.5とすると式(7)より、b=4.0×10−5となる。
Therefore, the term (x 4 + y 4 ) is generated by the lateral shift amount Δ ′, and thus the optical elements O2 and O3 generate spherical aberration. Moreover, the amount can be freely controlled by the lateral shift amount Δ ′.
As an example, assuming that the amount of spherical aberration to be generated is 1 mm, the field radius of the correction optical system is 10 mm, the shift amount Δ ′ at this time is 1 mm, and the refractive index of the lens is 1.5, b = 4 from equation (7). 0.0 × 10 −5 .
光学素子O1とO2の横ずらしの方向と光学素子O2とO3の横ずらしの方向を直交させてもよい。その例を、図6(E)〜(G)に示す。
光学素子O1とO2は前述したようにx方向への素子の横ずらしによって焦点位置、倍率誤差、または球面収差の補正が出来る。一方、光学素子O2とO3はy方向への素子の横ずらしによって歪曲変化を補正する。
The lateral shift direction of the optical elements O1 and O2 may be orthogonal to the lateral shift direction of the optical elements O2 and O3. Examples thereof are shown in FIGS. 6 (E) to (G).
As described above, the optical elements O1 and O2 can correct the focal position, the magnification error, or the spherical aberration by laterally shifting the element in the x direction. On the other hand, the optical elements O2 and O3 correct the distortion change by shifting the element in the y direction.
y方向への素子の横ずらしによって歪曲収差を補正するため、xは5次の項まで、yは6次の項までを用いる。定数項は省略する。
f3(x,y)=b(y6+6yx5)
f4(x,y)=b(y6+6yx5) …(8)
In order to correct distortion by shifting the element in the y direction, x uses up to the fifth order term and y uses up to the sixth order term. The constant term is omitted.
f 3 (x, y) = b (y 6 + 6yx 5 )
f 4 (x, y) = b (y 6 + 6yx 5 ) (8)
ここで図6(G)のように光学素子O3を距離Δ’だけy方向に動かすと、初期状態との光路長差は次のようになる。nはレンズの屈折率である。ここでΔ’の2次以上の高次の項の影響は小さいとして無視している。
光路長差=(1−n)(6bΔ’(x5+y5)) …(9)
Here, when the optical element O3 is moved in the y direction by a distance Δ ′ as shown in FIG. 6G, the optical path length difference from the initial state is as follows. n is the refractive index of the lens. Here, the influence of the higher-order terms of Δ ′ or higher is ignored because it is small.
Optical path length difference = (1−n) (6bΔ ′ (x 5 + y 5 )) (9)
したがって、横ずらし量Δ’によって(x5+y5)の項が発生し、このため光学素子O2とO3は歪曲収差を発生する。しかもその量を横ずらし量Δ’によって自由に制御することが可能である。
例として歪曲収差を発生させる量を1mmとし、補正光学系の視野の半径を10mm、このときのずらし量Δ’を1mm、レンズの屈折率を1.5とすると式(9)より、b=3.3×10−6となる。
Accordingly, the term (x 5 + y 5 ) is generated by the lateral shift amount Δ ′, and thus the optical elements O2 and O3 generate distortion. Moreover, the amount can be freely controlled by the lateral shift amount Δ ′.
As an example, if the amount of distortion is 1 mm, the radius of the visual field of the correction optical system is 10 mm, the shift amount Δ ′ at this time is 1 mm, and the refractive index of the lens is 1.5, b = 3.3 × 10 −6 .
ずらして差分をとるという作業は微分そのものなので、非球面形状としてずらす方向には(n+1)次の項、ずらす方向と直交する方向にはn次の項を入れておき、微分の効果でn次の成分を出すようにするとn次の収差に対して補正することができる。これらの例ではx方向、y方向で対称な収差を補正するような非球面を与えたが、x方向、y方向で一方向のみの収差補正を行うこともできる。x方向、y方向で異なる収差の補正を行うこともできる。 Since the work of shifting and taking the difference is differentiation itself, the (n + 1) th order term is inserted in the direction of shifting as an aspherical shape, and the nth order term is inserted in the direction orthogonal to the shifting direction. If the component is output, it is possible to correct the n-th order aberration. In these examples, an aspherical surface that corrects symmetrical aberrations in the x and y directions is given, but aberration correction in only one direction can also be performed in the x and y directions. It is also possible to correct aberrations that are different in the x and y directions.
図13(A)、(B)に、撮像素子306と収差補正部307の配置の好ましい例を示す。図13(A)、(B)は、結像光学系304の側からみた撮像部305の平面図である。ここでは、収差補正部307として、光学素子O1とO2からなるアルバレツレンズを示しており、図の紙面奥から順に、撮像素子306、光学素子O1、光学素子O2が並んでいるものとする。図13(A)は初期状態(アルバレツレンズ駆動前の状態)を示している。それぞれの収差補正部307では、同一形状の非球面を有する一対の光学素子O
1とO2が中心を合わせて対向しており、収差の補正は行われない。図13(B)は光学素子O1、O2を相対的に横方向にずらすことによって収差を発生させた様子を示している。図13(B)のように、撮像素子ユニットを行ごとに互い違いに配置すると、同じ列にある撮像素子ユニット間の間隔を大きくでき、光学素子の列方向の移動距離を長くとれる。そして、移動距離、すなわち、光学素子O1とO2の相対的なずらし量を長くできると、収差補正量の制御がしやすく、また、非球面量を小さくできるので、意図した収差以外の収差が発生しにくいという利点がある。
FIGS. 13A and 13B show preferable examples of the arrangement of the
1 and O2 face each other with their centers aligned, and no aberration correction is performed. FIG. 13B shows a state in which aberration is generated by relatively shifting the optical elements O1 and O2 in the lateral direction. As shown in FIG. 13B, when the image sensor units are alternately arranged for each row, the interval between the image sensor units in the same column can be increased, and the movement distance of the optical element in the column direction can be increased. If the movement distance, that is, the relative shift amount of the optical elements O1 and O2 can be increased, the aberration correction amount can be easily controlled, and the aspherical amount can be reduced, so that aberration other than the intended aberration occurs. There is an advantage that it is difficult to do.
以上述べたような収差補正部307を備える撮像素子ユニットを結像光学系304の視野内に複数配置し、それぞれの収差補正部307を独立して制御することで、場所的に独立して収差補正を行うことができる。すなわち、撮像素子306ごとに設けられた収差補正部307を個別に制御することによって、複数の撮像素子306に入射する光に対して個別に収差補正をすることができる。
By arranging a plurality of image sensor units including the
<実施例2>
実施例2では、カバーグラスの厚さむらに起因する収差や焦点位置ずれを補正する例を説明する。
カバーグラスの厚さむらによって、結像位置が光軸方向に動いたり、光束(焦平面)が傾いたりするため、撮像素子306の撮像面が焦点深度内から外れてしまう場合がある。これを解決するために、図2(C)のように、カバーグラスの表面形状(凹凸)に合わせて撮像素子306を光軸方向に動かしたり、傾けたりするのと同様の補正を補正光学系で実現することもできる。
<Example 2>
In the second embodiment, an example will be described in which aberrations and focal position deviations due to uneven thickness of the cover glass are corrected.
Depending on the uneven thickness of the cover glass, the imaging position may move in the optical axis direction, or the light beam (focal plane) may be tilted, so that the imaging surface of the
アルバレツレンズと呼ばれる光学系により光学的なパワー(焦点距離)を変えることによって結像位置を光軸方向に動かすことができるのは実施例1で示した。同様に、次のようにして光束(焦平面)を傾けることもできる。 The first embodiment shows that the imaging position can be moved in the optical axis direction by changing the optical power (focal length) by an optical system called an Alvarez lens. Similarly, the light beam (focal plane) can be tilted as follows.
図8(A)は、4枚の光学素子O1,O2,O3,O4から構成されたアルバレツレンズを示している。光学素子O1とO2が対となり、両素子の向き合っている面が同一形状の非球面となっており、外側の面は平面となっている。また光学素子O3とO4が対となり、両素子の向き合っている面が同一形状の非球面となっており、外側の面は平面となっている。外側の面を平面にすると、横ずらししたときに外側の面からは収差が発生しないため、補正光学系307aの制御が簡単になるという利点がある。しかし、必ずしも外側の面を平面にする必要はない。
FIG. 8A shows an Alvarez lens composed of four optical elements O1, O2, O3 and O4. The optical elements O1 and O2 form a pair, and the faces of the two elements facing each other are aspherical surfaces having the same shape, and the outer faces are flat. Further, the optical elements O3 and O4 are paired, and the faces of the two elements facing each other are aspherical surfaces having the same shape, and the outer faces are flat. If the outer surface is a flat surface, there is an advantage that the control of the correction
図中Z軸は光軸である。光軸に直交する形でX,Y軸を取る。光学素子O1の非球面形状をf1(x,y)、光学素子O2の非球面形状をf2(x,y)、光学素子O3の非球面形状をf3(x,y)、光学素子O4の非球面形状をf4(x,y)とする。光学素子O1またはO2のずらす方向をx方向とすると、両者の非球面形状は定数項だけ異なる次の式で与えられる。x方向への素子の横ずらしによってx方向の傾きを発生させるため、xは2次の項までを用いる。定数項は省略する。
f1(x,y)=ax2
f2(x,y)=ax2 …(10)
In the figure, the Z axis is the optical axis. The X and Y axes are taken perpendicular to the optical axis. The aspherical shape of the optical element O1 is f 1 (x, y), the aspherical shape of the optical element O2 is f 2 (x, y), the aspherical shape of the optical element O3 is f 3 (x, y), and the optical element Let the aspherical shape of O4 be f 4 (x, y). Assuming that the direction in which the optical element O1 or O2 is shifted is the x direction, the aspheric shapes of the two are given by the following formulas that differ by a constant term. In order to generate an inclination in the x direction by laterally shifting the element in the x direction, x uses up to a quadratic term. The constant term is omitted.
f 1 (x, y) = ax 2
f 2 (x, y) = ax 2 (10)
光学素子O3またはO4はy方向への横ずらしによってy方向の傾きを出すため、yは2次の項までを用いる。定数項は省略すると、光学素子O3とO4の非球面形状は次の式で与えられる。
f3(x,y)=by2
f4(x,y)=by2 …(11)
なお、各光学素子の係数a、b、及び光学素子の間隔sは、実施例1と同様に小さいも
のである。
Since the optical element O3 or O4 is inclined in the y direction by shifting in the y direction, y uses up to the second order term. If the constant term is omitted, the aspheric shapes of the optical elements O3 and O4 are given by the following equations.
f 3 (x, y) = by 2
f 4 (x, y) = by 2 (11)
The coefficients a and b of the optical elements and the interval s between the optical elements are small as in the first embodiment.
素子の横ずらしのない初期状態においては光学素子O1と光学素子O2、また光学素子O3と光学素子O4より成る光学系は単なる平行平面板である。ここで図8(A)のように光学素子O2を動かさず、光学素子O1を距離Δだけx方向に動かし、また、図8(B)のように光学素子O3を動かさず、光学素子O4を距離Δ’だけy方向に動かす。すると初期状態との光路長差は、Δの2次以上の項を省略すると次のようになる。nは、レンズの屈折率である。
x方向の光路長差=(1−n)(2aΔx)
y方向の光路長差=(1−n)(2bΔ’y) …(12)
In an initial state where the elements are not laterally shifted, the optical system composed of the optical elements O1 and O2, and the optical elements O3 and O4 is a mere plane-parallel plate. Here, the optical element O2 is not moved as shown in FIG. 8A, the optical element O1 is moved in the x direction by the distance Δ, and the optical element O4 is not moved as shown in FIG. 8B. Move in the y direction by a distance Δ ′. Then, the optical path length difference from the initial state is as follows when the second and higher order terms of Δ are omitted. n is the refractive index of the lens.
Optical path length difference in x direction = (1−n) (2aΔx)
Optical path length difference in y direction = (1−n) (2bΔ′y) (12)
したがって、x方向の横ずらし量Δとy方向の横ずらし量Δ’によって、x方向およびy方向の焦平面の傾きが独立して発生する。
例として補正光学系の視野の半径の大きさを10mmとすると、傾き1mradを発生させるためにはx方向の光路長差は最大10μmとなり、このときのずらし量Δを1mm、レンズの屈折率を1.5とすると式(12)より、a=10−3となる。
Therefore, the tilts of the focal planes in the x and y directions are independently generated by the lateral shift amount Δ in the x direction and the lateral shift amount Δ ′ in the y direction.
As an example, assuming that the radius of the field of view of the correction optical system is 10 mm, the optical path length difference in the x direction is 10 μm at the maximum in order to generate a tilt of 1 mrad, the shift amount Δ at this time is 1 mm, and the refractive index of the lens is Assuming 1.5, a = 10 −3 from Equation (12).
あるいは図8(C)のようにして光学素子をx方向に動かすことによって、y方向の焦平面の傾きを制御することもできる。
図8(C)において、光学素子O1とO2の非球面形状は式(10)と同じであるが、光学素子O3とO4の非球面形状は次のようなものである。
f3(x,y)=2bxy
f4(x,y)=2bxy …(13)
Alternatively, the tilt of the focal plane in the y direction can be controlled by moving the optical element in the x direction as shown in FIG.
In FIG. 8C, the aspheric shapes of the optical elements O1 and O2 are the same as those in the equation (10), but the aspheric shapes of the optical elements O3 and O4 are as follows.
f 3 (x, y) = 2bxy
f 4 (x, y) = 2bxy (13)
ここで図8(C)のように光学素子O1(またはO2)を距離Δだけx方向に動かし、光学素子O4(またはO3)を距離Δ’だけx方向に動かすと式(12)で示されるような焦平面の傾きが独立して発生する。式(13)で示される非球面形状をもつ光学素子は光学素子をy方向に動かすことによって、x方向の焦平面の傾きを制御することもできる。 Here, as shown in FIG. 8C, when the optical element O1 (or O2) is moved in the x direction by the distance Δ and the optical element O4 (or O3) is moved in the x direction by the distance Δ ′, the equation (12) is obtained. Such focal plane inclination occurs independently. The optical element having an aspherical shape represented by Expression (13) can also control the tilt of the focal plane in the x direction by moving the optical element in the y direction.
あるいは図8(D)のようにして1組の光学素子をx方向に動かすことによってx方向の焦平面の傾きの大きさを制御し、さらに光軸を中心に1組の光学素子を回転することによって傾きの方向を任意の方向に設定することもできる。 Alternatively, as shown in FIG. 8D, the magnitude of the tilt of the focal plane in the x direction is controlled by moving the set of optical elements in the x direction, and the set of optical elements is rotated around the optical axis. Accordingly, the direction of inclination can be set to an arbitrary direction.
これらの式(10),(11),(13)で示されたような2次の非球面形状をもつアルバレツレンズ1組または2組と、実施例1で示した式(1)で示されたような3次の非球面形状をもつアルバレツレンズ1組とを組み合わせる。そうすると、結像位置(焦点距離)を光軸方向に動かし、かつ、焦平面を傾けることが可能になる。 One set or two sets of Alvarez lenses having a secondary aspherical shape as shown by these formulas (10), (11), and (13), and the formula (1) shown in the first embodiment. And a pair of Alvarez lenses having a third-order aspherical shape as described above. Then, it becomes possible to move the imaging position (focal length) in the optical axis direction and tilt the focal plane.
ここで、標本の表面近傍に焦点位置を合わせる例を図11、図12を用いて説明する。
まず、計測ユニット100によりプレパラートに含まれる試料(観察対象物)の概略の形状、大きさや中心位置などを計測する。また、プレパラートの表面形状(表面の凹凸)を計測する。図11(A)は計測ユニット100により計測されたプレパラートの表面形状を濃淡画像で表現したものである。観察対象物の中心を原点にとり、横軸をX方向の位置、縦軸をY方向の像面上の大きさに換算した位置とし(単位はmm)、画素の濃淡でプレパラート上の各位置の像面上の大きさに換算した表面位置(高さ)を表している。この図では、白色が最も高く、黒色に近づくほど高さが低いことを示している。保護部材の厚さむらや試料自体の凹凸などに起因して、表面高さにばらつきが生じていることが分かる。
なお、このプレパラートの表面形状のXY方向の位置は、実際のプレパラート上の試料
の位置を光学系の倍率をかけて像面上の大きさに換算した。光学系の倍率は前述した10倍としてある。また、プレパラートの表面の凹凸の量も像面上の大きさに換算してあり、実際のプレパラート上の試料の凹凸の量に倍率を二乗した値をかけている。
Here, an example in which the focal position is adjusted in the vicinity of the surface of the specimen will be described with reference to FIGS.
First, the
The position in the XY direction of the surface shape of this preparation was converted to the size on the image plane by multiplying the actual position of the sample on the preparation by the magnification of the optical system. The magnification of the optical system is 10 times as described above. The amount of unevenness on the surface of the preparation is also converted to the size on the image plane, and the amount of unevenness of the sample on the actual preparation is multiplied by the square of the magnification.
次に、制御部400は、図11(A)の計測データを用いて、各小区画での補正量を計算する。図11(B)は、計測データ上に、撮像単位である小区画を表す分割線を重ねて示したものである。小区画の大きさは撮像素子306の有効受光面306aの大きさによって決められる。1つの小区画が1つの撮像素子306で1回に撮像する領域である。ここでは、小区画の大きさは像面上で20mm×20mmであるとした。
Next, the
傾きをもつ試料表面にピントを合わせるには、試料表面の傾きをキャンセルするように光学系の焦平面を傾けることで、試料表面の像が撮像素子306の受光面に結像するようにすればよい。本実施例では、制御部400が、計測データから各小区画の表面の最小二乗平面を計算し、その最小二乗平面を撮像素子306の受光面と平行に変換するように、収差補正部307の補正量を決定する。
To focus on a sample surface having an inclination, an image of the sample surface is formed on the light receiving surface of the
図12(A)は、ある小区画の表面形状11と、その表面形状11に近似した最小二乗平面12を図示したものである。図12(A)は、図11(B)で示されたある一つの小区画の表面形状を鳥瞰図として示したものである。図11(B)の座標系の高さ方向をZとし、Z=0は結像光学系304の焦点位置とした。
FIG. 12A illustrates a
公知の最小二乗近似を利用して、表面形状11の最小二乗平面12を計算したところ、下記式で表される平面が得られた。
Z(x,y)=αx+βy+χ
α=0.013575、β=0.007186、χ=0.856061 …(14)
したがってX方向の傾きは13.6mrad、Y方向の傾きは7.2mrad、中心位置(x=10、y=−90)の高さはz=0.345mmである。
When the least
Z (x, y) = αx + βy + χ
α = 0.013575, β = 0.007186, χ = 0.856061 (14)
Therefore, the inclination in the X direction is 13.6 mrad, the inclination in the Y direction is 7.2 mrad, and the height of the center position (x = 10, y = −90) is z = 0.345 mm.
図12(B)はアルバレツレンズによって表面の傾きを補正する様子を概念的に図示したものである。結像光学系304を通して得られる試料表面の光像13は、プレパラートの表面形状に応じた凹凸や傾きを有している。この光像13の最小二乗平面14の傾きをキャンセルするように光学素子O1〜O4を制御することで、試料表面の光像13が撮像素子306の受光面に概ね平行な像15に補正される。すなわち、本実施例の収差補正部307は、図2(C)のように撮像素子306を傾ける代わりに、光学素子O1〜O4によって光学系の焦平面を試料表面の最小二乗平面と平行になるようにするものである。
FIG. 12B conceptually illustrates a state in which the surface inclination is corrected by the Alvarez lens. The
ここで、光学素子O1とO2の非球面形状は式(10)で示されたようになっており、光学素子O3とO4の非球面形状は式(13)で示されたようになっている。
撮像素子306の大きさは1辺20mmなので補正光学系307aの視野半径は10mmである。非球面の係数a=b=10−3とし、レンズの屈折率を1.5とすると式(14)で示される平面に一致するためには、ずらし量Δ=13.6mm、Δ’=7.2mmだけ各光学素子を駆動すればよい。このとき、レーザー干渉計を用いてずらし量を計測すれば、補正光学系307aの相対位置精度を保証することができる。
Here, the aspherical shapes of the optical elements O1 and O2 are as shown by the equation (10), and the aspherical shapes of the optical elements O3 and O4 are as shown by the equation (13). .
Since the size of the
そして、光軸方向には撮像素子306の中心位置を0.345mm動かす。あるいは、非球面形状が式(1)で示される光学素子をもう一組増やして、補正光学系307aにより光軸方向の結像位置の移動を実現してもよい。その場合、補正光学系307aの視野半径を10mm、レンズの屈折率を1.5、a=6.7×10−3とすると、式(3)式よりずらし量Δは0.345mmとなる。
Then, the center position of the
他の例として、図9(A)のように、一対の光学素子O1,O2の対向する面を一次関数で表せるような傾きをもったものにしてもよい。光軸を中心に一方の光学素子を回転することによって、傾きを任意の方向に設定することもできる。図9(A)のように光学素子O1,O2の対向する面の形状が一致しているときは傾きをもたないが、図9(B)のように光軸を中心に一方の光学素子O2を回転すると焦平面に傾きが生じ、回転の方向に応じて傾きの方向が変化する。このような光学系はウエッジプリズムとして知られている。
また、図9(C)のように光学素子O1,O2をずらして配置すると、素子間の間隔が変化するため、球面収差が変化し、焦平面位置を光軸方向に変化させることができる。ただし、傾きの大きさを制御することはできない。
また、他の例として、図10(A)のような可変頂角プリズムPも知られている。この光学素子は平面を持ち、平面に対して垂直な軸を図10(B)や図10(C)のように光軸に対して傾けることによって焦平面の傾きを任意の大きさと方向に設定することができる。
As another example, as shown in FIG. 9A, the opposing surfaces of the pair of optical elements O1 and O2 may have an inclination that can be expressed by a linear function. The tilt can be set in an arbitrary direction by rotating one optical element around the optical axis. When the shapes of the opposing surfaces of the optical elements O1 and O2 match as shown in FIG. 9A, there is no inclination, but one optical element centering on the optical axis as shown in FIG. 9B. When O2 is rotated, the focal plane is tilted, and the tilt direction changes according to the direction of rotation. Such an optical system is known as a wedge prism.
Further, when the optical elements O1 and O2 are shifted and arranged as shown in FIG. 9C, the distance between the elements changes, so that the spherical aberration changes and the focal plane position can be changed in the optical axis direction. However, the magnitude of the tilt cannot be controlled.
As another example, a variable apex angle prism P as shown in FIG. 10A is also known. This optical element has a plane, and the tilt of the focal plane is set to an arbitrary size and direction by tilting an axis perpendicular to the plane with respect to the optical axis as shown in FIGS. 10B and 10C. can do.
<実施例3>
実施例3では、収差補正部307としてアダプティブオプティクスを用いた例を説明する。図7は1つの撮像素子ユニットを示している。
<Example 3>
In Example 3, an example in which adaptive optics is used as the
収差補正部307は、液体レンズからなる補正光学系307aを有している。駆動部307bから補正光学系307aに印加する電圧を制御することで、液体レンズの屈折率又は形状を変化させることができる。前述した実施例と同様、計測ユニット100又は温度センサ308から得られた計測データに従って小区画ごとの収差量を求め、これをキャンセルするように補正光学系307aの光学特性を制御することで、収差補正が可能となる。
The
アダプティブオプティクスとしては、液体レンズの他に、液晶レンズを用いることもできる。あるいは、液体レンズの内部に液体と屈折率の異なる微細粒子を充填し、微細粒子の密度を変えることによって屈折率調整をする光学素子を用いることもできる。 As the adaptive optics, a liquid crystal lens can be used in addition to the liquid lens. Alternatively, an optical element that adjusts the refractive index by filling the liquid lens with fine particles having a refractive index different from that of the liquid and changing the density of the fine particles can also be used.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、図1では、計測ユニット100と温度センサ308の両方を設けたが、補正する収差の種類に応じて、いずれか一方だけを設ける構成でもよい。また、上記実施形態では、補正の対象として、焦点位置のずれ、焦平面の傾き、球面収差、倍率誤差(倍率色収差)、歪曲収差などを例示したが、これら以外の収差を補正してもよい。また、収差補正部307としては、複数の補正光学系を組み合わせたり、異なる種類の補正光学系(例えば、アルバレツレンズとアダプティブオプティクス)を組み合わせることもできる。また、各撮像素子306の撮像面の平坦度が悪い(撮像面が反っている)と各撮像素子306で取得した画像が歪んでしまう場合があるが、各収差補正部307でこの歪みも(収差と併せて)補正してもよい。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary. For example, although both the
304:結像光学系、305:撮像部、306:撮像素子、307:収差補正部、400:制御部 304: Imaging optical system, 305: Imaging unit, 306: Imaging device, 307: Aberration correction unit, 400: Control unit
Claims (13)
試料の像を拡大して前記撮像部に導く結像光学系と、
制御手段と、を備え、
前記撮像部は、前記試料の像を複数の小区画に分けて撮像するための複数の撮像素子ユニットを有しており、
前記複数の撮像素子ユニットのそれぞれは、撮像する小区画の像に含まれる収差を補正する収差補正手段と、前記収差補正手段により補正された像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記制御手段は、撮像する小区画の位置に応じて各撮像素子ユニットの収差補正手段の補正量を個別に制御する
ことを特徴とする撮像装置。 An imaging unit;
An imaging optical system for enlarging an image of the sample and guiding it to the imaging unit;
Control means,
The imaging unit has a plurality of imaging element units for imaging the sample image divided into a plurality of small sections,
Each of the plurality of image pickup device units includes an aberration correction unit that corrects an aberration included in an image of a small section to be picked up, and an image pickup device that picks up an image corrected by the aberration correction unit.
The image pickup apparatus characterized in that the control means individually controls the correction amount of the aberration correction means of each image pickup device unit in accordance with the position of the small section to be picked up.
前記制御手段は、前記撮像素子ユニットと前記試料との相対位置が変わるたびに、変更後の小区画の位置に応じて各収差補正手段の補正量を変更する
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging unit obtains an entire image of the sample by repeatedly imaging while changing the relative positions of the plurality of image sensor units and the sample,
2. The control unit according to claim 1, wherein each time the relative position between the imaging element unit and the sample changes, the correction amount of each aberration correction unit is changed according to the position of the small section after the change. The imaging device described.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the aberration correction unit includes a correction optical system having a variable optical characteristic provided between the imaging optical system and the imaging element.
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 3, wherein the correction optical system includes a plurality of optical elements that change optical characteristics by relatively moving in a direction orthogonal to the optical axis.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the aberration correction unit includes a posture adjustment unit that adjusts a posture of the imaging element.
ことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 6, wherein the posture adjustment unit changes a position of the imaging element in an optical axis direction.
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 6, wherein the posture adjustment unit changes an inclination of an imaging surface of the imaging element.
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 6, wherein the attitude adjustment unit integrally changes the attitudes of the imaging element and the correction optical system.
前記制御手段は、前記計測手段の計測結果に基づいて、焦点位置のずれと焦平面の傾きのいずれか又は両方に対する補正量を決定する
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の撮像装置。 A measuring means for measuring the shape of the surface of the sample or the shape of the surface of the protective member covering the surface of the sample;
The said control means determines the correction amount with respect to either or both of the shift | offset | difference of a focus position and the inclination of a focal plane based on the measurement result of the said measurement means, The any one of Claims 1-9 characterized by the above-mentioned. The imaging device described in 1.
前記制御手段は、前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて、球面収差に対する補正量を決定する
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像装置。 A thickness measuring means for measuring the thickness of the protective member covering the surface of the sample;
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the control unit determines a correction amount for spherical aberration based on a measurement result of the thickness measuring unit.
前記制御手段は、前記温度計測手段の計測結果に基づいて、焦点位置のずれ、球面収差、倍率誤差、又は歪曲収差に対する補正量を決定する
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の撮像装置。 A temperature measuring means for measuring the temperature of either or both of the imaging optical system and the sample;
12. The control unit according to claim 1, wherein the control unit determines a correction amount for a focal position shift, spherical aberration, magnification error, or distortion based on a measurement result of the temperature measurement unit. The imaging device according to item.
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の撮像装置。 The control means determines a correction amount for a focal position shift, spherical aberration, magnification error, or distortion based on a result of analyzing an image obtained by imaging a test chart by the imaging unit. The imaging device according to any one of claims 1 to 12.
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