JP2013250430A

JP2013250430A - 顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2013250430A
Application number: JP2012124930A
Authority: JP
Inventors: Hironori Yazawa; 洋紀矢澤; Fumihiro Take; 文宏嶽
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: JP6106956B2

Abstract

【課題】簡易な方法により、高速にサンプルの３次元情報を取得できる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】対物レンズ系１１と、射出瞳と略共役な位置に設けられ光束を遮蔽する板状部材２１ａと、射出瞳に対し偏心した板状部材２１ａの開口２１ｈと、開口２１ｈに装着され光束に変調を施す位相板２１ｔとを有する構造化瞳２１と、結像レンズ系と、構造化瞳２１を射出瞳の中心周りに回転駆動させる回転駆動部と、回転駆動部により構造化瞳２１を回転駆動させ構造化瞳２１が所定角度回転する毎に撮像素子により画像を取得させる制御部と、位相変調に基づき復元フィルタを演算し、取得画像に対して復元フィルタを作用させて被検物の全焦点画像を生成する画像生成部と、画像生成部により生成された２枚の全焦点画像からステレオ測量の原理を用いて被検物の３次元情報を算出する演算部と、演算部により算出された被検物の３次元情報を表示する表示部を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、顕微鏡における３次元情報取得技術に関する。

近年、生物分野の研究をはじめ、工業分野の検査工程等に至るまで、様々な分野で、被検物（サンプル・ワーク）の観察をする顕微鏡装置が幅広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。また、サンプルの平面情報だけでなく、奥行き方向を含めた３次元情報を取得するシステムが主流になりつつある。一般に、顕微鏡の対物レンズはＮＡが非常に高く、ゆえに焦点深度がサンプルの厚みに対して極めて浅い。そこで、サンプルの３次元情報を取得する際には、深度方向に対物レンズを操作し、各深さでのサンプル画像を撮影し、計算機内でこれを重ね合わせることで情報を再現する（以下、フォーカルスタック法と呼ぶ）。

特開２００５−０４３６２４号公報

しかしながら、フォーカルスタック法は、（１）情報取得に時間がかかる、（２）対物レンズ走査のための動的機構が必要である、および（３）動的サンプルに対しては対応できない、という課題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、極めて簡易な方法により、高速にサンプルの３次元情報を取得できる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明を例示する態様に従えば、被検物からの光束を集光する対物レンズ系と、前記対物レンズ系の射出側において、前記対物レンズ系の射出瞳位置もしくは前記瞳位置と略共役な位置に設けられ、前記対物レンズ系からの光束を遮蔽する板状部材と、前記板状部材において前記対物レンズ系の射出瞳の中心に対して偏心した位置に形成された開口と、前記開口に装着され前記対物レンズ系を透過した光束の位相に対して変調を施す位相板とを有する構造化瞳と、前記位相板を透過した光束を撮像素子に結像させる結像レンズ系と、前記構造化瞳を前記対物レンズ系の射出瞳の中心を通る軸周りに回転駆動させる回転駆動部と、前記回転駆動部により前記構造化瞳を回転駆動させ、前記構造化瞳が所定角度回転する毎に前記撮像素子により画像を取得させる制御部と、前記位相板の作用による位相変調に基づき復元フィルタを演算し、前記撮像素子により取得された画像に対して前記復元フィルタを作用させることで、前記被検物の全焦点画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により生成された少なくとも２枚の全焦点画像から、ステレオ測量の原理を用いて、前記被検物の３次元情報を算出する演算部と、前記演算部により算出された前記被検物の３次元情報を表示する表示部とを有することを特徴とする顕微鏡装置が提供される。

なお、上記態様において、各レンズ系は、１つのレンズで構成したものであっても、複数のレンズで構成したものであってもよい。

本発明によれば、極めて簡易な方法により、高速にサンプルの３次元情報を取得できる顕微鏡装置を提供することができる。

（ａ）波面符号化（Wavefront-Coding）技術を説明する図であり、（ｂ）は一般の顕微鏡光学系と波面符号化された光学系における深度の違いを説明する図である。本実施形態に係る顕微鏡装置の全体構成図である。本実施形態に係る構造化瞳の平面図と、対物レンズ系までの距離が異なる３つの被検物Ｓ₄，Ｓ₅，Ｓ₆を観察する場合において、第１および第２の撮影位置に構造化瞳が回転した時の様子を示す図（［状態１］，［状態２］）と撮像素子による撮像画像（［画像１］，［画像２］）、および、表示部に表示される画面例を示す図（［画像３］）である。本実施形態に係る構造化瞳の位相板（開口）の大きさを決定するための条件図である。（ａ）は別の実施形態に係る構造化瞳の平面図および断面図であり、（ｂ）は対物レンズ系までの距離が異なる３つの被検物Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃を観察する場合において、表示部に表示される画面例を示す図（［画像４］，［画像５］）である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。

本実施形態に係る顕微鏡装置の主な特徴は、その光学系内に、波面符号化（Wavefront-Coding）のための位相板を配置した構造化瞳を組み込むことである。この構成により、瞳を開放したままで、焦点深度の拡大を図ることができる。すなわち、取得画像の明るさを保ち、かつ光学解像力の低下を最小限に抑えつつ、焦点深度を拡大することができる。

まず、波面符号化（Wavefront-Coding）技術について説明する。これは、結像レンズ系の瞳位置に、位相板を挿入することで光学収差を意図的に作出し、焦点深度を拡大する技術である（図１（ａ）参照）。例えば、瞳を小さくしても（「絞り」を絞っても）、焦点深度を拡大することはできるが、画像は暗くなる。これに対して、波面符号化技術では、瞳を開放したままで、焦点深度を拡大することができるため、画像が非常に明るく、光学解像力の低下も極力避けることができる。

しかしながら、波面符号化技術では、上述のように光学収差を意図的に作り出しているため、取得画像にはボケが残る。これは、計算機上で、デコンボリューションにより復元させる。本実施形態における波面符号化技術では、焦点深度が拡大されるとともに、各深さに対する点像強度分布(ＰＳＦ)の形状も不変となる構成をとるので、復元処理に用いるＰＳＦは、全奥行きに対して１つで足りる。すなわち、単一のＰＳＦを用いて復元処理を行うことにより、拡大された焦点深度内の全焦点画像を取得することができる。但し、焦点深度が拡大されるゆえに、奥行き方向に対する分解能は失われることになる。すなわち、撮影されたサンプルの前後関係は区別できない。

例えば、図１（ｂ）に示すように、結像（対物）レンズＬ₁までの距離が互いに異なる３つの被検物Ｓ_a，Ｓ_b，Ｓ_cを観察する場合、一般の顕微鏡では、焦点深度（ＤＯＦ）が浅いため、被検物Ｓ_bにピントを合わせてしまうと、この像はＩ_bとして表示されるが、それ以外のＳ_a，Ｓ_cに対する像は観察できない。このように焦点深度以上の深さの違いがある被検物を同時に観察することができない。これに対して、波面符号化（Wavefront-Coding）された光学系Ｌ₂では、焦点深度が深いため、全ての被検物Ｓ_a，Ｓ_b，Ｓ_cに対してピントが合った全焦点画像Ｉ_abcが得られる（但し、この画像だけでは、各被検物Ｓ_a，Ｓ_b，Ｓ_cの前後関係を区別することができない）。

なお、焦点深度の拡大度は、位相量に依存する。すなわち、位相量が大きい程、焦点深度が拡大される。但し、あまり拡大しすぎると、光学解像力の低下を招くことがある。

このような波面符号化技術は、光学結像理論により、瞳関数と点像強度分布関数（ＰＳＦ）とを用いて説明できる。以下、説明を容易にするため、本光学系は、インコヒーレント結像系を想定し、かつ合焦時において無収差光学系であると仮定する。

光学結像理論によれば、インコヒーレント結像系において、光学系の点像強度分布関数をＰＳＦ（point spread function）としたとき、物体Ｏ（ｘ,ｙ）、像Ｉ（ｘ,ｙ）およびＰＳＦ（ｘ,ｙ）の３者の関係は、次式（１）で表される。

そして、本光学系の伝達関数を意味するＰＳＦ（ｘ,ｙ）は、点像振幅分布（amplitude
spread function）をＡＳＦ（ｘ,ｙ）とし、瞳から射出する光線の方向余弦を（ξ,η）とし、瞳関数をＧ（ξ,η）とし、瞳の振幅（開口）をＡ（ξ,η）とし、本光学系の収差を表す波面収差をＷ（ξ,η）としたとき、次式（２）で記述できる。

但し、

瞳の振幅Ａ（ξ,η）は、瞳の開口数をａ（≦１）としたとき、次式（３）となる。

ここで、瞳位置Ｗ（ξ，η）＝α（ξ³＋η³）で記述される３次関数型の位相板を光学系内に挿入した場合、点像振幅分布ＡＳＦは、次式（４）となる。なお、αは、位相量の大きさを示す係数である。

この状態から焦点ズレが起こった場合を考える。焦点ズレは、光学的に瞳に２次の波面収差β（ξ²＋η²）を付加することと等しい。なお、βは、焦点ズレの大きさを示す係数である。よって、このときの点像振幅分布ＡＳＦは、次式（５）となる。

ここで、
の項は、瞳位相を瞳座標内で平行シフトさせる効果があるが、このシフト量が瞳サイズに対して小さい場合はＡＳＦに影響を及ぼさない。
の項は、ＡＳＦを像面内において平行シフトさせるが、ＡＳＦの形状自体には影響を与えない。
の項は、定常成分であり、やはりＡＳＦの形状自体には影響を与えない。

よって、焦点ズレが起こったとしても、ＡＳＦの形状には影響を及ぼさない。つまり、光学系の伝達関数ＰＳＦに影響を与えないため、物体像に影響を与えない。これは、光学系内に３次関数型の位相板を挿入すると、焦点深度が拡大されたことを意味する。但し、位相量αに対して焦点ズレβが十分に大きくなると、上述した瞳位相の瞳座標内での平行シフト効果が大きくなり、この場合はＰＳＦの形状に影響を与え始める。つまり、上述したように、位相量αが大きい程、拡大される焦点深度の範囲は拡大される。

ここまで、位相板として３次関数型のものを想定してきたが、これに限定されるわけではない。この他にも多数の位相関数が提案されており、位相板にそれらを採用しても構わない。

本実施形態は、以上の波面符号化技術を基礎としている。以下、図面を参照しつつ、本発明に係る実施形態について説明する。

本実施形態に係る顕微鏡装置は、図２に示すように、対物レンズ系１１と、瞳拡大レンズ系１２と、結像レンズ系１４と、波面符号化するための位相板２１ｔを含む構造化瞳２１と、撮像素子１５と、表示部１６と、波面符号化するための位相板２１ｔを含む構造化瞳２１と、回転駆動部２２と、制御部２３と、画像生成部２４と、演算部２５とを有する。

対物レンズ系１１と、瞳拡大レンズ系１２と、構造化瞳２１と、結像レンズ系１４と、撮像素子１５とからなる観察系は、筐体１８の中に収納されており、モータＭによって、光軸（紙面上下）方向に移動可能に構成されている。モータＭの駆動は、コントローラ１９を操作することに行うことができ、これにより被検物Ｓに対する合焦位置の調整を行うことができる。

なお、本実施形態では、筐体１８（対物レンズ系１１）を光軸方向に移動させることにより、被検物Ｓとの相対位置を変化させて合焦調整を行っているが、ステージ１７を光軸方向に移動させたり、筐体１８とステージ１７の両方を光軸方向に移動させたりしてもよい。

対物レンズ系１１は、ステージ１７上に載置された被検物Ｓからの光を集光し、該被検物Ｓの像を形成する。

瞳拡大レンズ系１２は、対物レンズ系１１の射出瞳を拡大してリレーする。

構造化瞳２１は、対物レンズ系１１の射出側において、対物レンズ系１１の瞳位置と略共役な位置に設けられ、図３に示すように、対物レンズ系１１からの光束を遮蔽する板状部材２１ａと、板状部材２１ａにおいて対物レンズ系１１の射出瞳の中心に対して偏心した位置に形成された開口２１ｈと、開口２１ｈに装着され対物レンズ系１１を透過した光束の位相に対して変調を施す位相板２１ｔとを有する。

なお、構造化瞳２１の設置位置は、上記に限定されず、対物レンズ系１１の瞳位置であってもよい。

結像レンズ系１４は、構造化瞳２１における、位相板２１ｔを透過した光束を撮像素子１５の結像面に結像させる。

撮像素子１５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等であり、結像レンズ系１４により結像された被検物Ｓの画像を撮像する。

回転駆動部２２は、構造化瞳２１を対物レンズ系１１の射出瞳の中心を通る軸周りに回転駆動させる。

制御部２３は、回転駆動部２２により構造化瞳２１を回転駆動させ、構造化瞳２１が所定角度（例えば、深さ分解能が最も高くなる１８０°）回転する毎に撮像素子１５により画像を取得させる。

なお、制御部２３により回転駆動部２２を回転させる角度を調整することにより、深さ分解能と、被検物Ｓの輪郭部分の精細化とのバランスを調整することができる。例えば、前後で複雑に重なり合うようなサンプルでは、この回転角度を調整して、被検物Ｓの輪郭部分の精細化に重点を置いた撮影が可能である。

画像生成部２４は、構造化瞳２１の位相板１２ｔの作用による位相変調に基づき復元フィルタを演算し、撮像素子１５により取得された画像（取得画像）に対して復元フィルタを作用させることで、被検物Ｓの全焦点画像（復元画像）を生成する。

ここで、画像生成部２４により行われる、撮影後の画像復元方法（Wigner-filter法）についてより説明する。

撮影時におけるノイズをｎ（ｘ，ｙ）とすると、結像方程式より、次式（６）の関係を得る。

これを周波数空間で書き直し、次式（７）と表す。なお、Ｉ（ｘ，ｙ）、Ｏ（ｘ，ｙ）、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）およびｎ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換をそれぞれ、Ｇ（ｕ，ｖ）、Ｆ（
ｕ，ｖ）、Ｈ（ｕ，ｖ）およびＮ（ｕ，ｖ）とした。

ここで、取得画像から実際の被写体画像へ限りなく正確に変換する復元フィルタをＷ（ｕ，ｖ）とし、その結果得られる復元画像をＦ´（ｕ，ｖ）とすると、次式（８）と表すことができる。

このとき最小化すべきコスト関数φは、次式（９）と書ける。

したがって、コスト関数φを最小にする復元フィルタＷ（ｕ，ｖ）は、次式（１０）の条件を満足する必要がある。

これを解くと、復元フィルタＷ（ｕ，ｖ）は、次式（１１）となる。

この復元フィルタＷ（ｕ，ｖ）が、ウィグナフィルタ（Wigner-filter）と称されるものである。そして、最終的な復元画像は、Ｆ´（ｕ，ｖ）＝Ｇ（ｕ，ｖ）・Ｗ（ｕ，ｖ）を逆フーリエ変換することで得られる。

但し、Ｆ（ｕ，ｖ）やＮ（ｕ，ｖ）は、通常既知ではないため、推定作業が必要となる。一般的には、｜Ｎ（ｕ，ｖ）｜²／｜Ｆ（ｕ，ｖ）｜²の項を、画像全体にわたって定数とみなす。ゆえに、復元フィルタＷ（ｕ，ｖ）は、次式（１２）と書ける。

式（１２）において、定数ｋは、最も良好な復元画像が得られるように設定する。

上述している通り、本実施形態に係る（構造化瞳２１の位相板２１ｔにより）波面符号化（Wavefront-Coding）された光学系では、拡大された焦点深度内においてＰＳＦが不変
であるため、復元処理に用いるＰＳＦも１つで足りる。

なお、画像生成部２４による画像の復元方法は、ここまで説明してきたウィグナフィルタ（Wigner-filter）法に限定されるわけではないが、この方法が最も高速かつ容易に画像の復元を行うことができる。

演算部２５は、画像生成部２４により生成された少なくとも２枚の全焦点画像から、周知のステレオ測量の原理を用いて、被検物Ｓの３次元情報を算出する。

表示部１６は、液晶表示装置等であり、演算部２５により算出された被検物Ｓの３次元情報を画面表示する。

本実施形態では、表示部１６に、被検物Ｓの深さとその方向に応じてＲＧＢのグラデーションで色付けした、被検物Ｓの全焦点画像を表示する。例えば、図３の［画像３］に示すように、構造化瞳２１を挿入する前の焦点位置（基準焦点位置）を基準として、一致しているところは緑色に、前側に位置するほど赤色に、後側に位置するほど青色になるように色付けされている。具体的には、図３の［画像３］は、対物レンズ系１１までの距離が互いに異なる３つの被検物Ｓ₄，Ｓ₅，Ｓ₆を観察した場合を例示しており、ピントが合っている被検物Ｓ₅に対しては緑色の像Ｇ₅が表示される。また、それ以外の部分、合焦位置よりも前側にある被検物Ｓ₄に対しては赤色の像Ｒ₄が、合焦位置よりも後側にある被検物Ｓ₆に対しては青色の像Ｂ₆が表示される。

上記構成により、本実施形態に係る顕微鏡装置では、ステージ１７上の被検物Ｓからの光束は、対物レンズ系１１、瞳拡大レンズ系１２および構造化瞳２１を順に透過して、結像レンズ系１４により撮像素子１５の撮像面に結像され、表示部１６に撮像素子１５により取得された画像が表示される。

ここで、画像生成部２４による全焦点画像の生成から、演算部２５による被検物Ｓの３次元情報の算出、表示部２６による結果表示に至るまでの一連の処理過程について説明する。

まず、制御部２３により、図３の［状態１］に示すように、回転駆動部２２を駆動して構造化瞳２１を予め設定された第１の撮影位置まで回転させ、撮像素子１５により被検物Ｓの画像を取得させる。

次に、画像生成部２４により、構造化瞳２１の位相板１２ｔの作用による位相変調に基づき復元フィルタ（例えば、上述のようなウィグナフィルタ）を演算し、撮像素子１５により取得された画像に対して前記復元フィルタを作用させ、被検物Ｓの全焦点画像（ここでは［画像１］とする）を生成する。

続いて、制御部２３により、図３の［状態２］に示すように、回転駆動部２２を駆動して、構造化瞳２１を第１の撮影位置から所定角度（１８０°）隔てた第２の撮影位置まで回転させ、再び撮像素子１５により被検物Ｓの画像を取得させる。

そして、画像生成部２４により、撮像素子１５により取得された画像に対して前記復元フィルタを作用させ、被検物Ｓの全焦点画像（ここでは［画像２］とする）を生成する。

図３の［状態１］と［状態２］に示すように、第１の撮影位置と第２の撮影位置とでは構造化瞳２１の瞳の中心位置が左右に異なっているので、図３の［画像１］と［画像２］で示すように、被検物Ｓの深さに応じて視差シフトの方向が異なる。そこで、これら２枚
の画像から、周知のステレオ測定の原理を用いれば、被検物Ｓの３次元情報を推定することができる。すなわち、波面符号化により失われた奥行き方向の分解能（前後判断および深さ位置）をステレオ測定により補充することで、焦点深度の拡大と奥行き方向の分解能の向上を同時に実現させている。

従来、被検物Ｓの３次元情報の取得には、被検物Ｓの深さに応じて、多数の画像を取得する必要があった。しかしながら、本実施形態では、最小２回の撮影で足りるため、極めて高速に、被検物Ｓの３次元情報を得ることができる。

また、同じ光学配置の独立した２つの光学系を用意して、図３の「状態１」と「状態２」で示すような、構造化瞳２１が異なる撮影位置にある状態での撮影を同時に行える構成とすれば、実質上１回の撮影で、被検物Ｓの３次元情報を取得することができる。この構成にすれば、さらに迅速に撮影できるので、動的なサンプルであっても、３次元情報を取得することが可能である。

続いて、本実施形態において実現できる、深さ分解能（奥行き分解能）Δｚについて説明する。深さ分解能Δｚは、薄肉レンズを想定した近軸近似幾何光学により見積もると、次式（１３）で表すことができる。

ここで、Ｄは構造化瞳２３における（例えば、図３の［状態１］と［状態２］で示すような）少なくとも２か所の撮影位置における瞳中心位置の相対距離間隔（偏心量）、ｆ_objは対物レンズ系１１の焦点距離、Ｆ_objは対物レンズ系１１のＦナンバー、γは瞳拡大レンズ系１２による外部繰り出し瞳の拡大倍率、ｆ₃は結像レンズ系１４の焦点距離、ｐｓは撮像素子１５のピクセルサイズである。

参考として、ｆ_obj＝20mm、Ｆ_obj＝1.5、γ=5、ｆ₃＝200mm、ｐｓ＝4.5μm、Ｄ＝30mmという条件では、Δｚ＝0.3μmという分解能を達成できる。

本実施形態に係る光学解像力については、理想的な状態であれば、構造化瞳２３の開口径の大きさで定義される、実行的なＦナンバーで決まる。但し、焦点深度の拡大度（位相量）や、撮像素子１５のＳ／Ｎにも依存する。例えば、焦点深度を２０倍拡大する場合では、最高解像力付近のコントラストは１／１００程度にまで低下する（が、ゼロに落ちているわけではない）。このとき撮像素子１５のＳ／Ｎが負けてしまうと、この付近の周波数成分は欠落し、光学解像力は低下する。したがって、第２の実施形態で採用する撮像素子１５は、Ｓ／Ｎの高いものを採用することが好ましい。

本実施形態に係る構造化瞳２１の位相板２１ｔの大きさについて説明する。まず、外部に繰り出された瞳内における位相板２１ｔの瞳中心からの偏心量Ｄについては、上述したように、深さ分解能Δｚに関する式から決定することができる。すなわち、式（１３）で見積もることができるので、使い手が所望とする深さ分解能Δｚが達成できるように、偏心量Ｄを調整すればよい。

一方、位相板２１ｔの大きさは、本実施形態に係る光学解像力に効いてくる。理想的な状態であれば、構造化瞳２１の開口２１ｈの大きさ、すなわち位相板２１ｔの大きさで定
義される実行的なＮＡで光学解像力が決まる。つまり、位相板２１ｔの大きさは、上述の深さ分解能Δｚの過程によって決定した偏心量Ｄを満たすならば、可能な限り大きくあるべきである。

以上の条件から、位相板２１ｔの大きさ（直径）φ´は、次の式（１４）で決まる（図４参照）。

なお、このときの光学解像力ΔＲは、次式（１５）となる。

まとめると、本実施形態に係る顕微鏡装置では、波面符号化するための位相板２１ｔが装着された開口２１ｈを備える構造化瞳２１を、光学系内に組み込んだ構成となっている。これにより、撮像素子１５に結像される被検物像は、焦点深度が拡大されたものとなる。

さらに、本実施形態では、構造化瞳２１は、開口２１ｈが対物レンズ系１１の射出瞳の中心から偏心した位置に形成され、かつ射出瞳中心を中心軸として回転自在に構成されている。構造化瞳２１を回転させて異なる撮影位置で少なくとも２回撮影を行い、取得画像に復元処理を施して全焦点画像を生成し、そのうち少なくとも２枚の画像からステレオ測定の原理を用いて３次元情報を算出する。または、独立した２つの光学系を用意して、構造化瞳２１が異なる撮影位置にある状態での撮影を同時に行える構成とし、１回の撮影で２枚の全焦点ステレオ画像を取得して３次元情報を算出する。

つまり、本実施形態では、構造化瞳２１の作用により、極めて簡易な方法で、かつ高速にサンプルの３次元情報を取得することができる。また、静的なサンプルだけでなく、動的なサンプルに対しても適用が可能となる。

また、本実施形態は、別の技術的課題も解決することができる。

顕微鏡装置において被検物を観察する場合には、最初に合焦操作を行う必要がある。しかしながら、顕微鏡装置に用いられる光学系は、ピントの合う範囲が狭いため、モニタ画面を見ながらのスムーズな合焦操作には、ある程度の熟練さが必要であることが多い。特に、未知なる被検物への合焦操作は、相当難しい。この点、本実施形態に係る顕微鏡装置では、奥行き方向にわたるサンプル全体の部位を映し出し、所望とする観察部位に対して容易に合焦操作を行うことができる。

そのために、構造化瞳１３は、対物レンズ系１１の射出側において、対物レンズ系１１の瞳位置と略共役な位置に設けられ、図５（ａ）に示すように、対物レンズ系１１からの光束を遮蔽する板状部材１３ａと、板状部材１３ａに形成された第１および第２の開口１３ｈ₁，１３ｈ₂と、各開口１３ｈ₁，１３ｈ₂に重ねて装着され、対物レンズ系１１を透過
した光束の位相に対して変調を施す位相板１３ｔ，１３ｔと、所定の色成分の光束のみを透過させるフィルタ、例えば赤，青のカラーフィルタ１３ｒ，１３ｂとを有する。各開口１３ｈ₁，１３ｈ₂は、対物レンズ系１１の射出瞳の中心に対してそれぞれ偏心した位置に設けられている。

なお、開口１３ｈ₁，１３ｈ₂には、同じ形状の位相板１３ｔを装着している。また、フィルタ１３ｒ，１３ｂとして、赤，青の２色を想定しているが、この２色に限定されるわけではない。各フィルタ１３ｒ，１３ｂの透過波長領域は、撮像素子１５の測定可能帯域であればよく、特定の波長に限定されるわけではない。構造化瞳１３の設置位置は、上記に限定されず、対物レンズ系１１の瞳位置であってもよい。構造化瞳１３の構成は、精度よく色成分ごとの画像を取得できるものであればよく、本実施形態に限定されるわけではない。

結像レンズ系１４は、構造化瞳１３における、第１の開口１３ｈ₁に装着された位相板１３ｔおよび（赤色）フィルタ１３ｒを透過した光束と、第２の開口１３ｈ₂に装着された位相板１３ｔおよび（青色）フィルタ１３ｂを透過した光束を、それぞれ撮像素子１５の撮像面に結像させる。

上記構成により、ステージ１７上の被検物Ｓからの光束は、対物レンズ系１１、瞳拡大レンズ系１２および構造化瞳１３を順に透過して、結像レンズ系１４により撮像素子１５の撮像面に結像され、表示部１６に撮像素子１５により取得された画像が表示される。

本実施形態においては、構造化瞳１３は、上述したように、波面符号化のための位相板１３ｔ，１３ｔと、異なる波長成分の光束を透過させるカラーフィルタ１３ｒ，１３ｂとを、左右それぞれに（対物レンズ系１１の射出瞳中心に対して偏心した位置）に備える構成となっている。この構造化瞳１３を観察系内に組み込むことで、（１）位相板１３ｔ、１３ｔの作用（すなわち、波面の符号化）により焦点深度が拡大されて、ピントが大きく外れた点の被検物Ｓを確認することができる、（２）カラーフィルタ１３ｒ、１３ｂを透過する色成分ごとに（本実施形態では赤色と青色で）被検物Ｓの像が視差分割される。視差分割の方向と大きさは、構造化瞳１３を挿入する前の対物レンズ系１１の焦点位置（基準焦点位置）を原点として、被検物Ｓの３次元情報、すなわち被検物Ｓの方向（前側と後側）および深さ量に依存する。基準焦点位置と被検物Ｓの深さが一致している場合は、視差分割量はゼロになり、色ズレが起こらない。このように画像から、被検物Ｓの全体像および基準焦点位置に対する前後関係を把握することができる。この様子を図５（ｂ）に示す。

例えば、対物レンズ系１１までの距離が互いに異なる３つの被検物Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃を観察する場合、図５（ｂ）の［画像４］で示すように、ピントが合っている被検物Ｓ₂に対しては色ズレが起こらず、その像は紫色の像Ｐ₂として表示される。また、それ以外の部分では色ズレが起こり、被検物Ｓ₁に対しては赤色の像Ｒ₁および青色の像Ｂ₁が、被検物Ｓ₃に対しては赤色の像Ｒ₃および青色の像Ｂ₃が表示される。この状態から、筐体１８を移動調整して、図５（ｂ）の［画像５］で示すように、被検物Ｓ₁にピントを合わせたとすると、ピントが合っている被検物Ｓ₁に対しては色ズレが起こらず、その像は紫色の像Ｐ₁として表示される。また、それ以外の部分では色ズレが起こり、被検物Ｓ₂に対しては赤色の像Ｒ₂および青色の像Ｂ₂が、被検物Ｓ₃に対しては赤色の像Ｒ₃´および青色の像Ｂ₃´が表示される。

したがって、被検物Ｓに対してピント位置が大きくズレていても、被検物Ｓの全体像を確認することができるとともに、色ズレの量とその方向により被検物Ｓの３次元情報を視覚的に区別することができる。

ゆえに、観察者は、表示部１６の画面を見ながら、自分が望む被検物Ｓの位置において視差分割（色ズレ）がゼロになるように、コントローラ１９を操作して筐体１８を上下方向に移動させればよく、観察作業のはじめに行うような、被検物Ｓの被検部位を探し出すための大まかなピント合わせ（以下、初期ピント合わせと称する）が極めて容易となる。このピント合わせは、コンピューターによる自動制御でもよい。

初期ピント合わせを終えた後は、構造化瞳１３を光路上から引き抜き、通常の観察（撮影）に移行すればよい。

まとめると、本実施形態に係る顕微鏡装置では、波面符号化するための位相板１３ｔと異なるカラーフィルタ１３ｒ、１３ｂとが重ねて装着された２つの開口１３ｈ₁，１３ｈ₂を備える構造化瞳１３を、光学系内に組み込んだ構成となっている。これにより、撮像素子１５に結像される被検物像は、焦点深度が拡大され、かつ色成分ごとに視差分割されたものとなる。すなわち、表示部１６のモニタ画面には、ピント位置が大きくズレていても被検物Ｓの全体像を確認でき、かつ被検物Ｓの３次元情報を色ズレから視覚的に区別できる画像が映し出される。観察者は、これを見ながら、被検物Ｓの所望の位置での色ズレがなくなるように合焦操作をすればよく、初期のピント合わせの難しさが大幅に緩和される。

つまり、構造化瞳１３の作用により、被検物Ｓの観察・測定したい被検部位を簡単に探し出すことができ、合焦作業の効率化を図ることができる。

ここまで本発明を分かりやすくするために、実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

１１対物レンズ系
１２瞳拡大光学系
１３構造化瞳（第１の実施形態）
１３ａ板状部材
１３ｈ構造化瞳の開口
１３ｔ位相板
１３ｒ，１３ｂフィルタ
１４結像レンズ系
１５撮像素子
１６表示部
２１構造化瞳（第２の実施形態）
２１ａ板状部材
２１ｈ構造化瞳の開口
２１ｔ位相板
２２回転駆動部
２３制御部
２４画像生成部
２５演算部

Claims

被検物からの光束を集光する対物レンズ系と、
前記対物レンズ系の射出側において、前記対物レンズ系の射出瞳位置もしくは前記瞳位置と略共役な位置に設けられ、前記対物レンズ系からの光束を遮蔽する板状部材と、前記板状部材において前記対物レンズ系の射出瞳の中心に対して偏心した位置に形成された開口と、前記開口に装着され前記対物レンズ系を透過した光束の位相に対して変調を施す位相板とを有する構造化瞳と、
前記位相板を透過した光束を撮像素子に結像させる結像レンズ系と、
前記構造化瞳を前記対物レンズ系の射出瞳の中心を通る軸周りに回転駆動させる回転駆動部と、
前記回転駆動部により前記構造化瞳を回転駆動させ、前記構造化瞳が所定角度回転する毎に前記撮像素子により画像を取得させる制御部と、
前記位相板の作用による位相変調に基づき復元フィルタを演算し、前記撮像素子により取得された画像に対して前記復元フィルタを作用させることで、前記被検物の全焦点画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された少なくとも２枚の全焦点画像から、ステレオ測量の原理を用いて、前記被検物の３次元情報を算出する演算部と、
前記演算部により算出された前記被検物の３次元情報を表示する表示部とを有することを特徴とする顕微鏡装置。
被検物からの光束を集光する対物レンズ系と、
前記対物レンズ系の射出側において、前記対物レンズ系の射出瞳位置もしくは前記瞳位置と略共役な位置に設けられ、前記対物レンズ系からの光束を遮蔽する板状部材と、前記板状部材に形成された複数の開口と、前記対物レンズ系を透過した光束の位相に対して変調を施す位相板と、所定の色成分の光束のみを透過させるフィルタとを備え、前記複数の開口にはそれぞれ前記位相板と前記フィルタとが重ねて装着されている構造化瞳と、
前記位相板および前記フィルタが装着された前記複数の開口を透過した光束を撮像素子に結像させる結像レンズ系と、
前記撮像素子により取得された画像を表示する表示部とを有し、
前記表示部には、各フィルタを透過して色成分ごとに視差分割され、かつ前記位相板を透過して焦点深度が拡大された前記画像が表示されることを特徴とする顕微鏡装置。
前記対物レンズ系の射出瞳を拡大してリレーする瞳拡大レンズ系を有し、
前記構造化瞳は、前記瞳投影レンズ系により拡大してリレーされた前記対物レンズ系の射出瞳と略共役な位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
前記位相板は、３次関数型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記構造化瞳は、光路上から挿脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。