JP2014014006A

JP2014014006A - 撮像装置

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Publication number: JP2014014006A
Application number: JP2012150537A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kono; 高之河野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: JP6063658B2; EP2682802B1; EP2682802A1; US20140009594A1; US9348131B2

Abstract

【課題】低コストで、装置の小型化を図り、入射光量の低下を防止しつつ、高精細な画像を取得する。
【解決手段】入射光を２つ以上の光路に入射させる光路設定部材１９と、該光路設定部材１９により設定された各光路に入射した光を撮影する特性の異なる２つ以上の撮像素子１１，１２と、２つ以上の撮像素子１１，１２の少なくとも１つの撮像素子１１を取り付けて、該撮像素子１１を光軸に直交する方向に微小移動させる移動手段１４とを備える撮像装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

従来、内部に２つの撮像素子を備え、対物レンズによって集光された光を分岐して異なる光学素子を介して各撮像素子に導くことにより特性の異なる２つの画像を同時に取得する撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１８６９１７号公報

しかしながら、特許文献１の撮像装置では、高精細な画像を取得するためには、分解能の高い大きな撮像素子、あるいは、画素ピッチの小さい撮像素子を採用する必要があり、分解能の高い撮像素子はコストが高くつき、大きな撮像素子は装置を大型化させることとなり、画素ピッチの小さい撮像素子は各画素に入射する光量を低下させてしまうという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、低コストで、装置の小型化を図り、入射光量の低下を防止しつつ、高精細な画像を取得することができる撮像装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、入射光を２つ以上の光路に入射させる光路設定部材と、該光路設定部材により設定された各前記光路に入射した光を撮影する特性の異なる２つ以上の撮像素子と、２つ以上の前記撮像素子の少なくとも１つを取り付けて、該撮像素子を光軸に直交する方向に微小移動させる移動手段とを備える撮像装置を提供する。

本態様によれば、入射光が光路設定部材によって２つ以上の光路に入射させられ、各光路に配置された特性の異なる撮像素子によって撮影されることにより、観察方法に適した異なる２つ以上の方法で被写体を観察することができる。この場合において、移動手段を作動させて、該移動手段に取り付けられた少なくとも１つの撮像素子を光軸に直交する方向に微小移動させることにより、該撮像素子の見かけ上の画素数を増大させ、高精細な画像を取得することができる。撮像素子自体を大きくしたり、画素数を大きくしたりしないので、低コストで、装置の小型化を図り、入射光量の低下を防止しつつ、高精細な画像を取得することができる。

上記態様においては、前記移動手段が、前記光路の内、幾何学的光路長の最も短い光路に配される撮像素子を取り付けていてもよい。
このようにすることで、入射光が撮像素子に到達するまでの情報の劣化を最小限に抑えて、さらに高精細な画像を取得することができる。

また、上記態様においては、前記光路設定部材が、前記入射光の光路上に挿脱可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、入射光の光路上に光路設定部材を挿脱することにより、入射光が辿る光路を切り替えることができ、各光路に配置された撮像素子には、それぞれ全ての入射光を入射させることができる。

また、上記態様においては、前記光路設定部材が、前記入射光の光路上に配置され、該光路を２以上に分岐してもよい。
このようにすることで、２つ以上の光路に配置されている２つ以上の撮像素子によって、同一の被写体の特性の異なる２つ以上の画像を同時に取得することができる。

また、上記態様においては、前記光路設定部材が、前記入射光を反射する相互に平行な２つの反射面を有していてもよい。
このようにすることで、光路設定部材を入射光の光路に挿脱する場合には、切り替えられる２つの光路を相互に精度よく平行に設定できる。また、光路設定部材を入射光の光路に配置して入射光を分岐する場合には、分岐後の２つの光路を相互に精度よく平行に設定できる。これにより、各光路に配置される２つの撮像素子を横に並べて配置でき、撮像装置をコンパクトに構成できる。

また、上記態様においては、２つ以上の前記撮像素子が、異なる平面上に撮像面を配置していてもよい。
このようにすることで、２つ以上の異なる光路の光路長の差を吸収して、各撮像素子の撮像面に、それぞれ入射光を集光し、鮮明な画像を取得することができる。

また、上記態様においては、少なくとも１つの前記撮像素子への光路が、前記入射光の光路に一致していてもよい。
このようにすることで、直線状の光路を辿って少なくとも１つの撮像素子に入射させることにより、入射光が撮像素子に到達するまでの情報の劣化を最小限に抑えて、さらに高精細な画像を取得することができる。

また、上記態様においては、前記撮像素子を気密状態に密閉された空間内に配置する収容部を備えていてもよい。
このようにすることで、撮像素子における結露の発生を防止することができる。

本発明によれば、低コストで、装置の小型化を図り、入射光量の低下を防止しつつ、高精細な画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る撮像装置を搭載する顕微鏡を示す全体構成図である。図１の顕微鏡に搭載される本実施形態に係る撮像装置を示す縦断面図である。図２の撮像装置の中板上方の空間に配置された揺動機構を示す筐体を切断した横断面図である。図２の撮像装置における中板下方の空間に配置されたプリズムおよび撮像素子を示す図である。図２の撮像装置に備えられる２つの撮像素子を固定する移動手段を説明する斜視図である。図２の撮像装置に備えられる２つの撮像素子までの光路長を説明する図であり、（ａ）カラーＣＣＤへの光路長、（ｂ）モノクロＣＣＤへの光路長をそれぞれ示す図である。

本発明の一実施形態に係る撮像装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１は、顕微鏡（観察装置）２用の撮像装置１である。

顕微鏡２は、図１に示されるように、標本Ａを位置決め可能に載置し、上下方向に移動可能に設けられたステージ３と、ステージ３に搭載された標本Ａの像を拡大する対物レンズ４と、結像レンズ（図示略）と、目視観察のための接眼レンズ５とを備えている。

本実施形態に係る撮像装置１は、図１に示されるように、筐体６と、該筐体６を顕微鏡２に着脱可能に取り付けるための接続部７とを備えている。接続部７は、例えば、図２に示されるように、顕微鏡２側に設けられたアリ溝８に係合するアリ９を備えている。接続部７としては、アリ９とアリ溝８に限定されるものではなく、他の任意の接続方法を採用できる。

また、本実施形態に係る撮像装置１は、接続部７に設けられ、顕微鏡２により集光された標本Ａからの光を筐体６内に入射させる開口部１０と、該開口部１０を介して、入射光軸Ｘに沿って入射した光を撮影する２つの撮像素子１１，１２と、開口部１０から各撮像素子１１，１２への光路を切り替える光路切替手段１３と、撮像素子１１をその光軸１１ａ（図６（ａ）参照）に直交させる方向に微小移動させる移動手段１４とを備えている。

２つの撮像素子１１，１２は、例えば、色再現性に優れたカラーＣＣＤ（以下、カラーＣＣＤ１１とも言う。）と、カラーＣＣＤ１１よりも高感度のモノクロＣＣＤ（以下、モノクロＣＣＤ１２とも言う。）である。
カラーＣＣＤ１１は、後述する移動手段１４が停止している状態では、撮像面に対して垂直な光軸１１ａを、接続部７に設けられた開口部１０の入射光軸Ｘに一致させて配置されている。また、モノクロＣＣＤ１２は、その撮像面に対して垂直でかつカラーＣＣＤ１１の光軸１１ａと間隔をあけて平行に配置された光軸１２ａ（図６（ｂ）参照）を有している。

撮像素子１１，１２は、筐体６内の中板１５に固定された密閉室（収容部）１６の中に配置されている。密閉室１６には、２箇所の開口１６ａ，１６ｂが設けられ、各開口１６ａ，１６ｂは防塵ガラス１７によって密閉されている。また、密閉室１６と中板１５との間は図示しないシール部材によって気密状態に密封されている。また、密閉室１６内には、密閉室１６内を低湿度に維持する除湿手段（図示略）が設けられていてもよい。

各撮像素子１１，１２の裏面には該撮像素子１１，１２における発熱を放散させるための熱交換素子１８が配置されている。熱交換素子１８は、例えばペルチェ素子であり、撮像素子１１，１２を後述する移動手段１４に固定するための構造部材としても使用されている。

光路切替手段１３は、プリズム（光路設定部材）１９と、該プリズム１９をカラーＣＣＤ１１およびモノクロＣＣＤ１２の光軸１１ａ，１２ａに平行な揺動軸線２０ａ回りに揺動可能に支持する揺動機構２０とを備えている。
プリズム１９は、平行間隔をあけて配置される２つの反射面１９ａ，１９ｂを有する平行六面体状のプリズム１９である。

プリズム１９は、揺動機構２０の作動によって、開口部１０から入射する光束の入射光軸Ｘ上に挿入される位置と、入射光軸Ｘ上から外れた位置との間で移動させられるようになっている。プリズム１９は、その一方の反射面１９ａが開口部１０から入射する光束の入射光軸Ｘ、すなわち、これに一致する位置に固定されているカラーＣＣＤ１１の光軸１１ａ上に配置されるときには、該光軸１１ａに対して４５°の角度をなして配置されるようになっている。

これにより、開口部１０を介して入射されてきた光束は、反射面１９ａによって９０°偏向させられた後、他の反射面１９ｂに入射させられるようになっている。２つの反射面１９ａ，１９ｂは平行間隔をあけて配置されているので、一方の反射面１９ａによって偏向された光束の光軸に対して他方の反射面１９ｂは４５°の角度をなして配置されるようになっている。

すなわち、プリズム１９は、一方の反射面１９ａによって９０°偏向された光束を他方の反射面１９ｂによって再度９０°偏向するようになっている。プリズム１９に入射した光束は、９０°ずつ２回偏向されることにより、プリズム１９によってクランク状に屈曲させられて、入射光軸Ｘに対して精度よく平行な射出光軸Ｙに沿って射出されるようになっている。

一方、揺動機構２０によってプリズム１９が入射光軸Ｘ上から離脱させられると、開口部１０を介して入射してきた光束は、プリズム１９を介することなく、カラーＣＣＤ１１に直接入射させられるようになっている。

揺動機構２０は、ステッピングモータ２１と、該ステッピングモータ２１の回転力をプリズム１９に伝達する伝達機構２２と、ステッピングモータ２１を制御する制御部２３とを備えている。制御部２３には、設定された角度位置までプリズム１９を揺動させるためのデータが記憶され、制御部２３は記憶されたデータに基づいてステッピングモータ２１を制御するようになっている。図中符号２４（図３参照）はステッピングモータ２１と制御部２３とを接続するケーブルである。

伝達機構２２は、ステッピングモータ２１に設けられた第１ギヤ２２ａと、筐体６の中板１５にベアリング２５によって、揺動軸線２０ａ回りに揺動可能に支持され、一端にプリズム１９を固定するシャフト２６と、シャフト２６に固定され第１ギヤ２２ａに噛み合う第２ギヤ２２ｂとを備えている。ステッピングモータ２１の回転力は、第１ギヤ２２ａおよび第２ギヤ２２ｂを介してシャフト２６に伝達され、シャフト２６がその揺動軸線２０ａ回りに回転させられることにより、シャフト２６の一端に固定されたプリズム１９が所定角度だけ揺動させられるようになっている。図中、符号２７はベアリング２５に予圧をかけるナットである。

図６（ｂ）に示されるように、プリズム１９の入射光軸Ｘと射出光軸Ｙとの間隔寸法Ｌ１２は設計上、カラーＣＣＤ１１とモノクロＣＣＤ１２との光軸１１ａ，１２ａの間隔寸法に一致している。また、図６（ａ）に示されるように、開口部１０からカラーＣＣＤ１１の撮像面までの距離Ｌ０、図６（ｂ）に示されるように、開口部１０から反射面１９ａまでの距離Ｌ１１、他方の反射面１９ｂからモノクロＣＣＤ１２の撮像面までの距離Ｌ１３とする。

この場合、開口部１０を介して筐体６内に入射した光が、２つの撮像素子１１，１２の撮像面においていずれもピントずれを生じないようにするには、空気換算長で、
Ｌ０＝Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３（１）
であることが必要である。
そこで、プリズム１９を介することにより実寸法が長くなる図６（ｂ）のモノクロＣＣＤ１２側の光路長については、プリズム１９によって空気換算長が伸びるのを補償するために、熱交換素子１８と移動手段１４との間に間隔部材２８を配置している。

移動手段１４は、図５に示されるように、金属製平板２９にピエゾ素子３０を埋め込むことにより構成されている。金属製平板２９には、筐体６の中板１５に固定される固定部３１と、金属製平板２９に、例えば、ワイヤカット加工法により板厚方向に貫通する複数の溝３２ａを形成することによって構成された複数のヒンジ部３２と、該ヒンジ部３２を変形させることにより、固定部３１に対して板厚方向に直交する方向に移動可能に設けられた可動部３３とが設けられている。図中、符号３４は、移動手段１４を中板１５に図示しないビスで固定するための貫通孔である。

図２に示す例では、カラーＣＣＤ１１は熱交換素子１８を介して可動部３３に固定され、モノクロＣＣＤ１２は間隔部材２８および熱交換素子１８を介して固定部３１に固定されている。
ピエゾ素子３０は、可動部３３を固定部３１に対して金属製平板２９の板厚に直交する２方向に変位させるように２カ所に埋め込まれている。２つのピエゾ素子３０の変位によるヒンジ部３２の変位を組み合わせることにより、可動部３３を固定部３１に対して２次元的に微小移動させることができるようになっている。

ピエゾ素子３０には図示しないケーブルが接続され、該ケーブルは中板１５に設けられた貫通孔３５（図３参照）を介して制御部２３に接続されている。制御部２３は、ケーブルを介してピエゾ素子３０に交流信号を出力し、ピエゾ素子３０を伸縮させることにより、可動部３３を金属製平板２９の板厚に直交する２方向に２次元的に往復微小変位させるようになっている。

ピエゾ素子３０による可動部３３の変位は、例えば、カラーＣＣＤ１１の画素ピッチの半分の振幅で、画素の配列の行方向および列方向の両方向に変位するように設定されている。
図中符号３６（図３参照）は、制御部２３を外部のコンピュータに接続するためのコネクタである。

このように構成された本実施形態に係る撮像装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１を用いて顕微鏡２により集光された標本Ａからの光を撮影するには、まず、顕微鏡２のステージ３上に標本Ａを載置してステージ３を上下方向に移動させ、対物レンズ４の焦点位置に標本Ａを配置する。これにより、対物レンズ４、結像レンズおよび接眼レンズ５により形成された標本Ａの拡大像が観察可能となる。

そして、標本Ａの像を撮像装置１によって観察するには、図示しない光路切替機構により接眼レンズ５から撮像装置１側に光路を切り替える。すると、標本Ａからの光束は撮像装置１内に、開口部１０を介して入射する。

カラーＣＣＤ１１により標本Ａを低解像度で観察したい場合には、コネクタ３６に接続されたコンピュータを操作して、制御部２３を介してステッピングモータ２１を作動させ、伝達機構２２を介して、プリズム１９を図４に実線で示される位置まで揺動させる。これにより、プリズム１９が、開口部１０とカラーＣＣＤ１１との間から離脱させられるので、開口部１０を介して筐体６内に入射した光束は、プリズム１９を介することなく、直接、カラーＣＣＤ１１により撮影される。

この状態で、制御部２３は、移動手段１４を作動させることなく、可動部３３を静止させた状態のままで、カラーＣＣＤ１１を作動させ、標本Ａの像を撮影する。これにより、カラーＣＣＤ１１の有する画素数での標本Ａの画像を取得することができる。
このとき、カラーＣＣＤ１１は熱交換素子１８の駆動により冷却される。熱交換素子１８において発生した熱は移動手段１４を構成している金属製平板２９、中板１５および筐体６を介して外部に放散される。

次に、カラーＣＣＤ１１により標本Ａを高解像度で観察したい場合には、コネクタ３６に接続されたコンピュータを操作して、制御部２３を介して移動手段１４を作動させる。移動手段１４により、可動部３３に配置されているカラーＣＣＤ１１をその光軸１１ａに直交する方向に変位させる。移動手段１４によるカラーＣＣＤ１１の変位を、例えば、カラーＣＣＤ１１の画素ピッチの半分とすることにより、カラーＣＣＤ１１の画素間の中央にも画素を配置することができ、短い画素ピッチで多数の画素が配列されたカラーＣＣＤ１１を擬似的に構成して、高解像度の画像を取得することができる。

この場合において、現実に短いピッチで多数の画素が配列されたカラーＣＣＤ１１を採用しても同様の解像度を得ることはできるが、その場合には、各画素に入射される光量が低下してしまい明るい画像を取得することが困難になる。本実施形態によれば、画像の明るさを低下させることなく高解像度の画像を取得することができるという利点がある。

また、カラーＣＣＤ１１と開口部１０との間の光路上には防塵ガラス１７が配置されているだけで、ほぼ空気のみが存在している状態であるので、色収差が発生せず、色再現性の高い画像を取得することができるという利点もある。
また、移動手段１４は、カラーＣＣＤ１１を光軸に直交する方向に移動させるので、カラーＣＣＤ１１に入射する標本Ａの像の位置ズレ（心ズレ）を補正してもよい。

一方、モノクロＣＣＤ１２により標本Ａを高感度で観察したい場合には、コンピュータを操作して制御部２３を介してステッピングモータ２１を作動させ、伝達機構２２を介して、プリズム１９を図４に鎖線で示される位置まで揺動させる。これにより、プリズム１９が、開口部１０とカラーＣＣＤ１１との間に挿入されるので、開口部１０を介して筐体６内に入射した光束は、プリズム１９の２つの反射面１９ａ，１９ｂによって反射された後にモノクロＣＣＤ１２により撮影される。

モノクロＣＣＤ１２も同様にして、熱交換素子１８の駆動により冷却される。熱交換素子１８において発生した熱は、間隔部材２８、移動手段１４を構成している金属製平板２９、中板１５および筐体６を介して外部に放散される。

この場合に、２つの反射面１９ａ，１９ｂは相互に平行に設けられているので、揺動機構２０における揺動の精度やプリズム１９の設置精度が低くても、開口部１０から入射光軸Ｘに沿って入射した光束は、２回反射された後に、モノクロＣＣＤ１２の光軸１２ａに精度よく沿ってモノクロＣＣＤ１２に入射し、かつ、観察像を回転させることなくモノクロＣＣＤ１２により撮影される。

また、筐体６内の光学系が配置されている空間は、中板１５によって、ステッピングモータ２１や伝達機構２２が配置されている空間から隔絶されているので、伝達機構２２等において発生した塵埃が観察光を遮ることがない。したがって、観察像に塵埃が写り込むことを防止して、鮮明な画像を得ることができる。また、撮像素子１１，１２を密閉室１６内に配置しているので、湿気を含む外気の進入が防止され、結露の発生を防止することができる。

このように、本実施形態に係る撮像装置１によれば、高解像度の画像を取得するために、画素ピッチの小さい撮像素子や、画素数が多い大型の撮像素子を採用せずに済むので、低コストで、小型化を図り、入射光量の低下を防止しつつ、高精細な画像を取得することができるという効果を奏する。

また、本実施形態に係る撮像装置１によれば、可動部３３により微小移動させるカラーＣＣＤ１１を、開口部１０との間に防塵ガラス１７のみが存在する光路上に配置したので、標本Ａの像の劣化が抑えられ、さらに高精細な画像を取得することができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、２つの撮像素子１１，１２を備え、カラーＣＣＤ１１によって２種類の解像度の画像を取得し、かつ、モノクロＣＣＤ１２によって１種類の画像を取得することとしたが、これに限定されるものではなく、３つ以上の撮像素子を切り替えてもよい。

あるいは、撮像素子１１，１２として、カラーＣＣＤ１１とモノクロＣＣＤ１２とを採用したが、これに代えて、両方ともカラーＣＣＤ１１であってもモノクロＣＣＤ１２であってもよい。また、ＣＣＤに代えて、ＣＭＯＳイメージセンサを採用してもよい。

また、密閉室１６を密封する防塵ガラス１７に代えて、各撮像素子１１，１２に対して、観察に適した波長帯域の光のみを通過させるフィルタを採用してもよい。
また、本実施形態においては、２つの反射面１９ａ，１９ｂが光軸１１ａ，１２ａに対して４５°に傾斜配置されていることとしたが、これに代えて、２つの反射面１９ａ，１９ｂは相互に平行でかつ光軸１１ａ，１２ａに対して平行または垂直以外の角度であれば、その配置角度は任意の角度でよい。

また、本実施形態においては、２つの反射面１９ａ，１９ｂを有するプリズム１９を例示したが、これに代えて、反射面１９ａ，１９の位置に、相互に平行な２つのミラーを備えていてもよい。
また、ミラーに代えて、ハーフミラーあるいはダイクロイックミラーを採用することにしてもよい。ハーフミラーあるいはダイクロイックミラーを採用する場合には、カラーＣＣＤ１１による撮影とモノクロＣＣＤ１２による撮影とを択一的に切り替えるのではなく、カラー画像単独の取得と、カラー画像およびモノクロ画像の同時取得とを切り替えて行うことができる。

また、揺動機構２０を採用することなく、ハーフミラーあるいはダイクロイックミラーを開口部１０とカラーＣＣＤ１１との間の光路上に固定し、これらのミラーに平行間隔をあけて配置されるミラーをモノクロＣＣＤ１２の光軸１２ａ上に固定してもよい。これにより、カラー画像およびモノクロ画像を同時に取得することができ、カラー画像の解像度を切り替えることができる。

また、本実施形態においては、２つの撮像素子１１，１２をいずれも移動手段１４を構成する金属製平板２９に固定したが、これに代えて、撮像素子１１を金属製平板２９に設けた可動部３３に固定し、撮像素子１２は、間隔部材２８および熱交換素子１８を介して中板１５に直接固定してもよい。

１撮像装置
１１カラーＣＣＤ（撮像素子）
１２モノクロＣＣＤ（撮像素子）
１４移動手段
１６密閉室（収容部）
１９プリズム（光路設定部材）
１９ａ，１９ｂ反射面

Claims

入射光を２つ以上の光路に入射させる光路設定部材と、
該光路設定部材により設定された各前記光路に入射した光を撮影する特性の異なる２つ以上の撮像素子と、
２つ以上の前記撮像素子の少なくとも１つを取り付けて、該撮像素子を光軸に直交する方向に微小移動させる移動手段とを備える撮像装置。
前記移動手段が、前記光路の内、幾何学的光路長の最も短い光路に配される撮像素子を取り付けている請求項１に記載の撮像装置。
前記光路設定部材が、前記入射光の光路上に挿脱可能に設けられている請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
前記光路設定部材が、前記入射光の光路上に配置され、該光路を２以上に分岐する請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
前記光路設定部材が、前記入射光を反射する相互に平行な２つの反射面を有する請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
２つ以上の前記撮像素子が、異なる平面上に撮像面を配置している請求項５に記載の撮像装置。
少なくとも１つの前記撮像素子への光路が、前記入射光の光路に一致している請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像装置。
前記撮像素子を気密状態に密閉された空間内に配置する収容部を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の撮像装置。