JP2014160211A - ミラーユニットおよび画像取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の構成で自由曲面を形成すること
【解決手段】それぞれが反射面を有する複数のセグメントミラー７１と、複数のセグメントミラーを互いに接続する可撓性部材７２と、セグメントミラーおよび可撓性部材の少なくとも一方に駆動力を加えて前記反射面のそれぞれの位置および傾きの少なくとも一方を変更する駆動手段７４と、前記セグメントミラーおよび前記可撓性部材の少なくとも一方に駆動手段を接続し、少なくとも一つの反射面７１ａによる光の反射方向を変化させるように回転可能である接続手段７３と、を有する可変形鏡ユニット７Ａを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミラーユニットおよび画像取得装置に関する。

標本（試料）の顕微鏡画像を撮像する画像取得装置では、広い視野に対して高解像度化を進めると焦点深度が浅くなり、凹凸がある標本の表面全域に合焦させることが困難になる。

特許文献１は、機械的かつ電気的に相互接続されて変形可能な反射面を有する複数のミラー要素を含み、反射面を変形して光信号を目標導波路に向ける物品であって、複数のミラー要素は、単一のアクチュエータにより駆動される物品を開示している。特許文献２は、セグメントミラーを複数配置し、夫々を３軸駆動して形状変形させるＭＥＭＳを開示している。

特開２００１−０９１８６６号公報 特開２０１１−１９１５９３号公報

標本表面の凹凸に合わせて反射面を変形可能なミラーを対物光学系の光路上に配置し、標本の像をミラーを介して撮像素子に結像することによって標本の表面全域に合焦させた像を撮像素子で取得することを考える。例えば、画角１０ｍｍ程度で、倍率１０倍程度において、約１０μｍ程度の凹凸やうねりのある標本を観察する場合、上記ミラーには±１ｍｍ程度の大きな変形を反射面に形成する必要がある。特許文献１の反射面は凹面形状しか形成できず、標本の表面形状に合致する自由曲面の形成ができない。一方、特許文献２の技術を適用すると自由曲面を反射面に形成することができるが、一つのセグメントミラーを３軸駆動するために３つのアクチュエータを必要とするため、画像取得装置が大型になる。

本発明は、小型の構成で自由曲面を形成することが可能なミラーユニットおよびそれを利用して被写体の表面全域に合焦した画像を取得することが可能な画像取得装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明のミラーユニットは、それぞれが反射面を有する複数の反射部材と、前記複数の反射部材を互いに接続する可撓性部材と、駆動手段と、前記反射部材または前記可撓性部材と前記駆動手段を接続し、少なくとも一つの反射面による光の反射方向を変化させるように回転可能である接続手段と、を有し、前記駆動手段は、前記接続手段を介して前記反射部材または前記可撓性部材に駆動力を加え、前記反射部材の反射面の位置および傾きの少なくとも一方を変更することを特徴とする。

本発明によれば、小型の構成で自由曲面を形成することが可能なミラーユニットおよびそれを利用して被写体の表面全域に合焦した画像を取得することが可能な画像取得装置を提供することができる。

本発明の画像取得装置のブロック図である。（実施例１） 図１に示す可変形鏡ユニットに適用可能な例を示す概略断面図である。（実施例１） 図１に示す可撓性部材の接続方法を説明するための概略平面図である。（実施例１） 図１に示す接続手段に適用可能な構成例を示す斜視図である。（実施例１） 図１に示す接続手段に適用可能な別の構成例を示す図である。（実施例１） 図１に示す可変形鏡ユニットの構成例を示す斜視図である。（実施例１） 図６に示す可撓性部材の構成を示す図である。（実施例１） 本発明の画像取得装置のブロック図とその制御手段および可変形鏡ユニットを示す概略断面図である。（実施例２） 本発明の画像取得装置のブロック図とその制御手段および可変形鏡ユニットを示す概略断面図である。（実施例３） 本発明の画像取得装置のブロック図と焦点調節方法を説明するためのグラフである。（実施例４） 本発明の画像取得装置のブロック図と撮像状況を示す図である。（実施例５）

以下、本発明の好ましい実施例について説明する。

図１は、実施例１の画像取得装置１００Ａの要部概要図である。画像取得装置１００Ａは、計測部とデジタル顕微鏡本体（画像取得装置本体）を有する。なお、本実施例の画像取得装置はデジタル顕微鏡として構成されているが、これに限定されるものではない。計測部とデジタル顕微鏡本体は一つの装置として構成されてもよいし、別々の装置から構成されてもよい。

まず、計測部において、被写体２がステージ１に保持される。被写体２は、例えば、病理標本（試料）であり、スライドガラス上に配置されて透明な保護部材（カバーガラス）によって挟まれたプレパラートとして搭載される。図１では、ＸＹ平面は後述する対物光学系６の光軸であるＺ軸に垂直な平面である。ステージ１はＸＹＺ軸の各方向と各軸の周りに移動可能に構成されている。

保持された被写体２は、計測手段（第１の計測手段）３により、被写体２の各計測位置（Ｘ，Ｙ）におけるＺ方向の深さ（被写体２の表面のＺ位置）が計測され、計測情報は不図示のＡ／Ｄ変換部を介して制御手段４Ａの不図示のメモリに記録される。計測手段３としては市販のレーザ変位計や、シャック・ハルトマンセンサなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。

画像取得装置１００Ａの制御系として、制御手段４Ａ、画像処理手段９Ａ、画像表示手段１０、不図示のＡ／Ｄ変換部、不図示のメモリが設けられている。計測部用の制御系とデジタル顕微鏡本体用の制御系は、一つのコンピュータから構成されてもよいし、別個のコンピュータから構成されてもよい。

計測終了後に、被写体２を保持したステージ１は、デジタル顕微鏡本体に移動される。デジタル顕微鏡本体は、照明手段５、ステージ１、対物光学系６、可変形鏡ユニット（ミラーユニット）７Ａ、撮像素子８Ａ、Ａ／Ｄ変換部、画像処理手段９Ａ、画像表示手段１０を有する。本実施例では、制御手段４Ａはデジタル顕微鏡本体も制御する。

照明手段５は、光源と照明光学系から構成されている。照明光学系は光源からの光で被写体２を均一に照明する。なお、照明方式として標本を上方から照明し、その反射光を結像する落射型照明方式を使用してもよい。被写体２は観察対象（物体）である。

対物光学系６は、被写体２の像を撮像素子８Ａの像面に結像する結像光学系である。可変形鏡ユニット７Ａは、対物光学系６からの光を撮像素子８Ａに偏向するが、その構成の詳細については後述する。

対物光学系６には、被写体２の細胞一つを視認できるように、高倍率かつ高解像力を有することが要求される。高解像力を得るためには、対物光学系６の開口数（ＮＡ）を大きくする必要があるが、ＮＡを大きくすると焦点深度は浅くなってしまう。被写体２の表面に凸凹があると、対物光学系６により形成される被写体２の像も凸凹形状になってしまい、撮像領域内においてフォーカスの合わない部分（被写界深度外となる部分）が生じてしまう。そのため、対物光学系６による被写体２の結像位置を撮像素子８Ａの撮像面上に一致させる必要がある。本実施例では、可変形鏡ユニット７Ａによってこれを実現している。

撮像素子８Ａは、対物光学系６が形成した被写体２の光学像を光電変換する光電変換素子である。なお、撮像素子８Ａは、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等を用いることができる。不図示のＡ／Ｄ変換部は撮像素子８Ａからのアナログ電気信号をデジタル信号に変換して画像処理手段９Ａに出力する。

画像処理手段９Ａはこのデジタル信号に対して各種の画像処理を施す。画像表示手段１０は、画像処理手段９Ａによって処理された画像を表示する。また、画像処理手段９Ａを含むコンピュータは、画像表示手段１０に画像を表示するだけでなく、不図示の記憶手段に記憶したり、不図示のインターネットなどのネットワークを介して外部に画像情報を通信したりすることができる。画像取得装置１００Ａによれば、観察対象１０の画像データを複数人で同時に観察したり、遠方の病理医と共有したりすることが可能となる。

可変形鏡ユニット７Ａは、対物光学系６と撮像素子８Ａの間の光路上に配置されて対物光学系６からの光を撮像素子８Ａに反射する。可変形鏡ユニット７Ａは、複数のセグメントミラー７１と、複数の可撓性部材７２と、一または複数の接続手段７３と、一または複数の駆動手段７４と、を有する。これらの構成要素の数は限定されない。

セグメントミラー７１は、対物光学系６から光を受光する表面に反射面７１ａを有する反射部材であり、反射面７１は、対物光学系６からの光を撮像素子８Ａに折り曲げる。本実施例では、各セグメントミラー７１の反射面７１の形状は正方形であるが、これに限定されるものではない。また、一部のセグメントミラー７１の大きさや形状を変更してもよい。複数のセグメントミラー７１の配列形状も限定されない。セグメントミラー７１は、アルミニウムに反射面７１ａとしてニッケルメッキが蒸着されたものを使用することができるが、これに限定されるものではない。

可撓性部材７２は、２つ以上の隣接するセグメントミラー７１の間に配置され、それらのセグメントミラー７１を接続する。可撓性部材７２としては、例えば、厚さ０．５ｍｍ程度、幅２ｍｍ程度の薄板バネ（材質としては、アルミやリン青銅）などが適用可能であるが、ゴムなどの弾性部材など、これに限定されるものではない。本実施例の可撓性部材７２がセグメントミラー７１に取り付けられる位置は、セグメントミラー７１の側面の反射面７１ａに近い側であるが、これに限定されるものではない。

接続手段７３は、駆動手段７４と、セグメントミラー７１と可撓性部材７２の少なくとも一方を接続する。本実施例では、各接続手段７３は、一つの駆動手段７４を、一つのセグメントミラー７１または可撓性部材７２と接続する。但し、各接続手段７３は、一つの駆動手段７４を、複数のセグメントミラー７１、複数の可撓性部材７２またはセグメントミラー７１と可撓性部材７２の組み合わせと接続してもよい。接続手段７３は、後述するように、反射面７１ａと平行な軸周りに回転可能な構成を有し、反射面７１ａを傾けることができる。

駆動手段７４は、セグメントミラー７１および可撓性部材７２の少なくとも一方に駆動力を加えて複数のセグメントミラー７１の反射面のそれぞれの位置および傾きの少なくとも一方を変更する。複数の駆動手段７４は、本実施例では、それぞれ、ＸＺ平面において平行な方向に移動することができる棒状部材であり、ベース７７に対して突出および退避可能に設けられている。即ち、各駆動手段７４は一方向に移動して一方向の駆動力を加え、複数の駆動手段７４が加える複数の駆動力の方向は互いに平行である。一方向の移動は、モータ（リニア超音波モータやボイスコイルモータなど）やカムを利用した機械的なものでもよいし、ソレノイドバルブなどの電磁的なもの、圧電駆動などでもよいが、これらに限定されるものではない。

本実施例では、駆動手段７４が対応する接続手段７３と共に変位すると、接続手段７３に接続されたセグメントミラー７１または可撓性部材７２の位置と姿勢が変更される。これにより、被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状を作成することができる。駆動手段７４の駆動量は、計測手段３の計測結果に基づいて、制御手段４Ａが算出する。被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状を作成することによって、被写体２の表面形状全域に対してフォーカスの合った像を撮像素子８Ａの撮像面上に形成することができる。

各セグメントミラーに３つ以上の駆動手段（例えば、２軸チルトおよび１軸直動の駆動手段）を設ける特許文献２の技術では、大きな変形が必要な場合に駆動手段が大型化し、デジタル顕微鏡が煩雑になる。これに対して、本実施例は、少ない数の駆動手段で自由曲面形状の反射面を作成できる可変形鏡ユニットを提供している。即ち、セグメントミラーの数をｎ個とすると、１つのセグメントミラーに３つの駆動手段を設ける構成では、駆動手段は３ｎ個必要になるが、本実施例では、３ｎよりも少ない駆動手段総数で所望の反射面形状を作成している。本実施例において駆動手段７４の数を減らすことができたのは、２つ以上のセグメントミラー７１を可撓性部材７２で接続していることによる。一つの駆動手段７４による変形を、可撓性部材７２を介して複数のセグメントミラー７１に及ぼすことによって駆動手段７４の数を削減することができる。そうすると、可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状は被写体２の表面形状には完全に一致しないが、対物光学系６の焦点深度内のデフォーカスは無視できるので適当な近似を使用することができる。

図２は、図１に示す可変形鏡ユニット７Ａに適用可能な可変形鏡ユニットを示すＸＺ平面における拡大断面図である。

図２（ａ）に示す可変形鏡ユニットでは、接続手段７３はセグメントミラー７１の裏面７１ｂに取り付けられている。可撓性部材７２はセグメントミラー７１の側面７１ｃに取り付けられている。

図２（ｂ）に示す可変形鏡ユニットでは、接続手段７３は可撓性部材７２の裏面（ベース７７側）に取り付けられている。図２（ｂ）に示す駆動手段７４の間隔は図２（ａ）に示すものとほぼ同じである。

図２（ｃ）に示す可変形鏡ユニットでは、接続手段７３はセグメントミラー７１の裏面７１ｂと可撓性部材７２の裏面（ベース７７側）の両方に取り付けられている。この場合、接続手段７３は、セグメントミラー７１と駆動手段７４を接続する第１の接続手段と、可撓性部材７２と駆動手段７４を接続する第２の接続手段と、を有する。図２（ｃ）に示す駆動手段７４の数は図２（ａ）に示すものの約２倍であるが、依然として各セグメントミラーに３つの駆動手段を設けたよりも少なくなっている。

図２（ｄ）に示す可変形鏡ユニット７ＡＤでは、接続手段７３はセグメントミラー７１の裏面７１ｂと可撓性部材７２の裏面（ベース７７側）の両方に取り付けられているが、図２（ｃ）よりも駆動手段７４は間引かれている。即ち、セグメントミラー７１の数をｎ、可撓性部材７２の数をｍとすると、駆動手段７４の数はｍ＋ｎよりも少ない。

図２（ｅ）に示す可変形鏡ユニット７Ａでは、表面中央付近の凹凸量が大きく、周囲に向かうほど小さい被写体２に対応するために、中央部のセグメントミラー７１のサイズを周辺部のセグメントミラー７１のサイズよりも小さくしている。即ち、図２（ｅ）においては、それぞれが第１の反射面を有する周辺部の複数のセグメントミラー（第１の反射部材）と、それぞれが前記第１の反射面よりも小さい第２の反射面を有する中央部の複数のセグメントミラー（複数の第２の反射部材）と、を有する。そして、第２の反射部材の密度を第１の反射部材の密度よりも高くしている。これにより、中央部において被写体２の表面形状をより忠実に反映する反射面形状を形成することができる。

図３は、可撓性部材７２の接続方法を説明するための概略平面図である。

図３（ａ）に示す例では、複数のセグメントミラー７１がＸ軸方向に並べられており（一次元配列）、隣接する２つのセグメントミラーを一つの可撓性部材７２が接続している。図３（ａ）に示す配置は、被写体２の表面の凹凸がＸ軸方向に分布し、Ｙ軸方向には分布が顕著でないような場合に有効であり、撮像素子８Ａにはラインセンサを用いることもできる。図３（ａ）においては、セグメントミラー７１がＸ軸方向に配列された場合を示しているが、Ｙ軸方向に配列されている場合も同様である。

図３（ｂ）に示す例では、複数のセグメントミラー７１がＸ軸方向とＹ軸方向に並べられており（二次元配列）、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に隣接する２つのセグメントミラーを一つの可撓性部材７２が接続している。図３（ｂ）に示す配置は、被写体２の表面の凹凸が二次元的に分布している場合に有効である。この場合、Ｘ軸方向（第１の方向）に配置された第１の可撓性部材と、Ｙ軸方向（第２の方向）に配置された第２の可撓性部材が設けられることになる。

図３（ｃ）に示す例では、図３（ｂ）と同様に、複数のセグメントミラー７１がＸ軸方向とＹ軸方向に並べられている（二次元配列）。但し、図３（ｂ）と異なり、対角方向に隣接する２つのセグメントミラーを一つの可撓性部材７２が接続しており、異なる対角方向に延びる２つの可撓性部材７２が交差部Ｃにおいて交差している。即ち、可撓性部材７２はＸ軸方向とＹ軸方向のいずれに対しても傾斜した方向に配置された第３の可撓性部材である。図３（ｃ）に示す配置は、被写体２の表面の凹凸が二次元的に分布している場合に有効である。交差部Ｃを、駆動手段７４で駆動することにより、複数のセグメントミラー７１をミラーの総数より少ない数の駆動手段で駆動することができる。例えば、ｎ×ｍ個のミラーを、本例のようにすると、必要となる駆動手段の数をＬ個とすれば、Ｌ＜ｎ×ｍとなる。なお、２つの可撓性部材７２が交差部Ｃにおいて交差する代わりに×形状の一つの可撓性部材７２を使用してもよい。

図３（ｄ）に示す例は、図３（ｂ）と図３（ｃ）に示す接続方法を組み合わせている。図３（ｄ）に示す配置は、被写体２の表面の凹凸が二次元的に分布している場合に有効である。

図３では、複数のセグメントミラー７１は一次元アレイまたは二次元アレイの行列状に配置されており、一次元アレイであれば行方向または列方向に整列し、二次元アレイであれば行方向および列方向に整列している。但し、複数のセグメントミラー７１の配列はこれに限定されず、例えば、二次元アレイにおいて、市松模様のように一列目と三列目のセグメントミラー７１の横方向の位置を二列目と四列目のセグメントミラー７１の横方向の位置からずらしてもよい。

図４、５は、図１に示す接続手段７３に適用可能な構成例を示す図である。図３で説明したように、複数のセグメントミラー７１は、一次元または二次元で配列される。図３（ａ）に示す一次元配列の場合、駆動手段７４を駆動するとセグメントミラー７１は配列方向に直交するＹ軸に平行な軸周りに回転するため、接続手段７３もＹ軸に平行な軸周りに回転する機能が必要となる。一方、図３（ｂ）乃至（ｄ）に示す二次元配列の場合、駆動手段７４を駆動するとセグメントミラー７１はＸ軸方向に平行な軸周りに回転し、かつＹ軸方向に平行な軸周りに回転する。このため、接続手段７３もＸ軸に平行な軸周りに回転し、かつＹ軸に平行な軸周りに回転する機能が必要となる。接続手段７３が、２つの回転軸のいずれの周りに回転しても反射面７１ａによる光の反射方向は変化する。

図４（ａ）は、２つの直交する軸のそれぞれの周りに回転可能な接続手段７３Ａを示す斜視図である。接続手段７３Ａは、二つの弾性ヒンジ（第１の弾性ヒンジ７３１ａおよび第２の弾性ヒンジ７３１ｂ）を有している。第１の弾性ヒンジ７３１ａは、２つの回転軸の一方の回転軸であるＸ軸に平行な軸周りに回転するために、ＹＺ平面（第１の平面）における断面形状が円弧（第１の円弧）の切り欠きを有している。第２の弾性ヒンジ７３１ｂは、２つの回転軸の他方の回転軸であるＹ軸に平行な軸周りに回転するために、ＹＺ平面と直交するＸＺ平面（第２の平面）における断面形状が円弧（第２の円弧）の切り欠きを有している。第１の弾性ヒンジ７３１ａと第２の弾性ヒンジ７３１ｂは２つの回転軸の両方に垂直なＺ軸の方向に重なっているので、ＸＹ平面における接続手段７３Ａの面積を小さくすることができる。

図４（ｂ）は、２つの直交する軸のそれぞれの周りに回転可能な接続手段７３Ｂを示す斜視図である。接続手段７３Ｂは、自在継手（ユニバーサルジョイント）から構成され、Ｘ軸に平行な軸周りに回転し、かつＹ軸に平行な軸周りに回転することが可能である。自在継手の構成としては、回転対偶を２個とすることが望ましく、回転対偶としては転がりや滑りが望ましい。また、θｚ回転が許容できる場合は球対偶も適用可能である。

図５（ａ）は、２つの直交する軸のそれぞれの周りに回転可能な接続手段７３Ｃを示す斜視図である。図５（ｂ）は、接続手段７３Ｃの詳細を示す正面図である。接続手段７３Ｃは、Ｘ軸に平行な軸周りに回転する第１の弾性ヒンジ７３３ａと７３３ｂを有し、かつＹ軸に平行な軸周りに回転する第２の弾性ヒンジ７３３ｃを有する。第１の弾性ヒンジ７３３ａと７３３ｂは同一平面上に位置しており、回転軸は一致している。そして、第１の弾性ヒンジ７３３ａと７３３ｂの回転軸と、第２の弾性ヒンジ７３３ｃの回転軸は一点で交差している。このため、自在継手と同様に、Ｘ軸に平行な軸周りに回転し、かつＹ軸に平行な軸周りに回転することが可能である。接続手段７３Ｃは、ワイヤーカット加工およびフライス加工などを適用して、一部品での創形が可能である。但し、接続手段７３Ｃの形状はこれに限定されるものではなく、Ｘ軸周りに回転する機能とＹ軸周りに回転する機能を分けるなどして、二部品以上で構成してもよい。

図６は、可変形鏡ユニット７Ａの構成の一例を示す斜視図である。図６では、セグメントミラー７１が二次元的に等間隔で配列されており、図３（ｂ）に示すように、可撓性部材７２で接続されている。各セグメントミラー７１の裏面７１ｂには、図４（ａ）に示す接続手段７３と駆動手段７４が設けられ、図２（ａ）に示すように、接続されている。セグメントミラー７１はＸ軸およびＹ軸周りに回転するので、可撓性部材７２には捩り、曲げ、伸縮の変形が加えられる。それゆえに、セグメントミラーの駆動を阻害しないためには、それらをつなぐ可撓性部材７２には、セグメントミラー７１の並ぶ方向において伸縮可能であり、かつ、Ｘ軸およびＹ軸周りに回転可能である必要がある。

図７（ａ）は、図６に示す可撓性部材７２に適用可能な可撓性部材７２Ａの構成例を示す斜視図である。図７（ａ）に示すように、可撓性部材７２Ａは、弾性ヒンジ（第３の弾性ヒンジ）７２１および弾性ヒンジ（第４の弾性ヒンジ）７２６を有する。

弾性ヒンジ７２１は、ＸＹ平面に平行な平板に２つの切り込み７２２と７２３を入れることによって形成されている。弾性ヒンジ７２１の一端は弾性ヒンジ７２６に接続され、弾性ヒンジ７２１の他端は（図７（ａ）の手前の）セグメントミラー７１に接続されている。切り込み７２２と７２３はそれぞれＹ軸方向に平行に延びている。切り込み７２２は側面７２４の所定距離だけ内側から側面７２５まで延びているのに対して、切り込み７２３は側面７２５の所定距離だけ内側から側面７２４まで延びている。つまり、切り込み７２２と７２３は、Ｙ軸方向に平行に延びるとともに互い違いに形成され、弾性ヒンジ７２１は略Ｓ字形状の平板として構成されている。

図７（ｂ）は弾性ヒンジ７２１の弾性変形を示す斜視図である。弾性ヒンジ７２１はＹ軸方向に長さを持つ薄板であるため、図のようにＸ軸周りに曲げ変形しやすい。そのため、可撓性部材７２ＡはＸ軸周りに回転可能となる。なお、切り込みの数は２つに限定されない。

弾性ヒンジ７２６は複数のＹＺ平面の薄板を接続した蛇腹構造を有する。弾性ヒンジ７２６の一端は弾性ヒンジ７２１に接続され、弾性ヒンジ７２６の他端は他の（図７（ａ）の奥側の）セグメントミラー７１に接続されている。弾性ヒンジ７２６は、平板のＸＺ面に沿った断面がＳ字形状となるように、２回折り曲げられているが、折り曲げ回数は限定されない。折り曲げによってできた溝部７２７は弾性ヒンジ７２１から＋Ｚ軸方向に形成されているが、溝部７２８は−Ｚ軸方向に形成され、開口する方向は互い違いになっている。

図７（ｃ）と（ｄ）は弾性ヒンジ７２６の弾性変形を示す断面図である。図７（ｃ）に示すように、弾性ヒンジ７２６は蛇腹構造であることから、複数の薄板が曲げ変形し、その変形が連動することで、全体としてＸ軸方向に伸縮することができる。そのため、可撓性部材７２Ａはセグメントミラー７１の並ぶ方向（図ではＸ軸方向）に伸縮可能となる。また、図７（ｄ）に示すように、弾性ヒンジ７２６はＺ軸方向に長さを持つ薄板であるため、図のようにＹ軸周りに曲げ変形しやすい構造となっている。そのため、可撓性部材７２ＡはＹ軸周りに回転可能となる。

このように、可撓性部材７２Ａは、セグメントミラー７１の並ぶ方向において伸縮可能であり、かつ、Ｘ軸およびＹ軸周りに回転可能である。もちろん、可撓性部材７２Ａは図２（ｂ）〜（ｅ）の構成にも適用可能である。

図８（ａ）は、実施例２の画像取得装置１００Ｂの要部概要図である。図１と同様の部材には同様の参照符号を付している。画像取得装置１００Ｂは、制御系を有するが、制御手段４Ａの代わりに制御手段４Ｂを有し、可変形鏡ユニット７Ａの代わりに可変形鏡ユニット７Ｂを有する点で画像取得装置１００Ａと相違する。

駆動手段７４が接続手段７３と共に変位すると、接続手段７３に接続されたセグメントミラー７１または可撓性部材７２の位置と姿勢が変更され、被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ｂの反射面形状が作成される点は実施例１と同様である。本実施例では、駆動手段７４の駆動量は駆動手段７４の移動量（変位量）である。駆動手段７４の移動量は、計測手段３の計測結果に基づいて、制御手段４Ｂが算出する点は同様である。被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ｂの反射面形状を作成することによって、被写体２の表面形状全域に対してフォーカスの合った像を撮像素子８Ａの撮像面上に形成することができる。

図８（ｂ）は、制御手段４Ｂと可変形鏡ユニット７Ｂの詳細な構成を示す図である。同図に示すように、可変形鏡ユニット７Ｂは、可変形鏡ユニット７Ａと同様に、複数のセグメントミラー７１、複数の可撓性部材７２、一または複数の接続手段７３、一または複数の駆動手段７４を有する。このため、可変形鏡ユニット７Ｂのこれらの構成要素には実施例１と同様の構成を適用することができる。また、可変形鏡ユニット７Ｂも、２つ以上のセグメントミラー７１を可撓性部材７２で接続しているので、特許文献２よりも駆動手段７４の数を削減することができる。

可変形鏡ユニット７Ｂは、複数の計測手段（第２の計測手段）７５を更に有する。一つのセグメントミラー７１に対して一つの計測手段７５が設けられている。各計測手段７５は、対応するセグメントミラー７１の位置および傾きの少なくとも一方を計測する。計測手段７５には、レーザ変位計、静電容量センサ、リニアスケールなどを適用可能であるが、これらに限定されるものではない。計測手段７５による計測結果は制御手段４Ｂへ送られる。

制御手段４Ｂは、目標値算出手段４１Ｂ、駆動信号出力手段４２Ｂ、比較手段４３Ｂを有する。目標値算出手段４１Ｂは、計測手段３による計測結果に基づいて、各セグメントミラー７１の位置および角度の目標値（又は駆動手段７４の移動量の目標値）を算出する。比較手段４３Ｂは、計測手段７５の計測結果を目標値算出手段４１Ｂによる目標値と比較し、比較結果を駆動信号出力手段４２Ｂに出力する。駆動信号出力手段４２Ｂは、比較結果に基づいて駆動手段７４に移動量を表す信号を送信する。目標値と実際の計測値の差分なくなるようにフィードバックを掛けることにより、より精度の高いミラー位置調整が可能になる。

位置計測値を用いた制御においては、パルスモータの駆動パルス数管理など、直接的な位置制御量検出をしない方法でも、実質的に位置計測および位置制御の両手段を兼ね備えた多機能手段として適用可能である。

図９（ａ）は、実施例３の画像取得装置１００Ｃの要部概要図である。図１と同様の部材には同様の参照符号を付している。画像取得装置１００Ｃは、制御手段４Ａの代わりに制御手段４Ｃを有し、可変形鏡ユニット７Ａの代わりに可変形鏡ユニット７Ｃを有する点で画像取得装置１００Ｂと相違する。

駆動手段７４が接続手段７３と共に変位すると、接続手段７３に接続されたセグメントミラー７１または可撓性部材７２の位置と姿勢が変更され、被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ｃの反射面形状が作成される点は実施例１と同様である。本実施例では、駆動手段７４の駆動量は駆動手段７４がセグメントミラー７１または可撓性部材７２に与える駆動力である。駆動手段７４の駆動力は、計測手段３の計測結果に基づいて、制御手段４Ｃが算出する点は同様である。被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ｃの反射面形状を作成することによって、被写体２の表面形状全域に対してフォーカスの合った像を撮像素子８Ａの撮像面上に形成することができる。

図９（ｂ）は、制御手段４Ｃと可変形鏡ユニット７Ｃの詳細な構成を示す図である。同図に示すように、可変形鏡ユニット７Ｃは、可変形鏡ユニット７Ａと同様に、複数のセグメントミラー７１、複数の可撓性部材７２、一または複数の接続手段７３、一または複数の駆動手段７４を有する。このため、可変形鏡ユニット７Ｃのこれらの構成要素には実施例１と同様の構成を適用することができる。また、可変形鏡ユニット７Ｃも、２つ以上のセグメントミラー７１を可撓性部材７２で接続しているので、特許文献２よりも駆動手段７４の数を削減することができる。

可変形鏡ユニット７Ｃは、複数の計測手段（第３の計測手段）７６を更に有する。一つのセグメントミラー７１に対して一つの計測手段７６が設けられている。各計測手段７６は、駆動手段７４が与える駆動力を計測する。計測手段７６には、ひずみゲージを応用したロードセル、水晶圧電式などを適用可能であるが、これらに限定されるものではない。計測手段７６による計測結果は制御手段４Ｃへ送られる。

制御手段４Ｃは、目標値算出手段４１Ｃ、駆動信号出力手段４２Ｃ、比較手段４３Ｃを有する。目標値算出手段４１Ｃは、計測手段３による計測結果に基づいて、各駆動手段７４が発生する駆動力の目標値を算出する。比較手段４３Ｃは、計測手段７６の計測結果を目標値算出手段４１Ｃによる目標値と比較し、比較結果を駆動信号出力手段４２Ｃに出力する。駆動信号出力手段４２Ｃは、比較結果に基づいて駆動手段７４に移動量を表す信号を送信する。目標値と実際の計測値の差分なくなるようにフィードバックを掛けることにより、より精度の高いミラー位置調整が可能になる。

力計測値を用いた力制御においては、例えば、ＶＣＭの電流制御や、エアシリンダの内圧制御などの、直接的な制御量検出をしない方法でも、実質的な力計測および力制御の両手段を兼ね備えた多機能手段として適用可能である。または、能動的直進対偶から受動的直進対偶に変化するようなものでも良い。例えば、ガイド付きＶＣＭ、エアシリンダなども適用可能である。

なお、実施例２と３の制御方法を併用し、位置計測値および力計測値を両方用いたフィードバック制御方式も適用可能である。

図１０（ａ）は、実施例４の画像取得装置１００Ｄの要部概要図である。図１と同様の部材には同様の参照符号を付している。画像取得装置１００Ｄは、制御手段４Ａの代わりに制御手段４Ｄを使用し、画像処理手段９Ａの代わりに画像処理手段９Ｂを使用する点で画像取得装置１００Ａと相違する。

駆動手段７４が接続手段７３と共に変位すると、接続手段７３に接続されたセグメントミラー７１または可撓性部材７２の位置と姿勢が変更され、被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状が作成される。駆動手段７４の駆動量は、計測手段３の計測結果に基づいて、制御手段４Ｄが算出する。被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状を作成することによって、被写体２の表面形状全域に対してフォーカスの合った像を撮像素子８Ａの撮像面上に形成することができる。可変形鏡ユニット７Ａでは、２つ以上のセグメントミラー７１を可撓性部材７２で接続しているので、特許文献２よりも駆動手段７４の数を削減することができる。

実施例４では、撮像素子８Ａにより生成された画像信号から、フォーカスを合わせるために必要な可変形鏡ユニット７Ａのセグメントミラー７１の駆動量を算出してフィードバック制御を掛けている。その一例を次に述べる。

図１０（ｂ）は、セグメントミラー７１と被写体２との相対距離（横軸）と画像信号の高周波成分（縦軸）との関係を示すグラフである。同図に示すように、フォーカスの合った合焦位置では画像信号における高周波成分（コントラスト）が最大になることから、画像信号の高周波信号成分を、フォーカスが合っているかどうかを判定するためのフォーカス評価値として用いる。画像処理手段９Ｂは、撮像素子８Ａにより被写体像を光電変換して得られた画像信号からフォーカス評価値を算出し、算出結果を制御手段４Ｄに送る。制御手段４Ｄは、算出されたフォーカス評価値が最大（ピーク）となるようにセグメントミラー７１を駆動する。これによって、フォーカスの合った画像を取得することができる。

図１１（ａ）は、実施例５の画像取得装置１００Ｅの要部概要図である。図１と同様の部材には同様の参照符号を付している。画像取得装置１００Ｅは、撮像素子８Ａの代わりに撮像素子８Ｂを使用する点で画像取得装置１００Ａと相違する。

駆動手段７４が接続手段７３と共に変位すると、接続手段７３に接続されたセグメントミラー７１または可撓性部材７２の位置と姿勢が変更され、被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状が作成される。駆動手段７４の駆動量は、計測手段３の計測結果に基づいて、制御手段４Ａが算出する。被写体２の表面形状に合わせた可変形鏡ユニット７Ａの反射面形状を作成することによって、被写体２の表面形状全域に対してフォーカスの合った像を撮像素子８Ｂの撮像面上に形成することができる。可変形鏡ユニット７Ａでは、２つ以上のセグメントミラー７１を可撓性部材７２で接続しているので、特許文献２よりも駆動手段７４の数を削減することができる。

図１１（ｂ）は、実施例５における撮像状況を示す図である。撮像素子８Ｂは、複数の光電変換素子８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄにより構成されている。なお、光電変換素子の数は限定されない。

光電変換素子８１ａは、セグメントミラー７１−１が反射した被写体２の撮像エリア８２ａからの光を受光し、光電変換素子８１ｂは、セグメントミラー７１−２が反射した被写体２の撮像エリア８２ｂからの光を受光する。光電変換素子８１ｃは、セグメントミラー７１−３が反射した被写体２の撮像エリア８２ｃからの光を受光し、光電変換素子８１ｄは、セグメントミラー７１−４が反射した被写体２の撮像エリア８２ｄからの光を受光する。

可変形鏡ユニット７Ａにおいて、可撓性部材７２の存在している範囲では、対物光学系６を通過した被写体２の投影光は反射されない。つまり、被写体２の全域が撮像されずに、部分的に撮像される（撮像パターン１）。図１１（ｂ）において、撮像エリア８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが間隔を空けて位置しているのは、その状況を表現している。そこで、被写体２の全域を撮像するために、撮像されていなかった部分が撮像されるように、ステージ１により被写体２の位置を変更する（撮像パターン２）。

図１１（ｂ）の撮像パターン２において、被写体２の表面に描かれている破線の四角形状が、撮像パターン１における撮像エリア８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを示している。また、実線の四角形状が、撮像パターン２における撮像エリア８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを示している。撮像パターン１および撮像パターン２の撮像エリアを合わせることにより、被写体２の全域を撮像することができるので、撮像パターン１により得られた画像信号と、撮像パターン２により得られた画像信号を、画像処理手段９Ａにて重ね合わせる。即ち、被写体２と対物光学系６の光軸に垂直な方向の位置を変更して撮像素子によって被写体２を複数回撮像し、画像処理手段９Ａは複数回の撮像によって得られた撮像素子から得られる画像信号を重ね合わせる。

なお、図１１においては、Ｘ軸方向へ一回、ステージ１を移動させて画像を作成する方法を説明しているが、移動方法はこれに限定されるものではなくＹ軸方向へ移動してもよい。また、移動回数も１回でもよいし複数回でもよい。光電変換素子も、図１１（ｂ）に示すようなＺ軸方向の配列に限定されず、Ｙ軸方向へ配列されてもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、デジタルカメラや望遠鏡など、物体の光学像を光学系を通して撮像素子により光電変換して撮像する撮像装置に適用可能である。

また、ミラーユニットと撮像素子との間の光路上に再結像光学系を設け、ミラーユニットにより反射された光を再結像光学系によって撮像素子の撮像面上に集光するようにしてもよい。すなわち、対物光学系により形成された物体の光学像を、再結像光学系により再結像させる構成としてもよい。

なお、本発明に係る画像取得装置は、対物光学系を拡大系として物体を拡大して観察する顕微鏡に限ることはなく、例えば、基板などの外観検査（異物の付着、キズの検査等）を行う検査装置としても有用である。

本発明は、デジタル顕微鏡、デジタルカメラ、望遠鏡などに適用することができる。

７Ａ〜７Ｃ…可変形鏡ユニット（ミラーユニット）、７１…セグメントミラー（反射部材）、７１ａ…反射面、７２、７２Ａ…可撓性部材、７３…接続手段、７４…駆動手段

Claims (30)

1. それぞれが反射面を有する複数の反射部材と、
   前記複数の反射部材を互いに接続する可撓性部材と、
   前記反射部材および前記可撓性部材の少なくとも一方に駆動力を加えて前記複数の反射部材の反射面のそれぞれの位置および傾きの少なくとも一方を変更する駆動手段と、
   前記駆動手段を、前記反射部材および前記可撓性部材の少なくとも一方に接続し、少なくとも一つの反射面による光の反射方向を変化させるように回転可能である接続手段と、
   を有することを特徴とするミラーユニット。
2. 前記反射部材の数をｎとすると、前記駆動手段の数は３ｎよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のミラーユニット。
3. 前記駆動手段は一方向の駆動力を加えることを特徴とする請求項１または２に記載のミラーユニット。
4. 前記駆動手段は、前記一方向に移動することを特徴とする請求項３に記載のミラーユニット。
5. 前記ミラーユニットは複数の駆動手段を有し、
   前記複数の駆動手段が加える複数の駆動力の方向は互いに平行であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
6. 前記接続手段は、前記反射部材と前記駆動手段を接続する第１の接続手段と、前記可撓性部材と前記駆動手段を接続する第２の接続手段と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載のミラーユニット。
7. 前記反射部材の数をｎ、前記可撓性部材の数をｍとすると、前記駆動手段の数はｍ＋ｎよりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のミラーユニット。
8. 前記複数の反射部材は、それぞれが第１の反射面を有する複数の第１の反射部材と、それぞれが前記第１の反射面よりも小さい第２の反射面を有する複数の第２の反射部材と、を有し、
   前記第２の反射部材の密度は前記第１の反射部材の密度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
9. 前記複数の反射部材と前記可撓性部材は一次元配列され、前記接続手段は、前記複数の反射部材の配列方向に直交する方向に平行な軸の周りに回転可能であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
10. 前記接続手段は、互いに平行ではない２つの回転軸の周りに回転可能であり、
    前記接続手段が、前記２つの回転軸のいずれの周りに回転しても前記少なくとも一つの反射面による光の反射方向は変化することを特徴とする請求項１に記載のミラーユニット。
11. 前記複数の反射部材は第１の方向と該第１の方向と直交する第２の方向に二次元的に配列され、前記接続手段は、前記第１の方向と前記第２の方向のそれぞれに平行な軸の周りに回転可能であることを特徴とする請求項１０に記載のミラーユニット。
12. 前記可撓性部材は、前記第１の方向に配置された第１の可撓性部材と、前記第２の方向に配置された第２の可撓性部材と、を有することを特徴とする請求項１１に記載のミラーユニット。
13. 前記可撓性部材は、前記第１の方向と前記第２の方向のいずれに対しても傾斜した方向に配置された第３の可撓性部材を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載のミラーユニット。
14. 前記接続手段は弾性ヒンジであることを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
15. 前記接続手段は、互いに直交する２つの回転軸の周りに回転可能であり、
    前記接続手段が、前記２つの回転軸のいずれの周りに回転しても前記少なくとも一つの反射面による光の反射方向は変化し、
    前記接続手段は、前記２つの回転軸の一方の回転軸の周りに回転するための第１の円弧の切り欠きを有する第１の弾性ヒンジと、前記２つの回転軸の他方の回転軸の周りに回転するための第２の円弧の切り欠きを有する第２の弾性ヒンジと、を有し、前記第１の弾性ヒンジと前記第２の弾性ヒンジは前記２つの回転軸の両方に垂直な軸の方向に重なっていることを特徴とする請求項１４に記載のミラーユニット。
16. 前記接続手段は、互いに直交する２つの回転軸の周りに回転可能であり、
    前記接続手段が、前記２つの回転軸のいずれの周りに回転しても前記少なくとも一つの反射面による光の反射方向は変化し、
    前記接続手段は、前記２つの回転軸の一方の回転軸の周りに回転するための第１の弾性ヒンジと、前記２つの回転軸の他方の回転軸の周りに回転するための第２の弾性ヒンジと、を有し、前記２つの回転軸は一点で交差していることを特徴とする請求項１４に記載のミラーユニット。
17. 前記接続手段は自在継手であることを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
18. 前記可撓性部材は、前記反射部材の配列方向において伸縮可能であり、かつ、前記反射部材の配列方向と平行な軸周りに回転可能であり、かつ、前記反射部材の並ぶ方向と垂直な軸周りに回転可能であることを特徴とする請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載のミラーユニット。
19. 前記可撓性部材は、２つの回転軸の一方の回転軸の周りに回転する第３の弾性ヒンジと、前記２つの回転軸の他方の回転軸の周りに回転するとともに伸縮する第４の弾性ヒンジと、を有することを特徴とする請求項１８項に記載のミラーユニット。
20. 前記第３の弾性ヒンジは、前記２つの回転軸に平行な平面の薄板から構成され、前記薄板には前記２つの回転軸の一つと平行な切り込みが入っており、
    前記第４の弾性ヒンジは蛇腹構造を有する薄板から構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のミラーユニット。
21. 被写体の光学像を形成する結像光学系と、
    前記結像光学系が形成した前記被写体の光学像を光電変換する撮像素子と、
    前記結像光学系と前記撮像素子との間の光路上に配置されて前記結像光学系からの光を前記撮像素子に反射する、請求項１乃至２０のうちいずれか１項に記載のミラーユニットと、
    を有することを特徴とする画像取得装置。
22. 前記被写体の表面形状を計測する第１の計測手段と、
    前記第１の計測手段が計測した前記被写体の表面形状に前記複数の反射部材の複数の反射面が合うように前記駆動手段を制御する制御手段と、
    を更に有することを特徴とする請求項２１に記載の画像取得装置。
23. 前記ミラーユニットの反射部材の位置および傾きの少なくとも一方を計測する第２の計測手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記第２の計測手段の計測結果に基づいて、前記駆動手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項２２に記載の画像取得装置。
24. 前記駆動手段が与える駆動力を計測する第３の計測手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記第３の計測手段の計測結果に基づいて、前記駆動手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項２２に記載の画像取得装置。
25. 前記撮像素子から得られる画像信号を処理する画像処理手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記画像処理手段から得られる画像信号の高周波成分がピークになるように前記駆動手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項２２に記載の画像取得装置。
26. 前記撮像素子から得られる画像信号を処理する画像処理手段を更に有し、
    前記結像光学系の光軸に垂直な方向の位置を変更して前記撮像素子によって前記被写体を複数回撮像し、前記画像処理手段は複数回の撮像によって得られた前記撮像素子から得られる画像信号を重ね合わせることを特徴とする請求項２２に記載の画像取得装置。
27. 前記ミラーユニットからの光を前記撮像素子の撮像面上に集光する再結像光学系を更に有することを特徴とする請求項２１乃至２６のうちいずれか１項に記載の画像取得装置。
28. デジタル顕微鏡であることを特徴とする請求項２１乃至２７のうちいずれか１項に記載の画像取得装置。
29. 物体の光学像を形成する結像光学系と、
    前記結像光学系からの光を撮像素子に反射する、請求項１乃至２０のうちいずれか１項に記載のミラーユニットと、
    を有することを特徴とする光学系。
30. 前記ミラーユニットからの光を前記撮像素子の撮像面上に集光する再結像光学系を更に有することを特徴とする請求項２９に記載の光学系。