JP2014163961A - ミラーユニットおよび画像取得装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】凹凸を有する大きな被写体の像を、撮像面に良好に合焦させ、高解像度な画像データを短時間で取得すること
【解決手段】結像光学系104によって結像された被写体像を反射するミラーユニットと、ミラーユニットによって反射された被写体を再結像する再結像光学系106と、再結像光学系によって再結像された被写体像を光電変換する撮像素子110と、結像光学系の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、前記被写体を、前記撮像素子の画素配列方向と光学的共役な方向に対して角度をなして移動走査することによって被写体の画像データを取得する画像取得装置を提供する。ミラーユニットは、被写体の表面形状に応じて、互いに平行な複数の第1の軸周りに反射面を面外曲げ変形する保持機構部109を有し、撮像素子は、第1の軸に直交する第2の軸の方向に延びる一または複数の画素列を有する。
【選択図】図1
【解決手段】結像光学系104によって結像された被写体像を反射するミラーユニットと、ミラーユニットによって反射された被写体を再結像する再結像光学系106と、再結像光学系によって再結像された被写体像を光電変換する撮像素子110と、結像光学系の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、前記被写体を、前記撮像素子の画素配列方向と光学的共役な方向に対して角度をなして移動走査することによって被写体の画像データを取得する画像取得装置を提供する。ミラーユニットは、被写体の表面形状に応じて、互いに平行な複数の第1の軸周りに反射面を面外曲げ変形する保持機構部109を有し、撮像素子は、第1の軸に直交する第2の軸の方向に延びる一または複数の画素列を有する。
【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被写界深度が浅くなり、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、変形可能な1枚の反射鏡を用いた露光装置を開示している。特許文献2は、相互に繋がった複数の反射鏡の高さおよび傾きを変更する可変形ミラーを開示している。特許文献3は、独立した複数の反射鏡の高さおよび傾きを変更する顕微鏡を開示している。
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結像光学系の光路上に配置し、結像光学系によって標本をミラーの反射面に結像し、ミラーから撮像素子に再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。特許文献1は、弾性変形可能なミラーを多方向に曲げて反射面を形成し、凹凸を有するウエハにパターンを転写しうる可能性を示唆している。単調な凹または凸面形状の二次元的な小変形や、単一方向への曲げ変形操作、いわゆる面外1軸曲げによって可能な単一方向の凹凸までが対応可能と推測される。また、特許文献2および3に開示されているように、複数のセグメントミラーを用いる場合は、各セグメントミラーの位置や姿勢は比較的広範囲に変更可能となり、広範囲の複雑な凹凸に適応する反射面形状を実現することができる。しかし、セグメントミラー間の隙間から、画像データを取得できない領域が生じるため、被写体を移動して複数回撮像して画像データを合成する必要が生じる。従って、合成処理の負荷増大が懸念される。
本発明は、凹凸を有する大きな被写体の像を、撮像面に良好に合焦させ、高解像度な画像データを短時間で取得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。
本発明の画像取得装置は、被写体の光学像を形成する結像光学系と、前記結像光学系によって形成された前記被写体の光学像を反射する反射面を有するミラーユニットと、前記結像光学系によって前記ミラーユニットの前記反射面に結像され、前記反射面によって反射された前記被写体の前記光学像を再結像する再結像光学系と、前記再結像光学系によって再結像された前記被写体の前記光学像を光電変換する撮像素子と、前記結像光学系の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、前記被写体を、前記撮像素子の画素配列方向と光学的共役な方向に対して角度をなして移動走査する移動手段と、を有し、前記移動手段が前記被写体を移動走査することによって前記撮像素子より前記被写体の画像データを取得する画像取得装置であって、前記ミラーユニットは、前記被写体の表面形状に応じて、互いに平行な複数の第1の軸周りに前記反射面を面外曲げ変形する変形手段を有し、前記撮像素子は、前記第1の軸に直交する第2の軸の方向に延びる一または複数の画素列を有することを特徴とする。
本発明によれば、凹凸を有する大きな被写体の像を、撮像面に良好に合焦させ、高解像度な画像データを短時間で取得可能な画像取得装置を提供することができる。
以下、本発明の好ましい実施例について説明する。以下の実施例では、被写体の画像を取得する画像取得装置の例としてデジタル顕微鏡を使用しているが、本発明は、デジタルカメラや望遠鏡など、画像取得装置全般に適用可能である。
デジタル顕微鏡を用いて体内の一部の細胞や組織等の画像データを取得し、診断に用いる場合、デジタル顕微鏡には診断しやすい画像データを短時間で取得することが求められる。デジタル顕微鏡の対物レンズの画角を大きくすると、一度に取得する範囲が拡大するため、画像データを短時間で取得することができる。しかし、凹凸を持つ被写体の面が対物レンズの被写界深度内に入りきらない場合があり、全画角で良好に合焦した画像データを取得することは容易ではない。また、対物レンズの開口数NAを大きくして解像力を高くしても、凹凸を持つ被写体に対しては良好に合焦した画像データを取得できる範囲が狭くなる。これは、対物レンズの解像力を高くすると被写界深度が浅くなり、対物レンズのフォーカス面と被写体の面とが一致しない場合があるからである。
各実施例では、この問題を、被写体の光学像を形成する結像光学系と結像光学系が形成した光学像を光電変換する撮像素子との間に配置されたミラーユニットを含む光学装置を介して解決している。
図1は、実施例1の画像取得装置80の要部概略図である。画像取得装置80は、情報取得部とデジタル顕微鏡本体を有する。情報取得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。図1の座標系において円の中に×の記号は紙面奥行方向にY軸が向いていることを示す。XY平面は後述する結像光学系104の光軸OA1に平行なZ軸に垂直な平面である。
まず、情報取得部において、プレパラート100が移動手段101に保持される。本実施例の被写体(物体)は、プレパラート100である。プレパラート100は細胞など被検体をスライドガラス上に貼り付けて透明な保護部材(カバーガラス)で封止したものである。
移動手段101は、プレパラート100を搭載して移動走査するもので、本実施例ではXY平面内で移動するXYステージである。移動手段101は直動ステージなどでもよい。移動手段101がプレパラート100を移動走査する方向はY方向とする。本実施例の移動手段101は情報取得部とデジタル顕微鏡本体との間を、図1に示す矢印に示すように移動する。
情報取得手段102は、被写体の表面の結像光学系104の光軸方向(Z軸方向)の位置(Z位置)に応じて変化する情報を取得する。
例えば、情報取得手段102は、被写体に設定された各計測位置における被写体のZ位置を計測する計測手段であってもよく、計測手段は三角測量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。例えば、情報取得手段102には、斜入射光の反射位置計測系やエアマイクロメータなど他の計測手段も適用できる。非接触での計測が好適な場合が多いが、接触圧の低い接触式電気マイクロメータなどを使用してもよい。情報取得手段102は、被検体の存在範囲を検出するデジタルカメラや、カバーガラスの厚さを計測する分光干渉計や、被写体の光量透過率を計測する分光透過率計など各種計測機能を備えてもよい。
計測情報は不図示のA/D変換部を介してコントローラ130に送信される。コントローラ130は、演算によってカバーガラスの厚みを計測結果から差し引いて被検体上面のZ位置を求めることができる。各計測位置におけるZ位置は、プレパラート100の合焦目標位置であり、合焦目標位置は記憶手段(メモリ)134に記録される。
情報取得手段102は、被写体表面の凹凸形状(合焦目標形状)に関する情報を取得する位相差検出手段や撮像手段であってもよい。例えば、合焦目標位置を、フォーカスの異なる複数の画素列から得られる画像信号のコントラストから算出してもよい。情報取得手段102を、Z軸方向に対して傾斜したエリアセンサやZ軸方向の位置が異なる階段状に配置された複数の画素列または撮像素子から構成し、被写体表面からのZ軸方向の距離を変化させてもよい。情報取得手段102は後述する撮像手段110を兼ねてもよい。この場合、先行する画素列により、合焦目標位置を取得し、後列の画素により、撮像する。
画像取得装置80の制御系として、コントローラ130、画像処理手段132、記憶手段134、画像表示手段136、不図示のA/D変換部が設けられている。情報取得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、プレパラート100を保持した移動手段101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103、移動手段101、結像光学系104、ミラーユニット、再結像光学系106、撮像素子110を有する。本実施例では、コントローラ130は情報取得部とデジタル顕微鏡本体の両方の構成要素の動作を制御する。
照明手段103は、光源と照明光学系から構成されている。
光源は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、LED、時系列でカラーバンドの異なる光を発するもの(ハロゲン光源のような波長帯の広い光源と複数カラーフィルターを切換える機構のもの、複数カラーバンド光源の光路を切換えるもの)など限定されない。
照明光学系は光源からの光でプレパラート100を均一に照明する。均一に照明するために照明手段103にライトインテグレータを備えてもよい。可変絞りや遮光マスクなどを備えてもよい。なお、照明方式として被写体を上方から照明し、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。
結像光学系104は、照明手段103によって照明された被写体の光学像を形成し、レンズやミラーなど光学素子の組み合わせで構成される。例えば、マンジャンミラーを用いたカタディオ光学系とすることもでき、視野絞りまたは開口絞りなどの光路中の光学調整部品や、収差補正機能として特定の光学素子の位置または姿勢の調整機能を備えてもよい。結像光学系104は1回のみ結像するものとはかぎらず、複数回結像することにより被写体の像を結像する構成としてもよい。なお、移動手段101は、情報取得手段102の計測可能領域と結像光学系104の合焦可能面領域との両領域間においてプレパラート100を移動する。
ミラーユニットは、変形可能な反射面105aを有する反射鏡(ミラー)105と、反射鏡105の反射面を変形する変形手段としての保持機構部109と、保持機構部109を支持するベース120と、を有する。
反射鏡105の反射面105aは、結像光学系104の結像位置の近傍に設けられ、結像光学系104からの光を撮像素子110に偏向する。反射鏡105の反射面は帯状で、可撓性を有し、かつ複数の平行する軸回りの曲げ変形が可能である。ニッケル−リン無電解メッキ処理したばね用りん青銅の帯状板の表面を平滑に加工して光学反射面を実現し、裏面を後述する駆動手段との接続連結用に加工する。
反射鏡105の材質は、ばね鋼、ばね用りん青銅、ばね用ステンレス鋼、等の金属や、ABS、ナイロン、ポリカーボネイト、アクリル、等の樹脂を選択することができる。また、単一部材で無く複数部材を溶接、接着等で結合してもよい。また、平滑な表面を有するガラス層と樹脂層と金属層からなる多層構造としてもよい。ガラスは平滑であるので反射率の高い鏡を作りやすく、金属は形状精度良く加工しやすく、樹脂はガラスと金属材の緩衝作用を期待できる。
具体的には、熱膨張率の差によるガラスと金属材の接合部の熱応力を緩和し、また、ガラスと金属材の弾性率の差による変形時の応力集中を緩和する。また、保持機構部109の一部と反射鏡105とを単一の部品として製作してもよい。光学反射面は、ニッケルーリン無電解メッキ処理と熱処理によるメッキ膜の硬化後に、研磨およびミリング加工等の機械加工により、好ましくは可視光の波長より十分小さい表面粗さまで鏡面加工する。また、蒸着やスパッタリングなどの製膜工程により、アルミニウム膜を形成し、更に、Ge−MgF2−ZnS、等からなる多層膜を作成することもできる。
本実施例の反射鏡105の長さLkは、プレパラート100の幅をWp、結像光学系104の光学倍率をM1とすると次式を満足するように設定される。
Lk > √2×M1×Wp (1)
つまり、X方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を45度傾けた反射鏡105が反射可能な長さとする。反射鏡105の幅すなわちY方向の寸法Wkは、撮像素子110の画素配列の幅をWs、再結像光学系106の光学倍率をM2とすると、
Wk > Ws/M2 (2)
を目安に設定する。
つまり、X方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を45度傾けた反射鏡105が反射可能な長さとする。反射鏡105の幅すなわちY方向の寸法Wkは、撮像素子110の画素配列の幅をWs、再結像光学系106の光学倍率をM2とすると、
Wk > Ws/M2 (2)
を目安に設定する。
図1においては、反射鏡105は、互いにY軸と平行する複数の軸回りに(複数の第1の軸周りに)面外曲げ変形が可能であり、これら複数の軸が結像光学系104の光軸OA1および再結像光学系106の光軸OA2の両光軸を含む面と直交している。後述する合焦目標形状データ(被写体の表面形状)に応じてコントローラ130および保持機構部109により形状や位置姿勢が制御されることで、プレパラート100の像を撮像素子110の画素上に形成することができる。
再結像光学系106は、結像光学系104によってミラーユニットの反射面105aに結像された被写体の光学像を撮像素子110の撮像面へ再結像し、結像光学系104と同様に光学素子の組み合わせで構成される。光学倍率が可変なズームレンズ構成としてもよい。
撮像素子110は、結像光学系104、反射鏡105、再結像光学系106によって撮像面に形成された光学像を光電変換する。撮像素子110は、第1の軸(本実施例ではY軸)に直交する第2の軸(本実施例ではZ軸)の方向(画素配列方向)に延びる一または複数の画素列を有する。撮像素子110は、複列のラインセンサや、エリアセンサの特定列領域を使用してもよい。なお、複列のラインセンサを使用する場合は、画素配列の夫々の列を、例えば、半画素や1/3画素シフトさせて配列することもできる。
撮像素子110は、RGBベイヤー配列以外に、RGBY(黄色)、RGBE(エメラルド)4色カラーフィルター、RGBY(黄色)M(マゼンダ)C(シアン)6色カラーフィルター(3×3を一組)であってもよい。
保持機構部109は、反射鏡105を変形させる変形手段であり、ベース120によって支持されている。保持機構部109の詳細については後述する。
コントローラ130は、画像取得装置80の全体を制御する制御手段で、CPUやDSPなどのプロセッサを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
以下、画像取得装置80で画像データを取得する手順について説明する。ここでは、合焦目標形状をプレパラート100の最上面に位置するカバーガラスの形状とし、このカバーガラス上面の複数個所の高さデータから合焦目標形状データを設定する。
図2は、プレパラート100の上面図であり、図中の座標系において円の中の黒丸の記号は紙面手前方向にZ軸が向いていることを示す。プレパラート100に設定された27個の計測位置を白丸で示し、X方向の計測位置の間隔をSx、Y方向の計測位置の間隔をSyとする。
まず、移動手段101により、プレパラート100を移動してカバーガラス210の上面の図2の右列の下端にある計測位置211のZ位置を計測する。続いて、Y方向にSy移動し、この計測位置211のZ位置を計測する。これを図2の右列の上端にある計測位置212まで繰り返す。続いて、X方向にSx移動し、図2の中列の上端にある計測位置のZ位置を計測する。続いて、Y方向に−Sy移動し、図2の中列の上から二番目にあるZ位置を計測する。これを図2の中列の下端の計測位置213まで繰り返す。この一連の動きを図2の左列の上端の計測位置214まで繰り返し、全ての計測位置のZ位置を計測する。コントローラ130は、計測結果を合焦目標形状データとして記憶する。なお、計測位置の数は限定されず、計測位置の配列も格子状に限定されない。
上述したように、合焦目標をカバーガラス下面とすることもできる。例えば、情報取得手段102として分光干渉計などのカバーガラス厚さが計測可能な厚さ情報取得手段を加えればよい。厚さ情報取得手段の上下の移動が必要な場合は適宜移動手段を加えればよい。また、カバーガラスの厚さ情報が既知の場合は、カバーガラス上面の位置データと既知の厚さ情報から下面のZ位置を推定することもできる。
このように合焦目標形状データを取得した後で、プレパラート100を移動手段101によって結像光学系104の合焦可能面に移動する。この合焦可能面は結像光学系104の光軸OA1と略直交する。また、制御手段130は、情報取得手段102が取得した情報に基づいてミラーユニットの反射面の面外曲げ変形を制御する。面外曲げ変形の方法については後述する。本実施例の反射面105aは一つの回転軸の周りに変形されるため、大きな変形を与えることができる。また、単一の反射面から構成されているので特許文献2、3などのような隙間の画像データの合成が不要であり、画像データを短時間で取得することができ、画像処理の負荷も低減することができる。
移動手段101は、結像光学系104の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、プレパラート100を、撮像素子110の画素配列方向と光学的共役な方向に対して角度をなして移動走査するように構成されている。
この状態で、照明手段103によってプレパラート100を照明する。照明手段103からの光は、プレパラート100および結像光学系104を通過し、反射鏡105の反射面105aの近傍に結像する。この像は反射鏡105で反射され、再結像光学系106を通過し、Z方向に画素配列された撮像素子110上に像を再結像する。画像取得装置は、移動手段101が被写体を移動走査することによって撮像素子110より被写体の画像データを取得する。
図3は、撮像素子110に適用可能な構成を示す平面図である。
図3(a)に示す1列撮像素子310は、本実施例の撮像素子110として使用される構成である。これは、複数の画素341が走査方向に直交するZ方向である画素配列方向342を示す矢印の方向に列を成して1列並ぶものである。本実施例では、モノクロのラインセンサが用いられているが、カラーのラインセンサを用いることもできる。
画像処理手段132による画像処理においては、TDI(TimeDelay Integration)を採用することができる。TDIにより、画素が取得する光量を上げ、輝度分解能を上げる。通常のラインセンサは画素を一列に並べるが、TDIでは複数の画素列を設ける。図3(b)はTDI構成を示している。
この場合、画素列を複数設け、画素列毎に露光時間を変え、輝度の異なる複数の画像を取得し、これに基づいて、ダイナミックレンジを広げた画像を作成してもよい。露光時間、走査速度を変えて、一列の画素列を複数回走査して得た画像に対して実施してもよい。
あるいは、画素列を複数設け、画素列毎に再結像光学系106の光軸方向の位置を変えて露光し、フォーカスの異なる複数枚の画像を取得する。そして、これに基づいて、被写界深度を広げた画像を作成してもよい。再結像光学系106の光軸方向の位置を変えて、一列の画素列を複数回走査して得た画像に対して実施してもよい。
また、画素列を複数設け、画素列毎に、カラーフィルターを変え、カラーバンドの異なる複数枚の画像を取得する。そして、これに基づいて、色空間、色分解能を広げた画像を作成する。光源のカラーバンドを変えて、一列の画素列を複数回走査して得た画像に対して実施してもよい。例えば、図3(b)に示す2列撮像素子320は、緑色光検出画素G、赤色光検出画素R、青色光検出画素Bを組み合わせ、Gを2個に対してRおよびBを各々1個の4個組合せ格子が並ぶベイヤー配列を使用することができる。
あるいは、画素列を複数設け、画素列毎に、再結像光学系106の光軸方向同一面内の位置を変え、画素位置の異なる複数枚の画像を取得する。そして、これに基づいて、面内の分解能を広げた画像を作成する。ここで、複数の画素列を設け、相互の画素列が画素列方向に(画素配置間隔の数分の一だけ)ずらして配置され、撮像する方式をピクセルシフトと呼ぶことにする。図3(c)は画素配列をずらすことによるピクセルシフトの構成を示している。図3(c)に示す3列撮像素子330は、画素配列の夫々の列をずらして配置している。この他、不図示であるが、一つまたは複数の画素列を画素列方向に移動し、複数回撮像した画像データを画像処理するピクセルシフトとしても良い。
撮像素子110の長さLsは、M1、M2およびWpに対して次式のように設定する。
Ls > M2×M1×Wp (3)
プレパラート100を照明手段103により適切に照明しながら移動手段101をY方向に略一定速度で走査し、反射鏡105を合焦目標形状データに応じて変形させながら画像データを取得する。取得した画像データは記憶手段134に記憶される。走査速度は、撮像素子110のデータ取得レートなどを考慮して決定する。移動走査は間欠的に行ってもよく、撮像素子110の画素配列幅Wsなどを考慮して決定する。反射鏡105は変形に加えて位置や傾きの変更を行うこともできる。
プレパラート100を照明手段103により適切に照明しながら移動手段101をY方向に略一定速度で走査し、反射鏡105を合焦目標形状データに応じて変形させながら画像データを取得する。取得した画像データは記憶手段134に記憶される。走査速度は、撮像素子110のデータ取得レートなどを考慮して決定する。移動走査は間欠的に行ってもよく、撮像素子110の画素配列幅Wsなどを考慮して決定する。反射鏡105は変形に加えて位置や傾きの変更を行うこともできる。
図1においては、撮像素子110の画素配列方向はZ軸方向で、結像光学系104の合焦可能面はプレパラート100の図示付近となり、画素配列方向と光学的に共役な方向はX軸方向となる。このX軸方向と角度をなした方向としてY軸方向にプレパラート100を移動走査する。なお、本実施例のように、移動手段101は、結像光学系104の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、被写体を、撮像素子の画素配列方向と光学的共役な方向に対して直交する方向に移動走査してもよいが、直交する成分があれば足りる。
保持機構部109により反射鏡105の位置や姿勢を変更したり、反射面を変形したりする。以下、保持機構部109について、図4を参照して説明をする。図4は、2軸テーブルを用いた保持機構部109の概略断面図であり、一例として、5個の2軸テーブル550を、ベース120にXa方向に略等間隔で一列に固定した様子を示している。5つの2軸テーブル550は、それぞれがY軸周りに反射面105aを面外曲げ変形する複数の変形手段を構成する。保持機構部109は、反射鏡105と各々の2軸テーブル550をジョイント510で結合している。ここで、XaYZa座標系はXYZ座標系をY軸回りに45度回転した座標系とする。
図5は、2軸テーブル550の構造を示す概略断面図である。同図に示すように、2軸テーブル550は、Xa方向とZa方向の2自由度の駆動機構であり、X可動部551、Xガイド552、Xボールねじ553、Xモータ554、Z可動部555、Zガイド556、Zボールねじ557、Zモータ558を有する。
X可動部(第1の可動部)551は、移動部553bに固定され、Xa方向(第1の方向)に移動可能に構成されている。Xガイド552は、X可動部551と接触し、X可動部551のXa方向への移動を案内する。Xボールねじ553は、Xa方向に延び、固定部553aと係合するとともに、移動部533bと係合している。Xボールねじ553の固定部553aに挿入されている部分はネジ山が形成されておらず、Xボールねじ553のネジ山は固定部553aとXモータ554の間に形成されている。固定部553aはXガイド552に固定され、固定部553aのXボールねじ553が挿入される穴面もネジ山が形成されていない。この結果、Xボールねじ553は固定部553aに支持された状態で回転することができ、この時、Xボールねじ553と固定部553aの相対位置は変化しない。固定部553aのXa方向の位置はXボールねじ553の回転状態に拘らず変化しない。一方、Xボールねじ553と移動部553bと螺合された状態で係合している。即ち、移動部553bのXボールねじ553が挿入される穴面にはネジ山が形成され、移動部553bはX可動部551に固定されている。この結果、Xボールねじ553が回転すると移動部553bとX可動部551はXボールねじ553に沿って移動することになる。Xモータ554は、ベース120に搭載され、Xボールねじ553を回転駆動する駆動手段である。
Z可動部(第2の可動部)555は、移動部557bに固定され、Za方向(第1の方向に直交する第2の方向)に移動可能に構成され、ジョイント510に接続されている。Zガイド556は、Z可動部555と接触し、Z可動部555のZa方向への移動を案内するとともにX可動部551に搭載されて、X可動部551と共に移動する。Zボールねじ557は、Za方向に延び、固定部557aと係合するとともに、移動部537bと係合している。Zボールねじ557の固定部557aに挿入されている部分はネジ山が形成されておらず、Zボールねじ557のネジ山は固定部557aとZモータ558の間に形成されている。固定部557aはZガイド556に固定され、固定部557aのZボールねじ557が挿入される穴面もネジ山が形成されていない。この結果、Zボールねじ557は固定部557aに支持された状態で回転することができ、この時、Zボールねじ557と固定部557aの相対位置は変化しない。固定部557aのZa方向の位置はZボールねじ557の回転状態に拘らず変化しない。一方、Zボールねじ557と移動部557bと螺合された状態で係合している。即ち、移動部557bのZボールねじ557が挿入される穴面にはネジ山が形成され、移動部557bはZ可動部555に固定されている。この結果、Zボールねじ557が回転すると移動部557bとZ可動部555はZボールねじ557に沿って移動することになる。Zモータ558は、Zガイド556に搭載され、Zボールねじ557を回転駆動する駆動手段である。
Xボールねじ553をXモータ554が回転すると、X可動部551はXガイド552に沿ってXa方向に移動し、X可動部551に搭載されたZガイド556がXa方向に移動可能となる。Zボールねじ557をZモータ558が回転すると、Z可動部555はZガイド556に沿ってZa方向に移動することができる。
ジョイント510は、反射鏡105との接続付近がY軸回りに変形可能な機能を有するものとして、Z可動部555と反射鏡105を連結する。
図6は、ジョイント510の具体例であるジョイント511から514を示す斜視図である。本実施例では、図6(a)に示すように、Y方向に伸びる溝によるくびれを有するジョイント511を反射鏡105に接続することで、反射鏡105との接続付近をY軸回りに変形可能とする。くびれはXaZa平面におけるジョイント511の両側に略四角形状または略円弧形状の切り欠きとして形成され、Y軸周りに変形可能な弾性ヒンジを構成する。
この他の例を図6(b)から(d)に示す。図6(b)は、反射鏡105との接続部のXaZa平面における肉厚が薄いが段付きの平板からなるジョイント512を示している。薄肉部が屈曲柔軟性のある弾性ヒンジとなる。図6(c)は、薄い平板の例として構成されたジョイント513を示しており、平板そのものが屈曲柔軟性のある弾性ヒンジとなる。図6(d)は、Y方向に回転軸を有するジョイント514を示しており、ボールベアリングを複数個用いて回転ジョイントを構成している。
このようなXa方向とZa方向の2つの方向(2自由度)で位置決めが可能な保持機構部109を用いると、反射鏡105の形状および位置や姿勢を被写体の表面形状に合わせた形状に調節可能となる。この結果、複雑なうねりを持つ被写体の合焦状態での画像を取得することができる。
この他、保持機構部109は、例えば、ジョイントとリンクと駆動手段により構成できる。ジョイントとしては、転がり軸受や、すべり軸受けなどの回転ジョイント、または直進ガイドなどのリニアジョイントなどを用いる。駆動手段としては、リニアモータやボールねじ直動機構やエアシリンダなどの、可動部を位置決め制御可能な各種アクチュエータを用いる。複数の駆動手段を用いる場合は、いくつかを位置フィードバック制御などの能動的位置決め制御とし、他のいくつかを、力(force)制御などの従属的追従制御とすると、反射鏡105への過度な変形操作を避けることができる。能動的位置決め制御の手段としては、ボールねじ直動機構、リニアモータ、ピエゾなどのアクチュエータの位置フィードバック制御が適用できる。従属的追従制御の手段としては、エアシリンダの圧力フィードバック制御やリニアモータの電流フィードバック制御などが適用できる。または相対的にループゲインの低い位置フィードバック制御の適用や、直動案内を有するリニアモータを非通電状態に切換えることやエアシリンダを閉塞させることや大気と通気させて使用する等も可能である。
リンクは、これらジョイントおよび駆動手段などを相互に結合するための部材とする。図7(a)〜(d)は保持機構部109の構成例を説明する図である。
図7(a)は、駆動手段が1個の保持機構部109の構成例410を示す概略図である。反射鏡105は凹凸変形可能である。構成例410は、2つの機構連鎖RLR460と、2つの機構連鎖RLR460の間に設けられた機構連鎖FPR461と、を有する。
機構連鎖RLR460は、固定リンクL452の両側に回転ジョイントR451を有する(即ち、回転ジョイントR451、固定リンクL452、回転ジョイントR451の順で並ぶ)構成を有する。また、機構連鎖FPR461は、固定ジョイントF453、直動機構P454、回転ジョイントR451の順で並ぶ構成を有する。
機構連鎖RLR460の下側の回転ジョイントR(第2の回転ジョイント)451と、機構連鎖FPR461の固定ジョイントF453がベース120に接続される。また、機構連鎖RLR460の上側の回転ジョイントR(第1の回転ジョイント)451と機構連鎖FPR461の回転ジョイントR451が反射鏡105に接続される。
直動機構Pは可動部を有する駆動手段である。固定ジョイントFの機能は、直動機構Pをベース120へ強固に結合することなので、専用部品として設けなくてもよく、直動機構Pを接着またはボルト締結などでベース120に固定してもよい。固定リンクLには、板形状や棒形状などで変形しにくい連結部材を構成すればよい。
図7(b)は、駆動手段が2個の構成例420を示す概略図である。構成例420は、2つの機構連鎖462と、その間に設けられた機構連鎖463と、を有する。機構連鎖462は、回転ジョイントR451、直動機構P454、回転ジョイントR451の順で並ぶ構成を有する。機構連鎖463は、回転ジョイントR451、固定リンクL452、固定ジョイントF453の順で並ぶ構成を有する。
機構連鎖462の下側の回転ジョイントR451と、機構連鎖FPR461の固定ジョイントF453がベース120に接続される。また、機構連鎖462の上側の回転ジョイントR451と機構連鎖463の回転ジョイントR451が反射鏡105に接続される。この結果、反射鏡105は凹凸変形に加えて、略Z形状の変形が可能である。符号と機能は図7(a)と同様である。
図7(c)は、駆動手段が3個の構成例430を示す概略図である。構成例430は、2つの機構連鎖462と、その間に設けられた機構連鎖461と、を有する。この結果、反射鏡105は、図7(b)の例に加えて、上下移動およびY軸回りの姿勢変更が可能である。
図7(d)は、駆動手段が10個の構成例440を示す概略図である。構成例440は、反射鏡105に接続された5つの回転ジョイントR451と、ベース120に接続された6つの回転ジョイントR451と、上下の回転ジョイントR451の間に設けられた10個の直動機構P454と、を有する。ベース120に固定された両端の一対の回転ジョイントR451以外は、各回転ジョイントR451に2つの直動機構P454が接続されており、10個の機構連鎖462が設けられている。この結果、反射鏡105は、図7(c)の例に加えて、略S形状および略W形状の変形と左右移動も可能である。
左右移動が可能な保持機構部109を用いると、解像度を上げることが可能な場合がある。左右移動が可能な保持機構部109の構成方法としては、より少ない駆動手段の個数でも実現が可能で、例えば、3個で実現することも可能(不図示)である。いずれの構成例においても回転ジョイントは、屈曲柔軟性のある弾性ヒンジとして機能することができる。これはリンクや駆動手段の一部を加工して形成することも可能である。
次に、反射鏡105によってフォーカスを調整する方法について説明する。図8は結像光学系104によって結像される像面位置が、反射鏡105の反射面105aによって見かけの像面位置へ変換される関係を説明する図である。
図8(a)に示すように、反射面105aを結像光学系104の光軸OA1(Z軸方向)に対して45°となる位置612に配置した場合、結像光学系104の見かけの像面位置611は結像光学系104の像面位置610を90°回転した位置611となる。
また、図8(b)に示すように、反射面105aを結像光学系104の光軸OA1(Z方向)に対して45°の位置612から+δ°となる位置613に配置すると、位置610に対応する位置615から+2δ°変化した見かけの像面位置614へ変換される。
このように、光路上に反射面105aを配置し、Y方向を軸として回転することにより、結像光学系104の見かけの像面位置を変更することができる。
ここで、被写体の結像位置は、被写体の凹凸に応じて変わるので、撮像素子110の撮像面の近傍にX方向に凹凸のある像を結像する。すなわち、被写体にZ方向の大きな凹凸があると、平面状の受光面を持つ撮像素子110上には全域でフォーカスのあった像を結像できない。撮像素子110の撮像面全域でフォーカスの合った画像データを取得するためには、被写体の結像位置を撮像素子110の平面状の受光面と極力一致させる必要がある。
そこで、図8で説明したように、結像光学系104の見かけの像面位置を再結像光学系106の物体面位置に反射鏡105で変換するように、保持機構部109により反射鏡105を移動またはY方向を軸とした軸回りに変形させる。すると被写体の結像光学系104による結像位置は再結像光学系106の物体面位置に略一致し、撮像素子110に再結像させることができ、撮像素子110の撮像面の全面でフォーカスのあった画像データを取得できる。
以上説明したように、実施例1は、反射鏡105をY軸と平行する複数の軸回りに面外曲げ変形が可能とし、かつ、これら複数の軸が結像光学系104の光軸OA1および再結像光学系106の光軸OA2の両光軸を含む面と直交する配置としたことである。これにより、反射鏡105を変形させて凹凸のある被写体に適応させても再結像光学系106の光軸回りの像回転が起きにくくなる。
また、結像光学系104の合焦可能範囲内で被写体を移動するために、移動手段101に結像光学系104の光軸方向に移動する機能を設け、光軸方向に移動する。または、移動手段101に結像光学系104の光軸方向に対してチルト可能なチルト機能と結像光学系104の光軸方向に移動する手段を設け、主走査移動方向の傾斜を変え、かつ、光軸方向に移動する。または、結像光学系104より上を、一体的に結像光学系104の光軸方向に移動する手段を設ける。この他、撮像素子110に移動手段を設け、撮像素子110を再結像光学系106の光軸方向に移動しても良いし、画像処理手段132による画像処理で拡大縮小しても良い。
撮像素子110からのアナログ信号をA/D変換することによって得られるデジタル信号を画像処理手段132は処理をし、制御手段130は記憶手段134に記録したり、画像表示手段136に表示したりする。
図9は、実施例2の画像取得装置81の要部概略図である。実施例2は、撮像素子110は画素配列方向をY方向とし、反射鏡105の面外曲げの軸方向をXZ面内でX軸と45度の角度をなす方向としている点で実施例1と相違する。実施例2では、方向をあらわす単位ベクトルのX,YおよびZの各成分を(1/√2,0,1/√2)とし、結像光学系104の光軸OA1および再結像光学系106の光軸OA2の両方と撮像素子110の画素配列方向を直交している。被写体を移動走査する方向はX方向であり、その他の構成は、実施例1とほぼ同様である。
反射鏡105の長さ、すなわちY方向の寸法Lkは、M1およびWpに対して次のように設定する。
Lk > M1×Wp (4)
つまり、Y方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を反射鏡105が反射可能な長さとする。反射鏡105の幅Wkは、45度の傾きを考慮してM2およびWsに対して次のように設定する。
つまり、Y方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を反射鏡105が反射可能な長さとする。反射鏡105の幅Wkは、45度の傾きを考慮してM2およびWsに対して次のように設定する。
Wk > √2×Ws/M2 (5)
画像取得装置81は、画像取得装置80に比べてLkを短くできるという特長がある。結像光学系104と再結像光学系106を近接して配置する光学設計を採用する場合や、装置のZ方向の高さを低く抑えたい場合などに有効な配置である。
画像取得装置81は、画像取得装置80に比べてLkを短くできるという特長がある。結像光学系104と再結像光学系106を近接して配置する光学設計を採用する場合や、装置のZ方向の高さを低く抑えたい場合などに有効な配置である。
図10は、実施例3の画像取得装置82の主要部概略図である。実施例3は、ミラーユニットMの反射鏡105の面外曲げの軸方向をX軸と平行な方向とし、ビームスプリッタ107を結像光学系104と反射鏡105の間に設けている点で実施例2と相違する。
ビームスプリッタ107の入射面には結像光学系104からの光が入射する。ビームスプリッタ107の分離面は、結像光学系104からの光を透過して反射鏡105に導き、反射鏡105からの光を結像光学系104の光路外へ偏向させる。再結像光学系106は、ビームスプリッタ107と撮像素子110の間に配置され、ビームスプリッタ107で偏向させられた光束を撮像素子110の撮像面に再結像させる。その他は実施例1および2と、ほぼ同様である。被写体を移動走査する方向はX方向とする。
ビームスプリッタ107としては、例えば直方体型のものを用いることができる。これは、三角柱を2つ組み合わせた直方体形状をしており、三角柱の接合面に誘電体多層膜を設け、光の入射面と射出面に反射防止膜を設けた構造である。この時、ビームスプリッタ107の材料は、吸収、色分散、偏光の小さい硝材であることが望ましい。
あるいは、ビームスプリッタ107は板型(平行平板など)でもよい。これは、平行平板の反射面に誘電体多層膜を設け、この反対側の面に反射防止膜を設けた構造である。吸収、色分散、偏光の小さい硝材であることが好ましい。
反射鏡105の表面に結像した被写体の像の形状は反射鏡105の形状によって変化するが、結像光学系104の光軸OA1はミラーユニットの反射面にほぼ垂直であるため、実施例3は、その変化をZ軸方向に限定する。このため、被写体表面の凹凸の影響を補正する際に結像性能には影響を与えない。これに対して、実施例1、2では、反射鏡105が光を反射する際に像の回転が生じるため、撮像素子110の画素から外れるおそれがあり、結像性能が低下しやすい。
図11は結像光学系104によって結像される像面位置と、反射鏡105によって形成される見かけの像面位置の関係を説明する図である。
図11(a)に示すように、結像光学系104の像面位置710から+Z方向にL1離れた位置711に反射鏡105の反射面105aを配置した場合を考える。すると、反射面105aで反射した光により、反射面105aから+Z方向にL1離れた位置712が見かけの像面位置となる。
また、図11(b)に示すように、結像光学系104の結像位置713から−Z方向にL2離れた位置714に反射面105aを配置した場合を考える。すると、反射面105aで反射した光により、反射面105aから−Z方向にL2離れた位置715が見かけの像面位置となる。
このように、光路上に反射鏡105の反射面105aを配置することにより、結像光学系104の見かけの像面位置を変更することができる。
実施例3においても、結像光学系104の見かけの像面位置を再結像光学系106の物体面位置に反射鏡105で変換するように、保持機構部109により反射鏡105を移動またはX方向を軸とした軸回りに変形させる。反射鏡105の長さ、すなわちY方向の寸法Lkは、M1およびWpに対して次式を目安に設定する。
Lk > M1×Wp (6)
つまりY方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を反射鏡105が、反射可能な長さとする。反射鏡105の幅Wkは、WsおよびM2に対して次式を目安に設定する。
つまりY方向の長さWpの領域がM1倍された範囲を反射鏡105が、反射可能な長さとする。反射鏡105の幅Wkは、WsおよびM2に対して次式を目安に設定する。
Wk > Ws/M2 (7)
実施例3は、実施例1と2よりも反射鏡105を小さくでき、実施例1と同様に像回転が起きにくいという特徴がある。
実施例3は、実施例1と2よりも反射鏡105を小さくでき、実施例1と同様に像回転が起きにくいという特徴がある。
実施例1では次式が目安となる。
Lk>√2×M1×Wp、Wk> Ws/M2 (8)
実施例2では次式が目安となる。
実施例2では次式が目安となる。
Lk> M1×Wp、Wk>√2×Ws/M2 (9)
実施例3では次式が目安となる。
実施例3では次式が目安となる。
Lk> M1×Wp、Wk> Ws/M2 (10)
ここまで説明した実施例1,2および3には、撮像素子110を再結像光学系106の光軸OA2を回転軸として回転可能な回転機構(不図示)を追加で備える構成が有効な場合がある。反射鏡105を変形させることで生じる再結像光学系106の光軸OA2を回転軸とした像の回転を補正することや、プレパラート100の移動走査速度と撮像素子110の画像データ読出しレートに応じて撮像素子110姿勢を適切に変更することなどが可能となる。
ここまで説明した実施例1,2および3には、撮像素子110を再結像光学系106の光軸OA2を回転軸として回転可能な回転機構(不図示)を追加で備える構成が有効な場合がある。反射鏡105を変形させることで生じる再結像光学系106の光軸OA2を回転軸とした像の回転を補正することや、プレパラート100の移動走査速度と撮像素子110の画像データ読出しレートに応じて撮像素子110姿勢を適切に変更することなどが可能となる。
図12は、結像光学系104、ビームスプリッタ107、ミラーユニットM1、M2、再結像光学系106、撮像素子110の関係を示す光路図である。同図において、点線の円で囲った位置A、B、Cに配置された部材に着目すると、位置Aには撮像素子110、位置BにはミラーユニットM1、位置CにはミラーユニットM2がそれぞれ配置されている。実施例3では、位置Aには撮像素子110、位置Bにはミラーユニットが配置されているが、位置Cには何も配置されていない。
図13に示す変形例では、位置Aに撮像素子110を配置し、位置Bには構成要素がなく、位置CにミラーユニットM3を配置している。ビームスプリッタ107は、結像光学系104とミラーユニットM3の間の光路に配置され、結像光学系104からの光を反射してミラーユニットM3の反射面に導き、ミラーユニットの反射面によって反射された光を透過して再結像光学系106に導く。図13では、再結像光学系106の光軸OA2はミラーユニットの反射面にほぼ垂直である。再結像光学系106は、ビームスプリッタ107を透過した光によってプレパラート100の光学像を撮像素子110に再結像する。図13は、ミラーユニットM3の位置を位置Bから位置Cに移動した例を示しており、実施例3と同様の効果を有する。
図14に示す変形例では、位置Aに撮像素子110を配置し、位置BにミラーユニットM4を配置し、位置Cに情報取得手段102Aを配置している。図14では、ビームスプリッタ107は、結像光学系104からの光の一部を透過および反射の一方によってミラーユニットM4に導き、結像光学系104からの光の一部を透過および反射の他方によって情報取得手段102Aに導く。なお、ミラーユニットM4は位置Cに配置され、情報取得手段102Aは位置Bに配置されてもよい。
情報取得手段102Aは、撮像素子110で現在撮像している被写体の部分の後で撮像される部分の合焦目標位置を検出する。これにより、情報取得手段102が不要となり、画像取得装置を小型化することができる。また、撮像素子110による撮像と情報取得手段102Aによる情報取得を並行して実施できるので、実施例3よりも画像取得時間を短縮できる。即ち、実施例3では、移動手段101を情報取得部と本体で共用し、合焦目標検出の後に撮像するので、時間がかかる。
図14では、情報取得手段102Aは、エリアセンサもしくは階段状に画素列を設置し、高さの異なる画素列を複数設けたものを使用する。エリアセンサの受光面はビームスプリッタ107の情報取得手段102Aへの射出側の光軸に対して傾斜している。なお、本実施例においては、ビームスプリッタ107の射出側の光軸とは、射出面に垂直な軸のことである。制御手段130は、エリアセンサまたはY方向に伸びる画素列毎から得られた信号のコントラストを計算し、コントラストから前記被写体表面のZ位置の情報を取得する。プレパラート100の移動に伴い、プレパラート100の高さ毎のコントラストを検出し、最も高いコントラストの位置から合焦目標形状を計算する。
また、情報取得手段102Aは、受光面がビームスプリッタ107の情報取得手段102Aへの射出面に垂直な軸に対して垂直である複数の画素列を有するラインセンサから構成されてもよい。この場合、(複数列の)ラインセンサを傾斜させずに設け、このラインセンサを射出面に垂直な軸の方向(X軸方向)に移動する第1手段を設け、X軸方向に往復することによって、プレパラート100の高さ毎のコントラストを検出する。制御手段130は、第1手段によって移動されたラインセンサから得られた信号のコントラストから被写体表面のZ位置の情報を取得する。
図15に示す変形例では、位置Aに撮像素子110と情報取得手段102Aを配置し、位置BにミラーユニットM5を配置し、位置Cに変形しない平板鏡(平板ミラー)150を配置している。ビームスプリッタ107は、結像光学系104からの光の一部を透過および反射の一方によってミラーユニットM5に導き、結像光学系104からの光の残りを透過および反射の他方によって平板鏡150に導く。また、ビームスプリッタ107は、ミラーユニットM5からの光と平板鏡150からの光をともに再結像光学系106に導く。なお、ミラーユニットM5は位置Cに配置され、平板鏡150は位置Bに配置されてもよい。
情報取得手段102Aは、撮像素子110で現在撮像している被写体の部分の後で撮像される部分の情報を平板鏡からの光から取得する。図15でも、撮像素子110による撮像と情報取得手段102Aによる情報取得を並行して実施できるので、実施例3よりも画像取得時間を短縮できる。これにより、図14に示す変形例と同様の効果を得ることができる。
また、例えば、情報取得手段102Aは、(複数列の)ラインセンサを傾斜させずに設けたもので、このラインセンサをX軸方向に往復することで、プレパラート100の高さ毎のコントラストを検出する。また、ラインセンサの位置を固定し、平板鏡150をX軸方向に往復してもよい。
図16に示す変形例では、位置Aに撮像素子110を配置し、位置Bに第1のミラーユニットM6を配置し、位置Cに第2のミラーユニットM7を配置している。位置Aでは、撮像素子110を増設する。ビームスプリッタ107は、結像光学系104からの光の一部を透過および反射の一方によって第1のミラーユニットM6に導き、結像光学系104からの光の残りを透過および反射の他方によって第2のミラーユニットM7に導く。また、ビームスプリッタ107は、第1のミラーユニットM6からの光と第2のミラーユニットM7からの光をともに再結像光学系106に導く。
撮像素子110の画素列を第1の画素列と第2の画素列とすると、第1の画素列は第1のミラーユニットM6からの光を再結像光学系106によって再結像された被写体の第1の部分の光学像を光電変換する。また、第2の画素列は第2のミラーユニットM7からの光を再結像光学系106によって再結像された被写体の、第1の部分とは異なる第2の部分の光学像を光電変換する。なお、上述したように、第1の画素列を有する第1の撮像素子と、第2の画素列を有する第2の撮像素子が設けられてもよい。
これにより、プレパラート100の2箇所について、個別に合焦目標形状に応じて反射鏡105を変形し、焦点のあった画像を取得する。撮像素子110を増設する代わりに、複数の画素列を増設してもよい。
図17に示す変形例では、位置Aに撮像素子110を配置し、位置BにミラーユニットM8を配置し、位置Cには構成要素が配置されていない。位置Bの反射鏡105の向きをZ軸回りに90度回転する。また、位置Aの撮像素子110の向きをX軸回りに90度回転する。また、プレパラート100の主走査移動方向もZ軸回りに90度回転し、Y軸方向とする。このような配置でも、実施例3と同様の効果がある。
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。
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。
80、81、82…画像取得装置、101…移動手段、104…結像光学系、M〜M8…ミラーユニット、105a…反射面、106…再結像光学系、109…保持機構部(変形手段)、110…撮像素子
Claims (41)
- 被写体の光学像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系によって形成された前記被写体の光学像を反射する反射面を有するミラーユニットと、
前記結像光学系によって前記ミラーユニットの前記反射面に結像され、前記反射面によって反射された前記被写体の前記光学像を再結像する再結像光学系と、
前記再結像光学系によって再結像された前記被写体の前記光学像を光電変換する撮像素子と、
前記結像光学系の光軸方向に垂直な合焦可能面内で、前記被写体を、前記撮像素子の画素配列方向と光学的共役な方向に対して角度をなして移動走査する移動手段と、
を有し、前記移動手段が前記被写体を移動走査することによって前記撮像素子より前記被写体の画像データを取得する画像取得装置であって、
前記ミラーユニットは、前記被写体の表面形状に応じて、互いに平行な複数の第1の軸周りに前記反射面を面外曲げ変形する変形手段を有し、
前記撮像素子は、前記第1の軸に直交する第2の軸の方向に延びる一または複数の画素列を有することを特徴とする画像取得装置。 - 前記被写体の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置に応じて変化する情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段が取得した情報に基づいて前記変形手段による前記反射面の面外曲げ変形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1に記載の画像取得装置。 - 前記第1の軸は、前記結像光学系の光軸および前記再結像光学系の光軸の両方を含む面と直交することを特徴とする請求項1または2に記載の画像取得装置。
- 前記結像光学系の光軸と前記再結像光学系の光軸の両方と前記撮像素子の前記画素配列方向は直交することを特徴とする請求項1または2に記載の画像取得装置。
- 前記結像光学系と前記ミラーユニットの間の光路に配置され、前記結像光学系からの光を透過して前記ミラーユニットの前記反射面に導き、前記ミラーユニットの前記反射面によって反射された光を前記結像光学系の光路外に偏向するビームスプリッタを更に有し、
前記再結像光学系は、前記ビームスプリッタにより偏向させられた光によって前記被写体の前記光学像を前記撮像素子に再結像することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。 - 前記結像光学系の光軸は、前記ミラーユニットの前記反射面に垂直であることを特徴とする請求項5に記載の画像取得装置。
- 前記結像光学系と前記ミラーユニットの間の光路に配置され、前記結像光学系からの光を反射して前記ミラーユニットの前記反射面に導き、前記ミラーユニットの前記反射面によって反射された光を透過して前記再結像光学系に導くビームスプリッタを更に有し、
前記再結像光学系は、前記ビームスプリッタを透過した光によって前記被写体の前記光学像を前記撮像素子に再結像することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。 - 前記再結像光学系の光軸は、前記ミラーユニットの前記反射面に垂直であることを特徴とする請求項7に記載の画像取得装置。
- 前記被写体の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置に応じて変化する情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段が取得した情報に基づいて前記変形手段による前記反射面の面外曲げ変形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5乃至8のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。 - 前記情報取得手段を有する情報取得部と、
前記結像光学系、前記ミラーユニット、前記再結像光学系、前記撮像素子を有する本体と、
を更に有し、
前記移動手段は前記情報取得部と前記本体との間を移動することを特徴とする請求項2または9に記載の画像取得装置。 - 前記ビームスプリッタは、前記結像光学系からの光の一部を透過および反射の一方によって前記ミラーユニットに導き、前記結像光学系からの光の一部を透過および反射の他方によって前記情報取得手段に導き、
前記情報取得手段は、前記撮像素子で現在撮像している前記被写体の部分の後で撮像される部分の前記情報を取得し、前記撮像素子による撮像と前記情報取得手段による情報取得を並行して実施することを特徴とする請求項9に記載の画像取得装置。 - 前記ビームスプリッタは、前記結像光学系からの光の一部を透過および反射の一方によって前記ミラーユニットに導き、前記結像光学系からの光の残りを透過および反射の他方によって平板鏡に導き、前記ミラーユニットからの光と前記平板鏡からの光をともに前記再結像光学系に導き、
前記情報取得手段は、前記撮像素子で現在撮像している前記被写体の部分の後で撮像される部分の前記情報を前記平板鏡からの光から取得し、前記撮像素子による撮像と前記情報取得手段による情報取得を並行して実施することを特徴とする請求項9に記載の画像取得装置。 - 前記情報取得手段はエリアセンサであり、当該エリアセンサの受光面は前記ビームスプリッタの前記情報取得手段への射出側の光軸に対して傾斜しており、前記制御手段は前記エリアセンサから得られた信号のコントラストから前記被写体の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置の情報を取得することを特徴とする請求項11または12に記載の画像取得装置。
- 前記情報取得手段は複数の画素列を有するラインセンサから構成され、当該ラインセンサの受光面は前記ビームスプリッタの前記情報取得手段への射出側の光軸に対して垂直であり、
前記ラインセンサを射出側の光軸の方向に移動する第1手段を更に有し、
前記制御手段は、前記第1手段によって移動された前記ラインセンサから得られた信号のコントラストから前記被写体の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置の情報を取得することを特徴とする請求項11または12に記載の画像取得装置。 - 前記情報取得手段は階段状に設置された画素列を有し、前記制御手段は各画素列により得られた信号のコントラストから前記被写体の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置の情報を取得することを特徴とする請求項11または12に記載の画像取得装置。
- 前記ミラーユニットは、第1のミラーユニットと第2のミラーユニットを含み、
前記撮像素子は、第1の画素列と第2の画素列を含み、
前記結像光学系からの光の一部を透過および反射の一方によって前記第1のミラーユニットに導き、前記結像光学系からの光の残りを透過および反射の他方によって前記第2のミラーユニットに導き、前記第1のミラーユニットからの光と前記第2のミラーユニットからの光をともに前記再結像光学系に導き、
前記第1の画素列は前記第1のミラーユニットからの光を前記再結像光学系によって再結像された前記被写体の第1の部分の光学像を光電変換し、前記第2の画素列は前記第2のミラーユニットからの光を前記再結像光学系によって再結像された前記被写体の、前記第1の部分とは異なる第2の部分の光学像を光電変換することを特徴とする請求項9に記載の画像取得装置。 - 前記撮像素子は、前記第1の画素列を有する第1の撮像素子と、前記第2の画素列を有する第2の撮像素子と、を含むことを特徴とする請求項16に記載の画像取得装置。
- 前記第1の軸は、前記結像光学系の光軸および前記再結像光学系の光軸の両方を含む面と直交することを特徴とする請求項5に記載の画像取得装置。
- 前記ミラーユニットは、それぞれが前記第1の軸周りに前記反射面を面外曲げ変形する複数の変形手段を有し、
各変形手段は、第1の方向に移動可能な第1の可動部と、前記第1の方向に直交する第2の方向に移動可能な第2の可動部と、を有することを特徴とする請求項1乃至18のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。 - 前記ミラーユニットは、前記第1の可動部と前記第2の可動部をそれぞれ能動的位置決め制御または従属的追従制御により制御することを特徴とする請求項19に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子は、前記再結像光学系の光軸を回転軸として回転可能であることを特徴とする請求項1乃至20のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
- 前記ミラーユニットは、前記反射面を有する反射鏡と、ベースと、を更に有し、
前記変形手段は、前記反射鏡を前記ベースに保持し、
前記変形手段は、前記反射鏡と接続されるジョイントを有することを特徴とする請求項1乃至21のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。 - 前記ジョイントは弾性ヒンジを有することを特徴とする請求項22に記載の画像取得装置。
- 前記ジョイントはボールベアリングを有することを特徴とする請求項22に記載の画像取得装置。
- 前記ジョイントは第1の回転ジョイントであり、
前記変形手段は、前記ベースと接続される第2の回転ジョイントを更に有することを特徴とする請求項22に記載の画像取得装置。 - 前記変形手段は、前記第1の回転ジョイントと前記第2の回転ジョイントの間に配置された固定リンクを更に有することを特徴とする請求項25に記載の画像取得装置。
- 前記変形手段は、前記第1の回転ジョイントと前記第2の回転ジョイントの間に配置された直動機構を有することを特徴とする請求項25に記載の画像取得装置。
- 前記ジョイントは回転ジョイントであり、
前記変形手段は、前記ベースと接続される固定ジョイントと、前記回転ジョイントと前記固定ジョイントの間に配置された直動機構と、を更に有することを特徴とする請求項22に記載の画像取得装置。 - 前記第1の回転ジョイントには複数の直動機構が接続されていることを特徴とする請求項25に記載の画像取得装置。
- 前記ミラーユニットは、前記直動機構を能動的位置決め制御または従属的追従制御により制御することを特徴とする請求項27乃至29のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子で取得した像を拡大または縮小する画像処理手段を更に有することを特徴とする請求項1乃至30のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子を前記再結像光学系の光軸方向に移動する手段を更に有することを特徴とする請求項1乃至30のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
- 前記移動手段は、前記結像光学系の光軸方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項1乃至30のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子が有する画素列を前記第2の軸の方向に移動する手段を更に有することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置
- 前記移動手段は、前記結像光学系の光軸方向に対してチルト可能に構成されていることを特徴とする請求項33に記載の画像取得装置。
- 前記ミラーユニット、前記再結像光学系および前記撮像素子を前記結像光学系の光軸方向に移動する手段を更に有することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子は複数の画素列を有し、画素列毎に露光時間を変えることを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子は複数の画素列を有し、画素列毎に前記再結像光学系の光軸方向の位置を変えて露光することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子は複数の画素列を有し、画素列毎にカラーフィルターが異なることを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。
- 前記撮像素子は複数の画素列を有し、画素配置間隔の数分の一だけ画素列方向に、画素をずらして配置することを特徴とする請求項1に記載の画像取得装置。
- デジタル顕微鏡であることを特徴とする請求項1乃至40のうちいずれか1項に記載の画像取得装置。
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JP2018517178A (ja) * | 2015-05-28 | 2018-06-28 | カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハーCarl Zeiss Microscopy Gmbh | ライトシート顕微鏡法のための構成及び方法 |
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