JP2015127775A

JP2015127775A - 拡大観察装置

Info

Publication number: JP2015127775A
Application number: JP2013273618A
Authority: JP
Inventors: 政寛猪俣; Masahiro Inomata; 田中　雅和; Masakazu Tanaka; 雅和田中
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-09

Abstract

【課題】傾斜観察時に対物レンズを試料等と接触させることなく移動させて切り替え可能な拡大観察装置を提供する。
【解決手段】観察対象物が載置される載置台と、ベース部４２と、載置台に載置された観察対象物を撮像するカメラ部３と、複数の対物レンズ５５を切り替え可能に装着する対物レンズ切替機構５２と、対物レンズ切替機構５２を上下方向に移動させて対物レンズ５５のピントを観察対象物に合致させる上ステージ昇降部３１と、軸心が水平方向に向いた状態でベース部４２に固定され上ステージ昇降部３１を揺動可能に支持する揺動軸３７と、ベース部４２に固定され載置台を上下方向に移動可能に支持する下ステージ昇降部とを備えた拡大観察装置において、対物レンズ切替機構５２に装着される複数の対物レンズ５５を、揺動軸３７と上ステージ昇降部３１が対物レンズ切替機構５２を移動させる直線状の軌道とを含んだ平面上において切り替える。
【選択図】図１５

Description

本発明は、拡大観察装置に関する。

微小物体等の試料やワーク等の被写体を拡大して表示する拡大観察装置として、光学レンズを使った光学顕微鏡やデジタルマイクロスコープ等が利用されている。デジタルマイクロスコープは、光学系を介して入射する観察対象固定部に固定された観察対象からの反射光又は透過光を、二次元状に配置された画素毎に電気的に読み取るＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で受光し、電気的に読み取られた画像をディスプレイ等の表示部に表示する。このような拡大観察装置において、倍率の異なる複数の対物レンズを用いて試料観察をするためにレボルバーを備えたものがある（図１９参照）。拡大観察装置８１では複数の対物レンズ８２がレボルバー８３に装着されている。レボルバー８３に装着された対物レンズ８２はヘッド部８５の外側に張り出した状態で放射線状に装着されている。使用者はレボルバー８３を回転させて、複数の対物レンズ８２を、レボルバー８３の回転軌道である円周に沿って移動させて切り替えることができる。

一方で拡大観察装置で試料の形状を詳細に観察するために、撮像手段を備えたヘッド部をステージに対して傾斜させて傾斜観察することがある。このような傾斜観察においても、上述した倍率の異なる複数の対物レンズを切り替えたい場合がある。

特開２００７−５８０６６号公報

この場合に、傾斜観察をする拡大観察装置８１にレボルバー８３を設けて、このレボルバー８３を回転させて試料観察に用いる対物レンズ８２を切り替えることが考えられる。このような拡大観察装置８１では、図２０に示すように平面観察時には、レボルバー８３の回転軌道はステージ面８４と平行となるので、レボルバー８３を回転させて、これに装着された対物レンズ８２を切り替えることができ、また切り替え時に試料やステージ面８４に接触することはない。ところが図２１に示すようにヘッド部８５の光軸８６が傾斜した傾斜観察時にはレボルバー８３の回転軌道が傾斜しており、レボルバー８３に装着された対物レンズ８２はヘッド部８５の外側に張り出した状態で装着されているので、対物レンズ８２の先端が試料やステージ面８４に接触して破損させたり、対物レンズ８２の切り替えができなくなる虞がある。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、複数の対物レンズを装着し傾斜観察可能な拡大観察装置において、傾斜観察時に対物レンズを試料や試料が載置されている載置台に接触させることなく移動させて切り替え可能な拡大観察装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の拡大観察装置によれば、観察対象物が載置される載置台と、ベース部と、前記載置台に載置された観察対象物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段と光軸を一致させて配置された、対物レンズを含むレンズ部と、複数の対物レンズを切り替え可能に装着する対物レンズ切替機構と、前記レンズ部を光軸に沿って移動させることで、該レンズ部の焦点を調整可能な上ステージ昇降部と、前記レンズ部を、前記載置台と平行な姿勢で前記ベース部に設けられた揺動軸を中心として揺動可能に支持する揺動機構とを備えた拡大観察装置において、前記対物レンズ切替機構は、前記揺動機構で前記レンズ部を揺動させる揺動面と略直交する平面内において、前記複数の対物レンズを移動させることで、該複数の対物レンズを切り替え可能に構成してなることを特徴とする。

上記構成によれば、対物レンズ切替機構は、揺動機構がレンズ部を揺動させる揺動面と略直交する平面内において対物レンズを移動させて切り替えることで、傾斜観察時においても、切り替え操作中に移動する対物レンズが観察対象物や載置台に接触することなく対物レンズを切り替えることができる。

さらに、前記ベース部に固定され前記載置台を上下方向に移動可能に支持する下ステージ昇降部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、下ステージ昇降部を降下させてピントを合わせることによって上ステージ昇降部を降下させてピントを合わせる構成に比べ、対物レンズを観察対象物に接触させにくくできる。

また、前記対物レンズ切替機構は、前記揺動機構で前記レンズ部を揺動させる揺動面と略直交しレンズ部の光軸を含んだ平面内において、前記複数の対物レンズを移動させることを特徴とする。

上記構成によれば、倍率が異なる複数の対物レンズを切り替えながら画像を撮像することができる。

また、前記対物レンズ切替機構は、前記揺動面と略直交しレンズ部の光軸を含んだ平面と直交する回動軸を備えており、前記対物レンズ切替機構が前記回動軸を中心として回動して、前記対物レンズ切替機構に装着される複数の対物レンズが切り替え可能であることを特徴とする。

上記構成によれば、対物レンズ切替機構をコンパクトに構成することができる。

前記対物レンズ切替機構は前記揺動面と直交する方向にスライドするスライド機構を備えており、前記対物レンズ切替機構に装着される複数の対物レンズは、前記対物レンズ切替機構が前記揺動面と直交する方向にスライドして切り替え可能であることを特徴とする。

上記構成によれば、回動軸を中心として対物レンズを回動させて切り替える方式の対物レンズ切替機構に比べて、上下方向の厚みを薄くすることができる。

また、前記レンズ部はさらに、レンズ本体と、前記レンズ本体の端面に装着され、前記レンズ接続面を構成するマウント部とを備えており、前記マウント部は、前記カメラ部と接続するためのマウント側カメラ接続面と、前記レンズ本体と接続するためのマウント側レンズ接続面とを備えており、前記マウント側レンズ接続面は、前記レンズ本体との接続面で回転自在に連結されてなることを特徴とする。

上記構成によれば、レンズ部を固定したままカメラ部を回転させて、レンズ部に対するカメラ部の回転角度を調整して、傾斜観察時にレンズ部を傾斜させる方向と、該傾斜観察時に表示部上で表示される視野が移動する方向との関係を任意に変化させることができる。このようにカメラを回転させる際にも、レンズ部は固定されているので、対物レンズ切替機構に装着された複数の対物レンズがレンズ部とともに回転して観察対象物や載置台に接触することを防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る拡大観察装置の外観図である。本発明の一実施の形態に係る拡大観察装置のブロック図である。拡大観察装置を正面から見た概略図である。カメラ側接続面を示す斜視図である。レンズ側接続面を示す斜視図である。ヘッド部のレンズ部とカメラ部の分解斜視図である。ユーセントリック拡大観察方法のフローチャートである。ステージが最下位置に移動した拡大観察装置の概略図である。撮像部のピントが揺動軸に合致した拡大観察装置の概略図である。最下位置に位置したステージに観察対象物を載置した拡大観察装置の概略図である。ステージを上昇させて観察対象面を揺動軸に合致させた拡大観察装置の概略図である。新たな観察対象面を揺動軸上に位置させた拡大観察装置の概略図である。ステージを移動させて、新たな観察対象面を揺動軸に合致させた拡大観察装置の概略図である。対物レンズ切替機構の概略図である。拡大観察装置の斜視図である。拡大観察装置を傾斜させた状態の斜視図である。拡大観察装置を傾斜させた状態の正面図である。本発明の第２の実施形態に係る対物レンズ切替機構の概略図である。従来の拡大観察装置の外観図である。平面観察時における対物レンズの外観図である。傾斜観察時における対物レンズの外観図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための拡大観察装置及びこれを用いた画像撮像方法を例示するものであって、本発明は拡大観察装置及びこれを用いた画像撮像方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

以下、図１〜図１５を用いて、本発明の一実施の形態に係る拡大観察装置１００を説明する。なお、水平面内で直交する２方向をＸ軸およびＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向をＺ軸とする。拡大観察装置１００は、図１Ａに示すように観察対象物（又はワークその他の被写体）Ｓを照明するための照明手段２と、照明手段２により照明された観察対象物Ｓを撮像するカメラ部３と、カメラ部３で撮像された拡大画像を表示する表示手段４を有する本体部５とを備える。カメラ部３はヘッド部６として、ケーブル部７を介して本体部５と接続される。カメラ部３の先端にはカメラ部３と光軸を一致させたレンズ部２０が設けられている。レンズ部２０は対物レンズ５５を含んだ複数の光学レンズで構成されいる。ヘッド部６は取付部材２５に取り付けられており、上ステージ昇降部３１によって光学系９の光軸１０方向に移動可能である。拡大観察装置１００は、さらに観察対象物Ｓが載置されるステージ８と、光学系９を介して入射するステージ８に載置された観察対象物Ｓからの反射光又は透過光を電気的に読み取る撮像素子１２と、ステージ８とヘッド部６との光学系９の光軸１０方向における相対距離を変化させ焦点を調整する焦点調整部として下ステージ昇降部１３とを備える。上ステージ昇降部３１と下ステージ昇降部１３とは拡大観察装置１００が設置される設置面に当接するベース部４２に取り付けられる。

本体部５は、図２に示すように下ステージ昇降部１３によって焦点を調整したときのステージ８と光学系９の光軸１０方向における相対距離に関する焦点距離情報を、光軸１０方向とほぼ垂直な面内における観察対象物Ｓの２次元位置情報と共に記憶する焦点距離情報記憶部としてメモリ１４と、撮像素子１２によって読み取られた画像を表示する表示手段４と、ヘッド部６、下ステージ昇降部１３、上ステージ昇降部３１とデータを通信するためのインターフェイス１５とを備える。この拡大観察装置１００は、光学系９を介して入射するステージ８に固定された観察対象物Ｓからの反射光又は透過光を電気的に読み取る撮像素子１２を用いて観察像を撮像し、表示手段４に表示させる。

さらに拡大観察装置１００は、表示手段４によって表示された画像上で領域を設定可能な領域設定部として操作部１６と、領域設定部によって設定された領域に対応する観察対象物Ｓの一部又は全部に関するメモリ１４に記憶された焦点距離情報に基づいて、領域設定部によって設定された領域に対応する観察対象物Ｓの光軸１０方向における高さを演算する制御手段１９を備える。この拡大観察装置１００は、撮像素子１２を用いて指定された領域に対応する観察対象物Ｓの光軸１０方向における平均高さ（深さ）を演算できる。

操作部１６は本体部５又はコンピュータと有線もしくは無線で接続され、あるいはコンピュータに固定されている。一般的な操作部１６としては、例えばマウスやキーボード、スライドパッド、トラックポイント、タブレット、ジョイスティック、コンソール、ジョグダイヤル、デジタイザ、ライトペン、テンキー、タッチパッド、アキュポイント等の各種ポインティングデバイスが挙げられる。またこれらの操作部１６は、拡大観察用操作プログラムの操作の他、拡大観察装置１００自体やその周辺機器の操作にも利用できる。さらに、インターフェース画面を表示するディスプレイ自体にタッチスクリーンやタッチパネルを利用して、画面上をユーザが手で直接触れることにより入力や操作を可能としたり、又は音声入力その他の既存の入力手段を利用、あるいはこれらを併用することもできる。図１の例では、操作部１６はマウス等のポインティングデバイスで構成される。
（照明手段２）

照明手段２は、撮像素子１２に結像される観察対象物Ｓを照明する照明光を生成する。照明手段２の照明光源は、本体部５に内蔵され、光ファイバ２１を介して照明光がヘッド部６の照明手段２に伝達される。照明手段２は、ヘッド部６に組み込み式としたり、ヘッド部６と脱着可能な別体のいずれも採用できる。また照明光の照明方式としては、落射照明や透過照明等が適宜利用できる。図１に示す照明手段２は、観察対象物Ｓに落射光を照射するための落射照明２Ａと、透過光を照射するための透過照明２Ｂを備えている。これらの照明は、光ファイバー２１を介して本体部５と接続される。本体部５は光ファイバー２１を接続するコネクタ２２を備えると共に、コネクタ２２を介して光ファイバー２１に光を送出するための照明光源を内蔵する。また落射照明２Ａはリング状照明としている。リング状照明は、全周照明と側射照明を切り替えることができる。これを実現するため、照明光の一部をカットするターレット式のマスクや、リング状照明として複数のＬＥＤを環状に配置し、一部のＬＥＤをＯＮ／ＯＦＦする構成等が利用できる。
（照明光源）

照明光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）といった半導体発光素子が利用できる。例えば、ＲＧＢの波長域を有するＬＥＤを用意３２によって白色光を得ることができる。特にＬＥＤはＯＮ／ＯＦＦ応答性に優れるため、測定のスループットを向上できる利点も得られる。また長寿命で低消費電力であり、発熱量も少なく、機械的衝撃に強いといった特長も備える。あるいは、光源光の紫外線や可視光線で励起される蛍光体等の波長変換部材を利用した光源とすることもできる。これにより、１個のＬＥＤでも白色光を発光できる。さらに、可視光以外に紫外光や赤外光を照射可能なＬＥＤを光源として用いることもできる。例えば赤外光による観察は、不良品の解析や生体組織の組織分布等において有用である。なお照明光源には半導体発光素子に限らず、幅広い波長域の白色光を発する白色光源として、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＨＩＤランプ等を利用してもよい。また可視光のみならず赤外光を照射可能な光源としてもよい。特にハロゲンランプは、発光波長の波長域が広いため好ましい。また、単一の光源を利用するのみならず、複数の光源を備え、これらを同時に点灯して混色光を照明光としたり、あるいは切り替えて照明することもできる。
（カメラ部３）

カメラ部３は、照明手段２により照明された観察対象物Ｓから光学系９を介して入射する反射光を電気的に読み取る撮像素子１２を備える。撮像素子１２は、この例ではＣＭＯＳを利用しているが、ＣＣＤ等、他の受光素子も利用できる。
（表示手段４）

画像データやメモリ１４に保持された設定内容は、表示手段４にて表示させることができる。表示手段４はＣＲＴや液晶ディスプレイ、有機ＥＬ等のモニタが利用できる。また、制御手段１９に対して、ユーザが各種操作を行うための操作部１６を接続している。操作部１６はコンソールやマウス等の入力デバイスである。なおこの例においても表示手段４や操作部１６は、本体部５と一体的に組み込むことも、外付けの部材とすることもできる。さらに表示手段４をタッチパネルで構成すれば、表示手段４と操作部１６を一体に構成することもできる。

本体部５は、モータ制御回路２８に対してステッピングモータ２９の制御に関する制御データを入力することによって、ステージ８と、光学系９および撮像素子１２を有するヘッド部６との光軸１０方向における相対距離、ここではｚ方向における高さを変化させる。具体的には、本体部５は、下ステージ昇降部１３の制御に必要な制御データをモータ制御回路２８に入力することによってステッピングモータ２９の回転を制御し、ステージ８の高さｚ（ｚ方向の位置）を昇降させる。ステッピングモータ２９は、回転に応じた回転信号を生成する。本体部５は、モータ制御回路２８を介して入力される回転信号に基づいて、ステージ８と光学系９の光軸１０方向における相対距離に関する情報としてのステージ８の高さｚを記憶する。このステージ８は、観察対象物Ｓに対して観察位置の位置決めを行う観察位置決め手段として機能する。

本体部５は、モータ制御回路３２に対してステッピングモータ３３の制御に関する制御データを入力することによって、撮像素子１２を有するヘッド部６の光軸方向における高さを変化させる。具体的には、本体部５は、上ステージ昇降器３１の制御に必要なレンズ部１１の種別情報等に基づいた制御データをモータ制御回路３２に入力することによってステッピングモータ３３の回転を制御し、撮像素子１２を有するヘッド部６の高さｚ（ｚ方向の位置）を昇降させる。ステッピングモータ３３は、回転に応じた回転信号を生成する。本体部５は、モータ制御回路３２を介して入力される回転信号に基づいてステージ８と光学系９の光軸１０方向における相対距離に関する情報としてのヘッド部６の高さｚを記憶する。

撮像素子１２は、ｘ方向およびｙ方向に２次元状に配置された画素毎に受光量を電気的に読み取ることができる。撮像素子１２上に結像された観察対象物Ｓの像は、撮像素子１２の各画素において受光量に応じて電気信号に変換され、撮像素子制御回路１７においてさらにデジタルデータに変換される。本体部５は、撮像素子制御回路１７において変換されたデジタルデータを受光データＤとして、光軸１０方向（図２中のｚ方向）とほぼ垂直な面内（図２中のｘ、ｙ方向）における観察対象物Ｓの２次元位置情報としての画素の配置情報（ｘ、ｙ）と共にメモリ１４に記憶する。ここで、光軸１０方向とほぼ垂直な面内とは、厳密に光軸１０に対して９０°をなす面である必要はなく、その光学系および撮像素子における解像度において観察対象物Ｓの形状を認識できる程度の傾きの範囲内にある観察面であればよい。
（制御手段１９）

制御手段１９は、撮像した観察画像を、表示手段４で表示可能な解像度に変換して表示するよう制御する。図２の拡大観察装置１００においては、カメラ部３が撮像素子１２によって観察対象物Ｓを撮像した観察画像を表示手段４に表示する。一般にＣＭＯＳやＣＣＤ等の撮像素子１２の性能は、表示手段４での表示能力を上回ることが多いので、撮像した観察画像を一画面に表示するためには画像を間引く等して解像度を一画面で表示可能なサイズまで落とし、縮小表示している。カメラ部３で読み取ったときの読取解像度を第一の解像度とすると、表示手段４においては第一の解像度よりも低い第二の解像度で表示されることとなる。
（ステージ８）

下ステージ昇降部１３の上面側に設置されたステージ８は、たとえばステッピングモータなどで駆動されて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能であり、ステージ８の任意の位置をカメラ部３の光軸１０に合致させることができる。さらにステージ８は、Ｚ軸を回転中心軸として回転自在なθステージ３５に取り付けられており、使用者は撮像部の光軸１０に合致している観察対象面を回転させて観察することができる。
（支持台４０）

拡大観察装置１００の撮像系１０１の外観構成の一例を図１に示す。この図に示す撮像系１０１は、観察対象物Ｓを載置する載置台とヘッド部６を支持する支持台４０を備えている。支持台４０は、載置台を水平面内あるいは上下移動可能な状態に保持するステージ固定機構４４と、載置台を保持した状態でヘッド部６を傾斜させるヘッド傾斜機構４５を備えている。これらステージ固定機構４４及びヘッド傾斜機構４５は、ベース部４２に固定されている。ベース部４２は平板状として、安定的に支持台４０を自立させる。
（ステージ固定機構４４）

ステージ固定機構４４は、載置台を水平面内（ＸＹ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）に移動可能な一以上の移動機構を介して、載置台をベース部４２に固定している。具体的には、ここでは移動機構として、載置台をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸方向移動機構（第一焦点調整部）、載置台をＸＹ軸方向に移動させるためのＸＹ軸移動機構、載置台をθ方向に回転させるための回転移動機構が利用できる。図４に示す例では、Ｚ軸移動機構として下ステージ昇降器３１を実現し、さらに回転移動機構として、θステージ３５上に固定された中間連結部３８でもって載置台を回転可能とし、加えてＸＹ軸移動機構として、中間連結部３８上に固定されたステージ８でもって、載置台をＸＹ軸方向に移動可能としている。
（ヘッド傾斜機構４５）

揺動機構であるヘッド傾斜機構４５は、ヘッド部６を載置台に対して傾斜させるため、ベース部４２に揺動軸３７を介して揺動自在に連結された上ステージ昇降器３１と、上ステージ昇降器３１にヘッド部６を固定するための取付部材２５とを備える。上ステージ昇降器３１は、下端に揺動軸３７を設けており、揺動軸３７を中心として旋回するようにベース部４２に支持される。上ステージ昇降器３１は、ステージ８と平行な姿勢でベース部４２に設けられた揺動軸３７を中心として揺動可能である。また取付部材２５の先端には、ヘッド部６を固定する固定機構が設けられる。ここでは、固定機構はヘッド部６の外周を囲むリング状に形成されて、リング状の中心にヘッド部６を挿入して、周囲の複数の位置から止めねじで螺合されて固定される。

ベース部４２の上面には、下方に向かって末広がりとしたブロック４２ａが固定され、このブロック４２ａの上部に軸受部４２ｂを形成している。軸受部４２ｂは、離間して固定された一対のガイド部４２ｃを備えており、一対のガイド部４２ｃは側面視において凹形状に形成されている。各ガイド部４２ｃは、Ｙ軸方向に平行な軸を中心軸として形成された円形の孔部を開口している。これらの孔部には揺動軸３７がＹ軸方向に沿って嵌合されている。この例では、揺動軸３７に目盛を設けており、ヘッド部６を揺動させる角度を目盛でもって目視できるように構成している。
（カメラ部３）

ヘッド部６は、撮像素子を有するカメラ部３と、カメラ部３の先端に着脱自在に装着されるレンズ部２０とを備える。カメラ部３は、照明手段２により照明された観察対象物Ｓから、光学系９を介して入射する反射光を電気的に読み取る撮像素子１２を備える。撮像素子１２は、この例ではＣＭＯＳを利用しているが、ＣＣＤ等、他の受光素子も利用できる。
（レンズ部２０）
カメラ部３の先端にはカメラ部３と光軸を一致させたレンズ部２０が設けられており、レンズ部２０は対物レンズ５５を含んだ複数の光学レンズで構成されている。レンズ部２０の先端には対物レンズ切替機構５２が設けられており、倍率の異なる２つの対物レンズ５５が対物レンズ切替機構５２に装着されている。
（物理的接続機構）

また顕微鏡装置１００は、カメラ部３とレンズ部２０とを、相対的に回転不可の状態で物理的に連結すると共に、着脱自在とする物理的接続機構を備える。具体的にカメラ部１０は、レンズ部２０と物理的に接続するためのカメラ側接続面７１を備える。またレンズ部２０は、カメラ側接続面７１と物理的に接合されるレンズ側接続面７３を備える。カメラ側接続面７１の一例を図４の斜視図に、レンズ側接続面７３の一例を図５の斜視図に、それぞれ示す。これらの図に示すように、カメラ側接続面７１とレンズ側接続面７３とは、物理的接続機構、具体的には係合構造や嵌合構造によって機械的に接続される。例えば図４、図５の例では、カメラ側接続面７１の中央に、円柱状に突出させた円柱状突出部を形成し、円柱状突出部の側面の端縁側に、円弧状の鍔部を部分的に突出させている。一方レンズ側接続面７３は、円柱状突出部を挿入可能な円筒状窪みを中央に形成しており、さらに円筒状窪みの内面には、鍔部を係合させるためのスリットを形成している。スリットを部分的に切り欠くことで、円柱状突出部を円筒状窪みに挿入可能とし、さらにカメラ側接続面７１をレンズ側接続面７３とを相対的に回転させることで、鍔部をスリットに案内して係合させ、ロック状態としてカメラ部３とレンズ部２０とを連結できる。また、カメラ部３とレンズ部２０とを相対的に回転させてロック状態を解除することで、カメラ部３とレンズ部２０とを分離することも容易に行える。なお、上述した物理的接続機構でいう相対的に回転不可の状態とは、ロック状態においてカメラ部３とレンズ部２０とが連結された状態を意味し、連結又は着脱動作時にカメラ部３とレンズ部２０とを相対的に回転させてロック状態、ロック状態の解除を行う動作を意味するものでない。また、以上の係合構造は一例であって、本発明においてはカメラ部３とレンズ部２０とを着脱自在に連結する物理的接続機構として、既知の構成を適宜採用できる。
（電気的接続機構）

さらにカメラ部３とレンズ部２０とは、互いに電気的に接続するための電気的接続機構を備えている。具体的には、撮像部はカメラ側接続面７１に、このレンズ部２０と電気的に接続するためのカメラ側接続端子７２を備えている。またレンズ部２０は、同じくレンズ側接続面７３に、レンズ部２０をカメラ部３に装着した際にカメラ側接続端子７２と電気的に接続されるレンズ側接続端子７４を備えている。これらのカメラ側接続端子７２、レンズ側接続端子７４は、カメラ側接続面７１、レンズ側接続面７３にそれぞれ配置されており、カメラ側接続面７１とレンズ側接続面７３とを物理的接続機構でもって機械的に連結した状態、すなわちロック状態におけるレンズ部２０とカメラ部３との回転位置において、対応するカメラ側接続端子７２とレンズ側接続端子７４とが接触されるよう、位置や大きさ、形状が設計されている。いいかえると、物理的接続機構でもってカメラ部３とレンズ部２０とが連結されると、同時に電気的接続機構の接続も実現される。この結果、従来のように、別途ケーブル等を介してレンズ部を制御系あるいは撮像系と電気的に接続する必要がない。これにより、特に頻繁にレンズ交換を行うような観察においては、レンズ交換時の作業を簡略化できる利点が得られる。またケーブルの本数を減らして、取り回しの点でも有利となる。

なお図４、図５の例では、カメラ側接続端子７２、レンズ側接続端子７４は、それぞれカメラ側接続面７１、レンズ側接続面７３の円周部分に設けられている。このような配置によって、ヘッド部４とカメラ部３との連結の際に端子が他の端子などと接触して表面を擦られるため、表面のごみや異物を削ぎ落として接触抵抗の増大を回避できる。ただし、端子の配置構造はこの例に限定されるものでない。また図４、図５の例では、カメラ側接続端子７２、レンズ側接続端子７４はそれぞれ７個の端子を備えているが、端子の数はこれに限定されない。

さらにカメラ部３は、複数の異なる仕様のレンズ部２０を交換式に装着可能としている。また各レンズ部２０は、それぞれのレンズ部２０の種別を示すレンズ種別情報を保持しており、レンズ側接続端子７４を介してレンズ種別情報を送出できる。すなわち物理的接続機構によって、カメラ部３にレンズ部２０を物理的に装着することで、同時に電気的接続機構による電気的接続も図られる。この結果、本体部５は現在装着されているレンズ部２０の種別を、ケーブルレスで取得できるので、現在接続されているレンズ部の種別に応じた適切な動作制御を図ることが可能となる。
（レンズ種別情報）

レンズ種別情報には、レンズの型式、焦点距離の位置、レンズの筒体の長さ等の情報が含まれる。上述の通り、撮像系１０１と制御系１０２とはケーブル部７を介して接続されているので、制御系１０２で現在装着されているレンズの種別を判別することで、適切な制御を行える。例えば、レンズ部２０の物理的な長さを把握することで、レンズ部２０をＺ上ステージで降下させる際に、観察対象物Ｓや載置台に接触しないように降下できる下限移動距離を把握して、これよりも降下しないように制限をかけることができる。

またレンズ種別情報として、レンズ部の情報を直接記録する他、レンズ部の識別情報、例えば型式のみを記録させ、一方型式と対応するレンズ部の詳細情報は、予め本体部５のメモリ１４等に、型式と関連付けられたルックアップテーブルとして記憶しておくこともできる。これにより、本体部５はカメラ部３を通じてレンズ識別情報である型式を取得すると、この型式と対応する詳細情報を、メモリ１４を参照して取得し、取得された情報に基づいてレンズ部２０に合致した制御を行うことが可能となる。この方法であれば、レンズ部側に保持すべき情報量を少なくしつつ、必要な情報を本体部５側で把握することが可能となる。

顕微鏡装置においては、カメラ部を載置台に対して光軸回りに回転させたいことがある。例えば観察対象物を載置台上で移動させる際には、表示手段の画面上で表示される画像の、上下左右の移動方向が、実際の観察対象物の上下左右の移動方向と感覚的に一致させることが望まれる。また、レンズ部を載置台の上部で傾斜させて観察する傾斜観察においては、傾斜方向を表示手段の左右方向とするよりも、上下方向とした方が感覚的に画像の変化を把握し易いことが多い。このような観察を実現するためには、物理的にカメラ部を載置台に対して回転させる必要がある。

しかしながら、カメラ部の先端に装着されたレンズ部については、必ずしも回転させる必要がない。寧ろ、レンズ部は特に高倍率するにつれて大型化する傾向にあることから、重量も重くなり、レンズ部の保持にはそれなりの機械強度が要求される。このため、十分な剛性を維持しつつレンズ部を回転式としようとすれば、ユーザにおいては重くて大きいレンズ部を回転させる作業が面倒になる上、構成が複雑化してコストも高くなるという問題があった。また、レンズ部はカメラ部から載置台側に突出する姿勢で固定されているため、レンズ部が観察対象物に接触しないように留意する必要もあり、この点においてもレンズ部を回転させる構成は不便となる。

そこで、レンズ部を支持台に固定する一方で、カメラ部をレンズ部に対して相対的に光軸回りで回転可能とさせる構成が考えられる。しかしながらこの場合は、カメラ部とレンズ部との着脱構造が複雑になるという問題があった。すなわち、一般にカメラ部よりも重厚長大になる傾向にあるレンズ部を、カメラ部の先端から外れないように固定しつつも、必要なときには着脱自在とする機械構造とし、さらに一方ではレンズ部とカメラ部との回転をも許容するような構成とすることは、容易でない。特に、接続部分の剛性と信頼性を高めようとすればするほど、着脱が困難乃至面倒となるため、観察用途や目的に応じて頻繁にレンズ部を交換したいような場面では、レンズ交換作業が極めて煩雑になりかねないというる懸念もあった。

そこで本実施例においては、レンズ部２０とカメラ部３との接続部分と、カメラ部３を相対的に回転させる部位とを分離することで、レンズ部２０とカメラ部３の着脱構造及びカメラ部３を光軸回りに相対的に回転させる構造を簡素化することに成功したものである。具体的には、図６に示すように、レンズ部２０にマウント部２６を設け、マウント部２６を介してカメラ部３とレンズ部２０とを着脱式に接続する一方、マウント部２６とレンズ本体２７との間は回転自在としている。
（マウント部２６）

図６に示すレンズ部２０は、複数の光学レンズで構成されたレンズ本体２７と、このレンズ本体２７の端面に装着され、レンズ側接続面７３を構成するマウント部２６とで構成される。またマウント部２６は、カメラ部１０と接続するためのマウント側カメラ接続面３４ａと、その裏面側でレンズ本体２７と接続するためのマウント側レンズ接続面３４ｂとを備える。マウント側カメラ接続面３４ａは、レンズ側接続端子７４を備えるレンズ側接続面７３としている。よってマウント側カメラ接続面３４ａは、カメラ部３のカメラ側接続面７１と着脱自在に連結する物理的連結機構を設けている。このような物理的連結機構としては、上述した図５等と同様の構成が利用できる。いいかえると、物理的連結機構ではカメラ部３とレンズ部２０との光軸回りの回転は許容されず、所定の回転位置すなわち回転角度で固定される状態となる。
（回転機構）

これに対してマウント側レンズ接続面３４ｂは、レンズ本体２７との接続面でカメラ部３の光軸回りに回転自在に連結されている。このためマウント側レンズ接続面３４ｂとレンズ本体２７との接続面は、回転機構を備えている。回転機構として、図６の例では、マウント部２６の中心から突出されたマウント円柱部を、レンズ本体２７の端縁に形成された筒状体に挿入し、さらに筒状体の側面に開口されたねじ穴に螺合された止めネジの進行でもって、筒状体とマウント円柱部とを連結する。止めネジを緩めると、レンズ本体２７とマウント部２６とを相対的に回転させることができ、所定の回転位置でもって止めネジを締結することで、この回転角度にて固定できる。なお回転機構の例は、この構成に限られず、カメラ部の光軸回りにレンズ部２０を回転自在として任意の角度で保持可能な既知の構成が適宜採用できる。

なお図６の例では、説明の都合上マウント部２６とレンズ本体２７とを分離しているが、実際にはマウント部２６とレンズ本体２７とは分離できず、光軸回りに回転自在に連結している。

また変形例として、マウント部をヘッド傾斜機構に固定することもできる。ヘッド傾斜機構は載置台と物理的に接続されているため、マウント部が載置台に対して位置が固定されることとなって、マウント部に装着されたレンズ部も載置台に対して位置が固定される。この結果、レンズ部を可動式とする構成に比べ、レンズ部が観察対象物に接触する事態を回避できる。

このようにして、カメラ部３とマウント部２６との接続面は着脱構成とし、マウント部２６とレンズ本体２７との接続面は回転自在とすることで、カメラ部３を載置台に対して光軸回りに回転させることを許容しつつも、カメラ部３は所定の姿勢で保持させることができ、拡大観察の自由度を高めることができる。

以上のマウント部２６によって、カメラ部３を載置台に対して、カメラ部３の光軸回りにおいて任意の回転角度で保持することができる。この結果、レンズ部２０の光軸回りの姿勢すなわち回転角度によらず、カメラ部３を任意の姿勢すなわち回転角度に調整できるので、載置台の移動やカメラ部３の姿勢などに応じて観察に適した相対角度に調整することが可能となる。

またこの構成であれば、レンズ部２０を移動させることなく保持させたままカメラ部３を回転できる。このため、レンズ部２０の移動によって対物レンズが観察対象物Ｓや載置台３０と接触する事態を回避しやすくできる。例えば、ヘッド部６をヘッド傾斜機構４５に装着して、揺動軸３７を中心に揺動可能とした顕微鏡装置１００においては、ヘッド部６を揺動させた状態で観察対象物Ｓに接触しないように留意する必要があるところ、少なくともレンズ部２０を光軸回りに回転させなくても済む構成とすることで、無用な可動を排除して接触事故を回避できる。

本実施の形態においては、レンズ部２０の先端に対物レンズ切替機構５２が設けられており、この対物レンズ切替機構５２に、２つの対物レンズ５５がＶ字状に二股に別れた状態で装着されている（図１５参照）。ヘッド部６を揺動させた状態でレンズ部２０を光軸回りに回転させた場合には、レンズ部２０とともに対物レンズ切替機構５２が回転して、対物レンズ切替機構５２に装着された対物レンズ５５が観察対象物やステージ８に接触する虞がある（図１６参照）が、カメラ部３を回転できるので、このような接触事故を防止することができる。
（平面観察）

たとえば使用者が不図示の初期化ボタンを押すと、本体部５がモータ制御回路２８に対してステッピングモータ２９の制御データを入力し、下ステージ昇降器１３が駆動されて、ステージ８が最下位置に移動する。このときの状態を図８に示す。

本体部５は、レンズ部２０の種別情報等に基づいた制御データをモータ制御回路３２に入力し、上ステージ昇降器３１は、撮像素子１２を有するヘッド部６の高さｚ（ｚ方向の位置）を昇降させる。本体部５は、ステージ８に観察対象物Ｓが載置され、観察対象面の高さが揺動軸３７の高さに合致していると仮定したならば、カメラ部３のピントが観察対象面に合致する高さｚにヘッド部６を保持する。このときの状態を図９に示す。

なお、ヘッド部６の高さｚ（ｚ方向の位置）の制御に必要なレンズ部２０の種別情報等が本体部５に記憶されていない場合には、本体部５はヘッド部６を所定の最上位置に移動させ、最上位置に移動したヘッド部６を最上位置から下降させる。本体部５は、ステージ８に観察対象物Ｓが載置され、観察対象面の高さが揺動軸３７の高さに合致していると仮定したならば、カメラ部３のピントが観察対象面に合致する高さｚにヘッド部６を保持する。

次に、使用者は最下位置に位置したステージ８の上面に観察対象物Ｓを載置する。このときの状態を図１０に示す。ステージ８は最下位置に位置しているので、観察対象物Ｓがステージ８に載置されるときに、観察対象物Ｓが、撮像素子１２を有するヘッド部６に接触することを防止することができる。

本体部５は、ステージ８に載置された観察対象物Ｓの観察対象面にカメラ部３のピントが合致するように、載置台である、ステージ８とθステージ３５とをＺ軸に沿って上昇させ、観察対象物Ｓの観察対象面を揺動軸３７に合致させる。このときの状態を図１１に示す。観察対象面がカメラ部３の光軸上に位置していない場合には、本体部５は、ステージ８をＸ軸方向および／又はＹ軸方向に移動させて観察対象面をカメラ部３の光軸上に位置させた後に、ステージ８とθステージ３５とをＺ軸に沿って上昇させて、観察対象物Ｓの観察対象面を揺動軸３７に合致させる。使用者は、表示手段４を用いて、揺動軸３７と合致している観察対象物Ｓの観察対象面を平面観察することができる。使用者は、また本体部５がθステージ３５を駆動して、観察対象面を回転させた状態で平面観察することもできる。
（傾斜観察）

ヘッド部６を揺動させた傾斜観察を行う場合は、使用者は、揺動軸３７を中心として、上ステージ昇降器３１を手動で揺動させて、ヘッド部６を傾斜させた状態で観察対象面を傾斜観察することができる（図１１を参照のこと。）。このとき、このヘッド部６を傾斜させた状態で、カメラ部３のピントが観察対象面に合致しており、平面観察時に表示手段４に表示されていた観察対象面が、表示手段４の画面上で移動することなく、平面観察時に表示されていた位置にそのまま表示された状態での観察であるユーセントリック観察を行うことができる。

平面観察しているとき、ステージ８を水平方向に移動して、ステージ８に載置している新たな部位を観察したい場合がある。このような場合には、本体部５は、ステージ８をＸ軸方向および／又はＹ軸方向に移動させて新たな部位の観察対象面を揺動軸３７上に位置させる。このときの状態を図１２に示す。本体部５は、ステージ８を再び最下位置に移動させた後、観察対象面にカメラ部３のピントが合致するように、載置台（ステージ８およびθステージ３５）をＺ軸に沿って移動させて、観察対象面を揺動軸３７上に合致させる。このときの状態を図１３に示す。使用者は、この状態で、表示手段４などを用いて観察対象面を平面観察することができる。

この場合に、観察対象面に関する焦点距離情報がメモリ１４に記憶されている場合には、制御手段１９はメモリ１４に記憶されている焦点距離情報に基づいて観察対象物Ｓの光軸方向における高さを演算して、観察対象面を前記揺動軸３７上に合致させることができる。この場合にはステージ８を最下位置に移動させる工程を省くことができ、観察対象面を迅速に撮像することができる。

なお、上ステージ昇降器３１は、本体部５とモータ制御回路３２とステッピングモータ３３とによって、載置台であるステージ８とθステージ３５とを電動で移動可能に支持しているが、これに限定されるものではない。上ステージ昇降器１３に設置されたツマミを使用者が回して、ステージ８とθステージ３５とを手動で移動させるものでも良い。
（対物レンズ切替機構５２）

対物レンズ切替機構５２は、ヘッド傾斜機構４５がレンズ部２０を揺動させる揺動軸３７と直交する回動軸５４を備えている。対物レンズ切替機構５２が回動軸５４を中心として回動すると、対物レンズ切替機構５２に装着された倍率の異なる２つの対物レンズ５５は、レンズ部２０が揺動する揺動面と略直交する平面内において移動して切り替えられる。
ヘッド部６の光軸１０が傾斜した傾斜観察時においても、対物レンズ５５は該揺動面と略直交する平面内で移動する。対物レンズがレボルバーに装着されている場合のように、対物レンズの切り替え操作中に、対物レンズが該平面の外側に張り出すことがないので、対物レンズ切替機構５２に装着された複数の対物レンズ５５が同じ長さであれば、観察対象物Ｓや載置台に接触しないで対物レンズ５５を切り替え可能である。なお、対物レンズ切替機構５２は、回動軸５４を中心として回動して対物レンズ５５を切り替える構成を採ることで小型化が図られる。

対物レンズ切替機構５２には、各対物レンズ５５を保持する不図示の取り付け孔が２つ設けられており、この取り付け孔には孔番号が割り当てられている。対物レンズ切替機構５２は、取り付け孔の孔番号と、取り付け孔に取り付けられた対物レンズ５５の対物レンズ情報を制御手段１９に出力する。対物レンズ情報として対物レンズの外形寸法を含めることで、この情報を制御手段側で把握することができる。制御手段１９は、対物レンズ５５の外形寸法に基づいて、ヘッド部６をステージ８や試料に接触することなく傾斜させることができる。ヘッド部６の傾斜角度及び該傾斜角度における移動範囲を演算して、ヘッド部６の揺動動作やレンズ部２０の移動といった動作に制限をかけるような制御が可能となる。なお、対物レンズ切替機構５２が保持している対物レンズ情報は、各レンズ部２０が保持しているレンズ種別情報に含めても良い。

対物レンズ切替機構５２は、回動軸５４を中心として回動するものに限定されるものではなく、たとえば、図１８に示すようにスライドするものでも良い。図１８の実施例２に示す対物レンズ切替機構６１は、揺動軸３７と平行にスライドするスライド機構６２を備えている。スライド機構６２は、たとえば対物レンズ切替機構６１をナットに固定したボールねじをモータ駆動するものでも良い。対物レンズ切替機構６１に装着される複数の対物レンズ５５は、レンズ部２０が揺動する揺動面と直交し揺動軸３７を含んだ平面上を、揺動軸３７と平行にスライドするので、観察対象物Ｓや載置台に接触させないで対物レンズ５５を移動させて切り替えることができる。なお、上記構成によれば、対物レンズ切替機構６１の上下方向の厚みを薄くすることができる。

本発明の顕微鏡装置は、反射、透過型等のデジタルマイクロスコープ、デジタルカメラに好適に利用できる。また、本技術を蛍光顕微鏡に適用する場合、照明光に対する観察対象物からの反射光若しくは透過光は、励起光として読み替えることができる。

１００，８１…拡大観察装置
１０１…撮像系
１０２…制御系
２…照明手段
２Ａ…落射照明
２Ｂ…透過照明
Ｓ…観察対象物
３…カメラ部
４…表示手段
５…本体部
６，８５…ヘッド部
７…ケーブル部
８…ステージ
９…光学系
１０，８６…光軸
１２…撮像素子
１３…下ステージ昇降部
１４…メモリ
１５…インターフェイス
１６…操作部
１７…撮像素子制御回路
１９…制御手段
２０…レンズ部
２１…光ファイバ
２２…コネクタ
２５…取付部材
２６…マウント部
２７…レンズ本体
２８，３２…モータ制御回路
２９，３３…ステッピングモータ
３１…上ステージ昇降部
３４ａ…マウント側カメラ接続面
３４ｂ…マウント側レンズ接続面
３５…θステージ
３７…揺動軸
３８…中間連結部
４０…支持台
４２…ベース部
４２ａ…ブロック
４２ｂ…軸受部
４２ｃ…ガイド部
４４…ステージ固定機構
４５…ヘッド傾斜機構
５２，６１…対物レンズ切替機構
５４…回動軸
５５，８２… 対物レンズ
６２…スライド機構
７１…カメラ側接続面
７２…カメラ側接続端子
７３…レンズ側接続面
７４…レンズ側接続端子
８３…レボルバー
８４…ステージ面

Claims

観察対象物が載置される載置台と、
ベース部と、
前記載置台に載置された観察対象物を撮像するカメラ部と、
前記カメラ部と光軸を一致させて配置された、対物レンズを含むレンズ部と、
複数の対物レンズを切り替え可能に装着する対物レンズ切替機構と、
前記レンズ部を光軸に沿って移動させることで、該レンズ部の焦点を調整可能な上ステージ昇降部と、
前記レンズ部を、前記載置台と平行な姿勢で前記ベース部に設けられた揺動軸を中心として揺動可能に支持する揺動機構と、
を備えた拡大観察装置において、
前記対物レンズ切替機構は、前記揺動機構で前記レンズ部を揺動させる揺動面と略直交する平面内において、前記複数の対物レンズを移動させることで、該複数の対物レンズを切り替え可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
請求項１に記載の拡大観察装置であって、さらに、
前記ベース部に固定され前記載置台を上下方向に移動可能に支持する下ステージ昇降部を備えることを特徴とする拡大観察装置。
請求項１または２に記載の拡大観察装置であって、
前記対物レンズ切替機構は、前記揺動面と略直交し前記レンズ部の光軸を含んだ平面内において、前記複数の対物レンズを移動させることを特徴とする拡大観察装置。
請求項３に記載の拡大観察装置であって、
前記対物レンズ切替機構は、前記揺動面と略直交し前記レンズ部の光軸を含んだ平面と直交する回動軸を備えており、前記対物レンズ切替機構に装着される複数の対物レンズは前記回動軸を中心として回動して切り替え可能であることを特徴とする拡大観察装置。
請求項３に記載の拡大観察装置であって、
前記対物レンズ切替機構は前記揺動面と直交する方向にスライドするスライド機構を備えており、前記対物レンズ切替機構に装着される複数の対物レンズはスライド機構によって前記揺動面と直交する方向にスライドして切り替え可能であることを特徴とする拡大観察装置。
請求項３〜５のいずれか１項に記載の拡大観察装置であって、
前記レンズ部はさらに、
レンズ本体と、
前記レンズ本体の端面に装着され、前記レンズ接続面を構成するマウント部と
を備えており、
前記マウント部は、
前記カメラ部と接続するためのマウント側カメラ接続面と、
前記レンズ本体と接続するためのマウント側レンズ接続面とを備えており、
前記マウント側レンズ接続面は、前記レンズ本体との接続面で回転自在に連結されてなることを特徴とする顕微鏡装置。