JP2015127778A - 拡大観察装置及びこれを用いた観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像部を傾斜させることができる拡大観察装置において、機器の大型化を招くことなく耐久性と耐振性とを確保し、ステージに対する撮像部の観察角度を検知する。【解決手段】撮像手段、取付手段または上ステージ昇降部に設置され、重力加速度に対する撮像手段の光軸の第一傾斜角度を検出する第一加速度センサと、記載置台、下ステージ昇降部またはベースに設置されて、重力加速度に対する載置台の第二傾斜角度を検出する第二加速度センサと、第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて載置台に対する撮像手段の光軸の第三傾斜角度を算出する制御部と、制御部で算出した第三傾斜角度を表示する表示手段とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、拡大した画像を撮像して表示するデジタルマイクロスコープや顕微鏡のような拡大観察装置及びこれを用いた観察方法に関する。

拡大観察装置では、観察対象物の試料の形状を詳細に観察するために、撮像手段を傾斜させて斜め上方から試料を観察することがある。この場合に、試料を載せたステージに対する撮像手段の観察角度を知りたい場合がある。特に、同じような観察条件を再現したいような場合には、観察角度を記録しておきたいことがある。

従来の拡大観察装置において、たとえばカメラを傾斜させる回転軸に目盛が設けられており、使用者はこの目盛を目視してカメラの傾き角度（チルト角度）を知ることができるものがある。

特開２００６−３３７４７０

ところが目盛を目視してカメラの傾き角度（チルト角度）を知るものでは、撮影枚数が多くなると、観察画像毎にチルト角度を目視して記録するのに手間が掛かるという問題があった。一方、デジタル的にチルト角度を検知するために、カメラを傾斜させる回転軸に、エンコーダ等の角度検知センサを設けることが考えられる。しかしながら、このような構成は一般的に高価であり、電気的な配線をすることが難しく、拡大観察装置の複雑化を招きやすいので好ましくない。特に回転軸はカメラを傾斜させる毎に回転するので、摩擦や疲労の影響を受け易く、この回転軸内に角度検知センサ等を設けた場合には耐久性を確保することが困難となる。また回転軸は振動の影響を受けやすいので、この点においても耐振性を確保することが難しいという問題があった。

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、撮像部を傾斜させることができる拡大観察装置において、耐久性と耐振性とを確保し、ステージに対する撮像部の観察角度を検知することができる拡大観察装置を提供することである。

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、前記撮像手段が取り付けられる取付手段と、前記取付手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持し、かつ前記撮像手段の光軸に直交する姿勢で前記ベースに固定された揺動軸に揺動可能に支持される上ステージ昇降部と、前記ベース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とを備えた拡大観察装置において、前記撮像手段、前記取付手段または前記上ステージ昇降部に設置され、重力加速度に対する撮像手段の光軸の第一傾斜角度を検出する第一加速度センサと、前記載置台、前記下ステージ昇降部またはベースに設置されて、重力加速度に対する載置台の第二傾斜角度を検出する第二加速度センサと、前記第一加速度センサで検出された第一傾斜角度と前記第二加速度センサで検出された第二傾斜角度とに基づいて前記載置台に対する前記撮像手段の光軸の角度である第三傾斜角度を算出する演算手段と、前記演算手段で算出した第三傾斜角度を表示する表示手段とを備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、第一加速度センサは撮像手段、前記取付手段または前記上ステージ昇降部に設置され、第二加速度センサは前記載置台、前記下ステージ昇降部またはベースに設置されるので、回転軸内に加速度センサを設置される場合のように回転動作による摩擦や疲労の影響を回避でき、耐振性や耐久性を損なうことがない。また、第一加速度センサと第二加速度センサとの２つの加速度センサを備えているので、拡大観察装置が傾斜した状態で設置された場合でも、載置台に対する撮像部の観察角度である第三傾斜角度を算出することができる。

また、前記載置台は水平面内において回転可能に形成されており、前記載置台には該載置台の回転角度を検出する回転角度センサが設置されており、前記表示手段は回転角度センサが検出した回転角度を表示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、回転角度センサが載置台の回転角度を検出するので、載置台に対する撮像部の観察角度に加えて載置台の回転角度を検知することができるので、使用者は、傾斜観察における観察状態を正確に再現することができる。

また、さらに前記揺動軸に揺動可能に支持され前記載置台に対して垂直な位置の近傍に位置する前記上ステージ昇降部を誘い込んで前記載置台に対して機械的に略垂直姿勢にロック可能なロック機構を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、上ステージ昇降部を載置台に対して機械的に垂直にした状態でロック機構を用いて簡便に固定することができる。

また、 載置台に載置した観察対象物の観察対象面の高さを、ベースに固定され撮像手段の光軸に直交する揺動軸の高さに合致させる工程と、前記揺動軸の高さに合致した観察対象面にピントが合致するように前記撮像手段を位置させる工程と、前記揺動軸を中心として観察対象面にピントが合致した前記撮像手段を傾斜させて、観察対象面を傾斜観察する工程とを含んだ拡大観察装置の観察方法において、前記揺動軸を中心として傾斜する前記撮像手段の前記載置台に対する傾斜角度は、前記撮像手段、前記撮像手段が取り付けられる取付手段、または前記揺動軸に揺動可能に支持され前記取付手段に取り付けられた前記撮像手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持する上ステージ昇降部に設置された第一加速度センサが重力加速度に対する前記撮像手段の光軸の傾斜角度である第一傾斜角度を検出し、ベース、またはベース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に設置された第二加速度センサが重力加速度に対する載置台の傾斜角度である第二傾斜角度を検出し、演算手段が第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて算出することを特徴とする。

上記構成によれば、第一加速度センサは撮像手段、前記取付手段または前記上ステージ昇降部に設置され、第二加速度センサは前記載置台、前記下ステージ昇降部またはベースに設置されるので、回転軸内に設置される場合のように摩擦や疲労の影響を受けにくく、耐振性や耐久性を損なうことない。また、第一加速度センサと第二加速度センサとの２つの加速度センサを備えているので、拡大観察装置が傾斜した状態で設置された場合でも、載置台に対する撮像部の観察角度である第三傾斜角度を算出して表示手段に表示することができる。

また、載置台に載置した観察対象物の観察対象面の高さを、ベースに固定され撮像手段の光軸に直交する揺動軸の高さに合致させる工程と、前記揺動軸の高さに合致した観察対象面にピントが合致するように前記撮像手段を位置させる工程と、前記揺動軸を中心として観察対象面にピントが合致した前記撮像手段を傾斜させて、観察対象面を傾斜観察する工程とを含み、前記揺動軸を中心として傾斜する前記撮像手段の前記載置台に対する傾斜角度は、前記撮像手段、前記撮像手段が取り付けられる取付手段、または前記揺動軸に揺動可能に支持され前記取付手段に取り付けられた前記撮像手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持する上ステージ昇降部に設置された第一加速度センサが重力加速度に対する前記撮像手段の光軸の傾斜角度である第一傾斜角度を検出し、ベース、またはベース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に設置された第二加速度センサが重力加速度に対する載置台の傾斜角度である第二傾斜角度を検出し、演算手段が第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて算出する拡大観察装置の観察方法において、さらに、前記載置台の回転角度は、前記載置台に設置された回転角度センサが検出し、前記回転角度センサが検出した回転角度は表示手段に設けられた載置台回転角度表示部に表示されることを特徴とする。

上記構成によれば、回転角度センサが載置台の回転角度を検出するので、載置台に対する撮像部の観察角度に加えて載置台の回転角度を検知して表示手段に表示することができる。使用者は、傾斜観察における観察状態を正確に再現することができる。

本発明の一実施の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。 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。 加速度センサを用いて載置台に対する撮像部の傾斜角度を算出する方法を説明する図である。 加速度センサを用いて載置台に対する撮像部の傾斜角度を算出する方法を説明する図である。 回転角度センサを用いて載置台の回転角度を算出する方法を説明する図である。 回転角度センサを用いて載置台の回転角度を算出する方法を説明する図である。 拡大観察装置外観図である。 ロック機構の断面図である。 ロックレバーの外観図である。

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１７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軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及び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を撮像する撮像手段である撮像部３と、撮像部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。撮像部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。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を用意し、各ＬＥＤの点灯により照明光を赤、緑、青色にそれぞれ切り替えたり、これらの混色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。
（撮像部３）

撮像部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及び撮像素子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１０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、レンズ部の種別情報等に基づいたヘッド部６の高さｚを記憶する。

撮像素子１２は、ｘ方向及び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、その光学系及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、撮像部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。撮像部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等で駆動されて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であり、ステージ８の任意の位置を撮像部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。

一方でこの拡大観察装置１００は、ヘッド部６をステージ８に対して傾斜させるためのヘッド傾斜機構を備えている。ヘッド傾斜機構は、図３に示すようにヘッド部６をステージ８に対して傾斜させるため、揺動軸３７を介してヘッド部６を揺動自在にベース４２に支持している。揺動軸３７は、Ｙ軸方向（図３において紙面に垂直な方向）に設けられている。ヘッド部６を揺動自在にベース４２に固定する構造の詳細は、後述する図１５、図１７等に示す。
（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５に示す。

本体部５は、レンズ部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、撮像部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６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、撮像部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７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の観察対象面に撮像部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８に示す。観察対象面が撮像部３の光軸１０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軸方向及び／又はＹ軸方向に移動させて観察対象面を撮像部３の光軸１０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８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、撮像部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軸方向及び／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９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、観察対象面に撮像部３のピントが合致するように、載置台（ステージ８及び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１０に示す。使用者は、この状態で、表示手段４等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１０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ステージとを手動で移動させるものでも良い。
（加速度センサ４１，４３）

取付部材２５には第一加速度センサ４１が設置されている。第一加速度センサ４１は、拡大観察装置１００の重力加速度に対する撮像部３の光軸１０の傾斜角度である第一傾斜角度を検出する。ベース４２には第二加速度センサ４３が設置されている。第二加速度センサ４３は、重力加速度に対する載置台（ステージ８，θステージ３５）の回転中心軸４４の傾斜角度である第二傾斜角度を検出する。

ここで第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて載置台に対する撮像部３の光軸１０の傾斜角度である第三傾斜角度（チルト角度）を算出する方法について図１１と図１２とを用いて説明する。なお、第一加速度センサ４１と第二加速度センサ４３として３次元の加速度センサが用いられているが、簡単のために２次元で説明する。

第一加速度センサ４１は、重力加速度を、撮像部３の光軸１０方向と、撮像部３の光軸１０方向と直交する方向に分解して、撮像部３の光軸１０方向の値と、撮像部３の光軸１０方向と直交する方向の値とを検出する。一方で、載置台（ステージ８，θステージ３５）は回転中心軸４４を中心として回転するが、第二加速度センサ４３は、重力加速度を、載置台の回転中心軸４４方向と、載置台の回転中心軸４４方向と直交する方向とに分解して、載置台の回転中心軸４４方向の値と、載置台の回転中心軸４４と直交する方向の値とを検出する。

図１１においては、載置台の回転中心軸４４が鉛直線方向に向いており、撮像部３の光軸１０が鉛直線方向に対して傾いている場合を示す。第一加速度センサ４１は、重力加速度の撮像部３の光軸１０方向の値であるＹ１と、重力加速度の撮像部の光軸１０方向と直交する方向の値であるＸ１とを検出する。一方で第二加速度センサ４３は、重力加速度の載置台の回転中心軸４４方向の値であるＹ２として重力加速度の値を検出し、載置台の回転中心軸４４と直交する方向の値として０を検出する。

演算手段５３は、第一加速度センサ４１が検出したＹ１とＸ１とによって、重力加速度に対する撮像部３の光軸１０方向の傾斜角度θ１を算出し、第二加速度センサ４３が検出したＹ２（重力加速度の値）とＸ２（Ｘ２＝０）とによって、鉛直線方向に対する載置台の回転中心軸４４方向の傾斜角度θ２（θ２＝０）を算出する。演算手段５３は、さらにθ１とθ２とによって、第三傾斜角度θ１２（＝θ１＋θ２）としてθ１を算出する。

図１２は図１１の状態から拡大観察装置全体を傾斜させ、載置台の回転中心軸軸４４と撮像部３の光軸１０とがともに鉛直線方向に対して傾いている場合を示す。この場合には、第一加速度センサ４１は、重力加速度の撮像部３の光軸１０方向の値であるＹ３と、重力加速度の撮像部３の光軸１０方向と直交する方向の値であるＸ３とを検出する。一方で第二加速度センサ４３は、重力加速度の載置台の回転中心軸４４方向の値であるＹ４と、重力加速度の載置台の回転中心軸４４方向と直交する方向の値であるＸ４とを検出する。

演算手段５３は、第一加速度センサ４１が検出したＹ３とＸ３とによって、撮像部３の光軸１０方向の傾斜角度θ３を算出し、第二加速度センサ４３が検出したＹ４とＸ４とによって、鉛直線方向に対する載置台の回転中心軸４４方向の傾斜角度θ４を算出する。演算手段５３は、さらにθ３とθ４とによって、第三傾斜角度θ３４（θ３４＝θ３＋θ４）を算出する。表示手段４は、図１Ｂに示すように演算手段５３が算出した第三傾斜角度（θ１２，θ３４）を表示手段４に設けたチルト角度表示部５０に表示することができる。

なお、第一加速度センサ４１を設置する場所は取付手段２５に限定されるものではなく、撮像部３や上ステージ昇降部３１に設置することもできる。同様に第二加速度センサ４３を設置する場所も載置台に限定されるものではなく、下ステージ昇降部１３またはベース４２に設置することもできる。さらに上述した例では、第一加速度センサ４１と第二加速度センサ４３との２つの加速度センサを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の加速度センサを使用することもできる。

第一加速度センサ４１は撮像部３に設置され、第二加速度センサ４３はベース４２に設置されるので、上ステージ昇降部３１を支持する揺動軸３７にエンコーダ等の角度検知センサを設置した場合のように、機器が複雑になり大型化し、あるいは耐振性、耐久性を損なうことはない。また、第一加速度センサ４１に加えて第二加速度センサ４３を設置して、重力加速度に対する載置台の傾斜角度を検出しているので、拡大観察装置１００が傾斜した状態で設置された場合でも、載置台に対する撮像部３の観察角度である第三傾斜角度を算出して表示手段４に表示することができる。このように、拡大観察装置１００が設置された傾斜角度に関わらずチルト角度を正確に再現することができる。
（回転角度センサ）

ステージ８は、Ｚ軸を中心として回転自在なθステージ３５に取り付けられているが、このθステージ３５の回転中心軸４４には回転角度センサ４９が取り付けられている（図１３を参照のこと。）。回転角度センサ４９によって、載置台の回転角度を検出することができる。回転角度センサ４９が検出した載置台の回転角度は、図１Ｂに示すように表示手段４に設けた載置台回転角度表示部５３に表示することができる。これによって、チルト角度に加えて載置台の回転角度も正確に再現することができる。図１４に示すように、観察対象物が載置される載置台の載置面が傾いている場合であっても、使用者は、表示手段４に表示される、載置台のチルト角度と回転角度とによって、傾斜観察における観察状態を正確に再現することができる。
（ロック機構）

上ステージ昇降部３１は、機械的なロック機構５１によって、載置台に対して略垂直となるようにベース４２に固定可能である。ロック機構５１は、たとえば、上ステージ昇降部３１に形成された凹部５４と、ベース４２に支持された回転軸５５に連設された回動板５６と、回動板５６にコイルばね５７を介して連結された球体５８とを備える。この球体５８とコイルバネ５７とは、ベース４２に開口された円筒状の筒部６０に挿入される。また球体５８の直径は、この筒部６０の内面とほぼ接する大きさに設計される。さらに筒部６０の開口部は、上ステージ昇降部３１を垂直姿勢とした状態で、凹部５４の開口面と合致する、又は凹部５４を筒部よりも若干大きくするように設計される。一方回転軸５５の一端部にはロックレバー５９が設けられている。また回転軸５５には、その回転軸５５から垂直に突出され、ロックレバー５９を回転させると突出して回動板５６を押し出すカム６１が設けられている。使用者がロックレバー５９を操作して回転軸５５を回転させると、カム機構によって回動板５６が押し出され、コイルばね５７を介して球体５８が押し出され、上ステージ昇降部３１の凹部５４に球体５８が係合する（図１６Ａを参照のこと。）。

この球体５８は、凹部５４に押し込まれた状態で凹部５４に正接し、かつこの状態で上ステージ昇降部３１がベース４２に対して垂直姿勢となるように設計される。このような構成により、上ステージ昇降部３１を垂直姿勢に合わせる際、図１６Ｂの断面図に示すようにベース４２部に対して多少ずれていても、いいかえると完全に垂直な姿勢にユーザが位置決めしなくとも、ロックレバー５９を操作して球体５８を押し出すと、球体５８の進行方向に従って開口面積を狭くした下窄み状の凹部５４の傾斜面６２と当接し、さらに当接位置が球体５８の後方（図１６Ｂにおいて上方向）にずれていくように、当接点に作用する応力でもって上ステージ昇降部３１が図において左側に押し出され、最終的には図１６Ａに示すように球体５８が完全に凹部５４に入り込んだ状態で当接されて、上ステージ昇降部３１の移動が停止され、上ステージ昇降部３１とベース４２との位置決めがなされる。すなわち、球体５８が完全に凹部５４に入り込んだ状態で上ステージ昇降部３１が垂直姿勢となるよう、予め設計された姿勢に保持される。これによって、ユーザが上ステージ昇降部３１を垂直姿勢に合わせる際に、従来のように揺動軸３７に刻印された目盛を見ながら正確な位置決めを行う必要がなく、概ね垂直となる姿勢に上ステージ昇降部３１を回動させた状態で、ロックレバー５９を操作することで、上述の通り球体５８が凹部５４に案内されるように上ステージ昇降部３１の微調整、すなわち正確な位置決めが実行される。よって、上ステージ昇降部３１を垂直姿勢に戻す作業を極めて簡単に行え、使い勝手が向上される。

さらにこの構成であれば、球体５８の凹部５４側への侵入深さでもって当接位置を調整できる、いいかえると、球体５８の直径と凹部５４の内径とを精密に位置決めする必要を無くすことができ、製造公差を高めることなくロック機構を実現できる利点が得られる。

使用者は、揺動軸３７の端面に設けられた傾き角度の目盛を見ながら、あるいはメモリに記録されたチルト角度を見ながら上ステージ昇降部３１を載置台に対して垂直になるように位置合わせをしなくても、上ステージ昇降部３１を目測で載置台に対して垂直姿勢として、ロック機構５１を用いて簡便に上ステージ昇降部３１を載置台に対して略垂直にロックすることができる。

またロック状態から、使用者がロックレバー５９を逆方向に操作すると、コイルばね５７の付勢力が弱まる。使用者が揺動軸３７を中心として上ステージ昇降部３１を回動させると、球体５８は凹部５４から離脱してロック機構５１のロックが解除される。

このように、使用者はロック機構５１を用いて、上ステージ昇降部３１を載置台に対して機械的に垂直にした状態で簡便にロックし、ロック解除することができるので、基板等の観察対象物Ｓの歪みのない平面図を表示手段４に表示して観察対象物Ｓの寸法チェックを簡便に行うことができる。使用者は、さらに表示手段４が表示する第三傾斜角度（チルト角度）によって、ロック機構５１がロックした上ステージ昇降部３１の載置台に対する正確な傾斜角度を知ることができる。さらに第三傾斜角度に基づいて上ステージ昇降部３１の傾斜角度を調整して、上ステージ昇降部３１を載置台に対して正確な垂直にすることができる。

なお上記の構成では、固定される本体側に突出部を設け、揺動するヘッド部側にこの突出部を案内する受け部を設けた例を説明したが、本発明はこの構成に限られず、例えばヘッド部側に突出部を設け、本体側に受け部を設ける構成としてもよい。さらに突出部やこれを案内する受け部の形状も、上記に限られず、例えば突出部として球体に代えて半球状やドーム状、台形状や三角形状等、受け側の傾斜面に案内される任意の形状が採用できる。同様に受け部についても、断面視を等脚台形を上下逆にしたすり鉢状とする他、円錐状、あるいは曲面状やテーパー面状等とすることもできる。

１００…拡大観察装置
２…照明手段
２Ａ…落射照明
２Ｂ…透過照明
Ｓ…観察対象物
３…撮像部
４…表示手段
５…本体部
６…ヘッド部
７…ケーブル部
８…ステージ
９…光学系
１０…光軸
１２…撮像素子
１３，４４…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
２１…光ファイバ
２２…コネクタ
２５…取付部材
２８…モータ制御回路
２９…ステッピングモータ
３１…上ステージ昇降部
３２…モータ制御回路
３３…ステッピングモータ
３５…θステージ
３７…揺動軸
４１…第一加速度センサ
４２…ベース
４３…第二加速度センサ
４４…回転中心軸
４９…回転角度センサ
５０…チルト角度表示部
５１…ロック機構
５３…載置台回転角度表示部
５４…凹部
５５…回転軸
５６…回動板
５７…コイルばね
５８…球体
５９…ロックレバー
６０…筒部
６１…カム
６２…傾斜面

Claims (5)

1. 観察対象物が載置される載置台と、
   ベースと、
   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、
   前記撮像手段が取り付けられる取付手段と、
   前記取付手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持し、かつ前記撮像手段の光軸に直交する姿勢で前記ベースに固定された揺動軸に揺動可能に支持される上ステージ昇降部と、
   前記ベース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と、
   を備えた拡大観察装置において、
   前記撮像手段、前記取付手段または前記上ステージ昇降部に設置され、重力加速度に対する撮像手段の光軸の第一傾斜角度を検出する第一加速度センサと、
   前記載置台、前記下ステージ昇降部またはベースに設置されて、重力加速度に対する載置台の第二傾斜角度を検出する第二加速度センサと、
   前記第一加速度センサで検出された第一傾斜角度と前記第二加速度センサで検出された第二傾斜角度とに基づいて前記載置台に対する前記撮像手段の光軸の角度である第三傾斜角度を算出する演算手段と、
   前記演算手段で算出した第三傾斜角度を表示する表示手段とを備えていることを特徴とする拡大観察装置。
2. 請求項１に記載される拡大観察装置であって、
   前記載置台は水平面内において回転可能に形成されており、前記載置台には該載置台の回転角度を検出する回転角度センサが設置されており、前記表示手段は回転角度センサが検出した回転角度を表示可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
3. 請求項１または２に記載される拡大観察装置であって、さらに
   前記揺動軸に揺動可能に支持され前記載置台に対して垂直な位置の近傍に位置する前記上ステージ昇降部を誘い込んで前記載置台に対して機械的に略垂直姿勢にロック可能なロック機構を備えていることを特徴とする拡大観察装置。
4. 載置台に載置した観察対象物の観察対象面の高さを、ベースに固定され撮像手段の光軸に直交する揺動軸の高さに合致させる工程と、
   前記揺動軸の高さに合致した観察対象面にピントが合致するように前記撮像手段を位置させる工程と、
   前記揺動軸を中心として観察対象面にピントが合致した前記撮像手段を傾斜させて、観察対象面を傾斜観察する工程と、
   を含んだ拡大観察装置の観察方法において、
   前記揺動軸を中心として傾斜する前記撮像手段の前記載置台に対する傾斜角度は、
   前記撮像手段、前記撮像手段が取り付けられる取付手段、または前記揺動軸に揺動可能に支持され前記取付手段に取り付けられた前記撮像手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持する上ステージ昇降部に設置された第一加速度センサが重力加速度に対する前記撮像手段の光軸の傾斜角度である第一傾斜角度を検出し、
   ベース、またはベース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に設置された第二加速度センサが重力加速度に対する載置台の傾斜角度である第二傾斜角度を検出し、
   演算手段が第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて算出することを特徴とする拡大観察装置の観察方法。
5. 載置台に載置した観察対象物の観察対象面の高さを、ベースに固定され撮像手段の光軸に直交する揺動軸の高さに合致させる工程と、
   前記揺動軸の高さに合致した観察対象面にピントが合致するように前記撮像手段を位置させる工程と、
   前記揺動軸を中心として観察対象面にピントが合致した前記撮像手段を傾斜させて、観察対象面を傾斜観察する工程と、
   を含み、
   前記揺動軸を中心として傾斜する前記撮像手段の前記載置台に対する傾斜角度は、
   前記撮像手段、前記撮像手段が取り付けられる取付手段、または前記揺動軸に揺動可能に支持され前記取付手段に取り付けられた前記撮像手段を前記撮像手段の光軸に沿って上下方向に移動可能に支持する上ステージ昇降部に設置された第一加速度センサが重力加速度に対する前記撮像手段の光軸の傾斜角度である第一傾斜角度を検出し、
   ベース、またはベース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に設置された第二加速度センサが重力加速度に対する載置台の傾斜角度である第二傾斜角度を検出し、
   演算手段が第一傾斜角度と第二傾斜角度とに基づいて算出する拡大観察装置の観察方法において、
   さらに、前記載置台の回転角度は、前記載置台に設置された回転角度センサが検出し、
   前記回転角度センサが検出した回転角度は表示手段に設けられた載置台回転角度表示部
   に表示されることを特徴とする拡大観察装置の観察方法。

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