JP2015135441A - 画像取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることが可能な画像取得装置を提供する。【解決手段】画像取得装置３００は、物体の像を形成する結像光学系４０と、結像光学系を介して物体を撮像する複数の撮像素子７０と、結像光学系と複数の撮像素子との間に配置され、複数の撮像素子のそれぞれと対をなす複数の可変頂角プリズム６０とを有する【選択図】図１

Description

本発明は、病理標本等の画像データを取得するのに好適な画像取得装置に関する。

病理検査において、画像取得装置により病理標本（試料）を撮像して画像データを取得し、それをディスプレイ上に表示して観察する画像取得システムが提案されている。このような画像取得装置において、対物光学系の視野に収まらない大きな試料の画像データを取得する場合は、試料を水平方向に移動させて複数回撮像もしくはスキャンする必要がある。このため、試料全体の画像データを取得する時間を短縮するために、広い視野（つまりは撮像領域）を有する対物光学系が求められている。さらに、試料を観察する上では、広い撮像領域を持つだけでなく、可視光領域において高い解像力を持った対物光学系が必要となる。

高い解像力を得るためには、対物光学系の開口数（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が浅くなる。また、試料の表面に深さ方向の凸凹がある場合、対物光学系により形成される試料の像も凸凹形状になる。よって、特に高い解像力を持ち、かつ広い撮像領域を持つ対物光学系では、撮像領域内の一部でピントが合わない部分が生じる。

特許文献１には、撮像面を変形させることにより、撮影レンズの像面湾曲を補正することができる撮像装置が開示されている。この撮像装置では、複数の光電変換素子のそれぞれを駆動することにより、像面湾曲に応じて撮像面を変形させる。また、特許文献２には、変形可能な鏡によって波面の歪みを補正することが可能な装置が開示されている。この装置では、眼の波動収差の測定値に基づいて鏡を変形させることにより、その収差を補正している。

特開２００７−２０８７７５号公報 特表２００１−５０７２５８号公報

特許文献１にて開示された撮像装置では、光電変換素子に対する読み出し用の電気回路や撮像面の変形のための駆動回路が必要となる。さらに、画像データのノイズを低減するために光電変換素子の冷却を行う場合は、温調用の素子や電気回路等の冷却機構も備える必要がある。このため、特に光電変換素子のそれぞれに駆動回路を設ける構成を採用する場合、それに加えて冷却機構をそれぞれに配置することは空間的に難しくなる。また、試料の凸凹に対するフォーカス調整のためには撮像面をより大きく変形する必要があるが、このような構成において十分な変形を可能にする駆動回路を設けるには、さらに広い空間を要する。このため、特許文献１にて開示された撮像装置のような構成では、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせて高画質（低ノイズ）の画像データを得ることは難しい。

また、特許文献２にて開示された装置は波面を調整する機構を備えている。しかし、その調整は光学系の瞳位置で行われているため、このような機構をそのまま画像取得装置に適用して、試料の凸凹による撮像領域内のフォーカスのずれの分布を補正することはできない。また、試料の像面位置におけるフォーカス調整のためには、収差補正に対する鏡の駆動時よりも大きな駆動量が必要となる。このため、特許文献２に開示された装置のような構成では、広い撮像領域の全域で良好にフォーカスを合わせることが難しい。

本発明は、簡単な構成で、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることが可能な画像取得装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての画像取得装置は、物体の像を形成する結像光学系と、結像光学系を介して物体を撮像する複数の撮像素子と、結像光学系と複数の撮像素子との間に配置され、複数の撮像素子のそれぞれと対をなす複数の可変頂角プリズムとを有することを特徴とする。

本発明によれば、１つの結像光学系に対して複数の撮像素子を用い、撮像素子ごとに設けた可変頂角プリズムにより撮像素子ごと（画角ごと）のフォーカス調整を行うことで、撮像領域全域でフォーカスを合わせることができる。したがって、簡単な構成でありながらも、広い撮像領域の全域で高い解像力を有する画像取得装置を実現することができる。

本発明の実施例１である画像取得装置を含む画像取得システムの構成を示すブロック図。 実施例１における可変頂角プリズムによるフォーカス調整方法の説明図。 実施例１における撮像素子と撮像方法の説明図。 本発明の実施例２である対物光学系の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像取得システム１０００の構成を示している。画像取得システム１０００は、試料の画像を取得する画像取得装置３０００と、取得した画像を表示する画像表示部２０００とを備えている。

画像取得装置３０００は、試料を含むプレパラート３０の計測を行う計測部２００と、プレパラート３０を撮像する本撮像部３００とを有する。また、計測部２００と本撮像部３００の制御および撮像により取得された画像データの処理を行う画像処理・制御部５００をも有する。

以下、本実施例の画像取得装置３０００における画像取得手順について説明する。まず、試料を含むプレパラート３０が撮像ステージ２０に保持され、計測部２００に配置される。計測光源１１０からの光がビームスプリッター１２０によって偏向させられ、プレパラート３０を照射する。プレパラート３０を透過した光は、ＸＹ位置計測センサ１００に入射し、そこで計測されたプレパラート３０における試料の大きさやＸＹ方向での位置等のデータが画像処理・制御部５００に送信される。ＸＹ位置計測センサとしては、ＣＣＤカメラ等を用いることができる。

一方、プレパラート３０で反射した光は、ビームスプリッター１２０を透過してＺ形状計測センサ１３０に入射する。このＺ形状計測センサ１３０により、プレパラート３０内の試料の各ＸＹ位置におけるＺ方向の位置データを計測し、該位置データを画像処理・制御部５００に送信する。なお、Ｚ形状計測センサ１３０としてはシャック・ハルトマンセンサ等を用いることができる。

画像処理・制御部５００は、送信されてきたプレパラート３０の計測データ（試料の位置、大きさおよびＺ形状のデータ）を不図示のメモリに保持する。なお、計測部２００はこのような構成に限るものではなく、例えば、ＸＹ方向の位置とＺ形状を別の光源を用いて別の位置で計測してもよい。

計測が終了すると、プレパラート３０を保持した撮像ステージ２０は、計測部２００から本撮像部３００へと移動する。

本撮像部３００では、不図示の光源からの光が照明光学系１０に入射し、この照明光学系１０によってプレパラート３０が均一に照明される。このとき、光源の光としては、例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を用いることができる。

プレパラート３０における試料からの光は、対物光学系４００に入射する。ここで、本実施例における対物光学系４００は、（１つの）結像光学系４０と複数の可変頂角プリズム６０とを有する。試料からの光は、結像光学系４０により各可変頂角プリズム６０の近傍に試料の像（物体像）を形成する。そして、この試料の像を形成する光が複数の可変頂角プリズム６０によって偏向され、その結果、試料の像が結像光学系４０の像面に沿って配置された複数の撮像素子７０の撮像面上（以下、撮像素子上ともいう）に結像される。複数の可変頂角プリズム６０はそれぞれ、複数の撮像素子７０のそれぞれと対をなすように設けられている。

また、本実施例で用いる可変頂角プリズム６０は、２枚の透光性平行平板とそれらの周囲に設けられた伸縮部材（蛇腹）によって囲まれた内部空間に透光性液体を封入することで構成されている。そして、２枚の平行平板のうち少なくとも一方を光軸に対して傾けて２つの平行平板の相対的な傾き（頂角）を変化させる。これにより、頂角に応じた光学的な作用を得ることができる。複数の可変頂角プリズム６０の頂角は計測データに応じてプリズム制御手段としての画像処理・制御部５００により制御される。例えば、試料のＺ方向での凹凸形状に起因して複数の撮像素子７０のそれぞれにおいて異なる結像光学系４０のデフォーカス量を計測により取得し、該デフォーカス量に応じて複数の可変頂角プリズム６０の頂角を個別に制御することが望ましい。これにより、結像光学系４０によって得られる撮像領域の全域で、全ての撮像素子７０上にフォーカスが合わせられる。なお、その詳細については後述する。

本実施例では、結像光学系４０が１回のみ結像するものとして説明しているが、複数回結像することによって試料の像を撮像素子７０上に形成するものでもよい。例えば、反射屈折光学系のように、可変頂角プリズム６０の近傍に試料の像を結像する過程で、中間像を形成するものを用いることができる。すなわち、対物光学系４００においては、結像光学系４０による最終的な結像位置の近傍において可変頂角プリズム６０により光束を偏向させ、その光束が撮像素子７０上に結像する構成であればよく、その結像回数は問わない。

なお、可変頂角プリズム６０は、後述するように結像光学系４０の結像位置のできるたけ「近傍」に配置することが望ましいが、結像光学系４０（の出射面）と撮像素子７０との間であればよい。

撮像素子７０は、撮像面上に結像された試料を撮像し、撮像信号を出力する。画像処理手段としての画像処理・制御部５００は、撮像信号を処理することで画像データを生成する。また、画像出力手段としての画像処理・制御部５００は画像データを画像表示部２０００での表示に適したデータ形式に変換してこれを出力し、試料画像を画像表示部２０００に表示させる。

また、画像処理・制御部５００は、対物光学系４００で補正しきれなかった収差の補正を行ったり、取得した複数の画像データをつなぎ合わせて１枚の画像データを生成する処理を行ったりする。

次に、可変頂角プリズム６０による結像光学系４０のフォーカス調整（デフォーカス補正）について説明する。

図２には、結像光学系４０の結像点（結像面）の位置と可変頂角プリズム６０の頂角との関係を示している。図２（ａ）は試料に凸凹がなく、可変頂角プリズム６０によって結像面６１を調整する必要がない状態を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）の状態から可変頂角プリズム６０を撮像素子７０の中心軸６２（結像光学系４０の光軸と平行な軸）に対して傾けることで、結像面６１を傾けている状態である。実際には試料の凸凹によって傾いた結像面６１を可変頂角プリズム６０によって結像面６１と中心軸６２が直交するように調整するが、図２（ｂ）では説明のため調整する必要のない図２（ａ）の状態から可変頂角プリズム６０によって結像面６１を傾けている。

図２（ｂ）では、可変頂角プリズム６０によって結像面６１を傾けることができる一方、撮像素子７０の中心軸６２に対して画像がシフトしていることが分かる。ビデオレンズ等の手振れ等による像振れを補正する防振のために可変頂角プリズムを使用する際は、この画像シフトを利用する。しかし、病理標本の画像データを取得する画像取得システムにおいてこの画像シフトは望ましくない。これは複数の画像データをつなぎ合わせて１枚の画像データを生成する処理を行う際に誤差が生じるためである。

また、画像シフトとともにプリズム効果によって倍率色収差も発生する。このような画像シフトと倍率色収差を抑えるために、可変頂角プリズム６０をできる限り結像面６１に近接して配置することが好ましい。この方法でも抑えられない画像シフトと倍率色収差に対しては、可変頂角プリズム６０による偏向角からどの程度画像シフトや倍率色収差が生じるか予測することで、画像処理・制御部５００において画像処理により補正することが好ましい。すなわち、可変頂角プリズムにおいて発生した倍率色収差に対応する画像成分を補正する画像処理手段としての機能を画像処理・制御部５００に持たせることが望ましい。

図３（ａ）は、結像光学系４０の光軸方向から見た撮像素子７０の配置例を示している。複数の撮像素子７０は、結像光学系４０の像面に平行な面内において、該結像光学系４０の光軸位置周りに２次元配列されている。図中のＡが結像光学系４０の光軸位置に相当する。

複数の撮像素子７０の光軸方向手前側の近傍には、図１に示したように複数の可変頂角プリズム６０がそれぞれ各撮像素子７０と対をなすよう配置されている。また、図３（ｂ）には、撮像を行う際の撮像素子７０とプレパラート３０の相対位置の動きを矢印で示している。図３（ａ），（ｂ）において、１つの撮像素子７０を代表として撮像の順番を丸囲みの１〜４で示している（以下の説明では、括弧書きの数字で示す）。

図３（ａ）の配置では、図３（ｂ）に示すように、プレパラート３０に対して撮像素子７０を−Ｙ方向（２）、＋Ｘ方向（３）、＋Ｙ方向（４）の順に３回移動させる計４回撮像し、それらを繋ぎ合せて撮像領域７１を１つの画像データとして取得する。

このように複数の撮像素子７０で複数回の撮像を行う場合に、それぞれの可変頂角プリズム６０の頂角を撮像ごとに設定する。つまり、可変頂角プリズム６０は移動させずに、その傾き方向を変えることで撮像素子７０の動きに追従する。そして、撮像ごとに、個々の可変頂角プリズム６０の頂角を個々の撮像素子７０上でのデフォーカス量に応じて制御する。これにより、大きな試料がＺ方向の凸凹形状を有するような場合でも全ての回の撮像において全ての撮像素子７０上にフォーカスを合わせることができる。

それぞれの可変頂角プリズム６０の頂角の最適値は、計測部２００によって予め取得していた試料の各ＸＹ位置におけるＺ方向の位置データから最小二乗法等によって求めることができる。

以上の構成によれば、複数の撮像素子７０のそれぞれと対をなすように設けた複数の可変頂角プリズム６０によって撮像素子７０ごと（結像光学系４０の画角ごと）のフォーカス調整を行うことができきる。このため、試料に凸凹形状があるような場合でも、その凹凸形状に応じて可変頂角プリズム６０を制御することで、撮像領域の全域で全ての撮像素子７０にフォーカスを合わせることができる。したがって、簡単な構成でありながらも、広い撮像領域の全域で高い解像力を有する画像取得装置を実現することができる。

次に、本発明の実施例２について図４を用いて説明する。本実施例では、結像光学系４０の結像位置（または結像位置とみなせる位置）に可変頂角プリズム６０を配置する。そして、各可変頂角プリズム６０からの光を撮像素子７０ごとに設けられた第２結像光学系（別の結像光学系）８０によって各撮像素子７０の撮像面上に再結像する。実施例１と同じ構成要素については同符号を付して説明を省略する。

本実施例では実施例１と異なり、結像光学系４０の結像位置またはそれにほぼ一致する位置に可変頂角プリズム６０を配置するため、実施例１で説明した画像シフトや倍率色収差の発生を抑制することができる。また、本実施例の対物光学系４００では、可変頂角プリズム６０と撮像素子７０とが空間的に異なる位置に配置されているため、可変頂角プリズム６０の駆動機構や、撮像素子７０における電気回路や温調機構等の配置自由度を高くすることができる。

なお、試料の凸凹形状に合わせて可変頂角プリズム６０の光軸に対する傾きを変更するとき、可変頂角プリズム６０の頂角により光の進行方向も変化する。これに対しては第２結像光学系８０の光路内におさまるように、第２結像光学系８０のＮＡを十分に確保することが望ましい。

なお、上述した実施例１では、可変頂角プリズム６０の頂角制御によって撮像領域全域のフォーカスを合わせる場合について説明したが、さらに撮像素子駆動機構による撮像素子の駆動を組み合わせてもよい。すなわち、撮像領域内におけるフォーカスずれの傾き成分は、可変頂角プリズム６０の頂角制御によって調整し、撮像領域内で光軸方向に一律のフォーカスずれ成分は、撮像素子を光軸方向に移動させて調整するようにしてもよい。

また、実施例１では、配置する撮像素子７０の数を１６個とし、４回の撮像を行う場合について説明したが、それ以外の数の撮像素子を配置し、それ以外の回数の撮像を行ってもよい。この場合、撮像素子の数に合わせて可変頂角プリズム６０や第２結像光学系８０の数を変更することで、上述した実施例１，２と同様にフォーカス合わせをすることができる。撮像素子の数や撮像回数は撮像対象である試料の表面に深さ方向の凸凹がどの程度あるかや、撮像素子および可変頂角プリズムを配置する空間的な制約によって適宜決めればよい。

なお、上記実施例においては、大画面をステップ撮像する場合について説明したが、大画面に対して撮像領域をスキャンする場合にも、上記構成の画像取得装置を用いることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

広い撮像領域を良好に撮像可能な画像取得装置を提供できる。

４０ 結像光学系
６０ 可変頂角プリズム
７０ 撮像素子

Claims (10)

1. 物体の像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系を介して前記物体を撮像する複数の撮像素子と、
   前記結像光学系と前記複数の撮像素子との間に配置され、前記複数の撮像素子のそれぞれと対をなす複数の可変頂角プリズムとを有することを特徴とする画像取得装置。
2. 前記物体の形状に応じて前記可変頂角プリズムを駆動する駆動機構を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。
3. 前記可変頂角プリズムを駆動して、該可変頂角プリズムと対をなす前記撮像素子上での前記結像光学系のデフォーカスを補正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。
4. 前記複数の可変頂角プリズムを、該複数の可変頂角プリズムのそれぞれと対をなす前記撮像素子上での前記結像光学系のデフォーカス量に応じて個別に制御するプリズム制御手段を有することを特徴とする請求項３に記載の画像取得装置。
5. 前記複数の撮像素子を個々に前記結像光学系の光軸方向に移動させる駆動機構を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像取得装置。
6. 前記複数の撮像素子と前記複数の可変頂角プリズムとが、前記結像光学系の光軸位置周りに２次元配列されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像取得装置。
7. 前記複数の撮像素子を前記結像光学系の像面に平行な面内で移動させながら複数回の撮像を行い、
   前記複数回の撮像のそれぞれにおいて、前記可変頂角プリズムは移動させずに該可変頂角プリズムの傾き方向を変更することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像取得装置。
8. 前記各可変頂角プリズムとこれと対をなす前記撮像素子との間に、前記結像光学系とは別の結像光学系が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像取得装置。
9. 前記撮像素子からの出力を用いて得られた画像データにおいて、前記可変頂角プリズムにおいて発生した倍率色収差に対応する画像成分を補正する画像処理手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像取得装置。
10. 前記撮像素子からの出力を用いて得られた画像データを表示手段に表示させる画像出力手段を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像取得装置。