JP2015176134A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の構成で広い撮像領域を確保し、励起光が撮像素子に入射することを防止すること
【解決手段】蛍光観察用光源１０２からの励起光で標本１１０を照明する照明光学系１００と、対物レンズ１２０と、を有し、照明光学系は、光量を調整する可変絞り１０６を備え、対物レンズは、可変絞りと共役な位置に配置され、光軸および光軸周辺の光を遮光する遮光部１２１を備え、可変絞りと遮光部との間の光学系の結像倍率をＭ、可変絞りの開口径をＡ、遮光部の直径をＢとすると、Ａ・Ｍ＜Ｂ≦１．３Ａ・Ｍの条件式が満足される。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関する。

病理標本を画像データとして取り込み、ディスプレイ上で観察可能にするバーチャル顕微鏡は、複数人が同時に画像を観察したり、遠方の病理医からの診断を仰いだりすることを可能にする。しかし、大きな病理標本を顕微鏡の狭い撮像領域を用いて画像データとして取り込む場合、病理標本を複数の領域に分けて複数回撮像して、それらを繋げて一枚の画像を形成する必要があり、撮像時間がかかってしまう。そこで、顕微鏡には、広い撮像領域を有する対物レンズを使うことが求められている。特許文献１は、対物レンズとして反射屈折光学系を提案している。近年、試料に励起光を照射し、試料が発する蛍光を観察する蛍光顕微鏡が注目されており、蛍光顕微鏡には小型化が要請されている。

特開２０１１−２３２６１０号公報

しかしながら、蛍光顕微鏡において、励起光で試料を照明する照明光学系を用いる透過型では、対物レンズよりも大きな開口数を持った照明光学系を使用すると顕微鏡が大型化し易い。また、対物レンズの一部を照明光学系とする落射型では、対物レンズにはダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムが必要となるため設計自由度が下がり、広い撮像領域を持つ対物レンズを得ること自体が難しくなる。更に、蛍光顕微鏡では励起光が撮像素子に入射することを防止する手段が必要となる。

そこで、本発明は、小型の構成で広い撮像領域を確保し、励起光が撮像素子に入射することを防止することが可能な撮像装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の撮像装置は、励起光によって標本を照明する照明光学系と、前記標本からの蛍光によって前記標本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光学像を光電変換する撮像素子と、を有し、前記照明光学系は、前記励起光の光量を調整する可変絞りを備え、前記結像光学系は、前記可変絞りと共役な位置に配置され、光軸および光軸周辺の光を遮光する遮光部を備え、前記照明光学系のうち前記可変絞りと前記遮光部との間に設けられた部分と前記結像光学系のうち前記可変絞りと前記遮光部との間に設けられた部分からなる光学系の結像倍率をＭ、前記可変絞りの開口径をＡ、前記遮光部の直径をＢとするとき、Ａ・Ｍ＜Ｂ≦１．３Ａ・Ｍなる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、小型の構成で広い撮像領域を確保し、励起光が撮像素子に入射することを防止することが可能な撮像装置を提供することができる。

本実施形態の蛍光顕微鏡のブロック図である。 図１に示す蛍光顕微鏡において蛍光観察時の構成を示す図である。 図１に示す遮光部の例を示す平面図である。 本発明の対物レンズの要部概略図である。 本発明の対物レンズの横収差図である。

図１は、本実施形態の蛍光顕微鏡（撮像装置）１０００のブロック図である。撮像装置１０００は、照明光学系１００、標本１１０を保持する保持部１１１、対物レンズ１２０、撮像素子１３０、撮像素子１３０の出力から画像情報を生成する画像処理手段１４０、画像を表示するディスプレイなどの表示手段１５０を有する。

照明光学系１００は、明視野観察用光源１０１と蛍光観察用光源１０２のそれぞれからの光によって標本１１０を照明し、ダイクロイックプリズム１０３とコンデンサーレンズ１０５を有する。

明視野観察用光源１０１は、可視光（例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）を発し、主光線の向きは照明光学系１００の光軸と一致している。蛍光観察用光源１０２は、励起光（例えば、波長約４５０ｎｍ）を発する。ダイクロイックプリズム１０３は、明視野観察用光源１０１からの光の波長を透過し、蛍光観察用光源１０２からの光の波長を反射する。コンデンサーレンズ１０５は各光源からの光を標本１１０に集光する。

対物レンズ１２０は、照明された標本の像を、広画角かつ高い解像度で撮像素子１３０に結像する結像光学系である。このとき、対物レンズ１２０は後述する反射屈折光学系であることが望ましい。蛍光観察用光源１０２からの励起光１０４のうち標本１１０を透過して蛍光に変換されずに進路を変えなかった光は対物レンズ１２０内の遮光部１２１によって遮光される。遮光部１２１は、後述する可変絞り１０６と共役な位置に配置され、光軸および光軸周辺の光を遮光する。標本１１０を透過した励起光のうち回折する光の光強度は低いので、本実施形態では進路を変えない０次光としての励起光を遮光している。

撮像素子１３０で取得した信号（画像情報）から画像処理手段１４０によって画像データを生成し、生成した画像データを表示手段１５０に表示する。画像処理手段１４０では結像光学系１２０で補正しきれなかった収差を補正する、または撮像位置の異なった画像データを繋げて一枚の画像データに合成するなど用途に応じた処理が行われる。

図２は、蛍光顕微鏡において蛍光観察時の照明光学系１００と対物レンズ１２０の具体的な構成例を示す図である。照明光学系１００は、光量を調整する可変絞り１０６を更に有し、遮光部１２１は、互いに大きさが異なる遮光部１２１ａ、１２１ｂをターレットなどで交換することができる。可変絞り１０６は、遮光部１２１と共役な位置に配置されている。ターレットは、可変絞り１０６の開口径に応じて複数の遮光部の一つを結像光学系の光軸に移動する移動手段として機能する。

蛍光観察用光源１０２からの励起光はダイクロイックプリズム１０３により照明光学系のコンデンサーレンズ１０５へと導かれる。このとき可変絞り１０６は明視野観察時よりも小さく絞ることで小さなＮＡで標本を照明する。可変絞り１０６を絞ることによって励起光１０４の０次光は対物レンズ１２０の光軸周辺を通り、対物レンズ１２０の光軸周辺に配置された遮光部１２１によって遮光される。このとき可変絞り１０６の絞り具合によって遮光部１２１は交換できることが望ましい。例えば、励起光として大きな光量が必要であれば可変絞り１０６を大きく開けて、大きな遮光部１２１ｂに交換する。励起光の０次光の遮光を達成するためには、Ａ・Ｍ＜Ｂ≦１．３Ａ・Ｍの条件式が満足される必要がある。なお、可変絞り１０６の開口径をＡ（ｍｍ）、照明光学系１００のうち可変絞り１０６と遮光部１２１の間にある部分と対物レンズ１２０のうち可変絞り１０６と遮光部１２１の間にある部分からなる光学系の結像倍率をＭ、遮光部１２１の直径をＢ（ｍｍ）とする。

図３は、遮光部１２１の例を示す平面図である。遮光部１２１は、図３（ａ）に示すように、スパイダーを設けて支持する。励起光の０次光以外の回折光を遮光するべき時は、図３（ｂ）に示すように、平板ガラスの表面を遮光材でマスクするような構成を取り、透過部１２２には励起光をカットするような膜が成膜されていることが望ましい。

図４は、本実施形態の対物レンズ１２０Ａの要部断面図であり、図５は対物レンズ１２０Ａの横収差図である。横収差図では試料１１０上で計算し、ミリメートル単位で示している。中心波長５８７．６ｎｍ以外に波長６５６．３ｎｍ、波長４８６．１ｎｍ、波長４３５．８ｎｍを示した。幅広い波長範囲で収差が抑えられていることが分かる。

対物レンズ１２０Ａは図４に示す２回結像の反射屈折光学系が望ましい。対物レンズ１２０Ａを構成する上で開口絞りＡＳと遮光部１２１を瞳面上に配置する必要があるが、２回結像の反射屈折光学系とすることで２箇所別々に配置することができる。もし１回結像の光学系で構成しようとすると、１箇所に開口絞りＡＳと遮光部１２１を配置する必要があり、メカ的な配置が難しくなる。また、屈折光学系で２回結像を構成しようとすると、全長が長くなるという問題が出てくる。これはペッツバール和の効き方が反射面と屈折面で反対となるためである。

対物レンズ１２０Ａは反射屈折部ＣＡＴ、屈折部ＤＩＯを有する。反射屈折部ＣＡＴは物体側から順に、物体側の面Ｍ１ａが凸形状で光軸周辺が正の屈折力の光透過部ＭＩＴ、周辺部のうち物体側の面Ｍ１ａに反射膜を施し、裏面反射部とした第１の光学素子Ｍ１を有する。

更に物体側に凹面を向け、メニスカス形状で光軸周辺が負の屈折力の光透過部Ｍ２Ｔ、周辺部のうち像側の面Ｍ２ｂに反射膜を施し、裏面反射部とした第２の光学素子Ｍ２の少なくとも２つの光学素子を有している。第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２は互いに裏面反射部が対向するように配置されている。

第１の光学素子Ｍ１は標本（物体）１１０側の面が凸形状で光軸周辺が正の屈折力の光透過部ＭＩＴ、周辺部のうち物体側の面Ｍ１ａに反射膜を施し、裏面反射部としている。第２の光学素子Ｍ２には標本（物体）１１０側に凹面を向け、メニスカス形状で光軸周辺のＭ２Ｔが負の屈折力の光透過部、周辺部のうち像側の面Ｍ２ｂに反射膜を施し、裏面反射部としている。屈折部ＤＩＯは標本１１０からの光束のうち光軸近傍の光束を遮光し、撮像素子１３０に入射するのを防止する遮光部１２１を有している。

対物レンズ１２０Ａでは、照明光学系１００からの光束で励起され、標本１１０から出射した蛍光は第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１の中央透過部ＭＩＴを通過する。その後、第２の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ２の屈折面Ｍ２ａに入射し、その後裏面Ｍ２ｂで反射し、反射面Ｍ２ａを通過して第１の光学素子Ｍ１の屈折面Ｍ１ｂに入射する。その後、第１の光学素子Ｍ１の裏面Ｍ１ａで反射する。そして屈折面Ｍ１ｂを通過し、第２の光学素子Ｍ２の中央透過部Ｍ２Ｔを通過して試料１１０の中間像ＩＭを形成する。中間像ＩＭは複数の屈折光学素子を含む屈折部ＤＩＯによって撮像素子１３０上に拡大結像される。撮像素子１３０に結像された標本１１０の像は画像処理手段１４０によって処理されて、表示手段１５０に表示される。

対物レンズ１２０Ａにおいて、標本側の開口数ＮＡは０．７、結像倍率は１０倍、標本１１０の物体高はφ１４ｍｍであり、反射屈折部ＣＡＴに開口絞りＡＳが配置され、屈折部ＤＩＯに遮光部１２１が配置されている。反射屈折部ＣＡＴに開口絞りＡＳを配置することによって、屈折部に配置する場合と比べて絞り径が大きくなってしまう半面、瞳の歪みを低減することができる。対物レンズ１２０Ａは、物体側、像面側ともテレセントリックに構成されており、白色光での波面収差の最悪値が５０ｍλ（ｒｍｓ）以下に抑えられている。

以下、対物レンズ１２０の数値実施例を示す。面番号は、物体面（標本）から像面（撮像素子）まで数えた光学面の順番である。ｒは第ｉ番目の光学面の曲率半径である。ｄは第ｉ番目と第ｉ＋１番目の間隔である（符号は物体側から像面側へ測ったときを（光が近行するときを）正、逆方向を負としている）。

Ｎｄ、νｄは波長５８７．６ｎｍに対する材料の屈折率とアッベ数をそれぞれ示している。非球面の形状は、以下の式に示す一般的な非球面の式で表される。以下の式において、Ｚは光軸方向の座標、ｃは曲率（曲率半径ｒの逆数）、ｈは光軸からの高さ、ｋは円錐係数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ・・・は各々、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次、１８次、２０次、・・・の非球面係数である。

「Ｅ−Ｘ」は「１０^-X」を意味する。

（数値実施例１）
面番号 r d Nd νd
物体面 5.31
1 572.96 11.74 1.52 64.14
2 -3971.93 70.93
3 -87.05 7.37 1.58 40.75
4 -115.96 -7.37 1.58 40.75
5 -87.05 -60.93
6 絞り -10.00
7 -3971.93 -11.74 1.52 64.14
8 572.96 11.74 1.52 64.14
9 -3971.93 70.93
10 -87.05 7.37 1.58 40.75
11 -115.96 4.40
12 -280.62 7.55 1.73 45.75
13 -24.25 5.00 1.76 27.58
14 -63.13 0.50
15 44.30 8.03 1.62 60.32
16 -134.04 15.13
17 64.29 14.17 1.56 58.80
18 -57.90 8.93
19 遮光部 12.00
20 -26.52 5.00 1.70 33.94
21 -60.24 3.37
22 2035.38 15.68 1.63 35.46
23 -70.44 0.89
24 117.93 21.53 1.68 39.58
25 -74.17 0.50
26 56.79 12.02 1.74 30.97
27 177.00 3.06
28 165.39 5.00 1.76 27.58
29 53.42 40.67
30 -38.60 5.00 1.76 27.58
31 -229.85 13.99
32 -35.70 5.00 1.76 27.58
33 -181.79 11.22
34 -143.30 22.66 1.52 53.64
35 -56.43 23.57
36 -219.04 17.88 1.75 34.24
37 -110.37 1.09
38 -4269.61 17.81 1.63 57.69
39 -282.70 3.00
像面
明視野観察用光源１０１に対しては、反射屈折光学系である対物レンズ１２０は、標本１１０からの光束を集光して物体の中間像ＩＭを形成する反射屈折部ＣＡＴと、中間像ＩＭが形成されている位置に配置されたフィールドレンズＦＬを有する。また、中間像ＩＭを像面（撮像素子１０５）に結像させる屈折部ＤＩＯを有する。対物レンズ１２０は、標本１１０の光学像を形成し、撮像素子１３０は対物レンズ１２０によって形成された光学像を光電変換し、画像処理手段１４０は、撮像素子１３０からのデータより画像情報を生成する。

遮光部１２１は、試料１３０からの光束のうち光軸近傍の光束を遮光し、撮像素子１０５に入射するのを防止する。試料１０３から出射した光束は第１の光学素子Ｍ１の中央透過部ＭＩＴを通過し、その後、第２の光学素子Ｍ２の屈折面Ｍ２ａに入射し、その後裏面Ｍ２ｂで反射し、反射面Ｍ２ａを通過して第１の光学素子Ｍ１の屈折面Ｍ１ｂに入射する。その後、光束は第１の光学素子Ｍ１の裏面Ｍ１ａで反射し、屈折面Ｍ１ｂを通過し、第２の光学素子Ｍ２の中央透過部Ｍ２Ｔを通過して試料１０３の中間像ＩＭを形成する。中間像ＩＭはフィールドレンズＦＬを構成するレンズ内部に形成される。中間像ＩＭは複数の屈折光学素子を含む屈折部ＤＩＯによって撮像素子１０５上に拡大結像される。撮像素子１０５に結像された試料１０３の像は画像処理系１０６によって処理されて、表示手段１０７に表示される。

第１及び第２の光学素子の材料のアッベ数のうち最も小さなアッベ数をνcatとする。屈折部ＤＩＯを構成する複数の屈折光学素子の材料のアッベ数のうち最も小さなアッベ数をνdioとする。このとき、
νdio＜νcat ・・・（１）
なる条件を満足している。次の条件のうち１以上を満足するのが良い。アッベ数νcat、アッベ数νdioは
４５＜νcat ・・・（２）
νdio＜４０・・・（３）
なる条件のうち１以上を満足するのが良い。第２の光学素子Ｍ２の物体側と像側の面Ｍ２ａ、Ｍ２ｂの曲率半径を各々ＲＭ２ａ、ＲＭ２ｂとする。第２の光学素子Ｍ２の光軸上の厚さをｔとする。第２の光学素子Ｍ２の材料の波長５８７．６ｎｍでの屈折率をＮｄとする。そして

とおいたとき、
Ｒａｐｌ×０．８＜｜ＲＭ２ａ｜＜Ｒａｐｌ×１．２ ・・・（４）
なる条件を満足するのが良い。

第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａが形成されている面から第２の光学素子Ｍ２の裏面反射部Ｍ２ｂが形成されている面までの光軸上の距離をｄとする。物体が配置される位置から像面までの距離（全長）をＬとする。このとき
Ｌ／ｄ＜４．５・・・（５）
なる条件を満足している。

条件式（１）は可視光領域にわたり高い光学性能を得るためのものである。条件式（１）を外れると広い撮像領域に渡って高い解像力を持ちながら可視光全域にわたって諸収差を良好に補正し、高い光学性能を得るのが困難になる。

条件式（２）、（３）は２次の色収差を良好に補正するためのものである。条件式（２）、（３）を外れると２次の色収差の補正が困難になるので良くない。

条件式（４）は第２の光学素子Ｍ２の物体側の面Ｍ２ａに強い負の屈折力を持ち、広い波長領域に渡って収差を低減するためのものである。

（ａ１）式は、反射面Ｍ２ｂに対する結像関係の式であり、物点が屈折面Ｍ２ａの曲率中心にあり、像点が反射面Ｍ２ｂから距離Ｓ’の位置にあることを表している。（ａ２）式は反射面Ｍ２ｂから距離Ｓ’の位置にある虚像の物点に対し、屈折面Ｍ２ａがアプラナティックな条件となるための曲率半径Ｒａｐｌを示している。条件式（４）は屈折面Ｍ２ａがアプラナティックな条件となるための曲率半径Ｒａｐｌからどの程度外れて良いかを示している。条件式（４）である程度幅があるのは他の面で発生する収差とのバランスを取るためであり、第１の光学素子Ｍ１とバランスを取るためにも条件式（４）を満たすことが好ましい。

（ａ１）、（ａ２）、条件式（４）の３つの式を満たすことによって、屈折面Ｍ２ａでの収差が抑えることができる。なぜなら、最初に屈折面Ｍ２ａに入射する光線がほぼ０度で入射し、反射面Ｍ２ｂによって反射された光線が屈折面Ｍ２ａから射出する際、屈折面Ｍ２ａの曲率半径がアプラナティックな条件となっているためである。また、最も有効径の大きな屈折面Ｍ２ａで収差を低減することにより、広い波長領域に渡って収差を低減するのを容易にしているからである。

条件式（５）は全系の小型化を図るためのものである。条件式（５）を外れると全長（物体面から像面までの光軸上の距離）を短縮しながら反射屈折系としたときの光束の中抜けの割合（不使用となる光束の割合）を低く抑えるのが困難になる。

条件式（２）、（３）、（４）、（５）の数値を次の如く設定するのが良い。
５０＜νcat ・・・（２ａ）
νdio＜３５・・・（３ａ）
Ｒａｐｌ×０．８＜｜ＲＭ２ａ｜＜Ｒａｐｌ ・・・（４ａ）
Ｌ１ｄ＜４．０・・・（５ａ）
第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２の裏面反射面Ｍ１ａ、Ｍ２ｂを非球面形状とすることによって色収差を発生することなく球面収差を良好に補正することができる。また、第２の光学素子Ｍ２の屈折面Ｍ２ａに強い発散作用を持たせることによって、正レンズ作用の第１の光学素子Ｍ１の中心付近の光透過部を有効径と比較して相対的に小さくすることができる。また、反射屈折部ＣＡＴと屈折部ＤＩＯの軸上色収差を相殺することができるため、屈折部ＤＩＯの凸レンズパワー（正レンズの屈折力）を強くすることができ、全長の短縮が容易になる。反射屈折部ＣＡＴの硝材を屈折部ＤＩＯの正レンズの硝材よりも低分散のものを用いることによって、２次の色収差を低減することができる。

通常の屈折光学系では結像させるために正レンズのパワーを負レンズのパワーより強くしなければならないため、正レンズに低分散の硝材、負レンズに高分散の硝材を用いることによって色収差の補正を行っている。このとき低分散の硝材と高分散の硝材で波長に対する屈折率変化の割合が違うため、２次の色収差となって現れる。

本実施形態では、反射屈折部ＣＡＴの負の屈折面Ｍ２ａのパワー（屈折力）を大きくしても、色収差の生じない反射面Ｍ２ｂのパワーを強くすることで結像させることができる。このため、反射屈折部ＣＡＴの硝材に低分散の（アッベ数の大きな）硝材を用いることで、２次の色収差を低減することができる。反射屈折部ＣＡＴでは軸外の収差補正能力が低い。このため、広い観察領域を得るため本実施例では、屈折部ＤＩＯの一部に高分散の（アッベ数の小さな）硝材を使うことによって、軸外での色収差の補正を行い広い観察領域を得ている。このとき、中間像Ｍ近傍にフィールドレンズＦＬを配置することによって、軸外の色収差を更に低減している。このとき、条件式（１）を満たすことで、広い領域に渡って高い解像力を持ちながら、可視光全域に渡って諸収差を良好に補正している。

上記条件式を満足することによって、蛍光観察用光源１０２からの光に対しても諸収差を良好に補正することができる。

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ないことはいうまでもなく、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、反射屈折部ＣＡＴに遮光部１２１、屈折部ＤＩＯに開口絞りＡＳを配置してもよい。即ち、反射屈折部ＣＡＴと屈折部ＤＩＯの一方が開口絞りＡＳを備え、他方が遮光部１２１を備えれば足りる。

撮像装置は、蛍光顕微鏡の分野に適用することができる。

１００…照明光学系、１０２…蛍光観察用光源、１１０…標本、１２０…対物レンズ（結像光学系）、１２１…遮光部、１３０…撮像素子

Claims (5)

1. 励起光によって標本を照明する照明光学系と、
   前記標本からの蛍光によって前記標本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光学像を光電変換する撮像素子と、
   を有し、
   前記照明光学系は、前記励起光の光量を調整する可変絞りを備え、
   前記結像光学系は、前記可変絞りと共役な位置に配置され、光軸および光軸周辺の光を遮光する遮光部を備え、
   前記照明光学系のうち前記可変絞りと前記遮光部との間に設けられた部分と前記結像光学系のうち前記可変絞りと前記遮光部との間に設けられた部分からなる光学系の結像倍率をＭ、前記可変絞りの開口径をＡ、前記遮光部の直径をＢとするとき、
   Ａ・Ｍ＜Ｂ≦１．３Ａ・Ｍ
   なる条件を満足することを特徴とする撮像装置。
2. 互いに大きさが異なる複数の遮光部と、
   前記可変絞りの前記開口径に応じて前記複数の遮光部の一つを前記結像光学系の光軸に移動する移動手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記結像光学系は反射屈折光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記結像光学系は、
   前記標本からの光束を集光して前記標本の中間像を形成する反射屈折部と、
   前記中間像を像面に結像する屈折部と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記反射屈折部と前記屈折部の一方は開口絞りを備え、他方は前記遮光部を備えることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。