JP2015203730A - 結像光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の構成で広い撮像領域を確保し、高画質な画像を得ること
【解決手段】光路において主結像光学系４０と再結像光学系６０の間に配置された可変形ミラーユニット５０と、可変形ミラーユニットによって反射された光を集光して観察対象の像を形成する再結像光学系６０と、を有し、可変形ミラーユニットは、反射面の面形状が変形可能で、再結像光学系は、点距離を変更可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系および撮像装置に関する。

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（結像光学系）を使うことが求められている。

特許文献１、２には、像面付近にリレーレンズとしてズームまたは倍率を変化させた構成を提案している。特許文献３は、浸液の厚さに応じて生じる球面収差を容易に補正できる顕微鏡を提案している。特許文献４は、レンズの種類により異なる像面湾曲収差による像の歪みを補正する撮像装置を提案している。特許文献５は、結像光学系と、再結像光学系と、結像光学系と再結像光学系との間の光路上に配置されている反射手段とを有する対物光学系を開示している。

特表２００３−５２７６３６号公報 特表２００５−５１７２１７号 特開平１０−３９２２０号公報 特開２００７−２０８７７５号公報 特開２０１３−４４７８１号公報

特許文献１、２に開示されている顕微鏡は、大画面で小型の光学系を実現することは困難である。特許文献３に開示されている顕微鏡は、撮像領域内の各位置におけるフォーカスずれは補正できず、広い撮像領域の全域で良好にフォーカスを合わせるには十分ではない。特許文献４に開示されている撮像装置は、光電変換素子には読み出し用の電気回路などが必要であり、撮像面の変形にも駆動回路が必要である。更に、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には、温調のための素子や電気回路が必要である。これらを撮像面にすべて配置するのは空間的に困難であり、広い撮像領域の全域でフォーカスが合った高画質（低ノイズ）の画像データを得るには十分ではない。

本発明は、小型の構成で広い撮像領域を確保し、高画質な画像を得ることが可能な結像光学系および撮像素子を提供することを例示的な目的とする。

本発明の結像光学系は、物体を結像する第１結像部と、前記物体を再結像する第２結像部と、前記第１結像部からの光を前記第２結像部に反射する反射部と、を有し、前記反射部の反射面は変形可能であり、前記第２結像部は、焦点距離を変更可能である。

本発明によれば、小型の構成で広い撮像領域を確保し、高画質な画像を得ることが可能な結像光学系および撮像素子を提供することができる。

本実施形態の顕微鏡装置のブロック図である。 図１に示す主結像光学系による結像点の位置と、可変形ミラーユニットの反射面との位置を示す模式図である。 図１に示す結像光学系の要部概略図である。（実施例１） 図１に示す結像光学系の要部概略図である。（実施例２） 図１に示す結像光学系の要部概略図である。（実施例３）

図１は、本実施形態の顕微鏡装置１のブロック図である。顕微鏡装置１は、本撮像システム２、予備計測システム３、コンピュータ４、および画像表示部５を有する。顕微鏡装置１あるいは本撮像システム２は撮像装置として機能する。

図１では、後述する撮像素子７０の撮像面に垂直な方向にＸ軸を設定し、試料Ｐの表面（ステージ２０の試料Ｐを載置する面）に垂直な方向にＺ軸を設定されている。このため、図１はＸＺ平面として描かれている。図１の紙面に垂直な方向にＹ軸が設定されている。

本撮像システム２は、光源手段（不図示）からの光束でステージ２０に保持された試料（標本）Ｐを照明する照明光学系１０と、試料Ｐを結像する結像光学系３０と、結像された像を光電変換する撮像素子７０を有する。使用する光は可視光（例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）である。

ステージ２０は、試料Ｐを搭載して、図１では、Ｘ軸方向に移動可能に構成されている第１移動手段である。但し、ステージ２０は、不図示の駆動手段によりＸＹＺ軸方向と各軸周りに移動可能に構成されていてもよい。

試料Ｐは本実施例ではプレパラートであるが、これに限定されない観察対象（物体）であれば足りる。

結像光学系３０は、試料Ｐの像を撮像素子７０の撮像面に形成し、主結像光学系４０、可変形ミラーユニット（反射部）５０、再結像光学系６０を有する反射屈折型（カタディオプトリック）光学系である。

主結像光学系４０は、物体を結像する第１結像部である。即ち、主結像光学系４０は、試料Ｐの像を可変形ミラーユニット５０の反射面５１またはその近傍に形成し、その光軸はＺ軸方向に沿っている。主結像光学系４０は、試料Ｐからの光で中間像を形成する反射屈折部からなる結像光学系と中間像近傍に配置されたフィールドレンズと中間像を結像させる屈折部からなる結像光学系から構成されてもよい。反射屈折部は、物体側から順に、光軸周辺が光透過部、周辺部のうち物体側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第１光学素子と、光軸周辺が光透過部、周辺部のうち像側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第２光学素子を有してもよい。第１光学素子と第２光学素子は互いに裏面反射部が対向するように配置されていてもよい。

可変形ミラーユニット５０は、主結像光学系４０と再結像光学系６０の間の光路上に配置され、主結像光学系４０からの光束を反射（偏向）し、反射面５１の形状が変形可能に構成されている。即ち、可変形ミラーユニット５０は、主結像光学系４０の像側かつ再結像光学系６０の物体側に配置され、反射面５１の光軸方向の位置を局所的に変更可能に構成されている。可変形ミラーユニット５０は、不図示の駆動手段（第２位移動手段）によりＸＹＺ軸方向と各軸周りに移動可能に構成されていてもよい。

反射面５１を変形する変形手段の構成は限定されない。例えば、特許文献５に開示されているように、反射面５１の裏面に不図示の複数の棒状部材の一端を取り付け、複数の棒状部材の他端を固定部材に固定する。反射面５１が平面であるときには複数の棒状部材は反射面５１と垂直な方向に延びている。この状態から複数の棒状部材が不図示の駆動手段によって伸縮駆動されることによって反射面５１を任意の面形状にすることができる。

再結像光学系６０は、物体を再結像する第２結像部である。即ち、再結像光学系６０は可変形ミラーユニット５０によって反射された光束を撮像素子７０の撮像面に再結像させる。再結像光学系６０はズームまたは倍率を変化させる機能を有し、大画面で高い解像力でスムーズに試料Ｐの局所観察を可能にする。

主結像光学系４０の物体側の開口数をＮＡ１、再結像光学系６０の物体側の開口数をＮＡ２とすると、ズーム（変倍）を実現するためにＮＡ１＞ＮＡ２なる条件を満たすことが好ましい。

予備計測システム３は、試料Ｐの表面形状を計測する計測手段であり、予備計測光源８０と、ビームスプリッター８２と、ＸＹ位置計測センサ８４と、Ｚ形状計測センサ８６を有する。

予備計測光源８０はＸ軸方向に可視光を射出する。ビームスプリッター８２は、予備計測光源８０からの光束をステージ２０に保持された試料Ｐに向かって９０度偏向させる。ＸＹ位置計測センサ８４は、試料Ｐを透過した光束から試料ＰのＸＹ方向の位置、大きさを計測し、ＣＣＤカメラなどを用いることができる。Ｚ形状計測センサ８６は、試料Ｐを反射した光束から試料のＺ方向の形状を計測し、シャック・ハルトマンセンサなどを用いることができる。

コンピュータ４は、本撮像システム２、予備計測システム３の制御を行う制御手段として機能するとともに、撮像素子７０の出力に対して画像処理を施す画像処理手段としても機能する。コンピュータ４は、予備計測システム３の計測結果を取得し、不図示のメモリ（記憶手段）に保存する。コンピュータ４は、メモリに記憶された情報に従って、可変形ミラーユニット５０の反射面５１の面形状を試料Ｐの表面形状に合うように反射面５１を変形する不図示の駆動手段（例えば、上述した棒状部材を伸縮する駆動手段）を制御する。メモリは画像処理された画像データも保存する。

画像表示部５は、コンピュータ４によって画像処理された画像を表示するディスプレイ装置などの表示手段である。

ステージ２０は、本撮像システム２と予備計測システム３の間を移動する。試料Ｐは、ステージ２０に保持され、まず予備計測システム３に配置される。

予備計測光源８０からの光束は、ビームスプリッター８２によって偏向され、試料Ｐに照射される。試料Ｐを透過した光束は、ＸＹ位置計測センサ８４に入射する。ＸＹ位置計測センサ８４は、試料ＰのＸＹ方向の位置、大きさのデータをコンピュータ４に送信する。また、試料Ｐを反射した光束は、ビームスプリッター８２を透過し、Ｚ形状計測センサ８６に入射する。Ｚ形状計測センサ８６は、試料Ｐ内の各ＸＹ位置に対するＺ方向の位置データをコンピュータ４に送信する。コンピュータ４は、送信された試料Ｐの予備計測データ（ＸＹＺ位置）を不図示のメモリに保持する。なお、予備計測システム３は、図１に示す構成に限定されない。例えば、ＸＹ方向の位置とＺ形状の計測は、別の光源、及び、別の位置で行ってもよい。

予備計測が終了すると、コンピュータ４は、試料Ｐを保持したステージ２０を、予備計測システム３から本撮像システム２へと移動させる。

本撮像システム２は、光源手段（不図示）からの光を照明光学系１０によって集光して試料Ｐを均一に照明する。試料Ｐからの光束は、主結像光学系４０を透過し、試料Ｐの像を可変形ミラーユニット５０の反射面５１またはその近傍に形成する。可変形ミラーユニット５０を反射した光束は、再結像光学系６０に入射する。再結像光学系６０に入射した光束は、試料Ｐの像を撮像素子７０の撮像面に形成する。可変形ミラーユニット５０の反射面５１の位置と形状は、コンピュータ４により制御されており、予備計測データに応じて撮像領域全域で撮像素子７０上に像面位置が合わせられる。

撮像素子７０は、結像光学系３０によって形成された光学像を光電変換し、アナログ信号を出力する。アナログ信号は不図示のＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換され、コンピュータ４によってガンマ処理、ホワイトバランス、その他の処理が施されて画像データとなる。その他の処理は、結像光学系３０で補正しきれなかった収差を補正したり、撮像位置の異なる画像データを繋げて一枚の画像データに合成したりするなどを含む。コンピュータ４が処理した画像データは、画像表示部５に表示されたり、不図示のメモリに保存されたりする。

図２は、主結像光学系４０による結像点ＩＰの位置、可変形ミラーユニット５０の反射面５１の位置、見掛けの像点ＶＰの関係を模式的に示している。図２（ａ）は、反射面５１が結像点ＩＰの後方（＋Ｚ軸方向）にＬ１だけ離れた位置にある場合を示し、図２（ｂ）は、反射面５１が結像点ＩＰの前方（−Ｚ軸方向）にＬ２だけ離れた位置にある場合を示している。

図２（ａ）においては、光束は反射面５１で反射され、反射面５１の後方にＬ１だけ離れた位置に見掛けの像点ＶＰが形成される。図２（ｂ）においては、光束は反射面５１で反射されてから結像し、反射面５１の前方にＬ２だけ離れた位置に見掛けの像点ＶＰが形成される。

撮像領域全域でフォーカスの合った画像を得るには、再結像光学系６０による結像面を撮像素子７０上に合わせる必要がある。そのためには、撮像素子７０の位置を再結像光学系６０の像面位置として、それと共役になる位置（再結像光学系６０の物体位置）に主結像光学系４０の像面位置を一致させればよい。

試料ＰがＺ方向に凸凹を有する場合、主結像光学系４０の結像点の位置は、撮像領域内の位置によって変わり、平坦な一平面にはならない。しかし、各結像点ＩＰと再結像光学系６０の各物点の間に可変形ミラーユニット５０を配置し、反射面５１の光軸方向の位置を局所的に変更可能に構成することによって、再結像光学系６０の物体位置と見掛けの像面ＶＰの位置を一致させることができる。これにより、再結像光学系６０の像面位置を撮像素子７０上に合わせることができ、撮像領域全域でフォーカスが合った画像データを得ることができるため、より短い時間で広い撮像領域の画像データを得ることができる。

可変形ミラーユニット５０と撮像素子７０が空間的に異なる位置に配置されているため、可変形ミラーユニット５０を変形、駆動させる駆動機構や、撮像素子７０の電気回路、温調機構などの配置が可能になる。このため、広い撮像領域の全域でフォーカスが合った高画質（低ノイズ）の画像データを得ることができる。

以下、本発明の各実施例の結像光学系の構成について説明する。

図３は、実施例１の結像光学系３０Ａの要部概略図である。図３（ａ）は、結像光学系３０Ａを−Ｙ軸方向から＋Ｙ軸方向へ見た概略図であり、図３（ｂ）は、結像光学系３０Ａを−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見た概略図である。結像光学系３０Ａは、主結像光学系４０Ａ、可変形ミラーユニット５０Ａおよび再結像光学系６０Ａを有する。

主結像光学系４０Ａは各撮像素子７０に対応して複数の試料Ｐの像を形成し、再結像光学系６０Ａも同様に各試料Ｐを再結像する。再結像光学系６０Ａは、光軸方向に移動して焦点調節を行うフォーカスレンズユニット６２Ａと、光軸方向に移動して焦点距離を変更可能なズームレンズユニット（変倍レンズユニット）ユニット６４Ａを有する。図３（ｂ）に示すように、可変形ミラーユニット５０Ａの白色で示す反射面５１Ａにおいて、点線で囲まれた範囲５２Ａは、撮像素子７０で撮像される領域に対応している。

主結像光学系４０Ａからの光束は、可変形ミラーユニット５０Ａの反射面５１Ａまたはその近傍に試料Ｐの像を形成する。可変形ミラーユニット５０Ａによって反射された光束は、再結像光学系６０Ａを通り、拡大され、撮像素子７０上に再結像される。可変形ミラーユニット５０Ａの形状は、再結像光学系６０Ａの像面が撮像素子７０の撮像面と一致するように、試料ＰのＺ方向の凸凹形状に合わせて変形されている。これにより、撮像領域全域でフォーカスが合った画像データを得ることができる。

実施例１では、可変形ミラーユニット５０Ａと撮像素子７０を空間的に異なる位置に配置しているため、可変形ミラーユニット５０Ａの反射面形状を変形させる駆動手段や撮像素子７０の電気回路を配置することが容易になる。

なお、実施例１では、可変形ミラーユニット５０Ａの形状のみを変形させて、撮像領域全域のフォーカスを合わせているが、更に、撮像素子７０の駆動を組み合わせてもよい。例えば、撮像領域内のフォーカス位置の分布は、可変形ミラーユニット５０Ａの形状変形で補正し、撮像領域内で一律のフォーカス位置ずれについては、撮像素子７０の光軸方向（図３のＸ軸方向）の駆動で合わせてもよい。また、これらに加えて、若しくは、これらに代えてフォーカスレンズユニット６２Ａによるフォーカシング機能を利用してもよい。

図４は、実施例２の結像光学系３０Ｂの要部概略図である。図４（ａ）は、結像光学系３０Ｂを−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見た概略図であり、図４（ｂ）は、結像光学系３０Ｂを−Ｙ軸方向から＋Ｙ軸方向へ見た概略図である。結像光学系３０Ｂは、主結像光学系４０Ｂ、４つの可変形ミラーユニット５０Ｂおよび４つの再結像光学系６０Ｂを有する。また、４つの撮像素子７０が設けられている。

主結像光学系４０Ｂは各撮像素子７０に対応して複数の試料Ｐの像を形成し、再結像光学系６０Ｂも同様に各試料Ｐを再結像する。再結像光学系６０Ｂも、実施例１と同様に、フォーカシングおよびズーム（変倍）機能を有する。図４（ａ）に示すように、各可変形ミラーユニット５０Ｂの白色で示す反射面５１Ｂにおいて、点線で囲まれた範囲５２Ｂは、対応する撮像素子７０で撮像される領域に対応する。実施例２の構成は実施例１と略同じであるが、複数の再結像光学系６０Ｂを配置している点で実施例１と異なる。再結像光学系６０Ｂの数、撮像素子７０の数はそれぞれ同じであるが、４つに限定されるものではない。

主結像光学系４０Ｂからの光束は、可変形ミラーユニット５０Ｂの反射面５１Ｂまたはその近傍に試料Ｐの像を形成する。可変形ミラーユニット５０Ｂによって反射された光束は、対応する再結像光学系６０Ｂを通って拡大され、対応する撮像素子７０に再結像される。可変形ミラーユニット５０Ｂの形状は、再結像光学系６０Ｂの像面が撮像素子７０の撮像面と一致するように、試料ＰのＺ方向の凸凹形状に合わせて変形されている。これにより、撮像領域全域でフォーカスが合った画像データを得ることができる。

試料Ｐの撮像素子間に対応する領域はこのままでは撮像されないので、ステージ２０を介して試料Ｐの位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像する。そのとき、可変形ミラーユニット５０Ｂの形状は、各撮像位置における試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて、１ステップごとに異なる形状に変形される。コンピュータ４は、各ステップで撮像された画像データを繋ぎ合わされ１枚の画像データを生成する。即ち、コンピュータ４は、ステージ２０が第１の位置にあるときに得られる試料Ｐの画像と、ステージ２０を移動させて得られる、ステージ２０が第１の位置にあるときの複数の撮像素子の間に対応する試料Ｐの画像と、に基づいて試料Ｐの全体の画像を生成する。

なお、実施例２でも、可変形ミラーユニット５０Ｂの形状を変形させるだけでなく、撮像素子７０の駆動を組み合わせてもよい。また、再結像光学系６０Ｂのフォーカシング機能を利用してもよい。

図５は、実施例３の結像光学系３０Ｃの要部概略図である。図５（ａ）は、結像光学系３０Ｃを−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見た概略図であり、図５（ｂ）は、結像光学系３０Ｃを−Ｙ軸方向から＋Ｙ軸方向へ見た概略図である。結像光学系３０Ｃは、主結像光学系４０Ｃ、８つの可変形ミラーユニット５０Ｃおよび９つの再結像光学系６０Ｃを有する。また、８つの撮像素子７０が設けられている。

再結像光学系６０Ｃも、実施例１と同様に、フォーカシングおよびズーム（変倍）機能を有する。図４（ａ）に示すように、各可変形ミラーユニット５０Ｃの白色で示す反射面５１Ｃにおいて、点線で囲まれた範囲５２Ｃは、対応する撮像素子７０で撮像される領域に対応している。中央には、可変形ミラーユニット５０Ｃは設けられていない開口となっており、範囲５２Ｃだけが示されている。なお、開口には、ガラス板が設けられてもよい。実施例３の構成は実施例１と略同じであるが、複数の再結像光学系６０Ｃを配置している点で実施例１と異なる。再結像光学系６０Ｃの数、撮像素子７０の数はそれぞれ同じであるが、９つに限定されるものではない。

主結像光学系４０Ｃからの光束は、可変形ミラーユニット５０Ｃの反射面５１Ｃまたはその近傍に試料Ｐの像を形成する。可変形ミラーユニット５０Ｂによって反射された光束は、対応する再結像光学系６０Ｂを通って拡大され、対応する撮像素子７０に再結像される。可変形ミラーユニット５０Ｃの開口を通過した光を集光して試料Ｐを撮像素子７０に再結像する再結像光学系６０Ｃも設けられている。可変形ミラーユニット５０Ｃの形状は、再結像光学系６０Ｃの像面が撮像素子７０の撮像面と一致するように、試料ＰのＺ方向の凸凹形状に合わせて変形されている。これにより、撮像領域全域でフォーカスが合った画像データを得ることができる。

実施例３でも、試料Ｐの撮像素子間に対応する領域は、実施例２と同様に、ステージ２０を介して試料Ｐの位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像する。また、実施例３でも、可変形ミラーユニット５０Ｃの形状を変形させるだけでなく、撮像素子７０の駆動を組み合わせてもよい。また、再結像光学系６０Ｃのフォーカシング機能を利用してもよい。

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。

撮像装置は、デジタル顕微鏡の分野に適用することができる。

４０、４０Ａ−Ｃ…主結像光学系（第１結像部）、５０、５０Ａ−Ｃ…可変形ミラーユニット（反射部）、６０、６０Ａ−Ｃ…第２結像部、６４Ａ…変倍レンズユニット、Ｐ…試料（物体）

Claims (10)

1. 物体を結像する第１結像部と、
   前記物体を再結像する第２結像部と、
   前記第１結像部からの光を前記第２結像部に反射する反射部と、
   を有し、
   前記反射部の反射面は変形可能であり、
   前記第２結像部は、焦点距離を変更可能であることを特徴とする結像光学系。
2. 前記第２結像部は、焦点距離を変更するために光軸方向に移動可能な光学素子を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記反射部は、前記反射面を変形させるための変形手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 前記第１結像部の物体側の開口数をＮＡ１、前記第２結像部の前記物体側の開口数をＮＡ２とすると、
   ＮＡ１＞ＮＡ２
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記第２結像部は、光軸方向に移動されて焦点調節を行うフォーカスレンズユニットを更に有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の結像光学系。
6. 請求項３のうちいずれか１項に記載の結像光学系と、
   前記結像光学系が形成した物体の像を光電変換する撮像素子と、
   前記物体の表面形状に合わせて前記反射部の前記反射面の面形状を変形させるように前記反射部の前記変形手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
7. 前記物体を移動させる第１移動手段を更に有し、
   前記撮像装置は、複数の撮像素子を有し、
   前記制御手段は、前記移動手段が第１の位置にあるときに得られる前記物体の画像と、前記移動手段を移動させて得られる、前記移動手段が第１の位置にあるときの前記複数の撮像素子の間に対応する前記物体の画像と、に基づいて前記物体の全体の画像を生成することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記反射部を移動させる第２移動手段を更に有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記反射部は開口を有し、
   前記第２結像部は、前記反射部の前記開口を通過した光を集光して前記物体の像を形成することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記物体の表面形状を計測する計測手段を更に有し、前記制御手段は前記計測手段の計測結果を取得することを特徴とする請求項７乃至９のうちいずれか１項に記載の撮像装置。