JP5220172B2 - 画像取得装置、画像取得システム、および対物光学系 - Google Patents

Description

本発明は対物光学系に関し、例えば、病理標本の画像データを取得する画像取得装置に用いられる対物光学系に好適である。

近年の病理検査において、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注目されている。画像取得システムによれば、試料の画像データを複数人で同時に観察することや、それを遠方の病理医と共有することなどが可能となる。

画像取得装置において、対物レンズの視野内に収まらない大きな試料を観察する場合、試料を水平方向に移動させて複数回撮像、もしくはスキャンしながら撮像して取得した画像データをつなぎ合わせることで、試料全体の画像データを取得する必要がある。そのため、撮像回数を減らして画像データを取得する時間を短縮するために、広い視野（撮像領域）を持った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は浅くなってしまう。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ってしまう。よって、特に高い解像力を持ち、かつ広い撮像領域を持った対物光学系では、撮像領域内の一部でフォーカスの合わない部分が生じてしまうことになる。

ここで、特許文献１では、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提案されている。この撮像装置では、複数個の光電変換素子の各々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ている。また、特許文献２においては、変形可能な鏡により、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の撮像装置においては、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。そのため、特に光電変換素子の各々に駆動回路を設ける構成の場合、それに加えて冷却機構を各々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。よって、特許文献１における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ることができ、かつ高画質（低ノイズ）の画像データを得るには十分ではない。

また、特許文献２の装置は波面を調整する機構を備えているが、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。よって、特許文献２における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には十分ではない。

そこで本発明は、高い解像力を有し、かつ、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる画像取得装置、画像取得システム、および対物光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての画像取得装置は、物体を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された該物体を再結像する再結像光学系と、該結像光学系と該再結像光学系との間の光路上に配置される反射手段と、を有する対物光学系と、前記再結像光学系により再結像された前記物体を撮像する撮像素子と、前記物体の形状に応じて前記反射手段の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更する駆動機構と、を備えることを特徴とする。

本発明の更なる目的またはその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされる。

本発明によれば、高い解像力を有し、かつ、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる画像取得装置、画像取得システム、および対物光学系を提供することができる。

本発明の実施形態に係る画像取得システムの要部概略図である。 本発明の反射手段によるフォーカス調整方法の説明図である。 実施例１の対物光学系の要部概略図である。 実施例２の対物光学系の要部概略図である。 実施例３の対物光学系の要部概略図である。 実施例４の対物光学系の要部概略図である。 実施例５の対物光学系の要部概略図である。 実施例６の対物光学系の要部概略図である。 実施例７の対物光学系の要部概略図である。 実施例８の対物光学系の要部概略図である。 本発明の反射手段のチルトによるフォーカス調整方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る反射手段の駆動機構の要部概略図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を用いて説明するが、本発明は以下に限られるものではない。

図１は、画像取得システム１０００の要部概要図である。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の予備計測を行う予備計測部２００と、プレパラート３０を撮像する本撮像部３００と、予備計測部と本撮像部の制御および撮像画像の処理を行う画像処理・制御部５００とを有する。

以下、本実施形態に係る画像取得装置３０００における画像取得の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、予備計測部２００に配置される。そして、予備計測光源１１０からの光束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を透過した光束は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方向の位置など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１００としては、市販のＣＣＤカメラなどを用いることができる。一方、プレパラート３０で反射した光束は、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（Ｚ形状）を計測し、それを画像処理・制御部５００に送信する。なお、Ｚ形状計測センサ１３０としては市販のシャック・ハルトマンセンサなどを用いることができる。画像処理・制御部５００は、送信されたプレパラート３０の予備計測データ（試料のＸＹ位置、大きさ、Ｚ形状）をメモリに保持しておく。なお、予備計測部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形状の計測を、別の位置で別の光源を用いて行ってもよい。予備計測が終了したら、プレパラート３０を保持した撮像ステージ２０は、予備計測部２００から本撮像部３００へと移動する。

本撮像部３００においは、光源手段（不図示）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。この時、光源手段の光としては、例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍの可視光を用いることができる。そして、プレパラート３０における試料からの光束は、対物光学系４００に入射する。ここで、本実施形態における対物光学系４００は、結像光学系４０、ビームスプリッター５０、反射手段（反射ミラー）６０、および再結像光学系７０を有している。試料からの光束はビームスプリッター５０を介して、結像光学系４０により反射手段６０の近傍に試料の像を形成する。そして、この試料の像を成す光束が反射手段６０によって反射され、再びビームスプリッター５０を通って結像光学系４０の光路外へ偏向させられる。この偏向させられた光束が再結像光学系７０に入射し、試料の像が撮像素子８０の撮像面上に再結像される。ここで、反射手段６０の局所的な位置や傾きは変更可能となっており、それが予備計測データに応じて画像処理・制御部５００により制御されることで、撮像領域全域で撮像素子８０の撮像面上に像面位置が合わせられる（詳細は後述）。

なお、結像光学系４０は１回のみ結像するものとは限らず、複数回結像することによって試料の像を形成する構成としてもよい。例えば、反射屈折光学系のように、反射手段６０近傍に試料を結像する過程で、中間像を形成するものなどを用いることができる。すなわち、本発明に係る対物光学系４００においては、結像光学系４０による最終的な結像位置近傍において反射手段６０により光束を反射させ、その光束が再結像光学系７０を介して再結像する構成であればよく、その結像回数は問わないものとする。また、再結像光学系７０は、結像光学系４０により形成された試料の像を、所定の横倍率で拡大して再結像する拡大系であることが好ましい。

そして、撮像素子８０の撮像面上に再結像された試料を撮像し、取得した撮像情報を画像処理・制御部５００で処理することで画像データが生成され、その画像データを画像表示部２０００に表示することができる。また、画像処理・制御部５００では、対物光学系４００で補正しきれなかった収差の補正や、複数の画像データをつなぎ合わせて一枚の画像データを生成する処理など、用途に応じた処理が行われる。

次に、反射手段６０によって結像光学系４０の像面位置を変更することにより、フォーカスを調整する方法について説明する。

図２は、結像光学系４０によって形成される試料の一部分に対する結像点の位置と、反射手段６０においてその光束を反射する部分の反射面との位置関係を模式的に示した図である。図２（ａ）のように、結像光学系４０の結像点の後方（＋Ｚ方向）Ｌ１の位置に反射手段を配置した場合、その反射面で反射された光束により、反射手段位置の後方Ｌ１の位置に見掛け上の像点が形成される。一方、図２（ｂ）のように、結像光学系４０の結像点の前方（−Ｚ方向）Ｌ２の位置に反射手段を配置した場合、光束は反射面で反射されてから、反射手段位置の前方Ｌ２の位置に見掛け上の像点を形成する。このように、光路上に反射手段を配置することにより、結像光学系４０により形成される像の結像位置（像面位置）を変えることができる。

ここで、試料の形状にＺ方向の凸凹があった場合、結像光学系４０の結像点の位置は、試料の撮像領域内のＸＹ位置によって変わってしまうため、結像光学系４０のみでは平坦な試料の像を形成することができない。すなわち、結像光学系４０の像面位置に撮像素子８０を配置したとしても、撮像領域全域でフォーカスの合った画像を得ることはできないことになる。そのため、撮像素子８０の撮像面の位置を再結像光学系７０の像面位置として配置し、それと共役になる位置（再結像光学系７０の物体位置）と結像光学系４０の見掛け上の像面位置とを一致させる必要がある。言い換えれば、再結像光学系７０により再結像される試料の像の再結像位置が、撮像素子８０の撮像面上に一致するように調整する必要がある。そこで、図２で説明したように、反射手段６０を駆動して、その反射面の各領域が、結像光学系４０の各結像点の位置と、再結像光学系７０の各物点の位置との中間位置に一致するように調整する。具体的には、反射手段６０を変形させるか、または反射手段６０を複数の反射部材で構成して各反射部材の位置や傾きを変更するかによって、反射手段６０の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に調整する。このような方法により、再結像光学系７０の物体位置と結像光学系４０の見掛け上の像面位置を一致させることができ、再結像された試料の像を撮像素子の撮像面上に形成するようにフォーカスを調整することができる。

上述したように、本実施形態に係る対物光学系４００は、反射手段６０を結像光学系４０と再結像光学系７０との間の光路上に配置し、結像光学系４０で結像される光束が反射手段６０で反射して、再結像光学系７０を介して再結像される構成になっている。ここで、再結像光学系７０を、所定の横倍率を有する拡大系であるとした場合、結像光学系４０で形成された試料の像は、その横倍率で拡大されて再結像される。また、再結像光学系７０に対してある物点を光軸方向に移動させた時、対応する像点の移動量は縦倍率（横倍率の２乗）に従って拡大されることになる。よって、結像光学系４０の結像位置を反射手段６０の駆動により変更した場合は、再結像光学系７０の縦倍率でその変位量が拡大されて、より大きい変位量で再結像位置が変更される。すなわち、再結像光学系７０として拡大系を用いることで、従来技術のように撮像面を大きく変位させるための機構が不要となり、反射手段６０の変位量を小さくしても良好にフォーカス合わせを行うことができる。

以上より、本実施形態に係る対物光学系４００によれば、試料の凸凹形状に合わせて反射手段６０の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更することで、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる。

次に、反射手段６０に対する駆動機構について、図１２を用いて説明する。本実施形態においては、反射手段６０の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更する方法として、反射手段の変形、または、複数の反射部材を有する反射手段の位置や傾きの変更を想定している。

まず、反射手段６０の変形を行うための駆動機構について説明する。図１２（ａ）は、反射手段６０および、その形状を変化させるための駆動機構の構成を示す断面図である。反射手段６０は、反射作用を奏する反射面６０ａと、反射面６０ａに対向する裏面としての背面６０ｂとを有する。この反射手段６０は、その形状が物理的に変化可能であるように構成されるが、熱変形を防止するために低熱膨張材料を使用することが望ましい。ベース６１０は、画像取得装置３０００内で位置が固定されている基板である。反射手段６０の変形のための駆動機構は、複数対の駆動棒６１２およびアクチュエータ６１１から構成される。駆動棒６１２は、その一端が反射手段６０の背面６０ｂに固定され、または接触しており、アクチュエータ６１１によってＺ方向に駆動することができる。このアクチュエータ６１１によって、駆動棒６１２を介して反射手段６０に変形力を加えることができるため、各アクチュエータを駆動することにより反射手段６０を所望の形状に変化させることができる。ここで、駆動棒６１２についても、低熱膨張特性を持つ高剛性材料を用いることが望ましい。また、アクチュエータ６１１としては、リニアモータ、電磁石、圧電素子等を用いることができる。なお、駆動機構の配置は、撮像素子の配置や反射手段６０の目標表面形状等に応じて適宜決定される。このような駆動機構を用いることで、反射手段６０の形状を変化させ、その光軸方向（Ｚ方向）の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更することができる。よって、予備計測部２００で計測した試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて、反射手段６０の形状を変化させることで、撮像素子の撮像面上に物体の像を形成し、その撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる。

次に、複数の反射部材を有する反射手段の位置や傾きの変更を行うための駆動機構について説明する。図１２（ｂ）は、反射手段６０が複数の反射部材６２０を有する場合の上面図である。複数の反射部材６２０は、撮像素子が複数配置されている場合、夫々が各撮像素子と対応するように配置され、その数も撮像素子と対応するように適宜決定される。本実施形態では、説明を分かり易くするために、３×３個の反射部材６２０がＸＹ方向に並んでいるものを想定する。図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）のＢ−Ｂ断面矢視図である。反射部材６２０の夫々には、駆動機構としての接続部材６２１および駆動部材（シリンダ）６２２が設けられている。また、各反射部材６２０における駆動部材６２２は、定盤６２３上に設けられている。なお、本実施形態における接続部材６２１および駆動部材は、各反射部材６２０に３つずつ設けられているとする（図１２（ｃ）では、そのうちの手前の２つのみを図示している）。このような駆動機構を設けることで、各駆動部材６２２の制御によって各反射部材６２０の光軸方向（Ｚ方向）の位置を変更できるとともに、夫々の傾きを変更することも可能となる。すなわち、反射手段６０の光軸方向（Ｚ方向）の位置および傾きの少なくとも一方を局所的に変更することができることになる。したがって、反射手段６０における複数の反射部材６２０の夫々を駆動することにより、それに対応する各撮像素子の撮像面上に物体の像を形成し、その撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる。

上述したように、対物光学系４００における反射手段６０の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更することにより、試料の結像位置を調整することができる。また、本実施形態に係る画像取得装置３０００では、反射手段６０と撮像素子８０が空間的に異なる位置に配置されているため、反射手段６０の駆動機構や、撮像素子８０における電気回路や温調機構などの配置を好適に行うことができる。

以上より、本実施形態に係る対物光学系４００によれば、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、本発明における対物光学系４００の構成について、各実施例で詳細に説明する。

［実施例１］
図３は、実施例１における対物光学系４００の要部概略図である。図３（ａ）は、対物光学系４００を−Ｙ方向から＋Ｙ方向へ見た概略図であり、図３（ｂ）は、対物光学系４００を−Ｚ方向から＋Ｚ方向へ見た概略図（結像光学系４０１は不図示）である。

図３において、４０１は結像光学系、５０１はビームスプリッター、６０１は反射手段、７０１は再結像光学系、８０１は撮像素子である。また、図３（ｂ）において、８０１’（破線）は、撮像素子８０１の撮像領域に対応する反射手段６０１上での範囲を示している。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、ビームスプリッター５０１を介して、反射手段６０１の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射手段６０１で反射され、再びビームスプリッター５０１を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた光束は再結像光学系７０１により、撮像素子８０１の撮像面上に試料の像を再結像する。ここで、反射手段６０１は、再結像光学系７０１によって再結像される試料の像が撮像素子８０１の撮像面上に一致するように、試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて変形させられる。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取得することができる。

［実施例２］
図４は、実施例２における対物光学系４００の要部概略図である。なお、図４において図３と同じ部材には同符号を付している。図４（ｂ）において、８０１’〜８０９’（破線）は、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域に対応する反射手段６０１上での範囲である。実施例２の構成は実施例１と略同じであるが、複数の撮像素子８０１〜８０９を配置している点で実施例１と異なっている。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、ビームスプリッター５０１を介して、反射手段６０１の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射手段６０１で反射され、再びビームスプリッター５０１を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた光束は、再結像光学系７０１により各撮像素子８０１〜８０９の撮像面上に試料の像を再結像する。ここで、反射手段６０１は、再結像光学系７０１によって再結像される試料の像が撮像素子８０１〜８０９の撮像面上に一致するように、試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて変形させられる。これにより、撮像素子８０１〜８０９で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。

実施例２では、複数の撮像素子８０１〜８０９を配置したことにより、より広い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。しかし、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域間に撮像できない領域が生じる場合、取得した画像データにも隙間が生じてしまう。そこで、その撮像できない領域を埋めるように、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像する。そのとき、反射手段６０１の形状を、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化させる。そして、各ステップで取得した画像データを、画像処理・制御部５００でつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

［実施例３］
図５は、実施例３における対物光学系４００の要部概略図である。なお、図５において図３または図４と同じ部材には同符号を付している。５０１〜５０４（実線）はビームスプリッター、７０１〜７０４は再結像光学系、８０１’〜８０４’（破線）は、撮像素子８０１〜８０４の夫々の撮像領域に対応する反射手段６０１上での範囲である。実施例３の構成は、実施例２と比較すると、複数のビームスプリッター５０１〜５０４、および複数の再結像光学系７０１〜７０４を有しており、その夫々が複数の撮像素子８０１〜８０４の夫々と対応するように配置されている点で異なる。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、ビームスプリッター５０１〜５０４の夫々を介して、反射手段６０１の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射手段６０１で反射され、再びビームスプリッター５０１〜５０４の夫々を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は、再結像光学系７０１〜７０４の夫々により、各撮像素子８０１〜８０４の撮像面上に試料の像を再結像する。

ここで、反射手段６０１は、再結像光学系７０１〜７０４によって再結像される試料の像が撮像素子８０１〜８０４の撮像面上に一致するように、試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて変形させられる。これにより、撮像素子８０１〜８０４で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、撮像素子８０１〜８０４の夫々の撮像領域間の撮像できない領域については、実施例２と同様に、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像し、取得した画像データをつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

以上、実施例３では複数のビームスプリッター５０１〜５０４を配置したことにより、より小型のビームスプリッターで広い撮像領域を撮像することができる。これはビームスプリッターの製造難易度が下がる点で有利である。また、結像光学系４０１と反射手段６０１の間の距離（結像光学系４０１のバックフォーカス）を小さくでき、かつ、撮像領域の１つ１つが小さくなるので、再結像光学系も小型化することができるため、対物光学系４００の設計難易度が下がる点で有利である。

［実施例４］
図６は、実施例４における対物光学系４００の要部概略図である。なお、図６において図３〜図５のいずれかと同じ部材には同符号を付している。５０１〜５０８（実線）はビームスプリッター、５０９および５１０は平行平板ガラス、７０１〜７０９は再結像光学系、８０１’〜８０９’（破線）は、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域に対応する反射手段６０１上での範囲である。実施例４の構成は、実施例３と比較して、複数のビームスプリッター、再結像光学系、および撮像素子の夫々の数が増加している。さらに、撮像素子８０９の撮像領域に対応する反射手段上の範囲８０９’においては開口が設けられており、平行平板ガラス５０９、５１０を備えている点で実施例３とは異なっている。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、そのうち撮像素子８０１〜８０８の撮像領域内の各光束は、ビームスプリッター５０１〜５０８の夫々を介して、反射手段６０１の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射手段６０１で反射され、再びビームスプリッター５０１〜５０８の夫々を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は再結像光学系７０１〜７０８の夫々により、各撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に試料の像を再結像する。

また、試料からの光束のうち撮像素子８０９の撮像領域内の光束は、平行平板ガラス５０９を通り、反射手段６０１上の範囲８０９’に設けられた開口の近傍に試料の像を形成する。そして、開口を通過した光束は平行平板ガラス５１０を通り、再結像光学系７０９により撮像素子８０９の撮像面上に試料の像を再結像する。ここで、平行平板ガラス５０９および５１０を配置しているのは、開口を通過する光束と、ビームスプリッター５０１〜５０８を通過する光束との光路長を合わせるためである。このように、撮像素子８０９の撮像領域内である反射手段６０１の中央における光束のみ開口を通過させることで、各撮像領域に対して好適に光束を入射させることができる。なお、平行平板ガラスを設けずに、撮像素子８０９の撮像面上に試料の像を再結像させるために、再結像光学系７０９として、再結像光学系７０１〜７０８とは異なる光学系を用いる構成としてもよい。

実施例４におけるフォーカス合わせの手順は、まず撮像素子８０９の撮像領域内の光束が撮像素子８０９の撮像面上に結像されるように、試料の光軸方向の位置（Ｚ位置）および光軸に対する傾き（ＸＹチルト位置）を合わせる。ここで、その最適なＸＹチルト位置は、予備計測で取得した試料の撮像素子８０９の撮像領域内の形状より、最小二乗法などによって求められ、試料を保持する不図示のステージによって調節することができる。そして、この位置を基準として、反射手段６０１の変形を行う。具体的には、試料におけるＺ方向の凸凹形状に合わせて、再結像光学系７０１〜７０８によって再結像される試料の像が撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に一致するように変形させる。これにより、撮像素子８０１〜８０９で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。

なお、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域間の撮像できない領域については、実施例２と同様に、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像する。そのとき、試料の位置・傾き、および反射手段６０１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ステップごとに変更される。そして、各ステップで取得した画像データは、画像処理・制御部５００でつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

以上、実施例４では複数のビームスプリッター５０１〜５０８を配置したことにより、実施例３と比較して、より小型のビームスプリッターで広い撮像領域を撮像することができる。これにより、ビームスプリッターの製造難易度をより下げることができる。また、結像光学系４０１のバックフォーカスをより小さくすることができ、かつ、撮像領域の１つ１つがより小さくなるので、再結像光学系もより小型化することができるため、対物光学系４００の設計難易度が下がる点で有利である。

［実施例５］
図７は、実施例５における対物光学系４００の要部概略図である。図７において図６と同じ部材には同符号を付している。５０１〜５０４（実線）はビームスプリッターである。実施例５の構成は、実施例４と比較すると、隣り合う複数のビームスプリッター５０１〜５０８の夫々を、直方体のビームスプリッター５０１〜５０４としてまとめている点で異なっている。

実施例５における試料からの光束の光路、フォーカス合わせおよび画像データ生成の方法・手順は、実施例４と略同じである。しかし、実施例５では、複数の撮像領域に対応する複数のビームスプリッターが、直方体のビームスプリッター５０１〜５０４としてまとめられている。このことにより、ビームスプリッターの保持機構、および位置調整をより簡単にすることができ、対物光学系４００の組立製造難易度が下がる点で有利である。

［実施例６］
図８は、実施例６における対物光学系４００の要部概略図である。図８において図６と同じ部材には同符号を付している。実施例６の構成は、実施例４と比較すると、反射手段６０１における開口および平行平板ガラス５０９〜５１０を無くし、新たにビームスプリッター５１１（実線）を設けた点で異なっている。このビームスプリッター５１１は、撮像素子８０９の撮像領域に対する光束の光路を好適に偏向するために、ビームスプリッター５０１〜５０８とは結像光学系４０１の光軸方向（Ｚ方向）において異なる位置に配置されている。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、撮像素子８０１〜８０８および８０９の撮像領域内の各光束は、ビームスプリッター５０１〜５０８および５１１の夫々を介して、反射手段６０１の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射手段６０１で反射され、再びビームスプリッター５０１〜５０８および５１１の夫々を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は再結像光学系７０１〜７０９の夫々により、各撮像素子８０１〜８０９の撮像面上に試料の像を再結像する。このように、撮像素子８０９の撮像領域内である反射手段６０１の中央における光束のみ、Ｚ方向の異なる位置に配置したビームスプリッターで偏向させることで、各撮像領域に対して好適に光束を入射させることができる。

ここで、反射手段６０１は、再結像光学系７０１〜７０９によって再結像される試料の像が撮像素子８０１〜８０９の撮像面上に一致するように、試料のＺ方向の凸凹形状に合わせて変形させられる。これにより、撮像素子８０１〜８０９で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域間の撮像できない領域については、実施例２と同様に、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像し、取得した画像データをつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

以上、実施例６では、ビームスプリッター５０１〜５０８とはＺ方向に異なる位置に配置したビームスプリッター５１１により、撮像素子８０９の撮像領域における光束の光路を偏向させている。このことにより、撮像素子８０９の撮像領域においても、試料のＺ位置やＸＹチルト位置の調整だけではなく、反射手段６０１の変形による、より細かいフォーカス合わせが可能となる点で有利である。

［実施例７］
図９は、実施例７における対物光学系４００の要部概略図である。図９において図６と同じ部材には同符号を付している。実施例７の構成は、実施例４と比較すると、反射手段が複数の反射部材６０１〜６０８を有している点で異なっている。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、そのうち撮像素子８０１〜８０８の撮像領域内各の光束は、ビームスプリッター５０１〜５０８の夫々を介して、各反射部材６０１〜６０８の近傍に試料の像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射部材６０１〜６０８の夫々で反射され、再びビームスプリッター５０１〜５０８の夫々を通り、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は再結像光学系７０１〜７０８の夫々により、各撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に試料の像を再結像する。試料からの光束のうち、撮像素子８０９の撮像領域内の光束は実施例４と同様の光路を通り、撮像素子８０９の撮像面上に再結像する。

実施例７におけるフォーカス合わせの手順は、まず撮像素子８０９の撮像領域内の光束が撮像素子８０９の撮像面上に結像されるように、実施例４と同じように試料の光軸方向の位置（Ｚ位置）および光軸に対する傾き（ＸＹチルト位置）を合わせる。そして、この位置を基準として、反射部材６０１〜６０８の夫々のＺ位置およびＸＹチルト位置の変更を行う。具体的には、試料におけるＺ方向の凸凹形状に合わせて、再結像光学系７０１〜７０８によって再結像される試料の像が撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に一致するように変更する。これにより、撮像素子８０１〜８０９で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域間の撮像できない領域については、実施例２と同様に、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像し、取得した画像データをつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

以上、実施例７では反射手段として複数の反射部材６０１〜６０８を配置したことにより、反射手段を変形させることなく、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせることができる。これは反射手段の形状制御機構が不要になり、空間的な配置が容易になる点で有利である。

［実施例８］
図１０は、実施例８における対物光学系４００の要部概略図である。図１０において図９と同じ部材には同符号を付している。実施例８の構成は、実施例７と比較すると、ビームスプリッターを配置せずに、反射手段である複数の反射部材６０１〜６０８の夫々を４５°ミラーとし、この反射部材６０１〜６０８によって結像光学系の光路外へ光束を偏向させている点で異なっている。

プレパラート３０における試料からの光束は結像光学系４０１に入射し、そのうち撮像素子８０１〜８０８の撮像領域内の各光束は、各反射部材６０１〜６０８の近傍に試料の像を結像する。そして、試料の像を成す光束が反射部材６０１〜６０８の夫々で反射され、結像光学系４０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は再結像光学系７０１〜７０８の夫々により、各撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に試料の像を再結像する。

ここで、反射手段における各反射部材６０１〜６０８をチルトさせて、フォーカスを調整する方法を説明する。図１１は、結像光学系４０１の結像点の位置と、１つの反射部材における反射面との位置関係を模式的に示した図である。図１１（ａ）のように、反射部材の角度が結像光学系４０１の光軸（Ｚ軸）に対して４５°の場合、結像光学系４０１の像面は反射部材によって９０°回転される。一方、図１１（ｂ）のように、反射部材の角度が４５°に対して＋δだけチルトすると、それに応じて見掛け上の像面位置もチルトする。よって、この関係を利用して、反射部材６０１〜６０８の夫々をチルトさせることにより、再結像光学系７０１〜７０８の物体位置と結像光学系４０１の見掛け上の像面位置のチルト成分を一致させることができる。これにより、再結像光学系７０１〜７０８の像面位置のチルト成分を撮像素子８０１〜８０８の撮像面上に合わせることができる。なお、この時、反射部材のチルトにより光束の進行方向も変化するが、これに対しては再結像光学系７０１〜７０８の光路内におさまるように、再結像光学系７０１〜７０８のＮＡを十分に確保することが望ましい。

また、試料からの光束のうち撮像素子８０９の撮像領域内の光束は、反射部材６０１〜６０８に囲まれた範囲８０９’の近傍に像を結像し、さらに再結像光学系７０９により撮像素子８０９の撮像面上に試料の像を再結像する。

実施例８におけるフォーカス合わせの手順は、実施例７と同じように、まず撮像素子８０９に対するフォーカス合わせを行い、その位置を基準として他の反射部材６０１〜６０８の夫々のＺ位置およびＸＹチルト位置の調整を行う。これにより、撮像素子８０１〜８０９で撮像される領域の全域でフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、撮像素子８０１〜８０９の夫々の撮像領域間の撮像できない領域については、実施例２と同様に、試料の位置をＸＹ方向に移動してステップしながら撮像し、取得した画像データをつなぎ合わせることで、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。

以上、実施例８では、ビームスプリッターを配置することなく、広い撮像領域の全域でフォーカスを合わせている。これは光量の確保が容易になる点で有利である。

［その他の実施例］
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言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

まず、上述したいずれの実施例においても、反射手段の駆動によって撮像領域全域のフォーカスを合わせているが、さらに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分布は、反射手段の駆動によって調整し、撮像領域内で一律のフォーカスずれについては、撮像素子を光軸方向に駆動して合わせるようにしてもよい。

実施例２では、１つのビームスプリッターに対して１つの再結像光学系を有しているが、ビームスプリッターからの光束が各撮像素子に再結像すればよく、例えば再結像光学系を複数備えた構成としてもよい。また、複数の撮像素子に対して、１枚の反射手段の変形によりフォーカス合わせを行っているが、実施例７のように複数の反射部材を設けて、夫々の光軸方向の位置や傾きを変更する構成としてもよい。

実施例５では、２つの撮像素子領域に対して１つの直方体のビームスプリッターを用いているが、各再結像光学系を通して試料からの光束を各撮像素子の撮像面上に結像することができれば、この構成に限られない。すなわち、各部材を好適に配置し、３つ以上の撮像領域に対応する直方体のビームスプリッターを用いた構成としてもよい。また、実施例５のような直方体のビームスプリッターを、実施例３、実施例６または、実施例７に適用してもよい。すなわち、本実施形態においては、複数のビームスプリッターの夫々により偏向させられた光束の夫々は、複数の再結像光学系のうち少なくとも１つ（１つ以上）の再結像光学系に入射する構成となる。

実施例７では、撮像素子８０９に対応する範囲８０９’においても反射部材を配置し、かつ実施例６のように、結像光学系の光軸方向（Ｚ方向）の異なる位置にビームスプリッターを配置して撮像する構成としてもよい。さらに、実施例７および８では、各反射部材の位置や傾きの変更に加え、夫々の形状を変化させてより細かいフォーカス合わせを行ってもよい。

また、いずれの実施例においても、配置する撮像素子の数を１〜９個としているが、それ以上の数を配置してもよい。その場合、撮像素子の数に合わせてビームスプリッターおよび再結像光学系の数や、反射手段における反射部材の数を増やすことで、上述した実施例と同様にフォーカス合わせをすることができる。この時、実施例６のように、各ビームスプリッターをＺ方向の異なる位置に配置することにより、夫々の撮像領域に対して光束が入射するように、好適に偏向させることができる。なお、実施例８に関しては、ビームスプリッターの代わりに各反射部材をＺ方向の異なる位置に配置することで、好適に光束を偏向させることができる。

ここで、撮像素子を奇数個配置した場合は、実施例４または５のように、反射手段の中央に開口を設けた構成としてもよく、これにより各撮像領域に対して好適に光束を入射させることができる。この構成では、開口を通過して反射手段およびビームスプリッターを介さない光束を受光する、１つの撮像素子を設けている。すなわち、この１つの撮像素子の撮像面上にフォーカスが合う位置を基準とした上で、反射手段の形状または位置・姿勢を変更させることにより、他の撮像領域においても好適にフォーカス合わせをすることができる。なお、実施例７および８のように複数の反射部材を奇数個配置する場合も、中央部分には反射部材を配置せずに、この開口を通過して反射部材を介さない光束を受光する１つの撮像素子を設けることができる。すなわち、この１つの撮像素子の撮像面上にフォーカスが合う位置を基準とした上で、各反射部材の位置や傾きを変更することにより、各撮像領域において好適にフォーカス合わせをすることができる。

上述したように、実施例４、５および実施例７、８では、反射手段に設けられた開口を光束が通過し、さらに平行平板ガラスを介して再結像光学系に入射し、撮像素子の撮像面上に試料の像を再結像している。これに対して、この開口を通過する光束を受光する撮像素子を、反射手段の開口部分に配置する構成としてもよい。このような配置をすることにより、前述したような平行平板ガラスおよび再結像光学系を設けずに、この撮像素子に試料を結像することができる。また、上記で説明したような、各ビームスプリッターや各反射部材をＺ方向の異なる位置に配置する構成と、反射手段に開口を設けた構成とを組み合わせてもよい。

なお、実施例２〜８においては、大画面をステップ撮像しているが、本発明は大画面をスキャンする画像取得装置にも適用可能である。

３０ プレパラート
４０ 結像光学系
５０ ビームスプリッター
６０ 反射手段
７０ 再結像光学系
８０ 撮像素子
４００ 対物光学系

Claims (25)

1. 物体を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された該物体を再結像する再結像光学系と、該結像光学系と該再結像光学系との間の光路上に配置される反射手段と、を有する対物光学系と、
   前記再結像光学系により再結像された前記物体を撮像する撮像素子と、
   前記物体の形状に応じて前記反射手段の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更する駆動機構と、
   を備えることを特徴とする画像取得装置。
2. 前記駆動機構は、前記反射手段の形状を変化させることにより、前記反射手段の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を局所的に変更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. 前記反射手段は複数の反射部材を含み、前記駆動機構は、該複数の反射部材の夫々の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
4. 前記反射手段には開口が設けられており、前記複数の反射部材は該開口を通過する光束の光路上以外に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の画像取得装置。
5. 前記再結像光学系は拡大系であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像取得装置。
6. 前記撮像素子を複数有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像取得装置。
7. 前記複数の撮像素子のうちの少なくとも１つは、他の撮像素子が配置される平面とは異なる平面内に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の画像取得装置。
8. 前記再結像光学系を複数有しており、
   前記反射手段で反射された光束は、前記複数の再結像光学系の夫々により、対応する前記複数の撮像素子の夫々の撮像面上に集光されることを特徴とする請求項６または７に記載の画像取得装置。
9. 前記結像光学系と前記反射手段との間に配置され、かつ前記反射手段により反射された光束を前記結像光学系の光路外へ偏向させる複数のビームスプリッターを有しており、
   前記複数の再結像光学系の夫々は、前記複数のビームスプリッターにより偏向させられた光束を、対応する前記複数の撮像素子の夫々の撮像面上に集光するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の画像取得装置。
10. 前記複数のビームスプリッターのうちの少なくとも１つは、他のビームスプリッターが光束を偏向させる方向とは異なる方向に光束を偏向させることを特徴とする請求項９に記載の画像取得装置。
11. 前記複数のビームスプリッターのうちの少なくとも１つは、前記結像光学系の光軸方向において他のビームスプリッターとは異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の画像取得装置。
12. 前記反射手段には開口が設けられており、前記複数のビームスプリッターは該開口を通過する光束の光路上以外に配置されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の画像取得装置。
13. 前記対物光学系は拡大系であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の画像取得装置。
14. 前記物体の形状情報を取得する計測部を備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の画像取得装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の画像取得装置と、
    前記画像取得装置で取得した前記物体の画像データを表示する画像表示部と、
    を備えることを特徴とする画像取得システム。
16. 物体を結像する結像光学系と、
    前記結像光学系により結像された前記物体を再結像する複数の再結像光学系と、
    前記結像光学系と前記複数の再結像光学系との間の夫々の光路上に配置される複数の反射部材を含む反射手段と、
    前記物体の形状に応じて前記複数の反射部材の夫々の光軸方向の位置および光軸に対する傾きの少なくとも一方を変更する駆動機構と、
    を有することを特徴とする対物光学系。
17. 前記複数の反射部材のうちの少なくとも１つは、他の反射部材が光束を反射する方向とは異なる方向に、前記結像光学系からの光束を反射するように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の対物光学系。
18. 前記結像光学系と前記複数の反射部材の夫々との間に配置され、かつ前記複数の反射部材の夫々により反射された光束を前記結像光学系の光路外へ偏向させる複数のビームスプリッターを有しており、
    前記複数の再結像光学系の夫々は、前記複数のビームスプリッターにより偏向させられた光束によって前記物体を再結像するように配置されていることを特徴とする請求項１６または１７に記載の対物光学系。
19. 前記複数のビームスプリッターのうちの少なくとも１つは、他のビームスプリッターが光束を偏向させる方向とは異なる方向に光束を偏向させることを特徴とする請求項１８に記載の対物光学系。
20. 前記複数のビームスプリッターのうちの少なくとも１つは、前記結像光学系の光軸方向において他のビームスプリッターとは異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１８または１９に記載の対物光学系。
21. 前記反射手段には開口が設けられており、前記複数のビームスプリッターは、該開口を通過する光束の光路上以外に配置されていることを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の対物光学系。
22. 前記反射手段には開口が設けられており、前記複数の反射部材は該開口を通過する光束の光路上以外に配置されていることを特徴とする請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の対物光学系。
23. 前記複数の再結像光学系の夫々は拡大系であることを特徴とする請求項１６乃至２２のいずれか１項に記載の対物光学系。
24. 前記結像光学系と前記複数の再結像光学系とにより拡大系を成していることを特徴とする請求項１６乃至２３のいずれか１項に記載の対物光学系。
25. 前記駆動機構は、前記複数の反射部材の夫々の形状を変化させることを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれか１項に記載の対物光学系。

Images