JP5665369B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、検体をはじめとする対象物を拡大して撮像し、表示手段に表示して観察したり記憶する撮像装置に関し、例えば顕微鏡を用いて試料を拡大撮像し、観察するのに好適なものである。

近年、検体全体から細胞組織までの外形情報を電子化画像として、モニターに拡大又は縮小を含めて表示させ観察することができるようにしたデジタル顕微鏡が提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献１には、解像度の高い高倍率で得た複数の撮影画像を張り合わせ、検体全体の画像として形成するようにした仮想顕微鏡が開示されている。一般に検体全体に対して高倍率の画像を一つ一つ取得するという撮像方法は、撮像時間が多大にかかる。そこで、特許文献２や特許文献３の顕微鏡システムでは、観察視野が大きいにもかかわらず解像度の高い対物レンズを用意し、撮像部の構成を工夫して、高速で高倍率の撮像をすることができる方法（装置）を開示している。

一般に広い視野に対して一括撮像できる大きさの撮像素子を用意することは、非常に困難ある。このため特許文献２、３の顕微鏡システムでは、広い視野を撮像するために、撮像部に複数の撮像素子を配置している。特許文献２、３では標本もしくは撮像部を一平面内で複数回，駆動しつつ、そのたびに撮像し、撮像した画像を合成して全体画像を形成している。こうして、検体全体から細胞組織までの外形情報を画像として取得する顕微鏡システムを開示している。

特表２００８−５１０２０１号公報 特開２００９−００３０１６号公報 特開２００９−０６３６５５号公報

従来より顕微鏡画像取得システムでは、大面積の標本を撮像する場合、複数回撮像した画像を張り合わせる方法が多く用いられている。また、高速で画像を取得する方法として複数の撮像素子を結像面に配置する構成が用いられている。

ところで、撮像面に複数の撮像素子を並べた場合、複数の撮像素子の間にも、標本（被検体）の像が結像する。一般に撮像素子間には、電気基盤や機械物が形成されている。このため標本に関する結像光束が、これらの電気基盤や機械物に入射すると、それらから反射・散乱光が発生してくる。このときの反射・散乱光は、他の電気基盤・機械物・撮像光学系のレンズなどに当たって、最後に撮像素子に入射する場合がある。このときの反射・散乱光は標本の撮像に対しては不要な光（有害光）であるため、画像の画質を低下させる。顕微鏡観察システムでは検体の異常部分を高精度に検出することが強く要望されている。このため、このような有害光による画質の低下は大きな課題となっている。

本発明は、複数の撮像素子を配置して画像を取得し観察する際、撮像素子間の非撮像領域で反射・散乱した有害光による画質の低下を抑制しつつ、高速で広画面の画像を取得することができる撮像装置の提供を目的とする。

本発明の撮像装置は、光源手段と、該光源手段からの光を被照射面に導く照明光学系と、標本ステージにより前記被照射面に載置される物体の像を形成する撮像光学系と、該撮像光学系の光軸と直交する同一面に配置され、前記撮像光学系を介して前記物体を撮像する複数の撮像素子を含む撮像部と、前記複数の撮像素子の有効受光領域に入射する光が通過する複数の開口が設けられ、該複数の開口以外の領域が遮光部であって、前記撮像部における前記有効受光領域以外に入射する光を前記遮光部により遮光する遮光板と、を有することを特徴とする。
また、本発明の別の撮像装置は、光源手段と、該光源手段からの光を被照射面に導く照明光学系と、標本ステージにより前記被照射面に載置される物体の像を形成する撮像光学系と、該撮像光学系の光軸と直交する同一面に配置され、前記撮像光学系を介して前記物体を撮像する複数の撮像素子を含む撮像部と、を有し、前記照明光学系は、前記光源手段からの光を前記被照射面における前記複数の撮像素子の有効受光領域に対応する領域のみに導く回折光学素子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、複数の撮像素子を配置して光束で広画面の画像を取得し観察する際、撮像素子間の非撮像領域で反射・散乱した有害光による画質の低下を抑制しつつ、高速で広画面の画像を取得することができる撮像装置が得られる。

本発明の撮像装置の全体の説明図 図１の電気基盤と撮像素子の配列の説明図 図１の標本部における検体の説明図 図１の撮像部における検体像の説明図 図１において複数回の撮像による全体像取得の説明図 図１において複数回の撮像による全体像取得の説明図 図１の撮像素子配列と遮光手段の説明図 遮光物を配置した撮像装置の全体の説明図 撮像素子の配列にあわせた照明をする照明光学系の説明図 本発明において撮像素子の配列にあわせた照明をする照明光学系と遮光手段を有した撮像装置の全体の説明図 撮像部においてぼけが発生している場合の標本面照度分布の説明図 図１の撮像部の説明図

本発明の撮像装置は、光源手段１０と、光源手段１０からの光を観察対象物３２が配置されている被照射面に導く照明光学系２０と、被照射面に観察用の対象物を載置する面内で移動可能な標本ステージを有する。更に、被照射面上の対象物を結像するための撮像光学系４０を有する。更に撮像光学系４０の像面に複数の撮像素子５３を配置した撮像素子部（撮像部）５０を有している。そして、撮像素子部５０の複数の撮像素子５３が配置されていない領域に光束が入射するのを軽減する遮光手段が撮像素子部５０の光入射側または被照射面または被照射面と共役な面の少なくとも１つに配置されている。

本発明の撮像装置では、光軸と直交する面内において撮像素子部５０と遮光手段６０と被照射面のうちの少なくとも１つの相対的位置を変えて、被照射面上の対象物を複数回撮像している。そして撮像した複数の画像を合成する画像処理手段６１と画像処理手段で処理した画像を表示する画像表示手段６２を有する。また画像処理手段６１で処理された画像情報を記憶する記憶手段６３を有している。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の透過型の顕微鏡を用いた撮像装置の概要図である。図１において、撮像装置１は光源（光源手段）１０、照明光学系２０、標本部３０、撮像光学系４０、撮像部５０を有している。撮像装置１は、標本３２を撮像素子５３で撮像している。

光源１０は、標本部３０の標本３２を照明するための光束を放射しており、例えばハロゲンランプやキセノンランプ、ＬＥＤ等で構成されている。照明光学系２０は、光源１０からの光の光束径を整形し、標本部３０に導くための光学部材２０ａ、２０ｂと水平方向へ進む光路を垂直方向に折り曲げるミラー２５を有している。標本部３０は、光軸と垂直な面内で移動可能な標本ステージ３１と標本３２を有している。

図１において、標本３２はスライドガラスのみしか示していないが、スライドガラス・標本・カバーガラス等が一体となっている。撮像光学系４０は、標本３２を撮像部５０で撮像するための、光学倍率がβ倍の結像光学系より成っている。撮像光学系４０に対して標本部３０と撮像部５０（より詳しくは標本３２と撮像素子５３）は、物面と像面の共役関係となるように配置される。

撮像部５０で得られた画像は画像処理手段６１で処理されて画像表示手段６２に表示される。記憶手段６３は画像処理手段６１で処理された画像情報や画像表示手段６２に表示される画像情報等を記憶している。撮像部５０は、撮像ステージ５１と電気基盤５２と複数の撮像素子５３を有している。複数の撮像素子５３は、図２（ａ）、（ｂ）で示すような配列により電気基盤５２上に配置されている。

図３は標本３２の観察したい検体３３の説明図である。標本３２のうち、観察したい検体３３の像３３ａは、撮像光学系４０によって、図４の点線で示すように撮像部５０上に結像される。複数の撮像素子５３は、電気基板５２上に隙間を空けて配置されている。撮像時には、標本３２もしくは撮像部５０を相対的に撮像光学系４０の光軸に対して垂直面内で駆動させながら複数回撮像し、重なり合った部分をもとに画像を張り合わせることで、標本３２全体の撮像画像を作成している。

例えば、図５では、複数の撮像素子５３を格子状に配置し、標本３２を同図の斜め方向にずらしながらその都度撮影し、撮像画像を張り合わせている。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、標本３２を光軸に対して垂直なＸＹ方向に撮像素子５３の有効寸法の半分だけずらした場合の撮像部５０での撮像素子５３と検体３３の像３３ａの関係を示す。図５（ａ）の位置で１回目の撮像を行った場合、検体３３の像３３ａは図５（ｄ）に示すように撮像素子５３の存在する領域のみが離散的に撮像される。次に標本３２をずらし図５（ｂ）の位置で２回目の撮像を行った場合、先に取得した画像と組み合わせると、図５（ｅ）に示す部分を撮像していることになる。最後に更に標本３２をずらし図５（ｃ）の位置に標本３２を移動させて撮像し、これまでの２回の撮像で取得した画像と重なり合わせると、図５（ｆ）で示す撮像領域全体を画像化することができる。

また、本実施例においては図６（ａ）〜図６（ｃ）のように複数の撮像素子５３を千鳥状に配置し、標本３２をＸ方向に撮像素子５３のｘ方向の有効寸法だけずらしながら、その都度撮像し、撮像した画像，図６（ｄ）〜図６（ｆ）を張り合わせる方法も適用できる。標本３２をＸ方向に対して移動させながら撮像を繰り返すとき、撮像素子５３は、Ｘ方向から見たとき、画像を張り合わせるための重なりを持たせるように配置する。

図６のように複数の撮像素子５３を並べる場合の実例を示す。観察したい標本３２の視野を２０ｍｍ×２０ｍｍ、光学倍率を１０倍とする。この場合、撮像部５０では２００ｍｍ×２００ｍｍの領域を撮像する必要がある。この領域を撮像するために、有効領域２４×３６ｍｍの撮像素子を用いて配置してみる。画像の張り合わせのために重なり部として撮像素子５３のサイズの２割と考慮した場合、図７（ａ）のようにＸ方向に８個、Ｙ方向に３個または４個をＸ方向に対して交互に並べて配置すればよい。このとき、真の有効領域はＸ方向で２０６．４ｍｍ、Ｙ方向で２０８．８ｍｍとなる。重なり合わせ部分をＸ方向では２２．７％、Ｙ方向では２４％などとして微調整すれば、所望の撮像領域を形成することができる。

図７（ａ）において複数の撮像素子５３はＸ方向には撮像素子５３のＸ方向の長さＤＸに対してピッチ１．２ＤＸのピッチで配置している。Ｙ方向には撮像素子５３のＹ方向の長さＤＹに対して１．６ＤＹのピッチで配置している。このうちＸ方向に配置した撮像素子のうち隣り合う撮像素子はＹ方向に０．８ＤＹピッチずれている。

図１２は、このときの撮像素子５３の配列に関する説明図である。撮像素子５３はＸ方向の長さ２４ｍｍ、Ｙ方向の長さ３６ｍｍである。撮像素子５３のＸ方向とＹ方向の長さをＸ、Ｙと表わす。このとき撮像素子５３はＸ方向にピッチ１．２Ｘ、Ｙ方向にピッチ１．６Ｙで配置されている。またＸ方向に着目するときβ行以降の撮像素子はα行の撮像素子の中間位置にくるようにし、かつＹ方向で一方の撮像素子との重なりを２割持たせて配置する。またＹ方向に着目するとβ行以降は一方の撮像素子との重なりを２割持たせて配置している。

図１２では各撮像素子のＸ方向とＹ方向の位置間径をＸ、Ｙを用いて示している。点線で囲まれた領域が複数の撮像素子を用いて得られる合成撮像領域である。図１２において合成撮像領域の寸法は、
Ｘ方向が ８．６Ｘ＝８．６×２４＝２０６．４（ｍｍ）
Ｙ方向が ５．８Ｙ＝５．８×３６＝２０８．８（ｍｍ）
となる。

実施例１の顕微鏡を用いた撮像装置では標本３２からの光束が撮像素子５３にのみに入射するように、図７（ｂ）に示すような遮光手段６０を光路中に配置する。

本実施例では前記遮光手段は光路中に配置したとき、前記複数の撮像素子が光束を受光する有効受光領域に相当する領域を開口部とし、それ以外の領域を遮光部とした板形状より成っている。具体的には、遮光手段６０は光が通過する開口部６０ａと光を遮光する遮光部６０ｂを有する。ただし、結像回数によっては、ＸＹ方向が反転する場合があるため、撮像光学系４０に合わせて配置すればよい。遮光手段６０の配置場所は、像面（撮像素子５３がある面）もしくは撮像光学系４０や照明光学系２０の像面と共役な面の少なくとも１つが望ましい。像面と共役な面として、撮像光学系の像面以外での結像面や物面（標本３２がある面）がある。この遮光手段６０の遮光部６０ｂが完全に光を吸収するのであれば、像面に配置されていてもよい。遮光手段６０を像面以外の場所に配置する場合、その大きさは、撮像部５０との光学倍率を考慮する必要がある。

例えば、遮光手段６０を標本部３０に配置する場合、撮像光学系４０の結像倍率をβとする。このとき、遮光手段６０全体の大きさや開口部６０ａと遮光部６０ｂの大きさ、開口部６０ａの間隔をすべて１／β倍した遮光手段６０を配置すればよい。そして撮像素子５３の周囲に光が入射せず、又は軽減するように撮像素子５３に光が入射するようにしている。これにより撮像素子５３の周囲に設けた電気基盤５２に入射した光束が反射し、他の部材で更に反射して撮像素子５３に入射し、フレアーとなるのを効果的に防止して画質の低下を防止している。また、結像光を遮光するのではなく、標本３２への照明光そのものを、撮像素子５３にのみ対応するようにすればよい。離散的に照明するために、照明光学系２０内において被照射面３２と共役な面に遮光手段を配置すればよい。

図８は照明光学系２０の光路中に遮光手段を設けたときの要部概略図である。結像光学系２４・２６に対して、標本３２と面２７が共役関係にあるとする。共役面２７と被照射面（標本３２がある面）の光学倍率がβ’であれば、遮光手段６０全体の大きさや開口の大きさ、開口部６０ａの間隔等を全て１／（β×β’）倍とした形状の遮光手段６０を、共役面２７に配置すればよい。このときは標本部３０又は遮光手段６０の少なくとも一方を撮影に際して光軸と垂直な面内で移動しながら撮影する。又は遮光手段６０と撮像部５０を光軸と垂直な面内で移動しながら撮影する。但し、このとき遮光手段６０の移動量は撮像部５０の移動量に対して１／（β×β’）となる。

本実施例において遮光手段を光路中に２以上配置しても良い。これによれば有害光をより効果的に軽減することができる。

［実施例２］
本発明の顕微鏡を用いた撮像装置においては、遮光手段を用いずに複数の撮像素子のみに光束が入射するように照明光学系２０を構成しても良い。照明光学系２０で撮像素子の配列に合わせた照明を行っても良い。

図９に示す照明光学系では光源手段１０からの光をコリメータ２１で平行光に整形し、回折光学素子２２に入射させる。回折光学素子２２からの回折光は、フーリエ変換レンズ２３によって中間像面２７にてフーリエ変換され結像する。中間像面２７では、撮像素子５３の配列に合わせた複数の矩形領域を照明できる光分布を得る。これは、ちょうど図８の面２７に遮光手段６０を配置した場合の、面２７の光分布と同じになる。結像光学系２４と２６により、面２７の中間像面を光学倍率β’倍で標本部３０の標本３２を照明する。この照明は、撮像光学系４０で撮像素子５３にのみ光が来るように設計された照明である。このため、撮像に不要な光が撮像素子５３に入射しない。

この実施例に限れば、回折光学素子２２で、撮像に有効な部分にのみ光を整形して照明しているため、遮光手段を用いた場合よりも光源パワー（消費電力）も抑えることができる。回折光学素子２２はＣＧ（コンピュータグラフィック）等を用いて公知の方法で作成することができる。

［実施例３］
また、回折光学素子２２の回折効率や、結像光学系２４・２６の収差などにより、標本部３０に入射する光が若干ボケる場合がある。その場合、実施例１で示した遮光手段６０と組み合わせてもよい。図１０は光源手段１０からの光をコリメータ２１で平行光とする。そして、回折光学素子２２に入射させる。回折光学素子２２は、中間像面２７に複数の矩形を照明する面を形成する。結像光学系２４・２６は、中間像面２７の光分布で標本３２に照明している。このとき、光学系の収差の影響や、回折光学素子２２の製造誤差等のために、標本３２の照度分布は、例えば図１１に示すようなぼけが発生している場合がある。その場合、標本３２には、遮光手段６０を配置し、ぼけによる不要光を遮光すればよい。そして、標本３２から撮像光学系４０を通った光は、撮像部５０で撮像素子５３にのみ光が来る。そうすることで、より確実に撮像に不要な光を抑制することができる。

以上のように各実施例の複数の撮像素子を配列した撮像装置においては、撮像に用いない部分に結像する光を遮光する、もしくは撮像に用いない部分を照明せずに撮像するようにしている。これにより撮像部に本来不要な光が来ない様にすることができる。その結果、余計な部分に入射した光束のそこからの反射・散乱光を抑制できるため、撮像された画像の質を向上することができる。また、撮像部における電気基盤等での反射を一切考える必要がなくなるため、電気配線や機械物の配置を自由に設定することができる。

以上、本発明の光学系の実施例として顕微鏡に適用した場合について説明した。各実施例では標本に照射する光の透過光を像面に結像する透過型の光学系について示したが、反射型の光学系でも良い。また顕微鏡以外の撮像装置についても同様に適用できる。

１ 撮像装置の概要図 １０ 光源 ２０ 照明光学系 ３０ 標本部
３１ 標本ステージ ３２ 標本 ３３ 検体 ４０ 撮像光学系
５０ 撮像部 ５２ 電気基盤 ５３ 撮像素子 ６０ 遮光手段

Claims (7)

1. 光源手段と、
   該光源手段からの光を被照射面に導く照明光学系と、
   標本ステージにより前記被照射面に載置される物体の像を形成する撮像光学系と、
   該撮像光学系の光軸と直交する同一面に配置され、前記撮像光学系を介して前記物体を撮像する複数の撮像素子を含む撮像部と、
   前記複数の撮像素子の有効受光領域に入射する光が通過する複数の開口が設けられ、該複数の開口以外の領域が遮光部であって、前記撮像部における前記有効受光領域以外に入射する光を前記遮光部により遮光する遮光板と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記遮光板は、前記被照射面、前記撮像部の像面、及び前記被照射面と共役な面、の少なくとも１つに配置されていることを特徴する請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像光学系の光軸に垂直な断面内において、前記被照射面、前記撮像部、及び前記遮光板、の少なくとも１つの位置を変えて、前記物体を複数回撮像することにより得られた複数の画像を合成する画像処理手段と、該画像処理手段により処理された画像を表示する画像表示手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２の撮像装置。
4. 前記画像処理手段により処理された前記画像を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項３の撮像装置。
5. 前記照明光学系は、前記被照射面における前記有効受光領域に対応する領域のみを照明することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の撮像装置。
6. 前記照明光学系は、前記光源手段からの光を前記被照射面における前記有効受光領域に対応する領域のみに導く回折光学素子を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の撮像装置。
7. 光源手段と、
   該光源手段からの光を被照射面に導く照明光学系と、
   標本ステージにより前記被照射面に載置される物体の像を形成する撮像光学系と、
   該撮像光学系の光軸と直交する同一面に配置され、前記撮像光学系を介して前記物体を撮像する複数の撮像素子を含む撮像部と、を有し、
   前記照明光学系は、前記光源手段からの光を前記被照射面における前記複数の撮像素子の有効受光領域に対応する領域のみに導く回折光学素子を含むことを特徴とする撮像装置。