JP6262349B2 - デジタル顕微鏡用の移動装置を備えた撮像装置およびデジタル顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部による、像面と平行なカメラセンサ上の標本の画像の相対移動のためのデジタル顕微鏡用の移動装置（画素ずらしユニット）を備えた撮像装置、およびそのような撮像装置を有するデジタル顕微鏡に関する。

画素ずらし技術は、解像度および画質の改善を得るために、特にデジタルカメラの分野において、しばらくの間使用されてきた。この方法は、画像安定化のために、解像度向上のために、およびカラー画素を有するセンサの色情報を保護するために使用される。現在、顕微鏡検査においても多くの用途がある。

画素ずらし技術においては、本出願において理解され得るように、カメラセンサが２つ以上の画像を取得するために使用され、ここでカメラセンサに対する被写体の光学的な画像は、水平方向および／または垂直方向に１画素またはそれ未満だけずらされ、そしてカメラセンサのわずかに移動された領域上に結像される。カメラセンサまたは光学要素のどちらかを、能動的に移動させることができる。記録された個々の画像から、質的により優れた画像が、既知の画像処理方法を用いて次に計算される。

特開２０１２−１６３９１０号公報は、解像度向上のための像シフト装置が光路に配置された顕微鏡を開示する。この装置はアクチュエータの設定に従って光学的結像をずらす。突起を有する平行平板ガラスが、回転可能なカムリングによって傾斜される。カムリングはモータによって駆動される。突起を有する平行平板ガラスの製造は比較的高価である。突起の位置が移動経路を確実に決める。カムリングのより迅速な代替物として、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ））の使用が提案され、ＤＭＤの傾斜が光学的結像の移動経路を調整する。様々な可能性が用語「マイクロ走査」によって網羅される。

独国特許出願公表第６９５２８９１５号明細書（Ｔ２）はカメラ用の画素ずらし方法を記載し、ここではミラーまたは回転プリズムが、画像を移動するために傾けられるか、またはレンズ群が垂直に移動される。この方法では、カメラの動作モードを、画像安定性または向上した解像度のどちらかを、選択することが可能である。

特開２００８−０６５３４０号公報は、高速および低速の２つの撮像装置と、顕微鏡と別個の対物レンズとを備えた顕微鏡を開示する。対物レンズは、画像から対物レンズの移動を計算するために駆動装置を使用する複雑な機構によって移動可能である。対物レンズ全体の移動は、比較的低速でのみ実行することができる。

特開２０１２−１６３６１６号公報は、画像安定化のために画素ずらしを使用するズーム式対物レンズを開示する。ズーム式対物レンズは、いくつかのレンズ群を含み、そのうちの１つは可動である。振動検出器がズームの振動を検出し、およびアクチュエータが、光軸に対して垂直にレンズ群を移動するために、振動に従って制御される。

米国特許第６３９７００８号明細書（Ｂ２）は、画像安定化装置を備えたカメラを開示する。カメラの移動は加速センサによって確立され、およびそれから、レンズ移動用アクチュエータの制御が決定される。レンズは滑り軸受によって３点で弾性的に取り付けられる。

特開２０１２−１６３９１０号公報 独国特許出願公表第６９５２８９１５号明細書（Ｔ２） 特開２００８−０６５３４０号公報 特開２０１２−１６３６１６号公報 米国特許第６３９７００８号明細書（Ｂ２）

本発明の目的は、コスト効率よく製造できる高速で極めて正確な画素ずらし装置を含むデジタル顕微鏡用の撮像装置を利用可能にすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有するデジタル顕微鏡用の撮像装置によって、および請求項９の特徴を有するデジタル顕微鏡によって達成される。
デジタル顕微鏡用の本発明による撮像装置は最初に、標本の画像を検出するためのカメラセンサと、カメラセンサ上に標本の結像を生じさせるための光学ユニットと、カメラセンサ上の画像を移動するための移動装置とを、既知の方法で含む。移動装置はこの場合において、光学ユニットの移動可能に取り付けられたレンズ群の少なくとも１つの部分の相対移動のための駆動装置を含む。本発明によれば、第１駆動装置は、移動装置内に形成された第１フレクシャーベアリングを介してレンズ群の移動可能に取り付けられた部分と結合される。

本発明によるデジタル顕微鏡はそのような撮像装置を含む。
好ましい実施形態において、カメラセンサはＣＭＯＳセンサであるが、他のいずれかの適切なカメラセンサを同様に使用することができる。例えば、センサはベイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ−Ｐａｔｔｅｎ）を有するＣＣＤセンサであることもできる。

光学ユニットは好ましくはデジタル顕微鏡で必要とされる光学の一部であり、対物レンズとズームアセンブリを好ましくは含む。ほとんどの実施形態において対物レンズおよびズームアセンブリは間隔を空けて離されたアセンブリであり、ここでズームアセンブリは、「光学エンジン」とよばれるものであるかそれに一体化可能であり、それは追加的にデジタル顕微鏡の制御構成要素および画像処理構成要素も含む。しかしながら、例えばズームアセンブリは対物レンズ内に一体化できることが同様に可能であり、および本発明によっても実現される。

本発明によれば、移動装置（画素ずらしユニット）は光学ユニットの移動可能なレンズ群に一体化され、ここでレンズ群の少なくとも１つの部分は、好ましくはピエゾアクチュエータである第１駆動装置によって、光軸に対して垂直に能動的に移動させることができ、および第１駆動装置はフレクシャーベアリングによってレンズ群の可動部分に結合される。ピエゾアクチュエータは個々のピエゾアクチュエータのスタックとすることもできる。

本発明の意味合いにおけるフレクシャーベアリングは、特別な変形挙動を有するモノリシック構造物として理解され、それはレンズ群の少なくとも可動部分を支持するかそれを受け入れ、またピエゾアクチュエータとの接点を有する。

本発明の好ましい実施形態において、フレクシャーベアリングはモノリシック基体内に形成され、モノリシック基体の半径方向の中心領域にレンズ群の可動部分がレンズ開口部に取り付けられ、モノリシック基体の半径方向の周辺アクチュエータ領域に第１駆動装置との接点が設けられる。

特に有利な移動装置は、好ましくは中心光学領域でレンズ群を支持しおよび好ましくは周辺のアクチュエータ領域で駆動装置／ピエゾアクチュエータを支持するプレートまたはディスクの形態のモノリシック構造の基体によって形成される。フレクシャーベアリングはこの場合において、プレートまたはディスク中の所定の材料切欠きによって形成される。フレクシャーベアリングは、可逆的な曲げによって、光学領域とアクチュエータ領域との間の相対移動を許容する。

この種のフレクシャーベアリングは、知られているＦＥＭシミュレーションを活用して、異なる材料から寸法決めすることができる。
有利に、カメラセンサの面と平行な第２の方向におけるレンズ群のまたはその少なくとも１つの部分の移動を許容するために、第２駆動装置またはピエゾアクチュエータを提供することができる。当然のことながらレンズ群の個々のレンズは、互いに９０°オフセットされた駆動装置またはピエゾアクチュエータによって移動することもできる。

デジタル顕微鏡の好ましい実施形態において、可動レンズ群は別個のズームアセンブリの一部である。
さらなる実施形態において、可動レンズ群は、基体／画素ずらしユニット内に完全なレンズ群として取り付けることができる。画素ずらしユニットは、この場合において、両方のレンズ群、またはその少なくとも１つの部分、および１つまたは複数の駆動装置またはピエゾアクチュエータを受け入れる二軸システムとして好ましくは構成され、ここでフレクシャーベアリングはこれらの構成要素の間に配置される。

代替実施形態において、いずれの場合にも１つのピエゾアクチュエータによって、レンズ群の内の１つのレンズだけが移動されるか、またはレンズの内の２つが移動されることが可能である。基体はこの場合において、二次元または三次元構造物として形成することができる。

２つの駆動装置を有する別の有利な実施形態において、撮像装置はさらに調整ユニットを含み、調整ユニットは、画像が連続ループにおいて３つの異なる所定の画素ずらし位置に連続的に移動され、その際、いずれの場合にも各画素ずらし位置に到達した後、１つの画像がカメラセンサによって取得されるような方法で、第１および第２駆動装置を制御する。画像処理ユニットでは、これらの個々の画像は、高解像度画像を提供するように計算される。さらに、知られている方法で、個々の画像に関する情報が、様々な色、輪郭、および画像補正に使用される。

本発明によるデジタル顕微鏡は、上に記載した特徴を有する撮像装置を含む。光学ユニットが対物レンズまたはズームアセンブリに一体化されるか、それともズーム対物レンズに一体化されるかは重要でない。光学ユニットは好ましくは光学エンジンに一体化されたズームアセンブリの一部である。光学エンジンはこの場合において、１つの画像処理ユニットも含む。

本発明の好ましい実施形態が、図面を参照して以下でより詳しく説明される。

移動装置（画素ずらしユニット）のフレクシャーベアリングの第１の好ましい実施形態を示す。 図１によるフレクシャーベアリングの異なる位置の拡大詳細図を示す。 図１によるフレクシャーベアリングを有する移動装置を示す。 図３に示される移動装置を有するデジタル顕微鏡の一部の視点を示す。 本発明による移動装置の第２の好ましい実施形態を様々な視点で示す。 本発明による移動装置の第３の好ましい実施形態を様々な視点で示す。

図１は、本発明による移動装置用のフレクシャーベアリングの第１の好ましい実施形態を、平面図（図ａ）および斜視図（図ｂ）で示す。モノリシック基体０１はディスク状であり、その中心領域に、レンズまたはレンズ群（不図示）を受け入れることができるレンズ開口部０２を有する。示される実施形態において、基体０１は、約５ｍｍの厚さを有するアルミニウム板から製造される。この実施形態は、良好な剛性および安定性、ならびに好ましい条件をレンズマウントに有利に提供する。浸食プロセスによる機械加工が可能である。

代替実施形態において、他の材料、例えばプラスチック（任意選択的に繊維強化されたもの）、または他の材料を使用することができる。寸法は材料の選択に従って適切に適合させることができる。

ピエゾアクチュエータを受け入れるための２つの凹部０４、０５が基体０１の周辺領域０３に配置される。例えば回転可能なカムディスクまたはカムによって、または他の手段で形成可能な他のいずれかの適切な駆動装置を使用することがここで原理上可能であることは当業者に明白であろう。

凹部０４、０５と、中心領域すなわちレンズ開口部０２との間に、フレクシャーベアリングを形成するために、軸方向に連続するスリット０６が基体０１の中に形成される。１つの接触表面０７が凹部０４、０５毎に提供され、接触表面０７に、延伸されたピエゾアクチュエータによって力が及ぼされる。

基体０１内の、フレクシャーベアリングの機械的プリテンション、および、回転点０８の周りを枢動可能な、レバー０９、１０と、スリット０６との間の相互作用の結果として、レンズ開口部０２はフレクシャーベアリングの寸法決めに従って移動する。

改良された実施形態において、ピエゾアクチュエータは、レバー９、１０の各側に配置可能であり、その結果、能動的なレバー運動が、いずれの場合もピエゾアクチュエータの内の１つの制御により、両方向において得られる。

各ピエゾアクチュエータの移動は、フレクシャーベアリング内の異なるレバーの動作によって最適化することができる。レバー０９、１０およびスリット０６の寸法決めを通して、ピエゾアクチュエータは、その力効果に関して選択することもできる。この関連において注目されるべきことは、増大した力効果により、移動の低減が起こり得ることである。当業者であれば、フレクシャーベアリングに適したピエゾアクチュエータを選択および寸法決めできるであろう。

この実施形態において、フレクシャーベアリングは、スリット０６の間に残る板ばねによって、レバー９、１０によって、および回転点０８によって形成される。
示される例において、第１ピエゾアクチュエータの力Ｆ１が、フレクシャーベアリングによってレンズ開口部へ伝達され、そこで（１３５°回転された）方向Ｆ２における移動をトリガし得る。これらはマイクロメートル範囲の移動であり、図に正しい縮尺比で示すことができない。示される力の矢印Ｆ１およびＦ２は、伴われる原理を単に示す働きをし、それらの長さは、及ぼされた力にも移動の距離にも一切関連しない。

例えば、レンズ開口部０２が１２時の方向に移動される場合、両方のレバー０９および１０は、６時の方向に移動されなければならない、すなわち（２つの）駆動装置の延伸によって移動されなければならない。

原則として、フレクシャーベアリングまたはレンズマウントは、横方向のまたは中心から外れた力の入力Ｆ１によって、方向Ｆ２（中心から離れる）の方向に、（数学的に正の回転感覚において）１３５°回転される、結果として得られる移動がもたらされるように設計される。反対側の第２ピエゾアクチュエータのレバー１０への力の入力によって、前の方向Ｆ２に対して９０°オフセットされた移動が得られる。このようにして、反対側ピエゾアクチュエータの狙いを定めた制御によって、互いに垂直であり且つ光軸に垂直な２つの方向におけるレンズの正確且つ対称的且つ線形の調整を実行することが可能である。

画素ずらしサイクルの間、レンズ開口部は、対応する数のステップによって、それ自体既知の方法で移動され得る。対応するアルゴリズムが、ピエゾアクチュエータの制御および偏向において選択されなければならない。

図２は図１を参照して既に説明された基体０１を有する移動装置を平面図（図ａ）および側面図（図ｂ）で示す。
２つのピエゾアクチュエータ１３のスタック１１、１２が、２つの凹部０４および０５のそれぞれに受け入れられる。スタック１１、１２はそれぞれ、プレート１４およびベースプレート０１に保持されたねじ付きピン１５によって、所定のプリテンションが加えられる（図３ｂ参照）。

代替実施形態では、一体化されたプリテンションを有するピエゾアクチュエータまたはアクティブなプリテンションを有する装置（互いに作用しあう２つのアクチュエータ、対称的に作動するプッシュ−プル型駆動装置）を使用することが、当然可能である。

プリント回路基板１６がねじ１７によって基体０１に好ましくは固定される。電子駆動回路１８、およびピエゾアクチュエータ１３に導通される線１９が、プリント回路基板１６に提供される。

図３は、正しい縮尺比でない詳細図において、図１によるレバー９の２つの端部位置（図ａおよびｂ）を示す。図ａはプリテンションされた第１端部位置を示し、図ｂは第２の端部位置を示す。第１端部位置は、画素ずらしユニットの組立ての間、ねじ付きピン１５による機械的なプリテンションによって、設定される。可能な限りレバー０９は周囲領域０３と接触するべきでない。図ｂはレバー０９の第２の端部位置を示し、これはスタック１１（ここでは示されない）の起動および完全な偏向によって制御することができる。

図４はデジタル顕微鏡の光学ユニットに一体化された上記の移動装置を示す。メインハウジングの一部だけが、長手方向の断面図（図ａ）および分解図（図ｂ）で示される。
光軸２２上に、軸方向に移動可能なレンズ群２３、光軸２２に対して垂直に移動可能なレンズ群２４、およびベースプレート２７上のカメラセンサ２６が、円筒ハウジング２１の中で配置される。

レンズ群２４はプラス−マイナス群であり、移動装置の基体０１に取り付けられる。
図５はデジタル顕微鏡用の本発明による移動装置の第２の好ましい実施形態を側面図（図ａ）、断面図（図ｂおよびｃ）および斜視図（図ｄ）で示す。この実施形態においてモノリシック三次元構造を有する基体３０が形成される。

基体３０はプラスリング３１、マイナスリング３２、およびリング３１、３２の間に軸方向に延在する４つのウェブ３３を有し、前記ウェブ３３はそれぞれ光軸３４の周りで９０°互いにオフセットされ、および光軸３４と平行に延在する。特に有利な実施形態において、ウェブ３３の配置、またはそれらの光軸３４からの距離は、カメラセンサのフォーマットに一致する。

プラスリング３１は正の群３６を支持し、マイナスリング３２は負の群３７を支持する。互いに９０°オフセットされおよび光軸３２に対して垂直なピエゾアクチュエータ３８、３９が、正の群３６の軸方向の領域においてウェブ３３の内の２つに作用し、その結果、１つまたは両方のピエゾアクチュエータ３８、３９が作動すると、それらは光軸３２から外側へ移動される。

第３の実施形態が図６に示され、ここでは正の群３６および負の群３７が互いに傾けられる。図６中、図ａは側面図を示し、図ｂは図ａの断面線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示し、図ｃは図ｂの断面線Ｃ−Ｃに沿った断面図を示し、図ｄは斜視図を示す。

光学ユニットは、ジンバル式に取り付けられた枢動装置の中心に配置される。この実施形態では、基体は複数の部分で存在する。基体は、正の群３６および負の群３７が取り付けられた内側スリーブ４１と、ピエゾアクチュエータ３８、３９が取り付けられた外側スリーブ４２（周辺）とを含み、ピエゾアクチュエータはそれぞれ内側スリーブ４１上に接触表面４３を有する。

この実施形態において、フレクシャーベアリングは、駆動装置ごとに２つのハーフリングスリットを有するカルダンディスク４４によって形成され、ここで各駆動装置のリングは９０°だけ互いにオフセットされる。ディスク４４は内側スリーブ４１と外側スリーブ４２を接続する。スリット間に残るウェブは、ディスク４４の面において回転軸を定める。

回転軸は好ましくは光学ユニット３６、３７から離れて存在し、その結果、回転軸中の回転がセンサと整列されるので、光学ユニットは光軸３４から外側に枢動する。ピエゾアクチュエータ３８、３９の作動によって、中心は要求される方向に移動される。

回転軸は正の群３６および負の群３７の間に有利に存在している。この構成要素により、この配置と帳尻が合う逆効果が生じ、その結果としてより短い移動距離で十分になり得る。

０１ 基体
０２ 開口部
０３ 周辺領域
０４ 凹部
０５ 凹部
０６ スリット
０７ 接触表面
０８ 回転点
０９ レバー
１０ レバー
１１ スタック
１２ ピエゾアクチュエータ
１３ ピエゾアクチュエータ
１４ プレート
１５ ねじ付きピン
１６ プリント回路基板
１７ ねじ
１８ 駆動回路
１９ 線
２０ −
２１ ハウジング
２２ 光軸
２３ レンズ群
２４ レンズ群
２５ −
２６ カメラセンサ
２７ ベースプレート
２８ −
２９ −
３０ 基体
３１ プラスシリンダ
３２ マイナスシリンダ
３３ ウェブ
３４ 光軸
３５ −
３６ 正の群
３７ 負の群
３８ ピエゾアクチュエータ
３９ ピエゾアクチュエータ
４０ −
４１ 内側スリーブ
４２ 外側スリーブ
４３ 接触表面
４４ カルダンディスク

Claims (8)

1. デジタル顕微鏡用の撮像装置であって、
   カメラセンサ（２６）と、
   前記カメラセンサ（２６）の像面に標本を結像するための光学ユニットと、
   撮像装置の１つの部分の相対移動、ひいては前記像面と平行な前記カメラセンサ（２６）上の前記標本の画像の正確な相対移動のための第１駆動装置を備えた移動装置と
   を備え、
   前記移動装置は、二軸系を有するモノリシック基体（０１、３０）であり、前記モノリシック基体の中心プラットフォームが可動であり、前記モノリシック基体の周辺に前記第１駆動装置および第２駆動装置（１１、１２、３８、３９）が取り付けられ、第１および第２フレクシャーベアリングが前記中心プラットフォームと前記周辺との間に形成され、前記周辺に駆動装置用の接触表面（０７）が設けられ、
   前記中心プラットフォームが前記光学ユニットのレンズ開口部（０２）として取り付けられていることを特徴とする、デジタル顕微鏡用の撮像装置。
2. 前記第１および第２駆動装置がピエゾアクチュエータ（１１、１２、３８、３９）であることを特徴とする、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記モノリシック基体（０１）がディスク状であり、および少なくとも部分的に前記レンズ開口部（０２）の周囲に、レバー（９、１０）にまで延在するスリット（０６）を有し、前記レバー（９、１０）が前記第１および第２駆動装置との前記接触表面（０７）を有す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. フレクシャーベアリングが駆動装置の変位経路の周りで機械的にプリテンションを受けることを特徴とする、請求項３に記載の撮像装置。
5. 調整ユニットを含み、前記調整ユニットは、前記画像が連続ループにおいて３つの異なる所定の画素ずらし位置に連続的に移動され、その際、いずれの場合にも、各画素ずらし位置に到達した後、１つの画像が前記カメラセンサによって取得されるような方法で前記第１および第２駆動装置を制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置を有することを特徴とするデジタル顕微鏡。
7. 可動レンズ群（２４、３６、３７）が前記デジタル顕微鏡のズームアセンブリに一体化されることを特徴とする、請求項６に記載のデジタル顕微鏡。
8. 顕微鏡のレンズ群用の移動装置として使用するためのモノリシック基体であって、二軸系を備え、前記モノリシック基体の中心領域に移動部が形成され、前記モノリシック基体の半径方向の周辺のアクチュエータ領域（０３）には駆動装置用の接触表面（０７）が設けられ、前記中心領域と前記アクチュエータ領域（０３）との間にはフレクシャーベアリングが形成されている、モノリシック基体。