JP6311604B2 - 顕微鏡、シャッタ機構及び顕微鏡用撮影装置 - Google Patents

Description

本技術は、デジタルイメージングに利用することが可能な顕微鏡及び当該顕微鏡に利用することが可能なシャッタ機構に関する。

一般的な撮像装置において、メカニカルシャッタを備えるものがある。メカニカルシャッタは、撮像光学系から撮像素子（例：相補型金属酸化膜半導体イメージセンサ：Complementary Metal Oxide Semiconductor等、以後ＣＭＯＳイメージセンサ）の間の光路を遮蔽可能に構成されており、必要に応じて撮像素子への望まない時間、時期の光の入射を防止するものである。

メカニカルシャッタには種々の構造のものがあるが、シャッタがガイドレールに対してスライド可能に取り付けられ、往復運動するものが一般的である。シャッタを往復運動させる駆動力は例えば電磁石によって供給される。ガイドレールの終端にはストッパが設けられ、シャッタはストッパによってその移動範囲が規制される。

また、下記特許文献１には、カメラ用のものであるが、光路の周囲に複数の絞り羽が設けられたシャッタが開示されている。このシャッタは、コンデンサに蓄積された高電圧により瞬間的に大きな駆動力を発生させ、絞り羽の高速動作が可能に構成されている。

特許３７８９１６９号公報

しかしながら、上述のようなメカニカルシャッタは、その耐久性が問題となる。顕微鏡によって検体（スライド）の高倍率画像を生成する際、検体を部分領域毎に撮像し、結合するという手法が用いられるが、部分領域毎の撮像の度にメカニカルシャッタの開閉が必要となる。部分領域の撮像は、例えば一つの検体について数千回に及ぶこともあり、一日に数百の検体が撮像される場合を想定すると、メカニカルシャッタの開閉回数は一年で数億回に達することも考えられる。また、撮像の高速化も要請されるところであり、メカニカルシャッタは高速動作するものが望まれる。

しかしながら、上述したような、シャッタの位置をストッパによって規制する構成のメカニカルシャッタでは、撮像の度にシャッタがストッパに衝突するため、シャッタやストッパの破損やガイドレールの磨耗が生じる。また、コンデンサを利用するメカニカルシャッタでは、コンデンサの蓄放電の耐用回数は限られている。このように、従来のメカニカルシャッタでは耐久性が十分とはいえず、例えば顕微鏡本体の耐用年数よりも早期にメカニカルシャッタの交換が必要となる場合がある。

さらにはシャッタのストッパへの衝突による振動によって撮像画像に影響が生じるおそれがあり、これは撮像を高速化するほど顕著となる。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高い耐久性を有し高速動作が可能なシャッタ機構及び当該シャッタ機構を備える顕微鏡を提供することにある。

本技術の一形態に係る顕微鏡は、顕微鏡光学系と、第１の受光素子と、シャッタ機構とを具備する。
上記シャッタ機構は、回転動力を生成する回転動力源と、上記回転動力源によって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、上記クランクに接続されたシャッタとを有し、上記シャッタは上記クランクにしたがって上記顕微鏡光学系から上記第１の受光素子へ至る第１の光路を遮蔽する第１の位置と、上記第１の光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動する。

この構成によれば、シャッタは回転動力源によって生成された回転動力によって往復運動を実行する。このため、往復運動するシャッタの最大移動位置である第１の位置及び第２の位置においてもストッパによるシャッタの移動の規制が必要とならず、シャッタのストッパへの衝突による損耗や破損、撮像画像への影響を防止することが可能である。

上記クランクは、上記回転動力源の回転動力軸に固定された第１のアームと、上記第１のアーム及び上記シャッタにそれぞれ回転可能に接続された第２のアームとを有し、上記第１のアームと上記第２のアームは第１の回転軸によって接続され、上記第２のアームと上記シャッタは第２の回転軸によって接続されていてもよい。

この構成によれば、回転動力源に伴なって回転する第１のアームと、第１のアームに連動する第２のアームによって、回転動力軸の回転運動をシャッタの往復運動に変換することが可能となる。

上記回転動力軸、上記第１の回転軸及び上記第２の回転軸は、上記シャッタが上記第１の位置及び上記第２の位置にあるときに、同一直線上に配列してもよい。

この構成によれば、シャッタが第１の位置及び第２の位置にあるとき、即ち回転動力軸の回転開始時に、回転動力軸、第１の回転軸及び第２の回転軸が同一直線上に配列する。ここで、第１の回転軸におけるトルク反力は、回転動力軸、第１の回転軸及び第２の回転軸が同一直線上に配列するときに最小となるので、回転動力軸の回転開始に必要な駆動トルクを最小とすることが可能となる。

上記回転動力源は、ステッピングモータが望ましい。

ステッピングモータは、その回転角度を高精度に制御することが可能であると共に供給するパルス電力のパルス間隔によってそのトルク及び回転速度を調整することも可能である。さらにステッピングモータは回転停止時にも停止トルクを生じる。即ち、停止トルクによって停止するためストッパ等を使用しなくても、高精度に位置決めすることが可能である。これらの特性から、ステッピングモータは本技術に係るシャッタ機構の回転動力源として好適である。

上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、上記制御部は、上記シャッタが上記第１の位置及び上記第２の位置から離間するにしたがって上記パルス電力のパルス間隔を小さくしてもよい。

この構成によれば、シャッタが第１の位置及び第２の位置にあるとき、即ち回転動力軸の回転開始時及び回転停止時に、回転動力軸のトルクを大きく、かつ回転速度を小さくすることができる。これによってステッピングモータの脱調を防止することが可能となると共にクランク及びシャッタの運動を制動させやすくすることが可能となる。

上記顕微鏡は、第２の受光素子と、上記第１の光路と、上記顕微鏡光学系から上記第２の受光素子へ至る第２の光路とを分離する光路分離部とをさらに具備してもよい。

この構成によれば、顕微鏡光学系を透過した光を第２の受光素子に受光させる際に、第１の受光素子への受光をシャッタ機構によって遮蔽することが可能となる。

上記第１の受光素子は、画像撮像用素子であり、上記第２の受光素子は、焦点深度検出用素子であってもよい。

この構成によれば、焦点深度検出用素子に受光させる際に、画像撮像用素子への受光をシャッタ機構によって遮蔽することが可能となる。

上記画像撮像用素子は、ＣＭＯＳイメージセンサであってもよい。

ＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換素子に蓄積された電荷がライン順次読み出しによって読み出される。このため、光電変換素子の露光後、電荷読み出し時間が必要となり、この間、光電変換素子の受光は防止される必要がある。本技術に係る顕微鏡においては、シャッタ機構によって画像撮像素子の受光を物理的に防止することが可能であるため、この間に並行して焦点深度検出用素子に受光させることが可能となり、即ち、ＣＭＯＳイメージセンサ（画像撮像素子）の電荷読み出し時間を有効に利用することが可能となる。

上記シャッタ機構は、振動吸収部材を介して上記顕微鏡光学系に固定されていてもよい。

この構成によれば、シャッタ機構においてクランクやシャッタの運動によって生じる振動を振動救出部材によって吸収することが可能となり、このような振動が画像撮像素子による撮像に影響を生じることを防止することが可能である。

上記顕微鏡は、上記第１の位置にある上記シャッタを検出する第１の検出センサと、上記第２の位置にある上記シャッタを検出する第２の検出センサとをさらに具備してもよい。

この構成によれば、第１の検出センサ及び第２の検出センサによって、シャッタが回転動力源に供給されたパルス電力にしたがって運動しているか否かを把握することが可能となる。

本技術の一形態に係るシャッタ機構は、回転動力源と、クランクと、シャッタとを具備する。
上記回転動力源は、回転動力を生成する。
上記クランクは、上記回転動力源によって生成された回転動力を往復運動に変換する。
上記シャッタは、上記クランクに接続されたシャッタであって、上記クランクにしたがって顕微鏡光学系から受光素子へ至る光路を遮蔽する第１の位置と、上記光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動する。

上記シャッタ機構は、上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、上記回転動力源はステッピングモータであって、上記制御部は、上記ステッピングモータに、パルス間隔の駆動のプロファイルがＳｉｎカーブとなるようにパルス電力を供給してもよい。

制御部がステッピングモータに、パルス駆動のパルス間隔のプロファイルがＳｉｎカーブとなるようにパルス電力を供給することにより、ステッピングモータをなめらかに加速、減速させることが可能であり、振動の低減と急激な速度変化から過負荷の状態になり、そのことによる脱調を防止することができる。

上記シャッタ機構は、上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、上記回転動力源はステッピングモータであって、上記制御部は、上記ステッピングモータの停止時に上記ステッピングモータに反転パルスを供給してもよい。

制御部が、ステッピングモータの回転停止時にステッピングモータに反転パルスを供給すると、ステッピングモータに反転トルクを生じさせ、静定速度を短くすることが可能となる。

本技術の一形態に係る顕微鏡用撮影装置は、病理に用いられる顕微鏡用撮影装置であって、撮像素子の直前に設けられた機構的な遮光手段を具備する。

以上のように、本技術によれば、高い耐久性を有し高速動作が可能なシャッタ機構及び当該シャッタ機構を備える顕微鏡を提供することが可能となる。

本技術の実施形態に係る顕微鏡の構成を示す模式図である。 同顕微鏡の光路分離部による光路分離を示す模式図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の平面図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の平面図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の平面図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の一部の構成を示す斜視図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の各状態を示す模式図である。 同顕微鏡のシャッタ機構のシャッタ開閉動作を示す模式図である。 同顕微鏡のシャッタ機構の回転動力源の回転角度と回転動力源が生成する必要があるトルクの関係を示すグラフである。 同顕微鏡のシャッタ機構の回転動力源に供給されるパルス電力の制御プロファイルである。 比較に係る顕微鏡のシャッタ機構の回転動力源に供給されるパルス電力の間隔の制御プロファイルである。 本技術の実施形態に係る顕微鏡のシャッタ機構の回転動力源に供給される反転パルスの供給タイミングを示す模式図である。 同顕微鏡の動作のタイムチャートである。 比較に係る顕微鏡の動作のタイムチャートである。

本技術の実施形態に係る顕微鏡１００について説明する。

［顕微鏡の全体構成］
図１は顕微鏡１００の全体構成を示す模式図である。

図１に示すように、顕微鏡１００は、ステージ１０１、対物レンズ鏡筒１０２、結像レンズ鏡筒１０３、光路分離部１０４、シャッタ機構１０５、撮像素子１０６、オートフォーカス（以下、ＡＦ）レンズ鏡筒１０７、ＡＦセンサ１０８を有する。また、ステージ１０１には、撮像対象のスライドＳが載置されている。なお、ステージ１０１を駆動するための駆動源やスライドＳの照明については従来と同様の構成とすることができ、図示や説明を省略する。

ステージ１０１は、移動可能に構成され、対物レンズ鏡筒１０２に対するスライドＳの相対位置を規定する。ステージ１０１は図示しない制御部からの指示を受けて、対物レンズ鏡筒１０２の視野範囲にスライドＳの撮像対象領域が収まるように、その位置を調整できるものが好適である。

対物レンズ鏡筒１０２は、対物レンズを収容し、撮像対象領域の像を拡大する。対物レンズ鏡筒１０２は任意の構成とすることが可能である。

結像レンズ鏡筒１０３は、結像レンズを収容し、対物レンズ鏡筒１０２によって拡大された像を結像する。結像レンズ鏡筒１０３も任意の構成とすることが可能である。

以下の説明において、対物レンズ鏡筒１０２と結像レンズ鏡筒１０３を合わせて顕微鏡光学系１０９とする。顕微鏡光学系１０９は、拡大倍率や染色の有無等に応じて適宜変更することが可能であり、例えば蛍光撮像の際には励起光カットフィルター等を備えるものとすることも可能である。

光路分離部１０４は、結像レンズ鏡筒１０３によって結像された像の光路（以下、単に光路とする）を、撮像素子１０６に向かう光路とＡＦレンズ鏡筒１０７に向かう光路に分離するが、詳細については後述する。光路分離部１０４は光路を分離できるものであればよく、例えばハーフミラーであるものとすることができる。

シャッタ機構１０５は、光路分離部１０４と撮像素子１０６の間に配置され、この間の光路を遮蔽し、又は遮蔽を解除する。シャッタ機構１０５の詳細については後述する。

撮像素子１０６は、光路分離部１０４から到達した光を光電変換し、撮像する。撮像素子１０６はＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）イメージセンサであるものとすることができるが、シャッタ機構１０５との組み合わせの上（後述）でＣＭＯＳイメージセンサが好適である。また、ＣＭＯＳイメージセンサはＣＣＤイメージセンサに比べて製造コストが小さく、光電変換素子の形状自由度、出力信号の自由度が大きい点でも好適である。

ＡＦレンズ鏡筒１０７は、位相差リングやレンズ等を備え、光路分離部１０４から到達した光から位相差像を生成する。ＡＦレンズ鏡筒１０７は位相差像を形成することが可能な任意の構成とすることが可能である。

ＡＦセンサ１０８は、ＡＦレンズ鏡筒１０７によって生成された位相差像から顕微鏡光学系１０９の視野範囲に含まれる検体の焦点深度を検出する。具体的にはＡＦセンサ１０８はラインセンサ等を備え、位相差像のずれから焦点深度を検出するものとすることが可能である。

以下の説明においてＡＦレンズ鏡筒１０７とＡＦセンサ１０８を合わせてＡＦ光学系１１０とする。なお、ＡＦ光学系１１０の構成は位相差像を利用するものに限られず、検体の焦点深度を検出可能なものであればよい。

［光路分離について］
図２は、光路分離部１０４による光路分離を示す模式図である。図２（ａ）はシャッタ機構１０５によって光路が遮蔽されている状態（以下、閉状態とする）を示す模式図であり、図２（ｂ）はシャッタ機構１０５によって光路が遮蔽されていない状態（以下、開状態とする）を示す模式図である。同図に示すように、顕微鏡光学系１０９を通過した光は、光路分離部１０４によって、撮像素子１０６に向かう光とＡＦ光学系１１０に向かう光に分離される。

以下、顕微鏡光学系１０９から光路分離部１０４に至る光路を元光路Ｌ１とし、光路分離部１０４から撮像素子１０６に向かう光路を撮像光路Ｌ２と、光路分離部１０４からＡＦ光学系１１０に向かう光路をＡＦ光路Ｌ３とする。同図に示すように、シャッタ機構１０５は、光路分離部１０４と撮像素子１０６の間に設けられており、即ち撮像光路Ｌ２を遮蔽し（図２（ａ））、又は解放する（図２（ｂ））ものである。

光路分離部１０４がハーフミラーである場合、図２に示すように反射光を撮像素子１０６に向け、透過光をＡＦ光学系１１０に向ける方が、その逆よりも好適である。ハーフミラーの透過光にはハーフミラー内で反射した光が含まれるため、ハーフミラーの透過光を撮像素子１０６に向けた場合、像のブレ等が生じるおそれがある。一方、ＡＦ光学系１１０では、ハーフミラー内で反射した光の影響は無視することができる。

このように、撮像用とＡＦ用で光路を分離することにより、ＡＦ光学系１１０によって焦点深度を高速かつ高精度に検出することが可能である。一般に、焦点深度の検出は、光路を分離することなく（ＡＦ検出系を別途設けることなく）、撮像用のイメージセンサを利用して検出することも可能である。例えば、撮像された画像のコントラストが極大となるようにステージ等を焦点深度方向に移動（スキャン）させることでこのような焦点深度の検出が可能である。しかしながら、この方法では撮像の度にスキャン時間が必要となり、高速かつ多量の撮像が必要となるような病理診断等に利用することは困難である。

このため、本実施形態に係る顕微鏡１００では、光路分離部１０４によって撮像用とＡＦ用の光路を分離する構成をとる。一方で、ＡＦ光学系１１０によって焦点深度の検出が実行されている間に、撮像素子１０６に光が入射すると、その間も光電変換素子に電荷が蓄積されてしまい、撮像画像が影響を受ける。このため、ＡＦ光学系１１０によって焦点深度の検出が実行されている間に、撮像素子に光が入射することを防止するシャッタ機構１０５が必要となる。

また、特に撮像素子１０６がＣＭＯＳイメージセンサである場合には、ＣＭＯＳでは光電変換素子の電荷はライン順次読み出しであるため、電荷の転送時間が必要となる。ここで、シャッタ機構１０５によってこの転送時間の撮像素子１０６の受光を防止することができれば、この転送時間の間にＡＦ光学系１１０によって焦点深度を検出することが可能であり、即ち転送時間を有効に利用することが可能となる（詳細は後述する）。

［シャッタ機構について］
図３乃至図５はシャッタ機構１０５を各方向からみた平面図であり、図６はシャッタ機構１０５の一部の構成を示す斜視図、図７はシャッタ機構１０５の各状態を示す模式図である。図７（ａ）は撮像光路Ｌ２が遮蔽されている状態（閉状態）を示し、図７（ｂ）は撮像光路Ｌ２が遮蔽されていない状態（開状態）を示す。これらの図に示すように、シャッタ機構１０５は、回転動力源１２１、クランク１２２、リニアガイド１２３、シャッタ１２４、開検出センサ１２５、閉検出センサ１２６及び固定部材１２７を有する。

回転動力源１２１は、回転動力を生成する動力源であり、その回転軸を回転動力軸１２１ａ（図６参照）とする。また、回転動力源１２１はモータとすることができ、特にステッピングモータが好適である。ステッピングモータは、パルス電力が供給されるとパルス数に応じた回転量（回転角度）で回転し、パルス電力が供給されていないときは回転動力軸１２１ａに停止トルクが生じる。即ち、ステッピングモータは、回転量を精密に制御することが可能であると共に、回転停止位置を維持することが可能である。また、ステッピングモータは、パルスの供給速度（単位時間あたりのパルス数）によってその回転速度を制御することが可能である。

回転動力源１２１は、図示しない制御部に接続され、制御部から上記パルス電力等の駆動電力を供給されるものとすることが可能である。このような制御部からの電力配線が接続されるコネクタをコネクタ１２１ｂ（図６参照）として示す。

以下、回転動力軸１２１ａの軸方向をＸ方向とし、Ｘ方向に垂直な方向であってシャッタ１２４が往復運動する方向をＹ方向とする。また、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。

クランク１２２は、回転動力源１２１の回転動力軸１２１ａとシャッタ１２４とを接続し、回転動力軸１２１ａの回転運動をシャッタ１２４の往復運動に変換する。クランク１２２は、第１アーム１３１と第２アーム１３２から構成されているものとすることができる。第１アーム１３１は一端が回転動力軸１２１ａに固定され、他端が第２アーム１３２に回転可能に接続されている。第１アーム１３１の長さは特に限定されないが、第２アーム１３２より短い方が回転動力軸１２１ａの回転トルクを小さくすることができ、好適である。

第２アーム１３２は一端が第１アーム１３１に回転可能に接続され、他端がシャッタ１２４に回転可能に接続されている。第２アーム１３２は、回転動力軸１２１ａと共に回転する第１アーム１３１の回転運動を往復運動に変換できるように、第１アーム１３１より長いものとすることが好適である。また、第２アーム１３２には、切り欠き１３２ａが形成されている。切り欠き１３２ａは、図７（ａ）に示すように第２アーム１３２が回転動力軸１２１ａに干渉することを防止するためのものであり、詳細は後述する。

リニアガイド１２３（図４、図５参照）は、シャッタ１２４の往復運動をガイドする。リニアガイド１２３は、Ｙ方向に沿って伸びるレール状の部材とすることができ、シャッタ１２４は部材の一部がこのリニアガイド１２３にスライド可能に嵌挿されることによってその運動方向がガイドされるものとすることができる。リニアガイド１２３はシャッタ１２４の往復運動をガイドできるものであればよく、その形状や配置は特に限定されない。

シャッタ１２４は、上述のようにクランク１２２によってＹ方向に沿って往復運動し、光路Ｌ２（図２参照）を遮蔽することが可能に構成されている。シャッタ１２４は、板状の部材であり、その主面がＸ方向に垂直な平面（Ｙ−Ｚ平面）と平行となるようにクランク１２２に接続される。

シャッタ１２４は遮光性を有するものであればよく、その材料や厚さは特に限定されない。シャッタ１２４の大きさは、撮像素子１０６への光路Ｌ２を通過する光の入射を防止するのに十分な大きさであればよく、撮像素子１０６の受光面積の大きさやシャッタ１２４と撮像素子１０６の間の距離によって決定することができる。

ここで、シャッタ１２４は重量が軽いものが好適である。シャッタ１２４の重量が軽い方が回転動力源１２１の駆動トルク（シャッタ１２４を駆動するのに要するトルク）を小さくすることができるためである。しかしながら、シャッタ１２４を軽く、強度の小さい部材とすると、たわみ等の変形が生じるおそれがある。たわみ等の変形はシャッタ１２４の遮光性に影響を与える程度ではない（数ミクロン程度）が、往復運動による変形の繰返しによっては金属疲労等によりシャッタ１２４が破損する場合がある。このため、一つには、シャッタ１２４の重心をクランク１２２に対して特定の位置関係（後述）とすることにより、たわみ等の変形を防止することが可能である。

さらには、シャッタ１２４を、その主面から折り曲げることによってリブを形成することによっても、シャッタ１２４の強度を向上させ、たわみ等の変形を防止することが可能である。図６に、シャッタ１２４に形成されたリブ１２４ａを示す。リブ１２４ａは、シャッタ１２４の端部を主面（Ｙ−Ｚ平面）から垂直方向（Ｘ−Ｙ平面）に折り曲げることによって形成されている。さらにリブ１２４ａは後述する開検出センサ１２５及び閉検出センサ１２６の検出用部材を形成するために利用することが可能である。図６には、リブ１２４ａの一部がＸ―Ｙ平面方向に延伸された検出用部材１２４ｂを示す。

開検出センサ１２５は、シャッタ１２４が光路Ｌ２を遮蔽しない位置（開位置とする）にあるか否かを検出するセンサである。開検出センサ１２５は、その検出結果を上述した回転動力源１２１の制御部に出力するものとすることができる。

開検出センサ１２５は具体的には光センサであるものとすることができ、発光部と受光部とを備え、発光部から照射された照射光を受光部が検出する構成とすることができる。シャッタ１２４が開位置にないときには受光部が照射光を受光し、シャッタ１２４が開位置にあるときにはシャッタ１２４の部材（検出用部材１２４ｂ）が照射光を遮り、受光部が照射光を受光しない。これにより、シャッタ１２４が開位置にあるか否かを検出することができる。また、開検出センサ１２５は光センサ以外にも、シャッタ１２４が開位置にあるか否かを検出できるものであればよい。

閉検出センサ１２６は、シャッタ１２４が光路Ｌ２を遮蔽する位置（閉位置とする）にあるか否かを検出するセンサである。閉検出センサ１２６は、その検出結果を上述した回転動力源１２１の制御部に出力するものとすることができる。

閉検出センサ１２６は具体的には光センサであるものとすることができ、発光部と受光部とを備え、発光部から照射された照射光を受光部が検出する構成とすることができる。シャッタ１２４が閉位置にないときには受光部が照射光を受光し、シャッタ１２４が閉位置にあるときにはシャッタ１２４の部材（検出用部材１２４ｂ）が照射光を遮り、受光部が照射光を受光しない。これにより、シャッタ１２４が閉位置にあるか否かを検出することができる。また、閉検出センサ１２６は光センサ以外にも、シャッタ１２４が閉位置にあるか否かを検出できるものであればよい。

開検出センサ１２５及び閉検出センサ１２６の出力を受けた回転動力源１２１の制御部は、シャッタ１２４の位置を取得することが可能であり、回転動力源１２１に供給した駆動電力に従って、シャッタ１２４の開閉が実行されているか否かを把握することが可能となる。制御部は、回転動力源１２１等に問題が生じ、シャッタ１２４の開閉が正常に行われていない場合には、顕微鏡撮像画像の撮像を中断することが可能である。

例えば、回転動力源１２１がステッピングモータである場合、回転子が固定子の発生する磁束に追従できなくなる「脱調」が発生する場合があるが、このような場合において撮像が継続されることを防止することが可能となる。また、制御部は、シャッタ１２４の開閉スピードから経年劣化等による部材の損耗等を検知し、シャッタ機構１０５の交換時期をユーザに提示することも可能となる。

固定部材１２７は、シャッタ機構１０５を顕微鏡１００の本体に固定する。固定部材１２７は振動吸収部材を有し、振動吸収部材を介してシャッタ機構１０５を本体に固定する。振動吸収部材はゴムあるいはスポンジ等の弾性部材であるものとすることができる。振動吸収部材によって回転動力源１２１の回転やシャッタ１２４の運動によって生じた振動が吸収されるため、このような振動による撮像への影響を防止することが可能である。

［シャッタ開閉動作］
シャッタ機構１０５によるシャッタ１２４の開閉動作について説明する。

図８は、シャッタ１２４の開閉動作を示す模式図である。図８（ａ）はシャッタ１２４が閉位置にある状態（閉状態）、図８（ｂ）はシャッタ１２４が閉位置と開位置の間にある状態（中間状態）、図８（ｃ）はシャッタ１２４が開位置にある状態（開状態）を示す。図８（ａ）〜（ｃ）において、第１アーム１３１と第２アーム１３２の回転軸を回転軸Ｐ１、第２アーム１３２とシャッタ１２４の回転軸を回転軸Ｐ２、シャッタ１２４の重心を重心Ｇとして示す。

図８（ａ）に示す閉状態において、回転動力軸１２１ａが回転（図において半時計回り）すると、第１アーム１３１が回転動力軸１２１ａの周りに回転すると共に、第２アーム１３２が第１アーム１３１に連動して移動する。このとき、シャッタ１２４はリニアガイド１２３によって移動方向が制限されているため、回転動力軸１２１ａに接近する方向（図において左方向）に移動する。このため、クランク１２２及びシャッタ１２４は、図８（ａ）に示す閉状態から図８（ｂ）に示す中間状態を経由して、図８（ｃ）に示す開状態に遷移する。

同様に、図８（ｃ）に示す閉状態において、回転動力軸１２１ａが回転（図において時計回り）すると、第１アーム１３１の回転に伴なって第２アーム１３２が移動し、シャッタ１２４が回転動力軸１２１ａから離間する方向（図において右方向）に移動する。このため、クランク１２２及びシャッタ１２４は、図８（ｃ）に示す状態から図８（ｂ）に示す中間状態を経由して、図８（ａ）に示す開状態に遷移する。

このように、回転動力軸１２１ａが一つの回転方向とその反対の回転方向に交互に回転することによって、シャッタ１２４は開位置と閉位置の間で移動し、即ち往復運動を行う。これにより、シャッタ１２４の背後に位置する撮像素子１０６がシャッタ１２４により遮蔽され、又は遮蔽から開放される。

［クランクの接続態様］
クランク１２２は、図８（ａ）に示す閉状態において、回転動力軸１２１ａ、回転軸Ｐ１及び回転軸Ｐ２がこの順で同一直線上に並ぶように構成されるものとすることができる。また、クランク１２２は、図８（ｃ）に示す閉状態において、回転軸Ｐ１、回転動力軸１２１ａ及び回転軸Ｐ２がこの順で同一直線上に並ぶように構成されるものとすることができる。

クランク１２２をこのような構成とすることにより、図８（ａ）に示す閉状態と図８（ｃ）示す開状態において、回転動力軸１２１ａの駆動トルクを最小とすることが可能となる。図９は、回転動力軸１２１ａの回転角度と回転動力源１２１が生成する必要があるトルクの関係を示すグラフである。図９（ａ）は上述した本実施形態に係る接続態様におけるグラフであり、図９（ｂ）は比較に係る接続態様におけるグラフである。図９（ｂ）に示すグラフは、閉状態において回転動力軸１２１ａと回転軸Ｐ１を結ぶ直線と回転軸Ｐ１と回転軸Ｐ２とを結ぶ直線のなす角が４５°の角度となり、開状態においては同角が１３５°となる接続態様の場合のグラフである。

図９（ａ）及び図９（ｂ）において、「ロータ回転トルク」は、回転動力源１２１のロータを回転させるのに必要なトルクであり、図９（ａ）と図９（ｂ）で同一である。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すようにロータ回転トルクは、回転開始角度と回転終了角度において大きくなる。

図９（ａ）および図９（ｂ）において「クランク動作トルク」は、回転動力軸１２１ａに接続されたクランク１２２を開状態から閉状態まで、又は閉状態から開状態まで動作させるのに必要なトルクである。図９（ａ）については回転開始角度及び回転終了角度においてクランク動作トルクは０であるのに対し、図９（ｂ）については回転開始角度及び回転終了角度において０ではない。これは、回転軸Ｐ１のトルク反力が、回転動力軸１２１ａ、回転軸Ｐ１及び回転軸Ｐ２が同一直線上に並ぶときに最小となるからである。

図９（ａ）及び図９（ｂ）において「駆動トルク」は、ロータ回転トルクとクランク動作トルクの和であり、回転動力源１２１が回転動力軸１２１ａに発生させるべきトルクである。図９（ａ）及び図９（ｂ）についてロータ回転トルクは同一であるものの、クランク動作トルクは上述のように異なるため、回転開始角度及び回転終了角度において図９（ａ）の方が駆動トルクが小さくなる。

即ち、本実施形態に係るシャッタ機構１０５においては、上記のようなクランク１２２の接続態様とすることにより、回転開始角度及び回転終了角度において回転動力源１２１が発生させる必要がある駆動トルクを他の接続態様と比較して最小とすることができる。換言すれば、シャッタ１２４は、回転動力軸１２１ａの回転開始時に必要な動作トルクが最も小さくなる位置で停止することとなる。したがって、シャッタ１２４の開閉開始時における回転動力源１２１の脱調を防止することが可能であり、また、動作トルクの小さい回転動力源を回転動力源１２１として利用することが可能となる

なお、第２アーム１３２に設けられた切り欠き１３２ａは、図８（ｃ）に示す閉状態において、第２アーム１３２と回転動力軸１２１ａの干渉を防止し、回転軸Ｐ１、回転動力軸１２１ａ及び回転軸Ｐ２が同一直線上に並ぶことを可能とする。第２アーム１３２の形状によって第２アーム１３２と回転動力軸１２１ａの干渉が生じない場合（例えば第２アーム１３２が湾曲している場合等）には、切り欠き１３２ａは設けられなくてもよい。

さらに、クランク１２２は、回転軸Ｐ２と重心Ｇを結ぶ直線が、シャッタ１２４の移動方向（Ｙ方向）と平行となるように、シャッタ１２４に接続されるものとすることができる。これにより、シャッタ１２４の移動方向に垂直な方向（Ｚ方向）に発生するシャッタ１２４のたわみを防止することができると共に、シャッタ１２４の往復運動をスムーズにすることが可能である。

以上のように、クランク１２２は、閉状態及び開状態において回転動力軸１２１ａ、回転軸Ｐ１及び回転軸Ｐ２が同一直線上に並ぶように構成されていることにより回転動力源１２１の駆動トルクを最小とすることが可能である。しかしながら、クランク１２２の接続態様は上述のものに限られず、図７（ａ）に示したように、閉状態あるいは開状態において回転動力軸１２１ａ、回転軸Ｐ１及び回転軸Ｐ２が同一直線上とならない接続態様とすることも可能である。これは例えばシャッタ機構１０５の配置空間が限られる場合等に有効である。

なお、上述の説明においては一基の回転動力源１２１によってシャッタ１２４が駆動されるものとしたがこれに限られない。例えば複数の回転動力源１２１がそれぞれクランク１２２によってシャッタ１２４と接続され、シャッタ１２４駆動するものとすることも可能である。

［パルス電力制御について］
上述のように回転動力源１２１は、ステッピングモータを利用することが可能であるが、ステッピングモータはパルス電力を供給することによって駆動させることができる。以下に、回転動力源１２１の制御部によるパルス電力の制御について説明する。図１０は、パルス電力の制御プロファイルであり、回転動力軸１２１ａの回転位置（回転角度）に対するパルス間隔を示す。回転開始位置は回転動力軸１２１ａの回転が開始される（シャッタ１２４の移動が開始される）回転位置であり、回転停止位置は回転動力軸１２１ａの回転が停止される（シャッタ１２４の移動が停止される）回転位置である。即ち、回転開始位置から回転停止位置の間で、シャッタ機構１０５は閉状態から開状態に遷移し、又は開状態から閉状態に遷移する。

図１１は、一般的にステッピングモータの駆動に利用される台形駆動という加速時と減速時に回転速度を落とすパルス間隔の制御プロファイルである。これに比べて、図１０のようにＳｉｎ波で近似されるプロファイルにすることで、なめらかに加速、減速が可能になり、振動の低減と急激な速度変化による脱調を防止する。

図１０に示すように、この制御プロファイルは、回転開始位置においてはパルス間隔を長くし、回転開始位置から離れるにしたがってパルス間隔を短くし、回転停止位置に近づくにつれて再びパルス間隔を長くする、Ｓｉｎ曲線に近似するプロファイルである。

このような制御プロファイルによって、回転開始位置においては回転動力軸１２１ａの回転トルクが大きくて回転速度が小さく、回転開始位置から離れるにしたがって回転トルクは小さく、回転速度は大きくなる。さらに回転停止位置に近づくにつれて、再び回転トルクが大きく、回転速度が小さくなる。また、回転トルク及び回転速度の増減は、連続的に推移する。

これにより、回転開始位置の近傍においては大きな回転トルクによってシャッタ機構１０５を駆動することができると共に、ステッピングモータの脱調を防止することが可能となる。また、回転動力軸１２１ａの回転が開始された後は、大きな回転トルクは必要なくなるので、シャッタ機構１０５の駆動速度を大きくすることができる。回転停止位置の近傍においては、大きな回転トルクによってシャッタ機構１０５を制動することができると共にステッピングモータの脱調を防止することが可能となる。

さらに、シャッタ機構１０５を回転動力源１２１の回転トルクによって減速、停止させることが可能であるため、シャッタ機構１０５を停止させるためのストッパ等が不要となり、シャッタ１２４のストッパへの衝突による振動を防止することが可能である。

また、ステッピングモータの回転停止時に反転パルスを供給する制御方法とすることも可能である。図１２は、反転パルスの供給タイミングを示す模式図である。図１２（ａ）は、反転パルスを供給しない場合のステッピングモータの回転速度を示し、図１２（ｂ）は反転パルスを供給する場合のステッピングモータの回転速度を示す。図１２（ｃ）は一方向（ＣＷ）への回転トルクを生じさせるパルスの供給タイミングを示し、図１２（ｄ）のその反対方向（ＣＣＷ）への回転トルク（反転トルク）を生じさせるパルス（反転パルス）の供給タイミングを示す。

図１２（ｃ）に示すように、パルスの供給間隔を次第に大きくすることによりステッピングモータの回転速度を遅くすることが可能であるが、そのままでは、ステッピングモータの回転停止後に回転が静定するまで時間を要する（図１２（ａ）参照）。そこで、回転を停止させたいタイミングで、反転パルスをステッピングモータに供給することにより、反転トルクによってステッピングモータを迅速に停止させ（図１２（ｂ）参照）、即ち静定速度を向上させることが可能となる。

［顕微鏡の動作］
以上のように構成された顕微鏡１００の動作について説明する。図１３は、顕微鏡１００の動作のタイムチャートである。図１４は比較に係る顕微鏡の動作のタイムチャートである。比較に係る顕微鏡は、本実施形態に係る顕微鏡１００からシャッタ機構１０５を除いたものとする。

まず、図１４に示す比較に係る顕微鏡の動作のタイムチャートについて説明する。同図は、スライドの所定範囲の撮像が実行された後、次の撮像範囲の撮像が実行されるまでのタイムチャートである。撮像素子（ＣＭＯＳ）の露光（撮像素子露光）後、撮像素子の電荷の転送が実行される。電荷の転送と並行して、次の撮像範囲に向けてステージが移動され、静定される。

次に、ＡＦセンサの露光（ＡＦ露光）が実行されるのであるが、ステージの静定後、直ちにＡＦ露光が実行されると、撮像素子も受光してしまうため、撮像素子の電荷の転送が完了するまで待機する。以下、この待機時間を時間Ｔｗとする。撮像素子の電荷の転送が完了した後、ＡＦ露光が実行され、ＡＦセンサの出力から焦点深度が算出される（ＡＦ処理）。

続いて、算出された焦点深度に合わせてステージの位置（Ｚ位置）等が移動され、焦点距離が調整される。これにより、次の撮像範囲の撮像準備が整い、その撮像範囲の撮像（撮像素子露光）が実行される。図１４に、撮像素子露光から次の撮像素子露光までの時間（撮像間隔）を時間Ｔ１として示す。このように、比較に係る顕微鏡においては、撮像素子の電荷の転送が完了するまでの間に待機時間（時間Ｔｗ）が発生する。

これに対し、本実施形態に係る顕微鏡１００の場合、スライドの所定範囲の撮像が実行された後、次の撮像範囲の撮像が実行されるまでのタイムチャートは図１３のようになる。撮像素子１０６の露光（撮像素子露光）後、撮像素子１０６の電荷の転送が実行される。電荷の転送と並行して、次の撮像範囲に向けてステージ１０１が移動され、静定される。さらに、撮像素子露光の終了後、シャッタ１２４の閉止が開始され（閉動作）、シャッタ１２４は閉止される（閉状態）。

ステージ１０１の静定が完了した後、直ちにＡＦセンサ１０８の露光（ＡＦ露光）が実行される。比較例に係る顕微鏡と異なり、撮像素子１０６はシャッタ１２４によって遮蔽されているため、ステージ１０１の静定後、直ちにＡＦ露光が可能である。ＡＦ露光後にＡＦセンサ１０８の出力から焦点深度が算出される（ＡＦ処理）。さらに、ＡＦ露光の終了後、シャッタ１２４の開放が開始され（開動作）。シャッタ１２４は開放される（開状態）。

続いて、算出された焦点深度に合わせてステージの位置（Ｚ位置）等が移動され、焦点距離が調整される。これにより、次の撮像範囲の撮像準備が整い、その撮像範囲の撮像（撮像素子の露光）が実行される。シャッタ機構１０５は、撮像素子露光が終了すると再びシャッタ１２４の閉止を開始する。

図１３に、撮像素子露光から次の撮像素子露光までの時間（撮像間隔）を時間Ｔ２として示す。比較に係る顕微鏡と比較して、本実施形態に係る顕微鏡１００においては、待機時間（時間Ｔｗ）が発生しないため、時間Ｔ２は時間Ｔ１よりも時間Ｔｗの分短くなる。これにより、撮像（撮像素子の露光）を高速に実行することが可能となる。一回の撮像で短縮できる時間Ｔｗは短い（数ｍ秒程度）ものであるが、撮像は一つのスライドについて数千回行われる場合もあり、各回の時間Ｔｗを積算すれば相当の時間を短縮することが可能である。

また、ステージ移動及び静定に要する時間は、ステージ駆動機構の改良等により短縮の余地があるが、比較に係る顕微鏡においてはこの時間を短縮しても待機時間（時間Ｔｗ）が延びるだけであり、撮像間隔（時間Ｔ１）の短縮にはつながらない。一方、本実施形態に係る顕微鏡１００においては、ステージ移動及び静定に要する時間を短縮すればその分、撮像時間（時間Ｔ２）を短縮することが可能である。

本技術は、上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である

本実施形態に係るシャッタ機構は、顕微鏡に利用されるものとしたがこれに限られない。例えば、カメラ等の撮像機器のシャッタ機構として利用することも可能である。また、光線を遮蔽するものに限られず、他の電磁波や物質を遮蔽するためのシャッタ機構として利用することも可能である。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
顕微鏡光学系と、
第１の受光素子と、
回転動力を生成する回転動力源と、上記回転動力源によって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、上記クランクに接続されたシャッタとを有し、上記シャッタは上記クランクにしたがって上記顕微鏡光学系から上記第１の受光素子へ至る第１の光路を遮蔽する第１の位置と、上記第１の光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動するシャッタ機構と
を具備する顕微鏡。

（２）
上記（１）に記載の顕微鏡であって、
上記クランクは、上記回転動力源の回転動力軸に固定された第１のアームと、上記第１のアーム及び上記シャッタにそれぞれ回転可能に接続された第２のアームとを有し、
上記第１のアームと上記第２のアームは第１の回転軸によって接続され、
上記第２のアームと上記シャッタは第２の回転軸によって接続されている
顕微鏡。

（３）
上記（１）又は（２）に記載の顕微鏡であって、
上記回転動力軸、上記第１の回転軸及び上記第２の回転軸は、上記シャッタが上記第１の位置及び上記第２の位置にあるときに、同一直線上に配列する
顕微鏡。

（４）
上記（１）から（３）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記回転動力源は、ステッピングモータである
顕微鏡。

（５）
上記（１）から（４）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、
上記制御部は、上記シャッタが上記第１の位置及び上記第２の位置から離間するにしたがって上記パルス電力のパルス間隔を小さくする
顕微鏡。

（６）
上記（１）から（５）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
第２の受光素子と、
上記第１の光路と、上記顕微鏡光学系から上記第２の受光素子へ至る第２の光路とを分離する光路分離部と
をさらに具備する顕微鏡。

（７）
上記（１）から（６）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記第１の受光素子は、画像撮像用素子であり、
上記第２の受光素子は、焦点深度検出用素子である
顕微鏡。

（８）
上記（１）から（７）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記画像撮像用素子は、ＣＭＯＳイメージセンサである
顕微鏡。

（９）
上記（１）から（８）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記シャッタ機構は、振動吸収部材を介して上記顕微鏡光学系に固定されている
顕微鏡。

（１０）
上記（１）から（９）のいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
上記第１の位置にある上記シャッタを検出する第１の検出センサと、
上記第２の位置にある上記シャッタを検出する第２の検出センサと
をさらに具備する
顕微鏡。

（１１）
回転動力を生成する回転動力源と、
上記回転動力源によって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、
上記クランクに接続されたシャッタであって、上記クランクにしたがって顕微鏡光学系から受光素子へ至る光路を遮蔽する第１の位置と、上記光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動するシャッタと
を具備するシャッタ機構。

（１２）
上記（１１）に記載のシャッタ機構であって、
上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、
上記回転動力源はステッピングモータであって、
上記制御部は、上記ステッピングモータに、パルス間隔の駆動のプロファイルがＳｉｎカーブとなるようにパルス電力を供給する
シャッタ機構。

（１３）
上記（１１）又は（１２）に記載のシャッタ機構であって、
上記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、
上記回転動力源はステッピングモータであって、
上記制御部は、上記ステッピングモータの停止時に上記ステッピングモータに反転パルスを供給する
シャッタ機構。

（１４）
病理に用いられる顕微鏡用撮影装置であって、
撮像素子の直前に設けられた機構的な遮光手段
を具備する顕微鏡用撮影装置。

１００…顕微鏡
１０１…ステージ
１０２…対物レンズ鏡筒
１０３…結像レンズ鏡筒
１０４…光路分離部
１０５…シャッタ機構
１０６…撮像素子
１０７…オートフォーカスレンズ鏡筒
１０８…オートフォーカスセンサ
１０９…顕微鏡光学系
１１０…オートフォーカス光学系
１２１…回転動力源
１２２…クランク
１２３…リニアガイド
１２４…シャッタ
１２５…開検出センサ
１２６…閉検出センサ
１２７…固定部材
１３１…第１アーム
１３２…第２アーム

Claims (11)

1. 顕微鏡光学系と、
   画像撮像用素子と、
   焦点深度検出用素子と、
   回転動力を生成する回転動力源と、前記回転動力源によって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、前記クランクに接続されたシャッタとを有し、前記シャッタは前記クランクにしたがって前記顕微鏡光学系から前記画像撮像用素子へ至る第１の光路を遮蔽する第１の位置と、前記第１の光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動するシャッタ機構と、
   前記第１の光路と、前記顕微鏡光学系から前記焦点深度検出用素子へ至る第２の光路とを分離する光路分離部と
   を具備し、
   前記シャッタが前記第２の位置に位置するときに、前記画像撮像用素子に前記光路分離部から到達した光が受光されて電荷が蓄積され、
   前記シャッタが前記第１の位置に位置するときに、前記画像撮像用素子に蓄積された前記電荷が転送され、前記電荷が転送される間に前記焦点深度検出用素子によって前記光路分離部から到達した光が受光され、焦点深度が検出される
   顕微鏡。
2. 請求項１に記載の顕微鏡であって、
   前記クランクは、前記回転動力源の回転動力軸に固定された第１のアームと、前記第１のアーム及び前記シャッタにそれぞれ回転可能に接続された第２のアームとを有し、
   前記第１のアームと前記第２のアームは第１の回転軸によって接続され、
   前記第２のアームと前記シャッタは第２の回転軸によって接続されている
   顕微鏡。
3. 請求項２に記載の顕微鏡であって、
   前記回転動力軸、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸は、前記シャッタが前記第１の位置及び前記第２の位置にあるときに、同一直線上に配列する
   顕微鏡。
4. 請求項１から３のうちいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
   前記回転動力源は、ステッピングモータである
   顕微鏡。
5. 請求項４に記載の顕微鏡であって、
   前記ステッピングモータにパルス電力を供給する制御部をさらに具備し、
   前記制御部は、前記シャッタが前記第１の位置及び前記第２の位置から離間するにしたがって前記パルス電力のパルス間隔を小さくする
   顕微鏡。
6. 請求項１から５のうちいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
   前記画像撮像用素子は、ＣＭＯＳイメージセンサである
   顕微鏡。
7. 請求項１から６のうちいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
   前記シャッタ機構は、振動吸収部材を介して前記顕微鏡光学系に固定されている
   顕微鏡。
8. 請求項１から７のうちいずれか一つに記載の顕微鏡であって、
   前記第１の位置にある前記シャッタを検出する第１の検出センサと、
   前記第２の位置にある前記シャッタを検出する第２の検出センサと
   をさらに具備する
   顕微鏡。
9. 回転動力を生成するステッピングモータと、
   前記ステッピングモータによって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、
   前記クランクに接続されたシャッタであって、前記クランクにしたがって顕微鏡光学系から受光素子へ至る光路を遮蔽する第１の位置と、前記光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動するシャッタと、
   前記ステッピングモータに、パルス間隔の駆動のプロファイルがＳｉｎカーブとなるようにパルス電力を供給する制御部と
   を具備するシャッタ機構。
10. 請求項９に記載のシャッタ機構であって、
    前記制御部は、前記ステッピングモータの停止時に前記ステッピングモータに反転パルスを供給する
    シャッタ機構。
11. 病理に用いられる顕微鏡用撮影装置であって、
    撮像素子の直前に設けられた、回転動力を生成するステッピングモータと、前記ステッピングモータによって生成された回転動力を往復運動に変換するクランクと、前記クランクに接続されたシャッタであって、前記クランクにしたがって顕微鏡光学系から受光素子へ至る光路を遮蔽する第１の位置と、前記光路を遮蔽しない第２の位置との間で往復運動するシャッタと、前記ステッピングモータに、パルス間隔の駆動のプロファイルがＳｉｎカーブとなるようにパルス電力を供給する制御部とを備えるシャッタ機構
    を具備する顕微鏡用撮影装置。