JP6962714B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学的に物体を観察・撮像する観察装置に関する。

光学的に物体を観察・撮像する観察装置において観察範囲の変更を行う方式には、例えば顕微鏡の場合倍率の異なる対物レンズをレボルバに取り付けてこのレボルバを回転させることにより観察範囲の変更を行うもの、対物レンズそのものがズーム式変倍機能を持っていてこれにより観察範囲の変更を行うもの（特許文献１、２）、対物レンズと結像レンズの間のアフォーカル部にズーム式変倍機能を持っていてこれにより観察範囲の変更を行うもの（特許文献３）、途中で光路を分割してそれぞれの光路での投影倍率を変えておきそれらの光路を適宜選択することで観察範囲の変更を行うもの（特許文献４）、といった方式などが従来より知られている。
またカメラなどでは、撮影光学系やファインダー光学系がズーム式変倍機能や焦点切り換え機能を持っていてこれにより観察範囲（撮影範囲）の変更を行うことはごく一般的な方法である

また他にも、光学的に集められた光情報を撮像素子等の検出手段で電気的な信号に変換して得られた画像情報の一部分を抽出することで観察範囲の変更を行う電子変倍（デジタルズーム、電子ズーム等）といった方法も挙げられる。

特開2003-66333号公報 特開2007-213103号公報 特開2006-84825号公報 特開平8-190056号公報

ところで光学系の一部を変更することによって観察範囲の変更を行う方式は必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲の変更幅を広く確保することが比較的容易であるが、一方で大きくかつ重くなりがちなレンズ群を機械的に駆動させなければならなかったりそういった機構自体を設ける必要性から、どうしても装置全体としての根本的な小型化や軽量化、切り換えの高速化、静粛化といったことが難しい。
また画像情報の一部分を抽出することで観察範囲の変更を行う電子変倍は機械的な駆動部分が不要なため小型化や軽量化、切り換えの高速化、静粛化といった面では有利であるが、使用する光学系と検出手段との適合性に十分配慮しないと必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲の変更を行うことができる幅がかなり狭いものになってしまう。

以上のような課題を踏まえ、本発明では必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲の変更幅も比較的広い、小型で軽量、かつ切り換えも高速で静粛な観察・撮像ができる観察装置を提供することを目的としている。

本発明の第一の態様における観察装置は、物体を観察する観察装置であって、前記物体からの光を結像する結像光学系と、前記結像光学系の射出側の開口数を変更する開口数変更手段と、前記結像光学系により結像された前記物体の像を画像信号に変換する検出手段と、前記検出手段で得られた前記画像信号の抽出範囲を、指示された観察範囲となるように変更する観察範囲変更処理を実行する観察範囲変更手段と、前記観察範囲変更処理後の前記画像信号を表示する表示手段と、前記指示された観察範囲に応じて前記開口数変更手段を制御する制御手段と、を含み、前記画像信号の抽出範囲は、前記結像光学系と前記検出手段の最大寸法により決まる最大観察範囲より狭い範囲であり、前記観察範囲変更手段は、前記画像信号の抽出範囲が、前記表示手段にピクセル等倍表示で表示されるように、前記観察範囲変更処理後の画像信号の画素ピッチを擬似的に調整し、前記制御手段は、前記画素ピッチに基づいて前記開口数変更手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲の変更幅も比較的広い、小型で軽量、かつ切り換えも高速で静粛な観察・撮像ができる観察装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る観察装置の構成を示す図。 第１の実施形態に係る観察装置の構成の別の状態を示す図。 第１の実施形態に係る観察装置の機能構成の一例を示す図。 第１の実施形態に係る観察装置の機能構成の別の一例を示す図。 第２の実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図。 第２の実施形態に係る顕微鏡の別の構成を示す図。 第２の実施形態に係る顕微鏡のさらに別の構成を示す図。 制御用ＰＣが実行する開口数の制御の手順を示すフローチャート。 手動で実行する開口数の制御の手順を示すフローチャート。 第３の実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図。 第３の実施形態の変形例に係る撮像素子を示す図。 第４の実施形態に係る実施形態に係るカメラの構成を示す図。

以下、図面を参照しつつ本発明の第１の実施形態における観察装置について説明する。尚、第１の実施形態では、本発明の特徴を表す基本的な構成に着目して説明し、後述する各実施形態において、第１の実施形態で説明する構成を含むより具体的な実施の例を説明する。

図１は、第１の実施形態における観察装置１の構成を示す。観察装置１は、物体である標本Ｓからの光を結像するための結像光学系８として対物レンズ７と、結像レンズ４を備え、さらに、結像光学系８内に含まれる開口絞り２と、駆動部３と、結像された標本Ｓの像を画像信号に変換して検出する手段であるカメラ５と、各種制御を行う制御用ＰＣ６と、画像信号を画像として表示する表示手段である印刷装置やあるいはモニタ３３を備えている。結像光学系８において、対物レンズ７と、結像レンズ４は、その間にアフォーカル光学系部を形成している。

開口絞り２は、対物レンズ７の射出瞳位置またはその近傍に設けられた羽根絞り等からなる径を変更可能な可変開口絞りである。開口絞り２は、絞り径を変えることで対物レンズ７の瞳径を変更し、対物レンズ７の入射側開口数、及び結像レンズ４の射出側開口数を変更する。即ち、開口絞り２は、絞り径を変更することで観察装置１の結像光学系８の開口数を変更する開口数変更手段として機能する。

尚、本明細書において開口数と記載した場合は特に断らない限り、開口数は予め設計された光学系の基本性能を表す指数としての開口数のことではなく、光路に配置された開口絞り等によって適宜変更される開口数のことを示す。

図２は、図１の観察装置１の構成において、開口絞り２を絞ることで絞り径を小さくした状態を示している。このとき、観察装置１の結像光学系８の開口数は小さくなる。逆に開口絞り２を広げることで、観察装置１の結像光学系８の開口数は大きくなる。

駆動部３は、開口絞り２を機械的に制御する機構であり、例えばモータである。駆動部３は、制御用ＰＣ６の制御によって駆動する。

カメラ５は、標本Ｓの像を画像信号に変換するための検出手段である撮像素子５ａを含んでいる。また、変換した画像信号は、表示手段であるモニタ３３へ表示されるが、ここでカメラ５は、変換した画像信号の中の特定の範囲を電子的に抽出して、観察範囲を変更する観察範囲変更処理を行う観察範囲変更手段として機能する。観察範囲とは、画像として表示する際の標本Ｓの表示範囲を意味する。観察範囲変更処理は、使用者から指示された観察範囲となるように画像信号の抽出範囲を変更することを意味する。そして、モニタ３３は、観察範囲変更処理後の画像信号を表示する。

一般には、表示される画像に用いられる撮像素子５ａの画素１個が表示手段で表示に用いられる画素１個で表示される状態を（ピクセル）等倍表示と称し、撮像素子の持つ解像度を最も効率良くかつ忠実に引き出した表示状態となる。ところが現状市販されているモニタ類の画面解像度（表示に使用される画素数）は撮像素子の画素数よりもかなり小さいため、撮像素子の持つ解像度を忠実に引き出そうとして（ピクセル）等倍表示を行うと撮像素子が撮像した観察範囲の一部分しか表示できないことになる。つまりこの状態は、モニタ表示上はその画面解像度で本来の観察範囲の一部分を拡大表示したことに相当する。逆に言えば、撮像した全観察範囲を（ピクセル）等倍表示したいのであれば撮像素子の画素数をモニタ類の画面解像度（表示に使用される画素数）と同程度以下に小さくすればよい。ということは、撮像素子の寸法（大きさ）が変わらない場合はより画素ピッチの大きな画素数の小さい撮像素子を使用する（あるいは寸法も画素ピッチも変わらず画素数の大きな撮像素子の場合には元々有った画素数を近傍の画素同士の画像信号を結合処理したりあるいは跳び越し処理などをして間引いて表示する）ことに相当する。これは擬似的に撮像素子の画素ピッチを大きくすることにも相当し、結果的に広視野表示の場合は光学系に求められる開口数をその大きな画素ピッチでも十分に解像できる程度まで小さくしてもよいということになる。表示手段の画面解像度については、観察用途に応じて適宜変更されても構わない。

また、撮像素子５ａとして、カラーの撮像素子とモノクロの撮像素子のどちらを用いても構わない。モノクロの場合には、高解像度、高感度観察を目的としてそのまま使用してもよく、色再現性を重視した観察を目的として色フィルターと併せて用いてもよい。

制御用ＰＣ６は、開口絞り２による開口数変更の処理、及び、カメラ５の観察範囲変更処理を制御する。具体的には、制御用ＰＣ６は、カメラ５で行われる観察範囲変更処理に応じて、駆動部３を通して開口絞り２の制御を行う制御手段として機能する。以下、制御用ＰＣ６が行う制御について、図３を用いてより詳しく説明する。

図３は、観察装置１を各機能ごとに分類した機能構成を示す図である。観察装置１は、その機能構成として、観察装置本体１０が備える結像光学手段１３と開口数変更手段１４、カメラ１１ａが備える検出手段１５と観察範囲変更手段１６及び、制御用ＰＣ１２ａが備える制御手段１７とに分けられる。カメラ１１ａは図１のカメラ５に該当し、制御用ＰＣ１２ａは図１の制御用ＰＣ６に該当し、観察装置本体１０は図１に示す観察装置１が有する残りの構成に該当する。

結像光学手段１３は、標本Ｓの像を検出手段１５に結像する。検出手段１５は、結像された像を画像信号に変換する。画像信号は、例えば、カメラ１１ａから制御用ＰＣ１２ａへ出力され、制御用ＰＣ１２ａと接続されるモニタ３３に画像として表示されることで、観察装置１を使用する使用者は、標本Ｓを観察することができる。

ここで使用者は、上記モニタ３３に表示される画像を見ながら所定の範囲内で、観察範囲の変更を行うことができる。制御手段１７は、使用者からの観察範囲の変更指示を受けた場合、観察範囲変更手段１６を制御することで、指示された観察範囲になるように画像信号の観察範囲変更処理（電子変倍処理）を行う。このとき該観察範囲は、結像光学系と使用する最大寸法の撮像素子で決まる最大観察範囲Iから、使用する最小画素ピッチの撮像素子の等倍表示時の画面解像度と同じ画素数が抽出する観察範囲IIまでの間で自由に設定することができる。この観察範囲Iから観察範囲IIまでの間で観察範囲を変えることを、以降電子変倍と称する。また、この観察範囲Iの対角長と観察範囲IIの対角長との比を、以降電子変倍比と称する。以上のことから、仮に観察範囲Iが変わらない場合、大きい画面解像度で観察しようとすると観察範囲IIの範囲が大きくなるため結果的に電子変倍比は小さくなり、逆に小さい画面解像度でも構わない場合は電子変倍比を大きくすることができる。尚、観察範囲の指定は、観察範囲Iの範囲を倍率として表記する上では1×と表記すると定義した場合、これに対する相対的な観察範囲の比率を倍率（以降電子変倍倍率とも称する）として指定する形式で行うなどの方法でもよい。このとき、制御手段１７は、変更指示を受けた観察範囲に応じて、開口数変更手段１４を制御することで、結像光学系８の開口数を変更する。また、開口数変更手段１４は、指示された観察範囲の画像信号をモニタ３３へ表示する際に撮像素子において必要となる解像度を画像信号が有するように開口数変更手段１４を制御する。即ち、開口数変更手段１４は、指示された観察範囲と該観察範囲の画像信号を表示するモニタ３３の画面解像度とに応じて、必要且つ適切な解像度を画像信号が有するように開口数を変更する。以下、具体的に制御手段１７が行う開口数変更手段１４の制御について説明する。

制御手段１７の制御の方法の例を記載すると、制御手段１７は、使用者から指示された観察範囲が狭くなるほど結像手段１３の射出側の開口数が大きくなるように開口数変更手段１４を制御し、指示された観察範囲が広くなるほど結像光学系１３の射出側の開口数が小さくなるように開口数変更手段１４を制御する。電子変倍倍率が大きくなる場合に、即ち指示された観察範囲が狭くなるほど、結像手段１３の開口数が大きくなるように制御されることで、画面解像度に応じた光学的分解能を確保することができ、観察範囲IIまでモニタ３３により（ピクセル）等倍表示で拡大観察状態にした場合にもモニタ３３に表示される画像がぼやけてしまうことを抑制し、好ましくは防止することができる。また、電子変倍倍率が小さくなる場合に、即ち指示された観察範囲が広くなるほど、結像手段１３の開口数が小さくなるように制御されることで、結像光学系８の広視野での収差補正を楽にして結果的に小型軽量化や低コスト化に寄与することができる。また、結像光学系の有効径を大きくしなくても軸上光束と軸外光束との開口数の差を小さくして周辺光量の低下を緩和することもできる。これにより、結果的にさらに装置全体の小型軽量、低コスト化も進められ、また画像に生じる明るさムラを低減することも可能である。

さらに、結像光学系８の開口数は、以下の（１）式を満たすように、開口数変更手段１４により変更されると尚よい。下式を満たさない状態は、光学的分解能が撮像素子５ａの解像度に対して優位にある状態であり、光学的分解能が十分に画像に反映されない状態である。
２≦１．２２×λ／（ＮＡＩ１×Ｐ） ・・・ （１）
ここで、ＮＡＩ１は結像光学系８の開口数を示し、Ｐはカメラ５や撮像素子５ａが１つ以上有る場合に指定した観察範囲に応じて選択される撮像素子５ａの画素ピッチを示し、λは観察波長を示す。例えば、観察波長は、撮像素子５ａが検出できる波長の中で最も長い波長を示すものとしてもよい。
尚、カメラ５や撮像素子５ａが複数有る場合等については、後述の第３の実施形態やその変形例でその詳細を述べる。

（１）式は、開口絞り２で決まる結像光学系８の開口数とカメラ５や撮像素子５ａが１つ以上有る場合に指定した観察範囲に応じて選択される撮像素子５ａの画素ピッチとの関係を示す式であり、観察範囲Iから観察範囲IIの間で任意に指定した観察範囲において（１）式が満たされるとき、その観察範囲を観察するときに使用される撮像素子５ａで、ＮＡＩ１の開口数を有する結像光学系８によって結像される像の情報を（ピクセル）等倍表示でも少なくとも画素数不足による解像力低下は起こすことなく観察することができる。一方で、（１）式を満たさないときは、その撮像素子５ａでは（ピクセル）等倍表示で画素数不足による解像力低下を起こし、結像光学系の光学的分解能を十分に引き出せない状態となる。

以上の構成を有する観察装置１によれば、カメラ５の観察範囲変更処理に応じて開口絞り２が制御されることで、所定の電子変倍倍率において、必要十分な観察像性能を維持しつつ、観察範囲変更処理を行うことができる。

尚、本実施形態の観察装置１では、例えばズームレンズのような、標本Ｓの像を撮像素子５ａへ投影する倍率（光学倍率）を観察中に変更するような構成を有さない。このような構成では結像光学系は単焦点結像光学系であり、レンズを光学変倍のために駆動制御するような構成を有さずに済むため、高速かつ静粛に観察範囲の変更を行うことができる。

また、上記に述べた観察に必要な開口数よりも小さな開口数となるように敢えて開口数変更手段１４を制御することで、光学的分解能よりも焦点深度を深くすることを重視した標本の観察の仕方を行うこともできる。このように、開口数変更手段１４の制御を工夫することによっても、観察装置１を使用する使用者の用途に応じた観察が可能となる。

また、観察装置１では、観察倍率が観察範囲の変更処理（電子変倍処理）により変更されるため、観察倍率の異なる複数の対物レンズを設ける必要がない。そのため、対物レンズを複数取り付けるレボルバ等の機構が不要となり、装置全体の小型化、軽量化を実現することができる。また、レボルバ操作による対物レンズの切り換えに伴って標本の位置を見失うことがなくより快適な観察を行うことが可能である。また、液浸対物レンズを使用する場合においては、特にレボルバ操作による対物レンズの切り換え観察は難しいものであり、その動作を廃した構成は、使用者の操作性の改善に大きく寄与するものであるといえる。

また、観察装置１では、結像光学系８がアフォーカル光学系を形成しているため、対物レンズ７と結像レンズ４を個別に交換したりそのユニット間寸法の変更を行い易く、あるいは該アフォーカル光学系部分に機能性を有する光学素子を配置したりできるなど、装置のレイアウト設計や機能拡張をより自由に行うことができる。

また、本実施形態の観察装置１において図３に示した機能構成は、図４に示す機能構成としてもよい。図４では、カメラ１１ｂは、観察範囲変更手段１６を備えていない点で、図３のカメラ１１ａと異なる。また、制御用ＰＣ１２ｂは、制御手段１７の他に新たに観察範囲変更手段１６を備えている点で制御用ＰＣ１２ａと異なる。この機能構成では、カメラ１１ｂで観察範囲変更処理が行われないため、カメラ１１ｂが制御用ＰＣ１２ｂに画像信号を出力した段階で、制御用ＰＣ１２ｂが備える観察範囲変更手段１６が観察範囲変更処理を行う。このような機能構成を有する場合であっても、観察範囲変更処理に応じて、開口数変更手段１４により開口絞り２が制御されることで、必要十分な観察像性能を維持しつつ、観察範囲変更処理を実行する観察装置を実現できる。

以下、図面を用いて第２の実施形態における観察装置について説明する。図５は、第２の実施形態における観察装置である観察装置２０を示す図である。観察装置２０は、顕微鏡２０ａと、制御用ＰＣ３２と、モニタ３３と、入力手段３４を備えている。
顕微鏡２０ａは、透過照明により標本Ｓを照明する顕微鏡である。顕微鏡２０ａは、標本Ｓに光を照射する照明光学系３６として、光源２１と、コレクタレンズ２２と、ミラー２４と、コンデンサレンズ２５とを備えている。また、顕微鏡２０ａは、標本Ｓからの光を結像するための結像光学系３５として、対物レンズ２６と、ミラー２７と、結像レンズ２９を備えている。顕微鏡２０ａは、さらに、照明光学系３６内に含まれる明るさ絞り２３と、結像光学系３５内に含まれる開口絞り２８と、カメラ３０と、駆動部３１、３７とを備えている。光学系に用いられる各種レンズは、ガラス球面レンズだけでなく、プラスチックレンズや、非球面レンズ、回折光学素子、屈折率分布レンズ、チューナブルレンズ等を使用してもよい。

明るさ絞り２３は、第１の実施形態の開口絞り２と同様の動作をする照明光学系３６の開口数変更手段であり、ここでは、この明るさ絞り径を変更することで顕微鏡２０ａの結像光学系３５に入射する照明光の開口数を変更して結果的に結像光学系３５の実質的な開口数をも変更できる。尚、開口数変更手段は、明るさ絞り２３に限らず、結像光学系３５の実質的な開口数を変更できるものであればよい。例えば、図６のように、観察装置２０が有する顕微鏡２０ｂは図５で示すところ照明光学系３６の代わりに、LEDや有機EL素子等を用いた面発光光源３９と拡散角可変素子３８を備える照明光学系４０の構成としてもよい。拡散角可変素子３８は、市販もされている入射する光の拡散度合いを変えて出射することができる光学部材であり、面発光光源３９と標本Ｓの間に配置することで照明光学系４０の開口数を変更することに相当する機能を持たせることができる。拡散角可変素子３８は、制御用ＰＣ３２によって電子的に制御される。尚、面発光光源３９と拡散角可変素子３８及び標本Ｓが極力隣接するような構成とすることで光軸方向の長さが短い薄型の照明光学系４０とすることができ、観察装置２０全体の高さを抑えた省スペースの装置とすることも可能である。また、図７のように、観察装置２０が有する顕微鏡２０ｃは、プリズム４１と、プリズム４１によって反射される光の光路と、その光路上の対物レンズ２６の射出瞳位置と共役な位置またはその近傍に設けられるデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）４２を備えるような構成としてもよい。即ち、開口数変更手段は機械的に開口数を変更するものに限らず、他にも液晶を使用した絞りなど電子的に開口数を変更するもの等であってもよい。

尚、照明光学系３６や４０の開口数及び結像光学系３５内に含まれる開口絞り２８によって決まる結像光学系の開口数の内結果的に最も小さい開口数で決まる光学系全体での最大開口数は、以下の（２）式を満たすように設定される。
２≦１．２２×λ／（ＮＡＩ２×Ｐ） ・・・ （２）
ここで、ＮＡＩ２は照明光学系及び結像光学系を含めた光学系全体での最大開口数を示し、Ｐはカメラ５や撮像素子５ａが１つ以上有る場合に指定した観察範囲に応じて選択される撮像素子５ａの画素ピッチを示し、λは観察波長を示す。例えば、観察波長は、撮像素子５ａが検出できる波長の中で最も長い波長を示すものとしてもよい。
尚、カメラ５や撮像素子５ａが複数有る場合等についてはまた、後述の第３の実施形態やその変形例でその詳細を述べる。
照明光学系も含めた光学系全体を対象とする（２）式を満たす観察装置２０においてもカメラ３０の観察範囲変更処理に応じて開口数ＮＡＩ２を制御することで、モニタ３３の画面解像度と観察装置２０が持つ光学的分解能とのバランスで決まる所定の電子変倍倍率において必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲変更処理を行うことができる。
また観察に必要な開口数よりも小さな開口数となるように敢えて制御することで、光学的分解能よりもコントラストを強調することを重視した標本の観察の仕方を行うこともできる。この場合は、例えば標本Ｓが透明な物体である場合等でも、良好な観察を行うことができる。このように、光学系全体での最大開口数やその値を決める場所の制御を工夫することによって、観察装置２０を使用する使用者の用途に応じた観察が可能となる。

ここで、図５に示す駆動部３１は開口絞り２８を、駆動部３７は明るさ絞り２３を機械的に制御する機構であり、例えばモータである。駆動部３１、３７は、制御用ＰＣ３２の制御によって駆動する。

カメラ３０は、標本Ｓの像を画像信号に変換するための撮像素子３０ａを含んでいる。また、カメラ３０は、変換した画像信号の観察範囲を変更する観察範囲変更処理を行う観察範囲変更手段として機能する。カメラ３０は、制御用ＰＣ３２の制御によって観察範囲変更処理を行う。

制御用ＰＣ３２は、明るさ絞り２３による開口数変更の処理、及び、カメラ３０の観察範囲変更処理を制御するコンピュータである。

ここで、観察装置２０の機能構成は、図３に示したものと同様であり、図５のカメラ３０はカメラ１１ａに該当し、図５の制御用ＰＣ３２は制御用ＰＣ１２ａに該当し、図５に示す顕微鏡２０ａが有する構成が観察装置本体１０に該当する。即ち、制御用ＰＣ３２は、第１の実施形態における制御用ＰＣ６と同様の制御を実行することで、撮像素子３０ａで得られた画像信号を元に観察範囲を変更する観察範囲変更処理に応じて、駆動部３１を通して明るさ絞り２３の制御を行う制御手段として機能する。

入力手段３４は、観察装置２０を使用する使用者が、観察範囲の変更の指示を制御用ＰＣ３２へ入力するための手段であり、キーボードやマウス等を用いる。

モニタ３３は、制御用ＰＣ３２と接続されており、カメラ３０で変換した画像信号を画像として表示する表示手段である。使用者は、モニタ３３に表示される画像を見ながら標本Ｓの観察や撮影を行ない、また観察範囲の変更指示を行う。

また、標本Ｓは、例えば不図示のステージ上に固定され、ステージを駆動させることで、標本Ｓの観察位置が適宜変更される。ステージの駆動は、制御用ＰＣ３２によって自動で制御されてもよく、ダイヤル等を回すことで観察装置２０を使用する使用者が手動で制御を行ってもよい。

以上の構成を有する観察装置２０を用いて、使用者はモニタ３３に表示される画像を通して標本Ｓの観察や撮影を行う。図８は、観察範囲の変更（電子変倍倍率の変更）に際して制御用ＰＣ３２が実行する開口数の制御の手順を示すフローチャートである。以下、図８を用いて制御用ＰＣ３２が実行する開口数の制御の手順を説明する。尚、本フローチャートは、予め標本Ｓが使用者によってステージに固定された状態で開始される。

ステップＳ１では、使用者に対して表示される標本Ｓの画像についてピントと露出の調整を制御する。ピントの調整は、画像のピントが合うように標本保持手段であるステージの光軸方向への移動を制御することで実行する。露出の制御は、露光時間等の設定を変更することで行う。ピント調整の方法は、画像のコントラスト変化からピントを求めるコントラスト法や撮像素子内に構成された位相差検出画素を用いてピントを求める像面位相差検出法など種々の方法が用いられる。

ステップＳ２では、制御用ＰＣ３２は電子変倍倍率の変更指示を受信する。このとき、使用者は、ステップＳ１の画像を見ながら標本Ｓを観察し、入力手段３４を用いて電子変倍倍率の変更指示を制御用ＰＣ３２に対して入力している。電子変倍倍率の変更指示を受信すると、ステップＳ３へ移行する。

ステップＳ３では、入力された電子変倍倍率変更指示が拡大指示であるかどうかの判定を行う。尚、拡大指示とは、現状の観察範囲からより狭い観察範囲へ変更することにより、現状の観察倍率をより大きな観察倍率へ変更する指示のことを示す。入力された電子変倍倍率変更指示が拡大指示である場合には、ステップＳ４へ移行する。拡大指示でない場合（即ち現状の観察倍率より小さな観察倍率へ変更する指示の場合）には、ステップＳ５へ移行する。

ステップＳ４では、使用者が拡大する領域を指定し、当該領域がモニタ３３に表示される画像の中心に位置するようにステージを制御する。

ステップＳ５では、ピント合わせの前に最大の開口数となるように開口絞り２８の制御を実行する。そしてステップＳ６では、ステップＳ５で開口数が最大となるよう変更されることで焦点深度を浅くしてピントのずれをより目立たせ、精度良くピントを調整する制御を実行する。これは、観察範囲の変更（電子変倍倍率の変更）に際して開口数の制御を行うと、広視野観察時と高精細観察時（高倍率観察時）とでは焦点深度が変わるためピントのずれが目立つ可能性があり、ピントの合ったままで観察範囲の変更だけを期待しているユーザに違和感を与えることを緩和するためである。ステップ６でも、ピント調整にはコントラスト法や像面位相差検出法などの種々の方法が用いられる。

ステップＳ７では、入力された電子変倍倍率変更指示から、開口数を算出する。このとき、算出される開口数は、第１の実施形態で記したように、モニタ３３の画面解像度と観察装置２０が持つ光学的分解能とのバランスで決まる所定の電子変倍倍率において必要十分な観察像性能を維持することができる。

ステップＳ８では、ステップＳ７で算出された開口数となるように開口数の変更制御を実行する。ステップＳ９では、露出の調整を制御する。ステップＳ１０では、カメラ３０に電子変倍倍率の変更を指示することで、入力された変更倍率となるように電子変倍倍率の変更制御を実行する。ステップＳ１０の処理を終了することで、本フローチャートを終了する。

尚、本実施形態では、標本Ｓを固定するステージ（標本保持手段）の移動制御が制御用ＰＣ３２によって自動で行われる例を示したが、ステージは使用者によって手動で制御されてもよい。ステージが使用者によって手動で制御される場合における、観察範囲の変更に際して制御用ＰＣ３２が実行する開口数の制御の手順を示すフローチャートは、図９に示す通りである。図９のフローチャートは、ステップＳ４の代わりにステップＳ１１を実行する点について図８のフローチャートと異なるが、それ以外のステップは同様である。

図９のステップＳ１１は、ステップＳ３で入力された倍率変更指示が拡大指示である場合に移行するステップである。ステップＳ１１では、使用者がステージを操作することで、拡大する領域がモニタ３３に表示される画像の中心に位置するようにステージの移動を制御し、制御用ＰＣ３２がその移動制御の完了を検知する。以下、同様の手順を実行することで、ステージの移動制御が手動で行われる場合においても必要十分な観察像性能を維持しつつ、観察範囲変更処理を行うことができる。

また、観察装置２０では開口数の制御を開口絞り等の開口数変更手段によって行うことから、各種光学系の光路長やレンズ位置が変更されることがなく、観察範囲の変更に伴う瞳位置の変動がない。そのため、瞳位置近傍への変調素子の挿脱等を容易に行うことができる。そのほか、瞳位置のリレーや瞳位置への照明光源像の投影等を行うことも可能であり、構成を適宜変更してもよい。

また、標本Ｓを固定するステージや、観察装置２０に含まれる各種光学系、撮像素子は、環境振動に対するブレ補正機能を有していてもよい。

また、ステップＳ１やステップＳ６では標本保持手段であるステージを光軸方向に移動させることによるピント調整の方法を記載したが、ステージを光軸方向に移動しなくても結像光学系３５が有限光学系の場合は結像光学系３５とカメラ３０が一体的に光軸方向に移動、あるいはその有限光学系がその中の一部の光学系だけを光軸方向に移動させることでピント調整を行うインナーフォーカス式であってもよい。尚、該一部の光学系は、チューナブルレンズ等の能動光学素子であってもよい。結像光学系３５が無限遠光学系の場合は、平行光束部よりも標本側に位置する対物レンズ２６のみを光軸方向に移動させることでピント調整を行なってもよい。尚、ピント調整は手動でもよいが、ステップＳ１やステップＳ６で用いられたような種々のピント検出手段と連携して自動化しておく方がより望ましい。

以下、図面を用いて第３の実施形態における観察装置について説明する。図１０は、第３の実施形態における観察装置である観察装置５０を示す図である。観察装置５０は、結像光学系５４として、ハーフミラー５３と、ハーフミラー５３によって分岐される新たな光路と、その光路上に結像レンズ５２とを備え、さらにその結像位置にカメラ５１を備えている点で観察装置２０と異なるが、それ以外の点は観察装置２０と同様である。

カメラ５１は、標本Ｓの像を画像信号に変換するための撮像素子５１ａを含む。撮像素子５１ａは、カメラ３０に含まれる撮像素子３０ａの画素ピッチとは異なる画素ピッチを有する撮像素子である。カメラ５１は、撮像素子５１ａを含む点でカメラ３０と異なるが、カメラ５１が持つ機能自体はカメラ３０の持つものと同様である。即ち、観察装置５０は、二つの撮像素子から構成される検出手段を有する観察装置であるといえる。

ここで、撮像素子３０ａが図３の電子変倍処理の説明で述べたような画面解像度との関係や（１）式や（２）式を満たした結果、必要十分な観察像性能を維持しつつ観察範囲I-３から観察範囲I-３より狭い範囲の観察範囲II-３までの間の電子変倍が可能であるとする。ここで、撮像素子３０ａの最大となる観察範囲I及び最小となる観察範囲IIを、それぞれ観察範囲I-３、観察範囲II-３と表記し、撮像素子５１ａの観察範囲I及び観察範囲IIを、それぞれ観察範囲I-５、観察範囲II-５と表記する。このとき、撮像素子５１ａが撮像素子３０ａよりも小さな画素ピッチでありながらその最大観察範囲I-５が観察範囲II-３と同程度であった場合、観察装置５０全体では観察範囲I-３から撮像素子３０ａの等倍表示時の画面解像度と同じ画素数が抽出される観察範囲II-５までの、撮像素子３０ａ１つだけでは得られなかったより幅広い範囲において観察範囲変更（電子変倍）を行うことができる。つまり、より大きな電子変倍比を得ることができる。

尚、観察範囲変更（電子変倍）処理は、離散値（２０倍、５０倍、１００倍等）的に変更するものとしてもよいが、連続的に行われるものである方が観察範囲の変更に際してより自由度が高い。そのためには、観察範囲I-５が観察範囲II-３以上である必要がある。そうすれば、撮像素子３０ａにおいて、観察範囲I-５と同じ観察範囲までを抽出することで、または撮像素子５１ａにおいて観察範囲II-３と同じ観察範囲までを抽出することで、撮像素子を３０ａから５１ａ（あるいはその逆）に切り替えて使用した際に観察範囲の空白範囲が生じず、観察範囲I-３から観察範囲II-５まで連続的により細かく観察範囲を変えることができる。また本実施形態では、電子変倍に際して行う撮像素子の切り替え時に、切り替える二つの撮像素子で同時に撮像（切り替える二つの撮像素子により画像信号を同時取得）して、切り替え時の非連続的な現象（例えばブラックアウト等）を回避しより自然で連続的な電子変倍処理を実現してもよい。

また、ハーフミラー５３を用いる構成では、各撮像素子へ入射する光量が低下する。上記光量不足を補うために、ビニング機能を使用して受光感度を向上させてもよい。また、撮像素子を冷却することで受光感度を向上させてもよく、冷却の手段としては空冷方式やペルチェ素子などによる電気的な冷却方式、水冷方式など公知の手段を適用可能である。

また、ハーフミラー５３を用いる構成の代わりに、各撮像素子３０ａ、５１ａへの光の入射を機械的または電子的に切り替えるようなミラーやＤＭＤを用いた構成としてもよい。その場合は、制御用ＰＣ３２がミラーやＤＭＤの切り替え制御を実行する。

尚、より高解像度の画像を得るために、各撮像素子がそれぞれ特定の方向に微小量ずつずれながら撮像することで画素と画素の間を補完するようなピクセルシフト方式を用いてもよい。

また、観察装置５０では、撮像素子の画素ピッチが異なるカメラを二つ含む例を示したが、観察装置の構成はこれに限らず、少なくとも画素ピッチの異なる撮像素子を二つ以上有していればよい。

さらに、第３の実施形態の変形例として、図１１に示すような撮像素子５５を用いる構成としてもよい。撮像素子５５は、領域Ａと、領域Ａを囲むような領域Ｂと、さらに領域Ｂを囲むような領域Ｃにわけられている。領域Ｂは、領域Ｃに比べて細かい画素ピッチを有し、領域Ａは、領域Ｂよりもさらに細かい画素ピッチを有する。

撮像素子５５を用いた観察では、例えば、図１１の領域ＡからＣまでの全範囲を含むような広視野観察（低い電子変倍倍率での観察）を行うときには、領域Ａ、Ｂについてその画素ピッチがそれぞれ領域Ｃの画素ピッチと同程度になるように使用する画素を選択（間引き）制御する。また、図１１の領域ＡからＢまでの範囲を含むような電子変倍倍率での観察では、領域Ａについてその画素ピッチが領域Ｂと同程度になるように使用する画素を選択（間引き）制御する。

このような撮像素子を用いることで、指示された観察範囲に応じて選択された撮像領域（上記の例では領域ＡからＣ）を使用するものとすれば、一つの撮像素子のみで第３の実施形態で示した効果を得ることができる。また、複数の撮像素子を設置するために複数の光路を設けたり光路を切り替えたりする必要も無くなって光学像の光量も確保し易くなり、装置の高速性や静粛性が向上し小型軽量化もより確保し易くなる。

尚、第３の実施形態において、第２の実施形態のように照明光路上の明るさ絞りを制御することで、結像光学系５４の射出側の開口数を変更するような構成に変形してもよい。その場合、制御用ＰＣ３２は、使用者が指定した観察範囲で（２）式を満たすように明るさ絞り２３を制御する。

尚、上述した実施形態では、開口数変更手段を有する結像光学系や、照明光学系、撮像素子等の検出手段は、いずれも他の結像光学系や、照明光学系、撮像素子等の検出手段との交換が可能であってもよい。特に、光学系内部に光学系の焦点距離等を機械的に変更する機構を含まない本発明の各実施形態の発明は、上記のような交換を行い易い構成を有している。また、各種交換可能なユニットは、それぞれ無線通信素子等の通信手段や、メモリ等の情報記憶手段、電気接点等の通信・電力供給手段などを備えていてもよい。

また、上述した実施形態では、透過照明型の顕微鏡を例に説明したが、落射照明型や偏斜照明型の顕微鏡においても上記説明に類似した構成や機能を有するものとしてもよい。さらに共焦点顕微鏡の場合は、観察範囲変更手段であるガルバノミラーの振り角を変化させて観察範囲の変更を行うが、ガルバノミラーを大きく振ってより低倍率、すなわちより広視野画像を得るときには開口絞りをより絞り、ガルバノミラーを小さく振ってより高倍率、すなわち視野は狭いが高精細画像を得るときには開口絞りをより広げることにより、同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施形態の観察装置を用いた標本の観察は、ライブ画像記録、静止画撮影、タイムラプス撮影等様々な用途に適用可能である。

以下さらに、第４の実施形態における観察装置について図面を用いて説明する。図１２は、第４の実施形態における観察装置６０を示す図である。

観察装置６０は、物体である標本Ｓの画像を取得するための有限光学系を有するカメラであり、対物レンズ（撮影レンズ）６１と、開口絞り６２と、撮像素子６３とを含む。

撮像素子６３は、対物レンズ６１による標本Ｓの像を画像信号に変換する。また、観察装置６０は、変換した画像信号を元に観察範囲を変更する、観察範囲変更処理を行う観察範囲変更手段として機能する。

開口絞り６２は、対物レンズ６１の射出瞳位置またはその近傍に備えられ、対物レンズ６１の射出側開口数、即ち、観察装置６０が有する光学系の射出側の開口数を変更する開口数変更手段として機能する。

観察装置６０は、内部に開口絞り６２と、観察装置６０が有する観察範囲変更処理を行う機能を制御する制御手段を設けている。観察装置６０の機能構成は、図３の機能構成における結像光学手段、開口数変更手段、検出手段、観察範囲変更手段、制御手段を内包するように構成される。制御手段は、第１の実施形態における制御用ＰＣ６と同様の制御を実行することで、観察範囲変更処理に応じて、開口絞り６２の制御を行う。

観察装置６０においても、観察範囲変更処理に応じて、開口絞り６２が制御されることで、必要十分な観察像性能を維持しつつ、観察範囲変更処理を行うことができる。
尚、本実施形態では物体が対物レンズ（撮影レンズ）から有限距離にある場合を扱ったが、物体が無限遠距離にある場合も類似した構成や機能を有するものであってもよい。

また、上述した各実施形態において、光学系の収差性能や光量の均一性の確保は、シェーディング補正等の画像処理と併用することで行ってもよい。また、シェーディング補正等の画像処理を行った画像と行っていない画像とを同時に表示する機能や、倍率の高い画像と倍率の低い画像とを同時に表示する機能を有していてもよい。これにより、標本Ｓの特定位置の探索をより行い易くすることができる。尚、画像処理として、収差性能の向上を目的としたものに限らず、例えば位相差観察を行う際に位相差画像を画像処理するような用途として画像処理を併用してもよい。尚、これまで上述した各実施形態におけるカメラの撮像素子は、必ずしも平面状に限らず光学設計上投影像面の収差補正のし易い曲面状のものなどであってもよい。また各撮像素子上の画像信号を抽出できる最大有効範囲や電子変倍時の画像信号の抽出範囲は必ずしも四角形でなくてもよく、その場合はこれまで上述してきた対角長に相当する長さは例えば前記最大有効範囲や抽出範囲の最大寸法と考えてもよい。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。観察装置は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

１、２０、５０、６０ 観察装置
２、２８、６２ 開口絞り
３、３１、３７ 駆動部
４、２９、５２ 結像レンズ
５、３０、５１ カメラ
５ａ、３０ａ、５１ａ、５５、６３ 撮像素子
６、３２ 制御用ＰＣ
７、２６、７１ 対物レンズ
８、３５、５４ 結像光学系
３６、４０ 照明光学系
１０ 観察装置本体
１１ａ、１１ｂ カメラ
１２ａ、１２ｂ 制御用ＰＣ
１３ 結像手段
１４ 開口数変更手段
１５ 検出手段
１６ 観察範囲変更手段
１７ 制御手段
２１ 光源
２２ コレクタレンズ
２３ 明るさ絞り
２５ コンデンサレンズ
２４、２７ ミラー
３３ モニタ（表示手段）
３４ 入力手段
３８ 拡散角可変素子
３９ 面発光光源
４１ プリズム
４２ ＤＭＤ
Ａ、Ｂ、Ｃ 領域
Ｓ 標本

Claims (11)

1. 物体を観察する観察装置であって、
   前記物体からの光を結像する結像光学系と、
   前記結像光学系の射出側の開口数を変更する開口数変更手段と、
   前記結像光学系により結像された前記物体の像を画像信号に変換する検出手段と、
   前記検出手段で得られた前記画像信号の抽出範囲を、指示された観察範囲となるように変更する観察範囲変更処理を実行する観察範囲変更手段と、
   前記観察範囲変更処理後の前記画像信号を表示する表示手段と、
   前記指示された観察範囲に応じて前記開口数変更手段を制御する制御手段と、を含み、
   前記画像信号の抽出範囲は、前記結像光学系と前記検出手段の最大寸法により決まる最大観察範囲より狭い範囲であり、
   前記観察範囲変更手段は、前記画像信号の抽出範囲が、前記表示手段にピクセル等倍表示で表示されるように、前記観察範囲変更処理後の画像信号の画素ピッチを擬似的に調整し、
   前記制御手段は、前記画素ピッチに基づいて前記開口数変更手段を制御する
   ことを特徴とする観察装置。
2. 請求項１に記載の観察装置であって、
   前記制御手段は、前記指示された観察範囲が狭くなるほど前記結像光学系の射出側の開口数が大きくなるように前記開口数変更手段を制御し、前記指示された観察範囲が広くなるほど前記結像光学系の射出側の開口数が小さくなるように前記開口数変更手段を制御する
   ことを特徴とする観察装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の観察装置であって、指示された観察範囲に応じて選択される前記検出手段の画素ピッチをＰ、前記観察装置で使用する観察波長をλ、前記結像光学系の射出側の開口数をＮＡＩ１としたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする観察装置。
   ２≦１．２２×λ／（ＮＡＩ１×Ｐ）
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の観察装置であって、
   前記検出手段として、画素ピッチの異なる少なくとも２つ以上の撮像素子や撮像領域を有する
   ことを特徴とする観察装置。
5. 請求項４に記載の観察装置であって、
   少なくとも２つ以上の前記撮像素子や前記撮像領域のうち指示された観察範囲に応じて選択された撮像素子や撮像領域の画素ピッチをＰ、前記観察装置で使用する観察波長をλ、前記結像光学系の射出側の開口数をＮＡＩ１としたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする観察装置。
   ２≦１．２２×λ／（ＮＡＩ１×Ｐ）
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の観察装置であって、さらに、
   前記物体に光を照射する照明光学系を含み、
   前記開口数変更手段は、前記物体に照射される光の光路である照明光路上に設けられる
   ことを特徴とする観察装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の観察装置であって、
   前記結像光学系は、異なる他の結像光学系と交換可能である
   ことを特徴とする観察装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の観察装置であって、
   前記検出手段は、異なる他の検出手段と交換可能である
   ことを特徴とする観察装置。
9. 請求項６に記載の観察装置であって、
   前記照明光学系は、異なる他の照明光学系と交換可能である
   ことを特徴とする観察装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか1項に記載の観察装置であって、
    前記結像光学系は、アフォーカル部を有する
    ことを特徴とする観察装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の観察装置であって、
    前記開口数変更手段は、開口を有する開口絞りである
    ことを特徴とする観察装置。

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