JP7197431B2 - 光学機器の調整方法、光学システム - Google Patents

Description

本明細書の開示は、光学機器の調整方法、調整支援方法、光学システム、光学機器に関する。

顕微鏡に代表される高い開口数を有する光学機器を用いた標本の観察では、カバーガラスの厚さのわずかな違いによって球面収差が大きく変化する。これは、観察対象面の深さが変化した場合も同様である。このように観察環境に応じて変動する球面収差を補正するための手段として、従来から対物レンズの補正環が知られている。

補正環は、対物レンズ内のレンズを光軸方向に移動させることで球面収差を補正するものである。補正環では球面収差を補正することによって焦点も移動してしまう。このことから、フォーカスと球面収差との両方を良好に調整する作業は容易ではない。このため、従来から様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、焦点位置を所定範囲内に抑えながら球面収差を補正することができる、収差補正レンズと対物レンズとの間の位置関係を記述したデータを、あらかじめ記憶しておくことが記載されている。そして、そのデータに従って球面収差を補正する技術が記載されている。

特開２０１８－２０５０６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術によってフォーカスと収差の両方を良好に調整するためには、対物レンズ毎で且つ標本毎に予めデータを記憶しておく必要がある。そのため、様々な対物レンズ及び標本が使用され得る状況に対処することは困難である。

以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、フォーカスと収差の両方を良好に調整する技術を提供することである。また、本発明の別の一側面に係る目的は、フォーカスと収差の両方を良好に調整する際の収差を調整し易くすることを可能とする技術を提供することである。

本発明の一態様に係る調整方法は、標本の画像を取得する光学機器の調整方法であって、前記標本の第１の画像のコントラストが高くなる方向に、前記光学機器に含まれる焦準部を動かす工程と、前記標本の第２の画像のコントラストが高くなる方向に、前記光学機器で生じる収差量を調整する工程と、を含み、前記第２の画像の周波数成分の平均値は、前記第１の画像の周波数成分の平均値よりも高い。

本発明の一態様に係る光学システムは、標本の画像を取得する光学機器であって、対物レンズと、前記対物レンズと前記標本の間の距離を変更する焦準部と、収差を補正する補正装置と、を含む光学機器と、前記光学機器を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記標本の第１の画像のコントラストが高くなる方向に、前記焦準部を動かし、前記標本の第２の画像のコントラストが高くなる方向に、前記補正装置の設定を変更して前記光学機器で生じる収差量を調整し、前記第２の画像の周波数成分の平均値は、前記第１の画像の周波数成分の平均値よりも高い。

上記の態様によれば、フォーカスと収差の両方を良好に調整することができる。

顕微鏡システム１の構成の例示した図である。 制御装置２０の構成を例示した図である。 調整処理のフローチャートの一例である。 焦点面の調整方法を説明するための図である。 顕微鏡１００の構成を例示した図である。 変調素子の変調パターンの一例を示した図である。 第１の実施形態に係る自動調整処理のフローチャートである。 変調素子の変調パターンの別の例を示した図である。 焦点面の調整方法を説明するための別の図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子を配置する位置を説明するための図である。 顕微鏡２００の構成を例示した図である。 顕微鏡３００の構成を例示した図である。 顕微鏡４００の構成を例示した図である。 顕微鏡５００の構成を例示した図である。 顕微鏡６００の構成を例示した図である。 顕微鏡７００の構成を例示した図である。 顕微鏡８００の構成を例示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 補正過剰状態と補正不足状態を説明するための図である。 補正過剰状態において形成される像と補正不足状態で形成される像の違いについて説明するための図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。 第２の実施形態に係る半自動調整処理のフローチャートである。 第３の実施形態に係る自動調整処理のフローチャートである。

図１は、顕微鏡システム１の構成の例示した図である。図２は、制御装置２０の構成を例示した図である。以下、図１及び図２を参照しながら、顕微鏡システム１の構成について説明する。

顕微鏡システム１は、光学システムの一例であり、顕微鏡１０と、制御装置２０を備えている。顕微鏡システム１は、さらに、図１に示すように、表示装置３０と、入力装置（キーボード４１、マウス４２、ハンドル４３）を備えてもよい。

顕微鏡１０は、標本Ｓの画像を取得する光学機器である。顕微鏡１０は、例えば、撮像装置１１と、光源（光源１２、光源１３）と、対物レンズ１４と、補正環１５と、ステージ１６と、コンデンサ１７を備えている。

撮像装置１１は、入射した観察光を電気信号に変換するイメージセンサを含むデジタルカメラである。イメージセンサは、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージ
センサ、ＣＭＯＳ（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどであり、二次元イメージセンサである。なお、撮像装置１１は、カラーカメラであってもよい。撮像装置１１が取得した標本Ｓの画像は、撮像装置１１から制御装置２０へ出力される。

光源１２と光源１３は、例えば、水銀ランプ、キセノンランプ、LED光源などである。
光源１２と光源１３は、照明法に応じて切り替えて使用される。光源１２は、落射照明に使用される光源である。光源１３は、透過照明に使用される光源である。

対物レンズ１４は、レボルバに装着された顕微鏡対物レンズである。対物レンズ１４には、補正環１５が設けられている。補正環１５は、対物レンズ１４を構成するレンズの一部を光軸方向に動かすことで球面収差を補正する補正装置である。補正環１５の設定（つまり、レンズの位置）を変更する。これにより、補正環１５は、対物レンズ１４で生じる収差量、ひいては顕微鏡１０で生じる収差量を調整することができる。補正環１５は、例えば、制御装置２０からの指示に従って設定が変更される電動補正環であってもよい。補正環１５の設定は、例えば、ハンドル４３を操作することによっても変更可能である。

ステージ１６は、標本Ｓが配置される。ステージ１６は、例えば、電動ステージであってもよく、対物レンズ１４と標本Ｓの間の距離を変更する焦準部である。なお、顕微鏡１０は、対物レンズ１４を光軸方向に動かす構造を有してもよい。その場合、対物レンズ１４を光軸方向に動かす構造が焦準部である。焦準部の位置は、例えば、ハンドル４３を操作することによっても変更可能である。

制御装置２０は、顕微鏡１０を制御する制御装置である。制御装置２０は、画像処理結果に基づいて焦準部を動かしてもよく、また、画像処理結果に基づいて補正環１５の設定を変更してよい。また、制御装置２０は、入力装置からの信号に応じて焦準部を動かしてもよい。また、制御装置２０は、入力装置からの信号に応じて補正環１５の設定を変更してもよい。

制御装置２０は、例えば、標準的なコンピュータである。制御装置２０は、図２に示すように、プロセッサ２１、メモリ２２、補助記憶装置２３、可搬記憶媒体２７を駆動する媒体駆動装置２４、Ｉ／Ｏインタフェース２５を備える。これらの構成要素はバス２６によって相互に接続されている。

プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（GraphicsProcessing Unit）などを含む任意の処理回路である。プロセッサ２１は、補助記憶装置２３又は可搬記憶媒体２７に格納されているプログラムをメモリ２２に展開して実行することでプログラムされた処理を行う。プロセッサ２１は、プログラムを実行してプログラムされた処理を行うことで、後述する図３に示す処理を行ってもよい。

メモリ２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）である。メモリ２２は、プログラムの実行の際に、補助記憶装置２３又は可搬記憶媒体２７に格納されているプログラムまたはデータを記憶するワークメモリとして機能する。補助記憶装置２３は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリであり、主に各種データ及びプログラムの格納に用いられる。媒体駆動装置２４は、光ディスク、コンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬記憶媒体２７を収容するものである。補助記憶装置２３と可搬記憶媒体２７は、それぞれプログラムを記憶した非一過性のコンピュータ読取可能記憶媒体の一例である。

Ｉ／Ｏ（Input/Output）インタフェース２５は、例えば、ＵＳＢ（UniversalSerial Bus）インタフェース回路、ＨＤＭＩ（High-Definition MultimediaInterface）回路などである。Ｉ／Ｏインタフェース２３には、例えば、顕微鏡装置１０、表示装置３０、及び入力装置（キーボード４１、マウス４２、ハンドル４３）が接続されている。

なお、制御装置２０は、図示しないＮＷ（Network）インタフェースを備えてもよい。
ＮＷインタフェースは、例えば、無線通信モジュールであってもよく、ＬＡＮ（Local Area Network）カードなどであってもよい。制御装置２０は、ＮＷインタフェースを経由して顕微鏡システム１の外部の装置からデータを受信してもよい。また制御装置２０は、ＮＷインタフェースを経由して顕微鏡システム１で取得したデータを外部の装置へ送信しても良い。

なお、図２に示す構成は、制御装置２０のハードウェア構成の一例である。制御装置２０はこの構成に限定されるものではない。制御装置２０は、汎用装置ではなく専用装置であってもよい。例えば、ソフトウェアプログラムを読み込んで実行するプロセッサ２１の代わりに又は加えて、専用設計の電気回路を備えてもよい。

表示装置３０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイなどである。入力装置（キーボード４１、マウス４２、ハンド
ル４３）は、顕微鏡システム１の利用者が直接操作する装置である。入力装置は、利用者の操作に応じた情報を制御装置２０に入力する。顕微鏡システム１は、キーボード、マウス、ハンドルに加えて又は代わりに、他の入力装置、例えば、ジョイスティック、タッチパネルなどを含んでもよい。

図３は、調整処理のフローチャートの一例である。図４は、焦点面の調整方法を説明するための図である。以下、図３及び図４を参照しながら、フォーカスと収差の両方を良好に調整する顕微鏡１０の調整方法について説明する。

顕微鏡システム１は、図３に示すように、まず、標本Ｓの第１の画像を利用してフォーカス合わせを行う（ステップＳ１）。フォーカス合わせは、焦準部を動かして標本Ｓと対物レンズ１４の間の距離を変更することによって行われ、評価基準としては、画像のコントラストが使用される。ステップＳ１は、制御装置２０が、標本Ｓの第１の画像のコントラストが高くなる方向に、焦準部を動かす工程である。第１の画像は、第１の画像に含まれる周波数成分の平均値が後述する第２の画像に含まれる周波数成分の平均値よりも低いという特徴を有している。

なお、画像のコントラストの算出方法は特に限定しないが、例えば、Brenner Gradientであってもよい。Brenner Gradientは、近隣画素の画素値の差分の二乗を所定領域内で積分したものである。積分する所定領域は、画像全体であっても、画像中の注目領域であってもよい。

さらに、顕微鏡システム１は、標本Ｓの第２の画像を利用して収差補正を行う（ステップＳ２）。収差補正は、顕微鏡１０で生じる収差量を調整することによって行われる。より具体的には、補正環１５の設定を変更して顕微鏡１０で生じる収差量を調整によって行われる。収差補正の評価基準としては、フォーカス合わせと同様に、画像のコントラストが使用される。ステップＳ２は、制御装置２０が、標本Ｓの第２の画像のコントラストが高くなる方向に、対物レンズ１４の設定を変更して顕微鏡１０で生じる収差量を調整する工程である。第２の画像は、第２の画像に含まれる周波数成分の平均値が前述した第１の画像に含まれる周波数成分の平均値よりも高いという特徴を有している。

なお、第１の画像と第２の画像は、第２の画像の周波数成分の平均値が第１の画像の周波数成分の平均値よりも高いという関係を有していればよい。つまり、第１の画像と第２の画像は、画像に含まれる平均的な周波数成分の高低によって定まる。従って、本明細書でいう低周波数と高周波数は、特に明記しない限り、絶対的なものではなく、相対的なものである。

その後、顕微鏡システム１は、フォーカス合わせで移動したフォーカス移動量、又は、収差補正で変化した収差量が閾値未満になったか否かを判断する（ステップＳ３）。そして、変化した収差量が閾値未満になった場合に、調整処理を終了する。収差補正後のフォーカス合わせでフォーカス移動量が十分に小さい状態、又は、フォーカス合わせ後の収差補正で収差量の変化が十分に小さい状態は、フォーカスずれがなく良好に収差が補正されていると考えられるからである。

図４は、球面収差に関する縦収差図である。球面収差は、高い開口数に対応する光線ほど強く屈折することに起因する現象である。球面収差が良好に補正されていない状態では、図４の線Ｌに示すように、高い開口数に対応する光線と低い開口数に対応する光線が異なる位置にフォーカスする。これは、球面収差が良好に補正されている状態では、高い開口数に対応する光線と低い開口数に対応する光線が同じ位置にフォーカスすることを意味している。図３に示す調整方法は、球面収差のこの特徴を利用したものである。

なお、図４に示すフォーカス位置Ｆ１、フォーカス位置Ｆ２は、それぞれ低い開口数に対応する光線がフォーカスする位置を、高い開口数に対応する光線がフォーカスする位置を例示している。また、図４に示す領域Ｒ１、領域Ｒ２は、それぞれ低い開口数に対応する空間周波数領域を、高い開口数に対応する空間周波数領域を例示している。

図３に示す調整方法において、フォーカス合わせと収差補正とを比較したときに、第２の画像、つまり、相対的に高い周波数成分を収差補正に利用する理由は、以下のとおりである。即ち、球面収差は開口数の３乗に比例しており、球面収差の変動の影響は、高い開口数の光線によって形成された画像、つまり、第２の画像において顕著に表れるからである。従って、第２の画像に基づいて収差補正を行うことで、第１の画像に基づいて収差補正を行う場合よりも、容易に且つ高い精度で収差補正することが可能となる。

一方、図３に示す調整方法において、フォーカス合わせと収差補正とを比較したときに、第１の画像、つまり、相対的に低い周波数成分をフォーカス合わせに利用する理由は、以下のとおりである。第１の画像では、球面収差によるコントラストの変動が小さい。そのため、球面収差が十分に補正されていない状態であっても、球面収差が補正された状態におけるフォーカス位置（以降、理想フォーカス位置）に近い位置にフォーカスを合わせることができるからである。従って、第１の画像に基づいてフォーカス合わせを行うことで、第２の画像に基づいてフォーカス合わせを行う場合よりも、容易に且つ高い精度でフォーカスを理想フォーカス位置に近づけることができる。

さらに、図４に示すフォーカス位置Ｆ１とフォーカス位置Ｆ２が互いに十分に近づき、且つ、両方が理想フォーカス位置に近づいている場合には、第２の画像に基づく収差補正の工程と第１の画像に基づくフォーカス合わせの工程を繰り返したときに、それぞれの工程における調整量（焦準部の移動量、補正環１５の回転量）が十分に小さくなる。従って、図３に示す調整方法では、焦準部の移動量又は補正環１５の回転量の少なくとも一方に基づいて、調整を終了するタイミングを容易に判断することができる。

従って、顕微鏡システム１によれば、図３に示す調整方法を行うことで、フォーカスと収差の両方を良好に調整することができる。以下、上述した調整方法の具体例についてさらに詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図５は、顕微鏡１００の構成を例示した図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、顕微鏡１０の代わりに顕微鏡１００を備える点が、図１に示す顕微鏡システム１とは異なる。その他の構成は、顕微鏡システム１と同様である。

顕微鏡１００は、落射照明を用いた明視野観察を行う顕微鏡であり、対物レンズ１０１と、切り替えて使用される変調素子（変調素子１０２、変調素子１０３）と、スプリッタ１０４と、結像レンズ１０５と、撮像装置１０６と、レンズ１０７を備えている。

ここで、変調素子１０３は、取得される画像の球面収差を強調する光学素子である。この変調素子１０３が観察光路中に挿入されて観察のために使用されることにより、使用しない場合に比べ球面収差が強調される。このため、球面収差を補正し易くすることができる。

対物レンズ１０１は、補正環を有する顕微鏡対物レンズである。スプリッタ１０４は、照明光路と観察光路を分岐するスプリッタであり、例えば、ハーフミラーである。レンズ１０７は、照明光路上に配置されたレンズである。変調素子１０２と変調素子１０３は、
照明光及び観察光を変調する変調素子である。変調素子１０２と変調素子１０３は、例えば、図示しないターレットによって、対物レンズ１０１の瞳位置又はその近傍に、選択的に配置される。

図６は、変調素子の変調パターンの一例を示した図である。図６に示す変調パターンＬ１は、例えば、変調素子１０２が有する透過率分布を示し、図６に示す変調パターンＨ１は、例えば、変調素子１０３が有する透過率分布を示している。なお、黒は、透過率が低い領域を、白は透過率が高い領域を示している。

互いに異なる変調パターンＬ１と変調パターンＨ１を比較すると、変調パターンＬ１は光軸近傍に高い透過率分布を有するのに対して、変調パターンＨ１は光軸から離れた領域に高い透過率分布を有している。このため、変調パターンＬ１を光路上に配置している状態では、顕微鏡１００は、比較的低い開口数に対応する光線に基づいて、第１の画像を取得する。一方、変調パターンＨ１を光路上に配置している状態では、顕微鏡１００は、比較的高い開口数に対応する光線に基づいて、第２の画像を取得する。以降では、切り替えて使用される変調素子のうち、より低い周波数成分に対応する変調素子を第１の変調素子と記し、より高い周波数成分に対応する変調素子を第２の変調素子と記す。

図７は、本実施形態に係る自動調整処理のフローチャートである。以下、図７を参照しながら、顕微鏡１００の自動調整方法について説明する。

図７に示す自動調整処理が開始されると、制御装置２０は、まず、顕微鏡１００を制御してオートフォーカスを行う（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、制御装置２０は、変調素子１０２と変調素子１０３の両方を光路外に配置した状態で、オートフォーカスを行う。

次に、制御装置２０は、第２の変調素子である変調素子１０３を光路上に挿入する（ステップＳ１２）。これにより、顕微鏡１０の光学系の瞳関数が変更される。その後、制御装置２０は、補正環を所定量だけ回転し（ステップＳ１３）、顕微鏡１０で第２の画像を取得し（ステップＳ１４）、ステップＳ１４で取得した第２の画像のコントラストを算出する（ステップＳ１５）。制御装置２０は、ステップＳ１３からステップＳ１５の処理を繰り返しながらコントラストが最大となる補正環の設定を探索し、コントラストが最大となったときに収差が補正されたと判断する（ステップＳ１６）。

ここでは、例えば山登り法を用いてもよい。制御装置２０は、補正環を所定量ずつ回転させていく。算出されるコントラストは最大値を過ぎたところで下がり始める。そのとき制御装置２０は、コントラストが最大値となった補正環の位置に戻す。この戻された位置を収差の補正された位置と制御装置２０は判断する。

収差補正が終了すると、制御装置２０は、変調素子１０３を光路外に移動して第１の変調素子である変調素子１０２を光路上に挿入する（ステップＳ１７）。これにより、顕微鏡１０の光学系の瞳関数が変更される。その後、制御装置２０は、焦準部を所定量だけ移動し（ステップＳ１８）、顕微鏡１０で第１の画像を取得する（ステップＳ１９）。そして、制御装置２０は、ステップＳ１９で取得した第１の画像のコントラストを算出する（ステップＳ２０）。制御装置２０は、ステップＳ１８からステップＳ２０の処理を繰り返しながらコントラストが最大となる焦準部の位置を探索し、コントラストが最大となったときにフォーカスがあったと判断する（ステップＳ２１）。

フォーカス合わせが終了すると、制御装置２０は、フォーカス合わせで移動した焦準部の移動量が閾値未満か否かを判定する（ステップＳ２２）。閾値は、十分に小さい値であ
れば特に限定しないが、例えば、対物レンズ１０１の開口数に依存する焦点深度であってもよい。

制御装置２０は、移動量が閾値未満であれば（ステップＳ２２ＹＥＳ）、図７に示す処理を終了する。一方、移動量が閾値未満でなければ（ステップＳ２２ＮＯ）、ステップＳ１２に戻って、移動量が閾値未満となるまで、収差補正とフォーカス合わせを繰り返す。

以上のように、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、図７に示す自動調整方法を行うことで、フォーカスと収差の両方を良好に調整することができる。また、図７に示す自動調整方法では、処理開始から終了まで人間が顕微鏡システムに指示を与える必要がなく、完全に自動でフォーカス合わせと収差補正を行うことができる。

第１の変調素子と第２の変調素子として、図６に示すパターンを有する変調素子を例示したが、変調素子が有するパターンはこの例に限らない。第１の変調素子は、例えば、図８に示す変調パターンＬ２で示す透過率分布を有してもよく、第２の変調素子は、例えば、図８に示す変調パターンＨ２で示す透過率分布を有してもよい。

この場合も、第１の変調素子を用いて取得される第１の画像は、図９に示すように、第２の変調素子を用いて取得した画像に比べて球面収差の影響を受けにくいため、理想フォーカス位置に近くにフォーカスを合わせることができる。また、第２の変調素子を用いて取得される第２の画像は、図９に示すように、第１の変調素子を用いて取得した画像に比べて球面収差の影響を受けやすい。そのため、球面収差をより高い精度で補正することができる。

なお、図９に示すフォーカス位置Ｆ１１、フォーカス位置Ｆ２は、それぞれ第１の画像に対応するフォーカス位置を、第２の画像に対応するフォーカス位置を例示している。図９に示す領域Ｒ１１、領域Ｒ２は、それぞれ第１の画像に含まれる周波数成分を示す領域を、第２の画像に含まれる周波数成分を示す領域を例示している。

図８に示す変調パターンＬ２で示す透過率分布は、変調素子を用いることなく実現することができる。従って、図８に示す変調パターンＬ２と変調パターンＨ２の切り替えは、第２の変調素子(球面収差を強調する光学素子)を光路に挿脱することによって実現可能である。この場合、切り替え作業の負担が軽減されるとともに、光学システムに必要な光学素子の数も減らすことができる。

図１０から図１６は、変調素子の変調パターンの更に別の例を示した図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、図１０から図１６に示す変調パターンの組み合わせ（変調パターンＬ３と変調パターンＨ３から変調パターンＬ９と変調パターンＨ９）を使用してもよく、その場合も、球面収差の影響を受けにくい画像と球面収差の影響を受けやすい画像の両方を取得することができる。

顕微鏡１００は、より具体的には、第１の変調素子と第２の変調素子は、以下の条件式を満たすことが望ましい。ここで、ｆ（ｒ）は第１の変調素子の透過率分布である。ｇ（ｒ）は第２の変調素子の透過率分布である。ｒは光軸からの距離である。Ｌ１は第１の変調素子に入射したときの軸上光線束の半径である。Ｌ２は第２の変調素子に入射したときの前記軸上光線束の半径である。

なお、図８などのように第１の変調素子を用いることなく第２の変調素子（球面収差を強調する光学素子）を光路に挿脱することを考慮すると、条件式（１）の各パラメータは、以下のように言い換えることができる。球面収差を強調する光学素子を使用して観察を行うときにその光学素子を配置する顕微鏡１００内の領域を、対象領域と定義すると、ｆ（ｒ）は球面収差を強調する光学素子を使用しない場合における対象領域の透過率分布である。ｇ（ｒ）は球面収差を強調する光学素子の透過率分布である。ｒは光軸からの距離である。Ｌ１は球面収差を強調する光学素子を使用しない場合における対象領域に入射したときの軸上光線束の半径である。Ｌ２は球面収差を強調する光学素子に入射したときの軸上光線束の半径である。ここで、この言い換え表現は、図８だけではなく、図６、図１０から図１６、図２５、及び、図２８から図４７についても適用可能である。つまり、矢印の左右にある変調素子を択一的に使用する場合、左側にある第１の変調素子を使用するときは球面収差を強調する光学素子を使用しないときに該当し、右側にある第２の変調素子を使用するときは球面収差を強調する光学素子を使用するときに該当する。

条件式（１）を満たすことで、第２の変調素子を用いて取得した画像の周波数成分の平均値が第１の変調素子を用いて取得した画像の周波数成分の平均値に比べて高くなる。このため、球面収差の影響を受けにくい画像と球面収差の影響を受けやすい画像の両方を取得することが可能となる。

以上では、対物レンズ１０１の瞳位置又はその近傍に変調素子を配置する例を示した。しかし、変調素子が配置される位置は、対物レンズ１０１の瞳位置又はその近傍に限らない。瞳位置又はその近傍である図１７に示す位置Ｐ１の代わりに、対物レンズ１０１の瞳と光学的に共役な位置Ｐ２又は位置Ｐ３に配置されてもよい。位置Ｐ２、位置Ｐ３は、それぞれ透過照明光路上、落射照明光路上にある瞳共役位置又はその近傍である。これらの位置であっても、高い開口数の光線と低い開口数の光線は、空間的に異なる位置を通過するため、変調素子によって周波数成分を制限することができる。

また、変調素子は、図１７に示す位置Ｐ４に配置されてもよい。位置Ｐ４は、対物レンズ１０１と結像レンズ１０５の間の位置であり、位置Ｐ４には、対物レンズ１０１によって形成された平行光線束が通過する。位置Ｐ４においても近軸領域内においては、高い開口数の光線と低い開口数の光線が空間的に異なる位置を通過している。このため、位置Ｐ４に変調素子を配置した場合であっても、視野の中心付近の情報のみを使用することで、球面収差の影響を受けにくい画像と球面収差の影響を受けやすい画像の両方を取得することが可能となる。

顕微鏡１００で明視野観察を行う場合を例に説明したが、顕微鏡が蛍光顕微鏡の場合には、変調素子は少なくとも観察光を変調する位置に配置されることが望ましく、例えば、図１７に示す位置Ｐ１又は位置Ｐ４に配置されることが望ましい。また、顕微鏡が多光子励起顕微鏡やシート照明顕微鏡の場合には、変調素子は少なくとも照明光を変調する位置に配置されることが望ましい。また、顕微鏡がディスク走査型の顕微鏡の場合には、変調素子は回転ディスクよりも物体側に配置されることが望ましい。なお、顕微鏡が共焦点顕微鏡の場合には、変調素子は、明視野観察と同様に照明光又は観察光の少なくとも一方を変調する位置に配置されることが望ましい。

以上では、顕微鏡システムが第１の画像と第２の画像を時間的に順番に取得する例を示した。しかし、第１の画像と第２の画像は同時に取得されてもよい。図１８から図２４は、顕微鏡１００の変形例の構成を例示した図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、顕微鏡１００の代わりに、図１８に示す顕微鏡２００から図２４に示す顕微鏡８００を含んでもよい。なお、顕微鏡２００から顕微鏡８００は、いずれも第１の画像と第２の画
像を同時に取得することができる。

図１８に示す顕微鏡２００は、対物レンズ２０１、結像レンズ２０２、複数のレンズ（レンズ２０３、レンズ２０６、レンズ２０９）、ハーフミラーであるスプリッタ２０４、２つの変調素子（変調素子２０５、変調素子２０８）、及び、２つの撮像装置（撮像装置２０７、撮像装置２１０）を含んでいる。

顕微鏡２００では、変調素子２０５で高い開口数に対応する光線を遮断することで、撮像装置２０７が第１の画像を取得し、変調素子２０６で低い開口数に対応する光線を遮断することで、撮像装置２０８が第２の画像を取得する。

図１９に示す顕微鏡３００は、対物レンズ３０１、変調素子３０２、結像レンズ３０３、複数のレンズ（レンズ３０４、レンズ３０６、レンズ３０８）、偏光ビームスプリッタであるスプリッタ３０５、及び、２つの撮像装置（撮像装置３０７、撮像装置３０９）を含んでいる。なお、変調素子３０２は、偏光板３０２ａと偏光板３０２ｂからなる。そして、変調素子３０２では、偏光板３０２ａと偏光板３０２ｂは互いに直交する偏光方向を有する偏光を透過する。

顕微鏡３００では、スプリッタ３０５で偏光板３０２ａを通過した偏光と偏光板３０２ｂを通過した偏光が分離されることで、撮像装置３０７が第１の画像を取得し、撮像装置３０９が第２の画像を取得する。

図２０に示す顕微鏡４００は、対物レンズ４０１、結像レンズ４０２、複数のレンズ（レンズ４０３、レンズ４０５、レンズ４０８）、開口が形成されたミラー４０４、及び、２つの撮像装置（撮像装置４０６、撮像装置４０８）を含んでいる。

顕微鏡４００では、ミラー４０４において、高い開口数に対応する光線が反射し、低い開口数に対応する光線が透過することで、撮像装置４０６が第１の画像を取得し、撮像装置４０８が第２の画像を取得する。

図２１に示す顕微鏡５００は、対物レンズ５０１、結像レンズ５０２、複数のレンズ（レンズ５０３、レンズ５０６、レンズ５１０）、ハーフミラーであるスプリッタ５０４、２つの変調素子（変調素子５０５、変調素子５０８）、プリズム５０９、及び、撮像装置５０７を含んでいる。

顕微鏡５００は、スプリッタ５０４とプリズム５０９を用いて第１の画像と第２の画像を同じ撮像装置５０７で取得する点を除き、顕微鏡２００と同様である。

図２２に示す顕微鏡６００は、共焦点顕微鏡である。顕微鏡６００は、スキャナ６０１、変調素子６０２、複数のレンズ（レンズ６０３、レンズ６０５）、偏光ビームスプリッタであるスプリッタ６０６、及び、２つの光検出器（光検出器６０７、光検出器６０８）を含んでいる。なお、変調素子６０２は、偏光板６０２ａと偏光板６０２ｂからなり、偏光板６０２ａと偏光板６０２ｂは互いに直交する偏光方向を有する偏光を透過する。

顕微鏡６００では、スキャナ６０１でデスキャンした光束に対して変調素子６０２で変調する。そして、ＰＢＳ６０６で偏光板６０２ａを通過した偏光と偏光板６０２ｂを通過した偏光が分離されることで、光検出器６０７が低周波数成分を検出し、光検出器６０８が高周波数成分を検出する。第１の画像は、光検出器６０７で検出された低周波数成分に基づいて生成される。そして、第２の画像は、光検出器６０８で検出された高周波数成分に基づいて生成される。

図２３に示す顕微鏡７００は、対物レンズ７０１、変調素子７０２、結像レンズ７０３、偏光ビームスプリッタであるスプリッタ７０４、λ／４板７０５、プリズム７０６、及び、撮像装置７０７を含んでいる。なお、変調素子７０２は、偏光板７０２ａと偏光板７０２ｂからなる。そして、偏光板７０２ａと偏光板７０２ｂは互いに直交する偏光方向を有する偏光を透過する。

顕微鏡７００では、ＰＢＳ７０４で偏光板７０２ａを通過した偏光と偏光板７０２ｂを通過した偏光が分離される。ＰＢＳ７０４で反射した偏光は、λ／４板７０５内を往復することで偏光方向が変換され、ＰＢＳ７０４を透過する。これにより、第１の画像と第２の画像が同じ撮像装置７０７で取得される。

図２４に示す顕微鏡８００は、対物レンズ８０１、変調素子８０２、結像レンズ８０３、及び、撮像装置８０４を含んでいる。なお、変調素子８０２は、波長フィルタ８０２ａと波長フィルタ８０２ｂからなり、波長フィルタ８０２ａと波長フィルタ８０２ｂは互いに異なる波長の光を透過する。撮像装置８０４は、カラーカメラであり、ＲＧＢの各成分を区別して検出する。

顕微鏡８００では、変調素子８０２で高い開口数に対応する光線の波長と低い開口数に対応する光線の波長を異ならせる。これにより、第１の画像と第２の画像が同じ撮像装置８０４で取得される。

第１の変調素子と第２の変調素子が光軸に対して対称な特性を有する例を示したが、第１の変調素子と第２の変調素子は光軸に対して非対称な特性を有してもよい。例えば、第１の変調素子は、図２５に示す変調パターンＬ１０で示す透過率分布を有してもよく、第２の変調素子は、図２５に示す変調パターンＨ１０で示す透過率分布を有してもよい。変調パターンＨ１０は、第２の変調素子に入射した光束のうち半分を完全に遮断する特性を有している。

例えば、変調パターンＬ１０を有する第１の変調素子を用いて第１の画像を取得し、第１の画像に基づいてフォーカス合わせを行う。その後に、変調パターンＨ１０を有する第２の変調素子を用いて第２の画像を取得する。この場合を考える。球面収差が過剰に補正されている場合には、図２６（ａ）に示すように、第１の画像に基づくフォーカス位置ＦＰよりも近い位置に光が集光する。これに対して、球面収差が補正不足の場合には、図２６（ｂ）に示すように、第１の画像に基づくフォーカス位置ＦＰよりも離れた位置に光が集光する。この違いによって、図２７に示すように、補正過多の状態と補正過小の状態では、画面の中心から互いに反対方向にずれた位置に画像（画像３１、画像３２）が表示されることになる。

従って、図２５に示す変調パターンＨ１０を用いることで、制御装置２０は、補正過多の状態と補正過小の状態を画像に基づいて容易に識別することが可能となる。このため、収差補正を行う場合に収差補正の方向（つまり、補正量を増やす方向と減らす方向）を誤ってしまうことを回避することができる。その結果、より短時間で収差補正を行うことが可能となる。

なお、非対称な変調パターンは、収差補正に限らず、フォーカス合わせで使用されてもよい。フォーカス合わせに使用し場合には、焦準部を移動すべき方向を特定することが可能となる。また、収差補正とフォーカス合わせの両方で非対称な変調パターンが使用されてもよい。例えば、図２８から図４７に示す変調パターンの組み合わせ（変調パターンＬ１１と変調パターンＨ１１から変調パターンＬ３０と変調パターンＨ３０）を使用しても
よい。なお、これの変調パターンを用いた場合でも、球面収差の影響を受けにくい画像と球面収差の影響を受けやすい画像の両方を取得することができる点は、図６、図８、図１０から図１６に示す変調パターンを使用した場合と同様である。

［第２の実施形態］
図４８は、本実施形態に係る半自動調整処理のフローチャートである。本実施形態に係る顕微鏡システムの構成は、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと同様である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、図７に示す自動調整処理の代わりに、図４８に示す半自動調整処理を行う点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システムとは異なっている。

図４８に示す半自動調整処理が開始されると、制御装置２０は、まず、顕微鏡１００に第１の画像を取得させる（ステップＳ３１）。そして、制御装置２０は、顕微鏡１００が取得した画像を表示装置３０に表示させる（ステップＳ３２）。なお、本実施形態では、ステップＳ３１の前に、利用者が手動で第１の変調素子を光路上に配置する。

その後、制御装置２０は、フォーカスが合っているか否かを判断する（ステップＳ３３）。ここでは、制御装置２０は、例えば、表示装置３０に表示された画像を確認した利用者によってフォーカス合わせの終了指示が入力されたか否かによってフォーカスが合っているか否かを判断してもよい。利用者が手動で焦準部を操作してフォーカス合わせを行い、フォーカス合わせの終了指示を入力すると、制御装置２０は、フォーカスが合っていると判断する。

さらに、制御装置２０は、半自動処理を終了するか否を判定する（ステップＳ３４）。ここでは、制御装置２０は、例えば、第１の画像が表示されている期間中の焦準部の移動量が閾値未満であるか否かによって、半自動処理を終了するか否を判定してもよい。

半自動処理を終了しないと判定すると、制御装置２０は、顕微鏡１００に第２の画像を取得させる（ステップＳ３５）。そして、制御装置２０は、顕微鏡１００が取得した画像を表示装置３０に表示させる（ステップＳ３６）。なお、本実施形態では、ステップＳ３５の前に、利用者が手動で第２の変調素子を光路上に配置する。

その後、制御装置２０は、収差が補正されているか否かを判断する（ステップＳ３７）。ここでは、制御装置２０は、例えば、表示装置３０に表示された画像を確認した利用者によって収差補正の終了指示が入力されたか否かによって収差が補正されているか否かを判断してもよい。利用者が手動で補正環１５を操作して収差補正を行い、収差補正の終了指示を入力すると、制御装置２０は、収差が補正されていると判断する。

さらに、制御装置２０は、半自動処理を終了するか否を判定する（ステップＳ３８）。ここでは、制御装置２０は、例えば、第２の画像が表示されている期間中の補正環１５の回転量が閾値未満であるか否かによって、半自動処理を終了するか否を判定してもよい。

半自動処理を終了しないと判定すると、制御装置２０は、ステップＳ３１に戻り、半自動処理を終了すると判定するまで、上述した処理を繰り返す。

以上のように、本実施形態では、制御装置２０は、第１の画像が表示されている期間中にフォーカス合わせの終了を検出すると、第２の画像を表示装置３０に表示させる。また、制御装置２０は、第２の画像が表示されている期間中に収差補正の終了を検出すると、第１の画像を表示装置３０に表示させる。図４８に示す半自動調整方法を行うことによっても、フォーカスと収差の両方を良好に調整することができる。また、図４８に示す半自動調整方法は、電動補正環や電動焦準部を有しない顕微鏡システムにも適用可能である。

［第３の実施形態］
図４９は、本実施形態に係る自動調整処理のフローチャートである。本実施形態に係る顕微鏡システムの構成は、第１の実施形態に係る顕微鏡システムと同様である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、図７に示す自動調整処理の代わりに、図４９に示す自動調整処理を行う点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システムとは異なっている。図７に示す自動調整処理では変調素子の切り替えによって第１の画像と第２の画像の間で取得する画像が切り替わるのに対して、図４９に示す自動調整処理では、画像処理によって第１の画像と第２の画像を生成する点が異なっている。

図４９に示す自動調整処理が開始されると、制御装置２０は、まず、顕微鏡１００を制御してオートフォーカスを行う（ステップＳ４１）。ステップＳ４１の処理は、図７のステップＳ１１の処理と同様である。

次に、制御装置２０は、補正環を所定量だけ回転し（ステップＳ４２）、顕微鏡１０で画像を取得する（ステップＳ４３）。さらに、制御装置２０は、ステップＳ４３で取得した画像に対して画像処理を施して第２の画像を生成する（ステップＳ４４）。ステップＳ４４で行う画像処理は、例えば、ステップＳ４３で取得した画像をフーリエ変換して瞳画像を生成し、瞳画像に空間周波数フィルタを適用し、フィルタ適用後に得られた画像を逆フーリエ変換する処理であってもよい。なお、空間周波数フィルタは、例えば、ハイパスフィルタである。

その後、制御装置２０は、ステップＳ４４で生成した第２の画像のコントラストを算出する（ステップＳ４５）。制御装置２０は、ステップＳ４２からステップＳ４５の処理を繰り返しながらコントラストが最大となる補正環の設定を探索する。そして、制御装置２０は、コントラストが最大となったときに収差が補正されたと判断する（ステップＳ４６）。

収差補正が終了すると、制御装置２０は、焦準部を所定量だけ移動し（ステップＳ４７）、顕微鏡１０で画像を取得する（ステップＳ４８）。さらに、制御装置２０は、ステップＳ４８で取得した画像に対して画像処理を施して第１の画像を生成する（ステップＳ４９）。ステップＳ４９で行う画像処理は、例えば、ステップＳ４９で取得した画像をフーリエ変換して瞳画像を生成し、瞳画像に空間周波数フィルタを適用し、フィルタ適用後に得られた画像を逆フーリエ変換する処理であってもよい。なお、空間周波数フィルタは、例えば、ローパスフィルタである。

その後、制御装置２０は、ステップＳ４９で生成した第１の画像のコントラストを算出する（ステップＳ５０）。制御装置２０は、ステップＳ４７からステップＳ５０の処理を繰り返しながらコントラストが最大となる焦準部の位置を探索する。制御装置２０は、コントラストが最大となったときにフォーカスがあったと判断する（ステップＳ５１）。

フォーカス合わせが終了すると、制御装置２０は、フォーカス合わせで移動した焦準部の移動量が閾値未満か否かを判定する（ステップＳ５２）。制御装置２０は、移動量が閾値未満であれば（ステップＳ５２ＹＥＳ）、図４９に示す処理を終了する。一方、移動量が閾値未満であれば（ステップＳ５２ＮＯ）、ステップＳ５２に戻って、移動量が閾値未満となるまで、収差補正とフォーカス合わせを繰り返す。

以上のように、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、図４９に示す自動調整方法を行うことで、図７に示す自動調整方法を行う場合と同様に、フォーカスと収差の両方を良好に調整する。また、処理開始から終了まで人間が顕微鏡システムに指示を与える必要
がなく、完全に自動でフォーカス合わせと収差補正を行うことができる点も、同様である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、変調素子を必要としないため、既存の顕微鏡システムをそのまま利用することができる。

なお、本実施形態では、第１の画像と第２の画像の両方を画像処理によって生成する例を示したが、第１の画像と第２の画像の少なくとも一方が画像処理によって生成されてもよい。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするための具体例を示したものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。上述した実施形態の一部を他の実施形態に適用しても良い。光学機器の調整方法、調整支援方法、及び、光学システムは、特許請求の範囲の記載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。

上述した実施形態では、補正環を用いて球面収差を補正する例を示したが、補正装置は、補正環に限らない。例えば、補正環の代わりに、デフォーマブルミラー、空間的に区画された複数の領域を個別に制御可能な位相変調器などを用いて球面収差を補正してもよい。また、位相変調器は、球面収差に限らず任意の収差の補正に用いられてもよく、さらに、フォーカス合わせのために焦準部の代わりに用いられてもよい。

上述した実施形態では、コントラストが最大となったときにフォーカス合わせ又は収差補正を終了する例を示したが、コントラストが閾値以上に達した場合にフォーカス合わせ又は収差補正を終了してもよい。十分にコントラストが高い状態は、フォーカス合わせが合っている又は収差が補正されているとみなすことができる場合があるためである。

１ 顕微鏡システム
１０ 顕微鏡
１１ 撮像装置
１４、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 対物レンズ
１５ 補正環
１６ ステージ
２０ 制御装置
２１ プロセッサ
２２ メモリ
２３ 補助記憶装置
２７ 可搬記憶媒体
３０ 表示装置
３１、３２ 画像
４１ キーボード
４２ マウス
４３ ハンドル
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 顕微鏡
１０２、１０３、２０５、２０８、３０２、５０５、５０８、６０２、７０２、８０２
変調素子
Ｌ１～Ｌ３０、Ｈ１～Ｈ３０ 変調パターン
Ｆ１、Ｆ１１、Ｆ２、ＦＰ フォーカス位置

Claims (11)

1. 標本の画像を取得する光学機器の調整方法であって、
   前記標本の第１の画像のコントラストが高くなる方向に、前記光学機器に含まれる焦準部を動かす工程と、
   前記標本の第２の画像のコントラストが高くなる方向に、前記光学機器で生じる収差量を調整する工程と、を含み、
   前記第２の画像の周波数成分の平均値は、前記第１の画像の周波数成分の平均値よりも高い
   ことを特徴とする調整方法。
2. 請求項１に記載の調整方法において、さらに、
   前記光学機器で前記第１の画像を取得する工程と、
   前記光学機器で前記第２の画像を取得する工程と、を含む
   ことを特徴とする調整方法。
3. 請求項２に記載の調整方法において、さらに、
   前記第１の画像を取得する工程と前記第２の画像を取得する工程の間で、前記光学機器の光学系の瞳関数を変更する工程と、を含む
   ことを特徴とする調整方法。
4. 請求項２又は請求項３に記載の調整方法において、
   前記第１の画像を取得する工程は、第１の変調素子で照明光又は観察光の少なくとも一方を変調する工程を含み、
   前記第２の画像を取得する工程は、前記第１の変調素子とは異なる透過率分布を有する第２の変調素子で照明光又は観察光の少なくとも一方を変調する工程を含む
   ことを特徴とする調整方法。
5. 請求項４に記載の調整方法において、
   以下の条件式を満たすことを特徴とする調整方法。
   

   

   
   ただし、ｆ（ｒ）は前記第１の変調素子の透過率分布であり、ｇ（ｒ）は前記第２の変調素子の透過率分布であり、ｒは光軸からの距離であり、Ｌ１は前記第１の変調素子に入射したときの軸上光線束の半径であり、Ｌ２は前記第２の変調素子に入射したときの前記軸上光線束の半径である。
6. 請求項１に記載の調整方法において、さらに、
   前記光学機器で取得した画像に対して画像処理を施して前記第１の画像又は前記第２の画像の少なくとも一方を生成する工程と、を含む
   ことを特徴とする調整方法。
7. 請求項６に記載の調整方法において、
   前記第１の画像又は前記第２の画像の少なくとも一方を生成する工程は、前記光学機器で取得した画像をフーリエ変換した瞳画像に空間周波数フィルタを適用する工程を含む
   ことを特徴とする調整方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の調整方法において、
   前記光学機器で生じる収差量を調整する工程は、前記光学機器に含まれる補正環を調整する工程を含む
   ことを特徴とする調整方法。
9. 標本の画像を取得する光学機器であって、対物レンズと、前記対物レンズと前記標本の間の距離を変更する焦準部と、収差を補正する補正装置と、を含む光学機器と、
   前記光学機器を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記標本の第１の画像のコントラストが高くなる方向に、前記焦準部を動かし、
   前記標本の第２の画像のコントラストが高くなる方向に、前記補正装置の設定を変更して前記光学機器で生じる収差量を調整し、
   前記第２の画像の周波数成分の平均値は、前記第１の画像の周波数成分の平均値よりも高い
   ことを特徴とする光学システム。
10. 請求項９に記載の光学システムにおいて、
    前記補正装置は、球面収差を補正する補正環を含む
    ことを特徴とする光学システム。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の光学システムにおいて、
    前記光学機器は、顕微鏡を含む
    ことを特徴とする光学システム。

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