JP7242864B2 - 対象物をイメージングする光学システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象物を顕微鏡の像面へイメージングする光学システムおよび方法に関する。

顕微鏡における使用のために、連続的に可変の倍率で対象物を像面へイメージングすることのできるズーム機能を提供する光学システムが知られている。この目的で、こうした光学システムは、短焦点距離端と長焦点距離端との間でのズームのために、光軸に沿って移動可能な１つもしくは複数のレンズ群を含む。通常、当該光学システムは、ズームレンズ群を独立して移動させるために、カム機構もしくはこれに類似のものを含む。

上述した光学ズームシステムを含む顕微鏡は、さらに、任意のズーム設定で、すなわち光軸に沿ったズームレンズ群の任意の位置決めで、対象物を像面へフォーカシングするように設計されたフォーカシング装置を含む。通常、こうしたフォーカシング装置は、対象物が配置される対物面から像面までの軸線方向距離を変化させるように構成されている。この目的で、フォーカシング装置は、対象物が載置された顕微鏡ステージに対して光学システムを、または逆に光学システムに対して対象物が配置された顕微鏡ステージを、移動させることができる。

顕微鏡にこうしたフォーカシング装置が設けられる場合、光学システムと顕微鏡ステージとの間の相対移動を達成するための要素を設けなければならない点で、相当の労力が必要となる。さらに、フォーカシング装置はユーザによって操作されなければならないため、フォーカシング操作は煩雑で時間のかかるものとなっている。

したがって、本発明の目的は、簡便かつ精確なフォーカシング動作を可能にする、対象物を顕微鏡の像面へイメージングする光学システムを提供することである。

上述した目的を達成するために、対象物を顕微鏡の像面へイメージングする光学システムであって、定置された第１のレンズ群および第４のレンズ群と、短焦点距離端と長焦点距離端との間でズームを行いながら対象物を像面へフォーカシングするために、光学システムの光軸に沿って独立に移動可能な第２のレンズ群および第３のレンズ群と、を含む光学システムが提供される。

上述した光学システムにより、連続的なズーム、すなわち光学システムの短焦点距離端と長焦点距離端との間の光学システムの全焦点距離を連続的に変化させることができ、同時に、連続的なフォーカシング、すなわち対物面から像面までの距離を連続的に変化させることができる。

第１のレンズ群および第４のレンズ群を定置状態としたまま、第２のレンズ群と第３のレンズ群とを独立に移動させることにより、組み合わされたズーム制御およびフォーカシング制御が達成される。よって、対象物が顕微鏡の像面へイメージングされることに基づく倍率と、対象物が配置される対物面から像面までの軸線方向距離と、を同時に調整することができる。結果として、光学システムにより、顕微鏡のユーザは、所望のズーム調整およびフォーカシング調整を簡便かつ精確に実現することができる。

この観点につき、上述した像面が、光学システムによって像が生成される任意の平面を意味することに注意されたい。特に、こうした像面には、例えばデジタルカメラとしてのセンサが配置される平面、および中間像が形成される平面が含まれうる。

好ましくは、負の倍率を有する第１のレンズ群、正の倍率を有する第２のレンズ群、正の倍率を有する第３のレンズ群、および負の倍率を有する第４のレンズ群が、対象物側からこの順序で配置されている。当該実施形態によれば、定置のレンズ群は、光学システムの外側レンズ群、すなわちそれぞれ対象物側に面する第１のレンズ群と像側に面する第４のレンズ群とから成る。よって、光学システムのコンパクトな設計が達成される。

好ましい一実施形態では、光学システムは、対象物側でテレセントリックでありかつ像側でテレセントリックであるように構成されている。こうした両面テレセントリックの構成により、高い像品質で対象物をイメージングすることができる。

好ましい一実施形態では、短焦点距離端と長焦点距離端とにより、Ｚ１＝０．９からＺ２＝５までのズーム範囲が定められる。ズーム範囲を上述したＺ１，Ｚ２の値へ制限することにより、組み合わされたズーム動作およびフォーカシング動作を実行する際の第２のレンズ群および第３のレンズ群の移動距離が過度に大きくならない光学システムの設計が可能となる。よって、光学システムのコンパクトな設計が達成される。

好ましくは、第２のレンズ群および第３のレンズ群のそれぞれに対して、ズーム設定および焦点設定の各組み合わせを、光軸に沿った対応するレンズ群位置へ割り当てる情報を記憶するメモリ手段が設けられる。ズーム情報およびフォーカシング情報を記憶することにより、簡単かつ精確に光学システムを制御することができる。

好ましい一実施形態では、光学システムは、同軸での光結合のための光学素子を含む。こうした光学素子は、顕微鏡の光源によって放出された照明光を光学システムへ結合するために使用可能である。よって、光学システムは対象物の照明およびイメージングの双方に使用可能である。

好ましい一実施形態では、光学素子は、光学システムのうち、当該光学システムを通過する光の角度特性がズーム範囲の全体と第２のレンズ群および第３のレンズ群の焦点位置とに対して同じとなるセグメント内に配置される。例えば上述した光学素子により照明路が光学システム内へ結合される場合、光学素子によって光学システム内へ結合される照明光路での対応するズーム動作を行う必要なく、ズーム範囲の全体、すなわち第２のレンズ群および第３のレンズ群の全てのズーム位置に、対物面から像面まで光学システムを通過する光を供給することができる。

好ましくは、光学素子は、第４のレンズ群内に配置される。

光学素子が第４のレンズ群内に配置されている場合、第４のレンズ群は、好ましくは、負の倍率を有する第１のサブレンズ群と正の倍率を有する第２のサブレンズ群とを対象物側からこの順序で配置されて含み、ここで、光学素子は、第１のサブレンズ群と第２のサブレンズ群との間に配置されている。

他の態様によれば、対象物を顕微鏡の像面へイメージングする方法であって、対象物のイメージング中、第１のレンズ群および第４のレンズ群を定置状態で保持するステップと、短焦点距離端と長焦点距離端との間でズームを行いながら対象物を像面へフォーカシングするために、第２のレンズ群および第３のレンズ群を光軸に沿って独立に移動させるステップと、を含む方法が提供される。

他の態様によれば、像面と上述した光学システムとを含む顕微鏡が提供される。

以下に、図面を参照しながら、好ましい各実施形態を説明する。

本発明の一実施形態による、種々のズーム設定および種々の焦点設定に対しての光学システムの構成を示すレンズ図である。 本発明の別の実施形態による、種々のズーム設定および種々の焦点設定に対しての光学システムの構成を示すレンズ図である。 図１に示されている光学システムを含む顕微鏡の例示的な構成を示す図である。

図１は、対象物を像面ＩＰにイメージングするために顕微鏡内に設けることのできる光学システム１００を示すレンズ図である。像面ＩＰは、顕微鏡のイメージセンサが配置された平面であってよい。代替的に、像面ＩＰは、中間像が形成される平面であってもよい。

図１の上半部には、短焦点距離端、すなわち光学システム１００によって提供される倍率が最大となる（図１のＶ_ｍａｘ）設定での、光学システム１００の構成が示されている。相応に、図１の下半部には、長焦点距離端、すなわち光学システム１００によって提供される倍率が最小となる（図１のＶ_ｍｉｎ）設定での、光学システム１００が示されている。さらに、図１には、焦点距離端のそれぞれに対して２つのフォーカシング状態、すなわち光軸Ｏに沿った対物面ＯＰ１から像面ＩＰまでの距離が最小となる第１のフォーカシング状態と、光軸Ｏに沿った対物面ＯＰ２から像面ＩＰまでの距離が最大となる第２の状態と、が示されている。対物面ＯＰ１から対物面ＯＰ２までの距離は、焦点範囲ＦＲを定めている。

光学システム１００は、負の倍率を有する第１のレンズ群Ｌ１、正の倍率を有する第２のレンズ群Ｌ２、正の倍率を有する第３のレンズ群Ｌ３、および負の倍率を有する第４のレンズ群Ｌ４を含み、これらのレンズ群Ｌ１～Ｌ４は、対物面ＯＰ１，ＯＰ２から像面ＩＰへ向かってこの順序で配置されている。対物面ＯＰ１，ＯＰ２に面する第１のレンズ群Ｌ１と像面ＩＰに面する第４のレンズ群Ｌ４とは定置である。換言すれば、フォーカシングおよびズームの後、光学システム１００の２つの外側レンズ群Ｌ１，Ｌ４は、光軸Ｏに沿ったその位置が変更されないままとどまる。対照的に、光学システム１００の内側レンズ群Ｌ２，Ｌ３は、長焦点距離端すなわちＶ_ｍｉｎと短焦点距離端すなわちＶ_ｍａｘとの間でズームを行いながら対象物を像面ＩＰへフォーカシングするために、光軸Ｏに沿って独立に移動される。

特に、第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３の双方が、長焦点距離端と短焦点距離端との間でズームを行いながら、対物面ＯＰ１，ＯＰ２から像面ＩＰへ移動される。さらに、対物面から像面ＩＰまでの距離が増大する場合、すなわち対物面がＯＰ１からＯＰ２へ移動される場合、第２のレンズ群が対物面ＯＰ１，ＯＰ２へ向かって移動され、第３のレンズ群Ｌ３が像面ＩＰへ向かって移動される。第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３のこうしたフォーカシング運動は、長焦点距離端および短焦点距離端の双方に当てはまる。

図１には、各ズーム設定および焦点設定に対して、それぞれの対物面ＯＰ１，ＯＰ２内で空間的に分離した対物点Ｑ１，Ｑ２に関連する２つのビーム路が示されている。対物点Ｑ１は、光学システム１００によって像点Ｒ１へとイメージングされる。同様に、対物点Ｑ２は、光学システム１００によって像点Ｒ２へとイメージングされる。各ビーム部分によって図示されているように、光学システム１００は対象物側と像側との双方でテレセントリックであるように構成可能である。

図１に示されている実施形態によれば、短焦点距離端および長焦点距離端は、Ｚ１＝０．９からＺ２＝５までのズーム範囲を定めることができる。言うまでもなく、当該実施形態は上述したズーム範囲に限定されない。

ズーム設定および焦点設定の各組み合わせは、光軸Ｏに沿った、第２のレンズ群Ｌ２の関連する位置と第３のレンズ群Ｌ３の関連する位置との組み合わせに対応する。よって、ズーム設定および焦点設定の各組み合わせを第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３の対応するレンズ群位置に割り当てる情報を、事前に記憶しておくことができ、これにより、当該情報によって、特定のズーム設定および特定の焦点設定をいつ提供すべきかを参照可能である。

図２には、図１のレンズ図に対応するレンズ図を説明する変更実施形態が示されている。図２に示されている当該変更実施形態によれば、光学システム２００は、同軸での光結合のための光学素子２０２を含む。特に、光学素子２０２は、照明光を同軸で光学システム２００内に結合するように構成可能であり、照明光は図２に示されていない光源によって放出される。この目的で、光学素子２０２は、対物面ＯＰ１，ＯＰ２へ向かう照明光を反射するように構成され、さらに対物面ＯＰ１，ＯＰ２から像面ＩＰまで光学システム２００を通過する光を送信するように構成されたビームスプリッタとして形成可能である。光学素子２０２は、第４のレンズ群Ｌ４内、特に負の倍率を有する第１のサブレンズ群２０４と正の倍率を有する第２のサブレンズ群２０６との間に配置可能である。第４のレンズ群Ｌ４内では、第１のサブレンズ群２０４は対物面ＯＰ１，ＯＰ２に対向するように位置決めされており、第２のサブレンズ群２０６は像面ＩＰに対向するように位置決めされている。

好ましくは、光学素子２０２は、光学システム２００のうち、光学システム２００を通過する光の角度特性がズーム範囲の全体と第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３の焦点位置とに対して同じとなるセグメント内に配置されている。換言すれば、光学システム２００のうち、好ましくは光学素子２０２を含むセグメントが、短焦点距離端から長焦点距離端までのズーム範囲の全体を通して、ならびにＯＰ１，ＯＰ２によって定められる焦点範囲ＦＲの全体を通して、光学システム１００を通過する光に対して一定の角度特性を有する。上述した角度特性は、組み合わされたズーム動作およびフォーカシング動作が実行される間、不変のままであるので、対物面ＯＰ１，ＯＰ２から像面ＩＰ１まで光学システム２００を通過する光が、光学素子２０２によって光学システム２００内へ結合される照明光路上で対応するズーム動作を行う必要なく、第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３の全てのズーム位置に供給可能となる。

図３には、図１に示されている光学システム１００を含むことのできる顕微鏡３０８の一実施形態が示されている。特に、顕微鏡３０８は、第１のデジタルカメラ３１０を含む第１の倍率変更サブシステム３０９と、図１に示されている光学システム１００によって形成される第１の光学増倍システムと、を含む。第１のデジタルカメラ３１０と光学システム１００とは、第１の光軸Ｏ１に沿って位置合わせされている。

顕微鏡３０８は、さらに、第２のデジタルカメラ３１４を含む第２の倍率変更サブシステム３１２と、第２の光学増倍システム３１６と、を含む。第２のデジタルカメラ３１４と第２の光学増倍システム３１６とは、第２の光軸Ｏ２に沿って位置合わせされている。

顕微鏡３０８は、さらに、メモリ３２０を含むコントローラ３１８を含む。さらに、顕微鏡３０８は、対象物３２４が配置される顕微鏡ステージ３２２を含む。顕微鏡ステージ３２２は、位置決め装置３２６により、光軸Ｏ１，Ｏ２に対して直交する方向で移動可能である。特に、コントローラ３１８は、位置決め装置３２６を介して顕微鏡ステージ３２２を横方向でシフトさせて、これにより対象物３２４の目標領域３２８が第１の倍率変更サブシステム３０９の光軸Ｏ１上または第２の倍率変更サブシステム３１２の光軸Ｏ２上に位置決めされるように構成されている。

光学システム１００を含む第１の倍率変更サブシステム３０９が光学ズームシステムとして使用可能であるのに対し、第２の倍率変更サブシステム３１２はデジタルズームシステムとして使用可能である。このために、第２のデジタルカメラ３１４にはデジタルズーム機能を設けることができるが、第２の光学増倍システム３１６は固定の倍率を提供するように構成されている。

例えば、図３に示されている構成では、第２の倍率変更サブシステム３１２は、光軸Ｏ２が対象物３２４の目標領域３２８に対して位置合わせされている場合、俯瞰像を生成するように使用可能である。俯瞰像が生成されると直ちに、第１の倍率変更サブシステム３０９は目標領域３２８に対して位置合わせされ、これに応じて、光学システム１００が制御されて、目標領域３２８へのフォーカシングの間、所望の倍率を調整するために、上述した、組み合わされたフォーカシング動作およびズーム動作が行われる。このために、コントローラ３１８は、第２のレンズ群Ｌ２および第３のレンズ群Ｌ３を光軸Ｏ１に沿って正確に位置決めするための情報を、メモリ３２０から取り出すことができる。

図３に示されている顕微鏡３０８は、単に例示として、それぞれ図１および図２に示されている光学システム１００，２００によって提供される組み合わされたズーム動作およびフォーカシング動作の適用に適する顕微鏡の構成を表していることに注意されたい。よって、光学システム１００，２００は、フォーカシングおよびズームが要求されるあらゆる他のタイプの顕微鏡において使用可能である。

いくつかの態様を装置の文脈において説明してきたが、これらの態様が、対応する方法の説明も表していることが明らかであり、ここではブロックまたは装置がステップまたはステップの特徴に対応している。同様に、ステップの文脈において説明された態様は、対応する装置の対応するブロックまたは項目または特徴の説明も表している。ステップの一部または全部は、例えば、プロセッサ、マイクロプロセッサ、プログラマブルコンピュータまたは電子回路等のハードウェア装置（またはハードウェア装置を使用すること）によって実行されてもよい。いくつかの実施形態では、極めて重要なステップのいずれか１つまたは複数が、そのような装置によって実行されてもよい。

一定の実装要件に応じて、本発明の実施形態は、ハードウェアまたはソフトウェアで実装され得る。この実装は、非一過性の記録媒体によって実行可能であり、非一過性の記録媒体は、各方法を実施するために、プログラマブルコンピュータシステムと協働する（または協働することが可能である）、電子的に読取可能な制御信号が格納されている、デジタル記録媒体等であり、これは例えば、フロッピーディスク、ＤＶＤ、ブルーレイ、ＣＤ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭおよびＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭまたはＦＬＡＳＨメモリである。したがって、デジタル記録媒体は、コンピュータ読取可能であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態は、本明細書に記載のいずれかの方法が実施されるように、プログラマブルコンピュータシステムと協働することができる、電子的に読取可能な制御信号を有するデータ担体を含んでいる。

一般的に、本発明の実施形態は、プログラムコードを備えるコンピュータプログラム製品として実装可能であり、このプログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されるときにいずれかの方法を実施するように作動する。このプログラムコードは、例えば、機械可読担体に格納されていてもよい。

別の実施形態は、機械可読担体に格納されている、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するためのコンピュータプログラムを含んでいる。

したがって、換言すれば、本発明の実施形態は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに本明細書に記載のいずれかの方法を実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。

したがって、本発明の別の実施形態は、プロセッサによって実行されるときに本明細書に記載のいずれかの方法を実施するために、格納されているコンピュータプログラムを含んでいる記録媒体（またはデータ担体またはコンピュータ読取可能な媒体）である。データ担体、デジタル記録媒体または被記録媒体は、典型的に、有形である、かつ／または非一過性である。本発明の別の実施形態は、プロセッサと記録媒体を含んでいる、本明細書に記載されたような装置である。

したがって、本発明の別の実施形態は、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するためのコンピュータプログラムを表すデータストリームまたは信号シーケンスである。データストリームまたは信号シーケンスは例えば、データ通信接続、例えばインターネットを介して転送されるように構成されていてもよい。

別の実施形態は、処理手段、例えば、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するように構成または適合されているコンピュータまたはプログラマブルロジックデバイスを含んでいる。

別の実施形態は、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するために、インストールされたコンピュータプログラムを有しているコンピュータを含んでいる。

本発明の別の実施形態は、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するためのコンピュータプログラムを（例えば、電子的にまたは光学的に）受信機に転送するように構成されている装置またはシステムを含んでいる。受信機は、例えば、コンピュータ、モバイル機器、記憶装置等であってもよい。装置またはシステムは、例えば、コンピュータプログラムを受信機に転送するために、ファイルサーバを含んでいてもよい。

いくつかの実施形態では、プログラマブルロジックデバイス（例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ）が、本明細書に記載された方法の機能の一部または全部を実行するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイは、本明細書に記載のいずれかの方法を実施するためにマイクロプロセッサと協働してもよい。一般的に、有利には、任意のハードウェア装置によって方法が実施される。

１００，２００ 光学システム
２０２ 光学素子
２０４ 第１のサブレンズ群
２０６ 第２のサブレンズ群
３０８ 顕微鏡
３０９ 第１の倍率変更サブシステム
３１０ 第１のデジタルカメラ
３１２ 第２の倍率変更サブシステム
３１４ 第２のデジタルカメラ
３１６ 第２の光学増倍システム
３１８ コントローラ
３２０ メモリ
３２２ 顕微鏡ステージ
３２４ 対象物
３２６ 位置決め装置
３２８ 目標領域
Ｏ，Ｏ１，Ｏ２ 光軸
Ｌ１ 第１のレンズ群
Ｌ２ 第２のレンズ群
Ｌ３ 第３のレンズ群
Ｌ４ 第４のレンズ群
ＩＰ 像面
ＯＰ１，ＯＰ２ 対物面
Ｒ１，Ｒ２ 像点
Ｑ１，Ｑ２ 対物点

Claims (9)

1. 対象物（３２４）を顕微鏡（３０８）の像面（ＩＰ）へイメージングする光学システム（１００，２００）であって、前記光学システム（１００，２００）は、
   定置された第１のレンズ群（Ｌ１）および第４のレンズ群（Ｌ４）と、
   短焦点距離端と長焦点距離端との間でズームを行いながら、前記対象物（３２４）を前記像面（ＩＰ）へフォーカシングするために、前記光学システム（１００，２００）の光軸（Ｏ）に沿って独立に移動可能な第２のレンズ群（Ｌ２）および第３のレンズ群（Ｌ３）と、
   からなり、
   負の倍率を有する前記第１のレンズ群（Ｌ１）と、正の倍率を有する前記第２のレンズ群（Ｌ２）と、正の倍率を有する前記第３のレンズ群（Ｌ３）と、負の倍率を有する前記第４のレンズ群（Ｌ４）と、は、対象物側からこの順序で配置されており、
   前記光学システム（１００，２００）は、対象物側でテレセントリックでありかつ像側でテレセントリックであるように構成されている、
   光学システム（１００，２００）。
2. 短焦点距離端と長焦点距離端とにより、Ｚ１＝０．９からＺ２＝５までのズーム範囲が定められる、
   請求項１記載の光学システム（１００，２００）。
3. 前記光学システム（１００，２００）は、前記第２のレンズ群（Ｌ２）および前記第３のレンズ群（Ｌ３）のそれぞれに対して、ズーム設定および焦点設定の各組み合わせを、前記光軸に沿った対応するレンズ群位置へ割り当てる情報を記憶するメモリ手段（３２０）を含む、
   請求項１または２記載の光学システム（１００，２００）。
4. 前記光学システム（２００）は、同軸での光結合のための光学素子（２０２）を含む、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の光学システム（２００）。
5. 前記光学素子（２０２）は、前記光学システム（２００）のうち、前記光学システムを通過する光の角度特性が、ズーム範囲の全体と前記第２のレンズ群（Ｌ２）および前記第３のレンズ群（Ｌ３）の焦点位置とに対して同じとなるセグメント内に配置されている、
   請求項４記載の光学システム（２００）。
6. 前記光学素子（２０２）は、前記第４のレンズ群（Ｌ４）内に配置されている、
   請求項５記載の光学システム（２００）。
7. 前記第４のレンズ群は、負の倍率を有する第１のサブレンズ群（２０４）と正の倍率を有する第２のサブレンズ群（２０６）とを、対象物側からこの順序で配置されて含み、
   前記光学素子（２０２）は、前記第１のサブレンズ群（２０４）と前記第２のサブレンズ群（２０６）との間に配置されている、
   請求項６記載の光学システム（２００）。
8. 対象物（３２４）を顕微鏡（３０８）の像面（ＩＰ）へイメージングする方法であって、前記方法は、
   前記対象物（３２４）のイメージング中、第１のレンズ群（Ｌ１）および第４のレンズ群（Ｌ４）を定置状態で保持するステップと、
   短焦点距離端と長焦点距離端との間でズームを行いながら、前記対象物（３２４）を前記像面（ＩＰ）へフォーカシングするために、第２のレンズ群（Ｌ２）および第３のレンズ群（Ｌ３）を光学システム（１００，２００）の光軸（Ｏ）に沿って独立に移動させるステップと、
   を含み、
   前記光学システム（１００，２００）は、対象物側からこの順序で、負の倍率を有する前記第１のレンズ群（Ｌ１）と、正の倍率を有する前記第２のレンズ群（Ｌ２）と、正の倍率を有する前記第３のレンズ群（Ｌ３）と、負の倍率を有する前記第４のレンズ群（Ｌ４）と、からなり、
   前記光学システム（１００，２００）は、対象物側でテレセントリックでありかつ像側でテレセントリックであるように構成されている、
   方法。
9. 像面（ＩＰ）と、請求項１から７までのいずれか１項記載の光学システム（１００，２００）と、を含む顕微鏡（３０８）。

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