JPH1132251A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動の発生源をなくすと共に、装置構成の簡易
化を可能とする。 【解決手段】複屈折結晶である水晶を硝材として用いた
二重焦点光学系２の焦点位置を、液晶素子４による液晶
の配向の切換えにより、偏光板３を透過される光の偏光
方向を回転させることで切換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光軸方向に高さを
有する３次元物体の観察画像を生成するための画像処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、解像度にすぐれ、且つ明るさの
大きな画像を光学的に取込むためには、開口の大きな光
学素子を用いた結像光学系が必要である。ところが、レ
ンズに代表される結像用光学素子は、開口が大きくなる
と焦点深度が浅くなることから、このような焦点深度が
浅いままで、顕微鏡における検査観察において、例えば
半導体ウェハのパターン、凹凸のある生物標本、ＬＣＤ
パネル検査など、光軸方向に高さを有する３次元物体の
観察を行なうと、観察画像にぼけ画像が混在して解像度
が著しく劣化するため、かかる観察画像に基づいた検査
過程に支障をきたす虞があった。

【０００３】そこで従来、このような３次元物体の画像
を一括して観察可能にするため、焦点深度を拡大するこ
とが考えられ、このような焦点深度を拡大する方法とし
て、合焦位置の異なる観察画像を加え合わせ、得られた
画像に適当な画像処理を行なうことにより、解像度や明
るさを損なうことなく焦点深度の深い画像を再生するよ
うにしたものがある。

【０００４】つまり、このような考えに基づくものとし
て、特開平８−３１７２７３号公報に開示されるよう
に、標本の合焦面合わせを行なうようにステージを駆動
しながら、テレビカメラにより標本画像を撮像し、この
テレビカメラで得られた標本画像をメモリに記憶し、さ
らに記憶画像に対する加算タイミングで標本画像と記憶
画像を加算し、この加算画像を回復処理することで、合
焦位置の異なる複数の画像を加算した焦点深度の深い画
像を得るようにしたもの、あるいは、特開平８−２９４
０３５号公報に開示されるように、合焦時のコントラス
トが高く輝度変化の激しい部分についてはコントラスト
情報に基づく焦点位置検出を行ない、残った部分につい
ては、輝度処理に基づく焦点位置検出を行ない、これら
より得られた画像を合成して最終合焦画像を得るように
したものなどがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来のものは、いずれも合焦位置の異なる複数の画像を
取込むのに、試料ステージまたは顕微鏡の光学系部分を
機械的に動かすようにしているため、これらを精度よく
駆動するための構成の複雑な機械的駆動機構が必要とな
り、装置の大型化とともに、価格的にも高価になってし
まう。また、これらステージまたは顕微鏡の光学系部分
を直接動かすことは、観察対象を振動させる振動源にも
なる。このことは、観察対象に対してマニピュレータや
ピンセットによる作業を可能にした作業用顕微鏡などの
場合、観察対象が振動により移動してマニピュレータや
ピンセットに誤って触れてしまい、作業をやり直ししな
ければならなくなるなど、作業上の効率低下を招く虞も
あった。

【０００６】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、振動の発生源を無
くすことができると共に、装置構成の簡易化を図りなが
ら、３次元物体の正確で鮮明な観察画像を得ることが可
能な画像処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複屈折結晶による二重焦点光学系と、この二重焦点光学
系の焦点位置を切換える焦点位置切換手段と、この焦点
位置切換手段により切換えられる二重焦点光学系のそれ
ぞれの焦点位置の画像を各別に記憶する記憶手段と、こ
の記憶手段に記憶された異なる焦点位置の画像の各画素
の輝度を比較選択して画像を再合成する画像処理手段
と、この画像処理手段により再合成された画像を表示す
る表示手段とを具備したことを特徴とする。

【０００８】このような構成とした結果、機械的な動作
を伴わずに焦点位置を切換えることができ、２つの合焦
位置の画像を機械的振動を発生させることなく取込むこ
とができる。

【０００９】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、上記焦点位置切換手段は、二重焦点光
学系の複屈折結晶の光学軸に平行な直線偏光が透過され
る偏光板と、この偏光板を透過される光の偏光方向を回
転させる液晶素子を有する偏光フィルタからなることを
特徴とする。

【００１０】このような構成とした結果、上記請求項１
記載の発明の作用に加えて、焦点位置切換手段として複
雑な機械的駆動機構を用いることなく、二重焦点光学系
の焦点位置を切換えることができる。

【００１１】請求項３記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、上記画像処理手段は、予め異なる大き
さのしきい値が設定され、これらのしきい値に対し各焦
点位置の画像の対応する画素の輝度を比較するととも
に、この比較結果に基づいて、いずれか一方の画素を選
択し画像を再合成するようにしている。

【００１２】このような構成とした結果、上記請求項１
記載の発明の作用に加えて、取込まれた２つの画像の各
画素の輝度をしきい値と比較選択し、それぞれの画像の
ぼけ部分を低減させて画像を再合成するため、従来の顕
微鏡の分解能、作動距離を維持したまま２倍の高さの３
次元物体の鮮明な観察画像を得ることができる。

【００１３】請求項４記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、上記二重焦点光学系の対物レンズと上
記撮像手段との間に配置され、上記焦点位置切換手段に
より切換えられる二重焦点光学系のそれぞれの焦点位置
の画像の結像倍率が等しくなるように該対物レンズと撮
像手段との間の空気換算長を調節する結像倍率調節手段
をさらに具備したことを特徴とする。

【００１４】このような構成とした結果、上記請求項１
記載の発明の作用に加えて、二重焦点光学系の２つの焦
点による像の結像倍率が等しくなるため、それぞれの像
による画像を再合成したときの画像上の長さが不一致と
なってしまうことがなく、３次元物体の正確で鮮明な観
察画像を得ることができる。

【００１５】請求項５記載の発明は、上記請求項４記載
の発明において、上記結像倍率調節手段は、上記対物レ
ンズの光学軸と直交または平行な光学軸を有する複屈折
結晶による平行平板からなることを特徴とする。このよ
うな構成とした結果、上記請求項４記載の発明の作用に
加えて、上記結像倍率調節手段を簡易な構成で実現する
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下本発明の第１の実施の形態に
係る画像処理装置を図面に従って説明する。図１は画像
処理装置全体の概略構成を示している。同図において１
は顕微鏡であり、この顕微鏡１は、複屈折結晶である水
晶を硝材として用いた二重焦点光学系２と、この二重焦
点光学系２の焦点位置を切換えるための偏光板３、液晶
素子４により構成される偏光フィルタ５と、この偏光フ
ィルタ５を駆動する液晶駆動回路６を有し、さらに二重
焦点光学系２により結像される像を撮像する撮像手段７
を有している。

【００１７】ここで、二重焦点光学系２は、焦点ＯＡ
（下側の焦点），ＯＢ（上側の焦点）のそれぞれの焦点
深度ＤＡ，ＤＢが連続するように設計されたものであ
る。つまり、このような複屈折結晶を硝材とするレンズ
は、菊田久男・岩田耕一「複屈折レンズの光線追跡」、
光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３１．Ｎｏ５、ｐ２４７〜
２５９（１９９３）に記載されているように、複屈折結
晶の光学軸に対する入射光線の偏光方向の違いにより２
つの位置で焦点を結ぶようになっていて、このとき、そ
れぞれの光線を常光線、異常光線と呼び、レンズの形状
を図２に示すようにすると、常光線での焦点距離ｆo 及
び異常光線での焦点距離ｆe は、 ｆo ＝ｒ1 ・ｒ2 ／((ｎo −１)(ｒ1 −ｒ2 )) …(1) ｆe ＝ｒ1 ・ｒ2 ／((ｎe −１)(ｒ1 −ｒ2 )) …(2) （但し、ｒ1 ，ｒ2 ：レンズの曲率半径、 ｎo ：常光線に対する屈折率、 ｎe ：異常光線に対する屈折率。） で与えられるようになり、これにより、これら焦点距離
ｆo ，ｆe を適当に設計することで、焦点ＯＡ，ＯＢの
それぞれの焦点深度ＤＡ，ＤＢが連続するように設計す
ることが可能になる。

【００１８】なお、二重焦点光学系２に使用する複屈折
結晶としては、水晶に限らず、方解石など、複屈折結晶
であるならば制限がないものとする。また、偏光フィル
タ５は、偏光板３を複屈折結晶の光学軸Ｃ（図２参照）
に対し平行な方向に配置していて、常時、偏光板３を透
過する光が二重焦点光学系２の複屈折結晶の光学軸に平
行な直線偏光になるように設定され、液晶駆動回路６に
より液晶素子４を駆動して液晶の配向を切換えることに
より、偏光板３を通った光の偏光方向が９０°回転され
るようにしている。この場合の液晶駆動回路６による液
晶駆動は、後述するコントローラ９の指示により行なわ
れる。

【００１９】なお、偏光板３の偏光方向は、複屈折結晶
の光学軸Ｃに対し平行な方向に配置する例を述べたが、
この偏光方向は、光学軸Ｃに垂直な方向でも構わない。
また、偏光板３の偏光方向を回転させる手段は、液晶に
限らず、電気的に偏光方向を変えられるものならば、特
に限定しない。

【００２０】一方、撮像手段７には、切換スイッチ８を
接続している。この切換スイッチ８は、コントローラ９
からの切換信号により上述した液晶駆動回路６による液
晶駆動と同期して出力先を切換えるようにしている。

【００２１】そして、この切換スイッチ８の出力先に
は、第１のフレームメモリ１０と第２のフレームメモリ
１１を接続している。これら第１のフレームメモリ１０
及び第２のフレームメモリ１１は、焦点位置の異なる２
つの画像を各別に記憶するものである。

【００２２】これら第１のフレームメモリ１０及び第２
のフレームメモリ１１には、輝度比較回路１２を接続し
ている。この輝度比較回路１２は、これら第１のフレー
ムメモリ１０及び第２のフレームメモリ１１に記憶され
た焦点位置の異なる２つの画像の各画素の輝度を比較選
択するもので、予め、コントローラ９によってしきい値
Ｌ1 ，Ｌ2 （Ｌ1 ＜Ｌ2 ）を設定されていて、これらの
しきい値Ｌ1 ，Ｌ2 に対し各焦点位置の画像の対応する
画素の輝度を比較すると共に、この比較結果に基づいて
いずれか一方の画素を選択し画像の再合成を行なうよう
にしている。

【００２３】そして、輝度比較回路１２には、第３のフ
レームメモリ１３を接続し、この第３のフレームメモリ
１３に表示手段１４を介してモニタ１５を接続してい
る。第３のフレームメモリ１３は、輝度比較回路１２で
の再合成により画像データを記憶するようにしている。
表示手段１４は、第３のフレームメモリ１３に記憶され
た画像データを表示信号に変換するもので、この表示信
号に基づいた画像をモニタ１５に表示するようになって
いる。

【００２４】次に以上のように構成した本実施の形態の
動作を説明する。まず、試料として図示しない３次元物
体を顕微鏡１の図示しない試料ステージ上に載置すると
ともに、試料が二重焦点光学系２の焦点深度ＤＡ，ＤＢ
の範囲に位置するように試料ステージの高さを調整す
る。

【００２５】この状態で、試料の観察画像は、偏光フィ
ルタ５及び二重焦点光学系２を通って撮像手段７の撮像
面に結像され撮像される。この場合、二重焦点光学系２
前面に配置される偏光フィルタ５の液晶素子４は、コン
トローラ９の指示により液晶駆動回路６によって繰り返
し駆動され、液晶の配向を切換えられるので、偏光板３
を透過する光の偏光方向も切換えられるようになり、こ
れに伴い二重焦点光学系２の焦点位置は、焦点位置ＯＡ
（下側の焦点），ＯＢ（上側の焦点）の間で切換えられ
る。

【００２６】また、この二重焦点光学系２の焦点位置の
切換えと同期してコントローラ９より切換信号が切換ス
イッチ８に送られる。これにより、撮像手段７により、
焦点位置ＯＡ焦点深度ＤＡ内の試料の観察画像と焦点位
置ＯＢ焦点深度ＤＢ内の試料の観察画像が交互に撮像さ
れる。

【００２７】同時に、切換スイッチ８の切換動作に応じ
て第１のフレームメモリ１０及び第２のフレームメモリ
１１に送出され、焦点位置ＯＡ焦点深度ＤＡ内の試料の
鮮明な画像が第１のフレームメモリ１０に、焦点位置Ｏ
Ｂ焦点深度ＤＢ内の試料の鮮明な画像が第２のフレーム
メモリ１１にそれぞれ記憶される。

【００２８】次に、これら第１のフレームメモリ１０及
び第２のフレームメモリ１１に記憶された画像は、輝度
比較回路１２に送られ、比較され選択される。この場
合、輝度比較回路１２には、コントローラ９によってし
きい値Ｌ1 、Ｌ2 を設定されている。この場合、輝度比
較回路１２は、図３（ａ）に示すように第１のフレーム
メモリ１０に記憶されたある画素の輝度をＡ、同図
（ｂ）に示すように第２のフレームメモリ１１に記憶さ
れた対応する画素の輝度をＢとすると、同図（ｃ）に示
すように、これらの輝度Ａ，Ｂを比較するとともに、こ
れらのいずれか一方を選択することで画像を再合成す
る。

【００２９】輝度比較回路１２での比較選択の方法をさ
らに詳しく述べると、以下の３通りの条件がある。 （１）Ａ，Ｂ両方の輝度がしきい値Ｌ1 より小さい時
は、合焦している画素の輝度と焦点の合っていない画素
の輝度を比較すると、焦点の合っていない方の画素は注
目している画素周辺の輝度の高いぼけ像のもれが加算さ
れるため輝度が高くなる。そこで、Ａ，Ｂを比較したと
きに、輝度の低い方の画素を選択する。

【００３０】（２）ＡまたはＢの少なくともどちらか一
方がＬ1 とＬ2 の間にあるときは、その部分の画素の輝
度がある程度高い場合を表しているのであり、注目して
いる画素以外のぼけ像のもれの影響は少ない。一般に焦
点の合っている画素と焦点の合っていない画素を比較す
ると、焦点が合っている画素のほうが輝度が高いので、
Ａ，Ｂを比較したときに、輝度の高い方の画素を選択す
る。

【００３１】（３）Ａ，Ｂのどちらか一方がＬ2 を越え
ている場合、その画素の部分の反射率が高いことを示し
ており、観察している試料の形状によっては、焦点の合
っている画素と焦点の合っていない画素を比較すると、
合っていない画素のほうが輝度が高くなる場合がある。
この場合は、Ａ，Ｂを比較したときに、輝度の低い方の
画素を選択する。

【００３２】以上の３つの条件で比較を行なうが、
（１）（３）のＡ，Ｂの輝度と画像のぼけの状態がこの
条件に当てはまらない場合がある。このような場合は、
最終的に得られる画像にぼけ像が乗り不鮮明な部分が出
てくる。このときは、Ｌ1 ，Ｌ2を調整することによ
り、Ｌ1 ，Ｌ2 による領域を設定し直す。これには、観
察者が画像観察を行ないながらコントローラ９によりＬ
1 、Ｌ2 の設定を行なうようになる。つまり、（１）の
条件に合わない場合、すなわちＡ，Ｂのどちらかの輝度
が著しく高いが、焦点の合っている画像と合っていない
画像を比較すると合っている画像のほうが輝度が高くな
らない場合は、Ｌ2 の値を大きくするように調整すれ
ば、誤ったＡ，Ｂの選択を回避することができる。ま
た、（３）の条件に合わない場合、すなわちＡ，Ｂのど
ちらかの輝度が著しく低く、焦点の合っている画素と合
っていない画素を比較すると、合っていない画素のほう
が輝度が高くならない場合は、Ｌ1 の値を小さくすれ
ば、誤ったＡ，Ｂの選択を回避することができる。これ
らのしきい値Ｌ1 ，Ｌ2 の設定は、観察を行なったとき
の不自然な画像の分布面積から観察者が容易に適正な値
を決めることができる。

【００３３】図４はこのような条件に基づいた具体的な
比較フローを説明するもので、まず、ステップ４０１で
輝度ＡとＢを比較し、Ｂ＞Ａならば、ステップ４０２で
輝度Ｂとしきい値Ｌ1 を比較する。そして、Ｂ＜Ｌ1 な
らば、ステップ４０３に進み、輝度Ａの画素を選択す
る。これをルート１とする。

【００３４】また、ステップ４０２でＢ＞Ｌ1 を判断し
たならば、ステップ４０４で輝度Ｂの画素を選択し、次
いで、ステップ４０５で輝度Ｂとしきい値Ｌ2 を比較す
る。そして、Ｂ＜Ｌ2 ならば、ステップ４０６に進み、
輝度Ｂの画素を選択する。これをルート２とする。

【００３５】また、ステップステップ４０５で、Ｂ＞Ｌ
2 を判断したならば、ステップ４０７に進み、輝度Ａの
画素を選択する。これをルート３とする。一方、上記ス
テップ４０１でＢ＜Ａを判断した場合は、ステップ４０
８で輝度Ａとしきい値Ｌ1 を比較する。そして、Ａ＜Ｌ
1 ならば、ステップ４０９に進み、輝度Ｂの画素を選択
する。これをルート４とする。

【００３６】また、上記ステップ４０８でＡ＞Ｌ1 を判
断したならば、ステップ４１０で輝度Ａの画素を選択
し、次いで、ステップ４１１で輝度Ａとしきい値Ｌ2 を
比較する。そして、Ａ＜Ｌ2 ならば、ステップ４１２に
進み、輝度Ａの画素を選択する。これをルート５とす
る。

【００３７】また、上記ステップ４１１で、Ａ＞Ｌ2 を
判断したならば、ステップ４１３にに進み、輝度Ｂの画
素を選択する。これをルート６とする。これにより、輝
度Ａ，Ｂとしきい値Ｌ1 ，Ｌ2 の関係と、選択される結
果の関係は図５に示すようになる。この場合、ルート１
〜６についてしきい値Ｌ1 ，Ｌ2 に対する輝度Ａ，Ｂの
関係が図示されていて、このうち丸で囲んである方が選
択結果である。

【００３８】このような輝度比較回路１２での比較選択
は、第１のフレームメモリ１０及び第２のフレームメモ
リ１１に記憶された画像の対応する全ての画素について
行なわれ、この結果として、再合成された画像が第３の
フレームメモリ１３に記憶され、さらに、この第３のフ
レームメモリ１３に記憶された画像は、表示手段１４で
表示信号に変換されモニタ１５に表示されるようにな
る。

【００３９】この結果、例えば図６に示すように高い面
Ｘと低い面Ｙを有する試料２１について、図示矢印方向
から観察を行なったとすると、第１のフレームメモリ１
０には二重焦点光学系２の焦点位置ＯＡ焦点深度ＤＡ内
の観察画像として図７（ａ）に示すように低い面Ｙに焦
点の合った画像が取込まれ（この場合、同図の破線で示
す高い面Ｘは、ぼけ画像となる。）、また、第２のフレ
ームメモリ１１には二重焦点光学系２の焦点位置ＯＢ焦
点深度ＤＢ内の観察画像として同図（ｂ）に示すように
高い面Ｘに焦点の合った画像が取込まれる（この場合、
同図の破線で示す低い面Ｙは、ぼけ画像となる。）。

【００４０】そして、これら第１のフレームメモリ１０
及び第２のフレームメモリ１１の画像が輝度比較回路１
２で比較選択されることにより、第３のフレームメモリ
１３には同図（ｃ）に示すように高い面Ｘと低い面Ｙと
もに焦点の合った画像が取込まれ、これがモニタ１５に
表示されることになる。

【００４１】したがって、このようにすれば、複屈折結
晶である水晶を硝材として用いた二重焦点光学系２の焦
点位置を、液晶素子４による液晶の配向の切換えによ
り、偏光板３を透過される光の偏光方向を９０°回転さ
せることで切換えるようにしたので、機械的な動作を伴
わずに焦点位置を切換えることができ、２つの合焦位置
の画像を機械的振動を発生させることなく取込むことが
でき、これにより、このときの振動により観察対象が移
動してマニピュレータやピンセットに触れるなどして作
業をやり直しするような不都合がなくなり、かかる観察
作業の効率低下を回避できる。

【００４２】また、二重焦点光学系２の焦点位置の切換
えを偏光板３と液晶素子４からなる偏光フィルタ５を用
いることで、かかる焦点位置切換手段として複雑な機械
的駆動機構を必要とすることなく、二重焦点光学系の焦
点位置の切換えを行なうことができるようになり、その
分装置構成の簡単化を実現できると共に、価格的にも安
価にできる。

【００４３】さらに輝度比較回路１２では、焦点位置の
異なる２つの画像の各画素の輝度をしきい値と比較選択
し、それぞれの画像のぼけ部分を低減させて画像を再合
成することにより、従来の顕微鏡の分解能、作動距離を
維持したまま２倍の高さの３次元物体の鮮明な観察画像
を得られる。

【００４４】なお、上述した実施の形態では、複屈折結
晶を用いた二重焦点光学系と偏光板及び液晶素子により
構成される偏光フィルタを用いる構成としたが、例え
ば、特開昭６０−５０５１０号公報に開示される液晶レ
ンズに置き換えても、同様な効果が期待できる。

【００４５】（第２の実施の形態）以下本発明の第２の
実施の形態に係る画像処理装置を図面に従って説明す
る。図８は画像処理装置全体の概略構成を示しており、
基本的な構成及び動作は上記図１に示したものと同様で
あるので、同一部分には同一符号を付してその説明は省
略する。

【００４６】しかして、二重焦点光学系２と撮像手段７
の間に複屈折結晶、例えば方解石による平行平板３１を
配置する。この平行平板３１は、方解石の光軸が二重焦
点光学系２の観察光軸と直交するように配置されるもの
で、使用する複屈折結晶は方解石に限らず、他のもので
あってもよい。

【００４７】次に上記のように構成した本実施の形態の
特に観察光学系の動作について図９乃至図１１を用いて
説明する。図１０は本実施の形態の光学系部分であり、
図１１は説明のために図１０から方解石の平行平板３１
を取り除いた時の結像関係を示す図である。なお、図１
１では偏光板３及び液晶素子４は省略している。

【００４８】説明を容易にするために、撮像手段７とし
てＣＣＤカメラを用い、モニタ１５上に表示出力する際
に試料を５０倍で観察できる、ビデオ倍率６０倍のビデ
オ顕微鏡について考えるものとする。このとき、光学系
に要求される倍率は−０．８３倍程度とする。

【００４９】複屈折結晶を硝材とするレンズは、上記第
１の実施の形態で説明した如く複屈折結晶の光学軸に対
する入射光線の偏光方向の違いにより２つの位置で焦点
を結ぶようになっており、レンズの形状を上記図２に示
すようにすると、常光線での焦点距離ｆo 及び異常光線
での焦点距離ｆe は、上記式（１）及び（２）で表わす
ことができる。

【００５０】硝材に屈折率ｎo ：１．５４４、ｎe ：
１．５５３の水晶を用いて、−ｒ1 ＝ｒ2 ＝６６．８５
１［ｍｍ］の二重焦点光学系２の焦点距離を計算する
と、ｆo＝６１．４４［ｍｍ］、ｆe ＝６０．４４［ｍ
ｍ］となる。一般にレンズの結像関係は図９に示すよう
に記号を定めると、結像倍率をβとして ｚ＝−ｆ／β、ｚ′＝−β・ｆ′ となる。

【００５１】二重焦点光学系２の光学軸に平行な偏光を
もつ光線を光線Ａ、垂直な偏光をもつ光線を光線Ｂと
し、それぞれの結像関係を図１１に示すように定める
と、 ｚＡ＝−ｆo ／β、ｚＡ′＝−β・ｆo ′、 …(3) ｚＢ＝−ｆe ／β、ｚＢ′＝−β・ｆe ′ …(4) となる。

【００５２】したがって、光線Ａ、光線Ｂによる結像倍
率が−０．８３となるようにするためには、ｚＡ，ｚ
Ａ′，ｚＢ，ｚＢ′はｚＡ＝−７４．０２［ｍｍ］、ｚ
Ａ′＝５１．００［ｍｍ］、ｚＢ＝−７２．８２［ｍ
ｍ］、ｚＢ′＝５０．１７［ｍｍ］とすればよい。この
とき光線Ａと光線Ｂの物点位置は２．２［ｍｍ］離れ、
焦点深度を拡大することができる反面、結像面が１．８
３［ｍｍ］離れることとなる。

【００５３】次に図１０に示すように方解石の平行平板
３１が二重焦点光学系２と撮像手段７の間に配置されて
いる状態について考える。平行平板３１は、その光学軸
が光線Ａの偏光方向に対しては直交するように、そして
光線Ｂの偏光方向に対しては平行になるように配置され
る。

【００５４】そのため、平行平板３１は光線Ａに対して
は異常光線として屈折率１．４８６の媒質として、光線
Ｂに対しては常光線として屈折率１．６５８の媒質とし
てふるまう。このとき、結像位置の空気換算長は図１１
に示すように平行平板３１がない結像位置と等しくなら
なければならない。

【００５５】光線Ａ，Ｂの結像位置が等しくなるために
は、二重焦点光学系２と撮像手段７の間隔をｚ′、その
光線Ａ，Ｂに対する空気換算長をｚＡ″，ｚＢ″、平行
平板３１の厚さをｄ、常光線に対する屈折率をｎo ′、
異常光線に対する屈折率をｎe ′とすると、以下の式が
成り立つ。すなわち、 ｚＡ″＝ｚ′−ｄ＋（ｄ／ｎe ′） …(5) ｚＢ″＝ｚ′−ｄ＋（ｄ／ｎo ′） …(6) 上記図１１で示したように光線Ａ，Ｂの結像倍率を−
０．８３とするためには、光線Ａ，Ｂに対する二重焦点
光学系２と撮像手段７の間の空気換算長がそれぞれ ｚＡ″＝ｚＡ′＋ｆo ′＝１１２．４４［ｍｍ］ …(7) ｚＢ″＝ｚＢ′＋ｆe ′＝１１０．６１［ｍｍ］ …(8) である必要がある。

【００５６】したがって、これらから二重焦点光学系２
と撮像手段７の間隔ｚ′と平行平板３１の厚さｄを求め
ると、ｚ′＝１２１．０［ｍｍ］、ｄ＝２６．２［ｍ
ｍ］となり、ｚ′とｄを設計によって求めることができ
ることがわかる。

【００５７】このため、二重焦点光学系２と撮像手段７
の間隔ｚ′を１２１．０［ｍｍ］とし、そこへ厚さ２
６．２［ｍｍ］の平行平板３１を挿入すると、二重焦点
光学系２と撮像手段７の換算長は光線Ａについては１１
２．４４［ｍｍ］、光線Ｂについては１１０．６１［ｍ
ｍ］となる。このことから、光線Ａと光線Ｂは物体上で
２．２［ｍｍ］離れた位置の像が共に結合倍率−０．８
３で撮像手段７の素子上に結像され、倍率の等しい像を
取り込むことができるものとなる。

【００５８】なお、液晶素子４により切換えられながら
撮像手段７により撮像した画像の処理については上記第
１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略す
る。このように、２つの合焦位置で得る像の結像倍率を
等しくすることができるので、その２つの画像を取込ん
で合成した場合でも、得られる再合成画像上の各部位の
長さが全て正確に一致するため、３次元物体のきわめて
正確で鮮明な観察画像を得ることができる。なお、本発
明は上記第１及び第２の実施の形態に限定するものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施
することが可能であるものとする。

【００５９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、機械的な
動作を伴わずに焦点位置を切換えることができ、２つの
合焦位置の画像を機械的振動を発生させることなく取込
むことができる。

【００６０】請求項２記載の発明によれば、上記請求項
１記載の発明の効果に加えて、焦点位置切換手段として
複雑な機械的駆動機構を用いることなく、二重焦点光学
系の焦点位置を切換えることができる。

【００６１】請求項３記載の発明によれば、上記請求項
１記載の発明の効果に加えて、取込まれた２つの画像の
各画素の輝度をしきい値と比較選択し、それぞれの画像
のぼけ部分を低減させて画像を再合成するため、従来の
顕微鏡の分解能、作動距離を維持したまま２倍の高さの
３次元物体の鮮明な観察画像を得ることができる。

【００６２】請求項４記載の発明によれば、上記請求項
１記載の発明の効果に加えて、二重焦点光学系の２つの
焦点による像の結像倍率が等しくなるため、それぞれの
像による画像を再合成したときの画像上の長さが不一致
となってしまうことがなく、３次元物体の正確で鮮明な
観察画像を得ることができる。請求項５記載の発明によ
れば、上記請求項４記載の発明の効果に加えて、上記結
像倍率調節手段を簡易な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る概略構成を示
す図。

【図２】同実施の形態に係る二重焦点光学系を説明する
ための図。

【図３】同実施の形態に係る輝度比較回路の動作を説明
するための図。

【図４】同実施の形態に係る輝度比較回路の動作を説明
するフローチャート。

【図５】同実施の形態に係る輝度比較回路の動作を説明
するための図。

【図６】同実施の形態に係る具体的観察試料を示す図。

【図７】同実施の形態に係る具体的観察試料の観察画像
例を示す図。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る概略構成を示
す図。

【図９】同実施の形態に係る観察光学系の動作を説明す
る図。

【図１０】同実施の形態に係る観察光学系の動作を説明
する図。

【図１１】同実施の形態に係る観察光学系の動作を説明
する図。

【符号の説明】

１…顕微鏡 ２…二重焦点光学系 ３…偏光板 ４…液晶素子 ５…偏光フィルタ ６…液晶駆動回路 ７…撮像手段 ８…切換スイッチ ９…コントローラ １０…第１のフレームメモリ １１…第２のフレームメモリ １２…輝度比較回路 １３…第３のフレームメモリ １４…表示手段 １５…モニタ ２１…試料 ３１…平行平板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複屈折結晶による二重焦点光学系と、 この二重焦点光学系の焦点位置を切換える焦点位置切換
   手段と、 上記二重焦点光学系で得られる画像を撮像する撮像手段
   と、 上記焦点位置切換手段により切換えられる二重焦点光学
   系のそれぞれの焦点位置の画像を上記撮像手段から取込
   んで各別に記憶する記憶手段と、 この記憶手段に記憶された異なる焦点位置の画像の各画
   素の輝度を比較選択して画像を再合成する画像処理手段
   と、 この画像処理手段により再合成された画像を表示する表
   示手段とを具備したことを特徴とする画像処理装置。
2. 【請求項２】 上記焦点位置切換手段は、二重焦点光学
   系の複屈折結晶の光学軸に平行な直線偏光が透過される
   偏光板と、この偏光板を透過される光の偏光方向を回転
   させる液晶素子を有する偏光フィルタからなることを特
   徴とする請求項１記載の画像処理装置。
3. 【請求項３】 上記画像処理手段は、予め異なる大きさ
   のしきい値が設定され、これらのしきい値に対し各焦点
   位置の画像の対応する画素の輝度を比較すると共に、こ
   の比較結果に基づいて、いずれか一方の画素を選択し画
   像を再合成することを特徴とする請求項１記載の画像処
   理装置。
4. 【請求項４】 上記二重焦点光学系の対物レンズと上記
   撮像手段との間に配置され、上記焦点位置切換手段によ
   り切換えられる二重焦点光学系のそれぞれの焦点位置の
   画像の結像倍率が等しくなるように該対物レンズと撮像
   手段との間の空気換算長を調節する結像倍率調節手段を
   さらに具備したことを特徴とする請求項１記載の画像処
   理装置。
5. 【請求項５】 上記結像倍率調節手段は、上記対物レン
   ズの光学軸と直交または平行な光学軸を有する複屈折結
   晶による平行平板からなることを特徴とする請求項４記
   載の画像処理装置。