JPWO2012096153A1 - 顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

光源（１１）と、開口絞り（１２）と、コンデンサレンズ（１３）と、対物レンズ（１４）とを有する顕微鏡（２０）と、マイクロレンズアレイ（１５）と撮像素子（１６）とを有するカメラ（３０）と、コンピュータ（４０）を構成する画像処理部（４４）とを有し、画像処理部（４４）は、開口絞り（１２）の開口部（１２ａ）の大きさ（すなわち、照明光の開口数）に応じて、各マイクロレンズ（ＭＬ）に割り当てられた複数の画素（各ＭＬ領域）を、明視野像の検出に使用する明視野像検出領域（Ａ１）と、暗視野像の検出に使用する暗視野像検出領域（Ａ２）とに分割し、各ＭＬ領域内の明視野像検出領域（Ａ１）で受光した光に基づいて得られた撮像データを合成することにより標本（Ｓ）の明視野画像データを生成し、各ＭＬ領域内の暗視野像検出領域（Ａ２）で受光した光に基づいて得られた撮像データを合成することにより標本（Ｓ）の暗視野画像データを生成する。

Description

本発明は、顕微鏡システムに関する。

顕微鏡の代表的な観察方法に、明視野観察と暗視野観察とがある。例えば、半導体製造工程において、パターンの欠陥等を観察するのに明視野観察を用いたり、また、明視野観察では見えにくい鏡面、傷、塵等を観察するのに暗視野観察を用いたりする（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００１−１２５００２号公報

しかしながら、これら観察方法を同時に行うことは難しかった。また、標本の種類や特性に応じて観察方法を切り替えようとすると、その都度照明光の明るさや絞りの状態を変更後の観察方法に合わせて調整しなければならず、これには煩雑な操作が必要であった。

また、従来の顕微鏡観察では、観察方法を切り替えると、同一の視野であってもその都度撮像せねばならず、手間がかかった。さらに、撮影毎にそれぞれ別の画像ファイルとして取得・保存されるため、これら複数の画像ファイル間の関係等が後から分かるようにファイル名を工夫したり、データの容量は膨大になるため保存場所を確保したりするなど、管理が大変であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、例えば、明視野像と暗視野像とを同時取得することができる顕微鏡システムを提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡システムは、光源から射出された照明光の開口数を規定する開口数規定部材を含む照明光学系と、前記照明光が照射された標本からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズにより集光された前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロ光学素子からなるマイクロ光学素子アレイと、それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素でそれぞれ受光した光に基づいて撮像データを生成する撮像素子と、前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、前記画像処理部は、前記照明光の開口数に応じて、前記各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素のうち、第１の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第１の画像データを生成し、第２の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第２の画像データを生成する。

上記の顕微鏡システムにおいて、前記画像処理部により所定の処理が施された前記撮像データを表示する表示部を有し、前記表示部は、前記画像処理部からの出力を受けて、前記第１の画像データ及び前記第２の画像データを同時に表示するのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記画像処理部は、前記開口数規定部材で規定された前記照明光の開口数と前記対物レンズの開口数及び焦点距離とに応じて、各マイクロ光学素子に割り当てられた複数の画素を、第１の画素領域と第２の画素領域とに分割するのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記開口数規定部材は、可変開口絞りであり、前記可変開口絞りの開口部の大きさを調整することにより、前記照明光の開口数を変化させるのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記開口数規定部材は、前記照明光の強度分布を変調する空間光変調素子であり、前記空間光変調素子の変調量を調整することにより、前記照明光の開口数を変化させるのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記第１の画像データは明視野画像データであり、前記第２の画像データは暗視野画像データであるのが好ましい。

もう一つの本発明に係る顕微鏡システムは、光源から射出された照明光の幾何学的状態を変更可能な光学部材を含む照明光学系と、照明光が照射された標本からの光を集光する対物レンズと、前記対物レンズにより集光された前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロレンズからなるマイクロ光学素子アレイと、それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素で受光した光に基づき撮像データを生成する撮像素子と、前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、前記画像処理部は、変更された前記照明光の幾何学的状態に応じて、各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素うち、所定の画素で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の画像データを生成する。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記光学部材は、前記照明光の強度分布を変調する空間光変調素子であり、前記空間光変調素子の変調量を調整することにより、前記照明光の幾何学的状態を変化させるのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記照明光の幾何学的状態の変更は、スリット形状と円形状との変更、スリット形状の位置変更、スリット形状の大きさ変更、円形状の大きさ変更の少なくとも一つであるのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記マイクロ光学素子アレイは、前記標本と略共役な位置に配置され、前記撮像素子の撮像面は、前記対物レンズの瞳面と略共役な位置に配置されているのが好ましい。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記マイクロ光学素子アレイは、前記対物レンズの瞳面と略共役な位置に配置され、前記撮像素子の撮像面は、前記標本と略共役な位置に配置されているのが好ましい。

本発明によれば、１回の撮影で、明視野像と暗視野像とを同時取得することができる顕微鏡システムを提供することができる。

本実施形態の光学系の概要を説明した図である。 本実施形態の光学系に用いる開口絞りを説明した図である。 撮像素子の撮像面上のＭＬ領域の例を示す図である。 本実施形態の顕微鏡システム（透過照明時）の全体構成を説明した図である。 画像生成処理を説明するフローチャートである。 明視野及び暗視野観察時の動作制御用のＧＵＩ表示画面の一例である。 標本像を映し出す観察画像の一例であり、（ａ）は明視野画像のみ、（ｂ）〜（ｄ）は明視野及び暗視野を合成した画像、（ｅ）は暗視野画像のみを画面表示した場合を示す。 本実施形態に係る顕微鏡システム（落射照明時）の全体構成を説明する図である。 本実施形態に係る光学系において空間光変調素子を採用したときの説明図である。 空間光変調素子のパターン例と、このパターンが各マイクロレンズを通して投影された際の各ＭＬ領域における受光状態を説明する図であり、（ａ）は明視野観察像を形成するため、（ｂ）は暗視野観察像を形成するため、（ｃ）はモジュレーションコントラスト観察像を形成するため、（ｄ）は（ｃ）のパターンのコントラストを変化させた場合において、（ｅ）は（ｃ）のパターンを回転させた場合において、空間光変調素子上に表示されるパターン例と、このときの各ＭＬ領域の受光状態を示す。 コントラスト観察時を用いて観察された卵細胞像を示す写真であり、（ａ）はある方向から照明光を照射した場合を、（ｂ）は（ａ）とは異なる方向から照明光を照射した場合を示す。 コントラスト観察時の動作制御用のＧＵＩ表示画面の一例である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、互いに同一あるいは相当する構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略することがある。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る光学系の概要について説明する。図１に示すように、本光学系は、光源１１からと、開口絞り１２と、コンデンサレンズ１３とを有し、標本Ｓに照明光を照射する照明光学系１０と、対物レンズ１４と、複数のマイクロレンズＭＬが２次元状に配置されたマイクロレンズアレイ１５と、撮像素子１６とを有して構成される。

本実施形態では、標本Ｓの表面（以下、標本面Ｓとも言う）が対物レンズ１４で結像する面にマイクロレンズアレイ１５を置き、マイクロレンズＭＬの焦点距離だけ離れた位置に撮像素子１６が置かれている。この場合、撮像素子１６の撮像面は、（マイクロレンズＭＬを介して）対物レンズ１４の射出瞳と略共役となっている。この構成によりマイクロレンズアレイ１５に結像した標本像は、各マイクロレンズＭＬによって分割され、標本像（標本Ｓ）の各分割領域に対応する瞳像がそれぞれ撮像素子１６の撮像面に形成される。つまり、各分割領域に対応する瞳像とは、撮像素子１６の撮像面にそれぞれ形成された複数の瞳像を重畳させると、所謂通常のレンズによる対物レンズの瞳像となるものである。

上記のように本実施形態では、マイクロレンズアレイ１５を標本Ｓと略共役な位置に配置し、撮像素子１６の撮像面と対物レンズ１４の射出瞳とを略共役にした構成について説明するが、マイクロレンズアレイ１５を対物レンズ１４の射出瞳と略共役な位置に配置し、撮像素子１６の撮像面と標本面Ｓとを略共役にした構成を採用してもよい。いずれの場合も同様の効果を得ることができる。つまり、マイクロレンズアレイ１５に形成された瞳像は、各マイクロレンズＭＬによって分割され、瞳像の各分割領域に対応する標本像がそれぞれ撮像素子１６の撮像面に形成される。

開口絞り１２は、光源１１から射出された照明光の開口数を規定するものである。この開口絞り１２は、図２に示すように、中央部に円形の開口部１２ａを有し、この開口部１２ａの大きさを調整することで、照明光の開口数を変化させることができる。

ここで、開口絞り１２の開口部１２ａの最大径は、コンデンサレンズ１３と対物レンズ１４との組み合わせによって異なる。また、開口絞り１２の開口部１２ａの大きさは、対物レンズ１４の瞳径と、対物レンズ１４の瞳から開口絞り１２までの倍率で決定される。但し、対物レンズ１４の瞳から撮像素子１６までの倍率は、対物レンズを切り替えても変わらないため、対物レンズの情報（開口数および焦点距離）だけがあればよい。

なお、図１では、照明光の開口数（開口絞り１２の開口部１２ａの大きさ）が対物レンズ１４の開口数より小さい場合について示しており、対物レンズ１４の瞳の周辺部には直接光が来ないことを示している。

マイクロレンズアレイ１５は、複数のマイクロレンズＭＬを２次元状に並べてなる光学素子である。なお、図１の例では、説明の簡略化のため、３×３個のマイクロレンズアレイを想定し、そのうちの縦方向の３個のマイクロレンズが図示されている。実際のマイクロレンズＭＬの数は、撮像素子１３により撮像される画像信号に必要な分解能に応じて適宜設定される。

撮像素子１６は、マイクロレンズアレイ１５からの光を受光して撮像データを取得するものである。撮像素子１６は、例えば、２次元状配列された複数のＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary
Metal Oxide Semiconductor）センサなどであり、マイクロレンズアレイ１５を構成する各マイクロレンズＭＬを通過した光を受光するように、各マイクロレンズＭＬに対応して所定数の画素が割り当てられている。１つのマイクロレンズＭＬがカバーする画素の数は、例えば８×８個であり、個々のマイクロレンズＭＬを透過した光束をそれらの画素で受光する。

以上のような構成にすることで、撮像素子１６の撮像面上には、マイクロレンズアレイ１５によって分割された標本像（標本Ｓ）の各領域ごとの各マイクロレンズＭＬによる対物レンズ１４の射出瞳の像が複数形成される。ここから、撮像素子１６の撮像面において、各マイクロレンズＭＬで結像した像のできる領域をＭＬ領域と称する。

図３は、撮像素子１６の撮像面上のＭＬ領域（図中の点線）の例を示す図である。図３においては、格子状に配列された２４×２４個の四角それぞれが、撮像素子１６の撮像面上の各画素を表し、点線で描いた３×３個の円が各マイクロレンズＭＬによるＭＬ領域、つまりマイクロレンズアレイ１５によって分割された標本像（標本Ｓ）の各領域ごとの各マイクロレンズＭＬによる対物レンズ１４の瞳像を表す。すなわち、図３の例では、マイクロレンズアレイ１５を構成する９個のマイクロレンズＭＬによって結像された像のそれぞれが、撮像素子１６の撮像面上の８×８個からなる画素群上にＭＬ領域を形成している。

そして、これら９個のＭＬ領域により得られる画像信号を用いて、撮像素子１６の撮像面に入射した光が、マイクロレンズアレイ１５を構成する複数のマイクロレンズＭＬのうちのどのマイクロレンズＭＬに入射し、対物レンズ１４の瞳のどの位置を通ってきたかを求めることが可能となる。すなわち、幾何学的に光線を考えると、光線が像面（マイクロレンズアレイ１５の位置）に入射する位置と、対物レンズ１４の射出瞳を出る位置とが分かるため、任意の像面に入射する光線を特定できる。これにより、光軸上の任意の像面での光の集光に関する演算（例えば、特開２００７−４４７１号公報に記載のRefocus技術など）が可能となり、任意の像面での像の画像を取得することができる。

本実施形態においては、開口絞り１２により規定された照明光の開口数、具体的には開口絞り１２の開口部１２ａの大きさと、対物レンズ１４の開口数及び焦点距離に応じて、各ＭＬ領域内を、（照明の直接光が入射する領域である）明視野像の検出に使用する明視野像検出領域Ａ１（図３の白抜き部分）と、（照明の直接光が入射しない領域である）暗視野像の検出に使用する暗視野像検出領域Ａ２（図３の斜線部分）とに分割し、各ＭＬ領域内の明視野像検出領域Ａ１により得られる画像信号から標本Ｓの明視野画像を生成し、各ＭＬ領域内の暗視野像検出領域Ａ２により得られる画像信号から標本Ｓの暗視野画像を生成し、上記のように任意の像面での明視野画像及び暗視野画像を同時に取得することができる。

また、開口絞り１２により規定された照明光の開口数が調整できるものを用いれば、各ＭＬ領域内における明視野像検出領域Ａ１と暗視野像検出領域Ａ２との割合（光量比）を変更することができる。例えば、明視野観察は、図３の各ＭＬ領域内の明視野像検出領域Ａ１のみで検出された光を使うので、明視野としての解像力を上げたければ、開口絞り１２の開口部１２ａの大きさを広げればよい。また、暗視野観察は、図３の各ＭＬ領域内の暗視野像検出領域Ａ２のみで検出された光を使うので、暗視野の光量を稼ぎたいときは、開口絞り１２の開口部１２ａの大きさを狭めればよい。

このように、上述した光学系を用いれば、明視野観察と暗視野観察とを同時に行うことが可能である。さらには、測定対象や用途に応じて、その合成比率を適宜変更することが可能である。

次に、上述した図１に示す光学系の原理を、顕微鏡システムに適用した場合について説明する。

図４は、上述の光学系を適用した顕微鏡システムの全体構成を示す図である。

図４に示すように、顕微鏡システムは、標本Ｓを支持するステージ２１ａを保持する顕微鏡本体２１と、標本Ｓに照明光を照射する透過照明光学系１０Ａと、標本Ｓからの光を集光する対物レンズ１４とを有する顕微鏡２０と、標本Ｓの像を撮像するカメラ３０と、コンピュータ４０とを有して構成される。なお、対物レンズ１４は、説明の簡素化のために図４では単レンズで構成しているが、必要に応じて複数のレンズで構成することも可能である。

透過照明光学系１０Ａは、光路順に並んだ、光源１１と、レンズＬ１１と、偏向ミラーＭ１と、レンズＬ１２と、開口絞り１２と、コンデンサレンズ１３とを有して構成される。

上記構成の照明光学系１０Ａによれば、光源１１から射出された照明光は、レンズＬ１１を透過し、偏向ミラーＭ１で反射して上方に折り曲げられ、レンズＬ１２を透過して略平行光となった後、開口絞り１２を経て、コンデンサレンズ１３によりステージ２１ａに載置された標本Ｓに照射される。このとき、標本Ｓに照射される光は、開口絞り１２の開口部１２ａの大きさに応じて（図２参照）、強度分布がリング状に偏ったものとなっている。

カメラ３０は、顕微鏡２０に装着されており、マイクロレンズアレイ１５と、撮像素子１６とを有して構成される。

図４に示す顕微鏡システムにおいては、図１の光学系と同様に、照明光学系１０Ａによる照明され標本Ｓから発せられた光が、対物レンズ１４によりマイクロレンズアレイ１５を構成する各マイクロレンズＭＬの頂点位置を含む平面内に結像し、各マイクロレンズＭＬの焦点位置を含む面と共役になる。すなわち、カメラ３０内の撮像素子１６の撮像面は、マイクロレンズアレイ１５の各マイクロレンズＭＬを介して、対物レンズ１４の射出瞳と略共役になっている。マイクロレンズアレイ１５に結像した標本像は、各マイクロレンズＭＬによって分割され、標本像（標本Ｓ）の各分割領域に対応する瞳像がそれぞれ撮像素子１６の撮像面に形成される。カメラ３０の撮像素子１６は、標本Ｓの像の各分割領域に対応する瞳像をそれぞれ撮像し、その画像信号を出力する。

コンピュータ４０は、顕微鏡２０及びカメラ３０に接続されており、制御部４１と、駆動部４２と、入力装置４３と、画像処理部４４と、記憶媒体４５と、表示制御部４６と、ディスプレイ４７とを有して構成される。

制御部４１は、入力装置４３を介してユーザから入力された指示にしたがって、駆動部４２、画像処理部４４及び表示制御部４６の制御を行う。

駆動部４２は、撮像素子１６を駆動するとともに、撮像素子１６からの画像信号を画像処理部４４に出力する。

画像処理部４４は、駆動部４２から供給される画像信号に基づいて、所定の画像処理を施す。また、画像処理部４４は、画像処理によって得られた画像データを、メモリカード等の記憶媒体４５に記憶させるとともに、表示制御部４６によりディスプレイ４７に表示させる。なお、画像処理部４４によって行われる画像処理の詳細については、後述する画像処理部４４の動作の説明の際に合わせて説明する。

次に、図５のフローチャートを参照して、コンピュータ４０の画像処理部４４によって実行される画像生成処理について説明する。

ステップＳ１１において、画像処理部４４は、撮像素子１６から出力される画像信号を取得する。

ステップＳ１２において、画像処理部４４は、撮像素子１６から出力された画像信号に基づいて、任意の被写体距離における画像を生成（合成）する。

本実施形態において、画像処理部４４は、開口絞り１２により規定された照明光の開口数（例えば、開口部１２ａの大きさ）と、対物レンズ１４の開口数と焦点距離とに応じて、各マイクロレンズに割り当てられた複数の画素、すなわち各ＭＬ領域を、標本Ｓの明視野像の検出に使用する明視野像検出領域Ａ１（図３の各ＭＬ領域の中央部の白抜き部分）と、標本Ｓの暗視野像の検出に使用する暗視野像検出領域Ａ２（図３の各ＭＬ領域の斜線部分）とに分割する。続いて、各ＭＬ領域の明視野像検出領域Ａ１で受光した光に基づいて得られた撮像データを合成することにより標本Ｓの明視野画像データを生成し、各ＭＬ領域の暗視野像検出領域Ａ２で受光した光に基づいて得られた撮像データを合成することにより標本Ｓの暗視野画像データを生成し、これらの画像データに基づいて像面（マイクロレンズアレイ１５の位置）から光軸方向にずらしたときの任意の像面（デフォーカス面）での像の画像を合成する。

ステップＳ１３において、画像処理部４４は、生成された複数の画像（任意の像面における像の画像）から奥行き方向の距離情報を得ることにより、標本Ｓの立体画像を生成し、画像生成処理は終了する。

以上のように、画像処理部４４によって、図１の光学系の構成を採用することで得られる画像信号から任意の像面における像の画像が複数合成され、それらの任意の像面における像の画像から奥行き方向の距離情報が求められ、明視野及び暗視野それぞれにおける標本Ｓの立体画像が同時に生成される。

なお、図５のステップＳ１２に基づいて、任意の被写体距離における画像を得るようにしてもよい。さらに、異なる被写体距離における画像を合算し、深度の深い画像を得ることができる。また、全ての被写体距離における画像を合算すれば、全ての位置にピントの合った、いわゆる全焦点画像を得ることもできる。

上述した顕微鏡システムにおいて、ユーザ操作は、ディスプレイ４７に表示されるＧＵＩ（Graphical User Interface）の表示画面に基づく、マウスやキーボード等の入力装置４３の操作によって実現される。ＧＵＩの表示画面は、制御部４１の指示に応じて表示制御部４６で生成される。表示制御部４６では、顕微鏡２０に装着されたカメラ３０により得られる標本Ｓの画像データに、所定のアイコンを重ね合わせて、ＧＵＩの表示画面を生成する。

図６は、ディスプレイ４７に表示されるＧＵＩの表示画面の例を示す図である。図６において、ディスプレイ４７の画像表示領域４７ａには、標本Ｓの画像を表示する標本画像表示領域５１と、各種アイコン５２〜５５とが配置されている。

標本画像表示領域５１ａの下側に配置されているアイコン５２は、標本画像表示領域５１ａする画像（観察）方法の設定に係るユーザ操作を受け付けるためのアイコンである。アイコン５２の操作により、標本画像表示領域５１ａに表示する画像として、図７（ａ）に示すような明視野画像、図７（ｂ）〜（ｄ）に示すような明視野及び暗視野を合成した画像、及び、図７（ｅ）に示すような暗視野画像のいずれかを選択設定することができる。

なお、標本画像表示領域５１ａに表示される画像として、図６のように明視野画像、暗視野画像、明視野及び暗視野を合成した画像のうちのいずれかを表示するのではなく、これら３枚同時に並べて表示する構成としてもよい。

画像表示領域４７ａの右側の領域に配置されているアイコン５３〜５５は、画像の表示条件の設定に係るユーザ操作を受け付けるためのアイコンである。本実施形態では、アイコン５３の操作により明視野像と暗視野像との合成比率の設定が行われ、アイコン５４の操作により開口絞り１２の開口部１２ａの大きさの設定が行われ、アイコン５５の操作により使用する対物レンズ１４（開口数及び倍率（焦点距離））の設定が行われる。なお、ＧＵＩ表示画面に設けるアイコンについては、これらに限定されるものではなく、適宜増減可能である。

このような構成によれば、ユーザがアイコン５２〜５５を操作するだけで、標本Ｓの種類や観察用途に応じて、図７（ａ）〜（ｅ）のような所望の観察像を画面表示させることができる。

具体例を挙げると、例えば標本Ｓがレチクルだった場合、レチクルのパターンを見ながら傷のスクリーニングをするのであれば、アイコン５３を操作して、図７（ｂ）のように表示される明視野像の比率を上げればよい。また、レチクルの小さな傷も見逃したくないときは、図７（ｃ）のように表示される暗視野像の比率を上げればよい。もちろん、図７（ｄ）のように明視野像と暗視野像との割合を等しい画像を用いて、上記検査を行ってもよい。

従来の顕微鏡システムでは、レチクルの検査をする場合、顕微鏡に装着されたカメラでレチクルを撮像し、ディスプレイにレチクルの像を映し出す。しかしながら、明視野観察と暗視野観察とは同時に行うことができないため、その都度切り替えなければならなかった。明視野観察（画像）からは、レチクルの外形を捉えたり、パターンを認識したりすることはできるものの、傷を確認することは難しい。かといって、暗視野観察（画像）からは、レチクルの傷はよく見えるものの、レチクルの外形が分からなくなり、傷の位置を特定が難しくなる。また、傷の位置を特定するために、明視野画像と暗視野画像とを見比べようと思ってもファイルが異なるため、上手く関連付けて保存しておかなければ、別々に取得されたどの明視野画像とどの暗視野画像とが対応するのか確認するのが難しかった。

これに対して、上述した図４の顕微鏡システムを用いれば、標本Ｓの明視野画像及び暗視野画像を同時に取得、保存及び画面表示することができる。さらに、測定対象や用途に応じて、その合成比率を適宜変更することも可能である。その結果、ディスプレイ４７に表示される画像の最適化を図ることが可能になり、ディスプレイ４７等の表示装置を介した標本Ｓの観察の精度を向上させることができる。また、ユーザの負担を減らし、作業効率の向上に繋げることもできる。

ここまで実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

例えば、上述の顕微鏡システムでは照明光学系として、透過照明光学系１０Ａ（図４参照）を用いた場合について説明したが、落射照明光学系としてもよい。この場合、図８に示すように、落射照明光学系１０Ｂとして、光路順に並んだ、光源１１と、レンズＬ２１と、開口絞り１２と、レンズＬ２２と、ダイクロイックミラーＭ２と、コンデンサレンズを兼ねる対物レンズ１４とを有し、光源１１から射出された照明光は、レンズＬ２１、開口絞り１２、レンズＬ２２を順に通過し、ダイクロイックミラーＭ２で反射して下方に折り曲げられた後、対物レンズ１４によりステージ２１ａに載置された標本Ｓに照射される構成とする以外は、上述した顕微鏡システムをそのまま利用することができ、明視野及び暗視野の同時観察が可能である。

この場合、マイクロレンズアレイ１５を標本Ｓと略共役な位置に配置し、撮像素子１６の撮像面は、対物レンズ１４の瞳面と共役となっている。但し、マイクロレンズアレイ１５を対物レンズ１４の射出瞳と略共役な位置に配置し、撮像素子１６の撮像面は、標本Ｓと共役となる位置に配置しても構わない。いずれの場合においても、図４の顕微鏡システムと同様の効果を得ることができる。つまり、マイクロレンズアレイ１５に形成された瞳像は、各マイクロレンズＭＬによって分割され、瞳像の各分割領域に対応する標本像がそれぞれ撮像素子１６の撮像面に形成される。

また、上述した実施形態では、照明光の開口数を規定する手段として、開口部１２ａの大きさが可変である開口絞り１２を用いたが、これに換えて、照明光の強度分布を変調することができる空間光変調素子６０を用いて構成することも可能である。

空間光変調素子６０は、図１０（ａ）〜（ｅ）に示すように照明光の強度分布を変調できるものであり、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、液晶ディスプレイ、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）等である。

このような空間光変調素子６０を用いた照明光学系１０´として、図９に示すように、光路順に並んだ、光源１１と、該素子６０と、コンデンサレンズ１３とを有し、光源１１から射出された照明光は、空間光変調素子６０により所望の位置の強度が変調された後、コンデンサレンズ１３によりステージ２１ａに載置された標本Ｓを照射するように構成する以外は、上述した顕微鏡システムをそのまま利用することができ、明視野及び暗視野の同時観察が可能である（図４及び図８を参照）。

但し、明視野観察をする場合は、図１０（ａ）に示すような、中央の白抜き部分が透過率１で、その他の黒塗りの部分が透過率０であるリング状のパターンを空間光変調素子６０に表示する。また、暗視野観察をする場合は、図１０（ｂ）に示すような、中央の黒塗り部分が透過率０で、その他の白抜き部分が透過率０であるリング状のパターンを空間光変調素子６０に表示する。標本Ｓに照射される光は、このような空間光変調素子６０に表示されたリング状のパターンに応じて、強度分布が偏ったものとなる。

なお、空間光変調素子６０のパラメータは、表示するリング状のパターンのリング径、リング幅、リング内透過率、リング外透過率である。よって、測定対象及び用途に応じてこれらパラメータを調整すれば、所望の照明光の開口数を設定でき、上述のように開口絞り１２を使用したときと同様に、明視野及び暗視野の同時観察が可能となる。

また、空間光変調素子６０において、図１０（ｃ）に示すような、スリット状の透過率が互いに異なる低透過率領域６１ａ、中透過率領域６１ｂ、高透過率領域６１ｃからなるパターンを表示すれば、ホフマンモジューレコントラスト観察（以下、コントラスト観察とも呼ぶ）が可能となる。この観察方法によれば、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、標本Ｓが透明なもの（ここでは卵細胞）であっても、コントラストが強調され且つ方向性のある立体像として観察することが可能である。

そして、上記の高透過率領域の透過率を１００％とし、この高透過率領域に対応する各ＭＬ領域内の複数の画素から得られる画像信号から標本Ｓの画像を生成すれば、（任意の像面での）明視野画像を生成することも可能である。すなわちこの場合、１回の撮影で、コントラスト観察の画像と、明視野観察の画像とを同時に取得することが可能である。

従来の顕微鏡システムでは、コントラスト観察を実施するために、対物レンズの瞳の位置に遮光部材を入れたり、専用の対物レンズを用意する必要があったりするなど、非常に費用がかかった。しかしながら、上述のように空間光変調素子６０を用いれば、遮光部材や専用の対物レンズを必要とせずに、コントラスト観察を実施できるため、製造コストを抑えることができる。さらに、対物レンズからカメラまでの光路上に減光する部材がないため、明るい良好な標本像を取得することも可能である。

コントラスト観察において、標本Ｓに対して照明光の照射方向を変える場合、従来ではコンデンサ側のスリットを回転させるとともに対物レンズも回転させたりしなければならない等、煩雑な作業が必要であり、非常に困難であった。しかしながら、本実施形態では、図１０（ｃ）から図１０（ｅ）へと、あたかも回転したように空間光変調素子６０上に表示するパターンを変更し、画像取得時に使用する各ＭＬ領域における画素位置を変更するだけで、簡単に照明方向を変更することができる。ここで、図１１（ａ）にある方向からの照明光を受けて撮像された標本（卵細胞）像を、図１１（ｂ）に照射方向を変えて撮像された標本（卵細胞）像を示す。

コントラスト観察時の空間光変調素子６０のパラメータは、スリット幅、スリット部の透過率、スリットの位置である。これらパラメータの調整は、例えば図１２に示すようなＧＵＩ表示画面上に設けられた、標本Ｓのコントラスト観察画像を表示する標本画像表示領域７１を見ながら、コントラストの調整をするアイコン７２や、照明光の照射方向を設定するアイコン７３を適宜操作することによって行うことができる。なお、図１２に示すＧＵＩ表示画面では、パラメータ調整用のアイコン７１〜７３に加えて、使用する対物レンズを選択設定するアイコン７４も備えられており、より最適な状態でコントラスト観察できるようになっている。

以上のように、図４や図８に示す上述の顕微鏡システムに、空間光変調素子６０を採用すれば、該素子６０上に表示するパターンを調整することにより、明視野観察、暗視野観察、コントラスト観察を任意に選択することができる。また、１回の撮影で、明視野観察の画像と、暗視野観察の画像とを同時に取得することも可能である。

なお、ここまで正立型の顕微鏡について説明してきたが、倒立型の顕微鏡にも適用可能であることは言うまでもない。

１０，１０´ 照明光学系
１０Ａ 透過照明光学系
１０Ｂ 落射照明光学系
１１ 光源
１２ 開口絞り
１３ コンデンサレンズ
１４ 対物レンズ
１５ マイクロレンズアレイ
１６ 撮像素子
２０ 顕微鏡
３０ カメラ
４０ コンピュータ
４１ 制御部
４２ 駆動部
４３ 入力装置
４４ 画像処理部
４５ 記憶媒体
４６ 表示制御部
４７ ディスプレイ
６０ 空間光変調素子
Ｓ 標本

このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡システムは、光源から射出された照明光の開口数を規定する開口数規定部材を含む照明光学系と、前記照明光が照射された標本からの光を受光する対物レンズと、前記対物レンズを介して前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロ光学素子からなるマイクロ光学素子アレイと、それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素でそれぞれ受光した光に基づいて撮像データを生成する撮像素子と、前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、前記画像処理部は、前記照明光の開口数、前記対物レンズの開口数及び焦点距離に応じて、前記各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素のうちから、第１の画素領域と第２の画素領域を特定し、前記第１の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第１の画像データを生成し、前記第２の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第２の画像データを生成する。

もう一つの本発明に係る顕微鏡システムは、光源から射出された照明光に対する透過率が互いに異なるスリット状の領域が設定された光学部材を含む照明光学系と、照明光が照射された標本からの光を受光する対物レンズと、前記対物レンズを介して前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロレンズからなるマイクロ光学素子アレイと、それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素で受光した光に基づき撮像データを生成する撮像素子と、前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、前記画像処理部は、前記スリット状の領域の大きさ、前記対物レンズの開口数及び焦点距離に応じて、各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素うちから、前記複数の画素で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより、前記標本のコントラスト観察画像データを生成し、所定の画素で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の明視野画像データを生成する。

上記の顕微鏡システムにおいて、さらに、前記光学部材は、前記照明光の強度分布を変調する空間光変調素子であり、前記スリット状の領域を任意の位置に設定可能であることが好ましい。

Claims (11)

1. 光源から射出された照明光の開口数を規定する開口数規定部材を含む照明光学系と、
   前記照明光が照射された標本からの光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズにより集光された前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロ光学素子からなるマイクロ光学素子アレイと、
   それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素でそれぞれ受光した光に基づいて撮像データを生成する撮像素子と、
   前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、
   前記画像処理部は、前記照明光の開口数に応じて、前記各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素のうち、第１の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第１の画像データを生成し、第２の画素領域で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の第２の画像データを生成することを特徴とする顕微鏡システム。
2. 前記画像処理部により所定の処理が施された前記撮像データを表示する表示部を有し、
   前記表示部は、前記画像処理部からの出力を受けて、前記第１の画像データ及び前記第２の画像データを同時に表示することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡システム。
3. 前記画像処理部は、前記開口数規定部材で規定された前記照明光の開口数と前記対物レンズの開口数及び焦点距離とに応じて、各マイクロ光学素子に割り当てられた複数の画素を、第１の画素領域と第２の画素領域とに分割することを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡システム。
4. 前記開口数規定部材は、可変開口絞りであり、
   前記可変開口絞りの開口部の大きさを調整することにより、前記照明光の開口数を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
5. 前記開口数規定部材は、前記照明光の強度分布を変調する空間光変調素子であり、
   前記空間光変調素子の変調量を調整することにより、前記照明光の開口数を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
6. 前記第１の画像データは明視野画像データであり、前記第２の画像データは暗視野画像データであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
7. 光源から射出された照明光の幾何学的状態を変更可能な光学部材を含む照明光学系と、
   照明光が照射された標本からの光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズにより集光された前記標本からの光を受ける位置に配置された複数のマイクロレンズからなるマイクロ光学素子アレイと、
   それぞれの前記マイクロ光学素子に対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロ光学素子を介して前記複数の画素で受光した光に基づき撮像データを生成する撮像素子と、
   前記撮像素子で生成された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを有し、
   前記画像処理部は、変更された前記照明光の幾何学的状態に応じて、各マイクロ光学素子に割り当てられた前記複数の画素うち、所定の画素で受光した光に基づいて得られた前記撮像データを処理することにより前記標本の画像データを生成することを特徴とする顕微鏡システム。
8. 前記光学部材は、前記照明光の強度分布を変調する空間光変調素子であり、
   前記空間光変調素子の変調量を調整することにより、前記照明光の幾何学的状態を変化させることを特徴とする請求項７に記載の顕微鏡システム。
9. 前記照明光の幾何学的状態の変更は、スリット形状と円形状との変更、スリット形状の位置変更、スリット形状の大きさ変更、円形状の大きさ変更の少なくとも一つであることを特徴とする請求項７又は８に記載の顕微鏡システム。
10. 前記マイクロ光学素子アレイは、前記標本と略共役な位置に配置され、
    前記撮像素子の撮像面は、前記対物レンズの瞳面と略共役な位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
11. 前記マイクロ光学素子アレイは、前記対物レンズの瞳面と略共役な位置に配置され、
    前記撮像素子の撮像面は、前記標本と略共役な位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。

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