JP2006308808A - 拡大観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーキングディスタンスの変化による影響を排除し高画質の合成画像を取得する。
【解決手段】フォーカスレンズを光軸に沿って駆動させてフォーカスを調整可能なインナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式の光学系と、フォーカスレンズを光軸上に沿って移動させるためのフォーカスレンズ駆動部と、フォーカスレンズの光軸上に配置され、対物レンズから入射される観察対象の光学信号を結像し、２次元観察画像を取得するための撮像手段と、撮像手段で取得された複数の２次元画像を合成して合成画像を生成するための画像合成部とを備える。これによって、対物レンズが突出して観察対象と接触、破損する事態を回避でき、またフォーカス調整のために駆動すべき部材が軽量化されるため、レンズ駆動機構を小型化でき、さらに可動範囲も広くとることが容易となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、拡大した画像を撮像して表示するマイクロスコープや顕微鏡のような拡大観察装置に関する。

微小物体等を拡大して表示する拡大観察装置として、光学レンズを使った光学顕微鏡やデジタルマイクロスコープ、ビデオマイクロスコープ等が利用されている。マイクロスコープは、光学系を介して入射する観察対象固定部に固定された観察対象からの反射光または透過光を、２次元状に配置された画素毎に電気的に読み取るＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を備える。ＣＣＤ等のイメージセンサを用いて電気的に読み取られた画像をディスプレイ等の表示部に表示する（例えば特許文献１）。

拡大観察装置においては、一般に拡大倍率が高くなると焦点深度が浅くなり、ピントの合う領域が狭くなるため、観察対象の試料（ワーク）に凹凸や高低差があると全体を観察することが困難となる。このため、画像全体にピントの合った画像を深度合成によって作成する手法が利用されている。深度合成は、高さ方向にレンズまたは試料を移動させ、光軸方向における相対距離を変化させて複数の画像を撮影し、ピントの合った部分を抽出して合成することで、焦点深度の深い２次元画像を生成できる。また、複数の画像を撮影する際に、レンズまたは観察対象の移動量を同時に記録しておけば、合成画像を作成する際に観察対象の高さ情報も得ることができるので、取得した画像を３次元データとして構築することも可能である。３次元データに基づいて３Ｄ画像を拡大観察装置の表示部に再現することで、様々な視点や角度から立体的に画像を観察、評価したり、高さ等表面形状の測定を行うことができる。

このような２次元、３次元画像を合成する元となる複数の画像を取得するため、拡大観察装置はヘッド部にレンズとカメラをセットにして、ヘッド部と観察対象との距離（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を変更しながら焦点を合わせて撮像している。このためヘッド部はワーキングディスタンスを調整するため高さ方向に移動させながら撮影する機能を備えている。ヘッド部のワーキングディスタンスを変更する方法として、対物レンズ側を高さ方向に移動させる方法や、観察対象を載置した電動ステージを高さ方向に移動させる方法、あるいは圧電素子を利用した駆動システムを使って顕微鏡の対物レンズのみを移動させる方法などが採用されている。

しかしながら、対物レンズを移動させるには、対物レンズはレンズの使用枚数が多く、サイズ自体が大きく重いため、これを移動させるための駆動機構は相当のトルクが要求される。また対物レンズのみを移動させるのでなく、対物レンズを含めたカメラなどのヘッド部全体を移動させる場合も多く、この場合にはさらに必要なトルクが大きくなり、駆動機構が複雑化し大がかりとなるため、ヘッド部の小型化、簡素化を阻害するという問題があった。また観察対象を載置した電動ステージ側を移動させる方式でも同様に相応のトルクが要求され、ヘッド部の大型化を避けられない。さらに移動の精度を確保するためには高精度な移動機構を利用する必要があり、コストも高くなる。加えて移動機構を備えるスタンドの強度も求められる。

一方、顕微鏡の対物レンズを移動させるには圧電素子が利用されることが多いが、可動範囲が１００μｍ程度と短く、低倍率レンズで対象物を観察する場合には必要な測定レンジを確保することができないという問題がある。また、この方式では一般に駆動システムも高価なものになり、詳細な制御を実現するには専用のコントローラが必要となる。

さらに、ヘッド部と観察対象とのワーキングディスタンスを物理的に移動させる方式では、ヘッド部が観察対象に接触して破損するおそれもある。一般に画像を撮影する際には先ず観察位置を設定した後、高さを変更して撮影するため、観察対象とのワーキングディスタンスが変化し、対物レンズと観察対象が衝突することを避けるためには手順を工夫する必要がある。また、ワーキングディスタンスの変化は照明の状態にも変化を与える。特にレンズにリング照明などを装着して照明している場合には、距離が変化することによってワークに対する照明の角度も変化するため、距離の違いによって撮影画像の陰影の状態も変化してしまう。この陰影の状態の変化は、画像を合成する際に適切な選択をすることの大きな妨げとなる。またこの影響は低倍率のレンズでより大きなものとなる。
特開２０００−２１４７９０号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、ワーキングディスタンスの変化による弊害を解消し、高画質の２次元、３次元画像を得ることのできる拡大観察装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る拡大観察装置は、観察対象と対向させるための対物レンズと、対物レンズの光軸上に配置されたズームレンズと、ズームレンズの光軸上に配置されたフォーカスレンズとを備え、フォーカスレンズを光軸に沿って駆動させてフォーカスを調整可能なインナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式の光学系と、フォーカスレンズを光軸上に沿って移動させるためのフォーカスレンズ駆動部と、フォーカスレンズの光軸上に配置され、対物レンズから入射される観察対象の光学信号を結像し、２次元観察画像を取得するための撮像手段と、撮像手段で取得された複数の２次元画像を合成して合成画像を生成するための画像合成部とを備える。これによって、対物レンズを固定したままインナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式により装置の内部でレンズを駆動させて、ズーム、フォーカスが可能となり、対物レンズが突出して観察対象と接触、破損する事態を回避できる。またインナーフォーカス方式を採用することにより、フォーカス調整のために駆動すべき部材が軽量化されるため、レンズ駆動機構を小型化でき、さらに可動範囲も広くとることが容易となる。特にインナーフォーカスレンズは対物レンズに比べ一般にレンズの使用枚数も少ないため軽量であり、移動させるために必要なトルクも少なくて済む。

また、本発明の第２の側面に係る拡大観察装置は、さらに、観察対象を照明するための照明部を備える。これにより、観察対象を照明してもワーキングディスタンスが変化しないので照明の角度など照明条件も変化せず、同一の条件にて画像合成部にて画像を合成でき、高品質な合成画像を得ることができる。

さらに、本発明の第３の側面に係る拡大観察装置はさらに、撮像手段で撮像した２次元画像の高さ情報を取得するための高さ情報取得部を備え、画像合成部が、撮像手段で撮像された複数の２次元画像を、高さ情報取得部で取得した高さ情報に基づいて３次元画像を構築可能に構成している。これにより、ワーキングディスタンスを固定して照明条件が一定のまま２次元画像を撮像できるので、３次元画像を構築する際に歪みのない高品質な３次元画像を得ることができる。

さらにまた、本発明の第４の側面に係る拡大観察装置は、対物レンズを交換可能としている。これによって、観察目的に応じて倍率の異なる対物レンズに交換でき、広い範囲での適用が可能となる。

さらにまた、本発明の第５の側面に係る拡大観察装置は、高さ情報取得部が、現在装着されている対物レンズの倍率情報を取得するための対物レンズ倍率取得部を備える。これによって、現在表示中の観察画像の倍率を得ることができるので、ユーザが実際にレンズを目視により確認して倍率を計算し入力するなどの手間無く、自動的に拡大観察装置側が倍率を取得し、表示倍率やスケール等を表示させることができる。

さらにまた、本発明の第６の側面に係る拡大観察装置は、高さ情報取得部が、ズームレンズで調整された倍率情報を取得するためのズームレンズ倍率取得部を備える。これによって高さ情報を得ることができるので、３次元画像の構築が可能となる。

さらにまた、本発明の第７の側面に係る拡大観察装置は、光学系が、両側テレセントリックに構成されている。この構成によって、歪みの少ない高精度な観察が可能となる。

本発明の拡大観察装置によれば、インナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式の光学系を採用することでフォーカス調整のために駆動すべき部材を軽量化でき、駆動機構を小型化したコンパクトで安価な拡大観察装置を得ることができる。またレンズが外部に突出することがないため対物レンズ等が観察対象に接触して破損する事態を回避できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための拡大観察装置を例示するものであって、本発明は拡大観察装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の実施例において使用される拡大観察装置とこれに接続される操作、制御、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。なお本明細書において拡大観察装置とは、拡大観察装置本体のみならず、これにコンピュータ、外部記憶装置等の周辺機器を組み合わせた撮像システムも含む意味で使用する。
（第１の実施の形態）

以下、図１〜図２を用いて、本発明の実施の形態に係る拡大観察装置を説明する。図１は、拡大観察装置の外観を示す概略図、図２はこの拡大観察装置の構成を示すブロック図を、それぞれ示している。拡大観察装置１００は、図１に示すように観察対象の試料を照明するための照明部６０と、照明部６０により照明された試料を撮像する撮像部１０と、撮像部１０で撮像された拡大画像を表示する表示部５２を有する情報処理装置５０を備える。さらに図２の拡大観察装置１００は、試料を固定する試料固定部（試料Ｓを載置するステージ３０）と、光学系１１を介して入射する試料固定部に固定された試料Ｓからの反射光または透過光を電気的に読み取る撮像素子（ＣＣＤ１２）とを備える。また試料固定部には、ステージをｘ−ｙ平面内で移動させ、あるいは回転、傾斜、昇降等させるステージ移動部２０を設ける。一方光学系１１は、試料固定部と光学系１１の光軸方向における相対距離を変化させ焦点を調整する焦点調整部を含む光学系制御部１４で駆動される。

さらにまた情報処理装置５０は、図２に示すように、焦点調整部によって焦点を調整したときの試料固定部と光学系１１の光軸方向における相対距離に関する焦点距離情報を、光軸方向とほぼ垂直な面内における試料の２次元位置情報と共に記憶する焦点距離情報記憶部（メモリ５３）と、撮像素子によって読み取られた画像を表示する表示部５２と、表示部５２によって表示された画像の領域を指定したり各種設定を行うための設定部（操作部５５、ポインティングデバイス５５Ａ）と、設定部によって設定された領域に対応する試料Ｓの一部または全部に関する焦点距離情報記憶部に記憶された焦点距離情報に基づいて、設定部によって設定された領域に対応する試料Ｓの光軸方向における平均高さを演算する演算部（制御部５１）とを備える。この拡大観察装置１００は、光学系を介して入射する試料固定部に固定された試料からの反射光または透過光を電気的に読み取る撮像素子を用いて、指定された領域に対応する試料の光軸方向における平均高さ（深さ）を演算できる。

撮像部１０は、図２に示すように、試料Ｓを載置する試料固定部の一形態であるステージ３０と、ステージ３０を移動させるステージ移動部２０と、ステージ３０に固定された試料に光学系を介して入射される光の反射光または透過光を、２次元状に配置された画素毎に電気的に読み取る撮像素子の一形態としてＣＣＤ１２と、ＣＣＤ１２を駆動制御するＣＣＤ制御回路１３とを備える。さらに撮像部１０には、拡大観察装置本体である情報処理装置５０が接続される。情報処理装置５０は、撮像素子によって電気的に読み取られた画像データを記憶する画像データ記憶部の一形態としてメモリ５３と、撮像素子によって電気的に読み取られた画像データに基づいて画像を表示するディスプレイやモニタ等の表示部５２と、表示部５２上に表示される画面に基づいて入力その他の操作を行う操作部５５と、操作部５５によって入力された情報に基づいて画像処理その他各種の処理を行う制御部５１とを備える。表示部５２を構成するディスプレイは、高解像度表示が可能なモニタであり、ＣＲＴや液晶パネル等が利用される。

操作部５５はコンピュータと有線もしくは無線で接続され、あるいはコンピュータに固定されている。一般的な操作部５５としては、例えばマウスやキーボード、スライドパッド、トラックポイント、タブレット、ジョイスティック、コンソール、ジョグダイヤル、デジタイザ、ライトペン、テンキー、タッチパッド、アキュポイント等の各種ポインティングデバイスが挙げられる。またこれらの操作部５５は、拡大観察用操作プログラムの操作の他、拡大観察装置自体やその周辺機器の操作にも利用できる。さらに、インターフェース画面を表示するディスプレイ自体にタッチスクリーンやタッチパネルを利用して、画面上をユーザが手で直接触れることにより入力や操作を可能としたり、または音声入力その他の既存の入力手段を利用、あるいはこれらを併用することもできる。図１の例では、操作部５５はマウス５５ａ等のポインティングデバイス５５Ａで構成される。操作部５５は、後述する観察視点や拡大／縮小率等を変更するための変更部として機能する。

図１に本発明の実施の形態に係る拡大観察装置の外観図を示す。光学系および撮像素子を有するカメラ１０ａは、スタンド台４１から鉛直方向に延びる支柱４２に固定されたカメラ取り付け部４３に取り付けられる。スタンド台４１には、試料Ｓを載置するステージ３０が上部に取り付けられたステージ移動部２０が配置される。カメラ１０ａおよびステージ移動部２０は情報処理装置５０に接続されて制御される。情報処理装置５０は、表示部５２、およびマウス５５ａ等の操作部５５を備える。表示部５２には、観察画像が表示される。

また、情報処理装置５０である拡大観察装置にはコンピュータ７０を接続可能であり、コンピュータ７０に別途拡大観察用操作プログラムをインストールして、コンピュータ７０側からも拡大観察装置を操作することもできる。拡大観察装置には、予め拡大観察装置を操作する操作機能あるいは操作プログラムが内蔵されている。この操作プログラムは、書き換え可能なソフトウェア、ファームウェア等の形態で拡大観察装置に対してインストール、あるいはアップデートすることも可能である。

図２に本発明の実施の形態に係る拡大観察装置のブロック図を示す。情報処理装置５０は、表示部５２と、制御プログラム・焦点距離情報・受光データ・２次元情報等を記憶するメモリ５３と、情報処理装置５０がカメラ１０ａおよびステージ移動部２０とデータを通信するためのインターフェース５４と、操作者が拡大観察装置に関する操作を行う操作部５５とから構成される。ステージ移動部２０は、例えばステッピングモータやステッピングモータの昇降を制御するモータ制御部等から構成される。撮像部１０は、撮像素子として例えばＣＣＤ１２あるいはＣＭＯＳ等の受光素子と、ＣＣＤ１２を駆動制御するＣＣＤ制御回路１３と、照明部６０からステージ３０上に載置された試料Ｓに対して照射された光の透過光や反射光をＣＣＤ１２上に結像させる光学系１１とを備える。さらに光学系１１は、光学系を構成するレンズなどを駆動するための光学系制御部１４と接続される。

情報処理装置５０は、ステージ移動部２０を駆動するステッピングモータ等の制御に関する制御データを入力することによって、試料固定部であるステージ３０をＸ−Ｙ平面内で移動させる。具体的には、情報処理装置５０は、ステージ移動部２０の制御に必要な制御データをモータ制御回路に入力することによってステッピングモータの回転を制御し、ステージ３０のＸ，Ｙ位置を変化させる。ステッピングモータは、回転に応じた回転信号を生成する。情報処理装置５０は、モータ制御回路を介して入力される回転信号に基づいて、試料固定部と光学系１１の光軸方向における相対距離に関する情報としてのステージ３０のＸ，Ｙ位置を記憶する。

ＣＣＤ１２は、ｘ方向およびｙ方向に２次元状に配置された画素毎に受光量を電気的に読み取ることができる。ＣＣＤ１２上に結像された試料Ｓの像は、ＣＣＤ１２の各画素において受光量に応じて電気信号に変換され、ＣＣＤ制御回路１３においてさらにデジタルデータに変換される。情報処理装置５０は、ＣＣＤ制御回路１３において変換されたデジタルデータを受光データＤとして、光軸方向（図２中のｚ方向）とほぼ垂直な面内（図２中のｘ、ｙ方向）における試料の２次元位置情報としての画素の配置情報（ｘ、ｙ）と共にメモリ５３に記憶する。ここで、光軸方向とほぼ垂直な面内とは、厳密に光軸に対して９０°をなす面である必要はなく、その光学系および撮像素子における解像度において試料の形状を認識できる程度の傾きの範囲内にある観察面であればよい。

また、以上の説明では試料固定部の一例として、試料がステージに載置される例を示したが、例えばステージの代わりにアームを取り付け、その先端に試料を固定する構成とすることもできる。さらにカメラ１０ａは、カメラ取り付け部４３等に装着して使用する他、脱着可能として手持ち等の方法により所望の位置、角度に配置することもできる。

図１に示す照明部６０は、試料に落射光を照射するための落射照明６０Ａと、透過光を照射するための透過照明６０Ｂを備える。これらの照明は、光ファイバ６１を介して情報処理装置５０と接続される。情報処理装置５０は光ファイバ６１を接続するコネクタ６２を備えると共に、コネクタ６２を介して光ファイバ６１に光を送出するための光源（図示せず）を内蔵する。光源にはハロゲンランプ等が用いられる。光ファイバ６１は、撮像部１０と情報処理装置５０とを接続するケーブルと一体に構成してもよい。また光源は、情報処理装置５０側に設ける構成の他、撮像部１０側に設けてもよい。例えばＬＥＤやＬＤなどの発光素子をリング状に落射照明６０Ａに配置する構成とすることもできる。この場合は、光ファイバのような光源から撮像部１０まで光を送出する部材を不要とでき、電気信号のみのケーブルで撮像部１０と情報処理装置５０とを接続することができる。特に光ファイバを使用しないことで、電気信号のみのケーブルとして可撓性に優れ、曲がり角の大きい引き回しの容易なケーブルとできる。また伝送損失もなく、低消費電力で高効率な照明が実現できる。
（制御部５１）

制御手段である制御部５１は、撮像した観察画像を、表示部５２で表示可能な解像度に変換して表示するよう制御する。図１の拡大観察装置においては、撮像部１０がＣＣＤ１２によって試料Ｓを撮像した観察画像を表示部５２に表示する。一般にＣＣＤ等の撮像素子の性能は、表示部での表示能力を上回ることが多いので、撮像した観察画像を一画面に表示するためには画像を間引く等して解像度を一画面で表示可能なサイズまで落とし、縮小表示している。撮像部１０で読み取ったときの読取解像度を第一の解像度とすると、表示部５２においては第一の解像度よりも低い第二の解像度で表示されることとなる。

さらに制御部は、観察対象物の異なる高さにおいて取得された複数の２次元画像を、所定のアルゴリズムに基づき合成して新たな２次元画像や３次元画像を合成するための画像合成部の機能を備える。

また、以上の実施の形態においては、試料固定部に固定された試料からの反射光を電気的に読み取る例を示したが、試料の背面から光を照射してその透過光を電気的に読み取るように構成してもよい。また、以上の説明では、試料固定部の一例として、試料がステージに載置される例を示したが、例えばステージの代わりにアームを取り付けその先端に試料を固定する構成とすることもできる。
（３次元画像）

また拡大観察装置は、２次元的な画像のみならず、３次元画像を表示させることもできる。３次元データに基づいて３Ｄ画像を拡大観察装置の表示部５２に再現することで、様々な視点や角度から立体的に画像を観察、評価したり、高さ等表面形状やプロファイルの測定を行うことができる。３次元画像を生成して表示するには、例えば光軸方向における相対距離、すなわち観察対象の試料とレンズの距離を変化させて、画像を複数枚撮像し、同時に画像撮像時の移動量を記録しておく。これによって合成画像を作成する際に観察対象の高さ情報も得ることができるので、取得した画像を３次元データとして構築できる。
（インナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式）

次に図３に、撮像部１０を構成するブロック図を示す。この図に示す撮像部１０は、ヘッド部１０Ａに撮像手段であるＣＣＤ１２と、各種レンズよりなる光学系１１を内蔵しており、各部材は光学系制御部１４と電気的に接続されている。光学系１１は、対物レンズＯと、ズームレンズ（変倍レンズ）Ｚと、フォーカスレンズＦとを備える。なお各レンズは、簡略化のためレンズを１枚のみ図示しているが、複数のレンズ群を組み合わせた組み合わせレンズを利用可能であることはいうまでもない。これらのレンズは光軸を一致させて配置され、撮像素子上に結像するよう配置される。この光学系１１はインナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式を採用しており、対物レンズＯを保持してズームレンズＺ及びフォーカスレンズＦを光軸に沿って移動可能とし、ズームレンズＺでズーム調整、フォーカスレンズＦでフォーカス調整を行う。なお光路はミラーなどを利用して適宜折曲させることも可能であることはいうまでもない。
（レンズ駆動部）

ズームレンズＺ及びフォーカスレンズＦは、光軸方向に沿って、すなわちヘッド部１０Ａ内のレンズ鏡筒に沿って摺動可能としている。これらのレンズは、モータや電子カム等のレンズ駆動部によって各々独立して駆動される。図３に示すフォーカスレンズＦはフォーカスレンズ駆動部８０として、モータ８１とモータ駆動部８２とを備えている。リアフォーカス方式では被写体距離及び焦点距離に応じてフォーカスレンズＦの位置を調整する。このため光学系制御部１４はモータ駆動部８２を制御してモータ８１の駆動量すなわちフォーカスレンズＦの移動量を調整する。オートフォーカス時は合焦軌動上をフォーカスレンズＦがトレースするように、光学系制御部１４はモータ駆動部８２を駆動する。

またズームレンズＺはズームレンズ駆動部８３で駆動されると共に、駆動されたレンズの位置情報を光学系制御部１４に送出する。レンズの位置は、リニアポテンションメータやエンコーダなどの位置検出手段を用いて、光軸方向の位置を検出できる。レンズ駆動部に、位置制御性の高いステッピングモータを用いれば、正確な駆動量制御が可能となり、さらにステッピングモータで位置検出手段を兼用することもできる。位置検出手段からズームレンズＺの位置情報を光学系制御部１４で取得することで、ズームレンズＺの設定倍率を光学系制御部１４で検出できる。
（対物レンズＯ）

一方、対物レンズＯは移動させずレンズ鏡筒内に固定している。インナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式は、図３に示すようにレンズ鏡筒の先端側に配置されたズームレンズＺによってズーム調整を行い、それより後方側に配置されたフォーカスレンズＦによってフォース調整を行う。この方式では、フォーカスレンズＦがレンズ鏡筒の後端側に配置されていることにより、小口径で軽量なフォーカスレンズＦによってフォーカス調整を行うため、駆動用の機構を簡素化、小型化し、さらに低消費電力で駆動させることができる。なおズームレンズとフォーカスレンズの駆動機構を共通の部品とすることでコストを低減したり、さらに駆動機構そのものを共用することにより、さらに構成の簡素化を図ることもできる。また前玉の対物レンズを固定し、レンズ鏡筒内部に移動自在のズームレンズ及びフォーカスレンズが配設する構成のため、フォーカシングしてもレンズの全長が変わらず、最初に設定したレンズと観察対象との距離が変化しない。そのためにユーザはレンズと観察対象との接触に注意を払う必要がない。また照明の状態も変化しないので、レンズのフォーカス調整に伴う余計な陰影の変化が無い。このことは、同一の照明条件で焦点の異なる２次元画像を撮影することが可能となり、後に２次元、３次元画像に合成する際に歪みやノイズのない高品質な合成画像が得られることにも貢献する。

また対物レンズＯは、異なる倍率のレンズを交換可能としている。対物レンズＯをヘッド部１０Ａにマウントする装着機構をネジや係合などとし、装着機構を共通化した異なる倍率の対物レンズを複数用意することで、対物レンズを交換して拡大観察装置の拡大倍率を変化させることができ、より広い範囲で使用できる。

さらにヘッド部１０Ａは、対物レンズＯの倍率を読み取る対物レンズ倍率検出手段８４を設けることで、現在セットされている対物レンズＯの倍率を拡大観察装置側で検出することができる。図３の例では、対物レンズＯと光学系制御部１４の間に対物レンズ倍率検出手段８４を配置し、セットされた対物レンズＯの種別に応じて異なる信号を光学系制御部１４で検出可能とする。例えば予め対物レンズの倍率を所定の抵抗値と関連付けたテーブルを用意しておき、対物レンズ毎に異なる値の抵抗値を持たせた端子を光学系制御部１４で検出することで、テーブルを参照して倍率を検出することが可能となる。あるいは対物レンズのマウントやコネクタ等の形状を物理的に区別する方式なども利用できる。なお、このような倍率を拡大観察装置側で自動で読み取る構成の他、ユーザが手動で倍率を入力、設定する方法を採用することも可能であることはいうまでもない。

このように、対物レンズＯの倍率とズームレンズＺの位置を、対物レンズ倍率検出手段８４及び位置検出手段からそれぞれ取得することで、光学系制御部１４は現在の表示倍率を取得できる。その結果、倍率情報を表示部に表示させたり、演算に利用することが可能となる。例えば、画面上の一画素当りの実寸法を計算するキャリブレーションを行わせたり、画面上に寸法やスケール表示などを付加したり、指定した距離や面積の演算を行わせることが可能となる。長さや面積の計測を実寸で行うためには、表示画面を構成する画素単位に対応する実寸法をあらかじめ計算しておく必要がある。一画素当りの実寸法は光学系の倍率（及び画面表示の倍率）から計算することができ、この計算又は処理をキャリブレーションという。キャリブレーションを行う際、従来はセットされているレンズの倍率などを手入力する必要があったが、本実施の形態では、拡大観察装置が自動的に対物レンズ倍率検出手段及び位置検出手段から倍率を取得して演算することが可能となり、使い勝手が向上する。また実寸での測定が可能であることは、後述する両側テレセントリック式のレンズを利用することによって、さらに高精度な測定に利用できる。

さらに、現在の観察倍率を拡大観察装置が検知できることに加えて、高さの異なる画像を得る際の移動量を倍率と関連付けておくことで、３次元画像の自動取得を容易とする。例えば倍率に応じて、高倍率の場合は移動量が小さく、低倍率の場合は移動量が大きくなるように、フォーカスレンズの適切な移動量を予めテーブルなどに事前に記録しておくことができる。この結果、３次元画像の構築のために複数の２次元画像を撮像する際は、ユーザの選択した倍率を拡大観察装置が自動的に検知し、この倍率に基づいて適切な移動量をテーブルを参照して選択して、選択された移動量に基づいて高さの異なる画像データを複数得ることができる。これにより、面倒な移動量の設定をユーザが一々指定する手間を省き、簡単な操作で３次元画像取得を行うことが可能となる。
(光学系制御部１４)

光学系１１を制御する光学系制御部１４はゲートアレーやＣＰＵなどで構成される。光学系制御部１４は、上述の通りレンズの倍率によって異なるフォーカスレンズＦの移動距離とワーキングディスタンスに関するデータを予め有することができる。これらのデータは、制御データ用メモリ１５に保持される。光学系制御部１４がモータ駆動部８２を制御してフォーカスレンズＦを適切に駆動することによって、高さの異なる画像を撮像素子で複数枚撮影する。そして、望みの撮像範囲内全てでピントのあった画像を、１枚の２次元画像として合成する。また、撮影時に得られた画像の高さ情報から３次元画像データを構築することもできる。
（両側テレセントリック）

さらに画像合成を高品質、高精度に行うため、光学系１１を構成するレンズは、両側テレセントリックであることが望ましい。テレセントリックなレンズは、観察対象物を同じ大きさで撮像することができる。両側テレセントリックレンズは、画角が０°に近く、物体面と像面で主光線が光軸とほぼ平行になるようにデザインされたレンズ系である。従って、被写体の位置の変化による倍率の変動が小さいといった利点がある。このため、観察対象物の形状や寸法を正確に測定する場合に用いることができる。このような両側テレセントリックなレンズを採用することで、合成画像を構築する際の歪みを解消できる。この様子を、図４及び図５に基づいて説明する。図４は通常のレンズにおける結像の様子（ａ）と画像の例（ｂ）、図５はテレセントリックなレンズにおける結像の様子（ａ）と画像の例（ｂ）をそれぞれ示している。

３次元画像の構築においては、２次元画像として撮像された観察対象の大きさが等しいことが望ましい。しかしながら、通常のレンズでは図４（ａ）に示すようにレンズからの距離に応じて大きさが変化し、近いもの程大きく、遠いもの程小さく撮像される。その結果、図４（ｂ）に示すように撮像された２次元画像に歪みが生じる。この歪みは、レンズと観察対象との距離に応じて変化する。したがって、レンズと観察対象との距離を変化させて撮像された２次元画像では、歪みが各画像毎に異なるため、これらを合成して３次元画像を構築する際の誤差やノイズの原因となる。この問題を解決するために、３次元画像を合成する際に、焦点移動による輪郭ずれを画像処理によって倍率を補正する輪郭ずれ補正機能を有するものも存在するが、この方式では画像処理工程が必要となり処理量が増えて処理が遅くなる上、補正量に限界があるという問題があった。

このような問題を解決するため、本実施の形態では図５に示すような両側テレセントリックレンズを使用した。このレンズは、図５に示すように距離に依存した歪みが生じず、レンズからの距離の大小に拘わらず同じ大きさで撮像される。このレンズを使用することで、高さを変化させた２次元画像を複数枚撮像しても、距離に不変あるいは変化の少ない、言い換えると歪みの少ない画像が得られる。したがって、これらの画像を合成する際に、各画像の差が少ない結果、歪みのない綺麗な３次元画像を得ることができる。また、同様に広い範囲で焦点のあった２次元画像も同様に高品質なものを得ることができる。
（３次元画像の自動構築方法）

次に、拡大観察装置を使用して実際に観察対象の３次元画像を合成する手順の一例を、図６に基づいて説明する。まず撮像部１０、ステージ移動部２０および情報処理装置５０等を初期化した上で、ステップＳ１で撮像範囲の設定を行う。具体的には、観察対象をステージにセットし、撮影したい画像の倍率とカメラアングルを調整する。さらに観察対象の一部に、手動でピントを合わせる。この際、フォーカスを調整する範囲を予め設定しておく。例えば、倍率に応じて自動で範囲を設定したり、ユーザが手動でワーキングディスタンスの最大値と最小値を指定したり、手動でピントを合わせた位置を中心として、上下所定の幅の範囲を自動的に設定することもできる。さらに、フォーカス調整すなわちフォーカスレンズの移動幅について、拡大観察装置が倍率に応じて自動設定する他、ユーザが任意に指定することもできる。ユーザが任意にレンズの移動量と移動範囲を設定する場合を詳述すると、レンズの移動範囲はレンズの高さの範囲であり、例えばユーザが大まかな高さを移動開始位置として指定する。またレンズの移動量はレンズの一回当たりの移動距離であり、細かく設定するほど詳細な画像が撮像できる反面、生成に時間がかかるので、観察目的に応じて適切な値に設定する。指定方法としては、ユーザが画像の精細さを指定し、これに応じた移動距離を拡大観察装置側が自動的に設定したり、ユーザが直接移動距離を数値等で指定する、あるいはデフォルトの既定値を利用する等の方法がある。設定終了後、指定された移動開始位置にレンズを設定する。

次に、ステップＳ２に進み、３次元画像取得の実行を命令する。例えば自動処理のスタートボタンを押す。命令が実行されると、ステップＳ３に進み、光学系制御部１４が対物レンズＯの倍率とズームレンズＺの倍率を読み取る。これによって拡大観察装置は、現在設定されている観察倍率を検出できる。

次にステップＳ４に進み、予め設定されたフォーカスの調整範囲内で、高さ方向に設定された間隔でフォーカスレンズＦを移動させ、高さ毎に２次元画像を順次撮像する。撮像された画像データは、メモリに各々保持される。撮像後、フォーカスレンズＦを設定された移動量だけ移動させる。高さ方向への焦点位置の移動は、光学系制御部１４でモータ駆動部８２を制御し、モータ８１を駆動してフォーカスレンズＦを移動させることによって行う。フォーカス位置の移動量の調整は、倍率に応じて予め持っているデータを利用するか、あるいは演算を行ってレンズの位置制御を実行することによって行う。さらにステップＳ５で移動範囲が終了位置に達したか否かを判定を行う。終了位置に達していない場合はステップＳ４に戻って移動と撮像を繰り返し、すべての２次元画像の撮像が終了すると、ステップＳ６の画像合成工程に進む。

画像合成工程では、撮影した複数枚数の２次元画像に関して、ピントの合っている部位を抽出して合成する。これによって広い範囲でピントの合った２次元画像が合成できる。さらに、撮影時の画像の高さ情報を利用して３次元画像も得る。３次元データの構築には、レンズの位置とそのときに撮像された画像から、高さ方向に変化するプロファイルが演算できるので、異なる高さ毎に撮像された複数枚の２次元画像データを合成することで、立体的な形状を構築できる。例えば撮像された２次元画像で得られる離散的なプロファイルを補完して、連続的なプロファイルを合成する。この処理はハードウェア的に高速に行うことができる。

以上のようにして構築された３次元画像は、自由に視点の変更や画像の回転、反転、変形、拡大／縮小等して表示させることができる。変更操作は、変更部の一形態であるマウス５５ａ等のポインティングデバイス５５Ａで行われる。画像の回転は、マウス５５ａを操作し、画像を選択してドラッグしたままマウスポインタを移動させることで、ドラッグされた方向に回転する。また拡大／縮小は、ホイールマウスのスクロールボタン５５ｄに画面の拡大、縮小機能を割り当てることも可能である。これらの方法に限られず、変更部として操作ボタンや操作ツール群をソフトウェア画面上に配置して操作したり、操作機能をキーボードの特定のキーに割り付けたり、操作用の専用ハードウェアを変更部とすることもできる。

このような３次元画像の取得方法や、取得された３次元データの表示を変更する手法は、既知の方法や将来開発される方法が適宜利用できる。例えば、オープンＧＬ（Open Graphics Library）等のＡＰＩが利用できる。

また必要に応じて、生成された画像は表示部などに表示、あるいは所定の形式で出力される。このようにして、指定された条件に従って自動的にピントのあった２次元画像や３次元画像を合成することが可能となる。特に、レンズにインナーフォーカス方式またはリアフォーカス方式を採用することで、フォーカスレンズを駆動して高さの異なる画像を複数枚数撮影しても照明条件が同一であり、合成に適した画像が得られる。さらに、両側テレセントリックなレンズを採用することで、高さの違いによる歪みも極減できるので、より合成に適した画像を取得し、これらを組み合わせることで、合成後の画像のノイズや歪みが極めて少ない３次元画像や２次元画像を構築できる。

このような両側テレセントリック式のレンズをインナーフォーカス又はリアフォーカス式とすることで、これらが対物レンズに比べて遙かに軽量であるため、上述の通り従来の対物レンズ移動式のシステムよりも小型の駆動装置で制御可能である。このため駆動装置をレンズ内部に組み込むことができシステムを小型に、かつ安価にできる。また、圧電素子等と比べて可動範囲も広く取ることが容易である。さらに両側テレセントリックなレンズとすることで、各画像の歪みが少なくなり、極めて高品質な画像の合成が可能となる。また対物レンズとズームレンズを組み合わせ、ズームレンズをインナーフォーカス方式とすることによって倍率の範囲を広げることができる。さらに対物レンズは交換可能な構造とすることによって観察倍率を変更でき、より広い範囲での使用が可能となる。

本発明の拡大観察装置は、顕微鏡やデジタルマイクロスコープ、デジタルカメラに利用して、３次元画像データを含む２次元画像を生成し閲覧できる。

本発明の実施の形態に係る拡大観察装置の外観図である。 本発明の第１の実施の形態に係る拡大観察装置のブロック図である。 撮像部を構成するブロック図を示す。 通常のレンズにおける（ａ）結像の様子と（ｂ）画像の例を示す説明図である。 テレセントリックなレンズにおける（ａ）結像の様子と（ｂ）画像の例を示す説明図である。 ３次元画像を合成する手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００…拡大観察装置
１０…撮像部；１０Ａ…ヘッド部；１０ａ…カメラ
１１…光学系
１２…ＣＣＤ；１３…ＣＣＤ制御回路
１４…光学系制御部
１５…制御データ用メモリ
２０…ステージ移動部
３０…ステージ
４１…スタンド台；４２…支柱；４３…カメラ取り付け部
５０…情報処理装置；５１…制御部；５２…表示部
５３…メモリ；５４…インターフェース
５５…操作部；５５Ａ…ポインティングデバイス；５５ａ…マウス
６０…照明部；６０Ａ…落射照明；６０Ｂ…透過照明
６１…光ファイバ；６２…コネクタ；７０…コンピュータ
８０…フォーカスレンズ駆動部
８１…モータ
８２…モータ駆動部
８３…ズームレンズ駆動部
８４…対物レンズ倍率検出手段
Ｏ…対物レンズ
Ｚ…ズームレンズ
Ｆ…フォーカスレンズ
Ｓ…試料

Claims (7)

1. 観察対象と対向させるための対物レンズと、
   前記対物レンズの光軸上に配置されたズームレンズと、
   前記ズームレンズの光軸上に配置されたフォーカスレンズと、
   を備え、前記フォーカスレンズを光軸に沿って駆動させてフォーカスを調整可能なインナーフォーカス方式若しくはリアフォーカス方式の光学系と、
   前記フォーカスレンズを光軸上に沿って移動させるためのフォーカスレンズ駆動部と、
   前記フォーカスレンズの光軸上に配置され、前記対物レンズから入射される観察対象の光学信号を結像し、２次元観察画像を取得するための撮像手段と、
   前記撮像手段で取得された複数の２次元画像を合成して合成画像を生成するための画像合成部と、
   を備えることを特徴とする拡大観察装置。
2. 請求項１に記載の拡大観察装置であって、さらに、
   観察対象を照明するための照明部を備えることを特徴とする拡大観察装置。
3. 請求項２に記載の拡大観察装置であって、さらに、
   前記撮像手段で撮像した２次元画像の高さ情報を取得するための高さ情報取得部を備え、
   前記画像合成部が、前記撮像手段で撮像された複数の２次元画像を、前記高さ情報取得部で取得した高さ情報に基づいて３次元画像を構築可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の拡大観察装置であって、
   前記対物レンズを交換可能としたことを特徴とする拡大観察装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の拡大観察装置であって、
   前記高さ情報取得部が、現在装着されている対物レンズの倍率情報を取得するための対物レンズ倍率取得部を備えることを特徴とする拡大観察装置。
6. 請求項２から５のいずれかに記載の拡大観察装置であって、
   前記高さ情報取得部が、前記ズームレンズで調整された倍率情報を取得するためのズームレンズ倍率取得部を備えることを特徴とする拡大観察装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の拡大観察装置であって、前記光学系が、両側テレセントリックに構成されてなることを特徴とする拡大観察装置。

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