JP2013130687A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広視野、高解像度の撮像光学系を有する画像取得装置において、カバーガラス厚のばらつきによる収差変動を補正するために、簡単な構成で高速にカバーガラス厚を計測する。
【解決手段】検体保持部３０に保持された検体の像を撮像光学系４０により撮像素子５０に投影する撮像装置１００において、前記撮像光学系の光軸に対して交差する方向から前記検体保持部を撮像し、前記撮像により得られた情報に基づいて、前記検体保持部の前記撮像光学系側にある透明板の厚さを計測する厚さ計測手段６０１と、前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記透明板によって発生する収差と焦点位置ずれの少なくとも一方を補正する補正手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検体の像を撮像して取得する顕微鏡等の撮像装置に関する。

近年、病理分野では、人体の生体組織等の検体画像をデジタル画像として取得し、表示させることが出来る撮像装置が注目されている。診断に応じて、画面上で低倍率・高倍率を切り替えることが可能で、通常の光学顕微鏡の操作性を備えており、病理診断の誤診防止、遠隔地における画像診断、教育、学会資料等への利用が期待されている。

しかし、一般に検体を保護するカバーガラスには厚さばらつきが存在するため、撮像光学系の光学的な収差が検体ごとに変化する。そこで、カバーガラス厚に起因する収差変動を補正するための補正手段が特許文献１に開示されている。そして、補正手段にて有効な補正を行うために、検体保持部を構成するカバーガラスやスライドガラス等の透明板の厚さの計測を行うことが特許文献２に開示されている。

具体的には、特許文献３に示されているようなレーザ測距計を用いて、厚さ方向にスキャンさせ、反射光を受光する範囲がカバーガラス厚と一致することを利用することで透明板であるカバーガラスの厚さを検出する方法が開示されている。

特開平５−１９６８７３ 特開２００９−２２３１６４ 特開平６−１１３４１

特許文献３のようにレーザ測距計を用いた方法では、撮像光学系での撮像面と平行方向からのカバーガラスの厚み情報を得ることができる。しかし、カバーガラスやスライドガラスには幅があるため、全ての端面での厚さ計測を行おうとすると時間が掛かる。そのため、撮像全体としても時間がかかってしまう。

また、カバーガラスとスライドガラスの屈折率差が小さいため、光を用いてカバーガラスやスライドガラスの厚さを計測しようとしても正確に計測するのは難しい。そのため、光を用いて計測するためには、時間が掛かったり、複雑な装置を用いたりする必要がある。

そこで、本発明は簡単な構成で検体保持部の透明板の厚さを高速で計測し、その計測結果に基づいて撮像光学系の収差と焦点位置の少なくとも一方を補正することで、高速に良好な画像を取得することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、検体保持部に保持された検体の像を撮像光学系により撮像素子に投影する撮像装置において、前記撮像光学系の光軸に対して交差する方向から前記検体保持部を撮像し、前記撮像により得られた情報に基づいて、前記検体保持部の前記撮像光学系側にある透明板の厚さを計測する厚さ計測手段と、前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記透明板によって発生する収差と焦点位置ずれの少なくとも一方を補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、撮像光学系側にある透明板の厚さを速く計測できる。そして、得られた厚さに基づいて撮像光学系の収差と焦点位置の少なくとも一方を補正するため、良好な画像（信号）を速く取得することができる撮像装置を提供することが可能となる。

撮像装置の概略図 プレパラートの概略図 カバーガラス厚み計測用画像イメージ図 Ｙ軸から傾いた場合のカバーガラス厚み計測用画像イメージ図 Ｘ軸から傾いた場合のカバーガラス厚み計測用画像イメージ図 シャックハルトマン型波面センサ概略図

以下、本発明の構成を、図を用いて説明する。

図１は、本実施形態の撮像装置の概略図である。撮像装置１００は、検体等の撮像対象物を含んだプレパラートを広視野、高解像度で撮像する撮像部１０１と、撮像光学系４０で良好な画像を取得するために、撮像前にプレパラートの計測を行う計測部１０２で構成される。

撮像部１０１は撮像用照明光学系１０、撮像光学系４０、撮像素子部５０で構成される。

撮像用照明光学系１０は、ステージ２０に載せたプレパラート３０を照明するための光学系である。ステージ２０は、プレパラート３０を撮像部１０１と計測部１０２との間で移動させるためのものであり、ＸＹ方向に移動させるための不図示の駆動機構を備えている。更にプレパラートをＺ方向やＸＹＺ軸回りに回転させるための駆動機構を備えてもよい。撮像用照明光学系１０からの照明光をプレパラート３０に照射するために、ステージ２０は、例えばプレパラート３０をその周縁部で支える構造になっている。

プレパラート３０は、図２に示す様にカバーガラス（透明板）３０１、検体３０２、スライドガラス（透明板）３０３で構成され、撮像対象物である検体３０２を検体保持部であるカバーガラス３０１とスライドガラス３０３で保持する。

撮像光学系４０は、検体３０２を撮像素子部５０で撮像するための光学倍率β倍の結像光学系である。撮像光学系４０に対してプレパラート３０と撮像素子部５０は、それぞれ物体と像面の関係となるように配置される。また、撮像素子部５０は駆動機構を備えており、駆動機構に計測部１０２の計測結果情報が入力されることによって、撮像素子を合焦位置まで光軸方向へ移動させることができる。撮像素子部５０は、平面状に配置された複数の撮像素子を含む構成であってもよいし、１つの撮像素子からなる構成であってもよい。複数の撮像素子を含む構成の場合は、複数の撮像素子にそれぞれ駆動機構を設けてそれぞれ光軸方向に駆動可能にすることで、撮像素子ごとに合焦動作を行うことができる。また、撮像素子部５０が複数の撮像素子を含む構成の場合は、ステージ２０によってプレパラート３０を所定量ずつ複数回移動させながら複数回の撮像を行い、それにより得られた画像情報を繋ぎあわせて１つの画像情報を得ることになる。

計測部１０２は、図１で示すように計測用照明光学系７０、撮像範囲計測装置８０、面形状計測装置９０（表面形状計測手段）、厚さ計測用カメラ６０１で構成される。

計測用照明光学系７０は、平行光すなわち平面波を射出する。ビームスプリッタ７０１は入射した平行光の一部を反射してプレパラート３０へ入射させる。そして、プレパラート３０に入射した平行光が反射光と透過光に分けられる。反射光は、カバーガラス３０１の表面形状により波面が歪む。波面歪みを有した反射光はビームスプリッタ７０１を透過し、面形状計測部９０へ入射する。面形状計測部９０で計測されたカバーガラス３０１の表面形状情報は演算部６０２で処理され、プレパラート３０の焦点位置情報が取得される。そして、プレパラート３０の撮像を行う際には、その焦点位置情報を用いて撮像素子部５０の撮像素子を合焦位置へ移動させる。

面形状計測部９０は、シャックハルトマン型波面センサを用いることで高速に面形状計測ができる。面形状計測部９０は、変倍光学系９０１とシャックハルトマン型波面センサ９０２を備える。シャックハルトマン型波面センサ９０２は、図６に示すように、マイクロレンズアレイ９１２、受光素子９２２を備えうる。

図６において、カバーガラス３０１からの波面歪みを有した反射光がマイクロレンズアレイ９１２に入射すると、レンズアレイ９１２により受光素子９２２上に複数の点像が形成される。このとき各点像は、波面歪み無しの場合の結像点からずれた位置に結像する。この位置ずれ量の情報を演算部６０２に入力し、演算処理することでカバーガラス３０１の表面形状情報を取得する。

図１に戻りプレパラート３０を透過した光は、撮像範囲計測部８０へ入射する。撮像範囲計測部８０で計測された撮像範囲計測情報は演算部６０２に入力され、演算部６０２により撮像範囲情報が得られる。

厚さ計測用カメラ６０１は、プレパラート３０のカバーガラス３０１の厚さの計測に用いられる。厚さ計測用カメラ６０１は、少なくともプレパラート３０の側面を撮影可能な位置に取付けられる。好ましくは、図１で示した座標軸を用いて表現すると、ＸＹ平面に平行な方向からプレパラート３０を撮影する位置に取り付けられ、厚さ計測用カメラ６０１の光軸がプレパラート３０もしくはステージ２０の側面に交差するような位置に取付けられていればよい。なお図１では、厚さ計測用カメラ６０１によりＹ方向から撮影を行っているが、Ｘ方向から撮影してもよい。以下、この座標系を用いて説明する。

厚さ計測用カメラ６０１は、図２（ｂ）に示したカメラ側カバーガラス端とスライドガラス端の距離Ｄｘ（Ｙ方向から撮影するときはＤｙ）以上の被写界深度を有するカメラであることが望ましい。カバーガラス端とスライドガラス端の距離以上の被写界深度を有することで、カバーガラス３０１とスライドガラス３０３の境界が判別し易くなり、カバーガラス３０１の厚さを計測し易くなる。また、高倍率カメラを用いた方が一般には精度が高い距離測定をすることができるが、高倍率にしすぎると、カバーガラス厚のばらつき、プレパラート３０の作成精度、ステージ２０上への設置精度によって、撮影したい範囲を網羅できない可能性がある。想定されるカバーガラス厚のばらつき、カバーガラス製造誤差、プレパラート作成精度、ステージ設置精度を加味した画角で撮影できるカメラを選択する必要がある。

上述した機能を備えた厚さ計測用カメラ６０１で撮影したプレパラートの端部の画像の一例を図３に示す。この端部の画像が厚さ計測用の画像である。この撮影した画像情報を演算部６０２で画像処理することで、カバーガラス端面の厚さであるカバーガラス厚Ｔｃを得ることができる。

Ｔｃの値はＹ座標上の位置によって異なる可能性がある。取得した厚さ計測用画像を演算処理すれば、所望のＹ位置での厚み情報を何点でも得ることが可能となる。また、撮影範囲をずらして全域を計測することも可能である。

画像処理によってカバーガラス厚を計測するには、公知の寸法計測方法を用いる。この方法として、例えば特開平８−３５８１３号公報に開示されるような方法がある。これは、画像にノイズ除去、エッジ協調などのフィルタリング処理を施して、この処理後の画像を適当な閾値で０と１の２値化を行い、この２値化された画像情報に対して、値が１である画素を計測点として指定し、それら計測点同士の座標から寸法を求めるものである。制御部６０３は、得られたカバーガラス厚情報に基づいて、撮像部１０１に対し、カバーガラス厚に因った収差制御を施すことで良好な検体画像を取得することができる。

カバーガラスの厚さに起因して発生する収差や焦点位置を補正するための方法として、例えば以下のような方法が考えられる。

第１の方法として、カバーガラス厚に応じて、撮像光学系４０のレンズやミラーなどの光学素子を移動させて収差を補正する方法が考えられる。第２の方法として、補正レンズや補正プレートを用いる方法がある。この場合、撮像光学系４０はカバーガラス厚が特定の厚みであることを想定して設計されている。厚さ計測により、想定と異なるカバーガラス厚を有したプレパラートを撮影することがわかったとき、撮像光学系に補正レンズや補正プレートを挿入する。厚さや、場合によっては屈折率が異なる補正レンズや補正プレートをいくつか用意しておけば、撮像するプレパラートのカバーガラス厚情報に対応して適切な補正レンズや補正プレートを選択して挿入することができる。このように、補正レンズや補正プレートを用いることで焦点位置と球面収差を補正することができる。また、複数の撮像素子にそれぞれ駆動機構が設けられている場合は、カバーガラス厚に応じて複数の撮像素子の位置を動かすことで焦点位置を補正してもよい。いずれの場合においても、予めカバーガラスの光学特性やカバーガラスの厚さに対する収差や焦点位置ずれの発生量等を計算や実験によって取得しておくことで、適切に収差や焦点位置を補正することができる。

また、図４に示すように、ステージ２０とプレパラート３０の間にごみ等の付着物により、プレパラート３０が厚さ計測用カメラ６０１の光軸回り（図中ではＸ軸回り）に傾く場合が想定される。厚さ計測用カメラ６０１の水平が保たれているとすれば、例えばステージ２０上面と平行な面を基準面と想定することで、基準面とプレパラートの傾き量情報を得ることが出来る。この傾き量を加味して、カバーガラス厚を計測するようにすれば良い。

次に、図５に示すようにプレパラート３０が厚さ計測用カメラ６０１の光軸に対して傾いている（図中ではＹ軸回りに傾いている）場合を考える。図５（ａ）は、Ｙ軸方向からプレパラート３０を見た図で、図５（ｂ）は、厚さ計測用カメラ６０１でプレパラート３０を見た図である。プレパラート３０の傾き量θｘによって、見た目のカバーガラス厚Ｔｃ’は変化する。ＴｃとＴｃ’の間には、θｘを用いれば
（１）Ｔｃ’＝Ｔｃ×ｃｏｓθｘ
という関係がある。

θｘの影響を除去する方法として、撮影光学系４０の光軸に直交する平面に対して厚さ計測用カメラ６０１またはステージ２０の傾きを調整可能な駆動機構を搭載する方法が考えられる。この駆動機構により、カバーガラス３０１およびスライドガラス３０３の端面と厚さ計測用カメラ６０１の光軸が垂直になるようにして撮影することが可能となる。θｘの検出はシャックハルトマンセンサに入射した波面情報から検出することができるため、この検出結果であるθｘの情報から厚さ計測用カメラ６０１またはステージ２０の傾き量を決定することができる。ここでは、シャックハルトマンセンサが傾き検出手段として動作する。また、厚さ計測用カメラ６０１またはステージ２０を、Ｙ軸を中心に移動させながら画像を取得し、Ｔｃ’の値を演算していく。Ｔｃ’が最大値となるのはＴｃ’＝Ｔｃのときであり、この位置が撮像光学系の撮像面と平行方向になったときであるとする。

実際の装置では、Ｘ軸、Ｙ軸両方の傾きが混在していることが想定されるが、上記の方法で、１成分ずつ影響を除去すれば、厚み計測用画像が取得できるためカバーガラス厚を計測することができる。

次に、上記のようにして得られたカバーガラス厚Ｔｃからカバーガラス全体の厚さを取得する方向について説明する。図５を用いて説明すると、上記方法によりＹ方向における所定位置でのカバーガラス厚Ｔｃが取得されているので、そのＴｃの値をＸ方向にもそれぞれ反映させることで、カバーガラス全体の厚さ情報として取得する。つまり、Ｙ方向の所定の位置においてＸ方向のＴｃの値は一様であると推定することで、カバーガラス全体における厚さ情報を取得する。

上記の場合は、厚さ計測用カメラ６０１の撮影範囲が比較的広い場合に有効であるが、高精度にカバーガラス厚を計測するために、厚さ計測用カメラ６０１の撮影範囲を狭くしなくてはならない場合がある。この場合は、カバーガラス全ての端面の厚さを計測するのに時間を要する可能性がある。そのため、ある特定の位置でカバーガラス厚Ｔｃを取得しておき、このＴｃの情報と面形状計測部９０で取得した表面形状情報からＸＹ平面の所望の位置のカバーガラスの厚さ情報を取得する。具体的に説明すると、面形状計測部９０で取得した表面形状情報からは、ある基準点に対するカバーガラスの表面のうねり（光軸方向の凹凸の差）が分かる。そのため、基準点として予め取得したカバーガラス厚Ｔｃを用いることで、ＸＹ平面のカバーガラスの所望の位置におけるＴｃからの厚さの差の情報が取得できる。これにより得られた差にＴｃを足せば、ＸＹ平面のカバーガラスの所望の位置におけるカバーガラスの厚さを取得することができる。この方法は、カバーガラスの底面（スライドガラス側）のうねりが上面（撮像光学系側）のうねりに比べて小さい場合に特に有効である。

以上のような構成で、カバーガラスの厚さ情報を得ることができ、得られたカバーガラス厚さ情報を基にカバーガラスの厚さに起因した収差補正等を行うことにより良好な画像を得ることができる。

本実施例では、カバーガラスの厚さを計測することについて説明したが、スライドガラス側から検体の撮像を行う場合も考えられる。その場合は、上記方法を用いてスライドガラスの厚さを計測することができる。

また、本発明で想定している画像取得装置においては、撮像部１０１側で厚さ計測を行うことも可能である。その際は、プレパラート３０が撮像光学系４０の撮像位置にあるときに撮影できるように、撮像部１０１に厚さ計測用カメラ６０１を配置する。計測部１０２で表面形状と撮像範囲を計測されたプレパラート３０は、不図示の駆動機構を備えるステージ２０で撮像部１０１に移動される。そして、撮像部１０１に移動したプレパラート３０の端部を、厚さ計測用カメラ６０１で撮影し、得られた画像情報に画像処理を行うことでカバーガラス厚を計測することができる。

本実施例の構成では、ステージ２０を駆動した後にカバーガラス厚を計測するため、ステージ駆動に伴うプレパラートの位置ずれも検出することができる。

また、計測部１０２から撮像部１０１へプレパラート３０を移動させる途中の位置に厚み厚さ計測用カメラ６０１を配置することで、プレパラート３０を移動させている間にカバーガラス厚を計測することができ、移動時間を有効に利用することができる。さらに、例えば図１のように計測部１０２から撮像部１０１へＸ方向にステージ２０が移動する場合を考える。このとき、厚さ計測用カメラ６０１の撮影範囲とカバーガラス３０１の大きさの関係から一括でカバーガラス３０のＸ方向全体を撮影できない場合、撮像部１０１や計測部１０２でカバーガラス３０の厚さ計測のためにステージ２０を敢えて動かす必要がなくなる。そのため、ステージ２０を動かすことによるプレパラート３０の位置ずれ等を低減することが可能となる。

１ 撮像部
２ 計測部
３０ プレパラート
３０１ カバーガラス
３０２ 検体
３０３ スライドガラス
４０ 撮像光学系
５０ 撮像素子
６０１ 厚さ計測用カメラ
６０２ 演算部
６０３ 制御部

Claims (11)

1. 検体保持部に保持された検体の像を撮像光学系により撮像素子に投影する撮像装置において、
   前記撮像光学系の光軸に対して交差する方向から前記検体保持部を撮像し、前記撮像により得られた情報に基づいて、前記検体保持部の前記撮像光学系側にある透明板の厚さを計測する厚さ計測手段と、
   前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記透明板によって発生する収差と焦点位置ずれの少なくとも一方を補正する補正手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記検体保持部の表面形状を計測する表面形状計測手段を有し、
   前記制御手段は、前記厚さ計測手段の計測結果と前記表面形状計測手段の計測結果とに基づいて前記検体保持部によって発生する収差または焦点位置ずれを補正する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記厚さ計測手段は、撮像光学系の光軸に対して交差する方向から前記検体保持部を撮影する厚さ計測用カメラと、前記厚さ計測用カメラで取得した情報から前記検体保持部の厚さを演算する演算部と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記厚さ計測手段は、前記光軸に直交する平面に対して前記厚さ計測用カメラの傾きを調整する調整手段を有し、前記厚さ計測用カメラの光軸方向から見たときの前記検体保持部の厚さが最大になるように前記厚さ計測用カメラの傾きを調整することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記光軸に直交する平面に対する前記検体保持部の傾きを検出する傾き検出手段を有し、
   前記厚さ計測手段は、前記傾き検出手段の検出結果と前記厚さ計測用カメラで取得した情報とに基づいて前記検体保持部の厚さを演算することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
6. 複数の撮像素子を有し、前記複数の撮像装置をそれぞれ駆動可能であり、
   前記制御手段は、前記検体の像が前記複数の撮像素子にそれぞれ合焦するように前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記複数の撮像素子を駆動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記制御手段は、前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記撮像光学系の光学素子を光軸方向に移動させることで前記検体保持部によって発生する収差または焦点位置ずれを補正する制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記制御手段は、前記厚さ計測手段の計測結果に基づいて前記検体保持部と前記撮像素子との間に補正レンズまたは補正プレートを挿入することで前記検体保持部によって発生する収差または焦点位置ずれを補正する制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記検体保持部は、スライドガラスとカバーガラスとを含み、
   前記厚さ計測手段により、前記スライドガラスまたは前記カバーガラスの厚さを計測することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記厚さ計測用カメラは、前記撮像光学系の光軸方向から前記検体保持部を見た場合の前記スライドガラスの端と前記カバーガラスの端との距離以上の被写界深度を有することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
11. 前記撮像装置は顕微鏡であることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の撮像装置。

Images