JP6006014B2 - 顕微鏡、顕微鏡システム及び画像合成方法 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡、顕微鏡システム及び画像合成方法に関するものである。

従来、標本の複数個所を同時に撮像可能な顕微鏡として、少なくとも２つの顕微鏡対物レンズを備えた顕微鏡がある（特許文献１）。特許文献１に開示された顕微鏡では、２つの顕微鏡対物レンズが所定の間隔で配置されている。

特開２００８−７６５３０号公報

特許文献１に開示された顕微鏡では、２つの顕微鏡対物レンズの間隔は、ウェルのピッチの整数倍となっている。この場合、２つの顕微鏡対物レンズの間にあるウェルを撮像するためには、ウェルプレートと顕微鏡対物レンズとを相対的に移動させなくてはならない。そのため、撮像に時間がかかるという問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、標本上の広い範囲を、短い時間で撮像できる顕微鏡、顕微鏡システム及び画像合成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る顕微鏡は、顕微鏡本体と、ステージと、顕微鏡対物レンズユニットと、を有し、顕微鏡本体には、ステージが配置され、顕微鏡対物レンズユニットは、顕微鏡本体に固定又は着脱可能であり、顕微鏡対物レンズユニットは、複数の顕微鏡対物レンズと、撮像素子と、照明用光源と、を有し、照明用光源は、顕微鏡対物レンズの周囲に、ステージと対向するように配置され、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、所定の広さの標本側撮像範囲を有し、隣り合う顕微鏡対物レンズは、標本側撮像範囲の一部が重なるように配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る顕微鏡システムは、顕微鏡と、画像処理装置と、を有し、画像処理装置は、複数の顕微鏡対物レンズの各々から得られた画像を合成することを特徴とする。

本発明は、標本上の広い範囲を、短い時間で撮像できる顕微鏡、顕微鏡システム及び画像合成方法を提供できるという効果を奏する。

本実施形態の顕微鏡の構成を示す模式図である。 本実施形態の別の顕微鏡の構成を示す模式図である。 顕微鏡対物レンズユニットの構成を示す図である。 光軸と直交する面内で標本側撮像範囲を見た図である。 別の顕微鏡対物レンズユニットの構成を示す図である。 遮光板を示す図である。 顕微鏡対物レンズの配置を示す図であって、（ａ）は密になる配列を示す図、（ｂ）は、密になる配列で照明用の光源を配置した図である。 本実施形態の顕微鏡システムの構成を示す模式図である。 画像を合成する処理の手順を示すフローチャートである。 第１の顕微鏡対物レンズの断面構成図である。 第１の顕微鏡対物レンズの収差図である。 第２の顕微鏡対物レンズの断面構成図である。 第２の顕微鏡対物レンズの収差図である。 結像レンズのレンズ断面構成図である。 結像レンズの収差図である。 第２の顕微鏡対物レンズと結像レンズを組み合わせたときのレンズ断面図である。

以下に、本発明に係る顕微鏡、顕微鏡システム及び画像合成方法の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

本実施形態の顕微鏡は、複数の顕微鏡対物レンズと、撮像素子と、を有する顕微鏡であって、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、所定の広さの標本側撮像範囲を有し、隣り合う顕微鏡対物レンズは、標本側撮像範囲の一部が重なるように配置されていることを特徴とする。

図１は、本実施形態の顕微鏡の構成を示す模式図である。図１に示すように、顕微鏡１は、顕微鏡本体２と、光源３と、ステージ４と、ＸＹハンドル５と、コンデンサレンズ６と、照準機構７と、顕微鏡対物レンズユニット１０と、を有する。

顕微鏡本体２には、光源３とコンデンサレンズ６が取り付けられている。光源３からの照明光は、コンデンサレンズ６に入射する。また、顕微鏡本体２には、ステージ４が配置されている。このステージ４に標本Ｓが載置されている。光源３からの照明光は、コンデンサレンズ６を介して、標本Ｓに照射される。

また、ステージ４を挟んで、コンデンサレンズ６と対向する位置に、顕微鏡対物レンズユニット１０が配置されている。後述するように、顕微鏡対物レンズユニット１０は複数の顕微鏡対物レンズを有している。この顕微鏡対物レンズユニット１０は、顕微鏡本体２に取り付けられている。よって、標本Ｓの像は、顕微鏡対物レンズユニット１０によって撮像される。なお、顕微鏡１は表示装置８を備えていても良い。このようにすることで、撮像された標本Ｓの像は、表示装置８に表示されるので、観察者は標本Ｓの画像を表示装置８で見ることができる。

なお、ステージ４は、コンデンサレンズ６（あるいは、顕微鏡対物レンズユニット１０）の光軸と直交する面内で、ＸＹ方向に移動可能になっている。ＸＹハンドル５を操作することで、ステージ４をＸＹ方向へ移動させることができる。また、顕微鏡本体２には、照準機構７が設けられている。この照準機構７を操作することで、ステージ４を上下方向に移動させることができる。これにより、標本Ｓに対する合焦が行なえる。また、図２に示す顕微鏡１’のように、レボルバ９を設けても良い。

図２は、本実施形態の別の顕微鏡の構成を示す模式図である。なお、図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

図２に示すように、顕微鏡１’は、顕微鏡本体２と、光源３と、投光管３’と、ステージ４と、照準機構７と、レボルバ９と、顕微鏡対物レンズユニット１０と、を有する。

顕微鏡本体２の上部には、投光管３’の一端が取り付けられている。投光管３’には、光源３が設けられている。また、顕微鏡本体２には、投光管３’の他端と対向する位置に、ステージ４が配置されている。このステージ４に標本Ｓが載置されている。また、顕微鏡本体２には、照準機構７が設けられている。この照準機構７を操作することで、ステージ４を上下方向に移動させることができる。これにより、標本Ｓに対する合焦が行なえる。また、顕微鏡１と同様に、ステージ４をＸＹ方向へ移動させるようにしても良い。

投光管３’の他端側の底部には、レボルバ９が取り付けられている。そして、このレボルバ９に、顕微鏡対物レンズユニット１０や他の顕微鏡対物レンズが取り付けられている。レボルバ９を回転させることで、顕微鏡対物レンズユニット１０や他の顕微鏡対物レンズを、標本Ｓ上に位置させることができる。

顕微鏡対物レンズユニット１０を標本Ｓ上に位置させることで、標本Ｓの像が、顕微鏡対物レンズユニット１０によって撮像される。なお、顕微鏡１’は、顕微鏡１と同様に表示装置８を備えていても良い。このようにすることで、撮像された標本Ｓの像は、表示装置８に表示されるので、観察者は標本Ｓの画像を表示装置８で見ることができる。

なお、顕微鏡１’では、投光管３’の他端側の上部に、鏡筒３０を取り付けることができる。そして、この鏡筒３０に、双眼部３１を取り付けることができる。双眼部３１を取り付けた状態で、顕微鏡対物レンズを標本Ｓ上に位置させることで、観察者は標本Ｓの光学像を肉眼で観察することができる。

図３は、顕微鏡対物レンズユニットの構成を示す図である。顕微鏡対物レンズユニット１０は、複数の顕微鏡対物レンズ、すなわち、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃを備える。顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々は、標本Ｓに対向して配置されている。また、図３では、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々は、等間隔で一列に配置されている。なお、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々には、後述の第１の顕微鏡対物レンズが用いられている。また、図３では、顕微鏡対物レンズの数は３であるが、２であっても良く、また、４以上であっても良い。

顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々は、所定の広さの標本側撮像範囲Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ（以下、単に、撮像範囲Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、とする）を有する。ここで、顕微鏡対物レンズ１１ａと１１ｂは隣り合っている。そして、顕微鏡対物レンズ１１ａと１１ｂは、撮像範囲Ｌａと撮像範囲Ｌｂの一部が重なるように配置されている。同様に、顕微鏡対物レンズ１１ｂと１１ｃは隣り合っており、しかも、撮像範囲Ｌｂと撮像範囲Ｌｃの一部が重なるように配置されている。

顕微鏡対物レンズ１１ａの像位置には、撮像素子１２ａが配置されている。同様に、顕微鏡対物レンズ１１ｂの像位置には、撮像素子１２ｂが配置され、顕微鏡対物レンズ１１ｃの像位置には、撮像素子１２ｃが配置されている。そして、撮像素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの各々も、等間隔で一列に配置されている。

ここで、図３に示すように、撮像範囲Ｌａと撮像範囲Ｌｂには、重複領域Ｘ１が存在する。また、撮像範囲Ｌｂと撮像範囲Ｌｃには、重複領域Ｘ２が存在する。そのため、重複領域Ｘ１の像は、撮像素子１２ａと１２ｂで撮影され、重複領域Ｘ２の像は、撮像素子１２ｂと１２ｃによって撮像される。

このように、本実施形態の顕微鏡では、２つの撮像範囲の一部が重複するので、一方の撮像範囲と他方の撮像範囲の間に、隙間（撮像していない領域）が生じない。そのため、標本上の広い範囲を一度に撮影できる。その結果、本実施形態の顕微鏡によれば、標本Ｓ上の広い範囲の撮像（画像の取得）に時間がかからない。

また、図３に示すように、本実施形態の顕微鏡では、撮像範囲（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ）は顕微鏡対物レンズ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の外径よりも大きい（広い）。そのため、上記のように、隣り合う顕微鏡対物レンズを近づけることで、重複領域（Ｘ１、Ｘ２）を生じさせることができる。また、隣り合う顕微鏡対物レンズの間隔を変化させることで、重複領域の面積を変化させることができる。

図４は、光軸と直交する面内で標本側撮像範囲を見た図である。図４において、円は顕微鏡対物レンズの実視野、すなわち、顕微鏡対物レンズが像を形成できる標本Ｓ側での範囲である。また、四角は標本側撮像範囲、すなわち、顕微鏡対物レンズによって投影された撮像素子の撮像面の範囲である。ここで、破線は、顕微鏡対物レンズ１１ａにおける実視野と標本側撮像範囲を示している。また、実線は、顕微鏡対物レンズ１１ｂにおける実視野と標本側撮像範囲を示している。また、２点鎖線は、顕微鏡対物レンズ１１ｃにおける実視野と標本側撮像範囲を示している。

図４に示すように、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々は、隣り合う顕微鏡対物レンズの実視野が重なるように配置されるだけではなく、標本側撮像範囲（投影された撮像素子の撮像面）が重なるように配置されている。

図５は、別の顕微鏡対物レンズユニットの構成を示す模式図である。顕微鏡対物レンズユニット１３は、複数の顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、複数の結像レンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを備える。顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々は、標本Ｓに対向して配置されている。結像レンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々は、撮像素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃの各々に対向して配置されている。

顕微鏡対物レンズ１４ａからは平行光束が出射する。この平行光束は、結像レンズ１５ａに入射し、所定の位置に集光する。このように、顕微鏡対物レンズ１４ａと結像レンズ１５ａとの間は、アフォーカルになっている。顕微鏡対物レンズ１４ｂと結像レンズ１５ｂとの間、顕微鏡対物レンズ１４ｃと結像レンズ１５ｃとの間も、アフォーカルになっている。

結像レンズ１５ａによる集光位置には標本Ｓの像が形成されるので、この集光位置に撮像素子１６ａが配置される。同様に、結像レンズ１５ｂによる集光位置に撮像素子１６ｂが配置され、結像レンズ１５ｃによる集光位置に撮像素子１６ｃが配置されている。

また、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々は、等間隔で一列に配置されている。同様に、結像レンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々も、等間隔で一列に配置されている。なお、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々には、後述の第２の顕微鏡対物レンズが用いられている。また、結像レンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々には、後述の結像レンズが用いられている。

なお、図示は省略するが、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々も、撮像範囲（所定の広さの標本側撮像範囲）を有する。そして、顕微鏡対物レンズ１４ａと１４ｂ、顕微鏡対物レンズ１４ｂと１４ｃは、撮像範囲の一部が重なるように配置されている。なお、顕微鏡対物レンズユニット１３の技術的意義（作用効果）は顕微鏡対物レンズユニット１０と同じなので、詳細な説明は省略する。

また、顕微鏡対物レンズユニット１０、１３において、隣り合う撮像素子の間に遮光板を配置しても良い。顕微鏡対物レンズユニット１０を用いて説明すると、図６に示すように、遮光板１８が顕微鏡対物レンズ１１ａと顕微鏡対物レンズ１１ｂとの間、顕微鏡対物レンズ１１ｂと顕微鏡対物レンズ１１ｃとの間に設けられている。そして、遮光板１８の一端は対物レンズの近傍にあり、遮光板１８の他端は撮像素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの近傍にある。

この顕微鏡対物レンズ１１ａと顕微鏡対物レンズ１１ｂの間に配置された遮光板１８によって、顕微鏡対物レンズ１１ａからの光が隣接する撮像素子１２ｂに結像されること（入射すること）、および顕微鏡対物レンズ１１ｂからの光が隣接する撮像素子１２ａに結像されることを確実に制限することができる。このようにすることで、隣接する顕微鏡対物レンズにより結像される像が混ざり合うクロストークの発生を低減することができる。なお、顕微鏡対物レンズユニット１３において、遮光板１８を用いるようにしても良い。

また、顕微鏡対物レンズユニット１０、１３では、３つの撮像素子を用いたが、１つの撮像素子を用いても良い。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、縮小光学系であることが好ましい。

図３に示すように、撮像範囲Ｌａの広さは、撮像素子１２ａの撮像面の広さよりも広い。同様に、撮像範囲Ｌｂの広さは、撮像素子１２ｂの撮像面の広さよりも広く、撮像範囲Ｌｃの広さは、撮像素子１２ｃの撮像面の広さよりも広い。このように、本実施形態の顕微鏡では、顕微鏡対物レンズによって、広い面積の撮像範囲が、狭い面積の撮像面に縮小投影されていることになる。これは、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々が、縮小光学系であることを示している。

このように、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々を縮小光学系にすることで、標本Ｓ側で撮像範囲に重複領域が生じているにもかかわらず、撮像素子側では、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々で形成された像を、空間的に分離させることができる。よって、空間的に分離された各々の像を、撮像素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの各々で撮像することができる。

なお、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々が拡大光学系の場合、重複領域がゼロの状態（撮像範囲Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの各々が隣接している状態）であっても、顕微鏡対物レンズ１１ａで形成された像の一部と、顕微鏡対物レンズ１１ｂで形成された像の一部とが、像面で重なり合う。また、顕微鏡対物レンズ１１ｂで形成された像の一部と、顕微鏡対物レンズ１１ｃで形成された像の一部とが、像面で重なり合う。

このように、顕微鏡対物レンズが拡大光学系の場合、重複領域がゼロの状態であっても、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々で形成された像を、空間的に分離させることができない。そのため、顕微鏡対物レンズが拡大光学系の場合は、重複領域を設けることができない。

また、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々が等倍光学系の場合、重複領域がゼロの状態では、隣り合う像で重なり合いは生じない。しかしながら、重複領域を設けようとして、隣り合う対物レンズの間隔を狭くすると、隣り合う像で重なり合いが生じてしまう。そのため、顕微鏡対物レンズが等倍光学系の場合は、重複領域を設けることができない。

なお、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々も、縮小光学系となっている。よって、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同様の作用効果を生じる。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、標本側が非テレセントリックな光学系であることが好ましい。

図３に示すように、軸外主光線ＣＬ１、ＣＬ２は、標本Ｓの面の法線と平行になっていない。これは、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々が、標本側において非テレセントリックな光学系になっているからである。

このように、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々を、標本側が非テレセントリックな光学系にすることで、撮像範囲を顕微鏡対物レンズの外形（直径）よりも広くすることができる。そのため、隣り合う撮像範囲で重複領域を生じさせることができる。

なお、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々も、標本側が非テレセントリックな光学系となっている。よって、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同様の作用効果を生じる。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、最も標本側のレンズが負屈折力を有することが好ましい。

このようにすることで、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々において、標本Ｓに向かう軸外主光線ＣＬ１、ＣＬ２を発散する方向に広げる（光軸から離れる方向に向かわせる）ことができる。これにより、撮像範囲を、顕微鏡対物レンズの外径（直径）よりも広くすることができる。そのため、隣り合う撮像範囲で重複領域を生じさせることができる。

なお、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々も、最も標本Ｓ側のレンズが負屈折力を有する。よって、顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同様の作用効果を生じる。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｄｍｍ＜Ａ＜３Ｄｍｍ （１）
ここで、
Ａは、標本側撮像範囲の直径、
Ｄは、最も標本側のレンズの外形の直径、
である。

図３に示した顕微鏡対物レンズユニット１０では、レンズデータは後述するが、Ａ＝６ｍｍ、Ｄ＝３ｍｍ、図５に示した顕微鏡対物レンズユニットでは、Ａ＝１１．３ｍｍ、Ｄ＝７．５ｍｍであることからいずれも条件式（１）を満足する。

顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々が、条件式（１）を満足することで、適切な重複領域を生じさせた上で、周辺減光の少ない画像を得ることができる。なお、標本側撮像範囲が矩形の場合は、Ａは辺の長さ（長辺あるいは短辺）である。

条件式（１）の下限値を下回ると、隣り合う撮像範囲において重複領域を生じさせることができない。条件式（１）の上限値を上回ると、軸上光束の径に比べて、軸外光束の径が小さく（細く）なり過ぎるので、周辺減光が大きくなる。また、レンズを通過する光線の角度が大きくなるため、フレアの発生する可能性が高くなる。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、倍率が同じ顕微鏡対物レンズであることが好ましい。

顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々を、同じ倍率の顕微鏡対物レンズにすることで、同じ倍率の画像が得られるので、観察が容易となる。また、後述の画像処理（画像合成）を行なう場合、画像処理が容易になる。

なお、顕微鏡対物レンズ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各々も、倍率が同じ顕微鏡対物レンズにするのが好ましい。

また、本実施形態の顕微鏡では、複数の顕微鏡対物レンズの各々は、隣り合う顕微鏡対物レンズの間隔が最小となるように配列されていることが好ましい。

このようにすることで、隣り合う撮像範囲を効率よく重複させることができる。図７は顕微鏡対物レンズの配置を示す図であって、（ａ）は密になる配列を示す図、（ｂ）は、密になる配列で照明用の光源を配置した図である。顕微鏡対物レンズの各々を保持する保持枠が円筒の場合、図７（ａ）に示すように、１つの顕微鏡対物レンズに対して、６つの顕微鏡対物レンズが接するように、各々の顕微鏡対物レンズを配置するのが良い。

なお、図７（ａ）において、実線の円は顕微鏡対物レンズ（保持枠）を示し、破線の円は顕微鏡対物レンズの実視野を示している。また、撮像範囲（標本側撮像範囲）は示していないが、撮像範囲は重複するようになっている。

また、図７（ｂ）に示すように、隣り合う顕微鏡対物レンズの間に、照明用の光源１７を配置しても良い。なお、図７（ｂ）では、１つの顕微鏡対物レンズの周囲に６つの光源１７を配置しているが、光源の数はこれに限られない。また、顕微鏡対物レンズユニット１０、１３（図３、図５）においても、隣り合う顕微鏡対物レンズの間に、光源１７を配置することができる。

また、顕微鏡対物レンズは、Ｆナンバの小さな顕微鏡対物レンズを用いるのが良い。また、上述の説明では、明視野法での撮像について説明したが、位相差法や微分干渉法を用いた撮像を行なっても良い。

また、本実施形態の顕微鏡システムは、上述の顕微鏡と、画像処理装置と、を有し、画像処理装置は、複数の顕微鏡対物レンズの各々から得られた画像を合成することを特徴とする。

図８は、本実施形態の顕微鏡システムの構成を示す模式図である。図８に示すように、顕微鏡システム１００は、顕微鏡１’と、画像処理装置２０と有する。なお、顕微鏡１’については既に説明をしたので、説明を省略する。なお、顕微鏡１’に代えて、顕微鏡１を用いても良い。

画像処理装置２０では、複数の顕微鏡対物レンズの各々から得られた画像を合成する。この画像処理装置２０は、画像処理部２１と、制御部２２と、表示部２３と、記憶部２４と、を備える。また、画像処理部２１は、重複画像抽出部２１１と、観察画像合成部２１３と、を有する。また、重複画像抽出部２１１は、合成位置決定部２１２を有する。

画像処理装置２０は、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータで実現される。上記のように、顕微鏡１’では、複数の像が撮像される。撮像された像の画像データ（デジタルデータ）は、制御部２２を介して、画像処理装置２０に送られる。画像処理装置２０は、複数の画像データを画像処理し、１つの観察画像に合成して表示部２３に表示する。制御部２２は、画像処理部２１、表示部２３及び記憶部２４に対して、動作タイミングの指示やデータの転送等を行い、各部の動作を統括的に制御する。また、制御部２２は、顕微鏡１とのデータ転送等を行なう。

表示部２３は、ＬＣＤやＬＥＤの表示装置によって実現される。表示部２３は、制御部２２から入力される表示信号に基づいて、撮像で得た各々の画像や、合成画像や、制御用の画面等を表示する。

記憶部２４は、各種ＩＣメモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体及びその読取装置等によって実現される。記憶部２４は、画像処理装置２０の動作に係るプログラムや、画像処理装置２０の備える種々の機能を実現するためのプログラム、これらプログラムの実行に係るデータ等が格納される。

画像処理部２１は、制御部２２を介して、顕微鏡１から複数の画像データを取得し、複数の画像データから１つの合成画像を生成する。例えば、顕微鏡対物レンズユニット１０で標本Ｓの像を撮像すると、顕微鏡対物レンズ１１ａを介して取得した画像Ｉａと、顕微鏡対物レンズ１１ｂを介して取得した画像Ｉｂと、顕微鏡対物レンズ１１ｃを介して取得した画像Ｉｃと、が得られる。この画像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの各々の画像データが、画像処理部２１に入力される。

また、本実施形態の画像合成方法は、所定の広さの標本側撮像範囲を複数設定し、複数の標本側撮像範囲を同時に撮像する撮像ステップと、撮像ステップで得られた複数の画像を使って、合成画像を生成する画像生成ステップを有し、撮像ステップにおいて、標本側撮像範囲の一部が重なるように撮像を行い、画像生成ステップは、複数の画像から重複画像を抽出し、重複画像から、複数の画像の合成位置を決定し、合成位置の情報に基づいて、合成画像を生成することを特徴とする。

図９は、画像を合成する処理の手順を示すフローチャートである。まず、入力画像枚数ｎを設定する（ステップＳ１）。例えば、図３の構成では、３つの顕微鏡対物レンズユニットによって画像の取得が行なわれているので、入力画像枚数ｎには３が設定される。続いて、処理回数Ｎの初期値１が設定される（ステップＳ２）。

続いて、画像処理部２１では、重複画像抽出部２１１において、画像Ｉａの画像データと画像Ｉｂの画像データから、重複領域を抽出する（ステップＳ３）。そして、合成位置決定部２１２において、画像Ｉａと画像Ｉｂの相対位置を変えながら重複領域の画像を比較し、重複領域が一致するときの画像Ｉａと画像Ｉｂの相対位置を決定する（ステップＳ４）。

ステップＳ４の処理が終わると、処理回数が規定回数に達したか否かが判断される（ステップ５）。処理回数が規定回数に達していない場合、ステップ３に戻って、今度は、画像Ｉｂと画像Ｉｃについて、同様の処理が行なわれる。これにより、画像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの相対位置が決まる。

処理回数が規定回数に達すると、観察画像合成部２１３において、合成位置決定部２１２の情報に基づいて、画像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃをつなぎ合わせて、３つの画像を１つの画像に合成する（ステップＳ６）。このようにして、標本Ｓの合成画像が生成される。

また、本実施形態の顕微鏡システムは、複数の顕微鏡対物レンズと標本を光軸方向に相対的に動かす移動機構を有し、複数の顕微鏡対物レンズと標本を光軸方向に相対的に動かしながら合成画像を複数取得し、複数の合成画像を合成することが好ましい。

撮像範囲が広がった場合、一度の撮像で、撮像範囲の全域でピントのあった画像を得ることが困難になることがある。例えば、標本Ｓの標本面が、顕微鏡対物レンズユニット１１の光軸に対して傾いている（直交していない）場合がある。このような場合、画像Ｉｂ（顕微鏡対物レンズ１１ｂ）はピントの合った画像になるが、画像ＩａやＩｃ（顕微鏡対物レンズ１１ａ、１１ｃ）はピントの合っていない画像になる。

そこで、顕微鏡対物レンズユニット１１と標本Ｓの間隔を変化させながら、画像の取得を行なう。具体的には、照準機構７を動作させ、ピントの合った画像Ｉａが取得できる位置に、ステージを移動させる。そして、この位置から徐々に、ステージを顕微鏡対物レンズに近づける、あるいは離していく。この時、照準機構７の動作をステップ状に行なう（ステージの移動と停止を交互に行なう）。そして、各ステップで、画像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの取得と、画像合成を行なう（画像Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを１つの画像に合成する）。

続いて、合成画像の各々で、最もコントラストの高い画像領域を抽出する。そして、抽出した画像を合成する。このようにすることで、標本Ｓが傾くことで標本Ｓの合焦位置が光軸方向にずれていても、撮像範囲の全域でピントのあった画像を得ることができる。

このような処理は、画像処理部２１において行なえばよい。なお、照準機構７の動作にはステッピングモーターや圧電素子を使用することができる。

次に、第１の顕微鏡対物レンズ、第２の顕微鏡対物レンズ及び結像レンズの数値例を説明する。第１の顕微鏡対物レンズのレンズ断面図を図１０に、第２の顕微鏡対物レンズレンズ断面図を図１２に、結像レンズのレンズ断面図を図１４に示す。また、図１６は、第２の顕微鏡対物レンズと結像レンズを組み合わせたときのレンズ断面図である。

以下すべてのレンズ断面図中、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５、は各レンズである。また、ＯＢＪは物面であって、標本面に対応する。また、ＩＭＧは像面であって、撮像素子の撮像面に対応する。また、ＧＣ１とＧＣ２の各々は、カバーガラスを示している。

第１の顕微鏡対物レンズは、図１０に示すように、物体側より順に、両凹負レンズＬ１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ４と、両凸正レンズＬ５と、で構成されている。

非球面は、両凹負レンズＬ１の両面と、正メニスカスレンズＬ２の両面と、正メニスカスレンズＬ３の両面と、負メニスカスレンズＬ４の両面と、両凸正レンズＬ５の両面との、１０面に用いられている。

以上の第１の顕微鏡対物レンズの収差図を図１１に示す。収差図において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各々は、球面収差（ＳＡ）、非点収差（ＡＳ）、歪曲収差（ＤＴ）、軸外横収差（コマ収差、倍率色収差、ＤＹ）を示す。各図中、ＮＡは物体側の開口数を、ＦＩＹは最大像高を示す。これらの参照符号は、以下、すべての収差図において同様である。

第２の顕微鏡対物レンズは、図１２に示すように、物体側より順に、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ４と、で構成されている。ここで、負メニスカスレンズＬ１と、正メニスカスレンズＬ２と、が接合されている。

非球面は、負メニスカスレンズＬ１の物体側面の１面に用いられている。

以上の第２の顕微鏡対物レンズの収差図を図１３に示す。
結像レンズは、図１４に示すように、像側より順に、両凸正レンズＬ１１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１２と、両凸正レンズＬ１３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１４と、両凹負レンズＬ１５と、で構成されている。

非球面は、両凸正レンズＬ１１の両面と、負メニスカスレンズＬ１２の両面と、両凸正レンズＬ１３の両面と、負メニスカスレンズＬ１４の両面と、両凹負レンズＬ１５の両面との、１０面に用いられている。

また、結像レンズの収差図を図１５に示す。

以下に、上述の顕微鏡対物レンズ及び結像レンズの数値データを示す。ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのアッベ数である。また、＊は非球面を表している。また、焦点距離は全系の焦点距離、ＮＡは物体側の開口数である。

また、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。
ｘ＝（ｙ²／Ｒ）／［１＋｛１−（ｋ＋１）（ｙ／Ｒ）²｝^1/2］
＋aｙ⁴ ＋bｙ⁶＋cｙ⁸＋dｙ¹⁰＋eｙ¹²＋fｙ¹⁴＋gｙ¹⁶
ただし、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐係数、a、b、c、d、e、f、gは各々４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次の非球面係数である。また、非球面係数において、「ｅ−ｎ」（ｎは整数）は、「１０^−ｎ」を示している。

第１の顕微鏡対物レンズ
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ 0.00
1 ∞ 0.17 1.5163 64.1
2 ∞ 9.28
3* -25.64 0.41 1.5307 55.7
4* 1.61 0.55
5* 1.08 0.69 1.5307 55.7
6* 1.16 0.31
7* 1.27 0.55 1.5307 55.7
8* 2.82 0.63
9* -2.01 0.33 1.6349 23.9
10* -7.77 0.04
11* 8.27 0.70 1.5307 55.7
12* -1.74 7.73
13 ∞ 0.30 1.5688 56.4
像面 ∞

非球面データ
第３面
曲率半径 -25.64
k=3.4042e+002
a=-3.6894e-002,b=8.9862e-003,c=5.1275e-003,
d=-2.2514e-003
第４面
曲率半径 1.61
k=-1.6171e+000
a=-9.9451e-002,b=-3.8461e-003,c=3.0399e-002,
d=-1.1887e-002
第５面
曲率半径 1.08
k=-1.2590e+000
a=-1.7655e-002,b=-2.5790e-003
第６面
曲率半径 1.16
k=-8.6895e-001
a=-1.0585e-001,b=1.7929e-002,c=1.6927e-003
第７面
曲率半径 1.27
k=-1.5753e+000
a=-4.1155e-002,b=1.4678e-002
第８面
曲率半径 2.82
k=1.3514e+000
a=1.7655e-002,b=-3.3527e-003
第９面
曲率半径 -2.01
k=1.5046e+000
a=5.3763e-002,b=-2.9705e-002,c=-6.9808e-004
第１０面
曲率半径 -7.77
k=3.5929e+000
a=3.4244e-002,b=-3.2268e-002,c=-2.1329e-003
第１１面
曲率半径 8.27
k=-5.0000e+000
a=-1.3838e-002,b=-5.7848e-004,c=4.1265e-004
第１２面
曲率半径 -1.74
k=-1.1539e+000
a=-2.5780e-002,b=-2.2360e-003,c=3.7672e-003

第２の顕微鏡対物レンズ
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ 0.00
1 ∞ 0.17 1.5163 64.1
2 ∞ 6.42
3* -4.61 0.65 1.8503 32.3
4 -150.74 1.63 1.7292 54.7
5 -4.75 0.06
6 6.07 0.90 1.5952 67.7
7 115.28 0.06
8 2.51 0.81 1.5952 67.7
9 2.09

非球面データ
第３面
曲率半径 -4.61
k=9.1007e-001
a=-6.4093e-004,b=5.5827e-005,c=1.2432e-005

結像レンズ
単位ｍｍ

面データ
面番号 r d nd νd
物面 ∞ ∞
1* 1.75 0.56 1.5346 56.2
2* -8.78 0.05
3* 5.32 0.35 1.6142 25.6
4* 1.59 0.35
5* 16.62 0.46 1.5346 56.2
6* -7.74 0.45
7* -2.04 0.47 1.5346 56.2
8* -0.99 0.47
9* -2.92 0.38 1.5346 56.2
10* 2.43 0.93
11 ∞ 0.30 1.5688 56.4
像面 ∞

非球面データ
第１面
曲率半径 1.75
k=-6.6472e-001
a=1.7752e-002,b=-7.8166e-003,c=2.7602e-003,
d=-4.2651e-003,e=4.0909e-003,f=1.8911e-003,
g=9.9189e-003
第２面
曲率半径 -8.78
k=-7.4134e+001
a=-6.2175e-003,b=3.3713e-002,c=-1.0145e-002,
d=3.3040e-003,e=6.2061e-003,f=1.7435e-002,
g=-5.4679e-003
第３面
曲率半径 5.32
k=-9.9352e+001
a=-3.0063e-002,b=6.8076e-002,c=-3.4746e-002,
d=2.9098e-002,e=5.6036e-003,f=4.5813e-003,
g=-2.2911e-002
第４面
曲率半径 1.59
k=5.9510e-001
a=-1.4632e-001,b=1.2471e-001,c=-6.3320e-002,
d=1.2893e-002,e=-1.3638e-003,f=-3.8744e-003,
g=-1.6260e-003
第５面
曲率半径 16.62
k=-4.2834e+002
a=-1.5273e-002,b=-9.0265e-003,c=3.0649e-002,
d=5.8923e-003,e=-1.7942e-003,f=-7.7961e-004,
g=-5.3525e-004
第６面
曲率半径 -7.74
k=-1.4002e+002
a=-5.2445e-002,b=3.5404e-002,c=-3.8982e-002,
d=1.4522e-002,e=4.4660e-003,f=7.4253e-004,
g=-4.2146e-004
第７面
曲率半径 -2.04
k=1.1476e+000
a=-4.4695e-002,b=1.2870e-001,c=-7.1027e-002,
d=1.2830e-002,e=1.4986e-003,f=5.4195e-005,
g=-3.6272e-004
第８面
曲率半径 -0.99
k=-1.0822e+000
a=8.2661e-002,b=-1.6805e-002,c=1.8282e-002,
d=-2.7597e-003,e=-3.0741e-004,f=-2.4855e-005,
g=-6.5291e-005
第９面
曲率半径 -2.92
k=-6.1166e+000
a=2.3788e-002,b=-2.9091e-002,c=5.6364e-003,
d=4.1246e-004,e=-1.3461e-004,f=-2.1375e-007,
g=5.3744e-007
第１０面
曲率半径 2.43
k=-2.0265e+001
a=-4.3537e-002,b=7.4732e-003,c=-2.7053e-003,
d=3.9955e-004,e=-2.6524e-005,f=-4.6809e-007,
g=-1.2765e-008

以上のように、本発明に係る顕微鏡は、標本上の所望の範囲を、短い時間で撮像する場合に有用である。

１、１’ 顕微鏡
２ 顕微鏡本体
３ 光源
３’ 投光管
４ ステージ
５ ＸＹハンドル
６ コンデンサレンズ
７ 照準機構
８ 表示装置
９ レボルバ
１０ 顕微鏡対物レンズユニット
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 顕微鏡対物レンズ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 撮像素子
１３ 顕微鏡対物レンズユニット
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 顕微鏡対物レンズ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 結像レンズ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 撮像素子
１７ 光源
１８ 遮光板
２０ 画像処理装置
２１ 画像処理部
２２ 制御部
２３ 表示部
２４ 記憶部
３０ 鏡筒
３１ 双眼部
１００ 顕微鏡システム
２１１ 重複画像抽出部
２１２ 合成位置決定部
２１３ 観察画像合成部
ＣＧ１、ＣＧ２ カバーガラス
Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ 画像
ＩＭＧ 像面
Ｌ１〜Ｌ５、Ｌ１１〜Ｌ１５ レンズ
Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ 撮像範囲
ＯＢＪ 物体面
Ｓ 標本
Ｘ１、Ｘ２ 重複領域

Claims (10)

1. 顕微鏡本体と、ステージと、顕微鏡対物レンズユニットと、を有し、
   前記顕微鏡本体には、前記ステージが配置され、
   前記顕微鏡対物レンズユニットは、前記顕微鏡本体に固定又は着脱可能であり、
   前記顕微鏡対物レンズユニットは、複数の顕微鏡対物レンズと、撮像素子と、照明用光源と、を有し、
   前記照明用光源は、前記顕微鏡対物レンズの周囲に、前記ステージと対向するように配置され、
   前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、所定の広さの標本側撮像範囲を有し、
   隣り合う前記顕微鏡対物レンズは、前記標本側撮像範囲の一部が重なるように配置されていることを特徴とする顕微鏡。
2. 前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、縮小光学系であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、標本側が非テレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
4. 前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、最も標本側のレンズが負屈折力を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡。
5. 以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡。
   Ｄｍｍ＜Ａ＜３Ｄｍｍ （１）
   ここで、
   Ａは、前記標本側撮像範囲の直径、
   Ｄは、前記最も標本側のレンズの外形の直径、
   である。
6. 前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、倍率が同じ顕微鏡対物レンズであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の顕微鏡。
7. 前記複数の顕微鏡対物レンズの各々は、隣り合う顕微鏡対物レンズの間隔が最小となるように配列されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の顕微鏡。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の顕微鏡と、画像処理装置と、を有し、前記画像処理装置は、前記複数の顕微鏡対物レンズの各々から得られた画像を合成することを特徴とする顕微鏡システム。
9. 前記複数の顕微鏡対物レンズと標本を光軸方向に相対的に動かす移動機構を有し、
   前記複数の顕微鏡対物レンズと標本を光軸方向に相対的に動かしながら合成画像を複数取得し、複数の前記合成画像を合成することを特徴とする請求項８に記載の顕微鏡システム。
10. 前記複数の顕微鏡対物レンズの間に配置される遮光板を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の顕微鏡。

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