JP6120659B2 - 撮像装置、照明装置、及び顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、被観察物の立体撮像画像を表示させるための撮像画像対を撮像する撮像装置、被観察物を照射または透過する光束を出力する照明装置、及びこれらを含む顕微鏡装置に関する。

被観察物の拡大像を立体画像化して表示する、顕微鏡装置が知られている。かかる顕微鏡装置は、対物レンズによる被観察物の拡大像を撮像素子で撮像し、立体撮像画像をディスプレイ画面に表示する。ここで用いられる撮像素子は、立体撮像画像を表示するための、視差を有する撮像画像対を撮像する構成を有する。具体的には、撮像素子は、行列状に配列されたマイクロレンズごとに左右で対をなす受光素子対を備える。マイクロレンズを通過した被観察物からの光は、受光素子対の受光面上で結像する。受光素子対は、撮像画像対を構成する画素対に対応し、左眼用の受光素子からは左眼用の、右眼用の受光素子からは右眼用の撮像画像を構成する、画素信号が出力される。

ところで、顕微鏡装置は、照明系としての照明装置と結像光学系とを有する。照明装置は、光源や開口絞りにより、被観察物表面に照射、または被観察物を透過する光束を生成して出力する。結像光学系は、被観察物表面で反射、または被観察物を透過した光束を集光する撮像レンズと、集光された光束による結像を撮像する、上記のような撮像素子とを有する。撮像画像対により表示される立体撮像画像の解像度を向上させ、立体計測の精度を向上させるための手段として、結像光学系内に、被観察物で反射、または被観察物を透過した光束を絞るための開口絞りを設ける例が、特許文献１に記載されている。

特開平１１−１３３３０９号公報

本発明の目的は、簡易な構成により立体計測の精度を向上させることが可能な、撮像装置等を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の一側面に係る撮像装置は、開口に応じた光量の光束を通過させる開口絞り対と、前記開口絞り対をそれぞれ通過した後、被観察物で反射した、または被観察物を透過した光束対が入射され、各光束を集光するレンズと、前記集光された光束対をそれぞれ受光する受光素子対であって、当該受光素子対のうち一方の受光素子が、前記被観察物の立体撮像画像を表示するための視差を有する撮像画像対のうちの一方を構成する画素信号を出力し、当該受光素子対のうち行方向における他方の受光素子が、前記撮像画像対のうちの他方を構成する画素信号を出力する、受光素子対とを有することを特徴とする。

好適な態様では、前記開口絞り対が並んだ方向における各開口絞りの幅をｄ１、開口絞り対の間隔をｄ２としたとき、ｄ１、ｄ２は次の関係を満たす。
1/8 (ｄ１＋ｄ２)≦ｄ１≦1/2(ｄ１＋ｄ２)
また、前記開口絞り対と、前記レンズの入射瞳とが、共役関係であるとよい。また、前記開口絞り対が並んだ方向と、前記受光素子対が並んだ方向とが一致するとよい。

本発明の他の側面は、開口絞り対と、当該開口絞り対を通過させる光束を生成する光源とを有し、前記撮像装置に入射するための前記光束対を出力する照明装置である。

本発明のさらに他の側面は、前記撮像装置と、前記照明装置と、前記立体撮像画像を表示する表示装置を有する顕微鏡装置である。

本発明によれば、簡易な構成により立体計測の精度を向上させることが可能となる。

本実施形態における撮像装置の概略構成を説明する図である。 処理部の構成を示すブロック図である。 開口絞り対の例を示す図である。 撮像素子要部の構成図である。 開口絞り対を通過する光束対について説明する図である。 第１実施例の構成を示す図である。 第２実施例の構成を示す図である。 第３実施例の開口絞り対を示す図である。 開口絞り対の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本実施形態における撮像装置の概略構成を説明する図である。この撮像装置１は、照明装置１０と、結像光学系１２とを有する。

照明装置１０は、光源１０２、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒ、及び集光レンズ１０６を有する。光源１０２は、たとえばＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ハロゲンファイバー等で構成される。また、光源１０２は、面発光光源、点発光光源、線発光光源等の形態とすることができる。開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒは、被観察物１０８に対する左右方向に互いに離間して設けられ、各開口に応じた光量の光束を通過させる。光源１０２が発する光は、図１におけるＺ軸方向の光軸１００より左側の光束１２０Ｌと、光軸１００より右側の光束１２０Ｒとを有する。左右の光束対１２０Ｌ、１２０Ｒは、それぞれ、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒにより光束対１２２Ｌ、１２２Ｒに絞られる。そして、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは集光レンズ１０６にて集光され、被観察物１０８を照射する。光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは、ここでは、被観察物１０８を透過して、結像光学系１２に入射する。なお、光束対１２０Ｌ、１２０Ｒを被観察物１０８の観察面で反射させ、反射した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを屈曲させて結像光学系１２に入射するように構成してもよい。

結像光学系１２は、撮像レンズ１１０及び撮像素子１１２を有する。撮像レンズ１１０は、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを集光して、撮像素子１１２に入射させる。

撮像素子１１２は、被観察物１０８の視差を有する撮像画像対を撮像する。撮像画像対は、それぞれ行列状（図１では、Ｘ軸方向が行方向、Ｙ軸方向が列方向）に配列された画素からなる。１フレームの撮像画像を構成する画素数は、たとえば、６４０×４８０画素〜４０００×１１０００画素である（ただし、１フレームの画素数やアスペクト比は、この数値範囲に限られなくてもよい）。かかる撮像画像対を撮像するための構成として、撮像素子１１２は、マイクロレンズ１１４及び受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒを有する。

マイクロレンズ１１４は、たとえば、点対象の屈曲面を有する球面レンズである。マイクロレンズ１１４は、行列状に配列されてレンズアレイを構成する。マイクロレンズ１１４は、撮像画像の各画素に対応する。

受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒは、マイクロレンズ１１４ごとに、行方向に隣接して配列される。すなわち、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒが並んだ方向と、受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒが並んだ方向とが一致する。そうすることで、受光素子１１６Ｌは、光束１２０Ｌを受光して左眼用の撮像画像を構成する画素信号を出力し、受光素子１１６Ｒは、光束１２０Ｒを受光して右眼用の撮像画像を構成する画素信号を出力する。画素信号は、処理部１１３に取り込まれる。

なお、好適な態様では、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒと、撮像レンズ１１０の入射瞳は共役の関係にある。

図２は、処理部１１３の構成を示すブロック図である。処理部１１３は、画像処理部２２、制御部２４、記憶部２６、及び表示部２８、及びバス２９を有する。画像処理部２２、制御部２４、記憶部２６、及び表示部２８、そして撮像素子１１２は、バス２９に接続され、各種信号を互いに送受信可能に構成される。

画像処理部２２は、撮像素子１１２から送られる１フレーム分の画素信号を含む撮像画像データに対し、色や輝度補正、歪み補正等の所定の画像処理や、データの圧縮・伸張を行う。画像処理部２２は、たとえば、１フレームごとの撮像画像データに対し画像処理を行う。画像処理部２２は、たとえばＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のプロセッサである。

記憶部２６は、画像処理前及び／または画像処理後の撮像画像データを記憶するフレームメモリである。記憶部２６は、たとえば、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＤＲＡＭ（Dynamic RAM）である。または、記憶部２６は、ハードディスクや可搬型フラッシュメモリなど各種記憶メディアへのデータ読込み・書込み装置を含んでもよい。

表示部２８は、撮像画像データに基づき立体撮像画像を表示する表示装置である。表示部２８は、たとえば左右の眼の視差に対応する偏光フィルタを備えたＬＣＤ（Liquid Crystal Display）とその制御回路を有する。表示部２８は、視差を有する左右の撮像画像データを表示して、ユーザが立体感を知覚できるような立体撮像画像を表示する。

制御部２４は、撮像素子１１２、画像処理部２２、記憶部２６、及び表示部２８に制御信号を送り、これらの動作を統合的に制御する。制御部２４は、たとえばマイクロコンピュータである。

図３は、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒについて説明する図である。

図３（Ａ）では、円形の開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒが、たとえば一枚の絞り板１０４Ｂに、Ｘ軸方向（すなわち、図１の被観察物１８の左右方向であり、また、マイクロレンズ１１４及び受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒの配列における行方向）に離間して設けられる。開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒのそれぞれの大きさ（開口部の直径ｄ１、ｄ３）は、撮像レンズ１１０の開口値に応じて設定される。異なる大きさの開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを備えた複数の絞り板１０４Ｂをターレット式に切り替えることで、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒの大きさを段階的に切り替えることができる。

図３（Ｂ）では、楕円形の開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒが、絞り板１０４Ｂに設けられる。開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒのそれぞれの行方向における幅（短径）やＹ軸方向の長さ（長径）は、撮像レンズ１１０の開口値に応じて設定され、複数の大きさの開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを備えた複数の絞り板１０４Ｂをターレット式に替えることができる。

なお、開口絞りは、図３（Ａ）のような円形、図３（Ｂ）のような楕円形以外にも、種々の形状が可能である。

図３（Ｃ）では、円形の開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒが、それぞれ絞り板対１１４Ｌ、１１４Ｒに設けられる。開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒのそれぞれの直径は、撮像レンズ１１０の開口値に応じて設定される。図３（Ｃ）の例では、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒの大きさは調節レバー対３０Ｌ、３０Ｒの操作により羽絞り３２を開閉させることで調節可能である。また、絞り板対１１４Ｌ、１１４Ｒの間の距離も、調節ネジ３３により調節可能である。かかる構成とすることで、開口板を切り替えなくても、開口絞り対の幅や間隔を容易に調整できる。

図４（Ａ）は、撮像素子１１２要部の光軸１００方向に垂直な平面（Ｘ―Ｙ平面）における構成図である。行列状に配列されたマイクロレンズ１１４ごとに、受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒが行方向（Ｘ軸方向）に隣接して設けられる。受光素子１１６Ｒは、被害観察物１８の立体撮像画像を表示するための視差を有する撮像画像対のうち、たとえば右眼用の撮像画像を構成する画素信号を出力し、他方の側の受光素子１１６Ｌは、左眼用の撮像画像を構成する画素信号を出力する。

図４（Ｂ）は、撮像素子１１２要部の光軸１００（Ｚ軸方向）に沿った断面図である。撮像素子１１２には、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒでそれぞれ絞られ、被観察物１０８を透過した、または被観察物１０８で反射した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒが、撮像レンズ１１０を介して入射される。光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは、入射瞳４３、射出瞳４４を介して対物レンズ１１０を通過する。そして、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは、マイクロレンズ１１４で集光され、カラーフィルタ４６の色に応じた波長の光が受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒに到達する。こうして、受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒ上に、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれかの光により被観察物の像が結像される。受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒは、たとえば、ＣＭＯＳやＣＣＤのフォトダイオードである。

図５は、開口絞り対１１４Ｌ、１１４Ｒを通過する光束対１２２Ｌ、１２２Ｒについて説明する図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）では、受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒごとの撮像レンズ１１０の射出瞳像１１０ａが模式的に示される。

図５（Ａ）には、受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒにおける光束対１２２Ｌ、１２２Ｒによる受光領域１２２Ｌ´、１２２Ｒ´が示される。光源１０２が生成する光束対１２０Ｌ、１２０Ｒが開口絞り対１１４Ｌ、１１４Ｒにより絞られることで、射出瞳像１１０ａの一部に受光領域１２２Ｌ´、１２２Ｒ´が形成される。さらに、図５（Ａ）には、受光領域１２２Ｌ´、１２２Ｒ´の重心１２４Ｌ、１２４Ｒが示される。重心１２４Ｌ、１２４Ｒは、次の[式１]を満たすような点ｇである。なお、次式において、Ｄは開口の外径である。
[式１]

図５（Ｂ）は、比較例として、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを用いないときの受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒの受光領域、すなわち、光源１０２が生成する光束対１２０Ｌ、１２０Ｒによる受光領域１２０Ｌ´、１２０Ｒ´が示される。そして、受光領域１２０Ｌ´、１２０Ｒ´それぞれの重心１２５Ｌ、１２５Ｒが示される。図５（Ｂ）では、受光領域１２０Ｌ´、１２０Ｒ´が射出瞳像１１０ａ全体を構成する。

図５（Ａ）、（Ｂ）において示されるように、左右の光束対１２０Ｌ、１２０Ｒが開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを用いることで、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒに絞られる。そうすることで、光束対１２０Ｌ、１２０Ｒの重心１２５Ｌ、１２５Ｒ間の距離Δｄ５２より、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒの重心１２４Ｌ、１２４Ｒ間の距離Δｄ５０を大きくすることができる。光束対１２２Ｌ、１２２Ｒの重心１２４Ｌ、１２４Ｒ間の距離Δｄ５０は、射出瞳像１１０ａの外周内で、最も遠くなるように形成することが好適である。

光源１０２が生成する光束対１２０Ｌ、１２０Ｒが開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒにより光束対１２２Ｌ、１２２Ｒに絞られることで、次のような作用効果が得られる。第１に、回折現象により、撮像レンズ１１０の焦点深度を深くすることができる。焦点深度が深くなると、合焦位置の前後の情報量をより多く取得できるので、撮像画像対により表示される立体画像の立体感が大きくなる。第２に、撮像画像対の視差を大きくすることができる。光束対の重心の間隔は視差に比例するところ、図５（Ａ）（Ｂ）で示したように、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを用いた場合の方が用いない場合より重心間の距離を大きくできるので、視差が大きくなる。そうすることで、撮像画像対により得られる立体撮像画像の立体感が大きくなる。

なお、開口絞りの形状は円形に限らず、種々の形状が可能である。たとえば、図３（Ｂ）で示したように開口を楕円形状とした場合、光束対１２０Ｌ、１２０Ｒそれぞれの受光領域１２２Ｌ´、１２２Ｒ´が、図５（Ｃ）に示される。この場合も、光束対１２０Ｌ、１２０Ｒの重心１２５Ｌ、１２５Ｒ間の距離Δｄ５２より、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒの重心１２４Ｌ、１２４Ｒ間の距離Δｄ５３を大きくすることができ、上述の作用効果を得ることができる。

次に、本実施形態の実施例を示す。
[第１実施例]
第１実施例は、撮像装置が透過型顕微鏡に用いられる場合に関する。図６は、第１実施例の構成を示す。図１の構成と重複する構成には、同じ符号を付す。透過型顕微鏡に用いられる撮像装置６は、照明装置１０´と、結像光学系１２´と、処理部１１３とを有する。

照明装置１０´は、光源１０２と、光源１０２が生成する光を開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒに導く窓レンズ６２と、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを通過させる開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒと、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを集光して出力するコンデンサレンズ６４とを有する。

照明装置１０´が出力する光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは、被観察物１０８を透過し、結像光学系１２´の対物レンズ６６に入射する。結像光学系１２´は、対物レンズ６６と、対物レンズを通過した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを屈折させる結像レンズ１１０と、マイクロレンズ１１４と受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒとを備え結像レンズ１１０を通過した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒにより撮像画像対を撮像する撮像素子１１２とを有する。

第１実施例では、撮像装置６は、通常の透過型顕微鏡の照明装置に開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを追加的に設けることで構成できる。たとえば結像好学系１２ａ内に開口絞りを設けようとすると、対物レンズ等を分解し再構成する必要があるところ、第１実施例の透過型顕微鏡６は、より容易に構成することができる。よって、簡易な構成により立体撮像画像の解像度を向上させることが可能となる。

[第２実施例]
第２実施例は、撮像装置が反射型顕微鏡に用いられる場合に関する。図７は、第２実施例の構成を示す。図１、図６と重複する構成には同じ符号を付す。反射型顕微鏡に用いられる撮像装置７は、照明装置１０´´と、結像光学系１２´´と、処理部１１３とを有する。照明装置１０´´は、光源１０２と、光源１０２が生成する光を開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒに導く窓レンズ６２と、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを通過させる開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒと、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒをさらに絞る視野絞り７１と、光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを集光するコンデンサレンズ６４と、集光された光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを対物レンズに導くミラー７０とを有する。

照明装置１０´´が出力する光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは、結像光学系１２´´の対物レンズ６６を介して被観察物１０８を照射し、被観察物１０８で反射されての対物レンズ６６に入射する。

結像光学系１２ｂは、対物レンズ６６と、対物レンズ６６を通過した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒを屈折させる結像レンズ１１０と、マイクロレンズ１１４と受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒとを備え結像レンズ１１０を通過した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒにより撮像画像対を撮像する撮像素子１１２とを有する。

第２実施例の撮像装置７も、通常の反射型顕微鏡の照明装置に開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを追加的に設けることで構成できる。特に、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを光源１０２とミラー７０の間に設けることで、その他の部位に設けた場合よりも容易に構成することができる。よって、簡易な構成により立体撮像画像の解像度を向上させることが可能となる。

[第３実施例]
第３実施例は、図１の構成において、集光レンズ１０６にフレネルレンズを用いた場合の例である。また、第３実施例は、図８に示すように、楕円形状の開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを用いる。ここで、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒは行方向（Ｘ軸方向）の短径をｄ１、ｄ３、列方向（Ｙ軸方向）の長径をｄ４、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒの間隔をｄ２とする。各寸法は次のとおりとする。
ｄ１：８ｍｍ
ｄ２：４．８ｍｍ
ｄ３：８ｍｍ
ｄ４：１２ｍｍ
また、
撮影レンズ１１０の焦点距離：２５ｍｍ
撮影レンズ１１０のＦナンバー：１．２
とする。

このとき、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒは、撮影レンズの入射瞳と共役の位置となる。ここにおいて、次の[式２]が成り立つことが好ましい。
[式２] 1/8 (ｄ１＋ｄ２)≦ｄ１≦1/2(ｄ１＋ｄ２)
上記の[式２]において、ｄ１が上記の[式２]の下限を下回ると、左右の視差が小さくなりすぎ、立体感が得られなくなる。一方、ｄ１が上限を超えると、瞳の領域からはみ出るため、得られる像が暗くなってしまう。よって、好適な態様においてｄ１が上記の条件を満たす範囲内のとき、光源１００を発した光は、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒを通り、１２２Ｌ、１２２Ｒがそれぞれ別の角度から被観察物１０８に照射される。そして、被観察物１０８を透過した光束対１２２Ｌ、１２２Ｒは撮影レンズ１１０に入射する。このとき、撮影レンズ１１０により被観察物１０８の像が十分な受光量と面積で受光素子対１１６Ｌ、１１６Ｒの受光面近傍に形成される。

[参考例]
図９は、開口絞り対の例を示す。図９のテーブル９０、９２は、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒの行方向の幅ｄ１、ｄ３と、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒ間の距離ｄ２を変化させたときの、対物レンズの倍率、開口値（ＮＡ）、焦点距離との対応関係を示す。
テーブル９０、９２において、例えばｄ１（ｄ３）＝「１．８」、ｄ２＝「２．４」のとき、ｄ１は前記の[式２]を満たし、開口絞り対１０４Ｌ、１０４Ｒは、撮影レンズの入射瞳と共役の位置となる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１：撮像装置
１０：照明装置
１０４：開口絞り
１１０：撮像レンズ
１１２：撮像素子
１１６Ｌ、１１６Ｒ：受光素子

Claims (4)

1. 開口に応じた光量の光束を通過させる開口絞り対と、
   前記開口絞り対をそれぞれ通過した後、被観察物で反射した、または被観察物を透過した光束対が入射され、各光束を集光するレンズと、
   前記集光された光束対をそれぞれ受光する受光素子対であって、当該受光素子対のうち一方の受光素子が、前記被観察物の立体撮像画像を表示するための視差を有する撮像画像対のうちの一方を構成する画素信号を出力し、当該受光素子対のうち行方向における他方の受光素子が、前記撮像画像対のうちの他方を構成する画素信号を出力する、受光素子対と、
   を有し、
   前記開口絞り対と、前記レンズの入射瞳とが、共役関係であり、
   前記開口絞り対が並んだ方向と、前記受光素子対が並んだ方向とが一致し、
   前記受光素子対のそれぞれの受光領域における前記光束対の重心間の距離より当該受光素子に投影される射出瞳像に対応する受光領域対の重心間の距離の方が大きいことを特徴とする、
   撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記開口絞り対が並んだ方向における各開口絞りの幅をｄ１、
   開口絞り対の間隔をｄ２としたとき、
   1/8 (ｄ１＋ｄ２)≦ｄ１≦1/2(ｄ１＋ｄ２)
   であることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の開口絞り対と、当該開口絞り対を通過させる光束を生成する光源とを有し、
   請求項１または２に記載の撮像装置に入射するための前記光束対を出力することを特徴とする、照明装置。
4. 請求項１乃至３に記載の撮像装置と、
   請求項３に記載の照明装置と、
   前記立体撮像画像を表示する表示装置と
   を備えた顕微鏡装置。

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