撮像装置
【課題】撮像装置において、光学系の大型化を抑える。
【解決手段】撮像装置は、観察物３２（３３）が配置されるステージ部３０と、該ステージ部に配置された観察物の光学像を形成する光学系４０および該光学像を撮像する複数の撮像素子５３を有する撮像部５０と、ステージ部および撮像部を相対移動させる移動機構３５と、移動機構にステージ部および撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部６０とを有する。撮像部において、複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てにステージ部からの光を導くのに必要な光学系の有効径が全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されている。
【解決手段】撮像装置は、観察物３２（３３）が配置されるステージ部３０と、該ステージ部に配置された観察物の光学像を形成する光学系４０および該光学像を撮像する複数の撮像素子５３を有する撮像部５０と、ステージ部および撮像部を相対移動させる移動機構３５と、移動機構にステージ部および撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部６０とを有する。撮像部において、複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てにステージ部からの光を導くのに必要な光学系の有効径が全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察物を撮像する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子を用いて観察物を撮像し、生成された画像をモニタに表示する撮像装置において、広い撮像領域を得るための方法がいくつか提案されている。特許文献１には、撮像領域を一部がオーバーラップする多数の小区画に分けて撮像し、それぞれの区画での撮像により得られた複数の画像（タイル画像）を繋ぎ合わせることにより、広い撮像領域に対応する全体画像を生成する撮像装置が開示されている。また、特許文献２には、ラインセンサ状の撮像素子を使い、観察物および撮像素子を一方向に相対移動させながら撮像素子による撮像を行うことで、観察物の全体を撮像した画像を得るスキャン撮像を行う撮像装置が開示されている。
【０００３】
さらに、特許文献３，４にて開示された撮像装置では、２次元方向に並べられた複数の撮像素子を備えた撮像部と観察物とを相対移動させながら撮像部により複数回の撮像を行う。そして、該複数回の撮像により得られた画像群を合成することで、観察物全体を含む広い撮像領域の画像を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５１０２０１号公報
【特許文献２】特表２００４−５１４９２０号公報
【特許文献３】特開２００９−００３０１６号公報
【特許文献４】特開２００９−０６３６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１にて開示された撮像装置では、多数の区画の１つずつで順次撮像を行い、さらにそれぞれの区画での撮像により得られた多数の画像を繋ぎ合わせるために、全体画像を得るまでに多大な時間を要する。また、特許文献２にて開示されたスキャン撮像方式では、撮像素子を撮像領域の一端から他端までスキャン移動させる必要があり、さらに良質な画像を得るためにもある程度長い撮像時間を必要とするため、全体画像を得るまでに長時間がかかる。
【０００６】
一方、特許文献３，４にて開示された撮像装置では、１回の撮像によって複数の撮像素子のそれぞれによる画像取得が行え、数回の撮像によって全体画像が得られるため、全体画像を得るまでに要する時間が短くなる。ただし、このような撮像装置では、観察物側からの光を複数の撮像素子に十分に到達させるために必要な光学系の有効径が、全撮像領域を含む円の直径よりも大きくなる可能性がある。つまり、全撮像領域を１回の撮像でカバーする場合よりも、複数の撮像素子を２次元方向に並べて用いる方が、有効径が大きな光学系が必要となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、光学系の大型化を抑えつつ、広い撮像領域を高速で撮像でき、良好な画質の画像が得られるようにした撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての撮像装置は、観察物が配置されるステージ部と、該ステージ部に配置された観察物の光学像を形成する光学系および該光学像を撮像する複数の撮像素子を有する撮像部と、ステージ部および撮像部を相対移動させる移動機構と、移動機構にステージ部および撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部とを有する。そして、撮像部において、複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てにステージ部からの光を導くのに必要な光学系の有効径が全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の撮像素子を備えた撮像部と観察物が配置されるステージ部とを相対移動させながら複数回の撮像を行うことにより広い撮像領域を得る撮像装置において、撮像部に含まれる光学系の有効径を小さくすることができる。したがって、広い撮像領域を高速で撮像でき、良好な画質の画像が得られる撮像装置の全体をコンパクト化することができる。しかも、光学系の有効径が小さくなることで、光学系の設計や製造を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例である撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】実施例の撮像装置における電気基板と撮像素子の配列を示す図。
【図３】実施例の撮像装置における標本部（および検体）を示す図。
【図４】実施例の撮像装置において撮像部により形成された検体像を示す図。
【図５】実施例の撮像装置における複数回の撮像により取得される全体画像を示す図。
【図６】実施例における撮像素子の配列パターン（ａ）〜（ｅ）を説明する図。
【図７】実施例における撮像素子の配置条件に用いられる変数、全撮像領域および撮影光学系の有効径を説明する図。
【図８】図６に示した撮像素子の配列パターン（ａ）〜（ｅ）に対する全撮像領域を示す図。
【図９】図６（ａ）〜（ｃ）に示した撮像素子配列パターンをＸＹ座標系に置き換えた図。
【図１０】図６（ｄ），（ｅ）に示した撮像素子配列パターンをＸＹ座標系に置き換えた図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１には、本発明の実施例１である透過型撮像装置の構成を示している。該撮像装置１は、例えば顕微装置や拡大観察装置として用いられ、光源１０と、照明光学系２０と、標本部（ステージ部）３０と、撮像部５０と、処理部６０とを有する。
【００１３】
光源１０は、後述する観察物を照明するための光を発する。該光源１０は、ハロゲンランプ、キセノンランプおよびＬＥＤ等により構成される。
【００１４】
照明光学系２０は、光源１０からの光を整形するとともに、該光をミラー２５を介して標本部３０に導く。
【００１５】
標本部３０は、図３に示すように、観察物としての検体３３を含む標本３２が配置される標本ステージ３１を有する。標本３２としては、例えば、検体３３をスライドガラスとカバーガラスの間に挟んだものが用いられる。
【００１６】
撮像部５０は、撮影光学系４０と、撮像ステージ５１と、該撮像ステージ５１に固定された電気基板５２と、該電気基板５２上に搭載された複数の撮像素子５３とで構成される。撮影光学系４０は、照明光学系２０から射出した光により照明された標本３２内の検体３３の光学像（以下、検体像という）を形成する光学倍率がβ倍の結像光学系である。撮像素子５３は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の２次元イメージセンサ（光電変換素子）である。撮影光学系４０に対して、標本部３０（標本３２）と撮像部５０（撮像素子５３）は、物面と像面の関係となるように配置される。
【００１７】
撮像素子５３の配置例を図２に示す。図２は撮像ステージ５１を撮影光学系側から見て示している。複数の撮像素子５３は、ＸＹ面上に互い間隔をあけて離散的に２次元配列されている。より詳しくは、該複数の撮像素子５３は、Ｙ方向に延びる列をＸ方向に複数形成するように配列されている。ただし、Ｘ方向において隣り合う列同士におけるＹ方向での撮像素子５３の位置は、互いに半ピッチずれている。言い換えれば、Ｙ方向から見たときには隣り合う列の間に重なりはないが、Ｘ方向から見たときには隣り合う列の間に重なりがある。以下の説明において、複数の撮像素子５３の撮像面を含むＸＹ面を、撮像面ともいう。
【００１８】
検体３３からの光は、撮影光学系４０によって、図４中に実線で示すように撮像面上に検体像を形成する。
【００１９】
なお、図２（および後述する図６）では、複数の撮像素子５３が厳密な規則性にを持って整列配置されている場合について説明するが、必ずしも厳密な規則性にて整列配置される必要はなく、規則性が多少崩れていても構わない。
【００２０】
処理部６０は、制御部６１と画像生成部６２とを含む。制御部６１は、撮像素子５３を駆動して撮像を行わせる。また、制御部６１は、撮像時には、標本部３０（検体３３）と撮像部５０（撮影光学系４０および撮像素子５３）とを、撮影光学系４０の光軸に直交する面（水平面）内において一定の方向（一方向）に相対移動させながら撮像部５０に複数回の撮像を行わせる。より詳しくは、撮像部５０による１回の撮像と標本部３０と撮像部５０との所定量の相対移動（ステップ移動）とが交互に繰り返される。以下の説明において、１回の撮像ごとにステップ移動する所定量を、ステップ量という。
【００２１】
図１では、標本部３０に移動機構としてのアクチュエータ３５が接続されており、制御部６１が該アクチュエータ３５を駆動することで、標本部３０が撮像部５０に対して上記一方向に移動される場合を示している。ただし、撮像部５０に接続されたアクチュエータを駆動することで、撮像部５０が標本部３０に対して上記一方向に移動されるようにしてもよい。なお、以下の説明において、標本部３０と撮像部５０の相対移動方向である上記一方向をステップ移動方向という。
【００２２】
画像生成部６２は、各回の撮像にて複数の撮像素子５３から出力された撮像信号を用いて、各撮像素子５３に対応した領域のみに検体像の一部が有効部分画像として取り込まれたモザイク状の画像（以下、モザイク画像という）を生成する。そして、画像生成部６２は、複数回の撮像により生成された複数のモザイク画像を合成して、検体３３全体の撮影画像（以下、全体画像という）を生成する。モニタ７０には、全体画像が表示される。
【００２３】
このようなステップ撮像方式の撮像装置での撮像の手順について図５を用いて説明する。図５（ａ）〜（ｃ）には、標本部３０を光軸に対してステップ移動方向（図２のＸ方向）に順次ステップ移動させたときの撮像素子５３と検体像との位置関係を示している。図５において、符号５３が示す点線枠内の領域は、撮像素子の有効撮像領域、すなわちそこからの出力を用いて画像生成部６２が有効部分画像を生成できる領域を示している。また、符号５４が示す実線枠内の領域は、有効撮像領域のうち、１回の撮像で得られる有効部分画像と次の１回の撮像により得られる有効部分画像とに重なりが生じない非重複撮像部分を示している。言い換えれば、撮像素子の有効撮像領域のうち非重複撮像部分より外側の部分は、連続した２回の撮像において検体像の同じ部分を有効部分画像の一部として取り込む重複撮像部分である。
【００２４】
図５（ａ）に示す位置関係において１回目の撮像が行われると、図５（ｄ）に示すように、検体像のうち離散的な複数の部分が有効部分画像として取り込まれた第１のモザイク画像が生成される。
【００２５】
次に、非重複撮像部分のステップ移動方向での長さ（前述したステップ量）だけ標本部３０がステップ移動した後、図５（ｂ）に示す位置関係で２回目の撮像が行われる。２回目の撮像では、検体像のうち１回目の撮像により取り込まれた複数の部分からステップ量だけずれた複数の部分が有効部分画像として取り込まれた第２のモザイク画像が生成される。そして、第１のモザイク画像と第２のモザイク画像とを合成すると、図５（ｅ）に濃くして示す領域に有効部分画像が存在する合成画像が生成される。第１のモザイク画像と第２のモザイク画像の合成は、撮像素子の重複撮像部分によりこれらモザイク画像の一部として取り込まれた検体像の共通部分を重ね合わせることで繋ぎ目が目立たないように行われる。
【００２６】
最後に、図５（ｂ）に示す位置関係からステップ量だけ標本部３０がステップ移動した後、図５（ｃ）に示す位置関係で３回目の撮像が行われ、第３のモザイク画像が生成される。そして、第３のモザイク画像を、第１および第２のモザイク画像と合成すると、図５（ｆ）に濃くして示す領域に有効部分画像が存在する全体画像としての合成画像が生成される。図５（ｆ）にて点線枠で囲んだ領域が全撮像領域に相当し、この全撮像領域の画像である全体画像が実際にモニタ７０に表示される。
【００２７】
以上説明した撮像方式は、数回の撮像とステップ移動とを行って取得した数枚のモザイク画像を合成すればよいので、広い撮像領域を高速で撮像することができる。
【００２８】
ただし、撮像部５０での複数の撮像素子５３の配置の仕方によっては、全撮像領域を１回で撮像する場合よりも、撮影光学系４０の有効径が大きくなる可能性がある。本実施例にいう撮影光学系４０の有効径は、複数の撮像素子５３の全てに標本部３０からの光を十分に到達させるために必要な直径である。このため、以下に撮影光学系４０の有効径をできるだけ小さくすることができる複数の撮像素子５３の配置の仕方について説明する。
【００２９】
図６（ａ）〜（ｅ）には、撮像素子５３の配置パターンの例を示す。なお、これらの図には、前述した非重複撮像部分５４のみを示している。
【００３０】
撮像素子の配置パターンは、ステップ方向において撮像素子が奇数列をなすように配置される奇数列配置パターンと偶数列をなすように配置される偶数列配置パターンの２つに大別できる。図６（ａ）〜（ｃ）は奇数列配置パターンであり、図６（ｄ）〜（ｅ）は偶数列配置パターンである。
【００３１】
また、配置パターンは、ステップ方向での隣り合う２列での撮像素子の数が互いに同じ配置パターンと該数が互いに異なる配置パターンとに分けることもできる。図６（ｃ），（ｅ）は前者の配置パターンであり、図６（ａ），（ｂ），（ｄ）は後者の配置パターンである。隣り合う２列での撮像素子の数が互いに異なる配置パターンには、図６（ａ）と図６（ｂ）に示すように、ステップ方向での端列における撮像素子の数がそれに隣り合う列における撮像素子の数よりも少ない配置パターンと多い配置パターンがある。
【００３２】
図６（ａ）は、奇数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列よりも少ない配置パターンである。図６（ｂ）は、奇数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列よりも多い配置パターンである。図６（ｃ）は、奇数列配置パターンであって、列ごとの撮像素子の数が互いに同じ配置パターンである。図６（ｄ）は、偶数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列と異なる配置パターンである。図６（ｅ）は、偶数列配置パターンであって、列ごとの撮像素子数が互いに同じ配置パターンである。
【００３３】
以下、これらの配置パターンに対する撮影光学系の有効径と全撮像領域の外接円の直径とを比較する。そして、撮影光学系の有効径を全撮像領域の外接円の直径よりも小さくすることができる配置パターンにおいてさらに満足すべき条件を説明する。
【００３４】
ここでは、図７（ａ）に示すように、矩形の全撮像領域のステップ方向での長さをＸとし、該ステップ方向に直交する方向の長さをＹとする。各撮像素子のステップ方向での長さをｘとし、ステップ方向に直交する方向の長さをｙとする。ただし、ここにいう撮像素子の各方向の長さは、非重複撮像部分５４の同方向の長さである。また、ステップ量（所定量）をｘで除した値をＳｔとする。図７（ａ）に一点鎖線で示した円は、全撮像領域の外接円であり、その半径はＲである。
【００３５】
さらに、図７（ｂ）に示すように、全ての撮像素子（非重複撮像部分５４）を含む最小の矩形領域（以下、撮像素子包含領域という）のステップ方向での長さをＸ′とし、ステップ方向に直交する方向での長さをＹ′とする。また、各撮像素子のステップ方向での列数をＴｘとし、ステップ方向に直交する方向での数（行数）をＴｙとする。図７（ｂ）の例では、Ｔｘ＝５，Ｔｙ＝７となる。図７（ｂ）に一点鎖線で示した円は、撮影光学系４０に必要な最小の有効径Ｒ′を表す円である。この円は、全ての撮像素子を含む矩形領域である撮像素子包含領域の外接円ではなく、全ての撮像素子を含む最小半径の円（言い換えれば、全ての撮像素子の外接円）である。以下、この有効径Ｒ′を示す撮像素子の外接円を、有効径円という。
【００３６】
以上の定義のもとで、全撮像領域の大きさ（Ｘ，Ｙ）と撮像素子包含領域の大きさ（Ｘ′，Ｙ′）はそれぞれ、以下の式で表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
そして、図７（ａ）に示した全撮像領域の外接円の半径Ｒは、以下の式で表すことができる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
この関係は、撮像素子の配置パターンに関係なく適用できる。例えば、式（１）と式（３）より、全撮像領域の大きさは、撮像素子包含領域の大きさよりも、撮像素子１つ分の大きさｘだけ小さいことがわかる。つまり、図６（ａ）〜（ｅ）に示した配置パターンにおける全撮像領域はそれぞれ、図８（ａ）〜（ｅ）に点線で示すようになる。
【００４１】
まず、図６（ａ）の配置パターンについて検討する。ＸＹ座標系で大きさを比較するために、図６（ａ）を図９（ａ）のように書き換える。
【００４２】
図９（ａ）においては、撮像素子包含領域を点線で示し、全撮像領域を実線で示している。また、撮像素子として、重複撮像部分５４を示している。さらに、撮像素子包含領域の対角線の交点を原点Ｏとしている。これらのことは、図６（ｂ）〜（ｅ）を同様にＸＹ座標系に書き換えた図９（ｂ），（ｃ）および図１０（ａ），（ｂ）についても同じである。
【００４３】
図９（ａ）でも、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸およびＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）も原点Ｏに位置する。有効径円は、撮像素子包含領域の外縁線（矩形枠の辺）上の点を通る円である。有効径円が通ることができる撮像素子包含領域の外縁線上の点としては、図９（ａ）の第１象限には、点Ａと点Ｂがある。つまり、有効径円としては、点Ａを通る有効径円と点Ｂを通る有効径円とが考えられる。また、点Ａに対応する第２、第３および第４象限の点として、点Ａ′、点Ａ″、点Ａ′″がある。
【００４４】
点Ａを通る有効径円について考える。矩形ＡＡ′Ａ″Ａ′″の外接円は、全撮像領域よりも明らかに小さい。これは、矩形ＡＡ′Ａ″Ａ′″は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが短いためである。
【００４５】
次に、点Ｂを通る有効径円について考える。点Ｂを通る有効径円の半径Ｒ′は、線分ＯＢの長さと同じである。点Ｂの座標を（Ｘ′／２， Ｙ′／２−ｙ）とおき、線分ＯＢの長さを求める。これが式（５）で表されるＲよりも小さければ、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
ＯＢ＞０，Ｒ＞０なので、Ｒ２−ＯＢ２を解くと、以下の関係式が得られる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
この式（６）が０より大きい場合を考えればよい。つまり、
【００４８】
【数８】
【００４９】
なる条件が満足されればよい。図６（ａ）の配置パターンでは、式（７）が満足されれば、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００５０】
次に、図６（ｂ）の配置パターンについて、図９（ｂ）のように書き換えて検討する。図９（ｂ）では、全撮像領域の対角線の交点も原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸およびＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）も原点Ｏに位置する。
【００５１】
図９（ｂ）において、有効径円が通ることができる撮像素子包含領域の外縁線上の点としては点Ａがある。しかし、点Ａを通る有効径円は、撮像素子包含領域の外接円に相当し、全撮像領域の外接円よりも明らかに大きい。これは、撮像素子包含領域は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが長いためである。このため、この配列パターンでは、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも大きくなる。したがって、図６（ｂ）に示す配置パターンは、採用できない。
【００５２】
次に図６（ｃ）の配置パターンについて、図９（ｃ）のように書き換えて検討する。図９（ｃ）でも、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）はＹ軸上に位置する。有効径円としては、撮像素子包含領域の外縁線上の点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円および点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円の２つが考えられる。
【００５３】
前者の円について考える。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を座標で表すと、
点Ａ（Ｘ′／２−ｘＳｔ／２，Ｙ′／２）
点Ｃ（−Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
点Ｃ′（Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
となる。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円の中心は、線分ＡＣ′の垂直二等分線とＹ軸との交点に位置する。この円の中心Ｏ′の座標は、
（０，−ｘＳＴ（Ｘ′−ｘＳＴ／２）／４Ｙ′）
となる。ここから、Ｒ−Ｏ′Ａ＞０であるなら、撮影光学系の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
Ｏ′Ａ＞０，Ｒ＞０であるから、Ｒ２−Ｏ′Ａ２を計算すると、以下の結果が得られる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
このため、以下の条件を満足することで、撮影光学系の撮像有効径は、撮像領域よりも小さくなる可能性がある。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ただし、有効径円が点Ａではなく点Ｂを通る場合は、式（９）の条件を満足しても、以下に説明するように、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくならない。
【００５８】
点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円について考える。ΔＢＣＣ′は、∠ＢＣ′Ｃが直角であるので、線分ＢＣが該円の直径となる。点Ｂの座標は、（Ｘ′／２，Ｙ′／２−ｙ）である。点Ｂと点Ｃの座標から、線分ＢＣの長さを計算できる。
Ｒ−（ＢＣ／２）＞０であるなら、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。ＢＣ＞０，Ｒ＞０なので、Ｒ２−（ＢＣ／２）２を計算すると、以下の結果が得られる。
【００５９】
【数１１】
【００６０】
このため、以下の条件を満足する場合には、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
【００６１】
【数１２】
【００６２】
以上より、図６（ｃ）の配置パターンにおいて、式（９）と式（１１）の条件を満足すれば、撮影光学系４０の有効径は全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００６３】
次に図６（ｄ）の配置パターンについて、図１０（ａ）のように書き換えて検討する。図１０（ａ）では、全撮像領域の左端を、撮像素子包含領域の左端（線分ＣＣ′）に一致させて示している。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）はＸ軸上に位置する。有効径円としては、撮像素子包含領域の外縁線上の点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円および点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円の２つが考えられる。
まず前者の円について考える。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を座標で表すと、
点Ａ（Ｘ′／２，Ｙ′／２−ｙ）
点Ｃ（−Ｘ′／２，Ｙ′／２）
点Ｃ′（−Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
となる。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円の中心は、線分ＡＣの垂直二等分線とＸ軸との交点に位置する。この円の中心Ｏ′の座標は、
（−ｙ（Ｙ′−ｙ）／２Ｘ′，０）
となる。全撮像領域の中心座標をＯ″とすると、点Ｏ′のＸ座標が点Ｏ″のＸ座標よりも負側であれば（つまり、Ｏ′Ａ＜Ｏ″Ａ）であれば、撮影光学系４０の有効径を全撮像領域の外接円の直径よりも小さくすることができる。
【００６４】
点Ｏ″の座標は、矩形の全撮像領域の頂点である点Ｃとその対角にある点Ｄとを結ぶ対角線の中点である。点Ｄの座標は（Ｘ′／２−ｘ，Ｙ′／２）である。このため、点Ｏ″の座標は（−ｘ／２，０）である。
【００６５】
（Ｏ′のＸ座標）−（Ｏ″のＸ座標）を計算すると、以下の結果が得られる。
【００６６】
【数１３】
【００６７】
式（１２）が０より小さければよいので、以下の式（１３）の条件を満足する場合は、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
【００６８】
【数１４】
【００６９】
ただし、有効径円が点Ａではなく点Ｂを通る場合は、式（１３）の条件を満足しても、以下に説明するように、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくならない。
【００７０】
点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円について考える。この円は、点Ｂと該点Ｂに対してＸ軸に関して対称な点Ｂ′とを通る。このため、点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円は、矩形ＢＢ′Ｃ′Ｃに外接する円である。この円は、全撮像領域の外接円よりも明らかに小さい。矩形ＢＢ′Ｃ′Ｃは、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが短いためである。したがって、図６（ｄ）の配置パターンにおいて、式（１３）の条件を満足すれば、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００７１】
次に、図６（ｅ）の配置パターンについて、図１０（ｂ）のように書き換えて検討する。図１０（ｂ）では、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸に関してもＹ軸に関しても対称に配置されていない。
【００７２】
有効径円としては、図１０（ｂ）に示す点Ａと点Ａ′とを結ぶ線分を直径とする円が考えられる。しかし、この円は、撮像素子包含領域の外接円に相当し、全撮像領域の外接円よりも明らかに大きい。撮像素子包含領域は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さが同じであるが、Ｘ方向の長さが長いためである。このため、この配列パターンでは、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも大きくなる。したがって、図６（ｅ）に示す配置パターンは、採用できない。
【００７３】
撮像光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径より小さくなる撮像素子の配置パターンを選択する場合は、撮像素子の大きさとその間隔が重要なパラメータとなる。特に、複数の撮像素子を並べるためには、電気配線や放熱のための構造物を配置するための撮像素子間のスペースが問題になる。しかし、前述した条件を考慮することで、それらのスペースに必要な条件も同時に満足することができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施例によれば、撮像部に複数の撮像素子を配置したステップ撮像方式の撮像装置において、該撮像素子の配置を適切に選択することにより、全撮像領域を１回で撮像する場合よりも、撮影光学系の有効径を小さくすることができる。このため、撮影光学系の大きさや撮像装置全体の大きさの増加を抑えることができる。しかも、撮影光学系の設計および製造が容易となる。また、撮像素子間の電気配線や構造物の配置スペースのコンパクト化も併せて可能となり、消費電力の低減効果も得られる。
【００７５】
なお、撮像光学系の有効径が全撮像領域の外接円の直径より小さくなる撮像素子の配置パターンについては、上記実施例で説明した条件を満足すれば、図６（ａ），（ｃ），（ｄ）に示した配置パターン以外のものを採用してもよい。
【００７６】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
複数の撮像素子を用いつつ撮影光学系の有効径が小さな撮像装置を提供できる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 撮像装置
１０ 光源
３０ 標本部
３３ 検体
４０ 撮影光学系
５０ 撮像部
５３ 撮像素子
６０ 処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察物を撮像する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子を用いて観察物を撮像し、生成された画像をモニタに表示する撮像装置において、広い撮像領域を得るための方法がいくつか提案されている。特許文献１には、撮像領域を一部がオーバーラップする多数の小区画に分けて撮像し、それぞれの区画での撮像により得られた複数の画像（タイル画像）を繋ぎ合わせることにより、広い撮像領域に対応する全体画像を生成する撮像装置が開示されている。また、特許文献２には、ラインセンサ状の撮像素子を使い、観察物および撮像素子を一方向に相対移動させながら撮像素子による撮像を行うことで、観察物の全体を撮像した画像を得るスキャン撮像を行う撮像装置が開示されている。
【０００３】
さらに、特許文献３，４にて開示された撮像装置では、２次元方向に並べられた複数の撮像素子を備えた撮像部と観察物とを相対移動させながら撮像部により複数回の撮像を行う。そして、該複数回の撮像により得られた画像群を合成することで、観察物全体を含む広い撮像領域の画像を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５１０２０１号公報
【特許文献２】特表２００４−５１４９２０号公報
【特許文献３】特開２００９−００３０１６号公報
【特許文献４】特開２００９−０６３６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１にて開示された撮像装置では、多数の区画の１つずつで順次撮像を行い、さらにそれぞれの区画での撮像により得られた多数の画像を繋ぎ合わせるために、全体画像を得るまでに多大な時間を要する。また、特許文献２にて開示されたスキャン撮像方式では、撮像素子を撮像領域の一端から他端までスキャン移動させる必要があり、さらに良質な画像を得るためにもある程度長い撮像時間を必要とするため、全体画像を得るまでに長時間がかかる。
【０００６】
一方、特許文献３，４にて開示された撮像装置では、１回の撮像によって複数の撮像素子のそれぞれによる画像取得が行え、数回の撮像によって全体画像が得られるため、全体画像を得るまでに要する時間が短くなる。ただし、このような撮像装置では、観察物側からの光を複数の撮像素子に十分に到達させるために必要な光学系の有効径が、全撮像領域を含む円の直径よりも大きくなる可能性がある。つまり、全撮像領域を１回の撮像でカバーする場合よりも、複数の撮像素子を２次元方向に並べて用いる方が、有効径が大きな光学系が必要となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、光学系の大型化を抑えつつ、広い撮像領域を高速で撮像でき、良好な画質の画像が得られるようにした撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての撮像装置は、観察物が配置されるステージ部と、該ステージ部に配置された観察物の光学像を形成する光学系および該光学像を撮像する複数の撮像素子を有する撮像部と、ステージ部および撮像部を相対移動させる移動機構と、移動機構にステージ部および撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部とを有する。そして、撮像部において、複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てにステージ部からの光を導くのに必要な光学系の有効径が全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の撮像素子を備えた撮像部と観察物が配置されるステージ部とを相対移動させながら複数回の撮像を行うことにより広い撮像領域を得る撮像装置において、撮像部に含まれる光学系の有効径を小さくすることができる。したがって、広い撮像領域を高速で撮像でき、良好な画質の画像が得られる撮像装置の全体をコンパクト化することができる。しかも、光学系の有効径が小さくなることで、光学系の設計や製造を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例である撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】実施例の撮像装置における電気基板と撮像素子の配列を示す図。
【図３】実施例の撮像装置における標本部（および検体）を示す図。
【図４】実施例の撮像装置において撮像部により形成された検体像を示す図。
【図５】実施例の撮像装置における複数回の撮像により取得される全体画像を示す図。
【図６】実施例における撮像素子の配列パターン（ａ）〜（ｅ）を説明する図。
【図７】実施例における撮像素子の配置条件に用いられる変数、全撮像領域および撮影光学系の有効径を説明する図。
【図８】図６に示した撮像素子の配列パターン（ａ）〜（ｅ）に対する全撮像領域を示す図。
【図９】図６（ａ）〜（ｃ）に示した撮像素子配列パターンをＸＹ座標系に置き換えた図。
【図１０】図６（ｄ），（ｅ）に示した撮像素子配列パターンをＸＹ座標系に置き換えた図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１には、本発明の実施例１である透過型撮像装置の構成を示している。該撮像装置１は、例えば顕微装置や拡大観察装置として用いられ、光源１０と、照明光学系２０と、標本部（ステージ部）３０と、撮像部５０と、処理部６０とを有する。
【００１３】
光源１０は、後述する観察物を照明するための光を発する。該光源１０は、ハロゲンランプ、キセノンランプおよびＬＥＤ等により構成される。
【００１４】
照明光学系２０は、光源１０からの光を整形するとともに、該光をミラー２５を介して標本部３０に導く。
【００１５】
標本部３０は、図３に示すように、観察物としての検体３３を含む標本３２が配置される標本ステージ３１を有する。標本３２としては、例えば、検体３３をスライドガラスとカバーガラスの間に挟んだものが用いられる。
【００１６】
撮像部５０は、撮影光学系４０と、撮像ステージ５１と、該撮像ステージ５１に固定された電気基板５２と、該電気基板５２上に搭載された複数の撮像素子５３とで構成される。撮影光学系４０は、照明光学系２０から射出した光により照明された標本３２内の検体３３の光学像（以下、検体像という）を形成する光学倍率がβ倍の結像光学系である。撮像素子５３は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の２次元イメージセンサ（光電変換素子）である。撮影光学系４０に対して、標本部３０（標本３２）と撮像部５０（撮像素子５３）は、物面と像面の関係となるように配置される。
【００１７】
撮像素子５３の配置例を図２に示す。図２は撮像ステージ５１を撮影光学系側から見て示している。複数の撮像素子５３は、ＸＹ面上に互い間隔をあけて離散的に２次元配列されている。より詳しくは、該複数の撮像素子５３は、Ｙ方向に延びる列をＸ方向に複数形成するように配列されている。ただし、Ｘ方向において隣り合う列同士におけるＹ方向での撮像素子５３の位置は、互いに半ピッチずれている。言い換えれば、Ｙ方向から見たときには隣り合う列の間に重なりはないが、Ｘ方向から見たときには隣り合う列の間に重なりがある。以下の説明において、複数の撮像素子５３の撮像面を含むＸＹ面を、撮像面ともいう。
【００１８】
検体３３からの光は、撮影光学系４０によって、図４中に実線で示すように撮像面上に検体像を形成する。
【００１９】
なお、図２（および後述する図６）では、複数の撮像素子５３が厳密な規則性にを持って整列配置されている場合について説明するが、必ずしも厳密な規則性にて整列配置される必要はなく、規則性が多少崩れていても構わない。
【００２０】
処理部６０は、制御部６１と画像生成部６２とを含む。制御部６１は、撮像素子５３を駆動して撮像を行わせる。また、制御部６１は、撮像時には、標本部３０（検体３３）と撮像部５０（撮影光学系４０および撮像素子５３）とを、撮影光学系４０の光軸に直交する面（水平面）内において一定の方向（一方向）に相対移動させながら撮像部５０に複数回の撮像を行わせる。より詳しくは、撮像部５０による１回の撮像と標本部３０と撮像部５０との所定量の相対移動（ステップ移動）とが交互に繰り返される。以下の説明において、１回の撮像ごとにステップ移動する所定量を、ステップ量という。
【００２１】
図１では、標本部３０に移動機構としてのアクチュエータ３５が接続されており、制御部６１が該アクチュエータ３５を駆動することで、標本部３０が撮像部５０に対して上記一方向に移動される場合を示している。ただし、撮像部５０に接続されたアクチュエータを駆動することで、撮像部５０が標本部３０に対して上記一方向に移動されるようにしてもよい。なお、以下の説明において、標本部３０と撮像部５０の相対移動方向である上記一方向をステップ移動方向という。
【００２２】
画像生成部６２は、各回の撮像にて複数の撮像素子５３から出力された撮像信号を用いて、各撮像素子５３に対応した領域のみに検体像の一部が有効部分画像として取り込まれたモザイク状の画像（以下、モザイク画像という）を生成する。そして、画像生成部６２は、複数回の撮像により生成された複数のモザイク画像を合成して、検体３３全体の撮影画像（以下、全体画像という）を生成する。モニタ７０には、全体画像が表示される。
【００２３】
このようなステップ撮像方式の撮像装置での撮像の手順について図５を用いて説明する。図５（ａ）〜（ｃ）には、標本部３０を光軸に対してステップ移動方向（図２のＸ方向）に順次ステップ移動させたときの撮像素子５３と検体像との位置関係を示している。図５において、符号５３が示す点線枠内の領域は、撮像素子の有効撮像領域、すなわちそこからの出力を用いて画像生成部６２が有効部分画像を生成できる領域を示している。また、符号５４が示す実線枠内の領域は、有効撮像領域のうち、１回の撮像で得られる有効部分画像と次の１回の撮像により得られる有効部分画像とに重なりが生じない非重複撮像部分を示している。言い換えれば、撮像素子の有効撮像領域のうち非重複撮像部分より外側の部分は、連続した２回の撮像において検体像の同じ部分を有効部分画像の一部として取り込む重複撮像部分である。
【００２４】
図５（ａ）に示す位置関係において１回目の撮像が行われると、図５（ｄ）に示すように、検体像のうち離散的な複数の部分が有効部分画像として取り込まれた第１のモザイク画像が生成される。
【００２５】
次に、非重複撮像部分のステップ移動方向での長さ（前述したステップ量）だけ標本部３０がステップ移動した後、図５（ｂ）に示す位置関係で２回目の撮像が行われる。２回目の撮像では、検体像のうち１回目の撮像により取り込まれた複数の部分からステップ量だけずれた複数の部分が有効部分画像として取り込まれた第２のモザイク画像が生成される。そして、第１のモザイク画像と第２のモザイク画像とを合成すると、図５（ｅ）に濃くして示す領域に有効部分画像が存在する合成画像が生成される。第１のモザイク画像と第２のモザイク画像の合成は、撮像素子の重複撮像部分によりこれらモザイク画像の一部として取り込まれた検体像の共通部分を重ね合わせることで繋ぎ目が目立たないように行われる。
【００２６】
最後に、図５（ｂ）に示す位置関係からステップ量だけ標本部３０がステップ移動した後、図５（ｃ）に示す位置関係で３回目の撮像が行われ、第３のモザイク画像が生成される。そして、第３のモザイク画像を、第１および第２のモザイク画像と合成すると、図５（ｆ）に濃くして示す領域に有効部分画像が存在する全体画像としての合成画像が生成される。図５（ｆ）にて点線枠で囲んだ領域が全撮像領域に相当し、この全撮像領域の画像である全体画像が実際にモニタ７０に表示される。
【００２７】
以上説明した撮像方式は、数回の撮像とステップ移動とを行って取得した数枚のモザイク画像を合成すればよいので、広い撮像領域を高速で撮像することができる。
【００２８】
ただし、撮像部５０での複数の撮像素子５３の配置の仕方によっては、全撮像領域を１回で撮像する場合よりも、撮影光学系４０の有効径が大きくなる可能性がある。本実施例にいう撮影光学系４０の有効径は、複数の撮像素子５３の全てに標本部３０からの光を十分に到達させるために必要な直径である。このため、以下に撮影光学系４０の有効径をできるだけ小さくすることができる複数の撮像素子５３の配置の仕方について説明する。
【００２９】
図６（ａ）〜（ｅ）には、撮像素子５３の配置パターンの例を示す。なお、これらの図には、前述した非重複撮像部分５４のみを示している。
【００３０】
撮像素子の配置パターンは、ステップ方向において撮像素子が奇数列をなすように配置される奇数列配置パターンと偶数列をなすように配置される偶数列配置パターンの２つに大別できる。図６（ａ）〜（ｃ）は奇数列配置パターンであり、図６（ｄ）〜（ｅ）は偶数列配置パターンである。
【００３１】
また、配置パターンは、ステップ方向での隣り合う２列での撮像素子の数が互いに同じ配置パターンと該数が互いに異なる配置パターンとに分けることもできる。図６（ｃ），（ｅ）は前者の配置パターンであり、図６（ａ），（ｂ），（ｄ）は後者の配置パターンである。隣り合う２列での撮像素子の数が互いに異なる配置パターンには、図６（ａ）と図６（ｂ）に示すように、ステップ方向での端列における撮像素子の数がそれに隣り合う列における撮像素子の数よりも少ない配置パターンと多い配置パターンがある。
【００３２】
図６（ａ）は、奇数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列よりも少ない配置パターンである。図６（ｂ）は、奇数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列よりも多い配置パターンである。図６（ｃ）は、奇数列配置パターンであって、列ごとの撮像素子の数が互いに同じ配置パターンである。図６（ｄ）は、偶数列配置パターンであって、端列の撮像素子数がその隣列と異なる配置パターンである。図６（ｅ）は、偶数列配置パターンであって、列ごとの撮像素子数が互いに同じ配置パターンである。
【００３３】
以下、これらの配置パターンに対する撮影光学系の有効径と全撮像領域の外接円の直径とを比較する。そして、撮影光学系の有効径を全撮像領域の外接円の直径よりも小さくすることができる配置パターンにおいてさらに満足すべき条件を説明する。
【００３４】
ここでは、図７（ａ）に示すように、矩形の全撮像領域のステップ方向での長さをＸとし、該ステップ方向に直交する方向の長さをＹとする。各撮像素子のステップ方向での長さをｘとし、ステップ方向に直交する方向の長さをｙとする。ただし、ここにいう撮像素子の各方向の長さは、非重複撮像部分５４の同方向の長さである。また、ステップ量（所定量）をｘで除した値をＳｔとする。図７（ａ）に一点鎖線で示した円は、全撮像領域の外接円であり、その半径はＲである。
【００３５】
さらに、図７（ｂ）に示すように、全ての撮像素子（非重複撮像部分５４）を含む最小の矩形領域（以下、撮像素子包含領域という）のステップ方向での長さをＸ′とし、ステップ方向に直交する方向での長さをＹ′とする。また、各撮像素子のステップ方向での列数をＴｘとし、ステップ方向に直交する方向での数（行数）をＴｙとする。図７（ｂ）の例では、Ｔｘ＝５，Ｔｙ＝７となる。図７（ｂ）に一点鎖線で示した円は、撮影光学系４０に必要な最小の有効径Ｒ′を表す円である。この円は、全ての撮像素子を含む矩形領域である撮像素子包含領域の外接円ではなく、全ての撮像素子を含む最小半径の円（言い換えれば、全ての撮像素子の外接円）である。以下、この有効径Ｒ′を示す撮像素子の外接円を、有効径円という。
【００３６】
以上の定義のもとで、全撮像領域の大きさ（Ｘ，Ｙ）と撮像素子包含領域の大きさ（Ｘ′，Ｙ′）はそれぞれ、以下の式で表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
そして、図７（ａ）に示した全撮像領域の外接円の半径Ｒは、以下の式で表すことができる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
この関係は、撮像素子の配置パターンに関係なく適用できる。例えば、式（１）と式（３）より、全撮像領域の大きさは、撮像素子包含領域の大きさよりも、撮像素子１つ分の大きさｘだけ小さいことがわかる。つまり、図６（ａ）〜（ｅ）に示した配置パターンにおける全撮像領域はそれぞれ、図８（ａ）〜（ｅ）に点線で示すようになる。
【００４１】
まず、図６（ａ）の配置パターンについて検討する。ＸＹ座標系で大きさを比較するために、図６（ａ）を図９（ａ）のように書き換える。
【００４２】
図９（ａ）においては、撮像素子包含領域を点線で示し、全撮像領域を実線で示している。また、撮像素子として、重複撮像部分５４を示している。さらに、撮像素子包含領域の対角線の交点を原点Ｏとしている。これらのことは、図６（ｂ）〜（ｅ）を同様にＸＹ座標系に書き換えた図９（ｂ），（ｃ）および図１０（ａ），（ｂ）についても同じである。
【００４３】
図９（ａ）でも、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸およびＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）も原点Ｏに位置する。有効径円は、撮像素子包含領域の外縁線（矩形枠の辺）上の点を通る円である。有効径円が通ることができる撮像素子包含領域の外縁線上の点としては、図９（ａ）の第１象限には、点Ａと点Ｂがある。つまり、有効径円としては、点Ａを通る有効径円と点Ｂを通る有効径円とが考えられる。また、点Ａに対応する第２、第３および第４象限の点として、点Ａ′、点Ａ″、点Ａ′″がある。
【００４４】
点Ａを通る有効径円について考える。矩形ＡＡ′Ａ″Ａ′″の外接円は、全撮像領域よりも明らかに小さい。これは、矩形ＡＡ′Ａ″Ａ′″は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが短いためである。
【００４５】
次に、点Ｂを通る有効径円について考える。点Ｂを通る有効径円の半径Ｒ′は、線分ＯＢの長さと同じである。点Ｂの座標を（Ｘ′／２， Ｙ′／２−ｙ）とおき、線分ＯＢの長さを求める。これが式（５）で表されるＲよりも小さければ、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
ＯＢ＞０，Ｒ＞０なので、Ｒ２−ＯＢ２を解くと、以下の関係式が得られる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
この式（６）が０より大きい場合を考えればよい。つまり、
【００４８】
【数８】
【００４９】
なる条件が満足されればよい。図６（ａ）の配置パターンでは、式（７）が満足されれば、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００５０】
次に、図６（ｂ）の配置パターンについて、図９（ｂ）のように書き換えて検討する。図９（ｂ）では、全撮像領域の対角線の交点も原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸およびＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）も原点Ｏに位置する。
【００５１】
図９（ｂ）において、有効径円が通ることができる撮像素子包含領域の外縁線上の点としては点Ａがある。しかし、点Ａを通る有効径円は、撮像素子包含領域の外接円に相当し、全撮像領域の外接円よりも明らかに大きい。これは、撮像素子包含領域は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが長いためである。このため、この配列パターンでは、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも大きくなる。したがって、図６（ｂ）に示す配置パターンは、採用できない。
【００５２】
次に図６（ｃ）の配置パターンについて、図９（ｃ）のように書き換えて検討する。図９（ｃ）でも、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＹ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）はＹ軸上に位置する。有効径円としては、撮像素子包含領域の外縁線上の点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円および点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円の２つが考えられる。
【００５３】
前者の円について考える。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を座標で表すと、
点Ａ（Ｘ′／２−ｘＳｔ／２，Ｙ′／２）
点Ｃ（−Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
点Ｃ′（Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
となる。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円の中心は、線分ＡＣ′の垂直二等分線とＹ軸との交点に位置する。この円の中心Ｏ′の座標は、
（０，−ｘＳＴ（Ｘ′−ｘＳＴ／２）／４Ｙ′）
となる。ここから、Ｒ−Ｏ′Ａ＞０であるなら、撮影光学系の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
Ｏ′Ａ＞０，Ｒ＞０であるから、Ｒ２−Ｏ′Ａ２を計算すると、以下の結果が得られる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
このため、以下の条件を満足することで、撮影光学系の撮像有効径は、撮像領域よりも小さくなる可能性がある。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ただし、有効径円が点Ａではなく点Ｂを通る場合は、式（９）の条件を満足しても、以下に説明するように、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくならない。
【００５８】
点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円について考える。ΔＢＣＣ′は、∠ＢＣ′Ｃが直角であるので、線分ＢＣが該円の直径となる。点Ｂの座標は、（Ｘ′／２，Ｙ′／２−ｙ）である。点Ｂと点Ｃの座標から、線分ＢＣの長さを計算できる。
Ｒ−（ＢＣ／２）＞０であるなら、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。ＢＣ＞０，Ｒ＞０なので、Ｒ２−（ＢＣ／２）２を計算すると、以下の結果が得られる。
【００５９】
【数１１】
【００６０】
このため、以下の条件を満足する場合には、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
【００６１】
【数１２】
【００６２】
以上より、図６（ｃ）の配置パターンにおいて、式（９）と式（１１）の条件を満足すれば、撮影光学系４０の有効径は全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００６３】
次に図６（ｄ）の配置パターンについて、図１０（ａ）のように書き換えて検討する。図１０（ａ）では、全撮像領域の左端を、撮像素子包含領域の左端（線分ＣＣ′）に一致させて示している。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸に関して対称に配置されている。このため、撮影光学系４０の有効径の中心（光軸）はＸ軸上に位置する。有効径円としては、撮像素子包含領域の外縁線上の点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円および点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円の２つが考えられる。
まず前者の円について考える。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を座標で表すと、
点Ａ（Ｘ′／２，Ｙ′／２−ｙ）
点Ｃ（−Ｘ′／２，Ｙ′／２）
点Ｃ′（−Ｘ′／２，−Ｙ′／２）
となる。点Ａと点Ｃと点Ｃ′を通る円の中心は、線分ＡＣの垂直二等分線とＸ軸との交点に位置する。この円の中心Ｏ′の座標は、
（−ｙ（Ｙ′−ｙ）／２Ｘ′，０）
となる。全撮像領域の中心座標をＯ″とすると、点Ｏ′のＸ座標が点Ｏ″のＸ座標よりも負側であれば（つまり、Ｏ′Ａ＜Ｏ″Ａ）であれば、撮影光学系４０の有効径を全撮像領域の外接円の直径よりも小さくすることができる。
【００６４】
点Ｏ″の座標は、矩形の全撮像領域の頂点である点Ｃとその対角にある点Ｄとを結ぶ対角線の中点である。点Ｄの座標は（Ｘ′／２−ｘ，Ｙ′／２）である。このため、点Ｏ″の座標は（−ｘ／２，０）である。
【００６５】
（Ｏ′のＸ座標）−（Ｏ″のＸ座標）を計算すると、以下の結果が得られる。
【００６６】
【数１３】
【００６７】
式（１２）が０より小さければよいので、以下の式（１３）の条件を満足する場合は、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる可能性がある。
【００６８】
【数１４】
【００６９】
ただし、有効径円が点Ａではなく点Ｂを通る場合は、式（１３）の条件を満足しても、以下に説明するように、撮影光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径よりも小さくならない。
【００７０】
点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円について考える。この円は、点Ｂと該点Ｂに対してＸ軸に関して対称な点Ｂ′とを通る。このため、点Ｂと点Ｃと点Ｃ′を通る円は、矩形ＢＢ′Ｃ′Ｃに外接する円である。この円は、全撮像領域の外接円よりも明らかに小さい。矩形ＢＢ′Ｃ′Ｃは、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さは同じであるが、Ｘ方向の長さが短いためである。したがって、図６（ｄ）の配置パターンにおいて、式（１３）の条件を満足すれば、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも小さくなる。
【００７１】
次に、図６（ｅ）の配置パターンについて、図１０（ｂ）のように書き換えて検討する。図１０（ｂ）では、全撮像領域の対角線の交点は原点Ｏに位置する。この配置パターンでは、全撮像素子はＸ軸に関してもＹ軸に関しても対称に配置されていない。
【００７２】
有効径円としては、図１０（ｂ）に示す点Ａと点Ａ′とを結ぶ線分を直径とする円が考えられる。しかし、この円は、撮像素子包含領域の外接円に相当し、全撮像領域の外接円よりも明らかに大きい。撮像素子包含領域は、全撮像領域に対して、Ｙ方向の長さが同じであるが、Ｘ方向の長さが長いためである。このため、この配列パターンでは、撮影光学系４０の有効径は、全撮像領域の外接円の直径よりも大きくなる。したがって、図６（ｅ）に示す配置パターンは、採用できない。
【００７３】
撮像光学系４０の有効径が全撮像領域の外接円の直径より小さくなる撮像素子の配置パターンを選択する場合は、撮像素子の大きさとその間隔が重要なパラメータとなる。特に、複数の撮像素子を並べるためには、電気配線や放熱のための構造物を配置するための撮像素子間のスペースが問題になる。しかし、前述した条件を考慮することで、それらのスペースに必要な条件も同時に満足することができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施例によれば、撮像部に複数の撮像素子を配置したステップ撮像方式の撮像装置において、該撮像素子の配置を適切に選択することにより、全撮像領域を１回で撮像する場合よりも、撮影光学系の有効径を小さくすることができる。このため、撮影光学系の大きさや撮像装置全体の大きさの増加を抑えることができる。しかも、撮影光学系の設計および製造が容易となる。また、撮像素子間の電気配線や構造物の配置スペースのコンパクト化も併せて可能となり、消費電力の低減効果も得られる。
【００７５】
なお、撮像光学系の有効径が全撮像領域の外接円の直径より小さくなる撮像素子の配置パターンについては、上記実施例で説明した条件を満足すれば、図６（ａ），（ｃ），（ｄ）に示した配置パターン以外のものを採用してもよい。
【００７６】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
複数の撮像素子を用いつつ撮影光学系の有効径が小さな撮像装置を提供できる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 撮像装置
１０ 光源
３０ 標本部
３３ 検体
４０ 撮影光学系
５０ 撮像部
５３ 撮像素子
６０ 処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察物が配置されるステージ部と、
該ステージ部に配置された前記観察物の光学像を形成する光学系および該光学像を撮像する複数の撮像素子を有する撮像部と、
前記ステージ部および前記撮像部を相対移動させる移動機構と、
前記移動機構に前記ステージ部および前記撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら前記撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ前記複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、前記観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部とを有し、
前記撮像部において、前記複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てに前記ステージ部からの光を導くのに必要な前記光学系の有効径が前記全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において奇数列をなすように配置されており、
前記奇数列のうち互いに隣り合う２つの列に含まれる前記撮像素子の数が互いに異なるとともに、前記奇数列のうち端列に含まれる前記撮像素子の数が、該端列に隣り合う列に含まれる前記撮像素子の数よりも少なく、
かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数１】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【請求項３】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において奇数列をなすように配置されており、
該奇数列の全ての列に含まれる前記撮像素子の数が互いに同じであり、
かつ以下の２つの条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数２】
【数３】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【請求項４】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において偶数列をなすように配置されており、
前記偶数列のうち互いに隣り合う２つの列に含まれる前記撮像素子の数が互いに異なるとともに、前記偶数列のうち端列に含まれる前記撮像素子の数が、該端列に隣り合う列に含まれる前記撮像素子の数と異なり、
かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数４】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【請求項１】
観察物が配置されるステージ部と、
該ステージ部に配置された前記観察物の光学像を形成する光学系および該光学像を撮像する複数の撮像素子を有する撮像部と、
前記ステージ部および前記撮像部を相対移動させる移動機構と、
前記移動機構に前記ステージ部および前記撮像部を一定の方向に所定量ずつ相対移動させながら前記撮像部に複数回の撮像を行わせ、該複数回の撮像においてそれぞれ前記複数の撮像素子からの出力を用いて生成された画像を合成することで、前記観察物の全体を含む全撮像領域の撮影画像を生成する処理部とを有し、
前記撮像部において、前記複数の撮像素子は、該複数の撮像素子の全てに前記ステージ部からの光を導くのに必要な前記光学系の有効径が前記全撮像領域に外接する円の直径よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において奇数列をなすように配置されており、
前記奇数列のうち互いに隣り合う２つの列に含まれる前記撮像素子の数が互いに異なるとともに、前記奇数列のうち端列に含まれる前記撮像素子の数が、該端列に隣り合う列に含まれる前記撮像素子の数よりも少なく、
かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数１】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【請求項３】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において奇数列をなすように配置されており、
該奇数列の全ての列に含まれる前記撮像素子の数が互いに同じであり、
かつ以下の２つの条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数２】
【数３】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【請求項４】
前記複数の撮像素子は、前記ステージ部および前記撮像部の相対移動方向において偶数列をなすように配置されており、
前記偶数列のうち互いに隣り合う２つの列に含まれる前記撮像素子の数が互いに異なるとともに、前記偶数列のうち端列に含まれる前記撮像素子の数が、該端列に隣り合う列に含まれる前記撮像素子の数と異なり、
かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【数４】
ただし、Ｔｘは前記相対移動方向での前記撮像素子の数であり、Ｔｙは前記相対移動方向に対して直交する方向での前記撮像素子の数であり、ｘは前記各撮像素子の前記相対移動方向での長さであり、ｙは該各撮像素子の前記直交する方向での長さであり、Ｓｔは前記所定量をｘで除した値である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２９２３（Ｐ２０１２−２９２３Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６１２４（Ｐ２０１０−１３６１２４）
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]