撮像装置
【課題】 精度良く任意の位置での対象物の焦点位置を決定し、対象物の全体画像を短時間で取得すること
【解決手段】 対象物の表面形状を計測する計測部と、光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする。
【解決手段】 対象物の表面形状を計測する計測部と、光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の像を取得するデジタル顕微鏡等の撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、検体全体から、細胞組織の細部にわたる外形情報を電子化画像として取り込み、モニターに表示して観察することができる撮像装置が注目されている。
【０００３】
この種の撮像装置は、対象物を観察するのに必要な対物レンズの解像度（＜１μｍ）に対して、対象物の寸法が大きい（数ｍｍ〜数十ｍｍ）という特徴がある。そこで、高い解像力でかつ広視野の画像を形成するためには、視野は狭いが解像度の高い対物レンズを用いて対象物の異なる部分の撮像を行い、各部分の画像をつなぎ合わせて一枚の全体画像を得る必要がある。
【０００４】
しかしながら、対象物の部分毎に焦点ずれを計測し、焦点合わせを行って撮像していたのでは、一枚の全体画像を得るのに時間が掛かる。そこで、特許文献１は、スライドグラス上の３点以上の場所で焦点合わせを行い、標本（対象物）を保持するスライドグラスの傾きを求めることで、焦点合わせを行った３点以外の点における焦点位置を計算により推定することを開示している。また、特許文献２は、標本が存在する領域を予め求めておき、その中で基準点３点の焦点位置を計測してその３点を含む平面式を求め、求めた平面式から任意の位置での焦点位置を求めることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特登録０４３３２９０５
【特許文献２】特開２００４−１９１９５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２は、対象物表面の３点の焦点位置からそれらを含む平面式を取得しているが、実際の標本の表面は平面であるとは限らない。そのため、特許文献１や２の方法では、求めた任意の位置の焦点位置と実際の焦点位置が大きくずれ、ぼけた画像になってしまう、あるいは焦点合わせを再度行うことでより時間が掛かってしまう可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、より精度良く任意の位置での対象物の焦点位置を決定し、対象物の全体画像をより短時間で取得可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、対象物の表面形状を計測する計測部と、光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物表面を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする撮像装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より精度良く任意の位置での対象物の焦点位置を決定し、対象物の全体画像をより短時間で取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像装置全体図
【図２】標本部２００を表す図
【図３】標本位置と撮像領域とカメラ標本基準点ＢＰ０の関係
【図４】シャックハルトマン型波面センサ
【図５】シャックハルトマン型波面センサでの結像点位置を表す図
【図６】標本位置と撮像領域とセンサ標本基準点ＢＰ１の関係
【図７】センサ基準点ＢＰ１とその他の場所における表面形状のデータを表す図
【図８】結像面の標本像を表す図
【図９】合焦センサ部の構成と合焦原理を表す図
【図１０】照明光と散乱光の光路を表す図
【図１１】焦点位置取得時の照明を表す図
【図１２】合焦位置に合わせた撮像素子の高さ調節を表す図
【図１３】複数回の撮像による全体像取得を表す図
【図１４】標本を合焦させる手順を示す図
【図１５】カメラ標本基準点ＢＰ０・傾き検出点ＴＰと合焦センサの関係を示す図
【図１６】標本を合焦させる手順を示す図
【図１７】撮像装置全体図
【図１８】標本を合焦させる手順を示す図
【図１９】多数の合焦センサを有する撮像部を表す図
【図２０】撮像装置全体図
【図２１】標本を合焦させる手順を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明における撮像装置の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は本発明における撮像装置の第１実施形態の概要図である。
【００１３】
図１において、撮像装置１は、高い解像度でかつ広い視野を撮像するための撮像部である本体撮像系１０と、観察対象物である標本の位置及び表面形状を計測するための計測部である計測光学系２０を含んで構成される。
【００１４】
本体撮像系１０は、標本２２５が配置されている被照射面に光源ユニット１１０からの光を導く照明光学系１００、標本の像を結像するための撮像光学系３００、撮像光学系３００の像面に複数の撮像素子４３０を配置した撮像素子部４００を有する。
【００１５】
また、計測光学系２０は、標本ステージ２１０の位置を計測する位置計測器５１０、標本を照明するための光源５２０、ハーフミラー５３０、標本の位置を計測するカメラ５４０、標本の表面形状を計測するためのカメラセンサ５５０を有する。
【００１６】
標本２２５は、例えばスライドガラスとカバーガラス（不図示、カバーガラスがない場合もある）との間に配置され、プレパラート２２０が構成される。そして、プレパラート２２０は、標本ステージ２１０上に載置され、標本ステージ２１０により本体撮像系１０と計測光学系２０の間で搬送される。
【００１７】
以下、撮像光学系３００の光軸をＺ方向、撮像光学系３００の光軸に垂直な平面をＸＹ平面とする。
【００１８】
次に、プレパラート２２０が標本ステージに載置された後、図１４に示す標本の全体画像を取得する流れに沿って、これらの構成物の詳細を示す。
【００１９】
まず、標本２２５を計測光学系２０で計測できる位置に配置する（Ｓｔｅｐ１０１）。
【００２０】
そして、計測光学系２０で、標本２２５の大きさ、撮像領域、撮像位置（標本基準点）及び表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ１０２）。
【００２１】
カメラ５４０は、光源５２０からハーフミラー５３０を介して照明された光の透過光を利用し、標本ステージ２１０上における標本２２５の位置を認識するために標本２２５を撮像する。これにより、標本２２５の大きさや撮像領域、撮像位置等を計測する。カメラセンサ５５０は、シャックハルトマン型波面センサであり、標本２２５の表面形状を計測する。また、カバーガラスが標本２２５上に配置されている場合、カバーガラスの表面形状に沿って標本２２５の表面形状も変形するとも言われている。そのため、カバーガラスが標本２２５上に配置されている場合は、カバーガラスの表面形状を計測することで、それを標本２２５の表面形状としてもよい。
【００２２】
標本ステージ２１０は、プレパラート２２０の位置を、Ｚ方向やＸ、Ｙ方向、もしくはＺ方向に対して傾くように変えることができ、標本２２５と被照射面とが一致するように駆動する。図２では、標本ステージ２１０におけるプレパラート２２０及び標本２２５の位置と、カメラ５４０が撮像する領域５４０ａ、本撮像での撮像領域４００ａ、標本基準点ＢＰ０を示している。本撮像での撮像領域４００ａ、標本基準点ＢＰ０、標本の表面形状は、それぞれ処理部６１０で決定される。
【００２３】
撮像領域４００ａは、標本２２５の大きさ、形及び位置と撮像光学系３００で撮像できる範囲とから決定される。
【００２４】
図３に示すように、標本基準点ＢＰ０は、カメラ５４０から見る標本の代表的な位置を表し、撮像領域４００ａを決定した後、撮像した画像の座標（ａ０，ｂ０）として決定される。
【００２５】
標本基準点ＢＰ０は、例えば本体撮像系１０の基準点を撮像光学系３００の光軸中心とした場合、計測光学系２０で決定した撮像領域４００ａを本体撮像系１０での撮像領域と一致させたときに、撮像光学系３００の光軸中心に対応する位置に決定される。そのため、標本基準点ＢＰ０は、予め決定された本体撮像系１０の基準点（本体基準点）の位置に従って決定される。
【００２６】
ステージ駆動量は、装置組み立て時に予め取得しておいた「ステージ位置（位置計測器５１０で計測）」、「画像座標」、「本体撮像系の基準位置（本体基準点）」の３点における位置関係データを使い、本体基準点と標本基準点ＢＰ０を一致させるように算出する。
【００２７】
このようにして、本撮像での撮像領域４００ａ、標本の表面形状、標本の位置（標本基準点ＢＰ０）が決定される。
【００２８】
次に、カメラセンサ５５０を使って、標本２２５またはカバーガラスの表面形状を計測する方法を示す。カメラセンサ５５０は、上述したようにシャックハルトマン型波面センサであり、図４で示すように、撮像素子５５１とマイクロレンズアレイ５５２で構成される。カメラセンサ５５０は、光源５２０とハーフミラー５３０によって照明された標本２２５またはカバーガラスの反射光を受光する。そのとき、カメラセンサ５５０のマイクロレンズアレイ５５２に入射した光は、撮像素子５５１上に複数の点像を形成する。もし、標本２２５またはカバーガラスからの反射光が、理想的な平面であったとき、点像は図４（ａ）で示すように等間隔に配列される。逆に標本２２５表面の一部に歪みがあれば、その部分からの反射光は図４（ｂ）で示すように理想点像位置からずれた場所で結像される。
【００２９】
撮像素子５５１上で見ると、標本２２５またはカバーガラスの表面が理想的な平面であれば、図５（ａ）で示すように黒丸で示す結像点は規則的に見られる。一方、標本２２５表面（対象物表面）の一部に歪みがあれば、図５（ｂ）で示すように結像点は白丸で示す理想的な結像点からずれる。理想的な結像点と実際の結像点との差分は、標本２２５またはカバーガラスの表面の理想平面からの傾きを示すことになる。そのため、これらを各計測点でつなぎ合わせることで標本またはカバーガラス表面のＺ方向の凹凸を取得することができ、標本２２５またはカバーガラスの表面形状を取得することができる。このようにして、標本２２５表面の異なる複数の点における、撮像光学系３００の光軸に直交する方向（Ｘ、Ｙ方向）の位置および光軸に平行する方向（Ｚ方向）の位置に関する情報を取得する。
【００３０】
図６にて、撮像素子５５１上での標本位置、結像点位置、標本基準点ＢＰ１、カメラセンサ５５０が観察する領域５５０ａの関係を示す。標本基準点ＢＰ１は、カメラセンサ５５０から見る標本の代表的な位置を表す。以下、カメラ５４０から見る標本の代表的な位置である標本基準点ＢＰ０と区別するために、標本基準点ＢＰ０をカメラ標本基準点ＢＰ０とし、標本基準点ＢＰ１をセンサ標本基準点ＢＰ１とする。
【００３１】
センサ標本基準点ＢＰ１は、カメラ標本基準点ＢＰ０の位置と同様に、本体撮像系１０での撮像領域と計測光学系２０で決定した撮像領域４００ａを一致させるように決定される。つまり、センサ標本基準点ＢＰ１は、撮像領域４００ａにおけるカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置に決定される。そのため、センサ標本基準点ＢＰ１は、カメラ標本基準点ＢＰ０が決定されることで一意に決まる。
【００３２】
ここで、センサ標本基準点ＢＰ１の座標を（ａ１，ｂ１）とする。このとき、例えば図７で示すように、センサ標本基準点ＢＰ１を（Ｘａ１ｂ１，Ｙａ１ｂ１，Ｚａ１ｂ１）＝（０，０，０）といったデータで表現する。そして、センサ標本基準点ＢＰ１以外の点ではセンサ標本基準点ＢＰ１からの変位量（Ｘｘｙ，Ｙｘｙ，Ｚｘｙ）といったデータで表現する。ここで小文字ｘ、ｙは、表面形状データのセルの列行を示す。このようにして、標本２２５の表面形状を計測し取得する。
【００３３】
次に、標本２２５を撮像するために、標本ステージ２１０を駆動し、カメラ標本基準点ＢＰ０を本体基準点に一致させる（Ｓｔｅｐ１０３）。
【００３４】
図１に戻って、以下に、本体撮像系１０の詳細を示す。照明光学系１００は、光源ユニット１１０で発せられる光をオプティカルインテグレータ部１２０で重畳し、標本２２５の面全体を均一な照度で照明する。光源ユニット１１０は標本２２５を照明するための光束を放射しており、例えば１つまたは複数のハロゲンランプやキセノンランプ、ＬＥＤ等で構成されている。撮像光学系３００は、照明された標本２２５の像を広画角かつ高い解像度で撮像面に結像する光学系である。図８（ａ）で示す標本２２５は、撮像光学系３００によって、撮像面で図８（ｂ）の点線で示すように像２２５Ａとして結像される。
【００３５】
撮像部４００は、撮像ステージ４１０と、電気回路基板４２０と撮像素子４３０と合焦センサ４４０で構成される。撮像素子４３０は、図８（ｂ）で示すように、電気回路基板４２０上に隙間を空けて配置されており、撮像ステージ４１０で撮像光学系３００の結像面に一致するように配置されている。合焦センサ４４０は、合焦位置検出手段であり、標本２２５の合焦位置検出点を検出する。合焦センサ４４０は、電気回路基板４２０上に配置されるが、本体撮像系１０と計測光学系２０の位置合わせをする際の本体基準点としての役割を持つ。
【００３６】
合焦センサ４４０は、例えば均一照明された標本を撮像した画像のコントラストを高速で処理できる二次元撮像素子であってもよいし、光量で焦点位置を決定するために複数の光量計で構成してもよい。ここで、合焦位置情報取得のための合焦センサ４４０の構成や合焦位置取得方法について、複数の光量計で構成した場合についての例を、図９を用いて説明する。
【００３７】
合焦センサ４４０は、図９（ａ）に示すように撮像光学系３００からの光３０１をハーフプリズム４４２によって分割し、異なる位置の光量を光量センサ４４１で取得するように構成されている。２つの光量センサ４４１の受光面４４１ａ、４４１ｂは撮像光学系３００によってできる最小スポットサイズと同程度の大きさとすることで、ピンホールと同じ効果を持たせている。また、２つの受光面４４１ａ、４４１ｂは撮像光学系３００の像面から等距離となるように調整されており、２つの受光面４４１ａ、４４１ｂが同じ光量を検出した時に撮像光学系３００の像面と標本２２５の結像位置が一致するように構成されている。
【００３８】
図９（ｂ）は、結像位置によって変化する２つの受光面４４１ａ、４４１ｂに入射する光量Ｉａ、Ｉｂを縦軸に、横軸を結像位置として実線と点線で表したものである。図９（ｃ）では、（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）を縦軸に、横軸を結像位置として表している。図９（ｂ）に示すように、それぞれの光量センサに入射する光量の曲線は同じ形状でピークを持った形状となる。このとき、図９（ｃ）に示すように、（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）は、ある結像位置では０となり、撮像素子４４０と標本２２５の結像位置が一致している状態となる。（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）が正の場合は前ピン状態、負の場合は後ピン状態というように２つの光量センサ４４１で受ける光量の差や比によって結像位置情報を定量的に計測することができる。
【００３９】
また、合焦位置情報取得の際は暗視野照明として、標本２２５の散乱光のみを取得することで、信頼性を高めることができる。たとえば、照明光学系１００からの照明ＮＡを撮像光学系３００で取り込めるＮＡよりも大きくして、照明光が撮像光学系３００内に入らないようにすれば、標本２２５の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ａ）のようになる。
【００４０】
もしくは、照明光学系１００からの照明を、撮像光学系の光軸にきわめて平行にしつつ、撮像光学系３００の瞳面等で照明光を遮光部３５０により遮光する構成にしても、標本２２５の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ｂ）のようになる。
【００４１】
また、図１１のように、照明光学系１００とは別の照明光学系１１１を用意し、撮像光学系３００で取り込める範囲３１１よりも大きい角度で斜め方向から照明する。すると、標本部からの反射光が撮像光学系３００に取り込まれず、標本２２０の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ｃ）のようになる。
【００４２】
また、合焦専用のセンサを持たず、複数ある撮像素子４３０のどれかを合焦センサとして選択し、さらに選択した撮像素子の特定の画素を本体基準点とし、上述の方法を適用して焦点を合わせることもできる。
【００４３】
以上のような構成、方法により、合焦センサ４４０で合焦位置を決定する。
【００４４】
標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させながら、合焦センサ４４０で標本２２５のカメラ標本基準点ＢＰ０における合焦位置を求める（Ｓｔｅｐ１０４）。
【００４５】
ここでは、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ４４０が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように標本２２５を配置する。標本２２５の画像を取得する際には、表面だけでなく、内部に焦点を合せて撮像する場合もあるため、合焦位置検出点は、標本２２５の表面だけでなく、標本２２５の内部にとることもできる。
【００４６】
そして、カメラ標本基準点ＢＰ０で合焦した後、計測光学系５００で得た表面形状データを標本全体に適用する（Ｓｔｅｐ１０５）。
【００４７】
ここではまず、カメラ標本基準点ＢＰ０と本体基準点を撮像光学系３００で物点と像点の合焦関係にさせる。そして、カメラ標本基準点ＢＰ０以外の部分は、合焦センサ４４０の検出結果と予め得られた表面形状データを用いて、合焦位置決定手段としての処理部６１０でその合焦位置を決定する。このとき、センサ標本基準点ＢＰ１を、撮像領域４００ａにおけるカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置に設定している場合は、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を基準として、予め得られた表面形状データを適用する。つまり、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を表面形状データの基準点であるセンサ標本基準点ＢＰ１に対応させ、センサ標本基準点ＢＰ１からの差分（表面形状）をＺ方向の焦点位置ずれとして適用することで、標本全面における合焦位置を決定する。そして、センサ標本基準点ＢＰ１を、カメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置とは異なる位置に設定している場合は、表面形状データの中のカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置とカメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を対応させる。そして、表面形状データを標本全面に適用する。
【００４８】
このようにすることで、少ない合焦動作で、標本２２５の表面から内部にわたって合焦位置を取得することが可能となる。
【００４９】
ただし、撮像素子部側での焦点位置ずれ量に関しては、撮像光学系３００の光学（横）倍率βを考慮する。例えば、撮像光学系が奇数回結像し、標本上の任意の点（Ｘｘｙ，Ｙｘｙ）でセンサ標本基準点ＢＰ１に対してＺｘｙの焦点ずれがある場合を考える。その場合、撮像面側ではＸＹ平面上の点（−Ｘｘｙ×β，−Ｙｘｙ×β）の位置でＺｘｙ×β２の焦点ずれを適用する。
【００５０】
そして、実際に画面全体の焦点位置を合わせる場合は、標本ステージ２１０と各撮像素子４３０の位置が共役関係になるように、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ１０６）。例えば、図１２で示すように、Ｚ方向の駆動、ＸＹ軸回りの回転を可能なように各撮像素子を構成する。そして、表面形状と倍率βを考慮し、標本２２５に合焦した状態で撮像できるように、合焦位置の決定結果を用いて各撮像素子４３０を駆動する。また、標本全体の焦点位置ずれ量が最小になるように標本ステージ２１０をＺ方向に駆動したりＸＹ軸回りに傾けたりしてもよい。
【００５１】
ここまでが画面全体の焦点を合わせて画像を取得するまでの手順であるが、本例において撮像部は複数の撮像素子４３０が離散的に配置されているため、一度の撮像では、画面全体を撮像できない。ゆえに、標本２２５と撮像部４００を、撮像光学系３００の光軸方向に垂直な平面に対して相対的に変動させながら撮像し、離散的な画像を合成することで標本全体の画像を形成する必要がある。
【００５２】
ここから、標本全体を一枚の画像として撮像する際の、標本２２５および標本ステージ２１０の動きと撮像光学系３００や撮像部４００の関係について説明する。図１３にて、複数の撮像素子４３０を格子状に配置し、標本部２００をＸＹ平面上で３回ずらしながらその都度撮像し、撮像画像を張り合わせている例を示す。図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、標本ステージ２１０を、撮像光学系３００の光軸に対して垂直な方向に、各撮像素子４３０の間を埋めるようにしてずらしながら撮像した場合における、撮像素子４３０と標本の像２２５’の関係を示す。
【００５３】
図１３（ａ）の位置で１回目の撮像を行った場合、標本２２５の像２２５’は図１３（ｅ）に示すように撮像素子の存在する領域のみ（影部）が離散的に撮像される。次に、標本ステージ２１０をずらし図１３（ｂ）の位置で２回目の撮像を行った場合、先に取得した画像と組み合わせると、図１３（ｆ）に示す影部を撮像していることになる。更に、標本ステージ２１０をずらし図１３（ｃ）の位置で３回目の撮像を行った場合、先に取得した画像と組み合わせると、図１３（ｇ）に示す影部を撮像していることになる。更に標本ステージ２１０をずらして図１３（ｄ）の位置に標本２２５を移動させて撮像し、これまでの３回の撮像で取得した画像と重なり合わせると、図１３（ｈ）で示す撮像領域全体を画像化することができる。
【００５４】
このようにして標本全体の画像を取得するが、合焦した画像を取得するために、上記４回の撮像それぞれで、図１４のＳｔｅｐ１０４〜Ｓｔｅｐ１０６の焦点合わせを行う。
【００５５】
以上が、大画角の光学系と複数の撮像素子を使って、合焦した高分解の全体画像を形成する方法である。
【００５６】
（第２実施形態）
第１実施形態では、標本２２５の表面形状を計測し、カメラ標本基準点ＢＰ０を本体基準点と一致させた。そして、カメラ標本基準点ＢＰ０で撮像光学系の焦点位置を合わせ、表面形状のうねりに合わせて撮像素子等を駆動することで点ＢＰ０以外の複数の点でも焦点位置を合わせ、標本全体の合焦画像を取得した。
【００５７】
しかし、計測光学系２０側から本体撮像系１０側にプレパラート２２０を搬送する間に、衝撃等によりプレパラート２２０が傾いてしまったような場合には、傾きを補正する必要がある。その場合、撮像部４００に３点以上の合焦センサを一直線に並ばないように配置し、それらの合焦位置計測結果から標本２２５の傾きを算出して、標本ステージ２１０で傾きを補正することで、標本全体の合焦画像を取得してもよい。
【００５８】
この場合の合焦方法について、図１６に示す合焦手順に従って示す。ここでは第１実施形態の撮像の手順と同じ部分は省き、標本２２５を合焦する手順の部分のみを示す。
【００５９】
３点の基準点のうち、１点が全面の合焦位置の基準となるカメラ標本基準点ＢＰ０であり、その他は傾き検出点ＴＰとする（図１５（ａ））。まず、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動し、合焦センサ４４０でカメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰの合焦位置を取得する（Ｓｔｅｐ２０１）。
【００６０】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置が決定したときの、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置と傾き検出点ＴＰでの合焦位置（Ｚ方向）の差分を計算する（Ｓｔｅｐ２０２）。
【００６１】
そして、予め計測光学系２０で得た表面形状の結果から、カメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰにおける合焦位置（Ｚ方向）の差分を計算する（Ｓｔｅｐ２０３）。
【００６２】
Ｓｔｅｐ２０２とＳｔｅｐ２０３の合焦位置の差分を比べ（Ｓｔｅｐ２０４）、所定量以内であれば標本ステージ２１０の傾き補正は行わず合焦処理を完了し、所定量を超えていれば傾き量を計算する（Ｓｔｅｐ２０５）。
【００６３】
Ｓｔｅｐ２０５で求めた傾き量を使って、標本ステージ２１０を駆動し、カメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰにおける合焦位置（Ｚ方向）の差分が所定量以内となるように傾きを補正する（Ｓｔｅｐ２０６）。
【００６４】
以上により、標本２２５の表面形状を計測し、カメラ標本基準点ＢＰ０での焦点位置を合わせ、表面形状（うねり）に合わせて焦点位置ずれを計算し、標本部２００の駆動で発生した傾きを補正することで、標本全体の合焦画像を取得することができる。なお、傾きずれが大きい場合、Ｓｔｅｐ２０６からＳｔｅｐ２０１に戻り、同手順を繰り返し行っても良い。
【００６５】
このようにすることで、より精度良く焦点合わせを行うことができる。
【００６６】
（第３実施形態）
第１実施形態と第２実施形態で撮像光学系と計測光学系の光軸は異なっているが、例えば、図１７に示すように、撮像光学系の光軸をハーフミラー等で分岐して、両者の光軸を一部同じにしても良い。この例では、計測光学系用の光源５２０からの光で標本２２５を照明し、その標本をカメラ５４０で撮像すると同時に、標本の表面形状をカメラセンサ５５０で計測している。
【００６７】
この場合の合焦方法について、図１８に示す合焦手順に従って示す。まず、標本部２００を本体撮像系１０で計測できる位置に配置し（Ｓｔｅｐ３０１）、計測光学系２０で、標本部２００に置かれている標本２２５の大きさ、撮像領域４００ａ、カメラ標本基準点ＢＰ０、表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ３０２）。
【００６８】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ（本体基準点）が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように、標本ステージ２１０をＸＹ平面上で駆動させ、標本２２５の撮像領域を調整する（Ｓｔｅｐ３０３）。
【００６９】
そして、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させながら、合焦センサでカメラ標本基準点ＢＰ０における合焦位置を求める（Ｓｔｅｐ３０４）。このとき、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサが撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように標本２２５を配置する。
【００７０】
第１実施形態のＳｔｅｐ１０５で説明したように、カメラ標本基準点ＢＰ０で合焦した後、本体基準点と、計測光学系５００で得た表面形状データの基準点であるセンサ標本基準点ＢＰ１を一致させながら、画面全体に適用する（Ｓｔｅｐ３０５）。
【００７１】
画面全体の焦点位置を合わせる場合は、標本ステージと撮像素子の位置が共役関係になるように、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ３０６）。
【００７２】
Ｓｔｅｐ３０４からＳｔｅｐ３０６は、第２実施形態に倣って合焦センサを複数配置し、傾き検出の動作を入れるように変更してもよい。
【００７３】
以上のようにすると、精度良く標本の全体画像を短時間で形成することができる。
【００７４】
（第４実施形態）
第１実施形態から第３実施形態までは、シャックハルトマン型センサを用いて標本の表面形状を計測し、本体撮像系における基準点で焦点を合わせ、表面形状の結果から間接的に標本全体の焦点位置を決定していた。
【００７５】
しかし、撮像部４００において、図１９のように各撮像素子４３０の間に複数の合焦センサを配置し、合焦センサのみで合焦位置を計測しても良い。この場合の合焦方法について、図２０に示す装置全体図と、図２１に示す合焦手順に従って示す。
【００７６】
まず、標本部２００を本体撮像系１０で計測できる位置に配置し（Ｓｔｅｐ４０１）、計測光学系２０で、標本２２５の大きさ、撮像領域４００ａ、カメラ標本基準点ＢＰ０、表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ４０２）。
【００７７】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ（本体基準点）が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させ、撮像領域を調整する（Ｓｔｅｐ４０３）。
【００７８】
そして、標本ステージ２１０を撮像光学系３００のＺ方向に駆動させながら、カメラ標本基準点ＢＰ０における標本２２５の合焦位置を求めつつ、カメラ標本基準点ＢＰ０と共役でない位置に配置される合焦センサでも合焦位置を計測する（Ｓｔｅｐ４０４）。
【００７９】
そうすると、複数点での合焦位置の結果から、合焦センサがない部分を含む画面内全面の合焦位置を割り出せる（Ｓｔｅｐ４０５）。
【００８０】
合焦位置の計算結果を画面全体の焦点位置を合わせるために、標本と撮像素子の位置が共役関係になるよう、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ４０６）。
【００８１】
また、Ｓｔｅｐ４０４では、焦点位置を精密に求めるために、標本ステージ２１０をＸＹ平面内で駆動させつつ、そのたびに各合焦センサで合焦位置を割り出し、合焦位置計測点を増やすことで、画面全体の焦点位置合わせ精度を高めてもよい。
【００８２】
以上、本発明の撮像装置の実施形態として顕微鏡に適用した場合について説明した。各実施形態では標本に照射する光の透過光を像面に結像する透過型の光学系について示したが、落射型の光学系でも良い。
【００８３】
また、いくつかの実施形態を示したが、多数の標本を撮像する場合では、第１実施形態や第２実施形態のように本体撮像系と計測光学系を分けて両者における処理を並列（同時）に行うことで、複数の標本を短時間で撮像できる。つまり、計測光学系では第１の検体の表面形状計測を行い、それと並行して、本体撮像系では第２の検体の撮像を行う。
【００８４】
また、少数の標本を撮像する装置であれば、第３実施形態や第４実施形態で示すように、本体撮像系と計測光学系の光軸を一部同じにすることでコンパクトな構成にすることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１ 撮像装置
１０ 本体撮像系
２０ 計測光学系
１００ 照明光学系
２２５ 標本
３００ 撮像光学系
４００ 撮像部
４３０ 撮像素子
４４０ 合焦センサ
５５０ カメラセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の像を取得するデジタル顕微鏡等の撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、検体全体から、細胞組織の細部にわたる外形情報を電子化画像として取り込み、モニターに表示して観察することができる撮像装置が注目されている。
【０００３】
この種の撮像装置は、対象物を観察するのに必要な対物レンズの解像度（＜１μｍ）に対して、対象物の寸法が大きい（数ｍｍ〜数十ｍｍ）という特徴がある。そこで、高い解像力でかつ広視野の画像を形成するためには、視野は狭いが解像度の高い対物レンズを用いて対象物の異なる部分の撮像を行い、各部分の画像をつなぎ合わせて一枚の全体画像を得る必要がある。
【０００４】
しかしながら、対象物の部分毎に焦点ずれを計測し、焦点合わせを行って撮像していたのでは、一枚の全体画像を得るのに時間が掛かる。そこで、特許文献１は、スライドグラス上の３点以上の場所で焦点合わせを行い、標本（対象物）を保持するスライドグラスの傾きを求めることで、焦点合わせを行った３点以外の点における焦点位置を計算により推定することを開示している。また、特許文献２は、標本が存在する領域を予め求めておき、その中で基準点３点の焦点位置を計測してその３点を含む平面式を求め、求めた平面式から任意の位置での焦点位置を求めることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特登録０４３３２９０５
【特許文献２】特開２００４−１９１９５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２は、対象物表面の３点の焦点位置からそれらを含む平面式を取得しているが、実際の標本の表面は平面であるとは限らない。そのため、特許文献１や２の方法では、求めた任意の位置の焦点位置と実際の焦点位置が大きくずれ、ぼけた画像になってしまう、あるいは焦点合わせを再度行うことでより時間が掛かってしまう可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、より精度良く任意の位置での対象物の焦点位置を決定し、対象物の全体画像をより短時間で取得可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、対象物の表面形状を計測する計測部と、光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物表面を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする撮像装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より精度良く任意の位置での対象物の焦点位置を決定し、対象物の全体画像をより短時間で取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像装置全体図
【図２】標本部２００を表す図
【図３】標本位置と撮像領域とカメラ標本基準点ＢＰ０の関係
【図４】シャックハルトマン型波面センサ
【図５】シャックハルトマン型波面センサでの結像点位置を表す図
【図６】標本位置と撮像領域とセンサ標本基準点ＢＰ１の関係
【図７】センサ基準点ＢＰ１とその他の場所における表面形状のデータを表す図
【図８】結像面の標本像を表す図
【図９】合焦センサ部の構成と合焦原理を表す図
【図１０】照明光と散乱光の光路を表す図
【図１１】焦点位置取得時の照明を表す図
【図１２】合焦位置に合わせた撮像素子の高さ調節を表す図
【図１３】複数回の撮像による全体像取得を表す図
【図１４】標本を合焦させる手順を示す図
【図１５】カメラ標本基準点ＢＰ０・傾き検出点ＴＰと合焦センサの関係を示す図
【図１６】標本を合焦させる手順を示す図
【図１７】撮像装置全体図
【図１８】標本を合焦させる手順を示す図
【図１９】多数の合焦センサを有する撮像部を表す図
【図２０】撮像装置全体図
【図２１】標本を合焦させる手順を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明における撮像装置の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は本発明における撮像装置の第１実施形態の概要図である。
【００１３】
図１において、撮像装置１は、高い解像度でかつ広い視野を撮像するための撮像部である本体撮像系１０と、観察対象物である標本の位置及び表面形状を計測するための計測部である計測光学系２０を含んで構成される。
【００１４】
本体撮像系１０は、標本２２５が配置されている被照射面に光源ユニット１１０からの光を導く照明光学系１００、標本の像を結像するための撮像光学系３００、撮像光学系３００の像面に複数の撮像素子４３０を配置した撮像素子部４００を有する。
【００１５】
また、計測光学系２０は、標本ステージ２１０の位置を計測する位置計測器５１０、標本を照明するための光源５２０、ハーフミラー５３０、標本の位置を計測するカメラ５４０、標本の表面形状を計測するためのカメラセンサ５５０を有する。
【００１６】
標本２２５は、例えばスライドガラスとカバーガラス（不図示、カバーガラスがない場合もある）との間に配置され、プレパラート２２０が構成される。そして、プレパラート２２０は、標本ステージ２１０上に載置され、標本ステージ２１０により本体撮像系１０と計測光学系２０の間で搬送される。
【００１７】
以下、撮像光学系３００の光軸をＺ方向、撮像光学系３００の光軸に垂直な平面をＸＹ平面とする。
【００１８】
次に、プレパラート２２０が標本ステージに載置された後、図１４に示す標本の全体画像を取得する流れに沿って、これらの構成物の詳細を示す。
【００１９】
まず、標本２２５を計測光学系２０で計測できる位置に配置する（Ｓｔｅｐ１０１）。
【００２０】
そして、計測光学系２０で、標本２２５の大きさ、撮像領域、撮像位置（標本基準点）及び表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ１０２）。
【００２１】
カメラ５４０は、光源５２０からハーフミラー５３０を介して照明された光の透過光を利用し、標本ステージ２１０上における標本２２５の位置を認識するために標本２２５を撮像する。これにより、標本２２５の大きさや撮像領域、撮像位置等を計測する。カメラセンサ５５０は、シャックハルトマン型波面センサであり、標本２２５の表面形状を計測する。また、カバーガラスが標本２２５上に配置されている場合、カバーガラスの表面形状に沿って標本２２５の表面形状も変形するとも言われている。そのため、カバーガラスが標本２２５上に配置されている場合は、カバーガラスの表面形状を計測することで、それを標本２２５の表面形状としてもよい。
【００２２】
標本ステージ２１０は、プレパラート２２０の位置を、Ｚ方向やＸ、Ｙ方向、もしくはＺ方向に対して傾くように変えることができ、標本２２５と被照射面とが一致するように駆動する。図２では、標本ステージ２１０におけるプレパラート２２０及び標本２２５の位置と、カメラ５４０が撮像する領域５４０ａ、本撮像での撮像領域４００ａ、標本基準点ＢＰ０を示している。本撮像での撮像領域４００ａ、標本基準点ＢＰ０、標本の表面形状は、それぞれ処理部６１０で決定される。
【００２３】
撮像領域４００ａは、標本２２５の大きさ、形及び位置と撮像光学系３００で撮像できる範囲とから決定される。
【００２４】
図３に示すように、標本基準点ＢＰ０は、カメラ５４０から見る標本の代表的な位置を表し、撮像領域４００ａを決定した後、撮像した画像の座標（ａ０，ｂ０）として決定される。
【００２５】
標本基準点ＢＰ０は、例えば本体撮像系１０の基準点を撮像光学系３００の光軸中心とした場合、計測光学系２０で決定した撮像領域４００ａを本体撮像系１０での撮像領域と一致させたときに、撮像光学系３００の光軸中心に対応する位置に決定される。そのため、標本基準点ＢＰ０は、予め決定された本体撮像系１０の基準点（本体基準点）の位置に従って決定される。
【００２６】
ステージ駆動量は、装置組み立て時に予め取得しておいた「ステージ位置（位置計測器５１０で計測）」、「画像座標」、「本体撮像系の基準位置（本体基準点）」の３点における位置関係データを使い、本体基準点と標本基準点ＢＰ０を一致させるように算出する。
【００２７】
このようにして、本撮像での撮像領域４００ａ、標本の表面形状、標本の位置（標本基準点ＢＰ０）が決定される。
【００２８】
次に、カメラセンサ５５０を使って、標本２２５またはカバーガラスの表面形状を計測する方法を示す。カメラセンサ５５０は、上述したようにシャックハルトマン型波面センサであり、図４で示すように、撮像素子５５１とマイクロレンズアレイ５５２で構成される。カメラセンサ５５０は、光源５２０とハーフミラー５３０によって照明された標本２２５またはカバーガラスの反射光を受光する。そのとき、カメラセンサ５５０のマイクロレンズアレイ５５２に入射した光は、撮像素子５５１上に複数の点像を形成する。もし、標本２２５またはカバーガラスからの反射光が、理想的な平面であったとき、点像は図４（ａ）で示すように等間隔に配列される。逆に標本２２５表面の一部に歪みがあれば、その部分からの反射光は図４（ｂ）で示すように理想点像位置からずれた場所で結像される。
【００２９】
撮像素子５５１上で見ると、標本２２５またはカバーガラスの表面が理想的な平面であれば、図５（ａ）で示すように黒丸で示す結像点は規則的に見られる。一方、標本２２５表面（対象物表面）の一部に歪みがあれば、図５（ｂ）で示すように結像点は白丸で示す理想的な結像点からずれる。理想的な結像点と実際の結像点との差分は、標本２２５またはカバーガラスの表面の理想平面からの傾きを示すことになる。そのため、これらを各計測点でつなぎ合わせることで標本またはカバーガラス表面のＺ方向の凹凸を取得することができ、標本２２５またはカバーガラスの表面形状を取得することができる。このようにして、標本２２５表面の異なる複数の点における、撮像光学系３００の光軸に直交する方向（Ｘ、Ｙ方向）の位置および光軸に平行する方向（Ｚ方向）の位置に関する情報を取得する。
【００３０】
図６にて、撮像素子５５１上での標本位置、結像点位置、標本基準点ＢＰ１、カメラセンサ５５０が観察する領域５５０ａの関係を示す。標本基準点ＢＰ１は、カメラセンサ５５０から見る標本の代表的な位置を表す。以下、カメラ５４０から見る標本の代表的な位置である標本基準点ＢＰ０と区別するために、標本基準点ＢＰ０をカメラ標本基準点ＢＰ０とし、標本基準点ＢＰ１をセンサ標本基準点ＢＰ１とする。
【００３１】
センサ標本基準点ＢＰ１は、カメラ標本基準点ＢＰ０の位置と同様に、本体撮像系１０での撮像領域と計測光学系２０で決定した撮像領域４００ａを一致させるように決定される。つまり、センサ標本基準点ＢＰ１は、撮像領域４００ａにおけるカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置に決定される。そのため、センサ標本基準点ＢＰ１は、カメラ標本基準点ＢＰ０が決定されることで一意に決まる。
【００３２】
ここで、センサ標本基準点ＢＰ１の座標を（ａ１，ｂ１）とする。このとき、例えば図７で示すように、センサ標本基準点ＢＰ１を（Ｘａ１ｂ１，Ｙａ１ｂ１，Ｚａ１ｂ１）＝（０，０，０）といったデータで表現する。そして、センサ標本基準点ＢＰ１以外の点ではセンサ標本基準点ＢＰ１からの変位量（Ｘｘｙ，Ｙｘｙ，Ｚｘｙ）といったデータで表現する。ここで小文字ｘ、ｙは、表面形状データのセルの列行を示す。このようにして、標本２２５の表面形状を計測し取得する。
【００３３】
次に、標本２２５を撮像するために、標本ステージ２１０を駆動し、カメラ標本基準点ＢＰ０を本体基準点に一致させる（Ｓｔｅｐ１０３）。
【００３４】
図１に戻って、以下に、本体撮像系１０の詳細を示す。照明光学系１００は、光源ユニット１１０で発せられる光をオプティカルインテグレータ部１２０で重畳し、標本２２５の面全体を均一な照度で照明する。光源ユニット１１０は標本２２５を照明するための光束を放射しており、例えば１つまたは複数のハロゲンランプやキセノンランプ、ＬＥＤ等で構成されている。撮像光学系３００は、照明された標本２２５の像を広画角かつ高い解像度で撮像面に結像する光学系である。図８（ａ）で示す標本２２５は、撮像光学系３００によって、撮像面で図８（ｂ）の点線で示すように像２２５Ａとして結像される。
【００３５】
撮像部４００は、撮像ステージ４１０と、電気回路基板４２０と撮像素子４３０と合焦センサ４４０で構成される。撮像素子４３０は、図８（ｂ）で示すように、電気回路基板４２０上に隙間を空けて配置されており、撮像ステージ４１０で撮像光学系３００の結像面に一致するように配置されている。合焦センサ４４０は、合焦位置検出手段であり、標本２２５の合焦位置検出点を検出する。合焦センサ４４０は、電気回路基板４２０上に配置されるが、本体撮像系１０と計測光学系２０の位置合わせをする際の本体基準点としての役割を持つ。
【００３６】
合焦センサ４４０は、例えば均一照明された標本を撮像した画像のコントラストを高速で処理できる二次元撮像素子であってもよいし、光量で焦点位置を決定するために複数の光量計で構成してもよい。ここで、合焦位置情報取得のための合焦センサ４４０の構成や合焦位置取得方法について、複数の光量計で構成した場合についての例を、図９を用いて説明する。
【００３７】
合焦センサ４４０は、図９（ａ）に示すように撮像光学系３００からの光３０１をハーフプリズム４４２によって分割し、異なる位置の光量を光量センサ４４１で取得するように構成されている。２つの光量センサ４４１の受光面４４１ａ、４４１ｂは撮像光学系３００によってできる最小スポットサイズと同程度の大きさとすることで、ピンホールと同じ効果を持たせている。また、２つの受光面４４１ａ、４４１ｂは撮像光学系３００の像面から等距離となるように調整されており、２つの受光面４４１ａ、４４１ｂが同じ光量を検出した時に撮像光学系３００の像面と標本２２５の結像位置が一致するように構成されている。
【００３８】
図９（ｂ）は、結像位置によって変化する２つの受光面４４１ａ、４４１ｂに入射する光量Ｉａ、Ｉｂを縦軸に、横軸を結像位置として実線と点線で表したものである。図９（ｃ）では、（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）を縦軸に、横軸を結像位置として表している。図９（ｂ）に示すように、それぞれの光量センサに入射する光量の曲線は同じ形状でピークを持った形状となる。このとき、図９（ｃ）に示すように、（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）は、ある結像位置では０となり、撮像素子４４０と標本２２５の結像位置が一致している状態となる。（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）が正の場合は前ピン状態、負の場合は後ピン状態というように２つの光量センサ４４１で受ける光量の差や比によって結像位置情報を定量的に計測することができる。
【００３９】
また、合焦位置情報取得の際は暗視野照明として、標本２２５の散乱光のみを取得することで、信頼性を高めることができる。たとえば、照明光学系１００からの照明ＮＡを撮像光学系３００で取り込めるＮＡよりも大きくして、照明光が撮像光学系３００内に入らないようにすれば、標本２２５の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ａ）のようになる。
【００４０】
もしくは、照明光学系１００からの照明を、撮像光学系の光軸にきわめて平行にしつつ、撮像光学系３００の瞳面等で照明光を遮光部３５０により遮光する構成にしても、標本２２５の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ｂ）のようになる。
【００４１】
また、図１１のように、照明光学系１００とは別の照明光学系１１１を用意し、撮像光学系３００で取り込める範囲３１１よりも大きい角度で斜め方向から照明する。すると、標本部からの反射光が撮像光学系３００に取り込まれず、標本２２０の散乱光のみを取得することができる。これを、照明光を実線、散乱光を点線として模式的に表すと、図１０（ｃ）のようになる。
【００４２】
また、合焦専用のセンサを持たず、複数ある撮像素子４３０のどれかを合焦センサとして選択し、さらに選択した撮像素子の特定の画素を本体基準点とし、上述の方法を適用して焦点を合わせることもできる。
【００４３】
以上のような構成、方法により、合焦センサ４４０で合焦位置を決定する。
【００４４】
標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させながら、合焦センサ４４０で標本２２５のカメラ標本基準点ＢＰ０における合焦位置を求める（Ｓｔｅｐ１０４）。
【００４５】
ここでは、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ４４０が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように標本２２５を配置する。標本２２５の画像を取得する際には、表面だけでなく、内部に焦点を合せて撮像する場合もあるため、合焦位置検出点は、標本２２５の表面だけでなく、標本２２５の内部にとることもできる。
【００４６】
そして、カメラ標本基準点ＢＰ０で合焦した後、計測光学系５００で得た表面形状データを標本全体に適用する（Ｓｔｅｐ１０５）。
【００４７】
ここではまず、カメラ標本基準点ＢＰ０と本体基準点を撮像光学系３００で物点と像点の合焦関係にさせる。そして、カメラ標本基準点ＢＰ０以外の部分は、合焦センサ４４０の検出結果と予め得られた表面形状データを用いて、合焦位置決定手段としての処理部６１０でその合焦位置を決定する。このとき、センサ標本基準点ＢＰ１を、撮像領域４００ａにおけるカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置に設定している場合は、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を基準として、予め得られた表面形状データを適用する。つまり、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を表面形状データの基準点であるセンサ標本基準点ＢＰ１に対応させ、センサ標本基準点ＢＰ１からの差分（表面形状）をＺ方向の焦点位置ずれとして適用することで、標本全面における合焦位置を決定する。そして、センサ標本基準点ＢＰ１を、カメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置とは異なる位置に設定している場合は、表面形状データの中のカメラ標本基準点ＢＰ０に対応する位置とカメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置を対応させる。そして、表面形状データを標本全面に適用する。
【００４８】
このようにすることで、少ない合焦動作で、標本２２５の表面から内部にわたって合焦位置を取得することが可能となる。
【００４９】
ただし、撮像素子部側での焦点位置ずれ量に関しては、撮像光学系３００の光学（横）倍率βを考慮する。例えば、撮像光学系が奇数回結像し、標本上の任意の点（Ｘｘｙ，Ｙｘｙ）でセンサ標本基準点ＢＰ１に対してＺｘｙの焦点ずれがある場合を考える。その場合、撮像面側ではＸＹ平面上の点（−Ｘｘｙ×β，−Ｙｘｙ×β）の位置でＺｘｙ×β２の焦点ずれを適用する。
【００５０】
そして、実際に画面全体の焦点位置を合わせる場合は、標本ステージ２１０と各撮像素子４３０の位置が共役関係になるように、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ１０６）。例えば、図１２で示すように、Ｚ方向の駆動、ＸＹ軸回りの回転を可能なように各撮像素子を構成する。そして、表面形状と倍率βを考慮し、標本２２５に合焦した状態で撮像できるように、合焦位置の決定結果を用いて各撮像素子４３０を駆動する。また、標本全体の焦点位置ずれ量が最小になるように標本ステージ２１０をＺ方向に駆動したりＸＹ軸回りに傾けたりしてもよい。
【００５１】
ここまでが画面全体の焦点を合わせて画像を取得するまでの手順であるが、本例において撮像部は複数の撮像素子４３０が離散的に配置されているため、一度の撮像では、画面全体を撮像できない。ゆえに、標本２２５と撮像部４００を、撮像光学系３００の光軸方向に垂直な平面に対して相対的に変動させながら撮像し、離散的な画像を合成することで標本全体の画像を形成する必要がある。
【００５２】
ここから、標本全体を一枚の画像として撮像する際の、標本２２５および標本ステージ２１０の動きと撮像光学系３００や撮像部４００の関係について説明する。図１３にて、複数の撮像素子４３０を格子状に配置し、標本部２００をＸＹ平面上で３回ずらしながらその都度撮像し、撮像画像を張り合わせている例を示す。図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、標本ステージ２１０を、撮像光学系３００の光軸に対して垂直な方向に、各撮像素子４３０の間を埋めるようにしてずらしながら撮像した場合における、撮像素子４３０と標本の像２２５’の関係を示す。
【００５３】
図１３（ａ）の位置で１回目の撮像を行った場合、標本２２５の像２２５’は図１３（ｅ）に示すように撮像素子の存在する領域のみ（影部）が離散的に撮像される。次に、標本ステージ２１０をずらし図１３（ｂ）の位置で２回目の撮像を行った場合、先に取得した画像と組み合わせると、図１３（ｆ）に示す影部を撮像していることになる。更に、標本ステージ２１０をずらし図１３（ｃ）の位置で３回目の撮像を行った場合、先に取得した画像と組み合わせると、図１３（ｇ）に示す影部を撮像していることになる。更に標本ステージ２１０をずらして図１３（ｄ）の位置に標本２２５を移動させて撮像し、これまでの３回の撮像で取得した画像と重なり合わせると、図１３（ｈ）で示す撮像領域全体を画像化することができる。
【００５４】
このようにして標本全体の画像を取得するが、合焦した画像を取得するために、上記４回の撮像それぞれで、図１４のＳｔｅｐ１０４〜Ｓｔｅｐ１０６の焦点合わせを行う。
【００５５】
以上が、大画角の光学系と複数の撮像素子を使って、合焦した高分解の全体画像を形成する方法である。
【００５６】
（第２実施形態）
第１実施形態では、標本２２５の表面形状を計測し、カメラ標本基準点ＢＰ０を本体基準点と一致させた。そして、カメラ標本基準点ＢＰ０で撮像光学系の焦点位置を合わせ、表面形状のうねりに合わせて撮像素子等を駆動することで点ＢＰ０以外の複数の点でも焦点位置を合わせ、標本全体の合焦画像を取得した。
【００５７】
しかし、計測光学系２０側から本体撮像系１０側にプレパラート２２０を搬送する間に、衝撃等によりプレパラート２２０が傾いてしまったような場合には、傾きを補正する必要がある。その場合、撮像部４００に３点以上の合焦センサを一直線に並ばないように配置し、それらの合焦位置計測結果から標本２２５の傾きを算出して、標本ステージ２１０で傾きを補正することで、標本全体の合焦画像を取得してもよい。
【００５８】
この場合の合焦方法について、図１６に示す合焦手順に従って示す。ここでは第１実施形態の撮像の手順と同じ部分は省き、標本２２５を合焦する手順の部分のみを示す。
【００５９】
３点の基準点のうち、１点が全面の合焦位置の基準となるカメラ標本基準点ＢＰ０であり、その他は傾き検出点ＴＰとする（図１５（ａ））。まず、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動し、合焦センサ４４０でカメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰの合焦位置を取得する（Ｓｔｅｐ２０１）。
【００６０】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置が決定したときの、カメラ標本基準点ＢＰ０での合焦位置と傾き検出点ＴＰでの合焦位置（Ｚ方向）の差分を計算する（Ｓｔｅｐ２０２）。
【００６１】
そして、予め計測光学系２０で得た表面形状の結果から、カメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰにおける合焦位置（Ｚ方向）の差分を計算する（Ｓｔｅｐ２０３）。
【００６２】
Ｓｔｅｐ２０２とＳｔｅｐ２０３の合焦位置の差分を比べ（Ｓｔｅｐ２０４）、所定量以内であれば標本ステージ２１０の傾き補正は行わず合焦処理を完了し、所定量を超えていれば傾き量を計算する（Ｓｔｅｐ２０５）。
【００６３】
Ｓｔｅｐ２０５で求めた傾き量を使って、標本ステージ２１０を駆動し、カメラ標本基準点ＢＰ０と傾き検出点ＴＰにおける合焦位置（Ｚ方向）の差分が所定量以内となるように傾きを補正する（Ｓｔｅｐ２０６）。
【００６４】
以上により、標本２２５の表面形状を計測し、カメラ標本基準点ＢＰ０での焦点位置を合わせ、表面形状（うねり）に合わせて焦点位置ずれを計算し、標本部２００の駆動で発生した傾きを補正することで、標本全体の合焦画像を取得することができる。なお、傾きずれが大きい場合、Ｓｔｅｐ２０６からＳｔｅｐ２０１に戻り、同手順を繰り返し行っても良い。
【００６５】
このようにすることで、より精度良く焦点合わせを行うことができる。
【００６６】
（第３実施形態）
第１実施形態と第２実施形態で撮像光学系と計測光学系の光軸は異なっているが、例えば、図１７に示すように、撮像光学系の光軸をハーフミラー等で分岐して、両者の光軸を一部同じにしても良い。この例では、計測光学系用の光源５２０からの光で標本２２５を照明し、その標本をカメラ５４０で撮像すると同時に、標本の表面形状をカメラセンサ５５０で計測している。
【００６７】
この場合の合焦方法について、図１８に示す合焦手順に従って示す。まず、標本部２００を本体撮像系１０で計測できる位置に配置し（Ｓｔｅｐ３０１）、計測光学系２０で、標本部２００に置かれている標本２２５の大きさ、撮像領域４００ａ、カメラ標本基準点ＢＰ０、表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ３０２）。
【００６８】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ（本体基準点）が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように、標本ステージ２１０をＸＹ平面上で駆動させ、標本２２５の撮像領域を調整する（Ｓｔｅｐ３０３）。
【００６９】
そして、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させながら、合焦センサでカメラ標本基準点ＢＰ０における合焦位置を求める（Ｓｔｅｐ３０４）。このとき、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサが撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように標本２２５を配置する。
【００７０】
第１実施形態のＳｔｅｐ１０５で説明したように、カメラ標本基準点ＢＰ０で合焦した後、本体基準点と、計測光学系５００で得た表面形状データの基準点であるセンサ標本基準点ＢＰ１を一致させながら、画面全体に適用する（Ｓｔｅｐ３０５）。
【００７１】
画面全体の焦点位置を合わせる場合は、標本ステージと撮像素子の位置が共役関係になるように、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ３０６）。
【００７２】
Ｓｔｅｐ３０４からＳｔｅｐ３０６は、第２実施形態に倣って合焦センサを複数配置し、傾き検出の動作を入れるように変更してもよい。
【００７３】
以上のようにすると、精度良く標本の全体画像を短時間で形成することができる。
【００７４】
（第４実施形態）
第１実施形態から第３実施形態までは、シャックハルトマン型センサを用いて標本の表面形状を計測し、本体撮像系における基準点で焦点を合わせ、表面形状の結果から間接的に標本全体の焦点位置を決定していた。
【００７５】
しかし、撮像部４００において、図１９のように各撮像素子４３０の間に複数の合焦センサを配置し、合焦センサのみで合焦位置を計測しても良い。この場合の合焦方法について、図２０に示す装置全体図と、図２１に示す合焦手順に従って示す。
【００７６】
まず、標本部２００を本体撮像系１０で計測できる位置に配置し（Ｓｔｅｐ４０１）、計測光学系２０で、標本２２５の大きさ、撮像領域４００ａ、カメラ標本基準点ＢＰ０、表面形状を計測する（Ｓｔｅｐ４０２）。
【００７７】
次に、カメラ標本基準点ＢＰ０と合焦センサ（本体基準点）が撮像光学系３００に対して共役な位置関係となるように、標本ステージ２１０をＺ方向に駆動させ、撮像領域を調整する（Ｓｔｅｐ４０３）。
【００７８】
そして、標本ステージ２１０を撮像光学系３００のＺ方向に駆動させながら、カメラ標本基準点ＢＰ０における標本２２５の合焦位置を求めつつ、カメラ標本基準点ＢＰ０と共役でない位置に配置される合焦センサでも合焦位置を計測する（Ｓｔｅｐ４０４）。
【００７９】
そうすると、複数点での合焦位置の結果から、合焦センサがない部分を含む画面内全面の合焦位置を割り出せる（Ｓｔｅｐ４０５）。
【００８０】
合焦位置の計算結果を画面全体の焦点位置を合わせるために、標本と撮像素子の位置が共役関係になるよう、各々の相対位置を変える（Ｓｔｅｐ４０６）。
【００８１】
また、Ｓｔｅｐ４０４では、焦点位置を精密に求めるために、標本ステージ２１０をＸＹ平面内で駆動させつつ、そのたびに各合焦センサで合焦位置を割り出し、合焦位置計測点を増やすことで、画面全体の焦点位置合わせ精度を高めてもよい。
【００８２】
以上、本発明の撮像装置の実施形態として顕微鏡に適用した場合について説明した。各実施形態では標本に照射する光の透過光を像面に結像する透過型の光学系について示したが、落射型の光学系でも良い。
【００８３】
また、いくつかの実施形態を示したが、多数の標本を撮像する場合では、第１実施形態や第２実施形態のように本体撮像系と計測光学系を分けて両者における処理を並列（同時）に行うことで、複数の標本を短時間で撮像できる。つまり、計測光学系では第１の検体の表面形状計測を行い、それと並行して、本体撮像系では第２の検体の撮像を行う。
【００８４】
また、少数の標本を撮像する装置であれば、第３実施形態や第４実施形態で示すように、本体撮像系と計測光学系の光軸を一部同じにすることでコンパクトな構成にすることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１ 撮像装置
１０ 本体撮像系
２０ 計測光学系
１００ 照明光学系
２２５ 標本
３００ 撮像光学系
４００ 撮像部
４３０ 撮像素子
４４０ 合焦センサ
５５０ カメラセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面形状を計測する計測部と、
光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、
前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記対象物表面の異なる複数の点における、前記撮像光学系の光軸に直交する方向の位置および前記光軸の方向の位置に関する情報を取得し、
前記合焦位置決定手段は、前記合焦位置検出点での合焦位置を基準として前記情報を補正することで前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記計測部による前記対象物としての第１の検体の表面形状計測と前記撮像部による前記第１の検体とは異なる第２の検体の撮像とを同時に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項１】
対象物の表面形状を計測する計測部と、
光源からの光で前記対象物を照明する照明光学系と、前記光で照明された対象物を結像するための撮像光学系と、前記撮像光学系の像面に配置された複数の撮像素子と、前記対象物の合焦位置検出点が前記像面に結像するときの前記対象物の位置である合焦位置を検出するための合焦位置検出手段と、を有する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記合焦位置検出手段の検出結果と前記計測部の計測結果とを用いて、前記対象物の前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定する合焦位置決定手段を有し、
前記合焦位置決定手段の決定結果を用いて前記対象物を前記複数の撮像素子に合焦させた状態で撮像することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記対象物表面の異なる複数の点における、前記撮像光学系の光軸に直交する方向の位置および前記光軸の方向の位置に関する情報を取得し、
前記合焦位置決定手段は、前記合焦位置検出点での合焦位置を基準として前記情報を補正することで前記合焦位置検出点とは異なる点における前記対象物の合焦位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記計測部による前記対象物としての第１の検体の表面形状計測と前記撮像部による前記第１の検体とは異なる第２の検体の撮像とを同時に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−２５２５１（Ｐ２０１３−２５２５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２１５７（Ｐ２０１１−１６２１５７）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【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２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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