顕微鏡装置
【課題】マイクロレンズアレイを用いた技術を適用したうえで、解像力を向上させることができ、且つ解像力を任意に変更させることができる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】標本Ｓからの観察光を集光する観察光学系ＯＳ２と、観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズＭＬを有するマイクロレンズアレイ２６と、それぞれのマイクロレンズＭＬに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズＭＬを介して複数の画素で受光した観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子３０と、マイクロレンズアレイ２６に入射する前の観察光を受ける位置に配置され、観察光を偏向させて観察光が各マイクロレンズＭＬを介して撮像素子３０に受光される位置を相対的に移動させる像シフト装置４０と、撮像素子３０で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部３１とを備えて構成される。
【解決手段】標本Ｓからの観察光を集光する観察光学系ＯＳ２と、観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズＭＬを有するマイクロレンズアレイ２６と、それぞれのマイクロレンズＭＬに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズＭＬを介して複数の画素で受光した観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子３０と、マイクロレンズアレイ２６に入射する前の観察光を受ける位置に配置され、観察光を偏向させて観察光が各マイクロレンズＭＬを介して撮像素子３０に受光される位置を相対的に移動させる像シフト装置４０と、撮像素子３０で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部３１とを備えて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物を対物レンズの光軸に沿って移動させながら焦点位置の異なる複数の画像を取得し、被検物上のそれぞれの点について、それら複数の画像より合焦度が最大となる画像を選択して、その画像での焦点位置をその点についての高さとし、これらの情報から被検物の形状測定を行う手法が知られている。ところが、このような手法では、対物レンズの光軸に沿って被検物を移動させながら画像を取得する必要があり、測定に時間がかかっていた。そこで、下記の特許文献１では、複数のマイクロレンズを２次元状に配列して構成されたマイクロレンズアレイを用いて、被検物を対物レンズの光軸に沿って移動させることなく、多視差画像や全焦点画像を取得し、被検物の形状を測定できるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５４３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなマイクロレンズアレイを用いる技術を、標本（観察対象物）を種々の倍率で観察する顕微鏡装置に適用しようとした場合、顕微鏡装置としては解像力が足りないという問題があった。また、解像力を任意に変えることができないという問題もあった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロレンズアレイを用いた技術を適用したうえで、解像力を向上させることができ、且つ解像力を任意に変更させることができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡装置は、標本からの観察光を集光する観察光学系と、前記観察光学系により集光された前記観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、それぞれの前記マイクロレンズに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズを介して前記複数の画素で受光した前記観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子と、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させて前記観察光が各マイクロレンズを介して前記撮像素子に受光される位置を相対的に移動させる像シフト手段と、前記撮像素子で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを備えて構成される。
【０００７】
なお、上記構成の顕微鏡装置において、前記像シフト手段は、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させることにより前記撮像素子に受光される位置を移動させるように構成されることが好ましい。
【０００８】
また、上記構成の顕微鏡装置において、前記像シフト手段は、前記観察光を受ける位置に配置された平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを前記観察光の光軸に対して複数の傾斜角で傾斜させるカム面を有するカムリングと、前記カムリングを前記観察光の光軸を回転中心として回転駆動させるカムリング駆動手段とを備えて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る顕微鏡装置によれば、マイクロレンズアレイを用いた技術を適用したうえで、解像力を向上させることができ、且つ解像力を任意に変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図２】マイクロレンズアレイの構成について説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｂ）は、ある一つのマイクロレンズから見た像について説明する図である。
【図４】マイクロレンズアレイを介して結像された撮像素子の撮像面における画素配列示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｂ）は、標本が光軸方向に移動された場合に、撮像素子の撮像面における観察光の受光位置について説明する図である。説明する
【図６】本実施形態に係る像シフト装置の構成を示す図である。
【図７】平行平板ガラスに形成された各突起の位置について説明する図である。
【図８】撮像素子の撮像面における画素ずらし位置と画像取得順を撮像面上のｘｙ座標面で示した図である。
【図９】図８に示す画素ずらし位置で画素ずらしを行う場合の平行平板ガラスの傾斜角に対応する各突起の位置を示すグラフである。
【図１０】像シフト装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本実施形態について説明する。本実施形態に係る顕微鏡装置１は、図１に示すように、標本Ｓ（観察対象物）を載置支持する載置ステージ１０と、載置ステージ１０の上方に設けられた観察装置２０と、載置ステージ１０および観察装置２０の作動を制御する制御装置５０とを有して構成される。
【００１２】
載置ステージ１０は、装置フレーム５の上面に沿った一方向（Ｘ方向）に移動可能なＸステージ１２、およびＸステージ１２の移動方向に対して装置フレーム５の上面内で直交する方向（Ｙ方向）に移動可能なＹステージ１３からなるＸＹステージ１１と、ステージ駆動機構１５とを有して構成される。ステージ駆動機構１５は、制御装置５０からの制御信号に基づいてＸステージ１２およびＹステージ１３をそれぞれ独立して各方向に移動させ、ＸＹステージ１１（Ｙステージ１３）上に載置された標本Ｓと観察装置２０における対物レンズ２５との相対位置関係を調整する。なお、ＸＹステージ１１には手動調整用のダイヤル（図示せず）が設けられており、このダイヤルにより各ステージを移動させて標本Ｓと対物レンズ２５との相対位置関係を調整することも可能になっている。
【００１３】
観察装置２０は、ＸＹステージ１１の上方に設けられ、照明光学系ＯＳ１、観察光学系ＯＳ２および撮像素子３０を内部に備える鏡筒部２１と、画像処理部３１と、モニター３２とを有して構成される。鏡筒部２１は、不図示の駆動機構によりＸＹステージ１１に対して上下方向に（Ｚ方向）に移動可能になっている。
【００１４】
鏡筒部２１内には、図１に示すように、光源２２、コリメータレンズ２３、ハーフミラー２４、対物レンズ２５、像シフト装置４０およびマイクロレンズアレイ２６を備えている。このうち、光源２２、コリメータレンズ２３、ハーフミラー２４および対物レンズ２５が照明光学系ＯＳ１を構成しており、対物レンズ２５、ハーフミラー２４、像シフト装置４０およびマイクロレンズアレイ２６が観察光学系ＯＳ２を構成している。なお、対物レンズ２５は、説明の簡略化のために図１では単レンズで構成しているが、必要に応じて複数のレンズで構成することも可能である。
【００１５】
マイクロレンズアレイ２６は、複数のマイクロレンズＭＬを２次元状に並べてなる光学素子であり、標本Ｓの像を捕らえる対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。
【００１６】
撮像素子３０は、マイクロレンズアレイ２６を介して結像した標本Ｓの像を撮像するものであり、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。撮像素子３０は、制御装置５０からの制御信号に基づいて駆動制御され、結像した標本Ｓの像を撮像し、その画像データが画像処理部３１で処理されてモニター３２に表示されるようになっている。また、不図示のメモリに画像データが記憶される。
【００１７】
このように本実施形態では、対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置にマイクロレンズアレイ２６を配置し、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に撮像素子３０を配置しており、撮像素子３０の撮像面が標本Ｓの表面（物体面）と共役になっている。
【００１８】
照明光学系ＯＳ１の光源２２から射出された照明光は、コリメータレンズ２３によって平行光となりハーフミラー２４に入射する。ハーフミラー２４で反射された照明光は、対物レンズ２５により集光されてＸＹステージ１１上に載置支持された標本Ｓに照射される。
【００１９】
照明光学系ＯＳ１により標本Ｓに照明光が照射されると、標本Ｓの表面で反射された観察光が生じ、このうち対物レンズ２５に再び入射した観察光がハーフミラー２４に入射する。ハーフミラー２４を透過した観察光は、像シフト装置４０を透過した後、マイクロレンズアレイ２６に入射し、マイクロレンズアレイ２６を構成する複数のマイクロレンズＭＬのそれぞれによって撮像素子３０の撮像面に結像される。このとき、撮像素子３０の撮像面上には、各マイクロレンズＭＬによって標本Ｓの像がそれぞれ形成される。
【００２０】
ここで、観察光学系ＯＳ２におけるマイクロレンズアレイ２６のさらに詳細な構成について説明する。図２に示すように、標本Ｓの表面（物体面）上の点Ｐａから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｂによって撮像素子３０の撮像面上の点Ｐ３ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５の中心を透過後、マイクロレンズＭＬｃによって撮像面上の点Ｐ３ｃに結像される光（図中の破線）などがある。このとき、撮像面上の点Ｐ３ｂと点Ｐ３ｃは、物体面上の同じ点Ｐａから異なる角度で射出した観察光を受光する。
【００２１】
同様に、標本Ｓの表面（物体面）上の点Ｐｂから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬａによって撮像素子３０の撮像面上の点Ｐ２ａに結像される光（図中の一点鎖線）や、対物レンズ２５を透過後、マイクロレンズＭＬｂによって撮像面上の点Ｐ２ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｃによって撮像面上の点Ｐ２ｃに結像される光（図中の破線）などがある。また、物体面上の点Ｐｃから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｂによって撮像面上の点Ｐ１ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５の中心を透過後、マイクロレンズＭＬａによって撮像面上の点Ｐ１ａに結像される光（図中の一点鎖線）などがある。
【００２２】
このように、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬによって、標本Ｓの表面（物体面）上の一点から射出した観察光を方向別に選別して捉えることができる。
【００２３】
また、図３から分かるように、ある一つのマイクロレンズＭＬから見た像は、物体面から射出した同じ方向からの観察光で構成された物体面の像である。すなわち、物体面から射出した観察光のうち、同じ方向へ射出した観察光が対応するマイクロレンズアレイに入射して物体面の像を形成する、換言すれば、マイクロレンズＭＬの数だけ異なる視差の像が得られる。
【００２４】
対物レンズ２５の瞳面は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの口径の大きさに分割され、それぞれのマイクロレンズＭＬが同じ標本Ｓの像を結ぶ。このとき、端の方のマイクロレンズＭＬによる像は、周辺で物体の見えないところが生じて端の方の視野の一部は遮られるが、基本的には、各マイクロレンズＭＬによる像は、物体面と共役な位置で物体面を異なる角度から見た像となる。そして、各マイクロレンズＭＬによる像は、結像側からの見込み角度が小さく、光量は少なくなるが、被写界深度（焦点深度）が非常に深くなるため、物体側の奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。
【００２５】
ところで、マイクロレンズアレイ２６の後側に配置される撮像素子３０は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等により構成され、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬを透過した観察光を受光する所定の画素配列を、マイクロレンズＭＬに対応した配置パターンで配置されている。この画素配列の縦方向と横方向の画素数は、各マイクロレンズＭＬを透過した観察光（部分光束）を個別に受光するように適宜設定される。なお、以下では、撮像素子３０として、ＣＣＤを用いた例について説明する。
【００２６】
図４において、２１×２１個の四角は、撮像素子３０を対物レンズ２５の光軸方向から見た場合に撮像面上に配列された画素を示しており、そのうちの太線で囲まれた７×７個の四角からなる領域がそれぞれ、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬで結像した像のできる撮像面上の領域（以下、ＭＬ領域と称する）を示している。図４では、複数のＭＬ領域のうち、９個のＭＬ領域を代表して示しており、中央のＭＬ領域が、マイクロレンズアレイ２６の中心のマイクロレンズＭＬ（図２のマイクロレンズＭＬｂに相当する）で結像されるＭＬ領域となる。
【００２７】
図５（ａ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の各ＭＬ領域の中央の画素（図４の黒色の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００２８】
図５（ｂ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５に近い位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの光軸から少しずつ外側へずれる角度で各マイクロレンズＭＬに入射し、各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の中心のＭＬ領域ではそのまま中央の画素（図４の黒色の画素）に集光（結像）され（完全には結像しないが、マイクロレンズＭＬの開口が小さいので、焦点深度が深い状態が実現されている）、それ以外のＭＬ領域では中央の画素から１画素ずつ外側にずれた画素（図４の左下がりの斜線の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５に近い位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００２９】
図５（ｃ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５から遠い位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの光軸から少しずつ内側へずれる角度で各マイクロレンズＭＬに入射し、各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の中心のＭＬ領域ではそのまま中央の画素（図４の黒色の画素）に集光（結像）され（完全には結像しないが、マイクロレンズＭＬの開口が小さいので、焦点深度が深い状態が実現されている）、それ以外のＭＬ領域では中央の画素から１画素ずつ内側にずれた画素（図４の右下がりの斜線の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５から遠い位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００３０】
このように、標本Ｓの光軸方向の位置を移動させた場合でも、マイクロレンズアレイ２６の中心のマイクロレンズＭＬ（図２のマイクロレンズＭＬｂに相当する）によって結像される像は、焦点もほぼ合ったまま像の位置がずれない。すなわち、中央のマイクロレンズＭＬによって結像される像は、対物レンズ２５に対して垂直に入ってくる観察光からなり、標本Ｓを正面から捉えた像となる。よって、標本Ｓが光軸方向に移動しても、像はずれない。そして、分割された小さな瞳からの像なので、Ｆ値が大きく、被写界深度（焦点深度）は非常に深くなる。つまり、標本Ｓの光軸方向の位置が変わっても、像はほとんど変化しない。したがって、標本Ｓの奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。
【００３１】
以上のように構成される観察光学系ＯＳ２において、対物レンズ２５とマイクロレンズアレイ２６の間の光路上に像シフト装置４０が設けられている。像シフト装置４０は、図６に示すように、入射した光束をシフトさせるための平行平板ガラス４１と、この平行平板ガラス４１を光軸に対して傾斜させるためのカム面を有するカムリング４５と、このカムリング４５を回転させるためのカムリング駆動モータ４８とを有して構成されている。
【００３２】
平行平板ガラス４１は、カムリング４５と対向する面に３つの突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃが形成されている。これらの突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃはそれぞれ、図７に示すように、平行平板ガラス４１の中心に対して１２０度間隔で距離ｒの位置に設けられている。
【００３３】
カムリング４５は、中心部に開口を有したリング状に形成され、この中心開口を標本Ｓから射出した観察光が透過するように配置されている。カムリング４５の平行平板ガラス４１と対向する面には、平行平板ガラス４１に形成された突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃとそれぞれ整合する位置に、カム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃが形成されている。図６では説明の簡略化のために、平行平板ガラス４１とカムリング４５を離して図示しているが、実際には、平行平板ガラス４１とカムリング４５は互いに近づく方向に所定の圧力を受けて接合し、突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃの先端部がカム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃの底面（カム面）に当接した状態で保持されている。
【００３４】
カムリング駆動モータ４８は、制御装置５０からの制御信号に基づいて駆動され、モータ４８の回転軸に取り付けられた歯車４９とカムリング４５の外周面に設けられた歯車４５ａとを介してカムリング４５を所定の位置に回動させることで、平行平板ガラス４１に形成された突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃとカムリング４５に形成されたカム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃとの作用によって平行平板ガラス４１を光軸に対して所定の角度に傾斜させる。平行平板ガラス４１に入射した観察光は、平行平板ガラス４１の傾斜角に応じて、光軸に対して所定の方向に所定量シフトされて射出し、上述したマイクロレンズアレイ２６を介して撮像素子３０の撮像面上に結像される。
【００３５】
ここで、平行平板ガラス４１に形成する突起、およびカムリング４５に形成するカム溝（カム面）の設定方法について説明する。まず、平行平板ガラス４１の表面に対する法線ベクトルを(ａ,ｂ,ｃ)とすると、平行平板ガラス４１の表面の方程式は、ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＝０…（１）となる。そして、平行平板ガラス４１に形成される突起が、図７に示すように平行平板ガラス４１の中心に対して１２０度間隔で距離ｒの位置に設けられている場合に、各突起の座標は、平行平板ガラス４１の中心を原点として、突起４２ａが(ｒ,０,Ｚ１)、突起４２ｂが(−ｒ/２,√３・ｒ/２,Ｚ２)、突起４２ｃが(−ｒ/２,−√３・ｒ/２,Ｚ３)となり、上記式（１）より、Ｚ１＝−ａ・ｒ／ｃ…（２）、Ｚ２＝ｒ・(ａ−√３・ｂ)／２ｃ…（３）、Ｚ３＝ｒ・(ａ＋√３・ｂ)／２ｃ…（４）となる。
【００３６】
ここで、図８に示すように、１/２画素ずらしを行う場合を考えると、各画素ずらし位置１〜９の法線ベクトルは以下のようになる。ただし、θは光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角である。
位置名 法線ベクトル
画素ずらし位置１ （０，０，１）
画素ずらし位置２ （sinθ，０，cosθ）
画素ずらし位置３ （sinθ／√２，sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置４ （０，sinθ，cosθ）
画素ずらし位置５ （−sinθ／√２，sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置６ （−sinθ，０，cosθ）
画素ずらし位置７ （−sinθ／√２，−sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置８ （０，−sinθ，cosθ）
画素ずらし位置９ （sinθ／√２，−sinθ／√２，cosθ）
【００３７】
この法線ベクトルおよび上記式（２）〜（４）より、各突起のZ座標であるZ１〜Z３は、図８に示す各画素ずらし位置１〜９において以下のようになる。
位置名 Ｚ１ Ｚ２ Ｚ３
画素ずらし位置１ ０ ０ ０
画素ずらし位置２ −ｒ・tanθ ｒ・tanθ／２ ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置３ -ｒ・tanθ／√2 (1-√3)ｒ・tanθ／2√2 (1+√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置４ ０ −√３ｒ・tanθ／２ √３ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置５ ｒ・tanθ／√2 (-1-√3)ｒ・tanθ／2√2 (-1+√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置６ ｒ・tanθ −ｒ・tanθ／２ −ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置７ ｒ・tanθ／√2 (-1+√3)ｒ・tanθ／2√2 (-1-√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置８ ０ √３ｒ・tanθ／２ −√３ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置９ -ｒ・tanθ／√2 (1+√3)ｒ・tanθ／2√2 (1-√3)ｒ・tanθ／2√2
【００３８】
ここで、１画素の大きさが0.014ｍｍ、平行平板ガラス４１の厚みが３ｍｍ、光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角θが0.007rad、平行平板ガラス４１の中心から各突起までの距離ｒが６ｍｍとすると、各突起のZ座標であるZ１〜Z３は図９に示すようになる。図９の各グラフにおいて、横軸は、カムリング４５を回動させたときに、平行平板ガラス４１の突起がカムリング４５のカム溝の底面（カム面）に沿って移動する距離（カム距離）であり、縦軸は、平行平板ガラス４１を光軸に対して垂直に配置したとき（傾斜角θが零のとき）を基準面とし、この基準面からの高さである。なお、図９では、各画素ずらし位置におけるカム距離を０．３ｍｍとし、画素ずらし位置１から画素ずらし位置９までに要するカムリング４５の回動範囲を３０度としている。
【００３９】
したがって、図８に示すように１/２画素ずらしを行う場合には、カムリング４５が回動されたときに、各突起のZ座標であるZ１〜Z３が図９に示す位置となるように、平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝を設定する。例えば、平行平板ガラス４１の各突起の高さを一定とし、カムリング４５の各カム溝の底面（カム面）の形状を図９に示すように形成する。
【００４０】
このように平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝（カム面）を設定し、カムリング４５を回動させることで、平行平板ガラス４１を各画素ずらし位置に対応する傾斜角に順次傾斜させることができる。このとき、平行平板ガラス４１に入射した観察光は、光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角に応じて、光軸に対して所定の方向に所定量シフトされて射出し、上述したマイクロレンズアレイ２６を介して撮像素子３０の撮像面上の各画素ずらし位置にそれぞれ結像される。撮像素子３０から画像処理部３１に出力される画素ずらし画像には、画素ずらし位置１〜９の情報がそれぞれ付加されているため、この画素ずらし位置情報に基づき順番に画像合成することで高解像度の画像を取得することができる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係る顕微鏡装置１によれば、標本Ｓを移動させることなく、マイクロレンズアレイ２６によって標本Ｓを異なる角度から見た画像（多視差画像）や、標本Ｓの奥行き（高さ）に関係なく、ほとんど焦点の合った画像（全焦点画像）を取得することができるとともに、像シフト装置４０によって標本Ｓからの観察光を所定の方向に所定量シフトさせて撮像素子３０の撮像面上の各画素ずらし位置にそれぞれ結像させることができ、このようにして結像された画像信号を合成することで高解像度の画像を取得することができる。また、像シフト装置４０を平行平板ガラスおよびカムリングにより構成することで、簡単な装置構成ですばやく像シフトを行うことができる。
【００４２】
なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、像シフト装置は、上記実施形態では、平行平板ガラスと、この平行平板ガラスを光軸に対して傾斜させるためのカムリングとを有して構成されているが、図１０に示すように、２つのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）４０′を用いて構成してもよい。ＤＭＤを用いた構成によれば、カムリングを用いた構成よりもすばやく像シフトを行うことができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、１/２画素ずらしを行う場合について説明したが、例えば１/３画素ずらしや１画素ずらし等を行ってもよく、その場合にも、上記と同様の方法で、平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝を設定することができる。また、カムリング４５における１/２画素ずらし用のカム溝４６が形成されていない位置に、１/３画素ずらし等のためのカム溝を形成してもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置にマイクロレンズアレイ２６を配置し、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に撮像素子３０を配置して、撮像素子３０の撮像面が標本Ｓの表面（物体面）と共役になる構成について説明したが、観察対象物が対物レンズで結像する位置にマイクロレンズアレイを配置し、マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に撮像素子を配置して、撮像素子の撮像面が対物レンズの瞳面と共役になる構成としてもよい。このような構成を採用しても、多視差画像や全焦点画像を取得することができる。
【００４５】
また、上記の実施形態では、標本Ｓからの観察光を平行平板ガラス４１によって偏向させることにより、画素ずらしを行っているが、これに限られず、平行平板ガラス４１に代えて撮像素子３０を移動させることにより、画素ずらしを行ってよい。つまり、観察光の撮像素子における受光位置が相対的に変化する機構を設けておけばよい。
【符号の説明】
【００４６】
ＯＳ２ 観察光学系
ＭＬ マイクロレンズ
２６ マイクロレンズアレイ
３０ 撮像素子
３１ 画像処理部
４０ 像シフト装置４０（像シフト手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物を対物レンズの光軸に沿って移動させながら焦点位置の異なる複数の画像を取得し、被検物上のそれぞれの点について、それら複数の画像より合焦度が最大となる画像を選択して、その画像での焦点位置をその点についての高さとし、これらの情報から被検物の形状測定を行う手法が知られている。ところが、このような手法では、対物レンズの光軸に沿って被検物を移動させながら画像を取得する必要があり、測定に時間がかかっていた。そこで、下記の特許文献１では、複数のマイクロレンズを２次元状に配列して構成されたマイクロレンズアレイを用いて、被検物を対物レンズの光軸に沿って移動させることなく、多視差画像や全焦点画像を取得し、被検物の形状を測定できるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５４３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなマイクロレンズアレイを用いる技術を、標本（観察対象物）を種々の倍率で観察する顕微鏡装置に適用しようとした場合、顕微鏡装置としては解像力が足りないという問題があった。また、解像力を任意に変えることができないという問題もあった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロレンズアレイを用いた技術を適用したうえで、解像力を向上させることができ、且つ解像力を任意に変更させることができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡装置は、標本からの観察光を集光する観察光学系と、前記観察光学系により集光された前記観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、それぞれの前記マイクロレンズに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズを介して前記複数の画素で受光した前記観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子と、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させて前記観察光が各マイクロレンズを介して前記撮像素子に受光される位置を相対的に移動させる像シフト手段と、前記撮像素子で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを備えて構成される。
【０００７】
なお、上記構成の顕微鏡装置において、前記像シフト手段は、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させることにより前記撮像素子に受光される位置を移動させるように構成されることが好ましい。
【０００８】
また、上記構成の顕微鏡装置において、前記像シフト手段は、前記観察光を受ける位置に配置された平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを前記観察光の光軸に対して複数の傾斜角で傾斜させるカム面を有するカムリングと、前記カムリングを前記観察光の光軸を回転中心として回転駆動させるカムリング駆動手段とを備えて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る顕微鏡装置によれば、マイクロレンズアレイを用いた技術を適用したうえで、解像力を向上させることができ、且つ解像力を任意に変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図２】マイクロレンズアレイの構成について説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｂ）は、ある一つのマイクロレンズから見た像について説明する図である。
【図４】マイクロレンズアレイを介して結像された撮像素子の撮像面における画素配列示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｂ）は、標本が光軸方向に移動された場合に、撮像素子の撮像面における観察光の受光位置について説明する図である。説明する
【図６】本実施形態に係る像シフト装置の構成を示す図である。
【図７】平行平板ガラスに形成された各突起の位置について説明する図である。
【図８】撮像素子の撮像面における画素ずらし位置と画像取得順を撮像面上のｘｙ座標面で示した図である。
【図９】図８に示す画素ずらし位置で画素ずらしを行う場合の平行平板ガラスの傾斜角に対応する各突起の位置を示すグラフである。
【図１０】像シフト装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本実施形態について説明する。本実施形態に係る顕微鏡装置１は、図１に示すように、標本Ｓ（観察対象物）を載置支持する載置ステージ１０と、載置ステージ１０の上方に設けられた観察装置２０と、載置ステージ１０および観察装置２０の作動を制御する制御装置５０とを有して構成される。
【００１２】
載置ステージ１０は、装置フレーム５の上面に沿った一方向（Ｘ方向）に移動可能なＸステージ１２、およびＸステージ１２の移動方向に対して装置フレーム５の上面内で直交する方向（Ｙ方向）に移動可能なＹステージ１３からなるＸＹステージ１１と、ステージ駆動機構１５とを有して構成される。ステージ駆動機構１５は、制御装置５０からの制御信号に基づいてＸステージ１２およびＹステージ１３をそれぞれ独立して各方向に移動させ、ＸＹステージ１１（Ｙステージ１３）上に載置された標本Ｓと観察装置２０における対物レンズ２５との相対位置関係を調整する。なお、ＸＹステージ１１には手動調整用のダイヤル（図示せず）が設けられており、このダイヤルにより各ステージを移動させて標本Ｓと対物レンズ２５との相対位置関係を調整することも可能になっている。
【００１３】
観察装置２０は、ＸＹステージ１１の上方に設けられ、照明光学系ＯＳ１、観察光学系ＯＳ２および撮像素子３０を内部に備える鏡筒部２１と、画像処理部３１と、モニター３２とを有して構成される。鏡筒部２１は、不図示の駆動機構によりＸＹステージ１１に対して上下方向に（Ｚ方向）に移動可能になっている。
【００１４】
鏡筒部２１内には、図１に示すように、光源２２、コリメータレンズ２３、ハーフミラー２４、対物レンズ２５、像シフト装置４０およびマイクロレンズアレイ２６を備えている。このうち、光源２２、コリメータレンズ２３、ハーフミラー２４および対物レンズ２５が照明光学系ＯＳ１を構成しており、対物レンズ２５、ハーフミラー２４、像シフト装置４０およびマイクロレンズアレイ２６が観察光学系ＯＳ２を構成している。なお、対物レンズ２５は、説明の簡略化のために図１では単レンズで構成しているが、必要に応じて複数のレンズで構成することも可能である。
【００１５】
マイクロレンズアレイ２６は、複数のマイクロレンズＭＬを２次元状に並べてなる光学素子であり、標本Ｓの像を捕らえる対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。
【００１６】
撮像素子３０は、マイクロレンズアレイ２６を介して結像した標本Ｓの像を撮像するものであり、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。撮像素子３０は、制御装置５０からの制御信号に基づいて駆動制御され、結像した標本Ｓの像を撮像し、その画像データが画像処理部３１で処理されてモニター３２に表示されるようになっている。また、不図示のメモリに画像データが記憶される。
【００１７】
このように本実施形態では、対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置にマイクロレンズアレイ２６を配置し、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に撮像素子３０を配置しており、撮像素子３０の撮像面が標本Ｓの表面（物体面）と共役になっている。
【００１８】
照明光学系ＯＳ１の光源２２から射出された照明光は、コリメータレンズ２３によって平行光となりハーフミラー２４に入射する。ハーフミラー２４で反射された照明光は、対物レンズ２５により集光されてＸＹステージ１１上に載置支持された標本Ｓに照射される。
【００１９】
照明光学系ＯＳ１により標本Ｓに照明光が照射されると、標本Ｓの表面で反射された観察光が生じ、このうち対物レンズ２５に再び入射した観察光がハーフミラー２４に入射する。ハーフミラー２４を透過した観察光は、像シフト装置４０を透過した後、マイクロレンズアレイ２６に入射し、マイクロレンズアレイ２６を構成する複数のマイクロレンズＭＬのそれぞれによって撮像素子３０の撮像面に結像される。このとき、撮像素子３０の撮像面上には、各マイクロレンズＭＬによって標本Ｓの像がそれぞれ形成される。
【００２０】
ここで、観察光学系ＯＳ２におけるマイクロレンズアレイ２６のさらに詳細な構成について説明する。図２に示すように、標本Ｓの表面（物体面）上の点Ｐａから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｂによって撮像素子３０の撮像面上の点Ｐ３ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５の中心を透過後、マイクロレンズＭＬｃによって撮像面上の点Ｐ３ｃに結像される光（図中の破線）などがある。このとき、撮像面上の点Ｐ３ｂと点Ｐ３ｃは、物体面上の同じ点Ｐａから異なる角度で射出した観察光を受光する。
【００２１】
同様に、標本Ｓの表面（物体面）上の点Ｐｂから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬａによって撮像素子３０の撮像面上の点Ｐ２ａに結像される光（図中の一点鎖線）や、対物レンズ２５を透過後、マイクロレンズＭＬｂによって撮像面上の点Ｐ２ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｃによって撮像面上の点Ｐ２ｃに結像される光（図中の破線）などがある。また、物体面上の点Ｐｃから射出する観察光には、対物レンズ２５を透過屈折してマイクロレンズＭＬｂによって撮像面上の点Ｐ１ｂに結像される光（図中の実線）や、対物レンズ２５の中心を透過後、マイクロレンズＭＬａによって撮像面上の点Ｐ１ａに結像される光（図中の一点鎖線）などがある。
【００２２】
このように、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬによって、標本Ｓの表面（物体面）上の一点から射出した観察光を方向別に選別して捉えることができる。
【００２３】
また、図３から分かるように、ある一つのマイクロレンズＭＬから見た像は、物体面から射出した同じ方向からの観察光で構成された物体面の像である。すなわち、物体面から射出した観察光のうち、同じ方向へ射出した観察光が対応するマイクロレンズアレイに入射して物体面の像を形成する、換言すれば、マイクロレンズＭＬの数だけ異なる視差の像が得られる。
【００２４】
対物レンズ２５の瞳面は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの口径の大きさに分割され、それぞれのマイクロレンズＭＬが同じ標本Ｓの像を結ぶ。このとき、端の方のマイクロレンズＭＬによる像は、周辺で物体の見えないところが生じて端の方の視野の一部は遮られるが、基本的には、各マイクロレンズＭＬによる像は、物体面と共役な位置で物体面を異なる角度から見た像となる。そして、各マイクロレンズＭＬによる像は、結像側からの見込み角度が小さく、光量は少なくなるが、被写界深度（焦点深度）が非常に深くなるため、物体側の奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。
【００２５】
ところで、マイクロレンズアレイ２６の後側に配置される撮像素子３０は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等により構成され、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬを透過した観察光を受光する所定の画素配列を、マイクロレンズＭＬに対応した配置パターンで配置されている。この画素配列の縦方向と横方向の画素数は、各マイクロレンズＭＬを透過した観察光（部分光束）を個別に受光するように適宜設定される。なお、以下では、撮像素子３０として、ＣＣＤを用いた例について説明する。
【００２６】
図４において、２１×２１個の四角は、撮像素子３０を対物レンズ２５の光軸方向から見た場合に撮像面上に配列された画素を示しており、そのうちの太線で囲まれた７×７個の四角からなる領域がそれぞれ、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬで結像した像のできる撮像面上の領域（以下、ＭＬ領域と称する）を示している。図４では、複数のＭＬ領域のうち、９個のＭＬ領域を代表して示しており、中央のＭＬ領域が、マイクロレンズアレイ２６の中心のマイクロレンズＭＬ（図２のマイクロレンズＭＬｂに相当する）で結像されるＭＬ領域となる。
【００２７】
図５（ａ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の各ＭＬ領域の中央の画素（図４の黒色の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００２８】
図５（ｂ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５に近い位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの光軸から少しずつ外側へずれる角度で各マイクロレンズＭＬに入射し、各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の中心のＭＬ領域ではそのまま中央の画素（図４の黒色の画素）に集光（結像）され（完全には結像しないが、マイクロレンズＭＬの開口が小さいので、焦点深度が深い状態が実現されている）、それ以外のＭＬ領域では中央の画素から１画素ずつ外側にずれた画素（図４の左下がりの斜線の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５に近い位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００２９】
図５（ｃ）には、標本Ｓの表面（物体面）が対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５から遠い位置にある場合の光線図を示しており、このとき、物体面の対物レンズ２５の光軸と一致する位置から射出した観察光は、マイクロレンズアレイ２６の各マイクロレンズＭＬの光軸から少しずつ内側へずれる角度で各マイクロレンズＭＬに入射し、各マイクロレンズＭＬによって、撮像素子３０の撮像面上の中心のＭＬ領域ではそのまま中央の画素（図４の黒色の画素）に集光（結像）され（完全には結像しないが、マイクロレンズＭＬの開口が小さいので、焦点深度が深い状態が実現されている）、それ以外のＭＬ領域では中央の画素から１画素ずつ内側にずれた画素（図４の右下がりの斜線の画素）に集光される。また、物体面の対物レンズ２５の光軸から外れた位置から射出した観察光は、光軸からのずれ量に応じた角度で平行にマイクロレンズアレイ２６に入射するので、これらの観察光は各ＭＬ領域で中央から同量、同方向へずれることになる。したがって、画像処理部３１は、各ＭＬ領域で同じ位置の画素を選択して加算することで、対物レンズ２５の焦点位置よりも対物レンズ２５から遠い位置にある物体面の画像を再現することができる。
【００３０】
このように、標本Ｓの光軸方向の位置を移動させた場合でも、マイクロレンズアレイ２６の中心のマイクロレンズＭＬ（図２のマイクロレンズＭＬｂに相当する）によって結像される像は、焦点もほぼ合ったまま像の位置がずれない。すなわち、中央のマイクロレンズＭＬによって結像される像は、対物レンズ２５に対して垂直に入ってくる観察光からなり、標本Ｓを正面から捉えた像となる。よって、標本Ｓが光軸方向に移動しても、像はずれない。そして、分割された小さな瞳からの像なので、Ｆ値が大きく、被写界深度（焦点深度）は非常に深くなる。つまり、標本Ｓの光軸方向の位置が変わっても、像はほとんど変化しない。したがって、標本Ｓの奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。
【００３１】
以上のように構成される観察光学系ＯＳ２において、対物レンズ２５とマイクロレンズアレイ２６の間の光路上に像シフト装置４０が設けられている。像シフト装置４０は、図６に示すように、入射した光束をシフトさせるための平行平板ガラス４１と、この平行平板ガラス４１を光軸に対して傾斜させるためのカム面を有するカムリング４５と、このカムリング４５を回転させるためのカムリング駆動モータ４８とを有して構成されている。
【００３２】
平行平板ガラス４１は、カムリング４５と対向する面に３つの突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃが形成されている。これらの突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃはそれぞれ、図７に示すように、平行平板ガラス４１の中心に対して１２０度間隔で距離ｒの位置に設けられている。
【００３３】
カムリング４５は、中心部に開口を有したリング状に形成され、この中心開口を標本Ｓから射出した観察光が透過するように配置されている。カムリング４５の平行平板ガラス４１と対向する面には、平行平板ガラス４１に形成された突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃとそれぞれ整合する位置に、カム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃが形成されている。図６では説明の簡略化のために、平行平板ガラス４１とカムリング４５を離して図示しているが、実際には、平行平板ガラス４１とカムリング４５は互いに近づく方向に所定の圧力を受けて接合し、突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃの先端部がカム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃの底面（カム面）に当接した状態で保持されている。
【００３４】
カムリング駆動モータ４８は、制御装置５０からの制御信号に基づいて駆動され、モータ４８の回転軸に取り付けられた歯車４９とカムリング４５の外周面に設けられた歯車４５ａとを介してカムリング４５を所定の位置に回動させることで、平行平板ガラス４１に形成された突起４２ａ，４２ｂ，４２ｃとカムリング４５に形成されたカム溝４６ａ，４６ｂ，４６ｃとの作用によって平行平板ガラス４１を光軸に対して所定の角度に傾斜させる。平行平板ガラス４１に入射した観察光は、平行平板ガラス４１の傾斜角に応じて、光軸に対して所定の方向に所定量シフトされて射出し、上述したマイクロレンズアレイ２６を介して撮像素子３０の撮像面上に結像される。
【００３５】
ここで、平行平板ガラス４１に形成する突起、およびカムリング４５に形成するカム溝（カム面）の設定方法について説明する。まず、平行平板ガラス４１の表面に対する法線ベクトルを(ａ,ｂ,ｃ)とすると、平行平板ガラス４１の表面の方程式は、ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＝０…（１）となる。そして、平行平板ガラス４１に形成される突起が、図７に示すように平行平板ガラス４１の中心に対して１２０度間隔で距離ｒの位置に設けられている場合に、各突起の座標は、平行平板ガラス４１の中心を原点として、突起４２ａが(ｒ,０,Ｚ１)、突起４２ｂが(−ｒ/２,√３・ｒ/２,Ｚ２)、突起４２ｃが(−ｒ/２,−√３・ｒ/２,Ｚ３)となり、上記式（１）より、Ｚ１＝−ａ・ｒ／ｃ…（２）、Ｚ２＝ｒ・(ａ−√３・ｂ)／２ｃ…（３）、Ｚ３＝ｒ・(ａ＋√３・ｂ)／２ｃ…（４）となる。
【００３６】
ここで、図８に示すように、１/２画素ずらしを行う場合を考えると、各画素ずらし位置１〜９の法線ベクトルは以下のようになる。ただし、θは光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角である。
位置名 法線ベクトル
画素ずらし位置１ （０，０，１）
画素ずらし位置２ （sinθ，０，cosθ）
画素ずらし位置３ （sinθ／√２，sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置４ （０，sinθ，cosθ）
画素ずらし位置５ （−sinθ／√２，sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置６ （−sinθ，０，cosθ）
画素ずらし位置７ （−sinθ／√２，−sinθ／√２，cosθ）
画素ずらし位置８ （０，−sinθ，cosθ）
画素ずらし位置９ （sinθ／√２，−sinθ／√２，cosθ）
【００３７】
この法線ベクトルおよび上記式（２）〜（４）より、各突起のZ座標であるZ１〜Z３は、図８に示す各画素ずらし位置１〜９において以下のようになる。
位置名 Ｚ１ Ｚ２ Ｚ３
画素ずらし位置１ ０ ０ ０
画素ずらし位置２ −ｒ・tanθ ｒ・tanθ／２ ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置３ -ｒ・tanθ／√2 (1-√3)ｒ・tanθ／2√2 (1+√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置４ ０ −√３ｒ・tanθ／２ √３ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置５ ｒ・tanθ／√2 (-1-√3)ｒ・tanθ／2√2 (-1+√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置６ ｒ・tanθ −ｒ・tanθ／２ −ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置７ ｒ・tanθ／√2 (-1+√3)ｒ・tanθ／2√2 (-1-√3)ｒ・tanθ／2√2
画素ずらし位置８ ０ √３ｒ・tanθ／２ −√３ｒ・tanθ／２
画素ずらし位置９ -ｒ・tanθ／√2 (1+√3)ｒ・tanθ／2√2 (1-√3)ｒ・tanθ／2√2
【００３８】
ここで、１画素の大きさが0.014ｍｍ、平行平板ガラス４１の厚みが３ｍｍ、光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角θが0.007rad、平行平板ガラス４１の中心から各突起までの距離ｒが６ｍｍとすると、各突起のZ座標であるZ１〜Z３は図９に示すようになる。図９の各グラフにおいて、横軸は、カムリング４５を回動させたときに、平行平板ガラス４１の突起がカムリング４５のカム溝の底面（カム面）に沿って移動する距離（カム距離）であり、縦軸は、平行平板ガラス４１を光軸に対して垂直に配置したとき（傾斜角θが零のとき）を基準面とし、この基準面からの高さである。なお、図９では、各画素ずらし位置におけるカム距離を０．３ｍｍとし、画素ずらし位置１から画素ずらし位置９までに要するカムリング４５の回動範囲を３０度としている。
【００３９】
したがって、図８に示すように１/２画素ずらしを行う場合には、カムリング４５が回動されたときに、各突起のZ座標であるZ１〜Z３が図９に示す位置となるように、平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝を設定する。例えば、平行平板ガラス４１の各突起の高さを一定とし、カムリング４５の各カム溝の底面（カム面）の形状を図９に示すように形成する。
【００４０】
このように平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝（カム面）を設定し、カムリング４５を回動させることで、平行平板ガラス４１を各画素ずらし位置に対応する傾斜角に順次傾斜させることができる。このとき、平行平板ガラス４１に入射した観察光は、光軸に対する平行平板ガラス４１の傾斜角に応じて、光軸に対して所定の方向に所定量シフトされて射出し、上述したマイクロレンズアレイ２６を介して撮像素子３０の撮像面上の各画素ずらし位置にそれぞれ結像される。撮像素子３０から画像処理部３１に出力される画素ずらし画像には、画素ずらし位置１〜９の情報がそれぞれ付加されているため、この画素ずらし位置情報に基づき順番に画像合成することで高解像度の画像を取得することができる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係る顕微鏡装置１によれば、標本Ｓを移動させることなく、マイクロレンズアレイ２６によって標本Ｓを異なる角度から見た画像（多視差画像）や、標本Ｓの奥行き（高さ）に関係なく、ほとんど焦点の合った画像（全焦点画像）を取得することができるとともに、像シフト装置４０によって標本Ｓからの観察光を所定の方向に所定量シフトさせて撮像素子３０の撮像面上の各画素ずらし位置にそれぞれ結像させることができ、このようにして結像された画像信号を合成することで高解像度の画像を取得することができる。また、像シフト装置４０を平行平板ガラスおよびカムリングにより構成することで、簡単な装置構成ですばやく像シフトを行うことができる。
【００４２】
なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、像シフト装置は、上記実施形態では、平行平板ガラスと、この平行平板ガラスを光軸に対して傾斜させるためのカムリングとを有して構成されているが、図１０に示すように、２つのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）４０′を用いて構成してもよい。ＤＭＤを用いた構成によれば、カムリングを用いた構成よりもすばやく像シフトを行うことができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、１/２画素ずらしを行う場合について説明したが、例えば１/３画素ずらしや１画素ずらし等を行ってもよく、その場合にも、上記と同様の方法で、平行平板ガラス４１の各突起およびカムリング４５の各カム溝を設定することができる。また、カムリング４５における１/２画素ずらし用のカム溝４６が形成されていない位置に、１/３画素ずらし等のためのカム溝を形成してもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、対物レンズ２５の焦点距離だけ離れた位置にマイクロレンズアレイ２６を配置し、マイクロレンズアレイ２６の焦点距離だけ離れた位置に撮像素子３０を配置して、撮像素子３０の撮像面が標本Ｓの表面（物体面）と共役になる構成について説明したが、観察対象物が対物レンズで結像する位置にマイクロレンズアレイを配置し、マイクロレンズアレイの焦点距離だけ離れた位置に撮像素子を配置して、撮像素子の撮像面が対物レンズの瞳面と共役になる構成としてもよい。このような構成を採用しても、多視差画像や全焦点画像を取得することができる。
【００４５】
また、上記の実施形態では、標本Ｓからの観察光を平行平板ガラス４１によって偏向させることにより、画素ずらしを行っているが、これに限られず、平行平板ガラス４１に代えて撮像素子３０を移動させることにより、画素ずらしを行ってよい。つまり、観察光の撮像素子における受光位置が相対的に変化する機構を設けておけばよい。
【符号の説明】
【００４６】
ＯＳ２ 観察光学系
ＭＬ マイクロレンズ
２６ マイクロレンズアレイ
３０ 撮像素子
３１ 画像処理部
４０ 像シフト装置４０（像シフト手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本からの観察光を集光する観察光学系と、
前記観察光学系により集光された前記観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
それぞれの前記マイクロレンズに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズを介して前記複数の画素で受光した前記観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子と、
前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させて前記観察光が各マイクロレンズを介して前記撮像素子に受光される位置を相対的に移動させる像シフト手段と、
前記撮像素子で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記像シフト手段は、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させることにより前記撮像素子に受光される位置を移動させることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記像シフト手段は、前記観察光を受ける位置に配置された平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを前記観察光の光軸に対して複数の傾斜角で傾斜させるカム面を有するカムリングと、前記カムリングを前記観察光の光軸を回転中心として回転駆動させるカムリング駆動手段とを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
【請求項１】
標本からの観察光を集光する観察光学系と、
前記観察光学系により集光された前記観察光をそれぞれ受ける位置に配列された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
それぞれの前記マイクロレンズに対して複数の画素が割り当てられ、各マイクロレンズを介して前記複数の画素で受光した前記観察光に基づき撮像データを取得する撮像素子と、
前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させて前記観察光が各マイクロレンズを介して前記撮像素子に受光される位置を相対的に移動させる像シフト手段と、
前記撮像素子で取得された撮像データに対して所定の処理を施す画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記像シフト手段は、前記マイクロレンズアレイに入射する前の前記観察光を受ける位置に配置され、前記観察光を偏向させることにより前記撮像素子に受光される位置を移動させることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記像シフト手段は、前記観察光を受ける位置に配置された平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを前記観察光の光軸に対して複数の傾斜角で傾斜させるカム面を有するカムリングと、前記カムリングを前記観察光の光軸を回転中心として回転駆動させるカムリング駆動手段とを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
【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２０１２−１６３９１０（Ｐ２０１２−１６３９１０Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１０７（Ｐ２０１１−２６１０７）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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