JP5884021B2 - マルチスペクトル撮像装置およびマルチスペクトル撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡光学系において、マルチスペクトル像を得るためのマルチスペクトル撮像装置およびマルチスペクトル撮像方法に関するものである。

マルチスペクトル像とは、少なくとも２つの異なる波長スペクトルを有する光によって撮影された像、または少なくとも２つの異なる偏光状態を有する光によって撮影された像のことである。

マルチスペクトル像の例として、波長７００ナノメートル前後に成分の分布を持つ第一のスペクトル特性の光によって撮影された像と、波長５４６ナノメートル前後に成分の分布を持つ第二のスペクトル特性の光によって撮影された像と、波長４３５ナノメートル前後に成分の分布を持つ第三のスペクトル特性の光によって撮影された像と、の３つの波長スペクトル特性の光によって撮影された像をあげることができる。このマルチスペクトル像は、いわゆるＲＧＢ三原色によるカラー画像である。

これ以外にも、２つ以上のスペクトル特性の光（例えば、赤外線と可視光）での撮像が、産業分野や医療分野などで利用されている。

マルチスペクトル像を撮影するためには、これまでにいくつかの方法が開示されている。

第一の方法は、二次元受光素子アレイ中の受光素子ごとに、その直上に異なる透過特性を持つフィルターを配置する方法である。これは、カラー撮像可能なデジタルカメラなどで広く用いられている。

第二の方法は、撮像光学系内に、互いに異なる透過特性を持つ複数のフィルターを含むフィルター群と、分離光学素子とを配置する方法である。分離光学素子は、各フィルターを通過した光を、二次元受光素子アレイ内の異なる受光素子に入射するように振り分ける機能を有する。

第二の方法は、特許文献１および特許文献２に詳細が開示されている。この第二の方法では、フィルター群の配置位置に制限がある。特許文献１では絞り位置に、特許文献２では瞳位置に、フィルター群が配置されている。

特許第５００１４７１号公報 国際公開第２０１２／０６６７４１号

しかしながら、マルチスペクトル像を撮影するための上記従来の方法を顕微鏡光学系に適用することは難しい。

そこで、本発明は、顕微鏡光学系においてマルチスペクトル像を撮影することができるマルチスペクトル撮像装置を提供する。

本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置は、被写体のマルチスペクトル像を撮影するマルチスペクトル撮像装置であって、前記被写体に光を照射する照明光学系と、前記被写体を撮像する撮像光学系とを備え、前記照明光学系は、前記被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域に配置されるフィルター群であって、互いに異なる透過特性を持つ第一のフィルターおよび第二のフィルターを少なくとも含むフィルター群を備え、前記撮像光学系は、複数の第一の受光素子および複数の第二の受光素子を少なくとも含む撮像素子と、前記第一のフィルターを通過してきた光を前記複数の第一の受光素子に導き、前記第二のフィルターを通過してきた光を前記複数の第二の受光素子に導く分離光学素子とを備える。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置によれば、顕微鏡光学系においてマルチスペクトル像を撮影することが可能となる。

図１は、実施の形態１におけるマルチスペクトル撮像装置の構成の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１における照明光学系の構成の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１において被写体中の第一の点に集光される光束の光路を示す図である。 図４は、実施の形態１において被写体中の第二の点に集光される光束の光路を示す図である。 図５は、実施の形態１において被写体中の第三の点に集光される光束の光路を示す図である。 図６は、実施の形態１において被写体の撮像範囲内の第一から第三の点に到達する光束が重なる領域を示す図である。 図７は、実施の形態１におけるフィルター群の模式図である。 図８は、実施の形態１において、第一および第二のフィルターの各々を通過して、被写体中の第一の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図９は、実施の形態１において、第一および第二のフィルターの各々を通過して、被写体中の第二の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図１０は、実施の形態１において、第一および第二のフィルターの各々を通過して、被写体中の第三の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図１１は、実施の形態１における撮像光学系の構成の一例を示す図である。 図１２は、実施の形態１において被写体中の第一の点を通過した光束の光路を示す図である。 図１３は、実施の形態１において被写体中の第二の点を通過した光束の光路を示す図である。 図１４は、実施の形態１において被写体中の第三の点を通過した光束の光路を示す図である。 図１５は、実施の形態１における分離光学素子の一例を示す図である。 図１６は、実施の形態１において撮像面に投影されたフィルター群の実像を示す図である。 図１７は、実施の形態１における二次元受光素子アレイの模式図である。 図１８は、スペクトルを制限せずに撮像した癌組織の写真である。 図１９は、各組織の吸収スペクトルを示すグラフである。 図２０は、実施の形態１において第一のスペクトル特性で撮像した癌組織の写真である。 図２１は、実施の形態１において第二のスペクトル特性で撮像した癌組織の写真である。 図２２は、実施の形態２におけるマルチスペクトル撮像装置の構成の一例を示す図である。 図２３は、実施の形態２における照明光学系の構成の一例を示す図である。 図２４は、実施の形態２における撮像光学系の構成の一例を示す図である。 図２５は、実施の形態２において被写体中の第一の点に集光される光束の光路を示す図である。 図２６は、実施の形態２において被写体中の第二の点に集光される光束の光路を示す図である。 図２７は、実施の形態２において被写体中の第三の点に集光される光束の光路を示す図である。 図２８は、実施の形態２において被写体の撮像範囲内の第一から第三の点に到達する光束が重なる領域を示す図である。 図２９は、実施の形態２におけるフィルター群の模式図である。 図３０は、実施の形態２において、第一から第四のフィルターの各々を通過して、被写体中の第一の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図３１は、実施の形態２において、第一から第四のフィルターの各々を通過して、被写体中の第二の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図３２は、実施の形態２において、第一から第四のフィルターの各々を通過して、被写体中の第三の点に集光される各光束の光路を示す図である。 図３３は、実施の形態２において被写体中の第一の点で反射した光束の光路を示す図である。 図３４は、実施の形態２において被写体中の第二の点で反射した光束の光路を示す図である。 図３５は、実施の形態２において被写体中の第三の点で反射した光束の光路を示す図である。 図３６は、実施の形態２における分離光学素子の一例を示す図である。 図３７は、実施の形態２おいて撮像面に投影されたフィルター群の実像を示す図である。 図３８は、実施の形態２における二次元受光素子アレイの模式図である。 図３９は、酸化膜つきシリコン基板の反射スペクトルを示すグラフである。 図４０は、実施の形態３における被写体の断面構造を示す模式図である。 図４１Ａは、グラフェン層の厚みを変えながら、光学シミュレーションにより求めた反射度を示すグラフである。 図４１Ｂは、複数のＰＭＭＡ樹脂層の厚みを変えながら、光学シミュレーションにより求めた反射度を示すグラフである。 図４２は、第一のスペクトル特性の光で撮影された画像である。 図４３は、第二のスペクトル特性の光で撮影された画像である。 図４４は、第三のスペクトル特性の光で撮影された画像である。 図４５は、第三のスペクトル特性の光で撮影された画像においてコントラストと明るさが調整された画像である。 図４６は、第四のスペクトル特性の光で撮影された画像である。 図４７は、グラフェン層の厚みを変えながら、光学シミュレーションにより求めた反射度を示すグラフである。 図４８は、ＰＭＭＡ樹脂層の厚みを変えながら、光学シミュレーションにより求めた反射度を示すグラフである。 図４９は、フィルター群の変形例を示す図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、顕微鏡光学系におけるマルチスペクトル像の撮影に関し、以下の問題が生じることを見出した。

前記第一の方法、すなわち受光素子ごとにフィルターを配置する方法では、フィルターの配置に受光素子間隔程度の精度が求められる。そのため、フィルターは受光素子製造時点で作りこむ必要があり、後から交換することは極めて困難である。

前記第二の方法、すなわちフィルター群を通過した光を分離光学素子で振り分ける方法では、フィルター群を配置できる場所が限定されている。この制限は、顕微鏡光学系に前記第二の方法を応用する場合に特に大きな課題となる。例えば、複数のレンズから構成される撮像光学系の場合、フィルター群の配置条件を満たす位置は、撮像光学系を構成する中で最も被写体に近いレンズの前と、撮像光学系を構成する複数のレンズ間とに存在する。しかし、顕微鏡光学系の場合、被写体と最も被写体に近いレンズとの間の距離が短く、最も被写体に近いレンズの前面にフィルターを配置するのに十分な空間がない。

一方、撮像光学系を構成する複数のレンズ間にフィルター群を配置する場合は、通常、対物レンズの中にフィルター群を配置する必要がある。そのため、前記第二の方法でマルチスペクトル像を得るためには、マルチスペクトル撮像専用の、フィルター群が内蔵された対物レンズを準備しなければならない。また、対物レンズは収差補正のために多数のレンズから構成されるのが一般的であり、対物レンズ内にフィルター群を配置するのに十分な場所を確保するのは難しい。

そこで、本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置は、被写体のマルチスペクトル像を撮影するマルチスペクトル撮像装置であって、前記被写体に光を照射する照明光学系と、前記被写体を撮像する撮像光学系とを備え、前記照明光学系は、前記被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域に配置されるフィルター群であって、互いに異なる透過特性を持つ第一のフィルターおよび第二のフィルターを少なくとも含むフィルター群を備え、前記撮像光学系は、複数の第一の受光素子および複数の第二の受光素子を少なくとも含む撮像素子と、前記第一のフィルターを通過してきた光を前記複数の第一の受光素子に導き、前記第二のフィルターを通過してきた光を前記複数の第二の受光素子に導く分離光学素子とを備える。

これによれば、照明光学系がフィルター群を備えるので、顕微鏡光学系においてマルチスペクトル像を撮影することができる。つまり、照明光学系において、被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域にフィルター群を配置することにより、マルチスペクトル撮像が実現される。また、マルチスペクトル撮像のためのフィルター群を撮像光学系に配置しなくてもよいので、撮像光学系の設計の自由度を向上させることができる。

また例えば、前記照明光学系は、視野絞りおよび開口絞りを有するケーラー照明系であり、前記フィルター群は、前記開口絞りの近傍に配置されてもよい。

これによれば、顕微鏡光学系において一般的に利用されているケーラー照明系を用いて、マルチスペクトル像を撮影することができる。

また例えば、前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの少なくとも一方は、前記照明光学系に交換可能に取り付けられてもよい。

これによれば、第一のフィルターおよび第二のフィルターの少なくとも一方は、照明光学系に交換可能に取り付けられる。したがって、被写体の特性あるいは撮像目的に応じて、フィルターを容易に交換することが可能となる。

また例えば、前記撮像光学系は、さらに、対物レンズを備え、前記フィルター群は、前記対物レンズの開口数が変化しても、前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの各々を通過した光がそれぞれ前記第一の受光素子および前記第二の受光素子に入射する位置に配置されてもよい。

これによれば、対物レンズの開口数が変化しても、第一のフィルターおよび第二のフィルターの各々を通過した光がそれぞれ第一の受光素子および第二の受光素子に入射する位置に、フィルター群が配置される。したがって、対物レンズの開口数を変化させても、マルチスペクトル像を撮影することが可能となる。

また例えば、前記フィルター群は、前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの境界線が前記照明光学系の光軸と交差する位置に配置されてもよい。

これによれば、第一のフィルターおよび第二のフィルターの境界線が照明光学系の光軸と交差する位置にフィルター群が配置される。したがって、対物レンズの開口数を変化させても、マルチスペクトル像を撮影することが可能となる。

また、本発明の一態様に係るフィルター群は、上記マルチスペクトル撮像装置に用いられるフィルター群である。

これによれば、上記マルチスペクトル撮像装置と同様の効果を奏することができる。

また、本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像方法は、マルチスペクトル撮像装置を用いて被写体のマルチスペクトル像を撮影するマルチスペクトル撮像方法であって、前記マルチスペクトル撮像装置は、前記被写体に光を照射する照明光学系と、前記被写体を撮像する撮像光学系とを備え、前記マルチスペクトル撮像方法は、互いに異なる透過特性を持つ第一のフィルターおよび第二のフィルターを少なくとも含むフィルター群を、前記被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が前記照明光学系において重なり合う領域に配置する配置ステップと、前記被写体のマルチスペクトル像を撮影する撮像ステップとを含み、前記撮像光学系は、複数の第一の受光素子および複数の第二の受光素子を少なくとも含む撮像素子と、前記第一のフィルターを通過してきた光を前記複数の第一の受光素子に導き、前記第二のフィルターを通過してきた光を前記複数の第二の受光素子に導く分離光学素子とを備える。

これによれば、上記マルチスペクトル撮像装置と同様の効果を奏することができる。

また例えば、前記被写体は、複数の吸収スペクトルを有する複数の染料を用いて染色されており、前記配置ステップでは、前記複数の染料に含まれる第一の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターと、前記複数の染料に含まれる第二の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第二の波長の光を通過させる前記第二のフィルターとを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置してもよい。

これによれば、各染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す波長の光を用いて、マルチスペクトル像を撮影することができるので、各染料によって染色された被写体内の要素を判別することが可能となる。

また例えば、前記被写体は、膜厚に応じて異なる反射スペクトルを有する酸化膜を表面に含み、前記配置ステップでは、膜厚と反射スペクトルとが第一の依存関係を示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターと、膜厚と反射スペクトルとが第二の依存関係を示す第二の波長の光を通過させる前記第二のフィルターとを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置してもよい。

これによれば、膜厚と反射スペクトルとの依存関係が異なる複数の波長の光を用いてマルチスペクトル像を撮影することができるので、酸化膜の膜厚を推定することが可能となる。

また例えば、前記被写体は、表面にグラフェン層を有し、前記配置ステップでは、前記グラフェン層のシワが形成されている領域で、前記グラフェン層のシワが形成されていない領域とは異なる反射スペクトルを示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置してもよい。

これによれば、グラフェン層のシワの有無によって反射スペクトルが異なる光を用いて撮像できるので、グラフェン層のシワの有無を推定することが可能となる。

以下実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書中の全ての図は、概念を説明するためのものであり、縮尺や縦横比などは一切考慮していない。また、必須ではない要素や、一般的に顕微鏡撮像装置として当然備えるべき鏡筒や焦点調節機構などについてはその多くを省略している。また、各図では図を簡略化するため、各レンズを単レンズとして描いているが、複数のレンズからなるレンズ群が用いられてもよい。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
実施の形態１は、生体切片など透過性を持つサンプルの撮像に用いられる透過照明型のマルチスペクトル撮像装置について、図１から図１７を用いて説明する。

図１は、実施の形態１におけるマルチスペクトル撮像装置の構成の一例を示す。

本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置は、照明光学系０１８０と撮像光学系０１９０とを備える。マルチスペクトル撮像装置は、被写体０１００のマルチスペクトル像を撮影する。

照明光学系０１８０は、光源０１８１、レンズ群０１８２、絞り群０１８３、およびフィルター群０１８４を備える。撮像光学系０１９０は、レンズ群０１９２、分離光学素子０１９４、および二次元受光素子アレイ（撮像素子）０１９５を備える。以下に、照明光学系０１８０および撮像光学系０１９０の各構成要素について説明する。

光源０１８１は、照明光束の発生源である。撮影に用いるスペクトル特性にあわせて、適切な発光特性を有する光を生成する光源が、光源０１８１として選択される。波長スペクトルが異なる光を用いてマルチスペクトル撮像を行う場合には、撮像に利用する各波長スペクトル特性の成分を全て含んだ光を発する光源が光源０１８１として選択される。

たとえば、マルチスペクトル撮像装置が可視光の範囲で像を撮影する場合、可視光の範囲の波長成分を含む光を生成する光源（たとえばハロゲン光源や白色ＬＥＤ、キセノン光源など）が光源０１８１として利用できる。また、たとえば、マルチスペクトル撮像装置が紫外領域を含む範囲でマルチスペクトル像を撮影する場合、たとえばキセノン光源や重水素光源などが光源０１８１として利用できる。なお、光源０１８１は、蛍光体や非線形光学素子などを利用して、もともと光源が発した光から別のスペクトルを有する光を生成してもよい。

レンズ群０１８２は、光源０１８１が発した照明光束の経路を曲げる。レンズ群０１８２は、ガラス等で構成された屈折型レンズでも、曲面鏡で構成された反射型レンズでも、あるいはそれらのレンズの組み合わせでもよい。

絞り群０１８３は、光源０１８１が発した照明光束の光路を制限する。絞り群０１８３は、開口範囲可変型の絞りでもよいし、固定型の絞りでもよい。

フィルター群０１８４は、被写体０１００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域０１０９に配置される。また、フィルター群０１８４は、互いに透過特性が異なる複数のフィルター（本実施の形態では第一のフィルターおよび第二のフィルター）を備える。フィルター群０１８４は、マルチスペクトル撮像に必要な各スペクトル特性を持つ照明光束を生成する。

透過特性とは、フィルターを通過する前の光の光学的特性と、フィルターを通過した後の光の光学的特性との関係を表す特性である。各フィルターに入射する光が同一の場合、互いに透過特性が異なるフィルターを通過した光の光学的特性は異なる。

フィルター群０１８４は、必要に応じて交換される。つまり、フィルター群０１８４は、照明光学系０１８０に交換可能に取り付けられる。すなわち、フィルター群０１８４は着脱可能である。なお、フィルター群０１８４に含まれる複数のフィルターを個別に交換可能であってもよい。また、フィルター群０１８４は、必ずしも交換可能に取り付けられる必要はなく、照明光学系０１８０に交換不可能に固定されてもよい。

レンズ群０１９２は、被写体０１００を通過してきた光束の光路を制御し、分離光学素子０１９４近傍に被写体０１００の実像を結ぶ。レンズ群０１９２は、ガラス等で構成された屈折型のものでも、曲面鏡で構成された反射型のものでも、あるいはその組み合わせのものでもよい。

分離光学素子０１９４は、レンズ群０１９２が結ぶ被写体０１００の実像の各部において、フィルター群０１８４の各フィルター０７０９を通過してきた光を、二次元受光素子アレイ０１９５上のそれぞれ異なる受光素子に導く。つまり、分離光学素子０１９４は、第一のフィルターを通過してきた光を複数の受光素子の一部（複数の第一の受光素子）に導き、第二のフィルターを通過してきた光を複数の受光素子の他部（複数の第二の受光素子）に導く。

二次元受光素子アレイ０１９５は、撮像する空間画素数だけ面内に受光画素１７１１を備える。各受光画素１７１１は、第一のスペクトル特性での撮像のための第一の受光素子１７０１と、第二のスペクトル特性での撮像のための第二の受光素子１７０２とを含む。つまり、二次元受光素子アレイ０１９５は、同時に撮影するスペクトル像と同じ数あるいはそれより多くの数の受光素子１７０９を各受光画素１７１１内に備える。

以下に、照明光学系０１８０および撮像光学系０１９０の構成および機能の具体例を説明する。

図２は、照明光学系０１８０の構成の一例である。この構成の場合、レンズ群０１８２は、コレクタレンズ０２０１、フィールドレンズ０２０２、およびコンデンサレンズ０２０３からなる。また、絞り群０１８３は、視野絞り（ｆｉｅｌｄ ｓｔｏｐ）０２１１と開口絞り（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｔｏｐ）０２１２とからなる。

光源０１８１と共役な位置に開口絞り０２１２が配置され、被写体０１００と共役な位置に視野絞り０２１１が配置される。このような２つの共役位置にそれぞれ絞りが配置された照明光学系は、ケーラー照明またはケーラー照明系とよばれ、顕微鏡光学系で一般的に用いられる。このケーラー照明は、被写体０１００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域０１０９を、開口絞り０２１２の近傍に有する。そのため、ここでは、フィルター群０１８４は、開口絞り０２１２の近傍に配置される。なお、照明光学系０１８０は、被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域を持てばよく、ケーラー照明に限定されるものではない。

図２に示す照明光学系０１８０において、被写体０１００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域０１０９を図３から図６を用いて説明する。

図３は、光源０１８１から被写体０１００内の第一の点０３１０に集光される光束０３０１の光路を示す図である。

図４は、光源０１８１から被写体０１００内の第二の点０４１０に集光される光束０４０１の光路を示す図である。

図５は、光源０１８１から被写体０１００内の第三の点０５１０に集光される光束０５０１の光路を示す図である。

第一の点０３１０は、被写体０１００の撮像範囲の一方の端に位置する点である。また、第三の点０５１０は、被写体０１００の撮像範囲の他方の端に位置する点である。なお、フィルター群０１８４を通過することにより、光束のスペクトル特性は変化するが、その光路はほとんど変化しない。そのため、図３から図６では、フィルター群０１８４によるスペクトル特性の変化を無視した形で図示している。

図６は、開口絞り０２１２近傍での各光束０３０１、０４０１、０５０１を示す図である。このように、ケーラー照明は、開口絞り０２１２の近傍において、被写体０１００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域０１０９を有する。

被写体０１００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域０１０９に、フィルター群０１８４を配置することにより、光源０１８１から被写体０１００の撮像範囲内の各点を照明する光束すべてに、フィルター群０１８４の影響を与えることができる。

図７は、フィルター群０１８４の構成の一例を示す。フィルター群０１８４は、枠０７００内に、互いに異なる透過特性を持つ複数のフィルター０７０９を備える。本実施の形態では、フィルター群０１８４は、第一のフィルター０７０１と第二のフィルター０７０２とを含む。また、本実施の形態では、第一のフィルター０７０１および第二のフィルター０７０２は、同一平面上に並べられている。

なお、枠０７００の存在は必須では無い。枠０７００を利用せず、複数のフィルター０７０９を互いに直接接着する構成としてもよい。あるいは枠０７００は利用するが、複数のフィルター０７０９の間には枠が存在せず、外枠だけで複数のフィルター０７０９を保持する構成としてもよい。

フィルター群０１８４に含まれるフィルターの数と透過特性は、フィルター群０１８４を通過した光束が、マルチスペクトル撮像に利用する各スペクトル特性を有するように選択される。

例えば、第一のフィルター０７０１として、４４０から４５０ナノメートルの波長範囲の成分を透過し、かつ、それ以外の波長範囲の成分を実質的に遮断する特性を持つフィルターが選択される。また、第二のフィルター０７０２として、５９０から６００ナノメートルの波長範囲の成分を透過し、かつ、それ以外の波長範囲の成分を実質的に遮断する特性を持つフィルターが選択される。

このとき、第一のフィルター０７０１を通過した光束は、波長範囲が４４０から４５０ナノメートルに限定された第一のスペクトル特性を有する。また、第二のフィルター０７０２を通過した光束は、波長範囲が５９０から６００ナノメートルに限定された第二のスペクトル特性を有する。これにより、２種類のスペクトルでの撮像（マルチスペクトル撮像）が可能となる。

このように、互いに異なる透過特性を持つ複数のフィルターを利用することで、照明光学系０１８０は、互いに異なるスペクトル特性を持つ光束を被写体０１００に照射することができる。フィルターは、１つのスペクトル特性に対して最低１つ必要であるが、１つのスペクトル特性に対して複数のフィルターが割り当てられてもよい。

本実施の形態において、照明光束は、撮像光学系０１９０で取り込める範囲に限定される。顕微鏡光学系においては、対物レンズの倍率を切り替えて様々な撮像倍率で撮像するのが一般的である。この時、撮像光学系０１９０で取り込める光の範囲は、対物レンズの開口数により変化する。

フィルター群０１８４上において、撮像光学系０１９０で取り込める照明光束が重なり合う範囲は、撮像光学系０１９０の開口数が大きいほど大きくなる。例として図７に、対物レンズの開口数０．１において照明光束が重なり合う範囲０７０３と、対物レンズの開口数０．９において照明光束が重なり合う範囲０７０４とを示す。

このように対物レンズの切り替えにより、対物レンズの開口数が変化した場合でも、照明光束が重なり合う範囲に含まれるフィルターの数、および、各フィルターを通過した光とそれが入射する受光素子との対応関係が変化しないようにフィルター０７０９が配置されればよい。つまり、フィルター群０１８４は、対物レンズの開口数が変化しても、第一のフィルター０７０１および第二のフィルター０７０２の各々を通過した光が、それぞれ第一の受光素子および第二の受光素子に入射する位置に配置されてもよい。より望ましくは、各開口数において、対物レンズに入射する光束が通過する各フィルター０７０９上の領域の形状がほぼ相似となるように各フィルター０７０９が配置される。

たとえば、照明光束の中心軸とフィルター０７０９の境界線の交点とを中心とし、放射状に境界線が延びるように各フィルターが配置されればよい。つまり、フィルター群０１８４は、第一のフィルター０７０１および第二のフィルター０７０２の境界線が照明光学系０１８０の光軸と交差する位置に配置されればよい。

もちろん、マルチスペクトル撮像に用いられる対物レンズの開口数に応じて、フィルター群０１８４が適宜交換されてもよい。

フィルター群０１８４に含まれる各フィルター０７０９を通過した光束は、通過したフィルターの透過特性に対応するスペクトル特性を持つ。つまり、光源０１８１が発した光束は、それぞれ異なるスペクトル特性を持つ複数の光束からなる光束群に変換される。

図８から図１０は、各フィルター０７０９を通過して、被写体０１００中の各点に集光される各光束０３０１、０４０１、０５０１の光路を示す。

光束０３１１は、光束０３０１のうち、フィルター群０１８４中の第一のフィルター０７０１を通過した光束である。そのため、光束０３１１は、第一のスペクトル特性を備える。光束０３２１は、光束０３０１のうち、フィルター群０１８４中の第二のフィルター０７０２を通過した光束である。そのため。光束０３２１は、第二のスペクトル特性を備える。

光束０４１１は、光束０４０１のうち、フィルター群０１８４中の第一のフィルター０７０１を通過した光束である。そのため、光束０４１１は、第一のスペクトル特性を備える。光束０４２１は、光束０４０１のうち、フィルター群０１８４中の第二のフィルター０７０２を通過した光束である。そのため、光束０４２１は、第二のスペクトル特性を備える。

光束０５１１は、光束０５０１のうち、フィルター群０１８４中の第一のフィルター０７０１を通過した光束である。そのため、光束０５１１は、第一のスペクトル特性を備える。光束０５２１は、光束０５０１のうち、フィルター群０１８４中の第二のフィルター０７０２を通過した光束である。そのため、光束０５２１は、第二のスペクトル特性を備える。

光束０３１１および光束０３２１は、コンデンサレンズ０２０３の作用により、被写体０１００中の同じ点（第一の点０３１０）に集光される。ただし、光束０３１１が第一のスペクトル特性を持つのに対し、光束０３２１は第二のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体０１００中の第一の点０３１０は、第一のスペクトル特性を持つ光束０３１１と、第二のスペクトル特性を持つ光束０３２１とで同時に照明される。

光束０４１１および光束０４２１は、コンデンサレンズ０２０３の作用により、被写体０１００中の同じ点（第二の点０４１０）に集光される。ただし、光束０４１１が第一のスペクトル特性を持つのに対し、光束０４２１は第二のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体０１００中の第二の点０４１０は、第一のスペクトル特性を持つ光束０４１１と、第二のスペクトル特性を持つ光束０４２１とで同時に照明される。

光束０５１１および光束０５２１は、コンデンサレンズ０２０３の作用により、被写体０１００中の同じ点（第三の点０５１０）に集光される。ただし、光束０５１１が第一のスペクトル特性を持つのに対し、光束０５２１は第二のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体０１００中の第三の点０５１０は、第一のスペクトル特性を持つ光束０５１１と、第二のスペクトル特性を持つ光束０５２１とで同時に照明される。

なお、ここでは被写体０１００中の３点を照明する光束について説明したが、照明範囲内の任意の点において、フィルター０７０９の数だけ異なるスペクトル特性を持つ複数の光束で同時に照明されるのは言うまでもない。

先述のように、照明光束の光路は、フィルター群０１８４の透過特性に依存しない。そのため、フィルター群０１８４あるいは、その内部の個々のフィルター０７０９のみを交換するだけで、マルチスペクトル撮像装置は、容易に、別のスペクトル特性の光で被写体０１００を照明し、撮像することが可能となる。

次に、撮像光学系０１９０について説明する。

図１１は、撮像光学系０１９０の構成の一例を示す。

レンズ群０１９２は、対物レンズ１１０１と、結像レンズ１１０２とを備える。対物レンズ１１０１には、通常の顕微鏡観察用の対物レンズを用いることができる。必要に応じ、対物レンズを切り替えるレボルバーが備えられてもよい。

対物レンズ１１０１の前方焦点位置に、被写体０１００が配置される。対物レンズ１１０１と結像レンズ１１０２との組により被写体０１００と共役となる位置に分離光学素子０１９４を配置することで、被写体０１００の実像を分離光学素子０１９４近傍に結ぶことができる。

この例では、分離光学素子０１９４として、図１５のようなマイクロレンズ１５９１が二次元的に配列されたマイクロレンズアレイを用いる。照明光学系０１８０のレンズ群０１８２、撮像光学系０１９０のレンズ群０１９２およびマイクロレンズ１５９１のレンズ機能によりフィルター群０１８４と共役となる位置近傍に二次元受光素子アレイ０１９５を配置する。照明光学系０１８０がケーラー照明系である場合には、マイクロレンズ１５９１の焦点位置に二次元受光素子アレイ０１９５が配置される。

この構成例における撮像光学系内の光路を、図１２から図１４を用いて説明する。

光束０３１２は、光束０３１１のうち、被写体０１００中の第一の点０３１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０３１２の特性は、被写体０１００中の第一の点０３１０近傍の第一のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。光束０３２２は、光束０３２１のうち、被写体０１００中の第一の点０３１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０３２２の特性は、被写体０１００中の第一の点０３１０近傍の第二のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。

光束０４１２は、光束０４１１のうち、被写体０１００中の第二の点０４１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０４１２の特性は、被写体０１００中の第二の点０４１０近傍の第一のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。光束０４２２は、光束０４２１のうち、被写体０１００中の第二の点０４１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０４２２の特性は、被写体０１００中の第二の点０４１０近傍の第二のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。

光束０５１２は、光束０５１１のうち、被写体０１００中の第三の点０５１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０５１２の特性は、被写体０１００中の第三の点０５１０近傍の第一のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。光束０５２２は、光束０５２１のうち、被写体０１００中の第三の点０５１０近傍を通過する際に散乱をうけずに通過した光束である。光束０５２２の特性は、被写体０１００中の第三の点０５１０近傍の第二のスペクトルに対する透過特性を反映したものとなる。

光束０３１２、光束０３２２、光束０４１２、光束０４２２、光束０５１２、および光束０５２２は、それぞれ対物レンズ１１０１により集光され、結像レンズ１１０２に入射する。

結像レンズ１１０２の作用により、被写体０１００の実像が、分離光学素子０１９４近傍に結ばれる。この実像は被写体０１００の大きさに比べ、レンズ群０１９２の光学特性により定まる倍率だけ拡大されたものとなる。たとえば対物レンズ１１０１の焦点距離が２ｍｍであり、結像レンズ１１０２の焦点距離が２００ｍｍである場合には、１００倍に拡大された実像が結ばれる。

被写体０１００中の同じ点を発した光束は、実像上の同じ点に集光される。たとえば、第一の点０３１０からの光束０３１２と光束０３２２は点１２０９に集光される。同様に、第二の点０４１０からの光束０４１２と光束０４２２は点１３０９に集光される。また、第三の点０５１０からの光束０５１１と光束０５２２は点１４０９に集光される。このように、分離光学素子０１９４の近傍に結ばれる実像内の各点は、被写体０１００中の異なる位置に対応する。

実像を結んだ各光束は、分離光学素子０１９４を通過することにより、再び広がりを持った光束に戻り二次元受光素子アレイ０１９５を照射する。このとき、実像中の各点の光束は、二次元受光素子アレイ０１９５のそれぞれ異なる範囲を照射する。

たとえば、光束０３１２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１２０１を照射する。同様に、光束０３２２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１２０２を照射する。同様に、光束０４１２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１３０１を照射する。同様に、光束０４２２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１３０２を照射する。同様に、光束０５１２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１４０１を照射する。同様に、光束０５２２は、二次元受光素子アレイ０１９５中の範囲１４０２を照射する。

各光束の二次元受光素子アレイ０１９５上の照射範囲は、照明光学系０１８０および撮像光学系０１９０の光学特性、物理的大きさおよび相対位置関係で定まる。

実像中の十分近い２点を通った光束は、二次元受光素子アレイ０１９５上の照射範囲に重なりを持つ。一方、実像中の十分離れた２点を通った光束は、二次元受光素子アレイ０１９５上の照射範囲に重なりを持たない。

二次元受光素子アレイ０１９５上で照射範囲に重なりを持たない光束は、二次元受光素子アレイ０１９５内の別の受光画素１７１１を照射することができるので区別可能となる。すなわち、本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置は、照射範囲の重なりで制限された空間解像度で、被写体０１００のマルチスペクトル像を撮影することができる。

実像中で、どれだけの距離はなれれば重なりを持たないかは、照明光学系０１８０および撮像光学系０１９０の光学特性および物理的大きさおよび相対位置関係で定まる。

分離光学素子０１９４が、図１５に示すようなマイクロレンズ１５９１の集合体である場合について説明する。分離光学素子０１９４と二次元受光素子アレイ０１９５の距離が、レンズ群０１９２を構成する各マイクロレンズ１５９１の焦点距離よりも十分短い場合、個々のマイクロレンズ１５９１を通過した光束は互いに重なりを持たない。したがってこの場合、マイクロレンズ１５９１の大きさ程度の空間解像度を得ることができる。

また、レンズ群０１９２および分離光学素子０１９４中のマイクロレンズ１５９１により、二次元受光素子アレイ０１９５上にフィルター群０１８４の実像１６０９が結ばれる（図１６）。この実像１６０９の数は、分離光学素子０１９４中のマイクロレンズ１５９１の数に等しい。

各実像１６０９において、第一のフィルターの実像１６０１および第二のフィルターの実像１６０２は、それぞれ対応する第一のフィルター０７０１および第二のフィルター０７０２を通過し、被写体０１００を通過した光束により結ばれている。つまり、実像１６０１および実像１６０２は、それぞれ、第一のスペクトル特性の光および第二のスペクトル特性の光で被写体０１００を照明したことにより得られたものである。また、同じ第一のフィルター０７０１の像であっても、異なるマイクロレンズ１５９１により結ばれた像は、被写体０１００の異なる位置を通過した光束によって結ばれた像である。

図１７は、二次元受光素子アレイ０１９５の模式図である。この例における二次元受光素子アレイ０１９５は、マイクロレンズ１５９１とほぼ同じ大ききで同じ数の受光画素１７１１を備える。受光画素１７１１内には、複数の受光素子１７０９が配置されている。この例では４つの受光素子１７０９が受光画素１７１１内に配置されている。

この時、各受光素子１７０９を、１つのフィルターの実像としか重なりを持たないように配置すれば、各マイクロレンズ１５９１は、異なるフィルターを通過した各光束を別々の受光素子に導くことができる。

各受光画素１７１１中の、同一のスペクトル特性に対応する受光素子の情報だけを集めれば、そのスペクトル特性の光で撮影された被写体０１００の像を構成することができる。本実施の形態の方法によれば、フィルター０７０９の数だけ同時に被写体０１００の像を撮影することができる。

つまり、各受光画素１７１１中の、第一のフィルターの実像１６０１と重なる第一の受光素子１７０１のみの信号を集めれば、被写体０１００の第一のスペクトル特性の光で撮影された像を得ることができる。同様に、各受光画素１７１１中の、第二のフィルターの実像１６０２と重なる第二の受光素子１７０２のみの信号を集めれば、被写体０１００の第二のスペクトル特性の光で撮影された像を得ることができる。

上記のように、本構成により、顕微鏡光学系において、被写体０１００のマルチスペクトル像を撮像することができる。

なお、フィルター群０１８４中のフィルター０７０９の数と、二次元受光素子アレイ０１９５を構成する受光画素１７１１中の受光素子１７０９の数を変更することにより、マルチスペクトル撮像装置は、容易に３以上の像を含むマルチスペクトル像を撮影することができる。

実施の形態１のマルチスペクトル撮像装置の場合、フィルター群０１８４または個々のフィルター０７０９は、物理的な大きさが同一であり、かつ透過特性が異なるフィルター群またはフィルターと交換されてもよい。これにより、マルチスペクトル撮像装置は、互いに特性が異なる複数のマルチスペクトル像を容易に撮影することができる。

また、上記例では、各受光画素１７１１において、各フィルター０７０９を通過した光を受光する受光素子１７０９の数はそれぞれ２つである。しかしながら、フィルターおよび受光素子は、この数に限定されるものではない。たとえば、各フィルター０７０９を通過した光を、それぞれ１つの受光素子で受光してもよい。また逆に、受光画素内に５つ以上の受光素子を配置してもよい。受光素子を多く配置しておけば、フィルター０７０９の数に対する自由度を高めることができる。また、光学系の軸あわせ、位置あわせ精度の関係で、二次元受光素子アレイ０１９５上で、複数のフィルター０７０９を通過した光で同時に照射される場所が生じる場合がある。その場合でも、受光画素１７１１中に十分な数の受光素子１７０９が配置されていれば、複数のフィルター０７０９を通過した光で同時に照射された受光素子１７０９の信号を除去し、単一のフィルターを通過した光で照射された受光素子１７０９からの信号だけを利用することでマルチスペクトル像を得ることができる。

マルチスペクトル撮像の例と、その効果を図１８から図２１を用いて説明する。被写体は、エオシン、ヘマトキシリン、および、Ｋｉ−６７抗体を用いた免疫染色剤により染色した癌組織である。エオシンは細胞質を染色し、ヘマトキシリンは全胞核を染色する性質を持つ。Ｋｉ−６７抗体を用いた免疫染色剤は、Ｋｉ−６７抗原を持つ細胞核を染色する。全細胞核に対し、Ｋｉ−６７抗原を持つ細胞核の割合を計数することが、癌治療上有益であることが知られている。

図１８は、４２０ナノメートルから７００ナノメートルまでスペクトル制限せずに撮影した像である。図１８では、細胞質１７８１、免疫染色された細胞核１７８２、および免疫染色されなかった細胞核１７８３間のコントラスト差が小さい。そのため、細胞質１７８１、免疫染色された細胞核１７８２、および免疫染色されなかった細胞核１７８３を識別することが困難である。なお、図には多数の細胞核が写っているが、代表的な細胞核のみを丸で囲んでいる。

図１９は、細胞質１７８１の吸収スペクトル１７９１、免疫染色された細胞核１７８２の吸収スペクトル１７９２、および免疫染色されなかった細胞核１７８３の吸収スペクトル１７９３を示すグラフである。図から４２０から４５０ナノメートルまでの範囲では、免疫染色された細胞核１７８２のみが高い吸収率を持つことが分かる。いっぽう、４７５ナノメートルから６７５ナノメートルの範囲では免疫染色された細胞核１７８２、およびＫ免疫染色されなかった細胞核１７８３を合わせた全細胞核が細胞質１７８１よりも高い吸収率を持ち、特に６００ナノメートル前後で全細胞核と細胞質１７８１との吸収率の差が大きくなる。

図２０は、第一のスペクトル特性１７７１に対応する波長の光を用いて撮影した像を示す。また、図２１は、第二のスペクトル特性１７７２に対応する波長の光を用いて撮影した像を示す。

図２０では、免疫染色された細胞核１７８２だけが黒く撮像されている。これは、免疫染色に用いた染料が、第一のスペクトル特性において高い吸収率を持つためである。このスペクトル特性の光での撮像は、免疫染色された細胞核１７８２の計数に適している。

一方、図２１では、免疫染色された細胞核１７８２、および免疫染色されなかった細胞核１７８３ともに黒く撮像されている。これは、免疫染色に用いた染料と、核の非特異染色に用いたヘマトキシリンとが、第二のスペクトル特性に対応する波長範囲においてともに高い吸収率を持つからである。また、細胞質を染めるエオシンがこのスペクトル特性に対応する波長範囲において高い吸収率を持たないからでもある。この第二のスペクトル特性の光での撮像は、全細胞核の計数に適している。

したがって、第一のスペクトル特性の光で撮影された像を用いて、免疫染色された細胞核の数を計数し、第二のスペクトル特性の光で撮影された像を用いて全細胞核の数を計数すれば、全細胞核数に対する免疫染色された細胞核数の割合を精度よく調べることができる。

このように、本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置により、複数の吸収スペクトルを有する複数の染料を用いて染色した被写体を、各染料が他の染料と異なる吸収を示す各スペクトル特性の照明光を通過させるように、各フィルターの透過特性を選択することで、各染色領域をより明確に識別する撮像が可能になる。つまり、複数の染料に含まれる第一の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第一の波長の光を通過させる第一のフィルターと、複数の染料に含まれる第二の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第二の波長の光を通過させる第二のフィルターとを含むフィルター群が照明光学系に配置されることにより、複数の吸収スペクトルを有する複数の染料を用いて染色された被写体を適切に観察することが可能となる。

本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置によれば、フィルター群０１８４またはフィルター０７０９を交換することができるので、照明光のスペクトル特性を容易に変更することができる。よって、被写体０１００の染色法に応じて、適切なフィルター群０１８４またはフィルター０７０９に交換して撮像することで、被写体の観察に適したマルチスペクトル像を撮影することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、おもに金属や半導体などの不透明なサンプルの反射像の撮影に用いられる反射照明型のマルチスペクトル撮像装置について、図２２から図３４を用いて説明する。

図２２は、実施の形態２におけるマルチスペクトル撮像装置の構成の一例を示す。本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置は、照明光学系１８８０と撮像光学系１８９０とを備え、被写体１８００のマルチスペクトル撮像を行う。ただし、実施の形態１の透過照明型のマルチスペクトル撮像装置とは異なり、ハーフミラー１８８５から被写体１８００までの範囲で光束が往復する。本明細書では便宜上、光源１８８１からハーフミラー１８８５までの構成要素が照明光学系１８８０に属し、それ以外の構成要素が撮像光学系１８９０に属するものとする。つまり、ハーフミラー１８８５と被写体１８００との間に位置する構成要素は撮像光学系１８９０に属する。

照明光学系１８８０は、光源１８８１、レンズ群１８８２、絞り群１８８３、フィルター群１８８４およびハーフミラー１８８５を備える。撮像光学系１８９０は、レンズ群１８９２と分離光学素子１８９４、および二次元受光素子アレイ（撮像素子）１８９５を備える。以下に、照明光学系１８８０および撮像光学系１８９０の各構成要素について説明する。

光源１８８１は、照明光束の発生源である。光源１８８１は、実施の形態１の光源０１８１と同じであるので、詳細な説明を省略する。ここでは、光源１８８１として、３００ナノメートルから１１００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つキセノン光源を用いる場合を一例として説明する。

レンズ群１８８２は、光源１８８１が発した光の経路を曲げる。レンズ群１８８２は、屈折型レンズでも、反射型レンズでも、あるいはそれらのレンズの組み合わせでもよい。

絞り群１８８３は、光源１８８１が発した光の光路を制限する。絞り群１８８３は、開口範囲可変型の絞りでもよいし、固定型の絞りでもよい。

フィルター群１８８４は、被写体１８００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域１８０９に配置される。また、フィルター群１８８４は、互いに透過特性が異なる複数のフィルター（本実施の形態では第一から第四のフィルター）を備える。フィルター群１８８４は、マルチスペクトル撮像に必要な各スペクトルを持つ照明光束を生成する。フィルター群１８８４は、必要に応じて交換される。つまり、フィルター群１８８４は、照明光学系１８８０に交換可能に取り付けられる。すなわち、フィルター群１８８４は着脱可能である。なお、フィルター群１８８４は、照明光学系０１８０に交換不可能に固定されてもよい。

ハーフミラー１８８５は、光源１８８１が発した照明光束の一部を反射させ、被写体１８００を照明する。また、ハーフミラー１８８５は、被写体１８００から反射してきた光の一部を透過させ、分離光学素子１８９４に入射させる。このハーフミラー１８８５は、金属顕微鏡に一般的に用いられている構成要素である。ハーフミラー１８８５として、たとえば金属蒸着ガラス板などが利用される。

レンズ群１８９２は、被写体１８００から反射してきた光束の光路を制御し、分離光学素子１８９４近傍に被写体１８００の実像を結ぶ。

分離光学素子１８９４は、レンズ群１８９２が結ぶ被写体１８００の実像の各部において、フィルター群１８８４の各フィルターを通過してきた光を、二次元受光素子アレイ１８９５上のそれぞれ異なる受光素子に導く。つまり、分離光学素子１８９４は、第一から第四のフィルターを通過してきた光を、それぞれ対応する複数の受光素子（第一から第四の受光素子）に導く。

二次元受光素子アレイ１８９５は、撮像素子の一例であり、面内に撮像する空間画素数だけ受光画素３４１１を備える。各受光画素３４１１は、第一のスペクトル特性での撮像のための第一の受光素子３４０１と、第二のスペクトル特性での撮像のための第二の受光素子３４０２と、第三のスペクトル特性での撮像のための第三の受光素子３４０３と、第四のスペクトル特性での撮像のための第四の受光素子３４０４とを含む。つまり、二次元受光素子アレイ１８９５は、同時に撮影するスペクトル像と同じ数あるいはそれより多くの数の受光素子３４０９を各受光画素３４１１内に備える。

以下に、照明光学系１８８０および撮像光学系１８９０の構成および機能の具体例を説明する。

図２３は、照明光学系１８８０の構成の一例である。この構成の場合、レンズ群１８８２は、コレクタレンズ１９０１、第一のフィールドレンズ１９０２、および第二のフィールドレンズ１９０３から構成される。

照明光学系１８８０の絞り群１８８３は、視野絞り１９１１と開口絞り１９１２とから構成される。

図２４は、撮像光学系１８９０の構成の一例である。この構成の場合、レンズ群１８９２は、対物レンズ２００１と結像レンズ２００２とから構成される。

開口絞り１９１２は光源１８８１と共役な位置に配置される。視野絞り１９１１は被写体１８００と共役な位置に配置される。このように配置された２つの絞りを有する照明光学系１８８０は、いわゆる落射ケーラー照明とよばれる。ただし、照明光学系１８８０は、落射ケーラー照明に限定されるものではない。

図２３に示す照明光学系１８８０において、被写体１８００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域１８０９を図２５から図２８を用いて説明する。

図２５は、光源１８８１から被写体１８００内の第一の点２１１０に集光される光束２１０１を示す図である。

図２６は、光源１８８１から被写体１８００内の第二の点２２１０に集光される光束２２０１を示す図である。

図２７は、光源１８８１から被写体１８００内の第三の点２３１０に集光される光束２３０１を示す図である。

第一の点２１１０は、被写体１８００の撮像範囲の一方の端に位置する点である。第三の点２３１０は、被写体１８００の撮像範囲の逆の端に位置する点である。なお、フィルター群１８８４を通過することにより、光束のスペクトル特性は変化するが、その光路はほとんど変化しない。そのため、図２５から図２８では、フィルター群１８８４によるスペクトル特性の変化を無視した形で図示している。

図２８に示すように、光束２１０１、光束２２０１、および光束２３０１は、開口絞り１９１２近傍で重なり合う。ここに例示した３点以外でも、被写体１８００の撮像範囲内の任意の点に到達する光束は、この開口絞り１９１２の近傍で照明光束が重なり合う領域１８０９を持つ。

このように、被写体１８００の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域１８０９に、フィルター群１８８４を配置することにより、光源１８８１から被写体１８００の撮像範囲内の各点を照明する光束すべてに、フィルター群１８８４の影響を与えることができる。

図２９は、フィルター群１８８４の構成の一例を示す。

この例では、フィルター群１８８４は、光を遮断する枠２５００内に、互いに異なる透過特性を有する４つのフィルター２５０９（すなわち、第一のフィルター２５０１、第二のフィルター２５０２、第三のフィルター２５０３、および第四のフィルター２５０４）を有する。本実施の形態では、第一のフィルター２５０１、第二のフィルター２５０２、第三のフィルター２５０３、および第四のフィルター２５０４は、同一平面上に並べられている。

各フィルターの透過特性として、例えば下記のものを用いることができる。

第一のフィルター２５０１は、波長４４０から４５０ナノメートルの光を透過させ、それ以外の波長の光を遮断する。第二のフィルター２５０２は、波長４９０から５００ナノメートルの光を透過させ、それ以外の波長の光を遮断する。第三のフィルター２５０３は、波長５９０から６００ナノメートルの光を透過させ、それ以外の波長の光を遮断する。第四のフィルター２５０４は、波長６９０から７００ナノメートルの光を透過させ、それ以外の波長の光を遮断する。

フィルター群１８８４を通過した各光束は、通過したフィルターの透過特性に対応するスペクトル特性を持つ光束に変換される。

つまり、第一のフィルター２５０１を通過した光は、波長４４０から４５０ナノメートルの範囲にのみに成分の分布を持つ第一のスペクトル特性を有する。また、第二のフィルター２５０２を通過した光は、波長４９０から５００ナノメートルの範囲にのみに成分の分布を持つ第二のスペクトル特性を有する。また、第三のフィルター２５０３を通過した光は、波長５９０から６００ナノメートルの範囲にのみに成分の分布を持つ第三のスペクトル特性を有する。また、第四のフィルター２５０４を通過した光は、波長６９０から７００ナノメートルの範囲にのみに成分の分布を持つ第四のスペクトル特性を有する。

撮像光学系１８９０の開口数により、照明光束が重なり合う領域１８０９が変化するのは実施の形態１と同様である。そのため、フィルター２５０９は、実施の形態１で説明したように、照明光束の中心軸とフィルター群１８８４との交点を中心とし、放射状に境界線が延びるように各フィルター２５０９が配置されることが好ましい。

図３０から図３２は、各フィルター２５０９を通過して、被写体１８００の各点に集光される各光束２１０１、２２０１、２３０１の光路を示す。ただし、図３０から図３２では、第一のフィルター２５０１と第二のフィルター２５０２、および第三のフィルター２５０３と第四のフィルター２５０４はそれぞれ奥行き方向に重なり合うため区別して表示できない。

光束２６０１は、光束２１０１のうち、フィルター群１８８４中の第一のフィルター２５０１を通過した光束である。そのため、光束２６０１は、第一のスペクトル特性を備える。光束２６０２は、光束２１０１のうち、フィルター群１８８４中の第二のフィルター２５０２を通過した光束である。そのため、光束２６０２は、第二のスペクトル特性を備える。光束２６０３は、光束２１０１のうち、フィルター群１８８４中の第三のフィルター２５０３を通過した光束である。そのため、光束２６０３は、第三のスペクトル特性を備える。光束２６０４は、光束２１０１のうち、フィルター群１８８４中の第四のフィルター２５０４を通過した光束である。そのため、光束２６０４は、第四のスペクトル特性を備える。

光束２７０１は、光束２２０１のうち、フィルター群１８８４中の第一のフィルター２５０１を通過した光束である。そのため、光束２７０１は、第一のスペクトル特性を備える。光束２７０２は、光束２２０１のうち、フィルター群１８８４中の第二のフィルター２５０２を通過した光束である。そのため、光束２７０２は、第二のスペクトル特性を備える。光束２７０３は、光束２２０１のうち、フィルター群１８８４中の第三のフィルター２５０３を通過した光束である。そのため、光束２７０３は、第三のスペクトル特性を備える。光束２７０４は、光束２２０１のうち、フィルター群１８８４中の第四のフィルター２５０４を通過した光束である。そのため、光束２７０４は、第四のスペクトル特性を備える。

光束２８０１は、光束２３０１のうち、フィルター群１８８４中の第一のフィルター２５０１を通過した光束である。そのため、光束２８０１は、第一のスペクトル特性を備える。光束２８０２は、光束２３０１のうち、フィルター群１８８４中の第二のフィルター２５０２を通過した光束である。そのため、光束２８０２は、第二のスペクトル特性を備える。光束２８０３は、光束２３０１のうち、フィルター群１８８４中の第三のフィルター２５０３を通過した光束である。そのため、光束２８０３は、第三のスペクトル特性を備える。光束２８０４は、光束２３０１のうち、フィルター群１８８４中の第四のフィルター２５０４を通過した光束である。そのため、光束２８０４は、第四のスペクトル特性を備える。

光束２６０１〜２６０４は、対物レンズ２００１の作用により、被写体１８００中の第一の点２１１０に集光される。ただし、光束２６０１は第一のスペクトル特性を、光束２６０２は第二のスペクトル特性を、光束２６０３は第三のスペクトル特性を、光束２６０４は第四のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体１８００中の第一の点２１１０は、４種のスペクトル特性を持つ光で同時に照明される。

光束２７０１〜２７０４は、対物レンズ２００１の作用により、被写体１８００中の第二の点２２１０に集光される。ただし、光束２７０１は第一のスペクトル特性を、光束２７０２は第二のスペクトル特性を、光束２７０３は第三のスペクトル特性を、光束２７０４は第四のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体１８００中の第二の点２２１０は、４種のスペクトル特性を持つ光で同時に照明される。

光束２８０１〜２８０４は、対物レンズ２００１の作用により、被写体１８００中の第三の点２３１０に集光される。ただし、光束２８０１は第一のスペクトル特性を、光束２８０２は第二のスペクトル特性を、光束２８０３は第三のスペクトル特性を、光束２８０４は第四のスペクトル特性を持つ。つまり、被写体１８００中の第三の点２３１０は、４種のスペクトル特性を持つ光で同時に照明される。

なお、ここでは被写体１８００中の３点を照明する光束について説明したが、照明範囲内の任意の点において、フィルター２５０９の数だけ異なるスペクトル特性を持つ複数の光束で同時に照明されるのは言うまでもない。

被写体１８００を照明した光のうち、散乱を受けなかった光は、鏡面条件を満たす方向に反射される。このとき、反射光は、被写体１８００の照明光スペクトルに対する反射特性を反映した割合で反射される。

図３３から図３５は、反射光の経路を示す。

光束２９０１は、光束２６０１が被写体１８００上の第一の点２１１０で鏡面方向に反射された光束である。光束２９０２は、光束２６０２が被写体１８００上の第一の点２１１０で鏡面方向に反射された光束である。光束２９０３は、光束２６０３が被写体１８００上の第一の点２１１０で鏡面方向に反射された光束である。光束２９０４は、光束２６０４が被写体１８００上の第一の点２１１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３００１は、光束２７０１が被写体１８００上の第二の点２２１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３００２は、光束２７０２が被写体１８００上の第二の点２２１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３００３は、光束２７０３が被写体１８００上の第二の点２２１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３００４は、光束２７０４が被写体１８００上の第二の点２２１０で鏡面方向に反射された光束である。

光束３１０１は、光束２８０１が被写体１８００上の第三の点２３１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３１０２は、光束２８０２が被写体１８００上の第三の点２３１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３１０３は、光束２８０３が被写体１８００上の第三の点２３１０で鏡面方向に反射された光束である。光束３１０４は、光束２８０４が被写体１８００上の第三の点２３１０で鏡面方向に反射された光束である。

各光束２９０１〜２９０４、３００１〜３００４、３１０１〜３１０４は、再び対物レンズ２００１を通り、平行光束となってハーフミラー１８８５の方向に向かう。ハーフミラー１８８５において、対物レンズ２００１側から来た光束の一部は反射されるが、他部は透過して結像レンズ２００２に向かう。これらの光束は、結像レンズ２００２の結像作用により、分離光学素子１８９４近傍に被写体１８００の実像を結ぶ。

この実像は、レンズ群１８９２の光学特性により定まる倍率だけ拡大されたものとなる。たとえば対物レンズ２００１の焦点距離が４ｍｍであり、結像レンズ２００２の焦点距離が１６０ｍｍである場合には、４０倍に拡大された実像が結ばれる。

被写体１８００中の同じ点を発した光束は、実像上の同じ点に集光される。たとえば、第一の点２１１０からの光束２９０１〜２９０４は点２９０５に集光される。同様に、第二の点２２１０からの光束３００１〜３００４は点３００５に集光される。同様に、第三の点２３１０からの光束３１０１〜３１０４は点３１０５に集光される。このように、分離光学素子１８９４の近傍に結ばれる実像内の各点は、被写体１８００中の異なる位置に対応する。

実像を結んだ各光束は、分離光学素子１８９４を通過することにより、再び広がりを持った光束に戻り二次元受光素子アレイ１８９５を照射する。このとき、実像中の各点の光束は、二次元受光素子アレイ１８９５のそれぞれ異なる範囲を照射する。

たとえば、光束２９０１は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲２９９１を照射する。同様に、光束２９０２は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲２９９２を照射する。同様に、光束２９０３は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲２９９３を照射する。同様に、光束２９０４は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲２９９４を照射する。

たとえば、光束３００１は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３０９１を照射する。同様に、光束３００２は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３０９２を照射する。同様に、光束３００３は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３０９３を照射する。同様に、光束３００４は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３０９４を照射する。

たとえば、光束３１０１は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３１９１を照射する。同様に、光束３１０２は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３１９２を照射する。同様に、光束３１０３は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３１９３を照射する。同様に、光束３１０４は、二次元受光素子アレイ１８９５中の範囲３１９４を照射する。

実像中各点を通った光束の、二次元受光素子アレイ１８９５上の照射範囲は、照明光学系１８８０および撮像光学系１８９０の光学特性および物理的大きさおよび相対位置関係で定まる。

実像中の十分近い２点を通った光束は、二次元受光素子アレイ１８９５上を照射範囲に重なりを持つ。一方、実像中の十分離れた２点を通った光束は、二次元受光素子アレイ１８９５上を照射範囲に重なりを持たない。

二次元受光素子アレイ１８９５上で照射範囲に重なりを持たない光束は、二次元受光素子アレイ１８９５中の異なる受光画素３４１１を照射することになるから区別可能となる。すなわち、マルチスペクトル撮像装置は、照射範囲の重なりで制限された空間解像度で、被写体１８００のマルチスペクトル像を撮影することができる。

実像中で、どれだけの距離はなれれば重なりを持たないかは、照明光学系１８８０および撮像光学系１８９０の光学特性および物理的大きさおよび相対位置関係で定まる。

分離光学素子１８９４が、図３６に示すようなマイクロレンズ３２９１の集合体である場合について説明する。

分離光学素子１８９４と二次元受光素子アレイ１８９５の距離が、レンズ群１８９２を構成する各レンズの焦点距離よりも十分短い場合、個々のマイクロレンズ３２９１の大きさ程度の空間解像度を得ることができる。

また、レンズ群１８９２および分離光学素子１８９４中のマイクロレンズ３２９１により、二次元受光素子アレイ１８９５上にフィルター群１８８４の実像３３０９が結ばれる（図３７）。この実像３３０９の数は、分離光学素子１８９４中のマイクロレンズ３２９１の数に等しい。

各実像３３０９において、第一のフィルターの実像３３０１、第二のフィルターの実像３３０２、第三のフィルターの実像３３０３、および第四のフィルターの実像３３０４は、それぞれ対応する第一のフィルター２５０１、第二のフィルター２５０２、第三のフィルター２５０３、および第四のフィルター２５０４を通過し、被写体１８００で反射した光束により結ばれている。つまり、実像３３０１、実像３３０２、実像３３０３、および実像３３０４は、それぞれの第一のスペクトル特性、第二のスペクトル特性、第三のスペクトル特性、および第四のスペクトル特性の光で被写体１８００を照明したことにより得られたものである。

また、図３８のように、実像３３０１、実像３３０２、実像３３０３、および実像３３０４の位置に、それぞれ別々の第一から第四の受光素子３４０１〜３４０４を配置することで、各マイクロレンズ３２９１は、異なるフィルターを通過した各光束を別々の受光素子に導くことができる。

各受光画素３４１１中の、同一のスペクトル特性の光に対応する受光素子の情報だけを集めれば、そのスペクトル特性の光で撮影された被写体１８００の像を構成することができる。つまり、マルチスペクトル撮像装置は、フィルター２５０９の数だけ同時に被写体１８００のマルチスペクトル像を撮影することができる。すなわち、本実施の形態の構成により、反射照明型の顕微鏡光学系において、マルチスペクトル撮像が実現できる。

実施の形態１と同様、本実施の形態においても照明光束の光路はフィルターの透過特性に依存しない。そのため、フィルター群１８８４あるいは個々のフィルター２５０９のみを交換することにより、マルチスペクトル撮像装置は、容易に、異なるスペクトル特性の光で被写体の像を撮影することが可能である。

本実施の形態のマルチスペクトル撮像結果は、たとえば薄膜つきサンプルの膜厚識別に利用することができる。一例として、図３９にシリコン酸化膜薄膜を有するシリコン基板の反射率の、シリコン酸化膜の膜厚依存性を示す。干渉効果のため、反射率は、薄膜の膜厚応じて異なる波長依存性を持つ。

この実施の形態で例に挙げた、第一のスペクトル特性（４４０から４５０ナノメートルの波長範囲）において、酸化膜厚０ナノメートルのサンプルの反射率と酸化膜厚３００ナノメートルのサンプルの反射率とは似通っている。また、酸化膜厚１００ナノメートルのサンプルの反射率と酸化膜厚２００ナノメートルのサンプルの反射率とは似通っている。さらに、酸化膜厚４００ナノメートルのサンプルの反射率と酸化膜厚５００ナノメートルのサンプルの反射率とは似通っている。そのため、第一のスペクトル特性の光だけによる撮像では、これら酸化膜厚が似通ったサンプルあるいは領域を区別することはできない。

しかし、第一のスペクトル特性３９０１（４４０から４５０ナノメートル）、第二のスペクトル特性３９０２（４９０から５００ナノメートル）、第三のスペクトル特性３９０３（５９０から６００ナノメートル）、第四のスペクトル特性３９０４（６９０から７００ナノメートル）の全てにおいて、似通った反射率を持つ酸化膜厚のサンプルは、この６種類のサンプルの中には存在しないことが図３５からわかる。このように、複数のスペクトル特性の光で撮像することにより、薄膜の厚みの違うサンプルあるいは領域を識別することが可能となる。なお、各スペクトルで撮像された各画像内の画素の強度は、各画像内においては被写体の相対反射率を反映したものとなっている。しかし、異なるスペクトル像間においては、光源１８８１の各スペクトルにおける放射強度、各フィルター２５０９の透過率などの違いにより、画像内の強度をそのまま比較することができない。

しかし、各スペクトル特性における反射率が既知の物質（たとえばシリコン基板や金ミラーなど）を撮像した結果と比較することにより、各スペクトルでの撮像結果を絶対反射率に換算することが可能となる。絶対反射率に換算後は各スペクトル間の比較が可能となる。この絶対反射率に換算したマルチスペクトル像と、光学シミュレーターにより計算した任意の膜厚における理論マルチスペクトル像とを比較することで、もっともらしい膜厚を推定することもできる。なお、反射率が既知の物質の測定は、各被写体のマルチスペクトル撮像ごとに行ってもよいし、光学シミュレーター内に測定結果を保存しておき、その結果を利用して各撮像結果を絶対反射率に換算してもよい。

このように、膜厚と反射スペクトルとが第一の依存関係を示す第一の波長の光を通過させる第一のフィルターと、膜厚と反射スペクトルとが第二の依存関係を示す第二の波長の光を通過させる第二のフィルターとを含むフィルター群を照明光学系に配置することにより、酸化膜の膜厚を推定することができる。

このような効果が得られるのは、上記例で示したスペクトル特性、および、膜厚の場合だけではない。基板や薄膜の種類、膜厚範囲などにより識別しやすくなるスペクトル特性の組み合わせが異なるので、識別すべき対象が限定されている場合には、識別に適したスペクトル特性に対応する透過特性を有するフィルター２５０９が利用されればよい。また、本実施の形態では、フィルター群１８８４の交換だけで、異なるスペクトル特性の光での撮像が可能である。したがって、フィルター群は、識別すべき対象ごとに、それに適した透過特性を有するフィルター群に適宜交換されてもよい。

なお、光学シミュレーターは、基板の厚みと、各波長における基板の複素屈折率と、各薄膜の厚みと、各波長における各薄膜の複素屈折率と、大気の各波長における複素屈折率と、光線入射角度とをもとに、各波長における反射率を計算する処理を行う。このような光学シミュレーションを行うソフトウェアは市販されている。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態２の反射照明型のマルチスペクトル撮像装置を用いて、薄膜サンプル（被写体）を撮像し、薄膜の厚み同定、または異物もしくはシワ（重なり）などの異常検出を行う。

薄膜サンプルでは干渉効果により、薄膜の厚みや異物の有無、シワなどの異常の有無により反射率の波長依存性が変化する。そのため、薄膜の厚みの変化や、異物の有無、シワなどの異常の有無により反射率に差が生じる波長範囲の成分を含む光で照明された薄膜サンプルを撮像すれば、薄膜の厚みの変化や、異物の有無、シワなどの異常の有無によりコントラストがついた像が得られる。逆に、薄膜の厚みの変化や異物の有無、シワなどの異常の有無により反射率に差が生じない波長範囲の光で照明された薄膜サンプルを撮像すれば、薄膜の厚みの変化や、異物の有無、シワなどの異常の有無によりコントラストがつかない像が得られる。

また、照明光の波長範囲を適切に選択すれば、薄膜の厚みの変化やシワなどの異常の有無に対してはコントラストがつくが、異物の有無に対してはコントラストが付かない像を得ることも場合により可能である。このような波長範囲の光での撮像は、薄膜の厚みの違いやシワなどの異常検出に有益である。

逆に、異物の有無によってコントラストが付くが、薄膜の厚みの変化によってはコントラストが付かない波長範囲が存在する場合もある。このような波長範囲の光での撮像は、異物の検出に有益である。

どの波長範囲の光で薄膜の厚みの変化や、異物の有無、シワなどの異常の有無により反射率に差が生じる、あるいは生じないかは、基板の種類、薄膜の種類や厚み、異物の種類や厚み、あるいは異常の種類などにより異なる。そこで、本実施の形態では、被写体および撮像目的に応じて、適切な波長範囲の光を被写体に照射するための透過特性を有するフィルターを撮像装置に取り付けることにより、撮像目的に適した像を得る。

照明光の波長範囲の選定は、たとえば実験的に行われる。たとえば、さまざまな波長範囲の光で被写体の撮像を行い、薄膜の厚みの違いや異物の有無、シワなどの異常の有無によりコントラストが生じるか否かを確認する。その確認結果に基づいて、波長範囲を選定し、選定した波長範囲に対応する透過特性を有するフィルターを選択する。

あるいは、光学シミュレーションにより、各波長範囲の光で撮像した時に得られる像のコントラストを予測してもよい。

以下に、図４０に示す薄膜サンプルの光学シミュレーションをおこなった結果（図４１Ａ、図４１Ｂ）と、実際に薄膜サンプルを様々な波長範囲の光で撮像した例（図４２から図４６）を示す。

図４０に示す被写体（薄膜サンプル）は、２９５ナノメートルの厚みを持つシリコン酸化膜を形成したシリコン基板上に、単層のグラフェンを２枚転写したものである。図４２等に示すように、撮像視野内には、グラフェンが張りけられていない下地領域（４０００）、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）、第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）が存在する。第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）と第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）は、いずれもグラフェンの厚みが０．３５ナノメートル程度である。一方、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）におけるグラフェン層の厚みは０．７ナノメートル程度である。

図４１Ａは、２９５ナノメートル厚みのシリコン酸化膜を持つシリコン基板上にグラフェン層が存在するサンプルの反射度を、光学シミュレーションにより求めた図である。シミュレーションを行ったのは、下地領域（４０００）に相当するグラフェン層が０ナノメートルの場合（４１００）、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）と第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）に相当するグラフェン層が０．３５ナノメートルの場合（４１０１）、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）に相当するグラフェン層が０．７ナノメートルの場合（４１０２）である。ただし、基板とグラフェン以外の異物は存在しないものとしてシミュレーションを行った。

図４１Ｂは、２９５ナノメートル厚みのシリコン酸化膜を持つシリコン基板上に０．３５ナノメートルのグラフェン層が存在し、かつその上にＰＭＭＡ樹脂層が存在するサンプルの反射度を光学シミュレーションにより求めた図である。シミュレーションを行ったのは、ＰＭＭＡ樹脂層の厚みが０ナノメートルの場合（４２００）と、ＰＭＭＡ樹脂層の厚みが５ナノメートルの場合（４２０１）である。

波長４４０から４５０ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第一のスペクトル特性（４３０１）において、反射度は、グラフェンの層の厚みに対して依存性を持たないが、ＰＭＭＡ樹脂層の厚みに依存性を持ち、ＰＭＭＡ樹脂層が堆積している箇所のほうが高い反射度を持つことが図４１Ａおよび図４１Ｂから読み取れる。実際にこのスペクトル特性で撮像した結果を図４２に示す。

グラフェンが張りけられていない下地領域（４０００）、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）、第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）それぞれにコントラスト差は生じていない。しかし、細かい異物（４４０１）が周囲よりも反射度の高い白い領域として撮像されていることが確認できる。

波長４９０から５００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第二のスペクトル特性（４３０２）においては、反射度は、グラフェンの層の厚みとＰＭＭＡ樹脂層の厚み双方に依存性を持ち、ＰＭＭＡ樹脂層が堆積している箇所のほうが高い反射度を持つことが図４１Ａおよび図４１Ｂから読み取れる。実際にこのスペクトル特性で撮像した結果を図４３に示す。

下地領域（４０００）が最も高い反射度を示し、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）と第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）が同じ中間の反射度を示し、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）が最も低い反射度を示すように撮像されている。また、細かい異物（４４０１）は、像中に周囲よりも高い反射度を持つ白い領域として撮像されている。

波長５４０から５５０ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第三のスペクトル特性（４３０３）においては、反射度は、グラフェンの層の厚みに対して依存性を持つが、ＰＭＭＡ樹脂層の厚みに依存性を持たないことが、図４１Ａおよび図４１Ｂから読み取れる。実際にこのスペクトル特性で撮像した結果を図４４に示す。

下地領域（４０００）が最も高い反射度を示し、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）と第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）が同じ中間の反射度を示し、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）が最も低い反射度を示すように撮像されている。また、細かい異物（４４０１）は像中に認められない。

また、この第三のスペクトル特性において撮影した像のコントラストと明るさを調整したものを図４５に示す。他のスペクトル範囲での撮像図では明瞭ではない、グラフェンのシワ（４５０１）および積層領域に汚染が原因と考えられる斑模様（４５０２）が確認された。このスペクトル特性が、グラフェンの層数の違いに最も敏感であると予測されるから、このようなグラフェンのシワ（４５０１）や斑模様（４５０２）等の異常が可視化できたものと考えられる。

このように、グラフェン層のシワが形成されている領域で、グラフェン層のシワが形成されていない領域とは異なる反射スペクトルを示す波長の光を通過させる第三のフィルターを含むフィルター群を照明光学系に配置することにより、グラフェン層のシワを可視化することができる。

波長５９０から６００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第四のスペクトル特性（４３０４）においては、反射度は、グラフェンの層の厚み、および、ＰＭＭＡ樹脂層の厚み双方に依存性を持つことが、図４１Ａおよび図４１Ｂから読み取れる。ただし、ＰＭＭＡ樹脂層が堆積している箇所のほうが低い反射度を持つことが読み取れる。実際にこのスペクトル特性で撮像した結果を図４６に示す。

下地領域（４０００）が最も高い反射度を示し、第一の単層グラフェンが転写された領域（４００１）と第二の単層グラフェンが転写された領域（４００２）が同じ中間の反射度を示し、第一および第二の単層グラフェンが積層された領域（４００３）が最も低い反射度を示すように撮像されている。また、細かい異物（４４０１）は、像中に周囲よりも低い反射度を持つ黒い領域として撮像されている。

このように、基板が２９５ナノメートル程度の厚みを持つシリコン酸化膜を形成したシリコン基板であり、薄膜が０から０．７ナノメートル程度の厚みを持つグラフェンの場合には、波長４９０から５００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第二のスペクトル特性（４３０２）、波長５４０から５５０ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第三のスペクトル特性（４３０３）、および波長５９０から６００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第四のスペクトル特性（４３０４）の光で撮像することにより、グラフェン層の厚みの違いをコントラストの違いとして可視化することが可能である。

また特にグラフェンの厚みに敏感な第三のスペクトル特性（４３０３）の光での撮像により、グラフェンのシワ（４５０１）や斑模様（４５０２）を可視化することが可能である。

また、波長４４０から４５０ナノメートルの第一のスペクトル特性（４３０１）の光と、波長４９０から５００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第二のスペクトル特性（４３０２）の光と、波長５９０から６００ナノメートルの範囲に成分の分布を持つ第四のスペクトル特性（４３０４）の光とでの撮像により、細かい異物（４４０１）の有無をコントラストの違いとして可視化することが可能である。また、第一のスペクトル特性（４３０１）および第二のスペクトル特性（４３０２）の光の像と、第四のスペクトル特性（４３０４）の光の像とでは、細かい異物（４４０１）の有無により生じる周囲とのコントラスト差が逆であるため、撮像装置内の異物ではなく、被写体（１８００）上の異物であることが確認できる。

また、第三のスペクトル特性（４３０３）のように、グラフェンの厚みに対してコントラストが生じるが、細かい異物（４４０１）の有無によってはコントラストが生じないスペクトル特性の光での撮像により、異物（４４０１）に左右されずグラフェンの厚みの違いの判別が可能になる。

このように、本実施の形態によれば、薄膜の厚みの違いや異物などを判別可能な像を撮影することができる。

ただし、基板の種類、薄膜の種類や厚み、異物の種類などが異なれば、薄膜の厚みの違いや、異物の検出の有無に適したスペクトル特性は変化する。

異なる膜厚の場合の例を以下に示す。

基板および薄膜の材質は図４０と同じであるが、シリコン酸化膜の厚みだけを２１０ナノメートルに変更した場合の光学シミュレーション結果を図４７および図４８に示す。

図４７は、２１０ナノメートル厚みのシリコン酸化膜を持つシリコン基板上にグラフェン層が存在するサンプルの反射度を、光学シミュレーションにより求めた図である。シミュレーションを行ったのは、グラフェン層が０ナノメートルの場合（４７００）、グラフェン層が０．３５ナノメートルの場合（４７０１）、グラフェン層が０．７ナノメートルの場合（４７０２）である。なお、０．３５ナノメートルは、１層のグラフェン層に相当する厚みである。ただし、基板とグラフェン以外の異物は存在しないものとしてシミュレーションを行った。

図４８は、２１０ナノメートル厚みのシリコン酸化膜を持つシリコン基板上に０．３５ナノメートルのグラフェンが存在し、その上にＰＭＭＡ層が無い場合（４８００）と、５ナノメートルのＰＭＭＡ層が堆積している場合（４８０１）の光学シミュレーション結果である。

このシリコン酸化膜の厚みでは、波長３７０から３８０ナノメートルの範囲において、反射度はグラフェンの厚みに依存する一方、ＰＭＭＡの有無には依存しない。これは、シリコン酸化膜の厚みが２９５ナノメートルであった場合の第三のスペクトル特性（４３０３）と同じ現象である。この現象は、グラフェンの層数の変化の検出、グラフェンのシワの検出などに有効な現象である。ただし、この現象が生じる波長範囲は酸化膜厚みが変化したことにより、３７０から３８０ナノメートルに変化している。

したがって、評価対象が２１０ナノメートル厚みのシリコン酸化膜を持つシリコン基板上にグラフェン層が存在するサンプルである場合には、波長３７０から３８０ナノメートルの範囲を透過範囲として持つフィルター２５０９が、フィルター群１８８４に含まれることが望ましい。

本実施の形態のマルチスペクトル撮像装置の場合、フィルター群１８８４あるいは個々のフィルター２５０９の交換だけで、異なる波長範囲の光で撮像が可能になる。そのため、マルチスペクトル撮像装置は、被写体が変わった場合に、フィルター群１８８４あるいは個々のフィルター２５０９を交換することで、適切なマルチスペクトル像を撮影することができる。具体的には、マルチスペクトル撮像装置は、薄膜サンプルが取替えられても、フィルター群１８８４あるいは個々のフィルター２５０９を交換することで、薄膜の厚みの違いや異物の有無、シワなどの異常の有無によりコントラストが付いた像あるいはつかない像を撮影することができる。そして、このように撮影されたマルチスペクトル像を用いて、薄膜の厚みの違いやシワなどの異常検出あるいは、異物検出を行うことができる。

以上、１つまたは複数の態様に係るマルチスペクトル装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

なお、フィルター群は、上記各実施の形態におけるフィルター群に限定されない。たとえば、フィルター群に含まれる複数のフィルターの面積は同一でなくてもよい。図４９に示すように、第一のフィルター４９０１または第三のフィルター４９０３と、第二のフィルター４９０２とは面積が異なってもよい。

また、フィルター群は、矩形状でなくてもよい。たとえば、フィルター群は、円形状あるいは矩形以外の多角形状であってもよい。また、フィルター群は、照明撮像系に取り付けられたときの移動を規制する規制部（たとえば凸部または凹部など）を備えてもよい。

また、フィルター群に含まれる各フィルターは、特定の波長成分を制限するフィルターでなくてもよい。たとえば、少なくとも１つのフィルターは、偏光方向を変化させる偏光素子であってもよい。またたとえば、少なくとも１つのフィルターは、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルターであってもよい。またたとえば、１つのフィルターは、光をそのまま透過させてもよい。つまり、フィルター群に含まれる複数のフィルターは、互いに透過特性が異なればよい。

なお、上記各実施の形態において、分離光学素子は、複数のマイクロレンズの集合体であったが、このような光学素子に限定される必要はない。たとえば、分離光学素子は、レンチキュラーレンズであってもよい。この場合、フィルター群には２つのフィルターが含まれ、各受光画素には、２つの受光素子が含まれればよい。このように、分離光学素子は、異なるフィルターを通過した光を異なる受光素子に導くことができれば、どのような光学素子であっても構わない。

なお、上記各実施の形態において、フィルター群は、開口絞りの近傍に配置されていたが、必ずしも開口絞りの近傍に配置される必要はない。たとえば、フィルター群は、レンズ群の被写体側に配置されてもよい。つまり、フィルター群は、被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域であれば、照明光学系内のどのような位置に配置されてもよい。

本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置は、生物分野や医療分野、工業分野において有用である。また、薄膜測定や異物検出などにも応用可能である。

０１００、１８００ 被写体
０１０９、１８０９ 照明光束が重なり合う領域
０１８０、１８８０ 照明光学系
０１８１、１８８１ 光源
０１８２、１８８２ レンズ群
０１８３、１８８３ 絞り群
０１８４、１８８４ フィルター群
０１９０、１８９０ 撮像光学系
０１９２、１８９２ レンズ群
０１９４、１８９４ 分離光学素子
０１９５、１８９５ 二次元受光素子アレイ（撮像素子）
０２０１、１９０１ コレクタレンズ
０２０２ フィールドレンズ
０２０３ コンデンサレンズ
０２１１、１９１１ 視野絞り
０２１２、１９１２ 開口絞り
０３０１、０３１１、０３１２、０３２１、０３２２、０４０１、０４１１、０４１２、０４２１、０４２２、０５０１、０５１１、０５１２、０５２１、０５２２、２１０１、２２０１、２３０１、２６０１、２６０２、２６０３、２６０４、２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２８０１、２８０２、２８０３、２８０４、２９０１、２９０２、２９０３、２９０４、３００１、３００２、３００３、３００４、３１０１、３１０２、３１０３、３１０４ 光束
０３１０、２１１０ 第一の点
０４１０、２２１０ 第二の点
０５１０、２３１０ 第三の点
０７００、２５００ 枠
０７０１、２５０１、４９０１ 第一のフィルター
０７０２、２５０２、４９０２ 第二のフィルター
０７０３、０７０４ 照明光束が重なり合う範囲
０７０９、２５０９ フィルター
１１０１ 対物レンズ
１１０２ 結像レンズ
１２０１、１２０２、１３０１、１３０２、１４０１、１４０２ 範囲
１２０９、１３０９、１４０９ 点
１５９１、３２９１ マイクロレンズ
１６０１、１６０２、１６０９、３３０１、３３０２、３３０３、３３０４、３３０９ 実像
１７０１、３４０１ 第一の受光素子
１７０２、３４０２ 第二の受光素子
１７０９、３４０９ 受光素子
１７１１、３４１１ 受光画素
１７７１、３９０１、４３０１ 第一のスペクトル特性
１７７２、３９０２、４３０２ 第二のスペクトル特性
１７８１ 細胞質
１７８２ 免疫染色された細胞核
１７８３ 免疫染色されなかった細胞核
１７９１ 細胞質の吸収スペクトル
１７９２ 免疫染色された細胞核の吸収スペクトル
１７９３ 免疫染色されなかった細胞核の吸収スペクトル
１８８５ ハーフミラー
１９０２ 第一のフィールドレンズ
１９０３ 第二のフィールドレンズ
２００１ 対物レンズ
２００２ 結像レンズ
２５０３、４９０３ 第三のフィルター
２５０４ 第四のフィルター
２９０５、３００５、３１０５ 点
２９９１、２９９２、２９９３、２９９４、３０９１、３０９２、３０９３、３０９４、３１９１、３１９２、３１９３、３１９４ 範囲
３４０３ 第三の受光素子
３４０４ 第四の受光素子
３９０３、４３０３ 第三のスペクトル特性
３９０４、４３０４ 第四のスペクトル特性
４０００ 下地領域
４００１ 第一の単層グラフェンが転写された領域
４００２ 第二の単層グラフェンが転写された領域
４００３ 第一および第二の単層グラフェンが積層された領域
４４０１ 細かい異物
４５０１ グラフェンのシワ
４５０２ 斑模様

Claims (9)

1. 被写体のマルチスペクトル像を撮影するマルチスペクトル撮像装置であって、
   前記被写体に光を照射する照明光学系と、
   前記被写体を撮像する撮像光学系とを備え、
   前記照明光学系は、
   前記被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が重なり合う領域に配置されるフィルター群であって、互いに異なる透過特性を持つ第一のフィルターおよび第二のフィルターを少なくとも含むフィルター群を備え、
   前記撮像光学系は、
   複数の第一の受光素子および複数の第二の受光素子を少なくとも含む撮像素子と、
   前記第一のフィルターを通過してきた光を前記複数の第一の受光素子に導き、前記第二のフィルターを通過してきた光を前記複数の第二の受光素子に導く分離光学素子とを備える
   マルチスペクトル撮像装置。
2. 前記照明光学系は、視野絞りおよび開口絞りを有するケーラー照明系であり、
   前記フィルター群は、前記開口絞りの近傍に配置される
   請求項１に記載のマルチスペクトル撮像装置。
3. 前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの少なくとも一方は、前記照明光学系に交換可能に取り付けられる
   請求項１または２に記載のマルチスペクトル撮像装置。
4. 前記撮像光学系は、さらに、対物レンズを備え、
   前記フィルター群は、前記対物レンズの開口数が変化しても、前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの各々を通過した光が前記第一の受光素子および前記第二の受光素子に入射する位置に配置される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のマルチスペクトル撮像装置。
5. 前記フィルター群は、前記第一のフィルターおよび前記第二のフィルターの境界線が前記照明光学系の光軸と交差する位置に配置される
   請求項４に記載のマルチスペクトル撮像装置。
6. マルチスペクトル撮像装置を用いて被写体のマルチスペクトル像を撮影するマルチスペクトル撮像方法であって、
   前記マルチスペクトル撮像装置は、
   前記被写体に光を照射する照明光学系と、
   前記被写体を撮像する撮像光学系とを備え、
   前記マルチスペクトル撮像方法は、
   互いに異なる透過特性を持つ第一のフィルターおよび第二のフィルターを少なくとも含むフィルター群を、前記被写体の撮像範囲内の各点に到達する照明光束が前記照明光学系において重なり合う領域に配置する配置ステップと、
   前記被写体のマルチスペクトル像を撮影する撮像ステップとを含み、
   前記撮像光学系は、
   複数の第一の受光素子および複数の第二の受光素子を少なくとも含む撮像素子と、
   前記第一のフィルターを通過してきた光を前記複数の第一の受光素子に導き、前記第二のフィルターを通過してきた光を前記複数の第二の受光素子に導く分離光学素子とを備える
   マルチスペクトル撮像方法。
7. 前記被写体は、複数の吸収スペクトルを有する複数の染料を用いて染色されており、
   前記配置ステップでは、前記複数の染料に含まれる第一の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターと、前記複数の染料に含まれる第二の染料が他の染料と異なる吸収スペクトルを示す第二の波長の光を通過させる前記第二のフィルターとを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置する
   請求項６に記載のマルチスペクトル撮像方法。
8. 前記被写体は、膜厚に応じて異なる反射スペクトルを有する酸化膜を表面に含み、
   前記配置ステップでは、膜厚と反射スペクトルとが第一の依存関係を示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターと、膜厚と反射スペクトルとが第二の依存関係を示す第二の波長の光を通過させる前記第二のフィルターとを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置する
   請求項６に記載のマルチスペクトル撮像方法。
9. 前記被写体は、表面にグラフェン層を有し、
   前記配置ステップでは、前記グラフェン層のシワが形成されている領域で、前記グラフェン層のシワが形成されていない領域とは異なる反射スペクトルを示す第一の波長の光を通過させる前記第一のフィルターを含む前記フィルター群を前記照明光学系に配置する
   請求項６に記載のマルチスペクトル撮像方法。

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