JP6027875B2 - 撮像装置及び顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、物体を撮像して画像を取得する撮像装置及び顕微鏡システムに関し、特に、薄切標本を撮像可能な撮像装置及び顕微鏡システムに関する。

近年、顕微鏡観察の技術分野においては、電子撮像の技術が進歩し、観察対象である物体内の複数の領域をそれぞれ撮像して得られた複数の画像を貼り合わせることにより、広範囲且つ高精細な一枚の画像を表示するシステムが提案されている。このようなシステムは、バーチャルスライドシステムとも呼ばれている。例えば、下記特許文献１には、病理診断支援において、生体組織の観察領域を小区画に分割し、各小区画を撮像することにより取得した画像を繋ぎ合わせる技術が開示されている。

このような撮像技術においては、小区画の数に対応して撮像回数が増えるので、撮像動作を高速化することが求められている。その中でも、各小区画を撮像する際のオートフォーカスを如何に高速化するかという課題がある。

一方、顕微鏡により物体を観察する際、複数枚の画像から共焦点を抽出することにより、物体を三次元的に表示する技術も開発されている。しかしながら、共焦点顕微鏡においては、共焦点面を変化させるために、対物レンズ等の光学系を光軸方向（Ｚ方向）に操作するため、データの取得時間が長くなるという問題があった。

このような問題に対し、下記特許文献２には、ステージの移動方向（例えばＸ方向）に対して物体側の焦点面を傾け、ステージの移動により物体の表面位置をＺ軸方向に変化させながら撮像を行う技術が開示されている。この技術によれば、傾斜に応じた厚みに含まれる物体を検出することができるので、Ｚ方向の走査を行う必要がなくなる。

特開２００８−１９１４２７号公報 特開平１１−２１１４３９号公報

バーチャルスライドシステムにおける撮像動作を高速化するためには、特許文献１に開示されたシステムに対し、特許文献２に開示された共焦点撮像の技術を適用することが考えられる。それにより、各小区画に対するオートフォーカスが不要となり、観察領域全体に対する撮像を高速化できる可能性がある。

しかしながら、物体面を移動させる速度と、傾斜角度によって決まる検出可能な厚みの範囲とは、トレードオフの関係にある。例えば、１回で幅２００μｍの領域を撮像可能な撮像装置において、図１７に示すように、合焦面Ｐ_FCを厚み方向に１０μｍだけ傾斜させる場合と、図１８に示すように、合焦面Ｐ_FCを厚み方向に４μｍだけ傾斜させる場合とを比較する。なお、図１７及び図１８に示す各撮像領域Ｃ１、Ｃ２、…は、１回の撮像により画像情報を取得可能な物体ＯＢ上の領域を示す。なお、図１７及び図１８においては、図の横方向に対して縦方向の縮尺を大きくしている。

図１７の場合、１回の撮像により、厚み方向に１０μｍ分の画像情報を取得できる（言い換えると、１０μｍの範囲で物体ＯＢにおける合焦面を探索することができる）のに対し、図１８の場合には、厚み方向に４μｍ分の画像情報しか取得することができない。しかしながら、例えば約１μｍごとに傾斜結像を行う際、図１７の場合にはステージを約２０μｍずつずらしながら撮像を行うのに対し、図１８の場合、ステージを５０μｍずつずらしながら撮像を行うことができる。従って、後者の方が少ない撮像回数で、即ち短時間で物体ＯＢ全体を撮像することができる。

このように、観察対象全体の撮像に要する時間を短縮するためには、物体の傾斜量は少ない方が好ましい。しかしながら、そのためには、観察対象が、合焦面を傾斜させる厚み方向の範囲に収まっている必要がある。従って、厚みを有する物体に関する画像情報を所望の撮像時間内に取得するためには、少なくとも物体の傾斜角度を適切に設定し、この傾斜角度に応じてステージを適切に移動させる必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、撮像部と観察対象との少なくとも一方を他方に対して移動させると共に、該移動の方向に対して撮像部の合焦面を傾斜させて撮像を行う場合において、合焦面の傾斜角度を適切に設定することができる撮像装置及び顕微鏡システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、物体が載置されるステージと、前記物体を撮像する撮像素子を有する撮像部と、前記物体の載置面内の少なくとも１つの方向に、前記ステージと前記撮像部とのうちの少なくとも一方を他方に対し相対的に移動させる移動機構と、前記撮像素子の撮像面と前記ステージとのうち少なくとも一方を、前記移動機構の移動方向に対して相対的に傾斜させる傾斜機構と、少なくとも前記撮像部の倍率と、前記撮像面上において前記物体からの観察光を取り込む領域である有効領域のサイズと、に基づいて、前記傾斜機構の傾斜角度を設定する傾斜角度設定部と、前記撮像部が撮像する動画のフレームレートの情報を取得するフレームレート情報取得手段と、前記載置面と直交する第２の方向における前記撮像部の分解能と、前記傾斜角度と、前記フレームレートの情報と、を用いて、前記移動機構による相対的な移動の速度を算出する移動速度算出部と、を備えることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記第２の方向における前記撮像部の分解能は、前記撮像部が備える光学系の開口数と、前記物体からの観察光の波長と、前記光学系と前記物体との間に存在する媒質の屈折率とに基づいて与えられることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記分解能は、前記分解能をＲｚ、任意の定数をｋ_a、前記光学系の被写界深度をＤＯＦ、前記屈折率をｎ、前記観察光の波長をλ、前記開口数をＮＡとするとき、Ｒｚ＝ｋ_a×ＤＯＦによって与えられ、ここで、ＤＯＦ＝（ｎλ）／（２×ＮＡ²）であることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記分解能は、前記撮像面における許容錯乱円の大きさと、前記撮像部が備える光学系の開口数と、前記光学系の焦点距離と、前記光学系と前記物体との間の距離である物体距離とに基づいて与えられることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記分解能は、前記分解能をＲｚ、任意の定数をｋ_b、前記光学系の被写界深度をＤ_fn、前記物体距離をｓ、前記光学系の過焦点距離をＨ、前記焦点距離をｆ、前記開口数をＮＡ、前記許容錯乱円の大きさをｃとするとき、Ｒｚ＝ｋ_b×Ｄ_fn
によって与えられ、ここで、Ｄ_fn＝｛２ｓ（Ｈ−ｆ）（ｓ−ｆ）｝／｛（Ｈ＋ｓ＋２ｆ）（Ｈ−ｓ）｝、Ｈ＝（２ｆ²×ＮＡ）／ｃであることを特徴とする。

上記撮像装置は、前記撮像面における許容錯乱円の直径、前記撮像部が備える光学系の開口数、前記光学系の焦点距離、前記物体と前記光学系との間の距離及び任意の第１の定数に基づいて与えられる前記第２の方向における前記撮像部の第１の分解能と、前記光学系の開口数、前記物体からの観察光の波長、前記物体と前記光学系との間に存在する媒質の屈折率及び任意の第２の定数に基づいて与えられる前記第２の方向における前記撮像部の第２の分解能と、の大小関係に基づいて、前記第２の方向における前記撮像部の分解能を求める方式を切り替える手段をさらに備えることを特徴とする。

上記撮像装置は、前記第１及び第２の定数を入力する定数入力手段をさらに備えることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記傾斜機構は、前記載置面と直交する軸に対して前記撮像部の光軸を傾斜させることを特徴とする。

上記撮像装置において、前記傾斜機構は、前記撮像部の光軸に対して前記撮像部が前記物体からの観察光を取り込む面を傾斜させることを特徴とする。

本発明に係る顕微鏡システムは、上記撮像装置と、前記物体を照明する照明手段と、を備えることを特徴とする。

上記顕微鏡システムにおいて、前記物体は、病理組織を薄切した簿切標本であることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも撮像部の倍率と、物体からの観察光を取り込む撮像面上の領域である有効領域のサイズとを用いることにより、合焦面の傾斜角度を適切に設定することができる。従って、観察対象である物体全体の画像情報を、厚み方向の情報も含めて従来よりも高速且つ高精度に取得することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１に示す撮像部の構成を示す模式図である。 図３は、図１に示す撮像装置を顕微鏡システムに適用した一例を示す模式図である。 図４は、図１に示す撮像装置の動作を示すフローチャートである。 図５は、撮像面上の有効領域のサイズと合焦面上の有効領域のサイズとの関係を説明する模式図である。 図６は、サンプルと合焦面上の有効領域のＸ方向におけるサイズとＺ方向の観察範囲との関係を示す模式図である。 図７は、実施の形態１の変形例１に係る顕微鏡システムの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示す図である。 図９は、図８に示す撮像装置の撮像動作を説明するための概念図である。 図１０は、図８に示す撮像装置の動作を示すフローチャートである。 図１１は、分解能設定部が実行するＺ方向の分解能の算出処理を示すフローチャートである。 図１２は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の概略構成を示す図である。 図１３は、図１２に示す撮像装置の動作を示すフローチャートである。 図１４は、分解能設定部が実行する被写界深度の算出処理を示すフローチャートである。 図１５は、ベイヤー配列を有する撮像素子における画素加算処理を説明する模式図である。 図１６は、ベイヤー配列を有する撮像素子における間引き読み出し処理を説明する模式図である。 図１７は、Ｚ方向の範囲が１０μｍとなるように合焦面を傾斜させた場合における撮像動作を説明する模式図である。 図１８は、Ｚ方向の範囲が４μｍとなるように合焦面を傾斜させた場合における撮像動作を説明する模式図である。

以下、本発明に係る撮像装置及び顕微鏡システムの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１に係る撮像装置１は、観察対象であるサンプルＳＰを載置するステージ１００と、ステージ１００に載置されたサンプルＳＰを撮像する撮像部１１０とを備える。以下において、ステージ１００のサンプル載置面（以下、サンプル面Ｐ_SPと記す）をＸＹ面とし、サンプル面Ｐ_SPと直交する方向をＺ方向とする。

また、撮像装置１は、ステージ１００をＸＹ面内において移動させるＸＹ駆動部１２０と、撮像部１１０の合焦面Ｐ_FCをステージ１００の移動方向に対して傾斜させる傾斜機構１３０と、ステージ１００の移動方向に対する合焦面Ｐ_FCの傾斜角度を傾斜機構１３０に設定する傾斜角度設定部１４０と、ＸＹ駆動部１２０によるステージ１００の移動動作を制御するＸＹ駆動制御部１５０と、Ｚ方向におけるサンプルＳＰの観察範囲を設定するＺ方向観察範囲取得部１６０と、撮像部１１０が備える光学系に関する情報を記憶する光学系関連情報記憶部１７０と、撮像素子関連情報記憶部１８０とを備える。

図２は、図１に示す撮像部１１０の構成を示す模式図である。図２に示すように、撮像部１１０は、ＣＣＤ等の固体撮像素子からなり、サンプルＳＰからの観察光を受光して電子的な画像情報を生成する撮像素子１１１と、対物レンズ１１２ａを含む観察光学系１１２とを備える。観察光学系１１２は、サンプルＳＰからの観察光（サンプルＳＰの透過光又は反射光）Ｌを撮像素子１１１の受光面（撮像面）１１１ａに結像させる。実施の形態１において、撮像面１１１ａは、観察光学系１１２の光軸Ｌ１と直交するように設けられている。

図１に示した傾斜機構１３０は、撮像部１１０の撮像動作中、図２に示すように、合焦面Ｐ_FCがステージ１００の移動方向に対して角度θをなすように、撮像部１１０を傾斜させた状態で保持する。具体的には、ステージ１００をＸ方向に移動させる場合、傾斜機構１３０は、Ｘ軸と直交するＹ方向の軸を中心に回転可能な回転機構によって構成される。

再び図１を参照すると、ＸＹ駆動制御部１５０は、撮像部１１０の撮像動作中、ステージ１００を所定の方向（例えばＸ方向）に移動させるように、ＸＹ駆動部１２０を制御する。

傾斜角度設定部１４０は、合焦面Ｐ_FCの傾斜角度θを算出して傾斜機構１３０に設定する。より詳細には、傾斜角度設定部１４０は、撮像部１１０の観察倍率（像倍率）を取得する観察倍率取得部１４１と、撮像部１１０がサンプルＳＰからの観察光を取り込む撮像面１１１ａ上の領域である有効領域のサイズを取得する有効領域取得部１４２とを備え、取得した観察倍率及び有効領域のサイズに基づいて、撮像部１１０の傾斜角度θを算出する。

Ｚ方向観察範囲取得部１６０は、合焦面Ｐ_FCを傾斜させた状態で撮像を１回行った際に画像情報を取得可能なＺ方向の範囲を取得する。

光学系関連情報記憶部１７０は、観察倍率、開口数といった観察光学系１１２に関する情報を記憶する。
撮像素子関連情報記憶部１８０は、撮像面１１１ａのサイズ、画素数といった撮像素子１１１のスペックに関する情報を記憶する。

図３は、図１に示す撮像装置１を顕微鏡システムに適用した一例を示す模式図である。図３に示す顕微鏡システムは、顕微鏡１０及び制御装置２０を備える。

顕微鏡１０は、ベース１１と、該ベース１１上に設定されたステージ台１２及び支柱１３とを備える。ステージ台１２には、ＸＹ駆動部１２０を介してステージ１００が設けられている。また、ステージ台１２には、ステージ１００をＺ方向に移動させる調節ツマミ１４が設けられている。

ステージ台１２の内部には、照明光をサンプルＳＰに照射する透過照明光学系１５が設けられている。なお、サンプルＳＰを照明する機構としては、透過照明光学系１５の代わりに、落射照明光学系を設けても良い。

一方、支柱１３には、傾斜機構１３０を介して撮像部１１０が設けられている。なお、撮像部１１０は、倍率が互いに異なる複数の対物レンズを交換可能に保持するレボルバ１１３をさらに備えても良い。

制御装置２０は、例えば汎用のパーソナルコンピュータ等からなり、記憶部２１と、入力部２２と、制御部２３とを備える。

記憶部２１は、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリや、ＨＤＤ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ等の記録媒体及び該記録媒体を駆動する駆動装置等によって実現され、制御装置２０に各種動作を実行させるプログラム、プログラムの実行中に用いられる各種情報、及び撮像部１１０から出力された画像情報等を記憶する。実施の形態１において、光学系関連情報記憶部１７０及び撮像素子関連情報記憶部１８０は、記憶部２１に設けられる。

入力部２２は、キーボード、タッチパネル、マウス等の入力デバイスからなり、制御装置２０において用いられる各種情報をユーザが入力する際に使用される。

制御部２３は、ＣＰＵ等のハードウェアによって構成され、記憶部２１に記憶されたプログラムを読み込むことにより、記憶部２１に記憶された各種データや入力部２２から入力される各種情報に基づき、当該顕微鏡システムに撮像動作を実行させるための制御を行う。実施の形態１において、傾斜角度設定部１４０、ＸＹ駆動制御部１５０、及びＺ方向観察範囲取得部１６０は、制御部２３によって構成される。

次に、図１に示す撮像装置１の動作について説明する。図４は、撮像装置１の動作を示すフローチャートである。なお、以下においては、ステージ１００をＸ方向に移動させるものとする。

まず、ステップＳ１０において、傾斜角度設定部１４０は、観察倍率β及び撮像面１１１ａ上の有効領域のサイズＳを取得する。より詳細には、観察倍率取得部１４１は、光学系関連情報記憶部１７０に予め記憶されている観察倍率βを読み出す。或いは、観察倍率取得部１４１は、ユーザにより入力部２２（図３参照）から入力された情報に基づき、ユーザ所望の観察倍率βを取得しても良い。

さらには、図３に示すように、撮像部１１０にレボルバ１１３を設けて対物レンズ１１２ａを交換可能とする場合には、レボルバ１１３にエンコーダを設け、該エンコーダの出力値に基づき、サンプルＳＰと対向する対物レンズの倍率を観察倍率取得部１４１が取得できるようにしても良い。この場合、観察倍率取得部１４１は、取得した対物レンズの倍率に基づいて、撮像部１１０の観察倍率βを算出する。

一方、有効領域取得部１４２は、撮像素子関連情報記憶部１８０に予め記憶されている撮像面１１１ａ上の有効領域のサイズＳを読み出す。ここで、撮像面１１１ａ上の有効領域とは、１回の撮像により撮像素子１１１が画像情報（画像データ）を取り込むことができる撮像面１１１ａ上の領域のことであり、撮像素子１１１のスペックにより決まる。ここでは、サイズＳとして、ステージ１００の移動方向であるＸ方向に対応する１辺の長さを用いる。なお、有効領域のサイズとしては、撮像部１１０がトリミングを行い、観察像を部分的に取り込む場合には、トリミング後のサイズが用いられる。この他、有効領域のサイズの定義としては、撮像面１１１ａの結像領域のサイズ又は撮像素子１１１そのもののサイズとしても良い。

続くステップＳ１１において、傾斜角度設定部１４０は、観察倍率β及び有効領域のサイズＳを用いて、合焦面Ｐ_FC上の有効領域のサイズＬｘを算出する。ここで、合焦面Ｐ_FC上の有効領域とは、撮像部１１０による１回の撮像により画像情報の取得が可能な合焦面Ｐ_FC上の領域のことであり、図５に示すように、撮像面１１１ａ上の有効領域のサイズＳと観察倍率βとによって決定される。

具体的には、傾斜角度設定部１４０は、次式（１）を用いてサイズＬｘを算出する。

続くステップＳ１２において、Ｚ方向観察範囲取得部１６０は、Ｚ方向の観察範囲Ｌｚの値を取得し、傾斜角度設定部１４０に入力する。ここで、図６は、サンプルＳＰと、合焦面Ｐ_FC上の有効領域のＸ方向におけるサイズＬｘと、Ｚ方向の観察範囲Ｌ_Zとの関係を示す模式図である。

ここで、サンプルＳＰが病理標本をスライスした薄切標本である場合、一般的には、ミクロトームの設定から、薄切標本の厚さは概ね一定の値（例えば３〜５μｍ）になっている。このため、観察範囲Ｌｚは、一般的な薄切標本の厚さに見合った値に設定され、Ｚ方向観察範囲取得部１６０に予め格納されている。または、入力部２２（図３参照）を用いてユーザが所望の観察範囲Ｌｚの値を入力できるようにしても良い。この場合、Ｚ方向観察範囲取得部１６０は、ユーザが入力した観察範囲Ｌｚの値を傾斜角度設定部１４０に入力する。或いは、当該薄切標本を作製したミクロトームの情報（例えば、スライス間の厚み情報等）がＺ方向観察範囲取得部１６０に自動入力されるように、当該撮像装置１を構成しても良い。

続くステップＳ１３において、傾斜角度設定部１４０は、ステップＳ１１において算出した合焦面Ｐ_FC上の有効領域のサイズＬｘと、ステップＳ１２においてＺ方向観察範囲取得部１６０から入力された観察範囲Ｌｚとを用いて、傾斜角度θを算出する。ここで、図６に示すように、サイズＬｘと観察範囲Ｌｚとの関係は、次式（２）によって与えられる。

従って、傾斜角度θは、次式（３）によって与えられる。

さらに、ステップＳ１４において、傾斜角度設定部１４０は、傾斜機構１３０に対し、撮像部１１０を傾斜させる傾斜角度θを設定する。これより、撮像部１１０の合焦面Ｐ_FCがＸ方向に対して角度θだけ傾斜した状態となる。その後、撮像部１１０は、合焦面Ｐ_FCをＸ方向に対して傾斜させた状態で、サンプルＳＰの撮像を行う。

以上説明したように、実施の形態１によれば、観察光学系１１２の観察倍率β、撮像面１１１ａの有効領域のサイズＳ、及びサンプルＳＰの厚みに基づく観察範囲Ｌｚから、傾斜角度θを適切に設定することができる。従って、サンプルＳＰの厚み方向の情報を十分に取得しつつ、ステージ１００を移動させて、サンプルＳＰの３次元的な画像情報を取得することが可能となる。

（変形例１）
次に、実施の形態１の変形例１について説明する。
図７は、変形例１に係る撮像装置の概略構成を示す模式図である。ここで、実施の形態１においては、ステージ１００を水平に配置し、観察光学系１１２及び透過照明光学系１５の光軸Ｌ１をステージ１００に対して傾斜させた例を示したが（図３参照）、図７に示すように、光軸Ｌ１が鉛直方向となるように観察光学系１１２及び透過照明光学系１５を配置し、ステージ１００を水平方向に対して傾斜させても良い。この場合、サンプル載置面Ｐ_SPの傾斜方向（Ｘ’方向）に沿ってステージ１００を移動させながら、撮像部１１０により撮像を行う。

（変形例２）
次に、実施の形態１の変形例２について説明する。
実施の形態１においては、観察光学系１１２及び透過照明光学系１５全体を傾けることにより、ステージ１００の移動方向に対して合焦面Ｐ_FCを傾斜させたが、光軸Ｌ１がサンプル載置面Ｐ_SPと直交するように観察光学系１１２及び透過照明光学系１５とステージ１００と設置し、撮像素子１１１の撮像面１１１ａを光軸Ｌ１に対して傾斜させることとしても良い。

一例として、撮像部１１０において、撮像素子１１１の撮像面１１１ａが光軸Ｌ１の直交面に対し、Ｙ軸を回転軸として角度θだけ傾斜するように撮像素子１１１を設置する。これにより、ステージ１００の移動方向（Ｘ方向）に対して実質的に合焦面Ｐ_FCが傾斜した画像を取得することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図８は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示す図である。図８に示すように、実施の形態２に係る撮像装置２は、図１に示す撮像装置１に対し、分解能定数入力部２１０と、分解能設定部２２０と、Ｘ方向移動量算出部２３０とをさらに備える。

図９は、撮像装置２の撮像動作を説明するための概念図である。図９に示すように、撮像装置２においては、合焦面Ｐ_FCをステージ１００の移動方向に対して傾斜させつつ、ステージ１００を移動させながら、所定の撮像周期で連続して撮像を行う。ここで、撮像領域Ｃ１は、１回目の撮像時に撮像対象となるサンプルＳＰ内の領域を示し、撮像領域Ｃ２は、続く２回目の撮像時に撮像対象となるサンプルＳＰ内の領域を示す。

サンプルＳＰの厚み方向（Ｚ方向）においてユーザ所望の分解能Ｒｚを得るためには、撮像を１回行うごとにステージ１００を移動させる移動量Ｍｘを適切に設定する必要がある。そこで、実施の形態２においては、傾斜角度設定部１４０により設定された傾斜角度θと、ユーザ所望の分解能Ｒｚとに基づいて、適切な移動量Ｍｘを算出し、この移動量Ｍｘに基づいてステージ１００を移動させながらサンプルＳＰを撮像する。

図８に示す分解能定数入力部２１０は、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスによって構成され、分解能Ｒｚを設定する際に用いられる定数をユーザが入力するために使用される。

分解能設定部２２０は、分解能Ｒｚの算出方式の切り替え判定を行う分解能切り替え判定部２２１を備え、該分解能切り替え判定部２２１の判定結果と、分解能定数入力部２１０によって入力された定数とに基づき分解能Ｒｚを算出し、Ｘ方向移動量算出部２３０に対して設定する。

Ｘ方向移動量算出部２３０は、傾斜角度設定部１４０により設定された傾斜角度θと、分解能設定部２２０により設定された分解能Ｒｚとに基づき、撮像を１回行うごとにステージ１００を移動させるＸ方向の移動量Ｍｘを算出し、ＸＹ駆動制御部１５０に対して設定する。

なお、分解能定数入力部２１０、分解能設定部２２０及びＸ方向移動量算出部２３０以外の撮像装置２の各部の構成及び動作については、実施の形態１と同様である。

次に、撮像装置２の動作について説明する。図１０は、撮像装置２の動作を示すフローチャートである。なお、図１０のステップＳ１０〜Ｓ１３は、実施の形態１と同様である（図４参照）。

ステップＳ１３に続くステップＳ２１において、分解能設定部２２０は、Ｚ方向の分解能Ｒｚを算出する。分解能Ｒｚの算出方法については後述する。

続くステップＳ２２において、Ｘ方向移動量算出部２３０は、ステップＳ１３において算出された傾斜角度θと、ステップＳ２１において算出された分解能Ｒｚとに基づき、撮像を１回行うごとにステージ１００をＸ方向に移動させる移動量Ｍｘを算出する。

ここで、図９に示すように、ステージ１００を移動量Ｍｘだけ移動させることにより、サンプルＳＰに対して撮像領域Ｃ１、Ｃ２が相対的に移動する。このときの撮像領域Ｃ１の一端と撮像領域Ｃ２の一端との間隔（即ち、移動量Ｍｘ）と、撮像部１１０の倍率によって決まる各撮像領域Ｃ１、Ｃ２のサイズＬｘと、Ｚ方向における観察範囲Ｌｚと、分解能Ｒｚとの間には、次式（４）に示す関係がある。なお、次式（４）は、移動量Ｍｘ及び分解能Ｒｚを２辺とする三角形と、サイズＬｘ及び観察範囲Ｌｚを２辺とする三角形との相似関係より導かれる。

傾斜角度θが小さいと仮定すると、式（４）を次式（５）のように簡略化することができる。

Ｘ方向移動量算出部２３０は、式（５）を用いて移動量Ｍｘを算出する。

さらに、ステップＳ２３において、傾斜角度設定部１４０は、撮像部１１０（合焦面
Ｐ_FC）の傾斜角度θを傾斜機構１３０に設定し、Ｘ方向移動量算出部２３０は、ステージ１００の移動量ＭｘをＸＹ駆動制御部１５０に設定する。その後、撮像部１１０は、合焦面Ｐ_FCをＸ方向に対して傾斜させた状態で、撮像を１回行うごとにステージ１００を移動させ、サンプルＳＰを連続的に撮像する。

次に、ステップＳ２１における分解能設定部２２０の動作について説明する。図１１は、分解能設定部２２０が実行するＺ方向の分解能の算出処理を示すフローチャートである。

ステップＳ２１１において、分解能設定部２２０は、撮像部１１０が備える観察光学系１１２の設計（性能）に基づく被写界深度ＤＯＦを算出する。
ここで、観察光学系１１２の開口数をＮＡ、対物レンズ１１２ａとサンプルＳＰとの間に存在する媒質の屈折率をｎ、サンプルＳＰからの観察光の波長をλ、任意の定数をｋ_aとすると、被写界深度ＤＯＦに基づく分解能Ｒａは、次式（６−１）、（６−２）によって与えられる。

なお、開口数ＮＡ、媒質の屈折率ｎ、波長λ等の各特性値に関する情報は光学系関連情報記憶部１７０に予め記憶されており、分解能設定部２２０が必要に応じて光学系関連情報記憶部１７０から取得する。また、媒質の屈折率ｎは、対物レンズ１１２ａとサンプルＳＰとの間を液体で満たした液浸式の顕微鏡や、対物レンズ１１２ａをサンプルＳＰに直接接触させている場合、ｎ＞１となる。

続くステップＳ２１２において、分解能設定部２２０は、撮像素子１１１の分解能に基づく被写界深度Ｄ_fnを算出する。なお、ステップＳ２１１及びステップＳ２１２の処理順は、いずれかが先であっても良いし、同時であっても良い。

ここで、分解能は、撮像素子１１１の分解能力に基づく被写界深度Ｄ_fnに対し、ユーザが何倍の分解能を所望しているかにより設定することも可能である。この場合、次式（７）においてユーザが定数ｋ_bを設定すれば、分解能Ｒｂが決まる。
Ｒｂ＝ｋ_b×Ｄ_fn …（７）

撮像素子１１１の撮像面１１１ａ上の２点間における分解能は、許容錯乱円の直径ｃによって表される。また、無限遠を被写界深度内に合焦する距離Ｈは過焦点距離と呼ばれる。過焦点距離Ｈは、観察光学系１１２の開口数をＮＡ、焦点距離をｆとすると、次式（８）によって与えられる。

なお、光学系の各特性値に関する情報及び撮像素子１１１のスペックに関する情報は光学系関連情報記憶部１７０及び撮像素子関連情報記憶部１８０にそれぞれ、予め記憶されており、分解能設定部２２０が必要に応じて取得する。

被写界深度の前点Ｄ_n及び後点Ｄ_fは、式（９−１）及び（９−２）によってそれぞれ与えられるため、被写界深度Ｄ_fnは、式（９−３）によって算出される。

式（９−１）〜（９−３）において、符号ｓはサンプルＳＰと観察光学系１１２との間の距離（物体距離）を示す。

続くステップＳ２１３において、分解能切り替え判定部２２１は、ステップＳ２１１において算出した被写界深度ＤＯＦと、ステップＳ２１２において算出した被写界深度Ｄ_fnとのいずれが大きいかを判定する。

ここで、例えば倍率２０倍程度で観察を行うことを想定し、焦点距離ｆ＝２５ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．５、撮像素子１１１における画素サイズを２μｍ、許容錯乱円の直径ｃ＝４μｍ、物体距離ｓ＝２０ｍｍとしたとき、式（９−３）より、被写界深度Ｄ_fnは約２μｍとなる。一方、観察光学系１１２とサンプルＳＰとの間に存在する媒質の屈折率をｎ＝１、観察光の波長をλ＝０．５μｍとしたとき、被写界深度ＤＯＦは、式（６−２）より、約１μｍとなる。

このように、Ｄ_fn＞ＤＯＦとなる場合（ステップＳ２１３：Ｙｅｓ）、分解能Ｒｚを、撮像素子１１１において解像可能な分解能Ｒｂよりも細かく設定する必要はない。従って、この場合、分解能設定部２２０は、撮像素子１１１において解像可能な分解能Ｒｂを分解能Ｒｚとして設定することとし、分解能定数入力部２１０を介して、式（７）における定数ｋ_bを取得する（ステップＳ２１４）。

この場合には、続くステップＳ２１６において、分解能設定部２２０は、開口数ＮＡ、焦点距離ｆ、物体距離ｓ及び撮像素子１１１のスペックに基づく画素サイズと、ユーザにより入力された定数ｋ_bとによって与えられる分解能Ｒｂを、分解能Ｒｚとして算出する。

反対に、液浸式の顕微鏡等で媒質の屈折率がｎ＞１となる場合や、高倍率の観察を行う場合、Ｄ_fn＜ＤＯＦとなる傾向がある（ステップＳ２１３：Ｎｏ）。この場合、分解能設定部２２０は、観察光学系１１２の性能による被写界深度ＤＯＦに所望の倍率ｋ_aを掛け合わせた分解能Ｒａを分解能Ｒｚとして設定することとし、分解能定数入力部２１０を介して、式（６−１）における定数ｋ_aを取得する（ステップＳ２１５）。

この場合、続くステップＳ２１６において、分解能設定部２２０は、開口数ＮＡと、媒質の屈折率ｎ及び観察光の波長λと、ユーザにより入力された定数ｋ_aとによって与えられる分解能Ｒａを、分解能Ｒｚとして算出する。なお、通常、定数ｋ_aは、ｋ_a＞０．５に設定される。
その後、処理はメインルーチンに戻る。

以上説明したように、実施の形態２によれば、傾斜角度θに加えて、ユーザ所望の分解能Ｒｚに基づいて算出された移動量Ｍｘを設定し、ステージ１００を撮像部１１０に対して相対的に移動させながら複数回の撮像を行うので、サンプルの複数焦点での画像情報、又は複数の合焦情報に基づく３次元的な画像情報を高速且つ高精度に取得することが可能となる。

なお、実施の形態２においては、撮像部１１０を固定し、ステージ１００を移動させることにより相対的な移動を実現したが、サンプルＳＰ側を固定し、撮像部１１０側を移動させても良い。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の概略構成を示す図である。図１２に示すように実施の形態３に係る撮像装置３は、図８に示す分解能設定部２２０の代わりに分解能設定部３１０を備えると共に、Ｘ方向移動速度算出部３２０及びフレームレート情報取得部３３０をさらに備える。

分解能設定部３１０は、分解能切り替え判定部２２１に加えて、撮像部１１０が画素加算を行っているか否かを判定する画素加算判定部３１１をさらに備え、画素加算判定部３１１による判定結果に基づいて、Ｘ方向移動量算出部２３０に対して設定する分解能Ｒｚを算出する。

Ｘ方向移動速度算出部３２０は、Ｘ方向移動量算出部２３０が算出したステージ１００の移動量Ｍｘ及び撮像部１１０のフレームレートに基づいて、撮像部１１０がサンプルＳＰの動画を撮像する際のステージ１００の移動速度を算出する。

フレームレート情報取得部３３０は、撮像部１１０が動画撮像を行う際のフレームレートを取得する。
なお、分解能設定部３１０、Ｘ方向移動速度算出部３２０及びフレームレート情報取得部３３０以外の撮像装置３の各部の構成及び動作は、実施の形態２と同様である。

次に、撮像装置３の動作について説明する。図１３は、撮像装置３の動作を示すフローチャートである。なお、図１３のステップＳ１０〜Ｓ２２は実施の形態２（図１０参照）に対応しており、後述するように、図１１のステップＳ２１２において被写界深度Ｄ_fnを算出する際の詳細な動作が実施の形態２とは異なる。

ステップＳ２２に続くステップＳ３１において、Ｘ方向移動速度算出部３２０は、フレームレート情報取得部３３０から撮像部１１０のフレームレートＦＲを取得する。

続くステップＳ３２において、Ｘ方向移動速度算出部３２０は、Ｘ方向移動量算出部２３０が算出した撮像１回あたりの移動量Ｍｘ（ｍ）及びフレームレートＦＲ（ｆｐｓ）を用いて、次式（１０）によって与えられるステージ１００の移動速度Ｖｘを算出する。
Ｖｘ＝ＦＲ・Ｍｘ …（１０）

さらに、ステップＳ３３において、傾斜角度設定部１４０は、撮像部１１０（合焦面Ｐ_FC）の傾斜角度θを傾斜機構１３０に設定し、Ｘ方向移動速度算出部３２０は、ステージ１００の移動速度ＶｘをＸＹ駆動制御部１５０に設定する。その後、撮像部１１０は、合焦面Ｐ_FCをＸ方向に対して傾斜させた状態で、ステージ１００を移動させながらサンプルＳＰの動画撮像を実行する。

次に、ステップＳ２１において分解能Ｒｚを算出する際に用いられる被写界深度Ｄ_fnの算出処理（図１１のステップＳ２１２参照）について説明する。図１４は、分解能設定部３１０が実行する被写界深度Ｄ_fnの算出処理を示すフローチャートである。

撮像部１１０が動画撮像を行う場合、システムの処理能力の関係から、フレーム間の間隔は解像度によって規定される場合が多い。一方、システムの処理能力の関係から、フレームレートと解像度はトレードオフの関係になる。そのため、フレームレート、即ち、撮影スピードを優先する場合、撮像部１１０において画素加算又は間引き読み出し処理を行っていることが考えられる。

例えば、図１５に示すように、ベイヤー配列を有する撮像素子に対し、９画素加算（ある画素及びその周囲の画素を含む９画素の画素値を加算平均する処理）を行っている場合、画素値の読み出し速度は、全画素の画素値を読み出す場合と比較して９倍になる。一方、図１６に示すように、ベイヤー配列を有する撮像素子に対し、３画素につき１回の間引き読み出しを行う場合、画素値の読み出し速度は、全画素の画素値を読み出す場合と比較して３倍になる。なお、図１６においては、読み出しを行う画素にハッチングを施している。これらの場合、加算又は間引きする画素数に応じて、解像度が低下することになる。即ち、撮像素子１１１の撮像面１１１ａ上における２点間の分解能力を表す許容錯乱円の直径ｃが大きくなる。

そこで、まず、ステップＳ３０１において、画素加算判定部３１１は、撮像部１１０は画素加算又は間引き読み出しを行っているか否かを判定する。
画素加算又は間引き読み出しを行っていない場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、分解能設定部３１０は、式（１１）における変数ｍをｍ＝１に設定し（ステップＳ３０２）、許容錯乱円の直径ｃを近似的に算出する（ステップＳ３０４）。

式（１１）において、符号Ｑは撮像素子１１１の１画素あたりの画素サイズを表し、許容錯乱円の直径ｃを最小画素解像サイズの２倍としている。

一方、画素加算又は間引き読み出しを行っている場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、分解能設定部３１０は式（１１）における変数ｍとして、当該画素加算における加算数（又は間引き読み出しにおける間引き数）に設定し（ステップＳ３０３）、許容錯乱円の直径ｃを算出する（ステップＳ３０４）。例えば、図１５に示す９画素加算の場合、ｍ＝９に設定される。また、図１６に示す間引き読み出しの場合、ｍ＝３に設定される。

続くステップＳ３０５において、分解能設定部３１０は、ステップＳ３０４において算出された許容錯乱円の直径ｃを用いて、式（８）によって与えられる過焦点距離Ｈを算出する。

さらに、ステップＳ３０６において、分解能設定部３１０は、ステップＳ３０５において算出された過焦点距離Ｈを用いて、式（９−３）によって与えられる被写界深度Ｄ_fnを算出する。その後、処理はメインルーチンに戻る。

以上説明したように、実施の形態３によれば、ステージ１００を移動させながら動画撮像を行うので、サンプルＳＰに関する複数焦点の画像情報、又は複数の合焦情報に基づく３次元的な画像情報を高速に取得することが可能となる。また、撮像部１１０が画素加算又は間引き読み出しを行っているか否かを判定し、この判定結果に基づいてＺ方向の分解能Ｒｚを算出するので、サンプルＳＰの移動速度を適切に設定することができる。従って、サンプルＳＰに関する３次元的な画像情報を必要十分に取得することが可能となる。

以上説明した実施の形態１〜３によれば、サンプルＳＰの複数焦点の画像情報を従来よりも高速且つ高精度に取得することができる。従って、撮像部１１０は、撮像を１回行うごとにオートフォーカスを実行することなく、観察範囲Ｌｚ内の全域において合焦された画像を生成することができる。

また、複数の合焦情報に基づくサンプルＳＰの３次元的な画像情報を用いることにより、サンプルＳＰの３次元画像を構築することも可能となる。さらに、図９に示すように、撮像領域Ｃ１、Ｃ２の一部をＸＹ平面において重複させて撮像を行うので、同一のＸＹ座標に関して、合焦された画像と合焦されていない画像との両方を得ることができ、ボケ情報を取得することが可能となる。そのようなボケ情報を用いて、例えばボケ除去処理(Decomvolution)や、焦点推定処理等を行うことが出来る。

以上説明した実施の形態１〜３及び変形例はそのままに限定されるものではなく、各実施の形態及び変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を除外して形成してもよい。あるいは、異なる実施の形態に示した構成要素を適宜組み合わせて形成してもよい。

１、２、３ 撮像装置
１０ 顕微鏡
１１ ベース
１２ ステージ台
１３ 支柱
１４ 調節ツマミ
１５ 透過照明光学系
２０ 制御装置
２１ 記憶部
２２ 入力部
２３ 制御部
１００ ステージ
１１０ 撮像部
１１１ 撮像素子
１１１ａ 受光面（撮像面）
１１２ 観察光学系
１１２ａ 対物レンズ
１１３ レボルバ
１２０ ＸＹ駆動部
１３０ 傾斜機構
１４０ 傾斜角度設定部
１４１ 観察倍率取得部
１４２ 有効領域取得部
１５０ ＸＹ駆動制御部
１６０ Ｚ方向観察範囲取得部
１７０ 光学系関連情報記憶部
１８０ 撮像素子関連情報記憶部
２１０ 分解能定数入力部
２２０、３１０ 分解能設定部
２２１ 分解能切り替え判定部
２３０ Ｘ方向移動量算出部
３１１ 画素加算判定部
３２０ Ｘ方向移動速度算出部
３３０ フレームレート情報取得部

Claims (11)

1. 物体が載置されるステージと、
   前記物体を撮像する撮像素子を有する撮像部と、
   前記物体の載置面内の少なくとも１つの方向に、前記ステージと前記撮像部とのうちの少なくとも一方を他方に対し相対的に移動させる移動機構と、
   前記撮像素子の撮像面と前記ステージとのうち少なくとも一方を、前記移動機構の移動方向に対して相対的に傾斜させる傾斜機構と、
   少なくとも前記撮像部の倍率と、前記撮像面上において前記物体からの観察光を取り込む領域である有効領域のサイズと、に基づいて、前記傾斜機構の傾斜角度を設定する傾斜角度設定部と、
   前記撮像部が撮像する動画のフレームレートの情報を取得するフレームレート情報取得手段と、
   前記載置面と直交する第２の方向における前記撮像部の分解能と、前記傾斜角度と、前記フレームレートの情報と、を用いて、前記移動機構による相対的な移動の速度を算出する移動速度算出部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記第２の方向における前記撮像部の分解能は、前記撮像部が備える光学系の開口数と、前記物体からの観察光の波長と、前記光学系と前記物体との間に存在する媒質の屈折率とに基づいて与えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記分解能は、前記分解能をＲｚ、任意の定数をｋ_a、前記光学系の被写界深度をＤＯＦ、前記屈折率をｎ、前記観察光の波長をλ、前記開口数をＮＡとするとき、
   Ｒｚ＝ｋ_a×ＤＯＦ
   によって与えられ、ここで、
   ＤＯＦ＝（ｎλ）／（２×ＮＡ²）
   であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記分解能は、前記撮像面における許容錯乱円の大きさと、前記撮像部が備える光学系の開口数と、前記光学系の焦点距離と、前記光学系と前記物体との間の距離である物体距離とに基づいて与えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記分解能は、前記分解能をＲｚ、任意の定数をｋ_b、前記光学系の被写界深度をＤ_fn、前記物体距離をｓ、前記光学系の過焦点距離をＨ、前記焦点距離をｆ、前記開口数をＮＡ、前記許容錯乱円の大きさをｃとするとき、
   Ｒｚ＝ｋ_b×Ｄ_fn
   によって与えられ、ここで、
   Ｄ_fn＝｛２ｓ（Ｈ−ｆ）（ｓ−ｆ）｝／｛（Ｈ＋ｓ＋２ｆ）（Ｈ−ｓ）｝、
   Ｈ＝（２ｆ²×ＮＡ）／ｃ
   であることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記撮像面における許容錯乱円の直径、前記撮像部が備える光学系の開口数、前記光学系の焦点距離、前記物体と前記光学系との間の距離及び任意の第１の定数に基づいて与えられる前記第２の方向における前記撮像部の第１の分解能と、
   前記光学系の開口数、前記物体からの観察光の波長、前記物体と前記光学系との間に存在する媒質の屈折率及び任意の第２の定数に基づいて与えられる前記第２の方向における前記撮像部の第２の分解能と、
   の大小関係に基づいて、前記第２の方向における前記撮像部の分解能を求める方式を切り替える手段
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記第１及び第２の定数を入力する定数入力手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記傾斜機構は、前記載置面と直交する軸に対して前記撮像部の光軸を傾斜させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記傾斜機構は、前記撮像部の光軸に対して前記撮像部が前記物体からの観察光を取り込む面を傾斜させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記物体を照明する照明手段と、
    を備えることを特徴とする顕微鏡システム。
11. 前記物体は、病理組織を薄切した簿切標本であることを特徴とする請求項１０に記載の顕微鏡システム。

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