(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象となる試料を載置するための試料ステージと、
第１の方向を長手方向とする２次元画像の取得及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置と、
前記試料ステージと前記撮像装置との間に配置された対物レンズを含む撮像光学系と、
前記試料を前記第１の方向とは異なる第２の方向に走査しながら前記撮像装置及び前記撮像光学系によって観察画像を取得するための走査手段と、
前記撮像光学系によって設定される前記試料での撮像の焦点が、前記試料に対して光軸方向に所定の振動周波数ｆｓで振動するように、前記試料での焦点の振動を制御する焦点振動制御手段とを備え、
前記焦点振動制御手段は、前記撮像装置におけるＴＤＩ駆動での電荷転送速度及び転送画素数によって決まる撮像期間Ｔｉに対し、前記撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数として、前記振動周波数ｆｓが前記基本周波数のＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数）に所定範囲内で一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定するとともに、
前記焦点振動制御手段は、前記振動周波数ｆｓの設定における前記所定範囲について、焦点の振動周期をＴｓ、前記撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓ、焦点深度の幅を２Ｄとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、前記撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝Ｄ／２Ｚｓ
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする画像取得装置。
【請求項２】
撮像対象となる試料を載置するための試料ステージと、
第１の方向を長手方向とする２次元画像の取得及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置と、
前記試料ステージと前記撮像装置との間に配置された対物レンズを含む撮像光学系と、
前記試料を前記第１の方向とは異なる第２の方向に走査しながら前記撮像装置及び前記撮像光学系によって観察画像を取得するための走査手段と、
前記撮像光学系によって設定される前記試料での撮像の焦点が、前記試料に対して光軸方向に所定の振動周波数ｆｓで振動するように、前記試料での焦点の振動を制御する焦点振動制御手段とを備え、
前記焦点振動制御手段は、前記撮像装置におけるＴＤＩ駆動での電荷転送速度及び転送画素数によって決まる撮像期間Ｔｉに対し、前記撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数として、前記振動周波数ｆｓが前記基本周波数のＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数）に所定範囲内で一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定するとともに、
前記焦点振動制御手段は、前記振動周波数ｆｓの設定における前記所定範囲について、焦点の振動周期をＴｓ、前記撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、前記撮像期間Ｔｉに対して、振動周期Ｔｓを下回らない条件で前記振動周期Ｔｓの５０％の範囲内で一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする画像取得装置。
【請求項３】
前記焦点振動制御手段は、光の波長をλ、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記対物レンズと前記試料との間の媒質の屈折率をｎ、焦点の振動周期をＴｓ、前記撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、前記撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝ｎλ／４Ｚｓ（ＮＡ）２
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする請求項１または２記載の画像取得装置。
【請求項４】
前記焦点振動制御手段は、前記振動周波数ｆｓが前記基本周波数のＮｓ倍に一致するように、前記振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の画像取得装置。
【請求項５】
前記焦点振動制御手段は、前記対物レンズの位置または前記試料ステージの位置を光軸方向に変動させることで、前記試料での焦点を振動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の画像取得装置。
【請求項６】
前記撮像光学系は、光軸上に設置された液体レンズを有し、前記焦点振動制御手段は、前記液体レンズにおける焦点条件を変動させることで、前記試料での焦点を振動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の画像取得装置。
【請求項７】
前記撮像装置におけるＴＤＩ駆動による前記試料の撮像動作を制御する撮像制御手段、及び前記焦点振動制御手段による焦点の振動動作を制御する焦点制御手段を含む制御装置を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の画像取得装置。
【請求項８】
前記焦点制御手段は、前記制御装置において指定された焦点の振動の有無及び焦点振動条件に基づいて、前記焦点振動制御手段による焦点の振動動作を制御することを特徴とする請求項７記載の画像取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の観察画像を取得するための画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、病理学の分野などにおいて、パーソナルコンピュータ等の仮想空間上であたかも実際の顕微鏡で試料を見ているかのように操作可能なバーチャル顕微鏡が知られている。このバーチャル顕微鏡で扱われる試料データは、予め実際の顕微鏡を利用して高解像度で取得された試料の画像データに基づいている。
【０００３】
このようにバーチャル顕微鏡で利用される試料の画像データ（バーチャルスライド）を取得する画像取得装置では、バーチャル顕微鏡での画像操作を実現するために、充分に高解像度で試料の画像を取得することが要求される。このような高解像度の画像取得には、例えば、撮像装置で試料を２次元に走査しながら撮像することによって、試料全体に対する観察画像を取得する方法が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。このように、試料を２次元に走査しながら画像を取得することで、試料全体の高解像度画像を短時間で取得することが容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３３０９８号公報
【特許文献２】特開２００８−５１７７３号公報
【特許文献３】米国特許第７４４４０１４号公報
【特許文献４】特許第３１９１９２８号公報
【特許文献５】特表２００４−５０７７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したような試料の観察画像の取得において、病理診断における病理サンプルは薄い切片であるが、細胞診などの場合にはそのサンプルは厚みがある。そのように厚みがある試料についての観察画像の取得では、顕微鏡の光軸に沿ったｚ軸方向（試料の深さ方向）の情報の取得が要求される場合がある。このような要求に対して、従来、ｚ軸方向で焦点位置を変えた複数の焦点面で試料の走査を行って、深さ方向の位置が異なる複数の観察画像を取得する方法（Ｚ−ｓｔａｃｋ）が用いられている。このような方法によれば、バーチャルスライドにおいても、焦点位置を変えて試料の観察を行うことができる。
【０００６】
これに対し、観察対象となる病理サンプル等の試料について、焦点深度を伸張した１枚の観察画像を作成する Extended Depth of Focus と呼ばれる方法がある（例えば、特許文献３〜５参照）。このような方法によって得られる焦点伸張画像は、ｚ軸方向についての情報が集中したものであり、病理診断には適さない場合もあるが、ＦＩＳＨ、ＣＩＳＨ等においてｚ軸方向に分布する点を数えたり、画像をコンピュータで解析する場合などにおいては、このような機能が有効である。
【０００７】
また、厚さが不均一な試料や、焦点が取りにくい薄い試料などについても、上記のような焦点伸張画像の機能を適用することにより、実用上、失敗が少ない試料の走査を実現することができる。また、Ｚ−ｓｔａｃｋによる複数の観察画像の取得では、画像のスタックの数に比例してファイルサイズが増大するが、Extended Depth of Focus による焦点伸張画像の取得では、ファイルサイズが増大することはない。
【０００８】
焦点伸張画像の取得方法としては、例えば、Ｚ−ｓｔａｃｋにおける複数の観察画像から演算で焦点伸張画像を作成する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、前提となるＺ−ｓｔａｃｋの複数の画像を取得するために長時間を要し、また、上記したようにそのためのファイルサイズも増大する。また、焦点位置が異なる画像毎の位置ずれ補正や演算のために時間がかかり、特にバーチャルスライドのような大容量画像においては、それらの処理にかなりの時間を要するなど、実用上でいくつかの問題がある。
【０００９】
また、焦点伸張画像の取得の他の方法として、試料を静止させた状態で試料の撮像中に焦点位置を変動させることで、焦点が伸張された観察画像を得る方法がある。しかしながら、このような方法においても、上述したバーチャルスライドのように、撮像装置で試料を走査しながら観察画像を取得する場合に、焦点位置を変動させながらの画像取得を走査と同時に行うことが可能かどうか、また、その方法については、これまでに充分な検討がなされていない。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、撮像装置で試料を走査しながら試料の高解像度画像を取得する構成においても、焦点が伸張された観察画像を効率的に取得することが可能な画像取得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】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明による画像取得装置は、（１）撮像対象となる試料を載置するための試料ステージと、（２）第１の方向を長手方向とする２次元画像の取得、及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置と、（３）試料ステージと撮像装置との間に配置された対物レンズを含む撮像光学系と、（４）試料を第１の方向とは異なる第２の方向に走査しながら撮像装置及び撮像光学系によって観察画像を取得するための走査手段と、（５）撮像光学系によって設定される試料での撮像の焦点が、試料に対して光軸方向に所定の振動周波数ｆｓで振動するように、試料での焦点の振動を制御する焦点振動制御手段とを備え、（６）焦点振動制御手段は、撮像装置におけるＴＤＩ駆動での電荷転送速度及び転送画素数によって決まる撮像期間Ｔｉに対し、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数として、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数）に所定範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定するとともに、焦点振動制御手段は、振動周波数ｆｓの設定における所定範囲について、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓ、焦点深度の幅を２Ｄとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝Ｄ／２Ｚｓ
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする。また、本発明による画像取得装置は、撮像対象となる試料を載置するための試料ステージと、第１の方向を長手方向とする２次元画像の取得及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置と、試料ステージと撮像装置との間に配置された対物レンズを含む撮像光学系と、試料を第１の方向とは異なる第２の方向に走査しながら撮像装置及び撮像光学系によって観察画像を取得するための走査手段と、撮像光学系によって設定される試料での撮像の焦点が、試料に対して光軸方向に所定の振動周波数ｆｓで振動するように、試料での焦点の振動を制御する焦点振動制御手段とを備え、焦点振動制御手段は、撮像装置におけるＴＤＩ駆動での電荷転送速度及び転送画素数によって決まる撮像期間Ｔｉに対し、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数として、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数）に所定範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定するとともに、焦点振動制御手段は、振動周波数ｆｓの設定における所定範囲について、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して、振動周期Ｔｓを下回らない条件で振動周期Ｔｓの５０％の範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することを特徴とする。
【００１２】
上記した画像取得装置においては、試料を走査するための撮像装置として、２次元画像の取得及びＴＤＩ（Time Delay and Integration）駆動が可能な撮像装置を用いている。ＴＤＩ駆動は、各画素で発生する電荷の垂直転送のタイミングと、試料における撮像対象物（撮像対象部位）の移動タイミングとを同期することで、２次元画素構造での垂直方向（第１の方向に直交する方向）の画素段数分の積分露光を行う駆動方法である。このような撮像装置を用いることにより、試料を走査しながら画像を取得することが可能となり、試料について短時間に高感度な画像取得が可能となる。
【００１３】
また、撮像装置と、対物レンズを含む撮像光学系とによって、第２の方向（好ましくは第１の方向に直交する方向）に試料を走査しながら観察画像を取得するとともに、その撮像の焦点を試料に対して光軸方向（ｚ軸方向）に振動周波数ｆｓで振動させつつ、画像の取得を行っている。このように、試料の走査においてラインセンサではなくＴＤＩセンサを用いるとともに、焦点を振動させつつ画像を取得することにより、短時間で焦点が伸張された試料の観察画像が得られる。
【００１４】
さらに、一般的な２次元撮像装置とは異なり、ＴＤＩ駆動の撮像装置では、撮像対象物の移動タイミングに同期された１画素当たりの電荷転送速度と、転送画素数（垂直方向の画素段数）との積によって、試料の各撮像対象物に対する撮像期間Ｔｉが決まる。このようなＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉに対して、上記した画像取得装置では、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数とし、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍に略一致するように、試料での焦点の振動を制御している。これにより、撮像装置におけるＴＤＩ駆動と、焦点の振動とを同期させて、試料の焦点伸張画像を効率的、かつ確実に取得することが可能となる。
【００１５】
上記構成の画像取得装置において、ＴＤＩ駆動と焦点振動との同期については、焦点振動制御手段は、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓ、焦点深度の幅を２Ｄとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝Ｄ／２Ｚｓ
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することが好ましい。このような構成によれば、焦点の振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料の観察画像を好適に取得することができる。
【００１６】
あるいは、焦点振動制御手段は、光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡ、対物レンズと試料との間の媒質の屈折率をｎ、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝ｎλ／４Ｚｓ（ＮＡ）２
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することが好ましい。このような構成によっても、焦点の振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料の観察画像を好適に取得することができる。
【００１７】
あるいは、焦点振動制御手段は、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍に一致するように、振動周波数ｆｓを設定することとしても良い。この場合、撮像装置におけるＴＤＩ駆動と、焦点の振動とを完全に同期させて、焦点の振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料の観察画像を高精度で確実に取得することができる。
【００１８】
試料に対して焦点を振動させる構成については、具体的には、焦点振動制御手段が、対物レンズの位置または試料ステージの位置を光軸方向に変動させることで、試料での焦点を振動させる構成を用いることができる。あるいは、撮像光学系が、光軸上に設置された液体レンズを有し、焦点振動制御手段が、液体レンズにおける焦点条件を変動させることで、試料での焦点を振動させる構成を用いることができる。
【００１９】
また、画像取得装置は、撮像装置におけるＴＤＩ駆動による試料の撮像動作を制御する撮像制御手段、及び焦点振動制御手段による焦点の振動動作を制御する焦点制御手段を含む制御装置を備えることとしても良い。このような制御装置を設けることにより、ＴＤＩ駆動と焦点の振動との同期を含む画像取得装置の動作を好適に実現することができる。
【００２０】
また、この場合、制御装置の焦点制御手段は、制御装置において指定された焦点の振動の有無及び焦点振動条件に基づいて、焦点振動制御手段による焦点の振動動作を制御することが好ましい。この場合、焦点の振動の有無、及び焦点振動条件については、制御装置に接続された入力手段からの入力内容によって指定する構成を用いることができる。あるいは、制御装置内での自動処理によって、各条件を指定する構成を用いても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の画像取得装置によれば、試料を走査するための撮像装置として、２次元画像の取得及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置を用い、撮像装置及び撮像光学系による試料の走査中に、その撮像の焦点を試料に対して光軸方向に振動周波数ｆｓで振動させつつ画像の取得を行うとともに、ＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉに対して、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数とし、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍に所定範囲内で一致するように、試料での焦点の振動を制御することにより、ＴＤＩ駆動と焦点の振動とを同期させて、試料の焦点伸張画像を効率的、かつ短時間に取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】画像取得装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】撮像装置における２次元センサの画素構造の一例を示す平面図である。
【図３】撮像装置におけるＴＤＩ駆動について示す模式図である。
【図４】撮像装置におけるＴＤＩ駆動、及び試料での撮像の焦点の振動制御について示す模式図である。
【図５】ＴＤＩ駆動と焦点の振動との同期制御について示すグラフである。
【図６】ＴＤＩ駆動と焦点の振動との同期制御における、焦点の振動の許容期間ずれについて示す図である。
【図７】焦点の振動の有無、及び焦点振動条件の指定画面の一例を示す図である。
【図８】撮像装置におけるＴＤＩ駆動による撮像動作の例を示す図である。
【図９】試料に対する焦点の振動動作の例を示す図である。
【図１０】画像取得装置によって取得される試料の観察画像の例を示す図である。
【図１１】画像取得装置によって取得される試料の観察画像の例を示す図である。
【図１２】画像取得装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面とともに、本発明による画像取得装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２４】
図１は、本発明による画像取得装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。この画像取得装置１Ａは、試料Ｓの観察画像の取得に用いられる透過型の顕微鏡装置として構成されている。撮像対象となる試料Ｓは、例えば生体サンプルであり、試料ステージ１０上に載置されている。なお、以下の説明において、図１及び図２に示すように、画像取得装置１Ａの光軸方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交する撮像装置２０での２次元画素構造の長手方向をｘ軸方向（第１の方向）、ｚ軸方向及びｘ軸方向の両者に直交する方向をｙ軸方向（第２の方向）とする。
【００２５】
試料ステージ１０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向（水平方向）に可動なＸＹステージからなり、このＸＹステージ１０をｘｙ面内で駆動することにより、試料Ｓに対する撮像位置の設定、調整、試料Ｓの走査を行うことが可能となっている。また、試料ステージ１０は、ステージ制御装置１２によって駆動制御されている。試料ステージ１０の下方には、照明光学系１５が設けられている。照明光学系１５は、例えば、撮像対象となる光像を生成するための光を試料Ｓへと供給する照明光源、及び照明光源からの光を試料Ｓへと入射させる導光光学系によって構成される。
【００２６】
照明光学系１５からの光が照射されるステージ１０上の試料Ｓに対し、ステージ１０の上方の所定位置に、撮像装置２０が設置されている。この撮像装置２０としては、ｘ軸方向を長手方向とする２次元画像の取得、及びＴＤＩ駆動が可能な撮像装置が用いられる。また、この撮像装置２０に対し、撮像装置２０で取得された画像データについて必要な処理を行う画像処理装置２１、及び撮像装置２０で取得され、または画像処理装置２１で処理された画像データを必要に応じて記憶する画像記憶部２２が設けられている。
【００２７】
図２は、撮像装置２０における２次元センサの画素構造の一例を示す平面図である。本画像取得装置１Ａにおける撮像装置２０としては、好ましくはＴＤＩ駆動が可能な２次元ＣＣＤセンサを有するＣＣＤカメラが用いられる。図２においては、この撮像装置２０の２次元ＣＣＤセンサ２５における画素構造を示している。
【００２８】
本構成例による２次元ＣＣＤセンサ２５は、光検出部２６と、電荷転送部２８とを備えている。光検出部２６は、２次元アレイ状に配列され、それぞれ光電変換機能を有する複数の画素２７を有し、各画素２７において光入射量に応じて生成された電荷を画像データとして出力するように構成されている。また、光検出部２６は、その画素の配列軸であるｘ軸、ｙ軸について、ｘ軸方向を長手方向として構成されており、これによって、ｘ軸方向を長手方向とする２次元画像の取得が可能となっている。なお、図２においては、ｘ軸方向（水平転送方向）での画素数を６４画素、ｙ軸方向（垂直転送方向）での画素数を８画素とした場合の画素構造を模式的に示している。
【００２９】
また、この光検出部２６に対し、その図中の上方にｘ軸方向に沿って電荷転送部２８が設けられている。この電荷転送部２８は、光検出部２６を構成する複数の垂直シフトレジスタから出力されて並列に入力した電荷を水平方向に転送して、出力端から出力する水平シフトレジスタである。なお、ＣＣＤセンサ２５におけるＴＤＩ駆動を含む撮像装置２０の動作については、具体的には後述する。
【００３０】
試料ステージ１０と撮像装置２０との間には、試料Ｓの光像を導光する撮像光学系３０が設けられている。本実施形態においては、撮像光学系３０は、チューブレンズ３１と、対物レンズ３２とを有して構成されている。また、対物レンズ３２に対して焦点調整機構３３が設けられており、この焦点調整機構３３によって対物レンズ３２の位置をｚ軸方向に変動させることで、試料Ｓに対する焦点位置を調整する構成となっている。
【００３１】
これらの撮像装置２０及び撮像光学系３０に対し、試料ステージ１０は、撮像装置２０及び撮像光学系３０によって試料Ｓをｙ軸方向（第１の方向とは異なる第２の方向）に走査しながら、試料Ｓの観察画像を取得するための走査手段として機能する。すなわち、試料ステージ１０をｙ軸方向に移動しつつ試料Ｓの撮像を行うことにより、撮像装置２０によって試料Ｓが走査されながら、その高解像度の観察画像が取得される。また、このような試料Ｓの走査をｘ軸方向の走査位置を変更して複数回行って、得られた複数の画像を合成することにより、高解像度、かつ広範囲での試料Ｓの観察画像を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態では、撮像装置２０及び撮像光学系３０からなる上記撮像系に対し、別個の撮像系として、マクロ撮像装置３８がさらに設けられている。このマクロ撮像装置３８は、撮像装置２０での高解像度の画像（ミクロ画像）の取得に先立って、試料Ｓの全体像の把握などに用いられる低解像度の画像（マクロ画像）を取得する際に用いられる。また、撮像装置２０に対応する撮像位置と、マクロ撮像装置３８に対応する撮像位置との間での試料Ｓの移動は、例えば試料ステージ１０の駆動によって行われる。
【００３３】
さらに、対物レンズ３２の焦点調整機構３３に対し、焦点振動制御装置４０が設けられている。この焦点振動制御装置４０は、撮像光学系３０によって設定される試料Ｓでの撮像の焦点が、試料Ｓに対して光軸方向（ｚ軸方向）に所定の振動周波数ｆｓで振動するように、試料Ｓでの焦点の振動を制御する焦点振動制御手段である。
【００３４】
具体的には、焦点振動制御装置４０は、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動での電荷転送速度及び転送画素数によって決まる撮像期間Ｔｉに対し、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数とし、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数）に所定範囲内で一致するように振動周波数ｆｓを設定して、焦点振動の制御を行う。また、本実施形態では、焦点振動制御装置４０は、焦点調整機構３３によって対物レンズ３２の位置を光軸方向に変動させることで、試料Ｓでの撮像の焦点を振動させる。これにより、試料Ｓの観察画像として、後述するように焦点が伸張された画像が取得される。
【００３５】
これらの試料ステージ１０、ステージ制御装置１２、撮像装置２０、撮像光学系３０、及び焦点振動制御装置４０に対し、装置各部の動作を制御する制御装置５０が設けられている。制御装置５０は、例えばＣＰＵ及び必要なメモリ、ハードディスクなどの記憶装置を含むコンピュータによって構成される。また、この制御装置５０に対して、表示部５６及び入力部５７が接続されている。表示部５６は、例えばＣＲＴディスプレイまたは液晶ディスプレイであり、本画像取得装置１Ａの動作に必要な操作画面の表示、あるいは取得された試料Ｓの観察画像の表示等に用いられる。また、入力部５７は、例えばキーボードまたはマウスであり、画像取得に必要な情報の入力、画像取得動作についての指示の入力等に用いられる。
【００３６】
図１に示す構成においては、制御装置５０は、撮像制御部５１と、焦点制御部５２とを有している。撮像制御部５１は、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動による試料Ｓの撮像動作を制御する。また、焦点制御部５２は、焦点振動制御装置４０による撮像の焦点の振動動作を制御する。このような撮像動作及び焦点の振動動作の制御は、自動で、または操作者の指示等に基づいて行われる。
【００３７】
このような構成の画像取得装置１Ａにおいて、試料Ｓの画像取得を行う場合、まず、ステージ１０上に載置された試料Ｓは、ＸＹステージ１０を駆動することによってマクロ撮像装置３８による撮像位置へと移動される。そして、撮像装置３８によって、試料Ｓの全体像を示す低解像度のマクロ画像が取得され、このマクロ画像を用いて、制御装置５０において、実際に撮像対象となる範囲等の撮像条件が認識、設定される。
【００３８】
ここで、撮像対象の試料Ｓとしては、例えば、生体サンプルがのったスライドグラスを用いることができる。この場合、スライドグラス中で生体サンプルが存在する範囲が、撮像対象範囲として認識される。なお、生体サンプル自体が試料Ｓとしてステージ１０上に載置される場合には、スライドグラスは不要である。また、撮像対象範囲があらかじめ決まっている場合には、このようなマクロ撮像装置３８は不要である。
【００３９】
次に、撮像対象範囲が認識された試料Ｓを、ＸＹステージ１０を駆動することによって撮像装置２０及び撮像光学系３０による撮像位置へと移動する。また、焦点調整機構３３によって焦点を制御しつつ試料Ｓの撮像対象範囲に対して焦点計測を行って、試料Ｓを走査する際の焦点位置の情報が取得される。この場合の焦点位置については、撮像対象範囲の全体に対して一定であっても良く、あるいは、例えば焦点面、２次元焦点マップなどのように各撮像位置で焦点位置が異なっても良い。試料Ｓに対する焦点計測については、具体的には様々な方法を用いて良い。また、焦点位置情報があらかじめ与えられている試料Ｓについて撮像を行う場合には、このような焦点計測は不要である。
【００４０】
続いて、取得された焦点位置情報を参照しつつ、撮像装置２０のＴＤＩ駆動と、試料ステージ１０での試料Ｓの走査とによって、試料Ｓの高解像度の観察画像であるミクロ画像の取得を実行する。この際、上述したように、焦点振動制御装置４０によって、撮像装置２０での撮像期間Ｔｉの逆数１／Ｔｉを基本周波数とし、そのＮｓ倍に略一致するように設定された振動周波数ｆｓによって、試料Ｓでの撮像の焦点を振動させる。これにより、試料Ｓについての焦点が伸張された観察画像が取得される。
【００４１】
図１及び図２に示した画像取得装置１Ａにおける撮像動作、及び焦点の振動動作について、図３〜図５を参照してさらに具体的に説明する。なお、図３、図４においては、説明の簡単のため、ＴＤＩ駆動での電荷転送方向となるｙ軸方向（ＣＣＤセンサの垂直方向）についての転送画素数を６画素として、ＴＤＩ駆動の方法を模式的に図示している。
【００４２】
図３は、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動による試料Ｓの撮像動作について示す模式図である。図３（ａ）は、ＴＤＩ駆動における撮像対象物の移動及びＣＣＤセンサの光検出部での電荷の垂直転送について示している。また、図３（ｂ）は、対物レンズ３２及び撮像の焦点Ｆの光軸方向の位置の時間変化を示している。また、図３（ｃ）は、ＴＤＩ駆動による蓄積電荷量の時間変化を示している。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、ＴＤＩ駆動による撮像動作では、撮像装置２０によって試料Ｓをｙ軸方向に走査しながら画像取得を行う場合に、試料Ｓにおける撮像対象物（撮像対象部位）Ａの移動と、ＣＣＤセンサの光検出部の垂直シフトレジスタにおける電荷の転送とが同期するように、試料ステージ１０、及び撮像装置２０を駆動する。このような駆動方法では、図３（ｃ）に示すように、撮像対象物Ａのデータ取得において、画素１〜６で電荷が転送されるごとに、光電変換によって生成されて蓄積された電荷が増加する。
【００４４】
これにより、垂直方向の転送画素数がｎ段（図３の例では６段）のＴＤＩセンサでは、１次元ラインセンサ（ｎ＝１）などと比べてその露光時間、すなわちＴＤＩ駆動における撮像期間Ｔｉをｎ倍に長くすることができ、高い感度での試料Ｓの撮像が可能となる。また、このような試料Ｓの走査及び撮像において、対物レンズ３２の光軸方向の位置、及びそれによる試料Ｓでの撮像の焦点Ｆについては、従来の構成では、例えば、図３（ｂ）に示すように基準焦点位置Ｆ０において一定に保たれ、もしくは、焦点面、２次元焦点マップ等の焦点位置情報に基づいて通常の焦点制御が行われる。
【００４５】
図４は、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動、及び試料Ｓでの撮像の焦点Ｆの振動制御について示す模式図である。なお、図４（ａ）に示す撮像対象物Ａの移動及び電荷の垂直転送については、図３（ａ）に示したものと同様である。また、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では、それぞれ、撮像装置２０でのＴＤＩ駆動に対する対物レンズ３２の光軸方向の位置、及びそれによる試料Ｓでの撮像の焦点Ｆの時間変化について示している。
【００４６】
図４（ｂ）に示す動作例では、図４（ａ）に示したＴＤＩ動作に対して対物レンズ３２を光軸方向に移動し、基準焦点位置Ｆ０を含む上下の一定範囲において焦点Ｆを変化させている。このとき、撮像対象物Ａに対応するＣＣＤセンサでの蓄積電荷において、単一の焦点位置の情報ではなく、電荷が画素１から画素６まで移動する間に通過したすべての焦点位置の情報が蓄積されることとなり、取得される観察画像での焦点深度が実質的に伸張される。このような焦点伸張が、試料Ｓの焦点伸張画像の取得の基本原理である。
【００４７】
ただし、ＴＤＩ駆動の撮像装置２０を用いた試料Ｓの撮像では、上記した撮像動作が試料Ｓでの各撮像対象部位に対して連続的に行われるため、撮像対象部位毎に、焦点Ｆの変動の始点が異なる位置となる。例えば、図４（ｃ）に示す動作例では、始点となる焦点位置が基準焦点位置Ｆ０の上方近傍にあるため、基準焦点位置Ｆ０よりも上方の焦点位置の情報のみが蓄積され、それよりも下方の焦点位置の情報は蓄積されない。すなわち、図４（ｂ）、（ｃ）に示した動作方法では、ＴＤＩ駆動を用いた試料Ｓの撮像において、全ての撮像対象部位に対して同様の焦点伸張の効果を得ることができない。
【００４８】
これに対して、図１に示した画像取得装置１Ａでは、ＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉの逆数１／Ｔｉを振動周波数ｆｓに設定し、この周波数ｆｓによって対物レンズ３２及び撮像の焦点Ｆの位置を光軸方向に振動させる。このとき、図４（ｄ）に示すように、ＴＤＩ動作の周期に対し、撮像の焦点Ｆが基準焦点位置Ｆ０を含む上下の一定範囲（振動範囲）において、その焦点位置が往復するように変化する。このような構成では、焦点Ｆの振動の始点が異なる場合であっても、焦点位置は常に振動範囲の全体を通過する。したがって、このような動作方法では、試料Ｓの撮像において、全ての撮像対象部位に対して同様の焦点伸張の効果を得ることができ、試料Ｓの撮像対象範囲の全体について、同様の条件で焦点伸張画像を好適に取得することができる。
【００４９】
図５は、上述した画像取得装置１ＡにおけるＴＤＩ駆動と、焦点Ｆの振動との同期制御について示すグラフである。ここでは、焦点Ｆの振動制御を、その振動の時間波形として三角波を用いて行う場合を例として示している。
【００５０】
図５のグラフ（ａ）は、図４（ｄ）に関して上記したように、ＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉの逆数１／Ｔｉを振動周波数ｆｓに設定した場合の焦点Ｆの振動制御の例を示している。この動作例では、基準焦点位置を位置０として、焦点位置をその上下の−Ｚ〜＋Ｚ、振動幅Ｚｓの範囲で振動させている。この場合、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数はＮｓ＝１であり、振動周期はＴｓ＝Ｔｉである。また、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓは、撮像期間Ｔｉと一致している。
【００５１】
また、このような焦点伸張画像の取得は、ＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉの逆数１／Ｔｉをそのまま振動周波数ｆｓに設定した構成に限られない。すなわち、より一般には、撮像期間Ｔｉの逆数１／Ｔｉを基本周波数として、そのＮｓ倍（Ｎｓは１以上の整数、ｆｓ＝Ｎｓ／Ｔｉ）となるように振動周波数ｆｓを設定する構成を用いることができる。このような場合にも、上記と同様に、焦点伸張画像を好適に取得することができる。
【００５２】
図５のグラフ（ｂ）は、そのような動作の一例として、ＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉの逆数の２倍である２／Ｔｉを振動周波数ｆｓに設定した場合の焦点Ｆの振動制御の例を示している。この場合、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数はＮｓ＝２であり、振動周期はＴｓ＝Ｔｉ／２である。また、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓは、撮像期間Ｔｉと一致している。また、Ｎｓを３以上に設定した場合においても、同様に振動制御及び焦点伸張画像の取得を実行することが可能である。
【００５３】
本実施形態による画像取得装置１Ａの効果について説明する。
【００５４】
図１及び図２に示した画像取得装置１Ａにおいては、試料Ｓを走査するための撮像装置２０として、ｘ軸方向を長手方向とした２次元画像の取得及びＴＤＩ駆動が可能な２次元ＣＣＤセンサ２５を含む撮像装置を用いている。ＴＤＩ駆動は、図３に示したように、各画素で発生する電荷の垂直転送のタイミングと、試料Ｓにおける撮像対象物Ａの移動タイミングとを同期することで、２次元画素構造でのｙ軸方向の画素段数分の積分露光を行う駆動方法である。このような撮像装置２０を用いることにより、試料Ｓについて高感度での画像取得が可能となる。
【００５５】
また、撮像装置２０と、対物レンズ３２を含む撮像光学系３０とによって、所定の走査方向（上記した例では、ＣＣＤセンサ２５の画素構造の長手方向に直交するｙ軸方向）に試料Ｓを走査して観察画像を取得するとともに、その撮像の焦点Ｆを試料Ｓに対して光軸方向に振動周波数ｆｓで振動させつつ、画像の取得を行っている。これにより、焦点Ｆが伸張された試料Ｓの観察画像が得られる。
【００５６】
さらに、ＴＤＩ駆動の撮像装置２０では、撮像対象物Ａの移動に同期された１画素当たりの電荷の転送速度と、転送画素数（垂直方向の画素段数）との積によって、試料Ｓの各撮像対象部位Ａに対する実質的な露光時間である撮像期間Ｔｉが決まる。例えば、試料Ｓの走査速度と同期した電荷転送速度が０．２ｍｓｅｃ／ｐｉｘｅｌで、垂直方向の転送画素数が６４画素の場合、撮像期間はＴｉ＝０．２×６４＝１２．８ｍｓｅｃである。
【００５７】
このような撮像装置２０のＴＤＩ駆動での撮像期間Ｔｉに対して、上記した画像取得装置１Ａでは、撮像期間の逆数１／Ｔｉを基本周波数とし、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍に一致するように、焦点振動制御装置４０による試料Ｓでの焦点の振動を制御している。これにより、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動と、焦点Ｆの振動とを同期させて、試料Ｓの焦点伸張画像を効率的、かつ確実に取得することが可能となる。
【００５８】
なお、これらの撮像装置２０での電荷転送速度、撮像期間Ｔｉ、及び焦点の振動周波数ｆｓについては、対物レンズ３２の倍率などの撮像光学系３０の具体的な構成、及び撮像装置２０の構成等に応じて設定される。例えば、倍率４０倍の対物レンズに対して、上記したように撮像装置２０における撮像期間をＴｉ＝１２．８ｍｓｅｃとすると、振動回数がＮｓ＝１であれば焦点の振動周波数はｆｓ＝１／Ｔｉ＝７８Ｈｚである。
【００５９】
ここで、焦点振動制御装置４０による振動制御において、焦点Ｆの振動範囲−Ｚ〜＋Ｚについては、基準焦点位置Ｆ０に対してプラス側とマイナス側とで異なる振動範囲としても良い。また、その振動幅Ｚｓについては、試料Ｓの走査の全体において一定の振動幅としても良く、あるいは走査中に振動幅を変更する構成としても良い。また、振動幅Ｚｓについては、撮像対象となる試料Ｓの厚み等を考慮して設定することが好ましい。また、基準焦点位置Ｆ０についても、焦点計測を行って得られた最適な焦点位置から上下にオフセットがある位置を基準焦点位置としても良い。
【００６０】
また、焦点振動の時間波形については、図５においては三角波を用いた例を示したが、所定の周期及び周波数で焦点を振動させることが可能なものであれば、具体的には様々な振動波形を用いて良い。そのような波形としては、例えば正弦波や余弦波による振動波形がある。正弦波を用いた場合、三角波に比べて対物レンズ３２の位置及び焦点位置の変動が滑らかになるという利点がある。また、このような振動波形については、実際に焦点を振動する機構やその駆動方法の特性を考慮して設定することが好ましい。
【００６１】
焦点の振動周波数ｆｓの具体的な設定については、上記した焦点制御の例では、基本周波数１／ＴｉのＮｓ倍に実質的に一致するように振動周波数ｆｓを設定している。この場合、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動と、焦点振動制御装置４０による焦点の振動とを完全に同期させて、焦点Ｆの振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料Ｓの観察画像を確実かつ精度良く取得することができる。
【００６２】
また、焦点の振動周波数ｆｓについては、一般には、焦点振動の周波数のずれについて撮像精度等の観点から想定される許容範囲等を考慮し、振動周波数ｆｓが基本周波数のＮｓ倍に所定範囲内で一致するように設定することとしても良い。このような構成によっても、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動と焦点Ｆの振動とを充分な精度で同期させて、試料Ｓの焦点伸張画像を効率的、かつ確実に取得することが可能である。そのような所定範囲としては、例えば、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して、振動周期Ｔｓを下回らない条件で振動周期Ｔｓの５０％の範囲内で一致することが好ましい。
【００６３】
また、ＴＤＩ駆動と焦点振動との同期の所定範囲については、具体的には、焦点振動制御装置４０において、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓ、焦点深度の幅を２Ｄとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝Ｄ／２Ｚｓ
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することが好ましい。このような構成によれば、焦点の振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料の観察画像を好適に取得することができる。
【００６４】
あるいは、焦点振動制御装置４０において、光の波長をλ（例えば、０．４μｍ〜０．７μｍの可視光波長であればよく、好ましくは基準波長として一般的に用いられる緑の波長λ＝０．５５μｍ）、対物レンズ３２の開口数をＮＡ、対物レンズ３２と試料Ｓとの間の媒質（例えば空気）の屈折率をｎ、焦点の振動周期をＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ、光軸方向での焦点の振動幅をＺｓとして、振動回数Ｎｓの全体での振動全期間Ｎｓ×Ｔｓが、撮像期間Ｔｉに対して下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝ｎλ／４Ｚｓ（ＮＡ）２
を満たす許容期間ずれΔＴｓの範囲内で一致するように、振動周波数ｆｓを設定することが好ましい。このような構成によっても、焦点の振動幅Ｚｓの全体について、焦点が伸張された試料の観察画像を好適に取得することができる。
【００６５】
上記したＴＤＩ駆動と焦点振動との同期の許容期間ずれΔＴｓについて、図６を参照して説明する。図６は、ＴＤＩ駆動と焦点の振動との同期制御における、焦点の振動の許容期間ずれについて示す図である。図６（ａ）は、対物レンズ３２による撮像における焦点Ｆ及び焦点深度について示している。また、図６（ｂ）は、上記した焦点振動の許容期間ずれΔＴｓについて説明するグラフである。
【００６６】
図６（ａ）に示すように、対物レンズ３２による焦点深度は、焦点位置Ｆに対してプラス側に＋Ｄ、マイナス側に−Ｄと表すことができる。また、このとき全体としての焦点深度の幅は２Ｄとなる。このような焦点深度の幅２Ｄが存在することを考慮すると、その範囲内ではＴＤＩ駆動と焦点振動との同期がずれた場合でも、実質的に同期しているときとほぼ同等の焦点伸張効果が得られると考えられる。したがって、この対物レンズ３２での焦点深度の幅２Ｄから、許容期間ずれΔＴｓを設定することができる。
【００６７】
ここで、図６（ｂ）のグラフに示すように、焦点の振動周期がＴｓ、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数がＮｓ＝１、光軸方向での焦点の振動幅がＺｓの場合を考える。このような焦点振動では、振動周期Ｔｓの終点において焦点深度の一方の幅Ｄの分だけ振動量が少ない場合でも、焦点深度Ｄの効果により、擬似的に１周期の焦点振動が達成される。したがって、この焦点深度Ｄから、振動周期Ｔｓについて、擬似的に１周期の焦点振動が実現可能な範囲となる許容期間ずれΔＴｓを算出することができる。
【００６８】
この許容期間ずれΔＴｓについては、図６（ｂ）のグラフからわかるように、Ｚｓ／２：Ｔｓ／４＝Ｄ：ΔＴｓが成り立つ。したがって、この関係から、上述した許容期間ずれΔＴｓの式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝Ｄ／２Ｚｓ
＝１００×Ｄ／２Ｚｓ（％）
が得られる。
【００６９】
また、焦点深度±Ｄについては、様々な定義があるが、通常、上記したように光の波長をλ、対物レンズ３２の開口数をＮＡ、対物レンズ３２と試料Ｓとの間の媒質の屈折率をｎとして
Ｄ＝ｎλ／２（ＮＡ）２
と近似される。この焦点深度Ｄを上記の許容期間ずれΔＴｓに代入すると、下記式
ΔＴｓ／Ｔｓ＝ｎλ／４Ｚｓ（ＮＡ）２
＝１００×ｎλ／４Ｚｓ（ＮＡ）２（％）
が得られる。したがって、これらのΔＴｓ／Ｔｓについての条件式を、焦点の振動制御における許容期間ずれΔＴｓとして適用することができる。また、これらの条件式は、焦点振動の振動回数Ｎｓが２以上の場合にも、同様に適用することができる。
【００７０】
許容期間ずれΔＴｓの具体例として、開口数ＮＡが異なる対物レンズを用いて倍率が異なる画像を取得する場合を考える。ここで、上記した各パラメータについては、光の波長をλ＝０．５５μｍ、対物レンズと試料との間の媒質である空気の屈折率をｎ＝１、試料Ｓの厚みに相当する振動幅をＺｓ＝１０μｍとする。このとき、倍率が４０倍、開口数がＮＡ＝０．７５の対物レンズを用いると、焦点深度はＤ＝０．４９μｍ、許容期間ずれはΔＴｓ＝２．４５％となる。また、倍率が２０倍、開口数がＮＡ＝０．５の対物レンズを用いると、焦点深度はＤ＝１．１μｍ、許容期間ずれはΔＴｓ＝５．５％となる。
【００７１】
次に、１つの対物レンズを用いて倍率が異なる画像を取得する場合を考える。一般に、焦点の振動制御において、その振動周波数ｆｓは対物レンズの倍率等によって異なる値となるが、振動周波数が高すぎると、光学系と共振して好適な撮像条件が得られない場合がある。このような問題に対し、例えば、試料Ｓの撮像で高倍率（例えば４０倍）の単一の対物レンズを用い、低倍率（例えば２０倍）の画像についてはビニング処理によって画像を作成する方法を用いることができる。この場合、対物レンズの開口数は倍率に関わらずＮＡ＝０．７５となり、許容期間ずれはΔＴｓ＝２．４５％となる。
【００７２】
ここで、試料Ｓの撮像において、焦点の振動制御を用いずに焦点深度を伸張する方法としては、例えば、撮像光学系における対物レンズ及びコンデンサレンズの開口を絞る方法がある。このとき、上記したように焦点深度は開口数ＮＡの２乗に反比例するため、開口数ＮＡを小さくすれば焦点深度は大きくなる。しかしながら、このような方法では、空間解像度や画質が劣化する。
【００７３】
また、顕微鏡で解像できるサイズは対物レンズのＮＡとコンデンサレンズのＮＡとの和に反比例するため、コンデンサレンズのＮＡを小さくすると、解像可能なサイズが大きくなって解像度が劣化する。また、対物レンズのＮＡについては、一般にレンズ毎に固定されている。したがって、コンデンサレンズのＮＡを小さくすることによる焦点深度の伸張には限界がある。
【００７４】
また、焦点深度を伸張する方法として、Ｚ−ｓｔａｃｋによって得られる複数の観察画像から演算によって焦点伸張画像を作成する方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、上述したように、Ｚ−ｓｔａｃｋの複数の観察画像を取得するために長時間を要するなどの問題がある。
【００７５】
また、特許文献３（米国特許第７４４４０１４号公報）に記載された ExtendedDepth of Focus による撮像方法では、２次元センサを用いて顕微鏡の１視野に対する撮像を行っており、ＴＤＩ駆動の撮像装置を用いて試料を走査しながら撮像を行う構成には適用することができない。また、このような構成において、試料の走査を行わずに大視野の画像を取得する場合、視野を移動して、その都度焦点振動及び画像取得を行うステップアンドリピートの動作を続ける必要があり、全体として画像取得時間が長くなる。
【００７６】
また、特許文献５（特表２００４−５０７７４３号公報）では、ＴＤＩセンサを用いた試料の走査において、ＴＤＩセンサを走査方向に対して傾けて配置することで、焦点深度を伸張している。しかしながら、このような構成による焦点伸張画像の取得では、以下のような問題がある。
【００７７】
すなわち、撮像装置の位置と、試料上の焦点位置とは、顕微鏡の総合倍率に対して２乗の関係にある。例えば、顕微鏡の総合倍率が２０倍とすると、試料上で１０μｍの焦点伸張を行う場合、撮像装置側では、２０×２０×１０μｍ＝４ｍｍの幅をとる必要がある。これを撮像装置を傾けることで実現する場合、傾き角度を３０度と仮定すると、ＴＤＩセンサの転送方向のサイズを８ｍｍ以上にする必要がある。
【００７８】
一般に、ＴＤＩセンサでは、図２に模式的に示したように、垂直転送方向での画素数は水平方向に比べて少ない。例えば、浜松ホトニクス社製のＳ１０２０２−１６では、水平方向の画素数４０９６に対して、垂直方向の画素数１２８であり、また、垂直方向での１画素の幅は１２μｍである。この場合、ＴＤＩセンサの光検出部全体での垂直転送方向の幅は１２８×１２μｍ＝１５３６μｍである。
【００７９】
このような構成において、上記した２０倍の顕微鏡の総合倍率の条件では、試料上で約１．９１５μｍの焦点伸張しか得られない。したがって、このような構成で広い焦点伸張を実現するには、解像度を犠牲にして全体の倍率を下げるか、もしくは、ＴＤＩ駆動の垂直転送方向での画素数を増やすか画素幅を大きくするなど、特殊な構造のＴＤＩセンサを用いる必要がある。また、センサのサイズとその傾きによって焦点位置に幅を持たせる構成では、試料上の焦点位置が変わると同時に光学的倍率も変化することとなり、したがって、焦点伸張を行った画像に歪みを生じる場合がある。
【００８０】
また、ＴＤＩセンサを光軸に対して傾ける構成では、焦点伸張の幅は光学系の総合倍率と、ＴＤＩセンサの垂直転送方向の幅によって決まる。一方、ＴＤＩセンサにおいては、試料の移動方向とセンサとの位置精度が画質に影響を与えるため、ＴＤＩセンサは、位置等を調整した後に固定することが好ましい。また、ＴＤＩセンサを傾ける角度を変えた場合には、センサ上での撮像対象物の相対的な移動速度が変わるため、ＴＤＩ駆動における転送クロック等も変更する必要がある。これらの点から、ＴＤＩセンサを光軸に対して傾ける構成では、焦点伸張の条件を可変に制御することが難しい。
【００８１】
これに対して、上記実施形態の画像取得装置１Ａでは、ＴＤＩセンサを含む撮像装置２０と、対物レンズ３２を含む撮像光学系３０とによって試料Ｓを走査して観察画像を取得するとともに、その撮像の焦点Ｆを試料Ｓに対して光軸方向にＴＤＩ動作と同期する振動周波数ｆｓで振動させつつ、画像の取得を行っている。これにより、上述したように、焦点伸張画像を効率的かつ確実に取得することが可能となる。また、このような構成では、焦点振動条件の設定により、焦点伸張の条件を可変に制御することが可能である。
【００８２】
図１に示した画像取得装置１Ａの具体的な構成について、さらに説明する。試料Ｓに対して焦点を振動させる構成については、図１に示した構成例では、焦点振動制御装置４０が、焦点調整機構３３を介して対物レンズ３２の位置を物理的に、光軸方向に変動させることで、試料Ｓでの焦点Ｆを振動させる構成を用いている。この場合の焦点調整機構３３としては、例えば対物レンズ３２に取り付けたピエゾアクチュエータを用いることができる。また、焦点振動制御装置４０としては、例えばピエゾアクチュエータの駆動制御装置を用いることができる。また、焦点調整機構３３として、例えばボイスコイルモータ、ステッピングモータ、サーボモータ等を用いても良い。また、焦点振動制御装置４０については、焦点調整機構３３自体が焦点振動制御手段として機能する構成としても良い。
【００８３】
また、焦点を振動させる構成として、図１において破線で示したように、焦点振動制御装置４０が、ステージ制御装置１２を介して試料ステージ１０の位置を光軸方向に変動させることで、試料Ｓでの焦点Ｆを振動させる構成を用いても良い。この場合、試料ステージ１０としては、Ｚステージの機能を有するものを用いる必要がある。また、このような構成においても、試料ステージ１０及びステージ制御装置１２自体が焦点振動制御手段として機能する構成としても良い。
【００８４】
また、図１に示した画像取得装置１Ａでは、ＴＤＩ駆動による撮像動作を制御する撮像制御部５１と、焦点の振動動作を制御する焦点制御部５２とを有する制御装置５０を設けている。このような制御装置５０を設けることにより、ＴＤＩ駆動と焦点の振動との同期を含む装置各部の動作を好適に制御、実行することができる。
【００８５】
この場合、焦点制御部５２は、制御装置５０において指定された焦点の振動の有無、及び焦点振動条件に基づいて、焦点振動制御装置４０による焦点の振動動作を制御することが好ましい。この場合、焦点の振動の有無、及び焦点振動条件については、制御装置５０に接続された入力部５７からの操作者による入力内容によって指定する構成を用いることができる。
【００８６】
また、このように入力部５７からの入力内容に基づいて焦点振動を制御する場合、制御装置５０は、表示部５６によって操作者に対して、それらの制御条件を入力させるための指定画面を表示することが好ましい。図７は、そのような焦点の振動の有無、及び焦点振動条件の指定画面の一例を示す図である。図７に示す指定画面５８では、焦点の振動の有無（焦点伸張の要否）を操作者に指定させるための第１入力部５８ａと、焦点振動条件を指定させるための第２入力部５８ｂとが設けられている。また、第２入力部５８ｂでは、焦点振動条件として、焦点振動範囲を指定する上下それぞれでの振動幅を、サブミクロン単位で別個に指定可能な構成となっている。
【００８７】
これらの焦点振動の制御条件については、制御装置５０内での演算プログラムを用いた自動処理によって各制御条件を指定する構成を用いても良い。そのような構成としては、例えば、試料Ｓの厚みを計測によって自動検出し、その結果に基づいて、焦点の振動幅を自動で設定する構成が考えられる。
【００８８】
また、焦点の振動制御における許容期間ずれΔＴｓは、上記したように、振動幅（試料Ｓの厚み）Ｚｓ、対物レンズ３２の開口数ＮＡなどのパラメータを用いて算出することができる。したがって、開口数ＮＡなどの必要なパラメータをあらかじめ制御装置５０に記憶させておけば、振動幅Ｚｓ等を指定することによって自動的に許容期間ずれΔＴｓを算出することができる。また、この許容期間ずれΔＴｓについては、焦点の振動制御において、期間ずれがΔＴｓを超えた場合のエラー検出、あるいは再測定の指示等に用いることも可能である。
【００８９】
画像取得装置１Ａにおいて取得される試料Ｓの観察画像については、上述した焦点伸張によって広い焦点範囲での情報を含んでいるが、焦点の振動範囲が広いと、焦点が合っていない部分の情報がぼけ成分として画像に反映される場合がある。このようなぼけ成分が問題となる場合には、画像処理を行うことでぼけ成分を取り除くことが可能である。この場合の画像処理の例としては、簡便な方法としてアンシャープマスクフィルタを観察画像に適用することにより、画質を改善することができる。
【００９０】
また、ヒストグラム均等化法、あるいは、光学パラメータと対物レンズ３２の振動幅などからデコンボリューション処理によってぼけ成分を除去する方法などを用いることも可能である。また、これらの画像処理については、図１に示す構成において、画像処理装置２１において実行される構成としても良く、あるいは、制御装置５０において実行される構成としても良い。また、このようなぼけ補正の画像処理については、観察画像の取得と同期させてリアルタイムで実行しても良く、あるいは、画像取得後に別に実行する構成としても良い。
【００９１】
撮像装置２０に用いられる２次元ＣＣＤセンサでのＴＤＩ駆動、及びそれに同期させた焦点の振動制御について、その具体的な一例を説明する。図８は、撮像装置２０におけるＴＤＩ駆動による撮像動作の例を示す図である。また、図９は、試料Ｓに対する焦点の振動動作の例を示す図である。
【００９２】
なお、図８に示すＣＣＤセンサのＴＤＩ駆動においては、垂直方向についての転送画素数を、３画素（６受光部）としている。また、図９に示す焦点の振動制御では、撮像期間Ｔｉに対する焦点の振動回数をＮｓ＝１としている。また、図９において、グラフ（ａ）は振動波形として三角波を用いた場合の焦点振動を示し、グラフ（ｂ）は振動波形として正弦波を用いた場合の焦点振動を示している。
【００９３】
図８において、図８（ａ）は、垂直転送方向についての２次元ＣＣＤセンサの光検出部の構成を示している。この構成例では、２相の転送電圧Ｐ１、Ｐ２による２相駆動のＣＣＤセンサを用いている。このような２相駆動のＣＣＤセンサでは、画素１〜３のそれぞれにおける各受光部は垂直方向に２つの部分に分割され、そのうちでポテンシャルが低い転送方向下流側の部分が実質的な受光部として機能するようになっている。
【００９４】
図８（ｂ）〜（ｇ）は、それぞれ、時刻ｔ１〜ｔ６での各画素のポテンシャル、及び各画素における蓄積電荷量を示している。時刻ｔ１では、受光部１、３、５のポテンシャルが受光部２、４、６よりも低くなるように転送電圧Ｐ１、Ｐ２が印加される。このとき、図８（ｂ）に示すように、最も左側の受光部１において光電変換によって電荷が生成、蓄積される。また、同時に、図９のグラフ（ａ）、（ｂ）に示すように、対物レンズ３２の位置及びそれによる撮像の焦点位置が、位置ａを起点として振動を開始する。
【００９５】
次に、時刻ｔ２では、受光部２、４、６のポテンシャルが受光部１、３、５よりも低くなるように転送電圧Ｐ１、Ｐ２が印加される。このとき、図８（ｃ）に示すように、受光部１にあった電荷が受光部２へと転送されるとともに、受光部２において光電変換によってさらに電荷が生成、蓄積される。また、この時点では、対物レンズ３２による撮像の焦点位置は位置ｂに移動している。したがって、時刻ｔ１に受光部１で蓄積される電荷による画像データと、時刻ｔ２に受光部２で蓄積される電荷による画像データとでは、試料Ｓにおける焦点位置が異なるデータとなっている。
【００９６】
同様にして、図８（ｄ）〜（ｇ）に示すように、時刻ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６では、電荷が受光部３、４、５、６へと順に転送されるとともに、各受光部において光電変換によってさらに電荷が生成、蓄積される。また、これらの時点では、対物レンズ３２による撮像の焦点位置は位置ｃ、ｄ、ｅ、ｆに移動している。以上の動作により、撮像装置２０のＴＤＩ駆動ＣＣＤセンサでの蓄積電荷において、焦点の振動幅Ｚｓ（−Ｚ〜＋Ｚ）の全体について、焦点が伸張された画像データが得られる。また、受光部６に到達した電子は、水平シフトレジスタとして機能する電荷転送部（図２参照）へと出力され、電荷転送部を介して画像データ信号として外部へと読み出される。
【００９７】
上記実施形態による画像取得装置１Ａを用いて取得される試料Ｓの観察画像の例について説明する。図１０、図１１は、それぞれ画像取得装置１Ａによって取得される試料Ｓの観察画像の例を示す図である。図１０は、焦点振動制御を適用せずに取得された焦点伸張なしの観察画像を示している。この画像では、試料Ｓ中における深さ方向の位置により、焦点が合っている部分と、合っていない部分とが存在している。
【００９８】
これに対して、図１１（ａ）は、上述した焦点振動制御を適用して取得された焦点伸張ありの観察画像を示している。この画像では、図１０の画像と比べて全体的に焦点が合っており、焦点深度が伸張されていることがわかる。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の焦点伸張画像に対して、さらにぼけ成分除去のための画像補正処理を行った結果を示している。この画像では、深さ方向について全体的に焦点が合っており、かつコントラストが高い画像が得られている。
【００９９】
図１２は、本発明による画像取得装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による画像取得装置１Ｂの構成は、基本的に図１に示した画像取得装置１Ａと同様であるが、試料Ｓでの撮像の焦点を振動させるための構成が画像取得装置１Ａとは異なっている。すなわち、図１２に示す画像取得装置１Ｂでは、撮像光学系３０において、撮像装置２０とチューブレンズ３１との間の光軸上に液体レンズ３５が挿入されている。また、この液体レンズ３５に対し、焦点振動制御装置４５が設けられている。
【０１００】
試料Ｓに対して焦点を振動させる構成については、図１２の構成例に示すように、撮像光学系３０に液体レンズ３５を設けるとともに、焦点振動制御装置４５が、液体レンズ３５における焦点条件を光学的に変動させて撮像装置２０のＴＤＩ駆動ＣＣＤセンサに投影される試料Ｓの焦点位置を変えることで、試料Ｓでの焦点Ｆを振動させる構成を用いることも可能である。
【０１０１】
このような構成では、対物レンズ３２等の光学要素に物理的な振動を与えることなく、焦点振動を実現することが可能である。ただし、このように液体レンズ３５を用いる構成では、焦点振動制御に伴って画像の拡大率も変動するため、焦点の振動範囲の設定において注意が必要である。また、液体レンズ３５以外にも、例えばディフォーマブルミラーを用いて焦点振動制御を行うことも可能である。
【０１０２】
本発明による画像取得装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、試料Ｓの走査については、上記実施形態では試料ステージ１０をＸＹステージとして走査を行う構成を例示したが、ステージ１０をｘｙ面内で固定として、撮像装置２０及び撮像光学系３０をｘｙ面内で駆動することによって、試料Ｓの走査を行う構成としても良い。また、試料Ｓの観察画像を取得する撮像装置２０については、例えば３板ＣＣＤを用いた撮像装置（特許文献２：特開２００８−５１７７３号公報参照）など、カラー撮像が可能な撮像装置を用いても良い。
【０１０３】
また、撮像装置２０、撮像光学系３０、及び試料ステージ１０等の具体的な構成については、上記した構成例以外にも様々な構成を用いて良い。また、図１、図１２の構成例では、試料ステージ１０の下方の照明光学系１５を用いた透過型の顕微鏡装置の構成を例示したが、顕微鏡光学系としては、このような透過照明光学系に限らず、例えば反射照明光学系、落射蛍光光学系等を用いても良い。また、装置各部の動作を制御する制御装置５０については、それらの動作を手動で制御する場合には、設けない構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、撮像装置で試料を走査する構成において、焦点が伸張された観察画像を効率的に取得することが可能な画像取得装置として利用可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１Ａ、１Ｂ…画像取得装置、Ｓ…試料（撮像対象）、１０…試料ステージ、１２…ステージ制御装置、１５…照明光学系、２０…撮像装置、２１…画像処理装置、２２…画像記憶部、２５…ＣＣＤセンサ、２６…光検出部、２７…画素、２８…電荷転送部、
３０…撮像光学系、３１…チューブレンズ、３２…対物レンズ、３３…焦点調整機構、３５…液体レンズ、３８…マクロ撮像装置、４０、４５…焦点振動制御装置、５０…制御装置、５１…撮像制御部、５２…焦点制御部、５６…表示部、５７…入力部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１０】
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【図１１】
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