(57)【要約】【課題】  試料の表面に深さ方向の凸凹がある場合でも、簡易な構成で試料全体の良好な画像データを得ることができる画像取得装置を提供すること。【解決手段】  物体１１０を結像する結像光学系２０と、結像光学系２０により結像された物体１１０を再結像する再結像光学系４０と、結像光学系２０と再結像光学系４０との間の光路上に配置される反射部材３０と、再結像光学系４０により再結像された物体１１０を撮像する撮像素子５０と、を備える画像取得装置２０００であって、反射部材３０の結像光学系２０の光軸に対する傾きを変更する第１の駆動部と、撮像素子５０の再結像光学系４０の光軸に対する傾きを変更する第２の駆動部と、物体１１０の形状に応じて第１の駆動部を制御するとともに、物体１１０の形状及び反射部材３０の傾きの変化の少なくとも一方に応じて第２の駆動部を制御する演算部４００と、を有する。【選択図】  図１
2014163975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された前記物体を再結像する再結像光学系と、前記結像光学系と前記再結像光学系との間の光路上に配置される反射部材と、前記再結像光学系により再結像された前記物体を撮像する撮像素子と、を備える画像取得装置であって、
前記反射部材の前記結像光学系の光軸に対する傾きを変更する第１の駆動部と、
前記撮像素子の前記再結像光学系の光軸に対する傾きを変更する第２の駆動部と、
前記物体の形状に応じて前記第１の駆動部を制御するとともに、前記物体の形状及び前記反射部材の傾きの変化の少なくとも一方に応じて前記第２の駆動部を制御する演算部と、
を有することを特徴とする画像取得装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記反射部材の傾きの変更と前記撮像素子の傾きの変更とによってフォーカス調整を分担するように前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部を制御することを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記反射部材の傾きの変化により生じるデフォーカスを補正するように前記第２の駆動部を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像取得装置。
【請求項４】
前記第１の駆動部は、前記結像光学系の光軸の方向と前記再結像光学系の光軸の方向とに対して垂直な第１の回転軸、及び、該第１の回転軸の方向に対して垂直でかつ前記反射部材の反射面に平行な第２の回転軸、の少なくとも一方に対して前記反射部材の傾きを変更し、
前記第２の駆動部は、前記第１の回転軸に平行な第３の回転軸、及び、該第３の回転軸の方向に対して垂直でかつ前記撮像素子の撮像面に平行な第４の回転軸、の少なくとも一方に対して前記撮像素子の傾きを変更することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像取得装置。
【請求項５】
前記物体の形状情報を取得する計測部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像取得装置。
【請求項６】
前記再結像光学系は拡大系であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像取得装置。
【請求項７】
前記画像取得装置は顕微鏡であり、前記結像光学系と前記再結像光学系とにより拡大系を成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の画像取得装置。
【請求項８】
前記再結像光学系と前記反射部材と前記撮像素子との夫々を複数備えており、
前記複数の再結像光学系の夫々は、対応する前記複数の反射部材の夫々により反射された光束によって、対応する前記複数の撮像素子の撮像面上の夫々に前記物体を再結像していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像取得装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像取得装置と、
前記画像取得装置で取得した前記物体の画像データを表示する画像表示部と、を備えることを特徴とする画像取得システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像取得装置に関し、例えば、病理標本の画像データを取得する画像取得システムに好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年の病理診断において、画像取得装置により病理標本（試料）を撮像して画像データを取得し、それをディスプレイ上に表示して観察する画像取得システムが注目されている。画像取得システムによれば、試料の画像データを複数人で同時に観察することや、それを遠方の病理医と共有することなどが可能となる。
【０００３】
画像取得装置において、対物レンズの視野内に収まらない大きな試料を観察する場合、試料を水平方向に移動させて複数回撮像（ステップ撮像）するか、もしくはスキャンしながら撮像することにより、試料全体の画像を取得することができる。また、試料を観察する上では、可視光領域において高い解像力を持つ対物光学系が求められる。しかし、高い解像力を得るために対物光学系の開口数（ＮＡ）を大きくすると焦点深度が浅くなってしまうため、試料の表面に深さ方向の凸凹がある場合、試料の一部でフォーカスの合わない部分が生じ、試料全体の良好な画像を取得できなくなってしまう。
【０００４】
ここで、特許文献１では、撮像面を変形させることにより、撮影レンズの像面湾曲を補正することができる撮像装置が提案されている。この撮像装置では、複数の光電変換素子の各々を駆動することにより、像面湾曲に応じて撮像面を変形させている。また、特許文献２においては、変形可能な鏡により、波面の歪みを補正することが可能な装置が開示されている。この装置では、眼の波動収差の測定値に基づいて鏡を変形させることにより、その収差を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０８７７５号公報
【特許文献２】特表２００１−５０７２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の撮像装置においては、複数の光電変換素子の夫々に対して、データの読み出し用の電気回路、光電変換素子を移動するための駆動部、光電変換素子の冷却を行うための冷却機構などを設ける必要がある。しかし、試料の凸凹に対するフォーカス調整のためには撮像面をより大きく変形する必要があるため、この撮像装置において各光電変換素子にフォーカス調整用の駆動部や冷却機構を設けようとすると、装置が複雑化（大型化）してしまう。また、特許文献２に記載の装置は波面を調整する機構を備えているが、その調整は光学系の瞳位置で行われているため、このような機構をそのまま画像取得装置に適用して、試料の凸凹によるフォーカスのずれを補正することはできない。
【０００７】
そこで本発明は、試料の表面に深さ方向の凸凹がある場合でも、簡易な構成で試料全体の良好な画像データを得ることができる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】
【０００８】
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての画像取得装置は、物体を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された前記物体を再結像する再結像光学系と、前記結像光学系と前記再結像光学系との間の光路上に配置される反射部材と、前記再結像光学系により再結像された前記物体を撮像する撮像素子と、を備え、前記反射部材の前記結像光学系の光軸に対する傾きを変更する第１の駆動部と、前記撮像素子の前記再結像光学系の光軸に対する傾きを変更する第２の駆動部と、前記物体の形状に応じて前記第１の駆動部を制御するとともに、前記物体の形状及び前記反射部材の傾きの変化の少なくとも一方に応じて前記第２の駆動部を制御する演算部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試料の表面に深さ方向の凸凹がある場合でも、簡易な構成で試料全体の良好な画像データを得ることができる画像取得装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る画像取得システムの要部概略図である。
【図２】実施形態に係る反射部材によるフォーカス調整方法の説明図である。
【図３】実施形態に係る反射部材に対する第１の駆動部の要部概略図である。
【図４】実施形態に係る撮像素子に対する第２の駆動部の要部概略図である。
【図５】撮像領域における試料表面の近似平面を示した図である。
【図６】各ステップに対応する撮像領域及び近似平面を示した図である。
【図７】結像光学系の光軸方向における試料表面の近似平面の変位を示した図である。
【図８】実施形態に係るフォーカス調整による効果を説明するための図である。
【図９】反射部材の傾きの変化により生じる微小なデフォーカスを示した図である。
【図１０】実施例１に係る対物光学系の周辺の要部概略図である。
【図１１】実施例２に係る対物光学系の周辺の要部概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、画像取得システム１０００の要部概略図である。画像取得システム１０００は、試料の画像を取得する顕微鏡装置としての画像取得装置２０００と、取得した画像を表示する画像表示部３０００とを備えている。画像取得装置２０００は、試料を含むプレパラート１１０を保持するステージ１００と、試料の情報を取得する計測部２００と、試料を撮像する撮像部３００と、計測部２００や撮像部３００の制御及び撮像した画像の処理を行う演算部４００とを有する。
【００１４】
計測部２００は、位置計測センサ２１０、計測光源２２０、ビームスプリッター２３０、形状計測センサ２４０を備えている。また、撮像部３００は、照明光学系１０、結像光学系２０と反射部材（反射ミラー）３０と再結像光学系４０とを含む対物光学系５００、撮像素子５０を備えている。なお、図１に示したように、ステージ１００は、計測部２００における計測位置と、撮像部３００における撮像位置との間を移動可能に構成されている。
【００１５】
以下、本実施形態に係る画像取得装置２０００における画像取得の手順について説明する。なお、本実施形態においては、結像光学系２０の光軸の方向をＺ方向、紙面に対して垂直な方向をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに対して垂直な方向（再結像光学系４０の光軸の方向）をＸ方向とする。
【００１６】
まず、試料を含むプレパラート１１０がステージ１００上に配置され、ステージ１００はプレパラート１１０を保持したまま計測部２００における計測位置に移動する。計測部２００においては、計測光源２２０からの光束がビームスプリッター２３０によって偏向させられ、プレパラート１１０を照射する。プレパラート１１０を透過した光束は位置計測センサ２１０に入射し、そこでプレパラート１１０における試料の大きさや、ＸＹ方向の位置などの情報が取得される。位置計測センサ２１０としては、市販のＣＣＤカメラなどを用いることができる。
【００１７】
一方、プレパラート１１０で反射した光束は、ビームスプリッター２３０を透過して形状計測センサ２４０に入射する。この形状計測センサ２４０により、プレパラート１１０内の試料表面の各ＸＹ位置におけるＺ方向の位置情報を計測し、試料の形状情報を取得する。なお、形状計測センサ２４０としては、例えば市販のシャック・ハルトマンセンサや、干渉計、ラインセンサなどを用いることができる。なお、計測部２００はこのような構成に限るものではなく、例えば、試料の位置や大きさの計測と試料の表面形状の計測とを、別の光源を用いて別の位置で行ってもよい。
【００１８】
そして、計測部２００により取得された試料情報（試料の位置、大きさ、形状）が演算部４００に送信され、演算部４００におけるメモリに保持される。計測部２００による試料情報の取得が終了したら、プレパラート１１０を保持したステージ１００は、計測部２００の計測位置から撮像部３００の撮像位置へと移動する。
【００１９】
撮像部３００においては、照明光学系１０から出射する光束によって、プレパラート１１０が均一に照明される。照明光学系１０から出射する光束としては、例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍの可視光を用いることができる。そして、プレパラート１１０における試料を透過した光束により、結像光学系２０が反射部材３０の近傍に試料の像を形成する。この試料の像を成す光束は、反射部材３０上で反射して結像光学系２０の光路外へ偏向させられ、再結像光学系４０によって撮像素子５０の撮像面上に集光され、試料が再結像される。なお、本実施形態に係る結像光学系２０及び再結像光学系４０は両側テレセントリック光学系である。
【００２０】
ここで、反射部材３０は結像光学系２０の光軸に対する傾きが変更可能な構成となっており、かつ、撮像素子５０は再結像光学系４０の光軸に対する傾きが変更可能な構成となっている。そして、反射部材３０及び撮像素子５０の傾きは、演算部４００により制御される。反射部材３０及び撮像素子５０の駆動部としては、市販の回転ステージやゴニオステージなどを用いることができる。撮像部３００は、反射部材３０の及び撮像素子５０の夫々の傾きを調整することにより、試料全体でフォーカスの合った良好な画像データを取得することができる（詳細は後述）。
【００２１】
なお、結像光学系２０は光束を１回のみ結像するものとは限らず、複数回結像することによって試料の像を形成する構成としてもよい。例えば、反射屈折光学系のように、反射部材３０の近傍に試料を結像する過程で、中間像を形成するものなどを用いることができる。すなわち、本実施形態に係る対物光学系５００においては、試料からの光束が、結像光学系２０によって最終的に反射部材３０の近傍に結像される構成であればよく、その結像回数は問わないものとする。また、再結像光学系４０は、結像光学系２０により形成された試料の像を、所定の横倍率で拡大して再結像する拡大系であることが好ましい。
【００２２】
そして、撮像素子５０の撮像面上に再結像された試料を撮像し、撮像素子５０の出力情報を演算部４００で処理することで画像データが生成される。なお、試料の全体の画像を取得するためには、ステージ１００を水平方向に移動させて複数回撮像（ステップ撮像）するか、もしくはスキャンしながら撮像して、複数の画像データを取得する。そして、演算部４００により複数の画像データをつなぎ合わせて１枚の画像データを生成することができる。演算部４００では、前述した処理の他にも、対物光学系５００で補正しきれなかった収差の補正など、用途に応じた様々な処理が行われる。撮像部３００によって得られた画像データは、画像表示部３０００に表示することができる。
【００２３】
なお、本実施形態おいては、計測部２００により試料情報を取得しているが、画像取得装置２０００は計測部２００を備えない構成であってもよく、例えば、外部の装置で取得した試料情報を演算部４００に送信するようにしてもよい。その際、撮像部３００と演算部４００とによって顕微鏡装置を構成してもよい。上述したように、演算部４００は、計測部２００や撮像部３００の制御を行う制御部と、撮像した画像の処理を行う画像処理部と、の両方の機能を有しているが、画像取得装置２０００は、制御部と画像処理部とを別々に備えてもよい。
【００２４】
次に、反射部材３０によって結像光学系２０の結像位置を変更することにより、フォーカスを調整する方法について説明する。
【００２５】
画像取得装置２０００により試料の画像を取得する際に、試料の形状にうねり（Ｚ方向の凸凹）がある場合、結像光学系２０により試料の各領域の像が形成される位置（結像位置）は、試料におけるＸＹ位置に応じて変わってしまう。すなわち、結像光学系２０により平坦な試料の像面を形成することができず、その試料の像面の近傍の平面内に撮像素子５０を配置したとしても、試料の全体でフォーカスの合った画像を得ることができなくなる。
【００２６】
そこで、反射部材３０の傾きを変更することにより、結像光学系２０からの光束の結像位置を調整することを考える。図２は、結像光学系２０の複数の結像点が成す像面の位置と、反射部材３０の反射面との位置関係を模式的に示した図である。ここでは、結像光学系２０の光軸Ｚと再結像光学系４０の光軸Ｘとに対して直交する軸Ｙを回転軸として、反射部材３０の傾きを変更する場合を考える。図２（ａ）のように、反射部材３０の反射面が、結像光学系２０の光軸Ｚに対して４５°傾けて配置されている場合、結像光学系２０の像面は反射部材３０によって９０°回転させられて見掛け上の像面を形成する。更に、図２（ｂ）のように、軸Ｙを回転軸として反射面の傾きが角度δだけ変化すると、それに応じて見掛け上の像面の傾きは角度２δだけ変化する。
【００２７】
この原理に基づき、反射部材３０の傾きを変更させることにより、その反射面が結像光学系２０の像面位置と再結像光学系４０の物体位置との中間位置に一致するように調整することができる。これにより、結像光学系２０の見掛け上の像面位置を再結像光学系４０の物体位置に一致させることができ、再結像された試料の像を撮像素子５０の撮像面上に形成することができる。よって、例えば、ステップ撮像を行う際に、ステップ毎に上述したフォーカス調整を行うことにより、試料の全体でフォーカスの合った画像を得ることができる。
【００２８】
上述したように、図２においては、見掛け上の像面が再結像光学系４０の光軸Ｘに対して垂直である状態から、見掛け上の像面を再結像光学系４０の光軸Ｘに対して傾ける場合について説明した。しかし、実際には試料表面の凸凹により、反射部材３０の傾きを変更する前から、再結像光学系４０の光軸Ｘに対して見掛け上の像面の傾きが生じている。よって、実際の撮像時には、図２における説明とは逆に、見掛け上の像面が再結像光学系４０の光軸Ｘに対して垂直になるように、反射部材３０の傾きの調整を行うことになる。なお、反射部材３０の傾きが変化すると、その反射面で反射される光束の進行方向も変化するが、これに対しては、光束が再結像光学系４０の光路内におさまるように、再結像光学系４０のＮＡを十分に確保すればよい。
【００２９】
なお、本実施形態に係る対物光学系５００は、反射部材３０を結像光学系２０と再結像光学系４０との間の光路上に配置し、結像光学系２０で結像される光束が反射部材３０で反射して、再結像光学系４０を介して再結像される構成になっている。ここで、再結像光学系４０を、所定の横倍率を有する拡大系であるとした場合、結像光学系２０で形成された試料の像は、その横倍率で拡大されて再結像される。また、再結像光学系４０に対してある物点を光軸方向に移動させた時、対応する像点の移動量は縦倍率（横倍率の２乗）に従って拡大されることになる。よって、結像光学系２０の結像位置を反射部材３０の駆動により変更した場合は、再結像光学系４０の縦倍率でその変位量が拡大されて、より大きい変位量で再結像位置が変更される。すなわち、再結像光学系４０として拡大系を用いることで、反射部材３０の変位量を小さくしても良好にフォーカス合わせを行うことができる。
【００３０】
ここで、前述したように、試料の表面にＺ方向の凸凹がある場合、表面形状はＸＹ位置によって変わるため、試料の全体で良好なフォーカス調整を行うには、反射部材３０の傾き方向や傾き量を、試料表面のＸＹ位置に応じて適宜設定する必要がある。例えば、試料全体の画像を取得するために、ステージ１００を水平方向に移動させてステップ撮像を行う場合、反射部材３０の傾き方向や傾き量を、試料の形状情報に基づいてステップ毎に設定する必要がある。
【００３１】
しかし、反射部材３０の周辺のスペースの広さや駆動部の制約などにより、反射部材３０の駆動量には上限があるため、試料の表面の凹凸が大きい場合、反射部材３０の駆動のみでは十分なフォーカス調整を行うことが難しくなる。また、再結像光学系４０が拡大系である場合は、反射部材３０の変位量を小さくすることができる一方で、その調整をするためには高い精度が必要となる。さらに、反射部材３０の傾きを変更すると、再結像光学系４０に入射する光束の進行方向が変化するため、撮像素子５０の撮像面の近傍における試料の再結像位置も僅かに変化して、微小なデフォーカスが生じてしまう。
【００３２】
そこで、本実施形態に係る画像取得装置２０００は、結像光学系２０の光軸に対する反射部材３０の傾きと、再結像光学系４０に対する撮像素子５０の傾きと、が変更可能な構成をとっている。この構成によれば、反射部材３０により形成される見掛け上の像面と、再結像光学系４０の主平面と、撮像素子５０の撮像面とがシャインプルーフの法則を満足するように、反射部材３０及び撮像素子５０の傾きを調整することができる。すなわち、試料の表面の凹凸が大きく反射部材３０の駆動量の上限を超える調整が必要な場合にも、撮像素子５０の駆動により残りの調整を行うことができる。
【００３３】
また、反射部材３０の駆動のみでフォーカス調整を行える場合にも、反射部材３０と撮像素子５０とで調整を分担することで反射部材３０の駆動量を小さくすることができるため、調整の精度を高めることができる。この時、反射部材３０及び撮像素子５０の夫々を駆動するための駆動部の大型化を防ぐことができる。さらに、反射部材３０の傾きの変化により生じる微小なデフォーカスを、撮像素子５０の傾きを変更することにより補正することができる。
【００３４】
図３に示すように、反射部材３０の駆動部（第１の駆動部）は、反射部材保持部３１及び反射部材チルト機構３２を有しており、反射部材３０は、反射部材保持部３１を介して反射部材チルト機構３２に取り付けられている。この第１の駆動部により、結像光学系２０の光軸に平行なｄ軸と再結像光学系４０の光軸に平行なｅ軸とに対して垂直なｆ軸（第１の回転軸）を回転軸として、反射部材３０の傾きを調整することができる。さらに、第１の駆動部は、ｆ軸に垂直でかつ反射部材３０の反射面に平行なｇ軸（第２の回転軸）を回転軸として、反射部材３０の傾きを調整する機構（不図示）も有している。
【００３５】
反射部材チルト機構３２としては、図３に示すようなゴニオステージなどの揺動機構や、回転ステージなどの回転機構を採用することができる。反射部材チルト機構３２の摺動部としては、滑り面、ベアリング、板バネなどを適用することができる。また、反射部材チルト機構３２を駆動するアクチュエータとしては、ＤＣモータ、パルスモータ、ＶＣＭ、ピエゾアクチュエータなどを適用することができる。
【００３６】
なお、図３に示したように、ｆ軸及びｇ軸を反射部材３０の反射面上に位置するように設定することが望ましい。しかし、本発明はこれに限らず、ｆ軸は結像光学系２０の光軸の方向（光軸に沿った方向）と再結像光学系４０の光軸の方向（光軸に沿った方向）とに対して垂直な軸であればよく、ｇ軸はｆ軸の方向に対して垂直でかつ反射部材３０の反射面に平行な軸であればよい。
【００３７】
図４に示すように、撮像素子５０の駆動部（第２の駆動部）は、撮像素子保持部５１と、撮像素子チルト機構５２と、撮像素子並進機構５３とを備えており、撮像素子５０は、撮像素子保持部５１を介して撮像素子チルト機構５２に取り付けられている。この第２の駆動部により、結像光学系２０の光軸に平行なｃ軸（第３の回転軸）を回転軸として撮像素子５０の傾きを調整することができる。さらに、第２の駆動部は、結像光学系２０の光軸に平行なｃ軸と再結像光学系４０の光軸に平行なａ軸とに対して垂直なｂ軸（第４の回転軸）を回転軸として撮像素子５０の傾きを調整する機構（不図示）も有している。また、撮像素子チルト機構５２は撮像素子並進機構５３に取り付けられており、この撮像素子並進機構５３によって、撮像素子５０を再結像光学系４０の光軸の方向（ａ軸の方向）に移動することができる。
【００３８】
撮像素子チルト機構５２としては、図４に示すような回転ステージなどの回転機構や、ゴニオステージなどの揺動機構を採用することができる。撮像素子チルト機構５２の摺動部としては、滑り面、ベアリング、板バネなどを適用することができる。撮像素子チルト機構５２を駆動するアクチュエータとしては、ＤＣモータ、パルスモータ、ＶＣＭ、ピエゾアクチュエータなどを適用することができる。また、撮像素子並進機構５３としては、リニアモータ、直動ガイドを用いたステージ、直動ボールネジ及びＤＣモータ、パルスモータ、ＶＣＭなどで駆動する直動システム、板バネ機構及びピエゾアクチュエータを用いた機構などを適用することができる。
【００３９】
なお、図４に示したように、ｃ軸を結像光学系２０の光軸に平行な軸、ｂ軸をａ軸とｃ軸とに対して垂直な軸、とし、ｂ軸及びｃ軸が撮像素子５０の撮像面上に位置するように設定することが望ましい。しかし、本発明はこれに限らず、ｂ軸は反射部材３０を駆動する際のｆ軸に対して平行な軸であればよく、ｃ軸はｂ軸の方向に対して垂直でかつ撮像素子５０の撮像面に平行な軸であればよい。
【００４０】
ここで、上述したフォーカス調整の際には、まず、演算部４００により、１回の撮像で撮像素子５０が撮像できる領域（撮像領域）毎に、計測部２００により取得された試料の形状情報に基づいて、試料の表面の近似平面を求める。図５（ａ）〜（ｃ）は、撮像領域１１１における試料の表面の近似平面１１２を示した図である。ここでは、近似平面１１２の対角線の交点を原点、結像光学系２０の光軸に平行な軸をｚｏ軸、再結像光学系４０の光軸に平行な軸をｘｏ軸、ｚｏ軸とｘｏ軸とに対して垂直な軸をｙｏ軸、として座標系を定義している。図５（ａ）は、ｚｏ軸に垂直な平面（ｚｏ＝０の面）に対する近似平面１１２の傾きを示している。また、図５（ｂ）は、ｙｏ＝０の断面内における近似平面１１２のｙｏ軸周りの傾きθｏｙを、図５（ｃ）は、ｘｏ＝０の断面内における近似平面１１２のｘｏ軸周りの傾きθｏｘを、夫々示している。この時、試料表面の近似平面１１２は、演算部４００により次式（１）のように表現される。
ｚｏ＝（ｔａｎθｏｘ）×ｘｏ＋（ｔａｎθｏｙ）×ｙｏ  ・・・（１）
【００４１】
そして、演算部４００は、式（１）で表される近似平面１１２に対して、結像光学系２０の倍率Ｍ１及び再結像光学系４０の倍率Ｍ２により、反射部材３０及び撮像素子５０の駆動量を算出し、第１及び第２の駆動部を制御する。具体的には、演算部４００は、反射部材３０のｆ軸周りの傾き量θｍｙ及びｇ軸周りの傾き量θｍｘと、撮像素子５０のｂ軸周りの傾き量θｓｙ及びｃ軸周りの傾き量θｓｚと、が次式（２）及び（３）を満たすように夫々の駆動部を制御する。
Ｍ１Ｍ２θｏｙ＝２Ｍ２θｍｙ＋θｓｙ        ・・・（２）
Ｍ１Ｍ２θｏｘ＝（√２）Ｍ２θｍｘ＋θｓｚ  ・・・（３）
【００４２】
なお、撮像素子５０の傾きを変更する際は、撮像素子５０のｂ軸周りの傾きを変更した後にｃ軸周りの傾きを変更することが好ましい。また、試料の形状によっては、反射部材３０のｆ軸周りの傾き及び撮像素子５０のｂ軸周りの傾きの変更のみ、又は、反射部材３０のｇ軸周りの傾き及び撮像素子５０のｃ軸周りの傾きの変更のみでフォーカス調整が可能な場合も考えられる。この場合は、式（２）又は（３）のいずれか一方を満たすように夫々の駆動部を制御すればよい。
【００４３】
このように、演算部４００によって、試料の形状に応じて反射部材３０及び撮像素子５０の傾きを制御することで、試料の全体でフォーカスが合った画像を取得することができる。また、演算部４００は、上述したように幾何光学を用いた近似的な演算を行うことで、反射部材３０及び撮像素子５０の駆動量を高速に算出することができる。なお、試料の大きさが１回の撮像では撮像できない大きさであり、ステップ撮像を行う必要がある場合は、図６に示すように、各ステップに対応する撮像領域１１１毎に試料表面の近似平面１１２を取得すればよい。
【００４４】
また、撮像素子５０の傾きを変更するとその撮像視野が小さくなってしまうが、これに対しては、撮像面が十分に大きな撮像素子を採用することが好ましい。また、撮像素子５０を複数有する構成（詳細は後述）においては、各撮像素子の撮像領域同士の重なり領域を大きくすることが好ましい。ただし、上述したように、反射部材３０と撮像素子５０とでフォーカス調整のための駆動を分担することで、撮像素子５０の駆動のみでフォーカス調整を行う場合よりもその駆動量を小さくすることができるため、撮像視野に対する影響を少なくすることができる。
【００４５】
ここで、図７に示すように、撮像領域１１１における試料表面の近似平面１１２が、所定位置１１３に対して結像光学系２０の光軸方向（Ｚ方向）にΔｚｏだけ変位している場合を考える。なお、所定位置１１３とは、結像光学系２０に対して、反射部材３０の反射面と再結像光学系４０の光軸との交点と共役なｚｏ軸上の位置である。この時、演算部４００は、反射部材３０の結像光学系２０の光軸方向の移動量Δｚｍと、撮像素子５０の再結像光学系４０の光軸方向の移動量Δｘｓと、が次式（４）を満たすように夫々の駆動部を制御する。
Ｍ１２Ｍ２２Δｚｏ＝Ｍ２２Δｚｍ＋Δｘｓ  ・・・（４）
【００４６】
このように、式（４）を満たすように反射部材３０及び撮像素子５０の少なくとも一方を移動させることにより、試料表面の近似平面１１２の結像光学系２０の光軸方向の変位により生じるデフォーカス（焦点位置ずれ）を補正することができる。ただし、反射部材３０を結像光学系２０の光軸方向に移動させた場合、再結像光学系４０に対する光束の入射位置も変位するため、反射部材３０の移動量と同じ移動量で再結像光学系４０を結像光学系２０の光軸方向に移動させることが望ましい。
【００４７】
図８は、本実施形態に係る画像取得装置２０００が、式（１）で与えられた試料の近似平面に対して上述したようなフォーカス調整を行うことによる効果を説明するための図である。図８において、横軸は、式（１）で与えられた試料の近似平面の、結像光学系２０の光軸に垂直な平面に対する傾き量θｏを示しており、次式（５）で与えられる。
ｔａｎθｏ＝｛（ｔａｎθｏｘ）２＋（ｔａｎθｏｙ）２｝０．５  ・・・（５）
【００４８】
また、図８の縦軸は、撮像素子５０の撮像面に対する像面のデフォーカス量の最大値を、対物光学系５００の焦点深度で規格化した数値を示している。
【００４９】
図８において、実線（補正前）はフォーカス調整前のグラフであり、二重線（比較例）は反射部材３０のみでフォーカス調整を行った時のグラフであり、破線（本実施形態）はフォーカス調整後のグラフである。比較例のグラフを見てわかるように、近似平面の傾き量θｏが小さい時は反射部材３０の駆動のみによりデフォーカスを補正できているが、近似平面の傾き量θｏが１．０以上となる時は大きなデフォーカスが生じている。これは、反射部材３０の駆動部の制約や再結像光学系４０のＮＡの大きさなどにより、反射部材３０の駆動のみで補正できるデフォーカス量に上限が存在するためである。一方、本実施形態のグラフを見ると、近似平面の傾き量θｏが大きい場合にも、デフォーカスを良好に補正できていることがわかる。
【００５０】
次に、反射部材３０の傾きの変化により生じる微小なデフォーカスについて説明する。図９は、反射部材３０の傾きを変更した時の、再結像光学系４０に入射する光束９１を示す図である。図９に示したように、反射部材３０の傾きをθｍだけ変更した場合、光束９１は再結像光学系４０の光軸に対してθｒだけ傾いて再結像光学系４０に入射する。これにより、撮像素子５０の撮像面上における光束９１の集光位置が変化してしまうため、図９に示したような微小なデフォーカス９２が生じてしまう。なお、この微小なデフォーカス９２の大きさは、（１−ｃｏｓθｒ）に比例して大きくなる。
【００５１】
そこで、演算部４００は、反射部材３０のｆ軸周りの傾き量θｍｙ及びｇ軸周りの傾き量θｍｘに応じて、撮像素子５０のｂ軸周りの傾きの変化量Δθｓｙ及びｃ軸周りの傾きの変化量Δθｓｚが次式（６）及び（７）を満たすように駆動部を制御する。
Δθｓｙ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｍ２（１−ｃｏｓ（２θｍｙ）｝  ・・・（６）
Δθｓｚ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｍ２（１−ｃｏｓ（２θｍｘ）｝  ・・・（７）
【００５２】
このように、反射部材３０の傾きの変化に応じて、対応する撮像素子５０の傾きを変更することにより、反射部材３０の傾きの変化により生じる微小なデフォーカスを補正することができる。なお、画像取得装置２０００において、反射部材３０の傾きの変化（傾き情報）を取得するための反射部材計測部を設けることにより、その傾き情報に基づいて撮像素子５０を駆動させてもよい。
【００５３】
ここで、傾きを変更する前の撮像素子５０において、再結像光学系４０と撮像面との交点を原点、原点を通りｂ軸に平行な軸をｙｓ軸、原点を通りｃ軸に平行な軸をｚｓ軸、として座標（ｙｓ，ｚｓ）を考える。この時、傾きを変更する前の撮像素子５０の撮像面上の座標（ｙｓ，ｚｓ）に集光されていた光は、傾きを変更した後の撮像素子５０の撮像面上の座標（ｙｓ´，ｚｓ´）に集光されることになる。このように撮像素子５０の傾きの変化によって生じる結像点のずれが、取得される画像に歪みを与えてしまう場合がある。
【００５４】
このような場合は、演算部４００により、傾きを変更した後の撮像素子５０の撮像面上の座標（ｙｓ´，ｚｓ´）を以下の式（８）及び（９）のように推定し、推定された結像点のずれに基づいて画像処理を行えばよい。
ｙｓ´＝ｙｓ／ｃｏｓθｓｚ                                 ・・・（８）
ｚｓ´＝ｚｓ／ｃｏｓθｓｙ＋ｙｓ×ｓｉｎθｓｚ×ｔａｎθｓｙ  ・・・（９）
【００５５】
なお、図１に示したように画像取得装置２０００が反射部材３０、再結像光学系４０及び撮像素子５０を１つずつ備えている場合について説明したが、本発明はこれに限らない。すなわち、画像取得装置２０００において、反射部材３０、再結像光学系４０及び撮像素子５０の夫々を複数有する構成としてもよい。この構成によれば、試料の形状情報に基づいて、複数の反射部材３０及び複数の撮像素子５０の夫々の傾きを変更することで、複数の再結像光学系４０の夫々による再結像位置を対応する複数の撮像素子５０の夫々の撮像面に一致させるように調整できる。よって、１度により多くの領域でフォーカスを調整することができ、かつ一度の撮像でより多くの領域を撮像することができる。また、画像取得装置２０００において、結像光学系２０からの複数の光束を複数の反射部材３０で夫々異なる方向に偏向させる構成をとることにより、複数の撮像素子５０の夫々を互いに異なる平面内に分散して配置することができる。これにより、撮像素子同士の間に空間的余裕ができ、複数の撮像素子５０の夫々に対して、駆動部や温調機構などの配置を好適に行うことができるため、装置の簡易化を実現することができる。
【００５６】
以上より、本実施形態に係る画像取得装置２０００によれば、反射部材３０及び撮像素子５０の傾きを変更することによるフォーカス調整によって、試料の全体でフォーカスが合った良好な画像データを生成することができる。
【００５７】
以下、本発明に係る画像取得装置２０００の各実施例について詳細に説明する。
【００５８】
［実施例１］
図１０は、実施例１に係る画像取得装置が備える対物光学系の周辺の要部概略図である。図１０（ａ）は、対物光学系を＋Ｙ方向に見た概略図であり、図１０（ｂ）は、対物光学系を＋Ｚ方向に見た概略図である。本実施例に係る対物光学系は、結像光学系２０１（一部の光学素子のみを図示）と、反射部材３０１〜３０４と、再結像光学系４０１〜４０４と、を有している。また、破線で示した範囲５０１’〜５０４’は、撮像素子５０１〜５０４の夫々の受光領域に対応する反射部材３０１〜３０４上での範囲を示している。なお、便宜上、図１０（ａ）においては反射部材や再結像光学系及び撮像素子の一部を省略し、図１０（ｂ）においては各反射部材の傾き及び結像光学系を省略して図示している。
【００５９】
この時、図に示すように、反射部材３０１〜３０４の夫々は、結像光学系２０１からの光束の夫々を異なる方向に偏向させるように配置され、複数の撮像素子５０１〜５０４の夫々は、互いに異なる平面内に分散して配置されている。そして、反射部材３０１〜３０４の夫々で反射された光束の夫々を、対応する再結像光学系４０１〜４０４の夫々により、対応する撮像素子５０１〜５０４の夫々の撮像面上に再結像させることができる。このような構成とすることにより、各撮像素子同士の間に空間的余裕ができ、撮像素子５０１〜５０４の夫々に対して、駆動部や温調機構などをより好適に配置することができる。
【００６０】
本実施例に係る画像取得装置による撮像動作について、具体的に説明する。プレパラート１１０における試料からの光束の夫々は、結像光学系２０１を通過して、反射部材３０１〜３０４の夫々の近傍に像を形成する。そして、試料の像を成す光束が反射部材３０１〜３０４の夫々で反射され、結像光学系２０１の光路外へと偏向させられる。偏向させられた各光束は再結像光学系４０１〜４０４の夫々により、撮像素子５０１〜５０４の夫々の撮像面上に集光される。このようにして、撮像素子５０１〜５０４の夫々の撮像面上に試料が再結像される。
【００６１】
ここで、再結像光学系４０１〜４０４の夫々により再結像される試料の像が、撮像素子５０１〜５０４の夫々の撮像面上に一致するようにフォーカス調整が行われる。具体的には、試料の形状情報に基づいて、演算部により不図示の駆動部が制御され、反射部材３０１〜３０４及び撮像素子５０１〜５０４の夫々の傾きが調整される。この時、反射部材３０１〜３０４の傾きの変化に応じて生じる微小なデフォーカスを補正するために、対応する撮像素子５０１〜５０４の傾きを更に変更することが好ましい。なお、演算部によりフォーカス調整のための駆動量と反射部材３０１〜３０４の傾きの変化により生じる微小なデフォーカスを補正するための駆動量とを合わせた駆動量を予め決定しておき、その駆動量に応じて撮像素子５０１〜５０４を駆動するようにしてもよい。
【００６２】
このように、反射部材３０１〜３０４及び撮像素子５０１〜５０４の調整を行うことによって、撮像素子５０１〜５０４の夫々においてフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、試料の凸凹形状に対して反射部材３０１〜３０４や撮像素子５０１〜５０４の傾き調整のみでは対応できない場合は、撮像素子５０１〜５０４の夫々を対応する再結像光学系４０１〜４０４の夫々の光軸方向に駆動することでフォーカス調整を行うことができる。
【００６３】
本実施例に係る画像取得装置によれば、複数の撮像素子５０１〜５０４を配置したことにより、１度の撮像でより広い領域のフォーカスが合った画像データを得ることができる。しかし、撮像素子５０１〜５０４による１度の撮像では撮像できない領域（範囲５０１’〜５０４’同士の隙間）が生じる場合、取得した画像データにも隙間が生じてしまう。そこで、本実施例では、撮像できない領域を埋めるように、試料を保持するステージ（不図示）の位置をＸＹ方向に移動して、ステップしながら撮像する。そのとき、反射部材３０１〜３０４及び撮像素子５０１〜５０４の夫々の傾きを、試料の形状情報に基づいて１ステップ毎に異なる傾きに変化させる。そして、各ステップで取得した画像データを、演算部４００でつなぎ合わせることにより、試料の全体でフォーカスが合った、隙間のない１枚の画像データを生成することができる。
【００６４】
［実施例２］
図１１は、実施例２に係る画像取得装置が備える対物光学系の周辺の要部概略図である。図１１（ａ）は、対物光学系を＋Ｙ方向に見た概略図であり、図１１（ｂ）は、対物光学系を＋Ｚ方向に見た概略図である。なお、実施例１と同一または同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略もしくは省略する。本実施例に係る対物光学系は、結像光学系２０１（一部の光学素子のみを図示）と、反射部材３０１〜３０８と、再結像光学系４０１〜４０９と、を有しており、この対物光学系により撮像素子５０１〜５０９の夫々に像を形成する構成である。すなわち、本実施例は、反射部材、再結像光学系及び撮像素子の夫々の数が、実施例１よりも多い構成である。なお、範囲５０９’は撮像素子５０９の受光領域に対応する範囲を反射部材３０１〜３０８に囲まれた開口部分に示したものである。
【００６５】
この時、図に示すように、反射部材３０１〜３０８の夫々は、結像光学系２０１からの光束を複数の方向に偏向させるように配置され、複数の撮像素子５０１〜５０９の夫々は、複数の異なる平面内に分散して配置されている。そして、反射部材３０１〜３０８の夫々で反射された光束の夫々を、対応する再結像光学系４０１〜４０８の夫々により、対応する撮像素子５０１〜５０８の夫々の撮像面上に再結像させることができる。このような構成とすることにより、各撮像素子同士の間に空間的余裕ができ、撮像素子５０１〜５０９の夫々に対して、駆動部や温調機構などをより好適に配置することができる。
【００６６】
本実施例に係る画像取得装置による撮像動作について、具体的に説明する。プレパラート１１０における試料からの光束のうち範囲５０１’〜５０８’に入射する光束の夫々は、結像光学系２０１を通過して、反射部材３０１〜３０８の夫々の近傍に像を形成する。また、試料からの光束のうち範囲５０９’に入射する光束は、反射部材３０１〜３０８に囲まれた開口の近傍に結像する。この時、範囲５０９’に入射する光束が撮像素子５０９の撮像面上に結像されるように、試料を保持するステージ（不図示）の光軸方向の位置及び光軸に対する傾きを調整する。ここで、ステージの最適な傾きは、計測部２００により取得した試料の形状情報に基づき、最小二乗法などによって求められる。
【００６７】
そして、この位置にステージを固定して、試料の形状情報に基づいて反射部材３０１〜３０８及び撮像素子５０１〜５０９の夫々の傾きの調整を行う。これにより、再結像光学系４０１〜４０８の夫々によって再結像される試料の像が撮像素子５０１〜５０８の夫々の撮像面上に一致するように調整することができ、撮像素子５０１〜５０９の夫々においてフォーカスが合った画像データを取得することができる。なお、試料の凸凹形状に対して反射部材３０１〜３０８や撮像素子５０１〜５０８の傾き調整のみでは対応できない場合は、撮像素子５０１〜５０８の夫々を対応する再結像光学系４０１〜４０８の夫々の光軸方向に駆動することでフォーカス調整を行うことができる。
【００６８】
以上、本実施例に係る画像取得装置によれば、複数の撮像素子５０１〜５０９を配置したことにより、実施例１と比較して、１度の撮像でより広い領域のフォーカスが合った画像データを得ることができる。なお、１度の撮像では撮像できない領域に対しては、実施例１と同様に、試料を保持するステージの位置をＸＹ方向に移動して、ステップしながら撮像することにより、試料全体の画像データを取得することができる。
【００６９】
［変形例］
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【００７０】
例えば、本実施形態では、反射部材と撮像素子とで傾き調整を分担する構成について説明したが、反射部材の駆動のみでフォーカス調整を行える場合には、その時に生じる微小なデフォーカスの補正のみを目的として撮像素子の傾き調整を行なってもよい。すなわち、本実施形態においては、物体の形状に応じて反射部材を駆動し、かつ、物体の形状及び反射部材の傾きの変化の少なくとも一方に応じて撮像素子を駆動するように構成すればよい。
【００７１】
また、本実施形態では、結像光学系及び再結像光学系は夫々の光軸が互いに直交するように配置されているが、本発明はこれに限らず、結像光学系の光軸と再結像光学系の光軸とが互いになす角が９０度以外であっても上述した原理が適用できる。また、本実施形態に係る結像光学系及び再結像光学系を両側テレセントリック光学系としているが、本発明はこれに限られない。同様に、反射部材および撮像素子の回転軸の取り方も本実施形態で示したものに限らず、他の回転軸を取ってもよい。
【００７２】
また、本実施形態においては、図４に示したように撮像素子に対して撮像素子並進機構を設けているが、同様の並進機構を反射部材に対して設けてもよい。これにより、各実施例において、試料の凸凹形状に対して反射部材や撮像素子の傾き調整のみでは対応できない場合に、反射部材及び撮像素子の少なくとも一方を対応する再結像光学系の光軸方向に駆動することでフォーカス調整を行うことができる。なお、１つの撮像素子のみでステップ撮像する場合は、ステップ毎に、試料を保持するステージを結像光学系の光軸方向に駆動させることでフォーカス調整を行なってもよい。
【００７３】
さらに、撮像素子を複数備える構成において、撮像素子の数やその配置は試料の形状や大きさに応じて適宜決定されるものである。よって、各撮像素子の配置に合わせて再結像光学系及び反射部材を配置することで、上述した各実施例と同様にフォーカス調整を行うことができる。ここで、撮像素子の数や個数にかかわらず、実施例２のように、反射部材を介さない光束を受光する１つの撮像素子を備えた構成としてもよい。この場合、その１つの撮像素子の撮像面上にフォーカスが合う位置を基準とした上で、他の撮像素子に対応する反射部材の傾きを調整することで、全ての撮像素子においてフォーカスを合わせることができる。
【００７４】
なお、実施例２では、各反射部材に囲まれた開口に結像した光束が、再結像光学系により１つの撮像素子の撮像面上に再結像する構成であるが、その撮像素子をこの開口の位置に配置する構成を適用してもよい。開口位置に撮像素子を配置することにより、再結像光学系を設けなくても、その撮像素子の撮像面上に像を形成することができる。
【００７５】
各実施例おいて、試料の全体を撮像する際にステップ撮像を行なっているが、本発明は試料の全体をスキャンする構成に対しても適用可能である。また、本発明に係る画像取得装置は、対物光学系全体を拡大系として試料を拡大して観察する顕微鏡装置に限ることはなく、例えば、基板などの外観検査（異物の付着、キズの検査等）を行う検査装置としても有用である。
【符号の説明】
【００７６】
２０  結像光学系
３０  反射部材
４０  再結像光学系
５０  撮像素子
１１０  プレパラート
４００  演算部
２０００  画像取得装置
【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１０】
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【図１１】
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