(57)【要約】本発明は、画像センサ上に物体を表す光学系と、画像センサが供給する画像データを示し、物体を視覚的に観察するための唯一の出力媒体である画面とを有する顕微鏡に関する。光学系の表現性能および画像センサの分解能（Ａ）は、Ｆ×Ｎ／Ｍ＝０．５Ａの相関関係に従う。ここで、Ｆは係数を示し、Ｎは光学系の開口数を示し、Ｍは倍率であり、Ａはミリメートル当たりの画素数で表した画像センサの分解能を示す。
2006520013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（５）を画像センサ（６）上に撮像する光学系（３，４）と、前記画像センサ（６）が出力する画像データを画像として表示し、前記物体（５）の視覚検査用の唯一の出力媒体である画面（９）とを備える顕微鏡であって、
前記光学系（３，４）の撮像性能および前記画像センサ（６）の分解能Ａは、Ｆ×Ｎ／Ｍ≦０．５Ａの関係を満たし、ここで、Ｆは係数を示し、Ｎは光学系（３，４）の開口数であり、Ｍは光学系（３，４）の倍率であり、Ａはミリメートル当たりの画素で表した前記画像センサ（６）の分解能であることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡において、Ｆ＝３０００またはＦ＝１０／（０．６１×Ｌ）を適用し、ここで、Ｌは前記光学系（３，４）によって捕獲される放射線の波長であり、前記画像センサ（６）上に合焦され、ミリメートル単位で示され、好ましくは前記放射線の平均波長であることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の顕微鏡において、前記光学系（３，４）は調節可能な倍率Ｍを有し、顕微鏡には、前記画像センサ（６）の有効分解能Ａを変化させる装置（１７）と、制御装置（１５）とが備えられ、該制御装置（１５）は前記有効分解能Ａを前記倍率Ｍに適合させることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の顕微鏡であって、複数の画像センサ（６）を備える交換装置（１７，２１）を備えていることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の顕微鏡において、前記交換装置は、前記光学系（３，４）の光路（２）に、前記複数の画像センサ（６）のうちの１つを選択的に配置する切換可能光学ユニット（１７，２１）を備えていることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の顕微鏡において、前記光学ユニットは、複数の画像センサ（６）を担持する交換ホイール（１６）として設けられていることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項７】
請求項３に記載の顕微鏡において、前記画像センサ（６）の有効分解能を適合させる前記制御装置（１５）は、画素ビンニングによって前記画像センサ（６）の複数の画素を結合することを特徴とする、顕微鏡。
【請求項８】
請求項１または２に記載の顕微鏡において、前記光学系（３，４）は調節可能な倍率Ａを有し、顕微鏡には、前記開口数Ｎを前記倍率Ｍおよび／または前記有効分解能Ａに適合させるように、前記光学系（３，４）の開口数Ｎを変更する装置と、制御装置（１５）とが備えられていることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項９】
請求項３または８に記載の顕微鏡であって、前記光学系（３，４）および前記制御装置（１５）を内部に一体化したハウジング（８）を備えていることを特徴とする、顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の顕微鏡において、前記ハウジング（８）は、ハウジング上面（１０）および該上面に配置された物体支持部（１１）と、前記物体（５）を照射する入射光源とを有することを特徴とする、顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の顕微鏡において、前記画像センサ（６）の分解能Ａは、前記画面（９）の分解能以上であることを特徴とする、顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を画像センサ上に撮像する光学系と、画像センサによって出力される画像データを画像として表示し、かつ物体の視覚検査のための唯一の出力媒体である画面とを備えた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系によって電子画像センサ上に物体を撮像する電子顕微鏡は公知である。この場合、直接光学検査を省略することによって、小型でコンパクトな顕微鏡の設計が可能となり、必要な光学構成要素を最小限に抑えることができる。これに関して、独国特許出願公開第１９６０９２８８号に開示されているような前述の形式の顕微鏡では、顕微鏡はコンピュータの取り付けスロット内に一体化されている。従って、例えば、米国特許第４，２０２，０３７号または米国特許第５，６９４，２４２号により公知の顕微鏡のようなカメラを追加的に取り付けて画面を供給する従来の顕微鏡よりも明らかに優れている。これは、ＥＶ１０という製品名でオリンパス社が販売している形式の汎用顕微鏡にも言えることである。これら公知の解決手段は、非常に複雑な光学系を用いており、このために簡略化および／または生産コストの削減が必要となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、光学的な複雑性を最小限に抑えることができるように、前述の形式の顕微鏡を簡略化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、上記目的は、光学系の撮像性能および画像センサの分解能ＡがＦ×Ｎ／Ｍ≦０．５Ａの関係を満たす前述の形式の顕微鏡によって達成される。ここで、Ｆは係数を示し、Ｎは光学系の開口数であり、Ｍは光学系の倍率であり、Ａはミリメートル当たりの画素数で表した画像センサの分解能である。
【０００５】
本発明の概念によれば、画像センサの前に配された光学素子と、センサの分解能とを互いに適合させることが構想される。従来技術では、電子顕微鏡は、一般に、既存の顕微鏡光学素子を画像センサと単に組み合わせることによって製造されていた。しかしながら、この場合は、光学系が、画像センサに対するその分解能に関して「過剰設計」であること、即ち、光学系が不必要に複雑であることが頻繁にあった。本発明による光学系の分解能と画像センサとの間の関係により、この不要な複雑性を回避することができる。これは、計器に最終的に設定し得る販売価格のみならず、その物理的サイズに対しても効果的である。
【０００６】
従来技術が追求していた手法とは対照的に、本発明の光学系の開口数および倍率と画像センサの分解能との関係は、驚くべきことに、不等式によって示されるように画像センサも分解能制限要素となり得ることを憶測する。本発明による寸法決定規則(dimensioning rule) の左辺および右辺が可能な限り等式に近ければ、最適な相互作用が得られる。
【０００７】
一方では、これによって、画像センサによって達成可能な分解能の最適使用が可能となり、不要な光学的複雑性が生じないことが保証される。他方では、光学系は、分解能に関して、画像センサによって最大限利用される。全体的に、これによって、計器のコスト節約生産を達成することができる。複雑な光学系では、分解能に関して情報の増加(gain)が得られるが、この増加は最終的には画像センサが利用することができない。このような複雑な光学系を回避する。最小限の光学的複雑性で、最大の結果を得ることができる。
【０００８】
この態様は、現在増々増加しつつあるＣＣＤ画像センサの分解能に関しては、特に重要になる。何故なら、現在では画像センサの光学的性能はシステム全体を決定するものであるが、今後、場合によっては、光学系が分解能制限要素となっていく可能性もあるからである。
【０００９】
本発明による寸法決定規則に含まれる係数は、好ましくは、波長に依存し、これによって、本発明による関係の左辺が、本質的に、光学系によって表される分解能を示すことが保証される。可視光線では、係数が約３０００であると好都合である。何故なら、前述の関係の左辺は、特定の精度を有する顕微鏡光学素子の光学的分解能を反映するからである。更に精度の高い近似においても分解能の波長依存性を考慮したい場合、Ｆ＝１０／（０．６１Ｌ）を満たすようにすればよい。ここで、Ｌは、光学系が取り込み、画像センサ上に合焦する光学的放射線の波長を、ミリメートル単位で示す。特に、波長Ｌは、用いられる光学的放射線の平均波長とすればよい。光では、０．００５８２ｍｍの値を用いるとよい。
【００１０】
しかしながら、係数Ｆは、光学系の分解能性能の潜在的波長依存性を反映するのに役立つだけでなく、例えば、製造技術の条件を制約することによって与えられ得る前述の最適適合化からの多少の逸脱も考慮するべきである。
【００１１】
本発明によれば、光学素子を画像センサに適合させること、及びその逆の双方によって、適合化が可能である。相互適合化も可能である。
本発明は、一つの実施形態において、制御装置によって、倍率調節が可能な光学系における画像センサの有効分解能を光学系の倍率に適合させることによって、特有の利点を達成する。前記適合化によって、光学系および画像センサの分解能は、可変倍率に対しても一致する、即ち、情報が得られない結果となる「空」倍率が発生しないことを保証する。この手順によって、可変倍率に対しても、最小限の光学的複雑性、および画像センサ技術に関する最小限の複雑性で、最大の結果を得ることが可能となる。
【００１２】
画像センサの有効倍率を適合化するための、特に実現が容易なシステムは、異なる分解能を有する多数の画像センサを備えた交換装置である。画像センサを切り換えて、顕微鏡の光路内に入れることができる。交換装置は、例えば、切換可能な光学ユニットとして設けることができ、これは数個の画像センサのうちの１つを選択的に光学系の光路内に配置する。例えば、複数の画像センサを担持する交換ホイールを用いることができ、これにより分解能を適合化するための画像センサ間の切換が行われる。
【００１３】
あるいは、画像センサの有効分解能を、電子的に、画像センサの数個の画素をそれぞれ、より大きな単位に結合することによっても、変化させることができる。これは、当業者には画素ビンニング(pixel binning) として周知である。かかる結合は、センサ・レベルにおいて直接的に、あるいは制御装置における後段に配置される画像処理手段においてのいずれかにより行うことができる。制御装置は、例えば、コンピュータであればよい。勿論、前述の画像センサの分解能を適合化する手法を、個別にではなく、組み合わせて用いることも可能である。
【００１４】
画像センサの分解能を適合化することの代わりに、またはそれに加えて、視野の適合化も行うことができ、その場合、視野の所望の分解能に対応する画像センサの一部を照明するように、それぞれ画像センサ上に光学系によって視野を撮像する。したがって、光学系は、好ましくは、調節可能な倍率を有し、光学系の開口数を変更する装置、および制御装置を備え、その制御装置は、前述の関係を可能な限り満たすように、開口数を光学系の倍率および／または有効分解能に適合化する。
【００１５】
本発明による概念により、極めてコンパクトな顕微鏡が可能となる。したがって、ハウジングを設け、その中に光学系および制御装置を一体化することが好ましい。コンパクトな設計により、殆ど無限の半空間を、検査対象物体用の容積として設けることが可能となる。したがって、これに関しては、ハウジングが、当該ハウジングの上面上に配置された物体支持部、及び物体照明用の入射光源を有することが好ましく、前記光源は、ハウジング内に一体化され、ハウジングの上面の下に配置される。
【００１６】
前述の「空」分解能、即ち、これ以上の情報増加が得られない分解能を回避するために、画像センサの分解能は、画面の分解能以上であることが好ましい。この場合も、これは本発明の基盤となる知見を反映し、画像センサは、システム全体の分解能を決定する要素となることができ、そうすべきことが有益でもある。勿論、画面は拡大に影響することができる。画面のサイズは、勿論、物体の画像を画面上に表す際の総倍率にとって重要である。したがって、大きな倍率のためには、可能な限り大きな画面を用いることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、一例として図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
図１は、顕微鏡１を概略的に示す。光路２を用いて、物体５は、対物レンズ３、およびズーム光学素子４として設けられているアイピースによってＣＣＤセンサ６上に拡大した形状で撮像される。光学目視ポートは、顕微鏡１には設けられていない。
【００１８】
図２は、顕微鏡１を斜視図で示す。テーブル７上に、顕微鏡のハウジング８が配置されており、これには、光学系と、コンピュータの形態の電子制御回路とが収容されている。顕微鏡１における検査対象物体の画像は、ＬＣＤ画面９上に表示される。ハウジングは、上面１０を有し、その上に物体支持部１１が配置されている。顕微鏡１の動作は、制御パネル１３によって行われ、さらに、合焦のためにはハンドホイール１２によっても行われる。
【００１９】
図３に示すように、図１に概略的に示した光学素子用およびＣＣＤセンサ６用の構築空間１４がハウジング８内に設けられている。しかしながら、明確さのために、これらは図３には示されていない。構築空間１４の下には制御装置１５があり、プロセッサおよびメモリ・ユニットを備えたコンピュータとして設けられ、データの入出力をインターフェースする。即ち、制御装置１５は、必要な画像データをＬＣＤ画面９に供給する。
【００２０】
顕微鏡１の対物レンズ３およびズーム光学素子４の分解能は、以下の関係にしたがって、画像センサ６の分解能に適合されている。
Ｆ×Ｎ／Ｍ≦０．５Ａ
ここで、Ｆは係数、Ｎは光学系の開口数、Ｍは光学系の倍率、Ａはミリメートル当たりの画素数で表した画像センサの分解能である。光の顕微鏡では、係数Ｆは２，８００および３，２００の間である。可視スペクトル範囲を超えた光学的放射線またはその境界線上の光学的放射線を用いる顕微鏡では、Ｆ＝１０／（０．６１Ｌ）を適用し、用いられる光学的放射線の波長はミリメートル単位で示される。勿論、このＦの式を、光を用いる場合にも適用することはできるが、この場合は、前述の間隔によって寸法を決める方が簡単である。
【００２１】
物体支持部１１の下には、スロットがあり、その中に対物レンズ３を配置する。対物レンズは、ロックによって解放可能に取り付けられているので、顕微鏡１は、対物レンズを交換することによって、異なる作業に適合することができる。前述の式の関係を満たすためには、可能であれば、対物レンズを交換するか、あるいはズーム光学素子４を調節するときであっても、画像センサを交換する交換装置を構築空間１４内に設ける。図４に示す交換装置の第１実施形態では、交換ホイール１６を用いており、これが軸１７の周りを回転可能に支持され、複数のセンサ６，６’，６”および６’’’を担持する。交換ホイール１６は、画像センサを所望の分解能で用いるように、顕微鏡１の光路２内で回転する。
【００２２】
図５に示す代替実施形態では、交換ホイールは、環状ディスクとして設けられており、複数のアーム１８によって軸１７に接続されている。この構成によって、センサ６の数を更に増加させることが可能となる。
【００２３】
交換ホイール１６を使用する代わりに、偏向光路１９を用いることもでき、この場合、偏向ミラー２０によって、光路２を画像センサ６に向けて偏向させる。偏向ミラー２０およびＣＣＤセンサ６を対向して配置することにより、交換ホイール１６を回転させると、使用するＣＣＤセンサが変化するという効果がある。この構成は図４の構成と比較して、一層空間の節約となる。何故なら、ＣＣＤセンサは軸１７に対して平行となるからである。図６に示す構成では、これらは交換ホイール１６に対して垂直である。
【００２４】
図７は、交換装置の更に別の代替物を示し、ここでは、可動部品の数を最小限に抑えている。交換ホイール１６は固定であり、偏向プリズム２１が、回転可能偏向ユニットとして、回転軸に取り付けられている。前記プリズムは、偏向光路１９を、それぞれ選択したＣＣＤセンサ６上に出射する。この構成を用いると、コンパクトな構造で、特に多数のＣＣＤセンサ６を用いることができる。同時に、これらのＣＣＤセンサ６は、永続的に配線することができる。何故なら、これら自体が可動である必要がないからである。
【００２５】
ＣＣＤセンサ６を交換することに代えて、あるいはそれに加えて、視野の適合化を行うこともできる。この場合、視野が、前述の関係を実現するために必要な分解能に対応するＣＣＤセンサ６の一部を照射するように、ズーム光学素子４によって視野をそれぞれＣＣＤセンサ上に撮像する。つまり、対物レンズ３およびズーム光学素子４によって形成される光学系の開口数を、倍率変更に合わせるのである。ＣＣＤセンサ上の画素は、図示されていないが、制御装置１５によって濾過(filter)即ち遮断され、ＬＣＤ画面９上には表示されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】顕微鏡における光路の概略図。
【図２】電子顕微鏡。
【図３】部分切欠図により表現した、ハウジングを有する図１の顕微鏡。
【図４】図１の顕微鏡において用いられる複数の画像センサを備えた切換ユニット。
【図５】図４の切換ユニットの代替実施形態。
【図６】図４の切換ユニットの代替実施形態。
【図７】図４の切換ユニットの代替実施形態。
【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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【国際調査報告】
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