顕微鏡システムのための像取得方法および対応する顕微鏡システム

 

本発明によれば、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段(R,L,41)と、ディジタル像取得ユニット(50)とを備えた顕微鏡システム(1)を利用して、ディジタル最終像を供給する方法(200)が提案される。この方法には、ディジタル像取得ユニット(50)によって、それぞれ異なる開口数で少なくとも2つの顕微鏡像をディジタル個別像として取得するステップと、これらのディジタル個別像のそれぞれ対応し合う像領域を、個別像の像鮮鋭度に関して互いに比較するステップと、最高の像鮮鋭度を有する複数のディジタル個別像の像領域を合成して、ディジタル最終像を生成するステップとが含まれている。

 

 

本発明は、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段を備えた顕微鏡システムによる像取得方法および顕微鏡システムに関する。
公知の顕微鏡たとえば光学ズームを備えた立体顕微鏡には、ビーム束を物理的に制限する手段つまりは瞳径もしくは開口数を調整する手段が設けられていることが多い。たとえばこの目的で、固定または可変の開口絞り(たとえば虹彩絞りまたはLCD絞り)および/または適切なビームリミッタを、レンズまたはレンズ周囲に設けることができる。
本発明は、1つまたは複数の光路の開口数を、適切な開口絞りによって可変に調整可能な顕微鏡にも関するし、それぞれ固定の開口絞りを備えた2つ以上の別個の光路を備えた顕微鏡にも関する。これら両方のケースともに顕微鏡は、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段を備えている。
開口数によって、光学的結像における3つの基本的な特性量すなわち解像度、輝度および焦点深度が決定される。
対象物体の焦点面における顕微鏡の最大解像度は、光の回折によって制約を受け、さらに光の回折は、結像系の開口数によって定まる。ミリメートルあたりの線対(LP/mm)で表される最大解像度Rは、開口数nAに比例する。ここでは単純化してR=3,000×nAとする。よって、高い解像度のためには大きい開口数が必要とされる。
ただしこれと同時に、対象物体が完全には平坦でないことを考慮すると、焦点深度も重要であり、つまり焦点面以外の対象物体エリアの鮮鋭度も重要である。幾何学的な理由から焦点深度は、開口数が大きくなるにつれて小さくなり、したがって開口数の逆数となる。視覚的な認識に関して、焦点深度DOFは、Berekによる経験に基づく式によって表される。これによれば、DOF=λ/(2×nA2)+0.34/(Mtot×nA)が成り立ち、ここでλは光の波長、Mtotは全体の視覚的な拡大を表す。波長λおよび焦点深度DOFは、たとえばmmで表される。この式によれば、焦点面よりも上または下の像領域における高い鮮鋭度は、開口数を小さくすることによって達成される。
取得された光円錐によって輝度Iが求められる。単純化するとI=c×nA2が成り立ち、ここでcは定数を表す。したがって高い像の輝度は、開口数も大きくすることによって達成される。ただし、特にディジタル式の像取得の場合には、開口数だけでなく露光時間、電気的な増幅率(利得)、光学フィルタ、またはディジタル後処理によっても、像の輝度をフレキシブルに調整および整合することができる。このような整合については当業者に周知であるので、これ以上説明しない。
しかしながら、少なくとも解像度と焦点深度に関しては、従来の顕微鏡の場合には目標を達成しようとする際にコンフリクトが生じる。
独国特許第102006036300号明細書および独国特許第102006036768号明細書から、テレスコープ式もしくはグリノー式の立体顕微鏡が公知であり、これらの顕微鏡によって観察者に対し、それぞれ異なる良好な解像度の個別像から成る一対の像が提供される(以下ではこの顕微鏡のことを「非対称型立体顕微鏡」とも称する)。それらの個別像のうちの一方は、他方よりも大きい開口数を有しており、したがって焦点面において高い解像度が得られるのに対し、他方の個別像はそれよりも小さい開口数を有することで、焦点深度を向上させている。これらの像が、観察者の両眼によって同時に受け取られる。これら一対の像は、観察者が両方の像からそれぞれ解像度が向上されたディテールを知覚するように、脳によって合成される。つまり人間の脳における像合成においては、心理現象が利用される。
ディジタル撮像装置であると、このような像合成を達成する能力がなく、開口数が固定された1つの像の撮影だけしか行われない。それらの装置は大抵、ビームジオメトリおよびそれによって規定された解像度ならびに焦点深度に基づいて、1つの像だけを取得する。したがって、この種のディジタル撮像装置の撮影による鮮鋭度の範囲、すなわち対応する物体がシャープに結像される範囲は、著しく狭い範囲に制限される。このことは、立体顕微鏡によって得られるステレオ顕微鏡像の視覚的な印象と対比すると、満足のいくものではない。±5ジオプトリまで適応する人間の眼の特性ゆえに、ディジタル撮像の場合には視覚的な観察と比べると、増倍に関してもさらに欠点がある。
慣用の(ステレオビーム路を備えていない)広視野顕微鏡における従来技術によれば、いわゆるzスタックによって上述の問題点に取り組んでおり、その場合、顕微鏡の焦点位置が一連の像の撮影中、段階的にずらされる。しかしながらこのためには、対象物体テーブルを対象物体とともに動かすか、または顕微鏡を対象物体に対して動かすか、のいずれかが必要とされる。いずれにせよ、かなりの質量体を(z方向駆動部において顕微鏡を、またはサンプルテーブルを)動かさなければならず、このことによって装置に関しても時間的にも、フローが煩雑になってしまう。また、時間を費やすということは、リアルタイムの像として実現できなくなるということであり、このことは特に、使用者がx方向、y方向およびz方向へ動く場合、ならびに生体細胞を観察する場合に欠点となる。
しかも、(通常のように)非テレセントリックな撮影条件の場合には、焦点位置が変化すると物体の結像スケールも変化する。したがってzスタックにより撮影された複数の像は、像スケールの変化に起因して正確には重畳されず、相関または伸長もしくは圧縮によって相互に整合させなければならない。このプロセスには不正確さが伴い、合成像には誤りが含まれる可能性がある。
独国特許第102006036300号明細書 独国特許第102006036768号明細書
現在、ディジタル顕微鏡へと向かう傾向が強いとみられる点を特に考慮して、本発明の課題は、これまで述べてきた欠点を克服し、像取得を改善できるようにすることである。
このような背景から本発明によれば、それぞれ異なる開口数において複数の顕微鏡像を供給する手段と、ディジタル像取得ユニットとを備えた顕微鏡システムを用いて、ディジタル最終像を供給する方法、ならびに独立請求項の特徴を備えた顕微鏡システムが提案される。従属請求項の個々の特徴および以下の説明には、有利な実施形態が示されている。
発明の利点
本発明は、それぞれ異なる開口数で供給される、解像度と焦点深度がそれぞれ異なる顕微鏡像の撮影および合成に関する。本発明によれば、最大可能な品質と僅かなコストで、物体のいっそう微細な構造の認識もトポグラフィックな描写も実現される。
本発明は全般的には、顕微鏡システムを利用してディジタル最終像を供給する方法を提供しようというものであり、この場合、顕微鏡システムは、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段と、ディジタル像取得ユニットとを備えている。この方法には、ディジタル像取得ユニットによって、それぞれ異なる開口数で少なくとも2つの顕微鏡像をディジタル個別像として取得するステップと、これらのディジタル個別像のそれぞれ対応し合う像領域を、個別像の像鮮鋭度ないしはデフィニションに関して互いに比較するステップが含まれている。この場合、そのつど最高の像鮮鋭度ないしはデフィニションを有する像領域を合成して、ディジタル最終像を生成する。本発明によれば、ディジタル個別像各々から像領域が選択され、それらのディジタル個別像各々よりも多い個数の像領域を用いて、ディジタル最終像が生成される。したがってこのディジタル最終像は、ディジタル個別像より全体としても高い像鮮鋭度ないしはデフィニションを有しており、有利にはディジタル個別像の最も鮮鋭な領域を1つにまとめたものである。
既述のように、「それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段」をたとえば、それぞれ適切な開口絞りによって開口数を可変に調整可能な1つまたは複数の光路とすることができ、たとえば立体顕微鏡のステレオチャネルとすることができる。このことからすれば、それぞれ固定された開口絞りを備え、または開口絞りを備えておらず、ただし開口数はそれぞれ異なる、2つ以上の別個の光路を有する顕微鏡も、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段を有する、ということになる。
公知の方法とは異なり本発明によれば、改善された最終像を生成することができ、それらの最終像の情報内容は、純然たる(個別像)シーケンスの各々を超えており、ただしそれらの最終像を僅かなコストで取得することができる。冒頭で挙げた従来技術の方法とは異なり、本発明は、「1チャネル型」顕微鏡における使用にも特に適しており、もしくは、それぞれ少なくとも1つの調整可能な開口絞りが設けられているならば、立体顕微鏡の一方のチャネルだけを介した像取得にも、特に適している。したがって本発明によれば、装置に比較的僅かなコストしかかけずに、高品質の最終像を生成することができる。
特に、顕微鏡観察において知られている冒頭で説明したzスタックとは異なり、本発明においては、さして多くの質量体を移動させる必要がない。本発明は、最も不利なケースとして、種々のディジタル個別像の撮影の間に、場合によっては開口絞りを位置調整することを想定している。(個々のチャネルにおいて開口数がそれぞれ異なる)2チャネル型の撮影が可能であるならば、やはりこれは不要であり、したがってこのようなケースでは、そもそも顕微鏡のいかなる部分も動かす必要がない。
「少なくとも2つの顕微鏡像」は、位置調整可能な開口絞りによって得られ、ディジタル像取得ユニットを用いて相応のディジタル個別像として取得されるが、このような像は「絞りシーケンス」と呼ばれる場合もある。「少なくとも2つの」ディジタル個別像に関する有効な個数は、それぞれ調整されている顕微鏡パラメータに応じて設定され、たとえばやはり焦点深度を規定する拡大率に応じて設定される。たとえば2個、4個、6個、8個、10個、15個または20個の個別像を撮影することができる。さらにこの場合、撮影すべきディジタル個別像の個数を決めるさらに別のパラメータは、調整可能な絞り開口の個数であり、つまり対応する開口絞りの調整装置のポジション数、およびそれによって実現可能な絞り開口である。
つまり本発明によれば、それぞれ異なる開口数で供給される少なくとも2つの個別像をディジタル撮影し、それらを合成して1つのディジタル最終像を形成するように構成されている。ディジタル撮像は、たとえばカメラまたはラインスキャンカメラのCCDチップによって行われる。本発明によればさらに、ディジタル個別像を1つの絞り位置で何度も撮影してもよいし、あるいは固定の開口数を有する1つのチャネルで何度も撮影してもよい。このようにすることで、使用される像センサのノイズ作用が低減されることから、たとえば解像度の改善を達成することができる。ただし個別像のうち少なくとも2つは、それぞれ異なる開口数で供給され、そのようにすることで、あとで添付の図3を参照しながら詳しく説明するように、大きい開口数で高い解像度が得られるという利点と、小さい開口数で大きい焦点深度が得られるという利点とが、組み合わせられるようになる。
さらに本発明によれば特に、写真撮影において知られているHDR法(High Dynamic Range)に対抗して利点が得られる。HDR法によれば、複数の撮影が合成されて、輝度とコントラストが高められた「スーパー像」が形成される。ただしHDR法の場合、局所的な像の露光だけしか関係せず、像鮮鋭度に関係するものではない。それにもかかわらず、本発明においてHDR法も利用することができ、そのようにすれば付加的な像情報を取得できるようになる。
写真撮影の場合には絞りを選択することによって、焦点深度が像を形作る手段として用いられるにすぎない。これに対し顕微鏡の光学的な挙動は、写真撮影の挙動とは根本的に異なる。なぜならば、写真撮影の鮮鋭度は回折によっても制約されないからである。したがって写真撮影の場合に絞りを閉じるということは、顕微鏡の場合に見られるように、焦点面における解像度の低下を意味するものではない。むしろ写真撮影の場合には、焦点面における解像度がほぼ同じに維持されたまま、焦点深度の増加が達成される。このため写真撮影の場合には、解像度が低下する問題は生じない。よって、写真撮影において最高解像度と最大焦点深度を達成するためには、絞りを相応に大きく閉じるだけでよい。写真撮影と顕微鏡のビーム路および撮像ならびに像処理能力は、基本的にそれぞれ異なっており、それぞれ異なる物理的な原理、制約および要求の作用を受ける。
顕微鏡の最終像の作成には、既述のように、最終像の合成のために利用される種々の像領域が含まれ、これらの像領域はそれらの像鮮鋭度もしくはデフィニションの比較に基づき選択される。この目的で、たとえばそれぞれ局所的なコントラスト値、または像鮮鋭度を表す他の値を利用することができる。これをたとえば数値による指数(スコア)としてもよく、この指数は、ディジタル個別像の1つの像領域における像コントラストまたは像鮮鋭度を表す。複数のディジタル個別像間の比較が行われるので、この指数を(たとえば適切に調べられた第1の個別像または最高鮮鋭度を有する第1の個別像に関連させた)パーセント値または相対値として表してもよい。このようにして本発明による方法を、公知の画像処理アルゴリズムを利用して著しく高速に実施することができ、たとえばそのような画像処理アルゴリズムを像取得ユニット自体に実装することができ、および/または像取得ユニットの動作を制御する制御コンピュータに実装することができる。
上述の比較を、別のステップによって補うことができる。つまりディジタル個別像を、適切な像評価方法によって検査することができ、その際、像領域または個別像全体について、像鮮鋭度を表すそれぞれ対応する値が求められる。これらの値がたとえば最小設定値を超えた場合、またはこれらの値が表示システムで表示可能なスケールに達した場合、もはや比較を行わないようにするのが合理的である。このようにすれば、ダイナミックな像表示という点で、処理時間を短縮することができる。
対応し合う像領域を、ディジタルで取得された少なくとも2つの個別像における予め定められた位置に基づき設定すれば、対応する方法を極めて高速に実施することができる。たとえばディジタル個別像の各々を、理想的には任意のピクセルブロックに分割することができ、たとえば5×5、10×10、50×50または100×100個のピクセル(またはこれらに相応する正方形ではないピクセルブロック)に分割することができる。各ピクセルブロックは1つの像領域に対応し、この像領域を別の個別像の対応する像領域と比較することができる。たとえば像座標および/またはピクセル領域として、設定を行ってもよい。したがって比較のために像評価を行う必要がなく、そのため相応の方法を著しく迅速に実行することができる。
また、個別像に対し像内容識別を実施し、それに基づいて対応し合う像領域を求めるのも、有利とすることができる。一例として、たとえばディジタル構造物または生物学的構造物において平坦な背景の前にある三次元構造を検査する際に像の識別を行い、それによってそのディジタル構造物または生物学的構造物を像領域として識別することができる。これは公知の像セグメンテーションに相当する。個々の検査目的のために「重要ではない」領域においては、たとえば平坦な背景においては、比較は行われず、それによって余分な処理時間が節約される。当然ながら、それ相応に識別された像内容を、既述のようにピクセルブロックとして検査してもよい。
このようにして、それぞれ異なる開口数で供給された2つ以上の個別像が、電子画像処理によって合成されて、局所的な鮮鋭度が最適化された1つの新たなディジタル最終像が形成される。たとえば、複数の個別像の像領域を全体的に走査し、それぞれ小さい局所領域について最高解像度の像要素を求めて、その像情報を最終像に引き継ぐことができる。
上述のように、ピクセルブロックが1つのラスタとして定義されるならば、それらの個々のサイズすなわち対応し合う像領域のサイズを、様々なファクタに依存させることができる。それらのファクタとは、像自体にも、利用される撮像装置、バスシステム、表示用モニタおよび/または評価用制御コンピュータのパフォーマンスパラメータにも、関連するものである。ユーザによる個々の事前選択、および/または予期される解像度に基づく個々の事前選択を、それぞれ行うことができる。本発明による方法を、たとえばディジタル画像表示ユニットのディスプレイに整合させることができ、その際、画像表示ユニットの表示可能な解像度を超えないように、つまりは不必要な計算パワーを浪費しないように、個々の像領域のサイズが選択される。ただし、ディジタル個別像の撮影およびその解像度においてすでに、適切な制限を考慮してもよい。
実質的に物体テクスチャおよびそのトポグラフィに応じて、対応するラスタ幅の整合が行われる。すなわち、トポグラフィとエッジが強い場合には、比較的狭いラスタ幅を用いることができ、テクスチャまたは像ノイズが弱い場合には、比較的広いラスタ幅を用いることができる。これも既述の像内容識別の利用に含まれるものであり、そのような像内容識別は、ディジタル個別像の対応し合う像領域を求めるために用いられる。したがってこの種のラスタ幅を、ディジタル個別像の視野全体にわたって、非統一的に(ただしすべてのディジタル個別像において共通に)適用してもよい。個別像の像領域を合成する際、取得されたラスタエッジの周縁部を、均質な移行が生じるようにそれぞれ補間によって整合することができる。
本発明によって特に、取得された最終像において重要な意味をもつ鮮鋭度の増大を達成することができ、その際、ディジタルによる他の後処理の場合のように、物体について推定を行う必要がなく、それによってアーチファクトのリスクを受けるようなことがない(たとえば公知のエッジ鮮鋭化の場合など)。取得された像は、一般的な撮影(しかも場合によっては同一チャネルからの撮影)だけから構成されているので、本発明による方法によって取得された最終像には、制約のない「真実度」ないしは「信頼性」があると認めることができ、それにはせいぜいのところ最小限のアーチファクトが含まれるにすぎない。
鮮鋭度の値もしくは像鮮鋭度を表す量の算出としてたとえば、コントラストベースの手法を用いてそのつど鮮鋭度値または解像度値を求めることを挙げることができる。像の内容に関する情報を利用できる場合には、着目対象とされる像の一部分だけについて、対応する方法を実施してもよい。
特に有利となる可能性があるのは、少なくとも2つの個別像を撮影する際に、顕微鏡システムの主対物レンズのフォーカシング設定を付加的に変更することである。したがって本発明による方法は、慣用のzスタック法との組み合わせにも適している。この場合、z平面ごとに1つの像を記録することができるが、特に有利であるのは、この方法を種々のz平面において実施し、それぞれ異なるz平面においてそれぞれ鮮鋭度が最適化された複数の最終像が取得されるようにすることである。さらにこれらの最終像自体について計算を行って、鮮鋭度が最適化された新たな像を形成することができる。このようにすれば、(開口絞りが開かれているときに)そのつど達成可能な最高解像度が得られたまま維持されることから、公知のzスタック法よりもさらに一段と改善が行われるようになる。
それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段をたとえば、立体顕微鏡における別個のステレオチャネルとして構成することができる。この場合、両方のステレオチャネルにおいて像取得ユニットの取得モジュールを用いて、それぞれ可変の開口絞りを位置調整することにより、それぞれ異なる開口数で物体の複数のディジタル個別像を撮影することができる。したがって各ステレオチャネルごとに、相応に改善された部分像が得られる。換言すれば、複数の個別像から、ただし両方のステレオチャネルについて別個に、それぞれ1つの最終像を生成することができる。これによって、たとえば立体顕微鏡観察ユニットを利用して観察するのに適した立体顕微鏡像も、相応に改善することができる。
ただし、冒頭で説明したような、それぞれ開口数が異なる2つのステレオチャネルを備えた「非対称の」立体顕微鏡の利用も考えられる。この場合、一方のステレオチャネルのそれぞれ1つの個別像を、他方のステレオチャネルの個別像と、それぞれ組み合わせることができる。その際、各ステレオチャネルにおける像の取得を、同時に行ってもよい。
したがって、それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段として、同じ対象領域を(場合によってはそれぞれ異なる投射角度で)捕捉する、完全に分離された結像系を利用することができる。したがってこの種のパラレルな撮像のための代表的な適用形態として、テレスコープ式またはグリノー式の顕微鏡システム(したがって立体顕微鏡)が考えられる。
このように本発明による方法の場合、それぞれ異なる開口数で供給される少なくとも2つの顕微鏡個別像を、2つのディジタル個別像として同時に撮影することができ、その際、少なくとも2つの撮影チャネルが使用される。この場合、両方のチャネル各々に、像取得ユニットにおける1つの像取得モジュールを割り当てることができ、たとえばそれぞれ1つのチップケーシング内に収容された1つのチップを割り当てることができる。ただし、完全に分離された2つの結像系を利用する代わりに、結像ビーム路を、それぞれ異なる像取得モジュールに向かって導かれる複数のチャネルに分割してもよい。
同時に像を撮影することにより、特に高いダイナミックで動いている物体も撮影することができる。ただしこの方法は、それぞれ異なる開口数で供給される少なくとも2つの個別像が相前後して撮影されるシーケンシャル方法よりも、装置にコストがかかる。シーケンシャルな記録において有利であるのは、少なくとも2つの撮影の間に絞り開口を位置調整することである。一例として相応の制御ユニットたとえば制御コンピュータの制御信号を利用して、これを完全に自動的に実施することができる。
利用可能な開口絞りを、たとえば虹彩絞りまたは電子制御可能なLCD透過素子として、構成することができる。
それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段を備えた顕微鏡システムのための像取得ユニットも、本発明の対象であり、この像取得ユニットは、いずれか1つの請求項に記載された方法を実施するように構成されている。本発明による像取得ユニットの特徴および利点については、これまで説明してきた観点を参照されたい。
それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段を備えた顕微鏡システム、ならびに対応する像取得ユニットは、これまで説明してきた特徴から利点を得ることができる。
有利には、この種の顕微鏡システムには制御装置が設けられており、この制御装置によって像取得ユニットが制御されて、この像取得ユニットにより、それぞれ異なる開口数で供給された少なくとも2つの個別像が撮影される。たとえばこの種の制御装置を、可調整の開口絞りを位置調整するように構成することができる。
有利にはこの制御装置によって、撮影すべきディジタル個別像の個数を予め設定することができ、開口絞りが設けられているならば、開口絞りの位置調整値を予め設定することができる。さらにこの制御装置は、ディジタル個別像の撮影と位置調整値による開口絞りの位置調整とを交互に実施できるよう、像撮影ユニットの動作を制御するように構成されている。ディジタル像取得ニットの露光時間または利得(増幅率)を、それぞれ選択された開口の変更に整合させるように、相応の制御ユニットを構成することも可能である。このようにすることで、それぞれ異なる開口数において撮影された像の輝度を等しくすることができる。
特に本発明による顕微鏡システムは、既述のように、少なくとも2つのステレオチャネルを備えた立体顕微鏡として構成されており、この場合、ステレオチャネルの各々に、像取得ユニットにおける1つの取得モジュールが割り当てられている。
次に、従来技術と対比させて図面に描かれた実施例に基づき、それらの図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。
本発明の1つの実施形態に従って像取得を実施可能な立体顕微鏡のステレオチャネルのビーム路を示す基本原理図 本発明の1つの実施形態に従って像取得を実施可能な顕微鏡の1つの光路における1つのビーム路を示す基本原理図 解像度と開口数と焦点深度との間の関係を表すグラフ 本発明の1つの実施形態による方法を概略的に示すフローチャート 本発明の1つの実施形態に従って像取得を実施可能な立体顕微鏡を概略的に示す図
図中、互いに対応する要素には同じ参照符号が付しており、簡潔にするためそれらについて繰り返し説明しない。
本発明の1つの実施形態による像取得は、たとえばテレスコープ式立体顕微鏡の一方または両方のステレオチャネルを介して実施可能である。図1には、この種の立体顕微鏡の構成要素が、本発明の1つの実施形態に従って付加的に設けられた要素とともに、概略的に描かれている。
相応の立体顕微鏡は、たとえば1つの共通の主対物レンズ21を備えており、このレンズに続いて、同一に構成された2つの立体顕微鏡チャネルLおよびRが設けられている。主対物レンズの焦点面に、観察すべき物体11が配置されている。図1に示されている立体顕微鏡は対称に構成されており、つまりこの立体顕微鏡は、互いに構造的に対応する2つのステレオチャネルL,Rを備えている。したがって図1においては、左ステレオチャネルLの要素もしくは右ステレオチャネルRの要素について選択的に説明するが、ここで説明することは、双方のステレオチャネルL,Rについて同じように該当する。
ただし本発明は、たとえば独国特許第102005040473号明細書に記載されているように、両方のステレオチャネルLおよびRの1つまたは複数の要素が互いに異なるように形成されている立体顕微鏡においても、格別な利点を伴って適用することができる。さらに本発明を、グリノー式立体顕微鏡に適用することもできる。
したがって対応する立体顕微鏡には、それぞれ異なる開口数において複数の顕微鏡像を供給する手段として、個々にまたは共通に位置調整可能な開口絞り(下記を参照)を備え同一に構成された2つのステレオチャネルLおよびR、または少なくとも開口数に関してそれぞれ異なるように構成された2つのステレオチャネルLおよびRが含まれている。
図1には、ステレオチャネルL,Rのビーム路が、対応する光束60の周縁ビーム61を略示することによって描かれている。左ステレオチャネルLの周縁ビーム61は破線で表されており、右ステレオチャネルRの周縁ビーム61は点線で表されている。光軸はそれぞれ一点鎖線で描かれ、参照符号62で表されている。共通の中心軸には、参照符号Mが付されている。
主対物レンズ21に続いて両方のステレオチャネルL,Rには、それぞれ4つの光学系群31〜33および38を備えたズーム系30が配置されている。この場合、主対物レンズ21およびそれぞれ4つの光学系群31〜33および38は、かなり概略的に描かれており、実際には特にそれぞれ複数の光学レンズを含む場合もある。両方のステレオチャネルL,Rの4つの光学系群31〜33および38を、共通の調整手段によって可動調整するならば(下記参照)、それらをそれぞれ機械的に相互に結合することができる。本発明の枠内で使用可能なズーム系30については、たとえば米国特許出願公開第6816321号明細書に記載されている。
ズーム系30のそれぞれ第1光学系群31は集光作用を有しており、つまり、主対物レンズ21とズーム系30のそれぞれ第1光学系群31との間でアフォーカルに進行するビーム路をフォーカシングする。立体顕微鏡の場合には、付加的な構成要素のために格別良好な適応能力が得られるよう、主対物レンズ21と、その像側に設けられた構成要素との間において、この種のアフォーカルなビーム経路が実現されていることが多い。ただし既述のように本発明は、アフォーカルなビーム路がない顕微鏡にも適している。
光学系群31〜33の少なくとも1つは、拡大率調整のために軸線方向に可動に形成されている。なお、本願において「軸線方向」とは、主対物レンズ21の焦点から出発して、主対物レンズ21を垂直方向に通過して延在する方向のことである。したがって軸線方向は、主対物レンズ21によって規定される。図1に示した実施例では軸線方向は、主対物レンズ21の像側におけるステレオチャネルL,Rのビーム路の光軸62各々に対応する。図示の実施例ではたとえばズーム系30の光学系群31を、それぞれ固定してすなわち軸線方向に可動しないように、構成することができる。
ズーム系30の第1光学系群31の像側に、拡散特性を有する第2光学系群32がそれぞれ設けられている。ズーム系30の第2光学系群32によって、第1光学系群31を通過してフォーカシングされつまりは収束しながら延在するビーム経路が、それぞれ拡開される。第2光学系群32はたとえば、光軸62に沿って(つまり軸線方向で)それぞれ可動に構成されている。
さらに像側に、第3光学系群33がそれぞれ設けられている。この光学系群は新たに集光作用を及ぼすものであり、ズーム系30の第2光学系群32によって拡散されたビーム路を、再びフォーカシングする。ズーム系30の第3光学系群33も、光軸62に沿って(つまり軸線方向で)それぞれ可動に構成することができる。
図示の実施例ではズーム系30は、それぞれ38もしくは複数のレンズから成る相応の光学系群を、第4光学系群として備えている。この第4光学系群は、ズーム系30の第3光学系群を通過してフォーカシングされつまりは収束しながら進行するビーム路を、ズーム系30の像側でアフォーカルなビーム路が生じるように、それぞれ拡開させる。
ズーム系30の第2光学系群32と第3光学系群33との間に、位置調整可能な開口絞り41がそれぞれ設けられている。ステレオチャネルL,Rにおける開口絞り41を、特に制御可能に構成された絞りユニット40内に配置することができ、このユニットは、1つまたは複数の機械的および/または電気的な入力端42を備えており、この入力端42を介して絞り信号を受信することができる。位置調整可能な開口絞り41の絞り直径を調整するために、絞り信号を利用することができる。相応の信号41を特に、あとで詳述する像取得ユニット50から送出させることができ、あるいは、通信チャネル81を介して像取得ユニット50および/または顕微鏡システム全体を制御する制御コンピュータ80から、送出させることができる。
ただし既述のように、両方のステレオチャネルL,Rにおける絞り開口を固定しておき、それぞれ異なる直径を有するようにしてもよい。
図示の実施例の場合、左ステレオチャネルLと右ステレオチャネルRの開口絞り41が、それぞれ異なるように調整されており、それによって図示された立体顕微鏡において接眼レンズ96(下記参照)を通して眼97で覗いている観察者は、冒頭で説明した心理現象に基づき、解像度および焦点深度が改善された像を知覚することができる。
ズーム系30の像側には出射ユニット70が示されており、このユニットは、両方のステレオチャネルL,Rの可調整の部分光63を、像取得ユニット50に向けて出射する。ここで特に述べておくと、相応の出射ユニットを必ずしも図示のポジションに配置しなくてもよい。出射ユニット70を、たとえば鏡筒90(下記参照)に統合してもよい。像取得ユニット50用として定めて、両方のステレオチャネルL,Rから部分光63を出射させるのではなく、観察者に供給する光を、軸線方向でつまり光軸62と対向させて出射させてもよい。後者のケースであれば、像取得ユニット50用として定められた部分光63を、そのまま軸線方向に進行させることができる。すべてのケースにおいて、それぞれ任意に向きを変えることができる。もっぱらディジタル像取得のために構成されている顕微鏡であれば、出射ユニット70を設けずに形成することができ、その場合、両方のステレオチャネルL,Rの光をすべて、像取得ユニット50に供給することができる。
図示の実施例の場合、像取得ユニット50用として定めて両方のステレオチャネルL,Rから出射される部分光63は、光軸62に対し90°の角度で出射される。この目的でたとえば、両方のステレオチャネルL,Rに、ハーフミラーまたはプリズム71を設けることができる。選択的に、一方のステレオチャネルL,Rの光だけを、ハーフミラー71またはプリズムを介して出射させてもよい。像取得ユニット50がたとえば2つの像取得モジュール52(下記参照、たとえばCCDチップ)を介して、それぞれ1つの立体顕微鏡部分像を受け取ることができるように、2つのステレオチャネルL,Rから出射される部分光63を、別個のチャネルを介して出射させることができる(図示せず)。この場合、2つの像取得ユニット50を用いてもよい。
両方のステレオチャネルL,Rから出射される部分光63を、1つの共通のビーム路を介して案内することも可能であり、その場合、像取得ユニット50による像取得に際して、たとえば立体顕微鏡チャネルL,Rの一方の光を、それぞれ遮蔽することができる。この目的で具体例として、たとえば交互に操作可能なシャッタ74を備えた光学ユニット73を設けることができる。これによって像取得ユニット50は、両方のステレオチャネルL,Rを交互に取得することができる。シャッタ74に対する代案として、またはシャッタ74に加えて、たとえばそれぞれ異なるように設定された偏光フィルタを、光学ユニット73に設けることができ、これらの偏光フィルタによって、両方の立体顕微鏡チャネルL,Rの光をあとで選択的に取得することができるようになり、ただしこれによっても視覚的な観察は妨害されない。このためにたとえば、可変に調整可能な偏光フィルタ51を設けることができる。光学ユニット73も好適には、1つまたは複数の機械的および/または電子的な入力端75を介して、像取得ユニット50および/または制御コンピュータ80によって制御可能である。
なお、特に言及しておくと、ここでは図面はかなり概略的に描かれたものである。図示されている装置をそのまま実装したとすれば、ステレオ動作において、つまり両方のシャッタ74が開放されているときに、場合によっては問題が生じることになる。この場合、右側のハーフミラーまたはそれに相応するプリズム71は、左チャネルLの光の向きも強制的に(望まれない場合であっても)右チャネルRにおいて、部分的に上方に変えることになり、このことによって立体的な認識が妨害されてしまう。このようなケースのために、ハーフミラーまたはプリズム71を、それらが図平面から逸れるように光を反射させるように配向する(つまりステレオチャネルを通り抜けないようにする)。そして出射されたチャネルを、図平面の外でさらにビームスプリッタによって重畳し、ディジタル像取得ユニットに入射させることができるようにする。
偏向ミラー72またはこれに相応するプリズムを介して、一方または両方のステレオチャネルL,Rから出射される部分光63が、これまで繰り返し説明した像取得ユニット50に入射され、場合によっては偏光フィルタ51によってフィルタリングされ、対応する光学系群53を通って、像取得モジュール52に向かってフォーカシングされる。既述のように、2つ以上の像取得モジュール52を設けてもよい。光学ユニット73にたとえば偏光フィルタ74が設けられている場合、一方のステレオチャネルの選択された光だけがそのつど取得されるよう、2つ以上の像取得モジュール52の各々が相補的なフィルタを備えることができる。像取得ユニット50を相応に配向すれば、偏向ミラー72またはそれに対応するプリズムを省略することもできる。
出射ユニット70に続いて、たとえば鏡筒90を含む観察ユニットが配置されている。ズーム系30、出射ユニット70および観察ユニットを、部分的に1つのケーシング内に配置することができ、このケーシングに、主対物レンズ21もしくは相応の対物レンズホルダをねじ留めすることができ、および/または、たとえば蟻継ぎによって取り付けることができる。観察ユニット特に鏡筒90も、これに対応する収容部を用いることによって、相応のケーシングに取り付けることができる。出射ユニット70も、モジュラー式に構成することができる。
鏡筒90には、中間像95を発生させる鏡筒レンズ91がそれぞれ含まれている。鏡筒レンズ91に続いて、像を正立させるための反転系92がそれぞれ配置されている。さらにその像側には、それぞれ接眼レンズ96が続いている。鏡筒レンズ91は、それぞれ平行な光束を中間像95の平面内の1つの点94に向けてフォーカシングするように、構成されている。この点94は、接眼レンズ96の前側焦点に位置しており、無限大に向かって結像されるので、この点を観察者が眼97で観察できるようになる。
対応する立体顕微鏡を、物体11の純然たるディジタル光学的取得のために構成することができ、その場合には既述の取得ユニット50を、鏡筒90の像側に配置することもできる。ディジタル光学的取得の場合、像を正立させるための反転系92は不要である。
オプションとして、ビーム路中に公知のようにさらに別の部品群を配置してもよく、たとえば、補助レンズ、フィルタ、偏光子、垂直照明ユニット、および/または、ビームスプリッタ系などを、配置することができる。
立体顕微鏡チャネルLおよびRは、ここでは中心軸Mに対し平行に配置されている。立体顕微鏡チャネルLおよびRの各光軸間の間隔Bを、ステレオベースと称する。ステレオベースBによって、立体顕微鏡チャネル各々が物体を見る角度Wが規定される。ビーム束の直径は、参照符号39で表されており、これは開口絞り41の位置に従って調整される。
なお、本発明は、それぞれ異なるように構成された、または開口絞り41によってそれぞれ異なる開口数に調整されたステレオチャネルL,Rを備えた立体顕微鏡に限定されるものでもないし、もっと一般的にいえば、立体顕微鏡に限定されるものでもない。本発明は、たとえば1チャネルの顕微鏡にも適用することができ、これについては以下で図2を参照しながら説明する。「1チャネル型」の顕微鏡は、中央の対物レンズ21を通過する単一のビーム路を備えており、さらに場合によっては、光学ユニット31〜33もしくは38がそれぞれ1つだけ設けられたズームシステム30を備えている。1チャネル型顕微鏡は、たとえばマクロスコープおよび広視野顕微鏡(epi顕微鏡)であって、これらについても本発明によって利点が得られるようになる。ただし当然ながら用語「1チャネル」が、双眼または多チャネルの鏡筒もしくは観察ユニットを排除するものではない。
図2には、本発明に従って構成可能および/または動作可能な顕微鏡の1つの光路における1つのビーム路が、2つの絞り位置AおよびBについて、概略的に描かれている。なお、この光路をたとえば、立体顕微鏡の複数の光路のうちの1つとしてもよいし、または、上述の1チャネル型顕微鏡たとえばマクロスコープのビーム路としてもよい。立体顕微鏡の場合であれば(図1参照)、相応のビーム路が少なくとも部分的にペアとして設けられている。
周縁光ビームは、開口絞り41による開口位置に基づき、参照符号AおよびBで表された絞り位置において、それぞれ異なる角度θを成している。角度θ/2は、それぞれ一方の周縁ビームと光軸62との間の開口角σに相応する。
ビーム路には、既述のように主対物レンズ21が含まれている(古典的な顕微鏡またはマクロスコープでは通常、単に「対物レンズ」と呼ばれる)。主対物レンズ21の前側焦点面に対応する主対物レンズ21の物体面12に、観察すべき物体11が配置されている。観察される点は、X印で表されている。同様に既述のように主対物レンズ21に続いて、3つの光学系群31〜33を備えたズーム系30が配置されている。
レンズもしくは光学系群38と、像取得ユニット50の光学系群53との間において、ビーム路はこの場合もアフォーカルに進行しているが、像取得ユニット50用として定められた部分光の出射は行われていない。その代わりに、図Aだけに示されているように、接眼レンズ96による視覚的観察のために、部分光64を相応に出射させている。この目的で、たとえばミラー面もしくはプリズム面76,77が設けられている。なお、この図はかなり簡略化されて描かれており、特に像正立ユニット92は描かれていない。
この実施例の場合、絞り位置AおよびBは、本発明による方法のステップ各々に対応している。この場合、像取得ユニット50によって、第1の時点(絞り位置Aに対応、すなわち開口数は大きいが焦点深度は小さい)において第1のディジタル像取得が行われ、第2の時点(絞り位置Bに対応、すなわち開口数は小さいが焦点深度は大きい)において第2のディジタル像取得が行われる。
図3には、解像度と開口数と焦点深度との間の関係を表すグラフ300が示されている。グラフ300において横軸には、対物レンズたとえば主対物レンズ21の焦点面までの距離zがmmで表されており、縦軸には、ミリメートルあたりの線対の解像度Rが表されている。値z=1mmのとき、焦点面よりも1mm上にポイントがあり、値−1mmのとき、焦点面よりも1mm下にポイントがある。
具体例として、開口数nAが0.1,0.05,0.025であるときの解像度曲線が描かれており、これらの開口数は立体顕微鏡の場合に典型的である。すでに冒頭で述べたように、開口数が大きいときに解像度は最大になり、この場合、0.1の開口数nAのときにミリメートルあたり300の線対となる。ただしこのような最大解像度は、面0すなわち焦点面までの間隔が広がるにつれて、急速に減少する。すでに間隔が0.1mmのとき、解像度はもはやほぼ6分の1程度になってしまう。これは、冒頭で述べたように開口数が大きいときに焦点深度が小さいことに対応する。
たとえば調整可能な開口絞り41を用いて開口数を小さくすれば、焦点深度を著しく改善することができる。この目的で、開口絞りが相応に閉じられる。グラフからわかるように、たとえば開口数が0.05のときであると、最大解像度は開口数が0.1のときの半分になるけれども、値zが0.1mmであっても、すなわち焦点面以外であっても、開口数が0.1のときよりも解像度がさらに改善される。このことは、開口数をさらに低減したときにも、たとえば0.025まで低減したときにも、さらに顕著なかたちであてはまる。
したがって本発明が目指すところは、解像度が理想的には図示された解像度曲線のエンベロープに相応するように、像を取得することである。このことはたとえば、図4に示された方法200によって達成することができる。図4には、本発明の1つの実施形態による方法がフローチャートとして、概略的に描かれている。
この方法はステップ210から始まる。たとえば、対応する方法のために構成された顕微鏡システムは、ステップ210において像取得モードに移行する。ステップ220において、たとえば制御コンピュータ80および/または像取得ユニット50に組み込まれた計算ユニットなどによって、取得すべき像の個数を設定する。ここではこの個数をnで表し、カウンタiに一時記憶する。個数nをたとえば、調整された拡大率および/または顕微鏡パラメータに基づき、設定することができる。同時にステップ220において、絞り位置調整のための(絞り段階の形式の)設定、および/または露光時間および/または増幅率の設定も行われる。これらの設定も、目下調整されている顕微鏡パラメータたとえば拡大率などに基づいて行うことができる。
ステップ230において、相応の信号を絞りユニット40に送出することによって、設定された位置段階に応じて開口絞りの位置調整が行われる。つまり図示された実施形態によればこの方法は、相応に制御可能な絞りを備えた顕微鏡システムに関する。続くステップ240において、カウンタiが1だけデクリメントされる。これと同時に、像取得ユニットによって撮影が行われ、それがバッファメモリ241に一時記憶される。すでに説明したとおり、この場合、たとえば立体顕微鏡の2つの立体顕微鏡チャネルの撮影も行うことができ、これを特に相前後して実施することができる。たとえば最初に、一方の立体顕微鏡チャネルを遮蔽して、一方の撮影を行うことができる。次に、他方の立体顕微鏡チャネルを選択して、相応に撮影が行われる。対応する立体像のペアも、同様にバッファ241に一時記憶することができる。ステップ250における比較によって、予め設定された個数の撮影にまだ達していないことが検出されると、ステップ230において既述のように絞り位置調整が新たに行われ、ついで撮影が行われるとともに、カウンタiがデクリメントされる。
予め定められた個数の撮影が実施された後、それらの撮影がステップ260において互いに計算される。このステップを、外部の制御コンピュータ80において行うこともできる。1つの方法のサイクルがステップ270において終了し、その際、相応に計算された像が外部の制御コンピュータ80にまだ送出されていなければ、それを行うことができ、または外部の像再生ユニットにも送ることができる。これと同時に、絞りユニット40がその基本状態に位置調整される。この方法を、新たにステップ210から始めることができる。
図5には、本発明による手法を、立体顕微鏡として構成された顕微鏡システムに実装した様子が描かれている。顕微鏡システムはその全体として、参照符号1で表されている。
顕微鏡システム1には物体テーブル10が含まれており、その表面13に物体11が配置されている。さらに、主対物レンズ21のための対物レンズホルダ20が設けられている。ズーム系30がケーシング14内に配置されており、これはたとえばフィルタなどを調整するための相応の調整手段15を有することができる。ズーム系30のズーム調整のために、調整ユニット16が設けられている。調整ユニット16は、ズーム系30における少なくとも1つの光学系群の位置を調整する。焦点調節のために、調整ユニット17が設けられている。調整ユニット17によって、スタンド18における立体顕微鏡の高さを調節することができる。ケーシング14に続いて、像側に鏡筒90が配置されており、そこに接眼レンズ96をはめ込むことができる。ディジタル像取得ユニット50たとえばCCDカメラを、たとえば鏡筒90によって出射可能なビーム路中に配置することができる。
絞りユニット40は、ケーシング70内部に完全に配置されており、このことからケーシングの外寸は変わらない。絞りユニット40の動作を、既述のように、ディジタル像取得ユニット50の制御信号によって制御することができる。顕微鏡1は、上述の方法を実施するように構成されている。



  1. それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段(R,L,41)と、ディジタル像取得ユニット(50)と、を備えた顕微鏡システム(1)を利用して、ディジタル最終像を供給する方法(200)において、該方法は、
    前記ディジタル像取得ユニット(50)によって、それぞれ異なる開口数で少なくとも2つの顕微鏡像をディジタル個別像として取得するステップと、
    該ディジタル個別像のそれぞれ対応し合う像領域を、該個別像の像鮮鋭度に関して互いに比較し、最高の像鮮鋭度を有する複数の前記ディジタル個別像の像領域をそれぞれ合成して、ディジタル最終像を生成するステップと、
    を含むことを特徴とする、
    ディジタル最終像を供給する方法(200)。

  2. 像鮮鋭度に関する前記ディジタル個別像のそれぞれ異なる像領域の比較を、像鮮鋭度を表す少なくとも1つの値を利用して実施する、
    請求項1記載の方法(200)。

  3. 前記ディジタル個別像の対応し合う像領域を、少なくとも2つの前記ディジタル個別像における予め定められた位置に基づき設定する、
    請求項1または2記載の方法(200)。

  4. 前記予め定められた位置を、少なくとも2つの前記ディジタル個別像における同じ像座標および/または同じピクセル領域として定義する、
    請求項3記載の方法(200)。

  5. 前記ディジタル個別像の対応し合う像領域を、像内容の識別に基づき特定する、
    請求項1から4のいずれか1項記載の方法(200)。

  6. 当該方法は、それぞれ異なる開口数で少なくとも2つの前記顕微鏡個別像を供給するために、前記顕微鏡システム(1)の少なくとも1つの光路(L,R)中の少なくとも1つの開口絞り(41)を位置調整するステップを含む、
    請求項1から5のいずれか1項記載の方法(200)。

  7. 当該方法は、それぞれ固定された開口数を有する2つの光路(L,R)を同時に用いて、それぞれ異なる開口数で少なくとも2つの前記顕微鏡個別像を供給し取得するステップを含む、
    請求項1から6のいずれか1項記載の方法(200)。

  8. 当該方法を、前記顕微鏡システム(1)における主対物レンズ(21)の少なくとも2つの異なる焦点設定について繰り返すことによって、前記少なくとも2つの異なる焦点設定に対してそれぞれ1つの個別像を取得する、
    請求項1から7のいずれか1項記載の方法。

  9. それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する手段(R,L,41)と、ディジタル像取得ユニット(50)と、を備え、請求項1から8のいずれか1項記載の方法(200)を実施するように構成されている、
    顕微鏡システム(1)。

  10. それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する前記手段(L,R,41)は、可調整の絞り開口を有する開口絞り(41)を備えた少なくとも1つの光路(L,R)を含む、
    請求項9記載の顕微鏡システム(1)。

  11. それぞれ異なる開口数で複数の顕微鏡像を供給する前記手段(L,R)は、それぞれ異なる開口数および/または可調整の開口数を有する2つの光路(L,R)を含む、
    請求項9記載の顕微鏡システム(1)。

  12. 前記ディジタル像取得ユニット(50)を制御する制御装置(80)が設けられており、該制御装置の制御によって前記ディジタル像取得ユニット(50)は、前記少なくとも1つの光路(L,R)中の前記開口絞り(41)のそれぞれ異なる絞り開口において、少なくとも2つのディジタル個別像を取得する、
    請求項10記載の顕微鏡システム(1)。

  13. 前記制御装置(80)は、取得すべきディジタル個別像の個数と、前記少なくとも1つの光路(L,R)中の前記開口絞り(41)に対する調整値と、をそれぞれ設定し、前記像取得ユニット(50)によるディジタル個別像の取得と、前記開口絞り(41)の前記調整値による調整と、を交互に実施する、
    請求項12記載の顕微鏡システム(1)。

  14. 2つの立体顕微鏡チャネル(L,R)を備えた立体顕微鏡として構成されており、
    前記立体顕微鏡チャネルの各々に、前記ディジタル像取得ユニット(50)の取得モジュール(52)がそれぞれ割り当てられている、
    請求項9から14のいずれか1項記載の顕微鏡システム(1)。

 

 

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