JP2000275582A - 被写界深度拡大システム - Google Patents
被写界深度拡大システムInfo
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- Image Processing (AREA)
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- Studio Devices (AREA)
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】被写界深度拡大システムを用いて試料を観察す
る時に、試料像を最適な条件で観察する。 【解決手段】試料９からの光を集光する第１〜第３のレ
ンズ２〜４及びこのレンズ群２〜４によって集光された
光を検知し試料９の像を検出するＣＣＤ２２とを有する
被写体検出光学系と、試料９と撮像素子２２との間に配
置され、通過する光を被写界の拡大量に応じた所定形状
の位相分布に変調させる液晶空間位相変調器５とを有
し、この液晶空間位相変調器５の位相変調量は可変であ
る。
る時に、試料像を最適な条件で観察する。 【解決手段】試料９からの光を集光する第１〜第３のレ
ンズ２〜４及びこのレンズ群２〜４によって集光された
光を検知し試料９の像を検出するＣＣＤ２２とを有する
被写体検出光学系と、試料９と撮像素子２２との間に配
置され、通過する光を被写界の拡大量に応じた所定形状
の位相分布に変調させる液晶空間位相変調器５とを有
し、この液晶空間位相変調器５の位相変調量は可変であ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学系の被写界深度
を拡大する被写界深度拡大システムに関する。
を拡大する被写界深度拡大システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光学系の被写界深度を拡大するた
めの技術として、（１）米国特許第５７４８３７１号
（コロラド大学）、（２）Edward R.Dowski,Jr.,W.Thom
as Cathey,“Extended depth of field through wave-f
ront coding”,Appl.Opt.Vol.39,1859-1866(1995)、
（３）Sara Bradburn,Wade Thomas Cathey,Edward R.Do
wski,Jr.,“Realization of focus invariance in opti
cal-digital systems with wave-front coding”,Appl.
Opt.Vol136,9157-9166(1997)に開示されたものがある。
めの技術として、（１）米国特許第５７４８３７１号
（コロラド大学）、（２）Edward R.Dowski,Jr.,W.Thom
as Cathey,“Extended depth of field through wave-f
ront coding”,Appl.Opt.Vol.39,1859-1866(1995)、
（３）Sara Bradburn,Wade Thomas Cathey,Edward R.Do
wski,Jr.,“Realization of focus invariance in opti
cal-digital systems with wave-front coding”,Appl.
Opt.Vol136,9157-9166(1997)に開示されたものがある。
【０００３】このうち米国特許第５７４８３７１号に開
示された被写界深度拡大システムの概略構成を図６に示
す。図６に示すように、この光学システムはレンズ系６
２とＣＣＤ６３からなる光学系の瞳位置に挿入されたキ
ュービック位相変調マスク６０を有する。このキュービ
ック位相変調マスク６０は物体６１から反射された光に
位相分布を与え、レンズ系６２を介してＣＣＤ６３に投
影する。このＣＣＤ６３からの出力は画像処理装置６４
によって画像処理される。
示された被写界深度拡大システムの概略構成を図６に示
す。図６に示すように、この光学システムはレンズ系６
２とＣＣＤ６３からなる光学系の瞳位置に挿入されたキ
ュービック位相変調マスク６０を有する。このキュービ
ック位相変調マスク６０は物体６１から反射された光に
位相分布を与え、レンズ系６２を介してＣＣＤ６３に投
影する。このＣＣＤ６３からの出力は画像処理装置６４
によって画像処理される。
【０００４】キュービック位相変調マスク６０の具体的
な構成を図３に示す。キュービック位相変調マスク６０
は、一方の面（上面）は、図３に網掛けで示すようなｚ
＝ｋ（ｘ3＋ｙ3）の曲面形状を有し、もう一方の面、す
なわち底面は平面形状をなしている。このキュービック
位相変調マスク６０を透過した光の位相は、入射光に対
し、その入射位置（ｘ，ｙ）に応じて Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ3＋ｙ3）），｜ｘ｜≦１，｜ｙ｜≦１ …（１） のずれを生じる。ここでαは位相変調量、ｘ，ｙは最大
値１で規格化された瞳位置での座標である。
な構成を図３に示す。キュービック位相変調マスク６０
は、一方の面（上面）は、図３に網掛けで示すようなｚ
＝ｋ（ｘ3＋ｙ3）の曲面形状を有し、もう一方の面、す
なわち底面は平面形状をなしている。このキュービック
位相変調マスク６０を透過した光の位相は、入射光に対
し、その入射位置（ｘ，ｙ）に応じて Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ3＋ｙ3）），｜ｘ｜≦１，｜ｙ｜≦１ …（１） のずれを生じる。ここでαは位相変調量、ｘ，ｙは最大
値１で規格化された瞳位置での座標である。
【０００５】次に、この被写界深度拡大システムを用い
ることで得られるＯＴＦ(Optical Transfer Function：
光学伝達関数)の強度分布を図７〜図１０により説明す
る。図７は通常の光学系を通したＯＴＦを示すものであ
る。通常の光学系では物体が合焦位置からずれるにした
がってＯＴＦの強度分布は図７（ａ）〜（ｃ）へと変化
する。一方、被写界深度拡大システムでは、図８（ａ）
〜（ｃ）に示すようになり、その変化は小さい。これを
図９に示す特性を有する逆フィルタを用いて処理する
と、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、合焦位置から
ずれている場合（図１０（ｂ）（ｃ））であっても合焦
時のＯＴＦの強度分布（図１０（ａ））に近い結果が得
られる。
ることで得られるＯＴＦ(Optical Transfer Function：
光学伝達関数)の強度分布を図７〜図１０により説明す
る。図７は通常の光学系を通したＯＴＦを示すものであ
る。通常の光学系では物体が合焦位置からずれるにした
がってＯＴＦの強度分布は図７（ａ）〜（ｃ）へと変化
する。一方、被写界深度拡大システムでは、図８（ａ）
〜（ｃ）に示すようになり、その変化は小さい。これを
図９に示す特性を有する逆フィルタを用いて処理する
と、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、合焦位置から
ずれている場合（図１０（ｂ）（ｃ））であっても合焦
時のＯＴＦの強度分布（図１０（ａ））に近い結果が得
られる。
【０００６】また、このＯＴＦの変化を、実際の画像で
説明すると、通常の光学系では焦点位置がずれるにつれ
て、焦点ずれによるボケが生じてくるが、被写界深度拡
大システムを用いた場合、焦点位置をずらしたときの画
像処理前の画像はぼけてはいるが、それぞれの画像にお
いてボケ方が変化しない。これらの画像に対し、逆フィ
ルタによる画像処理を行うと、通常の光学系の焦点ずれ
がしていない画像と同等の画像が得られ、被写界深度が
拡大できることがわかる。
説明すると、通常の光学系では焦点位置がずれるにつれ
て、焦点ずれによるボケが生じてくるが、被写界深度拡
大システムを用いた場合、焦点位置をずらしたときの画
像処理前の画像はぼけてはいるが、それぞれの画像にお
いてボケ方が変化しない。これらの画像に対し、逆フィ
ルタによる画像処理を行うと、通常の光学系の焦点ずれ
がしていない画像と同等の画像が得られ、被写界深度が
拡大できることがわかる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したキ
ュービック位相変調マスク６０はその位相変調量、すな
わち式（１）のαによって、被写界深度の拡大率や、画
像処理の際に用いる空間フィルタのサイズ、さらに画像
処理装置へ取り込む時の撮像手段のノイズに対する影響
が異なるという特性を有する。
ュービック位相変調マスク６０はその位相変調量、すな
わち式（１）のαによって、被写界深度の拡大率や、画
像処理の際に用いる空間フィルタのサイズ、さらに画像
処理装置へ取り込む時の撮像手段のノイズに対する影響
が異なるという特性を有する。
【０００８】すなわち、αが大きいほど被写界深度の拡
大率が大きくなる一方で、空間フィルタのサイズが大き
くなり、画像処理に要する計算量が多くなる。
大率が大きくなる一方で、空間フィルタのサイズが大き
くなり、画像処理に要する計算量が多くなる。
【０００９】図１１は、αが２０の場合と６０の場合の
合焦位置における被写界深度拡大システムを通したＯＴ
Ｆの強度分布を示すものであり、図１１に示すように、
αが２０の場合のほうがＯＴＦの強度は大きく、６０の
場合のほうが小さい。この被写界深度拡大システムを通
したＯＴＦを画像処理により通常の光学系でのＯＴＦの
強度分布へ戻すためには、図１２のような特性の空間フ
ィルタが必要となる。
合焦位置における被写界深度拡大システムを通したＯＴ
Ｆの強度分布を示すものであり、図１１に示すように、
αが２０の場合のほうがＯＴＦの強度は大きく、６０の
場合のほうが小さい。この被写界深度拡大システムを通
したＯＴＦを画像処理により通常の光学系でのＯＴＦの
強度分布へ戻すためには、図１２のような特性の空間フ
ィルタが必要となる。
【００１０】図１２は画像処理によって、観察している
試料の対応する空間周波数の情報が何倍になるかを表し
ており、図１５より、α＝２０の場合は最大で約５倍で
あるのに対し、α＝６０の場合には約８倍になる。この
ような空間フィルタにより画像処理を行うと、画像処理
前の画像に撮像手段のノイズがのっていた場合に、ノイ
ズも一緒に強調されてしまうので、上記したようにαが
２０の場合よりも６０の場合のほうが、ノイズが強調さ
れる度合いが大きく、撮像手段のノイズに対する影響が
大きい。またこのノイズに対する影響は、観察する試料
の構造によっても異なる。
試料の対応する空間周波数の情報が何倍になるかを表し
ており、図１５より、α＝２０の場合は最大で約５倍で
あるのに対し、α＝６０の場合には約８倍になる。この
ような空間フィルタにより画像処理を行うと、画像処理
前の画像に撮像手段のノイズがのっていた場合に、ノイ
ズも一緒に強調されてしまうので、上記したようにαが
２０の場合よりも６０の場合のほうが、ノイズが強調さ
れる度合いが大きく、撮像手段のノイズに対する影響が
大きい。またこのノイズに対する影響は、観察する試料
の構造によっても異なる。
【００１１】以上のように試料を観察するときには、必
要な被写界深度、画像処理に費やすことができる計算
量、試料の構造などは一定の条件にはならず、最適な条
件があり、それに合わせて位相変調量αを変更すること
が必要である。
要な被写界深度、画像処理に費やすことができる計算
量、試料の構造などは一定の条件にはならず、最適な条
件があり、それに合わせて位相変調量αを変更すること
が必要である。
【００１２】しかしながら、従来の被写界深度拡大シス
テムで用いられているキュービック位相変調マスク等で
は、位相変調量αは一義的に定まってしまうものであ
り、試料の構造の変動に対して何らノイズの影響を低減
することはできなかった。
テムで用いられているキュービック位相変調マスク等で
は、位相変調量αは一義的に定まってしまうものであ
り、試料の構造の変動に対して何らノイズの影響を低減
することはできなかった。
【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、被写界深度拡大シ
ステムを用いて試料を観察する時に、試料像を最適な条
件で観察することのできる被写界深度拡大システムを提
供することである。
たもので、その目的とするところは、被写界深度拡大シ
ステムを用いて試料を観察する時に、試料像を最適な条
件で観察することのできる被写界深度拡大システムを提
供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の主要な観点によれば、被写体からの光を
集光するレンズ系及びこのレンズ系によって集光された
光を検知し被写体の像を検出する撮像手段を有する被写
体検出光学系と、被写体と撮像手段との間に配置され、
被写体からの光の位相分布を変調可能な波面変換素子
と、撮像手段から出力された像検出信号を空間フィルタ
を用いて画像変換する画像変換手段とを有し、波面変換
素子により位相変調された被写体像を画像変換手段によ
って画像処理することにより被写界深度が拡大された画
像を生成する被写界深度拡大システムであって、波面変
換素子は、被写体からの光の位相変調量を任意に設定可
能であり、画像変換手段の空間フィルタは、波面変換素
子で設定された光の位相変調量に応じて変更可能である
ことを特徴とする被写界深度拡大システムが提供され
る。
め、この発明の主要な観点によれば、被写体からの光を
集光するレンズ系及びこのレンズ系によって集光された
光を検知し被写体の像を検出する撮像手段を有する被写
体検出光学系と、被写体と撮像手段との間に配置され、
被写体からの光の位相分布を変調可能な波面変換素子
と、撮像手段から出力された像検出信号を空間フィルタ
を用いて画像変換する画像変換手段とを有し、波面変換
素子により位相変調された被写体像を画像変換手段によ
って画像処理することにより被写界深度が拡大された画
像を生成する被写界深度拡大システムであって、波面変
換素子は、被写体からの光の位相変調量を任意に設定可
能であり、画像変換手段の空間フィルタは、波面変換素
子で設定された光の位相変調量に応じて変更可能である
ことを特徴とする被写界深度拡大システムが提供され
る。
【００１５】このような構成によれば、撮像手段で得ら
れる画像のノイズの状態に応じて、被写界深度を得るた
めの位相変調量を波面変換素子により任意に制御するこ
とができるため、従来のキュービック位相変調マスクを
用いた場合と比較してシステムの自由度が向上し、試料
の観察をより良好に行える。
れる画像のノイズの状態に応じて、被写界深度を得るた
めの位相変調量を波面変換素子により任意に制御するこ
とができるため、従来のキュービック位相変調マスクを
用いた場合と比較してシステムの自由度が向上し、試料
の観察をより良好に行える。
【００１６】また、画像変換手段の空間フィルタは、波
面変換素子で設定された光の位相変調量に応じて変更可
能であるため、被写界深度拡大システムの制御がより良
好に行える。
面変換素子で設定された光の位相変調量に応じて変更可
能であるため、被写界深度拡大システムの制御がより良
好に行える。
【００１７】なお、波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することが望ましい。
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することが望ましい。
【００１８】また、波面変換素子は、被写体検出光学系
の光学伝達関数を被写体の観察光軸方向位置に関わらず
ほぼ一定に変形させるキュービック位相変調マスクとし
て機能するものであり、画像変換手段は、光学伝達関数
を復元するように空間フィルタを用いて撮像手段からの
像検出信号を画像変換するものであり、波面変換素子の
キュービック位相変調マスクとしての位相変調量を任意
に設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部
において設定された位相変調量に対応して空間フィルタ
を変更する空間フィルタ制御部とを有することが望まし
い。
の光学伝達関数を被写体の観察光軸方向位置に関わらず
ほぼ一定に変形させるキュービック位相変調マスクとし
て機能するものであり、画像変換手段は、光学伝達関数
を復元するように空間フィルタを用いて撮像手段からの
像検出信号を画像変換するものであり、波面変換素子の
キュービック位相変調マスクとしての位相変調量を任意
に設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部
において設定された位相変調量に対応して空間フィルタ
を変更する空間フィルタ制御部とを有することが望まし
い。
【００１９】また、撮像手段により出力され、画像変換
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設け、表示画像を確認しながら位相変調量の設定を行
うことがより望ましい。
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設け、表示画像を確認しながら位相変調量の設定を行
うことがより望ましい。
【００２０】また、画像変換手段は、空間フィルタを制
御する制御部を有することが望ましい。
御する制御部を有することが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
の実施形態を説明する。
【００２２】（第１実施形態）まず本発明の第１実施形
態を図１〜図５を参照して説明する。
態を図１〜図５を参照して説明する。
【００２３】図１は本発明を適用したビデオマイクロス
コープ装置の全体構成を示すものである。このビデオマ
イクロスコープは、対物レンズユニット１と、この対物
レンズユニット１が取り付けられるビデオマイクロスコ
ープヘッド２１と、この装置を制御する制御システムに
大別される。
コープ装置の全体構成を示すものである。このビデオマ
イクロスコープは、対物レンズユニット１と、この対物
レンズユニット１が取り付けられるビデオマイクロスコ
ープヘッド２１と、この装置を制御する制御システムに
大別される。
【００２４】対物レンズユニット１の光学系は、第１〜
第３のレンズ２〜４からなる３枚のレンズ群とこの発明
の要部である１枚の液晶空間位相変調器５からなる。こ
の対物レンズユニット１は、上記のレンズ群２〜４及び
液晶空間位相変調器５を保持する円筒状の筒６を有し、
この筒６は円筒状のカバー７により覆われている。ま
た、この筒６とカバー７の間には、筒６の周囲を囲む間
隙が設けられており、この間隙には照明光を導くための
光ファイバ８がヘッド２１側から挿通されている。この
光ファイバ８は光源装置３２から導入された照明光を導
光し、図に９で示す試料に照射することができるように
なっている。この光ファイバ８は、ビデオマイクロスコ
ープヘッド２１の外部に設けられた光源装置３２に接続
されている。カバー７の先端部分には照明ヘッド１５が
取り付けられており、光ファイバ８からの光を反射させ
て観察対象の試料９を効率的に照射できるようになって
いる。
第３のレンズ２〜４からなる３枚のレンズ群とこの発明
の要部である１枚の液晶空間位相変調器５からなる。こ
の対物レンズユニット１は、上記のレンズ群２〜４及び
液晶空間位相変調器５を保持する円筒状の筒６を有し、
この筒６は円筒状のカバー７により覆われている。ま
た、この筒６とカバー７の間には、筒６の周囲を囲む間
隙が設けられており、この間隙には照明光を導くための
光ファイバ８がヘッド２１側から挿通されている。この
光ファイバ８は光源装置３２から導入された照明光を導
光し、図に９で示す試料に照射することができるように
なっている。この光ファイバ８は、ビデオマイクロスコ
ープヘッド２１の外部に設けられた光源装置３２に接続
されている。カバー７の先端部分には照明ヘッド１５が
取り付けられており、光ファイバ８からの光を反射させ
て観察対象の試料９を効率的に照射できるようになって
いる。
【００２５】また、筒６内に設けられた第１〜第３のレ
ンズ２〜４及び液晶空間位相変調器５はそれぞれ保持部
材１０〜１３を介して保持されている。各レンズ２〜４
及び液晶空間位相変調器５は保持部材１０〜１３に保持
された状態で、図に示す順序で筒６内に挿入され、定位
置に固定される。これにより、液晶空間位相変調器５
は、レンズ群２〜４からなる光学系の瞳位置又はその近
傍に配置される。
ンズ２〜４及び液晶空間位相変調器５はそれぞれ保持部
材１０〜１３を介して保持されている。各レンズ２〜４
及び液晶空間位相変調器５は保持部材１０〜１３に保持
された状態で、図に示す順序で筒６内に挿入され、定位
置に固定される。これにより、液晶空間位相変調器５
は、レンズ群２〜４からなる光学系の瞳位置又はその近
傍に配置される。
【００２６】一方、前記液晶空間位相変調器５は通過光
の位相を任意に変調できる波面変換素子であり例えばホ
モジニアス配向液晶パネルからなる。図２は液晶空間位
相変調器５の模式図である。液晶空間位相変調器５は図
２（ａ）に示すようなマトリックス状の電極で液晶分子
を挟んでおり、液晶分子はホモジニアス配向となってい
る。
の位相を任意に変調できる波面変換素子であり例えばホ
モジニアス配向液晶パネルからなる。図２は液晶空間位
相変調器５の模式図である。液晶空間位相変調器５は図
２（ａ）に示すようなマトリックス状の電極で液晶分子
を挟んでおり、液晶分子はホモジニアス配向となってい
る。
【００２７】ホモジニアス配向は、図２（ｂ）に示す電
圧０Ｖの状態、すなわち電極５ａ及び５ａ’の電圧が同
じ場合で液晶分子５ｂがガラス面に平行であるが、ＴＮ
パネルと違い液晶分子はねじれていないので、ディレク
タ、すなわち液晶分子の長軸方向は液晶層内で一定であ
る。図２（ｃ）に示すように印加電圧がしきい値電圧よ
り大きくなると液晶層中間の液晶分子５ｂからディレク
タがガラス面に垂直になる。液晶分子５ｂがねじれてい
ないので施光性はなく、光強度変調素子としては使えな
いが、液晶分子５ｂの複屈折から印加電圧によって光路
長、すなわち位相を変化させることができる。
圧０Ｖの状態、すなわち電極５ａ及び５ａ’の電圧が同
じ場合で液晶分子５ｂがガラス面に平行であるが、ＴＮ
パネルと違い液晶分子はねじれていないので、ディレク
タ、すなわち液晶分子の長軸方向は液晶層内で一定であ
る。図２（ｃ）に示すように印加電圧がしきい値電圧よ
り大きくなると液晶層中間の液晶分子５ｂからディレク
タがガラス面に垂直になる。液晶分子５ｂがねじれてい
ないので施光性はなく、光強度変調素子としては使えな
いが、液晶分子５ｂの複屈折から印加電圧によって光路
長、すなわち位相を変化させることができる。
【００２８】このような液晶空間位相変調器５によれ
ば、液晶パネルのマトリックス電極へ与える電圧分布に
より、任意の位相分布を与えることができる。図３はこ
の変調器５によって与えたい位相差分布を示す模式図で
ある。すなわち、この位相変調器５を透過した光の位相
は、 Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ3＋ｙ3）），｜ｘ｜≦１，｜ｙ｜≦１…（２ ） のずれを生じる。αは位相変調量、ｘ，ｙは最大値１で
規格化された瞳位置での座標を表す。式（２）のαの値
によって透過する光に与える位相差は異なり、α＝２０
のとき最大の位相差は８０ｒａｄであり、α＝６０のと
きは２４０ｒａｄである。
ば、液晶パネルのマトリックス電極へ与える電圧分布に
より、任意の位相分布を与えることができる。図３はこ
の変調器５によって与えたい位相差分布を示す模式図で
ある。すなわち、この位相変調器５を透過した光の位相
は、 Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ3＋ｙ3）），｜ｘ｜≦１，｜ｙ｜≦１…（２ ） のずれを生じる。αは位相変調量、ｘ，ｙは最大値１で
規格化された瞳位置での座標を表す。式（２）のαの値
によって透過する光に与える位相差は異なり、α＝２０
のとき最大の位相差は８０ｒａｄであり、α＝６０のと
きは２４０ｒａｄである。
【００２９】但し、本実施形態においては液晶空間位相
変調器５は最大２πｒａｄの位相差しか与えることがで
きない。そこで、この実施形態では位相Ｐ（ｘ，ｙ）を
２πで割った余りとなる位相分布を与えるような電圧を
パネルの電極５ａに印加することで、式（２）と等価な
位相分布を与えるようにしている。
変調器５は最大２πｒａｄの位相差しか与えることがで
きない。そこで、この実施形態では位相Ｐ（ｘ，ｙ）を
２πで割った余りとなる位相分布を与えるような電圧を
パネルの電極５ａに印加することで、式（２）と等価な
位相分布を与えるようにしている。
【００３０】説明を簡単にするため、図３に示す位相分
布において、α＝２０の場合のｙ＝０での断面図を図４
に示す。横軸は最大値１で規格化された瞳位置での座
標、縦軸は位相である。この図４に示す位相分布を液晶
空間位相変調器５で実現するためには、図５に示すよう
な位相分布を与えればよい。横軸は最大値１で規格化さ
れた瞳位置での座標、縦軸は位相である。従って、液晶
空間位相変調器５に適当な電圧分布を与えることによ
り、αが２０や６０の場合に最大となる位相差である８
０ｒａｄ，２４０ｒａｄと等価な位相分布を与えること
ができる。
布において、α＝２０の場合のｙ＝０での断面図を図４
に示す。横軸は最大値１で規格化された瞳位置での座
標、縦軸は位相である。この図４に示す位相分布を液晶
空間位相変調器５で実現するためには、図５に示すよう
な位相分布を与えればよい。横軸は最大値１で規格化さ
れた瞳位置での座標、縦軸は位相である。従って、液晶
空間位相変調器５に適当な電圧分布を与えることによ
り、αが２０や６０の場合に最大となる位相差である８
０ｒａｄ，２４０ｒａｄと等価な位相分布を与えること
ができる。
【００３１】このように構成された対物レンズユニット
１は、ビデオマイクロスコープヘッド２１に取り付けら
れている。このビデオマイクロスコープヘッド２１は、
試料９を照射する前記光ファイバ８に照明光を導く光フ
ァイバ２３の基端部を保持するとともに、ＣＣＤ２２を
保持し試料９で反射された光を前記レンズ２〜４及び液
晶空間位相変調器５を介してＣＣＤ２２で受光させる。
１は、ビデオマイクロスコープヘッド２１に取り付けら
れている。このビデオマイクロスコープヘッド２１は、
試料９を照射する前記光ファイバ８に照明光を導く光フ
ァイバ２３の基端部を保持するとともに、ＣＣＤ２２を
保持し試料９で反射された光を前記レンズ２〜４及び液
晶空間位相変調器５を介してＣＣＤ２２で受光させる。
【００３２】次に、このマイクロスコープを制御する制
御システムを説明する。このシステムは、前記液晶空間
位相変調器５のマトリックス電極５ａに電圧を印加し、
任意の位相分布を形成する液晶コントローラ３６と、位
相変調量（α）の設定部３９と、αに応じて液晶コント
ローラ３６を作動させ所望の被写界深度を生じさせる中
央制御部３５と、ＣＣＤ２２を制御し、液晶空間位相変
調器５を通過した光強度を検出するＣＣＤコントローラ
３１と、空間フィルタ４０及びこの空間フィルタ４０の
フィルタ係数をαに応じて設定するフィルタ制御部を有
し、画像変換を行う画像処理装置３３と、この画像処理
手段３３から出力された画像を表示したモニタ３４を有
する。ここで、位相変調量（α）設定部３９を通したα
の設定はオペレータがモニタ３４を見ながら行ってもよ
いし、被写体に応じて予め設定しておいてもよい。
御システムを説明する。このシステムは、前記液晶空間
位相変調器５のマトリックス電極５ａに電圧を印加し、
任意の位相分布を形成する液晶コントローラ３６と、位
相変調量（α）の設定部３９と、αに応じて液晶コント
ローラ３６を作動させ所望の被写界深度を生じさせる中
央制御部３５と、ＣＣＤ２２を制御し、液晶空間位相変
調器５を通過した光強度を検出するＣＣＤコントローラ
３１と、空間フィルタ４０及びこの空間フィルタ４０の
フィルタ係数をαに応じて設定するフィルタ制御部を有
し、画像変換を行う画像処理装置３３と、この画像処理
手段３３から出力された画像を表示したモニタ３４を有
する。ここで、位相変調量（α）設定部３９を通したα
の設定はオペレータがモニタ３４を見ながら行ってもよ
いし、被写体に応じて予め設定しておいてもよい。
【００３３】次に、上述のように構成されるビデオマイ
クロスコープの動作を説明する。
クロスコープの動作を説明する。
【００３４】光源装置３２からの光は光ファイバ２３，
８を通過し照明ヘッド１５で反射され、観察対象の試料
９を照射する。試料９で反射された光は第１のレンズ
２、液晶空間位相変調器５、第２のレンズ３及び第３の
レンズ４の光学系を通った後、ＣＣＤ２２上へ結像され
る。このとき、液晶コントローラ３６は、中央制御部３
５により設定された任意のαに基づいて、対応するキュ
ービック位相変調マスクの位相分布（図３，図４）を与
えるような電圧分布（図５）を液晶空間位相変調器５へ
与える。このことで、被写界深度を拡大することができ
る。
８を通過し照明ヘッド１５で反射され、観察対象の試料
９を照射する。試料９で反射された光は第１のレンズ
２、液晶空間位相変調器５、第２のレンズ３及び第３の
レンズ４の光学系を通った後、ＣＣＤ２２上へ結像され
る。このとき、液晶コントローラ３６は、中央制御部３
５により設定された任意のαに基づいて、対応するキュ
ービック位相変調マスクの位相分布（図３，図４）を与
えるような電圧分布（図５）を液晶空間位相変調器５へ
与える。このことで、被写界深度を拡大することができ
る。
【００３５】このようにキュービック位相変調マスクと
同様な位相変調作用をもつ液晶空間位相変調器５を通
り、ＣＣＤ２２で撮像された画像はＣＣＤコントローラ
３１を介して、画像処理装置３３へ取り込まれる。画像
処理装置３３は、中央制御部３５により設定されたαに
対応するように空間フィルタ４０を設定し、この空間フ
ィルタを用いた画像処理を行う。
同様な位相変調作用をもつ液晶空間位相変調器５を通
り、ＣＣＤ２２で撮像された画像はＣＣＤコントローラ
３１を介して、画像処理装置３３へ取り込まれる。画像
処理装置３３は、中央制御部３５により設定されたαに
対応するように空間フィルタ４０を設定し、この空間フ
ィルタを用いた画像処理を行う。
【００３６】このような動作によれば、位相変調器αに
応じて液晶空間位相変調器５を制御することで所望の被
写界深度を得ることができ、かつこのαに応じた空間フ
ィルタ４０を用いて画像処理を行うことで被写界深度の
拡大された画像を得ることが可能になる。
応じて液晶空間位相変調器５を制御することで所望の被
写界深度を得ることができ、かつこのαに応じた空間フ
ィルタ４０を用いて画像処理を行うことで被写界深度の
拡大された画像を得ることが可能になる。
【００３７】次に位相変調量の設定について説明する。
【００３８】オペレータはαを任意の初期値に設定して
モニタ３４を用いて試料９の観察を開始する。すなわ
ち、オペレータは、試料９の画像を合焦位置付近でずら
しながらモニタ３４で観察し、このモニタ３４を通して
被写界深度及びノイズの量を確認する。そして、設定さ
れていたαでは、被写界深度が足りなかったり、画像に
のるノイズが大きい場合には、位相変調量（α）設定部
３９を調整することによりαの設定を変更する。つまり
被写界深度が足りない場合はαを大きくし、ノイズが大
きい場合はαを小さくする。このように観察者はモニタ
３４を見ながら最適なαを決定して観察を行う。
モニタ３４を用いて試料９の観察を開始する。すなわ
ち、オペレータは、試料９の画像を合焦位置付近でずら
しながらモニタ３４で観察し、このモニタ３４を通して
被写界深度及びノイズの量を確認する。そして、設定さ
れていたαでは、被写界深度が足りなかったり、画像に
のるノイズが大きい場合には、位相変調量（α）設定部
３９を調整することによりαの設定を変更する。つまり
被写界深度が足りない場合はαを大きくし、ノイズが大
きい場合はαを小さくする。このように観察者はモニタ
３４を見ながら最適なαを決定して観察を行う。
【００３９】以上のような構成、動作及び観察方法によ
れば、試料９を観察する場合に、必要な被写界深度、画
像処理に費やすことができる計算量、試料の構造など
を、最適な条件にする位相変調量αを用いて観察を行う
ことができる。
れば、試料９を観察する場合に、必要な被写界深度、画
像処理に費やすことができる計算量、試料の構造など
を、最適な条件にする位相変調量αを用いて観察を行う
ことができる。
【００４０】なお本実施形態ではビデオマイクロスコー
プについて適用した例について示したが、本発明はビデ
オマイクロスコープに限らず顕微鏡やカメラ、内視鏡等
の様々な光学系へ適用可能である。液晶空間位相変調器
５は、透過する光に任意の位相分布を与えることができ
る波面変換素子（例えば電気光学材料や磁気光学材料で
作られた位相変調素子）であれば、特に限定されない。
また、本実施形態では透過形の構成をとっているが、反
射形の波面変換素子を使うことも可能で、その場合はマ
イロクミラーデバイス等を利用することができる。ま
た、観察者の手動により中央制御部３５を制御してαの
値を設定する場合を示したが、所定の位相変調量制御部
を設け、撮像された画像に基づいてαの値を自動で設定
する機能を付加することもできる。
プについて適用した例について示したが、本発明はビデ
オマイクロスコープに限らず顕微鏡やカメラ、内視鏡等
の様々な光学系へ適用可能である。液晶空間位相変調器
５は、透過する光に任意の位相分布を与えることができ
る波面変換素子（例えば電気光学材料や磁気光学材料で
作られた位相変調素子）であれば、特に限定されない。
また、本実施形態では透過形の構成をとっているが、反
射形の波面変換素子を使うことも可能で、その場合はマ
イロクミラーデバイス等を利用することができる。ま
た、観察者の手動により中央制御部３５を制御してαの
値を設定する場合を示したが、所定の位相変調量制御部
を設け、撮像された画像に基づいてαの値を自動で設定
する機能を付加することもできる。
【００４１】なお、この明細書には、以下の発明が含ま
れることを確認する。
れることを確認する。
【００４２】（１）被写体からの光を集光するレンズ系
及びこのレンズ系によって集光された光を検知し被写体
の像を検出する撮像手段を有する被写体検出光学系と、
被写体と撮像手段との間に配置され、被写体からの光の
位相分布を変調可能な波面変換素子と、撮像手段から出
力された像検出信号を空間フィルタを用いて画像変換す
る画像変換手段とを有し、波面変換素子により位相変調
された被写体像を画像変換手段によって画像処理するこ
とにより被写界深度が拡大された画像を生成する被写界
深度拡大システムであって、波面変換素子は、被写体か
らの光の位相変調量を任意に設定可能であり、画像変換
手段の空間フィルタは、波面変換素子で設定された光の
位相変調量に応じて変更可能であり、さらに波面変換素
子は、被写体検出光学系の光学伝達関数を被写体の観察
光軸方向位置に関わらずほぼ一定に変形させるものであ
り、画像変換手段は、光学伝達関数を復元するように空
間フィルタを用いて撮像手段からの像検出信号を画像変
換するものであり、波面変換素子の位相変調量を任意に
設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部に
おいて設定された位相変調量に対応して空間フィルタを
変更する空間フィルタ制御部とを有することを特徴とす
る被写界深度拡大システム。
及びこのレンズ系によって集光された光を検知し被写体
の像を検出する撮像手段を有する被写体検出光学系と、
被写体と撮像手段との間に配置され、被写体からの光の
位相分布を変調可能な波面変換素子と、撮像手段から出
力された像検出信号を空間フィルタを用いて画像変換す
る画像変換手段とを有し、波面変換素子により位相変調
された被写体像を画像変換手段によって画像処理するこ
とにより被写界深度が拡大された画像を生成する被写界
深度拡大システムであって、波面変換素子は、被写体か
らの光の位相変調量を任意に設定可能であり、画像変換
手段の空間フィルタは、波面変換素子で設定された光の
位相変調量に応じて変更可能であり、さらに波面変換素
子は、被写体検出光学系の光学伝達関数を被写体の観察
光軸方向位置に関わらずほぼ一定に変形させるものであ
り、画像変換手段は、光学伝達関数を復元するように空
間フィルタを用いて撮像手段からの像検出信号を画像変
換するものであり、波面変換素子の位相変調量を任意に
設定する位相変調量設定部と、この位相変調量設定部に
おいて設定された位相変調量に対応して空間フィルタを
変更する空間フィルタ制御部とを有することを特徴とす
る被写界深度拡大システム。
【００４３】（２）波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することを特徴とする被写
界深度拡大システム。
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器をキュービック位相変調マスクとして機能
させる液晶コントローラを有することを特徴とする被写
界深度拡大システム。
【００４４】（３）波面変換素子がホモジニアス配向の
液晶空間位相変調器であることを特徴とする被写界深度
拡大システム。
液晶空間位相変調器であることを特徴とする被写界深度
拡大システム。
【００４５】（４）撮像手段により出力され、画像変換
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設けたことを特徴とする被写界深度拡大システム。
手段により画像処理された画像を映し出す画像表示手段
を設けたことを特徴とする被写界深度拡大システム。
【００４６】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、試
料の構造に最適な位相変調量により任意の位相分布を与
えて観察できるようになるため、拡大被写界深度を充分
に確保した条件で、ノイズの少ない試料の観察が可能と
なる。
料の構造に最適な位相変調量により任意の位相分布を与
えて観察できるようになるため、拡大被写界深度を充分
に確保した条件で、ノイズの少ない試料の観察が可能と
なる。
【図１】本発明の第１実施形態に係る被写界深度拡大シ
ステムが適用されるビデオマイクロスコープの全体構成
を示す図。
ステムが適用されるビデオマイクロスコープの全体構成
を示す図。
【図２】同実施形態に係る液晶空間位相変調器の模式
図。
図。
【図３】液晶空間位相変調器により与える位相差分布を
示す図。
示す図。
【図４】液晶空間位相変調器により与える位相差分布の
位相変調量α＝２０の場合のｙ＝０での断面図。
位相変調量α＝２０の場合のｙ＝０での断面図。
【図５】同実施形態に係る液晶空間位相変調器の位相分
布を示す図。
布を示す図。
【図６】従来の被写界深度拡大システムの概略構成を示
す図。
す図。
【図７】通常の光学系の光強度分布を示す図。
【図８】被写界深度拡大システムの光強度分布を示す
図。
図。
【図９】被写界深度拡大システムにより変形された試料
の光強度分布を変形前に戻すための逆フィルタの特性曲
線を示す図。
の光強度分布を変形前に戻すための逆フィルタの特性曲
線を示す図。
【図１０】逆フィルタを通した光強度分布を示す図。
【図１１】合焦位置における被写界深度拡大システムを
通したＯＴＦの強度分布を示す図。
通したＯＴＦの強度分布を示す図。
【図１２】空間フィルタの特性曲線を示す図。
１…対物レンズ ２…第１のレンズ ３…第２のレンズ ４…第３のレンズ ５…液晶空間位相変調器 ６…筒 ７…カバー ８…光ファイバ ９…試料 １０，１１，１２，１３…保持部材 １４…固定枠 １５…照明ヘッド ２１…ビデオマイクロスコープヘッド ２２…ＣＣＤ ２３…光ファイバ ３１…ＣＣＤコントローラ ３２…光源装置 ３３…画像処理装置 ３４…モニタ ３５…中央制御部 ３６…液晶コントローラ ３９…位相変調量（α）設定部 ４０…空間フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｖ ５Ｃ０２４ 7/18 Ｍ ５Ｃ０５４ 5/335 Ｇ０６Ｆ 15/64 ３２０Ｄ 7/18 15/68 ４００Ａ Ｆターム(参考） 2H088 EA47 HA10 MA02 MA03 4C061 AA00 BB02 CC06 DD00 LL01 NN01 NN05 PP01 SS13 SS30 5B047 AA17 BB01 BC07 CA17 CB16 DA10 5B057 AA07 BA02 BA15 BA23 CE06 5C022 AA01 AB13 AB15 AB51 AC42 AC54 AC55 AC69 AC75 5C024 AA01 AA03 CA00 CA02 EA08 FA01 GA11 HA27 5C054 AA01 CA04 CC03 CD01 CE06 DA08 EA01 EJ00 FA01 FC00 FC03 HA01 HA12
Claims (3)
- 【請求項１】 被写体からの光を集光するレンズ系及び
このレンズ系によって集光された光を検知し前記被写体
の像を検出する撮像手段を有する被写体検出光学系と、 前記被写体と前記撮像手段との間に配置され、前記被写
体からの光の位相分布を変調可能な波面変換素子と、 前記撮像手段から出力された像検出信号を空間フィルタ
を用いて画像変換する画像変換手段とを有し、 前記波面変換素子により位相変調された前記被写体像を
前記画像変換手段によって画像処理することにより被写
界深度が拡大された画像を生成する被写界深度拡大シス
テムであって、 前記波面変換素子は、前記被写体からの光の位相変調量
を任意に設定可能であり、 前記画像変換手段の空間フィルタは、前記波面変換素子
で設定された光の位相変調量に応じて変更可能であるこ
とを特徴とする被写界深度拡大システム。 - 【請求項２】 前記波面変換素子は、前記被写体検出光
学系の光学伝達関数を前記被写体の観察光軸方向位置に
関わらずほぼ一定に変形させるキュービック位相変調マ
スクとして機能するものであり、 前記画像変換手段は、前記光学伝達関数を復元するよう
に前記空間フィルタを用いて前記撮像手段からの像検出
信号を画像変換するものであり、 前記波面変換素子の前記キュービック位相変調マスクと
しての位相変調量を任意に設定する位相変調量設定部
と、 この位相変調量設定部において設定された位相変調量に
対応して前記空間フィルタを変更する空間フィルタ制御
部とを有することを特徴とする請求項１に記載の被写界
深度拡大システム。 - 【請求項３】 前記波面変換素子は、マトリクス状の液
晶空間位相変調器であって、このマトリクス状の液晶空
間位相変調器を前記キュービック位相変調マスクとして
機能させる液晶コントローラを有することを特徴とする
請求項１又は２に記載の被写界深度拡大システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11080454A JP2000275582A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 被写界深度拡大システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11080454A JP2000275582A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 被写界深度拡大システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000275582A true JP2000275582A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13718717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11080454A Withdrawn JP2000275582A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 被写界深度拡大システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000275582A (ja) |
Cited By (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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