(57)【要約】【課題】生体観察装置において、検出用の撮像と観察用の撮像を一つの撮像装置で行うことが可能な生体観察装置を提供することを目的とする。【解決手段】試料に近接配置される対物レンズと、前記対物レンズを介して試料を撮像する撮像装置と、前記試料の変位を補正する方向に前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動装置と、前記試料の観察用画像と前記試料の変位を検出するための検出用画像を取得するように前記撮像装置の制御を行う制御装置とを備える生体観察装置を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に近接配置される対物レンズと、
前記対物レンズを介して試料を撮像する撮像装置と、
前記試料の変位を補正する方向に前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動装置と、
前記試料の観察用画像と前記試料の変位を検出するための検出用画像を取得するように前記撮像装置の制御を行う制御装置とを備える生体観察装置。
【請求項２】
前記撮像装置がＸＹアドレス式の撮像素子を具備し、前記制御装置が、観察用画像の撮像と検出用画像の撮像において前記撮像素子の読み出し画素を切り変えることを特徴とする、請求項１に記載の生体観察装置。
【請求項３】
前記撮像装置が、長時間露光用画素と短時間露光用画素から構成される撮像素子を具備することを特徴とする、請求項１又は２に記載の生体観察装置。
【請求項４】
前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が１列置きに配置された撮像素子を具備することを特徴とする、請求項３に記載の生体観察装置。
【請求項５】
前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が互い違いに配置された撮像素子を具備することを特徴とする、請求項３に記載の生体観察装置。
【請求項６】
前記撮像装置が、１つの画素内に２つの光感部を有し、高速読み出しと低速読み出しの両方が可能である画素から構成される撮像素子を具備することを特徴とする、請求項１又は２に記載の生体観察装置。
【請求項７】
前記撮像装置が、低速読み出し領域及び高速読み出し領域を有する撮像素子を具備することを特徴とする、請求項１又は２に記載の生体観察装置。
【請求項８】
前記制御装置が、短時間露光による検出用画像の撮像と、長時間露光による観察用画像の撮像を交互に行うように前記撮像装置を制御することを特徴とする、請求項１に記載の生体観察装置。
【請求項９】
前記生体観察装置が生体観察用の顕微鏡である、請求項１〜８の何れか一項に記載の生体観察装置。
【請求項１０】
前記試料が生体中の細胞、組織又は内臓であることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の生体観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物学の研究において、標本として実験動物の一個体を用い、生きたままその臓器等を光学顕微鏡により観察するいわゆるインビボ観察が行われるようになっている。インビボ観察においては、観察対象が拍動、呼吸動などの動きを有するために観察位置のズレや焦点のボケが生じやすい。このような観察位置の変位や焦点ボケを解消するために、撮像手段を備えた顕微鏡全体を観察対象の動きに合わせて追従させる装置（例えば、特許文献１）、或いは、観察対象の動きに合わせて対物レンズを追従させる装置（例えば特許文献２）などが知られている。特許文献２では、観察対象の動きを検出するために、観察用のカメラとは別に検出用カメラを備えている。
【特許文献１】特開平７−２２２７５４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８７８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通常、生体を観察する場合には光源をあまり強くはできない。そのため、撮像する際のフレームレートは小さくなる。図２に、フレームレートと読み出し速度を模式的に示した。図２における低速読み出しとはフレームレートが小さいことを意味する。観察用の画像を得るためには一般に、低速読み出しを行うことが必要である。一方、図２における高速読み出しとはフレームレートが大きいことを意味し、生体の変位を検出するためにはこのようにフレームレートを大きくする必要がある。
【０００４】
そこで従来の生体観察用顕微鏡装置は、フレームレートが異なる観察用と検出用の２台のカメラを備えていた。しかしながら、２台のカメラを使用することにより、構成が複雑になり、またコストも上昇するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、生体を生きたまま観察する生体観察装置において、検出用画像と観察用画像を一つの撮像装置で撮像することを可能にし、これによって、構成が簡略化された生体観察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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。    
本発明は、試料に近接配置される対物レンズと、前記対物レンズを介して試料を撮像する撮像装置と、前記試料の変位を補正する方向に前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動装置と、前記試料の観察用画像と前記試料の変位を検出するための検出用画像を取得するように前記撮像装置の制御を行う制御装置とを備える生体観察装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、一つの撮像装置で検出用画像と観察用画像を撮像することが可能である。これにより、観察装置の構成を単純化することができる。
【０００８】
上記発明においては、前記撮像装置がＸＹアドレス式の撮像素子であり、前記制御装置が、観察用画像の撮像と検出用画像の撮像において前記撮像素子の読み出し画素を切り変えることができる。
【０００９】
また上記発明においては、前記撮像装置が、長時間露光用画素と短時間露光用画素から構成される撮像素子を具備することができる。
【００１０】
また上記発明においては、前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が１列置きに配置された撮像素子を具備することができる。或いは、前記撮像装置が、前記長時間露光用画素と短時間露光用画素が互い違いに配置されることができる。
【００１１】
また上記発明においては、前記撮像装置が、１つの画素内に２つの光感部を有し、高速読み出しと低速読み出しの両方が可能である画素から構成される撮像素子を具備することができる。    
上記発明においては、前記撮像装置が、低速読み出し領域及び高速読み出し領域を有する撮像素子を具備することができる。    
また上記発明においては、前記制御装置が、短時間露光による検出用画像の撮像と、長時間露光による観察用画像の撮像を交互に行うように前記撮像装置を制御することができる。
【００１２】
また、上記生体観察装置は、生体観察用の顕微鏡であってよく、或いは内視鏡やその他の観察装置であってもよい。    
上記生体観察装置において観察される試料は、生体中の細胞、組織又は内臓であってよく、生体の動的挙動が補正されることによって、生きたままの試料中の極微細な対象を観察することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出用の撮像と観察用の撮像を一つの撮像装置で行うことが可能であり、より構成が簡略化された生体観察装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の生体観察装置は、顕微鏡観察装置として好適に用いられるが、これに限定されず、例えば内視鏡観察装置やその他の適切な装置として用いられることもできる。以下、説明の便宜のため、顕微鏡観察装置を例として詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態に係る顕微鏡観察装置１について、図１を参照して説明する。    
本実施形態に係る顕微鏡観察装置１は、試料Ｓを搭載するステージ２と、励起光Ｅを出射する励起光源３と、該励起光源３からの励起光Ｅを導く照明レンズ（照明光学系）４と、該照明レンズ４により導かれた励起光Ｅを試料Ｓに導く一方、試料Ｓにおいて発生した蛍光Ｆをコリメートする対物レンズ５と、該対物レンズ５によりコリメートされた蛍光Ｆを励起光Ｅから分岐するダイクロイックミラー６と、蛍光Ｆを検出するＣＣＤのような撮像装置（光検出部）９とを備えている。図中符号２０は結像レンズである。
【００１６】
前記励起光源３、照明レンズ４、ダイクロイックミラー６、および撮像装置９は、顕微鏡本体１０に備えられている。一方、前記対物レンズ５は、顕微鏡本体１０から切り離され、対物レンズ駆動装置１１により支持されている。
【００１７】
対物レンズ駆動装置１１は、前記対物レンズ５をステージ２と顕微鏡本体１０との間に配置するアーム１２と、該アーム１２により保持された対物レンズ５を鉛直方向に移動させる第１の駆動機構１３と、前記対物レンズ５を水平２方向に移動させる第２、第３の駆動機構１４，１５と、前記対物レンズ５を該対物レンズ５の光軸に直交する２方向に沿う軸線回りに揺動させる第４、第５の駆動機構１６，１７とを備えている。第１〜第３の駆動機構１３〜１５は、例えば、モータ１３ａ〜１５ａと、該モータ１３ａ〜１５ａに接続された図示しないボールネジ等の直線移動機構とを備えている。第４、第５の駆動機構１６，１７は、例えば、モータ１６ａ，１７ａと、該モータ１６ａ，１７ａに接続された減速機構１６ｂ，１７ｂとを備えている。
【００１８】
撮像装置９には、該撮像装置９により取得された画像を処理して試料Ｓの変位量とその方向を算出するとともに、前記対物レンズ駆動装置１１の各駆動機構１３〜１７に対し、試料Ｓの変位による対物レンズ５の光軸のズレを補正する方向に対物レンズ５を駆動する駆動指令を出力する駆動制御装置１８が接続されている。
【００１９】
撮像装置９にはさらに、該撮像装置９を制御して検出用画像と観察用画像を取得する、制御装置１９が接続される。
【００２０】
次に、撮像装置９に備えられる撮像素子２３について説明する。  
撮像装置９にはＣＭＯＳ等のＸＹアドレス方式の撮像素子２３が備えられる。ＸＹアドレス方式の撮像素子は、任意の位置の信号を任意のタイミングで読み出すことが可能である。ここで、撮像素子２３は、長時間露光用画素２１と短時間露光用画素２２の２種類の画素から構成される。長時間露光用画素２１とは、図２に示すような低速読み出しが可能な画素を指す。一方、短時間露光用画素２２とは、図２に示すような高速読み出しが可能な画素を指す。
【００２１】
本実施形態においては、検出用画像と観察用画像を撮像する際に用いる画素が制御装置１９により指定される。
【００２２】
第１の実施例において、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２は、図３に示すように一列おきに配置される。第２の実施例において、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２は、図４に示すように、互い違いに配置される。
【００２３】
さらに第３の実施例においては、長時間露光と短時間露光の双方が可能な画素から構成される撮像素子が用いられる。このような画素は、長時間露光用と短時間露光用の２つの光感部を有するものである。長時間露光が可能な画素と短時間露光が可能な画素では撮像する波長が異なるが、例えば、長時間露光用の光感部と短時間露光用の光感部を重ね合わせ、それぞれの波長を検出できる画素が使用可能である。
【００２４】
以上の各実施例において、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２は、それぞれの機能に適した異なる画素を用いてもよい。また、長時間露光と短時間露光のいずれの機能も満たす機能特性を有する画素であれば、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２に同じ画素を用いてもよい。長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２は、さらに、それぞれが検出する波長に適した光学フィルターを備える。
【００２５】
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置１においては、図５に示されるように、対物レンズ駆動装置１１の作動により、対物レンズ５が、光軸に沿うＺ軸方向、光軸に直交するＸ軸，Ｙ軸方向および、Ｘ軸およびＹ軸回りのＡ，Ｂ方向にそれぞれ移動できるようになっており、対物レンズ５が生体の変位を追従することができる。
【００２６】
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置１の作用について以下に説明する。    
本実施形態に係る顕微鏡観察装置１においては、制御装置１９からの指令に従って、短時間露光用画素２２を用いて試料の変位を検出するための画像が撮像される。撮像装置９により短時間露光用画素２２を用いて取得された検出用画像情報は、駆動制御装置１８に送られ、駆動制御装置１８において画像処理されることにより、変位の方向、変位量、および揺動角度等が検出される。駆動制御装置１８はこの検出結果に基づいて対物レンズ駆動装置１１の各駆動機構１３〜１７に送る指令信号を演算し、該指令信号に基づいて各駆動機構１３〜１７が駆動させられ、生体変位の追従制御が行われる。一方、制御装置１９からの指令に従って、撮像装置９により長時間露光用画素２１を用いて試料の観察用画像が取得される。
【００２７】
本実施形態において、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２の読み出しは、制御装置１９によって制御され、それぞれ独立して並列に行われる。或いは、制御装置１９が上記撮像素子の読み出し画素を切り変え、交互に撮像されてもよい。
【００２８】
なお、上記第１の実施例のように、長時間露光用画素２１及び短時間露光用画素２２が一列おきに配置される場合、画素密度が高い方が、検出分解能が高くいため、検出される振動方向が同種の画素からなる列と平行に配置されることが好ましい。
【００２９】
以上のような構成とすることによって、１台の撮像装置で高速読み出しと低速読み出しの双方を行うことができる。従って、高速読み出しの場合は例えば1000 fpsのフレームレートで撮像でき、生体変位を高精度で検出することができる。また、低速読み出しの場合は長時間露光で撮像でき、Ｓ/Ｎ比の良い明るい画像を得ることができる。
【００３０】
なお、生体振動の検出には蛍光や化学発光等の高輝度の光を発生するマーカーを使用する。この場合、長時間露光用画素２１には生体観察に適した波長選択性を有する光学フィルターを貼り付ける。また、短時間露光用画素２２には、マーカーの検出に適した波長選択性を有する光学フィルターを貼り付ける。それぞれに適した波長選択性を有する光学フィルターを使用することにより、取得する波長を選択する。
【００３１】
また或いは、生体振動の検出にマーカーを使用せず、ナチュラルテクスチャのパターンマッチングを用いてもよい。この手法では、観察された画像をパターン化し、マッチング（ずれをあわせる）により、フレーム間での画像の移動量（変位量）を求める。この手法によれば、マーカーを検出する必要がないため、長時間露光用画素と短時間露光用画素とで同じ光学フィルターを用いることができる。よって、撮像素子を製造する際の手間を簡略化することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡観察装置１を、図６を参照して説明する。本実施形態においては、撮像装置９が具備する撮像素子２４の構成が異なる他は、上述した第１の実施形態に係る顕微鏡観察装置１と同じ構成を有する。
【００３３】
第２の実施形態においては、撮像装置９は、低速読み出し領域２５及び高速読み出し領域２６を有する撮像素子２４を具備する。好ましくは、撮像素子２４の一部領域を高速読み出し領域２６とし、その他の領域を低速読み出し領域２５とする。低速読み出し領域２５は、長時間露光用画素を用い、高速読み出し領域２６は、短時間露光用画素を用いてもよい。しかし、長時間露光での撮像と短時間露光での撮像の何れも実施可能な画素であれば、両領域で同じ画素を用いてもよい。
【００３４】
本実施形態では、高速読み出し領域２６においてマーカーが検出され、低速読み出し領域２５において観察用画像が取得される。従って、観察用の視野からマーカーの画像を排除することができる。
【００３５】
以上のような構成とすることにより、一台の撮像装置で検出用画像と観察用画像が同時に得られると共に、マーカーによる影響のない観察用画像を取得することができる。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態に係る顕微鏡観察装置１を、図７を参照して説明する。本実施形態においては、撮像装置９が具備する撮像素子が異なる他は、上述した第１の実施形態に係る顕微鏡観察装置１と同じ構成を有する。
【００３７】
第３の実施形態においては、全て同じ画素で構成された撮像素子が用いられる。この画素は、高速読み出し及び低速読み出しの何れにも適用できる画素である。
【００３８】
本実施形態の顕微鏡観察装置１においては、制御装置１９からの指令に従って、図７に示すように、短時間露光によって生体変位の検出用画像が撮像される。得られた検出用画像は、上記実施形態と同様に、駆動制御装置１８に送られ、駆動制御装置１８において画像処理されることにより変位が検出される。駆動制御装置１８はこの検出結果に基づいて対物レンズ駆動装置１１に送る指令信号を演算し、該指令信号に基づいて各駆動機構１３〜１７が駆動させられる。
【００３９】
次に、制御装置１９からの指令に従って、長時間露光によって観察用画像が撮像される。得られた画像が図示しない観察系表示部に表示されている間、さらに次の生体変位の検出用画像が撮像される。このように、検出用の短時間露光による撮像と、観察用の長時間露光による撮像を交互に実施する。観察用の画像を撮像している間は、前に検出された生体変位の結果に基づく変位の予測に従って追従制御を行ってもよい。
【００４０】
このようにすることにより、従来と同様の単一の画素から構成される撮像素子を具備する撮像装置であっても、１台の撮像装置で検出用と観察用の画像を取得することができる。また、全画素を撮像に使用できるため、高精度の画像を取得することができる。
【００４１】
なお、短時間露光時と長時間露光時で撮像条件を変化させてもよい。例えば、短時間露光時に、マーカーを検出するための光量を増大させてもよい。これらの制御は制御装置１９によって行うことができる。
【００４２】
以上、正立型の顕微鏡を例として本発明の構成及び作用を説明したが、これに限定されず倒立型であってもよい。また、生体観察とマーカーに対する光学系についても、照明光や蛍光による撮像以外の組合せであってもよい。本発明の範囲は顕微鏡に限定されず、撮像装置、対物レンズ等を備える対物ユニット、該対物ユニット駆動装置などを備える観察装置であれば何れのものでも本願発明に包含される。さらに、本発明はインビトロ観察にも適用できるだけでなく、上述したような露光時間を２種類または、それ以上組み合わせて追従を可能にする、あらゆる動態観察のために適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る顕微鏡観察装置を示す模式的な全体構成図。
【図２】撮像時のフレームレートを示す模式図。
【図３】本発明の観察装置に用いられる撮像素子の１実施例。
【図４】本発明の観察装置に用いられる撮像素子の他の実施例。
【図５】図１の顕微鏡観察装置の説明における対物レンズと座標軸との関係を示す斜視図。
【図６】第２の実施形態に係る観察装置に用いられる撮像素子の１実施例。
【図７】第３の実施形態に係る観察装置による撮像を時系列的に示す模式図。
【符号の説明】
【００４４】
Ｓ…試料、Ｅ…励起光（光）、Ｆ…蛍光（戻り光）、１…顕微鏡観察装置、３…励起光源（光源）、４…照明レンズ（照明光学系）、５…対物レンズ、９…撮像装置、１０…顕微鏡本体、１１…対物レンズ駆動装置、１８…駆動制御装置、１９…制御装置。
【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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