(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点スキャナにより光ビームで試料面を走査し試料のスライス像を得ることのできる共焦点顕微鏡装置において、
前記スライス像を撮像装置で撮影する際または前記スライス像を直接肉眼により観察する際の、ＮＴＳＣまたはＰＡＬによる１画像積算時間よりも速く対物レンズを光軸方向に走査する対物レンズ移動機構を具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
【請求項２】
前記対物レンズの移動機構は、前記対物レンズの走査時間を１画像積算時間の整数倍としたことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡装置。
【請求項３】
共焦点スキャナにより光ビームで試料面を走査し試料のスライス像を得ることのできる共焦点顕微鏡装置において、
前記スライス像を撮像装置で撮影する際または前記スライス像を直接肉眼により観察する際の、ＮＴＳＣまたはＰＡＬによる１画像積算時間よりも速く対物レンズを光軸方向に走査する対物レンズ移動機構と、
前記対物レンズ移動機構による光軸方向走査と同期して前記試料を搭載したステージを光軸と直角な方向に走査する横方向走査手段を具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
【請求項４】
前記対物レンズの移動機構は、前記対物レンズの走査時間を１画像積算時間の整数倍としたことを特徴とする請求項３記載の共焦点顕微鏡装置。
【請求項５】
共焦点スキャナにより光ビームで試料面を走査し試料のスライス像を得ることのできる共焦点顕微鏡装置において、
前記スライス像を撮像装置で撮影する際または前記スライス像を直接肉眼で観察する際の、ＮＴＳＣまたはＰＡＬによる１画像積算時間よりも速く対物レンズを光軸方向に走査する対物レンズ移動機構と、
前記光軸方向に走査するときの共焦点平面位置に応じて前記光ビーム強度または撮像装置の感度を増加または減少させる制御手段を具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡を用いて被試験対象物の３次元表示を行う共焦点顕微鏡装置に関し、更に詳しくは、高分解能と深い焦点深度を高速でリアルタイムに実現し、リアルタイム３次元表示を光学的に行うための改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の共焦点顕微鏡装置の一例を図７に示す。光学顕微鏡１０に搭載された共焦点スキャナ２０により試料１１の像をとらえ、この像をカメラ３０で撮影する。共焦点スキャナ２０にはレーザ発生器５０より発生したレーザ光が供給されている。
【０００３】
カメラ３０の出力信号はコンバータ４０によりデジタル信号に変換され、コンピュータ６０の記憶手段（図示せず）に格納される。
【０００４】
光学顕微鏡１０において、試料１１を搭載するステージ１２は、移動機構１３（図では煩雑さを避けるために光学顕微鏡１から分離して描いてある）により光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能になっており、その移動機構１３はパルスモータ（図示せず）を用いてステージ１２の回転ノブ（図示せず）を回すことによりステージ１２をＺ軸方向に移動するように構成されている。
【０００５】
さて、共焦点スキャナ２０により光軸に直角な方向（ＸＹ軸方向）に光走査すると、試料１１のスライス像が得られる。このとき、移動機構１３によりステージ１２をＺ軸方向に少しずつ移動させて多数のスライス像を採取し、その後コンピュータ６０で再構築することにより試料１１の３次元画像を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような構成の共焦点顕微鏡装置では次のような課題があった。
（１）  移動機構１３がパルスモータ駆動のために生ずる課題
▲１▼ステージ１２全体を上下させるが、重量が大きく慣性も大きいため高速では移動できず、時間もかかる。
▲２▼正確でない。すなわち、ステージ１２の回転ノブをパルスモータで回すため、脱調（パルスモータが動いたつもりが実際には動いていない）や、回転ノブとステージ１２を連結するラックピニオン部での動きにヒステリシスがあり、本当に動いたかどうか分からず移動が正確でない。
▲３▼通常パルスモータは外形が大きく、取り付けも困難である。
【０００７】
（２）  コンピュータ６０で３次元画像再構築をするために生じる課題
▲１▼時間がかかる。通常、１枚の画像を得るのに数分ないし数十分かかる。
▲２▼３次元画像再構築用のソフトウェアが高価であり、また操作が難しい。
【０００８】
本発明の目的は、このような課題を解決するもので、光軸方向の走査を高速に行い、リアルタイム３次元表示を容易に行うことのできる共焦点顕微鏡装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、共焦点スキャナにより光ビームで試料面を走査し試料のスライス像を得ることのできる共焦点顕微鏡装置において、前記スライス像を撮像装置で撮影する際または前記スライス像を直接肉眼により観察する際の、ＮＴＳＣまたはＰＡＬによる１画像積算時間よりも速く対物レンズを光軸方向に走査する対物レンズ移動機構を具備したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、対物レンズ移動機構を備え、これにより対物レンズを光軸方向に走査する。このとき、対物レンズを、撮像装置あるいは肉眼により１画像を観察する際の、ＮＴＳＣによる１画像積算時間（ほぼ３３mS／画面）またはＰＡＬによる１画像積算時間（４０mS／画面）よりも速く走査する。これによりリアルタイムで深い焦点深度の画像を見ることができ、試料のリアルタイム３次元表示を実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る共焦点顕微鏡装置の一実施例を示す要部構成図である。図において、共焦点スキャナ２０部分は周知の構成であり、集光ディスク２２、ピンホールディスク２３、ビームスプリッタ２５およびレンズ２６より構成される。
【００１２】
集光ディスク２２は、通常マイクロレンズ（図示せず）が複数個配列され、ピンホールディスク２３の各ピンホール（複数のピンホールが配列されている）に光ビーム（ここではレーザ光）２１を集光するように形成されている。ピンホールディスク２３は集光ディスク２２と平行に連結されており、同一軸の周りを等速度で一体に回転できるようになっている。光軸に直角な面（ＸＹ軸平面）で回転中のピンホールディスク２３から出射された光は顕微鏡１０に入射し、試料１１面を走査する。
【００１３】
ビームスプリッタ２５は集光ディスク２２とピンホールディスク２３の間に配置され、顕微鏡１０からの戻り光を反射する。この反射光はレンズ２６を介して撮像装置（例えばカメラ）３０の受像面に入射する。
【００１４】
顕微鏡１０には対物レンズ移動機構１５が設けられ、対物レンズ１４を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させ得るようになっている。対物レンズ移動機構（以下単に移動機構という）１５としては、例えばピエゾ素子およびその駆動手段で構成することができ、外部からの駆動信号によりピエゾ素子を駆動して対物レンズ１４をＺ軸方向に自在に移動させることができる。
【００１５】
このような構成における動作を次に説明する。レーザ光２１は集光ディスク２２のマイクロレンズによってピンホールディスク２３のピンホール２４に集光される。ピンホール２４を通過したレーザ光は、対物レンズ１４によりピンホールディスク２３と共役な位置にある試料１１内の走査面１６上の集光点１７に集束する。
【００１６】
集光ディスク２２およびピンホールディスク２３が回転することにより試料１１面の走査面１６上が光走査され、試料面からの反射光は再度対物レンズ１４とピンホールディスク２３を通過した後、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６によりカメラ３０の受像面に結像する。
【００１７】
このとき、対物レンズ１４は移動機構１５によって駆動されており、駆動１周期にわたって対物レンズ１４の深さ方向の位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，．．．Ｚｎでのスライス像がカメラ３０で撮影される。
図２は上記のスライス像についての説明図であり、同図（ａ）はＺ軸方向の各スライス画像、同図（ｂ）は試料とスライス面との関係を示す図である。なお、図２（ａ）におけるＺｓｕｍはＺ１，Ｚ２，Ｚ３，．．．Ｚｎのスライス像を重ねあわせた合成画像である。
なお、対物レンズ１４はカメラや肉眼で１画像を見る際の１画像積算時間よりも速く走査して、各スライス像を得ている。
【００１８】
ここで、カメラ３０をＮＴＳＣ（３０画／秒）とし、対物レンズ１４をＺ1，
Ｚ2，Ｚ3，．．．Ｚnのストロークに対して３０Ｈｚで動かすとＺ1，Ｚ2，Ｚ3，．．．Ｚnの合成画像がカメラ３０によりリアルタイムで撮像できる。
また、カメラ３０がＰＡＬ方式（２５画／秒、すなわち４０mS／画面）のものである場合は、対物レンズ１４をＺ1，Ｚ2，Ｚ3，．．．Ｚnのストロークに対して２５Ｈｚで動かすと、上記と同様にＺ1，Ｚ2，Ｚ3，．．．Ｚnの合成画像がカメラ３０によりリアルタイムで撮像できる。
なお、カメラ３０に代えて肉眼で覗いても同様にリアルタイムで合成画像を見ることができる。
【００１９】
なお、従来の非共焦点顕微鏡においても深い焦点深度は可能であるが、全体に不明瞭なボケた画像しか得られない。共焦点顕微鏡では全体にピントのあった明瞭な画像（スライス像）が得られる利点がある。
また、共焦点顕微鏡ではスライス像しか見えないため、はじめに位置を決める段階では非共焦点像で全体を見た後共焦点に光学的に切換えるようにしていたが、本発明における位置決めでは移動機構１５の動作／停止を制御する電気信号の切換えのみで済むという利点がある。
【００２０】
なお、対物レンズ１４の動きは図３に示すように１周期（時間ｔ）で１往復（対物レンズの振れ幅ａ）するため、換言すれば１周期で２枚の合成画像が得られるため、１５Ｈｚで対物レンズ１４を動かすようにしても実質上問題はない。一般に、走査時間は画像積算時間の整数倍として差し支えない。
【００２１】
また、ピンホールディスク２３から対物レンズ１４までの間にチューブレンズを挿入し、対物レンズを上下に移動しても常に対物レンズ１４の焦点位置にビームが集束するようにしておいて何ら差し支えない。
【００２２】
更に、上記動作に同期してステージ１２（図６参照）を光軸と直角な方向（横方向）に動かせば、試料１１を斜めから見た積算像が得られる。図４の（ａ）〜（ｃ）はスライス像、同図（ｄ）は試料の外観図である。図４（ａ）はステージ１２を初期位置に固定にして真上から（図４（ｄ）のＤ１方向から）見たときのスライス像、同図（ｂ）はステージ１２を右方へ移動させながら見たとき（図４（ｄ）のＤ２方向から見たとき）のスライス像、同図（ｃ）はステージ１２を左方へ移動させながら見たとき（同図（ｄ）のＤ３方向から見たとき）のスライス像である。
【００２３】
このようにステージ１２を横に走査させることにより試料１１を斜めから見た画像をリアルタイムで得ることができる。
ここで、上記Ｚ方向走査を３０Ｈｚ、図４の（ａ）〜（ｃ）への変化を例えば１Ｈｚ程度で行うと、あたかも試料１１がゆっくりと左右に振れたように見え、動的立体視により立体感が得られる。なお、上記横方向へ移動させる対象は試料１１に限定されない。対物レンズ、チューブレンズ、共焦点スキャナ、カメラのいずれを横移動させても上記と同様の結果が得られる。要するに、試料と撮像装置の横方向の相対位置を変化させれば上記の結果が得られる。
【００２４】
また、レーザ光の強度あるいはカメラ３０の感度を制御し得る制御機構を設け、Ｚ軸方向移動に応じてレーザ光の強度あるいはカメラ３０の感度を増減するようにしてもよい。
このような制御機構により、図５（ａ）に示すようにピエゾ素子の駆動電圧の増加に連れて、換言すれば試料１１に対する共焦点平面位置の深さ（これを試料深さと呼ぶ）が深くなるに連れてレーザ光の強度あるいはカメラ３０の感度を大きくするか、または図５（ｂ）に示すように試料深さが浅くなるに従ってレーザ光の強度あるいはカメラ３０の感度が小さくなるようにしてもよい。
【００２５】
図６（ａ）は図５（ａ）のような制御の場合に得られるスライス像、図６（ｂ）は図５（ｂ）のような制御の場合に得られるスライス像をそれぞれ概念的に表わしたものである。図６では、レーザ光の強度あるいはカメラ３０の感度と実線の太さを対応させて示してある。
手前を明るく奥を暗くすることによって人間は立体感を感じるため、上記のようにすることにより立体感のある画像表示を容易に得ることができる。
【００２６】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、光軸方向に１画像積算時間と同等以上の速度で対物レンズを走査することにより、リアルタイムで深い焦点深度の画像が容易に得られる。
【００２８】
請求項２または４に記載の発明によれば、対物レンズの走査時間を１画像積算時間の整数倍とすることによりフレームずれのない画像を容易に得ることができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、光軸方向に１画像積算時間と同等以上の速度で対物レンズを走査すると共に、対物レンズの光軸方向走査と同期して試料を搭載したステージを光軸と直角な方向に走査することにより、試料の動的立体視ができ、立体感のある画像が得られる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、１画像積算時間よりも速く対物レンズを光軸方向に走査すると共に、共焦点平面位置に応じて前記光ビーム強度または撮像装置の感度を増加または減少させることにより、前後関係を持った立体感のある画像が得られるので深さ方向で異なる反応をしている試料の共焦点画像をリアルタイムで測定できるばかりでなく、観測目標が深さ方向に移動する場合でも共焦点画像取り込み範囲内であれば常に動向を把握できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る共焦点顕微鏡装置の一実施例を示す要部構成図である。
【図２】スライス像についての説明図である。
【図３】対物レンズの動きの一例を示す図である。
【図４】ステージを横移動させた場合の説明図である。
【図５】レーザ光の強度あるいはカメラの感度の制御態様を示す図である。
【図６】図５の制御態様に対応したスライス像の概念図である。
【図７】従来の共焦点顕微鏡装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０  顕微鏡
１１  試料
１２  ステージ
１４  対物レンズ
１５  対物レンズ移動機構
１６  走査面
１７  集光点
２０  共焦点スキャナ
２１  レーザ光
２２  集光ディスク
２３  ピンホールディスク
２４  ピンホール
２５  ビームスプリッタ
２６  レンズ
３０  カメラ
【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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