(57)【要約】【課題】観察用途に応じて、検出素子の特性を最大限に生かした観察を行う。【解決手段】所定量以下の入射光量に対しては出力信号が線形に変化する線形応答特性と、所定量よりも多い入射光量に対しては出力信号が非線形に変化する非線形応答特性とを有し、標本Ｓからの光を検出してその光量に応じた出力信号を出力する検出器４７と、線形応答特性の範囲内の出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となる第１増幅率と非線形応答特性の範囲を含む出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となる、第１増幅率よりも低い第２増幅率とを切り替え可能であり、検出器４７から出力された出力信号を第１増幅率または第２増幅率で増幅して輝度信号を生成する光検出回路４９と、光検出回路４９による出力信号の増幅率を第１増幅率と第２増幅率とでユーザに切り替えさせる入力部５１とを備える検出装置７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】
所定量以下の入射光量に対しては出力信号が線形に変化する線形応答特性と、前記所定量よりも多い入射光量に対しては前記出力信号が非線形に変化する非線形応答特性とを有し、標本からの光を検出してその光量に応じた前記出力信号を出力する検出素子と、
前記線形応答特性の範囲内の前記出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となる第１増幅率および前記非線形応答特性の範囲を含む前記出力信号が前記所定の輝度信号取り込み範囲内となる、前記第１増幅率よりも低い第２増幅率が切り替え可能であり、前記検出素子から出力された前記出力信号を増幅して輝度信号を生成する検出回路と、
該検出回路による前記出力信号の増幅率を前記第１増幅率と前記第２増幅率とで操作者に切り替えさせる入力部とを備える検出装置。
【請求項２】
前記非線形応答特性の範囲を含む前記出力信号を前記第２増幅率で増幅して得られる前記輝度信号に対して、前記非線形応答特性の逆関数を乗じて線形補間を行う補間部を備える請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
標本からの光を集光する対物レンズと、
該対物レンズにより集光された前記光を検出して前記輝度信号を生成する請求項１または請求項２に記載の検出装置と、
前記検出回路により生成された前記輝度信号に基づいて画像を構築する画像構築部とを備える顕微鏡システム。
【請求項４】
前記画像構築部が、前記線形応答特性の範囲内の前記出力信号を前記第１増幅率で増幅して生成された前記輝度信号が飽和する場合に、その輝度信号に基づく画素を他の画素と識別可能に前記画像を構築する請求項３に記載の顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置および顕微鏡システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、標本からの光を検出する検出素子のゲインを切り替える顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。特許文献１に記載の顕微鏡装置は、検出器のゲインを切り替えて画像を取得し、ある閾値を基に低ゲインで取得した画像と高ゲインで取得した画像とを切り貼りして、全体としてＳ／Ｎがよい画像を生成している。また、特許文献２に記載の顕微鏡装置は、オフセット、ゲインおよびＨＶ（Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を切り替えて、検出素子からの出力信号のダイナミックレンジを測定し、最適な観察パラメータを自動設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０４１１２０号公報
【特許文献２】特開平０９−２３６７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１には、検出素子から出力される出力信号のリニアリティやダイナミックレンジという特性を最大限に生かす方法については言及されていない。また、特許文献２には、検出素子から出力される出力信号のダイナミックレンジの観点しか言及されておらず、リニアリティを重視する観察方法については言及されていない。したがって、これら特許文献１，２の技術では、観察用途に合わせて検出素子の特性を十分に生かすことができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、観察用途に応じて、検出素子の特性を最大限に生かした観察を行うことができる検出装置および顕微鏡システム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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１態様は、所定量以下の入射光量に対しては出力信号が線形に変化する線形応答特性と、前記所定量よりも多い入射光量に対しては前記出力信号が非線形に変化する非線形応答特性とを有し、標本からの光を検出してその光量に応じた前記出力信号を出力する検出素子と、前記線形応答特性の範囲内の前記出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となる第１増幅率および前記非線形応答特性の範囲を含む前記出力信号が前記所定の輝度信号取り込み範囲内となる、前記第１増幅率よりも低い第２増幅率が切り替え可能であり、前記検出素子から出力された前記出力信号を増幅して輝度信号を生成する検出回路と、該検出回路による前記出力信号の増幅率を前記第１増幅率と前記第２増幅率とで操作者に切り替えさせる入力部とを備える検出装置である。
【０００７】
本態様によれば、検出素子から出力される出力信号が線形応答特性の範囲内からなる場合は明るさが暗いものの標本の高精細な情報が得られ、出力信号が非線形応答特性の範囲を含む場合は標本の精細さに欠けるものの明るい情報が得られる。この場合において、線形応答特性の範囲内の出力信号を第１増幅率で増幅して所定の輝度信号取り込み範囲内の輝度信号を生成すれば、輝度信号に定量性がある観察を行うことができる。一方、非線形応答特性の範囲を含む出力信号を第１増幅率よりも低い第２増幅率で増幅して所定の輝度信号取り込み範囲内の輝度信号を生成すれば、輝度信号を飽和させずにダイナミックレンジが広い観察を行うことができる。
【０００８】
したがって、入力部により、操作者が検出素子から出力される出力信号の応答特性に応じて、検出回路の増幅率を第１増幅率と第２増幅率とで適宜切り替えることで、観察用途に応じて、検出素子の特性を最大限に生かした観察を行うことができる。
【０００９】
上記態様においては、前記非線形応答特性の範囲を含む前記出力信号を前記第２増幅率で増幅して得られる前記輝度信号に対して、前記非線形応答特性の逆関数を乗じて線形補間を行う補間部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、ダイナミックレンジを優先する輝度信号においても、定量性を向上することができる。
【００１０】
本発明の第２態様は、標本からの光を集光する対物レンズと、該対物レンズにより集光された前記光を検出して前記輝度信号を生成する上記いずれかの検出装置と、前記検出回路により生成された前記輝度信号に基づいて画像を構築する画像構築部とを備える顕微鏡システムである。
本態様によれば、観察用途に応じて、検出素子の特性を最大限に生かすことができる検出装置により、観察対象の標本に対して所望の観察を実現することができる。
【００１１】
上記態様においては、前記画像構築部が、前記線形応答特性の範囲内の前記出力信号を前記第１増幅率で増幅して生成された前記輝度信号が飽和する場合に、その輝度信号に基づく画素を他の画素と識別可能に前記画像を構築することとしてもよい。
このように構成することで、定量性の確保を所望する高精細な画像において、輝度信号が飽和している画素を容易に把握することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、観察用途に応じて、検出素子の特性を最大限に生かした観察を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの概略構成図である。
【図２】図１の検出素子の出力信号の応答特性の一例を示すグラフである。
【図３】図１の検出回路の構成を示す概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例に係る検出回路の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る検出装置および顕微鏡システムについて、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡システム１は、図１に示すように、レーザ光を発生する光源ユニット３と、顕微鏡装置５と、標本Ｓからの蛍光を検出する検出装置７と、これら顕微鏡装置５、光源ユニット３および検出装置７を制御する制御装置９と、画像を構築等するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、画像構築部）１１と、画像やＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を表示するモニタ１３とを備えている。
【００１５】
光源ユニット３としては、例えば、多波長レーザ光源が用いられる。光源ユニット３は、レーザ光を発生するスーパコンティニュムレーザ等のレーザ１５Ａ，１５Ｂと、レーザ１５Ａから発せられたレーザ光を反射する反射ミラー１７と、反射ミラー１７により反射されたレーザ光を透過する一方、レーザ１５Ｂから発せられたレーザ光を反射し、これら各レーザ光の光路を合成するダイクロイックミラー１９と、ダイクロイックミラー１９により光路が合成されたレーザ光を調光する音響光学素子等の調光部２１とを備えている。
【００１６】
この光源ユニット３は、レーザ１５Ａ，１５Ｂからレーザ光を発生させて調光部２１によりこれらレーザ光の波長選択および強度調整を制御することによって、所定の波長域で所定の強度のレーザ光を発することができるようになっている。
【００１７】
顕微鏡装置５は、標本Ｓを載置するステージ３１を有する顕微鏡本体２３と、光源ユニット３からのレーザ光を走査させるスキャナ２５と、スキャナ２５により走査されたレーザ光を集光する瞳投影レンズ２７と、瞳投影レンズ２７により集光されたレーザ光を顕微鏡本体２３に向けて反射する反射ミラー２９とを備えている。
【００１８】
スキャナ２５としては、例えば、ガルバノミラー、共振スキャナ、または、ＡＯＤ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ、音響光学偏向素子）等が用いられる。
【００１９】
顕微鏡本体２３は、上記ステージ３１の他に、反射ミラー２９により反射されたレーザ光を平行光に変換する結像レンズ３３と、結像レンズ３３により平行光に変換されたレーザ光をステージ３１上の標本Ｓに照射する一方、標本Ｓにおいて発生する蛍光を集光する対物レンズ３５と、倍率が異なる複数の対物レンズ３５を切り替え可能に支持するレボルバ３７とを備えている。
【００２０】
また、顕微鏡装置５には、対物レンズ３５により集光されてレーザ光の光路を戻る蛍光をレーザ光の光路から分岐させるダイクロイックミラー３９と、ダイクロイックミラー３９によりレーザ光の光路から分岐された蛍光を集光する集光レンズ４１と、集光レンズ４１により集光された蛍光の内、標本Ｓにおける対物レンズ３５の焦点位置において発生した蛍光のみを通過させるピンホール４３と、ピンホール４３を通過した蛍光を平行光に変換して光検出装置７に入射させるコリメートレンズ４５とを備えている。
【００２１】
検出装置７は、コリメートレンズ４５により平行光に変換された蛍光を検出してその光量に応じた出力信号を出力する検出器（検出素子）４７と、検出器４７から出力された出力信号を処理する光検出回路（検出回路）４９と、光検出回路４９に送る指示をユーザ（操作者）に入力させる入力部５１とを備えている。
【００２２】
検出器４７としては、例えば、ＳＩＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）などの光電変換素子が用いられる。この検出器４７は、図２に示すように、所定量以下の入射光量に対しては出力信号が線形に変化する線形応答特性と、所定量よりも多い入射光量に対しては出力信号が非線形に変化する非線形応答特性とを有している。
【００２３】
光検出回路４９は、例えば図３に示すように、検出器４７から出力される出力信号を電流から電圧に変換する増幅部５３と、増幅部５３により電圧に変換された出力信号をアナログからディジタルに変換するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）５５と、ＡＤコンバータ５５から出力される出力信号をピクセルの輝度信号に加工する演算処理部５７と、増幅部５３により電流から電圧に変換される出力信号の増幅率を切り替え制御するゲイン切替制御部５９とを備えている。
【００２４】
増幅部５３は、反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）と出力端子とを備えている。増幅部５３の反転入力端子（−）と出力端子との間には抵抗６１，６３が並列に接続されている。非反転入力端子（＋）は接地されている。また、増幅部５３には、抵抗６３による抵抗の有無を切り替えるスイッチ６５が設けられている。
【００２５】
また、増幅部５３は、図２に示す検出器４７の線形応答特性の範囲内の出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となる高いゲイン設定の第１増幅率と、図２に示す検出器４７の非線形応答特性の範囲を含む出力信号が所定の輝度信号取り込み範囲内となるゲイン設定、すなわち、第１増幅率よりも低いゲイン設定の第２増幅率とが切替可能に構成されている。所定の輝度信号取り込み範囲は、例えば、ＡＤコンバータ５５の入力レンジ（例えば、１２ｂｉｔ）に相当する。
【００２６】
この増幅部５３は、入力部５１から送られてくるユーザからの指示に従い、スイッチ６５がＯＦＦ（開）されると高いゲイン設定の第１増幅率が設定され、スイッチ６５がＯＮ（閉）されると低いゲイン設定の第２増幅率が設定されるようになっている。
【００２７】
入力部５１は、例えば、マウス、キーボード等の入力デバイスで構成され、モニタ１３に表示されるＧＵＩに従って各種の設定情報を入力することができるようになっている。モニタ１３に表示されるＧＵＩは、図２に示す検出器４７の線形応答特性の範囲内の出力信号がＡＤコンバータ５５の入力レンジ（１２ｂｉｔ）となるように第１増幅率を設定する「リニアリティ優先モード」と、図２に示す検出器４７の非線形応答特性の範囲を含む出力信号がＡＤコンバータ５５の入力レンジ（１２ｂｉｔ）となるように第２増幅率を設定する「ダイナミックレンジ優先モード」とを切り替えるモード切替機能を表示して、入力部５１を用いてユーザ入力により「リニアリティ優先モード」と「ダイナミックレンジ優先モード」とを切り替えるようになっている。
【００２８】
ゲイン切替制御部５９は、ユーザが入力部５１を用いてＧＵＩ上のモード切替機能によりいずれかのモードを選択すると、制御装置９を介して送られてくるモードの選択情報に従い、増幅部５３のスイッチ６５のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるようになっている。
演算処理部５７は、ＡＤコンバータ５５から送られてくる出力信号をスキャナ２５の走査位置に対応する画素毎に輝度情報に変換するようになっている。
【００２９】
制御装置９は、光源ユニット３の調光部２１によるレーザ光の調光を制御したり、スキャナ２５によるレーザ光の走査を制御したりするようになっている。
ＰＣ１１は、演算処理部５７から制御装置９を介して送られてくる輝度情報を１ピクセルごとに積算して標本Ｓの画像を生成するようになっている。
【００３０】
このように構成された検出装置７および顕微鏡システム１の作用について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡システム１により標本Ｓを観察する場合は、まず、ステージ３１に標本Ｓを載置し、光源ユニット３のレーザ１５Ａまたはレーザ１５Ｂからレーザ光を発生させて、調光部２１により調光して射出させる。また、ユーザは入力部５１を用いて、モニタ１３に表示されるＧＵＩ上のモード切替機能により、「リニアリティ優先モード」か「ダイナミックレンジ優先モード」を選択する。
【００３１】
光源ユニット３から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー３９により反射されてスキャナ２５により走査された後、瞳投影レンズ２７により集光されて反射ミラー２９により反射され、結像レンズ３３により平行光に変換されて対物レンズ３５により標本Ｓに照射される。
【００３２】
レーザ光が照射されることにより標本Ｓにおいて発生する蛍光は、対物レンズ３５により集光されて結像レンズ３３、反射ミラー２９、瞳投影レンズ２７およびスキャナ２５を介してレーザ光の光路を戻り、ダイクロイックミラー３９を透過してレーザ光の光路から分岐される。
【００３３】
ダイクロイックミラー３９によりレーザ光の光路から分岐された蛍光は、集光レンズ４１により集光されてその一部がピンホール４３を通過し、コリメートレンズ４５により平行光に変換されて検出器４７により検出される。
【００３４】
検出器４７により蛍光が検出されると、検出された蛍光の量に応じた大きさの出力信号が検出器４７から出力され、増幅部５３により出力信号が電流から電圧に変換される。また、ゲイン切替制御部５９により、入力部５１から制御装置９を介して送られてくるユーザが選択したモードの選択情報に従い、増幅部５３のスイッチ６５のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、高いゲイン設定の第１増幅率または低いゲイン設定の第２増幅率で出力信号が増幅される。
【００３５】
そして、増幅部５３において増幅された出力信号は、ＡＤコンバータ５５によりアナログからディジタルに変換された後、演算処理部５７によりピクセルの輝度信号に加工されて、制御装置９を介してＰＣ１１に入力される。そして、ＰＣ１１によりその輝度情報が１ピクセルごとに積算されて標本Ｓの画像が生成され、モニタ１３によりその画像が表示される。
【００３６】
ここで、検出器４７から出力される出力信号が線形応答特性の範囲内からなる場合は明るさが暗いものの標本Ｓの高精細な情報が得られる。一方、検出器４７から出力される出力信号が非線形応答特性の範囲を含む場合は標本Ｓの精細さに欠けるものの明るい情報が得られる。
【００３７】
この場合において、リニアリティ優先モードにより、検出器４７の線形応答特性の範囲内の出力信号を第１増幅率で増幅して所定の輝度信号取り込み範囲内の輝度信号を生成すれば、輝度信号に定量性がある観察を行うことができる。一方、ダイナミックレンジ優先モードにより、検出器４７の非線形応答特性の範囲を含む出力信号を第１増幅率よりも低い第２増幅率で増幅して所定の輝度信号取り込み範囲内の輝度信号を生成すれば、輝度信号を飽和させずにダイナミックレンジが広い観察を行うことができる。
【００３８】
したがって、本実施形態に係る検出装置７および顕微鏡システム１によれば、入力部５１により、ユーザが検出器４７から出力される出力信号の応答特性に応じて、光検出回路４９の増幅率を第１増幅率または第２増幅率に適宜切り替えることで、観察用途に応じて、検出器４７の特性を最大限に生かした観察を行うことができる。
【００３９】
本実施形態においては、増幅部５３において増幅率の切り替えを行うこととしたが、これに代えて、例えば図４に示すように、ＡＤコンバータ５５がゲイン切替機能を有し、入力部５１のＧＵＩにおいてモード切替機能によりユーザが選択するモードの選択情報に従い、ゲイン切替制御部５９により、ＡＤコンバータ５５のゲイン切替機構を制御して、出力信号の増幅率の切り替えを行うこととしてもよい。この場合、増幅部５３は、抵抗６３およびスイッチ６５を備える必要がなく、簡易な構成にすることができる。
【００４０】
本実施形態は、以下のように変形することができる。
例えば、第１変形例としては、ダイナミックレンジ優先モードにおいて、検出器４７の非線形応答特性の範囲を含む出力信号を第２増幅率で増幅して得られる輝度信号に対して非線形応答特性の逆関数を乗じて線形補間を行う補間部（図示略）を備えることとしてもよい。
【００４１】
このようにすることで、ダイナミックレンジを優先する輝度信号においても、定量性を向上することができる。本変形例においては、例えば、補間部により輝度信号に対して線形補間を行った場合に、ＡＤコンバータ５５のｂｉｔ長を超えて表現してもよい。
【００４２】
第２変形例としては、例えば、蛍光ライブイメージングのように、生きた標本Ｓの活動をリアルタイムに観察するレシオイメージングと呼ばれる手法を実行する観察設定であるレシオモードをＧＵＩが有することとしてもよい。
【００４３】
レシオイメージングは、イオン濃度や膜電位、ｐＨの変化に応じて蛍光量が変化するプローブを用い、１つの蛍光プローブ分子から発する２種類の蛍光量の比（レシオ）を測定し、その比の変化量から目的としている生命現象の活動を観察するものである。
【００４４】
レシオイメージングでは、２種類の蛍光量をそれぞれ正確に測定しなくてはならない。したがって、ユーザが入力部５１を用いて、レシオイメージングを行うレシオモードをＧＵＩ上から設定した場合に、リニアリティ優先モードが自動的に選択されるようにしてもよい。
このようにすることで、ユーザは観察設定を意識せず、正確な計測を実施することが可能となる。
【００４５】
第３変形例としては、リニアリティ優先モードが選択されている場合において、ＰＣ１１が、検出器４７の線形応答特性の範囲内の出力信号を第１増幅率で増幅して生成した輝度信号が飽和する場合に、その輝度信号に基づく画素を他の画素と識別可能にオーバレイで表示した画像を構築することとしてもよい。
このようにすることで、定量性の確保を所望する高精細な画像において、輝度信号が飽和している画素を容易に把握することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１      顕微鏡システム
７      検出装置
１１    ＰＣ（画像構築部）
３５    対物レンズ
４７    検出器（検出素子）
４９    光検出回路（検出回路）
５１    入力部
Ｓ      標本
【図１】
2018097048.tif 000003
【図２】
2018097048.tif 000004
【図３】
2018097048.tif 000005
【図４】
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