(57)【要約】【課題】装置の小型化を図りつつ、多光子励起過程による蛍光画像をより安定して取得する。【解決手段】本開示に係る画像取得装置は、被撮像体を２以上の光子で励起して蛍光を発生させるための励起光を被撮像体へと導光する光源光学系と、マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたものであり、一方の端部に入射した励起光を被撮像体へと伝送しつつ、被撮像体で発生した蛍光によって他方の端部へと結像している被撮像体の像を一方の端部へと伝送するイメージガイドファイバと、被撮像体の像を複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査し、光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、被撮像体の画像データを複数生成する撮像光学系と、光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を代表画素値として選択する選択部とを備える。【選択図】図５
2015227778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光する光源光学系と、
マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたものであり、前記光源光学系により一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送するイメージガイドファイバと、
前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成する撮像光学系と、
前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択する選択部と、
を備える、画像取得装置。
【請求項２】
前記走査ピッチは、前記光ファイバ素線のコア径の１／１０以下である、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項３】
前記撮像光学系は、撮像位置を前記走査ピッチごとにずらしながら前記被撮像体を１回撮像することで、前記複数の画像データを生成する、請求項２に記載の画像取得装置。
【請求項４】
前記撮像光学系は、撮像位置を前記光ファイバ素線の配設間隔でずらしつつ走査して前記被撮像体を撮像するという処理を、走査方向に対して直交する方向に撮像開始位置を前記走査ピッチだけずらしながら複数回実施することで、前記複数の画像データを生成する、請求項２に記載の画像取得装置。
【請求項５】
前記選択部は、フィルタ処理により前記代表画素値を選択する、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項６】
選択された前記代表画素値を利用して、前記被撮像体の撮像画像を再構成する撮像画像再構成部を更に備える、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項７】
前記撮像画像再構成部は、再構成された前記撮像画像に対してブラーフィルタを作用させる、請求項６に記載の画像取得装置。
【請求項８】
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）である、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項９】
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器と、当該主発振器出力増幅器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、を有する光源である、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項１０】
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器と、当該主発振器出力増幅器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、増幅された前記レーザ光の波長を変換する波長変換部と、を有する光源である、請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項１１】
被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光することと、
マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたイメージガイドファイバにより、当該イメージガイドファイバの一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送することと、
前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成することと、
前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択することと、
を含む、画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、画像取得装置及び画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の光ファイバ素線からなるイメージガイドファイバを用いたレーザコンフォーカル顕微鏡（顕微内視鏡）システムとして、例えば、以下の特許文献１や非特許文献１に示したようなものが提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１に提案されている顕微内視鏡システムは、観察対象を１光子で励起させることで発生する蛍光をイメージガイドファイバにより伝達し、発生した蛍光を観察するものである。また、例えば非特許文献１に提案されている顕微内視鏡システムは、観察対象を２光子で励起させることで発生する蛍光を、ＧＲＩＮレンズ及びイメージガイドファイバを用いて伝達し、発生した蛍光を観察するものである。
【０００４】
これらの顕微内視鏡システムは、イメージガイドファイバの直径が細径のものでは約１ｍｍ程度と細いため、従来の顕微鏡ではアクセスすることのできない観察対象を観察することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５３０１９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｗ．Ｇｏｂｅｌ，Ｊ．Ｎ．Ｄ．Ｋｅｒｒ，Ａ．Ｎｉｍｍｅｒｊａｈｎ，Ｆ．Ｈｅｌｍｃｈｅｎ，“Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ  ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｆｉｂｅｒ  ｂｕｎｄｌｅ  ａｎｄ  ａ  ｇｒａｄｉｅｎｔ−ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ”，ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，２００４，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．２１，ｐ．２５２１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、以下で詳述するように、上記特許文献１に提案されている顕微内視鏡システムは、マルチモードの光ファイバ素線からなるイメージガイドファイバを利用しているため、そのままでは２光子励起過程を利用した蛍光顕微鏡システムに適用することができない。
【０００８】
また、上記非特許文献１に提案されている顕微内視鏡システムは、２光子励起過程を利用したとされている。かかる顕微内視鏡システムでは、イメージガイドファイバを構成する光ファイバ素線を導波するモードの次数を考慮せず、得られた画像に対してガウシアン・フィルタなどのブラーフィルタを作用させているため、以下で詳述するように、２光子励起過程による蛍光の蛍光効率が悪化し、安定して蛍光信号を取得することができない。
【０００９】
そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、装置の小型化を図りつつ、多光子励起過程による蛍光の画像をより安定して取得することが可能な、画像取得装置及び画像取得方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光する光源光学系と、マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたものであり、前記光源光学系により一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送するイメージガイドファイバと、前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成する撮像光学系と、前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択する選択部と、を備える画像取得装置が提供される。
【００１１】
また、本開示によれば、被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光することと、マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたイメージガイドファイバにより、当該イメージガイドファイバの一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送することと、前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成することと、前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択することと、を含む画像取得方法が提供される。
【００１２】
本開示によれば、被撮像体に対して所定波長の励起光を照射して被撮像体を２以上の光子で励起させることで、蛍光が発生し、マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたイメージガイドファイバにより、イメージガイドファイバの片側の端部に結像している被撮像体の像が、もう片側の端部へと伝送され、伝送された被撮像体の像を複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像することで、被撮像体の画像データが複数生成され、光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の画像データの中で最大輝度となる画素値が、当該画素の代表画素値として選択される。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本開示によれば、装置の小型化を図りつつ、多光子励起過程による蛍光の画像をより安定して取得することが可能となる。
【００１４】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光ファイバ素線に励起される光のモードについて説明するための説明図である。
【図２】光ファイバ素線を導波する光の到達時間の違いを説明するための説明図である。
【図３】光ファイバ素線を導波する光のモードと発生する蛍光の輝度との関係を説明するための説明図である。
【図４】本開示の第１の実施形態に係る画像取得装置の構成を模式的に示した説明図である。
【図５】同実施形態に係る画像取得装置が備える顕微鏡ユニットの構成を模式的に示した説明図である。
【図６Ａ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットが備える光源の一例を模式的に示した説明図である。
【図６Ｂ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットが備える光源の一例を模式的に示した説明図である。
【図６Ｃ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットが備える光源の一例を模式的に示した説明図である。
【図６Ｄ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットが備える光源の一例を模式的に示した説明図である。
【図７】同実施形態に係る顕微鏡ユニットが備えるイメージガイドファイバの構造を模式的に示した説明図である。
【図８Ａ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットにおけるイメージガイドファイバの走査方法を模式的に示した説明図である。
【図８Ｂ】同実施形態に係る顕微鏡ユニットにおけるイメージガイドファイバの走査方法を模式的に示した説明図である。
【図９】同実施形態に係る画像取得装置が備える演算処理ユニットの構成を模式的に示したブロック図である。
【図１０】同実施形態に係る演算処理ユニットにおける代表画素値の選択処理を説明するための説明図である。
【図１１】同実施形態に係る演算処理ユニットにおける代表画素値の選択処理を説明するための説明図である。
【図１２】同実施形態に係る演算処理ユニットにおける代表画素値の選択処理を説明するための説明図である。
【図１３】同実施形態に係る画像取得方法の流れの一例を示した流れ図である。
【図１４】同実施形態に係る演算処理ユニットのハードウェア構成の一例を示したブロック図である。
【図１５】実験例で用いた顕微鏡ユニットの構成を模式的に示した説明図である。
【図１６】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【図１７】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【図１８】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【図１９】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【図２０】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【図２１】実験例で撮像された蛍光画像を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本発明者による検討について
２．第１の実施形態
２．１．画像取得装置の構成について
２．２．画像取得方法について
３．演算処理ユニットのハードウェア構成について
４．実験例
【００１８】
（本発明者による検討について）
本開示の実施形態に係る画像取得装置について説明するに先立ち、本発明者が行った多光子励起過程による蛍光を取得可能な画像取得装置に関する検討結果について、簡単に説明する。
【００１９】
上記特許文献１や非特許文献１に開示されているようなレーザ顕微内視鏡では、イメージガイドファイバの本体側（光源や検出器側）の端面にて、レーザ顕微鏡に用いるガルバノミラーなどで焦点をスキャンする方式が採用されている。これにより、イメージガイドファイバの本体側の端面でのスキャンスポットが試料側端面へと投影され、試料側端面に投影されたスポットによって、試料からの情報を取得する。すなわち、用いるレーザ顕微鏡が蛍光顕微鏡である場合には、投影されたスポット光により試料を蛍光励起し、試料から発せられた蛍光を再びイメージガイドファイバに導くことで、本体側に配置されている受光素子に発生した蛍光を導光する。
【００２０】
ここで、一般的なイメージガイドファイバは、複数の光ファイバ素線を束ねたものである。このようなイメージガイドファイバにおいて光導波路であるコアを密度高く近接させるためには、光ファイバ素線のコアとクラッドとの屈折率差は大きくし、均一なイメージ感度を実現するために光ファイバ素線用いられる光ファイバをマルチモード化し、クロストーク防止のためにクラッド部分における電界強度分布が滲み出る幅を小さくすることが重要となる。
【００２１】
図１は、光ファイバ素線に励起される光のモードについて説明するための説明図であり、イメージガイドファイバを構成する光ファイバ素線の一部を拡大して模式的に示したものである。一般的なイメージガイドファイバでは、複数の光ファイバ素線を束ねる（バンドルする）際に、各光ファイバ素線がなるべく六方細密構造となるように光ファイバ素線を配設していく。しかしながら、製造された光ファイバ素線の断面構造を見てみると、図１に模式的に示したように、光ファイバ素線のコアＣＡ〜ＣＥは、ほぼ六方細密構造となっているものの、配列に歪みが生じている。
【００２２】
ここで、コアＣＡのように、光源から射出された励起光がコアＣＡの中心部を含むようにコア全体に照射された場合、コアＣＡでは、主に基本波（０次モードの光：コア断面の強度分布において、中心部の強度が大きくなるモードの光）が励起される。また、励起光がコアＣＢ及びコアＣＣにまたがるように照射された場合、コアの中心部を含む大部分の領域に励起光が照射されるコアＣＢでは、主に基本波と１次波（１次モードの光：コア断面の強度分布において、２つの腹が存在するモードの光）が励起される一方で、コアの中心部を含まない一部の領域に励起光が照射されるコアＣＣでは、主に１次波が励起される。また、コアＣＤ及びコアＣＥのように、コアの中心部を含まない一部の領域にのみ励起光が照射される場合には、各コアにおいて、主に１次波又は更に高次のモードが励起される。
【００２３】
ところで、１光子励起過程によって発生する蛍光の強度（信号量）は、励起光エネルギーに比例する一方で、２光子励起過程によって発生する蛍光の強度（信号量）は、励起光エネルギーの２乗に比例することが知られている。
【００２４】
上記特許文献１に開示されている顕微内視鏡システムは、１光子励起過程を利用したシステムであるため、光ファイバ素線を導波する光のモードが０次モードであろうと１次モードであろうと、モードの区別なく、試料側端面における光エネルギーの総和に応じて、情報（すなわち、蛍光信号）を取得することができる。そのため、上記特許文献１に開示されているような１光子励起過程を利用したシステムでは、イメージガイドファイバの端面における集光スポットの大きさを、光ファイバ素線のコア径に比較して少々大きくする程度で、安定な蛍光画像を取得することができる。
【００２５】
標準的なイメージガイドファイバの構成の一つに、以下のような設定値を有するイメージガイドファイバがある。
コアの直径＝約３μｍ
コアの屈折率ｎｃｏｒｅ＝１．４９０３２７６
クラッドの屈折率ｎｃｌａｄ＝１．４３２４５０８
導波する光の波長λ＝１３００ｎｍ
【００２６】
本発明者が、かかるイメージガイドファイバの構成において、光ファイバ素線のモード計算を実施したところ、０次モード（基本波）の有効屈折率は１．４７０２となり、１次モード（１次波）の有効屈折率は１．４４０６となった。この値は、図２に模式的に示したように、イメージガイドファイバの長さが２ｍである場合において、１次モードの光が０次モードに比較して１９８ピコ秒だけ早く試料側端面に到達することを示している。
【００２７】
１光子励起過程を利用した特許文献１のシステムでは、０次モードと１次モードの光の到達時間に１９８ピコ秒の差があっても、それぞれの光のエネルギーに比例した蛍光量が得られるため、蛍光量の総和は変化しない。しかしながら、上述のように、２光子励起過程を利用したシステムの場合には、得られる蛍光の信号量は励起光のエネルギーの２乗に比例するため、光ファイバ素線を導波する光が０次モードの光と１次モードの光とに分離してしまうと、２光子励起過程によって発生する蛍光の信号量は低下してしまう。
【００２８】
図３は、光ファイバ素線を導波する光のモードと発生する蛍光の輝度との関係を説明するための説明図であり、光ファイバ素線を導波した光が蛍光ビーズに照射された場合に発生する蛍光の明るさを、パターンＡ〜パターンＥに大別して示したものである。
【００２９】
パターンＡに示したように、０次モードの励起光がコアの中心に位置する蛍光ビーズに照射された場合を考える。この場合は、１光子励起過程による蛍光であろうが、２光子励起過程による蛍光であろうが、発生する蛍光の輝度は大きい（すなわち、明るい蛍光が発生する）。また、パターンＢに示したように、１次モードの励起光がコアの中心に位置する蛍光ビーズに照射された場合には、１光子励起過程による蛍光の輝度は大きいのに対し、２光子励起過程による蛍光の輝度はあまり大きくはない。
【００３０】
また、パターンＣやパターンＤに示したように、蛍光ビーズがコアの中心には位置していない場合、１光子励起過程による蛍光の輝度は、励起光のモードによらず大きくなるのに対し、２光子励起過程による蛍光の輝度は、励起光のモードによらずあまり大きくはならない。
【００３１】
なお、パターンＥに示したように、蛍光ビーズがコアから外れて位置している場合には、励起過程によらず、発生する蛍光の輝度は小さくなる。
【００３２】
図３からも明らかなように、２光子励起過程による蛍光の輝度を大きくするためには、励起光の導波はシングルモード（より詳細には、０次モード）であることが好ましい。また、特許文献１のようにマルチモードの光ファイバ素線から構成されるイメージガイドファイバをそのまま利用するだけでは、蛍光輝度の低下や蛍光輝度のばらつきが生じてしまい、２光子励起過程（更には、多光子励起過程）を利用した蛍光の画像を取得することはできないこともわかる。
【００３３】
イメージガイドファイバを用いて多光子励起過程による蛍光を測定する場合に、イメージガイドファイバを構成する光ファイバ素線をシングルモードの光ファイバ素線とすることも考えられる。この場合、シングルモードの光ファイバ素線を用いる場合において隣り合う光ファイバ素線とのクロストークを減少させるためには、光ファイバのコアとクラッドの屈折率差を少なくすることが必要となる。しかしながら、コアとクラッドの屈折率差を小さくするということは、クラッドへの電界強度分布のしみだしを大きくすることを意味する。従って、隣り合う光ファイバ素線とのクロストークを減少させるためには、隣り合う光ファイバ素線との間隔を広くすることが重要となる。
【００３４】
ここで、イメージガイドファイバの分解能は、光ファイバ素線の配置間隔に依存し、光ファイバ素線の配置間隔が小さいほど、得られる分解能は高くなる。従って、シングルモードの光ファイバ素線を利用し、光ファイバ素線の間隔を広げた場合には、通常のイメージガイドファイバと同程度の分解能の解像度を得るためには光ファイバをスキャンするなどの更なる機構が必要となる一方で、細径化を行うことが困難となる。
【００３５】
更には、光ファイバのコアとクラッドの屈折率差を少なくすることは、光ファイバ素線の開口数（ＮＡ）を低めることとなるため、２光子励起過程による蛍光の信号を効率良く取得するためには、ダブルクラッドファイバを用いるなどの工夫が重要となる。
【００３６】
このように、マルチモードの光ファイバ素線で構成されたイメージガイドファイバを用いて、上記特許文献１と同様の画像取得方法を用いた場合には、２光子励起過程による蛍光画像を安定して取得することはできない。また、２光子励起過程を安定して行うために、光ファイバ素線をシングルモード光導波路により構成した場合には、得られる画像の解像度が落ちてしまうため、細径化（すなわち、小型化）が困難になってしまう。
【００３７】
また、上記非特許文献１に提案されている顕微内視鏡システムは、イメージガイドファイバを構成する光ファイバ素線を導波するモードの次数を考慮しておらず、上記特許文献１と同様の画像取得方法により蛍光画像を取得して、ガウシアン・フィルタなどのブラーフィルタを作用させている。そのため、上記非特許文献１に提案されているシステムを用いた場合であっても、２光子励起過程による蛍光を安定して得ることはできない。
【００３８】
本発明者は、上記のような知見に基づいて、マルチモードの光ファイバ素線からなるイメージガイドファイバを用いた場合であっても安定的に多光子励起蛍光画像を取得可能な画像取得装置について、鋭意検討を行った。その結果、（１）イメージガイドファイバの入射端面でシングルモードが励起されれば、確率的に試料側端面にシングルモードで到達する場合も存在すること、（２）複数回画像取得を行い、最も高い蛍光値を選択することにより、試料側端面にシングルモードで到達した励起光のデータを取得できること、に想到し、以下で説明するような本開示の実施形態に係る画像取得装置及び画像取得方法を完成したのである。
【００３９】
（第１の実施形態）
以下では、図４〜図１２を参照しながら、上記知見に基づいて完成された、本開示の第１の実施形態に係る画像取得装置について、詳細に説明する。
【００４０】
＜画像取得装置について＞
［画像取得装置の全体構成］
まず、図４を参照しながら、本実施形態に係る画像取得装置１の全体構成について説明する。図４は、本実施形態に係る画像取得装置の構成を模式的に示した説明図である。
【００４１】
本実施形態に係る画像取得装置１は、撮像対象である被撮像体に対して所定波長の励起光を照射し、被撮像体から多光子励起過程による蛍光を発生させて、かかる蛍光に基づく被撮像体の撮像画像を取得する装置である。この画像取得装置１は、図４に示したように、顕微鏡ユニット１０と、演算処理ユニット２０と、を備える。
【００４２】
顕微鏡ユニット１０は、被撮像体に対して所定波長の励起光を照射し、多光子励起過程によって発生した蛍光を検出することで、発生した蛍光に関する画像データを生成するユニットである。顕微鏡ユニット１０によって生成された画像データは、演算処理ユニット２０へと出力される。かかる顕微鏡ユニット１０の詳細な構成については、以下で詳述する。
【００４３】
演算処理ユニット２０は、顕微鏡ユニット１０による被撮像体の撮像処理を統括的に制御するとともに、顕微鏡ユニット１０によって生成された画像データに対して後述する演算処理を施し、被撮像体の撮像画像を生成するユニットである。
【００４４】
この演算処理ユニット２０は、顕微鏡ユニット１０の外部に設けられた各種のコンピュータやサーバ等といった情報処理装置であってもよいし、顕微鏡ユニット１０に実装されているＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等からなる演算チップであってもよい。
【００４５】
かかる演算処理ユニット２０の詳細な構成については、以下で詳述する。
【００４６】
［顕微鏡ユニット１０の構成］
次に、図５〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る顕微鏡ユニット１０の詳細な構成について説明する。
図５は、本実施形態に係る画像取得装置１が備える顕微鏡ユニットの構成を模式的に示した説明図である。図６Ａ〜図６Ｄは、本実施形態に係る顕微鏡ユニットが備える光源の一例を模式的に示した説明図である。図７は、本実施形態に係る顕微鏡ユニットが備えるイメージガイドファイバの構造を模式的に示した説明図である。図８Ａ及び図８Ｂは、本実施形態に係る顕微鏡ユニットにおけるイメージガイドファイバの走査方法を模式的に示した説明図である。
【００４７】
本実施形態に係る画像取得装置１が備える顕微鏡ユニット１０は、光源光学系１０１と、イメージガイドファイバ１０３と、撮像光学系１０５と、を主に備える。
【００４８】
光源光学系１０１は、被撮像体Ｓを２以上の光子で励起する（すなわち、多光子で励起する）ことで蛍光を発生させるための所定波長の励起光を、被撮像体Ｓへと導光する光学系である。この光源光学系１０１は、所定波長の励起光を射出するレーザ光源と、光源から射出された励起光を被撮像体Ｓまで導光する、各種レンズ、各種ミラー、各種フィルタ等の光学素子と、から構成される。
【００４９】
光源光学系１０１における各種光学素子の詳細な配置については、特に限定されるものではなく、公知の光学系を採用することが可能である。
【００５０】
また、光源光学系１０１が有するレーザ光源についても、特に限定されるものではなく、各種の半導体レーザや固体レーザやガスレーザ等のように、様々な光源を利用することが可能である。レーザ光源として各種の半導体レーザを用いた光源を用いることで、画像取得装置１をより小型化することが可能となる。
【００５１】
光源光学系１０１が有するレーザ光源部として利用可能な半導体レーザを用いた光源としては、例えば図６Ａ〜図６Ｄに示したような半導体レーザ及び半導体レーザの光を波長変換する波長変換部を用いた光源を用いることが可能である。
【００５２】
図６Ａは、レーザ光源部に適用可能な半導体レーザの一例である、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）１１１を模式的に示したものである。レーザ光源部として設けられるＭＯＰＡ１１１は、所定波長（例えば、波長４０５ｎｍ）のレーザ光を射出可能な半導体レーザユニット１１２と、半導体レーザユニット１１２から射出されたレーザ光を増幅させるための共振器部１１３と、から構成されている。
【００５３】
図６Ｂは、レーザ光源部に適用可能な半導体レーザの一例である、ＭＯＰＡと光増幅器とを有する光源を、模式的に示したものである。かかる光源では、図６Ａに示したＭＯＰＡ１１１の後段に、射出されたレーザ光を更に増幅させるための光増幅器１１４が設けられている。光増幅器１１４としては、例えば、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）等を好適に用いることができる。
【００５４】
図６Ｃは、レーザ光源部に適用可能な半導体レーザの光を波長変換する波長変換部を用いた光源の一例である、ＭＯＰＡと光増幅器と波長変換部とを有する光源を、模式的に示したものである。かかる光源では、図６Ｂに示した光増幅器１１４の後段に、強度が増幅されたレーザ光の波長を変換するための波長変換部１１５が設けられている。波長変換部１１５としては、例えば、各種の非線形結晶を用いた光パラメトリック発振器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ:ＯＰＯ）等を好適に用いることができる。また、光増幅器１１４と波長変換部１１５の間に、図６Ｄに示したように、レーザ光のビーム形状を補正するビーム形状補正部１１６を設けて、波長変換部１１５における波長変換効率を更に向上させてもよい。
【００５５】
また、レーザ光源から射出される励起光の波長は、特に限定されるものではなく、被撮像体Ｓに含まれている蛍光体を励起するために適した波長を適宜選択すればよい。更に、光源として用いられるレーザは、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）レーザであってもよいし、パルスレーザであってもよい。
【００５６】
イメージガイドファイバ１０３は、図７に模式的に示したように、マルチモードの光ファイバ素線１２１が複数束ねられたものである。それぞれの光ファイバ素線１２１は、０次モードの光のみならず、より高次のモードの光も導波可能なコア１２３と、コア１２３を覆うように設けられたクラッド１２５と、から形成されている。それぞれの光ファイバ素線１２１は、図７に模式的に示したように、なるべく六方細密構造となるように配設されている。隣り合う光ファイバ素線１２１の離隔距離ｄは、求める画像解像度に応じて適宜設定すればよく、例えば３．５μｍなどのような値にすればよい。また、コア１２３の直径ｄ’についても適宜設定すればよく、例えば３μｍなどのような値にすればよい。
【００５７】
このイメージガイドファイバ１０３は、光源光学系１０１により一方の端部（例えば図５における端部Ａ）に入射した励起光を被撮像体Ｓへと伝送するとともに、被撮像体Ｓで発生した蛍光によって他方の端部（例えば図５における端部Ｂ）へと結像している被撮像体Ｓの像を、もう一方の端部（例えば図５における端部Ａ）へと伝送する。
【００５８】
撮像光学系１０５は、イメージガイドファイバ１０３の端部（例えば図５における端部Ａ）へと伝送された被撮像体の像を、複数の光ファイバ素線１２１のコア１２３の大きさ（図７におけるコア径ｄ’）よりも狭い走査ピッチで走査する。この際、撮像光学系１０５は、それぞれの光ファイバ素線１２１に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像を行い、被撮像体Ｓの画像データを複数生成する。
【００５９】
かかる撮像光学系１０５は、イメージガイドファイバ１０３により伝送された被撮像体の像（すなわち、発生した蛍光に対応する蛍光信号）を検出する各種の検出器と、この検出器へと被撮像体の像（蛍光信号）を導光する、各種レンズ、各種ミラー、各種フィルタ等の光学素子と、から構成される。
【００６０】
撮像光学系１０５における各種光学素子の詳細な配置については、特に限定されるものではなく、公知の光学系を採用することが可能である。
【００６１】
撮像光学系１０５に設けられる検出器ついても、蛍光の強度に関する情報を電気的な信号へと変換することが可能なものであれば、公知のものを利用することが可能である。かかる検出器として、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）や、光電子増倍管（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）等といった各種の検出器を挙げることができる。
【００６２】
また、図５に示した光源光学系１０１又は撮像光学系１０５の少なくとも何れか一方には、以下で詳述するようなイメージガイドファイバ１０３の端面を走査するための機構が設けられている。このような走査機構については特に限定するものではなく、例えばガルバノミラー等の公知の機構を利用することが可能である。
【００６３】
以上、図５〜図７を参照しながら、本実施形態に係る顕微鏡ユニット１０の構成について、詳細に説明した。
【００６４】
［イメージガイドファイバの走査方法］
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、撮像光学系１０５によるイメージガイドファイバ１０３の端面の走査方法について、詳細に説明する。
【００６５】
先だって説明したように、本発明者は、イメージガイドファイバの入射端面でシングルモード（０次モード）が励起されれば、確率的に試料側端面にシングルモードで到達する場合も存在するとの知見を得て、図８Ａ及び図８Ｂに模式的に示したようなイメージガイドファイバ１０３の端面の走査方法に想到した。
【００６６】
すなわち、本実施形態に係る顕微鏡ユニット１０は、イメージガイドファイバ１０３の端面（例えば図５における端部Ａの端面）を、複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査する。
【００６７】
例えば図８Ａでは、イメージガイドファイバ１０３の端面の走査方向に対して平行な方向に、光ファイバ素線１２１のコアの大きさｄ’よりも狭いピッチｐで走査していく例を示している。かかる場合、使用するイメージガイドファイバ１０３の直径や光ファイバ素線１２１のコア径ｄ’等に応じて、走査方向を表わす軸（走査軸）の位置が予め設定されており、演算処理ユニット２０の制御のもとで、図８Ａ中の黒丸の位置で、イメージガイドファイバ１０３の端面が撮像されていく。この際、走査方向に対して平行な方向の撮像間隔は、走査ピッチｐに基づいて演算処理ユニット２０により制御されるが、走査方向に対して直交する方向の撮像間隔は、イメージガイドファイバ１０３の隣り合う光ファイバ素線１２１の間隔ｄに基づいて制御される。図８Ａに示した走査方法では、以上説明したような制御により、被撮像体Ｓの全体が１回撮像される。すなわち、図８Ａに示した走査方法では、撮像により生成される画像データの頻度（データ復元頻度）が、光ファイバ素線１２１の数よりも高頻度となる。
【００６８】
また、例えば図８Ｂでは、イメージガイドファイバ１０３の端面の走査方向に対して直交する方向に、光ファイバ素線１２１のコアの大きさｄ’よりも狭いピッチｐで走査していく例を示している。かかる場合、使用するイメージガイドファイバ１０３の直径や光ファイバ素線１２１のコア径ｄ’等に応じて、走査方向を表わす軸（走査軸）の位置が予め設定されており、演算処理ユニット２０の制御のもとで、図８Ｂ中の黒丸の位置で、イメージガイドファイバ１０３の端面が撮像されていく。この際、走査方向に対して平行な方向の撮像間隔は、イメージガイドファイバ１０３の隣り合う光ファイバ素線１２１の間隔ｄに基づいて演算処理ユニット２０により制御され、走査方向に対して直交する方向の撮像間隔は、走査ピッチｐに基づいて制御される。図８Ｂに示した走査方法では、以上説明したような制御により、被撮像体Ｓの全体が複数回（図８Ｂの例では、例えば５回）撮像される。すなわち、図８Ｂに示した走査方法では、１回の走査におけるデータの復元頻度は光ファイバ素線１２１の数に対応しており、それぞれの走査処理における基準位置（走査開始位置）が光ファイバ素線１２１の配置ピッチよりも狭いピッチｐで変化していく。
【００６９】
なお、上記説明における「撮像」とは、図８Ａ及び図８Ｂ中のそれぞれの黒丸の位置で、光源光学系１０１により導光された励起光が結像するとともに、黒丸の位置においてイメージガイドファイバ１０３の端面に伝送されている像（蛍光像）を撮像することを意味している。
【００７０】
以上説明したような走査方法が実現されることで、それぞれの光ファイバ素線１２１に該当する領域（以下、「光ファイバ素線該当領域」とも称する。）の少なくとも一部が、複数の画像に含有されるように撮像されることとなる。
【００７１】
図８Ａ及び図８Ｂに示したようにイメージガイドファイバ１０３の端面を走査することで、撮像処理によって生成される複数の画像データの中に、例えば図１のコアＣＡに示したような、励起光がコア全体に対して照射されているような状況となっている場合の画像データが含まれることとなる。図１のコアＣＡに示したような状況では、イメージガイドファイバ１０３のコアにおいて基本波（０次モード）が励起されるため、確率的に試料側端面に基本波で到達する場合も生じることとなる。
【００７２】
なお、図８Ａ及び図８Ｂに示したような各撮像位置において、顕微鏡ユニット１０は、１回だけ撮像処理を行ってもよいし、上記確率をより高めるために、各撮像位置において複数回の撮像処理を行ってもよい。
【００７３】
また、本実施形態に係る顕微鏡ユニット１０では、図８Ａ及び図８Ｂを組み合わせたような走査方法（すなわち、走査方向及び走査方向に対して直交する方向のそれぞれについて、走査ピッチｐで走査する方法）を採用してもよいことは言うまでもない。
【００７４】
図８Ａ及び図８Ｂに示した走査ピッチｐの具体的な大きさは、光ファイバ素線１２１のコア径ｄ’に応じて適宜設定すればよいが、コア径ｄ’の１／１０程度とすることが好ましい。本発明者による検討の結果、走査ピッチｐをコア径ｄ’の１／１０以下とする（例えばコア径ｄ’が３μｍの場合、走査ピッチｐを０．３μｍ以下とする）ことで、光ファイバ素線１２１に励起される最大輝度に対して８６％以上の輝度を得ることができる。また、走査ピッチｐをコア径ｄ’の１／１２以下とすることで、光ファイバ素線１２１に励起される最大輝度に対して９０％以上の輝度を得ることができる。
【００７５】
なお、図８Ａ及び図８Ｂに示した走査方向及び撮像位置や図８Ｂに示した走査回数はあくまでも一例であり、図８Ａ及び図８Ｂに示した例に限定されるものではない。
【００７６】
以上、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係るイメージガイドファイバ１０３の端面の走査方法の一例について、具体的に説明した。
【００７７】
［演算処理ユニット２０の構成］
次に、図９〜図１２を参照しながら、本実施形態に係る画像取得装置１が備える演算処理ユニット２０の構成について、詳細に説明する。
図９は、本実施形態に係る画像取得装置が備える演算処理ユニットの構成を模式的に示したブロック図である。図１０〜図１２は、本実施形態に係る演算処理ユニットにおける代表画素値の選択処理を説明するための説明図である。
【００７８】
本実施形態に係る演算処理ユニット２０は、顕微鏡ユニット１０の動作を制御するとともに、顕微鏡ユニット１０により生成された画像データに対して所定の演算処理を行うことで、被撮像体Ｓの撮像画像を生成するユニットである。
【００７９】
この演算処理ユニット２０は、図９に模式的に示したように、顕微鏡ユニット制御部２０１と、データ取得部２０３と、選択部２０５と、撮像画像再構成部２０７と、データ出力部２０９と、表示制御部２１１と、記憶部２１３と、を主に備える。
【００８０】
顕微鏡ユニット制御部２０１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。顕微鏡ユニット制御部２０１は、本実施形態に係る顕微鏡ユニット１０を構成する光源、光学素子、走査機構等との間で各種の制御信号を送受信することにより、顕微鏡ユニット１０における各種の動作を全般的に統括する。これにより、顕微鏡ユニット１０が備える光源が所定のタイミングで励起光を射出したり、イメージガイドファイバ１０３の端面が上記のような走査方法に即して走査されたりする。また、顕微鏡ユニット１０を構成する光源、光学素子、走査機構等は、この顕微鏡ユニット制御部２０１を介して、互いに連携しながら各種の制御を行うことも可能である。また、顕微鏡ユニット制御部２０１が顕微鏡ユニット１０を制御する際に利用する各種の制御情報（例えば、撮像位置に関する情報等）は、データ取得部２０３や選択部２０５等に必要に応じて出力され、これらの処理部における各種の処理に適宜利用される。
【００８１】
データ取得部２０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ取得部２０３は、顕微鏡ユニット１０が上記のような走査方法に即して生成した複数の画像データを、顕微鏡ユニット１０から取得する。データ取得部２０３が取得した複数の画像データは、後述する選択部２０５へと伝送される。また、データ取得部２０３は、取得した複数の画像データに対して、当該画像データを取得した日時等に関する時刻情報を関連付けて、履歴情報として後述する記憶部２１３に格納してもよい。
【００８２】
選択部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。選択部２０５は、光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、データ取得部２０３から伝送された複数の画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択する。以下、選択部２０５により実施される代表画素値の選択処理について、図１０〜図１２を参照しながら具体的に説明する。
【００８３】
イメージガイドファイバ１０３は、複数の光ファイバ素線１２１が束ねられたものであるため、図１０に模式的に示したように、隣り合う光ファイバ素線の間隔（配置ピッチ）ｄや光ファイバ素線１２１のコア径ｄ’に基づいて、１本の光ファイバ素線１２１に該当する領域である光ファイバ素線該当領域を仮想的に規定することができる。本実施形態に係る選択部２０５は、各光ファイバ素線１２１に対して規定される光ファイバ素線該当領域を、以下で詳述するような代表画素値の選択処理における選択対象領域として取り扱う。
【００８４】
図８Ａ及び図８Ｂに示したような走査方法が顕微鏡ユニット１０において実現されることで、図１１に模式的に示したように、ある選択対象領域において撮像光学系１０５に設けられた検出器の撮像視野は、時間経過に応じて移動していく。その結果、ある瞬間には、図１において、各コアＣＡ〜ＣＥに対応するような状況が、ある選択対象領域において実現されていくこととなる。
【００８５】
ここで、２光子励起過程を含む多光子励起過程では、図３を参照しながら模式的に説明したように、光ファイバ素線中での光の導波モードが低次であるほど、発生する蛍光輝度は大きくなる。また、その時点における被撮像体の撮像対象領域がコアに対して中心に位置するほど、発生する蛍光輝度は大きくなる。従って、複数回画像取得を行い、最も高い蛍光値を選択することにより、試料側端面に０次モードで到達した励起光による多光子励起過程を経て発生した蛍光の情報を選択的に取得することができる。ここで、最も高い蛍光値は、図１１において時刻Ｔ＝ｔＭＡＸに該当するような位置を撮像した画像データで与えられると考えられる。
【００８６】
そこで、選択部２０５は、選択対象領域を構成する各画素について、着目している画素を含む複数の画像データの該当位置での輝度値を参照し、最も高い輝度値を特定する。その上で、選択部２０５は、特定した最高輝度値を、着目画素の代表画素値として利用する。例えば図１２に模式的に示したように、ある着目画素に対してＮ個の画像データ１〜Ｎが存在した場合、Ｎ個の画像データを横断的に探索し、最高輝度値ＬＭＡＸを与える画像データを、着目画素の画像データとして利用する。図１２の場合には、画像データｋが、着目画素の代表画素値を与える画像データとして利用されることとなる。
【００８７】
選択部２０５は、以上のような代表画素値の選択処理を、全ての選択対象領域（すなわち、全ての光ファイバ素線該当領域）に対して実施する。
【００８８】
ここで、最大輝度値を与える画像データは、その輝度値に伴うノイズが重畳しているとも考えられるため、選択部２０５は、最高輝度値を与える画像データの代わりに、最高輝度値に近い輝度値を与える画像データを、選択してもよい。
【００８９】
なお、以上の説明では、選択部２０５が、複数生成された画像データを横断的に探索して、最高輝度値を与える画像データを選択する場合について説明したが、以下のような方法を用いることでも、最高輝度値の具体的な値を特定することが可能である。すなわち、選択部２０５は、周辺画素のデータを比較し、光ファイバ素線該当領域での最大輝度値を選択するようなフィルタ処理を施すことで、最高輝度値を特定してもよい。このようなフィルタ処理の一例として、例えば１０画素×１０画素の領域に対するオーディナリフィルタ（ｏｒｄｉｎａｒｙ  ｆｉｌｔｅｒ）等を挙げることができる。フィルタ処理を利用することで、より高速かつ簡便に、着目している画素における最高輝度値を探索することが可能となる。
【００９０】
選択部２０５は、以上のような方法により代表画素値を選択すると、選択した代表画素値に関する情報を、撮像画像再構成部２０７に出力する。
【００９１】
撮像画像再構成部２０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。撮像画像再構成部２０７は、選択された代表画素値を利用して、被撮像体Ｓの撮像画像を再構成する。これにより、多光子励起過程を経て発生した蛍光の様子を表わした被撮像体Ｓの撮像画像を得ることができる。
【００９２】
なお、撮像画像再構成部２０７は、再構成した被撮像体Ｓの撮像画像に対して、ガウシアン・フィルタに代表されるブラーフィルタ（ｂｌｕｒ  ｆｉｌｔｅｒ）を作用させてもよい。これにより、選択された代表画素値がより滑らかに接続された撮像画像を得ることが可能となる。
【００９３】
また、撮像画像再構成部２０７は、再構成した撮像画像に対して、上記以外の公知の後処理を実施してもよい。
【００９４】
撮像画像再構成部２０７は、以上のようにして再構成した撮像画像を、データ出力部２０９に出力する。
【００９５】
データ出力部２０９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。データ出力部２０９は、撮像画像再構成部２０７から出力された被撮像体Ｓの撮像画像に関する情報を、表示制御部２１１に出力する。これにより、被撮像体Ｓの撮像画像に関する情報が、画像取得装置１や画像取得装置１と相互に通信が可能な情報処理装置等が有する表示部（図示せず。）に出力されることとなる。また、データ出力部２０９は、得られた撮像画像に関する情報を、各種の記録媒体や各種の情報処理装置に出力してもよいし、プリンタ等の出力装置を利用して紙媒体等に出力してもよい。また、データ出力部２０９は、被撮像体Ｓの撮像画像に関する情報を、当該情報を算出した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２１３等に履歴情報として格納してもよい。
【００９６】
表示制御部２１１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２１１は、データ出力部２０９から伝送された、被撮像体Ｓの撮像画像を含む各種の処理結果を、演算処理ユニット２０が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理ユニット２０の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、画像取得装置１の利用者は、被撮像体Ｓの撮像画像等といった各種の処理結果を、その場で把握することが可能となる。
【００９７】
記憶部２１３は、例えば本実施形態に係る演算処理ユニット２０が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部２１３には、本実施形態に係る演算処理ユニット２０が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２１３は、顕微鏡ユニット制御部２０１、データ取得部２０３、選択部２０５、撮像画像再構成部２０７、データ出力部２０９、表示制御部２１１等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。
【００９８】
以上、本実施形態に係る演算処理ユニット２０の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
【００９９】
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理ユニットの各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
【０１００】
＜画像取得方法について＞
続いて、図１３を参照しながら、本実施形態に係る画像取得装置１で実施される画像取得方法の流れについて、簡単に説明する。図１３は、本実施形態に係る画像取得方法の流れの一例を示した流れ図である。
【０１０１】
本実施形態に係る画像取得装置１の顕微鏡ユニット１０では、演算処理ユニット２０による制御のもとで、光源光学系１０１及びイメージガイドファイバ１０３により、所定波長の励起光が被撮像体Ｓに対して照射される（ステップＳ１０１）。これにより、被撮像体Ｓにおいて多光子励起過程による蛍光が発生し、イメージガイドファイバ１０３を経て、かかる蛍光による被撮像体Ｓの像が伝送されることとなる。
【０１０２】
次に、顕微鏡ユニット１０の撮像光学系１０５は、演算処理ユニット２０の制御に基づいてイメージガイドファイバ１０３の端面を所定のピッチで走査して（ステップＳ１０３）、イメージガイドファイバ１０３の端面まで伝送された被撮像体Ｓの像に関する画像データを複数生成する。その後、撮像光学系１０５は、生成した複数の画像データを、演算処理ユニット２０に出力する。
【０１０３】
演算処理ユニット２０の選択部２０５は、顕微鏡ユニット１０で生成された複数の画像データを利用し、最大輝度を与える画素値を光ファイバ該当領域の代表画素値として選択する（ステップＳ１０５）。その後、選択部２０５は、選択した代表画素値に関する情報を、撮像画像再構成部２０７に出力する。
【０１０４】
撮像画像再構成部２０７は、選択部２０５によって選択された代表画素値に関する情報を利用して、被撮像体Ｓの撮像画像を再構成する（ステップＳ１０７）。また、撮像画像再構成部２０７は、必要に応じて、再構成した撮像画像に対して、ブラーフィルタを用いたフィルタ処理などの後処理を実施する（ステップＳ１０９）。
【０１０５】
これにより、本実施形態に係る画像取得装置１では、被撮像体Ｓからの蛍光を撮像した撮像画像を取得することができる。
【０１０６】
以上、図１３を参照しながら、本実施形態に係る画像取得方法の流れについて、簡単に説明した。
【０１０７】
（ハードウェア構成について）
次に、図１４を参照しながら、本開示の実施形態に係る演算処理ユニット２０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１４は、本開示の実施形態に係る演算処理ユニット２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
【０１０８】
演算処理ユニット２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理ユニット２０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
【０１０９】
ＣＰＵ９０１は、演算処理装置および制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、またはリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、演算処理ユニット２０内の動作全般またはその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。
【０１１０】
ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。
【０１１１】
入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理ユニット２０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。演算処理ユニット２０のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、演算処理ユニット２０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
【０１１２】
出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的または聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置およびランプなどの表示装置や、スピーカおよびヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、演算処理ユニット２０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理ユニット２０が行った各種処理により得られた結果を、テキストまたはイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
【０１１３】
ストレージ装置９１９は、演算処理ユニット２０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した音響信号データや画像信号データなどを格納する。
【０１１４】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理ユニット２０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、または、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ  ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃａｒｄ）または電子機器等であってもよい。
【０１１５】
接続ポート９２３は、機器を演算処理ユニット２０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、演算処理ユニット２０は、外部接続機器９２９から直接音響信号データや画像信号データを取得したり、外部接続機器９２９に音響信号データや画像信号データを提供したりする。
【０１１６】
通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線または無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、またはＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  Ｌｉｎｅ）用のルータ、または、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。
【０１１７】
以上、本開示の実施形態に係る演算処理ユニット２０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
【実施例】
【０１１８】
続いて、実験例を示しながら、本開示に係る画像取得装置及び画像取得方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実験例は、本開示の実施形態に係る画像取得装置及び画像取得方法のあくまでも一例にすぎず、本開示に係る画像取得装置及び画像取得方法が、下記の例に限定されるものではない。
【０１１９】
以下に示す実験例では、図１５に模式的に示した画像取得装置を利用して、イメージガイドファイバ１０３の先端部に配設した蛍光ビーズからの蛍光を取得した。
【０１２０】
図１５は、実験例で用いた顕微鏡ユニットの構成を模式的に示した説明図である。本実験例では、光源として、図６Ｃや図６Ｄに示したＭＯＰＡを利用した光源を利用した。光源から射出された励起光は、レンズＬやミラーＭを介して、ＸＹ−ガルバノミラーＸＹ−ｇａｌまで導光され、かかるガルバノミラーにより、イメージガイドファイバ１０３への結像位置が制御される。ガルバノミラーを経た励起光は、リレーレンズＲＬ、ミラーＭ、ダイクロイックミラーＤＭを経て、対物レンズＯｂｊへと導光される。本実験例では、対物レンズＯｂｊとして、開口数ＮＡ＝０．７５である２０倍の対物レンズを利用した。
【０１２１】
対物レンズＯｂｊの焦点位置に、市販のイメージガイドファイバ１０３の一方の端部を配設した。かかるイメージガイドファイバ１０３は、マルチモードの光ファイバ素線（コア径３μｍ）が３．５μｍピッチで配設されたバンドルファイバであり、その全長は２ｍである。なお、イメージガイドファイバ１０３の屈曲部の曲率半径は１５〜２０ｃｍ程度とした。
【０１２２】
イメージガイドファイバ１０３のもう一方の端部に、φ２．１μｍの蛍光ビーズ群を配設した。イメージガイドファイバ１０３を経て蛍光ビーズ群へと導光された励起光により、蛍光ビーズから蛍光が発生する。発生した蛍光は、イメージガイドファイバ１０３、対物レンズＯｂｊ、ダイクロイックミラーＤＭ、レンズＬ、ノッチフィルタＦ等を経て、検出器である光電子倍増管へと導光される。
【０１２３】
なお、イメージガイドファイバ１０３の端面の走査方法としては、図８Ａに示した走査方法を採用し、走査ピッチｐは、光ファイバ素線のコア径の１／１０以下の値である０．１μｍとした。また、走査ラインの間隔も０．１μｍとした。得られる画像データにおいて、１画素は０．１μｍに対応している。
【０１２４】
上記のような蛍光ビーズを波長４０５ｎｍの励起光で励起すると、１光子励起過程による蛍光像を得ることができ、波長７８０ｎｍの励起光で励起すると、２光子励起過程による蛍光像を得ることができる。図１６に、２つの波長の励起光を利用した蛍光画像を示した。
【０１２５】
図１６から明らかなように、１光子励起過程による蛍光像は、撮像視野中の蛍光ビーズが存在する領域の全域にわたって分布していることがわかる。一方、２光子励起過程による蛍光像では、蛍光輝度の大きなものから、蛍光が観測されていない部分まで、様々な状態の蛍光像が観察された。ここで、２光子励起蛍光画像において、蛍光強度が大きいものが、０次モードの励起光によって励起され、蛍光ビーズの中心部に励起光が導光されたものに対応し、蛍光輝度が暗いものほど、高次モードの励起光で励起されたり、励起光の照射位置が蛍光ビーズの中心部からずれたりしているものに該当していると考えられる。
【０１２６】
このような２光子励起蛍光画像に対して、１０画素×１０画素の２次元オーディナリフィルタを作用させて、代表画素値を選択する処理を行った。得られた代表画素値を用いて再構成した蛍光画像を、そのオリジナル画像とともに図１７に示した。図１７に示した再構成画像から明らかなように、本実施形態に係る代表画素の選択処理を行うことによって、蛍光ビーズが存在する領域の全域にわたって、２光子励起過程による蛍光像を得ることができた。
【０１２７】
ここで、イメージガイドファイバでは、光ファイバ素線に屈曲部が存在したり、光ファイバ素線に対して振動が加えられたりすることによって、ファイバ入射端面においてシングルモード（０次モード）で励起された導波光が高次のモードに遷移してしまい、多光子励起過程による蛍光の励起効率が低下してしまう可能性がある。そこで、本実験例では、画像データの取得中にイメージガイドファイバに対して振動を与え、得られる画像がどのように変化するかを検証した。
【０１２８】
図１８は、振動を加えない状態（以下、「静的条件」という。）において、１光子励起過程による蛍光を１０回撮像した場合の１光子励起蛍光画像を示しており、図１９は、振動を加えた場合（以下、「動的条件」という。）において、１光子励起過程による蛍光を１０回撮像した場合の１光子励起蛍光画像を示している。
【０１２９】
１光子励起過程による蛍光は、先だって説明したように、励起光の強度に比例した蛍光強度が得られるため、同一条件中におけるそれぞれの撮像画像を比較した場合において、輝度のばらつきは観測されなかった。また、静的条件での撮像画像と動的条件での撮像画像を比較した場合においても、輝度のばらつきは観測されなかった。
【０１３０】
図２０は、静的条件において、２光子励起過程による蛍光を１０回撮像した場合の２光子励起蛍光画像を示しており、図２１は、動的条件において、２光子励起過程による蛍光を１０回撮像した場合の２光子励起蛍光画像を示している。
【０１３１】
図２０及び図２１から明らかなように、２光子励起蛍光画像においても、同一条件中におけるそれぞれの撮像画像を比較した場合において、輝度のばらつきは観測されず、静的条件での撮像画像と動的条件での撮像画像を比較した場合においても、輝度のばらつきは観測されなかった。
【０１３２】
図１８〜図２１において、蛍光輝度が飽和していない５つの画素を選択し、１０回の撮像における蛍光輝度値の最大値と最小値とをそれぞれ特定し、最小値／最大値で与えられる値の画素間の平均値を算出した。この平均値は、輝度のばらつきを表わす指標として考えることができる。得られた結果を、以下の表１に示した。
【０１３３】
【表１】
2015227778.tif 000003
【０１３４】
上記表１から明らかなように、静的条件においては、１光子励起蛍光画像に比べて２光子励起蛍光画像の輝度のばらつきは若干大きいものの、実用に耐えうる値であることがわかる。また、動的条件においては、１光子励起蛍光画像と２光子励起蛍光画像では、輝度のばらつきはほぼ同程度であることがわかる。
【０１３５】
以上の結果から、本開示の実施形態に係る画像取得方法を用いることで、多光子励起過程による蛍光画像を、より安定して取得することが可能であることが明らかとなった。また、イメージガイドファイバに振動を与えた場合であっても、入射側端面で発生したシングルモード（０次モード）の励起光を、出射側端面までシングルモードのままで伝送できることが明らかとなった。
【０１３６】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１３７】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又は例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１３８】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光する光源光学系と、
マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたものであり、前記光源光学系により一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送するイメージガイドファイバと、
前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成する撮像光学系と、
前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択する選択部と、
を備える、画像取得装置。
（２）
前記走査ピッチは、前記光ファイバ素線のコア径の１／１０以下である、（１）に記載の画像取得装置。
（３）
前記撮像光学系は、撮像位置を前記走査ピッチごとにずらしながら前記被撮像体を１回撮像することで、前記複数の画像データを生成する、（１）又は（２）に記載の画像取得装置。
（４）
前記撮像光学系は、撮像位置を前記光ファイバ素線の配設間隔でずらしつつ走査して前記被撮像体を撮像するという処理を、走査方向に対して直交する方向に撮像開始位置を前記走査ピッチだけずらしながら複数回実施することで、前記複数の画像データを生成する、（１）又は（２）に記載の画像取得装置。
（５）
前記選択部は、フィルタ処理により前記代表画素値を選択する、（１）〜（４）の何れか１つに記載の画像取得装置。
（６）
選択された前記代表画素値を利用して、前記被撮像体の撮像画像を再構成する撮像画像再構成部を更に備える、（１）〜（５）の何れか１つに記載の画像取得装置。
（７）
前記撮像画像再構成部は、再構成された前記撮像画像に対してブラーフィルタを作用させる、（６）に記載の画像取得装置。
（８）
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の画像取得装置。
（９）
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器と、当該主発振器出力増幅器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、を有する光源である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の画像取得装置。
（１０）
前記光源光学系に配設される光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器出力増幅器と、当該主発振器出力増幅器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、増幅された前記レーザ光の波長を変換する波長変換部と、を有する光源である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の画像取得装置。
（１１）
被撮像体を２以上の光子で励起することで蛍光を発生させるための励起光を、当該被撮像体へと導光することと、
マルチモードの光ファイバ素線が複数束ねられたイメージガイドファイバにより、当該イメージガイドファイバの一方の端部に入射した前記励起光を前記被撮像体へと伝送するとともに、前記被撮像体で発生した前記蛍光によって他方の端部へと結像している前記被撮像体の像を、前記一方の端部へと伝送することと、
前記イメージガイドファイバの前記一方の端部へと伝送された前記被撮像体の像を前記複数の光ファイバ素線のコアの大きさよりも狭い走査ピッチで走査して、それぞれの前記光ファイバ素線に該当する光ファイバ素線該当領域の少なくとも一部が複数の画像に含有されるように撮像し、前記被撮像体の画像データを複数生成することと、
前記光ファイバ素線該当領域を構成する複数の画素のそれぞれについて、複数の前記画像データの中で最大輝度となる画素値を、当該画素の代表画素値として選択することと、を含む、画像取得方法。
【符号の説明】
【０１３９】
１    画像取得装置
１０    顕微鏡ユニット
２０    演算処理ユニット
１０１    光源光学系
１０３    イメージガイドファイバ
１０５    撮像光学系
１２１    光ファイバ素線
１２３    コア
１２５    クラッド
２０１    顕微鏡ユニット制御部
２０３    データ取得部
２０５    選択部
２０７    撮像画像再構成部
２０９    データ出力部
２１１    表示制御部
２１３    記憶部
【図１】
2015227778.tif 000004
【図２】
2015227778.tif 000005
【図３】
2015227778.tif 000006
【図４】
2015227778.tif 000007
【図５】
2015227778.tif 000008
【図６Ａ】
2015227778.tif 000009
【図６Ｂ】
2015227778.tif 000010
【図６Ｃ】
2015227778.tif 000011
【図６Ｄ】
2015227778.tif 000012
【図７】
2015227778.tif 000013
【図８Ａ】
2015227778.tif 000014
【図８Ｂ】
2015227778.tif 000015
【図９】
2015227778.tif 000016
【図１０】
2015227778.tif 000017
【図１１】
2015227778.tif 000018
【図１２】
2015227778.tif 000019
【図１３】
2015227778.tif 000020
【図１４】
2015227778.tif 000021
【図１５】
2015227778.tif 000022
【図１６】
2015227778.tif 000023
【図１７】
2015227778.tif 000024
【図１８】
2015227778.tif 000025
【図１９】
2015227778.tif 000026
【図２０】
2015227778.tif 000027
【図２１】
2015227778.tif 000028