(57)【要約】【課題】高速に３次元画像表示を可能にして、これにより試料を測定中に全体像を把握できるようにする。【解決手段】光学顕微鏡と共焦点光スキャナを組み合わせ、光軸方向に試料の複数枚のスライス画像を測定することのできる共焦点顕微鏡表示装置であって、顕微鏡の対物レンズを光軸方向に移動させる移動手段と、共焦点光スキャナから得られる試料のスライス画像を読取り、スライス画像を画面に表示する処理手段を備え、測定中に２枚以上のスライス画像群を、同一画面上に試料との相対位置を把握できる配置で表示できるように構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学顕微鏡と共焦点光スキャナを組み合わせ、光軸方向に試料の複数枚のスライス画像を測定することのできる共焦点顕微鏡表示装置であって、
顕微鏡の対物レンズを光軸方向に移動させる移動手段と、共焦点光スキャナから得られる試料のスライス画像を読取り、スライス画像を画面に表示する処理手段を備え、
測定中に２枚以上のスライス画像群を、同一画面上に試料との相対位置を把握できる配置で表示できるように構成したことを特徴とする共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項２】
前記スライス画像群が前記試料との相対位置を把握できる配置で１次元または２次元に表示できるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項３】
前記スライス画像群の表示枚数が測定中に変更できるように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項４】
前記スライス画像群は斜視図であり、光軸方向において前記試料と各スライス画像間の相対位置を一致させて表示できるように構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項５】
前記スライス画像群の斜視図の表示角度が測定中に変更できるように構成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項６】
前記スライス画像群と重ね合わせて寸法、軸、枠またはマーカ画像を表示するように構成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項７】
前記対物レンズを光軸方向に移動させる移動手段として、ピエゾ素子またはステージ駆動手段またはマグネットアクチュエータを使用したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【請求項８】
前記処理手段として、パーソナルコンピュータを使用したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の共焦点顕微鏡表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学顕微鏡と共焦点光スキャナを組み合わせ、試料の立体形状計測を可能とした共焦点顕微鏡表示装置に関し、特に試料の３次元画像表示の高速化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学顕微鏡と共焦点光スキャナを組み合わせ、試料の立体形状計測を行う共焦点顕微鏡装置はよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。図４はこの種の共焦点光スキャナ部の構成例である。
【０００３】
図４において、励起光であるレーザ１はマイクロレンズディスク２に配置された各マイクロレンズ３により個別の光束に集光され、ダイクロイックミラー４を透過後、ピンホールディスク（ニポウディスクともいう）５に設けられた個々のピンホール６を通過し、対物レンズ７により試料８に集光される。
【０００４】
試料８から発生した蛍光は再び対物レンズ７を通り、ピンホールディスク５の個々のピンホール上に集光される。個々のピンホール６を通過した蛍光はダイクロイックミラー４で反射され、リレーレンズ９により、画像撮影カメラのセンサ１０上に蛍光画像を結像する。
ここで使用されるダイクロイックミラー４は、励起光１を透過し、試料８からの蛍光を反射するように設計されている。
【０００５】
マイクロレンズディスク２とピンホールディスク５は部材１１で機械的に連結され、回転軸１２の周りを一体で回転する。ピンホールディスク５上に形成された個々のピンホール６からの励起光が試料８の観察平面を走査するように、個々のマイクロレンズ３とピンホール６は配置されている。また、ピンホール６が並んでいる平面と、試料８の観察平面と、センサ１０の受光面とが互いに光学的に共役な関係に配置されているため、センサ１０上には試料８の光学的断面像、すなわち共焦点画像が結像される。
【０００６】
このような共焦点光スキャナを用いた共焦点顕微鏡装置で試料の立体像を得る場合には、光軸方向に異なる位置で多数のスライス画像を取得し、それらの画像をＣＧ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ）の技術により立体化している。図５はこのような手法により測定したバフンウニの３次元画像の表示例である。このような表示により試料の全体像を把握することができる。
【０００７】
【非特許文献１】
市川昭、田名網健雄、磯崎克巳、杉山由美子、小杉泰仁、御厨健太、阿部道生、上村伊佐緒（Ａｋｉｒａ  Ｉｃｈｉｋａｗａ，  Ｔａｋｅｏ  Ｔａｎａａｍｉ，  Ｋａｔｓｕｍｉ  Ｉｓｏｚａｋｉ，  Ｙｕｍｉｋｏ  Ｓｕｇｉｙａｍａ，  Ｙａｓｕｈｉｔｏ  Ｋｏｓｕｇｉ，  Ｋｅｎｔａ  Ｍｉｋｕｒｉｙａ，  Ｍｉｃｈｉｏ  Ａｂｅ，  Ｉｓａｏ  Ｕｅｍｕｒａ），蛍光分子のリアルタイムの３次元画像を得るためにマイクロレンズ付きＮｉｐｋｏｗスキャナを用いた高速共焦点蛍光顕微鏡（Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｃｏｎｆｏｃａｌ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｉｐｋｏｗ  ｓｃａｎｎｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ  ｆｏｒ  ３−Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅ  ｉｎ  Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ），Ｂｉｏｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ発行，バイオイメージス（Ｂｉｏｉｍａｇｅｓ），Ｖｏｌ．４（２），Ｐ５７−６２，Ｊｕｎｅ  １９９６
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の共焦点顕微鏡装置では次のような課題があった。
（１）ＣＧの処理に時間がかかる。少なくとも数分から数時間の処理時間がかかり、ＣＧによる画像処理は測定後に行う必要がある。測定中に全体像を把握することは困難であり、試料の良否判定や、最良の測定箇所の選定などが困難である。
【０００９】
（２）斜視図では各断面での形状を正確に把握することができない。なお、各断面の形状を過不足なく正確に把握するには、図６に示すような２次元画像（スライス画像）を用いると可能であるが、このようなスライス画像によって立体的な相対関係を全体として把握するのは困難である。なお、図６のスライス画像（１）、（２）、（３）、（４）が、試料８の位置に細胞が置かれた場合の上から下への各スライス画像に対応する。なお、以降の図は表示の都合上２値化して示してある。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、高速に３次元画像表示を可能にして、これにより試料を測定中に全体像を把握できるようにした共焦点顕微鏡表示装置を実現することにある。
本発明の他の目的は、各断面のスライス像と、その立体的な相対関係をリアルタイムに正確に把握できるようにした共焦点顕微鏡表示装置を実現することにある。
【００１１】
【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の発明では、
光学顕微鏡と共焦点光スキャナを組み合わせ、光軸方向に試料の複数枚のスライス画像を測定することのできる共焦点顕微鏡表示装置であって、
顕微鏡の対物レンズを光軸方向に移動させる移動手段と、共焦点光スキャナから得られる試料のスライス画像を読取り、スライス画像を画面に表示する処理手段を備え、
測定中に２枚以上のスライス画像群を、同一画面上に試料との相対位置を把握できる配置で表示できるように構成したことを特徴とする。
【００１２】
このような構成により、複数枚のスライス画像による試料の３次元表示も高速に行うことができる。したがって、測定中に試料の全体像を容易に把握できる。また、各断面のスライス像と、その立体的な相対関係を正確に把握できる。
【００１３】
この場合、請求項２のように、スライス画像群が試料との相対位置を把握できる配置で１次元または２次元に表示することもできる。
また、請求項３のように、スライス画像群の表示枚数が測定中に変更できるように構成することもできる。
【００１４】
また、請求項４のように、スライス画像群は斜視図であり、光軸方向において試料と各スライス画像間の相対位置を一致させて表示することもできる。
また、請求項５のように、スライス画像群の斜視図の表示角度を測定中に変更することもできる。
また、請求項６のように、スライス画像群と重ね合わせて寸法、軸、枠またはマーカ画像を表示することもできる。
【００１５】
また、請求項７のように、対物レンズを光軸方向に移動させる移動手段としては、ピエゾ素子またはステージ駆動手段またはマグネットアクチュエータを使用することができる。
また、請求項８のように、処理手段としては、パーソナルコンピュータを用いることもできる。
【００１６】
【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表示装置の一実施例を示す構成図である。なお、本発明の共焦点顕微鏡表示装置は、光学顕微鏡、共焦点光スキャナおよび画像撮像カメラの他に、画像データを処理し表示する画像処理手段（例えば、パーソナルコンピュータなどが利用される）、顕微鏡の対物レンズを光軸方向の駆動する駆動手段およびこの駆動手段を制御するステージコントローラも含む。
【００１７】
図１において、１００は光学顕微鏡（以後単に顕微鏡という）、２００は顕微鏡１００の受光部に設置された共焦点光スキャナ、３００は共焦点光スキャナ２００を介して得られた試料面の画像を撮影する画像撮像カメラ、４００は処理手段である。
【００１８】
処理手段４００は、表示画面４１０を持ち、画像撮像カメラ３００より出力される画像データを読取って所定の処理を施すと共に表示画面４１０に画像を表示することができるように構成されている。この処理手段４００としては、通常パーソナルコンピュータが用いられる。
【００１９】
５００は顕微鏡１００の対物レンズ１１０を光軸方向に移動させる駆動手段である。駆動手段５００としては、例えばピエゾ素子（ＰＺＴ）が用いられる。
６００はステージコントローラであり、処理手段４００からの指令に基づき駆動手段５００を制御する。
【００２０】
このような構成において、顕微鏡１００に載置された試料８のスライス画像を得る動作については従来の共焦点顕微鏡装置と同じであり、その説明は省略する。
駆動手段５００を駆動して対物レンズ１１０を光軸方向に移動させながら、各光軸高さで共焦点スライス画像をカメラ３００で撮像する。処理手段４００はカメラ３００から取得した画像（平面図）を斜め上方から見た斜視図（あるいは斜視図相当）に変換して画面４１０に表示する。
【００２１】
斜視図への前記変換は、単にＸｊ，Ｙｊの座標にある画素を、あらかじめ決定した斜視図の平面上の座標Ｘｉ，Ｙｉに描画するだけでよいため、高速な処理が可能である。
【００２２】
３０度傾けた画像にするには、例えば、
Ｘｉ＝Ｘｊ×ｃｏｓθ−Ｙｊ×ｓｉｎθ
Ｙｉ＝Ｘｊ×ｓｉｎθ＋Ｙｊ×ｃｏｓθ
ただし、θ＝３０゜
の式に基づき座標Ｘｉ，Ｙｉを求めるが、ｃｏｓ３０゜を常数テーブルとして処理手段４００内に持っていればＸｉ，Ｙｉは単なる積和演算で求めることができ、その演算処理は高速に行われる。
【００２３】
複数のスライス画像を表示する場合は、例えば図２に示すように、光軸方向の相対的な位置を保ったまま光軸方向に距離を離してそのまま描画する。図２は、実際に測定と表示をリアルタイムで行った場合の画像表示例である。
【００２４】
図２では、白い輝点が画面左奥から手前に向う心筋細胞内のカルシウムイオンの動きを示している。この４枚の画像により、一番上のスライス像の方が一番下のスライス像よりもカルシウムイオンが先に細胞内に広がっていることが一目で直感的に把握できる。これによって、データの取得後の解析だけではなく、実際にどの試料を測定対象としたらよいかという良否の判定や、最良の測定箇所の選定などが可能となる。
【００２５】
このように本発明では、各光軸高さでの試料の正確なスライス画像を把握することができ、また、試料の立体的な相対関係を全体として把握することができる。
【００２６】
なお、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。以下にその変更・変形例を列挙する。
【００２７】
（１）表示枚数は４枚とは限らず、２枚から数十枚までの間のいずれの枚数でも可能である。
（２）表示角度は、緯度・経度方向にそれぞれ０〜３６０゜まで可能である。
（３）画像表示は、必ずしもすべての画像ではなく、間引きをしてもよい。例えば、共焦点光スキャナでは１０００枚／秒まで測定が高速化できるが、人間の認識できるビデオレート（約３０枚／秒）を超える速度で表示しても人間の目では認識できない。この場合、１０００／３０＝３３（枚）に１枚の表示程度で十分である。
【００２８】
（４）あるいはまた、画像表示は、測定しているスライス画像をすべて表示するのではなく、図２に示すように代表的な画像のみを表示するようにしてもよい。この表示方式は、高速化と認識の点で前記（３）の表示方式よりも有利である。
【００２９】
図３は心筋細胞のＣａイオンのスライス画像を異なる表示形式で表示した場合の対比図である。同図（ａ）は図６で示したマップ表示であり、同図（ｂ）は本発明による斜視図形式の表示例である。なお、同図（ａ）の（１）〜（４）と同図（ｂ）の（１）〜（４）が対応する。
同図（ｂ）に示すように、配置を工夫し、スライス画像群を同一画面上に試料と相対位置を把握できる配置で表示すると、同図（ａ）に比べて立体として非常に認識し易い画像表示になっていることが分る。
【００３０】
（５）表示画像は単色表示とは限らず、多色表示としても構わない。
（６）すでに分っている目盛線や円などのマーカや枠線などをスライス画像上に同時表示すると、寸法測定や形状の把握が容易になる。
（７）立体としての把握は難しくなるが、図６に示したマップ表示形式でも、リアルタイムに表示が可能であれば、ある程度試料の良否判定などに利用することができる。
【００３１】
（８）対物レンズ１１０の駆動は、ピエゾ素子に限らず、ステージ駆動やマグネットアクチュエータによる駆動でも構わない。
（９）試料８は蛍光による生物体だけでなく、半導体表面や機械部品などのような反射鏡によるものでもよい。
【００３２】
（１０）表示角度や表示枚数は、測定・表示中に変更可能とすれば、より最適な表示が得られる。
（１１）画像表示の更新周期は、各スライス画像を測定した時点で各スライス画像ごとに随時更新するか、あるいは表示画面に表示されている全スライス画像を測定し終わった時点で全スライス画像を一度に更新するかのいずれでも構わない。
【００３３】
【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。
（１）高速の３次元表示が容易に実現できる。これにより、試料を測定中に全体像を容易に把握することができる。
（２）各断面のスライス像と、その立体的な相対関係を正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る共焦点顕微鏡表示装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】複数スライス画像による３次元表示例を示す図である。
【図３】マップ表示と斜視図表示の対比図である。
【図４】従来の共焦点顕微鏡装置の一例を示す構成図である。
【図５】従来の共焦点顕微鏡装置による３次元画像表示例である。
【図６】測定画像のマップ表示例である。
【符号の説明】
１  レーザ
２  マイクロレンズディスク
３  マイクロレンズ
４  ダイクロイックミラー
５  ニポウディスク
６  ピンホール
７、１１０  対物レンズ
８  試料
１００  光学顕微鏡
２００  共焦点光スキャナ
３００  カメラ
４００  処理手段
５００  駆動手段
６００  ステージコントローラ
【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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