(57)【要約】【課題】露光時間を最適化することが可能な光検出装置及び光検出方法を提供すること【解決手段】本技術の光検出装置は、イメージセンサと、信号取得部と、露光制御部とを具備する。信号取得部は、第１の露光時間におけるイメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間におけるイメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する。露光時間決定部は、第１の暗電流と第２の暗電流からイメージセンサの最適露光時間を決定する。露光制御部は、イメージセンサを最適露光時間の間露光させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサと、
第１の露光時間における前記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における前記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する信号取得部と、
前記第１の暗電流と前記第２の暗電流から前記イメージセンサの最適露光時間を決定する露光時間決定部と、
前記イメージセンサを前記最適露光時間の間露光させる露光制御部と
を具備する光検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出装置であって、
前記信号取得部は、基準発光を受光したイメージセンサの出力である測定電流をさらに取得し、
前記露光時間決定部は、前記第１の暗電流及び前記第２の暗電流に加えて前記測定電流から前記最適露光時間を決定する
光検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光検出装置であって、
前記露光制御部は、最適露光時間が閾値を超過した場合には、前記イメージセンサの寿命が経過したと判定する
光検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光検出装置であって、
前記露光時間決定部は、前記第１の暗電流及び前記第２の暗電流から、前記イメージセンサの読み出しノイズを算出し、前記読み出しノイズを前記最適露光時間の決定に利用する
光検出装置。
【請求項５】
測定対象物に励起光を照射する励起光源と、
前記励起光によって前記測定対象物から放出される蛍光又は燐光が入射するイメージセンサと、
第１の露光時間における前記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における前記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する信号取得部と、
前記第１の暗電流と前記第２の暗電流から前記イメージセンサの最適露光時間を決定する露光時間決定部と、
前記イメージセンサを前記最適露光時間の間露光させる露光制御部と
を具備する光検出装置。
【請求項６】
信号取得部が、第１の露光時間におけるイメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における前記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得し、
露光時間決定部が、前記第１の暗電流と前記第２の暗電流から前記イメージセンサの最適露光時間を決定し、
露光制御部が、前記イメージセンサを前記最適露光時間の間露光させる
光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、試料の発光をフォトダイオードによって検出する光検出装置及び光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、科学研究等の分野において、試料の発光を検出することが多く行われる。例えば、試料に励起光を照射し、それによって試料中において生じた蛍光あるいは燐光を測定することにより、試料中にそのようなの光を生じる物質が含まれることを検出することが可能となる。
【０００３】
発光の検出には、フォトダイオードが一般的に用いられる。フォトダイオードは光量を電流として出力することができるが、高精度の測定が必要な場合においてはノイズが問題となる。フォトダイオードの受光時間（露光時間）を長くすることにより、ＳＮ（signal/noise)比を大きくすることができるが、測定時間が長くなるという問題が生じる。これは特に、蛍光測定等の微弱光を長時間露光により測定する場合において顕著である。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、測定前に遮光状態において撮像素子のノイズレベルを測定し、それに基づいて露光時間を調整することが可能な顕微鏡観察システムが記載されている。当該システムは、ノイズが一定範囲内となるように露光時間を設定することにより、測定結果へのノイズの影響を抑えることが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２８６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＳＮ比は露光時間が長いほど小さくなるが、その減少率は次第に小さくなるため、一定のノイズレベルを基準とすると、測定時間が長くなりすぎるおそれがある。即ち、特許文献１のような手法では、ＳＮ比が十分小さくなるように露光時間を最適化することが困難である。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、露光時間を最適化することが可能な光検出装置及び光検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る光検出装置は、イメージセンサと、信号取得部と、露光制御部とを具備する。
上記信号取得部は、第１の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する。
上記露光時間決定部は、上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定する。
上記露光制御部は、上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる。
【０００９】
この構成によれば、信号取得部が、異なる露光時間において２点の暗電流を取得することにより、露光時間に対する暗電流の推移を得ることができ、それを用いて露光時間に対するＳＮ比の推移を求めることが可能となる。露光時間決定部が露光時間に対するＳＮ比と予め設定された必要ＳＮ比を比較して最適露光時間を求め、露光制御部が最適露光時間となるようにイメージセンサを制御することによって、イメージセンサを最適な露光時間で露光させることが可能となる。
【００１０】
上記信号取得部は、基準発光を受光したイメージセンサの出力である測定電流をさらに取得し、
上記露光時間決定部は、上記第１の暗電流及び上記第２の暗電流に加えて上記測定電流から上記最適露光時間を決定してもよい。
【００１１】
この構成によれば、露光時間決定部が露光時間に対するＳＮ比の推移を求める際、実測された測定電流を用いることにより、より正確に露光時間に対するＳＮ比の推移を求めることが可能となる。
【００１２】
上記露光制御部は、最適露光時間が閾値を超過した場合には、上記イメージセンサの寿命が経過したと判定してもよい。
【００１３】
イメージセンサは経年劣化によりノイズ量が増大するため、使用期間に応じて交換する必要がある。本技術に係る光検出装置は、露光時間に対するＳＮ比の推移から最適露光時間を決定するため、最適露光時間が長すぎればイメージセンサが寿命に到達していることを判断することができる。
【００１４】
上記露光時間決定部は、上記第１の暗電流及び上記第２の暗電流から、上記イメージセンサの読み出しノイズを算出し、上記読み出しノイズを上記最適露光時間の決定に利用してもよい。
【００１５】
イメージセンサには、読み出しの際に生じる読み出しノイズが存在する。本技術に係る光検出装置は、複数の露光時間において暗電流を取得することにより、この読み出しノイズを算出し、最適露光時間の決定に用いることができる。
【００１６】
測定対象物に励起光を照射する励起光源と、
上記励起光によって上記測定対象物から放出される蛍光又は燐光が入射するイメージセンサと、
第１の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する信号取得部と、
上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定する露光時間決定部と、
上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる露光制御部と
を具備する光検出装置。
【００１７】
信号取得部が、第１の露光時間におけるイメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得し、
露光時間決定部が、上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定し、
露光制御部が、上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる
光検出方法。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本技術によれば、露光時間を最適化することが可能な光検出装置及び光検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本技術の実施形態に係る蛍光顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図２】同蛍光顕微鏡の制御部の機能的構成を示す模式図である。
【図３】同蛍光顕微鏡の動作を示す模式図である。
【図４】同蛍光顕微鏡のイメージセンサの暗電流を示すグラフである。
【図５】同蛍光顕微鏡の基準発光測定の結果を示すグラフである。
【図６】同蛍光顕微鏡のイメージセンサの信号量を示すグラフである。
【図７】同蛍光顕微鏡の最適露光時間の決定方法を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本技術の実施形態に係る光検出装置について説明する。本実施形態に係る光検出装置は、イメージセンサを用いた種々の装置として利用することが可能であるが、ここでは一例として蛍光顕微鏡の場合について説明する。
【００２１】
[蛍光顕微鏡の構成]
図１は、蛍光顕微鏡１を示す模式図である。同図に示すように、蛍光顕微鏡１は、励起光源２、ダイクロイックミラー３、イメージセンサ４及び制御部５を有する。また、蛍光顕微鏡１には測定対象物Ｓがセットされているものとする。
【００２２】
蛍光顕微鏡１においては、励起光が測定対象物Ｓに照射され、それによって測定対象物Ｓにおいて生じた蛍光が測定対象となる。図１において励起光を太い黒矢印で示し、蛍光を白矢印で示す。
【００２３】
励起光源２は、励起光を放出する。励起光源２は、励起光の波長に応じて任意のものを用いることができる。励起光源２とダイクロイックミラー３の間には、不要な波長をカットするフィルタや励起光の照射角度を変換する光学系等が設けられていてもよい。
【００２４】
ダイクロイックミラー３は、所定の波長域の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過させるミラーである。ここでは、励起光の波長域を透過し、蛍光の波長域を反射させるものを用いることができる。
【００２５】
イメージセンサ４は、蛍光を検出する。イメージセンサ４はフォトダイオードを内蔵するものであればよく、ＣＣＤ（charge coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）等の任意の素子構造のものとすることができる。
【００２６】
制御部５は、イメージセンサ４の出力を取得すると共にイメージセンサ４及び励起光源２を制御する。制御部５は、蛍光顕微鏡１に内蔵されていてもよく、ＰＣ（personal computer)等の外部機器であってもよい。制御部５の具体的な構成については後述する。
【００２７】
蛍光顕微鏡１による測定対象物Ｓの測定は次のようになされる。励起光源２から出射された励起光は、ダイクロイックミラー６を透過して測定対象物Ｓに照射される。測定対象物Ｓにおいては、励起光によって蛍光が生じる。蛍光は、ダイクロイックミラー６によって反射され、イメージセンサ４に入射する。イメージセンサ４においては、所定の露光時間にわたって露光が継続され、蓄積された電荷が制御部５に出力される。制御部５において蛍光画像が生成される。
【００２８】
なお、蛍光や燐光等の微弱な光が測定対象となる場合には、比較的長時間（数十秒〜）にわたって露光が継続されることが一般的である。このため、光が微弱なことに加えて長時間の露光が必要なことから、イメージセンサにおけるノイズが測定結果に与える影響は小さくない。本技術はこのような、測定対象の光が微弱である場合に対して特に有効である。
【００２９】
［制御部の構成及び動作］
制御部５の構成及び動作ついて説明する。図２は制御部５の機能的構成を示す模式図である。同図に示すように、制御部５は、信号取得部５１、露光時間決定部５２及び露光制御部５３を有する。これらの構成は、プロセッサ等のハードウェアとそれに読み込まれるソフトウェアの協働によって実現されている。以下、制御部５の構成について、蛍光顕微鏡１の動作と併せて説明する。図３は蛍光顕微鏡１の動作を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、蛍光測定の前にイメージセンサ４の暗電流が測定される（Ｓｔ１）。この暗電流の測定は、蛍光測定の前に毎回実施されてもよく、複数回の蛍光測定毎に実施されてもよい。具体的には、イメージセンサ４を遮光した状態でイメージセンサ４が通電され、所定時間経過後に蓄積された電荷が暗電流として信号取得部５１によって取得される。イメージセンサ４の通電が開始されてから、電荷が出力されるまでの時間を露光時間とする。
【００３１】
図４は、イメージセンサ４の暗電流の一例を示すグラフである。暗電流（ノイズ量）はイメージセンサ４が遮光された状態での出力であるから、イメージセンサ４に由来するノイズ成分である。このグラフは露光時間に比例して増加しているが、これは暗電流が露光時間に比例して増加するためである。また、グラフは露光時間０においても一定の値を有する。これはイメージセンサ４の読み出しノイズである。
【００３２】
信号取得部５１は、２つの露光時間（第１露光時間Ｔ１及び第２露光時間Ｔ２）における暗電流（ノイズ量）を取得する。第１露光時間Ｔ１における暗電流を第１暗電流Ａ１とし、第２露光時間Ｔ２における暗電流を第２暗電流Ｔ２とする。信号取得部５１が第１暗電流Ａ１及び第２暗電流Ａ２を取得することによって、図４に示すノイズ量のグラフを得ることができる。
【００３３】
仮に信号取得部５１がひとつの露光時間における暗電流のみを取得するとすると、図４に示すノイズ量のグラフを得ることができない。露光時間０における読み出しノイズのために、露光時間０においてグラフが原点を通過しないからである。信号取得部５１は、第１暗電流Ａ１及び第２暗電流Ａ２を露光時間決定部５２に出力する。なお、信号取得部５１は３つ以上の露光時間において暗電流を取得するものとすることも可能である。
【００３４】
次に、基準発光測定（Ｓｔ２）が実施される。図５は、基準発光測定の結果を示すグラフである。基準発光測定は、測定対象物Ｓに替わり、所定量の蛍光物質が含まれた基準発光物質を測定対象として実施される。図５に示すグラフは、基準発光物質からの蛍光によって生じた信号量（本来の信号量）と上記図４に示したノイズ量が重畳されたグラフとなる。
【００３５】
したがって、図５に示すグラフと図４に示すグラフの差分がノイズ成分が含まれない本来の信号量となる。図６は、本来の信号量を示すグラフである。露光時間０においてはイメージセンサ４に蛍光が入射していなため、信号量は０である。このため、一つの露光時間Ｔ３におけるイメージセンサ４の出力（測定電流Ａ３とする）から図５に示すグラフを得ることができる。露光時間０においては読み出しノイズの値（図４のグラフにおける切片）とすればよいからである。信号取得部５１は、基準発光測定の結果を露光時間決定部５２に出力する。
【００３６】
なお、基準発光測定は実施されない場合もある。基準発光物質によって生じる蛍光量は規定されているため、図５に示すグラフを推定できるためである。ただし、基準発光測定を実施することにより、後述する最適露光時間をより最適に決定することが可能である。
【００３７】
次に、最適露光時間の決定（Ｓｔ３）が実施される。露光時間決定部５２は、信号取得部５１から供給された第１暗電流Ａ１、第２暗電流Ａ２及び測定電流Ａ３から最適露光時間を決定する。又は、基準発光測定が実施されない場合には、第１暗電流Ａ１及び第２暗電流Ａ２と、推定されたグラフ（図５に相当）から最適露光時間を決定する。
【００３８】
図７は最適露光時間の決定方法を示すグラフである。露光時間決定部５２は、図７（ａ）に示すように、第１暗電流Ａ１と第２暗電流Ａ２からノイズ量のグラフを生成し、測定電流Ａ３から、又は推定により信号量のグラフを生成する。次に、露光時間決定部５２は信号量をノイズ量で除することによって図７（ｂ）に示すＳＮ比（測定ＳＮ比とする）のグラフを生成する。
【００３９】
露光時間決定部５２は、予め設定された必要十分なＳＮ比（必要ＳＮ比とする）に測定ＳＮ比が一致する露光時間を最適露光時間Ｔｉとして決定する。露光時間決定部５２は、決定した最適露光時間Ｔｉを露光制御部５３に出力する。
【００４０】
ここで、イメージセンサ４の寿命確認（Ｓｔ４）が実施されてもよい。イメージセンサ４は経年劣化によりノイズ量が増大する場合がある。したがって露光制御部５３は、最適露光時間Ｔｉが予め定められた閾値を超過する場合には、イメージセンサ４の寿命と判断し蛍光測定の実施を停止するものとすることができる。露光制御部５３は、例えば、ディスプレイにメッセージを表示する等して、イメージセンサ４の寿命をユーザに通知（Ｓｔ５）するものとすることができる。
【００４１】
イメージセンサ４の寿命確認がなされない場合、又はイメージセンサ４の状態が良好である場合には、最適露光時間の設定（Ｓｔ６）が実施される。露光制御部５３は、上記露光時間決定部５２において決定された最適露光時間Ｔｉを蛍光測定の露光時間として設定する。
【００４２】
続いて、蛍光測定（Ｓｔ７）が実施される。蛍光測定においては、測定対象物Ｓが蛍光顕微鏡１にセットされ、上述したように測定対象物Ｓの蛍光が測定される。この際、露光制御部５３が、イメージセンサ４の露光時間が最適露光時間Ｔｉとなるようにイメージセンサ４を制御する。
【００４３】
以上のようにして、蛍光測定が実施される。露光時間がＳＮ比が必要十分となる最適露光時間に設定されるため、精度を確保しながらも測定時間を短縮することが可能であり、有効である。
【００４４】
本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
【００４５】
上記実施形態において、本技術に係る光検出装置は蛍光顕微鏡として用いられるものとしがこれに限られない。本技術は、蛍光や燐光等の微弱な光をイメージセンサによって検出するあらゆる装置に適用することが可能である。
【００４６】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
【００４７】
（１）
イメージセンサと、
第１の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する信号取得部と、
上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定する露光時間決定部と、
上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる露光制御部と
を具備する光検出装置。
【００４８】
（２）
上記（１）に記載の光検出装置であって、
上記信号取得部は、基準発光を受光したイメージセンサの出力である測定電流をさらに取得し、
上記露光時間決定部は、上記第１の暗電流及び上記第２の暗電流に加えて上記測定電流から上記最適露光時間を決定する
光検出装置。
【００４９】
（３）
上記（１）又は（２）に記載の光検出装置であって、
請求項１に記載の光検出装置であって、
上記露光制御部は、最適露光時間が閾値を超過した場合には、上記イメージセンサの寿命が経過したと判定する
光検出装置。
【００５０】
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の光検出装置であって、
上記露光時間決定部は、上記第１の暗電流及び上記第２の暗電流から、上記イメージセンサの読み出しノイズを算出し、上記読み出しノイズを上記最適露光時間の決定に利用する
光検出装置。
【００５１】
（５）
測定対象物に励起光を照射する励起光源と、
上記励起光によって上記測定対象物から放出される蛍光又は燐光が入射するイメージセンサと、
第１の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得する信号取得部と、
上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定する露光時間決定部と、
上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる露光制御部と
を具備する光検出装置。
【００５２】
（６）
信号取得部が、第１の露光時間におけるイメージセンサの暗電流である第１の暗電流と、第２の露光時間における上記イメージセンサの暗電流である第２の暗電流を取得し、
露光時間決定部が、上記第１の暗電流と上記第２の暗電流から上記イメージセンサの最適露光時間を決定し、
露光制御部が、上記イメージセンサを上記最適露光時間の間露光させる
光検出方法。
【符号の説明】
【００５３】
１…蛍光顕微鏡
４…イメージセンサ
４…フォトダイオード
５…制御部
５１…信号取得部
５２…露光時間決定部
５３…露光制御部
【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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