(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小物体である被写体を拡大して観察する光学顕微鏡と、前記被写体に光を照射する照明手段とを備えた高速撮影装置であって、前記照明手段から照射された被写体についてシャッタリングを前記光学顕微鏡の拡大倍率が大きくなるのに伴って時間間隔が短くなるように短時間間隔で行って被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を光電変換して電気信号として出力する撮像手段と、前記撮像手段から出力された電気信号を撮影画像として処理する画像処理手段とを備えるとともに、撮影を行う制御信号を出力する信号制御手段を備え、前記信号制御手段から出力された制御信号に前記照明手段および撮像手段が同期して、高速撮影を行い、撮影を行う前段階であって撮影条件を設定するモニタ時には、前記制御信号に同期して、前記照明手段は光を間欠的に照射するとともに、前記制御信号に同期して、撮影時に、前記照明手段は光を連続的あるいは間欠的に照射することを特徴とする高速撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高速撮影装置において、前記撮像手段は、前記照明手段から照射された被写体の透過光を光学像として取り込み高速撮影を行う手段であることを特徴とする高速撮影装置。
【請求項３】
請求項１に記載の高速撮影装置において、前記撮像手段は、前記照明手段から照射された被写体の反射光を光学像として取り込み高速撮影を行う手段であることを特徴とする高速撮影装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の高速撮影装置において、前記照明手段の光源として紫外線を使用し、前記撮像手段は、前記被写体に含まれる蛍光物質が紫外線によって放出した蛍光を光学像として取り込み高速撮影を行う手段であることを特徴とする高速撮影装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の高速撮影装置において、前記照明手段の光源として赤外線を使用し、前記撮像手段は、前記照明手段から照射された被写体の赤外光を光学像として取り込み高速撮影を行う手段であることを特徴とする高速撮影装置。
【請求項６】
請求項１に記載の高速撮影装置において、被写体を刺激する刺激手段を備え、前記信号制御手段から出力された制御信号に前記刺激手段が同期して、被写体を刺激して高速撮影を行うことを特徴とする高速撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ビデオカメラなどの高速撮影装置に係り、特に、バイオなどの生化学分野の研究やマイクロマシンニングの研究などにおいて、微小な物体を観察するときに微小物体である被写体の微小な動きを撮影する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バイオなどの生化学分野の研究やマイクロマシンニングの研究などにおいて、例えば細胞や微生物などの微小物体を観察ずる場合、微小物体である被写体に光を照射させて、反射あるいは透過された光を、光学顕微鏡を介して、肉眼で観察、あるいはカメラによる撮影を行っている。
【０００３】
微小物体の生化学反応は比較的低速な反応であると考えられていたので、カメラによる撮影の場合には、ＴＶレート程度（３０フレーム／秒）の撮影速度で撮影を行っている。そして、反応の前後の画像を比較することにより微小物体の解析が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、顕微鏡下において被写体の観察される速度（微小物体の動き、生化学反応の反応速度など）は、実際の反応速度よりも顕微鏡の拡大倍率に比例して速くなって、被写体の変化を観測することが困難となるという問題がある。
【０００５】
例えば、被写体である微小物体が１ｍｍ／秒の速度で移動している場合、５００倍の拡大倍率で被写体を観察する。すると、５００倍の拡大倍率に比例して、顕微鏡下において１ｍｍ／秒×５００倍、すなわち０．５ｍ／秒（＝５００ｍｍ／秒）で移動するように見える。
【０００６】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、微小物体の微小な動きを観測することができる高速撮影装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、微小物体である被写体を拡大して観察する光学顕微鏡と、前記被写体に光を照射する照明手段とを備えた高速撮影装置であって、前記照明手段から照射された被写体についてシャッタリングを前記光学顕微鏡の拡大倍率が大きくなるのに伴って時間間隔が短くなるように短時間間隔で行って被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を光電変換して電気信号として出力する撮像手段と、前記撮像手段から出力された電気信号を撮影画像として処理する画像処理手段とを備えるとともに、撮影を行う制御信号を出力する信号制御手段を備え、前記信号制御手段から出力された制御信号に前記照明手段および撮像手段が同期して、高速撮影を行い、撮影を行う前段階であって撮影条件を設定するモニタ時には、前記制御信号に同期して、前記照明手段は光を間欠的に照射するとともに、前記制御信号に同期して、撮影時に、前記照明手段は光を連続的あるいは間欠的に照射することを特徴とするものである。
【０００８】
〔作用・効果〕請求項１に記載の発明によれば、照明手段から照射された被写体についてシャッタリングを短時間間隔で行って被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を光電変換して電気信号として出力する撮像手段、つまり高速に撮影を行う撮像手段を備えることで、光学顕微鏡を介して、短時間間隔で微小物体である被写体の微小な動きが撮影される。従って、顕微鏡下において観察される被写体の見かけ上の速度が速くても、顕微鏡の拡大倍率に応じて、撮像手段の撮影速度を速く、すなわちシャッタリングの間隔を短くすることで、被写体の微小な動きを容易に観測することができる。なお、本明細書中での『微小物体』は、細胞や微生物や神経や昆虫などを指すとともに、『短時間間隔』は、０．０３秒／フレームよりも短い間隔（ＴＶレートの撮影速度の３０フレーム／秒よりも速い撮影速度）、例えば１．０×１０−６秒／フレーム（１．０μｓ／フレーム）を指す。
なお、被写体は微小物体であるので、照明手段から被写体が照射される露光時間は短い方が好ましい。露光時間が長いと、照明手段から照射される光によって細胞が死ぬ、細胞が乾燥する、あるいは微生物の化学反応が変わるなどの問題が生じるからである。そこで、信号制御手段から出力された制御信号に照明手段および撮像手段を同期させることで、露光時間の短縮を図る。
ただし、制御信号のトリガごとに照明手段を間欠的に照射させ続けると、撮影速度が速くなるのにしたがって、１フレーム当たりの光量が少なくなってしまう。光量を補うために光量を強くすると、上述したように細胞が死ぬ、細胞が乾燥する、あるいは微生物の化学反応が変わるなどの問題が生じてしまう。そこで、撮影を行う前段階であって撮影条件を設定するモニタ時、および撮影時には、モニタで被写体を観察するときや撮影を実際に行うとき以外には、被写体に光を照射しなくても支障はないことから、以下のように照明手段を制御信号に同期させる。
すなわち、モニタ時には、制御信号に同期して照明手段は光を間欠的に照射するとともに、撮影時には、制御信号に同期して、照明手段は光を連続的あるいは間欠的に照射させる。このように照明手段を同期させることで、モニタ時あるいは撮影時に、被写体に光が照射され続けることなく、上記問題を回避することができる。
【０００９】
照明手段から照射された被写体の光学像を撮像手段が取り込むのに際して、被写体の透過光を光学像として取り込む（請求項２に記載の発明）場合と、被写体の反射光を光学像として取り込む（請求項３に記載の発明）場合とがある。また、照明手段の光源としては、例えば紫外線や赤外線を使用する。紫外線の場合には、被写体に含まれる蛍光物質が紫外線によって蛍光を放出し、その放出された蛍光を光学像として取り込む（請求項４に記載の発明）。赤外線の場合には、照明手段から照射された被写体の赤外光を光学像として取り込む（請求項５に記載の発明）。
【００１３】
また、上述したように被写体は細胞や微生物などの微小物体であるので、微小物体の生化学反応による微小な動きを観察する。従って、微小物体を撮影して観察する際に、試薬や電気刺激やレーザ刺激や光刺激などの刺激を微小物体に与えて、その反応を見る。そこで、本発明に係る高速撮影装置に、被写体を刺激する刺激手段を備え、信号制御手段から出力された制御信号に刺激手段を同期させる（請求項６に記載の発明）。このように刺激手段を同期させることで、刺激によって反応した微小物体の微小な動きが、刺激に同期して撮影されて、微小な動きをより正確に観測することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１は、この発明に係る高速撮影装置の全体構成を示したブロック図、図２は、モニタ時におけるシャッタリングや発光などのタイミングを示したパルス波形図（タイミングチャート）であって、図３は、撮影時におけるシャッタリングや発光などのタイミングを示したパルス波形図である。
【００１５】
図１中の符号１は、本実施例に係る高速撮影装置であり、この高速撮影装置１は、光学顕微鏡２、照明部３、撮像部４、画像処理部５、モニタ６、同期回路７、操作部８、および刺激部９から構成される。
【００１６】
光学顕微鏡２は、接眼レンズ２ａ、および被写体の試料Ｍを載置する載置台２ｂを備えており、照明部３から照射された試料Ｍの透過光が分光されて、接眼レンズ２ａと撮像部４とにそれぞれ導かれる。本実施例では、被写体の試料Ｍの透過光を、光学像として取り込む。
【００１７】
照明部３は、発光部３ａ、および同期回路７に接続された発光駆動部３ｂを備えており、同期回路７から出力された制御信号に同期して、発光駆動部３ｂは発光部３ａの駆動を促す。発光部３ａは、キセノンガスなどの希ガスが封入された放電管（図示省略）などから構成される。そして、発光部３ａの放電管から紫外線が放電されて、光学顕微鏡２の載置台２ｂに載置された試料Ｍを紫外線が照射する。このことから、本実施例では、照明部３の光源として紫外線を使用している。照明部３は、本発明における照明手段に相当する。
【００１８】
撮像部４は、マイクロチャンネルプレート型イメージインテシファイア（以下、「ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ」という）４ａ、および撮像素子４ｂを備えている。なお、本実施例では、試料Ｍは蛍光物質を含んでおり、その蛍光物質が照明部３から照射された紫外線によって放出した蛍光を撮像部４が光学像として取り込んでいる。撮像部４は、本発明における撮像手段に相当する。
【００１９】
ＭＣＰ型Ｉ．Ｉ４ａは、接眼レンズ２ａからの被写体の試料Ｍの透過光（蛍光）、すなわち被検体の光学像を光電子に変換して、同期回路７から出力された制御信号に同期したパルス電圧の印加によって光電子を倍増した後、倍増された光電子を光学像に再度変換する機能を備えている。
【００２０】
撮像素子４ｂは、光電変換する複数個のフォトダイオード、およびＣＣＤ素子群を備えており、取り込まれた光学像を光電変換して電気信号として出力する。そして、撮像素子４ｂは、光電変換された電荷の蓄積、および読み出しを逐次行う際に、シャッタとして作動する機能を備えている。
【００２１】
画像処理部５は、信号処理回路５ａ、メモリ回路５ｂ、および映像信号発生回路５ｃから構成される。信号処理回路５ａは、撮像部４から出力された電気信号を、例えばコントラスト補正などの画像処理を行い、メモリ回路５ｂは、画像処理が行われた画像を記憶し、映像信号発生回路５ｃは、メモリ回路５ｂに記憶されたデータを読み出し、映像信号に変換して撮影画像としてモニタ６に出力する。つまり、画像処理部５は、撮像部４から出力された電気信号を撮影画像として処理する機能を備えている。また、映像信号発生回路５ｃは、同期回路７に接続されている。画像処理部５は、本発明における画像処理手段に相当する。
【００２２】
同期回路７は、照明部３の発光駆動部３ｂ、撮像部４、および刺激部９のプローブ９ｂにそれぞれ接続されるとともに、上述したように画像処理部５の映像信号発生回路５ｃにも接続されている。同期回路７は、制御信号を出力する回路であって、この制御信号に照明部３の発光駆動部３ｂ、撮像部４、および刺激部９のプローブ９ｂが同期する。また、同期回路７は、操作部８からの操作に伴って、撮影、画像の書き込み／読み出し、撮影画像の出力などを行う制御信号を手動で変更あるいは出力することもできるように構成されている。同期回路７は、本発明における信号制御手段に相当する。
【００２３】
刺激部９は、電源部９ａ、およびプローブ９ｂを備えており、同期回路７の制御信号に同期した電源部９ａからの電気信号をプローブ９ｂに伝送する。プローブ９ｂの先端は、試料Ｍに接触されており、電気信号はプローブ９ｂを介して試料Ｍに電気刺激を与える。刺激部９は、本発明における刺激手段に相当する。
【００２４】
次に、モニタ時と撮影時とについて、図２および図３のタイミングチャートを参照して説明する。図２および図３中の垂直同期信号は、１フレーム分の画像のタイミングをとるための信号であって、モニタ６に出力するフレームレートでもある。図２および図３中の垂直転送パルスは、モニタ６の垂直方向に撮影画像を逐次出力するための信号である。図２および図３中の映像出力は、モニタ６に出力される走査線１本分の撮影画像であって、垂直転送パルスごとに走査線１本分の撮影画像がモニタ６の垂直方向に逐次出力される。そして１フレームで、すなわち次の垂直同期信号が出力されるまで、１フレーム分の画像が撮影画像としてモニタ６に出力される。なお、図２および図３では、説明の便宜上、制御信号およびシャッタリングを行うパルス電圧を省略する。照明部３は、制御信号に同期するとともに、上述した垂直同期信号や垂直転送パルスや映像出力も制御信号に同期する。なお、本実施例では、１．０μｓ／フレームごとの短時間間隔で被写体である試料Ｍの光学像を取り込んで連続撮影を行うとする。
【００２５】
〔モニタ時〕
モニタ時には、制御信号（図示省略）に同期して照明部３は光を間欠的に照射させる。本実施例では、垂直同期信号も制御信号に同期しているので、図２に示すように垂直同期信号に照明部３から間欠的に照射された光が同期するような形となる。垂直転送パルスも、制御信号に同期しているので、同じく垂直同期信号に垂直転送パルスが同期するような形となる。映像出力も同様である。これらの垂直同期信号や垂直転送パルスは、同期回路７からの制御信号が撮像部４に伝送されて出力される。そして、撮像部４から出力された電気信号が、画像処理部５を介して、モニタ６に出力される。
【００２６】
なお、モニタ時には、正確な撮影画像を必要としないので、信号処理回路５ａにてコントラスト補正などの画像処理を行わず、メモリ回路５ｂで画像の書き込み/読み出しも行わずに、映像信号発生回路５ｃにて直接に送り込まれて、モニタ６に映像出力の信号が出力される。
【００２７】
また、上述したように、モニタ時には、照明部３が光を間欠的に照射する。従って、撮影条件を設定する際にモニタ６に出力された撮影画像が必要であるとき以外には光が照射されない。なお、制御信号に同期して照明部３が光を照射する際には、制御信号によって駆動された発光駆動部３ｂが発光部３ａから放電を発生させて、光が、すなわち本実施例では紫外線が照射される。
【００２８】
〔撮影時〕
撮影時には、制御信号に同期して照明部３は、実際に撮影を行うときのみに光を照射させる。本実施例では、実際に撮影を行うときのみに光を連続的に照射させる（図３中の▲１▼）。なお、フレームレートごとに、すなわち撮影ごとに光を同期させて間欠的に照射させてもよい。
【００２９】
また、撮影時には、正確な撮影画像を得るために、信号処理回路５ａにてコントラスト補正などの画像処理を行い、メモリ回路５ｂで画像の書き込み/読み出しを行うので、実際に撮影を行うとき（図３中の▲１▼）には、モニタ６に撮影画像（図３中の映像出力）は出力されない。
【００３０】
また、実際の撮影において、撮像部４によって取り込まれた試料Ｍの光学像の電気信号が出力され、信号処理回路５ａにて画像処理が行われる。画像処理された画像はメモリ回路５ｂに書き込まれて、一時的に記憶される（図３中の▲２▼）。
【００３１】
メモリ回路５ｂに一時的に記憶された画像が、垂直同期信号によって読み出されて、垂直転送パルスごとに走査線１本分の撮影画像がモニタ６に逐次出力される（図３中の▲３▼）。その結果が、映像出力である。そして、モニタ６の画面全体にまで撮影画像が出力されると、次のフレームの画像を読み出すために、垂直同期信号を出力する。
【００３２】
図３中の▲２▼および▲３▼の間、すなわち画像処理、画像の書き込み／読み出し、映像出力の間は、照明部３から光を照射しない。図３中の▲１▼である実際の撮影が終了した直後に、照明部３からの光の照射を終了させる。
【００３３】
また、図３では図示を省略するが、撮影時には、図３中の▲１▼において、刺激部９からプローブ９ｂを介して試料Ｍに電気的刺激を与える。この電気的刺激を与える場合も、制御信号に同期させる。そして、撮影ごとに電気的刺激を与える。
【００３４】
なお、実際に撮影を行う際（図３中の(1) ）には、１．０μｓ／フレームごとの短時間間隔で試料Ｍを連続撮影するので、それに伴って垂直転送パルスの間隔も、図２でのモニタ時や図３中の(3)での映像出力時と比べて、狭くなるように出力される。逆に、モニタ時や映像出力時には、１．０μｓ／フレームよりも長い間隔で、モニタ６に撮影画像を逐次出力して、観察を行う。
【００３５】
以上の図１のブロック図、図２および図３のタイミングチャートより、以下の効果を奏する。すなわち、図１に示すように、微小物体である試料Ｍ、つまり被写体についてシャッタリングを短時間間隔で行って被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を光電変換して電気信号として出力する撮像部４、つまり高速に撮影を行う撮像部４を備えることで、光学顕微鏡２を介して、微小物体である被写体の微小な動きが撮影される。従って、顕微鏡下において観察される被写体の見かけ上の速度が速くても、顕微鏡の拡大倍率に応じて、撮像部４の撮影速度を速く、すなわちシャッタリング間隔を短くすることで、被写体の微小な動きを容易に観測することができる。
【００３６】
また、モニタ時において、図２に示すように、制御信号に同期して照明部３は光を間欠的に照射させている。さらには、本実施例では、撮影条件を設定する際にモニタ６に出力された撮影画像が必要であるとき以外には光が照射されないようにしているので、照明部３から照射される光の照射時間をより短くすることができる。また、このことから、試料Ｍが、例えば細胞や微生物などの場合、細胞が死ぬ、細胞が乾燥する、あるいは微生物の化学反応が変わるなどの問題を回避することができる。
【００３７】
また、撮影時において、図３に示すように、実際に撮影を行うときにのみ照明部３は光を照射させている。従って、モニタ時と同様に、照射時間（撮影時の場合は露光時間）を短くすることができる。そして、モニタ時と同様に、上記問題を回避することができる。
【００３８】
さらには、刺激部９から出力された電気的刺激に関する電気信号も制御信号に同期しているので、電気的刺激によって反応した微小物体の微小な動きが、刺激のたびに撮影されて、微小な動きをより正確に観測することができる。
【００３９】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００４０】
（１）上述した本実施例では、照明部３から照射された被写体の透過光を光学像として取り込んだが、被写体の反射光を光学像として取り込むような光学顕微鏡２および撮像部４であってもよい。また、上述した本実施例では、照明部３の光源として紫外線を使用し、試料Ｍに含まれる蛍光物質が紫外線によって放出した蛍光を光学像として取り込んだが、例えば照明部３の光源として赤外線を使用し、被写体の赤外光を光学像として取り込むなど、照明部３の光源については特に限定されない。
【００４１】
（２）上述した本実施例では、モニタ時および撮影時ともに、制御信号に同期させて光を間欠的あるいは実際の撮影時にのみに連続的に照射させたが、微小物体である試料Ｍが、例えば細胞が死ぬ、細胞が乾燥する、あるいは微生物の化学反応が変わるなどの問題が生じないのであるならば、制御信号に同期させずに連続的に照射してもよい。また、制御信号に同期させて光を照射させる方法については、上述した本実施例の場合に限定されない。
【００４２】
（３）上述した本実施例では、刺激部９は、試料Ｍに電気的刺激を付与するものであったが、電気的刺激以外にも、例えば試薬やレーザ刺激や光刺激などの刺激であってもよく、微小物体の生化学反応による微小な動きを観察するために付与する刺激ならば、特に限定されない。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、高速に撮影を行う撮像手段を備えているので、顕微鏡下において観察される被写体の見かけ上の速度が速くても、顕微鏡の拡大倍率に応じて、撮像手段の撮影速度を速くすることで、微小物体の微小な動きを観測することができる。さらには、信号制御手段から出力された制御信号に照明手段および撮像手段を同期させる、モニタ時には、制御信号に同期して照明手段は光を間欠的に照射させるとともに、撮影時には、制御信号に同期して、撮影時に照明手段は光を連続的あるいは間欠的に照射させることで、照明手段から被写体が照射される露光時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る高速撮影装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】モニタ時におけるシャッタリングや発光などのタイミングを示したパルス波形図である。
【図３】撮影時におけるシャッタリングや発光などのタイミングを示したパルス波形図である。
【符号の説明】
１  …  高速撮影装置
２  …  光学顕微鏡
３  …  照明部
４  …  撮像部
５  …  画像処理部
７  …  同期回路
９  …  刺激部
Ｍ  …  試料
【図１】
0003873692.tif 000002
【図２】
0003873692.tif 000003
【図３】
0003873692.tif 000004