(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニポウディスクを有し試料の像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、対物レンズの焦点位置を制御し前記共焦点スキャナで取得する画像の焦点方向の深さ位置を指定する光学制御系とを備え、試料のスライス画像を取得する共焦点顕微鏡において、
前記ニポウディスクの回転同期制御、前記画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、前記光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを、前記ビデオ信号に同期して行うと共に前記スライス画像と走査開始タイミングを同時に記録することを特徴とする共焦点顕微鏡。
【請求項２】
ニポウディスクを有し試料の像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、対物レンズの焦点位置を制御し前記共焦点スキャナで取得する画像の焦点方向の深さ位置を指定する光学制御系とを備え、試料のスライス画像を取得する共焦点顕微鏡において、
外部信号に応答して、前記ビデオレートカメラによるビデオ信号の生成、前記ニポウディスクの回転同期制御、前記画像処理装置によるビデオ信号の取得、及び、前記光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査を開始すると共に前記スライス画像と走査開始タイミングを同時に記録することを特徴とする共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記光学制御系は、対物レンズの焦点位置を制御するピエゾアクチュエータを備える、
請求項１又は２に記載の共焦点顕微鏡
【請求項４】
前記画像処理装置は、前記スライス画像を記録媒体の画像領域に記録し、前記対物レンズの焦点位置の走査開始タイミングを前記記録媒体の音声領域に記録する、
請求項１〜３の何れかに記載の共焦点顕微鏡。
【請求項５】
前記記録媒体がビデオテープである、
請求項４に記載の共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡に関し、より詳細には、高精度の共焦点画像を記録し、画像解析を容易にする共焦点顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡は、ピンホールを用いて空間分解能を高めるニポウディスク方式を採用することにより、光を微小なピンポイントに絞って試料に照射し、試料からの余分な散乱光やボケを排除して、３次元空間中の１点を正確に計測できる。共焦点顕微鏡は、試料を超薄切片にすることなく断層（スライス）画像が得られ、スライス画像データから正確な三次元立体像を構築できるので、生物及びバイオテクノロジーの分野における生きた細胞の生理反応観察・形態観察や半導体市場におけるＬＳＩの表面観察に使用される。
【０００３】
図４は、従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。共焦点スキャナ２は、顕微鏡３のカメラポートに取り付けられ、顕微鏡３、アクチュエータ４、及び、対物レンズ５を経由して、試料の像を共焦点画像としてビデオレートカメラ１に入力し、画像を観測する。ビデオレートカメラ１は、変換したビデオ信号１０１を共焦点スキャナ２及び画像処理装置６に入力する。画像処理装置６は、ビデオ信号１０１を画像データに変換し記録するキャプチャを開始する。共焦点スキャナ２は、ビデオ信号１０１に同期して、回転同期制御を行う。任意波形発生器７は、コントローラ８に走査信号１０４を入力し、コントローラ８は、走査信号１０４に基づいて制御信号１０５を発生し、アクチュエータ４を制御する。アクチュエータ４は、顕微鏡３に対する対物レンズ５の光軸上の位置を調整する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
画像処理装置６のキャプチャの開始と任意波形発生器７の走査信号１０４の発生は、独立に行われる。ビデオ信号１０１が発生する画像生成タイミング、共焦点スキャナ２による回転同期制御、画像処理装置６によるキャプチャの開始タイミング、及び、任意波形発生器７による画像の焦点方向の走査の開始タイミングは、相互に同期しない。このため、画像処理装置６による画像取得の開始タイミング、及び、任意波形発生器７による画像の焦点方向の走査の開始タイミングは、データ取得時間が最大で３２ｍｓｅｃのバラツキがあり、個々の共焦点画像の取得時間のバラツキを生じるので、複数の共焦点画像から得られるスライス画像の信頼性が低下する。
【０００５】
本発明は、上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、信頼性の高いスライス画像が得られる共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の共焦点顕微鏡は、ニポウディスクを有し試料の像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、対物レンズの焦点位置を制御し前記共焦点スキャナで取得する画像の焦点方向の深さ位置を指定する光学制御系とを備え、試料のスライス画像を取得する共焦点顕微鏡において、前記ニポウディスクの回転同期制御、前記画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、前記光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを、前記ビデオ信号に同期して行うと共に前記スライス画像と走査開始タイミングを同時に記録することを特徴とする。
【０００７】
本発明の共焦点顕微鏡は、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングが、全てビデオ信号に同期することにより、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のバラツキが無くなるので、信頼性の高いスライス画像が得られる。
【０００８】
また、本発明の共焦点顕微鏡は、ニポウディスクを有し試料の像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、対物レンズの焦点位置を制御し前記共焦点スキャナで取得する画像の焦点方向の深さ位置を指定する光学制御系とを備え、試料のスライス画像を取得する共焦点顕微鏡において、外部信号に応答して、前記ビデオレートカメラによるビデオ信号の生成、前記ニポウディスクの回転同期制御、前記画像処理装置によるビデオ信号の取得、及び、前記光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査を開始すると共に前記スライス画像と走査開始タイミングを同時に記録することを特徴とする。
【０００９】
本発明の共焦点顕微鏡は、外部信号を発生する装置が、共焦点スキャナを制御することにより、ニポウディスクの回転数を任意に可変できる。
【００１０】
本発明の共焦点顕微鏡では、前記光学制御系は、対物レンズの焦点位置を制御するピエゾアクチュエータを備えることが好ましい。この場合、光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査が高速で高精度になる。
【００１１】
また、本発明の共焦点顕微鏡では、前記画像処理装置は、スライス画像を記録媒体の画像領域に記録し、前記対物レンズの焦点位置の走査開始タイミングを前記記録媒体の音声領域に記録することが好ましい。この場合、記録媒体の音声領域に記録したレンズの焦点位置の走査開始タイミングをサーチすることにより、スライス画像の先頭フレームを検出できるので、記録したスライス画像の解析や編集が容易になる。
【００１２】
前記記録媒体がビデオテープであることも本発明の好ましい態様である。この場合、画像処理装置にビデオデッキを採用することにより、スライス画像の長時間記録が可能なシステムを容易に構成できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例に基づいて、本発明の共焦点顕微鏡について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態例の共焦点顕微鏡のブロック図である。本実施形態例の共焦点顕微鏡は、ビデオレートカメラ１、共焦点スキャナ２、顕微鏡３、アクチュエータ４、対物レンズ５、画像処理装置６、任意波形発生器７、コントローラ８、及び、同期インターフェイスボックス９で構成される。
【００１４】
ビデオレートカメラ１、共焦点スキャナ２、顕微鏡３、アクチュエータ４、及び、対物レンズ５は、同じ光軸上に配置される。共焦点スキャナ２は、２万個のピンホールを持つニポウディスク、及び、それに対応するマイクロレンズアレイを有し、シンプルな光学系から成るニポウディスク方式が採用されるコンパクトなアドオンタイプである。共焦点スキャナ２を顕微鏡３のカメラポートに取り付けることにより、手持ちの顕微鏡３を共焦点顕微鏡にグレードアップする。共焦点顕微鏡は、対物レンズ５、アクチュエータ４、及び、顕微鏡３を経由して、試料の像を共焦点スキャナ２に入力する。共焦点スキャナ２は、試料の像から共焦点画像を作成し、ビデオレートカメラ１に入力して、画像観測が行われる。
【００１５】
図２は、図１の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。ビデオレートカメラ１は、共焦点画像をビデオ信号１０１に変換し、共焦点スキャナ２、同期インターフェイスボックス９の信号入力端子、及び、画像処理装置６の画像入力端子にビデオ信号１０１を入力する。共焦点スキャナ２は、ビデオ信号１０１に同期して、ニポウディスクの回転同期制御を行う。
【００１６】
画像処理装置６にビデオテープデッキを採用する場合、ビデオテープデッキは、画像入力端子から入力されるビデオ信号１０１、及び、音声入力端子から入力される開始信号１０３を長時間用のビデオテープに同時に記録する。また、開始信号１０３に代えて走査信号１０４を記録することもでき、デジタルビデオテープデッキを採用すれば、スーパーインポーズ等の画像入力領域以外の別の領域に開始信号１０３を記録することもできる。ビデオテープには、リアルタイムに変化する共焦点画像、及び、対物レンズ５の焦点位置の走査開始のタイミングが同時に記録される。この場合、記録媒体の音声領域に記録した対物レンズの焦点位置の走査開始タイミングをサーチすることにより、スライス画像の先頭フレームを検出できるので、記録したスライス画像の解析や編集が容易になる。また、画像処理装置にビデオデッキを採用すれば、スライス画像の長時間記録が可能なシステムを容易に構成できる。
【００１７】
同期インターフェイスボックス９は、ビデオ信号１０１の偶数側パルス列又は奇数側パルス列の何れか一方を抽出し、内部Ａ信号を作成する。任意波形発生器７は、Ｈレベルのパルス信号であるトリガ信号１０２を発生し、同期インターフェイスボックス９のトリガ入力端子に入力して、焦点面の走査の開始タイミングに利用する。
【００１８】
同期インターフェイスボックス９は、トリガ信号１０２の立下りに同期して、内部Ｂ信号を作成する。内部Ｂ信号は、Ｈレベルのパルス幅時間が３５ｍｓｅｃ程度有し、ビデオレートカメラ１のビデオレートの時間に比して若干長いパルス信号である。同期インターフェイスボックス９は、内部Ａ信号の反転信号と内部Ｂ信号とを論理積演算することにより、開始信号１０３を発生し、画像処理装置６及び任意波形発生器７の同期入力端子に入力する。画像処理装置６は、同期入力端子からの開始信号１０３の立上りに同期して、ビデオ信号１０１を画像データに変換し記録するキャプチャを開始する。同期インターフェイスボックス９は、信号入力端子からのビデオ信号１０１に基づいて、共焦点スキャナ２によるニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置６によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを全て同期させる。
【００１９】
上記構成に代えて、ビデオ信号１０１を発生する画像生成のタイミングが外部からの外部トリガ信号に同期するビデオレートカメラ１（例えば、デジタルカメラ）を採用する場合、外部装置は、開始信号１０３に代えて、外部トリガ信号をビデオレートカメラ１、画像処理装置６、及び、任意波形発生器７に入力して、画像生成のタイミング、ニポウディスクの回転同期制御、ビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを同期する。共焦点スキャナ２は、外部装置からの制御に基づいて、任意に回転数が可変される。この場合、同期インターフェイスボックス９を除くことができ、外部装置からの制御により、共焦点スキャナの同期回転数が変化する。
【００２０】
任意波形発生器７は、開始信号１０３の立上りに同期して、光学制御系による対物レンズ５の焦点位置の走査を開始する。任意波形発生器７は、走査信号１０４を発生し、コントローラ８に入力する。走査信号１０４は、ＬレベルからＨレベルまで一定時間で直線的に増加するノコギリ波状の信号である。コントローラ８は、走査信号１０４をアクチュエータ４に入力する。アクチュエータ信号１０５は実際のアクチュエータの位置信号であり、伸びきってから一気に原点に戻ったあとにオーバーシュートがあり、この間は不感帯となる。
【００２１】
アクチュエータ４は、顕微鏡３の対物レンズレボルバーと対物レンズ５との間に取り付けられ、ピエゾ駆動により走査信号１０４のレベルに比例して画像の焦点方向の長さが変化し、対物レンズ５の焦点位置を制御する。共焦点顕微鏡は、走査信号１０４に基づいて、焦点面を走査することにより、試料のスライス画像を取得する。
【００２２】
上記実施形態例によれば、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、光学制御系によるレンズの焦点位置の走査開始のタイミングが、全てビデオ信号に同期することにより、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のバラツキが無くなるので、信頼性の高いスライス画像が得られる。
【００２３】
図３は、本発明の第２実施形態例の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。本実施形態例は、先の実施形態例の画像処理装置６にパーソナルコンピュータを採用する。パーソナルコンピュータは、画像を記録するビデオキャプチャボード、ビデオキャプチャボードをコントロールする制御ソフトウェア、一時的な記録媒体のＲＡＭ、及び、周辺記憶装置のハードディスク（ＨＤＤ）を有する。また、周辺記憶装置は、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＷ、又は、ＭＯであってもよい。
【００２４】
パーソナルコンピュータは、時刻ｔ０の開始信号１０３の立上りに同期して、第１回目の画像記録を開始する。入力するビデオ信号１０１からｐ枚数分の画像データに変換し、画像データをＲＡＭに一時的に記録して、ＲＡＭへの記録が完了する時刻ｔ１に、ＲＡＭ上の画像データをＨＤＤに転送する。ＨＤＤへの記録が完了する時刻ｔ２に、第１回目の画像記録を終了する。第２回目の画像記録は、上記と同様にして、時刻ｔ２に開始し、時刻ｔ４に終了する。
【００２５】
時間Ｔａは、ビデオ信号１０１からｐ枚数分の画像データに変換し、ＲＡＭに記録する処理時間であり、指定する画像データの枚数ｐによって決定する。時間Ｔｂは、ＲＡＭ上の画像データをＨＤＤに転送する転送時間であり、ＲＡＭ上の画像データの大きさ、及び、ＨＤＤヘッドスキャン時間によって決定する。時間Ｔａ及びＴｂは、予め測定され、トリガ信号１０２の周期Ｔｃは、Ｔｃ＝Ｔａ＋Ｔｂとして設計される。
【００２６】
現在のＲＡＭで使用できる記憶領域の大きさは、せいぜい１ＧＢ程度である。例えば、画像が画面サイズに６４０×４８０ｐｉｘｅｌを有し、階調に８ｂｉｔのグレイスケールレベルを有する場合、この画像をビデオレートで取り込むと、記録可能時間が約９０ｓｅｃになり、特に生物の動態観察において満足できない場合がある。また、画像圧縮により記録可能時間を長くすると、画質の低下や画像データの欠落が生じる。このため、一時的に記録したＲＡＭ上の画像データを周辺記憶装置に転送する。
【００２７】
また、パーソナルコンピュータに市販の画像解析ソフトウェアを搭載すれば、取得したスライス画像から正確な三次元立体構造を再構築することが可能になり、画像解析の操作性も向上する。
【００２８】
上記実施形態例によれば、一時的に記録したＲＡＭ上の画像データを周辺記憶装置に転送することにより、リアルタイムに収集した共焦点画像から画像解析できるので、長時間のタイムラプス測定が可能になる。
【００２９】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の共焦点顕微鏡は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものでなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した共焦点顕微鏡も、本発明の範囲に含まれる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の共焦点顕微鏡では、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミング、及び、光学制御系によるレンズの焦点位置の走査開始のタイミングが、全てビデオ信号に同期すると共に前記スライス画像と走査開始タイミングを同時に記録することにより、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のバラツキが無くなるので、信頼性の高いスライス画像が得られると共にスライス画像の先頭フレームが検出できるので、記録したスライス画像の解析や編集が容易になる。
【００３１】
また、外部信号を発生する装置が、共焦点スキャナを制御することにより、ニポウディスクの回転数を任意に可変できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例の共焦点顕微鏡のブロック図である。
【図２】図１の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態例の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。
【図４】従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。
【符号の説明】
１  ビデオレートカメラ
２  共焦点スキャナ
３  顕微鏡
４  アクチュエータ
５  対物レンズ
６  画像処理装置
７  任意波形発生器
８  コントローラ
９  同期インターフェイスボックス
１０１  ビデオ信号
１０２  トリガ信号
１０３  開始信号
１０４  走査信号
１０５  アクチュエータ信号
【図１】
0004158077.tif 000002
【図２】
0004158077.tif 000003
【図３】
0004158077.tif 000004
【図４】
0004158077.tif 000005