JP2000258691A - 共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、共焦点画像をリアルタイムで表示
できるとともに、Ｓ／Ｎの良好な共焦点画像を得られる
共焦点顕微鏡を提供する。 【解決手段】 共焦点画像データＣijを求めるための回
転ディスク４のランダムピンホールパターン部４ａを通
過して得られた非共焦点成分を含む共焦点画像データＡ
ijと開口部４ｂを通過して得られた非共焦点画像データ
Ｂijの差分演算を、ＬＵＴ１３からのデータ読出しで行
い、この共焦点画像データＣijを基に共焦点画像を出力
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の微小構造や
３次元構造の形状を観察・測定するのに適した共焦点顕
微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、共焦点顕微鏡として、多数のピン
ホールを、そのピンホール径の１０倍の等間隔で螺旋状
に配置したＮｉｐｋｏｗディスクを用いたものが代表的
なものとして知られている。

【０００３】そして、このようなＮｉｐｋｏｗディスク
を用いた改良型の技術として、Ｒ．Ｊｕｓｋａｉｔｉ
ｓ、Ｔ．Ｗｉｌｓｏｎらによる”Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕ
ｒｃｅｓ”，Ｎａｔｕｒｅ誌，ＶＯＬ．３８３Ｏｃｔ．
１９９６ ｐ８０４−８０６に記載されたものがある。

【０００４】図２は、Ｔ．Ｗｉｌｓｏｎらによる共焦点
顕微鏡の概略構成を示している。この場合、光源には、
ハロゲン光源や水銀光源などが用いられ、光源１から出
射される光は、光学レンズ２を介してビームスプリッタ
３に入射され、このビームスプリッタ３で反射した光
は、回転ディスク４を通り、対物レンズ５を介して試料
６上に照射される。ここで、回転ディスク４は、図３に
示すようにピンホール間隔が、そのピンホール径とほぼ
同じでランダムに配置されたランダムピンホールパター
ン部４ａおよび光を自由に通過可能にした開口部４ｂ
と、これらランダムピンホールパターン部４ａと開口部
４ｂとの間に配置される光を遮断する遮光部４ｃ、４ｄ
とから構成される。

【０００５】なお、開口部４ｂは、光を自由に通過可能
にさえしてあれば、どのような構成であってもよく、例
えばガラスのように透過性の良好な部材で構成したり、
または何も設けていない完全な開口であってもよい。

【０００６】さらに、回転ディスク４は、回転軸７を介
して図示しないモータ軸に連結され、一定速度で回転す
るようになっているので、光源１からの光による光路上
をランダムピンホールパターン部４ａと開口部４ｂとが
交互に通過するようになっている。

【０００７】一方、ランダムピンホールパターン部４ａ
と開口部４ｂとを交互に通過して対物レンズ５を介して
試料６上に照射される。試料６上で反射した光は、対物
レンズ５より再度回転ディスク４のランダムピンホール
パターン部４ａと開口部４ｂを交互に通過して、ビーム
スプリッタ３に入射される。このビームスプリッタ３を
透過した光は、結像レンズ８を介してＣＣＤカメラ９に
より撮像される。ここで、ＣＣＤカメラ９は、回転ディ
スク４の回転速度に同期して撮像タイミングが制御され
ていて、ランダムピンホールパターン部４ａと開口部４
ｂを通過する２つの画像を撮像するようにしている。

【０００８】そして、ＣＣＤカメラ９で撮像された試料
６の画像データは、コンピュータ１０に送られ、ここ
で、回転ディスク４のランダムピンホールパターン部４
ａの通過により得られた非共焦点成分を含む共焦点画像
データと、開口部４ｂの通過により得られた非共焦点画
像データとの差分より共焦点画像データのみを抽出する
演算が行なわれ、モニタ１１上に共焦点画像が表示され
る。

【０００９】なお、試料６の表面近傍の立体画像を得る
には、試料６を図示しない水平移動ステージによる水平
方向やピエゾ素子による上下矢印方向Ａに移動させなが
ら高さ方向の画像をコンピュータ１０により合成するよ
うにすればよい。

【００１０】ここで、ランダムピンホールパターン部４
ａの通過により得られた非共焦点成分を含む共焦点画像
データをＡij、開口部４ｂの通過により得られた非共焦
点画像データをＢij、共焦点画像データをＣijとすると
（ｉ，ｊは、画素に対応するもので、例えば、画像の画
素数を６４０×４８０とすると、ｉは１〜６４０の整
数、ｊは１〜４８０の整数になり、また、コンピュータ
１０内の画像メモリが、例えば８ビットであれば、Ａi
j，Ｂij，Ｃijは、０〜２５５の間の整数となる。）、
ランダムピンホールパターン部４ａの通過により得られ
る画像は、非共焦点成分を含む共焦点画像であるから、 Ａij＝ｂ・Ｂij＋ｃ・Ｃij …（１） と表される。ここで、ｂ、ｃは、ランダムピンホールパ
ターン部４ａのピンホール径、ランダムピンホールパタ
ーン部４ａのピンホール間隔で、図３に示すランダムピ
ンホールパターン部４ａと開口部４ｂの角度θａ、θｂ
によって決まる回転ディスク４の固有の定数である。

【００１１】これにより、（１）式より、共焦点画像デ
ータをＣijは、 Ｃij＝（１／ｃ）・（Ａij−ｂ・Ｂij） …（２） で表されることから、（２）式の演算をコンピュータ１
０により、各画素ごとに行うことで、共焦点画像が得ら
れることになる。

【００１２】また、このようなＴ．Ｗｉｌｓｏｎらによ
る共焦点顕微鏡によれば、光源からの入射光に対して利
用できる試料からの反射光は、これまでのＮｉｐｋｏｗ
ディスク型の共焦点顕微鏡の場合が、０．５〜１％であ
ったのに対し、２５〜５０％になり、より明るい画像を
得ることができることも確認されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
方法により、共焦点画像を得るには、例えば画像の画素
数を６４０×４８０とすると、１画素ごとに計算を行な
うので、（２）式の演算を約３０万回も行う必要があ
る。また、ＣＣＤカメラ９によって得られる画像データ
Ａij，Ｂijには、電気ノイズなどによって非共焦点画像
データＢijがＡijよりもかなり大きくなった場合、
（２）式の演算結果が負になることも有り得る。仮に、
（２）式の演算を行った結果が負であれば、通常行なわ
れている対策として結果が負の部分を０に置き換える手
順が必要になる。これらの要因のため、共焦点画像デー
タをＣijを得るのに時間が掛かり、リアルタイムで共焦
点画像を表示することができなかった。

【００１４】そこで、（２）式の演算を簡単にするた
め、ランダムピンホールパターン部４ａと開口部４ｂの
角度θａ、θｂを適当な値に設定することでｂ＝１とす
ることが考えられるところが、このようにすると、
（１）式より、開口部４ｂの通過により得られた非共焦
点画像データＢijの最大値が２５５にならないため、Ｓ
／Ｎが著し悪化してしまう可能性があった。

【００１５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、共焦点画像をリアルタイムで表示できるとともに、
Ｓ／Ｎの良好な共焦点画像を得られる共焦点顕微鏡を提
供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
試料に対して照明光を発する光源と、非共焦点成分を含
む共焦点画像データを得るためのパターン部と非共焦点
画像データを得るための開口部を備えたマスクパターン
部材と、前記マスクパターン部材に照射された照明光を
試料上に集光する対物レンズと、前記マスクパターン部
材の前記パターン部および開口部を通過し、前記対物レ
ンズを介して得られる試料からの光を基に、非共焦点成
分を含む共焦点画像データおよび非共焦点画像データを
取得する撮像手段と、非共焦点成分を含む共焦点画像デ
ータと非共焦点画像データとの関係から求まる共焦点画
像データを蓄積しており、蓄積している共焦点画像デー
タから前記撮像手段で取得した非共焦点成分を含む共焦
点画像データおよび前記非共焦点画像データに対応した
共焦点画像データを求めることができる画像データ処理
手段と、前記画像データ処理手段で求めた共焦点画像デ
ータを基に共焦点画像を出力する出力手段とを具備した
ことを特徴としている。

【００１７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記画像データ処理手段は、さらに共焦点
画像データの画質を調整可能な画質調整手段を備えてい
ることを特徴としている。

【００１８】この結果、請求項１記載の発明によれば、
共焦点画像データを求めるための差分演算を、画像デー
タ処理手段からの共焦点画像データの読出しだけで行う
ことができるので、高速演算を実現できる。

【００１９】請求項２記載の発明によれば、画質調整手
段によって画像データ処理手段で求める共焦点画像デー
タの画質を調整することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に従い説明する。

【００２１】図１は、本発明が適用される共焦点顕微鏡
の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号
を付して説明を省略する。

【００２２】この場合、ＣＣＤカメラ９からの画像デー
タが取り込まれる画像データ処理手段であるコンピュー
タ１０は、第１の画像メモリ１２ａ、第２の画像メモリ
１２ｂ、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）１３、ＣＰＵ
１４を有し、これらは、データバス１５を介してデータ
の受渡しが行われている。

【００２３】ここで、第１の画像メモリ１２ａは、回転
ディスク４のランダムピンホールパターン部４ａの通過
により得られる非共焦点成分を含む共焦点画像データＡ
ijを記憶し、第２の画像メモリ１２ｂは、回転ディスク
４の開口部４ｂの通過により得られた非共焦点画像デー
タＢijを記憶するものである。

【００２４】また、ＬＵＴ１３は、第１および第２の画
像メモリ１２ａ、１２ｂにそれぞれ記憶される画像デー
タＡij、Ｂijに対応する値のアドレス（例えば、上位８
ビットがＡij、下位８ビットがＢijであるような１６ビ
ットアドレス）に、画像データＡij、Ｂijから（２）式
の差分演算を行ない共焦点画像データＣij（例えば８ビ
ットのデータ）を格納したものである。また、ＬＵＴ１
３には、上述した（２）式の演算結果が負になる場合
に、共焦点画像データＣijを０にするためのデータが蓄
積されている。

【００２５】ＣＰＵ１４は、各画素ごとにデータバス１
５を介して第１および第２の画像メモリ１２ａ、１２ｂ
にそれぞれ記憶されている画像データＡij、Ｂijを読出
すとともに、ＬＵＴ１３の読出しアドレスを画像データ
Ａij、Ｂijに対応する値のアドレスに設定して共焦点画
像データＣijを読出すようにしている。

【００２６】なお、本実施の形態における共焦点画像デ
ータＣijの読出しに関しては、各画像データＡij、Ｂij
を読出し、その画像データＡij、Ｂijに対応する共焦点
画像データＣijをＬＵＴ１３から読出すようにして行な
っているが、これらに限られるものでなく、例えば取得
した各画像データＡij、Ｂijをメモリに記憶する前、ま
たは各画像データＡij、Ｂijを差分演算しておき、該差
分演算した差分演算データに対応する共焦点画像データ
ＣijをＬＵＴ１３から読出すようにしてもよい。

【００２７】次に、このように構成した実施の形態の動
作を説明する。

【００２８】ハロゲン光源や水銀光源などの光源１から
出射される光は、光学レンズ２を介してビームスプリッ
タ３に入射される。このビームスプリッタ３に入射した
光のうち反射した光は、回転ディスク４のランダムピン
ホールパターン部４ａと開口部４ｂを交互に通過し、透
過した光は、対物レンズ５を介して試料６上に照射され
る。試料６から反射した光は、対物レンズ５より回転デ
ィスク４のランダムピンホールパターン部４ａと開口部
４ｂとを交互に通過して、ビームスプリッタ３に入射さ
れる。このビームスプリッタ３を透過した光は、結像レ
ンズ８を介してＣＣＤカメラ９により撮像される。

【００２９】この場合、ＣＣＤカメラ９では、回転ディ
スク４の回転速度に同期した撮像タイミングにより、回
転ディスク４のランダムピンホールパターン部４ａと開
口部４ｂを交互に通過された２つの画像が撮像され、そ
れぞれの出力画像は、コンピュータ１０に送られ、画像
データＡijは、第１の画像メモリ１２ａに記憶されると
ともに、画像データＢijは、第２の画像メモリ１２ｂに
記憶される。

【００３０】この状態から、ＣＰＵ１４により、各画素
ごとにデータバス１５を介して第１および第２の画像メ
モリ１２ａ、１２ｂにそれぞれ記憶されている画像デー
タＡij、Ｂijが読出されるとともに、ＬＵＴ１３の読出
しアドレスが画像データＡij、Ｂijに対応する値のアド
レスに設定され、この読出しアドレスに基づいて差分演
算し、共焦点画像データＣijが読出される。

【００３１】このようなＣＰＵ１４による画像データＡ
ij、Ｂijに基づいたＬＵＴ１３からの共焦点画像データ
Ｃijの読出しは、全画素について行われ、これより得ら
れた共焦点画像データＣijは、モニタ１１に送られ表示
される。

【００３２】なお、この場合も、試料６の表面近傍の立
体画像を得るには、図示しない水平移動ステージによる
水平方向やピエゾ素子による上下矢印方向Ａに試料６を
移動させながら高さ方向の画像をコンピュータ１０によ
り合成するようにすればよい。

【００３３】従って、このようにすれば、共焦点画像デ
ータＣijを求めるための回転ディスク４のランダムピン
ホールパターン部４ａを通過して得られた非共焦点成分
を含む共焦点画像データＡijと開口部４ｂを通過して得
られた非共焦点画像データＢijの差分演算を、ＬＵＴ１
３からのデータ読出しだけで行うことができるので、従
来の（２）式の演算を各画素ごとに行うものと比べ、共
焦点画像データＣijの高速演算を実現することができ、
共焦点画像のリアルタイム表示を行うことができる。

【００３４】また、従来のように、（２）式の演算を簡
単にするためランダムピンホールパターン部４ａと開口
部４ｂの角度θａ、θｂからｂ＝１に設定するような制
約がなくなり、これらランダムピンホールパターン部４
ａと開口部４ｂの角度θａ、θｂは、第１の画像メモリ
１２ａおよび第２の画像メモリ１２ｂにそれぞれ記憶さ
れる画像データＡij、Ｂijの最大値が２５５以下のなる
べく大きな値になるように、それぞれ最適に設定するこ
とができるので、Ｓ／Ｎの良好な共焦点画像を得ること
もできる。

【００３５】さらに、ＬＵＴ１３では、（２）式の演算
結果が負になる場合は、共焦点画像データＣijとして０
とするデータが格納されており、実際の差分演算結果が
負になる場合、ＬＵＴ１３より直接０を読出しできるの
で、従来の非共焦点画像データを０に置き換えるための
手順を省くことができ、非共焦点画像データを得るまで
の時間をさらに短縮できる。

【００３６】また、上述した実施の形態では、ＬＵＴ１
３で格納されている共焦点画像データは固定であるた
め、反射率の大きい試料や反射率の小さい試料に応じて
モニタ上の画質を調整できないため、画像処理手段であ
るコンピュータ１０に、さらにＬＵＴ１３に格納される
共焦点画像データの輝度、コントラスト、ガンマ補正を
調整できる画質調整手段を備えてもよい。共焦点画像デ
ータの切換えとしては、ＬＵＴに予め観察の条件に適し
た輝度、コントラスト、ガンマ補正が設定された共焦点
画像データを数パターン格納しておき、観察する試料に
応じて画質調整手段、例えばコントロールパネルで出力
表示される共焦点画像が最適な輝度、コントラスト、ガ
ンマ補正となる共焦点画像データをＬＵＴから読出すこ
とによって得られるようにする。これにより、画像の全
体的な明るさを示す輝度、画像の明るい部分と暗い部分
の度合いを示すコントラスト、および常に明るいまたは
暗い画像のコントラストを改善できるガンマ補正を調整
できるため、より見易い共焦点画像をモニタ上に表示す
ることができ、観察者は、より鮮明な共焦点画像を観察
することができる。なお、画質の調整は、上述したもの
に限られるものでなく、種々変形が可能であり、例え
ば、調整回路のような画質調整手段を介して共焦点画像
データをモニタに出力するようにしておき、観察する試
料に適した画質を任意に設定することもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、共
焦点画像データを求めるための差分演算を画像処理手段
からのデータの読出しだけで行うことができるので、高
速演算を実現でき、共焦点画像のリアルタイム表示を可
能にできる。また、第１および第２の画像データの双方
を最適に取得できるように回転ディスクを設定できるの
で、Ｓ／Ｎの良好な共焦点画像データを得ることができ
る。

【００３８】さらに、画質調整手段によって画像処理手
段で求める共焦点画像データの画質を調整することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の概略構成を示す図。

【図２】従来の共焦点顕微鏡の一例の概略構成を示す
図。

【図３】従来および本発明の一実施の形態に用いられる
回転ディスクの概略構成を示す図。

【符号の説明】 １…光源 ２…光学レンズ ３…ビームスプリッタ ４…回転ディスク ４ａ…ランダムピンホールパターン部 ４ｂ…開口部 ４ｃ．４ｄ…遮光部 ５…対物レンズ ６…試料 ７…回転軸 ８…結像レンズ ９…ＣＣＤカメラ １０…コンピュータ １１…モニタ １２ａ…第１の画像メモリ １２ｂ…第２の画像メモリ １３…ＬＵＴ １４…ＣＰＵ １５…データバス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対して照明光を発する光源と、 非共焦点成分を含む共焦点画像データを得るためのパタ
   ーン部と非共焦点画像データを得るための開口部を備え
   たマスクパターン部材と、 前記マスクパターン部材に照射された照明光を試料上に
   集光する対物レンズと、 前記マスクパターン部材の前記パターン部および開口部
   を通過し、前記対物レンズを介して得られる試料からの
   光を基に、非共焦点成分を含む共焦点画像データおよび
   非共焦点画像データを取得する撮像手段と、 非共焦点成分を含む共焦点画像データと非共焦点画像デ
   ータとの関係から求まる共焦点画像データを蓄積してお
   り、蓄積している共焦点画像データから前記撮像手段で
   取得した非共焦点成分を含む共焦点画像データおよび前
   記非共焦点画像データに対応した共焦点画像データを求
   めることができる画像データ処理手段と、 前記画像データ処理手段で求めた共焦点画像データを基
   に共焦点画像を出力する出力手段とを具備したことを特
   徴とする共焦点顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記画像データ処理手段は、さらに共焦
   点画像データの画質を調整可能な画質調整手段を備えて
   いることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。