JP2003504745A - コントラストを自動的に高める顕微鏡フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 顕微鏡は、オブジェクト・ホルダー（３）、画像ホルダーに置かれたオブジェクト（２）の画像を像平面に形成するレンズと、いくつかのセンサ素子（６）を有し画像を記録するデジタル画像センサ（５）を含む。画像センサと像平面は、センサ素子（６）の空間周波数が画像の最高空間周波数よりも高いように配置される。この顕微鏡は画像センサ（５）に接続されるとともに、本質的に空間周波数がゼロで値「１」を有し、画像の最高空間周波数より上の空間周波数ではゼロより大きい値を有し、前記周波数の間にピーク値を有する二次元フィルタ関数を与え、フィルタ関数の二次元逆フーリエ変換に対応するデジタル・フィルタを計算し、さらにデジタル・フィルタを用いて記録した画像を濾波することに適応する少なくとも第１の計算手段（２４）をさらに含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、画像処理システムを備えた顕微鏡と、かかる顕微鏡のための方法に
関する。

【０００２】 （発明の背景） 顕微鏡は、デジタル画像を記録するカメラを装備する機会が非常に多い。この
デジタル画像は、いくつかの異なる方法で処理されうる。例えば、生物学的製剤
は、画像処理システムを備えた顕微鏡を使用して研究される。画像処理システム
を用いて、ある種の有機組織または細胞を見分けて、標本中にその有機組織また
は細胞の存在を自動的に決定できるようにしている。

【０００３】 しかし、時には、特殊な種類の有機組織を自動的に認識して決定することがで
きる十分に鮮明な画像を得ることが難しいことがある。このことは特に小型の有
機組織または細胞に関係がある。

【０００４】 より容易な自動認識のためには、デジタル・フィルタを使用して画像のコント
ラストを改善し、画像処理システムが細胞または有機組織を自動的に認識するこ
とを容易にすることが可能である。

【０００５】 画像のコントラストを改善する標準的な方法は、高周波補償法（High-Boost m
ethod）と呼ばれる方法であり、この方法では、画像に或る因子を乗算し、この
乗算の結果から低域濾波器で濾波された画像が抽出される。

【０００６】 米国特許第5,696,850号は、再生した画像の鮮明度を高めるアルゴリズムを使
用する方法とシステムを開示しており、このシステムは、デジタル・カメラと再
生装置を備えている。この方法によれば、カメラと再生装置を正確に測定するこ
とによってそれらの伝達関数が決定される。しかし、この測定動作は高級かつ高
価な装置を必要とし、１回に１方向だけ実行される。何故ならば、伝達関数の二
次元測定を実行することは難しいからである。その上、光学系で何かが変更され
たたびに、光学的伝達関数の測定を実行しなければならない。そこで一次元のフ
ィルタを計算するために、２つの組み合わされた伝達関数の逆フーリエ変換が使
用される。このフィルタは、最初にフィルタを１方向に適用し、続いて最初の方
向と直角の方向に適用することにより、記録された画像を濾波するために使用さ
れる。

【０００７】 しかし、従来の技術による手法では、十分に満足な結果は得られない。カメラ
の伝達関数と同じ正確さで顕微鏡の伝達関数を測定することは不可能なのである
。

【０００８】 米国特許による方法と装置に関するさらなる問題点は、高い周波数に対する伝
達関数の値が小さい場合、高周波の雑音が制御不能な形で増幅されることである
。その上、一次元のフィルタを２つ連続して適用しても十分に満足な結果は得ら
れないのである。

【０００９】 したがって、雑音を制限しながら画像の鮮明度を高める画像処理システムを備
えた方法と顕微鏡のニーズが存在する。

【００１０】 （発明の要約） 本発明の目的は、顕微鏡によって取り入れられる画像の雑音が制限されると同
時に、画像の鮮明度を高める画像処理システムを備えた顕微鏡を提供することで
ある。

【００１１】 本発明のさらなる目的は、鮮明な画像が得られるようにデジタル画像を記録し
て処理する方法を提供することである。

【００１２】 これらの目的は、添付の特許請求の範囲による顕微鏡とその方法によって達成
される。

【００１３】 本発明による画像処理システムを備えた顕微鏡は、オブジェクト（object）ホ
ルダーと、画像ホルダーに置かれたオブジェクトの画像を像平面（image plane
）に形成するレンズ（optics）と、いくつかのセンサ素子を有し画像を記録する
デジタル画像センサを含む。本発明による顕微鏡は、センサ素子の空間周波数が
画像の最高空間周波数よりも高いように、画像センサと像平面が配置されること
を特徴とする。この顕微鏡は、センサに接続された少なくとも１つの計算手段を
含み、第１の計算手段は、本質的に空間周波数がゼロで第１の値を有し、画像の
最高空間周波数より上の空間周波数でゼロより大きい値を有し、さらに空間周波
数ゼロと第２の値の空間周波数との間のピーク値を有する二次元フィルタ関数（
filter function）を与え、フィルタ関数の二次元逆変換に対応するデジタル・
フィルタを計算し、さらにデジタル・フィルタを用いて記録した画像を濾波する
ことに適応する。

【００１４】 フィルタ関数は、ピーク値の空間周波数より上の空間周波数に対しゼロに向か
って減少する。

【００１５】 第１の値は１であることが望ましい。何故ならば、通常、空間周波数ゼロのと
ころでは減衰が起きないからである。しかし、画像の空間周波数がゼロのところ
では増幅のあることが可能である。

【００１６】 センサ素子の空間周波数は、隣接する２つのセンサ素子間の距離の２倍の逆数
（the inverse）として定義される。

【００１７】 望ましくは、この顕微鏡は、ユーザがかかる計算を開始すると、デジタル・フ
ィルタを計算することに適応する。代替方法として、この顕微鏡は、特に利点が
生じるわけではないが、画像センサによって新しい画像が記録されるたびに、デ
ジタル・フィルタを計算することに適応している。

【００１８】 二次元フィルタを使用することにより、軸対称な結果（rotationally symmetr
ical result）を得ることが可能である。画像の最高空間周波数より高いセンサ
素子の空間周波数により、画像の最高空間周波数より上の周波数ではゼロと違う
値を有するフィルタ関数に対応するデジタル・フィルタを使用することが可能で
ある。かかるフィルタを使用すると画像の雑音が小さくなる。

【００１９】 代替実施例によれば、フィルタ関数は、２つの一次元フィルタ関数のたたみ込
みである。しかし、デジタル・フィルタは、円周方向に対称ではない。

【００２０】 画像センサは、例えば、相互に等距離だけ離れて配置されたセンサ素子で構成
されているCMOSセンサまたはCCD（電荷結合デバイス）の型式の半導体センサで
あると都合がよい。これらのセンサ素子の空間周波数は、隣接する２つのセンサ
素子間の距離の２倍の逆数である。

【００２１】 しかし、画像センサは、ビジコン（vidicon）のような他の種類の画像センサ
でもよい。本発明に必須なことは、画像センサが、画像の最高空間周波数より良
好な解像度を有していることである。

【００２２】 センサ素子の空間周波数は、画像の最高空間周波数の少なくとも1.5倍高いこ
とが望ましく、少なくとも２倍高いと都合がよい。

【００２３】 本発明の好適実施例によれば、この顕微鏡は、フィルタ関数に関する情報を与
える値を入力するための入力手段を含む。

【００２４】 この顕微鏡は、画像センサによって画像を記録することによりレンズの限界周
波数の推定を実行することに適応していることが望ましい。記録した画像は、周
波数平面の画像が得られるようにフーリエ変換される。第１の計算手段は、フー
リエ変換された画像に基づいて限界周波数を計算する。限界周波数まで積分され
た信号は、画像の全光エネルギーの大部分であり、変換された画像の全光エネル
ギーの少なくとも９０％であれば都合がよく、少なくとも９５％であることが望
ましい。説明した方法で測定された限界周波数は、光学系が通過させる最高周波
数と同じではないが、使用可能な限界周波数の推定値である。

【００２５】 限界周波数は、フィルタ関数のピーク値の位置を計算するために使用される。
入力手段によって入力されるフィルタ関数の形（appearance）の値によってピー
ク値の位置を決めることは利点がある。

【００２６】 顕微鏡が限界周波数を推定することに適応している場合、ユーザが推定を開始
すると、推定が実行されることが望ましいが、代替方法では、新しい画像が記録
されるたびに推定が実行される。

【００２７】 限界周波数までのフィルタ関数ができるだけ実際の伝達関数の逆数と一致する
ように、フィルタ関数は厳密に限界周波数まで増加を続け、その後は厳密に減少
を続ける。原則として、実際の伝達関数は、光学系が通過させる最高周波数まで
減少を続ける。

【００２８】 限界周波数まで厳密に増加せず、限界周波数の後は厳密に減少しないフィルタ
関数を得ることは、本発明の範囲内で可能である。

【００２９】 フィルタ関数を連続して取り出せるようにする利点がある。何故ならば、これ
によって、空間的広がり（spatial extent）が小さく、より迅速に濾波するデジ
タル・フィルタが可能になるからである。

【００３０】 上記特徴を同じ実施例の中で組み合わせることができることは、云うまでもな
い。

【００３１】 本発明をさらに例示するために、本発明がこれらの実施例に限定すると考えず
に本発明の詳細な実施例を説明する。

【００３２】 （発明の詳細な説明） 図１は、本発明による顕微鏡の模式図である。この顕微鏡には、オブジェクト
・ホルダー３に置かれたオブジェクト２を照明する光源１がある。オブジェクト
からの光は、顕微鏡の対物レンズ（objective）４によって集められる。デジタ
ル画像センサは、顕微鏡の対物レンズ４から或る距離を置いて配置される。この
好適実施例によれば、デジタル画像センサはCCDである。CCD５、顕微鏡の対物レ
ンズ４およびオブジェクト２は、顕微鏡の対物レンズの像平面が画像センサ５の
表面と一致するように、間隔を置いて配置される。CCDは、相互に距離ｄの間隔
で配置された多数のセンサ素子６で形成される。各画素は、デジタル画像のピク
セルに対応する。画像センサ５が画像処理手段７に接続されると、画像処理手段
７はディスプレイ８とキーボード９の形をした入力手段に接続される。画像処理
手段では、第１の計算手段２４と第２の計算手段２５が配置されている。顕微鏡
の対物レンズ４とCCD５の間に、画像をCCD５に転送するレンズ１０が配置される
。顕微鏡の対物レンズ４とCCD５から構成される光学系は、オブジェクト２の各
種空間周波数が像平面に転送される様子を説明する組み合わされた伝達関数を備
えている。顕微鏡の対物レンズ４およびレンズ１０の設計に依存して各種度数（
different degrees）の空間周波数がオブジェクト２から転送される。オブジェ
クト２からCCD５に転送される最高空間周波数は光学系の解像度として定義され
るのが普通である。したがって、最小サイズのオブジェクトに対応する構造だけ
が画像内で識別される。しかし、画像サイズは、CCD５、顕微鏡の対物レンズ４
およびオブジェクト２の相互配置を変更することによって変わりうる。センサ素
子の空間周波数は、センサ素子の相互間隔の２倍２ｄの逆数として定義される。
本発明によれば、オブジェクト２、顕微鏡の対物レンズ４、レンズ１０およびCC
D５は、センサ素子の空間周波数が画像の最高空間周波数より高いように配置さ
れる。センサ素子の空間周波数は画像の最高空間周波数の1.5倍高いことが望ま
しく、雑音を低減するためには、画像の最高空間周波数より少なくとも２倍高い
と都合がよい。

【００３３】 オブジェクト・ホルダー３にオブジェクト２が置かれると、CCD５によって画
像が記録される。記録された画像が画像処理手段７に転送されると、画像処理手
段７は、画像がディスプレイ８で表示される前に、画像を処理する。画像処理手
段７の画像処理は、キーボード９を介して入力されるパラメータによって影響を
受ける。

【００３４】 図２は、画像処理手段７の機能のブロック図である。CCD５からの記録された
画像は、この図の最上部でブロック１２に入力され、この図の最下部のブロック
１３に入力される。ブロック１３で画像のカラー成分（color components）の分
解が実行されると、分割された画像は、デジタル・フィルタによる濾波のために
ブロック１４に転送される。ブロック１２で、変換される記録された画像によっ
て限界周波数（ω₀）が決定され、その周波数より下に変換された画像中の積分
された信号の９５％が存在する周波数としてω₀が計算される。ω₀の計算は、新
しい画像が取り入れられるたびに、または顕微鏡のユーザがω₀の決定を開始す
ると実行される。

【００３５】 好適実施例によれば、ユーザがキーボード９を介してかかる計算を開始すると
デジタル・フィルタが計算される。

【００３６】 図３は、増幅を周波数の関数として説明する周波数の関数としてのフィルタ関
数を示している。

【００３７】 ブロック１５では、フィルタの伝達関数に用いるパラメータが、キーボードま
たは画像処理手段のメモリ２３からフェッチされる。ブロック１５でキーボード
９からフェッチできるパラメータの例は、限界周波数におけるフィルタの増幅、
限界周波数の位置、および限界周波数より上と下におけるフィルタ関数の形であ
る。ブロック１６では、ブロック１５にフェッチされたパラメータに基づいてフ
ィルタの伝達関数１７が決定される。フィルタ関数１７は、 のように決定される。ここで、α、γおよびω₁は、ユーザが入力手段９で修正
することができるパラメータである。パラメータω₀は、ユーザによって決めら
れてもよいし、システムによって自動的に決定されてもよく、限界周波数を表示
する。限界周波数における増幅は、αによって決定される。γおよびω₁は、高
周波でフィルタが急激に減衰する速さを決定する。

【００３８】 したがって、フィルタ関数は二次元であり、周波数ωの和に依存するが、角度
パラメータには独立であって、円周方向に対称な関数（circular symmetrical f
unction）が得られる。

【００３９】 しかし、フィルタ関数は異なる形になりうるので、例えば１つの多項式で限界
値まで説明され、限界値より上は他の多項式で説明される。フィルタ関数１７の
値は、周波数ゼロでは本質的に「１」であり、限界周波数（ω₀）でピーク値で
ある。限界周波数を過ぎるとこの関数は小さくなる。しかし、フィルタ関数の値
は、画像の最高空間周波数を超える周波数より上でゼロではない。限界周波数は
、画像の最高空間周波数と本質的に一致する。再び図２を参照すると、ブロック
１８では、ブロック１６で計算されたフィルタ関数の二次元逆変換が実行される
。逆変換されたフィルタ関数は、デジタル化され適当なサイズに切断されて、記
録された画像のデジタル・フィルタを構成する。ブロック１４では、カラーが分
割された画像が、デジタル・フィルタによって二次元で濾波される。これに続い
て、ブロック１９でオプションのグレイ・レベルの変換が実行されると、ブロッ
ク２０で画像のカラーが再結合されて復元される。濾波の際、グレイ・レベルが
許容値の範囲外になっているおそれがある場合は、グレイ・レベルの変換が実行
される。画像の処理が終わると、画像は、ディスプレイ８で表示されるか、記憶
装置２６に格納される。

【００４０】 図４は、ブロック１４で使用されるデジタル・フィルタ２２の例を示す。図４
から明らかなように、フィルタは、最上部２１の周囲で円周方向に対称である。
ブロック１４で画像が濾波されると、ピクセルの値は、最上部２１のフィルタに
対応する値と乗算され、隣接するピクセルとフィルタの対応する値との間の乗算
の結果に加算される。

【００４１】 当業者は、本発明が示した実施例に限定されず、本発明の範囲内で多数の変更
が実行できることを理解している。例えば、図２のブロック１２は省略してもよ
く、フィルタ関数は、図１のキーボード９を介して入力されるパラメータだけで
決定してもよい。当業者は、画像がカラー画像でない場合、ブロック１３、２０
を省略してもよいことも理解している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例による顕微鏡の模式図。

【図２】 本発明による顕微鏡の機能のブロック図。

【図３】 本発明による顕微鏡のフィルタ関数を周波数の関数として示す図。

【図４】 本発明によるデジタル・フィルタを示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オブジェクト・ホルダー（３）と、 前記オブジェクト・ホルダーに置かれるオブジェクト（２）の画像を像平面に
   形成するレンズと、 画像を記録するためのいくつかのセンサ素子（６）を有するデジタル画像セン
   サ（５）と、 を含む顕微鏡であって、 前記画像センサと前記像平面は、センサ素子（６）の空間周波数が前記画像の
   最高空間周波数より高いように配置され、さらに 前記画像センサ（５）に接続されるとともに、 前記空間周波数ゼロにおける第１の値と、前記画像の最高空間周波数より上の
   空間周波数におけるゼロとは異なる第２の値と、前記空間周波数ゼロと前記第２
   の値の空間周波数との間のピーク値とを本質的に有する二次元フィルタ関数を与
   え、 前記フィルタ関数の二次元逆フーリエ変換に対応するデジタル・フィルタを計
   算し、かつ 前記デジタル・フィルタにより記録された画像を濾波する、 ようにした少なくとも第１の計算手段（２４）を含むことを特徴とする顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の顕微鏡であって、該顕微鏡は、前記計算手
   段に接続され、前記フィルタ関数のピーク値の少なくとも１つに関する情報、前
   記ピーク値の前記空間周波数、前記ピーク値の前記空間周波数より下の空間周波
   数に対するフィルタ関数、または前記ピーク値の前記空間周波数より上の空間周
   波数に対するフィルタ関数を与える値を入力するための入力手段（９）を含み、
   前記入力手段は前記計算手段に接続され、前記入力された値は前記計算手段によ
   って使用され前記フィルタ関数を与えることを特徴とする顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の顕微鏡であって、該顕微鏡
   は、前記画像センサと前記第１の計算手段に接続され、 前記記録された画像をフーリエ変換し、 限界周波数より下に前記変換された画像の光エネルギーの大部分が存在する前
   記限界周波数を決定し、 前記ピーク値の位置の値として前記第１の計算手段に前記限界周波数を与える
   、 ことに適応することを特徴とする顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項３記載の顕微鏡であって、前記限界周波数は、限界周
   波数より下に前記画像のエネルギーの少なくとも９０％が存在する周波数として
   決定されることを特徴とする顕微鏡。
5. 【請求項５】 請求項１、請求項２または請求項３に記載の顕微鏡であって
   、前記センサ素子の前記空間周波数は、前記画像の前記最高空間周波数より、少
   なくとも1.5倍高く、望ましくは少なくとも２倍高いことを特徴とする顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項３または請求項４に記載の顕微鏡であって、前記セン
   サ素子の前記空間周波数は、前記限界周波数より、少なくとも1.5倍高く、望ま
   しくは少なくとも２倍高いことを特徴とする顕微鏡。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６のいずれか１つの項に記載の顕微鏡で
   あって、前記フィルタ関数（１７）は連続であるとともに、ゼロ周波数から前記
   ピーク値の位置まで厳密に成長し、前記ピーク値の位置から増加する周波数に対
   してはゼロに向かって厳密に増加することを特徴とする顕微鏡。
8. 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれか１つの項に記載の顕微鏡で
   あって、前記フィルタ関数は、２つの一次元フィルタ関数のたたみ込みであるこ
   とを特徴とする顕微鏡。
9. 【請求項９】 請求項１から請求項８のいずれか１つの項に記載の顕微鏡で
   あって、前記濾波された画像は、記憶装置（２６）に格納されることを特徴とす
   る顕微鏡。
10. 【請求項１０】 請求項１から請求項９のいずれか１つの項に記載の顕微鏡
    であって、該顕微鏡は、前記濾波された画像が表示されるディスプレイ（８）を
    含むことを特徴とする顕微鏡。
11. 【請求項１１】 請求項１から請求項１０のいずれか１つの項に記載の顕微
    鏡であって、前記第１の計算手段は、 前記記録された画像をカラー成分に分割し、 前記カラー成分のそれぞれにデジタル・フィルタを与える、 ことに適応することを特徴とする顕微鏡。
12. 【請求項１２】 請求項１から請求項１１のいずれか１つの項に記載の顕微
    鏡であって、前記第１の値は本質的に「１」であることを特徴とする顕微鏡。
13. 【請求項１３】 顕微鏡のための方法であって、 前記オブジェクトの画像が前記画像センサ（５）に形成され、前記センサ素子
    （６）の前記空間周波数が前記画像の最高空間周波数より高くなるように、複数
    のセンサ素子（６）有する画像センサ（５）、レンズ（４、１０）およびオブジ
    ェクト（２）を相互に距離を置いて配置するステップと、 画像センサ（５）によって前記画像を記録するステップと、 前記空間周波数ゼロの第１の値、前記画像の最高空間周波数より高い空間周波
    数におけるゼロと異なる第２の値および前記空間周波数ゼロと前記第２の値の前
    記空間周波数との間のピーク値を本質的に有する二次元フィルタ関数を与えるス
    テップと、 前記フィルタ関数の二次元逆フーリエ変換に対応するデジタル・フィルタを計
    算するステップと、 前記記録された画像を前記デジタル・フィルタによって濾波するステップと、
    を特徴とする顕微鏡のための方法。