JP2004145153A - Confocal microscope with light quantity saturation display function - Google Patents

Confocal microscope with light quantity saturation display function Download PDF

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JP2004145153A JP2002311958A JP2002311958A JP2004145153A JP 2004145153 A JP2004145153 A JP 2004145153A JP 2002311958 A JP2002311958 A JP 2002311958A JP 2002311958 A JP2002311958 A JP 2002311958A JP 2004145153 A JP2004145153 A JP 2004145153A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a confocal microscope with a light quantity saturation display function in which operation to adjust a light receiving gain or the like to an optimum condition is facilitated. <P>SOLUTION: A luminance saturation discrimination circuit 73 provided in the confocal microscope with a light quantity saturation display function includes a comparator 74 comparing the luminance of the input signal of each pixel of an image with set luminance just before saturation, a saturation pixel video signal generator 77 outputting a specified color pixel video signal, and a selector 76 obtaining a video signal by replacing the input signal with the pixel video signal from the generator 77 when the luminance of the input signal is higher than the set luminance according to output from the comparator 74. The pixel having the luminance equal to or above the set luminance just before saturation is colored in red or the like and displayed on the image of the surface of a sample displayed on the screen of a display device. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料からの光情報に基づいて試料の超深度画像や高さ分布等の情報を取得するための共焦点顕微鏡に関し、特に、光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡では、試料からの光が共焦点光学系を介して受光素子で受光され、その受光量に基づいて、試料の超深度画像(焦点深度が非常に深い画像)や高さ分布等の情報が取得される。ステージに載置された試料と対物レンズとの相対距離を光軸方向に変化させると、共焦点光学系を介して受光素子に入射する光の量、すなわち受光量が変化し、試料の表面にピントが合ったときに受光量が最大となる。したがって、最大受光量が得られるときの試料と対物レンズとの相対距離から試料の表面の高さ情報を算出し、試料の表面を光で走査することによって試料の表面の高さ分布を取得することができる。
【0003】
取得された高さ分布は、例えば三次元表示によって表示装置の画面上に表示される。あるいは、高さ分布を輝度分布や色分布に置き換えたものが画面上に表示される。表示装置としてCRT(陰極線管)やLCD(液晶表示装置)が使用され、共焦点顕微鏡に制御用のコントローラ、表示装置、コンソール等が接続されて共焦点顕微鏡システムが構成される。
【0004】
また、試料表面の各点(画素)でピントが合ったときの受光量の情報(すなわち各画素の最大輝度情報)をつなぎ合わせることにより、焦点深度の非常に深い試料表面の白黒画像を得ることができる。この画像がいわゆる超深度画像である。
【0005】
また、任意の注目画素で最大受光量が得られるように試料と対物レンズとの相対距離(高さ)を固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像(これをスライス画像という)が得られる。
【0006】
更に、白色光で照射された試料からの光を共焦点光学系から分離してカラー撮像素子で受光することにより、超深度画像と同じ範囲の試料表面のカラー画像を表示する機能を備えた共焦点顕微鏡もある。このカラー画像は超深度画像と異なり焦点深度の浅いものであるが、その輝度信号を超深度画像の輝度信号で置き換えるような合成処理を行うことにより、焦点深度の深いカラー画像(カラー超深度画像ということもある)を得ることも可能である。
【0007】
上記のような共焦点顕微鏡を用いた試料の測定において、例えば試料表面の光反射率が非常に高いために、受光素子又は信号処理回路が飽和する場合がある。この場合は、最大受光量が得られるときの試料と対物レンズとの相対距離(高さ)を正確に求めることができない。したがって、受光量(又は受光信号)が飽和しないように、受光感度(信号処理回路の受光ゲイン)を下げ、又はNDフィルタによる光減衰量を上げる調整を行う必要がある。
【0008】
共焦点顕微鏡のユーザは、例えば画面に表示された試料の画像に輝度が飽和している部分(いわゆる白飛び部分)がある場合は、その部分で受光素子又は信号処理回路の飽和が発生していると判断して、上記のような受光ゲイン等の調整を行う。しかし、表面の光反射率が大きく変化している試料において、光反射率が小さい部分(暗い部分)を詳しく観察したい場合には、光反射率が大きい部分(明るい部分)で白飛びが発生しても、それを無視して受光ゲイン等を上げることがある。
【0009】
したがって、輝度飽和(白飛び)の判断とそれに基づく受光ゲイン等の調整はユーザがケースバイケースで行うことが多い。輝度飽和の判断の指標として、従来ではスライス画像や超深度画像における最大輝度部分の受光量を画面に表示している共焦点顕微鏡がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最大輝度部分の受光量を画面に表示するだけでは、画面全体の輝度の分布が分からないので、受光ゲイン等を最適の状態に調整することが容易ではない。特に、前述のように画面表示された試料表面の画像の特定部分を詳しく観察したいような場合に、その部分の輝度が飽和しないで、かつ、できるだけ明るく(観察しやすく)表示されるように受光ゲイン等を調節することが難しい。
【0011】
本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、受光ゲイン等を最適の状態に調整する作業が容易な光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡は、試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて試料表面の高さ情報及び光量情報を取得し、取得した情報を処理して得られる試料表面の画像を表示装置の画面に表示する共焦点顕微鏡であって、試料表面の画像を表示装置の画面に表示する際に、画像を構成する画素のうち輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を備えていることを特徴とする。
【0013】
このような機能を有することにより、白黒表示であるスライス画像や超深度画像において、輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素が例えば赤色で表示される。これにより、ユーザは画像を目視でチェックしながら受光ゲイン等を最適の状態に調整する作業を容易に行うことができる。特に、試料表面の画像の特定部分を詳しく観察したいような場合に、その部分の輝度が飽和しないで、かつ、できるだけ明るく表示されるように受光ゲイン等を調節する作業が行いやすくなる。
【0014】
好ましい実施形態において本発明の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡は、試料表面の任意の点で最大受光量が得られるように高さを固定したときの各点の受光量を表すスライス画像において、スライス画像を構成する画素のうち輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付してリアルタイム表示する機能を備えている。超深度画像を得るには前述のようなソフトウェア又はハードウェア処理が必要であり、その処理が完了するまでに一定の時間がかかるが、スライス画像の場合はすぐに表示される。したがって、受光ゲイン等を調節するとほとんど遅延無く調整後のスライス画像が表示される。このように、飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付した画像がリアルタイムで表示されるので、受光ゲイン等の調節を行いやすくなる。
【0015】
別の好ましい実施形態において本発明の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡は、画像の各画素の輝度を設定輝度と比較する比較器と、所定の色の画素映像信号を出力する飽和画素用映像信号発生器と、比較器の出力に基づいて、設定輝度より高い輝度を有する画素の映像信号を飽和画素用映像信号発生器からの画素映像信号で置き換えるセレクタとを含む輝度飽和判別回路を備えている。このように、飽和直前の設定輝度以上の画素に色を付す処理をハードウェアで実行することにより、ソフトウェアで実行する場合に比べて処理速度が速く、ソフトウェアの負担が軽くなる点で優れている。
【0016】
更に別の好ましい実施形態において本発明の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡は、画面に表示された画像における各画素の輝度に関するヒストグラムを画像に重ねて表示する機能を備えている。このような輝度と画素数との関係がヒストグラムとして表示されることにより、特に、スライス画像に重ねてヒストグラムをリアルタイム表示することにより、受光ゲイン等を最適の状態に調整する作業が一層容易になる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0018】
図1は、本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示している。共焦点顕微鏡システム1は、共焦点光学系2及び非共焦点光学系3を有する共焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡のレーザ駆動回路44、受光素子からの信号処理回路41,42,43、対物レンズ移動機構40、マイクロコンピュータを用いた制御部46等を含むコントローラと、コントローラに接続された表示装置47及び入力装置48とを備えている。
【0019】
まず、共焦点顕微鏡の共焦点光学系2とその信号処理について説明する。共焦点光学系2は、試料wkに単色光(例えばレーザ光)を照射するための光源10、第1コリメートレンズ11、偏光ビームスプリッタ12、1/4波長板13、水平偏向装置14a、垂直偏向装置14b、第1リレーレンズ15、第2リレーレンズ16、対物レンズ17、結像レンズ18、ピンホール板9、受光素子19等を含んでいる。
【0020】
光源10には、例えば赤色レーザ光を発する半導体レーザが用いられる。レーザ駆動回路44によって駆動される光源10から出たレーザ光は、第1コリメートレンズ11を通り、偏光ビームスプリッタ12で光路を曲げられ、1/4波長板13を通過する。この後、水平偏向装置14a及び垂直偏向装置14bによって水平(横)方向及び垂直(縦)方向に偏向された後、第1リレーレンズ15及び第2リレーレンズ16を通過し、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0021】
水平偏向装置14aはレゾナント(共振型)スキャナーで構成され、垂直偏向装置14bはガルバノ(電磁型)スキャナーで構成されている。両者でレーザ光を水平及び垂直方向に偏向させることにより、試料wkの表面をレーザ光で走査する。説明の便宜上、水平方向をX方向、垂直方向をY方向ということにする。対物レンズ17は、対物レンズ移動機構40によりZ方向(光軸方向)に駆動される。これにより、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での相対位置を変化させることができる。
【0022】
ただし、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での相対位置は、他の方法で変化させることもできる。例えば、対物レンズ17をZ方向に駆動する代わりに試料ステージ30をZ方向に駆動してもよい。あるいは、対物レンズ17と試料wkとの間に屈折率が変化するレンズを挿入することにより、対物レンズ17の焦点をZ方向に移動させる構成も可能である。なお、試料ステージ30は、手動操作によってX方向、Y方向及びZ方向に変位可能である。
【0023】
試料wkで反射されたレーザ光は、上記の光路を逆に辿る。すなわち、対物レンズ17、第2リレーレンズ16及び第1リレーレンズ15を通り、水平偏向装置14a及び垂直偏向装置14bを介して1/4波長板13を再び通る。この結果、レーザ光は偏光ビームスプリッタ12を透過し、結像レンズ18によって集光される。集光されたレーザ光は、結像レンズ18の焦点位置に配置されたピンホール板9のピンホールを通過して受光素子19に入射する。受光素子19は、例えばフォトマルチプライヤチューブ(光電子増倍管)やフォトダイオードで構成され、受光量を電気信号に変換する。受光量に相当する電気信号は、出力アンプ及びゲイン制御回路(図示せず)を介して第1AD変換器41に与えられ、ディジタル値に変換される。
【0024】
上記のような構成の共焦点光学系2により、試料wkの高さ(深さ)情報を取得することができる。以下に、その原理を簡単に説明する。
【0025】
上述のように、対物レンズ17が対物レンズ移動機構40によってZ方向(光軸方向)に駆動されると、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での相対距離が変化する。そして、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面に結ばれたときに、試料wkの表面で反射されたレーザ光は上記の光路を経て結像レンズ18で集光され、ほとんどすべてのレーザ光がピンホール板9のピンホールを通過する。したがって、このときに、受光素子19の受光量が最大になる。逆に、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面からずれている状態では、結像レンズ18によって集光されたレーザ光はピンホール板9からずれた位置に焦点を結ぶので、一部のレーザ光しかピンホールを通過することができない。その結果、受光素子19の受光量は著しく低下する。
【0026】
したがって、試料wkの表面の任意の点について、対物レンズ17をZ方向(光軸方向)に駆動しながら受光素子19の受光量を検出すれば、その受光量が最大になるときの対物レンズ17のZ方向位置(対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での相対位置)を高さ情報として一義的に求めることができる。
【0027】
実際には、対物レンズ17を1ステップ(1ピッチ)移動するたびに水平偏向装置14a及び垂直偏向装置14bによって試料wkの表面を走査して受光素子19の受光量を得る。対物レンズ17をZ方向での測定範囲の下端から上端までZ方向に移動させたとき、走査範囲内の各点(画素)について、Z方向位置に応じて変化する受光量データが得られる。
【0028】
図2は、対物レンズ17のZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。このような受光量データに基づいて、最大受光量とそのときのZ方向位置が各点(画素)ごとに得られる。したがって、試料wkの表面高さのXY平面での分布が得られる。この処理は、マイクロコンピュータを用いた制御部46によって実行される。
【0029】
得られた表面高さの分布情報は、いくつかの方法で表示装置47のモニタ画面に表示することができる。例えば3次元表示によって試料の高さ分布(表面形状)を立体的に表示することができる。あるいは、高さデータを輝度データに変換することにより、明るさの二次元分布として表示できる。高さデータを色差データに変換することにより、高さの分布を色の分布として表示することもできる。
【0030】
また、XY走査範囲内の各点(画素)について得られた受光量を輝度データとする輝度信号から、試料wkの表面画像(白黒画像)が得られる。各画素における最大受光量を輝度データとして輝度信号を生成すれば、表面高さの異なる各点でピントの合った焦点深度の非常に深い超深度画像が得られる。また、任意の注目画素で最大受光量が得られた高さ(Z方向位置)に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像(すなわちスライス画像)が得られる。
【0031】
つぎに、共焦点顕微鏡に備えられた非共焦点光学系3とその信号処理について説明する。非共焦点光学系3は、試料wkに白色光(カラー画像撮影用の照明光)を照射するための白色光源20、第2コリメートレンズ21、第1ハーフミラー22、第2ハーフミラー23、カラーCCD(イメージセンサー)24等を含んでいる。また、非共焦点光学系3は共焦点光学系2の対物レンズ17を共用しており、2つの光学系1,2の光軸は部分的に一致している。
【0032】
白色光源20には例えば白色ランプが用いられるが、特に専用の光源を設けず、自然光又は室内光を利用してもよい。白色光源20から出た白色光は、第2コリメートレンズ21を通り、第1ハーフミラー22で光路を曲げられ、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0033】
試料wkで反射された白色光は、対物レンズ17、第1ハーフミラー22、第2リレーレンズ16を通過し、第2ハーフミラー23で反射されてカラーCCD24に入射して結像する。カラーCCD24は、共焦点光学系2のピンホール板9のピンホールと共役又は共役に近い位置に設けられている。カラーCCD24で撮像されたカラー画像は、CCD駆動回路43によって読み出され、そのアナログ出力信号は第2AD変換器42に与えられ、ディジタル値に変換される。このようにして得られたカラー画像は、試料wkの観察用の拡大カラー画像として表示装置47のモニタ画面に表示される。
【0034】
また、共焦点光学系2で得られた超深度画像と非共焦点光学系3で得られた通常のカラー画像とを組み合わせて、すべての画素で略ピントの合った焦点深度の深いカラー超深度画像を生成し、表示することもできる。例えば、非共焦点光学系3で得られたカラー画像を構成する輝度信号を共焦点光学系2で得られた超深度画像の輝度信号で置き換えることにより、簡易的にカラー超深度画像を生成することができる。
【0035】
上記のようなカラー画像に関する処理についても、制御部46を含むコントローラが司る。コントローラにはコンソール(操作卓)のような入力装置48やCRT(陰極線管)又はLCD(液晶表示装置)のような表示装置47が接続されている。また、マウスのようなポインティングデバイスも入力装置48として接続される。
【0036】
ユーザは、表示装置47の画面上に表示されるガイダンスにしたがって入力装置48を用いて種々の測定用パラメータを設定することができる。例えば、対物レンズ17のZ方向移動範囲(測定範囲)や移動ピッチを設定する。あるいは、試料wkの表面の光反射率等に応じて受光素子19の受光感度(PMTゲイン)やNDフィルタによる減衰量の設定を行うことにより、画面に表示された超深度画像やスライス画像が適当な明るさ(輝度)になるように調整する。また、カラーCCD24によるカラー画像の取得のためのシャッタースピードやゲイン及びホワイトバランスの設定を行う。
【0037】
また、本実施形態の共焦点顕微鏡システム1(のコントローラ)には、パーソナルコンピュータのような外部コンピュータシステムを接続するインターフェイスも備えられている。共焦点顕微鏡システム1の制御を行うための専用ソフトウェアをインストールした外部コンピュータシステムを共焦点顕微鏡システム1に接続することにより、取得された試料wkの画像情報や高さ分布情報等の加工をシームレスに行うことが可能になる。
【0038】
図3は、共焦点顕微鏡システム1のコントローラに外部コンピュータシステム50を接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。外部コンピュータシステム50は、CRT又はLCD等の表示装置51、キーボード52、マウス(他のポインティングデバイスでもよい)53、RS232C又はUSB(ユニバーサルシリアルバス)等の通信インターフェイス54、処理装置(CPU)55、半導体記憶媒体である主メモリ56、補助記憶装置である固定ディスク装置57及びリムーバブルディスク装置58を備えている。
【0039】
共焦点顕微鏡システム1の制御を行うための専用ソフトウェアは、CD−ROMのような記憶媒体59に記憶された状態で供給され、CD−ROMドライブ装置のようなリムーバブルディスク装置58によって記憶媒体59から読み出され、固定ディスク装置57にインストールされる。固定ディスク装置57にインストールされた専用ソフトウェアは、主メモリ56にロードされ、処理装置55によって実行される。このような専用ソフトウェアによって実行される処理には、共焦点顕微鏡システム1の測定条件の設定を行うための処理や測定の結果得られた画像の処理等が含まれている。
【0040】
図4は、専用ソフトウェアによる表示装置51の画面表示の例を示す図である。表示装置51に表示される画面表示60において、左側の画像表示領域61は共焦点顕微鏡システム1から得られたカラー画像、超深度画像、スライス画像、高さ分布画像等の測定結果を表示するための領域であり、その右側に測定条件の設定のための縦長の操作部領域62が表示されている。
【0041】
図5は、図4の画面表示60における操作部領域62の拡大図である。操作部領域62のプッシュボタンやスライドバーの操作及び各プルダウンメニューの選択等をマウス53を用いて行うことにより、各測定パラメータのマニュアル設定を行うことができる。例えば、ゲイン調整用スライドレバー63をマウス53のドラッグ操作によって上下移動すれば、受光素子19の受光感度(PMTゲイン)が変化し、画像の明るさ(輝度)を調整することができる。また、その隣のNDフィルタ調整用スライドレバー64を上下移動して光の減衰量を変化させることによっても画像の明るさ(輝度)を調整することができる。
【0042】
あるいは、ディスタンスの右側の三角マーク65をマウス53でクリックしたときに現れるプルダウンメニューから適切な数値を選択することにより、対物レンズ17のZ方向移動範囲(測定範囲)を設定することができる。その下のピッチについても同様に、三角マーク66をクリックしたときに現れるプルダウンメニューから適切な数値を選択することにより、適切なZ方向移動ピッチを設定することができる。
【0043】
上記のPMTゲインやNDフィルタの減衰量の変更による画像の明るさ(輝度)の調整は、共焦点光学系2による試料表面の高さ分布を正しく測定するためにも重要である。例えば、試料表面の光反射率が非常に高いために、受光素子19又は信号処理回路が飽和する場合がある。この場合は、最大受光量が得られるときの試料wkと対物レンズ17との相対距離(高さ)を正確に求めることができない。したがって、この場合は受光量(又は受光信号)が飽和しないように、PMTゲインを下げ、又はNDフィルタによる光減衰量を上げる調整を行う必要がある。
【0044】
上記のような受光量又は受光信号の飽和が発生すると、画面表示60の画像表示領域61に表示される超深度画像やスライス画像において飽和状態の箇所が白く飛んだ状態になる。したがって、画像に白飛び部分がある場合は、その部分で受光素子又は信号処理回路の飽和が発生していると判断して、上記のようなPMTゲイン等の調整を行う。しかし、画像における白飛びの判断は慣れていないと難しい。
【0045】
また、表面の光反射率が大きく変化している試料wkにおいて、光反射率が小さい部分(暗い部分)を詳しく観察したい場合には、光反射率が大きい部分(明るい部分)で白飛びが発生しても、それを無視して受光ゲイン等を上げることがある。この場合、観察したい部分の輝度が飽和しないで、かつ、できるだけ明るく(観察しやすく)表示されるようにPMTゲイン等を調節することになるが、この調整も慣れていないと難しい。
【0046】
本実施形態の共焦点顕微鏡システム1では、上記のような白飛び(飽和)の判断とPMTゲイン等の調節を容易にするために、画像表示領域61に表示される超深度画像やスライス画像において飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を備えている。超深度画像やスライス画像は白黒画像であり、輝度の飽和を白飛びの有無で判断することは容易ではないが、飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色(例えば赤色)を付して表示することにより、観察したい部分の輝度が飽和しているか(又は飽和直前か)否かを簡単に目視判別することができる。
【0047】
図6は、画像表示領域61に表示されたスライス画像の例を示している。このスライス画像において、左下部分70に着色表示された画素が多く集まっており、この部分で輝度の飽和状態が発生していることがわかる。また、画像表示領域61の右上部には、後述するヒストグラム71が画像に重ねて表示されている。
【0048】
図7は、表示画像において飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を実現するための輝度飽和判別回路のブロック図である。この輝度飽和判別回路73は、比較器74、イネーブル/ディスエーブル切換器75、セレクタ76及び飽和画素用映像信号発生器77を備えている。
【0049】
比較器74は、画像の各画素の入力信号の輝度を飽和直前の設定輝度と比較する。セレクタ76は、比較器74の出力にしたがって、入力信号の輝度が設定輝度以下の場合は入力信号をそのまま映像信号とすると共に、入力信号の輝度が設定輝度より高い場合は飽和画素用映像信号発生器77からの画素映像信号(例えば赤色画素信号)で入力信号を置き換えて映像信号とする。イネーブル/ディスエーブル切換器75は、比較器74及びセレクタ76の動作状態(イネーブル)又は非動作状態(ディスエーブル)を切り換える。つまり、飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を有効にするか無効にする(白黒の超深度画像やスライス画像をそのまま表示させる)かを切り換えることができる。
【0050】
飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能は、ソフトウェアで実現することも可能であるが、図7に示したような回路(ハードウェア)で実現することが好ましい。特に、リアルタイム表示されるスライス画像において、高さ(試料wkと対物レンズ17との相対距離)を切り換える操作に追従して高速表示させる場合は、処理速度の速いハードウェアで上記の機能を実現する必要がある。超深度画像のように、所定の測定時間経過後にソフトウェア処理を経て表示される場合は、上記の機能をソフトウェアで実現しても問題ない。
【0051】
次に、図6の画像表示領域61の右上部において画像に重ねて表示されているヒストグラム71について説明する。このヒストグラム71は、横軸に各画素の輝度(すなわち受光量)をとり、縦軸に対応する画素数をとったグラフとして表示されている。
【0052】
現在表示中の画像の各画素の輝度に関するヒストグラム71を画像に重畳させて表示することにより、前述のPMTゲインやNDフィルタ減衰量のマニュアル設定を行う際の指標とすることができる。特に、スライス画像に重ねてヒストグラム71をリアルタイム表示することにより、PMTゲイン等を最適の状態に調整する作業が一層容易になる。高さ(試料wkと対物レンズ17との相対距離)を変化させたときのスライス画像とそのヒストグラムがリアルタイムで表示されれば、測定中にユーザが意図していない設定であることが分かった場合に直ちに測定を中断してやり直すことができる。
【0053】
図8は、ヒストグラム表示のための第1の回路構成例を示すブロック図である。入力信号はAD変換器80でディジタル値に変換され、メモリ制御部81によって制御されるメモリ82に画素ごとの輝度データとして一旦記憶される。画素ごとの輝度データは、フレームメモリ83及び補正回路84を経てセレクタ87に至る画像データの処理経路と、ヒストグラムカウンタ85及びCPU86を経てセレクタ87に至るヒストグラムデータの処理経路に分かれる。
【0054】
セレクタ87は、個別の処理経路を経て入力された画像データ及びヒストグラムデータを選択しながらコンピュータシステム50に渡し、コンピュータシステム50は、前述の専用ソフトウェアにしたがって表示装置51に画像を表示する。この際に、ヒストグラムデータを処理して得られるグラフであるヒストグラム71が画像に重ねて表示される。
【0055】
図9は、ヒストグラムカウンタ85の構成例を示すブロック図である。ヒストグラムカウンタ85は、2個のデュアルポートメモリ90,91と加算器93を用いて構成される。また、デュアルポートメモリ90,91を制御するメモリコントローラ94及び遅延器92を備えている。第1のデュアルポートメモリ90にはリアルタイムで輝度データが書き込まれ、第2のデュアルポートメモリ91には画面ごとに輝度データが書き込まれる。これにより図8のCPU86は任意のタイミングで最新の表示画像のヒストグラムデータを得ることができる。
【0056】
図10は、ヒストグラム表示のための第2の回路構成例を示すブロック図である。この例では、ピークホールド画像のヒストグラムが重畳表示される。入力信号はAD変換器80でディジタル値に変換され、メモリ制御部81によって制御されるメモリ82に画素ごとの輝度データとして一旦記憶される。画素ごとの輝度データは、ピークホールド部88を経て各画素の輝度のピーク値(ピーク輝度データ)がフレームメモリ83に格納される。このピーク輝度データは、補正回路84を経て画像データとしてセレクタ87に至ると共に、ヒストグラムカウンタ85に与えられてヒストグラムデータが生成される。
【0057】
ヒストグラムデータの生成機能に関しても、図8から図10に例示したような回路(ハードウェア)で実現する構成に限らず、ソフトウェアで構成することも可能である。
【0058】
なお、上記の実施形態では外部コンピュータシステム50に共焦点顕微鏡システム1の制御を行うための専用ソフトウェアをインストールし、外部コンピュータシステム50の表示装置51の画面上で測定条件の設定や得られた画像の表示を行う場合について説明したが、本発明はそのような実施形態に限られるわけではない。共焦点顕微鏡システム1に標準装備の表示装置47及び入力装置48を用いて測定条件の設定や得られた画像の表示を行う場合にも本発明を適用することができる。
【0059】
また、共焦点光学系2による試料wkの表面の高さ情報を取得するために、対物レンズ17をZ方向に移動(上下動)させる代わりに、ステージ30を上下動させてもよい。その他にも、本発明は種々の形態で実施することができる。
【0060】
また、上記の実施形態の共焦点顕微鏡は反射型の顕微鏡であるが、透過型の共焦点顕微鏡にも本発明を適用することができる。透過型の顕微鏡の場合は、試料の裏面から共焦点光学系のレーザ光及び非共焦点光学系の白色光が照射される。共焦点光学系の光源はレーザ光源を含む単色光源はもちろんのこと、複数波長を含むものであってもよい。非共焦点光学系の光源は自然光又は室内光で代用することもできる。
【0061】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡によれば、白黒表示であるスライス画像や超深度画像において、輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素が着色表示される。これにより、ユーザは画像を目視でチェックしながら受光ゲイン等を最適の状態に調整する作業を容易に行うことができる。特に、試料表面の画像の特定部分を詳しく観察したいような場合に、その部分の輝度が飽和しないで、かつ、できるだけ明るく表示されるように受光ゲイン等を調節する作業が行いやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示す図である。
【図2】対物レンズのZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。
【図3】共焦点顕微鏡システムのコントローラに外部コンピュータシステムを接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図4】専用ソフトウェアによる表示装置の画面表示の例を示す図である。
【図5】図4の画面表示における操作部領域の拡大図である。
【図6】画像表示領域に表示されたスライス画像の例を示す図である。
【図7】表示画像において飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を実現するための輝度飽和判別回路のブロック図である。
【図8】ヒストグラム表示のための第1の回路構成例を示すブロック図である。
【図9】ヒストグラムカウンタの構成例を示すブロック図である。
【図10】ヒストグラム表示のための第2の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 共焦点顕微鏡システム
2 共焦点光学系
19 受光素子
47,51 表示装置
60 画面表示
61 画像表示領域
70 着色表示部
71 ヒストグラム
73 輝度飽和判別回路
74 比較器
76 セレクタ
77 飽和画素用映像信号発生器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a confocal microscope for acquiring information such as an ultra-deep image and a height distribution of a sample based on optical information from the sample, and more particularly to a confocal microscope with a light intensity saturation display function.
[0002]
[Prior art]
In a confocal microscope, light from a sample is received by a light receiving element via a confocal optical system, and based on the amount of received light, an ultra-depth image (an image with a very deep focal depth) or a height distribution of the sample is obtained. Information is obtained. When the relative distance between the sample placed on the stage and the objective lens is changed in the direction of the optical axis, the amount of light incident on the light receiving element via the confocal optical system, that is, the amount of received light, changes, and The amount of received light is maximized when the subject is in focus. Therefore, height information of the surface of the sample is calculated from the relative distance between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained, and the height distribution of the surface of the sample is obtained by scanning the surface of the sample with light. be able to.
[0003]
The acquired height distribution is displayed on the screen of the display device by, for example, three-dimensional display. Alternatively, the height distribution replaced with a luminance distribution or a color distribution is displayed on the screen. A CRT (cathode ray tube) or an LCD (liquid crystal display) is used as a display device, and a controller for control, a display device, a console, and the like are connected to the confocal microscope to form a confocal microscope system.
[0004]
In addition, by connecting information on the amount of light received when each point (pixel) on the sample surface is focused (that is, information on the maximum luminance of each pixel), a monochrome image of the sample surface with a very deep depth of focus can be obtained. Can be. This image is a so-called super-depth image.
[0005]
When the relative distance (height) between the sample and the objective lens is fixed so that the maximum amount of received light can be obtained at an arbitrary pixel of interest, the amount of received light of a pixel having a large difference in height from the pixel of interest is remarkable. The image becomes smaller, and an image in which only the portion having the same height as the target pixel is bright (this is called a slice image) is obtained.
[0006]
Further, a common light source having a function of displaying a color image of the sample surface in the same range as the ultra-depth image by separating light from the sample irradiated with white light from the confocal optical system and receiving the light with a color image sensor is provided. There is also a focus microscope. This color image has a shallow depth of focus unlike an ultra-deep image, but by performing a synthesizing process to replace the luminance signal with the luminance signal of the ultra-deep image, a color image with a deep focal depth (a color ultra-deep image) It is also possible to obtain).
[0007]
In the measurement of a sample using a confocal microscope as described above, for example, the light receiving element or the signal processing circuit may be saturated because the light reflectance of the sample surface is very high. In this case, the relative distance (height) between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained cannot be obtained accurately. Therefore, it is necessary to adjust the light receiving sensitivity (the light receiving gain of the signal processing circuit) or the light attenuation by the ND filter so that the light receiving amount (or the light receiving signal) is not saturated.
[0008]
The user of the confocal microscope, for example, when the image of the sample displayed on the screen has a saturated portion (so-called overexposed portion), the light receiving element or the signal processing circuit is saturated in that portion. It is determined that there is an error, and the light reception gain and the like are adjusted as described above. However, in a sample in which the light reflectance of the surface is largely changed, when it is desired to observe a portion having a small light reflectance (dark portion) in detail, overexposure occurs in a portion having a large light reflectance (bright portion). However, there is a case where the light reception gain or the like is increased by ignoring it.
[0009]
Therefore, the user often determines the luminance saturation (whiteout) and adjusts the light receiving gain and the like based on the case by case. As an index for judging the luminance saturation, there is a confocal microscope in which a received light amount of a maximum luminance portion in a slice image or a super-depth image is displayed on a screen.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is not easy to adjust the light receiving gain or the like to an optimum state simply by displaying the light receiving amount of the maximum luminance portion on the screen, since the distribution of the luminance of the entire screen is not known. In particular, when it is desired to observe a specific portion of the image of the sample surface displayed on the screen as described above in detail, light is received so that the brightness of the portion is not saturated and displayed as brightly as possible (easy to observe). It is difficult to adjust the gain etc.
[0011]
An object of the present invention is to provide a confocal microscope with a light intensity saturation display function that can easily adjust a light receiving gain or the like to an optimal state in view of the above-described conventional problems.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The confocal microscope with the light intensity saturation display function of the present invention receives light from the sample surface with a light receiving element via a confocal optical system, and acquires height information and light amount information on the sample surface based on the received light information. A confocal microscope that displays an image of a sample surface obtained by processing acquired information on a screen of a display device. Among them, a function is provided in which a pixel having a saturated luminance or a pixel having a luminance equal to or higher than a set luminance immediately before the saturation is displayed with a predetermined color.
[0013]
With such a function, in a slice image or a super-depth image that is displayed in black and white, a pixel whose luminance is saturated or a pixel whose luminance is equal to or higher than a set luminance immediately before saturation is displayed in, for example, red. Thus, the user can easily perform an operation of adjusting the light receiving gain and the like to an optimum state while visually checking the image. In particular, when it is desired to observe a specific portion of the image on the sample surface in detail, it becomes easy to adjust the light receiving gain and the like so that the brightness of the portion does not saturate and is displayed as bright as possible.
[0014]
In a preferred embodiment, the confocal microscope with the light intensity saturation display function of the present invention is a slice image representing the light reception amount at each point when the height is fixed so that the maximum light reception amount is obtained at any point on the sample surface, A function is provided in which real-time display is performed by giving a predetermined color to a pixel whose luminance is saturated or a pixel whose luminance is equal to or higher than a set luminance immediately before saturation among the pixels constituting the slice image. The software or hardware processing as described above is required to obtain an ultra-deep image, and it takes a certain amount of time to complete the processing, but a slice image is displayed immediately. Therefore, when the light receiving gain or the like is adjusted, the slice image after the adjustment is displayed with almost no delay. As described above, since an image in which a predetermined color is added to a saturated pixel or a pixel having a luminance equal to or higher than the set luminance immediately before the saturation is displayed in real time, it is easy to adjust the light receiving gain and the like.
[0015]
In another preferred embodiment, a confocal microscope with a light intensity saturation display function of the present invention includes a comparator for comparing the luminance of each pixel of the image with a set luminance, and a video signal for a saturated pixel that outputs a pixel video signal of a predetermined color. A luminance saturation determination circuit that includes a generator and a selector that replaces a video signal of a pixel having a luminance higher than the set luminance with a pixel video signal from the video signal generator for a saturated pixel based on an output of the comparator. . As described above, by performing the processing of coloring the pixels having the set luminance or more immediately before the saturation by hardware, the processing speed is faster and the load on the software is lighter than when the processing is performed by software. .
[0016]
In still another preferred embodiment, the confocal microscope with the light intensity saturation display function of the present invention has a function of superimposing and displaying a histogram relating to the luminance of each pixel in the image displayed on the screen. By displaying such a relationship between the luminance and the number of pixels as a histogram, particularly, by displaying the histogram in real time over the slice image, it becomes easier to adjust the light receiving gain and the like to an optimum state. .
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention. The confocal microscope system 1 includes a confocal microscope having a confocal optical system 2 and a non-confocal optical system 3, a laser driving circuit 44 of the confocal microscope, signal processing circuits 41, 42, 43 from light receiving elements, and an objective lens. A controller including a moving mechanism 40, a controller 46 using a microcomputer, and the like, and a display device 47 and an input device 48 connected to the controller are provided.
[0019]
First, the confocal optical system 2 of the confocal microscope and its signal processing will be described. The confocal optical system 2 includes a light source 10 for irradiating the sample wk with monochromatic light (for example, laser light), a first collimating lens 11, a polarizing beam splitter 12, a quarter-wave plate 13, a horizontal deflection device 14a, and a vertical deflection. The device 14b includes a first relay lens 15, a second relay lens 16, an objective lens 17, an imaging lens 18, a pinhole plate 9, a light receiving element 19, and the like.
[0020]
As the light source 10, for example, a semiconductor laser that emits red laser light is used. Laser light emitted from the light source 10 driven by the laser drive circuit 44 passes through the first collimator lens 11, the optical path is bent by the polarization beam splitter 12, and passes through the 波長 wavelength plate 13. Thereafter, the light is deflected in the horizontal (horizontal) direction and the vertical (vertical) direction by the horizontal deflection device 14a and the vertical deflection device 14b, passes through the first relay lens 15 and the second relay lens 16, and is sampled by the objective lens 17. The light is focused on the surface of the sample wk placed on the stage 30.
[0021]
The horizontal deflection device 14a is constituted by a resonant (resonant type) scanner, and the vertical deflection device 14b is constituted by a galvano (electromagnetic) scanner. By deflecting the laser light in both the horizontal and vertical directions, the surface of the sample wk is scanned with the laser light. For convenience of description, the horizontal direction is referred to as an X direction, and the vertical direction is referred to as a Y direction. The objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40. Thereby, the relative position between the focus of the objective lens 17 and the sample wk in the optical axis direction can be changed.
[0022]
However, the relative position in the optical axis direction between the focus of the objective lens 17 and the sample wk can be changed by another method. For example, instead of driving the objective lens 17 in the Z direction, the sample stage 30 may be driven in the Z direction. Alternatively, a configuration in which the focal point of the objective lens 17 is moved in the Z direction by inserting a lens whose refractive index changes between the objective lens 17 and the sample wk is also possible. The sample stage 30 can be displaced in the X, Y, and Z directions by manual operation.
[0023]
The laser light reflected by the sample wk reverses the above optical path. That is, the light passes through the objective lens 17, the second relay lens 16, and the first relay lens 15, and again passes through the quarter-wave plate 13 via the horizontal deflection device 14a and the vertical deflection device 14b. As a result, the laser light passes through the polarization beam splitter 12 and is condensed by the imaging lens 18. The condensed laser light passes through the pinhole of the pinhole plate 9 disposed at the focal position of the imaging lens 18 and enters the light receiving element 19. The light receiving element 19 is composed of, for example, a photomultiplier tube (photomultiplier tube) or a photodiode, and converts the amount of received light into an electric signal. The electric signal corresponding to the amount of received light is provided to the first AD converter 41 via an output amplifier and a gain control circuit (not shown), and is converted into a digital value.
[0024]
The height (depth) information of the sample wk can be acquired by the confocal optical system 2 configured as described above. The principle will be briefly described below.
[0025]
As described above, when the objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40, the relative distance in the optical axis direction between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk changes. When the focal point of the objective lens 17 is focused on the surface of the sample wk, the laser light reflected on the surface of the sample wk is condensed by the imaging lens 18 via the above optical path, and almost all the laser light is It passes through the pinhole of the pinhole plate 9. Therefore, at this time, the amount of light received by the light receiving element 19 is maximized. Conversely, when the focus of the objective lens 17 is shifted from the surface of the sample wk, the laser light condensed by the imaging lens 18 focuses on a position shifted from the pinhole plate 9, so that a part of the laser beam is focused. Only light can pass through the pinhole. As a result, the amount of light received by the light receiving element 19 is significantly reduced.
[0026]
Therefore, if the amount of light received by the light receiving element 19 is detected at any point on the surface of the sample wk while driving the objective lens 17 in the Z direction (optical axis direction), the objective lens 17 when the amount of received light is maximized is detected. (The relative position between the focus of the objective lens 17 and the sample wk in the optical axis direction) can be uniquely obtained as height information.
[0027]
In practice, each time the objective lens 17 is moved by one step (one pitch), the surface of the sample wk is scanned by the horizontal deflection device 14a and the vertical deflection device 14b to obtain the amount of light received by the light receiving element 19. When the objective lens 17 is moved in the Z direction from the lower end to the upper end of the measurement range in the Z direction, light reception amount data that changes according to the Z direction position is obtained for each point (pixel) in the scanning range.
[0028]
FIG. 2 is a graph showing an example of received light amount data that changes according to the Z-direction position of the objective lens 17. Based on such received light amount data, the maximum received light amount and the Z-direction position at that time are obtained for each point (pixel). Therefore, the distribution of the surface height of the sample wk on the XY plane is obtained. This process is executed by the control unit 46 using a microcomputer.
[0029]
The obtained surface height distribution information can be displayed on the monitor screen of the display device 47 by several methods. For example, the height distribution (surface shape) of the sample can be displayed three-dimensionally by three-dimensional display. Alternatively, the height data can be converted into luminance data to be displayed as a two-dimensional distribution of brightness. By converting the height data into color difference data, the height distribution can be displayed as a color distribution.
[0030]
Further, a surface image (monochrome image) of the sample wk can be obtained from a luminance signal using the received light amount obtained for each point (pixel) in the XY scanning range as luminance data. If a luminance signal is generated using the maximum amount of received light in each pixel as luminance data, an ultra-deep image with an extremely deep focal depth focused at each point having a different surface height can be obtained. When the height (Z-direction position) at which the maximum amount of received light is obtained at an arbitrary pixel of interest is fixed, the amount of received light of a pixel having a large height difference from the pixel of interest is significantly small, and An image in which only portions having the same height are bright (ie, a slice image) is obtained.
[0031]
Next, the non-confocal optical system 3 provided in the confocal microscope and its signal processing will be described. The non-confocal optical system 3 includes a white light source 20, a second collimating lens 21, a first half mirror 22, a second half mirror 23, and a color for irradiating the sample wk with white light (illumination light for capturing a color image). It includes a CCD (image sensor) 24 and the like. In addition, the non-confocal optical system 3 shares the objective lens 17 of the confocal optical system 2, and the optical axes of the two optical systems 1 and 2 partially match.
[0032]
For example, a white lamp is used as the white light source 20, but a special light source may not be provided, and natural light or indoor light may be used. The white light emitted from the white light source 20 passes through the second collimating lens 21, the optical path is bent by the first half mirror 22, and is focused on the surface of the sample wk placed on the sample stage 30 by the objective lens 17. .
[0033]
The white light reflected by the sample wk passes through the objective lens 17, the first half mirror 22, and the second relay lens 16, is reflected by the second half mirror 23, enters the color CCD 24, and forms an image. The color CCD 24 is provided at a position conjugate with or close to the pinhole of the pinhole plate 9 of the confocal optical system 2. The color image picked up by the color CCD 24 is read out by the CCD drive circuit 43, and its analog output signal is given to the second AD converter 42 and converted into a digital value. The color image thus obtained is displayed on the monitor screen of the display device 47 as an enlarged color image for observing the sample wk.
[0034]
Further, the super-depth image obtained by the confocal optical system 2 and the normal color image obtained by the non-confocal optical system 3 are combined to obtain a deep color super-depth with a focal depth substantially in focus at all pixels. Images can also be generated and displayed. For example, a color super-depth image is easily generated by replacing the luminance signal forming the color image obtained by the non-confocal optical system 3 with the luminance signal of the super-depth image obtained by the confocal optical system 2. be able to.
[0035]
The controller including the control unit 46 is also in charge of the processing regarding the color image as described above. An input device 48 such as a console (operation console) and a display device 47 such as a CRT (cathode ray tube) or an LCD (liquid crystal display device) are connected to the controller. A pointing device such as a mouse is also connected as the input device 48.
[0036]
The user can set various measurement parameters using the input device 48 according to the guidance displayed on the screen of the display device 47. For example, a moving range (measurement range) and a moving pitch of the objective lens 17 in the Z direction are set. Alternatively, by setting the light receiving sensitivity (PMT gain) of the light receiving element 19 and the amount of attenuation by the ND filter according to the light reflectance of the surface of the sample wk, etc., the super-depth image or the slice image displayed on the screen is appropriate. Adjust so that the brightness (brightness) is high. Further, the shutter speed, gain, and white balance for obtaining a color image by the color CCD 24 are set.
[0037]
Further, the confocal microscope system 1 (controller thereof) of the present embodiment is also provided with an interface for connecting an external computer system such as a personal computer. By connecting an external computer system in which dedicated software for controlling the confocal microscope system 1 is installed to the confocal microscope system 1, processing of acquired image information and height distribution information of the sample wk can be performed seamlessly. It is possible to do.
[0038]
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration in which an external computer system 50 is connected to a controller of the confocal microscope system 1. The external computer system 50 includes a display device 51 such as a CRT or an LCD, a keyboard 52, a mouse (may be another pointing device) 53, a communication interface 54 such as an RS232C or a USB (universal serial bus), a processing device (CPU) 55, A main memory 56 as a semiconductor storage medium, a fixed disk device 57 as an auxiliary storage device, and a removable disk device 58 are provided.
[0039]
The dedicated software for controlling the confocal microscope system 1 is supplied in a state stored in a storage medium 59 such as a CD-ROM, and is supplied from the storage medium 59 by a removable disk device 58 such as a CD-ROM drive. It is read and installed in the fixed disk device 57. The dedicated software installed in the fixed disk device 57 is loaded into the main memory 56 and executed by the processing device 55. The processing executed by such dedicated software includes processing for setting measurement conditions of the confocal microscope system 1 and processing of an image obtained as a result of the measurement.
[0040]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a screen display of the display device 51 by the dedicated software. In a screen display 60 displayed on the display device 51, an image display area 61 on the left side is for displaying measurement results such as a color image, an ultra-depth image, a slice image, and a height distribution image obtained from the confocal microscope system 1. A vertically long operation section area 62 for setting measurement conditions is displayed on the right side of the area.
[0041]
FIG. 5 is an enlarged view of the operation section area 62 in the screen display 60 of FIG. By using the mouse 53 to operate a push button or a slide bar in the operation section area 62, select each pull-down menu, and the like, manual setting of each measurement parameter can be performed. For example, if the slide lever 63 for gain adjustment is moved up and down by a drag operation of the mouse 53, the light receiving sensitivity (PMT gain) of the light receiving element 19 changes and the brightness (luminance) of the image can be adjusted. The brightness (brightness) of the image can also be adjusted by moving the ND filter adjustment slide lever 64 adjacent thereto up and down to change the amount of light attenuation.
[0042]
Alternatively, by selecting an appropriate numerical value from a pull-down menu that appears when the triangle mark 65 on the right side of the distance is clicked with the mouse 53, the Z-direction movement range (measurement range) of the objective lens 17 can be set. Similarly, by selecting an appropriate numerical value from a pull-down menu that appears when the triangle mark 66 is clicked on the lower pitch, an appropriate Z-direction movement pitch can be set.
[0043]
The adjustment of the brightness (brightness) of the image by changing the PMT gain or the attenuation amount of the ND filter is also important for correctly measuring the height distribution of the sample surface by the confocal optical system 2. For example, since the light reflectance of the sample surface is very high, the light receiving element 19 or the signal processing circuit may be saturated. In this case, the relative distance (height) between the sample wk and the objective lens 17 when the maximum amount of received light is obtained cannot be accurately obtained. Therefore, in this case, it is necessary to lower the PMT gain or adjust the light attenuation by the ND filter so that the light reception amount (or light reception signal) does not saturate.
[0044]
When the saturation of the light reception amount or the light reception signal as described above occurs, the saturated portion in the super-depth image or the slice image displayed in the image display area 61 of the screen display 60 becomes white. Therefore, when an overexposed portion exists in the image, it is determined that the light receiving element or the signal processing circuit is saturated in that portion, and the above-described adjustment of the PMT gain and the like is performed. However, it is difficult to determine whiteout in an image unless one is accustomed to it.
[0045]
Also, in the sample wk in which the light reflectance of the surface is largely changed, when it is desired to observe a portion having a small light reflectance (dark portion) in detail, overexposure occurs in a portion having a large light reflectance (bright portion). Even so, there is a case where the light receiving gain or the like is increased by ignoring it. In this case, the PMT gain or the like is adjusted so that the luminance of the portion to be observed is not saturated and the image is displayed as brightly as possible (easy to observe).
[0046]
In the confocal microscope system 1 of the present embodiment, in order to facilitate the above-described determination of overexposure (saturation) and adjustment of the PMT gain and the like, the super-depth image and the slice image displayed in the image display area 61 are used. A function is provided in which pixels having a luminance equal to or higher than the set luminance immediately before saturation are given a predetermined color and displayed. Ultra-depth images and slice images are black-and-white images, and it is not easy to determine the saturation of luminance based on the presence or absence of overexposure. By displaying, it is possible to easily visually determine whether or not the luminance of the portion to be observed is saturated (or just before the saturation).
[0047]
FIG. 6 shows an example of a slice image displayed in the image display area 61. In this slice image, a large number of colored pixels are gathered in the lower left portion 70, and it can be seen that a saturation state of luminance occurs in this portion. In the upper right part of the image display area 61, a histogram 71 described later is displayed so as to overlap the image.
[0048]
FIG. 7 is a block diagram of a luminance saturation determination circuit for realizing a function of adding a predetermined color to a pixel having luminance equal to or higher than a set luminance immediately before saturation and displaying the pixel. The luminance saturation determination circuit 73 includes a comparator 74, an enable / disable switch 75, a selector 76, and a video signal generator 77 for a saturated pixel.
[0049]
The comparator 74 compares the luminance of the input signal of each pixel of the image with the set luminance immediately before saturation. According to the output of the comparator 74, if the luminance of the input signal is equal to or less than the set luminance, the selector 76 converts the input signal to a video signal as it is, and if the luminance of the input signal is higher than the set luminance, generates a video signal for a saturated pixel. The input signal is replaced with a pixel video signal (for example, a red pixel signal) from the device 77 to form a video signal. The enable / disable switch 75 switches an operation state (enable) or a non-operation state (disable) of the comparator 74 and the selector 76. That is, it is possible to switch between enabling and disabling the function of adding a predetermined color to a pixel having a luminance equal to or higher than the set luminance immediately before saturation and disabling the function (displaying a monochrome super-depth image or slice image as it is).
[0050]
The function of giving a predetermined color to a pixel having a luminance equal to or higher than the set luminance immediately before saturation and displaying the same can be realized by software, but is preferably realized by a circuit (hardware) as shown in FIG. . Particularly, in the case of displaying slice images displayed in real time at a high speed following an operation of switching the height (the relative distance between the sample wk and the objective lens 17), the above-described function is realized by hardware having a high processing speed. There is a need. In the case where the image is displayed through software processing after a predetermined measurement time elapses, as in the case of a super-depth image, there is no problem even if the above functions are realized by software.
[0051]
Next, the histogram 71 displayed on the image in the upper right part of the image display area 61 in FIG. 6 will be described. The histogram 71 is displayed as a graph in which the horizontal axis indicates the luminance (that is, the amount of received light) of each pixel, and the vertical axis indicates the number of pixels corresponding to each pixel.
[0052]
By superimposing and displaying the histogram 71 relating to the luminance of each pixel of the currently displayed image on the image, it can be used as an index when the above-described manual setting of the PMT gain and the ND filter attenuation is performed. In particular, by displaying the histogram 71 in real time over the slice image, the work of adjusting the PMT gain and the like to the optimum state becomes much easier. If the slice image and its histogram when the height (the relative distance between the sample wk and the objective lens 17) is changed are displayed in real time, it is determined that the setting is not intended by the user during the measurement. The measurement can be immediately interrupted and restarted.
[0053]
FIG. 8 is a block diagram showing a first circuit configuration example for displaying a histogram. The input signal is converted into a digital value by an AD converter 80, and is temporarily stored as luminance data for each pixel in a memory 82 controlled by a memory control unit 81. The luminance data for each pixel is divided into a processing path for image data reaching the selector 87 via the frame memory 83 and the correction circuit 84, and a processing path for histogram data reaching the selector 87 via the histogram counter 85 and the CPU 86.
[0054]
The selector 87 selects the image data and the histogram data input through the individual processing paths and transfers them to the computer system 50, and the computer system 50 displays the image on the display device 51 according to the above-mentioned dedicated software. At this time, a histogram 71, which is a graph obtained by processing the histogram data, is displayed over the image.
[0055]
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of the histogram counter 85. The histogram counter 85 includes two dual-port memories 90 and 91 and an adder 93. Further, a memory controller 94 for controlling the dual port memories 90 and 91 and a delay unit 92 are provided. Brightness data is written to the first dual-port memory 90 in real time, and brightness data is written to the second dual-port memory 91 for each screen. Thus, the CPU 86 of FIG. 8 can obtain the latest histogram data of the display image at an arbitrary timing.
[0056]
FIG. 10 is a block diagram showing a second circuit configuration example for displaying a histogram. In this example, the histogram of the peak hold image is superimposed and displayed. The input signal is converted into a digital value by an AD converter 80, and is temporarily stored as luminance data for each pixel in a memory 82 controlled by a memory control unit 81. As the luminance data for each pixel, the peak value (peak luminance data) of the luminance of each pixel is stored in the frame memory 83 via the peak hold unit 88. The peak luminance data reaches the selector 87 as image data via the correction circuit 84, and is given to a histogram counter 85 to generate histogram data.
[0057]
The function of generating the histogram data is not limited to the configuration realized by the circuits (hardware) illustrated in FIGS. 8 to 10, but may be configured by software.
[0058]
In the above-described embodiment, dedicated software for controlling the confocal microscope system 1 is installed in the external computer system 50, and measurement conditions are set on the screen of the display device 51 of the external computer system 50 and the obtained image is obtained. Has been described, but the present invention is not limited to such an embodiment. The present invention can also be applied to the case where the measurement conditions are set and the obtained image is displayed using the display device 47 and the input device 48 which are provided as standard equipment in the confocal microscope system 1.
[0059]
Further, in order to obtain the height information of the surface of the sample wk by the confocal optical system 2, the stage 30 may be moved up and down instead of moving (moving up and down) the objective lens 17 in the Z direction. In addition, the present invention can be implemented in various forms.
[0060]
Although the confocal microscope of the above embodiment is a reflection type microscope, the present invention can also be applied to a transmission type confocal microscope. In the case of a transmission microscope, laser light of a confocal optical system and white light of a non-confocal optical system are irradiated from the back surface of the sample. The light source of the confocal optical system may be a monochromatic light source including a laser light source, or may include a plurality of wavelengths. The light source of the non-confocal optical system can be replaced by natural light or room light.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the confocal microscope with a light-saturation display function of the present invention, in a slice image or a super-depth image displayed in black and white, a pixel whose luminance is saturated or a pixel whose luminance is equal to or higher than a set luminance immediately before saturation. Is colored. Thus, the user can easily perform an operation of adjusting the light receiving gain and the like to an optimum state while visually checking the image. In particular, when it is desired to observe a specific portion of the image on the sample surface in detail, it becomes easier to adjust the light receiving gain and the like so that the brightness of the portion is not saturated and the display is as bright as possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating an example of received light amount data that changes according to the Z-direction position of an objective lens.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a hardware configuration example in which an external computer system is connected to a controller of the confocal microscope system.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a screen display of a display device using dedicated software.
FIG. 5 is an enlarged view of an operation unit area in the screen display of FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a slice image displayed in an image display area.
FIG. 7 is a block diagram of a luminance saturation determination circuit for realizing a function of adding a predetermined color to pixels having a luminance equal to or higher than a set luminance immediately before saturation and displaying the pixels.
FIG. 8 is a block diagram illustrating a first circuit configuration example for displaying a histogram.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of a histogram counter.
FIG. 10 is a block diagram showing a second circuit configuration example for displaying a histogram.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 confocal microscope system 2 confocal optical system 19 light receiving element 47, 51 display device 60 screen display 61 image display area 70 coloring display section 71 histogram 73 brightness saturation determination circuit 74 comparator 76 selector 77 video signal generator for saturated pixel

Claims (4)

試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ情報及び光量情報を取得し、取得した情報を処理して得られる前記試料表面の画像を表示装置の画面に表示する共焦点顕微鏡であって、
前記試料表面の画像を表示装置の画面に表示する際に、前記画像を構成する画素のうち輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付して表示する機能を備えていることを特徴とする光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡。
Light from the sample surface is received by a light receiving element via a confocal optical system, height information and light amount information of the sample surface are obtained based on the received light information, and the obtained sample is obtained by processing the obtained information. A confocal microscope that displays a surface image on a screen of a display device,
When displaying an image of the sample surface on a screen of a display device, a pixel having a luminance that is saturated or a pixel having a luminance equal to or higher than a set luminance immediately before saturation among pixels constituting the image is displayed with a predetermined color. A confocal microscope equipped with a light intensity saturation display function, having a function.
前記試料表面の任意の点で最大受光量が得られるように高さを固定したときの各点の受光量を表すスライス画像において、前記スライス画像を構成する画素のうち輝度が飽和している画素又は飽和直前の設定輝度以上の画素に所定の色を付してリアルタイム表示する機能を備えていることを特徴とする
請求項1記載の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡。
In a slice image representing the amount of received light at each point when the height is fixed so that the maximum amount of received light is obtained at an arbitrary point on the sample surface, of the pixels constituting the slice image, pixels whose luminance is saturated 2. The confocal microscope according to claim 1, further comprising a function of applying a predetermined color to a pixel having a luminance equal to or higher than a set luminance immediately before saturation and displaying the color in real time.
前記画像の各画素の輝度を設定輝度と比較する比較器と、所定の色の画素映像信号を出力する飽和画素用映像信号発生器と、前記比較器の出力に基づいて、前記設定輝度より高い輝度を有する画素の映像信号を前記飽和画素用映像信号発生器からの画素映像信号で置き換えるセレクタとを含む輝度飽和判別回路を備えていることを特徴とする
請求項1又は2記載の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡。
A comparator that compares the brightness of each pixel of the image with a set brightness, a video signal generator for a saturated pixel that outputs a pixel video signal of a predetermined color, and, based on an output of the comparator, higher than the set brightness. 3. A light intensity saturation display according to claim 1, further comprising: a selector for replacing a video signal of a pixel having brightness with a pixel video signal from the video signal generator for a saturated pixel. Confocal microscope with function.
前記画面に表示された画像における各画素の輝度に関するヒストグラムを前記画像に重ねて表示する機能を備えていることを特徴とする
請求項1、2又は3記載の光量飽和表示機能付共焦点顕微鏡。
4. The confocal microscope with a light intensity saturation display function according to claim 1, further comprising a function of superimposing and displaying a histogram relating to the luminance of each pixel in the image displayed on the screen on the image.
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