JP2004264048A - Object motion measuring apparatus - Google Patents

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    • G01D2205/90Two-dimensional encoders, i.e. having one or two codes extending in two directions

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple apparatus for measuring the motion of an object with high sensitivity even if the object is moving in any direction. <P>SOLUTION: The measuring apparatus of the motion of the object comprises: an objective lens for condensing light from the object; a lattice-like filter, where a part for projecting the objective image of the object for transmitting light transmitted through the objective lens and a part for shielding light are alternately arranged crosswise; a condensing lens for condensing light transmitted through the lattice-like filter; and a photodetector for measuring the intensity of light transmitted through the condensing lens. The motion of the object is measured by measuring a change in the quantity of light when the objective image of the object moves at the boundary section between the part for transmitting light in the lattice-like filter and a part for shielding light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的手法による物体の運動計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
物体の運動速度や振動周期を光学的手法で計測する場合、従来、次の2つの方法が用いられて来た。
【0003】
1つの方法は、ビデオカメラを用い画像処理を施す方法である。物体の動画を撮影し記録した後に、記録された画像から、計測の対象となる物体の一コマ毎の位置変化を求め、そこから運動の速度・振動周期などを求めることになる。
【0004】
この方法では多様な運動形態に対応できる点で後述の手法に比べ優れているものの、ビデオ記録速度によって時間的精度に制約がある点(一般的なビデオ記録では1/60秒)、リアルタイム計測は不可能である点、解析作業上の煩雑さと言った難点がある。
【0005】
もう一つの方法は、光センサーを使った手法である。計測対象の物体の像が光センサーの受光面に投影されるようにし、像の光強度の継時変化を光センサーで計測し、運動速度や変位を求めることになる。
【0006】
この方法では、運動速度や変位がどのような光信号の変化となって計測されるかは、物体および光センサーの配置、陰影や反射光の進行方向などによって異なる。例えば、明るい背景の中に暗い物体がある場合、物体エッジ部分の像が、受光面上にちょうど投影されるような配置に置かなければならない。あるいは、物体によって反射する光などを手がかりに計測する場合、その光線が、効率よく受光面上に入射するような装置の配置が必要となる。どのような状況であっても、同じような計測感度や精度の期待できるものではなく、汎用的な手法ではない。
【0007】
光センサーを使って物体の運動速度や振動周期を計測する他の方法も考案されている(例えば、非特許文献1参照。)。図15(a)で示すように一定方向に移動する物体の運動速度vを計測する場合には、図15(b)のように光を透過する部分と光を遮光する部分とが一定間隔d/2をおいて前記一定方向に交互に並ぶ格子模様のフィルターを使用する。
【0008】
上記のフィルターを通して物体を観察すると、観察像は図15(c)のように見える。この観察像全体を光センサーで計測すると、図15(d)のように光センサーの出力電圧は光強度に応じて周期tをおいて変化することがわかる。周期tと格子の間隔dとから物体の運動速度vを計測することができる。
このような運動速度の計測方法については、非特許文献1〜3に記載されている。
【0009】
物体の往復運動を計測する方法としては、以下の方法がある。図16(a)に示すように一定方向に往復振動する物体の周波数fを計測する場合、光の透過度が前記一定方向にそって増加または減少するフィルターを使用する。
【0010】
例えば、図16(b)のように、左から右へ向かって光の透過度が減少するフィルターを通して物体を観察すると、観察像は図16(c)のように、物体が左側にあるときは明るく、右側にあるときは暗く見える。この観察像全体を光センサーで計測すると、図16(d)のように光センサーの出力電圧は光強度に応じて周期tをおいて変化することがわかり、周波数fを計測することができる。
【0011】
【非特許文献1】
日本学術会議事務局・日本動物学会関東支部編、「細胞のミクロ探検−見えないものを見る−」日学選書B、財団法人日本学術協力財団、1996年、p.57−72
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記手法では、フィルターの光透過度の勾配方向を物体の振動方向に常に合わせる必要があり、継時的に振動方向が変化する物体、例えば鞭毛運動を行う微生物や精子等の振動周期を計測するのは困難であった。
【0013】
また計測感度を向上させるためにはフィルターの光透過度の勾配を急峻にしなければならないが、光透過度の勾配を急峻にすると逆に計測領域が狭まってしまうという欠点があった。
【0014】
本発明の課題は、物体がどのような方向に運動をしていても、物体の運動を感度よく計測することができる簡便な装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と遮光する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状フィルターと、前記格子状フィルターを透過した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の強度を測定する光検出器とを有することを特徴とする。
【0016】
請求項1に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状フィルターの光を透過する部分と遮光する部分との境界部分で動くときの光量変化を計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便に計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【0017】
請求項2に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と反射する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状ハーフミラーと、前記格子状ハーフミラーを透過した光と前記格子状ハーフミラーで反射された光とをそれぞれ集光する2つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する2つの光検出器と、前記2つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【0018】
請求項2に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状ハーフミラーの光を透過する部分と反射する部分との境界部分で動くときに格子状ハーフミラーの透過光と反射光との光量変化の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【0019】
請求項3に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を2つの異なる角度で反射する2種類の反射面が縦横に交互に並ぶ格子状ミラーと、前記格子状ミラーで2方向に反射された光をそれぞれ集光する2つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する2つの光検出器と、前記2つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【0020】
請求項3に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状ミラーの2種類の反射面の境界部分で動くときに格子状ミラーの2種類の反射光の光量変化の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【0021】
請求項4に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を縦横に交互に並ぶ2種類の光検出器の受光面で受光する光検出器行列と、前記2種類の光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【0022】
請求項4に記載の発明によれば、物体の対物像が2種類の光検出器の受光面の境界部分で動くときに2種類の光検出器の出力の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態として光学顕微鏡に適用した例について詳細に述べる。
〔第1の実施の形態〕
図1において、本発明の運動計測装置は、光学顕微鏡10と、格子状フィルター21と、光センサー30と、図示しない解析手段とからなる。
【0024】
光学顕微鏡10は、光源11、照明レンズ12、コンデンサレンズ13、試料台14、対物レンズ15、接眼レンズ16(集光レンズ)を組み合わせて構成する。あるいは光学顕微鏡10として、市販されている任意の光学顕微鏡を使用してもよい。光学顕微鏡10としては、運動を計測したい物体と背景との輝度の差を大きくするためにブライトコントラストの位相差顕微鏡、あるいは暗視野顕微鏡が好ましく、特に暗視野顕微鏡が好ましい。
【0025】
光学顕微鏡10を位相差顕微鏡にするには、コンデンサレンズ13と対物レンズ15との組み合わせを位相差顕微鏡用のものにする。また暗視野顕微鏡にするには、コンデンサレンズ13として暗視野用のものを使用する。
【0026】
光源11としては、ハロゲン・タングステンランプ等、任意の照明を用いることができるが、光量の時間的変化がないことが好ましく、照明にかける電圧は直流電圧であることが好ましい。
【0027】
格子状フィルター21は、光を透過する透過部分と光を遮る遮光部分Sとが縦横に交互に並んで構成されている。
このような格子状フィルターの模様としては、例えば、図2(a)に示すように、正方形の透過部分Tと遮光部分Sとが縦横に交互に並んだ、いわゆる一松模様のものがある。あるいは、図2(b)に示すように、正三角形の透過部分Tと遮光部分Sとが縦横に交互に並んだ模様のものであってもよい。
【0028】
格子状フィルターの素材としては、NDフィルターとして周知の素材を用いて作成することができる。あるいは、遮光紙に上記模様の形態に穴をあけたものでもよいし、写真用フィルムに上記の模様を撮影し、現像して用いてもよい。
【0029】
格子状フィルター21は、光学顕微鏡10を構成する対物レンズ15と接眼レンズ16との間に設置される。市販の光学顕微鏡を用いた場合には、通常の接眼マイクロメーター、目盛板、レチクル等を挿入する位置から容易に設置することができる。
【0030】
また格子状フィルター21は、対物レンズ15と接眼レンズ16との間に設設置する代わりに、その他の観察試料面と光学的にほぼ共益となる点、例えば、光源11とコンデンサレンズとの間に設置してもよいし、あるいは試料台上に設置してもよい。
【0031】
この他にも光学顕微鏡10は、対物レンズ15と格子状フィルター21との間にビームスプリッターを設置し、反射像をビデオカメラでモニターに写して観察しながら透過光で計測できるようにしてもよい。また市販の光学顕微鏡のカメラ着脱用のCマウント部にビデオカメラを取り付けてもよい。
【0032】
光センサー30(光検出器)は、フォトダイオードや光電子増倍管など周知の光電変換装置を用いることができるが、コストの面から安価なフォトダイオードを用いることが好ましい。また、必要に応じてオペアンプ等、信号を増幅する周知の増幅器を用いることができる。
また、物体と背景とで異なる波長の光が放射される場合には、波長によって受光感度の異なる光センサー30を用いて物体の運動を計測してもよい。
【0033】
解析手段は入力された信号を周波数解析、相関解析等する装置であり、光センサー30からの信号が入力される。解析手段としては、FFT解析の専用機(小野測器、CF−5220等)や、AD変換器と解析ソフトとを有するパソコンなどを用いることができる。
【0034】
解析ソフトとしては、BasicやCなどの一般言語で記述されたFFTのアルゴリズムや、専用のソフト、表計算ソフトなどを用いることができる。具体的には、南茂夫著、「科学計測のための波形データ処理」CQ出版株式会社、p154−165に記載されている。
【0035】
また、光センサー30からの信号を記録する記録手段を任意に設けることができる。記録手段としては、電圧の時間変化を記録する任意の記録手段を用いることができ、具体的には、音声テープ、ビデオテープ、DAT等の磁気テープに記録する記録装置を用いることができる。
【0036】
さらに、光センサー30からの信号をデジタルデータ化した場合には、周知の表計算ソフトを用いて周波数解析、自己相関解析、相互相関解析等の様々な解析を行うことができる。デジタルデータ化された信号は、任意のデジタルデータの記録媒体に記録することができる。
【0037】
次に、本発明の第1の実施の形態の運動計測装置を用いた計測方法について説明する。
【0038】
ブライトコントラストの位相差顕微鏡、あるいは暗視野顕微鏡での物体の観察像は、暗い背景に対して輝度が高い。ここで、対物レンズ15と接眼レンズ16との間に格子状フィルター21を設置して接眼レンズ16から振動運動する物体を観察すると、物体が格子状フィルター21の光を透過する透過部分Tと遮光部分との境界線で振動して見える。
【0039】
このとき、格子状フィルター21を透過して接眼レンズで集光された光の輝度を光センサーで計測すると、図3(a)のように物体の像Oが遮光部分Sに偏っている時は出力電圧が低く、図3(b)のように物体の像Oが透過部分Tに偏っているときは出力電圧が高い。さらに経時的に計測すると、物体の振動周期に応じて出力電圧が変化する。光センサーの出力電圧を解析すると、物体の振動周期を計測することができる。
【0040】
なお物体の像Oは焦点が合っていなくてもよい。また像の倍率に依存せず計測することができる。
また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【0041】
また、透過部分Tと遮光部分Sとは縦横に交互に並んでいるので、一定方向に運動しながら振動している物体を計測する場合には、運動速度と振動周期を計測することができる。
【0042】
なお、格子状フィルター21を計測する物体よりも照明側に設置した場合にも、試料台上の照明される部分と影の部分との境界で物体が振動するので、同様に計測することができる。
【0043】
また、物体と背景とで異なる波長の光が放射される場合には、格子状フィルターと重ねて、ハイパスフィルターやローパスフィルター、バンドパスフィルター等、物体からの光のみをよりよく透過し背景光を遮光する周知のフィルターを適宜用いてもよい。
【0044】
このように、本発明の第1の実施の形態によれば、光学顕微鏡10に格子状フィルター21と光センサー30を取り付けるだけで物体の運動を計測する信号を得ることができる。また物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、3次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【0045】
〔第2の実施の形態〕
次に、本発明の第2の実施の形態例について説明する。図4に示すように、第2の実施の形態の運動計測装置では、光源11、照明レンズ12、コンデンサレンズ13、試料台14、対物レンズ15、解析手段は第1の実施の形態と同様であるが、格子状フィルター21の代わりに、光を透過する部分と反射する部分とからなる格子状ハーフミラー22が設けられている。また、格子状ハーフミラー22を透過した光と、格子状ハーフミラー22で反射された光とをそれぞれ集光する接眼レンズ16、16と、各接眼レンズ16、16を透過した光の強度を測定する2つの光センサー30、30とが設置されている。また2つの光センサー30、30の出力が入力され、その電位差を増幅する作動増幅器40が設置されている。
【0046】
格子状ハーフミラー22は、光を透過する透過部分Tと反射する反射部分Rとが縦横に交互に並んで構成されており、かつ、光を透過する透過部分Tと光を反射する反射部分との面積が等しくなっている。
【0047】
このような格子状ハーフミラー22としては、例えば、図5(a)や(b)に示すように、透過部分Tと反射部分Rとが縦横に交互に並んだ反射面を有するミラーやプリズムが考えられる。また、図では透過部分Tと反射部分Rとの形状は正方形や正三角形であるが、円形や多角形等の任意の形状としてもよい。
【0048】
次に、本発明の第2の実施の形態の運動計測装置の計測原理について説明する。図6は格子状ハーフミラー22上の透過部分Tと反射部分Rとの境界線上に投影された振動する物体のブライトコントラストの位相差顕微鏡像あるいは暗視野顕微鏡像の模式図である。
【0049】
このとき、物体の像Oが図6(a)のように透過部分Tの方向へ動くと、透過部分Tを透過する光量が増大し反射部分Rで反射する光量が減少する。また、物体の像Oが図6(b)のように反射部分Rの方向へ動くと、透過部分Tを透過する光量が減少し、反射部分Rで反射する光量が増大する。
このとき、透過光と反射光の変化量の絶対値は等しくなっている。
【0050】
透過部分Tを透過した光と反射部分Rで反射された光はそれぞれ別の光センサー30、30で検出し、その出力電圧の差を作動増幅器40で増幅すると、物体の振動周期に応じて変化する電圧が信号として出力される。作動増幅器40の出力電圧を解析すると、第1の実施の形態と同様に物体の振動周期を計測することができる。
【0051】
第2の実施の形態の運動計測装置によれば、第1の実施の形態と同様の測定ができるとともに、格子状ハーフミラー22の反射光と透過光とを2つの光センサー30、30で計測し、その出力電圧の差を作動増幅器40で増幅するので、光センサー30、30の出力のうち背景光による直流成分をカットしてより感度の高い計測を行うことができる。また、遮光部分Sがないので計測する物体からの光を有効に利用することができる。また第1の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、3次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【0052】
〔第3の実施の形態〕
次に、本発明の第3の実施の形態例について説明する。本発明の第3の実施の形態例が第2の実施の形態と異なるところは、図7に示すように、物体からの光を格子状ハーフミラー22で透過光と反射光とに分ける代わりに、格子状ミラー23で2つの反射光に分けて計測した点である。
【0053】
格子状ミラー23は図8(a)、(b)に示すように、物体からの光軸に対して2つの異なる角度で光を反射する反射面R、Rが縦横に交互に並んで形成されている。
このような格子状ミラー23としては、例えばDMD(Digital Micromirror Device)を用いることができる。格子状ミラー23としてDMDを用いた場合は、例えばDMDの反射面を図8(a)に示すように、縦横に交互に並ぶ反射面RとRとに区別し、R、Rの反射光を別々の光センサー30、30で検出し、作動増幅器40で増幅すればよい。作動増幅器40の出力電圧を解析すると、物体の振動周期を計測することができる。
【0054】
このように本発明の第3の実施の形態の運動計測装置によれば、格子状ミラー23を用いてR、Rの反射光を別々の光センサー30、30で検出し、作動増幅器40でその出力電圧の差を増幅するので、第2の実施の形態で説明した原理と同様の原理により、光センサー30、30の出力電圧の背景光による直流成分をカットしてより感度の高い計測を行うことができる。また、遮光部分Sがないので計測する物体からの光を有効に利用することができる。また第1、第2の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、3次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【0055】
また、格子状ミラー23としてDMDを用いた場合には、反射面RとRとの配置パターンを、縦横に交互に並べる以外にも、例えば2つずつ縦横に交互に並べる等、任意のパターンにすることができる。
【0056】
〔第4の実施の形態〕
次に、本発明の第4の実施の形態例について説明する。図9に示すように本発明の第3の実施の形態の運動測定装置では、光源11、コンデンサレンズ13、試料台14、対物レンズ15、解析手段は第1〜3の実施の形態と同様であるが、対物像が形成される位置に、縦横にフォトダイオードが並べられた2次元フォトダイオードアレイ24が設置されている。2次元フォトダイオードアレイ24の出力は2つあり、作動増幅器40に入力される。
【0057】
なお図には対物レンズ15として単レンズしか示されていないが、対物レンズの倍率を上昇させるために、対物レンズ15と2次元フォトダイオードアレイ24との間に一つ以上のレンズを設け、2次元フォトダイオードアレイの受光面に接眼像が形成されるようにしてもよい。すなわち、市販の光学顕微鏡の接眼レンズの接眼像が形成される位置に2次元フォトダイオードアレイを取り付けてもよい。市販の光学顕微鏡に取り付けることは、例えば光学顕微鏡のCマウント部を利用することにより容易に行うことができる。
【0058】
2次元フォトダイオードアレイ24としては、同等の性能を持つフォトダイオードを縦横に並べたものを使用できる。あるいは、市販されている2次元フォトダイオードアレイを用いてもよく、例えば5×5素子SiPINフォトダイオードアレイ(浜松ホトニクス、S7585)、16×16素子SiPINフォトダイオードアレイ(浜松ホトニクス、S3805)等を用いることができる。
【0059】
次に、本発明における2次元フォトダイオードアレイの使用法について説明する。まず、図10に示すように、2次元フォトダイオードアレイ24(図では6×6素子)の各素子を縦横一つ置きに分類する(図ではAとBとに分類)。次にAの出力端子、Bの出力端子をそれぞれ結線して出力端子a、出力端子bの2つの出力端子を得る。
【0060】
なお、図では偶数個の素子からなる2次元フォトダイオードアレイを示しているが、奇数個の素子からなる2次元フォトダイオードアレイの場合には、例えば中央の素子を使用しないようにして、Aの素子とBの素子との数が一致するようにする。
2つの出力端子a、bを作動増幅器40に接続し、その出力電圧差を作動増幅して解析手段へ出力させる。
【0061】
次に本発明の第4の実施の形態の運動計測装置の計測原理について説明する。
第2、第3の実施の形態と同様に、2次元フォトダイオードアレイ24上の受光面Aと受光面Bとの境界線上に投影された振動する物体の像が受光面Aの方向へ動くと、端子aの出力電圧が増大し、端子bの出力電圧が減少する。また、物体の像が受光面Bの方向へ動くと、端子aの出力電圧が減少し、端子bの出力電圧が増大する。aとbとの出力電圧の差を作動増幅器40で増幅すると、物体の振動周期に応じて変化する電圧が信号として出力される。作動増幅器40の出力電圧を解析すると、第2、第3の実施の形態と同様にして物体の振動周期を計測することができる。
【0062】
本発明の第4の実施の形態によれば、2次元フォトダイオードアレイを光学顕微鏡に取り付けるだけで容易に第2、第3の実施の形態と同様の測定ができるとともに、ミラーの角度の微調整が不要になり設計が容易となる。また、各素子間の結線を変えることにより容易に受光面のパターンを変更することができる。また第1〜第4の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、3次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【0063】
以上の実施例によれば、光学顕微鏡下での物体の運動を簡易に計測することができる。これにより、例えば絶対温度T、粘性率ηの溶液中での分子の自己拡散係数Dを計測することで、分子の半径rをアインシュタインの拡散式(D=kT/6πηr、kはボルツマン定数)を用いて計測することができ、水溶液中の分子の構造変化や会合状態を計測することができると考えられる。このようにして蛍光相関分光法等にも応用することができる。
【0064】
なお、本発明は以上の実施例に限られず、例えば上記4つの実施例から光源11、コンデンサレンズ13、試料台14を除き、対物レンズ15や接眼レンズ16の倍率を変えることで望遠鏡として遠方の物体の振動運動を計測することもできる。
【0065】
<実施例1 ウニ精子の運動の計測>
ウニ精子(バフンウニ)の運動を計測した。ウニ精子を人口海水(アクアマリン)に希釈してチャンバーに入れ、チャンバーを試料台に設置し、ウニ精子の運動を観察しながら計測した。
【0066】
倒立顕微鏡(Olympus IX−70)に位相差コンデンサレンズ(Olympus U−UCDB−2)、位相差対物レンズ(Olympus Uplan 20NH)を取り付け、作動増幅器を取り付けた2次元フォトダイオードアレイを、倒立顕微鏡のCマウント部に取り付けた。
【0067】
2次元フォトダイオードアレイとして5×5素子SiPINフォトダイオードアレイ(浜松ホトニクス、S7585)を用いた。各素子を縦横に交互に振り分けて結線し、2つの出力端子を得た。なお中央の素子を不使用とした。
【0068】
2次元フォトダイオードアレイの各出力を2つのオペアンプ(Burr−Brown、OPA111BM)を用いて増幅し、作動増幅器(Burr−Brown、INA106KP)を用いて作動増幅した。作動増幅器の出力をボルテージフォロワ(National Instruments、LF356N)に通し、AD変換器(ONKYO、USBデジタルオーディオプロセッサSE−U55X)でデジタル化してパソコンに入力し、保存し表計算ソフト(EXCEL)で解析した。
【0069】
<結果1>
得られた信号を、図11(a)に示す。図11(b)は図11(a)の0.5〜1.0秒の間を拡大したものである。ウニ精子の運動に伴って光量が変化している様子がわかる。
【0070】
図11(c)は図11(a)の信号をフーリエ変換し、振動の周波数とパワースペクトルとの関係を示したものである。本実施例では、グラフより、ウニ精子の鞭毛打の周波数は約47Hzであったことがわかる。この値は、これまで報告されているウニ精子の鞭毛打の周波数に近い値であった。
【0071】
<実施例2 ニジマス精子の運動の計測>
ニジマス精子はオス精巣内では不活性な状態にあるが、淡水中に放精されると活性化されて運動を開始し、数十秒間遊泳して静止する。ニジマス精子の淡水中に放精された直後の運動を観察・計測した。
【0072】
ハロゲン・タングステンランプ(PHILIPS 12V−50W)に11Vの直流電圧(LEADER LPS−160−5)をかけて照明とした。暗視野コンデンサレンズ(Nikon Dark Field Condenser Dry 0.95−0.80)、対物レンズ(OLYMPUS, A10NH 0.25 160/0.1)、接眼レンズ(シグマ光機、DLB−20−30PM)を用いた。
【0073】
以上の光学素子を光学ベンチ(Newport, BREADBOARD)の上に水平に組み上げて光学顕微鏡とし、空気ばね式除振台(明立精機、VISOLATOR)の上に乗せた。
【0074】
対物レンズと接眼レンズとの間に格子状フィルターを設置し、接眼レンズを透過した光の集光点に光センサーを設置した。コンデンサレンズと対物レンズとの間に、試料台を設置した。対物レンズと格子状フィルターとの間にハーフミラーを設置し、反射光がCCDカメラ(SONY XC−75)に投影されるように設置した。
【0075】
フィルターは、スライド用ポジフィルム(FUJICHROME RDP II 135)にレーザー光(LASERGRAPHICS, Inc. LFR Mark II)で黒い正方形と白い正方形とが縦横に交互に並ぶ市松模様を焼き付けて作成した。
【0076】
光センサーは、フォトダイオード(浜松ホトニクス、S5821−01)、オペアンプ(BURR−BROWN、OPA9544)を用いた。光センサーの出力をロックインアンプ(NF ELECTRONIC INSTRUMENTS 5610B)で増幅し、FFTアナライザ(小野測器、CF−5220)で計測するとともにDATレコーダー(PIONEER、D−05)に記録した。
【0077】
なお、並行して高速ビデオを用いて運動を解析する実験も行い、運動周期が計測されていることを確認した。対物レンズの後方の格子状ハーフミラー、接眼レンズ、光センサーを取り除き、格子状ハーフミラーが設置されていた位置と同位置に高速度CCDカメラ(HAS200R、ディテクト)の受光面が位置するように設置した。画像処理ボード(DIG−ATII、ディテクト)および画像処理ソフト(DIPP95、ディテクト)を組み込んだパソコンに映像を入力し記録した。
【0078】
ニジマス精子は精漿(ニジマス精液の遠心上清)で1000倍に希釈し、注射針(HAMILTON 90031)を取り付けたシリンジ(NARISIGE SYR−6)に入れた。
チャンバー内には人口淡水(120mM NaCl, 10μM CaCl, 10mM HEPES−Cl (pH 8.5))を満たした。
【0079】
精子を入れたシリンジに取り付けた注射針を試料台上に設置したチャンバー内に挿入し、CCDカメラで観察しながら注射針の先端が視野の中心に位置するように設置した。
シリンジのピストンを押してニジマス精子を淡水中に放精し、その運動を観察・計測した。
【0080】
<結果2>
得られた信号を、図12に示す。図13(a)〜(d)はそれぞれ図12の信号の測定開始から6秒、16秒、19秒、22秒後から3秒間の平均のパワースペクトルと周波数の関係を示した図である。ニジマス精子が運動を開始するとともにパワースペクトルに約100Hzのピークが認められた。このピークは時間とともに減衰しながら低周波数側に移動した。このことはパワースペクトルを白黒のグラデーションで示し、周波数と時間との関係を示した周波数時間チャート(図14)からもわかる。
【0081】
【発明の効果】
本発明によれば、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便に計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。また、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、3次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態例を示す図である。
【図2】(a)、(b)ともに本発明の第1の実施の形態例で用いる格子状フィルターの模式図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態例の測定原理を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態例を示す図である。
【図5】(a)、(b)ともに本発明の第2の実施の形態例で用いる格子状ハーフミラーの模式図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態例の測定原理を示す図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態例を示す図である。
【図8】(a)は本発明の第3の実施の形態例で用いる格子状ミラーの模式図であり、(b)は(a)のI−I部分での断面図である。
【図9】本発明の第4の実施の形態例を示す図である。
【図10】本発明の第4の実施の形態例で用いる2次元フォトダイオードアレイの受光面の模式図である。
【図11】(a)は本発明の実施例1としてウニ精子の運動を計測した信号であり、(b)は(a)の0.5〜1.0秒の部分を拡大したものであり、(c)は(a)の信号をフーリエ変換したパワースペクトルと周波数の関係を示す図である。
【図12】本発明の実施例2としてニジマス精子の運動を計測した信号である。
【図13】図12の信号のパワースペクトルと周波数の関係を示す図であり、(a)は測定開始から約6秒後、(b)は約16秒後、(c)は約19秒後、(d)は約22秒後からの3秒間の信号の平均のスペクトルである。
【図14】図12の信号のパワースペクトルを白黒のグラデーションで示し、周波数と時間との関係を示した図である。
【図15】従来の物体の速度測定法を示す図である。
【図16】従来の物体の振動測定法を示す図である。
【符号の説明】
10 光学顕微鏡
11 照明
12 コンデンサレンズ
13 試料台
14 対物レンズ
15 接眼レンズ
21 格子状フィルター
22 格子状ハーフミラー
23 格子状ミラー
24 2次元フォトダイオードアレイ
30 光センサー
40 作動増幅器
O 物体の像
R 反射部分
、R 反射面
S 遮光部分
T 透過部分
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring the movement of an object by an optical method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the following two methods have been used to measure the movement speed and vibration period of an object by an optical method.
[0003]
One method is to perform image processing using a video camera. After capturing and recording a moving image of the object, the position change of each frame of the object to be measured is obtained from the recorded image, and the speed and vibration period of the motion are obtained therefrom.
[0004]
Although this method is superior to the method described below in that it can handle various types of exercise, the time accuracy is limited by the video recording speed (1/60 second for general video recording), and real-time measurement is not possible. There is a point that it is impossible and that the analysis is complicated.
[0005]
Another method is to use an optical sensor. The image of the object to be measured is projected onto the light receiving surface of the optical sensor, and the successive changes in the light intensity of the image are measured by the optical sensor to determine the movement speed and displacement.
[0006]
In this method, the change of the optical signal in which the movement speed and the displacement are measured differs depending on the arrangement of the object and the optical sensor, the direction in which the shadow or the reflected light travels, and the like. For example, when there is a dark object on a light background, the image must be placed in such a manner that the image of the object edge portion is just projected on the light receiving surface. Alternatively, in the case of measuring light reflected by an object or the like as a clue, it is necessary to dispose an apparatus such that the light beam efficiently enters the light receiving surface. In any situation, similar measurement sensitivity and accuracy cannot be expected, and it is not a general-purpose method.
[0007]
Other methods for measuring the movement speed and vibration period of an object using an optical sensor have been devised (for example, see Non-Patent Document 1). When measuring the movement velocity v of an object moving in a fixed direction as shown in FIG. 15A, a light transmitting part and a light shielding part are separated by a fixed distance d as shown in FIG. 15B. / 2, a filter having a lattice pattern alternately arranged in the fixed direction is used.
[0008]
When the object is observed through the above filter, the observed image looks as shown in FIG. When the entire observation image is measured by the optical sensor, as shown in FIG. 15D, the output voltage of the optical sensor has a period t according to the light intensity. 1 It can be seen that it changes in Period t 1 The movement velocity v of the object can be measured from the distance d of the grid.
Non-Patent Documents 1 to 3 describe such a method of measuring the movement speed.
[0009]
The following methods are available for measuring the reciprocating motion of an object. As shown in FIG. 16A, when measuring the frequency f of an object that reciprocates in a certain direction, a filter is used that increases or decreases the light transmittance along the certain direction.
[0010]
For example, when an object is observed through a filter whose light transmittance decreases from left to right as shown in FIG. 16B, the observed image becomes as shown in FIG. 16C when the object is on the left side. It looks bright and dark on the right. When the entire observation image is measured by the optical sensor, as shown in FIG. 16D, the output voltage of the optical sensor has a period t according to the light intensity. 2 And the frequency f can be measured.
[0011]
[Non-patent document 1]
The Secretariat of the Science Council of Japan, The Zoological Society of Japan, Kanto Chapter, "Micro-Exploration of Cells-Seeing Invisible Things", Nikkei Selection B, Japan Science Cooperation Foundation, 1996, p. 57-72
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above method, it is necessary to always match the gradient direction of the light transmittance of the filter with the vibration direction of the object, and the vibration period of an object whose vibration direction changes over time, for example, a microorganism or sperm that performs flagellar movement, is required. It was difficult to measure.
[0013]
Further, in order to improve the measurement sensitivity, the gradient of the light transmittance of the filter must be steep. However, if the gradient of the light transmittance is steep, there is a disadvantage that the measurement region is narrowed.
[0014]
An object of the present invention is to provide a simple device that can measure the motion of an object with high sensitivity regardless of the direction in which the object is moving.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an invention according to claim 1 of the present invention is an object motion measuring device, wherein an objective lens for condensing light from an object, and an objective image of the object is projected and A lattice filter in which a portion that transmits light transmitted through the objective lens and a portion that blocks light are alternately arranged vertically and horizontally, a condenser lens that collects light transmitted through the lattice filter, and a light that passes through the condenser lens. A light detector for measuring light intensity.
[0016]
According to the first aspect of the present invention, by measuring the change in the amount of light when the objective image of the object moves at the boundary between the light-transmitting part and the light-shielding part of the lattice filter, It is possible to easily measure the motion of the object even if it is moving in any direction. In addition, the present invention can be applied to general imaging devices such as an optical microscope, a magnifying glass, a microlens, a telescope, etc., fluorescence correlation spectroscopy, and the like to measure the motion of various objects of various sizes.
[0017]
The invention according to claim 2 is an apparatus for measuring the motion of an object, comprising: an objective lens for condensing light from the object; and a portion for transmitting an object image projected on the object and transmitted through the objective lens. A lattice-shaped half mirror in which the reflecting portions are alternately arranged vertically and horizontally, two condenser lenses for condensing light transmitted through the lattice-shaped half mirror and light reflected by the lattice-shaped half mirror, respectively, It has two photodetectors for measuring the intensity of light transmitted through each condenser lens, and an operational amplifier for amplifying an output voltage difference between the two photodetectors.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, when the object image of the object moves at the boundary between the light transmitting portion and the light reflecting portion of the lattice-shaped half mirror, the transmitted light and the reflected light of the lattice-shaped half mirror are moved. By amplifying and measuring the difference between the light amount changes, the motion of the object can be measured simply and accurately regardless of the direction in which the object moves. In addition, the present invention can be applied to general imaging devices such as an optical microscope, a magnifying glass, a microlens, a telescope, etc., fluorescence correlation spectroscopy, and the like to measure the motion of various objects of various sizes.
[0019]
The invention according to claim 3 is an apparatus for measuring the motion of an object, wherein an objective lens for condensing light from the object, and a light on which an objective image of the object is projected and transmitted through the objective lens are provided at two different angles. A grid-like mirror in which two types of reflecting surfaces that reflect light are alternately arranged vertically and horizontally, two condenser lenses that respectively collect light reflected in two directions by the lattice-like mirror, and a light that passes through each of the condenser lenses. It has two photodetectors for measuring the intensities of the light thus obtained, and an operational amplifier for amplifying an output voltage difference between the two photodetectors.
[0020]
According to the third aspect of the present invention, when the object image of the object moves at the boundary between the two types of reflection surfaces of the lattice-shaped mirror, the difference between the light amount changes of the two types of reflected light of the lattice-like mirror is amplified. By measuring the movement of the object in any direction, the movement of the object can be measured simply and accurately. In addition, the present invention can be applied to general imaging devices such as an optical microscope, a magnifying glass, a microlens, a telescope, etc., fluorescence correlation spectroscopy, and the like to measure the motion of various objects of various sizes.
[0021]
The invention according to claim 4 is an apparatus for measuring the movement of an object, wherein an objective lens for condensing light from the object and light that is projected on an objective image of the object and transmitted through the objective lens are alternately vertically and horizontally. It is characterized by having a photodetector matrix for receiving light on the light receiving surfaces of the two types of photodetectors and an operating amplifier for amplifying the output voltage difference between the two types of photodetectors.
[0022]
According to the fourth aspect of the present invention, when the object image of the object moves at the boundary between the light receiving surfaces of the two types of photodetectors, the difference between the outputs of the two types of photodetectors is amplified and measured. Regardless of the direction in which the object is moving, the motion of the object can be measured simply and accurately. In addition, the present invention can be applied to general imaging devices such as an optical microscope, a magnifying glass, a microlens, a telescope, etc., fluorescence correlation spectroscopy, and the like to measure the motion of various objects of various sizes.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example applied to an optical microscope as an embodiment of the present invention will be described in detail.
[First Embodiment]
In FIG. 1, the motion measuring apparatus according to the present invention includes an optical microscope 10, a lattice filter 21, an optical sensor 30, and analysis means (not shown).
[0024]
The optical microscope 10 is configured by combining a light source 11, an illumination lens 12, a condenser lens 13, a sample stage 14, an objective lens 15, and an eyepiece 16 (condensing lens). Alternatively, any commercially available optical microscope may be used as the optical microscope 10. The optical microscope 10 is preferably a bright-contrast phase-contrast microscope or a dark-field microscope, and particularly preferably a dark-field microscope, in order to increase the difference in luminance between the object whose motion is to be measured and the background.
[0025]
To make the optical microscope 10 a phase contrast microscope, a combination of the condenser lens 13 and the objective lens 15 is used for the phase contrast microscope. In order to use a dark field microscope, a condenser lens 13 for dark field is used.
[0026]
As the light source 11, any illumination such as a halogen / tungsten lamp or the like can be used, but it is preferable that there is no temporal change in the amount of light, and the voltage applied to the illumination is preferably a DC voltage.
[0027]
The lattice filter 21 is configured such that transmissive portions that transmit light and light-shielding portions S that block light are alternately arranged vertically and horizontally.
As a pattern of such a lattice filter, for example, as shown in FIG. 2A, there is a so-called Ichimatsu pattern in which square transmissive portions T and light-shielding portions S are alternately arranged vertically and horizontally. Alternatively, as shown in FIG. 2B, the pattern may be a pattern in which transparent portions T and light-shielding portions S of an equilateral triangle are alternately arranged vertically and horizontally.
[0028]
As a material for the lattice filter, a material known as an ND filter can be used. Alternatively, the pattern may be perforated on a light-shielding paper, or the pattern may be photographed on a photographic film and developed.
[0029]
The lattice filter 21 is provided between the objective lens 15 and the eyepiece 16 of the optical microscope 10. When a commercially available optical microscope is used, it can be easily installed from a position where a normal eyepiece micrometer, scale plate, reticle, or the like is inserted.
[0030]
In addition, instead of being provided between the objective lens 15 and the eyepiece 16, the lattice filter 21 is substantially optically common with other observation sample surfaces, for example, between the light source 11 and the condenser lens. It may be installed or it may be installed on a sample stage.
[0031]
In addition, the optical microscope 10 may be provided with a beam splitter between the objective lens 15 and the lattice filter 21 so that the reflected image can be measured by transmitted light while observing the reflected image on a monitor with a video camera. . Further, a video camera may be attached to a C mount portion for attaching and detaching a camera of a commercially available optical microscope.
[0032]
As the optical sensor 30 (photodetector), a known photoelectric conversion device such as a photodiode or a photomultiplier tube can be used, but it is preferable to use an inexpensive photodiode from the viewpoint of cost. In addition, a well-known amplifier that amplifies a signal such as an operational amplifier can be used as needed.
When light of different wavelengths is radiated between the object and the background, the motion of the object may be measured using the optical sensor 30 having different light receiving sensitivity depending on the wavelength.
[0033]
The analysis unit is a device that performs frequency analysis, correlation analysis, and the like on the input signal, and receives a signal from the optical sensor 30. As the analysis means, a dedicated machine for FFT analysis (Ono Sokki, CF-5220, etc.) or a personal computer having an AD converter and analysis software can be used.
[0034]
As the analysis software, an FFT algorithm described in a general language such as Basic or C, dedicated software, spreadsheet software, or the like can be used. Specifically, it is described in "Shigeo Minami's Waveform Data Processing for Scientific Measurement", by CQ Publishing Co., Ltd., pp. 154-165.
[0035]
Further, a recording unit for recording a signal from the optical sensor 30 can be arbitrarily provided. As the recording means, any recording means for recording the time change of the voltage can be used, and specifically, a recording device for recording on a magnetic tape such as an audio tape, a video tape, and a DAT can be used.
[0036]
Furthermore, when the signal from the optical sensor 30 is converted into digital data, various analyzes such as frequency analysis, autocorrelation analysis, and cross-correlation analysis can be performed using well-known spreadsheet software. The digitalized signal can be recorded on an arbitrary digital data recording medium.
[0037]
Next, a measuring method using the motion measuring device according to the first embodiment of the present invention will be described.
[0038]
An observed image of an object with a bright contrast phase contrast microscope or a dark field microscope has high luminance against a dark background. Here, when the lattice-shaped filter 21 is installed between the objective lens 15 and the eyepiece 16 and an object that vibrates and moves from the eyepiece 16 is observed, the object becomes a transparent part T that transmits light of the lattice-shaped filter 21 and a light-shielding part. It appears to vibrate at the boundary with the part.
[0039]
At this time, when the luminance of the light transmitted through the lattice filter 21 and condensed by the eyepiece is measured by the optical sensor, when the image O of the object is biased toward the light shielding portion S as shown in FIG. The output voltage is high when the output voltage is low and the image O of the object is biased toward the transmission portion T as shown in FIG. When measured over time, the output voltage changes according to the vibration period of the object. By analyzing the output voltage of the optical sensor, the vibration period of the object can be measured.
[0040]
Note that the image O of the object may not be in focus. Further, the measurement can be performed without depending on the magnification of the image.
When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[0041]
Further, since the transmissive portions T and the light-shielding portions S are alternately arranged vertically and horizontally, when measuring an object vibrating while moving in a certain direction, it is possible to measure a motion speed and a vibration period.
[0042]
Note that, even when the lattice filter 21 is installed on the illumination side of the object to be measured, the object vibrates at the boundary between the illuminated part and the shadow part on the sample table, so that the measurement can be performed similarly. .
[0043]
When light of different wavelengths is emitted between the object and the background, the light from the object such as a high-pass filter, a low-pass filter, a band-pass filter, etc. is better transmitted and the background light is A well-known light-shielding filter may be appropriately used.
[0044]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, a signal for measuring the motion of an object can be obtained only by attaching the lattice filter 21 and the optical sensor 30 to the optical microscope 10. Further, since the image of the object does not have to be in focus, it is possible to measure the motion of the object accompanied by three-dimensional displacement. When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[0045]
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 4, in the motion measuring apparatus according to the second embodiment, the light source 11, the illumination lens 12, the condenser lens 13, the sample stage 14, the objective lens 15, and the analyzing means are the same as those in the first embodiment. However, instead of the lattice filter 21, a lattice half mirror 22 including a light transmitting part and a light reflecting part is provided. Further, the eyepieces 16 and 16 for condensing the light transmitted through the lattice half mirror 22 and the light reflected by the lattice half mirror 22, respectively, and the intensity of the light transmitted through the eyepieces 16 and 16 are measured. Two optical sensors 30 and 30 are provided. Further, an output of the two optical sensors 30, 30 is input, and an operation amplifier 40 for amplifying the potential difference is provided.
[0046]
The lattice-shaped half mirror 22 has a configuration in which transmissive portions T that transmit light and reflective portions R that reflect light are alternately arranged vertically and horizontally, and a transmissive portion T that transmits light and a reflective portion that reflects light. Are equal in area.
[0047]
As such a lattice half mirror 22, for example, as shown in FIGS. 5A and 5B, a mirror or a prism having a reflection surface in which transmission portions T and reflection portions R are alternately arranged vertically and horizontally are used. Conceivable. Further, in the figure, the shape of the transmitting portion T and the reflecting portion R is a square or a regular triangle, but may be an arbitrary shape such as a circle or a polygon.
[0048]
Next, the measurement principle of the motion measurement device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic diagram of a phase contrast microscope image or a dark field microscope image of the bright contrast of the vibrating object projected on the boundary between the transmission part T and the reflection part R on the lattice half mirror 22.
[0049]
At this time, when the image O of the object moves in the direction of the transmission portion T as shown in FIG. 6A, the amount of light transmitted through the transmission portion T increases and the amount of light reflected by the reflection portion R decreases. When the image O of the object moves in the direction of the reflection portion R as shown in FIG. 6B, the amount of light transmitted through the transmission portion T decreases and the amount of light reflected by the reflection portion R increases.
At this time, the absolute values of the amounts of change in the transmitted light and the reflected light are equal.
[0050]
The light transmitted through the transmitting portion T and the light reflected by the reflecting portion R are detected by separate optical sensors 30 and 30, respectively, and the difference between their output voltages is amplified by an operational amplifier 40. Is output as a signal. When the output voltage of the operational amplifier 40 is analyzed, the vibration period of the object can be measured as in the first embodiment.
[0051]
According to the motion measuring device of the second embodiment, the same measurement as that of the first embodiment can be performed, and the reflected light and the transmitted light of the lattice-shaped half mirror 22 are measured by the two optical sensors 30, 30. Since the difference between the output voltages is amplified by the operational amplifier 40, the DC component of the output of the optical sensors 30 and 30 due to the background light can be cut to perform measurement with higher sensitivity. Further, since there is no light shielding portion S, light from the object to be measured can be effectively used. Also, as in the first embodiment, the image of the object does not have to be in focus, so that the motion of the object accompanied by three-dimensional displacement can be measured. When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[0052]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The difference between the third embodiment of the present invention and the second embodiment is that, as shown in FIG. 7, instead of splitting light from an object into transmitted light and reflected light by a lattice half mirror 22, as shown in FIG. This is a point measured by dividing the reflected light into two by the lattice mirror 23.
[0053]
As shown in FIGS. 8A and 8B, the grating mirror 23 has a reflection surface R that reflects light at two different angles with respect to the optical axis from the object. 1 , R 2 Are alternately arranged vertically and horizontally.
For example, a DMD (Digital Micromirror Device) can be used as such a grid-like mirror 23. When a DMD is used as the lattice-like mirror 23, for example, as shown in FIG. 1 And R 2 And R 1 , R 2 May be detected by separate optical sensors 30 and 30 and amplified by the operational amplifier 40. When the output voltage of the operational amplifier 40 is analyzed, the vibration period of the object can be measured.
[0054]
As described above, according to the motion measuring device of the third embodiment of the present invention, R 1 , R 2 Is detected by the separate optical sensors 30 and 30 and the difference between the output voltages is amplified by the operational amplifier 40. Therefore, the optical sensors 30 and 30 are operated according to the same principle as that described in the second embodiment. The measurement can be performed with higher sensitivity by cutting the DC component of the output voltage due to the background light. Further, since there is no light shielding portion S, light from the object to be measured can be effectively used. Further, as in the first and second embodiments, the image of the object does not have to be in focus, so that the motion of the object accompanied by three-dimensional displacement can be measured. When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[0055]
When a DMD is used as the grating mirror 23, the reflection surface R 1 And R 2 In addition to alternately arranging the patterns in the vertical and horizontal directions, arbitrary patterns such as alternately arranging two in the vertical and horizontal directions can be used.
[0056]
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 9, in the motion measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention, the light source 11, the condenser lens 13, the sample stage 14, the objective lens 15, and the analyzing means are the same as those in the first to third embodiments. However, a two-dimensional photodiode array 24 in which photodiodes are arranged vertically and horizontally is provided at a position where an objective image is formed. The two-dimensional photodiode array 24 has two outputs, which are input to the operational amplifier 40.
[0057]
Although only a single lens is shown as the objective lens 15 in the figure, one or more lenses are provided between the objective lens 15 and the two-dimensional photodiode array 24 in order to increase the magnification of the objective lens. An eyepiece image may be formed on the light receiving surface of the two-dimensional photodiode array. That is, a two-dimensional photodiode array may be attached to a position where an eyepiece image of an eyepiece of a commercially available optical microscope is formed. Attachment to a commercially available optical microscope can be easily performed by using, for example, a C-mount portion of the optical microscope.
[0058]
As the two-dimensional photodiode array 24, one in which photodiodes having the same performance are arranged vertically and horizontally can be used. Alternatively, a commercially available two-dimensional photodiode array may be used. For example, a 5 × 5 element SiPIN photodiode array (Hamamatsu Photonics, S7585), a 16 × 16 element SiPIN photodiode array (Hamamatsu Photonics, S3805), or the like is used. be able to.
[0059]
Next, how to use the two-dimensional photodiode array in the present invention will be described. First, as shown in FIG. 10, each element of the two-dimensional photodiode array 24 (6 × 6 elements in the figure) is classified every other row and column (in the figure, A and B). Next, the output terminal of A and the output terminal of B are connected to each other to obtain two output terminals of an output terminal a and an output terminal b.
[0060]
Although the figure shows a two-dimensional photodiode array consisting of an even number of elements, in the case of a two-dimensional photodiode array consisting of an odd number of elements, for example, the central element is not used, and A The number of elements and the number of elements of B are set to be the same.
The two output terminals a and b are connected to the operational amplifier 40, and the output voltage difference is activated and amplified and output to the analysis means.
[0061]
Next, the measurement principle of the motion measuring device according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
Similarly to the second and third embodiments, when the image of the vibrating object projected on the boundary between the light receiving surface A and the light receiving surface B on the two-dimensional photodiode array 24 moves in the direction of the light receiving surface A, , The output voltage at terminal a increases and the output voltage at terminal b decreases. When the image of the object moves toward the light receiving surface B, the output voltage at the terminal a decreases and the output voltage at the terminal b increases. When the difference between the output voltages of a and b is amplified by the operational amplifier 40, a voltage that changes according to the vibration cycle of the object is output as a signal. When the output voltage of the operational amplifier 40 is analyzed, the vibration period of the object can be measured in the same manner as in the second and third embodiments.
[0062]
According to the fourth embodiment of the present invention, the same measurement as that of the second and third embodiments can be easily performed simply by attaching the two-dimensional photodiode array to the optical microscope, and fine adjustment of the mirror angle. Becomes unnecessary and the design becomes easy. Further, the pattern of the light receiving surface can be easily changed by changing the connection between the elements. Also, as in the first to fourth embodiments, the image of the object does not have to be in focus, so that the motion of the object accompanied by three-dimensional displacement can be measured. When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[0063]
According to the above embodiment, the motion of the object under the optical microscope can be easily measured. Thus, for example, by measuring the self-diffusion coefficient D of a molecule in a solution having an absolute temperature T and a viscosity η, the radius r of the molecule can be calculated by Einstein's diffusion formula (D = kT / 6πηr, where k is Boltzmann's constant). It can be considered that it can be used to measure the structural change and association state of the molecules in the aqueous solution. In this way, it can be applied to fluorescence correlation spectroscopy and the like.
[0064]
The present invention is not limited to the above embodiments. For example, by excluding the light source 11, the condenser lens 13, and the sample stage 14 from the above-described four embodiments, changing the magnification of the objective lens 15 and the eyepiece 16 allows a distant telescope. The vibration motion of the object can also be measured.
[0065]
<Example 1 Measurement of sea urchin sperm movement>
The movement of sea urchin sperm (Bahun sea urchin) was measured. Sea urchin spermatozoa were diluted in artificial seawater (aquamarine) and placed in a chamber. The chamber was set on a sample table, and measurement was performed while observing the movement of sea urchin sperm.
[0066]
A phase contrast condenser lens (Olympus U-UCDB-2) and a phase contrast objective lens (Olympus Uplan 20NH) are attached to an inverted microscope (Olympus IX-70), and a two-dimensional photodiode array with an operation amplifier is attached to the inverted microscope C. It was attached to the mount.
[0067]
As a two-dimensional photodiode array, a 5 × 5 element SiPIN photodiode array (Hamamatsu Photonics, S7585) was used. Each element was alternately distributed vertically and horizontally and connected to obtain two output terminals. The element at the center was not used.
[0068]
Each output of the two-dimensional photodiode array was amplified using two operational amplifiers (Burr-Brown, OPA111BM) and operation-amplified using operation amplifiers (Burr-Brown, INA106KP). The output of the operational amplifier was passed through a voltage follower (National Instruments, LF356N), digitized by an AD converter (ONKYO, USB digital audio processor SE-U55X), input to a personal computer, saved, and analyzed by spreadsheet software (EXCEL). .
[0069]
<Result 1>
The obtained signal is shown in FIG. FIG. 11B is an enlarged view of a portion between 0.5 and 1.0 seconds in FIG. It can be seen that the light amount changes with the movement of sea urchin sperm.
[0070]
FIG. 11C shows the relationship between the frequency of vibration and the power spectrum obtained by Fourier transforming the signal shown in FIG. 11A. In this example, it can be seen from the graph that the flagellation frequency of sea urchin sperm was about 47 Hz. This value was close to the frequency of flagellation of sea urchin sperm reported so far.
[0071]
<Example 2 Measurement of rainbow trout sperm movement>
Rainbow trout spermatozoa are inactive in male testes, but are activated when they are inseminated in freshwater, start exercising, swim for several tens of seconds, and stand still. The movement of rainbow trout sperm immediately after being spermized in freshwater was observed and measured.
[0072]
Illumination was performed by applying a DC voltage of 11 V (LEADER LPS-160-5) to a halogen / tungsten lamp (PHILIPS 12V-50W). For dark field condenser lens (Nikon Dark Field Condenser Dry 0.95-0.80), objective lens (OLYMPUS, A10NH 0.25 160 / 0.1), eyepiece lens (Sigma Kogaku, DLB-20-30PM) Was.
[0073]
The above optical elements were assembled horizontally on an optical bench (Newport, BREADBOARD) to form an optical microscope, and mounted on an air spring type anti-vibration table (Meiratsu Seiki, VISOLATOR).
[0074]
A lattice filter was installed between the objective lens and the eyepiece, and an optical sensor was installed at the focal point of light transmitted through the eyepiece. The sample stage was set between the condenser lens and the objective lens. A half mirror was set between the objective lens and the lattice filter, and the half mirror was set so that reflected light was projected on a CCD camera (SONY XC-75).
[0075]
The filter was prepared by printing a checkerboard pattern in which black squares and white squares were alternately arranged vertically and horizontally on a positive slide film (FUJICHROME RDP II 135) with a laser beam (LASERGRAPHICS, Inc. LFR Mark II).
[0076]
As the optical sensor, a photodiode (Hamamatsu Photonics, S5821-01) and an operational amplifier (BURR-BROWN, OPA9544) were used. The output of the optical sensor was amplified with a lock-in amplifier (NF ELECTRONIC INSTRUMENTS 5610B), measured with an FFT analyzer (Ono Sokki, CF-5220), and recorded on a DAT recorder (PIONER, D-05).
[0077]
In addition, an experiment to analyze the movement using high-speed video was also performed in parallel, and it was confirmed that the movement cycle was measured. Remove the lattice half mirror, eyepiece, and optical sensor behind the objective lens, and set up so that the light receiving surface of the high-speed CCD camera (HAS200R, Detect) is located at the same position where the lattice half mirror was installed. did. Images were input and recorded on a personal computer equipped with an image processing board (DIG-ATII, Detect) and image processing software (DIP95, Detect).
[0078]
Rainbow trout sperm were diluted 1000 times with seminal plasma (centrifugal supernatant of rainbow trout semen) and placed in a syringe (NARISIGE SYR-6) equipped with an injection needle (HAMILTON 90031).
In the chamber, artificial fresh water (120 mM NaCl, 10 μM CaCl 2 , 10 mM HEPES-Cl (pH 8.5)).
[0079]
The injection needle attached to the syringe containing the sperm was inserted into the chamber provided on the sample stage, and the observation was performed with a CCD camera so that the tip of the injection needle was positioned at the center of the visual field.
Rainbow sperm were sperm into freshwater by pushing the piston of the syringe, and the movement was observed and measured.
[0080]
<Result 2>
FIG. 12 shows the obtained signal. FIGS. 13A to 13D are diagrams showing the relationship between the average power spectrum and the frequency for 6 seconds, 16 seconds, 19 seconds, and 3 seconds after 22 seconds from the start of the measurement of the signal in FIG. 12, respectively. The rainbow trout sperm started to move and a peak at about 100 Hz was observed in the power spectrum. This peak moved to a lower frequency side while attenuating with time. This can be seen from a frequency-time chart (FIG. 14) showing the power spectrum in black and white gradations and showing the relationship between frequency and time.
[0081]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to easily measure the motion of an object regardless of the direction in which the object is moving. Further, the present invention can be applied to general imaging devices such as an optical microscope, a magnifying glass, a microlens, a telescope, and the like, and can measure the motion of various large and small objects. Further, since the image of the object does not have to be in focus, it is possible to measure the motion of the object accompanied by three-dimensional displacement. When there are a plurality of objects, the average vibration period can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams of a lattice filter used in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a measurement principle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams of a lattice-shaped half mirror used in a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a measurement principle according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 8A is a schematic view of a lattice-like mirror used in a third embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram of a light receiving surface of a two-dimensional photodiode array used in a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 (a) is a signal obtained by measuring the movement of sea urchin spermatozoa as Example 1 of the present invention, and FIG. 11 (b) is an enlarged view of a portion of 0.5 to 1.0 seconds of (a). (C) is a diagram illustrating a relationship between a power spectrum obtained by Fourier-transforming the signal of (a) and a frequency.
FIG. 12 shows a signal obtained by measuring the movement of rainbow trout sperm as Example 2 of the present invention.
13A and 13B are diagrams showing the relationship between the power spectrum and the frequency of the signal in FIG. 12, wherein FIG. 13A shows about 6 seconds after the start of measurement, FIG. 13B shows about 16 seconds, and FIG. 13C shows about 19 seconds. , (D) is the average spectrum of the signal for 3 seconds after about 22 seconds.
FIG. 14 is a diagram showing the power spectrum of the signal of FIG. 12 in black and white gradation and showing the relationship between frequency and time.
FIG. 15 is a diagram showing a conventional method for measuring the speed of an object.
FIG. 16 is a diagram showing a conventional method of measuring vibration of an object.
[Explanation of symbols]
10 Optical microscope
11 Lighting
12 Condenser lens
13 Sample table
14 Objective lens
15 Eyepiece
21 Grid filter
22 Lattice half mirror
23 lattice mirror
24 Two-dimensional photodiode array
30 Optical Sensor
40 operational amplifier
O Object image
R reflection part
R 1 , R 2 Reflective surface
S Shading part
T transmission part

Claims (4)

物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と遮光する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状フィルターと、前記格子状フィルターを透過した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の強度を測定する光検出器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。An objective lens for condensing light from an object, a lattice filter in which an object image of the object is projected and a portion for transmitting light transmitted through the objective lens and a portion for shielding light are alternately arranged vertically and horizontally, An object motion measuring device, comprising: a condenser lens for condensing light transmitted through a filter; and a photodetector for measuring the intensity of light transmitted through the condenser lens. 物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と反射する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状ハーフミラーと、前記格子状ハーフミラーを透過した光と前記格子状ハーフミラーで反射された光とをそれぞれ集光する2つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する2つの光検出器と、前記2つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。An objective lens for condensing light from an object, a lattice-shaped half mirror in which an object image of the object is projected and a portion for transmitting light and a portion for reflecting light transmitted through the objective lens are alternately arranged vertically and horizontally, and the grating Condenser lenses for condensing the light transmitted through the conical half mirror and the light reflected on the lattice-shaped half mirror, and two photodetectors for measuring the intensity of the light transmitted through each of the condensing lenses And an operation amplifier for amplifying a difference between output voltages of the two photodetectors. 物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を2つの異なる角度で反射する2種類の反射面が縦横に交互に並ぶ格子状ミラーと、前記格子状ミラーで2方向に反射された光をそれぞれ集光する2つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する2つの光検出器と、前記2つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。An objective lens for condensing light from an object, and a lattice-shaped mirror in which two types of reflecting surfaces for projecting an object image of the object and reflecting light transmitted through the objective lens at two different angles are alternately arranged vertically and horizontally. Two condensing lenses for condensing light reflected in two directions by the lattice mirror, two photodetectors for measuring the intensity of light transmitted through each condensing lens, and the two light beams A motion measuring device for an object, comprising: an operational amplifier for amplifying an output voltage difference of a detector. 物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を縦横に交互に並ぶ2種類の光検出器の受光面で受光する光検出器行列と、前記2種類の光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。An objective lens for condensing light from an object, and a photodetector matrix for receiving light received by light receiving surfaces of two types of photodetectors in which an objective image of the object is projected and light transmitted through the objective lens is alternately arranged vertically and horizontally. A motion amplifier for amplifying the difference between the output voltages of the two types of photodetectors.
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