JP2005148454A - Three-dimensional confocal laser scanning microscope system - Google Patents

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虹之 景
Kenta Mikuriya
健太 御厨
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a highly accurate three-dimensional image by using accurate displacement information of an actuator for driving an objective lens, and also to realize a three-dimensional laser microscope system capable of obtaining a stable image by controlling a vibration level based on the acceleration calculated from the displacement information of the actuator. <P>SOLUTION: In the three-dimensional confocal laser scanning microscope system which is provided with a confocal scanner for obtaining sliced images of a sample as confocal images, a video camera for converting the confocal images to video signals, an image processing device for converting the video signals to image data, the actuator for shifting the focal point of the objective lens of the microscope in the direction of the optical axis, and a control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the direction of the optical axis via this actuator, and which is configured so as to be able to obtain sliced images in the direction of depth of the sample, the image processing device is configured so as to synthesize the sliced images to form a three-dimensional image based on the displacement signal outputted from the actuator. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、3次元共焦点レーザ顕微鏡システムに関し、詳しくは、対物レンズを光軸方向に移動させるアクチュエータの変位を正確に捉え、高精度で安定した3次元像を得るための改良に関するものである。   The present invention relates to a three-dimensional confocal laser microscope system, and more particularly to an improvement for accurately capturing a displacement of an actuator that moves an objective lens in an optical axis direction and obtaining a highly accurate and stable three-dimensional image. .

共焦点顕微鏡は、試料を薄切片にすることなくスライス画像が得られ、そのスライス画像から試料の正確な3次元立体像を構築できるので、生物やバイオテクノロジーなどの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察あるいは半導体市場におけるLSIの表面観察などに使用されている(例えば、特許文献1参照)。   The confocal microscope can obtain a slice image without making a thin section of the sample, and can construct an accurate three-dimensional stereoscopic image of the sample from the slice image. It is used for observation, morphology observation, or LSI surface observation in the semiconductor market (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−72102号公報JP 2002-72102 A

図4は特許文献1に記載の共焦点顕微鏡の構成図である。ビデオレートカメラ1、共焦点スキャナ2、顕微鏡3、アクチュエータ4および対物レンズ5は、同じ光軸上に配置されている。共焦点スキャナ2は、多数のピンホールを持つニポウディスクと、それに対応するマイクロレンズアレイを有するもので、シンプルな光学系から成るニポウディスク方式を採用したコンパクトなアドオンタイプである。   FIG. 4 is a configuration diagram of the confocal microscope described in Patent Document 1. The video rate camera 1, the confocal scanner 2, the microscope 3, the actuator 4 and the objective lens 5 are arranged on the same optical axis. The confocal scanner 2 has a nipou disk having a large number of pinholes and a corresponding microlens array, and is a compact add-on type employing a nipou disk system composed of a simple optical system.

この共焦点スキャナ2は顕微鏡3のカメラポートに取り付けられる。共焦点顕微鏡は、レーザ光を使用して、対物レンズ5、アクチュエータ4および顕微鏡3を経由して、試料の像を共焦点スキャナ2に入力する。共焦点スキャナ2は、試料の共焦点画像を得て、ビデオレートカメラ1に入力する。   The confocal scanner 2 is attached to the camera port of the microscope 3. The confocal microscope uses a laser beam to input an image of the sample to the confocal scanner 2 via the objective lens 5, the actuator 4 and the microscope 3. The confocal scanner 2 obtains a confocal image of the sample and inputs it to the video rate camera 1.

図5は、図4の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。ビデオレートカメラ1は、共焦点画像をビデオ信号101に変換し、共焦点スキャナ2、同期インターフェイスボックス9の信号入力端子および画像処理装置6の画像入力端子にビデオ信号101を入力する。共焦点スキャナ2は、ビデオ信号101に同期して、ニポウディスクの回転同期制御を行う。   FIG. 5 is a time chart of various signals handled by the confocal microscope of FIG. The video rate camera 1 converts the confocal image into a video signal 101, and inputs the video signal 101 to the confocal scanner 2, the signal input terminal of the synchronization interface box 9, and the image input terminal of the image processing device 6. The confocal scanner 2 performs rotation synchronization control of the Niipou disc in synchronization with the video signal 101.

画像処理装置6にビデオテープデッキを採用する場合、ビデオテープデッキは、画像入力端子から入力されるビデオ信号101と、音声入力端子から入力される開始信号103を長時間用のビデオテープに同時に記録する。ビデオテープには、リアルタイムに変化する共焦点画像と対物レンズ5の焦点位置の走査開始のタイミングが同時に記録される。   When a video tape deck is used for the image processing apparatus 6, the video tape deck records the video signal 101 input from the image input terminal and the start signal 103 input from the audio input terminal simultaneously on the video tape for a long time. To do. On the video tape, the confocal image that changes in real time and the scanning start timing of the focal position of the objective lens 5 are recorded simultaneously.

同期インターフェイスボックス9は、ビデオ信号101の偶数側パルス列または奇数側パルス列の何れか一方を抽出し、内部A信号を作成する。任意波形発生器7は、Hレベルのパルス信号であるトリガ信号102を発生し、同期インターフェイスボックス9のトリガ入力端子に入力して、焦点面の走査の開始タイミングに利用する。   The synchronous interface box 9 extracts either the even-numbered pulse train or the odd-numbered pulse train of the video signal 101 and creates an internal A signal. The arbitrary waveform generator 7 generates a trigger signal 102 which is an H level pulse signal, inputs the trigger signal 102 to the trigger input terminal of the synchronous interface box 9, and uses it for the start timing of scanning of the focal plane.

同期インターフェイスボックス9は、トリガ信号102の立下りに同期して、内部B信号を作成する。内部B信号は、Hレベルのパルス幅時間が35msec程度であり、ビデオレートカメラ1のビデオレートの時間に比して若干長いパルス信号である。同期インターフェイスボックス9は、内部A信号の反転信号と内部B信号とを論理積演算することにより、開始信号103を発生し、画像処理装置6および任意波形発生器7の同期入力端子に入力する。   The synchronization interface box 9 creates an internal B signal in synchronization with the falling edge of the trigger signal 102. The internal B signal is a pulse signal having a pulse width time of H level of about 35 msec and slightly longer than the video rate time of the video rate camera 1. The synchronous interface box 9 generates a start signal 103 by performing an AND operation on the inverted signal of the internal A signal and the internal B signal, and inputs the start signal 103 to the synchronous input terminals of the image processing device 6 and the arbitrary waveform generator 7.

画像処理装置6は、同期入力端子からの開始信号103の立上りに同期して、ビデオ信号101を画像データに変換し記録するキャプチャを開始する。同期インターフェイスボックス9は、信号入力端子からのビデオ信号101に基づいて、共焦点スキャナ2によるニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置6によるビデオ信号の取得の開始タイミング、および光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを全て同期させる。   The image processing device 6 starts capture for converting and recording the video signal 101 into image data in synchronization with the rising edge of the start signal 103 from the synchronization input terminal. Based on the video signal 101 from the signal input terminal, the synchronization interface box 9 controls rotation synchronization of the Niipou disc by the confocal scanner 2, the start timing of acquisition of the video signal by the image processing device 6, and the objective lens of the optical control system. All the timings for starting the scanning of the focal position are synchronized.

任意波形発生器7は、開始信号103の立上りに同期して、光学制御系による対物レンズ5の焦点位置の走査を開始する。任意波形発生器7は、走査信号104を発生し、コントローラ8に入力する。走査信号104は、LレベルからHレベルまで一定時間で直線的に増加するノコギリ波状の信号である。コントローラ8は、走査信号104をアクチュエータ4に入力する。アクチュエータ信号105は実際のアクチュエータの位置信号であり、伸びきってから一気に原点に戻ったあとにオーバーシュートがあり、この間は不感帯となる。   The arbitrary waveform generator 7 starts scanning the focal position of the objective lens 5 by the optical control system in synchronization with the rise of the start signal 103. The arbitrary waveform generator 7 generates a scanning signal 104 and inputs it to the controller 8. The scanning signal 104 is a sawtooth signal that increases linearly from L level to H level in a certain time. The controller 8 inputs the scanning signal 104 to the actuator 4. The actuator signal 105 is an actual actuator position signal, and after having fully extended, there is an overshoot after returning to the origin at once, and during this time, there is a dead zone.

アクチュエータ4は、顕微鏡3の対物レンズレボルバーと対物レンズ5との間に取り付けられ、ピエゾ駆動により走査信号104のレベルに比例して画像の焦点方向の長さが変化し、対物レンズ5の焦点位置を制御する。共焦点顕微鏡は、走査信号104に基づいて、焦点面を走査することにより、試料のスライス画像を取得する。   The actuator 4 is attached between the objective lens revolver of the microscope 3 and the objective lens 5, and the length in the focal direction of the image changes in proportion to the level of the scanning signal 104 by piezo driving, and the focal position of the objective lens 5 To control. The confocal microscope acquires a slice image of the sample by scanning the focal plane based on the scanning signal 104.

このような構成によれば、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミングおよび光学制御系によるレンズの焦点位置の走査開始のタイミングが、すべてビデオ信号に同期することにより、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のバラツキがなくなるので、信頼性の高いスライス画像が得られる。   According to such a configuration, the rotation synchronization control of the Niipou disc, the acquisition timing of the video signal by the image processing device, and the scanning start timing of the focal position of the lens by the optical control system are all synchronized with the video signal, The position accuracy of the confocal image is improved, and variations in individual acquisition times are eliminated when acquiring a plurality of slice images, so that a highly reliable slice image can be obtained.

しかしながら、従来の3次元共焦点レーザ顕微鏡システムでは、対物レンズを光軸方向に移動させるアクチュエータの変位は、アクチュエータに印加される電圧値に基づいた推定値を用いていた。
このため、変位の設定値と実際の値との間で誤差が発生すると、試料の深さ方向の位置情報が正確でなく、構築する3次元画像は正確さに欠けてしまう。
また、アクチュエータが最大変位から最小変位へ戻る場合に最大の加速度が発生し、巨大な加速度は振動となる。例えば、その周波数がアクチュエータ自身や顕微鏡筐体の固有振動数と一致すると共振現象が生じてしまう。つまり、加速度を制御することができなかったため振動により試料面が不安定になって観測できなくなるという問題もあった。
However, in the conventional three-dimensional confocal laser microscope system, the displacement of the actuator that moves the objective lens in the optical axis direction uses an estimated value based on the voltage value applied to the actuator.
For this reason, if an error occurs between the set value of the displacement and the actual value, the position information in the depth direction of the sample is not accurate, and the constructed three-dimensional image lacks accuracy.
Further, when the actuator returns from the maximum displacement to the minimum displacement, the maximum acceleration occurs, and the huge acceleration becomes vibration. For example, when the frequency matches the natural frequency of the actuator itself or the microscope housing, a resonance phenomenon occurs. In other words, since the acceleration could not be controlled, there was a problem that the sample surface became unstable due to vibration and could not be observed.

本発明は、このような従来の共焦点顕微鏡システムが有していた問題を解決しようとするものであり、対物レンズを駆動するアクチュエータの正確な変位情報を用いて高精度な3次元像を得ると共に、アクチュエータの変位情報から計算した加速度を制御することにより振動を抑制し、安定した画像を得ることができる3次元レーザ顕微鏡システムを実現することを目的とするものである。   The present invention is intended to solve the problem of such a conventional confocal microscope system, and obtains a highly accurate three-dimensional image using accurate displacement information of an actuator that drives an objective lens. At the same time, it is an object of the present invention to realize a three-dimensional laser microscope system capable of suppressing vibrations by controlling acceleration calculated from displacement information of an actuator and obtaining a stable image.

本発明は次の通りの構成になった3次元共焦点レーザ顕微鏡システムである。   The present invention is a three-dimensional confocal laser microscope system configured as follows.

(1)試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、
前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、
顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、
このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、
試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記画像処理装置は、前記アクチュエータから出力される変位信号に基づいて前記スライス画像を合成して3次元画像を作成することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
(1) a confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image;
A video rate camera for converting the confocal image into a video signal;
An image processing device for converting the video signal into image data;
An actuator that moves the focal position of the objective lens of the microscope in the direction of the optical axis;
Control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via this actuator,
A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire a slice image in a depth direction of a sample,
The three-dimensional confocal laser microscope system, wherein the image processing device generates a three-dimensional image by synthesizing the slice images based on a displacement signal output from the actuator.

(2)試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、
前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、
顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、
このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、
試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記制御手段は、前記アクチュエータから出力される変位信号に基づいて前記アクチュエータが変位したときの加速度を算出し、この加速度が予め設定した値を越えないように制御することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
(2) a confocal scanner that acquires a slice image of the sample as a confocal image;
A video rate camera for converting the confocal image into a video signal;
An image processing device for converting the video signal into image data;
An actuator that moves the focal position of the objective lens of the microscope in the direction of the optical axis;
Control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via this actuator,
A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire a slice image in a depth direction of a sample,
The control means calculates an acceleration when the actuator is displaced based on a displacement signal output from the actuator, and controls so that the acceleration does not exceed a preset value. Focus laser microscope system.

(3)前記制御手段は、
前記走査波形信号の波形を計算を用いて求める波形計算装置と、
この走査波形を記憶しておき走査波形発生トリガ信号に同期して発生する任意波形発生器と、
この任意波形発生器から出力される走査波形発生トリガ信号に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータドライバと、
前記ビデオレートカメラのビデオ信号に同期した各トリガ信号を発生して各部に与える信号制御器と、
前記変位信号をA/D変換して変位データを前記画像処理装置および前記波形計算装置に出力するA/Dコンバータと、
から構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
(3) The control means includes:
A waveform calculation device for obtaining the waveform of the scanning waveform signal by calculation; and
An arbitrary waveform generator that stores this scanning waveform and generates it in synchronization with the scanning waveform generation trigger signal;
An actuator driver for driving the actuator based on a scanning waveform generation trigger signal output from the arbitrary waveform generator;
A signal controller that generates each trigger signal in synchronization with the video signal of the video rate camera and gives it to each unit;
An A / D converter for A / D converting the displacement signal and outputting displacement data to the image processing device and the waveform calculation device;
The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 1 or 2, characterized by comprising:

(4)前記制御手段は、算出した加速度が予め設定した値を越えていた場合に、前記アクチュエータの最大変位から最小変位への戻り時間を、前記ビデオ信号に含まれる垂直同期信号周期の整数倍になるように増加させることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 (4) When the calculated acceleration exceeds a preset value, the control means sets the return time from the maximum displacement to the minimum displacement of the actuator as an integral multiple of the vertical synchronization signal period included in the video signal. The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 2, wherein the three-dimensional confocal laser microscope system is increased to

(5)前記走査波形は三角波であって、この三角波の不連続的な変化部分がS字制御により生成された波形であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 (5) The scanning waveform is a triangular wave, and a discontinuous change portion of the triangular wave is a waveform generated by S-shaped control. 3D confocal laser microscope system.

(6)前記走査波形はステップ波であって、このステップ波の不連続的な変化部分がS字制御により生成された波形であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 (6) The scanning waveform is a step wave, and a discontinuous change portion of the step wave is a waveform generated by S-shaped control. The three-dimensional confocal laser microscope system described.

本発明によれば、以下のような効果がある。 The present invention has the following effects.

請求項1に記載の発明によれば、対物レンズを光軸方向に移動させるアクチュエータの正確な変位を求めることができ、この変位情報に基づいてスライス画像を合成することにより高精度な次元画像を作成することのできる3次元共焦点レーザ顕微鏡システムを実現することができる。 According to the first aspect of the present invention, an accurate displacement of the actuator that moves the objective lens in the optical axis direction can be obtained, and a highly accurate dimensional image can be obtained by synthesizing slice images based on the displacement information. A three-dimensional confocal laser microscope system that can be created can be realized.

請求項2記載の発明によれば、アクチュエータから出力される変位信号に基づいて前記アクチュエータの変位時の加速度を算出し、この加速度が予め設定した値を越えないように制御することにより、振動を減少させて安定した画像が得られる3次元共焦点レーザ顕微鏡システムを実現することができる。 According to the second aspect of the present invention, the acceleration at the time of displacement of the actuator is calculated based on the displacement signal output from the actuator, and the acceleration is controlled so that the acceleration does not exceed a preset value. It is possible to realize a three-dimensional confocal laser microscope system that can reduce and obtain a stable image.

請求項3に記載の発明によれば、A/Dコンバータによりアクチュエータの変位データを生成し、この変位データを用いることにより、画像処理装置では高精度な3次元画像を得ることができると共に、アクチュエータの変位に伴う加速度を所定値以内に抑えることができるため振動を抑制し安定した画像を得ることができる。 According to the third aspect of the present invention, the displacement data of the actuator is generated by the A / D converter, and by using this displacement data, the image processing apparatus can obtain a highly accurate three-dimensional image and the actuator. Since the acceleration associated with the displacement can be suppressed within a predetermined value, vibration can be suppressed and a stable image can be obtained.

請求項4に記載の発明によれば、アクチュエータが最大変位から最小変位へ移動するときに発生する加速度を所定値内に抑えることができ、振動を軽減し安定した画像を得ることができる。
また、アクチュエータの最大変位から最小変位への戻り時間を、垂直同期信号周期の整数倍にすることでカメラのフレームの更新時間を有効に利用した戻り時間が設定できる。
According to the fourth aspect of the present invention, the acceleration generated when the actuator moves from the maximum displacement to the minimum displacement can be suppressed within a predetermined value, and vibration can be reduced and a stable image can be obtained.
Further, by setting the return time from the maximum displacement of the actuator to the minimum displacement to be an integral multiple of the vertical synchronization signal period, it is possible to set the return time that effectively uses the update time of the camera frame.

請求項5および請求項6に記載の発明によれば、走査波形の不連続的な変化部分をS字制御により生成することにより、その部分の加速度を小さくすることができる。 According to the fifth and sixth aspects of the present invention, by generating the discontinuous change portion of the scanning waveform by the S-shaped control, the acceleration of the portion can be reduced.

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明に係る3次元共焦点レーザ顕微鏡システムの一実施例を示す構成図である。なお、図1において図4と同等部分には同一符号を付し、その説明は省略する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a three-dimensional confocal laser microscope system according to the present invention. In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図1において、10は信号制御器、11は波形計算装置、12はアクチュエータドライバ、13はA/Dコンバータ、20は試料である。
信号制御器10は、ビデオレートカメラ(以下単にカメラという)1から出力されるビデオ信号を受けて、そのビデオ信号をそのまま出力すると共に、ビデオ信号から垂直同期信号を抽出しこれを基に各種のトリガ信号を生成する。
任意波形発生器7aは、信号制御器10からの走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめ波形計算装置11から送られ記憶した走査波形を発生して、アクチュエータドライバ12へ送る。
In FIG. 1, 10 is a signal controller, 11 is a waveform calculator, 12 is an actuator driver, 13 is an A / D converter, and 20 is a sample.
The signal controller 10 receives a video signal output from a video rate camera (hereinafter simply referred to as a camera) 1 and outputs the video signal as it is, and also extracts a vertical synchronization signal from the video signal, and based on this, various signals are extracted. Generate a trigger signal.
When the arbitrary waveform generator 7 a receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller 10, the arbitrary waveform generator 7 a generates a scanning waveform sent from the waveform calculator 11 and stored in advance, and sends it to the actuator driver 12.

波形計算装置11は、試料20を観察する際の対物レンズ5の走査周期と光軸方向の走査距離から、三角波またはステップ波を計算によって求め、それを走査波形として任意波形発生器7aに出力する。
アクチュエータドライバ12は、任意波形発生器7aから出力される走査波形信号に基づいて、アクチュエータ4を駆動するための駆動信号を発生する。
アクチュエータ4は、任意波形発生器7aの出力波形に従って対物レンズ5を光軸方向に走査し、それに同期して画像処理装置6aで観察試料の断面スライス像を連続的に取得する。
The waveform calculation device 11 calculates a triangular wave or a step wave from the scanning period of the objective lens 5 when observing the sample 20 and the scanning distance in the optical axis direction, and outputs it as a scanning waveform to the arbitrary waveform generator 7a. .
The actuator driver 12 generates a drive signal for driving the actuator 4 based on the scanning waveform signal output from the arbitrary waveform generator 7a.
The actuator 4 scans the objective lens 5 in the direction of the optical axis in accordance with the output waveform of the arbitrary waveform generator 7a, and continuously acquires cross-sectional slice images of the observation sample by the image processing device 6a in synchronization with the scanning.

また、アクチュエータ4には、自身の変位をセンシングする変位センサ(図示せず)が設けられている。この変位センサが変位信号を出力してアクチュエータドライバ12にフィードバックすることにより、アクチュエータ4の位置制御が行われる。このとき、目標としている位置(推定位置)と実際の位置との間に誤差が生じる場合がある。   The actuator 4 is provided with a displacement sensor (not shown) for sensing its own displacement. The displacement sensor outputs a displacement signal and feeds it back to the actuator driver 12, whereby the position of the actuator 4 is controlled. At this time, an error may occur between the target position (estimated position) and the actual position.

アクチュエータドライバ12は、取得した変位信号をA/Dコンバータ13に出力する。A/Dコンバータ13は、画像取り込みトリガに同期して、変位信号をA/D変換することによりアクチュエータ4の変位、つまり対物レンズ5の光軸方向の変位を示す変位データを生成する。
画像処理装置6aは、この変位データから正確なスライス像の光軸方向の位置を求め、スライス画像を合成して3次元画像を生成する。これにより、高精度な3次元画像が得られる。
なお、ここでは、波形計算装置11、任意波形発生器7a、アクチュエータドライバ12、信号制御器10、A/Dコンバータ13から構成される部分を制御手段と呼ぶ。
The actuator driver 12 outputs the acquired displacement signal to the A / D converter 13. The A / D converter 13 generates displacement data indicating the displacement of the actuator 4, that is, the displacement of the objective lens 5 in the optical axis direction by A / D converting the displacement signal in synchronization with the image capture trigger.
The image processing device 6a obtains an accurate position of the slice image in the optical axis direction from the displacement data, and synthesizes the slice images to generate a three-dimensional image. Thereby, a highly accurate three-dimensional image is obtained.
Here, the part constituted by the waveform calculation device 11, the arbitrary waveform generator 7a, the actuator driver 12, the signal controller 10, and the A / D converter 13 is referred to as control means.

このような構成の動作を、図2に示す各信号のタイムチャートを参照して次に説明する。
カメラ1から制御信号器10に図2(a)に示すビデオ信号(垂直同期信号が含まれる)が送られると、信号制御器10では、そのビデオ信号をそのまま画像処理装置6aへ送ると同時に、ビデオ信号から垂直同期信号を抽出して、共焦点スキャナ2へ同期信号を送ると共に、各種トリガ信号すなわち走査波形発生トリガ信号[図2(c)]、画像取込トリガ信号[図2(e)]を生成する。
Next, the operation of such a configuration will be described with reference to the time chart of each signal shown in FIG.
When the video signal (including the vertical synchronization signal) shown in FIG. 2A is sent from the camera 1 to the control signal device 10, the signal controller 10 sends the video signal as it is to the image processing device 6a. A vertical synchronization signal is extracted from the video signal and sent to the confocal scanner 2, and various trigger signals, that is, a scanning waveform generation trigger signal [FIG. 2 (c)], an image capture trigger signal [FIG. 2 (e)]. ] Is generated.

信号制御器10では、図2(b)に示す画像取込スタート信号を受信すると、画像取込スタート信号がLOWになった後の最初の垂直同期信号を走査波形発生トリガ信号[図2(c)]として任意波形発生器7aへ送ると共に、垂直同期信号を図2(e)に示す画像取込トリガ信号として画像処理装置6aへ送る。なお、画像取込スタート信号[図2(b)]は、操作者が上位コントローラ例えばパーソナルコンピュータから、任意のタイミングに信号制御器に入力する信号であり、そのパルス幅はビデオ信号の垂直同期信号の周期の2倍以上である。   When the signal controller 10 receives the image capture start signal shown in FIG. 2B, the signal controller 10 generates the first vertical synchronization signal after the image capture start signal becomes LOW as the scanning waveform generation trigger signal [FIG. )] To the arbitrary waveform generator 7a and a vertical synchronization signal to the image processing device 6a as an image capture trigger signal shown in FIG. The image capture start signal [FIG. 2B] is a signal that the operator inputs to the signal controller at an arbitrary timing from a host controller such as a personal computer, and its pulse width is the vertical synchronization signal of the video signal. It is more than twice the period.

任意波形発生器7aでは、信号制御器10から走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめ波形計算装置11から入力され記憶してある図2(d)に示すステップ波を発生し、これをアクチュエータドライバ12に送る。
なお、図2(d)では時間の経過に伴い段階的に電圧が増加していき所定の電圧値で基点の電圧に戻るステップ波を走査波形信号としているが、この走査波形は三角波であってもよい。
When the arbitrary waveform generator 7a receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller 10, the arbitrary waveform generator 7a generates a step wave shown in FIG. 12 to send.
In FIG. 2 (d), a step waveform in which the voltage gradually increases with the passage of time and returns to the base voltage at a predetermined voltage value is used as a scanning waveform signal. This scanning waveform is a triangular wave. Also good.

アクチュエータ4はアクチュエータドライバ12からの駆動信号によって駆動され、図2(d)の波形に従って対物レンズ5を光軸方向に走査する。画像処理装置6aでは、これに同期して試料20の画像を取得する。   The actuator 4 is driven by a drive signal from the actuator driver 12 and scans the objective lens 5 in the optical axis direction according to the waveform of FIG. In the image processing apparatus 6a, an image of the sample 20 is acquired in synchronization with this.

以上の一連の動作において、アクチュエータ4に設けられた変位センサがステップ波の各段(Z1,Z2,・・・,Zn)の変位信号を出力し、これをA/Dコンバータ13でA/D変換して変位データを生成する。この変位データを用いて観測試料に対するスライス画像の実際の位置を求め3次元画像を合成する。これにより、高精度な3次元画像が得られる。   In the above series of operations, the displacement sensor provided in the actuator 4 outputs a displacement signal of each step wave (Z1, Z2,..., Zn), which is converted into A / D by the A / D converter 13. Transform to generate displacement data. Using this displacement data, the actual position of the slice image with respect to the observation sample is obtained, and a three-dimensional image is synthesized. Thereby, a highly accurate three-dimensional image is obtained.

次に、アクチュエータを変位させたときの加速度の制御について説明する。
波形計算装置11は、A/Dコンバータ13が出力した変位データから走査波形の1周期における加速度の絶対値を計算し、予め設定された値を越えた場合に、加速度の絶対値が設定値以下になるように制御する。
Next, acceleration control when the actuator is displaced will be described.
The waveform calculation device 11 calculates the absolute value of the acceleration in one cycle of the scanning waveform from the displacement data output from the A / D converter 13, and when the value exceeds a preset value, the absolute value of the acceleration is less than the set value. Control to become.

加速度は以下の式により計算する。
速度V=変位の1次微分=dz/dt
加速度a=速度の1次微分=dv/dt
ここで、zは変位、tは時間である。
The acceleration is calculated by the following formula.
Velocity V = first derivative of displacement = dz / dt
Acceleration a = first derivative of speed = dv / dt
Here, z is displacement and t is time.

このような構成の動作を、図3に示す各信号のタイムチャートを参照して説明する。図3は、アクチュエータの加速度を制御する様子を示したタイムチャートである。
図3において、図3(a)は、カメラ1から制御信号器10に送られる垂直同期信号(ビデオ信号)である。図3(b)は、波形計算装置11で計算したステップ状の走査波形を示している。
The operation of such a configuration will be described with reference to the time chart of each signal shown in FIG. FIG. 3 is a time chart showing how the acceleration of the actuator is controlled.
In FIG. 3, FIG. 3A is a vertical synchronization signal (video signal) sent from the camera 1 to the control signal device 10. FIG. 3B shows a step-like scanning waveform calculated by the waveform calculation device 11.

垂直同期信号の立下りに同期してステップ波形が変化していく。この不連続的な変化部分では、加速度を小さくするためにS字制御が行われている。このため、この部分の加速度は一定となり図3(c)に示すように矩形で変化する。図3(c)は、変位データと時間から加速度を求めたものである。 The step waveform changes in synchronization with the fall of the vertical synchronization signal. In this discontinuous change portion, S-shaped control is performed to reduce the acceleration. For this reason, the acceleration of this part becomes constant and changes in a rectangle as shown in FIG. FIG. 3C shows the acceleration obtained from the displacement data and time.

S字制御における速度、加速度の関係は以下の式により示される。
変位z=(1/2)・A・t
速度v=変位zの1次微分=A・t
加速度a=速度vの1次微分=A
ここで、tは時間、A<(2πf)である。
The relationship between speed and acceleration in S-shaped control is expressed by the following equation.
Displacement z = (1/2) · A · t 2
Velocity v = first derivative of displacement z = A · t
Acceleration a = first derivative of velocity v = A
Here, t is time and A <(2πf) 2 .

計算した加速度の絶対値が、予め設定しておいた値を越えた場合に、その絶対値を小さくするための制御を行う。具体的にはアクチュエータ4が最大変位から最小変位へ戻る時に最大の加速度になるので、図3(d)に示すように、加速度の絶対値が設定値を越えないようにアクチュエータ4の戻り時間を増加させる。このとき、カメラの1フレームの撮像中に最小変位に戻しても次のフレームの撮像開始まで待たなくてはならない。従って、最大変位から最小変位へ戻る時間を垂直同期信号周期の整数倍(図3(d)では2倍)にすれば、フレームの更新時間を有効に利用した戻り時間が設定できる。   When the absolute value of the calculated acceleration exceeds a preset value, control is performed to reduce the absolute value. Specifically, since the maximum acceleration is obtained when the actuator 4 returns from the maximum displacement to the minimum displacement, the return time of the actuator 4 is set so that the absolute value of the acceleration does not exceed the set value as shown in FIG. increase. At this time, even if the minimum displacement is returned during the imaging of one frame of the camera, it is necessary to wait until the imaging of the next frame starts. Accordingly, if the time for returning from the maximum displacement to the minimum displacement is set to an integral multiple of the vertical synchronization signal period (twice in FIG. 3D), the return time that effectively uses the frame update time can be set.

なお、図3(b)では時間の経過に伴い段階的に電圧が増加していき所定の電圧値(最大変位)で基点の電圧(最小変位)に戻るステップ波を走査波形としているが、この走査波形は三角波であってもよい。この場合、三角波の不連続的な変化部分(折返し点)ではこの部分の加速度を小さくするためにS字制御が行われる。   In FIG. 3 (b), a step wave that gradually increases with time and returns to the base voltage (minimum displacement) at a predetermined voltage value (maximum displacement) is used as the scanning waveform. The scanning waveform may be a triangular wave. In this case, S-shaped control is performed at a discontinuous change portion (turning point) of the triangular wave in order to reduce the acceleration of this portion.

以上により、図3(e)に示すように加速度、即ち振動を急激に減少させることができ、安定した画像を取得することができる。 As described above, as shown in FIG. 3E, acceleration, that is, vibration can be rapidly reduced, and a stable image can be acquired.

なお、前出の画像処理装置6a,波形計算装置11は、パーソナルコンピュータにより実現しても良い。
また、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
The above-described image processing device 6a and waveform calculation device 11 may be realized by a personal computer.
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.

本発明に係る3次元共焦点レーザ顕微鏡システムの一実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Example of the three-dimensional confocal laser microscope system which concerns on this invention. 本発明に係る各信号のタイムチャートである。It is a time chart of each signal concerning the present invention. アクチュエータの加速度を制御する様子を示したタイムチャートである。It is a time chart which showed a mode that the acceleration of an actuator was controlled. 従来の共焦点顕微鏡の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional confocal microscope. 図4の共焦点顕微鏡が取り扱う各信号のタイムチャートである。It is a time chart of each signal which the confocal microscope of FIG. 4 handles.

符号の説明Explanation of symbols

1 ビデオレートカメラ
2 共焦点スキャナ
3 顕微鏡
4 アクチュエータ
5 対物レンズ
6a 画像処理装置
7a 任意波形発生器
10 信号制御器
11 波形計算装置
12 アクチュエータドライバ
13 A/Dコンバータ
20 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Video rate camera 2 Confocal scanner 3 Microscope 4 Actuator 5 Objective lens 6a Image processing apparatus 7a Arbitrary waveform generator 10 Signal controller 11 Waveform calculation apparatus 12 Actuator driver 13 A / D converter 20 Sample

Claims (6)

試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、
前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、
顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、
このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、
試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記画像処理装置は、前記アクチュエータから出力される変位信号に基づいて前記スライス画像を合成して3次元画像を作成することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
A confocal scanner that acquires a slice image of the sample as a confocal image;
A video rate camera for converting the confocal image into a video signal;
An image processing device for converting the video signal into image data;
An actuator that moves the focal position of the objective lens of the microscope in the direction of the optical axis;
Control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via this actuator,
A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire a slice image in a depth direction of a sample,
The three-dimensional confocal laser microscope system, wherein the image processing device generates a three-dimensional image by synthesizing the slice images based on a displacement signal output from the actuator.
試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、
前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、
顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、
このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、
試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記制御手段は、前記アクチュエータから出力される変位信号に基づいて前記アクチュエータが変位したときの加速度を算出し、この加速度が予め設定した値を越えないように制御することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
A confocal scanner that acquires a slice image of the sample as a confocal image;
A video rate camera for converting the confocal image into a video signal;
An image processing device for converting the video signal into image data;
An actuator that moves the focal position of the objective lens of the microscope in the direction of the optical axis;
Control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via this actuator,
A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire a slice image in a depth direction of a sample,
The control means calculates an acceleration when the actuator is displaced based on a displacement signal output from the actuator, and controls so that the acceleration does not exceed a preset value. Focus laser microscope system.
前記制御手段は、
前記走査波形信号の波形を計算を用いて求める波形計算装置と、
この走査波形を記憶しておき走査波形発生トリガ信号に同期して発生する任意波形発生器と、
この任意波形発生器から出力される走査波形発生トリガ信号に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータドライバと、
前記ビデオレートカメラのビデオ信号に同期した各トリガ信号を発生して各部に与える信号制御器と、
前記変位信号をA/D変換して変位データを前記画像処理装置および前記波形計算装置に出力するA/Dコンバータと、
から構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
The control means includes
A waveform calculation device for obtaining the waveform of the scanning waveform signal by calculation; and
An arbitrary waveform generator that stores this scanning waveform and generates it in synchronization with the scanning waveform generation trigger signal;
An actuator driver for driving the actuator based on a scanning waveform generation trigger signal output from the arbitrary waveform generator;
A signal controller that generates each trigger signal in synchronization with the video signal of the video rate camera and gives it to each unit;
An A / D converter for A / D converting the displacement signal and outputting displacement data to the image processing device and the waveform calculation device;
The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 1 or 2, characterized by comprising:
前記制御手段は、算出した加速度が予め設定した値を越えていた場合に、前記アクチュエータの最大変位から最小変位への戻り時間を、前記ビデオ信号に含まれる垂直同期信号周期の整数倍になるように増加させることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。   When the calculated acceleration exceeds a preset value, the control means sets the return time from the maximum displacement to the minimum displacement of the actuator to be an integral multiple of the vertical synchronization signal period included in the video signal. The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 2, wherein the three-dimensional confocal laser microscope system is increased. 前記走査波形は三角波であって、この三角波の不連続的な変化部分がS字制御により生成された波形であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。   5. The three-dimensional image according to claim 1, wherein the scanning waveform is a triangular wave, and a discontinuous change portion of the triangular wave is a waveform generated by S-shaped control. Focus laser microscope system. 前記走査波形はステップ波であって、このステップ波の不連続的な変化部分がS字制御により生成された波形であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。








5. The scanning waveform according to claim 1, wherein the scanning waveform is a step wave, and a discontinuous change portion of the step wave is a waveform generated by S-shaped control. Dimensional confocal laser microscope system.








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