JP2005215712A - 個体数カウント用の撮像装置及び制御手段 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＣＤによって得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から背景ノイズとホワイトノイズ（ランダムノイズ）を除去した補正画像データを得ることを目的とする。
【解決手段】特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージ２と、被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段８３と、前記被写体からの光を受光する光電変換手段８４と、露光時間を制御するための露光制御手段８２と、前記光電変換手段からの画像データのフレームメモリ８６と、制御手段８１、から構成され、前記制御手段は、画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から個体背景を示す背景画素階層区分手段と背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段とを含む。
【選択図】 図６
【解決手段】特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージ２と、被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段８３と、前記被写体からの光を受光する光電変換手段８４と、露光時間を制御するための露光制御手段８２と、前記光電変換手段からの画像データのフレームメモリ８６と、制御手段８１、から構成され、前記制御手段は、画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から個体背景を示す背景画素階層区分手段と背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段とを含む。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の波長の光によって励起された個体が発する励起光により露光れた光電変換手段によって得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から、背景ノイズを除去すると共に、画像データ内に一律に含まれるホワイトノイズを除去した画像データを取得する技術に関し、特に、溶液中に分散する所定のサイズを有する個体の個数を計測するための個体数測定装置に関し、特定波長の光に反応する被写体内のバクテリアの数をカウントするための撮像装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
溶液中に分散する所定径以上のサイズを有する粒子数を測定するために被写体に光を照射しその反射光をＣＣＤやＭＯＳセンサ等の光電変換手段によって撮影し、これによって得られた画像データを処理することにより被写体内に存在する粒子数を測定する粒子数測定装置の例が、特開平７−４９３００号公報において開示されている。
【０００３】
この粒子数測定装置は、分散液中の所定径以上のシリコン粒子数を測定するものであって、シリコン粒子の分散液の一定量が滴下されたフィルタを搭載部に搭載し、発光部から発光された光をフィルタに照射し、ＣＣＤセンサで反射光を受光し、光電変換された画像信号に基づいて所定径以上の径を有するシリコン粒子数に対応した波形信号を発生させることによりシリコン粒子数をカウントするものである。
【０００４】
このような従来技術に係る粒子数測定装置は、第１の条件としてカウントする粒子が所定径以上のサイズを有する粒子（シリコン粒子）であること、第２の条件として粒子の光反射率が大きくて照射光に対して所定レベル以上の輝度を有するＳ／Ｎ比の高い反射光を発すること、そして、第３の条件として被写体内に溶液と測定対象の粒子以外はほとんど存在していないことを前提としている。
【０００５】
このため、食品等に含まれるバクテリアの数をカウントするために、上記のような粒子測定装置を利用することは、所定サイズ以上のバクテリアを対象とした場合であっても、バクテリアは、上記第２の条件及び第３の条件を満たさないために不可能であった。
【０００６】
従って、食品等に含まれるバクテリアの計数は、測定の対象物の所定量を顕微鏡等により拡大し、これを写真撮影して対象とするバクテリアをその特定形状から判断しながら、目視によりカウントすることにより行われていたのである。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
このような目視によるバクテリア数の測定は、通常極めて長い時間を必要とすると共に、専門家でなければできなかったのである。
【０００８】
一方、食品がある種の有害なバクテリアに汚染されているか否かの判断は、食品の製造者のみならず、商品販売者、食堂やレストラン等の飲食物提供者にとっても極めて重大な関心事であって、食品中のバクテリアの数の測定を短時間に且つ簡易に行われることを可能とする技術が長い間待望されていたのである。
【０００９】
本発明は、特定波長の照射光を照射した時に当該照射光の波長とは異なる波長の光を励起するバクテリアの特質に鑑みて、専門家でない一般人が、食品中のバクテリアの数の測定を短時間に行えることを可能にした個体数カウント用の撮像装置を提供するものである。
【００１０】
また、画像データに対してヒストグラムを適用する技術は広く知られているが、励起光採取の時にコントラストを適正にする為の背景除去に適用する例は、知られていなかった。
【００１１】
このため、本発明は、個体から発せられる励起光を受けてその個数を計数する為に、光電変化手段によって得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から背景ノイズとホワイトノイズを除去した補正画像データを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、制御手段と、から構成されている。
【００１３】
前記制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、を含む、ことを特徴とする個体数カウント用の撮像装置を提供するものである。
【００１４】
さらに、前記照射手段は、少なくとも第１の主波長で発光する第１発光部と第２の主波長で発光する第２発光部とを備えて、前記制御手段は、第１の発光部での照射により画像を取得する第１のモードと、第２の発光部での照射により画像を取得する第２のモードとを有するとともに、前記背景値演算手段は、第１のモードと第２のモードとで各々補正画像データを得ることを特徴とする、個体数カウント用の撮像装置とした。
【００１５】
さらに、前記制御手段は、前記複数の画素値階層の中から被写体の個体を示す個体画素値階層を特定する個体画素階層区分手段と、前記個体画素値階層の中から個体の値を示す少なくとも一つの個体位置を特定する個体位置特定手段と、前記個体位置の近傍の中であって且つ前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を前記背景の値としたことを特徴とする個体数カウント用の撮像装置とした。
【００１６】
これによって、本発明においては、測定対象の固体から発せられる微弱な励起光から背景ノイズと共に、ＣＣＤ等の光電変換手段が有するホワイトノイズを取り除いた補正画像データを得ることを可能にしたのである。
【００１７】
ここで、前記背景位置特定手段の第１の例としては、複数の背景位置を特定して、当該複数の背景位置の画素値の平均値を前記背景の値として補正画像データを得るものである。また、前記背景位置特定手段の第２の例としては、少なくとも一つの背景位置を特定して、当該一つの背景位置における複数の露光時間によって取得した画素値の平均値を前記背景の値として前記補正画像データを得るものである。
【００１８】
そして、前記制御手段は、前記補正画像データに基づいて前記ステージ上の被写体内にある前記背景画素値よりも大きい明度の光を発生する個体数をカウントする計数手段を有するのである。
【００１９】
本記撮像装置は、前記補正画像データを送信するためのインタフェイス手段を有し、このインタフェイス手段を介して外部のデータ処理装置（例えば、パソコン）と接続される。これによって、前記制御手段を構成する各手段による処理は、前記データ処理装置と協働して行われるように構成できるのである。
【００２０】
本発明においては、前記ステージ上の被写体は、複数の領域に分割され、前記制御手段が、各領域毎に前記画像データが得られるように構成されている。
【００２１】
また、本発明における前記画素値階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層への区分は、前記所定の露光時間で受光した前記画像データに含まれる画素値の最小値から最大値の画素値範囲を複数区分に等分することにより行われる。また、前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記複数区分に等分された最下位の画素値階層区分とするものである。
【００２２】
そして、前記画素階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層区分は、前記画像データを構成する個々の画素値に基づいて所定以上の度数を有する複数の画素値階層を選出することにより行われる、前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記選択された複数の画素値階層の内、最大度数の画素階層区分を検出することにより行われるのである。
【００２３】
また、本発明は、特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、制御手段と、から構成され、この制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、この背景値演算手段で補正された画像データに基づいて個体数の計数を行う計数手段を備えた。
【００２４】
さらに、本発明の制御手段として、ステージ上に菌、バクテリアなどの個体を含んだ被写体を搭載してこの特定の波長の光で照射して励起した個体からの光による映像をデジタル画像として取得する撮像装置を制御する個体カウント用撮像装置の制御手段であって、前記個体カウント用撮像装置の制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、を備えた制御手段である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の撮像装置の詳細を説明する前に、その技術的背景を説明する。
（１）本撮像装置の技術的背景
本撮像装置において、個体数カウントの対象となる検体としては、直接粘着層で固着して計測する為のフィルムキットと、バクテリアを含む溶液を樹脂の受容体に含侵したエンブレムキットが準備される。このエンブレムキットを例にして説明すると、検体には特別に用意された薬液が施されて、特定の波長の光が照射されると検体自身が励起光を発光するようになる。撮影対象の受容体エリア中検査領域の検体に含まれるバクテリアから発光する光の照度は励起光であってきわめて低いので、ある時間連続露光を行って露出を高めないととらえられない。
【００２６】
ところが、受容体の樹脂色も完全な黒体ではないので、バクテリアの映像と共に光電変換手段の各画素のレベル（画素値）があがってしまう。これによって、最終的に取得された全体画像のうちの背景部とバクテリア部とのコントラストのＳ／Ｎが低くなる。実際に背景のレベルの方が遙かにバクテリアのレベルより高い。よって、その後の画像処理を高速で行う為に簡略な手法を取ると、背景のイズによって正確にバクテリアの認識が出来難くなり、誤動作（誤った計数カウント）を引き起こすことになる。更に、微弱信号の処理を伴うためにホワイトノイズ処理が重畳する。
【００２７】
そこで、背景補正を適正に行うことで、画像処理前のバクテリア映像を鮮明にしておくことを提案する。
【００２８】
（２）特定波長の励起光を発する菌・バクテリアの説明
背景（バックグラウンド）は、樹脂製の検体含有体、もしくはバクテリアを接着するための粘着層を有するフィルムである。どちらもバクテリアから励起光を効率よく（コントラストよく）取得するために、なるべく暗い色で着色されている。しかし、完全に黒色ではなく濃い灰色程度であって、光が照射されると反射光を生じる。
【００２９】
このバクテリア装置においては、照射した光の反射光で検査を行うのではなく、バクテリアに特殊な薬液を含有させて、この状態で、紫外光もしくは緑光を照射する。この紫外光あるいは緑光に応じて、薬液を含有したバクテリアから励起光が発生する。具体的に書くと、主波長が３７０ｎｍ（ＮＳＨＵ５９０）の紫外光を照射すると、バクテリアからは４６１ｎｍの主波長の励起光を発する。そして、主波長が５２５ｎｍ（ＮＳＰＧ５００Ｓ）の緑光を照射すると、６１７ｎｍの主波長の励起光を発生する。
【００３０】
励起光は照射光に対して微弱であるのに加えて、それぞれの波長が近いために、受光する光路中で照射光の波長がカットされねばならない。
【００３１】
そのため、紫外光に対しては、３６０ｎｍから急激に減衰して約４００ｎｍ点で透過率０％にする特性を有したカットフィルタ（Ｕ−３６０）を装着して照射することで、約４００ｎｍ点で透過率０％にする。これにより、光源のＮＳＰＧ５００Ｓが４００ｎｍ点発する少々のパワーをほとんどカットする。そして受光側にＬ４２と称する４２０ｎｍより長い波長を透過するフィルタを挿入する。これにより、主波長が４６１ｎｍである励起光が適正に取得できる。この励起光は、生菌と死菌と共に発生する。
【００３２】
同じように緑側もフィルタを使う。緑光に対しては、４５０ｎｍから５５０ｎｍまでのみ透過するバンドパスフィルタＢＰ５３５を緑光源（主波長５３６ｎｍ）に装着する。光源のＮＳＰＧ５００Ｓは主波長５２５ｎｍで４５０ｎｍから６５０ｎｍまでを発光するが、上述のバンドパスフィルタによって、裾野はカットされている。受光側にＯ５８と称する５８０ｎｍ以上を透過するフィルタを挿入する。主波長が６１７ｎｍである励起光を取得できる。この励起光は死菌のみ発生する。
【００３３】
以上のようにして励起光は取得できることになるが、それぞれ透過する波長域は当然残ることになる。照射光源はフィルタカットされているが、光源光量はきわめて大きく、特に緑光源は検体照射面において２０００ルクス程度もある。
【００３４】
このため、励起光のみを拾うことが出来ず、しかも励起光が弱いことから２秒程度の露光時間を必要とし、背景レベルとして最大２５５の分解の時に１２８程度も上昇してくる。これに励起光の出力の数１０がのるので、背景レベルを除去しておいた方が、後段の画像認識に好ましい。特に、装置を安価に構成する為に画像処理をある程度単純に構成するときには重要になる。
【００３５】
（３）画像データにおける背景レベルの検出
背景を検出するエリアとして２０ドット掛ける２０ドットと想定する。これは２０でなければいけないものではない。バクテリアは小さいもので１μｍ程度であって、光電変換手段の画素に換算すると１ドット程度のものであり、どんなに多くのバクテリアがあっても緻密ではないので、背景は存在するとしている。そこで、この性質を利用して、対象４００ドット領域の値をスキャンする。その結果、画素値としての最大値、最小値が得られる。最大値から最小値を引いて、画素値の分布する幅を検査する。
【００３６】
そして、最小値からたとえば値５ごとにバンド化して、それぞれのバンドに存在するドット数をカウントする。５であるのがよいかは、装置の検出ばらつきを見て決定すればよい。これはいわゆるヒストグラムを取っていることになる。バクテリアが存在すれば、度数のピークはバクテリアの値付近と、背景の値付近に集中する。バクテリアの励起光が入力されなければ、背景のみの値でピークは１つになる。そこで、このピークを判定して、もしピークが１つなら背景のみであるとする。２つなら低い方の値のピークを背景とすればよい。
【００３７】
本例での実施の形態は、後に詳細に述べるように紫外光に反応して死んだバクテリアと生きたバクテリアが励起する第１のモードと、死んだバクテリアのみが反応する第２のモードとがあって、その個体数計数値の差分から、生きているバクテリアの個体数を知る。この時に、第１のモードでのヒストグラム分布と、第２モードでのヒストグラム分布とでは、分布も度数も異なる。
【００３８】
後段の画処理で利用する形態が高速性とコスト抑制を狙っている為、２値化を採用していて、厳密な背景処理を必要としていない。但し、２値化である故に背景値の処理は必要になる。そこで１つのやり方としては、度数のピークをもつバンドの中での最小値を黒レベルとする。そして、２値化の時に使用する閾値に多少のオフセット値を加えればよい。
【００３９】
（４）画像データにおけるホワイトノイズの消去
ところが、このようにして取得した黒レベルには素子や回路から発生するホワイトノイズが重畳している。このホワイトノイズを消去すると更に好ましい。
【００４０】
積極的にホワイトノイズを検出することでも良いが、容易な方法として時系列的に平均化する方法を提案する。すなわち、黒レベルの成長具合を調べることで達成される。上述の背景レベル検出工程を経た後に、一端、ＣＣＤをリセットするが、その前に、先ほどの検出工程において、先ほどの度数のピークをもつバンドの中での最小値に相当する画素の座標を記憶しておかねばならない。
【００４１】
ＣＣＤをリセットしたら再度光源照射して出力監視を行う。上記記憶した座標の画素について調べる。ＣＣＤの露光時間が２秒であるから、この２秒の時点での背景値を使用してビデオ信号から背景除去を行わなければならない。
【００４２】
画素値は、ＣＣＤ後段のＡ／Ｄコンバータの速度に基づいて決定されるサンプリングスピードで取得される。たとえば、２０フレーム／秒のレートがとれるのであれば、ある画素の値を５０ｍｓ単位で、又は異なった露出時間で光電変換素子を制御して取得できる。２秒前後の１０サンプリングを行う。つまり、１．５秒から２．５秒に掛けて２１回のサンプリングを行う。
【００４３】
２１回で充分か否かはあるが、ホワイトノイズはランダムに重畳するし、そのレベルも長い観察では平均が一定している。そのため基本的にはこの２１回のサンプリング値の平均値を演算することにより、ホワイトノイズを除去した背景レベルを取得することが出来るのである。平均結果は、２秒が中心であるので、値としては２秒の時点での映像値として得られて、ホワイトノイズの薄まったものとなっている。
【００４４】
以下、本発明に係る個体数カウント用の撮像装置の実施の形態例を図面を参照しつつ説明する。
【００４５】
図１は、本発明に係る被写体の個体数をカウントするための撮像装置１全体の側面図を示す。撮像装置１はコマンドコントロールを画像からバクテリアなどの個体数を判定するデータ処理装置１００にインタフェイスケーブル１０１で接続されている。ステージ２は、上テーブル２０の上面とキットホルダー２１との間に形成されていて検体を付着させたメンブレムキット４０もしくはフィルムキット４１を装着する。キットホルダー２１は、ロックレバー２２で固定される。上テーブル２０はＸテーブル２５上に固定されており、Ｘテーブル２５はＹテーブル２６上に固定される。Ｘテーブル２５上の上テーブル２０は３カ所のバネ３５で３点支持されており、位置決め冶具を仮止めして、バネ付勢された上テーブル２０がこの冶具に当接し、水平度を出すようにされている。そして、この位置だしをしながらロック板３６でねじ固定される。その後冶具がカメラユニットに取り付け直される。
【００４６】
Ｘテーブル２５の下部には、Ｘ１シャフト２７とＸ２シャフト２８へそれぞれ摺動可能に嵌合するＸ１スリーブ３１とＸ２スリーブ３２と、Ｙテーブル２６の下部にはＹ１シャフト２９とＹ２シャフト３０へそれぞれ摺動可能に嵌合するＹ１スリーブ３３とＹ２スリーブ３４とが備えられている。それぞれ、Ｘ駆動部８、Ｙ駆動部７によりベルトで牽引され移動する。
【００４７】
電源スイッチ１０により装置へ電源が投入されて、先ずイニシャル動作に入る。イニシャル動作において、ステージ２を基準位置に移動する。この基準位置は、被写体を撮影する位置であって、レンズユニット３の真下に設定される。
【００４８】
ステージ２は、Ｘ１シャフト、Ｘ２シャフト、並びにＹ１シャフト、Ｙ２シャフトそれぞれのシャフト方向に沿って、Ｘ方向の基準位置に配置されたＸ−ＨＰセンサ１１と、Ｙ方向の基準位置に配置されたＹ−ＨＰセンサ１２とが、共にＯＮとなる位置に移動する。
【００４９】
イニシャル動作が完了すると、装置は待機状態に入る。フロントカバー５を開放すると、操作者によってカバーが開放されたことを示す信号がカバーセンサ（図示せず）から発せれる。この信号（カバー開放信号）に従って、ステージ２はフロントカバー５の開放位置であるフロントに移動する。フロントカバー５の開放は、コイルバネ５ａによってその開放状態が維持される。
【００５０】
ステージ２上に被写体（検体）が装着されてフロントカバー５が操作者によって閉じられると、カバーセンサの信号が所定のインタフェイスを介して接続されたデータ処理装置に送られ、準備が完了したことをディスプレイ上に表示する。操作者はデータ処理装置１００に指示して撮影を開始する。指示されたデータ処理装置は、撮影開始コマンドを撮像装置に送る。本撮像装置の制御部は、Ｙ駆動部を制御してステージ２を撮影用のホームポジションである撮影位置の初期位置に移動させる。尚、本例ではデータ処理装置１００がパソコンである。
【００５１】
本装置における被写体の撮影は、ステージ２の位置を少しずつ変更しながら繰り返し行われる。メンブレムキット４０を測定する場合とフィルムキット４１を計測する場合とで異なるが、被読取体の外形が数ミクロンメートルの極めて小サイズの場合、例えば、読取対象の全エリアが１２ｍｍ＊９ｍｍであり、１回の撮影で取得できるエリアが１．２ｍｍ＊０．９ｍｍの場合、１００回の撮影フレームが必要になる。読み取りプロセスは、Ｙ方向に１０回位置移動しながら撮影して、Ｘ方向に移動してこれを繰り返す。
【００５２】
一つのフレームの撮影が終わる毎に、その画像はデータ処理装置１００へ送信される。データ処理装置１００は、画像データの取得が完了したら、次のフレームの取得を撮像装置に要求し、これにより撮像装置は位置移動と再撮影を行う。このようにして、必要なフレームの撮影が繰り返される。必用な全フレームの撮影が完了した後に、ステージ２は上述したホームポジションに戻る。上記動作については、図１５にフローチャートとして示した。
【００５３】
図２は、本撮像装置１の上面から見た主に光源周辺を示す平面図である。ステージ２は光源ユニット４から照射されるが、この光源ユニット４は４本のロッド光源６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる。各ロッド光源６は端部に基板５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを備え、この基板上にロッド内方向に向いてそれぞれ発光ダイオード６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄが設置されている。光源６から異なる２つの波長領域の光を照射する必要がある場合、ロッド光源６ａとロッド光源６ｂとは同じ波長（主波長３７０ｎｍ）による発光、ロッド光源６ｃとロッド光源６ｄとは同じ波長（主波長５２５ｎｍ）による発光である。それぞれの発光分布においてじゃまになる裾野部分をカットするカットフィルタである、Ｕ３８０フィルタ７３ａがロッド光源６ａ、６ｂ内に、ＢＰ５３５フィルタ７３ｂがロッド光源６ｃ，６ｄ内に備えられていて発光分布をシャープにしている。さらに、第３の異なる波長の光の照射が必要な場合は、第３の対のロッド光源を増設すればよい。
【００５４】
図３に、ロッド光源６ａを例にして内部構造を描いている。発光ダイオードの色やフィルタの色、レンズなど３７０ｎｍ光源と、５２５ｎｍとで異なるが、基本構造は同じである。もちろんコストダウンの為には、共通構造共通部品で構成することも出来る。大きく分けると、光源６は、ロッド６０ａとこれより細い径のロッド６１ａとで構成されている。ロッド６０ａの１端の基板５５ａにダイオードスペーサ６３ａを介して発光ダイオード６４ａが基板に半田付けで固定されている。
【００５５】
発光ダイオード６４ａの発光方向前方にはリング７２で固定されたレンズ６５ａが備えられている。ロッド６０ａの他端には、ロッド６１ａが刺入されている。ロッド６１ａの１端には、リング７４ａとスペーサ６７ａとで固定されたレンズ６６ａと帯域カットフィルタ（Ｕ−３６０フィルタ）７３ａとが構成されている。そして、ロッド６１ａの他端には、リング７０ａとスペーサ７１ａとで固定されたレンズ６８ａとレンズ６９ａとがある。
【００５６】
ロッド６１ａは、フランジ５１へ取り付ける為の取り付け部６２ａを有する。そして、２つのロッド６０ａとロッド６１ａとの径の差異によって作られる段差５２ａがフランジ５１に契合する。
【００５７】
同じ波長のロッド光源６対は、ステージ２上でレンズユニット３に対して対称角度による斜め照射を行い、照射面をほぼ均一の明るさにしている。被写体の撮影するステージ２上の領域全般に渡って、しかも、２つの対がどちらも均一になるよう各ロッド光源６は、１つのフランジ５１に固定され、各ロッド外壁に形成された段差５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄがフランジ５１に契合して位置だしができるようになっている。これにより調整を容易にしている。
【００５８】
ステージ２は、光源ユニット４の光が送出される基板取り付けと反対の端の発光端の下方に位置する。発光端の上方には、レンズユニット３が備えられているが、このレンズユニット３と発光端との間には、ステージ２の面に平行に進退するフィルターユニット５５が位置する。フィルターユニット５５には、４２０ｎｍから下をカットするＬ４２フィルタ５５ａと、５８０ｎｍから下をカットする０５８フィルタ５５ｂが取り付けられている。
【００５９】
図４は、本撮像装置１のステージ２へメンブレムキット４０を装着した図を示す。メンブレムキット４０には、注射針（図示せず）が計測器４０ｂに連結して下方に延びている。検査したい食物をくだいて浸水させ、注射針はその溶液を吸い上げたり、直接食物中の液を吸い上げたりすることが出来る。吸い上げた液が計測部４０ｂに含侵し、計測部４０ｂは、吸い上げた液にバクテリアが存在すると判定する。
【００６０】
図５は、本撮像装置１のステージ２上にフィルムキット４１を装着した図を示す。フィルムキット４１は接着面を有し、保存時は保護フィルムが沈着しているが使用時にこれをはがして被検物から採取を行う。
【００６１】
メンブレムキット４０は、鍔部４０ａの上部に計測部４０ｂを有している為、この分鍔部４０ａより高い位置になる。一方フィルムキット４１はフィルム状の形態であって、メンブレムキット４０のような高さを有しない。一方、レンズユニット３は、拡大光学系であると共に、被写体の個体数計測に個体の輪郭形状が重要であるから、撮影の焦点深度がきわめて厳しく狭められる。しかも、バクテリアは小さいもので１μｍオーダであって１画素程度しかない。よって、撮影面の高さは、２のキット間で同一にされなければならない。
【００６２】
この高さ調整の為、フィルムキット４１を装着する場合には、中間プレート４２がフィルムの下支えを兼ねて使用される。つまり、ステージ２にはメンブレムキットを挿入する為の穴２０ａが存在するから、そのままフィルムキット４１を装填すると中央が下に沈んでしまって、所望の焦点位置が得られなくなるからである。
【００６３】
図６は、本装置の制御ブロック図を示す。操作者は、インタフェイス８０に接続されたデータ処理装置１００（パソコン）に指示して計測を開始する。指示されたデータ処理装置１００は、計測開始コマンドを撮像装置１に送る。インタフェイス８０を介して計測開始コマンドを受信した制御手段８１は計測指示データを露光制御手段８２に送信する。制御手段８１は、画素値階層区分手段と、背景位置特定手段と、背景値演算手段と、計数手段とを有している。
【００６４】
上記の計数手段は、この撮像装置内にある必要はなく、むしろデータ処理装置１００内にある方が都合がいいこともある。それは、個体数のカウントは背景の黒の中に存在する白の領域を特定する為に、輪郭抽出法などを採用したい場合には高速の実数演算を必要とする。この為に、昨今高速になっているパソコンを利用する方が好ましい。また、このアルゴリズムをバージョンアップなどする点でも、利便性が良い。この形態においては、加算された画像データはインタフェイス８０を介してデータ処理装置１００に送られて、データ処理装置１００内で画像データに基づいて被写体の個体数（例えば、バクテリアの数）を計数手段によりカウントする。このような動作の形態については、図１５に示した。
【００６５】
ところで、ここで画像データを光電変換して取得するための光電変換手段（ＣＣＤ）について簡単に説明する。
【００６６】
図１７に記載したように、パッケージ内にフォトセンサ（フォトダイオードなど）が２次元状に整列配置されている。この配列エリアは、透明な窓を有して光が入るようになっている。端子ＶＤＤとＧＮＤは基本電圧の印加を行う。ビデオ信号を取り出すＶＯＵＴ端子からの水平のビデオ信号転送に同期するクロックのＨφ１、Ｈφ２端子がある。そして、Ｖφ１、Ｖφ２、Ｖφ３、Ｖφ４は水平同期を垂直方向に繰り返す為の為の垂直同期クロックであって、４相で動作する。φＲＧ端子はリセットゲートであって、１画面の露光時間を制御する。φＳＵＢ端子は、露光による光電変換で内部蓄積された電荷が、転送クロックでの受け渡しで残留してしまう微量電荷をクリアする為のクロック用端子である。
【００６７】
このように、光電変換手段の各端子に与えるクロックを制御することで、露光時間や出力取り出しの制御が行われる。
【００６８】
露光制御手段は制御手段８１から受信した指示データに基づき各ロッド光源に対し制御した露光指示データを照射手段８３に送信する。露光データを受信した照射手段８３は、特定波長領域の光を所定の露光時間で、所定の回数の照射をステージ上の検体に対して行う。この時、制御手段８１は光電変換手段８４の転送クロック及び／又はリセットパルスを制御することによって露光時間を調整する。
【００６９】
照射光によって発光するステージ２上の検体からの励起光のデータは光電変換手段８４に送信される。光電変換手段８４は受信したビデオ信号を２進数の画像データに変換するためにＡ／Ｄコンバータ８５に送信し、Ａ／Ｄコンバータ８５はデジタル変換されたデータを計測データとしてフレームメモリ８６に送信する。
【００７０】
照射が終了するとフレームメモリ８６は蓄積したデータを制御手段８１に送信する。カウント手段（計数手段）は照射した特定波長領域の光とは異なる波長の励起光を発光する検体内の個体数をカウントする。
【００７１】
ここで、本発明における検体に含まれる固体（バクテリア）のカウント方法例について説明する。
【００７２】
図１６のフローチャートで示すように、概略は各画像データから背景の値を引くに当たって、その背景レベルを見つけることがポイントになっている。
【００７３】
制御手段は、検体全体の内の１部エリア（例えば２０ｄｏｔＸ２０ｄｏｔ）について所定の露光時間例えば２秒間で１ショット撮像する。
【００７４】
そして、背景画素階層区分手段は、受光した画像データを複数の画素階層に区分する。画素値レベル（８Ｂｉｔ：０〜２５５）を例えば０〜６３、６４〜１２７、１２８〜１９１、１９２〜２５５の４区分に区分する。
【００７５】
背景位置特定手段は、この内０〜６３の区分に入ってきた画素位置を記録する。例えば、座標（５、３）、（７、１０）、（１１、１２）・・・・・・。
記録は全部でも良いし、５点位でも良いが、ここでは３点としてこれらをＰ１、Ｐ２、Ｐ３の３点とする。これを背景３点の代表とする。
【００７６】
ここで、背景値演算手段はＣＣＤをリセットしてもう一度スタートする。前記では２秒後の値を固定してメモリに記録したが、今度は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３点だけに着目して連続してＡ／Ｄ変換を繰り返して記録する。例えば１００ｍｓ単位で行う。
【００７７】
次に２．０秒のレベルが欲しいので、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２の５つの各秒でのレベルの和ｅ（１．８）＋ｅ（１．９）＋ｅ（２．０）＋ｅ（２．１）＋ｅ（２．２）を５で割るとレベルは２．０秒の値でホワイトノイズをキャンセルした値になる。
【００７８】
さらに、またＰ１、Ｐ２、Ｐ３の３点で上記の５点行ったと同様な処理を行い３点の平均値を算出する。この値を、Ｂｋとする。
これを、被写体上の固体背景を示す背景画素値階層として特定する。
【００７９】
そして、さきに取得した２秒露出で１ショットの全体画像の各画素の値を、
ＬＶ（Ｘ、Ｙ）：Ｘ、Ｙはエリアの座標
とした時、全Ｘ，Ｙについて、ＬＶ（Ｘ、Ｙ）−Ｂｋを演算する。この全データを紫外光照射で取得した撮像データとしてインタフェイスを介してデータ処理装置に送信する。
さらに、同様に緑光の照射撮像についても行い緑光で取得した撮像データとしてインタフェイスを介してデータ処理装置に送信する。
データ処理装置はこの２つのフレーム画像を用いてバクテリアのカウントをして、生菌を算出する。
【００８０】
撮像装置１は、画像データを送信するためのインタフェイス手段８０と、当該インタフェイス手段８０を介して外部のデータ処理装置と接続され、制御手段８１を構成する各手段による処理は、前記データ処理装置と協働して行われるように構成されている。従って、画素値階層区分手段、背景画素階層区分手段、背景値演算手段、計数手段のいずれも、光電変換素子を有する撮像装置側にあっても良いし、光電変換素子を有する撮像装置に対して制御を行うデータ処理装置側にあっても良い。
【００８１】
更に、それらはハードウエア、ソフトウエアどちらで実現されても良いし、そのソフトウエアは記録媒体で提供されても良いし、通信などによるダウンロード提供の形態でも可能である。あるいは、これらの画素値階層区分手段、背景画素階層区分手段、背景値演算手段、計数手段のいずれも独立したユニットとして存在して接続されても良いし、ＡＳＩＣやマスクＲＯＭのような形態として提供されても良いのである。
【００８２】
図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、照射光と撮像素子への露光（フィルタ特性を含む）の波長関係を示す。（ａ）は、試薬特性を示し、試薬に波長３５８ｎｍの入力１（紫外光）を照射すると４６１ｎｍにピークを有する露光１（ＤＡＰＩ生死菌含む）が得られ、波長５３６ｎｍの入力２で６１７ｎｍにピーク値を有する露光２（ＰＩ死菌）が得られることを示している。（ｂ）は、ＬＥＤの品種型番により発光特性の違いを示している。ＮＳＵ５９０は主波長３７０ｎｍの紫外光をＮＳＰＧ５００Ｓは主波長５２５ｎｍの緑光を発光する。（ｃ）は、フィルタにより各入力の照射光と露光とが干渉しないように干渉する部分の波長をカットするフィルタ分光特性を示している。入力１に対してＵ−３６０フィルタは４００ｎｍで透過率０にする。そして受光側に４２０ｎｍ以上を透過するＬ４２フィルタを挿入する。そうすると露光１の主波長が適正に得られる。
【００８３】
同じように入力２に対してもフィルタを使う。入力２（緑光）に対しては、４５０ｎｍから５５０ｎｍまでのみ透過するバンドパスフィルタＢＰ５３５（５３６ｎｍ）を使用する。入力２の光源ＮＳＰＧ５００Ｓは４５０ｎｍから６５０ｎｍまでを発光するが、上述のバンドパスフィルタによって、裾野はカットされている。受光側に０５８と称する５８０ｎｍ以上を透過するフィルタを挿入する。主波長が６１７ｎｍである露光２を取得できる。
【００８４】
これらの特性を利用して本発明は被写体の個体数をカウントすることを可能としたのである。
【００８５】
以下、図８乃至１４に基づいて、本発明における背景レベルと輝点を除いた画素データの取得について説明する。
【００８６】
図８は、理想的な被写体（バクテリア映像）レベルの露光時間に対するグラフである。しかしながら現実的には、図１２に示すように被写体周辺の背景レベルが露出するため、図１０の「菌＋背景」レベルの線の様に背景レベルが大きく利くことによる。
【００８７】
言い換えると、本システムは紫外線や緑光で照射されたバクテリアが励起エネルギを得て蛍光し、その励起光を取得しようとするシステムなので受光レベルが低いだけでなく背景と被写体とのコントラストが低いことである。
【００８８】
このような悪条件下で被写体を捕らええるためには、通常ＣＣＤの使用可能な露光時間を大きく越えて、例えば星座の撮影をするように一定時間開放露光しなければならない。ところが、ＣＣＤはその製造プロセス上の欠陥から使用可能時間を越えた時間帯で使用すると、画素中に「輝点」と呼ばれる異常値を呈する画素が存在する。この出現状態を示したのが図９であって所定時間ＴＬＭＴを越えた時間からこの輝点が出現する度数が上昇していく様子がグラフ化されている。
【００８９】
また、図８に現された蛍光開始時間Ｔｓであるが、バクテリアのような大きい分子に与えられた特定波長光がエネルギ蓄積する所定時間であってこのＴＳ後に蛍光発生する。従って、図８と図９から判るように輝度に於ける異常信号を発生することなく露出（ＣＣＤを）できる時間帯は、図９に示した使用可能範囲のＴＳ＜ｔ＜ＴＬＭＴある。
【００９０】
図１１は、ＴＳ＜ｔ＜ＴＬＭＴを満足する時間ごとに露光を１ｓｔフレーム、２ｎｄフレーム、３ｒｄフレームと繰り返している図でありそれぞれあるバクテリアの白レベルがＶ１、Ｖ２、Ｖ３に達している。
【００９１】
そして、ＣＣＤは各画素への入力光量と出力電圧のクリアリティが保証されている為に、線計演算が可能であってＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３を演算することにより連続露光した結果と同等であり、かつ、輝点の存在しない映像となる。このように生成された輝点のない映像を、あらかじめ実験的に求めておいた所定値を用いて２値化すると、バクテリア部分だけが白と認識できる。もし輝点を含んだまま２値化をすれば、その輝点をバクテリアの点を誤認識してしまうことになる。
【００９２】
従って、この輝点が発生しない範囲での露光時間で取得した映像を、所望のレベル程度になるまで複数回重ね合わせを行っての後に、２値化をすることはきわめて重要である。また、以上においては２値化をすることで、個体の検出を行うと述べているが、輪郭強調等のフィルタリングによって個体を浮き上がらせることも可能であって、この種々の方法の選定は、個体認識を行う為の検出処理アルゴリズムによって、最適な方法を検討することになる。
【００９３】
さて、励起された蛍光の明るさは小さい為その背景の反射光レベルに対して十分なコントラストを有してなく、実際には図１２で示す背景出力が重なり、さらに半導体特有のホワイトノイズ等が重畳している。このために、上述のような２値化を行う為のレベルが、背景値と目的地との間に設定されなければならないところ、デリケートになってしまう。
【００９４】
そこで、フレームに分けて取得したビデオレベルＶ１、Ｖ２、Ｖ３から黒レベルを排除することを行う。この時、図１３のように各フレームごとに黒レベルＢＦをＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３のように取得し、Ｖ１−ＢＦ１、Ｖ２−ＢＦ２、Ｖ３−ＢＦ３とすることで綺麗になりそうだが、実際には異なる。ホワイトノイズは、その発生周期がランダムであって相合わせをしてキャンセルすることは出来ない。そのため、上記引き算の結果は、むしろノイズ幅を増大させ（負＋負、正＋正の様に悪化させるケースがある）る。このため、ホワイトノイズのレベルＮＷの対処と、黒レベルＢＦの対処とはフェーズを分けて処理した方が好ましい。
【００９５】
例えば、図１２のようにＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３時間で露光する黒レベルＢｔｏｔａｌの値を用いてＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３−ＢｔｏｔａｌとすることでＮＷの重みを１／３に減らせられる。
【００９６】
又、黒レベルがリニアに上昇する性質を用いて目標時間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３時の前後を繰り返し露出（サンプリング）でＡ／Ｄ変換し、デジタル上で得た前後数たとえば１０ポイントの値を平均するとＢｔｏｔａｌのセンターの値に近似できる。
【００９７】
この方法は具体的には、例えばＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３が２秒で前後１０ポイントを１０ｍｓごとに使用するとすれば、１．９０、１．９１、１．９２、-----１．９９、２、２．０１、２．０２、----２．１の２１ポイントでＡ／Ｄ変換された値をメモリ上に保持し、これらの値、Ｖ１．９０、Ｖ１．９１、----Ｖ２．１に対して、
【数１】
とするのである。
【００９８】
或いは、
【数２】
とすることも可能である。
【００９９】
このようにして得たＮＷを除いたＢＦ*を開いて、
Ｖ１−ＢＦ*、Ｖ２−ＢＦ*、Ｖ３−ＢＦ*
とする。
【０１００】
さらに、このＢＦ*を得た時と同一の考え方の処理によって
【数３】
を得て、画像処理に供する最終出力値Ｖｏｕｔを、
【数４】
が得られる。尚、以上の説明では、同一画素を異なる時間での露出にて複数回サンプリングして、その複数回の画素値を利用して背景除去とノイズキャンセルを行っているが、背景点は近傍点で略同一であると見なせるから演算値取得対象の画素位置を厳密に同一にしないで近傍点を複数利用することでも良い。
【０１０１】
図１３において、ＢＦｉはｉ番目のフレームにおける黒レベルであり、露出にかかわらず常にホワイトノイズ±ＮＷが重畳している。
【０１０２】
図１２乃至１４において各フレームタイムＴ１、Ｔ２、Ｔ３（連続して露光スタートが出来るとして）は、各々蛍光開始時間ＴＳを含む（ＴＳ以上でなければならない、Ｔ１＞ＴＳ、Ｔ２＞ＴＳ、Ｔ３＞ＴＳ）。
【０１０３】
以上詳しく説明したように、本発明は、所定の露光時間で受光した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段との構成により、発光した微弱な励起光を光電変化手段で受けることで得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から、背景ノイズとホワイトノイズを除去して、安易な個体計数方法にも対処できうるようにした補正画像データを得ることを実現したのである。
【０１０４】
さらには、異なる複数の波長域で感応する異なる励起光から適正に個体数計数の処理をする為に、それぞれのモードでそれぞれの背景処理を行って計数し、その後にバクテリア（菌）の状態を特定した為に、誤った計数のない測定が可能になった。
【０１０５】
以上のような、撮像装置に構成したわけであるが、この装置の骨幹になるところの、背景値を演算する制御部分のみを抽出して構成した手段装置として構成しても良い。つまり、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、で構成されるものをユニット化して、撮像装置外に配設できるようにしたり、撮像装置にインタフェイス接続して、撮像装置からの画像を得手処理するコンピュータに搭載するソフトウエアやオプションボードとして機能させることも用意に可能であるとともに、本発明の範疇内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る被写体の個体数をカウントするための撮像装置の側面図がデータ処理装置に接続されている図を示す。
【図２】 図１の本撮像装置を上面から見た主に光源周辺を示す図である。
【図３】 ロッド光源の内部構造の断面図を示す。
【図４】 本撮像装置のステージへメンブレムキットを装着した（ａ）平面図と、（ｂ）断面図を示す。
【図５】 本撮像装置のステージへフィルムキットを装着した（ａ）平面図と、（ｂ）断面図を示す。
【図６】 本撮像装置の制御ブロック図を示す。
【図７】 照射光と撮像素子への露光（フィルタ特性を含む）の波長関係を示す。
【図８】 は理想的な被写体（バクテリア映像）レベルの露光時間に対するグラフである。
【図９】 「輝点」の出現状態を示した図である。
【図１０】 「菌＋背景」レベルの線をとフレームごとの背景レベルを示した図である。
【図１１】 画素フレームの使用可能範囲を示す図である。
【図１２】 背景出力が重なり、さらに半導体特有のホワイトノイズ等が重畳していることを示す図である。
【図１３】 ＢＦｉはｉ番目のフレームにおける黒レベルであり、露出にかかわらず常にホワイトノイズ±ＮＷが重畳していることを示す図である。
【図１４】 あるバクテリアのビデオレベルにホワイトノイズ±ＮＷが重畳していることを示す図である。
【図１５】 画像データ取得を行う手順を示すフローチャートである。
【図１６】 背景レベル除去を示すフローチャートである。
【図１７】 撮像手段へクロックを与えるの端子を示す図である。
【符号の説明】
１ 撮像装置
２ ステージ
３ レンズユニット
４ 光源ユニット
５ フロントカバー
６ ロッド光源
２０テーブル
２１ キットホルダー
４０ メンブレムキット
４１ フィルムキット
５０ 基板
５５ フィルターユニット
５５ａ Ｌ４２フィルタ
５５ｂ ０５８フィルタ
６４ 発光ダイオード
７３ａ Ｕ３８０フィルタ
７３ｂ ＢＰ５３５フィルタ
８０ インタフェイス
８１ 制御手段
８２ 露光制御手段
８３ 照射手段
８４ 光電変換手段
８５ Ａ／Ｄコンバータ
８６ フレームメモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の波長の光によって励起された個体が発する励起光により露光れた光電変換手段によって得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から、背景ノイズを除去すると共に、画像データ内に一律に含まれるホワイトノイズを除去した画像データを取得する技術に関し、特に、溶液中に分散する所定のサイズを有する個体の個数を計測するための個体数測定装置に関し、特定波長の光に反応する被写体内のバクテリアの数をカウントするための撮像装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
溶液中に分散する所定径以上のサイズを有する粒子数を測定するために被写体に光を照射しその反射光をＣＣＤやＭＯＳセンサ等の光電変換手段によって撮影し、これによって得られた画像データを処理することにより被写体内に存在する粒子数を測定する粒子数測定装置の例が、特開平７−４９３００号公報において開示されている。
【０００３】
この粒子数測定装置は、分散液中の所定径以上のシリコン粒子数を測定するものであって、シリコン粒子の分散液の一定量が滴下されたフィルタを搭載部に搭載し、発光部から発光された光をフィルタに照射し、ＣＣＤセンサで反射光を受光し、光電変換された画像信号に基づいて所定径以上の径を有するシリコン粒子数に対応した波形信号を発生させることによりシリコン粒子数をカウントするものである。
【０００４】
このような従来技術に係る粒子数測定装置は、第１の条件としてカウントする粒子が所定径以上のサイズを有する粒子（シリコン粒子）であること、第２の条件として粒子の光反射率が大きくて照射光に対して所定レベル以上の輝度を有するＳ／Ｎ比の高い反射光を発すること、そして、第３の条件として被写体内に溶液と測定対象の粒子以外はほとんど存在していないことを前提としている。
【０００５】
このため、食品等に含まれるバクテリアの数をカウントするために、上記のような粒子測定装置を利用することは、所定サイズ以上のバクテリアを対象とした場合であっても、バクテリアは、上記第２の条件及び第３の条件を満たさないために不可能であった。
【０００６】
従って、食品等に含まれるバクテリアの計数は、測定の対象物の所定量を顕微鏡等により拡大し、これを写真撮影して対象とするバクテリアをその特定形状から判断しながら、目視によりカウントすることにより行われていたのである。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
このような目視によるバクテリア数の測定は、通常極めて長い時間を必要とすると共に、専門家でなければできなかったのである。
【０００８】
一方、食品がある種の有害なバクテリアに汚染されているか否かの判断は、食品の製造者のみならず、商品販売者、食堂やレストラン等の飲食物提供者にとっても極めて重大な関心事であって、食品中のバクテリアの数の測定を短時間に且つ簡易に行われることを可能とする技術が長い間待望されていたのである。
【０００９】
本発明は、特定波長の照射光を照射した時に当該照射光の波長とは異なる波長の光を励起するバクテリアの特質に鑑みて、専門家でない一般人が、食品中のバクテリアの数の測定を短時間に行えることを可能にした個体数カウント用の撮像装置を提供するものである。
【００１０】
また、画像データに対してヒストグラムを適用する技術は広く知られているが、励起光採取の時にコントラストを適正にする為の背景除去に適用する例は、知られていなかった。
【００１１】
このため、本発明は、個体から発せられる励起光を受けてその個数を計数する為に、光電変化手段によって得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から背景ノイズとホワイトノイズを除去した補正画像データを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、制御手段と、から構成されている。
【００１３】
前記制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、を含む、ことを特徴とする個体数カウント用の撮像装置を提供するものである。
【００１４】
さらに、前記照射手段は、少なくとも第１の主波長で発光する第１発光部と第２の主波長で発光する第２発光部とを備えて、前記制御手段は、第１の発光部での照射により画像を取得する第１のモードと、第２の発光部での照射により画像を取得する第２のモードとを有するとともに、前記背景値演算手段は、第１のモードと第２のモードとで各々補正画像データを得ることを特徴とする、個体数カウント用の撮像装置とした。
【００１５】
さらに、前記制御手段は、前記複数の画素値階層の中から被写体の個体を示す個体画素値階層を特定する個体画素階層区分手段と、前記個体画素値階層の中から個体の値を示す少なくとも一つの個体位置を特定する個体位置特定手段と、前記個体位置の近傍の中であって且つ前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を前記背景の値としたことを特徴とする個体数カウント用の撮像装置とした。
【００１６】
これによって、本発明においては、測定対象の固体から発せられる微弱な励起光から背景ノイズと共に、ＣＣＤ等の光電変換手段が有するホワイトノイズを取り除いた補正画像データを得ることを可能にしたのである。
【００１７】
ここで、前記背景位置特定手段の第１の例としては、複数の背景位置を特定して、当該複数の背景位置の画素値の平均値を前記背景の値として補正画像データを得るものである。また、前記背景位置特定手段の第２の例としては、少なくとも一つの背景位置を特定して、当該一つの背景位置における複数の露光時間によって取得した画素値の平均値を前記背景の値として前記補正画像データを得るものである。
【００１８】
そして、前記制御手段は、前記補正画像データに基づいて前記ステージ上の被写体内にある前記背景画素値よりも大きい明度の光を発生する個体数をカウントする計数手段を有するのである。
【００１９】
本記撮像装置は、前記補正画像データを送信するためのインタフェイス手段を有し、このインタフェイス手段を介して外部のデータ処理装置（例えば、パソコン）と接続される。これによって、前記制御手段を構成する各手段による処理は、前記データ処理装置と協働して行われるように構成できるのである。
【００２０】
本発明においては、前記ステージ上の被写体は、複数の領域に分割され、前記制御手段が、各領域毎に前記画像データが得られるように構成されている。
【００２１】
また、本発明における前記画素値階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層への区分は、前記所定の露光時間で受光した前記画像データに含まれる画素値の最小値から最大値の画素値範囲を複数区分に等分することにより行われる。また、前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記複数区分に等分された最下位の画素値階層区分とするものである。
【００２２】
そして、前記画素階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層区分は、前記画像データを構成する個々の画素値に基づいて所定以上の度数を有する複数の画素値階層を選出することにより行われる、前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記選択された複数の画素値階層の内、最大度数の画素階層区分を検出することにより行われるのである。
【００２３】
また、本発明は、特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、制御手段と、から構成され、この制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、この背景値演算手段で補正された画像データに基づいて個体数の計数を行う計数手段を備えた。
【００２４】
さらに、本発明の制御手段として、ステージ上に菌、バクテリアなどの個体を含んだ被写体を搭載してこの特定の波長の光で照射して励起した個体からの光による映像をデジタル画像として取得する撮像装置を制御する個体カウント用撮像装置の制御手段であって、前記個体カウント用撮像装置の制御手段は、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、を備えた制御手段である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の撮像装置の詳細を説明する前に、その技術的背景を説明する。
（１）本撮像装置の技術的背景
本撮像装置において、個体数カウントの対象となる検体としては、直接粘着層で固着して計測する為のフィルムキットと、バクテリアを含む溶液を樹脂の受容体に含侵したエンブレムキットが準備される。このエンブレムキットを例にして説明すると、検体には特別に用意された薬液が施されて、特定の波長の光が照射されると検体自身が励起光を発光するようになる。撮影対象の受容体エリア中検査領域の検体に含まれるバクテリアから発光する光の照度は励起光であってきわめて低いので、ある時間連続露光を行って露出を高めないととらえられない。
【００２６】
ところが、受容体の樹脂色も完全な黒体ではないので、バクテリアの映像と共に光電変換手段の各画素のレベル（画素値）があがってしまう。これによって、最終的に取得された全体画像のうちの背景部とバクテリア部とのコントラストのＳ／Ｎが低くなる。実際に背景のレベルの方が遙かにバクテリアのレベルより高い。よって、その後の画像処理を高速で行う為に簡略な手法を取ると、背景のイズによって正確にバクテリアの認識が出来難くなり、誤動作（誤った計数カウント）を引き起こすことになる。更に、微弱信号の処理を伴うためにホワイトノイズ処理が重畳する。
【００２７】
そこで、背景補正を適正に行うことで、画像処理前のバクテリア映像を鮮明にしておくことを提案する。
【００２８】
（２）特定波長の励起光を発する菌・バクテリアの説明
背景（バックグラウンド）は、樹脂製の検体含有体、もしくはバクテリアを接着するための粘着層を有するフィルムである。どちらもバクテリアから励起光を効率よく（コントラストよく）取得するために、なるべく暗い色で着色されている。しかし、完全に黒色ではなく濃い灰色程度であって、光が照射されると反射光を生じる。
【００２９】
このバクテリア装置においては、照射した光の反射光で検査を行うのではなく、バクテリアに特殊な薬液を含有させて、この状態で、紫外光もしくは緑光を照射する。この紫外光あるいは緑光に応じて、薬液を含有したバクテリアから励起光が発生する。具体的に書くと、主波長が３７０ｎｍ（ＮＳＨＵ５９０）の紫外光を照射すると、バクテリアからは４６１ｎｍの主波長の励起光を発する。そして、主波長が５２５ｎｍ（ＮＳＰＧ５００Ｓ）の緑光を照射すると、６１７ｎｍの主波長の励起光を発生する。
【００３０】
励起光は照射光に対して微弱であるのに加えて、それぞれの波長が近いために、受光する光路中で照射光の波長がカットされねばならない。
【００３１】
そのため、紫外光に対しては、３６０ｎｍから急激に減衰して約４００ｎｍ点で透過率０％にする特性を有したカットフィルタ（Ｕ−３６０）を装着して照射することで、約４００ｎｍ点で透過率０％にする。これにより、光源のＮＳＰＧ５００Ｓが４００ｎｍ点発する少々のパワーをほとんどカットする。そして受光側にＬ４２と称する４２０ｎｍより長い波長を透過するフィルタを挿入する。これにより、主波長が４６１ｎｍである励起光が適正に取得できる。この励起光は、生菌と死菌と共に発生する。
【００３２】
同じように緑側もフィルタを使う。緑光に対しては、４５０ｎｍから５５０ｎｍまでのみ透過するバンドパスフィルタＢＰ５３５を緑光源（主波長５３６ｎｍ）に装着する。光源のＮＳＰＧ５００Ｓは主波長５２５ｎｍで４５０ｎｍから６５０ｎｍまでを発光するが、上述のバンドパスフィルタによって、裾野はカットされている。受光側にＯ５８と称する５８０ｎｍ以上を透過するフィルタを挿入する。主波長が６１７ｎｍである励起光を取得できる。この励起光は死菌のみ発生する。
【００３３】
以上のようにして励起光は取得できることになるが、それぞれ透過する波長域は当然残ることになる。照射光源はフィルタカットされているが、光源光量はきわめて大きく、特に緑光源は検体照射面において２０００ルクス程度もある。
【００３４】
このため、励起光のみを拾うことが出来ず、しかも励起光が弱いことから２秒程度の露光時間を必要とし、背景レベルとして最大２５５の分解の時に１２８程度も上昇してくる。これに励起光の出力の数１０がのるので、背景レベルを除去しておいた方が、後段の画像認識に好ましい。特に、装置を安価に構成する為に画像処理をある程度単純に構成するときには重要になる。
【００３５】
（３）画像データにおける背景レベルの検出
背景を検出するエリアとして２０ドット掛ける２０ドットと想定する。これは２０でなければいけないものではない。バクテリアは小さいもので１μｍ程度であって、光電変換手段の画素に換算すると１ドット程度のものであり、どんなに多くのバクテリアがあっても緻密ではないので、背景は存在するとしている。そこで、この性質を利用して、対象４００ドット領域の値をスキャンする。その結果、画素値としての最大値、最小値が得られる。最大値から最小値を引いて、画素値の分布する幅を検査する。
【００３６】
そして、最小値からたとえば値５ごとにバンド化して、それぞれのバンドに存在するドット数をカウントする。５であるのがよいかは、装置の検出ばらつきを見て決定すればよい。これはいわゆるヒストグラムを取っていることになる。バクテリアが存在すれば、度数のピークはバクテリアの値付近と、背景の値付近に集中する。バクテリアの励起光が入力されなければ、背景のみの値でピークは１つになる。そこで、このピークを判定して、もしピークが１つなら背景のみであるとする。２つなら低い方の値のピークを背景とすればよい。
【００３７】
本例での実施の形態は、後に詳細に述べるように紫外光に反応して死んだバクテリアと生きたバクテリアが励起する第１のモードと、死んだバクテリアのみが反応する第２のモードとがあって、その個体数計数値の差分から、生きているバクテリアの個体数を知る。この時に、第１のモードでのヒストグラム分布と、第２モードでのヒストグラム分布とでは、分布も度数も異なる。
【００３８】
後段の画処理で利用する形態が高速性とコスト抑制を狙っている為、２値化を採用していて、厳密な背景処理を必要としていない。但し、２値化である故に背景値の処理は必要になる。そこで１つのやり方としては、度数のピークをもつバンドの中での最小値を黒レベルとする。そして、２値化の時に使用する閾値に多少のオフセット値を加えればよい。
【００３９】
（４）画像データにおけるホワイトノイズの消去
ところが、このようにして取得した黒レベルには素子や回路から発生するホワイトノイズが重畳している。このホワイトノイズを消去すると更に好ましい。
【００４０】
積極的にホワイトノイズを検出することでも良いが、容易な方法として時系列的に平均化する方法を提案する。すなわち、黒レベルの成長具合を調べることで達成される。上述の背景レベル検出工程を経た後に、一端、ＣＣＤをリセットするが、その前に、先ほどの検出工程において、先ほどの度数のピークをもつバンドの中での最小値に相当する画素の座標を記憶しておかねばならない。
【００４１】
ＣＣＤをリセットしたら再度光源照射して出力監視を行う。上記記憶した座標の画素について調べる。ＣＣＤの露光時間が２秒であるから、この２秒の時点での背景値を使用してビデオ信号から背景除去を行わなければならない。
【００４２】
画素値は、ＣＣＤ後段のＡ／Ｄコンバータの速度に基づいて決定されるサンプリングスピードで取得される。たとえば、２０フレーム／秒のレートがとれるのであれば、ある画素の値を５０ｍｓ単位で、又は異なった露出時間で光電変換素子を制御して取得できる。２秒前後の１０サンプリングを行う。つまり、１．５秒から２．５秒に掛けて２１回のサンプリングを行う。
【００４３】
２１回で充分か否かはあるが、ホワイトノイズはランダムに重畳するし、そのレベルも長い観察では平均が一定している。そのため基本的にはこの２１回のサンプリング値の平均値を演算することにより、ホワイトノイズを除去した背景レベルを取得することが出来るのである。平均結果は、２秒が中心であるので、値としては２秒の時点での映像値として得られて、ホワイトノイズの薄まったものとなっている。
【００４４】
以下、本発明に係る個体数カウント用の撮像装置の実施の形態例を図面を参照しつつ説明する。
【００４５】
図１は、本発明に係る被写体の個体数をカウントするための撮像装置１全体の側面図を示す。撮像装置１はコマンドコントロールを画像からバクテリアなどの個体数を判定するデータ処理装置１００にインタフェイスケーブル１０１で接続されている。ステージ２は、上テーブル２０の上面とキットホルダー２１との間に形成されていて検体を付着させたメンブレムキット４０もしくはフィルムキット４１を装着する。キットホルダー２１は、ロックレバー２２で固定される。上テーブル２０はＸテーブル２５上に固定されており、Ｘテーブル２５はＹテーブル２６上に固定される。Ｘテーブル２５上の上テーブル２０は３カ所のバネ３５で３点支持されており、位置決め冶具を仮止めして、バネ付勢された上テーブル２０がこの冶具に当接し、水平度を出すようにされている。そして、この位置だしをしながらロック板３６でねじ固定される。その後冶具がカメラユニットに取り付け直される。
【００４６】
Ｘテーブル２５の下部には、Ｘ１シャフト２７とＸ２シャフト２８へそれぞれ摺動可能に嵌合するＸ１スリーブ３１とＸ２スリーブ３２と、Ｙテーブル２６の下部にはＹ１シャフト２９とＹ２シャフト３０へそれぞれ摺動可能に嵌合するＹ１スリーブ３３とＹ２スリーブ３４とが備えられている。それぞれ、Ｘ駆動部８、Ｙ駆動部７によりベルトで牽引され移動する。
【００４７】
電源スイッチ１０により装置へ電源が投入されて、先ずイニシャル動作に入る。イニシャル動作において、ステージ２を基準位置に移動する。この基準位置は、被写体を撮影する位置であって、レンズユニット３の真下に設定される。
【００４８】
ステージ２は、Ｘ１シャフト、Ｘ２シャフト、並びにＹ１シャフト、Ｙ２シャフトそれぞれのシャフト方向に沿って、Ｘ方向の基準位置に配置されたＸ−ＨＰセンサ１１と、Ｙ方向の基準位置に配置されたＹ−ＨＰセンサ１２とが、共にＯＮとなる位置に移動する。
【００４９】
イニシャル動作が完了すると、装置は待機状態に入る。フロントカバー５を開放すると、操作者によってカバーが開放されたことを示す信号がカバーセンサ（図示せず）から発せれる。この信号（カバー開放信号）に従って、ステージ２はフロントカバー５の開放位置であるフロントに移動する。フロントカバー５の開放は、コイルバネ５ａによってその開放状態が維持される。
【００５０】
ステージ２上に被写体（検体）が装着されてフロントカバー５が操作者によって閉じられると、カバーセンサの信号が所定のインタフェイスを介して接続されたデータ処理装置に送られ、準備が完了したことをディスプレイ上に表示する。操作者はデータ処理装置１００に指示して撮影を開始する。指示されたデータ処理装置は、撮影開始コマンドを撮像装置に送る。本撮像装置の制御部は、Ｙ駆動部を制御してステージ２を撮影用のホームポジションである撮影位置の初期位置に移動させる。尚、本例ではデータ処理装置１００がパソコンである。
【００５１】
本装置における被写体の撮影は、ステージ２の位置を少しずつ変更しながら繰り返し行われる。メンブレムキット４０を測定する場合とフィルムキット４１を計測する場合とで異なるが、被読取体の外形が数ミクロンメートルの極めて小サイズの場合、例えば、読取対象の全エリアが１２ｍｍ＊９ｍｍであり、１回の撮影で取得できるエリアが１．２ｍｍ＊０．９ｍｍの場合、１００回の撮影フレームが必要になる。読み取りプロセスは、Ｙ方向に１０回位置移動しながら撮影して、Ｘ方向に移動してこれを繰り返す。
【００５２】
一つのフレームの撮影が終わる毎に、その画像はデータ処理装置１００へ送信される。データ処理装置１００は、画像データの取得が完了したら、次のフレームの取得を撮像装置に要求し、これにより撮像装置は位置移動と再撮影を行う。このようにして、必要なフレームの撮影が繰り返される。必用な全フレームの撮影が完了した後に、ステージ２は上述したホームポジションに戻る。上記動作については、図１５にフローチャートとして示した。
【００５３】
図２は、本撮像装置１の上面から見た主に光源周辺を示す平面図である。ステージ２は光源ユニット４から照射されるが、この光源ユニット４は４本のロッド光源６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる。各ロッド光源６は端部に基板５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを備え、この基板上にロッド内方向に向いてそれぞれ発光ダイオード６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄが設置されている。光源６から異なる２つの波長領域の光を照射する必要がある場合、ロッド光源６ａとロッド光源６ｂとは同じ波長（主波長３７０ｎｍ）による発光、ロッド光源６ｃとロッド光源６ｄとは同じ波長（主波長５２５ｎｍ）による発光である。それぞれの発光分布においてじゃまになる裾野部分をカットするカットフィルタである、Ｕ３８０フィルタ７３ａがロッド光源６ａ、６ｂ内に、ＢＰ５３５フィルタ７３ｂがロッド光源６ｃ，６ｄ内に備えられていて発光分布をシャープにしている。さらに、第３の異なる波長の光の照射が必要な場合は、第３の対のロッド光源を増設すればよい。
【００５４】
図３に、ロッド光源６ａを例にして内部構造を描いている。発光ダイオードの色やフィルタの色、レンズなど３７０ｎｍ光源と、５２５ｎｍとで異なるが、基本構造は同じである。もちろんコストダウンの為には、共通構造共通部品で構成することも出来る。大きく分けると、光源６は、ロッド６０ａとこれより細い径のロッド６１ａとで構成されている。ロッド６０ａの１端の基板５５ａにダイオードスペーサ６３ａを介して発光ダイオード６４ａが基板に半田付けで固定されている。
【００５５】
発光ダイオード６４ａの発光方向前方にはリング７２で固定されたレンズ６５ａが備えられている。ロッド６０ａの他端には、ロッド６１ａが刺入されている。ロッド６１ａの１端には、リング７４ａとスペーサ６７ａとで固定されたレンズ６６ａと帯域カットフィルタ（Ｕ−３６０フィルタ）７３ａとが構成されている。そして、ロッド６１ａの他端には、リング７０ａとスペーサ７１ａとで固定されたレンズ６８ａとレンズ６９ａとがある。
【００５６】
ロッド６１ａは、フランジ５１へ取り付ける為の取り付け部６２ａを有する。そして、２つのロッド６０ａとロッド６１ａとの径の差異によって作られる段差５２ａがフランジ５１に契合する。
【００５７】
同じ波長のロッド光源６対は、ステージ２上でレンズユニット３に対して対称角度による斜め照射を行い、照射面をほぼ均一の明るさにしている。被写体の撮影するステージ２上の領域全般に渡って、しかも、２つの対がどちらも均一になるよう各ロッド光源６は、１つのフランジ５１に固定され、各ロッド外壁に形成された段差５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄがフランジ５１に契合して位置だしができるようになっている。これにより調整を容易にしている。
【００５８】
ステージ２は、光源ユニット４の光が送出される基板取り付けと反対の端の発光端の下方に位置する。発光端の上方には、レンズユニット３が備えられているが、このレンズユニット３と発光端との間には、ステージ２の面に平行に進退するフィルターユニット５５が位置する。フィルターユニット５５には、４２０ｎｍから下をカットするＬ４２フィルタ５５ａと、５８０ｎｍから下をカットする０５８フィルタ５５ｂが取り付けられている。
【００５９】
図４は、本撮像装置１のステージ２へメンブレムキット４０を装着した図を示す。メンブレムキット４０には、注射針（図示せず）が計測器４０ｂに連結して下方に延びている。検査したい食物をくだいて浸水させ、注射針はその溶液を吸い上げたり、直接食物中の液を吸い上げたりすることが出来る。吸い上げた液が計測部４０ｂに含侵し、計測部４０ｂは、吸い上げた液にバクテリアが存在すると判定する。
【００６０】
図５は、本撮像装置１のステージ２上にフィルムキット４１を装着した図を示す。フィルムキット４１は接着面を有し、保存時は保護フィルムが沈着しているが使用時にこれをはがして被検物から採取を行う。
【００６１】
メンブレムキット４０は、鍔部４０ａの上部に計測部４０ｂを有している為、この分鍔部４０ａより高い位置になる。一方フィルムキット４１はフィルム状の形態であって、メンブレムキット４０のような高さを有しない。一方、レンズユニット３は、拡大光学系であると共に、被写体の個体数計測に個体の輪郭形状が重要であるから、撮影の焦点深度がきわめて厳しく狭められる。しかも、バクテリアは小さいもので１μｍオーダであって１画素程度しかない。よって、撮影面の高さは、２のキット間で同一にされなければならない。
【００６２】
この高さ調整の為、フィルムキット４１を装着する場合には、中間プレート４２がフィルムの下支えを兼ねて使用される。つまり、ステージ２にはメンブレムキットを挿入する為の穴２０ａが存在するから、そのままフィルムキット４１を装填すると中央が下に沈んでしまって、所望の焦点位置が得られなくなるからである。
【００６３】
図６は、本装置の制御ブロック図を示す。操作者は、インタフェイス８０に接続されたデータ処理装置１００（パソコン）に指示して計測を開始する。指示されたデータ処理装置１００は、計測開始コマンドを撮像装置１に送る。インタフェイス８０を介して計測開始コマンドを受信した制御手段８１は計測指示データを露光制御手段８２に送信する。制御手段８１は、画素値階層区分手段と、背景位置特定手段と、背景値演算手段と、計数手段とを有している。
【００６４】
上記の計数手段は、この撮像装置内にある必要はなく、むしろデータ処理装置１００内にある方が都合がいいこともある。それは、個体数のカウントは背景の黒の中に存在する白の領域を特定する為に、輪郭抽出法などを採用したい場合には高速の実数演算を必要とする。この為に、昨今高速になっているパソコンを利用する方が好ましい。また、このアルゴリズムをバージョンアップなどする点でも、利便性が良い。この形態においては、加算された画像データはインタフェイス８０を介してデータ処理装置１００に送られて、データ処理装置１００内で画像データに基づいて被写体の個体数（例えば、バクテリアの数）を計数手段によりカウントする。このような動作の形態については、図１５に示した。
【００６５】
ところで、ここで画像データを光電変換して取得するための光電変換手段（ＣＣＤ）について簡単に説明する。
【００６６】
図１７に記載したように、パッケージ内にフォトセンサ（フォトダイオードなど）が２次元状に整列配置されている。この配列エリアは、透明な窓を有して光が入るようになっている。端子ＶＤＤとＧＮＤは基本電圧の印加を行う。ビデオ信号を取り出すＶＯＵＴ端子からの水平のビデオ信号転送に同期するクロックのＨφ１、Ｈφ２端子がある。そして、Ｖφ１、Ｖφ２、Ｖφ３、Ｖφ４は水平同期を垂直方向に繰り返す為の為の垂直同期クロックであって、４相で動作する。φＲＧ端子はリセットゲートであって、１画面の露光時間を制御する。φＳＵＢ端子は、露光による光電変換で内部蓄積された電荷が、転送クロックでの受け渡しで残留してしまう微量電荷をクリアする為のクロック用端子である。
【００６７】
このように、光電変換手段の各端子に与えるクロックを制御することで、露光時間や出力取り出しの制御が行われる。
【００６８】
露光制御手段は制御手段８１から受信した指示データに基づき各ロッド光源に対し制御した露光指示データを照射手段８３に送信する。露光データを受信した照射手段８３は、特定波長領域の光を所定の露光時間で、所定の回数の照射をステージ上の検体に対して行う。この時、制御手段８１は光電変換手段８４の転送クロック及び／又はリセットパルスを制御することによって露光時間を調整する。
【００６９】
照射光によって発光するステージ２上の検体からの励起光のデータは光電変換手段８４に送信される。光電変換手段８４は受信したビデオ信号を２進数の画像データに変換するためにＡ／Ｄコンバータ８５に送信し、Ａ／Ｄコンバータ８５はデジタル変換されたデータを計測データとしてフレームメモリ８６に送信する。
【００７０】
照射が終了するとフレームメモリ８６は蓄積したデータを制御手段８１に送信する。カウント手段（計数手段）は照射した特定波長領域の光とは異なる波長の励起光を発光する検体内の個体数をカウントする。
【００７１】
ここで、本発明における検体に含まれる固体（バクテリア）のカウント方法例について説明する。
【００７２】
図１６のフローチャートで示すように、概略は各画像データから背景の値を引くに当たって、その背景レベルを見つけることがポイントになっている。
【００７３】
制御手段は、検体全体の内の１部エリア（例えば２０ｄｏｔＸ２０ｄｏｔ）について所定の露光時間例えば２秒間で１ショット撮像する。
【００７４】
そして、背景画素階層区分手段は、受光した画像データを複数の画素階層に区分する。画素値レベル（８Ｂｉｔ：０〜２５５）を例えば０〜６３、６４〜１２７、１２８〜１９１、１９２〜２５５の４区分に区分する。
【００７５】
背景位置特定手段は、この内０〜６３の区分に入ってきた画素位置を記録する。例えば、座標（５、３）、（７、１０）、（１１、１２）・・・・・・。
記録は全部でも良いし、５点位でも良いが、ここでは３点としてこれらをＰ１、Ｐ２、Ｐ３の３点とする。これを背景３点の代表とする。
【００７６】
ここで、背景値演算手段はＣＣＤをリセットしてもう一度スタートする。前記では２秒後の値を固定してメモリに記録したが、今度は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３点だけに着目して連続してＡ／Ｄ変換を繰り返して記録する。例えば１００ｍｓ単位で行う。
【００７７】
次に２．０秒のレベルが欲しいので、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２の５つの各秒でのレベルの和ｅ（１．８）＋ｅ（１．９）＋ｅ（２．０）＋ｅ（２．１）＋ｅ（２．２）を５で割るとレベルは２．０秒の値でホワイトノイズをキャンセルした値になる。
【００７８】
さらに、またＰ１、Ｐ２、Ｐ３の３点で上記の５点行ったと同様な処理を行い３点の平均値を算出する。この値を、Ｂｋとする。
これを、被写体上の固体背景を示す背景画素値階層として特定する。
【００７９】
そして、さきに取得した２秒露出で１ショットの全体画像の各画素の値を、
ＬＶ（Ｘ、Ｙ）：Ｘ、Ｙはエリアの座標
とした時、全Ｘ，Ｙについて、ＬＶ（Ｘ、Ｙ）−Ｂｋを演算する。この全データを紫外光照射で取得した撮像データとしてインタフェイスを介してデータ処理装置に送信する。
さらに、同様に緑光の照射撮像についても行い緑光で取得した撮像データとしてインタフェイスを介してデータ処理装置に送信する。
データ処理装置はこの２つのフレーム画像を用いてバクテリアのカウントをして、生菌を算出する。
【００８０】
撮像装置１は、画像データを送信するためのインタフェイス手段８０と、当該インタフェイス手段８０を介して外部のデータ処理装置と接続され、制御手段８１を構成する各手段による処理は、前記データ処理装置と協働して行われるように構成されている。従って、画素値階層区分手段、背景画素階層区分手段、背景値演算手段、計数手段のいずれも、光電変換素子を有する撮像装置側にあっても良いし、光電変換素子を有する撮像装置に対して制御を行うデータ処理装置側にあっても良い。
【００８１】
更に、それらはハードウエア、ソフトウエアどちらで実現されても良いし、そのソフトウエアは記録媒体で提供されても良いし、通信などによるダウンロード提供の形態でも可能である。あるいは、これらの画素値階層区分手段、背景画素階層区分手段、背景値演算手段、計数手段のいずれも独立したユニットとして存在して接続されても良いし、ＡＳＩＣやマスクＲＯＭのような形態として提供されても良いのである。
【００８２】
図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、照射光と撮像素子への露光（フィルタ特性を含む）の波長関係を示す。（ａ）は、試薬特性を示し、試薬に波長３５８ｎｍの入力１（紫外光）を照射すると４６１ｎｍにピークを有する露光１（ＤＡＰＩ生死菌含む）が得られ、波長５３６ｎｍの入力２で６１７ｎｍにピーク値を有する露光２（ＰＩ死菌）が得られることを示している。（ｂ）は、ＬＥＤの品種型番により発光特性の違いを示している。ＮＳＵ５９０は主波長３７０ｎｍの紫外光をＮＳＰＧ５００Ｓは主波長５２５ｎｍの緑光を発光する。（ｃ）は、フィルタにより各入力の照射光と露光とが干渉しないように干渉する部分の波長をカットするフィルタ分光特性を示している。入力１に対してＵ−３６０フィルタは４００ｎｍで透過率０にする。そして受光側に４２０ｎｍ以上を透過するＬ４２フィルタを挿入する。そうすると露光１の主波長が適正に得られる。
【００８３】
同じように入力２に対してもフィルタを使う。入力２（緑光）に対しては、４５０ｎｍから５５０ｎｍまでのみ透過するバンドパスフィルタＢＰ５３５（５３６ｎｍ）を使用する。入力２の光源ＮＳＰＧ５００Ｓは４５０ｎｍから６５０ｎｍまでを発光するが、上述のバンドパスフィルタによって、裾野はカットされている。受光側に０５８と称する５８０ｎｍ以上を透過するフィルタを挿入する。主波長が６１７ｎｍである露光２を取得できる。
【００８４】
これらの特性を利用して本発明は被写体の個体数をカウントすることを可能としたのである。
【００８５】
以下、図８乃至１４に基づいて、本発明における背景レベルと輝点を除いた画素データの取得について説明する。
【００８６】
図８は、理想的な被写体（バクテリア映像）レベルの露光時間に対するグラフである。しかしながら現実的には、図１２に示すように被写体周辺の背景レベルが露出するため、図１０の「菌＋背景」レベルの線の様に背景レベルが大きく利くことによる。
【００８７】
言い換えると、本システムは紫外線や緑光で照射されたバクテリアが励起エネルギを得て蛍光し、その励起光を取得しようとするシステムなので受光レベルが低いだけでなく背景と被写体とのコントラストが低いことである。
【００８８】
このような悪条件下で被写体を捕らええるためには、通常ＣＣＤの使用可能な露光時間を大きく越えて、例えば星座の撮影をするように一定時間開放露光しなければならない。ところが、ＣＣＤはその製造プロセス上の欠陥から使用可能時間を越えた時間帯で使用すると、画素中に「輝点」と呼ばれる異常値を呈する画素が存在する。この出現状態を示したのが図９であって所定時間ＴＬＭＴを越えた時間からこの輝点が出現する度数が上昇していく様子がグラフ化されている。
【００８９】
また、図８に現された蛍光開始時間Ｔｓであるが、バクテリアのような大きい分子に与えられた特定波長光がエネルギ蓄積する所定時間であってこのＴＳ後に蛍光発生する。従って、図８と図９から判るように輝度に於ける異常信号を発生することなく露出（ＣＣＤを）できる時間帯は、図９に示した使用可能範囲のＴＳ＜ｔ＜ＴＬＭＴある。
【００９０】
図１１は、ＴＳ＜ｔ＜ＴＬＭＴを満足する時間ごとに露光を１ｓｔフレーム、２ｎｄフレーム、３ｒｄフレームと繰り返している図でありそれぞれあるバクテリアの白レベルがＶ１、Ｖ２、Ｖ３に達している。
【００９１】
そして、ＣＣＤは各画素への入力光量と出力電圧のクリアリティが保証されている為に、線計演算が可能であってＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３を演算することにより連続露光した結果と同等であり、かつ、輝点の存在しない映像となる。このように生成された輝点のない映像を、あらかじめ実験的に求めておいた所定値を用いて２値化すると、バクテリア部分だけが白と認識できる。もし輝点を含んだまま２値化をすれば、その輝点をバクテリアの点を誤認識してしまうことになる。
【００９２】
従って、この輝点が発生しない範囲での露光時間で取得した映像を、所望のレベル程度になるまで複数回重ね合わせを行っての後に、２値化をすることはきわめて重要である。また、以上においては２値化をすることで、個体の検出を行うと述べているが、輪郭強調等のフィルタリングによって個体を浮き上がらせることも可能であって、この種々の方法の選定は、個体認識を行う為の検出処理アルゴリズムによって、最適な方法を検討することになる。
【００９３】
さて、励起された蛍光の明るさは小さい為その背景の反射光レベルに対して十分なコントラストを有してなく、実際には図１２で示す背景出力が重なり、さらに半導体特有のホワイトノイズ等が重畳している。このために、上述のような２値化を行う為のレベルが、背景値と目的地との間に設定されなければならないところ、デリケートになってしまう。
【００９４】
そこで、フレームに分けて取得したビデオレベルＶ１、Ｖ２、Ｖ３から黒レベルを排除することを行う。この時、図１３のように各フレームごとに黒レベルＢＦをＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３のように取得し、Ｖ１−ＢＦ１、Ｖ２−ＢＦ２、Ｖ３−ＢＦ３とすることで綺麗になりそうだが、実際には異なる。ホワイトノイズは、その発生周期がランダムであって相合わせをしてキャンセルすることは出来ない。そのため、上記引き算の結果は、むしろノイズ幅を増大させ（負＋負、正＋正の様に悪化させるケースがある）る。このため、ホワイトノイズのレベルＮＷの対処と、黒レベルＢＦの対処とはフェーズを分けて処理した方が好ましい。
【００９５】
例えば、図１２のようにＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３時間で露光する黒レベルＢｔｏｔａｌの値を用いてＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３−ＢｔｏｔａｌとすることでＮＷの重みを１／３に減らせられる。
【００９６】
又、黒レベルがリニアに上昇する性質を用いて目標時間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３時の前後を繰り返し露出（サンプリング）でＡ／Ｄ変換し、デジタル上で得た前後数たとえば１０ポイントの値を平均するとＢｔｏｔａｌのセンターの値に近似できる。
【００９７】
この方法は具体的には、例えばＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３が２秒で前後１０ポイントを１０ｍｓごとに使用するとすれば、１．９０、１．９１、１．９２、-----１．９９、２、２．０１、２．０２、----２．１の２１ポイントでＡ／Ｄ変換された値をメモリ上に保持し、これらの値、Ｖ１．９０、Ｖ１．９１、----Ｖ２．１に対して、
【数１】
【００９８】
或いは、
【数２】
【００９９】
このようにして得たＮＷを除いたＢＦ*を開いて、
Ｖ１−ＢＦ*、Ｖ２−ＢＦ*、Ｖ３−ＢＦ*
とする。
【０１００】
さらに、このＢＦ*を得た時と同一の考え方の処理によって
【数３】
【数４】
【０１０１】
図１３において、ＢＦｉはｉ番目のフレームにおける黒レベルであり、露出にかかわらず常にホワイトノイズ±ＮＷが重畳している。
【０１０２】
図１２乃至１４において各フレームタイムＴ１、Ｔ２、Ｔ３（連続して露光スタートが出来るとして）は、各々蛍光開始時間ＴＳを含む（ＴＳ以上でなければならない、Ｔ１＞ＴＳ、Ｔ２＞ＴＳ、Ｔ３＞ＴＳ）。
【０１０３】
以上詳しく説明したように、本発明は、所定の露光時間で受光した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段との構成により、発光した微弱な励起光を光電変化手段で受けることで得られたＳ／Ｎ比が低い画像データの中から、背景ノイズとホワイトノイズを除去して、安易な個体計数方法にも対処できうるようにした補正画像データを得ることを実現したのである。
【０１０４】
さらには、異なる複数の波長域で感応する異なる励起光から適正に個体数計数の処理をする為に、それぞれのモードでそれぞれの背景処理を行って計数し、その後にバクテリア（菌）の状態を特定した為に、誤った計数のない測定が可能になった。
【０１０５】
以上のような、撮像装置に構成したわけであるが、この装置の骨幹になるところの、背景値を演算する制御部分のみを抽出して構成した手段装置として構成しても良い。つまり、所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、で構成されるものをユニット化して、撮像装置外に配設できるようにしたり、撮像装置にインタフェイス接続して、撮像装置からの画像を得手処理するコンピュータに搭載するソフトウエアやオプションボードとして機能させることも用意に可能であるとともに、本発明の範疇内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る被写体の個体数をカウントするための撮像装置の側面図がデータ処理装置に接続されている図を示す。
【図２】 図１の本撮像装置を上面から見た主に光源周辺を示す図である。
【図３】 ロッド光源の内部構造の断面図を示す。
【図４】 本撮像装置のステージへメンブレムキットを装着した（ａ）平面図と、（ｂ）断面図を示す。
【図５】 本撮像装置のステージへフィルムキットを装着した（ａ）平面図と、（ｂ）断面図を示す。
【図６】 本撮像装置の制御ブロック図を示す。
【図７】 照射光と撮像素子への露光（フィルタ特性を含む）の波長関係を示す。
【図８】 は理想的な被写体（バクテリア映像）レベルの露光時間に対するグラフである。
【図９】 「輝点」の出現状態を示した図である。
【図１０】 「菌＋背景」レベルの線をとフレームごとの背景レベルを示した図である。
【図１１】 画素フレームの使用可能範囲を示す図である。
【図１２】 背景出力が重なり、さらに半導体特有のホワイトノイズ等が重畳していることを示す図である。
【図１３】 ＢＦｉはｉ番目のフレームにおける黒レベルであり、露出にかかわらず常にホワイトノイズ±ＮＷが重畳していることを示す図である。
【図１４】 あるバクテリアのビデオレベルにホワイトノイズ±ＮＷが重畳していることを示す図である。
【図１５】 画像データ取得を行う手順を示すフローチャートである。
【図１６】 背景レベル除去を示すフローチャートである。
【図１７】 撮像手段へクロックを与えるの端子を示す図である。
【符号の説明】
１ 撮像装置
２ ステージ
３ レンズユニット
４ 光源ユニット
５ フロントカバー
６ ロッド光源
２０テーブル
２１ キットホルダー
４０ メンブレムキット
４１ フィルムキット
５０ 基板
５５ フィルターユニット
５５ａ Ｌ４２フィルタ
５５ｂ ０５８フィルタ
６４ 発光ダイオード
７３ａ Ｕ３８０フィルタ
７３ｂ ＢＰ５３５フィルタ
８０ インタフェイス
８１ 制御手段
８２ 露光制御手段
８３ 照射手段
８４ 光電変換手段
８５ Ａ／Ｄコンバータ
８６ フレームメモリ
Claims (16)
- 特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、
前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、
前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、
前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、
前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、
制御手段と、から構成され、
前記制御手段は、
所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、
当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、
前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、
前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、を含む、
ことを特徴とする個体数カウント用の撮像装置。 - 前記照射手段は、少なくとも第１の主波長で発光する第１発光部と、第２の主波長で発光する第２発光部とを備えて、
前記制御手段は、第１の発光部での照射により画像を取得する第１のモードと、
第２の発光部での照射により画像を取得する第２のモードとを有するとともに、
前記背景値演算手段は、第１のモードと第２のモードとで各々補正画像データを得ることを特徴とする、請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。 - 前記制御手段は、
前記複数の画素値階層の中から被写体の個体を示す個体画素値階層を特定する個体画素階層区分手段と、
前記個体画素値階層の中から個体の値を示す少なくとも一つの個体位置を特定する個体位置特定手段と、
前記個体位置の近傍の中であって且つ前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を前記背景の値としたことを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。 - 前記背景位置特定手段は、複数の背景位置を特定して、当該複数の背景位置の画素値の平均値を前記背景の値として補正画像データを得ることを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記背景位置特定手段は、少なくとも一つの背景位置を特定して、当該一つの背景位置における複数の露光時間によって取得した画素値の平均値を前記背景の値として前記補正画像データを得ることを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記制御手段は、前記補正画像データに基づいて前記ステージ上の被写体内にある前記背景画素値よりも大きい明度の光を発生する個体数をカウントする計数手段を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記撮像装置は、前記補正画像データを送信するためのインタフェイス手段を有することを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記ステージ上の被写体は、複数の領域に分割され、前記制御手段が、各領域毎に前記画像データが得られるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記画素値階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層への区分は、前記所定の露光時間で受光した前記画像データに含まれる画素値の最小値から最大値の画素値範囲を複数区分に等分することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記複数区分に等分された最下位の画素値階層区分とする請求項８に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記画素階層区分手段による前記画像データの複数の画素値階層区分は、前記画像データを構成する個々の画素値に基づいて所定以上の度数を有する複数の画素値階層を選出することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記画素階層区分手段による前記背景画素値階層の特定は、前記選択された複数の画素値階層の内、最大度数の画素階層区分を検出することにより行われる請求項１０に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 前記撮像装置は、前記インタフェイス手段を介して外部のデータ処理装置と接続され、前記制御手段を構成する各手段による処理は、前記データ処理装置と協働して行われるように構成された請求項６に記載の個体数カウント用の撮像装置。
- 特定の波長によって励起光を発する個体を含んだ被写体を搭載するためのステージと、
前記ステージに搭載された被写体を特定波長領域の光で照射するための照射手段と、
前記被写体からの光を受光して電気信号に変換するための光電変換手段と、
前記光学変換装置の露光時間を制御するための露光制御手段と、
前記光電変換手段からのビデオ信号をデジタルの画像データに変換するためのＡ／Ｄコンバータと、
制御手段と、から構成され、
この制御手段は、
所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、
当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、
前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、
前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、
この背景値演算手段で補正された画像データに基づいて個体数の計数を行う計数手段を備えたことを特徴とする、個体数カウント用の撮像装置。 - 前記個体カウント用の撮像装置は、
前記画像データを送信するためのインタフェイス手段を有し、
当該インタフェイス手段を介して外部のデータ処理装置と接続されて前記制御手段を構成する各手段による処理が前記データ処理装置と協働して行われるように構成された請求項１４に記載の個体数カウント用の撮像装置。 - ステージ上に菌、バクテリアなどの個体を含んだ被写体を搭載してこの特定の波長の光で照射して励起した個体からの光による映像をデジタル画像として取得する撮像装置を制御する個体カウント用撮像装置の制御手段であって、
前記個体カウント用撮像装置の制御手段は、
所定の露光時間で受光してメモリへ記憶した前記画像データを複数の画素値階層に区分する画素値階層区分手段と、
当該複数の画素値階層の中から前記被写体上の個体背景を示す背景画素値階層を特定する背景画素階層区分手段と、
前記背景画素値階層の中から背景の値を示す背景位置を特定する背景位置特定手段と、
前記背景位置の画素値に基づいて決めた値を各画素の値から減算した補正画像データを得るための背景値演算手段と、
を備えたことを特徴とする個体数カウント用撮像装置用の制御手段。
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