JP2005241321A - レーザ走査装置、レーザ走査型顕微鏡および走査プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】走査機構をらせん状に駆動する際の角速度を変化させ、らせんの内側乃至外側における単位面積あたりのレーザ照射量を一定に保ち、すなわち、線速度一定で上記走査機構をらせん状に駆動するレーザ走査装置、該レーザ走査装置を用いたレーザ走査型顕微鏡および走査プログラムを提供すること。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザ光源と、上記レーザ光を標本上で二次元走査するための走査機構と、上記走査機構を駆動する走査機構駆動手段とを備えたことを特徴とするレーザ走査装置であって、上記走査機構駆動手段が、標本面上において上記レーザ光が線速度略一定でらせん状に走査するように、上記駆動手段を駆動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光により標本面上を走査するレーザ走査装置、該レーザ走査装置を用い、標本面からの透過光、反射光、もしくは蛍光を光電変換手段により電気信号に変換して画像データを形成するレーザ走査型顕微鏡、および走査プログラムに関し、特に、レーザ光をらせん上に走査するレーザ走査装置、レーザ走査型顕微鏡および走査プログラムに関するものである。

従来、レーザ走査型共焦点顕微鏡は、レーザ光をガルバノメータスキャナ等の走査機構を用いて水平方向、及び垂直方向に偏向させ、標本上を２次元走査し、標本からの反射光もしくは蛍光を、対物レンズを含む光学系を通して光検出器により検出しＡ／Ｄ変換した後、ＣＲＴ等により標本画像を表示している。

このようなレーザ走査型共焦点顕微鏡において、上記標本面上の視野全体、もしくは指定領域の走査を行う場合、ＡＯＴＦ（Ａｃｏｕｓｔ−Ｏｐｔｉｃ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）等の音響光学素子を用いることで、視野、もしくは指定領域以外の部分へのレーザ照射を抑えられることが知られている。

しかし、ＡＯＴＦ等の音響光学素子は高価であるため、コストが増大してしまう問題がある。この問題を回避するため、上記走査機構をらせん状に駆動させることにより、ＡＯＴＦ等の音響工学素子を用いなくとも、視野全体、もしくは指定領域以外へのレーザ照射を抑える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−９８２３８号公報

しかしながら、上記特許文献１のような技術で上記走査機構をらせん状に駆動させた場合、上記走査機構をらせん駆動する際の角速度が一定となっているため、らせんの内側へ走査していくにつれ単位面積あたりのレーザ照射量が増大してしまうという問題点があった。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、上記走査機構をらせん状に駆動する際の角速度を変化させ、らせんの内側乃至外側における単位面積あたりのレーザ照射量を一定に保ち、すなわち、線速度一定で上記走査機構をらせん状に駆動するレーザ走査装置、該レーザ走査装置を用いたレーザ走査型顕微鏡および走査プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明のレーザ走査装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、上記レーザ光を標本上で二次元走査するための走査機構と、上記走査機構を駆動する走査機構駆動手段とを備えたことを特徴とするレーザ走査装置であって、上記走査機構駆動手段が、標本面上において上記レーザ光が線速度略一定でらせん状に走査するように、上記駆動手段を駆動することを特徴とする。

また、本発明のレーザ走査装置は、レーザ光が二次元走査される際の走査軌跡の周辺部から中心部に走査するように、上記走査機構駆動手段が上記駆動手段を駆動することが望ましい。
また、本発明のレーザ走査装置は、レーザ光が二次元走査される際の走査軌跡の中心部から周辺部に走査するように、上記走査機構駆動手段が上記駆動手段を駆動することが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明のレーザ走査型顕微鏡は、上述のレーザ走査装置と、上記二次元走査された標本からの蛍光、反射光、または透過光を電気信号に変換する光電変換手段と、上記光電変換手段によって電気信号に基づいて、上記標本の画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の一態様によれば、本発明の走査プログラムは、レーザ光を標本上で二次元走査する走査機構を駆動制御するコンピュータに対して、上記走査機構の駆動を開始させる手順と、標本面上において上記レーザ光が線速度略一定でらせん状に走査するように、上記走査機構を駆動する手順と、上記走査機構の駆動を終了させる手順とを実行させるための走査プログラムである。

これらにより、ＡＯＴＦ等の音響光学素子を用いなくとも、標本面上の指定領域へ正確にレーザ照射を行うことができ、かつ、らせんの内側乃至外側で単位面積あたりのレーザ照射量をー定に保つことができる。

本発明によれば、線速度一定で標本面上をらせん状に走査機構を走査させることで、ＡＯＴＦ等の音響光学素子を用いなくとも、標本面上の指定領域へ正確にレーザ照射を行うことができ、かつ、らせんの内側乃至外側で単位面積あたりのレーザ照射量をー定に保つことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
図１は、本発明を適用したレーザ走査型顕微鏡の構成例を示す図である。
光源１から照射されたレーザ光は、走査機構２を構成するＸガルバノミラー２１およびＹガルバノミラー２２により、それぞれ水平方向および垂直方向へ偏向され、対物レンズ５を通り、ステージ６上の標本面を走査する。すると、標本面からの透過光、反射光、あるいは蛍光は、再び対物レンズ５、走査機構２を通り、光電変換手段３に入る。

そして、光電変換手段３により光信号が電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器４によってデジタルデータに変換される。
Ａ／Ｄ変換器４は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）７に接続されており、ＰＣ７が有するＣＰＵ７１は、上記Ａ／Ｄ変換器４によってデジタル化された標本画像のデータを、ＰＣ７と接続された図示しないＣＲＴなどの表示装置に表示させる。

ＰＣ７は、ＣＰＵ７１の他に記憶媒体７２を具備し、上記記憶媒体７２には制御プログラム７２１が格納されている。
上記制御プログラム７２１は、上記Ｘガルバノミラー２１を駆動するための駆動波形を生成する処理を実行する。このＸガルバノミラー２１を駆動するための駆動波形は、２つの正弦波（ｓｉｎ波）ｓｉｎω１ｔおよびｓｉｎω２ｔの合成であり、ｓｉｎω２ｔの振幅をＡとすると、ある時刻ｔにおけるＸガルバノミラー２１の位置は、下記に示す式（１）のように表現することができる。
Ｘ＝Ａｓｉｎω２ｔ・ｓｉｎω１ｔ ・・・式（１）
また、同様にして上記制御プログラム７２１は、上記Ｙガルバノミラー２２を駆動するための駆動波形を生成する処理を実行する。このＹガルバノミラー２２を駆動する駆動波形は、Ｘガルバノミラー２１の駆動波形をπ／２だけ進ませた波形となり、ある時刻ｔにおけるＹガルバノミラー２２の位置は、下記に示す式（２）のように表現することができる。
Ｙ＝Ａｓｉｎω２ｔ・ｃｏｓω１ｔ ・・・式（２）
図２は、式（１）および式（２）により算出したＸガルバノミラー、Ｙガルバノミラーの駆動波形を示す図である。

上記式（１）および式（２）における振幅Ａは、標本面上のらせん状走査範囲の半径に等しく、また、ω１は値が大きいほど走査が速くなるので走査速度を示す。ω２は１フレームを走査する周期を決定する要素で、例えばω１が同じ値でω２を小さくすると、周期は長くなり、その中にｓｉｎω１ｔの振幅が多く含まれることになるので、走査線が多くなることを意味している。つまり、ω２は走査の解像度を示している。

しかしながら、上記式（１）および式（２）の計算式により算出した座標を基に上記Ｘガルバノミラー２１、上記Ｙガルバノミラー２２を駆動すると、角速度ω１がー定であるため、らせんの中心に近づけば近づくほど標本面上の走査速度が遅くなり、単位面積あたりのレーザ照射量が増大してしまう。

そこで、Ｘガルバノミラー２１の駆動波形に関して、走査開始点におけるミラーの位置ａ、走査開始点からある時刻ｔ後におけるミラーの位置ｂ、そのときの角度ω１ｔを考える。
図３は、らせん状に走査される走査軌跡を説明するための図である。

図３において、点線で示される円は上記走査機構２を同心円状に走査させた際のミラーの軌跡を示す。これに対し、弧ａｂは上記走査機構２をらせん状に走査させた際のミラーの軌跡を示す。
ヘロンの公式より、原点０、点ａ、点ｂで囲まれた三角形０ａｂの面積Ｓは下記の式（４）のように示すことができる。
ｓ＝（ｋ＋Ａ＋Ａｓｉｎω２ｔ）／２ ・・・式（３）
Ｓ＝（ｓ（ｓ−ｋ）（ｓ−Ａ）（ｓ−Ａｓｉｎω２ｔ））^1/2 ・・・式（４）
ここで、ｋは弧ａｂの弦である。線速度一定の場合、時間間隔ｔが一定であれば、弦ａｂに続く弧ｂｃ、弧ｃｄ（図示しない）における弦ｋ´，ｋ″（図示しない）は同じ長さとなるため、定数とみなすことができる。

また、三角形０ａｂの面積Ｓは以下の式（５）でも表すことができる。
Ｓ＝（Ａ・Ａｓｉｎω２ｔ・ｓｉｎω１ｔ）／２ ・・・式（５）
上記式（３）、式（４）および式（５）より角速度ω１は以下の式（６）で表現することができる。
ω１＝（１／ｔ）ｓｉｎ^-1（２Ｓ／（Ａ・Ａｓｉｎω２ｔ）） ・・・式（６）
すなわち、上記式（６）により、角速度ω１は時刻ｔの関数で表すことができ、これを式（１）および式（２）にそれぞれ代入することにより、各軸のミラー駆動波形は図４に示すようになる。

これによれば、らせん状の駆動信号の振幅が大きくなるほど、つまり、らせんの外側へ近づくほどその周期が長く、角速度ω１が小さくなり、線速度を一定に保つことができる。
次に、上記駆動波形生成処理についてフローチャートを用いて説明する。

図５は、本発明を適用した走査機構を駆動するための処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、走査開始からの経過時刻ｔを０とする。そして、ステップＳ２において、走査範囲の半径を変化させる角速度であるω２を取得する。

次に、ステップＳ３において、上述した式（１）、式（２）および式（６）を用い、上記Ｘガルバノミラー２１、上記Ｙガルバノミラー２２の位置座標を駆動データとして算出する。
そして、ステップＳ４において、ω２ｔ＝πとなったかどうかを判断する。

ステップＳ４でω２ｔ＝πと判断された場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）は、指定領域の中心から外側へらせん状に走査し、その半径が指定領域の半径に達したところで再び中心へ戻ってゆく、もしくはその逆の動作を行うに十分な駆動波形データが生成されたことになり、処理を終了する。

他方、ステップＳ４でω２ｔ＝πと判断されなかった場合（ステップＳ４：Ｎｏ）は、ステップＳ５において、時刻ｔをインクリメントし、再びステップＳ３へ戻る。
このような制御プログラム７２１の処理により生成されたＸ軸およびＹ軸の駆動波形は、上記ＰＣ７のＣＰＵ７１により上記走査機構２を構成するＸガルバノミラー２１およびＹガルバノミラー２２へそれぞれ送出されミラーを駆動する。

以上に説明したように、線速度一定で標本面上をらせん状に上記走査機構２を走査させることで、ＡＯＴＦ等の音響光学素子を用いなくとも、標本面上の指定領域へ正確にレーザ照射を行うことができ、かつ、らせんの内側乃至外側で単位面積あたりのレーザ照射量をー定に保つことができる。

以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明が適用されるレーザ走査装置、レーザ走査型顕微鏡および走査プログラムは、その機能が実行されるのであれば、上述の実施の形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。

例えば、線速度を一定にして走査機構をらせん状に駆動するための計算式として、以下のようにしても良い。
すなわち、ある時刻ｔにおけるＸガルバノミラー２１の位置Ｘ、およびＹガルバノミラーの位置Ｙは、上記式（１）、（２）で示した通りである。また、時刻ｔから微小時間Δｔ後（時刻ｔ＋Δｔ）のＸガルバノミラー２１の位置Ｘ´、およびＹガルバノミラーの位置Ｙ´は、下記の式（７）、（８）に示す通りである。
Ｘ´＝Ａｓｉｎω２（ｔ＋Δｔ）・ｓｉｎω１（ｔ＋Δｔ） ・・・式（７）
Ｙ´＝Ａｓｉｎω２（ｔ＋Δｔ）・ｃｏｓω１（ｔ＋Δｔ） ・・・式（８）
上記式（１）、（２）、（７）、および（８）より、ある時刻ｔからΔｔ後の弦ａｂ（図３参照）の長さＣは、下記の式（９）のように表現できる。
Ｃ＝（（Ｘ´−Ｘ）²）＋（Ｙ´−Ｙ）²）^1/2 ・・・式（９）
この式（９）で求めた弦ａｂの長さＣを時刻ｔで微分したものは、Ｘガルバノミラー２１、およびＹガルバノミラー２２の移動速度となり、下記の式（１０）のように表現することができる。
ｄＣ／ｄｔ＝（ｄ／ｄｔ）・（（Ｘ´−Ｘ）²）＋（Ｙ´−Ｙ）²）^1/2 ・・・式（１０）
そして、上記式（１０）、および式（１）、（２）より、移動速度ｄＣ／ｄｔを一定に保つような角速度ω１を導くことも可能である。

また、上記式（１０）を解き、式（１０）を満たす時刻ｔにおけるＸガルバノミラー２１の位置Ｘ、およびＹガルバノミラーの位置Ｙを求める過程において、近似式を用いることで、線速度が一定、あるいは略一定となる解を求めることも可能である。つまり、最終的に時刻ｔにおけるＸガルバノミラー２１の位置Ｘ、およびＹガルバノミラーの位置Ｙを求める過程で、数学的な近似（例えば、多項式近似など）を用いて近似解を求めてもよい。

すなわち、らせん状に走査機構が駆動される際の線速度は、厳密に一定である必要はなく、実質的に一定あるいは略一定であればよいことは言うまでもない。

本発明を適用したレーザ走査型顕微鏡の構成例を示す図である。 従来のＸガルバノミラー、Ｙガルバノミラーの駆動波形を示す図である。 らせん状に走査される走査軌跡を説明するための図である。 本発明を適用したＸガルバノミラー、Ｙガルバノミラーの駆動波形を示す図である。 本発明を適用した走査機構を駆動するための処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 光源
２ 走査機構
３ 光電変換手段
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 対物レンズ
６ ステージ
７ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２１ Ｘガルバノミラー
２２ Ｙガルバノミラー
７１ ＣＰＵ
７２ 記憶媒体
７２１ 制御プログラム

Claims (5)

1. レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光を標本上で二次元走査するための走査機構と、
   前記走査機構を駆動する走査機構駆動手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ走査装置において、
   前記走査機構駆動手段は、標本面上において前記レーザ光が線速度略一定でらせん状に走査するように、前記駆動手段を駆動することを特徴とするレーザ走査装置。
2. 前記走査機構駆動手段は、レーザ光が二次元走査される際の走査軌跡の周辺部から中心部に走査するように、前記駆動手段を駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. 前記走査機構駆動手段は、レーザ光が二次元走査される際の走査軌跡の中心部から周辺部に走査するように、前記駆動手段を駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ走査装置と、
   前記二次元走査された標本からの蛍光、反射光、または透過光を電気信号に変換する光電変換手段と、
   前記光電変換手段によって電気信号に基づいて、前記標本の画像を生成する画像生成手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。
5. レーザ光を標本上で二次元走査する走査機構を駆動制御するコンピュータに対して、
   前記走査機構の駆動を開始させる手順と、
   標本面上において前記レーザ光が線速度略一定でらせん状に走査するように、前記走査機構を駆動する手順と、
   前記走査機構の駆動を終了させる手順と、
   を実行させるための走査プログラム。
   
   
   
   

Images