JP2006084960A - Three-dimensional confocal microscopic system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元共焦点顕微鏡システムに関し、詳しくは、観察試料に対し光刺激を行うためのレーザ光を照射する機能を備えた3次元共焦点顕微鏡システムに関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional confocal microscope system, and more particularly to a three-dimensional confocal microscope system having a function of irradiating an observation sample with laser light for optical stimulation.
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. Therefore, the physiological reaction of living cells in the fields of organisms and biotechnology It is used for observation, morphology observation, or LSI surface observation in the semiconductor market (see, for example, Patent Document 1).
図7は特許文献1に記載の共焦点顕微鏡システムの構成図である。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. 7 is a configuration diagram of the confocal microscope system described in
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
図8は、図7の共焦点顕微鏡システム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. 8 is a time chart of various signals handled by the confocal microscope system of FIG. The
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
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
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
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
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
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.
図9は、従来の共焦点顕微鏡の一例を示した構成図である。
図9において、共焦点スキャナ110は、顕微鏡120のポート122に接続してあり、レーザ光111は、マイクロレンズアレイディスク112のマイクロレンズ117により個別の光束に集光され、ダイクロイックミラー113を透過後、ピンホールアレイディスク(以下、ニポウディスクという。)114の個々のピンホール116を通過し、顕微鏡120の対物レンズ121により、ステージ123上の試料140に集光される。
FIG. 9 is a configuration diagram showing an example of a conventional confocal microscope.
In FIG. 9, the confocal scanner 110 is connected to the port 122 of the
試料140から出た蛍光信号は、再び対物レンズ121を通り、ニポウディスク114の個々のピンホール上に集光される。個々のピンホールを通過した蛍光信号は、ダイクロイックミラー113で反射され、リレーレンズ115を介してイメージセンサ131に結像されるように共焦点スキャナ110より出射される。このような装置では、図示しないモータでニポウディスク114を一定速度で回転させており、この回転よるピンホール116の移動により試料140への集光点を走査している。 The fluorescent signal emitted from the sample 140 passes through the objective lens 121 again and is collected on each pinhole of the Niipou disk 114. The fluorescence signals that have passed through the individual pinholes are reflected by the dichroic mirror 113 and emitted from the confocal scanner 110 so as to form an image on the image sensor 131 via the relay lens 115. In such an apparatus, the Nipkow disk 114 is rotated at a constant speed by a motor (not shown), and the condensing point on the sample 140 is scanned by the movement of the pinhole 116 by this rotation.
ニポウディスク114のピンポールが並んでいる平面と、試料140の被観察平面と、イメージセンサ131の受光面とは互いに光学的に共役関係に配置してあるので、イメージセンサ131上には試料140の光学的断面像、即ち共焦点画像が結像される(例えば、特許文献2参照。)。
また、上述のニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の他にガルバノミラーを用いて試料への集光点を走査し、共焦点画像を取得するものもある(例えば、特許文献3参照。)。
Since the plane on which the pin poles of the Niipou disc 114 are arranged, the plane to be observed of the sample 140, and the light receiving surface of the image sensor 131 are optically conjugate with each other, the optical of the sample 140 is placed on the image sensor 131. A cross-sectional image, that is, a confocal image is formed (see, for example, Patent Document 2).
In addition to the above-described Niipou disc type confocal microscope, there is also a type that acquires a confocal image by scanning a condensing point on a sample using a galvanometer mirror (for example, see Patent Document 3).
このような共焦点顕微鏡を用いた画像計測では、細胞などの試料に対して光刺激を行い、時間経過に対する状態変化(フォトアクチベーションやFRAP(fluorescence recovery after photobleaching)など)を観察したいという要求がある。フォトアクチベーションとは、例えば細胞の所定の部分に画像測定用レーザ光以外の第2のレーザのスポット光を照射して、その部分の蛍光色を変化させてマーキングする。このマーキングが時間経過により、細胞に広がっていく様子を観察するものである。
また、FRAP(蛍光褪色法)とは、蛍光タンパクを発現した細胞の蛍光を、第2のレーザ光の照射により部分的に褪色させて、細胞における蛍光褪色後のタンパク質の局在変化を観察するものである。
In image measurement using such a confocal microscope, there is a demand to observe a state change (photoactivation, FRAP (fluorescence recovery after photobleaching), etc.) over time by performing light stimulation on a sample such as a cell. . In photoactivation, for example, a predetermined portion of a cell is irradiated with spot light of a second laser other than the laser beam for image measurement, and the fluorescent color of the portion is changed for marking. The marking is observed to spread over the cells over time.
Further, FRAP (fluorescence fading method) is a method in which the fluorescence of cells expressing a fluorescent protein is partially faded by irradiation with a second laser beam to observe changes in the localization of proteins after fluorescence fading in cells. Is.
しかしながら、上述の従来のニポウディスク方式の共焦点顕微鏡には、試料に光刺激を与えてその変化を観察する機能を備えたものはない。
また、ガルバノミラー方式の共焦点顕微鏡では2次元走査のためのガルバノミラーの制御に時間がかかり、光刺激や蛍光褪色などの高速な反応についてはリアルタイムでの画像計測が困難である。
さらに、3次元構造を持つ試料に対しては、光刺激が届かない、あるいは不十分であることが考えられる。それにより、光刺激後の試料観察の結果に正確さを欠くことになるという問題があった。
However, none of the above-mentioned conventional Niipou disc confocal microscopes have a function of applying a light stimulus to a sample and observing the change.
Further, in a galvanomirror confocal microscope, it takes time to control the galvanometer mirror for two-dimensional scanning, and it is difficult to measure images in real time for high-speed reactions such as light stimulation and fluorescent fading.
Furthermore, it is considered that the light stimulus does not reach or is insufficient for a sample having a three-dimensional structure. As a result, there is a problem that the result of observation of the sample after light stimulation lacks accuracy.
本発明は、このような従来の共焦点顕微鏡が有していた問題を解決しようとするものであり、ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡に光刺激のための第2のレーザ光を照射する機能を付加した共焦点顕微鏡を用いて、3次元の画像計測を行うことにより、光刺激後の試料の観察を3次元的に正確に行える3次元共焦点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, and a function of irradiating a second laser light for light stimulation is added to the Nipo Disc confocal microscope. It is an object to realize a three-dimensional confocal microscope system that can accurately observe a sample after light stimulation three-dimensionally by performing three-dimensional image measurement using the confocal microscope. .
本発明は次の通りの構成になった共焦点顕微鏡である。 The present invention is a confocal microscope having the following configuration.
(1)顕微鏡を介して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、
前記共焦点画像の画像データを出力するビデオカメラと、
前記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部と、
前記ビデオカメラで取得した画像データに基づき前記試料の3次元画像を生成する画像処理部と、
を備えた3次元共焦点顕微鏡システムであって、
前記顕微鏡に接続され、前記試料に刺激を与えるレーザ光を出力するレーザ光出力手段を有し、
前記対物レンズを走査して前記試料に対して光軸方向に刺激を与えることを特徴とする3次元共焦点顕微鏡システム。
(1) a confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image through a microscope;
A video camera that outputs image data of the confocal image;
An actuator for moving the focal position of the objective lens of the microscope in the optical axis direction;
A control unit that generates a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via the actuator;
An image processing unit that generates a three-dimensional image of the sample based on image data acquired by the video camera;
A three-dimensional confocal microscope system comprising:
Laser light output means connected to the microscope and outputting laser light for stimulating the sample;
A three-dimensional confocal microscope system characterized in that the objective lens is scanned to stimulate the sample in the optical axis direction.
(2)前記試料に刺激を与えるレーザ光のスポット径を調整する可変絞り手段を備えたことを特徴とする(1)に記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (2) The three-dimensional confocal microscope system according to (1), further comprising variable aperture means for adjusting a spot diameter of a laser beam that gives a stimulus to the sample.
(3)前記試料に刺激を与えるレーザ光を2次元に走査させる走査手段を有することを特徴とする(1)または(2)に記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (3) The three-dimensional confocal microscope system according to (1) or (2), further comprising a scanning unit that two-dimensionally scans a laser beam that gives a stimulus to the sample.
(4)前記レーザ光出力手段は、前記試料に刺激を与えるレーザ光と、このレーザ光が前記試料へ照射される位置を示すためのレーザ光とを合波して出力することを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (4) The laser beam output means multiplexes and outputs a laser beam for stimulating the sample and a laser beam for indicating a position where the laser beam is irradiated onto the sample. The three-dimensional confocal microscope system according to any one of (1) to (3).
(5)前記対物レンズの一方向の走査で刺激を与え、これに続いて他方向の走査で前記共焦点画像を取得することを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (5) A stimulus is given by scanning in one direction of the objective lens, and then the confocal image is acquired by scanning in another direction, according to any one of (1) to (4) 3D confocal microscope system.
(6)前記試料を刺激する際の走査波形と前記試料を観察する際の走査波形をそれぞれ任意に設定することを特徴とする(1)から(5)のいずれかに記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (6) The three-dimensional confocal point according to any one of (1) to (5), wherein a scanning waveform for stimulating the sample and a scanning waveform for observing the sample are each arbitrarily set Microscope system.
(7)前記3次元共焦点顕微鏡システムは、フォトアクチベーションまたは蛍光褪色に用いられることを特徴とする(1)から(6)のいずれかに記載の3次元共焦点顕微鏡システム。 (7) The three-dimensional confocal microscope system according to any one of (1) to (6), wherein the three-dimensional confocal microscope system is used for photoactivation or fluorescent fading.
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および請求項7に記載の発明によれば、ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡に光刺激用のレーザ光を照射する機能を備えたことによって、フォトアクチベーションやFRAPなどが可能となる。
また、蛍光観察、すなわち画像計測はニポウディスク式共焦点スキャナで行うことで高速性(例えば1000フレーム/秒のスキャンスピード)が実現できるため、光刺激や蛍光褪色に係る高速反応をリアルタイムで観察することができる。
さらに、このような共焦点顕微鏡を用いて、3次元の画像計測を行うことにより、光刺激後の試料の観察を3次元的に正確に行える共焦点顕微鏡を実現することができる。
According to the first and seventh aspects of the present invention, photoactivation, FRAP, and the like can be performed by providing a nipou disc type confocal microscope with a function of irradiating laser light for light stimulation.
In addition, since fluorescence observation, that is, image measurement, can be performed at high speed (for example, a scanning speed of 1000 frames / second) by using a Niipou disc type confocal scanner, high-speed reactions related to light stimulation and fluorescence fading can be observed in real time. Can do.
Further, by performing three-dimensional image measurement using such a confocal microscope, it is possible to realize a confocal microscope that can accurately observe a sample after light stimulation in three dimensions.
請求項2に記載の発明によれば、可変絞り手段を設けて、光刺激用レーザ光の照射NA(開口数)を変えることにより、光刺激のスポット径を可変にし、光刺激する範囲の大きさを変えられるようになる。 According to the second aspect of the present invention, the variable aperture means is provided, and by changing the irradiation NA (numerical aperture) of the laser beam for photostimulation, the spot diameter of the photostimulation is made variable and the range of photostimulation is increased. You can change the height.
請求項3に記載の発明によれば、光刺激用のレーザ光の2次元スキャンにより、試料の形状に合わせた光刺激を可能にする。 According to the third aspect of the present invention, the light stimulation according to the shape of the sample is made possible by the two-dimensional scan of the laser light for light stimulation.
請求項4に記載の発明によれば、光刺激用のレーザ光と刺激を与えている位置を示すためのレーザ光とを合波して試料に照射することにより、光刺激用のレーザ光が紫外光であっても位置表示用のレーザ光により励起された蛍光波長が可視光であるため、光刺激を行うポイントが目視可能となる。 According to the fourth aspect of the invention, the laser light for light stimulation is irradiated with the laser light for stimulating the light and the laser light for indicating the position where the stimulus is applied, and irradiating the sample. Even in the case of ultraviolet light, since the fluorescence wavelength excited by the position display laser light is visible light, the point of light stimulation can be visually observed.
請求項5に記載の発明によれば、例えば、対物レンズ駆動の上り(焦点位置を試料の下から上に移動させる)で光刺激を行い、対物レンズ駆動の下り(焦点位置を試料の上から下に移動させる)で画像計測を行うことにより、光刺激から画像計測までの時間を短縮できる。 According to the fifth aspect of the present invention, for example, light stimulation is performed in the ascending direction of the objective lens drive (moving the focal position from the bottom to the top of the sample), and the down direction of the objective lens driving (the focal position is shifted from the top of the sample). The time from the light stimulus to the image measurement can be shortened by performing the image measurement by moving it down.
請求項6に記載の発明によれば、例えば、対物レンズ駆動の上りを直線的に走査して光刺激を行い、対物レンズ駆動の下りは、ステップ波形で走査するような、異なる波形を組み合わせることにより、光刺激や画像計測に適した走査波形により試料の観測を行うことができる。 According to the sixth aspect of the present invention, for example, optical stimulation is performed by linearly scanning up the objective lens drive, and different waveforms are combined such that the objective lens drive down is scanned with a step waveform. Thus, the sample can be observed with a scanning waveform suitable for optical stimulation and image measurement.
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次元共焦点顕微鏡システムの一実施例を示す構成図である。前出の図と同様の構成要素には同様の符号を付けてその部分の説明は省略する。 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 microscope system according to the present invention. Constituent elements that are the same as in the previous figures are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図1において、共焦点スキャナ2aは、従来技術で説明したものと同様のニポウディスク方式であり、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。 In FIG. 1, the confocal scanner 2a is a nipou disk type similar to that described in the prior art, and has a nipou disk having a large number of pinholes and a microlens array corresponding thereto.
この共焦点スキャナ2aは顕微鏡(蛍光顕微鏡)3aの第1のポート24(カメラポート)に光路22を介して取り付けられ共焦点顕微鏡が構成される。共焦点顕微鏡は、レーザ光を使用して、対物レンズ5a、アクチュエータ4aおよび蛍光顕微鏡3aを経由して、試料20の蛍光像を共焦点スキャナ2aに入力する。共焦点スキャナ2aは、試料20の共焦点画像を得て、光路23を介してその共焦点画像をカメラ1aに入力する。カメラ1aは、共焦点画像を撮像し画像データを取得する。カメラ1a、共焦点スキャナ2aおよび蛍光顕微鏡3は支持台21に設置されている。
The confocal scanner 2a is attached to a first port 24 (camera port) of a microscope (fluorescence microscope) 3a via an
画像計測レーザ光源30は、ファイバ31を介して共焦点スキャナ2aに試料20の共焦点画像を得るための蛍光励起を行う波長λ1のレーザ光を供給する。光刺激レーザ光源32は、蛍光顕微鏡3aの第2のポート25にファイバ33を介して取り付けられ、光刺激を行う波長λ2のレーザ光を供給する。試料20は観察対象の細胞などであり、ステージ26に固定される。ステージ26はステージ支持部27に取り付けられている。
The image measurement
同期信号制御器10は、波形発生器7aの2CHから出力される垂直同期信号を受けて、これを基に各種のトリガ信号を生成する。
波形発生器7aは、同期信号制御器10からの走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめパーソナルコンピュータ28(以下PC28という。)の波形計算部11から送られ記憶した走査波形を1CHから発生して、アクチュエータドライバ12へ送る。
The
When the waveform generator 7a receives the scan waveform generation trigger signal from the
波形計算部11は、試料20を観察する際の対物レンズ5aの走査周期と光軸方向の走査距離から、走査波形を計算によって求め、それを走査波形データとして波形発生器7aに出力する。
アクチュエータドライバ12は、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4aを駆動するための駆動信号を発生する。
このアクチュエータ4aを介して対物レンズ5aを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する部分が制御部である。
The
The
A portion that generates a scanning waveform signal for scanning the
アクチュエータ4aは、蛍光顕微鏡3aの対物レンズレボルバーと対物レンズ5aとの間に取り付けられ、ピエゾ駆動により走査信号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5aの焦点位置を制御する。つまり、波形発生器7aの出力波形に従って対物レンズ5aが光軸方向に走査される。
これにより、試料に対して3次元の光刺激が行えると共に画像計測時は試料20の光軸方向のスライス画像がカメラ1aにより取得される。
The actuator 4a is attached between the objective lens revolver of the fluorescence microscope 3a and the
Thereby, three-dimensional light stimulation can be performed on the sample, and a slice image in the optical axis direction of the sample 20 is acquired by the camera 1a during image measurement.
また、アクチュエータ4aには、自身の位置をセンシングする位置センサ(図示せず)が設けられている。この位置センサが位置信号を出力してアクチュエータドライバ12aにフィードバックすることにより、アクチュエータ4aの位置制御が行われる。 The actuator 4a is provided with a position sensor (not shown) that senses its own position. This position sensor outputs a position signal and feeds it back to the actuator driver 12a, whereby the position of the actuator 4a is controlled.
PC28の画像処理部6aは、対物レンズ5aの走査開始に同期してカメラ1aからの画像データが入力され、試料20の断面スライス像を連続的に取得する。これらのスライス画像を合成することにより、試料の3次元画像を生成する。
The image processing unit 6a of the
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説明する。
図2は、図1に記載の3次元共焦点顕微鏡システムで取り扱われる各信号のタイムチャートである。横軸が時間を示し、縦軸が信号レベルを示している。
The operation of such a configuration will be described with reference to the time chart of each signal shown in FIG.
FIG. 2 is a time chart of each signal handled by the three-dimensional confocal microscope system shown in FIG. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the signal level.
波形発生器7aは、ユーザが設定する画像取込のフレームレートに合わせて、周期的なパルス信号(垂直同期信号(a))を出力する。同期信号制御器10では、この周期的なパルス信号を元に、各種トリガ信号を生成する。
The waveform generator 7a outputs a periodic pulse signal (vertical synchronization signal (a)) in accordance with the frame rate of image capture set by the user. The
波形発生器7aから同期信号制御器10に予め設定された周期の垂直同期信号(a)が送られると、同期信号制御器10では、この垂直同期信号(a)を基に共焦点スキャナ2aへニポウディスクの回転同期制御を行う同期信号を送ると共に、各種トリガ信号すなわち光刺激のための走査波形発生トリガ信号(b)、画像計測のための走査波形発生トリガ信号(d)を生成する。
When a vertical synchronization signal (a) having a preset period is sent from the waveform generator 7a to the
また、同期信号制御器10は、垂直同期信号(a)をそのままカメラ1aに出力し、カメラ1aは、この垂直同期信号(a)に同期して画像を取り込み、内部メモリに保存していく。保存された画像データは、メモリが一杯になると最古のデータが最新のデータに上書きされる。
Further, the
同期信号制御器10では、PC28から画像取込開始信号を受信すると、画像取込開始信号がLOWになった後の最初の垂直同期信号に同期した光刺激のための走査波形発生トリガ信号(b)を波形発生器7aへ送る。
When the
同時に、光刺激レーザ光源32に、この走査波形発生トリガ信号(b)に同期した照射ON/OFF信号(c)を送信し、内蔵されたシャッタ(図示せず)を開けて光刺激用のレーザ照射をON状態にする。
光刺激用レーザ光の照射ON時間は、光刺激を行うための焦点位置の走査開始から終了までの時間であって、PCから同期信号制御器10に設定される。
なお、画像取込開始信号は、操作者によりPC28から任意のタイミングで同期信号制御器10に入力する信号であり、そのパルス幅は垂直同期信号の周期の2倍以上である。
At the same time, an irradiation ON / OFF signal (c) synchronized with the scanning waveform generation trigger signal (b) is transmitted to the photostimulation
The irradiation time of the laser light for light stimulation is the time from the start to the end of scanning of the focal position for performing light stimulation, and is set in the
Note that the image capture start signal is a signal input from the
波形発生器7aは、走査波形発生トリガ信号(b)を受信すると、予めPC28にある波形計算部11から送られてきた走査波形データに基づき走査波形信号(f1)を発生して、アクチュエータドライバ12に送信し、アクチュエータ4aを駆動する。焦点位置は走査波形の信号レベルに応じて変化するので走査波形信号(f1)の変化を焦点位置の変化として示している。
このように、アクチュエータ4aの駆動によって対物レンズ5aの焦点面を連続的に変えて、試料20に対して光刺激を3次元的に行う。
When the waveform generator 7a receives the scanning waveform generation trigger signal (b), the waveform generator 7a generates a scanning waveform signal (f1) based on the scanning waveform data previously sent from the
Thus, the focal plane of the
光刺激動作が終了すると、同期信号制御器10では、画像計測のための走査波形発生トリガ信号(d)を波形発生器7aへ送信すると共にPC28へ垂直同期信号(a)に同期した画像取込信号(g)を送る。
同時に、画像計測用レーザの照射ON/OFF信号(e)を共焦点スキャナ2aに送信し、内蔵されているシャッタ(図示せず)を開き画像計測用のレーザ照射をON状態にする。
When the light stimulation operation is completed, the
At the same time, the image measurement laser irradiation ON / OFF signal (e) is transmitted to the confocal scanner 2a, and the built-in shutter (not shown) is opened to turn on the image measurement laser irradiation.
波形発生器7aでは、走査波形発生トリガ信号(d)を受信すると、予めPCにある波形計算部11から送られてきた走査波形データに基づき走査波形信号(f1)を発生して、アクチュエータドライバ12に送信し、アクチュエータ4aを駆動する。
PC28は、画像取込信号(g)を受けて、この画像取込信号(g)に同期したカメラ制御信号によりカメラ1aから画像データを出力させる。
When the waveform generator 7a receives the scanning waveform generation trigger signal (d), the waveform generator 7a generates a scanning waveform signal (f1) based on the scanning waveform data previously sent from the
The
このように、アクチュエータ4aの駆動によってレンズの焦点面を連続的に変え、アクチュエータ4aの走査に同期して、カメラ1aで試料の断面スライス像を連続的に生成した画像データをPC28の画像処理部6aで3次元画像に合成する。
As described above, the focal plane of the lens is continuously changed by driving the actuator 4a, and the image data obtained by continuously generating the slice slice image of the sample by the camera 1a in synchronization with the scanning of the actuator 4a is used as the image processing unit of the
走査波形信号(f1)は、ステップ波形(段階的に増加して元のレベルにもどる波形)であり、試料の深さ(光軸)方向の各ステップ(平らな部分)で蛍光画像計測を行うため鮮明な画像を取得できる。 The scanning waveform signal (f1) is a step waveform (a waveform that increases stepwise and returns to the original level), and performs fluorescent image measurement at each step (flat portion) in the depth (optical axis) direction of the sample. Therefore, a clear image can be acquired.
また、アクチュエータ4aを走査する走査波形には図3に示すような波形を用いてもよい。
図3は、図1に記載の3次元共焦点顕微鏡システムで取り扱われる各信号の他のタイムチャートである。前出の図2と同様の信号には同様の名称と符号を付してその説明は省略する。
A waveform as shown in FIG. 3 may be used as the scanning waveform for scanning the actuator 4a.
FIG. 3 is another time chart of each signal handled in the three-dimensional confocal microscope system shown in FIG. Signals similar to those in FIG. 2 are given the same names and reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図3において、走査波形(f2),(f3),(f4)は、波形発生器7aが、波形発生トリガ信号(d)を受信することにより出力する走査波形を例示したものであって、予めPC28にある波形計算部11から送られてきた走査波形データをアナログ波形に変換したものである。これらの走査波形のいずれかを用いてアクチュエータを駆動する。
In FIG. 3, scanning waveforms (f2), (f3), and (f4) exemplify scanning waveforms output by the waveform generator 7a when receiving the waveform generation trigger signal (d). The scanning waveform data sent from the
走査波形(f2)によれば、ステップ波形のステップごとに対物レンズ駆動の上り(焦点位置を試料の下から上に移動させる)で光刺激を行い、対物レンズ駆動の下り(焦点位置を試料の上から下に移動させる)で画像計測を行う。これにより、光刺激から画像計測までの時間を短縮できる。 According to the scanning waveform (f2), the optical stimulation is performed at the step of the objective lens driving (moving the focal position from the bottom to the top of the sample) for each step of the step waveform, and the objective lens driving is performed downward (the focal position is changed to the sample position). Move the image from top to bottom) to measure the image. Thereby, the time from optical stimulation to image measurement can be shortened.
走査波形(f3)によれば、二等辺三角形状の走査波形を用いて走査波形(f2)と同様に対物レンズ駆動の上りで光刺激を行い、対物レンズ駆動の下りで画像計測を行う。これにより、試料に対して深さ方向の光刺激をもれなく行うことができる。また、画像計測においても、1フレームを撮像する間に試料の深さ方向に焦点位置が移動することによりその間の共焦点画像を平均した画像(光の強度を平均したもの)を取り込むことができ、試料の深さ方向の画像情報がもれなく取得される。 According to the scanning waveform (f3), using the isosceles triangular scanning waveform, the optical stimulation is performed in the ascending direction of the objective lens drive, and the image measurement is performed in the descending direction of the objective lens driving, similarly to the scanning waveform (f2). As a result, it is possible to completely perform light stimulation in the depth direction on the sample. Also, in image measurement, the focal position moves in the depth direction of the sample while one frame is imaged, so that an image obtained by averaging the confocal images between them (averaged light intensity) can be captured. The image information in the depth direction of the sample is acquired without fail.
また、走査波形(f4)のように、対物レンズ駆動の上りを直線的に走査して光刺激を行い、対物レンズ駆動の下りは、ステップ波形で走査するようしてもよい。このような、異なる波形を組み合わせることにより、光刺激や画像計測に適した走査波形により試料の観測を行うことができる。 Further, as shown in the scanning waveform (f4), the objective lens drive may be linearly scanned to perform light stimulation, and the objective lens drive descend may be scanned with a step waveform. By combining such different waveforms, the sample can be observed with a scanning waveform suitable for optical stimulation and image measurement.
ここで、このような3次元共焦点顕微鏡システムに適用される共焦点顕微鏡の構成を図を用いて説明する。以下の実施例では顕微鏡に共焦点スキャナを搭載した構成の共焦点顕微鏡を示しているが共焦点顕微鏡としては図1に示したものと同等である。
図4は、本発明に適用される共焦点顕微鏡の一実施例を示した構成図である。前出の図と同様の構成要素には同様の符号を付けてその部分の説明は省略する。
図4において、顕微鏡40の第1のポート41には共焦点スキャナ110が取り付けられ、波長λ1のレーザ光111(第1のレーザ光)を試料140に照射する共焦点顕微鏡を構成する。顕微鏡40内に入ったレーザ光111は、ダイクロイックミラー43を透過して対物レンズ44により、ステージ46上の細胞などの試料140に集光される。このレーザ光111の照射により試料140が蛍光する。試料140から出た蛍光信号は、再び対物レンズ44を通り、ダイクロイックミラー43を透過し共焦点スキャナ110を介して従来例と同様にイメージセンサ131に結像される。
Here, the configuration of a confocal microscope applied to such a three-dimensional confocal microscope system will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a confocal microscope having a confocal scanner mounted on the microscope is shown, but the confocal microscope is equivalent to that shown in FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of a confocal microscope applied to the present invention. Constituent elements similar to those in the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
In FIG. 4, a confocal scanner 110 is attached to the first port 41 of the
顕微鏡40の第2のポート42にはレーザ光出力手段50が取り付けられる。このレーザ光出力手段50は、レーザ光源51とコリメータレンズ52を備えている。レーザ光源51はλ2の波長の第2のレーザ光53を発光し、コリメータレンズ52は、この第2のレーザ光53を平行光にして第2のポート42から顕微鏡40内に入れる。顕微鏡40に入った第2のレーザ光53は、ダイクロイックミラー43で反射して、対物レンズ44により、試料140上に波長λ2の光刺激用レーザ光の光ビームスポットを結像させる。
なお、この場合のλ1とλ2との関係は、λ2<λ1である。
Laser light output means 50 is attached to the second port 42 of the
In this case, the relationship between λ1 and λ2 is λ2 <λ1.
ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡に光刺激用の第2のレーザ光を照射する機能を備えたことによって、フォトアクチベーションのアプリケーションやFRAPなどが可能となる。また、蛍光観察、すなわち画像計測はニポウディスク式共焦点スキャナで行うことで高速性(例えば1000フレーム/秒のスキャンスピード)が実現できるため、光刺激や蛍光褪色に係る高速反応をリアルタイムで観察することができる。 By providing the Nipo Disc confocal microscope with the function of irradiating the second laser beam for light stimulation, it becomes possible to perform photoactivation application, FRAP, and the like. In addition, since fluorescence observation, that is, image measurement, can be performed at high speed (for example, a scanning speed of 1000 frames / second) by using a Niipou disc type confocal scanner, high-speed reactions related to light stimulation and fluorescence fading can be observed in real time. Can do.
ここで、図4に示した構成において、第2のレーザ光53が例えば紫外光のような可視光でない場合、第2のレーザの照射ポイントが目視できないことになる。この問題を解決するため、図5に示すように、第2のレーザ光のビームスポットに可視光のレーザスポットを重ねるようにする。 Here, in the configuration shown in FIG. 4, when the second laser beam 53 is not visible light such as ultraviolet light, the irradiation point of the second laser cannot be visually observed. In order to solve this problem, as shown in FIG. 5, the laser spot of visible light is superimposed on the beam spot of the second laser light.
図5は、本発明に適用される共焦点顕微鏡の第2の実施例を示した構成図である。前出の図4と同様の構成要素には同様の符号を付けてその部分の説明は省略する。
図5において、顕微鏡40の第1のポート41には共焦点スキャナ110が取り付けられ、波長λ1のレーザ光111を照射する共焦点顕微鏡を構成する。顕微鏡40内に入ったレーザ光111は、ダイクロイックミラー43を透過して対物レンズ44により、ステージ46上の試料140に集光される。このレーザ光111の照射により試料140が蛍光する。試料140から出た蛍光信号は、再び対物レンズ44を通り、ダイクロイックミラー43を透過し共焦点スキャナ110を介して従来例と同様にイメージセンサ131に結像される。
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the confocal microscope applied to the present invention. Constituent elements similar to those in FIG. 4 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
In FIG. 5, a confocal scanner 110 is attached to the first port 41 of the
顕微鏡40の第2のポート42にはレーザ光出力手段60が取り付けられる。このレーザ光出力手段60は、レーザ光源61,65、コリメータレンズ62,66、ダイクロイックミラー64、全反射ミラー67、可変絞り手段68を備えている。
Laser light output means 60 is attached to the second port 42 of the
レーザ光源61は実線で示した波長λ2の第2のレーザ光63を発光する。コリメータレンズ62は、この第2のレーザ光63を平行光にする。ダイクロイックミラー64は、その分光特性により、平行光となった第2のレーザ光63を透過する。可変絞り手段68は、ダイクロイックミラー64を透過した第2のレーザ光63のビーム径を可変させる。可変絞り手段68を通った第2のレーザ光63は、顕微鏡40の第2のポート42から顕微鏡40内に入る。顕微鏡40に入った第2のレーザ光63は、ダイクロイックミラー43で反射して、対物レンズ44により、試料140上に波長λ2の光刺激用レーザ光の光ビームスポットを結像させる。
The laser light source 61 emits a second laser beam 63 having a wavelength λ2 indicated by a solid line. The collimator lens 62 makes the second laser light 63 parallel light. The dichroic mirror 64 transmits the second laser light 63 that has become parallel light due to its spectral characteristics. The variable aperture means 68 varies the beam diameter of the second laser light 63 that has passed through the dichroic mirror 64. The second laser light 63 that has passed through the variable aperture means 68 enters the
また、レーザ光源65は破線で示した波長λ3の第3のレーザ光69を発光する。コリメータレンズ66は、この第3のレーザ光69を平行光にする。全反射ミラー67は、平行光になった第3のレーザ光69を反射してダイクロイックミラー64に当てる。ダイクロイックミラー64は、その分光特性により、第3のレーザ光69を反射し、可変絞り手段68を介して第2のポート42から顕微鏡40内に入れる。顕微鏡40に入った第3のレーザ光69は、ダイクロイックミラー43で反射して、対物レンズ44により、試料140上に波長λ3の光ビームスポットを結像させる。
The laser light source 65 emits a third laser beam 69 having a wavelength λ3 indicated by a broken line. The collimator lens 66 makes the third laser light 69 parallel light. The total reflection mirror 67 reflects the third laser light 69 that has become parallel light and applies it to the dichroic mirror 64. The dichroic mirror 64 reflects the third laser beam 69 due to its spectral characteristics, and enters the
これにより第2の蛍光信号45が発生する。この第2の蛍光信号45は、再び対物レンズ44を通り、ダイクロイックミラー43を透過し共焦点スキャナ110を介し、レーザ光111による蛍光信号と同様にイメージセンサ131に結像される。なお、λ1,λ2,λ3の関係はλ2<λ1<λ3となっている。また、第2の蛍光信号45は、可視光であってλ3よりも長波長である。
As a result, the second fluorescent signal 45 is generated. The second fluorescent signal 45 passes through the objective lens 44 again, passes through the
λ2とλ3の光を合波して試料140に照射することにより、第2のレーザ光(λ2)が紫外光であっても第3のレーザ光(λ3)により励起された蛍光波長が可視光であれば、光刺激を行うポイントが目視可能となる。
また、可変絞り手段68を設けて、第2,第3のレーザ光の照射NA(開口数)を変えることにより、光刺激のスポット径を可変にし、光刺激する範囲の大きさを変えられるようにしている。
By combining the light of λ2 and λ3 and irradiating the sample 140, the fluorescence wavelength excited by the third laser light (λ3) is visible even if the second laser light (λ2) is ultraviolet light. Then, the point where light stimulation is performed becomes visible.
Further, by providing the variable aperture means 68 and changing the irradiation NA (numerical aperture) of the second and third laser beams, the spot diameter of the light stimulation can be made variable, and the size of the light stimulation range can be changed. I have to.
図6は本発明に適用される共焦点顕微鏡の第3の実施例を示した構成図である。前出の図と同様の構成要素には同様の符号を付けてその部分の説明は省略する。
図6において、共焦点スキャナ110および顕微鏡1の構成は、前出の図5で示したものと同様である。
顕微鏡40の第2のポート42にはレーザ光出力手段70が取り付けられる。このレーザ光出力手段70は、レーザ光源61,65、コリメータレンズ62,66、ダイクロイックミラー64、全反射ミラー67、走査手段71を備えている。
FIG. 6 is a block diagram showing a third embodiment of the confocal microscope applied to the present invention. Constituent elements similar to those in the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
In FIG. 6, the configurations of the confocal scanner 110 and the
Laser light output means 70 is attached to the second port 42 of the
レーザ光源61,65、コリメータレンズ62,66、ダイクロイックミラー64、全反射ミラー67の構成及び動作は図5で示した第2の実施例と同様であり、この構成に走査手段71を付加した。 The configurations and operations of the laser light sources 61 and 65, the collimator lenses 62 and 66, the dichroic mirror 64, and the total reflection mirror 67 are the same as those in the second embodiment shown in FIG. 5, and the scanning means 71 is added to this configuration.
走査手段71は、ミラースキャン型の走査系を構成するものである。図示しないが、例えばガルバノミラーを用いて2次元でレーザ光を走査する。ガルバノミラーは、DCモータにより縦・横方向に回転できる機構になっている。制御ユニットからの信号によりDCモータを制御してガルバノミラーを回転させて、2次元の任意の位置にレーザスポットを照射することができる。 The scanning means 71 constitutes a mirror scan type scanning system. Although not shown, the laser beam is scanned two-dimensionally using, for example, a galvanometer mirror. The galvanometer mirror is a mechanism that can be rotated in the vertical and horizontal directions by a DC motor. A two-dimensional arbitrary position can be irradiated with a laser spot by rotating a galvanometer mirror by controlling a DC motor according to a signal from a control unit.
走査手段71から出力された第2,第3のレーザ光63,69が顕微鏡40に入り、ダイクロイックミラー43で反射され、対物レンズ44で集光されて試料140にスポット光を照射する。走査手段71の第2,第3のレーザ光63,69の2次元スキャンにより、試料140の形状に合わせた光刺激を可能にする。また、第2の実施例と同様に、光刺激を与える第2のレーザ光63が紫外光であっても、第3のレーザ光69により、刺激を与えている部分を目視することができる。
The second and third laser beams 63 and 69 output from the scanning unit 71 enter the
光刺激についての観察が、試料に対して2次元の平面で行われる場合には、3次元構造を持つ試料の深さ方向に対しては、光刺激が届かない、あるいは不十分であることが考えられる。それにより、光刺激後の試料観察の結果に正確さを欠くことになる。
また、光刺激を行い試料である細胞の一部をマーキングした場合に、このマーキングが、平面方向だけでなく深さ方向に広がる様子を正確に観察することができない。
このような問題を解決するために、上述したように光刺激機能を備えたニポウディスク方式の共焦点顕微鏡を用いて、3次元の画像計測を行うことにより、光刺激後の試料の観察を3次元的に正確に行えるようにすることができる。
When observation of light stimulation is performed on a sample in a two-dimensional plane, light stimulation may not reach or be insufficient in the depth direction of a sample having a three-dimensional structure. Conceivable. As a result, the result of sample observation after light stimulation lacks accuracy.
In addition, when a part of cells as a sample is marked by light stimulation, it is impossible to accurately observe how the marking spreads in the depth direction as well as the planar direction.
In order to solve such a problem, three-dimensional image measurement is performed by using a Niipou disc type confocal microscope having a light stimulation function as described above, and thus the observation of the sample after the light stimulation is performed three-dimensionally. Can be performed accurately.
なお、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 present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
1a カメラ
2a 共焦点スキャナ
3a 蛍光顕微鏡
4a アクチュエータ
5a 対物レンズ
6a 画像処理部
7a 波形発生器
10 同期信号制御器
11 波形計算部
12 アクチュエータドライバ
20 試料
21 支持台
22 光路
23 光路
24 第1のポート
25 第2のポート
26 ステージ
27 ステージ支持部
28 PC
30 画像計測レーザ光源
31 ファイバ
32 光刺激レーザ光源
33 ファイバ
40 顕微鏡
41 第1のポート
42 第2のポート
43 ダイクロイックミラー
44 対物レンズ
46 ステージ
50 レーザ光出力手段
51 レーザ光源
52 コリメータレンズ
53 第2のレーザ光
60 レーザ光出力手段
61 レーザ光源
62 コリメータレンズ
63 第2のレーザ光
64 ダイクロイックミラー
65 レーザ光源
66 コリメータレンズ
67 全反射ミラー
68 可変絞り手段
69 第3のレーザ光
70 レーザ光出力手段
71 走査手段
110 共焦点スキャナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Camera 2a Confocal scanner 3a Fluorescence
6a Image processing unit
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記共焦点画像の画像データを出力するビデオカメラと、
前記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部と、
前記ビデオカメラで取得した画像データに基づき前記試料の3次元画像を生成する画像処理部と、
を備えた3次元共焦点顕微鏡システムであって、
前記顕微鏡に接続され、前記試料に刺激を与えるレーザ光を出力するレーザ光出力手段を有し、
前記対物レンズを走査して前記試料に対して光軸方向に刺激を与えることを特徴とする3次元共焦点顕微鏡システム。 A confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image through a microscope;
A video camera that outputs image data of the confocal image;
An actuator for moving the focal position of the objective lens of the microscope in the optical axis direction;
A control unit that generates a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via the actuator;
An image processing unit that generates a three-dimensional image of the sample based on image data acquired by the video camera;
A three-dimensional confocal microscope system comprising:
Laser light output means connected to the microscope and outputting laser light for stimulating the sample;
A three-dimensional confocal microscope system characterized in that the objective lens is scanned to stimulate the sample in the optical axis direction.
The three-dimensional confocal microscope system according to any one of claims 1 to 6, wherein the three-dimensional confocal microscope system is used for photoactivation or fluorescent fading.
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