JP2006171213A - 顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 顕微鏡システムの設置環境または照明ムラの変化に柔軟に対応して、良好なシェーディング補正効果を得ることを目的とする。
【解決手段】 本発明の顕微鏡システムは、ステージ、対物光学系、結像光学系、撮像部、駆動機構、較正制御部、および画像処理部を備える。ステージは、試料を搭載するスペースを有する。対物光学系は、試料に対向して設置される。結像光学系は、対物光学系からの光を結像して、試料像を形成する。撮像部は、試料像を光電変換して、試料画像データを撮像する。駆動機構は、試料の位置を動かす。較正制御部は、駆動機構を制御して試料を対物光学系の画角外に待避させ、撮像部から、少なくとも対物光学系、結像光学系、および撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る。画像処理部は、試料画像データを較正用画像データを用いて較正し、シェーディングパターンを低減した試料画像データを生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像機能を有する顕微鏡システムに関する。

従来、撮像機能を有する顕微鏡システムでは、撮像素子の感度ムラや、対物レンズの周辺減光等に起因して、撮像画像に画像ムラ（シェーディング）を生じることが知られている。
そこで、特許文献１には、対物レンズ別にシェーディング補正パターンをメモリ内に用意する顕微鏡システムが開示されている。この顕微鏡システムは、使用される対物レンズを検出し、その対物レンズのシェーディング補正パターンをメモリから読み出すことで、撮像画像のシェーディング補正を実施する。
特開２００１−２９２３６９号公報（段落００７８など）

上述したように、特許文献１では、対物レンズ別にシェーディング補正パターンを用意する。そのため、新規の対物レンズを顕微鏡システムに導入する際には、シェーディング補正パターンも新たに調達しなければならず、手間がかかるという問題点があった。
また、顕微鏡システムの設置環境の影響によってはシェーディング量が変化するため、高精度なシェーディング補正は困難であった。

また、顕微鏡システムにおいては、照明光学系の照明ムラによっても、シェーディングが変化する。そのため、照明方式の切り換え、光源の明るさ調整、照明光学系の光路のずれ、光路上の絞りやフィルタの選択などによって、撮像画像のシェーディングは変化する。
しかし、特許文献１では、対物レンズ別にシェーディング補正パターンを準備するため、上記のような照明ムラを補正することは不可能であった。

そこで、本発明は、顕微鏡システムの設置環境や照明ムラによるシェーディングの変化に柔軟に対応して、良好なシェーディングの抑制効果を得ることを目的とする。

《１》
本発明の顕微鏡システムは、ステージ、対物光学系、結像光学系、撮像部、駆動機構、較正制御部、および画像処理部を備える。
ステージは、試料を搭載するスペースを有する。
対物光学系は、試料に対向して設置される。
結像光学系は、対物光学系からの光を結像して、試料像を形成する。
撮像部は、試料像を光電変換して、試料画像データを撮像する。
駆動機構は、試料の位置を動かす。
較正制御部は、この駆動機構を制御して試料を対物光学系の画角外に待避させ、撮像部から、少なくとも対物光学系、結像光学系、および撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る。
画像処理部は、試料画像データを較正用画像データを用いて較正し、シェーディングパターンを低減した試料画像データを生成する。

《２》
なお好ましくは、対物光学系の側から試料を落射照明する落射照明部と、対物光学系の反対側から試料を透過照明する透過照明部と、落射照明部と透過照明部を選択する照明選択部とを備える。さらに、ステージには、落射照明部の光を反射するための反射部位と、透過照明部の光を透過するための透過部位とがそれぞれ設けられる。この場合、較正制御部は、落射照明部が選択されている場合、駆動機構を制御して反射部位を対物光学系の画角範囲に位置させて、較正用画像データを撮像する。一方、較正制御部は、透過照明部が選択されている場合、駆動機構を制御して透過部位を対物光学系の画角範囲に位置させて、較正用画像データを撮像する。

《３》
また好ましくは、対物光学系の側から試料を落射照明する落射照明部を備える。さらに、ステージには、落射照明部の光を反射するための反射部位が設けられる。この場合、較正制御部は、駆動機構を制御して反射部位を対物光学系の画角範囲に位置させて、較正用画像データを撮像する。

《４》
なお好ましくは、対物光学系の反対側から試料を透過照明する透過照明部を備える。さらに、ステージには、透過照明部の光を透過するための透過部位が設けられる。この場合、較正制御部は、駆動機構を制御して透過部位を対物光学系の画角範囲に位置させて、較正用画像データを撮像する。

《５》
また好ましくは、試料を照明する照明光学系と、照明光学系の状態が変更されたことを検知する状態検知部とを備える。この場合、較正制御部は、照明光学系の状態変更を契機にして、駆動機構を制御して試料を対物光学系の画角外に待避させる。この状態で、撮像部から、少なくとも対物光学系、結像光学系、および撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る。

《６》
なお好ましくは、較正制御部は、対物光学系の交換および／または装着を契機として、駆動機構を制御して試料を対物光学系の画角外に待避させる。この状態で、撮像部から、少なくとも対物光学系、結像光学系、および撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る。

本発明の顕微鏡システムでは、駆動機構によって試料を対物光学系の画角外に待避させ、試料を除いた背景を撮像して較正用画像データを得る。この較正用画像データは、試料の有無を除けば、観察時の顕微鏡システムの光学的な状態に近く、少なくとも対物光学系、結像光学系、および撮像部のシェーディングパターンを総合的かつ適切に反映したものとなる。
本発明の顕微鏡システムは、この機能を随時に使用することによって観察状態に近い正確なシェーディングパターンを求め、試料画像データのシェーディングを高い精度に抑制することが可能になる。

《実施形態の構成説明》
図１は、本実施形態における顕微鏡システム１１を示す図である。
図２は、この顕微鏡システム１１のステージ１２を示す図である。
以下、図１および図２を参照して、顕微鏡システム１１の構成を説明する。
まず、顕微鏡システム１１には、ステージ１２が設けられる。このステージ１２上には、スライド１２ｂ（試料）を把持するスライドホルダー１２ａが設けられる。
駆動機構２０は、このスライドホルダー１２ａを、図２中に示すＸ軸方向に移動させる。また、駆動機構２０は、ステージ１２全体を、図２中に示すＹ軸方向に移動させる。これら２方向の移動により、試料の位置を２次元的に調整することができる。

なお、スライドホルダー１２ａの隅（すなわち顕微鏡観察に支障のない箇所）には、光の反射特性が既知の反射部位４２（例えば、落射照明を均一に拡散反射するもの）が設けられる。この反射部位４２は、落射照明式の蛍光観察にも対応するよう、蛍光放射特性についても既知である（例えば、均一な蛍光放射特性を有する）。
また、ステージ１２の裏側には、透過照明部２１が配置される。この透過照明部２１は、光を透過する透過部位４１を介して、試料の裏側へ光を照射する。この透過部位４１は、
ステージ１２の移動時に透過照明光を遮らないように、Ｙ軸方向に延びた開口形状を有する。
一方、試料を間に挟んで透過照明部２１の反対側には、リボルバ選択式の対物光学系１３が配置される。落射照明部２２の光は、この対物光学系１３の光路上を通って、試料の表側へ光を照射する。
照明選択部２３は、これらの照明部２１，２２を選択することで、顕微鏡の照明方式を透過方式／落射方式に切り換えることができる。

なお、この対物光学系１３で集められた試料からの光は、結像光学系１４を介して、撮像素子１５の受光面に光像を結像する。撮像素子１５は、この光像を光電変換して画像データを生成する。この画像データは、Ａ／Ｄ変換部１６、およびインターフェース部１７を介して、制御装置３１内の画像処理部３３へ出力される。
この画像処理部３３には、画像データを一時記憶するためのメモリ３４がバス接続される。なお、制御装置３１内には、マイクロプロセッサなどからなる制御部３２、およびユーザ操作を受け付ける操作部３２ａも設けられる。

《発明との対応関係》
以下、発明と本実施形態との対応関係について説明する。なお、ここでの対応関係は、参考のために一解釈を例示するものであり、本発明を徒らに限定するものではない。
請求項記載のステージは、ステージ１２、およびスライドホルダー１２ａに対応する。
請求項記載の対物光学系は、対物光学系１３に対応する。
請求項記載の結像光学系は、結像光学系１４に対応する。
請求項記載の撮像部は、撮像素子１５、Ａ／Ｄ変換部１６、およびインターフェース部１７に対応する。
請求項記載の駆動機構は、駆動機構２０に対応する。
請求項記載の較正制御部は、制御部３２に対応する。
請求項記載の画像処理部は、画像処理部３３に対応する。
請求項記載の落射照明部は、落射照明部２２に対応する。
請求項記載の透過照明部は、透過照明部２１に対応する。
請求項記載の照明選択部は、照明選択部２３に対応する。
請求項記載の透過部位は、透過部位４１に対応する。
請求項記載の反射部位は、反射部位４２に対応する。
請求項記載の照明光学系は、透過照明部２１および落射照明部２２に対応する。
請求項記載の状態検知部は、制御部３２の『顕微鏡システム１１の状態変更を検知する機能』に対応する。

《実施形態の動作説明》
図３および図４は、本実施形態の動作を説明する流れ図である。
以下、図３および図４に示すステップ番号の順に、本実施形態の動作を説明する。

ステップＳ１： 顕微鏡システム１１に主電源が投入されると、制御部３２は顕微鏡システム１１の初期化処理を実行して、システム間の通信インターフェースを確立する。

ステップＳ２： 次に、制御部３２は、顕微鏡システム１１のカスタム設定等の情報を、不図示の不揮発性メモリから読み出し、シェーディング自動補正モードの設定を判定する。
ここで、シェーディング自動補正モードが設定されている場合、制御部３２はステップＳ３に動作を移行する。また、その他の別モードが設定されている場合、制御部３２は、その別モードに動作を移行する。

ステップＳ３： 制御部３２は、リボルバの回転角度から、現在選択中のリボルバ（対物光学系）の番号Ｎを情報取得する。また、対物光学系１３の内部ＲＯＭ情報などから情報取得した、現在選択中の対物光学系１３の識別コードＩＤを番号Ｎの代わりに使用してもよい。

ステップＳ４： 制御部３２は、照明光学系、対物光学系１３、および結像光学系１４の光学的な状態（視野絞り値、開口絞り値、光源の明るさ調整値、フィルタの種類）などを情報取得する。

ステップＳ５： 制御部３２は、試料の現在位置の情報（Ｘ，Ｙ）を駆動機構２０から情報取得する。

ステップＳ６： 制御部３２は、照明選択部２３から、現在選択中の照明方式を情報取得する。このとき、透過方式が選択されている場合、制御部３２はステップＳ７に動作を移行する。一方、落射方式が選択されている場合、制御部３２はステップＳ８に動作を移行する。

ステップＳ７： このステップでは、透過照明の較正画像を撮像するための準備を行う。すなわち、制御部３２は、駆動機構２０を介して、ステージ１２をＹ軸方向に移動し、スライド１２ｂを対物光学系１３の画角外に待避させる。図５は、この状態のステージ１２を示す図である。
このとき、透過照明光の光束の一部が、スライド１２ｂや透過部位４１のエッジにかかると、不要な回折光や反射光が生じ、顕微鏡観察時とは異なるシェーディングが発生してしまう。そのため、ステージ１２の移動に際して、透過照明光の光束の端と、スライド１２ｂおよび透過部位４１のエッジとを適度に離すことが好ましい。
この図に示すように、透過部位４１はＹ軸方向に長く開口している。そのため、スライド１２ｂを２枚縦並びにステージ１２に設置した場合にも、透過照明部２１の光は遮られない。そのため、スライド１２ｂを間に介さずに、透過照明部２１の光は、対物光学系１３に直に入射する。
この状態においては、透過照明部２１の光が、ダイレクトに対物光学系１３に入射する。その結果、透過照明時の背景シェーディングの明暗像が、撮像素子１５の受光面に形成される。
このような撮像準備の後、制御部３２はステップＳ９に動作を移行する。

ステップＳ８： このステップでは、落射照明の較正画像を撮像するための準備を行う。すなわち、制御部３２は、駆動機構２０を介して、スライドホルダー１２ａをＸ軸方向に移動し、反射部位４２を対物光学系１３の画角に位置させる。図６は、この状態のステージ１２を示す図である。
この状態においては、落射照明部２２から出射された光は、対物光学系１３を通って、反射部位４２を照明する。その結果、落射照明時の照明ムラを含む明暗像が、撮像素子１５の受光面に形成される。
このような撮像準備の後、制御部３２はステップＳ９に動作を移行する。

ステップＳ９： 制御部３２は、撮像素子１５に制御信号を与えて、較正画像データを読み出す。この較正用画像データは、照明ムラおよび撮像ムラを総合的に含んだ画像データとなる。
この較正用画像データは、Ａ／Ｄ変換部１６を介してデジタル化された後、インターフェース部１７を介して、画像処理部３３に伝達される。この較正用画像データは、メモリ３４に一時記憶される。

ステップＳ１０： 画像処理部３３は、較正用画像データについて、画素値のリファレンス値（平均値、中間値、最頻度値など）を求める。

ステップＳ１１： 画像処理部３３は、下式に基づいてシェーディング補正データを画素単位に求める。
シェーディング補正データ＝（リファレンス値）÷（較正用画像データの画素値）
・・・（１）

ステップＳ１２： 画像処理部３３は、このように求めたシェーディング補正データを、ステップＳ３，Ｓ４で情報取得した（リボルバ番号，光学系状態）に対応付けて、メモリ３４のデータ補間領域に格納する。

ステップＳ１３： 制御部３２は、試料を、ステップＳ５で情報取得した元の位置（Ｘ，Ｙ）に戻すよう、駆動機構２０に制御信号を与える。駆動機構２０は、ステージ１２またはスライドホルダー１２ａを位置制御することにより、ステップＳ５の時点における位置（Ｘ，Ｙ）に試料を戻す。

ステップＳ１４： 制御部３２は、ユーザーの撮影操作を受け付けるスタンバイ状態に入る。

ステップＳ１５： 制御部３２は、リボルバの回転や、対物光学系１３の交換装着を検出することにより、対物光学系１３の交換を検知する。
もし、対物光学系１３の交換を検知すると、制御部３２はステップＳ２０に動作を移行する。
一方、対物光学系１３の交換を検知しない場合、制御部３２はステップＳ１６に動作を移行する。

ステップＳ１６： 制御部３２は、少なくとも次の項目について、光学系の状態変更があったか否かを判定する。
（１）照明方式（透過照明／落射方式）
（２）光学系のズーム操作
（３）視野絞り
（４）開口絞り
（５）照明の明るさ
（６）照明光路上のフィルタ
もし、光学系の状態変更があった場合、制御部３２はステップＳ２０に動作を移行する。
一方、光学系の状態変更がない場合、制御部３２はステップＳ１７に動作を戻す。

ステップＳ１７： 制御部３２は、操作部３２ａを介して撮影操作を検知すると、ステップＳ１８に動作を移行する。一方、撮影操作を検知しない場合、制御部３２はステップＳ１４に動作を戻す。

ステップＳ１８： 操作部３２ａから撮像操作を受け付けると、制御部３２は、撮像素子１５に制御信号を与えて、試料画像データを読み出す。この試料画像データは、Ａ／Ｄ変換部１６を介してデジタル化された後、インターフェース部１７を介して、画像処理部３３に伝達される。

ステップＳ１９： 画像処理部３３は、現在選択中のシェーディング補正データを使って、下式によるシェーディング補正を試料画像データに施す。
補正後の試料画像データ＝（試料画像データ）×（シェーディング補正データ）
・・・（２）
シェーディング補正を完了した試料画像データは、不図示の表示モニタや記録装置などに出力される。この動作の完了後、制御部３２はステップＳ１４に動作を戻す。

ステップＳ２０： 制御部３２は、メモリ３４内のデータ保管領域を参照して、現在の（リボルバ番号，光学系状態）に対応するシェーディング補正データが存在するか否かを判定する。
ここで、現状態に相当するシェーディング補正データが過去に取得済みで、データ保管領域に存在した場合、制御部３２はステップＳ２１に動作を移行する。
一方、現状態に相当するシェーディング補正データが存在しない場合、制御部３２はステップＳ３に動作を戻し、シェーディング補正データの作成を再び開始する。

ステップＳ２１： 制御部３２は、現状態に相当するシェーディング補正データを、画像処理部３３に指示する。画像処理部３３は、指示されたシェーディング補正データを、次回以降のシェーディング補正（ステップＳ１９参照）に使用する。
このようにシェーディング補正データの変更を完了した後、制御部３２はステップＳ１４に動作を戻す。

《本実施形態の効果など》
以上説明したように、本実施形態では、試料を対物光学系１３の画角外に待避させた上で、較正用画像データを撮像する。この較正用画像データは、試料の有無を除けば、試料画像データとほぼ同一環境で撮像されたものであり、試料画像データのシェーディングを正確に反映したものとなる。したがって、この較正用画像データを基準に、試料画像データのシェーディングパターンを抑制することにより、シェーディングの少ない良好な試料画像データを得ることができる。

また、本実施形態では、照明方式として落射方式を選択すると、スライドホルダー１２ａ上の反射部位４２を対物光学系１３の画角に移動して、較正用画像データを撮像する。この反射部位４２により、落射照明の照明ムラを正確に撮像することができる。この較正用画像データを基準にシェーディング補正を実施することにより、落射照明の照明ムラを正確に抑制した試料画像データを得ることができる。

さらに、本実施形態では、照明方式として透過方式を選択すると、ステージ１２上の透過部位４１を対物光学系１３の画角に移動して、較正用画像データを撮像する。この透過部位４１により、透過照明光の照明ムラを正確に撮像することができる。この較正用画像データを基準にシェーディング補正を実施することにより、透過照明の照明ムラを正確に抑制した試料画像データを得ることができる。

また、本実施形態では、制御部３２が、照明光学系の状態変更（視野絞り，開口絞り，フィルタ，または照明の明るさなどの変更）を検知すると、較正用画像データを新たに撮像する。したがって、照明光学系の状態変更に伴う照明ムラの変化を、シェーディング補正に適切に反映し、照明ムラを高精度に抑制した試料画像データを得ることができる。

《実施形態の補足事項》
上述した実施形態では、スライド１２ｂを対物光学系１３の画角から完全に外した状態で、較正用画像データを撮像する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。一般的には、スライド１２ｂの試料マウント箇所を、対物光学系１３の画角から外せばよい。例えば、スライド１２ｂの透明箇所を対物光学系１３の画角に位置させた状態で、較正用画像データを撮像してもよい。この場合、スライド１２ｂの透明箇所の光学的特性を加味したシェーディングパターンを得ることができる。

なお、上述した実施形態において、試料画像データに対してホワイトバランス調整を実施してもよい。本実施形態の較正用画像データは、試料画像の固有色を含まず、光源の色温度のみを忠実に反映する。そのため、この較正用画像データの色の偏りを低減するように、ホワイトバランスの調整ゲインを決定することが好ましい。この場合、試料画像データに対して、良好なホワイトバランス調整を実施することが可能になる。

また、上記（１）式において、色成分ごとのリファレンス値を、ホワイトバランス調整後の理想的な色成分比率と一致するように設定してもよい。この場合、（１）式の計算において、較正用画像データの色の偏りを抑制するに適したホワイトバランスの調整ゲインを、シェーディング補正データに総合的に含めることが可能になる。その結果、上記（２）式において、シェーディング補正とホワイトバランス調整とを同時に実施することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、試料画像データにシェーディング補正データを乗算することで、シェーディング補正を行っている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、試料画像データから、較正用画像データの変動成分を減算することにより、シェーディング補正を実施してもよい。

以上説明したように、本発明は、顕微鏡システムなどに利用可能な技術である。

本実施形態における顕微鏡システム１１を示す図である。 この顕微鏡システム１１のステージ１２を示す図である。 本実施形態の動作を説明する流れ図（前半）である。 本実施形態の動作を説明する流れ図（後半）である。 透過照明時の較正用画像データの撮像状態を示す図である。 落射照明時の較正用画像データの撮像状態を示す図である。

符号の説明

１１ 顕微鏡システム
１２ ステージ
１２ａ スライドホルダー
１２ｂ スライド
１３ 対物光学系
１４ 結像光学系
１５ 撮像素子
１６ Ａ／Ｄ変換部
１７ インターフェース部
２０ 駆動機構
２１ 透過照明部
２２ 落射照明部
２３ 照明選択部
３１ 制御装置
３２ 制御部
３２ａ 操作部
３３ 画像処理部
３４ メモリ
４１ 透過部位
４２ 反射部位

Claims (6)

1. 試料を搭載するステージと、
   前記試料に対向して設置される対物光学系と、
   前記対物光学系からの光を結像して、試料像を形成する結像光学系と、
   前記試料像を光電変換して、試料画像データを撮像する撮像部と、
   前記試料の位置を動かす駆動機構と、
   前記駆動機構を制御して前記試料を前記対物光学系の画角外に待避させ、前記撮像部から、少なくとも前記対物光学系、前記結像光学系、および前記撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る較正制御部と、
   前記試料画像データを前記較正用画像データを用いて較正し、前記シェーディングパターンを低減した試料画像データを生成する画像処理部と
   を備えたことを特徴とする顕微鏡システム。
2. 請求項１に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記対物光学系の側から前記試料を落射照明する落射照明部と、
   前記対物光学系の反対側から前記試料を透過照明する透過照明部と、
   前記落射照明部と前記透過照明部を選択する照明選択部とを備え、
   前記ステージには、
   前記落射照明部の光を反射するための反射部位と、前記透過照明部の光を透過するための透過部位とが設けられ、
   前記較正制御部は、
   前記落射照明部が選択されている場合、前記駆動機構を制御して前記反射部位を前記対物光学系の画角範囲に位置させて、前記較正用画像データを撮像し、
   一方、前記透過照明部が選択されている場合、前記駆動機構を制御して前記透過部位を前記対物光学系の画角範囲に位置させて、前記較正用画像データを撮像する
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
3. 請求項１に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記対物光学系の側から前記試料を落射照明する落射照明部を備え、
   前記ステージには、前記落射照明部の光を反射するための反射部位が設けられ、
   前記較正制御部は、前記駆動機構を制御して前記反射部位を前記対物光学系の画角範囲に位置させて、前記較正用画像データを撮像する
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
4. 請求項１に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記対物光学系の反対側から前記試料を透過照明する透過照明部を備え、
   前記ステージには、前記透過照明部の光を透過するための透過部位が設けられ、
   前記較正制御部は、前記駆動機構を制御して前記透過部位を前記対物光学系の画角範囲に位置させて、前記較正用画像データを撮像する
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
5. 請求項１に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記試料を照明する照明光学系と、
   前記照明光学系の状態が変更されたことを検知する状態検知部とを備え、
   前記較正制御部は、前記照明光学系の状態変更を契機にして、前記駆動機構を制御して前記試料を前記対物光学系の画角外に待避させ、前記撮像部から、少なくとも前記対物光学系、前記結像光学系、および前記撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の顕微鏡システムにおいて、
   前記較正制御部は、前記対物光学系の交換および／または装着を契機として、前記駆動機構を制御して前記試料を前記対物光学系の画角外に待避させ、前記撮像部から、少なくとも前記対物光学系、前記結像光学系、および前記撮像部のシェーディングパターンを総合的に含む較正用画像データを得る
   ことを特徴とする顕微鏡システム。
   

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