JP2006227315A - 撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部トリガ信号に同期した撮像動作を効率的に行うことが可能な撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法を提供する。
【解決手段】 共焦点顕微鏡１の撮像装置２０は、撮像部、及び読出部を含むＣＣＤ素子２１と、ＣＣＤ素子２１の撮像部での画像の露光動作、及び読出部での電荷の読み出し動作を制御する撮像制御部２２とを備える。撮像制御部２２は、外部トリガ信号に同期するように撮像部での露光期間を制御するとともに、撮像部において第１の露光期間で取得された画像データについて、読出部において、撮像部での第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するようにＣＣＤ素子２１の動作を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部トリガ信号に同期して撮像動作を行う撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法に関するものである。

共焦点顕微鏡は、共焦点光学系を用いることによって高分解能で試料の画像である共焦点像を取得する顕微鏡である。また、共焦点顕微鏡によって試料の共焦点像を取得するための走査方法については、シングルビーム走査法、及びニポウ円盤を用いたマルチビーム走査法が知られている。

これらのうち、マルチビーム走査法では、回転に対して所定の周期となる走査パターンでニポウ円盤に設けられた多数の微小開口のそれぞれを点光源として機能させ、そのニポウ円盤を回転させることで試料を走査して、試料の共焦点像を生成する。また、このような共焦点顕微鏡では、ＣＣＤカメラなどの撮像装置を用いて試料の共焦点像の取得を行っている（例えば、特許文献１〜６参照）。
特許第３０１９７５４号公報 特開平１１−３２６７７０号公報 特開２００３−４３３６３号公報 特開平５−８３６４０号公報 特開平６−１４２５３号公報 特開平９−１５４０６８号公報

上記したニポウ円盤を用いる共焦点顕微鏡では、ニポウ円盤の回転と、試料の共焦点像を取得するＣＣＤカメラなどの撮像装置での撮像動作とを同期させることが必要となる。例えば、高速、高感度の撮像装置を、ニポウ円盤を用いた共焦点顕微鏡と組み合わせて用いる場合、ニポウ円盤の回転ムラ等によって撮像装置での撮像動作との同期のずれが発生する。このような同期のずれは、得られる共焦点像におけるバンディングノイズの原因となる。

このような問題に対し、ニポウ円盤の回転に対応した外部トリガ信号を撮像装置に入力することで、撮像装置での撮像動作との同期をとる構成が考えられる（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、従来の外部同期方式の撮像装置では、ＣＣＤ素子の撮像部における画像の露光と、読出部における画像データの読み出しとを時間的に別々に行っているため、試料の画像取得の効率が低下するという問題がある。このような問題は、撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行うような場合に一般に生じる。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、外部トリガ信号に同期した撮像動作を効率的に行うことが可能な撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による撮像装置は、２次元の画素構造を有する撮像部、及び撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部を含むＣＣＤ素子と、ＣＣＤ素子の撮像部における画像の露光動作、及び読出部における電荷の読み出し動作を制御する撮像制御手段とを備え、撮像制御手段は、外部から入力される外部トリガ信号に同期するように撮像部での露光期間を制御するとともに、撮像部において第１の露光期間で取得された画像データについて、読出部において、撮像部での第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するようにＣＣＤ素子の動作を制御することを特徴とする。

また、本発明による撮像システムは、撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行う撮像システムであって、撮像対象物の画像を取得するための上記した撮像装置と、撮像対象物に対する撮像周期に対応するトリガ信号を、撮像装置へと入力される外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明による共焦点顕微鏡は、複数の微小開口からなる走査パターンが回転に対して所定の周期で設けられたニポウ円盤と、撮像対象物である試料を保持する試料保持手段と、ニポウ円盤によって生成される試料の共焦点像を取得するための上記した撮像装置と、ニポウ円盤の回転を検出し、ニポウ円盤による試料に対する走査周期に対応するトリガ信号を、撮像装置へと入力される外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明による撮像方法は、撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行う撮像方法であって、２次元の画素構造を有する撮像部、及び撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部を含むＣＣＤ素子を撮像対象物の画像の取得に用いるとともに、撮像対象物に対する撮像周期に対応するトリガ信号を外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給ステップと、ＣＣＤ素子の撮像部における画像の露光動作及び読出部における電荷の読み出し動作を制御する撮像制御ステップとを備え、撮像制御ステップにおいて、外部トリガ信号に同期するように撮像部での露光期間を制御するとともに、撮像部において第１の露光期間で取得された画像データについて、読出部において、撮像部での第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するようにＣＣＤ素子の動作を制御することを特徴とする。

上記した撮像装置、撮像システム、及び撮像方法においては、撮像部、及び読出部を含むＣＣＤ素子に対し、外部トリガ信号に同期するように撮像動作の制御を行うとともに、撮像部における画像の露光と、前回の露光で得られた画像データの読出部における読み出しとを同時に行う構成としている。これにより、外部トリガ信号に同期した撮像動作を効率的に行って、撮像対象物の画像を好適に取得することが可能となる。また、このような撮像装置を用いた共焦点顕微鏡によれば、ニポウ円盤の回転とＣＣＤ素子での撮像動作との同期を好適に実現して、バンディングノイズ等の発生が抑制された良好な状態の試料の共焦点像を効率良く取得することが可能となる。

ここで、撮像装置は、撮像制御手段が、外部トリガ信号の入力に応じて第１の露光期間を終了して、撮像部での第２の露光期間、及び読出部での第１の読み出し期間を開始するとともに、第１の読み出し期間が終了するまでの間、第２の露光期間を終了させるための外部トリガ信号を受け付けないように構成されていることが好ましい。

同様に、撮像方法は、撮像制御ステップにおいて、外部トリガ信号の入力に応じて第１の露光期間を終了して、撮像部での第２の露光期間、及び読出部での第１の読み出し期間を開始するとともに、第１の読み出し期間が終了するまでの間、第２の露光期間を終了させるための外部トリガ信号を受け付けないことが好ましい。

このように、ＣＣＤ素子の読出部での画像データの読み出し期間中は外部トリガ信号を受け付けない構成とすることにより、外部トリガ信号の間隔が読み出し期間よりも短いような場合でも、ＣＣＤ素子における画像の露光動作及び読み出し動作を好適に行うことが可能となる。

この場合、撮像装置の具体的な構成としては、例えば、撮像制御手段が、露光動作及び読み出し動作のタイミングを制御するタイミング制御手段、及びタイミング制御手段への外部トリガ信号の入力を制御するトリガ制御手段を備え、タイミング制御手段は、トリガ制御手段に対し、読出部での読み出し期間中は外部トリガ信号を受け付けないように指示するトリガ受付指示信号を送出する構成がある。また、これ以外の構成を用いても良い。

本発明による撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法によれば、ＣＣＤ素子に対し、外部トリガ信号に同期するように撮像動作の制御を行うとともに、撮像部における画像の露光と、前回の露光で得られた画像データの読出部における読み出しとを同時に行うことにより、外部トリガ信号に同期した撮像動作を効率的に行って、撮像対象物の画像を好適に取得することが可能となる。

以下、図面とともに本発明による撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による撮像装置を備える撮像システム、及び共焦点顕微鏡の一実施形態の構成を示すブロック図である。また、図２は、共焦点顕微鏡に用いられるニポウ円盤の構成の一例を示す上面図である。以下、本実施形態による撮像装置、撮像システム、及び共焦点顕微鏡の構成について、撮像方法とともに説明する。

本実施形態による共焦点顕微鏡１は、共焦点光学系を用いることによって試料Ｓの共焦点像を取得するものであり、マルチビーム走査法に用いられるニポウ円盤１０と、共焦点像を取得するための撮像装置２０とを備えている。また、共焦点像取得の対象となる試料Ｓは、試料保持手段である試料ステージ３０上に、ニポウ円盤１０に対して所定の位置関係となるように保持されている。なお、図１においては、計測光を供給する計測光源等については図示を省略している。

ニポウ円盤１０には、図２に破線によって示すように、試料Ｓのマルチビーム走査に用いられる走査パターン部１０ｂが、その回転軸１０ａを中心として設けられている。走査パターン部１０ｂは、ニポウ円盤１０の回転に対して所定の周期で設けられた複数の微小開口（ピンホール）の走査パターンからなる。ここでは、一例として、ニポウ円盤１０の１回転に対して４周期の走査パターンが形成されていることとする。ただし、この走査パターンの周期は任意に設定してよく、例えば１回転に対して１周期としても良い。また、図２においては、走査パターンが形成されている領域に斜線を付して示し、具体的な走査パターンについては図示を省略している。

また、このニポウ円盤１０には、回転軸１０ａを中心とした走査パターン部１０ｂの外側に、走査始点検出用のピンホール１０ｃが設けられている。図２の構成例においては、上記した４周期の走査パターンに対応して、回転軸１０ａからみて９０°おきに合計４つの検出用ピンホール１０ｃが設けられている。ニポウ円盤１０の回転軸１０ａには、ニポウ円盤１０を回転させる回転モータ１１が接続されている。また、この回転モータ１１の駆動は、モータコントローラ１２によって制御されている。

ニポウ円盤１０を用いたマルチビーム走査によって生成される試料Ｓの共焦点像は、撮像装置２０によって取得される。本実施形態においては、撮像装置２０は、フレーム転送（ＦＴ）型のＣＣＤ素子２１と、撮像制御部２２とを有している。ＦＴ型ＣＣＤ素子２１は、後述するように、２次元の画素構造を有する撮像部、及び撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部である蓄積部を有している。また、撮像制御部２２は、ＣＣＤ素子２１における撮像動作を制御する。

ここで、ニポウ円盤１０及び撮像装置２０を用いた共焦点顕微鏡１における試料Ｓの共焦点像の取得方法について簡単に説明しておく。ニポウ円盤１０に対して試料ステージ３０上に載置された試料Ｓとは反対側から計測光が照射されると、走査パターン部１０ｂに設けられたピンポールを通過した光が対物レンズ３６などの所定の光学系を介して試料Ｓに照射される。このとき、走査パターン部１０ｂの複数のピンホールは、それぞれ点光源として機能する。

試料Ｓで反射された光は、再び対物レンズ３６によって集束されてニポウ円盤１０の同一のピンホールを通過する。そして、ピンホールを通過した光は、ビームスプリッタ３５で直角方向に偏向され、リレーレンズ３８を介して撮像装置２０のＣＣＤ素子２１によって検出される。また、試料Ｓを保持している試料ステージ３０に対して、ステージコントローラ３１が設けられている。このステージコントローラ３１によって試料ステージ３０を駆動することにより、試料Ｓにおける計測対象位置が変更される。このような計測を、ニポウ円盤１０を回転させつつ行うことにより、試料Ｓがマルチビーム走査されて、その共焦点像が取得される。

図１に示した共焦点顕微鏡１においては、ニポウ円盤１０の回転を検出し、ニポウ円盤１０による試料Ｓの走査周期に対応するトリガ信号を、撮像装置２０へと入力される外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給部が設けられている。本実施形態においては、外部トリガ供給部は、回転センサ１５によって構成されている。また、この外部トリガ供給部である回転センサ１５と、ＣＣＤ素子２１を有する撮像装置２０とによって、共焦点顕微鏡１に用いられる撮像システム２が構成されている。

回転センサ１５は、例えばフォトダイオードなどの光検出器から構成され、図１に示すように、ニポウ円盤１０の検出用ピンホール１０ｃを通過した光を検出することによってニポウ円盤１０の回転を検出する。そして、回転センサ１５は、ニポウ円盤１０による試料Ｓの走査周期の始点に対応するトリガ信号を生成し、撮像装置２０への外部トリガ信号として出力する（外部トリガ供給ステップ）。図２に示した構成例では、ニポウ円盤１０の１回転に対して、外部トリガ信号が４回出力される。

回転センサ１５から出力された外部トリガ信号は、撮像装置２０へと入力されている。撮像装置２０の撮像制御部２２は、回転センサ１５からの外部トリガ信号を参照し、ＣＣＤ素子２１の撮像部における画像の露光動作、及び蓄積部（読出部）における電荷の読み出し動作を制御する（撮像制御ステップ）。また、本実施形態においては、回転センサ１５からの外部トリガ信号は、モータコントローラ１２へも入力されている。モータコントローラ１２は、外部トリガ信号によって求められるニポウ円盤１０の回転周期、試料Ｓに対する走査周期を参照し、回転モータ１１での回転駆動を制御する。

図３は、図１に示した共焦点顕微鏡１に用いられるＦＴ型ＣＣＤ素子２１の構成の一例を示す模式図である。ＦＴ型ＣＣＤ素子２１は、垂直シフトレジスタからなる撮像部２１１及び蓄積部２１２と、水平シフトレジスタ２１３とを有している。撮像部２１１において斜線の部分は、入射光の検出に用いられる単位画素２１０を示している。撮像部２１１は、図３に示すように、複数の画素２１０が２次元マトリクス状に配列された画素構造を有して構成されている。

また、蓄積部２１２は、撮像部２１１と同様の画素構造を有しており、撮像部２１１の各画素２１０で生成された電荷による画像データを読み出すための読出部として、撮像部２１１と水平シフトレジスタ２１３との間に設けられている。蓄積部２１２は、不透明な金属などによってマスクされて光の検出には用いられず、撮像部２１１の各画素２１０で生成された電荷の蓄積、及び水平シフトレジスタ２１３への電荷の転送に用いられる。なお、撮像部２１１、蓄積部２１２におけるマトリクス状の画素数は適宜設定して良いが、例えば、５１２×５１２画素の構成を用いることができる。

このような構成を有するＦＴ型ＣＣＤ素子２１では、まず、撮像部２１１に対して光像が入射されると、複数の画素２１０のそれぞれにおいて入射光に対応する電荷が生成されることによって露光（画像取得）が行われる。次に、撮像部２１１の各画素２１０で生成された電荷が蓄積部２１２へと垂直転送され、撮像部２１１で取得された画像データが蓄積部２１２に蓄積される。

続いて、蓄積部２１２、及び出力レジスタである水平シフトレジスタ２１３による蓄積された画像データの読み出しが行われる。また、この電荷の読み出しと並行して、撮像部２１１において、次の露光が開始される。これらの撮像部２１１における露光動作、及び蓄積部（読出部）２１２における読み出し動作は、上記したように撮像制御部２２によって制御される。具体的には、撮像制御部２２は、外部トリガ信号に同期するように撮像部２１１での露光期間を制御するとともに、撮像部２１１において第１の露光期間で取得された画像データについて、蓄積部２１２において、撮像部２１１での第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するようにＣＣＤ素子２１の動作を制御する。

また、図３に示した構成例では、水平シフトレジスタ２１３に加えて、電子増倍機能を有する増倍レジスタ２１５が設けられている。これにより、ＣＣＤ素子２１は、電子増倍型ＣＣＤ（ＥＭＣＣＤ：Electron Multiplying CCD）の構成となっている。このような構成では、撮像部２１１の各画素２１０から水平シフトレジスタ２１３へと転送された電荷が、さらに接続レジスタ２１４を介して増倍レジスタ２１５へ転送されることにより所定の増倍率で増倍される。

ＦＴ型ＣＣＤ素子２１においては、上記した撮像部２１１での露光動作、及び蓄積部２１２での読み出し動作を繰り返して行うことにより、撮像対象物の画像が所定の撮像周期で取得される。また、撮像制御部２２による上記した動作制御により、回転センサ１５からの外部トリガ信号と同期をとりつつ、ＣＣＤ素子２１における露光動作と読み出し動作とが時間的に並行して行われる。なお、この撮像動作については具体的には後述する。

また、図１に示す構成では、撮像部２１１での露光期間の終了に対応して撮像装置２０から供給される露光終了信号が、試料ステージ３０を駆動制御するステージ制御手段であるステージコントローラ３１へと入力されている。ステージコントローラ３１は、撮像装置２０から供給された露光終了信号を参照し、試料ステージ３０の駆動、及びそれによる試料Ｓにおける計測対象位置の変更を制御する。これにより、試料Ｓの共焦点像を取得するためのニポウ円盤１０による走査周期と、撮像装置２０による撮像周期と、試料ステージ３０の駆動周期との同期が取られる。

本実施形態による撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法の効果について説明する。

上記した撮像装置２０、撮像システム２、及び撮像方法においては、撮像部２１１、及び読出部である蓄積部２１２を含むＦＴ型ＣＣＤ素子２１に対し、回転センサ１５からの外部トリガ信号に同期するように撮像動作の制御を行うとともに、撮像部２１１における画像の露光と、前回の露光で得られた画像データの蓄積部２１２における読み出しとを同時に行う構成としている。

これにより、露光と読み出しとを時間的に別々に行う場合に比べ、外部トリガ信号に同期したＣＣＤ素子２１の撮像動作を効率的に行って、撮像対象物の画像を好適に取得することが可能となる。また、このような撮像装置２０を用いた共焦点顕微鏡１によれば、ニポウ円盤１０の回転とＣＣＤ素子２１での撮像動作との同期を好適に実現して、バンディングノイズ等の発生が抑制された良好な状態の試料Ｓの共焦点像を効率良く取得することが可能となる。

ここで、撮像対象物の画像取得に用いられる撮像装置としては、上記実施形態ではＦＴ型ＣＣＤ素子２１を有する撮像装置２０を示したが、一般には、２次元の画素構造を有する撮像部、及び撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部を含むＣＣＤ素子と、ＣＣＤ素子の撮像部における画像の露光動作、及び読出部における電荷の読み出し動作を制御する撮像制御手段とを備え、ＣＣＤ素子の動作が上記したように制御される構成の撮像装置を用いることが好ましい。この場合のＣＣＤ素子としては、ＦＴ型ＣＣＤ素子以外にも、例えばインターライン転送（ＩＴ）型ＣＣＤ素子を用いることができる。

図１に示した共焦点顕微鏡１に用いられる撮像装置２０の構成、及び撮像制御部２２によるＣＣＤ素子２１の撮像動作の制御方法について、さらに具体的に説明する。

図４は、撮像装置２０での撮像制御部２２の構成の一例を示すブロック図である。本構成例では、撮像制御部２２は、ＡＮＤ回路２２１と、タイミング信号発生回路２２２と、ＣＣＤドライバ２２３とを有している。タイミング信号発生回路２２２は、ＣＣＤ素子２１での露光動作及び読み出し動作の開始、終了のタイミングを制御するタイミング制御手段である。このタイミング信号発生回路２２２から出力されるタイミング信号により、ＣＣＤドライバ２２３を介して、ＣＣＤ素子２１の撮像部２１１での露光期間、及び蓄積部２１２での読み出し期間が制御される。

タイミング信号発生回路２２２の前段には、ＡＮＤ回路２２１が設けられている。このＡＮＤ回路２２１は、回転センサ１５（図１参照）からの外部トリガ信号が入力されており、タイミング信号発生回路２２２への外部トリガ信号の入力を制御するトリガ制御手段として機能する。また、タイミング信号発生回路２２２は、図４に示すように、ＡＮＤ回路２２１に対し、ＣＣＤ素子２１の蓄積部２１２での読み出し期間中は外部トリガ信号を受け付けないように指示するトリガ受付指示信号を送出する。

また、撮像制御部２２は、増幅回路２２４と、Ａ／Ｄコンバータ２２５と、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２２６とをさらに有している。ＣＣＤ素子２１から画像データとして出力された映像信号は、増幅回路２２４によって増幅され、Ａ／Ｄコンバータ２２５によってデジタル信号に変換された後、Ｉ／Ｆ回路２２６を介して外部へと出力される。

図５は、ＣＣＤ素子２１での撮像動作の一例を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートでは、（ａ）回転センサ１５からの外部トリガ信号、（ｂ）ＦＴ型ＣＣＤ素子２１の撮像部２１１における露光期間、（ｃ）読出部である蓄積部２１２における読み出し期間、及び（ｄ）タイミング信号発生回路２２２からＡＮＤ回路２２１へと送出されるトリガ受付指示信号を示している。なお、ここでは、ＣＣＤ素子２１における撮像部２１１から蓄積部２１２への電荷の垂直転送期間については、露光期間、及び読み出し期間に比べて充分に短いものとしている。

回転センサ１５からの外部トリガ信号は、ニポウ円盤１０の回転周期、及びニポウ円盤１０の走査パターン部１０ｂに形成された走査パターンの１回転あたりの周期数によって決まる走査周期Ｔ１に対応して供給される。図５に示す動作例では、ＦＴ型ＣＣＤ素子２１において、外部トリガ信号Ａ１（太線で表示）を始点として、撮像部２１１での第１の露光期間、及び前回の露光時間で取得された画像データを転送するための蓄積部２１２での読み出し期間を同時に開始する。

また、蓄積部２１２において読み出し期間が開始されると、撮像制御部２２のタイミング信号発生回路２２２（図４参照）は、ＡＮＤ回路２２１へのトリガ受付指示信号を低レベルとする。これにより、読み出し期間中の外部トリガ信号（細線で表示）は、ＡＮＤ回路２２１によって受け付けられないこととなる。

続いて、読み出し期間Ｔ３が終了すると、タイミング信号発生回路２２２は、ＡＮＤ回路２２１へのトリガ受付指示信号を高レベルとする。さらに、タイミング信号発生回路２２２は、読み出し期間終了後で最初の外部トリガ信号Ａ２（太線で表示）の入力に応じて第１の露光期間を終了する。そして、この外部トリガ信号Ａ２を始点として、撮像部２１１での第１の露光期間に続く第２の露光期間、及び第１の露光期間で取得された画像データを転送するための蓄積部２１２での第１の読み出し期間を同時に開始する。なお、図５においては、撮像部２１１での露光期間Ｔ２はニポウ円盤１０での走査周期Ｔ１の５倍でＴ２＝５×Ｔ１となっている。

次に、蓄積部２１２において第１の読み出し期間が開始されると、タイミング信号発生回路２２２は、上記と同様に、ＡＮＤ回路２２１へのトリガ受付指示信号を再び低レベルとし、第１の読み出し期間が終了するまでの間、第２の露光期間を終了させるための外部トリガ信号を受け付けないようにする。以下、同様の動作を繰り返すことにより、撮像装置２０において試料Ｓの画像が順次取得される。

このタイミングチャートに示したように、ＦＴ型ＣＣＤ素子２１に対し、回転センサ１５からの外部トリガ信号に同期するように撮像動作の制御を行うとともに、撮像部２１１における画像の露光と、前回の露光で得られた画像データの蓄積部２１２における読み出しとを同時に行うことにより、外部トリガ信号に同期したＣＣＤ素子２１の撮像動作を効率的に行って、撮像対象物の画像を好適に取得することが可能となる。

また、本動作例においては、撮像制御部２２によるＣＣＤ素子２１の撮像動作の制御において、外部トリガ信号の入力に応じて第１の露光期間を終了し、撮像部２１１での第２の露光期間、及び蓄積部（読出部）２１２での第１の読み出し期間を開始するとともに、第１の読み出し期間が終了するまでの間、第２の露光期間を終了させるための外部トリガ信号を受け付けない構成としている。このような構成とすることにより、図５の例のように外部トリガ信号の間隔Ｔ１が読み出し期間Ｔ３よりも短いような場合でも、ＣＣＤ素子２１における画像の露光動作及び読み出し動作を好適に行うことが可能となる。

また、図４に示した撮像制御部２２の構成例では、このような撮像動作の制御を実現するための構成として、タイミング制御手段であるタイミング信号発生回路２２２と、トリガ制御手段であるＡＮＤ回路２２１とを用い、タイミング信号発生回路２２２が、ＡＮＤ回路２２１に対してトリガ受付指示信号を送出する構成を用いている。これにより、上記したトリガ制御を好適に実現することができる。また、撮像制御部２２の具体的な構成については、これ以外の構成を用いても良い。

本発明による撮像装置、撮像システム、及び撮像方法は、上記した共焦点顕微鏡以外にも、様々な装置に適用可能である。一般には、撮像装置を含む撮像システムは、撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行う撮像システムであって、上記構成の撮像装置と、撮像対象物に対する撮像周期に対応するトリガ信号を、撮像装置へと入力される外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給手段とを備えて構成されていれば良い。以下、共焦点顕微鏡以外の装置の一例として、蛍光測定装置について説明する。

図６は、本発明による撮像装置を備える撮像システム、及び蛍光測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態による蛍光測定装置６は、生体サンプルなどの試料Ｓに励起光を照射したときに発生する蛍光を測定するものであり、励起光源６０と、蛍光像を取得するための撮像装置７０とを備えている。また、励起光源６０から試料Ｓへの励起光の導光、及び試料Ｓから撮像装置７０への蛍光の導光のための光学系として、ダイクロイックミラー６１及びレンズ６２が設けられている。なお、図６においては、見易さのため、励起光の光路及び蛍光の光路をずらして示している。

励起光源６０は、試料Ｓに対し、所定の照射周期で所定波長のパルス光を励起光として供給する。励起光源６０からの励起パルス光は、ダイクロイックミラー６１で反射され、レンズ６２を介して試料Ｓへと照射される。励起光の照射によって試料Ｓで発生した蛍光は、レンズ６２及びダイクロイックミラー６１を介して撮像装置７０へと入射し、この撮像装置７０によって蛍光像が取得される。本実施形態においては、撮像装置７０は、図１に示した撮像装置２０と同様に、ＣＣＤ素子７１と、撮像制御部７２とを有している。

図６に示した蛍光測定装置６においては、励起パルス光の照射周期に対応して励起光源６０から送出されるトリガ信号が、外部トリガ信号として撮像装置７０へと入力されている。これにより、本構成例においては、励起光源６０が外部トリガ供給手段として機能している。また、この励起光源６０と、ＣＣＤ素子７１を有する撮像装置７０とによって、蛍光測定装置６に用いられる撮像システム７が構成されている。

図７は、ＣＣＤ素子７１での撮像動作の一例を示すタイミングチャートである。このタイミングチャートでは、（ａ）励起光源６０からの外部トリガ信号、（ｂ）試料Ｓからの蛍光、（ｃ）ＣＣＤ素子７１の撮像部における露光期間、（ｄ）読出部における読み出し期間、及び（ｅ）タイミング信号発生回路からＡＮＤ回路へと送出されるトリガ受付指示信号を示している（図４及び図５参照）。

励起光源６０からの外部トリガ信号は、励起光源６０から試料Ｓへの励起パルス光の照射周期Ｔ６に対応して供給される。図７に示す動作例では、ＣＣＤ素子７１において、外部トリガ信号Ｂ１（太線で表示）を始点として、撮像部での第１の露光期間、及び読出部での読み出し期間を同時に開始する。

また、読出部において読み出し期間が開始されると、撮像制御部７２のタイミング信号発生回路は、ＡＮＤ回路へのトリガ受付指示信号を低レベルとする。これにより、読み出し期間中の外部トリガ信号（細線で表示）は、ＡＮＤ回路によって受け付けられないこととなる。

続いて、読み出し期間Ｔ８が終了すると、タイミング信号発生回路は、ＡＮＤ回路へのトリガ受付指示信号を高レベルとする。さらに、タイミング信号発生回路は、読み出し期間終了後で最初の外部トリガ信号Ｂ２（太線で表示）の入力に応じて第１の露光期間を終了する。そして、この外部トリガ信号Ｂ２を始点として、撮像部での第１の露光期間に続く第２の露光期間、及び第１の露光期間で取得された画像データを転送するための読出部での第１の読み出し期間を同時に開始する。なお、図７においては、撮像部での露光期間Ｔ７は励起光源６０による励起光の照射周期Ｔ６の３倍でＴ７＝３×Ｔ６となっている。

次に、読出部において第１の読み出し期間が開始されると、タイミング信号発生回路は、上記と同様に、ＡＮＤ回路へのトリガ受付指示信号を再び低レベルとし、第１の読み出し期間が終了するまでの間、第２の露光期間を終了させるための外部トリガ信号を受け付けないようにする。以下、同様の動作を繰り返すことにより、撮像装置７０において励起パルス光の照射によって発生する試料Ｓの蛍光像が順次取得される。

試料Ｓに対してパルス状の励起光を照射し、その蛍光像を観察する場合、複数の蛍光像をＣＣＤ上で蓄積して蛍光測定を行うことがある。このような場合、従来の露光と読み出しの期間を交互に設定する動作方法では繰返し時間が上がらず、また、励起パルス光による生体サンプルなどの試料Ｓへのダメージ、蛍光の退色などが問題となる。

これに対して、このタイミングチャートに示したように、ＣＣＤ素子７１に対し、励起光源６０からの外部トリガ信号に同期するように撮像動作の制御を行うとともに、撮像部における画像の露光と、前回の露光で得られた画像データの読出部における読み出しとを同時に行うことにより、外部トリガ信号に同期したＣＣＤ素子７１の撮像動作を効率的に行って、試料Ｓの蛍光像を好適に取得することが可能となる。また、トリガ受付指示信号を有効（高レベル）とするタイミングを制御すれば、ＣＣＤ上に蓄積させる蛍光像の光量を制御することが可能である。また、励起パルス光の照射周期が読み出し期間よりも長い場合には、その照射周期がＣＣＤの露光期間となるので、測定時間に無駄が生じない。

本発明による撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、撮像システムに用いられる外部トリガ供給手段の構成については、撮像装置を適用する装置の具体的な構成に応じて様々なものを用いて良い。また、撮像装置での具体的な撮像動作については、図５及び図７に示した動作例に限らず、様々な動作制御が可能である。また、ニポウ円盤を用いた共焦点顕微鏡の場合の具体例としては、ニポウ円盤が分速１５００回転で、１回転中１２個のトリガ信号が供給されるとし、ＣＣＤカメラのフレームレートが３０フレーム／秒であるとすると、１フレームあたりのトリガ信号数は１０となる。

本発明は、外部トリガ信号に同期した撮像動作を効率的に行うことが可能な撮像装置、撮像システム、共焦点顕微鏡、及び撮像方法として利用可能である。

撮像装置を備える撮像システム、及び共焦点顕微鏡の一実施形態の構成を示すブロック図である。 共焦点顕微鏡に用いられるニポウ円盤の構成の一例を示す上面図である。 共焦点顕微鏡に用いられるＣＣＤ素子の構成の一例を示す模式図である。 撮像装置での撮像制御部の構成の一例を示すブロック図である。 ＣＣＤ素子での撮像動作の一例を示すタイミングチャートである。 撮像装置を備える撮像システム、及び蛍光測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 ＣＣＤ素子での撮像動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…共焦点顕微鏡、２…撮像システム、１０…ニポウ円盤、１０ａ…回転軸、１０ｂ…走査パターン部、１０ｃ…検出用ピンホール、１１…ニポウ円盤回転モータ、１２…モータコントローラ、１５…回転センサ（外部トリガ供給部）、２０…撮像装置、２１…ＦＴ型ＣＣＤ素子、２１１…撮像部、２１２…蓄積部（読出部）、２１３…水平シフトレジスタ、２１４…接続レジスタ、２１５…増倍レジスタ、２２…撮像制御部、２２１…ＡＮＤ回路、２２２…タイミング信号発生回路、２２３…ドライバ、２２４…増幅回路、２２５…Ａ／Ｄコンバータ、２２６…インターフェース回路、３０…試料ステージ、３１…ステージコントローラ、３５…ビームスプリッタ、３６…対物レンズ、３８…リレーレンズ、６…蛍光測定装置、７…撮像システム、６０…励起光源、６１…ダイクロイックミラー、６２…レンズ、７０…撮像装置、７１…ＣＣＤ素子、７２…撮像制御部。

Claims (7)

1. ２次元の画素構造を有する撮像部、及び前記撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部を含むＣＣＤ素子と、
   前記ＣＣＤ素子の前記撮像部における画像の露光動作、及び前記読出部における電荷の読み出し動作を制御する撮像制御手段とを備え、
   前記撮像制御手段は、外部から入力される外部トリガ信号に同期するように前記撮像部での露光期間を制御するとともに、前記撮像部において第１の露光期間で取得された画像データについて、前記読出部において、前記撮像部での前記第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するように前記ＣＣＤ素子の動作を制御することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像制御手段は、前記外部トリガ信号の入力に応じて前記第１の露光期間を終了して、前記撮像部での前記第２の露光期間、及び前記読出部での前記第１の読み出し期間を開始するとともに、前記第１の読み出し期間が終了するまでの間、前記第２の露光期間を終了させるための前記外部トリガ信号を受け付けないように構成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記撮像制御手段は、前記露光動作及び前記読み出し動作のタイミングを制御するタイミング制御手段、及び前記タイミング制御手段への前記外部トリガ信号の入力を制御するトリガ制御手段を備え、
   前記タイミング制御手段は、前記トリガ制御手段に対し、前記読出部での読み出し期間中は前記外部トリガ信号を受け付けないように指示するトリガ受付指示信号を送出することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行う撮像システムであって、
   撮像対象物の画像を取得するための請求項１〜３のいずれか一項記載の撮像装置と、
   前記撮像対象物に対する撮像周期に対応するトリガ信号を、前記撮像装置へと入力される前記外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給手段と
   を備えることを特徴とする撮像システム。
5. 複数の微小開口からなる走査パターンが回転に対して所定の周期で設けられたニポウ円盤と、
   撮像対象物である試料を保持する試料保持手段と、
   前記ニポウ円盤によって生成される前記試料の共焦点像を取得するための請求項１〜３のいずれか一項記載の撮像装置と、
   前記ニポウ円盤の回転を検出し、前記ニポウ円盤による前記試料に対する走査周期に対応するトリガ信号を、前記撮像装置へと入力される前記外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給手段と
   を備えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
6. 撮像対象物に対して所定の撮像周期で撮像を行う撮像方法であって、
   ２次元の画素構造を有する撮像部、及び前記撮像部の各画素で生成された電荷を読み出すための読出部を含むＣＣＤ素子を撮像対象物の画像の取得に用いるとともに、
   前記撮像対象物に対する撮像周期に対応するトリガ信号を外部トリガ信号として供給する外部トリガ供給ステップと、
   前記ＣＣＤ素子の前記撮像部における画像の露光動作、及び前記読出部における電荷の読み出し動作を制御する撮像制御ステップとを備え、
   前記撮像制御ステップにおいて、前記外部トリガ信号に同期するように前記撮像部での露光期間を制御するとともに、前記撮像部において第１の露光期間で取得された画像データについて、前記読出部において、前記撮像部での前記第１の露光期間に続く第２の露光期間と同時に第１の読み出し期間を開始するように前記ＣＣＤ素子の動作を制御することを特徴とする撮像方法。
7. 前記撮像制御ステップにおいて、前記外部トリガ信号の入力に応じて前記第１の露光期間を終了して、前記撮像部での前記第２の露光期間、及び前記読出部での前記第１の読み出し期間を開始するとともに、前記第１の読み出し期間が終了するまでの間、前記第２の露光期間を終了させるための前記外部トリガ信号を受け付けないことを特徴とする請求項６記載の撮像方法。

Images