JP2007272117A - 顕微鏡、顕微鏡の制御方法、及び顕微鏡の制御プログラム - Google Patents

顕微鏡、顕微鏡の制御方法、及び顕微鏡の制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】観察画像上の試料の位置ずれ補正を速やかに行える顕微鏡、及び観察画像上の試料の位置ずれを速やかに補正する補正方法を提供する。
【解決手段】顕微鏡100の制御装置40は、電源ON信号を受けて、撮像装置80を用いて試料ステージ30の試料を撮像し、複数のターゲット枠を設定する。そして、検者により、そのなかの1つのターゲット枠が設定されるとその頂点座標を記憶する。その後、対物レンズ20の倍率が変更されると、制御装置40は、その拡大画像を撮像し、拡大されたターゲット枠の頂点座標を記憶する。そして、制御装置40は、拡大前のターゲット枠周辺以外の領域をマスキングし、さらに拡大した画像を縮小する。その後、縮小した画像をパターンマッチングして最大マッチング位置を特定する。そして、その位置から、座標原点の移動量を求めて、X軸ステージ31と、Y軸ステージ32とを移動させることにより、位置ずれを補正する。
【選択図】図1

Description

本発明は、顕微鏡のレボルバ回転時に発生する試料の位置ずれを補正する技術に関する。
複数の対物レンズを備える顕微鏡は、レボルバというレンズの切り替え装置を用いて対物レンズの倍率を変更できる顕微鏡である。一般に、このような顕微鏡では、レボルバを使用して対物レンズの倍率を変更する場合、物理的に対物レンズが変わることによる光軸のずれ等が発生する。例えば、低倍率レンズを用いて観察画像の中心に表示させた試料が、高倍率のレンズにレボルバを用いて変更すると、観察画像における試料の位置が、中心からずれてしまう。
そして、このような試料の位置ずれに対して、対物レンズ毎に観察画像の画素ピッチを記憶し、その画素ピッチと観察画像とから、光軸のずれによる観察画像上に表示された試料の位置ずれを補正する技術が知られている(例えば、特許文献1)。
特許第3429515号公報
しかし、特許文献1に記載された技術を用いた場合、試料の位置を記憶するために観察画像全体を読み取り、読み取った観察画像全体に対する試料の位置を求めるため、位置ずれを計算して補正するまでの処理時間がかかる場合がある。従って、研究者等の顕微鏡の使用者は、補正処理が終わるまで、顕微鏡の画像を注視する体勢をとることを強いられることが多かった。
また、観察画像に特徴的なパターンがひとつだけあるような場合には、対物レンズ毎に観察画像から光軸のずれを補正することは容易であるが、観察画像上に大量のパターンが存在し、しかもそのパターンがそれぞれ似通っているような場合には、目標とするパターンを特定することは非常に困難であった。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、対物レンズを変更したときに発生する試料の位置ずれを速やかに補正する顕微鏡、及び顕微鏡の制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る顕微鏡は、
試料を載置するステージと複数の対物レンズを備え、該対物レンズを変更することにより、試料の観察倍率を変更できる顕微鏡であって、
第1の対物レンズを用いて、試料の第1の画像を撮像する第1撮像手段と、
前記第1の対物レンズが、該第1の対物レンズよりも倍率がk(kは1以上の実数)倍の第2の対物レンズに変更された後、前記試料の第2の画像を撮像する第2撮像手段と、
前記第2撮像手段により撮像された前記第2の画像を1/k倍に縮小した第3の画像を生成する縮小手段と、
前記第1撮像手段により撮像された前記第1の画像と前記縮小手段により生成された前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求め、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を求めるずれ量判別手段と、
前記ずれ量判別手段で判別されたずれ量をキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置を補正する位置補正手段と、
を備えることを特徴とする。
また、前記ずれ量判別手段は、前記第1の画像の観察対象領域以外の領域をマスクするマスク手段と、
前記マスク手段によりマスクされた前記第1の画像の観察対象領域と前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求める位置判別手段と、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を求める相対ずれ量判別手段と、
を備えることを特徴としてもよい。
さらに、前記ずれ量判別手段は、前記第1の画像の中心と前記第3の画像の中心とのx−y座標上のずれを判別し、
前記位置補正手段は、前記x−y座標上のずれをキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置をx座標軸方向及びy座標軸方向に補正することを特徴としてもよい。
また、前記ステージはx−yステージから構成され、
前記第1と第2の対物レンズはレボルバーに装着されており、
前記ずれ量判別手段は、前記第1の対物レンズで前記試料の第1の画像が撮像された後に、前記レボルバーが回転され、前記第2の対物レンズにより同一の試料について前記第2の画像を得られたときに、前記第1の画像の画像中心に対する前記第2の画像の画像中心のx−y座標上でのずれ量を求め、
前記位置補正手段は、前記第1の画像の画像中心に対応する位置が、前記レボルバーの回転後に前記第2の対物レンズを介して撮像された前記第2の画像の画像中心となるように、x−yステージを制御することを特徴としてもよい。
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点に係る顕微鏡の制御プログラムは、
コンピュータに、
第1撮像手段により、第1の対物レンズを用いて試料の第1の画像を撮像し、
前記第1の対物レンズが、該第1の対物レンズよりも倍率がk(kは1以上の実数)倍の第2の対物レンズに変更された後、第2撮像手段により、前記試料の第2の画像を撮像し、
前記第2撮像手段により撮像された前記第2の画像を縮小手段により、1/k倍に縮小した第3の画像を生成し、
前記第1撮像手段により撮像された前記第1の画像と前記縮小手段により生成された前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求め、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を、ずれ量判別手段により求め、
前記ずれ量判別手段で判別されたずれ量をキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置を補正する、
動作を実行させることを特徴とする。
本発明によれば、観察画像に対してマスクをかけることにより、大量のパターンが存在し、目標とするパターンを特定するのが困難な観察画像であっても、容易にパターンを特定することが可能となる。またマスクされた領域内で画像処理をすればよいので、画像処理に対する処理時間を短縮できるので、対物レンズを変更したことによる観察画像上の試料の位置ずれを速やかに補正することが可能となり、試料を観察する動作の負荷が軽減される。
以下、この発明の実施の形態に係る顕微鏡について説明する。
本発明の実施の形態に係る顕微鏡100は、図1に示すように、レボルバ10と、対物レンズ20と、接眼レンズ25と、試料ステージ30と、制御装置40と、記憶装置50と、入力装置60と、表示装置70と、撮像装置80とから構成される。
レボルバ10は、後述する複数の対物レンズ20を固定するための装置である。検者は、このレボルバ10を回転させることにより、レボルバ10に固定された対物レンズ20を選択して、所望の倍率の対物レンズ20を用いて試料の観察を行う。
対物レンズ20は、凸レンズと凹レンズを組み合わせたアクロマートレンズ等により構成されるレンズであり、検者は、この対物レンズ20、および後述する接眼レンズ25を介して試料を観察する。
接眼レンズ25は、検者が直接眼にあてて対物レンズ20を介して試料を観察するためのレンズである。
試料ステージ30は、X軸ステージ31と、Y軸ステージ32と、試料搭載台座33とから構成される、試料を対物レンズ20で観察するための部品である。検者は、備え付けの電動スイッチやレバー等を用いて、X軸ステージ31、またはY軸ステージ32を移動させて、試料を観察画像の所望の位置に表示させることができる。
制御装置40は、例えば、CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)やワークエリアとなるRAM(Random Access Memory)などから構成され、後述する各種制御動作を実行する。例えば、対物レンズ20が変更されたことによる試料の位置ずれをパターンマッチングにより補正する計算をする。
記憶装置50は、ハードディスク装置などの外部記憶装置から構成され、制御装置40が計算した試料の位置ずれの補正計算結果や、表示装置70に表示された観察画像等を記憶する装置である。
入力装置60は、電動スイッチやレバー等から構成され、試料ステージ30をXY平面上に移動させたり、観察を開始する合図を制御装置40に送る。
表示装置70は、ディスプレイ等から構成され、対物レンズ20を介して後述する撮像装置80が撮像した観察画像を表示する装置である。
撮像装置80は、CCD(Charge Coupled Device)カメラ等から構成され、対物レンズ20を介して試料搭載台座33に置かれた試料を撮像する装置である。
次に、本実施形態の顕微鏡100の位置ずれ補正処理の動作について、図10〜図11を参照して説明する。この位置ずれ補正処理は、画像記憶処理と、位置補正処理とから構成される。
まず、検者は試料を試料搭載台座33に載せる。そして、顕微鏡100の電源をONにすると撮像装置80で試料の撮像を開始して、画像記憶処理が始まる。
この画像記憶処理では、制御装置40は、まず撮像装置80に撮像指示を出し、この指示にもとづいて、撮像装置80は試料を撮像する。そして、その画像を表示装置70に表示する(ステップS10)。
そして制御装置40は、ステップS10で撮像された画像から試料を検知して、その重心を中心として、図2(a)に示すようなターゲット枠90および91を設定し、その画像を表示装置70に表示する(ステップS11)。なお、ターゲット枠の大きさは、現在のものより高い倍率の対物レンズ20を選択した時に、その対物レンズ20によって画像を拡大した際に得られる視野に相当する。従って複数ある対物レンズ20がそれぞれ選択された場合に表示されるターゲット枠は各々の倍率によって大きさが異なる。
次に、検者はステップS11で撮像したターゲット枠90および91から所望のターゲット枠90を入力装置60を介して選択し、制御装置40の制御の下でX軸ステージ31、Y軸ステージ32を駆動して、図2(b)に示すように、選択したターゲット枠90の中心を自動的に視野の中心に移動させる。その結果、選択した試料Paが視野の中心に設定される。画像1には観察対象である試料Paの他にも大小様々なパターンが存在する。図2においては試料Paの他にも例えばパターンPbやパターンPcといった2つのパターンが見えているが、ターゲット枠90の中心が視野の中心に移動した結果、パターンPbはターゲット枠90の外に位置し、パターンPcは一部がターゲット枠90内に位置している。
その後制御装置40は、中央に位置されたターゲット枠90の各頂点座標を記憶する。また、その画像を画像1として記憶する(ステップS12)。
次に、検者は、レボルバ10を回転させて、画像1を拡大するために、高倍率の対物レンズ20を設定する。制御装置40は、対物レンズ20が変更されたことを検出すると、位置補正処理を開始する。
位置補正処理では、制御装置40は、まず撮像装置80に撮像指示を出し、この指示にもとづいて、撮像装置80は試料を撮像する。そして、図3に示すように、その画像を表示装置70に表示し、RAMにその画像を画像2として記憶し、さらに図3に示すようなターゲット枠90aの座標(x1,y1)〜(x4,y4)を記憶する(ステップS20)。
このとき、レボルバ10を回転させることにより、ステップS10で撮像した画像1と画像2との関係は、図4に示すようにΔyだけ位置ずれが生じた状態となっている。その結果、画像1においてはターゲット枠90内にはなかったパターンPbが視野内に大部分が位置し、パターンPcもほぼ全体が視野内に位置するようになっている。
続いて、ステップS12で記憶した画像1を呼出し、その画像1に図5に示すように、周知の技術によりマスキングをする(ステップS21)。具体的には、ステップS12で記憶した画像1のターゲット枠90の頂点座標で囲まれる矩形に対して、あらかじめ記憶された余白(ΔX、ΔY)を含めた頂点(X1+ΔX、Y1+ΔY)〜(X4−ΔX、Y4+ΔY)で囲まれる矩形以外の領域をマスキングし、この枠をマスキング枠90Aとする。余白を設定するのは、上述したように画像1と画像2との関係がΔyだけ位置ずれした結果、パターンPbの一部や、パターンPcの大部分が存在するようになった画像2と画像1の相関を取らなければならないために、画像1のターゲット枠90をパターンPbとパターンPcが含まれる領域まで拡大するためである。余白は、レボルバの位置決め精度や、拡大率によって適正な値が異なる。従って複数ある対物レンズ20それぞれにおいて異なる値になる場合がほとんどである。
このようにすることで、現在のものより高い倍率の対物レンズ20を選択したときに画像がずれても正しく相関をとることができるようになる。極端な場合、位置ずれによって画像1の試料Paが画像2上から外れてしまっても画像1にマスクが設定された領域90AにパターンPbとパターンPcが含まれ、画像2にパターンPbとパターンPcが含まれていれば、パターンPbとパターンPcを頼りに位置ずれ補正を行なうことも可能である。なお、ΔXとΔYは同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
次に、制御装置40は、ステップS20で撮像した画像2を制御装置40のRAMから呼び出す(ステップS22)。ここで撮像した画像2を呼び出すのは、後述するマッチング処理で用いるためである。
そして、制御装置40はステップS20で記憶したターゲット枠90の座標を、ステップS20で記憶したマッチング処理をするための座標に合わせることにより、マッチング開始位置を設定する(ステップS23)。具体的には、ステップS20で記憶した座標(X4−ΔX,Y4+ΔY)に、座標(x4、y4)を座標変換等を行ってマッチング開始位置を求める。
続いて制御装置40は、ステップS10で撮像した画像1と画像2の相関をとるために画素数等を用いて周知の方法により、ステップS20で撮像してRAMに記憶した画像2を縮小し画像3を得る。そして、制御装置40は、画像3を1画素ずつXY方向にずらす毎に画像1と画像3の相関をとるマッチング処理を行う(ステップS24)。マッチング処理を開始するときの画像を図6に示す。なお、必要とされる位置ずれ量の補正精度によっては、必ずしも1画素ずつ移動する必要は無いし、マッチング処理も移動毎に行なわなくとも良い場合がある。
制御装置40は、画像1の(X4−ΔX、Y4+ΔY)〜(X2+ΔX、Y2−ΔY)で囲まれる矩形領域内で画像3を最小1画素ずつXY方向に移動させる(ステップS26)毎にマッチング処理を行なう(ステップS24)。マッチング処理は図6に示すように、マスキング枠90Aの座標(X4−ΔX、Y4+ΔY)と画像3の(x4、y4)を合わせた状態から行い、マスキング枠90Aと画像3のターゲット枠90aのそれぞれ対応する座標、すなわち(X1+ΔX、Y1+ΔY)と(x1、y1)、(X2+ΔX、Y2−ΔY)と(x2、y2)、(X3―ΔX、Y3―ΔY)と(x3、y3)がそれぞれ一致するように移動して、マスキング枠90A内の全域において画像3との相関を取る。本実施例においては画像3のターゲット枠90aの座標(x3、y3)が、マスキング枠90Aの座標(X3−ΔX、Y3−ΔY)に到達したところでマッチング処理を完了させる。
XY方向に画像3を移動させるにあたっては、マスキング枠90A内でX方向に往復動しながらマスキング枠90Aの−Y方向に移動して行ってもよいし、同様にY方向に往復動しながら+X方向に移動して行ってもよい。また、マッチング処理をスタートする位置は上述した位置でなくともよく、マスキング枠90Aと画像3のターゲット枠90aのそれぞれ対応する座標、すなわち(X1+ΔX、Y1+ΔY)と(x1、y1)、(X2+ΔX、Y2−ΔY)と(x2、y2)、(X3―ΔX、Y3―ΔY)と(x3、y3)のうち任意の場所から選んでよい。その場合のマッチング処理が終了する場所はマッチング処理スタート位置に応じてマスキング枠90A内の全域において画像3との相関が取れさえすればどこで終わってもよい。
制御装置40は、縮小した画像の座標(x3、y3)が、マスキング枠90Aの座標(X3−ΔX、Y3−ΔY)に到達したと判断したとき(ステップS25;Yes)は、ステップS34でマッチング処理した画像の中から、図7に示すような最もマッチング度の高い画像の座標を特定する(ステップS27)。マッチング処理は、複数の画素毎に移動して画像1と画像3の相関を取り、マッチング度の高い領域を割り出してから、その領域内において細かく移動して画像1と画像3の相関を取り、最終的に最もマッチング度の高い画像の座標を特定するようにしても良い、このようにすればマッチング処理のさらなる高速化が可能である。
そして、制御装置40は、ステップS27で特定した座標から、原点を求め、その移動量を、X軸方向、Y軸方向に分けて算出する(ステップS28)。
その後、制御装置40は、図1に示すX軸ステージ31をステップS28で求めたX軸方向の原点移動量だけ移動させる(ステップS29)。さらに、制御装置40は、Y軸ステージ32をY軸方向の原点移動量だけ移動させる(ステップS30)。
そして、このような位置ずれ補正処理を行って試料ステージ30を移動させることにより、対物レンズ20の倍率を高倍率に変更し、試料の位置ずれが生じたときでも、速やかにその位置ずれを補正することができる。
上記実施の形態は一例であり、本発明はこれに限られない。すなわち、種々の応用が可能であり、あらゆる実施の形態が本発明の範囲に含まれる。
例えば、上記実施例では、対物レンズ20を変更したときにも、試料が表示装置70が表示した画像に全て収まっている例を示しているが、例えば対物レンズ20の倍率を変更したときに、図8に示すような状態となっている場合でも、その画像を縮小して、図9に示すようにマッチング処理を開始することにより、試料が一部分しか表示装置70に表示されていない場合であっても位置ずれを補正することができる。
尚、顕微鏡100の構成や動作等については、同様の機能構成が得られるならば、任意に変更可能である。例えば、上記実施形態では、制御装置40、記憶装置50等が顕微鏡本体と一体となった形態としているが、リモートコントローラ等を用いて、顕微鏡の試料ステージ30等を遠隔操作して、対物レンズ20を変更したときに用いるターゲット枠90の設定を行ってもよい。
本発明の実施の形態に係る顕微鏡を模式的に示す図である。 図1に示す撮像装置が試料ステージに置かれた試料を撮像したイメージ図である。 図1に示すレボルバを操作して高倍率の対物レンズを用いて撮像装置が試料ステージに置かれた試料を撮像したイメージ図である。 図3に示す高倍率の対物レンズの画像と、低倍率の画像との位置ずれをあらわすイメージ図である。 撮像した画像をマスキングしたときの画像のイメージ図である。 パターンマッチング処理を開始するときの画像のイメージ図である。 パターンマッチング処理の結果を示す画像のイメージ図である。 試料が全てターゲット枠に収まらない場合の高倍率画像のイメージ図である。 図8に示す画像のパターンマッチング処理を開始するときのイメージ図である。 本発明の実施をするための画像記憶処理の処理動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施をするための位置補正処理の処理動作を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
100 顕微鏡
10 レボルバー
20 対物レンズ
30 試料ステージ
31 X軸ステージ
32 Y軸ステージ
33 試料搭載台座
40 制御装置
50 記憶装置
60 入力装置
70 表示装置
80 撮像装置
90 ターゲット枠(倍率変更前)
90a ターゲット枠(倍率変更後)
90A マスキング枠

Claims (5)

  1. 試料を載置するステージと複数の対物レンズを備え、該対物レンズを変更することにより、前記試料の観察倍率を変更できる顕微鏡であって、
    第1の対物レンズを用いて、前記試料の第1の画像を撮像する第1撮像手段と、
    前記第1の対物レンズが、該第1の対物レンズよりも倍率がk(kは1以上の実数)倍の第2の対物レンズに変更された後、前記試料の第2の画像を撮像する第2撮像手段と、
    前記第2撮像手段により撮像された前記第2の画像を1/k倍に縮小した第3の画像を生成する縮小手段と、
    前記第1撮像手段により撮像された前記第1の画像と前記縮小手段により生成された前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求め、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を求めるずれ量判別手段と、
    前記ずれ量判別手段で判別されたずれ量をキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置を補正する位置補正手段と、
    を備えることを特徴とする顕微鏡。
  2. 前記ずれ量判別手段は、前記第1の画像の観察対象領域以外の領域をマスクするマスク手段と、
    前記マスク手段によりマスクされた前記第1の画像の観察対象領域と前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求める位置判別手段と、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を求める相対ずれ量判別手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。
  3. 前記ずれ量判別手段は、前記第1の画像の中心と前記第3の画像の中心とのx−y座標上のずれを判別し、
    前記位置補正手段は、前記x−y座標上のずれをキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置をx座標軸方向及びy座標軸方向に補正する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の顕微鏡。
  4. 前記ステージはx−yステージから構成され、
    前記第1と第2の対物レンズはレボルバーに装着されており、
    前記ずれ量判別手段は、前記第1の対物レンズで前記試料の第1の画像が撮像された後に、前記レボルバーが回転され、前記第2の対物レンズにより同一の前記試料について前記第2の画像を得られたときに、前記第1の画像の画像中心に対する前記第2の画像の画像中心のx−y座標上でのずれ量を求め、
    前記位置補正手段は、前記第1の画像の画像中心に対応する位置が、前記レボルバーの回転後に前記第2の対物レンズを介して撮像された前記第2の画像の画像中心となるように、前記x−yステージを制御する、
    ことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の顕微鏡。
  5. コンピュータに、
    第1撮像手段により、第1の対物レンズを用いて試料の第1の画像を撮像し、
    前記第1の対物レンズが、該第1の対物レンズよりも倍率がk(kは1以上の実数)倍の第2の対物レンズに変更された後、第2撮像手段により、前記試料の第2の画像を撮像し、
    前記第2撮像手段により撮像された前記第2の画像を縮小手段により、1/k倍に縮小した第3の画像を生成し、
    前記第1撮像手段により撮像された前記第1の画像と前記縮小手段により生成された前記第3の画像との相関をとることにより、前記第1の画像上の前記第3の画像の位置を求め、この前記第3の画像の位置から、前記第1の画像の撮像位置に対する前記第2の画像の撮像位置の相対的なずれ量を、ずれ量判別手段により求め、
    前記ずれ量判別手段で判別されたずれ量をキャンセルするように、前記ステージと前記第2の対物レンズとの相対的位置を補正する、
    動作を実行させる顕微鏡の制御プログラム。

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