JP2008065144A

JP2008065144A - 分光光学ユニット

Info

Publication number: JP2008065144A
Application number: JP2006244291A
Authority: JP
Inventors: Koshi Kei; 虹之景; Taichiro Nezu; 多一郎根津
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】多色画像を得る場合、単色の画像間の画素ずれを無くした分光光学ユニットを提供する。
【解決手段】複数の波長を含む光信号を入力して２つの波長の像に分離し、それぞれの波長の像を２台のカメラに取り込むようにした分光光学ユニットにおいて、前記２台のカメラのうちの少なくとも一台を光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に励起光束を照射し、試料から出る蛍光信号を顕微鏡及び共焦点スキャナを介して共焦点像を得、この共焦点像を２つの波長の像に分け、２台のカメラで取り込む分光光学ユニットに関し、画質の向上を図った分光光学ユニットに関するものである。

例えば創薬スクリーニング装置では、ウェルプレートにあるアレイ状のウェル（穴）に並べられた試料に特定の波長の光を照射して励起し、励起された試料から出る蛍光像を顕微鏡システムで拡大し、ニポウディスク方式共焦点スキャナを介して分光光学ユニットにに取り込み、拡大像をカメラで撮影している。

次に、カメラで取得した画像に対して画像処理を施し、その結果を元に薬の候補になる試料を見出している。顕微鏡とカメラの間に設置される共焦点スキャナは画像の画質を高めるように機能する。
このような創薬スクリーニング装置に利用される先行技術としては、分光光学ユニットを用いた下記のような特許文献が知られている。

特開２００２−０６２４８０号公報特開２００５−２３４０８０号公報

図３は上記特許文献１に記載された従来の分光光学ユニットを用いた共焦点顕微鏡を示す構成図である。
図３において、共焦点スキャナ２６は顕微鏡５に接続されており、例えば、第１の蛍光波長λ１＝５３２ｎｍと第２の波長λ２＝６４７ｎｍを含む照明用平行励起光束１（点線）がマイクロレンズアレイディスク（ＭＬディスクという）２により個別の光束に集光される。

この照明用平行励起光束１は分光特性を持つ平板ミラーからなる第１のダイクロイックミラー（ＤＭという）３を透過後、ニポウディスク４の個々のピンホールを通過し、顕微鏡の対物レンズ６により、ウエルプレート７に載置された試料８に集光され蛍光試薬を励起する。ＭＬディスク２とニポウディスク４は支軸２５を中心として回転する。

また、図３において、２０は共焦点スキャナ２６の共焦点画像取り出しポート１０に接続された分光光学ユニットである。この分光光学ユニット２０は、戻り光分離手段として平板ミラーからなる第２のＤＭ２３、迷光除去手段として分光特性を持つバンドパスフィルタ２４ａ,２５ｂを備えている。

試料８には例えば蛍光試薬ＣＹ３及びＣＹ５が付加されており、各々の蛍光試薬が発した蛍光信号１２は再び対物レンズ６を通り、ニポウディスク４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１２はＤＭ３で反射され、リレーレンズ９，レンズ２１ａ、バンドパスフィルタ２４ａ,２４ｂを介して、それぞれ選択された波長の共焦点光学像がカメラ２２ａ，２２ｂに結像される。

上述の構成では、ニポウディスク４のピンホールが並んでいる平面と、試料８上の被観察平面と、カメラ２０ａ，２０ｂの受光面とは互いに光学的に共役な関係に配置してあるので、カメラ２０ａ，２０ｂには試料８の光学的断面像、すなわち共焦点画像が結像される。

したがって、試料８の共焦点画像をカメラ２０ａ，２０ｂの受光面上に同時に形成することができるため、多数の被検査試料をマトリックス状に並べた試料８を顕微鏡と共焦点スキャナに対して相対的に移動させることにより、試料全数の任意の波長選択分離をした共焦点画像を高速に取り込むことができる。

図４は他の従来例を示すもので、図３と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。この例においては図３の従来例とは分光光学ユニットの構成が異なっている。
即ち、共焦点スキャナ２６に取り付けられた分光光学ユニット２０ａでは、レンズ２１により共焦点像２２の蛍光信号を平行光にする。
ＤＭ３３ａは、レンズ２１を通過した蛍光信号を、その分光特性により蛍光信号を透過する波長域と反射する波長域に分離する。

全反射ミラー３２ａは、ＤＭ３３ａで反射された波長域の蛍光信号をさらに反射する。反射した蛍光信号は、バンドパスフィルタ（以下、ＢＦという）３４ｃを透過し、ＢＦ３４ｃにより蛍光信号以外の光を取り除かれ、レンズ３５ｃによりカメラ４０ｃの撮像面に結像する。

ＤＭ３３ｂは、ＤＭ３３ａを透過した波長域の蛍光信号を、その分光特性により透過する波長域と反射する波長域とに分離する。ＤＭ３３ｂを透過した波長域の蛍光信号は、ＢＦ３４ｂを透過することで蛍光信号以外の光が取り除かれ、レンズ３５ｂによりカメラ４０ｂの撮像面に結像する。

全反射ミラー３２ｂは、ＤＭ３３ｂで反射された波長域の蛍光信号をさらに反射する。
反射した蛍光信号は、ＦＢ３４ａを透過し、蛍光信号以外の光を取り除かれ、レンズ３５ａによりカメラ４０ａの撮像面に結像する。

ここで、ダイクロイックミラーＤＭ３３ａ，３３ｂが分光手段、全反射ミラー３２ａ，３２ｂが反転手段、バリアフィルタＢＦ３４ａ，３４ｂ，３４ｃが迷光除去手段、カメラ４０ａ〜４０ｃが撮像手段、画像処理装置５０が画像処理手段として機能する。
また、カメラ４０ａ〜４０ｃには、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary MOS）などの撮像素子が用いられ、画像処理装置５０としては、例えばパーソナルコンピュータが用いられる。

このように、カメラ４０ｂに結像する像はＤＭ３３ａおよびＤＭ３３ｂを透過した像であるため反転が起こらない。また、カメラ４０ａに結像する像は、ＤＭ３３ｂで反射され反転し再び全反射ミラー３２ｂの反射により反転する。さらに、カメラ４０ｃに結像する像は、ＤＭ３３ａで反射され反転し再び全反射ミラー３２ａの反射により反転する。

従って、カメラ４０ａ，４０ｂ，４０ｃに結像される像の向きは全て同一方向となり、画像処理装置５０により、像の反転処理を行って整合をとる必要が無くなり、画像処理に費やす時間を短縮することができる。

ところで、上述の従来例においては、２台以上のカメラで撮像した画像を重ね合わせて、多色の試料の画像を得る際の画像間の画素ずれの調整（レジストレーション）について、解決手段を持っておらず、カメラの画像を重ねたときにずれが生じて映像の鮮明度が良くないという問題があった。

図５（ａ，ｂ）はカメラの画像を重ねたときの画像のずれを示す模式図である。図５ａはカメラ２２ａの画像とカメラ２２ｂの画像にずれが生じている状態を示し、図５ｂはカメラ２２ａの画像とカメラ２２ｂの画像にずれが生じておらず、鮮明な画像状態を示している。
従って、本発明は、多色の蛍光信号を複数の単色像に分光し、単色像をそれぞれのカメラで撮像し、単色像を合成して多色画像を得る場合、単色の画像間の画素ずれを無くした分光光学ユニットを実現することを目的としている。

本発明の分光光学ユニットは、請求項１においては、
複数の波長を含む光信号を入力して２つの波長の像に分離し、それぞれの波長の像を２台のカメラに取り込むようにした分光光学ユニットにおいて、前記２台のカメラのうちの少なくとも一台を光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設けたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の分光光学ユニットにおいて、
前記２台のカメラのうちの一台を固定し、他の一台を移動させ、前記固定した一台のカメラの画像に他の一台の画像を合わせるようにしたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１又は２に記載の分光光学ユニットにおいて、
前記複数の波長を含む光信号を集光する第１レンズと、この第１レンズで集光された光を波長に応じて２方向に分光する分光手段と、分光された一方の光を受光して第１カメラに入射する第２レンズと、分光された他方の光を受光して第２カメラに入射する第３レンズを備え、これら第１，第２，第３レンズの光学系をテレセントリック系としたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項３に記載の分光光学ユニットにおいて、
前記分光された一方の光を受光して第１カメラに入射する第２レンズと、分光された他方の光を受光して第２カメラに入射する第３レンズは、焦点距離のばらつきが０．１％以下であることを特徴とする。

請求項５においては、請求項３又は４に記載の分光光学ユニットにおいて、
前記第１，第２，第３レンズを収納する容器の内側若しくは近傍に温度センサを配置したことを特徴とする。

請求項６においては、請求項５に記載の分光光学ユニットにおいて、
前記温度センサの出力と前記２台のカメラに取り込まれた画像の画素ずれの相関関係を記録する記憶手段を受けたことを特徴とする。

本発明の分光光学ユニットの請求項１および２においては、２台のカメラのうちの少なくとも一台を光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設け、２台のカメラのうちの一台を固定し、他の一台を移動させ、固定した一台のカメラの画像に他の一台の画像を合わせるようにした。
その結果、単色の画像間の画素ずれを補正することができ、鮮明度の高い画像を得ることができる。

請求項３および４においては、第１，第２，第３レンズの光学系をテレセントリック系とし、第１カメラに入射する第２レンズと、第２カメラに入射する第３レンズの焦点距離のばらつきを０．１％以下としたので、２台のカメラの画像のずれを小さくすることができ、２系統の光学系の倍率を等しくすることができる。

請求項５および６においては、第１，第２，第３レンズを収納する容器の内側若しくは近傍に温度センサを配置し、温度センサの出力と２台のカメラに取り込まれた画像の画素ずれの相関関係を記録する記憶手段を受けたので、相関関係に基いてカメラの位置を補正することができる。

以下、図１を参照して、本発明による分光光学ユニットの一実施形態について説明する。
図１において図３に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。従来例と異なる点は２台のカメラのうちの少なくとも一台に光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設けた点にある。

図１に示すように、照明用励起光束１を照射して試料８から出る蛍光信号を顕微鏡５及び共焦点スキャナ２６を介して共焦点像を得る。
次に、この共焦点像を分光光学ユニット２０によって２つの波長の像に分け、それぞれカメラ２２ａとカメラ２２ｂで取り込む。

分光光学ユニット２０の容器（図示省略）内において、レンズ２１ａとレンズ２１ｂで構成する結像光学系によってダイクロイックミラー５を透過した像をカメラ２２ｂに結ぶ。また、レンズ２１ａとレンズ２２ｃで構成する結像光学系によってダイクロイックミラー５で反射される像をカメラ２２ａに結ぶ。

試料８から出る蛍光波長に合わせて、レンズ２１ｂ、２１ｃの前にバンドパスフィルタ２４ａ，２４ｂを設置し、取り込みたい蛍光成分のみを透過させる。
本実施例では、カメラ２２ｂを分光光学ユニットに直接固定し、カメラ２２ａを２軸の電動ステージ（図示省略）に取り付けている。

図２は図１に示すカメラ２２ａをＸＹ軸方向に駆動するための概略構成図である。図２において、３０は２軸ステージであり、カメラ２２ａが載置されている。３７はステージドライバで、コンピュータ３８の指令に基づいて２軸ステージ３７をＸＹ軸方向に駆動する。同時にコンピュータは２台のカメラ２２ａ，２２ｂの画像をモニタ（図示省略）に表示する。そして、カメラ２２ｂの画像を基準に、カメラ２２ａの画像がそれに完全に一致（図５ｂ参照）するように、カメラ２２ａの位置を２軸の電動ステージ３０で調整する。

また本発明では、２台のカメラの画像のずれをできるだけ小さくするため、レンズ３ａと３ｂ、３ａと３ｃで構成される光学系をテレセントリック系とする（テレセントリック系とは、主光線がレンズ光軸に対して平行である光学系のことであり、物体からレンズに入射する光が光軸外においても光軸と平行である構造の光学系を物体側テレセントリック光学系と称し、レンズから像に向かう光が光軸外においても光軸と平行である構造の光学系を像側テレセントリック光学系と称する）。

更に、２系統の光学系の倍率を等しくするため、レンズ３ｂとレンズ３ｃの焦点距離のばらつきを０．１％以下とする。
上記調整を行った分光ユニットにおいて、周囲温度が一定であれば、２台のカメラで撮った画像の間にずれは生じない。

しかし、本発明者等の実験によれば、周囲温度が変化すると、分光光学ユニットを構成する金属材料の熱伸縮によって、２台のカメラ間の相対位置にずれが生じる。例えば、周囲温度が１０℃程度変化すると、２台のカメラの相対位置に十μｍ程度、画素に換算すると数画素のずれが生じることを確認している。

したがって、本発明では、分光光学ユニットを構成する容器の内側若しくは近傍に温度センサ３１を取りつけ、周囲温度と２台のカメラで撮る画像間の画素ずれの相関関係を記録して、図２に示すコンピュータ３８に保存しておく。
実験の際、周囲温度をモニタして、温度変化があった場合、前記相関関係に基づいて、カメラ２２ａの位置をステージドライバで補正する。なお、ステージドライバは電動により駆動する。

以上説明したように、本発明の分光光学ユニットによれば、２台のカメラのうちの少なくとも一台を光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設けているので、たとえば固定した一台のカメラの画像に合わせて他の一台のカメラの位置を動かして位置合わせをすることができる。その結果、単色の画像間の画素ずれを無くした鮮明度の高い画像を得ることができる分光光学ユニットを実現することことができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、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、変形を含むものである。

本発明の分光光学ユニットの一実施例の構成を示すブロック図である。図１に示すカメラ２２ａをＸＹ軸方向に駆動するための概略構成図である。従来の分光光学ユニットの構成を示すブロック図である。従来の分光光学ユニットの他の構成を示すブロック図である。カメラの画像を重ねたときの画像のずれを示す模式図である。

符号の説明

１照明用励起光束
２マイクロレンズアレイディスク
３，２３，３３ａ,３３ｂ，３６ダイクロイックミラー
４ピンホールアレイディスク
５顕微鏡
６対物レンズ
６ａ,３２ａ,３２ｂ全反射ミラー
７ウェルプレート
８試料
９リレーレンズ
１０共焦点画像取り出しポート
１２蛍光信号
２０，２０ａ分光光学ユニット
２１ａ〜２１ｃ，３５ａ〜３５ｃレンズ
２２共焦点像
２２ａ，２２ｂ，４０ａ〜４０ｃカメラ
２４ａ，２４ｂ，３４ａ〜３４ｃバンドパスフィルタ
２５支軸
２６共焦点スキャナ
３０２軸ステージ
３６温度センサ
３７ステージドライバ
３８コンピュータ
５０画像処理装置

Claims

複数の波長を含む光信号を入力して２つの波長の像に分離し、それぞれの波長の像を２台のカメラに取り込むようにした分光光学ユニットにおいて、前記２台のカメラのうちの少なくとも一台を光軸に対してＸＹ方向に駆動するカメラ駆動手段を設けたことを特徴とする分光光学ユニット。
前記２台のカメラのうちの一台を固定し、他の一台を移動させ、前記固定した一台のカメラの画像に他の一台の画像を合わせるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の分光光学ユニット。
前記複数の波長を含む光信号を集光する第１レンズと、この第１レンズで集光された光を波長に応じて２方向に分光する分光手段と、分光された一方の光を受光して第１カメラに入射する第２レンズと、分光された他方の光を受光して第２カメラに入射する第３レンズを備え、これら第１，第２，第３レンズの光学系をテレセントリック系としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の分光光学ユニット。
前記分光された一方の光を受光して第１カメラに入射する第２レンズと、分光された他方の光を受光して第２カメラに入射する第３レンズは、焦点距離のばらつきが０．１％以下であることを特徴とする請求項３に記載の分光光学ユニット。
前記第１，第２，第３レンズを収納する容器の内側若しくは近傍に温度センサを配置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の分光光学ユニット。
前記温度センサの出力と前記２台のカメラに取り込まれた画像の画素ずれの相関関係を記録する記憶手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の分光光学ユニット。