JP2010014965A - 生体観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度が改善された生体観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】試料に近接配置される対物ユニットと、試料を撮像する撮像装置と、前記試料の変位を補正する方向に前記対物ユニットを駆動する対物ユニット駆動装置と、前記撮像装置のフレームレートを、前記対物ユニットに備えられたレンズの倍率に応じて設定する、撮像装置のための制御装置とを備える生体観察装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は生体観察装置に関する。

近年、生物学の研究において、標本として実験動物の一個体を用い、生きたままその臓器等を光学顕微鏡により観察するいわゆるインビボ観察が行われるようになっている。インビボ観察においては、観察対象が拍動、呼吸動などの動きを有するために観察位置のズレや焦点のボケが生じやすい。このような観察位置の変位や焦点ボケを解消する方法としては、撮像手段を備えた顕微鏡全体を観察対象の動きに合わせて追従させる装置（例えば、特許文献１）、或いは、観察対象の動きに合わせて対物レンズを追従させる装置（例えば特許文献２）などのように、装置を追従制御する方法が知られている。特許文献２では、観察対象の動きを検出するために、観察用のカメラとは別に検出用カメラを備えている。
特開平７−２２２７５４号公報 特開２００７−１８７８１０号公報

しかしながら、従来の追従制御の方法は観察条件によって精度が異なり、安定した観察が行えないという問題があった。具体的にいうと、カメラによる検出分解能は主にレンズ倍率により決定される。そのため、レンズの倍率を変更すると検出分解能が変化し、これによって生体の動きを検出する精度が変化する。そのため、追従制御の精度、即ち、生体の動きを補正する生体変位補正精度が変化してしまい、生体観察における検出精度が一定しないという問題があった。

上記問題に鑑み、本発明は、レンズの倍率を変更しても生体変位補正精度を一定にすることを可能とし、これによって検出精度が改善された生体観察装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、試料に近接配置される対物ユニットと、試料を撮像する撮像装置と、前記試料の変位を補正する方向に前記対物ユニットを駆動する対物ユニット駆動装置と、前記撮像装置のフレームレートを、前記対物ユニットに備えられたレンズの倍率に応じて設定する、撮像装置のための制御装置とを備える生体観察装置を提供する。

本発明によれば、動的な挙動を示すために観察位置に変位が生じるような試料に対して、対物ユニット駆動装置を作動させて該変位を補正する方向に対物ユニットが駆動される。ここにおいて、撮像装置のフレームレートを、対物ユニットに備えられるレンズ倍率に応じて適切に設定することにより、生体変位補正精度をレンズ倍率によらず一定にし、観察精度を安定させることができる。

上記発明においては、前記対物ユニットに備えられたレンズの倍率が変更されたときに、前記撮像装置のフレームレートを変更する制御装置を用いることができる。

また上記発明においては、前記撮像装置として、試料の変位を検出し、且つ、前記制御装置によってフレームレートが設定される検出用撮像装置、及び、観察用撮像装置を用いることができる。
検出用と観察用の二つの撮像装置を用いることにより、観察用の画像とは別に生体変位を検出するための画像を取得することができる。このため、観察用画像の取得を考慮することなく検出用撮像装置のフレームレートを任意に変更することが可能である。

上記発明においては、前記対物ユニットに備えられたレンズが、対物レンズ及びテレビアダプタから選択されることとしてもよく、或いはさらに他のレンズが備えられてもよい。

また、上記発明において、前記生体観察装置は、前記対物ユニットのレンズ倍率を制御し、且つ、前記撮像装置のための制御装置にレンズ倍率に関する情報を伝達する、第２の制御装置をさらに具備することができる。
これにより、該第２の制御装置からレンズ倍率を簡便に変更することができ、また、自動的に前記撮像装置のフレームレートを変更することができる。

また、上記生体観察装置は、生体観察用の顕微鏡であってよく、或いは内視鏡やその他の観察装置であってもよい。

上記生体観察装置において観察される試料は、生体中の細胞、組織又は内臓であってよく、生体の動的挙動が補正されることによって、生きたままの試料中の極微細な対象を観察することが可能である。

本発明によれば、撮像装置のフレームレートを適宜変更することにより、安定した生体変位補正精度を得ることができ、検出精度が改善された生体観察装置を提供することができる。

本発明の生体観察装置は、顕微鏡観察装置として好適に用いられるが、これに限定されず、例えば内視鏡観察装置やその他の適切な装置として用いられることもできる。以下、説明の便宜のため、検出用撮像装置と観察用撮像装置の二つの撮像装置を具備する顕微鏡観察装置を例として詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る顕微鏡観察装置１について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡観察装置１は、試料Ｓを搭載するステージ２と、励起光Ｅを出射する励起光源３と、該励起光源３からの励起光Ｅを導く照明レンズ（照明光学系）４と、該照明レンズ４により導かれた励起光Ｅを試料Ｓに導く一方、試料Ｓにおいて発生した蛍光Ｆをコリメートする対物ユニット５と、該対物ユニット５によりコリメートされた蛍光Ｆを励起光Ｅから分岐するダイクロイックミラー６と、分岐された蛍光Ｆをさらに分岐するビームスプリッタ７と、分岐された蛍光Ｆを検出する２つのＣＣＤのような撮像装置、即ち、観察用撮像装置８及び検出用撮像装置９と、検出用撮像装置９を制御する制御装置２１を備えている。図中符号２０は結像レンズである。

前記励起光源３、照明レンズ４、ダイクロイックミラー６、ビームスプリッタ７及び２つの撮像装置８，９は、顕微鏡本体１０に備えられている。一方、前記対物ユニット５は、顕微鏡本体１０から切り離され、対物ユニット駆動装置１１により支持されている。なお、対物ユニット５には、対物レンズ及び着脱可能なテレビアダプタが備えられている。

対物ユニット駆動装置１１は、前記対物ユニット５をステージ２と顕微鏡本体１０との間に配置するアーム１２と、該アーム１２により保持された対物ユニット５を鉛直方向に移動させる第１の駆動機構１３と、前記対物ユニット５を水平２方向に移動させる第２、第３の駆動機構１４、１５と、前記対物ユニット５を該対物ユニット５の光軸に直交する２方向に沿う軸線回りに搖動させる第４、第５の駆動機構１６，１７とを備えている。第１〜第３の駆動機構１３〜１５は、例えば、モータ１３ａ〜１５ａと、該モータ１３ａ〜１５ａに接続された図示しないボールネジ等の直線移動機構とを備えている。第４、第５の駆動機構１６、１７は、例えば、モータ１６ａ、１７ａと、該モータ１６ａ、１７ａに接続された減速機構１６ｂ、１７ｂとを備えている。

前記検出用撮像装置９には、該検出用撮像装置９により取得された画像を処理して試料Ｓの変位量とその方向を算出すると共に、前記対物ユニット駆動装置１１の各駆動機構１３〜１７に対し、試料Ｓの変位による対物ユニット５の光軸のズレを補正する方向に対物ユニット５を駆動する駆動指令を出力する駆動制御装置１８が接続されている。

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置１においては、図２に示されるように、対物ユニット駆動装置１１の作動により、対物ユニット５が、光軸に沿うＺ軸方向、光軸に直交するＸ軸，Ｙ軸方向および、Ｘ軸およびＹ軸回りのＡ，Ｂ方向にそれぞれ移動できるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡観察装置１においては、観察用撮像装置８により試料の観察用の画像が撮像される。一方、検出用撮像装置９により、試料の変位を検出するための画像が撮像される。検出用撮像装置９により取得された画像情報は、駆動制御装置１８に送られ、駆動制御装置１８において画像処理されることにより、変位の方向、変位量、および揺動角度等が検出される。駆動制御装置１８はこの検出結果に基づいて対物ユニット駆動装置１１の各駆動機構１３〜１７に送る指令信号を演算し、該指令信号に基づいて各駆動機構１３〜１７が駆動させられる。

ところで、対物ユニット５に備えられるレンズの倍率を上げると視野範囲が狭くなると共に、生体の変位の影響が大きくなる。図３を参照してこれを説明する。図３は振動する生体の例であり、図３（ａ）は対物レンズが１０倍の画像、図３（ｂ）は対物レンズが２０倍の画像であり、図中の黒点はマーカーであり、矢印は振動の範囲を表す。図３に示すように、対物レンズの倍率を２倍にすると、検出対象が２倍の大きさになるが、振動の大きさも２倍になり、これによって追従制御の誤差が大きくなる。

この追従制御の誤差について図４を参照して説明する。
図４は生体の振動を時系列で表した模式図である。図４における階段状の線は、横線がフレームレートを表し、縦線は、実際の生体振動波形と、画像処理によりフレーム毎に検出された生体振動波形との差、即ち、検出誤差を表す。図４（ａ）は、対物レンズの倍率が１０倍であり、フレームレートが100 fpsの時の模式図である。図４（ｂ）は、対物レンズの倍率が２０倍であり、フレームレートが100 fpsの時の模式図である。図４（ｃ）は、対物レンズの倍率が２０倍であり、フレームレートが200 fpsの時の模式図である。

図４（ｂ）に示すように対物レンズの倍率を上げると観察される振動が大きくなる。しかしフレームレートは（ａ）と同じであるために、（ｂ）における生体振動検出の誤差は増大する。生体振動検出の誤差が大きくなるということは、検出結果に基づいて行われる追従制御の誤差が大きくなるということである。そこで、図４（ｃ）に示すように、レンズ倍率を上げると共にフレームレートも増大させると、追従制御の誤差は（ａ）とほぼ同程度に維持される。

このように、レンズ倍率を変更すると追従制御の誤差が増大又は減少し、生体変位補正精度が不安定となる。しかし、レンズ倍率が変更されても、フレームレートを適切に変更することにより、追従制御の誤差をほぼ一定に維持することができる。これにより、生体変位補正精度を安定化させることができる。

このように、本実施形態に係る顕微鏡観察装置１によれば、対物ユニット５のレンズ倍率に応じて、制御装置２１が検出用撮像装置９のフレームレートを適切に設定することにより、生体変位補正精度を安定化することができ、生体観察における検出精度を向上させることが可能である。

レンズ倍率とフレームレートの関係は、任意に設定することができる。一つの態様として、対物ユニット５で用いられるレンズ倍率とフレームレートとの対応関係を予め決定し、制御装置２１中に備えられるメモリに記録しておいてもよい。

なお、フレームレートの変更による追従制御の遅れ時間の変化は駆動制御系に影響するため、そのデータを駆動制御装置１８内のメモリ等に予め格納しておくことが好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡観察装置１を図５に示す。第２の実施形態においては、顕微鏡観察装置１は、対物ユニット５のレンズ倍率を制御し、且つ、検出用撮像装置９のための制御装置２１にレンズ倍率に関する情報を伝達する、第２の制御装置２２をさらに具備する。第２の制御装置２２を具備することにより、レンズ倍率を簡便且つ自動的に随時変更することができ、同時に、検出用撮像装置９のフレームレートの変更も簡便且つ自動的に行うことができる。

なお、対物ユニット駆動装置１１については、上記実施形態に記載されたものに限定されず、任意の種々の機構を適宜採用することができる。

以上、顕微鏡を例として本発明の構成及び作用を説明したが、本発明の範囲は顕微鏡に限定されず、撮像装置、対物レンズ等を備える対物ユニット、該対物ユニット駆動装置などを備える観察装置であれば何れのものでも本願発明に包含される。

本発明の実施形態に係る顕微鏡観察装置を示す模式的な全体構成図である。 図１の顕微鏡観察装置の説明における対物ユニットと座標軸との関係を示す斜視図である。 図１の顕微鏡観察装置における視野範囲の変化を例示する模式図である。 レンズ倍率とフレームレートの関係を例示する模式図である。 第２の実施形態に係る顕微鏡観察装置を示す模式的な全体構成図である。

符号の説明

Ｓ…試料、Ｅ…励起光（光）、Ｆ…蛍光（戻り光）、１…顕微鏡観察装置、３…励起光源（光源）、４…照明レンズ（照明光学系）、５…対物ユニット、８…観察用撮像装置、９…検出用撮像装置、１０…顕微鏡本体、１１…対物ユニット駆動装置、１８…駆動制御装置、２１…制御装置、２２…第２の制御装置。

Claims (7)

1. 試料に近接配置される対物ユニットと、
   前記対物ユニットを介して試料を撮像する撮像装置と、
   前記試料の変位を補正する方向に前記対物ユニットを駆動する対物ユニット駆動装置と、
   前記撮像装置のフレームレートを、前記対物ユニットに備えられたレンズの倍率に応じて設定する、撮像装置のための制御装置とを備える生体観察装置。
2. 前記撮像装置のための制御装置が、前記対物ユニットに備えられたレンズの倍率が変更されたときに前記撮像装置のフレームレートを変更する制御装置である、請求項１に記載の生体観察装置。
3. 前記撮像装置として、試料の変位を検出し、且つ、前記制御装置によってフレームレートが設定される検出用撮像装置、及び、観察用撮像装置を具備する、請求項１又は２に記載の生体観察装置。
4. 前記対物ユニットに備えられたレンズが、対物レンズ及びテレビアダプタから選択されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の生体観察装置。
5. 前記生体観察装置が、前記対物ユニットのレンズ倍率を制御し、且つ、前記撮像装置のための制御装置にレンズ倍率に関する情報を伝達する、第２の制御装置を具備することを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の生体観察装置。
6. 前記生体観察装置が生体観察用の顕微鏡である、請求項１〜５の何れか一項に記載の生体観察装置。
7. 前記試料が生体中の細胞、組織又は内臓であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の生体観察装置。

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