JP2010102196A - 顕微鏡画像の自動調整方法、顕微鏡システム - Google Patents

顕微鏡画像の自動調整方法、顕微鏡システム Download PDF

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Abstract

【課題】顕微鏡利用者に対して過度に作業負担を掛けることなく、適切に画像を調整する技術を提供する。
【解決手段】複数の画素からなる顕微鏡画像の明るさを自動的に調整する顕微鏡画像の自動調整方法であって、画像中の観察対象となる観察画素(細胞1)と観察対象とならない観察外画素(背景2)とを、各々の画素の明るさに基づいて識別する画素識別工程と、観察画素(細胞1)として識別された選択画素の輝度に基づいて画像の明るさを代表する代表値を決定する代表値決定工程と、代表値に基づいて画像の明るさを調整する画像調整工程と、を含む顕微鏡画像の自動調整方法である。
【選択図】 図2

Description

本発明は、顕微鏡の表示画像を自動で調整する技術に関し、特に、表示画像の明るさを基準にして表示画像を自動で調整する技術に関する。
例えば、共焦点レーザ蛍光顕微鏡で表示される画像の明るさは、レーザ光源から射出されるレーザ光の強度や共焦点ピンホールの径の設定、検出器の増幅率の設定によって変化する。さらに、観察対象となる標本によっても画像の明るさは異なる。このため、一般に、顕微鏡により標本を観察する場合、取得される画像を調整する作業が必要となり、これらの作業は顕微鏡の利用者の負担となっている。このため、顕微鏡の一機能として、画像調整を自動化する機能が望まれている。
このような技術的な課題を解決するため、特許文献1では、画像の明るさ、つまり、検出器での検出輝度を自動調整するレーザ顕微鏡が開示されている。この顕微鏡は、予め一定の検出輝度が得られる顕微鏡の設定を登録しておき、当該設定に従ってレーザ強度や検出器の増幅率等を調整することにより、一定の画像の明るさを得ようとするものである。
特開平9−138353号公報
ところで、特許文献1で開示された技術は、予め一定の検出輝度が得られる設定を、例えば、標本の特性(例えば、照明光に対する標本の発光率など)毎に分類して登録している。このため、予め標本の特性毎に設定情報を登録しておくことが必要となる。
また、自動調整の対象となる検出輝度の算出方法については、画像全体の平均値の他、最大輝度値や、画面中央部の平均値、さらに重み付けを加えた上での平均値(加重平均)などさまざまな算定方法が開示されている。これらの算定方法の違いは、自動調整後の画像の明るさに影響を及ぼすが、それらの具体的な選択基準や各種方法で用いられるパラメータ(例えば、重み値など)の設定については、言及されていない。
画像の明るさは、基本的には画像中の観察したい部分の明るさを重視して決定されるべきである。蛍光顕微鏡による蛍光観察の場合、観察したい部分としては、例えば細胞がある。細胞は画面全体に対して比較的小さく観察される場合も多く、また、画像中における当該部分の位置もさまざまに変化する。画像を適切に自動調整するためには、これらを考慮した上で観察したい部分の明るさを高精度に取得することが必要となる。
以上のような技術的な課題を踏まえ、本発明の目的は、利用者に対して過度に作業負担を掛けることなく、適切に画像を調整する技術を提供することにある。
本発明の第1の態様は、顕微鏡画像を明るさに基づいて自動的に画像を調整する顕微鏡画像の自動調整方法であって、画像中の観察対象となる観察画素と観察対象とならない観察外画素とを、画像の各画素の明るさに基づいて識別する画素識別工程と、観察画素として識別された選択画素の明るさに基づいて画像の明るさを代表する代表値を決定する代表値決定工程と、代表値に基づいて画像の明るさを調整する画像調整工程と、を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、画素識別工程は、観察画素と観察外画素とを識別する基準となる明るさの評価値を算出する評価値算出工程と、評価値を基準として選択画素を選択する画素選択工程と、を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第3の態様は、第2の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、評価値は、画像から得られる2つ以上の統計的指標を用いて算出される顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第4の態様は、第3の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、2つ以上の統計的指標は、画像中の全画素の明るさの平均値である全画素平均値と、画像中の全画素の明るさの標準偏差と、を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第5の態様は、第4の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、評価値は、全画素平均値より標準偏差の分だけ明るい明るさである顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第6の態様は、第2の態様乃至第5の態様のいずれか1態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、画素選択工程では、評価値以上の明るさの画素を選択する顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第7の態様は、第1の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、代表値は、選択画素の明るさの平均値である顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第8の態様は、第1の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、画像調整工程では、代表値が所定の明るさに近づくように顕微鏡の動作を制御する顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第9の態様は、第8の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、画像調整工程では、顕微鏡の光源から射出される光の強度を調整する顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第10の態様は、第8の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、画像調整工程では、顕微鏡の光源から射出される光の強度に加え、 顕微鏡の検出器の増幅率を調整する顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第11の態様は、第8の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、さらに、画像調整工程より前に、所定の明るさを入力する目標設定工程を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第12の態様は、第2の態様乃至第11の態様のいずれか1態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、さらに、画素識別工程より前に、画像を取得する画像取得工程を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第13の態様は、第1の態様乃至第12の態様のいずれか1態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、さらに、画素識別工程より前に、顕微鏡の焦点位置を調整する第1の合焦工程を含む顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第14の態様は、第1の態様乃至第13の態様のいずれか1態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、さらに、画像調整工程より後に、代表値が最も大きくなる位置に焦点を移動することにより顕微鏡の焦点位置を調整する第2の合焦工程を含む顕
微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第15の態様は、第1の態様乃至第14の態様のいずれか1態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、顕微鏡は、蛍光顕微鏡である顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第16の態様は、第15の態様に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、顕微鏡は、共焦点レーザ蛍光顕微鏡である顕微鏡画像の自動調整方法を提供する。
本発明の第17の態様は、自動的に画像を調整する顕微鏡システムであって、標本の画像を取得する顕微鏡部と、画像を分析しその結果に基づいて顕微鏡部を制御する制御部と、を含み、制御部は、画像から各画素の明るさと明るさに関する統計情報とを取得する統計処理部と、各画素の明るさと統計情報とを用いて選択画素を選択する選択部と、選択画素の明るさの平均値を用いて画像の調整の要否を判定する判定部と、判定結果に基づいて顕微鏡部を制御する動作制御部と、を含む顕微鏡システムを提供する。
本発明の第18の態様は、第17の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、統計処理部は、画像の全画素の明るさの平均値と標準偏差とを取得し、選択部は、平均値より標準偏差の分だけ明るい明るさを評価値とし、評価値以上の明るさの画素を選択する顕微鏡システムを提供する。
本発明の第19の態様は、第17の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、顕微鏡部は、標本に光を照射する光源を含み、動作制御部は、光源から射出される光の強度を制御する顕微鏡システムを提供する。
本発明の第20の態様は、第17の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、顕微鏡部は、標本に光を照射する光源と、標本からの光を検出する検出器を含み、動作制御部は、光源から射出される光の強度と検出器の増幅率とを制御する顕微鏡システムを提供する。
本発明の第21の態様は、第20の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、画像は2色以上の色からなり、2色以上の色のうちの1色は、光源から射出される光の強度により調整され、その他の色は、検出器の増幅率により調整される顕微鏡システムを提供する。
本発明の第22の態様は、第17の態様に記載の顕微鏡システムにおいて、さらに、画像の調整の条件として目標値を入力する入力部と、顕微鏡部または制御部を介して得られる画像を表示する表示部と、を含む顕微鏡システムを提供する。
本発明によれば、顕微鏡利用者に対して過度に作業負担を掛けることなく、適切に画像を調整する技術を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について詳細に説明する。
図1は、各実施形態で用いられる顕微鏡の画像を自動で調整するシステム(以降、顕微鏡システムと記す。)の全体構成を例示した機能ブロック図である。
まず、顕微鏡システムの自動調整における全体的な制御の流れについて説明する。
顕微鏡システム100は、顕微鏡を用いて標本の画像を取得する顕微鏡部200と、顕微鏡部200で得られた画像を分析しその結果に基づいて顕微鏡部200を制御する制御部300と、標本の画像を表示する表示部400と、制御部300により利用される制御条件(例えば、目標値など)を入力する入力部500とを含んで構成される。
顕微鏡システム100では、顕微鏡部200が取得した画像を制御部300へ出力し、その画像に基づいて制御部300が顕微鏡部200を制御する、いわゆるクローズドループ制御により表示部400で表示される画像の調整を自動化している。このため、画像の自動調整に当たり、事前にデータの登録等の作業は不要である。利用者は入力部500から画像を調整する条件として目標値を入力するだけで、観察する標本に最適化された画像を得ることができる。より具体的には、画像から得られる画像を代表する値(以降、代表値と記す。)が目標値に近づくような調整が行われる。なお、本明細書では、目標値及び代表値として画像(または画素)の明るさ(輝度)を指定する場合を中心に説明する。
図2は、標本を表示した顕微鏡の画像を模式的に例示した図である。図3は、図2で示される画像の各画素の明るさの分布を例示するヒストグラムである。図3で例示されるヒストグラムでは、横軸は画素の明るさ(輝度)を、縦軸は画素数を示している。
以下では、図2及び図3を参照しながら、細胞標本を蛍光観察する場合を例に画像の明るさ(輝度)の目標値及び代表値について検討する。
上述したように、画像の明るさは、基本的には画像中の観察対象となる部分の明るさを重視して決定されるべきである。つまり、図2では、画像中の細胞1の明るさを重視して画像の明るさの目標値を決定すべきであり、画像の明るさの代表値も同様に細胞1の明るさを重視して算出されるべきである。
一方で、通常、画像中の観察対象となる細胞1は背景2よりも明るく表示されるが、図2で例示されるように画像の一部を占めるに過ぎない。画像中では観察対象となる細胞1から発せられる蛍光の他に、背景2からも自家蛍光による蛍光(以降、細胞から発せられる蛍光と区別して、背景光と記す。)が生じる。このため、図3に例示されるように、画像全体の明るさの分布を例示するヒストグラムでは背景2から生じる背景光がその大部分を占めることになる。このような画像において、画像全体の平均輝度を画像の明るさの代表値とした場合、事実上、背景2の明るさを調整しているに過ぎず、適切に画像の明るさを調整することはできない。
図2から明らかなように、画像の明るさを適切に調整して表示するためには、観察対象となる画素(以降、観察画素と記す。)と観察対象とならない画素(以降、観察外画素と記す。)を区別することが必要となる。具体的には、まず、観察画素と観察外画素を適切に分離するための輝度の閾値(以降、評価値と記す。)を定める。その上で、評価値以上の輝度が検出された画素のみで平均輝度を算出し、それをもって画像の代表値とする。評価値を適切に定めることにより、代表値は観察画素で検出される輝度を重視した、観察画素で検出される輝度に近い値を示すことになる。これにより、観察画素である細胞1の明るさが目標値に近くなるように適切に画像が調整されることになる。
なお、この代表値の算出方法は、評価値以上の輝度が検出された画素を観察画素と仮定し、評価値未満の輝度が検出された画素を観察外画素と仮定するものである。本明細書では、実際の観察画素や観察外画素と区別するため、観察画素と仮定された画素を「選択画素」と、観察外画素と仮定された画素を「非選択画素」と記す。
以上を踏まえ、以下では図4及び図5を参照しながら、画像の明るさに関する代表値の算出方法とそれに用いる評価値について、更に詳細に検討する。
図4及び図5は、細胞標本を蛍光観察する場合の、画像中に含まれる蛍光が検出される観察画素、背景光が検出される観察外画素の明るさの分布を例示するヒストグラムある。横軸は画素の明るさ(輝度)を、縦軸はその画素数を示している。各軸ともに画像中にお
ける相対的な大小(多少)を示しているのみであり、単位は特に限定していない。図4は、蛍光が背景光に対して十分に明るい場合を例示している。図5は、蛍光が比較的暗く背景光の明るさに近い場合を例示している。なお、蛍光が検出される観察画素であっても背景光は生じている。そのため、観察画素では、蛍光に背景光が重なった輝度が検出されることになる。一方、非観察画素では背景光のみが生じ検出される。この結果、図4及び図5のいずれの場合も、観察画素(蛍光)の平均輝度は観察外画素(背景光)の平均輝度よりも高くなることが示されている。なお、図4及び図5では、説明の都合上、蛍光(観察画素)と背景光(観察外画素)を別々にグラフ化して示しているが、実際の顕微鏡部では、蛍光(観察画素)と背景光(観察外画素)は区別されず、全画素に対するヒストグラムが取得される。
まず、図4で例示されるヒストグラムについて検討する。
図4では、自家蛍光による背景光3(観察外画素)は、明るさ(輝度)の平均が50、標準偏差が10、面積が25の正規分布で表現されている。一方、細胞から発せられる蛍光4(観察画素)は、明るさ(輝度)の平均が150、標準偏差が20、面積が2.5の正規分布で表現されている。つまり、蛍光4の明るさ(輝度)の平均は、背景光3の明るさの平均の3倍(=150/50)の場合が例示されている。蛍光観察において、画面中における他の領域に対する細胞が表示される領域の割合は少なく、通常およそ10%程度である。このため、観察外画素の面積に対する観察画素の面積を10%(=2.5/25)としている。また、一般に、蛍光4は背景光3に比べて明るさがばらついているため、蛍光4の標準偏差を背景光3の標準偏差の2倍(=20/10)としている。
以下、画像の明るさの評価値として、画像全体の平均輝度である評価値10(=平均輝度)を採用した場合、画像全体の平均輝度に標準偏差σを足し合わせた評価値11(=平均輝度+σ)を採用した場合、画像全体の平均輝度に標準偏差σの2倍の値を足し合わせた評価値12(=平均輝度+2σ)を採用した場合、の違いについて検討する。なお、ここで、評価値の算出に用いられる標準偏差σは全画素の明るさの標準偏差である。また、標準偏差は無次元化された値であるため、評価値11及び評価値12では、標準偏差σに相当する値が平均輝度に対してプラスされることになる。
蛍光4の明るさ(輝度)の平均が背景光3の明るさ(輝度)の平均に対して十分に大きい場合、評価値10、評価値11、評価値12のいずれの評価値を用いた場合であっても、図4に例示されるように、非選択画素(評価値未満の輝度の画素)にはほとんど観察画素(蛍光4)は含まれない。一方で、観察外画素(背景光3)に占める非選択画素の割合は、評価値10では約50%、評価値11では約84%、評価値12では約98%となる。このため、代表値の算出に利用される選択画素(評価値以上の輝度の画素)に含まれる観察外画素は、それぞれ約50%、約16%、約2%となる。その結果、選択画素における観察外画素に対する観察画素の割合は、評価値12が最も高く、以下、評価値11、評価値10の順に高い値となる。
このことは、評価値12を用いた場合、不要な背景光3(観察外画素)を最も排除でき、蛍光4(観察画素)の明るさを重視した代表値を算出でき、結果として最も適切に画像の調整が行われることを示している。つまり、図4で例示される画像の場合、評価値としては、評価値12(=平均輝度+2σ)が最も好ましく、以降は、評価値11(=平均輝度+σ)、評価値10(=平均輝度)の順に好ましい。
同様に、図5で例示されるヒストグラムについて検討する。
図5では、自家蛍光による背景光5(観察外画素)は、図4の場合と同様に、明るさ(輝度)の平均が50、標準偏差が10、面積が25の正規分布で表現されている。一方、細胞から発せられる蛍光6(観察画素)は、明るさ(輝度)の平均が60、標準偏差が2
0、面積が2.5の正規分布で表現されている。つまり、蛍光6の明るさ(輝度)の平均は、背景光5の明るさ(輝度)の平均1.2倍(=60/50)となっており、図4の場合に比べ、蛍光6と背景光5の明るさの平均が近い場合を例示している。その他、観察外画素の面積に対する観察画素の面積が10%(=2.5/25)である点、及び蛍光6の標準偏差が背景光5の標準偏差の2倍(=20/10)である点は、図4の場合と同様である。
図5に例示されるように、蛍光6の明るさ(輝度)の平均が背景光5の明るさ(輝度)の平均に近い場合は、ヒストグラム上で背景光5(観察外画素)の分布と蛍光6(観察画素)の分布が重なる領域が大きくなる。このため、図4の場合に比べて明るさを基準として観察画素と観察外画素を区別することが難しい。つまり、観察外画素(背景光5)をより多く排除しようとすると観察画素(蛍光6)も排除してしまう可能性が高くなる。反対に、観察画素(蛍光6)をできる限り含まないように観察外画素(背景光5)を排除しようにすると、観察外画素(背景光5)を十分に排除できない可能性がある。このため、選択画素から観察外画素を排除することによるメリットと選択画素から観察画素が排除されることによるデメリットのバランスを考慮して、評価値を検討する必要がある。具体的には、例えば、観察外画素が排除された割合で評価できる排除された不要な光の量と、選択画素における観察外画素に対する観察画素の割合で評価できる画像の明るさの適切さと、観察画素が選択画素として利用された割合で評価できる画像の明るさの信頼性と、の計3点を考慮して検討する。なお、ここで明るさの適切さとは、観察画素の明るさをどの程度重視して代表値を算出できるかを示す値であり、高い値を示すほど観察画素の明るさを重視して画像の明るさが調整できることを示す。一方、明るさの信頼性とは、観察画素自体の明るさをどの程度正確に代表値の算出に利用できるかを示す値であり、高い値を示すほどばらつきのある観察画素内で明るさを十分に反映して画像を調整することができることを示す。
以下、画像の明るさの評価値として、画像全体の平均輝度である評価値20(=平均輝度)を採用した場合、画像全体の平均輝度に標準偏差σを足し合わせた評価値21(=平均輝度+σ)を採用した場合、画像全体の平均輝度に標準偏差σの2倍の値を足し合わせた評価値22(=平均輝度+2σ)を採用した場合で上記3点を検討する。
まず、評価値20を採用した場合については、選択画素中(評価値以上の輝度の画素)の観察画素(蛍光6)の面積はおよそ1.7、選択画素中の観察外画素(背景光5)の面積は12となる。つまり、観察外画素が排除された割合は約52%(=(25−12)/25)、選択画素における観察外画素に対する観察画素の割合は約14%(=1.7/12)、観察画素が選択画素として利用された割合は約68%(=1.7/2.5)となる。この場合、明るさの信頼性については観察画素の7割程度が利用されていて問題ない。しかし、明るさの適切さについては、観察外画素に対して当初10%であった観察画素の割合がわずかに増加して14%となっているが、4%(=14−10)程度の改善にとどまっている。また、不要な光の排除に関しても、約半分の観察外画素が表示されているため、十分ではない。このため、全体としても調整が不十分である。
次に、評価値22を採用した場合については、選択画素中の観察画素の面積はおよそ0.75、選択画素中の観察外画素の面積は0.5となる。つまり、観察外画素が排除された割合は約98%(=(25−0.5)/25)、選択画素における観察外画素に対する観察画素の割合は約150%(=0.75/0.5)、観察画素が選択画素として利用された割合は約30%(=0.75/2.5)となる。この場合、不要な光の排除と明るさの適切さについては、それぞれ非常に良好な結果を示しているが、明るさの信頼性に問題が生じている。具体的には、全観察画素中の明るさの上位3割の観察画素が代表値の算出に利用されるにすぎず、観察画素の明るさが十分にサンプリングされているとはいえない。このため、観察画素全体の明るさを十分に反映した画像調整を行うことができない。
最後に、評価値21を採用した場合については、選択画素中の観察画素の面積はおよそ1.23、選択画素中の観察外画素の面積は3.68となる。つまり、観察外画素が排除された割合は約75%(=(25−3.68)/25)、選択画素における観察外画素に対する観察画素の割合は約33%(=1.23/3.68)、観察画素が選択画素として利用された割合は約49%(=1.23/2.5)となる。この場合、不要な光の排除に関しては、7割程度の観察外画素が排除されているため良好といえる。また、明るさの適切さについては、観察外画素に対して当初10%であった観察画素の割合が33%まで増加し、23%(=33−10)改善される。明るさの信頼性については、観察画素が5割程度利用されているため、サンプリングとしては適当である。つまり、全体として、バランスの取れた調整が行われているといえる。
これらの結果を踏まえると、図5で例示されるような蛍光6の明るさ(輝度)の平均が背景光5の明るさ(輝度)の平均に近い場合は、評価値としては評価値21(=平均輝度+σ)が最も好ましい。
以上、図4及び図5の結果から、画像一般では、評価値としては、画像全体の平均輝度に標準偏差の分だけ明るい方向にずらした輝度(平均輝度+σ)を用いることが適切といえる。
以上では、画像の明るさの調整に関して評価値及び代表値を検討したが、これらの考えた方は、明るさの調整以外にも応用できる。以下では、焦点位置を調整しピントを合わせる合焦調整に応用する場合について説明する。
図6は、細胞標本を蛍光観察する場合における焦点位置に対する画像の明るさの変化を例示した図である。横軸は焦点位置を示し“0”は焦点位置が標本面上にあることを示している。縦軸は画素の明るさ(輝度)を示している。なお、図6では、画像の明るさを画像全体の平均輝度30とした場合と、上述した評価値を用いて算出される代表値31とした場合が示されている。
図6で例示されるように、平均輝度30が高輝度を示す位置は焦点位置が標本面から離れている位置であるのに対し、代表値31が高輝度を示す焦点位置は標本面に一致している。つまり、適切な評価値を用いて算出された代表値を用いた上で、画像が高輝度となる位置に焦点位置を合わせることで合焦調整が可能となることを示している。
このように、評価値を用いて画素を選択した上で、画像の明るさの代表値を算出する方法は、明るさの調整だけではなく合焦調整にも応用可能である。
以降では、評価値として、画像の平均輝度に標準偏差を加えた値を用いた顕微鏡システムについて、具体的に説明する。
<第1の実施形態>
本実施形態に係る顕微鏡システム100について説明する。まず、本実施形態に係る顕微鏡システム100の顕微鏡部200と制御部300の構成と役割について説明し、その後、本実施形態に係る顕微鏡システム100の自動制御について説明する。
図7は、本実施形態の顕微鏡システムの顕微鏡部に含まれる顕微鏡の構成を例示した図である。図8(a)及び図8(b)は、それぞれ本実施形態の顕微鏡に含まれる検出部の構成を例示する図である。
顕微鏡210は、レーザ光源211と、ダイクロイックミラー212と、スキャナ213と、ミラー214と、対物レンズ215と、標本216と、共焦点ピンホール217と、検出部218と、を含んで構成される、いわゆる共焦点レーザ蛍光顕微鏡である。
顕微鏡210を含む顕微鏡部200は、標本216の画像を取得して、制御部300に出力する役割を担っている。標本216の画像の取得は、以下のようにして行われる。レーザ光源211から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー212により照明光路に向けて反射される。ダイクロイックミラー212で反射したレーザ光は、スキャナ213、ミラー214、対物レンズ215を介して標本216に照射される。標本216に照射されるレーザ光は、標本216内の蛍光物質を励起する励起光として機能するため、標本216からは蛍光が生じることになる。標本216から発せられた蛍光はレーザ光と同じ光路を反対向きに進みダイクロイックミラー212へ入射する。ダイクロイックミラー212に入射した蛍光は、波長域の違いによりレーザ光の場合と異なりダイクロイックミラー212を透過する。その後、共焦点ピンホール217で標本216の焦点位置以外からの蛍光が遮断され、焦点位置からの蛍光のみが検出部218へ入射する。このように、本実施形態に係る顕微鏡210は、焦点位置からの蛍光のみが検出部218に入射するように構成されている。このため、本実施形態に係る顕微鏡システムでは、例えば、ガルバノミラーなどからなるスキャナ213により標本216面上を走査することにより一枚の標本216の画像を取得する。
なお、検出部218は、図8(a)に例示されるように、例えば、光電子増倍管などの検出器219単体から構成される場合の他に、図8(b)に例示されるように、検出器219の前に、波長選択部220を設けて構成されてもよい。この構成は、細胞などの観察対象から射出される蛍光と自家蛍光による蛍光(背景光)とで光の波長が異なる場合に有効である。これにより、検出器219に入射する以前に不要な背景光を効率的に排除することが可能となり、画像の調整が容易となる。このような波長選択部220としては、例えば、分光器や波長選択的に光を透過するフィルタなどを用いることができる。
図9は、本実施形態に係る顕微鏡システムの制御部の構成を例示した図である。制御部300は、統計処理部310と、選択部320と、判定部330と、動作制御部340と、を含んで構成されている。
制御部300は、顕微鏡部200で取得された標本の画像を分析した上で顕微鏡部200を制御する役割を担っている。なお、表示部400への画像の出力は、顕微鏡部200から直接行われても良いし、制御部300を介して行われても良い。
図10は、本実施形態に係る顕微鏡システムで画像が表示されるまでの処理の流れを例示したフローチャートである。図11は、本実施形態に係る顕微鏡システムにおける画像の明るさの調整処理の流れを例示したフローチャートである。まず、図10を参照しながら、本実施形態に係る顕微鏡システムで画像が表示されるまでの全体的な流れについて説明する。
まず、STEP1では、顕微鏡210の電源を入れて、初期条件を入力することにより処理が開始される。ここでは、例えば、明るさの目標値などが入力される(STEP1)。
次に、STEP2では、標本216が配置される標本ホルダーを判別する。顕微鏡210には標本ホルダーが複数有り、用途により予め使用される標本ホルダーが決められている。ここでは、現在、光路上にある使用中の標本ホルダーの情報を取得する。標本ホルダーが、標本とカバーガラスの境界を境界面における屈折率差により光学的に検出可能な標本保持部材のためのホルダーである場合には、STEP9へ遷移する。このような標本保持部材としては、例えばガラスボトムディッシュなどがある。一方、標本保持部材としてスライドガラスを用いた場合など、標本の境界面で屈折率差がほとんど生じない標本保持
部材のためのホルダーである場合は、STEP3に遷移する。
STEP3、STEP4、STEP5では、標本216の観察を開始する前の前準備として、標本216面に焦点位置を合わせる合焦処理が行われる。
まず、STEP3では、標本216面に焦点を合わせるための情報を取得する。具体的には、カバーガラスの前後でZ軸方向(光軸の方向)に焦点を移動させながらZ軸(Z)に対する反射光の強度(I)に関する情報(以降、I−Zプロファイルと記す。)を取得する。
STEP4では、I−Zプロファイルからカバーガラスの標本216に面していない面(以降、非標本側面と記す。)の位置を検出する。カバーガラスの非標本側面は、通常空気と接触している。このため、非標本側面では空気とカバーガラスの屈折率差に応じた反射光が生じることから、I−Zプロファイル上で反射光の強度が強くなっている位置として検出することができる。
STEP5では、カバーガラスの非標本側面からカバーガラスの規格化された厚さの分だけZ軸方向に移動した位置に焦点位置を移動する。具体的には、顕微鏡210のステージをZ方向に駆動するなどして行われる。これは、標本216は通常カバーガラスの標本側の面(以降、標本側面と記す。)と接触していること、カバーガラスの厚さ(つまりZ軸方向の幅)は規格化されていることから、カバーガラスの非標本側面から規格化された厚さの分だけZ軸方向に移動した位置に標本216面があると考えられるためである。
次に、STEP6では、標本216の画像を取得し画像の明るさを調整する。ここでは、上述した原理を用いて、顕微鏡部200と制御部300が連携して画像の明るさが調整される。詳細は、図11を参照しながら後述する。
STEP7では、明るさ調整後に再度焦点位置を調整する。この際、上述したように、評価値及び代表値を用いて画像の代表値が高輝度となる位置に焦点位置を調整する。
最後に、STEP8では、STEP6と同様の処理により画像の明るさを再度調整する。これにより、表示部400には画像の明るさ及び焦点位置が適切に調整された画像が表示されることになる。
一方、STEP9に遷移した場合には、STEP9、STEP10、STEP11で、標本216の観察を開始する前の前準備として、標本216面に焦点位置を合わせる合焦処理が行われる。
STEP9では、STEP3と同様の方法でI−Zプロファイルが取得される。
STEP10では、I−Zプロファイルからカバーガラスの標本側面及び非標本側面の位置を検出する。なお、STEP10では、STEP4の場合と異なり、例えばガラスボトムディッシュなどを用いているため、カバーガラスの非標本側面に加えて標本側面もカバーガラスと屈折率の異なる物質が存在している。これにより、I−Zプロファイルではカバーガラスの標本側面及び非標本側面で生じる反射光を識別することができ、カバーガラスの標本側面にある標本216面の位置を検出することができる。
STEP11では、カバーガラスの標本側面または、標本側面から所定の値だけオフセットした位置に焦点位置を移動する。なお、この所定の値は、例えば、数マイクロメートル程度で、標本216の厚さを考慮して焦点位置を標本の内部に合わせるための値である。
STEP12では、STEP6と同様の方法で、標本216の画像を取得し画像の明る
さを調整する。その後、STEP13では、補正環を用いて最終的な画像の調整を行う。これにより、表示部400には、画像の明るさ及び焦点位置が適切に調整された画像が表示されることになる。
以上が、画像が表示されるまでの全体的な流れである。次に、図11を参照しながら、画像の明るさを自動で調整する処理について、さらに詳細に説明する。
図11に例示される画像の明るさを調整する処理は、図10に例示されるように合焦処理の後に行われることが好ましい。なお、STEP6−1、STEP6−2及びSTEP6−8は、顕微鏡部200により行われる処理である。一方、STEP6−3からSTEP6−7は、制御部300により行われる処理である。
まず、レーザ光源211がレーザ光を射出する。なお、この時、射出するレーザ光の強度は設定できる最低値とする(STEP6−1)。その上で、上述したように標本216面上を走査することにより標本216の画像を取得する(STEP6−2)。取得した画像は顕微鏡部200から制御部300へ出力される。
次に、画像は制御部300内の統計処理部310で処理される。統計処理部310では、まず、画像中の全画素の平均輝度(AVE)と輝度の分布の標準偏差(σ)が算出される(STEP6−3)。さらに平均輝度(AVE)を標準偏差(σ)分だけ明るくした輝度が評価値(EV)として算出される(STEP6−4)。
次に、選択部320により、評価値(EV)以上の輝度を有する画素が選択画素として選択される(STEP6−5)。
判定部330では、まず、選択画素の平均輝度が画像の明るさを代表する代表値(RV)として算出される(STEP6−6)。その上で代表値(RV)と図10のSTEP1で入力された明るさの目標値とを比較し、画像の明るさが適切かどうか判定する(STEP6−7)。代表値(RV)が目標値未満の場合は、動作制御部340がレーザ強度をあげるように顕微鏡部200(レーザ光源211)に指示し、STEP6−8に遷移する。代表値(RV)が目標値以上の場合は、明るさの調整を終了する。
動作制御部340からの指示を受けた顕微鏡部200(レーザ光源211)は、レーザ強度を上げて(STEP6−8)、再度画像を取得する(STEP6−2)。以降、以上の処理を代表値が目標値に達するまで繰り返す。これにより、画像の明るさが適切に自動調整されることになる。
以上、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、事前にデータ等を用意することなく、画像の明るさ及び合焦調整を自動化することができる。このため、顕微鏡利用者に対して過度に作業負担を掛けることなく画像の自動調整が可能となる。また、画像の自動調整に当たって用いられる画像の明るさの代表値を画像中の観察対象を重視して算出することにより、画像をより適切に調整することができる。
<第1の実施形態の第1の変形例>
次に、第1の実施形態で例示した顕微鏡システムの変形例について説明する。本変形例の顕微鏡システムは、第1の実施形態と異なり、1波長のレーザ光により励起される蛍光が2色以上あり、2色の蛍光を同時に観察する必要がある場合に用いられる。
本変形例に係る顕微鏡システムに含まれる顕微鏡221の構成は、検出部218の内部構成を除き、図7に例示される第1の実施形態に係る顕微鏡210と同様である。また、本変形例に係る顕微鏡システムに含まれる制御部の構成は、図9に例示される第1の実施形態の制御部300と同様である。以下、第1の実施形態と異なる点について、説明する。
図12は、本変形例の顕微鏡221の検出部218の構成を例示した図である。顕微鏡221の検出部218は、2つの検出器222及び検出器223と、波長選択部224とを含んで構成される。これにより、2色の蛍光を波長選択部224で分離してそれぞれ検出器へ導くことで別々に検出することができる。
ところで、2色の蛍光を含む画像では、それぞれの蛍光の明るさを独立して調整することが求められる。このため、第1の実施形態のようにレーザ強度を調整して一方の蛍光を含む画像を適切に調整した場合、他方の蛍光を含む画像が必ずしも適切に調整されない可能性がある。
そこで本変形例では、以下のようにして2色の蛍光を含む画像の明るさを調整する。検出器222及び検出器223に入射する光は、それぞれ図4または図5で例示されるようなヒストグラムを示す。このため、それぞれにおいて上述した評価値を用いて明るさの代表値を算出する点は同様である。これにより、第1の実施形態と同様に画像(蛍光)の明るさをより適切に調整することが可能となる。
次に、一方の蛍光を含む画像(例えば、検出器222で検出される画像)の代表値を基準にして、レーザ光の強度の調整を繰り返す。これにより、検出器222で検出される一方の蛍光を含む画像は適切な明るさに調整される。その後、検出器223で検出される他方の蛍光を含む画像を調整する。この時、検出器222で検出される画像はすでに適切に調整されているためレーザ光の強度は変更しない。検出器223の設定を変更することにより他方の蛍光を含む画像の明るさを変更する。例えば、検出器223が光電子増倍管の場合では増幅率の設定を変更する。
以上、本変形例の顕微鏡システムでは、第1の実施形態と同様に、画像の調整に当たって用いられる画像の明るさの代表値を画像中の観察対象を重視して算出する。その上で、レーザ光の強度に加えて検出器の設定を個別に調整することにより、2色の蛍光を含む画像を適切に調整することができる。
なお、ここでは、蛍光が2色の場合を例に説明したが、3色以上の場合にも適用可能である。具体的には、蛍光の数と同じだけ検出器を設け、その上で1色はレーザ光の強度で、残りの色はそれぞれ検出器の設定により明るさを調整すればよい。
<第2の実施形態>
本実施形態に係る顕微鏡システムについて説明する。なお、本実施形態の顕微鏡システムでは、制御部300の構成や画像が表示されるまでの全体的な流れ、画像の明るさの調整方法は、それぞれ図9、図10、図11で例示される第1の実施形態の場合と同様である。このため、以下では、第1の実施形態と異なる点について、説明する。
本実施形態に係る顕微鏡システムは、顕微鏡部200の構成が第1の実施形態と異なっている。図13は、本実施形態に係る顕微鏡システムの顕微鏡部に含まれる顕微鏡の構成を例示した図である。
顕微鏡230は、水銀ランプなどの励起用の光源231と、蛍光キューブ232と、ミラー236と、対物レンズ237と、標本238と、検出部239と、を含んで構成される蛍光顕微鏡である。蛍光キューブ232は、ダイクロイックミラー233と2つのフィルタ(励起フィルタ234及び吸収フィルタ235)から構成され、これら適切な組み合わせにより背景光が少なく蛍光の効率の良い光を検出部で検出することができる。
以下、顕微鏡230を含む顕微鏡部200により、標本238の画像が取得されるまで
の流れについて説明する。光源231から出力されたさまざまな波長を含む励起光は、まず、蛍光キューブ232内の励起フィルタ234に入射する。励起フィルタ234は、標本238内の蛍光物質の励起に必要な波長の光を抽出する役割を担っており、励起に必要な特定の波長の励起光のみを透過しダイクロイックミラー233に入射させる。ダイクロイックミラー233に入射した励起光は当該ダイクロイックミラー233により反射され、ミラー236及び対物レンズ237を介して標本238を照射する。標本238は励起光により励起されて蛍光を生じる。標本238から発せられた蛍光は励起光と同じ光路を反対向きに進み蛍光キューブ232へ入射する。蛍光キューブ232内のダイクロイックミラー233に入射した蛍光は、波長域の違いにより励起光の場合と異なりダイクロイックミラー233を透過し吸収フィルタ235に入射する。吸収フィルタ235は、入射光から背景光などの不要な光を排除する役割を担っており、背景光の少ない蛍光を透過し検出部239に入射させる。このようにして、本実施形態に係る顕微鏡230では、標本238の画像が取得される。
また、検出部239の構成としては、第1の実施形態と同様に、図8(a)や図8(b)のように構成されてもよいし、第1の実施形態の変形例のように、図12のように構成されてもよい。
以上、本実施形態の顕微鏡システムにおいても、第1の実施形態と同様の方法で画像の調整を自動化することにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、以上では、蛍光顕微鏡を例に説明したが、顕微鏡の種類は蛍光顕微鏡に限定されない。観察対象となる画素(観察画素)と観察対象ではない画素(観察外画素)の明るさの間に一定の関係(違い)があればよく、このような画像は顕微鏡全般が対象となる。また、必ずしも観察対象となる画素が観察対象ではない画素に対して明るい必要もない。観察対象となる画素の方が暗い場合には、暗い画素を選択画素として処理すればよい。
本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの全体構成を例示した機能ブロック図である。 標本を表示した顕微鏡の画像を模式的に例示した図である。 図2で示される画像の各画素の明るさの分布を例示するヒストグラムである。 蛍光が背景光に対して十分に明るい場合における、蛍光観察の画像中に含まれる蛍光が検出される観察画素、背景光が検出される観察外画素、及び観察画素と観察外画素の両画素の明るさの分布を例示するヒストグラムある。 蛍光が比較的暗く背景光に近い明るさの場合における、蛍光観察の画像中に含まれる蛍光が検出される観察画素、背景光が検出される観察外画素、及び観察画素と観察外画素の両画素の明るさの分布を例示するヒストグラムある。 細胞標本を蛍光観察する場合における、焦点位置に対する画像の明るさの変化を例示した図である。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの顕微鏡部に含まれる顕微鏡の構成を例示した図である。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの顕微鏡に含まれる検出部の変形例の構成を例示する図である。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの制御部の構成を例示した図である。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムにおける画像が表示されるまでの処理の流れを例示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムにおける画像の明るさの調整処理の流れを例示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの顕微鏡に含まれる検出部の他の変形例の構成を例示する図である。 本発明の一実施形態に係る顕微鏡システムの顕微鏡部に含まれる顕微鏡の他の構成を例示した図である。
符号の説明
1 細胞
2 背景
3、5 背景光
4、6 蛍光
10、11、12、20、21,22 評価値
30 平均輝度
31 代表値
100 顕微鏡システム
200 顕微鏡部
210 、221、230 顕微鏡
211 レーザ光源
212、223 ダイクロイックミラー
213 スキャナ
214 、236 ミラー
215 、237 対物レンズ
216 、238 標本
217 共焦点ピンホール
218 検出部
219、222、223、239 検出器
220、224 波長選択部
231 光源
232 蛍光キューブ
234 励起フィルタ
235 吸収フィルタ
300 制御部
310 統計処理部
320 選択部
330 判定部
340 動作制御部
400 表示部
500 入力部

Claims (22)

  1. 顕微鏡画像を明るさに基づいて自動的に画像を調整する顕微鏡画像の自動調整方法であって、
    前記画像中の観察対象となる観察画素と観察対象とならない観察外画素とを、前記画像の各画素の明るさに基づいて識別する画素識別工程と、
    前記観察画素として識別された選択画素の明るさに基づいて前記画像の明るさを代表する代表値を決定する代表値決定工程と、
    前記代表値に基づいて前記画像の明るさを調整する画像調整工程と、を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  2. 請求項1に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記画素識別工程は、
    前記観察画素と前記観察外画素とを識別する基準となる明るさの評価値を算出する評価値算出工程と、
    前記評価値を基準として前記選択画素を選択する画素選択工程と、を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  3. 請求項2に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記評価値は、前記画像から得られる2つ以上の統計的指標を用いて算出されることを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  4. 請求項3に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    2つ以上の前記統計的指標は、
    前記画像中の全画素の明るさの平均値である全画素平均値と、
    前記画像中の全画素の明るさの標準偏差と、
    を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  5. 請求項4に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記評価値は、前記全画素平均値より前記標準偏差の分だけ明るい明るさであることを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  6. 請求項2乃至請求項5のいずれか1項に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記画素選択工程では、前記評価値以上の明るさの画素を選択することを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  7. 請求項1に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記代表値は、前記選択画素の明るさの平均値であることを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  8. 請求項1に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記画像調整工程では、前記代表値が所定の明るさに近づくように前記顕微鏡の動作を制御することを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  9. 請求項8に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記画像調整工程では、前記顕微鏡の光源から射出される光の強度を調整することを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  10. 請求項8に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記画像調整工程では、
    前記顕微鏡の光源から射出される光の強度に加え、
    前記顕微鏡の検出器の増幅率を調整することを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  11. 請求項8に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    さらに、前記画像調整工程より前に、前記所定の明るさを入力する目標設定工程を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  12. 請求項2乃至請求項11のいずれか1項に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    さらに、前記画素識別工程より前に、前記画像を取得する画像取得工程を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  13. 請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    さらに、前記画素識別工程より前に、前記顕微鏡の焦点位置を調整する第1の合焦工程を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  14. 請求項1乃至請求項13のいずれか1項に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    さらに、前記画像調整工程より後に、前記代表値が最も大きくなる位置に焦点を移動することにより前記顕微鏡の焦点位置を調整する第2の合焦工程を含むことを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  15. 請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記顕微鏡は、蛍光顕微鏡であることを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  16. 請求項15に記載の顕微鏡画像の自動調整方法において、
    前記顕微鏡は、共焦点レーザ蛍光顕微鏡であることを特徴とする顕微鏡画像の自動調整方法。
  17. 自動的に画像を調整する顕微鏡システムであって、
    標本の画像を取得する顕微鏡部と、
    前記画像を分析しその結果に基づいて前記顕微鏡部を制御する制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記画像から各画素の明るさと明るさに関する統計情報とを取得する統計処理部と、
    前記各画素の明るさと前記統計情報とを用いて選択画素を選択する選択部と、
    前記選択画素の明るさの平均値を用いて前記画像の調整の要否を判定する判定部と、
    前記判定結果に基づいて前記顕微鏡部を制御する動作制御部と、
    を含むことを特徴とする顕微鏡システム。
  18. 請求項17に記載の顕微鏡システムにおいて、
    前記統計処理部は、前記画像の全画素の明るさの平均値と標準偏差とを取得し、
    前記選択部は、前記平均値より前記標準偏差の分だけ明るい明るさを評価値とし、前記評価値以上の明るさの画素を選択することを特徴とする顕微鏡システム。
  19. 請求項17に記載の顕微鏡システムにおいて、
    前記顕微鏡部は、前記標本に光を照射する光源を含み、
    前記動作制御部は、前記光源から射出される光の強度を制御することを特徴とする顕微鏡システム。
  20. 請求項17に記載の顕微鏡システムにおいて、
    前記顕微鏡部は、前記標本に光を照射する光源と、前記標本からの光を検出する検出器
    を含み、
    前記動作制御部は、前記光源から射出される光の強度と前記検出器の増幅率とを制御することを特徴とする顕微鏡システム。
  21. 請求項20に記載の顕微鏡システムにおいて、
    前記画像は2色以上の色からなり、
    前記2色以上の色のうちの1色は、前記光源から射出される光の強度により調整され、
    その他の色は、前記検出器の増幅率により調整されることを特徴とする顕微鏡システム。
  22. 請求項17に記載の顕微鏡システムにおいて、
    さらに、前記画像の調整の条件として目標値を入力する入力部と、
    前記顕微鏡部または前記制御部を介して得られる前記画像を表示する表示部と、を含むことを特徴とする顕微鏡システム。
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