JP2010282229A - 光学顕微鏡システム及び画像データ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像取得手段および画像表示手段を用いて試料を容易に観察することができる光学顕微鏡システムを提供する
【解決手段】電動ＸＹステージ１３がｘｙ方向に移動して、容器２内の試料の一定範囲を分割して得られる各区分を含む領域の画像が、順次にカメラ１６により取得されて、画像記憶装置３２により記憶される。画像記憶装置３２により記憶されている複数の画像に基づいて、試料の一定範囲の再構成画像が制御装置３１により作成され、この再構成画像が低倍率画像表示装置３３により表示される。この再構成画像上の位置がユーザにより指定されると、対物レンズ１４がｚ方向に移動して、その再構成画像上の指定された位置に対応する試料上の位置の画像が、カメラ１６により取得され、画像記憶装置３２により記憶されて、高倍率画像表示装置３４により表示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、対物レンズを介してステージ上の試料を観察する光学顕微鏡システム及び画像データ処理方法に関するものである。

光学顕微鏡を用いて、対物レンズおよび接眼レンズを介してステージ上の試料を観察することができる。或いは、対物レンズを介してステージ上の試料の画像をテレビカメラ等の画像取得手段により取得し、この取得された画像をテレビモニタ等の画像表示手段により表示して、この表示された画像に基づいて試料を観察する場合も多い。

このように画像取得手段および画像表示手段を用いて試料を観察する際には以下のような問題点がある。すなわち、画像取得手段における２次元撮像素子の撮像面の面積が小さいことから視野が狭く、試料中の特定の観察領域を探すことが困難であった。そこで、試料中の特定の観察領域を探す際には、画像取得手段および画像表示手段を用いることなく接眼レンズを通して直接に試料を観察するか、或いは、画像取得手段および画像表示手段を用いる場合であってもレボルバを回転して低倍率の対物レンズを用いることで広い視野で試料を観察している。

しかしながら、上記のような操作はユーザにとって煩雑である。また、低倍率の対物レンズは解像力が低いので、試料の観察が困難である。さらに、レボルバを回転することにより対物レンズの光軸が微妙にずれて、この光軸ずれに因り試料の最適な観察が困難である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、画像取得手段を用いて試料を容易に観察することができる光学顕微鏡システム及び画像データ処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光学顕微鏡システムは、対物レンズを介してステージ上の試料を観察する光学顕微鏡システムであって、(1) 対物レンズの光軸に垂直な方向に対物レンズと試料とを相対的に移動させる水平移動手段と、(2) 対物レンズの光軸に平行な方向に対物レンズと試料とを相対的に移動させる垂直移動手段と、(3) 対物レンズを介して観察される試料の画像を取得する画像取得手段と、(4) 水平移動手段により試料をＸＹ所定位置に相対的に移動して試料の一定範囲の区分領域を画像取得手段により撮像し、さらに、同一のＸＹ所定位置において垂直移動手段により試料を光軸方向のＺ所定位置に相対的に移動して画像取得手段により撮像し、次に水平移動手段によりＸＹ所定位置と異なるＸＹ所定位置に移動して撮像動作を繰り返す制御手段と、(5) 画像取得手段により取得された複数の画像を記憶する画像記憶手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光学顕微鏡システムは、画像記憶手段により記憶されている複数の画像に基づいて試料の再構成画像を作成する画像再構成手段と、画像再構成手段により再構成された試料の再構成画像を表示する画像表示手段とを備え、制御手段は、水平移動手段による移動後の試料の区分領域が隣り合う区分領域となるように水平移動手段を制御するのが好適である。

また、本発明に係る光学顕微鏡システムは、画像表示手段により表示されている再構成画像において試料上の位置を指定する位置指定手段をさらに備え、画像表示手段は、位置指定手段により指定された試料上の位置に基いて、再構成画像より高倍の表示を行うのが好適である。

また、本発明に係る光学顕微鏡システムは、試料を長時間に亘って観察するために温度、湿度が制御された恒温装置を有するのが好適である。

本発明に係る光学顕微鏡システムの画像データ処理方法は、対物レンズを介してステージ上の試料を観察する光学顕微鏡システムの画像データ処理方法であって、(1) 対物レンズの光軸に垂直な方向に対物レンズと試料とを相対的に移動させる水平移動ステップと、(2) 対物レンズの光軸に平行な方向に対物レンズと試料とを相対的に移動させる垂直移動ステップと、(3) 対物レンズを介して観察される試料の画像を取得する画像取得ステップと、(4) 水平移動ステップにより試料をＸＹ所定位置に相対的に移動して試料の一定範囲の区分領域を画像取得ステップにより撮像し、さらに、同一のＸＹ所定位置において垂直移動ステップにより試料を光軸方向のＺ所定位置に相対的に移動して画像取得ステップにより撮像し、次に水平移動ステップによりＸＹ所定位置と異なるＸＹ所定位置に移動して撮像動作を繰り返す制御ステップと、(5) 画像取得ステップにより取得された複数の画像を記憶する画像記憶ステップとを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光学顕微鏡システムの画像データ処理方法は、画像記憶ステップにより記憶されている複数の画像に基づいて試料の再構成画像を作成する画像再構成ステップと、画像再構成ステップにより再構成された試料の再構成画像を表示する画像表示ステップとを備え、制御ステップは、水平移動ステップによる移動後の試料の区分領域が隣り合う区分領域となるように水平移動ステップを制御するのが好適である。

また、本発明に係る光学顕微鏡システムの画像データ処理方法は、画像表示ステップにより表示されている再構成画像において試料上の位置を指定する位置指定ステップをさらに備え、画像表示ステップは、位置指定手段により指定された試料上の位置に基いて、前記再構成画像より高倍の表示を行うのが好適である。

本発明によれば、画像取得手段を用いて試料を容易に観察することができる

本実施形態に係る光学顕微鏡システム１のブロック図である。 本実施形態に係る光学顕微鏡システム１の動作を説明するフローチャートである。 本実施形態に係る光学顕微鏡システム１において取得・記憶される画像および作成される再構成画像を説明する図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る光学顕微鏡システム１のブロック図である。この光学顕微鏡システム１は、光源１１、シャッタ１２、電動ＸＹステージ１３、対物レンズ１４、対物レンズ上下移動部１５、カメラ（画像取得手段）１６、シャッタコントローラ２２、ステージコントローラ（水平移動手段）２３および対物レンズ上下移動コントローラ（垂直移動手段）２５を恒温装置１７内に備えている。また、光学顕微鏡システム１は、制御装置（制御手段、画像再構成手段）３１、画像記憶装置（画像記憶手段）３２、低倍率画像表示装置（画像表示手段）３３、高倍率画像表示装置（画像表示手段）３４および保湿ガス供給装置３５を備えている。この図に示す光学顕微鏡装置１は倒立顕微鏡の構成を含んでいる。

電動ＸＹステージ１３の上方に光源１１が設けられ、電動ＸＹステージ１３と光源１１との間にシャッタ１２が設けられている。光源１１は、電動ＸＹステージ１３上に載置された容器２に容れられている試料を照明する為の照明光を出力する。また、シャッタ１２は、制御装置３１に接続されたシャッタコントローラ２２により制御されて開閉して、電動ＸＹステージ１３または対物レンズ１４が移動している途中であって試料の画像を取得する必要がない期間では閉じ、画像を取得すべきときに開いて照明光を試料へ照射する。

電動ＸＹステージ１３は、観察すべき試料が容れられた容器２を載置するものであり、制御装置３１に接続されたステージコントローラ２３により駆動されて、対物レンズ１４の光軸（ｚ軸）に垂直な任意の方向（ｘｙ平面に平行な任意の方向）に容器２とともに移動する。これにより、対物レンズ１４の光軸に垂直な方向に対物レンズ１４と容器２内の試料とが相対的に移動する。

対物レンズ１４は、電動ＸＹステージ１３の下方に設けられており、試料から到達した光を集光するものであり、対物レンズ上下移動部１５に固定されている。対物レンズ上下移動部１５は、制御装置３１に接続された対物レンズ上下移動コントローラ２５により駆動されて、光軸（ｚ軸）に平行な方向に移動する。これにより、対物レンズ１４の光軸に平行な方向に対物レンズ１４と容器２内の試料とが相対的に移動する。

シャッタコントローラ２２、ステージコントローラ２３および対物レンズ上下移動コントローラ２５それぞれは、例えばＲＳ２３２Ｃの制御プロトコールで制御装置３１と接続されており、制御装置３１により動作が制御される。恒温装置１７は、その内部にあるものを恒温（例えば３７℃）に維持する。また、容器２に接続された保湿ガス供給装置３５は、５％炭酸ガスおよび飽和水蒸気を含む気体を容器２の内部に供給するものであり、容器２内の試料である生体細胞を長時間に亘って観察することを可能としている。

カメラ１６は、対物レンズ１４の下方に設けられており、対物レンズ１４を含む光学系により集光され結像された試料の画像を取得する。そして、画像記憶装置３２は、制御装置３１により制御されて、カメラ１６により取得された画像を指定時刻に記憶する。画像再構成手段としての制御装置３１は、画像記憶装置３２に記憶されている複数の画像に基づいて、容器２内の試料の一定範囲の再構成画像を作成し、この再構成画像を低倍率画像表示装置３３に表示させる。また、制御装置３１は、画像記憶装置３２に記憶されている画像の何れかを、高倍率画像表示装置３４に表示させる。

なお、低倍率画像表示装置３３および高倍率画像表示装置３４は、互いに別体であってもよいし、同一体のものを時に応じて切り替えて使用するようにしてもよい。また、低倍率画像および高倍率画像それぞれが意味するところは、各々の表示画面に表示される画像に対応する試料の範囲が広いもの（低倍率画像）であるか狭いもの（高倍率画像）であるかである。すなわち、低倍率画像とは低倍率の対物レンズで観察される広い視野内の試料の画像に相当し、高倍率画像とは高倍率の対物レンズで観察される狭い視野内の試料画像に相当する。制御装置３１は、再構成画像を低倍率画像表示装置３３に表示させる際には、画素を間引いたり平均化したりして、表示する画素数を削減する。

低倍率画像表示装置３３は、その表示画面に表示されている再構成画像における位置の指定を、マウス等のポインティングデバイスによる割り込み動作として受け付ける位置指定手段を有している。ポインティングデバイスにより位置指定されると、その指定された再構成画像上の位置指定情報は、割り込み情報とともに制御装置３１に送られる。そして、制御装置３１は、この割り込み情報を入力すると、位置指定情報が示す再構成画像上の位置に対応する試料上の位置の画像をカメラ１６が取得できるように、ステージコントローラ２３を介して電動ＸＹステージ１３を移動させ、更に対物レンズ上下移動コントローラ２５および対物レンズ上下移動部１５を介して対物レンズ１４を移動させて、カメラ１６により取得された画像を画像記憶装置３２に記憶させ、この画像を高倍率画像表示装置３４に表示させる。

図２は、本実施形態に係る光学顕微鏡システム１の動作を説明するフローチャートである。制御装置３１は、自己が内蔵しているタイマに従って、試料の一定範囲の再構成画像を一定周期で作成し表示するよう、他の構成要素を制御する。すなわち、制御装置３１は、タイマが示す時刻を確認し（ステップＳ１０）、再構成画像を作成・表示すべき時刻になったら、電動ＸＹステージ１３をｘｙ平面上の所定位置に移動させるとともに（ステップＳ１１）、対物レンズ１４をｚ方向の所定位置に移動させて（ステップＳ１２）、カメラ１６により取得された画像を画像記憶装置３２に記憶させる（ステップＳ１３）。ｚ方向における対物レンズ１４の各位置において、試料の一定範囲を分割して得られる各区分を含む領域において、ｚ軸方向の各位置に対物レンズ１４を移動させて得られる画像の全てをカメラ１６が取得して画像記憶装置３２が記憶するまで、ステップＳ１２〜Ｓ１３の動作を繰り返す（ステップＳ１４）。そして、制御装置３１は、画像記憶装置３２に記憶されている複数の画像に基づいて試料の一定範囲の再構成画像を作成し（ステップＳ１５）、その再構成画像を低倍率画像表示装置３３に表示させる（ステップＳ１６）。

その後、制御装置３１は、低倍率画像表示装置３３より割り込み情報が送られてきたか否かを確認する（ステップＳ１７）。割り込み情報が送られてきていなければ、試料の一定範囲を分割して得られる各区分を含む領域の画像の全てをカメラ１６が取得して画像記憶装置３２が記憶するまで、ステップＳ１１〜Ｓ１７の動作を繰り返して（ステップＳ１８）、その後、ステップＳ１０に戻る。一方、割り込み情報が送られてきていれば、割り込み処理（ステップＳ２０〜Ｓ２４）を行う。

割り込み処理では、制御装置３１は、低倍率画像表示装置３３に表示されている再構成画像において位置の指定があった旨を認識して、その指定された再構成画像上の位置を読み取る（ステップＳ２０）。制御装置３１は、この指定された再構成画像上の位置に対応する試料上の位置の画像をカメラ１６が取得できるように、電動ＸＹステージ１３を移動させるとともに（ステップＳ２１）、対物レンズ１４を移動させて（ステップＳ２２）、カメラ１６により取得された画像を画像記憶装置３２に記憶させ（ステップＳ２３）、この画像を高倍率画像表示装置３４に表示させる（ステップＳ２４）。その後、ステップＳ１８に戻る。

図３は、本実施形態に係る光学顕微鏡システム１において取得・記憶される画像および作成される再構成画像を説明する図である。この図において、４×４個の矩形枠１〜１６は、図２のフローチャート中のステップＳ１３で順次にカメラ１６により取得され画像記憶装置３２により記憶される画像の範囲を示す。矩形の破線枠Ａは、図２のフローチャート中のステップＳ１５で制御装置３１により作成されて、ステップＳ１６で低倍率画像表示装置３３により表示される再構成画像の範囲を示す。また、矩形の太線枠Ｂは、図２のフローチャート中のステップＳ２３でカメラ１６により取得され画像記憶装置３２により記憶されて、ステップＳ２４で高倍率画像表示装置３４により表示される画像の範囲を示す。

この図に示すように、ステップＳ１３で順次にカメラ１６により取得され画像記憶装置３２により記憶される１６枚の画像（矩形枠１〜１６）は、試料の一定範囲（矩形の破線枠Ａ）を分割して得られる各区分を含む領域の画像であり、この矩形枠の番号の順にＸＹ電動ステージ１３が移動して取得され記憶される。これら１６枚の画像のうち任意の互いに隣り合う２枚の画像は、２％〜１０％程度の部分が互いに重なっている。そして、この画像の重なりに基づいて、試料の一定範囲（矩形の破線枠Ａ）の再構成画像は、制御装置３１により作成され（ステップＳ１５）、低倍率画像表示装置３３により表示される（ステップＳ１６）。

そして、低倍率画像表示装置３３により表示された再構成画像において位置Ｐの指定があると、制御装置３１により制御されて、この指定された再構成画像上の位置Ｐに対応する試料上の位置の画像をカメラ１６が取得できるように、電動ＸＹステージ１３が移動する（ステップＳ２１）。これにより、位置Ｐを中心とする矩形の太線枠Ｂの範囲の画像が、カメラ１６により取得されて画像記憶装置３２に記憶され（ステップＳ２３）、高倍率画像表示装置３４に表示される（ステップＳ２４）。

以上のように、本実施形態に係る光学顕微鏡システム１を用いれば、試料の広い一定範囲の再構成画像を低倍率画像表示装置３３で観察することができるとともに、この低倍率画像表示装置３３に表示された再構成画像において位置を指定すると、この指定された再構成画像上の位置に対応する試料上の位置の画像を高倍率画像表示装置３４で観察することができる。このように、ユーザにとって、操作が簡単であり、試料の観察が容易である。また、１つの対物レンズ１４を用いて観察するので、対物レンズ１４の光軸のずれが生じることがなく、試料の最適な観察が可能である。

また、取得・記憶した画像または作成した再構成画像を表示する際の倍率を任意に設定できるようにするのも好適である。このようにすることで、試料における任意の広さの領域の画像を観察することができる。この倍率の設定は、画素を間引くか又は演算を行うことで可能である。各倍率の画像を予め作成し記憶しておくことで、指定された倍率の画像を瞬時に表示することができる。

また、この光学顕微鏡システム１を用いれば、容器２内の試料（特に生体細胞）に対して最適な環境を与えることができ、また、ユーザによる操作が簡単で観察が容易であることから、長期間に亘って試料の観察を行うことができる。また、低倍率画像表示装置３３に表示される再構成画像が逐次更新されるので、この再構成画像の更新周期が短く、試料の変化が遅ければ、広い視野における試料の変化を観察するのに好適である。さらに、長期間に亘って一定時間毎に取得して記憶した画像または作成した再構成画像を、短時間で連続的に表示することで、試料の変化をアニメーション表示することができる。

したがって、試料としての生体細胞を長期間に亘って観察・記録することができるので、細胞の形態変化に基づいて細胞の周期を求めることができる。細胞の周期は細胞種類毎に一定であるので、或る特定種類の細胞が分裂する時刻を予測して、その時刻になったときに分裂が予測される細胞を視野の中央にもっていって観察することが可能である。この光学顕微鏡システム１を用いることで、細胞分裂の研究が飛躍的に進むものと期待される。

１…光学顕微鏡システム、１１…光源、１２…シャッタ、１３…電動ＸＹステージ、１４…対物レンズ、１５…対物レンズ上下移動部、１６…カメラ（画像取得手段）、１７…恒温装置、２２…シャッタコントローラ、２３…ステージコントローラ（水平移動手段）、２５…対物レンズ上下移動コントローラ（垂直移動手段）、３１…制御装置（制御手段、画像再構成手段）、３２…画像記憶装置、３３…低倍率画像表示装置、３４…高倍率画像表示装置、３５…保湿ガス供給装置。

Claims (7)

1. 対物レンズを介してステージ上の試料を観察する光学顕微鏡システムであって、
   前記対物レンズの光軸に垂直な方向に前記対物レンズと前記試料とを相対的に移動させる水平移動手段と、
   前記対物レンズの光軸に平行な方向に前記対物レンズと前記試料とを相対的に移動させる垂直移動手段と、
   前記対物レンズを介して観察される前記試料の画像を取得する画像取得手段と、
   前記水平移動手段により前記試料をＸＹ所定位置に相対的に移動して前記試料の一定範囲の区分領域を前記画像取得手段により撮像し、さらに、同一の前記ＸＹ所定位置において前記垂直移動手段により前記試料を光軸方向のＺ所定位置に相対的に移動して前記画像取得手段により撮像し、次に前記水平移動手段により前記ＸＹ所定位置と異なるＸＹ所定位置に移動して前記撮像動作を繰り返す制御手段と、
   前記画像取得手段により取得された前記複数の画像を記憶する画像記憶手段とを備えたことを特徴とする光学顕微鏡システム。
2. 請求項１に記載の光学顕微鏡システムにおいて、
   前記画像記憶手段により記憶されている前記複数の画像に基づいて前記試料の再構成画像を作成する画像再構成手段と、
   前記画像再構成手段により再構成された前記試料の再構成画像を表示する画像表示手段とを備え、
   前記制御手段は、前記水平移動手段による移動後の前記試料の区分領域が隣り合う区分領域となるように前記水平移動手段を制御することを特徴とする光学顕微鏡システム。
3. 請求項２に記載の光学顕微鏡システムにおいて、
   前記画像表示手段により表示されている再構成画像において前記試料上の位置を指定する位置指定手段をさらに備え、
   前記画像表示手段は、前記位置指定手段により指定された前記試料上の位置に基いて、前記再構成画像より高倍の表示を行うことを特徴とする光学顕微鏡システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡システムにおいて、
   前記試料を長時間に亘って観察するために温度、湿度が制御された恒温装置を有することを特徴とする光学顕微鏡システム。
5. 対物レンズを介してステージ上の試料を観察する光学顕微鏡システムの画像データ処理方法であって、
   前記対物レンズの光軸に垂直な方向に前記対物レンズと前記試料とを相対的に移動させる水平移動ステップと、
   前記対物レンズの光軸に平行な方向に前記対物レンズと前記試料とを相対的に移動させる垂直移動ステップと、
   前記対物レンズを介して観察される前記試料の画像を取得する画像取得ステップと、
   前記水平移動ステップにより前記試料をＸＹ所定位置に相対的に移動して前記試料の一定範囲の区分領域を前記画像取得ステップにより撮像し、さらに、同一の前記ＸＹ所定位置において前記垂直移動ステップにより前記試料を光軸方向のＺ所定位置に相対的に移動して前記画像取得ステップにより撮像し、次に前記水平移動ステップにより前記ＸＹ所定位置と異なるＸＹ所定位置に移動して前記撮像動作を繰り返す制御ステップと、
   前記画像取得ステップにより取得された前記複数の画像を記憶する画像記憶ステップとを備えたことを特徴とする光学顕微鏡システムの画像データ処理方法。
6. 請求項５に記載の光学顕微鏡システムの画像データ処理方法において、
   前記画像記憶ステップにより記憶されている前記複数の画像に基づいて前記試料の再構成画像を作成する画像再構成ステップと、
   前記画像再構成ステップにより再構成された前記試料の再構成画像を表示する画像表示ステップとを備え、
   前記制御ステップは、前記水平移動ステップによる移動後の前記試料の区分領域が隣り合う区分領域となるように前記水平移動ステップを制御することを特徴とする光学顕微鏡システムの画像データ処理方法。
7. 請求項６に記載の光学顕微鏡システムの画像データ処理方法において、
   前記画像表示ステップにより表示されている再構成画像において前記試料上の位置を指定する位置指定ステップをさらに備え、
   前記画像表示ステップは、前記位置指定手段により指定された前記試料上の位置に基いて、前記再構成画像より高倍の表示を行うことを特徴とする光学顕微鏡システムの画像データ処理方法。
   

Images