JP2013174709A - Microscope device and virtual microscope device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡装置およびバーチャル顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to a microscope apparatus and a virtual microscope apparatus.
近年、細胞、組織診断といった病理学の分野などにおいて、試料が配置されているスライドガラス(標本スライド)の全体画像を撮像するバーチャル顕微鏡装置が知られている。バーチャル顕微鏡装置は、標本スライドの部分画像を撮像し、撮像した部分画像を合成して1枚の全体画像を生成する。また、バーチャル顕微鏡装置は、病理診断の効率向上及び診断精度向上のため、高解像度且つ高速で画像を取得することができることが強く要求されている。 In recent years, a virtual microscope apparatus that captures an entire image of a slide glass (specimen slide) on which a sample is arranged is known in the field of pathology such as cell and tissue diagnosis. The virtual microscope apparatus captures a partial image of a specimen slide and synthesizes the captured partial images to generate one entire image. In addition, the virtual microscope apparatus is strongly required to acquire images with high resolution and high speed in order to improve the efficiency and accuracy of pathological diagnosis.
図5は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置が撮像する部分画像領域と、部分画像を合成して生成する全体画像領域とを示した概略図である。図示する例では、スライドガラス470と、試料471とが示されている。また、スライドガラス470の領域内に、部分画像領域401〜412と、全体画像領域450とが示されている。この場合、バーチャル顕微鏡装置は、12回の撮像を行うことで、試料471の全ての部分画像領域401〜412の部分画像を撮像することができる。また、部分画像領域401〜412を合わせると、全体画像領域450となる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a partial image area captured by a conventionally known virtual microscope apparatus and an entire image area generated by synthesizing the partial images. In the illustrated example, a
図6は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置が撮像した部分画像と、部分画像から生成した全体画像とを示した概略図である。図示する例では、バーチャル顕微鏡装置が撮像した部分画像領域401〜412の部分画像501〜512が示されている。また、バーチャル顕微鏡装置が部分画像501〜512を合わせて生成した全体画像550が示されている。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a partial image captured by a conventionally known virtual microscope apparatus and an entire image generated from the partial image. In the illustrated example,
なお、図6に示した部分画像501〜512の例ではのりしろ部が示されていないが、バーチャル顕微鏡装置が撮像する部分画像501〜512にはのりしろ部が含まれる。例えば、バーチャル顕微鏡装置が部分画像領域401の部分画像501を撮像する場合、図示する部分画像領域401の周囲の領域の画像を含む部分画像501を撮像する。他の部分画像領域402〜412の部分画像502〜512を撮像する場合も同様に、バーチャル顕微鏡装置は、部分画像領域402〜412の周囲の領域の画像を含む部分画像502〜512を撮像する。
In the example of the
ところで、バーチャル顕微鏡装置の観察対象である病理標本は、反射率の低い光を透過する試料である。そのため、バーチャル顕微鏡装置が用いるオートフォーカス(以下、AFと称す)方式は、観察画像のコントラストを検出して合焦動作を行う、いわゆるパッシブ型オートフォーカス方式が主流である。 By the way, a pathological specimen that is an observation target of the virtual microscope apparatus is a sample that transmits light with low reflectance. For this reason, the autofocus (hereinafter referred to as AF) method used by the virtual microscope apparatus is mainly a so-called passive autofocus method that detects the contrast of an observation image and performs a focusing operation.
図7は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置の構成を示した概略図である。図示する例では、バーチャル顕微鏡装置600は、ステージ602と、ステージ駆動部603と、光源604と、コンデンサレンズ605と、対物レンズ606と、結像レンズ607と、カメラ608と、AF信号処理部609とを備えている。なお、カメラ608は撮像素子6081を備えている。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a conventionally known virtual microscope apparatus. In the illustrated example, the
ステージ602は、スライドガラス上に病理標本や生物組織などを載置した標本スライド601を載置するための台である。ステージ602は、コンデンサレンズ605と対物レンズ606との間に配置されている。ステージ駆動部603は、AF信号処理部609が出力するAF信号(オートフォーカス信号)に基づいてステージ602を垂直方向に駆動する。光源604は、標本スライド601を照明する光を発生する。
The
コンデンサレンズ605は、光源604が照射した光を集光して標本スライド601に対して照射する。対物レンズ606は、複数のレンズで構成されており、標本スライド601に対向するように配置されている。また、対物レンズ606は、標本スライド601からの光束を集光させ、集光させた光を結像レンズ607に対して照射する。
The
結像レンズ607は、対物レンズ606の光軸に沿って配置されている。また、結像レンズ607は、対物レンズ606が集光した光をカメラ608が備える撮像素子6081の撮像面上に結像させる。これにより、標本スライド601からの光は、撮像素子6081に導かれる。カメラ608が備える撮像素子6081は、標本スライド601からの光を受光し、受光した光を、受光した光の強度に応じた電気信号に光電変換する。カメラ608は、撮像素子6081が光電変換した電気信号に基づいて標本スライド601の画像データを生成する。AF信号処理部609は、カメラ608が生成した画像データのコントラスト値を算出し、コントラスト値がピークとなる位置にステージ602が移動するように、AF信号を出力する。
The
次に、バーチャル顕微鏡装置600による山登りコントラストAFについて説明する。カメラ608は、標本スライド601の画像を撮像する。AF信号処理部609は、撮像素子6081が撮像した画像のコントラスト値を算出し、コントラスト値がピークとなる位置にステージ602が移動するようにAF信号を出力する。ステージ駆動部603は、AF信号処理部609が出力するAF信号に基づいてステージ602を移動させる。これにより、カメラ608が備える撮像素子6081のピントが標本スライド601に合う(例えば、特許文献1参照)。
Next, hill-climbing contrast AF performed by the
また、図7に示したバーチャル顕微鏡装置600とは異なるAFを用いるバーチャル顕微鏡装置が知られている。図8は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置の構成を示した概略図である。図示する例では、バーチャル顕微鏡装置700は、ステージ602と、ステージ駆動部603と、光源604と、コンデンサレンズ605と、対物レンズ606と、カメラ608と、AF信号処理部609と、第1のハーフミラー701と、第1の結像レンズ702と、第2の結像レンズ703と、AFユニット704とを備えている。なお、カメラ608は撮像素子6081を備えている。また、AFユニット704は、第2のハーフミラー7041と、ミラー7042と、ラインセンサ7043とを備えている。
A virtual microscope apparatus using AF different from the
ステージ602と、ステージ駆動部603と、光源604と、コンデンサレンズ605と、対物レンズ606と、カメラ608とは、図7に示した各部と同様である。第1のハーフミラー701は、対物レンズ606と第1の結像レンズ702との間に配置されており、対物レンズ606からの光の一部を第2の結像レンズ703に対して照射し、残りの光を透過して第1の結像レンズ702に対して照射する。
The
第1の結像レンズ702は、第1のハーフミラー701の光軸に沿って配置されている。また、第1の結像レンズ702は、対物レンズ606が集光した光のうち、第1のハーフミラー701が透過した光をカメラ608が備える撮像素子6081の撮像面上に結像させる。これにより、標本スライド601からの光はカメラ608に導かれる。第2の結像レンズ703は、対物レンズ606が集光した光のうち、第1のハーフミラー701が反射した光をAFユニット704に照射する。これにより、標本スライド601からの光は、AFユニット704に導かれる。
The
第2のハーフミラー7041は、第2の結像レンズ703とラインセンサ7043との間に配置されている。また、第2のハーフミラー7041は、第2の結像レンズ703からの光の一部を透過して一部をミラー7042の方向に反射する。これにより、第2のハーフミラー7041は、第2の結像レンズ703からの光を、ラインセンサ7043の方向と、ミラー7042の方向とに2分割する。ミラー7042は、第2のハーフミラー7041が反射した光を、ラインセンサ7043の方向に反射する。
The
なお、第2のハーフミラー7041が透過し、ラインセンサ7043に入射する光の光路を光路aとする。また、第2のハーフミラー7041が反射し、ミラー7042が反射し、ラインセンサ7043に入射する光の光路を光路bとする。なお、ミラー7042は、反射した光の光路が光路aと略平行になるように配置されている。また、光路aは第2のハーフミラー7041から直接ラインセンサ7043に導かれる光路であり、光路bは第2のハーフミラー7041からミラー7042を介してラインセンサ7043に導かれる光路であるため、光路bの光路長は、光路aの光路長よりも長い。
Note that an optical path of light transmitted through the
ラインセンサ7043は、光路a上かつ光路b上に配置され、光路aに導かれた標本スライド601からの光と、光路bに導かれた標本スライド601からの光とを受光し、受光した光を、光の強さに応じた電気信号に光電変換し出力する。なお、ラインセンサ7043の光検出面である平面を受光面とする。
The line sensor 7043 is disposed on the optical path a and the optical path b, receives light from the
AF信号処理部609は、ラインセンサ7043が出力する電気信号に基づいて、光路aに導かれてラインセンサ7043に入射される標本スライド601からの光のコントラストと、光路bに導かれてラインセンサ7043に入射される標本スライド601からの光のコントラストとの差を検出する。また、AF信号処理部609は、検出したコントラストの差がゼロとなる位置にステージ602が移動するように、AF信号を出力する。ここで、ラインセンサ7043が、光路aに導かれた光を光電変換した電気信号を後ピン信号と定義し、ラインセンサ7043が、光路bに導かれた光を光電変換した電気信号を前ピン信号と定義する。
The AF
図9は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置700において、標本スライド601の位置を対物レンズ606の光軸方向に変化させたときの前ピンコントラスト信号と後ピンコントラスト信号の変化を示したグラフである。図示するグラフの横軸は、標本スライド601と対物レンズ606との間の距離(デフォーカス量)を示し、縦軸は、コントラスト信号値を示す。また、曲線801は、デフォーカス量と前ピンコントラスト信号値との関係を示す。また、曲線802は、デフォーカス量と後ピンコントラスト信号値との関係を示す。ステージ602に載置された標本スライド601を、対物レンズ606に対して十分に遠い位置(−Z)から十分に近い位置(+Z)まで移動させると、先ず、前ピンコントラスト信号値が、光路bによる投影像合焦位置(前ピン位置)で最大となりその後低下する。続いて、後ピンコントラスト信号値が、光路aによる投影像合焦位置(後ピン位置)で最大となりその後低下する。
FIG. 9 is a graph showing changes in the front pin contrast signal and the rear pin contrast signal when the position of the
図10は、従来知られているバーチャル顕微鏡装置700において、標本スライド601の位置を光軸方向に変化させたときの差分コントラスト信号値の変化を示したグラフである。図示するグラフの横軸は、標本スライド601と対物レンズ606との間の距離(デフォーカス量)を示し、縦軸は、差分コントラスト信号値を示す。また、曲線850は、デフォーカス量と差分コントラスト信号値との関係を示す。ステージ602に載置された標本スライド601を、対物レンズ606に対して十分に遠い位置(−Z)から十分に近い位置(+Z)まで移動させると、差分コントラスト信号値は、光路bによる投影像合焦位置で極大となり、その後急峻に低下してゼロとなり、光路aによる投影像合焦位置で極小となるS字カーブを描く。
FIG. 10 is a graph showing changes in the differential contrast signal value when the position of the
なお、カメラ608が備える撮像素子6081の撮像面は、差分コントラスト信号値がゼロの時に標本スライド601の像が結像する位置に配置されている。そのため、ステージ駆動部603は、AF信号処理部609から入力されるAF信号に基づいて、差分コントラスト信号値がゼロとなる位置に標本スライド601(ステージ602)を移動させることで、カメラ608が備える撮像素子6081のピントが標本スライド601に合うように制御することができる。なお、カメラ608が備える撮像素子6081のピントが標本スライド601に合うように制御する処理を合焦処理と呼ぶ。
Note that the imaging surface of the
次に、バーチャル顕微鏡装置700による光路差AFについて説明する。まず、ラインセンサ7043は、光路aに導かれた標本スライド601からの光と、光路bに導かれた標本スライド601からの光とを受光し、受光した光を、光の強さに応じた電気信号に光電変換し出力する。AF信号処理部609は、ラインセンサ7043が出力する電気信号に基づいて、光路aに導かれてラインセンサ7043に入射される標本スライド601からの光のコントラストと、光路bに導かれてラインセンサ7043に入射される標本スライド101からの光のコントラストとの差を検出する。また、AF信号処理部609は、検出したコントラストの差がゼロとなる位置にステージ602が移動するように、AF信号を出力する。ステージ駆動部603は、AF信号処理部609が出力するAF信号に基づいてステージ602を移動させる。これにより、カメラ608が備える撮像素子6081のピントが標本スライド601に合う(例えば、特許文献2参照)。
Next, optical path difference AF by the
前述した通り、バーチャル顕微鏡装置には高解像度且つ高速で標本スライドの画像を取得することが要求されている。従来知られている山登りコントラストAF処理では、撮像素子が撮像した画像を用いるのでAF視野は撮像視野と同一である。そのため、AF視野には被写体が含まれているので確実にAF動作を行なうことができる。しかしながら、山登りコントラストAF処理では、撮像素子が撮像した画像のコントラスト値のピークを探すために、ステージもしくは対物レンズを光軸方向に動かしてコントラスト値の減少および増加を検出し、合焦駆動方向やステージもしくは対物レンズの移動方向を判断しなければならない。そのため、山登りコントラストAF処理では合焦速度が遅く、標本スライドの画像を高速に取得することができないという問題がある。 As described above, a virtual microscope apparatus is required to acquire an image of a specimen slide with high resolution and high speed. In the conventionally known hill-climbing contrast AF process, an image picked up by the image pickup device is used, so that the AF field of view is the same as the image pickup field of view. Therefore, since the subject is included in the AF field of view, the AF operation can be performed reliably. However, in the hill-climbing contrast AF process, in order to find the peak of the contrast value of the image captured by the image sensor, the decrease or increase of the contrast value is detected by moving the stage or the objective lens in the optical axis direction. The direction of movement of the stage or objective lens must be determined. Therefore, the hill-climbing contrast AF process has a problem that the focusing speed is slow, and the image of the specimen slide cannot be acquired at high speed.
また、従来知られている光路差AF処理では、差分コントラスト値の符号により合焦駆動方向が常に判定できるため、合焦速度が速い。そのため、標本スライドの画像を高速に取得することができる。しかしながら、光路差AFのAF視野は、撮像視野と比べて範囲が非常に狭い。 Further, in the conventionally known optical path difference AF processing, since the in-focus driving direction can always be determined by the sign of the difference contrast value, the in-focus speed is fast. Therefore, the image of the specimen slide can be acquired at high speed. However, the AF field of the optical path difference AF has a very narrow range compared to the imaging field.
図11は、従来知られている光路差AFのAF視野と撮像視野との関係を示した概略図である。図示する例では、被写体901と、光路差AFのAF視野902と、撮像視野903とが示されている。このように、光路差AFのAF視野902は、撮像視野903の一部分である。そのため、図示するように、撮像視野903には被写体901が含まれているが、光路差AFのAF視野902には被写体901が含まれない可能性がある。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the AF field of view and the imaging field of view of the conventionally known optical path difference AF. In the illustrated example, an
このように、光路差AFのAF視野902内に被写体901が存在しない場合、光路差AF処理では合焦処理を行うことができない。なお、光路差AFのAF視野902内に被写体901が存在しない場合には、被写体901が光路差AFのAF視野902内に含まれるようにステージ602を移動させれば良い。しかしながら、バーチャル顕微鏡装置700においては、撮像時間の最適化や画像合成処理の容易化のため、部分画像を撮像する場合には隣接する部分画像を順次等間隔で撮像する必要がある。そのため、被写体901の配置や形状などによっては、光路差AFのAF視野902内に被写体901が存在しない場合があり、標本スライド601にピントを合わせることができない可能性がある。
As described above, when the subject 901 does not exist in the
また、必ず合焦動作を行うことができるようにAFユニットを複数設け、常に被写体上に光路差AFのAF視野が存在するようにすることも考えられるが、装置が大掛かりとなりコストが高くなるため現実的ではない。 In addition, it is conceivable to provide a plurality of AF units so that the focusing operation can be performed without fail, so that the AF field of the optical path difference AF always exists on the subject, but the apparatus becomes large and the cost increases. Not realistic.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、より高速に、確実に合焦処理を行うことができる顕微鏡装置およびバーチャル顕微鏡装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a microscope apparatus and a virtual microscope apparatus that can perform focusing processing at higher speed and with reliability.
本発明は、試料を載置するステージと、前記試料を照明する光源と、前記試料の領域のうち第1の領域の像を第1の平面に結像させ、前記第1の領域に含まれる第2の領域の像を第2の平面と第3の平面とに結像させる光学系と、前記第1の平面に結像された像に基づいた撮像信号を出力する撮像素子と、前記第2の平面と前記第3の平面との間に配置され、前記第2の平面に結像された像に対応する第1のコントラスト信号と、前記第3の平面に結像された像に対応する第2のコントラスト信号とを出力する光路差センサと、前記ステージと前記光学系との相対位置を変える駆動部と、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて前記駆動部を駆動させ、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には前記撮像素子が出力する前記撮像信号に基づいて前記駆動部を駆動させる合焦処理部と、を備えることを特徴とする顕微鏡装置である。 The present invention includes a stage on which a sample is placed, a light source that illuminates the sample, and an image of a first region of the sample region formed on a first plane, and is included in the first region. An optical system that forms an image of the second region on a second plane and a third plane; an image sensor that outputs an image signal based on the image formed on the first plane; The first contrast signal corresponding to the image formed on the second plane and the image formed on the third plane is disposed between the second plane and the third plane. An optical path difference sensor that outputs a second contrast signal, a drive unit that changes a relative position between the stage and the optical system, the first contrast signal output from the optical path difference sensor, and the second contrast. If the signal is greater than or equal to a predetermined value, the first contrast signal and the The drive unit is driven based on the contrast signal of 2 and the imaging device outputs when the first contrast signal and the second contrast signal output by the optical path difference sensor are less than a predetermined value. And a focusing processing unit that drives the driving unit based on the imaging signal.
また、本発明の顕微鏡装置において、前記合焦制御部は、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて光路差オートフォーカスを用いて前記駆動部を駆動させ、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には前記撮像素子が出力する前記撮像信号に基づいて山登りコントラストオートフォーカスを用いて前記駆動部を駆動させることを特徴とする。 In the microscope apparatus of the present invention, the focusing control unit may be configured such that the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value. Based on the contrast signal and the second contrast signal, the driving unit is driven using optical path difference autofocus, and the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are predetermined. When the value is less than the value, the driving unit is driven using hill-climbing contrast autofocus based on the imaging signal output by the imaging device.
また、本発明は、試料を載置するステージと、前記試料を照明する光源と、前記試料の領域のうち第1の領域の像を第1の平面に結像させ、前記第1の領域に含まれる第2の領域の像を第2の平面と第3の平面とに結像させる光学系と、前記第1の平面に結像された像に基づいた撮像信号を出力する撮像素子と、前記第2の平面と前記第3の平面との間に配置され、前記第2の平面に結像された像に対応する第1のコントラスト信号と、前記第3の平面に結像された像に対応する第2のコントラスト信号とを出力する光路差センサと、前記ステージと前記光学系との相対位置を変える駆動部と、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて前記駆動部を駆動させ、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には前記撮像素子が出力する前記撮像信号に基づいて前記駆動部を駆動させる合焦処理部と、を備えることを特徴とするバーチャル顕微鏡装置である。 In the present invention, a stage on which a sample is placed, a light source that illuminates the sample, and an image of a first region of the sample region are formed on a first plane, and the first region is formed on the first region. An optical system that forms an image of the second region included in the second plane and the third plane, an imaging element that outputs an imaging signal based on the image formed on the first plane, A first contrast signal corresponding to an image formed between the second plane and the third plane and formed on the second plane; and an image formed on the third plane. An optical path difference sensor that outputs a second contrast signal corresponding to the above, a drive unit that changes the relative position of the stage and the optical system, the first contrast signal output by the optical path difference sensor, and the second The first contrast signal when the contrast signal is equal to or greater than a predetermined value. When the driving unit is driven based on the second contrast signal and the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are less than a predetermined value, the imaging device A focusing processing unit that drives the driving unit based on the imaging signal output from the virtual microscope apparatus.
本発明によれば、ステージは試料を載置する。また、光源は試料を照明する。また、光学系は、試料の領域のうち第1の領域の像を第1の平面に結像させ、第1の領域に含まれる第2の領域の像を第2の平面と第3の平面とに結像させる。また、撮像素子は、第1の平面に結像された像に基づいた撮像信号を出力する。また、光路差センサは、第2の平面と第3の平面との間に配置され、第2の平面に結像された像に対応する第1のコントラスト信号と、第3の平面に結像された像に対応する第2のコントラスト信号とを出力する。また、駆動部は、ステージと光学系との相対位置を変える。また、合焦処理部は、光路差センサが出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて駆動部を駆動させ、光路差センサが出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には撮像素子が出力する撮像信号に基づいて駆動部を駆動させる。 According to the present invention, the stage mounts a sample. The light source illuminates the sample. In addition, the optical system forms an image of the first region of the sample region on the first plane, and images of the second region included in the first region are the second plane and the third plane. And form an image. The imaging element outputs an imaging signal based on the image formed on the first plane. The optical path difference sensor is disposed between the second plane and the third plane, and forms a first contrast signal corresponding to an image formed on the second plane and an image on the third plane. And a second contrast signal corresponding to the image formed. The drive unit changes the relative position between the stage and the optical system. In addition, the focusing processing unit determines that the first contrast signal and the second contrast signal are output when the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value. And driving the drive unit based on the imaging signal output from the image sensor when the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are less than a predetermined value. .
これにより、合焦処理部は、光路差センサが出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には、光路差センサが出力する信号に基づいて駆動部を駆動させることができる。また、合焦処理部は、光路差センサが出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には撮像素子が出力する撮像信号に基づいて駆動部を駆動させることができる。従って、より高速に、確実に合焦処理を行うことができる。 As a result, the focusing processing unit moves the driving unit based on the signal output from the optical path difference sensor when the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value. It can be driven. The focusing processing unit drives the driving unit based on the imaging signal output from the imaging element when the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are less than a predetermined value. be able to. Therefore, the focusing process can be performed reliably at a higher speed.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態における顕微鏡装置1の構成を示した概略図である。例えば、顕微鏡装置1は、標本スライドの部分画像を撮像し、撮像した部分画像を合成して1枚の全体画像を生成するバーチャル顕微鏡装置である。なお、顕微鏡装置1は、1枚の画像を撮像する顕微鏡装置であってもよい。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a
図示する例では、顕微鏡装置1は、ステージ102と、ステージ駆動部103(駆動部)と、光源104と、コンデンサレンズ105と、対物レンズ106と、第1のハーフミラー107と、第1の結像レンズ108と、第2の結像レンズ109と、カメラ110と、光路差AFユニット111と、AF信号処理部112(合焦処理部)と、画像処理部113とを備えている。なお、カメラ110は撮像素子1101を備えている。また、光路差AFユニット111は、第2のハーフミラー1111と、ミラー1112と、光路差センサ1113とを備えている。また、対物レンズ106と、第1のハーフミラー107と、第1の結像レンズ108と、第2の結像レンズ109と、第2のハーフミラー1111と、ミラー1112とを光学系200とする。
In the illustrated example, the
ステージ102は、スライドガラス上に病理標本や生物組織などを載置した標本スライド101を載置するための台である。ステージ102は、コンデンサレンズ105と対物レンズ106との間に配置されている。ステージ駆動部103は、AF信号処理部112が出力するAF信号(オートフォーカス信号)に基づいてステージ102を水平及び垂直方向に駆動する。光源104は、標本スライド101を照明する光を発生する。
The
コンデンサレンズ105は、光源104が照射した光を集光して標本スライド101に対して照射する。対物レンズ106は、複数のレンズで構成されており、標本スライド101に対向するように配置されている。また、対物レンズ106は、標本スライド101からの光束を集光させ、集光させた光を第1のハーフミラー107に対して照射する。第1のハーフミラー107は、対物レンズ106と第1の結像レンズ108との間に配置されており、対物レンズ106からの光の一部を第2の結像レンズ109に対して照射し、残りの光を透過して第1の結像レンズ108に対して照射する。
The
第1の結像レンズ108は、第1のハーフミラー107の光軸に沿って配置されている。また、第1の結像レンズ108は、対物レンズ106が集光した光のうち、第1のハーフミラー107が透過した光をカメラ110が備える撮像素子1101の撮像面(第1の平面)上に結像させる。これにより、標本スライド101からの光はカメラ110に導かれる。カメラ110が備える撮像素子1101は、標本スライド101からの光を受光し、受光した光を、受光した光の強度に応じた電気信号に光電変換する。カメラ110は、撮像素子1101が光電変換した電気信号(撮像信号)を出力する。
The
第2の結像レンズ109は、対物レンズ106が集光した光のうち、第1のハーフミラー107が反射した光を光路差AFユニット111に照射する。これにより、標本スライド101からの光は、光路差AFユニット111に導かれる。第2のハーフミラー1111は、第2の結像レンズ109と光路差センサ1113との間に配置されている。また、第2のハーフミラー1111は、第2の結像レンズ109からの光の一部を透過して一部をミラー1112の方向に反射する。これにより、第2のハーフミラー1111は、第2の結像レンズ109からの光を、光路差センサ1113の方向と、ミラー1112の方向とに2分割する。ミラー1112は、第2のハーフミラー1111が反射した光を、光路差センサ1113の方向に反射する。
The
なお、第2のハーフミラー1111が透過し、光路差センサ1113に入射する光の光路を光路Aとする。また、第2のハーフミラー1111が反射し、ミラー1112が反射し、光路差センサ1113に入射する光の光路を光路Bとする。なお、ミラー1112は、反射した光の光路が光路Aと略平行になるように配置されている。また、光路Aは第2のハーフミラー1111から直接光路差センサ1113に導かれる光路であり、光路Bは第2のハーフミラー1111からミラー1112を介して光路差センサ1113に導かれる光路であるため、光路Bの光路長は、光路Aの光路長よりも長い。そのため、光路Aに導かれた光の結像点は、光路差センサ1113の後方の平面m(第2の平面)上の後ピン位置11となる。また、光路Bに導かれた光の結像点は、光路差センサ1113の前方の平面n(第3の平面)上の前ピン位置12となる。
Note that an optical path of light transmitted through the
光路差センサ1113は、例えばラインセンサである。光路差センサ1113は、光路A上かつ光路B上に配置され、光路Aに導かれた標本スライド101からの光と、光路Bに導かれた標本スライド101からの光とを受光し、受光した光を、光の強さに応じた電気信号に光電変換し出力する。すなわち、光路差センサ1113は、平面m上の後ピン位置11に結像された光(像)に対応する電気信号(第1のコントラスト信号)と、平面n上の前ピン位置12に結像された光(像)に対応する電気信号(第2のコントラスト信号)とを出力する。なお、光路差センサ1113の光検出面である平面を受光面とする。
The optical
AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する電気信号(第1のコントラスト信号、第2のコントラスト信号)に基づいて、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストと、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストとの値を算出する。また、AF信号処理部112は、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストと、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストとの値が所定の値以上であれば、光路差センサ1113が出力する電気信号に基づいて、光路差AFを用いてステージ駆動部103を駆動させる。すなわち、AF信号処理部112は、光路差AFを用いて合焦動作を行う。光路差AFを用いた合焦動作の具体例については後述する。
The AF
また、AF信号処理部112は、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストと、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストとの値が所定の値未満であれば、撮像素子1101が出力する撮像信号に基づいて、山登りコントラストAFを用いてステージ駆動部103を駆動させる。すなわち、AF信号処理部112は、山登りコントラストAFを用いて合焦動作を行う。山登りコントラストAFを用いた合焦動作の具体例については後述する。なお、所定の値は、例えば、AF信号処理部112が光路差AFを用いることができる最小のコントラスト値とする。また、所定の値は、例えば、被写体の搭載されていないスライドガラスに対して光路差AF処理を行ってコントラスト信号を測定し、このコントラスト値の最大値よりも大きい値としてもよい。
The AF
画像処理部113は、撮像素子1101が光電変換した電気信号に基づいて、画像を生成する。なお、顕微鏡装置1がバーチャル顕微鏡装置である場合、撮像素子1101が光電変換した電気信号に基づいて部分画像を生成し、複数の部分画像を合わせて1枚の全体画像を生成する。
The
次に、光路差AFを用いた合焦動作の具体例について説明する。AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する電気信号に基づいて、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストと、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される標本スライド101からの光のコントラストとの差(差分コントラスト信号値)を検出する。ここで、光路差センサ1113が、光路Aに導かれた光を光電変換した電気信号を後ピン信号と定義し、光路差センサ1113が、光路Bに導かれた光を光電変換した電気信号を前ピン信号と定義する。
Next, a specific example of the focusing operation using the optical path difference AF will be described. The AF
カメラ110が備える撮像素子1101の撮像面は、差分コントラスト信号値がゼロの時に標本スライド101の像が結像する位置に配置されている。そのため、ステージ駆動部103は、AF信号処理部112から入力されるAF信号に基づいて、差分コントラスト信号値がゼロとなる位置に標本スライド101(ステージ102)を移動させることで、カメラ110が備える撮像素子1101のピントが標本スライド101に合うように制御することができる。
The imaging surface of the
次に、山登りコントラストAFを用いた合焦動作の具体例について説明する。AF信号処理部112は、撮像素子1101が出力した撮像信号のコントラスト値を算出し、コントラスト値がピークとなる位置にステージ102が移動するようにAF信号を出力する。ステージ駆動部103は、AF信号処理部112が出力するAF信号に基づいてステージ102を移動させる。これにより、カメラ110が備える撮像素子1101のピントが標本スライド101に合うように制御することができる。
Next, a specific example of a focusing operation using hill-climbing contrast AF will be described. The AF
次に、光路差センサ1113(光路差AFユニット111)の光路差AF視野と、撮像素子1101(カメラ110)の撮像視野との関係について説明する。図2は、本実施形態における光路差センサ1113の光路差AF視野と、撮像素子1101の撮像視野との関係を示した概略図である。図示する例では、被写体201と、光路差センサ1113の光路差AF視野202と、撮像素子1101の撮像視野203とが示されている。このように、光路差センサ1113の光路差AF視野202は、撮像素子1101の撮像視野203の一部分である。そのため、図示するように、撮像素子1101の撮像視野203には被写体201が含まれているが、光路差センサ1113の光路差AF視野202には被写体201が含まれない可能性がある。
Next, the relationship between the optical path difference AF field of the optical path difference sensor 1113 (optical path difference AF unit 111) and the imaging field of view of the image sensor 1101 (camera 110) will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the optical path difference AF field of the optical
次に、光路差AFユニット111の視野内に被写体が存在するときの前ピン信号、後ピン信号と、光路差AFユニット111の視野内に被写体が存在しないときの前ピン信号、後ピン信号との関係について説明する。図3は、本実施形態における光路差AFユニット111の視野内に被写体が存在するときの前ピン信号、後ピン信号と、光路差AFユニット111の視野内に被写体が存在しないときの前ピン信号、後ピン信号との関係を示したグラフである。
Next, a front pin signal and a rear pin signal when the subject exists in the field of view of the optical path
図示するグラフの横軸は、標本スライド101と対物レンズ106との間の距離(デフォーカス量)を示し、縦軸は、コントラスト信号値を示す。また、曲線301は、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在するときのデフォーカス量と前ピンコントラスト信号値との関係を示す。また、曲線302は、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在するときのデフォーカス量と後ピンコントラスト信号値との関係を示す。また、曲線303は、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在しないときのデフォーカス量と前ピンコントラスト信号値との関係を示す。また、曲線304は、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在しないときのデフォーカス量と後ピンコントラスト信号値との関係を示す。
The horizontal axis of the illustrated graph indicates the distance (defocus amount) between the
図示する例では、光路差センサ1113の光路差AF視野202に被写体が存在する場合には、光路差AF視野202内のコントラストが高いため、光路差センサ1113が出力するコントラスト信号が大きく、ピークも高くなる。一方、光路差センサ1113の光路差AF視野202に被写体が存在しない場合には、光路差AF視野202内のコントラストが低いため、光路差センサ1113が出力するコントラスト信号が極めて小さく、ピークも生成されない。よって、前ピン信号若しくは後ピン信号の大きさ、或いは前ピン信号と後ピン信号の和信号の大きさを所定の値(閾値)と比較することにより、光路差センサ1113の光路差AF視野202に被写体が存在するか否かを判定することができる。
In the illustrated example, when a subject is present in the optical path difference AF
次に、本実施形態における顕微鏡装置1の動作手順について説明する。図4は、本実施形態における顕微鏡装置1の動作手順を示したフローチャートである。
(ステップS101)ステージ駆動部103は、カメラ110の撮像素子1101が最初の部分画像(例えば、図5に示した部分画像領域401の部分画像)を撮像できるように、ステージ102(標本スライド101)を水平方向に移動させる。その後、ステップS102の処理に進む。
Next, an operation procedure of the
(Step S101) The
(ステップS102)ステージ駆動部103は、対物レンズ106とステージ102(標本スライド101)との間隔を初期間隔となるように、ステージ102を上下方向に移動させる。初期間隔は、例えば、対物レンズ106とステージ102(標本スライド101)が最接近した間隔であり、合焦状態が十分にデフォーカスした間隔である。その後、ステップS103の処理に進む。
(Step S102) The
(ステップS103)ステージ駆動部103は、ステージ102を対物レンズ106と離れる方向、つまり合焦する方向に一定距離移動させる。その後、ステップS104の処理に進む。
(ステップS104)光路差センサ1113は、光路Aに導かれた標本スライド101からの光と、光路Bに導かれた標本スライド101からの光とを受光し、受光した光を、光の強さに応じたコントラスト信号に光電変換し出力する。続いて、AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号と、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号との値とを加算したコントラスト和信号を算出する。その後、ステップS104の処理に進む。
(Step S103) The
(Step S104) The optical
(ステップS105)AF信号処理部112は、ステップS104の処理で算出したコントラスト和信号が所定の値以上であるか否かを判定する。コントラスト和信号は所定の値以上であるとAF信号処理部112が判定した場合、すなわち、光路差AF視野202内に被写体が存在する場合にはステップS107の処理に進み、それ以外の場合にはステップS106の処理に進む。
(ステップS106)AF信号処理部112は、対物レンズ106とステージ102との距離が、最大間隔値以下であるか否かを判定する。最大間隔値は、対物レンズ106とステージ102とを離すことができる最大の距離値である。対物レンズ106とステージ102との距離が、最大間隔値以下であるとAF信号処理部112が判定した場合にはステップS103の処理に戻り、それ以外の場合にはステップS108の処理に進む。
(Step S105) The AF
(Step S106) The AF
(ステップS107)AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号と、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号とに基づいて、光路差AFを用いて合焦動作を行う。その後、ステップS109の処理に進む。
(Step S <b> 107) The AF
(ステップS108)カメラ110が備える撮像素子1101は、標本スライド101からの光を受光して撮像信号を出力する。AF信号処理部112は、撮像素子1101が出力する撮像信号に基づいて、山登りコントラストAFを用いて合焦動作を行う。その後、ステップS109の処理に進む。
(Step S108) The
(ステップS109)カメラ110が備える撮像素子1101は、部分画像領域を撮像し、撮像信号を画像処理部113に対して出力する。画像処理部113は、撮像素子1101が出力した撮像信号に基づいて部分画像を生成する。その後、ステップS110の処理に進む。
(ステップS110)画像処理部113は、全ての部分画像を生成したか否かを判定する。全ての部分画像を生成したと画像処理部113が判定した場合にはステップS112の処理に進み、それ以外の場合にはステップS111の処理に進む。
(Step S <b> 109) The
(Step S110) The
(ステップS111)ステージ駆動部103は、カメラ110の撮像素子1101が次の部分画像(例えば、ステップS109の処理で図5に示した部分画像領域401の部分画像を撮像した場合には、部分画像領域402の部分画像)を撮像できるように、ステージ102(標本スライド101)を水平方向に移動させる。その後、ステップS102の処理に戻る。
(ステップS112)画像処理部113は、ステップS109の処理で生成した部分画像を合成して1枚の全体画像を生成する。その後、処理を終了する。
(Step S111) The
(Step S112) The
上述した通り、本実施形態では、すなわち、AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には、光路差センサ1113が出力する信号に基づいてステージ駆動部103を駆動させる。また、AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する第1のコントラスト信号と第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には撮像素子1101が出力する撮像信号に基づいてステージ駆動部103を駆動させる。
As described above, in the present embodiment, that is, when the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical
すなわち、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在する場合には、光路差センサ1113が出力するコントラスト信号に基づいて光路差AFを用いて合焦動作を行う。また、光路差センサ1113の光路差AF視野202内に被写体が存在しない場合には、カメラ110が備える撮像素子1101が出力する撮像信号に基づいて、山登りコントラストAFを用いて合焦動作を行う。これにより、被写体が含まれる信号に基づいて合焦動作を行うため、常に合焦状態にある部分画像を撮像することができる。従って、より高速に、確実に合焦処理を行うことができる。
That is, when an object is present in the optical path
以上、この発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.
上述した実施形態では、AF信号処理部112は、光路差センサ1113が出力する、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号と、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号との値とを加算したコントラスト和信号を算出する。そして、AF信号処理部112は、算出したコントラスト和信号が所定の値以上である場合には、光路差AF視野202内に被写体が存在すると判定し、それ以外の場合には光路差AF視野202内に被写体が存在していないと判定しているがこれに限らない。例えば、コントラスト和信号を算出せず、光路Aに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号と、光路Bに導かれて光路差センサ1113に入射される光のコントラスト信号との値とのそれぞれと、予め定められた閾値とを比較することによって、光路差AF視野202内に被写体が存在するか否かを判定するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the AF
また上述した実施形態では、ステージ102(標本スライド101)と対物レンズ106との相対位置を変更する際には、ステージ駆動部103がステージ102を移動させているが、これに限らない。例えば、対物レンズを移動させる駆動部を備え、ステージ102(標本スライド101)と対物レンズ106との相対位置を変更する際には、駆動部が対物レンズ106を移動させるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, when the relative position between the stage 102 (specimen slide 101) and the
1・・・顕微鏡装置、11・・・後ピン位置、12・・・前ピン位置、101,601・・・標本スライド、102,602・・・ステージ、103,603・・・ステージ駆動部、104,604・・・光源、105,605・・・コンデンサレンズ、106,606・・・対物レンズ、107,701,・・・第1のハーフミラー、108,702・・・第1の結像レンズ、109,703・・・第2の結像レンズ、110,608・・・カメラ、111,704・・・AFユニット、112,609・・・AF信号処理部、113・・・画像処理部、200・・・光学系、201,901・・・被写体、202,902・・・光路差AF視野、203,903・・・撮像視野、401〜412・・・部分画像領域、450・・・全体画像領域、470・・・スライドガラス、471・・・試料、501〜512・・・部分画像、550・・・全体画像、600,700・・・バーチャル顕微鏡装置、607・・・結像レンズ、1101,6081・・・撮像素子、1111,7041・・・第2のハーフミラー、1112,7042・・・ミラー、1113・・・光路差センサ、7043・・・ラインセンサ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記試料を照明する光源と、
前記試料の領域のうち第1の領域の像を第1の平面に結像させ、前記第1の領域に含まれる第2の領域の像を第2の平面と第3の平面とに結像させる光学系と、
前記第1の平面に結像された像に基づいた撮像信号を出力する撮像素子と、
前記第2の平面と前記第3の平面との間に配置され、前記第2の平面に結像された像に対応する第1のコントラスト信号と、前記第3の平面に結像された像に対応する第2のコントラスト信号とを出力する光路差センサと、
前記ステージと前記光学系との相対位置を変える駆動部と、
前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて前記駆動部を駆動させ、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には前記撮像素子が出力する前記撮像信号に基づいて前記駆動部を駆動させる合焦処理部と、
を備えることを特徴とする顕微鏡装置。 A stage on which a sample is placed;
A light source for illuminating the sample;
An image of a first area of the sample area is formed on a first plane, and an image of a second area included in the first area is formed on a second plane and a third plane. An optical system
An imaging element that outputs an imaging signal based on an image formed on the first plane;
A first contrast signal corresponding to an image formed between the second plane and the third plane and formed on the second plane; and an image formed on the third plane. An optical path difference sensor that outputs a second contrast signal corresponding to
A drive unit for changing a relative position between the stage and the optical system;
When the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value, the driving unit is based on the first contrast signal and the second contrast signal. And when the first contrast signal and the second contrast signal output by the optical path difference sensor are less than a predetermined value, the drive unit is controlled based on the imaging signal output by the imaging element. A focusing processing unit to be driven;
A microscope apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡装置。 When the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value, the focusing control unit is configured to output the first contrast signal and the second contrast signal. If the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are less than a predetermined value by driving the driving unit using optical path difference autofocus based on The microscope apparatus according to claim 1, wherein the driving unit is driven using hill-climbing contrast autofocus based on the imaging signal output from the element.
前記試料を照明する光源と、
前記試料の領域のうち第1の領域の像を第1の平面に結像させ、前記第1の領域に含まれる第2の領域の像を第2の平面と第3の平面とに結像させる光学系と、
前記第1の平面に結像された像に基づいた撮像信号を出力する撮像素子と、
前記第2の平面と前記第3の平面との間に配置され、前記第2の平面に結像された像に対応する第1のコントラスト信号と、前記第3の平面に結像された像に対応する第2のコントラスト信号とを出力する光路差センサと、
前記ステージと前記光学系との相対位置を変える駆動部と、
前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値以上の場合には当該第1のコントラスト信号と当該第2のコントラスト信号とに基づいて前記駆動部を駆動させ、前記光路差センサが出力する前記第1のコントラスト信号と前記第2のコントラスト信号とが所定の値未満の場合には前記撮像素子が出力する前記撮像信号に基づいて前記駆動部を駆動させる合焦処理部と、
を備えることを特徴とするバーチャル顕微鏡装置。 A stage on which a sample is placed;
A light source for illuminating the sample;
An image of a first area of the sample area is formed on a first plane, and an image of a second area included in the first area is formed on a second plane and a third plane. An optical system
An imaging element that outputs an imaging signal based on an image formed on the first plane;
A first contrast signal corresponding to an image formed between the second plane and the third plane and formed on the second plane; and an image formed on the third plane. An optical path difference sensor that outputs a second contrast signal corresponding to
A drive unit for changing a relative position between the stage and the optical system;
When the first contrast signal and the second contrast signal output from the optical path difference sensor are equal to or greater than a predetermined value, the driving unit is based on the first contrast signal and the second contrast signal. And when the first contrast signal and the second contrast signal output by the optical path difference sensor are less than a predetermined value, the drive unit is controlled based on the imaging signal output by the imaging element. A focusing processing unit to be driven;
A virtual microscope apparatus comprising:
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