JP2013242371A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】黒レベルを一定にするとともにＡＤ変換器において安定した光信号のデジタル値を得る。
【解決手段】観察光の受光量を電荷として蓄積して出力する受光部９と、該受光部９の出力信号にオフセット信号を加算するオフセット部１０と、該オフセット部１０によって得られた、出力信号とオフセット信号との和をデジタル変換するＡＤ変換部１１と、受光部９による電荷の充電時と、該充電時より前の電荷の放電時とにおける出力信号とオフセット信号との和をデジタル変換するようにＡＤ変換部１１を制御する制御部１３と、ＡＤ変換部１１によって放電時における出力信号とオフセット信号との和から得られた黒レベル値が所定の目標値となるように当該黒レベル値に含まれているオフセット信号の値を加減することによりオフセット部１０において用いられるオフセット信号を補正するオフセット補正部１２とを備える光検出装置１を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光検出装置に関するものである。

従来、積分回路を利用して電気信号を増幅して信号を取得するレーザ走査型顕微鏡が知られている（例えば特許文献１参照。）。積分回路を利用することにより、標本からの光が微弱であってもＳＮ比の高い画像を取得することができる。さらに、黒レベル信号をオフセット調整することにより、標本からの光が画像において最適な輝度値で表示されるようにコントラストを調節することができる。

特開２００５−２３４５００号公報

一般に電気回路においては、環境温度の変化に伴ってオフセットドリフトが生じる。特許文献１では、受光素子から取得した、標本に光が照射されていないときの信号と標本に光が照射されているときの信号とをＡＤ変換器によってデジタル値に変換し、これら２つのデジタル値の差分から光信号の大きさに相当するデジタル値を得て、該デジタル値を画像の輝度値として用いている。この構成においては、黒レベル信号がオフセットドリフトにより変動した場合、ＡＤ変換器において光信号の変換に割り当てられるダイナミックレンジが変化し、ＡＤ変換器に入力される光信号の大きさが同一であってもＡＤ変換器からは異なるデジタル値が出力される。

そして、黒レベル信号が増大したときには、光信号の変換に割り当てられるダイナミックレンジが狭くなり、比較的大きな光信号についてはＡＤ変換器の出力値が飽和してしまい、正確なデジタル値が得られないこととなる。また、レーザ走査型顕微鏡によって標本を経時的に観察する場合に、画像のコントラストが最適となるように黒レベル信号のオフセット量を最初に設定したとしても、常にその最適なコントラストで画像を取得し続けることができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、黒レベルを一定にするとともにＡＤ変換器において安定した光信号のデジタル値を得ることができる光検出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、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、レーザ光を標本上において走査することにより前記標本において発生した観察光を検出し、該観察光の強度と前記レーザ光の走査位置とを対応付けた前記標本の画像を取得するレーザ走査型顕微鏡に備えられる光検出装置であって、前記観察光を受光しその受光量に応じた量の信号電荷を出力する光電変換素子と、該光電変換素子から出力された信号電荷をコンデンサに蓄積することにより前記信号電荷を積分する積分回路と、前記コンデンサによる前記信号電荷の充電と放電とを切り替える切替部とを有する受光部と、該受光部の出力信号にオフセット信号を加算するオフセット部と、該オフセット部によって得られた、前記出力信号と前記オフセット信号との和をデジタル変換するＡＤ変換部と、前記受光部における前記コンデンサの充電時と、該充電時より前の前記コンデンサの放電時とにおける前記出力信号と前記オフセット信号との和をデジタル変換するように前記ＡＤ変換部の動作タイミングを制御する制御部と、前記ＡＤ変換部によって前記放電時における前記出力信号と前記オフセット信号との和から得られた黒レベル値に基づいて前記オフセット部において用いられる前記オフセット信号を補正するオフセット補正部とを備え、該オフセット補正部が、前記黒レベル値が所定の目標値となるように当該黒レベル値に含まれている前記オフセット信号の値を加減して得られたオフセット信号を前記オフセット部に出力する光検出装置を提供する。

本発明によれば、受光部の光電変換素子によって受光された標本からの観察光は、信号電荷に変換された後、積分回路のコンデンサに充電されることにより一定期間積分され、その積分値が受光部より出力され、オフセット部においてオフセットされ、ＡＤ変換部においてデジタル変換される。得られたデジタル値は、観察光の強度に対応している。したがって、レーザ走査型顕微鏡は、光検出装置からデジタル値を受け取り、該デジタル値を画素の輝度値とした画像を生成することができる。

この場合に、上記の観察光の強度のデジタル値の取得に先立ち、コンデンサの放電時における受光部の出力信号、すなわち信号電荷が蓄積されていない状態における受光部の出力信号（黒レベル信号）に、オフセット部によるオフセット信号が加算された信号がＡＤ変換部によって変換されるように、受光部の出力信号のＡＤ変換タイミングが制御部によって制御される。ＡＤ変換部によって得られたデジタル値は、画像における黒レベルに相当する黒レベル値であり、オフセット補正部において所定の目標値と比較され、黒レベル値が目標値からずれていた場合には目標値と一致するように、放電時における受光部の出力信号にオフセット部によって加算されたオフセット信号が補正される。そして、充電時における受光部の出力信号には、補正されたオフセット信号がオフセット部において加算される。

すなわち、放電時の受光部の出力信号およびオフセット部のオフセット信号の変動によって黒レベルが変動したとしても、その変動を相殺するように補正されたオフセット部のオフセット信号が充電時の受光部の出力信号に加算される。そして、充電時の受光部の出力信号に含まれる、放電時の受光部が有する信号と観察光に起因する光信号とのうち、光信号は常に一定量だけオフセットされた状態でＡＤ変換部に入力されることとなる。これにより、黒レベルを一定にするとともにＡＤ変換部において安定した光信号のデジタル値を得ることができる。

上記発明においては、前記オフセット補正部が、時間軸方向に並ぶ複数の黒レベル値の平均値を用いて前記オフセット信号を補正してもよい。

この場合、オフセット補正部は、複数の画素、例えば、１行分または１フレーム分の画素に相当する黒レベル値の平均値を算出し、該平均値を用いてオフセット信号を補正する。そして、この補正されたオフセット信号が、次に取得される１行分または１フレーム分の画素に相当する充電時の受光部の出力信号に加算される。このようにすることで、局所的なノイズによるオフセット信号の変動を防ぐことができる。

本発明によれば、黒レベルを一定にするとともにＡＤ変換器において安定した光信号のデジタル値を得ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る光検出装置の全体構成図である。 図２の光検出装置の動作を説明するタイミングチャートである。 図２の光検出装置の変形例を示す全体構成図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る光検出装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光検出装置１は、図１に示されるように、レーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）１００に搭載して用いられるものである。まず、本実施形態に係るＬＳＭ１００について説明する。

ＬＳＭ１００は、図１に示されるように、レーザ光源２と、該レーザ光源２から出力されたレーザ光Ｌをラスタ走査するスキャナ３と、該スキャナ３により走査されたレーザ光Ｌを標本Ａに照射するとともに標本Ａからの観察光Ｌ’を集光する対物レンズ４と、該対物レンズ４によって集光された観察光Ｌ’を検出し該観察光Ｌ’の強度をデジタル値として出力する光検出装置１と、スキャナ３および光検出装置１の動作を制御するとともに光検出装置１から出力されたデジタル値を用いて標本Ａの画像を生成する主制御部５とを備えている。

図中、符号６は、レーザ光源２からのレーザ光Ｌを反射し、対物レンズ４によって集光された観察光Ｌ’を透過するダイクロイックミラーを示している。符号７は、スキャナ３から対物レンズ４へレーザ光Ｌをリレーするリレーレンズ群を示している。符号８は、ダイクロイックミラー６を透過した観察光Ｌ’を光検出装置１の位置に集光する集光レンズを示している。

レーザ光源２から出力されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー６およびスキャナ３で反射され、対物レンズ４を介して標本Ａに照射される。レーザ光Ｌが照射されることにより、標本Ａからは、レーザ光Ｌの反射光やレーザ光Ｌによって励起された蛍光などが観察光Ｌ’として発生する。この観察光Ｌ’は、対物レンズ４によって集光され、スキャナ３によって反射され、ダイクロイックミラー６を透過し、光検出装置１が備える受光部９（後述）に入力される。

主制御部５は、スキャナ３によるレーザ光Ｌの走査周期と同期した同期信号を生成し、該同期信号を光検出装置１が備える制御部１３に送る。光検出装置１は、主制御部５からの同期信号に基づくタイミングで観察光Ｌ’を検出し、検出した観察光Ｌ’の強度をデジタル値に変換して主制御部５に出力する。主制御部５は、光検出装置１から受け取った観察光Ｌ’の強度を示すデジタル値を、スキャナ３によって走査されるレーザ光Ｌの位置と対応づけることにより標本Ａの画像を生成する。

次に、光検出装置１について詳細に説明する。
本実施形態に係る光検出装置１は、図２に示されるように、対物レンズ４によって集光された観察光Ｌ’を受光して受光量に応じた光信号を出力する受光部９と、該受光部９から出力された光信号にオフセット信号を加算するオフセット部１０と、該オフセット部１０から出力された信号をデジタル値に変換するＡＤ変換器（ＡＤ変換部）１１と、オフセット部１０のオフセット信号を補正するオフセット補正部１２と、受光部９およびＡＤ変換器１１の動作タイミングを制御する制御部１３とを備えている。

受光部９は、観察光Ｌ’を検出し該観察光Ｌ’の強度に応じた信号電荷を出力する光電変換素子１４と、該光電変換素子１４から出力された信号電荷を蓄積する積分回路１５と、該積分回路１５が備えるコンデンサ１５ａと並列に接続されたスイッチ（切替部）１６とを備えている。

積分回路１５は、光電変換素子１４からの信号電荷が入力されるオペアンプ１５ｂを備え、該オペアンプ１５ｂの入力端と出力端との間にコンデンサ１５ａが接続されている。スイッチ１６が開状態とされているときは、光電変換素子１４から送られてきた信号電荷がコンデンサ１５ａに蓄積され、その蓄積量に応じた光信号Ｖｓが積分回路１５から出力される。スイッチ１６が閉状態とされているときは、コンデンサ１５ａに蓄積されていた信号電荷が放電され、積分回路１５から出力される信号の大きさが初期化される。

ここで、コンデンサ１５ａの充電時における受光部９の出力信号Ｖは、コンデンサ１５ａの放電時における受光部９の出力信号Ｖ’に、観察光Ｌ’の受光量に相当する光信号Ｖｓが重畳された信号となる。
スイッチ１６の動作のタイミングは、主制御部５から送られてくる同期信号に基づいて制御部１３によって制御される。

オフセット部１０は、後述するオフセット補正部１２から受け取ったオフセット信号Ｖｏｆｆを、充電時または放電時の受光部９の出力信号ＶまたはＶ’に加算し、得られた信号をＡＤ変換器１１へ出力する。

ＡＤ変換器１１は、放電時の受光部９の出力信号Ｖ’と、オフセット部１０によるオフセット信号Ｖｏｆｆとの和、すなわち、黒レベルに相当する信号（以下、黒レベル電圧という。）をデジタル変換して得られた黒レベル値Ｄ’＋Ｄｏｆｆと、充電時の受光部９の出力信号Ｖとオフセット部１０によるオフセット信号Ｖｏｆｆとの和をデジタル変換して得られた信号値Ｄ＋Ｄｏｆｆとを、オフセット補正部１２が備える信号選択部１７（後述）に出力する。ＡＤ変換器１１による信号のサンプリングのタイミングは、前述した主制御部５からの同期信号に基づいて制御部１３によって制御される。

オフセット補正部１２は、ＡＤ変換器１１から受け取ったデジタル値のうち黒レベル値を差分算出部１８（後述）に、信号値を主制御部５にそれぞれ振り分ける信号選択部１７と、該信号選択部１７から受け取った黒レベル値と所定の目標値との差分を算出する差分算出部１８と、該差分算出部１８によって算出された差分を用いて補正されたオフセット信号のデジタル値（オフセット値）を算出する補正値算出部１９と、該補正値算出部１９によって算出された補正されたオフセット値をアナログ信号に変換するＤＡ変換器２０とを備えている。

差分算出部１８は、所定の目標値を記憶する目標値記憶部１８ａと、該目標値記憶部１８ａに記憶されている所定の目標値から黒レベル値を減算する減算部１８ｂとを備えている。目標値記憶部１８ａに記憶されている所定の目標値は、光信号Ｖｓをオフセットする際の最適なオフセット量であり、例えば、図示しない入力手段を用いてユーザによって目標値記憶部１８ａに設定される。

補正値算出部１９は、オフセット値を記憶するオフセット値記憶部１９ａと、該オフセット値記憶部１９ａに記憶されているオフセット値に、減算部１８ｂによって算出された差分を加算する加算部１９ｂとを備えている。

オフセット値記憶部１９ａは、例えば、目標値記憶部１８ａに記憶されている所定の目標値と同一の値をオフセット値の初期値として記憶している。加算部１９ｂは、減算部１８ｂから受け取った差分とオフセット値記憶部１９ａに記憶されているオフセット値とを加算することにより補正されたオフセット値を算出する。そして、加算部１９ｂは、補正されたオフセット値をＤＡ変換器２０とオフセット値記憶部１９ａとに出力する。

オフセット値記憶部１９ａは、加算部１９ｂから補正されたオフセット値を受け取ると、それまで記憶していたオフセット値を新たに受け取った補正されたオフセット値に置換することにより、保持しているオフセット値を更新していく。

補正値算出部１９によって算出された補正されたオフセット値は、ＤＡ変換器２０によってアナログ信号Ｖｏｆｆ’に変換されてからオフセット部１０に送られる。オフセット部１０は、新らたにＤＡ変換器２０から受け取った信号Ｖｏｆｆ’をオフセット信号Ｖｏｆｆとして用いる。

以上のようにして、コンデンサ１５ａの放電時において黒レベル電圧の値がＡＤ変換器１１によって取得されて、放電時の受光部９の出力信号Ｖ’に加算されたオフセット部１０のオフセット信号Ｖｏｆｆがオフセット補正部１２によって補正される度に、オフセット部１０がコンデンサ１５ａの充電時の受光部９の出力信号Ｖに加算するオフセット信号Ｖｏｆｆが更新されることとなる。
なお、上述の信号選択部１７、差分算出部１８および補正値算出部１９によるデジタル値の処理は、例えば、光検出装置１に備えられるＣＰＵ（中央演算処理装置）によって実行される。

次に、このように構成された光検出装置１の作用について説明する。
光検出装置１は、図３に示されるように、コンデンサ１５ａの放電時の受光部９の出力信号Ｖ’のデジタル変換と、コンデンサ１５ａの充電時の受光部９の出力信号Ｖのデジタル変換とを順番に実行することにより、主制御部５において生成される画像内の１つの画素に対応するデジタル値を生成して出力する。図３において、時間軸上に示されている矢印は、ＡＤ変換器１１によって受光部９の出力信号をデジタル変換するタイミングを示している。

具体的には、制御部１３は、主制御部５から送られる同期信号に同期してスイッチ１６を開閉する。スイッチ１６が閉状態とされているときは、受光部９の出力信号は信号電荷が蓄積されていない状態における信号となる。スイッチ１６が開状態に切り替えられてコンデンサ１５ａが信号電荷の充電を開始すると、光電変換素子１４による観察光Ｌ’の受光量に比例して受光部９の出力信号が増加する。次にスイッチ１６が閉状態に切り替えられると、コンデンサ１５ａに蓄積されていた信号電荷の放電が開始されることにより受光部９の出力信号は充電前と略同一の大きさまで低下する。

ここで、制御部１３は、放電時と充電時の両方において、受光部９の出力信号ＶまたはＶ’にオフセット部１０のオフセット信号Ｖｏｆｆが加算された信号をサンプリングしてデジタル変換するようにＡＤ変換器１１の動作タイミングを制御する。放電時と充電時におけるＡＤ変換器１１のサンプリングのタイミングは、スイッチ１６が閉状態または開状態に切り替えられてから十分に長い時間が経過したときとされる。すなわち、ＡＤ変換器１１は、コンデンサ１５ａが十分に放電して受光部９の出力信号が十分に安定したとき（ｔ０，ｔ０’，ｔ０”）に、放電時の受光部９の出力信号Ｖ’にオフセット部１０のオフセット信号Ｖｏｆｆが重畳された黒レベル電圧をサンプリングする。また、ＡＤ変換器１１は、光電変換素子１４の受光量が十分となったとき（ｔ１，ｔ１’，ｔ１”）に、上記黒レベル電圧Ｖ’＋Ｖｏｆｆと積分回路１５によって積分された信号電荷量に相当する光信号Ｖｓとの和Ｖ＝Ｖ’＋Ｖｏｆｆ＋Ｖｓをサンプリングする。

ＡＤ変換器１１によって得られた黒レベル値Ｄ’＋Ｄｏｆｆは差分算出部１８に送られ、該差分算出部１８において黒レベル値と目標値との差分が算出される。得られた差分は、オフセット補正部１２において黒レベル電圧の補正に用いられる。すなわち、加算部１９ｂは、オフセット値記憶部１９ａに現在記憶されているオフセット値に、差分算出部１８から受け取った差分を加算する。これにより、放電時の受光部９の出力信号Ｖ’およびオフセット部１０によるオフセット信号Ｖｏｆｆの少なくとも一方が変動することにより黒レベル値Ｄ’＋Ｄｏｆｆが変化した場合、この黒レベル値の変化を相殺するように補正されたオフセット値が得られる。

補正されたオフセット値はＤＡ変換器２０においてアナログ変換され、得られたオフセット信号Ｖｏｆｆ’＝Ｖｏｆｆはオフセット部１０において充電時の受光部９の出力信号Ｖに加算される。このオフセット信号Ｖｏｆｆは、前述のように黒レベル電圧Ｖ’＋Ｖｏｆｆの大きさが目標値となるような大きさを有しているので、オフセット部１０において光信号Ｖｓは０Ｖに対して目標値の分だけオフセットされる。また、補正されたオフセット値は、次の放電時における黒レベル電圧の補正に備えてオフセット値記憶部１９ａに保持される。

このように、本実施形態によれば、放電時において黒レベル電圧Ｖ’＋Ｖｏｆｆを測定し、測定された黒レベル電圧Ｖ’＋Ｖｏｆｆの値が所定の目標値からずれていた場合には所定の目標値となるようにオフセット部１０のオフセット信号Ｖｏｆｆの大きさが補正され、この補正されたオフセット信号Ｖｏｆｆ’がオフセット部１０において充電時の受光部９の出力信号Ｖに加算される。これにより、環境温度の変化などによって受光部９の出力信号Ｖ’がドリフトしたりしたとしても、受光部９の光信号Ｖｓは一定の信号だけオフセットされてＡＤ変換器１１に入力される。したがって、制御部５が生成する画像間および各画像内の画素間の黒レベルを一定とすることができる。

また、例えば、ＬＳＭ１００による長期間のタイムラプス観察においても、充電時においてＡＤ変換器１１に入力されるときの光信号Ｖｓのオフセット量が常に一定とされることにより、ＡＤ変換器１１において光信号Ｖｓのデジタル変換に用いられるダイナミックレンジも一定となる。したがって、タイムラプス観察の開始時に画像において観察光Ｌ’が最適な輝度値で表示されるように黒レベル電圧の値、すなわち、目標値を設定した場合には、その最適なコントラスト条件で画像を取得し続けることができる。

なお、本実施形態においては、画素単位でオフセット信号を補正することとしたが、これに代えて、画像内の行単位またはフレーム単位でオフセット信号を補正してもよい。すなわち、光検出装置１’が、図４に示されるように、１行分または１フレーム分の画素に対応する黒レベル値の平均値を算出する平均値算出部１８ｃを備えていてもよい。

この場合、差分算出部１８は、平均値算出部１８ｃによって算出された平均値を目標値から減算して差分を算出する。オフセット補正部１２は、レーザ光Ｌが１行または１フレーム走査される毎に差分算出部１８から黒レベル値の平均値を受け取り、オフセット信号を補正し、補正された新たなオフセット信号をオフセット部１０に出力するとともにこのオフセット信号の値をオフセット値記憶部１９ａに保持する。
このようにすることで、局所的なノイズによるオフセット信号の変動を防ぐことができる。

１，１’ 光検出装置
２ レーザ光源
３ スキャナ
４ 対物レンズ
５ 主制御部
６ ダイクロイックミラー
７ リレーレンズ群
８ 集光レンズ
９ 受光部
１０ オフセット部
１１ ＡＤ変換器
１２ オフセット補正部
１３ 制御部
１４ 光電変換素子
１５ 積分回路
１５ａ コンデンサ
１５ｂ オペアンプ
１６ スイッチ（切替部）
１７ 信号選択部
１８ 差分算出部
１８ａ 目標値記憶部
１８ｂ 減算部
１８ｃ 平均値算出部
１９ 補正値算出部
１９ａ オフセット値記憶部
１９ｂ 加算部
２０ ＤＡ変換器
１００ レーザ走査型顕微鏡
Ａ 標本
Ｌ レーザ光
Ｌ’ 観察光
Ｖｏｆｆ，Ｖｏｆｆ’ オフセット信号
Ｖ コンデンサの充電時における受光部の出力信号
Ｖ’ コンデンサの放電時における受光部の出力信号
Ｖｓ 光信号

Claims (2)

1. レーザ光を標本上において走査することにより前記標本において発生した観察光を検出し、該観察光の強度と前記レーザ光の走査位置とを対応付けた前記標本の画像を取得するレーザ走査型顕微鏡に備えられる光検出装置であって、
   前記観察光を受光しその受光量に応じた量の信号電荷を出力する光電変換素子と、該光電変換素子から出力された信号電荷をコンデンサに蓄積することにより前記信号電荷を積分する積分回路と、前記コンデンサによる前記信号電荷の充電と放電とを切り替える切替部とを有する受光部と、
   該受光部の出力信号にオフセット信号を加算するオフセット部と、
   該オフセット部によって得られた、前記出力信号と前記オフセット信号との和をデジタル変換するＡＤ変換部と、
   前記受光部における前記コンデンサの充電時と、該充電時より前の前記コンデンサの放電時とにおける前記出力信号と前記オフセット信号との和をデジタル変換するように前記ＡＤ変換部の動作タイミングを制御する制御部と、
   前記ＡＤ変換部によって前記放電時における前記出力信号と前記オフセット信号との和から得られた黒レベル値に基づいて前記オフセット部において用いられる前記オフセット信号を補正するオフセット補正部とを備え、
   該オフセット補正部が、前記黒レベル値が所定の目標値となるように当該黒レベル値に含まれている前記オフセット信号の値を加減して得られたオフセット信号を前記オフセット部に出力する光検出装置。
2. 前記オフセット補正部が、時間軸方向に並ぶ複数の黒レベル値の平均値を用いて前記オフセット信号を補正する請求項１に記載の光検出装置。

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