JP2014120794A - 撮像装置および顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数チャネルから出力される信号に差異がある場合には画像上の段差の発生を確実に防止して高品位な画像を得ることができ、信号に差異がない場合には高フレームレートで画像を取得する。
【解決手段】取得した撮像信号を複数の出力部から出力可能な撮像素子４と、該撮像素子４の前記出力部を駆動するタイミングジェネレータ１１，１２と、観察条件を取得するシステム制御部１５とを備え、タイミングジェネレータ１１，１２が、システム制御部１５により取得された観察条件に基づいて、撮像素子４の複数の出力部から並列に撮像信号を出力させるか、いずれか１つの出力部から撮像信号を出力させるかを切り替える撮像装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は撮像装置および顕微鏡システムに関するものである。

従来、複数チャネルから信号電荷を順次読み出し可能な撮像素子を備え、各チャネルから出力される信号間のレベル差を補正して、画像上に形成される段差を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

特開２００８−３０１１７３号公報 特開２００４−１４６８９８号公報 特開２００２−３２０１４２号公報

しかしながら、複数チャネルから出力されるチャネルごとの信号の差異は、撮像素子の読み出しアンプの性能バラツキや、温度のバラツキ、ＡＦＥ等の周辺回路のバラツキ等、様々な要因があり、特許文献１〜３の撮像装置では、チャネル間のバラツキによる画像上の段差の形成を完全に補正することができないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数チャネルから出力される信号に差異がある場合には画像上の段差の発生を確実に防止して高品位な画像を得ることができ、信号に差異がない場合には高フレームレートで画像を取得することができる撮像装置および顕微鏡システムを提供することを目的としている。

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。
本発明の一態様は、取得した撮像信号を複数の出力部から出力可能な撮像素子と、該撮像素子の前記出力部を駆動するタイミングジェネレータと、観察条件を取得する条件取得部とを備え、前記タイミングジェネレータが、前記条件取得部により取得された観察条件に基づいて、前記撮像素子の複数の出力部から並列に撮像信号を出力させるか、いずれか１つの出力部から撮像信号を出力させるかを切り替える撮像装置を提供する。

本態様によれば、条件取得部により取得された観察条件に基づいて、タイミングジェネレータが複数の出力部から並列に撮像信号を出力させる場合には、高フレームレートでの撮影を行うことができて、速い被写体や動画の撮影を鮮明に行うことができる。また、観察条件に基づいてタイミングジェネレータが単一の出力部から撮像信号を出力させる場合には、出力部間の信号レベルの差による画像上の段差の発生を確実に防止し、高品位の画像を取得することができる。

また、上記態様においては、前記条件取得部が、撮像条件を取得してもよい。
このようにすることで、条件取得部が取得した撮像条件、例えば、露出時間、デジタルゲイン、ＩＳＯ感度あるいはエッジ強調処理の程度等が、高品位の画像を十分に確保可能な条件を満たしている場合には、複数の出力部から並列して撮像信号を出力させることで高フレームレートの撮影を行うことができる。撮像条件が逆の場合には、単一の出力部から撮像信号を出力させることで、高品位の画像を取得することができる。

また、本発明の他の態様は、標本の光学像を取得する顕微鏡本体と、該顕微鏡本体により取得された光学像を撮影する上記撮像装置とを備え、前記条件取得部が、前記顕微鏡本体の設定を取得する顕微鏡システムを提供する。
本態様によれば、条件取得部が取得した顕微鏡本体の設定、例えば、高速モードであるかステージが移動中であるか等が、高品位の画像を十分に確保可能な条件を満たしている場合には、複数の出力部から並列して撮像信号を出力させることで高フレームレートの撮影を行うことができる。撮像条件が逆の場合には、単一の出力部から撮像信号を出力させることで、高品位の画像を取得することができる。

本発明によれば、複数チャネルから出力される信号に差異がある場合には画像上の段差の発生を確実に防止して高品位な画像を得ることができ、信号に差異がない場合には高フレームレートで画像を取得す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撮像装置を備える顕微鏡システムを示す全体構成図である。 図１の撮像装置を示す模式図である。 図１の撮像装置のシステム制御部による撮像制御を説明するフローチャートである。 図３のシステム制御部による露出時間及びデジタルゲインの算出用のプログラム線図を示す図である。 図１の顕微鏡システムの変形例を示す全体構成図である。 図５のシステム制御部による撮像制御の一例を説明するフローチャートである。 図５のシステム制御部による撮像制御の他の例を説明するフローチャートである。

本発明の一実施形態に係る撮像装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１は、図１に示されるように、顕微鏡システム２に備えられる撮像装置１であって、顕微鏡本体３により取得された標本の光学像を検出し、２チャネルの撮像信号を出力可能なＣＣＤのような撮像素子４と、撮像素子４の各チャネルからの出力電流を入力とし、ＣＤＳ、アンプ、対物クランプの処理を適用する前置処理部５，６と、該前置処理部５，６からの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部７，８とを備えている。

撮像素子４は、例えば、図２に示されるように、撮像領域４ａ，４ｂに配置された複数のフォトダイオード４ｃ，４ｄ、垂直転送路４ｅ，４ｆおよび水平転送路４ｇ，４ｈを備えている。撮像領域４ａのフォトダイオード４ｃに蓄積された電荷は垂直転送路４ｅに転送され、水平転送路４ｇを経由してアンプ４ｉから出力される。撮像領域４ｂのフォトダイオード４ｄに蓄積された電荷は垂直転送路４ｆに転送され、水平転送路４ｈを経由してアンプ４ｊから出力される。これにより、２つのチャネルから同時に信号電荷を読み出すことができるようになっている。

また、撮像装置１は、デジタル信号に変換された２チャネルの撮像信号を合成して１チャネルの撮像信号に変換するチャネル合成部９と、合成された撮像信号にホワイトバランス処理、ブラックバランス処理、デモザイキング処理およびエッジ強調処理を行う画像処理部１０と、タイミングジェネレータ１１，１２とを備えている。図中符号１７，１８は、Ａ／Ｄ変換部７，８から送られてきた撮像信号を一時的に記憶するメモリである。

タイミングジェネレータ１１，１２は、前置処理部５，６、Ａ／Ｄ変換部７，８、チャネル合成部９および画像処理部１０に垂直同期信号および水平同期信号を供給し、撮像素子４のチャネルに信号電荷読み出し用のパルスを供給するようになっている。
前置処理部５，６、Ａ／Ｄ変換部７，８およびタイミングジェネレータ１１，１２は、撮像素子４のチャネル毎にそれぞれ設けられている。

図１に示す例では、撮像素子４は２チャネルの出力を有しているので、タイミングジェネレータ１１，１２による撮像素子４からの信号電荷の読み出し、前置処理部５，６による処理、Ａ／Ｄ変換部７，８による変換処理をチャネル毎に同時に並列に行い、チャネル合成部９によって合成することにより、２倍速で信号電荷を読み出すことができるようになっている。

また、撮像装置１は、画像処理部１０からのデジタル画像信号をデータバスに転送する転送制御部１３を備えている。
また、撮像装置１は、ストレージ（図示略）に格納された制御プログラムを実行するコンピュータ１４を備えている。コンピュータ１４は、制御プログラムからのフレーミング、静止画取得、露出時間あるいはＩＳＯ感度等の撮像条件設定のコマンドをシステム制御部１５に出力するとともに、転送制御部１３から入力されたデジタル画像信号をモニタ１６に表示するようになっている。

システム制御部（条件取得部）１５は、制御プログラムからのコマンドを解釈して撮像素子４の露出、撮像素子４からの信号電荷読み出し、および画像処理部１０における画像処理パラメータの設定を行うようになっている。
すなわち、システム制御部１５は、前置処理部５，６、Ａ／Ｄ変換部７，８、タイミングジェネレータ１１，１２およびチャネル合成部９にデータバスを介して撮像素子４の駆動パターンを設定し、撮像素子４の露出および信号電荷読み出しを制御する。さらに、システム制御部１５は、コンピュータ１４からのフレーミング、静止画取得、露出時間やＩＳＯ感度等の撮像条件設定のコマンドを解釈して撮像条件に好適な画像処理パラメータを生成し、データバスを介して画像処理部１０に供給す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撮像装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１を用いて標本を撮影するには、図３に示されるように、システム制御部１５が、連続的にデジタル画像信号の取得を行うフレーミングか否かを判定し（ステップＳ１）、フレーミングである場合には、露出時間およびデジタルゲインを算出する（ステップＳ２）。

図４に撮像素子４の露出時間とデジタルゲインとを算出するプログラム線図の一例を示す。システム制御部１５は、コマンドで指定された露出時間から図４のプログラム線図に従って、撮像素子４の露出時間とデジタルゲインとを算出する。

次に、システム制御部１５は、算出されたデジタルゲインが所定の閾値、例えば、１６．０以上か否かを判定し（ステップＳ３）、閾値以上の場合には単一のチャネルからの出力信号から画像を構成することを選択し（ステップＳ５）、閾値より小さいときには、算出された撮像素子４の露出時間が所定の閾値、例えば、１／３０秒以上か否かを判定する（ステップＳ４）。

算出された撮像素子４の露出時間が閾値以上の場合には、単一のチャネルからの出力から画像を構成することを選択し（ステップＳ５）、閾値より小さいときには、２つのチャネルから並列に出力された出力信号から画像を構成することを選択する（ステップＳ６）。

一方、ステップＳ１においてフレーミングではないと判定された場合には、システム制御部１５は、撮像条件を参照する。撮像条件としては、複数回静止画を取得して画像処理により加算し、顕微鏡の最大露出時間を越える露出を可能とする積算画像取得が行われるか否か（ステップＳ７）、ＩＳＯ感度、露出時間、エッジ強調度等の撮像パラメータが所定の閾値以上か否かを判定する（ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０）。

積算画像取得が行われる場合、ＩＳＯ感度、露出時間、エッジ強調度等の各撮像パラメータがそれぞれの閾値、例えば、ＩＳＯ４００、露出時間１秒、エッジ強調度「強」以上である場合には、単一のチャネルからの出力信号から画像を構成することが選択され（ステップＳ１１）、それ以外の場合には２つのチャネルから並列に出力された出力信号から画像を構成することが選択される（ステップＳ１２）。

そして、システム制御部１５は、ステップＳ５，Ｓ６，Ｓ１１，Ｓ１２における選択結果に基づいてチャネル合成部９に１チャネルまたは２チャネルの出力信号からの合成を指令し、撮像処理が行われる（ステップＳ１３）。その後、観察終了か否かが判定され（ステップＳ１４）、継続する場合には、ステップＳ１からの工程が繰り返される。

このように、本実施形態に係る撮像装置１によれば、撮像条件や撮像パラメータのような観察条件に応じて１チャネルで画像を取得するか、２チャネルで画像を取得するかを切り替えることができる。その結果、例えば、露出時間が短いときは、もともと光量が多い場合と考えられ、２チャネルで並列に画像信号を出力して高フレームレートの画像取得を行うことができ、露出時間が長いときには単一のチャネルからの出力信号のみから画像を構成することとして、画像合成をなくし、チャネル間の段差の発生を確実に防止して、高品位な画像を取得することができる。

また、積算、ＩＳＯ感度、デジタルゲインあるいはエッジ強調度のような撮像条件に応じて１チャネルで画像を取得するか、２チャネルで画像を取得するかを切り替えるので、チャネル間の画像信号レベルの差異を補正しきれない場合や、差異が増幅されてしまうときには、単一のチャネルからの信号出力のみによる画像取得を行って高品位な画像を取得することができる。

なお、本実施形態においては、撮像装置１が撮像条件に応じてチャネル数を切り替えることとしたが、これに代えて、図５に示されるように、顕微鏡本体３からの設定（観察条件）を受信してその設定に応じて撮像装置１のチャネル数を切り替えることにしてもよい。

図５に示す例では、顕微鏡システム２は、顕微鏡本体３と、顕微鏡コントローラ２０と、上記撮像装置１とを備えている。
顕微鏡本体３は、例えば、透過観察光学系２１および落射観察光学系２２を備え、標本Ａを搭載する電動ステージ２３、対物レンズ２４を交換するレボルバ２５、蛍光キューブ２６を交換するキューブターレット２７、光路に挿脱可能な微分干渉観察用ポラライザ２８、ＤＩＣプリズム２９、およびアナライザ３０を備えている。

これらの各ユニットは電動化され、後述する顕微鏡制御部３１によって制御されるようになっている。
顕微鏡制御部３１は、顕微鏡コントローラ２０に接続され、顕微鏡コントローラ２０からの制御信号またはコマンドに応じて、検鏡法の変更、透過照明用光源２１ａおよび落射照明用光源２２ａの調光を行う。また、顕微鏡制御部３１は、顕微鏡本体３の現在の検鏡状態を顕微鏡コントローラ２０に送出するようになっている。また、顕微鏡制御部３１は、ステージＸ−Ｙ駆動制御部３２と、ステージＺ駆動制御部３３にも接続され、その状態を顕微鏡コントローラ２０に出力するようになっている。

顕微鏡コントローラ２０はユーザが顕微鏡本体３の操作入力を行うためのタッチパネルを有するコントローラであり、データバスを介してコンピュータ１４に接続されている。
ユーザがタッチパネルを介して検鏡法を選択すると、顕微鏡コントローラ２０は顕微鏡制御部３１に対してコマンドを送り、検鏡法を通知する。顕微鏡制御部３１は選択された検鏡法に好適な光学素子の選択、光学素子の状態の決定を行う。

次いで、ユーザがタッチパネルを介してフレーミングの開始、フレーミングの停止、静止画撮影、高画質モードの選択等を行うと、操作に応じて高画質モードか高速モードかの設定が行われる。

ユーザがフレーミングあるいは静止画撮影を選択した場合には、図６に示されるように、撮像装置１は顕微鏡コントローラ２０から高画質モード／高速モードのいずれかのモードの情報を取得し（ステップＳ２１）、取得されたモードが高速モードであるか否かが判定され（ステップＳ２２）、高速モードが設定された場合には、２チャネルの画像取得が選択され（ステップＳ２３）、高画質モードが設定された場合には１チャネルの画像取得が選択される（ステップＳ２４）。

なお、上述では、ユーザが選択したフレーミングあるいは静止画撮影に応じて高画質モードあるいは高速モードが設定されるようにしたが、これに限らず、検鏡法に応じて高画質モードあるいは高速モードが設定されるようにしてもよい。
具体的には、検鏡法毎に高画質モードあるいは高速モードが設定されるように、検鏡法とモードとを関連させるデータを予め顕微鏡コントローラ２０に保存しておく。このデータは、例えば、蛍光観察では高画質モードに設定されるようになっており、また、明視野観察では高速モードに設定されるようになっている。

そして、ユーザがタッチパネルを介して検鏡法を選択した場合には、その選択に応じて顕微鏡コントローラ２０に保存されている高画質モードあるいは高速モードが設定される。
ユーザがタッチパネルを介して任意に高画質モードあるいは高速モードに切替えることが可能なことは言うまでもない。

次に、電動ステージ２３の動作に応じてチャネル数を切り替える場合には、図７に示されるように、コンピュータ１４に顕微鏡コントローラ２０から電動ステージ２３の駆動状態が取得され（ステップＳ２５）、電動ステージ２３が駆動中であるか否かが判定される（ステップＳ２６）。電動ステージ２３が駆動中である場合には２チャネルの画像取得が選択され（ステップＳ２７）、電動ステージ２３が停止しているときには１チャネルの画像取得が選択される（ステップＳ２８）。

このようにすることで、蛍光観察や暗視野観察のように視野が暗く、ゲインが大きくなりやすいために、複数チャネルからの画像信号を合成して画像を構成したのではチャネル間の差異が目立ちやすい検鏡法では１チャネルの画像取得を行い、視野が明るく露出時間が短い検鏡法では２チャネルの画像取得を行うことで、観察の目的に応じて高フレームレートの画像取得および高品位の画像取得が可能となる。

また、ユーザの操作による電動ステージ２３の移動中には２チャネルの画像取得を行い、電動ステージ２３の駆動が完了したら１チャネルの画像取得とすることにより、フレーミング画像を参照しながら電動ステージ２３の操作感の向上を図ることができる。

なお、本実施形態においては、２チャネル並列出力可能な撮像素子４を例示したが、これに代えて、３チャネル以上のマルチチャネル並列出力可能な撮像素子４に適用してもよい。
また、手動顕微鏡の場合には操作部にエンコーダを設けて操作状態を取得してもよい。

また、手動、電動にかかわらず、光源２１ａ、２２ａの調光、ＮＤフィルタの挿脱、対物レンズ２４の切替等、光学系の種々の状態に基づいてチャネル数を切り替えてもよい。
また、タッチパネル式の顕微鏡コントローラ２０に代えて他の任意の入力手段、例えば、キーボードやマウス等の入力手段を備えていてもよい。

また、タイミングジェネレータ１１，１２をチャネル毎に設けたが、これに代えて、複数のチャネルに共通のタイミングジェネレータを採用してもよい。

Ａ 標本
１ 撮像装置
２ 顕微鏡システム
３ 顕微鏡本体
４ 撮像素子
１１，１２ タイミングジェネレータ
１５ システム制御部（条件取得部）

Claims (3)

1. 取得した撮像信号を複数の出力部から出力可能な撮像素子と、
   該撮像素子の前記出力部を駆動するタイミングジェネレータと、
   観察条件を取得する条件取得部とを備え、
   前記タイミングジェネレータが、前記条件取得部により取得された観察条件に基づいて、前記撮像素子の複数の出力部から並列に撮像信号を出力させるか、いずれか１つの出力部から撮像信号を出力させるかを切り替える撮像装置。
2. 前記条件取得部が、撮像条件を取得する請求項１に記載の撮像装置。
3. 標本の光学像を取得する顕微鏡本体と、
   該顕微鏡本体により取得された光学像を撮影する請求項１に記載の撮像装置とを備え、
   前記条件取得部が、前記顕微鏡本体の設定を取得する顕微鏡システム。

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