JP2018173507A - 補正量算出装置、顕微鏡、補正量算出プログラム、補正量算出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照して顕微鏡システムについて説明する。
図1は、顕微鏡システム100の外観構成の一例を示す図である。
顕微鏡システム100は、補正量算出装置10と、顕微鏡20とを備える。
ここで、図2を参照して顕微鏡20について説明する。以下の説明では、顕微鏡20を倒立顕微鏡の一部構成の場合について説明するが、これに限られない。顕微鏡20は、微分干渉顕微鏡(Differential Interference Contrast microscope;DIC)、位相差顕微鏡、蛍光顕微鏡、共焦点顕微鏡、超解像顕微鏡、二光子励起蛍光顕微鏡等の一部構成であってもよい。
図2は、顕微鏡20の一部である顕微鏡20の外観構成の一部分を拡大した図である。図1中、顕微鏡20は、対物レンズ21と、補正環駆動部22と、ステージ23と、対物レンズ駆動部24と、撮像部25と、分岐部26とを備える。
本実施形態においては、細胞を蛍光試薬で染色して、細胞画像を取得する。具体的には、本実施形態では、細胞を固定し、免疫染色する。細胞の固定とは、ホルムアルデヒド等の試薬を用いて細胞を固定する処理を行うことである。なお、撮像部25が撮像する生体試料は、例えば、固定標本、透明化標本、生きたままの標本であってもよい。
本実施形態における細胞とは、例えば、初代培養細胞や、株化培養細胞、組織切片の細胞等である。細胞を観察するために、観察される試料は細胞の集合体や組織試料、臓器、個体(動物など)を用い観察し、細胞を含む画像を取得しても構わない。なお、細胞の状態は、特に制限されず、生きている状態であっても、或いは固定されている状態であってもよく、“in−vivo”又は“in−vitro”のどちらでもよい。勿論、生きている状態の情報と、固定されている情報とを組み合わせても構わない。
さらに、撮像対象TP内部における観察位置の変化に伴い、カバーガラスCGと焦点位置OFとの距離が変化する。対物レンズ21が油浸対物レンズの場合には、カバーガラスCGと焦点位置OFとの距離の変化により球面収差が発生する。
本実施形態において、補正量算出装置10は、表示部11と、制御部12とを備える。制御部12は、対物レンズ21の、球面収差の補正の程度CLを算出する。表示部11は、顕微鏡20が撮像した撮像画像を表示する。表示部11は、制御部12が算出した結果を表示する。補正量算出装置10は、これに限らずパソコンや無線により情報の送受信が可能なタブレット型の装置でもよい。
次に、図3を参照して、補正量算出装置10の機能構成について説明する。
図3は、第1の実施形態の補正量算出装置10の機能構成の一例を示す図である。
この撮像画像には、制御可能な条件パラメータを互いに異ならせて同一の撮像対象TPが撮像された複数の画像と、観察中の撮像対象TPが撮像された撮像画像とがある。この実施形態では、条件パラメータとは、相対位置ZLである。相対位置ZLとは、上述したように、上述した対物レンズ21と、撮像対象TPとの相対位置である。
画像取得部13は、相対位置ZLを互いに異ならせて同一の撮像対象TPが撮像された複数の画像を取得する。また、観察中の撮像対象TPが撮像された撮像画像とは、第二の画像の一例である。以下の説明では、観察中の撮像対象TPが撮像された撮像画像のことを、観察画像とも記載する。画像取得部13は、取得した撮像画像を、評価値算出部14に対して出力する。
観察者は、補正環21aの補正位置を調整することにより補正の程度を変更したい場合には、基本パラメータに、この制御対象の情報として、補正環21a及び補正環駆動部22を示す情報を入力する。補正環駆動部22、対物レンズ駆動部24及びステージ駆動部27は、補正量算出装置10が算出する補正量に基づいて駆動されることにより、顕微鏡20が観察する像を調整する。なお、基本パラメータに制御対象の情報が含まれていなくてもよい。この場合には、補正量算出装置10は、観察者によって指定されるルーラー情報RPIに基づいて、ルーラー情報RPIが示す条件と対応する制御対象の補正量を算出すればよい。
操作検出部17は、検出した操作結果を評価値算出部14に対して出力する。
図4は、ルーラー情報RPIの一例を示す図である。
ルーラー情報RPI1とは、相対位置ZLを互いに異ならせて撮像した複数の撮像画像と、この撮像画像を撮像したときの相対位置ZLとがそれぞれ対応付けられた情報である。本実施形態では、ルーラー情報RPI1には、相対位置ZLを互いに異ならせて撮像したルーラー画像RP11からルーラー画像RP15が含まれる。ルーラー画像RP11とは、相対位置ZL1の状態における撮像対象TPを撮像した撮像画像である。ルーラー画像RP12からルーラー画像RP15も同様に、相対位置ZL2から相対位置ZL5が、それぞれ対応付けられた状態である。
記憶部STには、これらのルーラー情報RPIが記憶される。
具体的には、評価値算出部14は、相関値間の値を補間し、条件パラメータの違いが算出される相関値に与える影響を推定する。評価値算出部14は、推定したピーク観察面相関値と対応する条件パラメータを、観察画像と対応する条件パラメータであると推定する。ピーク観察面相関値とは、言い換えると、観察画像を撮像したときの撮像条件における条件パラメータである。
評価値算出部14は、推定したピーク基準面相関値と対応する条件パラメータを、基準面画像と対応する条件パラメータであると推定する。ピーク基準面相関値とは、言い換えると、基準面画像を撮像したときの撮像条件における条件パラメータである。
評価値算出部14は、算出したピーク観察面相関値と、ピーク基準面相関値と、基本パラメータとを、程度算出部15に対して出力する。
程度算出部15は、算出した基準フォーカス面のフォーカス面OFと対応する補正量を、表示部11と、補正環駆動部22とに対して出力する。
次に、図5を参照して、補正量算出装置10の動作の概要について説明する。
図5は、補正量算出装置10の動作の一例を示す流れ図である。なお、ここに示す処理手順は、一例であって、処理手順の省略や処理手順の追加が行われてもよい。
操作検出部17は、観察者の操作によって入力される基本パラメータを取得する(ステップS110)。操作検出部17は、取得した基本パラメータを、評価値算出部14に対して供給する。操作検出部17は、取得した基本パラメータを、ルーラー情報生成部18に対して供給する。
程度算出部15は、算出したピーク観察面相関値と対応する相対位置ZLの位置に、対物レンズ21を駆動させるための、駆動方向及び駆動量を算出する。程度算出部15は、算出した対物レンズ21の駆動方向及び駆動量を、対物レンズ駆動部24に対して供給する。
画像取得部13は、撮像部25から取得した観察画像群を、評価値算出部14に対して供給する。
評価値算出部14は、算出したピーク基準比較相関値を、程度算出部15に対して供給する。程度算出部15は、評価値算出部14からピーク基準比較相関値を取得する。
程度算出部15は、算出したピーク基準比較相関値と対応する相対位置ZLの位置に、対物レンズ21を駆動させるための、駆動方向及び駆動量を算出する。程度算出部15は、算出した対物レンズ21の駆動方向及び駆動量を、対物レンズ駆動部24に対して供給する。
対物レンズ駆動部24は、程度算出部15から、対物レンズ21の駆動方向及び駆動量を取得する。対物レンズ駆動部24は、程度算出部15から取得した対物レンズ21の駆動方向及び駆動量に基づいて、対物レンズ21を駆動させる。
評価値算出部14は、画像取得部13から、観察基準面画像を取得する。評価値算出部14は、観察基準面画像と基準面画像との評価値を算出する(ステップS150)。以下の説明では、観察基準面画像と基準面画像との評価値を、観察基準面相関値とも記載する。
評価値算出部14は、全ての補正環の補正位置CLの、観察基準面画像の評価値を算出していないと判定する場合には、ステップS148において選択された相対位置ZLをそのままにして、補正環の補正位置CLの位置を変えて、ステップS140から処理を繰り返す(ステップS160;NO)。この補正環の補正位置CLの位置は、例えば、補正環21aが調節可能な補正量を等分し、この等分された補正量分変えた位置である。つまり、評価値算出部14は、補正環21aの補正位置を変えつつ、ステップS140から、ステップS160までの処理を繰り返し行う。
ここで、図6及び図7を参照して、評価値算出部14が算出するピーク観察面相関値と、ピーク基準面相関値とについて説明する。
図6は、基準面画像TFI1と、観察画像NP1と、ルーラー情報RPI1との一例を示す図である。
上述したように、ルーラー情報RPI1には、ルーラー画像RP11と、条件パラメータとしての相対位置ZLとが対応付けられた状態で含まれている。ルーラー情報RPI1には、ルーラー画像RP12からルーラー画像RP15も同様に、相対位置ZL2から相対位置ZL5までがそれぞれ対応付けられた状態で含まれている。この実施形態では、相対位置ZL1から相対位置ZL5まで、順次、相対位置ZLが増加する。つまり、相対位置ZL5は、相対位置ZL1よりも補正の程度CLが大きい。
図7(a)は、基準面相関値CRVと、ピーク基準面相関値CRPとの一例を示すグラフである。
図7(a)のグラフは、横軸にルーラー情報RPI1に含まれる条件パラメータである相対位置ZLと、縦軸に基準面相関値CRVとを示すグラフである。
基準面相関値CRV1とは、基準面画像TFI1と、ルーラー画像RP11との相関値である。同様に、基準面相関値CRV2から基準面相関値CRV5までは、基準面画像TFI1と、ルーラー画像RP12からルーラー画像RP15までとのそれぞれの相関値である。評価値算出部14は、この基準面相関値CRV同士を補完することにより、曲線L1を算出する。この曲線L1のうち、ピーク部分の相関値が、ピーク基準面相関値CRPである。このピーク基準面相関値CRPと対応する相対位置CZLは、基準面画像を撮像したときの対物レンズ21と、撮像対象TPとの相対位置である。
図7(b)のグラフは、横軸にルーラー情報RPI1に含まれる条件パラメータである相対位置ZLと、縦軸に観察面相関値NRVとを示すグラフである。
観察面相関値NRV1とは、観察画像NP1と、ルーラー画像RP11との相関値である。同様に、観察面相関値NRV2から観察面相関値NRV5までは、観察画像NP1と、ルーラー画像RP12からルーラー画像RP15までのそれぞれの画像との相関値である。評価値算出部14は、この観察面相関値NRV同士を補完することにより、曲線L2を算出する。この曲線L2のうち、ピーク部分の相関値が、ピーク観察面相関値NRPである。このピーク観察面相関値NRPと対応する相対位置NZLは、観察画像を撮像したときの対物レンズ21の位置と、撮像対象TPの位置との相対位置である。
評価値算出部14は、相関値RV同士を二次曲線フィッティングする。具体的には、評価値算出部14は、最小二乗法により、相関値RV同士を二次曲線フィッティングする。なお、評価値算出部14は、一次関数フィッティングや、指数関数フィッティングによって、相関値RV同士をフィッティングしてもよい。
なお、上述したピーク基準比較相関値と、ピーク観察基準面相関値とを算出する際の補間も、この相関値RV同士のフィッティングの方法と同様に、二次曲線フィッティングすればよい。
次に、評価値算出部14が、相関値を算出する方法について説明する。評価値算出部14は、撮像画像の輝度の統計値、撮像画像の輝度分布、撮像画像のコントラスト、撮像画像の周波数成分、撮像画像の点像分布関数、輝度の空間分布を比較することにより相関値を算出する方法がある。以下の説明では、基準面画像TFIと観察画像NPとを区別しない場合には、比較画像とも記載する。
また、評価値算出部14は、コントラストが大きくなるほど、輝度分散値が大きくなるほど、又は、隣接画素との輝度微分値が大きくなるほど、球面収差が良好に補正されていると判断して、相関値を算出する。
評価値算出部14は、点像分布関数に基づいて相関値を算出する場合には、点像分布関数を相関値にする。球面収差が良好に補正されるほど、点像分布関数が小さくなる。
具体的には、比較画像と同じ焦点位置OFを撮像したルーラー画像は、空間分布が近い画像である。空間分布が近い画像とは、撮像した観察対象の形状や配置などが類似した画像である。
評価値算出部14は、比較画像と、ルーラー画像とを、それぞれ輝度の相関関係を算出してもよい。この輝度の相関関係は、正規化相互相関などによって算出される。
評価値算出部14は、比較画像と複数のルーラー画像との相関をそれぞれ算出し、算出された相関同士を比較してもよい。この場合には、評価値算出部14は、より高い相関を示すルーラー画像が、比較画像に撮像された撮像条件に近い条件によって撮像されたと判定する。
以上説明したように、補正量算出装置10は、画像取得部13と、評価値算出部14と、程度算出部15と、基準フォーカス面情報取得部16と、ルーラー情報生成部18とを備える。画像取得部13は、観察画像を取得する。評価値算出部14は、ルーラー情報生成部18からルーラー情報を取得する。評価値算出部14は、画像取得部13から観察画像を取得する。
評価値算出部14は、基準フォーカス面情報取得部16から供給される基準面画像と、ルーラー情報生成部18から供給されるルーラー情報に含まれる複数のルーラー画像とに基づいて、基準面相関値を算出する。評価値算出部14は、画像取得部13から供給される観察画像と、ルーラー情報生成部18から供給されるルーラー情報に含まれる複数のルーラー画像とに基づいて、観察面相関値を算出する。程度算出部15は、評価値算出部14から基準面相関値と観察面相関値とを取得する。程度算出部15は、基準面相関値と観察面相関値とに基づいて、制御対象の補正量を算出する。これにより、補正量算出装置10は、複数の同一の撮像対象が撮像された撮像画像に基づいて制御対象を調節することができる。つまり、補正量算出装置10は、比較画像と参照画像との相関関係に基づいて、制御対象を調節することができる。
評価値算出部14は、空間周波数成分に基づいて相関値RVを算出する場合には、補正量CLが異なるルーラー画像毎に、比較画像が示す空間周波数と、ルーラー画像のうちのある画像が示す空間周波数とに基づいて、評価値RVを算出する。具体的には、評価値算出部14は、空間周波数のうち所定の帯域の空間周波数に基づいて、相関値RVを算出する。この一例では、評価値算出部14は、低周波成分と高周波成分との値の比に基づいて相関値RVを算出する。
また、上述した説明では、第三の画像がルーラー画像とは異なる画像の場合について説明したが、これに限られない。第三の画像は、ルーラー情報に含まれるルーラー画像のうちの1つの画像であってもよい。この場合には、評価値算出部14は、第三の画像と対応付けられた条件パラメータが示す値をピーク基準面相関値とすればよい。
ここまでは、1つのルーラー情報に基づいて、補正量を算出する補正量算出装置10の構成について説明した。次に、複数のルーラー情報に基づいて補正量を算出する補正量算出装置の構成について説明する。なお、第1の実施形態と同一の構成及び動作については同一の符号を付してその説明を省略する。
図8は、第2の実施形態の顕微鏡20aと、補正量算出装置10aとの機能構成の一例を示す図である。
顕微鏡20aは、光変調部28aを備える。この光変調部28aは、図1に示す光路OP上に配置される。光変調部28aは、この光路OP上の光を変調させる。変調とは、光の位相や振幅などを変化させることである。この光変調部28aは、変調させることにより、収差を補正する。具体的には、光変調部28aとは、空間光変調器や液晶素子などの光学素子である。
評価値算出部14aは、画像取得部13から観察画像を取得する。評価値算出部14aは、ルーラー情報生成部18から複数のルーラー情報を取得する。評価値算出部14aは、基準フォーカス面情報取得部16から基準面画像を取得する。評価値算出部14aは、操作検出部17から、基本パラメータを取得する。
また、評価値算出部14aは、基準面画像と、ルーラー情報に含まれるルーラー画像とに基づいてピーク基準面相関値を算出する。評価値算出部14aは、このピーク基準面相関値をルーラー情報毎に算出する。評価値算出部14aは、算出した複数のピーク基準面相関値を程度算出部15aに対して供給する。
図9は、多軸ルーラー情報RPCの一例を示す図である。
以上説明したように、補正量算出装置10aは、評価値算出部14aと、程度算出部15aとを備える。評価値算出部14aは多軸ルーラー情報RPCをルーラー情報生成部18から取得する。多軸ルーラー情報RPCには、条件パラメータの種類同士が異なる複数のルーラー情報RPIが含まれる。評価値算出部14aは、基準フォーカス面情報取得部16から供給される基準面画像と、ルーラー情報生成部18から供給される多軸ルーラー情報RPCに含まれる複数のルーラー画像とに基づいて、条件パラメータの種類毎に基準面相関値を算出する。評価値算出部14aは、画像取得部13から供給される観察画像と、ルーラー情報生成部18から供給される多軸ルーラー情報RPCに含まれる複数のルーラー画像とに基づいて、条件パラメータの種類毎に観察面相関値を算出する。程度算出部15aは、評価値算出部14aから複数の基準面相関値及び観察面相関値を取得する。程度算出部15aは、複数の基準面相関値及び観察面相関値に基づいて、光変調部28aの補正量を算出する。つまり、程度算出部15aは、条件パラメータの種類同士が互いに異なる複数の条件に基づいて、補正量を算出する。これにより、補正量算出装置10aは、第1の実施形態の補正量算出装置10よりも短い時間で補正量を算出することができる。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
Claims (9)
- 撮像対象を撮像する撮像装置に関する補正量を算出する補正量算出装置であって、
撮像条件のうちの前記補正量を自装置が算出可能な条件についての程度を互いに異ならせて同一の撮像対象が撮像された複数の画像を取得する第一画像取得部と、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第二の画像を取得する第二画像取得部と、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第三の画像を取得する第三画像取得部と、
前記第一画像取得部が取得する複数の前記画像と、前記第二画像取得部が取得する前記第二の画像とに基づく評価値である第一の評価値を算出する第一評価値算出部と、
前記第一画像取得部が取得する複数の前記画像と、前記第三画像取得部が取得する前記第三の画像とに基づく評価値である第二の評価値を算出する第二評価値算出部と、
前記第一評価値算出部が算出する前記第一の評価値と、前記第二評価値算出部が算出する前記第二の評価値とに基づいて、前記補正量を算出する補正量算出部と
を備える補正量算出装置。 - 前記補正量算出部は、
前記条件同士が互いに異なる複数の条件に基づいて、前記補正量を算出する
請求項1に記載の補正量算出装置。 - 前記第一評価値算出部は、
複数の前記画像毎に前記第二の画像との評価値を算出し、算出した複数の評価値同士を補完することにより前記第一の評価値を算出し、
前記第二評価値算出部は、
複数の前記画像毎に前記第三の画像との評価値を算出し、算出した複数の評価値同士を補完することにより前記第二の評価値を算出する
請求項1又は請求項2に記載の補正量算出装置。 - 前記条件には、
前記撮像対象と前記対物レンズとの位置と、
前記対物レンズの球面収差補正の程度と、
温度条件と、
時間経過と、
前記撮像対象と前記撮像部との間の光路上の収差と
のうちから少なくとも1つが含まれる
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の補正量算出装置。 - 前記補正量とは、対物レンズの収差の補正量であって、
球面収差補正光学系を有する前記対物レンズと、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の前記補正量算出部が算出する前記補正量に基づいて、前記対物レンズの球面収差補正光学系の収差の補正量を調節する駆動部と
を備える顕微鏡。 - 撮像対象を撮像する撮像部と、
前記撮像対象と前記撮像部との間の光路上の収差を補正する光収差補正部と、
を備え、
前記光収差補正部は、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の前記補正量算出部が算出する前記補正量に基づいて、前記光収差補正部の収差の補正量を調節する
顕微鏡。 - 対物レンズと撮像対象を載置するステージとの相対位置を、請求項1から請求項4のいずれかに記載の前記補正量算出部が算出する前記補正量に基づいて移動させる駆動部
を備える顕微鏡。 - 撮像対象を撮像する撮像装置に関する補正量を算出する補正量算出装置が備えるコンピュータに、
撮像条件のうちの前記補正量を自装置が算出可能な条件についての程度を互いに異ならせて同一の撮像対象が撮像された複数の画像を取得する第一画像取得ステップと、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第二の画像を取得する第二画像取得ステップと、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第三の画像を取得する第三画像取得ステップと、
前記第一画像取得ステップから取得される複数の前記画像と、前記第二画像取得ステップから取得される前記第二の画像とに基づく評価値である第一の評価値を算出する第一評価値算出ステップと、
前記第一画像取得部から取得される複数の前記画像と、前記第三画像取得ステップから取得される前記第三の画像とに基づく評価値である第二の評価値を算出する第二評価値算出ステップと、
前記第一評価値算出ステップから算出される前記第一の評価値と、前記第二評価値算出ステップから算出される前記第二の評価値とに基づいて、前記補正量を算出する補正量算出ステップと
を実行させるための補正量算出プログラム。 - 撮像条件のうちの撮像対象を撮像する撮像装置に関する補正量を自装置が算出可能な条件についての程度を互いに異ならせて同一の撮像対象が撮像された複数の画像を取得する第一画像取得ステップと、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第二の画像を取得する第二画像取得ステップと、
前記撮像対象を撮像することにより得られる第三の画像を取得する第三画像取得ステップと、
前記第一画像取得ステップから取得される複数の前記画像と、前記第二画像取得ステップから取得される前記第二の画像とに基づく評価値である第一の評価値を算出する第一評価値算出ステップと、
前記第一画像取得部から取得される複数の前記画像と、前記第三画像取得ステップから取得される前記第三の画像とに基づく評価値である第二の評価値を算出する第二評価値算出ステップと、
前記第一評価値算出ステップから算出される前記第一の評価値と、前記第二評価値算出ステップから算出される前記第二の評価値とに基づいて、前記補正量を算出する補正量算出ステップと
を有する補正量算出方法。
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