JP2022001889A - Focus position evaluation device, method and program, and discriminator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の技術は、フォーカス位置評価装置、方法、及びプログラムに関する。 The techniques of the present disclosure relate to focus position evaluation devices, methods, and programs.
従来、ES(Embryonic Stem)細胞及びiPS(Induced Pluripotent Stem)細胞等の多能性幹細胞や分化誘導された細胞等を顕微鏡等で撮影し、その画像の特徴を捉えることで細胞の分化状態などを判定する方法が提案されている。そして、ES細胞及びiPS細胞等の多能性幹細胞は、種々の組織の細胞に分化する能力を備えており、再生医療、薬の開発、病気の解明などにおいて応用が可能な細胞として注目されている。細胞を顕微鏡で撮影する際には、高倍率な広視野画像を取得するため、例えばウェルプレート等の培養容器の範囲内を結像光学系によって走査し、観察位置毎の画像を撮影した後、その観察位置毎の画像を結合する、いわゆるタイリング撮影を行うことが提案されている。 Conventionally, pluripotent stem cells such as ES (Embryonic Stem) cells and iPS (Induced Pluripotent Stem) cells, cells induced to differentiate, etc. are photographed with a microscope, etc., and the differentiation state of the cells is captured by capturing the characteristics of the images. A method of determination has been proposed. Pluripotent stem cells such as ES cells and iPS cells have the ability to differentiate into cells of various tissues, and are attracting attention as cells that can be applied in regenerative medicine, drug development, elucidation of diseases, etc. There is. When photographing cells with a microscope, in order to obtain a high-magnification wide-field image, for example, the range of a culture vessel such as a well plate is scanned by an imaging optical system, and an image is taken for each observation position. It has been proposed to perform so-called tyling photography in which images for each observation position are combined.
しかしながら、培養容器として例えば複数のウェルを有するウェルプレートを使用する場合、各ウェルの底部の厚さは、製造上の誤差等に起因してウェル毎に異なる。そのため、ウェルプレート全体を結像光学系によって走査することによりタイリング撮影を行う場合には、観察対象を明瞭に撮影するために各観察位置についてフォーカス位置を調整するオートフォーカス制御を行なう必要がある。そこで、例えば特許文献1において、透過光に対して位相変化及び振幅変化の少なくとも一方を与えるマークを有する透光性部材により、撮影対象となる試料を固定し、試料の像とマークの像とが混在した撮像画像を取得し、この撮影画像について算出した評価値と、予め取得した試料の像を含まない基準画像について算出した評価値とに基づいて、フォーカス位置を評価する方法が提案されている。 However, when a well plate having a plurality of wells is used as a culture container, for example, the thickness of the bottom of each well varies from well to well due to manufacturing errors and the like. Therefore, when tiling photography is performed by scanning the entire well plate with an imaging optical system, it is necessary to perform autofocus control for adjusting the focus position for each observation position in order to clearly photograph the observation target. .. Therefore, for example, in Patent Document 1, a sample to be imaged is fixed by a translucent member having a mark that gives at least one of a phase change and an amplitude change to transmitted light, and an image of the sample and an image of the mark are formed. A method of acquiring a mixed captured image and evaluating the focus position based on the evaluation value calculated for the captured image and the evaluation value calculated for the reference image not including the image of the sample acquired in advance has been proposed. ..
また、特許文献2には、ウェルが流路内に多数形成されたマイクロアレイに対し、流路にビーズを含む試料を流して各ウェルにビーズを収容物として収容させる方法において、収容されたビーズを顕微鏡で観察することが開示されている。 Further, Patent Document 2 describes a method in which a sample containing beads is flowed through a microarray in which a large number of wells are formed in the flow path and the beads are accommodated in each well as an inclusion. Observing under a microscope is disclosed.
顕微鏡を使用してフォーカス位置を評価する際に、例えばマークとして球形の透明なビーズを使用する場合、フォーカス位置としてビーズの中心位置を取得したいが、ビーズ像のフォーカス位置はビーズの中心位置からずれてしまう。これは、ビーズ自体がレンズとして機能してしまうことにより、ビーズの中心位置ではなく、ビーズの中心位置から離れた位置において光が結像されてしまうためである。このため、透明なビーズ像を使用して決定されたフォーカス位置において観察対象である細胞を観察すると、精度よくフォーカス位置を評価出来ず、細胞がボケてしまう場合があり、フォーカス位置の評価の精度を高くすることが望まれている。 When evaluating the focus position using a microscope, for example, when using a spherical transparent bead as a mark, we want to obtain the center position of the bead as the focus position, but the focus position of the bead image deviates from the center position of the bead. It ends up. This is because the beads themselves function as lenses, so that light is imaged not at the center position of the beads but at a position away from the center position of the beads. Therefore, when observing the cells to be observed at the focus position determined by using the transparent bead image, the focus position cannot be evaluated accurately and the cells may be blurred, and the evaluation accuracy of the focus position may occur. Is desired to be high.
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、フォーカス位置の評価の精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the accuracy of evaluation of the focus position.
本開示のフォーカス位置評価装置は、撮影光学系によって結像された観察対象を撮影する撮影装置におけるフォーカス位置評価装置であって、
球形で、かつ前記撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを観察対象として撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出するマーカ像検出部と、
マーカ像に基づいて、撮影光学系のフォーカス位置を評価するフォーカス位置評価部と、
を含む。
The focus position evaluation device of the present disclosure is a focus position evaluation device in a photographing device that photographs an observation target imaged by an imaging optical system.
A marker image detection unit that detects a marker image from a captured image acquired by photographing a marker that is spherical and colored in a color that absorbs light transmitted through the photographing optical system as an observation target by an photographing apparatus.
A focus position evaluation unit that evaluates the focus position of the photographing optical system based on the marker image,
including.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、マーカは、光の吸収率が10%以上であってもよい。 Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the marker may have a light absorption rate of 10% or more.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、色は、黒色であってもよい。 Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the color may be black.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、マーカは、撮影光学系の透過光の波長帯域を吸収する特性を有する顔料又は色材で着色されていてもよい。 Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the marker may be colored with a pigment or a coloring material having a property of absorbing the wavelength band of the transmitted light of the photographing optical system.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、マーカの直径が、0.5μm以上10μm以下であることが好ましく、1.0μm以上2.2μm以下であることがさらに好ましい。 Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the diameter of the marker is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 1.0 μm or more and 2.2 μm or less.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、マーカは、ポリスチレン樹脂、ガラス、及びシリカの何れかで形成されていてもよい。 Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the marker may be formed of any of polystyrene resin, glass, and silica.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、撮影画像は、マーカを含み、観察対象が収容された容器を撮影装置により撮影することによって取得され、
フォーカス位置評価部により評価されたフォーカス位置に基づいて、容器内の観察対象の像を撮影装置に合焦させる制御を行う制御部とをさらに含んでいてもよい。
Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the photographed image is acquired by photographing the container containing the marker and containing the observation object with the photographing device.
It may further include a control unit that controls the image of the observation target in the container to be focused on the photographing apparatus based on the focus position evaluated by the focus position evaluation unit.
なお、本開示において「容器」とは、観察対象を収容することができればどのような形態を有するものであってもよい。例えば、シャーレ、ディッシュ、フラスコ又はウェルプレート等のように、底部及び底部に連続する壁部を有する形態を有するものを容器として用いることができる。また、板状の部材に微細な流路が形成されたマイクロ流路デバイス等を容器として用いることもできる。さらに、スライドガラスのように、板状の形態を有するものも容器として用いることができる。 In the present disclosure, the "container" may have any form as long as it can accommodate the observation target. For example, a container having a shape having a bottom and a continuous wall portion at the bottom, such as a petri dish, a dish, a flask, or a well plate, can be used as a container. Further, a microchannel device or the like in which a fine channel is formed in a plate-shaped member can also be used as a container. Further, a container having a plate-like shape such as a slide glass can also be used as a container.
また、本開示のフォーカス位置評価装置においては、撮影画像は、観察対象が収容された容器内において観察領域を走査し、容器内の各観察領域の撮影を行うことにより取得され、
制御部は、各観察領域において、フォーカス位置に基づいて、容器内の観察対象の像を撮影装置に合焦させる制御を行うことができる。
Further, in the focus position evaluation device of the present disclosure, the captured image is acquired by scanning the observation area in the container in which the observation target is housed and photographing each observation area in the container.
The control unit can control in each observation area to focus the image of the observation target in the container on the photographing apparatus based on the focus position.
また、本開示のフォーカス位置制御方法は、撮影光学系によって結像された観察対象を撮影する撮影装置におけるフォーカス位置評価方法であって、
球形で、かつ撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを観察対象として撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出し、
マーカ像に基づいて、撮影光学系のフォーカス位置を評価する。
Further, the focus position control method of the present disclosure is a focus position evaluation method in a photographing apparatus for photographing an observation target formed by an imaging optical system.
The marker image is detected from the captured image acquired by photographing the marker, which is spherical and colored in a color that absorbs the light transmitted through the photographing optical system, as an observation target by the photographing apparatus.
The focus position of the photographing optical system is evaluated based on the marker image.
なお、本開示によるフォーカス位置評価方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。 It should be noted that the focus position evaluation method according to the present disclosure may be provided as a program for causing a computer to execute the method.
本開示による他のフォーカス位置評価装置は、撮影光学系によって結像された観察対象を撮影する撮影装置におけるフォーカス位置評価装置であって、コンピュータに実行させるための命令を記憶するメモリと、
記憶された命令を実行するよう構成されたプロセッサとを備え、プロセッサは、
球形で、かつ撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを観察対象として撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出し、
マーカ像に基づいて、撮影光学系のフォーカス位置を評価する処理を実行する。
The other focus position evaluation device according to the present disclosure is a focus position evaluation device in a photographing device that photographs an observation target imaged by an imaging optical system, and has a memory for storing an instruction to be executed by a computer and a memory.
The processor comprises a processor configured to execute a stored instruction.
The marker image is detected from the captured image acquired by photographing the marker, which is spherical and colored in a color that absorbs the light transmitted through the photographing optical system, as an observation target by the photographing apparatus.
A process of evaluating the focus position of the photographing optical system is executed based on the marker image.
本開示の一実施形態によれば、フォーカス位置の評価の精度を向上させることができる。 According to one embodiment of the present disclosure, the accuracy of the evaluation of the focus position can be improved.
以下、本発明の実施形態によるフォーカス位置評価装置、方法及びプログラムの一実施形態を適用した顕微鏡撮影システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態によるフォーカス位置評価装置を適用した顕微鏡撮影システムにおける顕微鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 Hereinafter, a microscopic imaging system to which one embodiment of the focus position evaluation device, method, and program according to the embodiment of the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a microscope apparatus in a microscopy system to which the focus position evaluation apparatus according to the first embodiment of the present invention is applied.
顕微鏡装置10は、観察対象である培養された細胞の位相差画像を撮影する。具体的には、顕微鏡装置10は、図1に示すように、白色光を出射する白色光源11、コンデンサレンズ12、スリット板13、結像光学系14、動作部15、及び撮影部16を備える。また、顕微鏡装置10は、焦点距離変更光学系70を備える。なお、結像光学系14は、本開示の撮影光学系に、顕微鏡装置10は本開示の撮影装置にそれぞれ相当する。
The
動作部15は、第1の動作部15A、第2の動作部15B、第3の動作部15C、第4の動作部15D、第5の動作部15E、第6の動作部15F及び第7の動作部15Gを備える。第1〜第7の動作部15A〜15Gの動作は後述する。
The
スリット板13は、白色光源11から出射された白色光を遮光する遮光板に対して白色光を透過するリング形状のスリットが設けられたものであり、白色光がスリットを通過することによってリング状の照明光Lが形成される。
The
結像光学系14は、培養容器50の範囲内を分割した観察域毎の位相差像を撮影部16に結像する。図2は、結像光学系14の詳細な構成を示す図である。図2に示すように、結像光学系14は、位相差レンズ14a及び結像レンズ14dを備える。また、位相差レンズ14aは、対物レンズ14b及び位相板14cを備える。位相板14cは、照明光Lの波長に対して透明な透明板に対して位相リングを形成したものである。なお、上述したスリット板13のスリットの大きさは、位相板14cの位相リングと共役な関係にある。
The imaging
位相リングは、入射された光の位相を1/4波長ずらす位相膜と、入射された光を減光する減光フィルタとがリング状に形成されたものである。位相リングに入射された直接光は、位相リングを通過することによって位相が1/4波長ずれ、かつその明るさが弱められる。一方、観察対象によって回折された回折光は大部分が位相板14cの透明板を通過し、その位相及び明るさは変化しない。
The phase ring is formed by forming a phase film that shifts the phase of the incident light by 1/4 wavelength and a dimming filter that dims the incident light in a ring shape. The direct light incident on the phase ring is shifted in phase by 1/4 wavelength and its brightness is weakened by passing through the phase ring. On the other hand, most of the diffracted light diffracted by the observation target passes through the transparent plate of the
対物レンズ14bを有する位相差レンズ14aは、図1に示す動作部15の第5の動作部15Eによって、対物レンズ14bの光軸方向に移動される。本実施形態においては、対物レンズ14bの光軸方向とZ方向(鉛直方向)とは同じ方向である。対物レンズ14bのZ方向への移動によってオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
The
また、位相差レンズ14aの倍率を変更可能な構成としてもよい。具体的には、異なる倍率を有する位相差レンズ14a又は結像光学系14を交換可能に構成するようにしてもよい。位相差レンズ14a又は結像光学系14の交換は、自動的に行うようにしてもよいし、ユーザが手動で行うようにしてもよい。
Further, the magnification of the
また、対物レンズ14bは、焦点距離を変更可能な液体レンズからなる。なお、焦点距離を変更可能であれば、液体レンズに限定されるものではなく、液晶レンズ及び形状変形レンズ等、任意のレンズを用いることができる。対物レンズ14bは、図1に示す動作部15における第6の動作部15Fによって、印加される電圧が変更されて、焦点距離が変更される。これにより、結像光学系14の焦点距離が変更される。対物レンズ14bの焦点距離の変更によってもオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
Further, the
結像レンズ14dは、位相差レンズ14aを通過した位相差像が入射され、これを撮影部16に結像する。本実施形態において、結像レンズ14dは、焦点距離を変更可能な液体レンズからなる。なお、焦点距離を変更可能であれば、液体レンズに限定されるものではなく、液晶レンズ及び形状変形レンズ等、任意のレンズを用いることができる。結像レンズ14dは、図1に示す動作部15における第1の動作部15Aによって、印加する電圧が変更されて、焦点距離が変更される。これにより、結像光学系14の焦点距離が変更される。結像レンズ14dの焦点距離の変更によってオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
A phase difference image that has passed through the
また、結像レンズ14dは、図1に示す動作部15における第2の動作部15Bによって結像レンズ14dの光軸方向に移動される。なお、本実施形態においては、結像レンズ14dの光軸方向とZ方向(鉛直方向)とは同じ方向である。結像レンズ14dのZ方向への移動によってオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
Further, the
撮影部16は、結像レンズ14dによって結像された位相差画像を取得する。撮影部16は、CCD(Charge-Coupled Device)イメージセンサ又はCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の撮像素子を備える。撮像素子は、RGB(Red Green Blue)のカラーフィルタが設けられた撮像素子を用いてもよいし、モノクロの撮像素子を用いるようにしてもよい。
The photographing
また、撮影部16は、図1に示す動作部15における第3の動作部15CによってZ方向に移動される。なお、本実施形態においては、撮影部16の撮像面に垂直な方向とZ方向とは同じ方向である。撮影部16のZ方向への移動によってオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
Further, the photographing
スリット板13と結像光学系14との間には、ステージ51が設けられている。ステージ51上には、観察対象である細胞が収容される培養容器50が設置される。
A
培養容器50は本発明の容器に対応する。培養容器50としては、シャーレ、ディッシュ、フラスコ又はウェルプレート等を用いることができる。また、これらの他、容器としては、スライドガラス又は微細な流路が加工されてなるマイクロ流路デバイス等を用いることができる。また、培養容器50に収容される細胞としては、iPS細胞及びES細胞といった多能性幹細胞、幹細胞から分化誘導された神経、皮膚、心筋及び肝臓の細胞、並びに人体から取り出された皮膚、網膜、心筋、血球、神経及び臓器の細胞等がある。
The
ステージ51は、後述する水平方向駆動部17(図5参照)によって互いに直交するX方向及びY方向に移動するものである。X方向及びY方向は、Z方向に直交する方向であり、水平面内において互いに直交する方向である。本実施形態においては、X方向を主走査方向とし、Y方向を副走査方向とする。
The
図3は、ステージ51の一例を示す図である。ステージ51の中央には、矩形の開口51aが形成されている。この開口51aを形成する部材の上に培養容器50が設置され、培養容器50内の細胞の位相差画像が開口51aを通過するように構成されている。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the
また、ステージ51は、第4の動作部15DによってZ方向に移動され、これにより、培養容器50がZ方向に移動される。第4の動作部15Dは、例えば圧電素子等のアクチュエータを備える。本実施形態においては、ステージ51における培養容器50が設置される面に垂直な方向とZ方向とは同じ方向である。ステージ51のZ方向への移動によってもオートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
Further, the
第1の動作部15A及び第6の動作部15Fは、例えば電圧可変回路を備えたものである。第1の動作部15Aは、後述するフォーカス位置評価装置30から出力された制御信号に基づいて、結像レンズ14dに印加する電圧を変更する。第6の動作部15Fは、後述するフォーカス位置評価装置30から出力された制御信号に基づいて、対物レンズ14bに印加する電圧を変更する。
The
第2の動作部15B、第3の動作部15C、第4の動作部15D及び第5の動作部15Eは、例えば圧電素子等のアクチュエータを備えたものであり、後述するフォーカス位置評価装置30から出力された制御信号に基づいて駆動する。なお、動作部15は、位相差レンズ14a及び結像レンズ14dを通過した位相差像をそのまま通過させる構成となっている。また、第2の動作部15B、第3の動作部15C、第4の動作部15D及び第5の動作部15Eの構成は圧電素子に限らず、結像レンズ14d、撮影部16、ステージ51及び対物レンズ14b(位相差レンズ14a)をZ方向に移動可能なものであればよく、その他の公知な構成を用いることができる。
The
図4は焦点距離変更光学系の構成を示す概略図である。図4に示すように、焦点距離変更光学系70は、円形の第1のウェッジプリズム71及び円形の第2のウェッジプリズム72を備える。第7の動作部15Gは、第1のウェッジプリズム71及び第2のウェッジプリズム72を、互いに反対方向に同期させて移動させる。これにより、結像光学系14の焦点位置が変更される。焦点位置が変更されることは、焦点距離が長くなったり短くなったりすることと同義である。このため、結像光学系14の焦点位置が変更されることにより、結像光学系の14の焦点距離が変更される。本実施形態においては、結像光学系14の焦点距離を変更することは、第1の動作部15Aにより結像レンズ14dの焦点距離を変更すること、及び第6の動作部15Fにより対物レンズ14bの焦点距離を変更することのみならず、第7の動作部15Gにより結像光学系14の焦点位置を変更することにより、結像光学系14の焦点距離を変更することも含む。
FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the focal length changing optical system. As shown in FIG. 4, the focal length changing
第1及び第2のウェッジプリズム71,72は、光の入射面及び出射面となり得る2つの面が平行でない、すなわち一方の面に対して他方の面が傾斜しているプリズムである。なお、以降の説明においては、光軸に対して垂直に配置される面を直角面、光軸に対して傾斜して配置される面をウェッジ面と称する。ウェッジプリズム71,72は、直角面に垂直に入射した光を偏向させるプリズムである。第7の動作部15Gは、例えば圧電素子等のアクチュエータを備え、後述するフォーカス位置評価装置30から出力された制御信号に基づいて、第1のウェッジプリズム71及び第2のウェッジプリズム72を、直角面を平行に維持しつつ、互いに反対方向に同期させて移動させる。すなわち、第1のウェッジプリズム71を図4における右方向に移動させる場合には、第2のウェッジプリズム72を左方向に移動させる。逆に、第1のウェッジプリズム71を図4における左方向に移動させる場合には、第2のウェッジプリズム72を右方向に移動させる。このように、第1及び第2のウェッジプリズム71,72を移動させることにより、結像光学系14から出射された光の光路長が変更され、これにより、結像光学系14の焦点位置を変更して焦点距離を変更することができる。これにより、オートフォーカス制御が行われ、撮影部16によって取得される位相差画像のコントラストが調整される。
The first and
次に、顕微鏡装置10を制御する顕微鏡制御装置20の構成について説明する。図5は、第1の実施形態の顕微鏡観察システムの構成を示すブロック図である。なお、顕微鏡装置10については、顕微鏡制御装置20の各部により制御される一部の構成のブロック図を示している。
Next, the configuration of the
顕微鏡制御装置20は、顕微鏡装置10全体を制御するものであり、第1の実施形態によるフォーカス位置評価装置30、走査制御部21及び表示制御部22を備える。また、フォーカス位置評価装置30は、マーカ像検出部31、判別器32、フォーカス位置評価部33、動作制御部34及び判別器32の学習部35を備える。なお、動作制御部34が本開示の制御部に対応する。
The
顕微鏡制御装置20は、中央処理装置としてのCPU(Central Processing Unit)、半導体メモリ及びハードディスクドライブ等を備えたコンピュータから構成されるものであり、ハードディスクドライブに本開示のフォーカス位置評価プログラムの一実施形態及び顕微鏡制御プログラムがインストールされている。そして、このフォーカス位置評価プログラム及び顕微鏡制御プログラムがCPUによって実行されることによって、図5に示すマーカ像検出部31、判別器32、フォーカス位置評価部33、動作制御部34、学習部35、走査制御部21及び表示制御部22が機能する。
The
なお、本実施形態においては、CPUがフォーカス位置評価プログラム及び顕微鏡制御プログラムによって、各部の機能を実行するようにしたが、ソフトウェアを実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサとしては、CPUの他、FPGA (Field Programmable Gate Array)等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス(Programmable Logic Device:PLD)を用いることができる。また、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等により、各部の処理を実行するようにしてもよい。 In the present embodiment, the CPU executes the functions of each part by the focus position evaluation program and the microscope control program, but as a general-purpose processor that executes software and functions as various processing parts, In addition to the CPU, a programmable logic device (PLD), which is a processor whose circuit configuration can be changed after manufacturing such as FPGA (Field Programmable Gate Array), can be used. Further, the processing of each part may be executed by a dedicated electric circuit or the like which is a processor having a circuit configuration specially designed for executing a specific processing such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
1つの処理部は、これら各種のプロセッサのうちの1つで構成されてもよいし、同種または異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGA、またはCPUとFPGAの組み合わせ等)で構成されてもよい。また、複数の処理部を1つのプロセッサで構成してもよい。複数の処理部を1つのプロセッサで構成する例としては、第1に、クライアント及びサーバ等のコンピュータに代表されるように、1つ以上のCPUとソフトウェアの組み合わせで1つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第2に、システムオンチップ(System On Chip:SoC)等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を1つのIC(Integrated Circuit)チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサを1つ以上用いて構成される。 One processing unit may be composed of one of these various processors, or may be a combination of two or more processors of the same type or different types (for example, a plurality of FPGAs or a combination of a CPU and an FPGA). It may be configured. Further, a plurality of processing units may be configured by one processor. As an example of configuring a plurality of processing units with one processor, first, one processor is configured by a combination of one or more CPUs and software, as represented by a computer such as a client and a server. There is a form in which the processor functions as a plurality of processing units. Secondly, as typified by System On Chip (SoC), there is a form of using a processor that realizes the functions of the entire system including a plurality of processing units with one IC (Integrated Circuit) chip. be. As described above, the various processing units are configured by using one or more of the above-mentioned various processors as a hardware-like structure.
さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路(Circuitry)である。 Further, the hardware-like structure of these various processors is, more specifically, an electric circuit (Circuitry) in which circuit elements such as semiconductor elements are combined.
ここで、本実施形態においては、オートフォーカス制御を行うためのフォーカス位置を評価するために、培養容器50にはマーカが含まれる。本実施形態において、マーカは球形で、かつ結像光学系14を透過する光を吸収する色に着色された微細ビーズとする。本実施形態の白色光源11は、白色光を培養容器50に照射するため、本実施形態の微細ビーズは、黒色に着色されている。ここで「白色光」は、様々な波長域の光が均一に混合した光を意味する。なお、例えば、白色光源11のかわりに、白色光以外の波長域の光を照射する光源を使用する場合には、その波長域を吸収する色に着色された微細ビーズを使用する。また、微細ビーズは、一例として、直径が1.0μmのポリスチレン樹脂製の球体からなる。このような微細ビーズを培養容器50に投入して、マーカとして用いることができる。
Here, in the present embodiment, the
図6は顕微鏡装置10による微細ビーズの観察を説明する図である。図6に示すように、培養容器50内に収容されたマーカMとしての微細ビーズを観察する場合、培養容器50の底部の上面すなわち観察対象設置面P1に設置された微細ビーズの中心位置に合焦させようとすると、微細ビーズが透明な場合には、微細ビーズ自体がレンズとして機能してしまうため、微細ビーズの中心位置ではなく、微細ビーズの中心位置からΔZ離れた位置、例えば培養容器50の底部の厚さdが十分に厚い場合には、観察対象設置面P1と培養容器50の底部の下面P2との間において光が結像されてしまう。
FIG. 6 is a diagram illustrating observation of fine beads by the
そのため、微細ビーズを使用して決定されたフォーカス位置において観察対象である細胞を観察すると、細胞がボケてしまう場合があり、フォーカス位置の評価の精度を高くすることが望まれている。 Therefore, when observing the cells to be observed at the focus position determined by using the fine beads, the cells may be blurred, and it is desired to improve the accuracy of the evaluation of the focus position.
そこで本実施形態においては、微細ビーズを黒色で着色することにより、微細ビーズのレンズとしての機能を低減させ、実際に光が結像される位置と微細ビーズの中心位置との距離ΔZの値をより小さくする。これにより、微細ビーズを使用して後述するようにしてフォーカス位置を評価する際の精度を向上させることができる。従って、微細ビーズを使用して決定したフォーカス位置において細胞を撮影する際に、画像上における細胞のボケを低減することができる。 Therefore, in the present embodiment, by coloring the fine beads in black, the function of the fine beads as a lens is reduced, and the value of the distance ΔZ between the position where the light is actually formed and the center position of the fine beads is set. Make it smaller. This makes it possible to improve the accuracy when evaluating the focus position by using the fine beads as described later. Therefore, when the cells are photographed at the focus position determined by using the fine beads, the blurring of the cells on the image can be reduced.
なお、本実施形態においては、マーカとして上記微細ビーズを使用したが、本開示の技術は、これに限られず、微細ビーズ自体のレンズ機能を低減させることができればよい。微細ビーズは、例えば、光の吸収率を10%以上とすることにより、上記レンズ機能を低減させることができる。また、微細ビーズは、結像光学系14の光の波長帯域を吸収する特性を有する顔料又は色材で着色されていればよい。通常の生物用顕微鏡装置で使用される光の波長帯域は、一般的に可視域である380から780nmが多い。また、分光感度域が広いカメラを使用する場合には、光の波長帯域は300から1100nmで使用される。顔料としては、例えば、OPLAS(登録商標)COLORSのOPLAS BLACK 838を使用することができる。また、染料として、例えば、NUBIAN(登録商標)BLACKのNUBIAN(登録商標)6807-25及びNUBIAN(登録商標)6807-40、並びにNUBIAN(登録商標)7807-25及びNUBIAN(登録商標)7807-40を使用することができる。
In the present embodiment, the fine beads are used as the marker, but the technique of the present disclosure is not limited to this, and it is sufficient that the lens function of the fine beads themselves can be reduced. The fine beads can reduce the lens function, for example, by setting the light absorption rate to 10% or more. Further, the fine beads may be colored with a pigment or a coloring material having a property of absorbing the wavelength band of light of the imaging
また、微細ビーズはポリスチレン樹脂製に限られず、ガラス及びシリカの何れかで形成されていてもよい。また、微細ビーズの直径は、1μmに限られず、0.5μm以上10μm以下、より好ましくは1.0μm以上2.2μm以下であればよい。微細ビーズの直径が大きいほど、ビーズ像が大きくなるため、微細ビーズの直径は、顕微鏡装置10において観察可能範囲において可能な限り小さいことが望ましい。
Further, the fine beads are not limited to those made of polystyrene resin, and may be made of either glass or silica. The diameter of the fine beads is not limited to 1 μm, and may be 0.5 μm or more and 10 μm or less, more preferably 1.0 μm or more and 2.2 μm or less. Since the larger the diameter of the fine beads, the larger the bead image, it is desirable that the diameter of the fine beads is as small as possible within the observable range in the
なお、本実施形態においては、マーカとして微細ビーズを使用するが本開示はこれに限られず、例えば磁気ビーズを使用してもよい。 In the present embodiment, fine beads are used as markers, but the present disclosure is not limited to this, and for example, magnetic beads may be used.
一般的に、顕微鏡装置においてフォーカス位置を評価するために使用する微細ビーズとしては、蛍光ビーズ又はポリスチレン製のビーズが使用される。一方、細胞の分離、たんぱく質及び核酸の分離のために使用する微細ビーズには磁気ビーズが使用される。磁気ビーズは、用途として、主に、ビーズにたんぱく質を吸着し、強力な磁力装置でビーズごとたんぱく質を分離する際に使用される。磁気ビーズにおいては、磁気ビーズ同士の凝集を防止するために、ポリスチレンなどのポリマーに分散か、包埋された構造になっている。生物用として販売されている磁気ビーズは、ポリスチレン製の微細ビーズに比べて光を吸収するための素材としては高価であるため、使用しにくい。磁気ビーズは、含まれる磁性体粒子の塊の構造が、滑らかな円でなく、凸凹のある円のため、フォーカス位置を定量的に求める上で、画像認識する場合に、ノイズとなり、精度を劣化させる場合がある。このため、マーカとしては、磁気ビーズよりも上述した微細ビーズの方が好ましい。 Generally, fluorescent beads or polystyrene beads are used as the fine beads used to evaluate the focus position in the microscope device. On the other hand, magnetic beads are used as fine beads used for cell separation and protein and nucleic acid separation. Magnetic beads are mainly used for adsorbing proteins to beads and separating the proteins together with the beads with a strong magnetic force device. The magnetic beads have a structure dispersed or embedded in a polymer such as polystyrene in order to prevent aggregation of the magnetic beads. Magnetic beads sold for biological use are difficult to use because they are more expensive as a material for absorbing light than fine beads made of polystyrene. Since the structure of the magnetic particle mass contained in the magnetic beads is not a smooth circle but an uneven circle, it becomes noise when recognizing an image in order to quantitatively determine the focus position, and the accuracy is deteriorated. May cause you to. Therefore, as the marker, the above-mentioned fine beads are preferable to the magnetic beads.
なお、本実施形態においては、フォーカス位置の評価のために、位相差画像の取得に先立って、フォーカス位置を評価するための画像(以下撮影画像G0とする)が撮影部16により取得される。
In the present embodiment, in order to evaluate the focus position, an image for evaluating the focus position (hereinafter referred to as a captured image G0) is acquired by the photographing
マーカ像検出部31は、撮影部16が取得した、フォーカス位置評価用の撮影画像G0からマーカ像を検出する。本実施形態においては、撮影画像G0は位相差画像であり、上述したマーカは、位相差画像において背景の画像と異なるコントラストにより表される。このため、マーカ像検出部31は、しきい値処理を行うことにより、撮影画像G0からマーカ像を検出する。
The marker image detection unit 31 detects a marker image from the captured image G0 for focus position evaluation acquired by the photographing
判別器32は、フォーカス位置をそれぞれ変えて撮影した複数の教師用マーカ像、すなわち、異なるフォーカス位置において各々撮影された複数の教師用マーカ像に関する特徴量を用いて学習がなされ、マーカ像の入力により入力されたマーカ像のフォーカス位置を判別する。
The
以下、判別器32の学習について説明する。判別器32の学習は学習部35が行う。図7は判別器32の学習に用いる教師用マーカ像を取得するためのマーカの撮影を説明するための図である。なお、図7においては、1つのマーカMの撮影について説明する。図7に示すように、教師用マーカ像を取得するためには、複数のフォーカス位置において、マーカMの撮影を行う。すなわち、まず、結像光学系14を調整し、マーカMの位置P0に合焦させるようにフォーカス制御を行い、マーカMに合焦した画像を取得する。また、マーカMの手前の位置P1及び位置P2に合焦させるようにフォーカス制御を行い、プラス方向にデフォーカスされた画像を取得する。また、マーカMの後方の位置P3及び位置P4に合焦させるようにフォーカス制御を行い、マイナス方向にデフォーカスされた画像を取得する。なお、図7においては5つのフォーカス位置P0〜P4によりマーカMの撮影を行っているが、これに限定されるものではなく、より多くのフォーカス位置又はより少ないフォーカス位置おいてマーカMの撮影を行うようにしてもよい。
Hereinafter, learning of the
そして、学習部35は、上述したように複数のフォーカス位置においてマーカMを撮影することにより取得した画像からマーカを含む領域を抽出し、教師用マーカ像を生成する。図8は教師用マーカ像の例を示す図である。なお、図8においては、位置P0,P1,P2に合焦させることにより取得した画像から生成した教師用マーカ像T0,T1,T2を示す。なお、教師用マーカ像は、それぞれのフォーカス位置において多数(例えば1000個)用意される。
Then, the
また、学習部35は、教師用マーカ像に対してデフォーカス量を対応づける。例えば、フォーカス位置P0において取得した教師用マーカ像にはフォーカス位置として0を対応づけ、フォーカス位置P1において取得した教師用マーカ像にはフォーカス位置として+6μmを対応づけ、フォーカス位置P2において取得した教師用マーカ像にはフォーカス位置として+12μmを対応づける。また、フォーカス位置P3において取得した教師用マーカ像にはフォーカス位置として−6μmを対応づけ、フォーカス位置P4において取得した教師用マーカ像にはフォーカス位置として−12μmを対応づける。
Further, the
学習部35は、教師用マーカ像を用いて、入力されたマーカ像のフォーカス位置を判別するように判別器32を学習する。本実施形態においては、判別器32は、判別対象となるマーカ像が入力されると、そのマーカ像のフォーカス位置を判別するものとする。具体的には、判別器32は、判別対象となるマーカ像について、複数のフォーカス位置となる確率を算出し、そのうちの最も高い確率となったフォーカス位置を入力されたマーカ像のフォーカス位置と判別する。このため、学習部35は、教師用マーカ像から、あらかじめ定められたサイズ(例えば3×3等)の領域内の特徴量を取得し、取得した特徴量を判別器32に入力し、入力した教師用マーカ像に対応するフォーカス位置となる判別結果を出力するように、判別器32の学習、すなわち機械学習を行う。
The
なお、判別器32は、サポートベクタマシン(SVM(Support Vector Machine))、ディープニューラルネットワーク(DNN(Deep Neural Network))、畳み込みニューラルネットワーク(CNN(Convolutional Neural Network))、及びリカレントニューラルネットワーク(RNN(Recurrent Neural Network))等により構成することができる。
The
また、教師用マーカ像の特徴量としては、教師用マーカ像に関する同時生起行列を用いてもよい。同時生起行列は、画像における画素の信号値の分布を示す行列であり、ある信号値を有する画素に隣接する画素が有する信号値の頻度を行列として表したものである。ここで、マーカ像のフォーカス位置が0の場合、すなわちマーカ像が合焦している場合、マーカ像のコントラストが高いため、高輝度(すなわち低濃度)の画素に隣接する画素は低輝度(すなわち高濃度)となる。このため、マーカ像のフォーカス位置が0の場合、高輝度の画素については信号値が高い画素が隣接する頻度が高くなる。一方、マーカ像がボケている場合、高輝度の画素に隣接する画素はそれほど低輝度とはならない。このため、マーカ像がぼけている場合、マーカ像のコントラストが低いため、高輝度の画素については類似する輝度となる信号値の画素が隣接する頻度が高くなる。このため、教師用マーカ像に関する同時生起行列は、マーカ像のボケの程度に応じて特徴的な行列となる。したがって、同時生起行列を特徴量として用いることにより、フォーカス位置を精度よく判別可能なように、判別器32を学習することができる。
Further, as the feature quantity of the teacher marker image, a simultaneous occurrence matrix related to the teacher marker image may be used. The simultaneous occurrence matrix is a matrix showing the distribution of the signal values of the pixels in the image, and represents the frequency of the signal values of the pixels adjacent to the pixels having a certain signal value as a matrix. Here, when the focus position of the marker image is 0, that is, when the marker image is in focus, the contrast of the marker image is high, so that the pixels adjacent to the pixels with high brightness (that is, low density) have low brightness (that is, that is). High concentration). Therefore, when the focus position of the marker image is 0, the frequency of adjacent pixels with high signal values increases for high-luminance pixels. On the other hand, when the marker image is out of focus, the pixels adjacent to the high-luminance pixels do not have so low brightness. Therefore, when the marker image is blurred, the contrast of the marker image is low, so that the frequency of adjacent pixels with signal values having similar brightness increases for high-luminance pixels. Therefore, the simultaneous occurrence matrix for the teacher marker image becomes a characteristic matrix according to the degree of blurring of the marker image. Therefore, by using the simultaneous occurrence matrix as a feature quantity, the
このように学習がなされた判別器32により、撮影部16が取得した撮影画像G0に含まれるマーカのフォーカス位置が判別される。図9はフォーカス位置の判別結果を示す図である。なお、図9に示す撮影画像G0においては、マーカとして細胞の核小体を用いており、図9においてはマーカ像を白丸により示す。判別器32は、図9に示すように撮影画像G0に含まれる複数のマーカ像のそれぞれについてフォーカス位置を判別する。図9においては、説明のために各マーカ像の近傍に、各マーカ像に対するフォーカス位置を表す数値(μm)を示している。
The
フォーカス位置評価部33は、1つの撮影画像G0について、判別器32が判別した複数のマーカ像のフォーカス位置の統計値をその撮影画像G0のフォーカス位置であると評価してフォーカス位置に決定する。なお、統計値としては、複数のマーカ像のフォーカス位置の平均値、中央値及び最頻値等を用いることができる。例えば、統計値を最頻値とした場合、図9に示すようにフォーカス位置が判別された撮影画像G0については、フォーカス位置の統計値は7μmに決定される。
The focus
動作制御部34は、上述したようにフォーカス位置評価部33が決定したフォーカス位置に基づいて、動作部15を動作させてオートフォーカス制御を行う。具体的には、フォーカス位置に基づいて、第1の動作部15A〜第7の動作部15Gのそれぞれに対して制御信号を出力する。これにより、第1の動作部15Aにより結像レンズ14dの焦点距離が変更されて結像光学系14の焦点距離が変更される。また、第2の動作部15Bにより結像レンズ14dが光軸方向に移動する。また、第3の動作部15Cにより撮影部16が光軸方向に移動する。また、第4の動作部15Dによりステージ51が光軸方向に移動する。また、第5の動作部15Eにより対物レンズ14bが光軸方向に移動する。第6の動作部15Fにより対物レンズ14bの焦点距離が変更されて結像光学系14の焦点距離が変更される。さらに、第7の動作部15Gにより結像光学系14の焦点位置が変更されて、結像光学系14の焦点距離が変更される。これらの7つの動作により、オートフォーカス制御が行われる。
The
走査制御部21は、水平方向駆動部17を駆動制御し、これによりステージ51をX方向及びY方向に移動させて、培養容器50をX方向及びY方向に移動させる。水平方向駆動部17は、圧電素子等のアクチュエータから構成される。
The
以下、走査制御部21によるステージ51の移動制御及び動作制御部34によるオートフォーカス制御について、詳細に説明する。
Hereinafter, the movement control of the
本実施形態においては、走査制御部21による制御によってステージ51をX方向及びY方向に移動させ、結像光学系14の観察域を培養容器50内において2次元状に移動して培養容器50を走査し、各観察域を撮像して位相差画像を取得する。図10は、培養容器50内における観察域による走査位置を実線Jで示した図である。なお、本実施形態においては、培養容器50として6つのウェルWを有するウェルプレートを用いる。
In the present embodiment, the
図10に示すように、結像光学系14の観察域は、走査開始点Sから走査終了点Eまで実線Jに沿って移動する。すなわち、観察域Rは、X方向の正方向(図10の右方向)に移動された後、Y方向(図10の下方向)に移動し、逆の負方向(図10の左方向)に移動される。次いで、観察域Rは、再びY方向に移動し、再び正方向に移動される。このように、観察域RのX方向についての往復移動とY方向への移動を繰り返し行うことによって、培養容器50は2次元状に走査される。
As shown in FIG. 10, the observation area of the imaging
また、本実施形態においては、ステージ51は各観察域Rにおいて一端静止する。この状態において、撮影部16によりフォーカス位置評価用の撮影画像G0が取得され、フォーカス位置が決定され、フォーカス位置に基づいたオートフォーカス制御が行われ、その観察域Rが撮像されて位相差画像が取得される。位相差画像が取得されると、ステージ51が移動し、次の観察域Rにおいてオートフォーカス制御が行われて位相差画像が取得される。この動作を繰り返すことにより、培養容器50の全体を表す複数の位相差画像が取得され、複数の位相差画像を結合され合成位相差画像が生成される。
Further, in the present embodiment, the
すなわち、動作制御部34は、観察域Rにおいて決定されたフォーカス位置に基づいて、動作部15を駆動制御することによってオートフォーカス制御を行う。具体的には、動作制御部34には、フォーカス位置と、結像レンズ14dの焦点距離を変更するための結像レンズ14dへの印加電圧、結像レンズ14dの光軸方向の移動量、撮影部16の光軸方向の移動量、ステージ51の光軸方向の移動量、対物レンズ14bの光軸方向の移動量、対物レンズ14bの焦点距離を変更するための対物レンズ14bへの印加電圧、及び焦点距離変更光学系70の移動量との関係が、予めテーブルとして記憶されている。このテーブルを第1のテーブルと称する。
That is, the
動作制御部34は、決定されたフォーカス位置に基づいて、第1のテーブルを参照して、結像レンズ14dの焦点距離を変更するための結像レンズ14dへの印加電圧、結像レンズ14dの光軸方向の移動量、撮影部16の光軸方向の移動量、ステージ51の光軸方向の移動量、対物レンズ14bの光軸方向の移動量、対物レンズ14bの焦点距離を変更するための対物レンズ14bへの印加電圧、及び焦点距離変更光学系70の移動量をそれぞれ求める。なお、以降の説明においては、結像レンズ14dの焦点距離を変更するための結像レンズ14dへの印加電圧、結像レンズ14dの光軸方向の移動量、撮影部16の光軸方向の移動量、ステージ51の光軸方向の移動量、対物レンズ14bの光軸方向の移動量、対物レンズ14bの焦点距離を変更するための対物レンズ14bへの印加電圧、及び焦点距離変更光学系70の移動量をフォーカス制御量と称する。
The
そして、動作制御部34は、動作部15を制御するために、フォーカス制御量に応じた制御信号を、第1の動作部15A〜第7の動作部15Gに出力する。具体的には、動作制御部34は、デフォーカス量に基づいて第1のテーブルを参照し、フォーカス制御量を取得し、第1の動作部15A〜第7の動作部15Gに出力する。
Then, in order to control the
動作部15、すなわち第1の動作部15A〜第7の動作部15Gは、入力された制御信号に基づいて駆動する。これにより、観察域Rのフォーカス位置に応じたフォーカス制御が行われる。
The operating
図5に戻り、表示制御部22は、顕微鏡装置10によって撮像された各観察域Rの位相差画像を結合することによって、1枚の合成位相差画像を生成し、その合成位相差画像を表示装置23に表示させる。
Returning to FIG. 5, the
表示装置23は、上述したように表示制御部22によって生成された合成位相差画像を表示するものであり、例えば液晶ディスプレイ等を備える。また、表示装置23をタッチパネルによって構成し、入力装置24と兼用するようにしてもよい。
The
入力装置24は、マウス及びキーボード等を備え、ユーザによる種々の設定入力を受け付けるものである。本実施形態の入力装置24は、例えば位相差レンズ14aの倍率の変更指示及びステージ51の移動速度の変更指示等の設定入力を受け付ける。
The
次に、第1の実施形態のフォーカス位置評価装置を適用した顕微鏡観察システムの動作について、図11に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、観察対象である細胞が収容された培養容器50が、ステージ51上に設置される(ステップST10)。次に、ステージ51が移動して結像光学系14の観察域Rが、図10に示す走査開始点Sの位置に設定され、観察域Rによる走査が開始される(ステップST12)。
Next, the operation of the microscope observation system to which the focus position evaluation device of the first embodiment is applied will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the
ここで、本実施形態においては、上述したように各観察域Rについて、フォーカス位置評価用の撮影画像G0が取得され、マーカ像が検出され、フォーカス位置が評価され、フォーカス位置が決定され、フォーカス制御量が算出され、オートフォーカス制御が行われて位相差画像が取得される。これらの動作は、観察域Rを移動しながら行われ、ある位置の観察域Rについての撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、オートフォーカス制御、及び位相差画像の取得が行われた後、次の観察域Rにおいて、撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、オートフォーカス制御、及び位相差画像の取得が行われる。 Here, in the present embodiment, as described above, for each observation area R, the captured image G0 for focusing position evaluation is acquired, the marker image is detected, the focus position is evaluated, the focus position is determined, and the focus is set. The control amount is calculated, autofocus control is performed, and a phase difference image is acquired. These operations are performed while moving the observation area R, and acquisition of a captured image G0 for the observation area R at a certain position, detection of a marker image, determination of a focus position, determination of a focus position, calculation of a focus control amount, After the autofocus control and the acquisition of the phase difference image are performed, in the next observation area R, acquisition of the captured image G0, detection of the marker image, determination of the focus position, determination of the focus position, calculation of the focus control amount, Autofocus control and phase difference image acquisition are performed.
このため、最初の観察域Rにおいて、フォーカス位置評価用の撮影画像G0が撮影部16により取得され(ステップST14)、マーカ像検出部31が、撮影画像G0からマーカ像を検出する(ステップST16)。次いで、判別器32が撮影画像G0に含まれるマーカ像のフォーカス位置を判別し(ステップST18)、フォーカス位置評価部33が、その観察域Rにおけるフォーカス位置を決定する(ステップST20)。そして、動作制御部34が、決定されたフォーカス位置に基づいてフォーカス制御量を算出し(ステップST22)、フォーカス制御量に基づいてオートフォーカス制御を行う(ステップST24)。すなわち、動作制御部34は、予め記憶された移動量に基づいて動作部15を駆動制御し、結像レンズ14dの焦点距離を変更し、結像レンズ14d、撮影部16及び対物レンズ14bをZ方向に移動させる。そして、オートフォーカス制御後、撮影部16が観察域Rを撮像して、その観察域Rの位相差画像を取得する(ステップST26)。取得された位相差画像は、撮影部16から表示制御部22に出力されて記憶される。
Therefore, in the first observation area R, the captured image G0 for focusing position evaluation is acquired by the photographing unit 16 (step ST14), and the marker image detection unit 31 detects the marker image from the captured image G0 (step ST16). .. Next, the
そして、全ての走査が終了していない場合には(ステップST28;NO)、観察域RがX方向又はY方向に移動し、すべての走査が終了するまで、上述した撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、オートフォーカス制御及び位相差画像の取得が繰り返し行われる(ステップST14〜ステップST26)。そして、観察域Rが、図10に示す走査終了点Eの位置に到達した時点において全ての走査が終了する(ステップST28;YES)。 Then, when all the scans are not completed (step ST28; NO), the observation area R moves in the X direction or the Y direction, and until all the scans are completed, the above-mentioned captured image G0 is acquired and the marker is used. Image detection, focus position determination, focus position determination, focus control amount calculation, autofocus control, and phase difference image acquisition are repeated (steps ST14 to ST26). Then, when the observation area R reaches the position of the scanning end point E shown in FIG. 10, all scanning ends (step ST28; YES).
全ての走査が終了した後、表示制御部22は、各観察域Rの位相差画像を結合して合成位相差画像を生成し(ステップST30)、生成した合成位相差画像を表示装置23に表示する(ステップST32)。
After all the scans are completed, the
このように、本実施形態においては、微細ビーズを黒色で着色することにより、微細ビーズのレンズとしての機能を低減させ、実際に光が結像される位置と微細ビーズの中心位置との距離ΔZの値をより小さくする。これにより、微細ビーズを使用してフォーカス位置を評価する際の精度を向上させることができる。従って、微細ビーズを使用して決定したフォーカス位置において細胞を撮影する際に、画像上における細胞のボケを低減することができる。 As described above, in the present embodiment, by coloring the fine beads in black, the function of the fine beads as a lens is reduced, and the distance between the position where the light is actually formed and the center position of the fine beads ΔZ. Make the value of. This makes it possible to improve the accuracy when evaluating the focus position using the fine beads. Therefore, when the cells are photographed at the focus position determined by using the fine beads, the blurring of the cells on the image can be reduced.
また、本実施形態においては、フォーカス位置の評価対象であるマーカを含む、フォーカス位置評価用の撮影画像G0を取得し、撮影画像G0からマーカ像を検出し、異なるフォーカス位置により各々撮影された複数の教師用マーカ像に関する特徴量を用いて学習がなされ、入力されたマーカ像のフォーカス位置を判別する判別器32によりフォーカス位置を判別するようにした。このため、少ない演算量により、高速にデフォーカス量を決定することができる。
Further, in the present embodiment, a plurality of captured images G0 for focus position evaluation including a marker to be evaluated for the focus position are acquired, a marker image is detected from the captured image G0, and a plurality of images are captured at different focus positions. Learning was performed using the feature amount related to the teacher marker image of the above, and the focus position was discriminated by the
また、撮影画像G0に含まれる複数のマーカ像のそれぞれについてのフォーカス位置を判別し、複数のフォーカス位置の統計値を撮影画像G0を取得した観察域Rのフォーカス位置に決定することにより、判別器32による判別結果のばらつきを吸収して、精度よくフォーカス位置を決定することができる。 Further, by discriminating the focus position for each of the plurality of marker images included in the captured image G0 and determining the statistical value of the plurality of focus positions at the focus position of the observation area R in which the captured image G0 is acquired, the discriminator is used. It is possible to accurately determine the focus position by absorbing the variation in the discrimination result due to 32.
また、フォーカス位置に基づいて、培養容器50内の観察対象の像を撮影部16に合焦させることにより、フォーカス位置を高速に決定することができるため、オートフォーカス制御を高速に行うことができる。
Further, by focusing the image of the observation target in the
なお、上記第1の実施形態においては、第1の実施形態によるフォーカス位置評価装置30を顕微鏡撮影システムに適用し、観察域Rを移動させつつ、各観察域Rにおいて撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、オートフォーカス制御、及び位相差画像の取得を行っているが、これに限定されるものではない。例えば、ある培養容器50について、細胞を収容することなく、培養容器50における各観察域Rにおいて、撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、及びフォーカス制御量の算出を行うようにしてもよい。この場合、培養容器50すべての観察域Rにおいてフォーカス位置が決定された後に、フォーカス位置を決定した培養容器50と同一種類の培養容器50に収容された細胞を観察対象として、位相差画像の取得が行われる。以下、これを第2の実施形態として説明する。
In the first embodiment, the focus
図12は位相差画像の取得に先立って、デフォーカス量を決定する、第2の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、マーカである微細ビーズが収容された培養容器50がステージ51上に設置される(ステップST40)。次に、ステージ51が移動して結像光学系14の観察域Rが、図7に示す走査開始点Sの位置に設定され、観察域Rによる走査が開始される(ステップST42)。
FIG. 12 is a flowchart showing a process performed in the second embodiment for determining the defocus amount prior to the acquisition of the phase difference image. First, the
そして、最初の観察域Rにおいて、フォーカス位置評価用の撮影画像G0が撮影部16により取得され(ステップST44)、マーカ像検出部31が、撮影画像G0からマーカ像を検出する(ステップST46)。次いで、判別器32が撮影画像G0に含まれるマーカ像のフォーカス位置を判別し(ステップST48)、フォーカス位置評価部33が、その観察域Rにおけるフォーカス位置を決定する(ステップST50)。そして、動作制御部34が、決定されたフォーカス位置に基づいてフォーカス制御量を算出し(ステップST52)、フォーカス制御量を培養容器50の検出位置のX−Y座標上の位置と対応づけて記憶する(ステップST54)。
Then, in the first observation area R, the captured image G0 for focusing position evaluation is acquired by the photographing unit 16 (step ST44), and the marker image detection unit 31 detects the marker image from the captured image G0 (step ST46). Next, the
そして、全ての走査が終了していない場合には(ステップST56;NO)、観察域RがX方向又はY方向に移動し、すべての走査が終了するまで、上述した撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、及びフォーカス制御量の記憶が繰り返し行われる(ステップST44〜ステップST54)。そして、観察域Rが、図10に示す走査終了点Eの位置に到達した時点において全ての走査が終了する(ステップST56;YES)。 Then, when all the scans are not completed (step ST56; NO), the observation area R moves in the X direction or the Y direction, and until all the scans are completed, the above-mentioned captured image G0 is acquired and the marker is used. Image detection, focus position determination, focus position determination, focus control amount calculation, and focus control amount storage are repeated (steps ST44 to ST54). Then, when the observation area R reaches the position of the scanning end point E shown in FIG. 10, all scanning ends (step ST56; YES).
なお、第2の実施形態において、位相差画像の取得時においては、フォーカス位置を決定する場合と同様に、培養容器50の走査が行われ、各観察域Rにおいて位相差画像を取得する際に、その観察域Rに対応する培養容器50のX−Y座標と対応づけて記憶されたフォーカス制御量を用いて、動作制御部34がオートフォーカス制御を行う。これにより、各観察域Rにおいてフォーカス制御を行いつつ、位相差画像の取得が行われる。この場合、フォーカス制御量を記憶するための培養容器50の走査を事前に行う必要はあるが、同一種類の培養容器50を使用する場合、位相差画像を取得する際に、各観察域Rにおいて一端ステージ51を静止させて撮影画像G0の取得、マーカ像の検出、フォーカス位置の判別、フォーカス位置の決定、フォーカス制御量の算出、オートフォーカス制御、及び位相差画像の取得を行う必要がなくなる。これにより、培養容器50上において観察域Rを連続して操作させることができるため、より高速に位相差画像を取得することができる。
In the second embodiment, when the phase difference image is acquired, the
なお、第2の実施形態においては、動作制御部34は、各観察域Rでのフォーカス制御量を記憶しているが、決定したフォーカス位置を記憶するようにしてもよい。この場合、各観察域Rにおいて位相差画像を取得する際に、記憶されたフォーカス位置に基づいてフォーカス制御量が算出されて、観察域Rの撮影及び位相差画像の取得が行われる。
In the second embodiment, the
また、第2の実施形態において、ステップST50にて決定されたフォーカス位置が、顕微鏡装置10において設定不可能なフォーカス位置、すなわちフォーカス制御量が算出できない場合には、例えば表示装置23にエラー表示を出すようにしてもよいし、図示しない報知部によってフォーカス制御量が算出できないことを報知するようにしてもよい。ここで、報知部は、本開示において、「報知部」は、メッセージ等を可視表示させるディスプレイ、音声が出力されることにより可聴表示させる音声再生装置、用紙等の記録媒体に記録して永久可視表示させるプリンタ、メールや電話等の通信手段及び表示灯等を意味し、上記ディスプレイ、上記音声再生装置、上記プリンタ、上記通信手段及び上記表示灯のうちの少なくとも2つ以上を組み合わせてもよい。
Further, in the second embodiment, when the focus position determined in step ST50 is a focus position that cannot be set in the
ところで、判別器32の学習の際に使用する教師用マーカ像としては、プラス方向にデフォーカスされた画像及びマイナス方向にデフォーカスされた画像の双方を用いている。しかしながら、プラス方向にデフォーカスされた画像及びマイナス方向にデフォーカスされた画像が類似している場合、そのような教師用マーカ像を用いて学習を行った判別器32を用いても、フォーカス位置がプラス側のフォーカス位置であるのかマイナス側のフォーカス位置であるのか判別することが困難となる場合がある。
By the way, as the teacher marker image used in the learning of the
しかしながら、本実施形態においては、フォーカス位置のプラス及びマイナスを誤って判別したとしても、オートフォーカス制御を高速に行うことができる。図13はオートフォーカス制御を説明するための図である。なお、図13においては、結像レンズ14dをZ方向に移動する場合のオートフォーカス制御を示す。図13に示すように、結像レンズ14dが位置P10にあるときのフォーカス位置が+αに決定されたとする。この場合、実際のフォーカス位置がプラス(すなわち観察対象よりも遠くに合焦している状態)であれば、結像レンズ14dを観察対象から離れる方向、例えば位置P11に移動させることにより、観察対象に合焦させることができる。しかしながら、実際には観察対象よりも近くに合焦した状態にあり、フォーカス位置が−αの場合、結像レンズ14dを位置P11に移動させると、よりフォーカスが合わなくなってしまう。
However, in the present embodiment, even if the plus and minus of the focus position are erroneously determined, the autofocus control can be performed at high speed. FIG. 13 is a diagram for explaining autofocus control. Note that FIG. 13 shows autofocus control when the
この場合、結像レンズ14dを位置P11に移動させた時点において、再度フォーカス位置評価用の撮影画像G0を取得し、フォーカス位置を決定するようにする。そして、決定したフォーカス位置が0でない場合には、フォーカス位置のプラス及びマイナスが間違っていることから、動作制御部34は、結像レンズ14dを観察対象に近づく方向、例えば位置P11から位置P12に移動させるようにフォーカス制御量を決定する。
In this case, when the
ここで、従来のように画像のコントラストを判断してオートフォーカス制御を行う場合、観察対象に合焦されるまで撮影画像G0の取得及びフォーカス制御量の決定を繰り返す必要がある。これに対して、本実施形態においては、フォーカス制御量のプラス及びマイナスの判別を誤ったとしても、フォーカス位置の決定の動作をもう一度行うのみで、正確なフォーカス制御量を決定することができる。したがって、本実施形態においては、フォーカス制御量のプラス及びマイナスの判別を誤ったとしても、オートフォーカス制御を高速に行うことができる。 Here, when the autofocus control is performed by determining the contrast of the image as in the conventional case, it is necessary to repeat the acquisition of the captured image G0 and the determination of the focus control amount until the image is focused on the observation target. On the other hand, in the present embodiment, even if the plus and minus of the focus control amount are erroneously discriminated, the accurate focus control amount can be determined only by performing the operation of determining the focus position again. Therefore, in the present embodiment, even if the plus and minus of the focus control amount are erroneously discriminated, the autofocus control can be performed at high speed.
なお、プラス方向にデフォーカスされた画像及びマイナス方向にデフォーカスされた画像が類似している場合、プラス方向にデフォーカスされた画像及びマイナス方向にデフォーカスされた画像のいずれか一方のみを教師用マーカ像として使用して、判別器32の学習を行うようにしてもよい。例えば、プラス方向にデフォーカスされた画像のみを教師用マーカ像として判別器32の学習を行った場合、判別されるフォーカス位置はプラスの値となる。この場合、実際のフォーカス位置がマイナスの場合、上記図13に示すように、フォーカス位置がプラスの場合のように結像レンズ14dを位置P11に移動させると、よりフォーカスが合わなくなってしまう。
If the image defocused in the plus direction and the image defocused in the minus direction are similar, only one of the image defocused in the plus direction and the image defocused in the minus direction is taught. The
この場合、結像レンズ14dを位置P11に移動させた時点において、再度フォーカス位置評価用の撮影画像G0を取得し、フォーカス位置を決定するようにする。そして、決定したフォーカス位置が0でない場合には、フォーカス位置が実際にはマイナスであると判定し、動作制御部34は、結像レンズ14dを位置P11からP12に移動させるようにフォーカス制御量を決定する。これにより、フォーカス位置のプラス及びマイナスを間違えた場合と同様に、フォーカス位置の決定の動作をもう一度行うのみで、正確なフォーカス制御量を決定することができる。したがって、プラス方向にデフォーカスされた画像及びマイナス方向にデフォーカスされた画像のいずれか一方のみを教師用マーカ像として使用して、判別器32の学習を行っても、オートフォーカス制御を高速に行うことができる。
In this case, when the
なお、上記各実施形態においては、判別器32を学習するための教師用マーカ像として、フォーカス位置が既知のマーカ像を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、フォーカス位置が不明であるマーカ像を教師用マーカ像として用いてもよい。この場合、フォーカス位置が不明であるマーカ像については、学習部35は、フォーカス位置が不明であるとの判別を行うように、判別器32の学習を行う。なお、フォーカス位置が不明であるマーカ像としては、判別器32に入力した結果、フォーカス位置を誤って判別したマーカ像を用いることができる。このため、学習部35はまず判別器32に対して、フォーカス位置が不明である旨の判別を行わないように学習を行う。そして、ある程度学習が進んだ段階で、判別器32によるフォーカス位置の判別を行った際に、フォーカス位置を誤って判別したマーカ像を、フォーカス位置が不明であるマーカ像に決定する。そして、改めてそのようなマーカ像を用いて、フォーカス位置が不明であるとの判別を行うように判別器32の学習を行う。これにより、フォーカス位置が不明であるとの判別を行うことが可能な判別器32を生成することができる。したがって、誤ったフォーカス位置の判別結果が取得される可能性を低減することができる。
In each of the above embodiments, a marker image having a known focus position is used as a teacher marker image for learning the
なお、上記各実施形態においては、動作部15が第1〜第7の動作部15A〜15Gによりオートフォーカス制御を行っているが、第1〜第7の動作部15A〜15Gのうちのいずれか1つのみ又はこれらのうちの複数を用いてオートフォーカス制御を行うようにしてもよい。また、第1〜第7の動作部15A〜15Gのうちのいずれか1つのみ又はこれらのうちの複数を備えるものとしてもよい。
In each of the above embodiments, the operating
また、上記各実施形態においては、焦点距離変更光学系70を、結像光学系14と撮影部16との間に配置しているが、結像光学系14とステージ51との間に配置してもよい。
Further, in each of the above embodiments, the focal length changing
また、上記各実施形態においては、第4の動作部15Dによりステージ51を光軸方向に移動させることにより、培養容器50を光軸方向に移動させている。しかしながら、ステージ51を光軸方向に移動させることに代えて、培養容器50を光軸方向に移動させる機構を設け、培養容器50のみを光軸方向に移動させるようにしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態は、フォーカス位置評価部33が、判別器32によって判別されたフォーカス位置に基づいてフォーカス位置を評価及び決定したが、本開示の技術はこれに限られない。フォーカス位置評価装置は、判別器32及び学習部35を備えていなくても良い。この場合、フォーカス位置評価部33は、異なるフォーカス位置毎に予め撮影して取得した撮影画像から、マーカ像検出部31が基準マーカ像を検出して記憶しておく。そして、フォーカス位置評価部33は、撮影された観察画像においてマーカ像検出部31が検出したマーカ像と、異なるフォーカス位置毎の上記基準マーカ像との全ての組合せについて相関値を算出する。そして相関値が予め設定された閾値以上である場合に、フォーカス位置評価部33は、その相関値を有するマーカ像と基準マーカ像の組み合わせが、対応付けられるべき組み合わせであると判定し、その基準マーカ像が取得されたフォーカス位置を観察画像のフォーカス位置として決定する。相関値の算出方法としては、例えば正規化相互相関(ZNCC:Zero-mean Normalized Cross-Correlation)を用いて算出するようにすればよい。ただし、これに限らず、その他の算出方法を用いるようにしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the focus
また、上記各実施形態は、本発明によるフォーカス位置評価装置を位相差顕微鏡に適用したものであるが、本開示は、位相差顕微鏡に限らず、微分干渉顕微鏡及び明視野顕微鏡等のその他の顕微鏡に適用してもよい。 Further, in each of the above embodiments, the focus position evaluation apparatus according to the present invention is applied to a phase-contrast microscope, but the present disclosure is not limited to the phase-contrast microscope, but other microscopes such as a differential interference microscope and a bright-field microscope. May be applied to.
10 顕微鏡装置(撮影装置)
11 白色光源
12 コンデンサレンズ
13 スリット板
14 結像光学系(撮影光学系)
14a 位相差レンズ
14b 対物レンズ
14c 位相板
14d 結像レンズ
15 動作部
15A 第1の動作部
15B 第2の動作部
15C 第3の動作部
15D 第4の動作部
15E 第5の動作部
15F 第6の動作部
15G 第7の動作部
16 撮影部
17 水平方向駆動部
20 顕微鏡制御装置
21 走査制御部
22 表示制御部
23 表示装置
24 入力装置
30 フォーカス位置評価装置
31 マーカ像検出部
32、32A 判別器
33 フォーカス位置評価部
34 動作制御部
35 学習部
50 培養容器
51 ステージ
51a 開口
70 焦点距離変更光学系
71 第1のウェッジプリズム
72 第2のウェッジプリズム
J 観察域による走査位置
S 走査開始点
E 走査終了点
M マーカ,微細ビーズ
L 照明光
R 観察域
W ウェル
10 Microscope device (imaging device)
11
14a
Claims (11)
球形で、かつ前記撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを前記観察対象として前記撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出するマーカ像検出部と、
前記マーカ像に基づいて、前記撮影光学系のフォーカス位置を評価するフォーカス位置評価部と、
を含むフォーカス位置評価装置。 It is a focus position evaluation device in a photographing device that photographs an observation target formed by an imaging optical system.
A marker image detection unit that detects a marker image from a captured image acquired by photographing a marker that is spherical and colored in a color that absorbs light transmitted through the photographing optical system as the observation target by the photographing apparatus.
A focus position evaluation unit that evaluates the focus position of the photographing optical system based on the marker image, and a focus position evaluation unit.
Focus position evaluation device including.
前記フォーカス位置評価部により評価されたフォーカス位置に基づいて、前記容器内の前記観察対象の像を前記撮影装置に合焦させる制御を行う制御部とをさらに含む請求項1から7の何れか1項に記載のフォーカス位置評価装置。 The photographed image is acquired by photographing the container including the marker and accommodating the observation object with an imaging apparatus.
Any one of claims 1 to 7, further comprising a control unit that controls the image of the observation target in the container to be focused on the photographing apparatus based on the focus position evaluated by the focus position evaluation unit. The focus position evaluation device according to the section.
前記制御部は、前記各観察領域において、前記フォーカス位置に基づいて、前記容器内の前記観察対象の像を前記撮影装置に合焦させる制御を行う請求項8に記載のフォーカス位置評価装置。 The photographed image is acquired by scanning the observation area in the container in which the observation object is housed and photographing each observation area in the container.
The focus position evaluation device according to claim 8, wherein the control unit controls to focus the image of the observation target in the container on the photographing device based on the focus position in each observation area.
球形で、かつ前記撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを前記観察対象として前記撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出し、
前記マーカ像に基づいて、前記撮影光学系のフォーカス位置を評価するフォーカス位置評価方法。 It is a focus position evaluation method in an imaging device that photographs an observation target imaged by an imaging optical system.
The marker image is detected from the captured image acquired by photographing the marker, which is spherical and colored in a color that absorbs the light transmitted through the photographing optical system, as the observation target by the photographing apparatus.
A focus position evaluation method for evaluating a focus position of the photographing optical system based on the marker image.
球形で、かつ前記撮影光学系を透過する光を吸収する色に着色されたマーカを前記観察対象として前記撮影装置によって撮影することにより取得した撮影画像からマーカ像を検出する手順と、
前記マーカ像に基づいて、前記撮影光学系のフォーカス位置を評価する手順と、
をコンピュータに実行させるフォーカス位置評価プログラム。 It is a focus position evaluation program in a photographing device that photographs an observation target imaged by an imaging optical system.
A procedure for detecting a marker image from a captured image acquired by photographing a marker that is spherical and colored in a color that absorbs light transmitted through the photographing optical system with the photographing apparatus as the observation target.
A procedure for evaluating the focus position of the photographing optical system based on the marker image, and
Focus position evaluation program that causes the computer to execute.
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