JP4418058B2 - 走査型レーザ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料上にレーザ光を走査させて画像を得る走査型レーザ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
試料上にレーザ光を2次元走査させることで、生きた細胞や組織等の試料を傷つけることなく、光学的にスライスした断層像を得、複数の断層像から3次元画像を得ることが可能な走査型レーザ顕微鏡が従来より用いられている。
【0003】
図8は一般的な走査型レーザ顕微鏡のシステム構成を例示するもので、レーザ光源4から射出されたレーザ光が、2次元走査光学系、対物レンズ、試料からの信号光を電気信号に変換する光電変換回路などから構成される光学ユニット1の2次元走査光学系と対物レンズを介して、測定対象である試料5へ導かれ、焦点面内で2次元走査される。
【0004】
この走査により試料5から反射光または蛍光が発生すると、それが信号光として上記光学ユニット1の光電変換回路で取出され、信号光の強度を示す電気信号に試料5からの反射光または蛍光を変換した後に制御ユニット2へ送られる。
【0005】
制御ユニット2では、入力手段7からの2次元走査光学系の2次元走査に対応するように、この電気信号を入力してデジタル値に変換し、上記2次元走査に従った上記焦点面の信号光の強度分布からなる濃淡画像を作成して表示装置6でモニタ表示させる。
【0006】
また、制御ユニット2に接続された電気刺激発生器3は、制御ユニット2からの上記走査に同期したトリガ信号により、試料5に対して電気刺激を与え、該刺激により変化する試料5からの信号光の経時変化を測定する。
【0007】
このような走査型レーザ顕微鏡の特徴を活かして、生理学や薬学、細胞生物学等の分野では細胞に対する刺激、例えば電気信号や、熱、薬品などの化学的な刺激に対する反応を3次元観測する機器として多く用いられている。
【0008】
さらに最近では、上記刺激に対する経時変化を正確に測定するための測定器としての要求も高まっている。このように正確な経時変化を測定するためには、上記細胞などの試料5に対する刺激と、レーザ光の走査と画像の取込みとを正確に同期させる必要がある。
【0009】
走査型レーザ顕微鏡からは、垂直および水平走査の始点あるいは有効期間を示す垂直同期信号及び水平同期信号が常時出力されており、この信号を試料5に刺激を与える電気刺激発生器3のトリガ入力端子に入力することで、得られる画像フレームの初めのタイミング、あるいはラインの初めのタイミングに上記刺激を発生させて、その後の試料5の経時変化を測定することが可能となる。
【0010】
しかしながら、このような方法では、常に出力される同期信号を使用することから、任意のフレームあるいは任意のラインを選択して刺激を発生させたり、刺激の発生、停止を任意に制御することが困難となる。
【0011】
そこで、フレーム内で任意のラインを選択して、刺激の発生、停止を選択できるような同期信号の発生回路を有する光走査型顕微鏡が特開平10−10436号公報(以下「第1の先行例」と称する)に開示されている。
【0012】
この顕微鏡によれば、任意のフレームにおいて指定したラインでトリガ信号を発生させることが可能となる。
【0013】
一方、同様の同期信号を用いて、走査型レーザ顕微鏡の照明光であるレーザの遮光手段を制御し、試料に対する照射位置を必要最小限にとどめる装置(以下「第2の先行例」と称する)も提案されている。具体的には、高速でレーザ光の透過/遮光を制御する音響光学素子に、あらかじめフレーム内でのレーザ照射位置をトリガ信号出力装置に記憶させ、レーザ光の2次元走査に同期して、レーザ光の試料への走査をオン/オフ制御している。
【0014】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、上述した第1の先行例においては、指定したラインにおけるトリガの出力を任意のフレーム毎に制御できるものではあるが、出力するラインを指定する設定手段と、フレームを管理する同期回路との間には一切の同期関係がないため、フレーム毎に出力位置を変更することができない。
【0015】
さらに、上記設定手段はライン単位で出力位置を管理するため、ライン上での出力位置を制御することができない。
【0016】
また、上記第2の先行例においては、予めフレーム内のトリガ出力位置を設定するため、各フレームでの出力位置は同一であり、試料の位置的、化学的変化に応じて出力位置を変化させることができない。
【0017】
また、上記第1及び第2の先行例いずれにおいても、用いる同期信号はオン/オフを制御するだけの2値のデジタル信号であり、出力レベルに応じたより細かい制御のための設定をすることができない。
【0018】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、トリガ信号を出力する位置が変更可能で、同期信号を発生させるタイミングを任意に設定可能とし、測定対象のどのような経時変化に対しても正確且つ精密な同期信号を出力することが可能な走査型レーザ顕微鏡を提供することにある。
【0019】
【問題点を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、水平及び垂直の少なくとも一方の走査に同期した同期信号を出力する走査型レーザ顕微鏡において、各フレームまたは各ライン毎に任意に設定でき、且つ各フレームまたは各ライン上で同期信号の出力位置を画素単位で任意に設定できる出力位置設定手段を備えたことを特徴とする。
【0020】
このような構成とすれば、各フレームあるいは各ライン毎に任意に設定でき、且つ各フレームまたは各ライン上で同期信号の出力位置を画素単位で任意に設定できるため、例えば、測定対象である細胞への刺激と、細胞の特定画素位置における経時変化を正確に測定することが可能となる。
【0021】
請求項2記載の発明は、上記請求項1記載の発明において、上記出力位置設定手段は、測定された上記フレームまたはライン上のデータに基づいて以降のフレームまたはライン上での同期信号の出力位置を設定されることを特徴とする。
【0022】
このような構成とすれば、上記請求項1記載の発明の作用に加えて、測定された上記フレームあるいはライン上のデータに基づいて同期信号の出力位置を設定することで、測定対象の経時変化に応じて、同期信号の出力位置を変更させることが可能となる。
【0023】
請求項3記載の発明は、上記請求項1または2記載の発明において、上記出力位置設定手段は、出力する同期信号のレベルを可変設定することを特徴とする。
【0024】
このような構成とすれば、上記請求項1または2記載の発明の作用に加えて、同期信号の出力位置と出力レベルが設定できるようになり、時間的な正確さと共に、得られるデータに対応して動作する、この走査型レーザ顕微鏡に外部接続された機器を精細に制御することが可能になる。
【0025】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下本発明の第1の実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡について図面を参照して説明する。
【0026】
なお、走査型レーザ顕微鏡全体のシステム構成については、上記図8で示したものと基本的に同様であるため、同一部分には同一符号を付すものとして、その図示及び説明は省略する。
【0027】
しかして、主として制御ユニット2内の構成について図1により説明する。
【0028】
制御ユニット2は、光学ユニット1内の2次元走査光学系に使用されるスキャナへの駆動波形を発生するスキャナ波形発生回路11、光学ユニットの光電変換回路から出力される電気信号をデジタルデータに変換するA/D変換回路13、これらの回路を同期して動作させるための同期信号を発生する同期信号発生回路12、上記A/D変換回路13により得られたデジタルデータから画像データを作成して上記表示装置6に表示させる画像表示回路16、上記画像データやスキャナ波形発生回路11で使用する波形データなどを保存するシステムメモリ15、及びこれら各回路を統括制御するCPU14などにより構成される。
【0029】
スキャナ波形発生回路11は、同期信号発生回路12から発生する垂直/水平同期信号及びピクセルクロックに合せて、予め設定されているスキャナ駆動波形を発生し、上記レーザ光を試料5の焦点面内で2次元に走査するようスキャナを駆動する。これにあわせて光学ユニット1から出力される光強度を示す電気信号がA/D変換回路13に入力され、そのデジタル出力を上記水平/垂直同期信号及びピクセルクロックによりサンプリングしてデジタルデータに変換する。
【0030】
このデジタルデータは、上記光強度の情報であり、CPU14により、画像として画像表示回路16を介してCRTなどで構成される表示装置6へ表示させるか、画像データとしてシステムメモリ15に格納、保存される。
【0031】
次に図2を用いて上記同期信号発生回路12内の詳細な回路構成を示す。
【0032】
同図に示す如く、同期信号発生回路12は同期信号用メモリ21、クロック発生回路23、及び同期信号メモリコントローラ22から構成される。
【0033】
同期信号メモリコントローラ22は、その内部にクロック発生回路23からのクロックにより動作するカウンタを有するもので、この同期信号メモリコントローラ22からの信号を受けて記憶する同期信号用メモリ21は、垂直同期用、水平同期用、トリガ信号用の少なくとも3ビットのデータ幅のデータを、最低でも1フレーム分のデータ長だけ記憶する容量が必要となる。
【0034】
次いで上記実施の形態の動作について説明する。
【0035】
図3は主として制御ユニット2のCPU14による制御動作の処理内容を示すものであり、画像の取得に先立ってCPU14は、取得する画像のサイズに合わせて同期信号用メモリ21に1フレーム分の水平/垂直同期信号を書込み(ステップS11)、また画像の取得範囲として使用する同期信号用メモリ21の開始アドレスと使用するメモリ長を同期信号メモリコントローラ22に設定し(ステップS12)、それから同期信号メモリコントローラ22のカウンタをスタートさせる。
【0036】
該カウンタからの出力は、開始アドレスからクロック発生回路23の出力するクロック毎にカウントアップされ、上記メモリ長に達したところで、開始アドレスに戻るようになっている。この出力により、同期信号用メモリ21の内容が読出され、まず1フレーム分の画像が取得される(ステップS13)。
【0037】
この得られた1フレーム分の画像は画像表示回路16により表示装置6で表示されるもので(ステップS14)、この表示に対してこの走査型レーザ顕微鏡の操作者がマウスやキーボードなどの入力手段7を使用して設定入力を行なうのを待機する(ステップS15)。
【0038】
しかして、入力手段7からの入力があったと判断した時点で、入力手段7より表示装置6での表示に基づいて入力される、電気刺激を発生させるためのトリガ信号の出力位置のフレーム番号及び画像上の位置(ライン位置及び画素位置)を指定するデータを受付ける(ステップS16)。
【0039】
CPU14は入力されたデータを基に、同期信号用メモリ21、同期信号メモリコントローラ22に対して必要な設定を行い、同期信号メモリコントローラ22内のカウンタを再度スタートさせ、画像の取込みを開始する(ステップS17)。
【0040】
以後、取得されるフレームが設定された番号のフレームであれば(ステップS18)、電気刺激を画像中の任意位置で発生するようにトリガ信号の出力位置のセットを電気刺激発生器3に行なった上で(ステップS20)、画像の取得を行なう(ステップS21)。
【0041】
また取得されるフレームが設定された番号のフレームでなければ(ステップS18)、電気刺激のセットを行なわずに、単に画像の取得を行なう(ステップS19)。
【0042】
あらかじめ操作者が設定した任意のフレーム内の任意の画素位置においてのみ電気刺激を発生させることができるもので、こうして得られる試料5内の経時変化をとらえた複数の画像は順次表示装置6で表示させると共に(ステップS22)、システムメモリ15に記憶させる(ステップS23)。
【0043】
また、上述したステップを続けない場合は、処理を終了する(ステップS24)。
【0044】
上記第1の実施の形態では、設定するフレーム数分のメモリ長を確保しなければならないが、クロック発生回路23で発信する周波数に対して、CPU14の速度が十分に速い場合には、同期信号用メモリ21を、FIF0メモリあるいはデュアルポートメモリとして構成し、走査の開始後、順次データを書込んでいくようにしてもよい。
【0045】
また、CPU14の速度によらず、システムメモリ15と同期信号用メモリ21間でデータを直接に高速で転送ができるよう、同期信号メモリコントローラ22にDMA(Direct Memory Access)機能を設けるようにしてもよい。
【0046】
以上本発明の第1の実施の形態によれば、各フレームあるいは各ライン毎に同期信号の出力位置を画素単位で任意に設定できるようになり、例えば、測定対象である細胞への刺激と、細胞の経時変化を正確に測定することが可能となる。
【0047】
なお、本実施の形態では、制御ユニット2に接続する外部接続機器として電気刺激発生器3を用いた場合を例示しているが、画像の取得と時間的な同期を確保する必要のあるような機器であれば、これに限定されるものではない。
【0048】
(第2の実施の形態)
以下本発明の第2の実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡について図面を参照して説明する。
【0049】
なお、走査型レーザ顕微鏡全体のシステム構成については上記図8で示したものと、制御ユニット2内の構成については図1で示したものと、そして同期信号発生回路12内の詳細な回路構成については図2に示したものと、それぞれ基本的に同様であるものとして、同一部分には同一符号を付してその図示及び説明は省略する。
【0050】
次いで上記実施の形態の動作について説明する。
【0051】
図4は主として制御ユニット2のCPU14による制御動作の処理内容を示すものであり、画像の取得に先立ってCPU14は、取得する画像のサイズに合わせて同期信号用メモリ21に1フレーム分の水平/垂直同期信号を書込み(ステップS31)、また画像の取得範囲として使用する同期信号用メモリ21の開始アドレスと使用するメモリ長を同期信号メモリコントローラ22に設定し(ステップS32)、それから同期信号メモリコントローラ22のカウンタをスタートさせる。
【0052】
該カウンタからの出力は、開始アドレスからクロック発生回路23の出力するクロック毎にカウントアップされ、上記メモリ長に達したところで、開始アドレスに戻るようになっている。この出力により、同期信号用メモリ21の内容が読出され、まず1フレーム分の画像が取得される(ステップS33)。
【0053】
この得られた1フレーム分の画像は画像表示回路16により表示装置6で表示されるもので(ステップS34)、この表示に対してこの走査型レーザ顕微鏡の操作者がマウスやキーボードなどの入力手段7を使用して設定入力を行なうのを待機する(ステップS35)。
【0054】
しかして、入力手段7からの入力があったと判断した時点で、入力手段7より表示装置6での表示に基づいて入力される、電気刺激を発生させるための第1の条件としての、トリガ信号の出力位置のフレーム番号及び画像上の位置(ライン位置及び画素位置)を指定するデータを受付ける(ステップS36)。
【0055】
CPU14は入力されたデータを基に、同期信号用メモリ21、同期信号メモリコントローラ22に対して必要な設定を行なう。
【0056】
その後、電気刺激の発生状態を変更するための条件として、例えば各フレームまたはライン上の特定の画素データの位置と、その画素データの輝度値が超えるか否かを判断するためのしきい値を設定する(ステップS37)。
【0057】
その後、上記変更するための条件を満たした場合の電気刺激を発生させるための第2の条件として、やはりトリガ信号の出力位置の番号のフレーム及び画像上の位置(ライン位置及び画素位置)を指定するデータを受付ける(ステップS38)。
【0058】
こうして2つの電気刺激を発生させるための条件と、これを切換えるための条件とを設定し終えたこととなるので、同期信号メモリコントローラ22内のカウンタを再度スタートさせ、画像の取込みを開始する(ステップS39)。
【0059】
以後、上記ステップS37で設定された位置の画素データの輝度値が設定したしきい値を超えているか否かを判断し(ステップS40)、超えていない場合には上記ステップS36で設定した、電気刺激を発生させるための第1の条件に基づいて電気刺激を発生させながら画像の取得を行ない(ステップS41)、またしきい値を超えている場合には電気刺激を発生させるための第2の条件に変更設定して電気刺激を発生させた上で(ステップS42)、やはり画像の取得を行なうことで(ステップS43)、あらかじめ操作者が設定した切換え条件に基づいて電気刺激を発生させるための条件を切換えて、観察を続行することができるもので、こうして得られる試料5内の経時変化をとらえた複数の画像は順次表示装置6で表示させると共に(ステップS44)、システムメモリ15に記憶させる(ステップS45)。
【0060】
また、上述したステップを続けない場合は、処理を終了する(ステップS46)。
【0061】
図5は、時系列で得られる図5(a)に示すような画像中の特定点位置Pの画素データの輝度値が予め設定したしきい値を超えた場合にのみ、同位置に電気刺激を発生させるべくトリガ信号を出力するように設定した場合の動作状態を例示するもので、図5(b)に示すように該輝度値がしきい値Lthを超えたと判断した時点から、下回ったと判断される時点までの間、各フレーム毎にトリガ信号を出力し続けていることがわかる。
【0062】
なお、上記ステップS37で設定する電気刺激の発生状態を変更するための条件とは、他に例えば、画像データの各フレームまたは特定ライン位置範囲での平均値、分散値などが所定のしきい値を超えるか、あるいは下回るか、などといったことを選択することができるものとする。
【0063】
このように本実施の形態によれば、測定されたフレームあるいはラインのデータから、同期信号の出力位置、出力状態を変更設定することで、測定対象の経時変化に応じて同期信号の出力条件を変更させることが可能となる。
【0064】
(第3の実施の形態)
以下本発明の第3の実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡について図面を参照して説明する。
【0065】
図6は走査型レーザ顕微鏡全体のシステム構成について示すもので、ほぼ基本的に上記図8で示したものと同様であるものとして、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【0066】
しかして、制御ユニット2には電気刺激発生器3に代えてレーザ光量調節器31が接続され、制御ユニット2はその制御を行なう。
【0067】
レーザ光量調節器31は、レーザ光源4と光学ユニット1との間に配設され、音響光学素子を用いて構成されるもので、レーザ光源4で発振されたレーザ光の光量を制御ユニット2からの制御に基づいて減衰調節した後に光学ユニット1に供給する。
【0068】
上記制御ユニット2内の構成については上記図1で示したものとほぼ同様であるものとし、同一部分には同一符号を付してその図示及び説明は省略する。
【0069】
次に、制御ユニット2内の同期信号発生回路12′の構成について図7を用いて説明する。
【0070】
同図において、同期信号発生回路12′は、同期信号用メモリ21′、クロック発生回路23、及び同期信号メモリコントローラ22から構成され、同期信号メモリコントローラ22は、その内部にクロック発生回路23からのクロックにより動作するカウンタを有するもので、この同期信号メモリコントローラ22からの信号を受けて記憶する同期信号用メモリ21′は、トリガ信号用に複数nビットのデータを記憶するもので、そのnビットのデータはD/Aコンバータ32に出力されてアナログ化され、上記レーザ光量調節器31へ供給される。
【0071】
このような構成とすれば、2次元走査面内で、任意の位置にレーザ光量調節器31によって任意の強度に調節したレーザ光を照明光として与えることが可能となる。
【0072】
なお、レーザ光量調節器31はD/Aコンバータ32でアナログ化した信号に基づいてレーザ光量を可変調節するものとして説明したが、複数bitのデジタル信号を受付けることができる外部接続機器に対しては、D/Aコンバータ32を用いず、同期信号用メモリ21′からのデジタル出力を直接送出することができる。
【0073】
また、制御ユニット2に接続する外部接続機器としては、レーザ光量調節器31に限らないことは勿論であり、本実施の形態によれば、そのような外部接続機器を時間的に正確に、且つ精細に制御することが可能になる。
【0074】
なお、本発明は上記第1乃至第3の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であるものとする。
【0075】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、各フレームあるいは各ライン毎に任意に設定でき、且つ各フレームまたは各ラインで同期信号の出力位置を画素単位で任意に設定できるため、例えば、測定対象である細胞への刺激と、細胞の特定画素位置における経時変化を正確に測定することが可能となる。
【0076】
請求項2記載の発明によれば、上記請求項1記載の発明の効果に加えて、測定された上記フレームあるいはライン上のデータに基づいて同期信号の出力位置を設定することで、測定対象の経時変化に応じて、同期信号の出力位置を変更させることが可能となる。
【0077】
請求項3記載の発明によれば、上記請求項1または2記載の発明の効果に加えて、同期信号の出力位置と出力レベルが設定できるようになり、時間的な正確さと共に、得られるデータに対応して動作する、この走査型レーザ顕微鏡に外部接続された機器を精細に制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る制御ユニット内の構成を示すブロック図。
【図2】同実施の形態に係る同期信号発生回路内の詳細な回路構成を示すブロック図。
【図3】同実施の形態に係る動作時の処理内容を示すフローチャート。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る動作時の処理内容を示すフローチャート。
【図5】同実施の形態に係る動作状態を例示する図。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡のシステム全体の構成を示すブロック図。
【図7】同実施の形態に係る同期信号発生回路内の詳細な回路構成を示すブロック図。
【図8】一般的な走査型レーザ顕微鏡のシステム全体の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1…光学ユニット
2…制御ユニット
3…電気刺激発生器
4…レーザ光源
5…試料
6…表示装置
7…入力手段
11…スキャナ波形発生回路
12,12′…同期信号発生回路
13…A/D変換回路
14…CPU
15…システムメモリ
16…画像表示回路
21,21′…同期信号用メモリ
22…同期信号メモリコントローラ
23…クロック発生回路
31…レーザ光量調節器
32…D/Aコンバータ
Claims (3)
- 水平及び垂直の少なくとも一方の走査に同期した同期信号を出力する走査型レーザ顕微鏡において、
各フレームまたは各ライン毎に任意に設定でき、且つ各フレームまたは各ライン上で同期信号の出力位置を画素単位で任意に設定できる出力位置設定手段を備えたことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 上記出力位置設定手段は、測定された上記フレームまたはライン上のデータに基づいて以降のフレームまたはライン上での同期信号の出力位置を設定されることを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。
- 上記出力位置設定手段は、出力する同期信号のレベルを可変設定することを特徴とする請求項1または2記載の走査型レーザ顕微鏡。
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