JP4478921B2 - 3D confocal laser microscope system - Google Patents

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Description

本発明は、3次元共焦点レーザ顕微鏡システムに関し、詳しくは、試料の3次元形状を超深度画像として観察するための改良に関するものである。   The present invention relates to a three-dimensional confocal laser microscope system, and more particularly to an improvement for observing a three-dimensional shape of a sample as an ultra-deep image.

共焦点顕微鏡は、試料を薄切片にすることなくスライス画像が得られ、そのスライス画像から試料の正確な3次元立体像を構築できるので、生物やバイオテクノロジーなどの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察あるいは半導体市場におけるLSIの表面観察などに使用されている(例えば、特許文献1参照)。
このような、試料の観察では、試料に対して全体に焦点の合った超深度画像(または、全焦点画像とも呼ぶ)が必要とされる場合がある。このため、試料の各焦点位置でのスライス画像を複数枚得た後、画像処理で合成して超深度画像を得る。(例えば非特許文献1参照)
The confocal microscope can obtain a slice image without making a thin section of the sample, and can construct an accurate three-dimensional stereoscopic image of the sample from the slice image. Therefore, the physiological reaction of living cells in the fields of organisms and biotechnology It is used for observation, morphology observation, or LSI surface observation in the semiconductor market (see, for example, Patent Document 1).
Such observation of a sample may require an ultra-deep image (or also called an all-focus image) that is entirely focused on the sample. For this reason, after obtaining a plurality of slice images at each focal position of the sample, they are synthesized by image processing to obtain an ultra-deep image. (For example, see Non-Patent Document 1)

特開2002−72102号公報JP 2002-72102 A 「超深度カラー3D形状測定顕微鏡VK−9500」、カタログ、株式会社キーエンス、[平成15年8月14日検索]、インターネット<URL:http://www.keyence.co.jp/microscope/product/VK9500/index.html>"Ultra-depth color 3D shape measurement microscope VK-9500", catalog, Keyence Corporation, [searched on August 14, 2003], Internet <URL: http://www.keyence.co.jp/microscope/product/ VK9500 / index.html>

は特許文献1に記載の共焦点顕微鏡の構成図である。ビデオレートカメラ1、共焦点スキャナ2、顕微鏡3、アクチュエータ4および対物レンズ5は、同じ光軸上に配置されている。共焦点スキャナ2は、多数のピンホールを持つニポウディスクと、それに対応するマイクロレンズアレイを有するもので、シンプルな光学系から成るニポウディスク方式を採用したコンパクトなアドオンタイプである。 FIG. 3 is a configuration diagram of the confocal microscope described in Patent Document 1. The video rate camera 1, the confocal scanner 2, the microscope 3, the actuator 4 and the objective lens 5 are arranged on the same optical axis. The confocal scanner 2 has a nipou disk having a large number of pinholes and a corresponding microlens array, and is a compact add-on type employing a nipou disk system composed of a simple optical system.

この共焦点スキャナ2は顕微鏡3のカメラポートに取り付けられる。共焦点顕微鏡は、レーザ光を使用して、対物レンズ5、アクチュエータ4および顕微鏡3を経由して、試料の像を共焦点スキャナ2に入力する。共焦点スキャナ2は、試料の共焦点画像を得て、ビデオレートカメラ1に入力する。   The confocal scanner 2 is attached to the camera port of the microscope 3. The confocal microscope uses a laser beam to input an image of the sample to the confocal scanner 2 via the objective lens 5, the actuator 4 and the microscope 3. The confocal scanner 2 obtains a confocal image of the sample and inputs it to the video rate camera 1.

は、図の共焦点顕微鏡が取り扱う各種信号のタイムチャートである。ビデオレートカメラ1は、共焦点画像をビデオ信号101に変換し、共焦点スキャナ2、同期インターフェイスボックス9の信号入力端子および画像処理装置6の画像入力端子にビデオ信号101を入力する。共焦点スキャナ2は、ビデオ信号101に同期して、ニポウディスクの回転同期制御を行う。 Figure 4 is a time chart of various signals handled confocal microscope of FIG. The video rate camera 1 converts the confocal image into a video signal 101, and inputs the video signal 101 to the confocal scanner 2, the signal input terminal of the synchronization interface box 9, and the image input terminal of the image processing device 6. The confocal scanner 2 performs rotation synchronization control of the Niipou disc in synchronization with the video signal 101.

画像処理装置6にビデオテープデッキを採用する場合、ビデオテープデッキは、画像入力端子から入力されるビデオ信号101と、音声入力端子から入力される開始信号103を長時間用のビデオテープに同時に記録する。ビデオテープには、リアルタイムに変化する共焦点画像と対物レンズ5の焦点位置の走査開始のタイミングが同時に記録される。   When a video tape deck is used for the image processing apparatus 6, the video tape deck records the video signal 101 input from the image input terminal and the start signal 103 input from the audio input terminal simultaneously on the video tape for a long time. To do. On the video tape, the confocal image that changes in real time and the scanning start timing of the focal position of the objective lens 5 are recorded simultaneously.

同期インターフェイスボックス9は、ビデオ信号101の偶数側パルス列または奇数側パルス列の何れか一方を抽出し、内部A信号を作成する。任意波形発生器7は、Hレベルのパルス信号であるトリガ信号102を発生し、同期インターフェイスボックス9のトリガ入力端子に入力して、焦点面の走査の開始タイミングに利用する。   The synchronous interface box 9 extracts either the even-numbered pulse train or the odd-numbered pulse train of the video signal 101 and creates an internal A signal. The arbitrary waveform generator 7 generates a trigger signal 102 which is an H level pulse signal, inputs the trigger signal 102 to the trigger input terminal of the synchronous interface box 9, and uses it for the start timing of scanning of the focal plane.

同期インターフェイスボックス9は、トリガ信号102の立下りに同期して、内部B信号を作成する。内部B信号は、Hレベルのパルス幅時間が35msec程度であり、ビデオレートカメラ1のビデオレートの時間に比して若干長いパルス信号である。同期インターフェイスボックス9は、内部A信号の反転信号と内部B信号とを論理積演算することにより、開始信号103を発生し、画像処理装置6および任意波形発生器7の同期入力端子に入力する。   The synchronization interface box 9 creates an internal B signal in synchronization with the falling edge of the trigger signal 102. The internal B signal is a pulse signal having a pulse width time of H level of about 35 msec and slightly longer than the video rate time of the video rate camera 1. The synchronous interface box 9 generates a start signal 103 by performing an AND operation on the inverted signal of the internal A signal and the internal B signal, and inputs the start signal 103 to the synchronous input terminals of the image processing device 6 and the arbitrary waveform generator 7.

画像処理装置6は、同期入力端子からの開始信号103の立上りに同期して、ビデオ信号101を画像データに変換し記録するキャプチャを開始する。同期インターフェイスボックス9は、信号入力端子からのビデオ信号101に基づいて、共焦点スキャナ2によるニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置6によるビデオ信号の取得の開始タイミング、および光学制御系による対物レンズの焦点位置の走査開始のタイミングを全て同期させる。   The image processing device 6 starts capture for converting and recording the video signal 101 into image data in synchronization with the rising edge of the start signal 103 from the synchronization input terminal. Based on the video signal 101 from the signal input terminal, the synchronization interface box 9 controls rotation synchronization of the Niipou disc by the confocal scanner 2, the start timing of acquisition of the video signal by the image processing device 6, and the objective lens of the optical control system. All the timings for starting the scanning of the focal position are synchronized.

任意波形発生器7は、開始信号103の立上りに同期して、光学制御系による対物レンズ5の焦点位置の走査を開始する。任意波形発生器7は、走査信号104を発生し、コントローラ8に入力する。走査信号104は、LレベルからHレベルまで一定時間で直線的に増加するノコギリ波状の信号である。コントローラ8は、走査信号104をアクチュエータ4に入力する。アクチュエータ信号105は実際のアクチュエータの位置信号であり、伸びきってから一気に原点に戻ったあとにオーバーシュートがあり、この間は不感帯となる。   The arbitrary waveform generator 7 starts scanning the focal position of the objective lens 5 by the optical control system in synchronization with the rise of the start signal 103. The arbitrary waveform generator 7 generates a scanning signal 104 and inputs it to the controller 8. The scanning signal 104 is a sawtooth signal that increases linearly from L level to H level in a certain time. The controller 8 inputs the scanning signal 104 to the actuator 4. The actuator signal 105 is an actual actuator position signal, and after having fully extended, there is an overshoot after returning to the origin at once, and during this time, there is a dead zone.

アクチュエータ4は、顕微鏡3の対物レンズレボルバーと対物レンズ5との間に取り付けられ、ピエゾ駆動により走査信号104のレベルに比例して画像の焦点方向の長さが変化し、対物レンズ5の焦点位置を制御する。共焦点顕微鏡は、走査信号104に基づいて、焦点面を走査することにより、試料のスライス画像を取得する。   The actuator 4 is attached between the objective lens revolver of the microscope 3 and the objective lens 5, and the length in the focal direction of the image changes in proportion to the level of the scanning signal 104 by piezo driving, and the focal position of the objective lens 5 To control. The confocal microscope acquires a slice image of the sample by scanning the focal plane based on the scanning signal 104.

このような構成によれば、ニポウディスクの回転同期制御、画像処理装置によるビデオ信号の取得の開始タイミングおよび光学制御系によるレンズの焦点位置の走査開始のタイミングが、すべてビデオ信号に同期することにより、共焦点画像の位置精度が向上し、複数のスライス画像を取得する際に個々の取得時間のバラツキがなくなるので、信頼性の高いスライス画像が得られる。   According to such a configuration, the rotation synchronization control of the Niipou disc, the acquisition timing of the video signal by the image processing device, and the scanning start timing of the focal position of the lens by the optical control system are all synchronized with the video signal, The position accuracy of the confocal image is improved, and variations in individual acquisition times are eliminated when acquiring a plurality of slice images, so that a highly reliable slice image can be obtained.

しかしながら、従来の3次元共焦点レーザ顕微鏡システムにおいて超深度画像を得ようとすると、非特許文献1に記載されたように、上述のアクチュエータなどのレンズ移動機構によりZ軸方向に対物レンズを移動させ、それぞれの焦点位置で得られたスライス画像を全て取得してから重ね合わせることにより超深度画像を作製することになる。このため、リアルタイム性に欠けるという問題があった。   However, when an ultra-deep image is obtained in a conventional three-dimensional confocal laser microscope system, the objective lens is moved in the Z-axis direction by a lens moving mechanism such as the actuator described above as described in Non-Patent Document 1. Then, all the slice images obtained at the respective focal positions are acquired and then superposed to produce an ultra-deep image. For this reason, there was a problem of lack of real-time property.

本発明は、このような従来の共焦点顕微鏡システムが有していた問題を解決しようとするものであり、対物レンズを高速に走査することによって、リアルタイムで試料の超深度画像を得ることのできる3次元共焦点レーザ顕微鏡システムを実現することを目的とするものである。   The present invention is intended to solve the problem of such a conventional confocal microscope system, and by scanning the objective lens at high speed, an ultra-deep image of the sample can be obtained in real time. The object is to realize a three-dimensional confocal laser microscope system.

本発明は次の通りの構成になった3次元共焦点レーザ顕微鏡システムである。
(1)試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記制御手段は、前記ビデオレートカメラから出力されるビデオ信号を受けて、そのビデオ信号をそのまま出力すると共に、ビデオ信号に含まれる垂直同期信号を抽出しこれを基に走査波形発生トリガ信号および画像取込トリガ信号を生成する信号制御器と、
前記試料を観察する際の対物レンズの走査周期と光軸方向の走査距離から、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を計算によって求め、それを走査波形として任意波形発生器に出力する波形計算装置と、
前記信号制御器からの走査波形発生トリガ信号を受信し、あらかじめ波形計算装置から送られ記憶した二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を発生して、アクチュエータドライバへ送る任意波形発生器と、
前記任意波形発生器から出力される走査波形信号に基づいて、前記アクチュエータを駆動するための駆動信号を発生するアクチュエータドライバからなり、
前記画像取り込みトリガ信号のパルス幅はビデオ信号に含まれる垂直同期信号の周期の2倍以上とされ、前記ビデオ信号の垂直同期信号周期内で前記走査波形信号を少なくとも1回発生することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
The present invention is a three-dimensional confocal laser microscope system configured as follows.
(1) A confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image, a video rate camera that converts the confocal image into a video signal, an image processing device that converts the video signal into image data, and a microscope An actuator for moving the focal position of the objective lens in the optical axis direction, and a control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction through the actuator, and slicing the sample in the depth direction A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire an image,
The control means receives the video signal output from the video rate camera, outputs the video signal as it is, extracts the vertical synchronization signal included in the video signal , and based on this, the scanning waveform generation trigger signal and the image A signal controller for generating an acquisition trigger signal;
From the scanning period of the objective lens when observing the sample and the scanning distance in the optical axis direction, a waveform in which the tops of the isosceles triangles are formed in a semicircular shape is obtained by calculation, and this is used as an arbitrary waveform generator as a scanning waveform. An output waveform calculation device;
Arbitrary waveform generation that receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller, generates a waveform in which the top of the isosceles triangle that has been sent from the waveform calculation device and stored in advance is formed in a semicircular shape, and is sent to the actuator driver And
An actuator driver that generates a drive signal for driving the actuator based on a scanning waveform signal output from the arbitrary waveform generator;
The pulse width of the image capture trigger signal is at least twice the period of the vertical synchronization signal included in the video signal , and the scanning waveform signal is generated at least once within the vertical synchronization signal period of the video signal. 3D confocal laser microscope system.

(2)前記走査波形は、二等辺三角形の頂部の半円部がS字制御により生成された波形であることを特徴とする(1)に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 (2) The three-dimensional confocal laser microscope system according to (1), wherein the scanning waveform is a waveform generated by S-shaped control at a semicircular portion at the top of an isosceles triangle.

(3)前記画像処理手段は、取得したスライス画像を積算または平均化することを特徴とする(1)または(2)に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 (3) The three-dimensional confocal laser microscope system according to (1) or (2), wherein the image processing means integrates or averages the acquired slice images .

本発明によれば、以下のような効果がある。 The present invention has the following effects.

請求項1の発明によれば、試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記制御手段は、前記ビデオレートカメラから出力されるビデオ信号を受けて、そのビデオ信号をそのまま出力すると共に、ビデオ信号に含まれる垂直同期信号を抽出しこれを基に走査波形発生トリガ信号および画像取込トリガ信号を生成する信号制御器と、
前記試料を観察する際の対物レンズの走査周期と光軸方向の走査距離から、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を計算によって求め、それを走査波形として任意波形発生器に出力する波形計算装置と、
前記信号制御器からの走査波形発生トリガ信号を受信し、あらかじめ波形計算装置から送られ記憶した二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を発生して、アクチュエータドライバへ送る任意波形発生器と、
前記任意波形発生器から出力される走査波形信号に基づいて、前記アクチュエータを駆動するための駆動信号を発生するアクチュエータドライバからなり、
前記画像取り込みトリガ信号のパルス幅はビデオ信号に含まれる垂直同期信号の周期の2倍以上とされ、前記ビデオ信号の垂直同期信号周期内で前記走査波形信号を少なくとも1回発生するので、カメラの撮像スピードよりも対物レンズを高速に走査しリアルタイムで試料の超深度画像を得られ、カメラの撮像スピードよりも対物レンズを高速に走査しリアルタイムで試料の超深度画像を得られ、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形でアクチュエータを駆動することにより、変位が時間的に線形となるため、試料の断面によって露光時間が均一になり、結果として得られる超深度画像の明るさ情報が正確な3次元共焦点レーザ顕微鏡システムを実現することができる。
According to the first aspect of the present invention, a confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image, a video rate camera that converts the confocal image into a video signal, and an image that converts the video signal into image data. A processing apparatus, an actuator for moving the focal position of the objective lens of the microscope in the optical axis direction, and a control means for generating a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via the actuator, A three-dimensional confocal laser microscope system configured to acquire a slice image in the depth direction of
The control means receives the video signal output from the video rate camera, outputs the video signal as it is, extracts the vertical synchronization signal included in the video signal , and based on this, the scanning waveform generation trigger signal and the image A signal controller for generating an acquisition trigger signal;
From the scanning period of the objective lens when observing the sample and the scanning distance in the optical axis direction, a waveform in which the tops of the isosceles triangles are formed in a semicircular shape is obtained by calculation, and this is used as an arbitrary waveform generator as a scanning waveform. An output waveform calculation device;
Arbitrary waveform generation that receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller, generates a waveform in which the top of the isosceles triangle that has been sent from the waveform calculation device and stored in advance is formed in a semicircular shape, and is sent to the actuator driver And
An actuator driver that generates a drive signal for driving the actuator based on a scanning waveform signal output from the arbitrary waveform generator;
The pulse width of the image capture trigger signal is set to be twice or more the period of the vertical synchronization signal included in the video signal , and the scanning waveform signal is generated at least once within the vertical synchronization signal period of the video signal. The objective lens can be scanned at a higher speed than the imaging speed to obtain an ultra deep image of the sample in real time, and the objective lens can be scanned at a higher speed than the imaging speed of the camera to obtain an ultra deep image of the sample in real time. By driving the actuator with a waveform with a semicircular top, the displacement is linear in time, so the exposure time is uniform depending on the cross section of the sample, and the brightness information of the resulting ultra-deep image However, an accurate three-dimensional confocal laser microscope system can be realized.

請求項に記載の発明によれば、走査波形を二等辺三角形の頂部の半円部がS字制御により生成された波形を用いることにより、加速度の値が一定に制限され、アクチュエータや顕微鏡筐体の振動を抑えることができる。 According to the second aspect of the present invention, the scan waveform is a waveform in which the semicircle at the top of the isosceles triangle is generated by S-shaped control, whereby the acceleration value is limited to a constant value, and the actuator or the microscope housing. The vibration of the body can be suppressed.

請求項に記載の発明によれば、像処理手段は、取得したスライス画像を積算または平均化するので、超深度画像が得られ試料の断面の明るさ情報が均一であるため、積算または平均化されていく画像をリアルタイムに観察することができる。これは、主として暗い(反射率の低い)試料を観察する場合に有効である。 According to the invention described in claim 3 , since the image processing means integrates or averages the acquired slice images, the super-deep image is obtained and the brightness information of the cross section of the sample is uniform. It is possible to observe the image that is being converted into real time. This is effective mainly when observing a dark sample (low reflectance).

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明に係る3次元共焦点レーザ顕微鏡システムの一実施例を示す構成図である。なお、図1において図4と同等部分には同一符号を付し、その説明は省略する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a three-dimensional confocal laser microscope system according to the present invention. In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図1において、10は信号制御器、11は波形計算装置、12はアクチュエータドライバ、20は試料である。
信号制御器10は、ビデオレートカメラ(以下単にカメラという)1から出力されるビデオ信号を受けて、そのビデオ信号をそのまま出力すると共に、ビデオ信号から垂直同期信号を抽出しこれを基に各種のトリガ信号を生成する。
任意波形発生器7aは、信号制御器10からの走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめ波形計算装置11から送られ記憶した二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を発生して、アクチュエータドライバ12へ送る。
In FIG. 1, 10 is a signal controller, 11 is a waveform calculator, 12 is an actuator driver, and 20 is a sample.
The signal controller 10 receives a video signal output from a video rate camera (hereinafter simply referred to as a camera) 1 and outputs the video signal as it is, and also extracts a vertical synchronization signal from the video signal, and based on this, various signals are extracted. Generate a trigger signal.
When the arbitrary waveform generator 7a receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller 10, the arbitrary waveform generator 7a generates a waveform in which the tops of the isosceles triangles sent from the waveform calculation device 11 and stored in advance are formed in a semicircular shape. To the actuator driver 12.

波形計算装置11は、試料20を観察する際の対物レンズ5の走査周期と光軸方向の走査距離から、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を計算によって求め、それを走査波形として任意波形発生器7aに出力する。
アクチュエータドライバ12は、任意波形発生器7aから出力される走査波形信号に基づいて、アクチュエータ4を駆動するための駆動信号を発生する。
なお、ここでは、波形計算装置11、任意波形発生器7a、アクチュエータドライバ12、信号制御器10から構成される部分を制御手段と呼ぶ。
The waveform calculation device 11 calculates the waveform in which the top of the isosceles triangle is formed in a semicircular shape from the scanning period of the objective lens 5 when observing the sample 20 and the scanning distance in the optical axis direction, and scans it. The waveform is output to the arbitrary waveform generator 7a.
The actuator driver 12 generates a drive signal for driving the actuator 4 based on the scanning waveform signal output from the arbitrary waveform generator 7a.
Here, a part constituted by the waveform calculation device 11, the arbitrary waveform generator 7a, the actuator driver 12, and the signal controller 10 is referred to as control means.

このような構成の動作を、図2に示す各信号のタイムチャートを参照して次に説明する。カメラ1から制御信号器10に図2の(a)に示すビデオ信号(垂直同期信号が含まれる)が送られると、信号制御器10では、そのビデオ信号をそのまま画像処理装置6へ送ると同時に、ビデオ信号から垂直同期信号を抽出して、共焦点スキャナ2へ同期信号を送ると共に、各種トリガ信号すなわち走査波形発生トリガ信号[図2の(c)]、画像取込トリガ信号[図2の(e)]を生成する。   Next, the operation of such a configuration will be described with reference to the time chart of each signal shown in FIG. When the video signal (including the vertical synchronization signal) shown in FIG. 2A is sent from the camera 1 to the control signal device 10, the signal controller 10 sends the video signal to the image processing device 6 as it is. The vertical sync signal is extracted from the video signal, and the sync signal is sent to the confocal scanner 2, and various trigger signals, that is, the scan waveform generation trigger signal [FIG. 2 (c)], the image capture trigger signal [FIG. (E)] is generated.

信号制御器10では、図2(b)に示す画像取込スタート信号を受信すると、画像取込スタート信号がLOWになった後の最初の垂直同期信号を走査波形発生トリガ信号[同図(c)]として任意波形発生器7aへ送ると共に、垂直同期信号を図2(e)に示す画像取込トリガ信号として画像処理装置6へ送る。なお、画像取込スタート信号は、操作者が上位コントローラ例えばパーソナルコンピュータから、任意のタイミングに信号制御器に入力する信号であり、そのパルス幅はビデオ信号の垂直同期信号の周期の2倍以上である。   When the signal controller 10 receives the image capture start signal shown in FIG. 2B, the signal controller 10 outputs the first vertical synchronization signal after the image capture start signal becomes LOW as the scanning waveform generation trigger signal [FIG. ]] Is sent to the arbitrary waveform generator 7a, and the vertical synchronization signal is sent to the image processing device 6 as an image capture trigger signal shown in FIG. The image capture start signal is a signal that the operator inputs to the signal controller at an arbitrary timing from a host controller such as a personal computer, and the pulse width is at least twice the period of the vertical synchronization signal of the video signal. is there.

任意波形発生器7aでは、信号制御器10から走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめ波形計算装置11から入力され記憶してある図2(d)に示す二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を発生し、これをアクチュエータドライバ12に送る。 In the arbitrary waveform generator 7a, when the scanning waveform generation trigger signal is received from the signal controller 10 , the top of the isosceles triangle shown in FIG. The formed waveform is generated and sent to the actuator driver 12.

アクチュエータ4はアクチュエータドライバ12からの駆動信号によって駆動され、図2(d)の波形に従って対物レンズ5を光軸方向に走査する。画像処理装置6では、これに同期して試料20の超深度画像を取得する。
対物レンズの走査に対してカメラ1の1フレームの撮像スピードが十分に遅いため、各焦点位置においてスキャンされた試料のスライス画像が重なった形で撮像され、画像処理装置6がビデオ信号を画像データに変換し超深度画像を得ることができる。
The actuator 4 is driven by a drive signal from the actuator driver 12 and scans the objective lens 5 in the optical axis direction according to the waveform of FIG. The image processing apparatus 6 acquires an ultra-deep image of the sample 20 in synchronization with this.
Since the imaging speed of one frame of the camera 1 is sufficiently slow with respect to the scanning of the objective lens, the slice images of the sample scanned at each focal position are captured in an overlapped manner, and the image processing device 6 converts the video signal into image data. To obtain an ultra-deep image.

以上の一連の動作において、ビデオ信号[図2(a)]の1周期(カメラ1のフレーム周期)内に、アクチュエータ4を駆動する走査波形である二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形[図2(d)]
が3つ存在する。それによって、試料の全断面が全てビデオ信号の1フレーム内に露光でき、超深度画像が1枚の画像として得られる。
二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形でアクチュエータ4を駆動することにより、変位が時間的に線形となるため、試料の断面によって露光時間が均一になり、得られる超深度画像の明るさ情報が正確になる。
In the series of operations described above, the top of an isosceles triangle that is a scanning waveform for driving the actuator 4 is formed in a semicircular shape within one period of the video signal [FIG. 2A] (frame period of the camera 1). Waveform [Fig. 2 (d)]
There are three. Thereby, the entire cross section of the sample can be exposed in one frame of the video signal, and an ultra-deep image is obtained as one image.
By driving the actuator 4 with a waveform in which the apex of the isosceles triangle is formed in a semicircular shape , the displacement becomes linear in time, so that the exposure time becomes uniform depending on the cross section of the sample, and the obtained ultra-deep image Brightness information is accurate.

尚、ビデオ信号1周期内に存在する二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形は、少なくとも1つ有ればよく、ビデオ信号の垂直同期信号周期と二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形の周期の関係は以下のようになる。
ビデオ信号の垂直同期信号周期=n×二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形の周期 (nは整数)
It should be noted that there is at least one waveform in which the top of the isosceles triangle formed in one period of the video signal is formed in a semicircle, and the vertical synchronization signal period of the video signal and the top of the isosceles triangle are in a semicircle. The relationship between the periods of the formed waveforms is as follows.
Vertical synchronization signal period of video signal = n × period of a waveform in which the top of an isosceles triangle is formed in a semicircle (n is an integer)

また、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形の折返し点において、前出の波形計算装置11が加速度の値を一定に制限するためS字制御による計算を行うことにより、アクチュエータ4や顕微鏡筐体の振動を抑えることのできる二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を生成することができる。 Further, at the turning point of the waveform in which the top of the isosceles triangle is formed in a semicircular shape, the above-described waveform calculation device 11 performs the calculation by the S-shaped control in order to limit the acceleration value to a constant value, whereby the actuator 4 In addition, it is possible to generate a waveform in which the top of an isosceles triangle that can suppress the vibration of the microscope casing is formed in a semicircular shape .

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.

本発明に係る3次元共焦点レーザ顕微鏡システムの一実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Example of the three-dimensional confocal laser microscope system which concerns on this invention. 本発明に係る各信号のタイムチャートである。It is a time chart of each signal concerning the present invention. 従来の共焦点顕微鏡の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional confocal microscope. 図3の共焦点顕微鏡が取り扱う各信号のタイムチャートである It is a time chart of each signal which the confocal microscope of FIG. 3 handles .

符号の説明Explanation of symbols

1 ビデオレートカメラ
2 共焦点スキャナ
3 顕微鏡
4 アクチュエータ
5 対物レンズ
6 画像処理装置
7a 任意波形発生器
10 信号制御器
11 波形計算装置
12 アクチュエータドライバ
20 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Video rate camera 2 Confocal scanner 3 Microscope 4 Actuator 5 Objective lens 6 Image processing apparatus 7a Arbitrary waveform generator 10 Signal controller 11 Waveform calculation apparatus 12 Actuator driver 20 Sample

Claims (3)

試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、前記共焦点画像をビデオ信号に変換するビデオレートカメラと、前記ビデオ信号を画像データに変換する画像処理装置と、顕微鏡の対物レンズの焦点位置を光軸方向に移動するアクチュエータと、このアクチュエータを介して前記対物レンズを光軸方向に走査するための走査波形信号を発生する制御手段を備え、試料の深さ方向のスライス画像を取得することができるように構成した3次元共焦点レーザ顕微鏡システムであって、
前記制御手段は、前記ビデオレートカメラから出力されるビデオ信号を受けて、そのビデオ信号をそのまま出力すると共に、ビデオ信号に含まれる垂直同期信号を抽出しこれを基に走査波形発生トリガ信号および画像取込トリガ信号を生成する信号制御器と、
前記試料を観察する際の対物レンズの走査周期と光軸方向の走査距離から、二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を計算によって求め、それを走査波形として任意波形発生器に出力する波形計算装置と、
前記信号制御器からの走査波形発生トリガ信号を受信し、あらかじめ波形計算装置から送られ記憶した二等辺三角形の頂部が半円状に形成された波形を発生して、アクチュエータドライバへ送る任意波形発生器と、
前記任意波形発生器から出力される走査波形信号に基づいて、前記アクチュエータを駆動するための駆動信号を発生するアクチュエータドライバからなり、
前記画像取り込みトリガ信号のパルス幅はビデオ信号に含まれる垂直同期信号の周期の2倍以上とされ、前記ビデオ信号の垂直同期信号周期内で前記走査波形信号を少なくとも1回発生することを特徴とする3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。
A confocal scanner that acquires a slice image of a sample as a confocal image, a video rate camera that converts the confocal image into a video signal, an image processing device that converts the video signal into image data, and an objective lens of a microscope An actuator that moves the focal position in the optical axis direction and a control means that generates a scanning waveform signal for scanning the objective lens in the optical axis direction via this actuator, and obtains a slice image in the depth direction of the sample A three-dimensional confocal laser microscope system configured to be able to
The control means receives the video signal output from the video rate camera, outputs the video signal as it is, extracts the vertical synchronization signal included in the video signal , and based on this, the scanning waveform generation trigger signal and the image A signal controller for generating an acquisition trigger signal;
From the scanning period of the objective lens when observing the sample and the scanning distance in the optical axis direction, a waveform in which the tops of the isosceles triangles are formed in a semicircular shape is obtained by calculation, and this is used as an arbitrary waveform generator as a scanning waveform. An output waveform calculation device;
Arbitrary waveform generation that receives the scanning waveform generation trigger signal from the signal controller, generates a waveform in which the top of the isosceles triangle that has been sent from the waveform calculation device and stored in advance is formed in a semicircular shape, and is sent to the actuator driver And
An actuator driver that generates a drive signal for driving the actuator based on a scanning waveform signal output from the arbitrary waveform generator;
The pulse width of the image capture trigger signal is at least twice the period of the vertical synchronization signal included in the video signal , and the scanning waveform signal is generated at least once within the vertical synchronization signal period of the video signal. 3D confocal laser microscope system.
前記走査波形は、二等辺三角形の頂部の半円部がS字制御により生成された波形であることを特徴とする請求項1に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。 The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 1, wherein the scanning waveform is a waveform generated by S-shaped control at a semicircular portion at the top of an isosceles triangle. 前記画像処理手段は、取得したスライス画像を積算または平均化することを特徴とする請求項1に記載の3次元共焦点レーザ顕微鏡システム。   The three-dimensional confocal laser microscope system according to claim 1, wherein the image processing unit integrates or averages the acquired slice images.
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