JP4812276B2 - 光検出回路および該光検出回路を備えたレーザ顕微鏡 - Google Patents
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Description
図11に示すレーザー顕微鏡では、レーザー光源101から出射したレーザー光が、ビームスプリッター102を透過した後、2次元走査機構103に入射する。2次元走査機構103は、第1の光スキャナ103aと第2の光スキャナ103bとを有し、光束を2次元に走査し、対物レンズ107へと導く。対物レンズ107へ入射した光束は、集束光となって試料108の表面上を走査する。
ここで、対物レンズ107による集光位置は、ピンホール110と光学的に共役な位置にあり、試料108が対物レンズ107による集光位置にある場合は、試料108からの反射光がピンホール110上で集光してピンホール110を通過する。試料108が対物レンズ107による集光位置からずれた位置にある場合は、試料108からの反射光はピンホール110上では集光せず、ピンホール110を通過しない。
図12に示すように、試料108が対物レンズ107の集光位置Z0にある場合、光検出器111の出力は最大となり、この位置から対物レンズ107と試料108の相対位置が離れるに従い光検出器111の出力は急激に低下する。
すなわち、本発明の光検出回路は、試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、上記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第1の増幅手段と、上記光検出手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、上記第1の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で、上記オフセット手段からオフセットが与えられた光検出手段からの出力信号を増幅する第2の増幅手段と、上記第2の増幅手段からの出力信号を整流する整流手段と、上記第1の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号とを演算する加減算手段と、上記加減算手段が出力する出力信号から、上記整流手段からの出力信号分を除去できる信号除去手段とを備えたことを特徴とする。
なお、上記の構成では、上記整流手段は、上記第2の増幅手段からの出力信号のうち正または負の信号のどちら一方のみを通過するように加工することが望ましい。
また、上記加減算手段は、上記第1の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号を加算または減算することが望ましい。
任意に可変することが望ましい。
また、上記加減算手段は、上記第1の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号との演算を有効/無効とする切換手段を更に備えていることが望ましい。
また、本発明によれば、輝度差が大きい試料であっても光検出ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
図1乃至図3を用いて本発明の第1の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用したレーザー顕微鏡(走査型共焦点レーザー顕微鏡)の構成を示すブロック図である。
レーザー光源6は、試料11の表面を走査するスポット光としてのレーザー光を発生させるためのものであり、ミラー7は、このレーザー光源6からのレーザー光を2次元走査機構5に導くための反射鏡である。2次元走査機構5は、ミラー7を介して得たレーザー光源6からのレーザー光を2次元走査するための機構である。これは、2次元走査制御回路4の制御のもとにスポット光をXY走査し、例えば、X軸方向走査用の共振スキャナとY軸方向走査用のガルバノスキャナとを有していて、これら共振スキャナ、ガルバノスキャナをそれぞれX軸方向、Y軸方向に振ることで対物レンズ10に対するスポット光の光路をXY方向に振らせることができる。
本発明を適用した光検出回路は、光検出器15および増幅器16とにより構成される。
光検出器15は、試料11からの光を検出して光電変換する。前記光検出器15からの出力信号は、第1のリニア増幅器20及び第2のリニア増幅器21に入力され、第1のリニア増幅器20において所定の増幅率(ゲインG1)で増幅し、第2のリニア増幅器21においてゲインG1より小さい増幅率(ゲインG2)(G1>G2)で増幅する。そして、第2のリニア増幅器21にはオフセット電圧が加えられている。
図1乃至図3を用いて説明した増幅器は、暗部のS/Nの低下を招かずに入力ダイナミックレンジを拡大させる。図3を用いてその過程を説明する。図3の横軸は入力電圧であり、縦軸は出力電圧を示す。試料11には様々なものが存在するが、特に高コントラスト(明部と暗部の輝度差が大きい)のある試料の観察をする場合を例に挙げる。図3中のAは第1のリニア増幅器20の出力信号を示している。同様に、Bは第2のリニア増幅器21、Cは加減算回路23の出力信号をそれぞれ示している。これは以降でも同様である。
本発明の第2の実施の形態を適用したレーザー顕微鏡(走査型共焦点レーザー顕微鏡)は、図1を用いて説明した第1の実施の形態と同様の構成であるが、光検出器15に感度可変型の光センサを用いている点が異なっている。
対物レンズ10による集光位置は、ピンホール14と光学的に共役な位置にある。そして、試料11が対物レンズ10による集光位置にある場合は、試料11からの反射光がピンホール14上で集光し、ピンホール14を通過するのに対して、試料11が対物レンズ10による集光位置からずれた位置にある場合は、試料11からの反射光はピンホール14上では集光しておらず、ピンホール14を通過しない。つまり、試料11が対物レンズ10の集光位置にある場合に、光検出器15の出力は最大となり、この位置から対物レンズ10と試料11の相対位置が離れるに従い光検出器15の出力は急激に低下する。
まず、試料11の光検出信号範囲が0〜V1に収まるようなものであると仮定する。そして、増幅器16の作用は第1の実施の形態と同様である。つまり、入力電圧はV2のレベルまで取得することが可能となっている。
また、リニア特性を利用することと折れ線特性を利用することの切り換えが可能である。すなわち、加減算回路23に有効/無効にする機能を設けることで、従来のように第1のリニア増幅器20のみを使用することもできる。
図5は、リニア増幅器のみを用いた場合と対数アンプを用いた場合の入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。
第1の実施の形態として上述したように、ゲインの異なる系は、整流回路により閾値(例えば、入力レベル3)を超えることにより信号が出るので、加減算回路の出力は、閾値以上の領域において演算(リニア)−(半波整流)となり、暗部のS/Nを変えることなく、全体のゲインが下がることになる。また、この分だけ入力ダイナミックレンジが明るい方に広がる。
異なる閾値とゲインの信号系(リニア増幅器、オフセット電圧、半波整流器)をさらに並列に追加して複数段にすることで、折れ点が複数設定でき、対数アンプの伝達特性にも近似させることができる。
本発明の第3の実施の形態を適用したレーザー顕微鏡は、上記第2の実施の形態と同様の構成である。このため、第2の実施の形態から異なる部分についてのみ説明する。
第1のリニア増幅器20が出力する出力信号には上限が存在する。その上限による飽和が生じると、図8中のAに示すように、入力信号の電圧値が大きくなっても出力信号の電圧値は変化しなくなる。しかし、そうなっても、加減算回路23は第1のリニア増幅器20による出力信号から第2のリニア増幅器21による出力信号を減算するので、図8中のCに示すように、加減算回路23の出力信号の電圧値は、第1のリニア増幅器20の出力信号が上限によって飽和した以降、入力信号の電圧値が大きくなるほど小さくなる。それにより、その上限に達したところから、試料11の輝度がより高くなるにつれてその輝度が低下していくように画像が表示されることになる。これは、図8中のDに示すように、光検出器15のゲインをより大きくなる方向に変更しても同じである。第3の実施の形態は、このような理由による悪影響を抑えるようにしたものである。
半波整流回路22が出力する出力信号は、加減算回路23の他に、反転バッファ26に入力される。その反転バッファ26には更に飽和検出電圧が入力される。反転バッファ26は、飽和検出電圧から、半波整流回路22が出力した出力信号を減算して得られる差分(=飽和検出電圧−出力信号)を半波整流回路25に出力する。その半波整流回路25は、反転バッファ26からの出力信号(差分)における負の領域の部分を加減算回路23に出力する。その加減算回路23は、第1のリニア増幅器20よりの出力信号から半波整流回路22よりの出力信号を減算し、その減算結果に半波整流回路25よりの出力信号を減算する。飽和検出電圧は、例えば顕微鏡制御回路18によって任意に設定できるようになっている。
試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、
前記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第1の増幅手段と、
前記第1の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で前記光検出手段からの出力信号を増幅して整流後の出力信号を出力する第2の増幅手段と、
前記第2の増幅手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、
前記オフセット手段によりオフセットが与えられる前記第2の増幅手段からの出力信号と前記第1の増幅手段からの出力信号とを加算、又は減算する加減算手段と、
を備えたことを特徴とする光検出回路。
前記加減算手段が出力する出力信号から、前記第2の増幅手段からの出力信号分を除去できる、ことを特徴とする付記1に記載の光検出回路。
前記第1の増幅手段が出力する出力信号が所定レベルを超えてから前記第2の増幅手段が出力する出力信号に生じた増加分に相当する出力信号を出力する信号出力手段を備え、
前記第1の増幅手段が出力する出力信号が前記所定レベルを超えた場合に、前記信号出力手段が出力する出力信号を用いた加算、又は減算を前記加減算手段に併せて行わせることにより、前記加減算手段が出力する出力信号から、前記第2の増幅手段からの出力信号分を除去する、ことを特徴とする付記2に記載の光検出回路。
2 コンピュータ
3 モニタ
4 2次元走査制御回路
5 2次元走査機構
6 レーザー光源
7 ミラー
8 ハーフミラー
9 レボルバ
10 対物レンズ
11 試料
12 ステージ
13 レンズ
14 ピンホール板
15 光検出器
16 増幅器
17 Z軸移動制御回路
18 顕微鏡制御回路
19 画像入力回路
20 第1のリニア増幅器
21 第2のリニア増幅器
22、25 半波整流回路
23 加減算回路
26 反転バッファ
Claims (8)
- 試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、
前記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第1の増幅手段と、
前記光検出手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、
前記第1の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で、前記オフセット手段からオフセットが与えられた前記光検出手段からの出力信号を増幅する第2の増幅手段と、
前記第2の増幅手段からの出力信号を整流する整流手段と、
前記第1の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号とを演算する加減算手段と、
前記加減算手段が出力する出力信号から、前記整流手段からの出力信号分を除去できる信号除去手段と、
を備えたことを特徴とする光検出回路。 - 前記整流手段は、前記第2の増幅手段からの出力信号のうち正または負の信号のどちらか一方のみを通過するように加工することを特徴とする請求項1に記載の光検出回路。
- 前記加減算手段は、前記第1の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号を加算または減算することを特徴とする請求項1に記載の光検出回路。
- 前記オフセット手段は、前記光検出手段からの出力信号に対し徐々に大きくなるようオフセットを与える複数のオフセット部を備え、
前記第2の増幅手段は、前記複数のオフセット部からの各出力信号に対しそれぞれ徐々に小さくなるような増幅率を有する複数の増幅部を備え、
前記整流手段は、前記複数の増幅部のそれぞれに対応する複数の整流部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光検出回路。 - 前記オフセット手段が与えるオフセット値および前記第2の増幅手段の増幅率を任意に可変することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の光検出回路。
- 前記信号除去手段は、前記第1の増幅手段が出力する出力信号が所定レベルを超えた場合に、該所定レベルを超えてから該整流手段が出力する出力信号に生じた増加分を前記加減算手段が出力する出力信号から除去する、ことを特徴とする請求項1に記載の光検出回路。
- 前記加減算手段は、前記第1の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号との演算を有効/無効とする切換手段を更に備えていることを特徴とする請求項1に記載の光検出回路。
- 請求項1乃至7の何れか1項に記載の光検出回路を備えたことを特徴とするレーザー顕微鏡。
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