JP4854879B2 - Scanning laser microscope and image acquisition method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー光を対物レンズにより集光して試料上に光スポットを結ばせ、試料からの蛍光を光検出器で検出する走査型レーザー顕微鏡及びその画像取得方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
走査型レーザー顕微鏡は、レーザー光を対物レンズにより集光して標本(以下試料と称する)上に光スポットを結ばせ、試料からの蛍光を光検出器で検出している。走査型レーザー顕微鏡では、使用される蛍光色素に合わせて試料に照射するレーザー光の波長を複数種類用意し、かつ、レーザー光と蛍光波長に合わせてダイクロイックミラーを複数種類用意している。蛍光色素に対応して、レーザー光の波長及びダイクロイックミラーを切り換えて画像取得している。
【0003】
ここでダイクロイックミラーの切り換えの際、一般に、各ダイクロイックミラーの角度成分の誤差により走査位置にずれが生じるため、通常、ダイクロイックミラ一の切り換え前後の画像には位置ずれが発生してしまう。このため、多重染色蛍光標本の観察においては、蛍光色素毎に画像を重ねて表示する際に蛍光色素毎に蛍光画像位置がずれてしまい、正確な観察ができない。また、取得した画像を後で重ねる場合も、蛍光色素毎に試料内で蛍光が出ている部位が異なるため正確に重ね合せることが困難である。
【0004】
特開平11−52252号には、この問題を解決する蛍光顕微鏡(走査型レーザー顕微鏡)が開示されている。特開平11−52252号の装置では、各ダイクロイックミラー毎の画像ずれ量を予め求めて記憶手段に記憶させておき、そのずれ量の情報に基づいて、各ダイクロイックミラー毎に走査ミラーの走査波形を変更制御したり、光検出のサンプリングのタイミングを変更制御したり、試料を搭載したステージの位置を変更制御したりすることにより、ダイクロイックミラー切り換え時の蛍光画像の位置ずれを補正している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特開平11−52252号の走査型レーザー顕微鏡では、実際に基準となる図形パターン等の画像で各ダイクロイックミラー毎の画像を取得して画像ずれ量を求めて、装置に情報を記憶させるという調整工程が必要である。しかし、後々、使用するレーザー光源や蛍光色素が追加になり、新しくダイクロイックミラーを追加する場合、上記調整工程を必ず行わなければならず、非常に面倒である。
【0006】
さらに、出荷時にわかっているダイクロイックミラーに対してはこの調整工程を製造メーカーが出荷時または納品の装置セットアップ時に行うことができるが、前述したようにダイクロイックミラーが、納品後しばらく経過してから、ユーザー自身で追加される場合は、装置を使用しているユーザー自身で調整を行うことになり、調整ミスが生じたり、調整を忘れたりしてしまう恐れがある。これらの調整不良(調整ミスや調整忘れ)のまま装置を使用した場合、正確な多重染色画像の観察ができない。
【0007】
また、走査ミラーの波形制御の変更や光検出のサンプリングのタイミングの変更等は装置を複雑化するため信頼性に疑問がある。
【0008】
本発明はこのような不具合を解決するために成されたものであり、その目的は、複雑な調整工程や複雑な制御を必要としない簡単な構成でありながら、複数の蛍光色素画像が位置ずれなく重ねられた画像を取得し得る走査型レーザー顕微鏡及びその画像取得方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明はひとつには走査型レーザー顕微鏡であり、複数種類の波長のレーザー光を発振するレーザー光源手段と、前記複数種類の波長のレーザー光の中から少なくとも一種類の波長のレーザー光を選択するためのレーザー光選択手段と、前記レーザー光を試料に集光する対物レンズと、前記レーザー光を試料上で走査する走査手段と、前記レーザー光を試料に照射することにより前記試料から発生する蛍光と前記レーザー光を分離する特性を有し、選択するレーザー光の波長に対応して切り換え可能に保持された波長特性の異なる複数のダイクロイックミラーと、前記試料からの蛍光を対物レンズを介して検出する蛍光検出手段と、前記試料を透過した前記レーザー光を検出する透過光検出手段を備えた走査型レーザー顕微鏡において、前記レーザー光選択手段で選択するレーザー光を切り換え、その波長に対応させて前記複数のダイクロイックミラーを切り換えるとともに、切り換えられる前記レーザー光および前記ダイクロイックミラーの各々に対して、蛍光画像を前記蛍光検出手段により取得すると同時に、前記試料を透過した透過光による透過光画像を前記透過光検出手段により取得し、前記レーザー光毎に取得された透過光画像を画像処理することにより、前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれ量を求め、このずれ量に基づいて前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれを補正して表示する制御手段を備えたことを特徴とする。
【0010】
本発明はひとつには走査型レーザー顕微鏡の画像取得方法であり、複数種類の波長のレーザー光を発振するレーザー光源手段と、前記複数種類の波長のレーザー光の中から少なくとも一種類の波長のレーザー光を選択するレーザー光選択手段と、前記レーザー光を試料に集光する対物レンズと、前記レーザー光を試料上で走査する走査手段と、前記レーザー光を試料に照射することにより前記試料から発生する蛍光と前記レーザー光を分離する特性を有し、選択するレーザー波長に対応して切り換え可能に保持された波長特性の異なる複数のダイクロイックミラーと、前記試料からの蛍光を前記対物レンズを介して検出する蛍光検出手段と、前記試料を透過した前記レーザー光を検出する透過光検出手段を備えた走査型レーザー顕微鏡の画像取得方法において、前記レーザー光選択手段で選択するレーザー光を切り換え、その波長に対応させて前記複数のダイクロイックミラーを切り換え、切り換えられる前記レーザー光および前記ダイクロイックミラーの各々に対して、蛍光画像を前記蛍光検出手段により取得すると同時に、前記試料を透過した透過光による透過光画像を前記透過光検出手段により取得し、前記レーザー光毎に取得された透過光画像を画像処理することにより、前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれ量を求め、このずれ量に基づいて前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれを補正して表示することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【0012】
第一実施形態
本実施形態の走査型レーザー顕微鏡は、図1において、蛍光を励起するためのレーザー光を射出するためのレーザー光射出手段と、レーザー光を集光して試料に照射するための集光光学系と、レーザー光を試料上で走査するためのXYガルバノミラー6と、試料から発生する蛍光とレーザー光とを分離するための励起ダイクロイックミラーユニット5と、試料からの蛍光を検出するための蛍光検出手段と、試料を透過したレーザー光を検出するための透過光検出手段とを備えている。
【0013】
レーザー光射出手段は、複数種類の波長のレーザー光を選択的に出力し得るレーザー光源部1と、光源部1から出力されるレーザー光を伝送するための光ファイバー3と、光ファイバー3の端面から射出されるレーザー光を平行化するコリメートレンズ4とを有している。
【0014】
レーザー光源部1は、複数種類の波長のレーザー光を発振するアルゴン(Ar)レーザー1aと、Arレーザー1aから発せられる複数種類の波長のレーザー光の中から少なくとも一種類の波長のレーザー光を選択するための音響光学素子(AOTF)2とを有している。
【0015】
Arレーザー1aは、458nmと488nmと515nmの波長のレーザー光を同時に発振する。AOTF2は、これに入力される音波の波長に従って、前述の三種類の波長のレーザー光の中から少なくとも一種類の波長のレーザー光を選択し得る。言い換えれば、AOTF2は、前述の三種類の波長のレーザー光の中から任意の組合せのレーザー光を選択し得る。
【0016】
レーザー光射出手段は、このように選択され、光ファイバー3を通りコリメートレンズ4を介して平行化されたレーザー光をダイクロイックミラーユニット5に向けて射出する。
【0017】
励起ダイクロイックミラーユニット5は、モーター5eによって回転駆動されるターレット5fを有しており、ターレット5fには、二つの励起ダイクロイックミラー5a、5bと他の種類の励起ダイクロイックミラーを追加装着するための孔5cとが同心円上に設けられている。
【0018】
励起ダイクロイックミラー5aは、図2に示されるように、波長458nmの光を反射し、波長458nmの光により励起された試料から発せられる458nmより長い波長域の蛍光を透過させる特性を有している。励起ダイクロイックミラー5bは、図3に示されるように、波長515nmの光を反射し、波長515nmにより励起された試料から発せられる515nmより長い波長域の蛍光を透過させる特性を有している。
【0019】
励起ダイクロイックミラー5a、5bは、ターレット5fをモーター5eで回転駆動させることにより、レーザー光射出手段から射出されるレーザー光の波長に応じて選択的に光路上に配置される。
【0020】
XYガルバノミラー6は、互いに異なる(例えば直交する)二本の軸周りに揺動可能な二つの反射面を有しており、励起ダイクロイックミラーユニット5で反射されたレーザー光を走査する。
【0021】
集光光学系は、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9とを有しており、XYガルバノミラー6を経由したレーザー光を集光して試料(二重染色試料)10に照射する。
【0022】
なお、試料10は、458nmで励起される蛍光蛋白CFPと515nmで励起される蛍光蛋白YFPとで染色されている(蛍光蛋白CFPやYFPは、試料となる細胞内で蛍光を発する遺伝子を発現させているため、正確に言えば染色とは異なるが、一般的な蛍光試料の場合、試料は蛍光試薬で染色するとを言うため、ここでは、それらを総称する意味でCFPやYFPの場合も、試料に染色されると言った表現を用いるものとする。)。CFPの蛍光波長特性41cとYFPの蛍光波長特性41yはそれぞれ図4に示されるとおりである。
【0023】
レーザー光の照射により試料10から発生した蛍光は、集光光学系とXYガルバノミラー6を通過し、選択されたレーザー光の波長と試料10からの蛍光波長とに応じて光路上に配置された励起ダイクロイックミラーを透過し、レーザー光から分離される。
【0024】
蛍光検出手段は、励起ダイクロイックミラーユニット5を通過した蛍光を反射するミラー13と、蛍光を収束するための共焦点レンズ14と、対物レンズ9と共役な位置に配置されたピンホール15と、ピンホール15を通過した蛍光を分光するための分光ダイクロイックミラーユニット16と、一対のバンドパスフィルター17a,17bと、一対の蛍光検出器18a,18bとを有している。
【0025】
ピンホール15は、集光光学系と共焦点レンズ14とで構成される光学系に関して試料10と共焦点の関係に配置されており、励起ダイクロイックミラ一の切り換え時の角度誤差による結像位置ずれを補正するために、XY電動ステージ15aによって光軸に直交する平面内を移動され得る。
【0026】
分光ダイクロイックミラーユニット16は、モーター16eによって回転駆動されるターレット16fを有しており、ターレット16fには、分光ダイクロイックミラー16aと反射ミラー16bと空孔16cとが同心円上に設けられている。
【0027】
分光ダイクロイックミラー16aは、図5に示されるように、520nmの波長の光に対して50%の透過率を有し、それよりも短波長の光を反射し、それよりも長波長を透過する特性を有している。これにより、分光ダイクロイックミラー16aは、試料10から発するCFPの蛍光を反射し、試料10から発するYFPの蛍光を透過させる。
【0028】
分光ダイクロイックミラー16aと反射ミラー16bと空孔16cは、ターレット16fをモーター16eで回転駆動させることにより選択的に光路上に配置可能である。本実施形態では、常時、分光ダイクロイックミラー16aが光路上に配置される。
【0029】
バンドパスフィルター17aは、図6に実線で示されるように、CFPの蛍光を励起するための458nmの波長のレーザー光をカットし、CFPの蛍光波長範囲の光を透過させる特性を有している。つまり、バンドパスフィルター17aはCFPの蛍光を選択的に透過させる。蛍光検出器18aはバンドパスフィルター17aを透過したCFPの蛍光を検出する。
【0030】
バンドパスフィルター17bは、図6に破線で示されるように、YFPの蛍光を励起するための515nmの波長のレーザー光をカットし、YFPの蛍光波長範囲を透過させる特性を有している。つまり、バンドパスフィルター17bはYFPの蛍光を選択的に透過させる。蛍光検出器18aはバンドパスフィルター17bを透過したYFPの蛍光を検出する。
【0031】
ここで、画像ずれを嫌って励起ダイクロイックミラー5a、5bを図7に示されるような458nmと515nmを反射する二重励起タイプのものを用いたと仮定する。この場合、長波長側は530nm位まで取得したいCFPの蛍光のうち、505nmないし525nmの波長範囲で50%以上が励起ダイクロイックミラーでカットされてしまう。しかし、本実施形態のように二重励起タイプでないものを用いると、長波長側は分光ダイクロイックミラー16aの反射特性で決まるため、520nmまでは50%以上蛍光を取得することが可能で、明るい蛍光観察が可能となる。
【0032】
透過光検出手段は、レンズ11と透過光検出器12を有しており、試料10に対して集光光学系の反対側に配置されている。レンズ11は試料10を透過した光を拾い、透過光検出器12はレンズ11に入った透過光を検出する。
【0033】
この透過光検出手段は、蛍光染色された細胞標本の全体像である細胞骨格を観察するために、市販されている蛍光観察用の走査型レーザー顕微鏡に付属されている。蛍光色素は例えば細胞内の核や微小管といった一部の部位に標識して使用するため、蛍光画像のみでは細胞の全体像を把握することができない。透過光検出手段は、このように蛍光画像では把握できない細胞の全体像を把握するために用意されている。透過光検出手段には、細胞の透過像をコントラスト良く観察されるため、ノマルスキー観察を適用してもよい。
【0034】
走査型レーザー顕微鏡は、図1に示されるように、さらに、制御装置19と表示手段20とを備えている。制御装置19は、励起ダイクロイックミラーユニット5の回転駆動制御、分光ダイクロイックミラーユニット16の回転駆動制御、AOTF2の制御、ピンホール15のXY電動ステージ15aの移動制御、XYガルバノミラー6の駆動制御、蛍光検出器18a,18b及び透過光検出器12の出力をXYガルバノミラー6の駆動に同期して取り込む制御を行なう。表示手段20は、各蛍光検出器18a,18bで検出された蛍光画像を各蛍光毎に擬似カラーをつけて重ねて表示する。
【0035】
制御装置19は、レーザー光射出手段から複数種類の波長のレーザー光を切り換えて射出させ、そのレーザー光に対応する励起ダイクロイックミラーが光路上に配置されるように励起ダイクロイックミラーユニット5を切り換えるとともに、切り換えて射出されるレーザー光の各々に対して、試料10から発生する蛍光を蛍光検出手段で検出して蛍光画像を取得すると同時に試料10を透過した光を透過光検出手段で検出して透過光画像を取得し、得られた複数の透過光画像に基づいて複数の蛍光画像の位置ずれ量を求め、このずれ量に基づいて複数の蛍光画像の位置ずれを補正して表示手段20に複数の蛍光画像を重ねて表示させる制御を行う。
【0036】
次に上記構成の走査型レーザー顕微鏡の動作について説明する。本実施形態では、分光ダイクロイックミラーユニット16の中の分光ダイクロイックミラー16aを光路上に配置させる。図示しないPC(パーソナルコンピューター)等により走査開始の指令を制御装置19に入力し、二種類の蛍光蛋白に対応する二重染色蛍光画像を、制御装置19の指令で458nmの波長のレーザー光と515nmの波長のレーザー光の走査に同期して切り換えて二種類の蛍光を時分割で取得する。
【0037】
このため、第一の工程においてCFPの蛍光画像を取得するとともにその励起光である波長458nmの透過光画像を取得し、第二の工程においてYFPの蛍光画像を取得するとともにその励起光である波長515nmの透過光画像を取得し、第三の工程において取得した二枚の透過光画像に基づいて二枚の蛍光画像の位置ずれを補正する。
【0038】
第一の工程では、制御装置19により以下の制御を行う。励起ダイクロイックミラーユニット5を回転制御して、励起ダイクロイックミラー5aを光路上に配置する。XY電動ステージ15aを駆動して、励起ダイクロイックミラー5aに対応するピンホール位置にピンホール15を配置させる。AOTF2を制御して、Arレーザー1aから発せられるレーザー光のうち、458nmの波長のレーザー光を選択的にファイバー3に入射させる。
【0039】
ファイバー3に入射したレーザー光はその内部を伝わり、ファイバー3の端面から射出され、コリメートレンズ4により平行光に変換される。波長458nmのレーザー光は、励起ダイクロイックミラー5aで反射され、XYガルバノミラー6を通過し、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9を経て試料10に照射され、試料10上に光スポットを結ぶ。この光スポットはXYガルバノミラー6により試料上を二次元的に走査される。
【0040】
波長458nmのレーザー光の照射により試料10から発生したCFPの蛍光は、レーザー光の照射経路を逆行し、励起ダイクロイックミラー5aに達し、これを透過する。励起ダイクロイックミラー5aを透過したCFPの蛍光は、ミラー13で反射され、共焦点レンズ14により収束されてピンホール15を通過し、分光ダイクロイックミラー16aで反射され、CFP用バンドパスフィルター17aを透過し、蛍光検出器18aで検出される。
【0041】
また、試料10に光スポットを結んだ波長458nmのレーザー光は試料10を透過して、レンズ11を介して透過光検出器12で検出される。
【0042】
XYガルバノミラー6により一枚の画像に対応する範囲を走査しながら蛍光検出器18aでCFPの蛍光を検出することによりCFPの蛍光画像が得られる。これと同時に透過光検出器12で波長458nmの透過光を検出することにより、CFPの蛍光画像に対応する、波長458nmの透過光画像が同時に得られる。
【0043】
第二の工程では、制御装置19により以下の制御を行う。励起ダイクロイックミラーユニット5を回転制御して、励起ダイクロイックミラー5bを光路上に配置する。XY電動ステージ15aを駆動して、励起ダイクロイックミラー5bに対応するピンホール位置にピンホール15を配置させる。AOTF2を制御して、Arレーザー1aから発せられるレーザー光のうち、515nmの波長のレーザー光を選択的にファイバー3に入射させる。
【0044】
ファイバー3に入射したレーザー光はその内部を伝わり、ファイバー3の端面から射出され、コリメートレンズ4により平行光に変換される。波長515nmのレーザー光は、励起ダイクロイックミラー5bで反射され、XYガルバノミラー6を通過し、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9を経て試料10に照射され、試料10上に光スポットを結ぶ。この光スポットはXYガルバノミラー6により試料上を二次元的に走査される。
【0045】
波長515nmのレーザー光の照射により試料10から発生したYFPの蛍光は、レーザー光の照射経路を逆行し、励起ダイクロイックミラー5bに達し、これを透過する。励起ダイクロイックミラー5bを透過したYFPの蛍光は、ミラー13で反射され、共焦点レンズ14により収束されてピンホール15を通過し、分光ダイクロイックミラー16aを透過し、YFP用バンドパスフィルター17bを透過し、蛍光検出器18bで検出される。
【0046】
また、試料10に光スポットを結んだ波長515nmのレーザー光は試料10を透過して、レンズ11を介して透過光検出器12で検出される。
【0047】
XYガルバノミラー6により一枚の画像に対応する範囲を走査しながら蛍光検出器18bでYFPの蛍光を検出することによりYFPの蛍光画像が得られる。これと同時に透過光検出器12で波長515nmの透過光を検出することにより、YFPの蛍光画像に対応する、波長515nmの透過光画像が同時に得られる。
【0048】
このように時分割により得られる二種類の蛍光画像は、切り換えられる二枚の励起ダイクロイックミラー5a,5bの角度誤差のために、通常、それらの位置は互いにずれている。
【0049】
第三の工程では、この位置ずれを補正するために、制御装置19により以下の制御を行う。第一の工程で取得した透過光画像と第二の工程で取得した透過光画像を画像処理して、二枚の蛍光画像の位置ずれ量を求める。そのずれ量に基づいて、第一の工程で取得したCFPの蛍光画像と第二の工程で取得したYFPの蛍光画像の位置ずれを補正し、これらを表示手段20に重ねて表示する。
【0050】
位置ずれ量を求めるための画像処理の手法としては、例えば、二枚の透過光画像に対してコントラストが最も高いパターンをそれぞれ見つけて、それらの位置から位置ずれ量を求める手法や、画像間で画素をずらしながら減算を行い、減算した各画素全体の輝度の絶対値が最も低くなる画素位置を求めて位置ずれ量を求める手法等が考えられる。
【0051】
二枚の蛍光画像の端の領域は、両者の位置ずれのために、必ずしも両方の画像に共通に取得されていない。表示手段20には、このような端の領域が除かれた、二枚の蛍光画像に共通に取得されている領域のみが表示されることが望ましい。例えば、図8に示されるように、画素数512×512の二枚の蛍光画像において、水平方向に20画素分、垂直方向に10画素分ずれている場合、両者に共通に取得されている(512−20)×(512−10)=492×502画素の範囲が表示されるとよい。
【0052】
本実施形態では、図示しないPC等による走査開始の指令のみで、制御装置19が上述した第一の工程、第二の工程、第三の工程を自動的に行なうので、励起ダイクロイックミラーの波長特性による蛍光取得効率の低下を招くことなく、二枚の蛍光画像を位置ずれなく重ねることができ、二重染色蛍光画像を容易に得ることができる。
【0053】
また、各ダイクロイックミラー毎の蛍光画像の取得と同時に取得した透過光画像に基づいて各ダイクロイックミラー毎の蛍光画像の位置合わせ処理を行なうので、特別な調整工程は不要となる。
【0054】
第一変形例
上述の本実施形態では、分光ダイクロイックミラー16aが常に光路上に配置されているが、制御装置19によりモーター16eを制御して、CFPの蛍光像を取得する第一の工程では分光ダイクロイックミラーユニット16の反射ミラー16bを光路上に配置し、YFPの蛍光画像を取得する第二の工程では分光ダイクロイックミラーユニット16の空孔16cを光路に配置してもよい。
【0055】
本変形例では、CFPの蛍光は反射ミラー16bにより全てCFP用バンドパスフィルター17aに導かれるので、分光ダイクロイックミラー16aで反射される際の損失がなく、更に効率良く検出される。また、YFPの蛍光は空孔16cにより全てYFP用バンドパスフィルター17bに導かれるためので、分光ダイクロイックミラー16aで透過する際の損失がなく、更に効率良く検出される。
【0056】
第二変形例
図9に示されるように、分光ダイクロイックミラーユニット16の空孔16cが光路上に配置されるとともに、蛍光検出手段が、蛍光検出器18bの手前に配置されたバンドパスフィルターユニット21を更に有している。バンドパスフィルターユニット21は、モーター21eによって回転駆動されるターレット21fを有しており、ターレット21fには、CFP用バンドパスフィルター21aとYFP用バンドパスフィルター21bと孔21cとが同心円上に設けられている。
【0057】
CFP用バンドパスフィルター21aとYFP用バンドパスフィルター21bはそれぞれ上述したCFP用バンドパスフィルター17aとYFP用バンドパスフィルター17bと同じ波長特性を有するバンドパスフィルターであり、これらはモーター21eによるターレット21fの回転制御により選択的に光路上に配置される。
【0058】
第一の工程では、バンドパスフィルターユニット21のCFP用バンドパスフィルター21aを光路上に配置し、これを透過するCFPの蛍光を蛍光検出器18bで検出し、第二の工程では、バンドパスフィルターユニット21のYFP用バンドパスフィルター21bを光路上に配置し、これを透過するYFPの蛍光を蛍光検出器18bで検出する。
【0059】
本変形例では、分光ダイクロイックミラー16aによる蛍光の損失がないので、蛍光を更に効率良く検出できる。また、分光ダイクロイックミラーユニット16と蛍光検出器18aは不要であり、これらを省くことにより更に装置の小型化を図ることができる。
【0060】
第三変形例
本実施形態では、CFPの蛍光を取得する第一の工程と、YFPを取得する第二の工程と、画像処理により二種の蛍光画像の位置ずれを補正して表示する第三の工程とを、図示しないPC等による走査開始の一回の指令に応じて、制御装置19により連続的に実行しているが、各工程毎の開始指令に応じてその工程を実行するように制御装置19により制御されてもよい。
【0061】
本変形例では、PC等から三回の指令入力が必要となるが、長いフローの制御プログラムを必要としないので、プログラム開発の手間が省ける。
【0062】
第二実施形態
本実施形態の走査型レーザー顕微鏡の構成を図10に示す。図10において、第一実施形態において既に説明した部材と同等の部材は同一の参照符号で示されており、以下の記載においてはその詳しい説明は省略する。
【0063】
本実施形態の走査型レーザー顕微鏡では、レーザー光源部1は、Arレーザー1aとAOTF2に加えて、543nmの波長のレーザー光を発振するグリーンヘリウムネオンレーザー(HeNe−G)1bと、HeNe−G1bから発せられるレーザー光を偏向するための反射ミラー1cと、HeNe−G1bで発せられた波長543nmのレーザー光をArレーザー1aから発せられるレーザー光に同軸に結合させるためのダイクロイックミラー1dとを有している。
【0064】
励起ダイクロイックミラーユニット5は、励起ダイクロイックミラー5a,5bに加えて、孔5cに新たに取り付けられた励起ダイクロイックミラー5dを有している。励起ダイクロイックミラー5dは、図11に示されるように、波長543nmの光を反射し、波長543nmの光により励起される543nmより長い波長域の蛍光を透過させる特性を有している。
【0065】
試料100は、波長458nmの光で励起される蛍光蛋白CFPと波長515nmの光で励起される蛍光蛋白YFPと波長543nmの光で励起される蛍光蛋白RFPとで細胞内の各部位が染色されている三重染色試料である。波長543nmの光で励起されるRFPの蛍光波長特性41rは図4に示されるとおりである。
【0066】
バンドパスフィルターユニット21は、CFP用バンドパスフィルター21aとYFP用バンドパスフィルター21bに加えて、孔21cに新たに取り付けられたRFP用バンドパスフィルター21dを有している。このRFP用バンドパスフィルター21dは、図6に一点鎖線で示されるように、RFPの蛍光を励起するための543nmの波長のレーザー光をカットし、RFPの蛍光波長範囲の光を透過させる特性を有している特性を有している。
【0067】
次に上記構成の走査型レーザー顕微鏡の動作について説明する。本実施形態では、分光ダイクロイックミラーユニット16の中の空孔16cを光路上に配置させる。図示しないPC等により走査開始の指令を制御装置19に入力し、三種類の蛍光蛋白に対応する三重染色蛍光画像を、制御装置19の指令で波長458nmのレーザー光と波長515mのレーザー光と波長543nmのレーザー光を走査に同期して切り換えて三種の蛍光を時分割で取得する。
【0068】
このため、第一の工程においてCFPの蛍光画像を取得するとともにその励起光である波長458nmの透過光画像を取得し、第二の工程においてYFPの蛍光画像を取得するとともにその励起光である波長515nmの透過光画像を取得し、第三の工程においてRFPの蛍光画像を取得するとともにその励起光である波長543nmの透過光画像を取得し、第四の工程において取得した三枚の透過光画像に基づいて三枚の蛍光画像の位置ずれを補正する。
【0069】
第一の工程では、制御装置19により以下の制御を行う。励起ダイクロイックミラーユニット5を回転制御して、励起ダイクロイックミラー5aを光路上に配置する。XY電動ステージ15aを駆動して、励起ダイクロイックミラー5aに対応するピンホール位置にピンホール15を配置させる。バンドパスフィルターユニット21を回転制御してCFP用バンドパスフィルター21aを光路上に配置する。AOTF2を制御して、Arレーザー1aから発せられるレーザー光のうち、458nmの波長のレーザー光を選択的にファイバー3に入射させる。
【0070】
ファイバー3に入射したレーザー光はその内部を伝わり、ファイバー3の端面から射出され、コリメートレンズ4により平行光に変換される。波長458nmのレーザー光は、励起ダイクロイックミラー5aで反射され、XYガルバノミラー6を通過し、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9を経て試料100に照射され、試料100上に光スポットを結ぶ。この光スポットはXYガルバノミラー6により試料上を二次元的に走査される。
【0071】
波長458nmのレーザー光の照射により試料100から発生したCFPの蛍光は、レーザー光の照射経路を逆行し、励起ダイクロイックミラー5aに達し、これを透過する。励起ダイクロイックミラー5aを透過したCFPの蛍光は、ミラー13で反射され、共焦点レンズ14により収束されてピンホール15を通過し、分光ダイクロイックミラーユニット16の中の空孔16cを通過し、CFP用バンドパスフィルター21aを透過し、蛍光検出器18bで検出される。
【0072】
また、試料100に光スポットを結んだ458nmのレーザー光は試料100を透過して、レンズ11を介して透過光検出器12で検出される。
【0073】
XYガルバノミラー6により一枚の画像に対応する範囲を走査しながら蛍光検出器18bでCFPの蛍光を検出することによりCFPの蛍光画像が得られる。これと同時に透過光検出器12で波長458nmの透過光を検出することにより、CFPの蛍光画像に対応する、波長458nmの透過光画像が同時に得られる。
【0074】
第二の工程では、制御装置19により以下の制御を行う。励起ダイクロイックミラーユニット5を回転制御して、励起ダイクロイックミラー5bを光路上に配置する。XY電動ステージ15aを駆動して、励起ダイクロイックミラー5bに対応するピンホール位置にピンホール15を配置させる。バンドパスフィルターユニット21を回転制御してYFP用のバンドパスフィルター21bを光路上に配置する。AOTF2を制御して、Arレーザー1aから発せられるレーザー光のうち、515nmの波長のレーザー光を選択的にファイバー3に入射させる。
【0075】
ファイバー3に入射したレーザー光はその内部を伝わり、ファイバー3の端面から射出され、コリメートレンズ4により平行光に変換される。波長515nmのレーザー光は、励起ダイクロイックミラー5bで反射され、XYガルバノミラー6を通過し、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9を経て試料100に照射され、試料100上に光スポットを結ぶ。この光スポットはXYガルバノミラー6により試料上を二次元的に走査される。
【0076】
波長515nmのレーザー光の照射により試料100から発生したYFPの蛍光は、レーザー光の照射経路を逆行し、励起ダイクロイックミラー5bに達し、これを透過する。励起ダイクロイックミラー5bを透過したYFPの蛍光は、ミラー13で反射され、共焦点レンズ14により収束されてピンホール15を通過し、分光ダイクロイックミラーユニット16の中の空孔16cを通過し、YFP用バンドパスフィルター21bを透過し、蛍光検出器18bで検出される。
【0077】
また、試料100に光スポットを結んだ515nmのレーザー光は試料100を透過して、レンズ11を介して透過光検出器12で検出される。
【0078】
XYガルバノミラー6により一枚の画像に対応する範囲を走査しながら蛍光検出器18bでYFPの蛍光を検出することによりYFPの蛍光画像が得られる。これと同時に透過光検出器12で波長515nmの透過光を検出することにより、YFPの蛍光画像に対応する、波長515nmの透過光画像が同時に得られる。
【0079】
第三の工程では、制御装置19により以下の制御を行う。励起ダイクロイックミラーユニット5を回転制御して、励起ダイクロイックミラー5dを光路上に配置する。XY電動ステージ15aを駆動して、励起ダイクロイックミラー5dに対応するピンホール位置にピンホール15を配置させる。バンドパスフィルターユニット21を回転制御してRFP用バンドパスフィルター21dを光路上に配置する。AOTF2を制御して、HeNe−Gレーザー1bで発せられる543nmの波長のレーザー光を選択的にファイバー3に入射させる。
【0080】
ファイバー3に入射したレーザー光はその内部を伝わり、ファイバー3の端面から射出され、コリメートレンズ4により平行光に変換される。波長543nmのレーザー光は、励起ダイクロイックミラー5dで反射され、XYガルバノミラー6を通過し、瞳投影レンズ7と結像レンズ8と対物レンズ9を経て試料100に照射され、試料100上に光スポットを結ぶ。この光スポットはXYガルバノミラー6により試料上を二次元的に走査される。
【0081】
波長543nmのレーザー光の照射により試料100から発生したRFPの蛍光は、レーザー光の照射経路を逆行し、励起ダイクロイックミラー5dに達し、これを透過する。励起ダイクロイックミラー5dを透過したRFPの蛍光は、ミラー13で反射され、共焦点レンズ14により収束されてピンホール15を通過し、分光ダイクロイックミラーユニット16の中の空孔16cを通過し、RFP用バンドパスフィルター21dを透過し、蛍光検出器18bで検出される。
【0082】
また、試料100に光スポットを結んだ543nmのレーザー光は試料100を透過して、レンズ11を介して透過光検出器12で検出される。
【0083】
XYガルバノミラー6により一枚の画像に対応する範囲を走査しながら蛍光検出器18bでRFPの蛍光を検出することによりRFPの蛍光画像が得られる。これと同時に透過光検出器12で波長543nmの透過光を検出することにより、RFPの蛍光画像に対応する、波長543nmの透過光画像が同時に得られる。
【0084】
このように時分割により得られる三種類の蛍光画像は、切り換えられる三枚の励起ダイクロイックミラー5a,5b,5dの角度誤差のために、通常、それらの位置は互いにずれている。
【0085】
第四の工程では、この位置ずれを補正するために、制御装置19により以下の制御を行う。第一の工程で取得した透過光画像と第二の工程で取得した透過光画像と第三の工程で取得した透過光画像を画像処理して、三枚の蛍光画像の位置ずれ量を求める。そのずれ量に基づいて、前記第一の工程で取得したCFPの蛍光画像と第二の工程で取得したYFPの蛍光画像と第三の工程で取得したRFPの蛍光画像との位置ずれを補正し、これらを表示手段20に重ねて表示する。
【0086】
本実施形態では、図示しないPC等による走査開始の指令のみで、制御装置19が上述した第一の工程、第二の工程、第三の工程、第四の工程を自動的に行なうので、励起ダイクロイックミラーの波長特性による蛍光取得効率の低下を招くことなく、三枚の蛍光画像を位置ずれなく重ねることができ、三重染色蛍光画像を容易に得ることができる。
【0087】
また、本実施形態のように後からHeNe−Gレーザー1bや励起ダイクロイックミラー5dを追加した場合でも、特別な調整などは一切行うことなく、画像位置ずれの無い三重染色蛍光画像を容易に得ることができる。
【0088】
変形例
三種類の蛍光を励起するための三種類のレーザー光の出力が大きく異なる場合が予想される。このような場合、それぞれの透過光画像の明るさが大きく異なり、そのうちの特定のレーザー光に対しては検出器の出力が飽和してしまい、その後の画像処理が正確にできなくなるおそれがある。
【0089】
本変形例では、第一の工程と第二の工程と第三の工程の各々における透過光検出器の出力が飽和しないように、各工程毎の透過光検出器のゲインを別々に設定にする。ゲインの設定は、各工程での検出器出力が同程度の輝度になるように設定すると好ましい。
【0090】
このように、各工程で取得した透過光画像のゲインを各工程のレーザー出力強度に合せて別々に設定することより、それぞれのレーザー光の強度に大きな差があっても、第四の工程である画像処理において正確な処理が行える。
【0091】
第三実施形態
本実施形態は、図1に示される第一実施形態の走査型レーザー顕微鏡のレーザー光射出手段に代えて適用可能な別のレーザー光射出手段であり、その構成を図12に示す。図12において、第一実施形態において既に説明した部材と同等の部材は同一の参照符号で示されており、以下の記載においてはその詳しい説明は省略する。
【0092】
本実施形態のレーザー光射出手段は、図12に示されるように、レーザー光源部1と光ファイバー3とコリメートレンズ4に加えて、二光子励起による蛍光を観察するための近赤外の極短パルスレーザー22と、そのレーザー光をレーザー光源部1から射出されるレーザー光に同軸に結合させるための合成ダイクロイックミラー23とを有している。
【0093】
近赤外パルスレーザー光は可視レーザー光と同じ光ファイバーで導入することができないため、合成ダイクロイックミラー23はコリメートレンズ4の後段に位置し、近赤外パルスレーザー22で発せられるレーザー光をコリメートレンズ4から射出されるレーザー光に同軸に結合させる。
【0094】
実際には、近赤外パルスレーザー22から発せられるパルスレーザー光とコリメートレンズ4から射出される可視レーザー光の光軸角度差を完全に0に合せることは難しい。このため、励起ダイクロイックミラーユニット5へ入射する二つのレーザー光に角度差が生じ、角度差は蛍光画像の位置ずれに影響を与える。つまり、パルスレーザー光の照射により取得される蛍光画像の位置ずれは、励起ダイクロイックミラーユニット5の励起ダイクロイックミラー相互間の角度誤差に加えて合成ダイクロイックミラー23の角度誤差の影響を受ける。
【0095】
しかし、本実施形態では、これら両者の角度誤差の影響を合わせた位置ずれを、それぞれのレーザー光照射で取得される透過光画像を画像処理することによって補正できる。つまり、励起ダイクロイックミラーと合成ダイクロイックミラー23の角度誤差の影響を別々に考慮することなく補正できる。
【0096】
例えば、YFPの蛍光を一光子励起で取得し、CFPの蛍光を二光子励起で取得する場合を考える。最初に、励起ダイクロイックミラー5bと515nmのレーザーを用いて一光子励起でYFPの蛍光画像と波長515mの透過光画像を取得し、次に、励起ダイクロイックミラー5bを780nmのパルスレーザー用の励起ダイクロイックミラーに切り換えて波長780mのパルスレーザーでCFPの二光子蛍光画像と波長780nmの透過光画像を取得する。それぞれの蛍光画像と同時に取得した各ダイクロイックミラー毎の透過光画像を画像処理することにより、位置ずれのない二光子蛍光(CFP)と一光子蛍光(YFP)の画像を得ることができる。
【0097】
二光子蛍光の場合、特開2000−330029にも記載されているように、共焦点ピンホールに戻さず、走査手段であるXYガルバノミラー6と対物レンズの間で光路を分岐して蛍光検出してもよい。この場合、励起ダイクロイックミラーユニット5には、励起ダイクロイックミラーに代えて反射ミラーが装着される。
【0098】
本実施形態では、新たに追加された励起ダイクロイックミラーの角度差だけでなく、新たに追加された近赤外パルスレーザー光用の励起ダイクロイックミラーへの入射角度差の影響による蛍光画像の位置ずれも特別な調整を行う必要なく容易に補正できる。
【0099】
第四実施形態
本実施形態は、上述した実施形態の走査型レーザー顕微鏡の透過光検出手段に代えて適用可能な別の透過光検出手段であり、その構成を図13に示す。
【0100】
本実施形態の透過光検出手段は、図13に示されるように、レンズ11の代わりに、三枚のレンズ11a,11b,11cと視野絞り31とを有している。視野絞り31は、三枚のレンズ11a,11b,11cで構成される光学系に関して、試料10と光学的に共役な位置に配置されている。
【0101】
このようなレンズ11a,11b,11cと視野絞り31は市販されている光学顕微鏡の目視観察用透過照明系に必ず構成されている光学系である。試料10を透過したレーザー光は、レンズ11aとレンズ11bにより視野絞り31に結像し、さらにレンズ11cを介して透過光検出器12で検出される。
【0102】
これまでの実施形態では試料を透過した光による透過光画像で画像処理を行っている。一般に試料として使われる細胞は無色透明なものが多く、試料上のわずかな透過率差が画像上のコントラストとなる。従って、試料によっては、このコントラストが低すきて、正確な画像処理ができない場合が考えられる。
【0103】
本実施形態は、このような不具合を解消するものであり、この視野絞り31を絞ることにより、透過光検出器12で得られる透過光画像に視野絞り31が写し出されるようにする。透過光画像の画像処理では、視野絞り31が写っている透過光画像に対して、視野絞り31の内側の範囲を明、外側の範囲を暗として二値化処理し、明の部分の画像重心位置を求める。この画像重心位置の差は各励起ダイクロイックミラー毎の蛍光画像の位置ずれ量に対応している。従って、画像重心位置の差に従って蛍光画像の位置を補正すればよい。
【0104】
本実施形態は、走査型レーザー顕微鏡で使用する光学顕微鏡の透過照明系に必ず付随している視野絞りを画像処理に用いているので、各励起ダイクロイックミラー毎の透過光画像の画像処理を簡単な構成で正確に行うことができる。
【0105】
以上、各実施形態において、説明してきた内容は一平面の一つの画像について適用したものであるが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば試料の三次元的な構造を観察するために走査型レーザー顕微鏡で通常行われる観察方法である、光軸方向に試料または対物レンズを移動させながら複数のスライス画像を取得していくXYZ観察や、試料の時間的な変化を経時的に観察していくために、指定したインターバル毎に観察を行っていくXYT観察にも適用できる。この場合、画像処理に使用する透過光画像の取得は、各励起ダイクロイックミラーに対して少なくとも一回行えばよい。
【0106】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した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で行なわれるすべての実施を含む。
【0107】
上述した実施の形態では、CFPやYFP等の蛍光蛋白で試料を染色していたが、これに限られるものではなく、多重染色可能な蛍光試薬であれば適用可能である。
【0108】
また、上述した実施の形態では、本発明を走査型のレーザー顕微鏡に適用したものであったが、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形可能であり、例えばレーザーを操作しない蛍光顕微鏡への適用も可能である。
【0109】
【発明の効果】
本発明によれば、それぞれの蛍光画像と同時に透過光画像を取得し、取得した蛍光画像に対応する透過光画像に基づいて複数の蛍光画像の間の位置ずれ量を求め、そのずれ量に基づいて複数の蛍光画像の位置ずれを補正することによって、複雑な調整や複雑な制御を必要とすることなく、複数の蛍光色素画像が位置ずれなく重ねられた画像を取得し得る走査型レーザー顕微鏡及びその画像取得方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施形態の走査型レーザー顕微鏡の構成を示している。
【図2】CFPの蛍光用の励起ダイクロイックミラーの透過率特性を示している。
【図3】YFPの蛍光用の励起ダイクロイックミラーの透過率特性を示している。
【図4】CFPの蛍光波長特性とYFPの蛍光波長特性とRFPの蛍光波長特性を示している。
【図5】CFPの蛍光とYFPの蛍光を分光するための分光ダイクロイックミラーの透過率特性を示している。
【図6】CFP用バンドパスフィルターとYFP用バンドパスフィルターとRFP用バンドパスフィルターの透過率特性を示している。
【図7】二重励起タイプの励起ダイクロイックミラーの透過率特性を示している。
【図8】画素数512×512の二枚の蛍光画像とこれらに好適な表示範囲を示している。
【図9】第一実施形態の走査型レーザー顕微鏡の第二変形例の構成を示している。
【図10】第二実施形態の走査型レーザー顕微鏡の構成を示している。
【図11】RFPの蛍光用の励起ダイクロイックミラーの透過率特性を示している。
【図12】図1の走査型レーザー顕微鏡のレーザー光射出手段に代えて適用可能な第三実施形態である別のレーザー光射出手段の構成を示している。
【図13】第一実施形態と第二実施形態の走査型レーザー顕微鏡の透過光検出手段に代えて適用可能な第四実施形態である別の透過光検出手段の構成を示している。
【符号の説明】
1a アルゴンレーザー
2 音響光学素子
5a,5b 励起ダイクロイックミラー
6 XYガルバノミラー
9 対物レンズ
10 二重染色試料
11 レンズ
12 透過光検出器
16a 分光ダイクロイックミラー
17a,17b バンドパスフィルター
18a,18b 蛍光検出器
19 制御装置
20 表示手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning laser microscope that collects laser light with an objective lens to form a light spot on a sample and detects fluorescence from the sample with a photodetector and an image acquisition method thereof.
[0002]
[Prior art]
A scanning laser microscope condenses laser light with an objective lens to form a light spot on a sample (hereinafter referred to as a sample), and detects fluorescence from the sample with a photodetector. In a scanning laser microscope, a plurality of types of laser light wavelengths are prepared according to the fluorescent dye used, and a plurality of dichroic mirrors are prepared according to the laser light and the fluorescence wavelength. The image is acquired by switching the wavelength of the laser light and the dichroic mirror corresponding to the fluorescent dye.
[0003]
Here, when the dichroic mirror is switched, the scanning position is generally shifted due to an error in the angle component of each dichroic mirror. Therefore, the image before and after the switching of the dichroic mirror is usually shifted. For this reason, in observing multiple-stained fluorescent specimens, the position of the fluorescent image is shifted for each fluorescent dye when the images are superimposed for each fluorescent dye, and accurate observation cannot be performed. In addition, when the acquired images are overlapped later, it is difficult to accurately overlap the fluorescent dyes because different portions of the sample emit fluorescence.
[0004]
JP-A-11-52252 discloses a fluorescence microscope (scanning laser microscope) that solves this problem. In the apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-52252, an image shift amount for each dichroic mirror is obtained in advance and stored in a storage means, and the scanning waveform of the scan mirror is calculated for each dichroic mirror based on the shift amount information. The displacement of the fluorescent image at the time of switching the dichroic mirror is corrected by performing change control, changing control of the sampling timing of light detection, or changing control of the position of the stage on which the sample is mounted.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the scanning laser microscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-52252, an adjustment process is performed in which an image for each dichroic mirror is acquired with an image such as an actual reference graphic pattern, an image shift amount is obtained, and information is stored in the apparatus. is required. However, later, when a laser light source and a fluorescent dye to be used are added and a new dichroic mirror is added, the above adjustment process must be performed, which is very troublesome.
[0006]
Furthermore, for the dichroic mirror that is known at the time of shipment, this adjustment process can be performed by the manufacturer at the time of shipment or when setting up the delivery device, but as described above, after the dichroic mirror has been delivered for a while, When added by the user himself / herself, the user himself / herself who uses the apparatus performs the adjustment, which may cause an adjustment error or forgetting the adjustment. If the device is used with these poor adjustments (adjustment mistakes or forgotten adjustments), it is not possible to accurately observe the multiple stained image.
[0007]
In addition, changing the waveform control of the scanning mirror, changing the sampling timing of light detection, and the like complicate the apparatus, and there are doubts about reliability.
[0008]
The present invention has been made in order to solve such a problem, and the object thereof is a simple configuration that does not require a complicated adjustment process or complicated control, but a plurality of fluorescent dye images are misaligned. It is an object of the present invention to provide a scanning laser microscope capable of acquiring a superimposed image and a method for acquiring the image.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
One aspect of the present invention is a scanning laser microscope, which selects laser light source means for oscillating laser light of a plurality of types of wavelengths and laser light of at least one type from among the laser beams of a plurality of types of wavelengths. Laser light selection means, an objective lens for condensing the laser light on the sample, scanning means for scanning the laser light on the sample, and fluorescence generated from the sample by irradiating the laser light on the sample And a plurality of dichroic mirrors having different wavelength characteristics that are switchably held corresponding to the wavelength of the selected laser beam, and detecting fluorescence from the sample through the objective lens In a scanning laser microscope comprising: a fluorescence detection means for detecting; and a transmitted light detection means for detecting the laser light transmitted through the sample. The laser light to be selected by the user light selection means is switched, and the plurality of dichroic mirrors are switched corresponding to the wavelength, and a fluorescence image is switched by the fluorescence detection means for each of the laser light and the dichroic mirror to be switched. At the same time, the transmitted light image obtained by the transmitted light that has passed through the sample is acquired by the transmitted light detection means, and the transmitted light image acquired for each laser beam is subjected to image processing, thereby being acquired for each dichroic mirror. And a control means for obtaining a positional deviation amount of the fluorescent image and correcting and displaying the positional deviation of the fluorescent image acquired for each of the dichroic mirrors based on the deviation amount.
[0010]
One aspect of the present invention is an image acquisition method for a scanning laser microscope, a laser light source means for oscillating a plurality of types of laser beams, and a laser having at least one type of laser beams of the plurality of types of wavelengths. Laser light selecting means for selecting light, an objective lens for condensing the laser light on the sample, scanning means for scanning the laser light on the sample, and generated from the sample by irradiating the sample with the laser light A plurality of dichroic mirrors having different wavelength characteristics that are switchably held corresponding to a selected laser wavelength, and fluorescence from the sample via the objective lens. Image of a scanning laser microscope provided with fluorescence detecting means for detecting and transmitted light detecting means for detecting the laser light transmitted through the sample In the obtaining method, the laser light selected by the laser light selection means is switched, the plurality of dichroic mirrors are switched in accordance with the wavelength, and the fluorescence image is displayed for each of the switched laser light and the dichroic mirror. Simultaneously with the fluorescence detection means, a transmitted light image by the transmitted light that has passed through the sample is acquired by the transmitted light detection means, and the transmitted light image acquired for each laser beam is subjected to image processing, whereby the dichroic mirror A positional deviation amount of the fluorescence image acquired every time is obtained, and based on this deviation amount, the positional deviation of the fluorescent image acquired for each dichroic mirror is corrected and displayed.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
First embodiment
In FIG. 1, the scanning laser microscope of the present embodiment includes a laser light emitting means for emitting laser light for exciting fluorescence, and a condensing optical system for condensing the laser light and irradiating the sample. An
[0013]
The laser light emitting means is a laser
[0014]
The laser
[0015]
The Ar
[0016]
The laser beam emission means is selected as described above, and the laser beam collimated through the
[0017]
The excitation
[0018]
As shown in FIG. 2, the excitation
[0019]
The excitation
[0020]
The
[0021]
The condensing optical system has a
[0022]
[0023]
The fluorescence generated from the
[0024]
The fluorescence detection means includes a
[0025]
The
[0026]
The spectroscopic
[0027]
As shown in FIG. 5, the spectroscopic
[0028]
The spectral
[0029]
As shown by a solid line in FIG. 6, the
[0030]
As shown by a broken line in FIG. 6, the band-
[0031]
Here, it is assumed that a double excitation type reflecting 458 nm and 515 nm as shown in FIG. 7 is used for the excitation
[0032]
The transmitted light detection means has a
[0033]
This transmitted light detection means is attached to a commercially available scanning laser microscope for fluorescence observation in order to observe the cytoskeleton, which is the whole image of the fluorescently stained cell specimen. Since the fluorescent dye is used by labeling a part of the cell, such as a nucleus or a microtubule, for example, the whole image of the cell cannot be grasped only by the fluorescent image. The transmitted light detecting means is prepared for grasping the whole cell image that cannot be grasped by the fluorescence image. Nomarski observation may be applied to the transmitted light detection means because a transmitted image of the cell is observed with good contrast.
[0034]
As shown in FIG. 1, the scanning laser microscope further includes a
[0035]
The
[0036]
Next, the operation of the scanning laser microscope having the above configuration will be described. In the present embodiment, the spectral
[0037]
Therefore, a CFP fluorescence image is acquired in the first step and a transmitted light image having a wavelength of 458 nm is acquired as the excitation light, and a YFP fluorescence image is acquired in the second step and the wavelength that is the excitation light is acquired. A transmitted light image of 515 nm is acquired, and the positional deviation between the two fluorescent images is corrected based on the two transmitted light images acquired in the third step.
[0038]
In the first step, the
[0039]
The laser light incident on the
[0040]
The CFP fluorescence generated from the
[0041]
Further, the laser beam having a wavelength of 458 nm that has a light spot formed on the
[0042]
A fluorescence image of CFP is obtained by detecting the fluorescence of CFP by the
[0043]
In the second step, the
[0044]
The laser light incident on the
[0045]
The YFP fluorescence generated from the
[0046]
In addition, the laser beam having a wavelength of 515 nm that has a light spot formed on the
[0047]
A fluorescence image of YFP is obtained by detecting the fluorescence of YFP by the
[0048]
In this way, the two types of fluorescence images obtained by time division are usually shifted from each other due to the angle error of the two excitation
[0049]
In the third step, the following control is performed by the
[0050]
Examples of image processing methods for determining the amount of positional deviation include, for example, a method for finding a pattern having the highest contrast for two transmitted light images and calculating the amount of positional deviation from those positions, or between images. A method is conceivable in which subtraction is performed while shifting the pixels, and the position of the pixel where the absolute value of the luminance of the entire subtracted pixel is the lowest is determined to determine the amount of displacement.
[0051]
The end regions of the two fluorescent images are not necessarily acquired in common for both images due to the positional shift between the two. It is desirable for the display means 20 to display only the area acquired in common for the two fluorescent images, excluding such end areas. For example, as shown in FIG. 8, when two fluorescent images having 512 × 512 pixels are shifted by 20 pixels in the horizontal direction and 10 pixels in the vertical direction, they are acquired in common for both ( A range of 512-20) × (512-10) = 492 × 502 pixels may be displayed.
[0052]
In the present embodiment, the
[0053]
Moreover, since the alignment process of the fluorescence image for each dichroic mirror is performed based on the transmitted light image acquired simultaneously with the acquisition of the fluorescence image for each dichroic mirror, a special adjustment step is not necessary.
[0054]
First variation
In the present embodiment described above, the spectroscopic
[0055]
In this modification, all the fluorescence of CFP is guided to the CFP band-
[0056]
Second modification
As shown in FIG. 9, the
[0057]
The CFP band-
[0058]
In the first step, the CFP band-
[0059]
In this modification, there is no loss of fluorescence due to the spectroscopic
[0060]
Third modification
In the present embodiment, the first step of acquiring the fluorescence of CFP, the second step of acquiring YFP, and the third step of correcting and displaying the positional deviation of the two types of fluorescent images by image processing are performed. In response to a single command for starting scanning by a PC or the like (not shown), the
[0061]
In this modification, it is necessary to input a command three times from a PC or the like. However, since a long-flow control program is not required, it is possible to save time for program development.
[0062]
Second embodiment
The configuration of the scanning laser microscope of this embodiment is shown in FIG. In FIG. 10, members equivalent to those already described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted in the following description.
[0063]
In the scanning laser microscope of the present embodiment, the laser
[0064]
The excitation
[0065]
In the
[0066]
The
[0067]
Next, the operation of the scanning laser microscope having the above configuration will be described. In the present embodiment, the
[0068]
Therefore, a CFP fluorescence image is acquired in the first step and a transmitted light image having a wavelength of 458 nm is acquired as the excitation light, and a YFP fluorescence image is acquired in the second step and the wavelength that is the excitation light is acquired. Acquire a transmitted light image of 515 nm, acquire a fluorescent image of RFP in the third step, acquire a transmitted light image of
[0069]
In the first step, the
[0070]
The laser light incident on the
[0071]
The CFP fluorescence generated from the
[0072]
In addition, the 458 nm laser light having a light spot tied to the
[0073]
A fluorescence image of CFP is obtained by detecting the fluorescence of CFP by the
[0074]
In the second step, the
[0075]
The laser light incident on the
[0076]
The YFP fluorescence generated from the
[0077]
In addition, the 515 nm laser light having a light spot tied to the
[0078]
A fluorescence image of YFP is obtained by detecting the fluorescence of YFP by the
[0079]
In the third step, the
[0080]
The laser light incident on the
[0081]
RFP fluorescence generated from the
[0082]
Further, the laser beam having a wavelength of 543 nm that has a light spot connected to the
[0083]
An RFP fluorescence image is obtained by detecting the fluorescence of the RFP by the
[0084]
The three types of fluorescent images obtained by time division in this way are usually offset from each other due to the angular error of the three switched excitation
[0085]
In the fourth step, the following control is performed by the
[0086]
In this embodiment, the
[0087]
In addition, even when a HeNe-
[0088]
Modified example
It is expected that the outputs of the three types of laser light for exciting the three types of fluorescence are greatly different. In such a case, the brightness of each transmitted light image is greatly different, and the output of the detector is saturated with respect to specific laser light, and there is a possibility that subsequent image processing cannot be performed accurately.
[0089]
In this modification, the gain of the transmitted light detector for each step is set separately so that the output of the transmitted light detector in each of the first step, the second step, and the third step is not saturated. . The gain is preferably set so that the detector output in each step has the same level of brightness.
[0090]
In this way, the gain of the transmitted light image acquired in each step is set separately according to the laser output intensity of each step, so even if there is a large difference in the intensity of each laser beam, the fourth step Accurate processing can be performed in certain image processing.
[0091]
Third embodiment
The present embodiment is another laser light emitting means applicable in place of the laser light emitting means of the scanning laser microscope of the first embodiment shown in FIG. 1, and its configuration is shown in FIG. In FIG. 12, members equivalent to those already described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted in the following description.
[0092]
As shown in FIG. 12, in addition to the laser
[0093]
Since the near-infrared pulsed laser beam cannot be introduced by the same optical fiber as the visible laser beam, the synthetic
[0094]
Actually, it is difficult to completely match the optical axis angle difference between the pulse laser beam emitted from the near
[0095]
However, in this embodiment, it is possible to correct a positional shift that combines the effects of both angle errors by performing image processing on a transmitted light image acquired by each laser light irradiation. That is, it is possible to correct without considering the influence of the angle error of the excitation dichroic mirror and the composite
[0096]
For example, consider a case in which YFP fluorescence is acquired by one-photon excitation and CFP fluorescence is acquired by two-photon excitation. First, a fluorescence image of YFP and a transmitted light image with a wavelength of 515 m are obtained by one-photon excitation using the excitation
[0097]
In the case of two-photon fluorescence, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-330029, fluorescence detection is performed by branching the optical path between the
[0098]
In this embodiment, not only the angle difference of the newly added excitation dichroic mirror but also the displacement of the fluorescence image due to the effect of the incident angle difference to the newly added excitation dichroic mirror for near-infrared pulsed laser light. It can be easily corrected without the need for special adjustments.
[0099]
Fourth embodiment
The present embodiment is another transmitted light detection means applicable in place of the transmitted light detection means of the scanning laser microscope of the above-described embodiment, and its configuration is shown in FIG.
[0100]
As shown in FIG. 13, the transmitted light detection unit of the present embodiment includes three
[0101]
[0102]
In the embodiments so far, image processing is performed with a transmitted light image by light transmitted through the sample. In general, many cells used as a sample are colorless and transparent, and a slight difference in transmittance on the sample is a contrast on an image. Therefore, depending on the sample, this contrast may be low and accurate image processing may not be possible.
[0103]
In the present embodiment, such a problem is solved, and the
[0104]
In this embodiment, since the field stop that is always associated with the transmission illumination system of the optical microscope used in the scanning laser microscope is used for image processing, the image processing of the transmitted light image for each excitation dichroic mirror is simplified. Can be done accurately with the configuration.
[0105]
As described above, in each embodiment, the contents described above are applied to one image on one plane, but the present invention is not limited thereto. For example, an XYZ observation in which a plurality of slice images are acquired while moving the sample or objective lens in the direction of the optical axis, which is an observation method usually performed with a scanning laser microscope to observe the three-dimensional structure of the sample. In order to observe temporal changes of the sample over time, the present invention can be applied to XYT observation in which observation is performed at specified intervals. In this case, the transmission light image used for image processing may be acquired at least once for each excitation dichroic mirror.
[0106]
Although several embodiments have been specifically described so far with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all the embodiments performed without departing from the scope of the invention are not limited thereto. Including implementation.
[0107]
In the embodiment described above, the sample is stained with a fluorescent protein such as CFP or YFP. However, the present invention is not limited to this, and any fluorescent reagent capable of multiple staining can be applied.
[0108]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a scanning laser microscope. However, the present invention can be modified without departing from the gist of the invention. For example, the present invention can be applied to a fluorescence microscope that does not operate a laser. Is possible.
[0109]
【The invention's effect】
According to the present invention, a transmitted light image is acquired simultaneously with each fluorescent image, a positional shift amount between a plurality of fluorescent images is obtained based on a transmitted light image corresponding to the acquired fluorescent image, and based on the shift amount. A scanning laser microscope capable of acquiring an image in which a plurality of fluorescent dye images are superimposed without a positional deviation by correcting a positional deviation of the plurality of fluorescent images without requiring complicated adjustment or complicated control. An image acquisition method is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration of a scanning laser microscope according to a first embodiment.
FIG. 2 shows transmittance characteristics of an excitation dichroic mirror for CFP fluorescence.
FIG. 3 shows transmittance characteristics of an excitation dichroic mirror for YFP fluorescence.
FIG. 4 shows fluorescence wavelength characteristics of CFP, fluorescence wavelength characteristics of YFP, and fluorescence wavelength characteristics of RFP.
FIG. 5 shows transmittance characteristics of a spectroscopic dichroic mirror for spectroscopically analyzing CFP fluorescence and YFP fluorescence.
FIG. 6 shows transmittance characteristics of a CFP band-pass filter, a YFP band-pass filter, and an RFP band-pass filter.
FIG. 7 shows transmittance characteristics of a double excitation type excitation dichroic mirror.
FIG. 8 shows two fluorescent images with 512 × 512 pixels and a display range suitable for them.
FIG. 9 shows a configuration of a second modification of the scanning laser microscope of the first embodiment.
FIG. 10 shows a configuration of a scanning laser microscope of the second embodiment.
FIG. 11 shows transmittance characteristics of an excitation dichroic mirror for fluorescence of RFP.
12 shows the configuration of another laser light emitting means that is a third embodiment applicable instead of the laser light emitting means of the scanning laser microscope of FIG. 1. FIG.
FIG. 13 shows a configuration of another transmitted light detection means that is a fourth embodiment applicable in place of the transmitted light detection means of the scanning laser microscope of the first embodiment and the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1a Argon laser
2 Acousto-optic elements
5a, 5b Excited dichroic mirror
6 XY Galvano mirror
9 Objective lens
10 Double staining sample
11 Lens
12 Transmitted light detector
16a Spectral dichroic mirror
17a, 17b Band pass filter
18a, 18b fluorescence detector
19 Control device
20 Display means
Claims (8)
前記レーザー光選択手段で選択するレーザー光を切り換え、その波長に対応させて前記複数のダイクロイックミラーを切り換えるとともに、切り換えられる前記レーザー光および前記ダイクロイックミラーの各々に対して、蛍光画像を前記蛍光検出手段により取得すると同時に、前記試料を透過した透過光による透過光画像を前記透過光検出手段により取得し、前記レーザー光毎に取得された透過光画像を画像処理することにより、前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれ量を求め、このずれ量に基づいて前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれを補正した少なくとも二つの蛍光画像を重ね合わせ表示する制御手段を備えたことを特徴とする走査型レーザー顕微鏡。Laser light source means for oscillating laser light of a plurality of types of wavelengths, laser light selection means for selecting at least one type of laser light from the laser lights of the plurality of types of wavelengths, and a sample of the laser light An objective lens that condenses light, a scanning means that scans the laser light on the sample, and a characteristic that separates the laser light from the fluorescence generated from the sample by irradiating the sample with the laser light. A plurality of dichroic mirrors having different wavelength characteristics held in a switchable manner corresponding to the wavelength of the laser light to be emitted, fluorescence detection means for detecting fluorescence from the sample through an objective lens, and the laser transmitted through the sample In a scanning laser microscope equipped with transmitted light detection means for detecting light,
The laser light selected by the laser light selection means is switched, the plurality of dichroic mirrors are switched corresponding to the wavelength, and a fluorescence image is detected for each of the switched laser light and the dichroic mirror. At the same time, the transmitted light image obtained by the transmitted light that has passed through the sample is acquired by the transmitted light detection means, and the transmitted light image acquired for each laser beam is processed for each dichroic mirror. And a control means for superimposing and displaying at least two fluorescent images obtained by correcting the positional deviation of the fluorescent image acquired for each of the dichroic mirrors based on the deviation amount. A scanning laser microscope.
前記レーザー光選択手段で選択するレーザー光を切り換え、その波長に対応させて前記複数のダイクロイックミラーを切り換え、切り換えられる前記レーザー光および前記ダイクロイックミラーの各々に対して、蛍光画像を前記蛍光検出手段により取得すると同時に、前記試料を透過した透過光による透過光画像を前記透過光検出手段により取得し、前記レーザー光毎に取得された透過光画像を画像処理することにより、前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれ量を求め、このずれ量に基づいて前記ダイクロイックミラー毎に取得された蛍光画像の位置ずれを補正して表示することを特徴とする走査型レーザー顕微鏡の画像取得方法。Laser light source means for oscillating laser light of a plurality of types of wavelengths, laser light selection means for selecting laser light of at least one wavelength from the laser lights of the plurality of types of wavelengths, and collecting the laser light on a sample An objective lens that emits light, a scanning means that scans the sample with the laser beam, and a laser that has a property of separating the laser beam from the fluorescence generated from the sample by irradiating the sample with the laser beam. A plurality of dichroic mirrors having different wavelength characteristics held in a switchable manner corresponding to the wavelength; fluorescence detection means for detecting fluorescence from the sample through the objective lens; and detecting the laser light transmitted through the sample In an image acquisition method of a scanning laser microscope provided with transmitted light detecting means for
The laser light to be selected by the laser light selection means is switched, the plurality of dichroic mirrors are switched in accordance with the wavelength, and a fluorescence image is switched by the fluorescence detection means for each of the laser light and the dichroic mirror to be switched. At the same time, the transmitted light image obtained by the transmitted light that has passed through the sample is acquired by the transmitted light detection means, and the transmitted light image acquired for each laser beam is subjected to image processing, thereby being acquired for each dichroic mirror. An image acquisition method for a scanning laser microscope, comprising: calculating a positional deviation amount of the fluorescent image, correcting the positional deviation of the fluorescent image obtained for each dichroic mirror based on the deviation amount, and displaying the corrected fluorescent image.
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