JP4864531B2

JP4864531B2 - 共焦点画像信号取得方法および装置ならびにサンプリング動作状態取得装置

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Publication number: JP4864531B2
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Description

本発明は、ファイババンドルを構成する各光ファイバに走査光を通して試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得方法および装置ならびに共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置に関するものである。

従来より、共焦点光学系を用いることにより光軸方向および光軸と直交する方向の空間分解能を高めた共焦点観察装置が知られている。

上記共焦点観察装置には、例えば、光源から発せられたレーザ光からなる走査光を、ファイババンドルを構成する多数の光ファイバのうちの１本に導いて、すなわちカプリングさせてこの光ファイバの一端から射出させた走査光を試料中の一点に照射し、上記照射を受けて試料中の一点から発せられた試料光（例えば、上記走査光の反射光やこの走査光で励起されて発生した蛍光等）を再び上記１本の光ファイバの一端に入射させ、この光ファイバから射出された試料光を検出する方式を採用したものが知られている。

ここで、上記光ファイバの一端から射出された走査光は対物レンズを通して試料中の点領域に結像され、上記試料中の点領域から発せられた試料光は対物レンズを通して再び上記一本の光ファイバの一端に結像される。すなわち、上記光ファイバの一端と試料中の点領域とを共焦点関係とし、上記点領域から発生した試料光を、この点領域へ照射した走査光の通った光路を逆方向に伝播させて検出する。

ここで、上記１本の光ファイバに走査光を通した検出だけでは試料中の１点の領域しか観察できない。そこで、ファイババンドルの端面に配列された例えば１００行×１００列の光ファイバそれぞれに上記走査光を順次カプリングさせて試料中の１００行×１００列の各点領域に順次結像させ、上記試料中の各点領域から発生した試料光を上記光ファイバに通して光電子増倍管等で順次検出することにより、上記試料中の１００行×１００列の各点領域からなる面領域の状態を表す画像を取得することができる。

例えば、走査光を行方向へ走査させる第１のガルバノミラーと上記走査光を列方向へ走査させる第２のガルバノミラーとを用いその走査光を上記１００行×１００列の個々の光ファイバに入射させる方式が知られている（特許文献１参照）。上記方式では２つのガルバノミラーの動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて上記試料光の検出を行なう。

また、ガルバノミラーとレゾナントスキャナとを組み合わせて上記１００行×１００列の各光ファイバへの走査光の走査をより高速化して上記画像をリアルタイムで観察する方式も知られている（特許文献２参照）。この方式においても上記２つのガルバノミラーを組合わせた走査と同様に、ガルバノミラーおよびレゾナントスキャナの動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて上記試料光の検出を行なう。すなわち、ファイババンドルの端面に１００行×１００列に配列された各光ファイバに上記走査光を順次カプリングさせて上記検出が可能な状態となったときに上記サンプリング信号が出力されるように予め定めておくことにより上記検出を行なう。

上記試料光の検出によって得られた検出値は、試料光が発せられた試料中の点領域の位置と関連付けられて記憶される。なお、上記点領域の位置はこの点領域から発せられた試料光を通する光ファイバの位置に対応している。そして、ファイババンドルを構成する各光ファイバについて得られた上記試料光の検出値とこの試料光が発せられた点領域の位置とを示す情報を合成することにより、上記走査光が照射された試料中の１００行×１００列の面領域を表す画像信号を取得する。
特開２００５−２７５１２５号公報特開平１０−３１１９４９号公報

ところで、上記のような走査光学系を用いた方式においては、ガルバノミラーやレゾナントスキャナの動作状態に対応させたサンプリング信号の出力のタイミングと上記動作状態での走査光のファイババンドル端面上における走査位置との関係が完全な繰り返し再現性を有しているわけではなく、ファイババンドルへの走査光の走査を繰り返す度に上記タイミングと走査位置との関係は多少変動する。

そのため、例えば、１回目のファイババンドルへの走査光の走査においては、所定の走査光学系の動作状態に対応させたサンプリング信号が出力されたときに走査光が光ファイバの中心部に位置していたとしても、次の２回目の走査においては、上記1回目と一致する走査光学系の動作状態に対応させたサンプリング信号が出力されたときの走査光は上記光ファイバの中心部から外れた周縁部に位置することがある。

このような場合には、サンプリング信号の出力に同期させて試料光を検出するときの光ファイバへ通す走査光の光量が各光ファイバ毎に変動し、各点領域を照射する走査光の光量に差が生じてしまう。そのため、上記各光ファイバ毎の試料光の検出によって得られた画像信号を用いて上記面領域を表す画像を表示させたときには濃度ムラが生じ、また、上記面領域を動画として観察するときには上記濃度ムラがさらに時間の経過とともに変動する。

そのため、試料中の各点領域へ照射する走査光の光量の差を少なくして、上記試料面を表す濃度ムラのより少ない画像を得たいという要請がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より品質の高い画像信号を得ることができる共焦点画像信号取得方法および装置ならびに上記共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置を提供することを目的とするものである。

本発明の共焦点画像信号取得方法は、ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、光ファイバの他端から射出された走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、点領域から発せられた試料光を、前記他端から光ファイバへ通し走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得方法において、前記走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間に前記サンプリング信号を複数回出力し、各光ファイバへの走査光の走査を複数回実行させたときのサンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、その光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力されるサンプリング信号のうち、試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する前記動作状態を求め、この求められた動作状態で検出を実行することにより画像信号を取得することを特徴とするものである。

本発明の共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置は、ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、光ファイバの他端から射出された走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、点領域から発せられた試料光を、前記他端から光ファイバへ通し走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置であって、走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間にサンプリング信号を複数回出力させる信号出力手段と、各光ファイバへの走査光の走査を複数回実行させたときのサンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、その光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力されるサンプリング信号のうち、試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する動作状態を求める動作状態取得手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の共焦点画像信号取得装置は、ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、前記光ファイバの他端から射出された前記走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、前記点領域から発せられた試料光を、前記他端から前記光ファイバへ通し前記走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得装置において、走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間にサンプリング信号を複数回出力させる信号出力手段と、各光ファイバへの走査光の走査を複数回実行させたときの前記サンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、その光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される前記サンプリング信号のうち、試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する前記動作状態を求める動作状態取得手段と、求められた動作状態で前記検出を実行させる制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

前記統計処理は主成分分析とすることができる。なお、上記統計処理は、主成分分析に限らず、各光ファイバについての上記複数回それぞれの走査で得られた各検出値を互に関連付けた演算により、各光ファイバ毎に、上記試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する動作状態を求めるものであればどのような手法を用いてもよい。

本発明の共焦点画像信号取得方法および装置ならびに共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置は、走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間にサンプリング信号を複数回出力し、各光ファイバへの走査光の走査を複数回実行させたときのサンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、上記光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力されるサンプリング信号のうち、試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する動作状態を求め、その動作状態で上記検出を実行することにより画像信号を取得するようにしたので、試料光の検出時に光ファイバへ通す走査光の光量の各光ファイバ間における差を少なくすることができ、上記検出時に各点領域へ照射する走査光の光量の差を少なくすることができるので、より品質の高い画像信号を得ることができる。これにより、上記試料中の面領域を表すより品質の高い画像を表示させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の共焦点画像信号取得方法を適用して画像を観察する共焦点画像観察装置および上記共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置の概略構成を示す図である。図２はファイババンドルの一端の端面を示す図、図３は各サンプリング信号出力時のファイババンドルの一端における走査光の走査位置を示す断面図、図４は各サンプリング信号出力時のファイババンドル端面における走査光の走査位置と上記サンプリング信号の出力に同期して検出された検出値との関係を示す図である。なお、上記サンプリング動作状態取得装置は共焦点画像観察装置に備えられたものである。

図示の共焦点画像観察装置１００は、ファイババンドル１０を構成する各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・の一端Ｔａ(1,1)、Ｔａ（1,2）・・・へ走査光Ｌｅを順次カプリングさせつつ、上記光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・の他端Ｔｂ(1,1)、Ｔｂ（1,2）・・・から射出された走査光Ｌｅを他端Ｔｂ(1,1)、Ｔｂ（1,2）・・・と共焦点関係にある試料５中の点領域Ｒ(1,1)、Ｒ（1,2）・・・に結像レンズ１５を通して結像させる。そして、上記点領域Ｒ(1,1)、Ｒ（1,2）・・・から発せられた試料光Ｌｓ(1,1)、Ｌｓ（1,2）・・・を上記走査光Ｌｅの通った光路を逆方向に伝播させる。すなわち他端Ｔｂ(1,1)、Ｔｂ（1,2）・・・から入射させて光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・へ通す。さらに、上記光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・へ通した試料光Ｌｓ(1,1)、、Ｌｓ（1,2）・・・を、走査光Ｌｅを走査させるための走査光学系２０の動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号である後述の検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・に同期させて検出部３０で検出し、試料５中の各点領域Ｒ(1,1)、Ｒ（1,2）・・・からなる面領域５Ｍを表す画像信号Ｇ(1,1)、Ｇ（1,2）・・・を取得する。その後、上記画像信号Ｇ(1,1)、Ｇ（1,2）を表示部３５に入力し画像信号Ｇ(1,1)、Ｇ（1,2）・・・の示す面領域５Ｍの画像を上記表示部３５表示させる。

なお、上記光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・をまとめて光ファイバＦとも称し、上記一端Ｔａ(1,1)、Ｔａ（1,2）・・・をまとめて一端Ｔａとも称し、上記他端Ｔｂ(1,1)、Ｔｂ（1,2）・・・をまとめて他端Ｔｂとも称する。また、上記点領域Ｒ(1,1)、Ｒ（1,2）・・・をまとめて点領域Ｒとも称する。さらに、試料光Ｌｓ(1,1)、、Ｌｓ（1,2）・・・をまとめて試料光Ｌｓとも称し、上記検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・をまとめて検出用信号Ｓｐとも称し、上記画像信号Ｇ(1,1)、Ｇ（1,2）・・・をまとめて画像信号Ｇとも称する。

また、図示の共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得ユニット２００は、各光ファイバ毎に、光ファイバＦに走査光Ｌｅがカプリングされている間に複数回出力されるサンプリング信号のうち、上記検出部３０による試料光Ｌｓの検出値が最大となるサンプリング信号に対応する走査光学系２０の動作状態を求めるものである。なお、サンプリング動作状態取得ユニット２００により上記走査光学系２０の動作状態を求める場合には、試料として、反射率が一定で凹凸の少ない滑らかな面からなる標準試料を用いることが望ましい。なお、上記走査光学系２０の動作状態の取得は上記標準試料を用いる場合に限るものではなく、どのような試料を用いてもよい。

上記サンプリング動作状態取得ユニット２００により上記動作状態を求めた後、共焦点画像観察装置１００の備える後述する制御部８０の制御により、上記動作状態での観察対象物あるいは測定対象物である試料５の検出部３０による検出を実行する。なお、上記動作状態の取得は、共焦点画像観察装置１００で試料５を観察あるいは測定（以後、省略して観察測定ともいう）する前準備段階で行なう。上記動作状態の取得はいわゆるキャリブレーションのためのデータ取得である。

なお、上記動作状態の取得は、共焦点画像観察装置１００への電源投入時、上記共焦点画像観察装置１００により観察測定を行なう前、上記観察測定を所定時間行なった後、もしくは上記観察測定を所定回数行なった後等に行なう。

上記サンプリング動作状態取得ユニット２００が動作状態を取得すると、制御部８０の制御によって、上記共焦点画像観察装置１００が観察測定を正確に行なうことができる状態か否か（以後、観察測定の可否という）を示す情報が表示部３５に表示される。ここでは、上記サンプリング動作状態取得ユニット２００が上記観察測定の可否判定を行なうが、必ずしもそのような場合に限らない。

サンプリング動作状態取得ユニット２００が、上記観察測定が可能であると判定した場合には、このとき取得した動作状態が上記サンプリング動作状態取得ユニット２００、あるいは制御部８０に記憶される。その後、上記標準試料が取り除かれて、共焦点画像観察装置１００による上記記憶された動作状態での試料５の観察測定が行なわれる。

サンプリング動作状態取得ユニット２００が、上記観察測定が可能ではないと判定した場合には、共焦点画像観察装置１００の調整等を行なった後、上記サンプリング動作状態取得ユニット２００により上記動作状態の取得および観察測定の可否判定を再度行なう。

上記共焦点画像観察装置１００が例えば内視鏡装置である場合には、上記試料５は生体内部の組織であり、この生体内部の組織性状の観察測定が行なわれる。

また、上記共焦点画像観察装置１００への電源投入時、共焦点画像観察装置１００による観察測定前、所定時間の観察測定を行なった後、もしくは所定回数の観察測定を行なった後に、上記動作状態の取得および観察測定の可否判定を行なうか否かを表示部３５に表示させ、操作者が上記動作状態の取得および観察測定の可否判定を実行するか否かを選択できるようにしてもよい。

上記サンプリング動作状態取得ユニット２００は、走査光Ｌｅが１つの光ファイバにカプリングされている間に走査光学系２０の上記走査光Ｌｅを走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号である基準信号Ｐを複数回出力する信号出力部２１０と、各光ファイバＦへの走査光Ｌｅの走査を複数回実行させたときの基準信号Ｐに同期させた試料光Ｌｓの検出によって各光ファイバＦ毎に得られた多数の検出値Ｄの統計処理により、各光ファイバＦ毎に、その光ファイバに走査光がカプリングされている間に、すなわち試料光Ｌｓを上記光ファイバに通して検出可能な状態となっている間に複数回出力される基準信号Ｐのうち、試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号である検出用信号Ｓｐに対応する走査光学系２０の動作状態を求める動作状態取得部２２０とを備えている。

動作状態取得部２２０は、上記信号出力部２１０から入力した基準信号Ｐに基づいて、上記各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・毎の、試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号に対応する検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・を出力する。後述するように、これらの検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・は走査光学系２０の動作状態に対応付けられている。なお、基準信号Ｐも走査光学系２０の動作状態に対応付けられた信号である。

上記共焦点画像観察装置１００は、上記サンプリング動作状態取得ユニット２００によって各光ファイバＦ毎に求められた、試料光Ｌｓの検出値が最大となる検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・に対応する走査光学系２０の動作状態で上記検出を実行することにより画像信号Ｇを取得する。

上記のように、動作状態取得部２２０により、走査光学系２０の動作状態に対応づけられた各サンプリング信号である基準信号Ｐのうちから上記画像信号を取得するためのサンプリング信号である検出用信号Ｓｐを選択し、この検出用信号Ｓｐに対応する走査光学系２０の動作状態を求める。

上記走査光学系２０は、レーザ光源５０から射出された走査光Ｌｅを副走査方向（図中矢印Ｙ方向）へ走査させるガルバノメータ２１と走査光を主走査方向（図中矢印Ｘ方向）へ走査させるレゾナントスキャナ２２と、レゾナントスキャナ２２と上記ファイババンドル１０との間に配されたｆθレンズ２９とを有している。

上記ガルバノメータ２１は、このガルバノメータ２１の動作状態に対応させた副走査信号Ｐｙを順次出力するエンコーダ２１Ｅを有している。また、レゾナントスキャナ２２は、このレゾナントスキャナ２２の動作状態に対応させた主走査信号Ｐｘを順次出力するエンコーダ２２Ｅを有している。

走査光Ｌｅは、ガルバノメータ２１の反射ミラー面２１Ｍの往復回動動作により副走査方向へ走査せしめられる。また、上記副走査方向へ走査せしめられる走査光Ｌｅは、レゾナントスキャナ２２の反射ミラー面２２Ｍの往復回動動作により主走査方向へ走査せしめられる。

また、上記信号出力部２１０は、ガルバノメータ２１の備えるエンコーダ２１Ｅから反射ミラー面２１Ｍの回動に応じて一定の角度毎に順次出力される副走査信号Ｐｙと、レゾナントスキャナ２２の備えるエンコーダ２２Ｅから反射ミラー面２２Ｍの回動に応じて一定の角度毎に順次出力される主走査信号Ｐｘとを入力し、両者を合成した基準信号Ｐ（ｘ、ｙ）を出力する。

上記走査光Ｌｅはｆθレンズ２９を通ってファイババンドル１０の上記一端Ｔａの側の主走査方向および副走査方向に走査せしめられる。そして、上記副走査信号Ｐｙはガルバノメータ２１により走査光Ｌｅが概略等角度で偏向される毎に出力され、主走査信号Ｐｘはレゾナントスキャナ２２により走査光Ｌｅが概略等角度で偏向される毎に出力される。したがって、上記ｆθレンズ２９を通った走査光Ｌｅが上記ファイババンドル１０上において主走査方向へ概略等距離移動する毎に上記基準信号Ｐ（ｘ、ｙ）が出力される。ここで、上記ｆθレンズ２９は、走査光学系２０による走査光Ｌｅの等角度の偏向を上記一端Ｔａ上の等距離の移動に変換する。

なお、上記共焦点画像観察装置１００は、上記ファイババンドル１０、結像レンズ１５、走査光学系２０、検出部３０、レーザ光源５０、表示部３５、およびサンプリング動作状態取得ユニット２００を備え、さらに、後述するように、試料光Ｌｓを反射させて検出部３０へ導く偏向ビームスプリッタ５２、信号出力部２１０から出力された基準信号Ｐに同期させて検出部３０での検出を行なうか、あるいは動作状態取得部２２０から出力された検出用信号Ｓｐに同期させて検出部３０での検出を行なうかを切り替える同期信号切換部３２と、上記共焦点画像観察装置１００全体の動作および各動作のタイミング等を制御する制御部８０とを備えている。

以下、共焦点画像観察装置１００の作用についてより具体的に説明する。

レーザ光源５０から射出されたレーザ光である走査光Ｌｅを、偏向ビームスプリッタ５２に通してガルバノメータ２１の反射ミラー面２１Ｍに入射させる。

上記走査光Ｌｅを、往復回動動作している反射ミラー面２１Ｍおよび反射ミラー面２２Ｍで反射させ、さらにｆθレンズ２９を通してファイババンドル１０の上記一端Ｔａの側へ走査させる。

上記走査方向および副走査方向の走査により上記一端Ｔａの側から各光ファイバＦに入射した走査光Ｌｅは他端Ｔｂの側から射出され、結像レンズ１５を通して試料５中の各点領域Ｒに結像せしめられる。

ここで、上記各点領域へ結像せしめられた走査光Ｌｅの照射を受けた試料５中の点領域Ｒから走査光Ｌｅの反射光、あるいは上記走査光Ｌｅの照射を受けて励起された蛍光等を含む試料光Ｌｓが発せられる。

次に、上記点領域Ｒから発せられた試料光Ｌｓは、上記走査光Ｌｅの通った光路を逆方向に向かって伝播する。

すなわち、上記試料光Ｌｓを結像レンズ１５に通して光ファイバＦの他端Ｔｂの側へ入射させこの光ファイバＦを通して一端Ｔａの側から射出させ、さらに、上記一端Ｔａの側から射出させた試料光Ｌｓをｆθレンズ２９へ通し、レゾナントスキャナ２２の反射ミラー面２２Ｍおよびガルバノメータ２１の反射ミラー面２１Ｍで反射させて偏向ビームスプリッタ５２に入射させる。

上記偏向ビームスプリッタ５２に入射した試料光Ｌｓは、この偏向ビームスプリッタ５２で反射して検出部３０に入射し、この検出部３０によって検出される。

ここで、上記試料光Ｌｓは、検出部３０の有する検出用フィルタ３０Ｆを通ることにより所望の波長帯域の光成分のみが抽出され、上記抽出された光成分のみが検出される。

上記検出は、動作状態取得部２２０から出力される検出用信号Ｓｐに同期させて実行される。

上記検出部３０によって検出された試料５中の各点領域Ｒからなる面領域５Ｍを表す画像信号Ｇは表示部３５に入力され、この表示部３５に上記面領域５Ｍを表す画像が表示される。

ここで、上記サンプリング動作状態取得ユニット２００の作用について説明する。

信号出力部２１０は、上記のように走査光学系２０の動作状態に対応する、すなわち上記ファイババンドル１０の一端Ｔａの側を走査する走査光Ｌｅの走査位置に対応する基準信号Ｐ（ｘ、ｙ）を順次出力する。

ここでは、図２に示すように、ファイババンドル１０の一端Ｔａは１００行×１００列の光ファイバＦが配置されているものとする。１００行×１００列の１行目は光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・Ｆ(1,100)で構成され、２行目は光ファイバＦ（2,1）、Ｆ（2,2）・・・Ｆ(2,100)で構成され、１００行目は光ファイバＦ（100,1）、Ｆ(100,2)・・・Ｆ(100,100)で構成されている。

なお、図２に示すように、ファイババンドル１０は、コア部である上記各光ファイバＦとクラッド部であるクラッド部Ｃとからなるものであり、ファイババンドル１０中の上記光ファイバＦ以外の領域はクラッド部Ｃで形成されている。

また、信号出力部２１０は、１００行×１００列の光ファイバＦの１行目に対応する光ファイバＦ(1,1)〜Ｆ(1,100)を走査する間に、走査光学系２０による上記走査光Ｌｅを走査させるための動作状態に対応させた基準信号Ｐ(1,000)〜Ｐ(1,999)を出力し、その後、１００行目に対応する光ファイバＦ(100,1)〜Ｆ(100,100)を走査する間に基準信号Ｐ(100,000)〜Ｐ(100,999)を出力する。

より具体的には、図３に示すように、ファイババンドル１０を構成する各光ファイバＦへの１回目の励起光Ｌｅの走査において、信号出力部２１０は、走査光Ｌｅが１つの光ファイバＦ(1,1)にカプリングされている間に上記走査光学系２０の動作状態に対応させた複数の基準信号Ｐ１(1,001)〜Ｐ１(1,009)を順次出力する。以後、ｎ回目の走査における基準信号Ｐを基準信号Ｐｎと記述する。

つづいて、信号出力部２１０は、走査光Ｌｅが光ファイバＦ(1,2)にカプリングされている間に複数の基準信号Ｐ２(1,011)〜Ｐ２(1,019)を順次出力する。さらに、上記と同様に光ファイバＦ(100,100)にカプリングされている間に複数の基準信号Ｐ１(100,991)〜Ｐ１(100,999)を順次出力する（図示は省略）。

なお、上記１回目の走査において、走査光Ｌｅが光ファイバＦ(1,1)にカプリングされている期間と光ファイバＦ(1,2)にカプリングされている期間との間に出力された基準信号Ｐ１(1,010)は、走査光Ｌｅの照射された位置が上記２つの光ファイバＦ(1,1)、Ｆ(1,2)の間に位置しており上記走査光Ｌｅがいずれの光ファイバＦにもカプリングされていないときに出力された信号である。すなわち、基準信号Ｐ１(1,010)は、励起光Ｌｅの照射された位置がクラッド部Ｃ上に位置しているときに出力された信号である。上記と同様に、基準信号Ｐ１(1,000)、Ｐ１(1,020)も、走査光Ｌｅがいずれの光ファイバＦにもカプリングされていないとき、すなわち、励起光Ｌｅの照射された位置がクラッド部Ｃ上に位置しているときに出力された信号である。

一方、各光ファイバＦへの２回目の励起光Ｌｅの走査においては、走査光学系２０の動作状態に対応させた基準信号Ｐの出力タイミングと上記動作状態での励起光Ｌｅの走査位置との対応関係は変動する。例えば、走査光Ｌｅが光ファイバＦ(1,1)にカプリングされている間に複数の基準信号Ｐ２(1,002)〜Ｐ２(1,010)が出力され、光ファイバＦ(1,2)にカプリングされている間に複数の基準信号Ｐ２(1,013)〜Ｐ２(1,020)が出力される。

上記のようにして、各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・への走査光Ｌｅの走査を複数回、例えば５０回実行させたときの各基準信号Ｐに同期させた試料光Ｌｓの検出によって各光ファイバＦ毎の多数の検出値を得る。

上記多数の検出値の取得は、具体的には次のように行われる。上記各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・への走査光Ｌｅの走査を５０回実行させるうちの１回目に光ファイバＦ(1,1)〜Ｆ(100,100)を走査する間に基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ１(100,999)が出力される。また、２回目に光ファイバＦ(1,1)〜Ｆ(100,100)を走査する間に基準信号Ｐ２(1,000)〜Ｐ２(100,999)が出力され、５０回目に光ファイバＦ(1,1)〜Ｆ(100,100)を走査する間に基準信号Ｐ５０(1,000)〜Ｐ５０(100,999)が出力される。そして、上記５０回実行される各光ファイバＦの走査において上記基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ５０(100,999)に同期させた試料光Ｌｓの検出によって得られた検出値が動作状態取得部２２０へ入力される。

例えば、図４に示すように、動作状態取得部２２０には、１回目の光ファイバＦ(1,1)の走査において、上記基準信号Ｐ１(1,001)〜Ｐ１(1,009)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得られた検出値Ｄ１(1,001)〜Ｄ１(1,009)が入力され、光ファイバＦ(1,2)の走査において、上記基準信号Ｐ１(1,011)〜Ｐ１(1,019)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得られた検出値Ｄ１(1,011)〜Ｄ１(1,019)が入力される。以後、ｎ回目の走査において検出された検出値を検出値Ｄｎと記述する。

また、２回目の光ファイバＦ(1,1)の走査において、動作状態取得部２２０には、上記基準信号Ｐ２(1,002)〜Ｐ２(1,010)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得た検出値Ｄ２(1,002)〜Ｄ２(1,010)が入力され、光ファイバＦ(1,2)の走査において、上記基準信号Ｐ２(1,013)〜Ｐ２(1,020)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得られた検出値はＤ２(1,013)〜Ｄ２(1,020)が入力される。

上記のようにして、各光ファイバＦへの走査光Ｌｅの走査を５０回実行し、動作状態取得部２２０には、１回目の走査において、基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ１(100,999)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得た検出値Ｄ１(1,000)〜Ｄ１(100,999)が入力され、その後、最後の５０回目の走査において基準信号Ｐ５０(1,000)〜Ｐ５０(100,999)に同期させた試料光Ｌｓの検出で得た検出値Ｄ５０(1,000)〜Ｄ５０(100,999)が入力される。

ここで、動作状態取得部２２０は、上記各検出値Ｄ１(1,000)〜Ｄ５０(100,999)を各基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ５０(100,999)とを関連付けて取得する。

次に、動作状態取得部２２０は、上記基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ５０(100,999)に同期させた試料光Ｌｅの検出によって各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・毎に得られた多数の検出値Ｄの統計処理を行う。上記統計処理により、各光ファイバＦ(1,1)、Ｆ（1,2）・・・毎に、試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号に対応する検出用信号Ｓｐ(1,1)、Ｓｐ（1,2）・・・に応じた走査光学系２０の動作状態を求める。

ここで、光ファイバＦ(1,1)については、５０回の行なわれる光ファイバＦ(1,1)への走査のうち１回目の走査において、光ファイバＦ(1,1)に走査光Ｌｅがカプリングされている間に複数回出力される基準信号は基準信号Ｐ１(1,001)〜Ｐ１(1,009)であり、上記基準信号Ｐ１(1,001)〜Ｐ１(1,009)のうち、試料光Ｌｓの検出値が最大となる検出値Ｄ１(1,005)が得られるときの基準信号は基準信号Ｐ１(1,005)である。

また、２回目の走査において、光ファイバＦ(1,1)に走査光Ｌｅがカプリングされている間に複数回出力される基準信号は基準信号Ｐ２(1,002)〜Ｐ２(1,011)であり、上記基準信号Ｐ２(1,002)〜Ｐ２(1,011)のうち、試料光Ｌｓの検出値が最大となる検出値Ｄ２(1,006)が得られるときの基準信号は基準信号Ｐ２(1,006)である。

また、光ファイバＦ(1,2)については、５０回の行なわれる１回目の走査においては、試料光Ｌｓの検出値が最大となる検出値Ｄ１(2,015)が得られるときの基準信号は基準信号Ｐ１(2,015)であり、２回目の走査においては、試料光Ｌｓの検出値が最大となる検出値Ｄ２(2,017)が得られるときの基準信号は基準信号Ｐ２(2,017)である。

上記のように、特定の光ファイバに走査光Ｌｅがカプリングされている間に複数回出力される基準信号のうち試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号Ｐは、走査を行なう度に変動する。

次に、上記統計処理の具体的な手法について説明する。図５は走査光学系の所定の動作状態に対応する各基準信号Ｐの出力に同期させて検出される検出値の５０回の走査における合計値の一覧を示す図である。

はじめに、光ファイバＦ１について、試料光Ｌｓの検出値を最大とする基準信号に対応する検出用信号Ｓｐ（1,1）を求める場合について説明する。

１回目の走査において光ファイバＦ(1,1)に走査光がカプリングされている間に複数回出力された基準信号は基準信号Ｐ１(1,001)〜Ｐ１(1,009)であり、それらの基準信号に同期させた検出によって得られた検出値はＤ１(1,001)〜Ｄ１(1,009)である。

２回目の走査において光ファイバＦ(1,1)に走査光がカプリングされている間に複数回出力された基準信号は基準信号Ｐ２(1,002)〜Ｐ２(1,011)であり、それらの基準信号に同期させた検出によって得られた検出値はＤ２(1,002)〜Ｄ２(1,011)である。

以下、光ファイバＦ(1,1)についての５０回目までの検出値は図５に示すようになる。

ここで、走査光学系２０の動作状態に対応した基準信号Ｐ(1,00１)に属する基準信号Ｐ１(1,001)、Ｐ２(1,001)・・・Ｐ５０(1,001)が出力されたときに光ファイバＦ(1,1)を通して検出された検出値は、検出値Ｄ１(1,00１)、Ｄ２(1,00１)・・・Ｄ５０(1,001)であり、それらの値の合計は合計値Ｄｔ(1,001)となる。ここではＤｔ(1,001)＝２０となる。

また、走査光学系２０の上記とは異なる他の動作状態に対応して基準信号が出力されたときに光ファイバＦ(1,1)を通して検出された検出値の合計値も上記と同様に取得することができる。すなわち、例えば、基準信号Ｐ(1,000)については合計値Ｄｔ(1,000)＝１となる。

以下同様に、、合計値Ｄｔ(1,002)＝５０、合計値Ｄｔ(1,003)＝６５、合計値Ｄｔ(1,004)＝７０、合計値Ｄｔ(1,005)＝８０、合計値Ｄｔ(1,006)＝１４０、合計値Ｄｔ(1,007)＝７５、合計値Ｄｔ(1,008)＝４０、合計値Ｄｔ(1,009)＝１５、合計値Ｄｔ(1,010)＝５、合計値Ｄｔ(1,011)＝２となる。

上記結果より、走査光Ｌｅを光ファイバＦ１にカプリングさせている間に出力される基準信号のうち、試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号は、合計値Ｄｔ(1,006)＝１４０に対応する基準信号Ｐ(1,006)である。

この基準信号Ｐ(1,006)に対応する動作状態は、走査光学系２０を構成するガルバノメータ２１のエンコーダ２１Ｅから副走査信号Ｐｙ（1）が出力される状態で、かつレゾナントスキャナ２２のエンコーダ２２Ｅから主走査信号Ｐｘ（006）が出力される状態である。

上記動作状態取得部２２０により求められた上記動作状態において、すなわち、基準信号Ｐ(1,006)に対応して、ガルバノメータのエンコーダ２１Ｅから副走査信号Ｐｙ（1）が出力され、かつ、レゾナントスキャナ２２のエンコーダ２２Ｅから主走査信号Ｐｘ（006）が出力される状態において画像信号Ｇ（1,1）を取得する。すなわち、動作状態取得部２２０から出力させた、上記基準信号Ｐ(1,006)に対応する検出用信号Ｓｐ（1,1）の出力に同期させて検出部３０による検出を実行し画像信号Ｇ（1,1）を取得する。

ここで、上記基準信号Ｐ(1,006)、すなわち検出用信号Ｓｐ（1,1）の出力に同期させて検出を実行することにより、上記走査光Ｌｅが光ファイバＦ(1,1)にカプリングされている間の検出における最大の検出値が得られる。

他の光ファイバについても、同様の手法により試料光Ｌｓの検出値が最大となる基準信号である検出用信号Ｓｐを基準信号Ｐのうちから求めることができ、上記試料光Ｌｅの検出値を最大とする各光ファイバ毎の検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ（100,100）を求めることができる。

そして、各光ファイバ(1,1)〜(100,100)について、上記と同様に求めた、試料光Ｌｓの検出値が最大となる上記検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ(100,100)に対応する走査光学系２０の動作状態で、すなわち、動作状態取得部２２０が、信号出力部２１０から基準信号Ｐを入力しこの基準信号Ｐのうちから選択した基準信号である検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ(100,100)の出力に同期させて試料５の検出を実行することにより画像信号Ｇ（1,1）〜Ｇ（100,100）を取得する。

より具体的には、上記検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ(100,100)に同期させた検出を実行するときには、動作状態取得部２２０が、信号出力部２１０から入力した基準信号Ｐ(1,000)〜Ｐ(100,999)のうち、上記のようにして求められた動作状態に対応する検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ(100,100)を出力する。ここで、制御部８０の切換部３２の制御により、信号出力部２１０で生成された基準信号Ｐの検出部３０への入力は遮断され、動作状態取得部２２０で生成された検出用信号Ｓｐが検出部３０に入力される。検出部３０は、上記検出用信号Ｓｐに同期させて上記試料光Ｌｓの検出を行なう。

なお、上記統計処理の手法は各光ファイバ毎に、個別に、試料光Ｌｓの検出値を最大とする基準信号Ｐを求める方式であるが、各光ファイバについて、試料光Ｌｓの検出値を最大とする各検出用信号Ｓｐを同時に求める統計処理として主成分分析を適用することもできる。

図６（ａ）は各基準信号出力時に走査光が走査する各光ファイバを示す図、図６（ｂ）は光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される基準信号に同期して検出された検出値を示す図、図７は光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される基準信号のうち試料光の検出値が最大となる基準信号である検出用信号を示す図である。なお、図６（ｂ）の縦軸は検出値を示し横軸は走査光の走査位置を時系列順に示す。また、図７の縦軸は検出値を示し横軸は走査光の走査位置を時系列順に示す。以下、上記主成分分析について説明する。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｆ(1,1)からＦ(100,100)までの１０^４本の光ファイバの１回目の走査において、１０^５個の基準信号Ｐ１(1,000)〜Ｐ１(100,999)に同期して得られた１０^５個の検出値Ｄ１(1,000)〜Ｄ１(100,999)を、１０^５行×１列のマトリクスデータａ_１とする。ここで、光ファイバ１本当たり１０回の基準信号が出力される。

そして、２回目の走査で得られた５０×１０^５個の検出値Ｄ２(1,000)〜Ｄ２(100,999)を、１０^５行×１列のマトリクスデータａ₂、その後、５０回目の走査で得られた検出値Ｄ５０(1,000)〜Ｄ５０(1,999)を、マトリクスデータａ₅₀とする。

これらのマトリクスデータａ₁,ａ₂・・・ａ₅₀を１つのマトリクスデータＡとして、以下の式で示す。

Ａ＝（ａ₁ ａ₂・・・ａ₅₀）
上記マトリクスデータＡは、１０^５行×５０列のマトリクスデータとなる。

このとき、共分散マトリクスＣを以下の式で定義する。

Ｃ＝~ＡＡ（Ｃは５０行×５０列のマトリクスデータ）
ただし、~Ａは、Ａの転置行列である。

次に、Ｃｘ−λｘの式を満足する固有値と固有ベクトル（５０行×１列）から求められた、最大固有値に相当する固有ベクトルである第１主成分を示すマトリクスデータをマトリクスデータｘ_１とする。

次に、ｂ−Ａｘ_１の式により、マトリクスデータｂ（１０^５行×１列）を求める。図７に、上記マトリクスデータｂを構成する１０^５個の各検出値を示す。

ここで、図７に示すように、上記１０^５個の検出値を参照して、各光ファイバＦに走査光Ｌｅがカプリングされている間に出力される１０^５個の基準信号Ｐ(1,000)〜Ｐ(100,999)のうち、各光ファイバ毎に、上記試料光Ｌｓの検出値を最大とする基準信号を求める。例えば、光ファイバＦ(1,1)については基準信号Ｐ(1,006)すなわち検出用信号Ｓｐ（1,1）に同期して検出された検出値Ｄ(1,006)が試料光Ｌｓの検出値を最大とする。また、光ファイバＦ(100,100)については基準信号Ｐ(100,995)すなわち検出用信号Ｓｐ（100,100）に同期して検出された検出値Ｄ(100,995)が試料光Ｌｓの検出値を最大とする。

そして、上記試料光の検出値が最大となる基準信号、すなわち上記検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ（100,100）に対応する走査光学系の動作状態に対応させて動作状態取得部２２０から出力させた合計１０^４個の検出用信号Ｓｐ（1,1）〜Ｓｐ（100,100）に同期させた検出の実行により１０^４個の画像信号をＧ取得する。これにより、試料光の検出時に光ファイバへ通す走査光の光量の各光ファイバ間における差を少なくすることができ、試料中の各点領域を照射する走査光の光量の差を少なくすることができるので、より品質の高い画像信号を得ることができる。そして、上記試料中の面領域を表す濃度ムラの少ない画像を表示させることができる。

本発明の共焦点画像観察装置およびサンプリング動作状態取得装置の概略構成を示す図ファイババンドルの一端の端面を示す図ファイババンドルの一端でのサンプリング信号出力時の走査光の走査位置を示す断面図走査光の走査位置と上記検出された検出値の値との関係を示す図各基準信号Ｐの出力に同期させて検出される検出値の５０回の走査での合計値を示す図図６（ａ）は各サンプリング信号出力時に走査光が走査する各光ファイバを示す図、図６（ｂ）は光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力されるサンプリング信号に同期して検出された検出値を示す図サンプリング信号のうち試料光の検出値が最大となるサンプリング信号を示す図

符号の説明

５試料
５Ｍ面領域
１０ファイババンドル
１００共焦点画像観察装置
２１０信号出力部
２２０動作状態取得部
Ｌｅ走査光
Ｌｓ試料光
Ｒ点領域
Ｇ画像信号
Ｆ光ファイバ
Ｔａ一端
Ｔｂ他端

Claims

ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、前記光ファイバの他端から射出された前記走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、前記点領域から発せられた試料光を、前記他端から前記光ファイバへ通し前記走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、前記試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得方法において、
前記走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間に前記サンプリング信号を複数回出力し、
前記各光ファイバへの前記走査光の走査を複数回実行させたときの前記サンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、該光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される前記サンプリング信号のうち、前記試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する前記動作状態を求め、
該求められた動作状態で前記検出を実行することにより前記画像信号を取得することを特徴とする共焦点画像信号取得方法。
前記統計処理が、主成分分析であることを特徴とする請求項１記載の共焦点画像信号取得方法。
ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、前記光ファイバの他端から射出された前記走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、前記点領域から発せられた試料光を、前記他端から前記光ファイバへ通し前記走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、前記試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置であって、
前記走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間に前記サンプリング信号を複数回出力させる信号出力手段と、
前記各光ファイバへの前記走査光の走査を複数回実行させたときの前記サンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、該光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される前記サンプリング信号のうち、前記試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する前記動作状態を求める動作状態取得手段とを備えたことを特徴とする共焦点画像信号取得方法の実施に使用するサンプリング動作状態取得装置。
ファイババンドルを構成する各光ファイバの一端へ走査光を順次カプリングさせつつ、前記光ファイバの他端から射出された前記走査光を前記他端と共焦点関係にある試料中の点領域に結像させ、前記点領域から発せられた試料光を、前記他端から前記光ファイバへ通し前記走査光を走査させるための動作状態に対応させて順次出力されるサンプリング信号に同期させて検出し、前記試料中の各点領域からなる面領域を表す画像信号を取得する共焦点画像信号取得装置において、
前記走査光が１つの光ファイバにカプリングされている間に前記サンプリング信号を複数回出力させる信号出力手段と、
前記各光ファイバへの前記走査光の走査を複数回実行させたときの前記サンプリング信号に同期させた試料光の検出によって各光ファイバ毎に得られた多数の検出値の統計処理により、各光ファイバ毎に、該光ファイバに走査光がカプリングされている間に複数回出力される前記サンプリング信号のうち、前記試料光の検出値が最大となるサンプリング信号に対応する前記動作状態を求める動作状態取得手段と、
該求められた動作状態で前記検出を実行させる制御手段とを備えたことを特徴とする共焦点画像信号取得装置。