JP4867283B2

JP4867283B2 - 共焦点スキャナシステム

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Publication number: JP4867283B2
Application number: JP2005309167A
Authority: JP
Inventors: 康弘谷端; 貴史新美
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007121337A

Description

本発明は、共焦点スキャナシステムに関し、詳しくは、多波長切替観察のために用いられるフィルタホイールの駆動制御に関するものである。

共焦点スキャナシステムは、主に生物・バイオ・医療研究の分野で各種生体サンプルの顕微鏡観察に用いられている。このような共焦点スキャナシステムの一種に、フィルタホイールを用いて観察波長を切り替えるように構成されたものがある。

図７は、従来の波長切替形共焦点スキャナシステムの一例を示すブロック図である。図７において、レーザー光源１は蛍光励起光として複数の波長光を出力するものであり、レーザー光源１の出力光はフィルタホイール２に入力される。フィルタホイール２には所定の波長通過帯域および所定の減光率を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられている。以下このフィルタホイール２を励起フィルタホイールという。

励起フィルタホイール２に設けられたフィルタを介して選択され減光された所望波長の光が選択的に共焦点スキャナ３に入力される。共焦点スキャナ３に入力された所望波長の光は高速スキャン用のマルチビームに変換され、顕微鏡４に入力される。顕微鏡４は、高速スキャン用のマルチビームを対物レンズを介して図示しないサンプルに蛍光励起光として照射する。サンプルは、蛍光励起光が照射されることにより、励起光よりも波長が長い蛍光を発生する。

サンプルから発生した蛍光は、顕微鏡４の光学系を逆行して共焦点スキャナ３に入力され、さらに観察系に出力される。観察系にもフィルタホイール５が設けられている。フィルタホイール５には、サンプルから発生した蛍光のうち所望の波長を通過させるための帯域を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられている。以下このフィルタホイール５を受光フィルタホイールという。

受光フィルタホイール５のフィルタを通過した所望波長の蛍光は、共焦点画像としてＴＶカメラ６に記録される。ＴＶカメラ６に記録された共焦点画像は、必要に応じてデータ解析装置７に入力され、目的に応じた画像解析が施される。

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５は、所望のフィルタが光軸上に位置するように、駆動モータ８および９により個別に間欠的に回転駆動される。各駆動モータ８および９は、フィルタホイール制御部１０により駆動制御される。

パルス発生器１１は、データ解析装置７およびフィルタホイール制御部１０に、所定のタイミングパルスを出力する。

特表２００２−５０１２１５

特許文献１の段落０００８および段落００１０には光源の出力系統にフィルタホイールを利用することが開示され、段落００１３にはサンプルから発生した蛍光を検出する系統にもフィルタホイールを利用することが開示されている。
しかし、これらフィルタホイールをどのような構成でどのように回転駆動するかという点についての記載はない。

ところで、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を間欠的に回転駆動する駆動モータ８および９として、構造形状を薄くするために、扁平形状のステッピングモータを用いたものがある。

これら駆動モータ８および９は、通信経由のコマンドで動作する専用のフィルタホイール制御部１０で制御されている。ところが、フィルタホイール制御部１０は、駆動モータ８および９に与えるパルスを直接制御できない。このため、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を隣接するフィルタに切り替えるための移動速度は最速で１００ms程度であり、それ以上の高速切り替えは困難である。また、タイミング制御にあたっては、外部からトリガ信号を与えるためのパルス発生器が必要である。

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を隣接するフィルタに切り替えるための移動速度が最速でも１００ms程度ということは、ＴＶカメラ６として標準的なＮＴＳＣ信号(３０fps)方式のものを用いた場合、データがフィルタの切り替え時に少なくとも３フレーム分欠落することになり、高速測定の阻害要因となる。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、高速で(例えば切り替え周期３３ms以下)フィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムを提供することにある。

このような課題を達成するために、請求項１の発明は、
所望の波長を通過させるための帯域を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられた励起フィルタホイールと受光フィルタホイールを含み、前記受光フィルタホイールのフィルタを通過した所望波長の画像が共焦点画像としてＴＶカメラに記録される共焦点スキャナシステムであって、
前記各フィルタホイールは、駆動パルスの周波数が起動周波数から運転周波数に向かって直線的に増加する加速時間領域と運転周波数に保持される定常運転時間領域と運転周波数から起動周波数に向かって直線的に減少する減速時間領域の３ステップからなる台形駆動パターンのパルス信号で駆動されるステッピングモータにより、連動して間欠的に回転駆動されるとともに、
前記各フィルタホイールの間欠的回転駆動がＴＶカメラの１フレーム周期内で完了するように、その周期がＮＴＳＣ信号のＴＶカメラのフレーム周期に設定されているシステム同期信号に基づいて制御されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
前記ステッピングモータは、マスターＣＰＵと複数のスレーブＣＰＵよりなるマルチＣＰＵ構成のマルチコントローラで駆動されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
前記ステッピングモータは、マルチタスク処理が可能な１個のマイクロプロセッサで駆動されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
３Ｄ観察のためのＺ軸制御系統を設けたことを特徴とする。

これらにより、高速でフィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムが実現できる。

以下、本発明について、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例の主要部を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一符号を付けている。ＰＣ１２はマルチコントローラ１３を制御するマンマシンインターフェイスであり、マルチコントローラ１３を構成するマスターＣＰＵ１４に接続されている。

マスターＣＰＵ１４は、ＰＣ１２と各種情報の授受を行うとともに、各スレーブＣＰＵ１５，１６を制御する。測定時、各スレーブＣＰＵ１５，１６に、予め設定された駆動シーケンスに従って、所定のタイミング信号を与える。ここで、ＣＰＵとしては、例えばＨ８シリーズ「HD64F3687」のような１６bitの汎用ワンチップマイコンを使用する。

スレーブＣＰＵ１５，１６は、マスターＣＰＵ１４からタイミング信号が入力されることにより通信のオーバーヘッド無しに動作を開始し、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を高精度で回転駆動するための所定のパルス信号を各モータ駆動部１７，１８に与える。

スレーブＣＰＵ１５は励起フィルタホイール２を高精度で間欠的に回転駆動するための所定のパルス信号をモータ駆動部１７に出力し、スレーブＣＰＵ１６は受光フィルタホイール５を高精度で間欠的に回転駆動するための所定のパルス信号をモータ駆動部１８に出力する。

図２は、各スレーブＣＰＵ１５，１６から各モータ駆動部１７，１８に与えるパルス信号の周波数パターン例図である。図２に示すように、加速時間Ｔ１−定常運転時間Ｔ２−減速時間Ｔ３の３ステップからなる台形駆動パターンのパルス信号を与える。パルス信号の周波数変化に着目すると、加速時間Ｔ１では起動周波数f0から運転周波数f1に向かって直線的に増加し、定常運転時間Ｔ２では運転周波数f1が保持され、減速時間Ｔ３では運転周波数f1から起動周波数f0に向かって直線的に減少する。これらパルス信号の起動周波数f0、運転周波数f1、加速時間Ｔ１、定常運転時間Ｔ２、減速時間Ｔ３を最適な値に設定することで、安定な高速動作が可能となる。駆動モータ８および９としては、このようにして設定される駆動条件での駆動が可能なオリエンタルモータ社のフィードバック付きのアルファステップモータのようなステッピングモータを使用する。

図３は、図１の構成に基づき駆動される波長切替形共焦点スキャナシステムのタイミングチャートの具体例である。励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５において、隣接するフィルタとして２種類の波長が割り当てられていて、連続的に２色の測定が行えるように構成されている。励起フィルタホイール２には蛍光励起用の異なる２波長λ1とλ2のフィルタが交互に設けられ、受光フィルタホイール５には蛍光観察用の異なる２波長λ3とλ4のフィルタが交互に設けられている。

図３において、(a)はシステム同期信号であり、その周期はＮＴＳＣ信号(３０fps)のＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms(３０Hz)に設定されている。

(b)は測定スタート信号であり、ＰＣ１２からマルチコントローラ１３を構成するマスターＣＰＵ１４に入力される。マスターＣＰＵ１４は、測定スタート信号がＯＮになった後の最初のシステム同期信号の立ち上がり時点t1で(g)に示すように撮像開始トリガ信号を発生する。なお、このシステム同期信号の立ち上がり時点t1では、励起フィルタホイール２は(c)に示すように波長λ1のフィルタが選択され、受光フィルタホイール５は(d)に示すように波長λ3のフィルタが選択されている。

ＴＶカメラ６は撮像開始トリガ信号に基づき(h)に示すように受光フィルタホイール５の波長λ3のフィルタを通して得られる1色目の画像を撮影記録する。

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t2で、(e)に示すフィルタホイール駆動指令を各スレーブＣＰＵ１５，１６に出力する。各スレーブＣＰＵ１５，１６は、各モータ駆動部１７，１８を介して励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を図２の台形駆動パターンに従って間欠的に駆動するための駆動パルスを駆動モータ８および９に与える。

これにより、励起フィルタホイール２のフィルタは波長λ1から波長λ2に切り替わり、受光フィルタホイール５のフィルタは波長λ3から波長λ4に切り替わる。これら励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５のフィルタの切り替えは、ＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms内で完了する。なおフィルタホイール駆動指令が出力されることにより、(f)に示すようにフィルタホイールBUSYも立ち上がる。

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t3で(g)に示すように2色目の撮像開始トリガ信号を発生する。

ＴＶカメラ６は撮像開始トリガ信号に基づき(h)に示すように受光フィルタホイール５の波長λ4のフィルタを通して得られる2色目の画像を撮影記録する。

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t4でフィルタホイール駆動指令を各スレーブＣＰＵ１５，１６に出力する。各スレーブＣＰＵ１５，１６は、各モータ駆動部１７，１８を介して励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を駆動するための駆動パルスを駆動モータ８および９に与える。

これにより、励起フィルタホイール２のフィルタは再び波長λ2から波長λ1に切り替わり、受光フィルタホイール５のフィルタは再び波長λ4から波長λ3に切り替わる。これら励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５のフィルタの切り替えは、ＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms内で完了する。フィルタホイール駆動指令が出力されることにより、再びフィルタホイールBUSYも立ち上がる。

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５として2色のフィルタが交互に設けられているものを用いる場合には、前述のt1からt4の動作を繰り返す。

図４は駆動モータ８および９として用いるフィードバック付きステッピングモータの駆動にあたり、計算式で単純に算出された駆動パラメータ(起動周波数＝２kHz、運転周波数＝８kHz、加速(減速)時間＝約１０ms)に基づきフィルタホイールを33ms単発回転移動させた時のフィルタホイールの変位状態を、レーザー変位計で測定したオシロスコープ画面の測定波形例である。駆動モータによる駆動終了後も最大振幅0.88mmから徐々に減衰する振動状態がしばらく続いている。この結果から、移動時間のみからの計算式より算出された駆動パラメータに基づいて33msの周期で連続動作させると、ステッピングモータは脱調して正常な動作ができないことが明らかである。

これに対し、図５は円周方向に沿って60°間隔で6個のフィルタを設けたフィルタホイールをフィードバック付きステッピングモータで60°の整数倍で回転させるのにあたり、移動終了後の振動を±0.13mm以下(モータの回転角で±0.72°以内)に抑えるように駆動モータの駆動パラメータを設定して、フィルタホイールの変位状態をレーザー変位計で測定したオシロスコープ画面の測定波形である。フィルタホイールの振動の最大振幅が相当小さくなるように駆動パラメータを選定することにより、安定した高速連続切り替え動作が可能となる。具体的な駆動パラメータとして、起動周波数は算出された周波数より低い１kHz、運転周波数は算出された周波数より高い８．３kHz、加速(減速)時間は約１２msに設定して駆動した。

このように、フィルタホイールをフィードバック付きステッピングモータで順次切り替えるように間欠的に回転駆動するのにあたり、駆動パルスの周波数を台形駆動パターンにすることにより、安定した高速連続切り替え動作が実現でき、共焦点システムによる高速多色観察が実現できる。

図６は本発明の他の実施例を示すブロック図である。図６では、図１のマルチコントローラ１３内にＺ軸をコントロールするためのスレーブＣＰＵ１９を追加し、ピエゾ駆動部２０を介してＺ軸ピエゾ素子２１を駆動するようにしている。これにより、３Ｄ観察のための高速なタイミング制御によるフィルタホイール動作が実現できる。

なお、上記各実施例では、マルチコントローラ内において汎用のワンチップマイコンを使用し、マスターＣＰＵと複数のスレーブＣＰＵよりなるマルチＣＰＵ構成としているが、マルチタスク処理が可能なマイクロプロセッサの１個のみの構成としてもよい。

また、上記各実施例では、マルチコントローラとモータ駆動部とを個別に設けた例を示しているが、これらを一体化してもよい。

また、上記各実施例では、共焦点スキャナシステムで用いる励起フィルタホイールおよび受光フィルタホイールについて説明したが、フィルタホイールを間欠的に回転駆動することが要求される他の光学製品にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、高速でフィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムが実現でき、生物・バイオ・医療研究の分野などの各種生体サンプルの顕微鏡観察に好適である。

本発明の実施例の主要部を示すブロック図である。ステッピングモータに与えるパルス信号の周波数パターン例図である。波長切替形共焦点スキャナシステムのタイミングチャートである。レーザー変位計で測定したフィルタホイールの変位状態を示すオシロスコープ画面の測定波形例である。レーザー変位計で測定したフィルタホイールの変位状態を示すオシロスコープ画面の他の測定波形例である。本発明の他の実施例を示すブロック図である。従来の波長切替形共焦点スキャナシステムの一例を示すブロック図である。

符号の説明

１レーザー光源
２励起フィルタホイール
３共焦点スキャナ
４顕微鏡
５受光フィルタホイール
６ＴＶカメラ
７データ解析装置
８，９駆動モータ
１０フィルタホイール制御部
１２ＰＣ
１３マルチコントローラ
１４マスターＣＰＵ
１５，１６，１９スレーブＣＰＵ
１７，１８モータ駆動部
２０ピエゾ駆動部
２１Ｚ軸ピエゾ素子

Claims

所望の波長を通過させるための帯域を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられた励起フィルタホイールと受光フィルタホイールを含み、前記受光フィルタホイールのフィルタを通過した所望波長の画像が共焦点画像としてＴＶカメラに記録される共焦点スキャナシステムであって、
前記各フィルタホイールは、駆動パルスの周波数が起動周波数から運転周波数に向かって直線的に増加する加速時間領域と運転周波数に保持される定常運転時間領域と運転周波数から起動周波数に向かって直線的に減少する減速時間領域の３ステップからなる台形駆動パターンのパルス信号で駆動されるステッピングモータにより、連動して間欠的に回転駆動されるとともに、
前記各フィルタホイールの間欠的回転駆動がＴＶカメラの１フレーム周期内で完了するように、その周期がＮＴＳＣ信号のＴＶカメラのフレーム周期に設定されているシステム同期信号に基づいて制御されることを特徴とする共焦点スキャナシステム。
前記ステッピングモータは、マスターＣＰＵと複数のスレーブＣＰＵよりなるマルチＣＰＵ構成のマルチコントローラで駆動されることを特徴とする請求項１記載の共焦点スキャナシステム。
前記ステッピングモータは、マルチタスク処理が可能な１個のマイクロプロセッサで駆動されることを特徴とする請求項１記載の共焦点スキャナシステム。
３Ｄ観察のためのＺ軸制御系統を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の共焦点スキャナシステム。