JP5822570B2

JP5822570B2 - 円二色性イメージング装置

Info

Publication number: JP5822570B2
Application number: JP2011150380A
Authority: JP
Inventors: 浩里園
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: JP2013015500A

Description

本発明は、円二色性イメージング装置に関する。

円二色性は、分子の光学活性（キラリティ）によって起こる現象であり、左右の円偏光に対する吸光度の違いとして定義される。この円二色性のスペクトル情報は、分子の高次構造を反映していることから、特に生理活性物質の高次構造の解析等によく適用される。

円二色性を計測するためには、右の円偏光と左の円偏光の吸光度の差を計測する必要があるが、汎用の円二色性分光計においては、円偏光変調器を用いて右と左の円偏光を周期的に発生させ、試料を透過したときに生じる透過光の周期的な強度変化を、透過光のＡＣ成分として計測する方法や、円偏光変調器の変調信号から透過光の強度変化をロックインアンプで計測するといった方法等が一般的に用いられる。

具体的には、例えば特許文献１では、円二色性のイメージを計測する従来技術として、近接場プローブを使って試料をスキャンする方法が開示されている。また、特許文献２では、共焦点蛍光顕微鏡と円二色性のイメージ計測とを組み合わせた方法が知られている。

また、特許文献３では、左右の円偏光を自由に発生できる光源を使って、左右の円偏光をそれぞれ計測し、差を求めることで円二色性イメージを得る技術が開示されている。さらに、特許文献４では、光偏光変調器を使わずに、回転する偏光板を用いて左右の円偏光を生成し、各々の透過画像から円二色性イメージを得る技術が開示されている。

特開平１０−３２５８４０号公報国際公開第２００７／０８８９４７号特開平０５−０４５３０４号公報米国特許出願公開第２００５／０１３４６８７号明細書

しかしながら、上記特許文献１，２に記載の方法は、いずれも試料を走査して測定を行うことから測定に時間を要するため、例えば経時変化が速い試料の測定を精度よく行うことは困難である。また、特許文献３に記載の方法は、左右の円偏光を自由に発生できる光として放射光を想定していることから、装置を容易に作成することができない。さらに、特許文献４に記載の方法は、偏光板の回転等のメカニカルな機構が必要となるため、装置由来の誤差を考慮すると、より高い精度での測定が困難である。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、高速且つ高精度に円二色性イメージを撮像することが可能な円二色性イメージング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る円二色性イメージング装置は、パルス光を出射するパルス光源と、パルス光源から出射されたパルス光を入力し右円偏光又は左円偏光に変調させて試料に対して出射する変調手段と、変調手段から出射されて試料により透過された透過光による画像を撮像する撮像手段と、パルス光源におけるパルス光の出射タイミングと、変調手段におけるパルス光の右円偏光又は左円偏光への切り替えと、を制御する制御手段と、撮像手段により撮像された画像のうち右円偏光画像を格納する右円偏光画像格納手段と、撮像手段により撮像された画像のうち左円偏光画像を格納する左円偏光画像格納手段と、右円偏光画像格納手段に格納された右円偏光画像と、左円偏光画像格納手段に格納された左円偏光画像との差分を求め、その結果を円二色性イメージとして出力する出力手段と、を備え、制御手段は、第１の期間では、パルス光源がパルス光を出射しているときに変調手段によりパルス光を右円偏光に変調させると共に、この結果撮像手段によって撮像された画像を右円偏光画像として右円偏光画像格納手段に格納させ、第１の期間とは異なる第２の期間では、パルス光源がパルス光を出射しているときに変調手段によりパルス光を左円偏光に変調させると共に、この結果撮像手段によって撮像された画像を左円偏光画像として左円偏光画像格納手段に格納させることを特徴とする。

上記の円二色性イメージング装置によれば、右円偏光画像を撮像する第１の期間では、パルス光源からパルス光を出射しているときに、変調手段によってパルス光が右円偏光に変調され、この結果撮像手段によって撮像された画像が右円偏光画像として右円偏光画像格納手段に格納される。また、左円偏光画像を撮像する第２の期間では、パルス光源からパルス光を出射しているときに、変調手段によってパルス光が左円偏光に変調され、この結果撮像手段によって撮像された画像が左円偏光画像として左円偏光画像格納手段に格納される。そして、上記の結果得られた右円偏光画像と左円偏光画像とから円二色性イメージを作成・出力することが可能となる。したがって、上記の円二色性イメージング装置によれば、試料を走査して測定する場合と比較してより高速に、且つ、より簡易な装置を用いて高精度の円二色性イメージを撮像することができる。

ここで、上記の円二色性イメージング装置は、円偏光光源と撮像手段との間の光路上に単色フィルタを更に備える態様とすることができる。

上記のように、変調手段と撮像手段との間に特定の波長の光のみを通過させる単色フィルタを設ける構成とすることで、ノイズ成分となる光を除去することができるため、撮像手段において右円偏光画像及び左円偏光画像を精度よく撮像することができ、より高精度な円二色性イメージを得ることができる。さらに、単色フィルタにより目的とする波長のみが選別されるため、光源が非単色光源であっても、目的の波長における円二色性イメージを得ることも可能となる。

本発明によれば、高速且つ高精度に円二色性イメージを撮像することが可能な円二色性イメージング装置が提供される。

実施形態に係る円二色性イメージング装置の構成を説明する概略構成図である。円二色性イメージング装置による処理を説明するフローチャートである。円二色性イメージング装置によって右円偏光画像を撮像する場合の各部の処理を説明する図である。円二色性イメージング装置によって左円偏光画像を撮像する場合の各部の処理を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る円二色性イメージング装置の構成を説明する概略構成図である。図１に示すように、円二色性イメージング装置１は、光源１０、偏光子２０、変調器３０、単色フィルタ４０、カメラ５０、画像処理装置６０及び光源駆動装置７０を含んで構成され、変調器３０と単色フィルタ４０との間に試料１００が配置される。

光源１０は、試料１００に対して照射するためのパルス光を出射する。この光源１０から出射される光は非偏光であり、例えば、波長２８０ｎｍの光を出射するＬＥＤ光源等が光源１０として用いられる。この光源１０のパルス光の出射タイミングは、光源１０に接続される光源駆動装置７０により制御される。

光源１０から出射されたパルス光は偏光子２０に入射する。偏光子２０では、光源１０から出射された光のうち直線偏光のみが取り出される。偏光子２０としては、例えば、グランテーラープリズムが用いられる。

偏光子２０により取り出された直線偏光は、変調器３０によって右円偏光又は左円偏光に変換して出射される。変調器３０は、円偏光変調器３１と変調信号発振器３２とを含んで構成されている。変調信号発振器３２は、右円偏光への変換を指示する信号と左円偏光への変換を指示する信号とを変調信号とし、これらを周期的に交互に発振する。そして、変調信号発振器３２により発振される変調信号に基づいて、円偏光変調器３１に入射した直線偏光が右円偏光又は左円偏光に交互に変換されて出射される。また、変調信号発振器３２が発振する変調信号は後述の光源駆動装置７０に対しても出力される。この変調信号に基づいた円偏光変調器３１による円偏光への変換と、光源１０からのパルス光の間隔（出射時間・停止時間）とを調整することにより、円偏光変調器３１から右円偏光及び左円偏光のいずれかがパルス光となって出射される。この具体的な手順については後述する。上記より円偏光変調器３１によって出射された右円偏光及び左円偏光が試料１００に対して出射される。

円偏光変調器３１により出射されて、試料１００を透過した透過光は、単色フィルタ４０に入射する。単色フィルタ４０は、円二色性イメージの形成には不要な波長成分やノイズ成分等の除去のために設けられている。本実施形態の円二色性イメージング装置１では、波長２８０ｎｍの光のみを通過させる単色フィルタ４０として用いられる。単色フィルタ４０を通過した透過光は５０へ入射する。

カメラ５０は、試料により透過された透過光による画像を撮像する撮像手段として機能する。カメラ５０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等が用いられる。カメラ５０では、入射した透過光の強度が画像信号に変換され、この信号がカメラ５０からイメージキャプチャボード６１へ送られる。

画像処理装置６０は、カメラ５０により撮像された画像から円二色性イメージを形成・出力するための装置である。具体的には、画像処理装置６０は、カメラ５０と接続されたイメージキャプチャボード６１に対して接続し、画像信号切替部６２、右円偏光画像格納部６３、左円偏光画像格納部６４、画像演算部６５、出力部６６を含んで構成され、ＩＯ（Input/Output）ボード６７を介して光源駆動装置７０と接続されている。

イメージキャプチャボード６１は、カメラ５２からの画像信号を取り込むと共に、画像処理装置６０において画像ファイルとして保存・使用するための処理を行う。イメージキャプチャボード６１に送られた画像信号は、イメージキャプチャボード６１を介して画像信号切替部６２へ送られる。画像信号切替部６２は、イメージキャプチャボード６１から画像信号を右円偏光画像格納部６３及び左円偏光画像格納部６４のどちらへ格納するかを切替える機能を有する。右円偏光画像格納部６３（右円偏光画像格納手段）は右円偏光画像を格納する領域であり、左円偏光画像格納部６４（左円偏光画像格納手段）は左円偏光画像を格納する領域である。

そして、どちらの格納部に対して画像信号を格納するかについて、画像処理装置６０内のソフトウェアが作動することによって画像信号切替部６２において制御が行われる。具体的には、画像処理装置６０において試料１００の右円偏光画像を撮像する場合には、制御信号はＬ（Low Level）とされ、左円偏光画像を撮像する場合には制御信号はＨ（HighLevel）とされる。なお画像信号切替部６２による右円偏光画像の撮像と左円偏光画像の撮像との切替えは、円二色性イメージング装置１の使用者からの指示に基づいて行ってもよいし、一方の（例えば右円偏光画像）の撮像開始後所定の時間経過した後に切替えられる構成としてもよい。また、画像信号切替部６２によって左円偏光画像の取得と右円偏光画像の取得が切替えられるのに応じて、画像信号切替部６２による制御信号が画像信号切替部６２からＩＯボード６７を介して光源駆動装置７０に対して送られる。

画像演算部６５は、右円偏光画像格納部６３に格納された右円偏光画像と、左円偏光画像格納部６４に格納された左円偏光画像との差分を求める機能を有する。画像演算部６５による演算結果は、出力部６６から円二色性イメージとして出力される。円二色性イメージは出力部６６から例えばモニタに表示する方法や、プリンタに出力する方法等によって、画像処理装置６０から外部へ出力される。このように画像演算部６５及び出力部６６は、出力手段として機能する。

ＩＯボード６７は、画像処理装置６０と外部機器との間を接続し、信号の入出力を取り持つ機能を有する。本実施形態の円二色性イメージング装置１では、画像信号切替部６２による制御信号がＩＯボード６７を介して光源駆動装置７０へ出力される。

光源駆動装置７０は、変調器３０の変調信号発振器３２から送られる変調信号と、ＩＯボード６７を介して画像信号切替部６２から送られる制御信号と、を受信し、これに基づいて光源１０に対してパルス光の出射タイミング及び間隔を制御する信号を送信する。このように、変調信号発振器３２、画像信号切替部６２及び光源駆動装置７０はパルス光源におけるパルス光の出射タイミングと、円偏光光源における左円偏光と右円偏光との切り替えと、を行う制御手段として機能する。

ここで、上記の構成を有する円二色性イメージング装置１として好適に用いられる装置を例示する。例えば、光源１０としてＵＶ−ＬＥＤ（型番T9B28B：Seoul Optodevice社製）、変調器３０として、光弾性変調器（型番PEM100：Hinds Instruments社製）、カメラ５０として、ＩＣＣＤカメラ（型番V4183ICCD：浜松ホトニクス社製）が好適に用いられる。

次に、円二色性イメージング装置１による円二色性イメージングの方法について図２〜４を用いて説明する。図２は、円二色性イメージング装置１による処理を説明するフローチャートである。また、図３は、円二色性イメージング装置１によって右円偏光画像を撮像する場合の各部の処理を説明する図であり、図４は、円二色性イメージング装置１によって左円偏光画像を撮像する場合の各部の処理を説明する図である。

まず図２に示すように、試料１００に対して右円偏光を照射し、右円偏光画像を撮像する（Ｓ０１）。このとき、円二色性イメージング装置１を構成する各部の信号は以下の処理を行う。すなわち、変調信号発振器３２によって、円偏光変調器３１が所定の間隔で右円偏光と左円偏光とを交互に出射可能となるように変調信号を発振する。具体的には、変調信号発振器３２は、変調信号の形状が図３に示すように矩形波となるように、高いレベルの信号と低いレベルの信号とを周期的に交互に発振する。これによって、円偏光変調器３１は、変調信号が高いレベルの信号である場合には、円偏光変調器３１に入射した直線偏光を右円偏光に変換して出射させ、変調信号が低いレベルの信号である場合には、円偏光変調器３１に入射した直線偏光を左円偏光に変換して出射させる。これにより、円偏光変調器３１からは図３に示すように右円偏光と左円偏光とが交互に出射可能な状態とされる。

ここで、画像処理装置６０の画像信号切替部６２では、制御信号として右円偏光画像を撮像することを示す「Ｌ」の制御信号を出力する。これに基づいて、光源駆動装置７０では、変調信号発振器３２の変調信号に対応させて光源１０からパルス光を出射させる。すなわち、図３に示すように、変調信号発振器３２からの変調信号が高いレベルである期間に光を出射（ＯＮ）させ、変調信号が低いレベルである期間に光の出射を停止（ＯＦＦ）させる。これにより、光源１０からは変調信号発振器３２による変調信号に対応したパルス光が出射される。

これにより、円偏光変調器３１からは、光源１０からパルス光が出射された間、右円偏光が出射される。そしてこの右円偏光が試料１００を照射し、試料１００を透過した後にさらに単色フィルタ４０を通過した透過光がカメラ５０に到達する。この結果、カメラ５０で撮像された画像は右円偏光の照射時の画像となる。よって、この期間に撮像された画像は全て右円偏光画像格納部６３に格納する。以上の処理を所定の期間行うことによって、右円偏光画像の撮像が行われる。

次に、試料１００に対して左円偏光を照射し、左円偏光画像を撮像する（Ｓ０２）。ここでは、画像信号切替部６２からの制御信号が「Ｌ」ではなく「Ｈ」となる点、及び、光源駆動装置７０による光源１０の制御が、右円偏光画像の撮像時とは反転する点が相違する。光源駆動装置７０は、変調信号発振器３２からの変調信号が低いレベルである期間に光を出射（ＯＮ）させ、変調信号が高いレベルである期間に光の出射を停止（ＯＦＦ）させる。上記の変更点以外は右円偏光画像の撮像（Ｓ０１）と同様の処理が行われる。

具体的には、図４に示すように、変調信号発振器３２が発振する変調信号と、この変調信号に基づいて円偏光変調器３１において、円偏光変調器３１に入射した直線偏光を円偏光に変換して出射される点は図３と同じであるが、画像信号切替部６２からの制御信号が「Ｈ」となっていることで、光源駆動装置７０は、変調信号発振器３２からの変調信号が低いレベルである期間に光を出射（ＯＮ）させ、変調信号が高いレベルである期間に光の出射を停止（ＯＦＦ）させる。

光源駆動装置７０により、変調信号発振器３２により発振される変調信号に対するパルス光の出射タイミングが反転され、光源１０からパルス光が出射されると、このパルス光が円偏光変調器３１に入射することで、円偏光変調器３１から左円偏光が出射される。そしてこの左円偏光が試料１００を照射し、試料１００を透過した後にさらに単色フィルタ４０を通過した透過光がカメラ５０に到達する。これによりカメラ５０で撮像された画像は左円偏光の照射時の画像となる。よって、この期間に撮像された画像は全て左円偏光画像格納部６３に格納する。以上の処理を所定の期間行うことによって、左円偏光画像の撮像が行われる。

なお、右円偏光画像の撮像と左円偏光画像の撮像とは、それぞれ複数サイクル分の画像を撮像した後に、切り替えられる構成とされる。

次に、画像演算部６５において、右円偏光画像格納部６３に格納された右円偏光画像と、左円偏光画像格納部６４に格納された左円偏光画像との差分を演算する（Ｓ０３）。具体的には、画像演算部６５によって、右円偏光画像と左円偏光画像との間で減算処理が行われる。そして、この結果が画像演算部６５から出力部６６へ送られ、出力部６６から円二色性イメージとして出力される（Ｓ０４）。以上の処理により円二色性イメージの撮像及び出力が行われる。

本実施形態に係る円二色性イメージング装置１によれば、右円偏光画像を撮像するための第１の期間では、光源１０からパルス光を出射しているときに、変調器３０によってパルス光が右円偏光に変調され、この結果カメラ５０によって撮像された画像が右円偏光画像として右円偏光画像格納部６３に格納される。また、左円偏光画像を撮像する第２の期間では、光源１０からパルス光を出射しているときに、変調器３０よってパルス光が左円偏光に変調され、この結果カメラ５０によって撮像された画像が左円偏光画像として左円偏光画像格納部６３に格納される。そして、上記の結果得られた右円偏光画像と左円偏光画像とから円二色性イメージを作成・出力することが可能となる。したがって、上記の円二色性イメージング装置１によれば、試料を走査して測定する場合と比較してより高速に、且つ、より簡易な装置を用いて高精度の円二色性イメージを撮像することができる。

また、上記の円二色性イメージング装置１では、試料１００とゲート５１との間に、特定の波長の光のみを通過させる単色フィルタ４０を設ける構成とされていることから、迷光等のノイズ成分となる光を単色フィルタ４０で排除することができ、ゲート５１を経てカメラ５２において撮像される画像をより高精度とすることができる。さらに、光源１０がキセノンランプのような非単色光源であっても、単色フィルタにより目的とする波長のみが選別されるため、目的の波長における円二色性イメージを得ることも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、単色フィルタ４０を試料１００の後段に設けた構成としたが、単色フィルタ４０は光源１０とカメラ５２との間の光路上であればどの場所に設けてもよい。ただし、迷光の防止という目的を考慮すると試料１００の後段に設けることが好ましい。

１…円二色性イメージング装置、１０…光源、２０…偏光子、３０…変調器、３１…円偏光変調器、３２…変調信号発振器、４０…単色フィルタ、５０…カメラ、６０…画像処理装置、６１…イメージキャプチャボード、６２…画像信号切替部、６３…右円偏光画像格納部、６４…左円偏光画像格納部、６５…画像演算部、６６…出力部、６７…ＩＯボード、７０…光源駆動装置。

Claims

パルス光を出射するパルス光源と、
前記パルス光源から出射されたパルス光を入力し右円偏光又は左円偏光に変調させて試料に対して出射する変調手段と、
前記変調手段から出射されて前記試料により透過された透過光による画像を撮像する撮像手段と、
前記パルス光源におけるパルス光の出射タイミングと、前記変調手段における前記パルス光の前記右円偏光又は前記左円偏光への切り替えと、を制御する制御手段と、
前記撮像手段により撮像された画像のうち右円偏光画像を格納する右円偏光画像格納手段と、
前記撮像手段により撮像された画像のうち左円偏光画像を格納する左円偏光画像格納手段と、
前記右円偏光画像格納手段に格納された前記右円偏光画像と、前記左円偏光画像格納手段に格納された前記左円偏光画像との差分を求め、その結果を円二色性イメージとして出力する出力手段と、
を備え、
前記制御手段は、
第１の期間では、前記変調手段により前記パルス光を右円偏光に変調させることができる期間に前記パルス光源から前記パルス光を出射させると共に、前記変調手段により前記パルス光を左円偏光に変調させることができる期間に前記パルス光源からの前記パルス光の出射を停止させ、この結果前記撮像手段によって撮像された画像を前記右円偏光画像として前記右円偏光画像格納手段に格納させ、
前記第１の期間とは異なる第２の期間では、前記変調手段により前記パルス光を左円偏光に変調させることができる期間に前記パルス光源から前記パルス光を出射させると共に、前記変調手段により前記パルス光を右円偏光に変調させることができる期間に前記パルス光源からの前記パルス光の出射を停止させ、この結果前記撮像手段によって撮像された画像を前記左円偏光画像として前記左円偏光画像格納手段に格納させる
ことを特徴とする円二色性イメージング装置。
前記変調手段と前記撮像手段との間の光路上に単色フィルタを更に備える
ことを特徴とする請求項１記載の円二色性イメージング装置。