JP6147122B2 - 走査型レーザ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型レーザ顕微鏡に関するものである。

従来、検出器として光電子増倍管（ＰＭＴ）を備えた走査型レーザ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。ＰＭＴは過大な光が入射すると劣化または損傷する虞がある。このため、特許文献１に記載の走査型レーザ顕微鏡は、ＰＭＴから出力される光電信号の定常成分が過大であることを電圧比較器が検出した場合に高圧電圧発生器の出力電圧を低下させることにより、ＰＭＴを保護している。

また、特許文献２に記載の走査型レーザ顕微鏡は、標本の刺激開始時から標本の画像取得開始時までの間に、ピンホールの開口径や集光レンズの配置位置あるいは光路切替手段の光路切替位置を制御して検出器への光の入射を阻害することにより、光量オーバーによる検出器のオーバーロードを防いでいる。

特開２００５−２１５３５７号公報 特開２０１２−１７３５１６号公報

しかしながら、従来の走査型レーザ顕微鏡では、ＰＭＴを過大光から保護することはできるが、標本の光刺激に組み合わせて標本の画像を自動で取得する場合において、過大光を検出すると画像取得を継続できないという不都合がある。また、従来の走査型レーザ顕微鏡では、そのような標本の光刺激に画像取得を組み合わせた観察において、標本の刺激中や刺激直後の画像を取得することができない場合があるという不都合ある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、標本の光刺激と画像取得を組み合わせて行う場合に、過大光による検出器の劣化を極力抑制しつつ、標本の刺激中や刺激直後の画像を取得することができる走査型レーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、標本上でレーザ光を走査させる走査部と、該走査部によりレーザ光が走査された前記標本からの光を検出し、検出した光の輝度に相当する光強度信号を出力する光検出部と、該光検出部から出力された光強度信号を前記走査部の走査位置に対応する画素毎に輝度情報に変換して、前記標本の画像を生成する画像生成部と、前記光検出部を駆動させる駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、前記光強度信号が所定の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定部と、該閾値判定部により前記光強度情報が前記所定の閾値を超えたと判定された場合に、前記駆動電圧出力部の出力を一旦低減して前記光検出部の駆動を抑制し、所定時間経過後に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる検出感度変更部と、前記標本の画像を取得する観察期間と該標本に光刺激を与える刺激期間を予め設定された切り替えタイミングに基づいて切り替える制御部とを備え、前記制御部が、前記検出感度変更部により前記駆動電圧出力部の出力を低減させている間に前記刺激期間が終了することとなる場合に、該刺激期間の終了時以前に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる終了時補正信号を前記検出感度変更部に通知し、該検出感度変更部が、前記終了時補正信号に基づいて前記駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングを補正する走査型レーザ顕微鏡を提供する。

本発明によれば、観察期間においては、走査部により標本上でレーザ光が走査されることにより、標本からの光が光検出部によって検出されて光強度信号に変換され、画像生成部によってその光強度信号に相当する輝度情報に基づいて標本の画像が生成される。一方、刺激期間においては、走査部により標本上でレーザ光が走査されることにより、標本に光刺激が与えられる。これにより、観察期間と刺激期間とを組み合わせて、光刺激による標本の反応を画像上で観察することができる。

この場合において、光検出部から出力された光強度信号が所定の閾値を超えたと閾値判定部により判定されると、検出感度変更部により、駆動電圧出力部の出力が一旦低減されて光検出部の駆動が抑制されることで、光検出部が過大光を検出することにより劣化してしまうのを極力抑制することができる。また、検出感度変更部により、所定時間経過後に駆動電圧出力部の出力が復帰させられることで、光検出部を駆動させて標本の画像取得を再開することができる。

さらに、駆動電圧出力部の出力を低減させている間に刺激期間が終了することとなる場合でも、制御部により終了時補正信号が通知され、検出感度変更部により駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングが補正されて、刺激期間の終了時以前に駆動電圧出力部の出力が復帰させられる。したがって、光検出部により刺激期間終了直後の標本からの光を逃すことなく検出して光強度信号に変換し、画像生成部により刺激直後の標本の画像を取得することができる。
これにより、過大光による光検出部の劣化を極力抑制しつつ、標本の刺激中や刺激直後の画像を取得することができる。

上記構成においては、前記制御部が、前記駆動電圧出力部の出力を低減させている間に前記観察期間が開始することとなる場合に、前記観察期間の開始時以前に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる開始時補正信号を前記検出感度変更部に通知し、該検出感度変更部が、前記開始時補正信号に基づいて該駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングを補正することとしてもよい。

このように構成することで、駆動電圧出力部の出力を低減させている間に観察期間が開始することとなる場合でも、制御部により開始時補正信号が通知され、検出感度変更部により駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングが補正されて、観察期間の開始時以前に駆動電圧出力部の出力が復帰させられる。したがって、光検出部により観察期間開始時の標本からの光を逃すことなく検出して光強度信号に変換し、画像生成部により観察開始時の標本の画像を取得することができる。これにより、観察開始時に画像が暗くなるのを防ぐことができる。

上記構成においては、前記走査部が、前記観察期間および前記刺激期間において前記標本上でレーザ光を走査可能な第１走査光学系と、前記刺激期間において前記標本上でレーザ光を走査可能な第２走査光学系とを備え、前記制御部が、前記観察期間と前記刺激期間とを交互に切り替える場合に、該刺激期間において前記第１走査光学系部および前記第２走査光学系のいずれか一方を選択することとしてもよい。

このように構成することで、第１走査光学系と第２走査光学系の両方を用いて、標本の画像を取得中に標本に光刺激を与えたり、第１走査光学系のみを用いて、標本の画像取得と光刺激とを交互に行ったりすることができる。

本発明によれば、標本の光刺激と画像取得を組み合わせて行う場合に、過大光による検出器の劣化を極力抑制しつつ、標本の刺激中や刺激直後の画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡の概略構成図である。 画像取得を続けながらその間に光刺激を行う場合を説明する図である。 画像取得を一旦停止して光刺激を行い、刺激期間中に画像取得を再開する場合を説明する図である。 画像取得を一旦停止して光刺激を行い、刺激期間の終了と同時に画像取得を再開する場合を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡１００は、図１に示されるように、標本Ｓを観察する観察光学系１と、標本Ｓを光刺激する刺激光学系３と、これらの観察光学系１および刺激光学系３のレーザ光の光路を合成する第１ダイクロイックミラー（第１ＤＭ）５と、標本Ｓからの蛍光を分岐させる第２ダイクロイックミラー（第２ＤＭ）７と、第２ダイクロイックミラー７により分岐された蛍光を検出して光強度信号を出力する光検出部９と、光検出部９から出力される光強度信号に基づいて標本Ｓの画像を生成する画像生成部１１とを備えている。

また、走査型レーザ顕微鏡１００には、光検出部９を駆動させる駆動電圧（ＨＶ）を出力する駆動電圧出力部１３と、光検出部９から出力される光強度信号に基づき過大光の有無を検出する過大光検出部（閾値判定部）１５と、光検出部９の検出感度を変更可能な検出感度変更部１７と、観察光学系１、刺激光学系３および検出感度変更部１７等を制御する制御部１９とが備えられている。

観察光学系１は、標本Ｓに照射する観察用のレーザ光を発生する観察光源部２１と、観察光源部２１から発せられたレーザ光を標本Ｓ上で２次元的に走査させる観察走査部（第１走査光学系）２３とを備えている。
観察走査部２３としては、例えば、ガルバノミラー、共振スキャナ、または、ＡＯＤ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ、音響光学偏向素子）等を用いることができる。

刺激光学系３は、標本Ｓを光刺激する刺激用のレーザ光を発生する刺激光源部２５と、刺激光源部２５から発せられたレーザ光を標本Ｓ上で２次元的に走査させる刺激走査部（第２走査光学系）２７とを備えている。
刺激走査部２７としては、例えば、ガルバノミラー、共振スキャナ、または、ＡＯＤ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ、音響光学偏向素子）等を用いることができる。

第１ダイクロイックミラー５は、観察走査部２３からのレーザ光を標本Ｓに向けて反射する一方、刺激走査部２７からのレーザ光を標本Ｓに向けて透過させるようになっている。
第２ダイクロイックミラー７は、観察用のレーザ光が照射されることにより標本Ｓにおいて発生する蛍光を分岐して光検出部９に入射させるようになっている。

光検出部９としては、例えば、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）やＨＰＤ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いることができる。この光検出部９は、検出した光を光電変換してその光量に応じた大きさの光強度信号を出力するようになっている。

画像生成部１１は、光検出部９から出力された光強度信号を観察走査部２３によるレーザ光の走査位置に対応する画素ごとに輝度情報に変換し、標本Ｓの画像を生成するようになっている。画像生成部１１により生成された画像は、図示しないモニタに表示することができるようになっている。

駆動電圧出力部１３は、光検出部９に高圧電圧を印加して光検出部９の検出感度を設定するようになっている。
過大光検出部１５には、光検出部９が一定時間内に検出する光の総量として許容できる上限値が所定の閾値として設定されている。この限界値を超える光は、光検出部９の劣化を促進する過大光として扱う。過大光検出部１５は、光検出部９から出力された光強度信号が所定の閾値を超えたか否かを判定することにより、過大光の有無を検出するようになっている。

検出感度変更部１７は、過大光検出部１５により、光検出部９から出力された光強度情報が所定の閾値を超えたと判定された場合に、駆動電圧出力部１３の出力を一旦低減し、光検出部９の駆動を抑制して検出感度を低下させるようになっている。本実施形態においては、検出感度変更部１７は、駆動電圧出力部１３の出力を一旦ＯＦＦし、光検出部９の検出感度をＯＦＦすることとする。

また、検出感度変更部１７は、駆動電圧出力部１３の出力を低減してから所定時間（例えば、１秒程度。）経過した後に、駆動電圧出力部１３の出力を低減する前の値に復帰させるようになっている。これにより、光検出部９の検出感度も低下前の値に復帰させられる。駆動電圧出力部１３の出力をＯＦＦする時間が１秒程度であれば、光検出部９の駆動を抑制することによる表示落ち（画像の暗黒化）を１フレーム程度に収めることができる。

さらに検出感度変更部１７は、駆動電圧出力部１３の出力をＯＦＦした場合に、駆動電圧出力部１３の出力の低減を開始したことを示す出力切り替え信号を制御部１９に通知するようになっている。また、検出感度変更部１７は、制御部１９の指示に従い、駆動電圧出力部１３の出力を復帰させる復帰タイミングを補正することができるようになっている。

制御部１９は、標本Ｓの画像を取得する観察期間と標本Ｓに光刺激を与える刺激期間を予め設定された切り替えタイミングに基づいて切り替えるようになっている。観察期間中は観察光源部２１および観察走査部２３を作動させ、刺激期間中は刺激光源部２５および刺激走査部２７を作動させるようになっている。

また、制御部１９は、予め設定されている切り替えタイミングから刺激期間の終了時を把握し、検出感度変更部１７から送られてくる出力切り替え信号に基づいて、駆動電圧出力部１３の出力を低減させている間に刺激期間が終了することになるか否かを判断するようになっている。

そして、制御部１９は、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することとなると判断した場合に、復帰タイミングを補正して刺激期間の終了時以前に駆動電圧出力部１３の出力を復帰させる補正信号（終了時補正信号）を検出感度変更部１７に通知するようになっている。駆動電圧出力部１３の応答には若干時間がかかるため、駆動電圧出力部１３の応答にかかる時間を考慮して復帰タイミングを補正させることとすればよい。駆動電圧出力部１３の出力の復帰を早めることで、光検出部９に過大光が若干印加することがあるが、光検出部９の検出感度を下げずに過大光を検出し続けた場合と比較してその量は軽微であり、光検出部９の劣化に対する影響は殆どない。

このように構成された走査型レーザ顕微鏡１００の作用について説明する。
本実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡１００により標本Ｓの画像を取得するには、まず、駆動電圧出力部１３により光検出部９に高圧電圧を印加させるとともに、観察光源部２１から観察用のレーザ光を発生させ、観察走査部２３によって走査させる。

観察走査部２３により走査されたレーザ光は、第１ダイクロイックミラー５により反射されて標本Ｓに照射される。これにより、標本Ｓ上で観察用のレーザ光が２次元的に走査される。

観察用のレーザ光が照射されることにより標本Ｓにおいて蛍光が発生すると、蛍光は第２ダイクロイックミラー７により分岐されて光検出部９により検出される。光検出部９により蛍光が検出されると、その輝度に相当する光強度信号に光電変換されて画像生成部１１に送られる。

画像生成部１１においては、光検出部９から送られてくる光強度信号が観察走査部２３の走査位置に対応する画素ごとに輝度情報に変換され、標本Ｓの画像が生成される。生成した画像をモニタ（図示略）等に表示させることで、画像上で標本Ｓを観察することができる。

次に、標本Ｓに光刺激を与えるには、刺激光源部２５から刺激用のレーザ光を発生させ、刺激走査部２７によって走査させる。刺激走査部２７により走査されたレーザ光は、第１ダイクロイックミラー５を透過して標本Ｓに照射される。これにより、標本Ｓ上で刺激用のレーザ光が２次元的に走査され、その走査位置において標本Ｓが光刺激される。

本実施形態においては、ユーザにより、標本Ｓの画像を取得する観察期間と標本Ｓに光刺激を与える刺激期間を切り替える切り替えタイミングが制御部１９に予め設定され、制御部１９により、その切り替えタイミングに基づいて、観察光学系１による走査（観察用走査）と刺激光学系３による走査（刺激用走査）が切り替えられる。

例えば、図２に示すように、画像取得（観察用走査）を続けながらその間に光刺激（刺激用走査）が行われる。これにより、標本Ｓの光刺激中の反応を画像上で観察することができる。図２は、観察用走査、刺激用走査および高圧電圧の出力切り替えのタイミングを横軸に時間をとって表した図である。図３および図４も同様である。

この場合において、観察期間中および刺激期間中は、過大光検出部１５により過大光の有無が検出される。すなわち、光検出部９から出力された光強度信号が所定の閾値を超えたか否かが過大光検出部１５により判定され、超えたと判定された場合に、検出感度変更部１７により、駆動電圧出力部１３の出力が一旦ＯＦＦされて光検出部９の駆動が抑制される。光検出部９の検出感度を一時的にＯＦＦすることで、光検出部９が過大光を検出してしまうことにより劣化するのを抑制することができる。

また、駆動電圧出力部１３の出力をＯＦＦしてから所定時間が経過すると、検出感度変更部１７により、駆動電圧出力部１３の出力が復帰させられる。これにより、光検出部９を駆動させて標本Ｓの画像取得を再開することができる。

駆動電圧出力部１３の出力が復帰されたときに過大光量の要因が除去されている場合は、画像取得が継続される。一方、過大光量の要因が除去されていない場合、すなわち、光検出部９から出力された光強度信号が所定の閾値を超えたと過大光検出部１５により再び判定された場合は、図２に示すように、検出感度変更部１７により、駆動電圧出力部１３の出力が再びＯＦＦされて光検出部９の駆動が抑制され、所定時間経過後にその出力が復帰させられる。そして、過大光量の要因が除去されるまで過大光の検出と駆動電圧出力部１３の出力低減・復帰が繰り返される。

さらに、検出感度変更部１７により、駆動電圧出力部１３の出力を低減すると制御部１９に出力切り替え信号が通知され、制御部１９により、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することになるか否かが判断される。

制御部１９により、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することとなると判断された場合は、検出感度変更部１７に対して補正信号が通知される。補正信号が通知されると、検出感度変更部１７により、その補正信号に基づいて駆動電圧出力部１３の出力の復帰タイミングが補正され、刺激期間の終了時以前に駆動電圧出力部１３の出力が復帰させられる。

したがって、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することとなる場合でも、光検出部９により刺激期間終了直後の標本Ｓからの光が逃すことなく検出されて光強度信号に変換され、画像生成部１１によって刺激直後の標本Ｓの画像が取得される。

以上説明したように、本実施形態に係る走査型レーザ顕微鏡１００によれば、過大光を検出した場合に駆動電圧出力部１３の出力を一旦ＯＦＦして所定時間経過後に復帰させるとともに、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することとなるときは駆動電圧出力部１３の復帰タイミングを補正して刺激期間の終了時以前に復帰させることで、過大光による光検出部９の劣化を極力抑制しつつ、標本Ｓの刺激中や刺激直後の画像を取得することができる。

本実施形態においては、画像取得を続けながらその間に光刺激を行う場合を例示して説明したが、図３に示すように、画像取得（観察用走査）を一旦停止して光刺激（刺激用走査）を行い、刺激期間中に画像取得（観察用走査）を再開する場合にも適用することができる。

この場合においても、検出感度変更部１７から通知される出力切り替え信号に基づき、制御部１９により、駆動電圧出力部１３の出力低減中に刺激期間が終了することとなると判断された場合は検出感度変更部１７に補正信号が通知され、検出感度変更部１７により、その補正信号に基づいて復帰タイミングが補正されて刺激期間の終了時以前に駆動電圧出力部１３の出力が復帰させられる。

したがって、本変形例においても、光検出部９により刺激期間終了直後の標本Ｓからの光を逃すことなく検出して光強度信号に変換し、画像生成部１１により刺激直後の標本Ｓの画像を取得することができる。

本変形例においては、駆動電圧出力部１３の出力を低減させている間に観察期間が開始することとなる場合に、制御部１９が、観察期間の開始時以前に駆動電圧出力部１３の出力を復帰させる補正信号（開始時補正信号）を検出感度変更部１７に通知し、検出感度変更部１７が、その補正信号に基づいて駆動電圧出力部１３の出力の復帰タイミングを補正することが望ましい。

この場合、制御部１９が、予め設定されている切り替えタイミングから観察期間の開始時を把握し、検出感度変更部１７から送られてくる出力切り替え信号に基づいて、駆動電圧出力部１３の出力を低減させている間に観察期間が開始することになるか否かを判断することとすればよい。

このようにすることで、図３に示すように、駆動電圧出力部１３の出力を低減させている間に観察期間が開始することになる場合でも、出力の復帰タイミングが補正されて観察期間の開始時以前に駆動電圧出力部１３の出力が復帰させられることにより、光検出部９によって観察期間開始時の標本Ｓからの光を逃すことなく検出して光強度信号に変換し、画像生成部１１によって観察開始時の標本Ｓの画像を取得することができる。これにより、観察開始時に画像が暗くなるのを防ぐことができる。

また、本変形例は、図４に示すように、画像取得（観察用走査）を一旦停止して光刺激を開始し（刺激用走査）、刺激期間の終了と同時に画像取得（観察用走査）を再開する場合にも適用することができる。

本変形例においては、検出感度変更部１７から通知される開始切り替え信号に基づき、制御部１９により、駆動電圧出力部１３の出力低減中に観察期間が開始することとなると判断された場合に、検出感度変更部１７に補正信号が通知され、検出感度変更部１７により、復帰タイミングが補正されて観察期間の開始時以前に駆動電圧出力部１３の出力が復帰させられる。

したがって、光検出部９により観察期間開始時の標本Ｓからの光を逃すことなく検出して光強度信号に変換し、画像生成部１１により観察開始時の標本Ｓの画像を取得することができる。これにより、観察開始時に画像が暗くなるのを防ぐことができる。

図４に示すパターンでは、刺激光学系３に代えて、観察光学系１により標本Ｓにレーザ光を照射することで、標本Ｓに光刺激を与えることとしてもよい。この場合、制御部１９が、刺激期間において観察光学系１および刺激光学系３のどちらを用いるか選択することとしてもよい。例えば、観察光学系１のみを用いて、標本Ｓの画像取得と光刺激とを交互に行うこととしてもよい。

９ 光検出部
１１ 画像生成部
１３ 駆動電圧出力部
１５ 過大光検出部（閾値判定部）
１７ 検出感度変更部
１９ 制御部
２３ 観察走査部（走査部、第１走査光学系）
２７ 刺激走査部（走査部、第２走査光学系）
１００ 走査型レーザ顕微鏡
Ｓ 標本

Claims (3)

1. 標本上でレーザ光を走査させる走査部と、
   該走査部によりレーザ光が走査された前記標本からの光を検出し、検出した光の輝度に相当する光強度信号を出力する光検出部と、
   該光検出部から出力された光強度信号を前記走査部の走査位置に対応する画素毎に輝度情報に変換して、前記標本の画像を生成する画像生成部と、
   前記光検出部を駆動させる駆動電圧を出力する駆動電圧出力部と、
   前記光強度信号が所定の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定部と、
   該閾値判定部により前記光強度情報が前記所定の閾値を超えたと判定された場合に、前記駆動電圧出力部の出力を一旦低減して前記光検出部の駆動を抑制し、所定時間経過後に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる検出感度変更部と、
   前記標本の画像を取得する観察期間と該標本に光刺激を与える刺激期間を予め設定された切り替えタイミングに基づいて切り替える制御部とを備え、
   前記制御部が、前記検出感度変更部により前記駆動電圧出力部の出力を低減させている間に前記刺激期間が終了することとなる場合に、該刺激期間の終了時以前に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる終了時補正信号を前記検出感度変更部に通知し、
   該検出感度変更部が、前記終了時補正信号に基づいて前記駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングを補正する走査型レーザ顕微鏡。
2. 前記制御部が、前記駆動電圧出力部の出力を低減させている間に前記観察期間が開始することとなる場合に、前記観察期間の開始時以前に前記駆動電圧出力部の出力を復帰させる開始時補正信号を前記検出感度変更部に通知し、
   該検出感度変更部が、前記開始時補正信号に基づいて該駆動電圧出力部の出力の復帰タイミングを補正する請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡。
3. 前記走査部が、前記観察期間および前記刺激期間において前記標本上でレーザ光を走査可能な第１走査光学系と、前記刺激期間において前記標本上でレーザ光を走査可能な第２走査光学系とを備え、
   前記制御部が、前記観察期間と前記刺激期間とを交互に切り替える場合に、該刺激期間において前記第１走査光学系部および前記第２走査光学系のいずれか一方を選択する請求項１または請求項２に記載の走査型レーザ顕微鏡。

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