JPH02245716A - 主像平面に固体検出器を用いた定量光学顕微鏡及び同顕微鏡を用いた対象走査法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は主像平面に固体検出器を配置した光学顕微鏡並
びに画像の表示及び処理の方法に関する。

固体検出器が電荷結合素子（ＣＣＤ）である場合、ここ
ではＣＣＤ顕微鏡と呼ぶ場合もあるが、通常は固体顕微
鏡と呼ぶ。

［従来の技術］ 生物学、医学、材料学、その他の様々な分野で顕微鏡検
査法を用いる場合、像を電子的に捕えてデジタル化して
から像の記憶や処理が行なわれる。

この作業はビデオ検出器を備えた光学複合顕微鏡を用い
て行なわれる。ビデオ検出器には電荷結合素子（ＣＣＤ
）をイメージセンサとして用いたものも含まれる。ビデ
オ検出器の信号はビデオ信号に変換されてフレームグラ
バ（１’ｒａａｅ　ｇｒａｂｂｅｒ）によりデジタル化
され、デジタル信号処理装置により更に処理されてフレ
ームメモリに記憶される。

ところで、ビデオ信号はテレビ放送基準に基づべアナロ
グ信号なので、定量的画像処理には適していない。また
、このような装置は一般に光学路が複雑であり、顕微鏡
の対物レンズを除いても、光は１旦ビームスプリツタを
透過するか半透明の鏡で反射してから、接眼レンズ又は
映写レンズなどの拡大レンズを少なくとも１回通過する
。このように、光はビデオ検出器に到達するまでに多く
の光学要素を透過するので、画像の歪曲及び収差が増大
するだけでなく光の損失も著しい。

上述した種類のデジタル画像顕微鏡装置としては色々の
ものが市販されており、大小様々の企業の画像処理技術
用装置を選択することができる。

例えば、ツァイス社（Ｚｅｉｓｓ　）のＩＢＡｓ　２０
００、ベクトンディキンソン社（Ｂｅｃｔｏｎ　Ｄｉｃ
ｋｌｎｓｏｎ）のＣＡＳ　２００　　ケンブリッジイン
ストルメンツ社（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　　Ｉｎｓｔｒｕ
ｍｅｔｓ）　　のＱｕａｎｔｌｓｅＬ　　９２０／９７
０　　、ライツ社（ＬｅｉＬｚ　）のＴＡＳ　Ｐｌｕｓ
などがある。これらの装置は実際に材料学その他の分野
で幅広く使用されている。細胞生物学や医学に用いられ
る場合は、一般に画像細胞７１−１定装置（ｉｍａｇｅ
　ｅｙｔｏｓｅｔｒｙｄｅｖｌｃｃ）と呼ばれる。多く
の場合、像の検出器はビデオカメラであり、フレームグ
ラバによりビデオカメラからフレームが捕えられる。デ
ジタル化された画像はコンピュータや特別の画像処理装
置を用いて様々な技術により処理される。

この他に、米国特許第４，７００，２９８号に開示され
ているパルキック、ジャギ、及びノルデイン（ＰａｌＣ
ｔｅ、　Ｊａｇｇｉ　ａｎｄ　Ｎｏｒｄｌｎ）の３氏に
より開発された動的顕微鏡画像処理走査装置（ｄｙｎａ
ｍｉｃ　ｌｌ１ｃｒｏｓｃｏｐｅ　Ｉｍａｇｅ　ｐｒｏ
ｃｅｓｓｉｎｇ　５ｃａｎｎｅｒ）を用いて像を捕える
方法もある。この装置のイメージセンサは光検出器を一
列に並べたりニアアレイ固体ＣＯＤ装置である。画像は
、ステージに載置された試料を固体ＣＯＤ装置の１回の
走査に同期して正確に１ミクロンづつ移動させることに
より光学顕微鏡を介して得られる。あるいは、センサの
方を移動させて、センサが拡大された顕微鏡画像を横切
るようにしてもよい。この方法に関してはヤング（ｙｏ
ｕｎｇ）に付与された米国特許第４，３９８．２１１号
に類似した提案がなされている。この特許では、検流計
走査鏡（及び更に別の鏡や機械的要素）を備えた直線固
体イメージセンサを用いて、直交する２方向の内の一方
を検流計走査鏡で走査し、他方をセンサで走査するもの
である。

しかしながら、以上に述べた装置には複合顕微鏡内の数
多くの光学及び機械の両要素のために画像がかなり歪曲
してしまうという問題がある。しかも、ビデオ検出器を
用いた装置では、検出された光の強さがビデオ信号に変
換される際に元の像が歪曲されるので、画像の歪曲は更
に増大する。

また、ビデオカメラのアスペクト比は通常４：３であり
、高解像度カメラの場合アスペクト比は５：３であるた
めに画像のＸ、Ｙ関数の計算が難しくなるので、像の歪
曲は一般に増大する。ビデオカメラを用いた定量的顕微
鏡検査法では、飛越し走査及び自動利得制御も問題であ
る。顕微鏡ビデオ装置は視野が狭いので、検査対象を目
視により捜し出すことは難しい。パルキックらの米国特
許第４，７００，２９８号や、ヤングの米国特許第４．
３９８，２１１号の動的顕微鏡画像処理走査装置のよう
に、リニアアレイを用いた走査方法で像を得る場合には
、像は離散量としてデジタル化され、画素は平方される
。しかしながら、光学顕微鏡を用いることにより生じる
光学的歪曲は未だ存在している。また、最も重要なこと
に、リアルタイムで画像を得ることは一般に不可能であ
り、画像は通常数秒後に得られる。

最後に、画像が得られるまでの時間や得られた画像の歪
曲を無視しても、得られた画像のどの部分が重要であり
どの部分が重要でないかを前もって知ることはできない
。例えば、広大な領域の中に小さな細胞が点在している
とする。重要なのは細胞だけであり、はとんどの画素デ
ータは重要な情報を有していない背景であるに過ぎない
。それにも拘らず通常の装置では初めに画素全体を処理
しなければ重要な対象を捜し出すことができない。

この処理は時間がかかるので、データをリアルタイムで
分析することができない。

［発明が解決しようとする課″Ｘｎ］ 本発明の課題は、画像の歪曲及び収差並びに−光の損失
が最小に押えられていて、画像の全体又は一部をリアル
タイムに得ることのできる定量光学本発明は、１個の高
解像度レンズ（対物レンズ）を介して像を主像平面に位
置するＣＯＤの巨大な２次元的アレイ又は同様の固体イ
メージセンサに直接に投射することによって以上の問題
を回避している。本発明の固体顕微鏡は、 集光器及び散乱フィルタを有する光源と、対象の位置決
及び走査のためにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動する可動ステー
ジと、 高度に補正された収差、大きな開口数、及び平らで広い
視野を有し、対象の拡大像を自らの主像平面に投射する
対物レンズと、 画素密度の高い巨大な感知領域を有し、対物レンズの主
像平面内に載置されて、投射された拡大像の輝度レベル
の空間的配置に対応した信号を発生する２次元固体イメ
ージセンサと、 固体イメージセンサに関係付けられていて、固体イメー
ジセンサからの信号のデジタル化及び処理を行なってデ
ジタル化された対象の像を提供するＡ／Ｄコンバータと
、 Ａ／Ｄコンバータに接続されていて、デジタル画像を強
化し、光学的に生じた歪曲や検出により生じた歪曲を補
正する較正補正手段と、較正補正手段に接続されていて
デジタル画像が連続的に詰め込まれるフレームメモリと
、フレームメモリに関連付けられていてデジタル画像を
処理する画像処理装置と、 フレームメモリに接続されていて画像を表示する表示手
段とを備えている。

［発明の作用件＃囁＃］ 本発明では対物レンズの主像平面内に位置する固体イメ
ージセンサに像を投射するために用いられる光学レンズ
は１個（対物レンズ）だけなので、像の歪曲は最少に押
えられている。顕微鏡検査法ではｒ主像平面（ｐｒｌｓ
ａｒｙ　ｉｍａｇｅ　ｐｌａｎｅ）　Ｊは中間像平面（
Ｉｎｒｅｒｓｅｄｌａｔｅ　Ｉｍａｇｅ　ｐｌａｎｅ）
又は原理的像平面（ｐｒｌｎｃｌｐｌｅ　Ｉｍａｇｅ　
ｐｌａｎｅ）と呼ばれることもある。感知した離散的な
像のデジタル化、調節、及び処理はリアルタイムで行な
われ、高解像度ＲＧＢアナログモニタやデジタル信号を
受信する他の読み出し装置に表示される。固体イメージ
センサは数マイクロメートルの方形画素である検出器が
列をなして２次元的に配置された２次元アレイである。

個々の画素から得られる離散的アナログ信号は直接にデ
ジタル化されるがビデオ信号には変換されない。要求に
応じて検出器のアレイ全体又は一部からの信号の処理及
び表示をすることができる。

アレイの中から選択された個々の列又は部分を捕えたり
、処理したり、記憶したりすることができる。これらの
局部的領域又は画素集団は予め設定しておくこともでき
れば、状況の変化に応じて選択することもできる。この
ように応用する場合、検出器の２次元アレイは電荷注入
素子（Ｃｈａｒｇｅ　１ｎｊｃｃｔｌｏｎ　Ｄｅｖｌｃ
ｅ　（ＣＩＤ）　）であると有利である。

この固体イメージセンサであれば、像の画素のランダム
アクセスが特に容品になる。例えば、−画素又は−列の
画素からの処理信号によりアレイ全体の中から特定の領
域を選択してこれを作動させることにより、その領域だ
けの像を捕えることができる。このようにして、選択し
た対象の分析に必要な最低量のデータだけを処理するこ
とが可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は透過光を利用した場合の本発明の実施例の概略
図であり、光源１と、集光器２と、散乱フィルタ３と、
光学フィルタ４と、ジョイスティックの付いた制御装置
ｆ１３により制御されるステップモータで駆動されてＸ
ＹＺ軸方向に移動するステージ５と、対物レンズ６と、
２次元固体イメージセンサ７と、Ａ／Ｄコンバータ８と
、画像処理装置の付いたフレームメモリ９と、コンピュ
ータ１２と、大画面のモニタ１０と、カーソル制御装置
１１とを備えている。第４図は反射光を利用した場合の
本発明の実施例の概略図であり、光源１は観察・対象の
像が反射して対物レンズ６に入射するように対象を照明
している。本発明の両実施例は、光源１、集光器２、散
乱フィルタ３、及び光学フィルタ４の観察対象に対する
位置が相違しているだけである。

光源ｌは強力で安定した光源であり、近赤外線波長から
短紫外線波長までの光を放射する。光源の例としては、
ハロゲンランプ、水銀灯、調節可能なレーザを挙げるこ
とができる。光源は集光器２と共に（例えば、オブチコ
ン社（Ｏｐｔｌｋｏｎ　Ｉｎｃ、）やニコンカナダ社（
Ｎｌｋｏｎ　Ｃａｎａｄａ　Ｉｎｃ、）から）商業的に
入手可能であり、安定化した電源は（例えば、ザントレ
ックステクノロジー社（ＸａｎｔｒｅｘＴｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ　Ｉｎｃ、）や菊水電子工業株式会社から）商業
的に入手可能である。特定のスペクトルの光源が必要な
場合には、光学プリズムや単色光器などの特別なフィル
タ４を用いることができる。電磁スペクトルの紫外線又
は赤外線の領域で作業する場合は、所望のスペクトル出
力の光源を選択することができる。一般に固体イメージ
センサ７の性能は選択された光源ｌの選択された波長に
マツチしていなければならない。

試料を保持するステージ５はモータにより駆動されてＸ
、Ｙ、Ｚ方向に段階的に正確に移動するものであること
が好ましい。本発明の好ましい実施例ではステージ５は
、所望の精度及びＸ＋　　ｙ＋２方向への移動速度に従
ってステップ毎に０．１マイクロメートル、０．２５マ
イクロメートル、又は１マイロクメートルだけ移動可能
なステップモータにより駆動される。このように正確な
駆動装置はゲブルーダーマルツハウザー　ウエツツラー
ル社（Ｇｅｂｒｕｄｅｒ　Ｍａｒｚｈａｕｓｅｒ、　Ｗ
ｅｔｚｌａｒ　Ｇｓｂｌｌ）のような企業から入手する
ことができる。ステップモータは制御装置１３により制
御され、ステップ数及び加速や減速を含むステージ５の
移行速度が制御される。現在の制御装置では１秒間に最
高２０．０００ステツプまで３方向に同時に移動させる
ことができる（例えば、ラングエレクトロニク社（Ｌａ
ｎｇ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｌｋ　Ｇｌｂｌｌ））　０制御
装置１３は固体顕微鏡を自動的に焦点合せできるように
コンビコータ制御されていることが好ましい。ステージ
５は、制御装置１３に取り付けられているジョイスティ
ックにより手動で制御することもできる。

対物レンズ６はこのシステムの中でも重要な部分である
。変更可能で大きな開口数（Ｎ、Ａ、）を有する対物レ
ンズを用いることが好ましい。可視光線を用いる場合、
隣接した２点を見分は得る最少間隔はほぼ０．１５マイ
クロメートルに限られている。光学的分解能Ｒは、使用
する光源の波長をλとすれば、下記式により制限されて
いる。

λ 従って、高屈折力の対物レンズを投射又は接眼レンズと
組み合せても、屈折力が低く開口数の高い対物レンズに
よって可視光線の下で得られる理論的に達成可能な０．
１５マイクロメートルの分解能を改善することはできな
い。ところで、対物レンズの開口数をＮ、Ａ、　、顕微
鏡全体の倍率をＭとすると、照度Ｉは（Ｎ、Ａ、）２／
Ｍ２にほぼ比例するので、開口数の高い対物レンズを使
用して接眼レンズによる補助的拡大を除去することによ
り照度を大きく改善することができる。また、平らな２
次元イメージセンサ７の載置される主像平面に収差や歪
曲が最少で平らな像を形成する対物レンズＧを用いるこ
とも重要である。平らな像を結像する対物レンズはブラ
ンアポクロマートレンズ（Ｐｌａｎ　Ａｐｏｃｈｒｏｓ
ａｔ　１ｅｎｓ）として知られており、ツァイスカナダ
社（Ｚｅｌｓｓ　Ｃａｎａｄａ　Ｉｎｃ、）　、ライツ
ウィルトＡＧ社（Ｌｅｌｔｚ−Ｖｌｌｄ　ＡＧ）　、−
１−コンカナダ社（Ｎｌｋｏｎ　Ｃａｎａｄａ　Ｉｎｃ
、）などの企業から商業的に入手可能である。

対物レンズ６と共に固体イメージセンサ７は固体顕微鏡
の最も重要な部分である。最近のＣＣＤ及びＶＬＳＩ（
超大規模集積化）技術の発展により本発明に適したセン
サの巨大アレーが人手可能となった。本発明の好ましい
実施例では、２次元固体イメージセンサは１０マイクロ
メートル−Ｘ１０マイクロメートル以下の大きさの中に
百万個以上の画素が縦に１，０００個以上、横に１．０
００個以上並んでいる電荷結合素子（ＣＯＤ）である（
画素密度は１平方ミリメートル当り１０．０００画素以
上）。このような要件はナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）
理論及び実験結果に基づくものである。面積が大きく個
々の画素の小さいセンサは商業的に入手可能である。例
えば、テキサスインストルメント社（Ｔｅｘａｓ　Ｉｎ
ｓｔｒｕｍｅｎｔ）のものは１０マイクロメートルＸＩ
Ｏマイクロメートル内に１０２４Ｘ１０２４画素を有し
ており、コダック（にｏｄａｋ）ＫＡＦ　　１４００は
６．８マイクロメートル×６．８マイクロメートル内に
１３２０Ｘ１０３５画素を有している。また、センサが
十分な空間的又は測光的分解能を有しているならば、電
荷結合フォトダイオード（ＣＣＰＤ）や、電荷注入装置
ｉ￥（ＣＩＤ）や、他の２次元固体イメージを用いるこ
ともできる。固体イメージセンサ７を冷却して、信号対
雑音比を良くし、暗電流を低くし、混信を減少させ、ダ
イナミックレンジを大きくして、より鋭敏なイメージセ
ンサを形成し、長い積分時間を可能とすることが好まし
い。冷却は熱電気冷却装置（例えば、マーロウインダス
トリーズ社（Ｍａｒｌｏｖ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、　
Ｉｎｃ））によって達成することができる。更に低い温
度、例えば、２４０に未満にまで冷却する場合は、低温
冷却装置を用いる（例えば、クライオシステムズ社（Ｃ
ｒｙｏｓｙｓＬｅｓｓ　Ｉｎｃ、））　。

像が固体イメージセンサ７に投射されると、センサアレ
イの各画素はイメージセンサアレイ上に落ちた像の輝度
レベルに相当した信号を発生する。

第２図に示したように、イメージセンサ７によって発生
された信号はＡ／Ｄコンバータ８に送られて、リアルタ
イムでデジタル化される。次に、信号は補正回路１５を
有する較正補正手段に転送されて、電子的残留偏差（ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｏｆ’ｒｓｅｔ）及び利得（ｇａ
ｌｎ）が補正される。このような補正回路により、光学
的歪曲及び検出により生じる歪曲を考慮してシステムを
完全に較正することができる。好ましい実施例では、凸
像はリアルタイムで較正される。この作業は背策の像の
減算及び標準化を行ない、各画素について、較正された
像（時には較正されていない像）をＩ　１補正されてい
ない像を■９、対象のない背景光の像（ブライトイメー
！ ジ）を！　　完全に暗い像（ダークイメージ）をｂ　ゝ ■４、定数をＫとする下記の式を用いて信号を補正する
ことによって達成される。

この他に、補正されていない像ｌからライトイメージ（
ｌｉｇｈｔ　Ｉ−ａｇｅ）　　Ｉを減算して、正の残留
偏差を加える較正法もある。いずれの方法でも、不均一
な照明、対物レンズの不完全性、及び固体イメージアレ
イの補正されていない信号増幅が較正された像から除去
される。補正回路１５による処理の後で、較正されたデ
ジタル像は計ｌ−１用に保持される場合を除いて連続的
にフレームメモリに詰め込まれる。

フレームメモリ９に取付けられているイメージプロセッ
サ（画像処理装置）２０はリアルタイムでデータの処理
及び表示ができなくてはならない。

イメージプロセッサ２０はフィルタ及び特徴抽出処理（
例えば、フィルタリング（ｆ’ｉｌｔｅｒｌｎｇ）　、
コンポルージョン（ｃｏｎｖｏｌｕｔｌｏｎｓ）、ＦＥ
Ｔ、その他）を行なって、ＲＧＢアナログモニタｌｏに
表示できるような適切な像を提供する。また、質の良い
像を得るために信号を平均化できなければならない。

ビデオシステム用のこのようなイメージプロセッサは既
に商業的に入手可能である（例えば、マトロツクスエレ
クトロニックシステムズ社（ＭａＬｒｏｘＥＩｅｃＬｒ
ｏｎｌｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｉｎｃ、）のＭＶＰ−＾Ｔ
／ＮＰ　）　。まｔコ、画素毎に直接にデジタル化する
ことにより類似のプロセッサを形成することができる。

観察及び画像処理のための観察対象の色情報は幾つかの
方法によって得られる。好ましい実施例では、光源とし
て赤、緑、青の帯域幅の光を用いて連続的に３種類の像
を獲得して、これらの像を結合してＲＧＢアナログ信号
にしている。この他にも、検出器を幾つか用いる方法や
、各色に対応した部分を有する単一の検出器を用いる方
法などがある。色やスペクトル情報は、対象の像を選択
的に検出したり、際立たせたり、あるいは像を特徴付け
るために用いられる。

イメージプロセッサ２０によって形成される像は高解像
度のＲＧＢアナログモニタｌＯに表示される。

モニタでは像全体又は像の一部を観察することができる
ので、接眼レンズは不要である。この種の表示は便利で
あるだけでなく、計測される実際のデジタル画像を光学
的な像の替わりに観察することができるという長所があ
る。即ち、モニタ上の像にカーソルを重ねて、観察対象
の計測や選択を行なうことができる。カーソルの移動は
カーソル制御装置ｔｔによりコンピュータ１２を介して
行なわれる。モニタｌＯは帯域幅がイメージセンサアレ
イ７の画素数にほぼ対応していることが好ましい。

画素列の表示はフリッカを減少させるために飛越をせず
１／６０のデータ速度で行なわれる。このようにしてア
レイの各画素を歪曲なく直接に観察できるようにしてい
る。

コンピュータ１２は本発明の様々な局面の制御に用いら
れて操作人の入出力装置として機能する。

コンピュータの処理するデータはごく僅かなので、好ま
しい実施例には８０３８６を用いたパーソナルコンピュ
ータを使用することができる。コンピュータは必要なら
ば像又は像の一部の記憶装置として機能させることもで
きる。様々な種類の大容量記憶装置を商業的に人手する
ことができるが、最も適切な記憶装置は記憶要領が大き
く、情報を検索しても破壊されない光メモリディスクレ
コーダやＷＯＲＭ　（書込み１回読み出し多数回の）レ
コーダである。

固体顕微鏡の焦点合せは、検出された信号の周波数情報
を用いることによりコンピュータ制御の下に自動的に達
成される。焦点は、コンピュータにより計算される固体
センサ信号のフーリエ変換を含む様々なアルゴリズムに
より計測された像の最も高い周波数成分（ｆｒｅｑｕｅ
ｎｃｙ　ｃｏｎｔｅｎｔ）とじて定義される。コンピュ
ータ制御されているステージ制御装置１３はステージ５
を２方向に移動させて自動焦点合せを行なう。ステージ
制御装置１３のジョイスティックを用いれば、総てに優
先するコンピュータ制御により手動で焦点合せをするこ
ともできる。

ステージ５上の対象物を走査している最中に自動焦点合
せを行なうことも可能である。走査中にステージがｘ、
ｙ方向に移動すると固体イメージセンサ７上に形成され
る像も移動するが、この時、ステージイメージセンサア
レイ７の端にある最初の列を、２次元検出器の残りの画
素が像を「感知」する前に、新たに走査すべき像の処理
データとして用いるのである。即ち、最初の数列の画素
の処理信号を用いてステージ５をコンピュータ制御する
ことにより焦点が補正される。走査中にセンサアレイの
端の列からコンピュータのフォーカシングルーチンのた
めのデータを継続的に収集して分析及び適切な調節が行
なわれる。この方法は、走査面に平行で光学的に平らな
面内に収まらない広大な表面を走査する際に特に有益で
ある。

本発明の別の実施例では、対物レンズ６を手動又はコン
ピュータ制御により２方向に移動させて焦点合せを行な
うことができるようになっている。

本発明は応用範囲が広い。最も簡単で直接的な応用は、
第１図及び第４図の実施例を通常の顕微鏡として用いる
ことである。この場合、対物レンズ６により焦点の合っ
た観察対象の像が固体イメージセンサ７上に形成される
。イメージセンサにより発生される信号は直ちにデジタ
ル化されて６０ヘルツ以上の周波数でＲＧＢアナログモ
ニタに表示される。第１図は観察対象を透過した光を用
いた場合の本発明の実施例である。このような透過モー
ドでは、本発明を対象の相対的吸光度及び透過率の計測
に用いることができる。第４図の実施例は観察対象から
の反射光を用いて像検出器アレイ上に像を形成している
。この実施例は通常の顕微鏡検査法に類似した反射顕微
鏡検査法に用いることができる。固体顕微鏡は対象上の
集積蛍光（ｔｎＬＯｇｒａｔｅｄｒｌｕｏｒｅｓｃｅｎ
ｃｏ）又は分散蛍−光（ｄｌｓｔｒｌｂｕＮｏｎ　ｏｒ
　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）の計測に直ぐに利用する
ことかできる。

接眼レンズや標本の照明法を適切に変更することにより
、本発明で位相差顕微鏡法、ノマルスキ（Ｎｏｓａｒｓ
ｋｌ）顕微鏡法、暗視野顕微鏡法を実施することができ
る。本発明の透過光を用いた実施例及び反射光を用いた
実施例の両者を用いて対象を検査して透過及び反射スペ
クトルを得ることにより標本の吸光度を計ｎ１すること
ができる。これらのスペクトルから計算により吸光度を
補正することができる。

固体顕微鏡のどの実施例も固体イメージセンサ７により
得られる像はリアルタイムで処理される。

第３図は本発明を用いて得られた人の赤血球及び白血球
の染色細胞のモニタ画像である。この画像は高周波ノイ
ズを減少させるために先に述べたように回路１５によっ
て較正され、中間フィルタを用いてイメージプロセッサ
１２によりフィルタされている。イメージプロセッサ２
０により可能となる適切な分割技術を用いて検査対象を
第３図に示すような線画として輪郭を表示することがで
きる。同図では、点線で表示されたモニタスクリーンの
部分がこのようにして処理されている。

また、本発明を用いて標本から様々な波長のスペクトル
走査線を得ることもできる。本発明のこの特別の応用例
は第４図の固体顕微鏡の修正であり、対物レンズＧと固
体センサ列７との間にプリズムを載置したものである。

第５図はこの過程を説明するための図である。プリズム
３０は主像平面内に配置されていて、ＣＣＤアレイ７上
の一列の画素に相当する数ミクロン幅の非常に狭い帯３
３を除いて表面３２は吸光材料で覆われている。プリズ
ム３０の表面３２は対物レンズＧに面しており、標本の
像３５は表面３２上に投射される。像３５の中で狭い帯
３３に相当する部分だけがプリズムを透過する。

従って、狭い帯３３を通過し、引続きプリズム３０を透
過してイメージセンサ７に到達するのは、像３５を横切
る単一の走査線３Ｂのみである。走査線３Ｇはプリズム
３０を透過するので、様々な波長のスペクトルに分割さ
れる。イメージセンサアレイ７はプリズム３０の背後に
配置されていて、スペクトルの各波長を一列の画素上に
投射する。このスペクトル情報が検出され、デジタル化
され、更に処理されて第５図の右側に示すような様々な
波長のスペクトル図が生成される。スペクトル図は像３
５の特定の走査線３６に含まれる特定の波長における光
の強さのプロットである。必要であれば、このスペクト
ル情報を記憶することもできる。第５図では、白血球骨
髄芽球細胞を上記の過程の通りに処理して得られたもの
である。所望であれば、適当な移動幅でステージ５を段
階的に移紛させて観察像を走査することにより、像３５
の全体を横切る一組の完全な走査線３６を形成すること
もできる。例えば、染色されて顕微鏡のスライドの上に
固定された細胞は、ステージ５をＸ方向に移動させなが
ら、Ｙ方向を走査線３Ｇとして固体センサ７上に投射す
ることにより走査されてメモリに記憶される。第６図は
上記走査方法により生成されたスペクトル情報の幾つか
を用いて形成した合成画像である。第６図は第５図の像
３５を横断するほぼ４７０ｎｍ及び５３０ｎｍの２本の
スペクトル線の比を正規化した合成画像である。選択し
た対象の２本以上のスペクトル線の他の数学的関数を映
像化することも可能である。

本発明の固体顕微鏡では、アドレスを用いて各画素、−
組の画素（例えば、横の列又は縦の列の画素の一部又は
全部）、単一のセンサアレイの選択された領域（例えば
、画素で構成された四角形や長方形）を指定することが
できるので、指定された画素からの信号を処理し表示す
るだけである。

この場合、２次元感知アレイとして電荷注入装置（ＣＩ
　Ｄ）を用いれば像の局部鎖酸のランダムアクセスが特
に容易になる。

例えば、標本の走査中はステージ５が移動して固体イメ
ージセンサ７上に投射される像がセンサを横切るので、
画素の最初の列を検査対象の検出、及び検査対象の検出
後に固体顕微鏡の走査速度に応じて対象の完全な像が照
射される２次元アレイの選択された領域の始動に用いる
ことができる。

このように、固体センサアレイの端に沿って配置された
−列の画素は像検出器として用いられ、この前列の背後
に配置された画素アレイは処理すべき像の獲得に用いら
れる。この方法は検査対象が任かしか含まれていない広
大な領域を走査する際に特に有益である。固体センサア
レイの再前列の端の信号は対象の大雑把な特徴抽出に用
いられ、アレイ内の活動領域は細かい特徴抽出に用いら
れる。従って、対象の大雑把な特徴及び細かい特徴の両
者が一回の走査で同時に得られる。

単一のラインで検出してから像を獲得する技術は、組織
培養容器内の離れた所で成長している染色されていない
生きている細胞の走査に特に有益である。横の列（ｉ、
ｊ）と縦の列（ｋ、１）とに分割されている固体センサ
アレイを示す第７図は、この手順を説明するものである
。ステージ５上の試料が矢印４０の方向に移動すると、
再前端の画素列４２はリアルタイムで分析しなければな
らない信号の検出に用いられる。詳細な検査を必要とす
る検査対象が確実に存在することを示す信号が検出され
ると、検査対象を捕えてメモリへの記憶を含む像の詳細
な処理をする画素領域が活動を始める。検査対象により
生じる信号の代表的な信号が予め集められていて、適切
なソフトウェアルーチンにより入力信号と代表信号とが
比較されて、両者が一致するか否かが判定される。検査
対象は少し遅れて２次元センサアレイの別の部分により
「感知」される。最初の画素列４２の入力データから推
定される走査速度と検査対象の大きさとにより、活動さ
せなければならない画素の数及び位置が決定され、検査
対象に関するデータだけが収集されて処理される。この
ようにして、重要な情報だけが処理されるので時間及び
メモリ領域が節約される。第７図には、信号４３が画素
Ｘ　　　と画１、　　ｋ 素Ｘ　　　（下付文字はセンサアレイの横の列及１、　
１ び縦の列を示す）との間で検出され、その後センサアレ
イの領域４６が活動して検査対象の像を捕えている。

本発明の固体顕微鏡は従来の定量顕微鏡とは実質的に異
なる。第８図は２個以上のレンズ系と像捕獲装置５０と
を有する従来の定量顕微鏡システムである。このシステ
ムでは定量顕微鏡検査法はがなりの制限を受ける。対物
レンズ系５２は対象５５の拡大された像５３を主像平面
５６上に形成する。像５３は接眼レンズ系５１１．６０
により更に拡大されると共に光学的に補正されて拡大像
６２になる。これに対して本発明の光学定量顕微鏡では
、第９図に示すように、対物レンズ６Ｂの主像平面６５
内に固体イメージセンサ７が位置していて、投射レンズ
系及びビデオカメラが除去されている。このような装置
は対物レンズ及び固体イメージセンサが特定の要件を満
たしている時にだけ作動する。回折理論やフーリエ理論
に基づく理論的作業や実験作業により、アリアシング（
ａｌｌａｓｌｏｇ）、光学的歪曲、光の損失、ビンぼけ
の像、その他の問題を避けるには、本発明の固体顕微鏡
には幅が非常に広く、視野が平らで、開口数が高く、収
差が高度に補正された対物レンズと、面積が広く、画素
密度の高い固体イメージセンサとを用いなければならな
いことが。

判明している。以上の要件を満たせば本発明により、定
量顕微鏡検査法用の非常に改善された像を７１Ｉること
が可能となる。

［発明の効果］ 本発明がＨする重要な技術上の利点の幾つかを以下に要
約する。

１、簡単な光学路 ２、空間的及びａｌｌｌｌ光射高解 像度３い視野 ４、最少の照度損失 ５、カーソル測定値用グラフィックの重ねられた巨大ス
クリーンモニタ上への 顕微鏡像の表示 ６、デジタル像のあらゆる部分へのダイレクトアクセス ７、走査モードの柔軟性 ８、スペクトル情報取得のための様々な手段 ９、光の透過、吸光度、反射、散乱、及び蛍光発光など
様々な操作モード

【図面の簡単な説明】

第１図は、検査対瘉を透過した光を用いて像を固体イメ
ージセンサ上に投射する本発明の好ましい実施例を示す
ブロック略図である。 第２図は固体顕微鏡の動作を説明するための簡略化され
たフローチャートである。 第３図は本発明を用いて観察した人の赤血球及び白血球
の染色細胞のモニタプリントアウト、及びモニタプリン
トアウト内のある部分を３種類の等値線でプロットした
図である。 第４図は、観察対象からの反射光を用いて像を固体イメ
ージセンサに投射する本発明の別の実施例を示すブロッ
ク略図である。 第５図はプリズムを用いて対象のスペクトル走査線を固
体イメージセンサに投射する本発明の更に別の実施例で
ある。 第６図は第５図の波長の異なるスペクトル走査線の中の
２本を用いて生成された赤血球及び白血球の細胞の２次
元画像である。 第７図はアレイの中で観察対象の像を有する部分のみを
固体顕微鏡によって処理する本発明の固体イメージセン
サ走査法を示す。 第８図は従来の複合顕微鏡を簡略化して示す環１２１図
である。 第９図は本発明に基づく固体顕微鏡を簡略化して示す概
略図である。 １・・・光源、２・・・集光器、３・・・叛乱フィルタ
、４・・・光学フィルタ、５・・・ステージ、６・・・
対物レンズ、７・・・２次元固体イメージセンサ、８・
・・Ａ／Ｄコンバータ、９・・・フレームメモリ、１ｏ
・・・モニタ、１１・・・カーソル制御装置、１２・・
・マイロクプロセッサ、１３・・・Ｘ、Ｙ、Ｚ制御装置
、３ｏ・・・プリズム 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集光器及び散乱フィルタを有する光源と、対象の位
   置決及び走査のためにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動する可動ス
   テージと、 高度に補正された収差、大きな開口数、及び平らで広い
   視野を有し、対象の拡大像を自らの主像平面に投射する
   対物レンズと、 画素密度の高い巨大な感知領域を有し、対物レンズの主
   像平面内に載置されて、投射された拡大像の輝度レベル
   の空間的配置に対応した信号を発生する２次元周体イメ
   ージセンサと、 固体イメージセンサに関係付けられていて、固体イメー
   ジセンサからの信号のデジタル化及び処理を行なってデ
   ジタル化された対象の像を提供するＡ／Ｄコンバータと
   、 Ａ／Ｄコンバータに接続されていて、デジタル画像を強
   化し、光学的に生じた歪曲及び検出により生じた歪曲を
   補正する較正補正手段と、 較正補正手段に接続されていてデジタル画像が連続的に
   詰め込まれるフレームメモリと、 フレームメモリに関連付けられていてデジタル画像を処
   理する画像処理装置と、 フレームメモリに接続されていて画像を表示する表示手
   段とを備えた定量光学顕微鏡。 ２、システム制御装置及び操作人の入出力装置として機
   能し、フレームメモリのデジタル画像を記憶する大容量
   記憶装置を有するコンピュータ又はマイクロプロセッサ
   を備えている請求項１に記載の顕微鏡。 ３、光源、集光器、散乱フィルタは光が観察中の対象を
   透過するように配置されている請求項１に記載の固体顕
   微鏡。 ４、光源、集光器、散乱フィルタは光が観察中の対象か
   ら反射するように配置されている請求項１に記載の顕微
   鏡。 ５、固体イメージセンサは１０００×１０００画素より
   大きい２次元電荷結合素子（ＣＣＤ）であり、その画素
   密度は１平方ミリメートルにつき１０，０００画素より
   大きい請求項１に記載の顕微鏡。 ６、表示手段は高解像度モニタである請求項１に記載の
   顕微鏡。 ７、固体イメージセンサの直前の主像平面内にプリズム
   素子が位置していて、単一の水平走査線のみがこのプリ
   ズム素子を透過してイメージセンサ上に投射されるが、
   単一の水平走査線はプリズム素子を透過する際にプリズ
   ムにより垂直方向が複数本のスペクトル線に分割され、
   分割されたスペクトル線の各点が固体イメージセンサの
   異なる列に投射されてスペクトル線情報がデジタル化さ
   れ、フレームメモリに記憶される請求項１に記載の顕微
   鏡。 ８、集光器及び散乱フィルタを有する光源と、対象の位
   置決及び走査のためにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動する可動ス
   テージと、 高度に補正された収差、大きな開口数、及び平らで広い
   視野を有し、対象の拡大像を自らの主像平面に投射する
   対物レンズと、 画素密度の高い巨大な感知領域を有し、対物レンズの主
   像平面内に載置されて、投射された拡大像の輝度レベル
   の空間的配置に対応した信号を発生する２次元固体イメ
   ージセンサと、 固体イメージセンサに関係付けられていて、固体イメー
   ジセンサからの信号のデジタル化及び処理を行なってデ
   ジタル化された対象の像を提供するＡ／Ｄコンバータと
   、 Ａ／Ｄコンバータに接続されていて、デジタル画像を強
   化し、光学的に生じた歪曲及び検出により生じた歪曲を
   補正する較正補正手段と、 較正補正手段に接続されていてデジタル画像が連続的に
   詰め込まれるフレームメモリと、 フレームメモリに関連付けられていてデジタル画像を処
   理する画像処理装置と、 フレームメモリに接続されていて画像を表示する表示手
   段と 固体イメージセンサ及び可動ステージの間で主像平面内
   に位置するプリズム素子とを備えた顕微鏡を用いて対象
   を走査して対象のスペクトル情報を得る方法であり、 単一の走査線のみを透過させて、透過した単一の走査線
   を波長の異なる複数のスペクトル線に分割し、分割され
   た複数のスペクトル線をイメージセンサに投射するプリ
   ズムに対象の像を投射する工程と、 複数の異なるスペクトル線が固体イメージセンサの検出
   器の異なる列に投射されるようにイメージセンサを位置
   決する工程と、 複数の異なるスペクトル線をデジタル化してフレームメ
   モリに記憶する工程と、 ステージを動かして対象の次の線を走査する工程と、 対象全体の走査が終了するまで以上の工程を繰返して波
   長の異なるスペクトル線の組を複数生成する工程とを備
   えた対象走査法。 ９、数学的関数を用いて対象のスペクトル線を２組以上
   組み合せて対象のスペクトル画像を形成する工程を有す
   る請求項８に記載の方法。