JPH1031165A - 画像入力装置及び走査型顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】除振台又は画像フィルタ等の部品を追加装備す
ることなく、簡単な構成で像ブレのないＸＹ画像データ
及び三次元画像データを取得すること。 【解決手段】被検体を二次元走査して画像を入力する画
像入力装置であり、被検体８が載置された載置台９と被
検体８に対向配置された画像入力部７との間の垂直方向
の相対距離を検出する距離検出手段２６と、距離検出値
に基づいて載置台９又は画像入力部７に発生した垂直方
向の振動を検出する振動検出手段２３と、被検体８を二
次元走査しているとき振動検出があれば当該二次元走査
において入力した画像データを廃棄する入力禁止手段１
９と、距離検出値から振動が収束したことを確認してか
ら同一平面を再走査する許可を与える再走査許可手段２
３とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体を二次元走
査して被検体画像の入力を行う画像入力装置に係り、特
に走査型レーザ顕微鏡等の走査型顕微鏡の画像入力処理
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型レーザ顕微鏡では、レーザビーム
による試料のＸＹ平面の二次元走査とステージによる深
さ方向のＺ走査とを組み合わせることにより試料の三次
元的な画像データを得ることができる。具体的には、ス
テージに載置された試料のＸＹ平面をレーザビームで２
次元走査し、ＸＹ平面の走査に同期して試料のＸＹ画像
データを取込んで画像メモリに記憶し、１つのＸＹ平面
の画像を取込む度にステージをＺ軸方向へ移動させて同
様の動作を繰り返すことにより試料の三次元画像データ
を取得することができる。

【０００３】ところで、上記した走査型レーザ顕微鏡に
おいてＸＹ画像データを取り込んでいるときに、対物レ
ンズと試料との相対距離が外乱等の振動の影響により変
化してしまうと、そのとき取り込んだ画像データに相当
する部分が再生画像上でぶれてしまうことになる。

【０００４】このような、振動の影響による像のぶれを
防止するために、従来は走査型レーザ顕微鏡を受動型除
振台又は能動型除振台の上に配置して外乱等による振動
の影響を防止している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、三次元
画像を形成するためのＸＹ画像データの取込み中に、除
振台では除去しきれない振動が発生してしまうことがあ
り、このような場合には画像データ内に像がぶれている
データが含まれてしまうことになる。また、除振台は除
振台上で発生した振動を防止することは出来ないので、
空調等の影響により走査型レーザ顕微鏡自体が加振され
てしまう場合には、対物レンズと試料との間の相対距離
が変化してしまうことになる。走査型レーザ顕微鏡で取
込んだ三次元画像データに光軸方向または光軸に垂直な
ＸＹ面内での像のぶれを含んでいると、再生三次元画像
を利用した精密な三次元計測が行えない等の問題があ
る。

【０００６】しかも、再生した三次元画像に像ブレが含
まれているかどうかは、その三次元画像を実際に表示さ
せるまで明らかでないため、像ブレが発見されてからそ
の全てのＸＹ画像データを廃棄して、再度同じ三次元画
像データの取込みを行わなければならないため、大変な
時間がかかってしまう。

【０００７】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、除振台又は画像フィルタ等の部品を追加装
備することなく、簡単な構成で像ブレのないＸＹ画像デ
ータ及び三次元画像データを取得することができる走査
型画像入力装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、被検体を二次
元走査することにより被検体画像を入力する画像入力装
置において、被検体が載置された載置台と前記被検体に
対向配置された画像入力部との間の垂直方向又は水平方
向の相対距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出
手段による距離検出値に基づいて前記載置台又は前記画
像入力部に発生した垂直方向又は水平方向の振動を検出
する振動検出手段と、前記被検体を二次元走査している
ときに前記振動検出手段で振動検出があれば当該二次元
走査において入力した画像データの全部又は一部を廃棄
する入力禁止手段と、前記距離検出手段による距離検出
値から振動が収束したことを確認してから同一平面を再
走査する許可を与える再走査許可手段とを具備する。

【０００９】本発明によれば、載置台と画像入力部との
間の垂直方向又は水平方向の相対距離が距離検出手段で
検出され、この距離検出値に基づき振動検出手段により
載置台又は画像入力部に垂直方向又は水平方向の振動が
発生したか否か検出される。被検体を二次元走査してい
るときに振動検出があれば、当該二次元走査において入
力した画像データの全部又は一部が廃棄され、振動が収
束してから再度同一平面が再走査されるものとなる。

【００１０】したがって、確実に像ブレのない画像の入
力が可能になり、さらに再度全ての画像を取り直すとゆ
う手間が省けるので大幅な時間短縮が可能になる。本発
明は、再走査許可手段から再走査許可を受けて同一平面
を再走査する場合に、一画面全体又はライン単位又は画
素単位のいずれかで二次元走査をやり直すものとする。

【００１１】本発明は、試料が載置されるステージと、
このステージ上の試料を二次元平面に沿ってプローブ光
を走査させる走査機構と、プローブ光で走査された試料
の反射光又は透過光を受光することにより入力画像を取
込む画像入力部と、この画像入力部から取込まれた入力
画像の画像データを前記走査機構による走査に同期して
保存する画像保存ユニットと、前記ステージと前記画像
入力部との間の相対距離を検出する距離検出手段と、こ
の距離検出手段の距離検出値に基づいて振動の発生を検
出する振動検出手段と、二次元走査期間中に前記振動検
出手段で振動を検出した場合は前記距離検出手段の距離
検出値から振動が収束したことを確認してから同一平面
を再走査する再走査手段とを具備して構成される走査型
顕微鏡である。

【００１２】試料の深さ方向となる垂直方向へのステー
ジのステップ移動と各深さ位置での二次元平面に沿った
二次元走査とを組み合わせることにより、試料の深さ位
置の異なる複数の二次元画像を積層してなる三次元画像
を入力し、距離検出手段でステージと画像入力部との間
の垂直方向の相対距離を検出し、二次元画像の入力中に
垂直振動を検出したならば当該深さ位置の二次元画像を
取り直す。

【００１３】また、距離検出手段の垂直方向の距離検出
値をフィードバック信号に使用してステージを垂直方向
の目標位置へ位置制御する制御手段を備える。この制御
手段はディジタル制御のフィードバックループを形成す
る。距離検出手段として、レーザ測長器、静電容量セン
サ、差動トランスセンサ、フォトニックセンサ等のいか
なる測長センサを使用しても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明に係る走査型画像入力装置を走査型
レーザ顕微鏡に適用した実施の形態について説明する。
図１は実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡のシステム
構成を示している。この走査型レーザ顕微鏡１は、レー
ザ光源２から出たレーザ光をミラー３で所望の方向に反
射させハーフミラー４を通して２次元走査機構５に入射
する。２次元走査機構５は、走査制御信号によってレー
ザ光をＸおよびＹ方向に偏向させてラスター走査する機
能を備えている。２次元走査機構５にて偏向制御したレ
ーザ光をレボルバー６に取り付けられた対物レンズ７を
通してステージ９上の試料８に微小なスポットに集光し
て入射する。そのスポット光の入射位置は２次元走査機
構５によるラスター走査に同期して試料８上を移動して
いく。

【００１５】レーザ光のスポットで走査された試料８か
らの光が対物レンズ７に入射することになる。この光を
ハーフミラー４で検出光学系側へ反射させて取り出して
いる。検出光学系に配置したレンズ１１で集光し、その
集光位置に配置したピンホール１２を通過した光が光検
出器１３で電気信号に変換されるように構成している。
なお、画像入力対象となる試料をモニタ観察するために
必要な構成要素１４〜１８、２４を備えている。

【００１６】一方、上記光学系による画像の取込み動作
及び取込まれた画像の処理をコンピュータ１９の管理下
において行う。コンピュータ１９には専用のディスプレ
イ２０を接続していて必要な画像を表示できるようにし
ている。三次元画像の測定範囲の設定、測定範囲でのス
テップ移動量の設定、画像の表示及びシステムの制御は
ディスプレイ２０で行われる。

【００１７】走査制御ユニット２１は、コンピュータ１
９からの命令に基づいて発生した走査制御信号により２
次元走査機構５の動作を制御する。２次元走査機構５に
よるラスタ走査で得られたＸＹ平面の画像が光検出器１
３で電気信号に変換される。光検出器１３で変換された
ＸＹ平面の画像データを画像処理ユニット２２に入力す
る。画像処理ユニット２２は、画像メモリとして例えば
５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）のメ
モリが２枚用意されている。このうち一枚の画像メモリ
２２Ａには、試料８のＸＹ平面の画像データが保存され
る。

【００１８】ステージ９の光軸方向（Ｚ方向）への移動
は、コンピュータ１９から移動指令をＺ移動駆動制御回
路２３に出すことにより行われる。Ｚ移動駆動制御回路
２３は、対物レンズ７とステージ９面との間の光軸方向
の相対距離を測定しているレーザ測長器２６による測長
値をフィードバック信号としてクローズドロープを形成
しステージ９の位置制御を行っている。レーザ測長器２
６は、対物レンズ７付近に配置されていて対物レンズ７
の固定部と同一の物体に固定されている。対物レンズに
発したＺ方向の振動が確実に測長値に現れるようにする
ためである。レーザ測長器２６は、ステージ９に配置さ
れたターゲットミラー１７に対して光軸とほぼ平行にレ
ーザ光を投射し、ターゲットミラー１７で反射されたレ
ーザー光を検出して対物レンズ７とステージ９面との間
の相対距離を測定する。画像処理ユニット２２に内蔵し
たもう一つの画像メモリ２２Ｂには、Ｚ移動駆動制御回
路２３からステージ９を光軸方向へ１ステップ移動させ
る度に移動回数が保存される。

【００１９】次に、以上のように構成された走査型レー
ザ顕微鏡の動作について説明する。図２にコンピュータ
１９の処理内容を示し、図３にＺ移動駆動制御回路２３
の処理内容を示す。

【００２０】試料の三次元画像を形成する為にＸＹＺ走
査を実行する場合を例に説明する。図２に示すように、
画像入力に先立ち、ディスプレイ２０においてＧＵＩ等
のインターフェースを介して観察者がコンピュータ１９
に対して走査パラメータに関するデータを入力する。コ
ンピュータ１９は入力データに基づいてステージ９のＺ
方向（光軸方向と同義）のステップ幅、ステップ回数、
ＸＹ平面上の走査範囲等を決定して内部に保存する（ス
テップＳ１）。

【００２１】外部から画像入力開始指示が与えられたこ
とを検出すると（ステップＳ２）、ＸＹ走査駆動制御ユ
ニット２１に対して画像入力信号を送出し（ステップＳ
３）、ＸＹ走査が終了してＸＹ走査駆動制御ユニット２
１から走査終了信号が送られて来るのを待つ（ステップ
Ｓ４）。なお、図２において、第１回目のＸＹ平面へス
テージ９を移動させる処理については省略している。

【００２２】いま、第１回目のＸＹ平面の走査期間に振
動が発生しなかったとすれば、ステップＳ５の処理に移
行して画像メモリ２２Ａに保存されたＸＹ平面の画像デ
ータを画像メモリ２２Ｂに書き込まれている移動回数と
共に読出してコンピュータ１９からアクセス可能なとこ
ろに配置したＲＡＭ等の記憶媒体に保存する（ステップ
Ｓ５）。

【００２３】コンピュータ１９は、１画面の走査が終了
すると、Ｚ移動駆動制御回路２３へ次回の画像取込みの
ためステージ９を１ステップ移動させる処理に入る。す
なわち、ステップ回数を１つインクリメントし（ステッ
プＳ６）、総移動回数を確認してステップ設定回数に到
達していないと判断したならば（ステップＳ７）、Ｚ移
動駆動制御回路２３へステージ移動信号を送出する（ス
テップＳ８）。コンピュータ１９は、Ｚ移動駆動制御回
路２３からステージ移動完了後に出力される移動完了信
号を受信したら（ステップＳ９）、ステップＳ３の処理
へ移行してＺ位置が１ステップだけ異なるＸＹ平面の走
査を指示する。

【００２４】一方、レーザ測長器２６により対物レンズ
６とステージ面との間の距離が測定されており、その測
長値がＺ移動駆動制御回路２３に入力されている。Ｚ移
動駆動制御回路２３は測長値に基づいて後述するアルゴ
リズムにより振動発生の検出を行っていて、振動の発生
を検出したときには振動検出信号をコンピュータ１９に
対して送出する。

【００２５】コンピュータ１９は、現在のＺ方向位置で
のＸＹ平面の走査開始から終了までの期間に、Ｚ移動駆
動制御回路２３から振動検出信号を受信した場合は（ス
テップＳ１０）、そのとき画像メモリ２２Ａに格納して
いた画像データを廃棄する（ステップＳ１１）。ＸＹ平
面の走査中に対物レンズ，ステージ間の距離が変化する
ような振動が発生しているので、その画像データを使用
して三次元画像を形成すると当該部分が像ブレの形で現
れしまう。したがって、改めて当該Ｚ方向位置のＸＹ平
面の走査をやり直して像ブレのない画像データを取得す
る必要がある。そこで、振動が許容範囲（定格値）内に
抑制されたことを検出したＺ移動駆動制御回路２３から
再走査可信号を受信してから（ステップＳ１２）、同一
のＺ方向位置のＸＹ平面の走査をやり直す。

【００２６】以上の画像入力動作を繰り返し、予め設定
したステップ回数に到達したら画像入力処理を完了す
る。コンピュータ１９に対して振動検出信号、移動完了
信号及び再走査可信号を供給しているＺ移動駆動制御回
路２３の動作について説明する。Ｚ移動駆動制御回路２
３は、コンピュータ１９からステージ移動信号を受信す
ると（ステップＴ１）、第１回目のステップではＺ方向
での走査開始位置である目標値を設定し（ステップＴ
２）、ステージ９を目標位置（Ｚ走査開始位置）へ移動
させる（ステップＴ３）。

【００２７】Ｚ移動駆動制御回路２３は、ステップＴ２
の処理で設定した目標値とレーザ測長器２６から供給さ
れる測長値（センサ信号）との偏差を検出し、その偏差
を許容範囲内に収めるようなフィードバック制御を行う
ことによりステージ９を目標のＺ方向位置に位置制御す
る（ステップＴ４）。図４（ａ）に示すように、許容範
囲外にあるステージ９を目標位置へフィードバック制御
にて移動させようとしてオーバーシュートが発生した場
合、最初のアプローチでは目標位置を多少越えてしま
う。目標位置を越えたところから逆方向に第２回目のア
プローチを行う。このような動作を繰り返すうちに偏差
が許容範囲から逸脱しなくなり、ステージ９が目標位置
に移動されるものとなる。ステージ９が目標値に制御さ
れて「偏差＜許容範囲」の条件が成立したところでステ
ージ移動を一度終了し（ステップＴ５）、コンピュータ
１９に対して移動完了信号を出力する（ステップＴ
６）。以上のステップＴ１〜Ｔ６の処理で１ステップ移
動が完了する。

【００２８】Ｚ移動駆動制御回路２３は、１ステップ移
動が完了してから次のステージ移動信号が入力されるま
での期間、すなわち２次元走査機構５によるＸＹ平面の
走査が行われている期間は偏差と許容範囲とを比較する
ことにより、振動の発生を監視している。

【００２９】ＸＹ走査駆動制御ユニット２１が画面を入
力している時もＺ移動駆動制御回路２３が「偏差＜許容
範囲」の条件を満足するようにＺ位置の制御を行うこと
により、除振台などの機構を設けなくても、図４（ｂ）
に示すように偏差が許容範囲よりも小さくなるような状
態を維持することができる。

【００３０】しかしながら、Ｚ移動駆動制御回路２３に
よるＺ位置制御では追い付かない振動が発生した場合に
は、像ブレが発生する可能性の高い画像データが画素メ
モリ２２Ａに保存されてしまう。

【００３１】この実施形態では、像ブレが発生する可能
性のある振動を、図４（ｃ）に示すようにレーザ測長器
２６により外乱等の振動を偏差が許容範囲を越えたこと
で検出できる（ステップＴ７）。この時に、Ｚ移動駆動
制御回路２３がコンピュータ１９に振動検出信号を発す
る（ステップＴ８）。この振動検出信号を元にコンピュ
ータ１９は画像処理ユニット２２にこの時入力されてた
反射光の電気信号を保存しないように指令を発すること
は上記した通りである。

【００３２】Ｚ移動駆動制御回路２３は偏差を監視しつ
づけ、偏差が許容範囲内に収束したことを検出したとこ
ろで（ステップＴ９）、コンピュータ１９に対して画像
入力の開始を促す再走査可信号を送出する（ステップＴ
１０）。

【００３３】なお、振動検出のために使用する許容範囲
は、走査型レーザ顕微鏡の分解能以下である。この場
合、偏差が０でなくても像ブレとして現れることはな
い。但し、この許容範囲は観察者が自由に設定すること
ができるようにする。

【００３４】このように、本実施の形態によれば、対物
レンズ７とステージ９面との間のＺ方向の振動を検出す
る機構を設け、ＸＹ平面の走査期間中に振動が発生した
ことを検出したときにはそのとき入力していたＺ方向位
置の画像データを廃棄して、振動が収束してから当該Ｚ
方向位置の画像入力を実行するようにしたので、常に像
ブレのない三次元画像の入力が可能になる。さらに、通
常像ブレが起こった時に三次元画像を取り終えてから再
度全ての画像を取り直すとゆう手間が省けるので、大幅
な時間短縮が可能になる。

【００３５】なお、上記した実施の形態では対物レンズ
７とステージ９面との間のＺ方向の距離を測定するため
にレーザ測長器２６を使用しているが、他のタイプのセ
ンサを使用することができる。例えば、静電容量セン
サ、差動トランスセンサ、フォトニックセンサ等使用可
能である。

【００３６】また、上記した実施の形態ではステージ９
を移動させる場合を説明したが、対物レンズ７を移動さ
せる構成でも同様な考え方で、本発明を実施できること
は言うまでもない。

【００３７】また、上記した実施の形態では外乱を検出
した場合、改めて最初から画像を取り込む方法を示した
が、外乱を検出した少し手前（数ライン手前、又は数画
素手前）の位置から、再度画像の取込みを開始するよう
に制御することもできる。この場合は、画像メモリ２２
Ａに保存している画像のライン数及び又は画素位置をチ
ェックする機能を備える。

【００３８】また、上記した説明では対物レンズ７とス
テージ９面との間のＺ方向の振動を検出することを前提
としているが、同様の考え方で対物レンズ７及び又はス
テージ９のＸＹ平面と水平な方向の振動を検出して画像
データの廃棄を行うようにしても良い。すなわち、対物
レンズ７及びステージ９の水平振動を検出する水平振動
検出手段とを備え、少なくともＸＹ平面の走査期間中に
水平振動検出手段にて水平振動を検出したときコンピュ
ータ１９に水平振動検出信号を与えて画像データの廃棄
ができるようにする。

【００３９】また、上記した説明では走査型レーザ顕微
鏡について説明しているが、ＳＴＭ等の他の走査型顕微
鏡、または顕微鏡に限定されずに他の種類のスキャナー
装置等にも同様に適用することができる。本発明は上記
実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸
脱しない範囲内で種々変形実施可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、除
振台又は画像フィルタ等の部品を追加装備することな
く、簡単な構成で像ブレのないＸＹ画像データ及び三次
元画像データを取得することができる走査型画像入力装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る走査型レーザ顕微鏡
の構成図である。

【図２】上記実施の形態におけるコンピュータの画像入
力に関する処理のフローチャートである。

【図３】上記実施の形態におけるＺ移動駆動制御回路の
振動検出を含んだ処理のフローチャートである。

【図４】レーザ測長器の測長値を示すセンサ信号と許容
範囲との関係を示す図である。

【符号の説明】

１…走査型レーザ顕微鏡 ５…２次元走査機構 ７…対物レンズ ８…試料、 ９…ステージ １３…光検出器 １９…コンピュータ ２１…ＸＹ走査制御ユニット ２２…画像処理ユニット ２３…Ｚ移動駆動制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体を二次元走査することにより被検
   体画像を入力する画像入力装置において、 被検体が載置された載置台と前記被検体に対向配置され
   た画像入力部との間の垂直方向又は水平方向の相対距離
   を検出する距離検出手段と、 前記距離検出手段による距離検出値に基づいて前記載置
   台又は前記画像入力部に発生した垂直方向又は水平方向
   の振動を検出する振動検出手段と、 前記被検体を二次元走査しているときに前記振動検出手
   段で振動検出があれば当該二次元走査において入力した
   画像データの全部又は一部を廃棄する入力禁止手段と、 前記距離検出手段による距離検出値から振動が収束した
   ことを確認してから同一平面を再走査する許可を与える
   再走査許可手段とを具備したことを特徴とする画像入力
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の画像入力装置において、 前記再走査許可手段から再走査許可を受けて同一平面を
   再走査する場合に、一画面全体又はライン単位又は画素
   単位のいずれかで二次元走査をやり直すことを特徴とす
   る画像入力装置。
3. 【請求項３】 試料が載置されるステージと、このステ
   ージ上の試料を二次元平面に沿ってプローブ光を走査さ
   せる走査機構と、プローブ光で走査された試料の反射光
   又は透過光を受光することにより入力画像を取込む画像
   入力部と、この画像入力部から取込まれた入力画像の画
   像データを前記走査機構による走査に同期して保存する
   画像保存ユニットと、前記ステージと前記画像入力部と
   の間の相対距離を検出する距離検出手段と、この距離検
   出手段の距離検出値に基づいて振動の発生を検出する振
   動検出手段と、二次元走査期間中に前記振動検出手段で
   振動を検出した場合は前記距離検出手段の距離検出値か
   ら振動が収束したことを確認してから同一平面を再走査
   する再走査手段とを具備したことを特徴とする走査型顕
   微鏡装置。