JPH0918772A - 顕微鏡画像解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２次元像内の任意の点ないし領域を高速に測定
でき、試料からの光量の時間変化を高速に測定すること
ができる顕微鏡画像解析装置を得ることにある。 【構成】顕微鏡１に取り付けて、試料７からの２次元光
量分布の経時変化を測定する顕微鏡画像解析装置におい
て、任意の画像から、任意の順番でデータをアクセス可
能な２次元固体撮像素子１０と、１０からの２次元像か
ら任意の画素を指定する画素アドレス指定手段１１と、
１１により指定された読み出しアドレスを記憶するアド
レス記憶手段１２と、１２に記憶されたアドレスを順次
出力させるクロック発生手段１３と、１３に同期して１
からの出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段１４を具
備した顕微鏡画像解析装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡に取り付け、試
料（標本）からの２次元光量分布の経時変化を測定可能
な顕微鏡画像解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡像の光量変化から試料の状
態、成分、性質またはそれらの経時変化の様子を測定す
ることが実施されている。特に、生物の分野において
は、試料を蛍光色素により染色し、これに励起光を照射
することにより、発生する蛍光の像を捕らえて、その強
度から、あるいは、複数の励起波長、または、蛍光波長
の画像間で演算を行って得られる像から、試料内の性質
を測定する蛍光顕微鏡装置が公知（特開平２ー２８５４
２号公報）である。

【０００３】一般に、蛍光顕微鏡装置を使って細胞の生
理現象を測定するにあたっては、像の光量が少なく、時
間的変化も激しいため、撮像素子としては、（１）高感
度で、信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）が高いこと、（２）高速
で画像を撮像できるという条件を満足するものでなけれ
ばならない。しかし、一般的な撮像素子により得られる
映像信号を、記憶あるいは処理して、データを得るよう
にした場合には、測定時間分解能は、１／６０秒〜１／
３０秒という映像信号の速度に依存したものとなってし
まう。

【０００４】従来、上記の条件を全て満足する蛍光顕微
鏡装置はなかったが、次にその例について説明する。＜
第１の例＞（２）の条件を満足するものとして、例えば
特開平２ー２９３６５０号公報で開示されているよう
に、ラスタスキャニングとランダムスキャニングが可能
なテレビカメラを用いて、特定の位置のデータのみを測
定することで、高速に測定を行う装置がある。この場合
には、撮像素子として高速に任意の位置のデータを読み
取るイメージディセクタを使用している。

【０００５】＜第２の例＞（１）の条件のうちの感度を
向上させるものとして、例えばイメージインテンシファ
イア付ＣＣＤ（固体撮像素子）カメラを用いた装置があ
り、ＣＣＤとイメージインテンシファイア（光電面に像
を結ばせると、像の明るさに応じた量の光電子が出るも
の）を組合わせたものである。

【０００６】＜第３の例＞（１）の条件のうちのＳ／Ｎ
比が高いものとして、冷却ＣＣＤカメラを用いた装置で
あり、これはＣＣＤ素子を電子冷却し暗電流を低くした
ものである。

【０００７】＜第４の例＞第３の例の問題点である低速
性を改善するため、あるブロックだけのデータを読出す
ようにしたものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の例に
あっては、次のような問題点がある。第１の例にあって
は、イメージディセクタが、２つの離れた点のデータを
得るためには、この２点を結ぶ直線上を掃引し、各点で
のデータを得るようにしているため、不要な掃引時間を
必要としている。このため、２次元画像上に測定点が散
在するような場合や、測定点同士が離れている場合など
は、データの取得に時間を要するという欠点があった。
また、イメージディセクタは、その構造から通常の撮像
素子のように、蓄積機能を有しないため信号雑音比（Ｓ
／Ｎ比）が悪いという問題も持っている。さらに、通常
の撮像素子、例えば撮像管や固体撮像素子などは、その
構造上、任意の画素のデータを任意の順番（ランダム）
で読み取ることは難しい。

【０００９】第２の例にあっては、イメージインテンシ
ファイア付ＣＣＤが高感度であるが、Ｓ／Ｎ比が普通で
あり、速度も通常毎秒３０フレーム（３３m sec ／フレ
ーム）で m secオーダの変化に対しての応答は不可能で
ある。

【００１０】第３の例にあっては、Ｓ／Ｎが高いが、速
度はイメージインテンシファイア付ＣＣＤよりさらに劣
る。第４の例にあっては、素子全体の中から任意の素子
のデータをランダム（必要なデータだけ高速に）読出す
のが困難である。

【００１１】本発明の目的は、２次元像内の任意の点な
いし領域を高速に測定でき、試料からの光量の時間変化
を高速に測定することができる顕微鏡画像解析装置を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、顕微鏡に取り付けて、
試料からの２次元光量分布の経時変化を測定する顕微鏡
画像解析装置において、任意の画素から、任意の順番で
データをアクセス可能な２次元固体撮像素子と、この２
次元固体撮像素子からの２次元像の任意の画素を指定す
る画素アドレス指定手段と、この画素アドレス指定手段
により指定された読み出しアドレスを記憶するアドレス
記憶手段と、このアドレス記憶手段に記憶されたアドレ
スを前記２次元固体撮像素子に対して順次出力させるア
ドレス発生手段と、前記順次出力されるアドレスの出力
タイミングに同期して前記２次元固体撮像素子からの出
力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変
換手段により得られた輝度データを処理するデータ処理
手段と、を具備した顕微鏡画像解析装置である。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、顕微鏡に取り付けて、試料からの２次元光
量分布の経時変化を測定する顕微鏡画像解析装置におい
て、任意の画素から、任意の順番でデータをアクセス可
能な２次元固体撮像素子と、この２次元固体撮像素子か
らの２次元像の任意の画素を指定する画素アドレス指定
手段と、この画素アドレス指定手段により指定された読
み出しアドレスを記憶するアドレス記憶手段と、このア
ドレス記憶手段に記憶されたアドレスを前記２次元固体
撮像素子に対して順次出力させるアドレス発生手段と、
前記順次出力されるアドレスの出力タイミングに同期し
て前記２次元固体撮像素子からの出力をデジタル変換す
るＡ／Ｄ変換手段と、光源の波長を複数の波長に切換え
可能であって、この切換えに同期して前記アドレス発生
手段を駆動させる照明波長切換手段と、を具備した顕微
鏡画像解析装置である。

【００１４】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、請求項１または請求項２記載の顕微鏡画像
解析装置に、２次元固体撮像素子の入力信号を増幅する
増幅手段を備えた顕微鏡画像解析装置である。

【００１５】

【作用】請求項１に対応する発明によれば、任意の画像
から、任意の順番でデータをアクセス可能な２次元固体
撮像素子を使用したので、２次元像内の任意の点ないし
領域を高速に測定でき、試料からの光量の時間変化を高
速に測定することができる。

【００１６】請求項２に対応する発明によれば、請求項
１の作用に加えて、照明波長切換手段を備えているで、
細胞内のイオン濃度を測定する際には、照明波長切換手
段により複数の照明光波長を順次切換えてそれぞれの波
長における蛍光量を測定し、これらの割り算などを行っ
てイオン量を求めることができる。

【００１７】請求項３に対応する発明によれば、請求項
１または請求項２の作用に加えて、２次元固体撮像素子
の前方に、イメージインテンシファイアを設けたので、
微弱な反射光像や、蛍光像といった、暗い試料であって
も測定が可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。＜第１実施例＞図１は、本発明の第１実施
例を示すブロック図であり、これは顕微鏡１、２次元固
体撮像素子１０、画素アドレス指定手段１１、アドレス
記憶手段１２、クロック発生手段１３、Ａ／Ｄ変換手段
１４、データ処理手段１５、表示手段１６、メモリアド
レス制御手段１７から構成され、クロック発生手段１３
とメモリアドレス制御手段１７により本発明のアドレス
発生手段を構成している。

【００１９】顕微鏡１は、光源２、レンズ３，４、ハー
フミラー５、対物レンズ６を備え、光源２により照射さ
れた試料７からの透過光、反射光あるいは蛍光による像
が対物レンズ６を介して２次元固体撮像素子１０に結像
する。

【００２０】２次元固体撮像素子１０は、任意の画像か
ら、任意の順番でデータをアクセス可能な（ランダムア
クセス可能な）、例えば公知の内部増幅型固体撮像素子
（ＡＭＩ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｍｏｓ Ｉｍａｇｅ
ｒ）からなっている。

【００２１】このＡＭＩは、基本的には図２に示すよう
に、複数の画素（受光および増幅用単体セル）１０１か
らなる光電変換部で得られた光情報信号を同一画素内で
増幅し、垂直および水平走査スイッチ回路１０２，１０
３を介して読出すＸＹアドレス型である。

【００２２】画素１０１の一つは、図３に示すように光
電変換部としてのフォトダイオードＤとリセット用トラ
ンジスタＴｒｓ、増幅トランジスタＴａおよび垂直選択
用トランジスタＴｙ用の３個のｎチャンネルＭＯＳＦＥ
Ｔより構成されている。水平スイッチＴｘは垂直信号ラ
イン毎に設けられている。

【００２３】原理的には、フォトダイオードＤを逆バイ
アスし、光電荷で放電させ、その電位を電流増幅して取
り出すものであり、この動作は次のようになる。リセッ
ト期間において、フォトダイオードＤはリセット用トラ
ンジスタＴｒｓを介して初期値（正電位）Ｖrsに設定さ
れる。蓄積期間において、光の照射により励起された電
子、正孔対のうち、電子はフォトダイオードＤの容量Ｃ
PDに蓄積され、正孔は基板に流出する。従って、フォト
ダイオードＤの電位は入射光に応じて減少する。この電
位を増幅トランジスタＴａのゲートに印加し、フォトダ
イオードＤの電位に応じた増幅された電流を垂直走査ス
イッチＴｙ、水平走査スイッチＴｘを介して読出す。な
お、Ｘｉ，Ｙｎ，Ｙｎ＋１は端子、Ｖs は出力電圧、Ｉ
S は出力電流、ＲL は負荷抵抗、Ｖp はゲート電位であ
る。

【００２４】以上述べたＡＭＩは、光電変換部と増幅部
が極めて接近しており、雑音の混入や信号の減衰がな
く、理想的増幅できるため、Ｓ／Ｎの良い出力が得られ
る。画素アドレス指定手段１１は２次元固体撮像素子１
０からの２次元像から任意の画素を指定する。アドレス
記憶手段１２はメモリ回路からなり、各メモリアドレス
の中には画素アドレス指定手段１１により指定された読
み出しアドレスが、順に記憶されている。例えば、全体
の２次元像を取得したい場合には、先頭の画素アドレス
から順に最終アドレスまで、アドレス記憶手段１２に設
定させることができる。

【００２５】クロック発生手段１３はアドレス記憶手段
１２に記憶されたアドレスを順次出力させる。Ａ／Ｄ変
換手段１４はクロック発生手段１３に同期して２次元固
体撮像素子１０からの出力をデジタル変換する。データ
処理手段１５は、該変換されたデジタルデータを画像処
理や各種データ処理、例えばデータの数値に合わせた明
るさ、または色に変換し、表示手段１６に表示する。メ
モリアドレス制御手段１７は、クロック発生手段１３か
ら発生したクロック信号に同期して、先頭メモリアドレ
スから有効なメモリアドレスまで繰り返し発生する。

【００２６】このように構成された第１実施例によれ
ば、以下のような作用効果が得られる。すなわち、２次
元固体撮像素子１０の各画素１０１において、入力され
た光がその光量に応じて電気量に変換される。各画素１
０１には、画素アドレスが割り当てられており、この画
素アドレスがアドレス記憶手段１２に指定されると、指
定された画素１０１より光量に応じた電気量、例えば電
圧や電流が出力される。

【００２７】すると、メモリアドレス制御手段１７はク
ロック発生手段１３から発生したクロック信号に同期し
て、先頭メモリアドレスから有効なメモリアドレスまで
繰り返し発生する。

【００２８】このように、２次元固体撮像素子１０から
は、クロック信号に同期して設定した各画素の光量に対
応した電気信号が出力される。この出力された電気信号
がＡ／Ｄ変換手段１４によってクロック発生手段１３に
同期したデジタル信号に変換される。この変換されたデ
ジタル信号はデータ処理手段１５に各種データ処理さ
れ、表示手段１６上に描画、可視化される。このような
装置によれば、以下のような２次元画像の中の任意の点
あるいは、領域のデータを高速に収集することが実現で
きる。

【００２９】試料として例えば、図４に示すような、像
内に散在す細胞を蛍光色素などで染色したものを考え
る。ここで、図１の光源２として、ショートアークラン
プ例えば高圧水銀灯、キセノンランプなどを使用し、試
料に照明したときの蛍光像を考える。

【００３０】まず、画素アドレス指定手段１１によりア
ドレス記憶手段１２へ全画素のアドレスを記憶させる。
これにより表示手段１６上には、２次元固体撮像素子１
０が捕らえた２次元像が繰り返し表示されるようにな
る。この状態で、試料６のピント調整及び、測定位置合
わせを行うことができる。次に表示された像から測定対
象とする画素を以下の手順でで指定する。

【００３１】２次元像内で目的とする細胞を含む領域を
一つ以上指定する。指定方法は、長方形の対角となる２
点を指定する。この長方形に内接する楕円を指定する、
円の中心と半径を指定する、複数の直線により囲んだ内
部を指定する、自由曲線により囲んだ内部を指定するな
どが考えられる。次に、これらによって指定された領域
の内部に閾値を設定し、この閾値以上またはそれ以下と
なる画素のアドレスを測定対象として画素アドレス記憶
手段１２に記憶させる。以降、この測定対象となる画素
アドレスのみデータの読み取りを行うことで、高速に測
定することができる。

【００３２】＜第２実施例＞図５に示すように、図１の
第１実施例と異なる点は、光源２とレンズ３の間に、光
源２の波長を高速に切り換える照明波長切換手段２０を
設けると共に、照明波長切換手段２０から得られる切換
信号をクロック発生手段１３に導入するように構成した
点のみである。

【００３３】照明波長切換手段２０の一例として、例え
ば特開平６ー１６０７２２号公報に示すように構成され
たものがあり、図６はこれを説明するためのものであ
る。取付機構２１により励起光を射出する光源３１を有
するランプハウス２２が取付けられている。コレクタレ
ンズ２３（焦点距離ｆ）の焦点位置にはランプハウス２
２から出射された光を入射光軸に対して所望の角度に偏
向せしめるミラー２４がミラー駆動装置２５により面方
向を変更可能に配置されている。ミラー２４からの反射
光は、ミラー２４の向きに応じた遮光板２６の開口を通
ってコリメータレンズ２７に入射し、干渉フィルタ２８
を通過した後、コレクタレンズ２９に入射する。コレク
タレンズ３５（焦点距離ｆ）の焦点には、取付機構３４
により装置本体に取付けたライトガイド３６の端面が位
置している。干渉フィルタ２８はスライダ２９に取付け
られていて、装置本体のガイドレール３０に容易に着脱
可能となっている。またコレクタレンズ２３の後側に
は、ランプハウス２２から入射する光を必要に応じて遮
断するシャッタ３２が設けられている。コリメータレン
ズ２７と干渉フィルタ２８の間及び干渉フィルタ２８と
コレクタレンズ３５との間に遮光筒３３が配設されてい
る。

【００３４】以上述べた照明波長切換手段２０は、ミラ
ー２４とミラー駆動装置２５とで偏向手段を構成してお
り、ミラー２４の向きを変えることにより、所望の光を
入射させ、ライトガイド３６から出射される照明光の波
長を変更することができる。

【００３５】以上のように構成された第２実施例によれ
ば、以下のような作用効果が得られる。すなわち、細胞
内のイオン濃度を測定する際には、照明波長切換手段２
０により複数の照明光波長を順次切換えてそれぞれの波
長における蛍光量を測定し、これらの割り算などを行っ
てイオン量を求めることができる。

【００３６】この場合、照明光波長の切換えには、有限
の時間を要し、従って撮像素子１０からの出力には有効
な出力信号と、切換途中の無効な出力信号とが存在する
こととなる。

【００３７】このようなことから、本実施例では、照明
波長切換手段２０から波長切換が終了し、照明光が有効
な状態にあることを示す信号をクロック発生手段１３に
導入し、有効なときのみクロック信号が出力されるよう
に構成されているので、撮像素子１０からの有効な出力
のみを取り出すことができる。

【００３８】第２実施例の変形例として、アドレス記憶
手段１２からは、先頭から最後までの有効な画素アドレ
スを出力している間に、照明波長切換手段２０の波長の
切換を行わないように、照明波長切換手段２０に対して
切換え禁止信号を出力するように構成していもよい。

【００３９】＜第３実施例＞図７に示すように、２次元
固体撮像素子１０の前方に、光電変換面より発生する光
電子を、加速、結像させる電子レンズからなるイメージ
インテンシファイア４０を設けた点のみが、図５の第２
実施例と異なる点である。

【００４０】イメージインテンシファイア４０の構成
は、図８のように光電変換面４１と、光電変換面４１よ
り発生する光電子を、加速、結像させる電子レンズ４２
と、マイクロチャンネルプレート４３と、蛍光面４４か
らなっている。マイクロチャンネルプレート４３は、細
い穴（チャンネル）が無数にあいていて、この穴に電子
が入射すると電位勾配に引かれて電子は内壁に数十回衝
突しながら反対側から出てくる際に、電子の衝突によっ
て壁面から２次電子が放出されるため、入射電子に対し
て出力電子は数千倍以上に像倍され、この結果マイクロ
チャンネルプレート４３の各チャンネル一つ一つが画素
に相当し、各画素が同時に増強される。

【００４１】このように構成した第３実施例によれば、
次のような作用効果が得られる。前述した第１及び第２
実施例において、顕微鏡像を直接２次元固体撮像素子１
０の上に結像させ、このとき撮像素子１０からの出力を
測定する例を示したが、この場合には、試料７から微弱
な反射光や、蛍光像などを測定する場合、感度が不足こ
とが考えられる。ところが、第３実施例では撮像素子１
０の前方に、イメージインテンシファイア４０を設けた
ので、前述の実施例と同様に２次元像内の任意の点ない
し領域を高速に測定できるばかりでなく、前述の実施例
の効果に以外に、微弱な反射光像や、蛍光像といった、
暗い試料７であっても測定が可能となる。

【００４２】＜変形例＞前述の実施例では、２次元固体
撮像素子１０としてＡＭＩを例にあげて説明したが、Ａ
ＭＩの他に、例えばＣＭＤ、フォトダイオードアレイ
（フォトダイオードをマトリクス状に並べたもの）、フ
レーム転送型ＣＣＤ（固体撮像素子ＣＣＤのデータを一
括してメモリ回路へ転送し、この内容を順次読出すよう
にしたもの）でも、前述の実施例と同様な効果を上げる
ことができる。

【００４３】また、照明波長切換手段として図６のよう
に構成されたものをあげたが、これ以外に円盤状に並べ
た複数のフィルタを回転させて切換えるもの、光チョッ
パ・セクタミラーなどを用いるもの、ガルバノメータス
キャナを用いても同様な効果が得られる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、２次元像内の任意の点
ないし領域を高速に測定でき、試料からの光量の時間変
化を高速に測定することができる顕微鏡画像解析装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の顕微鏡画像解析装置の第１実施例を説
明するためのブロック図。

【図２】図１の２次元固体撮像素子１０の一例を説明す
るための図。

【図３】図２の一つの画素を説明するための等価回路
図。

【図４】図１の試料の一例を示す図。

【図５】本発明の顕微鏡画像解析装置の第２実施例を説
明するためのブロック図。

【図６】図５の照明波長切換手段の一例を説明するため
の図。

【図７】本発明の顕微鏡画像解析装置の第３実施例を説
明するためのブロック図。

【図８】図７のイメージインテンシファイアの一例を説
明するための図。

【符号の説明】 １…顕微鏡、２…光源、３，４…レンズ、５…ハーフミ
ラー、６…対物レンズ、７…試料、１０…２次元固体撮
像素子、１０１…画素、１１…画素アドレス指定手段、
１２…アドレス記憶手段、１３…クロック発生手段、１
４…Ａ／Ｄ変換手段、１５…データ処理手段、１６…表
示手段、１７…メモリアドレス制御手段、２０…照明波
長切換手段、４０…イメージインテンシファイア。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 顕微鏡に取り付けて、試料からの２次元
   光量分布の経時変化を測定する顕微鏡画像解析装置にお
   いて、 任意の画素から、任意の順番でデータをアクセス可能な
   ２次元固体撮像素子と、 この２次元固体撮像素子からの２次元像の任意の画素を
   指定する画素アドレス指定手段と、 この画素アドレス指定手段により指定された読み出しア
   ドレスを記憶するアドレス記憶手段と、 このアドレス記憶手段に記憶されたアドレスを前記２次
   元固体撮像素子に対して順次出力させるアドレス発生手
   段と、 前記順次出力されるアドレスの出力タイミングに同期し
   て前記２次元固体撮像素子からの出力をデジタル変換す
   るＡ／Ｄ変換手段と、 このＡ／Ｄ変換手段により得られた輝度データを処理す
   るデータ処理手段と、 を具備した顕微鏡画像解析装置。
2. 【請求項２】 顕微鏡に取り付けて、試料からの２次元
   光量分布の経時変化を測定する顕微鏡画像解析装置にお
   いて、 任意の画素から、任意の順番でデータをアクセス可能な
   ２次元固体撮像素子と、 この２次元固体撮像素子からの２次元像の任意の画素を
   指定する画素アドレス指定手段と、 この画素アドレス指定手段により指定された読み出しア
   ドレスを記憶するアドレス記憶手段と、 このアドレス記憶手段に記憶されたアドレスを前記２次
   元固体撮像素子に対して順次出力させるアドレス発生手
   段と、 前記順次出力されるアドレスの出力タイミングに同期し
   て前記２次元固体撮像素子からの出力をデジタル変換す
   るＡ／Ｄ変換手段と、 光源の波長を複数の波長に切換え可能であって、この切
   換えに同期して前記アドレス発生手段を駆動させる照明
   波長切換手段と、 を具備した顕微鏡画像解析装置。
3. 【請求項３】 前記２次元固体撮像素子の入力信号を増
   幅する増幅手段を備えた請求項１または請求項２記載の
   顕微鏡画像解析装置。