JP2007121337A

JP2007121337A - Confocal scanner system

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Publication number: JP2007121337A
Application number: JP2005309167A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Tanihata; 康弘谷端; Takashi Niimi; 貴史新美
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP4867283B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a confocal scanner system using a filter wheel unit capable of intermittently switching a filter at a high speed (for example, switching cycle of ≤33ms). <P>SOLUTION: Regarding the confocal scanner system including an exiting filter wheel and a light receiving filter wheel wherein a plurality of filters having a region for transmitting light of desired wavelength are arranged at fixed angle intervals along a circumferential direction, respective filter wheels are intermittently, cooperatively and rotationally driven by a stepping motor which is driven by a pulse signal of a trapezoidal driving pattern consisting of three steps, that is, an acceleration time area where the frequency of the driving pulse is linearly increased from a starting frequency to an operating frequency, a normal operation time area where the operating frequency is maintained, and a reduction time area where the frequency is linearly reduced from the operation frequency to the starting frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、共焦点スキャナシステムに関し、詳しくは、多波長切替観察のために用いられるフィルタホイールの駆動制御に関するものである。 The present invention relates to a confocal scanner system, and more particularly to drive control of a filter wheel used for multi-wavelength switching observation.

共焦点スキャナシステムは、主に生物・バイオ・医療研究の分野で各種生体サンプルの顕微鏡観察に用いられている。このような共焦点スキャナシステムの一種に、フィルタホイールを用いて観察波長を切り替えるように構成されたものがある。 The confocal scanner system is mainly used for microscopic observation of various biological samples in the fields of biological, bio, and medical research. One type of such a confocal scanner system is configured to switch observation wavelengths using a filter wheel.

図７は、従来の波長切替形共焦点スキャナシステムの一例を示すブロック図である。図７において、レーザー光源１は蛍光励起光として複数の波長光を出力するものであり、レーザー光源１の出力光はフィルタホイール２に入力される。フィルタホイール２には所定の波長通過帯域および所定の減光率を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられている。以下このフィルタホイール２を励起フィルタホイールという。 FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional wavelength-switching confocal scanner system. In FIG. 7, the laser light source 1 outputs a plurality of wavelengths as fluorescence excitation light, and the output light from the laser light source 1 is input to the filter wheel 2. The filter wheel 2 is provided with a plurality of filters having a predetermined wavelength pass band and a predetermined dimming rate at regular angular intervals along the circumferential direction. Hereinafter, the filter wheel 2 is referred to as an excitation filter wheel.

励起フィルタホイール２に設けられたフィルタを介して選択され減光された所望波長の光が選択的に共焦点スキャナ３に入力される。共焦点スキャナ３に入力された所望波長の光は高速スキャン用のマルチビームに変換され、顕微鏡４に入力される。顕微鏡４は、高速スキャン用のマルチビームを対物レンズを介して図示しないサンプルに蛍光励起光として照射する。サンプルは、蛍光励起光が照射されることにより、励起光よりも波長が長い蛍光を発生する。 Light having a desired wavelength selected and attenuated through a filter provided on the excitation filter wheel 2 is selectively input to the confocal scanner 3. Light of a desired wavelength input to the confocal scanner 3 is converted into a multi-beam for high-speed scanning and input to the microscope 4. The microscope 4 irradiates a sample (not shown) as fluorescent excitation light with a multi-beam for high-speed scanning through an objective lens. The sample emits fluorescence having a wavelength longer than that of the excitation light when irradiated with the fluorescence excitation light.

サンプルから発生した蛍光は、顕微鏡４の光学系を逆行して共焦点スキャナ３に入力され、さらに観察系に出力される。観察系にもフィルタホイール５が設けられている。フィルタホイール５には、サンプルから発生した蛍光のうち所望の波長を通過させるための帯域を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられている。以下このフィルタホイール５を受光フィルタホイールという。 The fluorescence generated from the sample is input to the confocal scanner 3 by going back through the optical system of the microscope 4 and further output to the observation system. A filter wheel 5 is also provided in the observation system. The filter wheel 5 is provided with a plurality of filters having a band for allowing a desired wavelength of the fluorescence generated from the sample to pass therethrough at regular angular intervals along the circumferential direction. Hereinafter, the filter wheel 5 is referred to as a light receiving filter wheel.

受光フィルタホイール５のフィルタを通過した所望波長の蛍光は、共焦点画像としてＴＶカメラ６に記録される。ＴＶカメラ６に記録された共焦点画像は、必要に応じてデータ解析装置７に入力され、目的に応じた画像解析が施される。 The fluorescence of the desired wavelength that has passed through the filter of the light receiving filter wheel 5 is recorded in the TV camera 6 as a confocal image. The confocal image recorded in the TV camera 6 is input to the data analysis device 7 as necessary, and image analysis according to the purpose is performed.

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５は、所望のフィルタが光軸上に位置するように、駆動モータ８および９により個別に間欠的に回転駆動される。各駆動モータ８および９は、フィルタホイール制御部１０により駆動制御される。 The excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 are individually and intermittently rotated by drive motors 8 and 9 so that a desired filter is positioned on the optical axis. The drive motors 8 and 9 are driven and controlled by the filter wheel control unit 10.

パルス発生器１１は、データ解析装置７およびフィルタホイール制御部１０に、所定のタイミングパルスを出力する。 The pulse generator 11 outputs a predetermined timing pulse to the data analysis device 7 and the filter wheel control unit 10.

特表２００２−５０１２１５Special table 2002-501215

特許文献１の段落０００８および段落００１０には光源の出力系統にフィルタホイールを利用することが開示され、段落００１３にはサンプルから発生した蛍光を検出する系統にもフィルタホイールを利用することが開示されている。
しかし、これらフィルタホイールをどのような構成でどのように回転駆動するかという点についての記載はない。 Paragraphs 0008 and 0010 of Patent Document 1 disclose that a filter wheel is used for an output system of a light source, and paragraph 0013 discloses that a filter wheel is also used for a system that detects fluorescence generated from a sample. ing.
However, there is no description on how to rotate and drive these filter wheels.

ところで、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を間欠的に回転駆動する駆動モータ８および９として、構造形状を薄くするために、扁平形状のステッピングモータを用いたものがある。 By the way, as the drive motors 8 and 9 for driving the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 to rotate intermittently, there is one using a flat stepping motor in order to reduce the structural shape.

これら駆動モータ８および９は、通信経由のコマンドで動作する専用のフィルタホイール制御部１０で制御されている。ところが、フィルタホイール制御部１０は、駆動モータ８および９に与えるパルスを直接制御できない。このため、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を隣接するフィルタに切り替えるための移動速度は最速で１００ms程度であり、それ以上の高速切り替えは困難である。また、タイミング制御にあたっては、外部からトリガ信号を与えるためのパルス発生器が必要である。 These drive motors 8 and 9 are controlled by a dedicated filter wheel control unit 10 that operates according to a command via communication. However, the filter wheel control unit 10 cannot directly control pulses applied to the drive motors 8 and 9. For this reason, the moving speed for switching the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 to adjacent filters is about 100 ms at the fastest, and it is difficult to switch at a higher speed. Further, for timing control, a pulse generator for giving a trigger signal from the outside is necessary.

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を隣接するフィルタに切り替えるための移動速度が最速でも１００ms程度ということは、ＴＶカメラ６として標準的なＮＴＳＣ信号(３０fps)方式のものを用いた場合、データがフィルタの切り替え時に少なくとも３フレーム分欠落することになり、高速測定の阻害要因となる。 The moving speed for switching the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 to the adjacent filters is about 100 ms at the fastest. When the standard NTSC signal (30 fps) system is used as the TV camera 6, the data is At the time of filter switching, at least 3 frames are missing, which becomes an obstacle to high-speed measurement.

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、高速で(例えば切り替え周期３３ms以下)フィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムを提供することにある。 The present invention pays attention to such a conventional problem, and an object thereof is a confocal scanner system using a filter wheel unit capable of intermittently switching a filter at a high speed (for example, a switching period of 33 ms or less). Is to provide.

このような課題を達成するために、請求項１の発明は、
所望の波長を通過させるための帯域を有する複数のフィルタが円周方向に沿って一定の角度間隔で設けられた励起フィルタホイールと受光フィルタホイールを含む共焦点スキャナシステムであって、
前記各フィルタホイールは、駆動パルスの周波数が起動周波数から運転周波数に向かって直線的に増加する加速時間領域と運転周波数に保持される定常運転時間領域と運転周波数から起動周波数に向かって直線的に減少する減速時間領域の３ステップからなる台形駆動パターンのパルス信号で駆動されるステッピングモータにより、連動して間欠的に回転駆動されることを特徴とする。 In order to achieve such a problem, the invention of claim 1
A confocal scanner system including an excitation filter wheel and a light reception filter wheel in which a plurality of filters having a band for passing a desired wavelength are provided at regular angular intervals along a circumferential direction,
Each filter wheel has an acceleration time region in which the frequency of the driving pulse increases linearly from the starting frequency toward the operating frequency, a steady operating time region held in the operating frequency, and a linearly from the operating frequency toward the starting frequency. A stepping motor driven by a pulse signal having a trapezoidal driving pattern composed of three steps in a decreasing deceleration time region is intermittently rotated in conjunction with the stepping motor.

請求項２の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
前記ステッピングモータは、マスターＣＰＵと複数のスレーブＣＰＵよりなるマルチＣＰＵ構成のマルチコントローラで駆動されることを特徴とする。 The invention of claim 2 is the confocal scanner system according to claim 1,
The stepping motor is driven by a multi-controller having a multi-CPU configuration including a master CPU and a plurality of slave CPUs.

請求項３の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
前記ステッピングモータは、マルチタスク処理が可能な１個のマイクロプロセッサで駆動されることを特徴とする。 The invention of claim 3 is the confocal scanner system according to claim 1,
The stepping motor is driven by a single microprocessor capable of multitask processing.

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
前記各フィルタホイールの間欠的回転駆動はＴＶカメラの１フレーム周期内で完了することを特徴とする。 The invention of claim 4 is the confocal scanner system according to any one of claims 1 to 3,
The intermittent rotation driving of each filter wheel is completed within one frame period of the TV camera.

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の共焦点スキャナシステムにおいて、
３Ｄ観察のためのＺ軸制御系統を設けたことを特徴とする。 The invention of claim 5 is the confocal scanner system according to any one of claims 1 to 4,
A Z-axis control system for 3D observation is provided.

これらにより、高速でフィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムが実現できる。 Thus, a confocal scanner system using a filter wheel unit capable of intermittently switching filters at high speed can be realized.

以下、本発明について、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例の主要部を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一符号を付けている。ＰＣ１２はマルチコントローラ１３を制御するマンマシンインターフェイスであり、マルチコントローラ１３を構成するマスターＣＰＵ１４に接続されている。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a main part of an embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the parts common to FIG. The PC 12 is a man-machine interface that controls the multi-controller 13 and is connected to a master CPU 14 that constitutes the multi-controller 13.

マスターＣＰＵ１４は、ＰＣ１２と各種情報の授受を行うとともに、各スレーブＣＰＵ１５，１６を制御する。測定時、各スレーブＣＰＵ１５，１６に、予め設定された駆動シーケンスに従って、所定のタイミング信号を与える。ここで、ＣＰＵとしては、例えばＨ８シリーズ「HD64F3687」のような１６bitの汎用ワンチップマイコンを使用する。 The master CPU 14 exchanges various information with the PC 12 and controls the slave CPUs 15 and 16. At the time of measurement, a predetermined timing signal is given to each of the slave CPUs 15 and 16 according to a preset driving sequence. Here, a 16-bit general-purpose one-chip microcomputer such as the H8 series “HD64F3687” is used as the CPU.

スレーブＣＰＵ１５，１６は、マスターＣＰＵ１４からタイミング信号が入力されることにより通信のオーバーヘッド無しに動作を開始し、励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を高精度で回転駆動するための所定のパルス信号を各モータ駆動部１７，１８に与える。 The slave CPUs 15 and 16 start the operation without communication overhead by receiving the timing signal from the master CPU 14, and receive predetermined pulse signals for rotationally driving the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 with high accuracy. It gives to each motor drive part 17,18.

スレーブＣＰＵ１５は励起フィルタホイール２を高精度で間欠的に回転駆動するための所定のパルス信号をモータ駆動部１７に出力し、スレーブＣＰＵ１６は受光フィルタホイール５を高精度で間欠的に回転駆動するための所定のパルス信号をモータ駆動部１８に出力する。 The slave CPU 15 outputs a predetermined pulse signal for intermittently driving the excitation filter wheel 2 with high accuracy to the motor drive unit 17, and the slave CPU 16 is for rotating the light receiving filter wheel 5 with high accuracy intermittently. The predetermined pulse signal is output to the motor drive unit 18.

図２は、各スレーブＣＰＵ１５，１６から各モータ駆動部１７，１８に与えるパルス信号の周波数パターン例図である。図２に示すように、加速時間Ｔ１−定常運転時間Ｔ２−減速時間Ｔ３の３ステップからなる台形駆動パターンのパルス信号を与える。パルス信号の周波数変化に着目すると、加速時間Ｔ１では起動周波数f0から運転周波数f1に向かって直線的に増加し、定常運転時間Ｔ２では運転周波数f1が保持され、減速時間Ｔ３では運転周波数f1から起動周波数f0に向かって直線的に減少する。これらパルス信号の起動周波数f0、運転周波数f1、加速時間Ｔ１、定常運転時間Ｔ２、減速時間Ｔ３を最適な値に設定することで、安定な高速動作が可能となる。駆動モータ８および９としては、このようにして設定される駆動条件での駆動が可能なオリエンタルモータ社のフィーバック付きのアルファステップモータのようなステッピングモータを使用する。 FIG. 2 is a frequency pattern example diagram of pulse signals given from the slave CPUs 15 and 16 to the motor drive units 17 and 18. As shown in FIG. 2, a pulse signal having a trapezoidal driving pattern including three steps of acceleration time T1, steady operation time T2, and deceleration time T3 is given. Focusing on the change in the frequency of the pulse signal, the acceleration frequency T1 increases linearly from the starting frequency f0 toward the operating frequency f1, the operating frequency f1 is maintained during the steady operating time T2, and the operating frequency f1 is started at the deceleration time T3. It decreases linearly toward the frequency f0. By setting the start frequency f0, the operation frequency f1, the acceleration time T1, the steady operation time T2, and the deceleration time T3 of these pulse signals to optimum values, stable high-speed operation becomes possible. As the drive motors 8 and 9, stepping motors such as an alpha step motor with a feedback of Oriental Motor Co., which can be driven under the drive conditions set in this way are used.

図３は、図１の構成に基づき駆動される波長切替形共焦点スキャナシステムのタイミングチャートの具体例である。励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５において、隣接するフィルタとして２種類の波長が割り当てられていて、連続的に２色の測定が行えるように構成されている。励起フィルタホイール２には蛍光励起用の異なる２波長λ1とλ2のフィルタが交互に設けられ、受光フィルタホイール５には蛍光観察用の異なる２波長λ3とλ4のフィルタが交互に設けられている。 FIG. 3 is a specific example of a timing chart of the wavelength switching type confocal scanner system driven based on the configuration of FIG. In the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5, two types of wavelengths are assigned as adjacent filters, and two colors can be measured continuously. The excitation filter wheel 2 is alternately provided with filters of two wavelengths λ1 and λ2 for excitation of fluorescence, and the light receiving filter wheel 5 is alternately provided with filters of two wavelengths λ3 and λ4 for observation of fluorescence.

図３において、(a)はシステム同期信号であり、その周期はＮＴＳＣ信号(３０fps)のＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms(３０Hz)に設定されている。 In FIG. 3, (a) is a system synchronization signal, and its cycle is set to a frame cycle 33 ms (30 Hz) of the TV camera 6 of the NTSC signal (30 fps).

(b)は測定スタート信号であり、ＰＣ１２からマルチコントローラ１３を構成するマスターＣＰＵ１４に入力される。マスターＣＰＵ１４は、測定スタート信号がＯＮになった後の最初のシステム同期信号の立ち上がり時点t1で(g)に示すように撮像開始トリガ信号を発生する。なお、このシステム同期信号の立ち上がり時点t1では、励起フィルタホイール２は(c)に示すように波長λ1のフィルタが選択され、受光フィルタホイール５は(d)に示すように波長λ3のフィルタが選択されている。 (b) is a measurement start signal, which is input from the PC 12 to the master CPU 14 constituting the multi-controller 13. The master CPU 14 generates an imaging start trigger signal as shown in (g) at the rising point t1 of the first system synchronization signal after the measurement start signal is turned ON. At the rise time t1 of the system synchronization signal, the excitation filter wheel 2 is selected as the filter of wavelength λ1 as shown in (c), and the light receiving filter wheel 5 is selected as the filter of wavelength λ3 as shown in (d). Has been.

ＴＶカメラ６は撮像開始トリガ信号に基づき(h)に示すように受光フィルタホイール５の波長λ3のフィルタを通して得られる1色目の画像を撮影記録する。 Based on the imaging start trigger signal, the TV camera 6 captures and records an image of the first color obtained through the filter of wavelength λ3 of the light receiving filter wheel 5 as shown in (h).

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t2で、(e)に示すフィルタホイール駆動指令を各スレーブＣＰＵ１５，１６に出力する。各スレーブＣＰＵ１５，１６は、各モータ駆動部１７，１８を介して励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を図２の台形駆動パターンに従って間欠的に駆動するための駆動パルスを駆動モータ８および９に与える。 The master CPU 14 outputs the filter wheel drive command shown in (e) to each of the slave CPUs 15 and 16 at the time t2 when the next system synchronization signal rises. The slave CPUs 15 and 16 send drive pulses to the drive motors 8 and 9 for driving the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 intermittently according to the trapezoidal drive pattern of FIG. give.

これにより、励起フィルタホイール２のフィルタは波長λ1から波長λ2に切り替わり、受光フィルタホイール５のフィルタは波長λ3から波長λ4に切り替わる。これら励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５のフィルタの切り替えは、ＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms内で完了する。なおフィルタホイール駆動指令が出力されることにより、(f)に示すようにフィルタホイールBUSYも立ち上がる。 Thereby, the filter of the excitation filter wheel 2 is switched from the wavelength λ1 to the wavelength λ2, and the filter of the light receiving filter wheel 5 is switched from the wavelength λ3 to the wavelength λ4. The switching of the filters of the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 is completed within the frame period 33 ms of the TV camera 6. When the filter wheel drive command is output, the filter wheel BUSY also rises as shown in (f).

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t3で(g)に示すように2色目の撮像開始トリガ信号を発生する。 The master CPU 14 generates the imaging start trigger signal for the second color as shown in (g) at the time t3 when the next system synchronization signal rises.

ＴＶカメラ６は撮像開始トリガ信号に基づき(h)に示すように受光フィルタホイール５の波長λ4のフィルタを通して得られる2色目の画像を撮影記録する。 Based on the imaging start trigger signal, the TV camera 6 captures and records an image of the second color obtained through the filter of wavelength λ4 of the light receiving filter wheel 5 as shown in (h).

マスターＣＰＵ１４は、次のシステム同期信号の立ち上がり時点t4でフィルタホイール駆動指令を各スレーブＣＰＵ１５，１６に出力する。各スレーブＣＰＵ１５，１６は、各モータ駆動部１７，１８を介して励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５を駆動するための駆動パルスを駆動モータ８および９に与える。 The master CPU 14 outputs a filter wheel drive command to each of the slave CPUs 15 and 16 at the time t4 when the next system synchronization signal rises. Each slave CPU 15, 16 gives drive pulses for driving the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 to the drive motors 8, 9 via the motor drive units 17, 18.

これにより、励起フィルタホイール２のフィルタは再び波長λ2から波長λ1に切り替わり、受光フィルタホイール５のフィルタは再び波長λ4から波長λ3に切り替わる。これら励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５のフィルタの切り替えは、ＴＶカメラ６のフレーム周期３３ms内で完了する。フィルタホイール駆動指令が出力されることにより、再びフィルタホイールBUSYも立ち上がる。 As a result, the filter of the excitation filter wheel 2 switches from the wavelength λ2 to the wavelength λ1 again, and the filter of the light receiving filter wheel 5 switches from the wavelength λ4 to the wavelength λ3 again. The switching of the filters of the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 is completed within the frame period 33 ms of the TV camera 6. By outputting the filter wheel drive command, the filter wheel BUSY also rises again.

励起フィルタホイール２および受光フィルタホイール５として2色のフィルタが交互に設けられているものを用いる場合には、前述のt1からt4の動作を繰り返す。 When the excitation filter wheel 2 and the light receiving filter wheel 5 are provided with two-color filters alternately, the operations from t1 to t4 are repeated.

図４は駆動モータ８および９として用いるフィードバック付きステッピングモータの駆動にあたり、計算式で単純に算出された駆動パラメータ(起動周波数＝２kHz、運転周波数＝８kHz、加速(減速)時間＝約１０ms)に基づきフィルタホイールを33ms単発回転移動させた時のフィルタホイールの変位状態を、レーザー変位計で測定したオシロスコープ画面の測定波形例である。駆動モータによる駆動終了後も最大振幅0.88mmから徐々に減衰する振動状態がしばらく続いている。この結果から、移動時間のみからの計算式より算出された駆動パラメータに基づいて33msの周期で連続動作させると、ステッピングモータは脱調して正常な動作ができないことが明らかである。 FIG. 4 is based on drive parameters (starting frequency = 2 kHz, operating frequency = 8 kHz, acceleration (deceleration) time = about 10 ms) simply calculated by a calculation formula when driving the stepping motor with feedback used as the driving motors 8 and 9. It is the example of a measurement waveform of the oscilloscope screen which measured the displacement state of the filter wheel when the filter wheel was rotated and rotated for 33 ms by a laser displacement meter. Even after the drive by the drive motor is finished, the vibration state gradually attenuates from the maximum amplitude of 0.88 mm. From this result, it is clear that if the continuous operation is performed at a period of 33 ms based on the drive parameter calculated from the calculation formula based only on the movement time, the stepping motor will step out and cannot operate normally.

これに対し、図５は円周方向に沿って60°間隔で6個のフィルタを設けたフィルタホイールをフィードバック付きステッピングモータで60°の整数倍で回転させるのにあたり、移動終了後の振動を±0.13mm以下(モータの回転角で±0.72°以内)に抑えるように駆動モータの駆動パラメータを設定して、フィルタホイールの変位状態をレーザー変位計で測定したオシロスコープ画面の測定波形である。フィルタホイールの振動の最大振幅が相当小さくなるように駆動パラメータを選定することにより、安定した高速連続切り替え動作が可能となる。具体的な駆動パラメータとして、起動周波数は算出された周波数より低い１kHz、運転周波数は算出された周波数より高い８．３kHz、加速(減速)時間は約１２msに設定して駆動した。 On the other hand, in FIG. 5, when a filter wheel provided with six filters at intervals of 60 ° along the circumferential direction is rotated at an integral multiple of 60 ° by a stepping motor with feedback, the vibration after the movement is ± This is a measurement waveform on the oscilloscope screen in which the drive motor drive parameters are set so as to be suppressed to 0.13 mm or less (within ± 0.72 ° in motor rotation angle), and the displacement state of the filter wheel is measured with a laser displacement meter. By selecting the drive parameters so that the maximum amplitude of the vibration of the filter wheel is considerably reduced, a stable high-speed continuous switching operation can be performed. As specific driving parameters, the driving frequency was set to 1 kHz lower than the calculated frequency, the operating frequency was set to 8.3 kHz higher than the calculated frequency, and the acceleration (deceleration) time was set to about 12 ms.

このように、フィルタホイールをフィードバック付きステッピングモータで順次切り替えるように間欠的に回転駆動するのにあたり、駆動パルスの周波数を台形駆動パターンにすることにより、安定した高速連続切り替え動作が実現でき、共焦点システムによる高速多色観察が実現できる。 In this way, when the filter wheel is intermittently rotated so as to be sequentially switched by a stepping motor with feedback, a stable high-speed continuous switching operation can be realized by using a trapezoidal driving pattern for the drive pulse frequency, and confocal High-speed multicolor observation by the system can be realized.

図６は本発明の他の実施例を示すブロック図である。図６では、図１のマルチコントローラ１３内にＺ軸をコントロールするためのスレーブＣＰＵ１９を追加し、ピエゾ駆動部２０を介してＺ軸ピエゾ素子２１を駆動するようにしている。これにより、３Ｄ観察のための高速なタイミング制御によるフィルタホイール動作が実現できる。 FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. In FIG. 6, a slave CPU 19 for controlling the Z-axis is added to the multi-controller 13 in FIG. 1, and the Z-axis piezo element 21 is driven via the piezo drive unit 20. Thereby, a filter wheel operation by high-speed timing control for 3D observation can be realized.

なお、上記各実施例では、マルチコントローラ内において汎用のワンチップマイコンを使用し、マスターＣＰＵと複数のスレーブＣＰＵよりなるマルチＣＰＵ構成としているが、マルチタスク処理が可能なマイクロプロセッサの１個のみの構成としてもよい。 In each of the above embodiments, a general-purpose one-chip microcomputer is used in the multi-controller and a multi-CPU configuration including a master CPU and a plurality of slave CPUs is used. However, only one microprocessor capable of multi-task processing is used. It is good also as a structure.

また、上記各実施例では、マルチコントローラとモータ駆動部とを個別に設けた例を示しているが、これらを一体化してもよい。 Moreover, in each said Example, although the example which provided the multi controller and the motor drive part separately was shown, you may integrate these.

また、上記各実施例では、共焦点スキャナシステムで用いる励起フィルタホイールおよび受光フィルタホイールについて説明したが、フィルタホイールを間欠的に回転駆動することが要求される他の光学製品にも有効である。 In each of the above embodiments, the excitation filter wheel and the light receiving filter wheel used in the confocal scanner system have been described. However, the present invention is also effective for other optical products that require intermittent rotation of the filter wheel.

以上説明したように、本発明によれば、高速でフィルタを間欠的に切り替えることができるフィルタホイールユニットを用いた共焦点スキャナシステムが実現でき、生物・バイオ・医療研究の分野などの各種生体サンプルの顕微鏡観察に好適である。 As described above, according to the present invention, a confocal scanner system using a filter wheel unit capable of intermittently switching filters at high speed can be realized, and various biological samples in the fields of biological / bio / medical research, etc. It is suitable for microscopic observation.

本発明の実施例の主要部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part of the Example of this invention. ステッピングモータに与えるパルス信号の周波数パターン例図である。It is a frequency pattern example figure of the pulse signal given to a stepping motor. 波長切替形共焦点スキャナシステムのタイミングチャートである。It is a timing chart of a wavelength switching type confocal scanner system. レーザー変位計で測定したフィルタホイールの変位状態を示すオシロスコープ画面の測定波形例である。It is an example of a measurement waveform of the oscilloscope screen which shows the displacement state of the filter wheel measured with the laser displacement meter. レーザー変位計で測定したフィルタホイールの変位状態を示すオシロスコープ画面の他の測定波形例である。It is the other measurement waveform example of the oscilloscope screen which shows the displacement state of the filter wheel measured with the laser displacement meter. 本発明の他の実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other Example of this invention. 従来の波長切替形共焦点スキャナシステムの一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional wavelength switching type confocal scanner system.

Explanation of symbols

１レーザー光源
２励起フィルタホイール
３共焦点スキャナ
４顕微鏡
５受光フィルタホイール
６ＴＶカメラ
７データ解析装置
８，９駆動モータ
１０フィルタホイール制御部
１２ＰＣ
１３マルチコントローラ
１４マスターＣＰＵ
１５，１６，１９スレーブＣＰＵ
１７，１８モータ駆動部
２０ピエゾ駆動部
２１Ｚ軸ピエゾ素子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Excitation filter wheel 3 Confocal scanner 4 Microscope 5 Light reception filter wheel 6 TV camera 7 Data analysis device 8,9 Drive motor 10 Filter wheel control part 12 PC
13 Multi-controller 14 Master CPU
15, 16, 19 Slave CPU
17, 18 Motor drive unit 20 Piezo drive unit 21 Z-axis piezo element

Claims

A confocal scanner system including an excitation filter wheel and a light reception filter wheel in which a plurality of filters having a band for passing a desired wavelength are provided at regular angular intervals along a circumferential direction,
Each filter wheel has an acceleration time region in which the frequency of the driving pulse increases linearly from the starting frequency toward the operating frequency, a steady operating time region that is held in the operating frequency, and a linearly from the operating frequency toward the starting frequency. A confocal scanner system, which is intermittently rotated in conjunction with a stepping motor driven by a pulse signal having a trapezoidal driving pattern composed of three steps in a decreasing deceleration time region.

2. The confocal scanner system according to claim 1, wherein the stepping motor is driven by a multi-controller having a multi-CPU configuration including a master CPU and a plurality of slave CPUs.

The confocal scanner system according to claim 1, wherein the stepping motor is driven by a single microprocessor capable of multitask processing.

The confocal scanner system according to any one of claims 1 to 3, wherein the intermittent rotation driving of each filter wheel is completed within one frame period of the TV camera.

The confocal scanner system according to claim 1, wherein a Z-axis control system for 3D observation is provided.