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JP4962769B2 - 3D microscope system - Google Patents

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JP4962769B2
JP4962769B2 JP2006306082A JP2006306082A JP4962769B2 JP 4962769 B2 JP4962769 B2 JP 4962769B2 JP 2006306082 A JP2006306082 A JP 2006306082A JP 2006306082 A JP2006306082 A JP 2006306082A JP 4962769 B2 JP4962769 B2 JP 4962769B2
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image
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耕徳 横山
虹之 景
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Yokogawa Electric Corp
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Description

本発明は、正確な3次元画像を得ることのできる3次元顕微鏡システムに関し、特に周囲温度に対して安定な3次元顕微鏡システムに関する。   The present invention relates to a three-dimensional microscope system capable of obtaining an accurate three-dimensional image, and more particularly to a three-dimensional microscope system that is stable with respect to ambient temperature.

共焦点顕微鏡は、試料を薄切片にすることなくスライス画像が得られ、そのスライス画像から試料の正確な3次元立体像を構築できるので、生物やバイオテクノロジーなどの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察あるいは半導体市場におけるLSIの表面観察などに使用されている。   The confocal microscope can obtain a slice image without making a thin section of the sample, and can construct an accurate three-dimensional stereoscopic image of the sample from the slice image. Therefore, the physiological reaction of living cells in the fields of organisms and biotechnology It is used for observation, morphology observation, and LSI surface observation in the semiconductor market.

図5は従来の共焦点顕微鏡により3次元像撮影を行う場合の対物レンズ周辺の様子を示す説明図である。細胞などからなる観察試料(以下試料と呼ぶ)1は培養容器底板2上にある。レーザダイオード(図示せず)から出射された光3は光学系を経由し対物レンズ4を介して試料1に照射される。試料1で反射された光は対物レンズ4を介して顕微鏡(図示せず)に入射して、試料1の共焦点画像を得る。2A,2Bはそれぞれ培養容器底板2の表面及び裏面(底面)である。対物レンズ4をアクチュエータ5で駆動することにより、焦点位置は光軸方向に沿って移動する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state around the objective lens when a three-dimensional image is taken with a conventional confocal microscope. An observation sample (hereinafter referred to as a sample) 1 made of cells or the like is on a culture vessel bottom plate 2. The light 3 emitted from a laser diode (not shown) is irradiated onto the sample 1 via the objective lens 4 via the optical system. The light reflected by the sample 1 enters the microscope (not shown) through the objective lens 4 to obtain a confocal image of the sample 1. 2A and 2B are the front surface and the back surface (bottom surface) of the culture vessel bottom plate 2, respectively. By driving the objective lens 4 with the actuator 5, the focal position moves along the optical axis direction.

3次元画像撮影時には、培養容器の裏面2Bから対物レンズ4の焦点位置までの距離Zが図6のように時間に対して比例して変化するように、アクチュエータ5で駆動する。このとき、一定時間間隔で撮影を行うことによって、距離Zを一定間隔ずつずらした連続画像を取得することができる。 At the time of photographing a three-dimensional image, the actuator 5 is driven so that the distance Z from the back surface 2B of the culture vessel to the focal position of the objective lens 4 changes in proportion to time as shown in FIG. At this time, it is possible to acquire a continuous image in which the distance Z is shifted by a certain interval by photographing at a certain time interval.

上記のような3次元共焦点顕微鏡に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。   Prior art documents related to the above three-dimensional confocal microscope include the following.

特開2005−148454公報JP 2005-148454 A

しかしながら、顕微鏡には本質的に熱膨張、収縮が存在し、5℃程度の温度変化によって、10μm 近く、焦点、すなわち距離Zが、ずれてしまう。このような条件の下で、一定間隔で3次元画像を取得しようとすると、距離Zが図7のように変動するため、光軸方向に正確な3次元画像を撮影することができなくなるという問題がある。   However, the microscope inherently has thermal expansion and contraction, and a temperature change of about 5 ° C. causes the focal point, that is, the distance Z to be shifted by about 10 μm. Under these conditions, if a three-dimensional image is acquired at a fixed interval, the distance Z varies as shown in FIG. 7, so that an accurate three-dimensional image cannot be taken in the optical axis direction. There is.

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、連続した3次元画像を取得する際に、画像を取得する間隔のずれをなくし、光軸方向に正確な3次元画像を撮影することのできる3次元顕微鏡システムを提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve such a problem. When acquiring a continuous three-dimensional image, it is possible to eliminate a gap between image acquisition intervals and to capture an accurate three-dimensional image in the optical axis direction. An object of the present invention is to provide a three-dimensional microscope system that can be used.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
対物レンズの焦点位置をアクチュエータで光軸方向に移動し、波形発生器が発生する走査波形信号に基づいて前記アクチュエータを光軸方向に走査する3次元顕微鏡システムにおいて、
合焦動作の引込範囲内で前記対物レンズの合焦位置からの光軸方向のずれ量に比例する焦点誤差信号を出力する焦点誤差検出光学系と、
該焦点誤差検出光学系から出力される焦点誤差信号が前記走査波形信号に追従するように前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と
を備え、
前記合焦位置を、平常時の観測では前記制御手段の目標値信号を一定として、試料を収めた容器底の裏を基準としてそこから前記引込範囲内の任意の位置に制御し、3次元像取得時は前記制御手段の目標値信号を前記走査波形信号として、前記引込範囲内で走査ることを特徴とする。


In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In the three-dimensional microscope system in which the focal position of the objective lens is moved in the optical axis direction by the actuator, and the actuator is scanned in the optical axis direction based on the scanning waveform signal generated by the waveform generator,
A focus error detection optical system that outputs a focus error signal proportional to the amount of deviation in the optical axis direction from the in-focus position of the objective lens within a focusing operation pull-in range;
Control means for feedback- controlling the actuator so that a focus error signal output from the focus error detection optical system follows the scanning waveform signal;
Wherein the focus position, a constant target value signal of the control means in the observation at the time of normal controls therefrom relative to the back surface of the container bottom plate of matches and sample at an arbitrary position within the pull-in range, when 3-dimensional image acquired as the scanning waveform signal target value signal of the control means, characterized that you scanned within the pull-in range.


請求項2記載の発明は、
請求項1記載の3次元顕微鏡システムにおいて、
前記制御手段は、
前記焦点誤差検出光学系から入力する焦点誤差信号を目標値に保つ信号を出力する制御回路と、
該制御回路から出力される信号と前記波形発生器から出力される走査波形信号のいずれか一方を選択する切換手段と、
前記アクチュエータから出力される位置信号を保持するサンプルホールド回路と、
該サンプルホールド回路の出力信号と前記切換手段を介した前記走査波形信号とを加算した信号で前記アクチュエータを駆動する加算回路と
を備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 2
The three-dimensional microscope system according to claim 1,
The control means includes
A control circuit for outputting a signal for maintaining a focus error signal input from the focus error detection optical system at a target value;
Switching means for selecting one of a signal output from the control circuit and a scanning waveform signal output from the waveform generator;
A sample hold circuit for holding a position signal output from the actuator;
And an addition circuit for driving the actuator with a signal obtained by adding the output signal of the sample and hold circuit and the scanning waveform signal via the switching means.

請求項3記載の発明は、
請求項1又は請求項2記載の3次元顕微鏡システムにおいて、
試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記アクチュエータから出力される位置信号に基づいて前記スライス画像を合成して3次元画像を作成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とする。
The invention described in claim 3
The three-dimensional microscope system according to claim 1 or 2,
A confocal scanner that acquires a slice image of the sample as a confocal image;
And an image processing device that synthesizes the slice images based on a position signal output from the actuator to create a three-dimensional image.

請求項4記載の発明は、
請求項1乃至請求項3記載の3次元顕微鏡システムにおいて、
前記走査波形は三角波であることを特徴とする。
The invention according to claim 4
The three-dimensional microscope system according to any one of claims 1 to 3,
The scanning waveform is a triangular wave.

請求項5記載の発明は、
請求項1乃至請求項3記載の3次元顕微鏡システムにおいて、
前記走査波形は階段波であることを特徴とする。
The invention according to claim 5
The three-dimensional microscope system according to any one of claims 1 to 3,
The scanning waveform is a step wave.

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、焦点誤差信号が走査波形信号に追従するようにアクチュエータを制御することにより、対物レンズの焦点位置を合焦位置を基準とした正確な距離とすることができるので、光軸方向に正確な間隔で3次元画像を撮影することができる。   As is apparent from the above description, according to the present invention, the actuator is controlled so that the focus error signal follows the scanning waveform signal, so that the focus position of the objective lens can be accurately determined based on the focus position. Since the distance can be set, a three-dimensional image can be taken at an accurate interval in the optical axis direction.

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態に係る3次元顕微鏡システムの一実施例を示す構成ブロック図である。図5と同じ部分は同一の記号を付してある。   FIG. 1 is a configuration block diagram showing an example of a three-dimensional microscope system according to an embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 5 are given the same symbols.

3次元顕微鏡システムにおいて、レーザ光源21からのレーザ光は共焦点スキャナ22、蛍光顕微鏡10、焦点誤差検出光学系6及び対物レンズ4を介して試料1(図5参照)に照射され、反射光は対物レンズ4、焦点誤差検出光学系6及び蛍光顕微鏡10を介して共焦点スキャナ22に入射する。共焦点スキャナ22は、試料1の共焦点画像を得て、高速カメラ23に入射する。高速カメラ23は共焦点画像を画像信号に変換し、画像処理部26に入力する。共焦点スキャナ22は、多数のピンホールを持つニポウディスクと、それに対応するマイクロレンズアレイを有するもので、シンプルな光学系からなるニポウディスク方式を採用したコンパクトなアドオンタイプである。 In the three-dimensional microscope system, the laser light from the laser light source 21 is irradiated to the sample 1 (see FIG. 5) via the confocal scanner 22, the fluorescence microscope 10, the focus error detection optical system 6, and the objective lens 4, and the reflected light is The light enters the confocal scanner 22 through the objective lens 4, the focus error detection optical system 6, and the fluorescence microscope 10. The confocal scanner 22 obtains a confocal image of the sample 1 and enters the high-speed camera 23. The high speed camera 23 converts the confocal image into an image signal and inputs the image signal to the image processing unit 26. The confocal scanner 22 has a nipou disk having a large number of pinholes and a microlens array corresponding to the nipou disk, and is a compact add-on type employing a nipou disk system composed of a simple optical system.

アクチュエータ5は蛍光顕微鏡10のミラーユニット(図示せず)と対物レンズ4との間に取り付けられ、ピエゾ駆動により駆動信号入力のレベルに比例して画像の焦点方向(光軸方向)の長さが変化し、対物レンズ4の焦点位置を制御する。また、アクチュエータ5は自身の位置を検出する位置センサ(変位センサともいう)備えている。 The actuator 5 is attached between a mirror unit (not shown) of the fluorescence microscope 10 and the objective lens 4, and the length of the focal direction (optical axis direction) of the image is proportional to the drive signal input level by piezo driving. The focus position of the objective lens 4 is controlled. The actuator 5 includes a position sensor (also referred to as a displacement sensor) that detects its own position.

アクチュエータドライバ9は、アクチュエータ5からフィードバックされる位置信号が制御回路8から入力する位置設定信号と等しくなるような駆動信号をアクチュエータ5に印加することにより、アクチュエータ5の位置制御を行う。 The actuator driver 9 controls the position of the actuator 5 by applying a drive signal to the actuator 5 such that the position signal fed back from the actuator 5 is equal to the position setting signal input from the control circuit 8.

焦点誤差検出光学系6は、対物レンズ4の焦点の合焦位置(培養容器底板2の裏面などの、対物レンズ4の焦点を合せることのできる位置)からのずれ量に比例する焦点誤差信号を出力する。焦点誤差検出光学系6として、例えば特願2006−098091、図1の20に示された焦点誤差検出光学系を用いることができる。 The focus error detection optical system 6 outputs a focus error signal proportional to the amount of deviation from the focus position of the objective lens 4 (the position where the objective lens 4 can be focused, such as the back surface of the culture vessel bottom plate 2). Output. As the focus error detection optical system 6, for example, the focus error detection optical system shown in Japanese Patent Application No. 2006-098091 and 20 in FIG. 1 can be used.

波形発生器7は、同期信号制御器24から走査波形発生トリガ信号を受信すると、あらかじめ波形計算部25から送られて記憶した走査波形を発生し、3次元像取得のための目標値走査信号として制御回路8に送る。ただし、平常時は一定の目標値信号を制御回路8に出力する。 When the waveform generator 7 receives the scanning waveform generation trigger signal from the synchronization signal controller 24, the waveform generator 7 generates a scanning waveform previously sent from the waveform calculator 25 and stored as a target value scanning signal for acquiring a three-dimensional image. Send to control circuit 8. However, a constant target value signal is output to the control circuit 8 during normal times.

制御回路8は焦点誤差信号をサーボ目標値(以下目標値と呼ぶ)に追従させるための信号を発生する制御手段を構成する。波形発生器7より入力するサーボ目標値(以下目標値と呼ぶ)信号から焦点誤差検出光学系6より入力する焦点誤差信号を減算する減算手段81と、減算手段81の出力を増幅する増幅手段82とからなり、増幅手段82の出力が位置設定信号としてアクチュエータドライバ9に送られる。 The control circuit 8 constitutes control means for generating a signal for causing the focus error signal to follow a servo target value (hereinafter referred to as a target value). A subtracting means 81 for subtracting a focus error signal input from the focus error detecting optical system 6 from a servo target value (hereinafter referred to as a target value) signal input from the waveform generator 7, and an amplifying means 82 for amplifying the output of the subtracting means 81. The output of the amplification means 82 is sent to the actuator driver 9 as a position setting signal.

同期信号制御器24は、画像処理部26から送られる画像取込開始信号により走査波形発生トリガ信号を波形発生器7に送ると共に同期信号を共焦点スキャナ22に送り、波形発生器7から送られる垂直同期信号を受信して、画像取込トリガ信号を高速カメラ23に送ることにより、画像処理部26による画像信号取得のタイミングと対物レンズ4の焦点位置の走査開始タイミング及び共焦点スキャナ22によるニポウディスク(図示せず)の回転同期制御を全て同期させる。 The synchronization signal controller 24 sends a scanning waveform generation trigger signal to the waveform generator 7 and sends a synchronization signal to the confocal scanner 22 by the image capture start signal sent from the image processing unit 26, and is sent from the waveform generator 7. By receiving the vertical synchronization signal and sending the image capture trigger signal to the high-speed camera 23, the timing of acquiring the image signal by the image processing unit 26, the scanning start timing of the focal position of the objective lens 4, and the Nipou disc by the confocal scanner 22 All rotation synchronization controls (not shown) are synchronized.

画像処理部26はアクチュエータドライバ9から送られる対物レンズ4の光軸方向の位置信号に基づいて、正確なスライス像の光軸方向の位置を求め、スライス画像を合成して高精度な3次元画像を生成する。 Based on the position signal in the optical axis direction of the objective lens 4 sent from the actuator driver 9, the image processing unit 26 obtains an accurate position of the slice image in the optical axis direction and combines the slice images to obtain a highly accurate three-dimensional image. Is generated.

また、高速カメラ23は、コンピュータ27からの制御信号で動作制御される。 The high-speed camera 23 is controlled in operation by a control signal from the computer 27.

なお、ここでは、レーザ光源21、共焦点スキャナ22、高速カメラ23、同期信号制御器24、波形計算部25及び画像処理部26から構成される部分を共焦点像取得部20と呼ぶ。また、波形計算部25及び画像処理部26はコンピュータ27内で構成される。 Here, a part constituted by the laser light source 21, the confocal scanner 22, the high-speed camera 23, the synchronization signal controller 24, the waveform calculation unit 25, and the image processing unit 26 is referred to as a confocal image acquisition unit 20. The waveform calculation unit 25 and the image processing unit 26 are configured in the computer 27.

このような構成の3次元顕微鏡システムの動作を以下に説明する。
平常時には、焦点誤差検出光学系6から出力される焦点誤差信号に基づく制御回路8のアナログフィードバック制御により定位置への自動合焦が行われ、観察試料を定位置で連続的に観測する。3次元像取得時には、アナログフィードバック制御により目標値走査波形に追従して時間変化する位置への自動合焦が行われ、それぞれの位置で観察試料のスライス画像を取得する。
The operation of the three-dimensional microscope system having such a configuration will be described below.
In normal times, automatic focusing to a fixed position is performed by analog feedback control of the control circuit 8 based on the focus error signal output from the focus error detection optical system 6, and the observation sample is continuously observed at the fixed position. At the time of acquiring a three-dimensional image, automatic focusing is performed at time-varying positions following the target value scanning waveform by analog feedback control, and a slice image of the observation sample is acquired at each position.

図2は自動合焦の動作を説明するための動作説明図である。縦軸は焦点誤差信号の信号強度Eを、横軸は焦点位置Zをそれぞれ示している。矢印P及び矢印Qは、培養容器底板2(図5)の表面2A及び裏面2Bにそれぞれ対応し、矢印Pと矢印Qの間隔(P−Q)が培養容器底板2の厚みに相当する。a,bは、それぞれ表面2A及び裏面2Bにおける焦点引込幅(合焦動作の引込範囲:焦点を合わせることができる線形部の範囲)である。 FIG. 2 is an operation explanatory diagram for explaining the operation of automatic focusing. The vertical axis represents the signal intensity E of the focus error signal, and the horizontal axis represents the focus position Z. The arrows P and Q correspond to the front surface 2A and the back surface 2B of the culture vessel bottom plate 2 (FIG. 5), respectively, and the interval (PQ) between the arrows P and Q corresponds to the thickness of the culture vessel bottom plate 2. a and b are the focus pull-in widths on the front surface 2A and the back surface 2B, respectively (the pull-in range of the focusing operation: the range of the linear part that can be focused).

平常時における動作を以下に説明する。
最初に、波形発生器7から出力される目標値信号を0として制御回路8によりフィードバック制御を行い、図2の矢印Qの位置で焦点誤差信号が0となるように、アクチュエータドライバ9を介してアクチュエータ5が駆動される。その結果、対物レンズ4の焦点位置は培養容器底板2(図5)の裏面2Bと一致する。この場合、例えば、対物レンズ4を培養容器底板2に近づけてゆき、培養容器底板2の表面2Aへの合焦の後、裏面2Bに合焦させるようにしてもよい。この方法によれば、図2の矢印Pの位置に制御された後、2度目の合焦で矢印Qの位置に制御されることになる。
The operation in normal times will be described below.
First, the target value signal output from the waveform generator 7 is set to 0, and feedback control is performed by the control circuit 8 so that the focus error signal becomes 0 at the position of the arrow Q in FIG. The actuator 5 is driven. As a result, the focal position of the objective lens 4 coincides with the back surface 2B of the culture vessel bottom plate 2 (FIG. 5). In this case, for example, the objective lens 4 may be moved closer to the culture vessel bottom plate 2 and focused on the back surface 2B after focusing on the front surface 2A of the culture vessel bottom plate 2. According to this method, after being controlled to the position of the arrow P in FIG. 2, it is controlled to the position of the arrow Q by the second focusing.

次に、波形発生器7により制御回路8の目標値信号の値を図5の距離Zに対応する焦点誤差信号値Vと等しくとれば(図2参照)、前述した制御回路8のフィードバック制御により、対物レンズ4の焦点位置は培養容器底板2の裏面2Bから距離Zだけ容器内部に入った位置に移動し、試料2の観察が可能となる。 Next, when the waveform generator 7 makes the value of the target value signal of the control circuit 8 equal to the focus error signal value V corresponding to the distance Z in FIG. 5 (see FIG. 2), the feedback control of the control circuit 8 described above causes The focal position of the objective lens 4 moves from the back surface 2B of the culture vessel bottom plate 2 to a position inside the vessel by a distance Z, so that the sample 2 can be observed.

3次元像取得時の動作を、図3に示す各信号のタイムチャートを参照して以下に説明する。 The operation at the time of acquiring a three-dimensional image will be described below with reference to the time chart of each signal shown in FIG.

波形発生器7は、同期信号制御器24から走査波形発生トリガ信号を受信すると(図3(3))、あらかじめ波形計算部25から送られて記憶しておいた走査波形を発生し、走査された目標値信号すなわち目標値走査信号(図3(4))として制御回路8に送る。この目標値走査信号は、図6の従来技術におけるアクチュエータ5の駆動波形(階段波の場合)を、対応する焦点誤差信号のスケールに変換したものである。図3(4)では、時間の経過にしたがって段階的に電圧が増加してゆき、所定の電圧値で基点の電圧に戻る階段波形を目標値走査信号としているが、この走査波形は三角波であってもよい。制御回路8は焦点誤差検出光学系6から受信する焦点誤差信号がこの目標値走査信号に追従するようにフィードバック制御し、アクチュエータドライバ9を介してアクチュエータ5を図3(5)のように駆動することにより、対物レンズ4を光軸方向に走査する。高速カメラ23は同期信号制御器24から送られる画像取込トリガ信号(図3(2))により、上記の走査波形と同期したタイミングで、試料1の画像を画像処理部26に送る。画像処理部26は、アクチュエータ5の位置センサから出力されアクチュエータ9を介して送られる、階段波の各段の位置信号に基づき、観測試料1のスライス画像について実際の位置を求め、3次元画像を合成する。例えば、目標値信号の値Vを、観測試料である細胞核の中心に対応させ、その上下に走査すれば、細胞内部全体の3次元画像を得ることができる。 When the waveform generator 7 receives the scanning waveform generation trigger signal from the synchronization signal controller 24 (FIG. 3 (3)), the waveform generator 7 generates a scanning waveform previously sent from the waveform calculator 25 and stored therein, and is scanned. The target value signal, that is, the target value scanning signal (FIG. 3 (4)) is sent to the control circuit 8. This target value scanning signal is obtained by converting the driving waveform (in the case of a staircase wave) of the actuator 5 in the prior art of FIG. 6 into a corresponding focus error signal scale. In FIG. 3 (4), the stepped waveform that gradually increases with time and returns to the base voltage at a predetermined voltage value is used as the target value scanning signal. This scanning waveform is a triangular wave. May be. The control circuit 8 performs feedback control so that the focus error signal received from the focus error detection optical system 6 follows this target value scanning signal, and drives the actuator 5 via the actuator driver 9 as shown in FIG. Thus, the objective lens 4 is scanned in the optical axis direction. The high-speed camera 23 sends the image of the sample 1 to the image processing unit 26 at the timing synchronized with the above scanning waveform by the image capture trigger signal (FIG. 3 (2)) sent from the synchronization signal controller 24. The image processing unit 26 obtains the actual position of the slice image of the observation sample 1 based on the position signal of each step of the staircase wave output from the position sensor of the actuator 5 and sent via the actuator 9, and obtains the three-dimensional image. Synthesize. For example, if the value V of the target value signal is made to correspond to the center of the cell nucleus that is the observation sample and scanned up and down, a three-dimensional image of the entire inside of the cell can be obtained.

なお、同期信号制御器24から出力される上記の各種信号は、波形発生器7から送られる垂直同期信号(図3(1))と同期している。 The various signals output from the synchronization signal controller 24 are synchronized with the vertical synchronization signal (FIG. 3 (1)) sent from the waveform generator 7.

上記のような構成の3次元顕微鏡システムによれば、対物レンズ4の焦点位置は、合焦位置である培養容器底板2の裏面2Bを基準として、そこから焦点引込幅の範囲内で任意の位置に正確に制御することができるので、顕微鏡に熱膨張や収縮が生じても、画像を取得する間隔が光軸方向にずれることはない。したがって、光軸方向に正確な間隔で観察試料の3次元画像を撮影することができる。これは細胞のイメージングにおいて、細胞内タンパク質の正確な位置の特定や、細胞の形状の変化を観察する上で、非常に有用な機能である。 According to the three-dimensional microscope system configured as described above, the focal position of the objective lens 4 is set at an arbitrary position within the range of the focus pull-in width from the back surface 2B of the culture vessel bottom plate 2 that is the in-focus position. Therefore, even when thermal expansion or contraction occurs in the microscope, the image acquisition interval does not shift in the optical axis direction. Therefore, a three-dimensional image of the observation sample can be taken at an accurate interval in the optical axis direction. This is a very useful function in cell imaging in order to specify the exact location of intracellular proteins and to observe changes in cell shape.

なお、上記の実施例では、アクチュエータの位置をカスケード制御しているが、アクチュエータの位置と駆動信号の関係が正確に把握できる場合は、アクチュエータドライバ9におけるフィードバックループを省略して開ループとし、構成を単純化することができる。
また、高速カメラ23として、例えばビデオレートカメラを用いてもよい。
In the above embodiment, the position of the actuator is cascade-controlled. However, if the relationship between the position of the actuator and the drive signal can be accurately grasped, the feedback loop in the actuator driver 9 is omitted and the loop is configured. Can be simplified.
As the high-speed camera 23, for example, a video rate camera may be used.

図4は上記の3次元顕微鏡システムの一部を変更した一変形例で、観測試料に対し長時間自動合焦を行いながら、任意の時点で3次元像を取得する手段を示す部分構成ブロック図である。図1と同じ部分は同一の記号を付して、重複する説明は省略する。 FIG. 4 is a modification of a part of the above three-dimensional microscope system, and is a partial configuration block diagram showing a means for acquiring a three-dimensional image at an arbitrary time point while performing automatic focusing on an observation sample for a long time. It is. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same symbols, and redundant description is omitted.

コントローラ80において、制御回路83は、焦点誤差検出光学系6から入力する焦点誤差信号を目標値Vに一定に保つための信号を出力する。切換スイッチ83は波形発生器7から与えられる目標値走査信号と制御回路83の出力信号のいずれかを選択する切換手段を構成する。サンプルホールド回路85はアクチュエータ5から送られる位置信号をサンプリングして保持する。加算回路86は切換スイッチ84で選択された信号とサンプルホールド回路85の出力信号とを加算した信号をアクチュエータ5の駆動信号として出力する。ここで、アクチュエータ5は、駆動波形入力端子を介して電圧制御ができ、モニター出力端子から出力される位置信号により、その伸縮を電圧信号としてモニターすることができるものとする。 In the controller 80, the control circuit 83 outputs a signal for keeping the focus error signal input from the focus error detection optical system 6 at the target value V constant. The changeover switch 83 constitutes a changeover means for selecting either the target value scanning signal given from the waveform generator 7 or the output signal of the control circuit 83. The sample hold circuit 85 samples and holds the position signal sent from the actuator 5. The adder circuit 86 outputs a signal obtained by adding the signal selected by the changeover switch 84 and the output signal of the sample hold circuit 85 as a drive signal for the actuator 5. Here, it is assumed that the actuator 5 can perform voltage control via the drive waveform input terminal and can monitor the expansion and contraction as a voltage signal by the position signal output from the monitor output terminal.

図4の構成の3次元顕微鏡システムの動作を以下に説明する。 The operation of the three-dimensional microscope system configured as shown in FIG. 4 will be described below.

まず、自動合焦を行っている状態から、3次元画像取得に切り換えるときの動作を以下に示す。自動合焦の状態では切換スイッチ84の接点は2の位置にあり、制御回路83の出力が加算回路86を介してアクチュエータ5に加わり、制御回路83によるアナログフィードバック制御が行われる。その結果、焦点誤差検出光学系6から出力される出力焦点誤差信号は目標値Vと等しくなり、制御回路の出力は0となる。 First, the operation when switching from the state of automatic focusing to acquisition of a three-dimensional image is shown below. In the automatic focusing state, the contact of the changeover switch 84 is at the position 2, and the output of the control circuit 83 is applied to the actuator 5 via the addition circuit 86, and analog feedback control by the control circuit 83 is performed. As a result, the output focus error signal output from the focus error detection optical system 6 becomes equal to the target value V, and the output of the control circuit becomes zero.

3次元画像取得に切り換えるときは、上記の状態で、アクチュエータ5から出力される位置信号が、サンプリングパルスSによりサンプルホールド回路85にサンプルホールドされる。次に切換スイッチ83の接点が1に切り換えられた後、サンプルホールド回路85からサンプルホールド値が出力され、目標値Vに対応した位置信号がアクチュエータ5の駆動入力となる。この状態で、波形発生器7から3次元画像取得用の走査波形が出力されると、開ループ制御により、対物レンズ4の焦点位置は、目標値Vに対応する初期位置Zを基準として走査波形に追従した走査を行う。図1の実施例と同様にして画像撮影が行われることにより、合焦位置(Z=0)を基準とした3次元画像の撮影が可能となる。 When switching to 3D image acquisition, the position signal output from the actuator 5 is sampled and held in the sample hold circuit 85 by the sampling pulse S in the above state. Next, after the contact of the changeover switch 83 is switched to 1, a sample hold value is output from the sample hold circuit 85, and a position signal corresponding to the target value V becomes a drive input of the actuator 5. In this state, when a scanning waveform for obtaining a three-dimensional image is output from the waveform generator 7, the focal position of the objective lens 4 is scanned based on the initial position Z corresponding to the target value V by open loop control. Scan following the above. By capturing an image in the same manner as in the embodiment of FIG. 1, it is possible to capture a three-dimensional image based on the in-focus position (Z = 0).

3次元画像取得を行っている状態から自動合焦への切り換えは、上記走査を行った後、初期位置に戻った状態で、切換スイッチ84の接点位置を2に切り換えることによって行われる。ここで、自動合焦を行う場合、フィードバック制御開始直前の対物レンズの初期位置が図2に示すZ−Eグラフの線形部に入っていないと、制御がかからない。しかしながら、上記の3次元画像取得時間は、周囲温度の変化により顕微鏡が熱膨張を起こす時間に対して十分に短いので、切換時のサンプルホールド回路85の出力値は、3次元画像取得前の自動合焦時とほぼ同等となる。 Switching from the state in which the three-dimensional image is being acquired to automatic focusing is performed by switching the contact position of the changeover switch 84 to 2 after returning to the initial position after performing the scanning. Here, when performing automatic focusing, control is not performed unless the initial position of the objective lens immediately before the start of feedback control is within the linear portion of the ZE graph shown in FIG. However, since the above three-dimensional image acquisition time is sufficiently short with respect to the time when the microscope undergoes thermal expansion due to a change in ambient temperature, the output value of the sample hold circuit 85 at the time of switching is an automatic value before the three-dimensional image acquisition. It is almost the same as when focusing.

上記のような構成の3次元顕微鏡システムによれば、図1の場合と同様、3次元画像取得時の走査の基準点を保持しながら、正確なZ軸情報を持った3次元画像を取得することができる。 According to the three-dimensional microscope system configured as described above, as in the case of FIG. 1, a three-dimensional image having accurate Z-axis information is acquired while maintaining a reference point for scanning when acquiring a three-dimensional image. be able to.

また、自動合焦と3次元画像取得の切換をハードウェアで実現することにより、波形発生器7のソフトウェアを単純化することができる。 Moreover, the software of the waveform generator 7 can be simplified by realizing switching between automatic focusing and three-dimensional image acquisition by hardware.

なお、上記の各実施例では自動合焦はアナログフィードバック制御にて行っているが、コンピュータのソフトウェアで実施してもよい。 In each of the above embodiments, automatic focusing is performed by analog feedback control, but may be performed by computer software.

また、共焦点顕微鏡以外の3次元顕微鏡システムにも適用することができる。 Further, it can be applied to a three-dimensional microscope system other than the confocal microscope.

本発明に係る3次元顕微鏡システムの一実施例を示す構成ブロック図である。1 is a configuration block diagram showing an embodiment of a three-dimensional microscope system according to the present invention. 図1の装置の自動合焦の動作を説明するための動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing for demonstrating the operation | movement of the automatic focusing of the apparatus of FIG. 図1の装置の3次元像取得時の動作を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the operation | movement at the time of the three-dimensional image acquisition of the apparatus of FIG. 図1の実施例に係る3次元顕微鏡システムの一変形例を示す構成ブロック図である。It is a block diagram which shows the modification of the three-dimensional microscope system which concerns on the Example of FIG. 従来の共焦点顕微鏡により3次元像撮影を行う場合の対物レンズ周辺の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the objective lens periphery in the case of taking a three-dimensional image with the conventional confocal microscope. 図5の装置の3次元像撮影時の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the operation | movement at the time of the three-dimensional image photography of the apparatus of FIG. 従来の共焦点顕微鏡により3次元像撮影を行う場合の焦点位置を示すためのタイムチャートである。It is a time chart for showing a focal position in the case of taking a three-dimensional image with a conventional confocal microscope.

符号の説明Explanation of symbols

4 対物レンズ
5 アクチュエータ
6 焦点誤差検出光学系
7 波形発生器
8 制御手段
22 共焦点スキャナ
83 制御回路
84 切換手段
85 サンプルホールド回路
86 加算回路
4 Objective lens 5 Actuator 6 Focus error detection optical system 7 Waveform generator 8 Control means 22 Confocal scanner 83 Control circuit 84 Switching means 85 Sample hold circuit 86 Addition circuit

Claims (5)

対物レンズの焦点位置をアクチュエータで光軸方向に移動し、波形発生器が発生する走査波形信号に基づいて前記アクチュエータを光軸方向に走査する3次元顕微鏡システムにおいて、
合焦動作の引込範囲内で前記対物レンズの合焦位置からの光軸方向のずれ量に比例する焦点誤差信号を出力する焦点誤差検出光学系と、
該焦点誤差検出光学系から出力される焦点誤差信号が前記走査波形信号に追従するように前記アクチュエータをフィードバック制御する制御手段と
を備え、
前記合焦位置を、平常時の観測では前記制御手段の目標値信号を一定として、試料を収めた容器底の裏を基準としてそこから前記引込範囲内の任意の位置に制御し、3次元像取得時は前記制御手段の目標値信号を前記走査波形信号として、前記引込範囲内で走査ることを特徴とする3次元顕微鏡システム。
In the three-dimensional microscope system in which the focal position of the objective lens is moved in the optical axis direction by the actuator, and the actuator is scanned in the optical axis direction based on the scanning waveform signal generated by the waveform generator,
A focus error detection optical system that outputs a focus error signal proportional to the amount of deviation in the optical axis direction from the in-focus position of the objective lens within a focusing operation pull-in range;
Control means for feedback- controlling the actuator so that a focus error signal output from the focus error detection optical system follows the scanning waveform signal;
Wherein the focus position, a constant target value signal of the control means in the observation at the time of normal controls therefrom relative to the back surface of the container bottom plate of matches and sample at an arbitrary position within the pull-in range, as time three-dimensional image acquisition the scanning waveform signal target value signal of the control means, 3D microscope system characterized that you scanned within the pull-in range.
前記制御手段は、
前記焦点誤差検出光学系から入力する焦点誤差信号を目標値に保つ信号を出力する制御回路と、
該制御回路から出力される信号と前記波形発生器から出力される走査波形信号のいずれか一方を選択する切換手段と、
前記アクチュエータから出力される位置信号を保持するサンプルホールド回路と、
該サンプルホールド回路の出力信号と前記切換手段を介した前記走査波形信号とを加算した信号で前記アクチュエータを駆動する加算回路と
を備えたことを特徴とする請求項1記載の3次元顕微鏡システム。
The control means includes
A control circuit for outputting a signal for maintaining a focus error signal input from the focus error detection optical system at a target value;
Switching means for selecting one of a signal output from the control circuit and a scanning waveform signal output from the waveform generator;
A sample hold circuit for holding a position signal output from the actuator;
2. The three-dimensional microscope system according to claim 1, further comprising an adding circuit that drives the actuator with a signal obtained by adding the output signal of the sample hold circuit and the scanning waveform signal via the switching means.
試料のスライス像を共焦点画像として取得する共焦点スキャナと、
前記アクチュエータから出力される位置信号に基づいて前記スライス画像を合成して3次元画像を作成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の3次元顕微鏡システム。
A confocal scanner that acquires a slice image of the sample as a confocal image;
The three-dimensional microscope system according to claim 1, further comprising: an image processing device that synthesizes the slice images based on a position signal output from the actuator to create a three-dimensional image.
前記走査波形は三角波であることを特徴とする請求項1乃至請求項3記載の3次元顕微鏡システム。   4. The three-dimensional microscope system according to claim 1, wherein the scanning waveform is a triangular wave. 前記走査波形は階段波であることを特徴とする請求項1乃至請求項3記載の3次元顕微鏡システム。   4. The three-dimensional microscope system according to claim 1, wherein the scanning waveform is a staircase wave.
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