JP4694137B2 - 走査型レーザ顕微鏡、該制御方法、及び該制御プログラム - Google Patents
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Description
このレーザ走査型顕微鏡のうち共焦点走査型レーザ顕微鏡は、検出光学系の標本と共役な位置に、被測定光の回折限界程度の径を有した絞りを設けることにより、焦点が合っている面の情報のみを検出するものである。
この測定では、カルシウムイオンなどのイオン濃度に感受性を有する蛍光指示薬を導入した標本を、その蛍光指示薬を励起する波長のレーザ光で照射することにより、その指示薬特有の波長の蛍光が発せられる。
さらに、最近では、標本内の特定部位にイオン物質を出現させることができるケージド試薬が考案されている。このケージド試薬は、殻となるケージド基の中に、カルシウムイオンなどのイオン物質を包含させたものである。ケージド試薬を標本内に抽入したのち、紫外線を照射することによってケージド基が開裂するため、所望の特定部位にイオン物質を出現させることができる。
上記のように、標本内の特定のイオン濃度分布およびその経時変化の測定やFRAPの実験では、第1の走査光学系の走査領域と第2の走査光学系の走査領域を異なるサイズにし、2つの領域が重なり合うようにして、非同期に走査することが可能である。
また、本発明の請求項5〜9によれば、ハードウェアは従来のものを変更せずに、第2の走査光学系の帰線区間で2つの走査光学系の走査を交差するように制御を変更するだけで、容易に本発明を導入することができる。
本実施形態では、走査型レーザ顕微鏡を用いて、標本内の特定のイオン濃度分布およびその経時変化を測定する例を説明する。
図1は、本実施形態における走査型レーザ顕微鏡のブロック図である。
第1の光学走査ユニット3は、第1の走査波形発生回路20に接続されている。第2の光学走査ユニット11は、第2の走査波形発生回路21に接続されている。光電変換素子9は、A/D変換器19に接続されている。そして、第1の走査波形発生回路20、第2の走査波形発生回路21、及びA/D変換器19は、CPU(中央処理装置)22と接続している。さらに、CPU22はメモリ23に接続され、フレームメモリ25を介してディスプレイ26とも接続されている。
ここで、CPU22、メモリ23、フレームメモリ25等は一般的なパーソナルコンピュータ等を利用してもよい。また、後述する制御方法はコンピュータプログラムにより処理可能で、その処理プログラムはCD−ROM等の記録媒体やハードディスク等の記憶装置24に記録されている。また、通信ネットワーク経由で処理プログラムを読み出すようにしてもよい。
次に、このように構成した走査型レーザ顕微鏡の作用を説明する。第1のレーザ光源1からのレーザ光は、第1の走査波形発生回路20により走査制御される第1の走査光学ユニット3へ導かれ、任意の方向に偏向走査される。このレーザ光はさらに、リレーレンズ4、ミラー5、ダイクロイックミラー13、結像レンズ14、対物レンズ15を介して、標本17の断面16上に集光され、断面16内を2次元走査する。
検出光学系Cにおいて、蛍光は測光フィルタ6により特定の波長の光が選択透過され、さらにレンズ7、共焦点ピンホール8により断面16からの光のみが選択されて、光電変換素子9へ入射する。
光電変換素子9からの出力信号は、A/D変換器19へ導かれ、走査制御に同期してデジタル信号に変換され、CPU22により、フレームメモリ25を介して、走査位置に対応してディスプレイ26上に表示される。表示された画像は、断面16での蛍光画像(蛍光輝度の2次元分布)、すなわち所望のイオン濃度の断面16内での分布を示している。
CPU22は蛍光画像を得るため、第1の走査波形発生回路20に対して目的とする断面16内の目的とする範囲を第1のレーザ光源1からのレーザ光が走査するような走査波形を指示して走査制御を開始する。また、これと共に、ケージド試薬を開裂させる所望の領域を第2のレーザ光源10からのレーザ光が走査するように第2の走査波形発生回路21に対して走査波形を指示する。
さて、CPU22により走査開始が指示された第1の走査波形発生回路20は、第1の走査光学ユニット3内の2つの光学スキャナ3a、3bに対し、CPU22により指示された走査波形30,31をそれぞれ出力する。なお、ここでは光学スキャナ3aが水平方向の主走査を、光学スキャナ3bが垂直方向の副走査を行うものである。
このとき、第1の走査光学系Aの走査と第2の走査光学系Bの走査が重なる領域では、レーザ制御素子27によりレーザ強度等を調整して、レーザ光を同じ領域に同時に照射しないようにする。通常、第1の走査光学系の走査と第2の走査光学系の走査を非同期で開始すると、走査領域内のある領域でレーザ光が同時に照射される可能性がある。本発明では、各走査光学系の走査が重なる領域を、第1の走査光学系が走査している間、第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止するようにする。
第1の走査光学系の垂直方向の走査位置がyo2に到達したら(S33)、第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する(S37)。次に第1の走査光学系の垂直方向の走査位置がyo2+Y2+1に到達したら(S34)、第2の走査光学系のレーザ光の照射を再開する(S38)。これらにより、第1の走査光学系の垂直方向の走査位置がyo2からyo2+Y2の間は第2の走査光学系のレーザ光の照射が停止されるので、同時に同じ領域にレーザ光が照射されることはない。
上記により、複数の走査光学系を用いて、所望の領域で特異現象を発現させる時のイオン濃度分布の経時変化の測定やFRAPの実験などにおいて、各走査光学系の間のレーザ光の影響を排除することが可能となる。
上記第1の実施形態では、レーザ制御素子を利用しているが、光源が固体レーザの場合は、レーザ光の射出を制御してもよい。
本実施形態では、第2の走査光学系の走査の帰線区間で第1の走査光学系を走査させることにより、各走査光学系の走査領域が重なり合うような場合でも、第1の走査光学系からのレーザ光と第2の走査光学系からのレーザ光が走査領域内のある1点で重なることを防止する。本実施形態では、走査型レーザ顕微鏡を用いて、標本内の特定のイオン濃度分布およびその経時変化を測定する例を説明する。
この検出光学系Cは、測光フィルタ6、レンズ7、共焦点ピンホール8、及び光電変換素子9により構成される。第2の走査光学系Bは、第2のレーザ光源10、第2の走査光学ユニット11、リレーレンズ12及びダイクロイックミラー13から構成される。
第1の光学走査ユニット3は、第1の走査波形発生回路20に接続されている。第2の光学走査ユニット11は、第2の走査波形発生回路21に接続されている。光電変換素子9は、A/D変換器19に接続されている。そして、第1の走査波形発生回路20、第2の走査波形発生回路21、及びA/D変換器19は、CPU(中央処理装置)22と接続している。さらに、CPU22はメモリ23に接続され、またフレームメモリ25を介してディスプレイ26とも接続されている。
ここで、CPU22、メモリ23、フレームメモリ25等は一般的なパーソナルコンピュータ等を利用してもよい。また、後述する制御方法はコンピュータプログラムにより処理可能で、その処理プログラムはCD−ROM等の記録媒体やハードディスク等の記憶装置24に記録されている。また、通信ネットワーク経由で処理プログラムを読み出すようにしてもよい。
次に、このように構成した走査型レーザ顕微鏡の作用を説明する。第1のレーザ光源1からのレーザ光は、第1の走査波形発生回路20により走査制御される第1の走査光学ユニット3へ導かれ、任意の方向に偏向走査される。このレーザ光はさらに、リレーレンズ4、ミラー5、ダイクロイックミラー13、結像レンズ14、対物レンズ15を介して、標本17の断面16上に集光され、断面16内を2次元走査する。
検出光学系Cにおいて、蛍光は測光フィルタ6により特定の波長の光が選択透過され、さらにレンズ7、共焦点ピンホール8により断面16からの光のみが選択されて、光電変換素子9へ入射する。
CPU22は、蛍光画像を得るために、目的とする断面16内の目的とする範囲を第1のレーザ光源1からのレーザ光が走査するような走査波形を、第1の走査波形発生回路20に対して指示して走査制御を開始する。また、CPU22は、ケージド試薬を開裂させる所望の領域を第2のレーザ光源10からのレーザ光が走査するように第2の走査波形発生回路21に対して走査波形を指示する。
さて、CPU22により走査開始が指示された第1の走査波形発生回路20は、第1の走査光学ユニット3内の2つの光学スキャナ3a,3bに対し、CPU22により指示された走査波形30,31をそれぞれ出力する。なお、ここでは光学スキャナ3aが水平方向の主走査を、光学スキャナ3bが垂直方向の副走査を行うものである。
ここで、図2のような走査波形を用いて走査をする場合を例にして、第1の走査光学系の走査開始時間に対する第2の走査光学系の走査開始時間の遅延時間について説明する。通常、第1の走査光学系の走査と第2の走査光学系の走査を非同期で開始すると、走査領域内のある1点でレーザ光が重なる可能性がある。本実施形態では、その1点が第2の走査光学系の走査の水平または垂直の帰線区間になるように、第1の走査光学系の走査開始時間または第2の走査光学系の走査開始時間を遅延させる。
このとき、例えば、第2の走査光学系のレーザ光の照射が行われていない時、すなわち、第2の走査光学系の水平走査の帰線区間の時に、第1の走査光学系の走査を行うようにすれば、第1の走査光学系からのレーザ光と第2の走査光学系からのレーザ光が走査領域内のある1点で重なることはない。
まず、第2の走査光学系の走査の先頭位置(垂直位置がyo2)の走査線の先頭に、第1の走査光学系の走査が到達するまでの時間T1を次式(1)で計算する。
続いて、第2の走査光学系の走査の垂直位置Ys2に第2の走査光学系の走査が到達するまでの時間Taを次式(5)で計算する。
<第3の実施形態>
第2の実施形態では、水平走査を走査画像の左から右への一方向で走査しているが、走査画像の左から右と右から左の二方向すなわち往復で走査する場合もある。これは走査波形と走査の関係が図6のようになる場合である。この場合は、第2の走査光学系の垂直走査の帰線区間で、第1の走査光学系の走査と第2の走査光学系の走査を交差すればよい。
走査波形40について見てみる。まず左から右への走査時には走査波形40は緩やかな曲線を描いて飽和に達し、折り返し後(右から左への走査時)にはこの波形を反転した波形となる。走査波形42についても同様である。
以下、第2の走査光学系の垂直走査の帰線区間で、第1の走査光学系の走査と第2の走査光学系の走査を交差する場合の遅延時間の計算を説明する。なお、以下の説明中の式で、INT()は切り捨てを意味する。
この遅延時間trは、次式(15)で計算できる。
なお、第2及び第3の実施形態では、第2の走査光学系の帰線区間の先頭で第1の走査光学系の走査と第2の走査光学系の走査を交差しているが、第2の走査光学系の帰線区間中であればどの位置でもよい。
また、第2の実施形態では、第1の走査光学系と第2の走査光学系の水平走査の方向は、それぞれ一方向であり、第3の実施形態では、それぞれ往復したが、これに限らず、一方の走査光学系を一方向、他方を走査光学系を往復で水平走査するようにしてもよい。
2,13 ダイクロイックミラー
3,11 走査光学ユニット
4,12 リレーレンズ
5 ミラー
6 測定フィルタ
7 レンズ
8 共焦点ピンホール
9 光電変換素子
14 結像レンズ
15 対物レンズ
16 断面位置
17 標本
18 ステージ
19 A/D変換器
20,21 走査波形発生回路
22 CPU
23 メモリ
24 記憶装置
25 フレームメモリ
26 ディスプレイ
27 レーザ制御素子
Claims (9)
- 複数の走査光学系と、
前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査と、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査とが重なる領域を前記第1の走査光学系が走査する間、該第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行うレーザ光照射制御手段と
を備えることを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 標本の走査画像を得るための第1の走査光学系と、
前記標本の特定の部位に特異現象を発現させるための第2の走査光学系と、
前記第1の走査光学系の走査と前記第2の走査光学系の走査とが重なる領域を前記第1の走査光学系が走査する間、前記第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行うレーザ光照射制御手段と
を備えることを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 複数の走査光学系を備えた走査型レーザ顕微鏡を制御する走査型レーザ顕微鏡制御方法であって、
前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査と、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査とが重なる領域を前記第1の走査光学系が走査する間、該第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行う
ことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡制御方法。 - 複数の走査光学系を備えた走査型レーザ顕微鏡の制御をコンピュータに実行させるための走査型レーザ顕微鏡制御プログラムであって、
前記複数の走査光学系に走査を行わせる処理と、
前記複数の走査光学系を制御して、当該複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査と、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査が重なる領域を前記第1の走査光学系が走査する間、該第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する処理
を、コンピュータに実行させるための走査型レーザ顕微鏡制御プログラム。 - 複数の走査光学系と、
前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査の帰線区間で当該第1走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行うレーザ光照射制御手段と、
前記複数の走査光学系のそれぞれの走査領域が重なり合う場合に、前記第1の走査光学系の走査の帰線区間で、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査と該第1の走査光学系の走査とを当該両走査光学系の走査動作を停止せずに交差させる制御を行う交差制御手段と、
を備え、
前記交差制御手段は、前記第2の走査光学系の走査の開始タイミングと前記第1の走査光学系の走査の開始タイミングとを、異ならせる
ことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 標本の走査画像を得るための第1の走査光学系と、
前記標本の特定の部位に特異現象を発現させるための第2の走査光学系と、
前記第2の走査光学系の走査の帰線区間で当該第2走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行うレーザ光照射制御手段と、
前記第1および第2の走査光学系のそれぞれの走査領域が重なり合う場合に、前記第2の走査光学系の走査の帰線区間で、該第2の走査光学系の走査と前記第1の走査光学系の走査とを当該両走査光学系の走査動作を停止せずに交差させる制御を行う交差制御手段と、
を備え、
前記交差制御手段は、前記第2の走査光学系の走査の開始タイミングと前記第1の走査光学系の走査の開始タイミングとを、異ならせる
ことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。 - 複数の走査光学系を備えた走査型レーザ顕微鏡を制御する走査型レーザ顕微鏡制御方法であって、
前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査の帰線区間で当該第1走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御と、
前記複数の走査光学系のそれぞれの走査領域が重なり合う場合に、前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査の帰線区間で、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査と該第1の走査光学系の走査とを当該両走査光学系の走査動作を停止せずに交差させるように、前記第2の走査光学系の走査の開始タイミングと該第1の走査光学系の走査の開始タイミングとを異ならせる制御を行うことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡制御方法。 - 複数の走査光学系を備えた走査型レーザ顕微鏡の制御をコンピュータに実行させるための走査型レーザ顕微鏡制御プログラムであって、
前記複数の走査光学系に走査を行わせる処理と、
前記複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査の帰線区間で当該第1走査光学系のレーザ光の照射を停止する処理と、
前記複数の走査光学系のそれぞれの走査領域が重なり合う場合に、前記複数の走査光学系を制御して、当該複数の走査光学系のうち第1の走査光学系の走査の帰線区間で、前記複数の走査光学系のうち第2の走査光学系の走査と該第1の走査光学系の走査とを当該両走査光学系の走査動作を停止せずに交差させるように、前記第2の走査光学系の走査の開始タイミングと該第1の走査光学系の走査の開始タイミングとを異ならせる処理
を、コンピュータに実行させるための走査型レーザ顕微鏡制御プログラム。 - 前記第1の走査光学系は、レーザ光をX方向にライン走査するXスキャナと該Xラインの位置をY方向に走査するYスキャナを備え、
前記レーザ光照射制御手段は、前記第1の走査光学系のXスキャナが前記重なる領域を含むXラインの走査を行なうときに前記第2の走査光学系のレーザ光の照射を停止する制御を行う
ことを特徴とする請求項1または2に記載の走査型レーザ顕微鏡。
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