JP5727629B2 - 顕微鏡撮像における高速自動焦点合わせ - Google Patents
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Description
本発明は電子撮像システムに関する。
撮像および走査の多くの応用例では、画像を自動化された方式で取得する。取得した画像は、有意義な分析および解釈が容易になるよう、焦点が適切に合っている必要がある。焦点が適切に合った画像を取得するためには、焦点距離、たとえば焦点高さまたは焦点長さを、画像を取得する前に正確に決める必要がある。これはたとえば次のようにして行なうことができる。所与の位置の数枚の画像を、異なる焦点距離を用いて取得し、次に、最も焦点が合っている画像を選択する。複数の画像の取得は、特に多数の画像を短時間で捕捉しなければならない用途の場合、時間がかかり過ぎる可能性がある。
基板上の対象物の画像を捕捉するための撮像プロセスは、自動化され効率的な焦点合わせ方法およびシステムを用いることによって、大幅に高速化できる。本発明を採用するシステムおよび方法は、一般的には基板に沿う複数の位置の、焦点が十分に合った画像を、素早く連続して取得する。本発明の少なくとも一部は、新たな位置各々について時間のかかるフルフォーカスサーチを実施するのではなく、既に撮像された位置または対象物の焦点データに基づいて、これから撮像する新たな位置各々での焦点距離を確実に推定し得るという発見に、基づいている。撮像した位置が多くなるほど、関連する推定誤差は、このような誤差を平均化するように以前の推定を組合わせることによって、ますます小さくなる。
プロセッサは、既知の位置での焦点距離の1組を取出すことができる。画像取得装置は、第2の位置の少なくとも2つの画像からなる追加の1組の画像を取得することができ、追加の1組の画像は各々、既知の位置での既知の焦点距離の1組に基づいて第2の位置について計算された第2の代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて取得される。プロセッサは、第2の位置に対応する理想的な焦点距離を、追加の1組の画像各々の焦点の品質の比較に基づいて、推定することができる。
本開示では、新たな位置各々について時間のかかるフルフォーカスサーチを実施する代わりに、撮像する各位置での理想的な焦点距離を推定することに基づいた、撮像装置における高速自動焦点合わせについて説明する。所与の位置での理想的な焦点距離は、互いにオフセットされかつ最初の代表的な焦点距離からオフセットされた焦点距離を用いて取得された複数の画像の焦点スコアから推定される。この代表的な焦点距離は、他の位置での理想的な焦点距離の以前の推定値に関する知識を考慮することにより、または、1つ以上の訓練データセットから、計算される。このように推定を積重ねることによって、関連する推定誤差は少しずつ平均化され、撮像した位置が多くなるほど、理想的な焦点距離の推定値は徐々にますます正確になる。
図1は、本明細書に記載の高速自動焦点合わせ方法を採用する撮像システム100の一実施形態を示す。撮像システム100は、コンピュータ190によって制御される撮像ハードウェア105を含む。コンピュータ190は一般的に、中央処理装置192と、ハードドライブ194と、ランダムアクセスメモリ196とを含む。
図2は、顕微鏡のスライド等の基板上の異なる撮像位置における理想的な焦点距離を推定するためのシステムによって実施される動作のシーケンスを含む、自動焦点合わせの一般的な方法を示すフローチャート200である。動作は、代表的な焦点距離から予め定められたオフセットがなされた焦点距離を用いて、ある撮像位置における1組の画像を取得すること(ステップ210)と、この組に含まれる画像すべてまたは画像のサブセットについて焦点スコアを計算すること(ステップ220)とを含む。動作はまた、計算した焦点スコアから、上記撮像位置にとって理想的な焦点距離を推定し、格納すること(ステップ230)と、このシステムがさらに撮像する必要がある位置が基板上にあるか否か確認すること(ステップ240)と、この判断に応じて、対物レンズおよび/またはステージハードウェアを新たな撮像位置に移動させること(ステップ260)とを含む。この新たな撮像位置での代表的な焦点距離は、以前の撮像位置に対して推定され格納された理想的な焦点距離の加重平均として推定される(ステップ270)。このシステムは、上記新たな撮像位置についてこれらのステップを繰返し、スライド130上のすべての位置および/またはスライド130上に位置する対象物すべての画像を取得するまで、このプロセスを続ける。上記ステップについて以下でより詳細に説明する。
ステップ210で取得した1組の画像は、画像の「スタック」と呼ぶことができる。画像の組またはスタックを取得することは、撮像面上のターゲットの一部または(x,y)位置の、第1の画像と、第1の画像と異なる焦点距離の少なくとも第2の画像とを取得することを含み得る。1つのスタック内の異なる画像のそれぞれの焦点距離は、このスタック全体についての代表的な焦点距離に対するオフセットとして求めることができる。特定の実施の形態では、このスタックに対応する代表的な焦点距離は、このスタック内の予め定められた点に対して特定され、このスタック内の個々の画像の焦点距離は、このような予め定められた点に対する相対的なオフセットとして計算される。たとえば、対応する焦点距離同士の差が等しい4つの画像からなるスタックの場合、このスタックの代表的な焦点距離は、このスタックのトップから第2の画像と第3の画像との間の中間点までに対応し得る。スタックの代表的な焦点距離を特定するための他の規則を本発明の実施に用いることも可能である。たとえば、あるスタックの代表的な焦点距離が、このスタック内の特定の画像に対応する焦点距離に相当するものであってもよい。
動作はまた、取得した組またはスタックに含まれる画像すべてまたは画像のサブセットについて焦点スコアを計算すること(ステップ220)を含む。ある画像についての焦点スコアは、撮像面上の所与の点に対する理想的なまたは真の焦点距離からの、代表的な焦点距離の偏差を表わす。したがって、実現化例によっては、複数の画像から計算した焦点スコアに基づいて理想的な焦点距離を推定することが可能である。焦点スコアは、所与の画像の焦点の品質を定量的に評価する関数を用いて計算できる。取得した各画像の焦点スコアをこのような「自動焦点合わせ関数」を用いて計算する場合、スコアが最も高い画像に対応する焦点距離を、理想的な焦点距離として選択できる。特定の自動焦点合わせ関数は、画像の微分、すなわち、隣合う画素間の差の定量化に基づいて、機能する。一般的に、焦点が合っていないために不鮮明な画像は、隣接する画素間の差が小さく、焦点が合って鮮明な画像は、隣接する画素間の差が大きい。
再び図2を参照して、動作はさらに、計算された焦点スコアに基づき、所与の位置にとって理想的な焦点距離を推定し格納すること(ステップ230)を含む。ある実施の形態では、ブレナースコアから導出された関数を用いて、計算された焦点スコアから理想的な焦点距離を推定する。加えて、ブレナースコアの対数の差を用いて理想的な焦点距離を推定することができる。
式中、y=f(x)=log(b(x))は、ブレナースコアの対数を表わし、A、B、およびCは、X−Y面上の放物線の形状および位置を決める定数を表わす。よって、A、B、およびCを求めるには3つの等式が必要である。放物線のピーク値ymax(または頂点の値)を、曲線フィッティングアルゴリズムに予めプログラムすることができる。ピーク値は、実験データに基づいて求めることができ、上記パラメータA、B、およびCを求めるための第1の等式を提供する。その他2つの等式は、異なる2つの画像について計算されたブレナースコアの対数を用いて表わされる。パラメータA、B、およびCは、これら3つの式から求めることができ、これにより、放物線が完成する。次に、この放物線のピークに対応する焦点距離が、理想的な焦点距離の推定値として用いられる。
式中、Δfは、ブレナースコアの対数の単位差当たりの焦点距離の差であり、δは一対の画像間のZ分離である。推定された、画像のスタック全体としてのオフセットは、4色すべてについてのオフセットの平均値として計算できる。この位置の理想的な焦点距離は、スタックを得るために用いられた代表的な焦点距離に、平均オフセットを加算してから、格納される。なお、計算されたオフセットを代表的な焦点距離に加算するかまたはこれから減算するかは、特定の用途が従う符号規約に依存する。
動作は、撮像システムが、所与の基板上の他の位置でさらに画像を取得する必要があるか否か確認し(ステップ240)、それに応じて撮像プロセスを続けることを含み得る。残っている位置がなければ、所与の対象物に対する撮像プロセスを終了させることができ(ステップ250)、新たな対象物、たとえば異なる生物試料を含む異なるスライドに対して撮像プロセスを再開することができる。逆に、撮像すべき位置がまだあれば、撮像ハードウェアは新たな撮像位置に移動することができる(ステップ260)。撮像する位置を、撮像ハードウェアを制御する制御モジュール内に予めプログラムしてもよい。
式中、パラメータdは、最新の位置から所与の位置までの距離であり、近傍を表わすパラメータnは、重み関数の横軸方向の大きさを制御し、鮮明度を表わすパラメータsは、重み関数に対応する曲線の形状を制御する。この例において、(x,y)距離はミリメートル単位で計算された。したがって、近傍1000μm(すなわちn=1000μm)、鮮明度4(すなわちs=4)と仮定すると、この例における重みは以下の式を用いて計算された。
上記例における新たな撮像位置(6,6)についての代表的な焦点距離の計算が表1に示される。
図6は、ある実現化例に従い、本明細書に記載のコンピュータにより実行される方法のうちいずれかとの関連で説明した動作を制御するのに使用できるコンピュータシステム600の概略図である。システム600は、プロセッサ610と、メモリ620と、記憶装置630と、入出力装置640とを含む。これら構成要素610、620、630、および640は各々、システムバス650を用いて相互に接続される。プロセッサ610は、システム600内で実行のために命令を処理することができる。ある実現化例では、プロセッサ610はシングルスレッドのプロセッサである。別の実現化例では、プロセッサ610はマルチスレッドのプロセッサである。プロセッサ610は、メモリ620または記憶装置630に格納された命令を処理することにより、入出力装置640上にユーザインターフェイス用の図形情報を表示することができる。
以下の実施例は、図1との関連で説明したシステム100を用いて血球を含む生物試料を撮像することを目的とした本発明の応用例を説明している。図4との関連で先に説明した実施例の続きである以下の実施例は、例示のみを目的としており、請求項に記載の発明の範囲を限定するものではない。
スライド130の焦点面を計算した後、システム100は、対象細胞を含む数個の(x,y)位置において、スライド130に対する一連の画像捕捉ステップを開始した。表1に示される、スライド130上の、第1の新たな(x,y)位置(5,3)およびさらに4つの(x,y)位置において、カメラ160は、対象細胞の8画像スタックを取得した。具体的には、カメラは、スライド130について計算された焦点面に対応する第1の焦点距離で、4色の照明(すなわち635、598、525、および415nm)各々で画像を取得した。次に、電動ステージ150が焦点距離を0.7ミクロンだけ変更し、カメラ160が同じ(x,y)位置(5,3)で別の4つの画像を取得した。この場合、4つの照明色各々について1つの画像であった。式5との関連で述べたように、コンピュータ190は、理想的な焦点距離オフセット計算を用いて、表1に示される位置(5,3)、(8,3)、(8,4)、(5,8)および(1,8)各々について理想的な焦点距離を推定した。
本明細書に記載の発明は、数多くのやり方で実現できる。有用ないくつかの実現化例は上記の通りである。この実現化例についての説明は、発明の説明ではなく、これは、本明細書に記載の詳細な実現化例に限定されないが請求項においてより広い文言で記載されている。本発明を発明の詳細な説明と関連付けて説明してきたが、上記説明は例示を目的としており、以下の請求項の範囲によって定められる本発明の範囲を限定しないことが、理解されるはずである。本明細書に記載の方法およびシステムを用いて、たとえば多様な医療撮像用途および高速焦点合わせ写真術における他の撮像システムでの高速自動焦点合わせを実現できる。焦点距離の高速インライン推定を必要とする撮像システムはいずれも本願の範囲に含まれる。その他の局面、利点および変形は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
Claims (24)
- 基板上の1つ以上の対象物の複数の画像の焦点を自動的に合わせるための方法であって、
a)プロセッサによって、前記基板上の第1の位置についての代表的な焦点距離を、前記基板上の既知の位置での焦点距離の1組に基づいて、求めるステップを含み、前記代表的な焦点距離は、前記既知の位置での焦点距離の1組のうちの少なくとも2つの焦点距離の加重平均として推定され、所与の焦点距離に対する重みは、対応する位置の、前記第1の位置からの距離に基づいて計算され、
b)画像取得装置によって、前記第1の位置の少なくとも2つの画像からなる1組の画像を取得するステップとを含み、前記画像は各々、前記代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて取得されたものであり、
c)プロセッサによって、前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を、前記画像各々の、隣接する画素間の差を用いて算出される焦点の品質の比較に基づいて、推定するステップと、
d)前記推定された理想的な焦点距離および前記第1の位置を前記既知の位置での焦点距離の1組に格納するステップとを含む、方法。 - プロセッサによって、前記既知の位置での焦点距離の1組を取出すステップと、
前記画像取得装置によって、第2の位置の少なくとも2つの画像からなる追加の1組の画像を取得するステップとをさらに含み、前記追加の1組の画像は各々、前記既知の位置での既知の焦点距離の1組に基づいて前記第2の位置について計算された第2の代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて取得され、
プロセッサによって、前記第2の位置に対応する理想的な焦点距離を、前記追加の1組の画像各々の焦点の品質の比較に基づいて、推定するステップを含む、請求項1に記載の方法。 - 既知の位置での焦点距離の前記1組は、当該既知の位置の理想的な焦点距離を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点の品質は、焦点が合っている画像の傾斜を反映する各画像のテクスチャに基づく、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点の品質は、ブレナー(Brenner)スコアを用いて算出される、請求項1に記載の方法。
- 前記理想的な焦点距離を推定するステップは、
前記画像のブレナー(Brenner)スコアの対数間の差を計算するステップと、
前記計算した差からのオフセットを推定するステップと、
前記オフセットに基づいて前記理想的な焦点距離を推定するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記画像のうちの少なくとも2つは、実質的に同一の色の光による照明の下で取得され、前記光の色は、緑、黄、青、および赤のうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の方法。
- 前記1組の画像は、少なくとも2つの異なる色による照明の下で取得され、少なくとも2つの画像は、各色による照明の下で取得される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を推定するステップは、
前記異なる色各々について焦点距離のオフセットを計算するステップと、
前記異なる色について計算した焦点距離のオフセットに基づいて焦点距離のオフセットの平均を求めるステップと、
前記焦点距離のオフセットの平均に基づいて、前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を推定するステップとをさらに含む、請求項8に記載の方法。 - 撮像システムであって、
基板上の第1の位置の少なくとも2つの画像からなる1組の画像を、各画像について、代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて、取得するように構成された画像取得装置と、
前記画像取得装置に接続されたプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
前記第1の位置についての代表的な焦点距離を、前記基板上の既知の位置での焦点距離の1組に基づいて計算し、前記代表的な焦点距離は、前記既知の位置での焦点距離の1組のうちの少なくとも2つの焦点距離の加重平均として推定され、所与の焦点距離に対する重みは、対応する位置の、前記第1の位置からの距離に基づいて計算され、
前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を、前記画像各々の、隣接する画素間の差を用いて算出される焦点の品質の比較に基づいて推定し、
前記推定された理想的な焦点距離および前記第1の位置を前記既知の位置での焦点距離の1組に格納し、
前記計算した代表的な焦点距離を前記画像取得装置に与えるように、構成される、システム。 - 前記プロセッサはさらに、前記既知の位置での焦点距離の1組を取出すように構成され、
前記画像取得装置はさらに、第2の位置の少なくとも2つの画像からなる追加の1組の画像を取得するように構成され、前記追加の1組の画像は各々、前記既知の位置での既知の焦点距離の1組に基づいて前記第2の位置について計算された第2の代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて取得される、請求項10に記載のシステム。 - 前記プロセッサはさらに、前記第2の位置に対応する理想的な焦点距離を、前記追加の1組の画像各々の焦点の品質の比較に基づいて推定するように構成される、請求項11に記載のシステム。
- 既知の位置での焦点距離の前記1組は、当該既知の位置の理想的な焦点距離を含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記焦点の品質は、焦点が合っている画像の傾斜を反映する各画像のテクスチャに基づく、請求項10に記載のシステム。
- 前記焦点の品質は、ブレナー(Brenner)スコアを用いて算出される、請求項11に記載のシステム。
- 前記プロセッサはさらに、
前記画像のブレナー(Brenner)スコアの対数間の差を計算し、
前記計算した差からのオフセットを推定し、
前記オフセットに基づいて前記理想的な焦点距離を推定するように構成される、請求項15に記載のシステム。 - 前記画像のうちの少なくとも2つは、実質的に同一の色の光による照明の下で取得され、前記光の色は、緑、黄、青、および赤のうちの少なくとも1つである、請求項10に記載のシステム。
- 前記1組の画像は、少なくとも2つの異なる色による照明の下で取得され、少なくとも2つの画像は、各色による照明の下で取得される、請求項10に記載のシステム。
- 前記プロセッサはさらに、
前記異なる色各々について焦点距離のオフセットを計算し、
前記異なる色について計算した焦点距離のオフセットに基づいて焦点距離のオフセットの平均を求め、
前記焦点距離のオフセットの平均に基づいて、前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を推定するように構成される、請求項18に記載のシステム。 - コンピュータ可読記憶装置であって、前記記憶装置における符号化されたコンピュータ可読命令が、プロセッサによって実行されることにより、前記プロセッサは、
基板上の第1の位置についての代表的な焦点距離を、前記基板上の既知の位置での焦点距離の1組に基づいて計算し、前記代表的な焦点距離は、前記既知の位置での焦点距離の1組のうちの少なくとも2つの焦点距離の加重平均として推定され、所与の焦点距離に対する重みは、対応する位置の、前記第1の位置からの距離に基づいて計算され、
前記第1の位置に対応する理想的な焦点距離を、画像各々の、隣接する画素間の差を用いて算出される焦点の品質の比較に基づいて推定し、
前記推定された理想的な焦点距離および前記第1の位置を前記既知の位置での焦点距離の1組に格納し、
前記計算した代表的な焦点距離を画像取得装置に与え、前記画像取得装置は、前記第1の位置の少なくとも2つの画像からなる1組の画像を、各画像について、前記代表的な焦点距離からオフセットされた異なる焦点距離を用いて、取得する、コンピュータ可読記憶装置。 - 既知の位置での焦点距離の前記1組は、当該既知の位置の理想的な焦点距離を含む、請求項20に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
- 前記焦点の品質は、焦点が合っている画像の傾斜を反映する各画像のテクスチャに基づく、請求項20に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
- 前記焦点の品質は、ブレナー(Brenner)スコアを用いて算出される、請求項20に記載のコンピュータ可読記憶装置。
- 前記プロセッサが、
前記画像のブレナー(Brenner)スコアの対数間の差を計算し、
前記計算した差からのオフセットを推定し、
前記オフセットに基づいて前記理想的な焦点距離を推定するようにするための命令を、さらに含む、請求項23に記載のコンピュータ可読記憶装置。
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