JPH07160847A - 光学像再構成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】任意の角度方向について分解能に優れた光学断
層像あるいは光学３次元像を再構成でき、しかも実用上
有用な光学像再構成装置を提供する。 【構成】光軸が物体空間上の所定の１点で交わるように
放射状に配置された複数の対物レンズ１０３と、結像さ
れた物体の像を電気的画像信号に変換するＴＶカメラ１
０６と、電気的画像信号を記憶する画像メモリ２０５
と、記憶されている電気的画像信号と所定の行列との間
で線形演算を行なうアクセラレータ２０７とを具備し、
所定の行列は、ＴＶカメラ１０６における各々の撮像素
子に対して対物レンズ１０３により伝達される物体空間
上での光強度分布を表す感度分布関数を定義し、対物レ
ンズ１０３とＴＶカメラ１０６とで決定される画像入力
系を前記感度分布関数を用いて線形的に定義したところ
の一般化行列に対する疑似逆行列である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学像再構成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学機器による光学像再構成装置
では、構成上の制約により任意の方向からの画像を入力
するのが困難な場合がある。例として顕微鏡を考える。
図１１に従来の一般的な顕微鏡の構成図を示す。一般に
顕微鏡は光学系の光軸方向に垂直なステージ面に置いた
対象物の像が結像されるように構成される。図１１に示
す顕微鏡１０において、対物レンズ１４の光軸と垂直な
方向、つまり水平方向についてはＸ−Ｙステージ駆動部
１２により対象物の任意の部分を視野内に設定すること
ができるが、光軸方向のＺステージ駆動部１３は焦点調
節に利用され、通常の観察方法では光軸方向の断層像を
得ることはできない。

【０００３】ディジタル画像処理的方法により光軸方向
の断層像を再構成した例としては、 文献：A. Erhardt, G. Zinser, D. Komitowski and J.
Bille, Appl. Opt., 24,194-200(1985)が挙げられる。
この論文では、焦点の合った物体面（以下、合焦面と略
す）の位置を光軸方向にステップ的に移動させながら設
定合焦面に対応した画像を入力することにより３次元光
学像を構成し、これに３次元光学伝達関数（3-dimensio
nal Optical Transfer Function:３−ｄＯＴＦ）の逆フ
ィルタを作用させることにより画像入力の際に劣化した
空間周波数成分を回復する方法が示されている。

【０００４】ところがこのような方法では、顕微鏡対物
レンズの開口数（Ｎ．Ａ．）の制限により光軸方向の空
間周波数特性が面方向に比べて大きく劣化しており、回
復フィルタリングを行なったにしても解像度に優れた断
層像を得るのは難しい。また、逆フィルタを作用させる
際に、３−ｄＯＴＦの特性が著しく劣っている空間周波
数成分を無理に強調しすぎることにより再構成像のＳ／
Ｎが非常に悪くなる可能性もある。

【０００５】一方、蛍光燈、ガイスラー管など円筒管内
のプラズマ発光現象の断層像を得る方法として、光放射
ＣＴ（光ＥＣＴ）が知られている。特に、特開平３−１
２５２４号公報では、設定断面における円筒管内からの
発光をスリットとシリンドリカルレンズで構成される光
学系で結像し、その像をＣＣＤカメラなどのイメージセ
ンサで撮像する方法が提案されている。さらにこの公報
では、光学撮像部を設定断面の面方向に回転させること
によって得られる各方向からの像からＣＴ再構成アルゴ
リズムにより断層像を求める際に、断層面内の各点の撮
像面上における結像パターンから求められる寄与率を考
慮して逐次近似法によりＣＴ再構成を行なう方法が示さ
れている。

【０００６】ところがこの方法では、光学結像系の焦点
深度が対象円筒管の内径に対して小さいような場合は合
焦面からはずれた部分からの寄与率が撮像面内に分散し
てしまい、再構成に必要な投影データが得られない可能
性がある。逆に焦点深度を対象円筒管の内径に対して十
分深くしようとすると、そのような光学系は空間周波数
特性が劣ることになるので分解能に優れた再構成画像を
得ることはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学断
層像を得ることを目的とする分野における上記した従来
の方法は、光学結像系の通過空間周波数帯域や焦点深度
といった光学的特性に制限されており、どの角度方向に
ついても分解能に優れた光学断層像を得るために、最適
な条件に基づいて画像を入力し再構成するよう考慮され
てはいない。

【０００８】本発明の光学像再構成装置はこのような課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、任意の角度方向について分解能に優れた光学断層
像あるいは光学３次元像を再構成でき、しかも実用上有
用な光学像再構成装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明の光学像再構成装置は、光軸が物
体空間上の所定の１点で交わるように放射状に配置され
た複数の光学結像系と、前記光学結像系により結像され
た物体の像を電気的画像信号に変換する撮像手段と、前
記電気的画像信号を記憶する画像メモリと、前記画像メ
モリに記憶されている前記電気的画像信号と所定の行列
との間で線形演算を行なう行列演算器とを具備し、前記
所定の行列は、前記撮像手段における各々の撮像素子に
対して前記光学結像系により伝達される物体空間上での
光強度分布を表す感度分布関数を定義し、前記光学結像
系と前記撮像手段とで決定される画像入力系を前記感度
分布関数を用いて線形的に定義したところの一般化行列
に対する疑似逆行列である。

【００１０】

【実施例】以下に本実施例の概略を説明する。まず、光
学結像を用いて断層像を再構成する際に必要な画像入力
条件について説明する。なお、以下の説明では光学結像
系の空間周波数特性を論ずる際にＮ．Ａ．の大きい光学
顕微鏡の光学系を扱うことにするが、さらに蛍光顕微鏡
を想定することにより光強度に対して線形なインコヒー
レント光学系を仮定することにする。本設定条件は光学
断層像の再構成問題にとって最も単純な場合であるが、
微小で透明な生体試料を観測する手段として実用的にも
有用である。

【００１１】光学顕微鏡の結像系は比較的理想系に近
く、焦点距離に比べて小さい物体空間領域では３次元的
な位置に対して不変（Space invariant)な系であると考
えることができ、回折限界を仮定した波動光学的解析が
良い近似を与える。図７には蛍光顕微鏡の３次元空間周
波数特性を表す３−ｄＯＴＦの概念図を示す。一般に球
面レンズを用いて構成される光学結像系は、光軸に垂直
な面内ではどの動径方向についても同じ特性を有すると
考えられる。従って図７では３−ｄＯＴＦを光軸に垂直
な面内における任意の動径方向における空間周波数軸ρ
と光軸方向の空間周波数軸φとに対する特性として表現
している。

【００１２】図７から分かるように光軸方向の近傍にお
ける空間周波数特性は大きく劣化している。この特性が
落ち込んだ領域は３次元的には円錐状になるので、ミッ
シング・コーンと呼ばれる。このミッシング・コーンの
存在により光軸が固定された光学顕微鏡を用いて入力さ
れた画像からは、合焦面内と同等に光軸方向にも分解能
に優れた断層像を再構成することはできない。図７に示
すρ軸に対する空間周波数特性の存在する範囲のみこみ
角αは光学結像系の開口数（NumericalApperture:Ｎ．
Ａ．）に依存する。従って、断層面内でどの方向に対し
ても空間周波数特性を持たせるようにする、つまりミッ
シング・コーンを埋めるようにするためにはＮ＝１８０
°／（２α）個の方向に光学結像系を設定する必要があ
ると考えられる。例えばＮ．Ａ．＝０．５の油侵を用い
ない光学結像系の場合、α＝ｓｉｎ^-1（０．５）＝６０
°であるのでＮ＝１８０°／１２０°＝３方向に光学結
像系を設ければ良いことになる。

【００１３】従って顕微鏡装置としては各々１２０°づ
つ角度方向の異なる３つの鏡筒を放射状に配置すれば、
どの方向に対してもミッシングの無い状態で画像を入力
できる。そのような顕微鏡の形態における３−ｄＯＴＦ
を図８に示す。

【００１４】一方、画像入力の際の最適なサンプリング
間隔は光学結像系の空間周波数帯域により決定される。
図７に示す光軸に垂直な合焦面内、および光軸方向にお
ける最高空間周波数帯域ρ₀ ，φ₀ は共に回折限界によ
り定義された瞳関数の制限領域の大きさにより決定され
るが、やはり光学結像系のＮ．Ａ．に依存する。合焦面
内におけるサンプリング間隔、例えばＣＣＤカメラのよ
うな受光素子が２次元的に配列された撮像装置では隣接
する受光素子の間隔はサンプリング定理により１／（２
ρ₀ ）に相当するピッチより細かければ良いことにな
る。

【００１５】一方、光軸方向のサンプリング間隔、つま
り光学結像系の合焦面を光軸方向に移動しながら画像を
入力することを仮定した場合の各々の設定合焦面間隔は
同様に１／（２φ₀ ）に相当するピッチより細かければ
良いことが分かる。これは図９により次のように説明で
きる。ピッチτで光軸方向にサンプリングすると空間周
波数的にはφ軸上で１／τの位置に１次のスペクトル中
心が存在することになるが、原点を中心とする０次のス
ペクトルと１次のスペクトルとが重なってエイリアシン
グを持たないようにするには光軸方向の最大帯域である
φ₀ を考慮して２φ₀ の位置よりも外側に１次のスペク
トル中心が存在する、つまり、１／（２φ₀ ）に相当す
るピッチより細かくサンプリングすれば良いことが分か
る。

【００１６】以上述べたように、光学結像系の空間周波
数特性より光学断層像を再構成するのに最小限必要な方
向数およびサンプリングの条件が導かれる。ところが本
条件に基づいて画像を入力しても、従来はこれらの画像
を用いて断層像を再構成するための有利な理論がなかっ
た。そこで本実施例では以下に述べる一般化逆行列的手
法により断層像を再構成する方法を提案する。

【００１７】まず、物体空間および光学結像系の関係式
は連続系で定義されるのに対して、画像はサンプリング
により離散情報として入力されることを考慮し、連続物
体を離散的に観測する系を次式のように定義する。

【００１８】 ｇ＝Ｈ｛ｆ（ｒ）｝ （１） ただし、 ｆ（ｒ）：連続関数で定義される原物体。

【００１９】ｒ＝（ｒ_x ，ｒ_y ，ｒ_z ）：物体空間で定
義される３次元直交座標。 Ｈ｛｝：観測オペレータ。 ｇ＝［ｇ₁ ，ｇ₂ ，…，ｇ_M ］^t ：観測ベクトル。 ｇの要素ｇ_i は次式のように表される。

【００２０】

【数１】

【００２１】ここで感度分布関数とは撮像手段における
各々の撮像素子、例えばＣＣＤカメラの各受光素子に対
して、光学結像系により伝達される物体空間上の光強度
特性分布として定義される関数である。Ｈ｛｝を連続系
（∞個の要素数）から要素数Ｍのベクトルへの変換行列
と考えると、Ｈのランクは最大でＭとなる。以上のよう
に定式化された系に対する再構成問題には特異値分解
（Singular ValueDecomposition：ＳＶＤ）による疑似
逆行列的解法を応用することができる。つまり、原物体
の推定ｆ_e （ｒ）は次式のように求めることができる。

【００２２】 ｆ_e （ｒ）＝Ｈ^- ｛ｇ｝＝Ｈ^t ｛（ＨＨ^t ）^- ｇ｝ （３） ただしＨ^t ｛｝は離散的に観測されたデータから連続系
である物体空間への逆変換オペレータである。また、
（ＨＨ^t ）^- はＨＨ^t の疑似逆行列であり、以下のよう
に求められる。まず、Ｍ×Ｍの行列ＨＨ^t を次のように
固有値分解する。

【００２３】 （ＨＨ^t ）Ｕ＝ＵΛ （４） ＨＨ^t のランクをＲ≦Ｍとすると（ＨＨ^t ）^- は次のよ
うに定義される。 （ＨＨ^t ）^- ＝Ｕ_R Λ_R ^-1Ｕ_R ^t （５） なお、Ｕ_R はＲ個の固有値に対応する固有ベクトルで構
成されるＭ×Ｒの行列であり、Λ_R ^-1は対角成分にＲ個
の固有値に逆数を並べることより構成されたＲ×Ｒの行
列である。

【００２４】次に、光学顕微鏡の結像系における連続−
離散モデルを定義し、感度分布関数を求める。簡単のた
めまず光軸と合焦面を固定した場合を想定し、この系の
概念図を図１０に示す。３次元空間で定義された原物体
ｆ（ｒ）が伝達関数ｓ（ｒ；ｒ′）により３次元光学像
ｇ（ｒ′）として結像される系を連続−連続系で次のよ
うに定義する。

【００２５】

【数２】

【００２６】顕微鏡光学像ｇ（ｒ′）はあるｒ′_z の位
置に設定された撮像面上でサンプリングされ、離散値ｇ
_i （ｉ＝１，２，…，Ｍ）が検出される。この連続−離
散変換による画像入力系は次のように定義される。

【００２７】

【数３】 ただし、 ｔ＝(t_x ， t_y ）：撮像面上で定義された２次元直交座
標。

【００２８】Ｄ_i ：ｉ番目のサンプリングにおける積分
範囲（検出エレメントのサイズ）。 ｂ（ｔ）：サンプリングの際の窓関数。

【００２９】ｇ（ｔ）：３次元光学像ｇ（ｒ′）の撮像
面ｔにおける分布。 ｓ（ｒ；ｔ）：３次元物体空間ｒから２次元撮像面ｔへ
の伝達関数。 積分範囲Ｄ_i がどの撮像素子に対しても等しく、窓関数
ｂ（ｔ）が位置によらない関数であると仮定すると感度
分布関数ｈ_i （ｒ）は次式で定義される。

【００３０】

【数４】

【００３１】ここで、伝達関数ｓ（ｒ；ｔ）について考
察する。本条件によれば像面において位置不変である点
像分布関数ＰＳＦ（Point Spread Function)を定義する
ことができる。そこで撮像面におけるＰＳＦを焦点はず
れζによるＰＳＦｏ（ｔ；ζ）として定義する。

【００３２】

【数５】 物体空間ｒを合焦面と物体面との距離ｚおよび光軸と垂
直（撮像面と平行）な面内に定義される２次元座標ｑ＝
（ｑ_x ，ｑ_y ）とで定義し直すと、距離ｚは光学系の結
像関係により焦点はずれζと対応付けられる。さらにＰ
ＳＦｏ（ｔ；ζ）は物体空間における点ｆ（０；ｚ）の
像分布であると考えると、任意の座標における点ｆ
（ｑ；ｚ）の像分布は（ｔ- ｍｑ；ｚ）で表すことがで
きる。ただし、ｍは顕微鏡光学系の総合倍率である。従
って、伝達関数ｓ（ｒ；ｔ）は次式のように定義され
る。

【００３３】 ｓ（ｒ；ｔ）＝ｓ（ｑ；ｚ；ｔ）＝ｏ（ｔ- ｍｑ；ｚ） （10） ただし、ｏ（ｔ- ｍｑ；ｚ）はｚとζの関係を代入する
ことによりｏ（ｔ- ｍｑ；ζ）を定義し直したＰＳＦで
ある。（１０）式を（８）式に代入することにより感度
分布関数ｈ_i （ｒ）は次のように求められる。

【００３４】

【数６】

【００３５】以上の考察により感度分布関数ｈ_i （ｒ）
は焦点ずれを考慮したＰＳＦｏ（ｔ；ｚ）より算出され
る。また、光軸の回転や合焦面の移動といった条件下で
の感度分布関数も後述するように上記説明に準じて求め
ることができる。

【００３６】以上述べたように、本実施例による光学像
再構成法は連続−離散の関係を明確にしたモデルに基づ
いており、次のような長所を有する。 （１）原理的に離散データから連続物体を推定する手法
である。

【００３７】（２）補間関数を含まないため、回転座標
系←→直交座標系の変換などにおいて補間による劣化や
矛盾が起こらない。 （３）物体に対する仮定を含まず、画像入力条件を直接
再構成画像の画質に反映させることができる。

【００３８】ただし本手法に応用する際は、本来連続系
で定義されるべき感度分布関数や物体空間を計算処理の
ために離散的に定義する必要が生じる。しかし受光素子
の大きさに対して十分小さい離散エレメントにより連続
系を定義すれば、実際上連続系を近似的に扱うことは可
能である。つまり本原理に基づき補間関数を用いずに再
構成を行なえば、本手法の長所を生かすことができる。

【００３９】以下に本発明の第１実施例を説明する。図
１に本発明の第１実施例の構成を示す。構成は大きく顕
微鏡装置１００、画像処理プロセッサ２００、ＴＶモニ
タ３００とに分けられる。

【００４０】顕微鏡装置１００には、試料を保持、固定
するための手段としてステージ１０１上に透明管１０２
が垂直に設置されており、この透明管１０２を中心とし
て放射状に３つの顕微鏡が設けられている。各々の顕微
鏡においては、Ｎ．Ａ．＝０．５の対物レンズ１０３₁
〜１０３₃ が鏡筒１０４₁ 〜１０４₃ に対して設置され
ているが、さらに合焦点駆動装置１０５₁ 〜１０５₃ に
より対物レンズ１０３₁ 〜１０３₃ が光軸方向に駆動さ
れることにより本顕微鏡光学系の合焦面が駆動されるよ
うになっている。

【００４１】鏡筒１０４₁ 〜１０４₃ の先にはＴＶカメ
ラ１０６₁ 〜１０６₃ が設けられており、顕微鏡画像が
撮像される。なお本顕微鏡装置１００は蛍光染色した生
体試料の発光分布を観測する蛍光顕微鏡を基本にしてお
り、観測する対象物体空間領域を均一に照射する励起光
源装置が必要となるが、図１では繁雑さをさけるために
図示を省略する。顕微鏡装置１００における試料周辺の
構成を図２に示す。ステージ１０１に垂直に設置された
透明管１０２に対しては注射器４００により生理食塩水
等の液体中に浮遊されている蛍光体染色された試料が注
入される。

【００４２】ステージ１０１はＸ−Ｙ軸ステージ駆動装
置１０７およびＺ軸ステージ駆動装置１０８により３次
元的に位置が微調整されるように構成されており、対物
レンズ１０３₁ 〜１０３₃ の視野内に試料がとらえられ
るようになっている。

【００４３】なお、透明管１０２は対物レンズ１０３₁
〜１０３₃ の光軸に対して垂直な３面で構成される三角
柱であり、透明管の構成による収差の影響が軽減されよ
うになっている。また合焦面駆動装置１０５₁ 〜１０５
₃ およびＸ−Ｙ軸ステージ駆動装置１０７、Ｚ軸ステー
ジ駆動装置１０８は画像処理プロセッサ２００により制
御されるようになっている。

【００４４】次に、画像処理プロセッサ２００の構成に
ついて述べる。ＣＰＵ２０１は画像処理プロセッサ２０
０全体の動作制御を行なうが、ステージ駆動装置ドライ
バ２０２および合焦面駆動装置ドライバ２０３に対して
も指令信号を送り、顕微鏡装置１００に対する機械的な
駆動制御も行なう。ＴＶカメラ１０６₁ 〜１０６₃ から
の電気的画像信号はＡ／Ｄ変換器２０４₁ 〜２０４₃ に
より所定のディジタル画像信号に変換され、画像メモリ
２０５₁ 〜２０５₃ に記録される。この操作は合焦面駆
動装置１０５₁ 〜１０５₃ により各顕微鏡の合焦面が光
軸方向に所定の間隔で移動される度に実行され、複数の
異なる合焦面に対する画像が画像メモリ２０５₁ 〜２０
５₃ に全て記録されることになる。

【００４５】ＲＯＭ２０６には、（３）式に示す疑似逆
行列（ＨＨ^t ）^- および逆変換オペレータＨ^t ｛｝の係
数が記録されており、ＣＰＵ２０１から所定の条件に対
応する係数が呼び出されてアクセラレータ２０７に送ら
れる。アクセラレータ２０７はパイプライン処理等によ
り大規模な行列演算を高速に行なうベクトルプロセッサ
と内部メモリなどで構成される。アクセラレータ２０７
では、画像メモリ２０５₁ 〜２０５₃ から読み出された
所定の１次元プロフィール信号とＲＯＭ２０６から送ら
れてきた係数との間で（３）式に基づく行列演算が実行
される。このようにして求められた推定断層画像は表示
のために適当なサイズに再サンプリングされた後にフレ
ームメモリ２０８に転送され、Ｄ／Ａ変換器２０９によ
り所定のアナログビデオ信号に変換されてＴＶモニタ３
００に表示される。保存しておきたい入力ディジタル画
像信号や再構成断層画像は内蔵ディスク装置２１０に記
録される。

【００４６】以上の処理に関してディジタル信号の各構
成要素間に対する入出力は内部バス２１１を介して行な
われる。またＣＰＵ２０１とはユーザインターフェース
・インターフェース２１２を介して、ディスプレイとキ
ーボードマウス等で構成されるユーザインターフェース
２１３が接続されており、各種パラメータの値や動作情
況がディスプレイ上に表示されるのと同時に、操作者に
よる指令信号がＣＰＵ２０１に伝わるよう構成されてい
る。

【００４７】以下に上記した第１実施例の構成の作用を
述べる。第１実施例は３方向から合焦面位置を移動しな
がら入力される画像を用いて透明管１０２内の試料の断
層像を再構成するものであり、その作用は前記した実施
例の概略に基づくものである。第１実施例による画像入
力法に基づく疑似逆行列の定義について以下に説明す
る。まず光軸を固定した上で合焦面をｋ番目の物体面に
設定したときの画像入力系を次のように表わす。

【００４８】 ｇ_k ＝Ｈ_k ｛ｆ（ｒ）｝ （12） ｇ_k は撮像素子数Ｍ個の要素で構成されるベクトルであ
る。次に光軸を固定したまま所定の間隔で合焦面を離散
的に移動し、Ｌ枚の画像を入力する系を考える。この場
合、（１２）式が合焦面の数だけ定義されるが（ｋ＝
１，２，…，Ｌ）、得られる観測画像を１列に並べるこ
とにより新たな観測画像ｇ⁰ を定義する。この場合、ｇ
⁰ はＭ×Ｌ個の要素で構成されることになる。

【００４９】

【数７】

【００５０】次に光軸が相対的に１２０°異なる方向に
ついて（１４）式と同様な条件で画像を入力する系を考
える。この場合に得られる観測画像ｇ¹ を次のように定
義する。

【００５１】 ｇ¹ ＝Ｈ¹ ｛ｆ（ｒ）｝ （15） オペレータＨ¹ ｛｝は試料を相対的に−１２０°回転し
て（１３）式のＨ⁰ ｛｝を作用させるのと等価なオペレ
ータであると考えることができるので、連続物体を−１
２０°回転させるオペレータＲ_-120 ｛｝を定義すると
（１５）式は次のように表わすことができる。

【００５２】 ｇ¹ ＝Ｈ⁰ ［Ｒ_-120 ｛ｆ（ｒ）｝ （16） オペレータＨ⁰ ｛｝、Ｒ_-120 ｛｝は共に線形演算が基
本になるので、（１５）、（１６）式を比較すると、行
列的に次のように定義できる。

【００５３】 Ｈ¹ ｛｝＝Ｈ⁰ Ｒ_-120 ｛｝ （17） 同様に光軸が相対的に２４０°異なる方向について画像
入力系を次のように定義する。

【００５４】 ｇ² ＝Ｈ² ｛ｆ（ｒ）｝＝Ｈ⁰ Ｒ^-240 ｛ｆ（ｒ）｝ （18） 以上の様に定義された観測画像ｇ⁰ ，ｇ¹ ，ｇ² を並べ
ることにより３方向からの画像入力系を次のように書き
表わす。

【００５５】

【数８】

【００５６】最終的に定義される観測画像はＭ×Ｌ×３
個の要素から構成されるベクトルとなる。（１９）式で
定義されるオペレータＨ｛｝を用いて（３）式に基づく
断層像が再構成される。

【００５７】上記した第１実施例によれば、Ｎ．Ａ．の
対物レンズによる顕微鏡を用いてどの方向にも分解能に
優れた断層像を必要最小限の条件により入力された画像
を用いて再構成できる。

【００５８】なお、本実施例は入力画像における１次元
ラインプロフィールから２次元の断層画像を再構成する
ものとして記述したが、入力される２次元画像をそのま
ま処理することにより３次元画像を再構成するようにし
ても良い。その場合、画像処理プロセッサ２００内には
３次元画像に対して所定の処理を施すことにより２次元
画像として出力表示するためのボクセルプロセッサを設
ける。

【００５９】以下に本発明の第２実施例を説明する。図
３に本発明の第２実施例における顕微鏡装置５００の構
成を示す。なお第２実施例における画像処理プロセッサ
２００とＴＶモニタ３００の構成は第１実施例と同様で
ある。顕微鏡装置５００内では試料保持部５１０により
試料が保持されるがこれは試料回転駆動装置５２０によ
り回転制御を受ける。顕微鏡光学系は対物レンズ５３０
および鏡筒５４０により構成される。対物レンズ５３０
は合焦面駆動装置５５０により光軸方向に駆動制御され
ることにより合焦面が移動されるようになっており、ま
た鏡筒５４０は鏡筒駆動装置５６０により光軸に対して
垂直な面内で位置の微調整がなされているように構成さ
れている。

【００６０】結像された試料の像はＴＶカメラ５７０に
より撮像され画像処理プロセッサ２００内のＡ／Ｄ変換
器２０４に送られる。上記構成における試料回転駆動装
置５２０、合焦面駆動装置５５０、鏡筒駆動装置５６０
は共に画像処理プロセッサ２００内のＣＰＵ２０１によ
り制御される。

【００６１】図４はステージ周辺の構成を示す図であ
る。試料保持部５１０は試料が注入される透明管５１１
とその透明管５１１を支持する透明管支持台５１２₁ 〜
５１２₂ とで構成される。試料回転駆動装置５２０は、
モータ５２１、プーリー５２２、およびベルト５２３に
より構成され、透明管５１１を回転制御するように構成
されている。

【００６２】以下に上記した構成を有する第２実施例の
作用を説明する。第２実施例によれば試料に対する光軸
の相対角度を任意に設定できる。従って対物レンズ５３
０を交換してＮ．Ａ．が変わるような場合に方向数を最
適化することができる。また、例えばＮ．Ａ．＝０．５
の場合は前述したように３方向から入力すれば空間周波
数上のミッシング領域を埋めることができるが、これは
最小限必要な条件であり、方向数をさらに増やすことに
より任意の角度方向に対する空間周波数特性を強化する
ようにもできる。

【００６３】上記した第２実施例によれば、目的に応じ
て適用範囲の広い装置を比較的コンパクトに構成するこ
とができる。以下に本発明の第３実施例を説明する。

【００６４】図５に本発明の第３実施例における顕微鏡
装置６００の構成を示す。なお第３実施例における画像
処理プロセッサ２００とＴＶモニタ３００の構成は第１
実施例と同様である。顕微鏡装置６００は第２実施例に
おける顕微鏡装置５００から合焦面駆動装置５５０を取
り除き、替わりに開口制御装置６５０を設けるものであ
る。

【００６５】図６に対物レンズ６３０の開口制御部を示
す。対物レンズ６３０は複数のレンズ群で構成される
が、その光路上に絞り用羽根６３１₁ 〜６３１_n （ｎ≦
１０程度）が設けられており、これらが回転方向に駆動
されることによりＮ．Ａ．が変化するように構成されて
いる。このような絞り機構は開口制御装置６５０内のモ
ータ６５１により駆動制御され、モータ６５１は画像処
理プロセッサ２００内のＣＰＵ２０１からの指令信号に
より制御されるモータドライバ６５２により駆動され
る。

【００６６】以上のような構成により次のような画像入
力動作が実行される。試料に対してある光軸方向が設定
されると、光軸方向を固定したまま異なるＮ．Ａ．によ
り複数の画像が入力される。この動作は試料を所定の角
度間隔で離散的に回転させることにより相対的に光軸方
向を変えながら数回乃至数１０回くり返される。このよ
うにして入力された画像を用いて、本実施例による画像
再構成法により断層像が再構成される。

【００６７】以下に上記した構成を有する第３実施例の
作用を説明する。第３実施例は合焦面を駆動せずに光軸
の回転だけを利用して画像を入力するものである。この
場合、物体空間において光軸の回転中心付近の画像は密
に入力できるが、回転中心から離れるに従って疎にな
る。従って再構成画像は回転中心から離れるに従って分
解能が劣化することが予想される。このような影響を補
正するために本実施例ではＮ．Ａ．を変えて画像を入力
する手段を設ける。

【００６８】一般に光学結像系のＮ．Ａ．が大きい場合
は分解能に優れ、焦点深度は浅くなる。逆にＮ．Ａ．を
小さくすると分解能は劣化するが焦点深度は深くなる。
第３実施例ではＮ．Ａ．を変えることによりこの両者の
光学的特性を相補的に利用し、より広い物体空間の範囲
において分解能に優れた断層像を再構成する作用を有す
る。第３実施例の再構成法によれば、Ｎ．Ａ．の大きい
場合と小さい場合のどちらの特性も再構成画像に反映さ
せることが可能であるので、上記作用が可能になる。

【００６９】上記した第３実施例によれば、合焦面の駆
動を行なわないことから機械的な位置制御を試料の回転
だけに限定し、位置合わせの再現精度を高め機械的要因
による誤差を軽減することができる。

【００７０】

【発明の効果】以上、上記した本発明の光学像再構成装
置によれば、任意の角度方向について分解能に優れた光
学断層像あるいは光学３次元像を必要最小限の画像入力
条件から再構成できる実用上有用な光学像再構成装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図である。

【図２】図１の顕微鏡装置における試料周辺の構成を示
す図である。

【図３】本発明の第２実施例における顕微鏡装置の構成
を示す図である。

【図４】ステージ周辺の構成を示す図である。

【図５】本発明の第３実施例における顕微鏡装置の構成
を示す図である。

【図６】対物レンズの開口制御部を示す図である。

【図７】蛍光顕微鏡の３次元空間周波数特性を表す３−
ｄＯＴＦの概念図である。

【図８】どの方向に対してもミッシングの無い状態で画
像を入力できる顕微鏡の形態における３−ｄＯＴＦを示
す図である。

【図９】光学結像系の合焦面を光軸方向に移動しながら
画像を入力することを仮定した場合の各々の合焦面間隔
の設定を説明するための図である。

【図１０】光学顕微鏡の結像系の概念図である。

【図１１】従来の一般的な顕微鏡の構成図である。

【符号の説明】

１００…顕微鏡装置、１０１…ステージ、１０２…透明
管、１０３…対物レンズ、１０４…鏡筒、１０５…合焦
面駆動装置、１０６…ＴＶカメラ、２００…画像処理プ
ロセッサ、２０１…ＣＰＵ、２０２…ステージ駆動装置
ドライバ、２０３…合焦面駆動装置ドライバ、２０４…
Ａ／Ｄ、２０５…画像メモリ、２０６…ＲＯＭ、２０７
…アクセラレータ、２０８…フレームメモリ、２０９…
Ｄ／Ａ、２１０…内蔵ディスク装置、２１１…内部バ
ス、２１２…ユーザインターフェース・インターフェー
ス、２１３…ユーザインターフェース、３００…ＴＶモ
ニタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸が物体空間上の所定の１点で交わる
   ように放射状に配置された複数の光学結像系と前記光学
   結像系により結像された物体の像を電気的画像信号に変
   換する撮像手段と、 前記電気的画像信号を記憶する画像メモリと、 前記画像メモリに記憶されている前記電気的画像信号と
   所定の行列との間で線形演算を行なう行列演算器と、を
   具備し、 前記所定の行列は、前記撮像手段における各々の撮像素
   子に対して前記光学結像系により伝達される物体空間上
   での光強度分布を表す感度分布関数を定義し、前記光学
   結像系と前記撮像手段とで決定される画像入力系を前記
   感度分布関数を用いて線形的に定義したところの一般化
   行列に対する疑似逆行列である、ことを特徴とする光学
   像再構成装置。