專利名稱：圖像采集設(shè)備、圖像采集方法以及計(jì)算機(jī)程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過使用顯微鏡采集圖像的圖像采集設(shè)備，以及涉及一種圖像采集方法和一種計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
在病理學(xué)診斷中，使用了生物樣本的高分辨率圖像。這種高分辨率圖像是通過以預(yù)定的放大倍率放大諸如組織切片的生物樣本來獲得的。針對這一點(diǎn)，提出了一種顯微鏡設(shè)備，其將放置有生物樣本的區(qū)域劃分為多個(gè)小區(qū)域、以預(yù)定的放大倍率放大多個(gè)小區(qū)域、 然后對這些區(qū)域成像以采集分割的圖像以及將多個(gè)分隔的圖像彼此結(jié)合，以生成生物樣本的高分辨率圖像。
此外，生物樣本的某一區(qū)域在間隔幾μ m的多個(gè)焦點(diǎn)位置處成像，因此可看到由此獲得的圖像。由顯微鏡在不同的焦點(diǎn)位置狀態(tài)下捕獲的圖像組被稱作“Z堆疊(Z stack)”(例如，參見日本專利申請公開第2008-500643號)。發(fā)明內(nèi)容
例如，當(dāng)厚度為10 μ m的生物樣本在焦點(diǎn)位置之間以I μ m間隔成像時(shí)，需執(zhí)行十次成像。換句話說，一個(gè)小區(qū)域需要十張圖像。此外，在采用的焦點(diǎn)深度為Iym的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，擔(dān)心當(dāng)間距大約為Iym時(shí)可能會漏看觀察目標(biāo)。為此，提出了許多建議，即合適的間隔為O. 5μ m以下。然而，隨著焦點(diǎn)位置之間的間隔變短，組成一個(gè)Z堆疊的圖像數(shù)據(jù)的總大小將增加。此外，對應(yīng)于一個(gè)生物樣本的數(shù)據(jù)的總大小將變大。這將由于包含在顯微鏡裝置中的存儲由該裝置捕獲的圖像數(shù)據(jù)的諸如HDD (硬盤驅(qū)動(dòng)器)的存儲器的更新周期太短，而導(dǎo)致維護(hù)管理變得麻煩，并且由于諸如從顯微鏡裝置至數(shù)據(jù)存儲裝置的數(shù)據(jù)傳輸以及開發(fā)過程的瓶頸而導(dǎo)致成像速度變慢。
鑒于以上說明的情況，期望提供能改進(jìn)有效性并方便用戶的一種圖像采集設(shè)備、 圖像采集方法以及計(jì)算機(jī)程序。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了一種圖像采集設(shè)備，包括光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大成像目標(biāo)的部分；成像裝置，能執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光并且被配置為對由光學(xué)系統(tǒng)放大的部分成像；移動(dòng)控制器，被配置為在成像目標(biāo)部分的厚度方向上移動(dòng)物鏡的焦點(diǎn)；以及多個(gè)曝光處理單元，被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，使得針對由焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍，可獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像。
該范圍可以是小于等于光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度乘以曝光的重?cái)?shù)獲得的值的長度。
該多重曝光處理單元可在物鏡的焦點(diǎn)位置移動(dòng)的同時(shí)執(zhí)行成像裝置的多重曝光。
該多重曝光處理單元可橫跨多個(gè)位置使成像裝置連續(xù)曝光。
在每個(gè)范圍中連續(xù)曝光的多個(gè)位置可連續(xù)位于每個(gè)范圍中。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，本文提供了一種圖像采集方法，包括 通過移動(dòng)控制器在觀察目標(biāo)部分的厚度方向上移動(dòng)物鏡的焦點(diǎn)；由多重曝光處理單元在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，使得在由焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍中獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式，本文提供了一種使控制顯微鏡的計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序，該顯微鏡包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括用于放大成像目標(biāo)的一部分的物鏡，以及成像裝置，能夠執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光，并被配置為對由光學(xué)系統(tǒng)放大的部分進(jìn)行成像，該程序使計(jì)算機(jī)作為以下裝置操作移動(dòng)控制器，被配置為在成像目標(biāo)的一部分的厚度方向上移動(dòng)物鏡的焦點(diǎn)；以及多重曝光處理單元，被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光， 使得在由焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍中，獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像。
如以上說明，根據(jù)本發(fā)明，能夠提高效率并方便用戶。
如附圖中示出的，根據(jù)本發(fā)明的最佳形式的實(shí)施方式的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。


圖1是示出了典型的Z堆疊成像方法的示圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的成像方法的示圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖4是示出了圖3所示的圖像采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)處理單元的硬件結(jié)構(gòu)的框圖5是示出了圖4中所示的數(shù)據(jù)處理單元的功能結(jié)構(gòu)的框圖6是示出了將要由圖3中所示的圖像采集設(shè)備成像的區(qū)域的示圖7是示出了圖3中所示的圖像采集設(shè)備的各個(gè)單元在由圖像采集設(shè)備進(jìn)行Z堆疊成像時(shí)的操作的時(shí)序圖8是示出了由根據(jù)第一實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備獲取的Z堆疊與用于對比的典型Z堆疊的示圖9是示出了 Z堆疊、平均圖像與圖6中示出的待成像的區(qū)域的固定焦點(diǎn)圖像之間的關(guān)系的不圖10是示出了平均圖像和用于對比的固定焦點(diǎn)圖像的示圖11是示出了波長為540nm的綠光圖像的一般散焦特性的曲線圖12是示出了 4μπι范圍中的平均圖像的散焦特性的曲線圖13是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例I的時(shí)序圖
圖14是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例2的時(shí)序圖
圖15是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例3的時(shí)序圖；以及
圖16是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例4的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
以下將參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
(第一實(shí)施方式)
(1.根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備的概述)
圖1是示出了典型的Z堆疊成像方法的示圖。
例如，在諸如細(xì)胞涂片(cell smear slide)的較厚生物樣本的檢驗(yàn)中，在多個(gè)焦點(diǎn)位置(Zl、Z2、…Zn)處獲取其圖像，使得能夠發(fā)現(xiàn)可能存在于細(xì)胞I中的諸如細(xì)菌2的觀察目標(biāo)，而不會將其漏看。在多個(gè)焦點(diǎn)位置捕獲的多個(gè)圖像被統(tǒng)稱為“Z堆疊”。
同時(shí)，在顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)中使用具有盡可能高(例如，NA=O. 6至O. 8)的數(shù)值孔徑的物鏡。使用具有這種數(shù)值孔徑范圍的物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度約為1 μ m。在該情況下，理論上可通過將Z堆疊中的圖像之間的間隔設(shè)定至I μ m,以獲得三維覆蓋的整個(gè)生物樣本，而沒有重疊的Z堆疊。然而，為了執(zhí)行不漏看部分的觀察，期望生成在較短間隔下攝取的圖像，例如，以O(shè). 5μπι的間隔。
然而，隨著Z堆疊中的圖像之間的間隔變短，Z堆疊中的圖像的數(shù)量增加，由此其整個(gè)數(shù)據(jù)尺寸變得很大。如果在Z堆疊單元中的數(shù)據(jù)尺寸增加，則花費(fèi)較長時(shí)間來采集圖像，并導(dǎo)致存儲圖像的存儲成本以及包括存儲器的更新等的維護(hù)管理的成本增加。根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行圖像裝置的多重曝光，使得如圖2所示，可獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像，這些范圍由在焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置劃分。這里，范圍的長度被設(shè)定為使用物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度乘以曝光的重?cái)?shù)所獲得的長度， 或被設(shè)定為短于該長度。
更具體地，例如，根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備在多個(gè)連續(xù)焦點(diǎn)位置(這些焦點(diǎn)位置在參考使用物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度而被預(yù)設(shè)的多個(gè)焦點(diǎn)位置(Zl、Ζ2、. . . Zn)中) 處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，或橫跨多個(gè)連續(xù)的連續(xù)焦點(diǎn)位置連續(xù)地執(zhí)行成像裝置的曝光，由此獲得平均圖像。因此，獲得了在其中對觀察目標(biāo)整體成像的Z堆疊，同時(shí)Z堆疊中的圖像數(shù)量減少。
以下將詳細(xì)說明根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備。
應(yīng)當(dāng)注意，在本實(shí)施方式中將說明通過在兩個(gè)連續(xù)的焦點(diǎn)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光獲取上述的平均圖像的圖像采集設(shè)備。
(2.圖像采集設(shè)備的結(jié)構(gòu))
圖3是示出了根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100的結(jié)構(gòu)的示圖；該圖像采集設(shè)備100包括顯微鏡10和數(shù)據(jù)處理單元20。
該顯微鏡10包括鏡臺11、光學(xué)系統(tǒng)12、光源單元13、成像裝置14、光源驅(qū)動(dòng)單元 15、鏡臺驅(qū)動(dòng)單兀16和攝像控制器(camera controller) 17。鏡臺11具有放置作為成像目標(biāo)的諸如組織塊、細(xì)胞、或著色體的生物樣本SPL的表面。鏡臺11被構(gòu)造為可在平行于表面的方向(X軸方向和I軸方向)以及垂直于表面的方向(Z軸方向)上移動(dòng)。
應(yīng)當(dāng)注意，生物樣本SPL通過預(yù)定的固定技術(shù)被固定至玻璃載片SG,并且在本實(shí)施方式中被適當(dāng)?shù)刂Ｔ撝粌H包括由HE (蘇木精-伊紅)著色法、姬姆薩著色法、巴氏著色法等作為典型的一般著色技術(shù)，還包括熒光著色技術(shù)，包括FISH (熒光原位雜交)、酶標(biāo)記抗體法等。
光學(xué)系統(tǒng)12被布置在鏡臺11的一側(cè)，而光源單元13被布置在鏡臺11的另一側(cè)。
光源單元13在光源驅(qū)動(dòng)單元15的控制下發(fā)射光，以通過被設(shè)置為穿過鏡臺11的開口，將光施加至放置在鏡臺11的一個(gè)表面上的生物樣本SPL。光源單元13例如包括發(fā)射白光并用作光源13A的白色LED (發(fā)光二極管)。該光源單元13包括將光源13A發(fā)射的光轉(zhuǎn)換為基本平行的光并使用該光作為生物樣本SPL的照明光的聚光透鏡13B。
光學(xué)系統(tǒng)12通過物鏡12A和成像透鏡12B將由照明光獲得的生物樣本SPL的一 部分的圖像放大至預(yù)定的放大倍率。通過物鏡12A和成像透鏡12B放大的圖像形成在成像 裝置14的成像表面上。能同時(shí)曝光對應(yīng)于所有像素(諸如CCD (電荷耦合器件)圖像傳感 器和CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器)的發(fā)光單元的成像裝置被用作成像裝置 14。
光源驅(qū)動(dòng)單元15包括至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，其基于來自數(shù)據(jù)處理單元20的閃光發(fā) 射命令SI將恒定驅(qū)動(dòng)電流施加至光源單元13的光源13A并使光源13A發(fā)射光。
鏡臺驅(qū)動(dòng)單元16基于來自數(shù)據(jù)處理單元20的存儲控制信號S2，提供用于驅(qū)動(dòng)鏡 臺11的X軸、y軸、和Z軸三個(gè)方向的鏡臺驅(qū)動(dòng)電流，并在三個(gè)軸方向上移動(dòng)鏡臺11。攝像 控制器17基于來自數(shù)據(jù)處理單元20的曝光控制信號S3控制成像裝置14。該攝像控制器 17關(guān)于對應(yīng)于從成像裝置14讀取的信號執(zhí)行A/D (模擬到數(shù)字)轉(zhuǎn)換，并將由此獲得的信 號提供給數(shù)據(jù)處理單元20。
數(shù)據(jù)處理單元20執(zhí)行由顯微鏡10的攝像控制器17供給的原始數(shù)據(jù)的開發(fā)處理、 開發(fā)的數(shù)據(jù)的縫合處理等，以生成生物樣本圖像，并將該生物樣本圖像編碼為諸如JPEG(聯(lián) 合圖像專家組)的預(yù)定壓縮形式的數(shù)據(jù)以用于存儲。此外，數(shù)據(jù)處理單元20基于預(yù)定的程 序執(zhí)行計(jì)算處理，以用于控制光源驅(qū)動(dòng)單元15、鏡臺驅(qū)動(dòng)單元16以及攝像控制器17。
(3.數(shù)據(jù)處理單元的結(jié)構(gòu))
接下來，將說明數(shù)據(jù)處理單元20的結(jié)構(gòu)。
圖4是示出了數(shù)據(jù)處理單元20的硬件結(jié)構(gòu)的框圖。
數(shù)據(jù)處理單元20包括執(zhí)行計(jì)算控制的CPU (中央處理單元)21、R0M (只讀存儲器) 22 JtSCPU 21的工作存儲器的RAM(隨機(jī)存取存儲器)23、輸入與用戶的操作對應(yīng)的命令的 操作輸入單元24、接口單元25、顯示器26、存儲器27以及將這些部件相互連接的總線28。
ROM 22存儲用于執(zhí)行各種類型的處理的程序。接口單元25與顯微鏡10相連接。
液晶顯示器、EL (電致發(fā)光)顯示器、等離子顯示器等被應(yīng)用于顯示器26。光盤、 半導(dǎo)體存儲器、或由HDD (硬盤驅(qū)動(dòng)器)代表的磁盤被應(yīng)用于存儲器27。
除了存儲在ROM 22中的多個(gè)程序，CPU 21在RAM中開發(fā)了對應(yīng)于由操作輸入單元 24給定的指令的程序，并且根據(jù)開發(fā)的程序適當(dāng)?shù)乜刂骑@示器26和存儲器27。此外，CPU 21根據(jù)在RAM 23中形成的程序通過接口單元25適當(dāng)?shù)乜刂骑@微鏡10的單元。
(4.用于生物樣本圖像的采集處理)
接下來，將說明根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100中的生物樣本圖像的采集處理。
當(dāng)從操作輸入單元24接收到采集生物樣本SPL的命令時(shí)，CPU 21在RAM 23中形 成對應(yīng)于采集命令的程序。
如圖5所示，根據(jù)與生物樣本SPL的圖像的采集命令對應(yīng)的程序，CPU 21用作 鏡臺控制器31 (移動(dòng)控制器)、曝光控制器32 (多重曝光處理單元)、頻閃控制器(strobe controller) 33 (多重曝光處理單元)、圖像采集單元34、顯像處理單元(development processing unit) 35、圖像壓縮單元36、以及圖像記錄單元37。
例如，如圖6所示，根據(jù)物鏡12A和成像透鏡12B的放大倍率，鏡臺控制器31將多 個(gè)小區(qū)域AR分配給生物樣本SPL的待成像區(qū)域(以下也被稱為樣本區(qū)域)PR。
鏡臺控制器31移動(dòng)鏡臺11，使得待由成像裝置14成像的區(qū)域例如位于多個(gè)小區(qū)域AR中左上方的小區(qū)域AR中。
此后，如圖6所示，針對位于左上方的小區(qū)域AR，如下執(zhí)行用于在多個(gè)焦點(diǎn)位置 (Z1、Z2、一Zn)處獲取多個(gè)圖像作為Z堆疊的處理。應(yīng)當(dāng)注意，參考利用物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度確定了多個(gè)焦點(diǎn)位置(Z1、Z2、…Zn)。在本實(shí)施方式中，焦點(diǎn)位置之間的間隔被設(shè)定為與包括物鏡12A的光學(xué)系統(tǒng)12的焦點(diǎn)深度相同。然而，在本發(fā)明中，焦點(diǎn)位置之間的間隔僅需被設(shè)定為光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度以下。
圖7是圖像采集設(shè)備100在Z堆疊成像時(shí)的各個(gè)單元的操作的時(shí)序圖。該時(shí)序圖示出了每次光照射的開/關(guān)定時(shí)、成像裝置14的曝光、以及以上文陳述的順序鏡臺11在z 軸方向上的移動(dòng)。
(在起始的兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2處的多重曝光)
該鏡臺控制器31首先設(shè)定鏡臺11在z軸方向上的位置，以形成第一焦點(diǎn)位置Zl 處的焦點(diǎn)。
曝光控制器32將曝光控制信號S3提供給攝像控制器17，以使顯微鏡10中的成像裝置14進(jìn)入曝光可行的狀態(tài)，該狀態(tài)為可捕獲圖像的狀態(tài)。攝像控制器17 —接收到曝光控制信號S3，就設(shè)定成像裝置14在由光源單元13進(jìn)行光照射之前進(jìn)入曝光可行的狀態(tài) (Tl)。
在成像裝置14進(jìn)入可獲得曝光的狀態(tài)后，數(shù)據(jù)處理單元20中的頻閃控制器33將頻閃發(fā)射命令SI提供給光源驅(qū)動(dòng)單元15，以使光源單元13發(fā)射預(yù)定量的光。由此執(zhí)行成像裝置14在焦點(diǎn)位置Zl處的所有像素同時(shí)曝光(第一曝光)(T2)。
此處，成像裝置14的每個(gè)像素值通常由攝像控制器17接收，然后被傳輸至數(shù)據(jù)處理單元20。然而，在該實(shí)施方式中，曝光控制器32保持成像裝置14在可獲得曝光的狀態(tài)。
在成像裝置14的第一曝光之后，數(shù)據(jù)處理單元20的鏡臺控制器31將鏡臺控制信號S2提供給鏡臺驅(qū)動(dòng)單元16，從而移動(dòng)焦點(diǎn)位置至焦點(diǎn)位置Z2 (T3)。當(dāng)鏡臺11移動(dòng)至焦點(diǎn)位置Z2完成之后，鏡臺控制器31將鏡臺11停止(T4)。此后，頻閃控制器33將頻閃發(fā)射命令SI提供給光源驅(qū)動(dòng)單元15，從而使光源單元13再次發(fā)射光。使得執(zhí)行了成像裝置 14在焦點(diǎn)位置Z2處的曝光(第二曝光)(T5)。
這里，由于焦點(diǎn)位置Zl處的曝光，電荷已被累積在成像裝置14的所有像素的發(fā)光單元中。因此，通過焦點(diǎn)位置Z2處的曝光，在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2的每個(gè)位置處由光電轉(zhuǎn)換獲得的電荷被添加至每個(gè)像素并累積在成像裝置14的所有像素的發(fā)光單元中。換句話說，成像裝置14在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2處進(jìn)行多重曝光，使得在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2 處的圖像被組合成一個(gè)平均圖像。
在成像裝置14的第二曝光(在焦點(diǎn)位置Z2處的曝光)完成之后，曝 光控制器32將曝光控制信號S3提供給攝像控制器17，以從成像裝置14接收所有像素的數(shù)據(jù)。攝像控制器17根據(jù)T6至T7時(shí)間段期間的曝光控制信號S3接收對應(yīng)于被累積在成像裝置14的所有像素的每個(gè)發(fā)光單元中的電荷的電壓信號。然后，攝像控制器17將所有像素的數(shù)據(jù)(其是通過經(jīng)過諸如A/D轉(zhuǎn)換的必要信號處理生成)作為圖像原始數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元20 的曝光控制器32。由此，完成了通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2處對平均圖像進(jìn)行多重曝光的成像。
(在隨后的兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z3和TA處的多重曝光)
接下
接著，在隨后的兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z3和TA處利用多重曝光相似地執(zhí)行成像。換句話說，當(dāng)從之前的兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2經(jīng)過曝光的成像裝置14中完全獲取了圖像時(shí)，曝光控制器32將曝光控制信號S3提供給攝像控制器17，以使成像裝置14進(jìn)入可再次曝光狀態(tài) (T8)。
—旦完成成像裝置的第二次曝光(在焦點(diǎn)位置Z2處的曝光)(T6)，鏡臺控制器31 將鏡臺控制信號S2提供給鏡臺驅(qū)動(dòng)單元16，從而使鏡臺11移動(dòng)至下一焦點(diǎn)位置Z3。鏡臺 11移動(dòng)至下一焦點(diǎn)位置Z3 —旦完成，鏡臺控制器31就將鏡臺11停止(T9)。
當(dāng)成像裝置14進(jìn)入可曝光的狀態(tài)并且鏡臺11移動(dòng)至下一焦點(diǎn)位置Z3完成，頻閃控制器33再一次將頻閃發(fā)射命令SI提供給光源驅(qū)動(dòng)單元15，從而使光源13發(fā)射光。從而執(zhí)行成像裝置14在下一焦點(diǎn)位置Z3處的第一次曝光(T10)。
曝光控制器32在光源單元13照射光至生物樣本SPL之后保持成像裝置14處于曝光可行的狀態(tài)。在光源單元發(fā)射光完成之后，數(shù)據(jù)處理單元31的鏡臺控制器31將鏡臺控制信號S2提供給鏡臺驅(qū)動(dòng)單元16，從而將鏡臺11移動(dòng)至下一焦點(diǎn)位置Z4。當(dāng)鏡臺11 移動(dòng)至下一焦點(diǎn)位置Z4完成之后，鏡臺控制器31將鏡臺11停止(T11)。
此后，頻閃控制器33將頻閃發(fā)射命令SI提供給光源驅(qū)動(dòng)單元15，從而使光源單元13再次發(fā)射光。由此執(zhí)行成像裝置14在下一焦點(diǎn)位置Z4處的第二次曝光(T12)。在成像裝置14的第二曝光(焦點(diǎn)位置TA處的曝光)完成之后，曝光控制器32將曝光控制信號 S3提供給攝像控制器17，以從成像裝置14接收所有像素的數(shù)據(jù)。攝像控制器17根據(jù)T13 至T14時(shí)間段期間的曝光控制信號S3接收對應(yīng)于被累積在成像裝置14的所有像素的每個(gè)發(fā)光單元中的電荷的電壓信號。然后，攝像控制器17將所有像素的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(通過經(jīng)過諸如A/D轉(zhuǎn)換的必要信號處理生成)作為圖像原始數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元20的曝光控制器 32。由此，完成了通過在隨后的兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z3和TA進(jìn)行二重曝光的平均圖像采集。
并且在以上提到的位置之后的焦點(diǎn)位置中，相似地重復(fù)進(jìn)行通過多重曝光的平均圖像采集。
由如上所述的那樣獲取的多個(gè)平均圖像組成的Z堆疊比通過在每個(gè)焦點(diǎn)位置處使成像裝置曝光一次的傳統(tǒng)方法所獲得的Z堆疊具有明顯更少數(shù)量的圖像。此外，由于每個(gè)圖像是通過成像裝置14在兩個(gè)焦點(diǎn)位置處二重曝光獲得的平均圖像，如果使用物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度大于兩個(gè)焦點(diǎn)位置之間的間隔，則可獲得將觀察目標(biāo)整體成像的Z堆疊。
圖8是示出了由根據(jù)該實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100所采集的平均圖像和用于對比的典型Z堆疊中的固定焦點(diǎn)圖像的示圖。
典型的Z堆疊中的固定焦點(diǎn)圖像是通過在焦點(diǎn)位置Z1、Z2、· . .、Z10、…(見圖1) 處以0. 5 μ m的成像間隔進(jìn)行成像所獲得的圖像。應(yīng)當(dāng)注意，這些固定焦點(diǎn)圖像均對應(yīng)于通過如圖9所示的成像裝置14捕獲的圖像的一部分BR (圖6的小區(qū)域AR)。
另一方面，平均圖像Z1-Z2是通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Zl和Z2處二重曝光獲得的圖像。平均圖像Z3-Z4是通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z3和Z4處二重曝光獲得的圖像。平均圖像 Z5-Z6是通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z5和Z6處二重曝光獲得的圖像。平均圖像Z7-Z8是通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置Z7和Z8處二重曝光獲得的圖像。平均圖像Z9-Z10是通過在兩個(gè)焦點(diǎn)位置 Z9和ZlO處二重曝光獲得的圖像。
從平均圖像和固定焦點(diǎn)圖像的對比中可發(fā)現(xiàn)，平均圖像的圖像質(zhì)量由于二重曝光而稍微次于與其相對應(yīng)的固定焦點(diǎn)圖像，但可以說，該較低的圖像質(zhì)量不會影響生物樣本的觀察。
平均圖像不僅是通過在兩個(gè)連續(xù)的焦點(diǎn)位置Z3和Z4處二重曝光獲得的圖像，而且是通過在三個(gè)焦點(diǎn)位置或更多位置處多重曝光獲得的圖像。在圖8中，平均圖像Z1-Z4 是通過在四個(gè)焦點(diǎn)位置Z1、Z2、Z3和Z4處多重曝光所獲得的圖像。平均圖像Z5-Z8是通過在四個(gè)焦點(diǎn)位置Z5、Z6、Z7和Z8處多重曝光所獲得的圖像。平均圖像Z9-Z12是通過在四個(gè)焦點(diǎn)位置Z9、Z10、Zll和Z12處多重曝光獲得的圖像。
以此方式，已經(jīng)確認(rèn)，針對通過在四個(gè)連續(xù)焦點(diǎn)位置處多重曝光獲得的平均圖像， 而獲得了不影響生物樣本觀察的圖像質(zhì)量。作為參考，在圖10中示出了通過在四個(gè)連續(xù)焦點(diǎn)位置處多重曝光獲得的平均圖像，以與這四個(gè)焦點(diǎn)位置處的固定焦點(diǎn)圖像相對比。
接下來將說明通過圖像采集設(shè)備100獲得的平均圖像的圖像質(zhì)量滿足用于生物樣本的觀察的原因。
圖11是示出了當(dāng)用NA為O. 8的物鏡觀察波長為540nm的綠光(其是從微細(xì)發(fā)光點(diǎn)發(fā)射的)時(shí)所獲得的亮點(diǎn)圖像(bright-spot image)的散焦特性的曲線圖。
在該曲線圖中，縱軸代表計(jì)數(shù)值(亮度計(jì)數(shù))，表示通過對信息計(jì)算所獲得的每個(gè)像素的亮度，水平軸代表成像器(imager)上的像素，并且曲線圖中的多條線代表光軸的移動(dòng)量和每個(gè)散焦量的計(jì)數(shù)值之間的相關(guān)性。應(yīng)當(dāng)注意，計(jì)數(shù)值(亮度計(jì)數(shù))為亮度的指數(shù)值 (對比)。以此方式，可以發(fā)現(xiàn)，在波長為540nm的綠光的圖像的散焦特性中，亮度(對比度) 在散焦量超過2 μ m的點(diǎn)周圍急劇降低。
圖12是示出了在范圍為4μπι的平均圖像的散焦特性。虛線代表固定焦點(diǎn)圖像的散焦特性，而其他實(shí)線代表范圍為4 μ m的平均圖像的散焦特性。具體地，平均圖像A是范圍從焦點(diǎn)位置至焦點(diǎn)位置下方的位置4 μ m的平均圖像，平均圖像B是范圍從焦點(diǎn)位置至焦點(diǎn)位置上方的位置4 μ m的平均圖像，平均圖像C是在范圍從焦點(diǎn)位置下方的位置3 μ m至焦點(diǎn)位置上方的位置I μ m的平均圖像，平均圖像D是范圍從焦點(diǎn)位置下方的位置I μ m至焦點(diǎn)位置上方的位置3 μ m的平均圖像，并且平均圖像E是范圍從焦點(diǎn)位置上方的位置2 μ m 至焦點(diǎn)位置下方的位置2 μ m的平均圖像。平均圖像A和平均圖像B的散焦特性基本相同， 因此它們由一條實(shí)線代表。相似地，平均圖像C和平均圖像D的散焦特性基本相同，因此它們由一條實(shí)線代表。
對比圖11和圖12，范圍為4μπι的平均圖像的亮度與當(dāng)散焦量為I μ m時(shí)的平均圖像的亮度(對比)相似，這可滿足用于生物樣本的觀察。
如上所述，通過根據(jù)本實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100，獲得了在其中對觀察目標(biāo)整體成像的包含較少圖像數(shù)量的Z堆疊，同時(shí)實(shí)際確保了滿意 的圖像質(zhì)量。由此，延長了諸如 HDD (硬盤驅(qū)動(dòng)器)的存儲器的更新周期，該存儲器包含在用于存儲捕獲的圖像的數(shù)據(jù)的裝置，并且降低了麻煩的維護(hù)管理。另外，圖像采集速度得以改進(jìn)。
(修改例I)
接下來將說明以上所述的實(shí)施方式的修改例。
圖13是示出了在Z堆疊成像時(shí)間的操作時(shí)的修改例I的時(shí)序圖。
修改例I中的圖像采集設(shè)備被配置為連續(xù)地移動(dòng)鏡臺11，即，通過根據(jù)以上說明 的實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100連續(xù)地改變Z堆疊成像操作中的焦點(diǎn)位置。期望鏡臺11 的移動(dòng)速度至少在曝光期間是恒定的。
通過該方法，可省略將鏡臺11設(shè)定為靜止的時(shí)間，使得整體的Z堆疊成像的時(shí)間 變短。應(yīng)當(dāng)注意，修改例I的圖像采集設(shè)備的操作基本與根據(jù)以上說明的實(shí)施方式的圖像 采集設(shè)備100的操作相同，除了鏡臺11不是停止的。以上說明的實(shí)施方式的效果也可通過 修改例I產(chǎn)生。
(修改例2)
圖14是示出了 Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例2的時(shí)序圖。
修改例2中的圖像采集設(shè)備被配置為設(shè)定光照射時(shí)間，以除了連續(xù)移動(dòng)鏡臺11之 外，橫跨多個(gè)連續(xù)的焦點(diǎn)位置使成像裝置14連續(xù)地曝光。修改例2中的圖像采集設(shè)備的其 他操作與修改例I中的圖像采集設(shè)備的操作基本相同。以上所述的實(shí)施方式的效果還可通 過修改例2產(chǎn)生。此外，通過成像裝置14橫跨連續(xù)焦點(diǎn)位置的連續(xù)曝光，與以上說明的修 改例I相比，可能漏看觀察目標(biāo)的一部分以及被保持為不被成像的可能性進(jìn)一步降低。
(修改例3)
圖15是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例3的時(shí)序圖。
實(shí)例3中的圖像采集設(shè)備被配置為在成像裝置14橫跨多個(gè)連續(xù)焦點(diǎn)位置進(jìn)行曝 光期間，以比焦點(diǎn)位置之間間隔稍短的周期在光源單元13的光照射的開和關(guān)之間重復(fù)地 切換。根據(jù)以上所述的實(shí)施方式的圖像采集設(shè)備100的效果和修改例2的圖像采集設(shè)備的 效果也可通過修改例3產(chǎn)生。此外，根據(jù)修改例3，曝光時(shí)間通過選擇光照射的占空比進(jìn)行 調(diào)節(jié)。
(修改例4)
圖16是示出了在Z堆疊成像時(shí)的操作的修改例4的時(shí)序圖。
修改例4中的圖像采集設(shè)備使由光源單元13的光照射的定時(shí)和鏡臺11的移動(dòng)定 時(shí)彼此同步，并在Z堆疊中每個(gè)間隔處轉(zhuǎn)換鏡臺11的移動(dòng)和停止，從而使待連續(xù)曝光的位 置連續(xù)地位于每個(gè)范圍中(參見圖2)。具體地，鏡臺控制器11控制鏡臺11在一個(gè)曝光期間 從焦點(diǎn)位置Zl移動(dòng)至焦點(diǎn)位置Z2。一旦曝光完成，鏡臺控制器31就停止鏡臺11并控制鏡 臺11在下一曝光期間從焦點(diǎn)位置Z2移動(dòng)至焦點(diǎn)位置Z3。根據(jù)修改例4，由于執(zhí)行了涵蓋 z軸方向上所有范圍的成像，因此與以上說明的實(shí)施方式和修改例相比，更進(jìn)一步降低了忽 略觀察目標(biāo)部分的可能性以及保持未成像的可能性。
盡管已經(jīng)描述了執(zhí)行傳輸?shù)恼彰鲌D像的成像的圖像采集設(shè)備，不用說，本發(fā)明可 相似地應(yīng)用于使用暗場光源捕獲熒光圖像的裝置。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明可采取以下結(jié)構(gòu)。
(I) 一種圖像采集設(shè)備，包括
光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大成像目標(biāo)的一部分的物鏡；
成像裝置，能夠執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光，并且被配置為對由光學(xué)系統(tǒng)放大的一部 分進(jìn)行成像；
移動(dòng)控制器，被配置為在成像目標(biāo)的一部分的厚度方向上移動(dòng)物鏡的焦點(diǎn)；以及
多重曝光處理單元，被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，使得針對由焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍，可獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像。
( 2 )根據(jù)(I)所述的圖像采集設(shè)備，其中
范圍的長度小于等于光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度乘以曝光的重?cái)?shù)所獲得的值。
( 3 )根據(jù)(I)或(2 )所述的圖像采集設(shè)備，其中
多重曝光處理單元在物鏡焦點(diǎn)位置移動(dòng)的同時(shí)執(zhí)行成像裝置的多重曝光。
( 4 )根據(jù)(I)或(2 )所述的圖像采集設(shè)備，其中
該多重曝光處理單元橫跨多個(gè)位置使成像裝置連續(xù)地曝光。
( 5 )根據(jù)(4 )所述的圖像采集設(shè)備，其中
在每個(gè)范圍中連續(xù)曝光的多個(gè)位置連續(xù)位于每個(gè)范圍中。
本發(fā)明包含于2011年10月5日向日本專利局提交的日本優(yōu)先專利申請JP 2011-220773所涉及的主題，其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可進(jìn)行各種修改、組合、 變化和改變，只要它們在所附權(quán)利要求或其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種圖像采集設(shè)備，包括 光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大成像目標(biāo)的一部分的物鏡； 成像裝置，能夠執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光，并且被配置為對由所述光學(xué)系統(tǒng)放大的所述部分進(jìn)行成像； 移動(dòng)控制器，被配置為在所述成像目標(biāo)的所述部分的厚度方向上移動(dòng)所述物鏡的焦點(diǎn)；以及 多重曝光處理單元，被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行所述成像裝置的多重曝光，使得針對由所述焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍，獲得覆蓋每個(gè)所述范圍的平均圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像采集設(shè)備，其中， 所述范圍的長度小于等于所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度乘以所述曝光的重?cái)?shù)獲得的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像采集設(shè)備，其中， 所述多重曝光處理單元在移動(dòng)所述物鏡的焦點(diǎn)位置的同時(shí)執(zhí)行所述成像裝置的多重曝光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像采集設(shè)備，其中， 所述多重曝光處理單元跨越所述多個(gè)位置使所述成像裝置連續(xù)地曝光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像采集設(shè)備，其中， 在每個(gè)所述范圍中連續(xù)曝光的所述多個(gè)位置連續(xù)位于每個(gè)所述范圍中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像采集設(shè)備，其中， 所述多個(gè)位置的間隔被設(shè)定為小于等于所述光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)深度。
7.ー種圖像采集方法，包括 通過移動(dòng)控制器在觀察目標(biāo)的一部分的厚度方向上移動(dòng)物鏡的焦點(diǎn)；以及通過多重曝光處理單元在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，使得在由所述焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍中，獲得覆蓋每個(gè)所述范圍的平均圖像。
8.一種使控制顯微鏡的計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序，所述顯微鏡包括 光學(xué)系統(tǒng)，包括用于放大成像目標(biāo)的一部分的物鏡，以及 成像裝置，能夠執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光，并且被配置為對由所述光學(xué)系統(tǒng)放大的所述部分進(jìn)行成像，所述程序使所述計(jì)算機(jī)作為以下裝置運(yùn)行 移動(dòng)控制器，被配置為在所述成像目標(biāo)的所述部分的厚度方向上移動(dòng)所述物鏡的焦點(diǎn)；以及 多重曝光處理單元，被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行所述成像裝置的多重曝光，使得在由所述焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍中，獲得覆蓋每個(gè)所述范圍的平均圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像采集設(shè)備、圖像采集方法以及計(jì)算機(jī)程序，該圖像采集設(shè)備包括光學(xué)系統(tǒng)、成像裝置、移動(dòng)控制器、以及多重曝光處理單元。光學(xué)系統(tǒng)包括用于放大成像目標(biāo)的一部分的物鏡。成像裝置能執(zhí)行所有像素同時(shí)曝光并且被配置為對由所述光學(xué)系統(tǒng)放大的部分進(jìn)行成像。該移動(dòng)控制器被配置為在成像目標(biāo)的該部分的厚度方向上移動(dòng)所述物鏡的焦點(diǎn)。該多重曝光處理單元被配置為在多個(gè)位置處執(zhí)行成像裝置的多重曝光，使得針對由焦點(diǎn)可移動(dòng)的方向上的位置所劃分的每個(gè)范圍，而獲得覆蓋每個(gè)范圍的平均圖像。
文檔編號H04N5/235GK103033921SQ20121036229
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月5日
發(fā)明者木島公一朗, 成澤龍, 鈴木文泰 申請人:索尼公司