光検出装置および観察装置
【課題】Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより検出された光のゲインをセル毎に設定することができる光検出装置および観察装置を提供する。
【解決手段】標本Ａからの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器５２と、マルチセル光検出器５２により変換された電気信号を増幅する光検出回路５３とを備え、光検出回路５３が、各セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する入力部４４と、入力部４４により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算するＡＤデータ演算部とを備える光検出装置５０を採用する。
【解決手段】標本Ａからの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器５２と、マルチセル光検出器５２により変換された電気信号を増幅する光検出回路５３とを備え、光検出回路５３が、各セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する入力部４４と、入力部４４により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算するＡＤデータ演算部とを備える光検出装置５０を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料から発せられた蛍光をスペクトル成分に分割し、複数のセルを有するマルチセル光検出器によって各スペクトル成分を検出するレーザ走査型顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ走査型顕微鏡では、各セルにより検出した光を電子増倍機構により増倍させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５０６１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複数のセルを有するマルチセル光検出器は、増倍手段である電子増倍機構をセル毎に持つことが困難であるため、全セル共通あるいは複数セル共通でしか電子増倍機構を持つことができない。このため、特許文献１に開示されているレーザ走査型顕微鏡によれば、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合、一方の色素にしかマルチセル光検出器のゲインを合わせることができない。その結果、他方の色素は画像輝度として飽和あるいは低すぎる画像となり、同時に両色素の蛍光を最適なゲインで観測できないという不都合がある。
【０００５】
上記の不都合を解決するために、電子増倍機構以外のゲイン手段（例えば回路のアンプ）により、他方の色素の蛍光の輝度にゲインをかける方法が考えられる。しかしながら、この方法によれば、Ｓ／Ｎが低下してしまい、鮮明な画像を得ることができないという不都合がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより検出された光のゲインをセル毎に設定することができる光検出装置および観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、標本からの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器と、該マルチセル光検出器により変換された電気信号を増幅する増幅回路とを備え、該増幅回路が、各前記セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する設定部と、該設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算する積算部とを備える光検出装置である。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、標本からの光が、マルチセル光検出器の複数のセルにより検出され、セル毎に電気信号に変換される。各セルにより変換された電気信号は、増幅回路により増幅される。この場合において、増幅回路では、積算部により、各セルにより変換された電気信号のそれぞれについて、設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数が決定され、決定したサンプリング数の電気信号が積算される。
【０００９】
上記のように、各セルにより変換された電気信号を積算部によりそれぞれ増幅することで、各セルにより検出された光をセル毎に増幅することができる。これにより、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００１０】
上記態様において、各前記セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、前記積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各前記セルにより変換された電気信号を増幅するゲイン増幅部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、積算部による電気信号の増幅に加えて、ゲイン増幅部により各セルにより変換された電気信号を増幅することができる。この場合において、ゲイン増幅部により、積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅することで、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００１１】
上記態様において、前記設定部により設定された増幅率に応じて、前記サンプリング数と前記ゲインとを決定する増幅分担決定部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、増幅分担決定部により、設定部により設定された増幅率に応じて、積算部により積算するサンプリング数とゲイン増幅部により乗じるゲインとを決定して、各セルにより変換された電気信号を増幅することができる。このように積算部とゲイン増幅部とを併用することで、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００１２】
上記態様において、前記積算部により積算された複数の各前記セルの電気信号を合算する合算部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、合算部により、積算部により積算された各セルの電気信号を複数のセル分合算して、１つの電気信号として増幅して出力することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、上記の光検出装置と、標本からの光をスペクトル成分に分光する分光素子とを備え、各前記セルが、前記分光素子の分光方向に配列され、前記分光素子により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出する観察装置である。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、分光素子により、標本からの光をスペクトル成分に分光して、マルチセル光検出器の複数のセルにより、スペクトル成分毎にそれぞれ検出することができる。この場合において、前述のように、第１の態様に係る光検出器を備えることで、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより検出された光のゲインをセル毎に設定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の概略構成図である。
【図２】図１の光検出回路の機能ブロック図である。
【図３】図１のＡＤＣによるサンプリングのタイミングを説明する図である。
【図４】図３の積分電圧波形の拡大図である。
【図５】図１のレーザ走査型顕微鏡の動作を示すフローチャートである。
【図６】図１のＡＤデータ演算部によるゲインの算出方法を説明する図である。
【図７】図１のレーザ走査型顕微鏡の作用を説明するグラフである。
【図８】図１の変形例に係る光検出回路の機能ブロック図である。
【図９】図８のＡＤＣによるサンプリングのタイミングを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る顕微鏡について、図面を参照して説明する。
本実施形態では、本発明に係る光検出装置および観察装置をレーザ走査型顕微鏡に適用した例について説明する。
本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１は、レーザ光を標本に照射して標本において発生した蛍光を検出する顕微鏡であり、図１に示すように、レーザ光源装置１０と、顕微鏡本体２０と、光学系ユニット３０と、制御装置４０と、光検出装置５０とを主な構成要素として備えている。
【００１８】
レーザ光源装置１０は、レーザ光源１１，１２と、ミラー１３と、ダイクロイックミラー１４と、調光部１５とを備えている。
レーザ光源１１，１２は、互いに異なる波長のレーザ光を射出するようになっている。レーザ光源装置１０は、観察対象に応じて、これらレーザ光源からのレーザ光を同時に、あるいは切り替えて射出するようになっている。レーザ光源１１，１２は、例えば、標本Ａ中の観察対象に特異的に付着または発現する蛍光物質を励起させる励起光をそれぞれ射出するようになっている。
【００１９】
レーザ光源１１，１２の射出光軸上には、ミラー１３、ダイクロイックミラー１４がそれぞれ配置されている。また、ミラー１３およびダイクロイックミラー１４の反射方向には、調光部１５が配置されている。
【００２０】
ミラー１３は、レーザ光源１１からのレーザ光をダイクロイックミラー１４に向けて反射するようになっている。ダイクロイックミラー１４は、レーザ光源１１からのレーザ光を透過させる一方、レーザ光源１２からのレーザ光を調光部１５に向けて反射するようになっている。これにより、レーザ光源１１，１２からのレーザ光をそれぞれ調光部１５に導くようになっている。
【００２１】
調光部１５は、例えばＡＯＴＦ（音響光学フィルタ）であり、レーザ光源１１，１２からのレーザ光を回折させて、射出するレーザ光の波長を変化させることができるようになっている。
なお、本実施形態では、レーザ光源装置１０として、複数のレーザ光源を備えた例を説明したが、これに代えて、広帯域のレーザ光を射出可能なスーパーコンティニュムレーザ光源を用いてもよい。
【００２２】
顕微鏡本体２０は、標本Ａを載置するステージ２１と、ステージ２１に対向して配置された対物レンズ２２とを備えている。
対物レンズ２２は、レーザ光源装置１０からのレーザ光を標本Ａ上に照射する一方、標本Ａから発生した蛍光を集めるようになっている。
【００２３】
光学系ユニット３０は、ダイクロイックミラー３１と、スキャナ３２と、ミラー３３と、ピンホール３４と、レンズ３５，３６，３７，３８と、回折格子（分光素子）３９とを備えている。
レンズ３５，３６，３７，３８は、それぞれ、対物レンズ２２とミラー３３との間、ミラー３３とスキャナ３２との間、ダイクロイックミラー３１とピンホール３４との間、ピンホール３４と回折格子３９との間に配置されており、レーザ光源装置１０からのレーザ光および標本Ａからの蛍光を集光またはリレーするようになっている。
【００２４】
ダイクロイックミラー３１は、レーザ光源装置１０からのレーザ光を反射する一方、標本Ａからの蛍光を透過するようになっている。このような構成を有することで、ダイクロイックミラー３１は、レーザ光の光路と標本Ａからの蛍光の光路とを分岐するようになっている。
【００２５】
スキャナ３２は、例えば一対のガルバノミラーを有するガルバノスキャナであり、一対のガルバノミラーの角度を変化させ、ラスタスキャン方式で駆動されるようになっている。これにより、レーザ光源装置１０からのレーザ光を標本Ａ上において２次元的に走査させるようになっている。なお、スキャナ３２として、ガルバノスキャナに代えて、例えば共振スキャナやＡＯＤ（音響光学偏向素子）を採用することとしてもよい。
【００２６】
ミラー３３は、スキャナ３２により走査されたレーザ光を対物レンズ２２に向けて反射するようになっている。
ピンホール３４は、標本Ａ上におけるレーザ光の焦点位置から発生した蛍光のみを通過させるようになっている。すなわち、対物レンズ２２により集められてスキャナ３２およびダイクロイックミラー３１を透過した蛍光は、ピンホール３４を通過することによりレーザ光の焦点位置（測定点）から光軸方向にずれた位置からの光がカットされる。これにより、光軸方向に焦点位置と同一な面からの蛍光だけが回折格子３９に入射する。
【００２７】
回折格子３９は、標本Ａにおいて発生し、ピンホール３４を通過してきた蛍光を波長毎のスペクトル成分に分光し、分光したスペクトル成分を光検出装置５０（マルチセル光検出器５２）に入射させるようになっている。
【００２８】
光検出装置５０は、回折格子３９の後段に配置されたレンズ５１と、光を検出するセルが回折格子３９による分光方向に複数配列されたマルチセル光検出器５２と、マルチセル光検出器５２により検出された光（電気信号）を増幅する光検出回路（増幅回路）５３とを備えている。
レンズ５１は、回折格子３９により分光されたスペクトル成分を、マルチセル光検出器５２の各セルに入射させるようになっている。
【００２９】
マルチセル光検出器５２は、例えば３２個のセルが回折格子３９による分光方向に配列された３２セルＰＭＴ（Photomultiplier Tube）であり、回折格子３９により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出し、検出したスペクトル成分をその輝度に応じた電気信号へ変換するようになっている。
【００３０】
マルチセル光検出器５２の各セルには、波長毎に分割されたスペクトル成分、すなわち異なる波長の光が入射される。マルチセル光検出器５２から光検出回路５３へは、輝度に応じた電気信号が出力され、光検出回路５３からマルチセル光検出器５２へは、マルチセル光検出器５２の増幅率についての制御信号が出力される。
【００３１】
光検出回路５３は、図２に示すように、アンプ５５と、コンデンサ５６と、スイッチ５７と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）５８と、集積回路６４と、通信Ｉ／Ｆ６１と、メモリ６２と、ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）６３とを備えている。
集積回路６４は、ＡＤデータ演算部（積算部、ゲイン増幅部）５９と、セルデータ加算部（合算部）６０とを備えている。
【００３２】
アンプ５５、コンデンサ５６、スイッチ５７、ＡＤＣ５８、およびＡＤデータ演算部５９は、マルチセル光検出器５２のセル毎に設けられている。図２に示す例では、光検出回路５３を３２セルＰＭＴとしているため、３２セル分のアンプ５５、コンデンサ５６、スイッチ５７、ＡＤＣ５８、およびＡＤデータ演算部５９が、各セルの後段に設けられている。
【００３３】
アンプ５５には、マルチセル光検出器５２の各セルから電気信号、すなわち、各セルにおいて検出したスペクトル成分が光電変換された電気信号が出力される。
コンデンサ５６およびスイッチ５７は、マルチセル光検出器５２の各セルについて、アンプ５５と並列に接続されている。
【００３４】
このような構成とすることで、アンプ５５は、コンデンサ５６に蓄積された電荷に応じて積分された電圧波形（積分電圧波形）をＡＤＣ５８に出力するようになっている。また、集積回路６４から出力されるリセット信号によりスイッチ５７を閉じることで、コンデンサ５６に蓄積された電荷をリセットし、アンプ５５からの積分電圧波形をリセットするようになっている。なお、集積回路６４からのリセット信号は、アンプ５５が１画素分の電気信号を積算した際に出力される。
【００３５】
アンプ５５の後段にはＡＤＣ５８が設けられている。ＡＤＣ５８は、アンプ５５からの積分電圧波形をＡＤ変換して、変換したデータをＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。ＡＤＣ５８には、集積回路６４からサンプリングを指令するＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの積分電圧波形をサンプリングするようになっている。
【００３６】
具体的には、図３に示すように、集積回路６４からのリセット信号の出力期間Ｔ１以外、すなわちアンプ５５の積分期間Ｔ２において、集積回路６４からＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。そして、ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの積分電圧波形をサンプリングして、ＡＤデータとしてＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。
【００３７】
ここで、アンプ５５からの積分電圧波形は、一次関数的な直線になるのではなく、図４に示すように、実際には回路系のノイズにより上下に振幅した形になる。そのため、同じ大きさの電気信号が各セルから入力され、同じタイミングでサンプリングを行っても、サンプリング結果の再現性が得られない。これが、画素間の輝度ばらつきを引き起こし、画像のＳ／Ｎ劣化を引き起こす原因となる。
【００３８】
そこで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１では、１画素内のサンプリング回数を増やし、サンプリングした電気信号を平均化する。これにより、アンプ５５からの積分電圧波形のノイズ成分による、画素間の輝度ばらつきを低減することができ、画像のＳ／Ｎを向上することができる。特に、積分方式では、アンプ５５による積分のリセット時に高帯域の電気信号が必要であり、電気信号の帯域を落としてＳ／Ｎを向上することができないため、上記の方法が有効である。また、１画素内のサンプリング回数を増やすことで、Ｓ／Ｎを向上するだけでなく、電気信号の増幅も兼ねることができる。
【００３９】
ＡＤデータ演算部５９は、後述するように、制御部４１により決定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算するようになっている。
【００４０】
また、ＡＤデータ演算部５９は、後述するように、各セルにより変換された電気信号に制御部４１により決定されたゲインを乗じて、サンプリングの積算による増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅するようになっている。
【００４１】
セルデータ加算部６０は、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号を複数のセル分合算し、合算データ（ＣｈＡＤデータ）として通信Ｉ／Ｆ６１に出力するようになっている。セルデータ加算部６０は、観察対象に応じて合算するセルが選択される。なお、セルデータ加算部６０は、複数のセル分の電気信号を合算することなく、各セルからの電気信号をそのまま通信Ｉ／Ｆ６１に出力することとしてもよい。
【００４２】
通信Ｉ／Ｆ６１は、スキャナ３２の同期信号（同期ＣＬＫ）を集積回路６４に出力するとともに、セルデータ加算部６０からの合算データを制御部４１に出力するようになっている。
メモリ６２には、観察対象毎の観察条件が記憶されており、例えば観察対象と合算するセルとが対応付けられて記憶されている。
【００４３】
ＤＡＣ６３は、集積回路６４からの指令に基づいて、マルチセル光検出器５２の全セルのゲインを一括して増幅させるための信号（ＰＭＴ電子増倍ゲイン可変信号）をマルチセル光検出器５２に出力するようになっている。
【００４４】
制御装置４０は、各部を制御する制御部（増幅分担決定部）４１と、光検出装置５０からの電気信号とスキャナ３２の走査位置とに基づいて画像を生成するＰＣ４２と、ＰＣ４２により生成された画像を表示するモニタ４３と、画像生成のための各種の条件を入力する入力部（設定部）４４とを備えている。
入力部４４に入力される条件は、例えば、観察対象や、合算するセルや、各セルにより変換された電気信号の増幅率である。
【００４５】
制御部４１は、入力部４４により設定された増幅率に応じて、ＡＤデータ演算部５９により積算するサンプリング数と、ＡＤデータ演算部５９により乗じるゲインとを決定する。そして、制御部４１は、決定したサンプリング数の電気信号を積算させるとともに、決定したゲインで各セルにより変換された電気信号を増幅させるように、ＡＤデータ演算部５９を制御する。
【００４６】
上記構成を有するレーザ走査型顕微鏡１の作用について以下に説明する。
レーザ光源装置１０から出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー３１によりそれぞれ反射されてスキャナ３２に入射し、スキャナ３２により標本Ａ上において２次元的に走査される。スキャナ３２により走査されたレーザ光は、対物レンズ２２に入射し、ステージ２１上に載置された標本Ａ上に集光される。標本Ａの焦点面においては、レーザ光により標本Ａ内の蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。
【００４７】
標本Ａから発せられた蛍光は、対物レンズ２２により集められ、スキャナ３２およびダイクロイックミラー３１を通過して、レンズ３７によりピンホール３４に集光される。ピンホール３４では、標本Ａの焦点面において発生した蛍光のみを通過させ、レーザ光の焦点位置（測定点）に対して光軸方向にずれた位置からの光がカットされる。これにより、光軸方向に測定点と同一な面からの蛍光だけが回折格子３９に入射される。
【００４８】
回折格子３９に入射した蛍光は、波長毎のスペクトル成分に分解される。分解されたスペクトル成分は、マルチセル光検出器５２の各セルに入射し、各セルによりそれぞれの波長成分の輝度に応じた電気信号に変換される。これらの電気信号は、光検出回路５０によりそれぞれ増幅される。
【００４９】
この増幅時の動作について、図５に示すフローチャートに従って以下に説明する。ここでは、電気信号の増幅方法の一例として、サンプリングの加算数を２のべき乗で増やしていき、その間の増幅幅に対してゲインで補間していく方法について説明する。なお、以下の説明において、サンプリングの加算数を２のべき乗で増やしていく例を説明するが、増加のさせ方は自由であり、例えば等差数列的に２ずつ増やしていったり、３のべき乗等で増やしていってもよい。
【００５０】
図５に示すように、まず、入力部４４から合算するセルと、各セルの電気信号の増幅率が設定される（ステップＳ１）。ここでは、具体例として、各セルの電気信号の増幅率として、例えば３．５倍が入力されたものとする。
【００５１】
次に、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率に応じてサンプリング数が決定される（ステップＳ２）。具体的には、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率に対して、それ以下の最も近い２のべき乗αが決定される。本具体例では、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率が３．５倍のため、それ以下の最も近い２のべき乗αとして、α＝１と決定される。この処理は、マルチセル光検出器５２のセル毎に行われる。
【００５２】
次に、ＡＤＣ５８によるサンプリング数として、基本サンプリング数＊２＾αのサンプリングデータを取り込む（ステップＳ３）。本具体例では、前述のようにα＝１のため、基本サンプリング数を４回とすると、取り込むサンプリング数は、４回＊２＾１＝８回となる。
【００５３】
次に、ＡＤデータ演算部５９により、ＡＤＣ５８が取り込んだ全てのサンプリングデータを積算する（ステップＳ４）。
次に、積算されたデータから予め設定された初期オフセット値を積算回数分除去する（ステップＳ５）。なお、この初期オフセット値は、キャリブレーション時の値をメモリ６２に予め記憶させておくこととしてもよく、入力部４４から入力することとしてもよい。
【００５４】
次に、ＡＤデータ演算部５９により、初期オフセット値が除去されたデータにゲインを乗算して１セル分のＡＤデータとする（ステップＳ６）。具体的には、入力部４４に設定された増幅率を２＾αで除算した値（３．５／２＾１＝１．７５）をゲインとして、該ゲインを初期オフセット値が除去された積算データに乗算する。
【００５５】
次に、初期オフセット値を１つ加算し、各セルの電気信号としてセルデータ加算部６０に出力する（ステップＳ７）。
次に、セルデータ加算部６０により、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号が、入力部４４により設定された複数のセル分合算され、合算データ（ＣｈＡＤデータ）として、通信Ｉ／Ｆ６１および制御部４１を介してＰＣ４２に出力される（ステップＳ８）。
【００５６】
このように通信Ｉ／Ｆ６１および制御部４１を介してＰＣ４２に出力された各セルの合算データは、走査部３２の走査位置と対応付けられて、標本Ａの画像が生成され、その画像がモニタ４３に表示される。
なお、上記のステップＳ４〜Ｓ６において、ＡＤＣ５８が取り込んだサンプリングデータのそれぞれについて初期オフセット値を減算し、このデータを全サンプリング数について積算することとしてもよい。
【００５７】
また、図６に示すように、例えば基本サンプリング数を４回とし、サンプリング回数を４回、８回、１６回、３２回と２のべき乗で増やしていった場合、輝度の重心はＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に示す位置となり、ゲインのリニアリティが失われる。すなわち、サンプリング回数を２倍しても、輝度が２倍されないこととなる。そこで、ステップＳ６において、上記の処理に加えて、輝度の重心を補正することとしてもよい。具体的には、ＡＤ変換した電気信号に、検出効率の低下値の逆数をゲインとして乗算して補正する。
【００５８】
ここで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１による効果について、図７を用いて以下に説明する。
図７は、本実施形態に係る積算機能により電気信号を増幅した場合と、回路ゲインにより電気信号を増幅した場合と、電子増倍（ＨＶ）により電気信号を増幅した場合における、入射光量を変えたときＳ／Ｎの変化を示すグラフである。いずれの場合においても、最終的に生成される画像の輝度が一定となるようにそれぞれのゲインを調整している。
【００５９】
前述のように、電子増倍（ＨＶ）により電気信号を増幅した場合には、全セル共通でしか増幅することができないため、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合、一方の色素にしかマルチセル光検出器のゲインを合わせることができない。一方、回路ゲインにより電気信号を増幅した場合には、図７に示すように、特に入射光量が低くなると、Ｓ／Ｎが著しく低下してしまい、鮮明な画像を得ることができない。
これに対して、本実施形態に係る積算機能により電気信号を増幅した場合には、セル毎に電気信号を増幅するとともに、Ｓ／Ｎの低下を抑制することができる。
【００６０】
以上のように、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１によれば、標本Ａからの光が、マルチセル光検出器５２の複数のセルにより検出され、セル毎に電気信号に変換される。各セルにより変換された電気信号は、光検出回路５３により増幅される。この場合において、光検出回路５３では、ＡＤデータ演算部５９により、各セルにより変換された電気信号のそれぞれについて、入力部４４により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数が決定され、決定したサンプリング数の電気信号が積算される。
【００６１】
上記のように、各セルにより変換された電気信号をＡＤデータ演算部５９によりそれぞれ増幅することで、各セルにより検出された光をセル毎に増幅することができる。これにより、例えば二重染色標本Ａで両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００６２】
また、ＡＤデータ演算部５９により、各セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、サンプリングデータの積算による増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅することで、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００６３】
この場合において、制御部４１により、入力部４４により設定された増幅率に応じて、ＡＤデータ演算部５９により積算するサンプリング数と乗じるゲインとを決定することで、各セルにより変換された電気信号を適切に増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００６４】
また、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号を複数のセル分合算するセルデータ加算部６０を備えることで、合算したデータを１つの電気信号として増幅して出力することができる。
【００６５】
なお、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１の変形例として、図８に示すように、コンデンサ５６およびスイッチ５７（図１参照）に代えて、ＩＶ変換抵抗７１を設けることとしてもよい。
ＩＶ変換抵抗７１は、マルチセル光検出器５２の各セルについて、アンプ５５と並列に接続されている。マルチセル光検出器５２の各セルから電気信号は、アンプ５５によりＩＶ変換され、図９に示すように、電圧波形としてＡＤＣ５８に出力される。
【００６６】
ＡＤＣ５８は、アンプ５５からの電圧波形をＡＤ変換して、変換したデータをＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。ＡＤＣ５８には、集積回路６４からサンプリングを指令するＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの電圧波形をサンプリングするようになっている。以降の処理は、前述のレーザ走査型顕微鏡１と同様であるため、本変形例に係るレーザ走査型顕微鏡においても、前述のレーザ走査型顕微鏡１と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ 標本
１ レーザ走査型顕微鏡
１０ レーザ光源装置
２０ 顕微鏡本体
３０ 光学系ユニット
３９ 回折格子（分光素子）
４０ 制御装置
４１ 制御部（増幅分担決定部）
４２ ＰＣ
４３ モニタ
４４ 入力部（設定部）
５０ 光検出装置
５２ マルチセル光検出器
５３ 光検出回路（増幅回路）
５５ アンプ
５６ コンデンサ
５７ スイッチ
５８ ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）
５９ ＡＤデータ演算部（積算部、ゲイン増幅部）
６０ セルデータ加算部（合算部）
６３ ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）
６４ 集積回路
７１ ＩＶ変換抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料から発せられた蛍光をスペクトル成分に分割し、複数のセルを有するマルチセル光検出器によって各スペクトル成分を検出するレーザ走査型顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ走査型顕微鏡では、各セルにより検出した光を電子増倍機構により増倍させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５０６１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複数のセルを有するマルチセル光検出器は、増倍手段である電子増倍機構をセル毎に持つことが困難であるため、全セル共通あるいは複数セル共通でしか電子増倍機構を持つことができない。このため、特許文献１に開示されているレーザ走査型顕微鏡によれば、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合、一方の色素にしかマルチセル光検出器のゲインを合わせることができない。その結果、他方の色素は画像輝度として飽和あるいは低すぎる画像となり、同時に両色素の蛍光を最適なゲインで観測できないという不都合がある。
【０００５】
上記の不都合を解決するために、電子増倍機構以外のゲイン手段（例えば回路のアンプ）により、他方の色素の蛍光の輝度にゲインをかける方法が考えられる。しかしながら、この方法によれば、Ｓ／Ｎが低下してしまい、鮮明な画像を得ることができないという不都合がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより検出された光のゲインをセル毎に設定することができる光検出装置および観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、標本からの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器と、該マルチセル光検出器により変換された電気信号を増幅する増幅回路とを備え、該増幅回路が、各前記セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する設定部と、該設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算する積算部とを備える光検出装置である。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、標本からの光が、マルチセル光検出器の複数のセルにより検出され、セル毎に電気信号に変換される。各セルにより変換された電気信号は、増幅回路により増幅される。この場合において、増幅回路では、積算部により、各セルにより変換された電気信号のそれぞれについて、設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数が決定され、決定したサンプリング数の電気信号が積算される。
【０００９】
上記のように、各セルにより変換された電気信号を積算部によりそれぞれ増幅することで、各セルにより検出された光をセル毎に増幅することができる。これにより、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００１０】
上記態様において、各前記セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、前記積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各前記セルにより変換された電気信号を増幅するゲイン増幅部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、積算部による電気信号の増幅に加えて、ゲイン増幅部により各セルにより変換された電気信号を増幅することができる。この場合において、ゲイン増幅部により、積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅することで、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００１１】
上記態様において、前記設定部により設定された増幅率に応じて、前記サンプリング数と前記ゲインとを決定する増幅分担決定部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、増幅分担決定部により、設定部により設定された増幅率に応じて、積算部により積算するサンプリング数とゲイン増幅部により乗じるゲインとを決定して、各セルにより変換された電気信号を増幅することができる。このように積算部とゲイン増幅部とを併用することで、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００１２】
上記態様において、前記積算部により積算された複数の各前記セルの電気信号を合算する合算部を備えることとしてもよい。
このようにすることで、合算部により、積算部により積算された各セルの電気信号を複数のセル分合算して、１つの電気信号として増幅して出力することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、上記の光検出装置と、標本からの光をスペクトル成分に分光する分光素子とを備え、各前記セルが、前記分光素子の分光方向に配列され、前記分光素子により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出する観察装置である。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、分光素子により、標本からの光をスペクトル成分に分光して、マルチセル光検出器の複数のセルにより、スペクトル成分毎にそれぞれ検出することができる。この場合において、前述のように、第１の態様に係る光検出器を備えることで、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｓ／Ｎの低下を抑制しつつ、各セルにより検出された光のゲインをセル毎に設定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の概略構成図である。
【図２】図１の光検出回路の機能ブロック図である。
【図３】図１のＡＤＣによるサンプリングのタイミングを説明する図である。
【図４】図３の積分電圧波形の拡大図である。
【図５】図１のレーザ走査型顕微鏡の動作を示すフローチャートである。
【図６】図１のＡＤデータ演算部によるゲインの算出方法を説明する図である。
【図７】図１のレーザ走査型顕微鏡の作用を説明するグラフである。
【図８】図１の変形例に係る光検出回路の機能ブロック図である。
【図９】図８のＡＤＣによるサンプリングのタイミングを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る顕微鏡について、図面を参照して説明する。
本実施形態では、本発明に係る光検出装置および観察装置をレーザ走査型顕微鏡に適用した例について説明する。
本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１は、レーザ光を標本に照射して標本において発生した蛍光を検出する顕微鏡であり、図１に示すように、レーザ光源装置１０と、顕微鏡本体２０と、光学系ユニット３０と、制御装置４０と、光検出装置５０とを主な構成要素として備えている。
【００１８】
レーザ光源装置１０は、レーザ光源１１，１２と、ミラー１３と、ダイクロイックミラー１４と、調光部１５とを備えている。
レーザ光源１１，１２は、互いに異なる波長のレーザ光を射出するようになっている。レーザ光源装置１０は、観察対象に応じて、これらレーザ光源からのレーザ光を同時に、あるいは切り替えて射出するようになっている。レーザ光源１１，１２は、例えば、標本Ａ中の観察対象に特異的に付着または発現する蛍光物質を励起させる励起光をそれぞれ射出するようになっている。
【００１９】
レーザ光源１１，１２の射出光軸上には、ミラー１３、ダイクロイックミラー１４がそれぞれ配置されている。また、ミラー１３およびダイクロイックミラー１４の反射方向には、調光部１５が配置されている。
【００２０】
ミラー１３は、レーザ光源１１からのレーザ光をダイクロイックミラー１４に向けて反射するようになっている。ダイクロイックミラー１４は、レーザ光源１１からのレーザ光を透過させる一方、レーザ光源１２からのレーザ光を調光部１５に向けて反射するようになっている。これにより、レーザ光源１１，１２からのレーザ光をそれぞれ調光部１５に導くようになっている。
【００２１】
調光部１５は、例えばＡＯＴＦ（音響光学フィルタ）であり、レーザ光源１１，１２からのレーザ光を回折させて、射出するレーザ光の波長を変化させることができるようになっている。
なお、本実施形態では、レーザ光源装置１０として、複数のレーザ光源を備えた例を説明したが、これに代えて、広帯域のレーザ光を射出可能なスーパーコンティニュムレーザ光源を用いてもよい。
【００２２】
顕微鏡本体２０は、標本Ａを載置するステージ２１と、ステージ２１に対向して配置された対物レンズ２２とを備えている。
対物レンズ２２は、レーザ光源装置１０からのレーザ光を標本Ａ上に照射する一方、標本Ａから発生した蛍光を集めるようになっている。
【００２３】
光学系ユニット３０は、ダイクロイックミラー３１と、スキャナ３２と、ミラー３３と、ピンホール３４と、レンズ３５，３６，３７，３８と、回折格子（分光素子）３９とを備えている。
レンズ３５，３６，３７，３８は、それぞれ、対物レンズ２２とミラー３３との間、ミラー３３とスキャナ３２との間、ダイクロイックミラー３１とピンホール３４との間、ピンホール３４と回折格子３９との間に配置されており、レーザ光源装置１０からのレーザ光および標本Ａからの蛍光を集光またはリレーするようになっている。
【００２４】
ダイクロイックミラー３１は、レーザ光源装置１０からのレーザ光を反射する一方、標本Ａからの蛍光を透過するようになっている。このような構成を有することで、ダイクロイックミラー３１は、レーザ光の光路と標本Ａからの蛍光の光路とを分岐するようになっている。
【００２５】
スキャナ３２は、例えば一対のガルバノミラーを有するガルバノスキャナであり、一対のガルバノミラーの角度を変化させ、ラスタスキャン方式で駆動されるようになっている。これにより、レーザ光源装置１０からのレーザ光を標本Ａ上において２次元的に走査させるようになっている。なお、スキャナ３２として、ガルバノスキャナに代えて、例えば共振スキャナやＡＯＤ（音響光学偏向素子）を採用することとしてもよい。
【００２６】
ミラー３３は、スキャナ３２により走査されたレーザ光を対物レンズ２２に向けて反射するようになっている。
ピンホール３４は、標本Ａ上におけるレーザ光の焦点位置から発生した蛍光のみを通過させるようになっている。すなわち、対物レンズ２２により集められてスキャナ３２およびダイクロイックミラー３１を透過した蛍光は、ピンホール３４を通過することによりレーザ光の焦点位置（測定点）から光軸方向にずれた位置からの光がカットされる。これにより、光軸方向に焦点位置と同一な面からの蛍光だけが回折格子３９に入射する。
【００２７】
回折格子３９は、標本Ａにおいて発生し、ピンホール３４を通過してきた蛍光を波長毎のスペクトル成分に分光し、分光したスペクトル成分を光検出装置５０（マルチセル光検出器５２）に入射させるようになっている。
【００２８】
光検出装置５０は、回折格子３９の後段に配置されたレンズ５１と、光を検出するセルが回折格子３９による分光方向に複数配列されたマルチセル光検出器５２と、マルチセル光検出器５２により検出された光（電気信号）を増幅する光検出回路（増幅回路）５３とを備えている。
レンズ５１は、回折格子３９により分光されたスペクトル成分を、マルチセル光検出器５２の各セルに入射させるようになっている。
【００２９】
マルチセル光検出器５２は、例えば３２個のセルが回折格子３９による分光方向に配列された３２セルＰＭＴ（Photomultiplier Tube）であり、回折格子３９により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出し、検出したスペクトル成分をその輝度に応じた電気信号へ変換するようになっている。
【００３０】
マルチセル光検出器５２の各セルには、波長毎に分割されたスペクトル成分、すなわち異なる波長の光が入射される。マルチセル光検出器５２から光検出回路５３へは、輝度に応じた電気信号が出力され、光検出回路５３からマルチセル光検出器５２へは、マルチセル光検出器５２の増幅率についての制御信号が出力される。
【００３１】
光検出回路５３は、図２に示すように、アンプ５５と、コンデンサ５６と、スイッチ５７と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）５８と、集積回路６４と、通信Ｉ／Ｆ６１と、メモリ６２と、ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）６３とを備えている。
集積回路６４は、ＡＤデータ演算部（積算部、ゲイン増幅部）５９と、セルデータ加算部（合算部）６０とを備えている。
【００３２】
アンプ５５、コンデンサ５６、スイッチ５７、ＡＤＣ５８、およびＡＤデータ演算部５９は、マルチセル光検出器５２のセル毎に設けられている。図２に示す例では、光検出回路５３を３２セルＰＭＴとしているため、３２セル分のアンプ５５、コンデンサ５６、スイッチ５７、ＡＤＣ５８、およびＡＤデータ演算部５９が、各セルの後段に設けられている。
【００３３】
アンプ５５には、マルチセル光検出器５２の各セルから電気信号、すなわち、各セルにおいて検出したスペクトル成分が光電変換された電気信号が出力される。
コンデンサ５６およびスイッチ５７は、マルチセル光検出器５２の各セルについて、アンプ５５と並列に接続されている。
【００３４】
このような構成とすることで、アンプ５５は、コンデンサ５６に蓄積された電荷に応じて積分された電圧波形（積分電圧波形）をＡＤＣ５８に出力するようになっている。また、集積回路６４から出力されるリセット信号によりスイッチ５７を閉じることで、コンデンサ５６に蓄積された電荷をリセットし、アンプ５５からの積分電圧波形をリセットするようになっている。なお、集積回路６４からのリセット信号は、アンプ５５が１画素分の電気信号を積算した際に出力される。
【００３５】
アンプ５５の後段にはＡＤＣ５８が設けられている。ＡＤＣ５８は、アンプ５５からの積分電圧波形をＡＤ変換して、変換したデータをＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。ＡＤＣ５８には、集積回路６４からサンプリングを指令するＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの積分電圧波形をサンプリングするようになっている。
【００３６】
具体的には、図３に示すように、集積回路６４からのリセット信号の出力期間Ｔ１以外、すなわちアンプ５５の積分期間Ｔ２において、集積回路６４からＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。そして、ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの積分電圧波形をサンプリングして、ＡＤデータとしてＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。
【００３７】
ここで、アンプ５５からの積分電圧波形は、一次関数的な直線になるのではなく、図４に示すように、実際には回路系のノイズにより上下に振幅した形になる。そのため、同じ大きさの電気信号が各セルから入力され、同じタイミングでサンプリングを行っても、サンプリング結果の再現性が得られない。これが、画素間の輝度ばらつきを引き起こし、画像のＳ／Ｎ劣化を引き起こす原因となる。
【００３８】
そこで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１では、１画素内のサンプリング回数を増やし、サンプリングした電気信号を平均化する。これにより、アンプ５５からの積分電圧波形のノイズ成分による、画素間の輝度ばらつきを低減することができ、画像のＳ／Ｎを向上することができる。特に、積分方式では、アンプ５５による積分のリセット時に高帯域の電気信号が必要であり、電気信号の帯域を落としてＳ／Ｎを向上することができないため、上記の方法が有効である。また、１画素内のサンプリング回数を増やすことで、Ｓ／Ｎを向上するだけでなく、電気信号の増幅も兼ねることができる。
【００３９】
ＡＤデータ演算部５９は、後述するように、制御部４１により決定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算するようになっている。
【００４０】
また、ＡＤデータ演算部５９は、後述するように、各セルにより変換された電気信号に制御部４１により決定されたゲインを乗じて、サンプリングの積算による増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅するようになっている。
【００４１】
セルデータ加算部６０は、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号を複数のセル分合算し、合算データ（ＣｈＡＤデータ）として通信Ｉ／Ｆ６１に出力するようになっている。セルデータ加算部６０は、観察対象に応じて合算するセルが選択される。なお、セルデータ加算部６０は、複数のセル分の電気信号を合算することなく、各セルからの電気信号をそのまま通信Ｉ／Ｆ６１に出力することとしてもよい。
【００４２】
通信Ｉ／Ｆ６１は、スキャナ３２の同期信号（同期ＣＬＫ）を集積回路６４に出力するとともに、セルデータ加算部６０からの合算データを制御部４１に出力するようになっている。
メモリ６２には、観察対象毎の観察条件が記憶されており、例えば観察対象と合算するセルとが対応付けられて記憶されている。
【００４３】
ＤＡＣ６３は、集積回路６４からの指令に基づいて、マルチセル光検出器５２の全セルのゲインを一括して増幅させるための信号（ＰＭＴ電子増倍ゲイン可変信号）をマルチセル光検出器５２に出力するようになっている。
【００４４】
制御装置４０は、各部を制御する制御部（増幅分担決定部）４１と、光検出装置５０からの電気信号とスキャナ３２の走査位置とに基づいて画像を生成するＰＣ４２と、ＰＣ４２により生成された画像を表示するモニタ４３と、画像生成のための各種の条件を入力する入力部（設定部）４４とを備えている。
入力部４４に入力される条件は、例えば、観察対象や、合算するセルや、各セルにより変換された電気信号の増幅率である。
【００４５】
制御部４１は、入力部４４により設定された増幅率に応じて、ＡＤデータ演算部５９により積算するサンプリング数と、ＡＤデータ演算部５９により乗じるゲインとを決定する。そして、制御部４１は、決定したサンプリング数の電気信号を積算させるとともに、決定したゲインで各セルにより変換された電気信号を増幅させるように、ＡＤデータ演算部５９を制御する。
【００４６】
上記構成を有するレーザ走査型顕微鏡１の作用について以下に説明する。
レーザ光源装置１０から出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー３１によりそれぞれ反射されてスキャナ３２に入射し、スキャナ３２により標本Ａ上において２次元的に走査される。スキャナ３２により走査されたレーザ光は、対物レンズ２２に入射し、ステージ２１上に載置された標本Ａ上に集光される。標本Ａの焦点面においては、レーザ光により標本Ａ内の蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。
【００４７】
標本Ａから発せられた蛍光は、対物レンズ２２により集められ、スキャナ３２およびダイクロイックミラー３１を通過して、レンズ３７によりピンホール３４に集光される。ピンホール３４では、標本Ａの焦点面において発生した蛍光のみを通過させ、レーザ光の焦点位置（測定点）に対して光軸方向にずれた位置からの光がカットされる。これにより、光軸方向に測定点と同一な面からの蛍光だけが回折格子３９に入射される。
【００４８】
回折格子３９に入射した蛍光は、波長毎のスペクトル成分に分解される。分解されたスペクトル成分は、マルチセル光検出器５２の各セルに入射し、各セルによりそれぞれの波長成分の輝度に応じた電気信号に変換される。これらの電気信号は、光検出回路５０によりそれぞれ増幅される。
【００４９】
この増幅時の動作について、図５に示すフローチャートに従って以下に説明する。ここでは、電気信号の増幅方法の一例として、サンプリングの加算数を２のべき乗で増やしていき、その間の増幅幅に対してゲインで補間していく方法について説明する。なお、以下の説明において、サンプリングの加算数を２のべき乗で増やしていく例を説明するが、増加のさせ方は自由であり、例えば等差数列的に２ずつ増やしていったり、３のべき乗等で増やしていってもよい。
【００５０】
図５に示すように、まず、入力部４４から合算するセルと、各セルの電気信号の増幅率が設定される（ステップＳ１）。ここでは、具体例として、各セルの電気信号の増幅率として、例えば３．５倍が入力されたものとする。
【００５１】
次に、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率に応じてサンプリング数が決定される（ステップＳ２）。具体的には、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率に対して、それ以下の最も近い２のべき乗αが決定される。本具体例では、入力部４４に入力された各セルの電気信号の増幅率が３．５倍のため、それ以下の最も近い２のべき乗αとして、α＝１と決定される。この処理は、マルチセル光検出器５２のセル毎に行われる。
【００５２】
次に、ＡＤＣ５８によるサンプリング数として、基本サンプリング数＊２＾αのサンプリングデータを取り込む（ステップＳ３）。本具体例では、前述のようにα＝１のため、基本サンプリング数を４回とすると、取り込むサンプリング数は、４回＊２＾１＝８回となる。
【００５３】
次に、ＡＤデータ演算部５９により、ＡＤＣ５８が取り込んだ全てのサンプリングデータを積算する（ステップＳ４）。
次に、積算されたデータから予め設定された初期オフセット値を積算回数分除去する（ステップＳ５）。なお、この初期オフセット値は、キャリブレーション時の値をメモリ６２に予め記憶させておくこととしてもよく、入力部４４から入力することとしてもよい。
【００５４】
次に、ＡＤデータ演算部５９により、初期オフセット値が除去されたデータにゲインを乗算して１セル分のＡＤデータとする（ステップＳ６）。具体的には、入力部４４に設定された増幅率を２＾αで除算した値（３．５／２＾１＝１．７５）をゲインとして、該ゲインを初期オフセット値が除去された積算データに乗算する。
【００５５】
次に、初期オフセット値を１つ加算し、各セルの電気信号としてセルデータ加算部６０に出力する（ステップＳ７）。
次に、セルデータ加算部６０により、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号が、入力部４４により設定された複数のセル分合算され、合算データ（ＣｈＡＤデータ）として、通信Ｉ／Ｆ６１および制御部４１を介してＰＣ４２に出力される（ステップＳ８）。
【００５６】
このように通信Ｉ／Ｆ６１および制御部４１を介してＰＣ４２に出力された各セルの合算データは、走査部３２の走査位置と対応付けられて、標本Ａの画像が生成され、その画像がモニタ４３に表示される。
なお、上記のステップＳ４〜Ｓ６において、ＡＤＣ５８が取り込んだサンプリングデータのそれぞれについて初期オフセット値を減算し、このデータを全サンプリング数について積算することとしてもよい。
【００５７】
また、図６に示すように、例えば基本サンプリング数を４回とし、サンプリング回数を４回、８回、１６回、３２回と２のべき乗で増やしていった場合、輝度の重心はＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に示す位置となり、ゲインのリニアリティが失われる。すなわち、サンプリング回数を２倍しても、輝度が２倍されないこととなる。そこで、ステップＳ６において、上記の処理に加えて、輝度の重心を補正することとしてもよい。具体的には、ＡＤ変換した電気信号に、検出効率の低下値の逆数をゲインとして乗算して補正する。
【００５８】
ここで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１による効果について、図７を用いて以下に説明する。
図７は、本実施形態に係る積算機能により電気信号を増幅した場合と、回路ゲインにより電気信号を増幅した場合と、電子増倍（ＨＶ）により電気信号を増幅した場合における、入射光量を変えたときＳ／Ｎの変化を示すグラフである。いずれの場合においても、最終的に生成される画像の輝度が一定となるようにそれぞれのゲインを調整している。
【００５９】
前述のように、電子増倍（ＨＶ）により電気信号を増幅した場合には、全セル共通でしか増幅することができないため、例えば二重染色標本で両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合、一方の色素にしかマルチセル光検出器のゲインを合わせることができない。一方、回路ゲインにより電気信号を増幅した場合には、図７に示すように、特に入射光量が低くなると、Ｓ／Ｎが著しく低下してしまい、鮮明な画像を得ることができない。
これに対して、本実施形態に係る積算機能により電気信号を増幅した場合には、セル毎に電気信号を増幅するとともに、Ｓ／Ｎの低下を抑制することができる。
【００６０】
以上のように、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１によれば、標本Ａからの光が、マルチセル光検出器５２の複数のセルにより検出され、セル毎に電気信号に変換される。各セルにより変換された電気信号は、光検出回路５３により増幅される。この場合において、光検出回路５３では、ＡＤデータ演算部５９により、各セルにより変換された電気信号のそれぞれについて、入力部４４により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数が決定され、決定したサンプリング数の電気信号が積算される。
【００６１】
上記のように、各セルにより変換された電気信号をＡＤデータ演算部５９によりそれぞれ増幅することで、各セルにより検出された光をセル毎に増幅することができる。これにより、例えば二重染色標本Ａで両色素の蛍光の輝度が大きく異なる場合にも、両色素の蛍光をそれぞれに応じた増幅率で増幅して同時に観察することができる。また、積算するサンプリング数を増やして電気信号を増幅することで、電気信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００６２】
また、ＡＤデータ演算部５９により、各セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、サンプリングデータの積算による増幅幅よりも小さな増幅幅で各セルにより変換された電気信号を増幅することで、各セルにより変換された電気信号を精度よく増幅することができ、鮮明な画像を得ることができる。
【００６３】
この場合において、制御部４１により、入力部４４により設定された増幅率に応じて、ＡＤデータ演算部５９により積算するサンプリング数と乗じるゲインとを決定することで、各セルにより変換された電気信号を適切に増幅することができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００６４】
また、ＡＤデータ演算部５９により増幅された各セルの電気信号を複数のセル分合算するセルデータ加算部６０を備えることで、合算したデータを１つの電気信号として増幅して出力することができる。
【００６５】
なお、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡１の変形例として、図８に示すように、コンデンサ５６およびスイッチ５７（図１参照）に代えて、ＩＶ変換抵抗７１を設けることとしてもよい。
ＩＶ変換抵抗７１は、マルチセル光検出器５２の各セルについて、アンプ５５と並列に接続されている。マルチセル光検出器５２の各セルから電気信号は、アンプ５５によりＩＶ変換され、図９に示すように、電圧波形としてＡＤＣ５８に出力される。
【００６６】
ＡＤＣ５８は、アンプ５５からの電圧波形をＡＤ変換して、変換したデータをＡＤデータ演算部５９に出力するようになっている。ＡＤＣ５８には、集積回路６４からサンプリングを指令するＡＤサンプリングＣＬＫが出力される。ＡＤＣ５８は、このＡＤサンプリングＣＬＫが出力されたタイミングにおいて、アンプ５５からの電圧波形をサンプリングするようになっている。以降の処理は、前述のレーザ走査型顕微鏡１と同様であるため、本変形例に係るレーザ走査型顕微鏡においても、前述のレーザ走査型顕微鏡１と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ 標本
１ レーザ走査型顕微鏡
１０ レーザ光源装置
２０ 顕微鏡本体
３０ 光学系ユニット
３９ 回折格子（分光素子）
４０ 制御装置
４１ 制御部（増幅分担決定部）
４２ ＰＣ
４３ モニタ
４４ 入力部（設定部）
５０ 光検出装置
５２ マルチセル光検出器
５３ 光検出回路（増幅回路）
５５ アンプ
５６ コンデンサ
５７ スイッチ
５８ ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）
５９ ＡＤデータ演算部（積算部、ゲイン増幅部）
６０ セルデータ加算部（合算部）
６３ ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）
６４ 集積回路
７１ ＩＶ変換抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本からの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器と、
該マルチセル光検出器により変換された電気信号を増幅する増幅回路とを備え、
該増幅回路が、
各前記セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する設定部と、
該設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算する積算部とを備える光検出装置。
【請求項２】
各前記セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、前記積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各前記セルにより変換された電気信号を増幅するゲイン増幅部を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記設定部により設定された増幅率に応じて、前記サンプリング数と前記ゲインとを決定する増幅分担決定部を備える請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記積算部により積算された複数の各前記セルの電気信号を合算する合算部を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光検出装置と、
標本からの光をスペクトル成分に分光する分光素子とを備え、
各前記セルが、前記分光素子の分光方向に配列され、前記分光素子により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出する観察装置。
【請求項１】
標本からの光を検出して電気信号に変換するセルを複数有するマルチセル光検出器と、
該マルチセル光検出器により変換された電気信号を増幅する増幅回路とを備え、
該増幅回路が、
各前記セルにより変換された電気信号のそれぞれの増幅率を設定する設定部と、
該設定部により設定された増幅率に応じて１画素として積算する電気信号のサンプリング数を決定し、決定したサンプリング数の電気信号を積算する積算部とを備える光検出装置。
【請求項２】
各前記セルにより変換された電気信号にゲインを乗じて、前記積算部の増幅幅よりも小さな増幅幅で各前記セルにより変換された電気信号を増幅するゲイン増幅部を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記設定部により設定された増幅率に応じて、前記サンプリング数と前記ゲインとを決定する増幅分担決定部を備える請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記積算部により積算された複数の各前記セルの電気信号を合算する合算部を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光検出装置と、
標本からの光をスペクトル成分に分光する分光素子とを備え、
各前記セルが、前記分光素子の分光方向に配列され、前記分光素子により分光されたスペクトル成分をそれぞれ検出する観察装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１２２８８２（Ｐ２０１２−１２２８８２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４６４４（Ｐ２０１０−２７４６４４）
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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