JP2014044254A - Microscope illumination optical system, and microscope using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】開口数が小さなコンパクトな構成でありながらも、物体面に密度の高い格子状の照明光強度分布を形成することができる顕微鏡用照明光学系を実現する。
【解決手段】、顕微鏡用照明光学系200は、物体面207に配置された試料を観察する顕微鏡において該物体面を照明する。該照明光学系は、その瞳面203に、互いにコヒーレントな複数の光源領域が互いに離れて配置され、該複数の光源領域のそれぞれの中心と該照明光学系の瞳の中心との距離のうち、少なくとも1つの距離が他の距離と異なっている。照明光学系が物体面よりも瞳面側に形成する格子状の第1の照明光強度分布に対してその格子周期の半分だけずれた第2の照明光強度分布を形成し、物体面に第1および第2の照明光強度分布を重ね合わせた第3の照明光強度分布を形成する構成206を有する。
【選択図】図7A microscope illumination optical system capable of forming a dense lattice-shaped illumination light intensity distribution on an object surface while having a compact configuration with a small numerical aperture.
A microscope illumination optical system illuminates an object plane in a microscope that observes a sample placed on the object plane. In the illumination optical system, a plurality of coherent light source regions are arranged apart from each other on the pupil plane 203, and among the distances between the centers of the plurality of light source regions and the pupil center of the illumination optical system, At least one distance is different from the other distances. The illumination optical system forms a second illumination light intensity distribution shifted by half of the grating period with respect to the lattice-shaped first illumination light intensity distribution formed on the pupil plane side of the object plane, and the second illumination light intensity distribution is formed on the object plane. The configuration 206 forms a third illumination light intensity distribution obtained by superimposing the first and second illumination light intensity distributions.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、顕微鏡において試料を照明する顕微鏡用照明光学系に関し、特に3次元蛍光顕微鏡に好適な顕微鏡用照明光学系に関する。 The present invention relates to a microscope illumination optical system that illuminates a sample in a microscope, and more particularly to a microscope illumination optical system suitable for a three-dimensional fluorescence microscope.
顕微鏡、特に蛍光顕微鏡による生体試料の観察は、医学への応用を含む生物学的研究にとって不可欠である。ただし、通常の蛍光顕微鏡で厚みのある試料を観察すると、試料内部の光が透過した全ての高さ位置にある画像が重畳された画像が観察される。つまり、ピントが合っている高さ位置の平面(合焦平面)の画像以外に、ピントが外れた高さ位置にある平面(非合焦平面)のぼけ画像が重畳されて観察される。このように、通常の蛍光顕微鏡においては、所望の合焦平面の画像だけを選択的に分離して取り出すことができない。所望の合焦平面の画像だけを選択的に分離して取り出す効果は、「セクショニング効果」と呼ばれている。 Observation of biological samples with a microscope, in particular a fluorescence microscope, is essential for biological research including medical applications. However, when a thick sample is observed with a normal fluorescence microscope, an image in which images at all height positions where light inside the sample is transmitted is superimposed is observed. That is, in addition to the image of the plane at the height position where the focus is in focus (focusing plane), the blur image of the plane at the height position where the focus is out of focus (non-focusing plane) is superimposed and observed. As described above, in an ordinary fluorescent microscope, it is not possible to selectively separate only an image on a desired focal plane. The effect of selectively separating and extracting only the image of the desired in-focus plane is called a “sectioning effect”.
種々の機構に基づいてセクショニング効果が得られるように構成された蛍光顕微鏡は、3次元蛍光顕微鏡と称され、通常の蛍光顕微鏡とは区別される。セクショニング効果があると、任意の合焦面の画像を計算機上で積層して立体的な3次元画像を作り出すことができる。すなわち、これまで経験豊富な病理医等が脳内で行っていた細胞配置の立体視が、デジタル処理によって誰にでも行えるようになる。 A fluorescence microscope configured to obtain a sectioning effect based on various mechanisms is called a three-dimensional fluorescence microscope and is distinguished from a normal fluorescence microscope. When there is a sectioning effect, it is possible to create a three-dimensional three-dimensional image by laminating images of arbitrary focal planes on a computer. That is, anyone can perform the stereoscopic view of the cell arrangement that has been performed in the brain by an experienced pathologist or the like by digital processing.
代表的な3次元蛍光顕微鏡として、共焦点顕微鏡がある。これは、合焦平面から来る光の集光点にピンホールを配置することにより、所望の合焦平面から来る光のみを通過させ、非合焦平面から来る収束度合いの緩い光を遮蔽する方式である。この方式は、高いセクショニング効果を持つが、一度に撮像できる領域が点状に狭いため、試料の全領域を観察するためには走査が必要である。 As a typical three-dimensional fluorescence microscope, there is a confocal microscope. This is a system that blocks only light coming from the desired in-focus plane and shields light with a low degree of convergence coming from the out-of-focus plane by placing a pinhole at the condensing point of the light coming from the in-focus plane. It is. This method has a high sectioning effect, but since the area that can be imaged at one time is narrow in a dot shape, scanning is necessary to observe the entire area of the sample.
一方、計算機による画像処理を援用してセクショニング効果を実現する方法として、構造化照明法がある(非特許文献1参照)。この方式では、物体面において照明強度が、例えば正弦波上に変化するような状況を作り、その位相をずらすことによって正弦波構造が平行移動した複数枚の画像を取得する。その後、計算機上でその複数枚の画像を処理することによりセクショニング効果を得る。この方式は、高い精度で位相、すなわち位置を制御された正弦波構造を作り出すことが必要である。 On the other hand, there is a structured illumination method as a method of realizing a sectioning effect by using image processing by a computer (see Non-Patent Document 1). In this method, a situation is created in which the illumination intensity changes on, for example, a sine wave on the object plane, and a plurality of images in which the sine wave structure is translated are acquired by shifting the phase. Thereafter, the sectioning effect is obtained by processing the plurality of images on the computer. This scheme requires the creation of a sinusoidal structure with controlled phase, ie position, with high accuracy.
さらにランダムに生成されたスペックルを照明として利用する方法も知られている(特許文献1および非特許文献2〜6参照)。この方法もまた計算機による画像処理を用いるが、物体面の照明強度がランダムなスペックルに依存するため、最終画像に不均一な強度むらが発生することが避けられないという欠点を持つ。 Furthermore, a method of using randomly generated speckle as illumination is also known (see Patent Document 1 and Non-Patent Documents 2 to 6). This method also uses image processing by a computer. However, since the illumination intensity on the object surface depends on random speckles, there is a disadvantage that uneven intensity unevenness is unavoidable in the final image.
そこで、本発明者は、物体面の走査や照明系における高度な精度が不要でありながらも高品質なセクショニング効果を持つ顕微鏡用照明光学系として、その瞳面に複数のコヒーレント光源を非対称に配置した照明光学系を提案している。言い換えれば、瞳面に互いにコヒーレントな複数の光源領域を互いに離して配置し、該複数の光源領域のそれぞれの中心と該照明光学系の瞳の中心との距離のうち少なくとも1つの距離を他の距離と異ならせた照明光学系を提案している。この照明光学系によれば、物体面は格子状の照明光強度分布で照明されることになる。 Therefore, the present inventor has arranged a plurality of coherent light sources asymmetrically on the pupil plane as a microscope illumination optical system having a high-quality sectioning effect while not requiring high precision in the object plane scanning and illumination system. Proposed illumination optical system. In other words, a plurality of coherent light source regions are arranged apart from each other on the pupil plane, and at least one of the distances between the center of each of the plurality of light source regions and the center of the pupil of the illumination optical system is set to the other distance. We have proposed an illumination optical system with different distances. According to this illumination optical system, the object plane is illuminated with a grid-like illumination light intensity distribution.
非特許文献5,6の記載によると、格子状の照明の間隔(ピッチ)は狭い方が水平方向の分解能を高くすることができるので望ましいとされ、このことは、瞳面上で光源領域間の距離を大きくすることに相当する。 According to the description of Non-Patent Documents 5 and 6, it is desirable that the grid-like illumination interval (pitch) is narrower because the resolution in the horizontal direction can be increased, and this is because between the light source regions on the pupil plane. This is equivalent to increasing the distance.
しかしながら、実際には、瞳の大きさ(半径)は照明光学系の開口数で決まる有限の大きさを持つため、光源領域間の距離にも上限がある。開口数を大きくすると、照明光学系が大型化するため、コンパクトな照明光学系を実現することが難しくなる。 However, in reality, since the size (radius) of the pupil has a finite size determined by the numerical aperture of the illumination optical system, the distance between the light source regions also has an upper limit. Increasing the numerical aperture increases the size of the illumination optical system, making it difficult to realize a compact illumination optical system.
本発明は、開口数が小さなコンパクトな構成でありながらも、物体面に密度の高い格子状の照明光強度分布を形成することができ、解像度の高い顕微鏡を実現できるようにした顕微鏡用照明光学系およびこれを用いた顕微鏡を提供する。 The present invention provides a microscope illumination optical system capable of forming a dense lattice-like illumination light intensity distribution on the object surface and realizing a high-resolution microscope while having a compact configuration with a small numerical aperture. A system and a microscope using the system are provided.
本発明の一側面としての顕微鏡用照明光学系は、物体面に配置された試料を観察する顕微鏡において該物体面を照明する。該照明光学系は、その瞳面に、互いにコヒーレントな複数の光源領域が互いに離れて配置され、該複数の光源領域のそれぞれの中心と該照明光学系の瞳の中心との距離のうち、少なくとも1つの距離が他の距離と異なっている。そして、該照明光学系が物体面よりも瞳面側に形成する格子状の第1の照明光強度分布に対してその格子周期の半分だけずれた第2の照明光強度分布を形成し、物体面に第1および第2の照明光強度分布を重ね合わせた第3の照明光強度分布を形成する構成を有すること特徴とする。 A microscope illumination optical system according to one aspect of the present invention illuminates an object surface in a microscope that observes a sample placed on the object surface. In the illumination optical system, a plurality of coherent light source regions are arranged apart from each other on the pupil plane, and at least of the distances between the centers of the plurality of light source regions and the pupil center of the illumination optical system. One distance is different from the other. Then, the illumination optical system forms a second illumination light intensity distribution that is shifted by half of the grating period with respect to the grating-like first illumination light intensity distribution formed on the pupil plane side with respect to the object plane, A third illumination light intensity distribution is formed by superimposing the first and second illumination light intensity distributions on the surface.
なお、上記顕微鏡用照明光学系と、該顕微鏡用照明光学系により照明された試料を観察するための対物光学系とを有する顕微鏡も、本発明の他の一側面を構成する。 Note that a microscope having the microscope illumination optical system and an objective optical system for observing the sample illuminated by the microscope illumination optical system also constitutes another aspect of the present invention.
本発明によれば、開口数が小さなコンパクトな構成でありながらも、物体面に密度の高い格子状の照明光強度分布を形成することができる顕微鏡用照明光学系を実現することができる。そして、この顕微鏡用照明光学系を用いることで、高い解像度を有する顕微鏡を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, although it is a compact structure with a small numerical aperture, the illumination optical system for microscopes which can form a grid-like illumination light intensity distribution with a high density on an object surface is realizable. By using this illumination optical system for a microscope, a microscope having a high resolution can be realized.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施例である顕微鏡用照明光学系は、例えば、発光機構が蛍光または燐光である自家発光体としての試料を観察する3次元顕微鏡に適用することができる。顕微鏡のタイプとしては、落射型顕微鏡および透過型顕微鏡のいずれでもよい。 The illumination optical system for a microscope that is an embodiment of the present invention can be applied to, for example, a three-dimensional microscope that observes a sample as a self-luminous body whose light emission mechanism is fluorescence or phosphorescence. As the type of the microscope, either an episcopic microscope or a transmission microscope may be used.
具体例として、実施例の顕微鏡用照明光学系は、デジタルスライドスキャナーに使用する被検サンプルである蛍光染色された試料を観察する顕微鏡に適用することができる。デジタルスライドスキャナーは、生物学や病理学的検査等で使用するプレパラートを高速でスキャンし、高解像度なデジタルデータに変換する装置である。さらに、実施例の顕微鏡用照明光学系は、例えば、開口数(NA)の大きな投影光学系を備えるデジタルスライドスキャナーや通常の蛍光顕微鏡にセクショニング効果を付与する手段として使用し得る。 As a specific example, the illumination optical system for a microscope according to the embodiment can be applied to a microscope for observing a fluorescently stained sample that is a test sample used in a digital slide scanner. A digital slide scanner is a device that scans a preparation used in biology or pathological examination at high speed and converts it into high-resolution digital data. Furthermore, the illumination optical system for a microscope according to the embodiment can be used as a means for imparting a sectioning effect to, for example, a digital slide scanner including a projection optical system having a large numerical aperture (NA) or a normal fluorescence microscope.
まず、本発明の前提技術となる、本発明者が提案している顕微鏡用照明光学系について説明する。この照明光学系では、該照明光学系の瞳面上での瞳関数(振幅分布)P(f,g)として、図1(a)に示すP(f,g)を用いる。P(f,g)は、照明光学系の半径1で規格化された瞳面での直交座標系において、以下の座標の式(1)で示す瞳内の3点または該3点が作る三角形と相似な三角形の3頂点に、互いにコヒーレントな点光源を配置することを特徴とする。
(−1/√2+a,1/√2+b)
(−1/√2+a,−1/√2+b)
(1/√2+b,−1/√2+a) ...(1)
これら座標中のa,bは実数である。
First, an illumination optical system for a microscope proposed by the present inventor, which is a prerequisite technology of the present invention, will be described. In this illumination optical system, P (f, g) shown in FIG. 1A is used as a pupil function (amplitude distribution) P (f, g) on the pupil plane of the illumination optical system. P (f, g) is a triangle formed by three points in the pupil shown by the following coordinate expression (1) in the orthogonal coordinate system on the pupil plane normalized by the radius 1 of the illumination optical system or the three points. A point light source coherent to each other is arranged at three vertices of a triangle similar to the above.
(-1 / √2 + a, 1 / √2 + b)
(-1 / √2 + a, -1 / √2 + b)
(1 / √2 + b, −1 / √2 + a). . . (1)
A and b in these coordinates are real numbers.
言い換えれば、瞳関数P(f,g)では、図13に示すように、照明光学系の瞳面に互いにコヒーレントな複数の光源領域A,B,Cが互いに離れて配置されている。そして、該複数の光源領域A,B,Cのそれぞれの中心cA,cB,cCと該照明光学系の瞳の中心cPとの距離dA,dB,dCのうち、少なくとも1つの距離が他の距離と異なる。ここにいう光源領域は、微小な領域を有するとみなせる点光源も含む。また、光源領域は、瞳の半径に対する大きさの割合が0.3未満の領域であることが好ましい。少なくとも1つの距離が他の距離と異なるとは、すべての距離が異なっていてもよいし、1つの距離のみが他の2以上の同じ距離と異なっていてもよいという意味である。このような複数のコヒーレント光源の原点(瞳の中心)に対する非対称な配置は、3次元顕微鏡におけるz方向での分解能を獲得するために意図的になされたものである。 In other words, in the pupil function P (f, g), as shown in FIG. 13, a plurality of light source regions A, B, and C that are coherent with each other are arranged on the pupil plane of the illumination optical system. At least one of the distances dA, dB, dC between the centers cA, cB, cC of the light source regions A, B, C and the center cP of the pupil of the illumination optical system is another distance. And different. The light source region here includes a point light source that can be regarded as having a minute region. The light source region is preferably a region having a size ratio of less than 0.3 with respect to the radius of the pupil. That at least one distance is different from other distances means that all distances may be different, or that only one distance may be different from two or more other same distances. Such an asymmetrical arrangement of the plurality of coherent light sources with respect to the origin (pupil center) is intentionally made in order to obtain resolution in the z direction in a three-dimensional microscope.
瞳関数(振幅分布)P(f,g)を用いて実際にできる物体面上での格子状の照明光強度分布を図1(b)に示す。 FIG. 1B shows a grid-like illumination light intensity distribution on the object plane that can be actually obtained using the pupil function (amplitude distribution) P (f, g).
前述したようにこのような格子状照明における格子間隔(ピッチ)はできるだけ狭いほうが望ましい。しかし、実際には機械的な配置スペース上の制約等によって大きな開口数を有する大型の照明光学系を用意できないことも考えられる。その場合でも水平方向の解像度を低下させないようにする必要がある。 As described above, it is desirable that the lattice interval (pitch) in such lattice illumination is as narrow as possible. However, in reality, it is conceivable that a large illumination optical system having a large numerical aperture cannot be prepared due to restrictions on mechanical arrangement space. Even in such a case, it is necessary not to reduce the resolution in the horizontal direction.
図2(a)には、図1(a)に示した点光源配置をその半分の開口数の瞳内に縮小したときの点光源配置を示す。外側の円は半径1に規格化された瞳の範囲を、内側の円はその半分の大きさ(径)に縮小された瞳の範囲を示す。また、図2(a)の点光源配置に対応する物体面での格子状の照明光強度分布を図2(b)に示す。図2(b)を図1(b)と比較すると、明らかに、1つ1つの輝点が大きくなっており、その周期も二倍に拡大されている。 FIG. 2 (a) shows the point light source arrangement when the point light source arrangement shown in FIG. 1 (a) is reduced into a pupil with half the numerical aperture. The outer circle indicates a pupil range normalized to a radius of 1, and the inner circle indicates a pupil range reduced to half its size (diameter). FIG. 2B shows a grid-like illumination light intensity distribution on the object plane corresponding to the point light source arrangement of FIG. When FIG. 2 (b) is compared with FIG. 1 (b), each bright spot is clearly larger and its period is doubled.
このように格子状照明のピッチが変化したときに水平方向の解像度がどのくらい変化するかを評価するために、図3に示すようなラインアンドスペースパターンの蛍光物体を考える。線幅ないしハーフピッチは1μmである。 In order to evaluate how much the resolution in the horizontal direction changes when the pitch of the grid illumination changes in this way, consider a fluorescent object having a line and space pattern as shown in FIG. The line width or half pitch is 1 μm.
図1(b)に示した照明と図2(b)に示した照明を用いて、図3に示したパターンを撮像したときのコントラスト(ここでは、y=0μmの断面で見たときの強度分布)をシミュレーションする。図4には図1(b)に示した照明を用いたときのコントラストを、図5には図2(b)に示した照明を用いたときのコントラストを示す。両者のコントラストの差は明らかであり、図4の方が圧倒的に高コントラストであり、水平方向解像力が高い。したがって、格子状照明のピッチが図2(b)の照明より狭い図1(b)の照明を用いた方が良い。 Contrast when imaging the pattern shown in FIG. 3 using the illumination shown in FIG. 1B and the illumination shown in FIG. 2B (in this case, the intensity when viewed in a cross section of y = 0 μm) Distribution). 4 shows the contrast when the illumination shown in FIG. 1B is used, and FIG. 5 shows the contrast when the illumination shown in FIG. 2B is used. The difference in contrast between the two is clear, and FIG. 4 is overwhelmingly higher in contrast and has higher horizontal resolution. Therefore, it is better to use the illumination of FIG. 1B where the pitch of the grid illumination is narrower than the illumination of FIG.
しかし、実際には前述のように配置スペース上の都合等によって図1(a)に代表されるような大きな瞳を持った照明光学系を実現できないことも多い。 However, in practice, it is often impossible to realize an illumination optical system having a large pupil as typified by FIG.
そこで、本実施例では、図2(a)に示すように小さな径の瞳内に複数のコヒーレント光源を配置しつつ、複屈折結晶等の簡易な構成を用いて、密度の高い格子状照明を物体面に形成する。複屈折結晶を用いる場合は、それが有する複屈折現象によって発生した異常光線により、元の正常光線が形成する格子状照明(第1の照明光強度分布)に対してその格子周期の半分だけずれた格子状照明(第2の照明光強度分布)を別に形成する。そして、これら正常光線および異常光線がそれぞれ形成した格子状照明を格子周期が互いに半周期だけずれたまま重ね合わせることによって、より密度の高い二重格子状照明(第3の照明光強度分布:以下、二重格子状の照明光強度分布ともいう)を物体面に形成する。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2A, a plurality of coherent light sources are arranged in a pupil having a small diameter, and a high density lattice-like illumination is performed using a simple configuration such as a birefringent crystal. Form on the object surface. When a birefringent crystal is used, the extraordinary ray generated by the birefringence phenomenon of the birefringent crystal is shifted by half the lattice period with respect to the lattice-like illumination (first illumination light intensity distribution) formed by the original normal ray. A grid-like illumination (second illumination light intensity distribution) is formed separately. Then, by superimposing the lattice-like illumination formed by the normal ray and the extraordinary ray while the lattice periods are shifted from each other by a half cycle, a higher-density double lattice-like illumination (third illumination light intensity distribution: , Also referred to as a double-grid illumination light intensity distribution) on the object plane.
方解石等に代表される複屈折材料は、光の偏光方向に応じて光の進路を2つに分離する。この様子を図6に示す。紙面に垂直な面を複屈折性結晶のへき開面とすると、紙面に平行に振動している光と垂直に振動している光はそれぞれ、図中に示す正常光線と異常光線となって2つに分かれ、結晶平板を通過した後、再び結晶平板に垂直な方向に進行する。この両方の光の強度を揃えるためには、例えば、紙面に平行な方向と紙面に垂直な方向の両方の成分を等しい強度で持つような斜めの直線偏光を用意しておけばよい。また、結晶平板の厚さは、格子状照明のずれ量が格子状照明の格子周期の半分になるように設定する。このような結晶平板を、試料が配置される物体面よりも瞳面側に配置する。 A birefringent material typified by calcite or the like separates the light path into two according to the polarization direction of the light. This is shown in FIG. If the plane perpendicular to the paper surface is the cleavage plane of the birefringent crystal, the light oscillating parallel to the paper surface and the light oscillating perpendicularly to the surface become two normal rays and extraordinary rays as shown in the figure. After passing through the crystal plate, it proceeds again in the direction perpendicular to the crystal plate. In order to make both the intensities of light uniform, for example, oblique linearly polarized light having both components in a direction parallel to the paper surface and a direction perpendicular to the paper surface with equal intensity may be prepared. Further, the thickness of the crystal flat plate is set so that the amount of shift of the lattice illumination is half the lattice period of the lattice illumination. Such a crystal flat plate is arranged on the pupil plane side of the object plane on which the sample is arranged.
また、上記のように複屈折結晶を用いる構成以外の構成として、瞳面上の点光源を2組の互いにインコヒーレントな点光源の組とする構成によって、上述した第1および第2の照明光強度分布を形成し、これらを重ね合わせた第3の照明光強度分布を実現してもよい。さらに、時間差をあけて2回の露光を行い、それぞれの回ごとの照明光強度分布(第1および第2の照明光強度分布)が格子状照明の格子周期の半分だけ横ずれしている状況(つまりは第3の照明光強度分布)を実現する構成を採用してもよい。 Further, as a configuration other than the configuration using the birefringent crystal as described above, the first and second illumination lights described above are configured by using a pair of point light sources on the pupil plane as a pair of two incoherent point light sources. You may implement | achieve 3rd illumination light intensity distribution which formed intensity distribution and overlapped these. Furthermore, the exposure is performed twice with a time difference, and the illumination light intensity distribution (first and second illumination light intensity distributions) for each time is laterally shifted by half of the grating period of the grating-like illumination ( That is, a configuration that realizes the third illumination light intensity distribution) may be employed.
以上説明したように、本実施例による顕微鏡用照明光学系によれば、非特許文献5,66に記載の方法と合わせて用いることで、コンパクトな照明光学系により高い水平方向解像力を持った画像を得ることが可能になる。 As described above, according to the illumination optical system for a microscope according to the present embodiment, an image having high horizontal resolution by a compact illumination optical system when used in combination with the method described in Non-Patent Documents 5 and 66. Can be obtained.
次に、3次元蛍光顕微鏡における本実施例の照明光学系の好適な配置例を図7を用いて説明する。ここでは、二重格子状の照明光強度分布を形成するための構成として、複屈折結晶を用いた場合について説明する。図7において、100は透過型3次元蛍光顕微鏡である。 Next, a preferred arrangement example of the illumination optical system of the present embodiment in the three-dimensional fluorescence microscope will be described with reference to FIG. Here, a case where a birefringent crystal is used as a configuration for forming a double grating-like illumination light intensity distribution will be described. In FIG. 7, reference numeral 100 denotes a transmission type three-dimensional fluorescence microscope.
200は照明光学系であり、対物レンズ102およびイメージセンサ103により構成される顕微鏡本体に対して付加することができる構成を有する。207は物体面に配置された物体(試料)である。 Reference numeral 200 denotes an illumination optical system, which has a configuration that can be added to a microscope main body constituted by the objective lens 102 and the image sensor 103. Reference numeral 207 denotes an object (sample) arranged on the object plane.
照明光学系200において、201はコヒーレントな光源であり、蛍光試料を励起できる波長のレーザー等を用いることができる。202は回折格子、プリズムまたは光ファイバ等の光学素子であり、光源201から発せられた1本のビームを複数本(例えば、3本)に分ける作用を有する。光学素子202は、上記回折格子やプリズム等に限られず、照明光学系200の瞳面203に対して本実施例が特徴とする瞳関数形状を実現できるものであればどのようなものでもよい。本実施例における瞳関数形状の形成方法は、顕微鏡または半導体露光装置に関する技術者にとっては容易な方法により実現可能であり、例えば、計算機生成ホログラム(CGH)を利用することができる。 In the illumination optical system 200, 201 is a coherent light source, and a laser having a wavelength capable of exciting a fluorescent sample can be used. Reference numeral 202 denotes an optical element such as a diffraction grating, a prism, or an optical fiber, which has an action of dividing one beam emitted from the light source 201 into a plurality of (for example, three) beams. The optical element 202 is not limited to the diffraction grating, the prism, or the like, and any optical element can be used as long as it can realize the pupil function shape characterized by the present embodiment on the pupil plane 203 of the illumination optical system 200. The pupil function shape forming method in the present embodiment can be realized by a method that is easy for an engineer related to a microscope or a semiconductor exposure apparatus, and for example, a computer-generated hologram (CGH) can be used.
分けられたビームはミラー204を介してレンズ205および複屈折結晶206を通過して、物体207を二重格子状の照明光強度分布によって照明する。物体207から出た蛍光は、対物レンズ(対物光学系)102を通過してイメージセンサ103上に結像する。イメージセンサ103による撮像によって得られ、不図示のモニタに表示された画像が観察者によって観察される。 The divided beam passes through the lens 205 and the birefringent crystal 206 via the mirror 204, and illuminates the object 207 with a double grating-like illumination light intensity distribution. The fluorescence emitted from the object 207 passes through the objective lens (objective optical system) 102 and forms an image on the image sensor 103. An image obtained by imaging by the image sensor 103 and displayed on a monitor (not shown) is observed by an observer.
このように、本実施例の照明光学系は、簡易な構成によって物体面を格子間隔が狭い二重格子状の照明光強度分布で照明することができる。また、本実施例の照明光学系は、通常の3次元蛍光顕微鏡に付加(後付け)することができる。さらに、本実施例の照明光学系を用いれば、格子状の照明光強度分布が若干位置ずれしても、それを含む領域で積算されるため、最終の画質に影響を及ぼさない。 As described above, the illumination optical system of the present embodiment can illuminate the object plane with a double grating-like illumination light intensity distribution having a narrow grating interval with a simple configuration. Moreover, the illumination optical system of the present embodiment can be added (retrofitted) to an ordinary three-dimensional fluorescence microscope. Further, when the illumination optical system of the present embodiment is used, even if the grid-like illumination light intensity distribution is slightly displaced, it is integrated in a region including the lattice distribution, so that the final image quality is not affected.
以下、上述した複屈折結晶を含む顕微鏡用照明光学系のより具体的な実施例について説明する。 Hereinafter, more specific examples of the illumination optical system for a microscope including the above-described birefringent crystal will be described.
実施例1は、図7で示されるような構成を有する顕微鏡用照明光学系であって、光学パラメタとして、波長λ=500nm、NA=0.7を有する。物体としては、図3に示したラインアンドスペースパターンを採用する。該照明光学系の瞳関数は、図1(a)に示すように、瞳内に以下の座標の式(2)で示される3点または該3点が作る三角形と相似な三角形の3頂点に互いにコヒーレントな点光源を配置したものとして表される。式(2)中のa,bは、a=0.2、b=0.1である。これは、図8(a)に示されるように、図1(a)の約半分の半径の瞳内に収まる点光源配置を示す。
(−1/2√2+a,1/2√2+b)
(−1/2√2+a,−1/2√2+b)
(1/2√2+b,−1/2√2+a) ...(2)
図8(b)には、この照明光学系(複屈折結晶の挿入前)によって物体面に形成される格子状照明(第1の照明光強度分布)を示している。
Example 1 is an illumination optical system for a microscope having a configuration as shown in FIG. 7, and has optical parameters of wavelength λ = 500 nm and NA = 0.7. The line and space pattern shown in FIG. 3 is adopted as the object. As shown in FIG. 1A, the pupil function of the illumination optical system has three points in the pupil represented by the following coordinate expression (2) or three vertices of a triangle similar to the triangle formed by the three points. This is expressed as arrangement of coherent point light sources. In the formula (2), a and b are a = 0.2 and b = 0.1. This shows a point light source arrangement that fits within a pupil of about half the radius of FIG. 1 (a) as shown in FIG. 8 (a).
(-1 / 2√2 + a, 1 / 2√2 + b)
(-1 / 2√2 + a, -1 / 2√2 + b)
(1 / 2√2 + b, −1 / 2√2 + a). . . (2)
FIG. 8B shows lattice-like illumination (first illumination light intensity distribution) formed on the object plane by this illumination optical system (before insertion of the birefringent crystal).
図9には、照明光学系における物体面よりも瞳面側の位置に複屈折結晶を挿入する前と挿入した後の照明形状の変化を示している。複屈折結晶の挿入前後を示す図において、黒く塗りつぶした楕円が複屈折結晶を通過した正常光線により形成された格子状照明(第1の照明光強度分布)を示す。また、複屈折結晶の挿入後を示す図において、ハッチングにより示した楕円が複屈折結晶で発生した異常光線により形成された格子状照明(第2の照明光強度分布)を示す。そして、これら黒く塗りつぶした楕円とハッチングした楕円との重なり合いにより形成される密度の高い、つまりは格子間隔が小さい二重格子状照明(第3の照明光強度分布)となる。複屈折結晶の挿入によって格子状照明の密度が増加したために、図中に正方形で表される単位格子の面積が小さく(約1/√2倍に)なっている。 FIG. 9 shows changes in illumination shape before and after the birefringent crystal is inserted at a position closer to the pupil plane than the object plane in the illumination optical system. In the figures showing before and after the insertion of the birefringent crystal, the ellipse blacked out shows a lattice-like illumination (first illumination light intensity distribution) formed by normal rays that have passed through the birefringent crystal. Further, in the figure after the insertion of the birefringent crystal, an ellipse indicated by hatching indicates lattice-like illumination (second illumination light intensity distribution) formed by extraordinary rays generated in the birefringent crystal. A double lattice-like illumination (third illumination light intensity distribution) having a high density, that is, a small lattice interval is formed by overlapping the black-painted ellipse and the hatched ellipse. Since the density of the lattice-shaped illumination is increased by the insertion of the birefringent crystal, the area of the unit cell represented by a square in the drawing is small (about 1 / √2 times).
また、図10には、複屈折結晶の挿入によって形成されることが期待される二重格子状照明のシミュレーション結果を示している。図8(a)から分かるように格子状照明における各照明点は楕円形状を有するために、照明光強度分布は各楕円が長径方向にて重なり、この結果、全体としては複数の斜線状の照明のように見える。 Further, FIG. 10 shows a simulation result of double lattice illumination expected to be formed by inserting a birefringent crystal. As can be seen from FIG. 8A, since each illumination point in the grid illumination has an elliptical shape, the illumination light intensity distributions overlap each other in the major axis direction, and as a result, a plurality of oblique illuminations as a whole. looks like.
複屈折性結晶の効果を図11と図12を用いて説明する。図11には、複屈折結晶を照明光学系に挿入せずに図3に示すラインアンドスペースパターンを撮像したときのy=0μmでの断面における照明光強度分布のシミュレーション結果を示している。一方、図12には、図8(b)に示した照明光強度分布に複屈折結晶の作用を加えて、図3のパターンを撮像したときのy=0μmでの断面における照明光強度分布のシミュレーション結果を示している。これらを比較すると、明らかに図12に示す複屈折結晶を挿入した方が高コントラストを持ち、均一性にも優れていることが分かる。これは複屈折結晶の挿入による二重格子状照明によって、格子状照明の照明点間の間隔を小さくすることができたことによるものである。 The effect of the birefringent crystal will be described with reference to FIGS. FIG. 11 shows a simulation result of the illumination light intensity distribution in the cross section at y = 0 μm when the line and space pattern shown in FIG. 3 is imaged without inserting the birefringent crystal into the illumination optical system. On the other hand, FIG. 12 shows the illumination light intensity distribution in the cross section at y = 0 μm when the pattern of FIG. 3 is imaged by adding the action of the birefringent crystal to the illumination light intensity distribution shown in FIG. Simulation results are shown. When these are compared, it is apparent that the insertion of the birefringent crystal shown in FIG. 12 has a high contrast and excellent uniformity. This is because the interval between the illumination points of the lattice illumination can be reduced by the double lattice illumination by inserting the birefringent crystal.
実施例1の照明光学系を用いた3次元顕微鏡により256×256×256の画素数で撮像を行った場合に処理に要した時間は3.33GHzのCPUを搭載したワークステーションで1分以内である。専用のプログラムを作成し、並列分散環境やグラフィックアクセラレータ等のハード機器を最適化して用いれば、共焦点顕微鏡が走査に要する時間よりも短い時間で画像を得ることが十分可能である。 When imaging was performed with the number of pixels of 256 × 256 × 256 using a three-dimensional microscope using the illumination optical system of Example 1, the time required for the processing was within one minute on a workstation equipped with a 3.33 GHz CPU. is there. By creating a dedicated program and optimizing and using hardware devices such as a parallel distributed environment and a graphic accelerator, it is possible to obtain an image in a time shorter than the time required for scanning by the confocal microscope.
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.
蛍光顕微鏡やデジタルスライドスキャナー等の顕微鏡に使用可能な照明光学系を提供できる。 An illumination optical system that can be used in a microscope such as a fluorescent microscope or a digital slide scanner can be provided.
200 照明光学系
201 コヒーレント光源
203 照明光学系の瞳(レンズ)
206 複屈折結晶
200 Illumination Optical System 201 Coherent Light Source 203 Pupil (Lens) of Illumination Optical System
206 Birefringent crystal
Claims (5)
該照明光学系の瞳面に、互いにコヒーレントな複数の光源領域が互いに離れて配置され、
前記複数の光源領域のそれぞれの中心と該照明光学系の瞳の中心との距離のうち、少なくとも1つの距離が他の距離と異なっており、
該照明光学系が前記物体面よりも前記瞳面側に形成する格子状の第1の照明光強度分布に対してその格子周期の半分だけずれた第2の照明光強度分布を形成し、前記物体面に前記第1および第2の照明光強度分布を重ね合わせた第3の照明光強度分布を形成する構成を有すること特徴とする顕微鏡用照明光学系。 An illumination optical system for illuminating the object surface in a microscope for observing a sample placed on the object surface,
A plurality of coherent light source regions are arranged apart from each other on the pupil plane of the illumination optical system,
Of the distances between the centers of the plurality of light source regions and the center of the pupil of the illumination optical system, at least one distance is different from the other distances,
The illumination optical system forms a second illumination light intensity distribution that is shifted by half of the grating period with respect to the grating-like first illumination light intensity distribution formed on the pupil plane side with respect to the object plane, An illumination optical system for a microscope having a configuration in which a third illumination light intensity distribution is formed by superimposing the first and second illumination light intensity distributions on an object plane.
該顕微鏡用照明光学系により照明された物体面に配置された試料を観察するための対物光学系とを有することを特徴とする顕微鏡。 The illumination optical system for a microscope according to any one of claims 1 to 3,
A microscope comprising: an objective optical system for observing a sample disposed on an object surface illuminated by the microscope illumination optical system.
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