WO2020179032A1 - Microscope and observation method - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a microscope and an observation method.
- the illumination optical system 4 is arranged at a position where the excitation light L1 from the light source 3 is incident. Excitation light L1 is incident on the illumination optical system 4 from the light source 3 through the optical fiber 11.
- the optical fiber 11 may be a part of the illumination optical system 4 or a part of a light source device including the light source 3.
- the illumination optical system 4 includes a collimator lens 12, a ⁇ /4 wave plate 13, a polarizer 14, a mask 15 (aperture member), a dichroic mirror 16, a relay optical system 17, and a scan in order from the light source 3 side to the sample S side.
- a unit 18, a lens 19, a lens 20, and an objective lens 21 are provided.
- the collimator lens 12 converts the excitation light L1 emitted from the optical fiber 11 into parallel light.
- the collimator lens 12 is arranged, for example, so that the focal point on the same side as the light source 3 coincides with the light emission port of the optical fiber 11.
- the lens included in the illumination optical system 4 the focus on the same side as the light source 3 is referred to as the rear focus, and the focus on the same side as the sample S is referred to as the front focus.
- the mask 15 is a light beam splitting unit that splits the excitation light that excites the fluorescent material into a plurality of light beams.
- the illumination optical system 4 scans the sample S with the interference fringes L2 generated by the interference of three or more light beams among the plurality of light beams divided by the mask 15.
- the mask 15 is arranged at or near a position of a pupil conjugate plane P1 which is optically conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21.
- the vicinity of the pupil conjugate surface optically conjugate with the pupil surface P0 of the objective lens 21 is a range in which the excitation light L1 can be regarded as a parallel ray in the region including the pupil conjugate surface.
- the excitation light L1 when it is a Gaussian beam, it can be regarded as a sufficiently parallel light beam within a range of about 1/10 of the Rayleigh length from the beam waist position.
- the Rayleigh length is given by ⁇ w02/ ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the pumping light L1 and w0 is the beam waist radius.
- the Rayleigh length is about 3 m
- the mask 15 is within 300 mm near the pupil conjugate plane P1 optically conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21. It may be arranged.
- the mask 15 may be arranged at or near the pupil plane P0.
- the mask 15 has an opening 15a, an opening 15b, and an opening 15c through which the excitation light L1 passes.
- An interference fringe L2 is formed by the interference of the excitation light L1a passing through the opening 15a, the excitation light L1b passing through the opening 15b, and the excitation light L1c passing through the opening 15c.
- the mask 15 is rotatable around the optical axis 12a of the collimator lens 12.
- the mask 15 is fixed, for example, relative to the polarizer 14 and rotates integrally with the polarizer 14.
- the mask 15 and the polarizer 14 are rotated by the torque supplied from the drive unit 22.
- the mask 15 and the polarizer 14 do not have to rotate integrally, and each may rotate independently by the torque supplied from the independent drive unit.
- the scanning unit 18 scans the sample S in the interference fringes L2 formed by the excitation light L1 in two directions, the X direction and the Y direction.
- the scanning unit 18 changes the position where the interference fringe L2 is formed by the excitation light L1 in two directions that intersect the optical axis 21a of the objective lens 21.
- the scanning unit 18 includes a deflection mirror 18a and a deflection mirror 18b.
- the tilts of the deflection mirror 18a and the deflection mirror 18b with respect to the optical path of the excitation light L1 are variable.
- the deflection mirror 18a and the deflection mirror 18b are a galvano mirror, a MEMS mirror, a resonant mirror (resonance type mirror), etc., respectively.
- the deflection mirror 18a and the deflection mirror 18b may be scanners.
- the deflection mirror 18a changes the position where the excitation light L1 is incident on the sample S in the X direction.
- the deflection mirror 18b changes the position on the sample S where the excitation light L1 is incident in the Y direction.
- the scanning unit 18 is arranged so that, for example, the position conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21 is the position of the deflection mirror 18a, the position of the deflection mirror 18b, or the position between the deflection mirror 18a and the deflection mirror 18b. It is desirable to be done.
- the position conjugate with the pupil surface P0 of the objective lens 21 may be on the light source 3 side from the position of the deflection mirror 18a, or on the sample S side from the position of the deflection mirror 18b.
- the scanning unit 18 may be configured such that the deflection mirror 18a changes the position where the excitation light L1 is incident on the sample S in the Y direction and the deflection mirror 18b changes in the X direction.
- the excitation light L1 that has passed through the sample conjugate surface Sb is incident on the lens 20.
- the lens 20 converts the excitation light L1 into parallel light.
- the excitation light L1 that has passed through the lens 20 passes through the pupil surface P0 of the objective lens 21.
- the objective lens 21 focuses the excitation light L1 on the sample surface Sa.
- the lens 20 and the objective lens 21 project the interference fringes formed on the sample conjugate surface Sb onto the sample surface Sa. Local interference fringes L2 are formed on the sample surface Sa.
- the interference fringe L2 includes a bright portion having a relatively high light intensity and a dark portion having a relatively low light intensity.
- the direction in which the bright part and the dark part are lined up (X direction in FIG. 1) is appropriately referred to as the periodic direction D1 of the interference fringes L2.
- the periodic direction D1 of the interference fringe L2 corresponds to the direction in which the opening 15a, the opening 15b, and the opening 15c of the mask 15 are arranged (Xa direction in FIG. 1).
- the drive unit 22 rotates the mask 15 around the Za direction, the direction in which the opening 15a, the opening 15b, and the opening 15c are aligned is rotated, and the periodic direction D1 of the interference fringe L2 is around the Z direction. Rotate.
- the drive unit 22 rotates the polarizer 14 in conjunction with the mask 15 to change the direction of the transmission axis of the polarizer 14 and adjusts the excitation light L1 to be S-polarized and incident on the sample S. That is, the polarizer 14 and the driving unit 22 are included in the polarization adjusting unit that adjusts the polarization state of the excitation light L1 based on the direction of the interference fringes.
- FIG. 3 is a diagram showing a mask, a polarizer, interference fringes, and a polarized state of excitation light according to the first embodiment.
- the direction in which the opening 15a, the opening 15b, and the opening 15c of the mask 15 are arranged is the Xa direction.
- the transmission axis 14a of the polarizer 14 is in the Ya direction perpendicular to the Xa direction.
- the excitation light L1 see FIG. 1
- the light flux that has passed through the opening 15a, the light flux that has passed through the opening 15b, and the light flux that has passed through the opening 15c are incident on the sample S, and the periodic direction D1. Interference fringe L2 is generated.
- the excitation light L1 incident plane is parallel to the XZ plane.
- the excitation light L1 when incident on the sample S is in the Y direction whose polarization direction D2 is perpendicular to the incident surface, that is, the excitation light L1 is incident on the sample S with S polarization.
- the direction in which the openings 15a, 15b, and 15c of the mask 15 are arranged is the direction obtained by rotating the Xa direction counterclockwise by 120°.
- the transmission axis 14a of the polarizer 14 is a direction in which the Ya direction is rotated counterclockwise by 120 °.
- the periodic direction of the interference fringes L2 is a direction forming 120 ° with respect to the X direction.
- the incident surface of the excitation light L1 is a surface obtained by rotating the XZ plane by 120 ° around the Z direction.
- the excitation light L1 when incident on the sample S is in a direction in which the polarization direction D2 is perpendicular to the incident surface, that is, the excitation light L1 is incident on the sample S with S polarization.
- the direction Xa in which the opening 15a, the opening 15b, and the opening 15c of the mask 15 are lined up is rotated by 240 ° counterclockwise.
- the transmission axis 14a of the polarizer 14 is a direction in which the Ya direction is rotated counterclockwise by 240 °.
- the periodic direction D1 of the interference fringe L2 is a direction forming 240 ° with respect to the X direction.
- the incident surface of the excitation light L1 is a surface obtained by rotating the XZ plane by 240 ° around the Z direction.
- the excitation light L1 when entering the sample S has a polarization direction D2 perpendicular to the incident surface, that is, the excitation light L1 enters the sample S as S-polarized light.
- the periodic directions of the interference fringes L2 may be two or one at an angle of 90 ° to each other.
- the mask 15 may be replaceable according to the magnification and NA (numerical aperture) of the objective lens 21 and the shape of the illumination pupil.
- FIG. 4 is a diagram showing the microscope and the optical path of fluorescence according to the first embodiment.
- the detection optical system 5 forms an image of the fluorescence L3 generated in the sample S.
- the detection optical system 5 includes an objective lens 21, a lens 20, a lens 19, a scanning unit 18, a relay optical system 17, a dichroic mirror 16, an excitation light cut filter (barrier filter) 24, and an order of going from the sample S to the detection device 6.
- the lens 23 is included.
- the fluorescence L3 generated in the sample S passes through the objective lens 21, the lens 20, and the lens 19 in this order, and enters the scanning unit 18.
- the fluorescence L3 is descanned by the scanning unit 18 and enters the dichroic mirror 16 through the relay optical system 17.
- the dichroic mirror 16 has the property of transmitting the fluorescence L3.
- the fluorescence L3 that has passed through the dichroic mirror 16 enters the excitation light cut filter (barrier filter) 24.
- the excitation light cut filter (barrier filter) 24 has a property of blocking the excitation light L1 and transmitting the fluorescence L3.
- the excitation light cut filter (barrier filter) 24 may not be provided.
- the fluorescence L3 that has passed through the excitation light cut filter (barrier filter) 24 enters the lens 23.
- the lens 23 concentrates the fluorescence L3 on the detection device 6.
- the microscope 1 scans the interference fringes L2 on the sample surface Sa by the scanning unit 18, and the detection device 6 detects the fluorescence L3. For example, the microscope 1 illuminates the illumination area selected from the sample surface Sa with the interference fringe L2, and the detection device 6 detects the fluorescence L3 from the illumination area. The microscope changes the illumination area by the scanning unit 18 after the detection by the detection device 6 is completed. The microscope 1 acquires a fluorescence intensity distribution (measured value of the detection device 6) in a desired region by repeating a process of detecting fluorescence and a process of changing the illumination region.
- scanning coordinates coordinates of the scanning destination of the scanning unit 18
- r s (x s , y s )
- wave number coordinates coordinates after Fourier transform at r s
- k s (k xs , k ys )
- the wave number may be referred to as spatial frequency or frequency.
- the magnification of the optical system is assumed to be 1 for convenience of explanation, but any magnification may be used.
- the distance from the optical axis 21a of the objective lens 21 to the center of the region P0a is (1- ⁇ )k NA ex , but is not limited to this value.
- the distance between the center of the region P0a and the center of the region P0b is, for example, 2(1- ⁇ )k NA ex , but is not limited to this value.
- the center of the region P0c coincides with, for example, the center of the pupil plane P0 of the objective lens 21 (the optical axis 21a of the objective lens 21), but is not limited to this.
- the electric field intensity of the excitation light L1 is assumed to be uniform in the pupil plane of the objective lens 21, but the invention is not limited to this.
- the electric field intensity ill(r) of the excitation light on the sample surface Sa is expressed by the following equation (2).
- the fluorescent substance contained in the sample S is excited by the excitation light L1, and the fluorescent substance L3 is emitted from the excited fluorescent substance.
- the detection device 6 receives the fluorescence L3 and captures an image of the fluorescent substance formed by the detection optical system 5.
- the detection device 6 captures an image of a fluorescent substance and acquires image data.
- the size of the detection unit 6a of the detection device 6 is smaller than the size corresponding to the cycle of the interference fringes L2 in the detection device 6 (the length on the detection device 6 corresponding to one cycle). Is small enough. For example, it is desirable that the size of the detection unit 6a is set to about ⁇ em / 4NA.
- the numerical aperture on the detection device 6 side of the detection optical system 5 is set to NAd, and for example, the size of the detection unit 6a is preferably set to about ⁇ em /4NAd. ..
- the focal length of the lens 23 may be set such that the numerical aperture NAd of the detection optical system 5 on the detection device 6 side satisfies NAd ⁇ em /4d. ..
- R in equation (3) is a convolution for r.
- the PSF det (r) is a detection PSF determined by the detection optical system 5 including the objective lens 21 and the fluorescence wavelength ⁇ em .
- I(r,r s ) is transformed, the following equation (4) is obtained.
- FIG. 5 is a diagram showing effective PSF in each detection unit of the detection device according to the first embodiment.
- the horizontal axis is the Xb direction of the detection device 6.
- the effective PSF (solid line) of each detection unit 6a is shown in one graph for the three detection units 6a whose coordinates in the Xb direction are different from each other.
- the graph in the center of FIG. 5A shows the distribution Q1a (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1a.
- the graph on the left side of FIG. 5A shows the distribution Q1b (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1b.
- the graph on the right side of FIG. 5A shows the distribution Q1c (solid line) corresponding to the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1c.
- the distribution Q2 corresponding to the dotted line in FIG. 5 is a distribution corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2 shown in FIG.
- the distribution Q2 corresponds to the electric field intensity ill (r) of the excitation light on the sample surface Sa (see the above equation (2)).
- the position where the intensity of the interference fringe L2 is maximum, that is, the peak position X2a, the peak position X2b, and the peak position X2c of the distribution Q2 can be obtained in advance by numerical simulation or the like.
- the distribution Q3a, the distribution Q3b, and the distribution Q3c corresponding to the chain double-dashed line in FIG. 5 are distributions corresponding to the detection optical system 5 including the objective lens 21 and the detection PSF determined by the fluorescence wavelength ⁇ em .
- the detected PSF corresponds to PSF det (r) such as in equation (3).
- the distribution Q1a corresponding to the effective PSF is a distribution obtained by multiplying the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringes L2 and the distribution Q3a corresponding to the detected PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1a.
- the distribution Q3b shown in the graph on the left side of FIG. 5A is a distribution corresponding to the detection PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1b among the plurality of detection units 6a.
- the distribution Q3b reaches a maximum (peak) at the position X1b where the detection unit 6a is arranged (for example, the center position of the light receiving region of the detection unit 6a).
- the position X1b is displaced from the peak position X2b of the partial distribution Q2b including the position X1b in the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2.
- the distribution Q1b corresponding to the effective PSF is a distribution obtained by multiplying the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2 and the distribution Q3b corresponding to the detected PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1b.
- the position X1b of the detection unit 6a that is, the peak position of the detected PSF (peak position of the distribution Q3b) is deviated from the peak position X2b of the distribution Q2b corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2.
- the amount is larger than the predetermined value.
- the distribution Q1b of the effective PSF has two maxima (peaks).
- the peak of the effective PSF may be divided into two depending on the position of the detection unit 6a, and such a change in the shape of the effective PSF is called a collapse of the shape of the effective PSF.
- the beak with the strongest effective PSF is called the main lobe, and the other peaks are called the side lobes.
- the peak position of the main lobe of the distribution Q1b of the effective PSF deviates from the center position (position X2a) of the detection device 6. As described above, it can be seen that the position of the main lobe of the effective PSF also shifts due to the relationship between the position (r) of the detection unit 6a of the detection device 6 and the position of the intensity distribution of the interference fringe L2. In the following description, the displacement of the main lobe of the effective PSF is appropriately referred to as the displacement of the effective PSF.
- the distribution Q1c corresponding to the effective PSF is a distribution obtained by multiplying the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringes L2 and the distribution Q3c corresponding to the detected PSF of the detection unit 6a arranged at the position X1c.
- the distribution Q3d shown in the graph on the left side of FIG. 5B is a distribution corresponding to the detection unit 6a arranged at the position X1d among the plurality of detection units 6a.
- the distribution Q3d has a maximum (peak) at the position X1d where the detector 6a is arranged (for example, the center position of the light receiving region of the detector 6a).
- the position X1d is substantially the same as the peak position X2b of the partial distribution Q2b including the position X1d in the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2.
- the distribution Q1d of the effective PSF has a single maximum (peak), and the peak position of the distribution Q1d is the peak position of the distribution Q2b corresponding to the position X1d of the detection unit 6a or the intensity distribution of the interference fringe L2. It becomes almost the same as X2b. That is, the shape of the effective PSF has not collapsed.
- the distribution Q3e shown in the graph on the right side of FIG. 5B is a distribution corresponding to the detection unit 6a arranged at the position X1e among the plurality of detection units 6a.
- the distribution Q3e has a maximum (peak) at the position X1e where the detector 6a is arranged (for example, the center position of the light receiving region of the detector 6a).
- the position X1e is substantially the same as the peak position X2c of the partial distribution Q2c including the position X1e in the distribution Q2 corresponding to the intensity distribution of the interference fringes L2.
- the distribution Q1e of the effective PSF has a single maximum (peak), and the peak position of the distribution Q1e is the peak position of the distribution Q2c corresponding to the position X1e of the detection unit 6a or the intensity distribution of the interference fringe L2. It becomes almost the same as X2c. That is, the shape of the effective PSF has not collapsed.
- the image processing unit 7 uses the detection result of the detection unit 6a selected from the plurality of detection units 6a based on the magnification of the detection optical system 5 and the period (strip interval) of the interference fringes L2.
- the image processing unit 7 selects the detection unit 6a from the plurality of detection units 6a based on the peak position of the interference fringe L2 (for example, the peak position X2a, the peak position X2b, and the peak position X2c in FIG. 5), and the selected detection unit 7.
- the detection result of the unit 6a is used.
- the peak position of the interference fringe L2 corresponds to, for example, the position where the intensity is maximum in the intensity distribution of the interference fringe L2 (for example, the center position of the bright portion).
- the image processing unit 7 uses, for example, the detection result of the detection unit 6a arranged at the position X1a corresponding to the peak position X2a as the detection result corresponding to the peak position X2a in the center graph of FIG.
- the peak position X2a, the peak position X2b, and the peak position X2c are obtained in advance by numerical simulation or the like and are stored in the storage unit in advance.
- the image processing unit 7 selects the detection unit 6a arranged closest to the peak position X2a among the plurality of detection units 6a based on the stored information on the peak position, and displays the detection result of the selected detection unit 6a. To use.
- the image processing unit 7 may use only the detection result of the one detection unit 6a arranged at the position X1a as the detection result regarding the partial distribution Q2a including one peak in the intensity distribution of the interference fringe L2.
- the detection result of the detection unit 6a arranged at the position X1a and at least one detection unit 6a around the detection unit 6a may be used.
- the image processing unit 7 uses, for example, the detection result of the detection unit 6a arranged at the position X1d corresponding to the peak position X2b as the detection result corresponding to the peak position X2b in the graph on the left side of FIG. 5B. .. Based on the magnification of the detection optical system 5 and the cycle of the interference fringes L2, the image processing unit 7 includes a plurality of detectors 6a whose positions match the partial distribution Q2b including one peak in the intensity distribution of the interference fringes L2. Select from the detection unit 6a.
- the image processing unit 7 may detect the detection unit 6a (for example, the detection unit arranged at the position X1d) closest to the peak position X2b among the plurality of detection units 6a based on the stored information of the peak position. 6a) is selected.
- the image processing unit 7 uses the detection result of the selected detection unit 6a as the detection result regarding the distribution Q2b.
- the image processing unit 7 uses, for example, the detection result of the detection unit 6a arranged at the position X1e corresponding to the peak position X2c as the detection result corresponding to the peak position X2c in the graph on the right side of FIG. 5B. .. Based on the magnification of the detection optical system 5 and the period of the interference fringes L2, the image processing unit 7 includes a plurality of detectors 6a whose positions match the partial distribution Q2c including one peak in the intensity distribution of the interference fringes L2. Select from the detection unit 6a.
- the image processing unit 7 may detect the detection unit 6a that is arranged closest to the peak position X2c (for example, the detection unit that is arranged at the position X1e) among the plurality of detection units 6a based on the stored information on the peak position. 6a) is selected.
- the image processing unit 7 uses the detection result of the selected detection unit 6a as the detection result regarding the distribution Q2c.
- the image processing unit 7 may use only the detection result of the one detection unit 6a arranged at the position X1e as the detection result regarding the partial distribution Q2c including one peak in the intensity distribution of the interference fringe L2, You may use the detection result of the detection part 6a arrange
- the peak position X2c of the distribution Q2c and the position X1e of the detection unit 6a are matched with each other, whereby the collapse of the shape of the effective PSF is reduced.
- the image processing unit 7 corrects the image position deviation (effective PSF eff peak position or main lobe position deviation) for each detection unit with respect to the detection result of the detection unit 6a selected as described above.
- the positional deviation of the image for each detection unit can be acquired by theoretical calculation using various design values or from a captured image obtained by photographing a small object such as fluorescent beads with the detection device 6. By correcting such misalignment, the effective PSF of the images obtained by each of the selected detection units 6a can be made substantially the same.
- the PSF eff of the image obtained in this way can be approximately regarded as equivalent to the PSF eff of the detection unit (detection unit located on the optical axis) at the center position of the detection device 6.
- Equation (6) Focusing on the period direction of the interference fringes L2, that is, the k 0 direction, it can be seen from Equation (6) that the smaller the period of the interference fringes L2, the narrower the full width at half maximum of PSF eff and the better the resolution. That is, as the number of fringes (bright part) included in the periodic direction of the interference fringe L2 in the embodiment is larger, the full width at half maximum of PSF eff is narrower and the resolution is better.
- FIG. 6B is a 3D simulation result of the effective PSF of this embodiment
- FIG. 6C is a 3D simulation result of the PSF of the conventional fluorescence microscope. Comparing FIG. 6B and FIG. 6C, it can be seen that the present embodiment has better resolution than the conventional fluorescence microscope in all XYZ directions. The same applies to other embodiments.
- the number of bright parts included in the periodic direction of the interference fringes L2 (X direction in FIG. 6A) in the embodiment is 3 or more. Is desirable. The same applies to other embodiments.
- the cutoff frequency in the Y direction and the Z direction increases, for example, by a factor of 2 as compared with a normal fluorescence microscope.
- the image processing section 7 adds up the I ⁇ SRx (k s) and I ⁇ SRy (k s). This increases the cutoff frequency in the three directions (X direction, Y direction, and Z direction).
- the shape of the added effective OTF may be distorted depending on the combination of the directions that change the periodic direction of the interference fringes L2.
- the image processing unit 7 may apply a frequency filter for correcting the shape of the effective OTF.
- the illumination optical system 4 changes the periodic directions of the interference fringes L2 in three ways of 0 °, 120 °, and 240 °, and the detection device 6 changes each of the three periodic directions. Fluorescent L3 may be detected.
- FIG. 7 is a flowchart showing the observation method according to the embodiment.
- the illumination optical system 4 of FIG. 1 sets the angle of the scanning mirror.
- the illumination optical system 4 irradiates the excitation light as interference fringes at a position on the sample determined by the angle of the scanning mirror set in step S1.
- the fluorescent substance of the sample is excited by the interference fringes of the excitation light.
- the detection device 6 of FIG. 4 detects the fluorescence L3 from the sample S via the detection optical system 5.
- step S4 the control unit CB determines whether or not to change the angle of the scanning mirror.
- the control unit CB determines to execute the angle change of the scanning mirror in step S4 (step S4; Yes). ).
- step S4; Yes the process returns to step S1 and the illumination optical system 4 sets the angle of the scanning mirror to the next scheduled angle. .. Then, the processes of steps S2 to S4 are repeated. In this way, the illumination optical system 4 scans the sample S two-dimensionally with the interference fringes of the excitation light L1.
- step S4 determines not to change the angle of the scanning mirror (step S4; No). ..
- the image processing unit 7 corrects the positional deviation of the image for each detection unit in step S5.
- the image processing unit 7 corrects the data obtained from at least one detection unit of the plurality of detection units based on the position of the detection unit. For example, the image processing unit 7 corrects the data obtained from the detection unit selected from the plurality of detection units based on the position of the detection unit.
- the image processing unit 7 uses the data obtained from the first detection unit (for example, the detection unit arranged at the position X1d in FIG. 5B) of the plurality of detection units as the first detection unit. Correction is made based on the position (eg, position X1d).
- the image processing unit 7 also generates an image using the detection results of two or more detection units. For example, in step S6, the image processing unit 7 generates an image (for example, a super-resolution image) by adding the corrected images in step S5.
- the positions of the plurality of detection units 6a of the detection device 6 may be set based on the cycle of the interference fringe L2 so as to match the peak (or maximum or bright point) position of the interference fringe L2.
- the detection device 6 may be preset so that the spacing between the detection units 6a and the fringe spacing of the interference fringes L2 match.
- the distance between the detection units 6a is the distance between the center of one detection unit 6a and the center of the detection unit 6a adjacent to the center.
- the fringe spacing of the interference fringe L2 is the spacing between the centerline of one bright portion and the centerline of the adjacent bright portion in the interference fringe L2.
- the fringe spacing of the interference fringes L2 is 1 / k 0 .
- the spacing of the detection unit 6a of the detection device 6 is set to be substantially the same as P shown in the following formula (7).
- the microscope 1 may scan the interference fringes L2 two-dimensionally by scanning the interference fringes L2 in two directions parallel to the sample surface Sa, or may be parallel to the sample surface Sa.
- the interference fringes L2 may be scanned three-dimensionally by scanning the interference fringes L2 in two directions and in one direction perpendicular to the sample surface Sa.
- the process of scanning the interference fringes L2 in the two directions parallel to the sample surface Sa (hereinafter referred to as the two-dimensional process) is the same as the process described in the above embodiment. is there.
- the microscope 1 can generate, for example, a three-dimensional super-resolution image by repeating the two-dimensional processing by changing the position in the Z direction. Similarly to the embodiments described below, the microscope 1 may three-dimensionally scan the interference fringes L2.
- the image processing unit 7 filters the data in the frequency space to generate an image.
- the image processing unit 7 performs deconvolution on the data obtained from the detection device 6 to generate an image.
- the image processing unit 7 performs deconvolution and apodization for each detection unit 6a of the detection device 6 as the above-described filtering to generate an image. That is, the image processing unit 7 performs filtering including deconvolution on the data in the frequency space.
- a series of processes of deconvolution and apodization may be collectively (generally) referred to as deconvolution.
- FIG. 8 is a diagram showing processing of the image processing unit of the microscope according to the second embodiment.
- FIG. 8 (A) shows the PSF before deconvolution, which is the same as FIG. 5 (A).
- the distance between the detection units 6a of the detection device 6 does not match the distance between the interference fringes L2.
- the effective PSF (solid line) of the image obtained for each detection unit 6a loses its shape depending on the position of the detection unit 6a.
- the effective PSF for each detection unit 6a can be obtained (estimated) by theoretical calculation from the design value or by photographing a small object such as fluorescent beads.
- the image processing unit 7 uses the thus obtained effective PSF to perform deconvolution so as to correct the shape collapse and the positional deviation of the effective PSF of the image obtained for each detection unit 6a.
- Figure 8 (B) shows the PSF after deconvolution.
- the distribution Q4a is the effective obtained by deconvolving the effective PSF of the detection unit 6a arranged at the distribution Q1a, that is, the position X1a shown in the central graph of FIG. 8A.
- the amount of deviation between the position X1a of the detection unit 6a and the peak position X2a of the distribution Q2a is smaller than a predetermined value, and the distribution Q4a corresponding to the effective PSF after deconvolution corresponds to the effective PSF before deconvolution. It is almost the same as the distribution Q1a.
- the image processing unit 7 converts the detection results of at least a part of the plurality of detection units 6a into data in the frequency space, and uses the conversion results to generate an image (for example, a super-resolution image).
- data representing at least a part of the detection results of the plurality of detection units 6a in the frequency space is appropriately referred to as a component of the frequency space.
- the image processing unit 7 Fourier transforms at least a part of the detection results of the plurality of detection units 6a, and generates an image using the components of the frequency space obtained by the Fourier transform.
- I 1 to (r, k s ) on the left side of the equation (8) is the Fourier transform of I (r, r s ) with respect to r s .
- Right side of the OTF eff (r, k s) is, PSF eff (r, r s ) the is obtained by Fourier transform for r s, represents the effective OTF of each detector 6a of the detector 6.
- the right-hand side of Obj ⁇ (k s) are those Obj a (r s) obtained by Fourier transform on r s.
- deconvolution methods such as the Wiener filter and Richardson-Lucy method.
- the process using the Wiener filter will be described as an example, but the image processing unit 7 may execute deconvolution by other processes.
- the deconvolution of each detection unit by the Wiener filter is represented by the following formula (9).
- Obj to (r, k s ) are distributions of the fluorescent substance estimated for each detection unit 6a of the detection device 6 (hereinafter, referred to as estimated fluorescent substance distributions).
- w is a Wiener parameter for suppressing noise.
- the image processing unit 7 the process shown in the following equation (10), the apodization Obj ⁇ (r, k s), adding the spectrum in the detection section 6a of the detection device 6, the super-resolution image I SR ( to generate a r s).
- A(k s ) is an apodization function for suppressing the negative value of the image, and multiplying Obj ⁇ (r, k s ) by A(k s ) is called apodization.
- the functional form of A(k s ) is designed to suppress the negative value of the image by theoretical calculation or simulation.
- F ks -1 is the inverse Fourier transform relates k s.
- the image processing unit 7 performs the inverse Fourier transform after adding the spectra of the detection units 6a, but may add the images after performing the inverse Fourier transform. In the processing of Expressions (9) and (10), the image processing unit 7 independently deconvolves each detection unit 6a and then adds the images to each detection unit 6a.
- the image processing section 7 may collectively deconvolute two or more detection sections 6a as in the following Expression (11).
- the image processing unit 7 may change the range of the detection unit 6a to be added, as described in the first embodiment. Further, the image processing unit 7 may improve the resolution one-dimensionally or two-dimensionally as described in the first embodiment.
- the image processing unit 7 corrects the collapse of the shape of the effective PSF for each detection unit 6a by image processing different from that in the second embodiment.
- FIG. 10A is a PSF before image processing according to the present embodiment, which is the same as FIG. 5A.
- the distance between the detection units 6a of the detection device 6 does not match the distance between the interference fringes L2.
- the effective PSF (solid line) of the image obtained for each detection unit 6a is deformed depending on the position of the detection unit 6a.
- the image processing unit 7 sets the interference fringes so that the peak position of the partial distribution of the intensity distribution of the interference fringes L2 (for example, Q2b shown in the graph on the left side of FIG. 10A) matches the position of the detection unit 6a.
- the phase of the intensity distribution of L2 is effectively shifted by image processing. This process is appropriately called an image processing phase shift, and the phase shift amount is called an image processing phase shift amount.
- FIG. 10B shows the effective PSF for each detection unit 6a after the image processing phase shift processing.
- the distribution Q2f is subjected to image processing phase shift so that the peak position X2b of the distribution Q2b of FIG. 10A coincides with the position X1b of the detection unit 6a.
- the peak position X2f of the distribution Q2f substantially coincides with the position X1b of the detection unit 6a.
- the distribution Q1f is a distribution corresponding to the effective PSF obtained from the distribution Q2f obtained by shifting the phase of the image processing phase and the detected PSF (distribution Q3b) of the detection unit 6a arranged at the position X1b. In the distribution Q1f, the collapse of the shape of the effective PSF is reduced.
- the distribution Q2g has the phase of the distribution Q2 set to the image processing phase so that the peak position X2c of the distribution Q2c of FIG. 10(A) coincides with the position X1c of the detection unit 6a.
- This is the shifted distribution.
- the peak position X2g of the distribution Q2g substantially coincides with the position X1c of the detection unit 6a.
- the distribution Q1g is a distribution corresponding to the effective PSF obtained from the distribution Q2g obtained by phase-shifting the image processing phase and the detection PSF (distribution Q3c) of the detection unit 6a arranged at the position X1c. In the distribution Q1g, the collapse of the shape of the effective PSF is reduced.
- the shape of the effective PSF (solid line) for each detection unit 6a is corrected so as to be substantially the same.
- the image processing unit 7 generates an image by using an image for each detection unit 6a having an effective PSF corrected to have substantially the same shape.
- the image I(r,r s ) obtained by the detection device 6 is represented by the above equation (3). Substituting the ill (r) shown in the above equation (2) into the equation (3), the following equation (12) is obtained.
- ⁇ indicates the initial phase of the interference fringe L2.
- the image processing unit 7 changes the phase of the interference fringe L2 by image processing according to the detector coordinates, and aligns the shapes of the effective PSFs.
- the microscope 1 acquires the four-dimensional image data I(r,r s ) as described in Expression (3).
- the image processing unit 7 performs a four-dimensional Fourier transform on I(r,r s ).
- the four-dimensional data in the frequency space obtained by the Fourier transform is represented by I 1 to (k, k s ).
- OTF det is the Fourier transform of PSF det and represents the OTF of the detection optical system 5.
- OTF ill is the Fourier transform of PSF ill
- Obj ⁇ are the Fourier transform of Obj.
- I 0 ⁇ (k, k s ), I +1 ⁇ (k, k s), I -1 ⁇ (k, k s), I +2 ⁇ (k, k s), I -2 ⁇ (k, k s ) is defined by the above equation.
- the cutoff frequency of OTF det (k) is given by 2k NA em .
- the cutoff frequency of OTF ill (k) is given by 2 ⁇ k NA ex . Therefore, I 0 to (k, k s ) have a value only in the region AR1a of the zero-order component that satisfies the condition of Expression (14), and I +1 to (k, k s ) satisfy the condition of Expression (15).
- FIG. 11 is a diagram showing a region of the frequency space used for component separation in the third embodiment.
- the opening of the mask 15 may have a shape other than a circular shape.
- the range of the area AR1a of the 0th order component, the area AR1b of the +first order component, the area AR1c of the ⁇ 1st order component, the area AR1d of the +second order component, and the area AR1e of the ⁇ second order component is when the opening of mask 15 is circular.
- the opening of the mask 15 has a shape other than a circle, it can be obtained by numerical simulation, theoretical calculation, or the like based on the design value of the microscope 1. Alternatively, the region where each component has a value can be obtained by actually measuring the fluorescent sample.
- FIG. 11A shows each region on the k xs -kys plane.
- the 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the ⁇ 1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the ⁇ second-order component area AR1e are circular areas.
- the 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the ⁇ 1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the ⁇ second-order component area AR1e all have the same radius.
- the radius of the 0th-order component region AR1a is 2 ⁇ k NA ex .
- the distance A2 between the center of the ⁇ second-order component area AR1e and the origin is 2k0.
- the + secondary component region AR1d is a region symmetric with respect to the second-order component region AR1e with respect to the zero-order component region AR1a.
- FIG. 11B shows each region in the k xs ⁇ kx plane.
- the 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the ⁇ 1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the ⁇ second-order component area AR1e are parallelogram areas, respectively.
- the image processing unit 7 sets the region of the frequency space in the component separation based on the light intensity distribution of the excitation light in the sample S. For example, the image processing unit 7 sets a plurality of regions that do not overlap each other based on the electric field intensity ill(r) of the excitation light on the sample surface Sa as the light intensity distribution of the excitation light on the sample S.
- the plurality of regions described above include five or more regions that do not overlap with each other.
- the plurality of areas include the area AR1a of FIG. 11 as the first area, the area AR1b of FIG. 11 as the second area, the area AR1c of FIG. 11 as the third area, the area AR1d of FIG. 11 as the fourth area, and The area AR1e of FIG.
- image data obtained by inverse Fourier transform of I -1 ⁇ (k, k s ) with I -1 (r, r s) is represented by I +2 (r, r s ).
- image data obtained by inverse Fourier transform of I -2 ⁇ (k, k s ) in I -2 (r, r s) is represented by I 0 (r,r s ), I +1 (r,r s ), I ⁇ 1 (r,r s ), I +2 (r,r s ), and I ⁇ 2 (r,r ). For each r s ), the calculation shown in the following equation (19) is performed.
- ⁇ (r) represents the image processing phase shift amount for each position r of the detection unit 6a of the detection device 6.
- the image processing phase shift amount ⁇ (r) is determined, for example, as follows.
- the image processing unit 7 calculates the positional deviation amount of the signal detected at the detector coordinate r.
- the image processing unit 7, for example, by simulation in advance, by obtaining the peak position of the obtained function by the product of PSF det (r + r s) and PSF ill (r s), calculates the position deviation amount of the.
- the position deviation of the effective PSF is proportional to the detector coordinate r, and the parameter indicating the degree of the position deviation is ⁇ , and the position deviation amount is represented by r/ ⁇ .
- I′(r,r s ) obtained from the calculation of the above equation (20) is an image in which the collapse of the shape of the effective PSF for each position r of the detection unit 6a is corrected, and the shape of the effective PSF is almost the same.
- the effective PSFs can be made substantially the same in the two or more detection units 6a of the detection device 6.
- PH (r) is a pinhole function defined by the equation (22).
- Increasing the value of r PH can increase the signal amount, it is possible to increase the sectioning ability Lower values of r PH.
- the scan interval and the interval of the detection unit 6a of the detection device 6 may be set based on the cutoff frequency and the Nyquist theorem.
- the scan interval may be set to ⁇ ex / 8 NA or less in the periodic direction of the interference fringes.
- the scan interval may be set to ⁇ ex /4NA or less in the direction perpendicular to the periodic direction of the interference fringes.
- the interval between the detection units 6a of the detection device 6 may be set to ⁇ em /4NA or less.
- the numerical aperture on the detection device 6 side of the detection optical system 5 is set to NAd, and for example, the size of the detection unit 6a is preferably set to about ⁇ em /4NAd. ..
- the focal length of the lens 23 may be set such that the numerical aperture NAd of the detection optical system 5 on the detection device 6 side satisfies NAd ⁇ em /4d. ..
- FIG. 12 is a flowchart showing an observation method according to the third embodiment.
- the image processing unit 7 Fourier transforms at least a part of the detection results of the plurality of detection units 6a.
- the image processing unit 7 performs a four-dimensional Fourier transform on I(r,r s ).
- the image processing unit 7 separates the components in the frequency space.
- the image processing unit 7 separates the components of the frequency space obtained by the Fourier transform into each region of the frequency space.
- the image processing unit 7 performs an inverse Fourier transform on the separated components.
- the image processing unit 7 executes the image processing phase shift process.
- the image processing unit 7 corrects the positional deviation of the effective PSF in step S25.
- the image processing unit 7 generates an image (for example, a super-resolution image) by adding the images obtained by correcting the positional deviation in step S25.
- a fourth embodiment will be described.
- the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
- the image processing unit 7 (see FIG. 4) performs the component separation described in the third embodiment, and then performs deconvolution on the separated components to generate an image.
- OTF 0 (k, k s ), OTF +1 (k, k s ), OTF -1 (k, k s ), OTF +2 (k, k s ), and OTF- 2 (k, k, s ).
- k s is expressed by the following equation (24).
- the image processing unit 7 includes OTF 0 (k, k s ), OTF +1 (k, k s ), OTF -1 (k, k s ), OTF +2 (k, k s ), and OTF- 2 (k, k s ).
- Deconvolution is performed using each estimated value of k s ).
- processing using a Wiener filter will be described as an example of deconvolution, but deconvolution using another method may be used.
- deconvolution by the Wiener filter is represented by the following equation (25).
- a (k s ) is the apodization function for suppressing the negative value of the image. Further, w is a Wiener parameter for suppressing noise. F ks -1 is the inverse Fourier transform for k s .
- the image processing unit 7 generates an image using the result of the above deconvolution.
- FIG. 13 is a flowchart showing the observation method according to the fourth embodiment.
- the processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and the description thereof is omitted.
- step S31 the image processing unit 7 Fourier transforms the detection result.
- step S32 the image processing unit 7 separates the components in the frequency space.
- step S33 the image processing unit 7 performs deconvolution using the components separated by the process of step S32.
- the image processing unit 7 performs apodization.
- step S35 the image processing unit 7 performs an inverse Fourier transform on the data obtained by deconvolution and apodization.
- the image processing unit 7 generates an image using the data obtained by the inverse Fourier transform.
- the image processing unit 7 performs component separation, deconvolution, and apodization in the frequency space, converts the data obtained by these processes into data in the real space, and forms an image. To generate.
- the image processing unit 7 may generate an image without performing the process of correcting the positional deviation by making the effective PSFs of the detection units 6a of the detection devices 6 substantially match.
- the scan interval and the interval of the detection unit 6a of the detection device 6 may be set based on the cutoff frequency and the Nyquist theorem.
- the scan interval may be set to ⁇ ex /8NA or less in the periodic direction of the interference fringes.
- the scan interval may be set to ⁇ ex /4NA or less in the direction perpendicular to the periodic direction of the interference fringes.
- the interval between the detection units 6a of the detection device 6 may be set to ⁇ em /4NA or less.
- the numerical aperture on the detection device 6 side of the detection optical system 5 is set to NAd, and for example, the size of the detection unit 6a is preferably set to about ⁇ em /4NAd. ..
- the focal length of the lens 23 may be set so that the numerical aperture NAd of the detection optical system 5 on the detection device 6 side satisfies NAd ⁇ em /4d. ..
- the image processing unit 7 may set the range to be integrated with respect to the above k to the range of the entire space or to a part of the range of the entire space. Further, the image processing unit 7 is subjected to Fourier transform to perform I 0 to (k, k s ), I + 1 to (k, k s ), I -1 to (k, k s ), and I + 2 to (k, k s). ), and I ⁇ 2 to (k, k s ) may be calculated by limiting the range of r.
- the image processing unit 7 includes OTF 0 (k, k s ), OTF +1 (k, k s ), OTF -1 (k, k s ), OTF +2 (k, k s ), and OTF -2 (k, k s ).
- k, k s ) may be data obtained in advance by measurement using fluorescent beads or numerical simulation using the design value of the microscope 1, or the result of detection of fluorescence from the sample S by the detection device 6. Data (eg, estimated values) obtained from the above may be used.
- the microscope 1 scans the interference fringes L2 in two directions parallel to the sample surface Sa to scan the interference fringes L2 two-dimensionally and generate a two-dimensional image of the sample S.
- the microscope 1 scans the interference fringes L2 in two directions parallel to the sample surface Sa, and scans the interference fringes L2 in one direction perpendicular to the sample surface Sa, so that the three-dimensional image of the sample S is obtained. Generate an image.
- the fifth embodiment extends the method for correcting the shape collapse of the effective PSF for each detection unit 6a by the image processing phase shift processing described in the third embodiment to image data obtained by three-dimensional scanning.
- the method is used. Of the processing methods described in the third embodiment, the processing that can be commonly used in the fifth embodiment will be omitted.
- image data obtained by three-dimensionally scanning the sample S with the interference fringes of the excitation light L1 is acquired, and the acquired image data is Fourier-transformed to be converted into data in the wave number space.
- the data is separated into components, and the separated data is transformed into data in the real space by inverse Fourier transform, and image processing phase shift processing is executed to correct the positional deviation of the image for each detection unit.
- a three-dimensional image of the sample S is generated by adding the images after the positional deviation correction.
- the stage 2 holds the sample S to be observed, and the relative positions of the sample S and the illumination optical system 4 in the X direction, Y direction, and Z direction in FIG. 1 can be moved.
- the relative position between the stage 2 and the illumination optical system 4 is set to a predetermined position so that the region to be observed in the sample S is arranged on the sample surface Sa (region where the local interference fringes L2 are formed).
- the operations of steps S1 to S4 in the flowchart of FIG. 7 of the first embodiment are carried out, and the sample S is two-dimensionally scanned by the interference fringes of the excitation light L1.
- Image data I obtained a sample S when 3-dimensionally scanned by the interference fringes of the excitation light L1 (r, r s, z s) is given by the following equation (26).
- PSF det (r, z) indicates a three-dimensional distribution of detected PSFs in the XYZ directions.
- the detection PSF is determined by the detection optical system 5 including the objective lens 21 and the fluorescence wavelength ⁇ em .
- ill (r, z) represents the three-dimensional electric field intensity distribution of the excitation light in the XYZ direction in the vicinity of the sample surface Sa.
- the ZX cross section of ill (r, z) is as shown in FIG. 6 (a).
- Obj(r,z) represents the three-dimensional distribution of the fluorescent substance in the sample S in the XYZ directions.
- R in equation (26) is a convolution for r.
- the image processing unit 7 performs a five-dimensional Fourier transform on r, r s , and z s with respect to Expression (26).
- the five-dimensional data of the frequency space obtained by the Fourier transform is represented by I ⁇ (k, k s , k z s ).
- I to (k, k s , k zs ) are represented by the following equation (27).
- ill 1 to ill represent Fourier transform of ill
- OTF det represents Fourier transform of PSF det
- FIG. 14 (A) is shown in FIG. 14 (A). This is a Fourier transform of the illumination shape shown in FIG. 6A.
- FIG. 14 (A) is an extension of FIG. 11 (A) described in the third embodiment to three dimensions, and like FIG. 11 (A), regions in which ill to (k, k z ) have values. Is divided into multiple.
- ill ⁇ ( k, k z) AR 0 regions has a value, AR + 1x, + 1z, AR + 1x, -1z, AR -1x, + 1z, AR -1x, -1z , AR +2x , and AR -2x .
- the components having values in the area AR 0 are ill to 0 (k, k z ), and the components having values in the areas AR +1x and +1z are ill to +1x, +1z (k, k z ), the components having values in the regions AR +1x, ⁇ 1z are ill to +1x, ⁇ 1z (k, k z ), and the components having values in the regions AR ⁇ 1x, +1z are ill to ⁇ 1x, +1z (k , K z ), the components having values in the regions AR ⁇ 1x, ⁇ 1z are ill to ⁇ 1x, ⁇ 1z (k, k z ), and the components having values in the region AR +2x are ill to +2x (k, k Let z ), and let the components having a value in the region AR -2x be ill to -2x (k, k z ).
- ⁇ x and ⁇ z are the initial phases of the illumination light.
- Equation (29) is obtained by substituting equation (28) into equation (27).
- the region where ill ⁇ (k, k z ) has a value is limited to AR 0 , AR + 1x, + 1z , AR + 1x, -1z , AR -1x, + 1z , AR -1x, -1z , AR + 2x , and AR -2x .
- the region where each component has a value in the five-dimensional frequency space is when the opening of the mask 15 is circular, when the opening of the mask 15 has a shape other than circular, and when the number of openings of the mask 15 is 3 or more. Any of the above can be obtained by numerical simulation, theoretical calculation, etc. based on the design value of the microscope 1. Alternatively, the region where each component has a value can be obtained by actually measuring the fluorescent sample.
- the image processing unit 7 extracts information from I 1 to (k, k s , k zs ) from a region where each component can have a value, and I to 0 (k, k s , k zs ), I to +1x, +1z (K, k s , k zs ), I ⁇ + 1x, -1z (k, k s , k zs ), I ⁇ -1x, + 1z (k, k s , k zs ), I ⁇ -1x, -1z ( k, k s , k zs ), I ⁇ + 2x (k, k s , k zs ), and I ⁇ -2x, (k, k s , k zs ) are obtained.
- this process is referred to as component separation.
- the region for extracting each component may be extracted from a region wider than the region in which each component may have a value obtained by numerical simulation, theoretical calculation, or may be extracted from a narrow region. Good. Further, even when there is an overlap between the components, if the overlap is small, the influence on the image processing result is small, and therefore the information of the region where the components overlap may be extracted.
- I ⁇ 0 extracted by performing component separation (k, k s, k zs ), I ⁇ + 1x, + 1z (k, k s, k zs), I ⁇ + 1x, -1z (k, k s, k zs) , I ⁇ -1x, + 1z (k, k s , k zs ), I ⁇ -1x, -1z (k, k s , k zs ), I ⁇ + 2x (k, k s , k zs ), and I ⁇
- five-dimensional real space data is calculated by performing a five-dimensional inverse Fourier transform on k, k s , and k zs .
- the inverse Fourier transform results of I to ⁇ 1x, +1z (k, k s , k zs ) are I ⁇ 1x, +1z (r, r s , z s ), I to ⁇ 1x, ⁇ 1z (k, k s , k) inverse Fourier transform results I -1x of zs), -1z (r
- ⁇ (r) represents the image processing phase shift amount for each position r of the detection unit 6a of the detection device 6 as described in the third embodiment.
- the image processing phase shift amount ⁇ (r) is determined as follows, for example.
- the image processing unit 7 calculates the positional deviation amount of the signal detected at the detector coordinate r.
- the image processing unit 7, for example, by simulation in advance, by obtaining the peak position of the distribution obtained by the product of the distribution that represents the envelope of PSFdet (r + r s, z s) and ill (r s, z s) , Calculate the above misalignment amount.
- the position deviation of the effective PSF is proportional to the detector coordinate r, and the parameter indicating the degree of the position deviation is ⁇ , and the position deviation amount is represented by r/ ⁇ .
- the value of ⁇ is, PSFdet (r + r s, z s) and ill (r s, z s) may be calculated from the peak position of the distribution obtained by the product of the distribution that represents the envelope of the other numerical It may be calculated by simulation or estimated from an observed image. Further, a different ⁇ may be used for each detection unit 6a of the detection device 6. Once ⁇ is determined, the amount of image processing phase shift according to the detector coordinates is determined.
- the image processing phase shift amount ⁇ (r) of the interference fringe L2 is the peak position of the function obtained by the product of PSFdet(r+r s , z s ) and the distribution representing the envelope of ill(r s , z s ), The peak positions of the interference fringes are determined so as to coincide with each other.
- the values of the initial phase ⁇ x and the initial phase ⁇ z may be values measured in advance using fluorescent beads or values estimated from an observed image.
- the image processing unit 7 determines the amount of phase conversion (image processing phase shift amount) based on the light intensity distribution of the excitation light in the sample S.
- PH (r) is a pinhole function defined by the equation (22).
- the signal amount can be increased by increasing the value of r PH in Expression (22), and the sectioning ability can be increased by decreasing the value of r PH .
- the scan interval and the interval of the detection unit 6a of the detection device 6 may be set based on the cutoff frequency and the Nyquist theorem.
- the scan interval may be set to ⁇ ex /8NA or less in the periodic direction of the interference fringes in the direction orthogonal to the optical axis. Further, the scan interval may be set to ⁇ ex / 4 NA or less in the direction perpendicular to the periodic direction of the interference fringes in the direction orthogonal to the optical axis.
- the scan interval may be set to ⁇ ex /(8(n ⁇ (n 2 ⁇ NA 2 ))) or less in the periodic direction of the interference fringes in the optical axis direction.
- FIG. 15 is a flowchart showing an observation method according to the fifth embodiment.
- the processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and the description thereof is omitted.
- the processing from step S24 to step S26 is the same as that in FIG. 12, and the description thereof is omitted.
- step S41 the control unit CB sets the relative position of the interference fringe L2 and the sample S in the Z direction by the stage 2.
- step S42 the control unit CB determines whether or not to change the relative positions of the interference fringes L2 and the sample S in the Z direction.
- the microscope 1 sets the relative position in the Z direction between the interference fringe L2 and the sample S by the stage 2, and the illumination optical system 4 sets the relative fringe of the excitation light L1 by the illumination optical system 4 at each set relative position.
- the sample S is three-dimensionally scanned by two-dimensionally scanning.
- the image processing unit 7 separates the components of the five-dimensional frequency space obtained by the five-dimensional Fourier transform into regions of the frequency space.
- the image processing unit 7 performs a five-dimensional inverse Fourier transform on the separated component with respect to the detector coordinate r (two-dimensional), the scan coordinate r s (two-dimensional), and z s .
- FIG. 16 is a diagram showing a microscope according to a sixth embodiment.
- the microscope 1 according to this embodiment includes a phase modulation element 25 in the illumination optical system 4.
- the phase modulation element 25 is driven by the phase modulation element drive mechanism (drive unit 26), and the phase of the light and dark of the interference fringe L2 can be changed.
- the image processing unit 7 see FIG.
- the excitation light L1a passing through the opening 15a, the excitation light L1b passing through the opening 15b, and the excitation light L1c passing through the opening 15c are both Since the region Ph0 is transmitted, no phase difference is added between the excitation light L1a, the excitation light L1b, and the excitation light L1c.
- the excitation light L1a transmits the region Ph+2
- the excitation light L1b transmits the region Ph-2
- the excitation light L1c transmits the region Ph0. Therefore, a predetermined second phase difference is added between the excitation light L1a, the excitation light L1b, and the excitation light L1c, respectively.
- the pump light L1a has a phase difference of ⁇ 2 with respect to the pump light L1c
- the pump light L1b has a phase difference of ⁇ 2 with respect to the pump light L1c. It may be added.
- 2 ⁇ /5 [rad] may be selected as the value of ⁇ 2.
- the excitation light L1a transmits the region Ph+3, the excitation light L1b transmits the region Ph-3, and the excitation light L1c transmits the region Ph0. Therefore, a predetermined third phase difference is added between the excitation light L1a, the excitation light L1b, and the excitation light L1c, respectively.
- the pump light L1a has a phase difference of ⁇ 3 with respect to the pump light L1c
- the pump light L1b has a phase difference of ⁇ 3 with respect to the pump light L1c. It may be added.
- 3 ⁇ /5 [rad] may be selected as the value of ⁇ 3.
- the respective regions Ph0, Ph+1 to Ph+4, Ph-1 to Ph-4 of the phase modulation element 25 are not limited to those in which the thickness of the phase modulation element 25 itself is different for each region as described above.
- a thin film having a predetermined thickness may be formed in at least nine regions of a glass disk having a uniform thickness. It is also possible to arrange a plurality of glass discs having different thicknesses for each region and drive each of the plurality of glass discs.
- an element such as a liquid crystal SLM or a MEMS mirror may be used as the phase modulation element. You may combine and use the phase modulation element from which a kind differs.
- phase modulation element 25 adds a phase difference of ⁇ to the excitation light L1c with respect to the excitation light L1a and a phase difference of ⁇ with respect to the excitation light L1c to the excitation light L1b, the sample surface Sa
- the electric field intensity ill(r) of the excitation light at is expressed by the following equation (33).
- phase modulation element 25 changes the light and dark phases of the intensity distribution of the interference fringes L2 without moving the envelope (envelope) of the intensity distribution of the interference fringes L2.
- the microscope 1 scans the interference fringe L2 on the sample surface Sa by the scanning unit 18 when the rotation angle of the phase modulation element 25 is one of the states shown in FIGS. 17(B) to (F), and the detector 6 detects the fluorescence L3.
- the microscope 1 illuminates the illumination region selected from the sample surface Sa with the interference fringes L2, and the detection device 6 detects the fluorescence L3 from the illumination region.
- the microscope 1 changes the illumination area by the scanning unit 18 after the detection by the detection device 6 is completed.
- the microscope 1 acquires a fluorescence intensity distribution (measured value of the detection device 6) in a desired region by repeating a process of detecting fluorescence and a process of changing the illumination region.
- the image data I(r, r s ; ⁇ ) can be obtained by the following equation (34) as in the case of the equation (12) of the third embodiment. Given in.
- a OTF'det (r, k s) e i2 ⁇ ksr OTFdet (k s).
- the equation (35) is the sum of five terms. As shown in the following equation (36), each term is converted into the 0th order component I 1 to 0 (r, k s ) and the +1st order component I 1 to +1. (r, k s), - 1 -order component I ⁇ -1 (r, k s ), + 2 -order component I ⁇ +2 (r, k s ), and -2-order component I ⁇ -2 (r, k s ) Call. These components are essentially equivalent to the components described in the third embodiment.
- the ⁇ first-order components and the ⁇ second-order components in equation (36) are multiplied by a predetermined phase shift amount ⁇ to match the coordinates of the detection unit 6a.
- a correction process is performed to shift the phase of the interference fringe L2 in an image processing manner.
- the image data I obtained by the scanning of the interference fringes L2 (r, r s; ⁇ ) scan coordinate r of 0-order component obtained two-dimensional Fourier transform results for s I ⁇ 0 (r, k s), + 1 -order component I ⁇ +1 (r, k s ), - 1 -order component I ⁇ -1 (r, k s ) , +2nd-order component I 1 to +2 (r,k s ) and ⁇ 2nd-order component I 1 to ⁇ 2 (r,k s ) respectively spread in the frequency space and overlap each other. It is difficult to separate clearly.
- scanning is performed in a plurality of different phases of the interference fringes L2 to acquire image data.
- the components I 1 to ⁇ 1 (r, k s ), the +second-order components I to +2 (r, k s ) and the ⁇ second-order components I to ⁇ 2 (r, k s ) can be separated from each other.
- equation (37) When equation (37) is written in matrix format, it becomes equation (38).
- ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4 are inversed in the equation (39). It can be seen that it is sufficient to set the matrix so that it exists. For example, as described above, for example, ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4 may be set to ⁇ /5, 2 ⁇ /5, 3 ⁇ /5, and 4 ⁇ /5 [rad], respectively.
- the plurality of images obtained by scanning the interference fringes L2 on the sample surface Sa by the scanning unit 18 are respectively obtained.
- Image is subjected to Fourier transform at scan coordinates r s , and from the result of the Fourier transform, the 0th-order component I 1 to 0 (r, k s ) and the +1st-order component I 1 to +1 (r, k s), - 1-order component I ⁇ -1 (r, k s ), + 2 -order component I ⁇ +2 (r, k s ), and -2-order component I ⁇ -2 (r, determine the k s) (extract This is also called component separation.
- the image processing unit 7 corrects the position shift of the effective PSF for each detection unit 6 a of the detection device 6 with respect to I′(r, r s ). Thereby, the effective PSFs can be made substantially the same in the two or more detection units 6a of the detection device 6.
- step S52 When determining that the phase of the interference fringe L2 is changed (step S52; Yes), the control unit CB returns to the process of step S51 and sets the phase of the interference fringe L2 again. Then, the processes of steps S1 to S4 are repeated. In this way, in the microscope 1, the illumination optical system 4 two-dimensionally scans the sample S with the plurality of interference fringes L2 of the excitation light L1.
- the control unit CB determines not to change the phase of the interference fringe L2 (step S52; No).
- the image processing unit 7 scans at least a part of the detection results of the plurality of detection units 6a in step S53. Perform a two-dimensional Fourier transform on the coordinates r s (two-dimensional).
- the image processing unit 7 separates the components in the frequency space by, for example, solving the simultaneous equations represented by the equation (39).
- step S55 the image processing section 7 performs to the separated components, a two-dimensional inverse Fourier transform of about scanning coordinates r s (two-dimensional).
- the microscope 1 may scan the interference fringes L2 two-dimensionally by scanning the interference fringes L2 in two directions parallel to the sample surface Sa, or may be parallel to the sample surface Sa.
- the interference fringes L2 may be scanned three-dimensionally by scanning the interference fringes L2 in two directions and in one direction perpendicular to the sample surface Sa.
- the process of scanning the interference fringes L2 in the two directions parallel to the sample surface Sa (hereinafter referred to as the two-dimensional process) is the same as the process described in the above embodiment. is there.
- the microscope 1 can generate, for example, a three-dimensional super-resolution image by repeating the two-dimensional processing by changing the position in the Z direction. Similarly to the embodiments described below, the microscope 1 may three-dimensionally scan the interference fringes L2.
- the microscope 1 has improved resolution in the periodic direction (X direction in FIG. 16) of the interference fringes L2.
- the microscope 1 can also improve the three-dimensional resolution of XYZ by changing the periodic direction of the interference fringe L2 and detecting the fluorescence from the sample S.
- the periodic direction of the interference fringe L2 can be changed by rotating the mask 15 in a desired direction. In this case, the rotation angle of the phase modulation element 25 may be changed according to the rotation angle of the mask 15.
- component separation is performed using a plurality of images acquired by scanning the interference fringe L2 on the sample surface Sa by the scanning unit 18 under the phase ⁇ of the plurality of interference fringes L2 (five as an example).
- the respective overlaps of the +2nd-order component I 1 to +2 (r,k s ) and the ⁇ 2nd- order component I to ⁇ 2 (r,k s ) in the frequency space may be sufficiently small, and the wavenumber space
- the components can be separated by extracting data from the area where the +second-order component has a value and the area where the ⁇ second-order component has a value. In such a case, all the components can be separated even if the number of changes of the phase ⁇ of the interference fringe L2 is reduced.
- the component separation method described in the present embodiment and the component separation method described in the third embodiment may be appropriately combined.
- the number of times the phase ⁇ of the interference fringe L2 is changed may be determined according to the number of components to be separated.
- the mixed component of the +1x+1z component and the +1x-1z component is separated from the other components.
- the component separation described in the third embodiment is used. Good.
- the + 1x-1z component can be separated.
- the first phase difference is a phase difference in which no phase difference is added between the excitation light L1a, the excitation light L1b, and the excitation light L1c.
- the second phase difference is such that the pump light L1a has a phase difference of ⁇ [rad] added to the pump light L1c, and the pump light L1b has a phase difference of ⁇ [rad] added to the pump light L1c. It is a phase difference.
- FIG. 19 is a diagram showing a microscope according to a seventh embodiment.
- the detection device 6 includes a line sensor (line detector) in which a plurality of detection units 6a are arranged one-dimensionally. The plurality of detection units 6a are arranged in one direction in the detection device 6. The detection device 6 is arranged at a position optically conjugate with the sample surface Sa.
- the direction in which the plurality of detection units 6a are arranged (hereinafter referred to as the arrangement direction) is set to the direction corresponding to the periodic direction of the interference fringes L2.
- the periodic direction of the interference fringes is the X direction
- the array direction of the plurality of detection units 6a is set to the Xb direction corresponding to the X direction.
- the microscope 1 includes a ⁇ /2 wavelength plate 30 and an optical path rotating unit 31 that rotates the optical path around the optical axis.
- the ⁇ /2 wave plate 30 rotates the polarized light passing through the optical path rotating unit 31 based on the rotation angle of the optical path by the optical path rotating unit 31.
- the optical path rotating unit 31 is arranged in the optical path between the mask 15 and the sample S in the illumination optical system 4.
- the optical path rotating unit 31 is arranged, for example, at a position where the excitation light L1 becomes substantially parallel light in the optical path of the illumination optical system 4.
- the optical path rotating unit 31 is arranged, for example, at a position where the excitation light L1 passes through in the illumination optical system 4 and the fluorescence L3 passes through in the detection optical system 5.
- the optical path rotating unit 31 is arranged in the optical path between the dichroic mirror 16 and the sample S, for example.
- the ⁇ /2 wave plate 30 may be arranged on the same side as the sample S with respect to the optical path rotating unit 31, or on the side opposite to the sample S with respect to the optical path rotating unit 31 (for example, on the same side as the excitation light source). ).
- the optical path rotating unit 31 is, for example, an image rotator such as a Dove prism.
- the optical path rotating unit 31 is provided rotatably around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the optical path rotating unit 31 is driven by the driving unit 32 and rotates.
- a Dove prism is used as the optical path rotating unit 31
- the optical path on the light emission side (the sample S side) from the Dove prism is directed to the Dove prism.
- the optical path on the light incident side (light source 3 side) is rotated by 2 ⁇ ° around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the incident surface of the excitation light L1 on the sample S rotates 2 ⁇ ° around the Z direction
- the periodic direction of the interference fringes L2 rotates 2 ⁇ ° around the Z direction.
- the driving unit 32 rotates the optical path rotating unit 31 by 45 ° around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the optical path rotating portion 31 is included in the fringe direction changing portion that changes the direction of the interference fringes with respect to the sample.
- the ⁇ /2 wave plate 30 is provided so as to be rotatable around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the ⁇ / 2 wave plate 30 rotates in conjunction with the optical path rotating portion 31.
- the ⁇ / 2 wave plate 30 rotates by an angle determined based on the rotation angle of the optical path rotating portion 31.
- the ⁇ /2 wave plate 30 is fixed (for example, integrated) with the optical path rotating unit 31 and rotates together with the optical path rotating unit 31. In this case, the ⁇ /2 wave plate 30 rotates by the same angle as the rotation angle of the optical path rotating unit 31.
- the polarization direction of the excitation light L1 is different from the polarization direction on the light incident side (the light source 3 side). Rotate 2 ⁇ ⁇ ° around the optical axis of. As a result, the polarization state of the excitation light L1 when entering the sample S becomes S-polarized.
- the optical path rotating unit 31 of FIG. 19 is also included in the image rotating unit.
- the image rotation unit rotates the image of the sample S (for example, the image of fluorescence from the sample S) with respect to the plurality of detection units 6a around the optical axis of the detection optical system 5. That is, the fringe direction changing portion and the image rotating portion include the optical path rotating portion 31 as the same member (optical member).
- the optical path rotating unit 31 is arranged at a position on the optical path of the illumination optical system 4 where fluorescence enters.
- the image rotating unit rotates the fluorescence image by the optical path rotating unit 31.
- the optical path rotation unit 31 adjusts the cycle direction of the interference fringes L2 with respect to the arrangement direction of the plurality of detection units 6a in the detection device 6.
- the Dove prism When the Dove prism is used as the optical path rotating unit 31, when the Dove prism is rotated by ⁇ ° around the optical axis of the illumination optical system 4, the cycle direction of the interference fringes L2 is rotated by 2 ⁇ ° around the Z direction. Then, the optical path of the fluorescence L3 from the sample S rotates ⁇ 2 ⁇ ° on the light emitting side (detecting device 6 side) with respect to the light incident side (sample S side) on the Dove prism.
- the detection device 6 can detect the fluorescence L3 in the same manner before and after the change of the periodic direction of the interference fringe L2.
- the illumination optical system 4 may be provided with the phase modulation element 25.
- the microscope 1 changes the cycle direction of the interference fringes L2 by rotating the mask 15 by the driving unit 22, but the interference fringes L2 are changed by the optical path rotating unit 31 (for example, the Dove prism).
- the cycle direction of may be changed.
- the fringe direction changing unit that changes the cycle direction of the interference fringes L2 may be different from both the drive unit 22 and the optical path rotating unit 31.
- the stage 2 may be rotatably provided around the Z direction, and the rotation may change the direction of the interference fringes L2 with respect to the sample S.
- the stage 2 is included in the fringe direction changing portion that changes the direction of the interference fringe L2 with respect to the sample S.
- the microscope 1 shown in FIG. 20 differs from that in FIG. 19 in the position where the optical path rotating unit 31 is provided.
- the fringe direction changing portion is the same as that of the first embodiment, and includes the mask 15 and the driving portion 22.
- the optical path rotating portion 31 also serves as a fringe direction changing portion and an image rotating portion in FIG. 19, but the optical path rotating portion 31 is provided separately from the fringe direction changing portion in FIG. 20.
- the optical path rotating unit 31 is arranged at a position in the optical path of the detection optical system 5 that does not overlap with the optical path of the illumination optical system 4.
- the optical path rotating unit 31 is arranged at a position where the excitation light L1 does not enter and the fluorescence L3 enters.
- the optical path rotating unit 31 is arranged in the optical path between the dichroic mirror 16 and the detection device 6.
- the driving unit 22 changes the periodic direction of the interference fringes L2 by rotating the mask 15 and the polarizer 14.
- the drive unit 32 rotates the optical path rotation unit 31 by an angle determined based on the rotation angle of at least one of the mask 15 and the polarizer 14.
- the driving unit 32 rotates the optical path rotating unit 31 to align the direction of the image projected on the detection device 6 with respect to the direction in which the plurality of detecting units 6a are lined up.
- FIG. 21 is a diagram showing a microscope according to an eighth embodiment.
- the microscope 1 includes a light blocking member 33.
- the light shielding member 33 is arranged at a position optically conjugate with the sample surface Sa or in the vicinity thereof.
- the detection device 6 is arranged at a position optically conjugate with the sample surface Sa, and the light shielding member 33 is arranged near the detection device 6.
- the light blocking member 33 may be arranged at a position conjugate with the sample surface Sa or in the vicinity thereof.
- the light shielding member 33 has an opening 33a through which the fluorescence L3 passes, and shields the fluorescence L3 around the opening 33a.
- the opening 33a extends in the arrangement direction (Xb direction) of the plurality of detection units 6a in the detection device 6.
- the opening 33a is, for example, a rectangular slit.
- the light-shielding member 33 is arranged so that the long side of the opening 33a is substantially parallel to the arrangement direction of the plurality of detection units 6a.
- the light shielding member 33 may be variable in the size of the opening 33a and one or both of the shapes.
- the light blocking member 33 may be a mechanical diaphragm having a variable light blocking area or a spatial light modulator (SLM).
- SLM spatial light modulator
- the dimension of the opening 33a and one or both of the shapes may be fixed.
- the illumination optical system 4 may be provided with the phase modulation element 25.
- the detection device 6 detects the fluorescence L3 that has passed through the opening 33a of the light shielding member 33.
- the image processing unit 7 generates an image based on the detection result of the detection device 6.
- the process performed by the image processing unit 7 may be any of the processes described in the first to sixth embodiments, as described in the seventh embodiment.
- FIG. 22 is a diagram showing a microscope according to a ninth embodiment.
- the microscope 1 includes a driving unit 22 and a driving unit 34.
- the drive unit 22 is similar to that of the first embodiment.
- the drive unit 22 rotates the mask 15 to change the cycle direction of the interference fringe L2.
- the driving unit 22 is included in the fringe direction changing unit that changes the direction of the interference fringe L2 with respect to the sample S.
- the detection device 6 can rotate around the Zb direction.
- the drive unit 34 rotates the detection device 6 around the Zb direction.
- the drive unit 34 rotates the detection device 6 so that the arrangement direction of the detection units 6a in the detection device 6 corresponds to the cycle direction of the interference fringes L2.
- the drive unit 22 rotates the mask 15 by 90 °
- the periodic direction of the interference fringe L2 changes by 90 °, so that the drive unit 34 rotates the detection device 6 by 90 °.
- the drive unit 34 also rotates the light shielding member 33 so that the relative position between the detection device 6 and the light shielding member 33 is maintained.
- the light blocking member 33 and the detection device 6 are integrated, and the driving unit 34 integrally rotates the light blocking member 33 and the detection device 6.
- the microscope 1 may include the optical path rotating unit 31 shown in FIG. 20, instead of rotating the detection device 6. Further, the microscope 1 may not include the light shielding member 33 as shown in FIG.
- the illumination optical system 4 includes a collimator lens 12, a ⁇ /2 wavelength plate 35, a polarization separation element 36, a mirror 37, a mask 38 (aperture member), a mirror 39, and a mask on the light emission side of the optical fiber 11. 40 (opening member) and a polarization separating element 41 are provided.
- the illumination optical system 4 is similar to the first embodiment in the configuration from the dichroic mirror 16 to the objective lens 21.
- the pumping light L1 (the pumping light L1d and the pumping light L1e) that has passed through the ⁇ /2 wavelength plate 35 enters the polarization separation element 36.
- the polarization separation element 36 has a polarization separation film 36a tilted with respect to the optical axis 12a of the collimator lens 12.
- the polarization separation film 36a has a characteristic that linearly polarized light in the first direction is reflected and linearly polarized light in the second direction is transmitted.
- the polarization separating element 36 is, for example, a polarization beam splitter prism (PBS prism).
- the linearly polarized light in the first direction is S polarized light with respect to the polarization separation film 36a.
- the linearly polarized light in the second direction is P-polarized light with respect to the polarization separation film 36a.
- the S-polarized excitation light L1d for the polarization separation film 36a is reflected by the polarization separation film 36a and enters the mask 38 via the mirror 37.
- the P-polarized excitation light L1e for the polarization splitting film 36a passes through the polarization splitting film 36a and enters the mask 40 via the mirror 39.
- the mask 38 and the mask 40 are luminous flux dividing portions that divide the excitation light that excites the fluorescent substance into a plurality of luminous fluxes. The mask 38 and the mask 40 will be described later with reference to FIG. 24.
- the excitation light L1d is S-polarized with respect to the polarization separation membrane 41a, is reflected by the polarization separation membrane 41a, and is incident on the dichroic mirror 16.
- the excitation light L1e is P-polarized for the polarization separation film 41a, passes through the polarization separation film 41a, and enters the dichroic mirror 16.
- one or both of the polarization separation element 36 and the polarization separation element 41 may not be the PBS prism.
- One or both of the polarization separating element 36 and the polarization separating element 41 may be a photonic crystal having different reflection and transmission between TE polarized light and TM polarized light.
- the Xd direction, the Yd direction, and the Zd direction are directions corresponding to the X direction, the Y direction, and the Z direction on the sample surface Sa (see FIG. 23), respectively.
- the mask 40 is arranged at or near the pupillary conjugate plane.
- the mask 38 or the mask 40 may be arranged on or near the pupil surface.
- the mask 40 has an opening 40a, an opening 40b, and an opening 40c.
- the opening 40a, the opening 40b, and the opening 40c are arranged in the Yd direction.
- the opening 40a, the opening 40b, and the opening 40c are, for example, circular, but may have a shape other than the circular shape.
- the region AR2a is a region where the excitation light L1d that has passed through the opening 38a of the mask 38 is incident on the pupil surface P0 of the objective lens 21.
- the area AR2b is an area on the pupil plane P0 where the excitation light L1d passing through the opening 38b of the mask 38 is incident.
- the region AR2e is a region on the pupil surface P0 where the excitation light L1d that has passed through the opening 38c of the mask 38 is incident.
- the arrows in the regions AR2a, AR2b, and AR2e indicate the polarization directions of the incident excitation light L1d.
- the area AR2a, the area AR2b, and the area AR2e are arranged in the X direction.
- the excitation light L1d incident on the area AR2a, the excitation light L1d incident on the area AR2b, and the excitation light L1d incident on the area AR2e are each linearly polarized in the Y direction.
- the excitation light L1d incident on the area AR2a, the excitation light L1d incident on the area AR2b, and the excitation light L1d incident on the area AR2e have the same polarization direction and interfere with each other on the sample surface Sa (see FIG. 23). Due to this interference, interference fringes whose periodic direction is the X direction are formed on the sample surface Sa.
- the incident surface of the excitation light L1d on the sample surface Sa is the XZ plane, and the excitation light L1d is incident on the sample S as S-polarized light.
- the region AR2c is a region on the pupil surface P0 where the excitation light L1e that has passed through the opening 40b of the mask 40 is incident.
- the region AR2d is a region on the pupil surface P0 where the excitation light L1e that has passed through the opening 40a of the mask 40 is incident.
- the region AR2f is a region on the pupil surface P0 where the excitation light L1e that has passed through the opening 40c of the mask 40 is incident.
- the arrows in the region AR2c, the region AR2d, and the region AR2f indicate the polarization direction of the incident excitation light L1e.
- the area AR2c, the area AR2d, and the area AR2f are arranged in the Y direction. Further, the region AR2e and the region AR2f may overlap, and for example, in FIG. 24C, the region AR2e and the region AR2f are the same region.
- an interference fringe L2 is formed on the sample surface Sa, which is a combination of an interference fringe due to the interference of the excitation light L1d and an interference fringe due to the interference of the excitation light L1e. Since the polarization directions of the excitation light L1d and the excitation light L1e are substantially orthogonal to each other, interference between the excitation light L1d and the excitation light L1e is suppressed. As described in the sixth embodiment, the illumination optical system 4 may be provided with the phase modulation element 25.
- the 0th order component, the +1st order component in the X direction, the +1st order component in the Z direction, and the ⁇ 1st order in the +1st order Z direction in the X direction in the present embodiment, the 0th order component, the +1st order component in the X direction, the +1st order component in the Z direction, and the ⁇ 1st order in the +1st order Z direction in the X direction.
- the region in which each component has a value can be determined by theoretical calculation or numerical simulation using the design value of the microscope 1 as in the third and fifth embodiments. .. Alternatively, the region where each component has a value may be obtained by actually measuring the fluorescent sample.
- the phase of the interference fringes L2 is changed a plurality of times to acquire an image of the sample S, and simultaneous equations are solved from a plurality of images having different phases of the interference fringes L2.
- the components may be separated with. The number of times the phase of the interference fringe L2 is changed may be determined according to the number of components to be separated.
- FIG. 25 is a diagram showing a microscope according to the eleventh embodiment.
- the microscope 1 includes the ⁇ / 2 wave plate 30 and the optical path rotating portion 31 described with reference to FIG.
- the optical path rotating unit 31 is driven by the driving unit 32 and rotates around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the optical path rotating unit 31 rotates, the optical path of the excitation light L1d and the optical path of the excitation light L1e respectively rotate around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the periodic direction of the interference fringe L2 formed on the sample surface Sa rotates around the Z direction.
- FIG. 26 is a diagram showing the polarization state of the excitation light according to the eleventh embodiment.
- the regions AR4a on which the excitation light L1d is incident on the pupil surface P0 are aligned in the X direction.
- the regions AR4b on the pupil plane P0 on which the excitation light L1e is incident are arranged in the Y direction.
- FIG. 26B corresponds to a state in which the Dove prism (optical path rotating unit 31 in FIG. 25) and the ⁇ /2 wave plate 30 are rotated by 22.5° from the state in FIG. 26A.
- the regions AR4a on which the excitation light L1d is incident on the pupil surface P0 are arranged in a direction rotated by 45 ° from the X direction.
- the periodic direction of the interference fringes of the excitation light L1d on the sample surface Sa is a direction rotated by 45° from the X direction.
- the regions AR4b on the pupil plane P0 on which the excitation light L1e is incident are arranged in a direction rotated by 45° from the Y direction.
- the periodic direction of the interference fringes of the excitation light L1e on the sample surface Sa is a direction rotated by 45° from the Y direction.
- FIG. 27 is a diagram showing a microscope according to the twelfth embodiment.
- FIG. 28 is a diagram showing a mask according to the twelfth embodiment.
- the microscope 1 includes a driving unit 45 and a driving unit 46.
- the mask 38 is rotatable around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the mask 38 is driven by the drive unit 45 to rotate (see FIG. 28A). In FIG. 28A, the mask 38 is rotated counterclockwise by 45°.
- the mask 40 is rotatable around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the mask 40 is driven by the drive unit 46 to rotate (see FIG. 28B).
- the drive unit 46 rotates the mask 40 by the same angle as the drive unit 45 rotates the mask 38.
- the mask 40 is rotated counterclockwise by 45°.
- the periodic direction of the interference fringes L2 on the sample surface Sa rotates 45° around the Z direction.
- a ⁇ /2 wavelength plate 48 is provided in the optical path between the polarization separation element 41 and the dichroic mirror 16.
- the ⁇ / 2 wave plate 48 is driven by the drive unit 49 and rotates around the optical axis of the illumination optical system 4.
- the ⁇ / 2 wave plate 48 and the driving unit 49 adjust each of the excitation light L1d and the excitation light L1e so as to be incident on the sample S with S polarization.
- the illumination optical system 4 may be provided with the phase modulation element 25.
- FIG. 29 is a diagram showing a microscope according to the thirteenth embodiment.
- the microscope 1 includes a relay optical system 47.
- the relay optical system 47 is a part of the illumination optical system 4 and a part of the detection optical system 5.
- the relay optical system 47 is arranged in the scanning unit 18 in the optical path between the deflection mirror 18a and the deflection mirror 18b.
- the deflection mirror 18b is arranged at substantially the same position as the first pupil conjugate plane optically conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21.
- the relay optical system 47 is provided so that a second pupil conjugate surface that is optically conjugate with the first pupil conjugate surface is formed between the relay optical system 47 and the relay optical system 17.
- the deflection mirror 18a is arranged at substantially the same position as the second pupil conjugate plane described above.
- the scanning unit 18 is not limited to the above-mentioned form.
- the stage 2 may include a Y stage that moves in the Y direction with respect to the objective lens 21, and the scanning unit 18 may include a Y stage instead of the deflection mirror 18b.
- the scanning unit 18 may scan the sample S with the excitation light L1 in the X direction by the deflection mirror 18a, and may scan the sample S with the excitation light L1 in the Y direction by moving the Y stage.
- the deflection mirror 18a may be arranged at substantially the same position as the pupil conjugate plane optically conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21.
- the stage 2 may include an X stage that moves in the X direction with respect to the objective lens 21, and the scanning unit 18 may include an X stage instead of the deflection mirror 18a.
- the scanning unit 18 may scan the sample S with the excitation light L1 in the X direction by moving the X stage, and may scan the sample S with the excitation light L1 in the Y direction by the deflection mirror 18b.
- the deflection mirror 18b may be arranged at substantially the same position as the pupil conjugate plane optically conjugate with the pupil plane P0 of the objective lens 21.
- the stage 2 includes an X stage that moves in the X direction with respect to the objective lens 21 and a Y stage that moves in the Y direction with respect to the objective lens 21, and the scanning unit 18 includes the X stage and the Y stage described above. May be included.
- the scanning unit 18 may scan the sample S with the excitation light L1 in the X direction by moving the X stage, and may scan the sample S with the excitation light L1 in the Y direction by moving the Y stage. ..
- the scanning direction for scanning the sample S with the interference fringes may be two directions of the X direction and the Y direction, or may be three directions of the X direction, the Y direction, and the Z direction.
- the microscope 1 executes the 2D processing of scanning the sample S with the interference fringes in the X direction and the Y direction to obtain a 2D image.
- at least one of the objective lens 21 and the stage 2 is moved to cause the interference fringes.
- the sample S may be three-dimensionally scanned with the interference fringes by changing the position in the Z direction at which is generated and repeating the 2D processing.
- the microscope 1 may three-dimensionally scan the sample S with interference fringes to acquire a plurality of 2D images having different positions in the Z direction and generate a 3D image (for example, Z-stack).
- the illumination optical system 4 may scan in the X direction and the Y direction, and may scan in the Z direction by moving at least one of the objective lens 21 and the stage 2. Further, the illumination optical system 4 may scan the sample S three-dimensionally with interference fringes.
- the illumination pupil has 3 poles in FIG. 2 (C), 5 poles in FIG. 24 (C), and 4 poles in FIG. 30 (A).
- the regions AR5a to AR5d are regions in which the excitation light is incident on the pupil surface P0, respectively.
- a fifth interference fringe between the excitation light and the excitation light incident on the area AR5d and a sixth interference fringe between the excitation light incident on the area AR5c and the excitation light incident on the area AR5d are formed.
- interference fringes that are a combination of the first interference fringes, the second interference fringes, the third interference fringes, the fourth interference fringes, the fifth interference fringes, and the sixth interference fringes are formed.
- the interference fringes include a cycle direction of the first interference fringe, a cycle direction of the second interference fringe, a cycle direction of the third interference fringe, a cycle direction of the fourth interference fringe, and a cycle direction of the fifth interference fringe.
- the periodic direction of the sixth interference fringes is the periodic direction, and the super-resolution effect in the XYZ directions can be obtained in one image acquisition.
- the illumination pupil may have 6 or more poles.
- the polarization direction of the excitation light may be a polarization direction other than the direction shown in FIG. 30(A), or circular polarization.
- the illumination pupil is circular in FIG. 2 and the like, but may have other shapes.
- a region AR6 is a region on which the excitation light is incident.
- the area AR6 in FIG. 30B is an area surrounded by an arc that is a part of a circle centered on the optical axis 21a of the objective lens 21 and a curved line AR6c that is symmetrical with the arc AR6a.
- the resolution in the direction in which the interference fringes are not formed is better and the sectioning is better than that in the case of the circular illumination pupil.
- the illumination pupil has a shape in which the illumination pupil having the shape shown in FIG. 30(B) has five poles.
- the number of a plurality of regions (the number of poles) on which the excitation light is incident is set to an arbitrary number of 2 or more.
- the shape of one of the plurality of areas on the pupil plane P0 on which the excitation light is incident may be different from the shape of the other areas.
- the size of one region may be different from the size of the other regions.
- the plurality of regions in which the excitation light is incident on the pupil surface P0 may be arranged asymmetrically with respect to the optical axis 21a of the objective lens 21. Further, the polarization direction of the excitation light on the pupil surface P0 may be different or the same for each of a plurality of regions where the excitation light is incident.
- the diffraction grating 53 splits the excitation light L1 into a plurality of light beams by diffraction.
- the diffraction grating 53 is a light beam splitting unit that splits the excitation light that excites the fluorescent material into a plurality of light beams.
- the diffraction grating 53 is arranged at the focal point or a position near the focal point of the lens 52. That is, the diffraction grating 53 is arranged on the surface conjugate with the sample surface Sa or in the vicinity thereof. The vicinity of the focus is within the range of the depth of focus of the light condensed by the lens 52.
- the diffraction grating 53 may be arranged within 1 mm near the focus of the lens 52.
- the plurality of light beams include 0th-order diffracted light, +1st-order diffracted light, and -1st-order diffracted light.
- the lens 54 converts the 0th-order diffracted light, the +1st-order diffracted light, and the -1st-order diffracted light into substantially parallel lights.
- the mask 15 is provided so that at least a part of the 0th order diffracted light, at least a part of the +1st order diffracted light, and at least a part of the ⁇ 1st order diffracted light pass through.
- the light amount of the excitation light L1 that passes through the mask 15 can be increased.
- a configuration may be adopted in which the mask 15 is not provided.
- the diffraction grating 53 may be configured to be movable in the direction perpendicular to the optical axis, and the phase of the interference fringe L2 formed by the excitation light L1 may be modulated. In this case, the super-resolution image may be generated using the image processing described in the sixth embodiment.
- FIGS. 33 and 34 are diagrams showing a polarization adjusting unit according to a modification, respectively.
- the optical path of the illumination optical system 4 is bent by the reflection member such as the dichroic mirror 16 shown in FIG. 1, in FIGS. 33 and 34, the illumination optical system 4 is developed so that the optical axis 4a becomes a straight line. Indicated.
- the Z direction is a direction parallel to the optical axis 4a, and the X direction and the Y direction are directions perpendicular to the optical axis 4a, respectively.
- the illumination optical system 4 includes a ⁇ /4 wavelength plate 61, a mask 15, and a ⁇ /4 wavelength plate 62.
- the excitation light L1 emitted from the optical fiber 11 is linearly polarized in the X direction and is incident on the ⁇ /4 wavelength plate 61.
- a polarizer for example, a polarizing plate
- whose transmission axis is in the X direction may be provided in the optical path between the optical fiber 11 and the ⁇ /4 wavelength plate 61.
- the phase-advancing axis of the ⁇ / 4 wave plate 61 is set in the direction in which the X direction is rotated counterclockwise by 45 ° when viewed from the + Z side.
- the excitation light L1 that has passed through the ⁇ /4 wavelength plate 61 becomes circularly polarized light and enters the mask 15.
- the excitation light L1 that has passed through the openings 15a and 15b of the mask 15 is circularly polarized light and is incident on the ⁇ /4 wavelength plate 62.
- the fast axis of the ⁇ /4 wave plate 62 is set in a direction obtained by rotating the X direction clockwise by 45° when viewed from the +Z side.
- the excitation light L1 that has passed through the ⁇ /4 wavelength plate 62 becomes linearly polarized light in the X direction and is applied to the sample.
- the mask 15 is rotatably provided around the optical axis 4a.
- the periodic direction of the interference fringes changes.
- the opening 15a and the opening 15b of the mask 15 are aligned in the Y direction, and the periodic direction of the interference fringes is the Y direction.
- the periodic direction of the interference fringes is rotated by 90 ° and becomes the X direction.
- the ⁇ /4 wave plate 62 is rotatable around the optical axis 4a.
- the ⁇ /4 wave plate 62 is provided so as to rotate by the same angle as the mask 15.
- the ⁇ /4 wave plate 62 is integrated with the mask 15 and rotates integrally with the mask 15.
- the ⁇ / 4 wave plate 62 is rotated by 90 ° and its phase advance axis becomes parallel to the phase advance axis of the ⁇ / 4 wave plate 61.
- the excitation light L1 that has passed through the ⁇ /4 wavelength plate 62 becomes linearly polarized light in the Y direction.
- the plane of incidence of the excitation light L1 on the sample surface is parallel to the periodic direction of the interference fringes, and the excitation light L1 entering the sample surface is linearly polarized light perpendicular to the periodic direction of the interference fringes.
- the sample surface is irradiated with S-polarized light.
- the ⁇ /4 wavelength plate 62 is included in the polarization adjusting unit that adjusts the polarization state of the excitation light when entering the sample.
- Such a polarization adjusting unit can reduce the loss of the light amount of the excitation light L1 as compared with the aspect described in FIG.
- the illumination optical system 4 includes a polarizer 65, a mask 15, and a ⁇ /2 wave plate 66.
- the excitation light L1 emitted from the optical fiber 11 is linearly polarized light in the X direction and is incident on the polarizer 65.
- the transmission axis of the polarizer 65 is set in the X direction.
- the excitation light L1 that has passed through the polarizer 65 is linearly polarized in the X direction and is incident on the mask 15.
- the excitation light L1 that has passed through the openings 15a and 15b of the mask 15 is linearly polarized light in the X direction and is incident on the ⁇ / 2 wave plate 66.
- the mask 15 is rotatably provided around the optical axis 4a as described in the first embodiment.
- the periodic direction of the interference fringes changes.
- the opening 15a and the opening 15b of the mask 15 are aligned in the X direction, and the periodic direction of the interference fringes is the X direction.
- the periodic direction of the interference fringes is rotated by 90 ° and becomes the Y direction.
- the ⁇ /2 wave plate 66 is rotatable around the optical axis 4a.
- the ⁇ /2 wave plate 66 is provided so as to rotate by an angle half the rotation angle of the mask 15. For example, when the mask 15 rotates 90°, the ⁇ /2 wave plate 66 rotates 45°.
- the excitation light L1 that has passed through the ⁇ /2 wave plate 66 becomes linearly polarized light in the X direction.
- the plane of incidence of the excitation light L1 on the sample surface is parallel to the periodic direction of the interference fringes, and the excitation light L1 entering the sample surface is linearly polarized light perpendicular to the periodic direction of the interference fringes.
- the sample surface is irradiated with S-polarized light.
- the ⁇ / 2 wave plate 66 is included in the polarization adjusting unit that adjusts the polarization state of the excitation light when it enters the sample.
- a polarization adjusting unit can reduce the loss of the light amount of the excitation light L1 as compared with the aspect described in FIG.
- the image processing unit 7 includes, for example, a computer system.
- the image processing unit 7 reads out the image processing program stored in the storage unit and executes various processes according to the image processing program.
- the image processing program causes the computer to generate an image based on the detection result of the detection device 6.
- the detection result of the detection device 6 is that the light from the light source is divided into a plurality of light beams, and the interference fringes generated by the interference of at least three or more light beams of the plurality of light beams are scanned in a plurality of directions of the sample.
- the light from the sample is obtained by detecting the light from the sample through a detection optical system on which the light from the sample enters.
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡および観察方法に関する。 The present invention relates to a microscope and an observation method.
試料からの蛍光を検出する走査型顕微鏡が提案されている(例えば、下記の非特許文献1参照)。
A scanning microscope that detects fluorescence from a sample has been proposed (for example, see Non-Patent
本発明の第1の態様に従えば、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割部を有し、光束分割部により分割された複数の光束の少なくとも3つ以上の光束の干渉によって形成される干渉縞を、試料の複数の方向において走査する照明光学系と、試料からの光が入射する検出光学系と、検出光学系を介して試料からの光を検出する複数の検出部を含む検出装置と、検出装置の2以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する画像処理部と、を備える顕微鏡が提供される。 According to the first aspect of the present invention, it has a luminous flux dividing portion that divides the light from the light source into a plurality of luminous fluxes, and is formed by interference of at least three or more luminous fluxes of the plurality of luminous fluxes divided by the luminous flux dividing portion. It includes an illumination optical system that scans the interference fringes to be generated in a plurality of directions of the sample, a detection optical system in which light from the sample is incident, and a plurality of detection units that detect light from the sample via the detection optical system. There is provided a microscope including a detection device and an image processing unit that generates an image using detection results of two or more detection units of the detection device.
本発明の第2の態様に従えば、光源からの光を複数の光束に分割し、複数の光束の少なくとも3つ以上の光束の干渉によって形成される干渉縞を、試料の複数の方向において走査することと、試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、試料からの光を検出することと、検出装置の2以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成することと、を含む観察方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the light from the light source is divided into a plurality of luminous fluxes, and the interference fringes formed by the interference of at least three or more luminous fluxes of the plurality of luminous fluxes are scanned in a plurality of directions of the sample. The light from the sample is detected by a detection device including a plurality of detection units via the detection optical system in which the light from the sample is incident, and the detection results of two or more detection units of the detection device are obtained. And generating an image therewith is provided.
[第1実施形態]
第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る顕微鏡および励起光の光路を示す図である。以下の実施形態において、顕微鏡1は走査型の蛍光顕微鏡であるものとして説明するが、実施形態に係る顕微鏡は、走査型の顕微鏡あるいは蛍光顕微鏡に限定されない。顕微鏡1は、ステージ2と、光源3と、照明光学系4と、検出光学系5と、検出装置6と、制御装置CUとを備える。顕微鏡1は、概略すると以下のように動作する。
[First Embodiment]
The first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing a microscope and an optical path of excitation light according to the first embodiment. In the following embodiments, the
ステージ2は、観察対象の試料Sを保持する。試料Sは、予め蛍光染色された細胞などである。試料Sは、蛍光色素などの蛍光物質を含む。光源3は、試料Sに含まれる蛍光物質を励起する励起光L1を発する。照明光学系4は、試料Sに対して、励起光L1が形成する干渉縞L2を複数の方向(例えば、X方向、Y方向)に走査する。ステージ2は、照明光学系4による干渉縞L2の走査範囲よりも広範な範囲で、試料Sと照明光学系4との図1のX方向およびY方向の相対位置を移動させることができる。検出光学系5は、試料Sからの蛍光L3(後に図4に示す)が入射する位置に配置される。検出装置6は、検出光学系5を介して試料Sからの蛍光L3を検出する複数の検出部6a(後に図4に示す)を含む。制御装置CUは、例えばコンピュータであり、制御部CBと、画像処理部7とを備える。制御部CBは、ステージ2、光源3、照明光学系4、検出光学系5、および検出装置6の制御を行う。画像処理部7は、検出装置6の2以上の検出部6aの検出結果を用いて、画像(例えば、超解像画像)を生成する。以下、顕微鏡1の各部について説明する。
光源3は、例えばレーザー素子などの光源を含む。光源3は、所定の波長帯の可干渉光を発生する。所定の波長帯は、試料Sの励起波長を含む波長帯に設定される。所定の波長帯は、試料Sを多光子励起せしめる波長帯に設定されてもよい。光源3から出射する励起光L1は、例えば直線偏光である。光源3の出射口には、光ファイバー11などの導光部材が接続される。なお、顕微鏡1は、光源3を備えなくてもよく、光源3は、顕微鏡1と別に提供されてもよい。例えば、光源3は、顕微鏡1に交換可能(取り付け可能、取り外し可能)に設けられてもよい。光源3は、顕微鏡1による観察時などに、顕微鏡1に外付けされてもよい。
The
照明光学系4は、光源3からの励起光L1が入射する位置に配置される。照明光学系4には、光源3から光ファイバー11を介して励起光L1が入射する。光ファイバー11は、照明光学系4の一部でもよいし、光源3を含む光源装置の一部でもよい。照明光学系4は、光源3側から試料S側へ向かう順に、コリメーターレンズ12、λ/4波長板13、偏光子14、マスク15(開口部材)、ダイクロイックミラー16、リレー光学系17、走査部18、レンズ19、レンズ20、および対物レンズ21を備える。
The illumination
以下の説明において、適宜、図1などに示すXYZ直交座標系を参照する。このXYZ直交座標系において、X方向およびY方向は、それぞれ、対物レンズ21の光軸21aに垂直な方向である。また、Z方向は、対物レンズ21の光軸21aに平行な方向である。なお、対物レンズ21の光軸21aは、照明光学系4の光軸4aに含まれる。また、X方向、Y方向、およびZ方向のそれぞれについて、適宜、矢印と同じ側を+側(例えば、+X側)と称し、矢印と反対側を-側(例えば、-X側)と称する。また、反射によって光路が折れ曲がる場合、X方向、Y方向、およびZ方向のそれぞれに対応する方向を、添え字を付けて表す。例えば、図1のXa方向、Ya方向、Za方向は、それぞれ、コリメーターレンズ12からダイクロイックミラー16までの光路において、X方向、Y方向、Z方向に対応する方向である。
In the following explanation, the XYZ Cartesian coordinate system shown in FIG. In this XYZ orthogonal coordinate system, the X direction and the Y direction are directions perpendicular to the
コリメーターレンズ12は、光ファイバー11から出射する励起光L1を平行光に変換する。コリメーターレンズ12は、例えば、その光源3と同じ側の焦点が光ファイバー11の光出射口と一致するように配置される。以下の説明において、照明光学系4に含まれるレンズについて、適宜、光源3と同じ側の焦点を後側焦点と称し、試料Sと同じ側の焦点を前側焦点と称する。
The
λ/4波長板13は、励起光L1の偏光状態を円偏光にする。偏光子14は、例えば偏光板であり、所定の偏光方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光子14は、試料Sに入射する光がS偏光(Y方向の直線偏光)となるように、配置されている。偏光子14は、コリメーターレンズ12の光軸12aの周りで回転可能である。コリメーターレンズ12の光軸12aは、照明光学系4の光軸4aに含まれる。
The λ / 4
マスク15は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。照明光学系4は、マスク15が分割した複数の光束のうち3以上の光束の干渉によって生成される干渉縞L2によって、試料Sを走査する。マスク15は、対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な瞳共役面P1の位置またはその近傍に配置される。対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な瞳共役面の近傍とは、瞳共役面を含む領域のうち励起光L1が平行光線と見なせる範囲である。例えば、励起光L1がガウスビームの場合は、ビームウェストの位置からレイリー長の1/10程度の範囲であれば十分に平行光線と見なすことができる。レイリー長は励起光L1の波長をλ、ビームウェスト半径をw0としたとき、πw02/λで与えられる。例えば、励起光L1の波長が1um、ビームウェスト半径が1mmの時、レイリー長はおよそ3mとなり、マスク15は対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な瞳共役面P1の近傍300mm以内に配置されてもよい。マスク15は、瞳面P0またはその近傍に配置されてもよい。
The
マスク15は、励起光L1が通る開口部15a、開口部15b、および開口部15cを有する。開口部15aを通った励起光L1aと開口部15bを通った励起光L1bと、開口部15cを通った励起光L1cとの干渉によって、干渉縞L2が形成される。マスク15は、コリメーターレンズ12の光軸12aの周りで回転可能である。マスク15は、例えば偏光子14と相対的に固定され、偏光子14と一体的に回転する。マスク15および偏光子14は、駆動部22から供給されるトルクによって回転する。マスク15と偏光子14は一体的に回転しなくてもよく、各々、独立した駆動部から供給されるトルクによって、独立して回転してもよい。
The
図2(A)は、第1実施形態に係るマスクを示す図である。マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cは、コリメーターレンズ12(図1参照)の光軸12aに関して、例えば対称に配置されている。マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cは、コリメーターレンズ12(図1参照)の光軸12aに関して、例えば対称に配置されていなくてもよい。図2(A)の状態において、開口部15a、開口部15b、および開口部15cは、Xa方向に並んでいる。図2(B)は、第1実施形態に係る偏光子を示す図である。偏光子14の透過軸14aは、マスク15において開口部15a、開口部15b、および開口部15cが並ぶ方向(図2(A)ではXa方向)に対して、垂直な方向(図2(B)ではYa方向)と平行に設定される。図2(C)は、対物レンズ21の瞳面P0を示す図である。領域P0a、領域P0b、および領域P0cは、それぞれ、励起光L1が入射する領域である。図2(C)に示すパラメーターについては、後に画像処理部7の説明において参照する。
FIG. 2A is a diagram showing a mask according to the first embodiment. The
図1の説明に戻り、ダイクロイックミラー16は、励起光L1が反射し、かつ試料Sからの蛍光L3(後に図4に示す)が透過する特性を有する。マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cを通った励起光L1は、ダイクロイックミラー16で反射して光路が折れ曲がり、リレー光学系17に入射する。リレー光学系17は、ダイクロイックミラー16からの励起光L1を走査部18へ導く。リレー光学系17は、図中1枚のレンズで表されているが、リレー光学系17に含まれるレンズの数は1枚とは限らない。また、リレー光学系17は、光学系の距離等によっては不要な場合もある。なお、各図において、リレー光学系17以外の部分についても2枚以上のレンズを1枚のレンズで表す場合がある。
Returning to the description of FIG. 1, the
走査部18は、X方向とY方向との2方向において、試料Sを励起光L1によって形成される干渉縞L2を走査する。走査部18は、励起光L1によって干渉縞L2が形成される位置を、対物レンズ21の光軸21aに交差する2方向において変更する。走査部18は、偏向ミラー18aおよび偏向ミラー18bを含む。偏向ミラー18aおよび偏向ミラー18bは、励起光L1の光路に対する傾きが可変である。偏向ミラー18aおよび偏向ミラー18bは、それぞれ、ガルバノミラー、MEMSミラー、レゾナントミラー(共振型ミラー)等である。偏向ミラー18aおよび偏向ミラー18bは、スキャナであってもよい。
The
偏向ミラー18aは、試料Sにおいて励起光L1が入射する位置をX方向に変化させる。偏向ミラー18bは、試料Sにおいて励起光L1が入射する位置をY方向に変化させる。走査部18は、例えば、対物レンズ21の瞳面P0と共役な位置が、偏向ミラー18aの位置、偏向ミラー18bの位置、または偏向ミラー18aと偏向ミラー18bとの間の位置になるように配置されることが望ましい。もしくは、対物レンズ21の瞳面P0と共役な位置が、偏向ミラー18aの位置より光源3側、もしくは偏向ミラー18bの位置より試料S側でもよい。なお、走査部18は、試料Sにおいて励起光L1が入射する位置を、偏向ミラー18aがY方向に変化させ、偏向ミラー18bがX方向に変化させる構成でもよい。
The
走査部18からの励起光L1は、レンズ19に入射する。レンズ19は、励起光L1を対物レンズ21の試料面Saと光学的に共役な試料共役面Sbに集光する。試料面Saは、対物レンズ21の前側焦点または前側焦点近傍の位置に配置され、対物レンズ21の光軸21aに垂直な面である。試料共役面Sbには、マスク15の開口部15aを通った励起光L1aと、開口部15bを通った励起光L1bと、開口部15cを通った励起光L1cとの干渉によって、干渉縞が形成される。
The excitation light L1 from the
試料共役面Sbを通った励起光L1は、レンズ20に入射する。レンズ20は、励起光L1を平行光に変換する。レンズ20を通った励起光L1は、対物レンズ21の瞳面P0を通る。対物レンズ21は、励起光L1を試料面Sa上に集光する。レンズ20および対物レンズ21は、試料共役面Sbに形成される干渉縞を試料面Saに投影する。試料面Saには、局所的な干渉縞L2が形成される。
The excitation light L1 that has passed through the sample conjugate surface Sb is incident on the
干渉縞L2は、光強度が相対的に高い明部と、光強度が相対的に低い暗部とを含む。明部と暗部とが並ぶ方向(図1ではX方向)を、適宜、干渉縞L2の周期方向D1と称す。干渉縞L2の周期方向D1は、マスク15の開口部15aと、開口部15bと、開口部15cとが並ぶ方向(図1ではXa方向)に対応する。駆動部22がマスク15をZa方向の周りで回転させると、開口部15aと、開口部15bと、開口部15cとが並ぶ方向が回転し、干渉縞L2の周期方向D1がZ方向の周りで回転する。すなわち、駆動部22は、干渉縞L2の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。駆動部22(縞方向変更部)は、照明光学系4の光軸4aに垂直な面(例えば、マスク15の光出射側の面)において3以上の光束が並ぶ方向(以下、光束分割方向という)を変更する。上記の光束分割方向は、例えば、開口部15aと、開口部15bと、開口部15cとが並ぶ方向であり、駆動部22は、マスク15を回転させることによって、光束分割方向を変更する。
The interference fringe L2 includes a bright portion having a relatively high light intensity and a dark portion having a relatively low light intensity. The direction in which the bright part and the dark part are lined up (X direction in FIG. 1) is appropriately referred to as the periodic direction D1 of the interference fringes L2. The periodic direction D1 of the interference fringe L2 corresponds to the direction in which the
また、マスク15がZa方向の周りで回転すると、試料Sに対して励起光L1が入射する方向が変化する。駆動部22は、偏光子14をマスク15と連動して回転させることによって、偏光子14の透過軸の向きを変化させ、励起光L1が、S偏光で試料Sに入射するように調整する。すなわち、偏光子14および駆動部22は、干渉縞の方向に基づいて、励起光L1の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。
Further, when the
図3は、第1実施形態に係るマスク、偏光子、干渉縞、および励起光の偏光状態を示す図である。図3(A)において、マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cが並ぶ方向は、Xa方向である。偏光子14の透過軸14aは、Xa方向に垂直なYa方向である。この場合、励起光L1(図1参照)は、開口部15aを通った光束と、開口部15bを通った光束と、開口部15cを通った光束とが試料Sに入射して、周期方向D1の干渉縞L2が生成される。励起光L1入射面は、XZ平面に平行である。試料Sに入射する際の励起光L1は、その偏光方向D2が入射面に垂直なY方向であり、つまり、励起光L1は、S偏光で試料Sに入射する。
FIG. 3 is a diagram showing a mask, a polarizer, interference fringes, and a polarized state of excitation light according to the first embodiment. In FIG. 3A, the direction in which the
図3(B)において、マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cが並ぶ方向は、Xa方向を反時計回りに120°回転させた方向である。偏光子14の透過軸14aは、Ya方向を反時計回りに120°回転させた方向である。干渉縞L2の周期方向は、X方向に対して120°をなす方向である。励起光L1の入射面は、XZ平面をZ方向の周りで120°回転させた面である。試料Sに入射する際の励起光L1は、その偏光方向D2が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光L1は、S偏光で試料Sに入射する。
In FIG. 3B, the direction in which the
図3(C)において、マスク15の開口部15a、開口部15b、および開口部15cが並ぶ方向Xa方向を反時計回りに240°回転させた方向である。偏光子14の透過軸14aは、Ya方向を反時計回りに240°回転させた方向である。干渉縞L2の周期方向D1は、X方向に対して240°をなす方向である。励起光L1の入射面は、XZ平面をZ方向の周りで240°回転させた面である。試料Sに入射する際の励起光L1は、その偏光方向D2が入射面に垂直な方向であり、つまり、励起光L1は、S偏光で試料Sに入射する。
In FIG. 3C, the direction Xa in which the
上述のように励起光L1が試料SにS偏光で入射する場合、P偏光で入射する場合に比べて、干渉縞L2のコントラストが高くなる。なお、図3では、干渉縞L2の周期方向を120°の角度刻みで3通りに変化させているが、干渉縞L2の周期方向は、この例に限定されない。干渉縞L2の周期方向は、後述する画像処理部7が生成する画像において、分解能を向上させることが可能な方向(超解像効果が得られる方向)に相当する。干渉縞L2の周期方向は、所望の超解像効果が得られるように、適宜設定される。例えば、干渉縞L2の周期方向は、互いに90°の角度をなす2通りでもよいし、1通りでもよい。また、マスク15は、対物レンズ21の倍率およびNA(開口数)、照明瞳形状に合わせて交換可能でもよい。
As described above, when the excitation light L1 is incident on the sample S with S-polarized light, the contrast of the interference fringes L2 is higher than when it is incident with P-polarized light. In FIG. 3, the periodic direction of the interference fringe L2 is changed in three ways in increments of 120 °, but the periodic direction of the interference fringe L2 is not limited to this example. The periodic direction of the interference fringes L2 corresponds to a direction in which the resolution can be improved (a direction in which the super-resolution effect can be obtained) in the image generated by the
図4は、第1実施形態に係る顕微鏡および蛍光の光路を示す図である。検出光学系5は、試料Sで発生した蛍光L3の像を形成する。検出光学系5は、試料Sから検出装置6に向かう順に、対物レンズ21、レンズ20、レンズ19、走査部18、リレー光学系17、ダイクロイックミラー16、励起光カットフィルター(バリアフィルター)24、およびレンズ23を含む。試料Sで発生した蛍光L3は、対物レンズ21、レンズ20、およびレンズ19をこの順に通って、走査部18に入射する。蛍光L3は、走査部18によってデスキャンされ、リレー光学系17を通ってダイクロイックミラー16に入射する。ダイクロイックミラー16は、蛍光L3が透過する特性を有する。ダイクロイックミラー16を透過した蛍光L3は、励起光カットフィルター(バリアフィルター)24に入射する。励起光カットフィルター(バリアフィルター)24は、励起光L1を遮光し、蛍光L3を透過する特性を有する。ダイクロイックミラー16によって励起光L1を十分に遮光できる場合などは、励起光カットフィルター(バリアフィルター)24は設けられなくてもよい。励起光カットフィルター(バリアフィルター)24を透過した蛍光L3は、レンズ23に入射する。レンズ23は、蛍光L3を検出装置6に集光する。
FIG. 4 is a diagram showing the microscope and the optical path of fluorescence according to the first embodiment. The detection
検出装置6は、イメージセンサであり、2次元的に配列された複数の検出部6aを含む。複数の検出部6aは、検出装置6において2方向に配列されている。複数の検出部6aは、Xb方向とYb方向との2方向に配列されている。複数の検出部6aは、それぞれ、フォトダイオードなどの光電変換素子を含むセンサセル、ピクセル、あるいは光検出器等である。複数の検出部6aは、それぞれ、蛍光L3を検出可能である。検出部6aは例えば1画素に相当するが、複数の画素を含む検出領域(受光領域)を1つの検出部6aとして用いてもよい。
The
顕微鏡1は、走査部18により干渉縞L2を試料面Sa上で走査し、検出装置6は、蛍光L3を検出する。例えば、顕微鏡1は、試料面Saから選択される照明領域を干渉縞L2で照明し、検出装置6は、上記照明領域からの蛍光L3を検出する。顕微鏡は、検出装置6による検出が終了した後に、走査部18により上記照明領域を変更する。顕微鏡1は、蛍光を検出する処理と、照明領域を変更する処理とを繰り返すことで、所望の領域における蛍光強度分布(検出装置6の測定値)を取得する。
The
画像処理部7は、上述のようにして得られた検出装置6の検出結果に基づいて、画像を生成する。以下、画像処理部7が実行する処理について説明する。以下の説明に用いる数式において、適宜、座標系をベクトルで記述する。試料面Saにおける座標および検出装置6における座標(以下、ディテクター座標という)をベクトルr=(x,y)で表し、対応する波数座標(rでのフーリエ変換後の座標)をベクトルk=(kx,ky)で表す。また、走査部18による走査先の座標(以下、スキャン座標という)をベクトルrs=(xs,ys)で表し、その対応する波数座標(rsでのフーリエ変換後の座標)をベクトルks=(kxs,kys)で表す。以下の説明において、波数を空間周波数もしくは周波数と称す場合がある。光学系の倍率は、説明の便宜上1倍であるとするが、任意の倍率で構わない。
The
対物レンズ21を含む光学系の開口数をNA、励起光L1の波長をλex、蛍光L3の波長をλemとすると、励起光L1が入射する場合の対物レンズ21の瞳半径kNA
exおよび蛍光が入射する場合の対物レンズ21の瞳半径kNA
emは、下記の式(1)で表される。よく知られているように瞳面と像面との各々の電場振幅はフーリエ変換の関係で結ばれているため、瞳位置の座標を波数座標で表現することがある。kNA
exおよびkNA
emは各々、瞳を波数座標で表現した場合の瞳半径の値を示している。
Assuming that the numerical aperture of the optical system including the
ここで、図2(C)を参照しつつ、各種パラメーターについて説明する。図2(C)では、瞳面P0を波数座標空間(周波数空間)で表している。図2(C)に示す点線で書かれた円の内部の領域は、対物レンズ21の瞳であり、kNA
exは、対物レンズ21の瞳半径である。励起光L1が入射する領域P0a、領域P0b、および領域P0cは、ここではそれぞれ円形であるとするが、円形に限られない。領域P0a、領域P0b、および領域P0cのそれぞれの半径は、σkNA
exである。σは対物レンズ21の瞳半径に対する領域P0a、もしくは領域P0b、もしくはP0cの半径の比である。対物レンズ21の光軸21aから領域P0aの中心までの距離は、(1-σ)kNA
exであるが、この値に限らない。領域P0aの中心と領域P0bの中心との距離は、例えば2(1-σ)kNA
exであるが、この値に限らない。領域P0cの中心は、例えば対物レンズ21の瞳面P0の中心(対物レンズ21の光軸21a)と一致しているが、これに限られない。励起光L1の電場強度は対物レンズ21の瞳面内で均一であるとするが、これに限られない。試料面Saでの励起光の電場強度ill(r)は、下記の式(2)で表される。
Here, various parameters will be described with reference to FIG. 2C. In FIG. 2C, the pupil plane P0 is represented by a wave number coordinate space (frequency space). The area inside the circle drawn by the dotted line shown in FIG. 2C is the pupil of the
ここで、ベクトルk0=(k0,0)は照明縞の波数ベクトルを示し、k0=(1-σ)kNA exである。PSFill(r)は光学系の開口数がσNAである場合の点像強度分布関数(Point Spread Function)である。ill(r)の干渉縞の間隔(明部から次の明部までの距離)は、1/k0=1/((1-σ)kNA ex)である。以下の説明において、干渉縞の間隔を、適宜、縞間隔または干渉縞の周期と称する。 Here, the vector k 0 =(k 0 , 0) represents the wave number vector of the illumination stripe, and k 0 =(1−σ)k NA ex . PSF ill (r) is a point spread function (Point Spread Function) when the numerical aperture of the optical system is σNA. The distance between the interference fringes of ill (r) (distance from one bright part to the next bright part) is 1 / k 0 = 1 / ((1-σ) k NA ex ). In the following description, the interval of the interference fringes will be appropriately referred to as the fringe interval or the period of the interference fringes.
実施形態において、試料Sに含まれる蛍光物質は、励起光L1によって励起し、励起した蛍光物質から蛍光L3が放射される。検出装置6は、蛍光L3を受光し、検出光学系5により形成された蛍光物質の像を撮像する。検出装置6は、蛍光物質の像を撮像して画像データを取得する。以下の説明では、検出装置6の検出部6aのサイズ(検出部サイズ)は、検出装置6における干渉縞L2の周期に相当する寸法(1周期に相当する検出装置6上の長さ)に比べて十分に小さいとする。例えば、検出部6aのサイズは、λem/4NA程度に設定されることが望ましい。検出光学系の倍率が1とは異なる場合は、検出光学系5の検出装置6側の開口数をNAdとして、例えば、検出部6aのサイズは、λem/4NAd程度に設定されることが望ましい。もしくは、検出部6aのサイズがdである場合、検出光学系5の検出装置6側の開口数NAdが、NAd<λem/4dを満たすように、レンズ23の焦点距離が設定されてもよい。
In the embodiment, the fluorescent substance contained in the sample S is excited by the excitation light L1, and the fluorescent substance L3 is emitted from the excited fluorescent substance. The
ここで、試料Sにおける蛍光物質の分布をObj(r)で表し、検出装置6で得られる画像データをI(r,rs)で表す。I(r,rs)は、下記の式(3)で表される。
Here, represents the distribution of the fluorescent substance in the sample S in Obj (r), represent the image data obtained by the
式(3)における*rは、rについてのコンボリューションである。ここで、PSFdet(r)は、対物レンズ21を含む検出光学系5および蛍光波長λemによって定まる検出PSFである。画像データI(r,rs)は、ディテクター座標r=(x,y)およびスキャン座標rs=(xs,ys)を独立変数に持つ4次元のデータである。I(r,rs)を変形すると、下記の式(4)が得られる。
* R in equation (3) is a convolution for r. Here, the PSF det (r) is a detection PSF determined by the detection
式(4)における*rsはrsについてのコンボリューションである。また、PSFeff(r,rs)は、下記の式(5)で定義される実効PSFである。 * Rs in the equation (4) is a convolution of r s. Further, PSF eff (r, r s) is the effective PSF which is defined by the following equation (5).
上記の式(4)より、検出装置6の検出部6aごとに、Obj(rs)の画像データが得られることが分かる。また、上記の式(5)より、検出装置6の検出部6aの位置(r)ごとに、実効PSFの形状が異なることが分かる。
From the above equation (4), it can be seen that Obj(r s ) image data can be obtained for each
図5は、第1実施形態に係る検出装置の各検出部における実効PSFを示す図である。図5の各グラフにおいて、横軸は検出装置6のXb方向である。試料面Saは検出装置6と光学的に共役であり、試料面Saの座標Xと検出装置の座標Xbは適当な座標変換によって対応づけられる。例えば、光学系の倍率が1である場合、X=Xbとなる。
FIG. 5 is a diagram showing effective PSF in each detection unit of the detection device according to the first embodiment. In each graph of FIG. 5, the horizontal axis is the Xb direction of the
図5(A)には、Xb方向の座標が互いに異なる3つの検出部6aについて、各検出部6aの実効PSF(実線)を1つのグラフに表した。例えば、図5(A)の中央のグラフには、位置X1aに配置される検出部6aの実効PSFに対応する分布Q1a(実線)を示した。また、図5(A)の左側のグラフには、位置X1bに配置される検出部6aの実効PSFに対応する分布Q1b(実線)を示した。また、図5(A)の右側のグラフには、位置X1cに配置される検出部6aの実効PSFに対応する分布Q1c(実線)を示した。
In FIG. 5A, the effective PSF (solid line) of each
また、図5の点線に対応する分布Q2は、図2等に示した干渉縞L2の強度分布に対応する分布である。分布Q2は、試料面Saでの励起光の電場強度ill(r)(上記の式(2)参照)に対応する。干渉縞L2の強度が極大となる位置、すなわち分布Q2のピーク位置X2a、ピーク位置X2b、およびピーク位置X2cは、数値シミュレーション等によって予め求めることができる。 The distribution Q2 corresponding to the dotted line in FIG. 5 is a distribution corresponding to the intensity distribution of the interference fringe L2 shown in FIG. The distribution Q2 corresponds to the electric field intensity ill (r) of the excitation light on the sample surface Sa (see the above equation (2)). The position where the intensity of the interference fringe L2 is maximum, that is, the peak position X2a, the peak position X2b, and the peak position X2c of the distribution Q2 can be obtained in advance by numerical simulation or the like.
分布Q2は、部分的な分布である分布Q2a、分布Q2b、および分布Q2cを含む。分布Q2aは、ピーク位置X2aの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Q2bは、ピーク位置X2bの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。分布Q2cは、ピーク位置X2cの前の極小位置から次の極小位置までの範囲における分布である。 Distribution Q2 includes distribution Q2a, distribution Q2b, and distribution Q2c, which are partial distributions. The distribution Q2a is a distribution in the range from the minimum position before the peak position X2a to the next minimum position. The distribution Q2b is a distribution in the range from the minimum position before the peak position X2b to the next minimum position. The distribution Q2c is a distribution in the range from the minimum position before the peak position X2c to the next minimum position.
また、図5の2点鎖線に対応する分布Q3a、分布Q3b、および分布Q3cは、対物レンズ21を含む検出光学系5および蛍光波長λemによって定まる検出PSFに対応する分布である。検出PSFは、式(3)などのPSFdet(r)に対応する。
The distribution Q3a, the distribution Q3b, and the distribution Q3c corresponding to the chain double-dashed line in FIG. 5 are distributions corresponding to the detection
図5(A)の中央のグラフに示す分布Q3aは、複数の検出部6aのうち位置X1aに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布である。分布Q3aは、検出部6aが配置される位置X1a(例えば、検出部6aの受光領域の中心位置)において極大(ピーク)になる。位置X1aは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2aのピーク位置X2aとほぼ同じである。実効PSFに対応する分布Q1aは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2と、位置X1aに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布Q3aとを掛け合わせた分布である。
The distribution Q3a shown in the center graph of FIG. 5A is a distribution corresponding to the detection PSF of the
図5(A)の中央のグラフにおいて、検出部6aの位置X1aすなわち検出PSFのピーク位置(分布Q3aのピーク位置)は、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2aのピーク位置X2aとのずれ量が所定値よりも小さい(例えば、ずれ量はほぼ0)。このような場合、実効PSFの分布Q1aは、単一の極大(ピーク)をとる。この場合、分布Q1aのピーク位置は、検出部6aの位置X1aあるいは干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2aのピーク位置X2aとほぼ同じになる。
In the graph in the center of FIG. 5A, the position X1a of the
図5(A)の左側のグラフに示す分布Q3bは、複数の検出部6aのうち位置X1bに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布である。分布Q3bは、検出部6aが配置される位置X1b(例えば、検出部6aの受光領域の中心位置)において極大(ピーク)になる。位置X1bは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2のうちで位置X1bを含む部分的な分布Q2bのピーク位置X2bとずれている。実効PSFに対応する分布Q1bは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2と、位置X1bに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布Q3bとを掛け合わせた分布である。
The distribution Q3b shown in the graph on the left side of FIG. 5A is a distribution corresponding to the detection PSF of the
図5(A)の左側のグラフにおいて、検出部6aの位置X1bすなわち検出PSFのピーク位置(分布Q3bのピーク位置)は、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2bのピーク位置X2bとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効PSFの分布Q1bが2つの極大(ピーク)をとる。このように、検出部6aの位置によって実効PSFのピークが2つに分かれる事があり、このような実効PSFの形状変化を実効PSFの形状の崩れと呼ぶ。実効PSFの最も強いビークをメインローブ、それ以外のピークをサイドローブと呼ぶ。
In the graph on the left side of FIG. 5A, the position X1b of the
実効PSFの分布Q1bのメインローブのピーク位置は、検出装置6の中心位置(位置X2a)からずれている。このように、検出装置6の検出部6aの位置(r)と干渉縞L2の強度分布の位置との関係によって、実効PSFのメインローブの位置もずれることが分かる。以下の説明において、適宜、実効PSFのメインローブの位置のずれを実効PSFの位置ずれと呼ぶ。
The peak position of the main lobe of the distribution Q1b of the effective PSF deviates from the center position (position X2a) of the
図5(A)の右側のグラフに示す分布Q3cは、複数の検出部6aのうち位置X1cに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布である。分布Q3cは、検出部6aが配置される位置X1c(例えば、検出部6aの受光領域の中心位置)において極大(ピーク)になる。位置X1cは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2のうちで位置X1cを含む部分的な分布Q2cのピーク位置X2cとずれている。実効PSFに対応する分布Q1cは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2と、位置X1cに配置される検出部6aの検出PSFに対応する分布Q3cとを掛け合わせた分布である。
The distribution Q3c shown in the graph on the right side of FIG. 5A is a distribution corresponding to the detection PSF of the
図5(A)の右側のグラフにおいて、検出部6aの位置X1cすなわち検出PSFのピーク位置(分布Q3cのピーク位置)は、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2cのピーク位置X2cとのずれ量が所定値よりも大きい。この場合、実効PSFの分布Q1bが2つの極大(ピーク)をとり、実効PSFの形状の崩れ、実効PSFの位置ずれが発生している。
In the graph on the right side of FIG. 5A, the position X1c of the
図5(B)は、検出部6aの位置が図5(A)と異なる。図5(B)の左側のグラフに示す分布Q3dは、複数の検出部6aのうち位置X1dに配置される検出部6aに対応する分布である。分布Q3dは、検出部6aが配置される位置X1d(例えば、検出部6aの受光領域の中心位置)において極大(ピーク)になる。位置X1dは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2のうちで位置X1dを含む部分的な分布Q2bのピーク位置X2bとほぼ同じである。このような場合、実効PSFの分布Q1dは、単一の極大(ピーク)をとり、分布Q1dのピーク位置は、検出部6aの位置X1dあるいは干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2bのピーク位置X2bとほぼ同じになる。すなわち、実効PSFの形状の崩れは発生していない。
In FIG. 5(B), the position of the
また、図5(B)の右側のグラフに示す分布Q3eは、複数の検出部6aのうち位置X1eに配置される検出部6aに対応する分布である。分布Q3eは、検出部6aが配置される位置X1e(例えば、検出部6aの受光領域の中心位置)において極大(ピーク)になる。位置X1eは、干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2のうちで位置X1eを含む部分的な分布Q2cのピーク位置X2cとほぼ同じである。このような場合、実効PSFの分布Q1eは、単一の極大(ピーク)をとり、分布Q1eのピーク位置は、検出部6aの位置X1eあるいは干渉縞L2の強度分布に対応する分布Q2cのピーク位置X2cとほぼ同じになる。すなわち、実効PSFの形状の崩れは発生していない。
Further, the distribution Q3e shown in the graph on the right side of FIG. 5B is a distribution corresponding to the
本実施形態において、画像処理部7は、検出光学系5の倍率および干渉縞L2の周期(縞間隔)に基づいて、複数の検出部6aから選択される検出部6aの検出結果を用いる。画像処理部7は、干渉縞L2のピーク位置(例えば、図5のピーク位置X2a、ピーク位置X2b、およびピーク位置X2c)に基づいて検出部6aを複数の検出部6aから選択し、選択した検出部6aの検出結果を用いる。干渉縞L2のピーク位置は、例えば、干渉縞L2の強度分布において強度が極大の位置(例えば、明部の中心位置)に相当する。
In the present embodiment, the
画像処理部7は、例えば、図5(B)の中央のグラフにおけるピーク位置X2aに対応する検出結果として、ピーク位置X2aと対応する位置X1aに配置される検出部6aの検出結果を用いる。例えば、ピーク位置X2a、ピーク位置X2b、およびピーク位置X2cは、数値シミュレーション等によって予め求められ、記憶部に予め記憶される。画像処理部7は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部6aのうちピーク位置X2aの最も近くに配置される検出部6aを選択し、選択した検出部6aの検出結果を用いる。
The
画像処理部7は、干渉縞L2の強度分布において1つのピークを含む部分的な分布Q2aに関する検出結果として、位置X1aに配置される1つの検出部6aの検出結果のみを用いてもよいし、位置X1aに配置される検出部6aおよびこの検出部6aの周囲の少なくとも1つの検出部6aの検出結果を用いてもよい。
The
また、画像処理部7は、例えば、図5(B)の左側のグラフにおけるピーク位置X2bに対応する検出結果として、ピーク位置X2bと対応する位置X1dに配置される検出部6aの検出結果を用いる。画像処理部7は、検出光学系5の倍率および干渉縞L2の周期に基づいて、干渉縞L2の強度分布において1つのピークを含む部分的な分布Q2bと位置が整合する検出部6aを複数の検出部6aから選択する。例えば、画像処理部7は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部6aのうちピーク位置X2bの最も近くに配置される検出部6a(例えば、位置X1dに配置される検出部6a)を選択する。画像処理部7は、分布Q2bに関する検出結果として、選択した検出部6aの検出結果を用いる。
The
画像処理部7は、干渉縞L2の強度分布において1つのピークを含む部分的な分布Q2bに関する検出結果として、位置X1dに配置される1つの検出部6aの検出結果のみを用いてもよいし、位置X1dに配置される検出部6aおよびこの検出部6aの周囲の少なくとも1つの検出部6aの検出結果を用いてもよい。分布Q1dに対応する実効PSF(PSFeff)は、分布Q2bのピーク位置X2bと検出部6aとの位置X1dとが整合することで、実効PSFの形状の崩れが低減される。
The
また、画像処理部7は、例えば、図5(B)の右側のグラフにおけるピーク位置X2cに対応する検出結果として、ピーク位置X2cと対応する位置X1eに配置される検出部6aの検出結果を用いる。画像処理部7は、検出光学系5の倍率および干渉縞L2の周期に基づいて、干渉縞L2の強度分布において1つのピークを含む部分的な分布Q2cと位置が整合する検出部6aを複数の検出部6aから選択する。例えば、画像処理部7は、記憶されたピーク位置の情報に基づいて、複数の検出部6aのうちピーク位置X2cの最も近くに配置される検出部6a(例えば、位置X1eに配置される検出部6a)を選択する。画像処理部7は、分布Q2cに関する検出結果として、選択した検出部6aの検出結果を用いる。
Further, the
画像処理部7は、干渉縞L2の強度分布において1つのピークを含む部分的な分布Q2cに関する検出結果として、位置X1eに配置される1つの検出部6aの検出結果のみを用いてもよいし、位置X1eに配置される検出部6aおよびこの検出部6aの周囲の少なくとも1つの検出部6aの検出結果を用いてもよい。分布Q1e(PSFeff)は、分布Q2cのピーク位置X2cと検出部6aとの位置X1eとが整合することで、実効PSFの形状の崩れが低減される。
The
画像処理部7は、上述のように選択した検出部6aの検出結果について、検出部ごとの画像の位置ずれ(実効PSFeffのピーク位置、もしくはメインローブの位置ずれ)を補正する。検出部ごとの画像の位置ずれは、各種設計値を用いた理論計算、あるいは蛍光ビーズなどの小物体を検出装置6によって撮影した撮像画像から取得可能である。このような位置ずれの補正を行うと、選択された検出部6aのそれぞれで得られる画像の実効PSFをほぼ同一にすることができる。このようにして得られた画像のPSFeffは、近似的に検出装置6の中心位置の検出部(光軸上に位置する検出部)のPSFeffと同等と見なせる。検出装置6の中心位置(r=(0,0))の検出部のPSFeffは、下記の式(6)で表される。
The
干渉縞L2の周期方向、つまりk0方向に着目すると、式(6)より干渉縞L2の周期が小さいほどPSFeffの半値全幅は狭く、分解能が良くなることが分かる。つまり実施形態における干渉縞L2の周期方向に含まれる縞の数(明部)が多いほどPSFeffの半値全幅は狭くなり、分解能が良い。 Focusing on the period direction of the interference fringes L2, that is, the k 0 direction, it can be seen from Equation (6) that the smaller the period of the interference fringes L2, the narrower the full width at half maximum of PSF eff and the better the resolution. That is, as the number of fringes (bright part) included in the periodic direction of the interference fringe L2 in the embodiment is larger, the full width at half maximum of PSF eff is narrower and the resolution is better.
上記ではXY面内(試料面Sa内)における分解能向上について説明してきたが、本実施形態ではZ方向(光軸4a方向)の分解能も従来の蛍光顕微鏡と比較して向上する。本実施形態では、開口部15aを通った励起光L1aと、開口部15bを通った励起光L1bと、開口部15cを通った励起光L1cとの干渉によって、図6(a)に示すように、X方向のみならずZ方向にも縞が形成される。Z方向の分解能はZ方向の縞の周期が小さいほど良くなり、本実施形態ではZ方向の分解能も向上する。なお、Z方向の位置毎のXY面における照明形状(干渉縞)を図6(d)に示す。
図6(b)は本実施形態の実効PSFの3Dシミュレーション結果、図6(c)は従来型蛍光顕微鏡のPSFの3Dシミュレーション結果である。図6(b)と図6(c)とを比較すると、本実施形態はXYZすべての方向において、従来型の蛍光顕微鏡より分解能が良いことが分かる。他の実施形態においても同様である。従来型蛍光顕微鏡、共焦点蛍光顕微鏡などに対する分解能の優位性を持つために、実施形態において干渉縞L2の周期方向(図6(a)ではX方向)に含まれる明部の数は3以上であることが望ましい。他の実施形態においても同様である。
Although the improvement of the resolution in the XY plane (in the sample plane Sa) has been described above, in the present embodiment, the resolution in the Z direction (
FIG. 6B is a 3D simulation result of the effective PSF of this embodiment, and FIG. 6C is a 3D simulation result of the PSF of the conventional fluorescence microscope. Comparing FIG. 6B and FIG. 6C, it can be seen that the present embodiment has better resolution than the conventional fluorescence microscope in all XYZ directions. The same applies to other embodiments. In order to have superior resolution over conventional fluorescence microscopes, confocal fluorescence microscopes, etc., the number of bright parts included in the periodic direction of the interference fringes L2 (X direction in FIG. 6A) in the embodiment is 3 or more. Is desirable. The same applies to other embodiments.
画像処理部7は、PSFeffがほぼ同一となった画像を足し合わせることで、画像を生成する。画像処理部7は、足し合わされる画像のPSFeffがほぼ同一になっていることで、分解能およびS/N比が良好な画像ISR(rs)を生成可能である。なお、画像ISR(rs)の生成に用いる検出部6aの範囲を広くすると、信号量を増加させることができる。また、画像ISR(rs)の生成に用いる検出部6aの範囲を狭くすると、セクショニング能力を高くすることができる。
The
上記の式(6)で説明したように、実施形態に係る顕微鏡1は、干渉縞L2の周期方向の分解能が向上する。顕微鏡1は、干渉縞L2の周期方向を変更して試料Sからの蛍光を検出することで、X方向、Y方向、およびZ方向について3次元的に分解能を向上させることも可能である。ここで、干渉縞L2の周期方向を90°変更する例を説明する。干渉縞L2の周期方向を90°変更するには、図2の状態のマスク15および偏光子14をZa方向の周りで90°回転させる。
As described by the above equation (6), the
干渉縞L2の周期方向がX方向である場合の超解像画像をISRx(rs)とし、干渉縞L2の周期方向がY方向である場合の超解像画像をISRy(rs)とする。画像処理部7は、ISRx(rs)とISRy(rs)とを足し合わせることで、3次元的に分解能が向上した超解像画像を生成してもよい。また、画像処理部7は、下記の処理によって超解像画像を生成してもよい。
The super-resolution image when the periodic direction of the interference fringes L2 is the X direction and I SRx (r s), the super-resolution image when the periodic direction of the interference fringes L2 is the Y direction I SRy (r s) And The
画像処理部7は、超解像画像ISRx(rs)および超解像画像ISRy(rs)をそれぞれフーリエ変換する。ここで、フーリエ変換された超解像画像ISRx(rs)をI~
SRx(ks)で表わす。明細書中の「~」は数式中のチルダーである。また、フーリエ変換された超解像画像ISRy(rs)をI~
SRy(ks)で表す。I~
SR_x(ks)は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、X方向、およびZ方向に関して遮断周波数が、例えば2倍増加する。また、I~
SRy(ks)は、通常の蛍光顕微鏡に比べて、Y方向、およびZ方向に関して遮断周波数が、例えば2倍増加する。画像処理部7は、I~SRx(ks)とI~SRy(ks)とを足し合わせる。これにより、3方向(X方向、Y方向、およびZ方向)において、遮断周波数が増加する。
The
なお、足し合わされた実効OTFの形状は、干渉縞L2の周期方向を変更する方向の組み合わせによっては、いびつである場合がある。この場合、画像処理部7は、実効OTFの形状を補正する周波数フィルターをかけてもよい。これにより、ISRx(rs)とISRy(rs)とを足し合わせる場合よりも効果的に分解能を向上させることができる。また、図3で説明したように、照明光学系4は、干渉縞L2の周期方向を0°、120°、240°の3通りに変更し、検出装置6は、3通りの周期方向のそれぞれについて蛍光L3を検出してもよい。画像処理部7は、3通りの周期方向について検出装置6が検出した3つの検出結果(例えば、3枚の画像)を用いて、超解像画像を生成してもよい。また、照明光学系4は、干渉縞L2の周期方向を4通り以上変更し、検出装置6は、変更された4通り以上の周期方向のそれぞれについて蛍光L3を検出して、画像処理部7は、変更された4通り以上の周期方向について検出装置6が検出した4以上の検出結果を用いて、超解像画像を生成してもよい。ここで説明した、干渉縞の周期方向を複数回変更して取得した複数の検出結果を用いて超解像画像を生成する方法は、以降の実施形態においても利用することができる。
The shape of the added effective OTF may be distorted depending on the combination of the directions that change the periodic direction of the interference fringes L2. In this case, the
次に、上述の顕微鏡1の構成に基づき、実施形態に係る観察方法について説明する。図7は、実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。顕微鏡1の各部については、適宜、図1あるいは図4を参照する。ステップS1において、図1の照明光学系4は、走査ミラーの角度を設定する。照明光学系4は、ステップS1で設定された走査ミラーの角度によって定まる試料上の位置に、励起光を干渉縞として照射する。ステップS2において、試料の蛍光物質は、励起光の干渉縞で励起される。ステップS3において、図4の検出装置6は、試料Sからの蛍光L3を、検出光学系5を介して検出する。
Next, the observation method according to the embodiment will be described based on the configuration of the
ステップS4において、制御部CBは、走査ミラーの角度変更を実行するか否かを判定する。制御部CBは、予定された観察領域の一部についてステップS1からステップS3の処理が終了していないと判定した場合に、ステップS4において走査ミラーの角度変更を実行すると判定する(ステップS4;Yes)。制御部CBは、走査ミラーの角度変更を実行すると判定した場合(ステップS4;Yes)、ステップS1の処理に戻り、照明光学系4は、走査ミラーの角度を予定された次の角度に設定する。そして、ステップS2からステップS4の処理が繰り返される。このようにして、照明光学系4は、試料Sを励起光L1の干渉縞で2次元的に走査する。
In step S4, the control unit CB determines whether or not to change the angle of the scanning mirror. When it is determined that the processing of steps S1 to S3 has not been completed for a part of the scheduled observation region, the control unit CB determines to execute the angle change of the scanning mirror in step S4 (step S4; Yes). ). When the control unit CB determines to change the angle of the scanning mirror (step S4; Yes), the process returns to step S1 and the illumination
制御部CBは、ステップS4において、予定された観察領域の全てについてステップS1からステップS3の処理が終了したと判定した場合に、走査ミラーの角度変更を実行しないと判定する(ステップS4;No)。走査ミラーの角度変更を実行しないと制御部CBが判定した場合(ステップS4;No)、ステップS5において、画像処理部7は、検出部ごとの画像の位置ずれを補正する。画像処理部7は、複数の検出部の少なくとも1つの検出部から得られるデータを、その検出部の位置に基づいて補正する。例えば、画像処理部7は、複数の検出部から選択される検出部から得られるデータを、当該検出部の位置に基づいて補正する。例えば、画像処理部7は、複数の検出部のうちの第1の検出部(例えば、図5(B)において位置X1dに配置される検出部)から得られるデータを、第1の検出部の位置(例えば、位置X1d)に基づいて補正する。また、画像処理部7は、2以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する。例えば、ステップS6において、画像処理部7は、ステップS5の補正後の画像を足し合わせることで、画像(例えば、超解像画像)を生成する。
When it is determined in step S4 that the processing in steps S1 to S3 has been completed for all of the scheduled observation regions, the control unit CB determines not to change the angle of the scanning mirror (step S4; No). .. When the control unit CB determines not to change the angle of the scanning mirror (step S4; No), the
なお、検出装置6の複数の検出部6aの位置は、干渉縞L2のピーク(もしくは極大、明点)位置と整合するように、干渉縞L2の周期に基づいて設定されてもよい。検出装置6は、検出部6aの間隔と干渉縞L2の縞間隔とが整合するように、予め設定されてもよい。上記の検出部6aの間隔は、1つの検出部6aの中心と、その隣の検出部6aの中心との間隔である。また、上記の干渉縞L2の縞間隔は、干渉縞L2において、1つの明部の中心線と、その隣の明部の中心線との間隔である。ここで、干渉縞L2の縞間隔は1/k0となる。干渉縞の縞間隔が1/k0である場合、検出装置6の検出部6aの間隔は、下記の式(7)に示すPと概ね同じになるように設定される。
The positions of the plurality of
上記の式(7)において、対物レンズ21を含む検出光学系5の倍率は1倍とした。検出光学系5の倍率がMdetである場合は、倍率分だけ検出部6aの間隔を変え、検出部6aの間隔をMdet/k0とすればよい。もしくは、検出光学系5の一部をズームレンズにすることで検出部6aの間隔を干渉縞L2の周期に整合させることができる。この場合、検出光学系5の倍率のみを変更可能なレンズ23をズームレンズとすることが望ましい。また、干渉縞L2の周期は、検出装置6の複数の検出部6aの間隔と整合するように、調整されてもよい。例えば、マスク15の開口部15a、および開口部15bの間隔を変更することで干渉縞L2の周期を変更することができる。
In the above formula (7), the magnification of the detection
なお、本実施形態において、顕微鏡1は、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査することで、干渉縞L2を2次元的に走査してもよいし、試料面Saと平行な2方向、および試料面Saに垂直な1方向に干渉縞L2を走査することで、干渉縞L2を3次元的に走査してもよい。干渉縞L2を3次元的に走査する場合、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査する処理(以下、2次元処理という)については、上述の実施形態で説明した処理と同様である。顕微鏡1は、2次元処理をZ方向の位置を変更して繰り返すことにより、例えば、3次元的な超解像画像を生成可能である。後述の実施形態について同様に、顕微鏡1は、干渉縞L2を3次元的に走査してもよい。
In the present embodiment, the
[第2実施形態]
第2実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。本実施形態において、画像処理部7(図4参照)は、周波数空間上のデータに対してフィルタリングを行って、画像を生成する。画像処理部7は、検出装置6から得られるデータに対してデコンボリューションを実行して、画像を生成する。画像処理部7は、上記のフィルタリングとして、検出装置6の検出部6aごとにデコンボリューションおよびアポダイゼーションを行って、画像を生成する。すなわち、画像処理部7は、周波数空間上のデータに対して、デコンボリューションを含むフィルタリングを行う。以下の説明において、適宜、デコンボリューションとアポダイゼーションの一連の処理を合わせて(総称して)、デコンボリューションと称することがある。
[Second Embodiment]
The second embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. In the present embodiment, the image processing unit 7 (see FIG. 4) filters the data in the frequency space to generate an image. The
図8は、第2実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。顕微鏡の各部については、適宜、図1あるいは図4を参照する。図8(A)は、デコンボリューション前のPSFであり、図5(A)と同様である。図8(A)において、検出装置6(図4参照)の検出部6aの間隔が干渉縞L2の間隔に合っていない。この場合、上記の式(5)で説明したように、検出部6aごとに得られる画像の実効PSF(実線)は検出部6aの位置によっては形状が崩れる。検出部6aごとの実効PSFは、設計値から理論計算すること、あるいは蛍光ビーズのような小物体を撮影することにより取得可能(推定可能)である。画像処理部7は、このようにして取得した実効PSFを用いて、検出部6aごとに得られる画像の実効PSFの形状の崩れ、および位置ずれを補正するようにデコンボリューションを実行する。
FIG. 8 is a diagram showing processing of the image processing unit of the microscope according to the second embodiment. For each part of the microscope, refer to FIG. 1 or FIG. 4 as appropriate. FIG. 8 (A) shows the PSF before deconvolution, which is the same as FIG. 5 (A). In FIG. 8A, the distance between the
図8(B)はデコンボリューション後のPSFである。図8(B)の中央のグラフにおいて、分布Q4aは、図8(A)の中央のグラフに示す分布Q1aすなわち位置X1aに配置された検出部6aの実効PSFを、デコンボリューションして得られる実効PSFに対応する。ここでは、検出部6aの位置X1aと、分布Q2aのピーク位置X2aとのずれ量が所定値よりも小さく、デコンボリューション後の実効PSFに対応する分布Q4aは、デコンボリューション前の実効PSFに対応する分布Q1aとほぼ同じである。
Figure 8 (B) shows the PSF after deconvolution. In the central graph of FIG. 8B, the distribution Q4a is the effective obtained by deconvolving the effective PSF of the
また、図8(B)の左側のグラフにおいて、分布Q4bは、図8(A)の左側のグラフに示す分布Q1bすなわち位置X1bに配置された検出部6aの実効PSFを、デコンボリューションして得られる実効PSFに対応する。図8(B)の右側のグラフにおいて、分布Q4cは、図8(A)の右側のグラフに示す分布Q1cすなわち位置X1cに配置された検出部6aの実効PSFを、デコンボリューションして得られる実効PSFに対応する。このような一連の処理(デコンボリューション)によって、図8(B)の3つのグラフに示すように、検出部6aごとの実効PSFがほぼ同一となる。画像処理部7は、デコンボリューションの結果を用いて、画像を生成する。以下、画像処理部7の処理について、より詳しく説明する。
In the graph on the left side of FIG. 8B, the distribution Q4b is obtained by deconvoluting the distribution Q1b shown in the graph on the left side of FIG. 8A, that is, the effective PSF of the
画像処理部7は、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果を周波数空間上のデータへ変換し、その変換結果を用いて画像(例えば、超解像画像)を生成する。以下の説明において、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果を周波数空間で表したデータを、適宜、周波数空間の成分という。画像処理部7は、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果をフーリエ変換し、フーリエ変換により得られる周波数空間の成分を用いて画像を生成する。上記の式(4)をrsについてフーリエ変換すると、下記の式(8)が得られる。
The
式(8)の左辺のI~(r,ks)は、I(r,rs)をrsについてフーリエ変換したものである。右辺のOTFeff(r,ks)は、PSFeff(r,rs)をrsについてフーリエ変換したものであり、検出装置6の検出部6aごとの実効OTFを表す。また、右辺のObj~(ks)はObj(rs)をrsについてフーリエ変換したものである。
I 1 to (r, k s ) on the left side of the equation (8) is the Fourier transform of I (r, r s ) with respect to r s . Right side of the OTF eff (r, k s) is, PSF eff (r, r s ) the is obtained by Fourier transform for r s, represents the effective OTF of each
デコンボリューションには、ウィーナーフィルタやリチャードソン・ルーシー法など様々な方法が存在する。ここでは一例としてウィーナーフィルタを用いた処理を説明するが、画像処理部7は、その他の処理によってデコンボリューションを実行してもよい。ウィーナーフィルタによる、各検出部のデコンボリューションは、下記の式(9)で表される。
There are various deconvolution methods such as the Wiener filter and Richardson-Lucy method. Here, the process using the Wiener filter will be described as an example, but the
式(9)において、Obj~(r,ks)は検出装置6の検出部6aごとに推定した蛍光物質の分布(以下、推定蛍光物質分布という)である。wはノイズを抑制するためのウィーナーパラメータである。この処理により、検出装置6の2以上の検出部6aにおいて、推定蛍光物質分布Obj~(r,ks)がほぼ共通になる。すなわち、上記の処理により検出部6aごとの実効PSFの形状の崩れがおよび位置ずれが補正され、検出部6aごとの実効PSFがほぼ同一となる。画像処理部7は、下記の式(10)に示す処理によって、Obj~(r,ks)にアポダイゼーションを行い、検出装置6の検出部6aにおけるスペクトルを足し合わせ、超解像画像ISR(rs)を生成する。
In Expression (9), Obj to (r, k s ) are distributions of the fluorescent substance estimated for each
式(10)において、A(ks)は画像の負値を抑制するためのアポダイゼーション関数であり、Obj~(r,ks)にA(ks)を掛けることをアポダイゼーションと呼ぶ。A(ks)の関数形は理論計算もしくはシミュレーション等により画像の負値を抑制するよう設計する。また、Fks
-1は、ksに関する逆フーリエ変換である。画像処理部7は、検出部6aごとのスペクトルを足し合わせた後に逆フーリエ変換を行うが、逆フーリエ変換を行ってから画像を足し合わせてもよい。画像処理部7は、式(9)および式(10)の処理において、検出部6aごとに独立してデコンボリューションした後に、検出部6aごとに画像を足し合わせる。画像処理部7は、下記の式(11)のように、2以上の検出部6aをまとめて、デコンボリューションしてもよい。
In Expression (10), A(k s ) is an apodization function for suppressing the negative value of the image, and multiplying Obj ˜ (r, k s ) by A(k s ) is called apodization. The functional form of A(k s ) is designed to suppress the negative value of the image by theoretical calculation or simulation. Further, F ks -1 is the inverse Fourier transform relates k s. The
図9は、第2実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップS1からステップS4の処理は、図7と同様であるので、その説明を省略する。ステップS11において、画像処理部7は、各検出部の検出結果をフーリエ変換する。ステップS12において、画像処理部7は、デコンボリューションを実行する。ステップS13において、画像処理部7は、アポダイゼーションを実行する。アポダイゼーションは、デコンボリューションの一部の処理でもよい。画像処理部7は、ステップS14において、デコンボリューションの結果を用いて検出部6aごとの画像を足し合わせる。画像処理部7は、ステップS15において、ステップS14で得られた第1の画像(例えば、フーリエ画像)を逆フーリエ変換することで、第2の画像(例えば、超解像画像)を生成する。
FIG. 9 is a flowchart showing an observation method according to the second embodiment. The processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and thus its description is omitted. In step S11, the
なお、画像処理部7は、第1実施形態で説明したように、足し合わせる検出部6aの範囲を変化させてもよい。また、画像処理部7は、第1実施形態で説明したように、1次元的にまたは2次元的に分解能を向上させてもよい。
Note that the
[第3実施形態]
第3実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図10は、第3実施形態に係る顕微鏡の画像処理部の処理を示す図である。顕微鏡の各部については、適宜、図1あるいは図4を参照する。
[Third Embodiment]
A third embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 10 is a diagram showing processing of the image processing unit of the microscope according to the third embodiment. For each part of the microscope, refer to FIG. 1 or FIG. 4 as appropriate.
本実施形態において、画像処理部7(図4参照)は、第2実施形態と異なる画像処理によって、検出部6aごとの実効PSFの形状の崩れを補正する。図10(A)は、本実施形態に係る画像処理前のPSFであり、図5(A)と同様である。図10(A)において、検出装置6(図4参照)の検出部6aの間隔が干渉縞L2の間隔に合っていない。この場合、上記の式(5)で説明したように、検出部6aごとに得られる画像の実効PSF(実線)は検出部6aの位置によっては形状が崩れる。画像処理部7は、干渉縞L2の強度分布の部分的な分布(例えば、図10(A)左側のグラフに示すQ2b)のピーク位置が、検出部6aの位置と整合するように、干渉縞L2の強度分布の位相を画像処理によって実効的にシフトさせる。この処理を適宜、画像処理位相シフトと呼び、その位相シフト量を画像処理位相シフト量と呼ぶ。
In the present embodiment, the image processing unit 7 (see FIG. 4) corrects the collapse of the shape of the effective PSF for each
図10(B)は、画像処理位相シフト処理後の検出部6aごとの実効PSFである。図10(B)の左側のグラフにおいて、分布Q2fは、図10(A)の分布Q2bのピーク位置X2bが検出部6aの位置X1bと一致するように、分布Q2の位相を画像処理位相シフトさせた分布である。分布Q2fのピーク位置X2fは、検出部6aの位置X1bとほぼ一致する。分布Q1fは、位相を画像処理位相シフトさせた分布Q2fと、位置X1bに配置された検出部6aの検出PSF(分布Q3b)とから得られる実効PSFに対応する分布である。分布Q1fは、実効PSFの形状の崩れが低減されている。
FIG. 10B shows the effective PSF for each
また、図10(B)の右側のグラフにおいて、分布Q2gは、図10(A)の分布Q2cのピーク位置X2cが検出部6aの位置X1cと一致するように、分布Q2の位相を画像処理位相シフトさせた分布である。分布Q2gのピーク位置X2gは、検出部6aの位置X1cとほぼ一致する。分布Q1gは、位相を画像処理位相シフトさせた分布Q2gと、位置X1cに配置された検出部6aの検出PSF(分布Q3c)とから得られる実効PSFに対応する分布である。分布Q1gは、実効PSFの形状の崩れが低減されている。
In the graph on the right side of FIG. 10(B), the distribution Q2g has the phase of the distribution Q2 set to the image processing phase so that the peak position X2c of the distribution Q2c of FIG. 10(A) coincides with the position X1c of the
上述のような画像処理処理により、検出部6aごとの実効PSF(実線)の形状がほぼ同一となるように補正される。画像処理部7は、ほぼ同一の形状に補正された実効PSFを持つ検出部6aごとの画像を用いて、画像を生成する。
By the image processing process as described above, the shape of the effective PSF (solid line) for each
以下、画像処理部7の処理の流れについて、より詳しく説明する。検出装置6で得られる像I(r,rs)は、上記の式(3)で表される。式(3)に、上記の式(2)に示したill(r)を代入すると、下記の式(12)が得られる。
Hereinafter, the processing flow of the
式(12)において、φは干渉縞L2の初期位相を示す。画像処理部7は、画像処理によって干渉縞L2の位相をディテクター座標に応じて変化させ、実効PSFの形状を揃える。顕微鏡1は、式(3)で説明したように、4次元の画像データI(r,rs)を取得する。画像処理部7は、I(r,rs)に対して4次元のフーリエ変換を行う。フーリエ変換によって得られる周波数空間の4次元のデータをI~(k,ks)で表す。
In equation (12), φ indicates the initial phase of the interference fringe L2. The
式(12)をr、rsについてフーリエ変換することでI~(k,ks)は以下の式(13)で表されることが分かる。 By performing Fourier transform on the equation (12) for r and rs, it can be seen that I 1 to (k, k s ) are represented by the following equation (13).
OTFdetは、PSFdetのフーリエ変換であり検出光学系5のOTFを表す。OTFillはPSFillのフーリエ変換であり、Obj~はObjのフーリエ変換である。ここでI0
~(k,ks)、I+1
~(k,ks)、I-1
~(k,ks)、I+2
~(k,ks)、I-2
~(k,ks)は上式のように定義される。I0
~(k,ks)を0次成分、I+1
~(k,ks)を+1次成分、I-1
~(k,ks)を-1次成分、I+2
~(k,ks)を+2次成分、I-2
~(k,ks)を-2次成分と呼ぶ。
OTF det is the Fourier transform of PSF det and represents the OTF of the detection
OTFdet(k)の遮断周波数は2kNA
emで与えられる。また、OTFill(k)の遮断周波数は2σkNA
exで与えられる。したがって、I0
~(k,ks)は式(14)の条件を満たす0次成分の領域AR1a内でのみ値を持ち、I+1
~(k,ks)は式(15)の条件を満たす+1次成分の領域AR1b内でのみ値を持ち、I-1
~(k,ks)は式(16)の条件を満たす-1次成分の領域AR1c内でのみ値を持ち、I+2
~(k,ks)は式(17)の条件を満たす+2次成分の領域AR1d内でのみ値を持ち、I-2
~(k,ks)は式(18)の条件を満たす-2次成分の領域AR1e内でのみ値をもつ。画像処理部7は、I~(k,ks)から、下記の式(14)から式(18)のいずれかの条件を満たす領域の情報を抽出し、I~(k,ks)からI0
~(k,ks)、I+1
~(k,ks)、I-1
~(k,ks)、I+2
~(k,ks)、I-2
~(k,ks)を得る。I~(k,ks)からI0
~(k,ks)、I+1
~(k,ks)、I-1
~(k,ks)、I+2
~(k,ks)、I-2
~(k,ks)を分離する処理を、適宜、成分分離と称す。
The cutoff frequency of OTF det (k) is given by 2k NA em . The cutoff frequency of OTF ill (k) is given by 2σk NA ex . Therefore, I 0 to (k, k s ) have a value only in the region AR1a of the zero-order component that satisfies the condition of Expression (14), and I +1 to (k, k s ) satisfy the condition of Expression (15). It has a value only in the area AR1b of the +1st-order component to be satisfied, and I −1 to (k, k s ) has a value only in the area AR1c of the −1st-order component satisfying the condition of Expression (16), and I +2 to (K, k s ) has a value only in the area AR1d of the +second-order component satisfying the condition of the formula (17), and I −2 to (k, k s ) satisfies the condition of the formula (18) −second-order It has a value only within the region AR1e of the component. The
図11は、第3実施形態において、成分分離に用いる周波数空間の領域を示す図である。ここでは、マスク15(図2参照)の開口部15a、開口部15b、および開口部15cが円形である場合について説明する。マスク15の開口は円形以外の形状でもよい。0次成分の領域AR1a、+1次成分の領域AR1b、-1次成分の領域AR1c、+2次成分の領域AR1d、および-2次成分の領域AR1eの範囲は、マスク15の開口が円形である場合、マスク15の開口が円形以外の形状である場合のいずれについても、顕微鏡1の設計値に基づいた数値シミュレーション、理論計算等で求めることができる。もしくは、各成分が値を持つ領域は、蛍光試料を実測することで求めることができる。
FIG. 11 is a diagram showing a region of the frequency space used for component separation in the third embodiment. Here, a case where the
図11(A)にはkxs-kys平面における各領域を示した。0次成分の領域AR1a、+1次成分の領域AR1b、-1次成分の領域AR1c、+2次成分の領域AR1d、および-2次成分の領域AR1eは、それぞれ円形の領域である。0次成分の領域AR1a、+1次成分の領域AR1b、-1次成分の領域AR1c、+2次成分の領域AR1d、および-2次成分の領域AR1eは、半径がいずれも同じである。0次成分の領域AR1aの半径は、2σkNA exである。0次成分の領域AR1aは、原点を中心とする領域である。+1次成分の領域AR1b、-1次成分の領域AR1c、+2次成分の領域AR1d、および-2次成分の領域AR1eは、それぞれ、中心がkxsの軸上の領域である。-1次成分の領域AR1cの中心と原点との距離A1は、k0=(1-σ)kNA exである。+1次成分の領域AR1bは、0次成分の領域AR1aに関して-1次成分の領域AR1cと対称な位置の領域である。-2次成分の領域AR1eの中心と原点との距離A2は、2k0である。+2次成分の領域AR1dは、0次成分の領域AR1aに関して-2次成分の領域AR1eと対称な位置の領域である。 FIG. 11A shows each region on the k xs -kys plane. The 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the −1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the −second-order component area AR1e are circular areas. The 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the −1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the −second-order component area AR1e all have the same radius. The radius of the 0th-order component region AR1a is 2σk NA ex . The region AR1a of the 0th-order component is a region centered on the origin. The area AR1b of the +1st order component, the area AR1c of the −1st order component, the area AR1d of the +second order component, and the area AR1e of the −second order component are areas on the axis of which the center is k xs . The distance A1 between the center of the area AR1c of the −1st order component and the origin is k0=(1−σ)k NA ex . The +1st-order component region AR1b is a region symmetric with respect to the -1st-order component region AR1c with respect to the 0th-order component region AR1a. The distance A2 between the center of the −second-order component area AR1e and the origin is 2k0. The + secondary component region AR1d is a region symmetric with respect to the second-order component region AR1e with respect to the zero-order component region AR1a.
図11(B)にはkxs-kx平面における各領域を示した。0次成分の領域AR1a、+1次成分の領域AR1b、-1次成分の領域AR1c、+2次成分の領域AR1d、および-2次成分の領域AR1eは、それぞれ平行四辺形の領域である。 FIG. 11B shows each region in the k xs −kx plane. The 0th-order component area AR1a, the +1st-order component area AR1b, the −1st-order component area AR1c, the +second-order component area AR1d, and the −second-order component area AR1e are parallelogram areas, respectively.
画像処理部7は、試料Sにおける励起光の光強度分布に基づいて、成分分離における周波数空間の領域を設定する。例えば、画像処理部7は、試料Sにおける励起光の光強度分布として試料面Saでの励起光の電場強度ill(r)に基づいて、互いに重複しない複数の領域を設定する。上記の複数の領域は、互いに重複しない5以上の領域を含む。例えば、上記の複数の領域は、第1領域として図11の領域AR1a、第2領域として図11の領域AR1b、第3領域として図11の領域AR1c、第4領域として図11の領域AR1d、および第5領域として図11の領域AR1eを含む。画像処理部7は、周波数空間上のデータから、第1領域(領域AR1a)に属するデータ、第2領域(領域AR1b)に属するデータ、第3領域(領域AR1c)、および第4領域(領域AR1d)、および第5領域(領域AR1e)に属するデータのそれぞれを抽出することで、成分分離を行う。
The
画像処理部7は、I0
~(k,ks)、I+1
~(k,ks)、I-1
~(k,ks)、I+2
~(k,ks)、I-2
~(k,ks)をそれぞれ、4次元の逆フーリエ変換を行うことによって、実空間の画像データを算出する。以下、I0
~(k,ks)を逆フーリエ変換して得られる画像データをI0(r,rs)で表す。また、I+1
~(k,ks)を逆フーリエ変換して得られる画像データをI+1(r,rs)で表す。また、I-1
~(k,ks)を逆フーリエ変換して得られる画像データをI-1(r,rs)で表す。また、I+2
~(k,ks)を逆フーリエ変換して得られる画像データをI+2(r,rs)で表す。また、I-2
~(k,ks)を逆フーリエ変換して得られる画像データをI-2(r,rs)で表す。画像処理部7は、I0(r,rs)、I+1(r,rs)、I-1(r,rs)、I+2(r,rs)、およびI-2(r,rs)のそれぞれに対して、下記の式(19)に示す演算を行う。
The
式(19)において、ψ(r)は検出装置6の検出部6aの位置rごとの画像処理位相シフト量を表す。画像処理位相シフト量ψ(r)は、例えば、下記のように決定される。画像処理部7は、ディテクター座標rで検出した信号の位置ずれ量を算出する。画像処理部7は、例えば、予めシミュレーションにより、PSFdet(r+rs)とPSFill(rs)の積によって得られる関数のピーク位置を求めることで、上記の位置ずれ量を算出する。ここで実効PSFの位置ずれはディテクター座標rに比例すると考えてよく、位置ずれの度合いを表すパラメーターをβとし、位置ずれ量をr/βで表す。βの値は、PSFdet(r+rs)とPSFill(rs)との積によって得られる関数のピーク位置から算出されてもよいし、他の数値シミュレーションによって算出されてもよい。また検出装置6の検出部6aごとに異なるβが用いられてもよい。βが決まると、ディテクター座標に応じた画像処理位相シフト量が決まる。干渉縞L2の画像処理位相シフト量ψ(r)はPSFdet(r+rs)とPSFill(rs)との積によって得られる関数のピーク位置と、干渉縞のピーク位置とが一致するように決定される。このような処理によって、画像処理位相シフト量は、例えば、ψ(r)=-2πk0・r/β-φとなる。初期位相φの値は、蛍光ビーズを用いて予め測定された値でもよいし、観察画像から推定される値でもよい。画像処理部7は、試料Sにおける励起光の光強度分布に基づいて、位相を変換する量(画像処理位相シフト量)を決定する。
画像処理部7は、上記の式(19)の5式の演算結果について、下記の式(20)に示すように和を算出する。
In Expression (19), ψ(r) represents the image processing phase shift amount for each position r of the
The
上記の式(20)の演算から得られるI’(r,rs)は、検出部6aの位置rごとの実効PSFの形状の崩れが補正され、実効PSFの形状がほぼ同一となった画像となる。
I′(r,r s ) obtained from the calculation of the above equation (20) is an image in which the collapse of the shape of the effective PSF for each position r of the
画像処理部7は、I’(r,rs)に対して、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFの位置ずれを補正する。これにより、検出装置6の2以上の検出部6aで実効PSFをほぼ同一とすることができる。画像処理部7は、実効PSFがほぼ同一に補正された検出部6aごとの画像を足し合わせることによって、超解像画像ISR(rs)を生成する。この一連の処理は式(21)に基づいて行われる。
The image processing section 7, I '(r, r s ) with respect to correct the positional deviation of the effective PSF for each detected
ここでPH(r)は式(22)で定義されるピンホール関数である。 Here, PH (r) is a pinhole function defined by the equation (22).
rPHの値を大きくすると信号量を増加させることができ、rPHの値を小さくするとセクショニング能力を高めることができる。 Increasing the value of r PH can increase the signal amount, it is possible to increase the sectioning ability Lower values of r PH.
本実施形態において、スキャン間隔、検出装置6の検出部6aの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、干渉縞の周期方向においてλex/8NA以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、干渉縞の周期方向と垂直な方向においてλex/4NA以下に設定されてもよい。また、検出装置6の検出部6aの間隔は、λem/4NA以下に設定されてもよい。検出光学系の倍率が1とは異なる場合は、検出光学系5の検出装置6側の開口数をNAdとして、例えば、検出部6aのサイズは、λem/4NAd程度に設定されることが望ましい。もしくは、検出部6aのサイズがdである時、検出光学系5の検出装置6側の開口数NAdが、NAd<λem/4dを満たすように、レンズ23の焦点距離が設定されてもよい。
In the present embodiment, the scan interval and the interval of the
図12は、第3実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップS1からステップS4の処理は図7と同様であり、その説明を省略する。ステップS21において、画像処理部7は、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果をフーリエ変換する。ステップS21において、画像処理部7は、I(r,rs)に対して4次元のフーリエ変換を行う。ステップS22において、画像処理部7は、周波数空間において成分分離する。画像処理部7は、フーリエ変換により得られる周波数空間の成分を周波数空間の領域ごとに分離する。ステップS23において、画像処理部7は、分離された成分を逆フーリエ変換する。ステップS24において、画像処理部7は、画像処理位相シフト処理を実行する。画像処理部7は、ステップS25において、実効PSFの位置ずれを補正する。ステップS26において、画像処理部7は、ステップS25で位置ずれを補正して得られる画像を足し合わせることで、画像(例えば、超解像画像)生成する。
FIG. 12 is a flowchart showing an observation method according to the third embodiment. The processes of steps S1 to S4 are similar to those of FIG. In step S21, the
このように、本実施形態に係る画像処理部7は、成分分離によって得られるデータの少なくとも一部の位相を変換して画像を生成する。上述の説明において、画像処理部7は、実空間上のデータに対して位相シフト処理を実行する。すなわち、画像処理部7は、成分分離によって得られるデータとして、成分分離したデータ(周波数空間上のデータ)を逆フーリエ変換によって実空間上のデータに変換したデータ(実空間上のデータ)を用いる。なお、画像処理部7は、成分分離した周波数空間上のデータに対して、周波数空間において位相シフト処理を実行してもよい。
As described above, the
[第4実施形態]
第4実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。本実施形態において、画像処理部7(図4参照)は、第3実施形態で説明した成分分離を行った後、分離された成分についてデコンボリューションを行って画像を生成する。
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. In the present embodiment, the image processing unit 7 (see FIG. 4) performs the component separation described in the third embodiment, and then performs deconvolution on the separated components to generate an image.
式(13)を書き換え、下記の式(23)が得られる。 Rewriting the formula (13), the following formula (23) is obtained.
式(23)において、OTF0(k,ks)、OTF+1(k,ks)、OTF-1(k,ks)、OTF+2(k,ks)、およびOTF-2(k,ks)は、下記の式(24)で表される。 In equation (23), OTF 0 (k, k s ), OTF +1 (k, k s ), OTF -1 (k, k s ), OTF +2 (k, k s ), and OTF- 2 (k, k, s ). k s) is expressed by the following equation (24).
画像処理部7は、OTF0(k,ks)、OTF+1(k,ks)、OTF-1(k,ks)、OTF+2(k,ks)、およびOTF-2(k,ks)のそれぞれの推定値を用いて、デコンボリューションを行う。デコンボリューションには、ウィーナーフィルタやリチャードソン・ルーシー法など様々な方法がある。ここでは、デコンボリューションの一例としてウィーナーフィルタを用いた処理を説明するが、他の方法を用いたデコンボリューションでもよい。上記の式(23)について、ウィーナーフィルタによるデコンボリューションは、下記の式(25)で表される。
The
式(25)において、A(ks)は画像の負値を抑制するためのアポダイゼーション関数である。また、wは、ノイズを抑制するためのウィーナーパラメータである。Fks
-1はksに関する逆フーリエ変換である。画像処理部7は、上述のデコンボリューションの結果を用いて画像を生成する。
In the formula (25), A (k s ) is the apodization function for suppressing the negative value of the image. Further, w is a Wiener parameter for suppressing noise. F ks -1 is the inverse Fourier transform for k s . The
図13は、第4実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップS1からステップS4の処理は、図7と同様であり、その説明を省略する。ステップS31において、画像処理部7は、検出結果をフーリエ変換する。また、ステップS32において、画像処理部7は、周波数空間で成分を分離する。ステップS33において、画像処理部7は、ステップS32の処理によって分離された成分を用いて、デコンボリューションを行う。ステップS34において、画像処理部7は、アポダイゼーションを行う。ステップS35において、画像処理部7は、デコンボリューションおよびアポダイゼーションによって得られたデータに対して逆フーリエ変換を行う。画像処理部7は、逆フーリエ変換によって得られたデータを用いて画像を生成する。
FIG. 13 is a flowchart showing the observation method according to the fourth embodiment. The processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and the description thereof is omitted. In step S31, the
以上のように、本実施形態に係る画像処理部7は、周波数空間において成分分離、デコンボリューション、およびアポダイゼーションを実行し、これらの処理によって得られたデータを実空間におけるデータに変換して画像を生成する。本実施形態において、画像処理部7は、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFをほぼ一致させて位置ずれを補正する処理によらずに、画像を生成してもよい。
As described above, the
本実施形態において、スキャン間隔、および検出装置6の検出部6aの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、干渉縞の周期方向においてλex/8NA以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、干渉縞の周期方向と垂直な方向においてλex/4NA以下に設定されてもよい。また、検出装置6の検出部6aの間隔は、λem/4NA以下に設定されてもよい。検出光学系の倍率が1とは異なる場合は、検出光学系5の検出装置6側の開口数をNAdとして、例えば、検出部6aのサイズは、λem/4NAd程度に設定されることが望ましい。もしくは、検出部6aのサイズがdである時、検出光学系5の検出装置6側の開口数NAdが、NAd<λem/4dを満たすように、レンズ23の焦点距離を設定してもよい。
In the present embodiment, the scan interval and the interval of the
なお、画像処理部7は、上記のkに関して積算の対象とする範囲を、全空間の範囲に設定してもよいし、全空間の一部の範囲に設定してもよい。また、画像処理部7は、フーリエ変換によってI0
~(k,ks)、I+1
~(k,ks)、I-1
~(k,ks)、I+2
~(k,ks)、およびI-2
~(k,ks)を演算する際に、rの範囲を限定してもよい。また、画像処理部7は、OTF0(k,ks)、OTF+1(k,ks)、OTF-1(k,ks)、OTF+2(k,ks)、およびOTF-2(k,ks)として、蛍光ビーズを用いた測定あるいは顕微鏡1の設計値を用いた数値シミュレーション等によって予め得られるデータを用いてもよいし、試料Sからの蛍光を検出装置6が検出した結果から得られるデータ(例えば、推定値)を用いてもよい。
The
[第5実施形態]
第5実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。上述の実施形態において、顕微鏡1は、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査することで、干渉縞L2を2次元的に走査し、試料Sの2次元画像を生成する。本実施形態において、顕微鏡1は、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査することおよび、試料面Saと垂直な1方向に干渉縞L2を走査することで、試料Sの3次元画像を生成する。
[Fifth Embodiment]
A fifth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. In the above-described embodiment, the
第5実施形態は、第3実施形態にて記載した画像処理位相シフト処理による検出部6aごとの実効PSFの形状の崩れを補正する方法を、3次元走査で得られた画像データに対して拡張した方法を用いる。第3実施形態にて解説した処理方法のうち、第5実施形態でも共通して用いることのできる処理は、その説明を省略する。第5実施形態は、試料Sを励起光L1の干渉縞で3次元的に走査した画像データを取得し、取得した画像データをフーリエ変換することで波数空間上のデータに変換し、波数空間上のデータから成分分離を行い、成分分離を行ったデータを逆フーリエ変換することで実空間上のデータに変換し、画像処理位相シフト処理を実行し、検出部ごとの画像の位置ずれを補正し、位置ずれ補正後の画像を足し合わせることで、試料Sの3次元画像を生成する。
The fifth embodiment extends the method for correcting the shape collapse of the effective PSF for each
ステージ2は、観察対象の試料Sを保持し、試料Sと照明光学系4との図1のX方向、Y方向およびZ方向の相対位置を移動させることができる。試料S内の観察したい領域が試料面Sa(局所的な干渉縞L2が形成される領域)に配置されるように、ステージ2と照明光学系4との相対位置を所定の位置に設定する。つづいて、第1実施形態の図7のフローチャートにおけるステップS1~S4の動作を実施し、試料Sを励起光L1の干渉縞で2次元的に走査する。これにより、試料Sの特定の領域について、2次元走査した画像データを取得することができる。つづいて、ステージ2と照明光学系4との相対位置をZ方向に所定の量だけ移動し、試料S内の観察したい領域をZ方向に変更する。試料Sを励起光L1の干渉縞で2次元的に走査する。この動作を繰り返すことにより、試料Sを励起光L1の干渉縞で3次元的に走査した画像データを取得することができる。これは、いわゆるZ-stack画像の取得である。
The
試料Sを励起光L1の干渉縞で3次元的に走査した時に得られる画像データI(r,rs,zs)は、以下の式(26)で与えられる。 Image data I obtained a sample S when 3-dimensionally scanned by the interference fringes of the excitation light L1 (r, r s, z s) is given by the following equation (26).
ここで、ステージ2と照明光学系4とのZ方向の相対位置をzsで表し、その対応する波数座標(zsでのフーリエ変換後の座標)をkzsで表す。r、およびrsは第1実施形態で説明したとおりである。PSFdet(r,z)は、検出PSFのXYZ方向3次元の分布を示す。ここで検出PSFは、対物レンズ21を含む検出光学系5および蛍光波長λemによって定まる。ill(r,z)は試料面Sa近傍における、励起光のXYZ方向3次元の電場強度分布を表す。ill(r,z)のZX断面は図6(a)に示した通りである。Obj(r,z)は試料Sにおける蛍光物質のXYZ方向3次元の分布を表す。式(26)における*rは、rについてのコンボリューションである。これらは、第1実施形態にて説明した式(3)の3次元走査への拡張になっている。画像データI(r,rs,zs)は5次元の画像データになっている。
Here, it represents the Z-direction relative position of the
画像処理部7は式(26)に対してr、rs、およびzsについての5次元のフーリエ変換を行う。フーリエ変換によって得られる周波数空間の5次元のデータをI~(k,ks,kzs)で表す。I~(k,ks,kzs)は以下の式(27)で表される。
The
ill~はillのフーリエ変換、OTFdetはPSFdetのフーリエ変換、およびObj~はObjのフーリエ変換をそれぞれ表す。
ill 1 to ill represent Fourier transform of ill, OTF det represents Fourier transform of PSF det , and
ill~(k,kz)を図14(A)に示す。これは、図6(a)で示した照明形状をフーリエ変換したものである。図14(A)は第3実施形態にて説明した図11(A)の3次元への拡張になっており、図11(A)同様、ill~(k,kz)が値を持つ領域が複数に分かれている。図14(B)に示すように、ill~(k,kz)が値を持つ領域をAR0、AR+1x,+1z、AR+1x,-1z、AR-1x,+1z、AR-1x,-1z、AR+2x、およびAR-2xとする。
ill~(k,kz)のうち領域AR0に値を持つ成分をill~
0(k,kz)とし、領域AR+1x,+1zに値を持つ成分をill~
+1x,+1z(k,kz)とし、領域AR+1x,-1zに値を持つ成分をill~
+1x,-1z(k,kz)とし、領域AR-1x,+1zに値を持つ成分をill~
-1x,+1z(k,kz)とし、領域AR-1x,-1zに値を持つ成分をill~
-1x,-1z(k,kz)とし、領域AR+2xに値を持つ成分をill~
+2x(k,kz)とし、領域AR-2xに値を持つ成分をill~
-2x(k,kz)とする。
ill ~ (k, k z ) is shown in FIG. 14 (A). This is a Fourier transform of the illumination shape shown in FIG. 6A. FIG. 14 (A) is an extension of FIG. 11 (A) described in the third embodiment to three dimensions, and like FIG. 11 (A), regions in which ill to (k, k z ) have values. Is divided into multiple. As shown in FIG. 14 (B), ill ~ ( k, k z) AR 0 regions has a value, AR + 1x, + 1z, AR + 1x, -1z, AR -1x, + 1z, AR -1x, -1z , AR +2x , and AR -2x .
Of the ill to (k, k z ), the components having values in the area AR 0 are ill to 0 (k, k z ), and the components having values in the areas AR +1x and +1z are ill to +1x, +1z (k, k z ), the components having values in the regions AR +1x, −1z are ill to +1x, −1z (k, k z ), and the components having values in the regions AR −1x, +1z are ill to −1x, +1z (k , K z ), the components having values in the regions AR −1x, −1z are ill to −1x, −1z (k, k z ), and the components having values in the region AR +2x are ill to +2x (k, k Let z ), and let the components having a value in the region AR -2x be ill to -2x (k, k z ).
上述の定義より、ill~(k,kz)は以下の式(28)のように書ける。 From the above definition, ill ~ (k, k z ) can be written as the following expression (28).
ここで、φxおよびφzは照明光の初期位相である。 Here, φx and φz are the initial phases of the illumination light.
式(28)を式(27)に代入することで、式(29)を得る。 Equation (29) is obtained by substituting equation (28) into equation (27).
I~ 0(k,ks,kzs)を0次成分、I~ +1x,+1z(k,ks,kzs)を+1x+1z成分、I~ +1x,-1z(k,ks,kzs)を+1x-1z成分、I~ -1x,+1z(k,ks,kzs)を-1x+1z成分、I~ -1x,-1z(k,ks,kzs)を-1x-1z成分、I~ +2x(k,ks,kzs)を+2次成分、およびI~ -2x、(k,ks,kzs)を-2次成分とそれぞれ呼ぶ。 I ~ 0 (k, k s , k zs) the zero-order component, I ~ + 1x, + 1z (k, k s, k zs) a + 1x + 1z component, I ~ + 1x, -1z ( k, k s, k zs) the + 1x-1z component, I ~ -1x, + 1z ( k, k s, k zs) the -1x + 1z component, I ~ -1x, -1z (k , k s, k zs) the -1x-1z component, I ~ + 2x (k, k s , k zs) +2 order component, and I ~ -2x, called (k, k s, k zs ) respectively and the minus second-order component.
ill~(k,kz)が値を持つ領域がAR0、AR+1x,+1z、AR+1x,-1z、AR-1x,+1z、AR-1x,-1z、AR+2x、およびAR-2xに限定されることを反映して、各成分I~
0(k,ks,kzs)、I~
+1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
+1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
+2x(k,ks,kzs)、およびI~
-2x、(k,ks,kzs)が値を持つ領域も限定される。各成分が5次元の周波数空間で値を持つ領域は、マスク15の開口が円形である場合、マスク15の開口が円形以外の形状である場合、マスク15の開口部の数が3以上の場合のいずれについても、顕微鏡1の設計値に基づいた数値シミュレーション、理論計算等で求めることができる。もしくは、各成分が値を持つ領域は、蛍光試料を実測することで求めることができる。
The region where ill ~ (k, k z ) has a value is limited to AR 0 , AR + 1x, + 1z , AR + 1x, -1z , AR -1x, + 1z , AR -1x, -1z , AR + 2x , and AR -2x . reflecting the will to be, the components I ~ 0 (k, k s , k zs), I ~ + 1x, + 1z (k, k s, k zs), I ~ + 1x, -1z (k, k s, k zs ), I ~ -1x, + 1z (k, k s , k zs ), I ~ -1x, -1z (k, k s , k zs ), I ~ + 2x (k, k s , k zs ), And I ~ -2x, (k, k s , k zs ) has a limited area. The region where each component has a value in the five-dimensional frequency space is when the opening of the
画像処理部7はI~(k,ks,kzs)から、各成分が値を持ち得る領域より情報を抽出し、I~
0(k,ks,kzs)、I~
+1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
+1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
+2x(k,ks,kzs)、およびI~
-2x、(k,ks,kzs)を得る。第3実施形態にて説明したように、この処理を成分分離と称す。成分分離を実行する際、各成分を抽出する領域は、数値シミュレーション、理論計算等で求めた各成分が値を持ち得る領域より広い領域から抽出してもよいし、狭い領域から抽出してもよい。また、各成分間の領域に重なりがある場合においても、その重なりが小さい場合には画像処理結果への影響が小さいため、各成分が重なった領域の情報を抽出してもよい。
The
成分分離を行って抽出したI~
0(k,ks,kzs)、I~
+1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
+1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,+1z(k,ks,kzs)、I~
-1x,-1z(k,ks,kzs)、I~
+2x(k,ks,kzs)、およびI~
-2x(k,ks,kzs)のそれぞれについて、k、ks、およびkzsに関する5次元の逆フーリエ変換を行うことで、5次元の実空間データを算出する。
I~
0(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI0(r,rs,zs)、I~
+1x,+1z(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI+1x,+1z(r,rs,zs)、I~
+1x,-1z(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI+1x,-1z(r,rs,zs)、I~
-1x,+1z(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI-1x,+1z(r,rs,zs)、I~
-1x,-1z(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI-1x,-1z(r,rs,zs)、I~
+2x(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI+2x(r,rs,zs)、およびI~
-2x(k,ks,kzs)の逆フーリエ変換結果をI-2x(r,rs,zs)とする。
I0(r,rs,zs)、I+1x,+1z(r,rs,zs)、I+1x,-1z(r,rs,zs)、I-1x,+1z(r,rs,zs)、I-1x,-1z(r,rs,zs)、I+2x(r,rs,zs)、およびI-2x(r,rs,zs)のそれぞれに対して、式(30)に示す演算を行う。
I ~ 0 extracted by performing component separation (k, k s, k zs ), I ~ + 1x, + 1z (k, k s, k zs), I ~ + 1x, -1z (k, k s, k zs) , I ~ -1x, + 1z (k, k s , k zs ), I ~ -1x, -1z (k, k s , k zs ), I ~ + 2x (k, k s , k zs ), and I ~ For each of −2x (k, k s , k zs ), five-dimensional real space data is calculated by performing a five-dimensional inverse Fourier transform on k, k s , and k zs .
I ~ 0 (k, k s , k zs) inverse Fourier transform results I 0 of (r, r s, z s ), I ~ + 1x, + 1z (k, k s, k zs) the inverse Fourier transform result of I + 1x, + 1z (r , r s, z s), I ~ + 1x, -1z (k, k s, k zs) the inverse Fourier transform result of I + 1x, -1z (r, r s, z s), The inverse Fourier transform results of I to −1x, +1z (k, k s , k zs ) are I −1x, +1z (r, r s , z s ), I to −1x, −1z (k, k s , k) inverse Fourier transform results I -1x of zs), -1z (r, r s, z s), I ~ + 2x (k, k s, the inverse Fourier transform results I + 2x (r of k zs), r s, Let z s ), and the inverse Fourier transform result of I to −2x (k, k s , k zs ) be I −2x (r, r s , z s ).
I 0 (r, r s , z s ), I + 1x, + 1z (r, r s , z s ), I + 1x, -1z (r, r s , z s ), I -1x, + 1z (r, r) s, z s), I -1x , -1z (r, r s, z s), I + 2x (r, r s, z s), and I -2x (r, r s, to each of the z s) On the other hand, the operation shown in the equation (30) is performed.
式(30)において、ψ(r)は、第3実施形態で説明したのと同様に検出装置6の検出部6aの位置rごとの画像処理位相シフト量を表す。画像処理位相シフト量ψ(r)は例えば、下記のように決定される。
画像処理部7は、ディテクター座標rで検出した信号の位置ずれ量を算出する。画像処理部7は、例えば、予めシミュレーションにより、PSFdet(r+rs,zs)とill(rs,zs)のエンベロープを表す分布との積によって得られる分布のピーク位置を求めることで、上記の位置ずれ量を算出する。ここで実効PSFの位置ずれはディテクター座標rに比例すると考えてよく、位置ずれの度合いを表すパラメーターをβとし、位置ずれ量をr/βで表す。βの値は、PSFdet(r+rs,zs)とill(rs,zs)のエンベロープを表す分布との積によって得られる分布のピーク位置から算出されてもよいし、他の数値シミュレーションによって算出されてもよいし、観察画像から推定してもよい。また検出装置6の検出部6aごとに異なるβを用いてもよい。βが決まると、ディテクター座標に応じた画像処理位相シフト量が決まる。干渉縞L2の画像処理位相シフト量ψ(r)はPSFdet(r+rs,zs)とill(rs,zs)のエンベロープを表す分布との積によって得られる関数のピーク位置と、干渉縞のピーク位置とが一致するように決定される。
このような処理によって、画像処理位相シフト量は、例えば、ψ(r)=-2πk0・r/β-φxとなる。初期位相φx、および初期位相φzの値は、蛍光ビーズを用いて予め測定された値でもよいし、観察画像から推定される値でもよい。画像処理部7は、試料Sにおける励起光の光強度分布に基づいて、位相を変換する量(画像処理位相シフト量)を決定する。
In Expression (30), ψ(r) represents the image processing phase shift amount for each position r of the
The
By such processing, the image processing phase shift amount becomes, for example, ψ(r)=−2πk 0 ·r/β−φ x . The values of the initial phase φ x and the initial phase φ z may be values measured in advance using fluorescent beads or values estimated from an observed image. The
画像処理部7は、上記の式(30)の7つの式の演算結果について、下記の式(31)に示すように和を算出する。
The
上記の式(31)の演算から得られるI’(r,rs,zs)は、検出部6aの位置rごとの実効PSFの形状の崩れが補正され、実効PSFの形状がほぼ同一となった画像となる。本実施形態では干渉縞L2のX方向の初期位相φxのみならず、Z方向の初期位相φzも補正することが可能である。これにより、例えば光学系の収差や、装置の誤差によって発生する干渉縞L2の位相誤差を、X方向、およびZ方向共に補正することが可能である。
I obtained from the calculation of the above formula (31) '(r, r s, z s) are corrected collapse of the shape of the effective PSF for each position r of the
画像処理部7は、I’(r,rs,zs)に対して、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFの位置ずれを補正する。これにより、検出装置6の2以上の検出部6aで実効PSFをほぼ同一とすることができる。画像処理部7は、実効PSFがほぼ同一に補正された検出部6aごとの画像を足し合わせることによって、3次元の超解像画像ISR(rs,zs)を生成する。この一連の処理は式(32)に基づいて行われる。
The
ここでPH(r)は式(22)で定義されるピンホール関数である。式(22)のrPHの値を大きくすると信号量を増加させることができ、rPHの値を小さくするとセクショニング能力を高めることができる。 Here, PH (r) is a pinhole function defined by the equation (22). The signal amount can be increased by increasing the value of r PH in Expression (22), and the sectioning ability can be increased by decreasing the value of r PH .
本実施形態において、スキャン間隔、および検出装置6の検出部6aの間隔は、遮断周波数およびナイキストの定理に基づいて設定されてもよい。スキャン間隔は、光軸に直交する方向の干渉縞の周期方向においてλex/8NA以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、光軸に直交する方向の干渉縞の周期方向と垂直な方向においてλex/4NA以下に設定されてもよい。また、スキャン間隔は、光軸方向の干渉縞の周期方向においてλex/(8(n-√(n2-NA2)))以下に設定されてもよい。ここで、nは対物レンズ21の浸液の屈折率である。また、検出装置6の検出部6aの間隔は、λem/4NA以下に設定されてもよい。検出光学系の倍率が1とは異なる場合は、検出光学系5の検出装置6側の開口数をNAdとして、例えば、検出部6aのサイズは、λem/4NAd程度に設定されることが望ましい。もしくは、検出部6aのサイズがdである時、検出光学系5の検出装置6側の開口数NAdが、NAd<λem/4dを満たすように、レンズ23の焦点距離が設定されてもよい。
In the present embodiment, the scan interval and the interval of the
図15は、第5実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップS1からステップS4の処理は図7と同様であり、その説明を省略する。ステップS24からステップS26の処理は図12と同様であり、その説明を省略する。ステップS41において、制御部CBは、ステージ2によって干渉縞L2と試料SとのZ方向の相対位置を設定する。ステップS42において、制御部CBは、干渉縞L2と試料SのZ方向の相対位置を変更するか否かを判定する。制御部CBは、予定された観察領域の一部についてステップS41からステップS4の処理が終了していないと判定した場合に、干渉縞L2と試料SのZ方向の相対位置を変更すると判定する(ステップS42;Yes)。制御部CBは、干渉縞L2と試料SのZ方向の相対位置を変更すると判定した場合(ステップS41;Yes)、ステップS41の処理に戻り、ステージ2によって干渉縞L2と試料SとのZ方向の相対位置を設定する。そして、ステップS1からステップS4の処理が繰り返される。このようにして、顕微鏡1は、ステージ2によって干渉縞L2と試料SとのZ方向の相対位置を設定し、設定したそれぞれの相対位置について照明光学系4によって試料Sを励起光L1の干渉縞で2次元的に走査することによって、試料Sを3次元的に走査する。
FIG. 15 is a flowchart showing an observation method according to the fifth embodiment. The processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and the description thereof is omitted. The processing from step S24 to step S26 is the same as that in FIG. 12, and the description thereof is omitted. In step S41, the control unit CB sets the relative position of the interference fringe L2 and the sample S in the Z direction by the
制御部CBは、予定された観察領域の全てについてステップS41からステップS4の処理が終了したと判定した場合に、干渉縞L2と試料SのZ方向の相対位置を変更しないと判定する(ステップS42;No)。干渉縞L2と試料SのZ方向の相対位置を変更しないと制御部CBが判定した場合(ステップS42;No)、ステップS43において、画像処理部7は、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果に対して、ディテクター座標r(2次元)、スキャン座標rs(2次元)、およびzsについての5次元のフーリエ変換を行う。ステップS44において、画像処理部7は、周波数空間において成分分離する。画像処理部7は、5次元のフーリエ変換により得られる5次元の周波数空間の成分を周波数空間の領域ごとに分離する。ステップS45において、画像処理部7は、分離された成分に対してディテクター座標r(2次元)、スキャン座標rs(2次元)、およびzsについての5次元の逆フーリエ変換を行う。
When it is determined that the processes of steps S41 to S4 have been completed for all of the scheduled observation regions, the control unit CB determines not to change the relative position of the interference fringe L2 and the sample S in the Z direction (step S42). ; No). When the control unit CB determines that the relative position of the interference fringe L2 and the sample S in the Z direction is not changed (step S42; No), the
[第6実施形態]
第6実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図16は第6実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態に係る顕微鏡1は、照明光学系4に位相変調素子25を備える。位相変調素子25は位相変調素子駆動機構(駆動部26)によって駆動され、干渉縞L2の明暗の位相を変更することができる。本実施形態において、画像処理部7(図4参照)は、干渉縞L2の位相が複数回変更された画像を取得し、干渉縞L2の位相が異なる複数枚の画像を用いて成分分離を行った後、分離された成分について第3実施形態で説明した画像処理位相シフト処理に続く一連の処理を行って画像を生成する。
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are appropriately designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 16 is a diagram showing a microscope according to a sixth embodiment. The
位相変調素子25は、一例として、略円板形状のガラス板であり、位相変調素子駆動部(駆動部26)から供給されるトルクによって光軸4aの周りで回転可能である。図17は、位相変調素子25の一例を示す図である。図17(A)~図17(F)は位相変調素子25を図16のZa方向から見た図であり、1つの位相変調素子が中心Cnを中心として相互に異なる角度だけ回転した状態を表している。位相変調素子25は、中心Cnが図16の照明光学系4の光軸4aに略一致するように配置されている。
The
略円板形状の位相変調素子25の厚さは領域Ph0、Ph+1、Ph+2、Ph+3、Ph+4、Ph-1、Ph-2、Ph-3、およびPh-4とで異なっており、各領域を透過する光束の間に位相差を与える。位相変調素子25は各領域を透過する光束の間に位相差を与え、干渉縞L2の明暗の位相を変更する。
The thickness of the substantially disk-shaped
図17(B)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、開口部15aを通った励起光L1aと開口部15bを通った励起光L1bと開口部15cを通った励起光L1cとは、共に領域Ph0を透過するため、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間には位相差は付加されない。
In the case of the
しかし、図17(C)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは領域Ph+1を透過し、励起光L1bは領域Ph-1を透過し、励起光L1cは領域Ph0を透過するため、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間には所定の第1の位相差がそれぞれ付加される。例えば、図17(C)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは励起光L1cに対してφ1の位相差、励起光L1bは励起光L1cに対して-φ1の位相差が付加されるようにしてもよい。ここで、例えば、φ1の値としてπ/5[rad]が選択されてもよい。
However, in the case of the
同様に、図17(D)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは領域Ph+2を透過し、励起光L1bは領域Ph-2を透過し、励起光L1cは領域Ph0を透過するため、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間には所定の第2の位相差がそれぞれ付加される。例えば、図17(D)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは励起光L1cに対してφ2の位相差、励起光L1bは励起光L1cに対して-φ2の位相差が付加されるようにしてもよい。ここで、例えば、φ2の値として2π/5[rad]が選択されてもよい。
Similarly, in the case of the
同様に、図17(E)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは領域Ph+3を透過し、励起光L1bは領域Ph-3を透過し、励起光L1cは領域Ph0を透過するため、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間には所定の第3の位相差がそれぞれ付加される。例えば、図17(E)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは励起光L1cに対してφ3の位相差、励起光L1bは励起光L1cに対して-φ3の位相差が付加されるようにしてもよい。ここで、例えば、φ3の値として3π/5[rad]が選択されてもよい。
Similarly, in the case of the
同様に、図17(F)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは領域Ph+4を透過し、励起光L1bは領域Ph-4を透過し、励起光L1cは領域Ph0を透過するため、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間には所定の第4の位相差がそれぞれ付加される。例えば、図17(F)に示す回転角度の位相変調素子25の場合、励起光L1aは励起光L1cに対してφ4の位相差、励起光L1bは励起光L1cに対して-φ4の位相差が付加されるようにしてもよい。ここで、例えば、φ4の値として4π/5[rad]が選択されてもよい。
Similarly, in the case of the
従って、位相変調素子25の回転角度を、図17(B)の状態から順次変更することによって、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間の位相差をそれぞれ順次変更することができ、干渉縞L2の明暗の位相を変更することができる。
Therefore, by sequentially changing the rotation angle of the
なお、励起光L1cが透過する領域は位相変調素子25の回転角度によらず領域Ph0であるとして実施形態を説明するが、励起光L1cの位相が変更されるように位相変調素子25を構成してもよい。また、位相差φ1~φ4の値は上記にて説明した値以外でもよい。後述するように、位相差の値および位相差変更回数は成分分離が可能なように設定すればよい。
Note that the embodiment is described assuming that the region through which the excitation light L1c passes is the region Ph0 regardless of the rotation angle of the
また、位相変調素子25の各領域Ph0、Ph+1~Ph+4、Ph-1~Ph-4は、上述のように位相変調素子25自体の厚さを領域毎に異ならせたものに限られるわけではなく、均一な厚さのガラス円板の少なくとも9カ所の領域に所定の厚さの薄膜を形成したものであってもよい。領域ごとに厚みが異なるガラス円板を複数枚配置し、複数枚のガラス円板をそれぞれ駆動してもよい。また、液晶SLMやMEMSミラーなどの素子を位相変調素子として利用してもよい。種類の異なる位相変調素子を組み合わせて用いてもよい。
Further, the respective regions Ph0, Ph+1 to Ph+4, Ph-1 to Ph-4 of the
位相変調素子25によって、励起光L1aには励起光L1cに対してΦの位相差が付加され、励起光L1bには励起光L1cに対して-Φの位相差が付加された場合、試料面Saでの励起光の電場強度ill(r)は、下記の式(33)で表される。
When the
位相変調素子25の回転角度が図17(B)に示す状態の場合にはΦ=0であり、図17(C)に示す状態の場合にはΦ=φ1であり、図17(D)に示す状態の場合にはΦ=φ2であり、図17(E)に示す状態の場合にはΦ=φ3であり、図17(F)に示す状態の場合にはΦ=φ4である。また、位相変調素子25によって干渉縞L2の位相を変化させるということは、式(33)の右辺において、PSFill(r)を変化させることなく位相Φを変化させることに相当する。PSFill(r)が変化しないことは、干渉縞L2の強度分布のエンベロープ(包絡線)が変化しないことを意味する。したがって、位相変調素子25は干渉縞L2の強度分布のエンベロープ(包絡線)を移動させることなく、干渉縞L2の強度分布の明暗の位相を変化させる。
In the state shown in FIG. 17B, Φ=0, and in the state shown in FIG. 17C, Φ=φ1, and in the state shown in FIG. In the state shown, Φ=φ2, in the state shown in FIG. 17E, Φ=φ3, and in the state shown in FIG. 17F, Φ=φ4. Further, changing the phase of the interference fringe L2 by the
顕微鏡1は位相変調素子25の回転角度が図17(B)~(F)のいずれかの状態において、走査部18により干渉縞L2を試料面Sa上で走査し、検出装置6は、蛍光L3を検出する。例えば、顕微鏡1は、試料面Saから選択される照明領域を干渉縞L2で照明し、検出装置6は、上記照明領域からの蛍光L3を検出する。顕微鏡1は、検出装置6による検出が終了した後に、走査部18により上記照明領域を変更する。顕微鏡1は、蛍光を検出する処理と、照明領域を変更する処理とを繰り返すことで、所望の領域における蛍光強度分布(検出装置6の測定値)を取得する。
The
第3実施形態の式(12)に関して説明したのと同様に、式(33)を式(3)に代入することで、画像データI(r,rs;Φ)は以下の式(34)で与えられる。 By substituting the equation (33) into the equation (3), the image data I(r, r s ; Φ) can be obtained by the following equation (34) as in the case of the equation (12) of the third embodiment. Given in.
式(34)では、干渉縞L2の位相Φの依存性を明確にするために引数にΦを明示してI(r,rs;Φ)と書いている。 In Expression (34), in order to clarify the dependence of the phase Φ of the interference fringe L2, Φ is explicitly written as an argument and written as I(r,r s ;Φ).
所定の位相Φでの干渉縞L2の走査により得られた画像データI(r,rs;Φ)に対して、スキャン座標rs(2次元)について2次元フーリエ変換(2D-FFT)を行う。このフーリエ変換により得られるデータは、式(34)をスキャン座標rsについてフーリエ変換することで得られる下記の式(35)と等価である。 Two-dimensional Fourier transform (2D-FFT) is performed on the scan coordinates r s (two-dimensional) for the image data I(r, r s ; Φ) obtained by scanning the interference fringes L2 at the predetermined phase Φ. .. The data obtained by the Fourier transform is equivalent to equation (34) for scanning coordinates r s below which is obtained by Fourier transform equation (35).
式(35)において、OTF’det(r,ks)=ei2πksrOTFdet(ks)である。式(35)は5つの項の和になっており、以下の式(36)で示すように、それぞれの項を、0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)と呼ぶ。これらの成分は、第3実施形態で説明した成分と本質的に同等である。 In the formula (35), a OTF'det (r, k s) = e i2πksr OTFdet (k s). The equation (35) is the sum of five terms. As shown in the following equation (36), each term is converted into the 0th order component I 1 to 0 (r, k s ) and the +1st order component I 1 to +1. (r, k s), - 1 -order component I ~ -1 (r, k s ), + 2 -order component I ~ +2 (r, k s ), and -2-order component I ~ -2 (r, k s ) Call. These components are essentially equivalent to the components described in the third embodiment.
本実施形態では第3実施形態同様に、式(36)の中の±1次成分および±2次成分に対して、所定の位相シフト量ψを掛け合わせることで、検出部6aの座標に合わせて干渉縞L2の位相を画像処理的にシフトする補正処理を行う。
In the present embodiment, as in the third embodiment, the ±first-order components and the ±second-order components in equation (36) are multiplied by a predetermined phase shift amount ψ to match the coordinates of the
ただし本実施形態では、第3実施形態とは異なり、ディテクター座標rに関してフーリエ変換を行っていないため、干渉縞L2の走査により得られた画像データI(r,rs;φ)のスキャン座標rsに関する2次元フーリエ変換の結果得られる0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)は、周波数空間上においてそれぞれ広がり、相互にオーバーラップしているため、データ上で明確に分離することは困難である。 However, in this embodiment, unlike the third embodiment, since not performed a Fourier transform with respect to the detector coordinate r, the image data I obtained by the scanning of the interference fringes L2 (r, r s; φ ) scan coordinate r of 0-order component obtained two-dimensional Fourier transform results for s I ~ 0 (r, k s), + 1 -order component I ~ +1 (r, k s ), - 1 -order component I ~ -1 (r, k s ) , +2nd-order component I 1 to +2 (r,k s ) and −2nd-order component I 1 to −2 (r,k s ) respectively spread in the frequency space and overlap each other. It is difficult to separate clearly.
本実施形態では、干渉縞L2の異なる複数の位相において走査を行い、画像データを取得する。これらの複数の画像データをそれぞれスキャン座標に対してフーリエ変換したデータに基づいて、0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)を相互に分離することができる。 In the present embodiment, scanning is performed in a plurality of different phases of the interference fringes L2 to acquire image data. Based on the data obtained by Fourier transform the plurality of image data with respect to the scanning coordinates respectively, zero-order component I ~ 0 (r, k s ), + 1 -order component I ~ +1 (r, k s ), - 1 -order The components I 1 to −1 (r, k s ), the +second-order components I to +2 (r, k s ) and the −second-order components I to −2 (r, k s ) can be separated from each other.
ここで、干渉縞L2の位相Φについて、0、φ1、φ2、φ3、およびφ4の5位相分の画像を取得したとする。すると、各々の位相に対して得られる画像I(r,rs;Φ)のスキャン座標rsに対するフーリエ変換は、以下の式(37)のように示される。 Here, it is assumed that images for five phases of 0, φ1, φ2, φ3, and φ4 are acquired for the phase Φ of the interference fringe L2. Then, the Fourier transform for the scan coordinate r s of the image I(r, r s ; Φ) obtained for each phase is represented by the following Expression (37).
式(37)を行列形式で書くと式(38)となる。 When equation (37) is written in matrix format, it becomes equation (38).
したがって、式(38)から0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)を、以下の式(39)を用いて求めることができる。 Therefore, expression from the (38) 0-order component I ~ 0 (r, k s ), + 1 -order component I ~ +1 (r, k s ), - 1 -order component I ~ -1 (r, k s ), + 2 -order The components I 1 to +2 (r, k s ) and the −2nd order components I 1 to −2 (r, k s ) can be obtained using the following equation (39).
上記から、0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)を求める(成分分離する)ためには、φ1、φ2、φ3、およびφ4を、式(39)中の逆行列が存在するように設定すればよいことが分かる。その一例としては、例えば上述の通り、φ1、φ2、φ3、およびφ4を、ぞれぞれ、π/5、2π/5、3π/5、および4π/5[rad]と設定すればよい。 From the above, 0th-order component I to 0 (r, k s ), + 1st-order component I to +1 (r, k s ), -1st- order component I to -1 (r, k s ), + 2nd-order component I to +2 In order to obtain (r, k s ) and the −2nd order component I to −2 (r, k s ) (separate the components), φ1, φ2, φ3, and φ4 are inversed in the equation (39). It can be seen that it is sufficient to set the matrix so that it exists. For example, as described above, for example, φ1, φ2, φ3, and φ4 may be set to π/5, 2π/5, 3π/5, and 4π/5 [rad], respectively.
このように、複数通り(一例として5通り)の干渉縞L2の位相Φの下で、走査部18により試料面Sa上で干渉縞L2を走査させて取得した複数通りの画像に対して、それぞれの画像をスキャン座標rsでフーリエ変換し、そのフーリエ変換の結果から、式(39)に基づいて、0次成分I~
0(r,ks)、+1次成分I~
+1(r,ks)、-1次成分I~
-1(r,ks)、+2次成分I~
+2(r,ks)、および-2次成分I~
-2(r,ks)を求める(抽出する)ことができ、これも成分分離と呼ぶ。
In this way, under the phase Φ of the interference fringes L2 of a plurality of types (five as an example), the plurality of images obtained by scanning the interference fringes L2 on the sample surface Sa by the
次に、成分分離によって得られた0次成分I~ 0(r,ks)、+1次成分I~ +1(r,ks)、-1次成分I~ -1(r,ks)、+2次成分I~ +2(r,ks)、および-2次成分I~ -2(r,ks)のそれぞれについて、波数座標ks(スキャン座標rsでのフーリエ変換後の波数座標)についての逆フーリエ変換(2D-逆FFT)を行う。 Then, zero-order component I ~ obtained by the component separation 0 (r, k s), + 1 -order component I ~ +1 (r, k s ), - 1 -order component I ~ -1 (r, k s ), +2 order component I ~ +2 (r, k s ), and -2-order component I ~ -2 (r, k s ) for each, (wave number coordinate after the Fourier transform of the scan coordinates r s) wavenumber coordinates k s Performs an inverse Fourier transform (2D-inverse FFT) for.
I~ 0(r,ks)に対して逆フーリエ変換を行って得られる画像データをI0(r,rs)で表す。I~ +1(r,ks)に対して逆フーリエ変換を行って得られる画像データをI+1(r,rs)で表す。I~ -1(r,ks)に対して逆フーリエ変換を行って得られる画像データをI-1(r,rs)で表す。I~ +2(r,ks)に対して逆フーリエ変換を行って得られる画像データをI+2(r,rs)で表す。I~ -2(r,ks)に対して逆フーリエ変換を行って得られる画像データをI-2(r,rs)で表す。 I ~ 0 (r, k s ) of image data obtained by performing inverse Fourier transform on represented by I 0 (r, r s) . I ~ +1 (r, k s ) of image data obtained by performing inverse Fourier transform on represented by I +1 (r, r s) . I ~ -1 (r, k s ) of image data obtained by performing inverse Fourier transform on expressed in I -1 (r, r s) . I ~ +2 (r, k s ) of image data obtained by performing inverse Fourier transform on represented by I +2 (r, r s) . I ~ -2 (r, k s ) of image data obtained by performing inverse Fourier transform on the representative in I -2 (r, r s) .
このようにして得られたI0(r,rs)、I+1(r,rs)、I-1(r,rs)、I+2(r,rs)、およびI-2(r,rs)は、第3実施形態にて説明したI0(r,rs)、I+1(r,rs)、I-1(r,rs)、I+2(r,rs)、およびI-2(r,rs)と同等である。したがって、第3実施形態にて説明した、画像処理的位相シフト処理、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFの位置ずれを補正する処理、および実効PSFがほぼ同一に補正された検出部6aごとの画像を足し合わせる処理を適用することができる。
The thus obtained I 0 (r, r s) , I +1 (r, r s), I -1 (r, r s), I +2 (r, r s), and I -2 (r , R s ) are I 0 (r, r s ), I +1 (r, r s ), I −1 (r, r s ), and I +2 (r, r s ) described in the third embodiment. , and I -2 (r, r s) is equivalent to. Therefore, the image processing phase shift processing described in the third embodiment, the processing for correcting the positional deviation of the effective PSF for each
I0(r,rs)、I+1(r,rs)、I-1(r,rs)、I+2(r,rs)、およびI-2(r,rs)に対して、式(19)の演算を行う。式(19)の演算結果に対して、式(20)の演算を行う。式(20)の演算から得られるI’(r,rs)は、検出部6aの位置rごとの実効PSFの形状の崩れが補正され、実効PSFの形状がほぼ同一となった画像となる。
For I 0 (r,r s ), I +1 (r,r s ), I −1 (r,r s ), I +2 (r,r s ), and I −2 (r,r s ). , The operation of equation (19) is performed. The calculation of the formula (20) is performed on the calculation result of the formula (19). I′(r,r s ) obtained from the calculation of the equation (20) becomes an image in which the collapse of the shape of the effective PSF for each position r of the
画像処理部7は、I’(r,rs)に対して、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFの位置ずれを補正する。これにより、検出装置6の2以上の検出部6aで実効PSFをほぼ同一とすることができる。画像処理部7は、実効PSFがほぼ同一に補正された検出部6aごとの画像を足し合わせることによって、超解像画像ISR(rs)を生成する。この一連の処理は式(21)に基づいて行われる。
The
このようにして、本実施形態では複数通り(一例として5通り)の干渉縞L2の位相Φの下で、走査部18により試料面Sa上で干渉縞L2を走査させて取得した複数通りの画像を用いて成分分離を実行し、検出装置6の検出部6aごとの画像処理位相シフト処理、検出装置6の検出部6aごとの実効PSFの位置ずれ補正処理、および実効PSFがほぼ同一に補正された検出部6aごとの画像を足し合わせる処理を行う。
As described above, in the present embodiment, a plurality of images acquired by scanning the interference fringe L2 on the sample surface Sa by the
図18は、第6実施形態に係る観察方法を示すフローチャートである。ステップS1からステップS4の処理は図7と同様であり、その説明を省略する。ステップS24からステップS26の処理は図12と同様であり、その説明を省略する。ステップS51において、制御部CBは、干渉縞L2の位相を設定する。ステップS52において、制御部CBは、干渉縞L2の位相を変更するか否かを判定する。制御部CBは、予定された観察領域の一部についてステップS51からステップS4の処理が終了していないと判定した場合に、干渉縞L2の位相を変更すると判定する(ステップS52;Yes)。制御部CBは、干渉縞L2の位相を変更すると判定した場合(ステップS52;Yes)、ステップS51の処理に戻り、再び干渉縞L2の位相を設定する。そして、ステップS1からステップS4の処理が繰り返される。このようにして、顕微鏡1では、照明光学系4が、試料Sを励起光L1の複数通りの干渉縞L2で2次元的に走査する。
FIG. 18 is a flowchart showing an observation method according to the sixth embodiment. The processing of steps S1 to S4 is the same as that of FIG. 7, and the description thereof is omitted. The processing from step S24 to step S26 is the same as that in FIG. 12, and the description thereof is omitted. In step S51, the control unit CB sets the phase of the interference fringe L2. In step S52, the control unit CB determines whether to change the phase of the interference fringe L2. The control unit CB determines to change the phase of the interference fringe L2 when it is determined that the processes of steps S51 to S4 have not been completed for a part of the scheduled observation region (step S52; Yes). When determining that the phase of the interference fringe L2 is changed (step S52; Yes), the control unit CB returns to the process of step S51 and sets the phase of the interference fringe L2 again. Then, the processes of steps S1 to S4 are repeated. In this way, in the
制御部CBは、予定された観察領域の全てについてステップS51からステップS4の処理が終了したと判定した場合に、干渉縞L2の位相を変更しないと判定する(ステップS52;No)。干渉縞L2の位相を変更しないと制御部CBが判定した場合(ステップS52;No)、ステップS53において、画像処理部7は、複数の検出部6aの少なくとも一部の検出結果に対して、スキャン座標rs(2次元)についての2次元のフーリエ変換を行う。ステップS54において、画像処理部7は、例えば、式(39)で示される連立方程式を解くことによって、周波数空間において成分分離する。ステップS55において、画像処理部7は、分離された成分に対して、スキャン座標rs(2次元)ついての2次元の逆フーリエ変換を行う。
When it is determined that the processes of steps S51 to S4 have been completed for all of the scheduled observation regions, the control unit CB determines not to change the phase of the interference fringe L2 (step S52; No). When the control unit CB determines that the phase of the interference fringe L2 is not changed (step S52; No), the
なお、本実施形態において、顕微鏡1は、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査することで、干渉縞L2を2次元的に走査してもよいし、試料面Saと平行な2方向、および試料面Saに垂直な1方向に干渉縞L2を走査することで、干渉縞L2を3次元的に走査してもよい。干渉縞L2を3次元的に走査する場合、試料面Saと平行な2方向に干渉縞L2を走査する処理(以下、2次元処理という)については、上述の実施形態で説明した処理と同様である。顕微鏡1は、2次元処理をZ方向の位置を変更して繰り返すことにより、例えば、3次元的な超解像画像を生成可能である。後述の実施形態について同様に、顕微鏡1は、干渉縞L2を3次元的に走査してもよい。
In the present embodiment, the
実施形態に係る顕微鏡1は、干渉縞L2の周期方向(図16ではX方向)の分解能が向上する。顕微鏡1は、干渉縞L2の周期方向を変更して試料Sからの蛍光を検出することで、XYZの3次元的に分解能を向上させることも可能である。干渉縞L2の周期方向はマスク15を所望の方向に回転させることで変更することが可能である。この場合、位相変調素子25の回転角度もマスク15の回転角度に合わせて変更してもよい。
The
本実施形態では複数通り(一例として5通り)の干渉縞L2の位相Φの下で、走査部18により試料面Sa上で干渉縞L2を走査させて取得した複数通りの画像を用いて成分分離を実行した。これは、0次成分I~
0(r,ks)、+1次成分I~
+1(r,ks)、-1次成分I~
-1(r,ks)、+2次成分I~
+2(r,ks)、および-2次成分I~
-2(r,ks)の周波数空間上におけるそれぞれのオーバーラップが大きいためである。しかしながら、例えば、+2次成分I~
+2(r,ks)、-2次成分I~
-2(r,ks)の周波数空間上におけるそれぞれのオーバーラップは十分に小さい場合があり、波数空間上の+2次成分が値を持つ領域、および-2次成分が値を持つ領域からデータを抽出することで成分分離できる場合がある。このような場合、干渉縞L2の位相Φの変更回数を削減してもすべての成分を分離することが可能である。
In this embodiment, component separation is performed using a plurality of images acquired by scanning the interference fringe L2 on the sample surface Sa by the
また、成分分離を行うにあたって、本実施形態で説明した成分分離方法と第3実施形態で説明した成分分離方法とを適宜組み合わせてもよい。この場合、干渉縞L2の位相Φを変更する回数は、分離したい成分の数に合わせて決定してもよい。 Further, in performing the component separation, the component separation method described in the present embodiment and the component separation method described in the third embodiment may be appropriately combined. In this case, the number of times the phase Φ of the interference fringe L2 is changed may be determined according to the number of components to be separated.
例えば、第5実施形態で説明した+1x+1z成分、+1x-1z成分を3次元的な走査によって画像を取得することなく分離したい場合、+1x+1z成分と+1x-1z成分の混合成分を他の成分から分離するために第3実施形態で説明した成分分離を用い、+1x+1z成分と+1x-1z成分との混合成分から+1x+1z成分と+1x-1z成分とを分離するために本実施形態で説明した成分分離を用いてもよい。この場合、第1の位相差で取得した画像データと、第2の位相差で取得した画像データとの、2つの画像データを用いて+1x+1z成分と+1x-1z成分との混合成分から+1x+1z成分と+1x-1z成分とを分離することができる。ここで第1の位相差は、励起光L1aと励起光L1bと励起光L1cとの間に位相差が付加されない位相差である。第2の位相差は、励起光L1aは励起光L1cに対してπ[rad]の位相差が付加され、励起光L1bは励起光L1cに対してπ[rad]の位相差が付加された位相差である。このような方法によって、2次元的な走査によって得られた画像データに対しても、実施形態5で説明したz方向の初期位相補正が可能となる。 For example, when it is desired to separate the +1x+1z component and the +1x-1z component described in the fifth embodiment without acquiring an image by three-dimensional scanning, the mixed component of the +1x+1z component and the +1x-1z component is separated from the other components. In order to separate the +1x+1z component and the +1x-1z component from the mixed component of the +1x+1z component and the +1x-1z component, the component separation described in the third embodiment is used. Good. In this case, using the two image data of the image data acquired with the first phase difference and the image data acquired with the second phase difference, from the mixed component of the +1x+1z component and the +1x-1z component to the +1x+1z component. The + 1x-1z component can be separated. Here, the first phase difference is a phase difference in which no phase difference is added between the excitation light L1a, the excitation light L1b, and the excitation light L1c. The second phase difference is such that the pump light L1a has a phase difference of π[rad] added to the pump light L1c, and the pump light L1b has a phase difference of π[rad] added to the pump light L1c. It is a phase difference. By such a method, the initial phase correction in the z direction described in the fifth embodiment can be performed on the image data obtained by the two-dimensional scanning.
[第7実施形態]
第7実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図19は、第7実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、検出装置6は、複数の検出部6aが1次元的に配列されたラインセンサ(ラインディテクター)を含む。複数の検出部6aは、検出装置6において1方向に配列されている。検出装置6は、試料面Saと光学的に共役な位置に配置される。複数の検出部6aが並ぶ方向(以下、配列方向という)は、干渉縞L2の周期方向と対応する方向に設定される。例えば、図19において、干渉縞の周期方向はX方向であり、複数の検出部6aの配列方向は、X方向に対応するXb方向に設定される。
[Seventh Embodiment]
The seventh embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 19 is a diagram showing a microscope according to a seventh embodiment. In the present embodiment, the
本実施形態に係る顕微鏡1は、λ/2波長板30と、光軸の周りで光路を回転させる光路回転部31とを備える。λ/2波長板30は、光路回転部31による光路の回転角に基づいて、光路回転部31を通る偏光を回転させる。光路回転部31は、照明光学系4においてマスク15から試料Sまでの間の光路に配置される。光路回転部31は、例えば、照明光学系4の光路において励起光L1がほぼ平行光になる位置に配置される。光路回転部31は、例えば、照明光学系4において励起光L1が通り且つ検出光学系5において蛍光L3が通る位置に配置される。光路回転部31は、例えば、ダイクロイックミラー16と試料Sとの間の光路に配置される。λ/2波長板30は、光路回転部31に対して試料Sと同じ側に配置されてもよいし、光路回転部31に対して試料Sと反対側(例えば、励起光の光源と同じ側)に配置されてもよい。
The
光路回転部31は、例えば、ダブプリズムなどのイメージローテーターである。光路回転部31は、照明光学系4の光軸の周りで回転可能に設けられる。光路回転部31は、駆動部32によって駆動されて回転する。光路回転部31としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系4の光軸の周りでθ°回転させると、ダブプリズムからの光出射側(試料S側)における光路は、ダブプリズムへの光入射側(光源3側)における光路に対して、照明光学系4の光軸の周りで2×θ°回転する。これにより、試料Sに対する励起光L1の入射面は、Z方向の周りで2×θ°回転し、干渉縞L2の周期方向は、Z方向の周りで2×θ°回転する。例えば、干渉縞L2の周期方向を90°変更する場合、駆動部32は、光路回転部31を照明光学系4の光軸の周りで45°回転させる。このように、光路回転部31は、試料に対する干渉縞の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
The optical
λ/2波長板30は、照明光学系4の光軸の周りで回転可能に設けられる。λ/2波長板30は、光路回転部31と連動して回転する。λ/2波長板30は、光路回転部31の回転角に基づいて定められる角度だけ回転する。例えば、λ/2波長板30は、光路回転部31と固定(例えば、一体化)され、光路回転部31とともに回転する。この場合、λ/2波長板30は、光路回転部31の回転角と同じ角度だけ回転する。
The λ/2
λ/2波長板30を照明光学系4の光軸の周りでθ°回転させると、励起光L1の偏光方向は、光入射側(光源3側)における偏光方向に対して、照明光学系4の光軸の周りで2×θ°回転する。これにより、試料Sに入射する際の励起光L1の偏光状態は、S偏光になる。
When the λ/2
また、図19の光路回転部31は、像回転部にも含まれる。像回転部は、試料Sの像(例えば、試料Sからの蛍光の像)を複数の検出部6aに対して、検出光学系5の光軸の周りで回転させる。すなわち、縞方向変更部と像回転部とは、同一の部材(光学部材)として光路回転部31を含む。光路回転部31は、照明光学系4の光路のうち蛍光が入射する位置に配置される。像回転部は、光路回転部31によって蛍光の像を回転させる。光路回転部31は、検出装置6における複数の検出部6aの配列方向に対する干渉縞L2の周期方向を調整する。光路回転部31としてダブプリズムを用いる場合、ダブプリズムを照明光学系4の光軸の周りでθ°回転させると、干渉縞L2の周期方向がZ方向の周りで2×θ°回転する。そして、試料Sからの蛍光L3の光路は、ダブプリズムへの光入射側(試料S側)に対して、光出射側(検出装置6側)において-2×θ°回転する。
The optical
ダブプリズムを回転させると、ダブプリズムを介して試料Sへ向かう光の光路が回転し、試料Sに対する干渉縞L2の周期方向が変化する。また、試料Sからダブプリズムを介して検出装置6へ向かう光の光路は、試料Sへ向かう光の光路と反対向きに同じ角度だけ回転する。したがって、検出装置6における複数の検出部6a(例えば、ラインディテクター)の像を、検出光学系5を介して試料面Saに投影した場合、複数の検出部6aが並ぶ方向と干渉縞の周期方向とは、ダブプリズムによって干渉縞の周期方向を変更した場合でも常に一致する。よって、検出装置6は、干渉縞L2の周期方向の変更前と変更後とで同じように、蛍光L3を検出可能である。
When the dub prism is rotated, the optical path of light toward the sample S through the dub prism is rotated, and the periodic direction of the interference fringe L2 with respect to the sample S changes. Further, the optical path of the light from the sample S to the
第6実施形態にて説明したように、照明光学系4に位相変調素子25を備えていてもよい。
得られる画像データI(x,rs)は、例えば、ディテクター座標xおよびスキャン座標rs=(xs,ys)を独立変数に持つ3次元のデータである(2Dスキャンの場合)。もしくは、得られる画像データI(x,rs,zs)は、例えば、ディテクター座標x、スキャン座標rs=(xs,ys)、およびz方向のスキャン座標zsを独立変数に持つ4次元のデータである(3Dスキャンの場合)。第1実施形態から第6実施形態においては、検出装置6が2次元的に配列された複数の検出部6aを含むため、ディテクター座標が2次元であったが、第7実施形態においては検出装置6が1次元的に配列された複数の検出部6aを含むため、ディテクター座標が1次元となる。第1実施形態から第6実施形態で説明した画像処理は、ディテクター座標が1次元の場合においても、ディテクター座標に関する処理を1次元にする(例えば、第3実施形態におけるディテクター座標に対するフーリエ変換を、1次元フーリエ変換として行う)ことで、第7実施形態にも適用可能である。このように、画像処理部7は、検出装置6の検出結果に基づいて、第1実施形態から第6実施形態で説明した処理によって画像を生成する。
As described in the sixth embodiment, the illumination
The resulting image data I (x, r s) is, for example, a three-dimensional data with detector coordinates x and scan coordinate r s = (x s, y s) of the independent variable (in the case of 2D scans). Or, the resulting image data I (x, r s, z s) , for example, with detector coordinates x, scan coordinate r s = (x s, y s) to, and z directions of the scan coordinate z s independently variable It is four-dimensional data (in the case of 3D scanning). In the first to sixth embodiments, the detector coordinates are two-dimensional because the
なお、第1実施形態において、顕微鏡1は、駆動部22がマスク15を回転させることで干渉縞L2の周期方向を変更するが、上記の光路回転部31(例えば、ダブプリズム)によって干渉縞L2の周期方向を変更してもよい。また、干渉縞L2の周期方向を変更する縞方向変更部は、駆動部22および光路回転部31のいずれとも異なる形態でもよい。例えば、ステージ2は、Z方向の周りで回転可能に設けられ、その回転によって試料Sに対する干渉縞L2の方向を変更してもよい。この場合、ステージ2は、試料Sに対する干渉縞L2の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
In the first embodiment, the
図20に示す顕微鏡1は、光路回転部31が設けられる位置が図19と異なる。図20において、縞方向変更部は、第1実施形態と同様であり、マスク15および駆動部22を含む。光路回転部31は、図19において縞方向変更部と像回転部とを兼ねているが、光路回転部31は、図20において縞方向変更部と別に設けられる。図20において、光路回転部31は、検出光学系5の光路のうち照明光学系4の光路と重複しない位置に配置される。光路回転部31は、励起光L1が入射せず、蛍光L3が入射する位置に配置される。光路回転部31は、ダイクロイックミラー16と検出装置6との間の光路に配置される。
The
顕微鏡1は、駆動部22がマスク15および偏光子14を回転させることで、干渉縞L2の周期方向を変更する。駆動部32は、マスク15および偏光子14の少なくとも一方の回転角に基づいて定まる角度だけ、光路回転部31を回転させる。顕微鏡1は、駆動部32が光路回転部31を回転させることで、検出装置6に投影される像の方向を複数の検出部6aが並ぶ方向に対して整合させる。
In the
[第8実施形態]
第8実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図21は、第8実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡1は、遮光部材33を備える。遮光部材33は、試料面Saと光学的に共役な位置またはその近傍に配置される。図21において、検出装置6は、試料面Saと光学的に共役な位置に配置され、遮光部材33は、検出装置6の近傍に配置される。遮光部材33は、試料面Saと共役な位置またはその近傍に配置されてもよい。
[Eighth Embodiment]
The eighth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 21 is a diagram showing a microscope according to an eighth embodiment. In this embodiment, the
遮光部材33は、蛍光L3が通る開口部33aを有し、開口部33aの周囲において蛍光L3を遮光する。開口部33aは、検出装置6における複数の検出部6aの配列方向(Xb方向)に延びている。開口部33aは、例えば矩形状のスリットである。遮光部材33は、開口部33aの長辺が複数の検出部6aの配列方向とほぼ平行になるように、配置される。遮光部材33は、開口部33aの寸法と、形状の一方または双方とが可変でもよい。例えば、遮光部材33は、光を遮る領域を可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器(SLM)などでもよい。なお、開口部33aの寸法と、形状の一方または双方とが固定でもよい。
第6実施形態にて説明したように、照明光学系4に位相変調素子25が備えられていてもよい。
The
As described in the sixth embodiment, the illumination
検出装置6は、遮光部材33の開口部33aを通った蛍光L3を検出する。画像処理部7は、検出装置6の検出結果に基づいて、画像を生成する。画像処理部7が行う処理は、第7実施形態にて説明したのと同様に、第1実施形態から第6実施形態で説明した処理のいずれでもよい。
The
[第9実施形態]
第9実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図22は、第9実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡1は、駆動部22および駆動部34を備える。駆動部22は、第1実施形態と同様である。駆動部22は、マスク15を回転させ、干渉縞L2の周期方向を変更する。駆動部22は、試料Sに対する干渉縞L2の方向を変更する縞方向変更部に含まれる。
[Ninth Embodiment]
The ninth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 22 is a diagram showing a microscope according to a ninth embodiment. In the present embodiment, the
本実施形態において、検出装置6は、Zb方向の周りで回転可能である。駆動部34は、Zb方向の周りで検出装置6を回転させる。駆動部34は、検出装置6における検出部6aの配列方向が干渉縞L2の周期方向と対応するように、検出装置6を回転させる。例えば、駆動部22がマスク15を90°回転させる場合、干渉縞L2の周期方向が90°変化するので、駆動部34は、検出装置6を90°回転させる。
In the present embodiment, the
また、駆動部34は、検出装置6と遮光部材33との相対位置が維持されるように、遮光部材33を回転させる。例えば、遮光部材33と検出装置6とは一体化されており、駆動部34は、遮光部材33と検出装置6とを一体的に回転させる。
The
なお、顕微鏡1は、検出装置6を回転させる代わりに、図20に示した光路回転部31を備えてもよい。また、顕微鏡1は、図20に示したように遮光部材33を備えなくてもよい。
Note that the
[第10実施形態]
第10実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図23は、第10実施形態に係る顕微鏡を示す図である。上述の実施形態において、瞳面P0(図2(C)参照)上で照明瞳が3極(3つの領域)に分かれる例を説明したが、照明瞳はその他の形態でもよい。ここでは、照明瞳が瞳面上で5極(5つの領域)に分かれる形態について説明する。
[Tenth Embodiment]
The tenth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 23 is a diagram showing a microscope according to the tenth embodiment. In the above embodiment, an example in which the illumination pupil is divided into three poles (three regions) on the pupil plane P0 (see FIG. 2C) has been described, but the illumination pupil may have other forms. Here, a form in which the illuminated pupil is divided into five poles (five regions) on the pupil surface will be described.
本実施形態に係る照明光学系4は、光ファイバー11の光出射側に、コリメーターレンズ12、λ/2波長板35、偏光分離素子36、ミラー37、マスク38(開口部材)、ミラー39、マスク40(開口部材)、および偏光分離素子41を備える。照明光学系4は、ダイクロイックミラー16から対物レンズ21までの構成について、第1実施形態と同様である。
The illumination
光ファイバー11から出射した励起光L1は、コリメーターレンズ12によってほぼ平行光に変換され、λ/2波長板35に入射する。λ/2波長板35を通った励起光L1は、第1方向の直線偏光である励起光L1d、および第2方向の直線偏光である励起光L1eを含む。λ/2波長板35は、励起光L1dの光量と励起光L1eの光量とが所定の比率になるように、その光学軸(進相軸、遅相軸)の方向が設定される。
The excitation light L1 emitted from the
λ/2波長板35を通った励起光L1(励起光L1dおよび励起光L1e)は、偏光分離素子36に入射する。偏光分離素子36は、コリメーターレンズ12の光軸12aに対して傾いた偏光分離膜36aを有する。偏光分離膜36aは、第1方向の直線偏光が反射し、第2方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子36は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム(PBSプリズム)である。上記の第1方向の直線偏光は、偏光分離膜36aに対するS偏光である。上記の第2方向の直線偏光は、偏光分離膜36aに対するP偏光である。
The pumping light L1 (the pumping light L1d and the pumping light L1e) that has passed through the λ/2
偏光分離膜36aに対するS偏光である励起光L1dは、偏光分離膜36aで反射し、ミラー37を介してマスク38に入射する。偏光分離膜36aに対するP偏光である励起光L1eは、偏光分離膜36aを透過し、ミラー39を介してマスク40に入射する。マスク38およびマスク40は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。マスク38およびマスク40については、後に図24を参照して説明する。
The S-polarized excitation light L1d for the
マスク38を通った励起光L1dおよびマスク40を通った励起光L1eは、それぞれ、偏光分離素子41に入射する。偏光分離素子41は、励起光L1dの光路および励起光L1eの光路に対して傾いた偏光分離膜41aを有する。偏光分離膜41aは、第1方向の直線偏光が反射し、第2方向の直線偏光が透過する特性を有する。偏光分離素子41は、例えば、偏光ビームスプリッタプリズム(PBSプリズム)である。上記の第1方向の直線偏光は、偏光分離膜41aに対するS偏光である。上記の第2方向の直線偏光は、偏光分離膜41aに対するP偏光である。
The excitation light L1d passing through the
励起光L1dは、偏光分離膜41aに対してS偏光になっており、偏光分離膜41aで反射してダイクロイックミラー16に入射する。励起光L1eは、偏光分離膜41aに対するP偏光になっており、偏光分離膜41aを透過してダイクロイックミラー16に入射する。なお、偏光分離素子36および偏光分離素子41の一方または双方は、PBSプリズムでなくてもよい。偏光分離素子36および偏光分離素子41の一方または双方は、TE偏光とTM偏光とで反射、透過が異なるフォトニック結晶などでもよい。
The excitation light L1d is S-polarized with respect to the
図24は、第10実施形態に係るマスクおよび励起光の偏光状態を示す図である。図24(A)において、Xc方向、Yc方向、およびZc方向は、それぞれ、試料面Sa(図23参照)におけるX方向、Y方向、およびZ方向に対応する方向である。マスク38は、開口38a、開口38b、および開口38cを有する。マスク38は、瞳面共役面またはその近傍に配置される。開口38a、開口38b、および開口38cは、Xc方向に並んでいる。開口38a、開口38b、および開口38cは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。
FIG. 24 is a diagram showing the mask and the polarization state of the excitation light according to the tenth embodiment. In FIG. 24A, the Xc direction, the Yc direction, and the Zc direction are directions corresponding to the X direction, the Y direction, and the Z direction on the sample surface Sa (see FIG. 23 ), respectively. The
図24(B)において、Xd方向、Yd方向、およびZd方向は、それぞれ、試料面Sa(図23参照)におけるX方向、Y方向、およびZ方向に対応する方向である。マスク40は、瞳面共役面またはその近傍に配置される。マスク38またはマスク40は、瞳面またはその近傍に配置されてもよい。マスク40は、開口40a、開口40b、および開口40cを有する。開口40a、開口40b、および開口40cは、Yd方向に並んでいる。開口40a、開口40b、および開口40cは、例えば円形であるが、円形以外の形状でもよい。
24B, the Xd direction, the Yd direction, and the Zd direction are directions corresponding to the X direction, the Y direction, and the Z direction on the sample surface Sa (see FIG. 23), respectively. The
図24(C)において、領域AR2aは、対物レンズ21の瞳面P0において、マスク38の開口38aを通った励起光L1dが入射する領域である。領域AR2bは、瞳面P0において、マスク38の開口38bを通った励起光L1dが入射する領域である。領域AR2eは、瞳面P0において、マスク38の開口38cを通った励起光L1dが入射する領域である。領域AR2a、領域AR2b、および領域AR2eにおける矢印は、入射する励起光L1dの偏光方向を示す。領域AR2aと領域AR2bと領域AR2eとは、X方向に並んでいる。
In FIG. 24C, the region AR2a is a region where the excitation light L1d that has passed through the
領域AR2aに入射する励起光L1d、領域AR2bに入射する励起光L1d、および領域AR2eに入射する励起光L1dは、それぞれ、Y方向の直線偏光である。領域AR2aに入射する励起光L1dと領域AR2bに入射する励起光L1dと領域AR2eに入射する励起光L1dとは、偏光方向が同じであり、試料面Sa(図23参照)において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Saには、周期方向がX方向の干渉縞が形成される。試料面Saに対する励起光L1dの入射面は、XZ面であり、励起光L1dは、試料SにS偏光で入射する。 The excitation light L1d incident on the area AR2a, the excitation light L1d incident on the area AR2b, and the excitation light L1d incident on the area AR2e are each linearly polarized in the Y direction. The excitation light L1d incident on the area AR2a, the excitation light L1d incident on the area AR2b, and the excitation light L1d incident on the area AR2e have the same polarization direction and interfere with each other on the sample surface Sa (see FIG. 23). Due to this interference, interference fringes whose periodic direction is the X direction are formed on the sample surface Sa. The incident surface of the excitation light L1d on the sample surface Sa is the XZ plane, and the excitation light L1d is incident on the sample S as S-polarized light.
また、図24(C)において、領域AR2cは、瞳面P0において、マスク40の開口40bを通った励起光L1eが入射する領域である。領域AR2dは、瞳面P0において、マスク40の開口40aを通った励起光L1eが入射する領域である。領域AR2fは、瞳面P0において、マスク40の開口40cを通った励起光L1eが入射する領域である。領域AR2c、領域AR2d、および領域AR2fにおける矢印は、入射する励起光L1eの偏光方向を示す。領域AR2cと、領域AR2dと、領域AR2fとは、Y方向に並んでいる。また、領域AR2eと領域AR2fとは重なっていてもよく、例えば、図24(C)において領域AR2eと領域AR2fとは同じ領域である。
Further, in FIG. 24C, the region AR2c is a region on the pupil surface P0 where the excitation light L1e that has passed through the
領域AR2cに入射する励起光L1e、領域AR2dに入射する励起光L1e、および領域AR2fに入射する励起光L1eは、それぞれ、X方向の直線偏光である。領域AR2cに入射する励起光L1eと領域AR2dに入射する励起光L1eと領域AR2fに入射する励起光L1eとは、偏光方向が同じであり、試料面Sa(図23参照)において互いに干渉する。この干渉によって、試料面Saには、周期方向がY方向の干渉縞が形成される。試料面Saに対する励起光L1eの入射面は、YZ面であり、励起光L1eは、試料SにS偏光で入射する。 The excitation light L1e incident on the area AR2c, the excitation light L1e incident on the area AR2d, and the excitation light L1e incident on the area AR2f are each linearly polarized in the X direction. The excitation light L1e incident on the area AR2c, the excitation light L1e incident on the area AR2d, and the excitation light L1e incident on the area AR2f have the same polarization direction and interfere with each other on the sample surface Sa (see FIG. 23). Due to this interference, interference fringes whose periodic direction is the Y direction are formed on the sample surface Sa. The incident surface of the excitation light L1e with respect to the sample surface Sa is the YZ plane, and the excitation light L1e is incident on the sample S as S-polarized light.
図23の説明に戻り、試料面Saには、励起光L1dの干渉による干渉縞と、励起光L1eの干渉による干渉縞とを合成した干渉縞L2が形成される。なお、励起光L1dと励起光L1eとで偏光方向が互いにほぼ直交するので、励起光L1dと励起光L1eとの干渉が抑制される。
第6実施形態にて説明したように、照明光学系4に位相変調素子25が備えられていてもよい。
Returning to the description of FIG. 23, an interference fringe L2 is formed on the sample surface Sa, which is a combination of an interference fringe due to the interference of the excitation light L1d and an interference fringe due to the interference of the excitation light L1e. Since the polarization directions of the excitation light L1d and the excitation light L1e are substantially orthogonal to each other, interference between the excitation light L1d and the excitation light L1e is suppressed.
As described in the sixth embodiment, the illumination
検出装置6は、試料Sからの蛍光L3を、検出光学系5を介して検出する。検出装置6は、第1実施形態で説明したように、Xb方向とYb方向との2方向に複数の検出部6aが配列されたイメージセンサである。画像処理部7は、検出装置6の検出結果に基づいて、第1実施形態から第6実施形態で説明したいずれかの処理によって画像を生成する。
The
本実施形態では照明瞳が瞳面上で5極(5つの領域)に分かれる形態であることを反映して、試料面SaにはX方向の干渉縞とY方向の干渉縞とが同時に生じる。第3実施形態、第4実施形態、および第6実施形態で説明した画像処理を本実施形態に適用する場合、本実施形態では、0次成分、X方向の+1次成分、X方向の-1次成分、X方向の+2次成分、X方向の-2次成分、Y方向の+1次成分、Y方向の-1次成分、Y方向の+2次成分、およびY方向の-2次成分の9成分を成分分離することで、画像処理位相シフト処理もしくはデコンボリューション処理を行うことが可能となる。 In the present embodiment, reflecting the fact that the illumination pupil is divided into five poles (five regions) on the pupil plane, interference fringes in the X direction and interference fringes in the Y direction simultaneously occur on the sample surface Sa. When the image processing described in the third embodiment, the fourth embodiment, and the sixth embodiment is applied to this embodiment, in this embodiment, the 0th order component, the +first order component in the X direction, and the −1 in the X direction. 9th order component, +second order component in X direction, -second order component in X direction, +first order component in Y direction, -first order component in Y direction, +second order component in Y direction, and second order component in Y direction By separating the components, the image processing phase shift processing or the deconvolution processing can be performed.
第5実施形態で説明した画像処理を本実施形態に適用する場合、本実施形態では、0次成分、X方向の+1次Z方向の+1次成分、X方向の+1次Z方向の-1次成分、X方向の-1次Z方向の+1次成分、X方向の-1次Z方向の-1次成分、X方向の+2次成分、X方向の-2次成分、Y方向の+1次Z方向の+1次成分、Y方向の+1次Z方向の-1次成分、Y方向の-1次Z方向の+1次成分、Y方向の-1次Z方向の-1次成分、Y方向の+2次成分、およびY方向の-2次成分の13成分を成分分離することで、画像処理位相シフト処理もしくはデコンボリューション処理を行うことができる。
いずれの場合も、各成分が値を持つ領域は、第3実施形態、および第5実施形態で説明したのと同様に顕微鏡1の設計値を用いた理論計算もしくは数値シミュレーションで決定することができる。もしくは、各成分が値を持つ領域は、蛍光試料を実測することで求められてもよい。もしくは、第6実施形態で説明したのと同様に、干渉縞L2の位相を複数回変更して試料Sの画像を取得し、干渉縞L2の位相の異なる複数枚の画像から連立方程式を解くことで成分を分離してもよい。干渉縞L2の位相を変更する回数は、分離したい成分の数に合わせて決定してもよい。
When the image processing described in the fifth embodiment is applied to the present embodiment, in the present embodiment, the 0th order component, the +1st order component in the X direction, the +1st order component in the Z direction, and the −1st order in the +1st order Z direction in the X direction. Component, −first order component in X direction, +first order component in X direction, −first order component in X direction, −first order component in X direction, +second order component in X direction, −second order component in X direction, +first order Z direction in Y direction Direction +first order component, Y direction +first order Z direction -1st order component, Y direction -1st order Z direction +first order component, Y direction -1st order Z direction -1st order component, Y direction +2 The image processing phase shift processing or the deconvolution processing can be performed by separating the second component and the 13th component of the −secondary component in the Y direction.
In any case, the region in which each component has a value can be determined by theoretical calculation or numerical simulation using the design value of the
[第11実施形態]
第11実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図25は、第11実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡1は、図19で説明したλ/2波長板30および光路回転部31を備える。光路回転部31は、駆動部32によって駆動され、照明光学系4の光軸の周りで回転する。光路回転部31が回転すると、励起光L1dの光路および励起光L1eの光路は、それぞれ、照明光学系4の光軸の周りで回転する。その結果、試料面Saに形成される干渉縞L2の周期方向は、Z方向の周りで回転する。
[11th Embodiment]
The eleventh embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 25 is a diagram showing a microscope according to the eleventh embodiment. In the present embodiment, the
図26は、第11実施形態に係る励起光の偏光状態を示す図である。図26(A)において、瞳面P0上で励起光L1dが入射する領域AR4aは、X方向に並んでいる。また、瞳面P0上で励起光L1eが入射する領域AR4bは、Y方向に並んでいる。 FIG. 26 is a diagram showing the polarization state of the excitation light according to the eleventh embodiment. In FIG. 26A, the regions AR4a on which the excitation light L1d is incident on the pupil surface P0 are aligned in the X direction. Further, the regions AR4b on the pupil plane P0 on which the excitation light L1e is incident are arranged in the Y direction.
図26(B)は、図26(A)の状態から、ダブプリズム(図25の光路回転部31)およびλ/2波長板30が22.5°回転した状態に相当する。図26(B)において、瞳面P0上で励起光L1dが入射する領域AR4aは、X方向から45°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Saにおける励起光L1dの干渉縞の周期方向は、X方向から45°回転した方向になる。また、瞳面P0上で励起光L1eが入射する領域AR4bは、Y方向から45°回転した方向に並んでいる。この状態において、試料面Saにおける励起光L1eの干渉縞の周期方向は、Y方向から45°回転した方向になる。
FIG. 26B corresponds to a state in which the Dove prism (optical
図25の説明に戻り、本実施形態において、検出装置6は、干渉縞L2の周期方向が変更される前後のそれぞれにおいて、試料Sからの蛍光L3を検出する。画像処理部7は、干渉縞L2の周期方向の変更前における検出装置6の検出結果と、干渉縞L2の周期方向の変更後における検出装置6の検出結果とに基づいて、画像を生成する。なお、光路回転部31は、図20で説明したように、ダイクロイックミラー16と検出装置6との間の光路に配置されてもよい。第6実施形態にて説明したように、照明光学系4に位相変調素子25が備えられていてもよい。
Returning to the description of FIG. 25, in the present embodiment, the
[第12実施形態]
第12実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。第11実施形態において、顕微鏡1は、光路回転部31によって干渉縞L2の周期方向を変更するが、干渉縞L2の周期方向を変更する縞方向変更部は、光路回転部31と別の態様でもよい。
[Twelfth Embodiment]
A twelfth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. In the eleventh embodiment, the
図27は、第12実施形態に係る顕微鏡を示す図である。図28は、第12実施形態に係るマスクを示す図である。本実施形態において、顕微鏡1は、駆動部45および駆動部46を備える。マスク38は、照明光学系4の光軸の周りで回転可能である。マスク38は、駆動部45に駆動されて、回転する(図28(A)参照)。図28(A)において、マスク38は、反時計周りに45°回転している。
FIG. 27 is a diagram showing a microscope according to the twelfth embodiment. FIG. 28 is a diagram showing a mask according to the twelfth embodiment. In the present embodiment, the
また、マスク40は、照明光学系4の光軸の周りで回転可能である。マスク40は、駆動部46に駆動されて、回転する(図28(B)参照)。駆動部46は、駆動部45がマスク38を回転させる角度と同じ角度だけ、マスク40を回転させる。図28(B)において、マスク40は、反時計周りに45°回転している。これにより、試料面Saにおける干渉縞L2の周期方向は、Z方向の周りで45°回転する。
Moreover, the
偏光分離素子41とダイクロイックミラー16との間の光路には、λ/2波長板48が設けられる。λ/2波長板48は、駆動部49によって駆動され、照明光学系4の光軸の周りで回転する。λ/2波長板48および駆動部49は、励起光L1dおよび励起光L1eのそれぞれについて、S偏光で試料Sに入射するように調整する。第6実施形態にて説明したように、照明光学系4に位相変調素子25が備えられていてもよい。
A λ/2
[第13実施形態]
第13実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図29は、第13実施形態に係る顕微鏡を示す図である。本実施形態において、顕微鏡1は、リレー光学系47を備える。リレー光学系47は、照明光学系4の一部であり、かつ検出光学系5の一部である。リレー光学系47は、走査部18において、偏向ミラー18aと偏向ミラー18bとの間の光路に配置される。偏向ミラー18bは、対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な第1瞳共役面とほぼ同じ位置に配置される。リレー光学系47は、リレー光学系47とリレー光学系17との間に上記の第1瞳共役面と光学的に共役な第2瞳共役面が形成されるように設けられる。偏向ミラー18aは、上記の第2瞳共役面とほぼ同じ位置に配置される。
[13th Embodiment]
The thirteenth embodiment will be described. In the present embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified. FIG. 29 is a diagram showing a microscope according to the thirteenth embodiment. In this embodiment, the
なお、走査部18は、上述の形態に限定されない。例えば、ステージ2は、対物レンズ21に対してY方向に移動するYステージを含み、走査部18は、偏向ミラー18bの代わりにYステージを含んでもよい。この場合、走査部18は、偏向ミラー18aによって試料Sを励起光L1でX方向に走査し、Yステージの移動によって試料Sを励起光L1でY方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー18aは、対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されてもよい。
The
また、ステージ2は、対物レンズ21に対してX方向に移動するXステージを含み、走査部18は、偏向ミラー18aの代わりにXステージを含んでもよい。この場合、走査部18は、上記のXステージの移動によって試料Sを励起光L1でX方向に走査し、偏向ミラー18bによって試料Sを励起光L1でY方向に走査してもよい。この場合、偏向ミラー18bは、対物レンズ21の瞳面P0と光学的に共役な瞳共役面とほぼ同じ位置に配置されてもよい。
Further, the
また、ステージ2は、対物レンズ21に対してX方向に移動するXステージと、対物レンズ21に対してY方向に移動するYステージとを含み、走査部18は、上記のXステージおよびYステージを含んでもよい。この場合、走査部18は、上記のXステージの移動によって試料Sを励起光L1でX方向に走査し、上記のYステージの移動によって試料Sを励起光L1でY方向に走査してもよい。
Further, the
上述の実施形態においては、試料Sを干渉縞で走査する走査方向がX方向およびY方向の2方向であってもよいしX方向、Y方向、およびZ方向の3方向でもよい。例えば、顕微鏡1は、試料Sを干渉縞でX方向およびY方向に走査して2D画像を取得する2D処理を実行し、例えば、対物レンズ21およびステージ2の少なくとも一方を移動させて、干渉縞が生成されるZ方向の位置を変更して2D処理を繰り返すことで、試料Sを干渉縞で3次元的に走査してもよい。顕微鏡1は、試料Sを干渉縞で3次元的に走査することで、Z方向の位置が異なる複数の2D画像を取得し、3D画像(例えば、Z-stack)を生成してもよい。試料Sを干渉縞で3次元的に走査する場合、照明光学系4がX方向およびY方向に走査し、対物レンズ21およびステージ2の少なくとも一方の移動によってZ方向に走査してもよい。また、照明光学系4が試料Sを干渉縞で3次元的に走査してもよい。
In the above-described embodiment, the scanning direction for scanning the sample S with the interference fringes may be two directions of the X direction and the Y direction, or may be three directions of the X direction, the Y direction, and the Z direction. For example, the
[変形例]
以下、変形例について説明する。上述の実施形態と同様の構成については、適宜、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図30および図31は、変形例に係る照明瞳を示す図である。
[Modification]
Hereinafter, a modified example will be described. The same reference numerals are given to the same configurations as those of the above-described embodiments, and the description thereof will be omitted or simplified. 30 and 31 are diagrams showing the illumination pupil according to the modified example.
照明瞳は、図2(C)において3極であり、図24(C)において5極であるが、図30(A)において4極である。領域AR5aから領域AR5dは、それぞれ、瞳面P0において励起光が入射する領域である。この場合、領域AR5aに入射した励起光と領域AR5bに入射した励起光との第1干渉縞と、領域AR5bに入射した励起光と領域AR5cに入射した励起光との第2干渉縞と、領域AR5cに入射した励起光と領域AR5aに入射した励起光との第3干渉縞と、領域AR5aに入射した励起光と領域AR5dに入射した励起光との第4干渉縞と、領域AR5bに入射した励起光と領域AR5dに入射した励起光との第5干渉縞と、領域AR5cに入射した励起光と領域AR5dに入射した励起光との第6干渉縞とが形成される。試料面Saには、上記の第1干渉縞と第2干渉縞と第3干渉縞と第4干渉縞と第5干渉縞と第6干渉縞とを合成した干渉縞が形成される。この干渉縞は、第1干渉縞の周期方向と、第2干渉縞の周期方向と、第3干渉縞の周期方向と、第4干渉縞の周期方向と、第5干渉縞の周期方向と、第6干渉縞の周期方向とがそれぞれ周期方向であり、一度の画像取得においてXYZ方向の超解像効果を得ることができる。なお、照明瞳は、6以上の極を有してもよい。また、励起光の偏光方向は図30(A)に図示した方向以外の偏光方向でもよく、もしくは円偏光でもよい。 The illumination pupil has 3 poles in FIG. 2 (C), 5 poles in FIG. 24 (C), and 4 poles in FIG. 30 (A). The regions AR5a to AR5d are regions in which the excitation light is incident on the pupil surface P0, respectively. In this case, the first interference fringes of the excitation light incident on the area AR5a and the excitation light incident on the area AR5b, the second interference fringes of the excitation light incident on the area AR5b and the excitation light incident on the area AR5c, and the area Third interference fringes of excitation light incident on AR5c and excitation light incident on area AR5a, fourth interference fringes of excitation light incident on area AR5a and excitation light incident on area AR5d, and incidence on area AR5b A fifth interference fringe between the excitation light and the excitation light incident on the area AR5d and a sixth interference fringe between the excitation light incident on the area AR5c and the excitation light incident on the area AR5d are formed. On the sample surface Sa, interference fringes that are a combination of the first interference fringes, the second interference fringes, the third interference fringes, the fourth interference fringes, the fifth interference fringes, and the sixth interference fringes are formed. The interference fringes include a cycle direction of the first interference fringe, a cycle direction of the second interference fringe, a cycle direction of the third interference fringe, a cycle direction of the fourth interference fringe, and a cycle direction of the fifth interference fringe. The periodic direction of the sixth interference fringes is the periodic direction, and the super-resolution effect in the XYZ directions can be obtained in one image acquisition. The illumination pupil may have 6 or more poles. The polarization direction of the excitation light may be a polarization direction other than the direction shown in FIG. 30(A), or circular polarization.
また、照明瞳は、図2などにおいて円形であるが、その他の形状でもよい。図30(B)において、領域AR6は、励起光が入射する領域である。図30(B)の領域AR6は、対物レンズ21の光軸21aを中心とする円の一部である円弧と、円弧AR6aと対称な曲線AR6cとに囲まれる領域である。
Also, the illumination pupil is circular in FIG. 2 and the like, but may have other shapes. In FIG. 30B, a region AR6 is a region on which the excitation light is incident. The area AR6 in FIG. 30B is an area surrounded by an arc that is a part of a circle centered on the
図30(B)の形状の照明瞳である場合、円形の照明瞳である場合と比較して、干渉縞が形成されない方向の分解能が良くなり、セクショニングも良くなる。 In the case of the illumination pupil having the shape of FIG. 30(B), the resolution in the direction in which the interference fringes are not formed is better and the sectioning is better than that in the case of the circular illumination pupil.
図31において、照明瞳は、図30(B)に示した形状の照明瞳を5極にした形態である。円形以外の形状の照明瞳である場合についても、励起光が入射する複数の領域の数(極の数)は、2以上の任意の数に設定される。また、瞳面P0において励起光が入射する複数の領域のうち、1つの領域の形状が他の領域の形状と異なってもよい。また、瞳面P0において励起光が入射する複数の領域のうち、1つの領域の寸法が他の領域の寸法と異なってもよい。また、瞳面P0において励起光が入射する複数の領域は、対物レンズ21の光軸21aに関して非対称に配置されてもよい。また、瞳面P0における励起光の偏光方向は、励起光が入射する複数の領域ごとに異なっていてもよく、同じでもよい。
In FIG. 31, the illumination pupil has a shape in which the illumination pupil having the shape shown in FIG. 30(B) has five poles. Even in the case of an illumination pupil having a shape other than a circle, the number of a plurality of regions (the number of poles) on which the excitation light is incident is set to an arbitrary number of 2 or more. In addition, the shape of one of the plurality of areas on the pupil plane P0 on which the excitation light is incident may be different from the shape of the other areas. Further, of the plurality of regions on the pupil plane P0 where the excitation light is incident, the size of one region may be different from the size of the other regions. Further, the plurality of regions in which the excitation light is incident on the pupil surface P0 may be arranged asymmetrically with respect to the
照明瞳の各極の形状、寸法、および配置は、例えば、図2に示したマスク15の開口の形状、寸法、および配置を設計することで実現可能である。また、マスク15は、光を遮る領域が可変な機械式の絞り、あるいは空間光変調器(SLM)、あるいはDigital Mirror Deviceなどでもよい。
The shape, dimensions, and arrangement of each pole of the illumination pupil can be realized, for example, by designing the shape, dimensions, and arrangement of the opening of the
図32は、変形例に係る顕微鏡を示す図である。図32において、照明光学系4は、光ファイバー11からダイクロイックミラー16へ向かう順に、コリメーターレンズ50、λ/2波長板51、レンズ52、回折格子53、レンズ54、およびマスク15を備える。コリメーターレンズ50は、光ファイバー11からの励起光L1をほぼ平行光に変換する。λ/2波長板51は、試料Sに入射する際の励起光L1の偏光状態を調整する。レンズ52は、励起光L1を回折格子53に集光する。
FIG. 32 is a diagram showing a microscope according to a modified example. In FIG. 32, the illumination
回折格子53は、励起光L1を回折によって複数の光束に分岐させる。回折格子53は、蛍光物質を励起する励起光を複数の光束に分割する光束分割部である。回折格子53はレンズ52の焦点もしくは焦点近傍の位置に配置される。つまり、回折格子53は試料面Saと共役な面もしくはその近傍に配置される。焦点近傍とは、レンズ52で集光される光の焦点深度程度の範囲内のことである。例えば、レンズ52によって集光される光の波長が1um、NAが0.03の場合、焦点深度は1mm程度となるため、回折格子53はレンズ52の焦点近傍1mm以内に配置されればよい。上記の複数の光束は、0次回折光、+1次回折光、および-1次回折光を含む。レンズ54は、0次回折光、+1次回折光、および-1次回折光をそれぞれほぼ平行光に変換する。マスク15は、0次回折光の少なくとも一部と、+1次回折光の少なくとも一部と-1次回折光の少なくとも一部とが通るように設けられる。このような形態においては、マスク15を透過する励起光L1の光量を増やすことができる。また、マスク15を設けないような構成をとってもよい。また、回折格子53が光軸に垂直方向に移動可能なように構成され、励起光L1により形成される干渉縞L2の位相が変調されてもよい。この場合、第6実施形態にて説明した画像処理を用いて超解像画像を生成してもよい。
The
図33および図34は、それぞれ、変形例に係る偏光調整部を示す図である。照明光学系4は、図1に示したダイクロイックミラー16などの反射部材によって光路が折れ曲がるが、図33、図34においては、照明光学系4を、光軸4aが直線になるように展開して示した。図33、図34において、Z方向は光軸4aと平行な方向であり、X方向およびY方向は、それぞれ、光軸4aと垂直な方向である。
33 and 34 are diagrams showing a polarization adjusting unit according to a modification, respectively. Although the optical path of the illumination
図33において、照明光学系4は、λ/4波長板61、マスク15、およびλ/4波長板62を含む。光ファイバー11から出射した励起光L1は、ほぼX方向の直線偏光であり、λ/4波長板61に入射する。なお、光ファイバー11とλ/4波長板61との間の光路に、透過軸がX方向の偏光子(例えば、偏光板)が設けられてもよい。
In FIG. 33, the illumination
λ/4波長板61の進相軸は、+Z側から見た場合にX方向を反時計回りに45°回転させた方向に設定される。λ/4波長板61を通った励起光L1は、円偏光となりマスク15に入射する。マスク15の開口部15a、および開口部15bを通った励起光L1は、円偏光であり、λ/4波長板62に入射する。λ/4波長板62の進相軸は、+Z側から見た場合にX方向を時計回りに45°回転させた方向に設定される。λ/4波長板62を通った励起光L1は、X方向の直線偏光となり、試料に照射される。
The phase-advancing axis of the λ / 4
マスク15は、第1実施形態で説明したように、光軸4aの周りで回転可能に設けられる。マスク15が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図33の状態において、マスク15の開口部15aと開口部15bとはY方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はY方向になる。図33の状態からマスク15が90°回転すると、干渉縞の周期方向は90°回転して、X方向になる。
As described in the first embodiment, the
λ/4波長板62は、光軸4aの周りで回転可能である。λ/4波長板62は、マスク15と同じ角度だけ回転するように、設けられる。例えば、λ/4波長板62は、マスク15と一体化され、マスク15と一体的に回転する。例えばマスク15が90°回転すると、λ/4波長板62は、90°回転して、その進相軸がλ/4波長板61の進相軸と平行になる。この場合、λ/4波長板62を通った励起光L1は、Y方向の直線偏光になる。試料面に対する励起光L1の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面に入射する際の励起光L1が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光であるので、励起光L1は、S偏光の状態で試料面に照射される。
The λ/4
このように、λ/4波長板62は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図1で説明した態様に比べて、励起光L1の光量のロスを低減することができる。
As described above, the λ/4
図34において、照明光学系4は、偏光子65、マスク15、およびλ/2波長板66を含む。光ファイバー11か出射した励起光L1は、ほぼX方向の直線偏光であり、偏光子65に入射する。偏光子65は、透過軸がX方向に設定される。偏光子65通った励起光L1は、X方向の直線偏光であり、マスク15に入射する。マスク15の開口部15a、開口部15bを通った励起光L1は、X方向の直線偏光であり、λ/2波長板66に入射する。λ/2波長板66の進相軸は、+Z側から見た場合にX方向を時計回りに45°回転させた方向に設定される。λ/2波長板66を通った励起光L1は、Y方向の直線偏光となり、試料に照射される。
In FIG. 34, the illumination
マスク15は、第1実施形態で説明したように、光軸4aの周りで回転可能に設けられる。マスク15が回転すると、干渉縞の周期方向が変化する。例えば、図34の状態において、マスク15の開口部15aと開口部15bとはX方向に並んでおり、干渉縞の周期方向はX方向になる。図33の状態からマスク15が90°回転すると、干渉縞の周期方向は90°回転して、Y方向になる。
The
λ/2波長板66は、光軸4aの周りで回転可能である。λ/2波長板66は、マスク15の回転角の半分の角度だけ回転するように、設けられる。例えばマスク15が90°回転すると、λ/2波長板66は、45°回転する。この場合、λ/2波長板66を通った励起光L1は、X方向の直線偏光になる。試料面に対する励起光L1の入射面は、干渉縞の周期方向と平行であり、試料面に入射する際の励起光L1が干渉縞の周期方向と垂直な直線偏光であるので、励起光L1は、S偏光の状態で試料面に照射される。このように、λ/2波長板66は、試料に入射する際の励起光の偏光状態を調整する偏光調整部に含まれる。このような偏光調整部は、図1で説明した態様に比べて、励起光L1の光量のロスを低減することができる。
The λ/2
上記の実施形態および変形例で説明した偏光調整部では、照明光が偏光調整部を通過した直後に直線偏光となるように構成されているが、完全な直線偏光でなくてもよい。また、途中の光学系で発生する偏光状態の変化を補正するための、λ/2波長板、λ/4波長板などの追加の偏光素子が偏光調整部に加えられてもよい。 The polarization adjusting unit described in the above-described embodiment and modification is configured so that the illumination light becomes linearly polarized light immediately after passing through the polarization adjusting unit, but it does not have to be perfect linearly polarized light. Further, an additional polarizing element such as a λ/2 wavelength plate or a λ/4 wavelength plate may be added to the polarization adjusting unit to correct the change in the polarization state generated in the optical system on the way.
なお、実施形態に係る顕微鏡1は、検出装置6がイメージセンサを含み、検出光学系5の光軸の周りで試料Sの像を回転させる像回転部を備えてよい。縞方向を回転した場合に、試料Sの像を回転することによって縞周期と検出部の位置を整合させることができる。
Note that the
上述の実施形態において、画像処理部7は、例えばコンピュータシステムを含む。画像処理部7は、記憶部に記憶されている画像処理プログラムを読み出し、この画像処理プログラムに従って各種の処理を実行する。この画像処理プログラムは、コンピュータに、検出装置6の検出結果に基づいて画像を生成することを実行させる。上記の検出装置6の検出結果は、光源からの光を複数の光束に分割し、複数の光束の少なくとも3つ以上の光束の干渉によって生成される干渉縞を、試料の複数の方向において走査し、試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、試料からの光を検出して得られる。
In the above-described embodiment, the
なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。 The technical scope of the present invention is not limited to the embodiments described in the above-described embodiments. One or more of the requirements described in the above embodiments and the like may be omitted. In addition, the requirements described in the above-described embodiments can be combined as appropriate. In addition, to the extent permitted by law, the disclosure of all documents cited in the above-mentioned embodiments and the like shall be incorporated as part of the description in the main text.
1・・・顕微鏡、3・・・光源、4・・・照明光学系、5・・・検出光学系、6・・・検出装置、6a・・・複数の検出部、7・・・画像処理部、L2・・・干渉縞
DESCRIPTION OF
Claims (28)
前記試料からの光が入射する検出光学系と、
前記検出光学系を介して前記試料からの光を検出する複数の検出部を含む検出装置と、
前記検出装置の2以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成する画像処理部と、を備える顕微鏡。 A plurality of samples have interference fringes formed by interference of at least three or more luminous fluxes of the plurality of luminous fluxes divided by the luminous flux dividing portion and having a luminous flux dividing portion for dividing the light from the light source into a plurality of luminous fluxes. An illumination optical system that scans in the direction of,
A detection optical system on which light from the sample is incident,
A detection device including a plurality of detection units that detect light from the sample via the detection optical system, and
A microscope including an image processing unit that generates an image using the detection results of two or more detection units of the detection device.
請求項1に記載の顕微鏡。 The interference fringes have three or more bright portions in the periodic direction of the interference fringes.
The microscope according to claim 1.
前記光束分割部は、複数の開口部を有する開口部材を含み、
前記開口部材は、前記対物レンズの瞳面、前記瞳面の近傍、瞳共役面、又は前記瞳共役面の近傍に配置される、
請求項1又は請求項2に記載の顕微鏡。 The illumination optical system has an objective lens,
The luminous flux dividing portion includes an opening member having a plurality of openings.
The aperture member is arranged in the pupil plane of the objective lens, in the vicinity of the pupil plane, in the pupil conjugate plane, or in the vicinity of the pupil conjugate plane.
The microscope according to claim 1 or 2.
前記回折格子は、前記試料と共役な位置又はその近傍に配置される、
請求項1又は請求項2に記載の顕微鏡。 The light beam splitting unit includes a diffraction grating,
The diffraction grating is arranged at or near the position conjugate with the sample.
The microscope according to claim 1 or 2.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The detection device includes a line sensor in which the plurality of detection units are arranged in one direction.
The microscope according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The detection device includes an image sensor in which the plurality of detection units are arranged in two directions.
The microscope according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の顕微鏡。 A fringe direction changing portion for changing the direction of the interference fringes with respect to the sample is provided.
The microscope according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の顕微鏡。 An image rotating unit for rotating an image of the sample with respect to the plurality of detecting units around the optical axis of the detection optical system is provided.
The microscope according to any one of claims 1 to 7.
請求項8に記載の顕微鏡。 The image rotation unit is arranged in an optical path that does not overlap with the illumination optical system in the detection optical system,
The microscope according to claim 8.
前記試料の像を前記複数の検出部に対して、前記検出光学系の光軸の周りで回転させる像回転部とを備え、
前記縞方向変更部と前記像回転部とは同一の部材により構成される、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の顕微鏡。 A fringe direction changing portion that changes the direction of the interference fringes with respect to the sample,
An image rotation unit that rotates the image of the sample with respect to the plurality of detection units around the optical axis of the detection optical system,
The striped direction changing portion and the image rotating portion are composed of the same member.
The microscope according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の顕微鏡。 A polarization adjusting unit for adjusting the polarization state of the light when entering the sample,
The microscope according to any one of claims 1 to 10.
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The positions of the plurality of detection units are set based on the magnification of the detection optical system and the period of the interference fringes.
The microscope according to any one of claims 1 to 11.
請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit generates the image using the detection results of the detection unit selected from the plurality of detection units based on the magnification of the detection optical system and the period of the interference fringes.
The microscope according to any one of claims 1 to 12.
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit corrects data obtained from at least one detection unit of the plurality of detection units based on the position of the detection unit.
The microscope according to any one of claims 1 to 13.
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The microscope according to any one of claims 1 to 11, wherein the image processing unit converts at least a part of the detection results of the plurality of detection units into data on a frequency space.
請求項15に記載の顕微鏡。 The image processing unit converts at least a part of the detection results of the plurality of detection units into data on the frequency space by Fourier transform,
The microscope according to claim 15.
請求項15又は請求項16に記載の顕微鏡。 The image processing unit performs filtering on the data in the frequency space to generate the image.
The microscope according to claim 15 or 16.
請求項15から請求項17のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit separates the data on the frequency space into a plurality of regions of the frequency space to separate a plurality of components, and generates the image.
The microscope according to any one of claims 15 to 17.
請求項18に記載の顕微鏡。 The image processing unit, based on the light intensity distribution of the interference fringes, separates the data on the frequency space into a plurality of regions of the frequency space,
The microscope according to claim 18.
請求項18または請求項19に記載の顕微鏡。 The plurality of areas are set so as not to overlap each other,
The microscope according to claim 18 or 19.
請求項16から20のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit converts at least a part of the detection results of the plurality of detection units into data on the frequency space by performing Fourier transform on scanning coordinates in the optical axis direction of the illumination optical system,
The microscope according to any one of claims 16 to 20.
前記画像処理部は、前記干渉縞が複数の位相状態の各状態にあるときに前記検出部により検出された検出結果の前記周波数空間上のデータを複数の成分に分離して、前記画像を生成する、
請求項15から請求項17のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The illumination optical system includes a phase modulation element that changes the phase of the interference fringes.
The image processing unit generates the image by separating the data on the frequency space of the detection result detected by the detection unit when the interference fringes are in each of the plurality of phase states into a plurality of components. To do,
The microscope according to any one of claims 15 to 17.
請求項18から請求項22のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit converts the phase of at least a part of the data obtained by separating the plurality of components to generate the image,
The microscope according to any one of claims 18 to 22.
請求項23に記載の顕微鏡。 The image processing unit determines the amount of phase conversion based on the light intensity distribution of the interference fringes and the position of the detection unit,
The microscope according to claim 23.
請求項23または24に記載の顕微鏡。 The microscope according to claim 23 or 24, wherein the image processing unit corrects the phase-converted data based on the position of the detection unit to generate the image.
請求項15から22のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The image processing unit executes deconvolution on the data obtained from the detection device to generate the image.
The microscope according to any one of claims 15 to 22.
請求項26に記載の顕微鏡。 The image processing unit executes the deconvolution on the data obtained from at least one detection unit of the plurality of detection units based on the position of the detection unit and the light intensity distribution of the interference fringes.
The microscope according to claim 26.
前記試料からの光が入射する検出光学系を介して、複数の検出部を含む検出装置によって、前記試料からの光を検出することと、
前記検出装置の2以上の検出部の検出結果を用いて画像を生成することと、を含む観察方法。 By dividing the light from the light source into a plurality of luminous fluxes and scanning the interference fringes formed by the interference of at least three or more luminous fluxes of the plurality of luminous fluxes in a plurality of directions of the sample.
Through a detection optical system on which light from the sample enters, by a detection device including a plurality of detection units, detecting the light from the sample,
An observation method including generating an image using the detection results of two or more detection units of the detection device.
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Legal Events
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19917661 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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