CN108351503B - 图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元 - Google Patents

图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元 Download PDF

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Abstract

图像取得装置(1)具备：光源(11)，输出光(L1)；空间光调制器(13)，具有被排列成二维的多个像素并且对多个像素的每个调制从光源(11)输出的光(L1)的相位；物镜(16)，将由空间光调制器(13)调制的光(L1)照射于观察对象物(S)；光检测器(18)，对来自观察对象物(S)的光(L1)进行摄像；控制部(19)，按照分别对应于多个像素的相位值二维地分布的相位图案(P)控制多个像素的每个的相位调制量。相位图案(P)是基于规定的基本相位图案(31)而被生成的相位图案(P)。基本相位图案(31)具有相位值沿着规定的方向(D1)连续增加的第1区域(32)、在规定的方向(D1)上与第1区域(32)相对并且相位值沿着规定的方向(D1)连续减少的第2区域(33)。

Description

图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元
技术领域
本发明的一个方面涉及图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元。
背景技术
一直以来，有通过将条纹状的光(结构化照明光)照射于观察对象物并对伴随于此而从观察对象物发出的荧光或者反射光等进行摄像从而取得图像的结构化照明显微镜(例如参照下述专利文献1、2或者下述非专利文献1、2)。这些结构化照明显微镜具备例如衍射光栅、使衍射光栅并进的并进机构/或者使衍射光栅转动的转动机构等，结构化照明光的相位以及条纹的方向能够由这些机构变更。然后，通过改变结构化照明光的相位以及条纹的方向来取得多个图像并且根据那些图像进行规定的运算，从而能够构筑具有超越分辨极限的高分辨率的超分辨率图像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2015-99177号公报
专利文献2：日本专利申请公开平11-242189号公报
非专利文献
非专利文献1：Shwetadwip Chowdhury,Al-HafeezDhalla,and Joseph Izatt,“Structured oblique illumination microscopy forenhanced resolution imaging ofnon-fluorescent,coherently scattering sample”,1August 2012/Vol.3,No.8/BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS pp.1841-1854
非专利文献2：Thorsten Lang,Silvio O.Rizzoli,“Membrane Protein Clustersat Nanoscale Resolution：More Than PrettyPictures”,1April2010/Vol.25,No.2/PHYSIOLOGY,pp.116-124
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述那样的结构化照明显微镜具备衍射光栅的并进机构以及/或者转动机构等，由这些机构而能够变更结构化照明光的相位以及条纹的方向。因此，恐怕装置结构会复杂化。
本发明的一个方面的目的在于，提供一种结构能够简单化的图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元。
解决问题的技术手段
本发明的一个方面所涉及的图像取得装置是一种照射结构化照明光来取得观察对象物的图像的图像取得装置，具备：光源，输出光；空间光调制器，具有被排列成二维的多个像素并且对多个像素的每个调制从光源输出的光的相位；物镜，将被空间光调制器调制的光照射于观察对象物；光检测器，对来自观察对象物的光进行摄像；控制部，按照分别对应于多个像素的相位值二维地分布的相位图案控制多个像素的每个的相位调制量；相位图案是基于规定的基本相位图案而被生成的相位图案，基本相位图案具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域、在规定的方向上与第1区域相对并且相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域。
在该图像取得装置中，根据具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域、相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域的基本相位图案计算出相位图案。通过按照该相位图案用空间光调制器调制照明光，从而能够从物镜相对于观察对象物照射条纹状的光。在该图像取得装置中，通过变更输入到空间光调制器的相位图案从而能够变更被生成的条纹状的光的相位以及条纹的方向。因此，没有必要如现有技术那样设置用于变更条纹状的光的相位以及条纹的方向的可动机构，并且能够省略那些构件。因此，根据该图像取得装置，结构能够简易化。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，也可以是在第1区域中相位值沿着规定的方向直线增加，在第2区域中相位值沿着规定的方向直线减少。由此，因为基本相位图案被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的光，并且结构能够进一步简易化。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，基本相位图案也可以关于通过规定的方向上的中心并且与规定的方向相正交的直线而成为线对称。由此，能够获得在物镜的光轴方向(深度方向)上被伸长的条纹状的光。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，基本相位图案也可以关于通过规定的方向上的中心并且与规定的方向相正交的直线而成为非线对称。由此，能够调整条纹状的光中的条纹的发生位置或深度、伸长量。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，第1区域和第2区域也可以互相邻接并且在其边界上相位值连续。由此，因为基本相位图案被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的光，并且结构能够进一步简易化。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，基本相位图案也可以进一步具有相位值为一定的第3区域。由此，能够生成沿着物镜的光轴方向被结构化的三维的结构化照明光。通过使用该结构化照明光从而能够构筑三维超分辨率图像。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，第3区域也可以在规定的方向上被配置于第1区域与第2区域之间。在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，也可以是基本相位图案具有2个第1区域、2个第2区域、2个第3区域，2个第3区域中的一方在规定的方向上被配置于2个第1区域之间，2个第3区域中的另一方在规定的方向上被配置于2个第2区域之间。在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，也可以是基本相位图案具有2个第3区域，2个第3区域中的一方相对于第1区域在规定的方向上被配置于与第2区域相反侧，2个第3区域中的另一方相对于第2区域在规定的方向上被配置于与第1区域相反侧。由此，因为基本相位图案被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的光，并且结构能够更进一步简易化。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，相位图案也可以是衍射光栅状的衍射光栅图案和基本相位图案被重叠的相位图案。由此，不设置衍射光栅元件而能够将照明光的相位设为衍射光栅状。因此，结构能够更进一步简易化。
在本发明的一个方面所涉及的图像取得装置中，相位图案也可以是透镜状的透镜图案和基本相位图案被重叠的相位图案。由此，不设置透镜元件而能够将照明光的相位设为透镜状。因此，结构能够更进一步简易化。
本发明的一个方面所涉及的图像取得方法是一种照射结构化照明光来取得观察对象物的图像的图像取得方法，包含：第1步骤，由具有被排列成二维的多个像素的空间光调制器来对多个像素的每个调制从光源输出的光的相位；第2步骤，将由空间光调制器调制的光照射于观察对象物并对来自观察对象物的光进行摄像；在第1步骤中，按照基于规定的基本相位图案而被生成并且分别对应于多个像素的相位值二维地分布的相位图案控制多个像素的每个的相位调制量，基本相位图案具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域、在规定的方向上与第1区域相对并且相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域。
在该图像取得方法中，根据具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域和相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域的基本相位图案计算出相位图案。通过按照该相位图案用空间光调制器调制照明光，从而能够相对于观察对象物照射条纹状的光。在该图像取得方法中，通过变更输入到空间光调制器的相位图案，从而能够变更被生成的条纹状的光的相位以及条纹的方向。因此，没有必要如现有技术那样设置用于变更条纹状的光的相位以及条纹的方向的可动机构，并且能够省略那些构件。因此，根据该图像取得方法，结构能够简易化。
本发明的一个方面所涉及的空间光调制单元是一种被用于结构化照明显微镜的空间光调制单元，具备：空间光调制器，具有被排列成二维的多个像素并且对多个像素的每个调制被输入的光的相位并输出调制后的光；控制部，按照分别对应于多个像素的相位值二维地分布的相位图案控制多个像素的每个的相位调制量；相位图案是基于规定的基本相位图案而被生成的相位图案，基本相位图案具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域、在规定的方向上与第1区域相对并且相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域。
在该空间光调制单元中，根据具有相位值沿着规定的方向连续增加的第1区域、相位值沿着规定的方向连续减少的第2区域的基本相位图案计算出相位图案。通过按照该相位图案用空间光调制器调制照明光，从而能够相对于观察对象物照射条纹状的光。在该空间光调制单元中，通过变更输入到空间光调制器的相位图案，从而能够变更被生成的条纹状的光的相位以及条纹的方向。因此，没有必要如现有技术那样设置用于变更条纹状的光的相位以及条纹的方向的可动机构，并且能够省略那些构件。因此，根据使用了该空间光调制单元的结构化照明显微镜，结构能够简易化。
发明的效果
根据本发明的一个方面，能够提供一种结构能够简易化的图像取得装置、图像取得方法以及空间光调制单元。
附图说明
图1是表示作为本发明的图像取得装置的一个实施方式的结构化照明显微镜的结构的方块图。
图2是表示在图1的光片显微镜中被使用的基本相图案的图。
图3是说明条纹状的照明光被生成的情况的概念图。
图4是表示被生成的条纹状的照明光的概念图。
图5是说明超分辨率图像的构筑方法的概念图。
图6是说明超分辨率图像的构筑方法的概念图。
图7是表示基本相位图案的第1变形例的图。
图8是说明使用第1变形例的基本相位图案来生成条纹状的光的情况的概念图。
图9是表示基本相位图案的第2～第4变形例的图。
图10是说明衍射光栅图案被重叠于基本相位图案的情况的图。
图11是说明透镜图案被重叠于基本相位图案的情况的图。
图12是表示基本相位图案的第5～第7变形例的图。
图13是表示由第5～第7变形例的基本相位图案生成的条纹状的照明光的概念图。
图14是表示基本相位图案的第8～第10变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的图像取得装置以及图像取得方法所涉及的实施方式进行详细的说明。还有，在以下的说明中将相同符号标注于相同或者相当要素，并省略重复的说明。
图1所表示的结构化照明显微镜(图像取得装置)1是一种通过将照明光L1照射于试样(观察对象物)S的表面并对伴随于此而从试样S发出的荧光或者反射光等的检测光L2进行摄像从而取得试样S的图像的装置。被照射于试样S的照明光L1成为具有规定的周期结构的条纹状的光(结构化照明光)。在结构化照明显微镜1中，如后面所述通过改变结构化照明光的相位以及条纹的方向来取得多个图像并且根据这些图像进行规定运算，从而能够构筑具有超越分辨极限的高分辨率的超分辨率图像。
成为观察对象物的试样S例如是包含荧光色素或者荧光基因等荧光物质的细胞或生物体等的样品。另外，试样S也可以是半导体装置或者薄膜等的样品。试样S在规定的波长区域的光(激发光或者照明光)被照射的情况下发出例如荧光等的检测光L2。试样S被容纳于例如至少具有相对于照明光L1以及检测光L2的透过性的保持器内。该保持器被保持于例如平台上。
如图1所示，结构化照明显微镜1具备光源11、准直透镜12、空间光调制器(SLM：Spatial Light Modulator)13、第1光学系统14、分色镜15、物镜16、第2光学系统17、光检测器18、控制部19。
光源11输出包含使试样S激发的波长的照明光L1。光源11例如出射相干光或者非相干光。作为相干光源例如可以列举激光二极管(LD)之类的激光光源等。作为非相干光源例如可以列举发光二级管(LED)、超发光二极管(SLD)、灯类光源等。作为激光光源优选使连续波(continuous wave)振荡的光源，也可以使用使超短脉冲光等脉冲光振荡的光源。作为使脉冲光振荡的光源也可以使用组合了输出脉冲光的光源、以及光快门或者脉冲调制用的AOM(Acousto-optic modulator(声光调制器))的单元。光源11也可以以输出包含多个波长区域的激发光L1的方式被构成。在此情况下，也可以由声光可调滤光器(acousto-optictunable filter)等的光学滤光器来选择性地使激发光L1的波长的一部分透过。
准直透镜12对从光源11输出的照明光L1进行平行化并输出被平行化了的照明光L1。SLM13是一种具有被排列成二维的多个像素并且对该多个像素的每个调制从光源11输出的照明光L1相位的相位调制型的空间光调制器。SLM13调制从准直透镜12被入射的照明光L1并朝向第1光学系统14输出被调制的照明光L1(第1步骤，调制步骤)。SLM13例如被构成为透过型或者反射型。在图1中表示透过型的SLM13。SLM13例如是折射率变化材料型SLM(例如LCOS(liquid crystal on silicon(硅基液晶))型SLM、LCD(liquid crystal display(液晶显示器)))、可变镜型SLM(例如，segment mirror(分块镜)型SLM、continuousdeformable mirror(连续变形镜)型SLM)、或者使用了电寻址型液晶元件或光寻址型液晶元件的SLM等。SLM14被电连接于控制部21的控制器23，并构成空间光调制单元。SLM14其驱动由控制器23来进行控制。关于利用控制部21的SLM14的控制的细节在后面进行叙述。
第1光学系统14以从SLM13输出的照明光L1被导光至物镜16的方式将SLM13和物镜16光学结合。在这里的第1光学系统14具有使来自SLM13的照明光L1在物镜16的瞳孔聚光的透镜14a。
分色镜15是一种用于分离照明光L1和检测光L2的光学元件。分色镜15例如以透过激发波长的照明光L1并反射荧光波长的检测光L2的方式被构成。另外，也可以替代分色镜15而使用偏光分束器。还有，分色镜15也可以以由分色镜15的前后的光学系统(例如第1光学系统14以及第2光学系统17)或者适用的显微镜的种类来反射照明光L1并透过荧光波长的检测光L2的方式被构成。
物镜16对被SLM13调制的照明光L1进行聚光并照射于试样S并且对伴随于此而从试样S发出的检测光L2进行导光(第2步骤)。物镜16由压电致动器或者步进电机等驱动元件而沿着其光轴能够进行移动地被构成。由此，能够调整照明光L1的聚光位置以及检测光L2的用于检测的焦点位置。
第2光学系统17以从物镜16被导光的检测光L2在光检测器18上被成像的方式将物镜16和光检测器18光结合。第2光学系统17具有在光检测器18的受光面上使来自物镜16的检测光L2成像的透镜17a。
光检测器18对被物镜16导光并在受光面上被成像的检测光L2进行摄像(第2步骤，摄像步骤)。光检测器18例如是CCD图像传感器或者CMOS图像传感器等区域(area)图像传感器。
控制部19由包含处理器以及存储器等的计算机20以及包含处理器以及存储器等的控制器21构成。计算机20例如是个人电脑或者智能设备，由处理器来控制物镜16以及光检测器18等的动作，并执行各种控制。
控制器21与计算机20电连接，按照图2所表示的那样的二维相位图案P控制SLM13上的多个像素的每个的相位调制量。相位图案P是与二维平面上的位置相关的相位值的图案，相位图案P中的各个位置对应于SLM13的多个像素。相位图案P的相位值被规定在0～2π弧度之间。在图2中，由颜色浓度来表示相位图案P的各部上的相位值。还有，相位图案P的相位值的上限也可以大于2π弧度。
控制器21对于SLM13的各个像素按照相位图案P中的对应于该像素的位置的相位值控制该像素的相位调制量。具体来说，例如在控制器21内设置将作为DVI(digital videointerface(数字视频接口))等的数字数据被输入的相位图案P的相位值转换成被施加于各个像素的驱动电压值的D/A转换部(数字-模拟转换器)。如果从计算机20将相位图案P输入到控制器21的话则控制器21由D/A转换部将相位图案P的相位值转换成驱动电压值，并将驱动电压值输入到SLM13。SLM13对应于被输入的驱动电压值将电压施加于各个像素。还有，例如SLM13具有D/A转换部，控制器21也可以将对应于相位图案P的数字数据输入到SLM13。在此情况下，用SLM13的D/A转换部来将相位图案P的相位值转换成驱动电压值。另外，也可以不进行D/A转换而SLM13根据从控制器21输出的数字信号控制被施加于各个像素的电压值。
相位图案P由控制部19的计算机20根据规定的基本相位图案31被计算出。基本相位图案31例如预先被存储在计算机20的存储器。通过按照根据基本相位图案31计算出的相位图案P用SLM13调制照明光L1，从而能够从物镜16照射条纹状的照明光L1。如后面所述，相位图案P也会有通过进一步将其他图案重叠于基本相位图案31来进行计算的情况，以下，对基本相位图案31就这样作为相位图案P被使用的情况进行说明。
如图2所示，基本相位图案31被设定在矩形状的范围内。基本相位图案31具有相位值沿着规定的方向D1连续增加的矩形状的第1区域32、在方向D1上与第1区域32相对并且相位值沿着方向D1连续减少的矩形状的第2区域33。即，在第1区域32和第2区域33，相位值进行增减的方向成为互相相反。还有，在某个区域所谓“相位值连续增加”是指相位值遍布该区域全体不间断地连续。另外，相位值为0弧度的情况和相位值为2π弧度的情况是指相同状态，即使相位值跨越0弧度和2π弧度之间进行变化，相位值也连续。
在第1区域32，相位值沿着方向D1直线增加。在第2区域33，相位值沿着方向D1直线减少。即使在第1区域32以及第2区域33的任一区域，相位值也均仅变化2π弧度。即，第1区域32中的相位值的斜率(增加的比例)的绝对值和第2区域33中的相位值的斜率(减少的比率)的绝对值相等。即使在第1区域32以及第2区域33的任一区域，相位值也均沿着与方向D1相正交的方向D2而成为一定。第1区域32和第2区域33互相邻接，相位值在其边界进行连续。在该例子中，边界上的相位值成为0弧度。基本相位图案31关于通过方向D1上的中心并且与方向D1相正交的直线(中心线)C而成为线对称。在该例子中，第1区域32和第2区域33的边界位于中心线C上。
图3是说明通过按照基本相位图案31用SLM13调制照明光L1从而条纹状的照明光L1被生成的情况的概念图。图3(a)是表示从对应于方向D2的方向d2观察的情况下的照明光L1的光路的图，图3(b)是表示从对应于方向D1的方向d1观察的情况下的照明光L1的光路的图。在图3(a)中，作为入射到第1区域32的照明光L1的光路的例子，按从物镜16的光轴X起的距离小的顺序表示3个照明光A1,B1,C1。另外，作为入射到第2区域33的照明光L1的光路的例子，按从光轴X起的距离小的顺序表示3个照明光A2,B2,C2。
如图3(a)所示，照明光A1,A2在SLM13上其相位只延迟了规定量。在照明光B1,B2中，在SLM13上的相位的延迟量大于照明光A1,A2。在照明光C1,C2中，在SLM13上的相位的延迟量小于照明光A1,A2，相位在SLM13上基本上没有变化。如图3(b)所示，在从方向d1观察的情况下，照明光L1的相位在SLM13上不发生变化。综上所述，在沿着图3的直线Y1的位置上生成如图4所表示的那样的条纹状的照明光L1。在该例子中，条纹状的照明光L1沿着与光轴X相正交的平面被生成。
在结构化照明显微镜1中，通过变更被输入到SLM13的相位图案P，从而能够控制被生成的条状的照明光L1的相位以及条状的方向。例如，通过变更第1区域32以及第2区域33中的相位值的偏置(offset)值(初始相位值)，从而能够变更被生成的条纹状的照明光L1的相位。另外，例如，通过变更相位值在第1区域32以及第2区域33进行变化的方向D1的角度，从而能够变更被生成的照明光L1的条纹的方向。
接着，对基于结构化照明显微镜1的超分辨率图像的构筑方法进行说明。结构化照明法的基本原理例如在下述参考文献1中记载。
(参考文献1)及川义明，超分辨率显微镜的技术和应用，显微镜Vol.47,No.4,2012
在结构化照明法中，具有某个已知空间频率的条纹状的照明光L1被照射于试样S。如果条纹状的照明光L1被照射到不能够由现有的显微镜来进行分辨的程度的微小结构的话则会显现空间频率低的模样(moire(莫尔条纹))。此时，如果将试样S的微小结构的空间频率设定为V1；将照明光L1的空间频率设定为V2；将莫尔条纹的空间频率设定为V3的话则以下所述式(1)的关系成立。
V1＝V2+V3(1)
在此，因为V2为已知并且莫尔条纹的空间频率V3从图像读取，所以能够从这些V2,V3计算出试样S的空间频率V1。
再有，通过使用改变条纹状的照明光L1的相位以及条纹的方向而取得的图像，从而能够使能够由现有的显微镜进行分辨的低频成分和包含于莫尔条纹的超分辨率成分(高频成分)互相分离。例如，如果如图5所示将角度互相相差各120度的3个方向设为第1方向S1、第2方向S2、以及第3方向S3的话则可取得由各个照明光即条纹的方向与第1方向S1相一致并且相位互相不同的3个条纹状的照明光P1,P2,P3、条纹的方向与第2方向S2相一致并且相位互相不同的3个条纹状的照明光Q1,Q2,Q3、以及条纹的方向与第3方向S3相一致并且相位互相不同的3个条纹状的照明光R1,R2,R3进行照明的9张试样S的图像。
接着，如图6所示对这些9个图像施以傅里叶变换并将9个图像变换成频率空间上的傅里叶图像。接着，傅里叶图像的超分辨率成分在频率空间上被再配置于本来的空间频率的位置。由此，所表现出的空间频率的范围Z1以现有的空间频率的范围Z2的2倍被扩张。接着，对由再配置获得的图像施以傅里叶逆变换。根据以上所述，能够构筑真实空间上的超分辨率图像。
如以上所说明的那样，在结构化照明显微镜1中根据具有相位值沿着方向D1连续增加的第1区域32、相位值沿着方向D1连续减少的第2区域33的基本相位图案31计算出相位图案P。通过按照该相位图案P以SLM13调制照明光L1，从而能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照明光L1。在结构化照明显微镜1中，通过变更输入到SLM13的相位图案P，从而能够变更被生成的条纹状的照明光L1的相位以及条纹的方向。因此，没有必要如现有技术那样设置用于变更条纹状的照明光L1的相位以及条纹的方向的可动机构，并且能够省略那些构件。因此，根据结构化照明显微镜1，结构能够简易化。
在结构化照明显微镜1中，在第1区域32相位值沿着方向D1直线增加，在第2区域33相位值沿着方向D1直线减少。由此，因为基本相位图案31被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的照明光L1，并且结构能够进一步简易化。即，在第1区域32以及第2区域33的至少一方相位值沿着方向D1不直线增加，在此情况下恐怕用于生成条纹状的照明光L1的第1光学系统14或者物镜16等光学系统的结构会复杂化。相对于此，在结构化照明显微镜1中即使在第1区域32以及第2区域33的任一区域相位值也均沿着方向D1直线增加，所以用于生成条纹状的照明光L1的光学系统的结构被简易化。
在结构化照明显微镜1中，基本相位图案31关于直线C而成为线对称。由此，能够获得在沿着物镜16的光轴X的方向(深度方向)上进行伸长的条纹状的光。另外，在结构化照明显微镜1中，基本相位图案31成为左右对称(关于通过方向D2上的中心并且与方向D2相正交的直线而成为线对称)。由此，能够缓和由自复原效应(self-healing effect)引起的散射的影响，并且能够生成不仅到达试样S的表面而且到达深部的照明光L1。
在结构化照明显微镜1中，第1区域32和第2区域33互相邻接并且在其边界上相位值连续。由此，因为基本相位图案31被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的照明光L1，并且结构能够进一步简易化。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限于上述实施方式。例如，也可以使用图7所表示的第1变形例的基本相位图案31A。在基本相位图案31A的第2区域33A，相位值沿着方向D1只直线减少4π弧度。即，第1区域32中的相位值的斜率的绝对值与第2区域33A中的斜率的绝对值不同。基本相位图案31A关于中心线C而成为非线对称。在该例子中第1区域32与第2区域33A的边界也位于中心线C上。
即使是在这样的基本相位图案31A被使用的情况下，也如图8所示通过按照基本相位图案31A用SLM13调制照明光L1从而生成条纹状的照明光L1。在此情况下，如图8(a)所示在入射到第2区域33A的照明光A2中，在SLM13上的相位的延迟量大于入射到第1区域32的照明光A1。同样，在照明光B2中在SLM13上的相位的延迟量大于照明光B1，在照明光C2中在SLM13上的相位的延迟量大于照明光C1。由此，在沿着与上述实施方式的情况不相同的图8的直线Y2的位置上生成条纹状的照明光L1。在此情况下条纹状的照明光L1也沿着与光轴X相正交的平面被生成。
这样，即使由第1变形例也与上述实施方式的情况相同，能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照射光L1，并且结构能够简易化。另外，在第1变形例中因为基本相位图案31关于直线C而成为非线对称，所以能够调整条纹状的光中的条纹的发生位置或深度、伸长量。
也可以使用图9所表示的第2变形例的基本相位图案31B、第3变形例的基本相位图案31C、或者第4变形例的基本相位图案31D。在基本相位图案31B的第1区域33B，相位值沿着方向D1只直线增加4π弧度。即，第1区域32B中的相位值的斜率的绝对值和第2区域33A中的相位值的斜率的绝对值相等。
在基本相位图案31C中，第1区域32和第2区域33的方向D1上的位置关系成为与上述实施方式的情况相反。即。相对于在上述的基本相位图案31中在第1区域32自边界(中心线C)起的距离变得越大则相位值越增加并且在第2区域33自边界起的距离变得越小则相位值越减少，在基本相位图案31C中在第1区域32自边界起的距离变得越小则相位值越增加并且在第2区域33自边界起的距离变得越大则相位值越减少。
在基本相位图案31D中，与上述第3变形例相同，第1区域32D和第2区域33D的方向D1上的位置关系成为与上述实施方式的情况相反。再有，在基本相位图案31D中，在第1区域32D相位值沿着方向D1只直线增加4π弧度且在第2区域33D相位值沿着方向D1只直线减少4π弧度。基本相位图案31B～31D关于中心线C而成为线对称。即使在基本相位图案31B～31D中第1区域32与第2区域33A的边界也位于中心线C上。
即使是在这些基本相位图案31B～31D被使用的情况下也与上述实施方式的情况相同，能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照明光L1，并且结构简易化。
如图10所示，也可以通过将衍射光栅状的衍射光栅图案41重叠于基本相位图案31从而计算出相位图案P。衍射光栅图案41在方向D2上成为衍射光栅状。如图11所示，例如也可以通过将菲涅尔透镜等的透镜状的透镜图案42重叠于基本相位图案31从而计算出相位图案P。还有，也可以通过将衍射光栅图案41或者透镜图案42重叠于基本相位图案31A～31C从而计算出相位图案P。
即使是在这些情况下也与上述实施方式的情况相同，能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照明光L1，并且结构能够简易化。另外，不设置衍射光栅或者透镜元件而能够将照明光的相位设为衍射光栅状或者透镜状。因此，能够进一步简化结构。
也可以使用如图12所表示的第5变形例的基本相位图案31E、第6变形例的基本相位图案31F、或者第7变形例的基本相位图案31G。基本相位图案31E,31F,31G除了第1区域32E,32F,32G以及第2区域33E,33F,33G之外还具有相位值为一定的第3区域34E,34F,34G。第1区域32E,32F,32G以及第2区域33E,33F,33G成为与上述实施方式的第1区域32以及第2区域33中的所对应的部分相同。即，从第1区域32以及第2区域33除去第3区域34E,34F,34G的部分成为第1区域32E,32F,32G以及第2区域33E,33F,33G。
基本相位图案31E具有第1区域32E、第2区域33E、第3区域34E。第3区域34E为矩形，并且在方向D1上被配置于第1区域32E与第2区域33E之间。在第1区域32E与第3区域34E的边界以及第2区域33E与第3区域34E的边界的各个上，相位值连续。
基本相位图案31F具有2个第1区域32F,32F、2个第2区域33F,33F、2个第3区域34F,34F。第3区域34F,34F的一方在方向D1上被配置于第1区域32F,32F之间，第3区域34F,34F的另一方在方向D1上被配置于第2区域33F,33F之间。在第1区域32F与第3区域34F的区域，相位值变得不连续。在第2区域33F与第3区域34F的边界上，相位值连续。
基本相位图案31G具有2个第3区域34G,34G。在基本相位图案31G中，第3区域34G,34G的一方相对于第1区域32G在方向D1上被配置于与第2区域33G相反侧，第3区域34G,34G的另一方相对于第2区域33G在方向D1上被配置于与第1区域32G相反侧。在该例子中，第3区域34G,34G分别在基本相位图案31G中被配置于方向D1的两端。在第1区域32G与第3区域34G的边界以及第2区域33G与第3区域34G的边界的各个上，相位值连续。基本相位图案31E～31G关于中心线C而成为线对称。
即使由这样的基本相位图案31E～31G也与上述实施方式的情况相同，能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照明光L1，并且结构能够简易化。另外，因为基本相位图案31E～31G被单纯化，所以没有必要将复杂的光学元件等用于生成条纹状的光，并且结构能够更进一步简易化。
再有，根据基本相位图案31E～31G，能够生成沿着光轴方向被结构化的三维的结构化照明光，所谓光轴方向是沿着物镜16的光轴X的方向。即，在使用具有相位值为一定的第3区域34E,34F,34G的基本相位图案31E～31G的情况下，例如，在光轴方向的第1位置上如图13(a)所示生成间隙51以一定间隔被形成于条纹上的条纹状的照明光L1。另一方面，在与光轴方向的第1位置不同的第2位置上如图13(b)所示生成间隙52被形成于与图13(a)的情况不同的位置的条纹状的照明光L1。这样，在使用基本相位图案31E～31G的情况下，按照物镜16的光轴方向上的位置被生成的照明光L1的相位发生变化，并且能够生成即使沿着光轴方向也被结构化的三维的结构化照明光。
通过使用该三维的结构化照明，从而能够构筑三维超分辨率图像。即，例如，通过在光轴方向上移动物镜16的焦点位置，从而在光轴方向的多个位置上取得试样S的图像。此时，在各个位置上，例如与上述实施方式的情况相同改变相位以及条纹的方向并取得多个图像。通过互相组合(在三维方向上累计)在基于由此取得的多个图像而被构筑的各个位置上的二维的超分辨率图像，从而能够构筑即使沿着光轴方向也被结构化的三维的超分辨率图像。
或者，作为构筑三维的超分辨率图像的方法也可以使用下述参考文献2所记载的方法。在该方法中，不是从在光轴方向的各个位置被取得的图像构筑二维的超分辨率图像，而是直接构筑三维的超分辨率图像。
(参考文献2)MatsG.L.Gustafsson,Lin Shao Peter M.Carlton,C.J.RachelWang,Inna N.Golubovskaya,W.Zacheus Cande,David A.Agard,and John W.Sedat,“Three-dimensionalresolution doubling in wide-field fluorescence microscopyby structuredillumination”,June 2008/Vol.94,No.12/Biophysical Journalpp.4957-70
即，相对于在二维的情况下切割出圆形状的区域并在频率空间上进行再配置(图6)，在三维的情况下可以例如切割出中央部塌陷的圆盘状的区域并在三维的频率空间上进行再配置。例如，通过立体性地再配置改变照明光L1的相位以及条纹的方向而获得的18个(对于3个方向的各个各6个)傅里叶图像并且相对于由再配置获得的图像进行三维的傅里叶逆变换，从而能够构筑即使沿着光轴方向也被结构化的三维的超分辨率图像。
也可以使用图14所表示的第8变形例的基本相位图案31H、第9变形例的基本相位图案31I、或者第10变形例的基本相位图案31J。基本相位图案31H在下述方面与上述基本相位图案31E不同：相位在第3区域34H成为0弧度，相位值分别在第1区域32E与第3区域33H的边界以及第2区域33E与第3区域34H的边界变得不连续。
基本相位图案31I在下述方面与上述基本相位图案31F不同：相位在第2个第3区域34I成为0弧度，相位值分别在第1区域32F与第3区域33I的边界以及第2区域33F与第3区域34I的边界变得不连续。基本相位图案31J在下述方面与上述基本相位图案31G不同：相位在第2个第3区域34J成为0弧度，相位值分别在第1区域32G与第3区域33J的边界以及第2区域33G与第3区域34J的边界变得不连续。
即使由这样的基本相位图案31H～31J也与上述实施方式的情况相同，能够从物镜16相对于试样S照射条纹状的照明光L1，并且结构能够简易化。另外，能够生成即使沿着物镜16的光轴方向也被结构化的三维的结构化照明光。
在上述实施方式中，也可以替代荧光而对来自试样S的反射光进行摄像，或者，也可以对透过试样S的透过光进行摄像。在这些情况下，照射到试样S的照明光L1也可以不是激发光。在上述实施方式中，控制部19也可以将用于像差修正的图案重叠于基本相位图案31并计算出相位图案P。该用于像差修正的图案也可以根据从光检测器18输出的图像数据进行制作。由此，能够进行反馈修正。
上述实施方式的照明光L1在光轴X上以薄片状进行成像。因此，本发明的图像取得装置也能够适用于光片显微镜。在光片显微镜中将薄片状的激发光(照明光L1)照射于试样S，并对伴随于照明光L1的照射而从试样S发出的检测光L2进行摄像。光片显微镜例如具备将由SLM13调制的照明光L1照射于试样S的第1物镜、向光检测器18对伴随于来自第1物镜的照明光L1的照射而从试样S发出的检测光L2进行导光的第2物镜来构成。第1物镜的光轴和第2物镜的光轴例如正交(交叉)。然后，照明光L1的聚光位置沿着与第1物镜的光轴相正交的方向相对于试样S被扫描，并在各个聚光位置上取得试样S的图像。在光片显微镜中，因为照明光L1被照射到试样S的区域窄，所以例如能够抑制光褪色或者光毒性等的试样S的劣化并且图像取得能够高速化。
符号的说明
1…结构化照明显微镜(图像取得装置)、11…光源、13…空间光调制器、16…物镜、18…光检测器、19…控制部、20…计算机、21…控制器、31…基本相位图案、32…第1区域、33…第2区域、34E～34J…第3区域、41…衍射光栅图案、42…透镜图案、C…直线(中心线)、D1…规定的方向、L1…照明光、L2…检测光、P…相位图案、S…试样(观察对象物)。

Claims (11)

1.一种图像取得装置，其特征在于：
是照射结构化照明光来取得观察对象物的图像的图像取得装置，
具备：
光源，输出光；
空间光调制器，具有被排列成二维的多个像素并且对所述多个像素的每个像素调制从所述光源输出的光的相位；
物镜，将所述被调制的光照射于所述观察对象物；
光检测器，对来自所述观察对象物的光的图像进行摄像；以及
控制部，按照分别对应于所述多个像素的相位值二维地分布的相位图案，控制所述多个像素的每个像素的相位调制量，
所述相位图案是基于规定的基本相位图案而被生成的相位图案，
所述基本相位图案具有所述相位值沿着规定的方向连续地增加的第1区域、以及在所述规定的方向上与所述第1区域相对并且所述相位值沿着所述规定的方向连续地减少的第2区域，
所述基本相位图案关于通过所述规定的方向上的中心并且与所述规定的方向相正交的直线而成为非线对称，
所述第1区域中的所述相位值的斜率的绝对值和所述第2区域中的所述相位值的斜率的绝对值不同。
2.如权利要求1所述的图像取得装置，其特征在于：
在所述第1区域中，所述相位值沿着所述规定的方向直线地增加，在所述第2区域中，所述相位值沿着所述规定的方向直线地减少。
3.如权利要求1或者2所述的图像取得装置，其特征在于：
所述第1区域和所述第2区域互相邻接并且在其边界上所述相位值连续。
4.如权利要求1或者2所述的图像取得装置，其特征在于：
所述基本相位图案进一步具有所述相位值为一定的第3区域。
5.如权利要求4所述的图像取得装置，其特征在于：
所述第3区域在所述规定的方向上被配置于所述第1区域与所述第2区域之间。
6.如权利要求4所述的图像取得装置，其特征在于：
所述基本相位图案具有2个所述第1区域、2个所述第2区域、以及2个所述第3区域，
所述第3区域的一方在所述规定的方向上被配置于所述第1区域之间，所述第3区域的另一方在所述规定的方向上被配置于所述第2区域之间。
7.如权利要求4所述的图像取得装置，其特征在于：
所述基本相位图案具有2个所述第3区域，
所述第3区域的一方相对于所述第1区域在所述规定的方向上被配置于与所述第2区域相反侧，所述第3区域的另一方相对于所述第2区域在所述规定的方向上被配置于与所述第1区域相反侧。
8.如权利要求1～7中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述相位图案是衍射光栅状的衍射光栅图案和所述基本相位图案被重叠后的相位图案。
9.如权利要求1～8中的任意一项所述的图像取得装置，其特征在于：
所述相位图案是透镜状的透镜图案和所述基本相位图案被重叠后的相位图案。
10.一种图像取得方法，其特征在于：
是照射结构化照明光来取得观察对象物的图像的图像取得方法，
包含：
调制步骤，由具有被排列成二维的多个像素的空间光调制器，对所述多个像素的每个像素调制从光源输出的光的相位；以及
摄像步骤，将所述被调制的光照射于所述观察对象物并对来自所述观察对象物的光的图像进行摄像，
在所述调制步骤中，按照基于规定的基本相位图案而被生成并且分别对应于所述多个像素的相位值二维地分布的相位图案，控制所述多个像素的每个像素的相位调制量，
所述基本相位图案具有所述相位值沿着规定的方向连续地增加的第1区域、以及在所述规定的方向上与所述第1区域相对并且所述相位值沿着所述规定的方向连续地减少的第2区域，
所述基本相位图案关于通过所述规定的方向上的中心并且与所述规定的方向相正交的直线而成为非线对称，
所述第1区域中的所述相位值的斜率的绝对值和所述第2区域中的所述相位值的斜率的绝对值不同。
11.一种空间光调制单元，其特征在于：
是被用于结构化照明显微镜的空间光调制单元，
具备：
空间光调制器，具有被排列成二维的多个像素并且对所述多个像素的每个像素调制被输入的光的相位并输出调制后的光；以及
控制部，按照分别对应于所述多个像素的相位值二维地分布的相位图案，控制所述多个像素的每个像素的相位调制量，
所述相位图案是基于规定的基本相位图案而被生成的相位图案，
所述基本相位图案具有所述相位值沿着规定的方向连续地增加的第1区域、以及在所述规定的方向上与所述第1区域相对并且所述相位值沿着所述规定的方向连续地减少的第2区域，
所述基本相位图案关于通过所述规定的方向上的中心并且与所述规定的方向相正交的直线而成为非线对称，
所述第1区域中的所述相位值的斜率的绝对值和所述第2区域中的所述相位值的斜率的绝对值不同。
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