JP2000275530A - Confocal microscope - Google Patents

Confocal microscope

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JP2000275530A
JP2000275530A JP11080026A JP8002699A JP2000275530A JP 2000275530 A JP2000275530 A JP 2000275530A JP 11080026 A JP11080026 A JP 11080026A JP 8002699 A JP8002699 A JP 8002699A JP 2000275530 A JP2000275530 A JP 2000275530A
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Japan
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image
confocal
light
sample
opening
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11080026A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomio Endo
富男 遠藤
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Priority to US10/086,152 priority patent/US6778323B2/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an optimum confocal image while nearly equalizing the lightness of a light field image to the lightness of a confocal image of a composite image. SOLUTION: This microscope is equipped with a random pinhole pattern part 201 which has pinhole parts 206 arranged at random and also has transmissivity (k), a rotary disk 104 which is k2 as large as the area of the random pinhole pattern part 201 and has an opening part 202 transmitting light, a means which guides the light from a light source to the disk 104, a means which guides the light transmitted through the disk 104 to a sample, a means which irradiates the rotary disk 104 with the light from the sample again, a means which selectively picks up the composite image including a confocal component and a nonconfocal component of the sample obtained by being transmitted through the pinhole pattern part 201 at random and the light field image of the sample obtained by being transmitted through the opening part 202, and a means which obtains the confocal image of the sample by subtracting the light field image from the composite image, on a light-shielding mask 205.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光を利用して試料
の微小構造や3次元の形状を高速に観察・測定する共焦
点顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a confocal microscope for observing and measuring a microstructure or a three-dimensional shape of a sample at high speed using light.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の代表的な高速な共焦点顕微鏡とし
て、多数のピンホールをその径の10倍程度の間隔で螺
旋状に配置したニポウディスクを用いた共焦点顕微鏡が
ある。ニポウディスクを用いた共焦点顕微鏡は、隣接す
るピンホールからのクロストークを除く必要があるた
め、ピンホールの配置間隔を大きくせざるを得ない。そ
のため、光源からの光の利用率が1%程度と低く、暗い
画像しか得られなかった。
2. Description of the Related Art As a conventional typical high-speed confocal microscope, there is a confocal microscope using a Nipkow disk in which a large number of pinholes are spirally arranged at intervals of about 10 times the diameter. In a confocal microscope using a Nipkow disc, it is necessary to eliminate crosstalk from an adjacent pinhole, and therefore the arrangement interval of the pinholes must be increased. Therefore, the utilization rate of light from the light source was as low as about 1%, and only a dark image was obtained.

【0003】ディスクを用いた共焦点顕微鏡の改良とし
て、R.Juskaitis,T.Wilsonらが、
“Efficient real-time confocal microscopy with whi
te light soreces”Nature Vol1.,383 Oct.1996 p804-8
06に発表した技術がある。図5に、このT.Wilso
nらの共焦点顕微鏡の構成を示す。
[0003] As an improvement of a confocal microscope using a disk, R.S. Juskaitis, T .; Wilson et al.
“Efficient real-time confocal microscopy with whi
te light soreces ”Nature Vol1., 383 Oct. 1996 p804-8
There is a technology announced in 06. FIG. Wilso
1 shows the configuration of a confocal microscope of N et al.

【0004】図5に示すように、ハロゲン光源又は水銀
光源等の光源101から出射される光の光路上に光学レ
ンズ102、ハーフミラー103が配置されている。ハ
ーフミラー103の反射光路上に、回転ディスク50
1、対物レンズ105及び試料106が配置されてい
る。
As shown in FIG. 5, an optical lens 102 and a half mirror 103 are arranged on an optical path of light emitted from a light source 101 such as a halogen light source or a mercury light source. The rotating disk 50 is placed on the reflected light path of the half mirror 103.
1. The objective lens 105 and the sample 106 are arranged.

【0005】回転ディスク501は、図6に示すよう
に、ピンホールがランダムに配置されたランダムピンホ
ールパターン部601と、光が自由に通過可能な開口部
602が設けられている。さらに、ランダムピンホール
パターン部601と開口部602との間に光を遮断する
遮蔽部603,604が設けられている。また、回転デ
ィスク501は、回転軸107を介して図示しないモー
タの軸に連結され、一定の回転速度で回転するようにな
っている。
As shown in FIG. 6, a rotating disk 501 is provided with a random pinhole pattern portion 601 in which pinholes are randomly arranged, and an opening 602 through which light can freely pass. Further, shielding portions 603 and 604 for blocking light are provided between the random pinhole pattern portion 601 and the opening portion 602. The rotating disk 501 is connected to a motor shaft (not shown) via a rotating shaft 107, and rotates at a constant rotation speed.

【0006】試料106からの反射光は、対物レンズ1
05,回転ディスク501,ハーフミラー103,及び
集光レンズ108を介してCCDカメラ109に入射す
る。CCDカメラ109は、回転ディスク501の回転
速度に同期して撮像タイミングが制御され、ランダムピ
ンホールパターン部601と開口部602を通過した二
つの画像をそれぞれ撮像する。
[0006] The reflected light from the sample 106 is
05, the rotating disk 501, the half mirror 103, and the condenser lens 108, and then enter the CCD camera 109. The imaging timing of the CCD camera 109 is controlled in synchronization with the rotation speed of the rotating disk 501, and each of the CCD cameras 109 captures two images that have passed through the random pinhole pattern unit 601 and the opening 602.

【0007】CCDカメラ109の出力画像は、コンピ
ュータ502に蓄積される。ランダムピンホールパター
ン部601を通過して得られた画像は、ピンホールの密
度が通常のニポウディスクの数十倍であるために、共焦
点像に非共焦点像が加わった像である。
[0007] The output image of the CCD camera 109 is stored in the computer 502. The image obtained by passing through the random pinhole pattern portion 601 is an image obtained by adding a non-confocal image to a confocal image because the density of pinholes is several tens times that of a normal Nipkow disc.

【0008】この共焦点成分を含む非共焦点画像と、開
口部602から得られる明視野像の減算によって、共焦
点画像のみが得られる。この演算された共焦点画像は、
モニタ115に表示される。
[0008] Only the confocal image is obtained by subtracting the non-confocal image containing the confocal component from the bright-field image obtained from the opening 602. This calculated confocal image is
It is displayed on the monitor 115.

【0009】ニポウディスク型の共焦点顕微鏡におい
て、光源からの入射光に対して利用できる試料からの反
射光は、0.5〜1%であったが、T.Wilson等
の共焦点顕微鏡では、入射光に対して利用できる反射光
は、25〜50%であり、より明るい画像が得られると
報告している。
In the Nipkow disk type confocal microscope, the reflected light from the sample which can be used for the incident light from the light source is 0.5 to 1%. Wilson et al. Report that the available reflected light for incident light is 25-50%, resulting in a brighter image.

【0010】また、N.A.A.Neil, T.Wilson and R.Juska
itis, "A Light Efficient Optically Sectioning Micr
oscope"Journal of Microscopy, Vlo.189, pt.2, (199
8),PP.114-117には、ランダムに配置されたピンホール
の替わりに、図7に示すように、遮光部分と透過部分を
多数直線状に並べたラインパターン部701と、光が自
由に通過できる開口部702がありラインパターン部7
01と開口部702との間に光を遮断する遮光部70
3,704があるディスクでも同じ処理を行えば、共焦
点画像が得られることが述べられている。
Also, NAANeil, T. Wilson and R. Juska
itis, "A Light Efficient Optically Sectioning Micr
oscope "Journal of Microscopy, Vlo.189, pt.2, (199
8), PP.114-117 has a line pattern section 701 in which a number of light-shielding portions and transmissive portions are arranged in a straight line as shown in FIG. There is an opening 702 that can pass through the line pattern portion 7
01 and an opening 702, a light shielding unit 70 for blocking light
It is described that a confocal image can be obtained by performing the same processing on a disk having 3,704.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のディス
ク走査型共焦点顕微鏡には以下のような欠点があった。
T.Wilsonらのディスク走査型共焦点顕微鏡(国
際公開番号:WO 97/31282)では、従来のニ
ポウディスクを使うディスク走査型共焦点顕微鏡に対し
て、数十倍明るいが、共焦点画像を得るためには、ピン
ホール部分を透過して得られる共焦点像と非共焦点像と
が重なった像(以下複合像と呼ぶ)から、ディスクの透
過部分で得られる明視野像を引き算する必要がある。
However, the conventional disk scanning confocal microscope has the following disadvantages.
T. The disc-scanning confocal microscope of Wilson et al. (International Publication No. WO 97/31282) is several tens times brighter than the disc-scanning confocal microscope using a conventional Nipkow disc. It is necessary to subtract the bright-field image obtained in the transmission portion of the disc from the image in which the confocal image and the non-confocal image obtained through the pinhole portion overlap (hereinafter, referred to as a composite image).

【0012】しかし、複合像の共焦点像部分の明るさと
非共焦点像部分の明るさの割合はピンホールの密度や対
物レンズのNAによって変化する。ところが、ランダム
ピンホールパターン部での複合像の非共焦点像部分の明
るさと、開口部で得られる明視野像の明るさとの関係に
ついては、知られていなかった。そのため、最適な共焦
点画像を得ることが困難であった。
However, the ratio of the brightness of the confocal image portion to the brightness of the non-confocal image portion of the composite image changes depending on the pinhole density and the NA of the objective lens. However, the relationship between the brightness of the non-confocal image portion of the composite image in the random pinhole pattern portion and the brightness of the bright field image obtained in the opening has not been known. Therefore, it has been difficult to obtain an optimal confocal image.

【0013】また、さらに、透過部分が直線状のライン
パターン部を有するディスクでは、直線に平行な方向で
は共焦点成分が含まれないが、直線と垂直方向には共焦
点成分が含まれるために画像中の開口ラインの方向によ
って共焦点効果が異なるという欠点があった。
Further, in a disc having a line pattern portion whose transmission portion is linear, a confocal component is not included in a direction parallel to the straight line, but a confocal component is included in a direction perpendicular to the straight line. There is a disadvantage that the confocal effect varies depending on the direction of the aperture line in the image.

【0014】本発明の目的は、複合画像の非共焦点像部
分の明るさと、明視野画像の明るさとをほぼ等しくし、
最適な共焦点画像が取得し得る共焦点顕微鏡を提供する
ことにある。
It is an object of the present invention to make the brightness of the non-confocal image portion of the composite image substantially equal to the brightness of the bright-field image,
An object of the present invention is to provide a confocal microscope capable of obtaining an optimal confocal image.

【0015】また、本発明の別の目的は、直線状の遮光
部分と透過部分とを交互に配列した透過部を有する共焦
点顕微鏡用回転板において、比較的均一な共焦点画像が
得ることが可能な回転板を具備する共焦点顕微鏡を提供
することにある。
Another object of the present invention is to obtain a relatively uniform confocal image in a rotating plate for a confocal microscope having a transmission portion in which linear light-shielding portions and transmission portions are alternately arranged. It is to provide a confocal microscope with a possible rotating plate.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】[構成]本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。
Means for Solving the Problems [Configuration] The present invention is configured as follows to achieve the above object.

【0017】(1) 本発明(請求項1)の共焦点顕微
鏡は、試料に対して光を照射する照明手段と、前記照明
手段から照射された光を透過する部位と遮蔽される部位
とが混在しており、光の透過率がkである半透過領域
と、前記照明手段から照射された光を透過する開口領域
とを交互に切り換え可能な切り換え手段と、前記半透過
領域を透過して得られる前記試料の共焦点像と非共焦点
像とを重ね合わせた複合像と、前記開口領域を透過して
得られる前記試料の明視野像とをそれぞれ選択的に撮像
する撮像手段と、この撮像手段で撮像した複合像と明視
野像とから前記試料の共焦点画像を得る手段とを具備し
てなる共焦点顕微鏡であって、前記開口領域の面積は、
前記半透過領域のほぼk2 倍であることを特徴とする。
(1) In the confocal microscope according to the present invention (claim 1), the illumination means for irradiating the sample with light, and a portion through which light emitted from the illumination means is transmitted and a portion which is shielded are provided. A semi-transmissive region that is mixed and has a light transmittance of k, and a switching unit that can alternately switch between an opening region that transmits light emitted from the illumination unit and a translucent region that transmits the semi-transmissive region. An image pickup unit for selectively picking up a composite image obtained by superimposing a confocal image and a non-confocal image of the sample obtained, and a bright field image of the sample obtained through the opening region, A confocal microscope comprising means for obtaining a confocal image of the sample from a composite image and a bright field image taken by an imaging means, wherein the area of the aperture region is
It is characterized by being approximately k 2 times the semi-transmissive region.

【0018】なお、本発明においては、前記切り換え手
段は、光が透過する直線状の開口部位が複数配列されて
光の透過率がkである前記半透過領域を具備し、回転軸
を中心に回転自在な円盤であり、前記円盤の半透過領域
は、前記回転軸を頂点とする中心角が90゜以上の扇形
状であることが好ましい。
In the present invention, the switching means includes the semi-transmissive region in which a plurality of linear openings through which light is transmitted are arranged and the transmittance of the light is k. Preferably, the disk is a rotatable disk, and the semi-transmissive region of the disk has a fan shape having a central angle of 90 ° or more with the rotation axis as a vertex.

【0019】[作用]本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。
[Operation] The present invention has the following operation and effects by the above configuration.

【0020】前記開口領域の面積を透過率がkである前
記半透過領域の面積のk2 倍にする事により、撮像手段
で撮影された共焦点と非共焦点の複合画像と開口部で得
られる非共焦点との明るさがほぼ同じとなり、最適な共
焦点画像を取得することができる。
By making the area of the aperture region k 2 times the area of the translucent region having a transmittance of k, the confocal and non-confocal composite image taken by the imaging means and the aperture can be obtained. The brightness of the non-confocal image becomes almost the same as that of the non-confocal image, and an optimal confocal image can be obtained.

【0021】光が透過する直線状の部位と光が遮蔽され
る直線状の部位とが交互に配列されて光の透過率がkで
ある半透過領域の角度を90゜以上にすることで、画像
中での光が透過する直線状の部位の方向による共焦点成
分のばらつきが平均化され、比較的均一な共焦点画像を
得ることができる。
A linear portion through which light is transmitted and a linear portion through which light is shielded are alternately arranged so that the angle of the semi-transmissive region where the light transmittance is k is 90 ° or more. Variations in confocal components due to the direction of a linear portion through which light passes in the image are averaged, and a relatively uniform confocal image can be obtained.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0023】[第1実施形態]図1は、本発明の第1実
施形態に係わる共焦点顕微鏡の概略構成を示すブロック
図である。また、図2は、図1の共焦点顕微鏡に用いら
れる回転ディスクの構成を示す平面図である。
[First Embodiment] FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a confocal microscope according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing the configuration of a rotating disk used in the confocal microscope of FIG.

【0024】図1に示すように、ハロゲン光源又は水銀
光源等の光源101から出射される光の光路上に光学レ
ンズ102、ハーフミラー103が配置されている。ハ
ーフミラー103の反射光路上に、回転ディスク10
4,対物レンズ105及び試料106が配置されてい
る。
As shown in FIG. 1, an optical lens 102 and a half mirror 103 are arranged on an optical path of light emitted from a light source 101 such as a halogen light source or a mercury light source. The rotating disk 10 is placed on the reflected light path of the half mirror 103.
4, the objective lens 105 and the sample 106 are arranged.

【0025】回転ディスク104は、図2(a)に示す
ように、ピンホールの面積が全体の25〜50%になる
ようにランダムに配置されたランダムピンホールパター
ン部201と、光が自由に通過できる開口部202が設
けられている。さらに、ランダムピンホールパターン部
201と開口部202との間に、光を遮断する遮蔽部2
03,204が設けられている。
As shown in FIG. 2A, the rotating disk 104 has a random pinhole pattern portion 201 which is randomly arranged so that the area of the pinhole is 25 to 50% of the whole, and freely rotates light. An opening 202 that can pass through is provided. Further, between the random pinhole pattern portion 201 and the opening portion 202, a shielding portion 2 for blocking light is provided.
03 and 204 are provided.

【0026】また、回転ディスク104は、回転軸10
7を介して、図示しないモータの軸に連結され、一定の
回転速度で回転するようになっている。ハーフミラー1
03の透過光路上には、集光レンズ108及び複数の画
素が配列形成された撮像素子を含むCCDカメラ109
が配置されている。
The rotating disk 104 is connected to the rotating shaft 10.
7, and is connected to a shaft of a motor (not shown) so as to rotate at a constant rotation speed. Half mirror 1
A CCD camera 109 including a condensing lens 108 and an imaging element in which a plurality of pixels are formed and arrayed on a transmission optical path 03.
Is arranged.

【0027】このCCDカメラ109の画像出力端子に
は、A/Dボード110が接続され、A/Dボード11
0はバス111を介してCPU112,画像を保存する
画像メモリ113,画像の減算を行う差分プログラム1
141 が格納されたメモリ114,及び差分プログラム
1141 による画像処理結果等を出力する出力手段とし
てのモニタ115が接続されている。
An A / D board 110 is connected to an image output terminal of the CCD camera 109.
0 is a CPU 112 via a bus 111, an image memory 113 for storing images, and a difference program 1 for subtracting images.
14 1 monitor 115 as an output means for outputting an image processing result and the like are connected by the memory 114, and a differential program 114 1 stored.

【0028】次に、本装置の動作について説明する。光
源101から出射した光は、光学レンズ102を通っ
て、ハーフミラー103で反射され、一定の速度で回転
する回転ディスク104に入射する。この回転ディスク
104のランダムピンホールパターン部201及び開口
部202を通過した光が対物レンズ105によって結像
され、試料106に入射する。
Next, the operation of the present apparatus will be described. Light emitted from the light source 101 passes through an optical lens 102, is reflected by a half mirror 103, and enters a rotating disk 104 that rotates at a constant speed. Light passing through the random pinhole pattern portion 201 and the opening 202 of the rotating disk 104 forms an image by the objective lens 105 and is incident on the sample 106.

【0029】そして、試料106からの光は、対物レン
ズ105を介し、再度回転ディスク104のランダムピ
ンホールパターン部201及び開口部202を通過す
る。そしてさらにハーフミラー103を透過して、集光
レンズ108を介してCCDカメラ109に入射して光
像が撮像される。CCDカメラ109は、回転ディスク
104の回転速度に同期して撮像タイミングが制御さ
れ、ランダムピンホールパターン部201及び開口部2
02を通過した二つの像を撮像する。
Then, the light from the sample 106 passes through the random pinhole pattern portion 201 and the opening 202 of the rotating disk 104 again via the objective lens 105. Further, the light passes through the half mirror 103 and enters the CCD camera 109 via the condenser lens 108 to capture an optical image. The imaging timing of the CCD camera 109 is controlled in synchronization with the rotation speed of the rotating disk 104, and the random pinhole pattern portion 201 and the opening 2
02 are captured.

【0030】CCDカメラ109の出力画像は、A/D
ボード110でデジタルデータに変換され、バス111
を介して画像メモリ113に蓄積される。ランダムピン
ホールパターン部201を通過する像は、共焦点像に非
共焦点像が加わった複合像である。また、開口部202
を通過して得られた像は、非共焦点像である明視野像で
ある。
The output image of the CCD camera 109 is A / D
The data is converted into digital data by the board 110, and
Through the image memory 113. The image passing through the random pinhole pattern unit 201 is a composite image in which a non-confocal image is added to a confocal image. Also, the opening 202
Is a bright-field image which is a non-confocal image.

【0031】ここで、図2(a)のランダムピンホール
パターン部201の部分を拡大すると図2(b)に示す
ように、ピンホール206のある部分を光が透過し、ピ
ンホールが無い遮光マスク205は光を通さないように
Cr等が蒸着されている。このピンホール206の半径
rは、通常対物レンズの倍率をM、開口比をNA、光の
波長をλとすると定数bを用いて、 r=bMλ/NA (1) になるように設定する。通常、定数bとしては0.35
前後を用いるので、波長λが550nm、倍率Mが10
0,NA=0.9ならば、ピンホールの半径rは21.
4μmになる。
Here, when the portion of the random pinhole pattern portion 201 in FIG. 2A is enlarged, as shown in FIG. 2B, light is transmitted through a portion having the pinhole 206 and light is shielded without the pinhole. The mask 205 is deposited with Cr or the like so as not to transmit light. The radius r of the pinhole 206 is set such that r = bMλ / NA (1) using a constant b, where M is the magnification of the objective lens, NA is the aperture ratio, and λ is the wavelength of light. Usually, the constant b is 0.35
The wavelength λ is 550 nm and the magnification M is 10
0, NA = 0.9, the radius r of the pinhole is 21.
4 μm.

【0032】ランダムピンホールパターン部201の扇
形の面積をS0 、透明な多数のピンホールの総計面積を
1 とする。ランダムピンホールパターン部201の扇
形部分における透過率kは、 k=S1 /S0 (2) である。
The sector area of the random pinhole pattern portion 201 is S 0 , and the total area of a large number of transparent pinholes is S 1 . The transmittance k in the fan-shaped portion of the random pinhole pattern portion 201 is k = S 1 / S 0 (2).

【0033】一般の顕微鏡画像のある点(x,y)にあ
る明視野画像の輝度データをm(x,y ) とする。このよう
な画像には、ピントがあった合焦明視野画像の輝度デー
タm fo(x,y) とピントが外れた非合焦明視野画像の輝度
データmdefo(x,y) とが含まれているので、明視野画像
の輝度データm(x、y) は、 m(x,y) =mfo(x,y) +mdefo(x,y) (3) となる。
At a certain point (x, y) of a general microscope image,
Brightness data of the bright-field image(x, y )And like this
The brightness data of the focused bright-field image
M fo (x, y)Of out-of-focus brightfield image out of focus
Data mdefo (x, y)Is included, so a bright-field image
Luminance data m(x, y)Is m(x, y)= Mfo (x, y)+ Mdefo (x, y) (3)

【0034】従来のニポウディスクに比較して、ピンホ
ールが非常に高い密度で形成された回転ディスクによっ
て得られる画像には、合焦だけでなく、非合焦も混じっ
た複合画像になる。画像上のある点(x,y)に有る複
合画像の輝度データをcmco (x,y) とする。この点
(x,y)にあるピンホールを通った像がある時を考え
る。複合画像の輝度データcmco(x,y) は、合焦共焦点
成分の輝度データcfo(x,y ) と非合焦成分のデータcm
defo(x,y) との和であるから、 cmco(x,y) =cfo(x,y) +cmdefo(x,y) (4) となる。ここで、合焦共焦点成分は、あるピンホールか
ら出た光が、サンプルで反射し、再びピンホールを通っ
たものである。
As compared with the conventional Nipkow disk, an image obtained by a rotating disk having a very high density of pinholes is a composite image in which not only in-focus but also out-of-focus is mixed. Let the luminance data of the composite image at a certain point (x, y) on the image be cm co (x, y) . Consider a case where there is an image passing through a pinhole at this point (x, y). The luminance data cm co (x, y) of the composite image is the luminance data c fo (x, y ) of the focused confocal component and the data cm of the unfocused component.
Since it is the sum with defo (x, y) , cm co (x, y) = c fo (x, y) + cm defo (x, y) (4) Here, the focused confocal component is the light that comes out of a certain pinhole, is reflected by the sample, and passes through the pinhole again.

【0035】一方、ある点における非合焦明視野画像
も、試料上の対応する点以外からの反射であり、非合焦
成分と明るさを除けば同じである。ピンホール部分の光
の透過率をkとすれば、点(x,y)において、ピンホ
ール部分の非合焦成分の輝度データcmdefo(x,y) は、
明視野部分の非合焦画像の輝度データmdefo(x,y) のk
倍の輝度なので、 cmdefo(x,y) ∝k・mdefo(x,y) (5) という式が成り立つ。
On the other hand, an unfocused bright-field image at a certain point is a reflection from a point other than the corresponding point on the sample, and is the same except for the out-of-focus component and the brightness. Assuming that the transmittance of light in the pinhole portion is k, at point (x, y), the luminance data cm defo (x, y) of the out-of-focus component in the pinhole portion is
K of luminance data m defo (x, y) of the out-of-focus image of the bright field part
Since the luminance is doubled, the following expression holds: cm defo (x, y) ∝km defo (x, y) (5)

【0036】実際のピンホールで得られる複合画像の明
るさは、同じ面積の透過部分から得られる画像のk倍に
なるので、(4),(5)式より、得られる複合画像の
輝度データcm(x,y) は、 cm(x,y) =kcm(x,y) =kcfo(x,y) +k2 defo(x,y) (6) となる。
Since the brightness of a composite image obtained from an actual pinhole is k times that of an image obtained from a transparent portion having the same area, the luminance data of the obtained composite image can be obtained from equations (4) and (5). cm (x, y) becomes cm (x, y) = kcm (x, y) = kc fo (x, y) + k 2 m defo (x, y) (6)

【0037】(3)式と(6)式とを比べると、焦点の
あった画像のみを得るためには、非合焦画像成分の輝度
データmdefo(x,y) をなくせばよいことが分かる。そこ
で、(3)式にk2 を乗じて(6)式から減算すれば、 cm(x,y) −k2 (x,y) =kcfo(x,y) −k2 fo(x,y) (7) となる。そして、この計算を画像全体に対して行えば、
共焦点画像が得られる。
Comparing Equations (3) and (6), it is necessary to eliminate the luminance data m defo (x, y) of the out-of-focus image component in order to obtain only a focused image. I understand. Therefore, by multiplying equation (3) by k 2 and subtracting from equation (6), cm (x, y) −k 2 m (x, y) = kc fo (x, y) −k 2 m fo ( x, y) (7). And if this calculation is performed on the whole image,
A confocal image is obtained.

【0038】(7)式により得られる画像は、正確に
は、共焦点画像のデータとは異なったものであるが、焦
点のあった画像成分のみが残り、非合焦画像の成分は除
かれることになり、共焦点画像と同じくz方向のセクシ
ョニング画像が得られる。また、以上の議論から、明視
野画像部分の面積を、ピンホール部分の面積のk2 倍に
すればよいことになる。
The image obtained by the equation (7) is different from the data of the confocal image exactly, but only the focused image component remains and the component of the unfocused image is removed. In other words, a sectioning image in the z direction can be obtained similarly to the confocal image. From the above discussion, it is sufficient that the area of the bright field image portion is k 2 times the area of the pinhole portion.

【0039】例えば、ランダムピンホールパターン部2
01の部分の透過率が1/2、この扇形の中心角度が1
20゜ならば、開口部202の扇形の中心角度は30゜
にする。CPU112は差分プログラム1141 により
画像メモリ113の複合画像と明視野画像から上記演算
を行い、その結果をモニタ115に表示する。このと
き、明視野画像の明るさが複合画像中の非共焦点画像と
同じであるので、単純な減算のみで共焦点画像が得られ
る。
For example, the random pinhole pattern section 2
The transmittance of the portion 01 is 1/2, and the central angle of this sector is 1
If it is 20 °, the central angle of the sector of the opening 202 is 30 °. CPU112 performs the calculation from the composite image and the bright field image of the image memory 113 by the differential program 114 1, and displays the result on the monitor 115. At this time, since the brightness of the bright-field image is the same as that of the non-confocal image in the composite image, a confocal image can be obtained only by simple subtraction.

【0040】以上のようにして、開口部の面積をピンホ
ールパターン部の面積のk2 倍にすることにより、最適
な共焦点画像が得られる。
As described above, by setting the area of the opening to be k 2 times the area of the pinhole pattern, an optimal confocal image can be obtained.

【0041】[第2実施形態]以下、図面を参照して本
発明の第2実施形態に係る共焦点顕微鏡について、図3
の回転ディスクを用いて説明する。ここで、図1と同一
の個所は同一の符号を付し、その説明を省略する。な
お、本実施形態においては、回転ディスク以外の構成
は、第1実施形態と同様なので、回転ディスクのみを図
示する。
[Second Embodiment] A confocal microscope according to a second embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG.
The description will be made by using the rotating disk. Here, the same portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In the present embodiment, since the configuration other than the rotary disk is the same as that of the first embodiment, only the rotary disk is shown.

【0042】本実施形態の回転ディスク300は、図3
に示すように、ライン状の遮蔽体と開口領域とが交互に
配列されたラインパターン部301、開口部302、ラ
インパターン部301と開口部302の間の遮光部30
3,304で構成されている。
The rotating disk 300 of the present embodiment is similar to that of FIG.
As shown in FIG. 2, a line pattern portion 301 and an opening portion 302 in which line-shaped shields and opening regions are alternately arranged, and a light shielding portion 30 between the line pattern portion 301 and the opening portion 302.
3,304.

【0043】このラインパターン部301の開口領域の
幅は、第1実施形態のピンホールの直径とほぼ同じで
(1)式により決定される。また、遮蔽体の幅は開口領
域の幅の1〜3倍程度であるが、本実施形態では遮蔽体
の幅と開口領域の幅とを同じにする。この時、扇形状の
ラインパターン部301及び開口部の中心角度はそれぞ
れ90゜,22.5゜である。
The width of the opening region of the line pattern portion 301 is substantially the same as the diameter of the pinhole of the first embodiment, and is determined by equation (1). Further, the width of the shield is about 1 to 3 times the width of the opening area, but in the present embodiment, the width of the shield is equal to the width of the opening area. At this time, the center angles of the fan-shaped line pattern portion 301 and the opening are 90 ° and 22.5 °, respectively.

【0044】扇形状のラインパターン部301の中心角
度が90゜である理由を以下に説明する。CCDカメラ
109でラインパターン部301を通して撮像している
時を考える。CCDカメラ109のシャッタが開いてい
る時、回転ディスク300が回転しているので、CCD
カメラで撮像されるラインパターン部301の像は、図
4(a)に示す像から図4(b)に示す像へと変化す
る。
The reason why the center angle of the fan-shaped line pattern portion 301 is 90 ° will be described below. Consider a case where an image is captured by the CCD camera 109 through the line pattern unit 301. When the shutter of the CCD camera 109 is open, the rotating disc 300 is rotating.
The image of the line pattern portion 301 captured by the camera changes from the image illustrated in FIG. 4A to the image illustrated in FIG.

【0045】図4(a)に示す像では、開口ラインは図
中の方向Aと平行であるから、この状態で得られる像に
含まれているのは明視野成分のみで、共焦点成分は0で
ある。一方Bの方向は、ライン状の遮蔽体の長手方向と
垂直であるから、共焦点成分は最大となり、明視野成分
が最小の状態である。
In the image shown in FIG. 4A, the aperture line is parallel to the direction A in the figure, so that the image obtained in this state contains only the bright field component and the confocal component is 0. On the other hand, the direction B is perpendicular to the longitudinal direction of the linear shield, so that the confocal component is maximized and the bright field component is minimized.

【0046】また、図4(b)に示す像では、開口ライ
ンの長手方向はBの方向と平行であるから、この方向に
は明視野成分のみで共焦点成分は0である。一方Aの方
向は、開口ラインの長手方向と垂直であるから、共焦点
成分は最大となり、明視野成分が最小の状態である。
In the image shown in FIG. 4B, since the longitudinal direction of the aperture line is parallel to the direction B, in this direction only the bright field component and the confocal component are zero. On the other hand, since the direction of A is perpendicular to the longitudinal direction of the aperture line, the confocal component is maximized and the bright field component is minimized.

【0047】このように、ライン状の開口領域を有する
回転ディスクを使うと、撮像された画像の遮蔽体の長手
方向の向きによって、共焦点成分と明視野成分の比が異
なることになる。遮蔽体の長手の方向が90゜回転すれ
ば、共焦点成分と非共焦点成分が様々の方向で平均化さ
れる。従って、中心角が90゜である扇形のラインパタ
ーン部301で得られた画像は、第1実施形態における
ランダムピンホールパターン部の時と同様に、共焦点画
像に非共焦点画像が加わった複合画像になる。この複合
画像から開口部302で得られる非共焦点画像である明
視野画像を減算することで、共焦点画像を計算すること
ができる。
As described above, when a rotating disk having a linear opening area is used, the ratio between the confocal component and the bright field component differs depending on the longitudinal direction of the shield of a captured image. If the longitudinal direction of the shield rotates 90 °, the confocal and non-confocal components are averaged in various directions. Therefore, the image obtained by the fan-shaped line pattern portion 301 having a central angle of 90 ° is a composite image in which the non-confocal image is added to the confocal image, as in the case of the random pinhole pattern portion in the first embodiment. Become an image. A confocal image can be calculated by subtracting a bright-field image, which is a non-confocal image obtained at the opening 302, from this composite image.

【0048】また、ラインパターン部301の透過率は
1/2であり、開口部302の面積はラインパターン部
301の1/4なので、第1実施形態と同様に、係数を
乗じることなく単純な減算で共焦点画像を得ることがで
きる。
Further, since the transmittance of the line pattern portion 301 is 1 / and the area of the opening 302 is 4 of the area of the line pattern portion 301, similar to the first embodiment, the transmittance is simple without multiplication by a coefficient. A confocal image can be obtained by subtraction.

【0049】以上のように本実施形態では、回転ディス
クの複合画像を得る部分をライン状の開口部と遮光体と
を交互に配列にしたので、ディスクパターンの作製が容
易になると共に、扇形のラインパターン部の中心角度を
90゜とすることにより、共焦点成分が方向によって異
なることがなくなった。
As described above, in the present embodiment, the portion for obtaining the composite image of the rotating disk is formed by alternately arranging the linear openings and the light-shielding members. By setting the center angle of the line pattern portion to 90 °, the confocal component does not differ depending on the direction.

【0050】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、第2実施形態では、ラインパ
ターン部の中心角を90゜としているが、90゜以上に
してもよい。この場合は方向によって共焦点成分がわず
かに異なるが、中心角が90゜以上であれば、中心角度
が90゜である領域で共焦点成分が各方向で等しくなっ
ているので、方向によって極端に共焦点効果の異なる不
自然な画像とはならない。また、本発明では、回転ディ
スクに限定されるものではなく、例えばランダムピンホ
ール部と開口部とを備えた円筒形の回転体やランダムピ
ンホール部と開口物とをそれぞれ表示する液晶を回転デ
ィスクの代わりに備えた共焦点顕微鏡にも適用すること
ができる。その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範
囲で、種々変形して実施することが可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the second embodiment, the central angle of the line pattern portion is 90 °, but may be 90 ° or more. In this case, the confocal component slightly differs depending on the direction. However, if the central angle is 90 ° or more, the confocal component is equal in each direction in a region where the central angle is 90 °. It does not result in unnatural images with different confocal effects. Further, the present invention is not limited to a rotating disk.For example, a cylindrical rotating body having a random pinhole portion and an opening or a liquid crystal displaying a random pinhole portion and an opening, respectively, is a rotating disk. Can be applied to a confocal microscope provided instead of. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、明
視野像が得られる前記開口領域の面積を、共焦点像と非
共焦点像とを含む複合像が得られる半透過領域の面積の
2 倍にする事により、撮像手段で撮影された共焦点と
非共焦点の複合画像と開口部で得られる非共焦点との明
るさがほぼ同じとなり、最適な共焦点画像を取得するこ
とができる。
As described above, according to the present invention, the area of the aperture region where a bright-field image is obtained is reduced by the area of the semi-transmission region where a composite image including a confocal image and a non-confocal image is obtained. by doubling the k, the brightness of the non-confocal obtained composite image and the aperture of the confocal and non-confocal captured by the imaging means to obtain substantially the same, and the optimal confocal images be able to.

【0052】また、ライン状の開口領域と遮光体とが交
互に配列された半透過領域を具備する回転ディスクにお
いて、半透過領域の中心角度を90゜以上とすることで
比較的均一な共焦点画像を得られるようになる。
In a rotating disk having a semi-transmissive area in which linear aperture areas and light-shielding bodies are alternately arranged, a relatively uniform confocal point is obtained by setting the central angle of the semi-transmissive area to 90 ° or more. Images can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1実施形態に係わる共焦点顕微鏡の概略構成
を示すブロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a confocal microscope according to a first embodiment.

【図2】図1の共焦点顕微鏡に用いられる回転ディスク
の構成を示す平面図。
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a rotating disk used in the confocal microscope of FIG. 1;

【図3】第2実施形態に係わる共焦点顕微鏡に用いられ
る回転ディスクの構成を示す平面図。
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a rotating disk used in a confocal microscope according to a second embodiment.

【図4】CCDカメラで撮像されるラインパターン部の
像を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing an image of a line pattern portion captured by a CCD camera.

【図5】従来の共焦点顕微鏡の構成を示すブロック図。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a conventional confocal microscope.

【図6】図5の共焦点顕微鏡に用いられるランダムピン
ホールパターンを具備する回転ディスクの構成を示す平
面図。
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a rotating disk having a random pinhole pattern used in the confocal microscope of FIG. 5;

【図7】図5の共焦点顕微鏡に用いられるラインターン
部を具備する回転ディスクの構成を示す平面図。
FIG. 7 is a plan view showing a configuration of a rotating disk having a line turn portion used in the confocal microscope of FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…光源 102…光学レンズ 103…ハーフミラー 104…回転ディスク 105…対物レンズ 106…試料 107…回転軸 108…集光レンズ 109…CCDカメラ 110…A/Dボード 111…バス 112…CPU 113…画像メモリ 114…メモリ 1141 …差分プログラム 115…モニタ 201…ランダムピンホールパターン部 202…開口部 203.204…遮蔽部 205…遮光マスク 206…ピンホール 300…回転ディスク 301…ラインパターン部 302…開口部 303.304…遮光部 501…回転ディスク 502…コンピュータ 601…ランダムピンホールパターン部 602…開口部 603.604…遮蔽部DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source 102 ... Optical lens 103 ... Half mirror 104 ... Rotating disk 105 ... Objective lens 106 ... Sample 107 ... Rotation axis 108 ... Condensing lens 109 ... CCD camera 110 ... A / D board 111 ... Bus 112 ... CPU 113 ... Image Memory 114 ... Memory 114 1 ... Difference program 115 ... Monitor 201 ... Random pinhole pattern part 202 ... Opening 203.204 ... Shielding part 205 ... Light-shielding mask 206 ... Pinhole 300 ... Rotating disk 301 ... Line pattern part 302 ... Opening 303.304 Shielding section 501 Rotating disk 502 Computer 601 Random pinhole pattern section 602 Opening section 603.604 Shielding section

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料に対して光を照射する照明手段と、 前記照明手段から照射された光を透過する部位と遮蔽さ
れる部位とが混在しており、光の透過率がkである半透
過領域と、前記照明手段から照射された光を透過する開
口領域とを交互に切り換え可能な切り換え手段と、 前記半透過領域を透過して得られる前記試料の共焦点像
と非共焦点像とを重ね合わせた複合像と、前記開口領域
を透過して得られる前記試料の明視野像とをそれぞれ選
択的に撮像する撮像手段と、 この撮像手段で撮像した複合像と明視野像とから前記試
料の共焦点画像を得る手段とを具備してなる共焦点顕微
鏡であって、 前記開口領域の面積は、前記半透過領域のほぼk2 倍で
あることを特徴とする共焦点顕微鏡。
An illumination means for irradiating a sample with light, a part for transmitting the light emitted from the illumination means and a part for shielding are mixed, and a half of which has a light transmittance of k. A transmissive region, a switching unit that can alternately switch an opening region that transmits light emitted from the illumination unit, and a confocal image and a non-confocal image of the sample obtained by transmitting the semi-transmissive region. Imaging means for selectively capturing a composite image obtained by superimposing the images and a bright-field image of the sample obtained through the opening area, and a composite image and a bright-field image captured by the imaging means. A confocal microscope comprising: means for obtaining a confocal image of a sample, wherein the area of the opening region is approximately k 2 times the semi-transmissive region.
【請求項2】前記切り換え手段は、 光が透過する直線状の開口部位が複数配列されて光の透
過率がkである前記半透過領域を具備し、回転軸を中心
に回転自在な円盤であり、 前記円盤の半透過領域は、前記回転軸を頂点とする中心
角が90゜以上の扇形状であることを特徴とする請求項
1に記載の共焦点顕微鏡。
2. The switching means includes a semi-transmissive region in which a plurality of linear openings through which light is transmitted are arranged and the light transmittance is k, and the switching means is a disk which is rotatable about a rotation axis. The confocal microscope according to claim 1, wherein the semi-transmissive region of the disk has a fan shape having a central angle of 90 ° or more with the rotation axis at the apex.
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DE10014331A DE10014331A1 (en) 1999-03-23 2000-03-23 Confocal microscope employing Nipkow type disc
US10/086,152 US6778323B2 (en) 1999-03-23 2002-02-27 Confocal microscope

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004538454A (en) * 2001-07-16 2004-12-24 オーガスト テクノロジー コーポレイション Confocal 3D inspection system and process
CN101564795A (en) * 2008-04-22 2009-10-28 奥林巴斯株式会社 Correcting unit, correction method and controlling means
CN105091848A (en) * 2015-06-01 2015-11-25 北京航天控制仪器研究所 Time correlation calculation diastimeter and measuring method

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