JP2003255231A - Optical imaging system and optical image data processing method - Google Patents

Optical imaging system and optical image data processing method

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JP2003255231A
JP2003255231A JP2002052575A JP2002052575A JP2003255231A JP 2003255231 A JP2003255231 A JP 2003255231A JP 2002052575 A JP2002052575 A JP 2002052575A JP 2002052575 A JP2002052575 A JP 2002052575A JP 2003255231 A JP2003255231 A JP 2003255231A
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薫 加藤
Toru Yamada
亨 山田
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雅弘 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical imaging system having a spatial resolution in a level of 50 nm and an optical image data processing method, which enable easy and stable scanning optical microscopic observation of high spatial resolution. <P>SOLUTION: Arithmetics of integrating a two-dimensional light intensity distribution reconstituted by inverse arithmetics taking a dot image distribution function as a seed function on the basis of a two-dimensional light intensity distribution of each light radiation area obtained by a two-dimensional light detector and constituting a two-dimensional light intensity distribution of an overall observation area are executed in a computer provided in a data processing system to display the light intensity distribution of the overall observation area as an image. In executing the arithmetics, each of optical signal intensity data constituting the two-dimensional light intensity distribution of each light radiation area obtained by the two-dimensional light detector is multiplied by the least square filter based on the dot image distribution function to correct the signal light intensity, and then the two-dimensional light intensity distribution is reconstituted. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、光イメージングシ
ステム及び光イメージのデータ処理方法に関し、より詳
細には、高空間分解能での走査型光学顕微鏡観察が可能
な光イメージングシステム及び光イメージのデータ処理
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical imaging system and an optical image data processing method, and more particularly to an optical imaging system and optical image data processing capable of observing with a scanning optical microscope at high spatial resolution. Regarding the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型光学顕微鏡は、検体試料の形態や
大きさを観察・計測するための汎用的な装置として古く
から用いられており、特に、半導体試料や生物試料とい
った高い分解能やコントラストでの観察が求められる場
合には、空間分解能200nm程度の共焦点レーザ走査
型顕微鏡が広く用いられている。
2. Description of the Related Art A scanning optical microscope has been used for a long time as a general-purpose device for observing and measuring the shape and size of a specimen sample, and in particular, it has a high resolution and contrast for semiconductor samples and biological samples. When the observation is required, a confocal laser scanning microscope with a spatial resolution of about 200 nm is widely used.

【0003】図7は、従来の共焦点レーザ走査型顕微鏡
システムの構成例を説明するための図で、この共焦点レ
ーザ走査型顕微鏡システムは、一般的な走査型光学顕微
鏡に用いられる構成の光学系700とデータ処理系72
0とから構成され、試料ステージ701上に観察試料7
02を載置し、光源であるレーザ707から射出された
光をレンズ708、709で集光した後にピンホール7
10で所望のスポット径とし、レンズ711により平行
ビームを形成した後にハーフミラー713で下側に光路
変換させ、対物レンズ703により収束して観察試料7
02上に光照射する。
FIG. 7 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional confocal laser scanning microscope system. This confocal laser scanning microscope system is an optical system having a configuration used in a general scanning optical microscope. System 700 and data processing system 72
And the observation sample 7 on the sample stage 701.
02 is mounted, and the light emitted from the laser 707 as a light source is condensed by the lenses 708 and 709, and then the pinhole 7
The desired spot diameter is set at 10 and a parallel beam is formed by the lens 711, then the optical path is changed to the lower side by the half mirror 713 and converged by the objective lens 703 to make the observation sample 7
02.

【0004】この光照射により観察試料702から発せ
られる蛍光等は、対物レンズ703、ハーフミラー71
2、及び、レンズ704によって集光され、ピンホール
705を通過した後に光検出器である光電子増倍管70
6により光強度が検出される。なお、この光学系700
は試料ステージ701をXY平面内で移動可能とするた
めの図示しない駆動機構を備えており、試料ステージ7
01のXY面内での駆動を行ないながら観察を実行する
ことで2次元マッピングデータを得ることが可能とな
る。
The fluorescence or the like emitted from the observation sample 702 by this light irradiation is used for the objective lens 703 and the half mirror 71.
2, and the photomultiplier tube 70 which is a photodetector after being condensed by the lens 704 and passing through the pinhole 705.
The light intensity is detected by 6. In addition, this optical system 700
Is equipped with a drive mechanism (not shown) for moving the sample stage 701 in the XY plane.
It is possible to obtain two-dimensional mapping data by performing observation while driving in the XY plane of 01.

【0005】光電子増倍管706によって検出された光
強度データは、コンピュータを備えるデータ処理系72
0に送られて各観察点毎の蛍光強度値(gx,y)とし
て逐次記録され、所定の観察領域の2次元マッピングに
対応する観測データ行列Rが形成される。そして、全
ての観察点での蛍光強度値のデータ取りこみが終了した
時点で観測蛍光強度を表示画面上に表示させ、観測デー
タ行列Rを表示画像データ行列Rとして画像を形成
することで観察試料702の2次元像を再生させてい
る。
The light intensity data detected by the photomultiplier tube 706 is stored in a data processing system 72 including a computer.
0 is sequentially recorded as fluorescence intensity values (g x, y ) for each observation point, and an observation data matrix R g corresponding to two-dimensional mapping of a predetermined observation area is formed. Then, the observation fluorescence intensity is displayed on the display screen when the data acquisition of the fluorescence intensity values at all the observation points is completed, and the observation data matrix R g is used as the display image data matrix R i to form an image. A two-dimensional image of the sample 702 is reproduced.

【0006】なお、試料ステージ701をXY面内で移
動させることにより2次元マッピングを得る上述の方法
に変えて、照射光の光路中にスポット光走査装置712
を設けることとし、このスポット光走査装置712の駆
動をデータ処理系720から送信される観測点信号と同
期させることにより観察試料702上の光照射点を変化
させて2次元マッピングを得ることとしてもよい。
Incidentally, the spot light scanning device 712 is arranged in the optical path of the irradiation light instead of the above-mentioned method of obtaining the two-dimensional mapping by moving the sample stage 701 in the XY plane.
It is also possible to change the light irradiation point on the observation sample 702 to obtain a two-dimensional mapping by synchronizing the drive of the spot light scanning device 712 with the observation point signal transmitted from the data processing system 720. Good.

【0007】また、例えば特開2001−91847号
公報では、輪帯マスクによる回折による分解能の低下を
回避することで輪帯状照明による超解像効果を確実に発
揮させることが可能な顕微鏡の発明も開示されている。
Further, for example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-91847, there is also an invention of a microscope capable of reliably exhibiting a super-resolution effect by an annular illumination by avoiding a reduction in resolution due to diffraction by an annular mask. It is disclosed.

【0008】更に、近年のバイオテクノロジ研究のため
の高分解能光学顕微鏡開発への要請等に応えるためとし
て、観察試料の四方から光を照射するようにしてメッシ
ュ状の定在照射光(satnding wave il
lumination)を観察試料上に形成し、試料か
ら得られる蛍光イメージを画像処理することにより10
0nmの分解能を実現したHELM(harmonic
excitation light microsc
opy)がFrohnらによって報告されている(PN
AS,7232−7236,Vol.97,No.13
(2000))。
Further, in order to meet the recent demand for development of a high-resolution optical microscope for biotechnology research, a mesh-like standing irradiation light is emitted by irradiating light from four sides of an observation sample.
luminescence) on the observation sample and image processing the fluorescent image obtained from the sample.
HELM (harmonic) with 0 nm resolution
excitation light microsc
has been reported by Frohn et al. (PN
AS, 7232-7236, Vol. 97, No. Thirteen
(2000)).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成の共焦点レーザ走査型顕微鏡では、光が照射された
試料領域から発せられる信号光の積分強度のみを観察試
料からの情報として捉えて画像処理を実行しているため
に、その空間分解能は試料上に照射される光のスポット
サイズによって決定されることとなり、顕微鏡としての
空間分解能の向上には自ずと限界があるという問題があ
った。
However, in the confocal laser scanning microscope of the conventional configuration, only the integrated intensity of the signal light emitted from the sample area irradiated with light is captured as information from the observation sample and image processing is performed. Therefore, the spatial resolution is determined by the spot size of the light irradiated on the sample, and there is a problem that the improvement of the spatial resolution as a microscope is naturally limited.

【0010】また、上述のHELMは、メッシュ状の定
在照射光を形成するために特殊で複雑な光学系を採用し
ており、顕微鏡本体が高価となることに加えて僅かな振
動や試料(及び試料ホルダ)のドリフトが空間分解能に
大きく影響を与えることとなる結果、汎用的な使用の際
には簡便性・安定性の点で不充分であるという問題もあ
った。
Further, the HELM described above employs a special and complicated optical system for forming the mesh-shaped standing irradiation light, which makes the microscope main body expensive and causes a slight vibration or sample ( Also, as a result of the drift of the sample holder) having a great influence on the spatial resolution, there is also a problem that it is insufficient in terms of simplicity and stability in general-purpose use.

【0011】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、高空間分解能の走
査型光学顕微鏡観察が簡便かつ安定して実行可能な、5
0nmレベルの空間分解能を備える光イメージングシス
テム及び光イメージのデータ処理方法を提供することに
ある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to enable easy and stable observation of a scanning optical microscope with high spatial resolution.
An object of the present invention is to provide an optical imaging system having a spatial resolution of 0 nm level and an optical image data processing method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、光源か
ら射出された光をスポット光として観察試料に照射して
該観察試料からの信号光を受光するための光学系と、該
信号光を観察試料画像として再生するためのデータ処理
系とで構成された光イメージングシステムであって、前
記光学系は、試料観察位置を2次元平面内で変化させる
ための観察位置設定手段と、前記スポット光照射領域か
ら得られる信号光の2次元光強度分布を認識可能な光検
出手段とを備え、前記データ処理手段は、前記光検出手
段で得た信号光の2次元光強度分布を前記観察試料上の
各光照射領域に対応させて記憶するための記憶手段と、
前記光検出手段で得た各光照射領域毎の2次元光強度分
布を基に点像分布関数を種関数とする逆演算により再構
成した2次元光強度分布を積算して全観察領域の2次元
光強度分布を構成するための演算手段と、該演算手段に
より構成された全観察領域の光強度分布を画像として表
示するための表示手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the present invention according to claim 1 irradiates an observation sample with light emitted from a light source as spot light to perform the observation. An optical imaging system including an optical system for receiving signal light from a sample and a data processing system for reproducing the signal light as an observation sample image, wherein the optical system is configured to detect a sample observation position. The data processing means is provided with an observation position setting means for changing in a two-dimensional plane and a light detection means capable of recognizing a two-dimensional light intensity distribution of signal light obtained from the spot light irradiation region. Storage means for storing the two-dimensional light intensity distribution of the signal light obtained by the detection means in association with each light irradiation region on the observation sample;
Based on the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region obtained by the light detecting means, the two-dimensional light intensity distribution reconstructed by the inverse calculation using the point spread function as a seed function is integrated to obtain 2 of the entire observation region. The present invention is characterized by comprising a calculation means for forming a three-dimensional light intensity distribution and a display means for displaying the light intensity distribution of the entire observation region formed by the calculation means as an image.

【0013】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の光イメージングシステムにおいて、前記データ
処理手段に備える演算手段は、前記光検出手段で得た各
光照射領域毎の2次元光強度分布を構成する各光信号強
度データに点像分布関数によるウイナーインバースフィ
ルタを掛けることで信号光強度を補正して2次元光強度
分布を再構成することを特徴とする。
The invention described in claim 2 is the same as claim 1
In the optical imaging system described in the paragraph 1, the arithmetic means provided in the data processing means uses a point spread function for each optical signal intensity data forming the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region obtained by the light detecting means. It is characterized in that the signal light intensity is corrected by applying a Wiener inverse filter to reconstruct a two-dimensional light intensity distribution.

【0014】また、請求項3に記載の発明は、請求項1
又は2に記載の光イメージングシステムにおいて、前記
光学系に備える光検出手段の画素間隔は、該光学系によ
り定まる点像分布関数の遮断空間周波数よりも小さく設
定されていることを特徴とする。
The invention described in claim 3 is the same as claim 1
Alternatively, in the optical imaging system according to the second aspect, the pixel interval of the photodetector included in the optical system is set to be smaller than the cutoff spatial frequency of the point spread function determined by the optical system.

【0015】また、請求項4に記載の発明は、請求項1
乃至3のいずれかに記載の光イメージングシステムにお
いて、前記光学系の光路中に輪帯絞りを備えることを特
徴とする。
The invention described in claim 4 is the same as that of claim 1.
The optical imaging system according to any one of items 1 to 3, wherein an annular stop is provided in the optical path of the optical system.

【0016】また、請求項5に記載の発明は、請求項1
乃至4いずれかに記載の光イメージングシステムにおい
て、前記光学系は共焦点光学系であって、前記光検出手
段が観察試料の実像面と共役な位置に設けられているこ
とを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the same as claim 1.
The optical imaging system according to any one of items 1 to 4 is characterized in that the optical system is a confocal optical system, and the light detecting means is provided at a position conjugate with the real image plane of the observation sample.

【0017】更に、請求項6に記載の発明は、請求項5
に記載の光イメージングシステムにおいて、前記光学系
はパルスレーザを光源として備え、観察試料に含まれる
蛍光分子の2光子励起が可能であることを特徴とする。
Further, the invention according to claim 6 is the same as claim 5
In the optical imaging system described in the item [1], the optical system includes a pulse laser as a light source, and two-photon excitation of fluorescent molecules contained in the observation sample is possible.

【0018】請求項7に記載の発明は、光イメージのデ
ータ処理方法であって、信号光の2次元光強度分布を観
察試料上の各光照射領域に対応させて記憶するステップ
と、該各光照射領域毎の2次元光強度分布を基に点像分
布関数を種関数とする逆演算により2次元光強度分布を
再構成するステップと、該再構成された2次元光強度分
布をもとに全観察領域の光強度分布を画像として表示さ
せるステップとを備えることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a data processing method for an optical image, which comprises a step of storing a two-dimensional light intensity distribution of signal light in association with each light irradiation region on an observation sample, and each of the steps. A step of reconstructing the two-dimensional light intensity distribution by an inverse operation using a point spread function as a seed function based on the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region; And displaying the light intensity distribution of the entire observation area as an image.

【0019】また、請求項8に記載の発明は、請求項7
に記載の光イメージのデータ処理方法において、前記各
光照射領域毎の2次元光強度分布を構成する各光信号強
度データに点像分布関数によるウイナーインバースフィ
ルタを掛けることで信号光強度を補正して2次元光強度
分布を再構成するステップを備えることを特徴とする。
The invention described in claim 8 is the invention according to claim 7.
In the optical image data processing method described in (1), the signal light intensity is corrected by applying a Wiener inverse filter based on a point spread function to each light signal intensity data forming the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region. And reconstructing a two-dimensional light intensity distribution.

【0020】また、請求項9に記載の発明は、コンピュ
ータに実行させるためのプログラムであって、請求項7
又は8に記載の各ステップを実行させることを特徴とす
る。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a program for causing a computer to execute the program.
Alternatively, each step described in 8 is executed.

【0021】更に、請求項10に記載の発明は、コンピ
ュータ読取可能な記録媒体であって、請求項9に記載の
プログラムを記録したことを特徴とする。
Further, the invention according to claim 10 is a computer-readable recording medium, characterized in that the program according to claim 9 is recorded.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0023】(システム構成)図1は、本発明の光イメ
ージングシステムの構成を説明するための図で、この光
イメージングシステムは、一般的な走査型光学顕微鏡に
用いられる構成の光学系100とデータ処理系120と
から構成され、試料ステージ101上に観察試料102
を載置し、光源であるレーザ106から射出された光を
レンズ107、108で集光した後にピンホール109
で所望のスポット径とし、レンズ110により平行ビー
ムを形成した後にハーフミラー112で下側に光路変換
させ、対物レンズ103により収束して観察試料102
上に光照射する。なお、用いる光源としては特に制約は
ないが、通常のレーザ光源の他、数百フェムト秒以下の
パルス幅のレーザや、高圧水銀灯やキセノンアークラン
プ等の各種の高輝度光源であってもよい。
(System Configuration) FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the optical imaging system of the present invention. This optical imaging system includes an optical system 100 having a configuration used in a general scanning optical microscope and data. A processing system 120 and an observation sample 102 on a sample stage 101.
And the light emitted from the laser 106, which is a light source, is condensed by the lenses 107 and 108, and then the pinhole 109
To a desired spot diameter, a parallel beam is formed by the lens 110, the optical path is changed downward by the half mirror 112, and the observation sample 102 is converged by the objective lens 103.
Light up. The light source to be used is not particularly limited, but in addition to an ordinary laser light source, a laser having a pulse width of several hundred femtoseconds or less, and various high-luminance light sources such as a high pressure mercury lamp and a xenon arc lamp may be used.

【0024】この光照射により観察試料102から発せ
られる蛍光等は、対物レンズ103、ハーフミラー11
2、及び、レンズ104によって集光されてCCD等の
2次元光検出器105により光強度の2次元的分布が検
出される。すなわち、図7で示した従来の共焦点レーザ
走査型顕微鏡では、観察試料からの光信号のうちの光強
度のみを光検出器でモニタしているのに対して、本発明
の光イメージングシステムでは、観察試料上の光スポッ
トサイズに対応する空間的広がりをもったXY平面内で
の光強度分布がモニタされることとなる。なお、2次元
光検出器105としては、CCDの他、フォトダイオー
ドアレイや2次元光電子増倍管等であってもよい。ま
た、後述する理由により、本発明の光イメージングシス
テムの光学系では、2次元光検出器105の光入射口側
にはピンホールを設けずに観察試料102からの空間的
広がりを有する信号光の全てを2次元光検出器105に
入射させる構成としている。
The fluorescence or the like emitted from the observation sample 102 by this light irradiation is the objective lens 103 and the half mirror 11.
2 and the two-dimensional distribution of the light intensity is detected by the two-dimensional photodetector 105 such as CCD which is condensed by the lens 104. That is, in the conventional confocal laser scanning microscope shown in FIG. 7, only the light intensity of the optical signal from the observation sample is monitored by the photodetector, whereas in the optical imaging system of the present invention. , The light intensity distribution in the XY plane having a spatial spread corresponding to the light spot size on the observation sample is monitored. The two-dimensional photodetector 105 may be a photodiode array, a two-dimensional photomultiplier tube, or the like, in addition to the CCD. Further, for the reason described below, in the optical system of the optical imaging system of the present invention, the signal light having a spatial spread from the observation sample 102 is provided without providing a pinhole on the light entrance side of the two-dimensional photodetector 105. All are made to enter into the two-dimensional photodetector 105.

【0025】光学系100は試料ステージ101をXY
平面内で移動可能とするための図示しない駆動機構を備
えており、試料ステージ101のXY面内での駆動を行
ないながら観察を実行することで2次元マッピングデー
タを得ることが可能となる。なお、試料ステージ101
をXY面内で移動させることにより2次元マッピングを
得る上述の方法に変えて、照射光の光路中にスポット光
走査装置111を設けることとし、このスポット光走査
装置111の駆動をデータ処理系120から送信される
観測点信号と同期させることにより観察試料102上の
光照射点を変化させて2次元マッピングを得ることとし
てもよい。
In the optical system 100, the sample stage 101 is moved in the XY direction.
A two-dimensional mapping data can be obtained by providing a driving mechanism (not shown) for making the movable in a plane, and performing observation while driving the sample stage 101 in the XY plane. The sample stage 101
In place of the above-described method for obtaining a two-dimensional mapping by moving in the XY plane, the spot light scanning device 111 is provided in the optical path of the irradiation light, and the driving of the spot light scanning device 111 is performed by the data processing system 120. Two-dimensional mapping may be obtained by changing the light irradiation point on the observation sample 102 by synchronizing with the observation point signal transmitted from.

【0026】このようなスポット光の走査方法として
は、ピエゾ素子を駆動機構として用いたステージを利用
したり、照射光の光路に挿入したガルバノミラーを駆動
させたり、或いは、光路中に配置させたミラーをピエゾ
素子により駆動させる等の種々の方法が利用可能であ
る。更に、必要に応じて、図1中のレンズ107とレン
ズ108の間等の適当な光路位置に輪帯絞りを設けるこ
とで空間分解能の最適化を図ることも可能である。
As such a spot light scanning method, a stage using a piezo element as a drive mechanism is used, a galvano mirror inserted in the optical path of the irradiation light is driven, or it is arranged in the optical path. Various methods such as driving the mirror with a piezo element can be used. Further, if necessary, it is possible to optimize the spatial resolution by providing an annular stop at an appropriate optical path position such as between the lenses 107 and 108 in FIG.

【0027】このようにして2次元光検出器105によ
って検出された光強度の空間分布データは、コンピュー
タを備えるデータ処理系120に送られて各観察点毎の
蛍光強度分布gx,y(s,t)として逐次記録され、
所定の観察領域の2次元マッピングに対応する観測画像
データ行列Rが形成される。ここで、蛍光強度分布g
x,y(s,t)は、観測点の座標(x,y)における
ビームスポット面内の座標(s,t)の光強度を意味す
る。全ての観測点での蛍光強度分布データの取りこみが
終了した時点で後述するデータ解析を実行し、デコンボ
リューション後の回復画像データ行列Rを基に試料全
体の回復画像を再構成して表示画像データ行列Rを算
出して観察試料102の2次元像を再生させる。
The spatial distribution data of the light intensity detected by the two-dimensional photodetector 105 in this manner is sent to the data processing system 120 equipped with a computer and the fluorescence intensity distribution g x, y (s) for each observation point is obtained. , T) are sequentially recorded,
An observation image data matrix R g corresponding to a two-dimensional mapping of a predetermined observation area is formed. Here, the fluorescence intensity distribution g
x, y (s, t) means the light intensity at the coordinates (s, t) in the beam spot plane at the coordinates (x, y) of the observation point. The data analysis described below is executed at the time when the acquisition of the fluorescence intensity distribution data at all the observation points is completed, and the restored image of the entire sample is reconstructed based on the restored image data matrix R f after deconvolution to display the image. The data matrix R i is calculated to reproduce the two-dimensional image of the observation sample 102.

【0028】図1では、反射型の光学系として構成した
光イメージングシステムについて説明したが、図2に示
すように、透過型の光イメージングシステムとして構成
してもよい。なお、図2中の光学系の各構成要素には、
図1において説明した構成要素と同じ符号を付してい
る。
Although the optical imaging system configured as a reflection type optical system has been described with reference to FIG. 1, it may be configured as a transmission type optical imaging system as shown in FIG. In addition, each component of the optical system in FIG.
The same reference numerals as the components described in FIG. 1 are attached.

【0029】(光イメージングの原理)図3は、本発明
の光イメージングシステムで採用する光イメージングの
原理を説明するための図で、図3(a)は、照射光スポ
ット領域に2つの物体が距離d 〜dだけ離れて存在
する場合にこれらの物体の各々から得られる光信号強度
の空間的分布を説明するための図であり、図3(b)
は、このようにして生じる光信号を検出して画像として
再構成するプロセスを説明するための図である。
(Principle of Optical Imaging) FIG. 3 shows the present invention.
Of optical imaging adopted in the optical imaging system of
FIG. 3A is a diagram for explaining the principle, and FIG.
Two objects in the area 1~ DThreeExist only apart
Optical signal strength obtained from each of these objects when
3B is a diagram for explaining the spatial distribution of FIG.
Detects the optical signal generated in this way and displays it as an image
It is a figure for demonstrating the process of reconstructing.

【0030】図3(a)に示す様に、光照射を受けた物
体から得られる信号強度は、空間的に広がりをもつ物体
の中心に相当する位置に極大をもち両端にかけて振動し
ながら漸近的に減少し、本来は物体が存在しないはずの
領域にも信号強度を有する「すそ」の部分が存在する。
そして、2つの物体間隔を図3(a)〜図3(a
のようにd、d、dと徐々に狭くしてゆくと、こ
れらの光強度の中心間距離は物体間隔に伴って減少する
と共に、上述の光信号の「すそ」の部分の重なりが生
じ、この重なり部分では物体間隔に依存してその程度が
変化する干渉が生じる。
As shown in FIG. 3 (a), the signal intensity obtained from a light-irradiated object has a maximum at a position corresponding to the center of a spatially spread object and is asymptotic while vibrating toward both ends. There is also a "tail" portion having signal strength in a region where an object should not exist originally.
Then, FIG. 3 two objects spacing (a 1) ~ FIG 3 (a 3)
When the distance between the centers of these light intensities decreases with the distance between the objects, when the distances d 1 , d 2 , and d 3 are gradually narrowed as shown in FIG. Occurs, and at the overlapped portion, interference of which degree changes depending on the object interval occurs.

【0031】従来の共焦点型走査光学顕微鏡では、1つ
の照射光スポットに対応させて得られる1つの光強度情
報のみを検出していたため、本来は観察物体が存在しな
いはずの領域に対応する上述の「すそ」領域の光強度も
物体からの光信号として検知されることとなり、これに
より顕微鏡像の輪郭の「ぼけ」が生じると共に、顕微鏡
の空間分解能を向上させるために重要な情報を含んでい
るはずの光信号の「すそ」の重なり部分の干渉の程度は
何ら解析の対象とされていなかった。
In the conventional confocal scanning optical microscope, since only one light intensity information obtained by corresponding to one irradiation light spot is detected, the above-mentioned corresponding to an area where an observed object should not exist originally is detected. The light intensity in the "tail" area of the object is also detected as an optical signal from the object, which causes "blurring" of the contour of the microscope image and also includes important information for improving the spatial resolution of the microscope. The degree of interference at the overlapping portion of the "tail" of the optical signal that should have existed was not targeted for analysis at all.

【0032】本発明の光イメージングシステムでは、光
信号の「すそ」の重なり部分の干渉の程度を解析の対象
として取り扱うこととし、そのため、本発明の光イメー
ジングシステムの光学系では、図1で説明したように、
2次元光検出器の光入射口側にはピンホールを設けずに
観察試料からの空間的広がりを有する信号光の全てを2
次元光検出器に入射させる構成とされ、その光信号の解
析は以下の手順で進められる。
In the optical imaging system of the present invention, the degree of interference at the overlapping portion of the "tails" of the optical signal is treated as an object of analysis. Therefore, the optical system of the optical imaging system of the present invention will be described with reference to FIG. As did
A pinhole is not provided on the light entrance side of the two-dimensional photodetector, and all the signal light having a spatial spread from the observation sample is
It is configured to be incident on the three-dimensional photodetector, and the analysis of the optical signal proceeds in the following procedure.

【0033】すなわち、試料に光照射がなされると(図
3(b))、試料から得られる光学顕微鏡の観測画像
g(x,y)は、ノイズが無視できる条件下では、点像
分布関数h(x,y)とよばれる装置関数が真の試料画
像f(x,y)に畳み込み積分(コンボリューション)
されたものとして与えられ、観測画像g(x,y)は
(式1)で与えられる(図3(b))。
That is, when the sample is irradiated with light (FIG. 3 (b 1 )), the observed image g (x, y) of the optical microscope obtained from the sample is a point image distribution under the condition that noise can be ignored. A device function called a function h (x, y) is a convolution of the true sample image f (x, y).
The observed image g (x, y) is given by (Equation 1) (FIG. 3 (b 2 )).

【0034】[0034]

【数1】 [Equation 1]

【0035】従って、点像分布関数h(x,y)を種関
数として観測画像g(x,y)に対して逆演算(デコン
ボリューション)を行なう(図3(b))ことにより
真の試料画像f(x,y)を推定する(図3(b))
ことができ、空間分解能(解像度)を向上させることが
可能である。ここで、境界条件が不明確であるとデコン
ボリューション演算の実行により誤差を生じさせる結果
となるため、本発明の光イメージングシステムでは、境
界条件の明確化のためにスポット光を照明光として試料
の限られた範囲を照射することとしている。
Therefore, the point image distribution function h (x, y) is used as a seed function to perform an inverse operation (deconvolution) on the observed image g (x, y) (FIG. 3 (b 3 )) to obtain a true value. Estimate the sample image f (x, y) (FIG. 3 (b 4 ))
Therefore, it is possible to improve the spatial resolution (resolution). Here, if the boundary condition is unclear, an error occurs due to the execution of the deconvolution operation. Therefore, in the optical imaging system of the present invention, spot light is used as the illumination light of the sample to clarify the boundary condition. It is supposed to irradiate a limited area.

【0036】(データ処理の具体的内容)以下に、本発
明の光イメージングシステムにおける光イメージのデー
タ処理方法について説明する。
(Specific Contents of Data Processing) A data processing method of an optical image in the optical imaging system of the present invention will be described below.

【0037】(1.観測画像データの取り込み)レーザ
光が空間的広がりをもつビームスポットとして観察試料
に照射されると、光照射位置(x,y)における観察試
料からの蛍光や反射光又は透過光(光学系の構成により
異なる)が、画素数σ・τ(横 σ画素、縦 τ画素)の
2次元光検出器で検出されて画像データgx,y(s,
t)(但し、1≦s≦σ、1≦t≦τ)として記録され
る。これに続いて、スポット光の照射位置をx方向に一
定の微小距離だけ移動させて次の観測画像データg
x+1,y(s,t)を記録する。ここで、ステップサ
イズ(試料送り)を、スポットサイズと同等以下(数分
の1程度)の微小距離とすることにより解像度が向上す
る。
(1. Acquisition of Observation Image Data) When the observation sample is irradiated with laser light as a beam spot having a spatial spread, fluorescence, reflected light, or transmission from the observation sample at the light irradiation position (x, y). Light (depending on the configuration of the optical system) is detected by a two-dimensional photodetector having the number of pixels σ · τ (horizontal σ pixel, vertical τ pixel), and image data g x, y (s,
t) (where 1 ≦ s ≦ σ and 1 ≦ t ≦ τ). Following this, the irradiation position of the spot light is moved in the x direction by a fixed minute distance, and the next observation image data g
Record x + 1, y (s, t). Here, the resolution is improved by setting the step size (sample feeding) to a minute distance equal to or smaller than the spot size (about a fraction).

【0038】この手順をN回(但し、N=(横方向ξ
回)×(縦方向ψ回))繰り返して実行することで目的
とする観察試料の全面を走査し、(式2)で表記される
観測画像データ行列R(ξ・ψの行列)を得る。
This procedure is repeated N times (where N = (transverse direction ξ
Times) × (vertical direction ψ times)) Iteratively scans the entire surface of the target observation sample to obtain the observation image data matrix R g (ξ · ψ matrix) expressed by (Equation 2). .

【0039】[0039]

【数2】 [Equation 2]

【0040】(但し、1≦x≦ξ、1≦y≦ψ、1≦s
≦σ、1≦t≦τ)このようにして得られる観測画像デ
ータ行列Rに対してコンピュータを用いた画像処理を
実行する。
(However, 1≤x≤ξ, 1≤y≤ψ, 1≤s
≦ σ, 1 ≦ t ≦ τ) Image processing using a computer is executed on the observation image data matrix R g thus obtained.

【0041】(2.回復画像データ行列の算出)観測画
像データ行列Rに含まれる各画像データg
x,y(s,t)に対して、点像分布関数を種関数とし
たデコンボリューションを実行し、真値が回復された回
復画像データfx,y(s,t)を算出し、(式3)に
示す観測画像データ行列Rに対応する回復画像データ
行列Rを求める。
[0041] (2. Recovery calculation of the image data matrix) observed image data matrix each image data included in the R g g
x, with respect to y (s, t), perform the deconvolution that the point spread function as a seed function, restored image data f x the true value has been recovered, calculates y (s, t), ( The restored image data matrix R f corresponding to the observed image data matrix R g shown in Expression 3) is obtained.

【0042】[0042]

【数3】 [Equation 3]

【0043】(但し、1≦x≦ξ、1≦y≦ψ、1≦s
≦σ、1≦t≦τ) この方法によれば、画像データgx,y(s,t)から
回復画像データfx, (s,t)をデコンボリューシ
ョン演算で算出する際にスポット光の照射範囲を境界条
件として正確に与えることができるために誤差の少ない
演算が可能となる。ここで、上述のデコンボリューショ
ンはフーリエ面又は実像面のいずれかで実行し、そのア
ルゴリズムの例としては、観測画像データg(x,y)
をフーリエ変換G(u,v)しこれを点像分布関数h
(x,y)のフーリエ変換H(u,v)で割ることで逆
変換する方法、ウイナーインバースフィルタW(u,
v)を用いる方法、ハリスの方法、及び、非線形最適化
法等が挙げられる。
(However, 1≤x≤ξ, 1≤y≤ψ, 1≤s
≦ sigma, 1 according to ≦ t ≦ τ) This method, image data g x, y (s, t) from the restored image data f x, y (s, spot light when calculating the t) with deconvolution calculation Since the irradiation range of 1 can be accurately given as a boundary condition, calculation with less error becomes possible. Here, the above-described deconvolution is executed on either the Fourier plane or the real image plane, and as an example of the algorithm, observed image data g (x, y)
Fourier transform G (u, v) of the point spread function h
A method of inverse transform by dividing by Fourier transform H (u, v) of (x, y), Wiener inverse filter W (u,
v), Harris's method, and non-linear optimization method.

【0044】これらのデコンボリューションアルゴリズ
ムのうち、観測画像データg(x,y)をフーリエ変換
G(u,v)しこれを点像分布関数h(x,y)のフー
リエ変換H(u,v)で割ることで逆変換する方法で
は、畳み込み定理によりF(u,v)(=G(u,v)
/H(u,v))を求め、このF(u,v)を逆フーリ
エ変換することで、回復画像データf(x,y)を求め
る。この方法では、H(u,v)がゼロに近い値をとる
ときには、F(u,v)が非常に大きな値となるため、
G(u,v)がノイズを含む場合にはそのノイズが増幅
されて満足な回復画像データf(x,y)を得ることが
難しいという難点がある。
Among these deconvolution algorithms, the observed image data g (x, y) is Fourier transformed G (u, v) and this is Fourier transformed H (u, v) of the point spread function h (x, y). ), The inverse transformation method uses the convolution theorem to calculate F (u, v) (= G (u, v)
/ H (u, v)) and inverse Fourier transform of this F (u, v) to obtain the restored image data f (x, y). In this method, when H (u, v) has a value close to zero, F (u, v) has a very large value.
When G (u, v) contains noise, the noise is amplified and it is difficult to obtain satisfactory restored image data f (x, y).

【0045】ウイナーインバースフィルタW(u,v)
を用いる方法では、フィルタ関数は(式4)で与えられ
る。
Winner inverse filter W (u, v)
In the method using, the filter function is given by (Equation 4).

【0046】[0046]

【数4】 [Equation 4]

【0047】ここで、H(u,v)はH(u,v)の
転置行列、cは信号と雑音のパワースペクトル比であ
る。
Here, H t (u, v) is the transposed matrix of H (u, v), and c is the power spectrum ratio of signal and noise.

【0048】そして、このW(u,v)を基に、F
(u,v)=G(u,v)・W(u,v)によりF
(u,v)を求め、このF(u,v)を逆フーリエ変換
することで回復画像データf(x,y)を求める。
Then, based on this W (u, v), F
(U, v) = G (u, v) · W (u, v) F
(U, v) is obtained, and the restored image data f (x, y) is obtained by inverse Fourier transforming this F (u, v).

【0049】本発明の光イメージングシステムの光学系
では、試料にスポット光を照射するために観測される画
像の範囲がスポット光の照射領域内に限定される。従っ
て、ハリスの超過像法における物体の広がりに対する制
約条件が満足され、ハリスの方法によるデコンボリュー
ションが可能である。ハリスの超解像法は、観測画像を
計測系の遮断周波数より細かくサンプリングし、シンク
関数で内挿した後に逆行列計算を行なって帯域を広げ、
この処理により光学系によって劣化した高周波成分が回
復可能となって分解能が向上する。
In the optical system of the optical imaging system of the present invention, the range of the image observed for irradiating the sample with the spot light is limited to the spot light irradiation region. Therefore, the constraint condition on the spread of the object in the Harris hyperimage method is satisfied, and deconvolution by the Harris method is possible. In the Harris super-resolution method, the observed image is sampled more finely than the cutoff frequency of the measurement system, and after interpolation with the sink function, inverse matrix calculation is performed to widen the band,
By this processing, the high frequency component deteriorated by the optical system can be recovered and the resolution is improved.

【0050】非線形最適化法を用いるデコンボリューシ
ョンでは、真の輝度値と点像分布関数を畳み込んだ値と
測定値の二乗誤差が最小となるように真の輝度値を反復
しながら修正する。一般的に、画像の輝度情報は負値と
なることがないため、これを制約条件として最急降下法
あるいは共役勾配法などの最適化手法を用いて真の輝度
値を求める。この方法によれば、ノイズによる解の発散
が生じないため最も適切な輝度値を求めることができる
という大きなメリットがある。
In deconvolution using the non-linear optimization method, the true luminance value is iteratively modified so that the square error between the true luminance value and the value obtained by convolving the point spread function and the measured value is minimized. Generally, since the brightness information of an image does not have a negative value, the true brightness value is obtained by using an optimization method such as the steepest descent method or the conjugate gradient method with this as a constraint condition. According to this method, since there is no divergence of the solution due to noise, there is a great merit that the most appropriate brightness value can be obtained.

【0051】(3.回復画像の再構成)このようにして
得られた回復画像データ行列Rに含まれる各回復画像
データfx,y(s,t)を用いて、(式5)で表記さ
れる試料全体の回復画像Rを再構成する。
(3. Reconstruction of Restoration Image) Using each restoration image data f x, y (s, t) included in the restoration image data matrix R f thus obtained, (Equation 5) Reconstruct the recovered image R i of the entire sample as noted.

【0052】[0052]

【数5】 [Equation 5]

【0053】(但し、1≦m≦μ、1≦n≦ν、i
m,nは回復画像Rの座標(m,n)に対応する2次
元光光検出器の画素の輝度値) 回復画像データ行列Rから試料の全体の回復画像R
を再構成する方法としては、例えば、回復画像データ行
列Rに含まれる各回復画像データfx,y(s,t)
の中央の値を用いる方法と、回復画像データf
x,y(s,t)をx方向とy方向の走査ステップに相
当する画素数(Δσ、Δτ)ずつずらして重ねて平均化
することで試料全体の回復画像Rを得る方法が挙げら
れる。
(However, 1 ≦ m ≦ μ, 1 ≦ n ≦ ν, i
m, n are restored image R i of coordinates (m, n) the luminance value of the pixels of the two-dimensional light beam detector corresponding to) restore the image data matrix R f overall recovery image of the sample from R i
As a method of reconstructing, the recovery image data f x, y (s, t) included in the recovery image data matrix R f is, for example,
Method using the central value of
There is a method of obtaining a restored image R i of the entire sample by shifting x, y (s, t) by the number of pixels (Δσ, Δτ) corresponding to the scanning steps in the x direction and the y direction, and superimposing and averaging. .

【0054】このうち、回復画像データ行列Rに含ま
れる各回復画像データfx,y(s,t)の中央の値を
用いる方法によれば、先ず、回復画像データ行列R
おいて、ξ=μ、ψ=ν、x=m、y=nとおき、回復
画像データ行列Rに含まれる各回復画像データf
m,n(s,t)の中央部の画素の輝度値を(式6)の
ようにim,nとして与える。
[0054] Among them, the restored image data f x included in the restored image data matrix R f, according to the method of using the center value of y (s, t), first, in the recovery image data matrix R f, xi] = μ, ψ = ν, x = m, y = n Distant, each restored image data f included in the restored image data matrix R f
The luminance value of the pixel at the center of m, n (s, t) is given as i m, n as in (Equation 6).

【0055】[0055]

【数6】 [Equation 6]

【0056】このim,nを用いて(式7)のように試
料全体の回復画像Rを得る。
Using this i m, n , a restored image R i of the entire sample is obtained as in (Equation 7).

【0057】[0057]

【数7】 [Equation 7]

【0058】一方、回復画像データfx,y(s,t)
をx方向とy方向の走査ステップに相当する画素数(Δ
σ、Δτ)ずつずらして重ねて平均化することで試料全
体の回復画像Rを得る方法によれば、試料全体の回復
画像Rは(式8)で定義される。
On the other hand, the restored image data f x, y (s, t)
Is the number of pixels corresponding to the scanning steps in the x and y directions (Δ
sigma, according to the method of obtaining a restored image R i of the entire sample by averaging overlapped by shifting one by .DELTA..tau), restored image R i of the entire sample is defined by equation (8).

【0059】[0059]

【数8】 [Equation 8]

【0060】(但し、1≦m≦μ、1≦n≦ν、im,n
は試料全体の回復画像Rの座標(m,n)に位置する
画素の輝度値) ここで、試料全体の回復画像Rの画素数(μ(横方
向)、ν(縦方向))は、各々、μ=Δσ・(ξ−1)
+σ、及び、ν=Δτ・(ψ−1)+τで与えられる。
但し、Δσは横方向の1回の走査ステップに相当する画
素数、ξは横方向の走査回数、σは各回復画像データf
x,y(s,t)の横方向の画素数、Δτは縦方向の1
回の走査ステップに相当する画素数、ψは縦方向の走査
回数、そして、τは各回復画像データfx,y(s,
t)の縦方向の画素数)である。
(However, 1≤m≤μ, 1≤n≤ν, im , n
The luminance value of the pixel located at the coordinate (m, n) of the restored image R i of the whole sample) where the number of pixels of the restored image R i of the entire sample (mu (lateral direction), [nu (vertical direction)) is , Μ = Δσ · (ξ−1), respectively
+ Σ and ν = Δτ · (ψ-1) + τ.
Here, Δσ is the number of pixels corresponding to one horizontal scanning step, ξ is the number of horizontal scanning, and σ is each restored image data f.
x, y (s, t) horizontal pixel count, Δτ is 1 vertical pixel
The number of pixels corresponding to one scanning step, ψ is the number of scans in the vertical direction, and τ is each restored image data f x, y (s,
t) is the number of pixels in the vertical direction.

【0061】以下に、回復画像Rの座標(m,n)に
対応する2次元光光検出器の画素の輝度値であるi
m,nを求めるための具体的な演算手順を、σ/Δσ=
Ns及びτ/Δτ=Ntが整数で、かつ、Δσ及びΔτ
も共に整数(但し、σ及びτは各回復画像データf
x,y(s,t)の横及び縦の画素数)の場合を例にし
て説明する。
[0061] The following is a luminance value of the pixels of the two-dimensional light beam detector corresponding to the coordinates (m, n) of the restored image R i i
A specific calculation procedure for obtaining m and n is σ / Δσ =
Ns and τ / Δτ = Nt are integers, and Δσ and Δτ
Both are integers (however, σ and τ are each restored image data f
The case of x, y (s, t) horizontal and vertical pixels) will be described as an example.

【0062】先ず、図1に示したように、走査時のステ
ップサイズに相当する画素数(横方向Δσ、縦方向Δ
τ)ずつずらしながら回復画像を重ねて並べる。このと
き、回復画像データfx,y(s,t)を基準にして横
方向にNs枚重ねる場合には、例えばfx,y(s,
t)の他のNs枚の画像との平均値は(式9)のように
なり、
First, as shown in FIG. 1, the number of pixels corresponding to the step size during scanning (horizontal direction Δσ, vertical direction Δ).
τ) Place the restored images on top of each other while shifting them. At this time, when Ns sheets are overlapped in the lateral direction with reference to the restored image data f x, y (s, t), for example, f x, y (s, t)
The average value of t) with the other Ns images is as in (Equation 9),

【0063】[0063]

【数9】 [Equation 9]

【0064】これと同様の方法で、縦方向についてもN
t枚の画像を走査ステップサイズずつずらして重ねた場
合の平均を考慮に入れると、全体としては(式10)が
得られる。
In the same manner as above, N is also set in the vertical direction.
Taking into consideration the average when t images are overlapped by shifting by the scanning step size, (Equation 10) is obtained as a whole.

【0065】[0065]

【数10】 [Equation 10]

【0066】このようにして、試料全体の回復画像R
の各座標における輝度値は(式11)で与えられ、
In this way, the restored image R i of the entire sample is obtained.
The brightness value at each coordinate of is given by (Equation 11),

【0067】[0067]

【数11】 [Equation 11]

【0068】Ns≦m≦μ−Ns、かつ、Nt≦n≦ν
−Ntでは、
Ns ≦ m ≦ μ−Ns and Nt ≦ n ≦ ν
-In Nt,

【0069】[0069]

【数12】 [Equation 12]

【0070】(但し、roundup(a/b)は a/bの商を切り上
げで求め、mod(a/b)はa/bの剰余を求めることを意味す
る)となる。
(However, roundup (a / b) means obtaining the quotient of a / b by rounding up, and mod (a / b) means obtaining the remainder of a / b).

【0071】更に、(式12)をエッジ部分も含めた全
ての画像の領域(1≦m≦μ、かつ、1≦n≦ν)で成
り立つように拡張すると、(式13)が得られる。
Further, if (Equation 12) is expanded so as to be satisfied in all image regions (1≤m≤μ and 1≤n≤ν) including the edge portion, (Equation 13) is obtained.

【0072】[0072]

【数13】 [Equation 13]

【0073】(但し、min(a,b,c)はa,b,cのうちの最小
値を求め、1≦s<μ、1≦t≦ν、1≦x≦ξかつ1
≦y≦ψ以外ではfx,y(s,t)=0である)
(However, min (a, b, c) is the minimum value of a, b, c, and 1 ≦ s <μ, 1 ≦ t ≦ ν, 1 ≦ x ≦ ξ and 1
F x, y (s, t) = 0 except for ≤ y ≤ ψ)

【0074】(実施例)以下に、本発明の光イメージン
グシステムの実施例について説明する。
(Embodiment) An embodiment of the optical imaging system of the present invention will be described below.

【0075】(実施例1)図4〜6は、本発明の光イメ
ージングシステムを用いて得られる観測画像の様子を説
明するためにコンピュータシミュレーションを用いて得
られた図で、図4は、試料画像から観測画像が得られる
までの各演算過程における画像を説明するための図であ
り、図5は、試料画像、観測画像、及び、復元画像の各
々を比較するための図であり、図6は、観測画像と復元
画像の分解能の比較を説明するための図である。
(Embodiment 1) FIGS. 4 to 6 are views obtained by using computer simulation in order to explain the appearance of an observed image obtained by using the optical imaging system of the present invention. FIG. 6 is a diagram for explaining an image in each calculation process from obtaining an observation image to an image, and FIG. 5 is a diagram for comparing each of a sample image, an observation image, and a restored image, and FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining a comparison of resolutions of an observed image and a restored image.

【0076】図4には、試料画像(a)、試料画像を乗
算して得られる画像(b)、点像分布関数(PSF)の
畳み込み演算を行なって得られる画像(c)、及び、畳
み込み画像を加算して得られる観測画像(d)と、スポ
ット光強度分布像(e)、点像分布関数(PSF)
(f)、及び、ノイズ成分の像(g)が示されており、
併せて、これらの各々の画像から得られる信号強度のラ
インプロファイルも示されている。
In FIG. 4, the sample image (a), the image (b) obtained by multiplying the sample image, the image (c) obtained by performing the convolution operation of the point spread function (PSF), and the convolution. Observation image (d) obtained by adding images, spot light intensity distribution image (e), point spread function (PSF)
(F) and the image (g) of the noise component are shown,
In addition, a line profile of the signal intensity obtained from each of these images is also shown.

【0077】図4(a)の試料画像は、観察している試
料の本来の画像であり、ここでは、2つの方形の点が所
定の距離だけ離隔されて配置されている。この試料画像
にスポット光の強度分布(図4(e))を掛けることで
試料からの蛍光(又は散乱光)強度分布である図4
(b)が得られる。
The sample image of FIG. 4 (a) is an original image of the sample being observed, and here, two square points are arranged at a predetermined distance. The intensity distribution of spot light (FIG. 4 (e)) is applied to this sample image to obtain the fluorescence (or scattered light) intensity distribution from the sample.
(B) is obtained.

【0078】これに、図4(f)に示すPSFで畳み込
み演算を実行して図4(c)の畳み込み画像が得られ
る。この畳み込み画像から分るように、PSFを畳み込
むことにより観察試料である点の周囲にボケが生じ、本
来分離しているはずの2つの点の一部が重なり会う。更
に、観測画像(図4(d))では、ノイズ成分が重畳さ
れるために画像全体が鈍ることとなる。
Then, the convolution operation is executed by the PSF shown in FIG. 4 (f) to obtain the convolved image of FIG. 4 (c). As can be seen from this convolved image, convolution of the PSF causes blurring around the point that is the observation sample, and some of the two points that should have been originally separated overlap and meet. Further, in the observed image (FIG. 4 (d)), the noise component is superimposed, so that the entire image becomes dull.

【0079】図5には、試料画像(図5(a))、観測
画像(図5(b))、及び、復元画像(図5(c))
と、これらの画像に対応する信号強度のラインプロファ
イルが示されている。なお、この復元画像は、共役勾配
法を用いて復元された画像である。図5(b)に示すよ
うに、観測画像では、ノイズ成分を多く含む鈍い像とな
っていることに加え、本来分離している2つの方形の点
の像が融合しているのに対して、復元画像では、これら
の点が完全に分離され、試料画像に極めて近い像として
再現されており、その信号強度分布も本来の分布に近い
ものとなっている。
FIG. 5 shows a sample image (FIG. 5 (a)), an observed image (FIG. 5 (b)), and a restored image (FIG. 5 (c)).
And the line profiles of signal strength corresponding to these images are shown. The restored image is an image restored using the conjugate gradient method. As shown in FIG. 5B, in the observed image, in addition to the dull image containing a lot of noise components, the images of two originally separated square points are fused. In the restored image, these points are completely separated and reproduced as an image extremely close to the sample image, and the signal intensity distribution is close to the original distribution.

【0080】図6は、観測試料である2点間の間隔を変
化させた場合の、観測画像と復元画像の分解能の比較を
実行した結果を説明するための図で、この比較は、図6
(a)に示すように、各点に対応する位置での信号強度
(輝度)Pと、2点間の中心に対応する位置の信号強度
(輝度)Vとの比(試料像再現比率=V/P)を求めて
いる。従って、復元画像において完全に試料画像が復元
されていれば、観察試料が存在しない位置での輝度Vは
ゼロとなり、試料像再現比率もゼロとなる。このように
して定義される試料像再現比率を、ノイズが0.1%
(図6(b))、1.0%(図6(c))、10.%
(図6(d))の各々の条件下でシミュレーションを実
行している。
FIG. 6 is a diagram for explaining the result of the comparison of the resolutions of the observed image and the restored image when the interval between the two points of the observed sample is changed. This comparison is shown in FIG.
As shown in (a), the ratio of the signal intensity (luminance) P at the position corresponding to each point and the signal intensity (luminance) V at the position corresponding to the center between the two points (sample image reproduction ratio = V / P). Therefore, if the sample image is completely restored in the restored image, the brightness V at the position where the observation sample does not exist becomes zero, and the sample image reproduction ratio also becomes zero. The sample image reproduction ratio defined in this way has a noise of 0.1%.
(FIG. 6B), 1.0% (FIG. 6C), 10. %
The simulation is performed under each of the conditions (FIG. 6D).

【0081】この結果から分るように、何れのノイズ条
件においても試料間隔が100nmの場合に試料像再現
比率がゼロとなっており、この間隔以上の試料間隔であ
れば完全に試料画像の復元が可能となる。また、復元画
像から、2つの点が分離して認識可能な限界である分解
能は、0.8以下の試料像再現比率を与える試料間隔で
定義され、約40nmの分解能であると結論される。こ
れに対して、観測画像の分解能は、約90nmと判断さ
れるから、2倍以上の分解能の向上が実現されているこ
ととなる。
As can be seen from this result, the sample image reproduction ratio is zero when the sample interval is 100 nm under any noise condition, and the sample image is completely restored if the sample interval is more than this interval. Is possible. Further, it is concluded from the restored image that the resolution, which is the limit at which two points can be recognized separately, is defined by the sample interval that gives a sample image reproduction ratio of 0.8 or less, and is a resolution of about 40 nm. On the other hand, the resolution of the observed image is determined to be about 90 nm, which means that the resolution is more than doubled.

【0082】実際の計測では、上述したシミュレーショ
ン結果にあたる画像が各試料走査ごとに得られることと
なるが、試料走査ステップを充分に精細に設定してこれ
ら画像の積算を行なうことでノイズの低減を図ることが
可能であり、空間分解能は更に向上することとなる。
In actual measurement, an image corresponding to the above-mentioned simulation result is obtained for each sample scan, but noise is reduced by setting the sample scan step sufficiently finely and integrating these images. It is possible to improve the spatial resolution.

【0083】(実施例2)以下に、2光子励起の共焦点
顕微鏡をベースとする本発明の光イメージングシステム
での光イメージのデータ処理手順について説明する。
(Embodiment 2) A data processing procedure of an optical image in the optical imaging system of the present invention based on a two-photon excitation confocal microscope will be described below.

【0084】光源として100フェムト秒程度のパルス
幅をもつ赤外パルスレーザを使用し、レーザ光を倍率1
00の対物レンズで直径200nm程度のスポット光と
して集光して試料上に照射した。
An infrared pulse laser having a pulse width of about 100 femtoseconds is used as a light source, and the laser light has a magnification of 1
An objective lens of No. 00 condensed the spot light having a diameter of about 200 nm and irradiated it on the sample.

【0085】この光照射により観察試料中の蛍光分子が
励起されて蛍光が生じ、これを倍率10倍のコレクタレ
ンズを介して、単一画素サイズが6.7μm×6.7μ
mの正方画素からなる2次元光検出器(冷却CCD)で
検出した。このような光学系では、CCD上での蛍光の
スポットサイズは直径200μm程度となり、CCD上
での光スポットは約30画素×30画素の範囲に投影さ
れることとなる。このため、64画素×64画素の範囲
の蛍光輝度を16ビット精度で記録した。
This irradiation of light excites the fluorescent molecules in the observation sample to generate fluorescence, and the fluorescence is generated through a collector lens with a magnification of 10 to obtain a single pixel size of 6.7 μm × 6.7 μ.
It was detected by a two-dimensional photodetector (cooled CCD) consisting of m square pixels. In such an optical system, the spot size of the fluorescence on the CCD is about 200 μm in diameter, and the light spot on the CCD is projected in the range of about 30 pixels × 30 pixels. Therefore, the fluorescence luminance in the range of 64 pixels × 64 pixels was recorded with 16-bit accuracy.

【0086】ここで、スポット光により励起された蛍光
分子の蛍光画像行列gx,y(s,t)を(式14)の
ように定義する。
Here, the fluorescence image matrix g x, y (s, t) of the fluorescent molecule excited by the spot light is defined as in (Equation 14).

【0087】[0087]

【数14】 [Equation 14]

【0088】但し、行列の各要素は各画素の輝度値を意
味しており、s及びtは蛍光画像内の画素の座標を意味
し、0≦s≦64、0≦t≦64である。また、x及び
yはスポット光の照射位置の座標を意味する。
However, each element of the matrix means the brightness value of each pixel, s and t mean the coordinates of the pixel in the fluorescence image, and 0 ≦ s ≦ 64 and 0 ≦ t ≦ 64. Moreover, x and y mean the coordinates of the irradiation position of the spot light.

【0089】冷却CCDで記録した蛍光画像行列g
x,y(s,t)は、コンピュータを介してハードディ
スクに保存した。2次元マッピングのために、50nm
のステップサイズで試料上のスポット光を順次移動させ
て約5μm四方の範囲をスキャンした。その結果、取り
こみ画像としては100枚×100枚(計1万枚)をハ
ードディスクに記録し、これらの画像を基に観測画像デ
ーター行列Rを(式15)のように求める。
Fluorescence image matrix g recorded by the cooled CCD
x, y (s, t) was stored in the hard disk via the computer. 50 nm for two-dimensional mapping
The spot light on the sample was sequentially moved with the step size of, and a range of about 5 μm square was scanned. As a result, 100 × 100 sheets (10,000 sheets in total) are recorded in the hard disk as captured images, and the observed image data matrix R g is calculated based on these images as in (Equation 15).

【0090】[0090]

【数15】 [Equation 15]

【0091】但し、0≦x≦100、0≦y≦100
で、(x,y)はスポット光の試料上での照射位置の座
標である。このようにして求めた観測画像データ行列R
の各要素(蛍光画像行列gx, (s,t))の1つ
1つに対して非線形最適化法によるデコンボリューショ
ン演算を実行して回復画像データfx,y(s,t)を
算出し、回復画像データ行列Rを(式16)のように
算出する。
However, 0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100
Here, (x, y) is the coordinates of the irradiation position of the spot light on the sample. Observation image data matrix R obtained in this way
Restored image data f x, y (s, t) by executing deconvolution calculation by a non-linear optimization method for each of the elements of g (fluorescence image matrix g x, y (s, t)) Is calculated, and the restored image data matrix R f is calculated as in (Expression 16).

【0092】[0092]

【数16】 [Equation 16]

【0093】最後に、この回復画像データ行列Rを元
に試料全体の回復画像Rを算出する。具体的には、回
復画像データ行列の各要素である回復画像データf
x,y(s,t)をステップサイズに相当する画素数だ
けずらして平均を求めることで試料の回復画像Rを再
構成した。なお、この場合の理論上の最小ステップサイ
ズは2次元光検出器の画素の大きさと光学的拡大倍率と
で決まり、本実施例の場合には6.7nm程度となる。
Finally, the restored image R i of the entire sample is calculated based on this restored image data matrix R f . Specifically, the restored image data f that is each element of the restored image data matrix
The recovered image R i of the sample was reconstructed by shifting x, y (s, t) by the number of pixels corresponding to the step size and calculating the average. The theoretical minimum step size in this case is determined by the size of the pixel of the two-dimensional photodetector and the optical magnification, and in the case of the present embodiment is about 6.7 nm.

【0094】(実施例3)以下に、透過型の共焦点顕微
鏡をベースとする本発明の光イメージングシステムでの
光イメージのデータ処理手順について説明する。
(Embodiment 3) A data processing procedure of an optical image in the optical imaging system of the present invention based on a transmission type confocal microscope will be described below.

【0095】光源から射出された光を、ピンホール及び
コンデンサレンズを介して直径200nm程度の光スポ
ットとして集光し試料上に照射した。この光スポットに
対応する試料からの透過光を対物レンズ及びコレクタレ
ンズを介して画素サイズ6μmの正方画素を備えるCC
D上に投影した。なお、CCD上でのスポットサイズは
約200μmであり、これは約34画素×34画素に相
当する。このため、64×64画素の範囲を(式17)
のような観測画像行列gx,y(s,t)として記録し
た。
The light emitted from the light source was condensed as a light spot with a diameter of about 200 nm through a pinhole and a condenser lens, and was irradiated onto the sample. CC which is provided with a square pixel having a pixel size of 6 μm for transmitting light from the sample corresponding to this light spot through an objective lens and a collector lens.
Projected onto D. The spot size on the CCD is about 200 μm, which corresponds to about 34 pixels × 34 pixels. Therefore, the range of 64 × 64 pixels is defined by (Equation 17)
Was recorded as an observed image matrix g x, y (s, t).

【0096】[0096]

【数17】 [Equation 17]

【0097】但し、行列の各要素は各画素の輝度値を意
味し、この場合は透過光の強度値である。また、s及び
tは画素の座標を意味し(0≦s≦64、0≦t≦6
4)、(x,y)は試料上のスポット光照射位置の座標
を意味する。
However, each element of the matrix means the luminance value of each pixel, and in this case, it is the intensity value of the transmitted light. Further, s and t mean pixel coordinates (0 ≦ s ≦ 64, 0 ≦ t ≦ 6.
4) and (x, y) mean the coordinates of the spot light irradiation position on the sample.

【0098】CCDから読み出された観測画像行列g
x,y(s,t)は専用CPUへと送られて、観測画像
から回復画像を算出するためのデコンボルーション演算
と、算出された回復画像を基にした試料全体の回復画像
の座標(x,y)における輝度値Ix,yの算出が
実行される。なお、Ix,yは、回復画像データfx,
(s,t)の中央部の値を用いてIx,y=fx,y
(32,32)で算出し、このIx,yの値をハードデ
ィスク上に記録し、光スポットのスキャニングを実行さ
せた。
Observation image matrix g read from CCD
x, y (s, t) is sent to the dedicated CPU, and the deconvolution calculation for calculating the restored image from the observed image and the restored image R i of the entire sample based on the calculated restored image The calculation of the brightness value I x, y at the coordinates (x, y) is executed. Note that I x, y is the restored image data f x,
Using the value of the central part of y (s, t), I x, y = f x, y
The value of I x, y calculated from (32, 32) was recorded on the hard disk, and the scanning of the light spot was executed.

【0099】試料上のスポット光のスキャンは、x及び
y方向に1〜5nmの精度で駆動させることが可能なピ
エゾコントローラを備える試料ステージを用い、ステッ
プサイズ10nmで5μm四方の領域をスキャンした。
従って、x方向500点×y方向500点(計2500
00点)での観測画像が得られ、これを基に回復画像の
輝度値を求めて試料全体の回復画像Rを再構成した。
なお、本実施例でヤコビ法による画像再構成を行った場
合の理論的な空間分解能は50nm程度となる。
For the scanning of the spot light on the sample, a sample stage equipped with a piezo controller capable of being driven with an accuracy of 1 to 5 nm in the x and y directions was used, and a 5 μm square area was scanned with a step size of 10 nm.
Therefore, 500 points in x direction x 500 points in y direction (total 2500 points
An observation image at (00 point) was obtained, and the luminance value of the restored image was obtained based on this to reconstruct the restored image R i of the entire sample.
Note that the theoretical spatial resolution in the case of performing image reconstruction by the Jacobian method in this embodiment is about 50 nm.

【0100】[0100]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
2次元光検出装置で得た各光照射領域毎の2次元光強度
分布を基に点像分布関数を種関数とする逆演算により再
構成した2次元光強度分布を積算して全観察領域の2次
元光強度分布を構成する構成としたので、高空間分解能
の走査型光学顕微鏡観察が簡便かつ安定して実行可能
な、50nmレベルの空間分解能を備える光イメージン
グシステム及び光イメージのデータ処理方法を提供する
ことが可能となる。
As described above, according to the present invention,
Based on the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation area obtained by the two-dimensional photodetector, the two-dimensional light intensity distribution reconstructed by the inverse calculation using the point spread function as a seed function is integrated to Since the two-dimensional light intensity distribution is configured, an optical imaging system having a spatial resolution of 50 nm level and an optical image data processing method capable of easily and stably performing scanning optical microscope observation with high spatial resolution are provided. It becomes possible to provide.

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

【図1】本発明の反射型の光イメージングシステムの構
成を説明するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a reflective optical imaging system of the present invention.

【図2】本発明の透過型の光イメージングシステムの構
成を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of a transmission type optical imaging system of the present invention.

【図3】本発明の光イメージングシステムで採用する光
イメージングの原理を説明するための図で、(a)は照
射光スポット領域に2つの物体が距離d〜dだけ離
れて存在する場合にこれらの物体の各々から得られる光
信号強度の空間的分布を説明するための図であり、
(b)は光信号を検出して画像として再構成するプロセ
スを説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of optical imaging adopted in the optical imaging system of the present invention, in which (a) is a case where two objects are present in the irradiation light spot area at a distance d 1 to d 3. It is a diagram for explaining the spatial distribution of the optical signal intensity obtained from each of these objects,
(B) is a figure for demonstrating the process which detects an optical signal and is reconstructed as an image.

【図4】試料画像から観測画像が得られるまでの各演算
過程における画像を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining an image in each calculation process from a sample image to an observation image.

【図5】試料画像、観測画像、及び、復元画像の各々を
比較するための図である。
FIG. 5 is a diagram for comparing a sample image, an observed image, and a restored image.

【図6】観測画像と復元画像の分解能の比較を説明する
ための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining comparison of resolutions of an observed image and a restored image.

【図7】従来の共焦点レーザ走査型顕微鏡システムの構
成例を説明するための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional confocal laser scanning microscope system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 光学系 101 試料ステージ 102 観察試料 103 対物レンズ 104、107、108、110 レンズ 105 2次元光検出器 106 レーザ 109 ピンホール 111 スポット光走査装置 112 ハーフミラー 120 データ処理系 100 optical system 101 sample stage 102 observation sample 103 Objective lens 104, 107, 108, 110 lenses 105 two-dimensional photodetector 106 laser 109 pinhole 111 spot light scanning device 112 half mirror 120 data processing system

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 雅弘 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 Fターム(参考) 2F065 AA51 DD04 FF04 GG04 HH04 JJ26 LL00 LL13 LL28 LL30 MM11 PP24 QQ16 QQ18 QQ24 QQ31 2H052 AA08 AB24 AC04 AC15 AC34 AD16 AD32 AD35 AF06 AF14 AF21 AF25    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Masahiro Yamada             1-1-1 Higashi 1-1-1 Tsukuba City, Ibaraki Prefecture             Inside the Tsukuba Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology F term (reference) 2F065 AA51 DD04 FF04 GG04 HH04                       JJ26 LL00 LL13 LL28 LL30                       MM11 PP24 QQ16 QQ18 QQ24                       QQ31                 2H052 AA08 AB24 AC04 AC15 AC34                       AD16 AD32 AD35 AF06 AF14                       AF21 AF25

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源から射出された光をスポット光とし
て観察試料に照射して該観察試料からの信号光を受光す
るための光学系と、該信号光を観察試料画像として再生
するためのデータ処理系とで構成された光イメージング
システムであって、 前記光学系は、試料観察位置を2次元平面内で変化させ
るための観察位置設定手段と、前記スポット光の照射領
域から得られる信号光の2次元光強度分布を認識可能な
光検出手段とを備え、 前記データ処理系は、前記光検出手段で得た信号光の2
次元光強度分布を前記観察試料上の各光照射領域に対応
させて記憶するための記憶手段と、前記光検出手段で得
た各光照射領域毎の2次元光強度分布を基に点像分布関
数を種関数とする逆演算により再構成した2次元光強度
分布を積算して全観察領域の2次元光強度分布を構成す
るための演算手段と、該演算手段により構成された全観
察領域の光強度分布を画像として表示するための表示手
段とを備えることを特徴とする光イメージングシステ
ム。
1. An optical system for irradiating an observation sample with light emitted from a light source as spot light to receive signal light from the observation sample, and data for reproducing the signal light as an observation sample image. An optical imaging system including a processing system, wherein the optical system includes an observation position setting unit for changing a sample observation position in a two-dimensional plane, and signal light obtained from an irradiation region of the spot light. And a light detecting unit capable of recognizing a two-dimensional light intensity distribution, wherein the data processing system is configured to detect the signal light obtained by the light detecting unit.
Storage means for storing a three-dimensional light intensity distribution corresponding to each light irradiation area on the observation sample, and a point image distribution based on the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation area obtained by the light detection means A calculation means for integrating the two-dimensional light intensity distributions reconstructed by the inverse calculation using the function as a seed function to form a two-dimensional light intensity distribution of the entire observation area; and a total observation area formed by the calculation means. An optical imaging system comprising: a display unit for displaying the light intensity distribution as an image.
【請求項2】 前記データ処理手段に備える演算手段
は、前記光検出手段で得た各光照射領域毎の2次元光強
度分布を構成する各光信号強度データに点像分布関数に
よるウイナーインバースフィルタを掛けることで信号光
強度を補正して2次元光強度分布を再構成することを特
徴とする請求項1に記載の光イメージングシステム。
2. The calculation means included in the data processing means is a Wiener inverse filter based on a point spread function for each optical signal intensity data constituting the two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region obtained by the light detection means. The optical imaging system according to claim 1, wherein the signal light intensity is corrected by multiplying by to reconstruct a two-dimensional light intensity distribution.
【請求項3】 前記光学系に備える光検出手段の画素間
隔は、該光学系により定まる点像分布関数の遮断空間周
波数よりも小さく設定されていることを特徴とする請求
項1又は2に記載の光イメージングシステム。
3. The pixel interval of the light detection means provided in the optical system is set to be smaller than the cut-off spatial frequency of the point spread function determined by the optical system. Optical imaging system.
【請求項4】 前記光学系の光路中に輪帯絞りを備える
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光
イメージングシステム。
4. The optical imaging system according to claim 1, further comprising a ring stop in the optical path of the optical system.
【請求項5】 前記光学系は共焦点光学系であって、前
記光検出手段が観察試料の実像面と共役な位置に設けら
れていることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記
載の光イメージングシステム。
5. The optical system according to claim 1, wherein the optical system is a confocal optical system, and the light detecting means is provided at a position conjugate with the real image plane of the observation sample. Optical imaging system.
【請求項6】 前記光学系はパルスレーザを光源として
備え、観察試料に含まれる蛍光分子の2光子励起が可能
であることを特徴とする請求項5に記載の光イメージン
グシステム。
6. The optical imaging system according to claim 5, wherein the optical system is provided with a pulse laser as a light source and is capable of two-photon excitation of fluorescent molecules contained in the observation sample.
【請求項7】 光イメージのデータ処理方法であって、 信号光の2次元光強度分布を観察試料上の各光照射領域
に対応させて記憶するステップと、 該各光照射領域毎の2次元光強度分布を基に点像分布関
数を種関数とする逆演算により2次元光強度分布を再構
成するステップと、 該再構成された2次元光強度分布を積算して全観察領域
の光強度分布を画像として表示させるステップとを備え
ることを特徴とする光イメージのデータ処理方法。
7. A data processing method for an optical image, the step of storing a two-dimensional light intensity distribution of signal light in association with each light irradiation region on an observation sample, and two-dimensional for each light irradiation region. A step of reconstructing a two-dimensional light intensity distribution by an inverse operation using a point spread function as a seed function based on the light intensity distribution, and integrating the reconstructed two-dimensional light intensity distributions And a step of displaying the distribution as an image.
【請求項8】 前記各光照射領域毎の2次元光強度分布
を構成する各光信号強度データに点像分布関数による最
小2乗フィルタを掛けることで信号光強度を補正して2
次元光強度分布を再構成するステップを備えることを特
徴とする請求項7に記載の光イメージのデータ処理方
法。
8. The signal light intensity is corrected by applying a least-squares filter by a point spread function to each optical signal intensity data forming a two-dimensional light intensity distribution for each light irradiation region,
The optical image data processing method according to claim 7, further comprising the step of reconstructing a three-dimensional light intensity distribution.
【請求項9】 コンピュータに、請求項7又は8に記載
の各ステップを実行させるためのプログラム。
9. A program for causing a computer to execute the steps according to claim 7 or 8.
【請求項10】 請求項9に記載のプログラムを記録し
たコンピュータ読取可能な記録媒体。
10. A computer-readable recording medium in which the program according to claim 9 is recorded.
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