JP2006221190A - 共焦点走査型顕微鏡システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共焦点走査型顕微鏡システムは、スポット光を照射した観測試料から発する光の2次元光強度分布を2次元光検出器により受光し、各光照射領域毎の2次元光強度分布に基づいて、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次元光強度分布を前記スポット光の各照射位置に対応させて位置をずらしながら重ねて平均化し全観察領域の2次元光強度分布を構成して観測画像を形成する。高い空間分解能が得られ、50nmレベルの高い空間分解能を有する共焦点走査型顕微鏡システムが提供される。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の共焦点走査型顕微鏡システムの構成を説明するための図で、この共焦点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。
図3は、本発明の共焦点走査型顕微鏡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あり、図3(a)は、照射光スポット領域に2つの物体が距離d1〜d3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。
以下に、本発明の共焦点走査型顕微鏡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。
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gx+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。
このようにして得られる観測画像データ行列Rgに対してコンピュータを用いた画像処理を実行する。
観測画像データ行列Rgに含まれる各画像データgx,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Rgに対応する回復画像データ行列Rfを求める。
このようにして得られた回復画像データ行列Rf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Riを再構成する。
ここで、試料全体の回復画像Ri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fx,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。
以下に、本発明の共焦点走査型顕微鏡システムの実施例について説明する。
図4〜6は、本発明の共焦点走査型顕微鏡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あり、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。
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共焦点走査型顕微鏡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。
このようにして求めた観測画像データ行列Rgの各要素(蛍光画像行列gx,y(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Rfを(式16)のように算出する。
以下に、透過型の共焦点顕微鏡をベースとする本発明の共焦点走査型顕微鏡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。
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
Claims (6)
- 光源から射出された光をスポット光にして観察試料に照射して該観察試料から発する光を2次元光強度分布として受光する光学系と、受光した光の2次元光強度分布を観察試料画像に画像形成するデータ処理系とで構成された共焦点走査型顕微鏡システムであって、
前記光学系は、
光源から射出された光をスポット光にして観察試料を2次元的に走査して照射するスポット光走査手段と、
前記スポット光を照射した観察領域から発する光を2次元光強度分布として受光する2次元光検出部からの信号により前記スポット光の照射位置の情報と対応づけた2次元光強度分布の2次元画像情報を取得する2次元光検出手段と
を備え、
前記データ処理系は、
前記2次元光検出手段で取得した2次元光強度分布の2次元画像情報を前記観察試料上のスポット光の各照射位置に対応させて記憶する記憶手段と、
前記2次元光強度分布の2次元画像情報に基づいて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次元光強度分布を前記スポット光の各照射位置に対応させて位置をずらしながら重ねて平均化し全観察領域の2次元光強度分布を構成する演算手段と、
前記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表示手段とを備える
ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡システム。 - 前記演算手段は、前記2次元光検出手段で得た光照射領域毎の2次元光強度分布の各2次元画像情報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データ処理を行い、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に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
- 前記2次元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に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
- 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共焦点走査型顕微鏡システム。
- 前記光学系は共焦点光学系であって、前記2次元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いずれかに記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
- 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に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
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