JP2008242022A - Polarizing microscopic observation method and polarizing microscope system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光顕微鏡観察法及び偏光顕微鏡システムに関し、特に、照射光として直線偏光を用いた光学顕微鏡において、可変位相子に経時的に電圧を加え、その電圧印加と同期して偏光顕微鏡画像を取得し、取得画像情報を処理することで、試料の位相差分布画像を得る方法とシステムに関するものである。 The present invention relates to a polarizing microscope observation method and a polarizing microscope system, and in particular, in an optical microscope using linearly polarized light as irradiation light, a voltage is applied to a variable phase shifter over time, and a polarizing microscope image is synchronized with the voltage application. The present invention relates to a method and system for obtaining a phase difference distribution image of a sample by acquiring and processing acquired image information.
従来の透過型の通常の光学顕微鏡では、透明な生物試料や透明な結晶・非晶質等の物質は、コントラストが低く識別が不可能であった。生物の場合には、色素で染色して観察する方法がとられてきた。 In a conventional transmission-type ordinary optical microscope, a transparent biological sample or a transparent crystal / amorphous substance has a low contrast and cannot be identified. In the case of living organisms, a method of observing by staining with a dye has been taken.
また、高感度で知られる蛍光顕微鏡でも、固有蛍光を発することのない生物試料の場合には、蛍光色素で染色をして用いる必要があるために、上記と同様に染色による生体への影響を無視することは困難である。 In addition, even in a fluorescence microscope known for high sensitivity, in the case of biological samples that do not emit intrinsic fluorescence, it is necessary to use them after staining with fluorescent dyes. It is difficult to ignore.
また、従来から用いられている偏光顕微鏡は、透明な繊維状物質、生物試料や岩石、結晶の超薄切片でも、直線偏光を用いて複屈折性の違いを利用することにより観察が可能である。しかし、遅相量(位相差)を定量することに欠けたり、また、観察に時間がかかると共に、偏光顕微鏡の取り扱いに熟練・経験を要するという欠点がある。また、動的に構造が変化する環境条件を与えた場合や、生物のように変化する対象物の場合にも、不都合である。 In addition, the polarization microscope that has been used in the past can observe even ultra-thin sections of transparent fibrous materials, biological samples, rocks, and crystals by utilizing the difference in birefringence using linearly polarized light. . However, there are drawbacks in that the amount of retardation (phase difference) is not quantified, observation takes time, and skill and experience are required for handling the polarizing microscope. Further, it is also inconvenient when an environmental condition whose structure is dynamically changed is given or an object that changes like a living thing.
これを改善する方式として、米国のOldenburg (1996)による液晶制御を用いた偏光顕微鏡が発明され(特許文献1)、これらの欠点を克服するものとして作られた。 As a method for improving this, a polarizing microscope using liquid crystal control by Oldenburg (1996) of the United States was invented (Patent Document 1) and made to overcome these drawbacks.
しかし、後記する本発明の方法と異なり、2枚の液晶板に各々電圧を加える方式であるために、システムとして複雑となる。また、電圧に対する液晶高分子の変化が数十ミリ秒もかかるために、本質的に高速な画像取得が不可能である。また、1画面を構成するのに4画面を画像処理する必要があると共に、動画像を作製するときには4画面で1画面を合成するために、時間分解能が低いという欠点があった。
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、透明な結晶状の物質だけでなく、生きた生物試料を高い空間的弁別能で、かつ、時間分解能を上げてそのような試料の動的な変化を無染色の状態で観察可能にすることである。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and its purpose is not only a transparent crystalline substance but also a living biological sample with high spatial discrimination ability and time resolution. The dynamic change of such a sample can be observed without staining.
本発明の偏光顕微鏡観察法は、単波長の試料照明光路中に偏光子を配置し、対物レンズから撮像面に至る光路中にクロスニコルの状態で検光子を配置してなる偏光顕微鏡を使用した観察法において、
偏光子と試料の間又は試料と検光子の間に可変位相子を配置して、前記可変位相子が与える位相差を経時的に相互に異なる3つの位相差とし、各々の位相差付与時に各1枚の偏光顕微鏡画像を撮像し、取得された3つの画像から試料の位相差分布画像を算出することを特徴とする方法である。
The polarizing microscope observation method of the present invention uses a polarizing microscope in which a polarizer is disposed in a single-wavelength sample illumination optical path, and an analyzer is disposed in a crossed Nicol state in the optical path from the objective lens to the imaging surface. In the observation method,
A variable phase shifter is arranged between the polarizer and the sample or between the sample and the analyzer, and the phase difference given by the variable phase shifter is set to three phase differences different from each other with time. In this method, a single polarizing microscope image is taken and a phase difference distribution image of the sample is calculated from the three acquired images.
この場合に、前記可変位相子で与える位相差をそれぞれθ1 ,θ2 ,θ3 とし、それぞれの位相差θ1 ,θ2 ,θ3 付与時の撮像面での光強度をI(x)1 、I(x)2 、I(x)3 とするとき(xは撮像面での座標)、式(29)の演算をすることで位相差分布画像R(x)を算出することが望ましい。 In this case, the phase differences given by the variable phase shifter are θ 1 , θ 2 , and θ 3 , respectively, and the light intensity on the imaging surface when the phase differences θ 1 , θ 2 , and θ 3 are given is I (x) When 1 , I (x) 2 , and I (x) 3 (x is a coordinate on the imaging surface), it is desirable to calculate the phase difference distribution image R (x) by performing the calculation of Expression (29). .
R(x)=1/2×
|{(θ2 2 −θ1 2 )−p(θ3 2 −θ1 2 )}
÷{(θ2 −θ1 )−p(θ3 −θ1 )}| ・・・(29)
ただし、
p=(I(x)2 −I(x)1 )/(I(x)3 −I(x)1 ) ・・・(24)
である。
R (x) = 1/2 ×
| {(Θ 2 2 −θ 1 2 ) −p (θ 3 2 −θ 1 2 )}
÷ {(θ 2 −θ 1 ) −p (θ 3 −θ 1 )} | (29)
However,
p = (I (x) 2 −I (x) 1 ) / (I (x) 3 −I (x) 1 ) (24)
It is.
また、前記可変位相子がポッケルスセルから、あるいは、液晶素子からなることが望ましい。 Further, it is desirable that the variable phase shifter is composed of a Pockels cell or a liquid crystal element.
また、前記可変位相子が与える位相差が波長の1/36以下であることが望ましい。 Further, it is desirable that the phase difference given by the variable phase shifter is 1/36 or less of the wavelength.
また、前記可変位相子が与える位相差がθ1 =0,θ2 =a,θ3 =−aであることが望ましい。 Further, it is desirable that the phase difference given by the variable phase shifter is θ 1 = 0, θ 2 = a, θ 3 = −a.
また、前記異なる3つの位相差を周期的に与え、それぞれの位相差のときに撮像された連続する画像を撮影時間間隔ずつずらして得られる連続する3つの画像から各々演算して位相差分布画像を撮影時間間隔毎に連続的に算出することもできる。 Further, the three different phase differences are periodically given, and the consecutive images captured at the respective phase differences are respectively calculated from the three consecutive images obtained by shifting the photographing time intervals to obtain the phase difference distribution image. Can be calculated continuously for each photographing time interval.
本発明の偏光顕微鏡システムは、単波長の試料照明光路中に偏光子を配置し、対物レンズから撮像面に至る光路中にクロスニコルの状態で検光子を配置してなる偏光顕微鏡を使用した偏光顕微鏡システムにおいて、
偏光子と試料の間又は試料と検光子の間に可変位相子が配置され、
前記可変位相子が経時的に相互に異なる3つの位相差を発生させるための制御手段と、前記可変位相子が各位相差付与時に同期して各々1枚の偏光顕微鏡画像を撮像する撮像手段と、撮像された3つの偏光顕微鏡画像から試料の位相差分布画像を算出する演算手段と、算出された試料の位相差分布画像を表示する表示手段とを備えていることを特徴とするものである。
The polarization microscope system of the present invention uses a polarization microscope in which a polarizer is arranged in a single-wavelength sample illumination optical path, and an analyzer is arranged in a crossed Nicols state in the optical path from the objective lens to the imaging surface. In the microscope system,
A variable phase shifter is disposed between the polarizer and the sample or between the sample and the analyzer;
Control means for causing the variable phase shifter to generate three phase differences different from each other over time; imaging means for capturing one polarization microscope image in synchronization with the variable phase shifter when each phase difference is applied; The image processing apparatus includes a calculation unit that calculates a phase difference distribution image of the sample from the three captured polarization microscope images, and a display unit that displays the calculated phase difference distribution image of the sample.
この場合に、前記制御手段で前記可変位相子によって相互に異なる3つの位相差が周期的に変化するように制御し、前記撮像手段で前記可変位相子の各位相差に同期して各々1枚の偏光顕微鏡画像を撮像し、前記演算手段で前記制御手段によって位相差を変える時間間隔ずつずらしながら連続する3枚の偏光顕微鏡画像から試料の位相差分布画像1枚を算出することで、前記撮像手段での撮影と同じ時間間隔で順に連続して位相差分布画像を得るようにすることもできる。 In this case, the control means controls the three phase differences different from each other by the variable phase shifter to periodically change, and the imaging means synchronizes with each phase difference of the variable phase shifter to each one sheet. By taking a polarization microscope image and calculating one phase difference distribution image of the sample from three consecutive polarization microscope images while shifting the time interval by which the control means changes the phase difference by the control means, the imaging means It is also possible to obtain phase difference distribution images successively in order at the same time intervals as in the case of shooting in FIG.
本発明の偏光顕微鏡観察法及び偏光顕微鏡システムによると、暗黒の画面の中に、複屈折性の分子・物質等の構造物があると、それによる位相差の大きさが光強度として検出できるために、定量的な物質量の測定が可能である。 According to the polarization microscope observation method and polarization microscope system of the present invention, if there is a structure such as a birefringent molecule or substance in a dark screen, the magnitude of the phase difference due to the structure can be detected as the light intensity. In addition, it is possible to measure the amount of substances quantitatively.
また、暗黒の中に光る像として数十nmの大きさの分子が観察されるという、非常に高い空間弁別能で識別が可能である。 In addition, it is possible to discriminate with a very high spatial discriminating ability that a molecule having a size of several tens of nm is observed as an image that shines in the dark.
また、透明な物質に対して無染色で非常に高感度の画像データの収集が可能であり、生物等で染色による影響が出るような場合にも観察が可能である。 In addition, it is possible to collect very high-sensitivity image data without staining a transparent substance, and observation is possible even when an organism is affected by staining.
また、高倍率の対物レンズを用いて焦点深度を浅くして深さ方向の情報を集めることによって、細胞等の3次元立体構築が可能である。 Further, by collecting information in the depth direction by using a high-magnification objective lens and reducing the depth of focus, it is possible to construct a three-dimensional solid such as a cell.
そして、無染色で生きた状態での生物組織中の細胞や細胞の内部構造に関して、動的に、かつ、高空間弁別能で観察可能である。 In addition, it is possible to observe the cells in the living tissue in an unstained state and the internal structure of the cells dynamically and with a high spatial discrimination ability.
以下、図面の参照にして本発明の偏光顕微鏡観察法及び偏光顕微鏡システムの原理と実施例を説明する。 Hereinafter, the principles and embodiments of the polarizing microscope observation method and the polarizing microscope system of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の偏光顕微鏡システムの1実施例の構成を示す図であり、偏光顕微鏡は、試料Sを載置するステージ1と、対物レンズ2と、対物レンズ2で拡大された試料Sの像を撮像するCCDカメラ3と、光源4と、コンデンサー5と、光源4とコンデンサー5の間に配置される直線偏光子(ポーラライザー、偏光子)6と、対物レンズ2とCCDカメラ3の間に配置される直線偏光子(アナライザー、検光子)7と、光源4と直線偏光子(ポーラライザー)6の間に配置され単波長の照明光を透過させる干渉フィルター8と、対物レンズ2と直線偏光子(アナライザー)7の間に配置され所定の位相差を発生させるポッケルスセル9とからなり、CCDカメラ3で撮影された画像はコンピュータ10に取り込まれ、また、ポッケルスセル9の位相差はコンピュータ10からの信号がパラレルポート11を経てポッケルスセルコントローラ12によりポッケルスセル9に入力されることで制御される。さらに、コンピュータ10で演算された位相差分布像はモニター13上に表示される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of one embodiment of a polarizing microscope system of the present invention. The polarizing microscope includes a
本発明による偏光顕微鏡システムにおいては、位相を重要な情報とするので、単波長の光を照射光源として用いることから、光源4としては、単波長を持ったレーザー光源か、あるいは広い波長の光源である水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ等の場合には、干渉フィルター8を通過した単一の波長の光を用いる。光源4としてはレーザー光源を用いる場合は、干渉フィルター8は省いてもよい。
In the polarization microscope system according to the present invention, since the phase is important information, light of a single wavelength is used as an irradiation light source. Therefore, the
直線偏光子(ポーラライザー)6と直線偏光子(アナライザー)7は、透過軸が相互に直交するクロスニコルの状態に配置され、ポッケルスセル9の光学軸はポーラライザー6の透過軸とアナライザー7の透過軸それぞれに対して45°の角度をなすように配置される。
The linear polarizer (polarizer) 6 and the linear polarizer (analyzer) 7 are arranged in a crossed Nicols state in which the transmission axes are orthogonal to each other. The optical axis of the Pockels
なお、ポッケルスセル9は、直線偏光子(ポーラライザー)6と試料Sの間に配置しても同じ効果が得られる。
The same effect can be obtained even if the Pockels
このような光学系では、試料Sがない状態では、CCDカメラ3で撮像される画面が暗黒となるように配置した光学顕微鏡であり、消光比(消光係数=入射光輝度/出射光輝度、extinction factor )が大きければ大きい程、顕微鏡の視野全体が暗くなるので、観察対象である試料Sの複屈折性の物質に基づき、位相の変化量(位相差)に応じてアナライザー7を通過可能となり、位相の変化量の大きさに応じて、試料Sが視野の中で強く光って観察されることから、大きな検出感度が得られる。
In such an optical system, in the state where the sample S is not present, the optical microscope is arranged so that the screen imaged by the
ポッケルスセル9、あるいはその代わりに用いる液晶素子で構成された液晶板、他の電気光学効果に基づく可変位相子(コンペンセータ)に電圧を加えることにより、振動面が直交する2つの直線偏光に位相差を生じさせる。この位相差は、コンピュータ10からパラレルポート11とポッケルスセルコントローラ12を経てポッケルスセル9に電圧を加えることで制御する。このときに加える電圧は、直線偏光において波長の1/36程度(用いる波長が緑色光の540nmのときには、約15nm)の位相差を生ずる電圧又はそれ以下の電圧で行う。
By applying voltage to the
この制御用の電圧と同期して得られる画像を、コンピュータ10の制御でCCDカメラ3から取得して、各画素毎に次の演算処理をして、モニター13上に画像表示する。
An image obtained in synchronism with the control voltage is acquired from the
なお、手動で可変位相子(コンペンセータ)を使用することも可能である。可変位相子の例としては、剥離した雲母板を用いることができる。 It is also possible to manually use a variable phase shifter (compensator). As an example of the variable phase shifter, a peeled mica plate can be used.
以下、画像処理の演算アルゴリズムを説明する。 Hereinafter, an arithmetic algorithm for image processing will be described.
アナライザー7を透過後のCCDカメラ3のn枚目の画像のアドレスx番地の画素における輝度をIn (x)とする。また、ポッケルスセル9で与える位相差をθn とする。画素x番地において試料Sの複屈折による位相差(レタデーション)をθ0 (x)とする。最終の光学素子であるアナライザー7に入射する光強度I0 (x)とし、In (x)の最小値(クロスニコルの状態での光強度)をIm (x)とする。In (x)は、実際の観察で求まる値であり、θn は観測者が与える値である。いま、CCDカメラ3において、n枚目の画像のx番地に着目して、輝度に関する式からレタデーションθ0 (x)を求める。以下の説明においては、xは省略する。
Let I n (x) be the luminance at the pixel at address x of the nth image of the
In =I0 ・sin2 (θn −θ0 )+Im ・・・(1)
この式(1)の第1項目は、クロスニコルの状態の位相差(レタデーション)θ0 からのずれ(θn −θ0 )に基づいてアナライザー7を通過する光量である。
I n = I 0 · sin 2 (θ n −θ 0 ) + I m (1)
The first item of the equation (1) is the amount of light passing through the
θ0 とθn も微小な角度とすると、式(1)は、近似的には、
In =I0 ・(θn −θ0 )2 +Im ・・・(2)
となる。
Assuming that θ 0 and θ n are also very small angles, Equation (1) is approximately
I n = I 0 · (θ n −θ 0 ) 2 + I m (2)
It becomes.
ここで、ポッケルスセル9に加える3種類の電圧によって生じる位相差θ1 、θ2 、θ3 を与えたときに得られる光強度I1 、I2 、I3 に関する3つの方程式から、この3元連立方程式を解くことにより、未知数I0 、Im 、θ0 が一般に求められる。位相差(レタデーション)θ0 分布画像は、各画素毎の場所におけるθ0 を表示することで得られる。時々刻々に変化するθ0 を表示することで、試料Sのレタデーション分布変化動画が得られる。
Here, from the three equations relating to the light intensities I 1 , I 2 , and I 3 obtained when the phase differences θ 1 , θ 2 , and θ 3 caused by the three kinds of voltages applied to the
1例として、いま、ポッケルスセル9に加える3種類の電圧により、θ1 =0,θ2 =a,θ3 =−aの位相差を与えたときのCCDカメラ3で記録される光強度をI1 、I2 、I3 (3枚の画像における同一アドレスの1画素の輝度)とすると、試料Sの複屈折による位相差(レタデーション)θ0 は、3元連立方程式の解として次の式で求まる。
As an example, the light intensity recorded by the
θ1 =0,θ2 =a,θ3 =−aを式(2)のに代入し連立方程式を解く。 Substituting θ 1 = 0, θ 2 = a, and θ 3 = −a into equation (2) to solve the simultaneous equations.
I1 =I0 ・θ0 2 +Im ・・・(3)
I2 =I0 ・(a2 −2aθ0 +θ0 2 )+Im ・・・(4)
I3 =I0 ・(a2 +2aθ0 +θ0 2 )+Im ・・・(5)
式(3)から、
Im =I1 −I0 ・θ0 2 ・・・(6)
式(6)を式(4)、(5)に代入すると、
I2 =I0 a2 −2I0 aθ0 +I1 ・・・(7)
I3 =I0 a2 +2I0 aθ0 +I1 ・・・(8)
式(7)、(8)より、
I0 a2 +I1 =I2 +2I0 aθ0 ・・・(9)
I0 a2 +I1 =I3 −2I0 aθ0 ・・・(10)
式(9)=式(10)より、
I2 +2I0 aθ0 =I3 −2I0 aθ0 ・・・(11)
式(11)より、
4I0 aθ0 =I3 −I2 ・・・(12)
I0 =(I3 −I2 )/4aθ0 ・・・(13)
式(13)を式(6)に代入して、
Im =I1 −(I3 −I2 )θ0 /4a ・・・(14)
式(13)、(14)を式(5)に代入して、
I3 ={(I3 −I2 )/4aθ0 }(a2 +2aθ0 +θ0 2 )
+I1 −(I3 −I2 )θ0 /4a・・・(15)
4aθ0 I3 =(I3 −I2 )(a2 +θ0 )2
+4aθ0 I1 −(I3 −I2 )θ0 2
4aθ0 I3 =(I3 −I2 )(a+2θ0 )a+4aθ0 I1
4θ0 I3 =(I3 −I2 )(a+2θ0 )+4θ0 I1
θ0 (4I3 −2I3 +2I2 −4I1 )=(I3 −I2 )a
θ0 =(I3 −I2 )a/(4I3 −2I3 +2I2 −4I1 )
=(I3 −I2 )a/(2I3 +2I2 −4I1 ) ・・・(16)
ただし、I1 、I2 、I3 は、取得した3枚の画像における同一アドレスの1画素の輝度を表す。aは観測者が与える定数である。
I 1 = I 0 · θ 0 2 + I m (3)
I 2 = I 0 · (a 2 -2aθ 0 + θ 0 2 ) + I m (4)
I 3 = I 0 · (a 2 + 2aθ 0 + θ 0 2 ) + I m (5)
From equation (3)
I m = I 1 −I 0 · θ 0 2 (6)
Substituting equation (6) into equations (4) and (5),
I 2 = I 0 a 2 -2 I 0 aθ 0 + I 1 (7)
I 3 = I 0 a 2 + 2I 0 aθ 0 + I 1 (8)
From equations (7) and (8),
I 0 a 2 + I 1 = I 2 +2 I 0 aθ 0 (9)
I 0 a 2 + I 1 = I 3 -2 I 0 aθ 0 (10)
From equation (9) = equation (10)
I 2 + 2I 0 aθ 0 = I 3 −2I 0 aθ 0 (11)
From equation (11)
4I 0 aθ 0 = I 3 −I 2 (12)
I 0 = (I 3 −I 2 ) / 4aθ 0 (13)
Substituting equation (13) into equation (6),
I m = I 1 − (I 3 −I 2 ) θ 0 / 4a (14)
Substituting Equations (13) and (14) into Equation (5),
I 3 = {(I 3 −I 2 ) / 4aθ 0 } (a 2 + 2aθ 0 + θ 0 2 )
+ I 1 − (I 3 −I 2 ) θ 0 / 4a (15)
4aθ 0 I 3 = (I 3 −I 2 ) (a 2 + θ 0 ) 2
+ 4aθ 0 I 1 − (I 3 −I 2 ) θ 0 2
4aθ 0 I 3 = (I 3 −I 2 ) (a + 2θ 0 ) a + 4aθ 0 I 1
4θ 0 I 3 = (I 3 −I 2 ) (a + 2θ 0 ) + 4θ 0 I 1
θ 0 (4I 3 −2I 3 + 2I 2 −4I 1 ) = (I 3 −I 2 ) a
θ 0 = (I 3 −I 2 ) a / (4I 3 −2I 3 + 2I 2 −4I 1 )
= (I 3 -I 2 ) a / (2I 3 + 2I 2 -4I 1 ) (16)
However, I 1 , I 2 , and I 3 represent the luminance of one pixel at the same address in the acquired three images. a is a constant given by the observer.
したがって、試料Sのレタデーションの値R(x)は、
R(x)=|θ0 (x)|
=|(I3 (x)−I2 (x))a
÷{2I3 (x)+2I2 (x)−4I1 (x)}|・・・(17)
となる。
Therefore, the retardation value R (x) of the sample S is
R (x) = | θ 0 (x) |
= | (I 3 (x) −I 2 (x)) a
÷ {2I 3 (x) + 2I 2 (x) -4I 1 (x)} | (17)
It becomes.
以上は、式(2)のθn (ポッケルスセル9で与える位相差)を特定の3つの値:0,a,−aとする場合であったが、上記したように、未知数がI0 、Im 、θ0 の3つであるので、原理的には、式(2)のθn に異なる3つの値を与えてそれに同期してCCDカメラ3で得られる画像をコンピュータ10に取り込み、各画素毎に上記と同様な演算処理を施して、モニター13上に画像表示することで、試料Sのレタデーション分布像R(x)を求めることができる。
The above is a case where θ n (phase difference given by the Pockels cell 9) in the formula (2) is set to three specific values: 0, a, and −a. As described above, the unknown is I 0 , Since I m and θ 0 are three, in principle, three different values are given to θ n in the equation (2), and an image obtained by the
このようにポッケルスセル9で与える位相差の任意の位相差θ1 ,θ2 ,θ3 にした場合に関する一般解を以下に示す。
A general solution regarding the case where the phase differences θ 1 , θ 2 , θ 3 of the phase differences given by the
式(2)のθn にθ1 ,θ2 ,θ3 を代入して連立方程式を解く。 Substituting θ 1 , θ 2 , and θ 3 into θ n in Equation (2), the simultaneous equations are solved.
I1 =I0 ・(θ1 −θ0 )2 +Im ・・・(18)
I2 =I0 ・(θ2 −θ0 )2 +Im ・・・(19)
I3 =I0 ・(θ3 −θ0 )2 +Im ・・・(20)
式(19)、(20)からそれぞれ式(18)を引くと、
I2 −I1 =I0 {(θ2 −θ0 )2 −(θ1 −θ0 )2 }
=I0 (θ2 −θ1 )(θ2 +θ1 −2θ0 ) ・・・(21)
I3 −I1 =I0 {(θ3 −θ0 )2 −(θ1 −θ0 )2 }
=I0 (θ3 −θ1 )(θ3 +θ1 −2θ0 ) ・・・(22)
上記式(21)と式(22)から、
(I2 −I1 )/(I3 −I1 )
={(θ2 −θ1 )(θ2 +θ1 −2θ0 )}
÷{(θ3 −θ1 )(θ3 +θ1 −2θ0 )}・・・(23)
いま、
p=(I2 −I1 )/(I3 −I1 ) ・・・(24)
と置くと、
p(θ3 −θ1 )(θ3 +θ1 −2θ0 )
=(θ2 −θ1 )(θ2 +θ1 −2θ0 ) ・・・(25)
p=(I2 −I1 )/(I3 −I1 )≠(θ2 −θ1 )/(θ3 −θ1 )
・・・(26)
のときに、
θ0 =1/2×{(θ2 2−θ1 2)−p(θ3 2−θ1 2)}
÷{(θ2 −θ1 )−p(θ3 −θ1 )} ・・・(27)
と解ける。したがって、ポッケルスセル9で任意の位相差θ1 ,θ2 ,θ3 を与えたときの試料Sのレタデーションの値R(x)は、
R(x)=|θ0 (x)|=1/2× |{(θ2 2 −θ1 2 )−p(θ3 2 −θ1 2 )}
÷{(θ2 −θ1 )−p(θ3 −θ1 )}| ・・・(29)
となる。ただし、pは式(24):
p=(I(x)2 −I(x)1 )/(I(x)3 −I(x)1 ) ・・・(24)
で与えられる。
I 1 = I 0 · (θ 1 −θ 0 ) 2 + I m (18)
I 2 = I 0 · (θ 2 −θ 0 ) 2 + I m (19)
I 3 = I 0 · (θ 3 −θ 0 ) 2 + I m (20)
Subtracting equation (18) from equations (19) and (20) respectively,
I 2 −I 1 = I 0 {(θ 2 −θ 0 ) 2 − (θ 1 −θ 0 ) 2 }
= I 0 (θ 2 −θ 1 ) (θ 2 + θ 1 −2θ 0 ) (21)
I 3 −I 1 = I 0 {(θ 3 −θ 0 ) 2 − (θ 1 −θ 0 ) 2 }
= I 0 (θ 3 −θ 1 ) (θ 3 + θ 1 −2θ 0 ) (22)
From the above formula (21) and formula (22),
(I 2 -I 1 ) / (I 3 -I 1 )
= {(Θ 2 −θ 1 ) (θ 2 + θ 1 −2θ 0 )}
÷ {(θ 3 −θ 1 ) (θ 3 + θ 1 −2θ 0 )} (23)
Now
p = (I 2 −I 1 ) / (I 3 −I 1 ) (24)
And put
p (θ 3 −θ 1 ) (θ 3 + θ 1 −2θ 0 )
= (Θ 2 −θ 1 ) (θ 2 + θ 1 −2θ 0 ) (25)
p = (I 2 −I 1 ) / (I 3 −I 1 ) ≠ (θ 2 −θ 1 ) / (θ 3 −θ 1 )
... (26)
When
θ 0 = 1/2 × {(θ 2 2 −θ 1 2 ) −p (θ 3 2 −θ 1 2 )}
÷ {(θ 2 −θ 1 ) −p (θ 3 −θ 1 )} (27)
It can be solved. Therefore, the retardation value R (x) of the sample S when arbitrary phase differences θ 1 , θ 2 , θ 3 are given by the
R (x) = | θ 0 (x) | = 1/2 × | {(θ 2 2 −θ 1 2 ) −p (θ 3 2 −θ 1 2 )}
÷ {(θ 2 −θ 1 ) −p (θ 3 −θ 1 )} | (29)
It becomes. However, p is Formula (24):
p = (I (x) 2 −I (x) 1 ) / (I (x) 3 −I (x) 1 ) (24)
Given in.
以上のように本発明の偏光顕微鏡システムにおいては、特許文献1による偏光顕微鏡で用いた2枚の液晶板の代わりに、1枚の液晶板で可能である。あるいはポッケルス素子に電圧を加えることにより複屈折の位相差(レタデーション)を変化させるというポッケルス効果を利用したポッケルスセル9を位相子として使用する場合には、駆動速度が十マイクロ秒以下であり、液晶と比べて千倍以上高速でレタデーション分布像を観察することができる。
As described above, in the polarizing microscope system of the present invention, a single liquid crystal plate can be used instead of the two liquid crystal plates used in the polarizing microscope according to
また、本発明の偏光顕微鏡システムでは、1枚の液晶板あるいは1つのポッケルスセルのみで可能なために、駆動用電気回路とコンピュータ制御が単純化される。 In the polarization microscope system of the present invention, since it is possible with only one liquid crystal plate or one Pockels cell, the driving electric circuit and computer control are simplified.
さらに、1画像の構成に必要な画面は、3つですむために、特許文献1による偏光顕微鏡では4画面必要なのと比べても、3画面ですむこと、また、より短時間での画像表示が可能となる。本発明では、以上のような根本的な改善がなされている。
Furthermore, since only three screens are required for the construction of one image, three screens are required compared to the case where four screens are required in the polarizing microscope according to
また、一定時間間隔毎に3枚の位相量を変えた画像(ポッケルスセル9で位相差を順にθ1 →θ2 →θ3 と変えた画像)の撮影をタイムラプス撮影によって実現できる。以下、連続的かつ周期的にポッケルスセル9によって与える位相差を3段階、例えば+a,0,−aと変えてCCDカメラ3で得られる画像から式(17)に基づいて時間的に変化するレタデーション分布画像を順に得る過程を図2に模式的に示す。図2において右方向に時間軸をとる。図2(a)にポッケルスセル9に印加える電圧波形を示す。図2(a)に示すように、時間間隔Δtで+V→0→−Vと階段状に変化する電圧をポッケルスセル9に周期Tで印加する。すると、ポッケルスセル9で生じる位相差は、図2(b)に示すように、時間間隔Δtで+a→0→−aと周期Tで変化する位相差となる。そして、それぞれの位相差のときのCCDカメラ3で撮影された画像は、図2(c)に示すように、上記の位相差+a,0,−a,+a,0,−a,+a,0,−a,・・・・の変化に対応して、符号を順に+,0,−,+,0,−,+,0,−,・・・・と付した画像が時間間隔Δtで順に得られる。そして、上記の原理から、時間間隔Δtずつずらして得られる連続する3枚の画像から、図2(d)に示すように、各々1枚のレタデーション分布画像(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)→(9)・・・が時間間隔Δtで順に得られる。そのため、レタデーション分布画像は、CCDカメラ3での撮影と同じ時間間隔で順に連続して得ることができ、動画を作成することができる。
In addition, it is possible to realize shooting of an image in which three phase amounts are changed at regular time intervals (an image in which the phase difference is sequentially changed from θ 1 → θ 2 → θ 3 in the Pockels cell 9). In the following, the phase difference given by the
この点に関して、特許文献1の方式では、図2(e)に類似的に示すように、4枚1組(図2(e)では3枚1組)で撮影し、それを元に1枚の画像を作る方式であり、この図からも明らかなように、特許文献1の方式に比較して4倍の時間分解能が得られることになる。
In this regard, in the method of
以上の説明から明らかなように、本発明の偏光顕微鏡システムは、暗黒の画面の中に、複屈折性の分子・物質等の構造物があると、それによる位相差の大きさが光強度として検出できるために、定量的な物質量の測定が可能である。これは従来の顕微鏡では確認できない透明な物質も、複屈折性が周りの物質と異なれば観察可能であるということであり、大きな特徴である。 As is clear from the above description, in the polarizing microscope system of the present invention, when there is a structure such as a birefringent molecule or substance in a dark screen, the magnitude of the phase difference due to the structure is the light intensity. Since it can be detected, it is possible to measure the amount of substance quantitatively. This is a significant feature that even transparent materials that cannot be confirmed with a conventional microscope can be observed if their birefringence differs from the surrounding materials.
また、暗黒の中に光る像として数十nmの大きさの分子が観察されるという、非常に高い空間弁別能で識別が可能である。これは光学顕微鏡として二百数十nmの離れた点の分離が理論的に可能であるという空間分解能と比べて、非常に高い空間弁別能である。 In addition, it is possible to discriminate with a very high spatial discrimination ability that a molecule of several tens of nanometers is observed as an image that shines in the dark. This is a very high spatial discrimination ability compared with the spatial resolution that the separation of a distance of two hundred and several tens of nm is theoretically possible as an optical microscope.
また、透明な物質に対して無染色で非常に高感度の画像データの収集が可能であり、生物等で染色による影響が出るような場合にも観察が可能という点で重要である。 Further, it is important in that it is possible to collect highly sensitive image data without staining a transparent substance, and observation is possible even when the influence of staining occurs in living organisms.
また、高倍率の対物レンズを用いて焦点深度を浅くして深さ方向の情報を集めることによって、細胞等の3次元立体構築が可能である。 Further, by collecting information in the depth direction by using a high-magnification objective lens and reducing the depth of focus, it is possible to construct a three-dimensional solid such as a cell.
以上のことから、無染色で生きた状態での生物組織中の細胞や細胞の内部構造に関して、動的に観察が可能であるという特徴を有している。すなわち、細胞内の染色体、ミトコンドリア、微小管、アクチン束等の数十nm以上の繊維状あるいは顆粒状の微小構造物、微小器官が生きて動く状態を高空間弁別能で識別が可能である。 From the above, it has the characteristic that it can observe dynamically about the cell in the biological tissue in the living state without dyeing | staining, and the internal structure of a cell. That is, it is possible to discriminate with a high spatial discrimination ability a fibrous or granular microstructure such as an intracellular chromosome, mitochondria, microtubule, actin bundle or the like, or a state where a microorgan is alive and moving.
また、生物以外でも、透明な結晶あるいはガラス、プラスチック等の非晶質の物質の観察にも適している。 In addition to living organisms, it is also suitable for observing transparent crystals or amorphous substances such as glass and plastic.
なお、実施例としては、光源の位置が下であるか上であるかによって、偏光顕微鏡には正立型顕微鏡と倒立型顕微鏡の方式がある。また、光源としては、レーザー光源、水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ等がある。可変位相子として、液晶板やポッケルスセルとしてKDP等の結晶が使用できる。 As an embodiment, there are two types of polarizing microscopes, an upright microscope and an inverted microscope, depending on whether the position of the light source is lower or upper. Examples of the light source include a laser light source, a mercury lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, and a halogen lamp. A crystal such as KDP can be used as a variable phase shifter as a liquid crystal plate or a Pockels cell.
本発明による偏光顕微鏡観察法及び偏光顕微鏡システムは様々な産業分野に利用が可能である。 The polarizing microscope observation method and the polarizing microscope system according to the present invention can be used in various industrial fields.
第1に、上記のように、生物試料において、無染色で生きた状態での生物組織中の細胞、あるいは細胞の内部構造を含めて動的に観察が可能である。その細胞内の染色体、ミトコンドリア、微小管、アクチン束等の数十nm以上の繊維状あるいは顆粒状の微小構造物、微小器官の動く状態を高空間弁別能で識別が可能であり、かつ高感度の画像データの収集が可能である。また、焦点深度を浅くでき深さ方向の情報を集めることによって、細胞等の3次元立体構築が可能である。 First, as described above, a biological sample can be dynamically observed including cells in a biological tissue in an unstained and alive state, or the internal structure of the cell. It is possible to identify the moving state of fibrous or granular microstructures such as chromosomes, mitochondria, microtubules, actin bundles, etc. in the cell, and microorgans with high spatial discrimination and high sensitivity. Image data can be collected. In addition, three-dimensional solid construction of cells and the like is possible by reducing the depth of focus and collecting information in the depth direction.
第2に、畜産業や産婦人科等の医療現場において、受精卵・核分裂の検証・判定・判別や、核移植等のバイオテクノロジーに必要な細胞操作・遺伝子操作で、染色ができない状態の観察・微小作業において鮮明な画像を見ることが可能であることから、大きな貢献をすると考えられる。 Second, in the medical field such as livestock industry and obstetrics and gynecology, observation of the state where staining is not possible by cell manipulation / gene manipulation necessary for biotechnology such as fertilized egg / fission, nuclear transfer, etc.・ Because it is possible to see clear images in micro work, it is considered to make a great contribution.
第3に、製薬業において、無色の薬品化合物の結晶や薄膜状の状態での薬物の微細な静的又は動的観察に有用である。 Thirdly, in the pharmaceutical industry, it is useful for fine static or dynamic observation of a drug in a crystal or thin film state of a colorless drug compound.
第4に、透明な結晶や薄膜状結晶等に対する物理的、化学的あるいは生物処理等による結晶等の動的な変化の観察に有用である。電流、電圧、圧力、応力を加えた場合、あるいは溶解・溶融等による動的な変化における結晶等の変化を観察できる。 Fourthly, it is useful for observing dynamic changes such as crystals caused by physical, chemical or biological treatments on transparent crystals or thin film crystals. Changes in crystals or the like can be observed when current, voltage, pressure, stress is applied, or dynamic changes due to melting or melting.
第5に、プラスチック、ガラス等の非晶質の物質に対して、上記の第4で与えると同様の環境条件に対する静的又は動的変化の観察に有用である。 Fifth, it is useful for observing static or dynamic changes with respect to the environmental conditions similar to those given in the fourth aspect, for an amorphous substance such as plastic and glass.
以上、本発明の偏光顕微鏡観察法及び偏光顕微鏡システムをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。 As described above, the polarizing microscope observation method and the polarizing microscope system of the present invention have been described based on the principle and the examples, but the present invention is not limited to these and various modifications are possible.
S…試料
1…ステージ
2…対物レンズ
3…CCDカメラ
4…光源
5…コンデンサー
6…直線偏光子(ポーラライザー、偏光子)
7…直線偏光子(アナライザー、検光子)
8…干渉フィルター
9…ポッケルスセル
10…コンピュータ
11…パラレルポート
12…ポッケルスセルコントローラ
13…モニター
S ...
7 ... Linear polarizer (analyzer, analyzer)
8 ...
Claims (9)
偏光子と試料の間又は試料と検光子の間に可変位相子を配置して、前記可変位相子が与える位相差を経時的に相互に異なる3つの位相差とし、各々の位相差付与時に各1枚の偏光顕微鏡画像を撮像し、取得された3つの画像から試料の位相差分布画像を算出することを特徴とする偏光顕微鏡観察法。 In an observation method using a polarization microscope in which a polarizer is arranged in a single-wavelength sample illumination optical path and an analyzer is arranged in a crossed Nicols state in the optical path from the objective lens to the imaging surface,
A variable phase shifter is arranged between the polarizer and the sample or between the sample and the analyzer, and the phase difference given by the variable phase shifter is set to three phase differences different from each other with time. A polarizing microscope observation method characterized in that one polarizing microscope image is taken and a phase difference distribution image of a sample is calculated from the obtained three images.
R(x)=1/2×
|{(θ2 2 −θ1 2 )−p(θ3 2 −θ1 2 )}
÷{(θ2 −θ1 )−p(θ3 −θ1 )}| ・・・(29)
ただし、
p=(I(x)2 −I(x)1 )/(I(x)3 −I(x)1 ) ・・・(24)
である。 The phase differences given by the variable phase shifters are θ 1 , θ 2 , and θ 3 , respectively, and the light intensities on the imaging surface when the phase differences θ 1 , θ 2 , and θ 3 are given are I (x) 1 , I ( The phase difference distribution image R (x) is calculated by calculating Equation (29) when x) 2 and I (x) 3 (x is a coordinate on the imaging surface). The polarizing microscope observation method according to 1.
R (x) = 1/2 ×
| {(Θ 2 2 −θ 1 2 ) −p (θ 3 2 −θ 1 2 )}
÷ {(θ 2 −θ 1 ) −p (θ 3 −θ 1 )} | (29)
However,
p = (I (x) 2 −I (x) 1 ) / (I (x) 3 −I (x) 1 ) (24)
It is.
偏光子と試料の間又は試料と検光子の間に可変位相子が配置され、
前記可変位相子が経時的に相互に異なる3つの位相差を発生させるための制御手段と、前記可変位相子が各位相差付与時に同期して各々1枚の偏光顕微鏡画像を撮像する撮像手段と、撮像された3つの偏光顕微鏡画像から試料の位相差分布画像を算出する演算手段と、算出された試料の位相差分布画像を表示する表示手段とを備えていることを特徴とする偏光顕微鏡システム。 In a polarizing microscope system using a polarizing microscope in which a polarizer is arranged in a single-wavelength sample illumination optical path and an analyzer is arranged in a crossed Nicols state in the optical path from the objective lens to the imaging surface,
A variable phase shifter is disposed between the polarizer and the sample or between the sample and the analyzer;
Control means for causing the variable phase shifter to generate three phase differences different from each other over time; imaging means for capturing one polarization microscope image in synchronization with the variable phase shifter when each phase difference is applied; A polarization microscope system comprising: a calculation unit that calculates a phase difference distribution image of a sample from three captured polarization microscope images; and a display unit that displays the calculated phase difference distribution image of the sample.
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CN105681678A (en) * | 2015-12-28 | 2016-06-15 | 上海美沃精密仪器有限公司 | Microscopic image imaging system and using method of microscopic image imaging system |
-
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- 2007-03-27 JP JP2007081620A patent/JP2008242022A/en active Pending
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