JP2009300589A - Microscope apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造化照明顕微鏡からなる顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to a microscope apparatus including a structured illumination microscope.
光学顕微鏡の分解能は対物レンズの開口数と波長により決まり、分解能を高めるためには、一般に波長を短くするか開口数を大きくするより方法がないとされてきた。その一方で、開口数と波長により決定されるそれよりも高い分解能で標本を観察したいと言う要求がある。 The resolution of an optical microscope is determined by the numerical aperture and wavelength of the objective lens, and it has been generally considered that there is no way to increase the resolution, rather than shortening the wavelength or increasing the numerical aperture. On the other hand, there is a demand for observing a sample with a higher resolution than that determined by the numerical aperture and wavelength.
この要求に答える技術の一つとして、例えば、照明光学系において観察する標本付近に照明光の空間周波数を変調する変調手段を設け、この変調手段により照明光の空間周波数を変調しながら複数の撮影画像を取得し、取得した複数の撮影画像を線形計算によって復調することにより、高分解能の標本画像を得る構造化照明顕微鏡が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
一般に複数の受光素子から構成される撮像素子は、全ての受光素子がそれぞれ同一の感度および背景ノイズレベルを有するように作られている。しかし実際には、製造誤差等により、±数%もの感度のバラツキや背景ノイズのバラツキが発生することがある。そのため、従来の顕微鏡においては、画像取得に用いられる撮像素子の各受光素子に存在する感度や背景ノイズのバラツキに起因する固定パターンノイズを考慮していないため、復調によって得られた画像に誤差が生じるおそれがある。 In general, an image sensor composed of a plurality of light receiving elements is made so that all the light receiving elements have the same sensitivity and background noise level. However, in practice, variations in sensitivity of ± several percent or background noise may occur due to manufacturing errors or the like. Therefore, conventional microscopes do not take into account fixed pattern noise caused by variations in sensitivity and background noise in each light receiving element of the image sensor used for image acquisition, and therefore there is an error in the image obtained by demodulation. May occur.
特に、構造化照明顕微鏡では、構造化照明の条件を変化させながら複数枚の画像を取得し、そこから回折成分を分離した後、本来の波数空間に並べ直して合成する(すなわち、復調する)ことで標本画像を取得する。このため、復調前の画素における信号強度のバラツキが高い空間周波数成分へ伝達されてしまい、正確な標本画像を取得できなくなるおそれがあった。 In particular, the structured illumination microscope acquires a plurality of images while changing the conditions of structured illumination, separates diffraction components therefrom, and then rearranges them in the original wave number space to synthesize (ie, demodulate). The sample image is acquired. For this reason, the signal intensity variation in the pixel before demodulation is transmitted to a high spatial frequency component, and there is a possibility that an accurate sample image cannot be acquired.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、より正確な標本画像を取得できる顕微鏡装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a microscope apparatus that can acquire a more accurate specimen image.
このような目的達成のため、本発明を例示する第一の態様に従えば、光源から射出された光に対し空間変調を行う回折格子を有し、前記回折格子により空間変調されて得られた照明光を標本へ照射する照明光学系と、前記照明光が照射された前記標本からの変調像を結像する結像光学系と、前記変調像を撮像する撮像素子と、前記照明光の位相を変調する位相変調部と、前記位相変調部を利用して前記照明光の位相を変調する毎に前記撮像素子が撮像した複数の前記変調像から前記標本の画像を生成する画像処理装置とを備え、前記画像処理装置は、前記撮像素子から出力された画像信号の強度を前記撮像素子の画素単位で補正して前記変調像の光量に換算する補正部を有して構成されることを特徴とする顕微鏡装置が提供される。 In order to achieve such an object, according to the first aspect of the present invention, the diffraction grating that spatially modulates the light emitted from the light source is provided and spatially modulated by the diffraction grating. An illumination optical system that irradiates the specimen with illumination light, an imaging optical system that forms a modulated image from the specimen irradiated with the illumination light, an imaging device that captures the modulated image, and a phase of the illumination light A phase modulation unit that modulates the phase of the illumination light, and an image processing device that generates an image of the sample from the plurality of modulation images captured by the imaging device each time the phase of the illumination light is modulated using the phase modulation unit. The image processing apparatus includes a correction unit that corrects the intensity of the image signal output from the image sensor in units of pixels of the image sensor and converts the intensity into a light amount of the modulated image. A microscope apparatus is provided.
本発明によれば、撮像素子の出力信号から正確な入射光量を算出し、入射光量をできるだけ正確に反映した、より正確な標本画像を取得することができる。 According to the present invention, it is possible to calculate an accurate incident light amount from the output signal of the image sensor and obtain a more accurate specimen image that reflects the incident light amount as accurately as possible.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明に係る顕微鏡装置である構造化照明顕微鏡の第1実施形態を図1に示す。第1実施形態の構造化照明顕微鏡1は、照明光学系10と、結像光学系30と、撮像素子35と、画像処理装置41が組み込まれた制御装置40と、モニター50とを主体に構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of a structured illumination microscope that is a microscope apparatus according to the present invention. The
結像光学系30は、光源側から順に、ランプ光源11と、コレクタレンズ12と、リレーレンズ13と、開口絞り14と、フィールドレンズ15と、回折格子16と、コンデンサレンズ17と、折返しミラー18と、リレーレンズ19と、視野絞り20と、第2対物レンズ21と、ハーフミラー9と、対物レンズ7とを有して構成される。そして、ランプ光源11からの光は、コレクタレンズ12およびリレーレンズ13を介して開口絞り14の開口部に集光され、フィールドレンズ15で結像光学系30の光軸に対し略平行な平行光に変換されて回折格子16に入射される。回折格子16から出射された光は、コンデンサレンズ17で集光されて、対物レンズ7の瞳面8の共役位置に配置された折返しミラー18で偏向され、リレーレンズ19、視野絞り20、および第2対物レンズ21を介して、ハーフミラー9に達する。ハーフミラー9に達した光は、当該ハーフミラー9において対物レンズ7の瞳面8に集光されるように対物レンズ7側に反射され、対物レンズ7を介して標本5に照射される。
The imaging
結像光学系30は、物体(標本5)側から順に、対物レンズ7と、ハーフミラー9と、結像レンズ31とを有して構成される。そして、標本5からの光は、対物レンズ7で集光され、ハーフミラー9を透過し結像レンズ31を介して撮像素子35に結像される。
The imaging
撮像素子35は、結像光学系30により結像された像を撮像し、画像信号を制御装置40の画像処理装置41に出力する。画像処理装置41は、所定の演算処理を行って標本5の画像である標本画像を生成する。そして、画像処理装置41により生成された標本画像は、制御装置40のメモリ(図示せず)に記憶されるとともに、モニター50で表示されてユーザに観察される。また、回折格子16には、回折格子16を構成する格子パターンが並ぶ方向へ回折格子16を移動させる回折格子駆動装置25が接続され、制御装置40により回折格子駆動装置25の作動が制御される。
The
なお、画像処理装置41は、MPU(Micro Processing Unit)を搭載した図示しない回路基板を主体に構成され、図2に示すように、入力部42と、内部メモリ43と、演算処理部44と、出力部45とを有している。そして、撮像素子35からの画像信号が入力部42より入力され内部メモリ43に記憶されると、演算処理部44は、内部メモリ43に記憶された画像信号のデータから標本画像を生成し、生成した標本画像の画像データを出力部45からモニター50および制御装置40のメモリ(図示せず)へ出力するようになっている。
The
以下、第1実施形態の構造化照明顕微鏡1による画像取得について説明する。第1実施形態の回折格子16は、結像光学系30の光軸と垂直な紙面内の方向に1次元の透過率分布を持つ格子パターンを有しており、図1の破線で示す回折光を生じさせる。なお、このような回折格子に限らず、ランプ光源11の波長に対して1/2波長の光路差となるような位相回折格子を用いるようにしてもよい。
Hereinafter, image acquisition by the
本実施形態により高い空間分解能を得るため、回折格子16は、標本5上に(回折格子16により)空間変調された照明光を投影できる範囲で、周期の細かいものが望ましい。この際、モアレを発生させるために十分細かい正弦波状の照明を標本5に対して行えればいいので、結像限界付近の周期を持った格子に対して斜光照明を行うか、あるいは、±1次光の回折が結像できる周期の回折格子16に対して±1次光のみが透過できるように、対物レンズ7の瞳面8と共役な面に遮光板を配置することが好ましい。
In order to obtain a high spatial resolution according to the present embodiment, it is desirable that the diffraction grating 16 has a fine period within a range in which illumination light spatially modulated (by the diffraction grating 16) can be projected onto the
本実施形態においては、±1次光が標本5上で干渉し解像限界付近の周期の照明となるような回折格子16を用いている。回折格子16によって±1次光はそれぞれフィールドレンズ17の周辺部を通るように分離され、+1次光と−1次光は瞳面上に置かれた折返しミラー18の周辺部の位置にそれぞれスポットを作る。ここで、折返しミラー18上で±1次光が重ならないように開口絞り14を調節しておく。なお、光源11として単色光を利用した場合、上記±1次光が重ならないような照明条件とすることは容易であるため、開口絞り14は設けなくてもよい。
In the present embodiment, a
回折格子16の種類と照明条件によっては0次光が発生するので、折り返しミラー18表面の光軸上に0次光を遮る遮光板(図示せず)を配置し、正弦波状の照明に不要な0次光を除去することが望ましい。なお、図1においては、折り返しミラー18を瞳面上に置いたため0次光を除去する遮光板(図示せず)を折り返しミラー18上に設けたが、折り返しミラー18を使用しない場合、あるいは、それが瞳面と異なる位置に置かれた場合は、折り返しミラー18上ではなく、照明光学系30中の瞳面8と共役な位置に遮光板(図示せず)を設けるようにすればよい。
Since zero-order light is generated depending on the type of the diffraction grating 16 and the illumination conditions, a light shielding plate (not shown) for blocking the zero-order light is arranged on the optical axis of the surface of the
折返しミラー18で偏向された±1次光は、対物レンズ7の瞳面8の周縁部を通り、標本5付近で互いに干渉することにより縞構造を有する照明光となり標本5に照射される。このような(空間変調された)照明光が照射された標本5からの反射光は、結像光学系30により撮像素子35に導かれ、空間変調された照明光が照射された標本5の像(以下、変調像と称する)が結像される。
The ± first-order light deflected by the folding
変調像の撮像は、例えばCCDやCMOS等の撮像素子35によって行われる。このとき、回折格子駆動装置25により、格子パターンが並ぶ方向へ正確にその周期の1/Nだけ回折格子16をずらしながら、N枚の画像を取得する。ただし、Nは3以上であり、できるだけ大きいことが望ましい。
The modulated image is picked up by an
撮像素子35によって撮像取得された複数の変調像の画像信号は、画像処理装置41の入力部42から内部メモリ43に送られ、内部メモリ43に記憶された画像信号のデータに対し、演算処理部44が所定の演算処理を行うことで標本画像(画像データ)を生成する。そこで、標本画像を生成するための演算の内容を以下に示す。
Image signals of a plurality of modulated images captured and acquired by the
画像上の点r=(x,y)について点像強度分布P(r)を持つ顕微鏡光学系において、標本O(r)にある強度分布を持った照明を与えると、標本における回折光は空間変調を受ける。単一の空間周波数成分ベクトルKを持つ正弦波状の照明の場合、空間変調成分としては、0次および±1次の3変調成分となる。これらの空間変調をmlexp(ilKr+ilφ)と表記(ただし、l=1,0,−1)すると、空間変調を受けた標本の像(撮像素子35への入射光量I(r))は、次の(1)式のように表すことができる。 In a microscope optical system having a point image intensity distribution P (r) for a point r = (x, y) on an image, when illumination having an intensity distribution on the sample O (r) is given, the diffracted light in the sample is spatial Undergo modulation. In the case of sinusoidal illumination having a single spatial frequency component vector K, the spatial modulation components are the zero-order and ± first-order three modulation components. When these spatial modulations are expressed as m l exp (ilKr + ilφ) (where l = 1, 0, −1), the image of the sample subjected to spatial modulation (incident light quantity I (r) to the image sensor 35) is It can be expressed as the following equation (1).
ここで、rは標本上の位置ベクトルであってKrはベクトルの内積を表し、*は畳み込み積分を表す。また、φは変調位相である。 Here, r is a position vector on the sample, Kr represents an inner product of the vectors, and * represents a convolution integral. Φ is the modulation phase.
前述のように回折格子16をずらしながら撮像を行うと、同一の変調周波数、変調振幅を持ち、変調位相φのみ異なる画像がN枚得られるが、このときのj番目の画像信号強度(撮像素子35への入射光量)Ij(r)は、j番目の画像の構造化照明位相をφjとすると、次の(2)式で表わされ、N個の方程式が得られる。
When imaging is performed while shifting the
また、撮像素子35への入射光量と撮像素子35からの出力信号強度(画像信号の強度)との関係を事前に測定した測定データから、入射光量I(r)を出力信号強度S(r)によって次の(3)式のように近似する。
Further, the incident light quantity I (r) is calculated from the measured data obtained by measuring the relationship between the incident light quantity to the
ここで、a(r)は撮像素子35を構成する各受光素子の感度を表し、b(r)は各受光素子の背景ノイズを表す。なお、事前の測定データは、テーブルとして制御装置40の不図示のメモリに記憶しておくことが望ましい。
Here, a (r) represents the sensitivity of each light receiving element constituting the
図3は、撮像素子35を構成する各受光素子の感度a(r)を画像化したものの一例である。図3において、明るい領域は受光素子の感度が高いことを示し、暗い領域は受光素子の感度が低いことを示している。図4は、各受光素子の背景ノイズb(r)を画像化したものの一例である。図4において、明るい領域は受光素子の背景ノイズが大きいことを示し、暗い領域は受光素子の背景ノイズが小さいことを示している。
FIG. 3 is an example of an image of the sensitivity a (r) of each light receiving element constituting the
図3および図4に示すような受光素子ごとの感度a(r)および背景ノイズb(r)は、次のようにして求める。まず、撮像素子35上に均一な照明を施す。撮像素子35(CCDカメラ)が顕微鏡1に接続してあれば、顕微鏡1の対物瞳面もしくはその近傍に拡散板(図示せず)を置くことで撮像素子35上に均一な照明を施すことが望ましい。またこのとき、(拡散板の)光源強度を十分弱くし、可能ならば数秒程度の露光時間で撮像素子35が飽和する程度にする。
Sensitivity a (r) and background noise b (r) for each light receiving element as shown in FIGS. 3 and 4 are obtained as follows. First, uniform illumination is performed on the
次に、露光時間を0からカメラ出力の一部が飽和するまで変化させながら、撮像素子35によって所定の露光時間ごとに画像を取得する。このとき、できるだけ露光時間は等間隔とし、数通り以上の露光時間に対して画像を取得するようにする。
Next, while changing the exposure time from 0 until a part of the camera output is saturated, an image is acquired by the
そして、撮像素子35の(各受光素子に対応した)各画素における出力信号強度S(r)ごとに、線形フィッティングを施し、露光時間tに対して、次の(4)式を満たすような感度a(r)および背景ノイズb(r)を求める。
Then, linear fitting is performed for each output signal intensity S (r) at each pixel (corresponding to each light receiving element) of the
なお、線形フィッティングには最小自乗近似を用いることでより信頼性を得ることができる。その際、出力信号が飽和していない線形性の良好な領域の測定データを利用するとよい。また、感度a(r)および背景ノイズb(r)を求めるために撮像素子35から出力された画像信号は、画像処理装置41の入力部42から内部メモリ43に入力され、演算処理部44が所定のプログラムに基づいて感度a(r)および背景ノイズb(r)を求める。なお、感度a(r)および背景ノイズb(r)を求めるための演算部を別途設けるようにしてもよい。
In addition, more reliability can be obtained by using the least square approximation for the linear fitting. At that time, it is preferable to use measurement data in a region with good linearity in which the output signal is not saturated. The image signal output from the
また、入射光量I(r)と出力信号強度S(r)の関係は、撮像素子35の温度や内部ゲイン等によって異なる。したがって、実際に利用する撮像素子35の温度や内部ゲインに合わせて、それぞれデータを取得し、近似する必要があり、それぞれの温度や内部ゲインごとに感度a(r)および背景ノイズb(r)のデータを取得し、テーブルとして制御装置40の不図示のメモリに記憶しておくことが望ましい。そこで、制御装置40と接続されたキーボード等の操作部49(図1を参照)を操作することにより、制御装置40に感度a(r)および背景ノイズb(r)を求めるための作動を行わせるようになっている。これにより、必要なときに感度a(r)および背景ノイズb(r)を求めることが可能になる。
Further, the relationship between the incident light quantity I (r) and the output signal intensity S (r) varies depending on the temperature of the
撮像素子35における入射光量I(r)と出力信号強度S(r)との間の補正は、撮像素子35からの読み出し直後に行うことも可能であるが、回折成分分離計算と同時に行った方がMPU(Micro Processing Unit)による処理速度の点で有利である。多くのMPUにはキャッシュメモリが搭載されているが、これは通常のデータ処理に見られる処理の局在性を利用して、大きなコストアップを避けつつ高性能を達成する技術である。
The correction between the incident light amount I (r) and the output signal intensity S (r) in the
従って、このようなアーキテクチャを持ったMPUで画像処理を行う場合には、同一画素についての演算はなるべくまとめて処理するのが望ましい。従って、出力信号強度S(r)を補正する処理は回折成分の分離とともに行うのが望ましい。(2)式および(3)式より、次の(5)式で示すようなN個の方程式が得られる。 Therefore, when image processing is performed by an MPU having such an architecture, it is desirable to perform operations for the same pixel as much as possible. Therefore, it is desirable to perform the process of correcting the output signal intensity S (r) together with the separation of diffraction components. From equations (2) and (3), N equations as shown in the following equation (5) can be obtained.
(5)式においては、O(r)exp(ilKr)が未知数であり、これらはN≧3の画像を取得することで求めることができる。N個の方程式である(5)式のうち3つの式を用いると、次の(6)式が得られる。 In the equation (5), O (r) exp (ilKr) is an unknown, and these can be obtained by acquiring an image of N ≧ 3. When three of the N equations (5) are used, the following equation (6) is obtained.
この方程式を解くことで、O(r)exp(ilKr)*P(r)を求めることができる。 By solving this equation, O (r) exp (ilKr) * P (r) can be obtained.
または、N≧4の画像から、公知の手法により最小2乗法を用いて求めてもよい。最小2乗法を用いることでノイズを低減させることができる。これらは、l=0が超解像ではない通常の顕微鏡像に、l=±1が超解像成分に対応する。 Or you may obtain | require from the image of N> = 4 using the least squares method by a well-known method. Noise can be reduced by using the least square method. In these, l = 0 corresponds to a normal microscopic image that is not super-resolution, and l = ± 1 corresponds to a super-resolution component.
上記で求められるO(r)exp(ilKr)*P(r)はそれぞれ(すなわち、l=−1,0,1についてそれぞれ)、波数空間においてOk(k)Pk(r+lK)に対応する。ここで、Ok(k)は標本における発光体の分布のフーリエ変換であり、Pk(k)は強度分布を持たない照明を与えた場合の顕微鏡光学系が持つ伝達関数(OTF:Optical Transfer Function)である。 Each of O (r) exp (ilKr) * P (r) obtained above corresponds to Ok (k) Pk (r + lK) in the wave number space (ie, for l = -1, 0, 1 respectively). . Here, Ok (k) is the Fourier transform of the distribution of the illuminant in the specimen, and Pk (k) is a transfer function (OTF: Optical Transfer Function) of the microscope optical system when illumination without an intensity distribution is given. It is.
強度分布を持たない照明を与えた場合の通常の伝達関数は、光の波長をλとすると、対物レンズ7のNAに対して−2NA/λ≦k≦2NA/λであるから、上記で得られた標本情報O(r)exp(ilKr)*P(r)は、l=−1に対して−2NA/λ−K≦k≦2NA/λ−K、l=0に対して−2NA/λ≦k≦2NA/λ、l=1に対して−2NA/λ+K≦k≦2NA/λ+Kの情報を含むことがわかる。従って、O(r)exp(ilKr)*P(r)全体としては、−2NA/λ−K≦k≦2NA/λ+Kまでの情報を含むので、高い解像度を持った顕微鏡画像、すなわち標本画像を得ることができる。
The normal transfer function when illumination with no intensity distribution is given is −2 NA / λ ≦ k ≦ 2 NA / λ with respect to the NA of the
この結果、第1実施形態の構造化照明顕微鏡1によれば、撮像素子35からの出力信号強度S(r)を撮像素子35の画素単位で補正して撮像素子35への入射光量I(r)(すなわち、変調像の光量)に換算するため、前もって測定した撮像素子35の感度および背景ノイズのバラツキから、撮像素子35の出力信号から正確な入射光量を算出することができ、入射光量をできるだけ正確に反映した、より正確な標本画像を取得することができる。特に、格子パターンが並ぶ方向へ回折格子16を移動させることにより、照明光の位相を変調する構成の構造化照明顕微鏡1において、高い効果を得ることができる。
As a result, according to the structured
また、撮像素子35への入射光量I(r)と撮像素子35からの出力信号強度S(r)との相関を示す関数((3)式)を利用して、撮像素子35へ入射する変調像の光量を求めるようにすれば、比較的単純な計算で出力信号強度S(r)の補正を行うことができる。
In addition, the modulation incident on the
また、撮像素子35に均一な光が照射された状態で、撮像素子35から出力される画像信号に基づいて関数((3)式)を求める演算処理部44を有することで、観察条件に応じて関数((3)式)を使い分けることができ、より正確な標本画像を取得することが可能になる。
Further, according to the observation condition, it has an arithmetic processing unit 44 that obtains a function (Equation (3)) based on an image signal output from the
なお、上述のような補正に基づいて得られた像は、空間変調がなされた1次元方向のみに高い解像度を持つが、空間変調を施す方向を少なくとも2方向に変化させ、それぞれの方向について1次元と同様の処理を施すことで2次元方向の高い解像度を持った顕微鏡を構成することもできる。 The image obtained based on the correction as described above has a high resolution only in the one-dimensional direction in which spatial modulation is performed, but the direction in which spatial modulation is performed is changed to at least two directions, and 1 in each direction. A microscope having a high resolution in the two-dimensional direction can be configured by performing the same processing as the dimension.
このとき、空間変調を施す方向は3方向が望ましい。2方向のみの場合はそれら2方向の中間方向に超解像効果があまり得られないが、3方向ではそれら3方向の間の方向でも超解像効果の最大となる方向とくらべ遜色のない程度までの超解像効果が得られる。4方向以上とすると撮像枚数の増加のわりには照明方向の間における超解像の低下を抑える効果が少なくなる。 At this time, three directions are desirably applied to the spatial modulation. In the case of only two directions, the super-resolution effect is not so much obtained in the middle direction between the two directions, but in the three directions, the degree of super-resolution effect is not inferior to that in the direction between the three directions. Super-resolution effect up to can be obtained. When the number of directions is four or more, the effect of suppressing the decrease in super-resolution between the illumination directions is reduced instead of increasing the number of images.
次に、構造化照明顕微鏡の第2実施形態について図5を参照しながら説明する。第2実施形態の構造化照明顕微鏡101は、第1実施形態の構造化照明顕微鏡1と比較して、回折格子および回折格子駆動装置の構成と、画像処理装置による画像処理方法が異なっており、他の構成は同様の構成であるため、同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
Next, a second embodiment of the structured illumination microscope will be described with reference to FIG. The structured
第2実施形態の照明光学系110に構成される回折格子116は、照明光学系110の光軸に対して垂直な面内で互いに直行する正弦波状の透過率分布を持つ回折格子である。回折格子116は光軸に対して垂直な面内の2方向に並ぶ2つの格子パターンが形成され、それぞれの格子パターンは必ずしも直交している必要はないが、以下で説明する演算処理が単純となるため直交していたほうが望ましい。また、回折格子116には、回折格子116の2つの格子パターンが並ぶ方向へそれぞれ回折格子116を移動させる回折格子駆動装置125が接続され、制御装置40により回折格子駆動装置125の作動が制御される。
The
この回折格子116は、紙面に垂直な方向に沿って延びる格子パターンによって図5の破線で示す回折光を生じさせる。また、紙面内の方向に沿って延びる格子パターンによって、紙面の上下を通る図示しない回折光が生じる。本実施形態により高い空間分解能を得るため、回折格子116は、標本5上に(回折格子116により)空間変調された照明光を投影できる範囲で、周期の細かいものが望ましい。このため、回折光のうち考慮しなければならないのは±1次光のみとなる。なお、2方向の格子パターンの周期は同じであるほうが望ましいが、2方向の解像度が異なることが問題とならない場合には、2方向の周期は異なっていてもかまわない。
The
また、モアレを発生させるために十分細かい正弦波状の照明を標本5に対して行えればいいので、結像限界付近の周期を持った格子に対して斜光照明を行うか、あるいは、±1次光の回折が結像できる周期の回折格子116に対して±1次光のみが透過できるように、対物レンズ7の瞳面8と共役な面に遮光板を配置することが好ましい。なお、回折格子116は0次光成分が十分少ない必要があるため、上記のような回折格子に限らず、ランプ光源11の波長に対して1/2波長の光路差となるような位相回折格子を用いるようにしてもよい。
In addition, since it is sufficient if the
回折格子116によって±1次光はそれぞれフィールドレンズ17周辺部を通るように分離され、+1次光と−1次光は折返しミラー18の周辺部の位置にそれぞれスポットを作る。ここで、折返しミラー18上で±1次光が重ならないように開口絞り14を調節しておく。なお、光源11として単色光を利用した場合には上記±1次光が重なることはないため、開口絞り14は設けなくてもよい。
The ± first-order light is separated by the
折返しミラー18で偏向された±1次光は、対物レンズ7の瞳面8の周縁部を通り、標本5付近で互いに干渉することにより縞構造を有する照明光となり標本5に照射される。このような(空間変調された)照明光が照射された標本5からの反射光は、結像光学系30により撮像素子35に導かれ、空間変調された照明光が照射された標本5の変調像が結像される。
The ± first-order light deflected by the
変調像の撮像は、撮像素子35によって行われる。回折格子116が互いに直交する2方向の格子パターンを有しているため、標本5上には互いに直交する2方向の格子パターンに基づく光が照明されている。回折格子駆動装置125により、互いに直交する2方向についてそれぞれ、格子パターンが並ぶ方向へ正確にその周期の1/Nだけ回折格子116をずらしながら画像を取得する。
The imaging of the modulated image is performed by the
すなわち、2方向の格子パターンのうち一方が並ぶ方向(これをy方向とする)に1/Nずつ位置をずらしながらN枚の画像を取得し、次に、もう一方の格子パターンが並ぶ方向(これをx方向とする)に1/Nだけ位置をずらしてから、再びy方向に1/Nずつ位置をずらしながらN枚の画像を取得する。以下、これを繰り返して、x方向についてもN回位置をずらすことで(N×N)枚の画像を取得する。 That is, N images are acquired while shifting the position by 1 / N in the direction in which one of the two lattice patterns is arranged (this is the y direction), and then the direction in which the other lattice pattern is arranged ( The position is shifted by 1 / N in the x direction), and N images are acquired again while shifting the position by 1 / N in the y direction. Thereafter, this is repeated, and (N × N) images are acquired by shifting the position N times in the x direction.
撮像素子35によって撮像取得された複数の変調像の画像信号は、画像処理装置141に送られ、画像処理装置141における演算処理部が所定の演算処理を行うことで標本画像(画像データ)を生成する。そこで、第2実施形態の構造化照明顕微鏡101により標本画像を取得するための演算の内容を以下に示す。
Image signals of a plurality of modulated images captured and acquired by the
上記のようにして回折格子116をずらしながら撮像を行うと、一方の格子パターンにおける同一位相の画像がN枚取得できるが、これらの画像はもう一方の格子パターンにより変調振幅が異なる。すなわち、上記格子パターンの方向をそれぞれx方向およびy方向とすると、構造化照明強度Iriは一般に、次の(7)式のように表わすことができる。
When imaging is performed while shifting the
そのため、位相φxをx方向にφx=0,…,2πj/Nx,…,2π(Nx−1)/Nxとなるようにずらすと、ある特定のxにおいて、y方向の照明振幅はcos(2πj/Ny)に比例した値を持つことになる。すなわち変調振幅の異なる画像が得られることになる。 Therefore, if the phase φ x is shifted in the x direction so that φ x = 0,..., 2πj / N x ,..., 2π (N x −1) / N x , illumination in the y direction at a specific x The amplitude has a value proportional to cos (2πj / N y ). That is, images with different modulation amplitudes are obtained.
具体的には、(7)式で示す構造化照明で標本を照明し、φy=0を固定とし、φxをφx=0,…,2πj/Nx,…,2π(Nx−1)/Nxと変化させながらNx枚の標本像を撮像する。そのときの画像信号をSj(r)とすると、第1実施形態における1次元の場合と同様に(4)式を使い、(5)式と同様の(8)式を得ることができる。 Specifically, (7) to illuminate the sample in a structured illumination shown by the formula, and fixing the φ y = 0, φ x and φ x = 0, ..., 2πj / N x, ..., 2π (N x - 1) Capture N x specimen images while changing to / N x . If the image signal at that time is S j (r), the equation (4) can be used similarly to the one-dimensional case in the first embodiment, and the equation (8) similar to the equation (5) can be obtained.
(8)式に基づく方程式を3個作成して(6)式と同様にして解くか、もしくは、N≧4の画像から公知の最小自乗法を利用した方法を用いることにより、O(r)exp(ilxKr)*P(r)を求め(ただし、lx=−1,0,1)、これをOx(r)exp(ilxKxx)*P(r)とする。 Create three equations based on the equation (8) and solve them in the same manner as the equation (6), or use a method using a known least square method from an image of N ≧ 4 to obtain O (r) exp (il x Kr) * P (r) is obtained (where l x = -1, 0, 1), and this is defined as O x (r) exp (il x K x x) * P (r).
次に、これらをφy=2π/Ny,…,2πj/Ny,…,2π(Ny−1)/Nyと変化させながら前記φy=0の場合も含めてNy組繰り返すと、Ox(r)exp(ilxKxx)*P(r)をNy組計算することができる。 Next, while changing these to φ y = 2π / N y ,..., 2πj / N y ,..., 2π (N y −1) / N y , N y sets are repeated including the case of φ y = 0. When, O x (r) exp ( il x K x x) * P a (r) may be calculated N y pairs.
最後に、φyを変化させて得られたNy組のOx(r)exp(ilxKxx)*P(r)から3組を選ぶと、(6)式に相当する(9)式がlx=−1,0,1に対してそれぞれ1個ずつできる。 Finally, when three groups are selected from N y groups of O x (r) exp (il x K x x) * P (r) obtained by changing φ y , this corresponds to equation (6) (9 ) Can be made one for each of l x = -1, 0, 1.
この(9)式をlxごとに解くことで、O(r)exp(ilxKxx+ilyKyy)*P(r)を求めることができる(ただし、lx=−1,0,1および、ly=−1,0,1)。 By solving this equation (9) for each l x, O (r) exp (il x K x x + il y K y y) * can be calculated P a (r) (However, l x = -1 , 0, 1 and l y = -1, 0, 1).
これらのうち、lx=0およびly=0の成分が通常の顕微鏡画像に対応するが、その他の成分は超解像情報に対応する成分であるため、第1実施形態の場合と同様に合成することで超解像画像を得ることができる。 Among these, the components of l x = 0 and l y = 0 correspond to the normal microscope image, but the other components are components corresponding to the super-resolution information, and thus are the same as in the case of the first embodiment. A super-resolution image can be obtained by combining.
なお、ここでは、構造化照明位相を等間隔で変化させる場合について述べたが、実際には不等間隔でも上に述べた補正演算手法により画像の復調は可能であり、これらの複数の撮影画像を画像処理装置により補正演算することで標本画像を作成する。演算処理は第1実施形態で述べた手法を二次元に拡張して適用すればよい。 Although the case where the structured illumination phase is changed at equal intervals has been described here, the image can be demodulated by the correction calculation method described above even at unequal intervals. A sample image is created by performing a correction calculation on the image processing apparatus. The calculation process may be applied by extending the technique described in the first embodiment in two dimensions.
以上述べたように、第2実施形態の構造化照明顕微鏡101によれば、第1実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the structured
なお、上述の各実施形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。 The above-described embodiments are merely examples, and are not limited to the above-described configuration and shape, and can be appropriately modified and changed within the scope of the present invention.
また、上述の各実施形態において、撮像素子35への入射光量と撮像素子35からの出力信号強度との相関を示す関数((3)式)を利用して、撮像素子35へ入射する変調像の光量を求めているが、これに限られるものではなく、撮像素子35からの出力信号強度に対応した撮像素子35への入射光量を示すデータテーブルを利用して、撮像素子35へ入射する変調像の光量を求めるようにしてもよい。このようにしても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。なお、このようなデータテーブルを用いる場合、補間計算を行うようにすれば、より正確に入射光量を求めることができる。
In each of the above-described embodiments, a modulated image incident on the
またこのとき、上述の場合と同様に、撮像素子35に均一な光が照射された状態で撮像素子35から出力される画像信号に基づいて、演算処理部等によりデータテーブルを生成することができ、このようなデータテーブルを得るための操作は、操作部49によって行われる。これにより、上述の場合と同様の効果を得ることができる。
At this time, similarly to the case described above, a data table can be generated by an arithmetic processing unit or the like based on an image signal output from the
また、上述の各実施形態において、照明光の位相を変調した複数の画像を取得しているが、これに限られるものではなく、照明光の変調振幅を変化させて複数の画像を取得するようにしてもよい。 In each of the above-described embodiments, a plurality of images obtained by modulating the phase of the illumination light are acquired. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of images may be acquired by changing the modulation amplitude of the illumination light. It may be.
1 構造化照明顕微鏡(第1実施形態)
5 標本
10 照明光学系 11 ランプ光源
16 回折格子 25 回折格子駆動装置(位相変調部)
30 結像光学系 35 撮像素子
41 画像処理装置 44 演算処理部(補正部および演算部)
49 操作部
101 構造化照明顕微鏡(第2実施形態)
110 照明光学系
116 回折格子 125 回折格子駆動装置(位相変調部)
141 画像処理装置
1 Structured illumination microscope (first embodiment)
5
49
110 Illumination
141 Image processing apparatus
Claims (10)
前記照明光が照射された前記標本からの変調像を結像する結像光学系と、
前記変調像を撮像する撮像素子と、
前記照明光の位相を変調する位相変調部と、
前記位相変調部を利用して前記照明光の位相を変調する毎に前記撮像素子が撮像した複数の前記変調像から前記標本の画像を生成する画像処理装置とを備え、
前記画像処理装置は、前記撮像素子から出力された画像信号の強度を前記撮像素子の画素単位で補正して前記変調像の光量に換算する補正部を有して構成されることを特徴とする顕微鏡装置。 An illumination optical system that has a diffraction grating that spatially modulates light emitted from a light source, and that irradiates a specimen with illumination light that is spatially modulated by the diffraction grating;
An imaging optical system that forms a modulated image from the sample irradiated with the illumination light;
An image sensor that captures the modulated image;
A phase modulation unit for modulating the phase of the illumination light;
An image processing device that generates an image of the sample from the plurality of modulated images captured by the imaging device each time the phase of the illumination light is modulated using the phase modulation unit,
The image processing apparatus includes a correction unit that corrects the intensity of an image signal output from the image sensor in units of pixels of the image sensor and converts the intensity into a light amount of the modulated image. Microscope device.
前記補正部は、前記データテーブルを利用して、前記撮像素子へ入射する前記変調像の光量を求めることを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡装置。 The image processing apparatus has a data table indicating the amount of incident light on the image sensor corresponding to the intensity of the image signal output from the image sensor, which is obtained in units of pixels.
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the correction unit obtains a light amount of the modulated image incident on the image sensor using the data table.
前記位相変調部は、前記格子パターンが並ぶ方向へ前記回折格子を移動させることにより、前記照明光の位相を変調することを特徴とする請求項1から8のうちいずれか一項に記載の顕微鏡装置。 The diffraction grating has a grating pattern arranged in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
The microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the phase modulation unit modulates the phase of the illumination light by moving the diffraction grating in a direction in which the grating patterns are arranged. apparatus.
前記2つの格子パターンのうちいずれかが並ぶ方向へ前記回折格子を移動させることにより、前記照明光の位相を変調することを特徴とする請求項1から8のうちいずれか一項に記載の顕微鏡装置。 The diffraction grating has two grating patterns arranged so as to be orthogonal to each other in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
The microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the phase of the illumination light is modulated by moving the diffraction grating in a direction in which one of the two grating patterns is aligned. apparatus.
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