JP2015079153A - 顕微鏡システムおよびディスクユニット - Google Patents

Abstract

【課題】超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得することができる顕微鏡システムおよびディスクユニットを提供すること。
【解決手段】観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、標本からの観察光を結像して該標本の像を形成する結像光学系と、照明光および観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または超解像変調部を有する第２のディスクおよび共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、ディスクを回転させるとともに、ディスクの主面が結像光学系の軸と交差する方向にディスクを移動させるディスク駆動手段と、受光した観察光に基づいて超解像画像データまたは共焦点画像データを生成する画像生成手段と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学系の解像限界を超える超解像の画像や共焦点画像を取得する顕微鏡システムおよびディスクユニットに関するものである。

従来、顕微鏡システムでは、対物レンズを介して標本に照明光を照射し、標本が反射した反射光、もしくは照明光の照射によって標本に標識された蛍光色素が励起されて生じた蛍光を、対物レンズが取り込んで観察光として取得し、この観察光を結像することで標本像が形成される。

また、標本像を生成する技術として、光学系の解像限界を超える解像度（以下、超解像という）の画像を生成する技術が知られている。超解像の画像を得るための方法として、構造化照明法（Structured Illumination Microscopy；ＳＩＭ）が開示されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

一般に、広視野観察では標本に対してできる限り均一に照明光を照射するが、ＳＩＭでは縞模様の照明光を標本に照射する。ＳＩＭでは、標本に照射された縞模様の照明光の照射位置を順次ずらしながら複数枚の標本画像を取得し、これらの標本画像に対してフーリエ解析を行なうことで、超解像の画像を生成することができる。

また、超解像の標本像を生成する他の技術として、ディスクを用いた生成方法（Disc Scan Super Resolution Microscope；ＤＳＳＲＭ）が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。ＤＳＳＲＭでは、超解像の観察光を得るために最適なスキャンパターンが形成されたディスクを回転させることによって、標本からの観察光の空間強度分布を変調させ、変調後の観察光に対して画像処理を施すことで、超解像の画像を生成する。

ところで、標本像を生成する技術として、複数枚の画像から共焦点を抽出することにより、物体を三次元的に表示する技術も開発されている。この技術では、例えば、標本面（対物レンズ焦点位置）と共役な位置にスリットやピンホールといった共焦点開口を配置したディスクを回転させることで、標本面からの観察光のみ、すなわち合焦している観察光のみを取得し、得られた観察光をもとに共焦点画像を生成する。

国際公開第２００７／０４３３１４号 国際公開第２００７／０４３３８２号 特開２０１２−７８４０８号公報

ところで、特許文献１〜３が開示する従来の構成では、超解像の観察光を取得するためのユニットと、共焦点画像の観察光を取得するためのユニットとをそれぞれ設ける必要があり、それぞれの構成を超解像の画像と、共焦点画像との両方の画像を標本の観察中に切り替えて取得することは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得することができる顕微鏡システムおよびディスクユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる顕微鏡システムは、観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、前記標本からの観察光を結像して該標本の像を形成する結像光学系と、前記照明光および前記観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または前記超解像変調部を有する第２のディスクおよび前記共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、前記ディスクの中心を通過する軸を中心軸として前記ディスクを回転させるとともに、前記ディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に前記ディスクを移動させるディスク駆動手段と、前記ディスクを通過した前記観察光を受光し、該受光した観察光に基づいて超解像画像データまたは共焦点画像データを生成する画像生成手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡システムは、上記の発明において、前記ディスクは円板状をなし、前記結像光学系による像形成位置に挿脱自在に設けられ、前記超解像変調部および前記共焦点変調部は、板厚方向に貫通し、周方向に沿って等間隔に配列された複数の孔よりなることを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡システムは、上記の発明において、前記光学変調手段は、前記第１のディスクであって、前記第１のディスクには、主面の中心に開口が形成され、前記超解像変調部および前記共焦点変調部は、該ディスクの外周側および内周側のうち、互いに異なる側にそれぞれ設けられることを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡システムは、上記の発明において、前記光学変調手段は、前記第２および第３のディスクであって、前記ディスク駆動手段は、前記第２および第３のディスクのうち一方のディスクを、該一方のディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に移動させることを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡システムは、上記の発明において、前記画像生成手段は、前記観察光を受光して光電変換するイメージセンサを有し、前記ディスク駆動手段は、前記イメージセンサの露出時間に応じて前記ディスクの回転速度を変化させることを特徴とする。

また、本発明にかかるディスクユニットは、観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、前記標本からの観察光を結像して該標本の像を形成する結像光学系と、前記観察光を受光し、該受光した観察光に基づいて画像データを生成する画像生成手段と、を備えた顕微鏡システムに挿脱自在に設けられるディスクユニットであって、円板状をなし、前記結像光学系による像形成位置に挿脱自在に設けられ、前記照明光または前記観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または前記超解像変調部を有する第２のディスクおよび前記共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、前記ディスクを、該ディスクの中心を通過する軸を中心軸として回転させるとともに、前記ディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に移動させるディスク駆動手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、標本からの観察光を結像して標本の像を形成する結像光学系と、照明光および観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または超解像変調部を有する第２のディスクおよび共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、ディスクの中心を通過する軸を中心軸としてディスクを回転させるとともに、ディスクの主面が結像光学系の軸と交差する方向にディスクを移動させるディスク駆動手段と、ディスクを通過した観察光を受光し、受光した観察光に基づいて超解像画像データまたは共焦点画像データを生成する画像生成手段と、を備えるようにしたので、超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる顕微鏡システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる顕微鏡システムのディスクに形成される孔を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態２にかかる顕微鏡システムの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる顕微鏡システムの概略構成を示す模式図である。図１に示す顕微鏡システム１は、標本Ｓからの蛍光を取り込むことにより標本像を形成する。標本Ｓは、例えばディッシュ、スライドガラスまたはビーカなどの収容容器に保持されている。また、標本Ｓは、生物組織切片などの生体試料、生体試料から分離された細胞、セルラインなどの培養細胞、生体試料から分離された細胞の培養物、および培養細胞の培養物などが挙げられる。標本Ｓは、蛍光色素により蛍光標識されており、励起光が標本Ｓに照射されることによって標識された蛍光色素が励起されて蛍光を発する。

顕微鏡システム１は、少なくとも標本Ｓからの観察光を取り込む対物レンズ２と、対物レンズ２が取り込んだ観察光から標本Ｓの中間像を結像する結像レンズ３と、中間像が形成される位置（像形成位置）に挿脱自在に設けられ、少なくとも結像レンズ３が結像した観察光の空間強度分布を、結像レンズ３を含む光学系の解像限界を超える解像度（以下、超解像という）の画像、または共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複合パターンディスク４ａを有する光学変調部４（ディスクユニット）と、照明光の光路を対物レンズ２の光軸Ｎ方向に変えるとともに、標本Ｓからの光軸Ｎ方向の観察光を通過させる蛍光キューブ５と、蛍光キューブ５を通過した観察光をリレーするリレーレンズ６と、リレーレンズ６によってリレーされた観察光を受光し、受光した観察光に対して光電変換処理を施すことによって標本Ｓの中間像を撮像する撮像部７と、撮像部７が生成した電気信号を取得して、該電気信号に応じた画像に所定の画像処理を施す画像処理部８と、標本Ｓを照明する照明光を出射する光源９と、光源９が出射した照明光を導光する照明レンズ１０と、を有する。なお、対物レンズ２および結像レンズ３により結像光学系を形成している。また、光源９や照明レンズ１０などにより照明光生成手段が構成される。

光学変調部４は、照明光または観察光の空間強度分布を変調するための複数の孔が形成された円板状をなす複合パターンディスク４ａと、複合パターンディスク４ａの中心を支持する軸４１と、軸４１を支持するとともに、該軸４１を、軸４１の中心軸まわりに回転させる回転モータ４２と、回転モータ４２を支持する支持部４３と、支持部４３を光軸Ｎと直交する方向に移動自在に保持する保持部４４と、を有する。回転モータ４２および保持部４４は、図示しない制御部の制御により、軸４１を回転動作させ、支持部４３を移動させる。軸４１、回転モータ４２、支持部４３および保持部４４によりディスク駆動段が構成される。

蛍光キューブ５は、光源９からの照明光（励起光）として所定の波長の光のみを透過させる励起フィルタ５１と、励起光に応じた波長の光を反射して標本Ｓに向けて（光軸Ｎ方向に）折り曲げるとともに、標本Ｓからの観察光（蛍光）に応じた波長の光を透過させるダイクロイックミラー５２と、ダイクロイックミラー５２を透過した観察光のうち所定の蛍光成分のみを透過する吸収フィルタ５３と、を有する。

リレーレンズ６は、蛍光キューブ５を通過した観察光（中間像）を撮像部７における観察光の受光面にリレーする。リレーレンズ６のカットオフ周波数は、結像光学系（対物レンズ２および結像レンズ３）のカットオフ周波数より大きい。なお、カットオフ周波数は、伝達可能な周波数成分の制限値のことをいう。例えばカットオフ周波数がｆｃであるとすると、リレーレンズ６は、周波数±ｆｃの範囲の周波数成分を伝達する。

撮像部７は、ＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサを用いて実現される。撮像部７のナイキスト周波数は、結像光学系のカットオフ周波数より大きい。

画像処理部８は、撮像部７が生成した電気信号（画像信号）をもとに、Ａ／Ｄ変換処理や、ホワイトバランス（ＷＢ）調整処理、ゲイン調整処理、γ補正処理などの画像処理を施して、図示しないモニタなどに表示するための画像データを生成する。具体的には、画像処理部８は、光学変調部４により光学変調が施された観察光をもとに、超解像画像データや、共焦点画像データを生成する。

画像処理部８は、超解像画像データを生成する場合、得られた電気信号から高周波成分を強調する画像処理を施す。これにより、通常の蛍光観察では画像データとして反映されなかった超解像成分が可視化された超解像画像データが生成される。

また、画像処理部８は、共焦点画像データを生成する場合、複数枚の画像（複数フレームに応じた電気信号）から共焦点を抽出することにより、標本面からの観察光のみ、すなわち合焦している画像のみを取得し、得られた画像をもとに共焦点画像データを生成する。

光源９は、水銀ランプやＬＥＤなどを用いて実現され、落射用の照明光を出射する。
また、照明レンズ１０の前後には、光源９からの光を集光するレンズや、照明光の光量を調節する調光フィルタなどが設けられていてもよい。また、水銀ランプなどのアーク光源が用いられる場合、絞り孔に照明光の一部を通過させて照射面における照射範囲を絞る視野絞りを設けてもよい。

顕微鏡システム１では、例えば、光源９からの照明光が、励起フィルタ５１で波長選択され、ダイクロイックミラー５２によって対物レンズ２に向けて照明光が折り曲げられる。ダイクロイックミラー５２によって折り曲げられた照明光が、結像レンズ３、対物レンズ２を介して標本Ｓに照射されると、標本Ｓに標識された蛍光色素が励起されて蛍光を発する。標本Ｓから発せられた蛍光を対物レンズ２が取り込み、取り込まれた蛍光が、結像レンズ３により結像され、ダイクロイックミラー５２と吸収フィルタ５３とを通過して、観察光として撮像部７に入射する。撮像部７に入射した観察光は、光電変換されて画像処理部８に出力され、画像処理部８において画像データ（超解像画像データまたは共焦点画像データ）が生成される。

このとき、支持部４３の移動によって光軸Ｎ上に配置される複合パターンディスク４ａの位置を変化させることで、照明光および観察光の空間強度分布に対し、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調するか、または共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調するかを切り替えることができる。

図２は、本実施の形態１にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図であって、複合パターンディスク４ａを上方からみた場合を示す図である。複合パターンディスク４ａは、主面の中心位置に軸４１を挿通して固定する開口が形成された円環状をなす。

複合パターンディスク４ａは、外周側に設けられ、観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔４０１ａが周方向に沿って形成された超解像変調部４０１と、内周側に設けられ、観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔４０２ａが周方向に沿って形成された共焦点変調部４０２と、を有する。超解像変調部４０１および共焦点変調部４０２は同心円上に設けられ、それぞれの領域には変調の種別に応じた孔（孔４０１ａ，４０２ａ）が所定のパターンで形成されている。孔４０１ａの開口の径は、例えば図２に示すように、孔４０２ａの開口の径よりも小さい。

なお、共焦点変調部４０２は、複合パターンディスク４ａの移動によって光軸Ｎと交差する領域を含むように設けられている。

図３は、本実施の形態１にかかる顕微鏡システムのディスクに形成される孔を説明する図である。なお、図３は断面図であって、複合パターンディスク４ａの主面の径方向と直交する平面を切断面とする断面である。孔Ｈは、図３に示すように、複合パターンディスク４ａの板厚方向（主面と直交する方向）に貫通するように形成されている。複合パターンディスク４ａは、板厚方向が光軸Ｎと略平行となるように設けられている。以下、孔４０１ａ，４０２ａを総称して孔Ｈという。

孔Ｈの開口の幅をＷ、隣接する孔Ｈの間の形成間隔（ピッチ）をＰとすると、超解像変調部４０１に形成される孔Ｈは、下式（１）をもとに幅Ｗが設定される。なお、形成間隔Ｐは、複合パターンディスク４ａの周方向に沿った孔Ｈ間の距離のことをいう。
Ｗ＝（１／ｆｃ）×（１／２） ・・・（１）
ここで、ｆｃは、対物レンズ２および結像レンズ３からなる結像光学系のカットオフ周波数である。なお、ｆｃは、下式（２）により求められ、対物レンズ２の開口数ＮＡで決まる空間周波数である。
ｆｃ＝２×ＮＡ・（１／λ・Ｍ・β） ・・・（２）
ここで、λ：光の波長
Ｍ：結像光学系の投影倍率
β：リレーレンズ６の投影倍率
なお、βは、イメージセンサの受光面で考える場合は考慮する必要があるが、ディスク面で考える場合は１でよい。

超解像変調部４０１に形成される孔Ｈの形成間隔Ｐは、下式（３）をもとに求められる値程度に設定される。
Ｐ＝２×（１／ｆｃ）
＝４Ｗ ・・・（３）

なお、形成間隔Ｐが、Ｐ＜４Ｗとなるとコントラストが低下し、Ｐ＞４Ｗとなると輝度（明るさ）が低下するため、Ｐ＝４Ｗとすることが好ましい。

一方、共焦点変調部４０２に形成される孔Ｈは、下式（４）をもとに幅Ｗが設定される。
Ｗ＝ｋ・λ・Ｒ／ＮＡ ・・・（４）
ここで、ｋ：定数（０．５≦ｋ≦１．０）
Ｒ：複合パターンディスク４ａへの投影倍率

超解像変調部４０１に形成される孔Ｈの形成間隔Ｐは、例えば幅Ｗの１０倍程度に設定される。

また、超解像変調部４０１が光軸Ｎ上に位置している場合、複合パターンディスク４ａの回転速度は、撮像部７（イメージセンサ）の１フレーム分（一枚の画像）の撮像に要する露出時間が、複合パターンディスク４ａの半回転に要する時間以上となる速度に設定される。換言すれば、複合パターンディスク４ａの半回転に要する時間が、撮像部７の露出時間より短くなる速度に設定される。

一方、共焦点変調部４０２が光軸Ｎ上に位置している場合、複合パターンディスク４ａの回転速度は、撮像部７の露出時間と比して十分大きい速度に設定される。具体的には、撮像部７の露出時間が、例えば１／６０または１／３０である場合、この露出時間中に複合パターンディスク４ａが略半回転する１８００ｒｐｍに設定される。

ここで、複合パターンディスク４ａにおいて、超解像変調部４０１および共焦点変調部４０２の任意の点をそれぞれ通過する線速度が異なる一方で角速度は同一であるため、撮像部７の露出時間内に半回転以上するように回転速度を設定すれば、超解像変調部４０１が光軸Ｎ上に位置している場合と、共焦点変調部４０２が光軸Ｎ上に位置している場合とで速度を変更することなく、それぞれの画像に応じた空間強度分布に変調することが可能である。すなわち、光軸Ｎに対して、複合パターンディスク４ａを移動させるのみで、超解像の画像を生成するための変調、または共焦点画像を生成するための変調を切り替えることができる。

上述した本実施の形態１によれば、観察光に対して光学変調を施す複合パターンディスク４ａにおいて、超解像画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された超解像変調部４０１と、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された共焦点変調部４０２と、を設けて、光軸Ｎに対していずれかが交差するように移動させることで、選択的に空間強度分布を変調するようしたので、超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得することができる。

また、上述した本実施の形態１によれば、一つの複合パターンディスク４ａによって超解像画像を生成するための空間強度分布の変調と、共焦点画像を生成するための空間強度分布の変調とを切り替えるようしたので、それぞれの光学変調を施すためのユニットを取り付ける場合と比して顕微鏡システムが占めるスペースの狭小化や、顕微鏡システムとしてのコストの削減を行うことができる。

また、上述した本実施の形態１によれば、超解像変調部４０１および共焦点変調部４０２を同心円上に設けて光軸Ｎに対して所望の変調部を挿入して観察を行うようしたので、例えば、細胞を観察する場合、まず共焦点変調部４０２を光軸Ｎ上に配置して共焦点観察を行うことで細胞の全体的な像をマクロに三次元で観察し、その後超解像変調部４０１を光軸Ｎ上に配置して超解像観察を行うことで、細胞の分子的な挙動や微小領域などを観察することができる。つまり、本実施の形態１によれば、共焦点観察によるマクロな三次元観察と、注目すべき部分についての超解像観察とを、簡易に切り替えて標本Ｓの詳細な観察を効率よく行うことができる。

なお、上述した本実施の形態１では、光軸Ｎ上に位置している変調部によらず一定の速度で光学変調を行えるものとして説明したが、光軸Ｎ上に位置している変調部によってディスクの回転速度を変化させる制御を行ってもよい。

また、上述した本実施の形態１では、外周側に超解像変調部４０１、内周側に共焦点変調部４０２が設けられているものとして説明したが、内周側に超解像変調部、外周側に共焦点変調部が設けられているものであってもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる顕微鏡システムの概略構成を示す模式図である。図５は、本実施の形態２にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図であって、超解像変調用パターンディスク１００ａ、共焦点変調用パターンディスク１１０ａを上方からみた場合を示す図である。なお、図１等で説明した構成と同一の構成要素には、同一の符号が付してある。本実施の形態２にかかる顕微鏡システム１ａでは、上述した実施の形態１にかかる顕微鏡システム１の光学変調部４に代えて、光学変調部１１（ディスクユニット）を備える。

光学変調部１１は、観察光に対して超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部１００１を有する超解像変調用パターンディスク１００ａを備え、該超解像変調用パターンディスク１００ａの主面が結像光学系の軸（光軸Ｎ）と交差する方向に該超解像変調用パターンディスク１００ａを移動させる超解像変調切替部１００と、観察光に対して共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部１１０１を有する共焦点変調用パターンディスク１１０ａを備え、該共焦点変調用パターンディスク１１０ａの主面が結像光学系の軸（光軸Ｎ）と交差する方向に該共焦点変調用パターンディスク１００ａを移動させる共焦点変調切替部１１０と、が光軸Ｎに対して対向する位置に設けられている。

超解像変調切替部１００は、観察光の空間強度分布を超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された円板状をなす超解像変調用パターンディスク１００ａと、超解像変調用パターンディスク１００ａの中心を支持する軸１０１と、軸１０１を支持するとともに、該軸１０１を、軸１０１の中心軸まわりに回転させる回転モータ１０２と、回転モータ１０２を支持する支持部１０３と、支持部１０３を光軸Ｎと直交する方向に移動自在に保持する保持部１０４と、を有する。

共焦点変調切替部１１０は、観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された円板状をなす共焦点変調用パターンディスク１１０ａと、共焦点変調用パターンディスク１１０ａの中心を支持する軸１１１と、軸１１１を支持するとともに、該軸１１１を、軸１１１の中心軸まわりに回転させる回転モータ１１２と、回転モータ１１２を支持する支持部１１３と、支持部１１３を光軸Ｎと直交する方向に移動自在に保持する保持部１１４と、を有する。

回転モータ１０２，１１２および保持部１０４，１１４は、図示しない制御部の制御により、軸１０１，１１１を回転動作させ、支持部１０３，１１３を移動させる。

超解像変調用パターンディスク１００ａは、主面の中心位置に軸１０１を挿通して固定する開口が形成された円環状をなす。また、共焦点変調用パターンディスク１１０ａは、主面の中心位置に軸１１１を挿通して固定する開口が形成された円環状をなす。

超解像変調用パターンディスク１００ａの超解像変調部１００１には、主面と直交する方向に貫通し、観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔１００１ａが形成されている。また、共焦点変調用パターンディスク１１０ａの共焦点変調部１１０１には、主面と直交する方向に貫通し、観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔１１０１ａが形成されている。超解像変調用パターンディスク１００ａ、および共焦点変調用パターンディスク１１０ａに形成された複数の孔１００１ａ，１１０１ａは、図５に示すように周方向に沿って等間隔に配列されており、超解像変調用パターンディスク１００ａに形成された孔の開口の径は、共焦点変調用パターンディスク１１０ａに形成された孔の開口の径より小さくなっている。

超解像変調用パターンディスク１００ａ、共焦点変調用パターンディスク１１０ａに形成される孔は、それぞれ上述した実施の形態１と同様、式（１）〜（４）をもとに幅Ｗと形成間隔(ピッチ)Ｐとが設定される。

顕微鏡システム１ａでは、上述した顕微鏡システム１と同様、例えば、光源９からの照明光が、励起フィルタ５１で波長選択され、ダイクロイックミラー５２によって照明光が反射され、対物レンズ２に向けて照明光が折り曲げられる。ダイクロイックミラー５２によって折り曲げられた照明光が、結像レンズ３、対物レンズ２を介して標本Ｓに照射されると、標本Ｓに標識された蛍光色素が励起されて蛍光を発する。標本Ｓから発せられた蛍光を対物レンズ２が取り込み、取り込まれた蛍光が、結像レンズ３により結像され、ダイクロイックミラー５２と吸収フィルタ５３とを通過して、観察光として撮像部７に入射する。撮像部７に入射した観察光は、光電変換されて画像処理部８に出力され、画像処理部８において画像データ（超解像画像データまたは共焦点画像データ）が生成される。

このとき、支持部１０３，１１３の移動によって光軸Ｎ上に配置されるディスクを超解像変調用パターンディスク１００ａまたは共焦点変調用パターンディスク１１０ａに切り替えることで、超解像の画像を生成するための変調、または共焦点画像を生成するための変調を切り替えることができる。

上述した本実施の形態２によれば、観察光の空間強度分布を、超解像画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された超解像変調用パターンディスク１００ａ、および観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された共焦点変調用パターンディスク１１０ａのいずれかを光軸Ｎに対して交差するように移動させることによって選択的に光学変調を行うようしたので、超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得することができる。

また、上述した本実施の形態２によれば、観察光の空間強度分布を、超解像画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された超解像変調用パターンディスク１００ａと、観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された共焦点変調用パターンディスク１１０ａと、を個別に設けて、照明光および観察光の空間強度分布を変調するようにしたので、各光学変調を行う際にディスクの厚みやディスクの回転速度を異ならせる場合など、それぞれの変調処理の自由度を向上させることができる。

さらに、上述した本実施の形態２によれば、観察光の空間強度分布を、超解像画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された超解像変調用パターンディスク１００ａと、観察光の空間強度分布を、共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する複数の孔が形成された共焦点変調用パターンディスク１１０ａとにおいて、変調態様に応じて複数のパターンを形成することができる。例えば、共焦点変調用パターンディスク１１０ａにおいて、観察光に対して共焦点画像を生成するための光学変調を施すための異なる複数のパターンを有する孔を形成することにより、それぞれの変調処理の自由度をさらに向上させることができる。

また、上述した本実施の形態２によれば、超解像変調用パターンディスク１００ａおよび共焦点変調用パターンディスク１１０ａのいずれかを光軸Ｎに対して挿入して観察を行うようしたので、例えば、細胞を観察する場合、まず支持部１１３を移動させて共焦点変調用パターンディスク１１０ａを光軸Ｎ上に配置し、共焦点観察を行うことで細胞の全体的な像をマクロに三次元で観察し、その後、支持部１１３を光軸Ｎから退避させるとともに、支持部１０３を移動させて超解像変調用パターンディスク１００ａを光軸Ｎ上に配置して超解像観察を行うことで、細胞の分子的な挙動や微小領域などを観察することができる。つまり、本実施の形態２によれば、共焦点観察によるマクロな三次元観察と、注目すべき部分についての超解像観察とを、簡易に切り替えて標本Ｓの詳細な観察を効率よく行うことができる。

上述した本実施の形態２では、二つのディスクを用いて変調態様を切り替えるものとして説明したが、三つ以上のディスクを用いて変調態様を切り替えるものであってもよい。例えば、四つのディスクを用いる場合、隣接するディスクと互いに直交する方向に移動して、いずれかのディスクを光軸上に配置することで、変調態様を切り替えることができる。

なお、上述した本実施の形態１，２において、孔は、開口の形状が円形や楕円形を有する貫通孔のほか、径方向に延びる開口を有するスリット（長穴）や、矩形孔であってもよい。さらに、ディスクの主面にピンホール状の開口を有するものであってもよい。また、複合パターンディスク４ａ，超解像変調用パターンディスク１００ａ、共焦点変調用パターンディスク１１０ａは、円板状をなすものとして説明したが、主面が楕円状をなすものであってもよいし、角形状をなすものであってもよい。さらに、光が通過するものであれば、孔に透明な樹脂などが充填されているものであってもよい。

また、上述した本実施の形態１，２において、光学変調部４，１１は、ディスクユニットとして顕微鏡システム１，１ａに対して挿脱自在に設けられ、必要に応じて取り付け、取り外しを行ったり、孔の形状やパターンが異なるディスクを取り付けたりすることが可能である。なお、実施の形態２において、超解像変調用パターンディスク１００ａ，共焦点変調用パターンディスク１１０ａを、実施の形態１の複合パターンディスク４ａのような、複数のパターンを有するものとしてもよい。

また、上述した本実施の形態１，２において、保持部４４，１０４，１１４が、支持部４３，１０３，１１３を光軸Ｎと直交する方向に摺動させるものとして説明したが、複合パターンディスク４ａ，超解像変調用パターンディスク１００ａ，共焦点変調用パターンディスク１１０ａを光軸Ｎに対して進退自在に移動させるものであれば、適用可能である。すなわち、複合パターンディスク４ａ，超解像変調用パターンディスク１００ａ，共焦点変調用パターンディスク１１０ａの挿脱方向は、光軸Ｎと直交する方向に限るものではない。

さらに、上述した本実施の形態１，２において、保持部４４，１０４，１１４は、支持部４３，１０３，１１３を、制御部の制御のもとモータを用いて自動で移動させるものであってもよいし、レバーやダイヤルによって手動で移動させるものであってもよい。

なお、支持部１０３，１１３は、移動による干渉を防止するため、連動して移動させることが好ましく、一つの支持部によって超解像変調用パターンディスク１００ａ，共焦点変調用パターンディスク１１０ａをそれぞれの軸まわりに回転自在に支持し、この支持部によって超解像変調用パターンディスク１００ａ，共焦点変調用パターンディスク１１０ａを連動して移動させるものであってもよい。

また、上述した実施の形態１，２は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施の形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。

以上のように、本発明にかかる顕微鏡システムおよびディスクユニットは、超解像の画像と、共焦点画像とを簡易に切り替えて取得するのに有用である。

１，１ａ 顕微鏡システム
２ 対物レンズ
３ 結像レンズ
４，１１ 光学変調部
４ａ 複合パターンディスク
５ 蛍光キューブ
６ リレーレンズ
７ 撮像部
８ 画像処理部
９ 光源
１０ 照明レンズ
４１，１０１，１１１ 軸
４２，１０２，１１２ 回転モータ
４３，１０３，１１３ 支持部
４４，１０４，１１４ 保持部
５１ 励起フィルタ
５２ ダイクロイックミラー
５３ 吸収フィルタ
１００ 超解像変調切替部
１００ａ 超解像変調用パターンディスク
１１０ 共焦点変調切替部
１１０ａ 共焦点変調用パターンディスク
４０１，１００１ 超解像変調部
４０２，１１０１ 共焦点変調部

Claims (6)

1. 観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、
   前記標本からの観察光を結像して該標本の像を形成する結像光学系と、
   前記照明光および前記観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または前記超解像変調部を有する第２のディスクおよび前記共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、
   前記ディスクの中心を通過する軸を中心軸として前記ディスクを回転させるとともに、前記ディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に前記ディスクを移動させるディスク駆動手段と、
   前記ディスクを通過した前記観察光を受光し、該受光した観察光に基づいて超解像画像データまたは共焦点画像データを生成する画像生成手段と、
   を備えたことを特徴とする顕微鏡システム。
2. 前記ディスクは円板状をなし、前記結像光学系による像形成位置に挿脱自在に設けられ、
   前記超解像変調部および前記共焦点変調部は、板厚方向に貫通し、周方向に沿って等間隔に配列された複数の孔よりなることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡システム。
3. 前記光学変調手段は、前記第１のディスクであって、
   前記第１のディスクには、主面の中心に開口が形成され、
   前記超解像変調部および前記共焦点変調部は、該ディスクの外周側および内周側のうち、互いに異なる側にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡システム。
4. 前記光学変調手段は、前記第２および第３のディスクであって、
   前記ディスク駆動手段は、前記第２および第３のディスクのうち一方のディスクを、該一方のディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡システム。
5. 前記画像生成手段は、前記観察光を受光して光電変換するイメージセンサを有し、
   前記ディスク駆動手段は、前記イメージセンサの露出時間に応じて前記ディスクの回転速度を変化させることを特徴とする請求項１または４に記載の顕微鏡システム。
6. 観察対象の標本を照射する照明光を生成する照明光生成手段と、前記標本からの観察光を結像して該標本の像を形成する結像光学系と、前記観察光を受光し、該受光した観察光に基づいて画像データを生成する画像生成手段と、を備えた顕微鏡システムに挿脱自在に設けられるディスクユニットであって、
   円板状をなし、前記結像光学系による像形成位置に挿脱自在に設けられ、前記照明光または前記観察光の空間強度分布を、超解像の画像を生成するための空間強度分布に変調する超解像変調部、および共焦点画像を生成するための空間強度分布に変調する共焦点変調部を有する第１のディスク、または前記超解像変調部を有する第２のディスクおよび前記共焦点変調部を有する第３のディスクを少なくとも含む光学変調手段と、前記ディスクを、該ディスクの中心を通過する軸を中心軸として回転させるとともに、前記ディスクの主面が前記結像光学系の軸と交差する方向に移動させるディスク駆動手段と、
   を備えたことを特徴とするディスクユニット。

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