JP2015129972A - 顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 観察中の物体の像を最良の状態で観察するために適した照明光の強度分布を導き出して形成する顕微鏡システムを提供する。【解決手段】 被検体（６０）を観察する光学式の顕微鏡システム（１００）は、被検体の透過光又は反射光を結像する結像光学系（７０）と、照明光を被検体に照射する照明光源（３０）と、結像光学系の瞳の共役位置における照明光の強度分布を可変する第１空間光変調素子（９０）を有し、照明光源からの光を被検体に照射する照明光学系（４０）と、結像光学系を介した光を検出するイメージセンサ（８０）と、イメージセンサで検出される出力データと第１空間光変調素子で形成される照明光の強度分布とに基づき、被検体の観察に適した照明光の強度分布を計算するための計算部（２０）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、観察に適した照明光の強度分布を導き出して形成する顕微鏡システムに関する。

明視野顕微鏡では、照明光の強度分布の調整を円形の絞りを可変させて調整する。また、観察者の判断で絞りの形状を選択して使用することもあった。位相差顕微鏡では、リング絞り及び位相リングが照明光の強度分布を形成している。

照明光の強度分布は被検体の観察像に大きな影響を及ぼすため、円形の絞り、リング絞り及び位相リング等に改良を加えて被検体の観察画像をより良いものにするような工夫がされている。例えば、特許文献１では位相リングのリング状に設けられたリング領域を取り囲むように変調部を設け、変調部と変調部以外の領域との透過軸の方向が異なるように形成することによりコントラストを連続可変可能な位相差顕微鏡が示されている。

特開２００９−２３７１０９

しかし、上記のような顕微鏡では、絞りの形状がある程度決まっており、照明光の強度分布の調整には制限があった。また、絞りの形状を選ぶ場合も観察者の判断又は経験を元にして選ぶため、必ずしも絞りの形状が観察中の物体の像を最良の状態で観察できる形状になっているわけではなかった。さらに位相差顕微鏡では、リング絞りと位相リングの位置は固定されているために形状を自由に選ぶことができず、観察中の物体の像を最適の状態で観察することが困難であった。
そこで本発明は、被検体を観察するために適した照明光の強度分布を導き出して形成する顕微鏡システムを提供する。

第１観点の顕微鏡システムは、被検体を観察する光学式の顕微鏡システムであって、被検体の透過光又は反射光を結像する結像光学系と、照明光を被検体に照射する照明光源と、結像光学系の瞳の共役位置における照明光の強度分布を可変する第１空間光変調素子を有し、照明光源からの光を被検体に照射する照明光学系と、結像光学系を介した光を検出するイメージセンサと、イメージセンサで検出される出力データと第１空間光変調素子で形成される照明光の強度分布とに基づき被検体の観察に適した照明光の強度分布を計算するための計算部と、を備える。

本発明によれば、観察中の物体の像を良い状態で観察するために適した照明光の強度分布を導き出して形成する顕微鏡システムが提供される。

顕微鏡システム１００の概略構成図である。 （ａ）は、第１空間光変換素子９０が液晶パネル９３である場合の概略構成図である。 （ｂ）は、第１空間光変換素子９０がデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）９４である場合の概略構成図である。 適した照明領域９１を見つける山登り法のフローチャートである 表示部２１の領域設定部２２及びパラメータ設定部２３の図である。 第１空間光変換素子９０の照明領域９１を設定する場合の表示部２１の図である。 第１空間光変換素子９０で形成された照明領域９１概略平面図である。 遺伝的アルゴリズムを用いたフローチャートである。 （ａ）は、大きな直径の円状の照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ｂ）は、小さな直径の円状の照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ｃ）は、円環状の照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ｄ）は、４つの小さな円形の照明領域９１が光軸に対して軸対称に配置された照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ｅ）は、２つの四角形の照明領域９１を有し、光軸に対して軸対称に配置された照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ｆ）は、照明領域９１が非軸対称に形成されている第１空間光変換素子９０の概略平面図である。 （ａ）は、図７（ａ）と図７（ｂ）との組み合わせ例を示した図である。 （ｂ）は、図７（ａ）と図７（ｄ）との組み合わせ例を示した図である。 被検体６０の位相情報の推定方法１のフローチャートである。 表示部２１のパラメータ設定部２３に示された物体情報取得画面２３ｄの図である。 被検体６０の微細構造情報の推定方法のフローチャートである。 被検体６０の照明光の波長に対する性質の情報の推定方法を示したフローチャートである。 被検体６０の位相情報の推定方法２のフローチャートである。 第１空間光変換素子９０の概略図が示された表示部２１の図である。 顕微鏡システム２００の概略構成図である。 物体の空間周波数情報検出方法のフローチャートである。 （ａ）は、被検体６０が集積回路（ＩＣ）である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。 （ｂ）は、被検体６０が生体である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。 （ｃ）は、被検体６０が生体である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された赤・青・緑の各波長における瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。 （ａ）は、顕微鏡システム３００の概略構成図である。 （ｂ）は、第１空間光変調素子３９０の平面図である。 （ｃ）は、第２空間光変調素子３９６の平面図である。

（第１実施例）
第１実施例として、絞りの形状を自由に変えることができ、さらに観察中の物体の像を良い状態で観察するために適した照明光の強度分布を導き出して自動的に調整される顕微鏡システム１００について説明する。

＜顕微鏡システム１００＞
図１は、顕微鏡システム１００の概略構成図である。顕微鏡システム１００は主に、照明光源３０と、照明光学系４０と、ステージ５０と、結像光学系７０と、イメージセンサ８０と、計算部２０と、を有している。以下、照明光源３０から射出される光束の中心軸をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。

照明光源３０は、例えば被検体６０に白色の照明光を照射する。照明光学系４０は、第１コンデンサレンズ４１、波長フィルタ４４、第１空間光変調素子９０及び第２コンデンサレンズ４２を備えている。また、結像光学系７０は対物レンズ７１を備えている。ステージ５０は、例えば細胞組織等の未知の構造を有する被検体６０を載置してＸＹ軸方向に移動可能である。また、結像光学系７０は、被検体６０の透過光又は反射光をイメージセンサ８０に結像させる。

照明光学系４０の第１空間光変調素子９０は、例えば照明光学系４０の中の結像光学系７０の瞳の位置に対して共役となる位置に配置され、結像光学系７０の瞳の共役位置における照明光の強度分布を可変することができる。また、第１空間光変調素子９０は自由に形状及び大きさを変化させることができる照明領域９１を有しており、照明領域９１の大きさ又は形状を変えて、照明光の強度分布を任意に可変させることができる。また波長フィルタ４４は、透過する光束の波長を特定の範囲内に制限する。波長フィルタ４４には、例えば特定範囲の波長の光のみを透過するバンドパスフィルタが用いられる。波長フィルタ４４は脱着が可能であり、複数のそれぞれ異なる波長の光を透過するバンドパスフィルタを用意してその入れ替えを行うことにより波長フィルタ４４を透過する光の波長を制御することができる。

計算部２０は、イメージセンサ８０で検出される出力データを受信してモニター等の表示部２１に表示させる。さらに出力データを解析し、被検体６０の観察に適した照明光の強度分布を計算する。また、計算部２０は、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の制御及び駆動等及び波長フィルタ４４を透過する光束の波長範囲の制御を行うことができる。

図１では、照明光源３０から射出された光が点線で示されている。照明光源３０から射出された光ＬＷ１１は第１コンデンサレンズ４１で平行な光ＬＷ１２に変換される。光ＬＷ１２は、波長フィルタ４４を透過することにより波長の範囲が特定されて第１空間光変調素子９０に入射する。第１空間光変調素子９０の照明領域９１を通過した光ＬＷ１３は第２コンデンサレンズ４２を透過して光ＬＷ１４になり、ステージ５０に向かう。ステージ５０を透過した光ＬＷ１５は結像光学系７０を透過して光ＬＷ１６となり、イメージセンサ８０に被検体６０の像を形成する。

イメージセンサ８０で検出された被検体６０の像は出力データとして計算部２０に送られる。計算部２０は、イメージセンサ８０から得られた出力データ、波長フィルタ４４の透過波長及び第１空間光変調素子９０により形成される照明領域９１の形状データに基づいて被検体６０の構造を推定し、被検体６０の観察に適した照明形状、つまり照明光の強度分布を計算する。そして、計算された被検体６０の観察に適した形状は第１空間光変調素子９０に送信され、照明領域９１は被検体６０の観察に適した照明形状に整形される。また同様に、被検体６０の観察に適した照明光の波長も計算部２０により計算されて、波長フィルタ４４に被検体６０の観察に最適なバンドパスフィルタが選択される。

＜照明光学系４０＞
第１空間光変換素子９０には、液晶パネル９３及びデジタルマイクロミラーディバイス（ＤＭＤ）９４等を用いることができる。これらを用いた場合の第１空間光変換素子９０について図２を用いて説明する。

図２（ａ）は、第１空間光変換素子９０が液晶パネル９３である場合の概略構成図である。液晶パネル９３は、例えば、液晶フィルム９３ａと第１偏光フィルム９３ｂと第２偏光フィルム９３ｃとにより構成される。液晶フィルム９３ａには液晶材が充填され薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の電極が形成されており液晶フィルム９３ａの任意の箇所に電圧をかけることができる。照明光源３０から発せられた光ＬＷ１１は第１コンデンサレンズ４１で平行な光ＬＷ１２に変換され、波長フィルタ４４により波長の範囲が特定されて、第１偏光フィルム９３ｂで一方向に偏光された光ＬＷ１２ａのみに制限される。光ＬＷ１２ａは液晶フィルム９３ａで、液晶フィルム９３ａに電圧がかけられて９０度偏光された光ＬＷ１２ｃと、液晶フィルム９３ａに電圧がかけられずに偏光されない光ＬＷ１２ｂとに変換される。第２偏光フィルム９３ｃは第１偏光フィルム９３ｂを透過する光の９０度偏光された光のみを透過するように配置されている。そのため、第２偏光フィルム９３ｃは光ＬＷ１２ｃのみが第２偏光フィルム９３ｃを透過して光ＬＷ１３が透過される。液晶パネル９３では、液晶フィルム９３ａの電圧をかける位置を制御することにより照明領域９１が任意の形状に形成される。

図２（ｂ）は、第１空間光変換素子９０がデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）９４である場合の概略構成図である。ＤＭＤ９４の表面には小さい複数の可動反射ミラー（不図示）の集合体により形成されており、各ミラーはそれぞれ独立に動かすことができる。照明光源３０から発せられた光ＬＷ１１は第１コンデンサレンズ４１で平行な光ＬＷ１２に変換され、波長フィルタ４４により波長の範囲が特定されて、ＤＭＤ９４の全体に照射される。ＤＭＤ９４の領域９４ａに配置されている可動反射ミラーを光ＬＷ１１が被検体６０に反射される向きに向けられた場合、光ＬＷ１３ａが被検体６０に照射される。第１空間光変換素子９０にＤＭＤ９４を使用する場合には、どの位置の可動反射ミラーを動かすかを制御することにより、被検体６０に対して任意の形状に光を照射することができる。これは、図１に示された第１空間変調素子９０の照明領域９１が任意の形状に形成されることに相当する。

第１空間光変換素子９０には、エレクトロクロミック素子を使用してもよい。エレクトロクロミック素子は主に、ＴＦＴ等の透明電極とエレクトロクロミック層とを組み合わせた積層構造から成っている。エレクトロクロミック層は、電圧が印加されるとその電圧が印加された領域には可逆的に電解酸化または還元反応が起こり、光を透過する状態及び光を透過しない状態を可逆的に変化させることができる。そのため、エレクトロクロミック素子では、エレクトロクロミック層の電圧をかける位置を制御することにより照明領域９１が任意の形状に形成される。エレクトロクロミック素子の構造や動作の詳細は、例えば特開平８−２２０５６８に開示されている。

また第１空間光変換素子９０には、電気刺激の印加によって透過率等の特定の光学特性が変化する電気活性材料が封入され、ＴＦＴ等の電極が形成された複数の空間を有する光学素子を用いても良い。この光学素子は密封封止されアレイ状に形成されたセルを有しており、各セルには電気活性材料が封入されている。各セルには電極が形成されてセルごとに独立に電圧をかけることができるようになっており、セルにかかる電圧を制御することによりセルを光が透過する状態及び光を透過しない状態を可逆的に変化させることができる。この光学素子では、どのセルに電圧をかけるかを制御することにより照明領域９１が任意の形状に形成される。この光学素子の構造や動作の詳細は、例えば特表２０１０−５０７１１９に開示されている。

波長フィルタ４４は図１では第１コンデンサレンズ４１と第１空間光変調素子９０との間に配置されているが、イメージセンサ８０で特定の波長の光を検出することが目的であるため照明光源３０とイメージセンサ８０との間のどの位置に配置されていても良い。

また、波長フィルタ４４及び照明光源３０に白色の照明光を照射する光源を用いる代わりに、照明光源３０にＬＥＤ（発光ダイオード）等を用いても良い。照明光源３０がＬＥＤにより構成される場合は、例えば赤、青、緑の各波長の光を発するＬＥＤの組み合わせにより構成されることができる。各波長のＬＥＤの点灯及び消灯を計算部２０によって制御することにより照明光源３０が発する光の波長を制御する。このようにして、ＬＥＤ光源を波長フィルタ４４と白色の照明光源との組み合わせの代わりとすることができる。さらに、イメージセンサ８０にＣＣＤ及びＣＭＯＳ等の受光波長の異なる受光素子を複数有している撮像素子を用いてもよい。この場合は、例えば赤の波長を有する光を受光する受光素子の信号のみを取り出すことにより、被検体６０を透過した赤の波長の透過光を得ることができる。

＜＜照明形状（照明光の強度分布）導出方法＞＞
被検体６０の観察に適した照明形状を計算する方法を以下に説明する。計算方法は焼きなまし法、タブーサーチなど幾つかある。以下、山登り法（最急勾配法）と遺伝的アルゴリズムを用いた方法との２つの方法について説明する。

＜山登り法＞
山登り法は、最初に設定された照明形状を少しずつ変化させていき、変化ごとに画像の出力データを取得して、この出力データが観察者によって設定された条件に最も近くなる条件を探していく方法である。図３を参照しながら以下に説明する。

図３は、照明形状を少しずつ変化させて適した照明形状を見つける山登り法のフローチャートである。
ステップＳ１０１では、まず第１空間光変換素子９０の照明領域９１が初期設定の大きさ及び形状に設定される。例えば初期設定の照明領域９１は円形で最大口径である。その状態で、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。被検体６０の像の検出は、照明領域９１の形状及び大きさを調整する前に、基準となる画像の取得が目的である。イメージセンサ８０で検出された被検体６０の像の画像の出力データは計算部２０に送られ、計算部２０に接続されたモニター等の表示部２１に被検体６０の画像が映し出される。

ステップＳ１０２は、表示部２１上の領域設定部２２（図４Ａ参照）で観察像の観察領域２４（図４Ａ参照）が設定される。ステップＳ１０１により、領域設定部２２には被検体６０の画像が映し出される。領域設定部２２及び観察領域２４の詳細は図４Ａで説明される。

ステップＳ１０３では、被検体６０の観察像を形成するためのパラメータが設定される。パラメータ設定部２３（図４Ａ参照）において、観察者は、被検体６０の観察像に関する観察者の要望及び許容される観察条件を入力するためのパラメータを設定することができる。以下、図４Ａを参照して表示部２１の表示例について説明する。

図４Ａは、表示部２１の領域設定部２２及びパラメータ設定部２３の図である。表示部２１は、マウス及びタッチバッド等により入力を行うＧＵＩ（グラフィカルユーザインターフェース）により形成されることが望ましい。ＧＵＩは観察者が感覚的に操作を行うことができて操作が容易である。表示部２１は、例えば領域設定部２２とパラメータ設定部２３とを表示することができる。領域設定部２２には被検体６０の像が表示され、観察者が希望する観察領域を設定することができる。また、パラメータ設定部２３では、観察者が希望する観察条件の設定等を入力することができる。例えば、パラメータ設定部２３には観察条件設定項目表示画面２３ａが表示される。観察条件設定項目表示画面２３ａでは、例えば領域設定、空間周波数帯域設定、波長帯域設定等の項目が表示される。領域設定が選択された場合、表示部２１の画面は領域設定画面２２ａに切り替わる。また、空間周波数帯域設定および波長帯域設定が選択された場合、表示部２１の画面はそれぞれ空間周波数帯域設定画面２３ｂ及び波長帯域設定画面２３ｃに切り替わる。

領域設定部２２は、例えば領域設定画面２２ａのように表わされる。領域設定部２２には、ステップＳ１０１で検出された被検体６０の画像が表示される。観察者は被検体６０の観察像の観察領域２４を設定することができる。例えば観察者は被検体６０の全体を観察領域２４として設定してもよいし、被検体６０の一部のみを設定してもよい。さらに、領域設定部２２では、一度に２以上の観察領域２４が設定されてもよい。また、領域設定部２２は、観察者が観察領域２４を設定しやすいように、光学的でなく電気的に被検体６０を拡大させて表示させてもよいし、被検体６０の画像を縮小して被検体６０の全体像を表示させても良い。また、観察領域２４は、パラメータ設定部２３で設定されたパラメータを反映させる領域として設定される。

また、観察領域２４は計算部２０により自動で設定されても良い。例えばステップＳ１０１において取得した画像出力データのコントラストを求め、コントラストが高い領域及び低い領域を大別する。そして、図４Ａの領域設定画面２２ａにおいてコントラストが低い領域が観察領域２４として自動的に設定され、この観察領域２４において観察条件を最適化していくことができる。この例では、コントラストは高い領域及び低い領域に大別したが、この２つに限らずコントラストの閾値を適時設定してコントラストが中程度の領域を含む３つ以上の領域に分けるようにしても良い。またこの例ではコントラストが低い領域が観察領域２４として設定されたが、これに代えてコントラストが高い領域又は中程度の領域が設定されても良い。さらに、観察領域２４の設定はコントラストに基づく方法に限らない。例えば、後述する物体の空間周波数情報の検出方法により導かれる空間周波数等に基づいて観察領域２４が自動的に設定されても良い。

空間周波数帯域設定画面２３ｂでは、観察者が希望する被検体６０の空間周波数帯域を設定することができる。空間周波数帯域の設定は図４Ａに示すように、観察者が数値を入力することによって行っても良いし、複数の選択肢の中から観察者が希望する空間周波数帯域を選択できるようにしても良い。また波長帯域設定画面２３ｃでは、観察者が使用したい又は観察したい光の波長帯域を設定することができる。例えば、後述する物体情報の推定方法１において被検体６０の観察に適した波長が推測されている場合には、波長帯域設定画面２３ｃでその波長を設定することができる。波長帯域の設定は図４Ａに示すように、観察者が数値を入力することによって行っても良いし、複数の選択肢の中、例えば赤、緑、青等の中から観察者が希望する波長帯域を選択できるようにしても良い。

なお、観察者が観察領域２４の設定を望まない場合には、ステップＳ１０２をスキップしてもよい。この場合には、イメージセンサ８０で検出される被検体６０の像全体が観察領域２４として設定される。

パラメータは、観察者の要望する条件又は観察者の許容する条件を、図４Ａに示したように観察者が表示部２１のパラメータ設定部２３を使って設定する。設定されるパラメータは、例えば、高いコントラストで観察したい被検体６０の特定の場所もしくは被検体６０の特定の空間周波数領域等がある。例えば、ステップＳ１０２で設定された観察領域２４を濃淡（明暗）をつけて観察したい又は観察領域２４を細かい像まではっきりを観察したいと要望した場合には、観察者は波長帯域及び空間周波数帯域を設定することができる。

さらに観察者は１つのパラメータとして、照明領域９１を初期設定することもできる。例えば後述するステップＳ１０４において初めに使用する照明領域９１の形状を初期設定することができる。また、ステップＳ１０１において、被検体６０に好ましい照明領域９１の形状が推測できる場合等は、その照明領域９１の形状を初期設定として使用してもよい。照明領域９１の形状を初期設定することにより、照明領域９１の形状を最終的に決定するまでの時間を短縮することができる。観察者が照明領域９１を初期設定する場合の例を、図４Ｂを参照して説明する。

図４Ｂは、第１空間光変換素子９０の照明領域９１を初期設定する場合の表示部２１の図である。図４Ｂには、表示部２１の右側と左側との２カ所にパラメータ設定部２３が形成されている。右側のパラメータ設定部２３には点線で第１空間光変換素子９０の平面図が表示されている。また、図４Ｂには斜線で遮光部９２と遮光部９２内に形成されている照明領域９１とが示されている。さらに図４Ｂには第１空間光変換素子９０の中心軸が認識できるように、座標線９７が示されている。観察者は、第１空間光変換素子９０の照明領域９１の形状を自由に初期設定することができる。照明領域９１の形成は、例えば、図４Ｂの左側のパラメータ設定部２３に照明領域９１の形状サンプルを示しておいてその中から好きな照明領域９１を選択しても良いし、好きな照明領域９１を自由に描画して形成しても良い。また、この照明領域９１は、第１空間光変換素子９０の中心軸に配置される必要はない。つまり、観察者は、図４Ｂに示されるように、照明領域９１を中心軸から離れた位置に設定してもよい。さらに、一度に２以上の照明領域９１が設定されてもよい。

図４Ａ又は図４Ｂに示された画面は、ウィンドウ表示で選択的に表示部２１に表示される。また、表示部２１は領域設定部２２またはパラメータ設定部２３のみを表示させても良い。

図３に戻って、ステップＳ１０４は、計算部２０が第１空間光変換素子９０の照明領域９１の大きさを変化させる。ステップＳ１０３で観察者が照明領域９１を設定した場合には、計算部２０は、その設定された照明領域９１を初期設定値として、照明領域９１の大きさを変化させる。ステップＳ１０３で照明領域９１が設定されなかった場合には、計算部２０は、ステップＳ１０１で設定した初期設定値の照明領域９１の大きさをわずかに変化させる。つまり照明光の強度分布をわずかに変化させる。

図５を参照して、照明光の強度分布の変化を説明する。図５は、第１空間光変換素子９０の概略平面図である。図５では、第１空間光変換素子９０の遮光部９２の中心部に円形の照明領域９１が形成されている。図５は、ステップＳ１０３で照明領域９１が第１空間光変換素子９０の中央部に直径がＷ１３の円として初期設定された場合の例である。

遮光部９２の直径はＷ１１であり、初期設定の照明領域９１の直径はＷ１３である。そしてステップＳ１０４で照明領域９１の大きさが僅かに変化され、照明領域９１の直径はＷ１２になっている。図５の例では、計算部２０は、照明領域９１の直径を直径Ｗ１３から直径Ｗ１３よりも僅かに大きい直径Ｗ１２へ変化させ、照明光の強度分布を相似のまま変化させている。

ステップＳ１０５では、イメージセンサ８０はで被検体６０の像が検出される。例えば、図５において、直径Ｗ１２に変化した照明領域９１の条件下で、被検体６０の像をイメージセンサ８０で検出し出力データを計算部２０に送る。

ステップＳ１０６では、今回計算部２０に送られてきた出力データが前回の出力データよりも悪いか否かを判断する。例えば、図４（ａ）に示した表示部２１の領域設定部２２で観察領域２４を設定し、この観察領域２４のコントラストを上げたい旨の設定をパラメータ設定部２３で行ったと仮定する。今回得られた出力データ（例えば照明領域９１が直径Ｗ１２の場合）に基づいて計算されたコントラストが、前回得られた出力データ（例えば照明領域９１が直径Ｗ１３の場合）に基づいて計算されたコントラストよりも悪いかを比較する。悪くなっていなければステップＳ１０４に戻り照明領域９１の直径を変化させ、その出力データを検出する（ステップＳ１０５）。つまり、観察領域２４のコントラストが上がっているためステップＳ１０４に戻って照明領域９１の大きさを更に変化させる。一方、コントラストが前回より今回が悪くなっていれば、前回の照明領域９１の直径のときが最もコントラストが高いことになる。そこで次のステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７は、被検体６０の観察に適した照明形状が選択される。つまり、観察領域２４のコントラストが悪くなる直前に使用された照明形状が被検体６０の観察に適した照明形状であるとして、被検体６０の観察に使用される。

上記フローチャートのステップＳ１０４において、照明領域９１の大きさは相似形で変化した。しかし相似形に変えるのみではなく、形状自体を変化させることにより行っても良い。例えば、円形の照明領域９１を最終的に三角形になるように少しずつ形状させたり、円形の照明領域９１を最終的に所定幅の円環状になるように少しずつ形状させたりすることもできる。

＜遺伝的アルゴリズムを用いた方法＞
次に遺伝的アルゴリズムを用いた方法について説明する。遺伝的アルゴリズムは、あらかじめ用意された複数の照明形状のそれぞれについて画像データを取得し、その中で被検体６０の観察に適した照明形状同士の組み合わせを行うことにより照明形状を探していく方法である。

図６は、遺伝的アルゴリズムを用いたフローチャートである。
まず、ステップＳ２０１で、まず第１空間光変換素子９０の照明領域９１が初期設定の大きさ及び形状に設定される。例えば初期設定の照明領域９１は円形で最大口径である。その状態で、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。

ステップＳ２０２は、領域設定部２２で観察像の観察領域２４を設定する。ステップＳ２０１により、領域設定部２２には被検体６０の像の画像が映し出される。

ステップＳ２０３は、被検体６０の観察像を形成するためのパラメータが設定される。パラメータ設定部２３において、観察者は、被検体６０の観察像に関する観察者の要望及び許容される観察条件を入力するためのパラメータを設定することができる。図４Ａに示されたパラメータと同じように、設定されるパラメータは、例えば、被検体６０の特定の場所、被検体６０の空間周波数帯域及び波長帯域等がある。しかし、図４Ｂのように、観察者が第１空間光変換素子９０の照明領域９１を設定することはない。計算部２０が任意に照明領域９１を初期設定する。

ステップＳ２０４では、２以上の複数の初期照明形状を用いて被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。そして、計算部２０は、複数の照明形状を用いて被検体６０を測定した像の画像の各出力データを入手する。図７を参照して複数の照明形状の例を説明する。

図７には、第１空間光変換素子９０の様々な照明形状の図を示している。図７では、白抜きの部分が照明領域９１、斜線領域が遮光領域９２として示されている。
図７（ａ）は、大きな直径の円状の照明形状を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。第１空間光変換素子９０の照明形状は、図７（ａ）に示すように、照明光学系の光軸に対して軸対称な円形であることができる。図７（ｂ）は、小さな直径の円状の照明形状を示した第１空間光変換素子９０の概略平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）と照明形状の大きさのみが異なる照明光学系４０の光軸に対して軸対称な円形である。第１空間光変換素子９０の照明形状は、図７（ｂ）に示すように他の図形と相似な形状の図形を含んでいても良い。図７（ｃ）は、大きな円環状の照明形状を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）の大きな円状の照明形状において中心部分が遮光されている。

また、図７（ｄ）は、４つの小さな直径の円形の照明領域９１が光軸に対して軸対称に配置された照明形状を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。図７（ｅ）は、２つの四角形の照明領域９１を有し、光軸に対して軸対称に配置された照明形状を有する第１空間光変換素子９０の概略平面図である。

図７（ｆ）は、照明領域９１が光軸に対して非軸対称に形成されている第１空間光変換素子９０の概略平面図である。図７（ｆ）では、第１空間光変換素子９０の照明形状が三日月形に形成されており、光軸に対して非軸対称になっている。通常、非軸対称の照明領域９１は傾斜照明になることが多いため被検体６０のコントラストを上げることができる。しかし、非軸対称の照明領域９１は物体の一部のみのコントラストを上げて偏った画像となり、被検体６０の全体の観察には適さないことがある。そのため、遺伝的アルゴリズム用に、図４（ａ）に示した表示部２１のパラメータ設定部２３において、非軸対称の開口の使用の有無を選択できるようになっていることが望ましい。

図６に戻って、ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４で入手した被検体６０の画像の各出力データを比較し、この中で最も設定したパラメータに適した照明形状により形成される第１照明光強度分布と２番目に適した照明形状により形成される第２照明光強度分布とが選択される。

ステップＳ２０６では、計算部２０が、遺伝的アルゴリズムの交叉又は突然変異の手法によって第１照明強度分布と第２照明強度分布とから次世代の照明光強度分布を有する照明形状を形成する。次世代の照明光強度分布を有する照明形状の形成例を、図８を参照して説明する。

図８（ａ）は、図７（ａ）と図７（ｂ）との第１空間光変換素子９０の組み合わせ例を示した図である。ステップＳ２０５において、第１照明光強度分布が図７（ａ）に示した大きな直径の円状の照明形状であり、第２照明光強度分布が図７（ｂ）に示した小さな直径の円状の照明形状であった場合である。計算部２０はこの２つを交叉（組み合わせ）させることにより複数の新たな照明形状を形成することができる。形成された照明形状は、例えば図７（ａ）の照明領域９１よりも僅かに小さい直径の照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０ａ、図７（ｂ）の照明領域９１よりも僅かに大きい直径の照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０ｂ、照明領域９１が楕円状に形成されている第１空間光変換素子９０ｃ等がある。

図８（ｂ）は、図７（ａ）と図７（ｄ）との第１空間光変換素子９０の組み合わせ例を示した図である。ステップＳ２０５において、第１照明光強度分布が図７（ａ）に示した大きな直径を円状の照明形状であり、第２照明光強度分布が図７（ｄ）に示した４つの小さな円形の照明領域９１が光軸に対して軸対称に配置された照明形状であった場合である。計算部２０はこの２つを交叉（組み合わせ）させることにより、例えば４つの円環の一部が光軸に対して軸対称に配置された照明領域９１を有する第１空間光変換素子９０ｄ、照明領域９１が「×」の形状に形成された第１空間光変換素子９０ｅ等が形成されることができる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、組み合わせの一つの例である。実際は第１空間光変換素子９０の形状はランダムに形成されるため、新たに形成される照明領域９１の形状は無数に存在する。新たに形成される照明領域９１の形状の数は幾つでも良い。また、他の方法で組み合わせることも可能である。例えば、第１空間光変換素子９０を細かい複数の領域に分けて、各領域対して組み換え及び突然変異等の操作を行っても良い。また独自の関数を作成し、その関数に従って組み合わせを行っても良い。

図６に戻って、ステップＳ２０７では、第１照明強度分布、第２照明強度分布及び次世代の照明強度分布から新たに被検体６０の観察に最適な第１照明強度分布と２番目に最適な第２照明強度分布とが選択される。

ステップＳ２０８では、所定の世代、例えば１０００世代まで交叉又は突然変異が行われたかを判断する。所定の世代まで交叉等が行われていない場合はステップＳ２０６に戻ってより被検体の観察に適した照明強度分布を探索していく。所定の世代まで交叉等が行われればステップＳ２０９に進む。

ステップＳ２０９では、所定の世代、例えば１０００世代までの交叉等で得られた照明領域９１から、観察者が要望した条件に近い世代の照明形状が選択される。以降、その世代の照明形状の第１空間光変換素子９０が被検体６０の観察に使用される。

＜＜物体情報の推定方法１＞＞
被検体６０の構造又は性質が未知の場合には、被検体６０に最適な照明形状を導出する前に被検体６０の構造又は性質の情報を取得しておくことが望ましい。被検体６０の構造又は性質を最適な観察条件を推定する場合の参考とすることで、より短時間で確実に最適な観察条件を求めることができるためである。以下に被検体６０の位相情報、微細構造の情報、及び照明光の波長に対する性質の情報の推定方法を説明する。

＜物体の位相情報の推定方法１＞
第１空間光変換素子９０の照明領域９１の形状を変えて被検体６０を観察することにより、被検体６０がコントラストが高い強度物体であるか、コントラストが低い位相物体であるかを推定することができる。被検体６０が位相物体であるか強度物体であるか否かはコヒーレンスファクタ（σ）値が異なる光を被検体６０に照射することにより推定することができる。σ値は、σ＝ＮＡ’／ＮＡにより定義される。ＮＡ’は照明光学系４０の開口数であり、ＮＡは対物レンズ７１の開口数である。照明光学系４０の開口数ＮＡ’は第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状を変えることにより制御することができる。ＮＡ’は、照明領域９１を点形状にする（以下、点光源という。）ことによってσ値は０とみなすことができる。また、第１空間光変調素子９０の照明領域９１を直径の大きな円形状としたときにＮＡ’は１となる。

図９Ａは、被検体６０の位相情報の推定方法１のフローチャートである。
まず、ステップＳ３０１で、観察者が、図９Ｂの表示部２１に示された物体情報取得画面２３ｅの位相情報を選択する。

図９Ｂは、物体情報の推定方法を行う場合の表示部２１の領域設定部２２及びパラメータ設定部２３の図である。まず、表示部２１のパラメータ設定部２３には物体情報取得画面２３ｄが表示される。観察者は、物体情報取得画面２３ｄで物体の位相情報の推定方法１を行う場合は物体情報検出１を選択し、後述する物体の位相情報の推定方法２を行う場合は物体情報検出２を選択し、物体の位相情報の推定方法１及び物体の位相情報の推定方法２の両方を行う場合は一括測定を選択する。物体の位相情報の推定方法１が選択された場合は物体情報取得画面２３ｅに切り替わり、物体の位相情報の推定方法２が選択された場合は物体情報取得画面２３ｆに切り替わる。さらに、物体情報取得画面２３ｇは、物体情報取得画面２３ｅから切り替わる画面である。

物体情報取得画面２３ｅでは、位相情報１、微細構造、波長に対する性質及び一括測定の項目が表示されている。ここで、位相情報１が選択された場合は計算部２０は物体の位相情報の推定方法１を行い、微細構造が選択された場合は計算部２０は物体の微細構造の情報の推定方法を行い、波長に対する性質が選択された場合は計算部２０は物体の波長に対する性質の情報の推定方法を行う。また、一括測定が選択された場合は、これらの項目の全ての推定が計算部２０によって行われる。各選択項目が選択された後は、自動で選択された項目の情報が取得される。

図９Ａに戻って、ステップＳ３０２で、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状が点光源（σ≒０）に形成され、その点光源の照明による被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。照射光がコヒーレントな状態の場合は、被検体６０が位相物体であっても強度物体であっても被検体６０にコントラストが観察される。

次に、ステップＳ３０３で、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状が直径の大きな円形状（σ≒１）に形成され、その大きな円形状の照明による被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。照射光がインコヒーレントな状態の場合は、被検体６０が強度物体であるときは被検体６０にコントラストがあって観察できるが、被検体６０が位相物体であるときは被検体６０にはコントラストがなく観察することができない。

次に、ステップＳ３０４で、被検体６０が位相物体であるか強度物体であるかが推定される。ステップＳ３０２で検出されたコヒーレントな光による像と、ステップＳ３０３で検出されたインコヒーレントな光による像とに変化が無い場合は、被検体６０は強度物体であると推定される。ステップＳ３０２で検出されたコヒーレントな光による像と、ステップＳ３０３で検出されたインコヒーレントな光による像とが異なる場合は、被検体６０は位相物体であると推定される。

次に、ステップＳ３０５で、被検体６０の観察に適した照明領域９１の形状が推定される。位相物体に対しては、計算部２０は、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状照明領域９１の形状を小さく又は傾斜照明（例えば図７（ｆ）参照）とする。被検体６０が位相物体であると、照明領域９１の形状を小さく又は傾斜照明が被検体６０の観察に適しているからである。また、被検体６０が強度物体であった場合には、計算部２０は、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の円の直径が大きくする。光量が多い方が強度物体は観察しやすいからである。

＜物体の微細構造情報の推定方法＞
被検体６０に微細な構造が含まれているか否かに関しても、第１空間光変換素子９０の照明領域９１の形状を変えて被検体６０を観察することにより推定することができる。

図９Ｃは、被検体６０の微細構造情報の推定方法のフローチャートである。まず、ステップＳ３１１で、観察者が、図９Ｂの表示部２１に示された物体情報取得画面２３ｅの微細構造情報を選択する。

次に、ステップＳ３１２で、第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状が点光源に形成され、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。第１空間光変調素子９０の照明領域９１の形状が点光源（σ＝０）である場合は、被検体６０が微細構造を含んでいた場合でもその微細構造は被検体６０の像に表れない。

次に、ステップＳ３１３で、第１空間光変換素子９０の照明領域９１の形状が円環形状に形成され、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。このときの円環形状の外形は大きい方が好ましい。照明領域９１の形状が円環形状である場合は、被検体６０が微細構造を含んでいた場合にその微細構造が検出される。

次に、ステップＳ３１４で、被検体６０が微細構造を含んでいるか否かが推定される。計算部２０は、照明領域９１を点光源にした場合と円環形状にした場合とで被検体６０の像が変わらない場合には被検体６０に微細構造が含まれていないと判断する。一方、計算部２０は、照明領域９１が点光源の場合と円環形状の場合とで被検体６０の像の出力データが異なり、照明領域９１が円環形状にして被検体６０の像が検出される場合には被検体６０に微細構造が含まれると判断する。

次に、ステップＳ３１５で、被検体６０の観察に適した照明領域９１の形状が推定される。例えば、被検体６０が微細構造を有している場合は、照明領域９１を円環形状等が好ましい。

＜物体の照明光の波長に対する性質の情報の推定方法＞
被検体６０は、照明光の波長を変化させた場合に、被検体６０の構造及び性質に起因して異なる出力データが示される場合がある。そのため、被検体６０の照明光の波長に対する性質を把握しておくことが望ましい。

図９Ｄは、被検体６０の照明光の波長に対する性質の情報の推定方法を示したフローチャートである。
まず、ステップＳ３２１で、観察者が、図９Ｂの表示部２１に示された物体情報取得画面２３ｅの波長に対する性質の情報を選択する。

次に、ステップＳ３２２で、被検体６０に照射される照明光が単色光にされ、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。例えば、照明光源３０に赤、青、緑の３色の光源を有するＬＥＤが使用されているとして説明する。この場合は、例えば緑のＬＥＤのみが点灯され、他の波長のＬＥＤは消灯される。そして、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。

次に、ステップＳ３２３で、全ての波長で被検体６０の像が検出されたかが判別される。例えば、赤、青、緑の各波長で被検体６０の像を検出していた場合はステップＳ３２５に向かう。まだ被検体６０の像を検出していない波長がある場合はステップＳ３２４に向かう。

次に、ステップＳ３２４で、照明光源３０の波長に、まだ被検体６０の像を取得していない波長が選択され、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。例えば、緑の波長による被検体６０の像のみが取得されていた場合は、赤又は青のどちらかのみを点灯させ、他の波長のＬＥＤは消灯される。この状態で、被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。この後、またステップＳ３２３に戻って、全ての波長で被検体６０の像が検出されたか否かが確認される。

ステップＳ３２５では、被検体６０の照明光の波長に対する性質が推定される。上記のステップＳ３２２及びステップＳ３２４で検出された被検体６０の像が比較される。例えば、計算部２０は、青の波長で検出された被検体６０の像が他の波長の被検体６０の像よりもコントラストが良かった場合、被検体６０は青の波長に対してコントラストが良いという判断する。

次に、ステップＳ３２６では、計算部２０は、被検体６０の観察に最適な波長の照明光が推定する。例えば、被検体６０を最もコントラストを付けて観察したい場合であり、ステップＳ３２５において青の波長を用いた場合に、他の波長で検出された被検体６０の像よりもコントラストが付いて観察された場合には、計算部２０は、被検体６０の観察には青の波長の照明光が適していると判断する。

この物体の照明光の波長に対する性質の情報の推定方法では、照明領域９１の形状は任意の形状で良いが、上述された物体の位相情報の推定方法１及び物体の微細構造情報の推定方法と共に用いることにより、更に確実に物体の位相情報及び微細構造情報を推定することができる場合がある。この場合は、図９Ｂに示される物体情報取得画面２３ｅで位相情報又は微細構造情報が選択された後に図９Ｂに示される物体情報取得画面２３ｇに切り替わるようにようにして、波長を変化させるか波長を変化させないかを選択できるようにしても良い。

以上に示された物体情報の推定方法１を前述の照明形状導出方法の前に行うことで、照明形状の導出時間を短くすることもできる。

＜＜物体情報の推定方法２＞＞
図３及び図６に示したフローチャートではステップＳ１０３及びステップＳ２０３で被検体６０の観察像を形成するためのパラメータが設定された。半導体の集積回路等の線幅のように、予め被検体６０の物体情報が得られている場合は、その情報から観察者はパラメータを設定することができる。しかし、被検体６０が生体等の場合は被検体６０の物体情報が得られていない場合が多く、観察者はどのようにパラメータを設定すれば良いか分からない場合がある。また、物体情報の推定方法１により得られた情報ではまだ不足している場合もある。そのような場合は、照明形状を決める前にさらに詳しく物体情報を調べておいてもよい。以下に、物体の位相情報の推定方法２及び物体の空間周波数情報の検出方法を説明する。

物体情報の推定方法２は、観察者が図９Ｂの物体情報取得画面２３ｄで物体情報検出２を選択することにより行われる。物体情報検出２が選択された後に、画面は物体情報取得画面２３ｆに切り替わる。物体情報取得画面２３ｆでは、位相情報２、空間周波数情報及び一括測定の項目が表示されている。ここで、位相情報２が選択された場合は物体の位相情報の推定方法２が行われ、物体の空間周波数情報の検出方法が行われる。また、一括測定が選択された場合は、これらの項目の全ての推定が行われる。各選択項目が選択された後は、自動で選択された項目の情報が取得される。

＜物体の位相情報の推定方法２＞
物体の位相情報は、第１空間光変調素子９０の照明領域９１が点光源となるように大きさを極小に設定し、照明光を単色光にして被検体６０を測定することにより推定することができる。この単色光の波長は、物体情報の推定方法１等により被検体６０の観察に最適な波長が推測されている場合には、その波長を照明光の波長とすることが望ましい。

物体の位相情報の推定方法２は、図９Ｂの物体情報取得画面２３ｆで位相情報２が選択されることにより行われる。以下に、図１０Ａを用いて被検体６０の位相情報の推定方法２について説明する。

図１０Ａは、被検体６０の位相情報の推定方法２のフローチャートである。
まず、ステップＳ４０１で、観察者が図９Ｂの物体情報取得画面２３ｆで位相情報２を選択する。その後、表示部２１は後述する図１０Ｂに示される画面に切り替わる。

まず、ステップＳ４０２で、観察者が図１０Ｂの表示部２１に示された画面を通して点光源の数及び各点光源の形成位置を指定する。以下に、図１０Ｂを参照して点光源の数及び各点光源の形成位置の例を示す。

図１０Ｂは、第１空間光変換素子９０の概略図が示された表示部２１の図である。図１０Ｂは、表示部２１の領域設定部２２に点線で示した円３１によって、第１空間光変換素子９０を透過する光が最大口径になった状態が示されている。被検体６０の位相情報の推定に用いられる点光源（σ≒０）は点光源または点光源と見なせる大きさに整形される。つまり、計算部２０は点線で示した円３１の内側に、第１空間光変換素子９０に点状の照明領域９１を形成させる。図１０Ｂでは、表示部２１のパラメータ設定部２３で測定する点光源の数及び使用する光の波長を設定できるようになっている。点光源の数を５点とした場合、例えば円３１の中心点（光軸上）とＸ軸及びＹ軸の正負の最大値を取る点とに計５点の点光源が形成される。また、光の波長は波長を入力することができるようになっている。波長は１つの波長のみが入力されても良いし、複数の波長が入力された場合は各波長についてそれぞれ５点の点光源の測定を行う。

円３１の中心点の点光源を点光源３２ａ、Ｘ軸の正負の最大値を取る点の点光源をそれぞれ点光源３２ｂ及び３２ｄ、Ｙ軸の正負の最大値を取る点の点光源をそれぞれ点光源３２ｃ及び３２ｅとして黒点で示されている。点光源は円３１の最外周部付近に形成された点光源を含んでいることが望ましい。これは、被検体６０に様々な角度からコヒーレントな光を入射することができ、斜め照明時の回折光を得ることができるためである。

なお、観察者が点光源の数及び各点光源の位置を設定するのではなく、計算部２０が自動的に図１０Ｂに示された点光源の数を５点に設定するようにしてもよい。

次に、ステップＳ４０３では、照明光の波長が単色にされ、第１空間光変換素子９０が所定の位置で点光源を形成する。単色の照明光は、例えば白色の照明光源３０に特定の波長の光のみを透過する波長フィルタ４４により形成される。また、第１空間光変換素子９０が図１０Ｂに示されるような１つの点光源の大きさの照明領域９１が形成される。点光源かつ単色波長の光はコヒーレントな状態にあり干渉性が高くなるため、被検体６０の位相情報を推定するためには都合が良い。

ステップＳ４０４では、点光源かつ単色波長の光による被検体６０の像がイメージセンサ８０で検出される。
ステップＳ４０５では、計算部２０は全ての点光源位置かつ単色波長の光による画像を取得したか否かが判断される。例えば、図１０Ｂに示した５点の点光源の全てで測定されていない場合はステップＳ４０６に進む。指定した点光源の全てで測定された場合はステップＳ４０７に進む。

ステップＳ４０６で、計算部２０は点光源となる照明領域９１の位置が変えられる。例えば、ステップＳ４０４で図１０Ｂの点光源３２ａを測定し、点光源３２ｂを測定していない場合は、照明領域９１の位置を点光源３２ｂの位置のみに形成する。その後、ステップＳ４０４に進む。

ステップＳ４０７で、計算部２０は被検体６０の回折光を解析する。例えば、解析した回折光情報から、観察領域２４に特定の空間周波数成分をもたらしている回折光の分布を知ることができ、それによってより効率的に観察に適した照明形状を探すことができる。

ステップＳ４０８で、計算部２０により適した照明条件が設定される。また解析された回折光情報は表示部２１に表示され、観察者はこの回折光情報を参考にして被検体６０の位相情報を推定する。観察者は推定された位相情報から図３のステップＳ１０２及びステップＳ１０３、図６のステップＳ２０２及びステップＳ２０３で、観察領域２４及びパラメータを設定することができる。

上記に示した被検体６０の位相情報の推定方法２では、複数の波長についてそれぞれ測定されても良い。そのため図１０Ａに示されたフローチャートの中に図１０Ｂで設定された全ての波長を測定したか否かを確認するステップが形成されても良い。

＜物体の空間周波数情報の検出方法＞
空間周波数は、被検体６０の単位長さの繰り返しの周期を示している。つまり、同じ空間周波数が集まっている場所には似たような構造体が集まっている可能性が高い。そのため、被検体６０の空間周波数の情報は、図３のステップＳ１０２及びステップＳ１０３、図６のステップＳ２０２及びステップＳ２０３における観察領域２４及びパラメータの設定の参考になる。被検体６０の空間周波数情報の検出は、結像光学系７０の瞳の画像の出力データを取得することにより行う。また、被検体６０の位相情報の推定方法２で述べたような単色波長の点光源を用いて被検体６０を測定する。以下に、図１１及び図１２を用いて被検体６０の空間周波数情報の検出方法について説明する。

図１１は、顕微鏡システム２００の概略構成図である。以下、図１で説明した顕微鏡システム１００と同じ部材については同じ番号を付し、その部材の説明は省略する。

顕微鏡システム２００は、顕微鏡システム１００の瞳２７３の位置またはその近辺にビームスプリッター２７２が配置されている。また、顕微鏡システム２００は、分岐された光ＬＷ２１をリレーするリレーレンズ２４３及び瞳２７３の位置に共役な位置に配置された第２イメージセンサ２８０を有している。ビームスプリッター２７２は結像光学系７０からの光を分岐する。分岐された光ＬＷ２１はリレーレンズ２４３によって第２イメージセンサ２８０に入射する。光ＬＷ２１は、リレーレンズ２４３を透過して光ＬＷ２２となり、光ＬＷ２２は第２イメージセンサ２８０上に瞳２７３の像を形成する。第２イメージセンサ２８０上に形成された瞳２７３の像の情報は計算部２０に送られて解析される。

図１２は、被検体６０の空間周波数情報の検出方法のフローチャートである。
まず、ステップＳ５０１で、観察者が図９Ｂの物体情報取得画面２３ｆで空間周波数情報を選択する。その後、表示部２１は図１０Ｂに示される画面に切り替わる。

次に、ステップＳ５０２で、観察者が表示部２１を通して点光源（σ＝０）の数及び各点光源の形成位置を指定する。
次に、ステップＳ５０３で、照明光の波長が単色にされ、所定の位置で点光源に近い大きさの開口が形成される。

ステップＳ５０２及びステップＳ５０３は、図１０ＡのステップＳ４０２及びステップＳ４０３と同様である。また、形成する点光源も図１０Ｂと同様に５つの点光源を形成する例を説明する。

ステップＳ５０４で、瞳２７３における被検体６０の像を第２イメージセンサ２８０で検出する。例えば、ステップＳ５０３で図１０Ｂに示された点光源３２ａが指定されたとすると、点光源３２ａのみを照明光源として被検体６０の画像を第２イメージセンサ２８０で検出する。

図１３（ａ）は、被検体６０が集積回路（ＩＣ）である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。画像は、例えば、表示部２１の領域設定部２２に表示される。図１３（ａ）の中の点線で示した円２３３は、光の通過可能な範囲であるとする。第２イメージセンサ２８０で検出された画像データは、瞳２７３における光の強度分布である。光の強度分布は、例えば、図１３の点２３４のように示すことができる。点２３４の位置は信号の検出位置であり、その大きさは点光源の大きさを反映している。図１３（ａ）では、黒い点２３４は検出された信号が強く、白い点２３４は検出された信号が弱く、灰色の点２３４は検出された信号は黒い点２３４と白い点２３４との中間の強度であることを示している。点２３４は、実際は小さく表示されて大きさをほとんど持っていない。しかし、図１３（ａ）では説明のために点２３４が大きさを持ち、その信号の強度を示すために点２３４の色が変えて示されている。図１３（ａ）では、画像の右上の領域には黒い点２３４が集まっており、画面の左下の部分は白い点２３４が集まっている。これは、画面の右上の部分の空間周波数は大きく、左下の部分の空間周波数は小さいことを示している。またＩＣは周期的な構造をしているため、第２イメージセンサ２８０で検出される点２３４は周期的に検出されやすい。

図１３（ｂ）は、被検体６０が生体である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。図１３（ｂ）では、第２イメージセンサ２８０で検出された点２３４が表示部２１に示されている。図１３（ｂ）では、点２３４が大きさを持たない点として示されている。図１３（ｂ）に示されている点２３４は、図１３（ａ）と同じように各点で異なる強度の信号を有している。被検体６０が生体である場合は、図１３（ｂ）の点２３４で示されるように、点２３４が周期性を有しおらず、ランダムに示されることが多い。これは、図１３（ａ）に示された周期的な構造を有するＩＣよりも、生体には周期性を有する構造が少ないためである。

ステップＳ５０５で、全ての点光源の位置、例えば５点の光強度の情報を取得したか否かが判断される。全ての点光源の光強度の情報を取得していない場合はステップＳ５０６に向かう。全ての点光源の光強度の情報を取得した場合はステップＳ５０７に向かう。

ステップＳ５０６で、点光源となる照明領域９１の位置が変えられる。例えば、ステップＳ５０４で図１０Ｂの点光源３２ａを測定し、点光源３２ｂを測定していない場合は、照明領域９１の位置を、点光源３２ｂの位置のみに形成する。その後、ステップＳ５０４に進む。

ステップＳ５０７で、被検体６０のフーリエスペクトルを測定し、被検体６０の空間周波数分布を求める。空間周波数分布は、図１３に示されるように光の強度分布として示されても良いし、光の強度分布を空間周波数に変換して表示部２１に示されても良い。被検体６０の空間周波数分布から被検体６０の構造の周期性が計算される。図１３（ｂ）で示されるように、被検体６０の空間周波数分布がランダムである場合には、被検体６０の構造の周期性が計算できない状態である。

ステップＳ５０８で、計算部２０は被検体６０の観察に適した照明条件が設定される。また、表示部２１に結果を表示してもよい。観察者は、解析された被検体６０の空間周波数情報に基づいて、表示部２１でパラメータを設定したり観察領域２４を設定したりすることができる（図４を参照）。図３のステップＳ１０２及びステップＳ１０３、図６のステップＳ２０２及びステップＳ２０３において、観察者はパラメータを設定したり観察領域２４を設定したりする。例えば、特定の空間周波数の集まりは、同一の構造体を示す場合がある。この構造体のみを観察したい場合は、表示部２１のパラメータ設定部２３で、観察したい構造体の空間周波数を設定することにより、その空間周波数に合わせて被検体６０の観察像を調整することができる。

以上のような方法により、被検体６０情報を検出し、計算部２０は被検体の観察に適した照明形状を自動的に設定することができるが、実施例には更に様々な変更を加えることができる。

例えば、図１１に示した顕微鏡システム２００では、２つのイメージセンサを同時に使用することにより結像面の像と瞳２７３の像との２つの情報を同時に取得することができるが、瞳２７３とイメージセンサ８０との間に脱着可能なリレーレンズを挿入してイメージセンサ８０上に瞳２７３に共役な像を形成することにより、一つのイメージセンサのみの使用で被検体６０の空間周波数情報を取得することができる。

また、顕微鏡システム２００では、顕微鏡システム２００に干渉計を組んで瞳の干渉像を取得するような構成にすることで、瞳の振幅情報を調べ、被検体６０の位相情報を取得することも可能である。干渉計は、被検体６０を透過した物体光と、被検体６０を透過していない参照光とを互いに干渉させて第２イメージセンサ２８０で干渉像を測定することにより物体のフーリエスペクトルを得ることができるため、物体の位相情報を取得することができる。干渉計を形成する場合は、照明光源３０にレーザー等を使用することが望ましい。レーザーを使用することにより、単色の強い光を得ることができ、そのため点光源の大きさをより小さくできる。また、複数の照射方向から物体光の回折光と参照光との干渉像をイメージセンサ８０で検出することにより、被検体６０の三次元画像を形成することも可能である。干渉計を使用した顕微鏡の詳細は、例えば再表２００８／１２３４０８に開示されている。

また、図１０Ｂに示した点光源は、第１空間光変調素子９０の代わりに点開口を有するマスクを用いて形成しても良い。

さらに、図１０Ｂに示された点光源は、円３１の外周部に沿って更に多く形成されることにより被検体６０をより多くの方向から斜め照明をあてた場合の回折光又は空間周波数の情報を得ることができる。また、図１０Ｂに示した複数の点光源を、複数の単一波長、例えば赤、青、緑のそれぞれの波長で測定しても良い。図１０Ｂに示した各点光源を、赤、青、緑のそれぞれで測定した場合を、図１３（ｃ）を参照して説明する。

図１３（ｃ）は、被検体６０が生体である場合の第２イメージセンサ２８０で検出された赤・青・緑の各波長における瞳２７３の像の画像が示された表示部２１の図である。図１３（ｃ）は、例えば図１０Ｂの点光源３２ｂで、赤、青、緑のそれぞれの波長を用いて被検体６０が測定された場合の図である。実際の測定では、点光源３２ａから点光源３２ｅの全てで瞳２７３の像が測定される。図１３（ｃ）では、赤の波長で検出された像２３４ａ、青の波長で検出された像２３４ｂ、緑の画像で検出された像２３４ｃが同一画面上に示されている。空間周波数は波長に反比例するため、瞳２７３における被検体６０の像を光の波長ごとに測定することにより、より正確に被検体６０の空間周波数分布を調べることができる。図１３（ｃ）では、赤の波長で検出された画像２３４ａが示されている領域は比較的空間周波数が小さく、青の波長で検出された画像２３４ｂが示されている領域は比較的空間周波数が大きい構造体の存在が推測される。

（第２実施例）
第１実施例では明視野顕微鏡を有する顕微鏡システム１００について説明したが、第２実施例では、位相差顕微鏡を有する顕微鏡システム３００について説明する。

＜顕微鏡システム３００＞
図１４（ａ）は、顕微鏡システム３００の概略構成図である。顕微鏡システム３００は、被検体６０を観察するための光学式の顕微鏡システムである。顕微鏡システム３００は主に、照明光源３０と、照明光学系４０と、結像光学系７０と、イメージセンサ８０と、計算部２０とにより構成されている。また照明光学系４０は、第１コンデンサレンズ、波長フィルタ４４、第１空間光変調素子３９０及び第２コンデンサレンズ４２を備えており、結像光学系７０は対物レンズ７１及び第２空間光変調素子３９６を含んでいる。また、照明光学系４０と結像光学系７０との間にはステージ５０が配置され、ステージ５０には被検体６０が設置される。

第２空間光変調素子３９６は、結像光学系７０の瞳の位置又はその近傍に配置される。また、第１空間光変調素子３９０は、照明光学系４０の中の結像光学系７０の瞳に共役となる位置に配置される。第１空間光変調素子３９０は透過する光の強度分布を任意に可変することができる素子であり、液晶パネル又はＤＭＤ等により構成される。第２空間光変調素子３９６は、位相を変えることができる素子である液晶パネル等により構成される。また、第２空間光変調素子は、位相と共に光の強度分布も自由に変えられるような構成とすることが望ましい。

図１４（ａ）では、照明光源３０から射出された光が点線で示されている。照明光源３０から射出された照明光ＬＷ３１は第１コンデンサレンズ４１で光ＬＷ３２になる。光ＬＷ３２は、第１空間光変調素子３９０に入射する。第１空間光変調素子３９０を透過した光ＬＷ３３は第２コンデンサレンズ４２を透過して光ＬＷ３４となり、被検体６０に向かう。被検体６０を通過した光ＬＷ３５は、対物レンズ７１を透過して光ＬＷ３６となり第２空間光変調素子３９６に入射する。光ＬＷ３６は第２空間光変調素子３９６を通過して光ＬＷ３７となり、イメージセンサ８０に結像する。イメージセンサ８０に結像した画像の出力データは計算部２０に送られる。計算部２０では、イメージセンサ８０から得られた画像の出力データと、第１空間光変調素子３９０により形成される開口３９１の形状データと、第２空間光変調素子３９６の形状データとに基づいて、被検体６０に最適な照明形状が計算される。そして、計算された被検体６０の観察に適した照明形状は第１空間光変調素子３９０及び第２空間光変調素子３９６に送信される。なお、波長フィルタ４４が配置される場合には波長フィルタ４４を透過して特定の波長の光のみが第１空間光変調素子３９０に入射する。

図１４（ｂ）は、第１空間光変調素子３９０の平面図である。第１空間光変調素子３９０には、リング状に光の透過領域（照明領域）３９１が形成されており、透過領域３９１以外の領域は遮光領域３９２となっている。

図１４（ｃ）は第２空間光変調素子３９６の平面図である。第２空間光変調素子３９６にはリング状に位相変調領域３９７が形成されており、この位相変調領域３９７を透過する光は位相が４分の１波長だけずらされる。位相変調領域３９７以外の領域である回折光透過領域３９８を透過する光は、位相がそのままである。位相変調領域３９７は、第１空間光変調素子３９０の透過領域３９１と共役になるように形成されている。

顕微鏡システム３００の０次光（透過光）は、第１空間光変調素子３９０の透過領域３９１を透過し、第２空間光変調素子３９６の位相変調領域３９７を透過してイメージセンサ８０に至る。また、被検体６０から発せられた回折光は、第２空間光変調素子３９６の回折光透過領域３９８を透過してイメージセンサ８０に至る。そして、０次光と回折光とがイメージセンサ８０上に像を形成する。一般に０次光は回折光に比べて光の強度が強いので、位相変調領域３９７の光の強度を調節するフィルタが形成されることが望ましい。このフィルタは、例えばセルのアレイを備える電気的に制御可能な光学素子（例えば特表２０１０−５０７１１９）に示すような透過率の空間分布を自由に可変することができる光学素子等を第２空間変調素子３９６に付加することにより形成することができる。

第１空間光変調素子３９０及び第２空間光変調素子３９６は、その透過領域３９１及び位相変調領域３９７の大きさ、形状を自由に変えることができる。例えば第１空間光変調素子３９０の透過領域３９１の直径を上げると透過光の開口数が上がるため解像度を上げることができる。また、第１実施例で示した照明形状の導出方法等を用いることにより第１空間光変調素子３９０の透過領域３９１の形状を最適化してもよい。第２空間光変調素子３９６のリング状の領域３９７は常に第１空間光変調素子３９０の透過領域３９１と共役になるように形成される。そのため、透過領域３９１とリング状の領域３９７とは同期して形状が変化することが望ましい。

以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。

２０ … 計算部
２１ … 表示部
２２ … 領域設定部
２３ … パラメータ設定部
２３ａ〜２３ｇ … 物体情報取得画面
２４ … 観察領域
３０ … 照明光源
３２ … 点光源
４０ … 照明光学系
４１ … 第１コンデンサレンズ、 ４２ … 第２コンデンサレンズ
４４ … 波長フィルタ
５０ … ステージ
６０ … 被検体
７０ … 結像光学系、 ７１ … 対物レンズ
８０ … イメージセンサ
９０、３９０ … 第１空間光変調素子
９１ … 照明領域
９２ … 遮光部
９３ … 液晶パネル
９４ … デジタルマイクロミラーディバイス（ＤＭＤ）
１００、２００、３００ … 顕微鏡システム
２４２ … リレーレンズ
２７２ … ビームスプリッター
２７３ … 瞳
２８０ … 第２イメージセンサ
３９６ … 第２空間光変調素子
３９７ … 位相変調領域
３９８ … 回折光透過領域

Claims (1)

1. 被検体を観察する光学式の顕微鏡システムであって、
   前記被検体の透過光又は反射光を結像する結像光学系と、
   照明光を前記被検体に照射する照明光源と、
   前記結像光学系の瞳の共役位置における前記照明光の強度分布を可変する第１空間光変調素子を有し、前記照明光源からの光を前記被検体に照射する照明光学系と、
   前記結像光学系を介した光を検出するイメージセンサと、
   前記イメージセンサで検出される出力データと前記第１空間光変調素子で形成される前記照明光の強度分布とに基づき、前記被検体の観察に適した前記照明光の強度分布を計算するための計算部と、
   を備える顕微鏡システム。