JP2015172675A - Observation device, observation method, and illumination device - Google Patents
Observation device, observation method, and illumination device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015172675A JP2015172675A JP2014048772A JP2014048772A JP2015172675A JP 2015172675 A JP2015172675 A JP 2015172675A JP 2014048772 A JP2014048772 A JP 2014048772A JP 2014048772 A JP2014048772 A JP 2014048772A JP 2015172675 A JP2015172675 A JP 2015172675A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- observation
- observation target
- target region
- fringe
- scanning
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
本発明は、観察装置、観察方法、及び照明装置に関する。 The present invention relates to an observation device, an observation method, and an illumination device.
従来、試料の3次元構造を顕微鏡で観測する顕微鏡としてポイントスキャン型又はZスキャン型の顕微鏡が知られている。 Conventionally, a point scan type or Z scan type microscope is known as a microscope for observing the three-dimensional structure of a sample with a microscope.
本発明は、ポイントスキャン又はZスキャンをせずに観察対象領域の3次元像構造データを取得する観察装置、観察方法、及びそれに適した照明装置を提案する。 The present invention proposes an observation apparatus, an observation method, and an illumination apparatus suitable for acquiring three-dimensional image structure data of an observation target region without performing point scan or Z scan.
本発明を例示する観察装置の一態様は、観察対象領域の深さ方向にかけて縞ピッチの異なる3次元の縞パターンで前記観察対象領域を照明する照明部と、前記縞パターンで照明された前記観察対象領域の画像を生成する観察部と、前記観察対象領域を前記縞パターンで走査する走査部と、互いに異なる走査位置で生成された複数の前記画像に基づき、前記観察対象領域の互いに異なる深さに関する複数の画像成分を互いに分離する分離部とを備える。 An aspect of the observation apparatus illustrating the present invention includes an illumination unit that illuminates the observation target region with a three-dimensional fringe pattern having different stripe pitches in the depth direction of the observation target region, and the observation illuminated with the stripe pattern. Based on a plurality of images generated at different scanning positions, an observation unit that generates an image of the target region, a scanning unit that scans the observation target region with the stripe pattern, and different depths of the observation target region And a separation unit that separates a plurality of image components from each other.
本発明を例示する観察方法の一態様は、観察対象領域の深さ方向にかけて縞ピッチの異なる3次元の縞パターンで前記観察対象領域を照明する手順と、前記縞パターンで照明された前記観察対象領域の画像を生成する手順と、前記観察対象領域を前記縞パターンで走査する手順と、互いに異なる走査位置で生成された複数の前記画像に基づき、前記観察対象領域の互いに異なる深さに関する複数の画像成分を、互いに分離する手順とを含む。 An aspect of the observation method illustrating the present invention includes a procedure for illuminating the observation target region with a three-dimensional stripe pattern having a different stripe pitch in the depth direction of the observation target region, and the observation target illuminated with the stripe pattern. Based on a procedure for generating an image of the region, a procedure for scanning the observation target region with the stripe pattern, and a plurality of the images generated at different scanning positions, a plurality of depths relating to different depths of the observation target region Separating image components from each other.
本発明を例示する照明装置の一態様は、観察対象領域の深さ方向にかけて縞ピッチの異なる3次元の縞パターンで前記観察対象領域を照明する。 One aspect of the illumination device illustrating the present invention illuminates the observation target region with a three-dimensional fringe pattern having different stripe pitches in the depth direction of the observation target region.
本発明によれば、ポイントスキャン又はZスキャンをせずに観察対象領域の3次元像構造データを取得する観察装置、観察方法、及びそれに適した照明装置を提案する。 According to the present invention, an observation apparatus, an observation method, and an illumination apparatus suitable for acquiring three-dimensional image structure data of an observation target region without performing point scanning or Z scanning are proposed.
[実施形態]
以下、本発明の実施形態として3D照明顕微鏡装置を説明する。
[Embodiment]
Hereinafter, a 3D illumination microscope apparatus will be described as an embodiment of the present invention.
図1は、3D照明顕微鏡装置の構成図である。図1に示すとおり3D照明顕微鏡装置1には、レーザ光源101と、光ファイバ11と、コリメートレンズ12と、1次元回折格子13と、シリンドリカルレンズ16と、スリットマスク18と、リレーレンズを構成するレンズ25、27と、試料5と、ダイクロイックミラー28と、結像レンズ29と、撮像素子35と、試料ステージ13Aと、制御装置39と、演算装置40とが配置される。
FIG. 1 is a configuration diagram of a 3D illumination microscope apparatus. As shown in FIG. 1, the 3D
以下、光ファイバ11の出射端、コリメートレンズ12、1次元回折格子13、シリンドリカルレンズ16、スリットマスク18、レンズ25、ダイクロイックミラー28、レンズ27の全体を「照明光学系10」と称す。また、レンズ27、ダイクロイックミラー28、結像レンズ29の全体を「観察光学系20」と称す。これらの照明光学系10と観察光学系20とは、レンズ27及びダイクロイックミラー28を共有している。
Hereinafter, the entire output end of the
レーザ光源101は、可干渉性を有した光源である。レーザ光源101の発光波長は、試料5に含まれる蛍光物質の励起波長と同じに設定されている。レーザ光源101から射出したレーザ光は、光ファイバ11を伝搬すると、光ファイバ11の出射端に点光源を形成する。
The
点光源から射出したレーザ光は、コリメートレンズ12にて径の太い平行光束となり、1次元回折格子13へ入射する。1次元回折格子13へ入射した平行光束は、1次元回折格子13の回折作用により、次数の異なる複数の回折光に分岐される。
以下、1次元回折格子13の格子線方向を、照明光学系10の光軸方向(z方向)に垂直な所定方向(y方向)とする。この場合、複数の回折光の分岐方向は、z方向とy方向との双方に垂直な方向(x方向)となる。
The laser light emitted from the point light source becomes a parallel light beam having a large diameter by the
Hereinafter, the grating line direction of the one-dimensional diffraction grating 13 is defined as a predetermined direction (y direction) perpendicular to the optical axis direction (z direction) of the illumination
1次元回折格子13で分岐した複数の回折光は、シリンドリカルレンズ16の集光作用を受け、シリンドリカルレンズ16の焦点面6Aの互いに異なる位置に集光ライン(ライン光源)を形成する。
ここで、シリンドリカルレンズ16のレンズ面の母線方向は、1次元回折格子13の格子線方向(y方向)と同じに設定される。この場合、焦点面6Aに形成されるライン光源の長手方向はy方向となり、複数の回折光が個別に形成する複数のライン光源の配列方向は、x方向となる。なお、図1では、複数の回折光のうち0次回折光及び±1次回折光のみを図示した。
The plurality of diffracted lights branched by the one-dimensional diffraction grating 13 are subjected to the condensing action of the
Here, the generatrix direction of the lens surface of the
焦点面6Aに向かった複数の回折光は、焦点面6Aの近傍に配置されたスリットマスク18へ入射する。スリットマスク18には、図2に示すとおり1対のスリット18a、18bが形成されている。1対のスリット18a、18bの各々の長手方向はy方向であり、1対のスリット18a、18bの配列方向はx方向である。また、1対のスリット18a、18bの中心間隔は、±1次回折光が個別に形成する1対のライン光源の間隔に一致している。また、1対のスリット18a、18bの各々の短手方向の幅は、1対のライン光源の各々の短手方向の幅(前述した点光源のサイズによって決まる)と同等である。
図1に示すとおり、スリットマスク18に入射した複数の回折光のうち、0次回折光及び2次以降の高次回折光はスリットマスク18の遮光部で遮光され、±1次回折光はスリットマスク18の1対のスリット18a、18bを個別に通過する。1対のスリット18a、18bを個別に通過した±1次回折光の各々は円筒波であり、これら円筒波の波面の母線方向はy方向である。つまり、1対のスリット18a、18bのレンズ25側には1対のライン光源が個別に形成される。1対のライン光源から個別に射出する1対の円筒波の拡がり角度は、図1に示す角度と同じとは限らない。
The plurality of diffracted lights directed toward the
As shown in FIG. 1, among the plurality of diffracted lights incident on the
1対のスリット18a、18b(1対のライン光源)から個別に射出した1対の円筒波は、レンズ25、ダイクロイックミラー28、レンズ27を順に通過すると、レンズ25、27に関して焦点面6Aと共役な面6A’に1対のライン光源18a’、18b’を形成する。
When a pair of cylindrical waves individually emitted from a pair of
1対のライン光源18a’、18b’のうち、ライン光源18a’は、スリット18aのレンズ25側に形成されたライン光源の像(2次ライン光源)であり、ライン光源18b’は、スリット18bのレンズ25側に形成されたライン光源の像(2次ライン光源)である。
Of the pair of
1対の2次ライン光源18a’、18b’からは、1対の円筒波が個別に射出する。1対の円筒波の波面の母線方向は、y方向である。
A pair of cylindrical waves are individually emitted from the pair of secondary
1対の2次ライン光源18a’、18b’から個別に射出した1対の円筒波は、試料5の近傍で互いに干渉して3次元の干渉縞を形成する。これら1対の円筒波の波面の母線方向はy方向であるので、試料5の近傍に形成される干渉縞は、x方向及びz方向にかけて強度分布を有しているが、干渉縞のy方向の強度は、一様となる。
A pair of cylindrical waves individually emitted from the pair of secondary
このような干渉縞によると、試料5のうちz座標の異なる複数のxy断面には、縞ピッチの互いに異なる複数の縞パターンが個別に形成される。
According to such interference fringes, a plurality of fringe patterns having different fringe pitches are individually formed on the plurality of xy cross sections having different z coordinates in the
以下、試料5の観察対象領域50に着目する。「観察対象領域50」とは、観察光学系20の視野内であって、観察光学系20の焦点深度内に収まる領域のことである。また、観察対象領域50の様々なxy断面を代表して、図3(A)に示すような3つの観察対象面5−1、5−2、5−3を想定し、観察対象領域50の他のxy断面を無視する。
Hereinafter, attention is focused on the
このうち、観察対象面5−2のz座標z2は、観察光学系20の焦点面に位置し、観察対象面5−1のz座標z1は、観察光学系20の側から見て座標z2よりも奥に位置し、観察対象面5−3のz座標z3は、観察光学系20の側から見て座標z2よりも手前に位置する。
Among these, the z coordinate z 2 of the observation target surface 5-2 is located on the focal plane of the observation
よって、図3(B)に示すとおり観察対象面5−1に形成される縞パターンF1の空間周波数(以下、「縞周波数」と称す。)f1、観察対象面5−2に形成される縞パターンF2の縞周波数f2、観察対象面5−3に形成される縞パターンF3の縞周波数f3の関係は、f1<f2<f3となる。 Therefore, as shown in FIG. 3B, the spatial frequency (hereinafter referred to as “fringe frequency”) f 1 of the fringe pattern F 1 formed on the observation target surface 5-1 is formed on the observation target surface 5-2. that fringe frequency f 2 of the fringe pattern F 2, the relationship of the fringe frequency f 3 of the fringe pattern F 3 which is formed on the observation target plane 5-3, the f 1 <f 2 <f 3.
なお、図4(A)〜(C)は、観察光学系20から見た縞パターンF1、F2、F3の模式図であり、図4(D)は、観察光学系20から見た縞パターンF1、F2、F3の全体の模式図である。
図1に戻り、試料5は、蛍光物質で標識された生体細胞などを含む。この蛍光物質は、干渉縞で照明されると蛍光を発する。観察対象領域50から射出する蛍光の強度分布は、観察対象領域50に存在する蛍光物質の3次元密度分布と、観察対象領域50を照明した干渉縞の3次元強度分布との双方に応じて決まる。
4A to 4C are schematic diagrams of the fringe patterns F 1 , F 2 , and F 3 viewed from the observation
Returning to FIG. 1, the
観察対象領域50から射出した蛍光は、レンズ27を介してビームスプリッタ28へ入射し、ビームスプリッタ28を反射する。ビームスプリッタ28を反射した蛍光は、結像レンズ29を通過すると、撮像素子35の撮像面上に観察対象領域50の蛍光像を形成する。
The fluorescence emitted from the
ここで、撮像素子35の撮像面は、観察光学系20に関して観察対象面5−2(図3参照)と共役であって、観察対象面5−1、5−3は、観察光学系20の焦点深度内に収まっている。よって、撮像面上の蛍光像には、図3に示した縞パターンF1、F2、F3の全部がボケることなく写る。
Here, the imaging surface of the
撮像素子35は、撮像面上の蛍光像を撮像することにより画像を生成すると、制御装置39へ画像を出力する。
When the
ここで、試料5は、試料ステージ13Aにより少なくともx方向にかけてシフト可能である。このシフトによると、観察対象領域50が干渉縞によりx方向にかけて走査(縞走査)される。
Here, the
なお、ここでは観察対象領域50を縞走査するために試料5をシフトさせたが、試料5の代わりに干渉縞をシフトさせてもよい。干渉縞をシフトさせるためには、例えば照明光学系10の全体をx方向にシフトさせればよい。
制御装置39は、試料ステージ13Aを駆動することにより試料5をx方向に等ピッチで縞走査し、縞走査の位置(縞走査位置)が各位置にあるときに撮像素子35を駆動することによりN枚の画像を取得すると、N枚の画像を演算装置40へ出力する。N枚の画像は縞走査位置が互いに異なるが、N枚の画像の間で縞走査ピッチは均一である。
Here, the
The
演算装置40は、制御装置39から転送されたN枚の画像へ演算処理(後述)を施すことにより、観察対象領域50に存在する蛍光物質の3次元密度分布を算出し、その3次元密度分布を不図示の画像表示装置へ表示する。
The
次に、演算装置40による演算処理を詳しく説明する。
Next, arithmetic processing by the
図5に示すのは、N枚の画像I1,I2,….INの概念図である。N枚の画像I1,I2,….INの間では縞走査位置Sが互いに異なり、N枚の画像I1,I2,….INのフレーム番号がN枚の画像I1,I2,….INの縞走査位置Sを表している。よって、フレーム番号の隣接する2枚の画像Ii,I(i+1)間における縞走査位置SのズレをΔSとおくと、第iフレームの画像Iiの縞走査位置SiはSi=(N−1)×ΔSで表される。これらN枚の画像I1,I2,….INについて、演算装置40は以下の手順(1)〜(4)を実行する。
FIG. 5 shows N images I 1 , I 2 ,. It is a conceptual diagram of a I N. N images I 1 , I 2 ,. The stripe scanning positions S are different between I N and N images I 1 , I 2 ,.
(1)演算装置40は、N枚の画像I1,I2,….INのうち、着目座標(x,y)に関するN個の画素値I1(x,y),I2(x,y),….IN(x,y)を参照する。N個の画素値I1(x,y),I2(x,y),….IN(x,y)をフレーム番号順にプロットすると、例えば図6に示すような輝度変化波形が描ける。図6の横軸はフレーム番号(すなわち縞走査位置S)を示しており、図6の縦軸は画素値(輝度値)を示している。なお、図6の輝度変化波形は実際の輝度変化波形を簡略化したものであり、実際の輝度変化波形は図6の輝度変化波形より多くの周波数成分を含んでいる。
(1) The
図6の輝度変化波形には、図3の観察対象面5−1に関する輝度成分(z=z1における蛍光物質の密度を示す輝度成分)と、図3の観察対象面5−2に関する輝度成分(z=z2における蛍光物質の密度を示す輝度成分)と、図3の観察対象面5−3に関する輝度成分(z=z3における蛍光物質の密度を示す輝度成分)とが含まれている。 The luminance change waveform in FIG. 6 includes the luminance component (luminance component indicating the density of the fluorescent material at z = z 1 ) related to the observation target surface 5-1 in FIG. (A luminance component indicating the density of the fluorescent material at z = z 2 ) and a luminance component related to the observation target surface 5-3 in FIG. 3 (a luminance component indicating the density of the fluorescent material at z = z 3 ) are included. .
このうち図3の観察対象面5−1は、縞走査中、縞周波数f1の縞パターンF1で走査される。よって、図6の輝度変化波形のうち、周波数f1で変化する輝度成分が、観察対象面5−1に関する輝度成分である。 Observation target surface 5-1 of these, FIG. 3, in the fringe scanning are scanned by fringe pattern F 1 fringe frequency f 1. Therefore, the luminance component that changes at the frequency f 1 in the luminance change waveform in FIG. 6 is the luminance component related to the observation target surface 5-1.
また、図3の観察対象面5−2は、縞走査中、縞周波数f2の縞パターンF2で走査される。よって、図6の輝度変化波形のうち、周波数f2で変化する輝度成分が、観察対象面5−2に関する輝度成分である。 Moreover, the observation target plane 5-2 in Figure 3, during fringe scanning are scanned by fringe pattern F 2 fringes frequency f 2. Therefore, among the luminance change waveform of FIG. 6, the luminance component varying at the frequency f 2 is a luminance component related to the observation target plane 5-2.
また、図3の観察対象面5−3は、縞走査中、縞周波数f3の縞パターンF3で走査される。よって、図6の輝度変化波形のうち、周波数f3で変化する輝度成分が、観察対象面5−3に関する輝度成分である。 Moreover, the observation target plane 5-3 in Figure 3, during fringe scanning are scanned by fringe pattern F 3 of fringe frequency f 3. Therefore, among the luminance change waveform of FIG. 6, the luminance component varying at the frequency f 3 is a luminance component related to the observation target plane 5-3.
(2)演算装置40は、図6の輝度変化波形(すなわちN個の画素値I1(x,y),I2(x,y),….IN(x,y))に対してS方向のフーリエ変換を施すことにより、例えば図7に示すようなフーリエスペクトルを取得する。但し、図7では、観察対象領域50のうち観察対象面5−1、5−2、5−3以外のxy断面には蛍光物質が存在しなかった場合を想定した。
(2) The
図7のフーリエスペクトルのうち、周波数f1に現れたピークの高さは、観察対象面5−1に関する輝度成分(z=z1における蛍光物質の密度)を示している。 In the Fourier spectrum of FIG. 7, the height of the peak that appears at the frequency f 1 indicates the luminance component (the density of the fluorescent material at z = z 1 ) related to the observation target surface 5-1.
また、図7のフーリエスペクトルのうち、周波数f2に現れたピークの高さは、観察対象面5−2に関する輝度成分(z=z2における蛍光物質の密度)を示している。 Further, in the Fourier spectrum of FIG. 7, the height of the peak that appears at the frequency f 2 indicates the luminance component (the density of the fluorescent material at z = z 2 ) related to the observation target surface 5-2.
また、図7のフーリエスペクトルのうち、周波数f3に現れたピークの高さは、観察対象面5−3に関する輝度成分(z=z3における蛍光物質の密度)を示している。 Further, in the Fourier spectrum of FIG. 7, the height of the peak appearing at the frequency f 3 indicates the luminance component (the density of the fluorescent material at z = z 3 ) related to the observation target surface 5-3.
また、図7のフーリエスペクトルのうち、周波数0に現れたピークの高さは、干渉縞のベース輝度(DC成分)を示している。
In the Fourier spectrum of FIG. 7, the height of the peak that appears at
したがって、手順(2)のフーリエ変換によると、DC成分と、観察対象面5−1に関する輝度成分(z=z1における蛍光物質の密度)と、観察対象面5−2に関する輝度成分(z=z2における蛍光物質の密度)と、観察対象面5−3に関する輝度成分(z=z3における蛍光物質の密度)とが互いに分離される。 Therefore, according to the Fourier transform of the procedure (2), the DC component, the luminance component related to the observation target surface 5-1 (the density of the fluorescent material at z = z 1 ), and the luminance component related to the observation target surface 5-2 (z = the density of fluorescent materials) in z 2, the density of the phosphor in the luminance component (z = z 3 regarding observation target surface 5-3) and are separated from each other.
(3)演算装置40は、図7のフーリエスペクトルから周波数0に現れたピークを消去し、かつ、フーリエスペクトルの周波数軸fを、試料5の深さ軸zへと座標変換することにより、着目座標(x,y)の深さ方向における蛍光物質の密度分布データ(図8参照)を取得する。
(3) The
なお、手順(3)の座標変換は、周波数f1が座標z1に変換され、周波数f2が座標z2に変換され、周波数f3が座標z3に変換されるような座標変換である。 Note that the coordinate transformation in the procedure (3) is a coordinate transformation in which the frequency f 1 is transformed into the coordinate z 1 , the frequency f 2 is transformed into the coordinate z 2 , and the frequency f 3 is transformed into the coordinate z 3. .
(4)演算装置40は、手順(1)〜(3)を全ての着目座標(x,y)について実行することにより、全ての着目座標(x,y)における深さ方向の密度分布データ(図8参照)を取得する。その結果、観察対象領域50の全域における蛍光物質の3次元密度分布が求まる(以上、手順(4))。
(4) The
したがって、本実施形態の3D照明顕微鏡装置1によれば、ポイントスキャン又はZスキャンをすることなく観察対象領域50の3次元構造を観察することができる。
Therefore, according to the 3D
また、本実施形態の観察光学系20として、焦点深度の長い低倍の結像光学系を使用すれば、観察対象領域50のz方向の幅(イメージ深度)を大きく確保することができる。
In addition, if a low-magnification imaging optical system having a long focal depth is used as the observation
なお、上述した説明では、図4(A)、(B)、(C)に示したとおり、縞パターンF1、F2、F3の各々の縞周波数f1、f2、f3を、x方向にかけて一様と仮定したが、実際にはx方向にかけて非一様である。 In the above description, as shown in FIGS. 4A, 4 </ b> B, and 4 </ b> C, the fringe frequencies f 1 , f 2 , and f 3 of the fringe patterns F 1 , F 2 , and F 3 are expressed as follows: Although assumed uniform in the x direction, it is actually non-uniform in the x direction.
以下、干渉縞の座標(x,z)における縞周波数f(x,z)が如何なる値になるかを説明する。 Hereinafter, what value the fringe frequency f (x, z) in the coordinates (x, z) of the interference fringe will be described.
ここでは、座標(x,z)における縞周波数f(x,z)を、座標(x,z)における縞ピッチP(x,z)によって説明する。縞ピッチP(x,z)は、縞周波数f(x,z)の逆数である。 Here, the fringe frequency f (x, z) at the coordinates (x, z) will be described by the fringe pitch P (x, z) at the coordinates (x, z). The fringe pitch P (x, z) is the reciprocal of the fringe frequency f (x, z).
図9に示すとおり、1対の2次ライン光源18a’、18b’の中心をxz座標の原点とし、1対の2次ライン光源18a’、18b’の間隔をdとおくと、座標(x,z)における縞ピッチP(x,z)は、以下の式(1)で表される。
As shown in FIG. 9, when the center of the pair of secondary line
よって、例えば、観察対象面5−1上の縞ピッチP(x,z1)は、式(1)にz=z1を当てはめることによって求めることができる。 Therefore, for example, the stripe pitch P (x, z 1 ) on the observation target surface 5-1 can be obtained by applying z = z 1 to the equation (1).
また、例えば、観察対象面5−2上の縞ピッチP(x,z2)は、式(1)にz=z2を当てはめることによって求めることができる。 Further, for example, the stripe pitch P (x, z 2 ) on the observation target surface 5-2 can be obtained by applying z = z 2 to the equation (1).
また、例えば、観察対象面5−3上の縞ピッチP(x,z3)は、式(1)にz=z3を当てはめることによって求めることができる。 Further, for example, the stripe pitch P (x, z 3 ) on the observation target surface 5-3 can be obtained by applying z = z 3 to the equation (1).
次に、3D照明顕微鏡装置1のz分解能を説明する。
Next, the z resolution of the 3D
3D照明顕微鏡装置1のz分解能を高めるためには、縞パターンの縞本数差が1本以上である2つの観察対象面の間隔を狭めればよい。そのためには、z方向にかけて縞周波数が大きく変化するような干渉縞を生成すればよい。
In order to increase the z resolution of the 3D
その一方で、近接した2つの観察対象面の輝度成分を互いに分離するためには、フーリエスペクトル(図7参照)のf軸方向の分解能Δfを高くする必要がある。そのためには、輝度変化波形(図6参照)のS軸方向のデータ範囲(サンプリング範囲)Tを大きく確保すればよい(なぜならΔf=1/(2T)の関係が成り立つ。)。 On the other hand, in order to separate the luminance components of two adjacent observation target surfaces from each other, it is necessary to increase the resolution Δf in the f-axis direction of the Fourier spectrum (see FIG. 7). For this purpose, a large data range (sampling range) T in the S-axis direction of the luminance change waveform (see FIG. 6) should be ensured (because the relationship of Δf = 1 / (2T) is established).
以上を踏まえ、3D照明顕微鏡装置1の数値例を以下に説明する。
Based on the above, a numerical example of the 3D
・光源波長λ:600nm
・2次ライン光源18a’、18b’の間隔d:0.1mm
・媒質の屈折率n:1.33
・観察対象領域50のxy断面サイズ(=縞ピッチが一様とみなせる観察光学系20の視野範囲):400μm×400μm
図10は、本数値例において、試料5の深さzと縞周波数fとの関係を示す特性カーブ(縞周波数特性カーブ)である。なお、この特性カーブは、式(1)に基づき計算されたものである。
・ Light source wavelength λ: 600 nm
-Space d between secondary line
-Refractive index n of the medium: 1.33
The xy cross-sectional size of the observation target region 50 (= the visual field range of the observation
FIG. 10 is a characteristic curve (fringe frequency characteristic curve) showing the relationship between the depth z of the
図10に示すとおりz=1〜z=1.5[mm]のz座標範囲Aでは、深さzの変化量に対する縞周波数fの変化量が比較的大きいのに対して、z=2〜2.5[mm]のz座標範囲Bでは、深さzの変化量に対する縞周波数fの変化量が比較的小さい。つまり、干渉縞のうち、2次ライン光源18a’、18b’に近い部分ほど、高いz分解能を実現できる可能性が高い。
As shown in FIG. 10, in the z coordinate range A where z = 1 to z = 1.5 [mm], the change amount of the fringe frequency f with respect to the change amount of the depth z is relatively large, whereas z = 2 to 2. In the z coordinate range B of 2.5 [mm], the change amount of the fringe frequency f with respect to the change amount of the depth z is relatively small. That is, in the interference fringes, the closer to the secondary line
図11(A)は、z座標範囲Aにおける縞周波数特性カーブを示したものであり、図11(B)は、z座標範囲Bにおける縞周波数特性カーブを示したものである。なお、図11(A)、(B)に示したデータは、量子化されたデータである。この量子化では、データ範囲Tで決まるΔfの値が、ちょうど1(本/mm)である場合を想定した。 FIG. 11A shows a fringe frequency characteristic curve in the z coordinate range A, and FIG. 11B shows a fringe frequency characteristic curve in the z coordinate range B. Note that the data shown in FIGS. 11A and 11B is quantized data. In this quantization, it is assumed that the value of Δf determined by the data range T is exactly 1 (lines / mm).
図11(A)に示すとおり、z座標範囲Aにおいては、隣接する2つの観察対象面の間隔、すなわちz分解能Δzは、約20μmであり、図11(B)に示すとおり、z座標範囲Bにおいては、隣接する2つの観察対象面の間隔、すなわちz分解能Δzは、約50μmであることがわかる。 As shown in FIG. 11 (A), in the z coordinate range A, the interval between two adjacent observation target surfaces, that is, the z resolution Δz is about 20 μm, and as shown in FIG. 11 (B), the z coordinate range B It can be seen that the interval between two observation target surfaces adjacent to each other, that is, the z resolution Δz is about 50 μm.
もちろん、データ範囲Tを増加させ、Δfの値を小さくすれば(分解能を向上させれば)、Δzはさらに向上することになる。 Of course, if the data range T is increased and the value of Δf is decreased (the resolution is improved), Δz is further improved.
[実施形態の補足]
なお、本実施形態では、3D照明顕微鏡装置1の照明光学系10のタイプを落射照明としたが透過照明としてもよい。その場合は、ビームスプリッタ28は不要となる。また、リレーレンズ25、27も非必須である。
[Supplement of embodiment]
In the present embodiment, the type of the illumination
また、本実施形態では、1対のスリット18a、18bへ入射させる光を集光光束としたので、スリットマスク18における光量ロスが最小限に抑えられる。但し、スリットマスク18における光量ロスを許容できる場合には、1対のスリット18a、18bへ入射させる光を、集光光束ではなく平行光束としてもよい。
In the present embodiment, the light incident on the pair of
また、本実施形態では、試料5の深さ方向にかけて縞周波数の異なる干渉縞を生成するために、1対の発散する円筒波を使用したが、1対の収束する円筒波を使用してもよい。
In the present embodiment, a pair of diverging cylindrical waves are used to generate interference fringes having different fringe frequencies in the depth direction of the
また、本実施形態では、試料5の深さ方向にかけて縞周波数の異なる干渉縞を生成するために、1対の発散する円筒波を使用したが、1対の収束する球面波又は1対の発散する球面波を使用してもよい。
In the present embodiment, a pair of diverging cylindrical waves are used to generate interference fringes having different fringe frequencies in the depth direction of the
また、本実施形態では、試料5の深さ方向にかけて縞周波数の異なる3次元の縞パターンで試料5を照明するために、干渉縞を生成したが、干渉縞を生成する代わりに、2次元の縞パターンが表示されたマスクの像を試料へ投影してもよい。例えば、縞パターンの表示されたマスクの像を、非平行な照明光(発散又は収束光)によって試料5へ投影すれば、試料5の深さ方向にかけて縞周波数の異なる3次元の縞パターンで試料5を照明することができる。なお、マスクとしては、透過型又は反射型の液晶表示素子などを使用することができる。
In the present embodiment, the interference fringes are generated in order to illuminate the
[実施形態の作用効果]
本実施形態の観察装置(3D照明顕微鏡装置1)は、観察対象領域(50)の深さ方向(z方向)にかけて縞ピッチの異なる3次元の縞パターン(干渉縞)で前記観察対象領域(50)を照明する照明部(照明光学系10)と、前記縞パターン(干渉縞)で照明された前記観察対象領域の画像を生成する観察部(観察光学系20、撮像素子35)と、前記観察対象領域(50)を前記縞パターン(干渉縞)で走査する走査部(試料ステージ13A、制御装置39)と、互いに異なる走査位置で生成された複数の前記画像に基づき、前記観察対象領域(50)の互いに異なる深さに関する複数の画像成分(輝度成分)を互いに分離する分離部(演算装置40)とを備える。
[Effects of Embodiment]
The observation apparatus (3D illumination microscope apparatus 1) of the present embodiment has a three-dimensional fringe pattern (interference fringes) with different fringe pitches in the depth direction (z direction) of the observation target area (50). ) For illuminating the observation target region illuminated by the fringe pattern (interference fringes) (observation
したがって、本実施形態の観察装置(3D照明顕微鏡装置1)は、ポイントスキャン又はZスキャンせずに前記観察対象領域(50)の3次元構造を観察することができる。 Therefore, the observation apparatus (3D illumination microscope apparatus 1) of the present embodiment can observe the three-dimensional structure of the observation target region (50) without performing point scanning or Z scanning.
また、前記照明部(照明光学系10)は、可干渉な1対の非平行光を前記観察対象領域(50)で互いに干渉させることにより前記縞パターン(干渉縞)を生成する。 The illumination unit (illumination optical system 10) generates the fringe pattern (interference fringes) by causing a pair of coherent non-parallel lights to interfere with each other in the observation target region (50).
また、前記照明部(照明光学系10)は、1対のスリット(18a、18b)を有したスリットマスク(18)により前記1対の非平行光を生成する。 The illumination unit (illumination optical system 10) generates the pair of non-parallel light by a slit mask (18) having a pair of slits (18a, 18b).
また、前記分離部(演算装置40)は、複数の前記画像を走査方向にかけてフーリエ変換することにより前記分離を行う。 In addition, the separation unit (arithmetic device 40) performs the separation by performing Fourier transform on the plurality of images in the scanning direction.
1…3D照明顕微鏡装置、101…レーザ光源、11…光ファイバ、12…コリメートレンズ、13…1次元回折格子、16…シリンドリカルレンズ、18…スリットマスク、25、27…レンズ、5…試料、28…ダイクロイックミラー、29…結像レンズ、35…撮像素子、13A…試料ステージ、39…制御装置、40…演算装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記縞パターンで照明された前記観察対象領域の画像を生成する観察部と、
前記観察対象領域を前記縞パターンで走査する走査部と、
互いに異なる走査位置で生成された複数の前記画像に基づき、前記観察対象領域の互いに異なる深さに関する複数の画像成分を互いに分離する分離部と
を備えることを特徴とする観察装置。 An illumination unit that illuminates the observation target region with a three-dimensional fringe pattern having different stripe pitches in the depth direction of the observation target region;
An observation unit for generating an image of the observation target region illuminated with the stripe pattern;
A scanning unit that scans the observation target region with the stripe pattern;
An observation apparatus comprising: a separation unit that separates a plurality of image components related to different depths of the observation target region from each other based on the plurality of images generated at different scanning positions.
前記照明部は、
可干渉な1対の非平行光を前記観察対象領域で互いに干渉させることにより前記縞パターンを生成する
ことを特徴とする観察装置。 The observation apparatus according to claim 1,
The illumination unit is
The said fringe pattern is produced | generated by making a pair of coherent non-parallel light interfere with each other in the said observation object area | region. The observation apparatus characterized by the above-mentioned.
前記照明部は、
1対のスリットを有したスリットマスクにより前記1対の非平行光を生成する
ことを特徴とする観察装置。 The observation apparatus according to claim 2,
The illumination unit is
The observation apparatus, wherein the pair of non-parallel light is generated by a slit mask having a pair of slits.
前記分離部は、
複数の前記画像を走査方向にかけてフーリエ変換することにより前記分離を行う
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus as described in any one of Claims 1-3,
The separation unit is
An observation apparatus, wherein the separation is performed by Fourier transforming a plurality of the images in a scanning direction.
前記縞パターンで照明された前記観察対象領域の画像を生成する手順と、
前記観察対象領域を前記縞パターンで走査する手順と、
互いに異なる走査位置で生成された複数の前記画像に基づき、前記観察対象領域の互いに異なる深さに関する複数の画像成分を互いに分離する手順と
を含むことを特徴とする観察方法。 Illuminating the observation area with a three-dimensional fringe pattern having different fringe pitches in the depth direction of the observation area;
Generating an image of the observation target area illuminated with the stripe pattern;
A procedure for scanning the observation target area with the stripe pattern;
And a step of separating a plurality of image components relating to different depths of the observation target region from each other based on the plurality of images generated at different scanning positions.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014048772A JP2015172675A (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Observation device, observation method, and illumination device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014048772A JP2015172675A (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Observation device, observation method, and illumination device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015172675A true JP2015172675A (en) | 2015-10-01 |
Family
ID=54260036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014048772A Pending JP2015172675A (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Observation device, observation method, and illumination device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015172675A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105259138A (en) * | 2015-11-06 | 2016-01-20 | 西北大学 | Z-scanning device for middle-infrared band being 3-5 micrometers |
-
2014
- 2014-03-12 JP JP2014048772A patent/JP2015172675A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105259138A (en) * | 2015-11-06 | 2016-01-20 | 西北大学 | Z-scanning device for middle-infrared band being 3-5 micrometers |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5412394B2 (en) | Sample observation equipment | |
JP5170084B2 (en) | 3D microscope and 3D image acquisition method | |
JP5364203B2 (en) | Observation device | |
JP5658038B2 (en) | microscope | |
US8019136B2 (en) | Optical sectioning microscopy | |
US10394011B2 (en) | Ptychography system | |
JP2018055082A (en) | Converter, illuminator, and light sheet fluorescence microscope | |
US9279764B2 (en) | Method and apparatus for manipulating near field using light scattering | |
JP2009098215A (en) | Microscope apparatus, and method of calculating amount of phase change in microscope apparatus | |
JP2014063151A (en) | Microscope illumination optical system and microscope having the same | |
WO2019097587A1 (en) | Quantitative phase image generating method, quantitative phase image generating device, and program | |
WO2022054305A1 (en) | Observation device and observation method | |
Bevis et al. | Multiple beam ptychography for large field-of-view, high throughput, quantitative phase contrast imaging | |
JP2022528003A (en) | Methods and devices for detecting displacement of a sample with respect to an objective lens | |
JP2011501214A (en) | Sample structured lighting system | |
JP6014449B2 (en) | Laser scanning microscope equipment | |
US10816474B2 (en) | Optical information detection apparatus and microscope system | |
JP2015532979A (en) | Method for recording a Gabor hologram | |
JP2015172675A (en) | Observation device, observation method, and illumination device | |
JP5022274B2 (en) | Observation device | |
JP2015179208A (en) | Imaging device and image processing system | |
JP6724473B2 (en) | Digital holography device | |
JP6623029B2 (en) | Optical distance measuring device | |
RU2723890C1 (en) | Multichannel confocal image spectrum analyzer | |
WO2023095441A1 (en) | Observation device and observation method |