JP2016133748A - Calibration creation method and pattern irradiation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology that highly accurately calibrates a pattern irradiation device.SOLUTION: A pattern irradiation device 100 is configured to: irradiate a sample S with a calibration pattern (step S10); acquire an image of the sample S having the calibration pattern irradiated for each depth position (step S20); specify an irradiation depth location having the calibration pattern irradiated from a plurality of acquired images (step S30); and create calibration data on the pattern irradiation device 100 for forming a desired pattern at the specified irradiation depth location on the basis of image data on the irradiation depth location and the calibration pattern (step S40).SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、波面変調器を備えたパターン照射装置の較正データ生成方法、及び、パターン照射装置に関する。   The present invention relates to a method for generating calibration data of a pattern irradiation apparatus including a wavefront modulator, and a pattern irradiation apparatus.

従来から、対物レンズの瞳位置と光学的に共役な位置に配置された位相変調型の空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)などの波面変調器を用いて光のパターン照射を行うパターン照射装置が知られている。   Conventionally, pattern irradiation that uses a wavefront modulator such as a spatial light modulator (SLM) placed at a position optically conjugate with the pupil position of the objective lens to perform pattern irradiation of light The device is known.

一般に、パターン照射装置で光のパターン照射を行う場合、標本に形成すべき光のパターンの形状や照射位置は、標本の画像が表示された画面上で指定される。しかしながら、実際には、光学系の調整不足や誤差により画面上で指定したどおりの形状や位置にパターン照射が行われない場合がある。このため、画面上で指定したどおりにパターン照射が行われるように、パターン照射装置を較正する技術が求められている。   In general, when performing pattern irradiation of light with a pattern irradiation apparatus, the shape and irradiation position of a light pattern to be formed on a specimen are specified on a screen on which an image of the specimen is displayed. However, in practice, pattern irradiation may not be performed on the shape and position as specified on the screen due to insufficient adjustment of the optical system or errors. For this reason, a technique for calibrating the pattern irradiation apparatus is required so that the pattern irradiation is performed as specified on the screen.

特許文献1には、ユーザによって指定された光のパターンと実際に照射された光のパターンとに基づいて算出した補正パラメータを用いて、位相変調型のSLMの変調量を補正することで、光学装置を較正する技術が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2004-151867 corrects the modulation amount of a phase modulation type SLM by using a correction parameter calculated based on a light pattern designated by a user and a light pattern actually irradiated. Techniques for calibrating the device are described.

特開2014−112122号公報JP 2014-112122 A

特許文献1には、蛍光板などの平板上に光のパターンを照射して補正パラメータを算出する例が示されていて、対物レンズの光軸方向(以降、深さ方向と記す)へのパターンのシフトについては考慮されていない。しかしながら、実際には、光のパターンは指定した深さ位置に形成されるとは限らず、深さ方向へパターンがシフトしてしまうことがある。   Patent Document 1 shows an example in which a correction parameter is calculated by irradiating a light pattern on a flat plate such as a fluorescent plate. The pattern in the optical axis direction of the objective lens (hereinafter referred to as the depth direction) is shown. Shift is not considered. However, in practice, the light pattern is not always formed at the specified depth position, and the pattern may shift in the depth direction.

以上のような実情を踏まえ、本発明は、パターン照射装置を精度良く較正する技術を提供することを目的とする。   In light of the above situation, an object of the present invention is to provide a technique for accurately calibrating a pattern irradiation apparatus.

本発明の第1の態様は、波面変調器を備えたパターン照射装置の較正データ生成方法であって、標本の深さ方向と直交する2次元の目標パターンを含む較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に照射し、前記光が照射された前記標本の画像データを、深さ位置毎に生成し、生成した複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された深さ位置である照射深さ位置を特定し、前記照射深さ位置の画像データと前記目標パターンに基づいて、前記照射深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する較正データ生成方法を提供する。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a calibration data generation method for a pattern irradiation apparatus including a wavefront modulator, wherein the wavefront modulation is performed based on a calibration pattern including a two-dimensional target pattern orthogonal to a depth direction of a specimen. The sample is irradiated with light whose wavefront is modulated by a vessel, and image data of the sample irradiated with the light is generated for each depth position. Based on the generated plurality of image data, two-dimensional An irradiation depth position, which is a depth position where the irradiation pattern is formed, is specified, and calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position is determined based on the image data of the irradiation depth position and the target pattern. A method for generating calibration data is provided.

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の較正データ生成方法において、前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データを生成することは、前記照射深さ位置の画像データに基づいて、前記照射深さ位置に形成された前記照射パターンの3次元座標情報を取得することと、前記照射パターンの3次元座標情報と前記目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データを生成すること、を含む較正データ生成方法を提供する。   According to a second aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to the first aspect, generating the calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position is an image of the irradiation depth position. Based on the data, acquiring the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the irradiation depth position, and based on the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern and the three-dimensional coordinate information of the target pattern, Generating a calibration data for forming a pattern at an irradiation depth position.

本発明の第3の態様は、第2の態様に記載の較正データ生成方法において、前記目標パターンを異なる複数の深さ位置に含む前記較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に光を照射し、前記複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された複数の照射深さ位置を特定し、前記複数の照射深さ位置の複数の画像データに基づいて、前記複数の照射深さ位置に形成された複数の照射パターンの3次元座標情報を取得し、前記複数の照射パターンの3次元座標情報と深さ位置の異なる複数の目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記複数の照射深さ位置にパターンを形成するための複数の較正データを生成し、前記複数の較正データを補間して、前記複数の照射深さ位置以外の第1の深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する較正データ生成方法を提供する。   According to a third aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to the second aspect, the wavefront is modulated by the wavefront modulator based on the calibration pattern including the target pattern at a plurality of different depth positions. Irradiating the specimen with light, identifying a plurality of irradiation depth positions on which a two-dimensional irradiation pattern is formed based on the plurality of image data, and a plurality of images of the plurality of irradiation depth positions Based on the data, three-dimensional coordinate information of a plurality of irradiation patterns formed at the plurality of irradiation depth positions is acquired, and a plurality of target patterns having depth positions different from the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns. Based on the three-dimensional coordinate information, a plurality of calibration data for forming a pattern at the plurality of irradiation depth positions is generated, the plurality of calibration data are interpolated, and a plurality of calibration data other than the plurality of irradiation depth positions are generated. 1 depth Providing calibration data generation method for generating calibration data for forming a pattern on location.

本発明の第4の態様は、第2の態様に記載の較正データ生成方法において、前記目標パターンを異なる複数の深さ位置に含む前記較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に光を照射し、前記複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された複数の照射深さ位置を特定し、前記複数の照射深さ位置の複数の画像データに基づいて、前記複数の照射深さ位置に形成された複数の照射パターンの3次元座標情報を取得し、前記複数の照射パターンの3次元座標情報と深さ位置の異なる複数の目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記複数の照射深さ位置にパターンを形成するための複数の較正データを生成し、前記複数の照射パターンの3次元座標情報を補間して生成した前記複数の照射深さ位置以外の第1の深さ位置に形成される照射パターンの3次元座標情報に基づいて、前記第1の深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する較正データ生成方法を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to the second aspect, the wavefront is modulated by the wavefront modulator based on the calibration pattern including the target pattern at a plurality of different depth positions. Irradiating the specimen with light, identifying a plurality of irradiation depth positions on which a two-dimensional irradiation pattern is formed based on the plurality of image data, and a plurality of images of the plurality of irradiation depth positions Based on the data, three-dimensional coordinate information of a plurality of irradiation patterns formed at the plurality of irradiation depth positions is acquired, and a plurality of target patterns having depth positions different from the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns. The plurality of irradiations generated by generating a plurality of calibration data for forming a pattern at the plurality of irradiation depth positions based on the three-dimensional coordinate information, and interpolating the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns. Provided is a calibration data generation method for generating calibration data for forming a pattern at the first depth position based on three-dimensional coordinate information of an irradiation pattern formed at a first depth position other than the vertical position. To do.

本発明の第5の態様は、第3の態様又は第4の態様に記載の較正データ生成方法において、前記較正パターンは、2次元座標情報が等しく強度分布が異なる前記複数の目標パターンを含む較正データ生成方法を提供する。   According to a fifth aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to the third aspect or the fourth aspect, the calibration pattern includes the plurality of target patterns having the same two-dimensional coordinate information and different intensity distributions. Provide a data generation method.

本発明の第6の態様は、第1の態様乃至第5の態様のいずれか1つに記載の較正データ生成方法において、前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データは、前記照射深さ位置の2次元座標変換情報と、前記照射深さ位置にパターンを形成するための深さ位置の補正量を含む較正データ生成方法を提供する。   According to a sixth aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to any one of the first to fifth aspects, the calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position is the calibration data generation method. Provided is a calibration data generation method including two-dimensional coordinate conversion information of an irradiation depth position and a depth position correction amount for forming a pattern at the irradiation depth position.

本発明の第7の態様は、第1の態様乃至第6の態様のいずれか1つに記載の較正データ生成方法において、前記目標パターンは、2つ以上の集光点を含む2次元のパターンである較正データ生成方法を提供する。   According to a seventh aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to any one of the first to sixth aspects, the target pattern is a two-dimensional pattern including two or more condensing points. A calibration data generation method is provided.

本発明の第8の態様は、第1の態様乃至第7の態様のいずれか1つに記載の較正データ生成方法において、前記複数の画像データの各々のコントラスト値を算出し、算出した複数のコントラスト値に基づいて前記照射深さ位置を特定する較正データ生成方法を提供する。   According to an eighth aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to any one of the first to seventh aspects, a contrast value of each of the plurality of image data is calculated, and the calculated plurality of Provided is a calibration data generation method for specifying the irradiation depth position based on a contrast value.

本発明の第9の態様は、第1の態様乃至第8の態様のいずれか1つに記載の較正データ生成方法において、前記波面変調器は、LCOSを備えた空間光変調器、または、デフォーマブルミラーである較正データ生成方法を提供する。   According to a ninth aspect of the present invention, in the calibration data generation method according to any one of the first to eighth aspects, the wavefront modulator is a spatial light modulator provided with an LCOS, or a deformer. A calibration data generation method that is a bull mirror is provided.

本発明の第10の態様は、第1の態様乃至第9の態様のいずれか1つに記載の較正データ生成方法において、前記標本は、3次元蛍光標本である較正データ生成方法を提供する。   A tenth aspect of the present invention provides the calibration data generating method according to any one of the first to ninth aspects, wherein the specimen is a three-dimensional fluorescent specimen.

本発明の第11の態様は、波面変調器を含み、標本の深さ方向と直交する2次元の目標パターンを含む較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を前記標本に照射する照射手段と、前記照射手段によって前記光が照射された前記標本の画像データを、深さ位置毎に生成する画像データ生成手段と、前記画像データ生成手段で生成した複数の画像データに基づいて2次元の照射パターンが形成された深さ位置である照射深さ位置を特定し、特定された前記照射深さ位置の画像データと前記目標パターンに基づいて前記照射深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する較正データ生成手段と、を含むパターン照射装置を提供する。   An eleventh aspect of the present invention includes a wavefront modulator, and the light whose wavefront is modulated by the wavefront modulator based on a calibration pattern including a two-dimensional target pattern orthogonal to the depth direction of the sample is applied to the sample. Irradiating means for irradiating, image data generating means for generating image data of the specimen irradiated with the light by the irradiating means for each depth position, and a plurality of image data generated by the image data generating means The irradiation depth position, which is the depth position where the two-dimensional irradiation pattern is formed, is specified, and a pattern is formed at the irradiation depth position based on the image data of the specified irradiation depth position and the target pattern. There is provided a pattern irradiation apparatus including calibration data generation means for generating calibration data for performing the above.

本発明によれば、パターン照射装置を精度良く較正する較正データを生成することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the calibration data which calibrate a pattern irradiation apparatus accurately can be produced | generated.

実施例1に係るパターン照射装置100の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the pattern irradiation apparatus 100 which concerns on Example 1. FIG. パターン照射装置100で行われる処理の流れを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a flow of processing performed in the pattern irradiation apparatus 100. 較正パターン照射処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a calibration pattern irradiation process. 較正パターン照射処理において設定される目標パターンを例示した図である。It is the figure which illustrated the target pattern set in calibration pattern irradiation processing. 較正パターンの照射方法の一例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the irradiation method of a calibration pattern. 較正パターンの照射方法の別の例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating another example of the irradiation method of a calibration pattern. 画像取得処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of an image acquisition process. 画像データの取得方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the acquisition method of image data. 照射深さ位置特定処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of an irradiation depth position specific process. 画像データの深さ位置とコントラスト値の関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the relationship between the depth position of image data, and a contrast value. 較正データ生成処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a calibration data production | generation process. 照射パターンの3次元座標情報の補間方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the interpolation method of the three-dimensional coordinate information of an irradiation pattern. 目標パターンの深さ位置と画像データの深さ位置の関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the relationship between the depth position of a target pattern, and the depth position of image data. 実施例2に係るパターン照射装置200の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the pattern irradiation apparatus 200 which concerns on Example 2. FIG.

図1は、本実施例に係るパターン照射装置100の構成を示した図である。図1に示されるパターン照射装置100は、標本Sに光を照射して任意の光のパターンを形成するパターン照射機能と光のパターンを補正して装置を較正する較正機能とを備えた装置である。パターン照射装置100は、顕微鏡と、顕微鏡を制御するコンピュータ15と、コンピュータ15に接続されたモニタ16及び入力装置17と、を備えている。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a pattern irradiation apparatus 100 according to the present embodiment. A pattern irradiation apparatus 100 shown in FIG. 1 is an apparatus having a pattern irradiation function for irradiating a specimen S with light to form an arbitrary light pattern and a calibration function for correcting the light pattern to calibrate the apparatus. is there. The pattern irradiation apparatus 100 includes a microscope, a computer 15 that controls the microscope, and a monitor 16 and an input device 17 connected to the computer 15.

パターン照射装置100を構成する顕微鏡は、レーザー1と、LCOS−SLM4と、対物レンズ11とを有する顕微鏡であって、LCOS−SLM4でレーザー光の波面を変調することで標本Sに任意のレーザー光のパターンを形成する。なお、LCOS−SLM4は、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)を備えた位相変調型の空間光変調器であり、レーザー光の波面を変調する波面変調器である。   The microscope constituting the pattern irradiation apparatus 100 is a microscope having a laser 1, an LCOS-SLM 4, and an objective lens 11, and an arbitrary laser beam is applied to the specimen S by modulating the wavefront of the laser beam with the LCOS-SLM 4. The pattern is formed. The LCOS-SLM 4 is a phase modulation spatial light modulator provided with LCOS (Liquid Crystal On Silicon), and is a wavefront modulator that modulates the wavefront of laser light.

より詳細には、顕微鏡は、図1に示されるように、レーザー1と、ビームエクスパンダ2と、プリズム3と、LCOS−SLM4と、リレーレンズ5と、ガルバノミラー6と、瞳リレーレンズ7と、結像レンズ8と、ミラー9と、ダイクロイックミラー10と、対物レンズ11と、ステージ12と、リレーレンズ13と、光電子増倍管(PMT:photomultiplier tube)14とを備えている。なお、LCOS−SLM4とガルバノミラー6は、それぞれ対物レンズ11の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されていることが望ましい。また、PMT14も、対物レンズ11の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されていることが望ましい。   More specifically, as shown in FIG. 1, the microscope includes a laser 1, a beam expander 2, a prism 3, an LCOS-SLM 4, a relay lens 5, a galvano mirror 6, and a pupil relay lens 7. , An imaging lens 8, a mirror 9, a dichroic mirror 10, an objective lens 11, a stage 12, a relay lens 13, and a photomultiplier tube (PMT) 14. It is desirable that the LCOS-SLM 4 and the galvanometer mirror 6 are respectively disposed at positions optically conjugate with the pupil position of the objective lens 11. It is also desirable that the PMT 14 is disposed at a position optically conjugate with the pupil position of the objective lens 11.

コンピュータ15は、例えばプロセッサである演算制御部15aと、例えばハードディスクやメモリである記憶部15bを備えていて、顕微鏡の構成要素のうちの少なくとも、LCOS−SLM4、ガルバノミラー6、ステージ12、及び、PMT14に接続されている。コンピュータ15は、これらの構成要素を制御するとともに、これらの構成要素からの信号を受信し処理するように構成されている。   The computer 15 includes an arithmetic control unit 15a that is a processor, for example, and a storage unit 15b that is a hard disk or a memory, for example, and includes at least the LCOS-SLM 4, the galvano mirror 6, the stage 12, and the like among the components of the microscope. It is connected to PMT14. The computer 15 is configured to control these components and to receive and process signals from these components.

以上のように構成されたパターン照射装置100では、レーザー1から出射されたレーザー光は、ビームエクスパンダ2で光束径を調整され、プリズム3を介してLCOS−SLM4に入射する。LCOS−SLM4は、各々が独立して制御される二次元に配置された複数のピクセル素子を備えていて、LCOS−SLM4に入射したレーザー光は、入射したピクセル素子でその位相が変調され、その結果、LCOS−SLM4でレーザー光の波面が変調される。この波面変調は、標本Sに形成すべきパターンとして入力装置17から入力されたパターンに基づいて、コンピュータ15がレーザー光の波面変調量を算出しLCOS−SLM4に設定することにより行われる。その後、レーザー光はリレーレンズ5、ガルバノミラー6、瞳リレーレンズ7、結像レンズ8を介してミラー9に入射する。レーザー光は、ミラー9で対物レンズ11の光軸方向に反射し、レーザー光を透過させ且つ蛍光を反射する特性を有するダイクロイックミラー10を透過して、対物レンズ11に入射する。そして、対物レンズ11がレーザー光をステージ12上に配置された標本Sに照射して、LCOS−SLM4での波面変調に応じたレーザー光のパターンが標本S上に形成される。   In the pattern irradiation apparatus 100 configured as described above, the laser beam emitted from the laser 1 is adjusted in the beam diameter by the beam expander 2 and enters the LCOS-SLM 4 via the prism 3. The LCOS-SLM 4 includes a plurality of pixel elements arranged in two dimensions, each controlled independently, and the phase of the laser light incident on the LCOS-SLM 4 is modulated by the incident pixel elements. As a result, the wavefront of the laser light is modulated by the LCOS-SLM 4. This wavefront modulation is performed by the computer 15 calculating the wavefront modulation amount of the laser light and setting it in the LCOS-SLM 4 based on the pattern input from the input device 17 as the pattern to be formed on the sample S. Thereafter, the laser light is incident on the mirror 9 via the relay lens 5, the galvano mirror 6, the pupil relay lens 7, and the imaging lens 8. The laser light is reflected by the mirror 9 in the direction of the optical axis of the objective lens 11, passes through the dichroic mirror 10 having the characteristics of transmitting the laser light and reflecting the fluorescence, and enters the objective lens 11. Then, the objective lens 11 irradiates the sample S arranged on the stage 12 with laser light, and a laser light pattern corresponding to wavefront modulation in the LCOS-SLM 4 is formed on the sample S.

即ち、パターン照射装置100では、顕微鏡は、LCOS−SLM4で変調された光を標本Sに照射するパターン照射手段である。   That is, in the pattern irradiation apparatus 100, the microscope is a pattern irradiation unit that irradiates the sample S with light modulated by the LCOS-SLM 4.

なお、標本Sの画像データを生成する場合には、パターン照射装置100は、LCOS−SLM4でレーザー光の波面を変調することなく、標本Sにレーザー光を照射する。そして、対物レンズ11とLCOS−SLM4の間に配置されたガルバノミラー6が、対物レンズ11の光軸と直交するXY方向に標本Sをレーザー光で走査する。2次元走査が完了すると、ステージ12が標本Sの深さ方向(Z軸方向)に移動し、対物レンズ11の焦点面が標本Sの異なる深さ位置(Z位置)に移動する。その後、再び、ガルバノミラー6が標本Sを走査する。これらの処理を所定の深さ範囲内で繰り返す。レーザー光の照射により標本Sから生じた蛍光は、対物レンズ11を介して入射するダイクロイックミラー10で反射し、リレーレンズ13を介してPMT14に入射する。蛍光を検出したPMT14は電気信号をコンピュータ15へ出力する。コンピュータ15は、PMT14からの電気信号を受信し、受信した電気信号と走査位置を示すガルバノミラー6の制御情報からZ位置毎に標本Sの画像データを生成する。   In addition, when generating the image data of the sample S, the pattern irradiation apparatus 100 irradiates the sample S with the laser light without modulating the wavefront of the laser light with the LCOS-SLM 4. Then, the galvanometer mirror 6 disposed between the objective lens 11 and the LCOS-SLM 4 scans the specimen S with laser light in the XY directions orthogonal to the optical axis of the objective lens 11. When the two-dimensional scanning is completed, the stage 12 moves in the depth direction (Z-axis direction) of the sample S, and the focal plane of the objective lens 11 moves to a different depth position (Z position) of the sample S. Thereafter, the galvanometer mirror 6 scans the sample S again. These processes are repeated within a predetermined depth range. The fluorescence generated from the specimen S by the irradiation of the laser light is reflected by the dichroic mirror 10 that enters through the objective lens 11 and enters the PMT 14 through the relay lens 13. The PMT 14 that has detected the fluorescence outputs an electrical signal to the computer 15. The computer 15 receives the electrical signal from the PMT 14 and generates image data of the sample S for each Z position from the received electrical signal and control information of the galvano mirror 6 indicating the scanning position.

即ち、パターン照射装置100では、ガルバノミラー6は、標本Sの画像データを生成するために標本Sをレーザー光で走査する走査手段であり、PMT14は、標本Sからの観察光である蛍光を検出する検出器であり、コンピュータ15は、PMT13からの信号とガルバノミラー6の制御情報とに基づいて標本Sの画像データを生成する画像データ生成手段である。また、コンピュータ15は、標本Sに形成すべきパターンに応じて波面変調量を算出し、図示しないSLMコントローラに送信する波面変調量制御部であり、後述する較正データを生成する較正データ生成手段である。   That is, in the pattern irradiation apparatus 100, the galvanometer mirror 6 is a scanning unit that scans the sample S with laser light to generate image data of the sample S, and the PMT 14 detects fluorescence that is observation light from the sample S. The computer 15 is an image data generating unit that generates image data of the specimen S based on the signal from the PMT 13 and the control information of the galvanometer mirror 6. The computer 15 is a wavefront modulation amount control unit that calculates a wavefront modulation amount according to a pattern to be formed on the sample S and transmits the wavefront modulation amount to an SLM controller (not shown), and a calibration data generation unit that generates calibration data described later. is there.

図2は、パターン照射装置100で行われる処理の流れを示すフローチャートである。図2に示すように、パターン照射装置100は、まず、較正用に設定されたパターン(以下、較正パターンと記す。)を標本Sに照射し(ステップS10:較正パターン照射工程)、較正パターンが照射された標本Sの画像を深さ位置毎に取得して画像データを生成する(ステップS20:画像取得工程)。さらに、生成した複数の画像データから較正パターンが照射された照射深さ位置を特定し(ステップS30:照射深さ位置特定工程)、特定された照射深さ位置に所望のパターンを形成するためのパターン照射装置100の較正データを、照射深さ位置の画像データと較正パターンに基づいて生成する(ステップS40:較正データ生成工程)。   FIG. 2 is a flowchart showing the flow of processing performed by the pattern irradiation apparatus 100. As shown in FIG. 2, the pattern irradiation apparatus 100 first irradiates the specimen S with a pattern set for calibration (hereinafter referred to as a calibration pattern) (step S10: calibration pattern irradiation step), and the calibration pattern is An image of the irradiated specimen S is acquired for each depth position to generate image data (step S20: image acquisition process). Furthermore, the irradiation depth position irradiated with the calibration pattern is specified from the plurality of generated image data (step S30: irradiation depth position specifying step), and a desired pattern is formed at the specified irradiation depth position. Calibration data of the pattern irradiation apparatus 100 is generated based on the image data of the irradiation depth position and the calibration pattern (step S40: calibration data generation step).

以下、図3から図13を参照しながら、図2に示す各工程について詳細に説明する。
図3は、較正パターン照射処理の流れを示すフローチャートである。図4は、較正パターン照射処理において設定される目標パターンを例示した図である。図5及び図6は、それぞれ較正パターンの照射方法の一例について説明するための図である。図3から図6を参照しながら、較正パターン照射工程について説明する。
Hereafter, each process shown in FIG. 2 is demonstrated in detail, referring FIGS. 3-13.
FIG. 3 is a flowchart showing the flow of the calibration pattern irradiation process. FIG. 4 is a diagram illustrating a target pattern set in the calibration pattern irradiation process. 5 and 6 are diagrams for explaining an example of a calibration pattern irradiation method. The calibration pattern irradiation process will be described with reference to FIGS.

較正パターン照射工程では、まず、顕微鏡システム100の利用者が、標本Sをステージ12上に設置する(ステップS11)。標本Sは、例えば、3次元の蛍光標本である。   In the calibration pattern irradiation step, first, the user of the microscope system 100 installs the specimen S on the stage 12 (step S11). The sample S is, for example, a three-dimensional fluorescent sample.

その後、利用者は、目標パターンを含む較正パターンをパターン照射装置100に設定する(ステップS12)。目標パターンは、例えば図4に示すような、標本Sの深さ方向(Z軸方向)と直交する2次元のパターンであり、2つ以上の集光点を含む2次元のパターンであることが望ましい。なお、図4に示す目標パターンは、4点A、B、C、Dからなる2次元のパターンである。また、較正パターンは、目標パターンそのものであってもよく、目標パターンを複数の異なる深さ位置に含む3次元のパターンであってもよい。以降では、較正パターンが異なる深さ位置Z1、Z2、Z3、Z4にそれぞれ目標パターンを含むパターンである場合について例に説明する。   Thereafter, the user sets a calibration pattern including the target pattern in the pattern irradiation apparatus 100 (step S12). The target pattern is, for example, a two-dimensional pattern orthogonal to the depth direction (Z-axis direction) of the sample S as shown in FIG. 4 and a two-dimensional pattern including two or more condensing points. desirable. The target pattern shown in FIG. 4 is a two-dimensional pattern composed of four points A, B, C, and D. The calibration pattern may be the target pattern itself or a three-dimensional pattern including the target pattern at a plurality of different depth positions. Hereinafter, a case where the calibration pattern is a pattern including target patterns at different depth positions Z1, Z2, Z3, and Z4 will be described as an example.

ステップS12において、目標パターンを設定し、目標パターンの深さ位置を1つ以上指定することによって、較正パターンが設定されてもよい。この場合、LCOS−SLM4で波面変調を行うことなく標本Sの2次元画像を取得し、取得した2次元画像を表示しているモニタ16上で複数点(例えば、図4の点A、B、C、D)を指定することで、目標パターンを設定してもよい。予め記憶部15bに記憶されたパターンを読み出すことで、目標パターンを設定してもよい。また、LCOS−SLM4で波面変調を行うことなく標本Sの3次元画像を取得し、取得した3次元画像を表示しているモニタ16上で1つ以上の目標パターンを指定することで、較正パターンが設定されてもよい。   In step S12, a calibration pattern may be set by setting a target pattern and specifying one or more depth positions of the target pattern. In this case, a two-dimensional image of the sample S is acquired without performing wavefront modulation with the LCOS-SLM 4, and a plurality of points (for example, points A, B, and B in FIG. 4 are displayed on the monitor 16 displaying the acquired two-dimensional image. The target pattern may be set by designating (C, D). The target pattern may be set by reading a pattern stored in advance in the storage unit 15b. In addition, a three-dimensional image of the sample S is acquired without performing wavefront modulation with the LCOS-SLM 4, and one or more target patterns are designated on the monitor 16 displaying the acquired three-dimensional image. May be set.

較正パターンが設定されると、パターン照射装置100は、ステップS12で設定された較正パターンに基づいて波面変調量を算出して、LCOS−SLM4(波面変調器)に設定する(ステップS13)。より詳細には、各ピクセル素子での位相変調量を算出し、その位相変調量を各ピクセル素子に設定する。   When the calibration pattern is set, the pattern irradiation apparatus 100 calculates a wavefront modulation amount based on the calibration pattern set in step S12 and sets it in the LCOS-SLM4 (wavefront modulator) (step S13). More specifically, a phase modulation amount in each pixel element is calculated, and the phase modulation amount is set in each pixel element.

その後、パターン照射装置100は、レーザー1からレーザー光を発振して、LCOS−SLM4で波面が変調されたレーザー光を標本Sに照射する(ステップS14)。即ち、較正パターンに基づいてLCOS−SLM4で波面が変調された光を標本Sに照射する。これにより、標本Sに較正パターンに対応するパターンが形成される。ここで、較正パターンに対応するパターンは、一般に較正パターンに近似したパターンであり、パターン照射装置100が較正されていないことに起因する誤差を含むパターンである。   Thereafter, the pattern irradiation apparatus 100 oscillates laser light from the laser 1 and irradiates the sample S with laser light whose wavefront is modulated by the LCOS-SLM 4 (step S14). That is, the sample S is irradiated with light whose wavefront is modulated by the LCOS-SLM 4 based on the calibration pattern. As a result, a pattern corresponding to the calibration pattern is formed on the specimen S. Here, the pattern corresponding to the calibration pattern is generally a pattern approximated to the calibration pattern, and is a pattern including an error due to the fact that the pattern irradiation apparatus 100 is not calibrated.

ステップS13では、複数の目標パターンを含む較正パターンを標本Sに同時に(一度に)形成するための波面変調量が算出されてもよく、その場合、ステップS14では、図5に示すように、較正パターンに対応する3次元のパターンが標本Sに形成される。また、ステップS13では、深さ位置が異なる複数の目標パターンの各々を標本S上に形成するための複数の波面変調量が算出されて、それらの波面変調量が順番にLCOS−SLM4に設定されてもよい。その場合、ステップS14では、図6(a)から図6(d)に示すように複数の目標パターンのそれぞれに対応するパターン(照射パターン)が順番に標本Sに形成され、全体として較正パターンに対応する3次元のパターンが形成される。   In step S13, a wavefront modulation amount for simultaneously (at once) forming a calibration pattern including a plurality of target patterns on the sample S may be calculated. In this case, in step S14, as shown in FIG. A three-dimensional pattern corresponding to the pattern is formed on the specimen S. In step S13, a plurality of wavefront modulation amounts for forming each of a plurality of target patterns having different depth positions on the sample S are calculated, and these wavefront modulation amounts are sequentially set in the LCOS-SLM4. May be. In that case, in step S14, as shown in FIGS. 6A to 6D, patterns (irradiation patterns) corresponding to each of the plurality of target patterns are sequentially formed on the specimen S, and the entire calibration pattern is formed. A corresponding three-dimensional pattern is formed.

パターン照射装置100が図3に示す処理を実行することで、標本Sに較正パターンに対応する3次元のパターンが形成され、その結果、光が照射された標本Sの部位が褪色する。   When the pattern irradiation apparatus 100 executes the process shown in FIG. 3, a three-dimensional pattern corresponding to the calibration pattern is formed on the sample S, and as a result, the portion of the sample S irradiated with light is faded.

図7は、画像取得処理の流れを示すフローチャートである。図8は、画像データの取得方法について説明するための図である。図7及び図8を参照しながら、画像取得工程について説明する。   FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the image acquisition process. FIG. 8 is a diagram for explaining a method for acquiring image data. The image acquisition process will be described with reference to FIGS.

画像取得工程では、パターン照射装置100は、対物レンズ11の焦点面を初期深さ位置Z0に移動させて(ステップS21)、標本Sの2次元画像データを生成する(ステップS22)。ここでは、LCOS−SLM4で位相変調を行うことなく、図8に示すように、ガルバノミラー6によりレーザー光で標本Sを走査し、蛍光を検出したPMT14からの信号とガルバノミラー6の制御情報とに基づいて標本Sの2次元画像データを生成する。   In the image acquisition process, the pattern irradiation apparatus 100 moves the focal plane of the objective lens 11 to the initial depth position Z0 (step S21), and generates two-dimensional image data of the sample S (step S22). Here, without performing phase modulation by the LCOS-SLM 4, as shown in FIG. 8, the sample S is scanned with the laser light by the galvano mirror 6, and the signal from the PMT 14 that detects the fluorescence, the control information of the galvano mirror 6, Based on the two-dimensional image data of the sample S is generated.

画像データが生成されると、パターン照射装置100は、焦点面が所定範囲内に位置するかどうかを判定し(ステップS23)、所定範囲内であると判定されると、焦点面を所定距離だけ深さ方向(Z軸方向)に移動させて(ステップS24)、再度、標本Sの2次元画像データを生成する(ステップS22)。パターン照射装置100は、焦点面が所定範囲外に位置するまで以上の処理を繰り返し実行する。なお、所定範囲は、較正パターンに含まれる複数の目標パターンが形成される異なる複数の深さ位置を含んでいる。   When the image data is generated, the pattern irradiation apparatus 100 determines whether or not the focal plane is within a predetermined range (step S23). If it is determined that the focal plane is within the predetermined range, the focal plane is moved by a predetermined distance. The sample is moved in the depth direction (Z-axis direction) (step S24), and two-dimensional image data of the sample S is generated again (step S22). The pattern irradiation apparatus 100 repeatedly executes the above processing until the focal plane is located outside the predetermined range. The predetermined range includes a plurality of different depth positions where a plurality of target patterns included in the calibration pattern are formed.

パターン照射装置100が図7に示す処理を実行することで、較正パターン照射工程で光が照射された部位が褪色した標本Sの画像データが、深さ位置毎に生成される。   When the pattern irradiation apparatus 100 executes the process shown in FIG. 7, image data of the specimen S in which the part irradiated with light in the calibration pattern irradiation process is faded is generated for each depth position.

図9は、照射深さ位置特定処理の流れを示すフローチャートである。図10は、画像データの深さ位置とコントラスト値の関係の一例を示した図である。図9及び図10を参照しながら、照射深さ位置特定工程について説明する。   FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the irradiation depth position specifying process. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the relationship between the depth position of the image data and the contrast value. The irradiation depth position specifying step will be described with reference to FIGS. 9 and 10.

画像取得工程では、まず、パターン照射装置100は、画像取得工程で生成した複数の画像データの各々のコントラスト値を算出する(ステップS31)。ここで、画像データのコントラスト値は、既知のコントラスト評価法を用いて、画像データを構成するピクセル間の輝度値の差分に基づいて算出される。例えば、x方向にnピクセル分ずれた位置にある2つのピクセルの輝度値の差分の2乗を画像データ全体で積分した値が、コントラスト値として算出される。   In the image acquisition process, first, the pattern irradiation apparatus 100 calculates the contrast value of each of the plurality of image data generated in the image acquisition process (step S31). Here, the contrast value of the image data is calculated based on a difference in luminance value between pixels constituting the image data using a known contrast evaluation method. For example, a value obtained by integrating the square of the difference between the luminance values of two pixels located at positions shifted by n pixels in the x direction over the entire image data is calculated as the contrast value.

その後、ステップS31で算出した複数のコントラスト値に基づいて、照射深さ位置を特定する(ステップS32)。なお、較正パターンに深さ位置の異なる複数の目標パターンが含まれている場合には、複数の照射深さ位置が特定される。照射深さ位置とは、2次元の照射パターンが形成された深さ位置である。照射深さ位置には、標本Sの褪色した部位が存在するため、照射深さ位置の画像データのコントラスト値は、照射深さ位置ではない位置の画像データのコントラスト値よりも高くなる。この特徴を利用して、パターン照射装置100は、照射深さ位置を特定する。例えば、画像データの深さ位置とコントラスト値が図10に示すような関係を有する場合であれば、照射深さ位置をコントラスト値が極大(ピーク)となる深さ位置Z1’、Z2’、Z3’、Z4’に特定する。   Thereafter, the irradiation depth position is specified based on the plurality of contrast values calculated in step S31 (step S32). When a plurality of target patterns having different depth positions are included in the calibration pattern, a plurality of irradiation depth positions are specified. The irradiation depth position is a depth position where a two-dimensional irradiation pattern is formed. Since there is a faint part of the specimen S at the irradiation depth position, the contrast value of the image data at the irradiation depth position is higher than the contrast value of the image data at a position other than the irradiation depth position. Using this feature, the pattern irradiation apparatus 100 identifies the irradiation depth position. For example, if the depth position of the image data and the contrast value have a relationship as shown in FIG. 10, the irradiation depth position is a depth position Z1 ′, Z2 ′, Z3 where the contrast value is a maximum (peak). Specify ', Z4'.

パターン照射装置100が図9に示す処理を実行することで、照射パターンが形成された照射深さ位置が確実に特定される。   The pattern irradiation apparatus 100 executes the process shown in FIG. 9, so that the irradiation depth position where the irradiation pattern is formed is reliably specified.

図11は、較正データ生成処理の流れを示すフローチャートである。図12は、照射パターンの3次元座標情報の補間方法について説明するための図である。図13は、目標パターンの深さ位置と画像データの深さ位置の関係の一例を示した図である。図11から図13を参照しながら、較正データ生成工程について説明する。   FIG. 11 is a flowchart showing the flow of calibration data generation processing. FIG. 12 is a diagram for explaining an interpolation method of the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern. FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the depth position of the target pattern and the depth position of the image data. The calibration data generation process will be described with reference to FIGS.

較正データ生成工程では、まず、パターン照射装置100は、照射深さ位置の画像データに基づいて照射深さ位置に形成された照射パターンの3次元座標情報を取得する(ステップS41)。複数の照射深さ位置が特定されている場合には、複数の照射深さ位置の複数の画像データに基づいて、複数の照射パターンの3次元座標情報が取得される。   In the calibration data generation step, first, the pattern irradiation apparatus 100 acquires three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the irradiation depth position based on the image data at the irradiation depth position (step S41). When a plurality of irradiation depth positions are specified, three-dimensional coordinate information of a plurality of irradiation patterns is acquired based on a plurality of image data at a plurality of irradiation depth positions.

照射パターンの3次元座標情報は、画像データから褪色した部位を特定し、当該部位の座標を算出することで、取得される。例えば、目標パターンが図4に示すように4点からなる場合であれば、画像データから4点の褪色した部位(例えば、A’、B’、C’、D’)が特定され、その4点の2次元座標情報(XY座標情報)と、照射深さ位置(Z座標情報)とを含む3次元座標情報が取得される。   The three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern is acquired by identifying a fading part from the image data and calculating the coordinates of the part. For example, if the target pattern is composed of 4 points as shown in FIG. 4, 4 discolored parts (for example, A ′, B ′, C ′, D ′) are identified from the image data, and the 4 Three-dimensional coordinate information including the two-dimensional coordinate information (XY coordinate information) of the point and the irradiation depth position (Z coordinate information) is acquired.

次に、パターン照射装置100は、照射パターンの3次元座標情報と目標パターンの3次元座標情報に基づいて、照射深さ位置の較正データを生成する(ステップS42)。照射パターンと目標パターンが複数存在する場合には、複数の照射パターンの3次元座標情報と複数の目標パターンの3次元座標情報に基づいて、複数の照射深さ位置の較正データが生成される。   Next, the pattern irradiation apparatus 100 generates calibration data of the irradiation depth position based on the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern and the three-dimensional coordinate information of the target pattern (step S42). When there are a plurality of irradiation patterns and target patterns, calibration data of a plurality of irradiation depth positions is generated based on the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns and the three-dimensional coordinate information of the plurality of target patterns.

目標パターンの3次元座標情報は、較正パターン照射工程で設定された情報に基づいて特定される。例えば、目標パターンが図4に示すように4点からなる場合であれば、目標パターンの3次元座標情報は、4点(A、B、C、D)の2次元座標情報(XY座標情報)と、目標パターンの深さ位置(Z座標情報)を含んでいる。   The three-dimensional coordinate information of the target pattern is specified based on information set in the calibration pattern irradiation process. For example, if the target pattern is composed of 4 points as shown in FIG. 4, the 3D coordinate information of the target pattern is 2D coordinate information (XY coordinate information) of 4 points (A, B, C, D). And the depth position (Z coordinate information) of the target pattern.

ステップS42で生成される照射深さ位置の較正データは、その照射深さ位置に所望のパターンを形成するための較正データであり、その照射深さ位置の2次元座標変換情報と、その照射深さ位置に2次元のパターンを形成するための深さ方向の補正量を含んでいる。   The calibration data of the irradiation depth position generated in step S42 is calibration data for forming a desired pattern at the irradiation depth position, the two-dimensional coordinate conversion information of the irradiation depth position, and the irradiation depth. A depth correction amount for forming a two-dimensional pattern at the vertical position is included.

深さ方向の補正量は、目標パターンの深さ位置(Z座標情報)と照射パターンの深さ位置(Z座標情報)の差である。2次元座標変換情報は、目標パターンの2次元座標情報と照射パターンの2次元座標情報に基づいて算出される変換行列である。   The correction amount in the depth direction is the difference between the depth position (Z coordinate information) of the target pattern and the depth position (Z coordinate information) of the irradiation pattern. The two-dimensional coordinate conversion information is a conversion matrix calculated based on the two-dimensional coordinate information of the target pattern and the two-dimensional coordinate information of the irradiation pattern.

目標パターンと照射パターンがそれぞれ3点の集光点を含む場合であれば、平行移動、回転、拡大・縮小、せん断ひずみが補正可能な、式(1)に示す6パラメータの2次元のアフィン変換行列Tを算出することができる。
If the target pattern and the irradiation pattern each include three condensing points, the six-parameter two-dimensional affine transformation shown in Equation (1) can correct translation, rotation, enlargement / reduction, and shear strain. A matrix T can be calculated.

この場合、照射パターンの2次元座標(x’、y’)と目標パターンの2次元座標(x、y)の関係は、変換行列Tを用いて式(2)で表わされ、式(3)及び(4)のように展開される。
In this case, the relationship between the two-dimensional coordinates (x ′, y ′) of the irradiation pattern and the two-dimensional coordinates (x, y) of the target pattern is expressed by Expression (2) using the transformation matrix T, and Expression (3) ) And (4).

なお、変換行列Tの要素dとdは、平行移動量を示している。要素a、b、a、bからなる2×2の行列は、回転、拡大・縮小、せん断ひずみが合成された変形を示している。この点についてさらに説明する。
2×2の任意の行列Sは、式(5)に示すように変形することができる。
Note that elements d 1 and d 2 of the transformation matrix T indicate the amount of parallel movement. A 2 × 2 matrix composed of elements a 1 , b 1 , a 2 , and b 2 represents a deformation in which rotation, enlargement / reduction, and shear strain are combined. This point will be further described.
Any 2 × 2 matrix S can be transformed as shown in Equation (5).

また、回転は式(6)に示す行列Xで、拡大・縮小は式(7)に示す行列Yで、せん断ひずみは式(8)に示す行列Zで表すことができる。ここで、α、β、γ、は、それぞれ式(9)、(10)、(11)で表される。また、θは式(12)及び(13)を満している。
Further, the rotation can be expressed by a matrix X shown in Expression (6), the enlargement / reduction can be expressed by a matrix Y shown in Expression (7), and the shear strain can be expressed by a matrix Z shown in Expression (8). Here, α, β, and γ are expressed by the equations (9), (10), and (11), respectively. Θ satisfies the expressions (12) and (13).

さらに、行列Sと、行列X、Y、Zは式(14)に示す関係を有している。
Furthermore, the matrix S and the matrices X, Y, and Z have the relationship shown in Expression (14).

以上から、変換行列Tに含まれる要素a、b、a、bからなる2×2の行列は、回転、拡大・縮小、せん断ひずむみが合成された変形を示していることが確認できる。 From the above, it can be seen that the 2 × 2 matrix composed of the elements a 1 , b 1 , a 2 , and b 2 included in the transformation matrix T shows a deformation in which rotation, enlargement / reduction, and shear distortion are combined. I can confirm.

式(1)に示す変換行列Tは、具体的には、次のようにして算出される。まず、目標パターンに含まれる3点(A、B、C)の2次元座標から式(15)に示す行列Pを定義する。ここで、点A、B、Cの2次元座標は、以下のとおりである。なお、上付き文字のTは転置を示している。
Specifically, the transformation matrix T shown in Expression (1) is calculated as follows. First, a matrix P shown in Expression (15) is defined from two-dimensional coordinates of three points (A, B, C) included in the target pattern. Here, the two-dimensional coordinates of the points A, B, and C are as follows. The superscript T indicates transposition.

さらに、照射パターンに含まれる3点(A’、B’、C’)の2次元座標から式(16)に示す行列Qを定義する。
Furthermore, a matrix Q shown in Expression (16) is defined from two-dimensional coordinates of three points (A ′, B ′, C ′) included in the irradiation pattern.

式(15)及び(16)に示す行列Pと行列Qの関係は、変換行列Tを用いて式(17)で表わされる。
The relationship between the matrix P and the matrix Q shown in Expressions (15) and (16) is expressed by Expression (17) using the transformation matrix T.

行列Pは正則行列であり、逆行列が存在することから、変換行列Tは、式(18)により算出される。
Since the matrix P is a regular matrix and there is an inverse matrix, the transformation matrix T is calculated by Expression (18).

目標パターンと照射パターンがそれぞれ4点の集光点を含む場合であれば、平行移動、回転、拡大・縮小、台形ひずみが補正可能な、式(19)に示す8パラメータの2次元のアフィン変換行列Tを算出することができる。
If the target pattern and the irradiation pattern each include four condensing points, the eight-parameter two-dimensional affine transformation shown in Expression (19) can correct translation, rotation, enlargement / reduction, and trapezoidal distortion. A matrix T can be calculated.

この場合、照射パターンの2次元座標(x’、y’)と目標パターンの2次元座標(x、y)の関係は、変換行列Tを用いて式(20)で表わされ、式(21)及び(22)のように展開される。
In this case, the relationship between the two-dimensional coordinates (x ′, y ′) of the irradiation pattern and the two-dimensional coordinates (x, y) of the target pattern is expressed by Expression (20) using the transformation matrix T, and Expression (21) ) And (22).

式(18)に示す変換行列Tは、具体的には、次のようにして算出される。まず、目標パターンに含まれる4点(A、B、C、D)の2次元座標から式(23)に示す行列Pを定義する。ここで、点A、B、C、Dの2次元座標は、以下のとおりである。
Specifically, the transformation matrix T shown in Expression (18) is calculated as follows. First, a matrix P shown in Expression (23) is defined from the two-dimensional coordinates of four points (A, B, C, D) included in the target pattern. Here, the two-dimensional coordinates of the points A, B, C, and D are as follows.

さらに、照射パターンに含まれる4点(A’、B’、C’ 、D’)の2次元座標から式(24)に示す行列Qを定義する。
Further, a matrix Q shown in Expression (24) is defined from the two-dimensional coordinates of four points (A ′, B ′, C ′, D ′) included in the irradiation pattern.

式(23)及び(24)に示す行列Pと行列Qの関係も変換行列Tを用いて上記の式(17)で表わされる。また、行列Pに逆行列が存在することから、変換行列Tは、上記の式(18)により算出される。   The relationship between the matrix P and the matrix Q shown in the equations (23) and (24) is also expressed by the above equation (17) using the transformation matrix T. Further, since an inverse matrix exists in the matrix P, the transformation matrix T is calculated by the above equation (18).

照射深さ位置の較正データが生成されると、パターン照射装置100は、照射深さ位置以外の深さ位置(第1の深さ位置)の較正データを補間により算出する(ステップS43)。なお、ここでいう補間には、外挿(いわゆる外挿補間)も含まれてもよい。   When the calibration data of the irradiation depth position is generated, the pattern irradiation apparatus 100 calculates the calibration data of the depth position (first depth position) other than the irradiation depth position by interpolation (step S43). Note that the interpolation here may include extrapolation (so-called extrapolation).

第1の深さ位置の較正データは、ステップS42で生成された複数の照射深さ位置の較正データを補間することにより生成されてもよい。この場合、第1の深さ位置の2次元座標変換情報は、複数の照射深さ位置の2次元座標変換情報を補間することにより算出される。より詳細には、変換行列の要素(成分)毎に補間を行うことにより算出される。また、第1の深さ位置のための深さ方向の補正量は、複数の照射深さ位置のための深さ方向の補正量を補間することにより算出される。   The first depth position calibration data may be generated by interpolating the plurality of irradiation depth position calibration data generated in step S42. In this case, the two-dimensional coordinate conversion information of the first depth position is calculated by interpolating the two-dimensional coordinate conversion information of a plurality of irradiation depth positions. More specifically, it is calculated by performing interpolation for each element (component) of the transformation matrix. Further, the correction amount in the depth direction for the first depth position is calculated by interpolating the correction amounts in the depth direction for the plurality of irradiation depth positions.

また、第1の深さ位置の較正データは、第1の深さ位置に形成される照射パターンの3次元座標情報に基づいて生成されてもよい。第1の深さ位置に形成される照射パターンの3次元座標情報は、ステップS41で取得した複数の照射パターンの3次元座標情報を補間して生成する。以下、図12及び図13を参照しながら、照射深さ位置である深さ位置Z2’とZ3’の間の深さ位置Z5’(第1の深さ位置)の較正データを生成する手順について説明する。   Further, the calibration data of the first depth position may be generated based on the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the first depth position. The three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the first depth position is generated by interpolating the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns acquired in step S41. Hereinafter, a procedure for generating calibration data of a depth position Z5 ′ (first depth position) between depth positions Z2 ′ and Z3 ′, which are irradiation depth positions, with reference to FIGS. explain.

まず、図12に示すように、深さ位置Z2’に形成される照射パターンの3次元座標情報と深さ位置Z3’に形成される照射パターンの3次元座標情報を補間して、深さ位置Z5’に形成される照射パターンの3次元座標情報を算出する。その後、深さ位置Z5’の3次元座標情報からXY方向に関する2次元座標情報を取得する。取得した2次元座標情報と目標パターンの2次元座標情報に基づいて、深さ位置Z5’の2次元座標変換情報を算出する。さらに、複数の目標パターンの深さ位置(Z1、Z2、Z3、Z4)と複数の照射深さ位置(Z1’、Z2’、Z3’、Z4’)とから、図13に示すような、目標パターンの深さ位置と画像データの深さ位置の関係を示す関数を算出する。算出した関数に基づいて、画像データの深さ位置Z5’に対応する目標パターンの深さ位置Z5を特定し、深さ位置Z5’のための深さ方向の補正量を算出する。これにより、2次元座標変換情報と深さ方向の補正量とを含む深さ位置Z5’の較正データが得られる。   First, as shown in FIG. 12, the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the depth position Z2 ′ and the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the depth position Z3 ′ are interpolated to obtain the depth position. The three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed on Z5 ′ is calculated. Thereafter, two-dimensional coordinate information regarding the XY directions is acquired from the three-dimensional coordinate information of the depth position Z5 '. Based on the acquired two-dimensional coordinate information and the two-dimensional coordinate information of the target pattern, the two-dimensional coordinate conversion information of the depth position Z5 'is calculated. Furthermore, from the depth positions (Z1, Z2, Z3, Z4) of the plurality of target patterns and the plurality of irradiation depth positions (Z1 ′, Z2 ′, Z3 ′, Z4 ′), a target as shown in FIG. A function indicating the relationship between the depth position of the pattern and the depth position of the image data is calculated. Based on the calculated function, the depth position Z5 of the target pattern corresponding to the depth position Z5 'of the image data is specified, and the correction amount in the depth direction for the depth position Z5' is calculated. Thereby, calibration data of the depth position Z5 'including the two-dimensional coordinate conversion information and the correction amount in the depth direction is obtained.

最後に、パターン照射装置100は、ステップS42及びステップS43で生成した較正データを記録する(ステップS44)。   Finally, the pattern irradiation apparatus 100 records the calibration data generated in step S42 and step S43 (step S44).

以上の処理によって生成された較正データによれば、パターン照射装置100を精度良く較正することができる。このため、パターン照射装置100で2次元の光のパターンを任意の深さ位置に精度良く形成することが可能となる。また、パターン照射装置100で3次元の光のパターンを精度良く形成することが可能となる。   According to the calibration data generated by the above processing, the pattern irradiation apparatus 100 can be accurately calibrated. For this reason, the pattern irradiation apparatus 100 can accurately form a two-dimensional light pattern at an arbitrary depth position. In addition, the pattern irradiation apparatus 100 can form a three-dimensional light pattern with high accuracy.

この点について更に説明する。光のパターンが形成される深さ位置毎に装置内を通る光線の経路が異なるため、較正データ(特に、2次元座標変換情報)は深さ位置毎に異なる。このため、深さ方向へのパターンのシフトが十分に考慮されていない場合には、深さ位置を変更して複数の較正データを生成したとしても、光のパターンが実際に形成される深さ位置に対応する較正データを特定することができない。従って、装置を精度良く較正することは困難である。これに対して、パターン照射装置100では、照射パターンが形成された照射深さ位置を正確に特定した上で各深さ位置の較正データが生成される。このため、使用すべき較正データを正しく特定することが可能であり、その結果、精度良く装置を較正することが可能となる。   This point will be further described. Since the path of the light beam passing through the apparatus is different for each depth position where the light pattern is formed, the calibration data (particularly, the two-dimensional coordinate conversion information) is different for each depth position. For this reason, when the shift of the pattern in the depth direction is not sufficiently taken into account, even if a plurality of calibration data is generated by changing the depth position, the depth at which the light pattern is actually formed The calibration data corresponding to the position cannot be specified. Therefore, it is difficult to calibrate the apparatus with high accuracy. On the other hand, in the pattern irradiation apparatus 100, the calibration data of each depth position is produced | generated after specifying the irradiation depth position in which the irradiation pattern was formed correctly. For this reason, it is possible to correctly specify calibration data to be used, and as a result, it is possible to calibrate the apparatus with high accuracy.

また、パターン照射装置100では、任意の深さ位置の較正データを、他の深さ位置の較正データを補間することにより生成することができる。即ち、任意の深さ位置の較正データを生成するために、その都度、実際にパターンを照射する必要がなく、光のパターンを標本に照射する回数を抑えることができる。従って、必要に応じて任意の深さ位置の較正データを容易に追加することができる。   In the pattern irradiation apparatus 100, calibration data at an arbitrary depth position can be generated by interpolating calibration data at other depth positions. That is, in order to generate calibration data at an arbitrary depth position, it is not necessary to actually irradiate the pattern each time, and the number of times the sample is irradiated with the light pattern can be suppressed. Therefore, calibration data at an arbitrary depth position can be easily added as necessary.

図14は、本実施例に係るパターン照射装置200の構成を示した図である。図2に示されるパターン照射装置200は、顕微鏡の構成が、実施例1のパターン照射装置100とは異なっている。   FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of the pattern irradiation apparatus 200 according to the present embodiment. The pattern irradiation apparatus 200 shown in FIG. 2 is different from the pattern irradiation apparatus 100 of the first embodiment in the configuration of the microscope.

パターン照射装置200を構成する顕微鏡は、標本Sに任意の光のパターンを形成するための照明系(レーザー1、ビームエクスパンダ2、プリズム3、LCOS−SLM4、瞳リレーレンズ18)と、標本Sを走査するための光学系(レーザー21、ビームエクスパンダ22、ガルバノミラー23、瞳リレーレンズ24)と、を別々に備えている点が、パターン照射装置100の顕微鏡とは異なっている。このため、任意の光のパターンを標本S上に形成しながら標本Sの画像を取得することができる。また、較正パターン照射工程から画像取得工程への切り替えが素早くできる。   The microscope constituting the pattern irradiation apparatus 200 includes an illumination system (laser 1, beam expander 2, prism 3, LCOS-SLM 4, pupil relay lens 18) for forming an arbitrary light pattern on the sample S, and the sample S. Is different from the microscope of the pattern irradiation apparatus 100 in that an optical system (laser 21, beam expander 22, galvano mirror 23, pupil relay lens 24) is separately provided. For this reason, an image of the specimen S can be acquired while forming an arbitrary light pattern on the specimen S. In addition, switching from the calibration pattern irradiation process to the image acquisition process can be performed quickly.

また、パターン照射装置200を構成する顕微鏡は、非共焦点検出系(リレーレンズ13、PMT14)に加えて、2次元のCCDイメージセンサを備えたCCDカメラ27で標本Sの画像を取得する検出系(IRカットフィルタ25、結像レンズ26、CCDカメラ27)を備えている点も、パターン照射装置100の顕微鏡とは異なっている。CCDカメラ27で標本Sの画像を取得する場合には、ダイクロイックミラー10は光路外に取り除かれる。   In addition to the non-confocal detection system (relay lens 13, PMT 14), the microscope constituting the pattern irradiation apparatus 200 is a detection system that acquires an image of the specimen S with a CCD camera 27 having a two-dimensional CCD image sensor. It is also different from the microscope of the pattern irradiation apparatus 100 in that it is provided with (IR cut filter 25, imaging lens 26, CCD camera 27). When an image of the sample S is acquired by the CCD camera 27, the dichroic mirror 10 is removed out of the optical path.

本実施例に係るパターン照射装置200によっても、実施例1に係るパターン照射装置100と同様の処理を実行して、較正データを生成することができる。このため、実施例1に係るパターン照射装置100と同様の効果を得ることができる。   Also by the pattern irradiation apparatus 200 according to the present embodiment, it is possible to generate the calibration data by executing the same process as the pattern irradiation apparatus 100 according to the first embodiment. For this reason, the effect similar to the pattern irradiation apparatus 100 which concerns on Example 1 can be acquired.

上述した各実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。較正データ生成方法及びパターン照射装置は、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。   The above-described embodiments are specific examples for facilitating understanding of the invention, and the present invention is not limited to these embodiments. The calibration data generation method and the pattern irradiation apparatus can be variously modified and changed without departing from the concept of the present invention defined by the claims.

例えば、上述した実施例では、波面変調器として、LCOS−SLMを例示したが、例えば、デフォーマブルミラーが採用されてもよい。また、上述した実施例では、2光子励起顕微鏡の構成を例示したが、ガルバノミラーの光源側にダイクロイックミラーなどの光分岐素子を配置し、ピンホールとPMTなどの検出器を配置して一光子励起を使った共焦点レーザー顕微鏡に適用してもよい。また、画像データのコントラスト値に基づいて照射深さ位置を特定する例を示したが、コントラスト値の代わりに他の評価値を算出して照射深さ位置を特定してもよい。例えば、褪色した面積が2次元画像上で最小となる位置や褪色した3次元領域の重心位置をもとに照射深さ位置を特定してもよい。また、較正パターンが異なる深さ位置に複数の同じ目標パターンを含む場合を例に説明したが、複数の目標パターンは異なるパターンであってもよい。ただし、3次元座標情報を補間して較正データを生成する場合には、複数の目標パターンは同じパターンであることが望ましい。さらに、深さ位置によって形成されるパターンの強度分布は変化するため、深さ位置に依存して生じる強度分布の変化分を考慮して予め目標パターンを設定してもよい。このため、較正パターンは、2次元座標情報が等しく強度分布が異なる複数の目標パターンを含むように設定されてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the LCOS-SLM is exemplified as the wavefront modulator, but, for example, a deformable mirror may be employed. In the above-described embodiment, the configuration of the two-photon excitation microscope is exemplified. However, a light branching element such as a dichroic mirror is disposed on the light source side of the galvano mirror, and a detector such as a pinhole and a PMT is disposed. The present invention may be applied to a confocal laser microscope using excitation. Moreover, although the example which specifies the irradiation depth position based on the contrast value of image data was shown, you may specify an irradiation depth position by calculating another evaluation value instead of a contrast value. For example, the irradiation depth position may be specified based on the position at which the faded area is minimum on the two-dimensional image or the barycentric position of the faded three-dimensional area. Moreover, although the case where the calibration pattern includes a plurality of the same target patterns at different depth positions has been described as an example, the plurality of target patterns may be different patterns. However, when the calibration data is generated by interpolating the three-dimensional coordinate information, it is desirable that the plurality of target patterns are the same pattern. Further, since the intensity distribution of the pattern formed by the depth position changes, the target pattern may be set in advance in consideration of the change in the intensity distribution that occurs depending on the depth position. For this reason, the calibration pattern may be set to include a plurality of target patterns having the same two-dimensional coordinate information and different intensity distributions.

1、21 レーザー
2、22 ビームエクスパンダ
3 プリズム
4 LCOS−SLM
5、13 リレーレンズ
6、23 ガルバノミラー
7、18、24 瞳リレーレンズ
8、26 結像レンズ
9 ミラー
10、19、20 ダイクロイックミラー
11 対物レンズ
12 ステージ
14 PMT
15 コンピュータ
15a 演算制御部
15b 記憶部
16 モニタ
17 入力装置
25 IRカットフィルタ
27 CCDカメラ
100、200 パターン照射装置
S 標本
1, 21 Laser 2, 22 Beam expander 3 Prism 4 LCOS-SLM
5, 13 Relay lens 6, 23 Galvano mirror 7, 18, 24 Pupil relay lens 8, 26 Imaging lens 9 Mirror 10, 19, 20 Dichroic mirror 11 Objective lens 12 Stage 14 PMT
15 Computer 15a Arithmetic Control Unit 15b Storage Unit 16 Monitor 17 Input Device 25 IR Cut Filter 27 CCD Camera 100, 200 Pattern Irradiation Device S Sample

Claims (11)

波面変調器を備えたパターン照射装置の較正データ生成方法であって、
標本の深さ方向と直交する2次元の目標パターンを含む較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に照射し、
前記光が照射された前記標本の画像データを、深さ位置毎に生成し、
生成した複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された深さ位置である照射深さ位置を特定し、
前記照射深さ位置の画像データと前記目標パターンに基づいて、前記照射深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する
ことを特徴とする較正データ生成方法。
A method for generating calibration data of a pattern irradiation apparatus including a wavefront modulator,
Irradiating the specimen with light whose wavefront is modulated by the wavefront modulator based on a calibration pattern including a two-dimensional target pattern orthogonal to the depth direction of the specimen;
Generate image data of the specimen irradiated with the light for each depth position,
Based on the generated plurality of image data, specify the irradiation depth position, which is the depth position where the two-dimensional irradiation pattern is formed,
A calibration data generation method for generating calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position based on the image data of the irradiation depth position and the target pattern.
請求項1に記載の較正データ生成方法において、
前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データを生成することは、
前記照射深さ位置の画像データに基づいて、前記照射深さ位置に形成された前記照射パターンの3次元座標情報を取得することと、
前記照射パターンの3次元座標情報と前記目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データを生成すること、を含む
ことを特徴とする較正データ生成方法。
The calibration data generation method according to claim 1,
Generating the calibration data for forming a pattern at the illumination depth position;
Acquiring three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the irradiation depth position based on the image data of the irradiation depth position;
Generating calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position based on the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern and the three-dimensional coordinate information of the target pattern. Generation method.
請求項2に記載の較正データ生成方法において、
前記目標パターンを異なる複数の深さ位置に含む前記較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に光を照射し、
前記複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された複数の照射深さ位置を特定し、
前記複数の照射深さ位置の複数の画像データに基づいて、前記複数の照射深さ位置に形成された複数の照射パターンの3次元座標情報を取得し、前記複数の照射パターンの3次元座標情報と深さ位置の異なる複数の目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記複数の照射深さ位置にパターンを形成するための複数の較正データを生成し、
前記複数の較正データを補間して、前記複数の照射深さ位置以外の第1の深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する
ことを特徴とする較正データ生成方法。
The calibration data generation method according to claim 2,
Irradiating the sample with light whose wavefront is modulated by the wavefront modulator based on the calibration pattern including the target pattern at a plurality of different depth positions;
Based on the plurality of image data, identify a plurality of irradiation depth positions where a two-dimensional irradiation pattern is formed,
Based on a plurality of image data at the plurality of irradiation depth positions, three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns formed at the plurality of irradiation depth positions is acquired, and three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns is obtained. And generating a plurality of calibration data for forming a pattern at the plurality of irradiation depth positions based on the three-dimensional coordinate information of a plurality of target patterns having different depth positions,
A method for generating calibration data, comprising: interpolating the plurality of calibration data to generate calibration data for forming a pattern at a first depth position other than the plurality of irradiation depth positions.
請求項2に記載の較正データ生成方法において、
前記目標パターンを異なる複数の深さ位置に含む前記較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を、前記標本に光を照射し、
前記複数の画像データに基づいて、2次元の照射パターンが形成された複数の照射深さ位置を特定し、
前記複数の照射深さ位置の複数の画像データに基づいて、前記複数の照射深さ位置に形成された複数の照射パターンの3次元座標情報を取得し、前記複数の照射パターンの3次元座標情報と深さ位置の異なる複数の目標パターンの3次元座標情報に基づいて、前記複数の照射深さ位置にパターンを形成するための複数の較正データを生成し、
前記複数の照射パターンの3次元座標情報を補間して生成した前記複数の照射深さ位置以外の第1の深さ位置に形成される照射パターンの3次元座標情報に基づいて、前記第1の深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する
ことを特徴とする較正データ生成方法。
The calibration data generation method according to claim 2,
Irradiating the sample with light whose wavefront is modulated by the wavefront modulator based on the calibration pattern including the target pattern at a plurality of different depth positions;
Based on the plurality of image data, identify a plurality of irradiation depth positions where a two-dimensional irradiation pattern is formed,
Based on a plurality of image data at the plurality of irradiation depth positions, three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns formed at the plurality of irradiation depth positions is acquired, and three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns is obtained. And generating a plurality of calibration data for forming a pattern at the plurality of irradiation depth positions based on the three-dimensional coordinate information of a plurality of target patterns having different depth positions,
Based on the three-dimensional coordinate information of the irradiation pattern formed at the first depth position other than the plurality of irradiation depth positions generated by interpolating the three-dimensional coordinate information of the plurality of irradiation patterns, the first A calibration data generation method for generating calibration data for forming a pattern at a depth position.
請求項3又は請求項4に記載の較正データ生成方法において、
前記較正パターンは、2次元座標情報が等しく強度分布が異なる前記複数の目標パターンを含む
ことを特徴とする較正データ生成方法。
In the calibration data generation method according to claim 3 or 4,
2. The calibration data generation method according to claim 1, wherein the calibration pattern includes the plurality of target patterns having the same two-dimensional coordinate information and different intensity distributions.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の較正データ生成方法において、
前記照射深さ位置にパターンを形成するための前記較正データは、前記照射深さ位置の2次元座標変換情報と、前記照射深さ位置にパターンを形成するための深さ位置の補正量を含む
ことを特徴とする較正データ生成方法。
In the calibration data generation method according to any one of claims 1 to 5,
The calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position includes two-dimensional coordinate conversion information of the irradiation depth position and a depth position correction amount for forming a pattern at the irradiation depth position. The calibration data generation method characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の較正データ生成方法において、
前記目標パターンは、2つ以上の集光点を含む2次元のパターンである
ことを特徴とする較正データ生成方法。
The calibration data generation method according to any one of claims 1 to 6,
The calibration data generation method, wherein the target pattern is a two-dimensional pattern including two or more condensing points.
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の較正データ生成方法において、
前記複数の画像データの各々のコントラスト値を算出し、算出した複数のコントラスト値に基づいて前記照射深さ位置を特定する
ことを特徴とする較正データ生成方法。
In the calibration data generation method according to any one of claims 1 to 7,
A calibration data generation method, wherein the contrast value of each of the plurality of image data is calculated, and the irradiation depth position is specified based on the calculated plurality of contrast values.
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の較正データ生成方法において、
前記波面変調器は、LCOSを備えた空間光変調器、または、デフォーマブルミラーである
ことを特徴とする較正データ生成方法。
The calibration data generation method according to any one of claims 1 to 8,
The calibration data generation method, wherein the wavefront modulator is a spatial light modulator equipped with LCOS or a deformable mirror.
請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の較正データ生成方法において、
前記標本は、3次元蛍光標本である
ことを特徴とする較正データ生成方法。
In the calibration data generation method according to any one of claims 1 to 9,
A method for generating calibration data, wherein the specimen is a three-dimensional fluorescent specimen.
波面変調器を含み、標本の深さ方向と直交する2次元の目標パターンを含む較正パターンに基づいて前記波面変調器で波面が変調された光を前記標本に照射する照射手段と、
前記照射手段によって前記光が照射された前記標本の画像データを、深さ位置毎に生成する画像データ生成手段と、
前記画像データ生成手段で生成した複数の画像データに基づいて2次元の照射パターンが形成された深さ位置である照射深さ位置を特定し、特定された前記照射深さ位置の画像データと前記目標パターンに基づいて前記照射深さ位置にパターンを形成するための較正データを生成する較正データ生成手段と、を含む
ことを特徴とするパターン照射装置。
An irradiating means for irradiating the sample with light whose wavefront is modulated by the wavefront modulator based on a calibration pattern including a wavefront modulator and including a two-dimensional target pattern orthogonal to the depth direction of the sample;
Image data generation means for generating image data of the specimen irradiated with the light by the irradiation means for each depth position;
Based on a plurality of image data generated by the image data generation means, an irradiation depth position that is a depth position where a two-dimensional irradiation pattern is formed is specified, and the image data of the specified irradiation depth position and the Calibration data generation means for generating calibration data for forming a pattern at the irradiation depth position based on a target pattern.
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