JP2016145874A - Observation apparatus, calculation method and calculation unit - Google Patents

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Kazuhiko Kajiyama
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an observation apparatus advantageous for visualization of phase distribution in a sample.SOLUTION: The observation apparatus includes: an image forming optical system (104) that forms an image of a sample; a modulation part (105) which is disposed in the image forming optical system and which has a first modulation area for modulating a beam of incoming light; imaging means (106) for picking up an image of the sample via the image forming optical system; and calculation means (107) that calculates the distribution of phase difference amount on the sample based on a piece of image information acquired by the imaging means and diffraction light component in the diffraction light from the sample, which is modulated by the first modulation area.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、観察装置に関し、特に位相物体を観察するための位相差観察装置に関する。   The present invention relates to an observation apparatus, and more particularly to a phase difference observation apparatus for observing a phase object.

無染色の細胞に代表される位相物体(試料)を観察するための方法として位相差顕微鏡や暗視野顕微鏡が用いられている。一般的な位相差顕微鏡は照明系に輪帯状の開口部を持ち、試料を照明した後の直接光に対して、対物レンズ内に配置された複素振幅変調領域で位相差をπ/2与えることによって、直接光と回折光との干渉によるコントラストの高い像を得られるようにしている。しかし、このような位相差顕微鏡では位相差量の大きい試料を観察すると、直接光だけでなく低次の回折光も複素振幅変調領域を透過することで背景と試料の境界にハロと呼ばれるアーティファクトが生じ、位相分布を定量的に可視化することができなかった。また、一般的な暗視野顕微鏡は照明系による直接光が対物レンズに入射しないように大きな開口数で照明し、位相物体からの回折光のみで像を得ている。しかし、従来の暗視野顕微鏡では高次の回折光のみで結像させるため、位相物体の境界だけが強調されたような像を形成し、定性的な観察しかできなかった。   A phase contrast microscope or a dark field microscope is used as a method for observing a phase object (sample) typified by unstained cells. A general phase contrast microscope has a ring-shaped opening in the illumination system, and gives a phase difference of π / 2 to the direct light after illuminating the sample in the complex amplitude modulation region arranged in the objective lens. Thus, an image with high contrast can be obtained by interference between direct light and diffracted light. However, when a sample with a large amount of phase difference is observed in such a phase contrast microscope, not only direct light but also low-order diffracted light passes through the complex amplitude modulation region, and an artifact called halo is formed at the boundary between the background and the sample. As a result, the phase distribution could not be visualized quantitatively. A general dark field microscope illuminates with a large numerical aperture so that direct light from an illumination system does not enter the objective lens, and an image is obtained only by diffracted light from a phase object. However, since the conventional dark field microscope forms an image only with high-order diffracted light, an image in which only the boundary of the phase object is emphasized is formed, and only qualitative observation can be performed.

このような影響を低減し、位相分布を定量的に可視化する方法が特許文献1、2に開示されている。特許文献1では、点光源を使用し、対物レンズ内に微小な複素振幅変調領域を配置することで直接光のみ複素振幅変調領域を透過するように構成し、得られた画像を所定の式で演算することで位相分布を定量的に可視化している。また、特許文献2では、対物レンズ内に配置した複素振幅変調領域の位相差量を可変とし、複数の画像を取得することで縞走査手法により位相分布を定量的に可視化している。   Patent Documents 1 and 2 disclose methods for reducing such influence and quantitatively visualizing the phase distribution. In Patent Document 1, a point light source is used, and a minute complex amplitude modulation region is arranged in the objective lens so that only direct light is transmitted through the complex amplitude modulation region. The obtained image is expressed by a predetermined formula. The phase distribution is visualized quantitatively by calculation. Further, in Patent Document 2, the phase distribution of the complex amplitude modulation region arranged in the objective lens is made variable, and the phase distribution is quantitatively visualized by a fringe scanning method by acquiring a plurality of images.

特許第2032570号Patent No. 20325570 特許第3790905号Patent No. 3790905

しかし、特許文献1に開示されている方法では点光源しか想定されていないため、解像度の低下やスペックルを生じるという問題があった。また、特許文献2に開示されている方法では複素振幅変調領域を一般的な位相差顕微鏡と同じような輪帯状としているためハロが生じ、この影響を除去するのにデコンボリューション処理を行っていた。そのため、計算コストが大きくなる問題や3回以上撮像することを前提としているため、高速に撮像することが難しいという問題があった。   However, since only the point light source is assumed in the method disclosed in Patent Document 1, there is a problem that the resolution is reduced and speckles are generated. Further, in the method disclosed in Patent Document 2, since the complex amplitude modulation region has an annular shape similar to that of a general phase contrast microscope, halo is generated, and deconvolution processing is performed to remove this influence. . For this reason, there is a problem that the calculation cost is high, and since it is premised that the image is captured three times or more, it is difficult to image at high speed.

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、試料の位相分布の可視化に有利な観察装置、演算方法、および演算装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an observation apparatus, a calculation method, and a calculation apparatus that are advantageous for visualizing the phase distribution of a sample.

本発明の一側面としての観察装置は、試料の像を形成する結像光学系と、前記結像光学系に設けられ、入射する光を変調する第1変調領域を有する変調部と、前記結像光学系を介して前記試料を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られる画像情報と、前記試料からの回折光のうち前記第1変調領域によって変調を受ける回折光成分と、に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。   An observation apparatus according to one aspect of the present invention includes an imaging optical system that forms an image of a sample, a modulation unit that is provided in the imaging optical system and that has a first modulation region that modulates incident light, and the connection. Based on an imaging unit that images the sample through an image optical system, image information obtained by the imaging unit, and a diffracted light component modulated by the first modulation region of the diffracted light from the sample And calculating means for calculating a phase difference amount distribution of the sample.

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。   Other objects and features of the present invention are illustrated in the following examples.

本発明によれば、試料の位相分布の可視化に有利な観察装置、演算方法、および演算装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an observation apparatus, a calculation method, and a calculation apparatus that are advantageous for visualizing the phase distribution of a sample.

本発明の実施例における位相差観察装置の概略図である。It is the schematic of the phase difference observation apparatus in the Example of this invention. 本発明の実施例における複素振幅変調領域CAM、開口IAを示した図である。It is the figure which showed the complex amplitude modulation area | region CAM and opening IA in the Example of this invention. 本発明の実施例における複素振幅変調領域CAMの大きさの説明図である。It is explanatory drawing of the magnitude | size of the complex amplitude modulation area | region CAM in the Example of this invention. 瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合を変えた時の像強度を示したグラフである。It is the graph which showed the image intensity when changing the ratio of the complex amplitude modulation area | region CAM which occupies a pupil. シミュレーション用位相物体の説明図である。It is explanatory drawing of the phase object for simulation. 従来の位相差顕微鏡のシミュレーション結果である。It is a simulation result of the conventional phase-contrast microscope. 実施例1の位相差観察装置のシミュレーション結果である。3 is a simulation result of the phase difference observation apparatus of Example 1. FIG. 実施例2の位相差観察装置のシミュレーション結果である。10 is a simulation result of the phase difference observation apparatus of Example 2. 実施例3の位相差観察装置のシミュレーション結果である。10 is a simulation result of the phase difference observation apparatus of Example 3. FIG. 実施例4の位相差観察装置のシミュレーション結果である。10 is a simulation result of the phase difference observation apparatus of Example 4.

以下、図1を参照して、本発明の位相差観察装置10(位相差顕微鏡、暗視野顕微鏡等)について説明する。ここで、図1は本実施例の位相差観察装置10の概略図である。100は、光源である。101は、光源100からの光を被照射面(被照射面に配置された試料)103に導く照明光学系である。102は、照明光学系101の内部に設けられ、開口IAが形成された開口絞りである。開口絞り102は、照明光学系101の内部の例えば瞳位置(近傍)に配置される。開口絞り102に形成された開口IAは、光源100から出射した光を制限する。これにより、光源100から出た光は、開口IAにより制限されて試料103を照明する。本実施形態において、好ましくは、開口絞り102として可変開口絞りが用いられる。可変開口絞りを用いることにより、コントラストや分解能を変更することができる。また、このとき使用する光は可視光または近赤外光(例えば、波長400nm〜1100nm)が用いられ、試料103からの光は対物レンズ104内に配置された変調部105を通り撮像素子106に結像する。対物レンズ104は、被照射面に配置された試料103の像を撮像素子106の撮像面に形成(結像)する結像光学系として機能する。変調部105は、対物レンズ104の内部に設けられ(例えば対物レンズ104の瞳位置(近傍)に配置され)、入射する光を変調する複素振幅変調領域(第1変調領域)CAMを有する。撮像素子106は、試料103の像を受像する(すなわち、対物レンズ104を介して試料103を撮像する)撮像手段として機能する。撮像素子106は、対物レンズ104(結像光学系)の結像面に配置されている。また、撮像素子106によって得られたデータにより画像情報を生成し、試料103の位相差量分布を算出する画像処理系107を有する。画像処理系107は、対物レンズ104内の変調部105を介した撮像により得られる試料の画像情報に基づいて、試料103の位相差量分布を算出する算出手段として機能する。このように、画像処理系107は、撮像素子106により得られたデータから画像情報を生成する生成手段(画像処理装置)と、試料103の位相差量分布を算出する算出手段(演算装置)を構成している。   Hereinafter, the phase difference observation apparatus 10 (phase difference microscope, dark field microscope, etc.) of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a schematic diagram of the phase difference observation apparatus 10 of the present embodiment. Reference numeral 100 denotes a light source. Reference numeral 101 denotes an illumination optical system that guides light from the light source 100 to an irradiated surface (sample disposed on the irradiated surface) 103. Reference numeral 102 denotes an aperture stop provided in the illumination optical system 101 and having an aperture IA. The aperture stop 102 is disposed, for example, at the pupil position (near) in the illumination optical system 101. The aperture IA formed in the aperture stop 102 limits the light emitted from the light source 100. Thereby, the light emitted from the light source 100 is limited by the opening IA and illuminates the sample 103. In the present embodiment, a variable aperture stop is preferably used as the aperture stop 102. By using a variable aperture stop, the contrast and resolution can be changed. Further, visible light or near infrared light (for example, wavelength 400 nm to 1100 nm) is used as light used at this time, and light from the sample 103 passes through the modulation unit 105 disposed in the objective lens 104 and enters the image sensor 106. Form an image. The objective lens 104 functions as an imaging optical system that forms (images) the image of the sample 103 disposed on the irradiated surface on the imaging surface of the imaging element 106. The modulation unit 105 is provided inside the objective lens 104 (for example, arranged at the pupil position (near) of the objective lens 104), and has a complex amplitude modulation region (first modulation region) CAM that modulates incident light. The imaging element 106 functions as an imaging unit that receives an image of the sample 103 (that is, images the sample 103 via the objective lens 104). The image sensor 106 is disposed on the imaging surface of the objective lens 104 (imaging optical system). In addition, an image processing system 107 that generates image information from data obtained by the image sensor 106 and calculates a phase difference amount distribution of the sample 103 is provided. The image processing system 107 functions as a calculation unit that calculates the phase difference amount distribution of the sample 103 based on image information of the sample obtained by imaging via the modulation unit 105 in the objective lens 104. As described above, the image processing system 107 includes generation means (image processing apparatus) that generates image information from data obtained by the image sensor 106 and calculation means (calculation apparatus) that calculates the phase difference amount distribution of the sample 103. It is composed.

続いて、図2を参照して、位相差観察装置10に用いられる開口絞り102および変調部105の構成について説明する。変調部105は、開口絞り102に形成される開口IAと共役な位置に配置される。変調部105は、複素振幅変調領域CAM(第1変調領域)と、複素振幅変調領域CAMとは異なる振幅変調領域AM(第1変調領域とは異なる第2変調領域)と、を有する。複素振幅変調領域CAMは、開口IAを通過した光源100からの直接光が入射するように配置される。また、振幅変調領域AMは、開口IAを通過した光源100からの直接光が入射しないように配置される。図2は、開口絞り102および変調部105の構成図である。図2(a)〜(d)のそれぞれの左図は、対物レンズ104内に配置された変調部105の複素振幅変調領域CAMおよび振幅変調領域AMを光軸AXの方向から見た図である。また、図2(a)〜(d)のそれぞれの右図は、照明光学系101内に設けられた開口絞り102の開口IAを光軸AXの方向から見た図である。   Next, the configuration of the aperture stop 102 and the modulation unit 105 used in the phase difference observation apparatus 10 will be described with reference to FIG. The modulation unit 105 is disposed at a position conjugate with the opening IA formed in the aperture stop 102. The modulation unit 105 includes a complex amplitude modulation region CAM (first modulation region) and an amplitude modulation region AM (second modulation region different from the first modulation region) different from the complex amplitude modulation region CAM. The complex amplitude modulation region CAM is arranged so that direct light from the light source 100 that has passed through the aperture IA is incident thereon. The amplitude modulation area AM is arranged so that direct light from the light source 100 that has passed through the opening IA does not enter. FIG. 2 is a configuration diagram of the aperture stop 102 and the modulation unit 105. 2A to 2D are diagrams in which the complex amplitude modulation area CAM and the amplitude modulation area AM of the modulation unit 105 arranged in the objective lens 104 are viewed from the direction of the optical axis AX. . 2A to 2D are diagrams in which the aperture IA of the aperture stop 102 provided in the illumination optical system 101 is viewed from the direction of the optical axis AX.

図2(a)は放射状、図2(b)は螺旋状、図2(c)は多重輪帯、図2(d)はランダムドットの複素振幅変調領域CAMとそれを囲む振幅変調領域AMおよび開口IAをそれぞれ本実施形態の一例として示している。複素振幅変調領域CAMは、開口IAと同じまたは同様(相似)な形状を有するか、開口IAの形状に該形状と類似した形状を加えたような形状を有する。すなわち、複素振幅変調領域CAMの数は、開口IAの数と同じか、開口IAの数よりも多く形成される。ただし本実施例は、これらに限定されるものではない。例えば、図2(a)〜(d)に示される4つの例を組み合わせることもできる。   2A is a radial shape, FIG. 2B is a spiral shape, FIG. 2C is a multiple ring zone, FIG. 2D is a complex amplitude modulation area CAM of random dots and an amplitude modulation area AM surrounding them. Each opening IA is shown as an example of this embodiment. The complex amplitude modulation region CAM has a shape that is the same as or similar to (similar to) the opening IA, or a shape that is similar to the shape of the opening IA. That is, the number of complex amplitude modulation regions CAM is formed to be the same as the number of openings IA or more than the number of openings IA. However, the present embodiment is not limited to these. For example, the four examples shown in FIGS. 2A to 2D can be combined.

本実施例の位相差観察装置10は、開口IAからの直接光が複素振幅変調領域CAMに入射するように構成される必要がある。このため、図2に示されるように、瞳(瞳領域)に占める開口の割合は、開口IAよりも複素振幅変調領域CAMのほうが大きいか、または、同じ(同等の)大きさになるように構成されている。また、複素振幅変調領域CAMは、開口IAからの直接光の位相や強度を変調するように、振幅変調領域AMは回折光の強度を変調するように構成されている。このとき、複素振幅変調領域CAMの位相変調量は、振幅変調領域AMを基準として決定される。例えば、複素振幅変調領域CAMは、平行平板上に成膜または切削するなどにより位相差を与えるか、または、減光、遮光するなど(または、これらの組み合わせ)を行うように構成されている。   The phase difference observation apparatus 10 of the present embodiment needs to be configured so that direct light from the aperture IA enters the complex amplitude modulation region CAM. For this reason, as shown in FIG. 2, the ratio of the aperture to the pupil (pupil region) is larger in the complex amplitude modulation region CAM than the aperture IA, or the same (equivalent) size. It is configured. The complex amplitude modulation area CAM is configured to modulate the phase and intensity of direct light from the aperture IA, and the amplitude modulation area AM is configured to modulate the intensity of diffracted light. At this time, the phase modulation amount of the complex amplitude modulation area CAM is determined based on the amplitude modulation area AM. For example, the complex amplitude modulation region CAM is configured to give a phase difference by film formation or cutting on a parallel plate, or to reduce light, block light, or the like (or a combination thereof).

好ましくは、アーティファクト、製造誤差、および、調整誤差の観点から、図2(a)図2(b)に示されるように複素振幅変調領域CAMは、光軸AXを中心として放射状に延びた形状もしくは螺旋形状を有する回転対称な形状であることが望ましい。また、光軸AXを中心とした円の周方向よりも径方向において長い形状を有することが望ましい。例えば図2(c)のような多重輪帯の複素振幅変調領域CAMでは、複数の輪帯のそれぞれの輪帯(複素振幅変調領域CAM)が等しい間隔で配置しやすい。このため、特定の周波数成分を強調するようなアーティファクトが生じやすい。また、図2(d)のようなランダムドットの複素振幅変調領域CAMでは、周期性が低いため、開口IAからの直接光が複素振幅変調領域CAMを通過するように製造および調整するのが困難である。一方、図2(a)図2(b)のような回転対称の複素振幅変調領域CAMでは、上記のようなデメリットを低減することができる。ただし、観察する物体など様々な条件に応じて、複素振幅変調領域CAMの望ましい形状は変わる。このため、目的や装置の構成に応じて最適な複素振幅変調領域CAMを選択することが好ましい。   Preferably, from the viewpoint of artifacts, manufacturing errors, and adjustment errors, the complex amplitude modulation region CAM has a shape extending radially around the optical axis AX as shown in FIGS. A rotationally symmetric shape having a spiral shape is desirable. In addition, it is desirable to have a shape that is longer in the radial direction than in the circumferential direction of the circle centered on the optical axis AX. For example, in the complex amplitude modulation region CAM of multiple annular zones as shown in FIG. 2C, the annular zones (complex amplitude modulation regions CAM) of a plurality of annular zones are easily arranged at equal intervals. Therefore, artifacts that emphasize specific frequency components are likely to occur. In addition, since the random amplitude complex amplitude modulation area CAM as shown in FIG. 2D has low periodicity, it is difficult to manufacture and adjust the direct light from the aperture IA so as to pass through the complex amplitude modulation area CAM. It is. On the other hand, in the rotationally symmetric complex amplitude modulation region CAM as shown in FIGS. 2A and 2B, the above disadvantages can be reduced. However, the desirable shape of the complex amplitude modulation region CAM varies depending on various conditions such as the object to be observed. For this reason, it is preferable to select an optimal complex amplitude modulation region CAM according to the purpose and the configuration of the apparatus.

続いて、図3を参照して、複素振幅変調領域CAMの望ましい大きさについて説明する。図3は、複素振幅変調領域CAMの望ましい大きさの説明図であり、図3(a)は複素振幅変調領域CAMが比較的小さい場合、図3(b)は複素振幅変調領域CAMが比較的大きい場合をそれぞれ示している。   Next, a desirable size of the complex amplitude modulation region CAM will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram of a desirable size of the complex amplitude modulation region CAM. FIG. 3A shows a case where the complex amplitude modulation region CAM is relatively small, and FIG. 3B shows a case where the complex amplitude modulation region CAM is relatively small. Large cases are shown respectively.

ここで、変調部105の上に配置される直径Rの円を考える。被照射面(試料103)から変調部105までのレンズ104aの合成焦点距離をf、光源100の最大波長をλ(μm)、対物レンズ104の被照射面側(試料103側)の開口数をNAとする。また、Rn=0.12×λ/NAと定義する。このとき、以下の式(1)で表される直径Rの円を複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置した場合、複素振幅変調領域CAMはこの円を内包しない大きさであることが好ましい。より好ましくは、振幅変調領域AMもこの円を内包しない大きさであるとよい。   Here, a circle having a diameter R disposed on the modulation unit 105 is considered. The combined focal length of the lens 104a from the irradiated surface (sample 103) to the modulator 105 is f, the maximum wavelength of the light source 100 is λ (μm), and the numerical aperture on the irradiated surface side (sample 103 side) of the objective lens 104 is set. Let NA. Further, it is defined as Rn = 0.12 × λ / NA. At this time, when a circle having a diameter R represented by the following formula (1) is arranged at an arbitrary position in the complex amplitude modulation region CAM, the complex amplitude modulation region CAM is preferably a size that does not include this circle. . More preferably, the amplitude modulation area AM is also sized so as not to include this circle.

Rn=R/(NA×f) … (1)
図3(a)は、直径Rの円Cを複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置しても、円Cは複素振幅変調領域CAMに内包されない場合を示している。一方、図3(b)は、直径Rの円Cを複素振幅変調領域CAMのある位置に配置すると、複素振幅変調領域CAMに内包される場合を示している。
Rn = R / (NA × f) (1)
FIG. 3A shows the case where the circle C is not included in the complex amplitude modulation region CAM even if the circle C having the diameter R is arranged at an arbitrary position of the complex amplitude modulation region CAM. On the other hand, FIG. 3B shows a case where a circle C having a diameter R is included in the complex amplitude modulation region CAM when arranged at a position of the complex amplitude modulation region CAM.

ここで、式(1)のRnは、対物レンズ104の瞳径(NA×f)で規格化されたRである。Rnはエアリーディスクの第一暗環により決定される。本実施形態において、想定している試料103の物体直径dは20μmである。このため、照明光による物体の回折角θは、以下の式(2)ように表すことができる。   Here, Rn in Expression (1) is R normalized by the pupil diameter (NA × f) of the objective lens 104. Rn is determined by the first dark ring of the Airy disk. In the present embodiment, the assumed object diameter d of the sample 103 is 20 μm. For this reason, the diffraction angle θ of the object by the illumination light can be expressed as the following formula (2).

2sinθ=2.44×λ/d≒0.12×λ … (2)
このとき、対物レンズ104の瞳面上での回折光の広がりは、2sinθ×fとして表される。このため、対物レンズ104の瞳径NA×fで規格化した回折光の広がりDは、以下の式(3)ように表される。式(3)で表されるDは、前述のRnに等しい。
2sin θ = 2.44 × λ / d≈0.12 × λ (2)
At this time, the spread of the diffracted light on the pupil plane of the objective lens 104 is expressed as 2 sin θ × f. For this reason, the spread D of the diffracted light normalized by the pupil diameter NA × f of the objective lens 104 is expressed by the following equation (3). D represented by the formula (3) is equal to the aforementioned Rn.

D=(2sinθ×f)/(NA×f)
=0.12×λ/NA … (3)
式(1)を満たす直径Rの円が複素振幅変調領域CAMに内包されないということは、物体の直径が20μm程度の大きな物体から生じる低次の回折光でも複素振幅変調領域CAMへ入射しないことを意味する。このため、式(1)を満たすことにより、様々な周波数成分の回折光が結像に寄与し、位相差観察装置10は定量的に像を再現することができる。
D = (2 sin θ × f) / (NA × f)
= 0.12 × λ / NA (3)
The fact that the circle with the diameter R satisfying the equation (1) is not included in the complex amplitude modulation region CAM means that low-order diffracted light generated from a large object having an object diameter of about 20 μm does not enter the complex amplitude modulation region CAM. means. For this reason, satisfy | filling Formula (1), the diffracted light of various frequency components contributes to image formation, and the phase difference observation apparatus 10 can reproduce an image quantitatively.

更に好ましくはRn=0.06×λ/NAと定義するのが良い。   More preferably, it may be defined as Rn = 0.06 × λ / NA.

上記のような構成で得られた像は、試料からの低次から高次までの回折光をまんべんなく含むため、定量的な強度分布I(x)を持ち、以下の式(4)で表すことができる。   The image obtained with the above-described configuration contains the diffracted light from the low order to the high order from the sample, and therefore has a quantitative intensity distribution I (x) and is expressed by the following formula (4). Can do.

I(x)=|U(x)-U0(1-α・exp{iε})-n(U(x)-U0)(1-α・exp{iε})-(1-n)(U(x)-U0)(1-β)|… (4)
ここでI(x)は物体がないところでの明視野像の強度を1としたときの像の強度分布、U(x)は試料の複素振幅透過率分布、U0はU(x)の平均値である。αは複素振幅変調領域CAMの振幅透過率、βは振幅変調領域AMの振幅透過率、εは複素振幅変調領域CAMの位相変調量、nは結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合(0<n<1)、iは虚数単位である。式(4)の第1、2項は特許文献1に開示されているものと同じで、直接光だけが複素振幅変調領域CAMによって複素振幅変調を与えられた場合の光の成分を表している。第3項は複素振幅変調領域CAMによって複素振幅変調を与えられた回折光の成分を表している。このように、本発明によれば、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを用いて、試料からの回折光のうち複素振幅変調領域CAMによって位相変調を受ける回折光成分を算出している。第4項は振幅変調領域AMによって振幅変調を与えられた回折光の成分を表している。I(x)は物体がないところでの明視野像の強度を1としたときの像の強度分布であるため、物体がないところでの明視野像の強度を測定もしくは推定する必要があり、推定する場合は複素振幅変調領域CAMの振幅透過率αを考慮して推定することができる。
I (x) = | U (x) -U 0 (1-α · exp {iε})-n (U (x) -U 0 ) (1-α · exp {iε})-(1-n) (U (x) −U 0 ) (1-β) | 2 (4)
Here, I (x) is the intensity distribution of the image when the intensity of the bright field image in the absence of an object is 1, U (x) is the complex amplitude transmittance distribution of the sample, and U 0 is the average of U (x). Value. α is the amplitude transmittance of the complex amplitude modulation region CAM, β is the amplitude transmittance of the amplitude modulation region AM, ε is the phase modulation amount of the complex amplitude modulation region CAM, and n is the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil of the imaging optical system Ratio (0 <n <1), i is an imaginary unit. The first and second terms of the expression (4) are the same as those disclosed in Patent Document 1, and only the direct light represents the light component when the complex amplitude modulation is given by the complex amplitude modulation region CAM. . The third term represents a component of diffracted light that has been subjected to complex amplitude modulation by the complex amplitude modulation region CAM. Thus, according to the present invention, the diffracted light component that undergoes phase modulation by the complex amplitude modulation area CAM among the diffracted light from the sample, using the ratio n of the complex amplitude modulation area CAM occupying the pupil of the imaging optical system. Is calculated. The fourth term represents a component of diffracted light that has been subjected to amplitude modulation by the amplitude modulation area AM. Since I (x) is the intensity distribution of the image when the intensity of the bright field image in the absence of the object is 1, it is necessary to measure or estimate the intensity of the bright field image in the absence of the object. In this case, it can be estimated in consideration of the amplitude transmittance α of the complex amplitude modulation region CAM.

式(4)を見てわかるように、試料と関係するU(x)とU0以外は既知のものである。よって、U0は試料が透明であれば1と近似することができるため、強度分布I(x)からU(x)、つまり試料の位相分布を推定することができる。つまり、撮像素子106により得られる試料の画像情報と式(4)とに基づいて、試料の位相差量分布を算出することができる。式(4)では、上述したように特許文献1に開示の第1、2項に加え、第3項(直接光と同じ位相変調を受ける回折光成分)、第4項(直接光と異なる振幅変調を受ける回折光成分)に基づき試料の位相差量分布を算出することを特徴とする。また、試料に吸収がある場合はあらかじめ明視野像を撮影し像強度の平方根を計算することでU(x)の振幅透過率分布やU0を求めることができるため、その値を利用してU(x)の位相分布を推定することができる。 As can be seen from the equation (4), other than U (x) and U 0 related to the sample are known. Therefore, U 0 can be approximated to 1 if the sample is transparent, so U (x), that is, the phase distribution of the sample can be estimated from the intensity distribution I (x). That is, the phase difference amount distribution of the sample can be calculated based on the sample image information obtained by the image sensor 106 and the equation (4). In Expression (4), in addition to the first and second terms disclosed in Patent Document 1, as described above, the third term (diffracted light component that undergoes the same phase modulation as that of direct light) and the fourth term (amplitude different from that of direct light) The phase difference distribution of the sample is calculated based on the diffracted light component that is modulated). Also, if the sample has absorption, it is possible to obtain U (x) amplitude transmittance distribution and U 0 by taking a bright field image in advance and calculating the square root of the image intensity. The phase distribution of U (x) can be estimated.

また、実際に得られる像の強度分布I(x)_rは誤差などの影響により、強度変調量Aやオフセット量Bによって式(5)のように変化することが予想される。   Further, the intensity distribution I (x) _r of the actually obtained image is expected to change as shown in Expression (5) depending on the intensity modulation amount A and the offset amount B due to the influence of errors and the like.

I(x)_r=A・I(x)+B … (5)
そのため精度よく試料の位相分布を推定する場合は、複素振幅変調領域CAMの位相変調量を変える、もしくは照明する際の波長を変えるなど異なる条件で得られた複数の画像を使用して推定することが望ましい。具体的には、上述の振幅透過率α、振幅透過率β、位相変調量ε、割合n、のうち少なくとも1つを変えて撮像することで得られる複数の画像情報から、試料103の位相差量分布を算出することが望ましい。また、光源の波長を変えて撮像することで得られる複数の画像情報から、試料103の位相差量分布を算出してもよい。
I (x) _r = A · I (x) + B (5)
Therefore, when accurately estimating the phase distribution of the sample, use a plurality of images obtained under different conditions such as changing the phase modulation amount of the complex amplitude modulation region CAM or changing the wavelength when illuminating. Is desirable. Specifically, the phase difference of the sample 103 is determined from a plurality of pieces of image information obtained by changing at least one of the above-described amplitude transmittance α, amplitude transmittance β, phase modulation amount ε, and ratio n. It is desirable to calculate the quantity distribution. Further, the phase difference amount distribution of the sample 103 may be calculated from a plurality of pieces of image information obtained by changing the wavelength of the light source.

また、白色の光源を用いて試料の位相分布を推定する際に誤差を小さくするため、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合n(0<n<1)は、以下の式(6)を満たすことが好ましい。   In order to reduce the error when estimating the phase distribution of the sample using a white light source, the ratio n (0 <n <1) of the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil of the imaging optical system is as follows: It is preferable to satisfy Expression (6).

0.4 < n < 0.6 … (6)
このことについて図4を用いて説明する。図4は式(4)を用いて横軸に試料の位相分布、縦軸に像の強度を算出したものである。図4では、600nmの波長で複素振幅変調領域CAMの位相変調量εにπ/2の位相差量を与えた場合に400nm、800nmで像の強度がどのようになるかを示している。また、図4(a)、(b)は瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.1、0.5とした場合で、複素振幅変調領域CAMの振幅透過率αなどは変調せずに透明な位相物体を想定している。図4(a)を見てわかるように瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nが0.1であると、波長によって像の最大強度や試料の位相分布に対する像強度のピーク位置が大きく変わっている。それに対し図4(b)のように瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.5とすると、波長によって像の最大強度や試料の位相分布に対する像強度のピーク位置が大きく変わらない。そのため、白色の光源を用いて試料の位相分布を想定する際は瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nは式(6)を満たすような値とし、nを0.5に近い値とすることが好ましい。
0.4 <n <0.6 (6)
This will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the phase distribution of the sample on the horizontal axis and the intensity of the image on the vertical axis using Equation (4). FIG. 4 shows how the image intensity becomes 400 nm and 800 nm when a phase difference amount of π / 2 is given to the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM at a wavelength of 600 nm. 4A and 4B show the case where the ratio n of the complex amplitude modulation area CAM occupying the pupil is 0.1 and 0.5, and the amplitude transmittance α of the complex amplitude modulation area CAM is not modulated. Without assuming a transparent phase object. As can be seen from FIG. 4A, when the ratio n of the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil is 0.1, the maximum intensity of the image and the peak position of the image intensity with respect to the phase distribution of the sample greatly change depending on the wavelength. ing. On the other hand, when the ratio n of the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil is 0.5 as shown in FIG. 4B, the maximum image intensity and the peak position of the image intensity with respect to the phase distribution of the sample do not change greatly depending on the wavelength. Therefore, when the phase distribution of the sample is assumed using a white light source, the ratio n of the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil is set to a value satisfying Equation (6), and n is set to a value close to 0.5. It is preferable.

従来の一般的な位相差顕微鏡や暗視野顕微鏡と本発明の位相差観察装置10の構成で主に異なっている部分は対物レンズ内に配置された複素振幅変調領域CAM、振幅変調領域AMと照明光学系内に配置された開口IAである。そのため、これらが変わった際の効果をシミュレーションによって示す。シミュレーションの条件は波長λを550nmとしている。また、試料は、像強度が位相分布を定量的に可視化していることを確認するため、図5に示すように位相が0〜4πまで線形的に増加する矩形の物体とした。また、本実施例では物体を完全な透明物体としている。   The main differences between the conventional general phase contrast microscope and dark field microscope and the configuration of the phase difference observation apparatus 10 of the present invention are the complex amplitude modulation area CAM, amplitude modulation area AM and illumination arranged in the objective lens. An aperture IA is arranged in the optical system. Therefore, the effect when these change is shown by simulation. The simulation condition is that the wavelength λ is 550 nm. The sample was a rectangular object whose phase increased linearly from 0 to 4π as shown in FIG. 5 in order to confirm that the image intensity quantitatively visualized the phase distribution. In this embodiment, the object is a completely transparent object.

以下の図6、図7に示したNA0.2の時のシミュレーション結果を用いて実施例1の位相差観察装置10について詳細に説明する。図6では複素振幅変調領域CAMの位相変調量εをπ/2、振幅透過率αを0.7、振幅変調領域AMの振幅透過率βを1、複素振幅変調領域CAMと開口IAは相似な形状としている。図6は従来の一般的な位相差顕微鏡を想定しており、図6(a)の上段と下段は複素振幅変調領域CAMと開口IAを表している。また、図6(b)はシミュレーションの二次元画像、図6(c)は図6(b)の物体像を縦方向に切り物体のある部分のみを抜き出した断面図であり、縦軸は像の強度である。図6(b)を見てわかるように物体の横方向には位相分布がないにもかかわらず像強度の変化がみられる。また、図6(c)を見てわかるように物体の位相差量が0と4πで不連続となって像強度に周期性がないことが分かる。これらの結果からも一般的な位相差顕微鏡では像強度に定量性がないことが分かる。   The phase difference observation apparatus 10 according to the first embodiment will be described in detail with reference to the simulation results at the time of NA 0.2 shown in FIGS. 6 and 7 below. In FIG. 6, the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM is π / 2, the amplitude transmittance α is 0.7, the amplitude transmittance β of the amplitude modulation region AM is 1, and the complex amplitude modulation region CAM and the opening IA are similar. It has a shape. FIG. 6 assumes a conventional general phase-contrast microscope, and the upper stage and the lower stage of FIG. 6A represent a complex amplitude modulation region CAM and an opening IA. 6B is a two-dimensional image of the simulation, FIG. 6C is a cross-sectional view of the object image of FIG. 6B cut in the vertical direction, and only a portion with the object is extracted, and the vertical axis is the image. Of strength. As can be seen from FIG. 6B, a change in image intensity is observed in the lateral direction of the object even though there is no phase distribution. Further, as can be seen from FIG. 6C, it can be seen that the phase difference amount of the object becomes discontinuous at 0 and 4π, and the image intensity has no periodicity. From these results, it is understood that the image intensity is not quantitative in a general phase contrast microscope.

図7では複素振幅変調領域CAMの位相変調量εをπ/2、振幅透過率αを0.7、振幅変調領域AMの振幅透過率βを1、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.5としている。図7(a)の上段と下段は複素振幅変調領域CAMと開口IA、図7(b)はシミュレーションの二次元画像、図7(c)は図7(b)の物体像を縦方向に切り物体のある部分のみを抜き出した断面図であり、縦軸は像の強度である。図7(c)にはシミュレーションによる像強度を実線、式(4)の理論式によって推定した強度を点線で示している。   In FIG. 7, the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM is π / 2, the amplitude transmittance α is 0.7, the amplitude transmittance β of the amplitude modulation region AM is 1, and the complex amplitude modulation that occupies the pupil of the imaging optical system The ratio n of the area CAM is set to 0.5. 7A shows the complex amplitude modulation area CAM and the aperture IA, FIG. 7B shows the simulation two-dimensional image, and FIG. 7C shows the object image shown in FIG. 7B cut in the vertical direction. It is sectional drawing which extracted only the part with an object, and a vertical axis | shaft is the intensity | strength of an image. In FIG. 7C, the image intensity by simulation is indicated by a solid line, and the intensity estimated by the theoretical expression of Expression (4) is indicated by a dotted line.

図7(a)に示すように複素振幅変調領域CAMは光軸AXを中心として5.625°の角度で放射状に延びるように、また角度ピッチが11.25°となるように設定した。放射状に延びた複素振幅変調領域CAMの円弧の長さは0.087であり、式(1)の右辺は0.33である。このため、直径Rの円は、複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置しても複素振幅変調領域CAMに内包されない。図7(b)を見てわかるように、図6(b)と違って像の横方向には像強度の変化がない。また、図7(c)を見てわかるようにシミュレーションの結果である実線と式(4)の理論式によって推定した点線の強度誤差は、最大強度の10%以下に抑えられている。これらの結果から本実施例では物体の位相分布を定量的に可視化し、物体の位相分布を正しく推定できていることが分かる。   As shown in FIG. 7A, the complex amplitude modulation region CAM was set so as to extend radially at an angle of 5.625 ° with the optical axis AX as the center, and the angular pitch was 11.25 °. The length of the arc of the complex amplitude modulation region CAM extending radially is 0.087, and the right side of Equation (1) is 0.33. For this reason, the circle with the diameter R is not included in the complex amplitude modulation region CAM even if it is arranged at an arbitrary position in the complex amplitude modulation region CAM. As can be seen from FIG. 7B, unlike FIG. 6B, there is no change in image intensity in the horizontal direction of the image. Further, as can be seen from FIG. 7C, the intensity error between the solid line, which is the result of the simulation, and the dotted line estimated by the theoretical expression (4) is suppressed to 10% or less of the maximum intensity. From these results, it can be seen that in this embodiment, the phase distribution of the object is quantitatively visualized and the phase distribution of the object can be estimated correctly.

以下の図8に示したNA0.2の時のシミュレーション結果を用いて実施例2の位相差観察装置10について詳細に説明する。特に述べない部分については実施例1と同様である。   The phase difference observation apparatus 10 according to the second embodiment will be described in detail with reference to the simulation result at NA 0.2 shown in FIG. Portions that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.

図8では複素振幅変調領域CAMの位相変調量εを0、振幅透過率αを0.25、振幅変調領域AMの振幅透過率βを1、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.3としている。図8(a)の上段と下段は複素振幅変調領域CAMと開口IA、図8(b)はシミュレーションの二次元画像、図8(c)は図8(b)の物体像を縦方向に切り物体のある部分のみを抜き出した断面図であり、縦軸は像の強度である。図8(c)にはシミュレーションによる像強度を実線、式(4)の理論式によって推定した強度を点線で示している。   In FIG. 8, the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM is 0, the amplitude transmittance α is 0.25, the amplitude transmittance β of the amplitude modulation region AM is 1, and the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil of the imaging optical system The ratio n is 0.3. 8A shows the complex amplitude modulation area CAM and the aperture IA, FIG. 8B shows the simulation two-dimensional image, and FIG. 8C shows the object image shown in FIG. 8B cut in the vertical direction. It is sectional drawing which extracted only the part with an object, and a vertical axis | shaft is the intensity | strength of an image. In FIG. 8C, the image intensity by simulation is indicated by a solid line, and the intensity estimated by the theoretical expression of Expression (4) is indicated by a dotted line.

ランダムドットである複素振幅変調領域CAMのそれぞれのドットの径は0.05であり、式(1)の右辺は0.33である。このため、直径Rの円は、複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置しても複素振幅変調領域CAMに内包されない。図8(b)を見てわかるように、図6(b)と違って像の横方向には像強度の変化がない。また、図8(c)を見てわかるようにシミュレーションの結果である実線と式(4)の理論式によって推定した点線の強度誤差は、最大強度の10%以下に抑えられている。これらの結果から本実施例では物体の位相分布を定量的に可視化し、物体の位相分布を正しく推定できていることが分かる。   The diameter of each dot of the complex amplitude modulation area CAM, which is a random dot, is 0.05, and the right side of Equation (1) is 0.33. For this reason, the circle with the diameter R is not included in the complex amplitude modulation region CAM even if it is arranged at an arbitrary position in the complex amplitude modulation region CAM. As can be seen from FIG. 8B, unlike FIG. 6B, there is no change in image intensity in the horizontal direction of the image. Further, as can be seen from FIG. 8C, the intensity error between the solid line, which is the result of the simulation, and the dotted line estimated by the theoretical expression of Expression (4) is suppressed to 10% or less of the maximum intensity. From these results, it can be seen that in this embodiment, the phase distribution of the object is quantitatively visualized and the phase distribution of the object can be estimated correctly.

以下の図9に示したNA0.2の時のシミュレーション結果を用いて実施例3の位相差観察装置10について詳細に説明する。特に述べない部分については実施例1と同様である。   The phase difference observation apparatus 10 according to the third embodiment will be described in detail with reference to the simulation result at NA 0.2 shown in FIG. Portions that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.

図9では複素振幅変調領域CAMの位相変調量εを0、振幅透過率αを1、振幅変調領域AMの振幅透過率βを0、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.5としている。図9(a)の上段と下段は複素振幅変調領域CAMと開口IA、図9(b)はシミュレーションの二次元画像、図9(c)は図9(b)の物体像を縦方向に切り物体のある部分のみを抜き出した断面図であり、縦軸は像の強度である。図9(c)にはシミュレーションによる像強度を実線、式(4)の理論式によって推定した強度を点線で示している。   In FIG. 9, the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM is 0, the amplitude transmittance α is 1, the amplitude transmittance β of the amplitude modulation region AM is 0, and the ratio of the complex amplitude modulation region CAM in the pupil of the imaging optical system n is set to 0.5. 9A shows the complex amplitude modulation region CAM and the aperture IA, FIG. 9B shows the simulation two-dimensional image, and FIG. 9C shows the object image shown in FIG. 9B cut in the vertical direction. It is sectional drawing which extracted only the part with an object, and a vertical axis | shaft is the intensity | strength of an image. In FIG. 9C, the image intensity by simulation is indicated by a solid line, and the intensity estimated by the theoretical expression of Expression (4) is indicated by a dotted line.

多重輪帯である複素振幅変調領域CAMのそれぞれの輪帯幅は0.05であり、式(1)の右辺は0.33である。このため、直径Rの円は、複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置しても複素振幅変調領域CAMに内包されない。図9(b)を見てわかるように、図6(b)と違って像の横方向には像強度の変化がない。また、図9(c)を見てわかるようにシミュレーションの結果である実線と式(4)の理論式によって推定した点線の強度誤差は、最大強度の10%以下に抑えられている。これらの結果から本実施例では物体の位相分布を定量的に可視化し、物体の位相分布を正しく推定できていることが分かる。   Each annular width of the complex amplitude modulation region CAM which is a multiple annular zone is 0.05, and the right side of Equation (1) is 0.33. For this reason, the circle with the diameter R is not included in the complex amplitude modulation region CAM even if it is arranged at an arbitrary position in the complex amplitude modulation region CAM. As can be seen from FIG. 9B, unlike FIG. 6B, there is no change in image intensity in the horizontal direction of the image. Further, as can be seen from FIG. 9C, the intensity error between the solid line, which is the result of the simulation, and the dotted line estimated by the theoretical expression of Expression (4) is suppressed to 10% or less of the maximum intensity. From these results, it can be seen that in this embodiment, the phase distribution of the object is quantitatively visualized and the phase distribution of the object can be estimated correctly.

以下の図10に示したNA0.7の時のシミュレーション結果を用いて実施例4の位相差観察装置10について詳細に説明する。特に述べない部分については実施例1と同様である。   The phase difference observation apparatus 10 according to the fourth embodiment will be described in detail with reference to a simulation result at NA 0.7 shown in FIG. Parts not specifically mentioned are the same as those in the first embodiment.

図10では複素振幅変調領域CAMの位相変調量εを3π/2、振幅透過率αを1、振幅変調領域AMの振幅透過率βを1、結像光学系の瞳に占める複素振幅変調領域CAMの割合nを0.5としている。図10(a)の上段と下段は複素振幅変調領域CAMと開口IA、図10(b)はシミュレーションの二次元画像、図10(c)は図10(b)の物体像を縦方向に切り物体のある部分のみを抜き出した断面図であり、縦軸は像の強度である。図10(c)にはシミュレーションによる像強度を実線、式(4)の理論式によって推定した強度を点線で示している。   In FIG. 10, the phase modulation amount ε of the complex amplitude modulation region CAM is 3π / 2, the amplitude transmittance α is 1, the amplitude transmittance β of the amplitude modulation region AM is 1, and the complex amplitude modulation region CAM occupying the pupil of the imaging optical system The ratio n is set to 0.5. 10A shows the complex amplitude modulation region CAM and the aperture IA, FIG. 10B shows the simulation two-dimensional image, and FIG. 10C shows the object image shown in FIG. 10B cut in the vertical direction. It is sectional drawing which extracted only the part with an object, and a vertical axis | shaft is the intensity | strength of an image. In FIG. 10C, the image intensity by simulation is indicated by a solid line, and the intensity estimated by the theoretical expression of Expression (4) is indicated by a dotted line.

図10(a)に示すように複素振幅変調領域CAMは光軸AXを中心として2.8125°の角度で放射状に延びるように、また角度ピッチが5.625°となるように設定した。放射状に延びた複素振幅変調領域CAMの円弧の長さは0.044であり、式(1)の右辺は0.094である。このため、直径Rの円は、複素振幅変調領域CAMの任意の位置に配置しても複素振幅変調領域CAMに内包されない。図10(b)を見てわかるように、図6(b)と違って像の横方向には像強度の変化がない。また、図10(c)を見てわかるようにシミュレーションの結果である実線と式(4)の理論式によって推定した点線の強度誤差は、最大強度の10%以下に抑えられている。これらの結果から本実施例では物体の位相分布を定量的に可視化し、物体の位相分布を正しく推定できていることが分かる。   As shown in FIG. 10A, the complex amplitude modulation region CAM was set so as to extend radially at an angle of 2.8125 ° around the optical axis AX and to have an angular pitch of 5.625 °. The length of the arc of the complex amplitude modulation region CAM extending radially is 0.044, and the right side of Equation (1) is 0.094. For this reason, the circle with the diameter R is not included in the complex amplitude modulation region CAM even if it is arranged at an arbitrary position in the complex amplitude modulation region CAM. As can be seen from FIG. 10B, unlike FIG. 6B, there is no change in image intensity in the horizontal direction of the image. Further, as can be seen from FIG. 10C, the intensity error between the solid line, which is the result of the simulation, and the dotted line estimated by the theoretical expression (4) is suppressed to 10% or less of the maximum intensity. From these results, it can be seen that in this embodiment, the phase distribution of the object is quantitatively visualized and the phase distribution of the object can be estimated correctly.

本発明によれば、従来の位相差顕微鏡や暗視野顕微鏡の構成を大きく変えることなく、取得した画像から位相分布を低い計算コストで定量的に可視化する位相差観察装置を提供することができる。つまり、本発明によれば、試料の位相分布の可視化に有利な位相差観察装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the phase difference observation apparatus which visualizes a phase distribution quantitatively with low calculation cost from the acquired image can be provided, without changing the structure of the conventional phase-contrast microscope and a dark field microscope significantly. That is, according to the present invention, it is possible to provide a phase difference observation apparatus that is advantageous for visualizing the phase distribution of a sample.

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば本実施例では透過照明としたが落射照明として構成してもよい。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist. For example, although the transmission illumination is used in this embodiment, it may be configured as epi-illumination.

例えば、上述の実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムを、記録媒体から直接、或いは有線/無線通信を用いてプログラムを実行可能なコンピュータを有するシステム又は装置に供給し、そのプログラムを実行する場合も本発明に含む。   For example, when a software program that implements the functions of the above-described embodiments is supplied from a recording medium directly to a system or apparatus having a computer that can execute the program using wired / wireless communication, and the program is executed Are also included in the present invention.

従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータに供給、インストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明の機能処理を実現するための手順が記述されたコンピュータプログラム自体も本発明に含まれる。   Accordingly, the program code itself supplied and installed in the computer in order to implement the functional processing of the present invention by the computer also realizes the present invention. That is, the present invention includes a computer program itself in which a procedure for realizing the functional processing of the present invention is described.

その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、OSに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、ハードディスク、磁気テープ等の磁気記録媒体、光/光磁気記憶媒体、不揮発性の半導体メモリでもよい。   In this case, the program may be in any form as long as it has a program function, such as an object code, a program executed by an interpreter, or script data supplied to the OS. The recording medium for supplying the program may be, for example, a magnetic recording medium such as a hard disk or a magnetic tape, an optical / magneto-optical storage medium, or a nonvolatile semiconductor memory.

また、プログラムの供給方法としては、コンピュータネットワーク上のサーバに本発明を形成するコンピュータプログラムを記憶し、接続のあったクライアントコンピュータはがコンピュータプログラムをダウンロードしてプログラムするような方法も考えられる。   As a program supply method, a computer program that forms the present invention is stored in a server on a computer network, and a connected client computer downloads and programs the computer program.

本発明は、生物試料や生体組織などを観察する位相差顕微鏡や暗視野顕微鏡に好適に利用できる。   The present invention can be suitably used for a phase contrast microscope or a dark field microscope for observing a biological sample or a biological tissue.

10 位相差観察装置
104 対物レンズ
105 変調部
106 撮像素子
107 画像処理系
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Phase difference observation apparatus 104 Objective lens 105 Modulation part 106 Image sensor 107 Image processing system

Claims (16)

試料の像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系に設けられ、入射する光を変調する第1変調領域を有する変調部と、
前記結像光学系を介して前記試料を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られる画像情報と、前記試料からの回折光のうち前記第1変調領域によって変調を受ける回折光成分と、に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出する算出手段と、を有することを特徴とする観察装置。
An imaging optical system for forming an image of the sample;
A modulation unit provided in the imaging optical system and having a first modulation region for modulating incident light;
Imaging means for imaging the sample via the imaging optical system;
Calculation means for calculating a phase difference amount distribution of the sample based on image information obtained by the imaging means and a diffracted light component modulated by the first modulation region among diffracted light from the sample; An observation apparatus comprising:
前記算出手段は、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合を用いて前記回折光成分を算出することを特徴とする請求項1に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates the diffracted light component using a ratio of the first modulation region to a pupil of the imaging optical system. 前記算出手段は、物体がないところでの明視野像の強度を1としたときの像の強度分布をI(x)、前記試料の複素振幅透過率分布をU(x)、前記U(x)の平均値をU0、前記第1変調領域の振幅透過率をα、前記変調部における前記第1変調領域とは異なる第2変調領域の振幅透過率をβ、前記第1変調領域の位相変調量をε、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合をn(0<n<1)、虚数単位をi、とするとき、
I(x)=|U(x)-U0(1-α・exp{iε})-n(U(x)-U0)(1-α・exp{iε})-(1-n)(U(x)-U0)(1-β)|
なる式に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の観察装置。
The calculating means sets the intensity distribution of the image when the intensity of the bright field image in the absence of an object is 1, I (x), the complex amplitude transmittance distribution of the sample is U (x), and the U (x) U 0 , the amplitude transmittance of the first modulation region is α, the amplitude transmittance of the second modulation region different from the first modulation region in the modulator is β, and the phase modulation of the first modulation region When the amount is ε, the ratio of the first modulation region in the pupil of the imaging optical system is n (0 <n <1), and the imaginary unit is i,
I (x) = | U (x) -U 0 (1-α · exp {iε})-n (U (x) -U 0 ) (1-α · exp {iε})-(1-n) (U (x) -U 0 ) (1-β) | 2
The observation apparatus according to claim 1, wherein a phase difference amount distribution of the sample is calculated based on the following formula.
前記算出手段は、前記第1変調領域の振幅透過率α、前記第2変調領域の振幅透過率β、前記第1変調領域の位相変調量ε、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合n(0<n<1)、のうち少なくとも1つを変えて撮像して得られた複数の画像情報に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出することを特徴とする請求項3に記載の観察装置。   The calculating means includes an amplitude transmittance α of the first modulation region, an amplitude transmittance β of the second modulation region, a phase modulation amount ε of the first modulation region, and the first occupying the pupil of the imaging optical system. The phase difference amount distribution of the sample is calculated based on a plurality of pieces of image information obtained by imaging at least one of the modulation area ratios n (0 <n <1). The observation apparatus according to claim 3. 光源からの光で前記試料を照明する照明光学系を備え、
前記照明光学系は、開口が設けられた開口絞りを有し、
前記変調部は、前記開口と共役な位置に配置され、前記第1変調領域と異なる第2変調領域を有し、
前記第1変調領域は、前記開口を通過した前記光源からの直接光が入射するように配置され、
前記第2変調領域は、前記直接光が入射しないように配置されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の観察装置。
An illumination optical system that illuminates the sample with light from a light source;
The illumination optical system has an aperture stop provided with an aperture,
The modulation unit is disposed at a position conjugate with the opening, and has a second modulation region different from the first modulation region,
The first modulation region is arranged so that direct light from the light source that has passed through the opening is incident;
The observation apparatus according to claim 1, wherein the second modulation region is arranged so that the direct light is not incident thereon.
前記試料から前記変調部までの合成焦点距離をf、前記結像光学系の前記試料の側の開口数をNA、前記光源の最大波長をλ(μm)、Rn=0.12×λ/NA、とするとき、
Rn=R/(NA×f)
なる式を満たす直径Rの円を前記変調部の任意の位置に配置した場合、前記第1変調領域または前記第2変調領域は該円を内包しない大きさであることを特徴とする請求項5に記載の観察装置。
The composite focal length from the sample to the modulation unit is f, the numerical aperture on the sample side of the imaging optical system is NA, the maximum wavelength of the light source is λ (μm), Rn = 0.12 × λ / NA , And when
Rn = R / (NA × f)
6. When a circle having a diameter R that satisfies the following formula is arranged at an arbitrary position of the modulation section, the first modulation area or the second modulation area is a size that does not include the circle. The observation apparatus described in 1.
前記算出手段は、前記光源の波長を変えて撮像して得られた複数の画像情報に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出することを特徴とする請求項5または6に記載の観察装置。   7. The observation according to claim 5, wherein the calculation unit calculates a phase difference amount distribution of the sample based on a plurality of pieces of image information obtained by imaging while changing the wavelength of the light source. apparatus. 前記第1変調領域は、光軸を中心として回転対称な形状を有し、前記光軸を中心とした円の周方向よりも径方向に長い形状を有することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の観察装置。   The first modulation region has a shape that is rotationally symmetric about an optical axis, and has a shape that is longer in a radial direction than a circumferential direction of a circle around the optical axis. The observation apparatus according to any one of the above. 前記第1変調領域は、前記光軸を中心として放射状に延びる形状、または、螺旋形状を有することを特徴とする請求項8に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 8, wherein the first modulation region has a shape extending radially around the optical axis or a spiral shape. 前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合n(0<n<1)が、
0.4 < n < 0.6
なる式を満たすことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の観察装置。
The ratio n (0 <n <1) of the first modulation area in the pupil of the imaging optical system is
0.4 <n <0.6
The observation apparatus according to claim 1, wherein the following expression is satisfied.
結像光学系に設けられる第1変調領域を有する変調部を介した撮像により得られる試料の画像情報と、前記試料からの回折光のうち前記第1変調領域によって変調を受ける回折光成分と、に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出する算出ステップを有することを特徴とする演算方法。   Image information of a sample obtained by imaging through a modulation unit having a first modulation region provided in the imaging optical system, and a diffracted light component modulated by the first modulation region of the diffracted light from the sample, And a calculation step of calculating a phase difference amount distribution of the sample based on the calculation method. 前記算出ステップは、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合を用いて前記回折光成分を算出することを特徴とする請求項11に記載の演算方法。   The calculation method according to claim 11, wherein the calculating step calculates the diffracted light component using a ratio of the first modulation region occupying a pupil of the imaging optical system. 前記算出ステップは、物体がないところでの明視野像の強度を1としたときの像の強度分布をI(x)、前記試料の複素振幅透過率分布をU(x)、前記U(x)の平均値をU0、前記第1変調領域の振幅透過率をα、前記変調部における前記第1変調領域とは異なる第2変調領域の振幅透過率をβ、前記第1変調領域の位相変調量をε、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合をn(0<n<1)、虚数単位をi、とするとき、
I(x)=|U(x)-U0(1-α・exp{iε})-n(U(x)-U0)(1-α・exp{iε})-(1-n)(U(x)-U0)(1-β)|
なる式に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出することを特徴とする請求項11または12に記載の演算方法。
In the calculation step, the intensity distribution of the image when the intensity of the bright field image in the absence of an object is 1 is I (x), the complex amplitude transmittance distribution of the sample is U (x), and the U (x) U 0 , the amplitude transmittance of the first modulation region is α, the amplitude transmittance of the second modulation region different from the first modulation region in the modulator is β, and the phase modulation of the first modulation region When the amount is ε, the ratio of the first modulation region in the pupil of the imaging optical system is n (0 <n <1), and the imaginary unit is i,
I (x) = | U (x) -U 0 (1-α · exp {iε})-n (U (x) -U 0 ) (1-α · exp {iε})-(1-n) (U (x) -U 0 ) (1-β) | 2
The calculation method according to claim 11 or 12, wherein a phase difference amount distribution of the sample is calculated based on the following formula.
結像光学系に設けられる第1変調領域を有する変調部を介した撮像により得られる試料の画像情報と、前記試料からの回折光のうち前記第1変調領域によって変調を受ける回折光成分と、に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出する算出手段を有することを特徴とする演算装置。   Image information of a sample obtained by imaging through a modulation unit having a first modulation region provided in the imaging optical system, and a diffracted light component modulated by the first modulation region of the diffracted light from the sample, And a calculation means for calculating a phase difference distribution of the sample based on the above. 前記算出手段は、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合を用いて前記回折光成分を算出することを特徴とする請求項14に記載の演算装置。   15. The arithmetic device according to claim 14, wherein the calculation unit calculates the diffracted light component using a ratio of the first modulation region occupying a pupil of the imaging optical system. 前記算出手段は、物体がないところでの明視野像の強度を1としたときの像の強度分布をI(x)、前記試料の複素振幅透過率分布をU(x)、前記U(x)の平均値をU0、前記第1変調領域の振幅透過率をα、前記変調部における前記第1変調領域とは異なる第2変調領域の振幅透過率をβ、前記第1変調領域の位相変調量をε、前記結像光学系の瞳に占める前記第1変調領域の割合をn(0<n<1)、虚数単位をi、とするとき、
I(x)=|U(x)-U0(1-α・exp{iε})-n(U(x)-U0)(1-α・exp{iε})-(1-n)(U(x)-U0)(1-β)|
なる式に基づいて、前記試料の位相差量分布を算出することを特徴とする請求項14または15に記載の演算装置。
The calculating means sets the intensity distribution of the image when the intensity of the bright field image in the absence of an object is 1, I (x), the complex amplitude transmittance distribution of the sample is U (x), and the U (x) U 0 , the amplitude transmittance of the first modulation region is α, the amplitude transmittance of the second modulation region different from the first modulation region in the modulator is β, and the phase modulation of the first modulation region When the amount is ε, the ratio of the first modulation region in the pupil of the imaging optical system is n (0 <n <1), and the imaginary unit is i,
I (x) = | U (x) -U 0 (1-α · exp {iε})-n (U (x) -U 0 ) (1-α · exp {iε})-(1-n) (U (x) -U 0 ) (1-β) | 2
The arithmetic unit according to claim 14 or 15, wherein a phase difference amount distribution of the sample is calculated based on the following formula.
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WO2020250875A1 (en) * 2019-06-10 2020-12-17 オリンパス株式会社 Observation device

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