JP2016206652A - Imaging method of three-dimensional structure of sample and microscope device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超解像顕微鏡法による試料の3次元構造の撮像方法に関する。 The present invention relates to a method for imaging a three-dimensional structure of a sample by super-resolution microscopy.
超解像顕微鏡法により、可視光の回折限界を超える高分解能が達成できることが知られている。超解像顕微鏡法の1つである局在系顕微鏡法では、視野内の蛍光物質を励起すると、物質から蛍光がランダムに放出される。これを結像光学系を用いて撮像素子上に複数回に分けて結像させてそれぞれの画像の輝点の位置情報を求める。そして、各画像で検出された輝点の情報を1つの画像に重ね合わせることにより、可視光の波長による分解能を超える微細構造の画像を得る。 It is known that high resolution exceeding the diffraction limit of visible light can be achieved by super-resolution microscopy. In localized microscopy, which is one of super-resolution microscopy, when a fluorescent substance in the field of view is excited, fluorescence is emitted randomly from the substance. This is imaged in a plurality of times on the image sensor using an imaging optical system, and the position information of the bright spot of each image is obtained. Then, by superimposing the bright spot information detected in each image on one image, an image having a fine structure exceeding the resolution by the wavelength of visible light is obtained.
従来より、局在系顕微鏡法を用いて試料の3次元画像を得る技術も存在している。
例えば、非特許文献1は、シリンドリカルレンズを用いた方法である。シリンドリカルレンズを用いる方法では、シリンドリカルレンズを光路上に配置することで発生する非点収差を利用する。すなわち、非点収差によって試料からの光は、楕円の形状となり、z方向の座標により、楕円率は変化する。このことから、楕円率よりz方向の位置、すなわち高さの情報を得て、局在系顕微鏡法により得たxy方向の画像にz方向の高さ情報を加えて3次元画像を生成する。
Conventionally, there also exists a technique for obtaining a three-dimensional image of a sample by using a local microscope.
For example, Non-Patent Document 1 is a method using a cylindrical lens. In the method using the cylindrical lens, astigmatism generated by arranging the cylindrical lens on the optical path is used. That is, the light from the sample has an elliptical shape due to astigmatism, and the ellipticity changes depending on the coordinates in the z direction. From this, the information on the position in the z direction, that is, the height is obtained from the ellipticity, and the height information in the z direction is added to the image in the xy direction obtained by the local microscope, thereby generating a three-dimensional image.
非特許文献2は二重らせんを用いる方法である。二重らせん(double helix)を用いる方法では、位相変調をおこなうことによりPSF(Point Spread Function、点拡がり関数)を二重らせん形状とする。このため、あるzについてのxy面の画像には、2点が映り込み、2点の回転角は、z方向の座標によることとなる。こうして、2点の回転角とz方向の位置すなわち高さの情報との関係から高さ情報を得て、局在系顕微鏡法により得たxy方向の画像にz方向の高さ情報を加えて3次元画像を生成する。 Non-Patent Document 2 is a method using a double helix. In the method using a double helix, PSF (Point Spread Function) is formed into a double helix by performing phase modulation. For this reason, two points appear in the image on the xy plane for a certain z, and the rotation angle of the two points depends on the coordinates in the z direction. Thus, height information is obtained from the relationship between the two rotation angles and the z-direction position, that is, height information, and the z-direction height information is added to the xy-direction image obtained by the local microscopy. A three-dimensional image is generated.
上記のシリンドリカルレンズや二重らせんを用いて局在顕微鏡法による3次元画像を生成する方法では、通常の局在顕微鏡法のように、ガウシアンフィッティングや重心検出により輝点のxy位置を求めることができない。すなわち、z位置によりPSF形状が変わることから、輝点のxy位置を求めるためのフィッティング等の算出処理が複雑になってしまう。 In the method of generating a three-dimensional image by local microscopy using the above-mentioned cylindrical lens or double helix, the xy position of the bright spot can be obtained by Gaussian fitting or centroid detection as in the case of normal local microscopy. Can not. That is, since the PSF shape changes depending on the z position, calculation processing such as fitting for obtaining the xy position of the bright spot becomes complicated.
また、局在系顕微鏡法では、輝点密度が低いと数多くの画像が必要となるため、撮像時間が増大する。そのため、撮像時間を短縮しようとすると蛍光物質のラベリング(すなわち蛍光標識すること)などの実験条件を調整して輝点密度が高くなるようにする必要があり、同様に輝点のxy位置を求めるためのフィッティング等の算出処理が複雑になってしまう。 In the local microscopy, if the bright spot density is low, a large number of images are required, which increases the imaging time. Therefore, in order to shorten the imaging time, it is necessary to adjust the experimental conditions such as labeling (that is, fluorescent labeling) of the fluorescent substance so that the bright spot density is increased, and similarly, the xy position of the bright spot is obtained. Therefore, calculation processing such as fitting becomes complicated.
本発明は、局在系顕微鏡法において、演算処理を複雑化させることなく、簡単に試料の3次元構造の撮像を可能とする技術を提供することを目的とする。また、輝点密度が高い場合においても演算処理を複雑化させることなく、簡単に試料の3次元構造の撮像を可能とする技術を提供することを第2の目的とする。 It is an object of the present invention to provide a technique that enables easy imaging of a three-dimensional structure of a sample without complicating arithmetic processing in localized microscopy. It is a second object of the present invention to provide a technique that enables easy imaging of a three-dimensional structure of a sample without complicating arithmetic processing even when the bright spot density is high.
本発明の一態様に係る試料の3次元構造を撮像する方法によれば、所定の波長の光により励起した場合に蛍光性を有する第1の状態と蛍光性を有しない第2の状態とをスイッチング可能な物質により、前記試料の構造をラベリングする工程と、前記所定の波長の光により照明光学系を用いて前記物質を照明し、前記第1の状態にある物質の少なくとも一部を励起する工程と、前記励起された物質を結像光学系を用いて結像する工程と、前記結像する工程において生じる視差を有する複数の画像を取得する工程と、前記複数の画像における前記物質の前記試料内における光軸と垂直な面内方向の位置を特定する工程と、前記複数の画像における前記物質の前記試料内における前記面内方向の位置を用いて、前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定する工程と、前記物質を励起する工程から前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定する工程までを繰り返し、前記試料全体の3次元構造を得る工程と、を有することを特徴とする。 According to the method for imaging a three-dimensional structure of a sample according to one aspect of the present invention, a first state having fluorescence and a second state having no fluorescence are excited when excited by light of a predetermined wavelength. Labeling the structure of the sample with a switchable substance, and illuminating the substance using an illumination optical system with light of the predetermined wavelength to excite at least a part of the substance in the first state Forming an image of the excited substance using an imaging optical system, obtaining a plurality of images having parallax generated in the imaging process, and the substance of the substance in the plurality of images Identifying the position of the substance in the sample using the step of identifying the position of the substance in the in-plane direction perpendicular to the optical axis in the sample and the position of the substance in the in-plane direction of the substance in the plurality of images A step of specifying a position in the direction, and a step of exciting the substance to a step of specifying the position of the substance in the optical axis direction in the sample to obtain a three-dimensional structure of the whole sample. It is characterized by having.
本発明によれば、局在系顕微鏡法において、演算処理を複雑化させることなく、簡単に試料の3次元構造を撮像することができる。また、輝点密度が高い場合においても演算処理を複雑化させることなく、簡単に試料の3次元構造の撮像することができる。 According to the present invention, it is possible to easily image a three-dimensional structure of a sample without complicating arithmetic processing in a localized microscope. Further, even when the bright spot density is high, it is possible to easily image the three-dimensional structure of the sample without complicating the arithmetic processing.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
<第1の実施形態>
(ガリレオ式顕微鏡)
図1は、本実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。図1においては、ガリレオ式平行光学系を搭載した双眼実体顕微鏡の概略構成を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<First Embodiment>
(Galileo microscope)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus according to the present embodiment. FIG. 1 shows a schematic configuration of a binocular stereomicroscope equipped with a Galileo parallel optical system.
まず、試料は、所定の波長により蛍光性を有する第1の状態と、蛍光性を有しない第2の状態とをスイッチング可能な物質により、その構造がラベリングされている。 First, the structure of the sample is labeled with a substance capable of switching between a first state having fluorescence at a predetermined wavelength and a second state having no fluorescence.
光源2からは、所定の波長の光が発せられる。光源2から発せられた光は、照明光学系3を通して標本面5に照射される。励起光は、ダイクロイックミラー(DM)6にて反射して、対物レンズ4を通して標本面5に照射される。励起光が照射されると、試料をラベリングしている物質の一部、すなわち、第1の状態にある物質が励起される。この点については、以降に説明する顕微鏡装置においても同様である。 The light source 2 emits light having a predetermined wavelength. The light emitted from the light source 2 is applied to the sample surface 5 through the illumination optical system 3. The excitation light is reflected by a dichroic mirror (DM) 6 and irradiated onto the sample surface 5 through the objective lens 4. When the excitation light is irradiated, a part of the substance labeling the sample, that is, the substance in the first state is excited. This also applies to the microscope apparatus described below.
励起された物質からは、蛍光が発せられ、2つの結像レンズ7A、7Bそれぞれを通してカメラ8に入射する。カメラ8は、結像レンズ7A、7Bの結像位置に配置されている。こうして、カメラ8の撮像素子により試料の画像信号が取得され、得られた画像信号は、パーソナルコンピュータ(PC)9等の情報処理装置に転送される。PC9は、カメラ8から転送された画像信号に対して必要な処理を施し、試料の超解像画像を得る。 Fluorescence is emitted from the excited material and enters the camera 8 through the two imaging lenses 7A and 7B. The camera 8 is disposed at the imaging position of the imaging lenses 7A and 7B. In this way, the image signal of the sample is acquired by the imaging element of the camera 8, and the obtained image signal is transferred to an information processing apparatus such as a personal computer (PC) 9. The PC 9 performs necessary processing on the image signal transferred from the camera 8 to obtain a super-resolution image of the sample.
すなわち、標本面5においては蛍光物質が励起されてランダムに光るため、カメラ8が複数回に渡り画像を撮像していくと、各タイミングで光る輝点の画像を得ることとなる。PC9では、こうして得られる複数の画像の各輝点のXY面上での位置情報を重ね合わせて1枚の画像を生成する。これにより、通常の顕微鏡装置の光の波長による分解能を超える高い分解能で試料の構造を撮像することができる。 That is, since the fluorescent material is excited on the sample surface 5 and shines at random, when the camera 8 captures an image a plurality of times, an image of a bright spot that shines at each timing is obtained. The PC 9 generates a single image by superimposing the positional information on the XY plane of each bright spot of the plurality of images obtained in this way. Thereby, the structure of the sample can be imaged with a high resolution exceeding the resolution of the light wavelength of a normal microscope apparatus.
ここで、図1に示す顕微鏡装置は、双眼実体顕微鏡であり、試料内の構造からの光を分割した2つの光路(光路10A、10B)の間には、視差が生じている。このため、本実施形態に係る顕微鏡装置では、それぞれ結像レンズ7A、7Bを通じて得られる2枚の画像(以下においては画像対という)にある視差を利用して、試料のZ方向の位置情報すなわち試料の高さ情報を演算する。これについて、図2を参照して説明する。 Here, the microscope apparatus shown in FIG. 1 is a binocular stereomicroscope, and parallax is generated between two optical paths (optical paths 10A and 10B) obtained by dividing light from the structure in the sample. For this reason, in the microscope apparatus according to the present embodiment, the position information of the sample in the Z direction, that is, the parallax in the two images (hereinafter referred to as image pairs) obtained through the imaging lenses 7A and 7B, respectively, Calculate the height information of the sample. This will be described with reference to FIG.
図2は、本実施形態に係る顕微鏡装置により3次元超解像画像を得る方法について説明する図である。
励起光により物質からランダムに蛍光が発せられることを利用すると、高分解能で試料のXY方向構造を得ることができる。なお、X方向及びY方向の構造、すなわち輝点の位置情報を演算する際には、公知のマルチエミッタ対応のアルゴリズムを用いて演算する構成としてもよい。マルチエミッタ対応のアルゴリズムとしては、ベイズ推定、圧縮センシング等が挙げられる。上記のとおり、本実施形態に係る顕微鏡装置は、取得した画像対の視差を利用して試料のZ方向の位置情報を演算し、これを公知のアルゴリズムの適用等により得られるXY方向の構造に加えて、試料の3次元構造の超解像画像のデータを得る。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method for obtaining a three-dimensional super-resolution image by the microscope apparatus according to the present embodiment.
By utilizing the fact that fluorescence is randomly emitted from a substance by excitation light, the XY direction structure of the sample can be obtained with high resolution. It should be noted that when calculating the X-direction and Y-direction structures, that is, the position information of the bright spot, a calculation may be made using a known multi-emitter compatible algorithm. Examples of multi-emitter compatible algorithms include Bayesian estimation and compressed sensing. As described above, the microscope apparatus according to the present embodiment calculates the position information in the Z direction of the sample using the parallax of the acquired image pair, and converts the position information into the XY direction structure obtained by applying a known algorithm or the like. In addition, super-resolution image data of the three-dimensional structure of the sample is obtained.
具体的には、n=kのタイミングで撮像して得られた画像対(画像1、2)の視差Δxからこの視差をZ方向の位置情報に変換し、n=kにおいて撮像された輝点の高さ情報とする。図2に示す例では、Z方向の高さ情報をスケールにしたがって表している。 Specifically, the parallax Δx of the image pair (images 1 and 2) obtained by imaging at the timing of n = k is converted into position information in the Z direction, and the bright spot imaged at n = k Height information. In the example shown in FIG. 2, the height information in the Z direction is represented according to the scale.
図2においては、説明の簡単のため、n=kのタイミングで得られた画像対のうち、1つの輝点についての視差Δxを示しているが、各輝点につき視差を求め、これからZ方向の位置情報に変換することにより、画像中の各輝点の高さ情報を得る。 In FIG. 2, for simplicity of explanation, the parallax Δx for one bright spot is shown in the image pair obtained at the timing of n = k. To obtain the height information of each bright spot in the image.
同様に、次のタイミングn=k+1で撮像して得られた画像対についても、視差からZ方向の位置情報に変換して、n=k+1において得られた画像対中の輝点の高さ情報を得る。 Similarly, for the image pair obtained by imaging at the next timing n = k + 1, the parallax is converted into position information in the Z direction, and the height information of the bright spot in the image pair obtained at n = k + 1 is obtained. Get.
このように、従来の超解像顕微鏡法と同様に複数回の撮像を行い、それぞれの撮像タイミングnにて得られたX、Y及びZ方向の位置情報を重ね合わせて1つの画像を生成することにより、試料の超解像の3次元形状画像を得る。 In this way, imaging is performed a plurality of times as in the conventional super-resolution microscopy, and one image is generated by superimposing position information in the X, Y, and Z directions obtained at each imaging timing n. Thus, a super-resolution three-dimensional shape image of the sample is obtained.
従来における局在系顕微鏡法によれば、超解像の3次元形状の画像を得ようとすると、X、Y及びZ方向の位置情報を求めるための演算処理が非常に複雑なものとなっていた。しかし、本実施形態によれば、視差のある画像対のそれぞれからZ方向の位置情報を求めて、従来と同様に複数回撮像を行って得られるX及びY方向の位置情報と合わせる処理を実施するのみで、試料全体の高分解能での3次元構造の撮像が可能となる。すなわち、演算処理を複雑化させることなく、簡単に3次元の超解像画像の生成が可能となる。 According to the conventional localized microscope, when obtaining a super-resolution three-dimensional image, the calculation processing for obtaining positional information in the X, Y, and Z directions is very complicated. It was. However, according to the present embodiment, the position information in the Z direction is obtained from each of the pair of images with parallax, and the processing for matching with the position information in the X and Y directions obtained by performing the imaging a plurality of times as in the past is performed. It is possible to image a three-dimensional structure of the entire sample with high resolution. That is, a three-dimensional super-resolution image can be easily generated without complicating the arithmetic processing.
ここで、局在系顕微鏡法で撮像枚数を減らして撮像時間の短縮を図るため、実験条件を調整して輝点密度を高くした場合について説明する。
各輝点位置を精度良く求めるアルゴリズムは、”Simultaneous multiple-emitter fitting for single molecule super-resolution imaging”, Biomedical Optics Express, 2011 May 1, Vol.2 pp.1377-1393等に知られている。解析領域内に複数の輝点が含まれる場合でも対応可能なアルゴリズムは、マルチエミッタ対応アルゴリズムと呼ばれる。このアルゴリズムを適用した場合には、各輝点が他の輝点と十分に分離されていない状態においても、各輝点の位置を検出することが可能となる。そのため一度の撮像で多数の輝点位置を求めることができ、超解像画像を得るために必要な合計撮像回数を少なく抑えることが可能になる。このようなマルチエミッタ対応のアルゴリズムの例としては、ベイズ推定、圧縮センシング等がある。
Here, a description will be given of a case where the bright spot density is increased by adjusting the experimental conditions in order to shorten the imaging time by reducing the number of images taken by the local microscopy.
An algorithm for accurately obtaining the position of each bright spot is known in “Simultaneous multiple-emitter fitting for single molecule super-resolution imaging”, Biomedical Optics Express, 2011 May 1, Vol. 2 pp.1377-1393 and the like. An algorithm that can be used even when a plurality of bright spots are included in the analysis region is called a multi-emitter correspondence algorithm. When this algorithm is applied, the position of each bright spot can be detected even when each bright spot is not sufficiently separated from other bright spots. Therefore, a large number of bright spot positions can be obtained by one imaging, and the total number of imaging necessary for obtaining a super-resolution image can be reduced. Examples of such multi-emitter compatible algorithms include Bayesian estimation and compressed sensing.
上述のマルチエミッタ対応のアルゴリズムを用いてX方向及びY方向の位置情報を演算すると、輝点を高密度で検出することができる。これにより、超解像画像の撮像時間を短縮できる。これに画像対の視差からZ方向の位置情報を演算してマルチエミッタ対応のアルゴリズムで求めたX方向及びY方向の位置情報とあわせて用いることで、高密度撮像時間を短縮しつつ、簡単な演算で試料の3次元構造を得ることが可能となる。 When the position information in the X direction and the Y direction is calculated using the above-described multi-emitter algorithm, bright spots can be detected with high density. Thereby, the imaging time of a super-resolution image can be shortened. By calculating the position information in the Z direction from the parallax of the image pair and using it together with the position information in the X and Y directions obtained by the multi-emitter compatible algorithm, the high-density imaging time can be shortened and simplified. A three-dimensional structure of the sample can be obtained by calculation.
なお、上記においてランダムに蛍光を発する機構としては、PALM、STORM、dSTORM、自発ブリンキングなど既存の任意の方法を用いることができる。また、輝点密度が高い状態とは、蛍光を発光可能な状態(第一の状態)にある物質の少なくとも一部が第一の状態にある最近傍の物質と結像の空間分解能以内の距離で励起される状態である。 In the above, as a mechanism for emitting fluorescence at random, any existing method such as PALM, STORM, dSTORM, and spontaneous blinking can be used. In addition, the state where the bright spot density is high is a distance within the spatial resolution of image formation from the nearest substance in which at least a part of the substance capable of emitting fluorescence (first state) is in the first state. It is a state excited by.
上記においては、図1のガリレオ式顕微鏡を例に説明しているが、本実施形態に係る局在系顕微鏡法における3次元の超解像画像を生成する方法は、他の方式の顕微鏡装置によっても実現することができる。以下に、具体的に説明する。 In the above description, the Galileo microscope of FIG. 1 has been described as an example. However, a method of generating a three-dimensional super-resolution image in the localized microscope method according to the present embodiment is performed by using another type of microscope apparatus. Can also be realized. This will be specifically described below.
(TIRF(Total Internal Reflection Fluorescence、全反射照明)顕微鏡)
図3は、TIRF顕微鏡装置の概略構成図である。
TIRF顕微鏡では、光源2から発せられた光は、照明光学系3を通して励起される。励起光は、DM6を通して、対物レンズ4の後側焦点面(瞳面)の光軸からそれた位置に集光して、標本面5に照射される。このとき標本面5において、全反射照明となるように配置される。TIRF顕微鏡では、結像レンズ7A、7Bのそれぞれを透過した光をカメラ8の撮像素子にて撮像して得られる2つの画像には、視差が存在することとなる。これより、図1のガリレオ式顕微鏡と同様に、PC9において、視差のある画像対を得ることができる。
(TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) microscope)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the TIRF microscope apparatus.
In the TIRF microscope, the light emitted from the light source 2 is excited through the illumination optical system 3. The excitation light is condensed at a position deviated from the optical axis of the rear focal plane (pupil plane) of the objective lens 4 through the DM 6 and irradiated onto the sample surface 5. At this time, the sample surface 5 is arranged so as to have total reflection illumination. In the TIRF microscope, parallax exists in two images obtained by imaging the light transmitted through the imaging lenses 7A and 7B with the imaging element of the camera 8. Thus, similar to the Galileo microscope of FIG. 1, the PC 9 can obtain an image pair with parallax.
各輝点の視差ΔxをZ方向の位置情報に変換して各輝点の高さ情報とし、複数の画像対に対して同様に高さ情報を求めていくことにより、試料の3次元の超解像画像を得ることができる。その方法については、上記のガリレオ式顕微鏡と同様であり、図2を参照して説明したとおりである。 The parallax Δx of each bright spot is converted into position information in the Z direction to obtain height information of each bright spot, and the height information is similarly obtained for a plurality of image pairs. A resolution image can be obtained. About the method, it is the same as that of said Galileo type | mold microscope, and is as having demonstrated with reference to FIG.
なお、TIRF顕微鏡では、結像の光軸方向に関して有限の範囲のみを照明するため、標本面5近傍の物質のみが励起される。このため、試料がZ方向に所定の厚み以上の厚い形状である場合には、焦点面外からの背景光を抑制できるTIRF顕微鏡が好適である。 In the TIRF microscope, since only a finite range is illuminated with respect to the optical axis direction of imaging, only the substance near the sample surface 5 is excited. For this reason, when the sample has a thick shape of a predetermined thickness or more in the Z direction, a TIRF microscope that can suppress background light from outside the focal plane is suitable.
(偏光板の使用による方式)
図1のガリレオ式顕微鏡や図3のTIRF顕微鏡の他にも、顕微鏡の光学系の構成によって視差のある画像を得て、同様に3次元形状画像を得ることも可能である。
図4は、偏光板を用いる場合の顕微鏡装置の概略構成図である。図4の光路図に示すように、光源2から発せられ、照明光学系3により励起された励起光が標本面5に照射されると、標本面5から発せられた蛍光は、DM6を透過して、所定の方向に偏光した光のみが偏光板11A、11Bを透過する。実施例では、一方の偏光板である図4の偏光板11Aが、s偏光のみを透過させ、他方の偏光板である偏光板11Bが、p偏光のみを透過させる。こうして、偏光ビームスプリッタ(PBS)12により偏光成分ごとに分離された光が、2台のカメラ8A、8Bのそれぞれに入射する。カメラ8A、8Bのそれぞれにおいてはそれぞれs偏光成分またはp偏光成分の光を撮像し、PC9は、カメラ8A、8Bから転送された画像信号より、s偏光成分またはp偏光成分の画像を生成する。実施例では、カメラ8Aがs偏光成分の光を、カメラ8Bがp偏光成分の光を撮像し、PC9は、カメラ8A及び8Bから転送された画像信号よりそれぞれs偏光成分及びp偏光成分の画像を生成する。
(Method using polarizing plate)
In addition to the Galileo microscope of FIG. 1 and the TIRF microscope of FIG. 3, it is also possible to obtain an image with parallax by the configuration of the optical system of the microscope, and similarly obtain a three-dimensional shape image.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus when a polarizing plate is used. As shown in the optical path diagram of FIG. 4, when the sample surface 5 is irradiated with excitation light emitted from the light source 2 and excited by the illumination optical system 3, the fluorescence emitted from the sample surface 5 passes through the DM 6. Thus, only light polarized in a predetermined direction passes through the polarizing plates 11A and 11B. In the embodiment, the polarizing plate 11A of FIG. 4 which is one polarizing plate transmits only s-polarized light, and the polarizing plate 11B which is the other polarizing plate transmits only p-polarized light. In this way, the light separated for each polarization component by the polarization beam splitter (PBS) 12 enters each of the two cameras 8A and 8B. Each of the cameras 8A and 8B images the light of the s-polarized component or the p-polarized component, and the PC 9 generates an image of the s-polarized component or the p-polarized component from the image signal transferred from the cameras 8A and 8B. In the embodiment, the camera 8A images the light of the s-polarized component, the camera 8B images the light of the p-polarized component, and the PC 9 images the s-polarized component and the p-polarized component from the image signals transferred from the cameras 8A and 8B, respectively. Is generated.
ここで、s偏光成分及びp偏光成分の画像は、それぞれ異なった瞳位置を通過して結像するため、視差が存在する。したがって、図4の構成の顕微鏡装置によっても、結像の工程において生じる視差を用いて、複数の画像対を取得して、上記の図2で説明した方法により試料の3次元の超解像画像を得ることができる。 Here, the images of the s-polarized component and the p-polarized component are imaged through different pupil positions, so there is parallax. Therefore, even with the microscope apparatus having the configuration shown in FIG. 4, a plurality of image pairs are obtained using the parallax generated in the imaging step, and the three-dimensional super-resolution image of the sample is obtained by the method described in FIG. Can be obtained.
図5は、偏光板を用いる場合の他の顕微鏡装置の概略構成図である。図5に示す顕微鏡装置は、図4のそれと比較して、1台のカメラ8でp偏光及びs偏光の2つの偏光成分の撮像を行う点で異なる。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram of another microscope apparatus using a polarizing plate. The microscope apparatus shown in FIG. 5 differs from that shown in FIG. 4 in that one camera 8 images two polarization components, p-polarized light and s-polarized light.
図4の構成の顕微鏡と同様に、偏光板11Aを透過したs偏光成分の光及び偏光板11Bを透過したp偏光成分の光は、PBS12で分離されて、それぞれミラー18A及びミラー18Bで反射し、1台のカメラ8に入射する。図5のカメラ8は、s偏光成分及びp偏光成分の視差の存在する画像対を同時に撮像することができる。したがって、図4の構成の顕微鏡と同様に、図2で説明した方法により、複数の画像対を取得して、試料の3次元の超解像画像を生成することができる。 Similar to the microscope having the configuration shown in FIG. 4, the s-polarized light component transmitted through the polarizing plate 11A and the p-polarized light component transmitted through the polarizing plate 11B are separated by the PBS 12 and reflected by the mirror 18A and the mirror 18B, respectively. The light enters one camera 8. The camera 8 in FIG. 5 can simultaneously capture an image pair in which parallaxes of the s-polarized component and the p-polarized component exist. Therefore, similarly to the microscope having the configuration shown in FIG. 4, a plurality of image pairs can be acquired and a three-dimensional super-resolution image of the sample can be generated by the method described in FIG.
図6は、本実施形態に係る顕微鏡装置による試料の3次元構造の撮像処理を示したフローチャートである。図6は、上述の同時に視差のある画像対を取得する構成の顕微鏡装置が、試料全体の3次元の超解像画像のデータを得るまでの動作フローを示す。 FIG. 6 is a flowchart showing an imaging process of the three-dimensional structure of the sample by the microscope apparatus according to the present embodiment. FIG. 6 shows an operation flow until the above-described microscope apparatus configured to acquire an image pair having parallax simultaneously obtains three-dimensional super-resolution image data of the entire sample.
まず、ステップS1で、観察に使用する物質を選択して、選択した物質により、試料の構造をラベリングする。ステップS2で、物質の一部、すなわち、第1状態にある物質を励起して、ステップS3で、結像レンズ7を用いて、励起された物質から発せられた蛍光をカメラ8の撮像素子に結像させる。これにより、視差のある画像対が取得される。ステップS4で、撮像が終了したと判定されるまで、ステップS2の励起の工程とステップS3の結像の工程を複数回繰り返す。撮像が終了したと判定されると、ステップS5に進む。 First, in step S1, a substance to be used for observation is selected, and the structure of the sample is labeled with the selected substance. In step S2, a part of the substance, that is, the substance in the first state is excited, and in step S3, the fluorescence emitted from the excited substance is applied to the image sensor of the camera 8 using the imaging lens 7. Make an image. Thereby, an image pair with parallax is acquired. In step S4, the excitation process in step S2 and the imaging process in step S3 are repeated a plurality of times until it is determined that imaging has been completed. If it is determined that the imaging has been completed, the process proceeds to step S5.
ステップS5で、各画像中の輝点のX方向及びY方向の位置情報を演算する。そして、ステップS6で、画像対ごとに、ステップS5で求めたX方向及びY方向の位置情報から視差を求め、これからZ方向の位置情報を演算する。こうして、X、Y及びZ方向の位置情報を取得すると、処理を終了する。 In step S5, position information in the X and Y directions of the bright spot in each image is calculated. In step S6, for each image pair, the parallax is obtained from the position information in the X direction and the Y direction obtained in step S5, and the position information in the Z direction is calculated therefrom. Thus, when the position information in the X, Y, and Z directions is acquired, the process ends.
なお、図6においては、まずステップS2〜ステップS4までの処理で複数の画像対を取得し、その後、ステップS5及びステップS6で各画像対から輝点のX、Y及びZ方向の位置情報を求めているが、これに限定されるものではない。例えば、画像対を取得するごとに、取得した画像対から輝点のX、Y及びZ方向の位置情報を求め、この動作を繰り返していき、試料全体の3次元構造の画像データを得る構成とすることもできる。 In FIG. 6, first, a plurality of image pairs are acquired by the processing from step S2 to step S4, and thereafter, in step S5 and step S6, the position information of the bright spot in the X, Y and Z directions is obtained from each image pair. Although it is seeking, it is not limited to this. For example, each time an image pair is acquired, the position information in the X, Y, and Z directions of the bright spot is obtained from the acquired image pair, and this operation is repeated to obtain image data of a three-dimensional structure of the entire sample. You can also
先に図2の説明においても述べたように、図6に示す一連の処理により、複雑な演算を要することなく、簡単な演算で複数の画像対の各輝点のX、Y及びZ方向の位置情報を求めることができ、これにより、高分解能で試料全体の3次元構造を得ることができる。すなわち、試料の3次元の超解像画像を得ることが可能となる。 As described above with reference to FIG. 2, the series of processing shown in FIG. 6 eliminates the need for complicated calculations, and allows simple calculations to be performed in the X, Y, and Z directions of the bright points of a plurality of image pairs. Position information can be obtained, and thereby a three-dimensional structure of the entire sample can be obtained with high resolution. That is, a three-dimensional super-resolution image of the sample can be obtained.
<第2の実施形態>
(長焦点深度化)
先に説明したように、上記の第1の実施形態においては、局在系顕微鏡法にステレオ法による計測を適用して、視差のある画像対を用いることにより、高分解能で3次元構造の撮像を行っている。本実施形態では、第1の実施形態に係る顕微鏡装置に対し、更に焦点深度を増大させる手段を設けている点で異なる。これについて、図面を参照して具体的に説明する。
<Second Embodiment>
(Long focal depth)
As described above, in the first embodiment described above, the measurement by the stereo method is applied to the local microscope, and the image pair with parallax is used, thereby imaging the three-dimensional structure with high resolution. It is carried out. This embodiment is different from the microscope apparatus according to the first embodiment in that a means for further increasing the depth of focus is provided. This will be specifically described with reference to the drawings.
図7は、本実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
本実施形態に係る顕微鏡装置の構成の上記第1の実施形態のそれとの差異点は、図7に示すように、結像光学系にアキシコンレンズ21を配置していることにある。アキシコンレンズ21が結像光学系に配置されることで、焦点深度が大きくなる。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the microscope apparatus according to the present embodiment.
The difference between the configuration of the microscope apparatus according to the present embodiment and that of the first embodiment is that an axicon lens 21 is disposed in the imaging optical system as shown in FIG. Since the axicon lens 21 is arranged in the imaging optical system, the depth of focus increases.
超解像顕微鏡法の1つである局在系顕微鏡法では、焦点位置からZ方向に関して離れているほどボケ光の影響が強くなり(ボケが大きくなり)、局在精度が悪化する。これに対し、図7に示すように、結像光学系にアキシコンレンズ21を配置すると、顕微鏡装置が長焦点深度化される。すなわち、アキシコンレンズ21の配置によって、顕微鏡装置のPSFの形状はZ方向に伸びた形状に変化し、これにより、ボケ像による局在精度の悪化を回避して、厚みのある試料であっても、Z方向の超解像を得ることができる。 In localized microscopy, which is one of the super-resolution microscopy methods, the farther away from the focal position in the Z direction, the stronger the influence of blur light (the greater the blur), and the lower the localization accuracy. On the other hand, as shown in FIG. 7, when the axicon lens 21 is arranged in the imaging optical system, the microscope apparatus has a long focal depth. That is, the arrangement of the axicon lens 21 changes the shape of the PSF of the microscope apparatus into a shape extending in the Z direction, thereby avoiding deterioration in localization accuracy due to a blurred image, and a thick sample. Also, super-resolution in the Z direction can be obtained.
ここで、ボケ光による性能劣化と、Z方向の分解能とは、トレードオフの関係にあり、長焦点深度化を図ると、Z方向の分解能は低下することとなる。しかし、本実施形態では、局在系顕微鏡法と組み合わせてステレオ法による計測を行っている。このため、第1の実施形態と同様に複雑な演算を必要としない、公知のマルチエミッタ解析にも対応可能であるという点に加えて、焦点深度の増大によるボケ光の抑制とZ方向の超解像とを独立に得ることができる、という効果を得る。 Here, the performance degradation due to the blur light and the resolution in the Z direction are in a trade-off relationship, and the resolution in the Z direction is lowered when the depth of focus is increased. However, in this embodiment, the measurement by the stereo method is performed in combination with the local microscope. For this reason, in addition to being compatible with known multi-emitter analysis that does not require complicated calculations as in the first embodiment, it is possible to suppress blur light by increasing the depth of focus and The effect is obtained that resolution can be obtained independently.
なお、図7に示す構成図では、視差のある画像対を得るための光の分割は、アキシコンレンズ21による長焦点深度化の後に行っている。アキシコンレンズ21によって結像の焦点深度の増大を誘起された光は、ビームスプリッタ22により分割され、ミラー18A、18B等により導かれて、カメラ8に入射する。但し、光を分割するタイミングは、これに限定されず、長焦点深度化の前に行ってもよい。 In the configuration diagram shown in FIG. 7, the division of light for obtaining an image pair with parallax is performed after the long focal depth is increased by the axicon lens 21. The light induced by the axicon lens 21 to increase the focal depth of the image is divided by the beam splitter 22, guided by the mirrors 18 </ b> A, 18 </ b> B, etc., and enters the camera 8. However, the timing of dividing the light is not limited to this, and may be performed before the long focal depth is increased.
図8は、本実施形態に係る顕微鏡装置の他の概略構成図である。図8に示す構成においては、ビームスプリッタ22で2分割した後の個別の光路上にそれぞれアキシコンレンズ21A、21Bを配置する。 FIG. 8 is another schematic configuration diagram of the microscope apparatus according to the present embodiment. In the configuration shown in FIG. 8, axicon lenses 21 </ b> A and 21 </ b> B are arranged on individual optical paths after being divided into two by the beam splitter 22.
図8に示すように、ビームスプリッタ22により試料からの光を分割した後にアキシコンレンズ21A、21Bにより個々の焦点深度を増大させた場合であっても、図7の分割前に長焦点深度化させる構成と同様の効果を得ることができる。 As shown in FIG. 8, even when the individual focal depth is increased by the axicon lenses 21A and 21B after the light from the sample is divided by the beam splitter 22, the long focal depth is increased before the division of FIG. The effect similar to the structure to be made can be acquired.
なお、上記第1の実施形態においては、各種照明光学系を備える顕微鏡装置について説明しているが、本実施形態に係る顕微鏡装置では、結像光学系にアキシコンレンズ21を配置することを特徴とするものである。このため、本実施形態のように、結像光学系にアキシコンレンズ21を配置することにより長焦点深度化させる方法は、第1の実施形態において挙げた各種の顕微鏡装置に対して適用することが可能である。 In the first embodiment, a microscope apparatus provided with various illumination optical systems has been described. However, the microscope apparatus according to the present embodiment is characterized in that an axicon lens 21 is disposed in the imaging optical system. It is what. For this reason, as in this embodiment, the method of increasing the depth of focus by disposing the axicon lens 21 in the imaging optical system is applied to the various microscope apparatuses described in the first embodiment. Is possible.
更には、局在系顕微鏡法にステレオ法による計測を適用した顕微鏡装置に対して更に焦点深度を増大させる構成をとることで、例えば、セクショニング顕微鏡のセクショニング分解能に要求されるレベルを従来と比べて下げること等も可能となる。これについて、図9を参照して説明する。 Furthermore, by adopting a configuration that further increases the depth of focus for a microscope apparatus that applies measurement by the stereo method to local microscopy, for example, the level required for sectioning resolution of a sectioning microscope is compared with the conventional level. It can also be lowered. This will be described with reference to FIG.
図9は、シート照明を適用した本実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
シート照明を適用した顕微鏡装置の具体的な構成及びその作用については、後述する第3の実施形態においても説明するが、シート照明では、励起用対物レンズ4Aにより励起された光が試料に照明され、検出用対物レンズ4Bが蛍光を検出する。励起用対物レンズ4Aによりレーザー光をシート状に広げて試料の横(図9の上方向)から照明し、これを上から(図9の右方向)から平面を撮影し、試料をZ方向(図9の上下方向)に動かすことで、厚みのある試料についても観察することが可能となる。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus according to this embodiment to which sheet illumination is applied.
The specific configuration and operation of the microscope apparatus to which the sheet illumination is applied will be described in a third embodiment described later. In the sheet illumination, the sample is illuminated with the light excited by the excitation objective lens 4A. The detection objective lens 4B detects fluorescence. The excitation objective lens 4A spreads the laser light in a sheet shape and illuminates it from the side of the sample (upward direction in FIG. 9), photographs the plane from above (right direction in FIG. 9), and moves the sample in the Z direction ( By moving in the vertical direction in FIG. 9, even a thick sample can be observed.
このようなシート照明を適用した顕微鏡装置において、図9に示すようにアキシコンレンズ21を結像光学系に配置すると、長焦点深度化により、ボケ光の影響による画像の精度の劣化が起きにくくなる。すなわち、画像の背景光が抑制されて、厚みのある試料であっても観察対象とできることから、シート照明を適用した顕微鏡装置等のセクショニング顕微鏡に要求されるセクショニング能のハードルを、アキシコンレンズ21のない場合と比べて下げることができる。 In the microscope apparatus to which such sheet illumination is applied, when the axicon lens 21 is arranged in the imaging optical system as shown in FIG. 9, the accuracy of the image is hardly deteriorated due to the influence of the blur light due to the long focal depth. Become. That is, since the background light of the image is suppressed and even a thick sample can be an observation target, the hurdle of sectioning ability required for a sectioning microscope such as a microscope apparatus to which sheet illumination is applied is used as an axicon lens 21. It can be lowered compared to the case without it.
このほか、先述のTIRF(図3参照)や、テンポラルフォーカス光学系あるいはHiLo(薄層斜光照明光)を用い、これらを組み合わせた顕微鏡等についても、結像光学系にアキシコンレンズ21を配置し、長焦点深度化することによる効果を享受することができる。 In addition, the axicon lens 21 is also arranged in the imaging optical system for a microscope using a TIRF (see FIG. 3) described above, a temporal focus optical system or HiLo (thin oblique illumination light), and a combination thereof. The effect of increasing the depth of focus can be enjoyed.
<第3の実施形態>
上記の第1の実施形態においては、顕微鏡装置は、視差のある画像対の撮像を同時に行っている。これに対し、本実施形態においては、複数回に分けて撮像を行って画像対を得ている点で異なる。本実施形態に係る顕微鏡装置も、上記の第1の実施形態と同様に、さまざまな構成をとることが可能である。以下に、図面を参照して具体的に説明する。
<Third Embodiment>
In the first embodiment described above, the microscope apparatus simultaneously captures image pairs with parallax. On the other hand, the present embodiment is different in that an image pair is obtained by performing imaging in a plurality of times. Similarly to the first embodiment, the microscope apparatus according to the present embodiment can have various configurations. Hereinafter, specific description will be given with reference to the drawings.
(偏心開口の切り替えによる方式)
図10は、偏心位置を切り替え可能な顕微鏡装置の概略構成図である。
光源2から発せられた光は、照明光学系3により標本面5に照射される。励起光は、標本面5に照射され、励起光により励起された物質から発せられた蛍光は、DM6を透過して部材13Aの偏心開口14Aまたは部材13Bの偏心開口14Bを透過してカメラ8にて撮像される。
(Method by switching the eccentric opening)
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus capable of switching the eccentric position.
The light emitted from the light source 2 is irradiated onto the sample surface 5 by the illumination optical system 3. The excitation light is irradiated onto the sample surface 5, and the fluorescence emitted from the substance excited by the excitation light passes through the DM 6 and passes through the eccentric opening 14A of the member 13A or the eccentric opening 14B of the member 13B and passes to the camera 8. To be imaged.
部材13A、13Bには、それぞれ光軸に関して図10においては上側及び下側に、偏心開口14A、14Bが設けられている。PC9は、光路上に配置される2枚の部材13A、13Bを切り替える。各部材には偏心開口14A、14Bが設けられており、それぞれ異なった瞳位置で光線を透過させる。透過した光は、結像レンズ7にて結像され、カメラに入射する。カメラ8の撮像素子は、部材13A、13Bの偏心開口14A、14Bをそれぞれ透過した光を撮像する。 The members 13A and 13B are respectively provided with eccentric openings 14A and 14B on the upper side and the lower side in FIG. 10 with respect to the optical axis. The PC 9 switches between the two members 13A and 13B arranged on the optical path. Each member is provided with eccentric apertures 14A and 14B, which transmit light rays at different pupil positions. The transmitted light is imaged by the imaging lens 7 and enters the camera. The imaging element of the camera 8 images light transmitted through the eccentric openings 14A and 14B of the members 13A and 13B, respectively.
このような構成を備えることで、図4の2枚の偏光板11A、11Bを備える構成の顕微鏡装置と同様に、視差のある画像対を得ることができる。ここで、視差のある2つの画像の撮像は、輝点の検出精度等の観点からは、第1の実施形態のように、同時であることが好ましい。しかし、2つの画像の撮像間隔がミリ秒程度であれば、比較的高精度で画像対を取得することが可能である。したがって、図10の構成の顕微鏡装置であっても、撮像により複数の画像対を取得して、上記の第1の実施形態と同様に、視差から各輝点のZ方向の位置情報を求めていくことで、演算処理を複雑化させることなく、簡単に試料の3次元の超解像画像を得ることが可能である。 By providing such a configuration, an image pair with parallax can be obtained in the same manner as the microscope apparatus having the configuration including the two polarizing plates 11A and 11B in FIG. Here, it is preferable that the two images with parallax are simultaneously taken as in the first embodiment from the viewpoint of the detection accuracy of the bright spot. However, if the imaging interval between two images is about milliseconds, it is possible to acquire an image pair with relatively high accuracy. Therefore, even in the microscope apparatus having the configuration shown in FIG. 10, a plurality of image pairs are acquired by imaging, and the position information in the Z direction of each bright spot is obtained from the parallax as in the first embodiment. Accordingly, it is possible to easily obtain a three-dimensional super-resolution image of the sample without complicating the arithmetic processing.
(ディスクスキャン方式)
図11は、図10の構成に更にディスクスキャン方式を採用した顕微鏡装置の概略構成図である。
光源2から発せられた光は、軸19を中心に回転するマイクロレンズアレイ16及び回転ディスク15を通して対物レンズ4に入射する。回転ディスク15には、多数のピンホールがらせん状に配置されている。マイクロレンズアレイ16にも、回転ディスク15のピンホールとそれぞれが対になるよう、らせん状にマイクロレンズが配置されており、これにより、光源2から発せられた光をピンホールに集光する。
(Disk scan method)
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus that further employs a disk scanning method in the configuration of FIG.
The light emitted from the light source 2 enters the objective lens 4 through the microlens array 16 and the rotating disk 15 that rotate about the axis 19. A large number of pinholes are spirally arranged on the rotating disk 15. The microlens array 16 also has a microlens arranged in a spiral so as to be paired with the pinholes of the rotating disk 15, thereby condensing the light emitted from the light source 2 into the pinholes.
回転ディスク15(及びマイクロレンズアレイ16)を軸19中心に回転させると、多数のピンホールを通過した光が順次対物レンズ4を通じて標本面5に照射される。これにより、標本面5上を走査した場合と同様の効果が得られ、カメラ8においては、高速で撮像を行うことができる。 When the rotating disk 15 (and the microlens array 16) is rotated around the axis 19, the light passing through a large number of pinholes is sequentially irradiated onto the sample surface 5 through the objective lens 4. Thereby, the same effect as the case where the sample surface 5 is scanned can be obtained, and the camera 8 can perform imaging at high speed.
図示するとおり、図11の構成においても、図10と同様に、それぞれ偏心開口14A、14Bを有する部材13A、13Bが光路上に設けられている。PC9の制御にしたがって光路上に配置する部材13A、13Bを切り替えて撮像することで、図10の顕微鏡装置と同様に、それぞれが異なった瞳位置で光線を透過させるため、視差のある画像対を得ることができる。したがって、ディスクスキャン方式を採用する顕微鏡装置であっても、図10の顕微鏡装置と同様の効果を得ることができる。 As shown in the figure, also in the configuration of FIG. 11, members 13A and 13B having eccentric openings 14A and 14B, respectively, are provided on the optical path, as in FIG. By switching and imaging the members 13A and 13B arranged on the optical path according to the control of the PC 9, each transmits light rays at different pupil positions as in the microscope apparatus of FIG. Can be obtained. Therefore, even a microscope apparatus that employs a disk scanning method can achieve the same effects as the microscope apparatus of FIG.
ただし、ディスクスキャン方式では、光軸方向に関して有限の範囲のみを結像する。このため、試料がZ方向に所定の厚み以上の形状である場合には、ディスクスキャン方式を採用した顕微鏡が好適である。 However, in the disk scanning method, only a finite range is imaged in the optical axis direction. For this reason, when the sample has a shape of a predetermined thickness or more in the Z direction, a microscope employing a disk scanning method is suitable.
なお、図11においては、図10の構成にディスクスキャン方式を採用した場合の顕微鏡装置を例示するが、これに限定されるものではない。例えば、第1の実施形態に係る顕微鏡装置にディスクスキャン方式を用いることも可能である。 FIG. 11 illustrates a microscope apparatus when the disk scanning method is adopted in the configuration of FIG. 10, but is not limited to this. For example, it is possible to use a disk scanning method for the microscope apparatus according to the first embodiment.
(シート照明)
図12は、図10の構成に更にシート照明を適用した顕微鏡装置の概略構成図である。
これまでに説明してきた顕微鏡装置では、対物レンズ4が励起光の照射と蛍光の検出とを行っている。これに対し、シート照明20では、励起光の照射については励起用対物レンズ4Aが行い、蛍光の検出については励起用対物レンズと垂直に配置されている検出用対物レンズ4Bが行う。図12のシリンドリカルレンズ17は、励起光ビームを絞り、試料面(図12においては図示を省略)においてシート状の照明をするために設けられている。
(Sheet lighting)
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus in which sheet illumination is further applied to the configuration of FIG.
In the microscope apparatus described so far, the objective lens 4 performs excitation light irradiation and fluorescence detection. On the other hand, in the sheet illumination 20, the excitation objective lens 4A performs excitation light irradiation, and the detection objective lens 4B disposed perpendicular to the excitation objective lens performs fluorescence detection. The cylindrical lens 17 in FIG. 12 is provided to squeeze the excitation light beam and illuminate the sheet surface on the sample surface (not shown in FIG. 12).
シート照明20を採用する顕微鏡装置であっても、図10や図11に示す構成の顕微鏡装置と同様に、開口板13A、13Bを切り替えてそれぞれの偏心開口14A、14Bを透過した成分からそれぞれ画像を得ることで、視差のある画像対を得る。シート照明20を用いることで、シート状の励起光が試料に照射されるため、試料が受けるダメージを抑えつつ、試料の3次元の超解像画像を生成することができる。 Even in a microscope apparatus that employs the sheet illumination 20, similar to the microscope apparatus having the configuration shown in FIG. 10 or FIG. 11, the aperture plates 13A and 13B are switched and images are transmitted from the components transmitted through the eccentric openings 14A and 14B, respectively. To obtain an image pair with parallax. By using the sheet illumination 20, since the sample is irradiated with the sheet-like excitation light, a three-dimensional super-resolution image of the sample can be generated while suppressing damage to the sample.
シート照明20は、結像の光軸方向に関して有限の範囲のみを照明するため、標本面5近傍の物質のみが励起される。このため、試料がZ方向に所定の厚み以上の薄い形状である場合には、シート照明20を用いる顕微鏡が好適である。 Since the sheet illumination 20 illuminates only a finite range with respect to the optical axis direction of imaging, only the substance near the sample surface 5 is excited. For this reason, when the sample has a thin shape having a predetermined thickness or more in the Z direction, a microscope using the sheet illumination 20 is suitable.
なお、図12においては、図10の構成にシート照明20を適用した場合の顕微鏡装置を例示するが、これに限定されるものではない。例えば、第1の実施形態に係る顕微鏡装置にシート照明20を適用することも可能である。 In addition, in FIG. 12, although the microscope apparatus at the time of applying the sheet illumination 20 to the structure of FIG. 10 is illustrated, it is not limited to this. For example, the sheet illumination 20 can be applied to the microscope apparatus according to the first embodiment.
図13は、本実施形態に係る顕微鏡装置による試料の3次元構造の撮像処理を示したフローチャートである。図13は、上述の複数回に分けて撮像を行って視差のある画像対を得る構成の顕微鏡装置が、試料全体の3次元の超解像画像のデータを得るまでの動作フローを示す。 FIG. 13 is a flowchart showing an imaging process of the three-dimensional structure of the sample by the microscope apparatus according to the present embodiment. FIG. 13 shows an operation flow until the microscope apparatus configured to obtain an image pair with parallax by performing imaging in a plurality of times as described above to obtain three-dimensional super-resolution image data of the entire sample.
上記の第1の実施形態に係る顕微鏡装置の動作フローを示す図6と比較すると、ステップS11〜ステップS13までの処理は、それぞれ図6のステップS1〜ステップS3の処理と同様である。 Compared with FIG. 6 which shows the operation | movement flow of the microscope apparatus which concerns on said 1st Embodiment, the process to step S11-step S13 is the same as the process of step S1-step S3 of FIG. 6, respectively.
ステップS14で、Z方向の位置情報の演算に必要な視差のある画像対を取得済みであるか否かを判定する。PC9において部材13A、13Bの切り替え制御を行ったか否かに基づき判定することができる。画像の取得が済んでいない(ステップS14でNoの)場合には、ステップS15に進み、画像に視差を与えるための制御、すなわち、光路上に配置されている部材13Aと部材13Bとを切り替えるための制御を実施し、ステップS12に戻る。画像対の取得が済んでいる(ステップS14でYesの)場合は、ステップS16に進む。 In step S14, it is determined whether or not an image pair having a parallax necessary for calculation of position information in the Z direction has been acquired. The determination can be made based on whether or not the PC 9 performs the switching control of the members 13A and 13B. If the image has not been acquired (No in step S14), the process proceeds to step S15, and control for giving parallax to the image, that is, switching between the member 13A and the member 13B arranged on the optical path. And control returns to step S12. If the acquisition of the image pair has been completed (Yes in step S14), the process proceeds to step S16.
ステップS16以降の処理については、図6のステップS4以降の処理と同様である。
図13に示す一連の処理によっても、図6の同時に画像対を取得する場合と同様の効果を得ることができる。
The processing after step S16 is the same as the processing after step S4 in FIG.
The series of processing shown in FIG. 13 can also provide the same effect as the case of acquiring image pairs in FIG. 6 at the same time.
図13についても、図6と同様に、例えば、画像対を取得するごとに、取得した画像対から輝点のX、Y及びZ方向の位置情報を求め、この動作を繰り返していき、試料全体の3次元構造の画像データを得る構成とすることもできる。 Similarly to FIG. 6, for example, every time an image pair is acquired, position information in the X, Y, and Z directions of the bright spot is obtained from the acquired image pair, and this operation is repeated for FIG. It is also possible to obtain an image data having a three-dimensional structure.
本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではく、実施段階でのその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素を適宜組み合わせても良い。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。このような、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることはもちろんである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, all the constituent elements shown in the embodiments may be appropriately combined. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined. It goes without saying that various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the invention.
2 光源
3 照明光学系
4、4A、4B 対物レンズ
5 標本面
6 ダイクロイックミラー
7、7A、7B 結像レンズ
8 カメラ
9 PC
10A、10B 光路
11A、11B 偏光板
12 偏光ビームスプリッタ
14A、14B 偏心開口
15 回転ディスク
16 マイクロレンズアレイ
17 シリンドリカルレンズ
18A、18B ミラー
19 軸
20 シート照明
21 アキシコンレンズ
2 Light source 3 Illumination optical system 4, 4A, 4B Objective lens 5 Sample surface 6 Dichroic mirror 7, 7A, 7B Imaging lens 8 Camera 9 PC
10A, 10B Optical path 11A, 11B Polarizing plate 12 Polarizing beam splitter 14A, 14B Eccentric aperture 15 Rotating disk 16 Micro lens array 17 Cylindrical lens 18A, 18B Mirror 19 Axis 20 Sheet illumination 21 Axicon lens
Claims (11)
所定の波長の光により励起した場合に蛍光性を有する第1の状態と蛍光性を有しない第2の状態とをスイッチング可能な物質により、前記試料の構造をラベリングする工程と、
前記所定の波長の光により照明光学系を用いて前記物質を照明し、前記第1の状態にある物質の少なくとも一部を励起する工程と、
前記励起された物質を結像光学系を用いて結像する工程と、
前記結像する工程において生じる視差を有する複数の画像を取得する工程と、
前記複数の画像における前記物質の前記試料内における光軸と垂直な面内方向の位置を特定する工程と、
前記複数の画像における前記物質の前記試料内における前記面内方向の位置を用いて、前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定する工程と、
前記物質を励起する工程から前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定する工程までを繰り返し、前記試料全体の3次元構造を得る工程と、
を有する3次元構造の撮像方法。 A method for imaging a three-dimensional structure of a sample,
Labeling the structure of the sample with a substance capable of switching between a first state having fluorescence and a second state having no fluorescence when excited by light of a predetermined wavelength;
Illuminating the substance using illumination optics with the light of the predetermined wavelength to excite at least a portion of the substance in the first state;
Imaging the excited material using an imaging optical system;
Obtaining a plurality of images having parallax generated in the imaging step;
Identifying the position of the substance in the plurality of images in the in-plane direction perpendicular to the optical axis in the sample;
Identifying the position of the substance in the optical axis direction in the sample using the position of the substance in the sample in the plurality of images in the in-plane direction;
Repeating steps from exciting the substance to identifying the position of the substance in the sample in the optical axis direction to obtain a three-dimensional structure of the entire sample;
A method for imaging a three-dimensional structure.
を更に有することを特徴とする請求項1記載の3次元構造の撮像方法。 In the imaging step, inducing an increase in the depth of focus of the imaging;
The method for imaging a three-dimensional structure according to claim 1, further comprising:
所定の波長の光により励起した場合に蛍光性を有する第1の状態と蛍光性を有しない第2の状態とをスイッチング可能な物質により、前記試料の構造をラベリングするラベリング部と、
前記所定の波長の光により前記物質を照明し、前記第1の状態にある物質の少なくとも一部を励起する照明光学系と、
前記励起された物質を結像する結像光学系と、
前記結像光学系により結像する工程において生じる視差を有する複数の画像を取得し、
前記複数の画像における前記物質の前記試料内における光軸と垂直な面内方向の位置を特定し、
前記複数の画像における前記物質の前記試料内における前記面内方向の位置を用いて、前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定し、
前記物質を励起する工程から前記物質の前記試料内における前記光軸方向の位置を特定する工程までを繰り返し、前記試料全体の3次元構造を得る画像処理部と、
を有する顕微鏡装置。 A microscope apparatus for imaging a three-dimensional structure of a sample,
A labeling unit for labeling the structure of the sample with a substance capable of switching between a first state having fluorescence and a second state having no fluorescence when excited by light of a predetermined wavelength;
An illumination optical system that illuminates the substance with light of the predetermined wavelength and excites at least a part of the substance in the first state;
An imaging optical system for imaging the excited substance;
Obtaining a plurality of images having parallax generated in the step of imaging by the imaging optical system;
Identifying the position of the substance in the plurality of images in the in-plane direction perpendicular to the optical axis in the sample;
Using the position of the substance in the sample in the plurality of images in the in-plane direction, the position of the substance in the sample in the optical axis direction is specified,
An image processing unit that repeats from the step of exciting the substance to the step of specifying the position of the substance in the optical axis direction in the sample, and obtaining a three-dimensional structure of the entire sample;
A microscope apparatus.
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