JP2017090590A - 画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニット - Google Patents

画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニット Download PDF

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Abstract

【課題】簡易な構成でシート状の励起光を生成できる画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニットを提供する。【解決手段】画像取得装置１では、光源１１と、二次元に配列された複数の画素を有し、光源１１から出力された励起光Ｌ１の位相を複数の画素毎に変調する空間光変調器１４と、第１の対物レンズ１６と、第２の対物レンズ１７と、光検出器２０と、複数の画素に対応する二次元の位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部２１と、を備える。位相パターンは、所定の基本位相パターンを用いて生成された位相パターンである。基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、第１の領域と対向し、連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を撮像して画像を取得する画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニットに関する。
そのような画像取得装置として、シート状の励起光を試料に照射し、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を撮像するライトシート顕微鏡がある（例えば、下記非特許文献１参照）。非特許文献１に記載されたライトシート顕微鏡では、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）によりベッセルビームを生成し、生成したベッセルビームの集光点をその光軸に沿って走査することで、擬似的にシート状の励起光を作り出している。
Florian O. Fahrbach and AlexanderRohrbach，"A line Scanned light-sheet microscope withphase shaped self-reconstructing beams"，November 2010/ Vol.18,No.23/ OPTICS EXPRESS pp.24229-24244
上記非特許文献１に記載されたライトシート顕微鏡では、ベッセルビームの集光点を光軸に沿って走査することで擬似的にシート状の励起光を生成していることから、当該走査のための光学素子等が必要となる。そのため、装置構成が複雑化するおそれがある。
そこで、本発明は、簡易な構成でシート状の励起光を生成できる画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニットを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る画像取得装置は、試料を励起させる波長を含む励起光を出力する光源と、二次元に配列された複数の画素を有し、光源から出力された励起光の位相を複数の画素毎に変調する空間光変調器と、空間光変調器で変調された励起光を試料に照射する第１の対物レンズと、第１の対物レンズからの励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を導光する第２の対物レンズと、第２の対物レンズにより導光された検出光を撮像する光検出器と、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
この画像取得装置では、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンが算出される。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、第１の対物レンズから試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この画像取得装置によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置においては、第１の領域では、位相値は所定の方向に沿って直線的に増加し、第２の領域では、位相値は所定の方向に沿って直線的に減少していてもよい。これによれば、基本位相パターンが単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、基本位相パターンは、所定の方向における中心を通り且つ所定の方向と直交する直線に関して線対称となっていてもよい。これによれば、シート状の励起光を第１の対物レンズの光軸上に生成することができる。したがって、第１の対物レンズ及び第２の対物レンズの光軸調整が容易になる。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、基本位相パターンは、所定の方向における中心を通り且つ所定の方向と直交する直線に関して非線対称となっていてもよい。これによれば、シート状の励起光を第１の対物レンズの光軸上とは異なる位置に生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、第１の領域と第２の領域とは、互いに隣接し、その境界において位相値が連続していてもよい。これによれば、基本位相パターンが単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、位相パターンは、回折格子状の回折格子パターンと基本位相パターンとが重畳された位相パターンであってもよい。これによれば、回折格子を設けることなく、励起光の位相を回折格子状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、位相パターンは、レンズ状のレンズパターンと基本位相パターンとが重畳された位相パターンであってもよい。これによれば、レンズ素子を設けることなく、励起光の位相をレンズ状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る画像取得装置は、励起光を試料に対して走査する光走査部を更に備えていてもよい。
本発明の一側面に係る画像取得装置では、光検出器は、複数の画素列を有し、ローリング読み出しが可能な二次元撮像素子であってもよい。これによれば、これによれば、グローバル読み出しが可能な二次元撮像素子を用いる場合に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
本発明の一側面に係る画像取得方法は、二次元に配列された複数の画素を有する空間光変調器により、試料を励起させる波長を含む励起光の位相を複数の画素毎に変調する第１のステップと、空間光変調器で変調された励起光を試料に照射する第２のステップと、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を導光し、導光された検出光を撮像する第３のステップと、を含み、第１のステップでは、所定の基本位相パターンに基づいて生成され、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御し、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
この画像取得方法では、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンを算出する。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この画像取得方法によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の一側面に係る空間光変調ユニットは、ライトシート顕微鏡に用いられる空間光変調ユニットであって、二次元に配列された複数の画素を有し、入力された光の位相を複数の画素毎に変調して変調後の光を出力する空間光変調器と、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
この空間光変調ユニットでは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンを算出する。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この空間光変調ユニットによれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の画像取得装置の一実施形態であるライトシート顕微鏡の構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１の光検出器の受光面を、（ｂ）は光検出器におけるローリング読み出しを示す図である。 図１のライトシート顕微鏡で用いられる基本位相パターンを示す図である。 シート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。 基本位相パターンの第１の変形例を示す図である。 図５の基本位相パターンを用いてシート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。 基本位相パターンの第２〜第４の変形例を示す図である。 回折格子パターンが基本位相パターンに重畳される様子を説明する図である。 レンズパターンが基本位相パターンに重畳される様子を説明する図である。 第５の変形例のライトシート顕微鏡の構成を示すブロック図である。 図１０のライトシート顕微鏡においてシート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。
以下、本発明の画像取得装置及び画像取得方法に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
図１に示されるライトシート顕微鏡（画像取得装置）１は、シート状の励起光Ｌ１を試料Ｓに照射し、励起光Ｌ１の照射に伴って試料Ｓから発せられる検出光Ｌ２を撮像することで、試料Ｓの画像を取得する装置である。ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１の光軸と直交する方向に沿って励起光Ｌ１の集光位置が試料Ｓに対して走査され、各集光位置において試料Ｓの画像が取得される。ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１が試料Ｓに照射される領域が狭いため、例えば光退色又は光毒性等の試料Ｓの劣化を抑制することができると共に、画像取得を高速化することができる。
観察対象物となる試料Ｓは、例えば、蛍光色素又は蛍光遺伝子等の蛍光物質を含む細胞や生体等のサンプルである。試料Ｓは、所定の波長域の光が照射された場合に、例えば蛍光等の検出光Ｌ２を発する。試料Ｓは、例えば、少なくとも励起光Ｌ１及び検出光Ｌ２に対する透過性を有するホルダ内に収容されている。このホルダは、例えばステージ上に保持されている。
図１に示されるように、ライトシート顕微鏡１は、光源１１と、コリメータレンズ１２と、光走査部１３と、ＳＬＭ１４と、第１の光学系１５と、第１の対物レンズ１６と、第２の対物レンズ１７と、フィルタ１８と、第２の光学系１９と、光検出器２０と、制御部２１と、を備えている。
光源１１は、試料Ｓを励起させる波長を含む励起光Ｌ１を出力する。光源１１は、例えば、コヒーレント光又はインコヒーレント光を出射する。コヒーレント光源としては、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）といったレーザ光源等が挙げられる。インコヒーレント光源としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、ランプ系光源等が挙げられる。レーザ光源としては、連続波（Continuous Wave)を発振する光源が好ましく、超短パルス光等のパルス光を発振する光源が用いられてもよい。パルス光を発振する光源としては、パルス光を出力する光源と、光シャッタ又はパルス変調用のＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）とを組み合わせたユニットが用いられてもよい。光源１１は、複数の波長域を含む励起光Ｌ１を出力するように構成されてもよい。この場合、音響光学可変フィルタ（Acousto-Optic Tunable Filter）等の光学フィルタにより励起光Ｌ１の波長の一部を選択的に透過させてもよい。
コリメータレンズ１２は、光源１１から出力された励起光Ｌ１を平行化し、平行化された励起光Ｌ１を出力する。光走査部１３は、コリメータレンズ１２から出力された励起光Ｌ１の進行方向を変更することで、励起光Ｌ１を試料Ｓに対して走査する光スキャナである。これにより、第１の光学系１５及び第１の対物レンズ１６を介して試料Ｓに照射される励起光Ｌ１の照射位置が、第１の対物レンズ１６の光軸（励起光Ｌ１の光軸）と直交する方向に沿って試料Ｓの表面上で走査される。光走査部１３は、例えば、ガルバノミラー、レゾナントスキャナ、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、又はＡＯＭ，ＡＯＤ（Acousto-Optic Deflector）等の音響光学素子等である。
ＳＬＭ１４は、二次元に配列された複数の画素を有し、光源１１から出力された励起光Ｌ１の位相を当該複数の画素毎に変調する位相変調型の空間光変調器である。ＳＬＭ１４は、光走査部１３から入射された励起光Ｌ１を変調し、変調された励起光Ｌ１を第１の光学系１５に向けて出力する（第１のステップ）。ＳＬＭ１４は、例えば透過型又は反射型に構成されている。図１では、透過型のＳＬＭ１４が示されている。ＳＬＭ１４は、例えば、屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型ＳＬＭ、ＬＣＤ（LiquidCrystal Display））、可変鏡型ＳＬＭ（例えば、Segment Mirror型ＳＬＭ、Continuous Deformable Mirror型ＳＬＭ）、又は電気アドレス型液晶素子若しくは光アドレス型液晶素子を用いたＳＬＭ等である。ＳＬＭ１４は、制御部２１のコントローラ２３に電気的に接続されており、空間光変調ユニットを構成している。ＳＬＭ１４は、コントローラ２３によりその駆動が制御される。制御部２１によるＳＬＭ１４の制御の詳細については後述する。
第１の光学系１５は、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１が第１の対物レンズ１６に導光されるように、ＳＬＭ１４と第１の対物レンズ１６とを光学的に結合している。ここでの第１の光学系１５は、ＳＬＭ１４からの励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の瞳で集光させるレンズ１５ａを有し、両側テレセントリック光学系を構成している。
第１の対物レンズ１６は、照明用の対物レンズであり、ＳＬＭ１４で変調された励起光Ｌ１を試料Ｓに照射する（第２のステップ）。第１の対物レンズ１６は、ピエゾアクチュエータ又はステッピングモータ等の駆動素子により、その光軸に沿って移動可能となっている。これにより、励起光Ｌ１の集光位置が調整可能となっている。
第２の対物レンズ１７は、検出用の対物レンズであり、第１の対物レンズ１６からの励起光Ｌ１の照射に伴って試料Ｓから発せられる検出光Ｌ２を光検出器２０側に導光する。この例では、第２の対物レンズ１７は、その光軸（検出光Ｌ２の光軸）と第１の対物レンズ１６の光軸とが直交（交差）するように、配置されている。第２の対物レンズ１７は、ピエゾアクチュエータ又はステッピングモータ等の駆動素子により、その光軸に沿って移動可能となっている。これにより、第２の対物レンズ１７の焦点位置が調整可能となっている。
フィルタ１８は、第２の対物レンズ１７により導光された光から励起光Ｌ１と検出光Ｌ２とを分離し、抽出された検出光Ｌ２を光検出器２０側に出力するための光学フィルタである。フィルタ１８は、第２の対物レンズ１７と光検出器２０との間の光路上に配置されている。第２の光学系１９は、第２の対物レンズ１７から出力された検出光Ｌ２が光検出器２０に導光されるように、第２の対物レンズ１７と光検出器２０とを光学的に結合している。第２の光学系１９は、第２の対物レンズ１７からの検出光Ｌ２を光検出器２０の受光面２０ａ（図２）で結像させるレンズ１９ａを有している。
光検出器２０は、第２の対物レンズ１７により導光されて受光面２０ａで結像された検出光Ｌ２を撮像する（第３のステップ）。光検出器２０は、複数の画素列を有し、複数の画素列毎のローリング読み出しが可能な二次元撮像素子である。そのような光検出器２０としては、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ等が挙げられる。図２（ａ）に示されるように、光検出器２０の受光面２０ａには、読み出し方向に垂直な方向に複数の画素が配列されてなる画素列Ｒが、読み出し方向に複数配列されている。
光検出器２０では、図２（ｂ）に示すように、駆動クロックの駆動周期に基づいて、リセット信号、読み出し開始信号が入力されることで、画素列Ｒ毎に露光及び読み出しが制御される。ローリング読み出しでは、画素列Ｒ毎に読み出し開始信号が所定の時間差で順次入力される。このため、全ての画素列の読み出しを同時に行うグローバル読み出しとは異なり、画素列Ｒ毎の読み出しが所定の時間差をもって順次行われる。
制御部２１は、プロセッサ及びメモリ等を含むコンピュータ２２及びプロセッサ及びメモリ等を含むコントローラ２３により構成されている。コンピュータ２２は、例えば、パーソナルコンピュータあるいはスマートデバイスであり、プロセッサにより、光走査部１３、第１の対物レンズ１６、第２の対物レンズ１７、光検出器２０、及びコントローラ２３等の動作を制御し、各種の制御を実行する。例えば、コンピュータ２２は、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査と、光検出器２０による検出光Ｌ２の撮像とのタイミングとを同期させるための制御を行う。具体的には、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査に応じて光検出器２０で検出される検出光Ｌ２も移動する。そのため、コンピュータ２２は、光検出器２０における検出光Ｌ２の移動に合わせて、ローリング読み出しによる信号読み出しが行われるように光検出器２０あるいは光走査部１３を制御する。
コントローラ２３は、コンピュータ２２と電気的に接続され、図３に示されるような二次元の位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４における複数の画素毎の位相変調量を制御する。位相パターンＰは、二次元平面上の位置に関する位相値のパターンであり、位相パターンＰにおける各位置は、ＳＬＭ１４の複数の画素に対応している。位相パターンＰの位相値は、０〜２πラジアンの間で規定されている。図３では、色の濃さによって位相パターンＰの各部における位相値が表されている。なお、位相パターンＰの位相値の上限は、２πラジアンよりも大きくてもよい。
コントローラ２３は、ＳＬＭ１４の各画素について、位相パターンＰにおける当該画素に対応する位置の位相値に従って当該画素の位相変調量を制御する。具体的には、例えば、コントローラ２３内には、ＤＶＩ（Digital Video Interface）等のデジタルデータとして入力される位相パターンＰの位相値を各画素に印加される駆動電圧値に変換するＤ／Ａ変換部（デジタル／アナログ変換器）が設けられている。コンピュータ２２からコントローラ２３に位相パターンＰが入力されると、コントローラ２３は、Ｄ／Ａ変換部により位相パターンＰの位相値を駆動電圧値に変換し、ＳＬＭ１４に駆動電圧値を入力する。ＳＬＭ１４は、入力された駆動電圧値に応じて各画素に電圧を印加する。なお、例えば、ＳＬＭ１４がＤ／Ａ変換部を有し、コントローラ２３が位相パターンＰに応じたデジタルデータをＳＬＭ１４に入力してもよい。この場合、ＳＬＭ１４のＤ／Ａ変換部で位相パターンＰの位相値を駆動電圧値に変換する。また、Ｄ／Ａ変換を行わず、ＳＬＭ１４がコントローラ２３から出力されたデジタル信号に基づいて各画素に印加される電圧値を制御してもよい。
位相パターンＰは、制御部２１のコンピュータ２２により、所定の基本位相パターン３１に基づいて算出される。基本位相パターン３１は、例えば、コンピュータ２２のメモリに予め記憶されている。基本位相パターン３１に基づいて算出された位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１を変調することで、第１の対物レンズ１６からシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となる。後述するように、位相パターンＰは、基本位相パターン３１に他のパターンを更に重畳することで算出される場合もあるが、以下では、基本位相パターン３１がそのまま位相パターンＰとして用いられる場合について説明する。
図３に示されるように、基本位相パターン３１は、矩形状の範囲内に設定されている。基本位相パターン３１は、所定の方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が増加する矩形状の第１の領域３２と、方向Ｄ１において第１の領域３２と対向し、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が減少する矩形状の第２の領域３３と、を有している。すなわち、第１の領域３２と第２の領域３３とでは、位相値が増減する方向が互いに反対になっている。なお、ある領域において「連続的に位相値が増加する」とは、当該領域の全体に亘って位相値が途切れることなく連続していることを意味する。また、位相値が０ラジアンである場合と位相値が２πラジアンである場合とは同じ状態を意味しており、位相値が０ラジアンと２πラジアンとの間を跨いで変化したとしても位相値は連続している。
第１の領域３２では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に増加している。第２の領域３３では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に減少している。第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても、位相値は２πラジアンだけ変化している。すなわち、第１の領域３２における位相値の傾き（増加の割合）の絶対値と第２の領域３３における位相値の傾き（減少の割合）の絶対値とは、等しくなっている。第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても、方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に沿っては、位相値が一定となっている。第１の領域３２と第２の領域３３とは、互いに隣接し、その境界において位相値が連続している。この例では、境界における位相値は０ラジアンとなっている。基本位相パターン３１は、方向Ｄ１における中心を通り且つ方向Ｄ１と直交する直線（中心線）Ｃに関して線対称となっている。この例では、第１の領域３２と第２の領域３３の境界は中心線Ｃ上に位置している。
図４は、基本位相パターン３１に従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される様子を説明する概念図である。図４（ａ）は、方向Ｄ２に対応する方向ｄ２から見た場合の励起光Ｌ１の光路を示す図であり、図４（ｂ）は、方向Ｄ１に対応する方向ｄ１から見た場合の励起光Ｌ１の光路を示す図である。図４（ａ）では、第１の領域３２に入射する励起光Ｌ１の光路の例として、第１の対物レンズ１６の光軸Ｘからの距離が小さい順に３つの励起光Ａ１，Ｂ１，Ｃ１が示されている。また、第２の領域３３に入射する励起光Ｌ１の光路の例として、光軸Ｘからの距離が小さい順に３つの励起光Ａ２，Ｂ２，Ｃ２が示されている。
図４（ａ）に示されるように、励起光Ａ１，Ａ２は、ＳＬＭ１４でその位相が所定量だけ遅らせられ、光軸Ｘ上で結像される。励起光Ｂ１，Ｂ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ａ１，Ａ２よりも大きくなる。そのため、励起光Ｂ１，Ｂ２は、励起光Ａ１，Ａ２よりも第１の対物レンズ１６から遠い位置の光軸Ｘ上で結像される。励起光Ｃ１，Ｃ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ａ１，Ａ２よりも小さくなり、位相はＳＬＭ１４でほぼ変化しない。そのため、励起光Ｃ１，Ｃ２は、励起光Ａ１，Ａ２よりも第１の対物レンズ１６に近い位置の光軸Ｘ上で結像される。
図４（ｂ）に示されるように、方向ｄ１から見た場合には、励起光Ｌ１の位相はＳＬＭ１４で変化しない。以上より、所定の結像位置Ｙ１にシート状の励起光Ｌ１が生成される。この例では、このシート状の励起光Ｌ１は、その幅方向が方向ｄ２に沿うように、光軸Ｘ上に生成される。
以上説明したように、ライトシート顕微鏡１では、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域３２と、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域３３と、を有する基本位相パターン３１に基づいて位相パターンＰが算出される。この位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４で励起光を変調することで、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光Ｌ１を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、このライトシート顕微鏡１によれば、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。さらに、従来技術のようにシート状の励起光Ｌ１を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がないため、制御を容易化することができる共に、画像取得に要する時間を短縮することができる。
ライトシート顕微鏡１においては、第１の領域３２では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に増加し、第２の領域３３では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に減少している。これにより、基本位相パターン３１が単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。すなわち、第１の領域３２及び第２の領域３３の少なくとも一方において位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に増加していない場合、シート状の励起光Ｌ１を生成するための第１の光学系１５又は第１の対物レンズ１６等の光学系の構成が複雑化してしまうおそれがある。対して、ライトシート顕微鏡１においては、第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に増加しているため、シート状の励起光Ｌ１を生成するための光学系の構成を簡易化することができる。
ライトシート顕微鏡１では、基本位相パターン３１が直線Ｃに関して線対称となっている。これにより、シート状の励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の光軸Ｘ上に生成することができる。よって、第１の対物レンズ１６及び第２の対物レンズ１７の光軸調整が容易になる。
ライトシート顕微鏡１では、第１の領域３２と第２の領域３３とが互いに隣接し、その境界において位相値が連続している。これにより、基本位相パターン３１が単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１を試料Ｓに対して走査する光走査部１３を備えているため、第１の対物レンズ１６から照射される励起光Ｌ１の照射位置を試料Ｓに対して走査することができる。
ライトシート顕微鏡１では、光検出器２０が、複数の画素列Ｒを有し、ローリング読み出しが可能な二次元撮像素子である。これにより、グローバル読み出しが可能な二次元撮像素子を用いる場合に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、図５に示される第１の変形例の基本位相パターン３１Ａが用いられてもよい。基本位相パターン３１Ａの第２の領域３３Ａでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ減少している。すなわち、第１の領域３２における位相値の傾きの絶対値と第２の領域３３Ａにおける傾きの絶対値とが異なっている。基本位相パターン３１Ａは、中心線Ｃに関して非線対称となっている。この例でも、第１の領域３２と第２の領域３３Ａの境界は中心線Ｃ上に位置している。
このような基本位相パターン３１Ａが用いられた場合でも、図６に示されるように、基本位相パターン３１Ａに従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される。この場合、図６（ａ）に示されるように、第２の領域３３Ａに入射する励起光Ａ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が第１の領域３２に入射する励起光Ａ１よりも大きくなる。同様に、励起光Ｂ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ｂ１よりも大きくなり、励起光Ｃ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ｃ１よりも大きくなる。これにより、上記実施形態の場合の結像位置Ｙ１よりも第１の対物レンズ１６から遠い結像位置Ｙ２にシート状の励起光Ｌ１が生成される。このシート状の励起光Ｌ１は、光軸Ｘ上とは異なる位置に生成される。
このように、第１の変形例によっても、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。また、第１の変形例では、基本位相パターン３１が直線Ｃに関して非線対称となっているため、シート状の励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の光軸Ｘ上とは異なる位置に生成することができる。
また、図７に示される第２の変形例の基本位相パターン３１Ｂ、第３の変形例の基本位相パターン３１Ｃ、又は第４の変形例の基本位相パターン３１Ｄが用いられてもよい。基本位相パターン３１Ｂの第１の領域３３Ｂでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ増加している。すなわち、第１の領域３２Ｂにおける位相値の傾きの絶対値と第２の領域３３Ａにおける位相値の傾きの絶対値とが等しくなっている。
基本位相パターン３１Ｃでは、第１の領域３２と第２の領域３３との方向Ｄ１における位置関係が上記実施形態の場合とは逆になっている。すなわち、上述した基本位相パターン３１においては、第１の領域３２では、境界（中心線Ｃ）からの距離が大きくなるほど位相値が増加し、第２の領域３３では、境界からの距離が小さくなるほど位相値が減少していたのに対し、基本位相パターン３１Ｃにおいては、第１の領域３２では、境界からの距離が小さくなるほど位相値が増加し、第２の領域３３では、境界からの距離が大きくなるほど位相値が減少している。
基本位相パターン３１Ｄでは、上記第３の変形例と同様に、第１の領域３２Ｄと第２の領域３３Ｄとの方向Ｄ１における位置関係が上記実施形態の場合と逆になっている。さらに、基本位相パターン３１Ｄにおいては、第１の領域３２Ｄでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ増加し、第２の領域３３Ｄでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ減少している。基本位相パターン３１Ｂ〜３１Ｄは、中心線Ｃに関して線対称となっている。基本位相パターン３１Ｂ〜３１Ｄでも、第１の領域３２と第２の領域３３Ａの境界は中心線Ｃ上に位置している。
これらの基本位相パターン３１Ｂ〜３１Ｄが用いられた場合でも、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
また、図８に示されるように、回折格子状の回折格子パターン４１を基本位相パターン３１に重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。回折格子パターン４１は、方向Ｄ２において回折格子状をなしている。また、図９に示されるように、例えばフレネルレンズ等のレンズ状のレンズパターン４２を基本位相パターン３１に重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。なお、回折格子パターン４１又はレンズパターン４２を基本位相パターン３１Ａ〜３１Ｃに重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。
これらの場合でも、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。また、回折格子又はレンズ素子を設けることなく、励起光の位相を回折格子状又はレンズ状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
また、図１０に示される第５の変形例のライトシート顕微鏡１Ｄのように構成されてもよい。ライトシート顕微鏡１Ｄは、テレスコープ光学系を構成する第１の光学系１５Ｄを備える点で上記実施形態のライトシート顕微鏡１と相違する。この第１の光学系１５Ｄは、ＳＬＭ１４からの励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の瞳で集光させる２つのレンズ１５Ｄａ，１５Ｄｂを有し、テレスコープ光学系を構成している。このようなテレスコープ光学系としては、４ｆ光学系、ケプラー型光学系、又はガリレオ型光学系等が挙げられる。
このようなライトシート顕微鏡１Ｄによっても、図１１に示されるように、基本位相パターン３１に従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される。このように、第５の変形例によっても、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
また、上記実施形態の基本位相パターン３１において、方向Ｄ１において位相値が一定である第３の領域が更に設けられていてもよい。このような第３の領域は、例えば第１の領域３２と第２の領域３３との間に設けられる。この場合、第１の領域３２と第２の領域３３とは互いに隣接しない。
また、上記実施形態において、光検出器２０は、グローバル読み出し可能なエリアイメージセンサであってもよい。第１の光学系１５は省略されてもよく、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１が第１の対物レンズ１６に直接入力されてもよい。光走査部１３は、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１を受けるように配置されてもよい。第１の対物レンズ１６の光軸と第２の対物レンズ１７の光軸とは直交していなくてもよく、互いに交わっていなくてもよい。
また、制御部２１は、位相パターンＰを適宜変更することで、生成するシート状の励起光Ｌ１の波長、シートの厚さ、集光位置、又は形状等を制御してもよい。制御部２１は、収差補正のためのパターンを基本位相パターン３１に重畳して位相パターンＰを算出してもよい。また、例えばレンズ１５ａと第１の対物レンズ１６との間には、励起光Ｌ１の０次光又は高次光をカットするためのスリットを有する光学素子が設けられていてもよい。これにより、不要光（ノイズになりうる光）を遮光できる。
また、制御部２１は、位相パターンＰに応じて、ローリング読み出し可能な光検出器２０において同時に露光される画素列数Ｎを設定してもよい。このとき、制御部２１は、設定された画素列数Ｎ及び各画素列の露光期間Ｔ１に基づいてローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２を設定する。この場合、各画素列の露光期間Ｔ１は、ユーザー等により設定される。また、制御部２１は、設定された画素列数Ｎ及びローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２に基づいて、各画素列の露光期間Ｔ１を設定してもよい。この場合、ローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２は、ユーザー等により設定される。いずれの場合でも、制御部２１は、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査とローリング読み出しが可能な光検出器２０による各画素列Ｒの信号読み出しとが同期するように、光走査部１３あるいは光検出器２０を制御する。
１…ライトシート顕微鏡（画像取得装置）、１１…光源、１３…光走査部、１４…空間光変調器、１６…第１の対物レンズ、１７…第２の対物レンズ、２０…光検出器、２１…制御部、２２…コンピュータ、２３…コントローラ、３１…基本位相パターン、３２…第１の領域、３３…第２の領域、４１…回折格子パターン、４２…レンズパターン、Ｃ…直線（中心線）、Ｄ１…所定の方向、Ｌ１…励起光、Ｌ２…検出光、Ｐ…位相パターン、Ｒ…画素列、Ｓ…試料。

Claims (11)

  1. 試料を励起させる波長を含む励起光を出力する光源と、
    二次元に配列された複数の画素を有し、前記光源から出力された前記励起光の位相を前記複数の画素毎に変調する空間光変調器と、
    前記空間光変調器で変調された前記励起光を試料に照射する第１の対物レンズと、
    前記第１の対物レンズからの前記励起光の照射に伴って前記試料から発せられる検出光を導光する第２の対物レンズと、
    前記第２の対物レンズにより導光された前記検出光を撮像する光検出器と、
    前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、
    前記位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、
    前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、画像取得装置。
  2. 前記第１の領域では、前記位相値は前記所定の方向に沿って直線的に増加し、前記第２の領域では、前記位相値は前記所定の方向に沿って直線的に減少している、請求項１記載の画像取得装置。
  3. 前記基本位相パターンは、前記所定の方向における中心を通り且つ前記所定の方向と直交する直線に関して線対称となっている、請求項１又は２記載の画像取得装置。
  4. 前記基本位相パターンは、前記所定の方向における中心を通り且つ前記所定の方向と直交する直線に関して非線対称となっている、請求項１又は２記載の画像取得装置。
  5. 前記第１の領域と前記第２の領域とは、互いに隣接し、その境界において前記位相値が連続している、請求項１〜４のいずれか一項記載の画像取得装置。
  6. 前記位相パターンは、回折格子状の回折格子パターンと前記基本位相パターンとが重畳された位相パターンである、請求項１〜５のいずれか一項記載の画像取得装置。
  7. 前記位相パターンは、レンズ状のレンズパターンと前記基本位相パターンとが重畳された位相パターンである、請求項１〜６のいずれか一項記載の画像取得装置。
  8. 前記励起光を前記試料に対して走査する光走査部を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項記載の画像取得装置。
  9. 前記光検出器は、複数の画素列を有し、ローリング読み出しが可能な二次元撮像素子である、請求項１〜８のいずれか一項記載の画像取得装置。
  10. 二次元に配列された複数の画素を有する空間光変調器により、試料を励起させる波長を含む励起光の位相を前記複数の画素毎に変調する第１のステップと、
    前記空間光変調器で変調された前記励起光を前記試料に照射する第２のステップと、
    前記励起光の照射に伴って前記試料から発せられる検出光を導光し、導光された前記検出光を撮像する第３のステップと、を含み、
    前記第１のステップでは、所定の基本位相パターンに基づいて生成され、前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御し、
    前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、画像取得方法。
  11. ライトシート顕微鏡に用いられる空間光変調ユニットであって、
    二次元に配列された複数の画素を有し、入力された光の位相を前記複数の画素毎に変調して変調後の光を出力する空間光変調器と、
    前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、
    前記位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、
    前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、空間光変調ユニット。
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