JP2020071393A - Image simulation device, and image simulation method - Google Patents

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Abstract

To provide an image simulation device with which it is possible to generate an image of a sample with a small amount of calculation.SOLUTION: An image simulation device 1 is of an imaging optical system having an illumination optical system and an observation optical system arranged sandwiching a sample with the illumination optical system, the image simulation device 1 including a processor 2. The processor 2 executes a process comprising the steps of: calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources in which the pupil intensity distribution of the illumination optical system is modeled; calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts have passed through the sample; calculating, from the plurality of second wavefronts, a plurality of third wavefronts at the focus position on the sample side of the observation optical system; calculating a plurality of fourth wavefronts at the imaging position of the observation optical system using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system and calculating a plurality of first intensity distributions from the plurality of fourth wavefronts; and calculating the intensity distribution of optical image of the sample from the plurality of first intensity distributions.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、画像シミュレーション装置、及び画像シミュレーション方法に関する。   The present invention relates to an image simulation device and an image simulation method.

近年、細胞塊が、再生医療分野や創薬分野で注目されている。細胞塊を有効に利用するためには、細胞塊の品質管理が重要になる。細胞塊の品質管理は、例えば、光学顕微鏡で行われている。   In recent years, cell masses have been drawing attention in the fields of regenerative medicine and drug discovery. In order to effectively use the cell mass, quality control of the cell mass is important. The quality control of the cell mass is performed by, for example, an optical microscope.

光学顕微鏡で細胞塊の品質を管理するためには、細胞塊の顕微鏡像シミュレーション技術が必要である。細胞塊は複数の細胞で形成されており、光が細胞塊を透過する間に複数回回折される。   In order to control the quality of cell clusters with an optical microscope, a technique for simulating cell cluster microscopic images is required. A cell mass is formed by a plurality of cells, and light is diffracted multiple times while passing through the cell mass.

複数回回折する標本の光学像をシミュレーションする方法として、FDTD(finite-difference time-domain)法を用いる方法がある。FDTD法では、複数回の回折を扱うことができる。FDTD法を用いてシミュレーションを行うことが、非特許文献1に開示されている。   As a method for simulating an optical image of a sample that is diffracted multiple times, there is a method using an FDTD (finite-difference time-domain) method. The FDTD method can handle multiple times of diffraction. Non-Patent Document 1 discloses that a simulation is performed using the FDTD method.

Numerical simulation of partially coherent broadband optical imaging using the finite-difference time-domain method, Optics Letters Vol. 36, Issue 9, pp. 1596-1598 (2011)Numerical simulation of partially coherent broadband optical imaging using the finite-difference time-domain method, Optics Letters Vol. 36, Issue 9, pp. 1596-1598 (2011)

FDTD法を用いた画像シミュレーションでは、ボクセルサイズを波長の10分の1程度まで小さくする。この場合、ボクセル数が多くなるため、計算量が膨大になり計算時間が長くなる。   In the image simulation using the FDTD method, the voxel size is reduced to about 1/10 of the wavelength. In this case, since the number of voxels increases, the amount of calculation becomes huge and the calculation time becomes long.

ボクセル数が多くなると、計算に必要なメモリのサイズも大きくなる。そのため、FDTD法を用いた画像シミュレーションは、メモリサイズの制約により、大きい標本を扱えない。   As the number of voxels increases, the size of memory required for calculation also increases. Therefore, the image simulation using the FDTD method cannot handle a large sample due to the memory size constraint.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、少ない計算量で、標本の画像を生成できる画像シミュレーション装置、及び画像シミュレーション方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an image simulation apparatus and an image simulation method that can generate an image of a sample with a small amount of calculation.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る画像シミュレーション装置は、
照明光学系と、照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション装置であって、
プロセッサを備え、
プロセッサは、
照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算するステップと、
複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算するステップと、
複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算するステップと、
複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算するステップと、
複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出するステップと、
を備える処理を行うことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, an image simulation apparatus according to at least some embodiments of the present invention is
An image simulation apparatus for generating a simulation image of an imaging optical system having an illumination optical system, and an observation optical system that is arranged so as to face the illumination optical system with a sample in between,
Equipped with a processor,
The processor is
Calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system,
Calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts has passed through the sample;
Calculating a plurality of third wavefronts at a focus position on the sample side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts,
A plurality of fourth wavefronts at the imaging position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system, and the plurality of fourth wavefronts are each squared to obtain a plurality of first intensity distributions. The step of calculating
Calculating the intensity distribution of the optical image of the sample by adding a plurality of first intensity distributions;
It is characterized by performing a process including.

本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る画像シミュレーション方法は、
照明光学系と、照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション方法であって、
照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算し、
複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算し、
複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算し、
複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算し、
複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出することを特徴とする。
An image simulation method according to at least some embodiments of the present invention comprises
An image simulation method for generating a simulation image of an imaging optical system having an illumination optical system and an observation optical system that is arranged to face the illumination optical system with a sample sandwiched between them.
Calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources that model the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system,
Calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts has passed through the sample,
Calculating a plurality of third wavefronts at the focus position on the sample side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts,
A plurality of fourth wavefronts at the imaging position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system, and the plurality of fourth wavefronts are each squared to obtain a plurality of first intensity distributions. And calculate
It is characterized in that the intensity distribution of the optical image of the sample is calculated by adding a plurality of first intensity distributions.

本発明によれば、少ない計算量で、標本の画像を生成できる画像シミュレーション装置、及び画像シミュレーション方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an image simulation apparatus and an image simulation method that can generate an image of a sample with a small amount of calculation.

本実施形態の画像シミュレーション装置を示す図である。It is a figure which shows the image simulation apparatus of this embodiment. 撮像光学系の例を示す図である。It is a figure which shows the example of an imaging optical system. プロセッサで行われる処理のフローチャートである。It is a flow chart of processing performed by a processor. 標本と波面の様子を示す図である。It is a figure which shows the state of a sample and a wave front. 2つの平面における波面の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the wavefront in two planes. DIC観察に用いられる光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system used for DIC observation. IVC観察に用いられる光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system used for IVC observation. 照明光学系の瞳を分割した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the pupil of the illumination optical system was divided. IVC観察における画像を示す図である。It is a figure which shows the image in IVC observation. 明視野観察に用いられる光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system used for bright field observation. 照明光学系の瞳を分割した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the pupil of the illumination optical system was divided. 明視野観察における画像を示す図である。It is a figure which shows the image in bright field observation. 位相差観察における画像を示す図である。It is a figure which shows the image in phase contrast observation. DIC観察における画像を示す図である。It is a figure which shows the image in DIC observation. PCFの例を示す図である。It is a figure which shows the example of PCF. PCFの観察に用いられる光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system used for observation of PCF. 明視野観察における画像を示す図である。It is a figure which shows the image in bright field observation. 照明光学系の瞳を分割した様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the pupil of the illumination optical system was divided.

実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。   Prior to the description of the examples, the operation and effect of the embodiment according to an aspect of the present invention will be described. In addition, when concretely explaining the operation and effect of the present embodiment, a concrete example will be shown. However, as in the case of the examples described below, those exemplified modes are merely a part of the modes included in the present invention, and there are many variations in the modes. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated embodiments.

本実施形態の画像シミュレーション装置は、照明光学系と、照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション装置であって、プロセッサを備え、プロセッサは、照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算するステップと、複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算するステップと、複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算するステップと、複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算するステップと、複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出するステップと、を備える処理を行うことを特徴とする。   The image simulation apparatus according to the present embodiment is an image simulation apparatus that generates a simulation image of an imaging optical system that includes an illumination optical system and an observation optical system that is arranged opposite to the illumination optical system with a sample interposed therebetween. , A processor, the processor calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system, and the processor after the plurality of first wavefronts pass through the sample. A step of calculating a plurality of second wavefronts, a step of calculating a plurality of third wavefronts at a focus position on the sample side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts, a plurality of third wavefronts and a pupil function of the observation optical system Calculating a plurality of fourth wavefronts at the image forming position of the observation optical system by using, and calculating a plurality of first intensity distributions by squaring the plurality of fourth wavefronts, and a plurality of first intensity distributions. By adding the fabric, and carrying out the steps of calculating the intensity distribution of an optical image of the sample, the process comprising.

本実施形態の画像シミュレーション装置を、図1に示す。画像シミュレーション装置1は、プロセッサ2を備える。プロセッサ2では、撮像光学系のシミュレーション画像が生成される。生成された撮像光学系のシミュレーション画像は、例えば、表示装置16に表示することができる。   The image simulation device of this embodiment is shown in FIG. The image simulation device 1 includes a processor 2. The processor 2 generates a simulation image of the image pickup optical system. The generated simulation image of the imaging optical system can be displayed on the display device 16, for example.

撮像光学系の例を、図2に示す。撮像光学系3は、照明光学系4と、観察光学系5と、を有する。観察光学系5は、照明光学系4と標本6を挟んで対向している。   An example of the imaging optical system is shown in FIG. The imaging optical system 3 has an illumination optical system 4 and an observation optical system 5. The observation optical system 5 faces the illumination optical system 4 with the sample 6 interposed therebetween.

照明光学系4は、レンズ7と、レンズ8と、コンデンサレンズ9と、を有する。観察光学系5は、対物レンズ10と、結像レンズ11と、を有する。   The illumination optical system 4 has a lens 7, a lens 8 and a condenser lens 9. The observation optical system 5 has an objective lens 10 and an imaging lens 11.

撮像光学系3は、光源12と共に用いられる。光源12から射出された光は、照明光学系4を介して、標本6に照射される。これにより、標本6が照明される。標本6からの光は、観察光学系5で集光される。これにより、光学像13が形成される。   The imaging optical system 3 is used together with the light source 12. The light emitted from the light source 12 is applied to the sample 6 via the illumination optical system 4. Thereby, the sample 6 is illuminated. The light from the sample 6 is condensed by the observation optical system 5. Thereby, the optical image 13 is formed.

レンズ7とレンズ8とで、照明光学系の瞳14の位置に、光源像12’が形成される。このように、光源12と照明光学系の瞳14は共役である。   The lens 7 and the lens 8 form a light source image 12 'at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. Thus, the light source 12 and the pupil 14 of the illumination optical system are conjugate.

コンデンサレンズ9と対物レンズ10とで、観察光学系の瞳15の位置に、照明光学系の瞳14の像が形成される。このように、照明光学系の瞳14と観察光学系の瞳15は共役である。   The condenser lens 9 and the objective lens 10 form an image of the pupil 14 of the illumination optical system at the position of the pupil 15 of the observation optical system. In this way, the pupil 14 of the illumination optical system and the pupil 15 of the observation optical system are conjugate.

標本6は、対物レンズ10の前側焦点位置に配置されている。前側焦点位置は、標本6側における対物レンズ10の焦点位置である。対物レンズ10の前側焦点位置は、観察光学系5の前側焦点位置と見なすことができる。対物レンズ10の瞳は、観察光学系5の瞳15と見なすことができる。   The sample 6 is arranged at the front focus position of the objective lens 10. The front focus position is the focus position of the objective lens 10 on the sample 6 side. The front focus position of the objective lens 10 can be regarded as the front focus position of the observation optical system 5. The pupil of the objective lens 10 can be regarded as the pupil 15 of the observation optical system 5.

撮像光学系3では、例えば、明視野観察、位相差観察、微分干渉観察(以下、「DIC観察」という)、又は、インバージョンコントラスト観察(以下、「IVC観察」という)を行うことができる。   In the imaging optical system 3, for example, bright field observation, phase difference observation, differential interference observation (hereinafter referred to as “DIC observation”), or inversion contrast observation (hereinafter referred to as “IVC observation”) can be performed.

明視野観察では、照明光学系の瞳14の位置に、円形の透過部を有する絞りが配置される。位相差観察やIVC観察では、照明光学系の瞳14の位置に、円環状の透過部を有する絞りが配置される。このように、観察方法に応じて、撮像光学系3の構成が異なる。   In bright-field observation, a diaphragm having a circular transmitting portion is arranged at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. In phase difference observation or IVC observation, a diaphragm having an annular transmission portion is arranged at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. Thus, the configuration of the imaging optical system 3 differs depending on the observation method.

そこで、プロセッサ2では、撮像光学系3のシミュレーション画像(以下、「シミュレーション画像」という)が生成される。   Therefore, the processor 2 generates a simulation image of the imaging optical system 3 (hereinafter referred to as “simulation image”).

シミュレーション画像は、光学像13を計算によって求めたときの画像である。光学像13の計算の概要を、波面を用いて説明する。理解の容易のために、光学像13側から説明する。   The simulation image is an image when the optical image 13 is calculated. The outline of the calculation of the optical image 13 will be described using the wavefront. For ease of understanding, description will be given from the optical image 13 side.

図2に示すように、位置Pimgに、光学像13が形成される。光学像13は、波面Wimgによって形成されている。よって、波面Wimgを知ることができれば、光学像13を計算によって求めることができる。波面Wimgは、位置Pimgにおける波面である。 As shown in FIG. 2, the optical image 13 is formed at the position P img . The optical image 13 is formed by the wavefront W img . Therefore, if the wavefront W img can be known, the optical image 13 can be calculated. The wavefront W img is the wavefront at the position P img .

位置Pimgは、位置Pfoと共役である。よって、波面Wimgは、波面Wfoから知ることができる。波面Wfoは、位置Pfoにおける波面である。 Position P img is conjugate with position P fo . Therefore, the wavefront W img can be known from the wavefront W fo . The wavefront Wfo is the wavefront at the position Pfo .

波面Wfoは、波面Woutが位置Pfoまで伝搬した波面である。よって、波面Wfoは、波面Woutから知ることができる。波面Woutは、位置Poutにおける波面である。 The wavefront W fo is a wavefront in which the wavefront W out has propagated to the position P fo . Therefore, the wavefront W fo can be known from the wavefront W out . The wavefront Wout is the wavefront at the position Pout .

波面Woutは、波面Winが標本6を通過した後の波面である。よって、波面Woutは、波面Winから知ることができる。波面Winは、位置Pinにおける波面である。 The wavefront W out is a wavefront after the wavefront W in has passed through the sample 6. Therefore, the wavefront W out can be known from the wavefront W in . The wavefront W in is the wavefront at the position P in .

波面Winは、照明光の波面である。照明光の波面は、光源像12’から射出される光の波面である。よって、波面Winは、光源像12’から求めることができる。 Wavefront W in is a wavefront of the illumination light. The wavefront of the illumination light is the wavefront of the light emitted from the light source image 12 ′. Therefore, the wavefront W in can be obtained from the light source image 12 ′.

このように、波面Win、波面Wout、波面Wfo、及び波面Wimgを知ることができれば、光学像13を計算によって求めることができる。すなわち、シミュレーション画像を生成することができる。 In this way, if the wavefront W in , the wavefront W out , the wavefront W fo , and the wavefront W img can be known, the optical image 13 can be calculated. That is, a simulation image can be generated.

シミュレーション画像の生成では、複数のステップが実行される。複数のステップは、照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算するステップと、複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算するステップと、複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算するステップと、複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算するステップと、複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出するステップと、を備える。   Multiple steps are performed in the generation of the simulation image. The plurality of steps include a step of calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system and a plurality of first wavefronts after the plurality of first wavefronts have passed through the sample. Using two steps, a step of calculating a plurality of second wavefronts, a step of calculating a plurality of third wavefronts at a focus position on the sample side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts, and a plurality of third wavefronts and a pupil function of the observation optical system. And calculating a plurality of fourth wavefronts at the imaging position of the observation optical system and squaring the plurality of fourth wavefronts to calculate a plurality of first intensity distributions, and adding a plurality of first intensity distributions. Accordingly, the step of calculating the intensity distribution of the optical image of the sample is provided.

光学像の光学特性は、照明光の時間的コヒーレンスの影響を受ける。照明として、ハロゲンランプやLEDランプのようなに時間的コヒーレンスの低い光源を用いると、レーザのように時間的コヒーレンスの高い光源で問題になるペックルが発生せず、高解像度の光学像が得られる。よって、シミュレーションでは、時間的コヒーレンスの低い光源で標本が照明されていることを前提としている。   The optical characteristics of the optical image are affected by the temporal coherence of the illumination light. When a light source with low temporal coherence such as a halogen lamp or an LED lamp is used for illumination, a high-resolution optical image can be obtained without the occurrence of peckles, which is a problem with light sources with high temporal coherence such as lasers. .. Therefore, the simulation assumes that the sample is illuminated by a light source with low temporal coherence.

以下、コンデンサレンズの焦点距離、対物レンズの焦点距離、及び結像レンズの焦点距離は1に規格化されているものとし、また、レンズには無収差レンズが使用されているものとして説明する。   In the following description, it is assumed that the focal length of the condenser lens, the focal length of the objective lens, and the focal length of the imaging lens are standardized to 1, and that an aplanatic lens is used as the lens.

プロセッサで行われる処理のフローチャートを、図3に示す。図3に示すように、複数のステップはステップS1からステップS5を含む。   A flowchart of the processing performed by the processor is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the plurality of steps includes steps S1 to S5.

ステップS1では、照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算する。   In step S1, a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system are calculated.

標本6は、光源12から射出された光で照明される。よって、シミュレーション画像を生成するためには、光源像12から射出された光の波面を知る必要がある。   The sample 6 is illuminated with the light emitted from the light source 12. Therefore, in order to generate the simulation image, it is necessary to know the wavefront of the light emitted from the light source image 12.

光源12と照明光学系の瞳14は共役なので、照明光学系の瞳14の位置に、光源像12’が形成される。よって、シミュレーション画像を生成するには、光源像12’の一点一点について波面が計算できれば良い。   Since the light source 12 and the pupil 14 of the illumination optical system are conjugate, the light source image 12 'is formed at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. Therefore, in order to generate the simulation image, it is sufficient that the wavefront can be calculated for each point of the light source image 12 '.

しかしながら、光源像12’の一点一点について波面を計算すると、計算量が膨大になる。そこで、光源像12’を複数の微小領域に分割する。そして、1つの微小領域を、1つの微小光源と見なす。このようにすることで、計算量を減らすことができる。   However, if the wavefront is calculated for each point of the light source image 12 ', the amount of calculation becomes enormous. Therefore, the light source image 12 'is divided into a plurality of minute regions. Then, one minute region is regarded as one minute light source. By doing so, the amount of calculation can be reduced.

光源像12’は、照明光学系の瞳14の位置に形成されている。よって、照明光学系の瞳14を複数の微小領域に分割すれば、光源像12’を複数の微小領域に分割することができる。このように、照明光学系の瞳14を複数の微小領域に分割することで、照明光学系の瞳14における強度分布を、微小光源の集合体に置き換えることができる。すなわち、複数の光源を用いて、照明光学系の瞳14における強度分布をモデル化することができる。   The light source image 12 'is formed at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. Therefore, if the pupil 14 of the illumination optical system is divided into a plurality of minute areas, the light source image 12 'can be divided into a plurality of minute areas. By thus dividing the pupil 14 of the illumination optical system into a plurality of minute regions, the intensity distribution in the pupil 14 of the illumination optical system can be replaced with an aggregate of minute light sources. That is, the intensity distribution in the pupil 14 of the illumination optical system can be modeled using a plurality of light sources.

照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源からは、複数の第1波面が射出される。そこで、複数の第1波面を計算する。   A plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system emit a plurality of first wavefronts. Therefore, a plurality of first wavefronts are calculated.

上述のように、1つの微小領域は、1つの微小光源と見なすことができる。照明瞳位置(ξ,η)にある微小光源から射出された点(x,y,z)における光の振幅分布は、以下の式(I)で表わされる。
(I)
ここで、
u(x,y,z,ξ,η)は、照明瞳位置(ξ,η)にある微小光源から射出された点(x,y,z)における光の振幅分布、
k=2×n/λ、
は,標本周囲の媒質の屈折率、
λは、シミュレーションに用いる光の波長、
である。
As described above, one micro area can be regarded as one micro light source. The amplitude distribution of light at the point (x, y, z 0 ) emitted from the minute light source at the illumination pupil position (ξ s , η s ) is represented by the following formula (I).
(I)
here,
u (x, y, z 0 , ξ s , η s ) is the amplitude distribution of the light at the point (x, y, z 0 ) emitted from the minute light source at the illumination pupil position (ξ s , η s ),
k = 2 × n 0 / λ,
n 0 is the refractive index of the medium around the sample,
λ is the wavelength of light used for simulation,
Is.

光の振幅分布は、光の波面を表わしている。よって、u(x,y,z,ξ,η)は、第1波面を表していることになる。このように、第1波面は、式(I)から計算することができる。 The amplitude distribution of light represents the wavefront of light. Therefore, u (x, y, z 0 , ξ s , η s ) represents the first wavefront. Thus, the first wavefront can be calculated from equation (I).

ステップS2では、複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算する。   In step S2, a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts have passed through the sample are calculated.

標本6には、複数の第1波面が入射する。複数の第2波面は、複数の第1波面が標本6を通過することで生じる。よって、複数の第1波面を用いて、複数の第2波面を計算することができる。第2波面の計算については、後述する。   A plurality of first wavefronts are incident on the sample 6. The plurality of second wavefronts are generated by the plurality of first wavefronts passing through the sample 6. Therefore, a plurality of second wavefronts can be calculated using a plurality of first wavefronts. The calculation of the second wavefront will be described later.

ステップS3では、複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算する。   In step S3, a plurality of third wavefronts at the focus position on the sample side of the observation optical system are calculated from the plurality of second wavefronts.

標本6を、厚い標本とする。また、観察光学系5の前側焦点は、標本6の内部に位置しているとする。この場合、標本6を通過した後の光の位置は、観察光学系5の前側焦点位置から離れている。   The sample 6 is a thick sample. Further, it is assumed that the front focus of the observation optical system 5 is located inside the sample 6. In this case, the position of the light after passing through the sample 6 is away from the front focus position of the observation optical system 5.

標本6を通過した後の光の位置から観察光学系5の前側焦点位置までの間には、何も無い空間が広がっているとする。この場合、この空間では、フレネル伝搬によって光が伝搬する。   It is assumed that an empty space extends from the position of light after passing through the sample 6 to the front focus position of the observation optical system 5. In this case, light propagates by Fresnel propagation in this space.

位置zにおける光が、フレネル伝搬によって、位置zに到達した場合、位置zにおける光の振幅分布は、以下の式(II)で表わされる。
(II)
ここで、
u(x,y,z,ξ,η)は、位置(x,y,z)における光の振幅分布、
u(x,y,z,ξ,η)は、位置(x,y,z)における光の振幅分布、
=kξsを示し、x方向の波数、
=kηsを示し、y方向の波数、
である。
When the light at the position z N reaches the position z f by Fresnel propagation, the amplitude distribution of the light at the position z f is represented by the following formula (II).
(II)
here,
u (x, y, z f , ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light at the position (x, y, z f ),
u (x, y, z N , ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light at the position (x, y, z N ),
k x = k ξ s , the wave number in the x direction,
k y = k η s , the wave number in the y direction,
Is.

位置zを、観察光学系5の前側焦点位置とする。この場合、u(x,y,z,ξ,η)は、観察光学系5の前側焦点位置における光の振幅分布を表している。また、位置zを、標本6を通過した後の光の位置とする。この場合、u(x,y,z,ξ,η)は、標本6を通過した後における光の振幅分布を表している。 The position z f is the front focus position of the observation optical system 5. In this case, u (x, y, z f , ξ s , η s ) represents the amplitude distribution of light at the front focus position of the observation optical system 5. Further, the position z N is the position of the light after passing through the sample 6. In this case, u (x, y, z N , ξ s , η s ) represents the amplitude distribution of light after passing through the sample 6.

上述のように、光の振幅分布は、光の波面を表わしている。よって、u(x,y,z,ξ,η)は、第3波面を表している。このように、第3波面は、式(II)から計算することができる。 As described above, the amplitude distribution of light represents the wavefront of light. Thus, u (x, y, z f, ξ s, η s) represents a third wave front. Thus, the third wavefront can be calculated from equation (II).

式(II)の右辺におけるu(x,y,z,ξ,η)は、第2の波面を表している。式(II)には第2波面が含まれている。よって、複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算することができる。 U (x, y, z N , ξ s , η s ) on the right side of Expression (II) represents the second wavefront. The formula (II) includes the second wavefront. Therefore, it is possible to calculate the plurality of third wavefronts at the focus position on the sample side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts.

ステップS4では、複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算する。   In step S4, the plurality of fourth wavefronts at the image forming position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system, and the plurality of fourth wavefronts are respectively squared to obtain a plurality of them. Calculate the first intensity distribution.

光学系の結像位置における光の振幅分布は、以下の式(III)で表わされる。
(III)
ここで、
image(x,y,ξ,η)は、結像位置(x,y)における光の振幅分布、
u(x,y,z,ξ,η)は、位置(x,y,z)における光の振幅分布、
P(ξ,η)は、観察光学系の瞳関数、
である。
The amplitude distribution of light at the image forming position of the optical system is expressed by the following equation (III).
(III)
here,
u image (x, y, ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light at the imaging position (x, y),
u (x, y, z f , ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light at the position (x, y, z f ),
P (ξ, η) is the pupil function of the observation optical system,
Is.

上述のように、光の波面は、光の振幅分布を表わしている。よって、uimage(x,y,ξ,η)は、第4波面を表している。このように、第4波面は、式(III)から計算することができる。 As described above, the wavefront of light represents the amplitude distribution of light. Therefore, u image (x, y, ξ s , η s ) represents the fourth wavefront. Thus, the fourth wavefront can be calculated from equation (III).

式(III)の右辺におけるu(x,y,z,ξ,η)は、第3波面を表している。式(III)には第3波面が含まれている。よって、複数の第3波面と観察光学系5の瞳関数とを用いて観察光学系5の結像位置における複数の第4波面を計算することができる。 U on the right-hand side of Equation (III) (x, y, z f, ξ s, η s) represents a third wave front. Equation (III) includes the third wavefront. Therefore, it is possible to calculate the plurality of fourth wavefronts at the imaging position of the observation optical system 5 by using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system 5.

また、P(ξ,η)は、観察光学系5の瞳関数である。よって、第4波面の計算には、観察光学系5の瞳関数が用いられる。   Further, P (ξ, η) is a pupil function of the observation optical system 5. Therefore, the pupil function of the observation optical system 5 is used for the calculation of the fourth wavefront.

光学系の結像位置における光の強度分布は、以下の式(IV)で表わされる。
(IV)
ここで、
i(x,y)は、結像位置(x,y)における光の強度分布、
image(x,y,ξ,η)は、結像位置(x,y)における光の振幅分布、
S(ξ,η)は、光源の強度分布、
である。
The light intensity distribution at the image forming position of the optical system is represented by the following equation (IV).
(IV)
here,
i (x, y) is the intensity distribution of light at the imaging position (x, y),
u image (x, y, ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light at the imaging position (x, y),
S (ξ s , η s ) is the intensity distribution of the light source,
Is.

式(IV)の右辺におけるuimage(x,y,ξ,η)は、第4波面を表している。式(IV)には第4波面が含まれているので、強度分布は第4波面を用いて計算することができる。式(IV)から分かるように、強度分布の算出では、第4波面が2乗される。よって、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算する。 U image (x, y, ξ s , η s ) on the right side of Expression (IV) represents the fourth wavefront. Since the equation (IV) includes the fourth wavefront, the intensity distribution can be calculated using the fourth wavefront. As can be seen from the equation (IV), the fourth wavefront is squared in the intensity distribution calculation. Therefore, the plurality of fourth wavefronts are each squared to calculate the plurality of first intensity distributions.

ステップS5では、複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出する。   In step S5, the intensity distribution of the optical image of the sample is calculated by adding the plurality of first intensity distributions.

ステップS5を実行することにより、光学像の強度分布が算出される。算出された光学像の強度分布は、標本6の光学像の強度分布を表している。よって、標本6の光学像の強度分布を算出することができる。   By executing step S5, the intensity distribution of the optical image is calculated. The calculated intensity distribution of the optical image represents the intensity distribution of the optical image of the sample 6. Therefore, the intensity distribution of the optical image of the sample 6 can be calculated.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、複数の第1波面のそれぞれに対してビーム伝搬法を適用することにより複数の第2波面を計算することが好ましい。   In the image simulation apparatus of this embodiment, it is preferable to calculate the plurality of second wavefronts by applying the beam propagation method to each of the plurality of first wavefronts.

標本6は、光軸方向に連続する平面で表わすことができる。1つの平面には、標本6に関する情報が含まれている。情報には、例えば、形状、大きさ、及び各点における屈折率が含まれる。場合によって、各点における色や、各点における吸収率も、標本6に関する情報に含まれる。   The sample 6 can be represented by a plane continuous in the optical axis direction. Information about the sample 6 is included in one plane. The information includes, for example, the shape, the size, and the refractive index at each point. Depending on the case, the color at each point and the absorption rate at each point are also included in the information on the sample 6.

標本6の内部における波面の計算では、1つの平面について、入射側の波面と射出側の波面とを計算する。そのため、平面の数が多くなるほど、計算量は多くなる。   In the calculation of the wavefront inside the sample 6, the wavefront on the incident side and the wavefront on the exit side are calculated for one plane. Therefore, as the number of planes increases, the amount of calculation increases.

平面の数は、隣り合う2つの平面の間に空間を設けることで、少なくすることができる。この場合、一方の平面から射出された光は、空間をフレネル伝搬することによって、他方の平面に到達する。   The number of planes can be reduced by providing a space between two adjacent planes. In this case, the light emitted from one plane reaches the other plane by Fresnel propagation in the space.

標本と波面の様子を、図4に示す。図4では、標本6は、仮想標本である。仮想標本は、11枚の平面に置き換えられている。11枚の平面のうち、2枚は仮想面である。仮想面は、標本が物理的に存在しない所に配置されている。11枚の平面は、隣り合う平面の間隔がdzで、等間隔に並んでいる。   The state of the sample and the wavefront is shown in FIG. In FIG. 4, the sample 6 is a virtual sample. The virtual specimen is replaced by 11 planes. Of the 11 planes, 2 are virtual planes. The virtual surface is placed where the specimen does not physically exist. The eleven planes are arranged at equal intervals, with the distance between adjacent planes being dz.

コンデンサレンズ側には、物体側標本面Sobが位置している。対物レンズ側には、像側標本面Simが位置している。物体側標本面Sob、像側標本面Sim、及び7枚の平面については、各平面における屈折率分布が分かるように、厚みを持たせている。 The object side sample surface S ob is located on the condenser lens side. The image side sample surface S im is located on the objective lens side. The object-side sample surface S ob , the image-side sample surface S im , and the seven planes are given a thickness so that the refractive index distribution on each plane can be seen.

矢印沿って、物体側標本面Sobに向かって波面Winが標本6に入射する。位置Zにおける波面は、上述の式(I)で表される波面である。 A wavefront W in is incident on the sample 6 toward the object-side sample surface S ob along the arrow. The wavefront at the position Z 0 is the wavefront represented by the above formula (I).

位置Zにおける波面Winは、仮想面を通過して、物体側標本面Sobに到達する。位置Zから物体側標本面Sobまでの間、波面はフレネル伝播される。よって、物体側標本面Sobにおける波面は、波面Winとは異なる。物体側標本面Sobに入射した波面は、幾つかの平面を通過して、平面Sk−1に到達する。 The wavefront W in at the position Z 0 passes through the virtual surface and reaches the object-side sample surface S ob . From the position Z 0 to the object-side sample surface S ob , the wavefront propagates through Fresnel. Therefore, the wavefront at the object-side sample surface S ob is different from the wavefront W in . The wavefront incident on the object-side sample surface S ob passes through some planes and reaches the plane S k−1 .

2つの平面における波面の様子を、図5に示す。平面Sk−1に、波面Wk−1が入射する。平面Sk−1が屈折率分布を有する場合、平面Sk−1を通過する際に、波面Wk−1は屈折率分布の影響を受ける。そのため、波面Wk−1とは異なる波面W’k−1が、平面Sk−1から射出される。 The wavefronts on the two planes are shown in FIG. The wavefront W k-1 is incident on the plane S k-1 . When the plane S k-1 has a refractive index distribution, the wavefront W k-1 is affected by the refractive index distribution when passing through the plane S k-1 . Therefore, the wavefront W 'k-1 different from the wavefront W k-1 is emitted from the plane S k-1.

平面Sk−1から平面Sまでの間には、何も無い空間が広がっている。この場合、上述のように、この空間では、フレネル伝搬によって光が伝搬する。平面Sk−1から射出された波面W’k−1は、フレネル伝播によって伝搬し、平面Sに到達する。平面Sにおける波面は、波面Wとなる。 An empty space extends from the plane S k-1 to the plane S k . In this case, as described above, light propagates in this space by Fresnel propagation. The wavefront W ′ k−1 emitted from the plane S k−1 propagates by Fresnel propagation and reaches the plane S k . The wavefront on the plane S k becomes the wavefront W k .

平面Sk−1に入射した光の振幅分布は、平面Sk−1における標本の屈折率分布の影響を受ける。その後、波面は、フレネル伝搬によって伝搬されて、平面Sに到達する。位置zにおける光の振幅分布は、以下の式(V)で表わされる。
(V)
ここで、
u(x,y,z=zk−1+dz,ξ,η)は、位置zにおける標本通過直前の光の振幅分布、
u(x,y,zk−1,ξ,η)は、位置zk−1における標本通過直前の光の振幅分布、
dn(x,y,zk−1)は、位置(x,y,zk−1)における屈折率とnとの差、
は、標本周囲の媒質の屈折率、
である。
Amplitude distribution of light incident on the plane S k-1 is influenced by the refractive index distribution of the sample in the plane S k-1. The wavefront is then propagated by Fresnel propagation and reaches the plane S k . The amplitude distribution of light at the position z k is expressed by the following equation (V).
(V)
here,
u (x, y, z k = z k-1 + dz, ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light immediately before passing through the sample at the position z k ,
u (x, y, z k−1 , ξ s , η s ) is the amplitude distribution of light immediately before passing through the sample at the position z k−1 ,
dn (x, y, z k-1 ) is the difference between the refractive index at position (x, y, z k-1 ) and n 0 ,
n 0 is the refractive index of the medium around the sample,
Is.

上述のように、光の波面は、光の振幅分布を表わしている。よって、u(x,y,z=zk−1+dz,ξ,η)は、位置zにおける波面を表している。また、u(x,y,zk−1,ξ,η)は、位置zk−1における波面を表している。 As described above, the wavefront of light represents the amplitude distribution of light. Therefore, u (x, y, z k = z k-1 + dz, ξ s , η s ) represents the wavefront at the position z k . Further, u (x, y, z k−1 , ξ s , η s ) represents the wavefront at the position z k−1 .

位置zから位置zk−1までの間と、位置zから位置zまでの間も、各平面における標本の屈折率分布の影響を受けた後にフレネル伝搬されるプロセスを繰り返して光が伝搬する。よって、この間の波面も、式(V)から計算することができる。位置zにおける波面は、第2波面である。よって、式(V)から第2波面を求めることができる。 From the position z 0 to the position z k−1 and from the position z k to the position z N , the process of Fresnel propagation is repeated after being influenced by the refractive index distribution of the sample in each plane, and light is transmitted. Propagate. Therefore, the wavefront during this period can also be calculated from the formula (V). The wavefront at the position z N is the second wavefront. Therefore, the second wavefront can be obtained from the equation (V).

式(V)は、ビーム伝搬法で用いられる式である。この様に、本実施形態の画像シミュレーション装置では、第2波面の計算にビーム伝搬法が用いられている。   Expression (V) is an expression used in the beam propagation method. As described above, in the image simulation apparatus of this embodiment, the beam propagation method is used to calculate the second wavefront.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、照明光学系は、光源と、コンデンサレンズと、を有し、観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、以下の条件式(1)を満足することが好ましい。
d<0.5×Rob/β (1)
ここで、
dは、複数の光源の最小間隔、
Robは、対物レンズの瞳の半径、
βは、対物レンズの焦点距離をコンデンサレンズの焦点距離で割ることで得られる倍率、
である。
In the image simulation apparatus of this embodiment, the illumination optical system has a light source and a condenser lens, the observation optical system has an objective lens and an imaging lens, and the following conditional expression (1) is satisfied. Is preferably satisfied.
d <0.5 × Rob / β (1)
here,
d is the minimum spacing of multiple light sources,
Rob is the radius of the pupil of the objective lens,
β is the magnification obtained by dividing the focal length of the objective lens by the focal length of the condenser lens,
Is.

上述のように、照明光学系の瞳における強度分布は、複数の光源を用いてモデル化することができる。このモデル化では、各光源が等間隔で配置されていても、等間隔で配置されていなくても良い。   As described above, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system can be modeled using a plurality of light sources. In this modeling, the light sources may be arranged at equal intervals or may not be arranged at equal intervals.

各光源が等間隔で配置されている場合、全ての間隔が最小間隔になる。各光源が等間隔で配置されていない場合、隣り合う光源の間隔のうち、最も狭い間隔が最小間隔になる。   When the light sources are arranged at equal intervals, all the intervals are the minimum intervals. When the light sources are not arranged at equal intervals, the narrowest interval among the intervals between the adjacent light sources is the minimum interval.

値が条件式(1)の上限値を上回る場合、モデル化された複数の光源において、隣り合う光源の間隔が広くなる。そのため、計算精度が悪化する。   When the value exceeds the upper limit value of the conditional expression (1), the distance between the adjacent light sources becomes wide in the plurality of modeled light sources. Therefore, the calculation accuracy deteriorates.

条件式(1)に代えて、以下の条件式(1’)を満足すると良い。
d<0.3×Rob/β (1’)
また、条件式(1)に代えて、以下の条件式(1’’)を満足すると良い。
d<0.15×Rob/β (1’’)
It is preferable that the following conditional expression (1 ′) is satisfied instead of conditional expression (1).
d <0.3 × Rob / β (1 ′)
Further, it is preferable that the following conditional expression (1 ″) is satisfied instead of conditional expression (1).
d <0.15 × Rob / β (1 ″)

本実施形態の画像シミュレーション装置では、照明光学系は、開口部材を有し、開口部材は、遮光部と透過部とを有し、以下の条件式(2)を満足することが好ましい。
d<0.5×(R1−R0) (2)
ここで、
dは、複数の光源の最小間隔、
R0は、照明光学系の光軸から透過部の内縁までの距離、
R1は、照明光学系の光軸から透過部の外縁までの距離、
である。
In the image simulation apparatus of this embodiment, it is preferable that the illumination optical system has an aperture member, the aperture member has a light shielding portion and a transmission portion, and satisfies the following conditional expression (2).
d <0.5 × (R1-R0) (2)
here,
d is the minimum spacing of multiple light sources,
R0 is the distance from the optical axis of the illumination optical system to the inner edge of the transmission part,
R1 is the distance from the optical axis of the illumination optical system to the outer edge of the transmission part,
Is.

位相差観察やIVC観察では、照明光学系の瞳14の位置に、円環状の透過部を有する絞りが配置される。よって、透過部は、内縁と外縁とを有する。また、円環の内側には、円形の遮光部が位置する。円環の外側には、円環状の遮光部が位置する。   In phase difference observation or IVC observation, a diaphragm having an annular transmission portion is arranged at the position of the pupil 14 of the illumination optical system. Therefore, the transmissive portion has an inner edge and an outer edge. A circular light shield is located inside the ring. An annular light-shielding portion is located outside the annular ring.

値が条件式(2)の上限値を上回る場合、モデル化された複数の光源において、隣り合う光源の間隔が広くなる。そのため、計算精度が悪化する。   When the value exceeds the upper limit value of the conditional expression (2), the distance between adjacent light sources becomes large in the plurality of modeled light sources. Therefore, the calculation accuracy deteriorates.

条件式(2)に代えて、以下の条件式(2’)を満足すると良い。
d<0.3×(R1−R0) (2’)
また、条件式(2)に代えて、以下の条件式(2’’)を満足すると良い。
d<0.15×(R1−R0) (2’’)
It is preferable that the following conditional expression (2 ′) is satisfied instead of conditional expression (2).
d <0.3 × (R1-R0) (2 ')
Further, it is preferable that the following conditional expression (2 ″) is satisfied instead of conditional expression (2).
d <0.15 x (R1-R0) (2 '')

本実施形態の画像シミュレーション装置では、観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、第2波面の計算では、複数の平面に置き換えられた仮想標本が用いられ、複数の平面は、等間隔に並んでおり、以下の条件式(3)を満足することが好ましい。
dz<0.5×1.2×λ/NAob (3)
ここで、
dzは、隣り合う平面の間隔、
NAobは、対物レンズの開口数、
λは、シミュレーションに用いる光の波長、
である。
In the image simulation apparatus of this embodiment, the observation optical system has an objective lens and an imaging lens, and in the calculation of the second wavefront, a virtual sample replaced with a plurality of planes is used, and a plurality of planes are used. Are arranged at equal intervals and preferably satisfy the following conditional expression (3).
dz <0.5 × 1.2 × λ / NAob 2 (3)
here,
dz is the distance between adjacent planes,
NAob is the numerical aperture of the objective lens,
λ is the wavelength of light used for simulation,
Is.

上述のように標本6は、観察光学系の光軸方向に連続する平面で表すことができる。また、1つの平面には、標本6に関する情報が含まれている。よって、これらの平面を使って、仮想標本を形成することができる。   As described above, the sample 6 can be represented by a plane continuous in the optical axis direction of the observation optical system. In addition, one plane contains information about the sample 6. Therefore, these planes can be used to form a virtual sample.

仮想標本は、複数の平面を有する。仮想標本では、複数の平面は、観察光学系の光軸に沿って等間隔で並んでいる。平面の各々は、標本をスライスしたときの一断面である。すなわち、平面の各々は、観察光学系の光軸方向に連続する平面のうちの1つである。仮想標本は、標本6を複数の仮想面でサンプリングしたものになる。   The virtual sample has a plurality of planes. In the virtual sample, the plurality of planes are arranged at equal intervals along the optical axis of the observation optical system. Each of the planes is one section when the sample is sliced. That is, each of the planes is one of the planes continuous in the optical axis direction of the observation optical system. The virtual sample is the sample 6 sampled on a plurality of virtual planes.

仮想標本では、観察光学系の光軸に沿って、仮想面が離散的に並んでいる。よって、仮想面が連続的に並んでいる場合に比べて、波面に関する計算量を少なくできる。このようなことから、第2波面の計算では、仮想標本が用いられる。   In the virtual sample, virtual surfaces are discretely arranged along the optical axis of the observation optical system. Therefore, the amount of calculation related to the wavefront can be reduced as compared with the case where the virtual surfaces are continuously arranged. Therefore, the virtual sample is used in the calculation of the second wavefront.

値が条件式(3)の上限値を上回る場合、観察光学系の光軸方向におけるサンプリング周波数が、観察光学系のカットオフ周波数よりも小さくなる。そのため、正確にシミュレーションすることができない。   When the value exceeds the upper limit of conditional expression (3), the sampling frequency in the optical axis direction of the observation optical system becomes smaller than the cutoff frequency of the observation optical system. Therefore, accurate simulation cannot be performed.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、第2波面の計算では、複数の平面に置き換えられた仮想標本が用いられ、以下の条件式(4)を満足することが好ましい。
dx<0.5×1.2×λ/NAob (4)
ここで、
dxは、平面内におけるサンプリング間隔、
NAは、対物レンズの開口数、
λは、シミュレーションに用いる光の波長、
サンプリング間隔は、平面を複数の領域に分割したときの隣り合う2つの領域の間隔、
である。
In the image simulation apparatus of this embodiment, the observation optical system has an objective lens and an imaging lens, and in the calculation of the second wavefront, a virtual sample replaced with a plurality of planes is used, and the following conditions are satisfied. It is preferable to satisfy the expression (4).
dx <0.5 × 1.2 × λ / NAob (4)
here,
dx is the sampling interval in the plane,
NA is the numerical aperture of the objective lens,
λ is the wavelength of light used for simulation,
The sampling interval is the interval between two adjacent regions when the plane is divided into a plurality of regions,
Is.

仮想標本については、上述の通りである。サンプリング間隔は、観察光学系の光軸と直交する方向における間隔である。   The virtual sample is as described above. The sampling interval is an interval in the direction orthogonal to the optical axis of the observation optical system.

値が条件式(4)の上限値を上回る場合、観察光学系の光軸と直交方向におけるサンプリング周波数が、観察光学系のカットオフ周波数よりも小さくなる。そのため、正確にシミュレーションすることができない。   When the value exceeds the upper limit of conditional expression (4), the sampling frequency in the direction orthogonal to the optical axis of the observation optical system becomes smaller than the cutoff frequency of the observation optical system. Therefore, accurate simulation cannot be performed.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、撮像光学系は、微分干渉プリズムを有し、以下の条件式(5)を満足することが好ましい。
dx<Δshear (5)
ここで、
dxは、平面内におけるサンプリング間隔、
Δshearは、標本上でのシア量、
である。
In the image simulation apparatus of this embodiment, it is preferable that the imaging optical system has a differential interference prism and satisfies the following conditional expression (5).
dx <Δshear (5)
here,
dx is the sampling interval in the plane,
Δshear is the amount of shear on the sample,
Is.

撮像光学系は、微分干渉プリズムを有する。よって、撮像光学系では、DIC観察ができる。   The imaging optical system has a differential interference prism. Therefore, DIC observation is possible in the imaging optical system.

DIC観察に用いられる光学系を、図6に示す。光学系20は、照明光学系21と、観察光学系22と、を有する。DIC観察では、照明光学系21に微分干渉プリズム23が配置され、観察光学系22に、微分干渉プリズム24が配置される。   An optical system used for DIC observation is shown in FIG. The optical system 20 has an illumination optical system 21 and an observation optical system 22. In DIC observation, the differential interference prism 23 is arranged in the illumination optical system 21, and the differential interference prism 24 is arranged in the observation optical system 22.

また、照明光学系21には、偏光板25が配置される。光源(不図示)から射出された光は、偏光板25を通過する。偏光板25からは、直線偏光の光が射出される。   A polarizing plate 25 is arranged in the illumination optical system 21. Light emitted from a light source (not shown) passes through the polarizing plate 25. Linearly polarized light is emitted from the polarizing plate 25.

直線偏光の光は、微分干渉プリズム23に入射する。微分干渉プリズム23に入射した直線偏光の光は、微分干渉プリズム23で2つに分割される。よって、微分干渉プリズム23から、光Lpと光Lsが射出される。   The linearly polarized light enters the differential interference prism 23. The linearly polarized light incident on the differential interference prism 23 is split into two by the differential interference prism 23. Therefore, the light Lp and the light Ls are emitted from the differential interference prism 23.

光Lpと光Lsは、共に、直線偏光の光である。光Lpの偏光方向は、光Lsの偏光方向と直交している。   The light Lp and the light Ls are both linearly polarized light. The polarization direction of the light Lp is orthogonal to the polarization direction of the light Ls.

光Lpと光Lsは、コンデンサレンズ26に入射する。光Lpと光Lsは、コンデンサレンズ26から、平行に射出される。コンデンサレンズ26から射出された光Lpと光Lsは、標本27に入射する。   The light Lp and the light Ls enter the condenser lens 26. The light Lp and the light Ls are emitted from the condenser lens 26 in parallel. The light Lp and the light Ls emitted from the condenser lens 26 enter the sample 27.

光Lpと光Lsは平行なので、標本27の位置では、光Lpの入射位置と光Lsの入射位置とは異なる。標本27から射出された光Lpと光Lsは、対物レンズ28に入射する。   Since the light Lp and the light Ls are parallel, the incident position of the light Lp and the incident position of the light Ls are different at the position of the sample 27. The light Lp and the light Ls emitted from the sample 27 enter the objective lens 28.

対物レンズ28から射出された光Lpと光Lsは、微分干渉プリズム24に入射する。微分干渉プリズム24に入射した光Lpと光Lsは、微分干渉プリズム24で1つに合成される。よって、微分干渉プリズム24から、合成された光が射出される。合成された光は、偏光板29に入射する。   The light Lp and the light Ls emitted from the objective lens 28 enter the differential interference prism 24. The light Lp and the light Ls incident on the differential interference prism 24 are combined into one by the differential interference prism 24. Therefore, the combined light is emitted from the differential interference prism 24. The combined light enters the polarizing plate 29.

上述のように、標本27の位置では、光Lpの入射位置と光Lsの入射位置とが異なる。DIC観察では、光Lpが通過する位置での位相量と、光Lsが通過する位置での位相量とが異なる場合、位相量の差を光の強度として検出することができる。   As described above, at the position of the sample 27, the incident position of the light Lp and the incident position of the light Ls are different. In the DIC observation, when the phase amount at the position where the light Lp passes and the phase amount at the position where the light Ls passes are different, the difference in the phase amount can be detected as the light intensity.

値が条件式(5)の上限値を上回ると、第2のサンプリング間隔が、標本上でのシア量よりも大きくなる。仮想面は複数の領域に分割されている。そのため、第2のサンプリング間隔が標本上でのシア量よりも大きくなると、光Lpと光Lsとが同じ領域に入射する。そのため、正確にシミュレーションすることができない。   When the value exceeds the upper limit value of the conditional expression (5), the second sampling interval becomes larger than the shear amount on the sample. The virtual surface is divided into a plurality of areas. Therefore, when the second sampling interval becomes larger than the shear amount on the sample, the light Lp and the light Ls are incident on the same region. Therefore, accurate simulation cannot be performed.

以下、本実施形態の画像シミュレーション装置で得られたシミュレーション画像について説明する。シミュレーション画像として、IVC観察における画像、明視野観察における画像、位相差観察における画像、及びDIC観察における画像を示す。   Hereinafter, a simulation image obtained by the image simulation apparatus of this embodiment will be described. As the simulation image, an image in IVC observation, an image in bright field observation, an image in phase difference observation, and an image in DIC observation are shown.

<IVC観察における画像>
IVC観察に用いられる光学系を、図7に示す。光学系30は、照明光学系31と、観察光学系32と、を有する。照明光学系31は、コンデンサレンズ33と、絞り34と、を有する。観察光学系32は、対物レンズ36と、結像レンズ39と、を有する。対物レンズ36は、絞り37を有する。観察光学系32の像位置40に、標本35の光学像が形成される。
<Image in IVC observation>
An optical system used for IVC observation is shown in FIG. The optical system 30 has an illumination optical system 31 and an observation optical system 32. The illumination optical system 31 has a condenser lens 33 and a diaphragm 34. The observation optical system 32 has an objective lens 36 and an imaging lens 39. The objective lens 36 has a diaphragm 37. An optical image of the sample 35 is formed at the image position 40 of the observation optical system 32.

絞り34は、コンデンサレンズ33の瞳位置に配置されている。絞り34は、円形の遮光部34aと、円環状の透過部34bと、円環状の遮光部34cと、を有する。照明光学系31の光軸は、遮光部34aの中心と交わる。透過部34bは、遮光部34aの外側に位置している。遮光部34cは、透過部34bの外側に位置している。   The diaphragm 34 is arranged at the pupil position of the condenser lens 33. The diaphragm 34 has a circular light-shielding portion 34a, an annular light-transmitting portion 34b, and an annular light-shielding portion 34c. The optical axis of the illumination optical system 31 intersects with the center of the light shielding portion 34a. The transmissive portion 34b is located outside the light shielding portion 34a. The light shielding portion 34c is located outside the transmission portion 34b.

絞り37は、円形の透過部37aと、円環状の遮光部37bと、を有する。観察光学系32の光軸は、透過部37aの中心と交わる。遮光部37bは、透過部37aの外側に位置している。透過部37aと遮光部37bとの間に、円形の境界38が形成されている。   The diaphragm 37 has a circular transmitting portion 37a and an annular light shielding portion 37b. The optical axis of the observation optical system 32 intersects with the center of the transmission part 37a. The light shielding portion 37b is located outside the transmission portion 37a. A circular boundary 38 is formed between the transmissive portion 37a and the light shielding portion 37b.

絞り37は、対物レンズ36の瞳と見なすことができる。この場合、境界38は、対物レンズ36の瞳の縁を表している。   The diaphragm 37 can be regarded as the pupil of the objective lens 36. In this case, the boundary 38 represents the edge of the pupil of the objective lens 36.

コンデンサレンズ33の瞳位置は、対物レンズ36の瞳位置と共役である。絞り37の位置に、絞り34の像が形成される。よって、絞り37の位置に、透過部34bの像が形成される。   The pupil position of the condenser lens 33 is conjugate with the pupil position of the objective lens 36. An image of the diaphragm 34 is formed at the position of the diaphragm 37. Therefore, an image of the transmission part 34b is formed at the position of the diaphragm 37.

透過部34bは、内縁と外縁とを有する。絞り37の位置には、透過部34bの内縁の像(以下、「内縁像」という)と、透過部34bの外縁の像(以下、「外縁像」という)が形成される。光学系30では、内縁像が境界38の内側に位置し、外縁像が、境界38の外側に位置している。   The transmissive portion 34b has an inner edge and an outer edge. At the position of the diaphragm 37, an image of the inner edge of the transmissive portion 34b (hereinafter referred to as "inner edge image") and an image of the outer edge of the transmissive portion 34b (hereinafter referred to as "outer edge image") are formed. In the optical system 30, the inner edge image is located inside the boundary 38, and the outer edge image is located outside the boundary 38.

光学系30では、標本35の表面における傾斜量に応じて、内縁像の位置と外縁像の位置が、境界38に対して変化する。透過部34bの内縁は、遮光部34aの外周を表している。内縁像の位置の変化は、遮光部34aの像の位置の変化を表している。   In the optical system 30, the position of the inner edge image and the position of the outer edge image change with respect to the boundary 38 according to the amount of tilt on the surface of the sample 35. The inner edge of the transparent portion 34b represents the outer circumference of the light shielding portion 34a. The change of the position of the inner edge image represents the change of the position of the image of the light shielding portion 34a.

標本35の表面が平坦な場合、又は、傾斜量が僅かな場合、遮光部34aの像は、境界38の内側に位置している。遮光部34aの像が境界38の内側に位置している間は、絞り37を通過する光量は変化しない。   When the surface of the sample 35 is flat, or when the amount of inclination is small, the image of the light shielding portion 34 a is located inside the boundary 38. While the image of the light shield 34a is located inside the boundary 38, the amount of light passing through the diaphragm 37 does not change.

標本35の表面の傾斜量が大きくなると、遮光部34aの像の一部は、境界38の外側にはみ出す。傾斜量が大きくなるほど、このはみ出す量が多くなる。その結果、絞り37を通過する光量が変化する。このように、IVC観察では、標本の表面における傾斜量の変化を、光量の変化として捉えることができる。   When the amount of inclination of the surface of the sample 35 increases, a part of the image of the light shielding portion 34a protrudes outside the boundary 38. The larger the tilt amount, the larger the protruding amount. As a result, the amount of light passing through the diaphragm 37 changes. As described above, in the IVC observation, the change in the tilt amount on the surface of the sample can be grasped as the change in the light amount.

照明光学系の瞳を分割した様子を、図8に示す。IVC観察では、絞り34が用いられる。絞り34は、コンデンサレンズ33の瞳位置、すなわち、照明光学系31の瞳位置に配置されている。   FIG. 8 shows a state in which the pupil of the illumination optical system is divided. The diaphragm 34 is used for IVC observation. The diaphragm 34 is arranged at the pupil position of the condenser lens 33, that is, the pupil position of the illumination optical system 31.

絞り34では、光源からの光は、透過部34bを通過する。よって、照明光学系31の瞳を複数の微小領域に分割すると、図8に示すように、照明光学系31の瞳における強度分布は、複数の光源を円環状に分布させることでモデル化される。   In the diaphragm 34, the light from the light source passes through the transmitting portion 34b. Therefore, when the pupil of the illumination optical system 31 is divided into a plurality of minute regions, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system 31 is modeled by distributing a plurality of light sources in an annular shape, as shown in FIG. ..

IVC観察におけるシミュレーション画像と実際の画像を、図9に示す。図9において、(a)、(b)、及び(c)は、標本に対する合焦位置を示している。(d)、(e)、及び(f)は、シミュレーション画像を示している。(g)、(h)、及び(i)は、実際の画像を示している。(j)、(k)、及び(l)は、実線はシミュレーション、点線は実際の画像の強度プロファイルを示している。   FIG. 9 shows a simulation image and an actual image in the IVC observation. In FIG. 9, (a), (b), and (c) show the in-focus position with respect to the sample. (D), (e), and (f) show simulation images. (G), (h), and (i) show actual images. In (j), (k), and (l), the solid line shows the simulation, and the dotted line shows the intensity profile of the actual image.

標本は、ビーズである。ビーズは、液体と共に容器で保持されている。標本、測定条件、及び合焦位置については、以下の通りである。   The specimen is a bead. The beads are held in a container with the liquid. The sample, measurement conditions, and focus position are as follows.

<標本>
ビーズの直径 72μm
ビーズの屈折率 1.59
ビーズの保持 液体
液体の屈折率 1.516
<Sample>
Bead diameter 72 μm
Refractive index of beads 1.59
Retention of beads Liquid Refractive index of liquid 1.516

<測定条件>
対物レンズの倍率 10倍
対物レンズの開口数 0.25
光源 LED
光源の波長 550nm
コンデンサレンズの透過部の幅 最小:0.242、最大:0.278
コンデンサレンズの透過部の幅は、開口数で表している。
<Measurement conditions>
Objective lens magnification 10 times Objective lens numerical aperture 0.25
Light source LED
Light source wavelength 550nm
Width of transmission part of condenser lens Min: 0.242, Max: 0.278
The width of the transparent portion of the condenser lens is represented by the numerical aperture.

<合焦位置>
位置1 位置2から下側に32μm離れた位置
位置2 ビーズの中央
位置3 位置2から上側に32μm離れた位置
<Focus position>
Position 1 Position 2 μm downward from position 2 Position 2 Center of beads Position 3 Position 32 μm upward from position 2

(a)、(d)、(g)、及び(j)では、位置1に合焦している。(b)、(e)、(h)、及び(k)では、位置2に合焦している。(c)、(f)、(i)、及び(l)では、位置3に合焦している。   In (a), (d), (g), and (j), the position 1 is in focus. In (b), (e), (h), and (k), the position 2 is in focus. In (c), (f), (i), and (l), the position 3 is in focus.

シミュレーション画像、実際の画像、及び断面の様子から、シミュレーション画像は、実際の画像と良く一致していることが分かる。   From the simulation image, the actual image, and the state of the cross section, it can be seen that the simulation image is in good agreement with the actual image.

<明視野観察における画像>
明視野観察に用いられる光学系を、図10に示す。光学系50と同じ構成については、同じ番号を付し、説明は省略する。
<Image in bright field observation>
An optical system used for bright field observation is shown in FIG. The same components as those of the optical system 50 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

光学系50は、照明光学系51と、観察光学系32と、を有する。照明光学系51は、コンデンサレンズ33と、絞り52と、を有する。光学系50では、絞り52は、円形の透過部と、円環状の遮光部と、を有する。   The optical system 50 has an illumination optical system 51 and an observation optical system 32. The illumination optical system 51 has a condenser lens 33 and a diaphragm 52. In the optical system 50, the diaphragm 52 has a circular transmitting portion and an annular light shielding portion.

照明光学系の瞳を分割した様子を、図11に示す。明視野観察では、絞り52が用いられる。絞り52は、コンデンサレンズ33の瞳位置、すなわち、照明光学系51の瞳位置に配置されている。   FIG. 11 shows how the pupil of the illumination optical system is divided. The diaphragm 52 is used for bright-field observation. The diaphragm 52 is arranged at the pupil position of the condenser lens 33, that is, the pupil position of the illumination optical system 51.

絞り52では、光源からの光は、円形の透過部を通過する。よって、照明光学系51の瞳を複数の微小領域に分割すると、図11に示すように、照明光学系31の瞳における強度分布は、複数の光源を円形に分布させることでモデル化される。   At the diaphragm 52, the light from the light source passes through the circular transmitting portion. Therefore, when the pupil of the illumination optical system 51 is divided into a plurality of minute regions, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system 31 is modeled by distributing a plurality of light sources in a circle, as shown in FIG.

明視野観察におけるシミュレーション画像と実際の画像を、図12に示す。図12において、(a)、(b)、及び(c)は、シミュレーション画像を示している。(d)、(e)、及び(f)は、実際の画像を示している。(g)、(h)、及び(i)は、実線はシミュレーション、点線は実際の画像の強度プロファイルを示している。   FIG. 12 shows a simulation image and an actual image in bright-field observation. In FIG. 12, (a), (b), and (c) show simulation images. (D), (e), and (f) show actual images. In (g), (h), and (i), the solid line shows the simulation, and the dotted line shows the intensity profile of the actual image.

標本、測定条件については、IVC観察と同じである。合焦位置は、位置2である。   The sample and measurement conditions are the same as in the IVC observation. The focus position is the position 2.

(a)、(d)、及び(g)では、照明光学系の開口数が0.05である。(b)、(e)、及び(h)では、照明光学系の開口数が0.125である。(c)、(f)、及び(i)では、照明光学系の開口数が0.275である。   In (a), (d), and (g), the numerical aperture of the illumination optical system is 0.05. In (b), (e), and (h), the numerical aperture of the illumination optical system is 0.125. In (c), (f), and (i), the numerical aperture of the illumination optical system is 0.275.

シミュレーション画像、実際の画像、及び断面の様子から、シミュレーション画像は、実際の画像と良く一致していることが分かる。   From the simulation image, the actual image, and the state of the cross section, it can be seen that the simulation image is in good agreement with the actual image.

<位相差観察における画像>
位相差観察に用いられる光学系は、図示を省略する。位相差観察では、IVC観察と同じように、円環状の透過部を有する絞りが用いられる。よって、図8と同様に、照明光学系の瞳における強度分布は、複数の光源を円環状に分布させることでモデル化される。
<Image in phase contrast observation>
Illustration of the optical system used for the phase difference observation is omitted. In the phase difference observation, as in the IVC observation, a diaphragm having an annular transmission part is used. Therefore, similarly to FIG. 8, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system is modeled by distributing a plurality of light sources in an annular shape.

位相差観察では、対物レンズの瞳位置に、位相板が配置される。位相板は、円環状の位相膜を有する。位相膜上には、吸収膜が設けられている。   In the phase difference observation, the phase plate is arranged at the pupil position of the objective lens. The phase plate has an annular phase film. An absorption film is provided on the phase film.

位相膜は、対物レンズの瞳の内側に位置している。照明光学系の絞りは、円環状の透過部が位相膜と共役である。よって、円環状の透過部の像は、対物レンズの瞳の内側に位置する。   The phase film is located inside the pupil of the objective lens. In the diaphragm of the illumination optical system, the annular transmission part is conjugated with the phase film. Therefore, the image of the annular transmission part is located inside the pupil of the objective lens.

IVC観察では、円環状の透過部の像は、対物レンズの瞳の内側と外側に位置している。このように、位相差観察に用いられる絞りは、IVC観察に用いられる絞りとは、円環状の透過部の幅や位置が異なる。   In IVC observation, the image of the annular transmission part is located inside and outside the pupil of the objective lens. As described above, the diaphragm used for the phase difference observation is different from the diaphragm used for the IVC observation in the width and position of the annular transmission part.

位相差観察におけるシミュレーション画像と実際の画像を、図13に示す。図13において、(a)は、シミュレーション画像を示している。(b)は、実際の画像を示している。(c)は、実線はシミュレーション、点線は実際の画像の強度プロファイルを示している。   FIG. 13 shows a simulation image and an actual image in the phase difference observation. In FIG. 13, (a) shows a simulation image. (B) shows an actual image. In (c), the solid line shows the simulation and the dotted line shows the intensity profile of the actual image.

標本と測定条件は、IVC観察と同じである。合焦位置は、位置2である。また、絞りと位相板については、以下のとおりである。透過部の幅と位相膜の幅は、開口数で表している。
透過部の幅 最小:0.13、 最大:0.15
位相膜の幅 最小:0.125、最大:0.155
吸収膜の透過率 14%
The sample and measurement conditions are the same as in the IVC observation. The focus position is the position 2. The diaphragm and the phase plate are as follows. The width of the transmission part and the width of the phase film are expressed by numerical aperture.
Width of transmission part Min: 0.13, Max: 0.15
Width of phase film Min: 0.125, Max: 0.155
Absorption film transmittance 14%

シミュレーション画像、実際の画像、及び断面の様子から、シミュレーション画像は、実際の画像と良く一致していることが分かる。   From the simulation image, the actual image, and the state of the cross section, it can be seen that the simulation image is in good agreement with the actual image.

上述のように、位相差観察では、対物レンズの瞳位置に位相板が配置される。よって、シミュレーションでは、この点を考慮しなくてはならない。結像位置における光の振幅分布の算出では、式(III)に示すように、光学系の瞳関数が用いられる。   As described above, in the phase difference observation, the phase plate is arranged at the pupil position of the objective lens. Therefore, this point must be taken into consideration in the simulation. In the calculation of the light amplitude distribution at the image forming position, the pupil function of the optical system is used as shown in Expression (III).

位相差観察では、光学系の瞳関数として、以下の式(VI)が用いられる。
(VI)
ここで、
NAphase_film1は、位相膜の内縁の開口数、
NAphase_film2は、位相膜の外縁の開口数、
である。
In the phase difference observation, the following formula (VI) is used as the pupil function of the optical system.
(VI)
here,
NA phase_film1 is the numerical aperture of the inner edge of the phase film,
NA phase_film2 is the numerical aperture of the outer edge of the phase film,
Is.

P(ξ,η)=0は、対物レンズの瞳の外側の瞳関数を表している。P(ξ,η)=√t×(−i)と、P(ξ,η)=1は、対物レンズの瞳の内側の瞳関数を表している。P(ξ,η)=√t×(−i)は、位相膜における瞳関数を表している。P(ξ,η)=1は、位相膜以外の場所の瞳関数を表している。   P (ξ, η) = 0 represents the pupil function outside the pupil of the objective lens. P (ξ, η) = √t × (−i) and P (ξ, η) = 1 represent the pupil function inside the pupil of the objective lens. P (ξ, η) = √t × (−i) represents the pupil function in the phase film. P (ξ, η) = 1 represents the pupil function in a place other than the phase film.

<DIC観察における画像>
DIC観察では、図6に示す光学系が用いられる。DIC観察では、明視野観察と同じように、円形の透過部を有する絞りが用いられる。よって、図11と同様に、照明光学系の瞳における強度分布は、複数の光源を円形に分布させることでモデル化される。
<Image in DIC observation>
For DIC observation, the optical system shown in FIG. 6 is used. In the DIC observation, as in the bright field observation, a diaphragm having a circular transmission part is used. Therefore, similarly to FIG. 11, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system is modeled by distributing a plurality of light sources in a circle.

DIC観察におけるシミュレーション画像と実際の画像を、図14に示す。図14において、(a)は、シミュレーション画像を示している。(b)は、実際の画像を示している。(c)は、実線はシミュレーション、点線は実際の画像の強度プロファイルを示している。シア方向に、明暗が発生している。   FIG. 14 shows a simulation image and an actual image in DIC observation. In FIG. 14, (a) shows a simulation image. (B) shows an actual image. In (c), the solid line shows the simulation and the dotted line shows the intensity profile of the actual image. Brightness and darkness occur in the direction of the shear.

シミュレーション画像、実際の画像、及び断面の様子から、シミュレーション画像は、実際の画像と良く一致していることが分かる。   From the simulation image, the actual image, and the state of the cross section, it can be seen that the simulation image is in good agreement with the actual image.

DIC観察では、光Lpと光Lsとによって、標本の像が形成される。よって、結像位置における光の強度分布は、以下の式(VII)で表される。
(VII)
ここで、
θは光Lpと光Lsとの相対的なリタデーション量、
である。
In DIC observation, an image of the sample is formed by the light Lp and the light Ls. Therefore, the light intensity distribution at the image forming position is represented by the following formula (VII).
(VII)
here,
θ is the relative retardation amount of the light Lp and the light Ls,
Is.

以上の例では、標本にビーズが用いられている。以下に、別の標本を用いた例を示す。標本は、フォトニック結晶ファイバー(以下、「PCF」という)である。   In the above example, beads are used for the sample. An example using another sample is shown below. The sample is a photonic crystal fiber (hereinafter referred to as "PCF").

PCFの例を、図15に示す。PCF60は、円柱部材61と、貫通孔62と、を有する。PCF60では、貫通孔62が複数、円柱部材61の内部に形成されている。貫通孔62は円筒形で、円柱部材61の母線に沿って形成されている。   An example of PCF is shown in FIG. The PCF 60 has a columnar member 61 and a through hole 62. In the PCF 60, a plurality of through holes 62 are formed inside the columnar member 61. The through hole 62 has a cylindrical shape and is formed along the generatrix of the columnar member 61.

観察には、明視野観察が用いられる。PCFの観察に用いられる光学系を、図16に示す。光学系50と同じ構成については、同じ番号を付し、説明は省略する。光学系50では、標本としてPCF60が配置されている。   Bright field observation is used for the observation. FIG. 16 shows an optical system used for observing the PCF. The same components as those of the optical system 50 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. In the optical system 50, a PCF 60 is arranged as a sample.

明視野観察におけるシミュレーション画像と実際の画像を、図17に示す。図17において、(a)、(b)、及び(c)は、標本に対する合焦位置を示している。(d)、(e)、及び(f)は、シミュレーション画像を示している。(g)、(h)、及び(i)は、実際の画像を示している。(j)、(k)、及び(l)は、実線はシミュレーション、点線は実際の画像の強度プロファイルを示している。   FIG. 17 shows a simulation image and an actual image in bright-field observation. In FIG. 17, (a), (b), and (c) show the in-focus position with respect to the sample. (D), (e), and (f) show simulation images. (G), (h), and (i) show actual images. In (j), (k), and (l), the solid line shows the simulation, and the dotted line shows the intensity profile of the actual image.

標本は、PCFである。PCFは、液体と共に容器で保持されている。測定条件は、IVC観察と同じである。標本と合焦位置については、以下の通りである。照明光学系の開口数は、0.125である。   The sample is PCF. The PCF is held in a container with the liquid. The measurement conditions are the same as the IVC observation. The sample and the focus position are as follows. The numerical aperture of the illumination optical system is 0.125.

<標本>
PCFの直径 230μm
穴の直径 6μm
PCFの屈折率 1.458
PCFの保持 液体
液体の屈折率 1.424
<合焦位置>
位置4 位置5から下側に30μm離れた位置
位置5 PCFの中央
位置6 位置5から上側に30μm離れた位置
<Sample>
PCF diameter 230 μm
Hole diameter 6 μm
Refractive index of PCF 1.458
Holding of PCF Liquid Refractive index of liquid 1.424
<Focus position>
Position 4 Position 30 μm downward from position 5 Position 5 Center of PCF Position 6 Position 30 μm upward from position 5

(a)、(d)、(g)、及び(j)では、位置4に合焦している。(b)、(e)、(h)、及び(k)では、位置5に合焦している。(c)、(f)、(i)、及び(l)では、位置6に合焦している。   In (a), (d), (g), and (j), the position 4 is in focus. In (b), (e), (h), and (k), the position 5 is in focus. In (c), (f), (i), and (l), the position 6 is in focus.

シミュレーション画像、実際の画像、及び断面の様子から、シミュレーション画像は、実際の画像と良く一致していることが分かる。   From the simulation image, the actual image, and the state of the cross section, it can be seen that the simulation image is in good agreement with the actual image.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、偏射照明による観察も用いることができる。照明光学系の瞳を分割した様子を、図18に示す。偏射照明による観察では、照明光学系の瞳における強度分布は、複数の光源を略半月状に分布させることでモデル化される。   The image simulation apparatus according to the present embodiment can also use observation by polarized illumination. FIG. 18 shows how the pupil of the illumination optical system is divided. In the observation by the polarized illumination, the intensity distribution in the pupil of the illumination optical system is modeled by distributing a plurality of light sources in a substantially half-moon shape.

本実施形態の画像シミュレーション方法は、照明光学系と、照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション方法であって、照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算し、複数の第1波面が標本を通過した後の複数の第2波面を計算し、複数の第2波面から観察光学系の標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算し、複数の第3波面と観察光学系の瞳関数とを用いて観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算し、複数の第1強度分布を足し合わせることにより、標本の光学像の強度分布を算出する。   The image simulation method of the present embodiment is an image simulation method for generating a simulation image of an imaging optical system that includes an illumination optical system and an observation optical system that is arranged to face the illumination optical system with a sample in between. , Calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system, and calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts have passed through the sample, A plurality of third wavefronts at the focal point on the sample side of the observation optical system are calculated from the plurality of second wavefronts, and a plurality of third wavefronts at the imaging position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system. The fourth wavefront of is calculated, each of the plurality of fourth wavefronts is squared to calculate a plurality of first intensity distributions, and the plurality of first intensity distributions are added together to calculate an intensity distribution of the optical image of the sample. To do.

本実施形態の画像シミュレーション装置では、観察方法に関する情報と標本に関する情報とが、プロセッサに入力される。   In the image simulation apparatus of this embodiment, information regarding the observation method and information regarding the sample are input to the processor.

上述のように、観察方法としては、明視野観察、位相差観察、DIC観察、IVC観察がある。これらの観察方法では、絞りの開口部の形状や大きさ、コンデンサレンズの倍率、コンデンサレンズの開口数、対物レンズの種類、対物レンズの開口数、対物レンズの倍率、等が異なる。   As described above, the observation methods include bright field observation, phase difference observation, DIC observation, and IVC observation. These observation methods differ in the shape and size of the aperture of the diaphragm, the magnification of the condenser lens, the numerical aperture of the condenser lens, the type of the objective lens, the numerical aperture of the objective lens, the magnification of the objective lens, and the like.

また、1つの観察方法でも、観察目的に応じて、絞りの開口部の形状や大きさ、コンデンサレンズの倍率、コンデンサレンズの開口数、対物レンズの種類、対物レンズの開口数、対物レンズの倍率、等が異なる。   Even with one observation method, the shape and size of the aperture of the diaphragm, the magnification of the condenser lens, the numerical aperture of the condenser lens, the type of the objective lens, the numerical aperture of the objective lens, and the magnification of the objective lens, depending on the observation purpose. , Etc. are different.

プロセッサには、観察方法は観察目的に応じて、観察方法に関する情報がプロセッサに入力される。これらの情報の入力部を、プロセッサに設けることができる。また、プロセッサとは独立した入力部を設け、入力部からプロセッサへ情報の入力を行っても良い。   Information relating to the observation method is input to the processor according to the observation method. An input unit for these pieces of information can be provided in the processor. Further, an input unit independent of the processor may be provided and information may be input from the input unit to the processor.

本実施形態の画像シミュレーション装置は、顕微鏡と接続することができる。明視野観察、位相差観察、DIC観察、IVC観察は、顕微鏡で行うことができる。観察方法に応じて、絞り、コンデンサレンズ、及び対物レンズが適切に選択される。この選択に基づいて、観察方法に関する情報がプロセッサに入力されるようにするれば良い。   The image simulation device of this embodiment can be connected to a microscope. Bright field observation, phase difference observation, DIC observation, and IVC observation can be performed with a microscope. A diaphragm, a condenser lens, and an objective lens are appropriately selected according to the observation method. Based on this selection, information regarding the observation method may be input to the processor.

以上のように、本発明は、少ない計算量で、標本の画像を生成できる画像シミュレーション装置、及び画像シミュレーション方法に適している。   As described above, the present invention is suitable for an image simulation apparatus and an image simulation method that can generate an image of a sample with a small amount of calculation.

1 画像シミュレーション装置
2 プロセッサ
3 撮像光学系
4 照明光学系
5 観察光学系
6 標本
7、8 レンズ
9 コンデンサレンズ
10 対物レンズ
11 結像レンズ
12 光源
12’ 光源像
13 光学像
14 照明光学系の瞳
15 観察光学系の瞳
16 表示装置
20、30、50 光学系
21、31、51 照明光学系
22、32 観察光学系
23、24 微分干渉プリズム
25、29 偏光板
26、33 コンデンサレンズ
27、35 標本
28、36 対物レンズ
34、37、52 絞り
34a、34c、37b 遮光部
34b、37a 透過部
38 境界
39 結像レンズ
40 像位置
60 PCF(フォトニック結晶ファイバー)
61 円柱部材
62 貫通孔
Ls、Lp 光
1 Image Simulation Device 2 Processor 3 Imaging Optical System 4 Illumination Optical System 5 Observation Optical System 6 Specimen 7, 8 Lens 9 Condenser Lens 10 Objective Lens 11 Imaging Lens 12 Light Source 12 'Light Source Image 13 Optical Image 14 Illumination Optical System Pupil 15 Pupil of observation optical system 16 Display device 20, 30, 50 Optical system 21, 31, 51 Illumination optical system 22, 32 Observation optical system 23, 24 Differential interference prism 25, 29 Polarizing plate 26, 33 Condenser lens 27, 35 Sample 28 , 36 Objective lens 34, 37, 52 Diaphragm 34a, 34c, 37b Light-shielding part 34b, 37a Transmitting part 38 Boundary 39 Imaging lens 40 Image position 60 PCF (photonic crystal fiber)
61 cylindrical member 62 through hole Ls, Lp light

Claims (8)

照明光学系と、前記照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション装置であって、
プロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算するステップと、
前記複数の第1波面が前記標本を通過した後の複数の第2波面を計算するステップと、
前記複数の第2波面から前記観察光学系の前記標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算するステップと、
前記複数の第3波面と前記観察光学系の瞳関数とを用いて前記観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、前記複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算するステップと、
前記複数の第1強度分布を足し合わせることにより、前記標本の光学像の強度分布を算出するステップと、
を備える処理を行うことを特徴とする画像シミュレーション装置。
An image simulation apparatus for generating a simulation image of an imaging optical system having an illumination optical system, and an observation optical system arranged to face the illumination optical system with a sample interposed therebetween,
Equipped with a processor,
The processor is
Calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system;
Calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts have passed through the sample;
Calculating a plurality of third wavefronts at the sample-side focal position of the observation optical system from the plurality of second wavefronts;
A plurality of fourth wavefronts at the image forming position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system, and the plurality of fourth wavefronts are squared to obtain a plurality of square wavefronts. Calculating a first intensity distribution,
Calculating the intensity distribution of the optical image of the sample by adding the plurality of first intensity distributions;
An image simulation apparatus, characterized by performing a process including:
前記複数の第1波面のそれぞれに対してビーム伝搬法を適用することにより前記複数の第2波面を計算することを特徴とする請求項1に記載の画像シミュレーション装置。   The image simulation apparatus according to claim 1, wherein the plurality of second wavefronts are calculated by applying a beam propagation method to each of the plurality of first wavefronts. 前記照明光学系は、光源と、コンデンサレンズと、を有し、
前記観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、
以下の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項1に記載の画像シミュレーション装置。
d<0.5×Rob/β (1)
ここで、
dは、前記複数の光源の最小間隔、
Robは、前記対物レンズの瞳の半径、
βは、前記対物レンズの焦点距離を前記コンデンサレンズの焦点距離で割ることで得られる倍率、
である。
The illumination optical system has a light source and a condenser lens,
The observation optical system has an objective lens and an imaging lens,
The image simulation apparatus according to claim 1, wherein the following conditional expression (1) is satisfied.
d <0.5 × Rob / β (1)
here,
d is the minimum distance between the plurality of light sources,
Rob is the radius of the pupil of the objective lens,
β is a magnification obtained by dividing the focal length of the objective lens by the focal length of the condenser lens,
Is.
前記照明光学系は、開口部材を有し、
前記開口部材は、遮光部と透過部とを有し、
以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の画像シミュレーション装置。
d<0.5×(R1−R0) (2)
ここで、
dは、前記複数の光源の最小間隔、
R0は、前記照明光学系の光軸から前記透過部の内縁までの距離、
R1は、前記照明光学系の光軸から前記透過部の外縁までの距離、
である。
The illumination optical system has an aperture member,
The opening member has a light shielding portion and a transmission portion,
The image simulation apparatus according to claim 1, wherein the following conditional expression (2) is satisfied.
d <0.5 × (R1-R0) (2)
here,
d is the minimum distance between the plurality of light sources,
R0 is the distance from the optical axis of the illumination optical system to the inner edge of the transmission part,
R1 is the distance from the optical axis of the illumination optical system to the outer edge of the transmission part,
Is.
前記観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、
前記第2波面の計算では、複数の平面に置き換えられた仮想標本が用いられ、
前記複数の平面は、等間隔に並んでおり、
以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の画像シミュレーション装置。
dz<0.5×1.2×λ/NAob (3)
ここで、
dzは、隣り合う前記平面の間隔、
NAobは、前記対物レンズの開口数、
λは、シミュレーションに用いる光の波長、
である。
The observation optical system has an objective lens and an imaging lens,
In the calculation of the second wavefront, a virtual sample replaced by a plurality of planes is used,
The plurality of planes are arranged at equal intervals,
The image simulation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the following conditional expression (3) is satisfied.
dz <0.5 × 1.2 × λ / NAob 2 (3)
here,
dz is the interval between the adjacent planes,
NAob is the numerical aperture of the objective lens,
λ is the wavelength of light used for simulation,
Is.
前記観察光学系は、対物レンズと、結像レンズと、を有し、
前記第2波面の計算では、複数の平面に置き換えられた仮想標本が用いられ、
以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の画像シミュレーション装置。
dx<0.5×1.2×λ/NAob (4)
ここで、
dxは、前記平面内におけるサンプリング間隔、
NAobは、前記対物レンズの開口数、
λは、シミュレーションに用いる光の波長、
前記サンプリング間隔は、前記平面を複数の領域に分割したときの隣り合う2つの領域の間隔、
である。
The observation optical system has an objective lens and an imaging lens,
In the calculation of the second wavefront, a virtual sample replaced by a plurality of planes is used,
The image simulation apparatus according to claim 1, wherein the following conditional expression (4) is satisfied.
dx <0.5 × 1.2 × λ / NAob (4)
here,
dx is a sampling interval in the plane,
NAob is the numerical aperture of the objective lens,
λ is the wavelength of light used for simulation,
The sampling interval is an interval between two adjacent regions when the plane is divided into a plurality of regions,
Is.
前記撮像光学系は、微分干渉プリズムを有し、
以下の条件式(5)を満足することを特徴とする請求項6に記載の画像シミュレーション装置。
dx<Δshear (5)
ここで、
dxは、前記平面内における前記サンプリング間隔、
Δshearは、前記標本上でのシア量、
である。
The imaging optical system has a differential interference prism,
The image simulation apparatus according to claim 6, wherein the following conditional expression (5) is satisfied.
dx <Δshear (5)
here,
dx is the sampling interval in the plane,
Δshear is the amount of shear on the sample,
Is.
照明光学系と、前記照明光学系と標本を挟んで対向して配置された観察光学系と、を有する撮像光学系のシミュレーション画像を生成する画像シミュレーション方法であって、
前記照明光学系の瞳の強度分布をモデル化した複数の光源から射出された複数の第1波面を計算し、
前記複数の第1波面が前記標本を通過した後の複数の第2波面を計算し、
前記複数の第2波面から前記観察光学系の前記標本側の焦点位置における複数の第3波面を計算し、
前記複数の第3波面と前記観察光学系の瞳関数とを用いて前記観察光学系の結像位置における複数の第4波面を計算し、前記複数の第4波面をそれぞれ2乗して複数の第1強度分布を計算し、
前記複数の第1強度分布を足し合わせることにより、前記標本の光学像の強度分布を算出する画像シミュレーション方法。
An image simulation method for generating a simulation image of an imaging optical system having an illumination optical system and an observation optical system that is arranged to face the illumination optical system with a sample interposed therebetween,
Calculating a plurality of first wavefronts emitted from a plurality of light sources modeling the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system,
Calculating a plurality of second wavefronts after the plurality of first wavefronts has passed through the sample,
Calculating a plurality of third wavefronts at the focus position on the specimen side of the observation optical system from the plurality of second wavefronts,
A plurality of fourth wavefronts at the image forming position of the observation optical system are calculated using the plurality of third wavefronts and the pupil function of the observation optical system, and the plurality of fourth wavefronts are squared to obtain a plurality of square wavefronts. Calculate the first intensity distribution,
An image simulation method for calculating an intensity distribution of an optical image of the sample by adding the plurality of first intensity distributions together.
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