JP2020112735A - 構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の光源波長に対応した構造化照明を行う構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置を提供する。【解決手段】構造化照明顕微鏡システム1は、レーザユニット300からの光を複数の光に分岐するSLM13と、SLM13により分岐された複数の光の少なくとも一部を用いて干渉縞を標本5に形成する照明光学系10と、SLM13に印加される電圧を制御する制御装置39と、を備える。制御装置39は、SLM13の第1の領域に第1のパターンが形成され、第2の領域に第2のパターンが形成されるように、SLM13に印加される電圧パターンを制御する。【選択図】図1
Description
本発明は、構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置に関する。
干渉縞で標本を照明することにより、空間周波数の高い微細構造の情報を取得できる構造化照明顕微鏡(SIM:Structured Illumination Microscopy)が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
本発明を例示する構造化照明装置は、光源からの光を複数の光に分岐する光分岐器と、前記分岐された複数の光の少なくとも一部を用いて干渉縞を標本に形成する照明光学系と、前記光分岐器に印加される電圧パターンを制御する制御部と、を備え、前記光分岐器は、第1の波長の光が入射する第1の領域と、第2の波長の光が入射する第2の領域とを有し、前記制御部は、前記光分岐器の前記第1の領域に第1の電圧パターンが印加され、前記光分岐器の前記第2の領域に第2の電圧パターンが印加されるように、前記光分岐器に印加される電圧パターンを制御する。
本発明を例示する構造化照明顕微鏡装置は、前記構造化照明装置と、前記標本からの光を結像する結像光学系と、前記結像光学系により形成される像を撮像する撮像部と、を有する。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態として2光束干渉を利用した構造化照明顕微鏡(2D−SIM:Two-Dimensional Structured Illumination Microscopy)システムを例示して説明する。また以下では、構造化照明顕微鏡を、蛍光物質を含む試料(標本)の表面の極めて薄い層を観察する全反射蛍光顕微鏡(TIRFM:Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy)として使用する場合(「TIRF−SIM」と称する)についても説
明する。
以下、本発明の第1実施形態として2光束干渉を利用した構造化照明顕微鏡(2D−SIM:Two-Dimensional Structured Illumination Microscopy)システムを例示して説明する。また以下では、構造化照明顕微鏡を、蛍光物質を含む試料(標本)の表面の極めて薄い層を観察する全反射蛍光顕微鏡(TIRFM:Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy)として使用する場合(「TIRF−SIM」と称する)についても説
明する。
図1は構造化照明顕微鏡システム1の構成図である。図1に示すとおり構造化照明顕微鏡システム1には、光源であるレーザユニット300と、光ファイバ11a,11bと、照明光学系10と、結像光学系30と、撮像部である撮像素子35a,35bと、制御部である制御装置39と、画像処理部である画像記憶・演算装置40と、表示部である画像表示装置45と、ステージ50と、標本5とが配置される。構造化照明顕微鏡システム1のうち、レーザユニット300、光ファイバ11a,11b、照明光学系10、制御装置39および画像表示装置45により構造化照明装置が構成される。なお、構造化照明装置には、レーザユニット300、光ファイバ11a,11b、画像表示装置45などは含まれていなくてもよい。
レーザユニット300には、第1レーザ光源301、第2レーザ光源302、シャッタ303,304、レンズ307,308が備えられる。第1レーザ光源301と第2レーザ光源302の各々は可干渉光源であって、互いの出射波長は異なる。ここでは、第1レーザ光源301の波長λ1(第1の波長)は、第2レーザ光源302の波長λ2(第2の波長)よりも長いと仮定する(λ1>λ2)。これらの第1レーザ光源301、第2レーザ光源302、シャッタ303,304は、それぞれ制御装置39によって駆動される。
光ファイバ11a,11bは、レーザユニット300から射出したレーザ光を導光するために、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバによって構成される。
照明光学系10は、ステージ50に載置された標本5をレーザ光で照明する、例えば落射型照明光学系である。照明光学系10には、第1照明光学系であるコレクタレンズ12aおよび第2照明光学系であるコレクタレンズ12bと、偏光板23と、偏光ビームスプリッタ(PBS)14と、光分岐器である回折格子13と、ミラー401と、ダイクロイックミラー402と、集光レンズ16と、光選択部である光束選択部100と、集光レンズ25と、視野絞り26と、フィールドレンズ27と、励起フィルタ28と、ダイクロイックミラー7と、対物レンズ6とが配置される。
照明光学系10の回折格子13は、例えば、光変調器(LM:Light Modulator)であ
る。また、照明光学系10の回折格子13は、例えば、空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)である。以下、回折格子13を反射型液晶SLMであると仮定して「
SLM13」と称する。SLM13には液晶駆動回路であるドライバ13Aが接続される。なお、光変調器とは、光の強度・位相を変化させる素子および装置のことである。また、空間光変調器とは、光の強度・位相の空間的な分布に対して、2次元的に強度あるいは位相の分布を変化させる素子および装置のことである。
る。また、照明光学系10の回折格子13は、例えば、空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)である。以下、回折格子13を反射型液晶SLMであると仮定して「
SLM13」と称する。SLM13には液晶駆動回路であるドライバ13Aが接続される。なお、光変調器とは、光の強度・位相を変化させる素子および装置のことである。また、空間光変調器とは、光の強度・位相の空間的な分布に対して、2次元的に強度あるいは位相の分布を変化させる素子および装置のことである。
結像光学系30は、撮像素子35a,35bの撮像面36a,36bに標本5の像を形成する結像光学系である。結像光学系30には、対物レンズ6と、ダイクロイックミラー7と、結像レンズ32と、ダイクロイックミラー33と、バリアフィルタ34a,34b
と、ミラー37とが配置されている。結像光学系30の対物レンズ6及びダイクロイックミラー7は、照明光学系10に兼用される。
と、ミラー37とが配置されている。結像光学系30の対物レンズ6及びダイクロイックミラー7は、照明光学系10に兼用される。
対物レンズ6は、例えば油浸型などの液浸型対物レンズである。標本5は、例えば数μmから数十μmの厚さを有した培養細胞や組織切片などの生体標本である。
図8に示すとおり、平行平板状のカバーガラス5gと、カバーガラス5gの表面に滴下された培養液5cとによって標本5が構成されていると仮定する。培養液5cの内部では生体細胞が培養されており、生体細胞の内部には蛍光物質が発現している。前述した波長λ1と波長λ2は、それぞれ、蛍光物質の励起波長に対応した値に設定されている。図8の符号6iは、浸液(油)である。
図1に戻り、撮像素子35a,35bは、CCDやCMOS等の二次元撮像素子であって、撮像面36a,36bに形成された像を撮像して画像(後述する変調画像)を生成する。撮像素子35a,35bが生成した画像は、制御装置39を介して画像記憶・演算装置40へ取り込まれる。
ステージ50は、標本5を支持する。対物レンズ6と標本5との間隔は、制御装置39により対物レンズ6を対物レンズ6の光軸AZ2に沿って移動させることにより、調節される。これによって、標本5における対物レンズ6の焦点面Pの位置(深さ)が調節される。焦点面Pは、構造化照明顕微鏡システム1の観察対象面である。以下、対物レンズ6の焦点面Pを「観察対象面P」と称す。なお、対物レンズ6と標本5との間隔は、制御装置39によりステージ50を対物レンズ6の光軸AZ2に沿って移動させることにより、調節されてもよい。
制御装置39は、ドライバ13Aおよび光束選択部100、撮像素子35a,35b、ステージ50、レーザユニット300および対物レンズ6を制御し、超解像に必要な複数枚の変調画像を取得する。
画像記憶・演算装置40は、制御装置39が取得した複数枚の変調画像に基づき蛍光超解像画像を作成する。
次に、構造化照明顕微鏡システム1における光の振る舞いを説明する。
レーザユニット300(第1レーザ光源301)から射出したレーザ光(波長λ1)は、光ファイバ11aの内部を伝播した後、光ファイバ11aの出射端に点光源310aを形成し、点光源310aから発散光束となって射出する。一方、レーザユニット300(第2レーザ光源302)から射出したレーザ光(波長λ2)は、光ファイバ11bの内部を伝播した後、光ファイバ11bの出射端に点光源310bを形成し、点光源310bから発散光束となって射出する。点光源310aはコレクタレンズ12aの光軸AZa1上にあり、点光源310bはコレクタレンズ12bの光軸AZb1上にある。点光源310a,310bからの各発散光束は、コレクタレンズ12a,12bによって平行光束に変換された後、偏光板23を通過することにより偏光方向を整える。偏光方向の整えられた各平行光束は、PBS14へ入射すると、PBS14の偏光分離面で反射し、それぞれ光軸AZa2(第1の光軸),AZb2(第2の光軸)に沿ってSLM13へ正面から入射する。
偏光板23の軸は、偏光板23からPBS14の偏光分離面へ向かう平行光束がS偏光となるように設定されている。よって、PBS14の偏光分離面へ向かった平行光束が高い効率でSLM13へ導光される。
SLM13へ入射した各平行光束は、SLM13にて回折反射し、角度の異なる複数の回折光束に分岐される。図1では、光軸AZa2に沿ってSLM13に入射した平行光束(波長λ1)については、複数の回折光束のうち、0次回折光束、1次回折光束、−1次回折光束の3光束を示し、光軸AZb2に沿ってSLM13に入射した平行光束(波長λ2)については、0次回折光束のみを示している。図2では、光軸AZb2に沿ってSLM13に入射した平行光束(波長λ2)についても、0次回折光束、1次回折光束、−1次回折光束の3光束を示している。
SLM13から射出した複数の回折光束は、PBS14へ入射した後、PBS14の偏光分離面を透過し、PBS14から射出する。PBS14から射出後、光軸AZa2上の各回折光束(波長λ1)は、ミラー401で反射し、ダイクロイックミラー402を透過する。一方、光軸AZb2上の各回折光束(波長λ2)は、ダイクロイックミラー402で反射する。ミラー401は、その反射面が、光軸AZa2と、集光レンズ16の光軸AZ1との交点上において、光軸AZa2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように配置されている。また、ダイクロイックミラー402は、その反射面が、光軸AZb2と光軸AZ1との交点上において、光軸AZb2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように配置されている。そのため、光軸AZa2上の各回折光束は、ミラー401によって光軸AZ1に重ねられ(重畳され)、互いに異なる角度で集光レンズ16に入射し、光軸AZb2上の各回折光束は、ダイクロイックミラー402によって光軸AZ1に重畳され、互いに異なる角度で集光レンズ16に入射する。このように、ミラー401およびダイクロイックミラー402は、光軸AZa2上の各回折光束と光軸AZb2上の各回折光束を、集光レンズ16の光軸AZ1に沿うように互いに重ねる重畳用光学部としての機能を構成する。
光軸AZ1に重畳され、集光レンズ16に入射した複数の回折光束は、集光レンズ16の集光作用を受け、瞳共役面6A´の互いに異なる位置に向かって集光する。なお、図1,2では、集光レンズ16から出射される、波長λ1の回折光束と波長λ2の回折光束とを区別せずに図示している。
瞳共役面6A´は、フィールドレンズ27及び集光レンズ25に関して対物レンズ6の瞳面6Aと共役な面である。ここでいう「共役な面」には、当業者が対物レンズ6、フィールドレンズ27、集光レンズ25などの収差、ビネッティング等の設計上必要な事項を考慮して決定した面も含まれる。
集光レンズ16を介して瞳共役面6A´に向かう複数の回折光束は、光束選択部100に入射する。2DSIM、TIRF−SIMの場合、光束選択部100は、受けた回折光束のうち±1次回折光束を通過させ、0次回折光束及び2次以上の高次回折光束を遮光する。光束選択部100の構成例については図5で説明する。
光束選択部100を通過した±1次回折光束は、レンズ25の集光作用を受けると、互いに異なる角度で像共役面へ入射し、像共役面にSLM13の一次像を形成する。
像共役面は、対物レンズ6及びフィールドレンズ27に関して対物レンズ6の焦点面(=観察対象面P)と共役な面である。この像共役面には、視野絞り26が配置される。
像共役面から射出した±1次回折光束の各々は、フィールドレンズ27によって収束光束へと変換され、励起フィルタ28を経てからダイクロイックミラー7で反射し、対物レンズ6の瞳面6Aの互いに異なる位置に向かって集光する。
瞳面6Aから発散光束となって射出した±1次回折光束の各々は、対物レンズ6の先端から平行光束となって射出し、対物レンズ6の焦点面(=観察対象面P)へ所定の角度関係で入射し、標本5にストライプ状の干渉縞を形成する。
この干渉縞は、集光レンズ16、集光レンズ25、フィールドレンズ27、対物レンズ6によるSLM13の二次像に相当する。つまり、集光レンズ16、集光レンズ25、フィールドレンズ27、対物レンズ6の全体には、SLM13の像を観察対象面Pへ投影する「投影光学系」の機能がある。
観察対象面Pに投影された干渉縞には、観察対象面Pにおける蛍光物質の密度分布が有する空間周波数を、干渉縞の空間周波数Kの大きさだけ低い周波数へとシフトさせ、蛍光物質の微細な構造情報を対物レンズ6の像側へ伝達させるという働きがある。
観察対象面Pの各位置で発生した蛍光は、対物レンズ6の先端へ入射すると、平行光束となって射出し、ダイクロイックミラー7を介して結像レンズ32へ入射する。
結像レンズ32へ入射した平行光束は、結像レンズ32の集光作用を受け、ダイクロイックミラー33へ入射する。ダイクロイックミラー33は、波長λ1の光により標本5から励起された蛍光はバリアフィルタ34aに向けて透過し、波長λ2の光により標本5から励起された蛍光はミラー37に向けて反射させるように構成されている。ミラー37は、ダイクロイックミラー33で反射された光を、バリアフィルタ34bに向けて反射するように構成されている。バリアフィルタ34aは、ダイクロイックミラー33を透過した光のうち、波長λ1の光により標本5から励起された蛍光は透過し、それ以外の光は透過させないように構成されている。バリアフィルタ34bは、ミラー37で反射された光のうち、波長λ2の光により標本5から励起された蛍光は透過し、それ以外の光は透過させないように構成されている。このようにして結像レンズ32の集光作用を受けた蛍光は、撮像素子35aの撮像面36aおよび撮像素子35bの撮像面36b上に観察対象面Pの蛍光像を形成する。この蛍光像は、干渉縞パターンにより変調された変調像である。
撮像面36a上の蛍光像は、撮像素子35aによって画像化され、撮像面36b上の蛍光像は、撮像素子35bによって画像化される。この画像化で得られる画像は、干渉縞パターンが重畳された「変調画像」である。この変調画像は、制御装置39を介して画像記憶・演算装置40へと取り込まれ、画像記憶・演算装置40において復調演算が施される。この復調演算の結果、観察対象面Pの蛍光超解像画像が生成される。この蛍光超解像画像は、画像記憶・演算装置40の内部メモリ(図示せず)に記憶されるとともに、画像表示装置45へ表示される。画像記憶・演算装置40に取り込まれた変調画像を復調する方法については、例えば、米国特許番号8115806に記載の方法が使用できるが、この方法に限られない。
以上の構造化照明顕微鏡システム1において、ダイクロイックミラー402には光軸AZb2上のレーザ光と同じ波長λ2の光を反射し、ミラー401で反射されたレーザ光と同じ波長λ1の光を透過する機能がある。励起フィルタ28には、レーザ光と同じ波長の光を透過し、蛍光と同じ波長の光を遮光する機能がある。具体的には、波長λ1の光と波長λ2の光を透過し、それ以外の波長の光を遮光する。ダイクロイックミラー7には、レーザ光と同じ波長の光を反射し、蛍光と同じ波長の光を透過する機能がある。具体的には、波長λ1の光と波長λ2の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
次に、回折格子としてのSLM13を説明する。図3に示すとおりSLM13は、多数の反射型液晶セル(「画素Px」とも称する)を二次元に配列している。但し、図3では、セルの配列数を実際より少なく描いている。各セルの液晶は、例えば強誘電体液晶であ
り、図3中の楕円は、SLM13の正面から見た液晶分子を模式的に表している。
り、図3中の楕円は、SLM13の正面から見た液晶分子を模式的に表している。
SLM13のセルがオン/オフされると、セル内の液晶分子が基準軸の周りを回転する。基準軸は、オンされたセル(図4(a)を参照)における液晶分子の方向とオフされたセル(図4(b)を参照)における液晶分子の方向との中間方向を示す軸のことである。
オンされたセル(オンセル)における液晶分子の方向(楕円の長手方向)は、図4(a)に示すとおり基準軸から角度αだけ回転している。一方、オフされたセル(オフセル)における液晶分子の方向は、図4(b)に示すとおり基準軸から角度−αだけ回転している。この角度αは、液晶の種類によって一義的に決まる角度である。
これらのオンされたセルとオフされたセルとの各々には、セル内の液晶分子の方向と垂直な方向に進相軸を向けた1/2波長板と同じ機能がある。1/2波長板の進相軸とは、位相遅延量が最小となる入射光の偏光方向を示す軸のことである。
よって、図3に示すとおりオンされたセルとオフされたセルとが一方向に亘って周期配列されたパターン、つまり縞状のパターンである一次元のパターンをSLM13へ表示(形成)すれば、SLM13を一次元回折格子として使用することが可能となる。
ここで、SLM13に対する入射光の偏光方向は、SLM13の基準軸に一致していると仮定する。この場合、SLM13は「位相差4αの位相回折格子」として機能する。
例えば、角度αが45°であるならば、オフされたセルは、入射光の偏光方向を2×α=+90°だけ回転させ、オンされたセルは、入射光の偏光方向を2×(−α)=−90°だけ回転させる。そのため、オンされたセルが入射光に与える位相遅延量と、オフされたセルが入射光に与える位相遅延量との差は、4α=180°=πradとなる。よって、この場合、SLM13は「位相差πの位相回折格子」として機能する。
次に、SLM13のドライバ13Aを説明する。ドライバ13Aは、制御装置39により制御されてSLM13に電圧(電圧パターン)を印加し、SLM13に配列された個々のセルをオン/オフすることにより、SLM13に形成されるパターンを次のとおり切り替える。ここで、電圧パターンとは、SLM13に配列された個々のセルに印加する電圧情報である。
例えば、ドライバ13Aは、SLM13に形成するパターンのピッチ(間隔)を切り替えることにより、観察対象面Pに生成される干渉縞の空間周波数を切り替える。ドライバ13Aは、SLM13に形成するパターンの方向を切り替えることにより、観察対象面Pに生成される干渉縞(構造化照明)の方向を切り替える。ドライバ13Aは、SLM13に形成するパターンの位相をシフトさせることにより、観察対象面Pに生成される干渉縞の位相をシフトさせる。
以上の説明では、SLM13の液晶に固有の角度αを45°としたが、液晶に固有の角度αは45°未満であっても構わない。
次に、図1に示す光束選択部100について説明する。光束選択部100には、観察対象面Pへ入射する光束を選択する機能と、観察対象面Pへ入射する±1次回折光束の偏光状態をS偏光に維持する機能がある。観察対象面Pへ入射する±1次回折光束をS偏光とするためには、観察対象面Pへ向かう±1次回折光束の偏光方向を、±1次回折光束の分岐方向に直交させればよい。なお、光束選択部100に、観察対象面Pへ入射する±1次回折光束の偏光状態をS偏光に維持する機能は、適宜省略されてもよい。
本実施形態では、干渉縞の方向切り替えのためにSLM13のパターンの方向が切り替わる。このとき、±1次回折光束の分岐方向も切り替わる。よって、光束選択部100は、この切り替えに対応する必要がある。
図5は、光束選択部100の構成例を示す図である。図5では、SLM13およびPBS14を光束選択部100の入射側にそれぞれ示す。光束選択部100の入射側に配置される集光レンズ16の図示は省略している。
光束選択部100は、入射側から順に、1/2波長板101、セグメント波長板17、固定偏光板102、液晶1/2波長板103,104を有している。
1/2波長板101は、光の進行方向から見て進相軸が水平から35°回転した方向となるように配置される。
セグメント波長板17は、例えば透過型の液晶SLMである。セグメント波長板17には液晶駆動回路であるドライバ17Aが接続される。
セグメント波長板17は、ドライバ17Aによりそれぞれオン/オフの制御が可能な複数のセルを有している。例えば、セグメント波長板17は、中央部に配置される円形状のセルと、この円形状のセルの外周に配置され、リング状の領域を円周方向に分割して形成された6つのセルとを有している。セグメント波長板17のドライバ17Aは、セグメント波長板17の個々のセルがあらかじめ設定された進相軸の方向で1/2波長板として機能するか否かを、個々のセルに与えるべき駆動信号の値によって制御できる。
セグメント波長板17においてオンの状態のセルは、光の進行方向から見て進相軸が水平から25°となる1/2波長板として機能する。セグメント波長板17においてオフの状態のセルは偏光制御機能がなく、入射したときの偏光状態が保存されたまま光が透過する。
固定偏光板102は、光の進行方向から見て偏光方向が水平から70°となるように配置されている。
液晶1/2波長板103は、液晶駆動回路であるドライバ103Aによりオン/オフが制御される。液晶1/2波長板103は、オンの状態のときに光の進行方向から見て進相軸が水平から10°回転した方向に設定された1/2波長板として機能する。また、液晶1/2波長板103は、オフの状態のときには偏光制御機能がなく、入射したときの偏光状態が保存されたまま光が透過する。
液晶1/2波長板104は、液晶駆動回路であるドライバ104Aによりオン/オフが制御される。液晶1/2波長板104は、オンの状態のときに光の進行方向から見て進相軸が水平から40°回転した方向に設定された1/2波長板として機能する。液晶1/2波長板104は、オフの状態のときには偏光制御機能がなく、入射したときの偏光状態が保存されたまま光が透過する。
ドライバ17A、103A、104Aは、それぞれ制御装置39により制御される。
図6は、図5に示す要素での偏光の状態を示す図である。図5および図6では、一例として、構造化照明の方向(±1次回折光束の分岐方向)が40°であるときの偏光の状態を示している。
図5、図6において各要素に付与した矢印のうち矢印を黒く塗りつぶしたものは、各要素に入射及び射出する光の偏光方向を示している。図5、図6の矢印のうち矢印を塗りつぶしていないものは素子の軸方向を示している。なお、図5、図6では各要素を模式的に示している。
PBS14から射出した±1次回折光束の偏光方向は、PBS14の偏光分離面を透過できる光の偏光方向であるので、±1次回折光束の分岐方向の切り替えに拘わらず不変である。
±1次回折光束の分岐方向が40°であるとき、光束選択部100は、入射した±1次回折光束の偏光方向を、分岐方向の40°と直交する方向(−50°の直線偏光)へと変換する必要がある。そのために、まず固定の1/2波長板101で偏光方向を所定の方向に回転する。ここではPBS14の透過後の偏光方向(1/2波長板101へ入射する光の偏光方向)を水平0°とし、1/2波長板101の進相軸を光の進行方向から見て水平から35°回転した方向に配置する。すると偏光方向を同70°に回転することができる(図6(b)を参照)。
続いて、制御装置39は、ドライバ17Aを介して、セグメント波長板17のセルのうち分岐方向40°の±1次回折光束が入射するセルをオフとし、それ以外のセルをオンとする制御を行う。セグメント波長板17のオンのセルは光の進行方向から見て進相軸が水平から25°回転した方向に設定された1/2波長板として機能し、セグメント波長板17のオフのセルは偏光制御機能がなく、入射したときの偏光状態が保存されたまま光が透過する。その結果、セグメント波長板17の後の偏光状態は、分岐方向40°の±1次回折光束が入射する領域(セグメント波長板17のオフのセル)を通った光は、光の進行方向から見て水平から70°の直線偏光のままであり、それ以外の領域(セグメント波長板17のオンのセル)を通過する光は光の進行方向から見て水平から−20°の直線偏光に変換される(図6(c)を参照)。
セグメント波長板17を透過した光は固定偏光板102に入射する。このとき、セグメント波長板17のオンのセルを通過する光は光の進行方向から見て水平から−20°の直線偏光に変換されるため、偏光方向が70°の固定偏光板102で遮断される(図6(d)上段を参照)。一方、セグメント波長板17のオフのセルを通った光は、光の進行方向から見て水平から70°の直線偏光であるので、偏光方向が70°の固定偏光板102をそのまま透過する(図6(d)下段を参照)。
そして、制御装置39は、ドライバ103Aを介して、液晶1/2波長板103をオンにする制御を行う。また、制御装置39は、ドライバ104Aを介して、液晶1/2波長板104をオフにする制御を行う。
液晶1/2波長板103は、オンにすることで光の進行方向から見て進相軸が水平から10°回転した方向に設定された1/2波長板として機能する。セグメント波長板17のオフのセルを通過した分岐方向40°の±1次回折光は、光の進行方向から見て水平から70°の直線偏光であったが、10°に進相軸をもつ液晶1/2波長板103によって光の進行方向から見て水平から−50°の直線偏光に変換される(図6(e)を参照)。液晶1/2波長板104はオフであるので、偏光状態が保存されたまま液晶1/2波長板104を光が透過する。このように、PBS14から射出した±1次回折光束は、光束選択部100を通過した後は、分岐方向40°に直交した−50°の偏光状態に変換される。
光束選択部100において、±1次回折光束の分岐方向を変化させる場合には、制御装
置39により、セグメント波長板17のセルのオン/オフと、液晶1/2波長板103のオン/オフおよび液晶1/2波長板104のオン/オフを適宜切り替えればよい。なお、光束選択部100に、観察対象面Pへ入射する±1次回折光束の偏光状態をS偏光に維持する機能である、液晶1/2波長板103および、液晶1/2波長板104は適宜省略されてもよい。
置39により、セグメント波長板17のセルのオン/オフと、液晶1/2波長板103のオン/オフおよび液晶1/2波長板104のオン/オフを適宜切り替えればよい。なお、光束選択部100に、観察対象面Pへ入射する±1次回折光束の偏光状態をS偏光に維持する機能である、液晶1/2波長板103および、液晶1/2波長板104は適宜省略されてもよい。
図5に示す光束選択部100において、SLM13のピクセル構造などに起因して発生したノイズ回折光の通過を抑制するために、セグメント波長板17の各セルに対応する開口を備えたマスク18を光束選択部100の光路に挿入してもよい。マスク18は、例えば、必要な回折光の入射領域にのみ開口部(孔)を形成したマスク基板である。或いは、マスク18は、例えば、必要な回折光の入射領域に透過セルを配置し、かつ不要な回折光の入射領域に不透明セルを配置した液晶素子であってもよい。図7は、光束選択部100に挿入されるマスク18の例を示す図である。図7(a)は、後述のように0次回折光と±1次回折光とを通過させる場合の3光束用のマスク18のパターン例を示す。図7(b)は、±1次回折光を通過させる場合の2光束用のマスク18のパターン例を示す。図7において、マスク18の黒い部分は遮光領域を示す。
SLM13で発生する回折光の回折方向および位相は、SLM13の複数の画素Pxにおけるオンされたセルとオフされたセルとの分布により定まる。制御装置39は、ドライバ13Aにビットマップデータ(SLM13に印加される電圧パターン(電圧)に関する情報)を供給し、ドライバ13Aは、ビットマップデータに応じた電圧パターンをSLM13に印加してSLM13にパターンを表示(形成)させる。これにより、観察対象面Pに干渉縞が生成される。また、SLM13にパターンを形成させることによって、観察対象面Pに生成される干渉縞の方向および位相を制御する。このビットマップデータは、例えば、画素Pxがオンセルであるか、もしくはオフセルであるかを示す階調値(例えば、0または1)と、この画素Pxの位置とを関連付けたデータである。
図9は、本実施形態のSLM13に形成されるパターンの一例を示す模式図である。制御装置39は、例えば、記憶部Xに格納したビットマップデータをドライバ13Aに供給し、ドライバ13Aは、ビットマップデータに応じた電圧パターンをSLM13に印加することで、SLM13に図9に示すパターンを形成させる。
図9に示すパターンA1〜A3は、観察対象面Pに形成される干渉縞の位相差が、2π/N[rad]となるように構成されている。例えば、パターンA1およびパターンA2は、それぞれによって形成される干渉縞の位相差が2π/3[rad]となるように構成されている。パターンA2とパターンA3とは、それぞれによって形成される干渉縞の位相差が2π/3[rad]となるように構成されている。制御装置39は、ドライバ13Aを介してこれらのパターンA1〜A3をSLM13に順次形成させる。
図9に示すパターンB1〜B3は、パターンA1〜A3の方向とは異なる方向(例えば、−60度の方向)となるように構成されたものである。パターンB1〜B3は、隣あうパターンそれぞれによって形成される干渉縞の位相差が、パターンA1〜A3と同様に、例えば、2π/3[rad]となるように構成される。図9に示すパターンC1〜C3は、パターンA1〜A3の方向に対して別の異なる方向(例えば、+60度の方向)となるように構成されたものである。パターンC1〜C3も、隣あうパターンそれぞれによって形成される干渉縞の位相差が、パターンA1〜A3と同様に、例えば、2π/3[rad]となるように構成される。このように、符号A,B,Cはパターンの方向を示しており、符号A,B,Cに添付する数字1,2,3はパターンにおける位相を示している。
次に、構造化照明顕微鏡システム1がTIRFMとして使用される場合(TIRF−S
IM)について説明する。
IM)について説明する。
構造化照明顕微鏡システム1がTIRFMとして使用される場合、観察対象面Pに入射する±1次回折光束の入射角度は、エバネッセント場の生成条件である全反射条件(TIRF条件)を満たす必要がある。
このTIRF条件を満たすためには、瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点が、瞳面6Aの最外周における所定の輪帯状領域(TIRF領域)に位置していればよい。この場合、瞳面6Aに集光した±1次回折光束は、対物レンズ6から観察対象面Pに向かい観察対象面Pにおいて全反射する。その際に、観察対象面P近傍には、観察対象面Pにおいて全反射した±1次回折光束によるエバネッセント場が生起する。このエバネッセント場からは、観察対象面Pの裏側にエバネッセント光が放出され、このエバネッセント光により、観察対象面Pの裏側に載置された標本が照明される。この照明により、観察対象面Pにおける蛍光領域(標本内の蛍光色素等)が励起されて蛍光を発生する。結像光学系30は、この蛍光を受けて、標本の変調像を形成する。
次に、レーザユニット300から射出するレーザ光の波長(光源波長)が、長い波長λ1である場合と短い波長λ2である場合との違いについて、図10を参照して説明する。
なお、光源波長をλ1とする時は、シャッタ303は開状態とされレーザユニット300から光ファイバ11aを介して波長λ1のレーザ光が射出される。この時シャッタ304は閉状態とされ光ファイバ11bを介するλ2のレーザ光は遮光もしくは減光される。光源波長をλ2とする時は、シャッタ304は開状態とされレーザユニット300から光ファイバ11bを介してλ2のレーザ光が射出される。この時シャッタ303は閉状態とされ光ファイバ11aを介する波長λ1のレーザ光は遮光もしくは減光される。光源波長λ1とλ2を同時照射する時は、シャッタ303およびシャッタ304は開状態とされ、レーザユニット300から光ファイバ11aを介して波長λ1のレーザ光が射出され光ファイバ11bを介して波長λ2のレーザ光が射出される。
なお、光源波長をλ1とする時は、シャッタ303は開状態とされレーザユニット300から光ファイバ11aを介して波長λ1のレーザ光が射出される。この時シャッタ304は閉状態とされ光ファイバ11bを介するλ2のレーザ光は遮光もしくは減光される。光源波長をλ2とする時は、シャッタ304は開状態とされレーザユニット300から光ファイバ11bを介してλ2のレーザ光が射出される。この時シャッタ303は閉状態とされ光ファイバ11aを介する波長λ1のレーザ光は遮光もしくは減光される。光源波長λ1とλ2を同時照射する時は、シャッタ303およびシャッタ304は開状態とされ、レーザユニット300から光ファイバ11aを介して波長λ1のレーザ光が射出され光ファイバ11bを介して波長λ2のレーザ光が射出される。
図10(A),(B)に示すとおり、光源波長が長い波長λ1である場合(同図(A))と短い波長λ2である場合(同図(B))とを比較すると、短い波長λ2である場合の方が、SLM13から射出する±1次回折光束の回折角度(分岐量)が小さい。そのため、図10(A),(B)の左端に示すとおり瞳面6Aにおける±1次回折光束それぞれの集光点の光軸AZからの高さが異なってしまう。ここでは、光軸AZから光線までの距離を単に「高さ」と称する。すなわち、光源波長が長い波長λ1に比べて短い波長λ2では、光軸AZから光線まで高さが小さくなってしまう。
SLM13から射出する±1次回折光束の回折角度は、SLM13に形成されるパターンのピッチと、光源波長に依存する。そのため、例えば光源波長λ1でTIRF条件を満たすパターンのピッチに対し、より短い波長λ2を照射した場合、SLM13から射出する±1次回折光束の角度(分岐量)が小さくなる。それにより、瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点が、瞳面6Aの最外周における所定の輪帯状領域(TIRF領域)に位置せず、TIRF条件を満たさなくなってしまう。
図11は、本実施形態におけるSLM13に形成されるパターンの一例を、図1のA−A´線に沿った断面から見た図である。図11において、○で囲んだ×印は、図1の構造化照明顕微鏡システム1における光軸AZa2,AZb2が存在する位置を示している(後述の図12についても同様)。また、図11のA−A´線は、図1のA−A´線のA端側が図11の左側に対応し、図1のA−A´線のA´端側が図11の右側に対応していることを示している(後述の図12についても同様)。図11に示すパターンは、例えば光源波長がλ1(光軸AZa2)の場合にTIRF条件を満たすピッチとしたパターンであ
る。このようなパターンが形成されたSLM13に対して波長λ1のレーザ光(光軸AZa2)と、より短い波長λ2のレーザ光(光軸AZb2)を同時に照射した場合、波長λ1(光軸AZa2)については瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点が、瞳面6Aの最外周における所定の輪帯状領域(TIRF領域)に位置し、TIRF条件を満たすことができる。
る。このようなパターンが形成されたSLM13に対して波長λ1のレーザ光(光軸AZa2)と、より短い波長λ2のレーザ光(光軸AZb2)を同時に照射した場合、波長λ1(光軸AZa2)については瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点が、瞳面6Aの最外周における所定の輪帯状領域(TIRF領域)に位置し、TIRF条件を満たすことができる。
一方、波長λ1(光軸AZa2)より短い波長λ2(光軸AZb2)については、SLM13から射出する波長λ2(光軸AZb2)の±1次回折光束の角度(分岐量)が、波長λ1(光軸AZa2)に比べて小さくなる。それにより、波長λ2(光軸AZb2)については瞳面6Aにおける±1次回折光束の集光点が、瞳面6Aの最外周における所定の輪帯状領域(TIRF領域)に位置せず、TIRF条件を満たさなくなってしまう。
そこで図12に示すように、SLM13の、光を分岐するための領域(セルを有する領域)を、光軸AZa2(波長λ1)に対応する第1の領域(図中右半分の領域)と、光軸AZb2(波長λ2)に対応する第2の領域(図中左半分の領域)とに分け、第2の領域に形成するパターンのピッチを変更する。具体的には、SLM13において、第1の領域に対しては、波長λ1でTIRF条件を満たすピッチのパターン(第1のパターン)が形成されるための電圧パターン(第1の電圧パターン)を印加して第1のパターンを形成し、第2の領域に対しては、波長λ2でTIRF条件を満たすピッチのパターン(第2のパターン)が形成されるための電圧パターン(第2の電圧パターン)を印加して第2のパターンを形成させる。なお、変更例として、光軸AZa2上に位置するSLMと光軸AZb2上に位置するSLMとを別個に設け、前者のSLMの領域を第1のパターンを形成する第1の領域、後者のSLMの領域を第2のパターンを形成する第2の領域として用いるようにしてもよい。
このようにすることで、波長λ1とλ2とを同時照射する場合には、SLM13の第1の領域に波長λ1でTIRF条件を満たすピッチのパターンを形成し、SLM13の第2の領域に波長λ2でTIRF条件を満たすピッチのパターンを形成することで、波長λ1および波長λ2おいてTIRF条件を満たすことが可能である。なお、波長λ1とλ2とを同時照射する場合、波長λ1の光は、光ファイバ11a、コレクタレンズ12a(光軸AZa1)、偏光板23およびPBS14(光軸AZa2)を経由する第1の経路(光路)を通ってSLM13の第1の領域に入射し、波長λ2の光は、光ファイバ11b、コレクタレンズ12b(光軸AZb1)、偏光板23およびPBS14(光軸AZb2)を経由する第2の経路(光路)を通ってSLMの第2の領域に入射する。
このように構造化照明顕微鏡システム1では、波長λ1と波長λ2を同時に照射したときにTIRF条件を満たすように、SLM13に形成するパターンのピッチを、波長λ1に対応する領域(第1の領域)と波長λ2に対応する領域(第2の領域)とで変更する。以下、波長λ1と波長λ2を同時照射した際に、波長λ1に対応する領域においては波長λ1でTIRF条件を満たすピッチ(波長λ1用の第1ピッチ)を有し、波長λ2に対応する領域においては波長λ2でTIRF条件を満たすピッチ(波長λ2用の第2ピッチ)を有するパターンであることを示す場合は、パターンの方向と位相を表す符号(例えば、A1〜A3、B1〜B3、C1〜C3)の後に、λ1λ2を添付することとする。例えば、A1λ1λ2のパターン、C2λ1λ2のパターン等と称する。A1λ1λ2〜C3λ1λ2の各々のパターンは、第1ピッチと第2ピッチを有して方向または位相が互いに異なるパターンとなる(図13を参照)。
次に図14を参照してSLM13に形成される縞状のパターンである一次元のパターンの「方向」と、パターンの「ピッチ(間隔)」の求め方について説明する。図14は所定のパターンをSLM13上に形成している様子を示している。図14では記載の都合上S
LM13をnx列ny行に画素が配列されているものとして記載する。また、図14では前述のオンされたセル(画素)を例えば黒、オフされたセル(画素)を例えば白として、オンされたセルとオフされたセルとを一方向に亘って周期配列して一次元のパターンを形成している。このように形成されたパターンに対して、画素P11、画素P12、画素Pny1、画素Pny2(図中いずれも斜線を付して表記)に着目して説明する。画素P11、画素P12はY=1行目に隣接する縞の黒色画素であり、かつX方向に隣接する右側の画素が白色である。このような画素P11、画素P12の右下の頂点をそれぞれP11a、P12aとする。頂点P11a、頂点P12aは、パターンの「方向」と「ピッチ」を求める基準となる点である。さらに画素Pny1、画素Pny2はY=ny行目に隣接する縞の黒色画素であり、かつX方向に隣接する右側の画素が白色である。このような画素Pny1、画素Pny2の右下の頂点をそれぞれPny1a、Pny2aとする。頂点Pny1a、頂点Pny2aは、頂点P11a、頂点P12aと同様にパターンの「方向」と「ピッチ」を求める基準となる点である。
LM13をnx列ny行に画素が配列されているものとして記載する。また、図14では前述のオンされたセル(画素)を例えば黒、オフされたセル(画素)を例えば白として、オンされたセルとオフされたセルとを一方向に亘って周期配列して一次元のパターンを形成している。このように形成されたパターンに対して、画素P11、画素P12、画素Pny1、画素Pny2(図中いずれも斜線を付して表記)に着目して説明する。画素P11、画素P12はY=1行目に隣接する縞の黒色画素であり、かつX方向に隣接する右側の画素が白色である。このような画素P11、画素P12の右下の頂点をそれぞれP11a、P12aとする。頂点P11a、頂点P12aは、パターンの「方向」と「ピッチ」を求める基準となる点である。さらに画素Pny1、画素Pny2はY=ny行目に隣接する縞の黒色画素であり、かつX方向に隣接する右側の画素が白色である。このような画素Pny1、画素Pny2の右下の頂点をそれぞれPny1a、Pny2aとする。頂点Pny1a、頂点Pny2aは、頂点P11a、頂点P12aと同様にパターンの「方向」と「ピッチ」を求める基準となる点である。
これら頂点P11a、頂点P12a、頂点Pny1a、頂点Pny2aを用いてパターンの「方向」と「ピッチ」を求める。まず、P11aからPny1aに向かう線(補助線)をL1Aとする。同様にP12aからPny2aに向かう線(補助線)をL2Aとする。このL1AとL2Aは一方向に亘って周期配列されたオンされたセル(例えば黒色画素)の右側の境界線である。このとき、パターンの「方向」とはX軸とL1aの時計回りになす角(図中dで表記)のことである。また、L1Aと直角をなす、L1AからL2Aに向かう補助線(図中両矢線で表記)をpとすると、この補助線pの距離がパターンの「ピッチ」となる。すなわちパターンの方向を変化させるということは、図14中のdが変化するようにオンされたセル(画素)とオフされたセル(画素)とを一方向に亘って周期配列することである。また、パターンのピッチを変化させるということは、図14中のpが変化するようにオンされたセル(画素)とオフされたセル(画素)とを一方向に亘って周期配列することをいう。もちろんパターンの「方向」と「ピッチ」を求める方法は上記のみに限定されるものではなく、例えばL1AとL2Aを求める場合に画素情報を補完(例えばアンチエイリアス)したものを用いてもよい。また、上述の例ではSLM13に形成される周期配列されたオンされたセル(黒色画素)の右側の境界線を用いたが、左側の境界線を用いてパターンの「方向」と「ピッチ」を求めてもよい。さらにSLM13に形成される周期配列されたオンされたセル(黒色画素)の右側の境界線と左側の境界線における「方向」と「ピッチ」をそれぞれ求め、それぞれの「方向」と「ピッチ」の例えば平均値をパターンの「方向」と「ピッチ」としてもよい。なお、上述の例ではSLM13に形成されるパターンの「方向」と「ピッチ」を求めたが、観察対称面Pに生成される干渉縞の空間周波数の「方向」と「ピッチ」を求め、観察対称面Pに生成される干渉縞の空間周波数の「方向」と「ピッチ」が変化するようにSLM13に形成されるパターンを変化させてもよい。
ここで、構造化照明顕微鏡システム1において、所定の標本5を観察(撮影)するのに際し、SLM13に形成されるパターンの順序について説明する。ここでは、光源波長として2つ(λ1,λ2)の波長を同時照射する場合のパターンの形成順序の一例を、図15を参照して説明する。
図15に示す例では、SLM13に、まず、A1λ1λ2のパターン、A2λ1λ2のパターン、A3λ1λ2のパターンをこの順序で形成する。次に、B1λ1λ2のパターン、B2λ1λ2のパターン、B3λ1λ2のパターンをこの順序で形成し、最後に、C1λ1λ2のパターン、C2λ1λ2のパターン、C3λ1λ2のパターンをこの順序で形成する。1つのパターンが形成される時間は例えば同じ(例えば、Tsとする)であり、各パターンが形成される時間内において、撮像素子35a,35bにより観察対象面Pの蛍光像を撮像して、各パターン(観察対象面Pに形成される各干渉縞)に対応する(変
調された)画像(「SIM構成画像」と称する)を生成する。生成した各SIM構成画像を復元(画像復調)することにより、波長λ1により励起された標本5の蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ1」と称する)と、波長λ2により励起された標本5の蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ2」と称する)とを得る。
調された)画像(「SIM構成画像」と称する)を生成する。生成した各SIM構成画像を復元(画像復調)することにより、波長λ1により励起された標本5の蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ1」と称する)と、波長λ2により励起された標本5の蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ2」と称する)とを得る。
次に、構造化照明顕微鏡システム1において、光源波長として2つ(λ1,λ2)の波長を同時に射出する場合のパターンを形成する順序と各SIM構成画像の取得順序の具体例(「基本手順例」と称する)について、図16と図17を参照して説明する。図16中の「SLM表示」は、SLM13に形成されるパターンを表し、「DSC1」(DSC:Digital Still Camera)は撮像素子35aを表し、「DSC2」は撮像素子35bを表している。図16中の「pic」は撮像素子35a,35bにより取得された画像(SIM構成画像)を意味する。例えば、「picA1λ1」は、A1λ1λ2のパターンをSLM13に形成したときに撮像素子35aにより取得されたSIM構成画像を意味し、「picA1λ2」は、A1λ1λ2のパターンをSLM13に形成したときに撮像素子35bにより取得されたSIM構成画像を意味する。
この基本手順例では、図17に示すように、まず、レーザユニット300(第1レーザ光源301および第2レーザ光源302)から波長λ1のレーザ光と波長λ2のレーザ光を同時に射出する(ステップS1)。次いで、SLM13に対し、A1λ1λ2のパターンを形成する(ステップS2)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picA1λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picA1λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS3)。SLM13にA1λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1に対応した所定の空間周波数の干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞A」と称する)と、波長λ2に対応した別の空間周波数の干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞A」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、A2λ1λ2のパターンを形成する(ステップS4)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picA2λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picA2λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS5)。SLM13にA2λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞Aと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞B」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞Aと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞B」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、A3λ1λ2のパターンを形成する(ステップS6)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picA3λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picA3λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS7)。SLM13にA3λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞A,Bと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞C」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞A,Bと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞C」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、B1λ1λ2のパターンを形成する(ステップS8)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picB1λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picB1λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS9)。SLM13にB1λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞A
〜Cとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞D」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞A〜Cとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞D」と称する)とが互いに重なって形成される。
〜Cとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞D」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞A〜Cとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞D」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、B2λ1λ2のパターンを形成する(ステップS10)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picB2λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picB2λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS11)。SLM13にB2λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞Dと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞E」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞Dと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞E」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、B3λ1λ2のパターンを形成する(ステップS12)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picB3λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picB3λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS13)。SLM13にB3λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞D,Eと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞F」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞D,Eと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞F」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、C1λ1λ2のパターンを形成する(ステップS14)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picC1λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picC1λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS15)。SLM13にC1λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞A〜Fとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞G」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞A〜Fとピッチが同じで方向が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞G」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、C2λ1λ2のパターンを形成する(ステップS16)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picC2λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picC2λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS17)。SLM13にC2λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞Gと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞H」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞Gと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞H」と称する)とが互いに重なって形成される。
次に、SLM13に対し、C3λ1λ2のパターンを形成する(ステップS18)。そして、このパターンが形成される時間内において、波長λ1に対応したSIM構成画像picC3λ1を撮像素子35aにより取得するとともに、波長λ2に対応したSIM構成画像picC3λ2を撮像素子35bにより取得する(ステップS19)。SLM13にC3λ1λ2のパターンを形成すると標本5(観察対象面P)には、波長λ1対応の干渉縞G,Hと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ1対応の干渉縞I」と称する)と、波長λ2対応の干渉縞G,Hと方向(およびピッチ)が同じで位相が異なる干渉縞(「波長λ2対応の干渉縞I」と称する)とが互いに重なって形成される。なお、波長λ1対応の干渉縞A〜Iは第1の干渉縞に相当し、波長λ2対応の干渉縞A〜Iは第2の干渉縞に相当する。
次いで、画像記憶・演算装置40において、撮像素子35aにより取得された各SIM構成画像picA1λ1〜picC3λ1を用いて、波長λ1により励起された蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ1」と称する)を生成する(ステップS20)。さらに、撮像素子35bにより取得された各SIM構成画像picA1λ2〜picC3λ2を用いて、波長λ2により励起された標本5の蛍光超解像画像(「SIM復元画像λ2」と称する)を生成する(ステップS21)。次に、標本5の観察(撮影)を終了するか否かを判定し(ステップS22)、標本5の観察を続ける場合は、上記ステップS2に戻る。なお、画像記憶・演算装置40は、画像表示装置45にSIM復元画像λ1とSIM復元画像λ2をそれぞれ表示してもよいし、SIM復元画像λ1とSIM復元画像λ2とを重畳して表示してもよい。
この基本手順例では、波長λ1に対応したSIM構成画像picA1λ1〜picC3λ1のすべてを取得するのに必要な時間(「SIM復元画像λ1の撮影時間」と称する)は、個々のSIM構成画像を取得する時間をTsとすると、9Tsとなる。同様に、波長λ2に対応したSIM構成画像picA1λ2〜picC3λ2のすべてを取得するのに必要な時間(「SIM復元画像λ2の撮影時間」と称する)は、個々のSIM構成画像を取得する時間をTsとすると、同じく9Tsとなる。また、複数の光源波長(波長λ1,λ2)に対応した構造化照明が行われ、波長λ1に対応したSIM構成画像picA1λ1〜picC3λ1の取得と、波長λ2に対応したSIM構成画像picA1λ2〜picC3λ2の取得とは、同時に行われる。
このような基本手順例によれば、波長λ1に対応したSIM構成画像picA1λ1〜picC3λ1の取得と、波長λ2に対応したSIM構成画像picA1λ2〜picC3λ2の取得とを同時に行わない場合に比較して、SIM復元画像λ1の撮影時間とSIM復元画像λ2の撮影時間とをどちらも短くすることができる。また、SIM復元画像λ1の撮影時間とSIM復元画像λ2の撮影時間との同時性も非常に高い。このため、標本5に含まれる生体細胞の動きが早くても、波長λ1により励起される生体細胞内部に発現した蛍光物質の位置ずれが少ない複数のSIM構成画像、および波長λ2により励起される生体細胞内部に発現した蛍光物質の位置ずれの少ない複数のSIM構成画像を取得することが可能である。そのため、基本手順例は、標本5に含まれる生体細胞の動きが速い場合の撮影に適している。また、標本5における複数の箇所(波長λ1により励起される生体細胞内部に発現した蛍光物質と、波長λ2により励起される生体細胞内部に発現した蛍光物質)において、同時に何が起こっているのかを解析するのにも適している。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態としての構造化照明顕微鏡システム2を説明する。図18は構造化照明顕微鏡システム2の構成図である。この構造化照明顕微鏡システム2は、上述のレーザユニット300に代わりレーザユニット300Kを備えている点、レーザユニット300Kから偏光ビームスプリッタ14までの間(後述の第3の経路上)に、光ファイバ411、コレクタレンズ412、偏光板413および第3光路切替部であるミラー414を備えている点、並びに、偏光ビームスプリッタ(PBS)14と集光レンズ16との間に、ミラーユニット400を備えている点において上記構造化照明顕微鏡システム1と異なり、その他の構成は構造化照明顕微鏡システム1と同様である。
次に、本発明の第2実施形態としての構造化照明顕微鏡システム2を説明する。図18は構造化照明顕微鏡システム2の構成図である。この構造化照明顕微鏡システム2は、上述のレーザユニット300に代わりレーザユニット300Kを備えている点、レーザユニット300Kから偏光ビームスプリッタ14までの間(後述の第3の経路上)に、光ファイバ411、コレクタレンズ412、偏光板413および第3光路切替部であるミラー414を備えている点、並びに、偏光ビームスプリッタ(PBS)14と集光レンズ16との間に、ミラーユニット400を備えている点において上記構造化照明顕微鏡システム1と異なり、その他の構成は構造化照明顕微鏡システム1と同様である。
レーザユニット300Kは、第1光路切替部であるミラー305a、第2光路切替部であるミラー305b、レンズ309を備えている点において、上記レーザユニット300とは異なり、その他の構成はレーザユニット300と同様である。ミラー305aは、第1レーザ光源301からのレーザ光(波長λ1)を光ファイバ411に導く場合にシャッタ303とレンズ307との間の光路上に設置され、第1レーザ光源301からのレーザ
光を光ファイバ11aに導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。ミラー305bは、第2レーザ光源302からのレーザ光(波長λ2)を光ファイバ411に導く場合にシャッタ304とレンズ308との間の光路上に設置され、第2レーザ光源302からのレーザ光を光ファイバ11bに導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。ミラー305a,305bは、それぞれ制御装置39によって駆動される。
光を光ファイバ11aに導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。ミラー305bは、第2レーザ光源302からのレーザ光(波長λ2)を光ファイバ411に導く場合にシャッタ304とレンズ308との間の光路上に設置され、第2レーザ光源302からのレーザ光を光ファイバ11bに導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。ミラー305a,305bは、それぞれ制御装置39によって駆動される。
レンズ309は、第1レーザ光源301から射出され、ミラー305aにより反射されたレーザ光(波長λ1)、または第2レーザ光源302から射出され、ミラー305bにより反射されたレーザ光(波長λ2)を、光ファイバ411の入射端から光ファイバ411内に入射させるように構成されている。
光ファイバ411は、入射された波長λ1のレーザ光または波長λ2のレーザ光を、コレクタレンズ412に向けて導光するものであり、例えば、マルチモードファイバによって構成される。コレクタレンズ412は、光ファイバ411の出射端から射出された発散光束を、平行光束に変換するように構成されている。偏光板413は、コレクタレンズ412により平行光束に変換されたレーザ光の偏光方向を整えるように構成されている。具体的には、偏光板413の軸は、偏光板413からミラー414を経由してPBS14の偏光分離面へ向かう平行光束がS偏光となるように設定されている。
ミラー414は、偏光板413からの平行光束をPBS14に導く場合に偏光板23とPBS14との間に設置され、偏光板23からの平行光束をPBS14に導きたい場合には偏光板23とPBS14との間から退出されるように構成されている。詳細には、偏光板23とPBS14との間においてミラー414は、その反射面が、コレクタレンズ412の光軸AZ3と、PBS14の偏光分離面の中心部を通る光軸AZ4との交点上において、光軸AZ3,AZ4に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように設置される。このミラー414は、制御装置39により制御される駆動部415によって、駆動される。
ミラー414を、偏光板23とPBS14との間に設置した場合、光軸AZ4に沿って偏光板413からミラー414に入射する平行光束は、ミラー414により進行方向を変え、光軸AZ3に沿ってPBS14へ入射する。光軸AZ3に沿ってPBS14へ入射した平行光束は、PBS14の偏光分離面で反射し、SLM13の光軸AZ5(光軸AZ3と交差し、集光レンズ16の光軸AZ1とも交差する)に沿ってSLM13へ正面から入射する。このように、構造化照明顕微鏡システム2は、レーザユニット300Kから射出される波長λ1の光と波長λ2の光とのいずれか一方を、光ファイバ411、コレクタレンズ412(光軸AZ3)、偏光板413、ミラー414およびPBS14(光軸AZ4)を経由して、SLM13の光軸AZ5に沿ってSLM13(光を分岐するための領域の中央部)に入射させるための第3の経路(光路)を有している。光軸AZ5に沿ってSLM13へ入射した平行光束は、SLM13にて回折反射し、角度の異なる複数の回折光束(図示略)に分岐される。SLM13から射出した複数の回折光束は、光軸AZ5に沿ってPBS14へ入射した後、PBS14の偏光分離面を透過し、PBS14から射出する。そして、PBS14から射出後、ミラーユニット400に向かう。
ミラーユニット400は、上述のミラー401およびダイクロイックミラー402に加えて、ミラー403を備えて構成される。ミラー403は、PBS14から射出された光軸AZ5上の各回折光束を集光レンズ16に導く場合にPBS14と集光レンズ16との間の光路上に設置され、PBS14から射出された光軸AZa2上の各回折光束または光軸AZb2上の各回折光束を集光レンズ16に導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。詳細には、PBS14と集光レンズ16との間の光路上においてミ
ラー403は、その反射面が、SLM13の光軸AZ5と集光レンズ16の光軸AZ1との交点上において、光軸AZ5,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように設置される。そのため、光軸AZ5上の各回折光束は、ミラー403によって光軸AZ1に重畳され、互いに異なる角度で集光レンズ16に入射する。
ラー403は、その反射面が、SLM13の光軸AZ5と集光レンズ16の光軸AZ1との交点上において、光軸AZ5,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように設置される。そのため、光軸AZ5上の各回折光束は、ミラー403によって光軸AZ1に重畳され、互いに異なる角度で集光レンズ16に入射する。
一方、ミラー401およびダイクロイックミラー402は、PBS14から射出された光軸AZa2上の各回折光束または光軸AZb2上の各回折光束を集光レンズ16に導く場合にPBS14と集光レンズ16との間の光路上に設置され、PBS14から射出された光軸AZ5上の各回折光束を集光レンズ16に導きたい場合には光路上から退出されるように構成されている。ミラー401、ダイクロイックミラー402およびミラー403は、制御装置39により制御される駆動部404によって、駆動される。
このように構成された構造化照明顕微鏡システム2では、レーザユニット300Kから2つの波長(λ1,λ2)のレーザ光を同時に射出し、その各々のレーザ光を、光ファイバ11a,11bを経由してSLM13の第1の領域と第2の領域に導くことが可能である。この場合、SLM13に形成させるパターンの内容やそのパターンの形成手順、各SIM構成画像の取得手順等は、上述の基本手順例で示した内容を適用することが可能である。
また、構造化照明顕微鏡システム2では、レーザユニット300Kから波長λ1,λ2の2つのレーザ光のうち一方を選択的に射出し、そのレーザ光を、光ファイバ411を経由してSLM13の領域(第1の領域と第2の領域とを併せた領域)に導くことも可能である。この場合、SLM13に形成するパターンは、例えば、図9に示すA1〜A3、B1〜B3、C1〜C3の各パターンを用いることができる。ピッチに関しては、例えば、SLM13に導くレーザ光が波長λ1の場合には、その波長λ1でTIRF条件を満たすピッチ(波長λ1用の第1ピッチ)とし、SLM13に導くレーザ光が波長λ2の場合には、その波長λ2でTIRF条件を満たすピッチ(波長λ2用の第1ピッチ)とする。なお、ピッチに関しては、例えば、SLM13に導くレーザ光が波長λ1の場合には、その波長λ1で所望の超解像効果を満たすピッチとし、SLM13に導くレーザ光が波長λ2の場合には、その波長λ2で所望の超解像効果を満たすピッチとしてもよい。超解像効果とは非変調時の解像力(一様照明光による解像力)を基準とした変調時の解像力(構造化照明光による解像力)の割合のことであって、(超解像効果)=(構造化照明光による解像力)/(一様照明光による解像力)=(瞳径+集光点間の距離)/(瞳径)である。また、SLM13に導くレーザ光が波長λ1の場合には、撮像素子35aによりSIM構成画像を取得し、SLM13に導くレーザ光が波長λ2の場合には、撮像素子35bによりSIM構成画像を取得する。
上述したように、第3の経路を経由してSLM13に導かれるレーザ光は、SLM13の光軸AZ5に沿ってSLM13に入射する。そのため、第3の経路を経由してSLM13に1つの波長(波長λ1または波長λ2)のレーザ光を導く場合は、例えば、SLM13の全領域に同じパターンを形成する。そうすると、そのパターンにより標本5(観察対象面P)に生成される干渉縞の領域の面積は、SLM13の領域を2つに分けそれぞれの領域にパターンを形成した場合に、そのパターンにより標本5に生成される干渉縞(波長λ1に対応した干渉縞または波長λ2に対応した干渉縞)の領域の面積よりも広くなる。したがって、広い範囲の観察(撮影)を行うのに適している。
以上説明した各実施形態では、光軸AZa2上に配置されるミラー401と、光軸AZb2上に配置されるダイクロイックミラー402とを備えているが、ミラー401およびダイクロイックミラー402に代わる重畳用光学部として、図19に示すような菱形プリズム420を備えてもよい。この菱形プリズム420は、互いに平行に配置された全反射
面421とダイクロイックミラー面422とを有して構成される。そして、全反射面421が、光軸AZa2と光軸AZ1との交点上において、光軸AZa2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように、かつ、ダイクロイックミラー面422が、光軸AZb2と光軸AZ1との交点上において、光軸AZb2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように配置される。ダイクロイックミラー面422は、光軸AZb2上のレーザ光と同じ波長λ2の光を反射し、全反射面421で反射されたレーザ光と同じ波長λ1の光を透過する機能を有する。
面421とダイクロイックミラー面422とを有して構成される。そして、全反射面421が、光軸AZa2と光軸AZ1との交点上において、光軸AZa2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように、かつ、ダイクロイックミラー面422が、光軸AZb2と光軸AZ1との交点上において、光軸AZb2,AZ1に対しそれぞれ等角度(例えば、45度)で交差するように配置される。ダイクロイックミラー面422は、光軸AZb2上のレーザ光と同じ波長λ2の光を反射し、全反射面421で反射されたレーザ光と同じ波長λ1の光を透過する機能を有する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記各実施形態は本発明の一具体例を示しているものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、透過型の空間光変調器を回折格子(光分岐器)として用いるようにしてもよい。また、光源波長として、3個以上の波長を備えてもよい。また、透過型の空間光変調器を、強誘電性液晶とは異なる液晶、例えばネマティック液晶を備えたものとしてもよい。また、回折格子(光分岐器)は、ガラスなどの部材にパターンが形成されていてもよい。また、回折格子(光分岐器)に形成されるパターンは、図9、図11、図12、図13、図14等に示されたパターンに限られず、例えば、点パターン(点状のパターン)であってもよい。また、標本5に照明される干渉縞は、点パターン(点状のパターン)であってもよい。
1,2 構造化照明顕微鏡システム
5 標本
6 対物レンズ
10 照明光学系
11a,11b,411 光ファイバ
12a コレクタレンズ(第1照明光学系)
12b コレクタレンズ(第2照明光学系)
30 結像光学系
35a,35b 撮像素子
39 制御装置
40 画像記憶・演算装置
45 画像表示装置
50 ステージ
305a ミラー(第1光路切替部)
305b ミラー(第2光路切替部)
414 ミラー(第3光路切替部)
P 観察対象面
5 標本
6 対物レンズ
10 照明光学系
11a,11b,411 光ファイバ
12a コレクタレンズ(第1照明光学系)
12b コレクタレンズ(第2照明光学系)
30 結像光学系
35a,35b 撮像素子
39 制御装置
40 画像記憶・演算装置
45 画像表示装置
50 ステージ
305a ミラー(第1光路切替部)
305b ミラー(第2光路切替部)
414 ミラー(第3光路切替部)
P 観察対象面
Claims (10)
- 光源からの光を複数の光に分岐する光分岐器と、
前記分岐された複数の光の少なくとも一部を用いて干渉縞を標本に形成する照明光学系と、
前記光分岐器に印加される電圧パターンを制御する制御部と、を備え、
前記光分岐器は、第1の波長の光が入射する第1の領域と、第2の波長の光が入射する第2の領域とを有し、
前記制御部は、前記光分岐器の前記第1の領域に第1の電圧パターンが印加され、前記光分岐器の前記第2の領域に第2の電圧パターンが印加されるように、前記光分岐器に印加される電圧パターンを制御する構造化照明装置。 - 前記照明光学系は、
前記第1の波長の光を前記第1の領域に導く第1照明光学系と、
前記第2の波長の光を前記第2の領域に導く第2照明光学系と、を有する
請求項1に記載の構造化照明装置。 - 前記照明光学系は、
前記第1照明光学系と前記光分岐器との間の光路および前記第2照明光学系と前記光分岐器との間の光路に偏光ビームスプリッタを有する
請求項2に記載の構造化照明装置。 - 前記照明光学系は、
前記第1照明光学系と前記偏光ビームスプリッタとの間の光路および前記第2照明光学系と前記偏光ビームスプリッタとの間の光路に偏光板を有する
請求項3に記載の構造化照明装置。 - 前記第1の波長の光を射出する第1光源と前記第1照明光学系との間の光路に、挿脱可能な第1光路切替部を有し、
前記第2の波長の光を射出する第2光源と前記第2照明光学系との間の光路に、挿脱可能な第2光路切替部を有し、
前記第1照明光学系と前記光分岐器との間の光路および前記第2照明光学系と前記光分岐器との間の光路に、挿脱可能な第3光路切替部を有する
請求項2〜4のいずれかに記載の構造化照明装置。 - 前記制御部は、
前記第1光路切替部および前記第3光路切替部が光路に配置される場合に、前記光分岐器に前記第1の電圧パターンが印加されるように制御し、
前記第2光路切替部および前記第3光路切替部が光路に配置される場合に、前記光分岐器に前記第2の電圧パターンが印加されるように制御する
請求項5に記載の構造化照明装置。 - 前記制御部は、
前記光分岐器に印加される電圧パターンを制御することにより前記干渉縞の位相および方向の少なくとも一方を変化させる
請求項1〜6のいずれかに記載の構造化照明装置。 - 前記光分岐器は、光変調器を有する
請求項1〜7のいずれかに記載の構造化照明装置。 - 前記光分岐器は、液晶を有する
請求項1〜8のいずれかに記載の構造化照明装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の構造化照明装置と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系により形成される像を撮像する撮像部と、
を有する構造化照明顕微鏡装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019004914A JP2020112735A (ja) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | 構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置 |
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Publications (1)
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ID=71666995
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JP (1) | JP2020112735A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102420177B1 (ko) * | 2021-12-24 | 2022-07-13 | 재단법인 구미전자정보기술원 | 다중 광원을 이용한 표면 형상 정보 획득 장치 |
-
2019
- 2019-01-16 JP JP2019004914A patent/JP2020112735A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102420177B1 (ko) * | 2021-12-24 | 2022-07-13 | 재단법인 구미전자정보기술원 | 다중 광원을 이용한 표면 형상 정보 획득 장치 |
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