JP2022139169A - microscope - Google Patents

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崇行 松井
Takayuki Matsui
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Abstract

To provide a microscope capable of simultaneously acquiring quantitative phase images and bright-field microscope images.SOLUTION: The microscope is a combination of a transmission-type quantitative phase microscope that acquires quantitative phase images and a reflection-type bright-field microscope that acquires bright-field microscope images. The quantitative phase microscope is of off-axis type. The polarizing beam splitter PBS1 splits the light from a light source LD into s-polarized light and p-polarized light, one of which is on the measurement light path side and the other is on the reference light path side. The measurement light is condensed by a lens L2 and made incident on an objective lens OL1. A part of the measurement light with which an observation sample S is irradiated from the objective lens OL1 is reflected by the observation sample S and returns to the objective lens OL1, and is extracted by beam splitter BS2. The distance from the lens L2 to the back focal plane of the objective lens OL1 is set to match the focal length of the lens L2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、定量位相顕微鏡に関する。 The present invention relates to quantitative phase microscopy.

光が観察試料を透過した際の位相の遅れを干渉により測定して画像化する定量位相顕微鏡が知られている(非特許文献1)。定量位相顕微鏡の構造として、オフアクシス型(非特許文献1のFigure 9.1参照)とコモンパス型(特許文献1や非特許文献1のFigure 11.11参照)が知られている。 Quantitative phase microscopes are known that measure the phase delay when light passes through an observation sample by interference and image it (Non-Patent Document 1). As the structure of a quantitative phase microscope, an off-axis type (see Figure 9.1 of Non-Patent Document 1) and a common-path type (see Patent Document 1 and Figure 11.11 of Non-Patent Document 1) are known.

オフアクシス型は、光源からの光を参照光と測定光に分割し、測定光は観察試料を透過させ、その透過させた測定光と参照光が角度を成すようにして重ね合わせ、干渉縞を生成して観察試料の位相情報を得ている。 In the off-axis type, the light from the light source is split into reference light and measurement light, the measurement light is transmitted through the observation sample, and the transmitted measurement light and reference light are overlapped so as to form an angle to form interference fringes. It is generated to obtain phase information of the observed sample.

コモンパス型は、観察試料を透過させた光の一部を分離してピンホールに通し、参照光を生成して再び重ね合わせて干渉縞を生成して観察試料の位相情報を得ている。 In the common-path type, part of the light transmitted through the observation sample is separated and passed through a pinhole, reference light is generated and overlapped again to generate interference fringes to obtain phase information of the observation sample.

特開2008-292939号公報JP 2008-292939 A

Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues, Gabriel Popescu, McGraw-HillQuantitative Phase Imaging of Cells and Tissues, Gabriel Popescu, McGraw-Hill

しかし、従来のオフアクシス型の定量位相顕微鏡では、定量位相画像と通常の顕微鏡画像(明視野画像や偏光顕微鏡画像)とを同時に取得することができなった。コモンパス型の定量位相顕微鏡では、通常の画像も同時に取得可能であるが、コモンパス型では観察試料の透過光の一部を後側焦点面に配置した多穴ピンホールに通すことにより参照光を生成して用いるため、観察試料に強い光を照射するか、感度の高い撮像素子を用いるか、撮像素子の露光時間を長く取る必要があった。 However, in conventional off-axis quantitative phase microscopes, it has become impossible to simultaneously obtain quantitative phase images and normal microscope images (bright-field images and polarizing microscope images). Common-path quantitative phase microscopy can acquire normal images at the same time, but in common-path type, reference light is generated by passing part of the transmitted light of the observation sample through a multi-hole pinhole placed in the back focal plane. Therefore, it is necessary to either irradiate the observation sample with strong light, use an imaging device with high sensitivity, or take a long exposure time for the imaging device.

そこで本発明の目的は、オフアクシス型の定量位相顕微鏡において、定量位相画像と通常の顕微鏡画像とを同時に取得可能とすることである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to enable simultaneous acquisition of a quantitative phase image and a normal microscope image in an off-axis quantitative phase microscope.

本発明は、平行光を放射する光源と、光源からの光を測定光と参照光に分割する光分割部と、光分割部からの測定光を通して観察試料に測定光を照射し、観察試料によって反射された測定光を再び通す第1対物レンズと、観察試料を挟んで第1対物レンズに対向して配置され、観察試料を透過した測定光を通す第2対物レンズと、光分割部と第1対物レンズの間に配置され、測定光を集光するレンズと、レンズと第1対物レンズの間に配置され、観察試料によって反射された測定光を取り出す反射光取り出し部と、反射光取り出し部により取り出された測定光を結像させる第1結像レンズと、第1結像レンズによって結像された測定光を検出する第1光検出部と、第2対物レンズからの測定光を結像させる第2結像レンズと、第2結像レンズにより結像された測定光と、参照光とを合波し、測定光の光軸と参照光の光軸が角度を成すようにする光合波部と、光合波部によって合波された光を検出し、測定光と参照光の干渉縞を検出する第2光検出部と、を有し、第1対物レンズの後側焦点面からレンズまでの距離が、レンズの焦点距離と一致するように設定されている、ことを特徴とする顕微鏡である。 The present invention comprises a light source that emits parallel light, a light splitting section that splits the light from the light source into measurement light and reference light, and a measurement light emitted from the light splitting section to irradiate a sample to be observed with the measurement light. a first objective lens that passes the reflected measurement light again; a second objective lens that is arranged to face the first objective lens with the observation sample sandwiched therebetween; a second objective lens that passes the measurement light that has passed through the observation sample; a lens arranged between one objective lens for condensing the measurement light; a reflected light extraction section arranged between the lens and the first objective lens for extracting the measurement light reflected by the observation sample; and a reflected light extraction section a first imaging lens that forms an image of the measurement light extracted by the first imaging lens; a first photodetector that detects the measurement light imaged by the first imaging lens; and an image of the measurement light from the second objective lens. and a second imaging lens that combines the measurement light imaged by the second imaging lens with the reference light so that the optical axis of the measurement light and the optical axis of the reference light form an angle. and a second photodetector that detects the light combined by the optical combiner and detects interference fringes of the measurement light and the reference light, from the back focal plane of the first objective lens to the lens. is set to match the focal length of the lens.

本発明において、反射光取り出し部は、ビームスプリッタであり、第1光検出部は、明視野顕微鏡画像を取得するものであってもよい。 In the present invention, the reflected light extraction unit may be a beam splitter, and the first light detection unit may acquire a bright field microscope image.

本発明において、反射光取り出し部は、偏光ビームスプリッタであり、第1光検出部は、偏光顕微鏡画像を取得するものであってもよい。 In the present invention, the reflected light extraction unit may be a polarizing beam splitter, and the first light detection unit may acquire a polarizing microscope image.

本発明において、第1対物レンズの後側焦点面からレンズまでの距離は、76.2mm以下であってもよい。 In the present invention, the distance from the back focal plane of the first objective lens to the lens may be 76.2 mm or less.

本発明の顕微鏡によれば、定量位相画像と通常の顕微鏡画像とを同時に取得することができる。 According to the microscope of the present invention, a quantitative phase image and a normal microscope image can be obtained simultaneously.

実施例1の顕微鏡の構成を示した図。1 is a diagram showing the configuration of a microscope according to Example 1. FIG. 実施例1の顕微鏡により測定した定量位相画像を示した図。4 is a diagram showing a quantitative phase image measured by the microscope of Example 1. FIG. 実施例1の顕微鏡により測定した定量位相画像と偏光顕微鏡画像を示した図。4A and 4B are diagrams showing a quantitative phase image and a polarizing microscope image measured by the microscope of Example 1. FIG. 変形例の顕微鏡の構成を示した図。The figure which showed the structure of the microscope of a modification.

以下、本発明の実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1の顕微鏡の構成を示した図である。実施例1の顕微鏡は、定量位相画像を取得する透過型の定量位相顕微鏡と、明視野の顕微鏡画像を取得する反射型の明視野顕微鏡とが組み合わされ、定量位相画像と明視野顕微鏡画像を同時に取得可能な顕微鏡である。また、定量位相顕微鏡はオフアクシス型である。また、定量位相顕微鏡は正立型であり、明視野顕微鏡は倒立である。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the microscope of Example 1. FIG. In the microscope of Example 1, a transmission type quantitative phase microscope that acquires a quantitative phase image and a reflection type bright field microscope that acquires a bright field microscope image are combined, and a quantitative phase image and a bright field microscope image are simultaneously obtained. It is an affordable microscope. Also, the quantitative phase microscope is an off-axis type. A quantitative phase microscope is an upright type, and a bright field microscope is an inverted type.

図1のように、実施例1の顕微鏡は、光源LD、Lと、レンズL1~L5と、偏光ビームスプリッタPBS1、PBS2と、ビームスプリッタBS1と、対物レンズOL1、OL2と、結像レンズIL1、IL2と、光合波素子Wと、撮像素子C1、C2と、を有している。対物レンズOL1と対物レンズOL2は対向して配置され、対物レンズOL1と対物レンズOL2の間に観察試料Sが配置される。 As shown in FIG. 1, the microscope of Example 1 includes light sources LD and L, lenses L1 to L5, polarizing beam splitters PBS1 and PBS2, beam splitter BS1, objective lenses OL1 and OL2, imaging lens IL1, It has an IL2, an optical multiplexing element W, and imaging elements C1 and C2. The objective lens OL1 and the objective lens OL2 are arranged to face each other, and the observation sample S is arranged between the objective lens OL1 and the objective lens OL2.

光源LDは、レーザー光を放射する光源である。コヒーレンスの高いレーザー光を用いることで干渉縞がより明確に生成されるようにし、定量位相画像の取得を容易にしている。光源LDの放射するレーザー光の波長は任意であり、たとえば635nmである。レーザー光は、連続波でもパルス波でもよいが、パルス波の場合は測定光と参照光の光路差をより厳密に制御する必要がある。 The light source LD is a light source that emits laser light. The use of high-coherence laser light produces clearer interference fringes, facilitating the acquisition of quantitative phase images. The wavelength of the laser light emitted from the light source LD is arbitrary, and is 635 nm, for example. The laser light may be a continuous wave or a pulse wave, but in the case of a pulse wave, it is necessary to more strictly control the optical path difference between the measurement light and the reference light.

光源LDに替えて、LED、ハロゲンランプなどの低コヒーレンスな光を放射するものを用いてもよく、白色光を用いてもよい。低コヒーレンスな光を用いれば、干渉のちらつきを抑制することができ、より精度の高い定量位相画像を得ることができる。ただし、測定光と参照光の光路差を十分に細かく制御する必要がある。 Instead of the light source LD, an LED, a halogen lamp, or the like that emits light with low coherence may be used, or white light may be used. By using light with low coherence, flickering due to interference can be suppressed, and a more accurate quantitative phase image can be obtained. However, it is necessary to sufficiently finely control the optical path difference between the measurement light and the reference light.

光源LDからの光は、レンズL1によって平行光とされた後、偏光ビームスプリッタPBS1に入射される。 Light from the light source LD is collimated by the lens L1 and then enters the polarization beam splitter PBS1.

偏光ビームスプリッタPBS1は、光源LDからの光をs偏光とp偏光に分離し、一方を測定光路側、他方を参照光路側とするものである。以下、測定光路側の光を測定光、参照光路側の光を参照光と呼ぶことにする。 The polarizing beam splitter PBS1 splits the light from the light source LD into s-polarized light and p-polarized light, one of which is on the measurement light path side and the other on the reference light path side. Hereinafter, the light on the measurement light path side will be called measurement light, and the light on the reference light path side will be called reference light.

まず、測定光路側の各構成とその動作について説明する。 First, each configuration on the measurement optical path side and its operation will be described.

ビームスプリッタBS1は、入力された2つの光を合波して出力する装置である。ビームスプリッタBS1には、偏光ビームスプリッタPBS1によって2分された光のうち一方である測定光と、光源Lからの光が入力される。光源Lは、ハロゲンランプである。ハロゲンランプからの光は、レンズL5によって集光された後、開口絞りAS、視野絞りFSに通され、軸外放物面ミラーOAPMによって角度分布が変換されて反射された後、ビームスプリッタBS1に入力される。このように、ハロゲンランプからの波長帯域の広い低コヒーレンスな光をレーザー光に合波することで、スペックルノイズを減じた通常顕微鏡像を取得することができる。 The beam splitter BS1 is a device that multiplexes and outputs two light beams that are input. The measurement light, which is one of the lights split into two by the polarization beam splitter PBS1, and the light from the light source L are input to the beam splitter BS1. The light source L is a halogen lamp. The light from the halogen lamp is condensed by the lens L5, passed through the aperture stop AS and the field stop FS, and after being reflected by the off-axis parabolic mirror OAPM with its angular distribution converted, enters the beam splitter BS1. is entered. In this way, by combining laser light with wide wavelength band and low coherence light from the halogen lamp, it is possible to acquire a normal microscope image with reduced speckle noise.

ビームスプリッタBS1から出力される測定光は、レンズL2によって集光され、ミラーM1によって反射された後、ビームスプリッタBS2に入力される。 The measurement light output from beam splitter BS1 is condensed by lens L2, reflected by mirror M1, and then input to beam splitter BS2.

ビームスプリッタBS2は、レンズL2と対物レンズOL1の間に配置され、観察試料Sによって反射された測定光を取り出す装置であり、ミラーM1から入力された測定光については、そのまま透過して対物レンズOL1に出力し、対物レンズOL1から入力された測定光については、反射して撮像素子C1に出力する装置である。 The beam splitter BS2 is arranged between the lens L2 and the objective lens OL1, and is a device for extracting the measurement light reflected by the observation sample S. The measurement light input from the mirror M1 is transmitted as it is to the objective lens OL1. , and the measurement light input from the objective lens OL1 is reflected and output to the image sensor C1.

対物レンズOL1、OL2は、図1に示すように、向かい合わせに対向して配置されている。そして、対物レンズOL1と対物レンズOL2の間に観察試料Sが配置されている。対物レンズOL1は、結像レンズIL1と組み合わされて明視野顕微鏡画像を所定の倍率に拡大するためのものであり、対物レンズOL2は、結像レンズIL2と組み合わされて定量位相画像を所定の倍率に拡大するためのものである。対物レンズOL1から観察試料Sに照射された測定光は、一部が観察試料Sに反射されて対物レンズOL1に戻り、一部は観察試料Sを透過して対物レンズOL2に入力される。 The objective lenses OL1 and OL2 are arranged to face each other as shown in FIG. An observation sample S is arranged between the objective lens OL1 and the objective lens OL2. The objective lens OL1 is combined with the imaging lens IL1 to magnify the bright field microscope image to a predetermined magnification, and the objective lens OL2 is combined with the imaging lens IL2 to magnify the quantitative phase image at a predetermined magnification. It is intended to expand to A portion of the measurement light irradiated onto the observation sample S from the objective lens OL1 is reflected by the observation sample S and returns to the objective lens OL1, and a portion passes through the observation sample S and enters the objective lens OL2.

観察試料Sによって反射された測定光は、対物レンズOL1を通して再びビームスプリッタBS2に入力され、反射される。その後、測定目的に応じたフィルタSFを通過した後、さらに結像レンズIL1により結像されて撮像素子C1に入力される。 The measurement light reflected by the observation sample S is again input to the beam splitter BS2 through the objective lens OL1 and reflected. After that, after passing through a filter SF according to the purpose of measurement, it is further imaged by the imaging lens IL1 and input to the imaging device C1.

撮像素子C1は、結像レンズIL1からの光を撮像する素子であり、たとえばCCDカメラである。これにより、明視野顕微鏡画像を取得することができる。 The imaging device C1 is a device that takes an image of light from the imaging lens IL1, and is, for example, a CCD camera. Thereby, a bright field microscope image can be acquired.

一方、観察試料Sを透過して対物レンズOL2に入力された測定光は、対物レンズOL2を通して結像レンズIL2に入力され、結像されて光合波素子Wに入力される。 On the other hand, the measurement light transmitted through the observation sample S and input to the objective lens OL2 is input to the imaging lens IL2 through the objective lens OL2, formed into an image, and input to the optical multiplexing element W. FIG.

次に、参照光路側の各構成とその動作について説明する。 Next, each configuration on the reference optical path side and its operation will be described.

図1に示すように、偏光ビームスプリッタPBS1から出力される光のうち一方の光である参照光は、ミラーM2によって反射された後、偏光ビームスプリッタPBS2に入力される。 As shown in FIG. 1, the reference light, which is one of the lights output from the polarization beam splitter PBS1, is input to the polarization beam splitter PBS2 after being reflected by the mirror M2.

ミラーM2からの参照光は、偏光ビームスプリッタPBS2、1/4波長板QWP、ミラーMによって光路長が制御される。偏光ビームスプリッタPBS2に入力された参照光は、そのまま偏光ビームスプリッタPBS2を透過して出力され、1/4波長板QWPを透過した後、ミラーM2によって反射される。ミラーM2によって反射された参照光は、再び1/4波長板QWPを透過して偏光ビームスプリッタPBS2に入力される。1/4波長板QWPを2回透過しているため、ミラーM2から偏光ビームスプリッタPBS2に入力された参照光は透過せず、反射されてミラーM3に出力される。また、これにより参照光の偏光方向を測定光の偏光方向と一致するようにしている。これにより、干渉縞を生成しやすくし、定量位相画像をより高精細に取得することができる。 The optical path length of the reference light from the mirror M2 is controlled by the polarizing beam splitter PBS2, the quarter wave plate QWP, and the mirror M. The reference light input to the polarizing beam splitter PBS2 is directly transmitted through the polarizing beam splitter PBS2 and output, transmitted through the quarter-wave plate QWP, and then reflected by the mirror M2. The reference light reflected by the mirror M2 is again transmitted through the quarter-wave plate QWP and input to the polarization beam splitter PBS2. Since it passes through the quarter-wave plate QWP twice, the reference light input from the mirror M2 to the polarization beam splitter PBS2 does not pass through, but is reflected and output to the mirror M3. Also, this makes the polarization direction of the reference light coincide with the polarization direction of the measurement light. This makes it easier to generate interference fringes, and enables acquisition of a quantitative phase image with higher definition.

ここで、ミラーM2の位置はその光軸方向に移動可能となっていて、ミラーM2の位置によって参照光の光路長が制御可能となっている。参照光の光路長は、測定光と参照光の干渉縞が生じるように制御されている。 Here, the position of the mirror M2 is movable in its optical axis direction, and the optical path length of the reference light can be controlled by the position of the mirror M2. The optical path length of the reference light is controlled so that interference fringes of the measurement light and the reference light are generated.

ミラーM3によって反射された参照光は、レンズL3によって集光された後、ピンホールPHに通され、レンズL4によって平行光に戻される。参照光をピンホールPHに通すことで、参照光の空間的な強度分布を一様にし、ノイズの低減を図っている。また、ピンホールPHを通すことで、レンズL4による平行光化をより平行度高く行うことができる。 The reference light reflected by the mirror M3 is condensed by the lens L3, passed through the pinhole PH, and returned to parallel light by the lens L4. By passing the reference light through the pinhole PH, the spatial intensity distribution of the reference light is made uniform and noise is reduced. Further, by passing through the pinhole PH, parallelization by the lens L4 can be performed with a higher degree of parallelism.

レンズL4からの光は、偏光板Pを透過した後、ミラーM4によって反射され、光合波素子Wに入力される。偏光板Pを通すことにより、参照光の光強度を測定光の光強度と一致させ、干渉縞を生成しやすくしている。 Light from the lens L4 is reflected by the mirror M4 after passing through the polarizing plate P, and is input to the optical multiplexing element W. FIG. By passing through the polarizing plate P, the light intensity of the reference light is matched with the light intensity of the measurement light, making it easy to generate interference fringes.

光合波素子Wは、ミラーM4からの参照光と、結像レンズIL2からの測定光を合波して出力するものである。また、光合波素子Wは、参照光の光軸と測定光の光軸が角度を成すようにして合波する。合波した光は撮像素子C2に入力される。光合波素子Wは、たとえばウェッジプレートビームサンプラーである。 The optical multiplexing element W multiplexes the reference light from the mirror M4 and the measurement light from the imaging lens IL2 and outputs it. Further, the optical multiplexing element W multiplexes the optical axis of the reference light and the optical axis of the measurement light so as to form an angle. The multiplexed light is input to the imaging element C2. The optical multiplexing element W is, for example, a wedge plate beam sampler.

なお、実施例1ではウェッジプレートビームサンプラーを用いることにより、参照光の光軸と測定光の光軸に角度を付けることと光の合波の両方を行っているが、他の方法により角度を付けてもよい。たとえば、レンズL2によって、光源LDからの測定光を対物レンズOL1の後側焦点面に集光する際の集光位置を変えることにより、参照光の光軸と測定光の光軸の成す角度を制御してもよい。 In Example 1, by using a wedge plate beam sampler, both the optical axis of the reference light and the optical axis of the measurement light are angled and the light is combined. may be attached. For example, by changing the condensing position when the measurement light from the light source LD is condensed on the rear focal plane of the objective lens OL1 by the lens L2, the angle formed by the optical axis of the reference light and the optical axis of the measurement light can be adjusted to may be controlled.

撮像素子C2は、光合波素子Wからの光を撮像する素子であり、たとえばCCDカメラである。光合波素子Wから出力された参照光と測定光は、撮像素子C2の受光面上で干渉して干渉縞を生成する。撮像素子C2はこの干渉縞像を取得する。撮像素子C2によって取得された干渉縞像は、コンピュータPCに入力される。そして、干渉縞像をコンピュータPCによって処理することにより、定量位相画像が得られる。 The imaging device C2 is a device that takes an image of the light from the optical multiplexing device W, and is, for example, a CCD camera. The reference light and the measurement light output from the optical multiplexing element W interfere with each other on the light receiving surface of the imaging element C2 to generate interference fringes. The imaging element C2 acquires this interference fringe image. The interference fringe image acquired by the imaging device C2 is input to the computer PC. A quantitative phase image is obtained by processing the interference fringe image with a computer PC.

コンピュータPCにおける処理は、たとえば次の通りである。まず、干渉縞像をフリーエ変換し、実空間の像から波数空間の像に変換する。その波数空間の像に窓関数を適用して波数空間に所定の限定をかける。そして、逆フーリエ変換を行って波数空間の像から実空間の像に戻す。次に対数処理を行って虚部を評価することで、位相情報が得られ、定量位相画像が得られる。 For example, the processing in the computer PC is as follows. First, the interference fringe image is Fourier-transformed to transform the real-space image into a wavenumber-space image. A window function is applied to the image of the wavenumber space to impose a predetermined limit on the wavenumber space. Then, an inverse Fourier transform is performed to restore the image in the wavenumber space to the image in the real space. Logarithmic processing is then performed to evaluate the imaginary part to obtain phase information and a quantitative phase image.

ここで、定量位相画像の取得に適した干渉縞を生成するためには、測定光と参照光の波面曲率が整合し、偏光方向と光強度が等しいことが理想である。 Here, in order to generate interference fringes suitable for acquisition of a quantitative phase image, it is ideal that the wavefront curvatures of the measurement light and the reference light match, and that the polarization directions and light intensities are the same.

測定光と参照光の波面曲率を整合させることで、観察試料Sが存在しない場合の干渉縞を直線状とすることができ、干渉縞像をフーリエ変換したときに波数空間で点状となるので、定量位相画像をより高精細に取得することができる。 By matching the wavefront curvatures of the measurement light and the reference light, the interference fringes in the absence of the observation sample S can be linear, and when the interference fringe image is Fourier-transformed, it becomes point-like in wave number space. , a quantitative phase image can be acquired with higher definition.

また、測定光と参照光の偏光方向や光強度を等しくすることで、干渉縞の明暗をより明確にでき、定量位相画像をより高精細に取得することができる。 Further, by equalizing the polarization directions and light intensities of the measurement light and the reference light, the brightness and darkness of the interference fringes can be made clearer, and a quantitative phase image can be obtained with higher definition.

光強度については、参照光をピンホールPHおよび偏光板Pに通して光量を落とすことで、参照光と測定光の光強度が等しくなるようにしている。また、偏光方向については、偏光ビームスプリッタPBS1を用いて参照光と測定光に分割し、参照光を1/4波長板QWPに2回通すことで、参照光と測定光の偏光方向が一致するようにしている。よって、測定光と参照光の波面曲率を整合させることが問題となる。 As for the light intensity, the reference light is passed through the pinhole PH and the polarizing plate P to reduce the light intensity so that the reference light and the measurement light have the same light intensity. As for the polarization direction, the reference light and the measurement light are split using the polarization beam splitter PBS1, and the reference light is passed through the quarter-wave plate QWP twice, so that the polarization directions of the reference light and the measurement light match. I'm trying Therefore, matching the wavefront curvatures of the measurement light and the reference light becomes a problem.

測定光と参照光の波面曲率を整合させるよい方法は、撮像素子C2に入力される測定光と参照光の両方を平行光とすることである。つまり、波面の曲率半径を無限大として一致させることである。実施例1のようにオフアクシス型で透過型の定量位相顕微鏡と、反射型の明視野顕微鏡とを組み合わせた顕微鏡においてこれを実現するために、以下のように構成している。 A good method for matching the wavefront curvatures of the measurement light and the reference light is to make both the measurement light and the reference light input to the image sensor C2 parallel light. In other words, the radius of curvature of the wavefront is made to be infinite. In order to achieve this, a microscope combining an off-axis transmission type quantitative phase microscope and a reflection type bright field microscope as in Example 1 is configured as follows.

参照光については、すでに述べたように、十分に小さな開口のピンホールPHに通した後、レンズL4によって平行化とすることで、平行度の高い平行光を得ている。 As already described, the reference light is passed through the pinhole PH with a sufficiently small opening, and then collimated by the lens L4 to obtain parallel light with a high degree of parallelism.

測定光については、レンズL2から対物レンズOL1の後側焦点面までの距離が、レンズL2の焦点距離に一致するように設定している。このように設定することで、観察試料Sには平行光が照射されるようになり、結像レンズIL2を通した後の測定光は平行光となる。 The measurement light is set so that the distance from the lens L2 to the rear focal plane of the objective lens OL1 matches the focal length of the lens L2. With this setting, the observation sample S is irradiated with parallel light, and the measurement light after passing through the imaging lens IL2 becomes parallel light.

以上のように構成することで、光合波素子Wに入力される参照光と測定光はともに平行光となるので、測定光と参照光の波面曲率を整合させることができる。 By configuring as described above, both the reference light and the measurement light that are input to the optical multiplexing element W become parallel lights, so that the wavefront curvatures of the measurement light and the reference light can be matched.

なお、レンズL2から対物レンズOL1の後側焦点面までの距離が、レンズL2の焦点距離に一致する、とは、完全に一致することを意味するのではなく、本発明の効果が得られる程度に一致していればよい。たとえば、レンズL2から対物レンズOL1の後側焦点面までの距離に対するレンズL2の焦点距離の比が、0.8~1.2となる程度の誤差は許容される。 Note that the fact that the distance from the lens L2 to the rear focal plane of the objective lens OL1 matches the focal length of the lens L2 does not mean that it matches completely, but to the extent that the effects of the present invention can be obtained. should match For example, the ratio of the focal length of the lens L2 to the distance from the lens L2 to the back focal plane of the objective lens OL1 is allowed to be 0.8 to 1.2.

レンズL2から対物レンズOL1の後側焦点面までの距離(レンズL2の焦点距離)はなるべく短い方がよい。観察試料Sに照射される測定光の光束の直径を大きくすることができ、より広い面積で定量位相画像を取得することができるためである。実際の製品規格やコストなどを考慮すると、レンズL2の焦点距離は76.2mm以下とすることが好ましい。 The distance from the lens L2 to the rear focal plane of the objective lens OL1 (the focal length of the lens L2) should be as short as possible. This is because the diameter of the luminous flux of the measurement light with which the observation sample S is irradiated can be increased, and a quantitative phase image can be acquired over a wider area. Considering the actual product standard, cost, etc., it is preferable that the focal length of the lens L2 is 76.2 mm or less.

以上、実施例1の顕微鏡では、定量位相画像と明視野の顕微鏡画像とを同時に取得することができる。また、実施例1の顕微鏡では、低倍率での広範囲の観察から、高倍率での微細観察まで、1つの光学系で定量位相観察が可能となる。 As described above, with the microscope of Example 1, a quantitative phase image and a bright-field microscope image can be obtained simultaneously. Further, with the microscope of Example 1, quantitative phase observation is possible with one optical system, from wide-range observation at low magnification to fine observation at high magnification.

なお、実施例1では定量位相画像と同時に取得するのは明視野顕微鏡画像であるが、以下のように構成を変更することで明視野顕微鏡画像に替えて偏光顕微鏡画像を同時に取得することができる。偏光顕微鏡画像を取得したい場合には、ビームスプリッタBS1を偏光ビームスプリッタPBS3に置き換えればよい(図4参照)。この場合、クロスニコル配置での偏光顕微鏡画像を取得することができる。 In Example 1, a bright-field microscope image is acquired simultaneously with the quantitative phase image, but by changing the configuration as follows, a polarizing microscope image can be acquired simultaneously instead of the bright-field microscope image. . If it is desired to obtain a polarizing microscope image, the beam splitter BS1 should be replaced with a polarizing beam splitter PBS3 (see FIG. 4). In this case, it is possible to acquire a polarizing microscope image in the crossed Nicols arrangement.

また、レンズL2と対物レンズOL1の間に加えて、対物レンズOL2と光合波素子Wとの間にビームスプリッタBS2を挿入して、測定光の一部を分割することにより、透過型の明視野顕微鏡を構成することも可能である。これにより、反射通常顕微鏡像に加えて、透過通常顕微鏡像が得られる。 In addition, in addition to between the lens L2 and the objective lens OL1, a beam splitter BS2 is inserted between the objective lens OL2 and the optical multiplexing element W to split a part of the measurement light, thereby obtaining a transmissive bright field. It is also possible to construct a microscope. Thereby, in addition to the reflection normal microscope image, a transmission normal microscope image is obtained.

次に、実施例1の顕微鏡により観察試料を解析した結果を説明する。 Next, the result of analyzing the observed sample with the microscope of Example 1 will be described.

(実験1)
まず、観察試料Sとして、パラフィン油中に2つの水滴が存在するものを用い、実施例1の顕微鏡により干渉画像を取得して解析した結果を示す。
(Experiment 1)
First, an observation sample S in which two water droplets are present in paraffin oil is used, and an interference image obtained by the microscope of Example 1 and analyzed is shown.

図2(a)は、撮像素子C2により取得した干渉画像である。拡大図に示すように、観察イメージ上にキャリア周波数に応じた等間隔の干渉縞が重畳されていることがわかる。 FIG. 2(a) is an interference image acquired by the imaging device C2. As shown in the enlarged view, it can be seen that interference fringes at regular intervals corresponding to the carrier frequency are superimposed on the observed image.

図2(b)は干渉画像をフーリエ変換した空間周波数像である。中心に直流成分である0次の空間周波数像が、その左上と右下にそれぞれ1次と-1次の空間周波数像が得られている。 FIG. 2(b) is a spatial frequency image obtained by Fourier transforming the interference image. A 0th-order spatial frequency image, which is a DC component, is obtained in the center, and 1st-order and −1st-order spatial frequency images are obtained at the upper left and lower right, respectively.

図2(b)の画像に対し、フーリエ変換のシフト則と窓関数によるフィルタリングを適用し、1次像のみを抽出して中央に持ってきた空間周波数像が図2(c)である。 FIG. 2(c) is a spatial frequency image obtained by applying the shift rule of Fourier transform and filtering by a window function to the image of FIG. 2(b), extracting only the primary image and bringing it to the center.

図2(c)の空間周波数像を逆フーリエ変換し、図2(d)の位相画像が得られる。ただし、この位相画像では、位相が-pからpに折り返されているため、位相アンラッピング法により位相をなめらかに接続する処理を行い、図2(e)の位相画像を得る。なお、2nπ(nは自然数)の位相差は位相が連続的に変化すると仮定すれば区別可能であり、位相が急激に変化する場合には、白色干渉を利用して区別可能である。 The spatial frequency image of FIG. 2(c) is subjected to inverse Fourier transform to obtain the phase image of FIG. 2(d). However, in this phase image, since the phase is wrapped from -p to p, the phase unwrapping process is performed to smoothly connect the phases to obtain the phase image shown in FIG. 2(e). A phase difference of 2nπ (n is a natural number) can be distinguished if it is assumed that the phase changes continuously, and if the phase changes abruptly, it can be distinguished using white interference.

最後に、背景位相の傾斜補償を行い、図2(f)に示す位相画像を得る。図2(f)のように、2つの球状の水滴が接近して存在していることがわかり、パラフィン油と水滴との間に約8πの位相差が存在していることがわかる。観察試料Sの厚みが既知の場合、所定の測定条件(たとえば特定の波長)におけるパラフィン油と水滴の間の微小な屈折率差を知ることができる。 Finally, gradient compensation of the background phase is performed to obtain the phase image shown in FIG. 2(f). As shown in FIG. 2(f), it can be seen that two spherical water droplets are close to each other, and that there is a phase difference of about 8π between the paraffin oil and the water droplets. If the thickness of the observation sample S is known, it is possible to know a very small refractive index difference between paraffin oil and water droplets under predetermined measurement conditions (for example, a specific wavelength).

(実験2)
ビームスプリッタBS1に替えて偏光ビームスプリッタPBS3を用い、明視野顕微鏡画像に替えて偏光顕微鏡画像を取得できるように構成した。得られる偏光顕微鏡画像はクロスニコル配置の像となる。そして、観察試料Sとして液晶を用い、定量位相画像と偏光顕微鏡画像とを同時に取得した。液晶材料は、4-Cyano-4'-pentylbiphenyl 、3,4-Difluoro-4'-(trans-4-pentylcyclohexyl)biphenyl、および、3,4-Difluoro-4'-(trans-4-propylcyclohexyl)biphenylの混合物である。
(Experiment 2)
A polarizing beam splitter PBS3 was used in place of the beam splitter BS1 so that a polarizing microscope image could be obtained instead of a bright field microscope image. The obtained polarizing microscope image is an image of the crossed Nicol arrangement. Then, a liquid crystal was used as the observation sample S, and a quantitative phase image and a polarizing microscope image were obtained at the same time. Liquid crystal materials are 4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, 3,4-Difluoro-4'-(trans-4-pentylcyclohexyl)biphenyl, and 3,4-Difluoro-4'-(trans-4-propylcyclohexyl)biphenyl is a mixture of

図3(a)は、取得した定量位相画像であり、図3(b)は取得した偏光顕微鏡画像である。図3のように、実施例1の顕微鏡によれば、定量位相画像と偏光顕微鏡画像とを同時に取得可能であることがわかった。 FIG. 3(a) is an acquired quantitative phase image, and FIG. 3(b) is an acquired polarizing microscope image. As shown in FIG. 3, according to the microscope of Example 1, it turned out that a quantitative phase image and a polarizing microscope image can be acquired simultaneously.

本発明の顕微鏡は、各種試料の観察に用いることができる。 The microscope of the present invention can be used for observing various samples.

LD、L:光源
L1~L5:レンズ
PBS1~PBS3:偏光ビームスプリッタ
BS1、BS2:ビームスプリッタ
OL1、OL2:対物レンズ
IL1、IL2:結像レンズ
W:光合波素子
C1、C2:撮像素子
LD, L: light sources L1 to L5: lenses PBS1 to PBS3: polarizing beam splitters BS1, BS2: beam splitters OL1, OL2: objective lenses IL1, IL2: imaging lenses W: optical multiplexing elements C1, C2: imaging elements

Claims (4)

平行光を放射する光源と、
前記光源からの光を測定光と参照光に分割する光分割部と、
前記光分割部からの測定光を通して観察試料に測定光を照射し、前記観察試料によって反射された測定光を再び通す第1対物レンズと、
前記観察試料を挟んで前記第1対物レンズに対向して配置され、前記観察試料を透過した測定光を通す第2対物レンズと、
前記光分割部と前記第1対物レンズの間に配置され、前記測定光を集光するレンズと、
前記レンズと前記第1対物レンズの間に配置され、前記観察試料によって反射された測定光を取り出す反射光取り出し部と、
前記反射光取り出し部により取り出された測定光を結像させる第1結像レンズと、
前記第1結像レンズによって結像された測定光を検出する第1光検出部と、
前記第2対物レンズからの測定光を結像させる第2結像レンズと、
前記第2結像レンズにより結像された測定光と、参照光とを合波し、測定光の光軸と参照光の光軸が角度を成すようにする光合波部と、
前記光合波部によって合波された光を検出し、測定光と参照光の干渉縞を検出する第2光検出部と、
を有し、
前記第1対物レンズの後側焦点面から前記レンズまでの距離が、前記レンズの焦点距離と一致するように設定されている、
ことを特徴とする顕微鏡。
a light source emitting parallel light;
a light splitting unit that splits light from the light source into measurement light and reference light;
a first objective lens that irradiates the observation sample with the measurement light through the measurement light from the light splitting unit and passes the measurement light reflected by the observation sample again;
a second objective lens arranged to face the first objective lens with the observation sample interposed therebetween, and through which the measurement light transmitted through the observation sample passes;
a lens disposed between the light splitting unit and the first objective lens for condensing the measurement light;
a reflected light extracting unit disposed between the lens and the first objective lens for extracting measurement light reflected by the observation sample;
a first imaging lens that forms an image of the measurement light extracted by the reflected light extraction unit;
a first photodetector that detects the measurement light imaged by the first imaging lens;
a second imaging lens that forms an image of the measurement light from the second objective lens;
an optical combiner for combining the measurement light imaged by the second imaging lens and the reference light so that the optical axis of the measurement light and the optical axis of the reference light form an angle;
a second photodetector that detects the light combined by the optical combiner and detects interference fringes of the measurement light and the reference light;
has
The distance from the back focal plane of the first objective lens to the lens is set to match the focal length of the lens,
A microscope characterized by:
前記反射光取り出し部は、ビームスプリッタであり、
前記第1光検出部は、明視野顕微鏡画像を取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。
The reflected light extraction unit is a beam splitter,
The first light detection unit acquires a bright field microscope image,
2. The microscope according to claim 1, characterized in that:
前記反射光取り出し部は、偏光ビームスプリッタであり、
前記第1光検出部は、偏光顕微鏡画像を取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡。
The reflected light extraction unit is a polarizing beam splitter,
The first photodetector acquires a polarizing microscope image,
2. The microscope according to claim 1, characterized in that:
前記第1対物レンズの後側焦点面から前記レンズまでの距離は、76.2mm以下である、ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の顕微鏡。 A microscope according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance from the back focal plane of the first objective lens to the lens is 76.2 mm or less.
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