JP3447344B2 - Optical image reconstruction device - Google Patents

Optical image reconstruction device

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JP3447344B2
JP3447344B2 JP30645593A JP30645593A JP3447344B2 JP 3447344 B2 JP3447344 B2 JP 3447344B2 JP 30645593 A JP30645593 A JP 30645593A JP 30645593 A JP30645593 A JP 30645593A JP 3447344 B2 JP3447344 B2 JP 3447344B2
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optical
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optical imaging
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光学像再構成装置に関す
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an optical image reconstruction device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の光学機器による光学像再構成装置
では、構成上の制約により任意の方向からの画像を入力
するのが困難な場合がある。例として顕微鏡を考える。
図11に従来の一般的な顕微鏡の構成図を示す。一般に
顕微鏡は光学系の光軸方向に垂直なステージ面に置いた
対象物の像が結像されるように構成される。図11に示
す顕微鏡10において、対物レンズ14の光軸と垂直な
方向、つまり水平方向についてはX−Yステージ駆動部
12により対象物の任意の部分を視野内に設定すること
ができるが、光軸方向のZステージ駆動部13は焦点調
節に利用され、通常の観察方法では光軸方向の断層像を
得ることはできない。
2. Description of the Related Art In a conventional optical image reconstructing apparatus using optical equipment, it may be difficult to input an image from an arbitrary direction due to structural restrictions. Consider a microscope as an example.
FIG. 11 shows a configuration diagram of a conventional general microscope. Generally, a microscope is constructed so that an image of an object placed on a stage surface perpendicular to the optical axis direction of the optical system is formed. In the microscope 10 shown in FIG. 11, in the direction perpendicular to the optical axis of the objective lens 14, that is, in the horizontal direction, an arbitrary portion of the object can be set within the visual field by the XY stage drive unit 12. The axial Z stage drive unit 13 is used for focus adjustment, and a normal observation method cannot obtain a tomographic image in the optical axis direction.

【0003】ディジタル画像処理的方法により光軸方向
の断層像を再構成した例としては、 文献:A. Erhardt, G. Zinser, D. Komitowski and J.
Bille, Appl. Opt., 24,194-200(1985)が挙げられる。
この論文では、焦点の合った物体面(以下、合焦面と略
す)の位置を光軸方向にステップ的に移動させながら設
定合焦面に対応した画像を入力することにより3次元光
学像を構成し、これに3次元光学伝達関数(3-dimensio
nal Optical Transfer Function:3−dOTF)の逆フ
ィルタを作用させることにより画像入力の際に劣化した
空間周波数成分を回復する方法が示されている。
As an example of reconstructing a tomographic image in the optical axis direction by a digital image processing method, reference is made to: A. Erhardt, G. Zinser, D. Komitowski and J.
Bille, Appl. Opt., 24, 194-200 (1985).
In this paper, a three-dimensional optical image is obtained by inputting an image corresponding to a set in-focus surface while stepwise moving the position of an in-focus object surface (hereinafter referred to as in-focus surface) in the optical axis direction. And the three-dimensional optical transfer function (3-dimensio
A method of recovering a spatial frequency component deteriorated at the time of image input by operating an inverse filter of nal Optical Transfer Function (3-dOTF) is shown.

【0004】ところがこのような方法では、顕微鏡対物
レンズの開口数(N.A.)の制限により光軸方向の空
間周波数特性が面方向に比べて大きく劣化しており、回
復フィルタリングを行なったにしても解像度に優れた断
層像を得るのは難しい。また、逆フィルタを作用させる
際に、3−dOTFの特性が著しく劣っている空間周波
数成分を無理に強調しすぎることにより再構成像のS/
Nが非常に悪くなる可能性もある。
However, in such a method, the spatial frequency characteristic in the optical axis direction is greatly deteriorated as compared with the surface direction due to the limitation of the numerical aperture (NA) of the microscope objective lens. However, it is difficult to obtain a tomographic image with excellent resolution. Further, when the inverse filter is operated, the spatial frequency component whose 3-dOTF characteristic is extremely inferior is excessively emphasized, so that the S /
N can be very bad.

【0005】一方、蛍光燈、ガイスラー管など円筒管内
のプラズマ発光現象の断層像を得る方法として、光放射
CT(光ECT)が知られている。特に、特開平3−1
2524号公報では、設定断面における円筒管内からの
発光をスリットとシリンドリカルレンズで構成される光
学系で結像し、その像をCCDカメラなどのイメージセ
ンサで撮像する方法が提案されている。さらにこの公報
では、光学撮像部を設定断面の面方向に回転させること
によって得られる各方向からの像からCT再構成アルゴ
リズムにより断層像を求める際に、断層面内の各点の撮
像面上における結像パターンから求められる寄与率を考
慮して逐次近似法によりCT再構成を行なう方法が示さ
れている。
On the other hand, optical emission CT (optical ECT) is known as a method for obtaining a tomographic image of a plasma emission phenomenon in a cylindrical tube such as a fluorescent lamp or a Geisler tube. In particular, Japanese Patent Laid-Open No. 3-1
In Japanese Patent No. 2524, a method is proposed in which light emission from the inside of a cylindrical tube in a set cross section is imaged by an optical system composed of a slit and a cylindrical lens, and the image is picked up by an image sensor such as a CCD camera. Further, in this publication, when obtaining a tomographic image by a CT reconstruction algorithm from an image from each direction obtained by rotating the optical imaging unit in the plane direction of the set cross section, each point on the tomographic plane on the imaging plane is obtained. A method of performing CT reconstruction by a successive approximation method in consideration of a contribution rate obtained from an imaging pattern is shown.

【0006】ところがこの方法では、光学結像系の焦点
深度が対象円筒管の内径に対して小さいような場合は合
焦面からはずれた部分からの寄与率が撮像面内に分散し
てしまい、再構成に必要な投影データが得られない可能
性がある。逆に焦点深度を対象円筒管の内径に対して十
分深くしようとすると、そのような光学系は空間周波数
特性が劣ることになるので分解能に優れた再構成画像を
得ることはできない。
However, in this method, when the depth of focus of the optical imaging system is smaller than the inner diameter of the target cylindrical tube, the contribution rate from the portion deviated from the focusing surface is dispersed in the image pickup surface, Projection data necessary for reconstruction may not be obtained. On the contrary, if the depth of focus is set to be sufficiently deeper than the inner diameter of the target cylindrical tube, such an optical system will have poor spatial frequency characteristics, and thus a reconstructed image with excellent resolution cannot be obtained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学断
層像を得ることを目的とする分野における上記した従来
の方法は、光学結像系の通過空間周波数帯域や焦点深度
といった光学的特性に制限されており、どの角度方向に
ついても分解能に優れた光学断層像を得るために、最適
な条件に基づいて画像を入力し再構成するよう考慮され
てはいない。
However, the above-mentioned conventional methods in the field aiming to obtain an optical tomographic image are limited to optical characteristics such as the spatial frequency band of the optical imaging system and the depth of focus. However, in order to obtain an optical tomographic image with excellent resolution in any angle direction, no consideration is given to inputting and reconstructing an image based on the optimum conditions.

【0008】本発明の光学像再構成装置はこのような課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、任意の角度方向について分解能に優れた光学断層
像あるいは光学3次元像を再構成でき、しかも実用上有
用な光学像再構成装置を提供することにある。
The optical image reconstructing apparatus of the present invention has been made by paying attention to such a problem, and an object thereof is an optical tomographic image or an optical three-dimensional image excellent in resolution in an arbitrary angular direction. It is an object of the present invention to provide an optical image reconstructing device that can reconstruct an optical image and is practically useful.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、第1の発明に係る光学像再構成装置は、
光軸が物体空間上の所定の1点で交わるように放射状に
配置された同じ開口数(Numerical Aperture:以下、
N.A.)を有するN個の光学結像系と、前記N個の光
学結像系の各々により結像された対象物の像を電気的画
像信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段によって撮
像されたN個の電気的画像信号を記憶する画像メモリ
と、前記画像メモリに記憶されているN個の電気的画像
信号を用いて、前記光学結像系の光軸に平行な対象物の
断層像を再構成する断層像再構成手段とを有する光学像
再構成装置において、前記光学結像系の数Nは、角度α
(ただし、前記各々の光学結像系のN.A.をnsin
α、nは屈折率とする)に対して、N=180°/(2
α)であり、角度方向に均等に配置される。また、第2
の発明に係る光学像再構成装置は、対象物に対する光軸
の相対角度を任意に設定可能な光学結像系と、前記光学
結像系によって結像された対象物の像を、対象物に対す
る前記光学結像系の光軸方向を相対的に変えながら、
回、電気的画像信号に変換する撮像手段と、前記撮像手
段によって撮像されたN個の電気的画像信号を記憶する
画像メモリと、前記画像メモリに記憶されているN個
電気的画像信号を用いて、前記光学結像系の光軸に平行
な対象物の断層像を再構成する断層像再構成手段とを有
する光学像再構成装置において、前記光学結像系の光軸
方向の設定数Nは、角度α(ただし、前記光学結像系の
開口数N.A.(Numerical Aperture)をnsinα、
nは屈折率とする)に対して、N=180°/(2α)
であり、角度方向に等間隔に設定される。 また、第3の
発明に係る光学像再構成装置は、第1または第2の発明
に係る光学像再構成装置に関わり、前記断層像再構成手
段は、前記画像メモリに記憶されている前記電気的画像
信号と所定の行列との間で線形演算を行う行列演算器を
具備し、前記所定の行列は、前記撮像手段における各々
の撮像素子に対して前記光学結像系により伝達される物
体空間上での光強度分布を表す感度分布関数を定義し、
前記光学結像系と、前記撮像手段とで決定される画像入
力系を前記感度分布関 数を用いて線形的に定義したとこ
ろの一般化逆行列である。
In order to achieve the above-mentioned object, the optical image reconstructing apparatus according to the first invention comprises:
The same numerical aperture (Numerical Aperture: hereafter) radially arranged so that the optical axis intersects at a predetermined point in the object space
N. A. ) , Image pickup means for converting an image of the object formed by each of the N optical image formation systems into an electric image signal, and the image pickup means. an image memory for storing the N pieces of electrical image signals, using N electric image signal stored in said image memory, a tomographic image of parallel object to the optical axis of the optical imaging system In the optical image reconstructing device having a tomographic image reconstructing means for reconstructing, the number N of the optical imaging systems is an angle α.
(However, the N.A.
α and n are refractive indices), N = 180 ° / (2
α) and are evenly arranged in the angular direction. Also, the second
The optical image reconstructing device according to the invention of claim 1, wherein an optical image forming system capable of arbitrarily setting the relative angle of the optical axis with respect to the object, and an image of the object formed by the optical image forming system with respect to the object. while changing relative direction of the optical axis of the optical imaging system, N
Times, an imaging means for converting an electrical image signal, an image memory for storing the N pieces of electrical image signal captured by the imaging means, the N pieces of electrical image signals stored in the image memory An optical image reconstruction device having a tomographic image reconstruction means for reconstructing a tomographic image of an object parallel to the optical axis of the optical imaging system using the optical axis of the optical imaging system.
The set number N of directions is the angle α (however,
Numerical aperture N.V. A. (Numerical Aperture) to nsin α,
n is the refractive index), N = 180 ° / (2α)
And are set at equal intervals in the angular direction. Also, the third
An optical image reconstruction device according to the invention is the first or second invention.
Related to the optical image reconstruction device,
The stage is the electrical image stored in the image memory.
A matrix calculator that performs a linear calculation between a signal and a predetermined matrix
The predetermined matrix is provided in each of the imaging means.
Transmitted by the optical imaging system to the image pickup device
Define a sensitivity distribution function that represents the light intensity distribution in body space,
Image input determined by the optical imaging system and the image pickup means
Toko force system was linearly defined using the number of the sensitivity distribution function
Is a generalized inverse matrix of b.

【0010】[0010]

【実施例】以下に本実施例の概略を説明する。まず、光
学結像を用いて断層像を再構成する際に必要な画像入力
条件について説明する。なお、以下の説明では光学結像
系の空間周波数特性を論ずる際にN.A.の大きい光学
顕微鏡の光学系を扱うことにするが、さらに蛍光顕微鏡
を想定することにより光強度に対して線形なインコヒー
レント光学系を仮定することにする。本設定条件は光学
断層像の再構成問題にとって最も単純な場合であるが、
微小で透明な生体試料を観測する手段として実用的にも
有用である。
EXAMPLE The outline of this example will be described below. First, the image input conditions required when reconstructing a tomographic image using optical imaging will be described. In the following description, when discussing the spatial frequency characteristics of the optical imaging system, N. A. The optical system of a large optical microscope will be dealt with, but an incoherent optical system linear to the light intensity will be assumed by further assuming a fluorescence microscope. Although this setting condition is the simplest case for the reconstruction problem of the optical tomographic image,
It is also practically useful as a means for observing a minute and transparent biological sample.

【0011】光学顕微鏡の結像系は比較的理想系に近
く、焦点距離に比べて小さい物体空間領域では3次元的
な位置に対して不変(Space invariant)な系であると考
えることができ、回折限界を仮定した波動光学的解析が
良い近似を与える。図7には蛍光顕微鏡の3次元空間周
波数特性を表す3−dOTFの概念図を示す。一般に球
面レンズを用いて構成される光学結像系は、光軸に垂直
な面内ではどの動径方向についても同じ特性を有すると
考えられる。従って図7では3−dOTFを光軸に垂直
な面内における任意の動径方向における空間周波数軸ρ
と光軸方向の空間周波数軸φとに対する特性として表現
している。
The image forming system of the optical microscope is relatively close to an ideal system, and it can be considered that it is a space invariant system with respect to a three-dimensional position in an object space region smaller than the focal length. Wave-optical analysis assuming the diffraction limit gives a good approximation. FIG. 7 shows a conceptual diagram of 3-dOTF representing the three-dimensional spatial frequency characteristic of the fluorescence microscope. It is generally considered that an optical imaging system configured by using a spherical lens has the same characteristics in any radial direction within a plane perpendicular to the optical axis. Therefore, in FIG. 7, the spatial frequency axis ρ in the arbitrary radial direction in the plane perpendicular to the optical axis is defined as 3-dOTF.
And the spatial frequency axis φ in the optical axis direction.

【0012】図7から分かるように光軸方向の近傍にお
ける空間周波数特性は大きく劣化している。この特性が
落ち込んだ領域は3次元的には円錐状になるので、ミッ
シング・コーンと呼ばれる。このミッシング・コーンの
存在により光軸が固定された光学顕微鏡を用いて入力さ
れた画像からは、合焦面内と同等に光軸方向にも分解能
に優れた断層像を再構成することはできない。図7に示
すρ軸に対する空間周波数特性の存在する範囲のみこみ
角αは光学結像系の開口数(Numerical Aperture:N.
A.)に依存する。従って、断層面内でどの方向に対し
ても空間周波数特性を持たせるようにする、つまりミッ
シング・コーンを埋めるようにするためにはN=180
°/(2α)個の方向に光学結像系を設定する必要があ
ると考えられる。例えばN.A.=0.5の油を用い
ない光学結像系の場合、α=sin−1(0.5)=6
0°であるのでN=180°/120°=3方向に光学
結像系を設ければ良いことになる。
As can be seen from FIG. 7, the spatial frequency characteristic in the vicinity of the optical axis is greatly deteriorated. The region in which this characteristic drops is called a missing cone because it has a three-dimensional conical shape. Due to the presence of this missing cone, it is not possible to reconstruct a tomographic image with excellent resolution in the optical axis direction as well as in the in-focus plane from the image input using an optical microscope whose optical axis is fixed. . The entry angle α in the range where the spatial frequency characteristic with respect to the ρ axis shown in FIG. 7 is the numerical aperture (Numerical Aperture) of the optical imaging system.
A. ) Depends on. Therefore, in order to have a spatial frequency characteristic in any direction in the fault plane, that is, to fill the missing cone, N = 180
It is considered that it is necessary to set the optical imaging system in the direction of ° / (2α). For example, N. A. = For optical imaging system using no 0.5 oil immersion, α = sin -1 (0.5) = 6
Since it is 0 °, it suffices to provide the optical imaging system in N = 180 ° / 120 ° = 3 directions.

【0013】従って顕微鏡装置としては各々120°づ
つ角度方向の異なる3つの鏡筒を放射状に配置すれば、
どの方向に対してもミッシングの無い状態で画像を入力
できる。そのような顕微鏡の形態における3−dOTF
を図8に示す。
Therefore, as a microscope apparatus, if three lens barrels having different angle directions of 120 ° are radially arranged,
Images can be input without missing in any direction. 3-dOTF in the form of such a microscope
Is shown in FIG.

【0014】一方、画像入力の際の最適なサンプリング
間隔は光学結像系の空間周波数帯域により決定される。
図7に示す光軸に垂直な合焦面内、および光軸方向にお
ける最高空間周波数帯域ρ0 ,φ0 は共に回折限界によ
り定義された瞳関数の制限領域の大きさにより決定され
るが、やはり光学結像系のN.A.に依存する。合焦面
内におけるサンプリング間隔、例えばCCDカメラのよ
うな受光素子が2次元的に配列された撮像装置では隣接
する受光素子の間隔はサンプリング定理により1/(2
ρ0 )に相当するピッチより細かければ良いことにな
る。
On the other hand, the optimum sampling interval during image input is determined by the spatial frequency band of the optical image forming system.
The maximum spatial frequency bands ρ 0 and φ 0 in the focusing plane perpendicular to the optical axis shown in FIG. 7 and in the optical axis direction are both determined by the size of the limited region of the pupil function defined by the diffraction limit. The optical imaging system N.V. A. Depends on. The sampling interval in the focusing plane, for example, the interval between adjacent light receiving elements in an image pickup device in which light receiving elements such as a CCD camera are two-dimensionally arranged, is 1 / (2
It should be fine if it is finer than the pitch corresponding to ρ 0 ).

【0015】一方、光軸方向のサンプリング間隔、つま
り光学結像系の合焦面を光軸方向に移動しながら画像を
入力することを仮定した場合の各々の設定合焦面間隔は
同様に1/(2φ0 )に相当するピッチより細かければ
良いことが分かる。これは図9により次のように説明で
きる。ピッチτで光軸方向にサンプリングすると空間周
波数的にはφ軸上で1/τの位置に1次のスペクトル中
心が存在することになるが、原点を中心とする0次のス
ペクトルと1次のスペクトルとが重なってエイリアシン
グを持たないようにするには光軸方向の最大帯域である
φ0 を考慮して2φ0 の位置よりも外側に1次のスペク
トル中心が存在する、つまり、1/(2φ0 )に相当す
るピッチより細かくサンプリングすれば良いことが分か
る。
On the other hand, the sampling interval in the optical axis direction, that is, the set focusing surface interval on the assumption that an image is input while moving the focusing surface of the optical imaging system in the optical axis direction is 1 as well. It is understood that the pitch is finer than the pitch corresponding to / (2φ 0 ). This can be explained as follows with reference to FIG. When sampling in the direction of the optical axis at the pitch τ, the first-order spectrum center exists at the position of 1 / τ on the φ-axis in terms of spatial frequency, but the 0th-order spectrum centered at the origin and the first-order spectrum center 1 order spectrum center is present outside the position of 2 [phi 0 in consideration of phi 0 is the maximum bandwidth of the optical axis direction to avoid having aliasing overlap and spectrum, that is, 1 / ( It can be seen that sampling may be performed finer than the pitch corresponding to 2φ 0 ).

【0016】以上述べたように、光学結像系の空間周波
数特性より光学断層像を再構成するのに最小限必要な方
向数およびサンプリングの条件が導かれる。ところが本
条件に基づいて画像を入力しても、従来はこれらの画像
を用いて断層像を再構成するための有利な理論がなかっ
た。そこで本実施例では以下に述べる一般化逆行列的手
法により断層像を再構成する方法を提案する。
As described above, the minimum number of directions and sampling conditions necessary for reconstructing an optical tomographic image are derived from the spatial frequency characteristics of the optical imaging system. However, even if images are input based on these conditions, there has been no advantageous theory for reconstructing a tomographic image using these images. Therefore, in this embodiment, a method of reconstructing a tomographic image by the generalized inverse matrix method described below is proposed.

【0017】まず、物体空間および光学結像系の関係式
は連続系で定義されるのに対して、画像はサンプリング
により離散情報として入力されることを考慮し、連続物
体を離散的に観測する系を次式のように定義する。
First, while the relational expression of the object space and the optical imaging system is defined by a continuous system, the continuous object is observed discretely considering that the image is input as discrete information by sampling. The system is defined by the following equation.

【0018】 g=H{f(r)} (1) ただし、 f(r):連続関数で定義される原物体。[0018]         g = H {f (r)} (1) However, f (r): an original object defined by a continuous function.

【0019】r=(rx ,ry ,rz ):物体空間で定
義される3次元直交座標。 H{}:観測オペレータ。 g=[g1 ,g2 ,…,gMt :観測ベクトル。 gの要素gi は次式のように表される。
R = (r x , r y , r z ): Three-dimensional Cartesian coordinates defined in the object space. H {}: Observation operator. g = [g 1 , g 2 , ..., G M ] t : observation vector. The element g i of g is expressed by the following equation.

【0020】[0020]

【数1】 [Equation 1]

【0021】ここで感度分布関数とは撮像手段における
各々の撮像素子、例えばCCDカメラの各受光素子に対
して、光学結像系により伝達される物体空間上の光強度
特性分布として定義される関数である。H{}を連続系
(∞個の要素数)から要素数Mのベクトルへの変換行列
と考えると、Hのランクは最大でMとなる。以上のよう
に定式化された系に対する再構成問題には特異値分解
(Singular ValueDecomposition:SVD)による疑似
逆行列的解法を応用することができる。つまり、原物体
の推定fe (r)は次式のように求めることができる。
Here, the sensitivity distribution function is a function defined as a light intensity characteristic distribution in the object space transmitted by the optical imaging system for each image pickup element in the image pickup means, for example, each light receiving element of a CCD camera. Is. Considering H {} as a conversion matrix from a continuous system (the number of ∞ elements) to a vector having the number of elements M, the rank of H becomes M at the maximum. The pseudo-inverse matrix solution method by singular value decomposition (SVD) can be applied to the reconstruction problem for the system formulated as described above. That is, the estimation f e (r) of the original object can be obtained by the following equation.

【0022】 fe (r)=H- {g}=Ht {(HHt- g} (3) ただしHt {}は離散的に観測されたデータから連続系
である物体空間への逆変換オペレータである。また、
(HHt- はHHt の疑似逆行列であり、以下のよう
に求められる。まず、M×Mの行列HHt を次のように
固有値分解する。
F e (r) = H {g} = H t {(HH t ) g} (3) where H t {} is from discretely observed data to the continuous object space. It is an inverse conversion operator. Also,
(HH t) - is the pseudo-inverse matrix of HH t, is determined as follows. First, the M × M matrix HH t is eigenvalue decomposed as follows.

【0023】 (HHt )U=UΛ (4) HHt のランクをR≦Mとすると(HHt- は次のよ
うに定義される。 (HHt- =UR ΛR -1R t (5) なお、UR はR個の固有値に対応する固有ベクトルで構
成されるM×Rの行列であり、ΛR -1は対角成分にR個
の固有値に逆数を並べることより構成されたR×Rの行
列である。
(HH t ) U = UΛ (4) When the rank of HH t is R ≦ M, (HH t ) is defined as follows. (HH t) - = U R Λ R -1 U R t (5) In addition, U R is a matrix of composed M × R eigenvector corresponding to the R number of eigenvalues, lambda R -1 is a diagonal It is an R × R matrix constructed by arranging the reciprocals of R eigenvalues in the components.

【0024】次に、光学顕微鏡の結像系における連続−
離散モデルを定義し、感度分布関数を求める。簡単のた
めまず光軸と合焦面を固定した場合を想定し、この系の
概念図を図10に示す。3次元空間で定義された原物体
f(r)が伝達関数s(r;r′)により3次元光学像
g(r′)として結像される系を連続−連続系で次のよ
うに定義する。
Next, in the image forming system of the optical microscope, the continuous-
Define a discrete model and find the sensitivity distribution function. For simplicity, first, assuming a case where the optical axis and the focusing surface are fixed, a conceptual diagram of this system is shown in FIG. A system in which an original object f (r) defined in a three-dimensional space is imaged as a three-dimensional optical image g (r ') by a transfer function s (r; r') is defined as a continuous-continuous system as follows. To do.

【0025】[0025]

【数2】 [Equation 2]

【0026】顕微鏡光学像g(r′)はあるr′z の位
置に設定された撮像面上でサンプリングされ、離散値g
i (i=1,2,…,M)が検出される。この連続−離
散変換による画像入力系は次のように定義される。
The microscopic optical image g (r ') is r' is sampled on the imaging surface set at the position of z, discrete values g
i (i = 1, 2, ..., M) is detected. The image input system by the continuous-discrete transform is defined as follows.

【0027】[0027]

【数3】 ただし、 t=(tx , ty ):撮像面上で定義された2次元直交座
標。
[Equation 3] However, t = (t x , t y ): two-dimensional orthogonal coordinates defined on the imaging surface.

【0028】Di :i番目のサンプリングにおける積分
範囲(検出エレメントのサイズ)。 b(t):サンプリングの際の窓関数。
D i : integration range at the i-th sampling (size of detection element) b (t): Window function at the time of sampling.

【0029】g(t):3次元光学像g(r′)の撮像
面tにおける分布。 s(r;t):3次元物体空間rから2次元撮像面tへ
の伝達関数。 積分範囲Di がどの撮像素子に対しても等しく、窓関数
b(t)が位置によらない関数であると仮定すると感度
分布関数hi (r)は次式で定義される。
G (t): distribution of the three-dimensional optical image g (r ') on the imaging surface t. s (r; t): Transfer function from the three-dimensional object space r to the two-dimensional imaging surface t. Assuming that the integration range D i is the same for any image sensor and the window function b (t) is a function independent of position, the sensitivity distribution function h i (r) is defined by the following equation.

【0030】[0030]

【数4】 [Equation 4]

【0031】ここで、伝達関数s(r;t)について考
察する。本条件によれば像面において位置不変である点
像分布関数PSF(Point Spread Function)を定義する
ことができる。そこで撮像面におけるPSFを焦点はず
れζによるPSFo(t;ζ)として定義する。
Here, the transfer function s (r; t) will be considered. According to this condition, a point spread function PSF (Point Spread Function) whose position is invariable on the image plane can be defined. Therefore, the PSF on the imaging surface is defined as PSFo (t; ζ) due to defocus ζ.

【0032】[0032]

【数5】 物体空間rを合焦面と物体面との距離zおよび光軸と垂
直(撮像面と平行)な面内に定義される2次元座標q=
(qx ,qy )とで定義し直すと、距離zは光学系の結
像関係により焦点はずれζと対応付けられる。さらにP
SFo(t;ζ)は物体空間における点f(0;z)の
像分布であると考えると、任意の座標における点f
(q;z)の像分布は(t- mq;z)で表すことがで
きる。ただし、mは顕微鏡光学系の総合倍率である。従
って、伝達関数s(r;t)は次式のように定義され
る。
[Equation 5] The object space r is defined by a distance z between the focusing surface and the object surface and a two-dimensional coordinate q = defined in a surface perpendicular to the optical axis (parallel to the image pickup surface).
Redefining with (q x , q y ), the distance z is associated with the defocus ζ due to the imaging relationship of the optical system. Furthermore P
Considering SFo (t; ζ) is the image distribution of the points f (0; z) in the object space, the points f at arbitrary coordinates
The image distribution of (q; z) can be represented by (t-mq; z). However, m is the total magnification of the microscope optical system. Therefore, the transfer function s (r; t) is defined by the following equation.

【0033】 s(r;t)=s(q;z;t)=o(t- mq;z) (10) ただし、o(t- mq;z)はzとζの関係を代入する
ことによりo(t- mq;ζ)を定義し直したPSFで
ある。(10)式を(8)式に代入することにより感度
分布関数hi (r)は次のように求められる。
S (r; t) = s (q; z; t) = o (t-mq; z) (10) where, for o (t-mq; z), the relationship between z and ζ should be substituted. Is a PSF in which o (t-mq; ζ) is redefined by By substituting the equation (10) into the equation (8), the sensitivity distribution function h i (r) is obtained as follows.

【0034】[0034]

【数6】 [Equation 6]

【0035】以上の考察により感度分布関数hi (r)
は焦点ずれを考慮したPSFo(t;z)より算出され
る。また、光軸の回転や合焦面の移動といった条件下で
の感度分布関数も後述するように上記説明に準じて求め
ることができる。
From the above consideration, the sensitivity distribution function h i (r)
Is calculated from PSFo (t; z) in consideration of defocus. Further, the sensitivity distribution function under the conditions such as the rotation of the optical axis and the movement of the focusing surface can also be obtained according to the above description as described later.

【0036】以上述べたように、本実施例による光学像
再構成法は連続−離散の関係を明確にしたモデルに基づ
いており、次のような長所を有する。 (1)原理的に離散データから連続物体を推定する手法
である。
As described above, the optical image reconstruction method according to this embodiment is based on the model in which the continuous-discrete relationship is clarified, and has the following advantages. (1) In principle, it is a method of estimating a continuous object from discrete data.

【0037】(2)補間関数を含まないため、回転座標
系←→直交座標系の変換などにおいて補間による劣化や
矛盾が起こらない。 (3)物体に対する仮定を含まず、画像入力条件を直接
再構成画像の画質に反映させることができる。
(2) Since the interpolation function is not included, deterioration or contradiction due to interpolation does not occur in conversion of the rotating coordinate system ← → Cartesian coordinate system. (3) The image input condition can be directly reflected on the image quality of the reconstructed image without including the assumption for the object.

【0038】ただし本手法に応用する際は、本来連続系
で定義されるべき感度分布関数や物体空間を計算処理の
ために離散的に定義する必要が生じる。しかし受光素子
の大きさに対して十分小さい離散エレメントにより連続
系を定義すれば、実際上連続系を近似的に扱うことは可
能である。つまり本原理に基づき補間関数を用いずに再
構成を行なえば、本手法の長所を生かすことができる。
However, when applied to this method, it is necessary to discretely define the sensitivity distribution function and the object space, which should originally be defined in a continuous system, for calculation processing. However, if a continuous system is defined by discrete elements that are sufficiently small with respect to the size of the light receiving element, it is possible to handle the continuous system practically approximately. In other words, if the reconstruction is performed based on this principle without using the interpolation function, the advantage of this method can be utilized.

【0039】以下に本発明の第1実施例を説明する。図
1に本発明の第1実施例の構成を示す。構成は大きく顕
微鏡装置100、画像処理プロセッサ200、TVモニ
タ300とに分けられる。
The first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 shows the configuration of the first embodiment of the present invention. The configuration is roughly divided into a microscope device 100, an image processor 200, and a TV monitor 300.

【0040】顕微鏡装置100には、試料を保持、固定
するための手段としてステージ101上に透明管102
が垂直に設置されており、この透明管102を中心とし
て放射状に3つの顕微鏡が設けられている。各々の顕微
鏡においては、N.A.=0.5の対物レンズ1031
〜1033 が鏡筒1041 〜1043 に対して設置され
ているが、さらに合焦点駆動装置1051 〜1053
より対物レンズ1031 〜1033 が光軸方向に駆動さ
れることにより本顕微鏡光学系の合焦面が駆動されるよ
うになっている。
The microscope apparatus 100 includes a transparent tube 102 on a stage 101 as a means for holding and fixing a sample.
Are vertically installed, and three microscopes are provided radially around the transparent tube 102. In each microscope, N. A. = 0.5 objective lens 103 1
, 103 3 are installed on the lens barrels 104 1 to 104 3 , and the objective lenses 103 1 to 103 3 are further driven in the optical axis direction by the focusing drive devices 105 1 to 105 3 to obtain the present microscope. The focusing surface of the optical system is driven.

【0041】鏡筒1041 〜1043 の先にはTVカメ
ラ1061 〜1063 が設けられており、顕微鏡画像が
撮像される。なお本顕微鏡装置100は蛍光染色した生
体試料の発光分布を観測する蛍光顕微鏡を基本にしてお
り、観測する対象物体空間領域を均一に照射する励起光
源装置が必要となるが、図1では繁雑さをさけるために
図示を省略する。顕微鏡装置100における試料周辺の
構成を図2に示す。ステージ101に垂直に設置された
透明管102に対しては注射器400により生理食塩水
等の液体中に浮遊されている蛍光体染色された試料が注
入される。
TV cameras 106 1 to 106 3 are provided at the ends of the lens barrels 104 1 to 104 3 to pick up microscopic images. The microscope device 100 is based on a fluorescence microscope for observing the emission distribution of a fluorescently stained biological sample, and an excitation light source device for uniformly irradiating a target object space region to be observed is required, but in FIG. 1, it is complicated. Illustration is omitted to avoid this. The configuration around the sample in the microscope apparatus 100 is shown in FIG. A sample dyed with a fluorescent substance suspended in a liquid such as physiological saline is injected by a syringe 400 into a transparent tube 102 installed vertically on the stage 101.

【0042】ステージ101はX−Y軸ステージ駆動装
置107およびZ軸ステージ駆動装置108により3次
元的に位置が微調整されるように構成されており、対物
レンズ1031 〜1033 の視野内に試料がとらえられ
るようになっている。
The stage 101 is constructed so that its position is finely adjusted three-dimensionally by an X-Y axis stage driving device 107 and a Z axis stage driving device 108, and the stage 101 is within the field of view of the objective lenses 103 1 to 103 3. The sample is designed to be captured.

【0043】なお、透明管102は対物レンズ1031
〜1033 の光軸に対して垂直な3面で構成される三角
柱であり、透明管の構成による収差の影響が軽減されよ
うになっている。また合焦面駆動装置1051 〜105
3 およびX−Y軸ステージ駆動装置107、Z軸ステー
ジ駆動装置108は画像処理プロセッサ200により制
御されるようになっている。
The transparent tube 102 is the objective lens 103 1.
To 103 a triangular prism constituted by three surfaces perpendicular to the third optical axis, influence of aberration by the configuration of the transparent tube is adapted to be reduced. Further, focusing surface drive devices 105 1 to 105
The image processing processor 200 controls the 3 -axis and XY axis stage driving device 107 and the Z-axis stage driving device 108.

【0044】次に、画像処理プロセッサ200の構成に
ついて述べる。CPU201は画像処理プロセッサ20
0全体の動作制御を行なうが、ステージ駆動装置ドライ
バ202および合焦面駆動装置ドライバ203に対して
も指令信号を送り、顕微鏡装置100に対する機械的な
駆動制御も行なう。TVカメラ1061 〜1063 から
の電気的画像信号はA/D変換器2041 〜2043
より所定のディジタル画像信号に変換され、画像メモリ
2051 〜2053 に記録される。この操作は合焦面駆
動装置1051 〜1053 により各顕微鏡の合焦面が光
軸方向に所定の間隔で移動される度に実行され、複数の
異なる合焦面に対する画像が画像メモリ2051 〜20
3 に全て記録されることになる。
Next, the structure of the image processor 200 will be described. The CPU 201 is the image processor 20.
Although the operation control of the entire 0 is performed, a command signal is also sent to the stage drive device driver 202 and the focusing surface drive device driver 203, and mechanical drive control of the microscope device 100 is also performed. Electrical image signal from the TV camera 106 1-106 3 is converted by the A / D converter 204 1-204 3 to predetermined digital image signal is recorded in the image memory 205 1-205 3. This operation is performed each time the focusing surface of each microscope is moved by the focusing surface driving devices 105 1 to 105 3 in the optical axis direction at a predetermined interval, and images for a plurality of different focusing surfaces are stored in the image memory 205 1. ~ 20
All will be recorded in 5 3 .

【0045】ROM206には、(3)式に示す疑似逆
行列(HHt- および逆変換オペレータHt {}の係
数が記録されており、CPU201から所定の条件に対
応する係数が呼び出されてアクセラレータ207に送ら
れる。アクセラレータ207はパイプライン処理等によ
り大規模な行列演算を高速に行なうベクトルプロセッサ
と内部メモリなどで構成される。アクセラレータ207
では、画像メモリ2051 〜2053 から読み出された
所定の1次元プロフィール信号とROM206から送ら
れてきた係数との間で(3)式に基づく行列演算が実行
される。このようにして求められた推定断層画像は表示
のために適当なサイズに再サンプリングされた後にフレ
ームメモリ208に転送され、D/A変換器209によ
り所定のアナログビデオ信号に変換されてTVモニタ3
00に表示される。保存しておきたい入力ディジタル画
像信号や再構成断層画像は内蔵ディスク装置210に記
録される。
[0045] ROM206, the (3) pseudo-inverse matrix shown in formula (HH t) - and inverse transform operator H t {and coefficients are the records of}, is called the coefficient corresponding to a predetermined condition from the CPU201 It is sent to the accelerator 207. The accelerator 207 is composed of a vector processor that performs a large-scale matrix operation at high speed by pipeline processing and the like, and an internal memory. Accelerator 207
Then, the matrix operation based on the equation (3) is executed between the predetermined one-dimensional profile signal read from the image memories 205 1 to 205 3 and the coefficient sent from the ROM 206. The estimated tomographic image thus obtained is resampled to an appropriate size for display, then transferred to the frame memory 208, converted into a predetermined analog video signal by the D / A converter 209, and then the TV monitor 3
00 is displayed. The input digital image signal and the reconstructed tomographic image to be stored are recorded in the built-in disk device 210.

【0046】以上の処理に関してディジタル信号の各構
成要素間に対する入出力は内部バス211を介して行な
われる。またCPU201とはユーザインターフェース
・インターフェース212を介して、ディスプレイとキ
ーボードマウス等で構成されるユーザインターフェース
213が接続されており、各種パラメータの値や動作情
況がディスプレイ上に表示されるのと同時に、操作者に
よる指令信号がCPU201に伝わるよう構成されてい
る。
With respect to the above processing, input / output of digital signals between respective constituent elements is performed via the internal bus 211. A user interface 213 including a display and a keyboard / mouse is connected to the CPU 201 via a user interface interface 212, and the values of various parameters and operating conditions are displayed on the display, and the operation is performed at the same time. A command signal from a person is transmitted to the CPU 201.

【0047】以下に上記した第1実施例の構成の作用を
述べる。第1実施例は3方向から合焦面位置を移動しな
がら入力される画像を用いて透明管102内の試料の断
層像を再構成するものであり、その作用は前記した実施
例の概略に基づくものである。第1実施例による画像入
力法に基づく疑似逆行列の定義について以下に説明す
る。まず光軸を固定した上で合焦面をk番目の物体面に
設定したときの画像入力系を次のように表わす。
The operation of the structure of the first embodiment described above will be described below. The first embodiment is to reconstruct a tomographic image of the sample in the transparent tube 102 using the images input while moving the focal plane position from three directions, and its operation is the same as that of the above-described embodiment. It is based. The definition of the pseudo inverse matrix based on the image input method according to the first embodiment will be described below. First, the image input system when the optical axis is fixed and the focusing surface is set to the k-th object surface is represented as follows.

【0048】 gk =Hk {f(r)} (12) gk は撮像素子数M個の要素で構成されるベクトルであ
る。次に光軸を固定したまま所定の間隔で合焦面を離散
的に移動し、L枚の画像を入力する系を考える。この場
合、(12)式が合焦面の数だけ定義されるが(k=
1,2,…,L)、得られる観測画像を1列に並べるこ
とにより新たな観測画像g0 を定義する。この場合、g
0 はM×L個の要素で構成されることになる。
G k = H k {f (r)} (12) g k is a vector composed of M image pickup elements. Next, consider a system in which the focusing surface is discretely moved at a predetermined interval while the optical axis is fixed, and L images are input. In this case, equation (12) is defined by the number of in-focus surfaces, but (k =
1, 2, ..., L), a new observation image g 0 is defined by arranging the obtained observation images in one column. In this case, g
0 is composed of M × L elements.

【0049】[0049]

【数7】 [Equation 7]

【0050】次に光軸が相対的に120°異なる方向に
ついて(14)式と同様な条件で画像を入力する系を考
える。この場合に得られる観測画像g1 を次のように定
義する。
Next, let us consider a system for inputting an image under the same conditions as in the equation (14) in the directions in which the optical axes differ by 120 °. The observed image g 1 obtained in this case is defined as follows.

【0051】 g1 =H1 {f(r)} (15) オペレータH1 {}は試料を相対的に−120°回転し
て(13)式のH0 {}を作用させるのと等価なオペレ
ータであると考えることができるので、連続物体を−1
20°回転させるオペレータR-120 {}を定義すると
(15)式は次のように表わすことができる。
G 1 = H 1 {f (r)} (15) The operator H 1 {} is equivalent to rotating the sample relatively by −120 ° and causing H 0 {} of the equation (13) to act. It can be thought of as an operator, so the continuous object is -1
When the operator R −120 {} that rotates by 20 ° is defined, the equation (15) can be expressed as follows.

【0052】 g1 =H0 [R-120 {f(r)} (16) オペレータH0 {}、R-120 {}は共に線形演算が基
本になるので、(15)、(16)式を比較すると、行
列的に次のように定義できる。
G 1 = H 0 [R −120 {f (r)} (16) Since both operators H 0 {} and R −120 {} are based on linear operation, equations (15) and (16) are used. , Can be defined matrixwise as follows.

【0053】 H1 {}=H0-120 {} (17) 同様に光軸が相対的に240°異なる方向について画像
入力系を次のように定義する。
H 1 {} = H 0 R −120 {} (17) Similarly, the image input system is defined as follows in the direction in which the optical axes are relatively different by 240 °.

【0054】 g2 =H2 {f(r)}=H0-240 {f(r)} (18) 以上の様に定義された観測画像g0 ,g1 ,g2 を並べ
ることにより3方向からの画像入力系を次のように書き
表わす。
G 2 = H 2 {f (r)} = H 0 R −240 {f (r)} (18) By arranging the observation images g 0 , g 1 , g 2 defined as above, The image input system from three directions is written as follows.

【0055】[0055]

【数8】 [Equation 8]

【0056】最終的に定義される観測画像はM×L×3
個の要素から構成されるベクトルとなる。(19)式で
定義されるオペレータH{}を用いて(3)式に基づく
断層像が再構成される。
The finally defined observation image is M × L × 3.
It is a vector consisting of individual elements. The operator H {} defined by the equation (19) is used to reconstruct the tomographic image based on the equation (3).

【0057】上記した第1実施例によれば、N.A.の
対物レンズによる顕微鏡を用いてどの方向にも分解能に
優れた断層像を必要最小限の条件により入力された画像
を用いて再構成できる。
According to the first embodiment described above, the N. A. It is possible to reconstruct a tomographic image excellent in resolution in any direction by using the microscope with the objective lens of No. 2 by using the image input under the necessary minimum conditions.

【0058】なお、本実施例は入力画像における1次元
ラインプロフィールから2次元の断層画像を再構成する
ものとして記述したが、入力される2次元画像をそのま
ま処理することにより3次元画像を再構成するようにし
ても良い。その場合、画像処理プロセッサ200内には
3次元画像に対して所定の処理を施すことにより2次元
画像として出力表示するためのボクセルプロセッサを設
ける。
Although the present embodiment has been described as reconstructing a two-dimensional tomographic image from a one-dimensional line profile in an input image, a three-dimensional image is reconstructed by directly processing the input two-dimensional image. It may be done. In that case, a voxel processor for outputting and displaying as a two-dimensional image by performing a predetermined process on the three-dimensional image is provided in the image processor 200.

【0059】以下に本発明の第2実施例を説明する。図
3に本発明の第2実施例における顕微鏡装置500の構
成を示す。なお第2実施例における画像処理プロセッサ
200とTVモニタ300の構成は第1実施例と同様で
ある。顕微鏡装置500内では試料保持部510により
試料が保持されるがこれは試料回転駆動装置520によ
り回転制御を受ける。顕微鏡光学系は対物レンズ530
および鏡筒540により構成される。対物レンズ530
は合焦面駆動装置550により光軸方向に駆動制御され
ることにより合焦面が移動されるようになっており、ま
た鏡筒540は鏡筒駆動装置560により光軸に対して
垂直な面内で位置の微調整がなされているように構成さ
れている。
The second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 3 shows the configuration of the microscope apparatus 500 according to the second embodiment of the present invention. The configurations of the image processor 200 and the TV monitor 300 in the second embodiment are the same as those in the first embodiment. The sample is held by the sample holder 510 in the microscope apparatus 500, and the sample is driven and controlled by the sample rotation driving device 520. The microscope optical system is an objective lens 530.
And a lens barrel 540. Objective lens 530
Is driven by the focusing surface drive device 550 in the optical axis direction to move the focusing surface. The lens barrel 540 is a surface perpendicular to the optical axis by the lens barrel driving device 560. It is configured such that the position is finely adjusted inside.

【0060】結像された試料の像はTVカメラ570に
より撮像され画像処理プロセッサ200内のA/D変換
器204に送られる。上記構成における試料回転駆動装
置520、合焦面駆動装置550、鏡筒駆動装置560
は共に画像処理プロセッサ200内のCPU201によ
り制御される。
The formed image of the sample is picked up by the TV camera 570 and sent to the A / D converter 204 in the image processor 200. The sample rotation driving device 520, the focusing surface driving device 550, and the lens barrel driving device 560 having the above-described configuration.
Are both controlled by the CPU 201 in the image processor 200.

【0061】図4はステージ周辺の構成を示す図であ
る。試料保持部510は試料が注入される透明管511
とその透明管511を支持する透明管支持台5121
5122 とで構成される。試料回転駆動装置520は、
モータ521、プーリー522、およびベルト523に
より構成され、透明管511を回転制御するように構成
されている。
FIG. 4 is a diagram showing the structure around the stage. The sample holder 510 is a transparent tube 511 into which a sample is injected.
And a transparent tube supporting base 512 1 for supporting the transparent tube 511.
And 512 2 . The sample rotation driving device 520 is
It is configured by a motor 521, a pulley 522, and a belt 523, and is configured to control the rotation of the transparent tube 511.

【0062】以下に上記した構成を有する第2実施例の
作用を説明する。第2実施例によれば試料に対する光軸
の相対角度を任意に設定できる。従って対物レンズ53
0を交換してN.A.が変わるような場合に方向数を最
適化することができる。また、例えばN.A.=0.5
の場合は前述したように3方向から入力すれば空間周波
数上のミッシング領域を埋めることができるが、これは
最小限必要な条件であり、方向数をさらに増やすことに
より任意の角度方向に対する空間周波数特性を強化する
ようにもできる。
The operation of the second embodiment having the above construction will be described below. According to the second embodiment, the relative angle of the optical axis with respect to the sample can be set arbitrarily. Therefore, the objective lens 53
0 to replace N. A. The number of directions can be optimized in the case where is changed. Further, for example, N. A. = 0.5
In the case of, the missing region on the spatial frequency can be filled by inputting from three directions as described above, but this is the minimum necessary condition, and the spatial frequency for an arbitrary angular direction can be increased by further increasing the number of directions. You can also enhance the characteristics.

【0063】上記した第2実施例によれば、目的に応じ
て適用範囲の広い装置を比較的コンパクトに構成するこ
とができる。以下に本発明の第3実施例を説明する。
According to the second embodiment described above, a device having a wide range of application can be constructed in a relatively compact size according to the purpose. The third embodiment of the present invention will be described below.

【0064】図5に本発明の第3実施例における顕微鏡
装置600の構成を示す。なお第3実施例における画像
処理プロセッサ200とTVモニタ300の構成は第1
実施例と同様である。顕微鏡装置600は第2実施例に
おける顕微鏡装置500から合焦面駆動装置550を取
り除き、替わりに開口制御装置650を設けるものであ
る。
FIG. 5 shows the structure of a microscope apparatus 600 according to the third embodiment of the present invention. The configurations of the image processor 200 and the TV monitor 300 in the third embodiment are the first.
It is similar to the embodiment. The microscope apparatus 600 is such that the focusing surface drive unit 550 is removed from the microscope apparatus 500 in the second embodiment and an aperture control unit 650 is provided instead.

【0065】図6に対物レンズ630の開口制御部を示
す。対物レンズ630は複数のレンズ群で構成される
が、その光路上に絞り用羽根6311 〜631n (n≦
10程度)が設けられており、これらが回転方向に駆動
されることによりN.A.が変化するように構成されて
いる。このような絞り機構は開口制御装置650内のモ
ータ651により駆動制御され、モータ651は画像処
理プロセッサ200内のCPU201からの指令信号に
より制御されるモータドライバ652により駆動され
る。
FIG. 6 shows the aperture controller of the objective lens 630. The objective lens 630 is composed of a plurality of lens groups, and diaphragm blades 631 1 to 631 n (n ≦
10) is provided, and these are driven in the rotation direction, so that the N.V. A. Are configured to change. Such a diaphragm mechanism is driven and controlled by a motor 651 in the aperture controller 650, and the motor 651 is driven by a motor driver 652 controlled by a command signal from the CPU 201 in the image processing processor 200.

【0066】以上のような構成により次のような画像入
力動作が実行される。試料に対してある光軸方向が設定
されると、光軸方向を固定したまま異なるN.A.によ
り複数の画像が入力される。この動作は試料を所定の角
度間隔で離散的に回転させることにより相対的に光軸方
向を変えながら数回乃至数10回くり返される。このよ
うにして入力された画像を用いて、本実施例による画像
再構成法により断層像が再構成される。
With the above configuration, the following image input operation is executed. When a certain optical axis direction is set for the sample, a different N.V. A. By this, a plurality of images are input. This operation is repeated several times to several tens times while relatively changing the optical axis direction by rotating the sample discretely at a predetermined angular interval. A tomographic image is reconstructed by the image reconstruction method according to the present embodiment using the image thus input.

【0067】以下に上記した構成を有する第3実施例の
作用を説明する。第3実施例は合焦面を駆動せずに光軸
の回転だけを利用して画像を入力するものである。この
場合、物体空間において光軸の回転中心付近の画像は密
に入力できるが、回転中心から離れるに従って疎にな
る。従って再構成画像は回転中心から離れるに従って分
解能が劣化することが予想される。このような影響を補
正するために本実施例ではN.A.を変えて画像を入力
する手段を設ける。
The operation of the third embodiment having the above construction will be described below. In the third embodiment, an image is input using only the rotation of the optical axis without driving the focusing surface. In this case, the image near the rotation center of the optical axis can be densely input in the object space, but becomes sparse as the distance from the rotation center increases. Therefore, the resolution of the reconstructed image is expected to deteriorate as the distance from the rotation center increases. In order to correct such an influence, in this embodiment, the N.M. A. A means for changing the input and inputting an image is provided.

【0068】一般に光学結像系のN.A.が大きい場合
は分解能に優れ、焦点深度は浅くなる。逆にN.A.を
小さくすると分解能は劣化するが焦点深度は深くなる。
第3実施例ではN.A.を変えることによりこの両者の
光学的特性を相補的に利用し、より広い物体空間の範囲
において分解能に優れた断層像を再構成する作用を有す
る。第3実施例の再構成法によれば、N.A.の大きい
場合と小さい場合のどちらの特性も再構成画像に反映さ
せることが可能であるので、上記作用が可能になる。
Generally, the N.V. A. When is large, the resolution is excellent and the depth of focus becomes shallow. Conversely, N. A. When is smaller, the resolution is degraded but the depth of focus is deeper.
In the third embodiment, N. A. Is used to complementarily utilize the optical characteristics of the both, and has the effect of reconstructing a tomographic image with excellent resolution in a wider range of the object space. According to the reconstruction method of the third embodiment, N. A. It is possible to reflect the characteristics of both large and small cases in the reconstructed image, so that the above-described operation becomes possible.

【0069】上記した第3実施例によれば、合焦面の駆
動を行なわないことから機械的な位置制御を試料の回転
だけに限定し、位置合わせの再現精度を高め機械的要因
による誤差を軽減することができる。
According to the third embodiment described above, since the focusing surface is not driven, the mechanical position control is limited to only the rotation of the sample, the accuracy of position alignment is improved, and errors due to mechanical factors are eliminated. Can be reduced.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上、上記した本発明の光学像再構成装
置によれば、任意の角度方向について分解能に優れた光
学断層像あるいは光学3次元像を必要最小限の画像入力
条件から再構成できる実用上有用な光学像再構成装置を
提供できる。
As described above, according to the optical image reconstructing apparatus of the present invention, it is possible to reconstruct an optical tomographic image or an optical three-dimensional image excellent in resolution in an arbitrary angle direction from the minimum necessary image input conditions. A practically useful optical image reconstruction device can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.

【図2】図1の顕微鏡装置における試料周辺の構成を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration around a sample in the microscope apparatus of FIG.

【図3】本発明の第2実施例における顕微鏡装置の構成
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a microscope apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図4】ステージ周辺の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration around a stage.

【図5】本発明の第3実施例における顕微鏡装置の構成
を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a microscope apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図6】対物レンズの開口制御部を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an aperture control unit of an objective lens.

【図7】蛍光顕微鏡の3次元空間周波数特性を表す3−
dOTFの概念図である。
FIG. 7 shows 3-dimensional spatial frequency characteristics of a fluorescence microscope 3-
It is a conceptual diagram of dOTF.

【図8】どの方向に対してもミッシングの無い状態で画
像を入力できる顕微鏡の形態における3−dOTFを示
す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a 3-dOTF in the form of a microscope capable of inputting an image without missing in any direction.

【図9】光学結像系の合焦面を光軸方向に移動しながら
画像を入力することを仮定した場合の各々の合焦面間隔
の設定を説明するための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining the setting of each focusing surface interval on the assumption that an image is input while moving the focusing surface of the optical imaging system in the optical axis direction.

【図10】光学顕微鏡の結像系の概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram of an image forming system of an optical microscope.

【図11】従来の一般的な顕微鏡の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional general microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100…顕微鏡装置、101…ステージ、102…透明
管、103…対物レンズ、104…鏡筒、105…合焦
面駆動装置、106…TVカメラ、200…画像処理プ
ロセッサ、201…CPU、202…ステージ駆動装置
ドライバ、203…合焦面駆動装置ドライバ、204…
A/D、205…画像メモリ、206…ROM、207
…アクセラレータ、208…フレームメモリ、209…
D/A、210…内蔵ディスク装置、211…内部バ
ス、212…ユーザインターフェース・インターフェー
ス、213…ユーザインターフェース、300…TVモ
ニタ。
100 ... Microscope device, 101 ... Stage, 102 ... Transparent tube, 103 ... Objective lens, 104 ... Lens barrel, 105 ... Focusing surface drive device, 106 ... TV camera, 200 ... Image processing processor, 201 ... CPU, 202 ... Stage Driving device driver, 203 ... Focusing surface driving device driver, 204 ...
A / D, 205 ... Image memory, 206 ... ROM, 207
... accelerator, 208 ... frame memory, 209 ...
D / A, 210 ... Built-in disk device, 211 ... Internal bus, 212 ... User interface interface, 213 ... User interface, 300 ... TV monitor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−12524(JP,A) 特開 平5−306993(JP,A) 特開 平5−223738(JP,A) 特開 平4−122248(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06T 1/00 295 G06T 1/00 420 G06T 1/00 500 G01N 21/27 620 G02B 21/22 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-3-12524 (JP, A) JP-A-5-306993 (JP, A) JP-A-5-223738 (JP, A) JP-A-4- 122248 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G06T 1/00 295 G06T 1/00 420 G06T 1/00 500 G01N 21/27 620 G02B 21/22

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光軸が物体空間上の所定の1点で交わる
ように放射状に配置された同じ開口数(Numerical Aper
ture、以下、N.A.)を有するN個の光学結像系と、 前記N個の光学結像系の各々により結像された対象物の
像を電気的画像信号に変換する撮像手段と、 前記撮像手段によって撮像されたN個の電気的画像信号
を記憶する画像メモリと、 前記画像メモリに記憶されているN個の電気的画像信号
を用いて、前記光学結像系の光軸に平行な対象物の断層
像を再構成する断層像再構成手段と、を有する光学像再
構成装置において、 前記光学結像系の数Nは、角度α(ただし、前記各々の
光学結像系のN.A.をnsinα、nは屈折率とす
る)に対して、N=180°/(2α)であり、角度方
向に均等に配置されることを特徴とする光学像再構成装
置。
1. The same numerical aperture (Numerical Aperture) radially arranged so that the optical axes intersect at a predetermined point in the object space.
ture, hereinafter N. A. ), An image pickup means for converting an image of the object formed by each of the N optical image formation systems into an electric image signal, and an image pickup means for picking up the image. An image memory for storing N electrical image signals, and a tomographic image of an object parallel to the optical axis of the optical imaging system, using the N electrical image signals stored in the image memory. In the optical image reconstructing device having a tomographic image reconstructing unit for reconstructing, the number N of the optical imaging systems is an angle α (however,
The optical imaging system N. A. Is n sin α, and n is the refractive index
To N) = 180 ° / (2α)
An optical image reconstructing device, characterized in that the optical image reconstructing devices are evenly arranged in a direction .
【請求項2】 対象物に対する光軸の相対角度を任意に
設定可能な光学結像系と、 前記光学結像系によって結像された対象物の像を、対象
物に対する前記光学結像系の光軸方向を相対的に変えな
がら、回、電気的画像信号に変換する撮像手段と、 前記撮像手段によって撮像されたN個の電気的画像信号
を記憶する画像メモリと、 前記画像メモリに記憶されているN個の電気的画像信号
を用いて、前記光学結像系の光軸に平行な対象物の断層
像を再構成する断層像再構成手段とを有する光学像再構
成装置において、 前記光学結像系の光軸方向の設定数Nは、角度α(ただ
し、前記光学結像系の開口数N.A.(Numerical Aper
ture)をnsinα、nは屈折率とする)に対して、N
=180°/(2α)であり、角度方向に等間隔に設定
されることを特徴とする光学像再構成装置。
2. An optical imaging system capable of arbitrarily setting a relative angle of an optical axis with respect to an object, and an image of the object imaged by said optical imaging system, An image pickup unit that converts into an electric image signal N times while relatively changing the optical axis direction, an image memory that stores N electric image signals picked up by the image pickup unit, and the image memory And a tomographic image reconstructing means for reconstructing a tomographic image of an object parallel to the optical axis of the optical imaging system by using the N electrical image signals that have been recorded. The set number N in the optical axis direction of the optical imaging system is the angle α (only
The numerical aperture N.V. of the optical imaging system. A. (Numerical Aper
(ture) is n sin α, and n is the refractive index), N
= 180 ° / (2α), set at equal intervals in the angular direction
By optical image reconstruction apparatus according to claim Rukoto.
【請求項3】 前記断層像再構成手段は、 前記画像メモリに記憶されている前記電気的画像信号と
所定の行列との間で線形演算を行う行列演算器を具備
し、 前記所定の行列は、前記撮像手段における各々の撮像素
子に対して前記光学結像系により伝達される物体空間上
での光強度分布を表す感度分布関数を定義し、 前記光学結像系と、 前記撮像手段とで決定される画像入力系を前記感度分布
関数を用いて線形的に定義したところの一般化逆行列で
あることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の
光学像再構成装置。
3. The tomographic image reconstructing means includes the electrical image signal stored in the image memory.
Equipped with a matrix calculator that performs linear calculations with a predetermined matrix
However, the predetermined matrix corresponds to each image pickup element in the image pickup means.
On the object space transmitted by the optical imaging system to the child
A sensitivity distribution function that represents the light intensity distribution at is defined, and the image input system determined by the optical imaging system and the imaging unit is defined as the sensitivity distribution function.
Is a generalized inverse matrix defined linearly using a function
Claim 1 or claim 2 characterized in that
Optical image reconstruction device.
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