JP3523734B2 - 位相差顕微鏡 - Google Patents
位相差顕微鏡Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、細胞やバ
クテリアなどの透明な物体を観察するために用いられる
位相差顕微鏡に関する。
クテリアなどの透明な物体を観察するために用いられる
位相差顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】位相差顕微鏡においては、照明系の瞳位
置にリングスリットを、さらに、このリングスリットと
共役な位置関係にある対物レンズの瞳位置に位相リング
を各々配置し、標本面で回折した光のうち０次回折光の
位相及び強度を変化させ、他の回折光と干渉させること
によって、標本の位相量を像のコントラストに変えて観
察を行っていた。
置にリングスリットを、さらに、このリングスリットと
共役な位置関係にある対物レンズの瞳位置に位相リング
を各々配置し、標本面で回折した光のうち０次回折光の
位相及び強度を変化させ、他の回折光と干渉させること
によって、標本の位相量を像のコントラストに変えて観
察を行っていた。
【０００３】位相差顕微鏡による位相差像のコントラス
トについては、例えば、"Some improvements in the ph
ase contrast microscope, K. Yamamoto, A. Taris, J.
Microscopy, 129 (1983) 49-62"にその改善方法が記載
されている。従来の位相差顕微鏡においては、一般に、
輪帯状の位相膜の径を対物レンズの瞳径の半分程度にし
て、像コントラストを改善している。また、特公平７−
６０２１６号公報には、位相差顕微鏡による位相差像か
ら被観察物体の位相分布を求める方法が開示されてい
る。
トについては、例えば、"Some improvements in the ph
ase contrast microscope, K. Yamamoto, A. Taris, J.
Microscopy, 129 (1983) 49-62"にその改善方法が記載
されている。従来の位相差顕微鏡においては、一般に、
輪帯状の位相膜の径を対物レンズの瞳径の半分程度にし
て、像コントラストを改善している。また、特公平７−
６０２１６号公報には、位相差顕微鏡による位相差像か
ら被観察物体の位相分布を求める方法が開示されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、位相差
顕微鏡による結像においては、例えば、「位相差顕微鏡
の像コントラストに関する考察」（大木裕史、光学、Vo
l.20, No.9, 1991, pp590-594)に記載されているよう
に、カットオフ周波数は位相膜の径と瞳径との比によっ
て決まる。このため、通常の明視野顕微鏡と比較して、
解像力が劣るという欠点があった。位相膜の径と瞳径と
の比を１に近づければ、この欠点を除去することができ
るが、このようにすると、上記文献にも記載されている
ように、低い帯域の空間周波数のコントラストが下がる
ため、全体のコントラストが下がり、視覚的に不明瞭な
像になってしまうという問題があった。
顕微鏡による結像においては、例えば、「位相差顕微鏡
の像コントラストに関する考察」（大木裕史、光学、Vo
l.20, No.9, 1991, pp590-594)に記載されているよう
に、カットオフ周波数は位相膜の径と瞳径との比によっ
て決まる。このため、通常の明視野顕微鏡と比較して、
解像力が劣るという欠点があった。位相膜の径と瞳径と
の比を１に近づければ、この欠点を除去することができ
るが、このようにすると、上記文献にも記載されている
ように、低い帯域の空間周波数のコントラストが下がる
ため、全体のコントラストが下がり、視覚的に不明瞭な
像になってしまうという問題があった。
【０００５】また、位相膜の径を変えずに像コントラス
トを上げる方法として、位相膜の吸収を大きくすること
が考えられる。しかしながら、位相膜の吸収を大きくす
ると、例えば、「顕微鏡における逆問題について」（高
橋、根本、電子通信学会技術研究報告ＭＢＥ８８−５
８, pp35-42, 1988)において指摘されているように、生
体標本のように波長と比較して厚さが大きい標本に対し
ては、本来標本に存在しない空間周波数成分（非線形
項）の影響が現れ、正確な位相差像が再現されなくなる
という問題が生じる。
トを上げる方法として、位相膜の吸収を大きくすること
が考えられる。しかしながら、位相膜の吸収を大きくす
ると、例えば、「顕微鏡における逆問題について」（高
橋、根本、電子通信学会技術研究報告ＭＢＥ８８−５
８, pp35-42, 1988)において指摘されているように、生
体標本のように波長と比較して厚さが大きい標本に対し
ては、本来標本に存在しない空間周波数成分（非線形
項）の影響が現れ、正確な位相差像が再現されなくなる
という問題が生じる。
【０００６】以上のことから、従来の位相差顕微鏡にお
いては、解像と像コントラストの双方を満足するものが
得られなかった。さらに、特公平７−６０２１６号公報
に記載されている方法では、位相差顕微鏡の応答特性に
ついての考慮がなく、位相差像から被観察物体の位相分
布を直接求めているので、被観察物体の周波数特性によ
り、求めた位相分布が異なることがあるという問題点が
ある。また、同方法においては、ハロー等の非線形成分
の影響についての考慮もされていないため、非線形成分
による位相分布の不確定性は残ったままである。
いては、解像と像コントラストの双方を満足するものが
得られなかった。さらに、特公平７−６０２１６号公報
に記載されている方法では、位相差顕微鏡の応答特性に
ついての考慮がなく、位相差像から被観察物体の位相分
布を直接求めているので、被観察物体の周波数特性によ
り、求めた位相分布が異なることがあるという問題点が
ある。また、同方法においては、ハロー等の非線形成分
の影響についての考慮もされていないため、非線形成分
による位相分布の不確定性は残ったままである。
【０００７】以上のような従来の位相差顕微鏡における
問題点に鑑みて、本発明者は、像コントラストを低下さ
せることなく、解像力を有効に向上することができるよ
うに構成し、かつ、位相差顕微鏡で観察した位相物体の
位相分布を正確にコントラストに変換することができる
位相差顕微鏡を特開平７−２２５３４１号公報に提供し
たが、本発明は、像コントラストの強調度を一層大きく
し、さらに、位相分布を求める精度を向上させることが
できる位相差顕微鏡を提供することを目的とする。
問題点に鑑みて、本発明者は、像コントラストを低下さ
せることなく、解像力を有効に向上することができるよ
うに構成し、かつ、位相差顕微鏡で観察した位相物体の
位相分布を正確にコントラストに変換することができる
位相差顕微鏡を特開平７−２２５３４１号公報に提供し
たが、本発明は、像コントラストの強調度を一層大きく
し、さらに、位相分布を求める精度を向上させることが
できる位相差顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明に係る位相差顕微鏡は、光源と、該光源から
の光を被観察物体に導く照明光学系と、前記被観察物体
の像を拡大するための結像光学系とを有し、前記照明光
学系の瞳位置に輪帯状又は円形の開口を配置し、前記被
観察物体を介して前記照明光学系の瞳位置と共役な結像
光学系の瞳位置に前記開口とほぼ共役な形状の位相膜を
有する位相板を配置した位相差顕微鏡において、前記位
相板は位相差量を変えることができ、前記結像光学系の
結像面に配置され前記被観察物体の像を受像する電子撮
像素子と、前記撮像素子で受像して得た画像情報を記憶
するための手段と、前記画像情報を処理する画像処理手
段とを備え、前記位相差量を変化させて位相差量の異な
る複数の画像情報を得る第1の過程と、各々の画像情報
に位相差量を変数とする周期関数を重み関数として掛け
合わせる第2の過程と該第2の過程で得られた各画像情報
を積算処理する第3の過程を有し、前記第1乃至第3の過
程から前記被観察物体の情報を得ることを特徴とするも
のである。また、本発明に係る位相差顕微鏡は、前記周
期関数が略正弦関数であることを特徴とする。 また、本
発明に係る位相差顕微鏡は、前記周期関数の１周期内の
複数の位相差量について前記積算処理を行うことを特徴
とする。 また、本発明に係る位相差顕微鏡は、前記周期
関数の少なくとも１周期以上にわたり前記積算処理を行
うことを特徴とする。 更に、本発明に係る位相差顕微鏡
は、前記周期関数に略正弦関数を用い、前記第１乃至第
３の過程により得られた前記被観察物体の情報を、開口
及び位相板の形状と結像特性から求まる応答関数を用い
てデコンボリューション処理する第４の過程を備え、前
記第１乃至第４の過程から、被観察物体の位相分布を求
めることを特徴とする。
め、本発明に係る位相差顕微鏡は、光源と、該光源から
の光を被観察物体に導く照明光学系と、前記被観察物体
の像を拡大するための結像光学系とを有し、前記照明光
学系の瞳位置に輪帯状又は円形の開口を配置し、前記被
観察物体を介して前記照明光学系の瞳位置と共役な結像
光学系の瞳位置に前記開口とほぼ共役な形状の位相膜を
有する位相板を配置した位相差顕微鏡において、前記位
相板は位相差量を変えることができ、前記結像光学系の
結像面に配置され前記被観察物体の像を受像する電子撮
像素子と、前記撮像素子で受像して得た画像情報を記憶
するための手段と、前記画像情報を処理する画像処理手
段とを備え、前記位相差量を変化させて位相差量の異な
る複数の画像情報を得る第1の過程と、各々の画像情報
に位相差量を変数とする周期関数を重み関数として掛け
合わせる第2の過程と該第2の過程で得られた各画像情報
を積算処理する第3の過程を有し、前記第1乃至第3の過
程から前記被観察物体の情報を得ることを特徴とするも
のである。また、本発明に係る位相差顕微鏡は、前記周
期関数が略正弦関数であることを特徴とする。 また、本
発明に係る位相差顕微鏡は、前記周期関数の１周期内の
複数の位相差量について前記積算処理を行うことを特徴
とする。 また、本発明に係る位相差顕微鏡は、前記周期
関数の少なくとも１周期以上にわたり前記積算処理を行
うことを特徴とする。 更に、本発明に係る位相差顕微鏡
は、前記周期関数に略正弦関数を用い、前記第１乃至第
３の過程により得られた前記被観察物体の情報を、開口
及び位相板の形状と結像特性から求まる応答関数を用い
てデコンボリューション処理する第４の過程を備え、前
記第１乃至第４の過程から、被観察物体の位相分布を求
めることを特徴とする。
【０００９】以下、１次元のモデルを用いて位相差顕微
鏡の結像について説明する。結像光学系の瞳関数をＰ
（ξ），照明光学系の瞳関数をＱ（ξ），位相物体（標
本）の位相分布をφ（ｘ）として弱位相近似を行うと、
位相物体の像強度分布Ｉ（ｘ）は次の（１）式で与えら
れる。 Ｉ（ｘ）＝Ｒ（０，０） ＋ｉ∫｛Ｒ（ｆ，０）−Ｒ（０，−ｆ）｝Φ（ｆ） ・ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′ （１） Ｒ（ｆ，ｆ′）＝∫Ｑ（ξ）Ｐ（ξ＋ｆ）Ｐ（ξ＋ｆ′）ｄξ 但し、Φ（ｆ）はφ（ｘ）のフーリエ変換を表し、ｆは
空間周波数を表す。
鏡の結像について説明する。結像光学系の瞳関数をＰ
（ξ），照明光学系の瞳関数をＱ（ξ），位相物体（標
本）の位相分布をφ（ｘ）として弱位相近似を行うと、
位相物体の像強度分布Ｉ（ｘ）は次の（１）式で与えら
れる。 Ｉ（ｘ）＝Ｒ（０，０） ＋ｉ∫｛Ｒ（ｆ，０）−Ｒ（０，−ｆ）｝Φ（ｆ） ・ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′ （１） Ｒ（ｆ，ｆ′）＝∫Ｑ（ξ）Ｐ（ξ＋ｆ）Ｐ（ξ＋ｆ′）ｄξ 但し、Φ（ｆ）はφ（ｘ）のフーリエ変換を表し、ｆは
空間周波数を表す。
【００１０】また、位相差顕微鏡の結合光学系の瞳関数
Ｐ（ξ）は下記（２）式で示す関数の線形結合で表すこ
とができる。 但し、Ａ＝Ｃｅｘｐ（−ｉθ） Ｃ：振幅透過率 ０＜Ｃ≦１ θ：位相膜の位相差量
Ｐ（ξ）は下記（２）式で示す関数の線形結合で表すこ
とができる。 但し、Ａ＝Ｃｅｘｐ（−ｉθ） Ｃ：振幅透過率 ０＜Ｃ≦１ θ：位相膜の位相差量
【００１１】ここで、照明光学系の瞳関数Ｑ（ξ）がＱ
（ξ）＝Ｐｂ（ξ）で表せるとすると、上記（１）式は
以下のように書き変えることができる。 Ｉ（ｘ）＝ＤＣ｛１−ｓｉｎθ∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′ （３） 但し、ＤＣ＝Ｃ2 ∫Ｐｂ（ξ）ｄξ Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ （４） 従って、位相差顕微鏡における像コントラストは近似的
に（３）式で表される。（３）式のθは位相膜で０次光
に与える位相差の変化量を表している。また、（４）式
は位相差顕微鏡の応答関数を表している。
（ξ）＝Ｐｂ（ξ）で表せるとすると、上記（１）式は
以下のように書き変えることができる。 Ｉ（ｘ）＝ＤＣ｛１−ｓｉｎθ∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′ （３） 但し、ＤＣ＝Ｃ2 ∫Ｐｂ（ξ）ｄξ Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ （４） 従って、位相差顕微鏡における像コントラストは近似的
に（３）式で表される。（３）式のθは位相膜で０次光
に与える位相差の変化量を表している。また、（４）式
は位相差顕微鏡の応答関数を表している。
【００１２】位相差量θは任意の値をとることができ、
従って、連続的に変化させることが可能であれば、θを
変数とすることができる。位相差顕微鏡の各画像情報に
θを変数とする正弦関数ｓｉｎθを重み関数として乗算
し、重み関数の１周期にわたって積分を行うと、以下の
ように近似的に表すことができる。 ∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ ＝∫ＤＣ〔｛１−ｓｉｎθ∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′〕・ｓｉｎθｄθ ＝πＤＣ｛∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ （５）
従って、連続的に変化させることが可能であれば、θを
変数とすることができる。位相差顕微鏡の各画像情報に
θを変数とする正弦関数ｓｉｎθを重み関数として乗算
し、重み関数の１周期にわたって積分を行うと、以下の
ように近似的に表すことができる。 ∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ ＝∫ＤＣ〔｛１−ｓｉｎθ∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ ＋∬Φ（ｆ）Φ（−ｆ′）Ｒ（ｆ，ｆ′） ・ｅｘｐ｛−（ｆ−ｆ′）ｘ｝ｄｆｄｆ′〕・ｓｉｎθｄθ ＝πＤＣ｛∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ （５）
【００１３】（５）式から、位相差顕微鏡の各画像情報
にｓｉｎθを重み関数として乗算し、重み関数の１周期
にわたって積分処理を行うことにより、被観察物体の位
相分布成分だけを抽出することができる。さらに、従来
の位相差顕微鏡のπ倍のコントラストを得ることができ
る。また、この積分操作をＮ周期にわたって行うと、次
の（６）式のようになる。 ∫N Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ ≒ＮπＤＣ｛∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ （６） すなわち、被観察物体の位相分布成分について、Ｎπ倍
の画像強調が可能になる。
にｓｉｎθを重み関数として乗算し、重み関数の１周期
にわたって積分処理を行うことにより、被観察物体の位
相分布成分だけを抽出することができる。さらに、従来
の位相差顕微鏡のπ倍のコントラストを得ることができ
る。また、この積分操作をＮ周期にわたって行うと、次
の（６）式のようになる。 ∫N Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ ≒ＮπＤＣ｛∫Ｆ（ｆ）Φ（ｆ）ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ｝ （６） すなわち、被観察物体の位相分布成分について、Ｎπ倍
の画像強調が可能になる。
【００１４】（５）式では、ハロー等の非線形成分の影
響は小さいものとして近似しているが、ハロー成分があ
った場合でも、ハロー成分は位相膜の位相差量に依存し
ないので、本発明で示す積算処理を行うとハロー成分は
なくなり、（５）式が成り立つ。
響は小さいものとして近似しているが、ハロー成分があ
った場合でも、ハロー成分は位相膜の位相差量に依存し
ないので、本発明で示す積算処理を行うとハロー成分は
なくなり、（５）式が成り立つ。
【００１５】次いで、（５）式のフーリエ変換を行う
と、次の（７）式になる。 ∫｛∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ｝ｅｘｐ（ｉｆｘ）ｄｆ ＝πＤＣ・Ｆ（ｆ）・Φ（ｆ） （７） （７）式の両辺をπＤＣ・Ｆ（ｆ）で除算してフーリエ
変換を行うと次の（８）式を得る。 φ（ｘ） ＝∫〔∫｛∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθ（ｔ）ｄｔ｝ｅｘｐ（ｉｆｘ）ｄｆ ／πＤＣ・Ｆ（ｆ）〕ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ （８） （８）式のＦ（ｆ）は（４）式より、 Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ で与えられる。
と、次の（７）式になる。 ∫｛∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθｄθ｝ｅｘｐ（ｉｆｘ）ｄｆ ＝πＤＣ・Ｆ（ｆ）・Φ（ｆ） （７） （７）式の両辺をπＤＣ・Ｆ（ｆ）で除算してフーリエ
変換を行うと次の（８）式を得る。 φ（ｘ） ＝∫〔∫｛∫Ｉ（ｘ）ｓｉｎθ（ｔ）ｄｔ｝ｅｘｐ（ｉｆｘ）ｄｆ ／πＤＣ・Ｆ（ｆ）〕ｅｘｐ（−ｉｆｘ）ｄｆ （８） （８）式のＦ（ｆ）は（４）式より、 Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ で与えられる。
【００１６】この処理はデコンボリューション処理と呼
ばれ、被観察物体の像強度分布から光学系の応答特性を
利用して被観察物体の振幅分布や位相分布を求める方法
である。従って、Ｆ（ｆ）は照明系及び結像系の瞳関数
から求めることができ、Ｆ（ｆ）が求まれば、（５）式
の積分操作を行った後に、（８）式から被観察物体の位
相分布を求めることができる。また、（６）式の積分操
作を行った後に、デコンボリューション処理を行うこと
により、被観察物体の位相分布を求める精度を向上させ
ることができる。
ばれ、被観察物体の像強度分布から光学系の応答特性を
利用して被観察物体の振幅分布や位相分布を求める方法
である。従って、Ｆ（ｆ）は照明系及び結像系の瞳関数
から求めることができ、Ｆ（ｆ）が求まれば、（５）式
の積分操作を行った後に、（８）式から被観察物体の位
相分布を求めることができる。また、（６）式の積分操
作を行った後に、デコンボリューション処理を行うこと
により、被観察物体の位相分布を求める精度を向上させ
ることができる。
【００１７】以上の式展開においては、リングスリット
と位相膜の径が一致するものとしている。しかし、実際
の位相差顕微鏡では、位相膜の径をリングスリットの径
よりもやや大きく設定している。このような状態でも、
次の（９）式が成り立つ。 但し、ＮＡi ≦ＮＡi' ＮＡ0'≦ＮＡ0 リングスリットの形状が（９）式を満足していれば、Ｆ
（ｆ）は、 Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｑ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ から求めることができる。
と位相膜の径が一致するものとしている。しかし、実際
の位相差顕微鏡では、位相膜の径をリングスリットの径
よりもやや大きく設定している。このような状態でも、
次の（９）式が成り立つ。 但し、ＮＡi ≦ＮＡi' ＮＡ0'≦ＮＡ0 リングスリットの形状が（９）式を満足していれば、Ｆ
（ｆ）は、 Ｆ（ｆ）＝２Ｃ∫Ｑ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ／ＤＣ から求めることができる。
【００１８】
（第一の実施の形態）図１は本発明の第一の実施形態を
示す。本実施形態に係る位相差顕微鏡は、コンデンサレ
ンズ１ａを有する照明光学系１の瞳位置に、任意形状の
開口としてのリングスリット２を配置し、このリングス
リット２と標本面を介して共役な位置関係にある対物レ
ンズ３ａを有する結像光学系３の瞳位置に、リングスリ
ット２と共役な形状すなわち相似の形状の位相板４を配
置し、標本面に配置される標本５を照明光学系１により
照明し、位相差法により観察するものである。本実施形
態では、結像光学系３による像をその結像面に配置した
電子撮像素子（ＣＣＤ）６で撮像し、その画像を記憶装
置（フレームメモリ）７に記憶し、この記憶装置７に記
憶された画像は処理装置８において積算及び演算され、
位相差像が得られる。
示す。本実施形態に係る位相差顕微鏡は、コンデンサレ
ンズ１ａを有する照明光学系１の瞳位置に、任意形状の
開口としてのリングスリット２を配置し、このリングス
リット２と標本面を介して共役な位置関係にある対物レ
ンズ３ａを有する結像光学系３の瞳位置に、リングスリ
ット２と共役な形状すなわち相似の形状の位相板４を配
置し、標本面に配置される標本５を照明光学系１により
照明し、位相差法により観察するものである。本実施形
態では、結像光学系３による像をその結像面に配置した
電子撮像素子（ＣＣＤ）６で撮像し、その画像を記憶装
置（フレームメモリ）７に記憶し、この記憶装置７に記
憶された画像は処理装置８において積算及び演算され、
位相差像が得られる。
【００１９】位相板４は、図２（Ａ）に示すように、２
枚の平行平板１０ａ，１０ｂによって液晶１１を挟み込
んで形成する。平行平板１０ａ，１０ｂには、各々図２
（Ｂ），（Ｃ）に示すように、輪帯状の透明電極１２
ａ，１２ｂをコートするとともに、これら透明電極１２
ａ，１２ｂ上の何れか一方又は双方に吸収膜をコートす
る。ここで、吸収膜は、一方の電極上に設ける場合に
は、その透過率を１０〜１５％程度とし、双方の電極上
に設ける場合には、二つの吸収膜を合わせた透過率が１
０〜１５％程度となるようにする。この実施形態におい
ては、結合光学系３の瞳の半径Ｒを１と規格化したと
き、透明電極１２ａ，１２ｂの内径ｒ１＝０．７、外径
ｒ２＝０．８としている。
枚の平行平板１０ａ，１０ｂによって液晶１１を挟み込
んで形成する。平行平板１０ａ，１０ｂには、各々図２
（Ｂ），（Ｃ）に示すように、輪帯状の透明電極１２
ａ，１２ｂをコートするとともに、これら透明電極１２
ａ，１２ｂ上の何れか一方又は双方に吸収膜をコートす
る。ここで、吸収膜は、一方の電極上に設ける場合に
は、その透過率を１０〜１５％程度とし、双方の電極上
に設ける場合には、二つの吸収膜を合わせた透過率が１
０〜１５％程度となるようにする。この実施形態におい
ては、結合光学系３の瞳の半径Ｒを１と規格化したと
き、透明電極１２ａ，１２ｂの内径ｒ１＝０．７、外径
ｒ２＝０．８としている。
【００２０】この液晶による位相板４を結像系の瞳内に
配置し、位相板４の位相差量を変化させながら、位相差
像を電子撮像素子によって受像し、演算処理を行う。こ
の位相板４の透明電極１２ａ，１２ｂは液晶コントロー
ル装置１３に接続されており、この液晶コントロール装
置１３により透明電極１２ａ，１２ｂを介して液晶１１
に印加する電圧を制御し、透明電極１２ａ，１２ｂ以外
の部分を透過する光に対して、光路差を変化させる。こ
こで、液晶による位相板は予め液晶に印加する電圧を調
整し、電極部分を通過する光と電極以外の部分を通過す
る光との間の光路差（位相差）と印加電圧との関係を求
めておく。
配置し、位相板４の位相差量を変化させながら、位相差
像を電子撮像素子によって受像し、演算処理を行う。こ
の位相板４の透明電極１２ａ，１２ｂは液晶コントロー
ル装置１３に接続されており、この液晶コントロール装
置１３により透明電極１２ａ，１２ｂを介して液晶１１
に印加する電圧を制御し、透明電極１２ａ，１２ｂ以外
の部分を透過する光に対して、光路差を変化させる。こ
こで、液晶による位相板は予め液晶に印加する電圧を調
整し、電極部分を通過する光と電極以外の部分を通過す
る光との間の光路差（位相差）と印加電圧との関係を求
めておく。
【００２１】まず、印加電圧を調整し、位相板４の位相
差量が０になる電圧値を求める。次いで、図３に示すよ
うに、位相板の位相差量が２π／ｎ（ｎは整数）ずつス
テップ的に変化するように、位相差量が０になる電圧値
から液晶に印加する電圧の値を求めておく。液晶に印加
する電圧を変化させ、位相板の位相差量が２π／ｎずつ
変化する毎に、位相差画像を電子撮像素子で撮像し、撮
像した画像情報にｓｉｎ（２πｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦
ｎ）を乗算し、各画素ごとに積算演算を行う。この積算
処理により得られた画像情報は、観察画像から被観察物
体の位相分布に比例した成分を抽出した画像情報であ
り、通常の位相差観察による画像情報の約π倍のコント
ラストを得ることができる。
差量が０になる電圧値を求める。次いで、図３に示すよ
うに、位相板の位相差量が２π／ｎ（ｎは整数）ずつス
テップ的に変化するように、位相差量が０になる電圧値
から液晶に印加する電圧の値を求めておく。液晶に印加
する電圧を変化させ、位相板の位相差量が２π／ｎずつ
変化する毎に、位相差画像を電子撮像素子で撮像し、撮
像した画像情報にｓｉｎ（２πｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦
ｎ）を乗算し、各画素ごとに積算演算を行う。この積算
処理により得られた画像情報は、観察画像から被観察物
体の位相分布に比例した成分を抽出した画像情報であ
り、通常の位相差観察による画像情報の約π倍のコント
ラストを得ることができる。
【００２２】ここで、リングスリット２と位相板４とは
共役であるとし、照明系と結像系の瞳を２次元に拡張し
て、 ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ （１０） を計算すると、図４に示す結果が得られる。図４の縦軸
は結像系の瞳の半径を１に規格化したときの値であり、
結像系の開口数ＮＡと光源の波長λとを用いたＮＡ／λ
を単位にした座標である。また、縦軸は（１０）式を∫
Ｐｂ（ξ）ｄξで規格化したときのＭＴＦを表してい
る。
共役であるとし、照明系と結像系の瞳を２次元に拡張し
て、 ∫Ｐｂ（ξ）Ｐａ（ξ＋ｆ）ｄξ （１０） を計算すると、図４に示す結果が得られる。図４の縦軸
は結像系の瞳の半径を１に規格化したときの値であり、
結像系の開口数ＮＡと光源の波長λとを用いたＮＡ／λ
を単位にした座標である。また、縦軸は（１０）式を∫
Ｐｂ（ξ）ｄξで規格化したときのＭＴＦを表してい
る。
【００２３】図４には、比較のため、本実施形態で示し
たｒ１＝０．７とｒ２＝０．８のときの応答関数と従来
の位相差顕微鏡の応答関数（ｒ１＝０．４とｒ２＝０．
５）を並べて示してある。この応答関数から、リングス
リットの径を従来の値より大きくすることにより、位相
差顕微鏡の解像力を上げることができ、本発明で示す積
算処理によりコントラストを高くすることができる。従
って、本実施形態の構成を用いることにより、位相差顕
微鏡の解像とコントラストの両方を改善することができ
る。
たｒ１＝０．７とｒ２＝０．８のときの応答関数と従来
の位相差顕微鏡の応答関数（ｒ１＝０．４とｒ２＝０．
５）を並べて示してある。この応答関数から、リングス
リットの径を従来の値より大きくすることにより、位相
差顕微鏡の解像力を上げることができ、本発明で示す積
算処理によりコントラストを高くすることができる。従
って、本実施形態の構成を用いることにより、位相差顕
微鏡の解像とコントラストの両方を改善することができ
る。
【００２４】この場合、電子撮像素子（ＣＣＤ）に入射
する光束のＮＡには、次式で与えられる範囲が望まし
い。これは結像系のカットオフ周波数よりも撮像系のカ
ットオフ周波数の方が低いと、結像系の解像力を向上さ
せても受像の際に解像力がおちてしまうからである。 λ／ＮＡ≧２ｕ ここで、λは照明光の波長、ｕは電子撮像素子の１画素
の大きさである。
する光束のＮＡには、次式で与えられる範囲が望まし
い。これは結像系のカットオフ周波数よりも撮像系のカ
ットオフ周波数の方が低いと、結像系の解像力を向上さ
せても受像の際に解像力がおちてしまうからである。 λ／ＮＡ≧２ｕ ここで、λは照明光の波長、ｕは電子撮像素子の１画素
の大きさである。
【００２５】（第二の実施の形態）リングスリット位相
板は共役関係にあるものとして、第一の実施形態で示し
た液晶位相板と同様の液晶位相板を用い、透過率が８０
％の吸収膜をコートしておく。第一実施形態と同様に、
印加電圧を調整し、位相板の位相差量が０となる電圧値
を求める。次いで、位相板の位相差量が２π／ｎ（ｎは
整数）ずつステップ的に変化するように、位相差量が０
になる電圧値から液晶に印加する電圧の値を求めてお
く。
板は共役関係にあるものとして、第一の実施形態で示し
た液晶位相板と同様の液晶位相板を用い、透過率が８０
％の吸収膜をコートしておく。第一実施形態と同様に、
印加電圧を調整し、位相板の位相差量が０となる電圧値
を求める。次いで、位相板の位相差量が２π／ｎ（ｎは
整数）ずつステップ的に変化するように、位相差量が０
になる電圧値から液晶に印加する電圧の値を求めてお
く。
【００２６】液晶に印加する電圧を変化させ、位相板の
位相差量が２π／ｎずつ変化する毎に、位相差画像を電
子撮像素子で撮像し、撮像した画像情報にｓｉｎ（２π
ｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦ｎ）を乗算し、各画素ごとに積
算演算を行う。この積算処理を３回連続して行うことに
より、透過率が１５％の吸収膜をコートした位相板を用
いた位相差観察像の約１．３π倍の像コントラストを得
ることができる。よって、位相板に透過率の低い吸収膜
をコートしなくても、高い像コントラストを得ることが
できる。
位相差量が２π／ｎずつ変化する毎に、位相差画像を電
子撮像素子で撮像し、撮像した画像情報にｓｉｎ（２π
ｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦ｎ）を乗算し、各画素ごとに積
算演算を行う。この積算処理を３回連続して行うことに
より、透過率が１５％の吸収膜をコートした位相板を用
いた位相差観察像の約１．３π倍の像コントラストを得
ることができる。よって、位相板に透過率の低い吸収膜
をコートしなくても、高い像コントラストを得ることが
できる。
【００２７】また、位相板に透過率の高い吸収膜を用い
ることにより、ハロー等の非線形な成分の影響を小さく
することができ、被観察物体の位相分布と線形な位相差
像を正確に得ることができる。第一実施形態と同様に、
図４に示す応答関数を用いてデコンボリューション処理
を行うことにより、観察標本の位相分布を正確に求める
ことができる。
ることにより、ハロー等の非線形な成分の影響を小さく
することができ、被観察物体の位相分布と線形な位相差
像を正確に得ることができる。第一実施形態と同様に、
図４に示す応答関数を用いてデコンボリューション処理
を行うことにより、観察標本の位相分布を正確に求める
ことができる。
【００２８】（第三の実施の形態）リングスリットと位
相板は共役関係にあるものとして、第一の実施形態にお
いて示した液晶位相板と同様の液晶位相板を用いる。但
し、図２に示す電極のうち片側（（Ｂ）又は（Ｃ））の
電極を輪帯状ではなく全面電極にした位相リングを用
い、ｒ１＝０．８７２、ｒ２＝０．９３８とし、透過率
が８０％の吸収膜をコートしておく。第一実施形態と同
様に印加電圧を調整し、位相板の位相差量が０となる電
圧値を求める。次いで、位相板の位相差量が２π／ｎ
（ｎは整数）ずつステップ的に変化するように、位相差
量が０になる電圧値から液晶に印加する電圧の値を求め
ておく。
相板は共役関係にあるものとして、第一の実施形態にお
いて示した液晶位相板と同様の液晶位相板を用いる。但
し、図２に示す電極のうち片側（（Ｂ）又は（Ｃ））の
電極を輪帯状ではなく全面電極にした位相リングを用
い、ｒ１＝０．８７２、ｒ２＝０．９３８とし、透過率
が８０％の吸収膜をコートしておく。第一実施形態と同
様に印加電圧を調整し、位相板の位相差量が０となる電
圧値を求める。次いで、位相板の位相差量が２π／ｎ
（ｎは整数）ずつステップ的に変化するように、位相差
量が０になる電圧値から液晶に印加する電圧の値を求め
ておく。
【００２９】液晶に印加する電圧を変化させ、位相板の
位相差量が２π／ｎずつ変化する毎に、位相差画像を電
子撮像素子で撮像し、撮像した画像情報にｓｉｎ（２π
ｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦ｎ）を乗算し、各画素ごとに積
算演算を行う。この積算処理を行うことにより、透過率
が１５％の吸収膜をコートした位相板を用いた位相差観
察像の約１．４倍の像コントラストを得ることができ
る。この画像強調したときの位相差顕微鏡の応答特性は
図５に示すＭＴＦと等価になり、通常の明視野観察のＭ
ＴＦに近い特性になっている。このように、明視野観察
に近い解像での位相差観察が可能になる。図５のＭＦＴ
を用いてデコンボリューションすることにより、観察標
本の位相分布を求めることができる。
位相差量が２π／ｎずつ変化する毎に、位相差画像を電
子撮像素子で撮像し、撮像した画像情報にｓｉｎ（２π
ｌ／ｎ）の値（０≦ｌ≦ｎ）を乗算し、各画素ごとに積
算演算を行う。この積算処理を行うことにより、透過率
が１５％の吸収膜をコートした位相板を用いた位相差観
察像の約１．４倍の像コントラストを得ることができ
る。この画像強調したときの位相差顕微鏡の応答特性は
図５に示すＭＴＦと等価になり、通常の明視野観察のＭ
ＴＦに近い特性になっている。このように、明視野観察
に近い解像での位相差観察が可能になる。図５のＭＦＴ
を用いてデコンボリューションすることにより、観察標
本の位相分布を求めることができる。
【００３０】液晶による位相板を配置する位置について
は、本実施形態においては、説明の便宜上、照明光学系
の瞳の１次共役位置に配置しているが、これには限定さ
れない。結像光学系が照明光学系の瞳の１次共役位置を
リレーする光学系を有し、照明光学系の瞳の２次共役位
置がある場合には、２次共役位置に位相板を配置し、積
算処理を行うことにより同様の効果を得ることができ
る。
は、本実施形態においては、説明の便宜上、照明光学系
の瞳の１次共役位置に配置しているが、これには限定さ
れない。結像光学系が照明光学系の瞳の１次共役位置を
リレーする光学系を有し、照明光学系の瞳の２次共役位
置がある場合には、２次共役位置に位相板を配置し、積
算処理を行うことにより同様の効果を得ることができ
る。
【００３１】
【００３２】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、位相差
板の位相差量を可変にし、位相差量を変化させながら位
相差画像を電子撮像素子で撮像し、撮像した位相差画像
を位相差量を変数とする周期関数を重み関数として乗算
し、積算することにより、位相差画像から被観察物体の
位相分布に比例する画像を抽出することができる。さら
に、位相差画像のコントラストを強調することもでき
る。また、位相差画像のコントラストを強調することに
より、リングスリットと位相膜の径と瞳の径との比を１
に近づけたときのコントラスト低下を補うことができ、
結果的に位相差顕微鏡の解像力を高めることができる。
被観察物体の位相分布に比例する画像を抽出し、これを
位相差顕微鏡の応答関数を用いてデコンボリューション
処理することにより、被観察物体の位相分布を正確に求
めることができる。
板の位相差量を可変にし、位相差量を変化させながら位
相差画像を電子撮像素子で撮像し、撮像した位相差画像
を位相差量を変数とする周期関数を重み関数として乗算
し、積算することにより、位相差画像から被観察物体の
位相分布に比例する画像を抽出することができる。さら
に、位相差画像のコントラストを強調することもでき
る。また、位相差画像のコントラストを強調することに
より、リングスリットと位相膜の径と瞳の径との比を１
に近づけたときのコントラスト低下を補うことができ、
結果的に位相差顕微鏡の解像力を高めることができる。
被観察物体の位相分布に比例する画像を抽出し、これを
位相差顕微鏡の応答関数を用いてデコンボリューション
処理することにより、被観察物体の位相分布を正確に求
めることができる。
【図１】本発明に係る位相差顕微鏡の第一実施形態の概
略図である。
略図である。
【図２】図１に示した位相板の構成を示す正面図（Ａ）
及び側面図（Ｂ），（Ｃ）である。
及び側面図（Ｂ），（Ｃ）である。
【図３】各画素毎の積算処理を示す概念図である。
【図４】第一実施形態に係る位相差顕微鏡と従来の位相
差顕微鏡の双方の応答関数を示すグラフである。
差顕微鏡の双方の応答関数を示すグラフである。
【図５】第三実施形態に係る位相差顕微鏡の応答関数を
示すグラフである。
示すグラフである。
１ 照明光学系
２ リングスリット
３ 結像光学系
３ａ 対物レンズ
４ 位相板
５ 標本
６ 電子撮像素子
７ 記憶装置
８ 処理装置
１０ａ，１０ｂ 平行平板
１１ 液晶
１２ａ，１２ｂ 透明電極
１３ 液晶コントロール装置
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 21/00
Claims (5)
- 【請求項１】 光源と、該光源からの光を被観察物体に
導く照明光学系と、前記被観察物体の像を拡大するため
の結像光学系とを有し、前記照明光学系の瞳位置に輪帯
状又は円形の開口を配置し、前記被観察物体を介して前
記照明光学系の瞳位置と共役な結像光学系の瞳位置に前
記開口とほぼ共役な形状の位相膜を有する位相板を配置
した位相差顕微鏡において、前記位相板は位相差量を変
えることができ、前記結像光学系の結像面に配置され前
記被観察物体の像を受像する電子撮像素子と、前記撮像
素子で受像して得た画像情報を記憶するための手段と、
前記画像情報を処理する画像処理手段とを備え、前記位
相差量を変化させて位相差量の異なる複数の画像情報を
得る第1の過程と、各々の画像情報に位相差量を変数と
する周期関数を重み関数として掛け合わせる第2の過程
と該第2の過程で得られた各画像情報を積算処理する第3
の過程を有し、前記第1乃至第3の過程から前記被観察物
体の情報を得ることを特徴とする位相差顕微鏡。 - 【請求項２】 前記周期関数が略正弦関数であることを
特徴とする請求項１に記載の位相差顕微鏡。 - 【請求項３】 前記周期関数の１周期内の複数の位相差
量について前記積算処理を行うことを特徴とする請求項
１又は２に記載の位相差顕微鏡。 - 【請求項４】 前記周期関数の少なくとも１周期以上に
わたり前記積算処理を行うことを特徴とする請求項１又
は２に記載の位相差顕微鏡。 - 【請求項５】 前記周期関数に略正弦関数を用い、前記
第１乃至第３の過程により得られた前記被観察物体の情
報を、開口及び位相板の形状と結像特性から求まる応答
関数を用いてデコンボリューション処理する第４の過程
を備え、前記第１乃至第４の過程から、被観察物体の位
相分布を求めることを特徴とする請求項３又は４に記載
の位相差顕微鏡。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33927395A JP3523734B2 (ja) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | 位相差顕微鏡 |
| US08/729,410 US5969855A (en) | 1995-10-13 | 1996-10-11 | Microscope apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33927395A JP3523734B2 (ja) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | 位相差顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09179029A JPH09179029A (ja) | 1997-07-11 |
| JP3523734B2 true JP3523734B2 (ja) | 2004-04-26 |
Family
ID=18325897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33927395A Expired - Fee Related JP3523734B2 (ja) | 1995-10-13 | 1995-12-26 | 位相差顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3523734B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6819435B2 (en) | 2000-04-12 | 2004-11-16 | Nano Or Technologies Inc. | Spatial and spectral wavefront analysis and measurement |
| JP4582762B2 (ja) * | 2003-12-12 | 2010-11-17 | オリンパス株式会社 | 顕微鏡観察方法及びそれを用いるための顕微鏡 |
| JP4652801B2 (ja) * | 2004-12-22 | 2011-03-16 | オリンパス株式会社 | 透過照明装置、それを備えた顕微鏡、及び透過照明方法 |
| JP5733940B2 (ja) * | 2010-10-07 | 2015-06-10 | 有限会社 高度技術研究所 | 位相差画像検査の方法およびその装置 |
| JP5492796B2 (ja) * | 2011-01-20 | 2014-05-14 | 株式会社日立製作所 | 光学装置 |
| JP6299409B2 (ja) * | 2014-05-14 | 2018-03-28 | ソニー株式会社 | 位相差顕微鏡及び位相差顕微鏡システム |
-
1995
- 1995-12-26 JP JP33927395A patent/JP3523734B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09179029A (ja) | 1997-07-11 |
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