JP4389258B2

JP4389258B2 - 光学観察装置

Info

Publication number: JP4389258B2
Application number: JP2000234360A
Authority: JP
Inventors: 信一郎河村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: JP2002049008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡等の光学観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より良く知られているように、顕微鏡等の対物レンズは図３に示すように直交する二方向ｘ，ｙによって示される平面にある観察物体の物体情報Ｏ（ｘ，ｙ）を像情報ｉ（ｘ’，ｙ’）として結像する。
この場合、像情報ｉ（ｘ’，ｙ’）は対物レンズ１の収差と回折限界のために物体情報Ｏ（ｘ，ｙ）にボケが重畳した像となる。
【０００３】
回折限界は、図４（ａ）に示す点物体が同図（ｂ）に示すような広がりを持った像になることを意味しており、このボケ方は情報伝達関数ＰＳＦ（Point Spread Function）によって決定される。
【０００４】
一般に、物体情報Ｏ（ｘ，ｙ）は、点物体の集合として扱えるためｉ（ｘ’，ｙ’）は以下のように表わすことができる。
【数式１】

【０００５】
式（１）は次式のようにも表わされる。
【数式２】

【０００６】
ところで、ボケのない元情報であるＯ（ｘ，ｙ）を求めるためには、従来はコンピュータを用いてのデコンボリューション処理を行うか、あるいは共焦点顕微鏡を用いる必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その場合次のような課題があった。
（１）デコンボリューション処理の場合は、計算が複雑で時間がかかるという欠点がある。
（２）共焦点顕微鏡を用いる場合は、装置が複雑化し、共焦点顕微鏡においてもボケが残るという欠点がある。特にマルチピンホール式共焦点顕微鏡はクロストークによるボケの影響がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、実質上ボケのない観察物体の実像を得ることのできる光学観察装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、
対物レンズと、下記の関係式におけるＯＴＦ（ｕ，ｖ）の逆数である透過率を有する液晶フィルタが使用され、この対物レンズにより観察物体の像が結像するフーリエ変換面に置かれたデコンボリューションフィルタと、このデコンボリューションフィルタの後側に配置され、実空間における観察物体の実像を得るチューブレンズを備えたことを特徴とする。
【００１０】
デコンボリューションフィルタを用いることにより、デコンボリューションのための複雑な計算が不要で、しかもボケのない元情報である観察物体の実像を容易かつ高速に求めることができる。
【００１１】
この場合のデコンボリューションフィルタは、次の関係式におけるＯＴＦ（ｕ，ｖ）の逆数である透過率を有する。
Ｏ（ｕ，ｖ）＝Ｉ（ｕ，ｖ）／ＯＴＦ（ｕ，ｖ）
ただし、Ｉ（ｕ，ｖ）は、フーリエ変換面に形成される観察物体のフーリエ変換像。
ＯＴＦ（ｕ，ｖ）は、情報伝達関数のフーリエ変換。
Ｏ（ｕ，ｖ）は、実空間における観測物体の実像。
【００１２】
また、デコンボリューションフィルタとしては、請求項１のように、前記透過率を持った液晶フィルタを使用することもできる。液晶フィルタはマトリックス状に配置された液晶画素ごとに光透過率を制御でき、対物レンズに応じて透過率を容易に変更できるという利点もある。
【００１３】
請求項２の発明では、
対物レンズと、この対物レンズの後側に配置され対物レンズのフーリエ変換面の像を結像するチューブレンズと、このチューブレンズの後側に配置され、チューブレンズの後側の実像面に結像した像の実像を得るための第１と第２のリレーレンズと、下記の関係式におけるＯＴＦ（ｕ，ｖ）の逆数である透過率を有する液晶フィルタが使用され、この第１と第２のリレーレンズの中間に配置されたデコンボリューションフィルタを備えたことを特徴とする。
Ｏ（ｕ，ｖ）＝Ｉ（ｕ，ｖ）／ＯＴＦ（ｕ，ｖ）
ただし、Ｉ（ｕ，ｖ）は、フーリエ変換面に形成される観察物体のフーリエ変換像。
ＯＴＦ（ｕ，ｖ）は、情報伝達関数のフーリエ変換。
Ｏ（ｕ，ｖ）は、実空間における観測物体の実像。
【００１４】
このような構成によれば、顕微鏡光路系を変更せずに外付け光学系での対応ができるため、容易に外付け光学系を配置できるという効果がある。
【００１５】
この場合、請求項３のように、チューブレンズの後側の実像面に、シングルピンホールまたはマルチピンホールの共焦点用ピンホールを配置することができる。共焦点用ピンホールを配置すると、有限の大きさを持つピンホールサイズによる光学的ボケを除去できる効果がある。
マルチピンホールの場合は更にクロストークによる光学的ボケを除去することができるという効果もある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る光学観察装置の一実施例を示す原理構成図である。図１において、１は対物レンズ、２は観察物体、３はフーリエ変換面、４はチューブレンズ、５は実像、６はデコンボリューションフィルタである。
【００１７】
物体２は対物レンズ１によりフーリエ変換面３として形成される。一方、式（１）はフーリエ変換を施すと、次式のように表わされる。
Ｉ（ｕ，ｖ）＝ＯＴＦ（ｕ，ｖ）Ｏ（ｕ，ｖ） ……（３）
ただし、
【数式３】

【数式４】

【数式５】

【００１８】
Ｉ（ｕ，ｖ）はフーリエ変換面３にて形成される物体ｉ（ｘ’，ｙ’）のフーリエ変換像であり、式（３）よりフーリエ空間においてＯ（ｕ，ｖ）は、
Ｏ（ｕ，ｖ）＝Ｉ（ｕ，ｖ）／ＯＴＦ（ｕ，ｖ） ……（７）
と表わされる。
【００１９】
ＯＴＦ（ｕ，ｖ）はＰＳＦのフーリエ変換であるから、実空間における情報伝達関数、すなわち対物レンズ１の持つ画像伝達物性により、一意的に決定される。なお、顕微鏡の場合、異なる倍率、異なる開口数を持つ対物レンズが使用されるため、各々の対物レンズに応じたＯＴＦが必要である。
【００２０】
したがって、１／ＯＴＦなる透過率を持った光学的デコンボリューションフィルタ６をフーリエ変換面３に設置すれば、Ｏ（ｕ，ｖ）が光演算され、かつチューブレンズ４により実空間における実像５、つまりＯ（ｘ，ｙ）が求められる。この演算は光速で行われる。
【００２１】
図２は本発明の他の実施例図である。図１と異なるところは、顕微鏡光学系の後側に連結した光学系およびデコンボリューションフィルタ６の配置位置である。
図において、７は実像面５の後に置かれた第１のリレーレンズ、８は第1のリレーレンズ７の後に配置された第２のリレーレンズである。第１のリレーレンズ７と第２のリレーレンズ８の中間の第２のフーリエ変換面９にデコンボリューションフィルタ６が設置される。なお、図１で示したフーリエ面３を図２では第１のフーリエ変換面と呼ぶ。
【００２２】
このような構成とすれば、顕微鏡光路系を変更することなく外付け光学系での対応ができるため、配置が容易となる。
【００２３】
なお、本発明は上記実施例に限定されることなくその本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形が可能である。
例えば、実像面５にシングルピンホールの共焦点用ピンホールを置き、共焦点効果の得られる構成としても構わない。このような構成によれば、ピンホールサイズが有限の大きさを持つ限り光学的なボケが混ざった共焦点像しか得られないけれども、ピンホールを用いなかった場合に比べて格段にボケの少ない画像を得ることができる。
【００２４】
あるいは、実像面５にマルチピンホールである共焦点用ニポウディスク板（例えば、特表平０１−５０３４９３号等にニポウディスク板の記載がある）を置いても構わない。このような構成とすれば、クロストークによる光学的ボケを大幅に除去できるという効果が生じる。
【００２５】
また、液晶フィルタはマトリックス状に配置された液晶画素ごとの光透過率を制御できるため、図２におけるデコンボリューションフィルタ６として、式（３）のＯＴＦ（ｕ，ｖ）によって決定される光透過率を持った液晶フィルタを使用することもできる。この場合には、異なる対物レンズに応じてＯＴＦ（ｕ，ｖ）を容易に変化できるという効果がある。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、デコンボリューションのための複雑な計算が不要で、しかもボケのない元情報である観察物体の実像を容易かつ高速に求めることができる。
【００２７】
また、請求項２に記載の発明によれば、顕微鏡光路系を変更せずに外付け光学系での対応ができるため、容易に外付け光学系を配置できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学観察装置の一実施例を示す原理構成図である。
【図２】本発明の他の実施例図である。
【図３】観察物体の物体情報と像情報の関係を示す図である。
【図４】回折限界を説明するための図である。
【符号の説明】
１対物レンズ
２観察物体
３フーリエ変換面
４チューブレンズ
５実像
６デコンボリューションフィルタ
７第１のリレーレンズ
８第２のリレーレンズ
９第２のフーリエ変換面
１０像

Claims

対物レンズと、
下記の関係式におけるＯＴＦ（ｕ，ｖ）の逆数である透過率を有する液晶フィルタが使用され、この対物レンズにより観察物体の像が結像するフーリエ変換面に置かれたデコンボリューションフィルタと、
このデコンボリューションフィルタの後側に配置され、実空間における観察物体の実像を得るチューブレンズを備えたことを特徴とする光学観察装置。
Ｏ（ｕ，ｖ）＝Ｉ（ｕ，ｖ）／ＯＴＦ（ｕ，ｖ）
ただし、Ｉ（ｕ，ｖ）は、フーリエ変換面に形成される観察物体のフーリエ変換像。
ＯＴＦ（ｕ，ｖ）は、情報伝達関数のフーリエ変換。
Ｏ（ｕ，ｖ）は、実空間における観測物体の実像。
対物レンズと、
この対物レンズの後側に配置され対物レンズのフーリエ変換面の像を結像するチューブレンズと、
このチューブレンズの後側に配置され、チューブレンズの後側の実像面に結像した像の実像を得るための第１と第２のリレーレンズと、
下記の関係式におけるＯＴＦ（ｕ，ｖ）の逆数である透過率を有する液晶フィルタが使用され、この第１と第２のリレーレンズの中間に配置されたデコンボリューションフィルタを備えたことを特徴とする光学観察装置。
Ｏ（ｕ，ｖ）＝Ｉ（ｕ，ｖ）／ＯＴＦ（ｕ，ｖ）
ただし、Ｉ（ｕ，ｖ）は、フーリエ変換面に形成される観察物体のフーリエ変換像。
ＯＴＦ（ｕ，ｖ）は、情報伝達関数のフーリエ変換。
Ｏ（ｕ，ｖ）は、実空間における観測物体の実像。
前記チューブレンズの後側の実像面に、シングルピンホールまたはマルチピンホールの共焦点用ピンホールを配置したことを特徴とする請求項２記載の光学観察装置。