JP4917404B2 - Phase object visualization method and microscope system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reproduce information on phase distribution from an observation image of a phase object in a light viewing field microscope and to reconstruct a differential interference image or a phase difference image or the like by using the information on the phase distribution. <P>SOLUTION: Two images before and behind the vicinity of the focusing position of an optical system are acquired from a sample having the phase distribution, a difference image and a sum image are calculated from the acquired images, and the difference image is divided by the sum image so as to calculate a normalized image, then performing deconvolution of the normalized image by the optical responsiveness characteristic of the optical system, whereby a phase distribution image is reproduced. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は顕微鏡による位相物体の可視化方法に関わり、特に正確な位相情報の再現に関する。   The present invention relates to a method for visualizing a phase object with a microscope, and more particularly to reproduction of accurate phase information.

通常の生体細胞は実質的に無色透明であり、明視野顕微鏡では観察することが困難であった。そのため、生体細胞を観察する際には細胞を染色する等の工夫をする。あるいは、生体細胞が持つ位相的性質を検出する特別な装置を組み入れた顕微鏡が使われてきた。その例として位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡が挙げられる。   Ordinary living cells are substantially colorless and transparent, and are difficult to observe with a bright field microscope. Therefore, when observing a living cell, devise such as staining the cell. Alternatively, microscopes incorporating special devices that detect the topological properties of living cells have been used. Examples thereof include a phase contrast microscope and a differential interference microscope.

また、半導体基板や金属表面に形成された微小な凹凸も、表面反射光の位相差を使って観察される微分干渉顕微鏡の代表的な実用例である。微小な凹凸によって作られた反射光の位相差は微分干渉顕微鏡によって可視化される。   Moreover, the minute unevenness formed on the semiconductor substrate or the metal surface is a typical practical example of the differential interference microscope observed using the phase difference of the surface reflected light. The phase difference of the reflected light produced by minute irregularities is visualized by a differential interference microscope.

しかし、位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡は特別な装置を顕微鏡に組み込まなくてはならず、通常の明視野観察によって位相差を観察したいという欲求があった。その解決法として特許文献1に挙げられるような焦点ずらしによる位相物体の可視化法がある。特許文献1では合焦位置から焦点位置をずらす事によって、位相物体の持つ位相分布に相関したコントラストが生じ、位相物体が可視化される方法が開示されている。
特開2005−173288号公報
However, phase contrast microscopes and differential interference microscopes have to incorporate a special device into the microscope, and there is a desire to observe the phase difference by ordinary bright field observation. As a solution, there is a method of visualizing a phase object by defocusing as described in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a method in which a contrast correlated to a phase distribution of a phase object is generated by shifting the focal position from the in-focus position, and the phase object is visualized.
JP 2005-173288 A

しかし、上記の特許文献1では、位相物体が可視化されるものの、位相物体の持つ位相分布の情報を復元する方法が示されなかった。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, although a phase object is visualized, a method for restoring information on a phase distribution of the phase object is not shown.

本発明では、明視野顕微鏡における位相物体の観察像から位相分布の情報を再生する。そして、この位相分布の情報を用いて、微分干渉画像や位相差画像等を再現する。   In the present invention, phase distribution information is reproduced from an observation image of a phase object in a bright field microscope. Then, using this phase distribution information, a differential interference image, a phase difference image, and the like are reproduced.

本発明の課題は、位相分布を持つ試料から光学系の合焦位置付近の前後2枚の画像を取得し、前記画像から差画像計算し、差画像をこの前後2ヶ所で取得した画像から計算した和画像で割る、または、前記差画像をさらに合焦位置で取得した合焦位置画像で割ることによって正規化画像を計算し、この正規化画像を光学系の以下の式で与えられる光学的応答特性でデコンボリューションすることによって位相分布像を再生することによって達成される。 An object of the present invention is to obtain an image of the two front and rear focus near the position of the optical system from a sample having a phase distribution, the image difference image calculated from the images acquired difference image in this longitudinal 2 places Divide by the calculated sum image , or calculate the normalized image by dividing the difference image by the in-focus position image acquired at the in-focus position, and the normalized image is given by the following equation of the optical system : This is accomplished by reconstructing the phase distribution image by deconvolution with a dynamic response characteristic.

ここで、 here,

はTCC(Transmission Cross Coefficient)である。 Is TCC (Transmission Cross Coefficient).

本発明によれば、明視野顕微鏡における位相物体の観察像から位相分布の情報を再生することができる。
そしてこの位相分布像を利用して、試料の凹凸の高さを計算することができる。つまり、本発明は、通常の明視野顕微鏡を使って凹凸の測定が行える。
According to the present invention, phase distribution information can be reproduced from an observation image of a phase object in a bright field microscope.
And the height of the unevenness | corrugation of a sample can be calculated using this phase distribution image. That is, the present invention can measure irregularities using a normal bright field microscope.

さらに、この位相分布の情報を用いて、微分干渉画像や位相差画像等を生成することができる。このことは、微分干渉顕微鏡や位相差顕微鏡のような特別な顕微鏡を使わなくても、微分干渉観察や位相差観察を行えることを意味する。   Furthermore, using this phase distribution information, a differential interference image, a phase difference image, and the like can be generated. This means that differential interference observation and phase difference observation can be performed without using a special microscope such as a differential interference microscope or a phase contrast microscope.

まず以下では、焦点ずらしによる位相物体や基板表面の凹凸の可視化方法に関して理論的説明をして、この方法の問題点に関して説明する。その後、本発明におけるこの問題点の解決方法に関して説明をする。   First, in the following, a theoretical explanation will be given on the method of visualizing the phase object and the irregularities on the substrate surface by shifting the focus, and the problems of this method will be explained. Thereafter, a solution to this problem in the present invention will be described.

図1は原理説明図であり、物点、結像光学系入射瞳、射出瞳、結像面を模式的に示した図である。図1に示すように、合焦位置に観察物体を配置すると、観察物点から出た光は実線で示すように球面波状に広がり、結像光学系の入射瞳に入る。入射瞳に入った光は、結像光学系の射出瞳から球面波状の収束光になり、結像面に集光して像を形成する。このとき、結像光学系を透過する各光線の間に光路(位相)差は生じないので、像にボケは生じない。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle, and schematically shows an object point, an imaging optical system entrance pupil, an exit pupil, and an imaging plane. As shown in FIG. 1, when the observation object is placed at the in-focus position, the light emitted from the observation object point spreads in a spherical wave shape as indicated by the solid line and enters the entrance pupil of the imaging optical system. The light that enters the entrance pupil becomes spherical-wave-like convergent light from the exit pupil of the imaging optical system, and is condensed on the imaging surface to form an image. At this time, since there is no optical path (phase) difference between the light beams transmitted through the imaging optical system, no blur occurs in the image.

しかし、物点を点線に示す位置に移動させると、物点からの光は入射瞳に球面波状に入射する。入射瞳に入射した光は、射出瞳から移動後の像面に向かう球面波状の光に変わる。移動後の像面で観察すれば、光に光路(位相)差は発生しないが、観察点を移動させずに当初の結像面で観察すると、各光線に光路(位相)差が発生する。   However, when the object point is moved to the position indicated by the dotted line, the light from the object point enters the entrance pupil in a spherical wave shape. The light that has entered the entrance pupil changes to spherical wave light that travels from the exit pupil toward the image plane after movement. When observed on the image plane after movement, no optical path (phase) difference occurs in the light, but when observed on the original imaging plane without moving the observation point, an optical path (phase) difference occurs in each light beam.

本発明においては、この点を利用して、観察物体を結像光学系の合焦位置からずらした位置に配置することにより、結像光学系を透過する各々の光線に位相差を発生させている。   In the present invention, by utilizing this point, the observation object is arranged at a position shifted from the in-focus position of the imaging optical system, thereby generating a phase difference in each light beam transmitted through the imaging optical system. Yes.

また、図1において、結像光学系の光軸上光線と、最大NA(開口数)光線との位相の差が最も大きくなる。
したがって、観察物体を結像光学系の合焦位置から外れた位置で観察することにより、観察物体を透過した光と回折した光の間に合焦位置からのずれ量(デフォーカス量)に対応した位相差量を発生させることができる。
In FIG. 1, the phase difference between the light beam on the optical axis of the imaging optical system and the maximum NA (numerical aperture) light beam is the largest.
Therefore, by observing the observation object at a position outside the in-focus position of the imaging optical system, the amount of deviation (defocus amount) from the in-focus position between the light transmitted through the observation object and the diffracted light can be accommodated. It is possible to generate a phase difference amount.

その結果、この位相差量が位相差観察法等で用いている位相膜と等価な機能をして、位相分布に比例した像コントラストを与えることができ、位相物体や基板上の凹凸を可視化することができる。   As a result, this amount of phase difference functions equivalent to the phase film used in the phase difference observation method, etc., and can provide an image contrast proportional to the phase distribution, and visualize the unevenness on the phase object and the substrate. be able to.

位相物体を観察する場合、位相物体の位相分布に比例した像コントラストは、観察物体の位相量と透過光と回折光の間に与える位相差量とに比例する。観察物体で回折される光と透過光の間の角度は、観察物体の形状に依存して変わる。回折光と透過光の間の角度が変わると、同じデフォーカス量でも2つの光束の間に発生する位相差量が異なってくる。そのため、観察する例えば細胞毎にデフォーカス量を変えることにより、より良い像コントラストを得ることができる。   When observing a phase object, the image contrast proportional to the phase distribution of the phase object is proportional to the phase amount of the observation object and the phase difference amount provided between transmitted light and diffracted light. The angle between the light diffracted by the observation object and the transmitted light varies depending on the shape of the observation object. When the angle between the diffracted light and the transmitted light changes, the amount of phase difference generated between the two light beams varies even with the same defocus amount. Therefore, a better image contrast can be obtained by changing the defocus amount for each cell to be observed.

また、デフォーカスによって生じる各光線の位相差は、観察物体が結像光学系の合焦位置から近点側にずれた場合と遠点側にずれた場合で符号が変わる。つまり、位相物体等の観察物体を結像光学系の合焦位置から近点側にずらして観察した画像と遠点側にずらして観察した画像は、観察物体の位相分布に相当して得られる像コントラストも反転している。   Further, the sign of the phase difference of each light beam generated by defocusing changes depending on whether the observation object is shifted to the near point side or the far point side from the in-focus position of the imaging optical system. That is, an image observed by shifting an observation object such as a phase object from the in-focus position of the imaging optical system to the near point side and an image observed by shifting to the far point side are obtained corresponding to the phase distribution of the observation object. The image contrast is also reversed.

そのため、近点側にずらして撮像した画像と遠点側にずらして撮像した画像を画像間演算することにより、デフォーカスによって与えられる位相差に影響されない画像成分を分離することができる。さらに、2つの画像の画素毎に差演算を行うことにより、観察物体の位相分布に相当する画像成分の像コントラストは2倍になる。   Therefore, an image component that is not affected by the phase difference given by defocusing can be separated by performing an inter-image calculation on the image captured by shifting to the near point side and the image captured by shifting to the far point side. Further, by performing the difference calculation for each pixel of the two images, the image contrast of the image component corresponding to the phase distribution of the observation object is doubled.

以下では、上述の現象の論理的な背景を説明する。
顕微鏡の照明方法は部分コヒーレント照明であるので、その結像強度分布は以下の式で表される。
In the following, the logical background of the above phenomenon will be described.
Since the microscope illumination method is partially coherent illumination, its imaging intensity distribution is expressed by the following equation.

ここで here

はTCC(Transmission Cross Coefficient)であり、以下で与えられる。 Is TCC (Transmission Cross Coefficient) and is given below.

ここで here

は物体の複素振幅分布のフーリエ変換を表し、 Represents the Fourier transform of the complex amplitude distribution of the object,

は照明光学系の瞳の強度分布を表し、 Represents the intensity distribution of the pupil of the illumination optical system,

は結像光学系の瞳関数を表す。
以下では、説明を簡単にするためにy軸方向には変化がない1次元モデルを考える。つまり、像強度分布は
Represents the pupil function of the imaging optical system.
In the following, for the sake of simplicity, a one-dimensional model having no change in the y-axis direction is considered. In other words, the image intensity distribution is

であり、TCCは And TCC

と簡略化される。
いま、位相物体の位相分布をφ(x)とし、簡単のために透過率を1としたとき、物体の複素振幅分布o(x)とそのフーリエ変換O(f)は、弱位相近似により以下で表される。
And simplified.
If the phase distribution of the phase object is φ (x) and the transmittance is 1 for simplicity, the complex amplitude distribution o (x) of the object and its Fourier transform O (f) are It is represented by

ここでΦ(f)は位相分布のφ(x)フーリエ変換である。
これを式(3)に代入することにより、近似的に以下を得る。
Here, Φ (f) is a Φ (x) Fourier transform of the phase distribution.
By substituting this into equation (3), the following is obtained approximately.

を得る。
ここで上式の第一項がデフォーカスによって符号が変わらない項であり、第二項がデフォーカスによって符号が変わる項である。そのことを示すために、デフォーカスによるT(f,0)+T(0,-f)とT(f,0)-T(0,-f)への影響を考える。
Get.
Here, the first term in the above formula is a term whose sign does not change by defocus, and the second term is a term whose sign changes by defocus. To show that, consider the effect of defocus on T (f, 0) + T (0, -f) and T (f, 0) -T (0, -f).

一般にデフォーカス等の理由により収差W(ξ)が発生した場合の瞳関数は、   In general, the pupil function when aberration W (ξ) occurs due to defocusing, etc. is

で与えられる。ここで Given in. here

である。これを式(4)に代入する。このとき、収差W(ξ)が回転対称であることを仮定すると(例えばデフォーカスによる収差は回転対称である)、 It is. This is substituted into equation (4). At this time, assuming that the aberration W (ξ) is rotationally symmetric (for example, the aberration due to defocus is rotationally symmetric),

を得る。
一方、デフォーカス量zのデフォーカスによる波面収差は瞳の座標ξを使って、
Get.
On the other hand, the wavefront aberration due to the defocus of the defocus amount z uses the pupil coordinates ξ,

と表される。つまり、T(f,0)+T(0,-f)とはデフォーカス量zに関して偶関数であり、T(f,0)-T(0,-f)はデフォーカス量zに関して奇関数である。このことにより、式(5)の第一項がデフォーカスによって符号が変わらない項であり、第二項がデフォーカスによって符号が変わらない項であることが示された。 It is expressed. That is, T (f, 0) + T (0, -f) is an even function with respect to the defocus amount z, and T (f, 0) -T (0, -f) is an odd function with respect to the defocus amount z. It is. This indicates that the first term of the formula (5) is a term whose sign does not change by defocus, and the second term is a term whose sign does not change by defocus.

また、この性質により、デフォーカス量zとデフォーカス量-zの像強度分布をそれぞれI(x;z)とI(x;-z)とすると、差画像の像強度分布は   Also, due to this property, if the image intensity distribution of defocus amount z and defocus amount -z is I (x; z) and I (x; -z), respectively, the image intensity distribution of the difference image is

となり、位相分布に比例する要素が2倍に強調される画像が得られる。
図2は上述の方法による位相分布の可視化例である。この画像はシリコンウェハー上に半導体製造技術を用いて製作された同じ高さの溝で構成された格子パターンのデフォーカス像(図2(a),(b))とそのデフォーカスの差画像I(x;z)-I(x;-z)である。撮影条件は、対物レンズが20倍、焦点距離9mm、NA0.45であり、σ=開口絞り径/対物レンズの瞳径=0.3のときに、8μmのデフォーカス量で撮影された。
Thus, an image in which an element proportional to the phase distribution is emphasized twice is obtained.
FIG. 2 is an example of visualization of the phase distribution by the above method. This image shows a defocused image (FIGS. 2 (a) and 2 (b)) of a lattice pattern composed of grooves of the same height manufactured on a silicon wafer using a semiconductor manufacturing technique and a difference image I of the defocused image (x; z) -I (x; -z). The shooting conditions were 20 × objective lens, 9 mm focal length, and 0.45 NA. When σ = aperture stop diameter / pupil diameter of objective lens = 0.3, the image was taken with a defocus amount of 8 μm.

図2(c)から理解されるように、溝の幅によって溝の高さに関する可視化の具合が異なる。特に、格子の幅が狭い部分ではコントラストが強く出ており、そのために溝の高さが異なっているように見えてしまっている。   As understood from FIG. 2C, the degree of visualization regarding the height of the groove differs depending on the width of the groove. In particular, the contrast is strong in a portion where the width of the grating is narrow, so that it seems that the heights of the grooves are different.

このような問題が起こる理由は式(6)におけるT(f,0;z)-T(0,-f;z)が空間周波数に依存する係数となって位相分布(のフーリエ変換)Φ(f)に掛かっているからである。その結果、図2の例においては溝の幅に依存した可視化がなされてしまったのである。   The reason why such a problem occurs is that T (f, 0; z) -T (0, -f; z) in the equation (6) becomes a coefficient depending on the spatial frequency, and the phase distribution (Fourier transform) Φ ( This is because it depends on f). As a result, in the example of FIG. 2, the visualization depending on the width of the groove has been performed.

本発明は上記の問題を解決するために式(6)から位相分布φ(x)のみを復元する方法を考える。
ここで、
In order to solve the above problem, the present invention considers a method of restoring only the phase distribution φ (x) from the equation (6).
here,

とおき、その逆フーリエ変換をotf(x,z)とすると、 If the inverse Fourier transform is otf (x, z),

となる。
ここで、
It becomes.
here,

は光学系の特性(対物レンズのNA、焦点距離、照明の波長)と焦点ずらし量によって決まる。
つまり、画像取得に使われる光学系のOTFを前もって計算しておけば、位相物体の位相分布φ(x)はotf(x,z)によるデコンボルーション
Is determined by the characteristics of the optical system (NA of the objective lens, focal length, illumination wavelength) and the amount of defocus.
That is, if the OTF of the optical system used for image acquisition is calculated in advance, the phase distribution φ (x) of the phase object is deconvolved by otf (x, z).

によって、位相分布 By phase distribution

が計算される。
上記の説明では試料の位相分布変化が1次元に限定されたモデルを使って説明したが、試料の位相分布変化が2次元のときも同様の議論が成り立つ。このときは、
Is calculated.
In the above description, a model in which the phase distribution change of the sample is limited to one dimension has been described, but the same argument holds when the phase distribution change of the sample is two-dimensional. At this time,

を利用すればよい。
なお、上記の議論から解る様に、本発明はOTFを精度よく取得することが位相分布の復元精度に係わっている。そこで、照明光学系の瞳の強度分布Q(ξ)は一定であることが望ましい。さらに、照明光は単波長あるいは、狭い波長域の光を使うことが望ましい。もちろん、各3原色の照明において上記の発明を実施し、得られた画像からカラー画像を復元する方法も考えられる。
Can be used.
As can be seen from the above discussion, in the present invention, the OTF is acquired with high accuracy, which is related to the phase distribution restoration accuracy. Therefore, it is desirable that the intensity distribution Q (ξ) of the pupil of the illumination optical system is constant. Furthermore, it is desirable to use light having a single wavelength or a narrow wavelength range as illumination light. Of course, a method is also conceivable in which the above-described invention is implemented for each of the three primary color illuminations, and a color image is restored from the obtained image.

以下では、上記の理論に基づいた位相物体の可視化方法を具体例を挙げて説明する。図3は本発明の実施の例をフローチャートにしたものである。
まず、合焦位置付近の前後2枚の画像I(x;z),I(x;-z)を取得する(S1)。このとき、合焦位置からのデフォーカス量は等しいことが望ましい。
Hereinafter, a phase object visualization method based on the above theory will be described with a specific example. FIG. 3 is a flowchart showing an embodiment of the present invention.
First, two images I (x; z) and I (x; -z) before and after the in-focus position are acquired (S1). At this time, the defocus amount from the in-focus position is desirably equal.

次に2枚の画像から差画像I(x;z)-I(x;-z)と和画像I(x;z)+I(x;-z)を計算する(S2、S3)。そして差画像を和画像で正規化する(S4)。つまり、   Next, a difference image I (x; z) -I (x; -z) and a sum image I (x; z) + I (x; -z) are calculated from the two images (S2, S3). Then, the difference image is normalized with the sum image (S4). That means

を計算する。
次に、和画像で正規化された差画像をフーリエ変換する(S5)。その後、フーリエ変換した結果を光学的応答特性の逆フーリエ変換otf(x,z)で割り算する(S6)。このとき、光学的応答特性OTFは、顕微鏡光学系の特性(対物レンズのNA、焦点距離、照明の波長)と焦点ずらし量によって決まるので、この量は前もって計算しておけばよい。
Calculate
Next, the difference image normalized with the sum image is subjected to Fourier transform (S5). Thereafter, the result of the Fourier transform is divided by the inverse Fourier transform otf (x, z) of the optical response characteristic (S6). At this time, the optical response characteristic OTF is determined by the characteristics of the microscope optical system (the objective lens NA, the focal length, and the illumination wavelength) and the amount of defocusing, so this amount may be calculated in advance.

最終的に、上記の結果を逆フーリエ変換することによって位相分布像が再生される(S7)。
また、本発明の実施には変形例が考えられる。上記の(S4)の正規化のステップにおいて、和画像I(x;z)+I(x;-z)の代わりに、合焦画像I(x;0)を使うことも出来る。つまり、
Finally, a phase distribution image is reproduced by performing inverse Fourier transform on the above result (S7).
Moreover, a modification can be considered for implementation of this invention. In the normalization step (S4), the focused image I (x; 0) can be used instead of the sum image I (x; z) + I (x; −z). In other words,

を計算する代わりに、 Instead of calculating

を計算する。
本発明の実施において和画像の代わりに合焦画像を利用することの影響は、位相物体以外の対象物(あるいは位相物体としての性質と位相物体以外の性質の両方を備えている対象物)が観察視野内にあるときに生じる。デフォーカス像I(x;z)とI(x;-z)は位相物体以外の対象物にとっては単なるボケ像である。例えば図2の(a)と(b)の標本上に見られる塵は単なるボケ像として写っている。これらはコントラストの反転などの位相物体に特有の現象を現さないので、図2の(c)では差画像I(x;z)-I(x;-z)を作ることによって見えにくくなっている。
Calculate
The effect of using a focused image instead of a sum image in the implementation of the present invention is that an object other than a phase object (or an object having both a property as a phase object and a property other than a phase object) Occurs when in the viewing field. Defocused images I (x; z) and I (x; -z) are simply blurred images for objects other than phase objects. For example, the dust seen on the specimens (a) and (b) of FIG. Since these do not show phenomena peculiar to phase objects such as contrast reversal, they are made difficult to see in FIG. 2C by creating a difference image I (x; z) -I (x; -z). .

ところが、和画像I(x;z)+I(x;-z)においては、位相物体以外のとしての影響がボケ像として強調され可視化されてしまう。このとき、和画像I(x;z)+I(x;-z)の代わりに、合焦画像I(x;0)を利用することによって、ボケ像の影響を低減した正規化が出来る。   However, in the sum image I (x; z) + I (x; −z), the influence other than the phase object is enhanced and visualized as a blurred image. At this time, normalization with reduced influence of the blurred image can be performed by using the focused image I (x; 0) instead of the sum image I (x; z) + I (x; −z).

上記の可視化方法の応用として、本発明によって得られる位相分布像からは、微分干渉像を生成することも可能である。ここでいう微分干渉像とは、対象の試料を微分干渉顕微鏡で撮影したとしたら得られる画像のことである。つまり本発明によれば、微分干渉顕微鏡を使わずに通常の明視野顕微鏡をつかって微分干渉像を作ることができる。   As an application of the above-described visualization method, a differential interference image can be generated from the phase distribution image obtained by the present invention. The differential interference image here is an image obtained when the target sample is photographed with a differential interference microscope. That is, according to the present invention, a differential interference image can be created using a normal bright field microscope without using a differential interference microscope.

位相分布像と微分干渉像の関係は、特許文献2や非特許文献1で説明されているように、微分干渉顕微鏡のMTFのコンボリューションによって結ばれる。ここで、微分干渉顕微鏡のMTFは   The relationship between the phase distribution image and the differential interference image is established by convolution of the MTF of the differential interference microscope, as described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1. Here, the MTF of the differential interference microscope is

であり、Δはシェア量、 Where Δ is the share,

である。このMTFのフーリエ変換をpsfD(x)とおけば、微分干渉像は It is. If the Fourier transform of this MTF is psfD (x), the differential interference image is

で与えられる。
特許第3523725号 Optics Communications 260 (2006) 117-126 なお、式(9)においてM(f),M(0)は光学系(微分干渉顕微鏡)による因子であるので、微分干渉像への変換に本質的に寄与している因子は
Given in.
Japanese Patent No. 3523725 Optics Communications 260 (2006) 117-126 Note that in equation (9), M (f) and M (0) are factors by the optical system (differential interference microscope), and thus contribute essentially to the conversion to differential interference images. Factors that are

である。つまり、この因子を含む量(のフーリエ変換)で位相分布をコンボリューションすることによって微分干渉像が得られる。
図6は上記方法によって微分干渉像を生成したものである。同図も比較のため、本発明によるデコンボリューションをしたものと、そうでないものを並べてある。図6(a)は式(6)を位相分布とみなして、微分干渉像を生成したものであり、図6(b)は本発明のデコンボリューションを適用した結果の位相分布φ(x)から微分干渉像を生成したものである。両画像の比較をすると明確なように、本発明によるデコンボリューションを適用した微分干渉像では格子の凹凸が現実に近い形で再生されている。
It is. That is, a differential interference image is obtained by convolving the phase distribution with an amount including this factor (Fourier transform).
FIG. 6 shows a differential interference image generated by the above method. For comparison, the figure shows the deconvolution according to the present invention and the non-convolution. FIG. 6A shows a differential interference image generated by regarding the expression (6) as a phase distribution, and FIG. 6B shows a phase distribution φ (x) as a result of applying the deconvolution of the present invention. A differential interference image is generated. As is clear when the two images are compared, the concave and convex portions of the grating are reproduced in a form close to reality in the differential interference image to which the deconvolution according to the present invention is applied.

また、本発明による位相分布φ(x)は、位相差像を生成することにも応用することができる。ここでいう位相差像とは、対象の試料を位相差顕微鏡で撮影したとしたら得られる画像のことである。つまり本発明によれば、位相差顕微鏡を使わずに通常の明視野顕微鏡をつかって位相差像を作ることができる。   The phase distribution φ (x) according to the present invention can also be applied to generate a phase difference image. The phase difference image here is an image obtained when the target sample is photographed with a phase contrast microscope. That is, according to the present invention, a phase contrast image can be created using a normal bright field microscope without using a phase contrast microscope.

位相分布像と位相差像の関係も、特許文献3で説明されているように、位相差顕微鏡のMTFのコンボリューションによって結ばれる。ここで、位相差顕微鏡のMTFは   The relationship between the phase distribution image and the phase difference image is also formed by convolution of the MTF of the phase contrast microscope, as described in Patent Document 3. Here, the MTF of the phase contrast microscope is

であたえられる。ここでPa(ξ),Pb(ξ)は瞳関数P(ξ)とP(ξ)=Pa(ξ)+Pa(ξ)という関係を満たす光学系によって決まる量である。つまり、このMTFのフーリエ変換をpsfD(x)とおけば、位相差像は Is given. Here, Pa (ξ) and Pb (ξ) are quantities determined by an optical system that satisfies the relationship of pupil function P (ξ) and P (ξ) = Pa (ξ) + Pa (ξ). In other words, if this MTF Fourier transform is psfD (x), the phase difference image is

で与えられる。
特許第3540352号 ここで、図4を使って、本発明の実施のための顕微鏡の説明をする。同図は落射照明型の正立顕微鏡の模式図であるが、本発明の実施にはこの顕微鏡構成に限らない。観測する試料に応じて、倒立方顕微鏡や透過照明型の顕微鏡などを自由に利用することが出来る。
Given in.
Patent No. 3540352 Here, a microscope for carrying out the present invention will be described with reference to FIG. Although this figure is a schematic diagram of an epi-illumination type upright microscope, the present invention is not limited to this microscope configuration. Depending on the sample to be observed, an inverted cubic microscope or a transmission illumination type microscope can be used freely.

図4において、光源1から放出された照明光は照明光学系2を通り、ハーフミラー3によって光路を折り返し、対物レンズ4に入射され、試料(位相物体)5を照明する。位相物体である試料から放出される観察光は対物レンズ4によって拡大され、ハーフレンズ3を透過し、結像レンズ7によってCCDカメラなどの撮像素子8の受光面に結像される。この撮像された画像はコンピュータ9に受け渡され、ここで和画像の演算、正規化の演算、フーリエ変換の演算、OTFでのデコンボリューションなどの図3に示された一連の処理が行われる。その結果得られた、位相物体の可視化画像がコンピュータ9上のディスプレイに表示される。   In FIG. 4, the illumination light emitted from the light source 1 passes through the illumination optical system 2, turns back the optical path by the half mirror 3, enters the objective lens 4, and illuminates the sample (phase object) 5. The observation light emitted from the sample which is a phase object is magnified by the objective lens 4, passes through the half lens 3, and forms an image on the light receiving surface of the image sensor 8 such as a CCD camera by the imaging lens 7. The captured image is transferred to the computer 9, where a series of processes shown in FIG. 3 such as a sum image calculation, a normalization calculation, a Fourier transform calculation, and a deconvolution in OTF are performed. The visualized image of the phase object obtained as a result is displayed on the display on the computer 9.

本発明の実施には合焦点前後の2枚の画像を取得する必要がある。そこで、撮像素子8による画像の取得と連動してステージ6または対物レンズ4を移動させて焦点位置を変えるように構成することが望ましい。   In order to implement the present invention, it is necessary to acquire two images before and after the focal point. Therefore, it is desirable that the focal position is changed by moving the stage 6 or the objective lens 4 in conjunction with the image acquisition by the image sensor 8.

なお、これらの一連の処理はコンピュータ上のソフトウェアによって実装されてもよいし、ハードウェアとして実装されてもよい。また、独立したコンピュータの形態で構成されずに、顕微鏡システムとして一体型に構成されてもよい。   These series of processes may be implemented by software on a computer or may be implemented as hardware. Further, instead of being configured in the form of an independent computer, the microscope system may be configured integrally.

最後に上述の方法による効果を、実施例を元に説明する。
図5は、図2と同様にシリコンウェハー上に半導体製造技術を用いて製作された、段差が50nmの溝で構成された格子パターンを撮像したものである。撮像条件は、対物レンズが20倍、焦点距離9mm、NA0.45であり、σ=開口絞り径/対物レンズの瞳径=0.5であった。このとき、(a)は合焦位置での像、(b)は+2μmのデフォーカス像、(b)は−2μmのデフォーカス像である。
Finally, the effects of the above-described method will be described based on examples.
FIG. 5 shows an image of a lattice pattern made of a groove having a step of 50 nm manufactured on a silicon wafer using a semiconductor manufacturing technique in the same manner as FIG. The imaging conditions were 20 × objective lens, 9 mm focal length, and 0.45 NA, and σ = aperture aperture diameter / pupil diameter of objective lens = 0.5. At this time, (a) is an image at the in-focus position, (b) is a +2 μm defocused image, and (b) is a −2 μm defocused image.

図6に示されるグラフは、位相分布像を再生する際に使う光学的応答特性のグラフである。このグラフは、図5を撮影した条件である、焦点距離9mm、NA0.45、デフォーカス量2μmから式(8)などをつかって計算される。   The graph shown in FIG. 6 is a graph of optical response characteristics used when reproducing a phase distribution image. This graph is calculated using the formula (8) from the focal length of 9 mm, NA of 0.45, and the defocus amount of 2 μm, which are the conditions for photographing FIG.

図7は本発明による位相分布情報の再生の効果を説明する。図7(a)は図5に示される画像の正規化した差画像のアークタンジェントを求めて、位相分布像として可視化したものである。一方、図7(b)は本発明に従いデコンボリューションを実行して位相分布像として可視化したものである。なお、このときに利用した正規化の方法は和画像による正規化である。   FIG. 7 illustrates the effect of reproducing the phase distribution information according to the present invention. FIG. 7A shows an arc tangent of the normalized difference image of the image shown in FIG. 5 and visualized as a phase distribution image. On the other hand, FIG. 7B shows a phase distribution image visualized by executing deconvolution according to the present invention. Note that the normalization method used at this time is normalization using a sum image.

図8は図7の位相分布像の違いを解りやすくするために、2つの位相分布情報から格子の高さを求め、その断面をグラフ化したものである。(a)は図7(a)の位相分布情報に対応し、(b)は図7(b)の位相分布情報に対応する。両図において、横軸は図7における断面のピクセルを表し、縦軸は位相分布を高さの単位(μm)に変換したもの(つまり、位相差を波長で表したもの)である。同図から読み取れるように、本発明に従いデコンボリューションを行った位相分布情報から格子の高さを計算したものの方が、実際の格子の高さに近い値と成っていることが読み取れる。   FIG. 8 is a graph showing the cross section of the height of the grating obtained from the two pieces of phase distribution information in order to easily understand the difference between the phase distribution images of FIG. (A) corresponds to the phase distribution information of FIG. 7 (a), and (b) corresponds to the phase distribution information of FIG. 7 (b). In both figures, the horizontal axis represents the pixels in the cross section in FIG. 7, and the vertical axis represents the phase distribution converted into height units (μm) (that is, the phase difference expressed in wavelength). As can be seen from the figure, it can be seen that the grating height calculated from the phase distribution information subjected to deconvolution according to the present invention is closer to the actual grating height.

図9は本発明の応用である、微分干渉像(DIC像)の生成の実施例である。(a)は図7(a)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものであり、(b)は図7(b)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものである。   FIG. 9 shows an embodiment of generating a differential interference image (DIC image), which is an application of the present invention. (A) is obtained by convolving the MTF of the differential interference microscope with the phase distribution image of FIG. 7 (a), and (b) is the phase distribution image of FIG. 7 (b) with the differential interference microscope. It was obtained by convolving MTF.

図10も段差が50nmの溝で構成された格子パターンを撮像したものである。撮像条件は、対物レンズが20倍、焦点距離9mm、NA0.45であり、σ=開口絞り径/対物レンズの瞳径=0.5であった。このとき、(a)は合焦位置での像、(b)は+4μmのデフォーカス像、(b)は−4μmのデフォーカス像である。   FIG. 10 also shows an image of a grating pattern composed of grooves having a step of 50 nm. The imaging conditions were 20 × objective lens, 9 mm focal length, and 0.45 NA, and σ = aperture aperture diameter / pupil diameter of objective lens = 0.5. At this time, (a) is an image at the in-focus position, (b) is a defocus image of +4 μm, and (b) is a defocus image of −4 μm.

図11に示されるグラフは、位相分布像を再生する際に使う光学的応答特性のグラフである。このグラフは、図10を撮影した条件である、焦点距離9mm、NA0.45、デフォーカス量4μmから式(8)などをつかって計算される。   The graph shown in FIG. 11 is a graph of optical response characteristics used when reproducing the phase distribution image. This graph is calculated using the formula (8) from the focal length of 9 mm, NA of 0.45, and the defocus amount of 4 μm, which are the conditions for photographing FIG.

図12は本発明による位相分布情報の再生の効果を説明する。図12(a)は図10に示される画像の正規化した差画像のアークタンジェントを求めて、位相分布像として可視化したものである。一方、図12(b)は本発明に従いデコンボリューションを実行して位相分布像として可視化したものである。なお、このときに利用した正規化の方法は合焦画像による正規化である。   FIG. 12 illustrates the effect of reproducing the phase distribution information according to the present invention. FIG. 12A shows an arc tangent of the normalized difference image of the image shown in FIG. 10 and is visualized as a phase distribution image. On the other hand, FIG. 12B shows a phase distribution image visualized by executing deconvolution according to the present invention. Note that the normalization method used at this time is normalization using a focused image.

図13は図12の位相分布像の違いを解りやすくするために、2つの位相分布情報から格子の高さを求め、その断面をグラフ化したものである。(a)は図12(a)の位相分布情報に対応し、(b)は図12(b)の位相分布情報に対応する。両図において、横軸は図12における断面のピクセルを表し、縦軸は位相分布を高さの単位(μm)に変換したもの(つまり、位相差を波長で表したもの)である。同図から読み取れるように、本発明に従いデコンボリューションを行った位相分布情報から格子の高さを計算したものの方が、実際の格子の高さに近い値と成っていることが読み取れる。   FIG. 13 is a graph showing the cross section of the grating height obtained from two pieces of phase distribution information in order to make it easy to understand the difference between the phase distribution images of FIG. (A) corresponds to the phase distribution information of FIG. 12 (a), and (b) corresponds to the phase distribution information of FIG. 12 (b). In both figures, the horizontal axis represents the pixels of the cross section in FIG. 12, and the vertical axis represents the phase distribution converted into height units (μm) (that is, the phase difference expressed in wavelength). As can be seen from the figure, it can be seen that the grating height calculated from the phase distribution information subjected to deconvolution according to the present invention is closer to the actual grating height.

図14は本発明の応用である、微分干渉像(DIC像)の生成の実施例である。(a)は図12(a)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものであり、(b)は図12(b)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものである。   FIG. 14 shows an embodiment of generating a differential interference image (DIC image), which is an application of the present invention. (A) is obtained by convolving the MTF of the differential interference microscope with the phase distribution image of FIG. 12 (a), and (b) is the phase distribution image of FIG. 12 (b) with the differential interference microscope. It was obtained by convolving MTF.

図15も段差が50nmの溝で構成された格子パターンを撮像したものである。撮像条件は、対物レンズが20倍、焦点距離9mm、NA0.45であり、σ=開口絞り径/対物レンズの瞳径=0.75であった。このとき、(a)は合焦位置での像、(b)は+4μmのデフォーカス像、(b)は−4μmのデフォーカス像である。   FIG. 15 also shows an image of a grating pattern composed of grooves having a step of 50 nm. The imaging conditions were 20 × objective lens, 9 mm focal length, and 0.45 NA, and σ = aperture aperture diameter / pupil diameter of objective lens = 0.75. At this time, (a) is an image at the in-focus position, (b) is a defocus image of +4 μm, and (b) is a defocus image of −4 μm.

図16に示されるグラフは、位相分布像を再生する際に使う光学的応答特性のグラフである。このグラフは、図15を撮影した条件である、焦点距離9mm、NA0.45、デフォーカス量4μmから式(8)などをつかって計算される。   The graph shown in FIG. 16 is a graph of optical response characteristics used when reproducing a phase distribution image. This graph is calculated using the formula (8) from the focal length of 9 mm, NA of 0.45, and the defocus amount of 4 μm, which are the conditions for photographing FIG.

図17は本発明による位相分布情報の再生の効果を説明する。図17(a)は図15に示される画像の正規化した差画像のアークタンジェントを求めて、位相分布像として可視化したものである。一方、図17(b)は本発明に従いデコンボリューションを実行して位相分布像として可視化したものである。なお、このときに利用した正規化の方法は合焦画像による正規化である。   FIG. 17 illustrates the effect of reproducing the phase distribution information according to the present invention. FIG. 17A shows an arc tangent of the normalized difference image of the image shown in FIG. 15 and visualized as a phase distribution image. On the other hand, FIG. 17B shows a phase distribution image visualized by executing deconvolution according to the present invention. Note that the normalization method used at this time is normalization using a focused image.

図18は図17の位相分布像の違いを解りやすくするために、2つの位相分布情報から格子の高さを求め、その断面をグラフ化したものである。(a)は図17(a)の位相分布情報に対応し、(b)は図17(b)の位相分布情報に対応する。両図において、横軸は図17における断面のピクセルを表し、縦軸は位相分布を高さの単位(μm)に変換したもの(つまり、位相差を波長で表したもの)である。同図から読み取れるように、本発明に従いデコンボリューションを行った位相分布情報から格子の高さを計算したものの方が、実際の格子の高さに近い値と成っていることが読み取れる。   FIG. 18 is a graph showing the cross section of the lattice height obtained from the two pieces of phase distribution information in order to easily understand the difference between the phase distribution images of FIG. (A) corresponds to the phase distribution information of FIG. 17 (a), and (b) corresponds to the phase distribution information of FIG. 17 (b). In both figures, the horizontal axis represents the pixels of the cross section in FIG. 17, and the vertical axis represents the phase distribution converted into height units (μm) (that is, the phase difference expressed in wavelength). As can be seen from the figure, it can be seen that the grating height calculated from the phase distribution information subjected to deconvolution according to the present invention is closer to the actual grating height.

図19は本発明の応用である、微分干渉像(DIC像)の生成の実施例である。(a)は図17(a)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものであり、(b)は図17(b)の位相分布像に微分干渉顕微鏡のMTFをコンボリューションすることによって得られたものである。   FIG. 19 shows an embodiment of generating a differential interference image (DIC image), which is an application of the present invention. (A) is obtained by convolving the MTF of the differential interference microscope with the phase distribution image of FIG. 17 (a), and (b) is the phase distribution image of FIG. 17 (b) with the differential interference microscope. It was obtained by convolving MTF.

上記のように、本発明によれば特別な装置を組み込むことをせずに、位相物体の位相分布を取得することができ、それを基に微分干渉像や位相差像を生成することができる。   As described above, according to the present invention, the phase distribution of the phase object can be acquired without incorporating a special device, and a differential interference image or a phase difference image can be generated based on the phase distribution. .

焦点ずらしを行った場合の位相差(光路差)を説明する図である。It is a figure explaining the phase difference (optical path difference) at the time of defocusing. 焦点の前後のデフォーカス像とその差画像である。It is the defocus image before and behind a focus, and its difference image. 本発明の実施例を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the Example of this invention. 本発明の実施に利用される顕微鏡の構成例である。It is a structural example of the microscope utilized for implementation of this invention. 本発明の実施の例に使われる試料の合焦画像とデフォーカス像である(1)。It is a focused image and a defocused image of the sample used in the embodiment of the present invention (1). 本発明の実施の例に使われる光学的応答関数である(1)。It is an optical response function used in the embodiment of the present invention (1). 本発明の実施の効果を示す位相分布像である(1)。It is a phase distribution image which shows the effect of implementation of this invention (1). 本発明の実施の効果を示す位相分布の断面像である(1)。It is a cross-sectional image of phase distribution which shows the effect of implementation of this invention (1). 本発明の実施の応用例を示す微分干渉像である(1)。It is a differential interference image which shows the application example of implementation of this invention (1). 本発明の実施の例に使われる試料の合焦画像とデフォーカス像である(2)。It is a focused image and a defocused image of the sample used in the embodiment of the present invention (2). 本発明の実施の例に使われる光学的応答関数である(2)。It is an optical response function used in the embodiment of the present invention (2). 本発明の実施の効果を示す位相分布像である(2)。It is a phase distribution image which shows the effect of implementation of this invention (2). 本発明の実施の効果を示す位相分布の断面像である(2)。It is a cross-sectional image of a phase distribution showing the effect of implementation of the present invention (2). 本発明の実施の応用例を示す微分干渉像である(2)。It is a differential interference image which shows the application example of implementation of this invention (2). 本発明の実施の例に使われる試料の合焦画像とデフォーカス像である(3)。It is a focused image and defocused image of the sample used in the embodiment of the present invention (3). 本発明の実施の例に使われる光学的応答関数である(3)。It is an optical response function used in the embodiment of the present invention (3). 本発明の実施の効果を示す位相分布像である(3)。It is a phase distribution image which shows the effect of implementation of this invention (3). 本発明の実施の効果を示す位相分布の断面像である(3)。It is a cross-sectional image of phase distribution which shows the effect of implementation of the present invention (3). 本発明の実施の応用例を示す微分干渉像である(3)。It is a differential interference image which shows the application example of implementation of this invention (3).

Claims (5)

位相分布を持つ試料から光学系の合焦位置付近の前後2ヶ所で画像を取得し、
前記画像から差画像計算し、
前記差画像を前記前後2ヶ所で取得した画像から計算した和画像で割る、または、前記差画像をさらに合焦位置で取得した合焦位置画像で割ることによって正規化画像を計算し、
前記正規化画像を前記光学系の以下の式で与えられる光学的応答特性でデコンボリューションすることによって位相分布像を再生することを特徴とした位相物体の可視化方法。
ここで、
はTCC(Transmission Cross Coefficient)である。
Acquire images from a sample with a phase distribution at two locations before and after the in-focus position of the optical system.
The difference image is calculated from the image,
Divide the difference image by the sum image calculated from the images acquired at the two front and rear positions, or calculate the normalized image by dividing the difference image by the in-focus position image acquired at the in-focus position ;
A phase object visualization method, wherein a phase distribution image is reproduced by deconvolution of the normalized image with an optical response characteristic given by the following expression of the optical system.
here,
Is TCC (Transmission Cross Coefficient).
請求項に記載の位相物体の可視化方法によって得られた前記位相分布像から試料の凹凸の高さを計算する方法。 The method of calculating the uneven | corrugated height of a sample from the said phase distribution image obtained by the visualization method of the phase object of Claim 1 . 請求項に記載の位相物体の可視化方法によって得られた前記位相分布像から微分干渉像を生成する方法。 A method for generating a differential interference image from the phase distribution image obtained by the phase object visualization method according to claim 1 . 請求項に記載の位相物体の可視化方法によって得られた前記位相分布像から位相差画像を生成する方法。 A method for generating a phase difference image from the phase distribution image obtained by the phase object visualization method according to claim 1 . 位相分布を持つ試料から光学系の合焦位置付近の前後2ヶ所で画像を取得する撮像手段と、
前記画像から差画像計算する演算手段と
前記差画像を前記前後2ヶ所で取得した画像から計算した和画像で割る、または、前記差画像をさらに前記撮像手段により合焦位置で取得した合焦位置画像で割ることによって正規化画像を計算する正規化手段と、
前記正規化画像を前記光学系の以下の式で与えられる光学的応答特性でデコンボリューションするデコンボリューション手段を備えることを特徴とした顕微鏡システム。
ここで、
はTCC(Transmission Cross Coefficient)である。
Imaging means for acquiring images from a sample having a phase distribution at two positions before and after the in-focus position of the optical system;
Computing means for calculating a difference image from the image ;
The normalized image is calculated by dividing the difference image by the sum image calculated from the images acquired at the two front and rear positions , or by dividing the difference image by the in-focus position image acquired at the in-focus position by the imaging means. Normalization means to
A microscope system comprising deconvolution means for deconvolving the normalized image with an optical response characteristic given by the following expression of the optical system.
here,
Is TCC (Transmission Cross Coefficient).
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