JP5091466B2 - Observation device - Google Patents
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Description
本発明は、透明な被観察物を観察するための観察装置に関する。 The present invention relates to an observation apparatus for observing a transparent object.
培養容器中の細胞などの透明試料の観察には、その屈折率分布を可視化することのできる位相差観察が適している(非特許文献1,2など)。肉眼で観察することのできない透明試料は、試料全域の大まかな様子を確認するだけであっても、顕微鏡又は何らかの光学系が必要である。
しかし、培養容器の全域を一括して観察できるほど広視野の位相差顕微鏡は現存せず、仮にそれを実現しようとすると、特大の位相差結像光学系、特大の輪体照明光学系を要するので、極めて高コストである。
また、試料全域の大まかな様子を確認するだけであれば、位相差観察の代わりに暗視野観察を適用することも考えられる。暗視野観察は、試料中の屈折率の段差で生じた微弱な回折光(散乱光)を捉え、その回折光のみで観察像を形成するものである。
However, there is no phase-contrast microscope that has a wide field of view so that the entire area of the culture vessel can be observed all at once. To achieve this, an extra large phase difference imaging optical system and an extra large ring illumination optical system are required. So it is very expensive.
In addition, if only a rough state of the entire sample is confirmed, dark field observation may be applied instead of phase difference observation. In the dark field observation, weak diffracted light (scattered light) generated at the step of the refractive index in the sample is captured, and an observation image is formed only by the diffracted light.
しかし、暗視野顕微鏡を広視野化すると、照明角度が大きくなり、試料から大角度で射出した極めて微弱な回折光でしか観察像を形成できなくなるので、その明るさが著しく不足する。また、照明角度が大きいと、培養容器の縁や底などで生じた強い光が結像光学系に入射し、観察の障害となる可能性もある。
そこで本発明は、透明な被観察物を広視野で観察するのに適した観察装置を提供することを目的とする。
However, when the dark field microscope has a wide field of view, the illumination angle becomes large, and an observation image can be formed only with very weak diffracted light emitted from the sample at a large angle, so that the brightness is remarkably insufficient. In addition, if the illumination angle is large, strong light generated at the edge or bottom of the culture vessel may enter the imaging optical system, which may obstruct observation.
Therefore, an object of the present invention is to provide an observation apparatus suitable for observing a transparent object with a wide field of view.
本発明の観察装置は、明部と暗部とを繰り返し配置してなる面光源を、被観察物の観察面から離れた面へ配置し、その配置面から前記観察面を照明する照明手段と、前記照明手段により照明された前記観察面のうち、前記暗部に正対する部分領域を透過した回折光を瞳位置で捉え、その回折光により前記部分領域の暗視野像を結像する結像光学系と、前記結像光学系の結像面に配置され、前記結像光学系が形成した前記暗視野像を撮像する撮像手段とを備え、前記面光源の配置面は、前記結像光学系の被写界深度から外れており、前記面光源から前記観察面までの間隔は、前記撮像手段の撮像面に形成される前記面光源の像の明部及び暗部のピッチ方向の輝度分布が正弦波状となるような値に設定されていることを特徴とする。
なお、前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の物体側開口数NAに対し、P/d≦√[2{1−0.02/(NA2)}]の式を満たすことが望ましい。
The observation apparatus of the present invention is arranged with a surface light source formed by repeatedly arranging a bright part and a dark part on a surface away from the observation surface of the object to be observed, and an illuminating means for illuminating the observation surface from the arrangement surface , An imaging optical system that captures, at the pupil position, diffracted light that has passed through the partial area facing the dark part of the observation surface illuminated by the illuminating means, and forms a dark field image of the partial area with the diffracted light. And an image pickup means for picking up the dark field image formed by the image forming optical system, wherein the surface light source is disposed on the image forming surface of the image forming optical system. The distance from the surface light source to the observation surface is out of the depth of field, and the brightness distribution in the pitch direction of the bright and dark portions of the image of the surface light source formed on the imaging surface of the imaging means is sinusoidal. It is set to a value such that
Note that the above distance d, and the pitch P of brightness of the surface light source, compared object-side numerical aperture NA of the imaging optical system, P / d ≦ √ [2 {1-0.02 / (NA 2) }] Is desirable.
また、前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の像側開口数NA’に対し、P/d≦2・NA’の式を満たすことが望ましい。
また、前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の物体側開口数NA、前記面光源の波長λ、前記結像光学系の像側主面と前記撮像手段との間隔aに対し、λ/(2・a・NA)≦P/dの式を満たすことが望ましい。
Moreover, said distance d, and the pitch P of brightness of the surface light source, 'to, P / d ≦ 2 · NA' image-side numerical aperture NA of the imaging optical system preferably satisfies the equation.
Moreover, said distance d, and the pitch P of brightness of the surface light source, the imaging optical system object-side numerical aperture NA of the wavelength lambda, the the image-side principal plane of the imaging optical system imaging the surface light source It is desirable to satisfy the formula of λ / (2 · a · NA) ≦ P / d with respect to the distance a to the means.
また、前記照明手段には、略一様な強度で発光する面光源と、前記面光源上に配置され、かつ開口部と遮光部とを繰り返し配置してなるマスクとが備えられてもよい。
また、前記照明手段には、液晶空間変調素子が備えられてもよい。
また、本発明の観察装置は、前記撮像手段が取得した前記観察面の画像から、前記面光源の像の成分を除去する画像処理手段を更に備えてもよい。
The illumination means may include a surface light source that emits light with substantially uniform intensity, and a mask that is disposed on the surface light source and in which an opening portion and a light shielding portion are repeatedly disposed.
The illumination means may be provided with a liquid crystal spatial modulation element.
The observation apparatus of the present invention may further include image processing means for removing a component of the image of the surface light source from the image of the observation surface acquired by the imaging means.
また、本発明の観察装置は、前記面光源の明暗の位相を変化させる手段を更に備えてもよい。
また、本発明の観察装置は、前記面光源の明暗のピッチを変化させる手段を更に備えてもよい。
また、本発明の観察装置は、前記面光源の明暗のデューティー比を変化させる手段を更に備えてもよい。
本発明の別の観察装置は、明部と暗部とを配置してなる面光源で被観察物を照明する照明手段と、前記照明手段により照明された前記被観察物を透過した光を結像する結像光学系と、前記結像光学系が形成した前記被観察物の像を撮像する撮像手段とを備え、前記面光源の配置面は、前記結像光学系の被写界深度から外れており、前記結像光学系により前記撮像手段の撮像面に形成される前記面光源の像は、前記明部及び前記暗部の存在が認識可能な程度にボケていることを特徴とする。
The observation apparatus of the present invention may further include means for changing the light / dark phase of the surface light source.
Moreover, the observation apparatus of the present invention may further include means for changing a light / dark pitch of the surface light source.
The observation apparatus of the present invention may further include means for changing a light / dark duty ratio of the surface light source.
Another observation apparatus according to the present invention forms an image of an illumination unit that illuminates an observation object with a surface light source in which a bright part and a dark part are arranged, and light transmitted through the observation object illuminated by the illumination unit. An imaging optical system that performs imaging, and an imaging unit that captures an image of the observation object formed by the imaging optical system, wherein the surface of the surface light source deviates from the depth of field of the imaging optical system. The image of the surface light source formed on the imaging surface of the imaging unit by the imaging optical system is blurred to such an extent that the presence of the bright part and the dark part can be recognized.
本発明によれば、透明な被観察物を広視野で観察するのに適した観察装置が実現する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the observation apparatus suitable for observing a transparent to-be-observed object with a wide visual field is implement | achieved.
[第1実施形態]
以下、第1実施形態を説明する。本実施形態は、観察装置の実施形態である。
図1は、本観察装置の全体構成図である。図1に示すとおり、本観察装置には、バックライト付きの透過型液晶パネル14、ステージ(標本台)13、結像光学系12、撮像素子11、透過型液晶パネルのコントローラ15、コンピュータ16、ディスプレイ17などが備えられる。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment will be described. This embodiment is an embodiment of an observation apparatus.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of the observation apparatus. As shown in FIG. 1, this observation apparatus includes a transmissive
ステージ13には、透明な被観察物10が載置されている。被観察物10は、例えば、無染色の細胞が収められた透明な培養容器(例えば、径35mmのシャーレなど)である。
透過型液晶パネル14は、被観察物10の略全域を照明する。その照明光が遮られないように、ステージ13のうち被観察物10を載置した部分は、例えば、ガラス等の透明部材で構成されるか、或いは中空となっている。
A
The transmissive
結像光学系12の視野は十分に大きく、被観察物10の略全域から射出した光は、結像光学系12によって捉えられ、撮像素子11の撮像面上に結像する。撮像素子11は、コンピュータ16からの指示に応じて撮像面上の画像(輝度分布)を取得する。その画像は、コンピュータ16へ取り込まれ、画像処理が施された後にディスプレイ17上へ表示される。
The field of view of the imaging
なお、コンピュータ16は、画像処理前の画像や画像処理後の画像を必要に応じて保存することができる。また、画像処理前の画像を必要に応じてディスプレイ17へ表示することができる。
ここで、コントローラ15は、コンピュータ16からの指示に応じて、透過型液晶パネル14上に、明部と暗部とを繰り返し配置してなるパターンを表示する。ここでは、このパターンをストライプパターンとする。このとき、透過型液晶パネル14上に、ストライプ状の面光源が形成される。
In addition, the
Here, in response to an instruction from the
この面光源の明暗のピッチPは、観察対象である位相物体(細胞)のサイズ(10〜15μm)と比較して十分に大きく、この面光源から被観察物10までの間隔dは、面光源が結像光学系12の被写界深度から外れるよう、適度に離れている。そして、ピッチPと間隔dとの関係は、以下の3条件を満たすように設定される。
(条件1)…面光源の暗部に正対する被観察物10上の部分領域から見ると、その暗部の両側の2つの明部の張る角度は、十分に小さい。
(条件2)…面光源の明暗の双方が、結像光学系12の視野内に確実に存在する。
(条件3)…面光源の明暗の存在が、撮像素子11上で確実に認識できる。
The pitch P of the surface light source is sufficiently larger than the size (10 to 15 μm) of the phase object (cell) to be observed, and the distance d from the surface light source to the object to be observed 10 is the surface light source. Is appropriately distant from the depth of field of the imaging
(Condition 1) When viewed from the partial area on the
(Condition 2)... Both the brightness and darkness of the surface light source are surely present in the field of the imaging
(Condition 3)... The presence or absence of brightness of the surface light source can be reliably recognized on the
これら条件1,2,3の詳細は、後述する。
特に、ここでは、面光源の明暗の数十ピッチが結像光学系12の視野内に存在し、面光源の明部の幅と暗部の幅との比(デューティー比)が50%であるとする。また、ここでは、撮像素子11上の面光源像が適度にボケており、面光源像のピッチ方向の輝度分布カーブが正弦波を描くものとする。すなわち、観察面10a上では面光源像の照度が略均一になっている。なお、透過型液晶パネル14上の表示パターンには、二値のパターンとグレースケールパターンとの何れが採用されてもよい。
Details of these conditions 1, 2, and 3 will be described later.
In particular, here, it is assumed that several tens of bright and dark pitches of the surface light source exist in the field of the imaging
図2は、本観察装置の光学系部分の作用を説明する概念図である。図2には、本観察装置の光学系部分の概念を示した。
先ず、面光源上の或る暗部14Aと、その暗部14Aに正対する被観察物10上の部分領域10Aとに着目して説明する。
この部分領域10Aには、暗部14Aに隣接する2つの明部14B,14Cからの光LB,LCが入射する。暗部14Aからは光が入射しない。よって、部分領域10Aは、光LB,LCで斜光照明される。
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the operation of the optical system portion of the present observation apparatus. FIG. 2 shows the concept of the optical system portion of the present observation apparatus.
First, description will be made by paying attention to a certain
Lights LB and LC from two
その部分領域10Aでは、入射した光LB,LCの一部が回折せずにそのまま透過するが、光LB,LCの他の一部は、部分領域10A中の屈折率の段差の影響を受けて回折(或いは散乱)する。この部分領域10Aをそのまま透過した非回折光LB,LCは、結像光学系12への瞳へ入射しないが、部分領域10Aで発生した一部の回折光(或いは散乱光)Lb,Lcは、結像光学系12の瞳へ入射する。
In the
このとき、部分領域10Aと共役関係にある撮像素子11上の領域11Aには、暗部14Aの像と、部分領域10Aに存在した位相物体の輪郭の像(以下、「観察像」という。)とが重畳して形成される。つまり、部分領域10Aの暗視野像が形成される。
ここで、部分領域10Aから見ると、2つの明部14B,14Cの張る角度は、十分に小さい。よって、光LB,LCによる領域10Aの照明角度も、十分に小さい。このとき、部分領域10Aの観察像は、小角度で射出した大強度の回折光Lb,Lcによって生成されることになる。よって、部分領域10Aの観察像の明るさは、十分に高い。
At this time, in the
Here, when viewed from the
また、以上のことは、各暗部に正対する被観察物10の各領域についてそれぞれ当てはまる。したがって、撮像素子11によって取得される画像I1は、図3に示すとおり、ストライプ状の暗い背景上に観察像が重畳したものとなる。なお、図3では、面光源像の明暗部の境界をシャープに表したが、実際にはぼけている。
この画像I1をコンピュータ16がディスプレイ17に表示すれば、被観察物10の様子をユーザが簡易に観察することができる。
In addition, the above applies to each region of the object to be observed 10 facing each dark part. Therefore, the image I 1 acquired by the
By displaying the image I 1 computer 16 on the
但し、この画像I1に現れているのは、被観察物10の略半分の領域の観察像のみ(暗部に正対する領域の観察像のみ)である。しかも、その観察像の背景は、完全な暗部ではなく正弦波状の輝度分布を持つので、観察像のコントラストは低い。
そこで、本観察装置のコンピュータ16は、被観察物10の略全域を、しかも高コントラストに観察できるよう、以下の各手順を実行する。
(手順1)…透過型液晶パネル14上にストライプ状の面光源(デューティー比50%)を表示し、その状態で図3に示すような画像I1を取得する。
(手順2)…その面光源の明暗の位相をπだけシフトさせ、その状態で図4に示すような画像I2を取得する。この画像I2には、画像I1とは異なる領域の観察像が現れている。これら画像I1,I2の明暗のピッチ方向の輝度分布の概念を、図5(a)に示した。
(手順3)…図5(a)→(b)に示すとおり、画像I1,I2を個別に空間フーリエ変換し、画像I1を空間周波数成分毎に表すデータD1と、画像I2を空間周波数成分毎に表すデータD2とを得る。これらのデータD1,D2において、低周波数側の大きいピークが面光源像の成分であり、高周波数側の複数の小さいピークが観察像の成分である。
(手順4)…図5(b)→(c)に示すとおり、データD1,D2の各々から面光源像の成分を除去し、データD1’,D2’を取得する。
(手順5)…図5(c)→(d)に示すとおり、データD1’,D2’を個別に逆フーリエ変換し、画像I1’,I2’を得る。これらの画像I1,I2では、面光源像が除去されており、観察像のみが現れている。
(手順6)…図5(d)→(e)に示すとおり、画像I1’,I2’を合成して1つの画像Iを取得する。この画像Iが、ディスプレイ17へ表示される。
However, what appears in this image I 1 is only an observation image of a substantially half region of the object to be observed 10 (only an observation image of a region facing the dark part). Moreover, since the background of the observed image has a sinusoidal luminance distribution rather than a complete dark portion, the contrast of the observed image is low.
Therefore, the
(Step 1) ... displays a transmissive
(Step 2) ... the dark phase of the surface light source is shifted by [pi, acquires an image I 2 as shown in FIG. 4 in this state. In this image I 2 , an observation image of an area different from that of the image I 1 appears. The concept of the luminance distribution in the light and dark pitch directions of these images I 1 and I 2 is shown in FIG.
(Procedure 3) As shown in FIGS. 5A to 5B, the images I 1 and I 2 are individually subjected to spatial Fourier transform, and the data D 1 representing the image I 1 for each spatial frequency component, and the image I 2 the obtaining and data D 2 representing each spatial frequency component. In these data D 1 and D 2 , a large peak on the low frequency side is a component of the surface light source image, and a plurality of small peaks on the high frequency side are components of the observation image.
(Step 4) ... as shown in FIG. 5 (b) → (c), to remove the components of the surface light source images from each of the data D 1, D 2, data D 1 ', D 2' acquires.
(Procedure 5)... As shown in FIGS. 5C to 5D, data D 1 ′ and D 2 ′ are individually subjected to inverse Fourier transform to obtain images I 1 ′ and I 2 ′. In these images I 1 and I 2 , the surface light source image is removed, and only the observation image appears.
(Procedure 6)... As shown in FIGS. 5D to 5E, the images I 1 ′ and I 2 ′ are combined to obtain one image I. This image I is displayed on the
この画像Iには、被観察物10の略全域の観察像が現れており、その観察像の背景は真っ暗である。したがって、ユーザは、被観察物10の略全域を、高いコントラストで暗視野観察することができる。
[第2実施形態]
以下、第2実施形態を説明する。ここでは、第1実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、コンピュータ16による処理の手順にある。本実施形態の手順は、以下のとおりである。
(手順1)…透過型液晶パネル14上にストライプ状の面光源(デューティー比50%)を表示し、その状態で図6(a)に示すような画像I1を取得する。
(手順2)…面光源の明暗の位相を2π/3だけシフトさせ、その状態で図6(b)に示すような画像I2を取得する。
(手順3)…面光源の明暗の位相をさらに2π/3だけシフトさせ、その状態で図6(c)に示すような画像I3を取得する。
(手順4)…画像I1,I2,I3を画素毎に以下の演算式(1)に当てはめて、図6(d)に示すような1つの画像Iを取得する。
In this image I, an observation image of almost the entire area of the object to be observed 10 appears, and the background of the observation image is completely dark. Therefore, the user can perform dark field observation with high contrast over substantially the entire area of the object to be observed 10.
[Second Embodiment]
The second embodiment will be described below. Here, only differences from the first embodiment will be described. The difference is in the processing procedure by the
(Step 1) ... displays a transmissive
(Procedure 2)... The phase of the surface light source is shifted by 2π / 3, and an image I 2 as shown in FIG. 6B is acquired in this state.
(Procedure 3)... The phase of light and darkness of the surface light source is further shifted by 2π / 3, and an image I 3 as shown in FIG.
(Procedure 4)... The images I 1 , I 2 , and I 3 are applied to the following arithmetic expression (1) for each pixel to obtain one image I as shown in FIG.
I=√[(I1−I2)2+(I2−I3)2+(I3−I1)2] …(1)
この画像Iには、被観察物10の略全域の観察像が現れており、その観察像の背景は、一様な明るさである。コンピュータ16は、その背景を真っ暗にするために、画像Iから空間周波数がゼロの成分(0次成分)を除去し、除去後の画像をディスプレイ17へ表示する。
I = √ [(I 1 −I 2 ) 2 + (I 2 −I 3 ) 2 + (I 3 −I 1 ) 2 ] (1)
In this image I, an observation image of substantially the entire area of the object to be observed 10 appears, and the background of the observation image has a uniform brightness. In order to darken the background, the
除去後の画像には、被観察物10の略全域の観察像が現れており、その観察像の背景は真っ暗である。したがって、ユーザは、被観察物10の略全域を、高いコントラストで暗視野観察することができる。
なお、本実施形態では、演算式(1)に代えて簡単な演算式(1’)を用いることもできる。
In the image after removal, an observation image of substantially the entire area of the object to be observed 10 appears, and the background of the observation image is completely dark. Therefore, the user can perform dark field observation with high contrast over substantially the entire area of the object to be observed 10.
In the present embodiment, a simple arithmetic expression (1 ′) can be used instead of the arithmetic expression (1).
I=I1+I2+I3 …(1’)
[条件1,2,3について]
以下、条件1,2,3の詳細を説明する。
図7は、条件1,2,3を説明する図である。図7において符号11aは、撮像素子11の撮像面であり、符号10aは、結像光学系12の焦点面(=観察面)であり、符号14aは、面光源の形成面(=光源面)である。
I = I 1 + I 2 + I 3 (1 ′)
[Conditions 1, 2, and 3]
Details of the conditions 1, 2, and 3 will be described below.
FIG. 7 is a diagram illustrating conditions 1, 2, and 3. In FIG. 7,
(条件1について)
先ず、観察面10aから見て暗部14Aと明部14Cとの張る角度を、θとおく。この角度θは、観察面10aを照明する2つの光LC,LBの入射角度に相当する。
このとき、観察面10aから結像光学系12の瞳へと入射可能な回折光Lc,Lbの回折角度は、下式(2),(3),(4)を同時に満たすような角度ξである。
(Condition 1)
First, an angle between the
At this time, the diffraction angles of the diffracted lights Lc and Lb that can enter the pupil of the imaging
cosξ=cosθ・cosρ+sinθ・sinρ・cosφ …(2)
0≦ρ≦NA …(3)
0≦φ≦2π …(4)
但し、NAは、結像光学系12の物体側開口数であり、十分に小さいとみなして近似することが可能である。
cosξ = cosθ · cosρ + sinθ · sinρ · cosφ (2)
0 ≦ ρ ≦ NA (3)
0 ≦ φ ≦ 2π (4)
However, NA is the object-side numerical aperture of the imaging
これらの式(2),(3),(4)より、観察面10aを照明する光LC,LBの光量を基準とした回折光Lc,Lbの光量比Rは、式(5)で表される。
R=(1/2)・∫cosξ・dρ・dφ
=(1/2)・NA2・cosθ …(5)
この光量比Rが十分に高ければ、観察像の明るさが十分に確保される。そのために光量比Rは、少なくとも以下の式(6)を満たす必要がある。
From these formulas (2), (3), and (4), the light quantity ratio R of the diffracted lights Lc and Lb based on the light quantity of the lights LC and LB that illuminate the
R = (1/2) · ∫cosξ · dρ · dφ
= (1/2) · NA 2 · cos θ (5)
If this light quantity ratio R is sufficiently high, the brightness of the observation image is sufficiently secured. Therefore, the light quantity ratio R needs to satisfy at least the following formula (6).
R≧0.01 …(6)
この式(6)へ式(5)を代入すると、式(7)が得られる。
(1/2)・NA2・cosθ≧0.01 …(7)
ここで、角度θは、光源面14aから観察面10aまでの間隔dと、面光源の明暗のピッチPとによって、以下の式(8)で与えられる。但し、θは小さいとみなして近似した。
R ≧ 0.01 (6)
Substituting equation (5) into equation (6) yields equation (7).
(1/2) · NA 2 · cos θ ≧ 0.01 (7)
Here, the angle θ is given by the following equation (8) by the distance d from the
θ=(P/2)/d …(8)
この式(8)を式(7)へ代入すると、式(9)が得られる。但し、θは十分に小さいとみなして近似した(cosθ≒1−θ2/2の近似式を使用)。
P/d≦√[2{1−0.02/(NA2)}] …(9)
この式(9)が、条件1に対応する条件式である。
θ = (P / 2) / d (8)
Substituting this equation (8) into equation (7) yields equation (9). However, theta is approximated regarded as sufficiently small (cos [theta] ≒ using 1-θ 2/2 of the approximate expression).
P / d ≦ √ [2 {1-0.02 / (NA 2 )}] (9)
This expression (9) is a conditional expression corresponding to condition 1.
(条件2について)
先ず、光源面14aのうち、結像光学系12の視野に収まる領域の幅Zは、結像光学系12の像側開口数をNA’とおくと、式(10)で表される。
Z=2・NA’×d …(10)
また、光源面14a上の幅Z内の領域に1ピッチ以上の明暗が存在するためには、式(11)が満たされる必要がある。
(Condition 2)
First, the width Z of the region of the
Z = 2 · NA ′ × d (10)
In addition, in order for light and darkness of one pitch or more to exist in the region within the width Z on the
P≦Z …(11)
この式(11)へ式(10)を代入すると、式(12)が得られる。
P/d≦2NA’ …(12)
この式(12)が、条件2に対応する条件式である。
(条件3について)
先ず、光源面14a上の明暗が撮像面11a上で解像されるためには、結像光学系12の倍率M、光源波長λに対し、式(13)が満たされる必要がある。
P ≦ Z (11)
Substituting equation (10) into equation (11) yields equation (12).
P / d ≦ 2NA ′ (12)
This expression (12) is a conditional expression corresponding to condition 2.
(Condition 3)
First, in order for the light and darkness on the
P・M≧λ/(2・NA) …(13)
また、結像光学系12の倍率Mは、結像光学系12の像側主面から撮像面11aまでの間隔をaとおき、結像光学系12の像側主面から観察面10aまでの間隔をbとおくと、以下の式(14)で表される。
M=a/(b+d) …(14)
ここで、d≫bとみなせるので、式(14)は、式(15)に書き換えられる。
P · M ≧ λ / (2 · NA) (13)
The magnification M of the imaging
M = a / (b + d) (14)
Here, since d >> b can be considered, Expression (14) is rewritten to Expression (15).
M=a/d …(15)
この式(15)を式(13)へ代入すると、式(16)が得られる。
λ/(2・a・NA)≦P/d …(16)
この式(16)が、条件3に対応する条件式である。
[各実施形態の変形例]
なお、各実施形態では、面光源を生成するために、バックライト付きの透過型液晶パネルとコントローラとを用いたが、同様の面光源を生成できるのであれば、他のものを用いてもよい。
M = a / d (15)
Substituting this equation (15) into equation (13) yields equation (16).
λ / (2 · a · NA) ≦ P / d (16)
This expression (16) is a conditional expression corresponding to condition 3.
[Modification of each embodiment]
In each embodiment, a transmissive liquid crystal panel with a backlight and a controller are used to generate a surface light source, but other devices may be used as long as the same surface light source can be generated. .
例えば、LEDなどの小型光源を多数用意し、それらを密にアレイ状に配置する。これによって、略一様な強度で発光する面光源が形成される。そして、その面光源上に、ストライプ状の開口を有したマスク部材を配置する。これによって、ストライプ状の面光源が形成される。因みに、この面光源の明暗の位相をシフトさせるには、マスク部材を明暗のピッチ方向へシフトさせればよい。また、マスク部材をシフトさせる代わりに、開口パターンの異なる複数のマスク部材を用意し、それらを切り替え配置してもよい。 For example, a large number of small light sources such as LEDs are prepared, and they are densely arranged in an array. Thus, a surface light source that emits light with substantially uniform intensity is formed. Then, a mask member having a striped opening is disposed on the surface light source. Thereby, a striped surface light source is formed. Incidentally, in order to shift the light / dark phase of the surface light source, the mask member may be shifted in the light / dark pitch direction. Further, instead of shifting the mask member, a plurality of mask members having different opening patterns may be prepared and switched.
また、各実施形態では、面光源の明暗のピッチが不変であったが、そのピッチを、観察対象である位相物体(細胞)のサイズに応じて変化させてもよい。そうすれば、様々なサイズの位相物体(細胞)を良好に観察することができる。
また、各実施形態では、面光源の明暗のデューティー比が不変であったが、そのデューティー比を、観察対象となる位相物体(細胞)の屈折率に応じて変化させてもよい。例えば、位相物体(細胞)の屈折率が十分に高いときには回折光の強度が高くなるので、暗部の比率を高くし(70%,80%など)、その分だけ画像の取得回数を減らしてもよい。暗部の比率が多ければ、より広い領域の観察像が同一画像上に現れるからである。一方、位相物体(細胞)の屈折率が低いときには、暗部の比率を低くし(30%など)、その分だけ画像の取得回数を増やしてもよい。
In each embodiment, the brightness pitch of the surface light source is not changed, but the pitch may be changed according to the size of the phase object (cell) to be observed. Then, phase objects (cells) of various sizes can be favorably observed.
In each embodiment, the light / dark duty ratio of the surface light source is not changed. However, the duty ratio may be changed according to the refractive index of the phase object (cell) to be observed. For example, since the intensity of diffracted light increases when the refractive index of the phase object (cell) is sufficiently high, the dark portion ratio is increased (70%, 80%, etc.), and the number of image acquisitions is reduced accordingly. Good. This is because if the ratio of the dark part is large, an observation image of a wider area appears on the same image. On the other hand, when the refractive index of the phase object (cell) is low, the ratio of the dark part may be lowered (30% or the like), and the number of image acquisitions may be increased accordingly.
また、各実施形態では、面光源の明暗のパターンをストライプパターンとしたが、明部と暗部とが繰り返し出現する他のパターンを採用することも可能である。例えば、図8に示すような市松状パターンを採用することもできる。また、図9に示すような同心円状パターンを採用することもできる。何れの場合も、明暗の位相をシフトさせる際には、明暗が反転する方向(同心円状パターンの場合は径方向)へパターンを変化させればよい。 In each embodiment, the light / dark pattern of the surface light source is a stripe pattern, but other patterns in which bright and dark portions appear repeatedly may be employed. For example, a checkered pattern as shown in FIG. 8 can be adopted. Also, a concentric pattern as shown in FIG. 9 can be adopted. In either case, when shifting the phase of light and dark, the pattern may be changed in the direction in which light and dark are reversed (in the case of a concentric circular pattern, the radial direction).
因みに、ストライプパターン(図1)や市松状パターン(図8)を採用すると、位相をシフトさせるための処理や画像処理の内容が簡単になるので好ましい。 Incidentally, it is preferable to employ a stripe pattern (FIG. 1) or a checkered pattern (FIG. 8) because the contents of processing for shifting the phase and image processing are simplified.
NA≧0.14286,
P=6mm,
d=30mm,
これらの数値は、条件1(式(9))を満たす。
NA ≧ 0.14286,
P = 6mm,
d = 30 mm,
These numerical values satisfy Condition 1 (Formula (9)).
NA’≧0.1,
P=6mm,
d=30mm,
これらの数値は、条件2(式(12))を満たす。
NA ′ ≧ 0.1,
P = 6mm,
d = 30 mm,
These numerical values satisfy Condition 2 (Formula (12)).
NA≧0.003,
P=6mm,
d=30mm,
a=5mm,
λ=550nm=550×10-4mm,
これらの数値は、条件3(式(16))を満たす。
NA ≧ 0.003
P = 6mm,
d = 30 mm,
a = 5 mm,
λ = 550 nm = 550 × 10 −4 mm,
These numerical values satisfy Condition 3 (Formula (16)).
NA≧0.14286,
P=6mm,
d=30mm,
NA’≧0.1,
a=5mm,
λ=550nm=550×10-4mm
これらの数値は、条件1(式(9)),条件2(式(12)),条件3(式(16))の全てを満たす。
NA ≧ 0.14286,
P = 6mm,
d = 30 mm,
NA ′ ≧ 0.1,
a = 5 mm,
λ = 550 nm = 550 × 10 −4 mm
These numerical values satisfy all of Condition 1 (Expression (9)), Condition 2 (Expression (12)), and Condition 3 (Expression (16)).
11…撮像素子,12…結像光学系,13…ステージ,14…透過型液晶パネル,15…コントローラ,16…コンピュータ,17…ディスプレイ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記照明手段により照明された前記観察面のうち、前記暗部に正対する部分領域を透過した回折光を瞳位置で捉え、その回折光により前記部分領域の暗視野像を結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、前記結像光学系が形成した前記暗視野像を撮像する撮像手段とを備え、
前記面光源の配置面は、前記結像光学系の被写界深度から外れており、前記面光源から前記観察面までの間隔は、前記撮像手段の撮像面に形成される前記面光源の像の明部及び暗部のピッチ方向の輝度分布が正弦波状となるような値に設定されている
ことを特徴とする観察装置。 A surface light source formed by repeatedly arranging a bright part and a dark part is disposed on a surface away from the observation surface of the object to be observed, and illumination means for illuminating the observation surface from the arrangement surface ;
An imaging optical system that captures, at the pupil position, diffracted light that has passed through the partial area facing the dark part of the observation surface illuminated by the illuminating means, and forms a dark field image of the partial area with the diffracted light. When,
An imaging unit that is disposed on an imaging surface of the imaging optical system and that captures the dark field image formed by the imaging optical system;
An arrangement surface of the surface light source is out of the depth of field of the imaging optical system, and an interval from the surface light source to the observation surface is an image of the surface light source formed on the imaging surface of the imaging unit. An observation device characterized in that the brightness distribution in the pitch direction of the bright part and the dark part is set to a value that is sinusoidal .
前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の物体側開口数NAに対し、
P/d≦√[2{1−0.02/(NA2)}]
の式を満たすことを特徴とする観察装置。 The observation apparatus according to claim 1,
The distance d and the light / dark pitch P of the surface light source are defined with respect to the object-side numerical aperture NA of the imaging optical system.
P / d ≦ √ [2 {1-0.02 / (NA 2 )}]
An observation apparatus characterized by satisfying the formula:
前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の像側開口数NA’に対し、
P/d≦2・NA’
の式を満たすことを特徴とする観察装置。 In the observation device according to claim 1 or 2,
The distance d and the light / dark pitch P of the surface light source are relative to the image-side numerical aperture NA ′ of the imaging optical system.
P / d ≦ 2 · NA '
An observation apparatus characterized by satisfying the formula:
前記間隔dと、前記面光源の明暗のピッチPとは、前記結像光学系の物体側開口数NA、前記面光源の波長λ、前記結像光学系の像側主面と前記撮像手段との間隔aに対し、
λ/(2・a・NA)≦P/d
の式を満たすことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus as described in any one of Claims 1-3,
The distance d and the light / dark pitch P of the surface light source include the object-side numerical aperture NA of the imaging optical system, the wavelength λ of the surface light source, the image-side main surface of the imaging optical system, and the imaging means. For the interval a of
λ / (2 · a · NA) ≦ P / d
An observation apparatus characterized by satisfying the formula:
前記照明手段には、
略一様な強度で発光する面光源と、
前記面光源上に配置され、かつ開口部と遮光部とを繰り返し配置してなるマスクとが備えられる
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The illumination means includes
A surface light source that emits light with substantially uniform intensity;
An observation apparatus, comprising: a mask that is disposed on the surface light source and in which an opening portion and a light shielding portion are repeatedly disposed.
前記照明手段には、
液晶空間変調素子が備えられる
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The illumination means includes
An observation apparatus comprising a liquid crystal spatial modulation element.
前記撮像手段が取得した前記観察面の画像から、前記面光源の像の成分を除去する画像処理手段を更に備えた
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus as described in any one of Claims 1-6,
An observation apparatus further comprising image processing means for removing a component of the image of the surface light source from the image of the observation surface acquired by the imaging means.
前記面光源の明暗の位相を変化させる手段を更に備えた
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus according to any one of claims 1 to 7,
An observation apparatus further comprising means for changing a light / dark phase of the surface light source.
前記面光源の明暗のピッチを変化させる手段を更に備えた
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus according to any one of claims 1 to 8,
An observation apparatus further comprising means for changing a light / dark pitch of the surface light source.
前記面光源の明暗のデューティー比を変化させる手段を更に備えた
ことを特徴とする観察装置。 In the observation apparatus according to any one of claims 1 to 9,
An observation apparatus, further comprising means for changing a light / dark duty ratio of the surface light source.
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