JP5804441B2 - 顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、位相差を使って観察に適した照明光の分布を導き出して形成する顕微鏡システムに関する。

位相差顕微鏡では、リング絞り及び位相リングが照明光の強度分布を形成している。照明光の分布は被検体の観察像に大きな影響を及ぼすため、位相リング等に改良を加えて被検体の観察画像をより良いものにするような工夫がされている。例えば、特許文献１では位相リングのリング状に設けられたリング領域を取り囲むように変調部を設け、変調部と変調部以外の領域との透過軸の方向が異なるように形成することによりコントラストを連続可変可能な位相差顕微鏡が示されている。

特開２００９−２３７１０９

しかし、上記のような顕微鏡では、位相リングの形状がある程度決まっており、照明光の分布の調整には制限があった。また、位相リングの形状を選ぶ場合も観察者の判断又は経験を元にして選ぶため、必ずしも位相リングの形状が観察中の物体の像を最良の状態で観察できる形状になっているわけではなかった。そのため位相差顕微鏡では、観察中の物体の像を最適の状態で観察することが困難であった。
そこで本発明は、被検体を観察するために適した光の振幅透過率分布を導き出して形成する顕微鏡システムを提供する。

第１観点の顕微鏡システムは、光源からの照明光を被検体に照射する照明光学系と、被検体からの光から被検体の像を形成する結像光学系と、結像光学系の瞳の位置に配置され被検体からの光の振幅透過率分布を可変する第１空間変調素子と、結像光学系による被検体像を検出して画像信号を出力するイメージセンサと、イメージセンサで検出される出力データと第１空間変調素子で形成される被検体からの光の振幅透過率分布とに基づき、被検体の観察に適した被検体からの光の振幅透過率分布を計算するための計算部と、を備える。

第２観点の被検体を撮像するためのプログラムは、顕微鏡に接続される計算部にインストールされる。そして、顕微鏡は、光源からの照明光を被検体に照射する照明光学系と、被検体からの光から被検体の像を形成する結像光学系と、結像光学系の瞳の位置に配置され、被検体からの光の振幅透過率分布を可変する第１空間変調素子と、結像光学系による被検体像を検出して画像信号を出力するイメージセンサと、を備える。プログラムは、計算部に、イメージセンサで検出される出力データと第１空間変調素子で形成される被検体からの光の振幅透過率分布とに基づき、被検体の観察に適した被検体からの光の振幅透過率分布の計算を実行させる。

本発明によれば、観察中の物体の像を良い状態で観察するために適した光の振幅透過率分布を導き出して形成する顕微鏡システムが提供される。

顕微鏡システム１００の概略構成図である。 （ａ）は、ＤＭＤ４３の照明領域４３１と遮光領域４３５とが形成された図である。 （ｂ）は、液晶素子７３の位相変調領域７３１と回折光透過領域７３５とが形成された図である。 顕微鏡システム１００の概略構成図である。 山登り法を使って、観察に適した被検体からの光の振幅透過率分布を見つけるフローチャートである 表示部２１に示された領域設定部２３及び波長帯域設定部２９の図である。 照明領域４３１及び位相変調領域７３１が変化していく状態を示した図である。 遺伝的アルゴリズムを用いたフローチャートである。 照明領域４３１及び位相変調領域７３１の例を示した図である。 評価関数Ｑ（ｆ）の概念図である。

（第１実施例）
第１実施例として、照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布を導き出して自動的に調整される顕微鏡システム１００について説明する。特に顕微鏡システム１００は、特に透過光では光の強度を変えず位相のみを変える無色透明な細胞などの位相物体に適している。

＜顕微鏡システム１００＞
図１は、顕微鏡システム１００の概略構成図である。顕微鏡システム１００は主に、照明光源３０と、照明光学系４０と、ステージ５０と、結像光学系７０と、イメージセンサ８０とを有する顕微鏡を有している。また、顕微鏡システム１００はコンピュータ等の計算部２０を有している。以下、照明光源３０から射出される光束の中心軸をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。

照明光源３０は、被検体ＴＳに例えば白色の照明光を照射する光源である。本実施例では照明光源３０は赤色、緑色及び青色のＬＥＤが複数組み合わせされた光源が使用される。特に説明しないが光源に白色ＬＥＤ又はハロゲンランプが使用されてもよい。照明光学系４０は、コリメータレンズ４１、第１コンデンサレンズ４２、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）４３、第２コンデンサレンズ４５及び第３コンデンサレンズ４７を備えている。

第２空間変調素子であるＤＭＤ４３は、例えば照明光源３０と共役となる位置に配置される。ＤＭＤ４３は照明光学系４０の中の結像光学系７０の瞳の位置に対しても共役となる位置に配置される。ＤＭＤ４３は結像光学系７０の瞳の共役位置における照明光の強度分布を可変することができる。ＤＭＤ４３の表面には小さい複数の可動反射ミラー（不図示）の集合体により形成されており、各ミラーはそれぞれ独立に動かすことができる。ＤＭＤ４３は、可動反射ミラーを動かすことにより、被検体ＴＳに対して任意の形状及び大きさに照明光の二次元空間分布を形成することができる。

ステージ５０は、例えば細胞組織等の未知の構造を有する被検体ＴＳを載置して、被検体ＴＳの観察したい位置に移動できるようにＸＹ軸方向に移動可能である。また被検体ＴＳの焦点を調整するためＺ軸方向にも移動可能である。

結像光学系７０は対物レンズ７１及び第１空間変調素子である液晶素子７３を含んでいる。また、結像光学系７０は、被検体ＴＳの透過光又は反射光をイメージセンサ８０に結像させる。

液晶素子７３は、結像光学系７０の瞳の位置又はその近傍に配置される。液晶素子７３は、光の位相と共に光の透過率も自由に変えられるような構成である。また位相とその透過率との二次元空間分布も変えられる構成である。

計算部２０は、イメージセンサ８０で検出される出力データを受信してモニター等の表示部２１に表示させる。さらに計算部２０は出力データを解析し、被検体ＴＳの観察に適した照明光の強度分布及び被検体からの光の振幅透過率分布を計算する。

図１では、照明光源３０から射出された光が点線で示されている。照明光源３０から射出された照明光は、コリメータレンズ４１でコリメートされ、第１コンデンサレンズ４２により集光されＤＭＤ４３に入射する。ＤＭＤ４３では可動反射ミラーのうち一部の反射ミラーが入射光を第２コンデンサレンズ４５側に反射させる。また残りの反射ミラーは入射光を第２コンデンサレンズ４５側に反射させない。

例えば図２（ａ）は、ＤＭＤ４３の平面図である。ＤＭＤ４３は例えばリング形状に該当する反射ミラーが角度を変えて、入射光を反射する。すると照明領域４３１を形成する。また角度を変えない反射ミラーの領域は遮光領域４３５となる。このように微小な複数の反射ミラーの角度を変えることで、照明光の強度分布を可変することができる。

ＤＭＤ４３で反射された照明光は、第２コンデンサレンズ４５及び第３コンデンサレンズ４７を介して被検体ＴＳに向かう。被検体ＴＳを通過した光は、対物レンズ７１を透過して液晶素子７３に入射する。液晶素子７３に入射した光は、一部の光の位相を変えてメージセンサ８０に結像する。

図２（ｂ）は液晶素子７３の平面図である。液晶素子７３には例えばリング形状に位相変調領域を形成することができる。この位相変調領域７３１を透過する光は位相が４分の１波長進み又は遅れる。位相変調領域７３１以外の領域である回折光透過領域７３５を透過する光は位相がそのままである。位相変調領域７３１は、ＤＭＤ４３の照明領域４３１と共役になるように形成されている。液晶素子７３は位相変調領域７３１の二次元空間分布を自由に可変することができる。

顕微鏡システム３００の０次光（透過光）は、ＤＭＤ４３で反射されて照明領域４３１の照明光が被検体ＴＳに照射され、被検体ＴＳを透過した光は、液晶素子７３の位相変調領域７３１を透過してイメージセンサ８０に至る。また、被検体ＴＳから発せられた回折光は、液晶素子７３の回折光透過領域７３５を透過してイメージセンサ８０に至る。そして、０次光と回折光とがイメージセンサ８０上に像を形成する。一般に０次光は回折光に比べて光の強度が強いので、位相変調領域７３１を通過する光の透過率を調節する機能を有していることが望ましい。以下特に限定しない限り、被検体ＴＳからの光の振幅透過率分布を変えるとは、位相変調領域７３１の二次元空間分布を変えることと透過率を変えることを意味する。

図１に示されたように、イメージセンサ８０に結像した画像の出力データは計算部２０に送られる。計算部２０では、イメージセンサ８０から得られた画像の出力データと、ＤＭＤ４３により形成される開口４３１の形状データと、液晶素子７３の形状データとに基づいて、被検体ＴＳの観察に適した照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布が計算される。そして、計算された被検体ＴＳの観察に適した照明光の強度分布及び振幅透過率分布にするための形状データ等がＤＭＤ４３及び液晶素子７３に送信される。

被検体ＴＳの観察に適した照明形状がＤＭＤ４３に送られると、ＤＭＤ４３は照明領域４３１の大きさ及び形状を変える。同様に液晶素子７３は、位相変調領域７３１の大きさ及び形状を自由に変えることができる。例えばＤＭＤ４３の照明領域４３１の直径を上げると透過光の開口数が上がるため解像度を上げることができる。液晶素子７３の位相変調領域７３１はＤＭＤ４３の照明領域４３１と共役であるため、位相変調領域７３１が照明光の強度分布を可変することも可能である。また照明領域４３１と位相変調領域７３１とは同期して形状及び大きさが変化することが望ましい。

＜顕微鏡システム２００＞
図３は、顕微鏡システム２００の概略構成図である。顕微鏡システム２００は、顕微鏡システム１００とほぼ同じ構成であるが、その照明光学系４０の構成が顕微鏡システム１００の構成と異なっている。

顕微鏡システム２００の照明光学系４０は、コリメータレンズ４１、可変回折格子４９、第２コンデンサレンズ４５及び第３コンデンサレンズ４７を備えている。

第２空間変調素子である可変回折格子４９は、例えば２枚の回折素子から構成される。そして可変回折格子４９は２枚の回折素子のＺ軸方向の間隔又はＸＹ軸方向に可変されることによって、光の回折角を変更する。また可変回折格子４９は照明光学系４０の中の結像光学系７０の瞳の位置に対しても共役となる位置に配置される。そして可変回折格子４９は結像光学系７０の瞳の共役位置における照明光の強度分布を可変することができる。

照明光源３０からの照明光は、コリメータレンズ４１によってコリメートされ、コリメートされた光が可変回折格子４９に入射する。そして可変回折格子４９は、図２（ａ）で示されたようなリング形状の照明光を照射することができる。可変回折格子４９は、２枚の回折素子を動かすことにより、被検体ＴＳに対して任意の形状及び大きさに照明光を形成することができる。

第２空間変調素子である可変回折格子４９は、照明光源３０からの照明光を無駄なく任意の形状又は大きさに変更することができる。このため照明光源３０の光量を必要以上に大きくする必要はない。一方、顕微鏡システム１００のようにＤＭＤ４３は、一部の照明光を被検体ＴＳに向かわせないため、照明光源３０からの光を無駄にすることがある。

被検体ＴＳを通過した光は、顕微鏡システム１００と同様に、対物レンズ７１を透過して液晶素子７３に入射する。液晶素子７３に入射した光は一部の光の位相を変えてメージセンサ８０に結像する。

＜＜照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布の導出方法＞＞
被検体ＴＳの観察に適した照明光の強度分布又は被検体からの光の振幅透過率分布を見つけるための計算方法を以下に説明する。計算方法は焼きなまし法、タブーサーチなど幾つかある。以下、山登り法（最急勾配法）と遺伝的アルゴリズムを用いた方法との２つの方法について説明する。

＜山登り法＞
山登り法は、最初に設定された照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布を少しずつ変化させていき、変化ごとに画像の出力データを取得して、この出力データが観察者によって設定された条件に最も近くなる条件を探していく方法である。図４を参照しながら以下に説明する。

図４は、ＤＭＤ４３と液晶素子７３とを使って、照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布を少しずつ変化させて、観察に適した照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布を見つける山登り法のフローチャートである。
ステップＳ１０１では、まずＤＭＤ４３の照明領域４３１が初期設定の大きさ及び形状に設定される。また液晶素子７３の位相変調領域７３１も初期設定の二次元空間分布（大きさ及び形状）に設定される。さらに液晶素子７３の位相変調領域７３１の透過率も初期設定される。

例えば初期設定の照明領域４３１は幅の広いリング形状で且つリング外円は最大口径である（図６（ａ）を参照）。その状態で、被検体ＴＳの像がイメージセンサ８０で検出される。被検体ＴＳの像の検出は、照明領域４３１及び位相調整領域７３１の形状及び大きさを調整する前に、基準となる画像の取得が目的である。イメージセンサ８０で検出された被検体ＴＳの画像の出力データは計算部２０に送られ、計算部２０に接続されたモニター等の表示部２１に被検体ＴＳの画像が映し出される。

ステップＳ１０２では、表示部２１上に表示された領域設定部２３（図５参照）で被検体ＴＳの像に観察領域が設定される。
図５は、領域設定部２３及び波長帯域設定部２９の図である。図５は、表示部２１に被検体ＴＳの画像が映し出された状態を示している。表示部２１には表示部２１の周囲に領域設定部２３が表示されている。領域設定部２３の設定枠表示ボタン２５がマウスポインタＭＰでクリックされると、設定枠表示ボタン２５は観察領域枠２４を表示部２１に表示させる。そして観察者は表示された観察領域枠２４をマウスポインタＭＰで観察したい被検体ＴＳの箇所に移動させる。そして観察者は設定ボタン２７をクリックする。これにより観察者が特に観察したい観察領域が設定される。

図５において、点線で描かれた観察領域枠２４は設定枠表示ボタン２５がクリックされて表示された例を示し、実線で描かれた観察領域枠２４は設定ボタン２７がクリックされた状態を示す。図５では１つの観察領域２４が設定されているが、一度に２以上の観察領域２４が設定されてもよい。また観察領域枠２４をマウスポインタＭＰで拡大して被検体ＴＳの像全体を設定してもよい。

なお、観察者が観察領域２４の設定を望まない場合には、ステップＳ１０２をスキップしてもよい。この場合には、イメージセンサ８０で検出される被検体ＴＳの像全体が観察領域２４として設定される。また観察者は被検体ＴＳの観察したい領域を中央に移動させるため、自動的にイメージセンサ８０の中央領域を一部領域として選択してもよい。

図４に戻り、ステップＳ１０３では、被検体ＴＳの観察像を形成するための一つのパラメータとして波長帯域設定部２９（図５参照）で波長帯域が設定される。図５に示されるように、波長帯域設定部では、観察者が使用したい又は観察したい光の波長帯域を設定することができる。例えば、被検体ＴＳの観察に適した波長が推測されている場合には、波長帯域設定部２９でその波長を設定することができる。波長帯域の設定は図５に示すように、観察者が数値を入力することによって行っても良いし、複数の選択肢の中、例えば赤色、緑色、青色等の中から観察者が希望する波長帯域を選択できるようにしても良い。照明光源３０は、赤色、緑色及び青色のＬＥＤが複数組み合わせているので、赤色が選択された場合には照明光源３０は赤色のみを照射すればよい。

図４に戻り、ステップＳ１０４では、計算部２０がＤＭＤ４３の照明領域４３１及び液晶素子７３の位相変調領域７３１の大きさ及び形状を変化させる。計算部２０は、ステップＳ１０１で設定した初期設定値の照明領域４３１及び位相変調領域７３１の大きさをわずかに変化させる。つまり照明光の領域及び付加位相の領域をわずかに変化させる。

図６を参照して、照明領域４３１及び位相変調領域７３１の強度分布の変化を説明する。図６（ａ）は、初期状態のＤＭＤ４３と液晶素子７３との概略平面図である。図６（ａ）では、照明領域４３１であるリング外円ＥＣは最大口径であり、リング外円ＥＣとリング内円ＩＣとの差であるリング幅ｒｄ１は広い形状である。位相変調領域７３１も同様である。図６（ｂ）では、照明領域４３１であるリング外円ＥＣは最大口径であり、リング外円ＥＣとリング内円ＩＣとの差であるリング幅ｒｄ１は広い形状である。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の初期状態から例えばリング幅ｒｄ１を一定に保ったままリング内円ＩＣの径及びリング外円ＥＣの径を小さくした例である。このように、照明光の領域及び付加位相の領域をわずかに変化させる。図６（ｃ）は、図６（ａ）の初期状態から例えばリング外円ＥＣの径を一定に保ったまま内円ＩＣの径を大きくしリング幅ｒｄ２を狭くした例である。このようにして、照明光の強度分布及び付加位相の領域をわずかに変化させる。図示しないが、リング内円ＩＣの径を一定に保ったまま外円ＩＣの径を小さくしてもよいし、リング幅ｒｄ１を小さくしながら且つリング内円ＩＣの径及びリング外円ＥＣの径をともに小さくしたりしてもよい。

図４に戻り、ステップＳ１０５では、イメージセンサ８０で被検体ＴＳの像が検出される。例えば、図６（ｂ）に示された照明領域４３１及び位相変調領域７３１の条件下で、被検体ＴＳの像をイメージセンサ８０で検出し出力データを計算部２０に送る。

ステップＳ１０６では、今回計算部２０に送られてきた出力データが前回の出力データよりも良いか悪いかを判断する。例えば、図５に示した表示部２１の領域設定部２３で観察領域２４を設定したと仮定する。この被検体ＴＳの像の観察領域２４の像のコントラストが上がることを良い条件とすると、今回得られた出力データ（例えば図６（ｂ）に示された照明領域４３１及び位相変調領域７３１）に基づいて計算されたコントラストが、前回得られた出力データ（例えば図６（ｃ）に示された照明領域４３１及び位相変調領域７３１）に基づいて計算されたコントラストよりも良いか悪いかを比較する。良ければステップＳ１０４に戻り、さらに照明領域４３１及び位相変調領域７３１を変化させ、その出力データを検出する（ステップＳ１０５）。つまり、観察領域２４の像のコントラストが上がっているためステップＳ１０４に戻って照明領域４３１及び位相変調領域７３１を更に変化させる。一方、コントラストが前回より今回が悪くなっていれば、前回の照明領域４３１及び位相変調領域７３１が最もコントラストが高いことになる。そこで次のステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、被検体ＴＳの観察に適した照明領域４３１及び位相変調領域７３１が選択される。つまり、観察領域２４のコントラストが悪くなる直前に使用された照明領域４３１及び位相変調領域７３１の二次元空間分布が被検体ＴＳの観察に適した二次元空間分布になる。

ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で特定された二次元空間分布の照明領域４３１及び位相変調領域７３１で、位相変調領域７３１の透過率を少し変化させる。例えば位相変調領域７３１の透過率が９０％であったのを８０％にする。

ステップＳ１０９では、イメージセンサ８０で被検体ＴＳの像が検出される。そしてイメージセンサ８０で検出した被検体ＴＳの像を出力データが計算部２０に送る。

ステップＳ１１０では、計算部２０に送られてきた出力データが前回の出力データよりも良いか悪いかを判断する。具体的には、今回計算部２０に送られてきた画像のコントラストが前回の画像のコントラストよりも良いか悪いかを判断する。観察領域２４の像のコントラストが上がっていればステップＳ１０８に戻って位相変調領域７３１の透過率を更に変化させる。一方、コントラストが前回より今回が悪くなっていれば、前回の照明領域４３１及び位相変調領域７３１が最もコントラストが高いことになる。そこで次のステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、被検体ＴＳの位相変調領域７３１の透過率が選択される。つまり、観察領域２４のコントラストが悪くなる直前に使用された位相変調領域７３１の透過率が被検体ＴＳの観察に適した透過率になる。

上記フローチャートのステップＳ１０４において、照明領域４３１及び位相変調領域７３１の大きさは相似形で変化した。しかし相似形に変えるのみではなく、形状自体を変化させることにより行っても良い。例えば、円形のリング形状を最終的に楕円のリング形状になるように少しずつ形状させたりすることもできる。

＜遺伝的アルゴリズムを用いた方法＞
次に遺伝的アルゴリズムを用いた方法について説明する。遺伝的アルゴリズムは、あらかじめ用意された複数の照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布について画像データを取得し、その中で被検体ＴＳの観察に適した光の振幅透過率分布を組み合わせることにより照明形状を探していく方法である。

図７は、遺伝的アルゴリズムを用いたフローチャートである。
まず、ステップＳ２０１で、まずＤＭＤ４３の照明領域４３１及び液晶素子７３の位相変調領域７３１が初期設定の大きさ及び形状に設定される。例えば初期設定の照明領域４３１及び位相変調領域７３１は図６（ａ）で示された幅の広いリング形状で且つリング外円は最大口径であるである。その状態で、被検体ＴＳの像がイメージセンサ８０で検出される。また、位相変調領域７３１の透過率も所定の初期値に設定される。

ステップＳ２０２は、領域設定部２３で被検体ＴＳの観察領域２４を設定する。ステップＳ２０１により、表示部２１に被検体ＴＳの像が映し出される。領域設定部２３は図５に示されたように被検体ＴＳの一部でもよいし被検体ＴＳの全体でもよい。観察者は被検体ＴＳの観察したい領域を中央に移動させるため、自動的にイメージセンサ８０の中央領域を一部領域として選択してもよい。

ステップＳ２０３は、被検体ＴＳの像を形成するためのパラメータが設定される。観察者は、被検体ＴＳの像に関する観察者の要望及び許容される観察条件を入力するためのパラメータを設定することができる。パラメータには図５に示された被検体ＴＳの波長帯域等がある。

ステップＳ２０４では、初期値として２以上の照明光の強度分布及び振幅透過率分布を用いて被検体ＴＳの像がイメージセンサ８０で検出される。そして、計算部２０は、複数の照明光の強度分布及び振幅透過率分布を用いて被検体ＴＳを測定した像の画像の各出力データを入手する。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４で入手した被検体ＴＳの画像の各出力データを比較する。被検体ＴＳの像の観察領域２４のコントラストが上がることを良い条件とすると、今回得られた出力データに基づいて計算されたコントラストが一番良い照明領域４３１及び位相変調領域７３１と二番目に良い照明領域４３１及び位相変調領域７３１とを選択する。コントラストが良い２つの照明領域４３１及び位相変調領域７３１を第１照明光強度分布及び第１振幅透過率分布と、第２照明光強度分布及び第２振幅透過率分布と呼ぶ。図８を参照して２つの照明光の強度分布及び振幅透過率分布の例を説明する。

図８には、ＤＭＤ４３と液晶素子７３の様々な照明形状の図を示している。図８では、白抜きの部分が照明領域４３１及び位相変調領域７３１に相当し、斜線領域が遮光領域４３５及び回折光透過領域７３５に相当する。

図８に示されるように、例えば第１照明光強度分布及び第１振幅透過率分布はＤＭＤ４３ａ及び液晶素子７３ａに示される照明領域４３１及び位相変調領域７３１である。この照明領域４３１及び位相変調領域７３１は、リング外円ＥＣが最大でリング幅ｒｄ３で形成されている。第２照明光強度分布及び第２振幅透過率分布はＤＭＤ４３ｂ及び液晶素子７３ｂに示される照明領域４３１及び位相変調領域７３１である。この照明領域４３１及び位相変調領域７３１は、リング外円ＥＣが小さくリング幅ｒｄ４で形成されている。

図７に戻りステップＳ２０６では、計算部２０が、遺伝的アルゴリズムの交叉又は突然変異の手法によって第１照明強度分布及び第１振幅透過率分布と第２照明強度分布及び第２振幅透過率分布とから次世代の照明光強度分布を有する照明形状を形成する。次世代の照明光強度分布を有する照明形状の形成例を、図８を参照して説明する。

ステップＳ２０５において、ＤＭＤ４３ａ及び液晶素子７３ａに示される照明領域４３１及び位相変調領域７３１と、ＤＭＤ４３ｂ及び液晶素子７３ｂに示される照明領域４３１及び位相変調領域７３１が選択された。計算部２０はこの２つを交叉（組み合わせ）又は突然変異の操作を行うことにより、例えば、ＤＭＤ４３ｃ及び液晶素子７３ｃ、ＤＭＤ４３ｄ及び液晶素子７３ｄ、並びにＤＭＤ４３ｅ及び液晶素子７３ｅに示される照明領域４３１及び位相変調領域７３１が形成される。

ＤＭＤ４３ｃ及び液晶素子７３ｃは、リング外円ＥＣが最大でリング幅ｒｄ３よりも大きなリング幅ｒｄ５である。ＤＭＤ４３ｄ及び液晶素子７３ｄは、ＤＭＤ４３ａ及び液晶素子７３ａとＤＭＤ４３ｂ及び液晶素子７３ｂとの照明領域４３１及び位相変調領域７３１の平均のリング外円ＥＣ、リング内円ＩＣ及びリング幅ｒｄ６である。ＤＭＤ４３ｅ及び液晶素子７３ｅは、リングが４つに分割された照明領域４３１及び位相変調領域７３である。

図８は、組み合わせの一例である。実際にはＤＭＤ４３及び液晶素子７３の形状はランダムに形成されるため、新たに形成される明領域４３１及び位相変調領域７３１の形状は非常に多く存在する。また、特に大きさ及び形状の二次元空間分布以外に、位相変調領域７３の透過率を変化されると無数の組み合わせが存在する。

図６に戻って、ステップＳ２０７では、第１照明強度分布及び第１振幅透過率分布と第２照明強度分布及び第２振幅透過率分布と並びに次世代の照明光強度分布及び振幅透過率分布に基づいて、被検体ＴＳの画像の各出力データをイメージセンサ８０で検出する。そして計算部２０は、これらの出力データに基づいてコントラストを比較する。そして新たに被検体ＴＳの観察に最適な第１照明強度分布と２番目に最適な第２照明強度分布とが選択される。

ステップＳ２０８では、所定の世代、例えば１０００世代まで交叉又は突然変異が行われたかを判断する。所定の世代まで交叉等が行われていない場合はステップＳ２０６に戻ってより被検体の観察に適した照明強度分布及び振幅透過率分布を探索していく。所定の世代まで交叉等が行われればステップＳ２０９に進む。

ステップＳ２０９では、所定の世代、例えば１０００世代までの交叉等で得られた照明領域４３１及び位相変調領域７３１から、コントラストが一番良い世代の照明形状及び振幅透過率分布が選択される。以降、その世代の照明形状及び振幅透過率分布の照明領域４３１及び位相変調領域７３１が被検体ＴＳの観察に使用される。

図４又は図７に示した山登り法（最急勾配法）と遺伝的アルゴリズムの計算方法は、プログラムとして記憶媒体に記憶させてもよい。そしてこの記憶媒体に記憶されているプログラムを計算部２０にインストールさせることで、この計算部２０が被検体の観察に適した照明光の強度分布及び光の振幅透過率分布を求めることができる。

なお、図４のステップＳ１０６もしくはステップＳ１１０、図７のステップＳ２０５もしくはステップＳ２０７では、被検体ＴＳの像のコントラストを計算部２０が比較していた。しかし、被検体ＴＳの像のコントラストではなく、空間周波数成分を使った評価関数又は最大傾斜量で比較してもよい。最大傾斜量とは空間的な輝度値プロファイル（横軸：例えばＸ方向位置、縦軸：輝度値）での輝度値の変化の最大値である。評価関数については図９を使って説明する。

図９は、評価関数Ｑ（ｆ）の一例である。評価関数Ｑ（ｆ）は画像のフーリエ変換値を含む式であり、以下に例示される。
Ｑ（ｆ） ＝ α_１×ｆ_１ ＋ α_２×ｆ_２
ここで、α_１、α_２は係数であり、ｆ_１、ｆ_２は変数（関数）である。

変数ｆ_１、ｆ_２は、例えば被検体の画像のフーリエ変換値ＦＴにフィルタｆｆ（ｆｆ１、ｆｆ２）を乗算した値を規格化した変数である。画像特徴量としてのフーリエ変換値ＦＴは、フーリエ変換して求められた空間周波数成分の絶対値でもよいしフーリエ変換して求められた空間周波数成分を二乗した値でもよい。図９ではフーリエ変換の絶対値を使った変数ｆ_１、ｆ_２が示されている。

フィルタｆｆ（ｆｆ１、ｆｆ２）は、画像の直流成分又は低周波成分を除去するフィルタである。図９ではそれらフィルタｆｆを模式的に示している。ここで黒色領域は画像成分を除去することを示している。フィルタｆｆ１は被検体TSの画像信号の直流成分を除去し、フィルタｆｆ２は被検体TSの画像信号の直流成分及び低周波成分を除去している。フィルタｆｆ１とフィルタｆｆ２は画像信号の高周波成分をどれだけ強調するかが互いに異なっている。図９に示されたフィルタｆｆだけでなく、異なるフィルタｆｆを使用してもよい。

変数ｆ_１、ｆ_２は、画像特徴量としてのフーリエ変換値ＦＴとフィルタｆｆとを乗じた値の面積積分を、フーリエ変換値ＦＴの面積積分Ｎで除算されている。これにより変数ｆ_１、ｆ_２が規格化される。評価関数Ｑ（ｆ）はこの変数ｆ_１、ｆ_２に係数α_１、α_２を乗算している。例えば係数α_１＝１、α_２＝２である。

計算部２０は、イメージセンサ８０からの画像信号を受け取る。そして計算部２０はイメージセンサ８０からの画像信号をフーリエ変換する。そして計算部２０は被検体ＴＳのフーリエ変換値（空間周波数成分）を求める。そして、計算部２０は、被検体ＴＳのフーリエ変換値と評価関数Ｑ（ｆ）とを使って被検体ＴＳの画像に関する評価を数値で求める。

以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。

２０ … 計算部
２１ … 表示部
２２ … 領域設定部
２３ … パラメータ設定部
２４ … 観察領域
３０ … 照明光源
４０ … 照明光学系
５０ … ステージ
７０ … 結像光学系、 ７１ … 対物レンズ
８０ … イメージセンサ
４３ … ＤＭＤ（第２空間変調素子）
４９ … 回折格子（第２空間変調素子）
４３ … デジタルマイクロミラーディバイス（ＤＭＤ）
７３ … 液晶素子（第１空間変調素子）
７３１ … 位相変調領域
７３５ … 回折光透過領域
１００、２００、… 顕微鏡システム
ＴＳ … 被検体

Claims (14)

1. 被検体を観察する位相差式の顕微鏡システムであって、
   光源からの照明光を前記被検体に照射する照明光学系と、
   前記被検体からの光から前記被検体の像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系の瞳の位置に配置され、前記被検体からの光の振幅透過率分布を可変する第１空間変調素子と、
   前記結像光学系による被検体像を検出して画像信号を出力するイメージセンサと、
   前記イメージセンサで検出される出力データと前記第１空間変調素子で形成される前記被検体からの光の振幅透過率分布とに基づき、前記被検体の観察のために前記被検体からの光の振幅透過率分布を計算するための計算部と、を備え、
   前記第１空間変調素子は前記被検体からの光の振幅透過率分布を異なる形状で逐次的に変化させ、
   前記計算部は、異なる形状で変化させた前記振幅透過率分布の前記出力データの比較に基づいて、前記被検体の観察に用いるために、前記被検体からの光の最適な振幅透過率分布を計算する顕微鏡システム。
2. 前記第１空間変調素子は、前記計算部により計算された前記被検体からの光の振幅透過率分布に基づいて前記被検体からの光の振幅透過率分布を可変する請求項１に記載の顕微鏡システム。
3. 前記第１空間変調素子は、前記結像光学系を透過する光の位相及び前記位相の空間分布を可変とする請求項２に記載の顕微鏡システム。
4. 前記第１空間変調素子は、前記結像光学系を透過する光に与える透過率の空間分布を可変とする請求項２に記載の顕微鏡システム。
5. 前記結像光学系の瞳の共役位置における前記照明光の強度分布を可変する第２空間変調素子を備え、
   前記第２空間変調素子は複数の可動反射ミラーにより構成される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
6. 前記結像光学系の瞳の共役位置における前記照明光の強度分布を可変する第２空間変調素子を備え、
   前記第２空間変調素子は回折格子により構成される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
7. 前記被検体に照射される前記照明光の波長を変化させ、
   前記計算部は、前記変化された波長毎の前記出力データに基づいて、前記被検体の観察に最適な波長を計算する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
8. 前記計算部は、前記イメージセンサで検出される出力データに基づき、前記被検体像のコントラスト又は空間周波数を計算する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
9. 前記第１空間変調素子による位相または透過率の変調領域は前記第２空間変調素子による前記照明光の強度分布の形状と同じ形状である請求項６に記載の顕微鏡システム。
10. 前記計算部は、第１空間変調素子と第２空間変調素子の両方を同期して変化させ、これをもとに観察に適した前記照明光の強度分布を求める請求項６又は請求項９に記載の顕微鏡システム。
11. 前記被検体の観察像に関する観察者の要望および許容される観察条件を入力するためのパラメータを設定するパラメータ設定部と、前記観察像の観察領域を設定する領域設定部とを表示する表示部を備える請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の顕微鏡システム。
12. 前記イメージセンサは前記結像光学系の結像面に配置されて前記被検体の画像出力データを検出し、
    前記計算部は、前記照明光の分布を微小量変化させ、前記照明光の分布を変化させる毎に前記画像出力データを取得して、適した前記照明光の強度分布の大きさを逐次的に計算する請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
13. 前記イメージセンサは前記結像光学系の結像面に配置されて前記被検体の画像出力データを検出し、
    前記計算部は、前記照明光の強度分布を変化させて第１及び第２の照明光強度分布を形成し、それらに対応する第１及び第２の画像出力データを取得し、これら前記第１及び第２の画像出力データを初期データとして遺伝的アルゴリズムにより最適な前記照明光の強度分布を求める請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
14. 被検体を観察する位相差式の顕微鏡と、前記顕微鏡に接続される計算部とを含む顕微鏡システムを用いて、前記被検体を観察するプログラムであって、
    前記顕微鏡は、
    光源からの照明光を前記被検体に照射する照明光学系と、
    前記被検体からの光から前記被検体の像を形成する結像光学系と、
    前記結像光学系の瞳の位置に配置され、前記被検体からの光の振幅透過率分布を可変する第１空間変調素子と、
    前記結像光学系による被検体像を検出して画像信号を出力するイメージセンサと、を備え、
    前記計算部に、前記イメージセンサで検出される出力データと前記第１空間変調素子で形成される前記被検体からの光の振幅透過率分布とに基づき、前記被検体の観察のために前記被検体からの光の振幅透過率分布の計算を実行させ、
    前記第１空間変調素子に前記被検体からの光の振幅透過率分布を異なる形状で逐次的に変化させ、
    前記計算部に、異なる形状で変化させた前記振幅透過率分布の前記出力データの比較に基づいて、前記被検体の観察に用いるために、前記被検体からの光の最適な振幅透過率分布を計算させるプログラム。