JP6127451B2 - Structured illumination device and structured illumination microscope device - Google Patents
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Description
本発明は、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to a structured illumination apparatus and a structured illumination microscope apparatus.
試料(標本)の観察や計測の分野では、対物レンズの性能を超えた解像度を達成するために、空間変調された照明光(構造化照明光)により標本を照明して画像(変調画像)を取得し、その変調画像に含まれる変調成分を除去(復調)することにより、標本の超解像画像(復調画像)を生成する構造化照明顕微鏡(SIM:Structured Illumination Microscopy)が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 In the field of specimen (specimen) observation and measurement, to achieve a resolution that exceeds the performance of the objective lens, the specimen is illuminated with spatially modulated illumination light (structured illumination light) to produce an image (modulated image). A structured illumination microscope (SIM) that generates a super-resolution image (demodulated image) of a sample by acquiring and removing (demodulating) a modulation component included in the modulated image has been proposed ( For example, see Patent Document 1).
特に、下記特許文献1に開示された構造化照明顕微鏡では、光源から射出した光束を回折格子により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で干渉させて干渉縞を形成し、これを構造化照明光としている。
In particular, in the structured illumination microscope disclosed in
ところで、構造化照明顕微鏡においては、他の顕微鏡と同様、励起波長の異なる複数の色素で染色された標本を観察するために、光源の波長を切り替えたいという要求がある。 By the way, in the structured illumination microscope, as in other microscopes, there is a demand for switching the wavelength of the light source in order to observe a specimen stained with a plurality of dyes having different excitation wavelengths.
しかし、構造化照明顕微鏡において光源波長を切り替えると、回折格子における回折角度が変化するため、対物レンズの瞳半径に対する照明光のスポット高さが変化し、所望の超解像効果が得られないという課題がある。 However, when the light source wavelength is switched in the structured illumination microscope, the diffraction angle in the diffraction grating changes, so the spot height of the illumination light with respect to the pupil radius of the objective lens changes, and the desired super-resolution effect cannot be obtained. There are challenges.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることの可能な構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a structured illumination apparatus and a structured illumination microscope apparatus capable of obtaining a desired super-resolution effect at each of a plurality of wavelengths. To do.
本発明の構造化照明装置の一態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を分割するとともに集光する1対のレンズを含むレンズアレイと、前記1対のレンズで分割された1対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら1対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズとを備える。1対のレンズの各々は、対物レンズの光軸に関して対称な位置関係で配置される。対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能である。レンズアレイは、1対のレンズの各々の光軸から対物レンズの光軸までの距離dが可変である。
本発明の構造化照明装置の別の態様は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源からの射出光束を分割するとともに集光する1対のレンズを含むレンズアレイと、前記1対のレンズで分割された1対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら1対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズとを備える。1対のレンズの各々は、対物レンズの光軸に関して対称な位置関係で配置される。対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能である。レンズアレイは、距離dの異なる別のレンズアレイへと交換可能である。但し、レンズアレイの距離dは、レンズアレイに含まれる1対のレンズの各々の光軸から対物レンズの光軸までの距離である。
According to one aspect of the structured illumination device of the present invention, a lens array including a pair of lenses that divides and collects a light beam emitted from a light source that emits light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially, and the pair of lenses An objective lens that receives the pair of luminous fluxes divided in (1) at different positions on the pupil plane so that the pair of luminous fluxes interfere with each other on the object side, and forms interference fringes on the specimen arranged on the object side; Is provided. Each of the pair of lenses is disposed in a symmetric positional relationship with respect to the optical axis of the objective lens. The objective lens can be replaced with another objective lens having a different pupil diameter. In the lens array, the distance d from the optical axis of each of the pair of lenses to the optical axis of the objective lens is variable.
Another aspect of the structured illumination device of the present invention includes a lens array including a pair of lenses that divides and collects light beams emitted from a light source that emits light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially, and the pair of lenses. An objective lens that receives a pair of light beams divided by the lens at different positions on the pupil plane, causes the pair of light beams to interfere with each other on the object side, and forms interference fringes on a specimen arranged on the object side With. Each of the pair of lenses is disposed in a symmetric positional relationship with respect to the optical axis of the objective lens. The objective lens can be replaced with another objective lens having a different pupil diameter. The lens array can be exchanged for another lens array having a different distance d. However, the distance d of the lens array is a distance from the optical axis of each of the pair of lenses included in the lens array to the optical axis of the objective lens.
本発明の構造化照明顕微鏡装置の一態様は、本発明の構造化照明装置の一態様又は別の態様と、干渉縞で変調された標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系とを備える。
One aspect of the structured illumination microscope apparatus of the present invention, the embodiment of one aspect or another of the structured illumination apparatus of the present invention, the observation light flux from the target book modulated by interference Watarushima imaged on the photodetector An imaging optical system.
本発明によれば、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることの可能な構造化照明装置、構造化照明顕微鏡装置が実現する。 According to the present invention, a structured illumination apparatus and a structured illumination microscope apparatus capable of obtaining a desired super-resolution effect at each of a plurality of wavelengths are realized.
[実施形態]
以下、本発明の実施形態として構造化照明顕微鏡装置を説明する。
[Embodiment]
Hereinafter, a structured illumination microscope apparatus will be described as an embodiment of the present invention.
図1は、構造化照明顕微鏡装置1の構成図である。ここでは、構造化照明顕微鏡装置1を、蛍光性を有した試料(標本)2の表面の極めて薄い層を観察する全反射蛍光顕微鏡(TIRFM:Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy)として使用する場合、すなわち、構造化照明顕微鏡装置1を「TIRF−SIMモード」で使用する場合を説明する。
FIG. 1 is a configuration diagram of the structured
先ず、構造化照明顕微鏡装置1の構成を説明する。
First, the structure of the structured
図1に示すとおり構造化照明顕微鏡装置1には、レーザユニット100と、光ファイバ11と、照明光学系10と、結像光学系30と、撮像素子42と、制御装置43と、画像記憶・演算装置44と、画像表示装置45とが備えられる。なお、照明光学系10は落射型であり、結像光学系30の対物レンズ31及びダイクロイックミラー33を利用して標本2の照明を行う。
As shown in FIG. 1, the structured
レーザユニット100には、第1レーザ光源101、第2レーザ光源102、シャッタ103、104、ミラー105、ダイクロイックミラー106、レンズ107が備えられる。第1レーザ光源101及び第2レーザ光源102の各々は可干渉光源であって、互いの出射波長は異なる。ここでは、第1レーザ光源101の波長λ1は、第2レーザ光源102の波長λ2よりも長いと仮定する(λ1>λ2)。これらの第1レーザ光源101、第2レーザ光源102、シャッタ103、104は、それぞれ制御装置43によって駆動される。
The
光ファイバ11は、レーザユニット100から射出したレーザ光を導光するために、例えば、偏波面保存型のシングルモードファイバによって構成される。この光ファイバ11の出射端の光軸方向の位置は、位置調節機構11Aによって調節可能である。この位置調整機構11Aは、制御装置43によって駆動される。
The optical fiber 11 is configured by, for example, a polarization-preserving single mode fiber in order to guide the laser light emitted from the
照明光学系10には、光ファイバ11の出射端側から順に、コレクタレンズ12と、偏光板13と、集光レンズアレイ14と、位相板16と、1/2波長板19と、光束選択部材20と、レンズ21と、視野絞り22と、フィールドレンズ23と、励起フィルタ24と、ダイクロイックミラー33と、対物レンズ31とが配置される。
The illumination
集光レンズアレイ14には間隔調整機構14Aが設けられ、位相板16には回動機構16Aが設けられ、光束選択部材20及び1/2波長板19には回動機構18Aが設けられる。これらの間隔調整機構14A、回動機構16A、回動機構18Aの各々は、制御装置43によって駆動される。
The
結像光学系30には、標本2の側から順に、対物レンズ31と、ダイクロイックミラー33と、吸収フィルタ34と、第2対物レンズ35とが配置される。
In the imaging
対物レンズ31は、交換機構31Aによって倍率の異なる別の対物レンズ31’へと交換可能である。この交換機構31Aは、制御装置43によって駆動される。
The
標本2は、例えば、平行平板状のガラス表面に滴下された培養液であって、その培養液におけるガラス界面の近傍には、蛍光性を有した細胞が存在している。この細胞には、波長λ1の光によって励起される第1蛍光領域と、波長λ2の光によって励起される第2蛍光領域との双方が発現している。
The
対物レンズ31は、全反射蛍光観察を可能とするために、液浸型(油浸型)の対物レンズとして構成される。つまり、対物レンズ31と標本2のガラスとの間隙は、浸液(油)で満たされている。
The
撮像素子42は、CCDやCMOS等からなる二次元の撮像素子である。撮像素子42は、制御装置43によって駆動されると、その撮像面41に形成された像を撮像し、画像を生成する。この画像は、制御装置43を介して画像記憶・演算装置44へと取り込まれる。
The
制御装置43は、レーザユニット100、位置調整機構11A、間隔調整機構14A、回動機構16A、回動機構18A、交換機構31A、撮像素子42を駆動制御する。
The control device 43 drives and controls the
画像記憶・演算装置44は、制御装置43を介して与えられた画像に対して演算を施し、演算後の画像を不図示の内部メモリに格納すると共に、画像表示装置45へ送出する。
The image storage /
次に、構造化照明顕微鏡装置1におけるレーザ光の振る舞いを説明する。
Next, the behavior of laser light in the structured
第1レーザ光源101から射出した波長λ1のレーザ光(第1レーザ光)は、シャッタ103を介してミラー105へ入射すると、ミラー105を反射し、ダイクロイックミラー106へ入射する。一方、第2レーザ光源102から射出した波長λ2のレーザ光(第2レーザ光)は、シャッタ104を介してビームスプリッタ106へ入射し、第1レーザ光と統合される。ダイクロイックミラー106から射出した第1レーザ光及び第2レーザ光は、レンズ107を介して光ファイバ11の入射端に入射する。なお、制御装置43がレーザユニット100を制御すると、光ファイバ11の入射端に入射するレーザ光の波長(=使用波長λ)は、長い波長λ1と短い波長λ2との間で切り替わる。
When the laser beam (first laser beam) having the
光ファイバ11の入射端に入射したレーザ光は、光ファイバ11の内部を伝搬して光ファイバ11の出射端に点光源を生成する。その点光源から射出したレーザ光は、コレクタレンズ12によって平行光束に変換され、偏光板13を介して集光レンズアレイ14へ入射すると、集光レンズアレイ14が有する複数対の集光レンズにより、複数対の光束に分割される。これら複数対の光束は、それら集光レンズによって瞳共役面25の互いに異なる位置に集光される。
The laser light incident on the incident end of the optical fiber 11 propagates inside the optical fiber 11 and generates a point light source at the output end of the optical fiber 11. The laser light emitted from the point light source is converted into a parallel light beam by the
ここで、瞳共役面25は、集光レンズアレイ14の個々の集光レンズの焦点位置(後ろ側焦点位置)であって、対物レンズ31の瞳面32に対してレンズ23、レンズ21を介して共役な位置のことである(なお、「共役な位置」の概念には、集光レンズアレイ14、レンズ21、23の収差、ビネッティング等、設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれる。)。
Here, the
なお、光ファイバ11から射出したレーザ光は基本的に直線偏光しているので、偏光板13は、省略することも可能であるが、余分な偏光成分を確実にカットするために有効である。また、レーザ光の利用効率を高めるため、偏光板13の軸は、光ファイバ11から射出したレーザ光の偏光方向に一致していることが望ましい。
Since the laser light emitted from the optical fiber 11 is basically linearly polarized, the
瞳共役面25に向かった複数対の光束は、瞳共役面25の近傍に配置された、位相板16、1/2波長板19、光束選択部材20へ順に入射する。
A plurality of pairs of light beams directed toward the
ここで、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1は、全反射蛍光顕微鏡として利用されるので、光束選択部材20は、入射した複数対の光束のうち、1対の光束のみを選択的に通過させる。
Here, since the structured
光束選択部材20を通過した1対の光束の各々は、レンズ21によって平行光束となり、視野絞り22を通過し、フィールドレンズ23によって集光光束となり、さらに励起フィルタ24を経てからダイクロイックミラー33で反射し、対物レンズ31の瞳面32上の互いに異なる位置に集光される。
Each of the pair of light beams that have passed through the light
瞳面32上に集光した1対の光束の各々は、対物レンズ31の先端から射出される際には平行光束となり、標本2の表面で互いに干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞が、構造化照明光として使用される。
Each of the pair of light beams collected on the pupil surface 32 becomes a parallel light beam when emitted from the tip of the
また、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1は、全反射蛍光顕微鏡として利用されるので、標本2の表面に入射する際の入射角度は、エバネッセント場の生成条件を満たしている。この条件は、全反射条件(TIRF条件)などと呼ばれる。このTIRF条件を満たすためには、瞳面32における1対の光束の集光点を、瞳面32の最外周に位置する所定の輪帯状領域(TIRF領域)に収めればよい(詳細は後述)。この結果、標本2の表面近傍には、構造化照明光によるエバネッセント場が生起する。
In addition, since the structured
このような構造化照明光により標本2を照明すると、構造化照明光の周期構造と標本2の(蛍光領域の)周期構造との差に相当するモアレ縞が現れるが、このモアレ縞においては、標本2の高周波数の構造が元の周波数より低周波数側にシフトしているため、この構造を示す光(蛍光)は、元の角度よりも小さい角度で対物レンズ31へ向かうことになる。よって、構造化照明光により標本2を照明すると、標本2の(蛍光領域の)高周波数の構造情報までもが対物レンズ31によって伝達される。
When the
標本2の表面近傍(エバネッセント場)で発生した蛍光は、対物レンズ31に入射すると、対物レンズ31で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー33とバリアフィルタ34を透過し、第2対物レンズ35を介して撮像素子42の撮像面41上に標本2の変調像を形成する。
Fluorescence generated in the vicinity of the surface of the sample 2 (evanescent field) enters the
この変調像は、撮像素子42により画像化され、制御装置43を介して画像記憶・演算装置44へと取り込まれる。さらに、取り込まれた変調像(変調画像)には、画像記憶・演算装置44において公知の復調演算(詳細は後述)が施され、復調画像(超解像画像)が生成される。そして、この超解像画像は、画像記憶・演算装置44の内部メモリ(図示せず)に記憶されるとともに、画像表示装置45へと送出される。
This modulated image is imaged by the
次に、集光レンズアレイ14を詳しく説明する。
Next, the
図2は、集光レンズアレイ14を説明する図である。図2(A)は、集光レンズアレイ14を光軸方向から見た図であり、図2(B)は、集光レンズアレイ14で分割された3対の光束が瞳共役面に形成する3対の集光点の位置関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
図2(A)に示すように、集光レンズアレイ14は、光軸と垂直な第1方向V1、第2方向V2、第3方向V3の各々にかけて1対ずつ集光レンズを配列したマルチ集光レンズである。第1方向V1と、第2方向V3と、第3方向V3とは、120°ずつずれた3つの方向である。
As shown in FIG. 2A, the
図2では、第1方向V1に配列された1対の集光レンズに符号14−1、14−1’を付し、第2方向V2に配列された1対の集光レンズに符号14−2、14−2’を付し、第3方向V3に配列された1対の集光レンズに符号14−3、14−3’を付した。 In FIG. 2, reference numerals 14-1 and 14-1 ′ are assigned to a pair of condenser lenses arranged in the first direction V <b> 1, and reference numeral 14 − is assigned to the pair of condenser lenses arranged in the second direction V <b> 2. 2 and 14-2 ′, and a pair of condensing lenses arranged in the third direction V3 are denoted by reference numerals 14-3 and 14-3 ′.
第1方向V1に関する構成(1対の集光レンズ14−1、14−1’)と、第2方向V2に関する構成(1対の集光レンズ14−2、14−2’)と、第3方向V3に関する構成(1対の集光レンズ14−3、14−3’)とは、互いに等しい。ここでは、代表して第1方向V1に関する構成(1対の集光レンズ14−1、14−1’)のみを説明する。 A configuration related to the first direction V1 (a pair of condensing lenses 14-1 and 14-1 ′), a configuration related to the second direction V2 (a pair of condensing lenses 14-2 and 14-2 ′), and a third Configurations in the direction V3 (a pair of condensing lenses 14-3 and 14-3 ′) are equal to each other. Here, as a representative, only the configuration related to the first direction V1 (a pair of condensing lenses 14-1 and 14-1 ') will be described.
1対の集光レンズ14−1、14−1’の位置関係は、照明光学系10の光軸に関して対称な位置関係に設定される。このうち、一方の集光レンズ14−1のレンズ特性(レンズの構成、焦点距離など)と、他方の集光レンズ14−1’のレンズ特性(レンズの構成、焦点距離など)とは、互いに等しい。
The positional relationship between the pair of condenser lenses 14-1 and 14-1 ′ is set to a symmetrical positional relationship with respect to the optical axis of the illumination
以上の集光レンズアレイ14に入射した平行光束は、第1方向V1にかけて分割された第1光束対と、第2方向V2にかけて分割された第2光束対と、第3方向V3にかけて分割された第3光束対とに変換される。
The parallel light flux incident on the
これら第1光束対、第2光束対、第3光束対は、集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’、14−3、14−3’の各々の集光作用により、瞳共役面内の互いに異なる位置に集光される。 The first light beam pair, the second light beam pair, and the third light beam pair are respectively collected by the condensing lenses 14-1, 14-1 ′, 14-2, 14-2 ′, 14-3, and 14-3 ′. Light is condensed at different positions in the pupil conjugate plane.
そして、図2(B)に示すように、第1光束対の集光点25d、25gは、照明光学系10の光軸に関して対称であり、集光点25d、25gの配列方向は第1方向V1に対応している。
As shown in FIG. 2B, the condensing
また、第2光束対の集光点25c、25fは、照明光学系10の光軸に関して対称であり、集光点25c、25fの配列方向は、第2方向V2に対応している。なお、第2光束対の集光点25c、25fから照明光学系10の光軸までの距離は、第1光束対の集光点25d、25gから照明光学系10の光軸までの距離と同じである。
The condensing points 25c and 25f of the second light beam pair are symmetric with respect to the optical axis of the illumination
また、第3光束対の集光点25b、25eは、光軸に関して対称であり、集光点25b、25eの配列方向は、第3方向V3に対応している。なお、第3光束対の集光点25b、25eから照明光学系10の光軸までの距離は、第1光束対の集光点25d、25gから照明光学系10の光軸までの距離と同じである。
The condensing points 25b and 25e of the third light flux pair are symmetric with respect to the optical axis, and the arrangement direction of the condensing
このように、本実施形態では、1対の光束を生成する手段として回折格子ではなく集光レンズアレイ14を使用する。屈折を利用したレンズは、回折を利用した回折格子と異なり、光の進行方向の波長依存性が基本的に小さい。よって、本実施形態では、瞳共役面に形成される各集光点の位置関係を、使用波長λの切り替えに依らず維持することができる。
Thus, in this embodiment, the condensing
次に、1/2波長板19及び光束選択部材20を詳しく説明する。
Next, the half-wave plate 19 and the light
図3は1/2波長板19を説明する図であり、図4は、光束選択部材20を説明する図である。図3に示すとおり、1/2波長板19は、入射した第1光束対、第2光束対、第3光束対の偏光方向を設定し、図4に示すとおり、光束選択部材20は、第1光束対、第2光束対、第3光束対のうち何れか1対のみを選択的に通過させるマスクである。
FIG. 3 is a diagram illustrating the half-wave plate 19, and FIG. 4 is a diagram illustrating the light
1/2波長板19及び光束選択部材20は、回動機構18Aによって照明光学系10の光軸の周りに回動可能である。光束選択部材20を照明光学系10の光軸の周りに回動させると、選択される光束対を第1光束対、第2光束対、第3光束対の間で切り替えることができ、光束選択部材20に連動して1/2波長板19を照明光学系10の光軸の周りに回動させると、選択された光束対が標本2に入射するときの偏光方向をS偏光に保つことができる。つまり、1/2波長板19及び光束選択部材20は、干渉縞の状態を保ちつつ、干渉縞の方向を切り替えることができる。以下、縞の状態を保つための条件を具体的に説明する。
The half-wave plate 19 and the light
先ず、1/2波長板19の進相軸の向きは、選択される光束対の分割方向(第1方向V1〜第3方向V3のいずれか)に対して、光束対の偏光方向が垂直となるように設定される必要がある。なお、ここでいう1/2波長板19の進相軸とは、その軸の方向に偏光した光が1/2波長板19を通過するときの位相遅延量が最小となるような方向のことである。 First, the direction of the fast axis of the half-wave plate 19 is such that the polarization direction of the light beam pair is perpendicular to the split direction of the selected light beam pair (any one of the first direction V1 to the third direction V3). Need to be set to Here, the fast axis of the half-wave plate 19 is a direction in which the amount of phase delay when light polarized in the direction of the axis passes through the half-wave plate 19 is minimized. It is.
また、光束選択部材20の開口パターンは、互いに対を成す光束の一方及び他方を個別に通過させる第1の開口部20A及び第2の開口部20Bからなり、照明光学系10の光軸周りにおける第1の開口部20Aの長さ及び第2の開口部20Bの長さは、前述した方向に直線偏光した光束が通過できるような長さに設定されている。よって、第1の開口部20A及び第2の開口部20Bの各々の形状は、部分輪帯状に近い形状である。
The opening pattern of the light
ここで、図3(A)に示すように、1/2波長板19の進相軸の方向が偏光板13の軸の方向と平行になるときの1/2波長板19の回転位置を、1/2波長板19の回転位置の基準とする(以下、「第1の基準位置」と称する。)。
Here, as shown in FIG. 3A, the rotational position of the half-wave plate 19 when the direction of the fast axis of the half-wave plate 19 is parallel to the direction of the axis of the
また、光束選択部材20の光束選択方向(=選択される光束対の分割方向)が、偏光板13の軸の方向と垂直になるときの光束選択部材20の回転位置を、光束選択部材20の回転位置の基準とする(以下、「第2の基準位置」と称する。)。
Further, the rotational position of the light
このとき、図3(B)に示すように、1/2波長板19の第1基準位置からの回転量は、光束選択部材20の第2基準位置からの回転量の2分の1に制御されるべきである。
At this time, as shown in FIG. 3B, the amount of rotation of the half-wave plate 19 from the first reference position is controlled to one half of the amount of rotation of the light
すなわち、1/2波長板19の第1基準位置からの回転量がθ/2であるときには、光束選択部材20の第2基準位置からの回転量は、θに設定される。
That is, when the rotation amount of the half-wave plate 19 from the first reference position is θ / 2, the rotation amount of the light
したがって、第1光束対(分割方向は第1方向V1)を選択するために、図4(A)に示すように、光束選択部材20の光束選択方向を第2の基準位置から右方に回転角θ1だけ回転させた場合、1/2波長板19の進相軸の方向を、第1の基準位置から右方に回転角θ1/2だけ回転させる。
Therefore, in order to select the first light beam pair (the dividing direction is the first direction V1), the light beam selecting direction of the light
このとき、1/2波長板19を通過する前における第1光束対の偏光方向は、図4(A)中に破線両矢印で示すとおり、偏光板13の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板19を通過した後における第1光束対の偏光方向は、右方に回転角θ1だけ回転するので、選択された第1光束対の偏光方向は、図4(A)に実線両矢印で示すとおり、それら第1光束対の分割方向(第1方向V1)に対して垂直となる。
At this time, the polarization direction of the first light beam pair before passing through the half-wave plate 19 is parallel to the direction of the axis of the
換言すると、1/2波長板19の進相軸の方向は、光束選択部材20により選択される第1光束対の分割方向(=第1方向V1)に応じた方向であって、1/2波長板19へ入射する第1光束対が有していた偏光方向(偏光板13の軸方向)と、1/2波長板19から射出する第1光束対が有するべき偏光方向(第1方向V1に垂直)とが成す角度の2等分線方向に、設定される。
In other words, the direction of the fast axis of the half-wave plate 19 is a direction according to the split direction (= first direction V1) of the first light beam pair selected by the light
また、第2光束対(分割方向は第2方向V2)を選択するために、図4(B)に示すように、光束選択部材20の光束選択方向を第2の基準位置から右方に回転角θ2だけ回転させた場合、1/2波長板19の進相軸の方向を、第1の基準位置から右方に回転角θ2/2だけ回転させる。
Further, in order to select the second light beam pair (the dividing direction is the second direction V2), as shown in FIG. 4B, the light beam selecting direction of the light
このとき、1/2波長板19を通過する前における第2光束対の偏光方向は、図4(B)中に破線両矢線で示すとおり、偏光板13の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板19を通過した後における第2光束対の偏光方向は、右方に回転角θ2だけ回転するので、選択された第2光束対の偏光方向は、図4(B)に実線両矢印で示すとおり、それら第2光束対の分割方向(第2方向V2)に対して垂直となる。
At this time, the polarization direction of the second light flux pair before passing through the half-wave plate 19 is parallel to the direction of the axis of the
換言すると、1/2波長板19の進相軸の方向は、光束選択部材20により選択される第2光束対の分割方向(=第2方向V2)に応じた方向であって、1/2波長板19へ入射する第2光束対が有していた偏光方向(偏光板13の軸方向)と、1/2波長板19から射出する第2光束対が有するべき偏光方向(第2方向V2に垂直)とが成す角度の2等分線方向に、設定される。
In other words, the direction of the fast axis of the half-wave plate 19 is a direction corresponding to the split direction (= second direction V2) of the second light beam pair selected by the light
また、第3光束対(分割方向は第3方向V3)を選択するために、図4(C)に示すように、光束選択部材20の光束選択方向を第2の基準位置から左方(標本側から見て。以下同じ)に回転角θ3だけ回転させた場合、1/2波長板19の進相軸の方向を、第1の基準位置から左方に回転角θ3/2だけ回転させる。
Further, in order to select the third light beam pair (the dividing direction is the third direction V3), as shown in FIG. 4C, the light beam selecting direction of the light
このとき、1/2波長板19を通過する前における第3光束対の偏光方向は、図4(C)中に破線両矢線で示すとおり、偏光板13の軸の方向と平行となっているのに対し、1/2波長板19を通過した後における第3光束対の偏光方向は、左方に回転角θ3だけ回転するので、選択された光束対の偏光方向は、図4(C)に実両矢印で示すとおり、それら第3光束対の分割方向(第3方向V3)に対して垂直となる。
At this time, the polarization direction of the third light flux pair before passing through the half-wave plate 19 is parallel to the direction of the axis of the
換言すると、1/2波長板19の進相軸の方向は、光束選択部材20により選択される第3光束対の分割方向(=第3方向V3)に応じた方向であって、1/2波長板19へ入射する第3光束対が有していた偏光方向(偏光板13の軸方向)と、1/2波長板19から射出する第3光束対が有するべき偏光方向(第3方向V3に垂直)とが成す角度の2等分線方向に、設定される。
In other words, the direction of the fast axis of the half-wave plate 19 is a direction according to the division direction (= third direction V3) of the third light flux pair selected by the light
したがって、1/2波長板19及び光束選択部材20に設けられた回動機構18Aは、1/2波長板19及び光束選択部材20をギア比2:1で連動することにより、干渉縞の状態を維持したまま、干渉縞の方向を切り替える。
Therefore, the rotation mechanism 18A provided in the half-wave plate 19 and the light
図5は、以上説明した1/2波長板19及び光束選択部材20の機能を説明する図である。なお、図5において円形枠で囲まれた両矢線は、光束の偏光方向を示し、四角枠で囲まれた両矢線は、光学素子の軸方向を示している。
FIG. 5 is a diagram illustrating the functions of the half-wave plate 19 and the light
なお、以上の説明では、標本2に入射する光束対をS偏光に保つために回動可能な1/2波長板19を使用したが、回動可能な1/2波長板19の代わりに固定配置された液晶素子を使用し、その液晶素子を1/2波長板19として機能させてもよい。液晶素子の配向を電気的に制御すれば、液晶素子の屈折率異方性を制御することができるので、1/2波長板としての進相軸を照明光学系10の光軸周りに回転させることができる。因みに、標本2に入射する光束対をS偏光に保つための方法は他にもある。
In the above description, the rotatable half-wave plate 19 is used to keep the pair of light beams incident on the
また、図6に示すように、光束選択部材20の外周部には、複数の(図6に示す例では6個の)切り欠き20Cが形成されており、回動機構18Aには、これらの切り欠き20Cを検出するためのタイミングセンサ20Dが備えられている。これによって、回動機構18Aは、光束選択部材20の回動位置、ひいては1/2波長板19の回動位置を検知することができる。
As shown in FIG. 6, a plurality of (six in the example shown in FIG. 6)
次に、位相板16を詳しく説明する。
Next, the
図7は、位相板16を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the
先ず、上述した復調演算を可能とするためには、同一の標本2に関する変調画像であって、干渉縞の方向が共通で位相の異なる3枚以上の変調画像が必要である。なぜなら、構造化照明顕微鏡装置1が生成する変調画像には、標本2の構造のうち、構造化照明光により空間周波数の変調された構造情報である0次変調成分、+1次変調成分、−1次変調成分が含まれており、それら3つの未知パラメータを復調演算(詳細は後述)で既知とするためには、それら未知パラメータの個数以上の枚数の変調画像が必要だからである。
First, in order to enable the demodulation operation described above, three or more modulated images with the same direction of interference fringes and different phases are necessary for the
そこで、本実施形態の位相板16としては、例えば、米国発行特許発明第7848017明細書に開示された位相板が使用される。ここでは、位相板16の一例を説明する。
Therefore, as the
位相板16は、図7に示すように、位相遅延量の異なる2つの扇状領域を照明光学系10の光軸(z軸)の周りに設けており、一方の扇状領域16aの位相遅延量を0とおくと、他方の扇状領域16bの位相遅延量は、2π/3に設定されている。また、一方の扇状領域16aの中心角度は120°、他方の扇状領域16bの中心角度は240°に設定されている。
As shown in FIG. 7, the
なお、扇状領域16aの位相遅延量と、扇状領域16bの位相遅延量との間に差異を設けるには、例えば、扇状領域16a、16bのうち、一方にのみ所定厚さのSiO2膜を蒸着すればよい。或いは、扇状領域16a、16bに対して厚さの異なるSiO2膜を蒸着すればよい。
In order to provide a difference between the phase delay amount of the fan-shaped
また、位相板16は、照明光学系10の光軸の周りに回動可能である。その回動位置を適切に設定すれば、光束選択部材20により選択される1対の光束の間に適切な位相差Δφを与えることができる。また、位相板16の回動位置を適切なパターンで切り替えれば、1対の光束の位相差Δφを、適切なパターンで切り替えることができる。
Further, the
図8は、位相差Δφをシフトピッチ「2π/3」で3通りに切り替えるために必要な、位相板16の回動パターンを示す図である。図8の上段は、選択される1対の光束の分割方向が第1方向V1である場合の回動パターンであり、図8の中段は、選択される1対の光束の分割方向が第2方向V2である場合の回動パターンであり、図8の下段は、選択される1対の光束の分割方向が第3方向V3である場合の回動パターンである。
FIG. 8 is a diagram showing a rotation pattern of the
したがって、位相板16に設けられる回動機構16Aは、位相板16の回動位置を120°ずつ切り替えることにより、選択される1対の光束の間の位相差Δφを、2π/3ずつシフトすることができる。これに伴い、干渉縞の位相もシフトする。
Therefore, the
次に、全反射条件(TIRF条件)を満たすための構成を詳しく説明する。 Next, a configuration for satisfying the total reflection condition (TIRF condition) will be described in detail.
本実施形態では、TIRF条件を満たすために、集光レンズアレイ14の個々の集光レンズの光軸から照明光学系10の光軸(=集光レンズアレイ14の光軸)までの距離dは、以下の条件式(1)を満たしている。
In this embodiment, in order to satisfy the TIRF condition, the distance d from the optical axis of each condenser lens of the
(nw・fo)/β ≦ d ≦ (NA・fo )/β…(1)
但し、nwは標本2の屈折率、foは対物レンズ31の焦点距離、βは集光レンズの集光位置から瞳面32までの倍率、NAは対物レンズ31の開口数である。因みに、本実施形態では細胞を標本2としたので、nwは水の屈折率にほぼ等しい。
(Nw · fo) / β ≦ d ≦ (NA · fo) / β (1)
Here, nw is the refractive index of the
以下、条件式(1)の意義を説明する。 Hereinafter, the significance of conditional expression (1) will be described.
先ず、1対の光束が瞳面32上に形成する集光点から照明光学系10の光軸までの高さYは、以下のとおり表される。
First, the height Y from the condensing point formed by the pair of light beams on the pupil plane 32 to the optical axis of the illumination
Y=d×β …(2)
また、対物レンズ31の瞳半径rは、下記の式で表される。
Y = d × β (2)
The pupil radius r of the
r=fo×NA …(3)
よって、下式(4)が満たされれば、1対の光束の集光点がTIRF領域に収まる。
r = fo × NA (3)
Therefore, if the following expression (4) is satisfied, the condensing point of a pair of light beams is within the TIRF region.
nw×fo≦Y≦r …(4)
この式(4)に式(2)、(3)を代入し、dについて解くと、条件式(1)が得られる。よって、条件式(1)がTIRF条件を満たすための式であることは、明白である。
nw × fo ≦ Y ≦ r (4)
By substituting equations (2) and (3) into equation (4) and solving for d, conditional equation (1) is obtained. Therefore, it is clear that the conditional expression (1) is an expression for satisfying the TIRF condition.
次に、集光レンズアレイ14の間隔調整について詳しく説明する。
Next, the interval adjustment of the
図9は、集光レンズアレイ14の可動部を示す図であり、図10は、集光レンズアレイ14に設けられた間隔調整機構14Aを示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a movable portion of the
先ず、上述したとおり本実施形態では、対物レンズ31が倍率の異なる別の対物レンズ31’へと交換されることを想定している。対物レンズ31が倍率の異なる別の対物レンズ31’へと交換された場合、瞳半径r(式(3))が変化する可能性が高い(殆どの場合、瞳半径rが変化する。)。よって、仮に、集光レンズアレイ14の個々の集光レンズの光軸から照明光学系10の光軸までの距離dが固定されていると、対物レンズの交換によりTIRF条件(式(1))が崩れてしまう虞がある。
First, as described above, in the present embodiment, it is assumed that the
そこで、本実施形態の集光レンズアレイ14では、図9に点線で示すとおり、集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’、14−3、14−3’の各々の光軸から照明光学系10の光軸までの距離dが可変となっている。
Therefore, in the condensing
そのために、集光レンズアレイ14に設けられた間隔調整機構14Aには、図10(A)に示すとおり、カム部材14Eと、ガイド部材14Dと、弾性部材14Fとが備えられる。カム部材14Eは、照明光学系10の光軸の周りを回動可能であり、その回動により、集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’、14−3、14−3’の各々の光軸から照明光学系10の光軸までの距離dを同時に変化させる。また、ガイド部材14Dは、集光レンズ14−1、14−1’の移動方向を第1方向V1に制限し、集光レンズ14−2、14−2’の移動方向を第2方向V2に制限し、集光レンズ14−3、14−3’の移動方向を第3方向V3に制限する。また、弾性部材14Fは、集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’、14−3、14−3’の各々をカム部材14Eのカム面に押し当てる。
For this purpose, the
したがって、間隔調整機構14Aは、集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’ 、14−3、14−3’の各々の光軸から照明光学系10の光軸までの距離dを同時に変化させる際に、照明光学系10の光軸に関する集光レンズ14−1、14−1’の対称性と、照明光学系10の光軸に関する集光レンズ14−2、14−2’の対称性と、照明光学系10の光軸に関する集光レンズ14−3、14−3’の対称性を維持することができる。
Therefore, the
なお、図10(A)は、距離dが比較的狭く設定されたときの様子を示しており、図10(B)は、距離dが比較的広く設定されたときの様子を示している。図10(A)と図10(B)とを比較すると、カム部材14Eの回動角度に応じて距離dが変化することがわかる。
10A shows a state when the distance d is set to be relatively narrow, and FIG. 10B shows a state when the distance d is set to be relatively wide. Comparing FIG. 10A and FIG. 10B, it can be seen that the distance d changes according to the rotation angle of the
そして、本実施形態の制御装置43(図1参照)は、この間隔調整機構14Aを交換機構31A(図1参照)に連動させ、対物レンズの交換に依らず式(1)が満たされるように距離dを制御する。これによって、対物レンズの交換に依らずTIRF条件を維持することができる。
Then, the control device 43 (see FIG. 1) of the present embodiment interlocks the
但し、対物レンズの交換によって瞳面32が光軸方向に変位する場合、制御装置43は、位置調節機構11Aを交換機構31Aに連動させ、対物レンズの交換に依らず集光点の光軸方向の位置が瞳面32と同じになるようにフォーカス調整を行うことが望ましい。
However, when the pupil plane 32 is displaced in the optical axis direction by exchanging the objective lens, the control device 43 causes the
因みに、フォーカス調整は、光ファイバ11の出射端の光軸方向の位置を位置調節機構11Aによって調節する他、集光レンズアレイ14、レンズ21、レンズ23の少なくとも1つの光軸方向の位置を調整することによって行うことができる。
Incidentally, the focus adjustment is performed by adjusting the position in the optical axis direction of the emission end of the optical fiber 11 by the
なお、本実施形態において、距離dの調整範囲を広くしたい場合は、集光点の位置が光束選択部材20の開口部から外れることを防ぐため、開口部の位置(光軸と垂直な方向の位置)の異なる複数の光束選択部材を用意し、それら複数の光束選択部材を切り替え使用すればよい。
In this embodiment, when it is desired to increase the adjustment range of the distance d, the position of the opening (in a direction perpendicular to the optical axis) is prevented in order to prevent the position of the condensing point from being removed from the opening of the light
また、本実施形態では、距離dを可変としたので、エバネッセント場の染み出し量を任意に微調整することも可能である。例えば、本実施形態の制御装置43は、ユーザからの指示に応じて式(1)を満たす範囲内で距離dを微調整することにより、TIRF条件を維持しつつエバネッセント場の染み出し量を微調整することができる。 In the present embodiment, since the distance d is variable, the amount of the evanescent field that leaks out can be arbitrarily finely adjusted. For example, the control device 43 according to the present embodiment finely adjusts the distance d within a range satisfying the expression (1) in accordance with an instruction from the user, thereby finely adjusting the amount of the evanescent field that leaks while maintaining the TIRF condition. Can be adjusted.
次に、集光レンズアレイ14の個々の集光レンズの設計例を説明する。
Next, a design example of individual condenser lenses of the
ここでは、レンズ21の焦点距離を160mm、レンズ23の焦点距離を160mm、倍率βを1、使用波長λの波長範囲を400nm〜700nmと仮定する。また、撮像素子42のサイズ等から、瞳面32に入射する光束対のNAには、NA=0.11が要求されると仮定する。
Here, it is assumed that the focal length of the
この仮定によると、前述した干渉縞のパターンを直線状とし、前述した復調演算の精度を維持するためには、使用波長λの切り替えによる集光点の光軸方向のズレ量は、瞳面32上で0.1mm以内に抑える必要がある。この場合、使用波長λの波長範囲(400nm〜700nm)における集光レンズの軸上色収差を、0.1mm以下に抑える必要がある。そのためには、集光レンズの構成を、色消し機能のある張り合わせレンズ(接合レンズ)とすることが望ましい。具体的には、集光レンズの構成を、凸レンズと凹レンズとの組み合わせとすることが望ましい。 According to this assumption, in order to make the above-described interference fringe pattern linear and maintain the above-described demodulation calculation accuracy, the amount of misalignment in the optical axis direction of the condensing point by switching the use wavelength λ is determined by the pupil plane 32. It is necessary to keep it within 0.1 mm above. In this case, the axial chromatic aberration of the condensing lens in the wavelength range (400 nm to 700 nm) of the operating wavelength λ needs to be suppressed to 0.1 mm or less. For this purpose, it is desirable that the condensing lens is a bonded lens (a cemented lens) having an achromatic function. Specifically, it is desirable that the condensing lens has a combination of a convex lens and a concave lens.
図11は、集光レンズの光路図であり、図12、図13は、集光レンズのレンズデータである。但し、図13における「nd」は、d線に対する屈折率であり、「νd」はアッベ数である。また、表中における各数値の単位は「mm」である。 11 is an optical path diagram of the condenser lens, and FIGS. 12 and 13 are lens data of the condenser lens. However, “nd” in FIG. 13 is the refractive index with respect to the d-line, and “νd” is the Abbe number. The unit of each numerical value in the table is “mm”.
以上のレンズデータによると、図14に示すとおり約400nm〜約700nmの波長範囲内における集光レンズの軸上色収差は、−0.02351mm〜0.07329mmの範囲内に抑えられる。 According to the above lens data, the axial chromatic aberration of the condensing lens within the wavelength range of about 400 nm to about 700 nm is suppressed within the range of −0.02351 mm to 0.07329 mm as shown in FIG.
したがって、本実施形態の集光レンズに以上のレンズデータを採用すれば、使用波長λの切り替え時におけるフォーカス調整を省略することが可能となる。 Therefore, if the lens data described above is adopted for the condenser lens of the present embodiment, it is possible to omit focus adjustment when switching the use wavelength λ.
[変形例]
なお、本実施形態では、レーザユニット100が出射可能なレーザ光の波長数を2としたが、3以上としてもよい。波長数に拘わらず、上述したレンズデータを採用する場合は、レーザユニット100が出射する波長を、約400nm〜約700nmの波長範囲内の何れかの波長に設定することが望ましい。
[Modification]
In the present embodiment, the number of wavelengths of laser light that can be emitted from the
また、本実施形態では、全反射蛍光観察(TIRF)を行うために、集光点がTIRF領域に収まるように距離dの値を制御したが、TIRFの必要が無い場合(すなわち、構造化照明顕微鏡装置1をTIRF−SIMモードではなくSIMモードで使用する場合)は、集光点がTIRF領域に収まっていなくても構わない。因みに、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1をSIMモードで使用したならば、使用波長λの切り替え時に集光点の位置を不変とすることができるので、超解像効果を波長間で共通にすることができる。
In this embodiment, in order to perform total reflection fluorescence observation (TIRF), the value of the distance d is controlled so that the focal point falls within the TIRF region. However, when the TIRF is not necessary (that is, structured illumination). When the
なお、ここでいう超解像効果とは、標本の非変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度Rと、標本の変調時における構造化照明顕微鏡装置の解像度(R+K)との比(R+K)/Rのことである。 The super-resolution effect here is the ratio of the resolution R of the structured illumination microscope apparatus when the specimen is not modulated to the resolution (R + K) of the structured illumination microscope apparatus when the specimen is modulated (R + K) / It is R.
また、本実施形態では、波長の異なる複数の光を標本へ順次に照射する(複数種類の蛍光領域を順次に励起する)ことを想定したが、波長の異なる複数の光を標本へ同時に照射しても(複数種類の蛍光領域を同時に励起しても)よい。この場合は、波長の異なる複数の蛍光を分離して検出する機能を構造化照明顕微鏡装置1へ搭載することが望ましい。
In the present embodiment, it is assumed that a plurality of light beams having different wavelengths are sequentially irradiated onto the sample (a plurality of types of fluorescent regions are sequentially excited), but a plurality of light beams having different wavelengths are simultaneously irradiated onto the sample. (A plurality of types of fluorescent regions may be excited simultaneously). In this case, it is desirable that the structured
また、本実施形態では、標本2に入射する1対の光束をS偏光に保つために、照明光学系10の光軸の周りを回動可能な1/2波長板19を使用したが、固定配置された1/4波長板と照明光学系10の光軸の周りを回動可能な1/4波長板とを使用してもよい。但し、その場合は、第1の基準位置を基準とした1/4波長板の回転位置は、第2の基準位置を基準とした光束選択部材20の回転位置と同じに設定される。
In the present embodiment, the half-wave plate 19 that can rotate around the optical axis of the illumination
また、本実施形態では、対物レンズの交換に依らずTIRF条件を維持するために、集光レンズアレイ14の集光レンズの光軸から照明光学系10の光軸までの距離dを可変としたが、距離dを可変とする代わりに、距離dの異なる複数の集光レンズアレイを用意し、これら複数の集光レンズアレイを切り替え使用してもよい。
In this embodiment, the distance d from the optical axis of the condenser lens of the
また、本実施形態では、光源からの射出光束を分割する手段として、集光レンズ対の配列される方向数が2以上である集光レンズアレイ14、すなわち、分割方向の異なる複数の光束対を同時に生成する集光レンズアレイ14(図2(A)参照)を使用したが、図15に示すように、集光レンズ対の配列される方向数が1のみである集光レンズアレイ14’、すなわち、所定方向に分割された1対の光束のみを生成する集光レンズアレイ14’を使用してもよい。
In the present embodiment, as means for dividing the light flux emitted from the light source, the
但し、その場合は、干渉縞の方向を切り替えるために、集光レンズアレイ14’を照明光学系10の光軸の周りに回動可能とすればよい。集光レンズアレイ14’を120°ずつ3ステップ回動させれば、集光レンズアレイ14を使用した場合と同様の変調画像を取得することができる。また、集光レンズアレイ14’を使用した場合は、同時に1対の光束しか生成されないので、光束選択部材20は不要である。なお、集光レンズ14’を使用した場合の間隔調整機構は、例えば、図16に示すような構成となる。
However, in that case, the
また、本実施形態では、標本2へ投影する干渉縞を2光束干渉縞とした(つまり2D−SIMモードとした)が、標本2へ投影する干渉縞を3光束干渉縞としたSIMモード(つまり3D−SIMモード)を構造化照明顕微鏡装置1へ搭載してもよい。
In the present embodiment, the interference fringes projected onto the
3D−SIMモードでは、図2に示した集光レンズアレイ14の代わりに、図17に示すような集光レンズアレイ14”を使用すればよい。この集光レンズアレイ14”は、図2に示した集光レンズアレイ14において、集光レンズ14−0を1つ追加したものである。この集光レンズ14−0の配置先は、照明光学系10の光軸の近傍であって、集光レンズ14−0の光軸は、照明光学系10の光軸(=集光レンズアレイ14の光軸)に一致している。また、集光レンズ14−0のレンズ特性(レンズの構成、焦点距離など)は、他の集光レンズ14−1、14−1’、14−2、14−2’、14−3、14−3’の各々のレンズ特性(レンズの構成、焦点距離など)と同じである。このような集光レンズアレイ14”によると、前述した1対の光束による1対の集光点と、集光レンズ14−0を通過した光束(以下、「中央光束」と称す。)による1つの集光点との3つの集光点が、瞳共役面25上に形成される。
In the 3D-SIM mode, a condensing
また、3D−SIMモードでは、図6に示した光束選択部材20の代わりに、図18に示すような光束選択部材20’を使用すればよい。この光束選択部材20’は、図6に示した光束選択部材20において、上述した中央光束を通過させるための開口部20Eを更に設けたものである。この開口部20Eの形成先は、照明光学系10の光軸の近傍であって、この開口部20Eの形状は、例えば円形である。このような光束選択部材20’によると、瞳共役面25上に形成された3つの集光点の各々からの光束を、干渉縞に寄与させることができる。
In the 3D-SIM mode, a light
このように、3つの光束の干渉(3光束干渉)によって生成される干渉縞は、標本2の表面方向だけでなく、標本2の深さ方向にも空間変調されている。よって、この干渉縞によると、標本2の深さ方向にも超解像効果を得ることが可能となる。
Thus, the interference fringes generated by the interference of the three light beams (three light beam interference) are spatially modulated not only in the surface direction of the
また、3D−SIMモードでは、上述した復調演算に必要な変調画像の位相数が4以上となるので、位相板16も変形する必要がある。位相数を4以上にするための位相板の例は、米国発行特許発明第7848017号明細書に開示されている。
In the 3D-SIM mode, the number of phases of the modulated image necessary for the demodulation operation described above is 4 or more, so the
また、本実施形態では、集光レンズアレイと対物レンズとの間にリレー系(レンズ21、23)を挿入したが、このリレー系は省略することも可能である。
In this embodiment, a relay system (
また、本実施形態では、光を分割するために集光レンズアレイ(集光レンズアレイ14、14’、14”)の個々の集光レンズとして、凸レンズと凹レンズの接合レンズを例示して説明したが、複数のレンズ群で構成してもよく、複数のレンズ群で構成しても集光レンズ(レンズ)の概念、集光レンズアレイ(1対にレンズを含むレンズアレイ)の概念に含まれる。
Further, in the present embodiment, a cemented lens of a convex lens and a concave lens is described as an example of the individual condensing lens of the condensing lens array (condensing
[実施形態の効果]
以上、本実施形態の照明光学系(10)は、複数波長の光を同時又は順次に射出する光源(100、11)からの射出光束を分割するとともに集光する少なくとも1対のレンズを含むレンズアレイ(14)と、1対のレンズで分割された1対の光束を、瞳面(32)の互いに異なる位置で受けることにより、それら1対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本(2)に干渉縞を形成する対物レンズ(31)とを備える。
[Effect of the embodiment]
As described above, the illumination optical system (10) of the present embodiment includes a lens including at least one pair of lenses that divides and collects light beams emitted from the light sources (100, 11) that emit light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially. By receiving a pair of light beams divided by the array (14) and the pair of lenses at different positions on the pupil plane (32), the pair of light beams interfere with each other on the object side, And an objective lens (31) for forming interference fringes on the arranged specimen (2).
このように、1対の光束を生成するために、回折格子の代わりにレンズアレイを使用すれば、複数波長の間で進行方向が変化するという問題は発生しない。よって、レンズアレイを使用したならば、瞳面(32)における1対の光束の入射位置を、複数波長の間で一致にさせることができる。 Thus, if a lens array is used instead of a diffraction grating to generate a pair of light beams, there is no problem that the traveling direction changes between a plurality of wavelengths. Therefore, if a lens array is used, the incident positions of a pair of light beams on the pupil plane (32) can be made to coincide among a plurality of wavelengths.
したがって、本実施形態の照明光学系10によれば、複数波長の各々で所望の超解像効果を得ることが可能である。
Therefore, according to the illumination
また、本実施形態の照明光学系(10)では、1対のレンズの位置関係は対物レンズ(31)の光軸に関して対称な位置関係に設定される。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the positional relationship between the pair of lenses is set to a symmetric positional relationship with respect to the optical axis of the objective lens (31).
したがって、本実施形態の照明光学系(10)によれば、標本(2)に形成される干渉縞のパターンやコントラストを良好にすることができる。 Therefore, according to the illumination optical system (10) of this embodiment, the pattern and contrast of the interference fringes formed on the specimen (2) can be improved.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、1対のレンズの各々の光軸から対物レンズ(31)の光軸までの距離は、1対の光束が標本(2)の表面近傍にエバネッセント場を生成できるように調整されている。具体的には、距離dは条件式(1)を満たす。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the distance from the optical axis of each of the pair of lenses to the optical axis of the objective lens (31) is such that the pair of luminous fluxes are near the surface of the specimen (2). It has been adjusted to generate an evanescent field. Specifically, the distance d satisfies the conditional expression (1).
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)は、標本(2)の表面の極めて薄い層を複数波長の各々で観察することができる。 Therefore, the structured illumination microscope apparatus (1) of this embodiment can observe an extremely thin layer on the surface of the specimen (2) at each of a plurality of wavelengths.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、対物レンズ(31)は、瞳径の異なる別の対物レンズ(31’)へと交換可能であり、レンズアレイ(14)は、1対のレンズの各々の光軸から対物レンズ(31)の光軸までの距離dが可変である。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the objective lens (31) can be replaced with another objective lens (31 ′) having a different pupil diameter, and the lens array (14) has a pair of lenses. The distance d from each optical axis of the lens to the optical axis of the objective lens (31) is variable.
或いは、本実施形態の照明光学系(10)では、対物レンズ(31)は、瞳径の異なる別の対物レンズ(31’)へと交換可能であり、レンズアレイ(14)は、距離dの異なる別のレンズアレイへと交換可能である。 Alternatively, in the illumination optical system (10) of the present embodiment, the objective lens (31) can be replaced with another objective lens (31 ′) having a different pupil diameter, and the lens array (14) has a distance d. It can be replaced with a different lens array.
したがって、本実施形態の照明光学系(10)は、対物レンズの交換による瞳径の変化にも対処することが可能である。 Therefore, the illumination optical system (10) of the present embodiment can cope with a change in pupil diameter due to replacement of the objective lens.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、レンズアレイ(14)は複数の前記1対のレンズを有し、複数の1対のレンズで分割された複数対の光束のうち1対の光束のみを選択する光束選択手段(20)を更に備える。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the lens array (14) has a plurality of the pair of lenses, and a pair of light beams divided by the plurality of pairs of lenses. Further provided is a light beam selection means (20) for selecting only the light beam.
或いは、本実施形態の照明光学系(10)では、レンズアレイ(14)は、対物レンズ(31)の光軸の周りに回動可能である。 Alternatively, in the illumination optical system (10) of the present embodiment, the lens array (14) can be rotated around the optical axis of the objective lens (31).
したがって、本実施形態の照明光学系(10)は、干渉縞の方向を切り替えることが可能である。よって、超解像効果を標本面内の複数方向に亘って得ることが可能となる。 Therefore, the illumination optical system (10) of the present embodiment can switch the direction of the interference fringes. Therefore, it is possible to obtain the super-resolution effect in a plurality of directions within the sample surface.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、1対のレンズの一方及び他方の焦点距離は、互いに等しい。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the focal lengths of one and the other of the pair of lenses are equal to each other.
したがって、本実施形態の照明光学系(10)では、1対の光束の光軸方向の集光位置を、共通にすることができる。よって、干渉縞のパターンやコントラストを良好にすることができる。 Therefore, in the illumination optical system (10) of the present embodiment, the condensing position in the optical axis direction of the pair of light beams can be made common. Therefore, the interference fringe pattern and contrast can be improved.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、1対のレンズの一方及び他方は、接合レンズであり、1対のレンズの軸上色収差は、1対のレンズの集光位置が複数波長の間で略一致するように補正されている。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, one and the other of the pair of lenses are cemented lenses, and the axial chromatic aberration of the pair of lenses is such that the condensing position of the pair of lenses has a plurality of wavelengths. Are corrected so as to substantially coincide with each other.
したがって、本実施形態の照明光学系(10)によると、1対の光束の光軸方向の集光位置を、複数波長の間で共通にすることができる。よって、使用波長の切り替え時におけるフォーカス調整の手間を省くことができる。 Therefore, according to the illumination optical system (10) of this embodiment, the condensing position of the pair of light beams in the optical axis direction can be made common among a plurality of wavelengths. Therefore, it is possible to save the trouble of focus adjustment when switching the used wavelength.
また、本実施形態の照明光学系(10)では、レンズアレイ(14)は、1対のレンズの他に、対物レンズ(31)の光軸上に配置されたレンズを更に有する。 In the illumination optical system (10) of the present embodiment, the lens array (14) further includes a lens disposed on the optical axis of the objective lens (31) in addition to the pair of lenses.
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置(1)は、2D−SIMモードだけでなく3D−SIMモードでも動作することができる。 Therefore, the structured illumination microscope apparatus (1) of the present embodiment can operate not only in the 2D-SIM mode but also in the 3D-SIM mode.
また、本実施形態の照明光学系(10)は、1対の光束の光軸方向の集光位置を調整するための位置調整手段(11A)を更に備える。例えば、本実施形態の照明光学系(10)のレンズアレイ(14)は、光軸方向の位置が可変である。 The illumination optical system (10) of the present embodiment further includes position adjusting means (11A) for adjusting the condensing position of the pair of light beams in the optical axis direction. For example, the lens array (14) of the illumination optical system (10) of the present embodiment has a variable position in the optical axis direction.
したがって、本実施形態の照明光学系(10)は、対物レンズの交換などによる瞳位置の変位にも対処することができる。 Therefore, the illumination optical system (10) of the present embodiment can cope with the displacement of the pupil position due to the exchange of the objective lens.
また、本実施形態の照明光学系(10)は、干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト手段(18B)を更に備える。 The illumination optical system (10) of the present embodiment further includes phase shift means (18B) for shifting the phase of the interference fringes.
したがって、本実施形態の構造化照明顕微鏡装置1は、復調演算に必要な一連の変調画像を確実に取得することができる。
Therefore, the structured
また、本実施形態の照明光学系(10)では、複数波長は、約400nmから約700nmの波長範囲内に収められる。 Further, in the illumination optical system (10) of the present embodiment, the plurality of wavelengths are contained within a wavelength range of about 400 nm to about 700 nm.
この範囲内の波長であれば、1対の光束の集光点が複数波長の間で略一致するようにレンズアレイ(14)を設計することが可能である。 If the wavelength is within this range, it is possible to design the lens array (14) so that the condensing points of a pair of light beams substantially coincide between a plurality of wavelengths.
[復調演算の説明]
以下、復調演算の例を説明する。
[Explanation of demodulation operation]
Hereinafter, an example of demodulation operation will be described.
ここでは、2D−SIMモードを想定し、先ずは、干渉縞の方向数Mmaxを1、位相数Nmaxを3と仮定する。 Here, a 2D-SIM mode is assumed, and first, it is assumed that the number of interference fringe directions M max is 1 and the number of phases N max is 3.
標本上の変調方向の座標をxとおき、結像光学系の点像強度分布をPr(x)とおき、標本の蛍光領域の構造をOr(x)とおき、干渉縞の空間周波数(変調周波数)をKとおき、干渉縞の位相(変調位相)をφとおき、干渉縞の振幅(変調振幅)をmlとおくと(但し、lは変調次数−1,0,1である。)、干渉縞のパターン(変調波形)はmlexp(ilKx+φ)で表されるので、標本の変調画像Ir(x)は、以下の式で表される。 The coordinate in the modulation direction on the sample is set as x, the point image intensity distribution of the imaging optical system is set as P r (x), the structure of the fluorescent region of the sample is set as O r (x), and the spatial frequency of the interference fringes (modulation frequency) the K Distant, interference fringes of the phase (modulation phase) phi Distant, amplitude of the interference fringes (modulation amplitude) putting a m l (where, l is the modulation order -1,0,1 The interference fringe pattern (modulation waveform) is expressed by m l exp (ilKx + φ), and the modulated image I r (x) of the sample is expressed by the following equation.
但し、式中の記号「*」は、畳み込み積分を表す。以下、実空間における量と波数空間における量とを区別するために、実空間における量には添え字「r」を付与し、波数空間における量には添え字「k」を付与する。 However, the symbol “*” in the expression represents a convolution integral. Hereinafter, in order to distinguish between the quantity in the real space and the quantity in the wave number space, the subscript “r” is given to the quantity in the real space, and the subscript “k” is given to the quantity in the wave number space.
よって、変調画像Ir(x)をフーリエ変換したもの(=Ik(k))は、以下の式のとおり表される。 Therefore, the Fourier transform of the modulated image I r (x) (= I k (k)) is expressed as the following equation.
なお、結像光学系の点像強度分布Pr(x)をフーリエ変換したもの(=Pk(k))は、結像光学系の伝達関数(OTF:Optical Transfer Function)に相当する。 Note that the Fourier transform (= P k (k)) of the point image intensity distribution P r (x) of the imaging optical system corresponds to an optical transfer function (OTF) of the imaging optical system.
ここで、式におけるOk(k+lK)(l=−1、0、1)は、変調画像Ik(k)に重畳された各次数の変調成分である。1次変調成分Ok(k+K)、−1次変調成分(k−K)においては、標本15の実際の空間周波数成分がKだけ(低周波数側へ)シフトしている。このシフトの量が大きいほど、超解像効果は大きくなる。このため、干渉縞の空間周波数は、結像光学系が結像できる範囲内でなるべく高い値に設定されることが望ましい。 Here, O k (k + lK) (l = −1, 0, 1) in the equation is a modulation component of each order superimposed on the modulation image I k (k). In the primary modulation component O k (k + K) and the −1st order modulation component (k−K), the actual spatial frequency component of the sample 15 is shifted by K (to the low frequency side). The greater the amount of shift, the greater the super-resolution effect. For this reason, it is desirable to set the spatial frequency of the interference fringes as high as possible within the range in which the imaging optical system can form an image.
さて、一連の変調画像、すなわち(Nmax×Mmax)フレームの変調画像のうち、干渉縞の位相が互いに異なる3フレームの変調画像の間では、φのみが異なり、ml及びKは共通である。よって、それら3フレームのうち第jフレームの変調画像に反映されている干渉縞の位相をφjとおくと、第jフレームの変調画像Ikj(k)は、以下の式で表される。 Now, among a series of modulated images, ie, modulated images of (N max × M max ) frames, among three frames of modulated images having different phases of interference fringes, only φ is different and ml and K are common. is there. Therefore, if the phase of the interference fringes reflected in the modulation image of the j-th frame among these three frames is set to φ j , the modulation image I kj (k) of the j-th frame is expressed by the following equation.
よって、復調演算では、3フレームの変調画像を上式へ当てはめると共に、それによって得られる3つの方程式を連立させて解くことで、各次数の変調成分Ok(k+lK)(l=−1,0,1)の各々を既知とする(互いに分離する)。因みに、この式におけるPk(k)は、結像光学系に固有なので、予め測定しておくことが可能である。 Therefore, in the demodulation operation, the modulated image of 3 frames is applied to the above equation, and the three equations obtained thereby are simultaneously solved to solve each order of the modulation component O k (k + lK) (l = −1, 0). , 1) is known (separated from each other). Incidentally, since P k (k) in this equation is unique to the imaging optical system, it can be measured in advance.
なお、各次数の変調成分Ok(k+lK)(l=−1,0,1)を互いに分離する際には、 Ok(k+lK)Pk(k)(l=−1,0,1)の各々を既知としてから、それらをPk(k)の値で除算してもよいが、単なる除算を行う代わりに、ウィナーフィルタなどノイズの影響を受けにくい公知の手法を利用してもよい。 When the modulation components O k (k + lK) (l = −1, 0, 1) of the respective orders are separated from each other, O k (k + lK) P k (k) (l = −1, 0, 1) Each of these may be known and then divided by the value of P k (k). However, instead of performing simple division, a known method that is less susceptible to noise, such as a Wiener filter, may be used.
そして、復調演算では、±1次変調成分Ok(k+K)、Ok(k−K)を、変調周波数Kの分だけx方向にかけてシフト(再配置)してから、各次数の変調成分Ok(k+lK)(l=−1,0,1)を波数空間上で重み付け合成することで、周波数範囲の広い復調画像Ok(x)を生成する。 In the demodulation operation, the ± first-order modulation components O k (k + K) and O k (k−K) are shifted (rearranged) in the x direction by the modulation frequency K, and then the modulation components O of the respective orders. k (k + lK) (l = −1, 0, 1) is weighted and synthesized in the wave number space to generate a demodulated image O k (x) having a wide frequency range.
この復調画像Ok(x)を逆フーリエ変換したものが、標本15の超解像画像Or(x)である。この超解像画像Or(x)は、干渉縞の変調方向(x方向)にかけて高い超解度を有している。 A super-resolution image O r (x) of the sample 15 is obtained by inverse Fourier transforming the demodulated image O k (x). This super-resolution image O r (x) has a high super-resolution in the modulation direction of interference fringes (x direction).
次に、干渉縞の方向数Mmaxを3、各方向の位相数Nmaxを3と仮定した場合を説明する。 Next, a case where the number of interference fringes direction M max is assumed to be 3 and the number of phases N max in each direction is assumed to be 3 will be described.
図19は、位相数Nmax=3、方向数Mmax=3である場合の復調演算を説明する図である。図19において符号Ir(1,1)、Ir(2,1)、…、Ir(3,3)で示すのは、干渉縞の位相及び方向の組み合わせが互いに異なる変調画像であって、変調画像Ir(N、M)の「N」は、その変調画像に寄与した干渉縞の位相番号であり、変調画像Ir(N、M)の「M」は、その変調画像に寄与した干渉縞の方向番号である。 FIG. 19 is a diagram for explaining a demodulation operation when the number of phases N max = 3 and the number of directions M max = 3. In FIG. 19, symbols I r (1,1), I r (2,1),..., I r (3,3) indicate modulated images having different combinations of phases and directions of interference fringes. , "N" of the modulated image I r (N, M) is the phase number of the interference fringes contribute to its modulated image, "M" in the modulated image I r (N, M) is the contribution to the modulated image The direction number of the interference fringe.
図19に示すとおり、位相数Nmax=3、方向数Mmax=3である場合の復調演算では、3×3=9フレームの変調画像を個別にフーリエ変換し(図19(a))、干渉縞の方向が共通である変調画像同士で変調成分の分離を行い(図19(b))、それによって得られた合計9つの変調成分の各々を再配置してから(図19(c))、同一の波数空間上で重み付け合成し(図19(d))、3方向にかけて周波数範囲の広がった復調画像Okを生成する。この復調画像Okを逆フーリエ変換したものが、標本15の超解像画像Orである。この超解像画像Orは、3方向の各々にかけて高い解像度を有している。 As shown in FIG. 19, in the demodulation operation when the number of phases N max = 3 and the number of directions M max = 3, the 3 × 3 = 9 frames of the modulated images are individually Fourier transformed (FIG. 19 (a)), Modulation components are separated from each other in the modulation images having the same interference fringe direction (FIG. 19B), and each of the nine modulation components obtained thereby is rearranged (FIG. 19C). ) And weighted and synthesized in the same wave number space (FIG. 19 (d)) to generate a demodulated image Ok having a wide frequency range in three directions. That the inverse Fourier transform the demodulated image O k is a super-resolution image O r of the sample 15. The super-resolution image O r has a high resolution over the respective three directions.
図19に明らかなとおり、Nmax=3、Mmax=3の場合、Nmax×Nmax=9フレームの変調画像から1フレームの超解像画像Orが生成される。 As apparent in FIG. 19, the case of N max = 3, M max = 3, N max × N max = 9 frame super-resolution image O r of 1 frame from the modulation image is generated.
なお、ここでは、位相数Nmaxを3と仮定したので、変調成分の分離を、連立方程式を解くことによって行ったが、位相数Nmaxが3より大きい場合は、国際公開第2006/109448号パンフレットに開示された方法で行ってもよい。 Here, since the phase number N max is assumed to be 3, the separation of the modulation components is performed by solving simultaneous equations. However, when the phase number N max is greater than 3, International Publication No. 2006/109448 You may carry out by the method disclosed by the pamphlet.
また、ここでは、2D−SIMモードについて説明したが、3D−SIMモードにおいては、変調画像に重畳される変調成分が、−2次変調成分、−1次変調成分、0次変調成分、+1次変調成分、+2次変調成分の5種類になるので(すなわち、l=−2、−1、0、+1、+2となるので)、これらの変調成分を互いに分離すればよい。よって、3D−SIMモードでは、例えば、位相数Nmaxを5以上として、一連の変調画像のフレーム数を増やせばよい。 Although the 2D-SIM mode has been described here, in the 3D-SIM mode, the modulation components to be superimposed on the modulated image are the −2nd order modulation component, the −1st order modulation component, the 0th order modulation component, and the + 1st order. Since there are five types of modulation components and + second order modulation components (that is, l = −2, −1, 0, +1, +2), these modulation components may be separated from each other. Therefore, in the 3D-SIM mode, for example, the number of phases N max may be set to 5 or more to increase the number of frames of a series of modulated images.
また、ここでは、復調演算における再配置(図19(c))及び合成(図19(d))の処理を順次に行ったが、一括の演算式で行うことも可能である。その演算式としては、以下の非特許文献1のOnline Methodsにおける数式(1)などが適用可能である。
Further, here, the rearrangement (FIG. 19C) and the synthesis (FIG. 19D) processing in the demodulation operation are sequentially performed, but it is also possible to perform them in a batch operation expression. As the calculation formula, Formula (1) in Online Methods of
非特許文献1:"Super-Resolution Video Microscopy of Live Cells by Structured Illumination", Peter Kner, Bryant B. Chhun, Eric R. Griffis, Lukman Winoto, and Mats G. L. Gustafsson, NATURE METHODS Vol.6 NO.5, pp.339-342, (2009)
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
Non-Patent Document 1: “Super-Resolution Video Microscopy of Live Cells by Structured Illumination”, Peter Kner, Bryant B. Chhun, Eric R. Griffis, Lukman Winoto, and Mats GL Gustafsson, NATURE METHODS Vol.6 NO.5, pp .339-342, (2009)
Note that the requirements of the above-described embodiments can be combined as appropriate. Some components may not be used. In addition, as long as it is permitted by law, the disclosure of all publications and US patents relating to the devices cited in the above embodiments and modifications are incorporated herein by reference.
1…構造化照明顕微鏡装置、100…レーザユニット、11…光ファイバ、10…照明光学系、30…結像光学系、42…撮像素子、43…制御装置、44…画像記憶・演算装置、45…画像表示装置、12…コレクタレンズ、13…偏光板、14…集光レンズアレイ、16…位相板、19…1/2波長板、20…光束選択部材、21…レンズ、22…視野絞り、23…フィールドレンズ、24…励起フィルタ、33…ダイクロイックミラー、31…対物レンズ、34…吸収フィルタ、35…第2対物レンズ、2…標本
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記1対のレンズで分割された1対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら1対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズと、
を備え、
前記1対のレンズの各々は、前記対物レンズの光軸に関して対称な位置関係で配置され、
前記対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能であり、
前記レンズアレイは、前記1対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離dが可変である構造化照明装置。 A lens array including at least one pair of lenses that divides and collects light beams emitted from a light source that emits light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially;
By receiving the pair of light beams divided by the pair of lenses at different positions on the pupil plane, the pair of light beams interfere with each other on the object side, and interference fringes are formed on the specimen arranged on the object side. An objective lens to be formed;
Equipped with a,
Each of the pair of lenses is disposed in a symmetric positional relationship with respect to the optical axis of the objective lens,
The objective lens can be replaced with another objective lens having a different pupil diameter.
The lens array is a structured illumination device in which a distance d from an optical axis of each of the pair of lenses to an optical axis of the objective lens is variable .
前記1対のレンズで分割された1対の光束を、瞳面の互いに異なる位置で受けることにより、それら1対の光束を物体側で干渉させ、その物体側に配置された標本に干渉縞を形成する対物レンズと、 By receiving the pair of light beams divided by the pair of lenses at different positions on the pupil plane, the pair of light beams interfere with each other on the object side, and interference fringes are formed on the specimen arranged on the object side. An objective lens to be formed;
を備え、With
前記1対のレンズの各々は、前記対物レンズの光軸に関して対称な位置関係で配置され、 Each of the pair of lenses is disposed in a symmetric positional relationship with respect to the optical axis of the objective lens,
前記対物レンズは、瞳径の異なる別の対物レンズへと交換可能であり、 The objective lens can be replaced with another objective lens having a different pupil diameter.
前記レンズアレイは、距離dの異なる別のレンズアレイへと交換可能である構造化照明装置。 The structured illumination device, wherein the lens array can be replaced with another lens array having a different distance d.
但し、レンズアレイの距離dは、前記レンズアレイに含まれる1対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離である。 However, the distance d of the lens array is a distance from the optical axis of each of the pair of lenses included in the lens array to the optical axis of the objective lens.
前記1対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離は、
前記1対の光束が前記標本の表面近傍にエバネッセント場を生成できるように調整されている構造化照明装置。 The structured lighting device according to claim 1 or 2 ,
The distance from the optical axis of each of the pair of lenses to the optical axis of the objective lens is:
It said pair of structured illumination device that have been adapted generate an evanescent field near the surface of the light beam the specimen.
前記1対のレンズの各々の光軸から前記対物レンズの光軸までの距離dは、以下の条件式を満たす構造化照明装置。
(nw・fo)/β ≦ d ≦ (NA・fo )/β
但し、nwは前記標本の屈折率、foは前記対物レンズの焦点距離、βは前記1対のレンズの各々の集光位置から前記瞳面までの倍率、NAは前記対物レンズの開口数である。 The structured lighting device according to claim 3.
The first distance from the optical axis of each lens of the pair to the optical axis of the objective lens d, the following conditional expression satisfy be structured illumination device.
(Nw · fo) / β ≦ d ≦ (NA · fo) / β
However was, nw is the refractive index of the specimen, fo is the focal length of the objective lens, beta magnification from each of the condensing positions of the pair of lens to the pupil plane, NA is a numerical aperture of said objective lens is there.
前記レンズアレイは、複数の前記1対のレンズを有する構造化照明装置。 In structured illumination apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The lens array is structured illumination device that have a plurality of the pair of lenses.
複数の前記1対のレンズで分割された複数対の光束のうち1対の光束のみを選択する光選択手段を更に備えた構造化照明装置。 The structured lighting device according to claim 5 , wherein
A plurality of further comprising Structured illumination device light selecting means for selecting only the light flux of the pair of light fluxes of the plurality of pairs divided by a pair of lenses.
前記レンズアレイは、前記対物レンズの光軸の周りに回動可能である構造化照明装置。 In structured illumination apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The lens array is structured illumination device Ru pivotally der around the optical axis of the objective lens.
前記1対のレンズの一方及び他方の焦点距離は、互いに等しい構造化照明装置。 In structured illumination apparatus according to any one of claims 1 to 7,
One and the other focal length of the pair of lenses, each other equal I構 Zoka lighting device.
前記1対のレンズの一方及び他方は、接合レンズである構造化照明装置。 In structured illumination apparatus according to any one of claims 1 to 8,
One and the other of said pair of lenses, a cemented lens der Ru structured illumination device.
前記1対のレンズの軸上色収差は、前記1対のレンズの集光位置が前記複数波長の間で略一致するように補正されている構造化照明装置。 The structured lighting device according to claim 9 .
Axial chromatic aberration of the pair of lenses, the pair of lenses of the condensing positions corrected have that structured illumination device to match substantially between said plurality of wavelengths.
前記レンズアレイは、前記1対のレンズの他に、光軸上に配置されたレンズを更に有する構造化照明装置。 In structured illumination apparatus according to any one of claims 1 to 10,
The lens array, the 1 in addition to the pair of lenses, further structured illumination device that have a lens disposed on the optical axis.
前記対物レンズの光軸方向における前記1対の光束の集光位置を調整するための位置調整手段を更に備える構造化照明装置。 In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 11 ,
Further comprising Ru Structured illumination device position adjustment means for adjusting the focusing position of the light flux of the pair in the direction of the optical axis of the objective lens.
前記対物レンズの光軸方向における前記レンズアレイの位置は、可変である構造化照明装置。 The structured lighting device according to claim 12 ,
The position of the lens array in the optical axis direction of the objective lens is variable der Ru structured illumination device.
前記干渉縞の位相をシフトさせるための位相シフト手段を更に備える構造化照明装置。 A lighting device according to any one of claims 1 to 13,
Further comprising Ru Structured illumination device a phase shifting means for shifting the phase of the interference fringes.
前記複数波長は、400nmから700nmの波長範囲内に収められる構造化照明装置。 In the structured lighting device according to any one of claims 1 to 14 ,
The plurality of wavelengths is structured illumination device that contained from 400nm to the wavelength range of 700 nm.
前記干渉縞で変調された前記標本からの観察光束を光検出器に結像する結像光学系と、
を備えた構造化照明顕微鏡装置。 The structured lighting device according to any one of claims 1 to 15 ,
An imaging optical system that forms an image on the light beam of the observation light beam from the sample modulated by the interference fringes;
Structured illumination microscope equipped with.
前記光検出器が生成した画像に基づき前記標本の復調像を演算する演算手段を更に備えた構造化照明顕微鏡装置。
The structured illumination microscope apparatus according to claim 16 ,
Further structured illumination microscope apparatus having an arithmetic means for calculating a demodulated image of the specimen based on the image of the photodetector is produced.
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