WO2011162186A1 - 画像生成装置 - Google Patents

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light
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Inventor
寺田　浩敏
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an image generation apparatus that generates an image by irradiating a measured object with spatially modulated light.
  • Patent Document 1 describes an optical device that irradiates a sample with light from a light source device through a diffraction grating and captures a sample image at that time with a CCD camera.
  • this light source device obtains a plurality of modulated images by capturing images while moving the diffraction grating at a constant speed in a direction perpendicular to the fringes of the diffraction grating, and then image-processing those modulated images. Form an image.
  • Patent Document 2 also discloses a microscope apparatus in which an SLM (Spatial Light Modulator) is arranged in an optical path of illumination light in order to irradiate a sample with spatially modulated light. According to such a configuration, no means for moving the diffraction grating is required.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an image generation apparatus capable of quickly obtaining high-resolution images in various positions and directions with a simple apparatus configuration. .
  • an image generation apparatus is an image generation apparatus that generates an image of an object to be measured, and modulates the intensity of a laser light source that emits laser light and a laser light source. Control the laser modulator, the laser scanning unit that scans the irradiation position of the laser light on the object to be measured, and the laser modulating unit and the laser scanning unit so that the object to be measured is irradiated with illumination light of a plurality of spatial modulation patterns.
  • a control unit that captures the observation light emitted from the object to be measured in response to illumination light irradiation with a plurality of spatial modulation patterns, and obtains a plurality of pattern images, and a plurality of patterns acquired by the imaging unit
  • An image processing unit that generates a high-resolution image of the object to be measured using the image.
  • the intensity of the laser light emitted from the laser light source is modulated by the laser modulation unit, and at the same time, the irradiation position on the object to be measured is scanned by the laser scanning unit. Irradiates an object to be measured such as a device or biological sample.
  • the control unit controls the laser modulation unit and the laser scanning unit so that illumination light of a plurality of spatial modulation patterns is irradiated onto the object to be measured, and a plurality of pattern images emitted from the object to be measured by the imaging unit.
  • the image processing unit After being imaged, the image processing unit generates a high-resolution image using a plurality of pattern images.
  • the phase and direction of the spatial modulation pattern of the illumination light irradiated onto the object to be measured can be easily changed, and a high-resolution image with a desired position and orientation can be quickly obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an image generation device according to a first embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows the spatial modulation pattern of the illumination light prescribed
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an image generation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • An image generating apparatus 1 shown in FIG. 1 irradiates an object to be measured such as a semiconductor device with illumination light having a plurality of spatial modulation patterns, and a plurality of reflected images (observation images) emitted from the object to be measured A in response thereto.
  • the image generation apparatus 1 includes a laser light source 3 that emits laser light, a laser scanner (laser scanning unit) 5, an imaging device (imaging unit) 7 that captures a reflected image of the object A, and a laser light source 3. Of the laser beam to the object A to be measured, and an optical system 9 for forming a reflected image of the object A to be measured on the imaging device 7 and a laser output for controlling the output intensity of the laser light source 3.
  • An image capturing unit 17 that captures data and an image data calculation unit (image processing unit) 19 that processes the image data captured by the image capturing unit 17 are provided.
  • the optical system 9 includes a relay lens 21, a light separation unit 23, an objective lens 25, and an imaging lens 27.
  • the relay lens 21 is an optical system that efficiently guides the laser light whose irradiation angle is changed by the laser scanner 5 to the objective lens 25, and projects the exit pupil of the objective lens 25 onto the reflection surface of the laser scanner 5.
  • the laser beam reflected by the laser scanner 5 has a role of reliably reaching the objective lens 25.
  • the laser light source 3, the laser scanner 5, and the relay lens 21 guide laser scanning means for scanning the laser light, and the light separation unit 23 and the objective lens 25 guide the laser light toward the object A to be measured.
  • the light separating unit 23 is disposed between the laser scanner 5 and the DUT A on the optical path of the illumination light.
  • the light separation unit 23 transmits observation light such as reflected light and scattered light from the object A to be measured and guides the light to the imaging device 7 through the imaging lens 27 and at the same time reflects the laser light from the laser scanner 5. Then, the reflected light and scattered light from the measured object A are prevented from being imaged on the imaging device 7 via the laser scanner 5 which is a laser scanning unit by being guided to the measured object A via the objective lens 25. ing. Accordingly, the observation light is incident on the light receiving position of the imaging device 7 corresponding to the irradiation position of the laser beam of the object A to be measured scanned by the laser scanning means.
  • a half mirror having a reflectance and a transmittance of 1: 1, or a beam splitter having a predetermined relationship such as 8: 2 is used.
  • a polarization beam splitter can be used as the light separation unit 23.
  • a quarter wavelength plate is inserted between the polarizing beam splitter and the objective lens 25.
  • the laser scanner 5 is an optical device that scans the irradiation position two-dimensionally by changing the traveling direction of the laser light. In other words, the laser scanner 5 changes the incident angle of the laser light incident on the relay lens 21 to change the irradiation position of the laser light irradiated through the optical system 9 on the surface of the object A to be measured. Scan in two dimensions.
  • a galvanometer mirror having two mirrors whose rotation axes are orthogonal to each other and whose rotation angles can be electrically controlled can be used.
  • a polygon mirror a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror, an AOD (acousto-optic deflector), a resonant scanner (resonant galvanometer scanner), an EO scanner (electro-optic light deflector), etc. are employed.
  • a MEMS Micro Electro Mechanical System
  • AOD acousto-optic deflector
  • a resonant scanner resonant galvanometer scanner
  • an EO scanner electro-optic light deflector
  • the intensity of the laser light output from the laser light source 3 is configured to be modulated by a control signal from the laser output control unit 11 connected to the laser light source 3, and the laser light to be measured by the laser scanner 5 is measured.
  • the irradiation position on the surface of the object A is configured to be changeable by a control signal from the scanner control unit 13 connected to the laser scanner 5.
  • a modulation pattern control unit 15 is connected to the laser output control unit 11 and the scanner control unit 13, and the modulation pattern control unit 15 illuminates a plurality of spatial (two-dimensional) modulation patterns determined in advance on the object A to be measured.
  • the laser output control unit 11 and the scanner control unit 13 are controlled so that light is emitted.
  • the modulation pattern control unit 15 performs control so that the irradiation position of the laser beam is moved along the X-axis direction which is a predetermined direction along the plane of the object A to be measured.
  • the irradiation intensity of the laser beam is modulated so that the intensity distribution in the axial direction periodically increases and decreases according to a trigonometric function (sin function or cos function).
  • a trigonometric function sin function or cos function
  • the strip-shaped irradiation pattern L1 periodically modulated with the width W1 along the X-axis direction is formed.
  • the modulation pattern control unit 15 shifts the laser irradiation position in the direction along the Y axis perpendicular to the X axis, and then moves the laser light irradiation position in the X axis direction and modulates the laser light intensity.
  • the formation of the strip-shaped irradiation pattern L1 is repeated under control. As a result, a spatial modulation pattern having a striped pattern with a desired pitch W1 along the Y-axis direction can be generated. Note that the intensity of the laser light may be modulated periodically by ON-OFF.
  • the modulation pattern control unit 15 causes the laser beam intensity to gradually shift the spatial phase of the strip-shaped irradiation pattern L2 along the X axis between adjacent patterns in the Y axis direction. It is also possible to control the modulation. In this case, it is possible to generate a spatial modulation pattern that approximates a striped pattern having a desired pitch W2 that is inclined by a desired angle ⁇ 2 with respect to the Y-axis direction. Further, as shown in FIG. 4, the modulation pattern control unit 15 makes the irradiation intensity of the laser beam uniform during one scan of the laser beam along the X axis, and forms a plurality of strips arranged in the Y axis direction. It is also possible to control the irradiation intensity to be modulated between irradiation patterns. In this case, a spatial modulation pattern having a striped pattern with a desired pitch W3 along the X-axis direction can be generated.
  • the imaging device 7 Since the imaging device 7 receives the observation light such as the reflected light at the light receiving position corresponding to the irradiation position of the laser light, the reflected image of the object A to be measured generated in response to the illumination light having the spatial modulation pattern as described above. Are picked up by the image pickup device 7 to obtain a two-dimensional pattern image.
  • the pattern image acquired by the imaging device 7 is captured by the image capturing unit 17.
  • the image capturing unit 17 is connected to the imaging device 7 and the modulation pattern control unit 15, and the modulation pattern control unit 15 forms a spatial modulation pattern once on the surface of the object A to be measured, and one two-dimensional image.
  • the exposure timing by the imaging device 7 is controlled so that the exposure period (imaging period) of the pattern image is synchronized.
  • the image capturing unit 17 displays the reflected images generated by the entire illumination light of the respective spatial modulation patterns.
  • the exposure timing is controlled so as to acquire separate two-dimensional pattern images by exposure and integration.
  • the pattern image captured by the image capturing unit 17 is subjected to image processing by the image data calculation unit 19.
  • the image data calculation unit 19 irradiates the surface of the object A to be measured with a plurality of striped spatial modulation patterns along the Y-axis direction while changing the spatial phase at a desired frequency.
  • the image data calculation unit 19 irradiates a plurality of spatial modulation patterns along the four directions while changing the spatial phase at a desired frequency, and synthesizes the high frequency components of the plurality of pattern images obtained at that time.
  • the intensity of the laser light emitted from the laser light source 3 is modulated by the laser output control unit 11, and at the same time the irradiation position of the object A to be measured by the laser scanner 5.
  • the object to be measured A is irradiated while being scanned.
  • the modulation pattern control unit 15 controls the laser output control unit 11 and the laser scanner 5 so that illumination light of a plurality of spatial modulation patterns is irradiated on the measurement object A, and the measurement object A is measured by the imaging device 7.
  • a high resolution image is generated by the image data calculation unit 19 using the plurality of pattern images.
  • a high-resolution image of the object A can be easily obtained without requiring a complicated driving mechanism for driving a diffraction grating or the like. That is, in this embodiment, it is only necessary to mount a simple optical system and a laser scanner.
  • the phase and orientation of the spatial modulation pattern of the illumination light applied to the object to be measured can be easily changed by the control of the modulation pattern control unit 15 to quickly obtain a high-resolution image at a desired position and orientation. be able to.
  • SLM Surface Light Modulator
  • the number of stripes at the resolution limit ⁇ 3 the number of pixels in the uniaxial direction is required.
  • the resolution is increased, only the stripes in the two directions in the X and Y axis directions perpendicular to each other are insufficient in the resolution in the oblique direction, and the stripes in the oblique direction are also required. It is necessary to create a stripe also in the 45 degree direction.
  • the SLM pixels are square, it is not possible to create stripes with the same pitch in the diagonal direction, and the same pitch can be achieved by reducing the resolution by reducing the stripe pitch or by using an SLM with a larger number of pixels. Will do.
  • the conventional apparatus requires an expensive SLM.
  • light transmission / reflection loss in the SLM, loss at pixel joints, zero-order light, and higher-order light also occur.
  • the object A to be measured causes two-photon absorption such as a fluorescent sample, and second harmonics (SHG, second harmonic generation).
  • two-photon absorption such as a fluorescent sample
  • SHG, second harmonic generation For those that show non-linear reactions, such as those that occur, these reactions are likely to occur because the intensity of the irradiation point is easily increased.
  • observation using higher resolution is possible by using, for example, two-photon absorption.
  • the resolution can be further increased.
  • the light separation unit 23 since the light separation unit 23 is provided, it is possible to prevent the reflected image from the object A to be measured from returning to the laser scanner 5 side, so that the reflected image of the object A is detected as a wide range pattern image by the imaging device 7. be able to. Thereby, the high-resolution image of the to-be-measured object A can be obtained more reliably.
  • the laser output control unit 11 modulates the intensity of the laser light so as to change according to the trigonometric function, it is easy to form a spatial modulation pattern.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the image generation apparatus 101 according to the second embodiment of the present invention.
  • the image generation apparatus 101 shown in FIG. 1 irradiates a measurement object such as a cell with a plurality of spatial modulation patterns of excitation light (illumination light) and emits a plurality of light emitted from the measurement object A accordingly.
  • This is an apparatus for capturing fluorescent images (observation images) and obtaining a high-resolution image of the object to be measured based on the fluorescent images.
  • the difference between the image generating apparatus 101 and the first embodiment is that the function of the light separating unit 123 is different and that a barrier filter 129 is provided between the light separating unit 123 and the imaging lens 27.
  • the light separation unit 123 transmits the fluorescence from the object A to be measured and guides it to the imaging device 7 via the imaging lens 27, and at the same time reflects the laser light from the laser scanner 5 and passes through the objective lens 25. Then, by guiding the light to the object to be measured A, the fluorescence that is the observation light from the object to be measured A is prevented from being imaged on the imaging device 7 via the laser scanner 5 that is a laser scanning unit. Accordingly, the observation light is incident on the light receiving position of the imaging device 7 corresponding to the irradiation position of the laser beam of the object A to be measured scanned by the laser scanning means.
  • a dichroic mirror that separates excitation light having a predetermined wavelength component and fluorescence having a longer wavelength than the wavelength component of the excitation light is used.
  • This dichroic mirror has a function of reflecting excitation light incident from the laser scanner 5 toward the objective lens 25 and transmitting fluorescence generated from the object A to be measured, and has optical characteristics of short wavelength reflection and long wavelength transmission. It is a mirror containing the dielectric multilayer film which has these.
  • the barrier filter 129 cuts the excitation light so that the excitation light does not reach the imaging device 7 when the imaging device 7 captures the pattern image.
  • This barrier filter absorbs and reflects the wavelength component of the excitation light, cuts it off and transmits the wavelength component of the fluorescence, and transmits only the wavelength component of the fluorescence. It is a band pass filter to be made.
  • a high-resolution image of the object to be measured A can be easily acquired even when the object to be measured that generates fluorescence such as cells is used as an observation target.
  • the phase and orientation of the spatial modulation pattern of the illumination light applied to the object to be measured can be easily changed by the control of the modulation pattern control unit 15 to quickly obtain a high-resolution image at a desired position and orientation. be able to.
  • a configuration as shown in FIG. 6 may be adopted as the configuration of the optical system for guiding the illumination light.
  • an axicon 201 and a converter lens 202 may be inserted between the laser light source 3 and the laser scanner 5.
  • the axicon 201 is a conical prism, and is an optical element that converts a parallel beam having a circular cross section emitted from the laser light source 3 into a beam having a ring cross section.
  • the converter lens 202 is a lens that projects a ring-shaped beam emitted from the axicon 201 onto the laser scanner 5 in a circumferential shape.
  • the laser light source 3 of the image generation apparatus 101 as shown in FIG. 7, a configuration capable of observing the two-photon excitation in the object A to be measured may be employed. Specifically, a configuration comprising an ultrashort pulse laser laser 3 a and a laser modulator 3 b that modulates the output is adopted as the laser light source 3, and a desired wavelength component from the laser light between the laser light source 3 and the laser scanner 5.
  • An excitation wavelength selection filter 301 for selecting is inserted.
  • Two-photon excitation is a phenomenon in which electrons are excited by two photons having a wavelength twice that of the original excitation light to emit fluorescence. Therefore, the excitation wavelength selection filter 301 functions to transmit light having a wavelength twice that of the excitation wavelength of the fluorescent sample.
  • the light separation unit 23 reflects the long-wavelength excitation light incident from the laser scanner 5 side toward the objective lens 25 and transmits the short-wavelength fluorescence generated from the object A to be measured. Therefore, a dichroic mirror having a long function and having optical characteristics of long wavelength reflection and short wavelength transmission is used.
  • the barrier filter 129 has a property of cutting by absorbing and reflecting the long wavelength component of the excitation light and transmitting the short wavelength component of the fluorescence, and a low-pass filter having a short wavelength transmission property or a fluorescent filter. A bandpass filter that transmits only the wavelength component is used.
  • a light separation unit that is provided between the laser scanning unit on the optical path of the illumination light and the object to be measured, and separates the observation light from the object to be measured from the optical path of the illumination light and guides it to the imaging unit.
  • the observation light from the object to be measured can be detected as a wide range pattern image by the imaging unit.
  • the observation light emitted from the object to be measured is configured to be imaged by the imaging unit without passing through the laser scanning unit. With this configuration, the observation light from the object to be measured can be detected as a two-dimensional pattern image.
  • the imaging unit is controlled so that one imaging period of the pattern image is synchronized with one formation period of the spatial modulation pattern in the control unit. In this way, in the imaging unit, a plurality of pattern images corresponding to a plurality of spatial modulation patterns of illumination light can be easily separated and acquired.
  • the image processing unit extracts interference fringe components between a plurality of spatial modulation patterns irradiated to the object to be measured and a spatial frequency of the structure of the object to be measured based on the plurality of pattern images acquired by the imaging unit.
  • a high-resolution image having a desired position and orientation can be efficiently obtained by changing the phase and orientation of the spatial modulation pattern of the illumination light applied to the object to be measured.
  • the laser modulator modulates the intensity of the laser light so as to change according to a trigonometric function. If such a laser modulation unit is provided, it is easy to form a spatial modulation pattern.
  • control unit forms different spatial modulation patterns by changing the phase and frequency of the trigonometric function. In this way, it becomes easy to form spatial modulation patterns having various pitches and phases.
  • the present invention uses an image generation apparatus that generates an image by irradiating a measured object with spatially modulated light, and can quickly obtain high-resolution images in various positions and directions with a simple apparatus configuration. Is.

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Abstract

　画像生成装置１は、被測定物Ａの画像を生成する画像生成装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザ光の強度を変調させるレーザ出力制御部１１と、レーザ光の被測定物Ａへの照射位置を走査するレーザスキャナ５と、被測定物Ａに複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、レーザ出力制御部１１及びレーザスキャナ５を制御する変調パターン制御部１５と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物Ａから発せられる観察光を撮像して複数のパターン画像を取得する撮像装置７と、撮像装置７によって取得された複数のパターン画像を用いて、被測定物Ａの高解像度画像を生成する画像データ演算部１９と、を備える。

Description

画像生成装置
　本発明は、被測定物に空間変調された光を照射することにより画像を生成する画像生成装置に関するものである。
　従来から、半導体デバイス等に空間変調された光を照射してその結果生じた像を観察する光学装置が用いられている。例えば、下記特許文献１には、光源装置からの光を回折格子を通して試料に照射して、そのときの試料像をＣＣＤカメラで撮像する光学装置が記載されている。また、この光源装置は、回折格子を等速度で回折格子の縞と垂直な方向に移動しながら撮像することで複数の変調像を得た後に、それらの変調像を画像処理することで試料の像を形成する。また、下記特許文献２には、試料に空間変調された光を照射するために、照明光の光路中にＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を配置した顕微鏡装置も開示されている。このような構成によれば、回折格子を移動させる手段を必要としない。
特開２００１－１１７０１０号公報 特開２００７－１９９５７２号公報
　しかしながら、上述した特許文献１記載の光学装置では、対物レンズ等の光学系が変更された場合には回折格子もそれに対応して交換する必要がある場合がある。これは、対物レンズの倍率を変更したい場合には対物レンズのサイズが変わることになり、このとき回折光子からの回折光の入射位置が変化する結果、高解像度の像を得られなくなるからである。さらに、試料に照射する空間変調光の位相や向きを変える場合には回折格子の水平移動および回転のための駆動系が必要となり、装置構成が複雑化する。
　また、上述した特許文献２記載の顕微鏡装置では、ＳＬＭの交換は必要なく、ＳＬＭの駆動機構も必要ないが、分解能を上げる目的で細かいピッチの空間変調光を作る際には、画素数の多いＳＬＭが必要となり装置が高価になる傾向にあった。
　そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、簡易な装置構成で様々な位置および方向の高解像度像を素早く得ることが可能な画像生成装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一側面にかかる画像生成装置は、被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、レーザ光の被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、レーザ変調部及びレーザ走査部を制御する制御部と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物から発せられる観察光を撮像して複数のパターン画像を取得する撮像部と、撮像部によって取得された複数のパターン画像を用いて、被測定物の高解像度画像を生成する画像処理部と、を備える。
　このような画像生成装置によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光が、レーザ変調部によってその強度が変調されると同時に、レーザ走査部によって被測定物への照射位置が走査されながら、半導体デバイスや生物試料などの被測定物に照射される。このとき、制御部によって、被測定物に複数の空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ変調部およびレーザ走査部が制御され、撮像部によって被測定物から発せられる複数のパターン画像が撮像された後、画像処理部によって複数のパターン画像を用いて高解像度画像が生成される。これにより、構成部品の交換を要することなく、複雑な駆動機構を必要とせずに、被測定物の高解像度画像を簡易に取得することができる。それに加えて、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。
　本発明によれば、簡易な装置構成で様々な位置および方向の高解像度像を素早く得ることができる。
本発明の第１実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。 図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。 図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。 図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。 本発明の変形例である光学系を示す概略構成図である。 本発明の変形例であるレーザ光源を示す概略構成図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明に係る画像生成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　［第１実施形態］
　図１は、本発明の第１実施形態に係る画像生成装置１の構成を示すブロック図である。図１に示す画像生成装置１は、半導体デバイス等の被測定物に対して複数の空間変調パターンの照明光を照射し、それに応じて被測定物Ａから発せられる複数の反射像（観察像）を撮像し、それらの反射像を基にして被測定物の高解像度像を得るための装置である。この画像生成装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザスキャナ（レーザ走査部）５と、被測定物Ａの反射像を撮像する撮像装置（撮像部）７と、レーザ光源３からのレーザ光を被測定物Ａに向けて導光し、また、被測定物Ａの反射像を撮像装置７に結像させるための光学系９と、レーザ光源３の出力強度を制御するレーザ出力制御部（レーザ変調部）１１と、レーザスキャナ５の動作を制御するスキャナ制御部１３と、被測定物Ａに照射される空間変調パターンを制御する変調パターン制御部１５と、撮像装置７から画像データを取り込む画像取込部１７と、画像取込部１７によって取り込まれた画像データを処理する画像データ演算部（画像処理部）１９とを備えている。
　詳細には、光学系９は、リレーレンズ２１、光分離部２３、対物レンズ２５、および結像レンズ２７から構成されている。リレーレンズ２１は、レーザスキャナ５によって照射角度が振られたレーザ光を対物レンズ２５まで効率よく導くための光学系であり、対物レンズ２５の射出瞳をレーザスキャナ５の反射面に投影することにより、レーザスキャナ５を反射されたレーザ光を対物レンズ２５に確実に到達させる役割を有する。ここで、レーザ光源３、レーザスキャナ５、及びリレーレンズ２１はレーザ光を走査するためのレーザ走査手段を、光分離部２３及び対物レンズ２５はレーザ光を被測定物Ａに向けて導光するとともに、被測定物Ａからの反射光を撮像装置７へ導光するための共通手段を、結像レンズ２７及び撮像装置７は被測定物Ａからの反射光を撮像するための撮像手段を、それぞれ構成している。
　光分離部２３は、照明光の光路上のレーザスキャナ５と被測定物Ａとの間に配置されている。この光分離部２３は、被測定物Ａからの反射光および散乱光などの観察光を透過して結像レンズ２７を介して撮像装置７に導くと同時に、レーザスキャナ５からのレーザ光を反射して対物レンズ２５を経由して被測定物Ａに導くことにより、被測定物Ａからの反射光および散乱光がレーザ走査部であるレーザスキャナ５を介して撮像装置７に結像されないようにしている。従って、レーザ走査手段によって走査される被測定物Ａのレーザ光の照射位置に対応した、撮像装置７の受光位置に観察光が入射される。このような光分離部２３としては、反射率および透過率が１：１であるハーフミラーや８：２等の所定の関係を有するビームスプリッタが用いられる。また、レーザ光が所定の偏光成分を有する場合には、光分離部２３として、偏光ビームスプリッタを用いることもできる。この場合は、偏光ビームスプリッタと対物レンズ２５との間に、１／４波長板を挿入する。これにより、偏光ビームスプリッタ側から直線偏光のレーザ光が入射した場合に、円偏光に変換して被測定物Ａに照射することができるとともに、被測定物Ａからの反射光が再び１／４波長板を透過する際に、その反射光を入射時とは９０度異なる直線偏光に変換することができる。その結果、反射光を偏光ビームスプリッタに透過させて撮像装置７側に導くことができる。
　レーザスキャナ５は、レーザ光の進行方向を変更することによりその照射位置を２次元的に走査させる光学装置である。すなわち、レーザスキャナ５は、リレーレンズ２１に向けて入射するレーザ光の入射角度を変更することにより、光学系９を介して照射されるレーザ光の照射位置を、被測定物Ａの表面上で２次元的に走査させる。このようなレーザスキャナ５としては、互いの回転軸が直交する２つのミラーを有し、それらの回転角が電気的に制御可能にされたガルバノメータミラーを用いることができる。その他、レーザスキャナ５としては、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、ＡＯＤ（音響光学偏向器）、レゾナントスキャナ（共振型ガルバノメータスキャナ）、ＥＯスキャナ（電気光学的光偏向器）等を採用することもできる。
　ここで、レーザ光源３から出力されるレーザ光の強度は、レーザ光源３に接続されたレーザ出力制御部１１からの制御信号によって変調可能に構成されており、レーザスキャナ５によるレーザ光の被測定物Ａの表面の照射位置は、レーザスキャナ５に接続されたスキャナ制御部１３からの制御信号によって変更可能に構成されている。さらに、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３には変調パターン制御部１５が接続され、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに予め決められた複数の空間（２次元）変調パターンの照明光が照射されるように、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３が制御される。
　次に、図２～図４を参照して、変調パターン制御部１５によって規定される照明光の空間変調パターンについて例示する。
　図２～４には、変調パターン制御部１５によって規定された空間変調パターンの被測定物Ａに対する照射状態を示している。図２に示すように、まず、変調パターン制御部１５は、被測定物Ａの平面に沿った所定方向であるＸ軸方向に沿ってレーザ光の照射位置を移動させるように制御すると同時に、Ｘ軸方向の強度分布が三角関数（ｓｉｎ関数、又はｃｏｓ関数）に従って周期的に増減するようにレーザ光の照射強度を変調させる。同図において、矢印は、レーザ照射位置の変更状態を示している。これにより、Ｘ軸方向に沿って幅Ｗ１で周期的に変調された帯状照射パターンＬ１が形成される。続けて、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に垂直なＹ軸に沿った方向にレーザ照射位置をずらした後に、レーザ光の照射位置のＸ軸方向に沿った移動とレーザ光強度の変調を制御して帯状照射パターンＬ１の形成を繰り返す。その結果、Ｙ軸方向に沿った所望のピッチＷ１の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。なお、レーザ光の強度は、周期的なＯＮ―ＯＦＦで変調されてもよい。
　また、図３に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った帯状照射パターンＬ２の空間的な位相を、Ｙ軸方向において隣接するパターン間で徐々にシフトさせるようにレーザ光強度の変調を制御することもできる。この場合は、Ｙ軸方向に対して所望の角度θ２だけ傾斜する所望のピッチＷ２の縞模様に近似される空間変調パターンを生成することができる。さらに、図４に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った１回のレーザ光の走査の間のレーザ光の照射強度を均一にし、Ｙ軸方向に配列される複数の帯状照射パターン間で照射強度が変調されるように制御することもできる。この場合、Ｘ軸方向に沿った所望のピッチＷ３の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。
　撮像装置７はレーザ光の照射位置に対応した受光位置に反射光などの観察光を受光するので、上記のような空間変調パターンを有する照明光の照射に応じて生じる被測定物Ａの反射像は、撮像装置７によって撮像されて２次元のパターン画像が取得される。撮像装置７によって取得されたパターン画像は、画像取込部１７によって取り込まれる。この画像取込部１７は、撮像装置７および変調パターン制御部１５に接続され、変調パターン制御部１５による被測定物Ａの表面における空間変調パターンの１回の形成期間と、１枚の２次元パターン画像の露光期間（撮像期間）とが同期するように、撮像装置７による露光タイミングを制御する。例えば、図２～図４に示すような空間変調パターンが時間的に連続して形成される場合には、画像取込部１７は、それぞれの空間変調パターンの全体の照明光によって生じる反射像を露光、積算することにより、別々の２次元のパターン画像を取得するように、露光タイミングを制御する。
　画像取込部１７によって取り込まれたパターン画像は、画像データ演算部１９によって画像処理が施される。例えば、画像データ演算部１９は、被測定物Ａの表面にＹ軸方向に沿った縞模様の複数の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、そのとき得られる複数のパターン画像の高周波成分を合成することによりＸ軸方向に沿った解像度が高められた被測定物Ａの高解像度画像を生成する。また、画像データ演算部１９は、４方位に沿った複数の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、そのとき得られる複数のパターン画像の高周波成分を合成することにより、４方位に解像度が高められた高解像度画像を生成することもできる。詳述すると、得られた複数のパターン画像から、被測定物に照射された複数の空間変調パターンと被測定物の構造の空間周波数との干渉縞成分を抽出することで、パターン画像の高周波数成分を低周波数成分に落とした低周波数パターン画像を生成し、低周波数パターン画像の干渉縞成分に基づいて、高解像度画像を生成する。
　以上説明した画像生成装置１によれば、レーザ光源３から発せられたレーザ光が、レーザ出力制御部１１によってその強度が変調されると同時に、レーザスキャナ５によって被測定物Ａへの照射位置が走査されながら、被測定物Ａに照射される。このとき、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに複数の空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ出力制御部１１およびレーザスキャナ５が制御され、撮像装置７によって被測定物Ａから発せられる複数のパターン画像が撮像された後、画像データ演算部１９によって複数のパターン画像を用いて高解像度画像が生成される。これにより、回折格子などの構成部品の交換を要することなく、被測定物Ａの高解像度画像を簡易に取得することができる。これに対して、回折格子を使用した従来の方法では、照明光の空間変調パターンのピッチを変更したい場合には回折格子を交換する必要がある。このとき、解像度を高めるためには回折格子からの１次光を対物レンズの端ぎりぎりに入射させる必要があるために、対物レンズの交換も必要となってしまう。回折格子を用いた従来装置において対物レンズの倍率を切り替えた場合でも、一般には対物レンズのサイズも変わってしまい、回折格子からの１次光の対物レンズに対する入射位置が変わってしまうので、高解像度の像を得るためには回折格子の交換が必要である。
　また、画像生成装置１によれば、回折格子等を駆動する複雑な駆動機構を必要とせずに、被測定物Ａの高解像度画像を簡易に取得することができる。つまり、本実施形態では簡単な光学系とレーザスキャナ等を搭載するだけで済む。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。これに対して、空間変調パターン生成用としてＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を用いた従来装置では、任意の方向に任意の角度で回折させるためには非常に微細なＳＬＭが必要となる。例えば、試料上に投影する縞の位相を３種類に変更する場合は、解像限界の縞の本数×３の一軸方向のピクセル数が必要となる。さらに、高解像度化する場合、直行するＸ，Ｙ軸方向の２方向の縞だけでは斜め方向の解像度が不十分となり、斜め方向の縞も必要となるため、Ｘ，Ｙ軸方向と同じピッチの縞を４５度方向にも作成する必要が発生する。しかしながらＳＬＭのピクセルは四角形であるため、斜め方向に同一ピッチの縞を作ることができず、縞ピッチを減らして解像度を落とすか、さらにピクセル数の多いＳＬＭを使用することで、同一ピッチを実現することになる。その結果、従来装置では高価なＳＬＭが必要になる。また、ＳＬＭにおける光の透過／反射ロスや、ピクセルの継ぎ目におけるロス、０次光、高次光の問題も発生する。
　さらに、レーザ光を２次元的に走査して変調する手法を取ることにより、被測定物Ａが蛍光試料など２光子吸収を起こすものや、第２次高調波（SHG、２倍波発生）を発生するものなど、非線形な反応を示すものに対しては、照射点の強度を上げやすいため、それらの反応が起こりやすい。その結果、例えば２光子吸収などを利用すればさらに高分解能化された観察も可能になる。また、空間変調パターンの周波数の高調波成分との干渉縞成分を用いて画像を作成することで、さらに高解像度化することができる。
　また、光分離部２３を備えることで、被測定物Ａからの反射像がレーザスキャナ５側に戻ることを防げるので、被測定物Ａの反射像を撮像装置７で広範囲のパターン画像として検出することができる。これにより、被測定物Ａの高解像画像をより確実に得ることができる。
　さらに、レーザ出力制御部１１がレーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させるので、空間変調パターンの形成が容易になる。
　［第２実施形態］
　図５は、本発明の第２実施形態に係る画像生成装置１０１の構成を示すブロック図である。同図に示す画像生成装置１０１は、細胞等の蛍光を発する被測定物に対して複数の空間変調パターンの励起光（照明光）を照射し、それに応じて被測定物Ａから発せられる複数の蛍光像（観察像）を撮像し、それらの蛍光像を基にして被測定物の高解像度像を得るための装置である。この画像生成装置１０１の第１実施形態との相違点は、光分離部１２３の機能が異なる点と、光分離部１２３と結像レンズ２７との間にバリアフィルタ１２９を備える点である。
　すなわち、光分離部１２３は、被測定物Ａからの蛍光を透過して結像レンズ２７を介して撮像装置７に導くと同時に、レーザスキャナ５からのレーザ光を反射して対物レンズ２５を経由して被測定物Ａに導くことにより、被測定物Ａからの観察光である蛍光がレーザ走査部であるレーザスキャナ５を介して撮像装置７に結像されないようにしている。従って、レーザ走査手段によって走査される被測定物Ａのレーザ光の照射位置に対応した、撮像装置７の受光位置に観察光が入射される。このような光分離部２３としては、所定の波長成分の励起光と、励起光の波長成分より長波長の蛍光とを分離するダイクロイックミラーが用いられる。このダイクロイックミラーは、レーザスキャナ５側から入射した励起光を対物レンズ２５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた蛍光を透過する機能を有し、短波長反射および長波長透過の光学特性を有する誘電体多層膜を含むミラーである。
　バリアフィルタ１２９は、撮像装置７によるパターン画像の撮像時に、撮像装置７に向けて励起光が到達しないように励起光をカットする。このバリアフィルタは、励起光の波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の波長成分を透過させる性質を有し、長波長透過性を有するハイパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタである。
　このような画像生成装置１０１によれば、細胞等の蛍光を発生する被測定物を観察対象とした場合にも、被測定物Ａの高解像度画像を簡易に取得することができる。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。
　なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定物Ａに照射される空間変調パターンのコントラストを上げるために、照明光を導光するための光学系の構成として、図６に示すような構成を採用してもよい。
　詳細には、レーザ光源３とレーザスキャナ５との間にアキシコン２０１およびコンバータレンズ２０２を挿入してもよい。アキシコン２０１は、円錐形のプリズムであり、レーザ光源３から出射された断面円形の平行ビームを断面がリング状のビームに変換する光学素子である。コンバータレンズ２０２は、アキシコン２０１から出射されたリング状のビームをレーザスキャナ５上に円周状に投影させるレンズである。このような照明光用の光学系を用いることで、レーザ光源３からのレーザ光を対物レンズ２５の瞳位置でリング状に形成することができる。これにより、被測定物Ａの表面でのレーザ光スポットの半値幅を小さくすることができ、レーザビームをエアリディスク径で走査する場合の空間変調パターンのコントラストの低下を防止することができる。
　また、画像生成装置１０１のレーザ光源３としては、図７に示すように、被測定物Ａにおける２光子励起を観察可能な構成が採用されてもよい。具体的には、レーザ光源３として超短パルスレーザレーザ３ａとその出力を変調させるレーザ変調器３ｂとから成る構成を採用し、レーザ光源３とレーザスキャナ５の間にレーザ光から所望の波長成分を選択する励起波長選択用フィルタ３０１を挿入する。２光子励起は本来の励起光の波長の２倍の波長の２つの光子によって電子が励起されて蛍光を発する現象である。そのため、励起波長選択用フィルタ３０１は、蛍光試料の励起波長の２倍の波長の光を透過させるように機能する。これに対応して、光分離部２３としては、レーザスキャナ５側から入射した長波長の励起光を対物レンズ２５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた短波長の蛍光を透過するような機能を有し、長波長反射および短波長透過の光学特性を有するダイクロイックミラーが使用される。また、バリアフィルタ１２９としては、励起光の長波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の短波長成分を透過させる性質を有し、短波長透過性を有するローパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタが使用される。
　ここで、照明光の光路上のレーザ走査部と被測定物との間に設けられ、被測定物からの観察光を照明光の光路と分離して撮像部に導く光分離部を更に備える、ことが好適である。この場合、被測定物からの観察光を撮像部で広範囲のパターン画像として検出することができる。
　また、被測定物から発せられる観察光が、レーザ走査部を介すことなく撮像部で撮像されるように構成されていることも好適である。かかる構成を採れば、被測定物からの観察光を２次元のパターン画像として検出することができる。
　さらに、撮像部は、パターン画像の１回の撮像期間が、制御部における空間変調パターンの１回の形成期間と同期するように制御される、ことも好適である。こうすれば、撮像部において、照明光の複数の空間変調パターンに対応した複数のパターン画像を、容易に分離して取得することができる。
　また、画像処理部は、撮像部によって取得された複数のパターン画像をもとに、被測定物に照射された複数の空間変調パターンと被測定物の構造の空間周波数との干渉縞成分を抽出することで、パターン画像の高周波数成分を低周波数成分に落とした低周波数パターン画像を生成し、低周波数パターン画像の干渉縞成分に基づいて、高解像度画像を生成する、ことも好適である。この場合、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを変えることで、所望の位置および向きの高解像度画像を効率的に得ることができる。
　またさらに、レーザ変調部は、レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させる、ことも好適である。かかるレーザ変調部を備えれば、空間変調パターンの形成が容易になる。
　さらにまた、制御部は、三角関数の位相および周波数を変化させることで、異なる空間変調パターンを形成することも好適である。こうすれば、様々なピッチや位相の空間変調パターンの形成が容易となる。
　本発明は、被測定物に空間変調された光を照射することにより画像を生成する画像生成装置を使用用途とし、簡易な装置構成で様々な位置および方向の高解像度像を素早く得ることができるものである。
　１，１０１…画像生成装置、３…レーザ光源、５…レーザスキャナ（レーザ走査部）、７…撮像装置（撮像部）、１１…レーザ出力制御部（レーザ変調部）、１５…変調パターン制御部、１９…画像データ演算部（画像処理部）、２３，１２３…光分離部、Ａ…被測定物。

Claims (7)

  1. 　被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、
    　レーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、
    　前記レーザ光の前記被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、
    　前記被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、前記レーザ変調部及び前記レーザ走査部を制御する制御部と、
    　前記複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて前記被測定物から発せられる観察光を撮像して複数のパターン画像を取得する撮像部と、
    　前記撮像部によって取得された前記複数のパターン画像を用いて、前記被測定物の高解像度画像を生成する画像処理部と、
    を備えることを特徴とする画像生成装置。
  2. 　前記照明光の光路上の前記レーザ走査部と前記被測定物との間に設けられ、前記被測定物からの前記観察光を前記照明光の光路と分離して前記撮像部に導く光分離部を更に備える、
    ことを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
  3. 　前記被測定物から発せられる観察光が、レーザ走査部を介すことなく前記撮像部で撮像されるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の画像生成装置。
  4. 　前記撮像部は、パターン画像の１回の撮像期間が、前記制御部における前記空間変調パターンの１回の形成期間と同期するように制御される、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の画像生成装置。
  5. 　画像処理部は、前記撮像部によって取得された前記複数のパターン画像をもとに、前記被測定物に照射された前記複数の空間変調パターンと前記被測定物の構造の空間周波数との干渉縞成分を抽出することで、前記パターン画像の高周波数成分を低周波数成分に落とした低周波数パターン画像を生成し、前記低周波数パターン画像の干渉縞成分に基づいて、前記高解像度画像を生成する、
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の画像生成装置。
  6. 　前記レーザ変調部は、前記レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させる、
    ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の画像生成装置。
  7. 　前記制御部は、三角関数の位相および周波数を変化させることで、異なる空間変調パターンを形成すること、
    ことを特徴とする請求項６記載の画像生成装置。
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