WO2017077777A1 - 画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニット - Google Patents

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Definitions

  • One aspect of the present invention relates to an image acquisition device, an image acquisition method, and a spatial light modulation unit that acquire an image by imaging detection light emitted from a sample along with irradiation of excitation light.
  • Non-Patent Document 1 there is a light sheet microscope that irradiates a sample with sheet-like excitation light and images detection light emitted from the sample with the irradiation of the excitation light (for example, see Non-Patent Document 1 below).
  • a Bessel beam is generated by a spatial light modulator (SLM: Spatial Light Modulator), and a condensing point of the generated Bessel beam is scanned along its optical axis.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • Non-Patent Document 1 Since the sheet-shaped excitation light is generated in a pseudo manner by scanning the condensing point of the Bessel beam along the optical axis. These optical elements are required. Therefore, there is a possibility that the device configuration becomes complicated.
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an image acquisition device, an image acquisition method, and a spatial light modulation unit that can generate sheet-like excitation light with a simple configuration.
  • An image acquisition apparatus includes a light source that outputs excitation light including a wavelength that excites a sample, and a plurality of pixels that are two-dimensionally arranged, and the phase of the excitation light output from the light source is determined.
  • a spatial light modulator that modulates each of the plurality of pixels, a first objective lens that irradiates the sample with excitation light modulated by the spatial light modulator, and a sample accompanying the irradiation of excitation light from the first objective lens
  • a second objective lens that guides the detection light emitted from the light source, a photodetector that images the detection light guided by the second objective lens, and a phase value corresponding to each of the plurality of pixels in a two-dimensional distribution
  • a control unit that controls a phase modulation amount for each of a plurality of pixels according to the phase pattern to be generated, the phase pattern is a phase pattern generated based on a predetermined basic phase pattern, and the basic phase pattern has a predetermined direction Continuously along Has a first region of increasing values, opposed to the first region in a predetermined direction, and a second region continuously phase values in a predetermined direction is decreased, the.
  • a basic phase having a first region in which the phase value continuously increases along a predetermined direction and a second region in which the phase value continuously decreases along a predetermined direction
  • a phase pattern is calculated based on the pattern.
  • the phase value increases linearly along a predetermined direction
  • the phase value increases linearly along the predetermined direction. May be reduced. According to this, since the basic phase pattern is simplified, it is possible to generate sheet-like excitation light with a simpler configuration without using a complicated optical element or the like.
  • the basic phase pattern may be axisymmetric with respect to a straight line that passes through the center in a predetermined direction and is orthogonal to the predetermined direction. According to this, sheet-like excitation light can be generated on the optical axis of the first objective lens. Therefore, it is easy to adjust the optical axes of the first objective lens and the second objective lens.
  • the basic phase pattern may be axisymmetric with respect to a straight line that passes through the center in a predetermined direction and is orthogonal to the predetermined direction. According to this, sheet-like excitation light can be generated at a position different from the optical axis of the first objective lens.
  • the first region and the second region may be adjacent to each other and phase values may be continuous at the boundary. According to this, since the basic phase pattern is simplified, it is possible to generate sheet-like excitation light with an even simpler configuration without using a complicated optical element or the like.
  • the phase pattern may be a phase pattern in which a diffraction grating pattern and a basic phase pattern are superimposed. According to this, the phase of excitation light can be made into a diffraction grating form, without providing a diffraction grating. Therefore, sheet-like excitation light can be generated with a much simpler configuration.
  • the phase pattern may be a phase pattern in which a lens-like lens pattern and a basic phase pattern are superimposed. According to this, the phase of excitation light can be made into a lens shape without providing a lens element. Therefore, sheet-like excitation light can be generated with a much simpler configuration.
  • the image acquisition device may further include an optical scanning unit that scans the sample with excitation light.
  • the photodetector may be a two-dimensional imaging device having a plurality of pixel columns and capable of rolling readout. According to this, according to this, S / N can be improved compared with the case of using a two-dimensional imaging device capable of global reading.
  • An image acquisition method is a first method in which a phase of excitation light including a wavelength for exciting a sample is modulated for each of a plurality of pixels by a spatial light modulator having a plurality of pixels arranged in two dimensions.
  • the second step of irradiating the sample with the excitation light modulated by the spatial light modulator, and guiding the detection light emitted from the sample with the irradiation of the excitation light, and the guided detection light A first step of imaging, and in the first step, each pixel is generated according to a phase pattern that is generated based on a predetermined basic phase pattern and phase values corresponding to each of the plurality of pixels are two-dimensionally distributed.
  • the basic phase pattern has a first region in which the phase value continuously increases along a predetermined direction, and faces the first region in the predetermined direction, along the predetermined direction. The phase value decreases continuously. It has a second region.
  • a basic phase having a first region in which the phase value continuously increases along a predetermined direction and a second region in which the phase value continuously decreases along a predetermined direction
  • a phase pattern is calculated based on the pattern.
  • a spatial light modulation unit is a spatial light modulation unit used in a light sheet microscope, and includes a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner, and the phase of input light is determined by a plurality of pixels.
  • a spatial light modulator that modulates each time and outputs the modulated light; a control unit that controls the phase modulation amount for each of the plurality of pixels according to a phase pattern in which phase values corresponding to each of the plurality of pixels are two-dimensionally distributed;
  • the phase pattern is a phase pattern generated based on a predetermined basic phase pattern, and the basic phase pattern includes a first region in which a phase value continuously increases along a predetermined direction, and a predetermined And a second region whose phase value continuously decreases along a predetermined direction.
  • this spatial light modulation unit a basic area having a first region in which the phase value continuously increases along a predetermined direction and a second region in which the phase value continuously decreases along a predetermined direction A phase pattern is calculated based on the phase pattern.
  • sheet-like excitation light can be generated with a simple configuration.
  • FIG. 10 It is a block diagram which shows the structure of the light sheet microscope which is one Embodiment of the image acquisition apparatus of this invention.
  • (A) is a light-receiving surface of the photodetector in FIG. 1, and
  • (b) is a diagram showing rolling readout in the photodetector.
  • FIG. 10 is a diagram showing second to fourth modifications of the basic phase pattern.
  • the light sheet microscope (image acquisition device) 1 shown in FIG. 1 irradiates the sample S with the sheet-like excitation light L1, and images the detection light L2 emitted from the sample S along with the irradiation of the excitation light L1.
  • An apparatus for acquiring an image of the sample S In the light sheet microscope 1, the condensing position of the excitation light L1 is scanned with respect to the sample S along the direction orthogonal to the optical axis of the excitation light L1, and an image of the sample S is acquired at each condensing position.
  • the region where the sample S is irradiated with the excitation light L1 is narrow, for example, deterioration of the sample S such as photobleaching or phototoxicity can be suppressed, and the image acquisition speed can be increased.
  • the sample S to be observed is, for example, a sample of a cell or a living body containing a fluorescent substance such as a fluorescent dye or a fluorescent gene.
  • the sample S emits detection light L2 such as fluorescence when irradiated with light of a predetermined wavelength range.
  • the sample S is accommodated, for example, in a holder having transparency to at least the excitation light L1 and the detection light L2. For example, this holder is held on a stage.
  • the light sheet microscope 1 includes a light source 11, a collimator lens 12, an optical scanning unit 13, an SLM 14, a first optical system 15, a first objective lens 16, and a second objective lens 16.
  • Objective lens 17, filter 18, second optical system 19, photodetector 20, and controller 21 are examples of the light sheet microscope 1 and controller 21.
  • the light source 11 outputs excitation light L1 including a wavelength for exciting the sample S.
  • the light source 11 emits coherent light or incoherent light, for example.
  • the coherent light source include a laser light source such as a laser diode (LD).
  • the incoherent light source include a light emitting diode (LED), a super luminescent diode (SLD), and a lamp light source.
  • the laser light source a light source that oscillates a continuous wave (Continuous Wave) is preferable, and a light source that oscillates pulsed light such as ultrashort pulse light may be used.
  • a unit that combines a light source that outputs pulsed light and an optical shutter or AOM (Acousto-Optic Modulator) for pulse modulation may be used.
  • the light source 11 may be configured to output excitation light L1 including a plurality of wavelength ranges.
  • a part of the wavelength of the excitation light L1 may be selectively transmitted by an optical filter such as an acousto-optic variable filter (Acousto-Optic Tunable Filter).
  • the collimator lens 12 collimates the excitation light L1 output from the light source 11, and outputs the collimated excitation light L1.
  • the optical scanning unit 13 is an optical scanner that scans the sample S with the excitation light L ⁇ b> 1 by changing the traveling direction of the excitation light L ⁇ b> 1 output from the collimator lens 12. Thereby, the irradiation position of the excitation light L1 irradiated to the sample S via the first optical system 15 and the first objective lens 16 is the optical axis of the first objective lens 16 (the optical axis of the excitation light L1). Is scanned on the surface of the sample S along the direction perpendicular to the surface.
  • the optical scanning unit 13 is, for example, an acoustooptic device such as a galvano mirror, a resonant scanner, a polygon mirror, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror, or an AOM or AOD (Acousto-Optic Defector).
  • a acoustooptic device such as a galvano mirror, a resonant scanner, a polygon mirror, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror, or an AOM or AOD (Acousto-Optic Defector).
  • the SLM 14 is a phase modulation type spatial light modulator that has a plurality of pixels arranged two-dimensionally and modulates the phase of the excitation light L1 output from the light source 11 for each of the plurality of pixels.
  • the SLM 14 modulates the excitation light L1 incident from the optical scanning unit 13, and outputs the modulated excitation light L1 toward the first optical system 15 (first step, modulation step).
  • the SLM 14 is configured, for example, as a transmission type or a reflection type. In FIG. 1, a transmissive SLM 14 is shown.
  • the SLM 14 is, for example, a refractive index changing material type SLM (for example, LCOS (Liquid Crystal on Silicon) SLM, LCD (Liquid Crystal Display)), a variable mirror SLM (for example, Segment Mirror SLM, Continuous Deformable Mirror SLM). Or an SLM using an electrical address type liquid crystal element or an optical address type liquid crystal element.
  • SLM 14 is electrically connected to the controller 23 of the control unit 21 and constitutes a spatial light modulation unit. The drive of the SLM 14 is controlled by the controller 23. Details of control of the SLM 14 by the control unit 21 will be described later.
  • the first optical system 15 optically couples the SLM 14 and the first objective lens 16 so that the excitation light L1 output from the SLM 14 is guided to the first objective lens 16.
  • the first optical system 15 here has a lens 15a that condenses the excitation light L1 from the SLM 14 at the pupil of the first objective lens 16, and constitutes a double-sided telecentric optical system.
  • the first objective lens 16 is an illumination objective lens, and irradiates the sample S with excitation light L1 modulated by the SLM 14 (second step, irradiation step).
  • the first objective lens 16 can be moved along its optical axis by a driving element such as a piezoelectric actuator or a stepping motor. Thereby, the condensing position of the excitation light L1 can be adjusted.
  • the first optical system 15 and the first objective lens 16 constitute an irradiation optical system.
  • the second objective lens 17 is a detection objective lens, and guides the detection light L2 emitted from the sample S to the photodetector 20 side in response to the irradiation of the excitation light L1 from the first objective lens 16. .
  • the second objective lens 17 is arranged such that its optical axis (the optical axis of the detection light L2) and the optical axis of the first objective lens 16 are orthogonal (intersect).
  • the second objective lens 17 can be moved along its optical axis by a driving element such as a piezoelectric actuator or a stepping motor. Thereby, the focal position of the second objective lens 17 can be adjusted.
  • the filter 18 is an optical filter for separating the excitation light L1 and the detection light L2 from the light guided by the second objective lens 17 and outputting the extracted detection light L2 to the photodetector 20 side. .
  • the filter 18 is disposed on the optical path between the second objective lens 17 and the photodetector 20.
  • the second optical system 19 optically connects the second objective lens 17 and the photodetector 20 so that the detection light L2 output from the second objective lens 17 is guided to the photodetector 20. Are connected.
  • the second optical system 19 includes a lens 19a that forms an image of the detection light L2 from the second objective lens 17 on the light receiving surface 20a (FIG. 2) of the photodetector 20.
  • the second optical system 19 and the second objective lens 17 constitute a detection optical system.
  • the photodetector 20 takes an image of the detection light L2 that is guided by the second objective lens 17 and formed on the light receiving surface 20a (third step, imaging step).
  • the photodetector 20 is a two-dimensional imaging device having a plurality of pixel columns and capable of rolling readout for each of the plurality of pixel columns.
  • a CMOS image sensor etc. are mentioned, for example.
  • FIG. 2A on the light receiving surface 20a of the photodetector 20, a plurality of pixel rows R each having a plurality of pixels arranged in a direction perpendicular to the reading direction are arranged in the reading direction. .
  • the control unit 21 includes a computer 22 including a processor and a memory, and a controller 23 including a processor and a memory.
  • the computer 22 is, for example, a personal computer or a smart device, and controls the operations of the optical scanning unit 13, the first objective lens 16, the second objective lens 17, the photodetector 20, the controller 23, and the like by a processor. Execute various controls.
  • the computer 22 performs control for synchronizing the timing of the scanning of the excitation light L1 by the light scanning unit 13 and the imaging of the detection light L2 by the photodetector 20.
  • the detection light L2 detected by the photodetector 20 also moves in accordance with the scanning of the excitation light L1 by the optical scanning unit 13. Therefore, the computer 22 controls the photodetector 20 or the optical scanning unit 13 so that signal readout by rolling readout is performed in accordance with the movement of the detection light L2 in the photodetector 20.
  • the controller 23 is electrically connected to the computer 22 and controls the amount of phase modulation for each of the plurality of pixels in the SLM 14 in accordance with a two-dimensional phase pattern P as shown in FIG.
  • the phase pattern P is a pattern of phase values related to positions on the two-dimensional plane, and each position in the phase pattern P corresponds to a plurality of pixels of the SLM 14.
  • the phase value of the phase pattern P is defined between 0 and 2 ⁇ radians.
  • the phase value in each part of the phase pattern P is represented by the color density.
  • the upper limit of the phase value of the phase pattern P may be larger than 2 ⁇ radians.
  • the controller 23 controls the phase modulation amount of each pixel of the SLM 14 according to the phase value at the position corresponding to the pixel in the phase pattern P. More specifically, for example, in the controller 23, D / A conversion for converting the phase value of the phase pattern P input as digital data such as DVI (Digital Video Interface) into a drive voltage value applied to each pixel. (Digital / analog converter) is provided.
  • DVI Digital Video Interface
  • the controller 23 converts the phase value of the phase pattern P into a drive voltage value by the D / A converter, and inputs the drive voltage value to the SLM 14.
  • the SLM 14 applies a voltage to each pixel according to the input drive voltage value.
  • the SLM 14 may include a D / A converter, and the controller 23 may input digital data corresponding to the phase pattern P to the SLM 14.
  • the D / A converter of the SLM 14 converts the phase value of the phase pattern P into a drive voltage value.
  • the SLM 14 may control the voltage value applied to each pixel based on the digital signal output from the controller 23 without performing D / A conversion.
  • the phase pattern P is calculated based on a predetermined basic phase pattern 31 by the computer 22 of the control unit 21.
  • the basic phase pattern 31 is stored in advance in the memory of the computer 22, for example.
  • the phase pattern P may be calculated by further superimposing another pattern on the basic phase pattern 31, but in the following, the case where the basic phase pattern 31 is used as it is as the phase pattern P will be described. To do.
  • the basic phase pattern 31 is set within a rectangular range.
  • the basic phase pattern 31 is opposed to the first region 32 having a rectangular shape in which the phase value continuously increases along a predetermined direction D1 and the first region 32 in the direction D1, and is continuously along the direction D1.
  • a phase value continuously increases” in a certain region means that the phase value is continuous without interruption throughout the region.
  • the case where the phase value is 0 radians and the case where the phase value is 2 ⁇ radians mean the same state, and even if the phase value changes between 0 radians and 2 ⁇ radians, the phase value is It is continuous.
  • the phase value increases linearly along the direction D1.
  • the phase value decreases linearly along the direction D1.
  • the phase value changes by 2 ⁇ radians.
  • the absolute value of the slope (increase rate) of the phase value in the first region 32 is equal to the absolute value of the slope (increase rate) of the phase value in the second region 33.
  • the phase value is constant along the direction D2 orthogonal to the direction D1.
  • the first region 32 and the second region 33 are adjacent to each other, and phase values are continuous at the boundary.
  • the phase value at the boundary is 0 radians.
  • the basic phase pattern 31 is axisymmetric with respect to a straight line (center line) C passing through the center in the direction D1 and orthogonal to the direction D1.
  • the boundary between the first region 32 and the second region 33 is located on the center line C.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a state in which the sheet-like excitation light L1 is generated by the excitation light L1 being modulated by the SLM 14 according to the basic phase pattern 31.
  • 4A is a diagram illustrating an optical path of the excitation light L1 when viewed from the direction d2 corresponding to the direction D2
  • FIG. 4B is an excitation when viewed from the direction d1 corresponding to the direction D1. It is a figure which shows the optical path of the light L1.
  • the three excitation lights A1, B1, and C1 are in ascending order of the distance from the optical axis X of the first objective lens 16. It is shown.
  • three excitation lights A2, B2, and C2 are shown in ascending order of the distance from the optical axis X.
  • the phases of the excitation light A1 and A2 are delayed by a predetermined amount by the SLM 14 and imaged on the optical axis X.
  • the amount of phase delay in SLM14 becomes larger than pumping light A1, A2. Therefore, the excitation lights B1 and B2 are imaged on the optical axis X at a position farther from the first objective lens 16 than the excitation lights A1 and A2.
  • the amount of phase delay in the SLM 14 is smaller than that in the pumping lights A1 and A2, and the phase hardly changes in the SLM 14. Therefore, the excitation lights C1 and C2 are imaged on the optical axis X at a position closer to the first objective lens 16 than the excitation lights A1 and A2.
  • the phase of the excitation light L1 does not change in the SLM 14.
  • the sheet-like excitation light L1 is generated at the predetermined imaging position Y1.
  • the sheet-like excitation light L1 is generated on the optical axis X so that the width direction is along the direction d2.
  • the phase pattern P is calculated based on the basic phase pattern 31 having By modulating the excitation light by the SLM 14 in accordance with the phase pattern P, it becomes possible to irradiate the sample S with the sheet-like excitation light L1 from the first objective lens 16. Therefore, it is not necessary to scan the condensing point of the Bessel beam in order to generate the sheet-like excitation light L1 as in the prior art, and an optical element or the like for the scanning can be omitted. Therefore, according to the light sheet microscope 1, the sheet-like excitation light L1 can be generated with a simple configuration. Further, since it is not necessary to scan the condensing point of the Bessel beam in order to generate the sheet-like excitation light L1 as in the prior art, the control can be facilitated and the time required for image acquisition is shortened. be able to.
  • the phase value increases linearly along the direction D1
  • the phase value decreases linearly along the direction D1.
  • the basic phase pattern 31 is simplified, it is possible to generate the sheet-like excitation light L1 with a simpler configuration without using a complicated optical element or the like. That is, when the phase value does not increase linearly along the direction D1 in at least one of the first region 32 and the second region 33, the first optical system for generating the sheet-like excitation light L1. There is a possibility that the configuration of the optical system such as 15 or the first objective lens 16 becomes complicated.
  • the phase value increases linearly along the direction D1 in both the first region 32 and the second region 33, the sheet-like excitation light L1 is generated. The configuration of the optical system for doing so can be simplified.
  • the basic phase pattern 31 is line-symmetric with respect to the straight line C. Thereby, the sheet-like excitation light L1 can be generated on the optical axis X of the first objective lens 16. Therefore, the optical axis adjustment of the first objective lens 16 and the second objective lens 17 is facilitated.
  • the first region 32 and the second region 33 are adjacent to each other, and the phase values are continuous at the boundary.
  • the light sheet microscope 1 includes the light scanning unit 13 that scans the excitation light L1 with respect to the sample S, the irradiation position of the excitation light L1 irradiated from the first objective lens 16 is scanned with respect to the sample S. can do.
  • the photodetector 20 is a two-dimensional image sensor having a plurality of pixel rows R and capable of rolling readout. Thereby, S / N can be improved compared with the case of using a two-dimensional image sensor capable of global reading.
  • the basic phase pattern 31A of the first modification shown in FIG. 5 may be used.
  • the phase value linearly decreases by 4 ⁇ radians along the direction D1. That is, the absolute value of the gradient of the phase value in the first region 32 is different from the absolute value of the gradient in the second region 33A.
  • the basic phase pattern 31A is non-axisymmetric with respect to the center line C. Also in this example, the boundary between the first region 32 and the second region 33A is located on the center line C.
  • sheet-like excitation light L1 is generated by modulating the excitation light L1 by the SLM 14 in accordance with the basic phase pattern 31A as shown in FIG.
  • the phase delay amount in the SLM 14 is larger than the excitation light A1 incident on the first region 32.
  • the phase delay amount in the SLM 14 is larger than that in the pumping light B1
  • the phase delay amount in the SLM 14 is larger than that in the pumping light C1.
  • the sheet-like excitation light L1 is generated at the imaging position Y2 farther from the first objective lens 16 than the imaging position Y1 in the above embodiment.
  • the sheet-like excitation light L1 is generated at a position different from that on the optical axis X.
  • the sheet-like excitation light L1 can be generated.
  • the sheet-like excitation light L1 is generated at a position different from the optical axis X of the first objective lens 16. can do.
  • the basic phase pattern 31B of the second modified example, the basic phase pattern 31C of the third modified example, or the basic phase pattern 31D of the fourth modified example shown in FIG. 7 may be used.
  • the phase value linearly increases by 4 ⁇ radians along the direction D1. That is, the absolute value of the slope of the phase value in the first region 32B is equal to the absolute value of the slope of the phase value in the second region 33A.
  • the positional relationship in the direction D1 between the first region 32 and the second region 33 is opposite to that in the above embodiment. That is, in the basic phase pattern 31 described above, in the first region 32, the phase value increases as the distance from the boundary (center line C) increases, and in the second region 33, the distance from the boundary decreases. While the phase value has decreased, in the basic phase pattern 31C, in the first region 32, the phase value increases as the distance from the boundary decreases, and in the second region 33, the distance from the boundary increases. The phase value decreases as the value increases.
  • the positional relationship in the direction D1 between the first region 32D and the second region 33D is opposite to that in the above embodiment. Further, in the basic phase pattern 31D, in the first region 32D, the phase value linearly increases by 4 ⁇ radians along the direction D1, and in the second region 33D, the phase value is linear along the direction D1. Is reduced by 4 ⁇ radians.
  • the basic phase patterns 31B to 31D are line symmetric with respect to the center line C. Also in the basic phase patterns 31B to 31D, the boundary between the first region 32 and the second region 33A is located on the center line C.
  • Sheet-like excitation light L1 can be generated with a simple configuration.
  • the phase pattern P may be calculated by superimposing a diffraction grating pattern 41 on the basic phase pattern 31.
  • the diffraction grating pattern 41 has a diffraction grating shape in the direction D2.
  • the phase pattern P may be calculated by superimposing a lens-like lens pattern 42 such as a Fresnel lens on the basic phase pattern 31.
  • the phase pattern P may be calculated by superimposing the diffraction grating pattern 41 or the lens pattern 42 on the basic phase patterns 31A to 31C.
  • the sheet-like excitation light L1 can be generated with a simpler configuration.
  • the light sheet microscope 1D may be configured like the light sheet microscope 1D of the fifth modified example shown in FIG.
  • the light sheet microscope 1D is different from the light sheet microscope 1 of the above embodiment in that it includes a first optical system 15D that constitutes a telescope optical system.
  • the first optical system 15D includes two lenses 15Da and 15Db that collect the excitation light L1 from the SLM 14 at the pupil of the first objective lens 16, and constitutes a telescope optical system. Examples of such a telescope optical system include a 4f optical system, a Keplerian optical system, and a Galileo optical system.
  • the first optical system 15D and the first objective lens 16 constitute an irradiation optical system.
  • the excitation light L1 is modulated by the SLM 14 in accordance with the basic phase pattern 31 to generate the sheet-like excitation light L1.
  • the SLM 14 is modulated by the SLM 14 in accordance with the basic phase pattern 31 to generate the sheet-like excitation light L1.
  • the sheet-like excitation light L1 can be generated.
  • a third region having a constant phase value in the direction D1 may be further provided.
  • Such a third region is provided between the first region 32 and the second region 33, for example.
  • the first region 32 and the second region 33 are not adjacent to each other.
  • the photodetector 20 may be an area image sensor capable of global reading.
  • the first optical system 15 may be omitted, and the excitation light L1 output from the SLM 14 may be directly input to the first objective lens 16.
  • the optical scanning unit 13 may be arranged to receive the excitation light L1 output from the SLM 14.
  • the optical axis of the first objective lens 16 and the optical axis of the second objective lens 17 do not have to be orthogonal to each other and do not have to cross each other.
  • the control unit 21 may control the wavelength of the sheet-shaped excitation light L1 to be generated, the thickness of the sheet, the condensing position, the shape, or the like by appropriately changing the phase pattern P.
  • the control unit 21 may calculate the phase pattern P by superimposing the aberration correction pattern on the basic phase pattern 31.
  • the aberration correction pattern may be created based on image data output from the photodetector 20. Thereby, Ford back correction can be performed.
  • an optical element having a slit for cutting the 0th-order light or higher-order light of the excitation light L1 may be provided between the lens 15a and the first objective lens 16. Thereby, unnecessary light (light that can become noise) can be shielded.
  • the control unit 21 may set the number N of pixel columns that are simultaneously exposed in the photodetector 20 capable of rolling readout according to the phase pattern P. At this time, the control unit 21 sets a reading period T2 for rolling readout based on the set number N of pixel columns and the exposure period T1 for each pixel column. In this case, the exposure period T1 of each pixel column is set by the user or the like. The control unit 21 may set the exposure period T1 of each pixel column based on the set number N of pixel columns and the readout period T2 for rolling readout. In this case, the reading period T2 for rolling reading is set by the user or the like. In any case, the control unit 21 synchronizes the scanning of the excitation light L1 by the optical scanning unit 13 and the signal reading of each pixel column R by the photodetector 20 capable of rolling readout. The photodetector 20 is controlled.
  • the irradiation optical system and the detection optical system may not include the objective lens.
  • a condensing lens may be used instead of the first objective lens 16 or the second objective lens 17.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light sheet microscope (image acquisition apparatus), 11 ... Light source, 13 ... Optical scanning part, 14 ... Spatial light modulator, 16 ... 1st objective lens, 17 ... 2nd objective lens, 20 ... Photodetector, DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Control part, 22 ... Computer, 23 ... Controller, 31 ... Basic phase pattern, 32 ... 1st area

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Abstract

画像取得装置１では、光源１１と、二次元に配列された複数の画素を有し、光源１１から出力された励起光Ｌ１の位相を複数の画素毎に変調する空間光変調器１４と、第１の対物レンズ１６と、第２の対物レンズ１７と、光検出器２０と、複数の画素に対応する二次元の位相パターンＰに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部２１と、を備える。位相パターンＰは、所定の基本位相パターン３１を用いて生成された位相パターンである。基本位相パターン３１は、所定の方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域３２と、方向Ｄ１において第１の領域３２と対向し、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域３３と、を有する。

Description

画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニット
　本発明の一側面は、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を撮像して画像を取得する画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニットに関する。
　そのような画像取得装置として、シート状の励起光を試料に照射し、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を撮像するライトシート顕微鏡がある（例えば、下記非特許文献１参照）。非特許文献１に記載されたライトシート顕微鏡では、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）によりベッセルビームを生成し、生成したベッセルビームの集光点をその光軸に沿って走査することで、擬似的にシート状の励起光を作り出している。
Florian O. Fahrbach and AlexanderRohrbach，"A line Scanned light-sheet microscope withphase shaped self-reconstructing beams"，November 2010/ Vol.18,No.23/ OPTICS EXPRESS pp.24229-24244
　上記非特許文献１に記載されたライトシート顕微鏡では、ベッセルビームの集光点を光軸に沿って走査することで擬似的にシート状の励起光を生成していることから、当該走査のための光学素子等が必要となる。そのため、装置構成が複雑化するおそれがある。
　本発明の一側面は、簡易な構成でシート状の励起光を生成できる画像取得装置、画像取得方法、及び空間光変調ユニットを提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る画像取得装置は、試料を励起させる波長を含む励起光を出力する光源と、二次元に配列された複数の画素を有し、光源から出力された励起光の位相を複数の画素毎に変調する空間光変調器と、空間光変調器で変調された励起光を試料に照射する第１の対物レンズと、第１の対物レンズからの励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を導光する第２の対物レンズと、第２の対物レンズにより導光された検出光を撮像する光検出器と、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
　この画像取得装置では、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンが算出される。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、第１の対物レンズから試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この画像取得装置によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置においては、第１の領域では、位相値は所定の方向に沿って直線的に増加し、第２の領域では、位相値は所定の方向に沿って直線的に減少していてもよい。これによれば、基本位相パターンが単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、基本位相パターンは、所定の方向における中心を通り且つ所定の方向と直交する直線に関して線対称となっていてもよい。これによれば、シート状の励起光を第１の対物レンズの光軸上に生成することができる。したがって、第１の対物レンズ及び第２の対物レンズの光軸調整が容易になる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、基本位相パターンは、所定の方向における中心を通り且つ所定の方向と直交する直線に関して非線対称となっていてもよい。これによれば、シート状の励起光を第１の対物レンズの光軸上とは異なる位置に生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、第１の領域と第２の領域とは、互いに隣接し、その境界において位相値が連続していてもよい。これによれば、基本位相パターンが単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、位相パターンは、回折格子状の回折格子パターンと基本位相パターンとが重畳された位相パターンであってもよい。これによれば、回折格子を設けることなく、励起光の位相を回折格子状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、位相パターンは、レンズ状のレンズパターンと基本位相パターンとが重畳された位相パターンであってもよい。これによれば、レンズ素子を設けることなく、励起光の位相をレンズ状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る画像取得装置は、励起光を試料に対して走査する光走査部を更に備えていてもよい。
　本発明の一側面に係る画像取得装置では、光検出器は、複数の画素列を有し、ローリング読み出しが可能な二次元撮像素子であってもよい。これによれば、これによれば、グローバル読み出しが可能な二次元撮像素子を用いる場合に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
　本発明の一側面に係る画像取得方法は、二次元に配列された複数の画素を有する空間光変調器により、試料を励起させる波長を含む励起光の位相を複数の画素毎に変調する第１のステップと、空間光変調器で変調された励起光を試料に照射する第２のステップと、励起光の照射に伴って試料から発せられる検出光を導光し、導光された検出光を撮像する第３のステップと、を含み、第１のステップでは、所定の基本位相パターンに基づいて生成され、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御し、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
　この画像取得方法では、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンを算出する。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この画像取得方法によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面に係る空間光変調ユニットは、ライトシート顕微鏡に用いられる空間光変調ユニットであって、二次元に配列された複数の画素を有し、入力された光の位相を複数の画素毎に変調して変調後の光を出力する空間光変調器と、複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向において第１の領域と対向し、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する。
　この空間光変調ユニットでは、所定の方向に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域と、所定の方向に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域と、を有する基本位相パターンに基づいて位相パターンを算出する。この位相パターンに従って空間光変調器で励起光を変調することで、試料に対してシート状の励起光を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、この空間光変調ユニットによれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
　本発明の一側面によれば、簡易な構成でシート状の励起光を生成することができる。
本発明の画像取得装置の一実施形態であるライトシート顕微鏡の構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１の光検出器の受光面を、（ｂ）は光検出器におけるローリング読み出しを示す図である。 図１のライトシート顕微鏡で用いられる基本位相パターンを示す図である。 シート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。 基本位相パターンの第１の変形例を示す図である。 図５の基本位相パターンを用いてシート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。 基本位相パターンの第２～第４の変形例を示す図である。 回折格子パターンが基本位相パターンに重畳される様子を説明する図である。 レンズパターンが基本位相パターンに重畳される様子を説明する図である。 第５の変形例のライトシート顕微鏡の構成を示すブロック図である。 図１０のライトシート顕微鏡においてシート状の励起光が生成される様子を説明する概念図である。
　以下、本発明の画像取得装置及び画像取得方法に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
　図１に示されるライトシート顕微鏡（画像取得装置）１は、シート状の励起光Ｌ１を試料Ｓに照射し、励起光Ｌ１の照射に伴って試料Ｓから発せられる検出光Ｌ２を撮像することで、試料Ｓの画像を取得する装置である。ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１の光軸と直交する方向に沿って励起光Ｌ１の集光位置が試料Ｓに対して走査され、各集光位置において試料Ｓの画像が取得される。ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１が試料Ｓに照射される領域が狭いため、例えば光退色又は光毒性等の試料Ｓの劣化を抑制することができると共に、画像取得を高速化することができる。
　観察対象物となる試料Ｓは、例えば、蛍光色素又は蛍光遺伝子等の蛍光物質を含む細胞や生体等のサンプルである。試料Ｓは、所定の波長域の光が照射された場合に、例えば蛍光等の検出光Ｌ２を発する。試料Ｓは、例えば、少なくとも励起光Ｌ１及び検出光Ｌ２に対する透過性を有するホルダ内に収容されている。このホルダは、例えばステージ上に保持されている。
　図１に示されるように、ライトシート顕微鏡１は、光源１１と、コリメータレンズ１２と、光走査部１３と、ＳＬＭ１４と、第１の光学系１５と、第１の対物レンズ１６と、第２の対物レンズ１７と、フィルタ１８と、第２の光学系１９と、光検出器２０と、制御部２１と、を備えている。
　光源１１は、試料Ｓを励起させる波長を含む励起光Ｌ１を出力する。光源１１は、例えば、コヒーレント光又はインコヒーレント光を出射する。コヒーレント光源としては、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）といったレーザ光源等が挙げられる。インコヒーレント光源としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、ランプ系光源等が挙げられる。レーザ光源としては、連続波（Continuous Wave)を発振する光源が好ましく、超短パルス光等のパルス光を発振する光源が用いられてもよい。パルス光を発振する光源としては、パルス光を出力する光源と、光シャッタ又はパルス変調用のＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）とを組み合わせたユニットが用いられてもよい。光源１１は、複数の波長域を含む励起光Ｌ１を出力するように構成されてもよい。この場合、音響光学可変フィルタ（Acousto-Optic Tunable Filter）等の光学フィルタにより励起光Ｌ１の波長の一部を選択的に透過させてもよい。
　コリメータレンズ１２は、光源１１から出力された励起光Ｌ１を平行化し、平行化された励起光Ｌ１を出力する。光走査部１３は、コリメータレンズ１２から出力された励起光Ｌ１の進行方向を変更することで、励起光Ｌ１を試料Ｓに対して走査する光スキャナである。これにより、第１の光学系１５及び第１の対物レンズ１６を介して試料Ｓに照射される励起光Ｌ１の照射位置が、第１の対物レンズ１６の光軸（励起光Ｌ１の光軸）と直交する方向に沿って試料Ｓの表面上で走査される。光走査部１３は、例えば、ガルバノミラー、レゾナントスキャナ、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、又はＡＯＭ，ＡＯＤ（Acousto-Optic Deflector）等の音響光学素子等である。
　ＳＬＭ１４は、二次元に配列された複数の画素を有し、光源１１から出力された励起光Ｌ１の位相を当該複数の画素毎に変調する位相変調型の空間光変調器である。ＳＬＭ１４は、光走査部１３から入射された励起光Ｌ１を変調し、変調された励起光Ｌ１を第１の光学系１５に向けて出力する（第１のステップ、変調ステップ）。ＳＬＭ１４は、例えば透過型又は反射型に構成されている。図１では、透過型のＳＬＭ１４が示されている。ＳＬＭ１４は、例えば、屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型ＳＬＭ、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display））、可変鏡型ＳＬＭ（例えば、Segment Mirror型ＳＬＭ、Continuous Deformable Mirror型ＳＬＭ）、又は電気アドレス型液晶素子若しくは光アドレス型液晶素子を用いたＳＬＭ等である。ＳＬＭ１４は、制御部２１のコントローラ２３に電気的に接続されており、空間光変調ユニットを構成している。ＳＬＭ１４は、コントローラ２３によりその駆動が制御される。制御部２１によるＳＬＭ１４の制御の詳細については後述する。
　第１の光学系１５は、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１が第１の対物レンズ１６に導光されるように、ＳＬＭ１４と第１の対物レンズ１６とを光学的に結合している。ここでの第１の光学系１５は、ＳＬＭ１４からの励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の瞳で集光させるレンズ１５ａを有し、両側テレセントリック光学系を構成している。
　第１の対物レンズ１６は、照明用の対物レンズであり、ＳＬＭ１４で変調された励起光Ｌ１を試料Ｓに照射する（第２のステップ、照射ステップ）。第１の対物レンズ１６は、ピエゾアクチュエータ又はステッピングモータ等の駆動素子により、その光軸に沿って移動可能となっている。これにより、励起光Ｌ１の集光位置が調整可能となっている。なお、第１の光学系１５及び第１の対物レンズ１６によって照射光学系が構成される。
　第２の対物レンズ１７は、検出用の対物レンズであり、第１の対物レンズ１６からの励起光Ｌ１の照射に伴って試料Ｓから発せられる検出光Ｌ２を光検出器２０側に導光する。この例では、第２の対物レンズ１７は、その光軸（検出光Ｌ２の光軸）と第１の対物レンズ１６の光軸とが直交（交差）するように、配置されている。第２の対物レンズ１７は、ピエゾアクチュエータ又はステッピングモータ等の駆動素子により、その光軸に沿って移動可能となっている。これにより、第２の対物レンズ１７の焦点位置が調整可能となっている。
　フィルタ１８は、第２の対物レンズ１７により導光された光から励起光Ｌ１と検出光Ｌ２とを分離し、抽出された検出光Ｌ２を光検出器２０側に出力するための光学フィルタである。フィルタ１８は、第２の対物レンズ１７と光検出器２０との間の光路上に配置されている。第２の光学系１９は、第２の対物レンズ１７から出力された検出光Ｌ２が光検出器２０に導光されるように、第２の対物レンズ１７と光検出器２０とを光学的に結合している。第２の光学系１９は、第２の対物レンズ１７からの検出光Ｌ２を光検出器２０の受光面２０ａ（図２）で結像させるレンズ１９ａを有している。なお、第２の光学系１９及び第２の対物レンズ１７によって検出光学系が構成される。
　光検出器２０は、第２の対物レンズ１７により導光されて受光面２０ａで結像された検出光Ｌ２の像を撮像する（第３のステップ、撮像ステップ）。光検出器２０は、複数の画素列を有し、複数の画素列毎のローリング読み出しが可能な二次元撮像素子である。そのような光検出器２０としては、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ等が挙げられる。図２（ａ）に示されるように、光検出器２０の受光面２０ａには、読み出し方向に垂直な方向に複数の画素が配列されてなる画素列Ｒが、読み出し方向に複数配列されている。
　光検出器２０では、図２（ｂ）に示すように、駆動クロックの駆動周期に基づいて、リセット信号、読み出し開始信号が入力されることで、画素列Ｒ毎に露光及び読み出しが制御される。ローリング読み出しでは、画素列Ｒ毎に読み出し開始信号が所定の時間差で順次入力される。このため、全ての画素列の読み出しを同時に行うグローバル読み出しとは異なり、画素列Ｒ毎の読み出しが所定の時間差をもって順次行われる。
　制御部２１は、プロセッサ及びメモリ等を含むコンピュータ２２及びプロセッサ及びメモリ等を含むコントローラ２３により構成されている。コンピュータ２２は、例えば、パーソナルコンピュータあるいはスマートデバイスであり、プロセッサにより、光走査部１３、第１の対物レンズ１６、第２の対物レンズ１７、光検出器２０、及びコントローラ２３等の動作を制御し、各種の制御を実行する。例えば、コンピュータ２２は、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査と、光検出器２０による検出光Ｌ２の撮像とのタイミングとを同期させるための制御を行う。具体的には、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査に応じて光検出器２０で検出される検出光Ｌ２も移動する。そのため、コンピュータ２２は、光検出器２０における検出光Ｌ２の移動に合わせて、ローリング読み出しによる信号読み出しが行われるように光検出器２０あるいは光走査部１３を制御する。
　コントローラ２３は、コンピュータ２２と電気的に接続され、図３に示されるような二次元の位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４における複数の画素毎の位相変調量を制御する。位相パターンＰは、二次元平面上の位置に関する位相値のパターンであり、位相パターンＰにおける各位置は、ＳＬＭ１４の複数の画素に対応している。位相パターンＰの位相値は、０～２πラジアンの間で規定されている。図３では、色の濃さによって位相パターンＰの各部における位相値が表されている。なお、位相パターンＰの位相値の上限は、２πラジアンよりも大きくてもよい。
　コントローラ２３は、ＳＬＭ１４の各画素について、位相パターンＰにおける当該画素に対応する位置の位相値に従って当該画素の位相変調量を制御する。具体的には、例えば、コントローラ２３内には、ＤＶＩ（Digital Video Interface）等のデジタルデータとして入力される位相パターンＰの位相値を各画素に印加される駆動電圧値に変換するＤ／Ａ変換部（デジタル／アナログ変換器）が設けられている。コンピュータ２２からコントローラ２３に位相パターンＰが入力されると、コントローラ２３は、Ｄ／Ａ変換部により位相パターンＰの位相値を駆動電圧値に変換し、ＳＬＭ１４に駆動電圧値を入力する。ＳＬＭ１４は、入力された駆動電圧値に応じて各画素に電圧を印加する。なお、例えば、ＳＬＭ１４がＤ／Ａ変換部を有し、コントローラ２３が位相パターンＰに応じたデジタルデータをＳＬＭ１４に入力してもよい。この場合、ＳＬＭ１４のＤ／Ａ変換部で位相パターンＰの位相値を駆動電圧値に変換する。また、Ｄ／Ａ変換を行わず、ＳＬＭ１４がコントローラ２３から出力されたデジタル信号に基づいて各画素に印加される電圧値を制御してもよい。
　位相パターンＰは、制御部２１のコンピュータ２２により、所定の基本位相パターン３１に基づいて算出される。基本位相パターン３１は、例えば、コンピュータ２２のメモリに予め記憶されている。基本位相パターン３１に基づいて算出された位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１を変調することで、第１の対物レンズ１６からシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となる。後述するように、位相パターンＰは、基本位相パターン３１に他のパターンを更に重畳することで算出される場合もあるが、以下では、基本位相パターン３１がそのまま位相パターンＰとして用いられる場合について説明する。
　図３に示されるように、基本位相パターン３１は、矩形状の範囲内に設定されている。基本位相パターン３１は、所定の方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が増加する矩形状の第１の領域３２と、方向Ｄ１において第１の領域３２と対向し、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が減少する矩形状の第２の領域３３と、を有している。すなわち、第１の領域３２と第２の領域３３とでは、位相値が増減する方向が互いに反対になっている。なお、ある領域において「連続的に位相値が増加する」とは、当該領域の全体に亘って位相値が途切れることなく連続していることを意味する。また、位相値が０ラジアンである場合と位相値が２πラジアンである場合とは同じ状態を意味しており、位相値が０ラジアンと２πラジアンとの間を跨いで変化したとしても位相値は連続している。
　第１の領域３２では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に増加している。第２の領域３３では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に減少している。第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても、位相値は２πラジアンだけ変化している。すなわち、第１の領域３２における位相値の傾き（増加の割合）の絶対値と第２の領域３３における位相値の傾き（減少の割合）の絶対値とは、等しくなっている。第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても、方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に沿っては、位相値が一定となっている。第１の領域３２と第２の領域３３とは、互いに隣接し、その境界において位相値が連続している。この例では、境界における位相値は０ラジアンとなっている。基本位相パターン３１は、方向Ｄ１における中心を通り且つ方向Ｄ１と直交する直線（中心線）Ｃに関して線対称となっている。この例では、第１の領域３２と第２の領域３３の境界は中心線Ｃ上に位置している。
　図４は、基本位相パターン３１に従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される様子を説明する概念図である。図４（ａ）は、方向Ｄ２に対応する方向ｄ２から見た場合の励起光Ｌ１の光路を示す図であり、図４（ｂ）は、方向Ｄ１に対応する方向ｄ１から見た場合の励起光Ｌ１の光路を示す図である。図４（ａ）では、第１の領域３２に入射する励起光Ｌ１の光路の例として、第１の対物レンズ１６の光軸Ｘからの距離が小さい順に３つの励起光Ａ１，Ｂ１，Ｃ１が示されている。また、第２の領域３３に入射する励起光Ｌ１の光路の例として、光軸Ｘからの距離が小さい順に３つの励起光Ａ２，Ｂ２，Ｃ２が示されている。
　図４（ａ）に示されるように、励起光Ａ１，Ａ２は、ＳＬＭ１４でその位相が所定量だけ遅らせられ、光軸Ｘ上で結像される。励起光Ｂ１，Ｂ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ａ１，Ａ２よりも大きくなる。そのため、励起光Ｂ１，Ｂ２は、励起光Ａ１，Ａ２よりも第１の対物レンズ１６から遠い位置の光軸Ｘ上で結像される。励起光Ｃ１，Ｃ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ａ１，Ａ２よりも小さくなり、位相はＳＬＭ１４でほぼ変化しない。そのため、励起光Ｃ１，Ｃ２は、励起光Ａ１，Ａ２よりも第１の対物レンズ１６に近い位置の光軸Ｘ上で結像される。
　図４（ｂ）に示されるように、方向ｄ１から見た場合には、励起光Ｌ１の位相はＳＬＭ１４で変化しない。以上より、所定の結像位置Ｙ１にシート状の励起光Ｌ１が生成される。この例では、このシート状の励起光Ｌ１は、その幅方向が方向ｄ２に沿うように、光軸Ｘ上に生成される。
　以上説明したように、ライトシート顕微鏡１では、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が増加する第１の領域３２と、方向Ｄ１に沿って連続的に位相値が減少する第２の領域３３と、を有する基本位相パターン３１に基づいて位相パターンＰが算出される。この位相パターンＰに従ってＳＬＭ１４で励起光を変調することで、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となる。したがって、従来技術のようにシート状の励起光Ｌ１を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がなく、当該走査のための光学素子等を省略することができる。よって、このライトシート顕微鏡１によれば、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。さらに、従来技術のようにシート状の励起光Ｌ１を生成するためにベッセルビームの集光点を走査する必要がないため、制御を容易化することができる共に、画像取得に要する時間を短縮することができる。
　ライトシート顕微鏡１においては、第１の領域３２では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に増加し、第２の領域３３では、位相値は方向Ｄ１に沿って直線的に減少している。これにより、基本位相パターン３１が単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。すなわち、第１の領域３２及び第２の領域３３の少なくとも一方において位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に増加していない場合、シート状の励起光Ｌ１を生成するための第１の光学系１５又は第１の対物レンズ１６等の光学系の構成が複雑化してしまうおそれがある。対して、ライトシート顕微鏡１においては、第１の領域３２及び第２の領域３３のいずれにおいても位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に増加しているため、シート状の励起光Ｌ１を生成するための光学系の構成を簡易化することができる。
　ライトシート顕微鏡１では、基本位相パターン３１が直線Ｃに関して線対称となっている。これにより、シート状の励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の光軸Ｘ上に生成することができる。よって、第１の対物レンズ１６及び第２の対物レンズ１７の光軸調整が容易になる。
　ライトシート顕微鏡１では、第１の領域３２と第２の領域３３とが互いに隣接し、その境界において位相値が連続している。これにより、基本位相パターン３１が単純化されるため、複雑な光学素子等を用いることなく、一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
　ライトシート顕微鏡１では、励起光Ｌ１を試料Ｓに対して走査する光走査部１３を備えているため、第１の対物レンズ１６から照射される励起光Ｌ１の照射位置を試料Ｓに対して走査することができる。
　ライトシート顕微鏡１では、光検出器２０が、複数の画素列Ｒを有し、ローリング読み出しが可能な二次元撮像素子である。これにより、グローバル読み出しが可能な二次元撮像素子を用いる場合に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、図５に示される第１の変形例の基本位相パターン３１Ａが用いられてもよい。基本位相パターン３１Ａの第２の領域３３Ａでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ減少している。すなわち、第１の領域３２における位相値の傾きの絶対値と第２の領域３３Ａにおける傾きの絶対値とが異なっている。基本位相パターン３１Ａは、中心線Ｃに関して非線対称となっている。この例でも、第１の領域３２と第２の領域３３Ａの境界は中心線Ｃ上に位置している。
　このような基本位相パターン３１Ａが用いられた場合でも、図６に示されるように、基本位相パターン３１Ａに従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される。この場合、図６（ａ）に示されるように、第２の領域３３Ａに入射する励起光Ａ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が第１の領域３２に入射する励起光Ａ１よりも大きくなる。同様に、励起光Ｂ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ｂ１よりも大きくなり、励起光Ｃ２では、ＳＬＭ１４での位相の遅れ量が励起光Ｃ１よりも大きくなる。これにより、上記実施形態の場合の結像位置Ｙ１よりも第１の対物レンズ１６から遠い結像位置Ｙ２にシート状の励起光Ｌ１が生成される。このシート状の励起光Ｌ１は、光軸Ｘ上とは異なる位置に生成される。
　このように、第１の変形例によっても、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。また、第１の変形例では、基本位相パターン３１が直線Ｃに関して非線対称となっているため、シート状の励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の光軸Ｘ上とは異なる位置に生成することができる。
　図７に示される第２の変形例の基本位相パターン３１Ｂ、第３の変形例の基本位相パターン３１Ｃ、又は第４の変形例の基本位相パターン３１Ｄが用いられてもよい。基本位相パターン３１Ｂの第１の領域３３Ｂでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ増加している。すなわち、第１の領域３２Ｂにおける位相値の傾きの絶対値と第２の領域３３Ａにおける位相値の傾きの絶対値とが等しくなっている。
　基本位相パターン３１Ｃでは、第１の領域３２と第２の領域３３との方向Ｄ１における位置関係が上記実施形態の場合とは逆になっている。すなわち、上述した基本位相パターン３１においては、第１の領域３２では、境界（中心線Ｃ）からの距離が大きくなるほど位相値が増加し、第２の領域３３では、境界からの距離が小さくなるほど位相値が減少していたのに対し、基本位相パターン３１Ｃにおいては、第１の領域３２では、境界からの距離が小さくなるほど位相値が増加し、第２の領域３３では、境界からの距離が大きくなるほど位相値が減少している。
　基本位相パターン３１Ｄでは、上記第３の変形例と同様に、第１の領域３２Ｄと第２の領域３３Ｄとの方向Ｄ１における位置関係が上記実施形態の場合と逆になっている。さらに、基本位相パターン３１Ｄにおいては、第１の領域３２Ｄでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ増加し、第２の領域３３Ｄでは、位相値が方向Ｄ１に沿って直線的に４πラジアンだけ減少している。基本位相パターン３１Ｂ～３１Ｄは、中心線Ｃに関して線対称となっている。基本位相パターン３１Ｂ～３１Ｄでも、第１の領域３２と第２の領域３３Ａの境界は中心線Ｃ上に位置している。
　これらの基本位相パターン３１Ｂ～３１Ｄが用いられた場合でも、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
　図８に示されるように、回折格子状の回折格子パターン４１を基本位相パターン３１に重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。回折格子パターン４１は、方向Ｄ２において回折格子状をなしている。また、図９に示されるように、例えばフレネルレンズ等のレンズ状のレンズパターン４２を基本位相パターン３１に重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。なお、回折格子パターン４１又はレンズパターン４２を基本位相パターン３１Ａ～３１Ｃに重畳することで位相パターンＰが算出されてもよい。
　これらの場合でも、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。また、回折格子又はレンズ素子を設けることなく、励起光の位相を回折格子状又はレンズ状とすることができる。そのため、より一層簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
　図１０に示される第５の変形例のライトシート顕微鏡１Ｄのように構成されてもよい。ライトシート顕微鏡１Ｄは、テレスコープ光学系を構成する第１の光学系１５Ｄを備える点で上記実施形態のライトシート顕微鏡１と相違する。この第１の光学系１５Ｄは、ＳＬＭ１４からの励起光Ｌ１を第１の対物レンズ１６の瞳で集光させる２つのレンズ１５Ｄａ，１５Ｄｂを有し、テレスコープ光学系を構成している。このようなテレスコープ光学系としては、４ｆ光学系、ケプラー型光学系、又はガリレオ型光学系等が挙げられる。なお、第１の光学系１５Ｄ及び第１の対物レンズ１６によって、照射光学系が構成される。
　このようなライトシート顕微鏡１Ｄによっても、図１１に示されるように、基本位相パターン３１に従ってＳＬＭ１４で励起光Ｌ１が変調されることでシート状の励起光Ｌ１が生成される。このように、第５の変形例によっても、上記実施形態の場合と同様に、第１の対物レンズ１６から試料Ｓに対してシート状の励起光Ｌ１を照射することが可能となり、簡易な構成でシート状の励起光Ｌ１を生成することができる。
　上記実施形態の基本位相パターン３１において、方向Ｄ１において位相値が一定である第３の領域が更に設けられていてもよい。このような第３の領域は、例えば第１の領域３２と第２の領域３３との間に設けられる。この場合、第１の領域３２と第２の領域３３とは互いに隣接しない。
　上記実施形態において、光検出器２０は、グローバル読み出し可能なエリアイメージセンサであってもよい。第１の光学系１５は省略されてもよく、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１が第１の対物レンズ１６に直接入力されてもよい。光走査部１３は、ＳＬＭ１４から出力された励起光Ｌ１を受けるように配置されてもよい。第１の対物レンズ１６の光軸と第２の対物レンズ１７の光軸とは直交していなくてもよく、互いに交わっていなくてもよい。
　制御部２１は、位相パターンＰを適宜変更することで、生成するシート状の励起光Ｌ１の波長、シートの厚さ、集光位置、又は形状等を制御してもよい。制御部２１は、収差補正のためのパターンを基本位相パターン３１に重畳して位相パターンＰを算出してもよい。この収差補正のためのパターンは、光検出器２０から出力される画像データに基づいて作成されてもよい。これにより、フォードバック補正を行うことができる。例えばレンズ１５ａと第１の対物レンズ１６との間には、励起光Ｌ１の０次光又は高次光をカットするためのスリットを有する光学素子が設けられていてもよい。これにより、不要光（ノイズになりうる光）を遮光できる。
　制御部２１は、位相パターンＰに応じて、ローリング読み出し可能な光検出器２０において同時に露光される画素列数Ｎを設定してもよい。このとき、制御部２１は、設定された画素列数Ｎ及び各画素列の露光期間Ｔ１に基づいてローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２を設定する。この場合、各画素列の露光期間Ｔ１は、ユーザー等により設定される。制御部２１は、設定された画素列数Ｎ及びローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２に基づいて、各画素列の露光期間Ｔ１を設定してもよい。この場合、ローリング読み出しの読み出し期間Ｔ２は、ユーザー等により設定される。いずれの場合でも、制御部２１は、光走査部１３による励起光Ｌ１の走査とローリング読み出しが可能な光検出器２０による各画素列Ｒの信号読み出しとが同期するように、光走査部１３あるいは光検出器２０を制御する。
　照射光学系及び検出光学系は、対物レンズを含まなくてもよい。この場合、第１の対物レンズ１６又は第２の対物レンズ１７の代わりに集光レンズが用いられてもよい。
１…ライトシート顕微鏡（画像取得装置）、１１…光源、１３…光走査部、１４…空間光変調器、１６…第１の対物レンズ、１７…第２の対物レンズ、２０…光検出器、２１…制御部、２２…コンピュータ、２３…コントローラ、３１…基本位相パターン、３２…第１の領域、３３…第２の領域、４１…回折格子パターン、４２…レンズパターン、Ｃ…直線（中心線）、Ｄ１…所定の方向、Ｌ１…励起光、Ｌ２…検出光、Ｐ…位相パターン、Ｒ…画素列、Ｓ…試料。

Claims (12)

  1. 　試料を励起させる波長を含む励起光を出力する光源と、
    　二次元に配列された複数の画素を有し、前記励起光の位相を前記複数の画素毎に変調する空間光変調器と、
    　前記変調された励起光を試料に照射する照射光学系と、
    　前記照射光学系からの前記励起光の照射に伴って前記試料から発せられる検出光を結像する検出光学系と、
    　前記検出光学系により結像された前記検出光の像を撮像する光検出器と、
    　前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、
    　前記位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、
    　前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、画像取得装置。
  2. 　前記第１の領域では、前記位相値は前記所定の方向に沿って直線的に増加し、前記第２の領域では、前記位相値は前記所定の方向に沿って直線的に減少している、請求項１記載の画像取得装置。
  3. 　前記基本位相パターンは、前記所定の方向における中心を通り且つ前記所定の方向と直交する直線に関して線対称となっている、請求項１又は２記載の画像取得装置。
  4. 　前記基本位相パターンは、前記所定の方向における中心を通り且つ前記所定の方向と直交する直線に関して非線対称となっている、請求項１又は２記載の画像取得装置。
  5. 　前記第１の領域と前記第２の領域とは、互いに隣接し、その境界において前記位相値が連続している、請求項１～４のいずれか一項記載の画像取得装置。
  6. 　前記位相パターンは、回折格子状の回折格子パターンと前記基本位相パターンとが重畳された位相パターンである、請求項１～５のいずれか一項記載の画像取得装置。
  7. 　前記位相パターンは、レンズ状のレンズパターンと前記基本位相パターンとが重畳された位相パターンである、請求項１～６のいずれか一項記載の画像取得装置。
  8. 　前記励起光を前記試料に対して走査する光走査部を更に備える、請求項１～７のいずれか一項記載の画像取得装置。
  9. 　前記光検出器は、複数の画素列を有し、ローリング読み出しが可能なエリアイメージセンサである、請求項１～８のいずれか一項記載の画像取得装置。
  10. 　前記画像取得装置は、ライトシート顕微鏡である、請求項１～９のいずれか一項記載の画像取得装置。
  11. 　二次元に配列された複数の画素を有する空間光変調器により、試料を励起させる波長を含む励起光の位相を前記複数の画素毎に変調する変調ステップと、
    　前記変調された励起光を前記試料に照射する照射ステップと、
    　前記励起光の照射に伴って前記試料から発せられる検出光を結像し、結像された前記検出光の像を撮像する撮像ステップと、を含み、
    　前記変調ステップでは、所定の基本位相パターンに基づいて生成され、前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御し、
    　前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、画像取得方法。
  12. 　ライトシート顕微鏡に用いられる空間光変調ユニットであって、
    　二次元に配列された複数の画素を有し、入力された光の位相を前記複数の画素毎に変調して変調後の光を出力する空間光変調器と、
    　前記複数の画素それぞれに対応する位相値が二次元に分布する位相パターンに従って前記複数の画素毎の位相変調量を制御する制御部と、を備え、
    　前記位相パターンは、所定の基本位相パターンに基づいて生成された位相パターンであり、
    　前記基本位相パターンは、所定の方向に沿って連続的に前記位相値が増加する第１の領域と、前記所定の方向において前記第１の領域と対向し、前記所定の方向に沿って連続的に前記位相値が減少する第２の領域と、を有する、空間光変調ユニット。
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