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JP5278522B2 - Microscope equipment - Google Patents

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JP5278522B2
JP5278522B2 JP2011244493A JP2011244493A JP5278522B2 JP 5278522 B2 JP5278522 B2 JP 5278522B2 JP 2011244493 A JP2011244493 A JP 2011244493A JP 2011244493 A JP2011244493 A JP 2011244493A JP 5278522 B2 JP5278522 B2 JP 5278522B2
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由美子 大内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microscope device which can acquire an image in high speed, in a super-resolution microscope which illuminates a sample using spatially modulated illumination light, performs arithmetic processing on an obtained image to demodulate the given spatial modulation, and obtains a sample image of high resolution. <P>SOLUTION: A microscope device comprises: an illumination optical system which comprises a light source and phase modulation means 5 provided near a pupil conjugate surface, for performing phase modulation on one part or all of light flux from the light source and which spatially modulates the light flux into a fringe structure near a sample surface and emits the light flux; an imaging optical system for imaging diffraction light of the sample; imaging means 12; and image processing means 13 which performs arithmetic processing on an image imaged by the imaging means 12 to create a sample image. The phase modulation means 5 modulates the phase of the fringe structure, of the illumination light, created near the sample surface. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は顕微鏡に関し、特に面内方向の超解像を実現できる高解像顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a microscope, and more particularly to a high-resolution microscope capable of realizing in-plane super-resolution.

試料の微小構造の観察や計測の分野において、より高い空間分解能での観測が求められている。試料の面内分解能を高める方法として、試料からの回折光のうち、高い空間周波数成分の光を結像させるため、試料面近傍で、あるいは照明光学系中の試料面と共役な位置で、それぞれ回折光あるいは照明光にある種の変調を加え、結像光学系中の試料面と略共役な位置において、与えた変調に対応する復調を行う手法がある。この例として古くはLukoszの方法(W.Lukosz, "Optical systems with resolving powers exceeding the classical limit.II", Journal of the Optical Society of America,Vol.37,PP.932(1967))などがあり、最近では、特開平11-242189、US RE38307公報に開示されている方法がある。   In the field of observation and measurement of sample microstructure, observation with higher spatial resolution is required. As a method to increase the in-plane resolution of the sample, in order to image the light of high spatial frequency component among the diffracted light from the sample, in the vicinity of the sample surface or at a position conjugate with the sample surface in the illumination optical system, There is a technique in which a certain modulation is applied to diffracted light or illumination light, and demodulation corresponding to the applied modulation is performed at a position substantially conjugate with the sample surface in the imaging optical system. Examples of this include the Lukosz method (W.Lukosz, "Optical systems with resolving powers exceeding the classical limit.II", Journal of the Optical Society of America, Vol.37, PP.932 (1967)). Recently, there are methods disclosed in JP-A-11-242189 and US RE38307.

特開平11−242189号広報JP 11-242189 A URRe38307URRe38307

Journal of the Optical Society of America, Vol.37, PP.932 (1967)Journal of the Optical Society of America, Vol.37, PP.932 (1967)

Lukoszの方法では、試料近傍及び結像光学系中の試料面と略共役な位置に、共役な格子定数を持つ回折格子を1つずつ配置し、それらを共役的に動かす。試料面近傍に配置された回折格子は、本来結像光学系の対物レンズに入射することのできない回折光を像面に到達させることができる。結像光学系中の試料面と略共役な位置に配置された回折格子により、試料面近傍の回折格子による回折光が復調され、本来の回折成分として結像される。本来結像に寄与しなかった高い空間周波数成分を持つ光が試料面近傍の回折格子により像面に到達するため、通常より高い空間分解能を得ることができるというものである。   In the Lukosz method, diffraction gratings each having a conjugate lattice constant are arranged one by one at positions near the sample and substantially conjugate with the sample surface in the imaging optical system, and these are conjugatedly moved. The diffraction grating disposed in the vicinity of the sample surface can cause the diffracted light that cannot originally enter the objective lens of the imaging optical system to reach the image surface. The diffraction grating disposed at a position substantially conjugate with the sample surface in the imaging optical system demodulates the diffracted light by the diffraction grating near the sample surface and forms an image as an original diffraction component. Since light having a high spatial frequency component that did not originally contribute to image formation reaches the image plane by the diffraction grating near the sample surface, a higher spatial resolution than usual can be obtained.

特開平11-242189公報に開示されている第6の実施形態は、蛍光観察装置に適用した例であり、その光学系は、可干渉光源から発した照明光を回折格子等の光束分割手段によって分割後、照明光束を対物レンズの瞳位置に集光させ、対物レンズから角度の異なる平行光束として射出させ、観察物体近傍で重なり合い干渉縞を形成する。   The sixth embodiment disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242189 is an example applied to a fluorescence observation apparatus, and its optical system uses illumination light emitted from a coherent light source by a light beam dividing means such as a diffraction grating. After the division, the illumination light beam is condensed at the pupil position of the objective lens and emitted from the objective lens as a parallel light beam having a different angle, and an overlapping interference fringe is formed in the vicinity of the observation object.

この方法は、Lukoszが回折格子を標本近傍に配置することによっておこなった空間変調の代わりに、照明光によって空間変調を行っている。その効果はLukoszの方法と同様に、本来結像光学系のみでは伝達できなかった観察物体の形状情報の空間周波数成分を含む回折光を結像に関与させることができる。そして分割した照明光束の位相を相対的に変調して、干渉縞を観察物体上で移動させて複数の画像を取得し、画像演算処理による像形成を可能にしている。具体的には、回折格子を光軸と垂直に移動させることによって、あるいは別の例では、照明光の一方の光路に楔形プリズムを挿入し、それを光軸と垂直な方向に移動することによって位相変調を行っている。   In this method, spatial modulation is performed by illumination light instead of spatial modulation performed by Lukosz placing a diffraction grating near the sample. As in the Lukosz method, the effect is that diffracted light including the spatial frequency component of the shape information of the observation object that could not be transmitted by the imaging optical system alone can be involved in the imaging. Then, the phase of the divided illumination light beam is relatively modulated, and the interference fringes are moved on the observation object to acquire a plurality of images, thereby enabling image formation by image calculation processing. Specifically, by moving the diffraction grating perpendicular to the optical axis, or in another example, inserting a wedge-shaped prism in one optical path of the illumination light and moving it in a direction perpendicular to the optical axis. Phase modulation is performed.

US RE38307公報に開示されている方法は、可干渉光源からの照明光を光ファイバーをもちいて導入後、回折格子等の光束分割手段によって分割、その後照明光束を対物レンズの瞳位置に集光させ、観察物体近傍で干渉縞を形成する。縞状に変調された照明光により、本来結像光学系のみでは伝達できなかった観察物体の形状情報の高周波成分を結像に関与させることができる。そして同様に複数の画像を取得し、画像演算処理による像形成をおこなっている。この方法では、1枚の画像を形成するために、照明光束に位相変調を与えた複数の画像を取得するだけでなく、照明光の干渉縞の向きも変えて画像取得している。   In the method disclosed in US RE38307, illumination light from a coherent light source is introduced using an optical fiber, and then split by a light beam splitting means such as a diffraction grating, and then the illumination light beam is condensed at the pupil position of the objective lens, Interference fringes are formed near the observation object. The high-frequency component of the shape information of the observation object that could not be transmitted by the imaging optical system alone can be involved in the imaging by the illumination light modulated in a stripe shape. Similarly, a plurality of images are acquired and image formation is performed by image calculation processing. In this method, in order to form a single image, not only a plurality of images obtained by applying phase modulation to the illumination light beam, but also an image is obtained by changing the direction of the interference fringes of the illumination light.

その理由は、高周波成分が結像に関与できるのは、照明光の干渉縞の方向と同じ方向を持った構造のみであるため、2次元に広がる標本の形状を再現するには、干渉縞の方向を変換して複数の画像を取得して合成する必要があるからである。   The reason is that high-frequency components can participate in imaging only in structures that have the same direction as the interference fringe direction of the illumination light. This is because it is necessary to convert the direction and acquire and combine a plurality of images.

本発明は、空間変調した照明光を用いて標本形状の高周波成分まで結像に関与させ、取得画像を演算処理することで与えた空間変調を復調して、高解像な標本像を得る超解像顕微鏡において、高速で画像取得できる顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention relates to imaging using a spatially modulated illumination light up to a high-frequency component of the sample shape, demodulates the spatial modulation given by processing the acquired image, and obtains a high-resolution sample image. An object of the present invention is to provide a microscope apparatus capable of acquiring images at high speed in a resolution microscope.

上記課題を解決するために、
本発明は、
光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段と
を有する顕微鏡装置であって、
前記位相変調手段は、前記光束を偏向させる反射面を有する角度変調手段からなり、該反射面の角度変調により前記標本に形成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。
また本発明は、
光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段と
を有する顕微鏡装置であって、
前記位相変調手段は、前記光束を偏向させる反射面を有し、該反射面の位相差または反射率を電気的に制御することにより前記標本面近傍に生成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。
また本発明は、
光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段と
を有する顕微鏡装置であって、
前記位相変調手段は、光束を透過させる透過面を有し、該透過面の位相差または透過率を電気的に制御することにより前記標本に形成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。
また本発明は、
可干渉光源からの光束を二光束に分割する光束分割手段を有し、前記二光束を標本で二光束干渉させて、干渉縞構造に空間変調した照明光で標本を照明し、前記空間変調した照明光による標本の回折光を結像に関与させ、取得した画像を画像演算処理により標本像を生成する構造化照明顕微鏡において、
前記光束分割手段を照明光学系内の標本共役位置近傍に配置し、角度変調手段を瞳共役位置近傍に配置し、前記光束分割手段によって分割された光束の一部または全部を、前記角度変調手段により角度変調することにより、標本面近傍に生成される干渉縞の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。
To solve the above problem,
The present invention
An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane ;
An imaging optical system for imaging light from the specimen;
Imaging means;
A microscope apparatus having image processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means,
The phase modulation means comprises an angle modulation means having a reflection surface for deflecting the light beam, and modulates the phase of the fringe structure formed on the specimen by angle modulation of the reflection surface. provide.
The present invention also provides
An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane;
An imaging optical system for imaging light from the specimen;
Imaging means;
Image processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means;
A microscope apparatus comprising:
The phase modulation means has a reflecting surface for deflecting the light beam, and modulates the phase of the fringe structure generated near the sample surface by electrically controlling the phase difference or reflectance of the reflecting surface. A microscope apparatus is provided.
The present invention also provides
An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane;
An imaging optical system for imaging light from the specimen;
Imaging means;
Image processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means;
A microscope apparatus comprising:
The phase modulation means has a transmission surface that transmits a light beam, and modulates the phase of the fringe structure formed on the specimen by electrically controlling the phase difference or transmittance of the transmission surface. A microscope apparatus is provided.
The present invention also provides
A beam splitting means for splitting the beam from the coherent light source into two beams, causing the two beams to interfere with each other by two beams, illuminating the sample with illumination light spatially modulated into an interference fringe structure, and then spatially modulating the sample; In a structured illumination microscope that involves the diffracted light of the specimen from the illumination light in the image formation and generates the specimen image from the acquired image by image calculation processing.
The light beam splitting unit is disposed in the vicinity of the sample conjugate position in the illumination optical system, the angle modulating unit is disposed in the vicinity of the pupil conjugate position, and a part or all of the light beam split by the light beam splitting unit is The microscope apparatus is characterized in that the phase of the interference fringes generated in the vicinity of the sample surface is modulated by performing angle modulation by the method.

本発明の顕微鏡装置では、瞳共役位置近傍に位相変調手段を配置することにより、標本面近傍に生成される照明光の縞構造の位相を高速で変調することが可能となった。   In the microscope apparatus of the present invention, by arranging the phase modulation means in the vicinity of the pupil conjugate position, the phase of the fringe structure of the illumination light generated in the vicinity of the sample surface can be modulated at high speed.

は、第1実施形態の顕微鏡装置の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the microscope apparatus of the first embodiment. は、第1実施形態に用いる折り返しミラーの構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a folding mirror used in the first embodiment. は、第2実施形態に用いる回折格子の構造およびその回折光の集光の様子を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the structure of a diffraction grating used in the second embodiment and how the diffracted light is collected. は、第3実施形態に用いる回折格子の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a diffraction grating used in the third embodiment. は、第3実施形態に用いる折返しミラーの構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a folding mirror used in the third embodiment. は、第4実施形態に用いる回転シャッターの構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a rotary shutter used in the fourth embodiment. は、第5実施形態に用いる回転シャッター兼位相変調手段の構造を示す図である。These are diagrams showing the structure of the rotary shutter / phase modulation means used in the fifth embodiment. は、第6実施形態の顕微鏡装置の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a microscope apparatus according to a sixth embodiment.

従来の方法では、位相変調を行う素子(回折格子等)を光軸と垂直方向に移動することにより位相変調を行う構成であったため、画像取得を高速に行うことが出来なかった。特に、観察対象が生きている生物標本の場合は、高速での画像取得が必須であるが、従来の方法では不十分であった。   In the conventional method, since phase modulation is performed by moving an element (such as a diffraction grating) that performs phase modulation in a direction perpendicular to the optical axis, image acquisition cannot be performed at high speed. In particular, when the observation target is a living biological specimen, it is essential to acquire an image at high speed, but the conventional method is insufficient.

Lukoszの方法では、試料側と結像面側の2つの回折格子を同期して連続的に動かす必要があり、その機構が非常に複雑となる。   In the Lukosz method, it is necessary to move the two diffraction gratings on the sample side and the imaging plane side in a synchronized manner, and the mechanism becomes very complicated.

特開平11-242189公報に開示されている方法では、1枚の最終画像を得るためには、照明光の干渉縞の位相を3回変換してそれぞれ取得した画像から演算する必要がある。ここで、生物標本を対象にする場合は、画像取得の速さが問題となる。   In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242189, in order to obtain one final image, it is necessary to calculate from the images obtained by converting the phase of the interference fringes of the illumination light three times. Here, when a biological specimen is targeted, the speed of image acquisition becomes a problem.

仮に対物レンズを倍率60倍、NA1.45とすると、一般的に観察1次像と照明系視野絞りの倍率関係は、0.3〜0.5倍程度であることから、この場合標本面から視野絞り面への倍率は18〜30倍となる。したがって、視野絞り面に結像する光束のNA_fsは、NAを倍率で割って、0.08〜0.048となる。この角度に回折光を生じる回折格子のピッチを計算すると、そのピッチは6.6〜11μmとなる。すなわち、位相を1/3ずつ1周期まで変換するには、回折格子を光軸と垂直な方向に、最大11μm移動させる必要がある。   If the objective lens has a magnification of 60 times and NA of 1.45, the magnification relationship between the primary observation image and the illumination system field stop is generally about 0.3 to 0.5 times. In this case, from the sample surface to the field stop surface The magnification is 18 to 30 times. Therefore, NA_fs of the light beam formed on the field stop surface is 0.08 to 0.048 when NA is divided by the magnification. When the pitch of the diffraction grating that generates diffracted light at this angle is calculated, the pitch is 6.6 to 11 μm. That is, to convert the phase by 1/3 to one period, it is necessary to move the diffraction grating by a maximum of 11 μm in the direction perpendicular to the optical axis.

一方、高精度のリニアアクチュエータで、安定して駆動できる最大駆動量は、顕微鏡の照明装置に組み込むことから小型であることを考慮すると概ね10μm程度のものがあり、その場合の繰り返し駆動周波数は最大で10kHz程度である。しかしながら、1/3周期ごとにストップしながらの繰り返しとなると、実質1Hz程度になってしまい、画像取得は1フレーム1秒程度になる。これでは動きのある生物標本の撮影には向かない。   On the other hand, the maximum drive amount that can be driven stably with a high-accuracy linear actuator is about 10 μm in consideration of the small size because it is built into the illumination device of the microscope, and the repetition drive frequency in that case is the maximum It is about 10kHz. However, if it repeats while stopping every 1/3 period, it becomes substantially 1 Hz, and image acquisition is about 1 second per frame. This is not suitable for shooting moving biological specimens.

US RE38307公報に開示の方法では、さらに回折格子を回転して干渉縞の向きを変換することを推奨している。仮に120°ごとに干渉縞の向きを3方向変換するとし、位相変換は上記と同様とすると、上記回折格子の動きは次のようになる。すなわち、基準位置で画像取得、光軸と垂直な方向に直線的にステップさせて2枚画像取得、光軸位置に戻し、回転モータによって120°回転させ画像取得、光軸と垂直方向にステップさせて2枚取得、光軸位置に戻し、回転モータによって基準から240°の向きまで回転させ画像取得、光軸と垂直方向にステップさせて2枚取得、光軸位置に戻し、回転モータによって基準位置に戻す。つまり、回転とシフトを組み合わせて都合9枚の画像を取得し、その後演算処理によって1枚の標本像が得られるわけである。この方法も画像取得のスピードを上げるのは困難である。   In the method disclosed in US RE38307, it is recommended to further rotate the diffraction grating to change the direction of the interference fringes. If the direction of the interference fringes is converted in three directions every 120 ° and the phase conversion is the same as described above, the movement of the diffraction grating is as follows. That is, image acquisition at the reference position, linearly stepping in the direction perpendicular to the optical axis, acquiring two images, returning to the optical axis position, rotating by 120 ° with a rotary motor, image acquisition, stepping in the direction perpendicular to the optical axis 2 images, return to the optical axis position, rotate to the direction of 240 ° from the reference by the rotation motor, acquire the image, acquire 2 images by stepping in the direction perpendicular to the optical axis, return to the optical axis position, the reference position by the rotation motor Return to. In other words, nine images are obtained by combining rotation and shift, and then one sample image is obtained by arithmetic processing. This method is also difficult to increase the speed of image acquisition.

本発明は、位相変調素子の配置場所を瞳共役位置近傍としたことが特徴である。その理由は、瞳共役位置近傍で光線の角度を振れば、標本面上での干渉縞の位相を変えることができるからである。また該2光束が空間的に完全に分離されている位置は瞳共役位置であり、それぞれの光束が集光しているから光束断面が非常に小さいため、配置する素子のサイズが小さくて済み、また、ノイズ(光束分割手段として回折格子を用いた場合には、0次回折光および不要な高次の回折光)を除去し、必要な光束のみを通過させる光束選択作用を併せ持つことができるからである。位相変調素子を配置する場所は瞳共役位置が最適であるが、瞳位置からわずかにずれた範囲(近傍)でも良い。   The present invention is characterized in that the phase modulation element is placed near the pupil conjugate position. This is because the phase of the interference fringes on the sample surface can be changed by changing the angle of the light beam near the pupil conjugate position. In addition, the position where the two light beams are spatially completely separated is the pupil conjugate position, and since each light beam is condensed, the cross section of the light beam is very small. In addition, noise (0-order diffracted light and unnecessary higher-order diffracted light when a diffraction grating is used as a light beam splitting means) can be removed, and a light beam selection function that allows only the necessary light beam to pass through can be combined. is there. The position where the phase modulation element is disposed is optimal at the pupil conjugate position, but may be within a range (near) slightly shifted from the pupil position.

(第1実施形態)
第1の実施形態について図を用いて説明する。図1は本発明の第1の実施形態の概略図を示す。図示しない可干渉光源からの光は光ファイバー1にて導かれ、コレクタレンズ2によって平行光に変換される。回折格子3によって回折光を生じさせ、レンズ4により瞳共役面を形成する。回折格子3は図1の紙面の垂直方向に1次元の周期構造をもっており、濃度(透過率)で構造をつけても、段差(位相差)で構造を持たせても良いが、位相型の方が±1次光の回折効率が高いので好ましい。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of a first embodiment of the present invention. Light from a coherent light source (not shown) is guided by the optical fiber 1 and converted into parallel light by the collector lens 2. Diffracted light is generated by the diffraction grating 3 and a pupil conjugate plane is formed by the lens 4. The diffraction grating 3 has a one-dimensional periodic structure in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1. The diffraction grating 3 may have a structure with concentration (transmittance) or a step (phase difference). This is preferable because the diffraction efficiency of ± first-order light is high.

5は瞳共役面近傍に配置された折返しミラーである。図2(a)は、折り返しミラー5を光軸方向から見た図であり、図2(b)は、光軸に垂直な方向から見た図である。この折り返しミラー5の反射面は図2(a)に示すように5a,5bの2つの領域に分割されている。回折格子3によって生じた±1次回折光が集光する位置は領域5aの輪帯内にあり、領域5bは0次回折光が集光する位置に相当している。面の特性は、5aは通常の反射ミラー面であり、5bは遮光部で、0次光をカットする働きをしている。そして、画像処理に必要な位相変調を行うために折返しミラー5はミラーの角度を変調して、光束の偏向角度を振ることができる構成になっている。その手段は図2(b)の5aの端5cを固定し、反対側の端5dを図示しない圧電アクチュエータによって、反射面に垂直方向にステップ移動させることで行うが、ミラー5の角度を変調する方法はこれに限ったものではなく、ガルバノミラー等の公知の技術を用いることができる。これにより、2光束の瞳共役位置を通過する角度を変調することができる。これにより標本面近傍では、2光束の干渉縞の位相を変調することができるのである。図2では領域5bを遮光膜とし、0次光をもれなく遮断するようにしているが、この構成に限るものではなく、折り返しミラーをドーナツ状にして0次光は透過させることによって標本の方へ進行させないこともできる。   Reference numeral 5 denotes a folding mirror disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane. 2A is a diagram of the folding mirror 5 viewed from the optical axis direction, and FIG. 2B is a diagram viewed from the direction perpendicular to the optical axis. The reflection surface of the folding mirror 5 is divided into two regions 5a and 5b as shown in FIG. The position where the ± 1st order diffracted light generated by the diffraction grating 3 is collected is in the ring zone of the region 5a, and the region 5b corresponds to the position where the 0th order diffracted light is collected. As for the surface characteristics, 5a is a normal reflecting mirror surface, and 5b is a light shielding portion, which functions to cut 0th-order light. In order to perform phase modulation necessary for image processing, the folding mirror 5 is configured to modulate the angle of the mirror and swing the deflection angle of the light beam. This is done by fixing the end 5c of 5a in FIG. 2 (b) and moving the opposite end 5d stepwise in a direction perpendicular to the reflecting surface by a piezoelectric actuator (not shown). The angle of the mirror 5 is modulated. The method is not limited to this, and a known technique such as a galvanometer mirror can be used. As a result, the angle of passing through the pupil conjugate position of the two light beams can be modulated. As a result, the phase of the interference fringes of the two light beams can be modulated near the sample surface. In FIG. 2, the region 5b is made of a light-shielding film so that the 0th-order light is completely blocked. However, the present invention is not limited to this configuration, and the folding mirror is formed in a donut shape to transmit the 0th-order light toward the sample. It is possible not to proceed.

また、回折格子3によって生じる2次以上の回折光は、反射面5の5aの外側に輪帯状に遮光部を設けて遮光しても良いし、折返しミラー5の直径を、高次回折光がこの近傍を通る光軸からの距離よりも小さくして、高次回折光が反射しないような構造としても良い。もしどちらの策もとらず、高次回折光が1次回折光とともに折返しミラー5で折り返したとしても、その後の光学系(例えば対物レンズの瞳面P)で排除することが可能であるためあまり気にする必要はない。   Further, second-order or higher-order diffracted light generated by the diffraction grating 3 may be shielded by providing a ring-shaped light-shielding portion outside the reflecting surface 5a, or the diameter of the folding mirror 5 may be reduced by the higher-order diffracted light. It may be smaller than the distance from the optical axis passing through the vicinity so that the high-order diffracted light is not reflected. If neither measure is taken, even if the higher-order diffracted light is folded back by the folding mirror 5 together with the first-order diffracted light, it can be eliminated by the subsequent optical system (for example, the pupil plane P of the objective lens), so that the user is not so concerned. do not have to.

折返しミラー5で90度向きを変えた照明光は、レンズ6によって視野絞り面F.S.で標本共役面を形成したのち、レンズ7および落射照明系と結像系を分割合成するハーフミラー8を介して対物レンズ9の瞳Pに2つのスポットを形成する。この2つのスポットは対物レンズの瞳の概ね最外周部に形成され、対物レンズから射出する際には、対向する最大NAの角度の平行光束となって標本面を照射する。このとき、2光束は可干渉であるため等間隔の干渉縞の構造をもって標本面を照射するのである。この、縞構造を持った照明光を構造化照明と呼ぶ。   The illumination light whose direction is changed by 90 degrees by the folding mirror 5 forms a sample conjugate plane at the field stop surface FS by the lens 6 and then passes through the lens 7 and the half mirror 8 which divides and synthesizes the epi-illumination system and the imaging system. Two spots are formed on the pupil P of the objective lens 9. These two spots are formed almost at the outermost periphery of the pupil of the objective lens, and when exiting from the objective lens, illuminate the sample surface as parallel light beams having an angle of maximum NA facing each other. At this time, since the two light beams are coherent, the sample surface is irradiated with a structure of equally spaced interference fringes. This illumination light having a stripe structure is called structured illumination.

この構造化照明光で標本を照明すると、照明光の周期構造と標本の周期構造が干渉してモアレ干渉縞を生成するが、そのモアレ干渉縞は標本の高周波の形状情報を含んでいながらもとの周波数より低周波であるため対物レンズに入射することができる。そして結像した画像を取得し、既知の照明光の周期構造を演算、復元処理することにより、未知である標本の形状をもとめ可視化する技術が構造化照明超解像顕微鏡の原理である。   When the specimen is illuminated with this structured illumination light, the periodic structure of the illumination light interferes with the periodic structure of the specimen to generate moire interference fringes, although the moire interference fringes contain high-frequency shape information of the specimen. Since the frequency is lower than the frequency, the light can enter the objective lens. The principle of the structured illumination super-resolution microscope is to acquire an imaged image, and calculate and visualize the unknown sample shape by calculating and restoring the periodic structure of the known illumination light.

そして標本からの光は、対物レンズを通って平行光に変換されたのち、ハーフミラー8を透過して、第2対物レンズ11によってCCDカメラなどの撮像手段12の撮像面上に標本像を形成する。ただしこの取得画像は、先にも述べたように変調された照明光で照明された結果の画像であるから、画像記憶・演算装置13によって画像処理され逆の変調をかけて復元することで標本像を得て、画像表示装置14に標本の超解像画像を表示することができる。   The light from the sample is converted into parallel light through the objective lens, and then transmitted through the half mirror 8 to form a sample image on the imaging surface of the imaging means 12 such as a CCD camera by the second objective lens 11. To do. However, since this acquired image is an image as a result of illumination with the illumination light modulated as described above, the image is processed by the image storage / calculation device 13 and restored by applying reverse modulation. An image can be obtained and a super-resolution image of the specimen can be displayed on the image display device 14.

画像処理で元画像を復元する際には、同じ標本に対して、照明の干渉縞の位相を3回以上変調させて撮影するとよい。それは、標本の構造には、強度の平均値と、位相シフト量と、変調幅の3つの未知のパラメータがあるからで、演算処理で未知数を求めるためには、未知数の数以上の情報が必要になるからである。   When restoring the original image by image processing, it is preferable to shoot the same specimen by modulating the phase of the illumination interference fringe three or more times. This is because the sample structure has three unknown parameters: intensity average value, phase shift amount, and modulation width. In order to obtain the unknowns in the calculation process, more information than the number of unknowns is required. Because it becomes.

本実施形態の配置において、回折格子3のピッチは以下の式で表わすことができる。
p=(M*βis*f4*λ)/(NA*f6)
ここで、M:対物レンズの倍率、βis:1次像→視野絞り倍率、λ:使用波長、NA:対物レンズのNA、f4,f6:図1のレンズ4,6の焦点距離、である。
In the arrangement of this embodiment, the pitch of the diffraction grating 3 can be expressed by the following equation.
p = (M * βis * f4 * λ) / (NA * f6)
Here, M: magnification of objective lens, βis: primary image → field stop magnification, λ: wavelength used, NA: NA of objective lens, f4, f6: focal length of lenses 4 and 6 in FIG.

本実施形態ではそれぞれM=40、βis=0.4、λ=550[nm]、NA=0.75、f4=50[mm]、f6=50[mm]とした。この場合、回折格子のピッチはp=11.7μmとなる。   In this embodiment, M = 40, βis = 0.4, λ = 550 [nm], NA = 0.75, f4 = 50 [mm], and f6 = 50 [mm], respectively. In this case, the pitch of the diffraction grating is p = 11.7 μm.

一方瞳共役位置近傍で折返しミラー5の面の領域5aの5cを固定して5dを面と垂直に押すことによって1波長分の位相変調を行うと、押し量δは
δ=(√2)*λ
で計算でき、本実施形態ではδ=0.78μmである。この量が圧電アクチュエータで振動させる必要ストロークである。
回折格子を光軸に垂直に移動する際のストローク11.7μmに比べて、非常に小さい移動量で位相変調を行うことができるので、振動の周波数を大きくすることができ、画像取得の速度が上がる。
On the other hand, when phase modulation for one wavelength is performed by fixing 5c of the region 5a on the surface of the folding mirror 5 near the pupil conjugate position and pressing 5d perpendicular to the surface, the amount of pressing δ is δ = (√2) * λ
In this embodiment, δ = 0.78 μm. This amount is a necessary stroke to vibrate with the piezoelectric actuator.
Compared with the stroke of 11.7 μm when moving the diffraction grating perpendicular to the optical axis, phase modulation can be performed with a very small amount of movement, so the vibration frequency can be increased and the image acquisition speed is increased. .

このように、高速で照明光の位相変調を行うことができるため、生きた生体標本の高解像度の像を得ることができる。   Thus, since the phase modulation of the illumination light can be performed at a high speed, a high-resolution image of a living biological specimen can be obtained.

次に、本実施形態と、位相変調をする素子を光軸と垂直方向に移動させて位相を変調する従来の方式と比較する。   Next, the present embodiment is compared with a conventional method in which a phase modulation is performed by moving an element that performs phase modulation in a direction perpendicular to the optical axis.

一般に圧電アクチュエータによれば、印加電圧に対応した素子の微小な伸長を制御することが可能であるが、伸長のストロークの大きさと、共振周波数には逆比例の関係があり、一般的な精密アクチュエータの例では、ストローク5μmでは共振周波数60kHz、15μmでは40kHz等となっている。すなわち、ストロークを大きくとると、共振周波数を小さくせざるを得ない。   In general, a piezoelectric actuator can control the minute expansion of an element corresponding to an applied voltage, but the size of the expansion stroke and the resonance frequency have an inversely proportional relationship. In this example, the resonance frequency is 60 kHz at a stroke of 5 μm, 40 kHz at 15 μm, and the like. That is, if the stroke is increased, the resonance frequency must be decreased.

回折格子を光軸と垂直に移動して相互の位相差を1波長与えるためには先に計算したように、11μm程度のストロークを要する。   In order to move the diffraction grating perpendicularly to the optical axis and give a mutual phase difference of one wavelength, a stroke of about 11 μm is required as previously calculated.

また、特開平11-242189公報に開示の別の方法、すなわち2枚の楔プリズムの一方を光軸と垂直に移動して位相差を与える場合は以下のようになる。楔プリズムの入っている光路とそうでない光路の位相差が、ある状態で波長のm倍(m:整数)だったと仮定し、その状態から、楔プリズムを斜面に沿ってスライドすることにより、該位相差が(m+1)倍となるまでの、移動量(スライド量)をΔx(光軸に垂直方向の移動量)とすると、
Δx=λ/(tanθ*(1−1/n))
ここで、λは波長、θは楔プリズムの頂角、nは楔プリズムの屈折率であり、それぞれλ=550、θ=10度、n=1.5168とおくと、Δx=9.15μmとなる。したがって、この方法でも位相変調のストロークは9μm程度必要とする。
Further, another method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242189, that is, when a phase difference is given by moving one of the two wedge prisms perpendicularly to the optical axis is as follows. Assuming that the phase difference between the optical path containing the wedge prism and the optical path not containing it is m times the wavelength (m: integer) in a certain state, and sliding the wedge prism along the slope from that state, If the movement amount (sliding amount) until the phase difference becomes (m + 1) times is Δx (movement amount perpendicular to the optical axis),
Δx = λ / (tanθ * (1-1 / n))
Here, λ is the wavelength, θ is the apex angle of the wedge prism, and n is the refractive index of the wedge prism. If λ = 550, θ = 10 degrees, and n = 1.5168, respectively, Δx = 9.15 μm. Accordingly, even in this method, the phase modulation stroke requires about 9 μm.

しかし同じ位相変調を、光の進行方向に作用すれば、ストロークをもっと短くすることができる。例えば光の進行方向を180度変換する反射ミラーで位相変調を行う場合は、1波長の位相変調に対応する反射ミラーの移動量Δ1は、
Δ1=λ/2
であるから、λ=550nmとおくと、Δ1=275nmである。あるいは、45度に光路を折り曲げるミラーの部分で行えば、一波長の位相変調に対応する折り曲げミラーの移動量Δ2は、
Δ2=λ/sqrt(2)
であるから、λ=550nmの場合、Δ2=389nmである。いずれにしても、光路に垂直に作用する場合の20分の一以下のストロークで済むことが分かる。
However, if the same phase modulation is applied in the light traveling direction, the stroke can be made shorter. For example, when performing phase modulation with a reflection mirror that converts the traveling direction of light by 180 degrees, the movement amount Δ1 of the reflection mirror corresponding to phase modulation of one wavelength is:
Δ1 = λ / 2
Therefore, if λ = 550 nm, Δ1 = 275 nm. Alternatively, if it is performed at the part of the mirror that bends the optical path at 45 degrees, the amount of movement Δ2 of the bending mirror corresponding to the phase modulation of one wavelength is
Δ2 = λ / sqrt (2)
Therefore, when λ = 550 nm, Δ2 = 389 nm. In any case, it can be seen that a stroke less than one-twentieth of the case of acting vertically on the optical path is sufficient.

一方、照明光が標本面近傍に形成する2光束干渉の干渉縞の位相を変調する場合、標本面と共役な位置で行う場合は、該2光束を光軸に垂直な面内で位置を変化させる必要があり、それは、前述の従来技術では回折格子をシフトさせることで行っている。この場合は移動方向は格子のピッチの方向に決まってしまう。   On the other hand, when modulating the phase of the interference fringes of two-beam interference formed in the vicinity of the sample surface by the illumination light, when performing at a position conjugate with the sample surface, the position of the two beams is changed in a plane perpendicular to the optical axis. This is done by shifting the diffraction grating in the prior art described above. In this case, the moving direction is determined by the pitch direction of the grating.

前述の従来技術の別の方法である、楔プリズムのような位相変調を行う素子を利用する場合は、該2光束が空間的に分離されているところで行えばよく、標本共役位置よりある程度離せば、光路上どこにおいてもよい。   When using an element that performs phase modulation, such as a wedge prism, which is another method of the above-described prior art, it may be performed where the two light beams are spatially separated, and to some extent from the sample conjugate position. , Anywhere on the optical path.

(第2実施形態)
本発明の第2の実施形態について説明する。光学系の構成は第1の実施形態と同様で、折り返しミラー5の構成が異なる。本実施形態の折り返しミラーは、図3に示すように3つの領域5e,5f,5gに分割されている。回折格子3で回折した+1次光が5e,−1次光が5f、0次光が5gを通過するように領域を設定してある。そしてそれぞれの領域は、液晶で構成されていて反射の際の位相差や反射率を電気的に制御することができる。本実施形態では、光線の角度を振る代わりに、反射の際5eと5fで異なる位相差を与えることで、標本面近傍に生成される干渉縞の位相を変調するものである。本実施形態では、液晶の例で説明したが、位相差や反射率を電気的に制御する機能を持つものを液晶の代わりに使用しても良い。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the optical system is the same as that of the first embodiment, and the configuration of the folding mirror 5 is different. The folding mirror of this embodiment is divided into three regions 5e, 5f, and 5g as shown in FIG. The regions are set so that the + 1st order light diffracted by the diffraction grating 3 passes through 5e, the −1st order light passes through 5f, and the 0th order light passes through 5g. Each region is made of liquid crystal and can electrically control the phase difference and reflectivity during reflection. In the present embodiment, the phase of the interference fringes generated in the vicinity of the sample surface is modulated by giving different phase differences between 5e and 5f at the time of reflection instead of swinging the angle of the light beam. In this embodiment, the example of the liquid crystal has been described, but a liquid crystal having a function of electrically controlling the phase difference and the reflectance may be used instead of the liquid crystal.

(第3実施形態)
本発明の第3の実施形態について説明する。光学系の構成は第1の実施形態と同様で、異なる点は回折格子3の構造と折返しミラー5の構造である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The configuration of the optical system is the same as that of the first embodiment, and the difference is the structure of the diffraction grating 3 and the structure of the folding mirror 5.

本実施形態は第1の実施形態の回折格子3のかわりに図4(a)に示す構造をもつ回折格子13を使用する。これは互いに60度ずつ向きを変えた3方向の周期構造を持っている。この角度は正確に60度でなくても良いが、概ね3等分する角度である方が好ましい。そしてこの回折格子13によって生じた0次光と±1次光とが、レンズ4を介して瞳共役位置でそれぞれ集光する様子を表わしたのが図4(b)である。図(b)の20は0次光集光部を、21は±1次光集光部を表している。   In this embodiment, a diffraction grating 13 having the structure shown in FIG. 4A is used instead of the diffraction grating 3 of the first embodiment. It has a three-way periodic structure that is turned 60 degrees from each other. This angle need not be exactly 60 degrees, but is preferably an angle that is roughly divided into three equal parts. FIG. 4B shows a state in which the 0th order light and the ± 1st order light generated by the diffraction grating 13 are condensed at the pupil conjugate position through the lens 4, respectively. In FIG. 2B, 20 represents a zero-order light condensing unit and 21 represents a ± first-order light condensing unit.

そして本実施形態は前述の第1の実施形態の折返しミラー5の代りに図5(a)に示す構造を持つ折り返しミラー15を使用する。この反射面の領域15a〜15gは、図4(b)の各スポットの集光位置に対応している。折返しミラー15は瞳共役面近傍に斜め45度に配置されるため、スポットサイズは図4(b)の状態よりも多少広がるが、互いの光束が交わるほどではないため、図5(a)の分割で分離できる。   In this embodiment, a folding mirror 15 having the structure shown in FIG. 5A is used instead of the folding mirror 5 of the first embodiment. The areas 15a to 15g of the reflecting surface correspond to the condensing positions of the spots in FIG. Since the folding mirror 15 is arranged at an angle of 45 degrees in the vicinity of the pupil conjugate plane, the spot size is slightly larger than the state of FIG. 4B, but not so much that the light beams intersect with each other. Can be separated by division.

本実施形態の場合、不要な0次光は透過させる方法で除去する構成にした。すなわち折返しミラー15の領域15gに相当し、ここには反射部材は何も置かず、0次光が真っ直ぐ透過するようにしている。そして、第1の実施形態と同様に、斜線で示した15a、15b、15cの領域をそれぞれ径方向の一端を固定し、他端を圧電アクチュエータで押し引きすることにより、各領域で反射する光束の角度を振り、標本上の干渉縞の位相を変換することができる。   In the case of the present embodiment, unnecessary zero-order light is removed by a transmission method. That is, it corresponds to the region 15g of the folding mirror 15, and no reflecting member is placed here so that the 0th-order light is transmitted straight. As in the first embodiment, the regions 15a, 15b, and 15c indicated by hatching are fixed at one end in the radial direction, and the other end is pushed and pulled by the piezoelectric actuator, thereby reflecting the light beam at each region. The phase of the interference fringes on the sample can be converted.

各領域の形状は、本図に限定されるものではなく、たとえば15aと15d、15bと15e、15cと15fをそれぞれ一体化し、その径方向で第1の実施形態に示したごとくのミラーの角度変調を行っても良い。   The shape of each region is not limited to this figure. For example, 15a and 15d, 15b and 15e, 15c and 15f are integrated, and the angle of the mirror as shown in the first embodiment in the radial direction is integrated. Modulation may be performed.

また、本実施形態の構成において、折返しミラーによる位相変調を行う方法は、前述の第2の実施形態のごとく、液晶を利用して、反射率や反射位相差を電気的に変調する方法におきかえてもよい。   In the configuration of the present embodiment, the method of performing phase modulation by the folding mirror is replaced with a method of electrically modulating the reflectance and the reflection phase difference using liquid crystal as in the second embodiment described above. May be.

第1の実施形態では標本上に生じる干渉縞は、1次元の周期構造であったが、本実施形態では、2次元3方向の干渉縞である。この場合、標本の微細構造の周期の方向を問わず、超解像画像を取得することができる。   In the first embodiment, the interference fringes generated on the specimen have a one-dimensional periodic structure, but in the present embodiment, the interference fringes are two-dimensional three-direction interference fringes. In this case, a super-resolution image can be acquired regardless of the direction of the period of the fine structure of the specimen.

(第4実施形態)
本発明の第4の実施形態について説明する。本実施形態は前述の第3の実施形態と構成は同じで、折返しミラー15の近傍に図6に示す回転シャッター16を用いたことを特徴とする。回転シャッター16はその中心16aを回転中心として回転する構造である。領域16bと16cは中空あるいは透過率の高いガラス等で素通しになっている。領域は図4の各領域15a〜15fの大きさに対応し、回転する毎に15aと15d、15bと15e、15cと15fの対の光束が透過し、それ以外の光束はシャッターが遮断する構成である。これを高速で回転することにより、回折格子13で生じた3組の±1次光のうち1組ずつを選択することができる。そして領域16bと16cが通るタイミングと撮像手段の画像取り込みタイミングを同期させれば、回転シャッター16は一旦停止をせず、一定速度で回転し続けることができる。回転シャッター16は、シャッター面を折返しミラーの反射面に平行にして反射面の前に取付けることもできるし、シャッター面を折返し前後の光軸に垂直(回転軸が光軸と一致)に折り返し前後どちらかに配置してもよい。但し折返しミラー15からあまり離さずに配置する方が、光束が広がらないため都合がよい。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment has the same configuration as that of the third embodiment described above, and is characterized in that a rotary shutter 16 shown in FIG. The rotary shutter 16 has a structure that rotates around its center 16a as a rotation center. The regions 16b and 16c are hollow or transparent with high transmittance glass or the like. The area corresponds to the size of each of the areas 15a to 15f in FIG. 4, and each rotation rotates a pair of light beams 15a and 15d, 15b and 15e, and 15c and 15f, and the other light beams are blocked by the shutter. It is. By rotating this at a high speed, one set can be selected from each of the three sets of ± first-order light generated in the diffraction grating 13. If the timing when the areas 16b and 16c pass and the image capturing timing of the image pickup means are synchronized, the rotary shutter 16 can be kept rotating at a constant speed without stopping. The rotating shutter 16 can be mounted in front of the reflecting surface with the shutter surface parallel to the reflecting surface of the folding mirror, and the shutter surface can be mounted perpendicular to the optical axis before and after folding (the rotation axis matches the optical axis) before and after folding. You may arrange in either. However, it is more convenient to arrange the mirror 15 not far away from the folding mirror 15 because the luminous flux does not spread.

また、シャッターの窓の部分の形状は図6では三角形としたが、これに限定されるものではなく、扇形でも良いし、あるいは周辺の輪帯を残さずに、シャッターを羽根形としてもよい。   Further, the shape of the shutter window portion is triangular in FIG. 6, but the shape is not limited to this, and the shape of the shutter may be a fan shape, or the shutter may be a blade shape without leaving a peripheral ring zone.

本実施形態の方法によれば、標本面における照明光の周期構造は1次元であるため、画像処理の際に演算する構造が簡単であり、時間的に照明光の周期構造の方向が変わるので、標本の構造の方向を問わず、超解像が可能である。   According to the method of the present embodiment, since the periodic structure of the illumination light on the sample surface is one-dimensional, the structure that is calculated during image processing is simple, and the direction of the periodic structure of the illumination light changes with time. Super-resolution is possible regardless of the direction of the sample structure.

USRe38307には2光束干渉の干渉縞の方向を変換する方法についての記載があるが、回折格子を所定の角度回転後一時停止して撮影しているため、画像取得に時間がかかっていた。本実施形態では、予め3方向に周期構造を作成してあり、それぞれの方向の±1次光を1群のレンズで瞳共役面に結像させた6点のスポットうち対応する2点のスポットの光束は透過させ、残りの4点のスポットは遮光するような、部分遮光膜を配置する。そして、その遮光膜を光軸を回転軸として回転させることにより、一時停止する必要がなく透過領域にあるスポットのみ照明に関与させ、短時間に画像取得することができる。   Although USRe38307 describes a method for changing the direction of the interference fringes of two-beam interference, it takes time to acquire an image because the diffraction grating is temporarily stopped after being rotated by a predetermined angle. In this embodiment, a periodic structure is created in three directions in advance, and two corresponding spots among six spots in which ± 1st order light in each direction is imaged on the pupil conjugate plane by a group of lenses. The partial light-shielding film is arranged so that the light beam is transmitted and the remaining four spots are shielded. Then, by rotating the light shielding film about the optical axis as a rotation axis, it is not necessary to temporarily stop, and only a spot in the transmission region can be involved in illumination, and an image can be acquired in a short time.

(第5の実施形態)
本実施形態の構成は前述の第4の実施形態とほぼ同じで、折返しミラーと回転シャッターの部分が異なる。本実施形態の回転シャッター17は第3の実施形態の回転シャッター16と同様の位置に配置し、構造は図6に示すようになっている。すなわち、中空あるいは一様な透過部材であった、窓の一方を3分割し、それぞれ位相差を持たせているのが特徴である。17aに対し17bは1/3波長、さらに17cは1/3波長位相が遅れるようにしている。例えば同じ屈折率のガラスで、厚みを相当分変更し段差を設けることで、実現することができる。あるいはMgF2等の薄膜を膜厚を制御して蒸着することでも実現可能である。またその際遮光部である17dに吸収膜を施せば、1枚の基板で回転シャッター17を製造することが可能である。さらにこの窓の部分のみまたは回転シャッター全体を透過型の液晶で構成し、図6の対応する領域ごとに透過率、位相の遅れを電気的に発生させて使用することもできる。それによって、透過する一対の2光束の一方のみを時間的に位相変調することができる。
(Fifth embodiment)
The configuration of this embodiment is almost the same as that of the above-described fourth embodiment, and the folding mirror and the rotary shutter are different. The rotary shutter 17 of this embodiment is arranged at the same position as the rotary shutter 16 of the third embodiment, and the structure is as shown in FIG. That is, one of the windows, which is a hollow or uniform transmission member, is divided into three parts, each having a phase difference. 17b is delayed by 1/3 wavelength, and 17c is delayed by 1/3 wavelength phase. For example, it can be realized by using a glass having the same refractive index and changing the thickness considerably to provide a step. Alternatively, it can be realized by depositing a thin film such as MgF2 while controlling the film thickness. In this case, if the light shielding portion 17d is provided with an absorption film, the rotary shutter 17 can be manufactured with a single substrate. Further, only the window portion or the entire rotary shutter can be formed of a transmissive liquid crystal, and the transmittance and phase delay can be electrically generated and used for each corresponding region in FIG. Thereby, only one of the pair of transmitted two light beams can be temporally phase-modulated.

そして、本実施形態の折返しミラーは一様な反射ミラーでよい。それは、位相変調手段と干渉縞の方向の選択手段をこの回転シャッター17で行っているからである。したがって、折り返しミラーを配置せず、ファイバー1からレンズ4の光軸をレンズ6の光軸と同じ方向にする配置も可能であり、構成の自由度が広がる。   The folding mirror of this embodiment may be a uniform reflection mirror. This is because the rotary shutter 17 performs phase modulation means and interference fringe direction selection means. Therefore, it is possible to arrange the optical axis from the fiber 1 to the lens 4 in the same direction as the optical axis of the lens 6 without arranging the folding mirror, and the degree of freedom of configuration is widened.

本実施形態の方法によれば、標本面における照明光の周期構造は1次元であるため、画像処理の際に演算する構造が簡単であり、時間的に照明光の周期構造の方向が変わるので、標本の構造の方向を問わず、超解像が可能である。そして可動部は回転シャッター17の回転移動だけであるため、装置がシンプルである。   According to the method of the present embodiment, since the periodic structure of the illumination light on the sample surface is one-dimensional, the structure that is calculated during image processing is simple, and the direction of the periodic structure of the illumination light changes with time. Super-resolution is possible regardless of the direction of the sample structure. Since the movable part is only the rotational movement of the rotary shutter 17, the apparatus is simple.

(第6の実施形態)
本発明の第6の実施形態について説明する。図8は、本発明の第6の本実施形態の概略図を示す。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 shows a schematic diagram of the sixth embodiment of the present invention.

本実施形態に係る顕微鏡装置は、上記第1の実施形態における可干渉光源に替えて、干渉長の非常に短い照明光を発する光源として白色光源30を備えており、当該白色光源30からの照明光を光ファイバー1を介さずレンズ2に直接入射させる構成としている。   The microscope apparatus according to the present embodiment includes a white light source 30 as a light source that emits illumination light with a very short interference length, instead of the coherent light source in the first embodiment, and illumination from the white light source 30. The light is directly incident on the lens 2 without going through the optical fiber 1.

また、本実施形態に係る顕微鏡装置は、上記第1の実施形態における回折格子3に替えて濃度型の回折格子31を備えている。この濃度型の回折格子31には、白色光源30からの照明光を上記第1の実施形態における構造化照明光に相当する照明光に変換するための、縞状の濃度パターン(透過率の異なるマスクパターン)が設けられている。この濃度パターンは透過率が正弦波状に変化するパターンにすると、高次の回折光が生じないため好ましい。これにより、濃度型の回折格子31によって回折された光は、レンズ4を介して、瞳共役面上に、回折次数に応じた位置に集光する。すなわち白色光源30からの照明光が濃度型の回折格子31によって光束分割さたことになる。このようにして本実施形態でも、上記第1の実施形態における照明光と同様の光束を折り返しミラー5へ導くことができる。   The microscope apparatus according to the present embodiment includes a concentration type diffraction grating 31 instead of the diffraction grating 3 in the first embodiment. This density type diffraction grating 31 has a striped density pattern (different in transmittance) for converting the illumination light from the white light source 30 into illumination light corresponding to the structured illumination light in the first embodiment. Mask pattern) is provided. This density pattern is preferably a pattern in which the transmittance changes in a sine wave shape because high-order diffracted light does not occur. Thus, the light diffracted by the density type diffraction grating 31 is condensed on the pupil conjugate plane at a position corresponding to the diffraction order via the lens 4. That is, the illumination light from the white light source 30 is split by the density type diffraction grating 31. As described above, also in this embodiment, the same light beam as the illumination light in the first embodiment can be guided to the folding mirror 5.

なお、本実施形態において、上述した構成以外の部分については、上記第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。   In addition, in this embodiment, since it is the same as that of the said 1st Embodiment about parts other than the structure mentioned above, the description is abbreviate | omitted.

以上、本実施形態によれば、可干渉光源を用いることなく上記第1の実施形態と同様の効果を奏する顕微鏡装置を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a microscope apparatus that exhibits the same effects as those of the first embodiment without using a coherent light source.

1: 光ファイバ
2: コレクタレンズ
3: 回折格子
4: レンズ
5: 折返しミラー
9: 対物レンズ
10:標本
12:撮像手段
13:画像記憶・演算装置
14:画像表示装置
30:白色光源
31:濃度型の回折格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Optical fiber 2: Collector lens 3: Diffraction grating 4: Lens 5: Folding mirror 9: Objective lens 10: Specimen 12: Imaging means 13: Image storage and calculation device 14: Image display device 30: White light source 31: Density type Diffraction grating

Claims (11)

光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段と
を有する顕微鏡装置であって、
前記位相変調手段は、前記光束を偏向させる反射面を有する角度変調手段からなり、該反射面の角度変調により前記標本に形成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置。
An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane ;
An imaging optical system for imaging light from the specimen;
Imaging means;
A microscope apparatus having image processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means,
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the phase modulation means comprises angle modulation means having a reflecting surface for deflecting the light beam, and modulates the phase of the fringe structure formed on the specimen by angle modulation of the reflecting surface .
光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、
前記標本からの光を結像する結像光学系と、
撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段と
を有する顕微鏡装置であって、
前記位相変調手段は、前記光束を偏向させる反射面を有し、該反射面の位相差または反射率を電気的に制御することにより前記標本面近傍に生成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置。
An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane ;
An imaging optical system for imaging light from the specimen;
Imaging means;
A microscope apparatus having image processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means,
The phase modulation means has a reflecting surface for deflecting the light beam, and modulates the phase of the fringe structure generated near the sample surface by electrically controlling the phase difference or reflectance of the reflecting surface. A microscope apparatus characterized by that.
光源からの光束を縞構造に空間変調して標本を照射するとともに、前記縞構造の位相を変調する位相変調手段が瞳共役面近傍に配置された照明光学系と、An illumination optical system in which a light beam from a light source is spatially modulated into a fringe structure to irradiate the sample, and a phase modulation means for modulating the phase of the fringe structure is disposed in the vicinity of the pupil conjugate plane;
前記標本からの光を結像する結像光学系と、An imaging optical system for imaging light from the specimen;
撮像手段と、Imaging means;
前記撮像手段により撮像された画像を演算処理することにより標本像を生成する画像処理手段とImage processing means for generating a specimen image by performing arithmetic processing on an image picked up by the image pickup means;
を有する顕微鏡装置であって、A microscope apparatus comprising:
前記位相変調手段は、光束を透過させる透過面を有し、該透過面の位相差または透過率を電気的に制御することにより前記標本に形成される前記縞構造の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置。The phase modulation means has a transmission surface that transmits a light beam, and modulates the phase of the fringe structure formed on the specimen by electrically controlling the phase difference or transmittance of the transmission surface. Microscope device.
前記位相変調手段は、前記空間変調に不要な照明光を遮蔽する遮蔽手段を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の顕微鏡装置。 It said phase modulating means, a microscope apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a shielding means for shielding unnecessary illumination light to the spatial modulation. 前記反射面が、複数の領域に区分され、前記空間変調した照明光に必要な光が反射する領域に対しては、相互の位相を相対的に変調するように構成し、不要な照明光が反射する領域に対しては不要な光が前記標本へ偏向しない構成にしたことを特徴とする請求項に記載の顕微鏡装置。 The reflective surface is divided into a plurality of regions, and a region where light necessary for the spatially modulated illumination light is reflected is configured to relatively modulate the mutual phase. The microscope apparatus according to claim 2 , wherein unnecessary light is not deflected to the specimen in a region to be reflected. 前記透過面が、複数の領域に区分され、前記空間変調した照明光に必要な光が透過する領域に対しては、相互の位相を相対的に変調するように構成し、不要な照明光を透過する領域に対しては不要な光が前記標本へ進行しない構成にしたことを特徴とする請求項3に記載の顕微鏡装置。The transmission surface is divided into a plurality of regions, and a region where light necessary for the spatially modulated illumination light is transmitted is configured to relatively modulate the mutual phase, and unnecessary illumination light is transmitted. The microscope apparatus according to claim 3, wherein unnecessary light does not travel to the specimen in a transmitting region. 前記照明光学系は、標本共役位置近傍に配置された、互いに異なる3方向以上の周期構造を持つ回折格子を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の顕微鏡装置。 The illumination optical system includes a microscope according to any one of claims 1 to 3, characterized in that arranged near the specimen position conjugate, having three different lifting direction or more periodic structures diffraction grating with each other apparatus. 前記回折格子により回折された複数の光束のうち、少なくとも2つの、光軸対称の光束を選択する光束選択手段を瞳共役位置近傍に配置し、前記光束選択手段によって選択する前記2つの、光軸対称の光束を変更することにより前記縞構造の前記空間変調の方向を変更することを特徴とする請求項に記載の顕微鏡装置。 Wherein among the plurality of light beams diffracted by the diffraction grating, at least two, the light beam selecting means for selecting a light beam of an optical axis symmetrically arranged near the pupil conjugate position, the two selected by the beam selecting means, the optical axis microscope apparatus according to claim 7, characterized in that changing the direction of the spatial modulation of the fringe structure by changing the luminous flux of symmetry. 前記光束選択手段を前記角度変調手段近傍に配置し、照明光の位相変調と空間変調の方向変換を行うことを特徴とする請求項に記載の顕微鏡装置。 9. The microscope apparatus according to claim 8 , wherein the light beam selection unit is disposed in the vicinity of the angle modulation unit to perform phase conversion of illumination light and direction conversion of spatial modulation. 前記位相変調手段は空間変調に不要な照明光を遮蔽する遮蔽手段を有し、
前記光束選択手段により選択された2光束のうち一方が通過する領域は中空あるいは一様な位相変化を与える透過部材とし、もう一方が通過する領域は時間的に位相が変化する位相変調手段を瞳共役位置近傍に配置し、照明光束の位相変調と空間変調の方向変換を時間的に選択できる構成としたことを特徴とする請求項に記載の顕微鏡装置。
The phase modulation means has shielding means for shielding illumination light unnecessary for spatial modulation,
A region through which one of the two light beams selected by the light beam selecting unit passes is a hollow or uniform transmitting member that changes phase, and a region through which the other beam passes is a phase modulation unit whose phase changes temporally. 9. The microscope apparatus according to claim 8 , wherein the microscope apparatus is arranged in the vicinity of the conjugate position so that the phase modulation of the illumination light beam and the direction change of the spatial modulation can be selected temporally.
可干渉光源からの光束を二光束に分割する光束分割手段を有し、前記二光束を標本で二光束干渉させて、干渉縞構造に空間変調した照明光で標本を照明し、前記空間変調した照明光による標本の回折光を結像に関与させ、取得した画像を画像演算処理により標本像を生成する構造化照明顕微鏡において、
前記光束分割手段を照明光学系内の標本共役位置近傍に配置し、角度変調手段を瞳共役位置近傍に配置し、前記光束分割手段によって分割された光束の一部または全部を、前記角度変調手段により角度変調することにより、標本面近傍に生成される干渉縞の位相を変調することを特徴とする顕微鏡装置。
Has a beam splitter for splitting the light beam from the coherent light source into two light beams, the two light and two light by beam interference in specimens bundle to illuminate the sample with illumination light spatially modulated fringe structure and the spatial modulation In a structured illumination microscope that involves the diffracted light of the specimen from the illumination light in the image formation and generates the specimen image from the acquired image by image calculation processing.
The light beam splitting unit is disposed in the vicinity of the sample conjugate position in the illumination optical system, the angle modulating unit is disposed in the vicinity of the pupil conjugate position, and a part or all of the light beam split by the light beam splitting unit is A microscope apparatus characterized by modulating the phase of interference fringes generated in the vicinity of a specimen surface by angle-modulating with a lens.
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