JP6224595B2 - 顕微鏡デバイス - Google Patents
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Description
shutter)」技法とも呼ばれている。
1.1次元構造化照明
現在において一般的な全ての構造化照明法では、1つの空間方向の1つまたは複数の周波数を有するパターンが使用される。その際には、いくつかの位相画像を撮影し、撮影と撮影の間にはパターンまたはパターンの画像をシフトしなければならない。1つの空間方向の1つの周波数を仮定すると、1番目の位相画像の1つの画素(x,y)の強度は下式のように書くことができる。
I0=I1+I2+I3 (4)
とは別に、断面図
ここでの次数の分離は、断面図と雑音の分離と正確に同じように機能する。以下ではこの概念を超分解能(superresolution)と呼ぶ。
2.マジック角
2.1 行列
M=N
および
2.2 チェス盤
前述の方法の1つの展開として、いくつかの方向の周波数を含む構造を使用することによって、位相画像が生成されている間にこの構造が一方向にだけ変位するときに、いくつかの方向の周波数部分を互いから分離することもできるかどうかを検討した。
κ2=3 (31)
これは、2つの異なる方位角(orientation angle)の下で1つの解が可能であることを意味する。
κの誤差に対しては下式が生じる。
方程式(7)と同様に、この状況では、画像の空間周波数スペクトルに対して下式が生じる。
a+bcos(cx+d) (37)
に対する当てはめは、チェス盤のそれぞれの周波数方向について、較正物体上のコントラスト
2.3 六角形
上述のチェス盤パターンの代わりに、六角形パターンを使用して、パターンを1つの空間方向に変位させたときに記録された位相画像を評価することも可能である。
κ2=4 (58)
したがって、この場合も、変位ベクトルとx軸の間の2つの方位角が可能であり、チェス盤の場合と同様の考慮から、γ=θ−90°に対してより小さな値が生じる角度が選択される(
Ckは、式(37)の場合と同じ当てはめパラメータを意味する。
δκ=sinθs(1+tan2γ)δγ (66)
θsは、その構造の対称の角度であり、
2.3.1 六角形のコントラスト
格子パターンまたはチェス盤パターンとは対照的に、六角形パターンの充填率は(1/2ではなく)1/3である。
2.4 幾何学的解釈
2.4.1 チェス盤
式(12)
αl,±1=αl,±2
となり、したがって∀lおよび行列
2.4.2 六角形
六角形に関しては、マジック角が、変位ベクトルの
2.5 他のマジック角
2.5.1 N=13
コヒーレントなレーザ励起によって、画像内の六角形の2次高調波次数も再結合される場合が生じることがある。量
κ2=8 (89)
したがって、
2.5.2 N=19
さらに
κ2=10 (96)
式(87)から、関連するθの値は以下のとおりである。
θ2=4.31° (98)
2.5.3 その他の解
ある種の状況下で構造化照明とともに非線形超分解能を使用するためには、計算において、(撮影された対応する数の位相画像に対して)六角形のよりいっそう高次の次数を考慮する必要があるであろう。N=43の値まで、ユニタリ行列、したがって理論上の最適解が見つかった。
3.雑音
パート(2.1)で既に指摘したとおり、ユニタリ行列
比較のため:格子を使用し、例えば7つの未処理画像を評価すると、同じ露光時間を有する3つの未処理画像が計算された場合よりも
Claims (29)
- 対物レンズと、照明ビーム経路に沿ってサンプルを照明する光源と、両方の空間方向に構造化された平らな照明パターンを前記サンプル上に生成する装置と、1つの画像ビーム経路に沿って前記サンプルから来た光を検出する表面検出器と、前記サンプル上の前記照明パターンを1つの変位方向にシフトする装置と、前記検出器によって前記光が検出されたときに、前記変位方向に沿った前記パターンの異なる位置の位相画像として1つの画像を撮影し、それらの位相画像から、照明されたサンプル領域の全体構造化照明顕微鏡(SIM)画像を計算により再構成する制御ユニットとを備える顕微鏡デバイスにおいて、前記変位方向が、前記照明パターンの主対称軸に対して斜めであり、前記変位方向が、前記照明パターンに応じて、前記SIM画像の再構成に必要な位相画像の数が、照明パターンの強度のフーリエ次数の数に等しい理論上最低限必要な値に一致するような態様で選択されることを特徴とする顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンが六角形点パターンであり、前記変位方向が、3つの主対称軸のうちの1つの主対称軸に対して1から20度の範囲にあるように選択され、少なくとも7つの位相画像が最低限必要な値である、請求項1に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記変位方向が、3つの主対称軸のうちの1つの主対称軸に対して4から20度、好ましくは13から20度の範囲にあるように選択される、請求項2に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンを生成する前記装置が、位相画像ごとに、照明されるサンプル表面の全ての領域を前記照明パターンで同時に照明するようになされている、請求項1から3のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンを生成する前記装置が、位相画像ごとに、照明されるサンプル表面の部分領域において前記照明パターンを逐次的に生成および除去するようになされており、照明されるサンプル表面が、前記照明パターンで同時には照明されず、一部分ずつ逐次的に照明されるように、前記部分領域が、全体として、照明されるサンプル表面をカバーし、前記制御ユニットが、実質的にサンプル表面のちょうど照明された部分領域が結像されるときにだけ前記検出器の対応する領域がアクティブになるような態様で前記検出器を制御するようになされている、請求項1から3のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 対物レンズと、照明ビーム経路に沿ってサンプルを照明する光源と、少なくとも1つの空間方向に構造化された照明パターンを前記サンプル上に生成する装置と、1つの画像ビーム経路に沿って前記サンプルから来た光を検出する表面検出器と、前記サンプル上の前記照明パターンを1つの変位方向にシフトする装置と、前記検出器によって前記光が検出されたときに、前記変位方向に沿った前記パターンの異なる位置の位相画像として1つの画像を撮影する制御ユニットとを備え、照明されたサンプル領域の全体画像が、前記位相画像から計算により再構成され、前記照明パターンを生成する前記装置が、位相画像ごとに、照明されるサンプル表面の部分領域において前記照明パターンを逐次的に生成および除去するようになされており、照明されるサンプル表面が、前記照明パターンで同時には照明されず、一部分ずつ逐次的に照明されるように、前記部分領域が、全体として、照明されるサンプル表面をカバーし、前記制御ユニットが、実質的にサンプル表面のちょうど照明された部分領域が結像されるときにだけ前記検出器の対応する領域がアクティブになるような態様で前記検出器を制御するようになされている顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンを生成する前記装置が、前記照明パターンを、一方向に移動するストリップの形態で生成および除去するようになされている、請求項6に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記ストリップの幅が、前記ストリップで照明されたサンプル領域が少なくとも3本の検出器線上に結像されるように選択される、請求項7に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記ストリップが縦方向にだけ構造化される、請求項7または8に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記ストリップが横方向に回折限界がある、請求項7から9のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンを生成する前記装置が、前記ストリップを、前記ストリップを横切る方向にだけ移動させるようになされている、請求項7から10のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記構造化された照明パターンを生成する前記装置が円柱レンズ・アレイを有し、移動するストリップの方向が前記円柱レンズの軸方向に対して平行である、請求項7から11のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記ストリップの縦方向の、前記検出器上での前記ストリップの前記結像が、前記検出器表面の部分領域の上だけに及び、曲線状の軌道をたどるために、前記照明パターンを生成する前記装置が、前記パターンが組み合わせられているときに、前記ストリップを、前記ストリップを横切る方向だけでなく、前記ストリップの縦方向にも移動させるように作られている、請求項7から10のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記照明パターンの前記変位方向が、前記ストリップの縦方向に1つの成分を含む、請求項7から13のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記構造化された照明パターンを生成する前記装置が、物体平面または物体平面と共役する平面に前記照明パターンを生成するようになされている、請求項7から14のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記構造化された照明パターンを生成する前記装置が、前記対物レンズの瞳内のコヒーレント照明光の干渉する焦点によって、前記照明パターンを生成するようになされている、請求項15に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記サンプル上の前記照明パターンをシフトする前記装置が、前記サンプル上の前記照明パターンをシフトするために、前記対物レンズの瞳内の前記焦点の大きさの相対的な位相シフトを引き起こすようになされている、請求項16に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記サンプル上の前記照明パターンをシフトする前記装置が、前記対物レンズの瞳内の前記焦点の前記相対的な位相シフトを引き起こすために、前記対物レンズの瞳の中もしくは瞳の近くのガルバノメトリック走査器、音響光学変調器、または圧電アクチュエータとミラーの組合せをその1つのアームに備える干渉計を有する、請求項17に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記構造化された照明パターンを生成する前記装置が、1つの中間画像平面に点パターンを生成する要素を有する、請求項15に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記中間画像平面に前記点パターンを生成する前記要素が、前記中間画像平面に位置する穴のあいたマスクである、請求項19に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記中間画像平面に前記点パターンを生成する前記要素が、前記中間画像平面に前記照明光の焦点を生成するために前記光源と前記中間画像平面の間に配置されたマイクロレンズ・アレイである、請求項19に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記サンプル上の前記照明パターンをシフトする前記装置が、前記中間画像平面と第1の管状レンズの間の非無限空間にビーム偏向要素を有する、請求項4、19から21のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記ビーム偏向要素が、動力付きの偏向ミラーまたは回転するガラス窓として作られている、請求項22に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記中間画像平面に前記点パターンを生成する前記要素にわたって照明光を移動させて、前記照明パターンを逐次的に生成および除去するために、前記照明パターンを生成する前記装置が、1つの走査レンズを備える走査デバイスを有する、請求項5、6、19から21のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記点パターンを含む前記中間画像平面に対して絶対的に対称な平面に前記表面検出器が位置するように作られた、請求項19に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記中間画像平面が、前記第1の管状レンズと前記対物レンズのうちの一方によって前記サンプル上に結像され、前記サンプルが、前記対物レンズおよび前記第1の管状レンズと同じ第2の管状レンズによって前記表面検出器上に結像され、色分割器によって、前記照明ビーム経路が前記画像ビーム経路から分離される、請求項25に記載の顕微鏡デバイス。
- 前記サンプルの2光子励起の検出用に作られた、請求項7から26のいずれか一項に記載の顕微鏡デバイス。
- 光源と対物レンズ(22)からの光で照明ビーム経路(12)に沿ってサンプル(24)を照明することであり、前記光源(10)は前記サンプル上に両方の空間方向に構造化された平らな照明パターン(32)を生成することと、
1つの画像ビーム経路(34)に沿って前記サンプルから来た光を表面検出器で検出することと、
前記サンプル上の前記照明パターンを1つの変位方向にシフトすることと、
前記検出器によって前記光が検出されたときに、前記変位方向(42)に沿った前記パターンの異なる位置の位相画像として1つの画像を撮影することと、
それらの位相画像から、照明されたサンプル領域の全体構造化照明顕微鏡(SIM)画像を計算により再構成することと、
を備える顕微鏡法であって、
前記変位方向が、前記照明パターン(32)の主対称軸(40、40’、40’’、140、140’)に対して斜めであり、前記照明パターンに応じて、前記SIM画像の再構成に必要な位相画像の数が、照明パターンの強度のフーリエ次数の数に等しい理論上最低限必要な値に一致するように、前記変位方向が選択される
顕微鏡法。 - 前記照明パターン(32)が六角形点パターンであり、前記変位方向(42)が、3つの主対称軸のうちの1つの主対称軸(40、40’、40’’)に対して1から20度の範囲にあるように選択され、少なくとも7つの位相画像が最低限必要な値である、請求項28に記載の顕微鏡法。
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