特許 5761458 顕微鏡装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5761458

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】顕微鏡装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20150723BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/06

【請求項の数】15

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-519909(P2014-519909)

(86)(22)【出願日】2013年5月21日

(86)【国際出願番号】JP2013064023

(87)【国際公開番号】WO2013183438

(87)【国際公開日】20131212

【審査請求日】2014年5月29日

(31)【優先権主張番号】特願2012-127911(P2012-127911)

(32)【優先日】2012年6月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(72)【発明者】

【氏名】福武 直樹

【審査官】 殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１２１７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８８５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−００２５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３７１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２２５３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４２５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２０８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２２６７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６ − ２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
前記光源からの光で被検体を照明する照明光学系であり、光強度分布を調整可能な空間光変調素子を有する前記照明光学系と、
前記被検体からの光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系からの光に基づき前記被検体の画像を生成する固体撮像素子と、
前記空間光変調素子を調整可能な制御装置であり、第１の照明光で前記被検体を照明するときに前記固体撮像素子から出力される第１の画像に基づいて、前記空間光変調素子を調整して前記被検体を第２の照明光で照明する、前記制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像に変換した後に、前記二値化した画像の主成分分析を行うことによって、前記第１の画像が有する空間周波数分布を求め、
前記空間光変調素子は、前記第１の画像の前記空間周波数分布に基づいて、光軸と直交する２つの方向の光強度分布を調整することを特徴とする顕微鏡装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記第１の照明光を前記第２の照明光に変換するための演算を行い、
前記空間光変調素子は、その演算結果に基づいて、前記被検体に照射される照明光の光強度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。

【請求項3】

前記空間光変調素子は、前記２つの方向の光強度分布のうち、前記第１の画像の空間周波数分布に関して高空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を強調する、及び／又は、前記第１の画像の空間周波数分布に関して低空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を絞る調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。

【請求項4】

前記第１の照明光が光軸と直交する面内において等方的な光強度分布を有し、前記第２の照明光が光軸と直交する面内において異方的又は等方的な光強度分布を有することを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡装置。

【請求項5】

前記第１の照明光が光軸と直交する面内において円環状又は円形状の光強度分布を有し、前記第２の照明光が光軸と直交する面内において楕円環状又は円環状の光強度分布を有することを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。

【請求項6】

前記空間変調素子は、前記空間周波数分布が所定の閾値を超えない場合において、前記被検体に照射される照明光の光強度分布が点光源に近い状態に調整することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項7】

前記照明光学系は、前記被検体に照射される照明光の光強度分布を可変に調整する第１の空間光変調素子を含み、
前記結像光学系は、前記被検体からの透過光に付加する位相の空間分布を可変に調整する第２の空間光変調素子を含み、
前記制御装置は、前記第１の空間光変調素子が前記光源からの照明光を基に形成した第１の照明光を前記被検体に照射し、且つ、前記第２の空間光変調素子が前記被検体からの透過光を透過させたときに、前記固体撮像素子が生成する前記被検体の第１の画像を取得し、
前記第１の画像に基づいて、前記第１の空間光変調素子が前記被検体に照射される前記第１の照明光の光強度分布を調整すると共に、前記第２の空間光変調素子が前記被検体からの透過光に付加する位相の空間分布を調整し、
前記第１の空間光変調素子が前記第１の照明光の光強度分布の調整後に形成した第２の照明光を前記被検体に照射し、且つ、前記第２の空間光変調素子が前記透過光に付加する位相の空間分布を調整したときに、前記固体撮像素子が生成する前記被検体の第２の画像を取得する制御を行うことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項8】

前記第２の空間光変調素子は、前記被検体からの透過光を１／４波長だけ位相がずれた状態で透過させる位相変調領域と、前記位相変調領域の周囲に前記被検体からの透過光をそのままの位相で透過させる透過領域とを有して、前記透過領域に対して前記位相変調領域を可変に調整することを特徴とする請求項７に記載の顕微鏡装置。

【請求項9】

前記第２の空間光変調素子は、前記透過領域に対する前記位相変調領域の形状を、前記第１の空間光変調素子が調整する照明光の光強度分布に対応した形状に調整することを特徴とする請求項８に記載の顕微鏡装置。

【請求項10】

前記第２の空間光変調素子は、前記位相の空間分布と共に、前記被検体からの透過光を透過させる透過率の空間分布を可変に調整することを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項11】

前記第１の空間光変調素子と前記第２の空間光変調素子とは、互いに同期しながらそれぞれの調整を行うことを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項12】

前記結像光学系は、前記被検体からの透過光、反射光、及び散乱光のうちの少なくとも１つを受光することを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項13】

前記空間光変調素子又は前記第１の空間光変調素子は、液晶素子、エレクトロクロミック素子又はデジタルマイクロミラーデバイスの何れかであることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項14】

前記第２の空間光変調素子は、液晶素子であることを特徴とする請求項７〜１２の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項15】

前記固体撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサの何れかであることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被検体を観察するための顕微鏡装置に関する。
本願は、２０１２年６月５日に出願された特願２０１２−１２７９１１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

光学式の顕微鏡装置としては、明視野顕微鏡や位相差顕微鏡などが従来より用いられている。このうち、明視野顕微鏡では、円形の絞りを可変に調整することで、照明光の光強度分布を調整している。また、観察者の判断で形状の異なる絞りを選択して使用することもある。一方、位相差顕微鏡では、リング絞り及び位相リングを用いて照明光の光強度分布を形成している。

【0003】

照明光の光強度分布は、観察対象である被検体の画像に大きな影響を及ぼすため、上述した円形の絞りや、リング絞り及び位相リング等に改良を加えて、良好な被検体の画像が得られるように様々な工夫がなされている（例えば、特許文献１を参照。）。

【0004】

例えば、下記特許文献１では、位相リングのリング状に設けられたリング領域を取り囲むように変調部を設け、変調部と、この変調部以外の領域との透過軸の方向が異なるように形成することで、コントラストを連続的に可変する位相差顕微鏡が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２３７１０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した従来の顕微鏡装置では、絞りの形状がある程度決まっているために、照明光の光強度分布の調整に制限があった。また、絞りの形状を選択する場合も、観察者の判断又は経験を元にして選択されるため、絞りの形状が必ずしも観察中の被検体の像を最良の状態で観察できる形状になっているわけではなかった。さらに、位相差顕微鏡の場合、リング絞りと位相リングの位置は固定されているために、それらの形状を自由に選択することができず、最適の状態で被検体を観察することが困難であった。

【0007】

本発明の態様は、被検体に照射される照明光の光強度分布を最適化し、良好な被検体の画像を得ることによって、被検体を最適の状態で観察することが可能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様に従えば、光源と、光源からの光で被検体を照明する照明光学系であり、光強度分布を調整可能な空間光変調素子を有する照明光学系と、被検体からの光を結像する結像光学系と、結像光学系からの光に基づき被検体の画像を生成する固体撮像素子と、空間光変調素子を調整可能な制御装置であり、第１の照明光で被検体を照明するときに固体撮像素子から出力される第１の画像に基づいて、空間光変調素子を調整して被検体を第２の照明光で照明する制御装置と、を備え、制御装置は、第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像に変換した後に、二値化した画像の主成分分析を行うことによって、第１の画像が有する空間周波数分布を求め、空間光変調素子は、第１の画像の空間周波数分布に基づいて、光軸と直交する２つの方向の光強度分布を調整することを特徴とする顕微鏡装置が提供される。

【発明の効果】

【0009】

本発明の態様によれば、被検体に照射される照明光の光強度分布を最適化し、良好な被検体の画像を得ることによって、被検体を最適の状態で観察することが可能な顕微鏡装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態として示す顕微鏡装置の概略構成図である。

【図2A】顕微鏡装置が備える空間光変調素子として、液晶素子を用いた場合の構成図である。

【図2B】顕微鏡装置が備える空間光変調素子として、ＤＭＤを用いた場合の構成図である。

【図3A】空間光変調素子の絞りの開口を円形とした場合の平面図である。

【図3B】空間光変調素子の絞りの開口を円環状とした場合の平面図である。

【図4】（ａ）は第１の照明光を用いて得られた第１の画像の一例を示す顕微鏡写真、（ｂ）は第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像、（ｃ）は空間光変調素子の絞りの開口を楕円環状とした場合の平面図、（ｄ）は第２の照明光を用いて得られた第２の画像の一例を示す顕微鏡写真である。

【図5】空間光変調素子の絞りの開口を円環状とした場合の平面図である。

【図6】顕微鏡装置により観察した別の被検体の画像である。

【図7】顕微鏡装置により観察した別の被検体の画像である。

【図8】第２の実施形態として示す顕微鏡装置の概略構成図である。

【図9A】第１の空間光変調素子の絞りの開口を円環状とした場合の平面図である。

【図9B】第２の空間光変調素子の位相調整領域を円環状とした場合の平面図である。

【図10A】第１の空間光変調素子の絞りの開口を楕円環状とした場合の平面図である。

【図10B】第２の空間光変調素子の位相調整領域を楕円環状とした場合の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合がある。また、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0012】

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として図１に示す顕微鏡装置１について説明する。
なお、図１は、第１の実施形態として示す顕微鏡装置１の概略構成図である。

【0013】

第１の実施形態として図１に示す顕微鏡装置１は、観察対象である被検体Ｓに照明光Ｌを照射し、被検体Ｓからの透過光によって得られた被検体Ｓの拡大像を観察する明視野顕微鏡を構成するものである。

【0014】

具体的に、この顕微鏡装置１は、照明光Ｌを出射する光源２と、光源２からの照明光Ｌを被検体Ｓに照射する照明光学系３と、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを結像する結像光学系４と、結像光学系４により結像された透過光Ｌｐを受光し電気信号に変換して被検体Ｓの画像を生成する固体撮像素子５と、各部の制御を行う制御部６とを備えている。

【0015】

照明光学系３と結像光学系４との間には、ステージ７が配置されている。ステージ７は、被検体Ｓが設置される設置面７ａを有している。また、ステージ７は、その面内において互いに直交する２つの方向（図１中に示すＸ軸方向及びＹ軸方向）に移動操作される。これにより、被検体Ｓの観察位置を任意に変更することが可能となっている。
さらに、ステージ７は、高さ方向（図１中に示すＺ軸方向）に移動操作される構成であってもよい。

【0016】

以下では、光源２から出射された照明光Ｌの光軸（光束の中心軸）をＺ軸方向とし、このＺ軸と直交する面内において互いに直交する２つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。なお、図１では、光源２から出射された照明光Ｌを破線で模式的に示している。

【0017】

光源２は、例えば白色光などの可視光又はその近傍の波長域の光を照明光Ｌとして照射する。光源２には、反射鏡等を利用して自然光や白色蛍光灯、白色電球などの外部光源からの光を照明光Ｌとして用いることができる。また、光源２には、ハロゲンランプやタングステンランプなどの内部光源からの光を照明光Ｌとして用いることができる。

【0018】

また、光源２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いてもよい。この場合、光源２は、例えば赤、青、緑の各波長の光を発するＬＥＤの組み合わせにより構成することができる。また、これら波長の異なるＬＥＤの点灯及び消灯を制御することによって、光源２が発する照明光の波長を可変に制御できるため、このようなＬＥＤを光源２に用いた場合は、後述する波長フィルタ９を省略することも可能である。

【0019】

照明光学系３は、光源２側から順に、第１のコンデンサレンズ８と、波長フィルタ９と、空間光変調素子１０と、第２のコンデンサレンズ１１とが配置された構成を有している。

【0020】

第１のコンデンサレンズ８及び第２のコンデンサレンズ１１は、光源２から出射された照明光Ｌをステージ７上の被検体Ｓに集光させる。

【0021】

波長フィルタ９は、照明光Ｌの波長を特定の範囲内に制限する。波長フィルタ９には、例えば特定範囲の波長の光のみを透過するバンドパスフィルタが用いられる。また、波長フィルタ９は、着脱可能とされており、それぞれ異なる波長の光を透過する複数のバンドパスフィルタを予め用意しておき、その入れ替えを行うことによって、波長フィルタ９を透過する照明光Ｌの波長を選択的に調整することが可能となっている。

【0022】

なお、波長フィルタ９は、固体撮像素子５において特定の波長の光を受光させることを目的としているため、その配置については特に限定されることはない。上述した第１のコンデンサレンズ８と空間光変調素子１０との間に波長フィルタ９が配置された構成に限らず、光源２と固体撮像素子５との間の何れの光路中に配置することが可能である。

【0023】

空間光変調素子１０は、結像光学系４の瞳位置に対して共役となる位置に配置されている。空間光変調素子１０は、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を可変に調整するもの（絞り）である。この絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａの形状や大きさ等を自由に変化させることが可能となっている。

【0024】

空間光変調素子１０としては、例えば図２Ａに示すような液晶パネル（液晶素子）１２を用いることができる。具体的に、図２Ａに示す空間光変調素子１０は、液晶パネル１２を挟んだ両側に一対の偏光板１３ａ，１３ｂが配置された構造を有する。空間光変調素子１０では、液晶パネル１２の面内に配置された各ドットの印加電圧を制御することによって、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（開口１０ａの形状や大きさ等）を任意に変化させることが可能となっている。

【0025】

また、空間光変調素子１０としては、例えば図２Ｂに示すようなデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）１４を用いることができる。具体的に、ＤＭＤ１４は、その傾きを変えることができる微小な鏡（マイクロミラー）を面内に複数並べて配置したものから構成される。空間光変調素子１０では、各鏡の傾きを任意に切り換えながら、照明光Ｌの反射方向を制御することによって、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（開口１０ａの形状や大きさ等）を任意に変化させることが可能となっている。

【0026】

空間光変調素子１０としては、例えばエレクトロクロミック素子（図示せず。）を用いてもよい。このエレクトロクロミック素子は、透明電極とエレクトロクロミック層とを組み合わせた積層構造から構成される。エレクトロクロミック層に電圧が印加されると、その電圧が印加された領域のエレクトロクロミック層が可逆的に電解酸化又は還元反応して、その領域での照明光Ｌの透過又は不透過が可逆的に変化する。
したがって、空間光変調素子１０として、このようなエレクトロクロミック素子を用いた場合も、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（開口１０ａの形状や大きさ等）を任意に変化させることが可能である。なお、エレクトロクロミック素子として、例えば特開平８−２２０５６８号公報に開示されているものなどを用いることができる。

【0027】

また、空間光変調素子１０としては、例えば電気刺激の印加によって透過率等の特定の光学特性が変化する電気活性材料が封入され、ＴＦＴ等の電極が形成された複数の空間を有する光学素子（図示せず。）を用いてもよい。この光学素子は、密封封止されアレイ状に形成されたセルを有しており、各セルには電気活性材料が封入されている。そして、各セルには電極が形成されてセル毎に独立に電圧を印加することができ、各セルの印加電圧を制御することで、セルを光が透過する状態及び光を透過しない状態を可逆的に変化させることができる。
したがって、空間光変調素子１０として、このような光学素子を用いた場合も、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（開口１０ａの形状や大きさ等）を任意に変化させることが可能である。なお、このような光学素子については、例えば特表２０１０−５０７１１９号公報に開示されているものを用いることができる。

【0028】

結像光学系４は、図１に示すように、対物レンズ１５を有して構成されている。対物レンズ１５は、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを固体撮像素子５の受光面上に結像させる。

【0029】

固体撮像素子５は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの受光波長の異なる受光素子を複数有するものから構成される。固体撮像素子５は、上述した結像光学系４により結像された透過光Ｌｐを受光し電気信号（画像信号）に変換して制御部６に出力する。

【0030】

制御部６は、コンピュータ（ＣＰＵ）等から構成される。制御部６は、その内部に記録された制御プログラムに従って、顕微鏡装置１の各部を駆動するための制御等を行う。また、制御部６は、各部の制御を実行するための演算等を行う。制御部６には、例えば液晶表示パネルなどのモニター（表示部）１６が接続されている。

【0031】

以上のような構造を有する顕微鏡装置１では、光源２から出射された照明光Ｌが第１のコンデンサレンズ８を通過することによって、平行な照明光Ｌに変換される。その後、この平行な照明光Ｌが波長フィルタ９を透過することによって、特定の波長の照明光Ｌが空間光変調素子１０に入射する。
そして、空間光変調素子１０の開口１０ａを通過した照明光Ｌが第２のコンデンサレンズ１１を通過することによって、平行な照明光Ｌに変換される。その後、この平行な照明光Ｌがステージ７の設置面７ａ上に載置された被検体Ｓに照射される。

【0032】

そして、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを対物レンズ１５が固体撮像素子５の受光面上に結像させることによって、固体撮像素子５が受光した透過光Ｌｐを電気信号（画像信号）に変換して制御部６に出力する。これにより、制御部６が被検体Ｓの画像を生成し、その画像をモニター１６に表示することが可能となっている。

【0033】

ところで、本実施形態の顕微鏡装置１では、被検体Ｓを観察するのに最適な画像を得るために、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を最適化するための制御を行っている。

【0034】

具体的に、制御部６は、空間光変調素子１０（第１モード）が光源２からの照明光Ｌを基に（下記の調整前に）形成した第１の照明光を被検体Ｓに照射したときに、固体撮像素子５が生成する被検体Ｓの第１の画像を取得する制御を行う。
制御部６は、この第１の画像に基づいて、空間光変調素子１０（第２モード）が被検体Ｓに照射される第１の照明光の光強度分布を調整し、空間光変調素子１０が第１の照明光の光強度分布の調整後に形成した第２の照明光を被検体Ｓに照射したときに、固体撮像素子５が生成する被検体Ｓの第２の画像を取得する制御を行う。
すなわち、制御部６の制御の下で、照明光学系３は、第１モードの空間光変調素子１０を介して第１の照明光で被検体Ｓを照明する。固体撮像素子５は、第１の照明光で照明された被検体Ｓの像を含む、結像光学系４からの光を受光する。制御部６は、固体撮像素子５から出力される第１の画像に関する信号に基づいて、空間光変調素子１０を第２モードに調整する。照明光学系３は、第２モードの空間光変調素子１０を介して第２の照明光で被検体Ｓを照明する。固体撮像素子５は、第２の照明光で照明された被検体Ｓの像を含む、結像光学系４からの光を受光するとともに、第２の画像に関する信号を出力する。

【0035】

第１の照明光については、その光軸と直交する面内において等方的な光強度分布を有する照明光Ｌを用いることができる。この等方的な光強度分布を有する照明光Ｌを得るためには、例えば、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布が円形となるように、制御部６が空間光変調素子１０を制御する。すなわち、空間光変調素子１０の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａを、例えば図３Ａに示すような円形とする制御を行う。

【0036】

また、絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａは、対物レンズ１５の瞳（対物瞳）を完全に覆う大きさとする。すなわち、絞りの開口１０ａの外径ｄは、対物瞳よりも大きくなっている。

【0037】

なお、等方的な光強度分布を有する照明光Ｌとしては、上述した円形状の光強度分布を有する照明光Ｌ以外にも、例えば円環状の光強度分布を有する照明光Ｌを用いることができる。この場合、制御部６は、空間光変調素子１０の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａを、例えば図３Ｂに示すような円環状とする制御を行う。

【0038】

そして、制御部６は、第１の照明光を被検体Ｓに照射したときに、固体撮像素子５が生成する被検体Ｓの第１の画像を取得する。例えば、図４（ａ）は、第１の照明光を用いて得られた第１の画像の一例を示す顕微鏡写真である。

【0039】

次に、制御部６は、被検体Ｓを観察するのに最適な画像（第２の画像）を得るために、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を調整する制御を行う。すなわち、制御部６は、１つのパラメータとして設定された光強度分布を有する第１の照明光を、被検体Ｓを観察するのに最適な光強度分布を有する第２の照明光に変換するための演算を行う。

【0040】

具体的に、制御部６は、第１の照明光を第２の照明光に変換するための演算方法として、先ず、第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像に変換する。
図４（ａ）に示す第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示す二値化した画像は、図４（ａ）に示す第１の画像が有する空間周波数分布のうち、所定のノイズレベルを差し引いて、それを二値化して表したものである。

【0041】

次に、二値化した画像の主成分分析を行うことによって、第１の画像が有する空間周波数分布を求める。具体的には、この二値化された画像の空間周波数分布における中心を原点としたｘｙ座標を考える。そして、二値化された画像の各点のうち、「０」ではなく「１」の値を持つｉ番目の点（１≦ｉ≦Ｎ：Ｎは値を持つ点の数）のｘｙ座標を（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）としたときに、下記式（１）で表される２行２列の行列について、２つの固有値を演算により求める。
なお、二値化した画像の主成分分析には、上述した主成分分析に限らず、それ以外の分析方法を用いることも可能である。

【0042】

【数1】

【0043】

制御部６は、この演算結果から第１の画像が有する空間周波数分布の広がりや方向性などを分析し、被検体Ｓの形状を推定しながら、この演算結果を第２の照明光の形成に反映させる。

【0044】

すなわち、制御部６は、この演算結果に基づいて、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光軸と直交する２つの方向の光強度分布を調整する制御を行う。具体的には、２つの方向の光強度分布のうち、第１の画像の空間周波数分布に関して高空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を強調する制御を行う。代替的に又は付加的に、第１の画像の空間周波数分布に関して低空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を絞る制御を行う。

【0045】

例えば、第２の照明光としては、楕円環状の空間周波数分布を有する照明光Ｌを用いる。
第２の照明光のパラメータ設定の一例を次に示す。式（１）に示す行列の２つの固有値のうち、大きい方の固有値に対応する固有ベクトルの向きと、楕円環の長軸の向きとを一致させる。楕円環の長軸の長さは、対物レンズ１５の瞳径に一致させる。楕円環の短軸の長さは、被検体Ｓが有する高周波数成分が強調されるように、楕円環の長軸の長さに対して（小さい方の固有値／大きい方の固有値）の２乗倍にする。これにより、被検体Ｓを観察するのに最適な光強度分布を有する第２の照明光を求めることができる。

【0046】

制御部６は、このような第２の照明光を得るために、空間光変調素子１０の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａを、例えば図４（ｃ）に示すような楕円環状とする制御を行う。

【0047】

次に、制御部６は、第２の照明光を被検体Ｓに照射したときに、固体撮像素子５が生成する被検体Ｓの第２の画像を取得する。例えば、図４（ｄ）は、第２の照明光を用いて得られた第２の画像の一例を示す顕微鏡写真である。

【0048】

図４（ａ）に示す第１の画像と、図４（ｄ）に示す第２の画像との比較から、第２の画像が第１の画像よりも分解能が高く、コントラストも向上していることがわかる。

【0049】

以上のように、本実施形態によれば、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（形状）を最適化し、被検体Ｓの高分解能且つ高コントラストな画像を得ることによって、被検体Ｓを最適の状態で観察することが可能である。

【0050】

なお、第２の照明光については、上述した高空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を強調したり、低空間周波数成分に対応する方向の光強度分布を絞ったりすることで、光軸と直交する面内において異方的な光強度分布を有する照明光Ｌ、特に光軸と直交する面内において楕円環状の光強度分布を有する照明光Ｌを用いることが可能である。

【0051】

一方、制御部６による演算結果から、被検体Ｓを観察するのに最適な光強度分布として、第２の照明光が等方的な光強度分布を有する場合もある。この場合、被検体Ｓに照射される照明光Ｌ（第２の照明光）の光強度分布は、上述した楕円環状ではなく、円環状が最適な形状となる。

【0052】

したがって、制御部６は、このような第２の照明光を得るために、空間光変調素子１０の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａを、例えば図５に示すような円環状とする制御を行う。なお、絞りの開口１０ａの外径ｄは、上記演算結果に基づいて最適な値に設定される。

【0053】

また、制御部６による演算結果から、第１の画像の空間周波数分布が所定の閾値を超えない場合においては、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を点光源に近い状態に調整することも可能である。すなわち、第１の画像が有する空間周波数分布の広がりが所定の領域より小さい場合には、楕円状の照明光Ｌではなく、点光源に近い照明光Ｌを用いることができる。

【0054】

なお、第２の照明光としては、上述した楕円環状や円環状などの環状（輪体状）の照明光Ｌを用いるだけでなく、環状（輪体）の一部が分断された形状の照明光Ｌを用いてもよい。
すなわち、本実施形態では、第１の画像に基づいて、その空間周波数分布の広がりや方向性などを反映した最適な光強度分布を有する第２の照明光を得るために、空間光変調素子１０における絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）１０ａを自由に変化させることが可能である。

【0055】

また、顕微鏡装置１により観察した別の被検体Ｓの画像を図６及び図７に示す。図６及び図７に示す画像のうち、（ａ）は第１の照明光を用いて得られた第１の画像、（ｂ）は第１の画像をフーリエ変換により二値化した画像、（ｃ）は空間光変調素子の絞りの開口を楕円環状とした場合の平面図、（ｄ）は第２の照明光を用いて得られた第２の画像を示す。

【0056】

図６及び図７に示すように、何れも第２の画像が第１の画像よりも分解能が高く、コントラストも向上していることがわかる。

【0057】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図８に示す顕微鏡装置５０について説明する。
図８は、第２の実施形態として示す顕微鏡装置５０の概略構成図である。

【0058】

第２の実施形態として図８に示す顕微鏡装置５０は、観察対象である被検体Ｓに照明光Ｌを照射し、被検体Ｓからの透過光Ｌｐの位相差を明暗差に変換することによって得られた被検体Ｓの拡大像を観察する位相差顕微鏡を構成するものである。

【0059】

具体的に、顕微鏡装置５０は、照明光Ｌを出射する光源５１と、光源５１からの照明光Ｌを被検体Ｓに照射する照明光学系５２と、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを結像する結像光学系５３と、結像光学系５３により結像された透過光Ｌｐを受光し電気信号に変換して被検体Ｓの画像を生成する固体撮像素子５４と、各部の制御を行う制御部５５とを備えている。

【0060】

照明光学系５２と結像光学系５３との間には、ステージ５６が配置されている。
ステージ５６は、被検体Ｓが設置される設置面５６ａを有している。また、ステージ５６は、その面内において互いに直交する２つの方向（図８中に示すＸ軸方向及びＹ軸方向）に移動操作される。これにより、被検体Ｓの観察位置を任意に変更することが可能となっている。さらに、ステージ５６は、高さ方向（図８中に示すＺ軸方向）に移動操作される構成であってもよい。

【0061】

以下では、光源５１から出射された照明光Ｌの光軸（光束の中心軸）をＺ軸方向とし、このＺ軸と直交する面内において互いに直交する２つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。なお、図８では、光源５１から出射された照明光Ｌを破線で模式的に示している。

【0062】

光源５１は、例えば白色光などの可視光又はその近傍の波長域の光を照明光Ｌとして照射する。光源５１には、反射鏡等を利用して自然光や白色蛍光灯、白色電球などの外部光源からの光を照明光Ｌとして用いることができる。また、光源５１には、ハロゲンランプやタングステンランプなどの内部光源からの光を照明光Ｌとして用いることができる。

【0063】

また、光源５１には、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いてもよい。この場合、光源５１は、例えば赤、青、緑の各波長の光を発するＬＥＤの組み合わせにより構成することができる。また、これら波長の異なるＬＥＤの点灯及び消灯を制御することによって、光源５１が発する照明光の波長を可変に制御できる。

【0064】

照明光学系５２は、光源５１側から順に、第１のコンデンサレンズ５７と、第１の空間光変調素子５８と、第２のコンデンサレンズ５９とが配置された構成を有している。

【0065】

第１のコンデンサレンズ５７及び第２のコンデンサレンズ５９は、光源５１から出射された照明光Ｌをステージ５６上の被検体Ｓに集光させる。

【0066】

第１の空間光変調素子５８は、結像光学系５３の瞳位置に対して共役となる位置に配置されている。第１の空間光変調素子５８は、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を可変に調整するもの（絞り）である。この絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａの形状や大きさ等を自由に変化させることが可能となっている。第１の空間光変調素子５８には、図１に示す空間光変調素子１０と同じものを用いることができる。

【0067】

結像光学系５３は、ステージ５６側から順に、対物レンズ６０と、第２の空間光変調素子６１とが配置された構成を有している。

【0068】

対物レンズ６０は、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを固体撮像素子５４の受光面上に結像させる。

【0069】

第２の空間光変調素子６１は、結像光学系５３の瞳位置又はその近傍に配置されている。また、第１の空間光変調素子５８と第２の空間光変調素子６１とは、互いに共役な位置に配置されている。

【0070】

第２の空間光変調素子６１は、被検体Ｓからの透過光Ｌｐに付加する位相の空間分布を可変に調整する。第２の空間光変調素子６１は、例えば、透過光Ｌｐに付加する位相を０°又は±９０°に調整する。
具体的に、第２の空間光変調素子６１は、被検体Ｓからの透過光Ｌｐのうち、被検体Ｓを通過した直接光（０次光）を４分の１波長（±９０°）だけ位相がずれた状態で透過させる位相変調領域６１ａと、この位相変調領域６１ａの周囲に被検体Ｓで回折した回折光をそのままの位相（０°）で透過させる回折光透過領域６１ｂとを有している。

【0071】

第２の空間光変調素子６１は、回折光透過領域６１ｂに対して位相変調領域６１ａの形状や大きさ等を自由に変化させることが可能である。このような第２の空間光変調素子６１としては、例えば液晶パネル（液晶素子）などを用いることができる。

【0072】

さらに、第２の空間光変調素子６１は、上述した位相の空間分布と共に、被検体Ｓからの透過光Ｌｐを透過させる透過率の空間分布を可変に調整する機能を有することができる。一般に、第２の空間光変調素子６１を通過する透過光Ｌｐのうち、位相変調領域６１ａを透過する直接光は、回折光透過領域６１ｂを透過する回折光に比べて光強度が強いため、ＮＤフィルタ等を用いて光強度を弱める調整を行う。

【0073】

なお、このようなＮＤフィルタについては、例えば特表２０１０−５０７１１９号公報に開示されているような透過率の空間分布を可変に調整できる光学素子などを用いることができる。また、第２の空間光変調素子６１には、このような光学素子等を付加したものを用いることができる。

【0074】

固体撮像素子５４は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの受光波長の異なる受光素子を複数有するものからなり、上述した結像光学系５３により結像された透過光Ｌｐを受光し電気信号（画像信号）に変換して制御部５５に出力する。

【0075】

制御部５５は、コンピュータ（ＣＰＵ）等からなり、その内部に記録された制御プログラムに従って、顕微鏡装置５０の各部を駆動するための制御等を行う。また、制御部５５は、各部の制御を実行するための演算等を行う。制御部５５には、例えば液晶表示パネルなどのモニター（表示部）６２が接続されている。

【0076】

以上のような構造を有する顕微鏡装置５０では、光源５１から出射された照明光Ｌが第１のコンデンサレンズ５７を通過することによって、平行な照明光Ｌに変換される。その後、この平行な照明光Ｌが第１の空間光変調素子５８に入射する。
そして、第１の空間光変調素子５８の開口５８ａを通過した照明光Ｌが第２のコンデンサレンズ５９を通過することによって、平行な照明光Ｌに変換される。その後、この平行な照明光Ｌがステージ５６の設置面５６ａ上に載置された被検体Ｓに照射される。

【0077】

被検体Ｓからの透過光Ｌｐが対物レンズ６０を通過した後、第２の空間光変調素子６１に入射する。このとき、被検体Ｓからの透過光Ｌｐのうち、位相変調領域６１ａを透過した直接光が、４分の１波長だけ位相がずれた状態で、ＮＤフィルタで減光された後、固体撮像素子５４の受光面上に結像される。一方、回折光透過領域６１ｂを透過した回折光がそのままの位相（０°）で、固体撮像素子５４の受光面上に結像される。位相差顕微鏡では、これら直進光と回折光との干渉によって、位相の変化を光の明暗として観察することが可能である。

【0078】

そして、固体撮像素子５４が受光した透過光Ｌｐを電気信号（画像信号）に変換して制御部５５に出力する。これにより、制御部５５が被検体Ｓの画像を生成し、その画像をモニター６２に表示することが可能となっている。

【0079】

ところで、本実施形態の顕微鏡装置５０では、被検体Ｓを観察するのに最適な画像を得るために、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布、及び被検体Ｓからの透過光Ｌｐに付加する位相の空間分布を最適化するための制御を行っている。

【0080】

具体的に、制御部５５は、第１の空間光変調素子５８（Ａ１モード）が光源５１からの照明光Ｌを基に（下記の調整前に）形成した第１の照明光を被検体Ｓに照射し、且つ、第２の空間光変調素子６１（Ｂ１モード）が被検体Ｓからの透過光を透過させたときに、固体撮像素子５４が生成する被検体Ｓの第１の画像を取得する制御を行う。
制御部５５は、この第１の画像に基づいて、第１の空間光変調素子５８が被検体Ｓに照射される第１の照明光の光強度分布を調整すると共に、第２の空間光変調素子６１が被検体Ｓからの透過光に付加する位相の空間分布を調整する制御を行う。
さらに、制御部５５は、第１の空間光変調素子５８（Ａ２モード）が前記第１の照明光の光強度分布の調整後に形成した第２の照明光を被検体Ｓに照射し、且つ、第２の空間光変調素子６１（Ｂ２モード）が透過光に付加する位相の空間分布を調整したときに、固体撮像素子５４が生成する被検体Ｓの第２の画像を取得する制御を行う。
すなわち、制御部５５の制御の下で、照明光学系５２は、Ａ１モードの第１の空間光変調素子５８を介して第１の照明光で被検体Ｓを照明する。結像光学系５３は、Ｂ１モードの第２の空間変調素子６１を介して、第１の照明光で照明された被検体Ｓの像を結像する。固体撮像素子５４は、第１の照明光で照明された被検体Ｓの像を含む、結像光学系５３からの光を受光する。制御部５５は、固体撮像素子５３から出力される第１の画像に関する信号に基づいて、第１の空間光変調素子５８及び第２の空間光変調素子６１をＡ２モード及びＢ２モードにそれぞれ調整する。照明光学系５２は、Ａ２モードの第１の空間光変調素子５８を介して第２の照明光で被検体Ｓを照明する。結像光学系５３は、Ｂ２モードの第２の空間変調素子６１を介して、第２の照明光で照明された被検体Ｓの像を結像する。固体撮像素子５４は、第２の照明光で照明された被検体Ｓの像を含む、結像光学系５３からの光を受光するとともに、第２の画像に関する信号を出力する。

【0081】

第１の照明光については、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布が円環状となるように、制御部５５が第１の空間光変調素子５８を制御する。すなわち、第１の空間光変調素子５８の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａを、例えば図９Ａに示すような円環状とする制御を行う。

【0082】

また、絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａは、対物レンズ６０の瞳（対物瞳）を完全に覆う大きさとする。すなわち、絞りの開口５８ａの外径ｄは、対物瞳よりも大きくなっている。

【0083】

第２の空間光変調素子６１については、図９Ｂに示すように、回折光透過領域６１ｂに対する位相変調領域６１ａの形状が、第１の空間光変調素子５８の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａに対応した形状、すなわち円環状となるように、制御部５５が第２の空間光変調素子６１を制御する。

【0084】

そして、制御部５５は、この第１の照明光を被検体Ｓに照射し、且つ、第２の空間光変調素子６１が被検体Ｓからの透過光を透過させたときに、固体撮像素子５４が生成する被検体Ｓの第１の画像を取得する。

【0085】

次に、制御部５５は、被検体Ｓを観察するのに最適な画像（第２の画像）を得るために、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布を調整する制御を行う。すなわち、制御部５５は、１つのパラメータとして設定された光強度分布を有する第１の照明光を、被検体Ｓを観察するのに最適な光強度分布を有する第２の照明光に変換するための演算を行う。

【0086】

具体的に、制御部５５は、第１の照明光を第２の照明光に変換するための演算方法として、上記第１の実施形態と同じ演算方法を用いることができる。すなわち、制御部５５は、第１の実施形態と同じ演算方法を用いて、上記第１の画像が有する空間周波数分布の広がりや方向性などを分析し、被検体Ｓの形状を推定しながら、この演算結果を第２の照明光の形成に反映させる。これにより、被検体Ｓを観察するのに最適な光強度分布を有する第２の照明光を求めることができる。

【0087】

制御部５５は、このような第２の照明光を得るために、第１の空間光変調素子５８の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａを、例えば図１０Ａに示すような楕円環状とする制御を行う。

【0088】

また、第２の空間光変調素子６１については、回折光透過領域６１ｂに対する位相変調領域６１ａの形状が、第１の空間光変調素子５８の絞りの開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａに対応した形状、すなわち図１０Ｂに示すような楕円環状となるように、制御部５５が第２の空間光変調素子６１を制御する。

【0089】

このように、制御部５５は、第１の空間光変調素子５８と第２の空間光変調素子６１とを互いに同期させながら、第１の空間光変調素子５８の開口（照明光Ｌを通過させる領域）５８ａと、第２の空間光変調素子６１の位相変調領域６１ａとの形状が常に共役となるように、それぞれの調整を行っている。

【0090】

次に、制御部５５は、この第２の照明光を被検体Ｓに照射し、且つ、第２の空間光変調素子６１が透過光に付加する位相の空間分布を調整したときに、固体撮像素子５４が生成する被検体Ｓの第２の画像を取得する。これにより、第１の画像よりも高分解能且つ高コントラストの第２の画像を得ることが可能である。

【0091】

以上のように、本実施形態によれば、被検体Ｓに照射される照明光Ｌの光強度分布（形状）、並びに被検体Ｓからの透過光Ｌｐに付加する位相の空間分布を最適化し、被検体Ｓの高分解能且つ高コントラストな画像を得ることによって、被検体Ｓを最適の状態で観察することが可能である。

【0092】

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の顕微鏡装置は、上述した明視野顕微鏡や位相差顕微鏡を構成するものの以外にも、被検体Ｓからの反射光や散乱光によって得られた被検体Ｓの拡大像を観察する暗視野顕微鏡を構成するもの等であってもよい。

【0093】

また、上記モニター１６，６２に被検体Ｓの画像を表示する際には、上記第１の画像と上記第２の画像とを別々に表示するだけでなく、第１の画像と第２の画像とを並べて表示することも可能である。

【0094】

また、本発明の顕微鏡装置は、モニター１６，６２に表示された被検体Ｓの画像を観察するものに限らず、接眼レンズ（図示せず。）を通して被検体Ｓの画像を観察するものであってもよい。

【符号の説明】

【0095】

１…顕微鏡装置（第１の実施形態） ２…光源 ３…照明光学系 ４…結像光学系 ５…固体撮像素子 ６…制御部 ７…ステージ ８…第１のコンデンサレンズ ９…波長フィルタ １０…空間光変調素子 １０ａ…開口（照明光を通過させる領域） １１…第２のコンデンサレンズ １２…液晶パネル １４…ＤＭＤ １５…対物レンズ １６…モニター（表示部）。
５０…顕微鏡装置（第２の実施形態） ５１…光源 ５２…照明光学系 ５３…結像光学系 ５４…固体撮像素子 ５５…制御部 ５６…ステージ ５７…第１のコンデンサレンズ ５８…第１の空間光変調素子 ５９…第２のコンデンサレンズ ６０…対物レンズ ６１…第２の空間光変調素子 ６１ａ…位相変調領域 ６１ｂ…回折光透過領域 ６２…モニター（表示部）。
Ｓ…被検体 Ｌ…照明光。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図5】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図4】

【図6】

【図7】