特許 6797564 位相物体可視化装置、位相物体可視化方法

(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】6797564

(24)【登録日】2020年11月20日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】位相物体可視化装置、位相物体可視化方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20201130BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02B21/06

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-110169(P2016-110169)

(22)【出願日】2016年6月1日

(65)【公開番号】特開2017-215521(P2017-215521A)

(43)【公開日】2017年12月7日

【審査請求日】2019年5月13日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000376

【氏名又は名称】オリンパス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100182936

【弁理士】

【氏名又は名称】矢野 直樹

(72)【発明者】

【氏名】石渡 裕

【審査官】 岡田 弘

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２５８０９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１６７７４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００−２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６−２１／３６

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７−２１／６１

Ｃ１２Ｍ １／００−３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位相物体を照明する照明光学系と、
前記位相物体からの光を結像する結像光学系と、
前記位相物体と前記結像光学系によって結像される像面との間に配置された、光を遮断する遮光手段であって、前記結像光学系の光軸から偏心した位置に開口部を有する遮光手段と、を備え、
前記開口部は、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの０次光が前記開口部を通過し、前記開口部を通過する前記０次光の面積が、前記開口部の面積よりも小さくなるような位置に設けられ、且つ、前記開口部は、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの１次光が前記開口部を通過するような位置に設けられ、
前記位相物体からの前記０次光は、前記結像光学系の光軸に対して回転対称に入射することを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項2】

請求項１に記載の位相物体可視化装置であって、
前記開口部は、前記光軸を含む
ことを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の位相物体可視化装置であって、
前記開口部は、前記結像光学系の光軸と垂直な面上において位置が変更される
ことを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項4】

請求項３に記載の位相物体可視化装置であって、さらに、
前記像面に設けられる、前記位相物体の像を画像信号に変換する撮像素子と、
前記画像信号を用いて演算を行う演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記開口部が第１の領域に配置された状態で取得される第１の画像信号と、前記開口部が前記第１の領域と光軸に対して対称な領域を含む第２の領域に配置された状態で取得される第１の画像信号とを用いて差演算処理を行い、第２の画像信号を生成する
ことを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項5】

請求項３に記載の位相物体可視化装置であって、さらに、
前記像面に設けられる、前記位相物体の像を画像信号に変換する撮像素子と、
前記画像信号を用いて演算を行う演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記開口部が第１の領域に配置された状態で取得される第１の画像信号の像コントラストを反転させた第３の画像信号と、前記開口部が前記第１の領域と光軸に対して対称な領域を含む第２の領域に配置された状態で取得される第１の画像信号とを用いて観察物体の３次元位置情報を算出した第２の画像信号を生成する
ことを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の位相物体可視化装置であって、
前記開口部における前記０次光が通過する領域の面積は、前記開口部の面積の５０％以下である
ことを特徴とする位相物体可視化装置。

【請求項7】

照明光学系によって位相物体を照明し、結像光学系を用いて前記位相物体からの光を像面に結像して前記位相物体を可視化する位相物体可視化方法であって、
前記位相物体と前記像面の間において、光を遮光するとともに、前記結像光学系の光軸から偏心した位置に設けられる開口部において前記照明光学系によって照明された前記位相物体からの０次光を通過させ、
前記開口部を通過する前記０次光の面積が、前記開口部の面積よりも小さくなり、且つ、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの１次光が、前記開口部を通過するように前記開口部を配置し、
前記位相物体からの前記０次光は、前記結像光学系の光軸に対して回転対称に入射することを特徴とする位相物体可視化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位相物体を可視化して観察する位相物体可視化装置、位相物体可視化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、偏斜照明を用いて位相物体を可視化する技術が知られている。位相物体とは、その周囲の媒質との屈折率差により、または形状等により光に位相差を生じさせる物体であり、例えば培養細胞や表面に微細な加工が施された金属等が該当する。

【0003】

偏斜照明を用いて位相物体を可視化する技術は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。

【0004】

特許文献１に記載の技術では、標本への偏斜照明を光軸に対して対称な二方向から行うことで得られる、コントラストの反転した二つの画像を演算することで、さらに高いコントラストを有する画像を取得することが示されている。

【0005】

また、特許文献２に記載の技術のように、照明光学系において移動可能な開口を設けることで、偏斜照明を行う際の入射角度を変更、調整を行う技術も開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開2012-73591号公報

【特許文献2】特開2012-83755号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一方で、偏斜照明を用いて位相物体を可視化する方法では下記に示されるような問題が生じ得る。

【0008】

一般に、培養細胞等の生体標本は、生体標本を入れるための複数のウェル（培養領域）を有するウェルプレート等の培養容器で培養されることが多い。そのような培養容器に入った生体標本の可視化を行う場合、各ウェルに入っている生体標本に対して偏斜照明を行うことになる。このとき、照明光の角度によっては、ウェルの端部に照明光が遮られ、ウェル内の生体標本の一部の領域に照明光が届かないことが起こり得る。そのようなとき、生体標本を不足なく十分に照明するためには偏斜照明の角度をより略０度（標本に対して略垂直な角度）に近づけなければならず、そうなると、偏斜照明によって特定方向のコントラストを際立たせるような回折光を検出することが難しくなり、明瞭に位相物体を可視化することができなくなる。即ち、偏斜照明を用いて可視化を行う方法では、生体標本を可視化することができる範囲が狭まってしまうという問題が生じ得る。

【0009】

以上の実情を踏まえ、本発明では、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる技術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】

【0010】

本発明の一態様の位相物体可視化装置は、位相物体を照明する照明光学系と、前記位相物体からの光を結像する結像光学系と、前記位相物体と前記結像光学系によって結像される像面との間に配置された、光を遮断する遮光手段であって、前記結像光学系の光軸から偏心した位置に開口部を有する遮光手段と、を備え、前記開口部は、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの０次光が前記開口部を通過し、前記開口部を通過する前記０次光の面積が、前記開口部の面積よりも小さくなるような位置に設けられ、且つ、前記開口部は、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの１次光が前記開口部を通過するような位置に設けられ、前記位相物体からの前記０次光は、前記結像光学系の光軸に対して回転対称に入射することを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様の位相物体可視化方法は、照明光学系によって位相物体を照明し、結像光学系を用いて前記位相物体からの光を像面に結像して前記位相物体を可視化する位相物体可視化方法であって、前記位相物体と前記像面の間において、光を遮光するとともに、前記結像光学系の光軸から偏心した位置に設けられる開口部において前記照明光学系によって照明された前記位相物体からの０次光を通過させ、前記開口部を通過する前記０次光の面積が、前記開口部の面積よりも小さくなり、且つ、前記照明光学系により照明された前記位相物体からの１次光が、前記開口部を通過するように前記開口部を配置し、前記位相物体からの前記０次光は、前記結像光学系の光軸に対して回転対称に入射することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の位相物体可視化装置、位相物体可視化方法によれば、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施形態の位相物体可視化装置を示す図。

【図2】第１の実施形態における開口部の配置の例を示す図。

【図3】第１の実施形態における開口部の別の配置の例を示す図。

【図4】第２の実施形態の位相物体可視化装置を示す図。

【図5】第３の実施形態の位相物体可視化装置を示す図。

【図6】第３の実施形態における開口部の配置の例を示す図。

【図7】演算装置の機能構成を示す図。

【図8】第３の実施形態の位相物体可視化装置によって位相物体の可視化を実行するフローチャート。

【図9】第４の実施形態の位相物体可視化装置を示す図。

【図10】第４の実施形態における照明時の開口部の配置の例を示す図。

【図11】第４の実施形態における結像時の開口部の配置の例を示す図。

【図12】第４の実施形態における結像時の開口部の別の配置の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の第１の実施形態における位相物体可視化装置について図面を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の位相物体可視化装置１を示す図であり、位相物体可視化装置１は、透過照明を用いて位相物体である標本Ｓを観察する倒立顕微鏡である。位相物体可視化装置１は、標本Ｓを照明する照明光学系１１として、光源２と、レンズ３、４と、ミラー５を備え、標本Ｓからの光を結像するための結像光学系１２として、対物レンズ６と、ミラー７と、結像レンズ８と、を備えている。位相物体可視化装置１は、上述した結像光学系１２によって結像される像面位置に標本Ｓの像を画像信号に変換する撮像素子９を備えている。また、位相物体可視化装置１は、照明光学系１１中に開口絞り１５を備えている。また、位相物体可視化装置１は、標本Ｓと撮像素子９との間に、遮光手段１０を備えている。

【0015】

遮光手段１０は、標本Ｓからの光を遮断する遮光手段である。遮光手段１０は、結像光学系１２の光軸から偏心した位置に開口部１０ａを有している。

【0016】

開口部１０ａは、例えば、遮光手段１０に設けられる物理的な開口である。開口部１０ａは、照明光学系１１により照明された標本Ｓからの光であって、標本Ｓによって回折されない光、すなわち位相物体である標本Ｓがない、または、標本Ｓの位相が均一であるとしたとき対物レンズ６の瞳位置で後述する領域１３を形成する光（以下、０次光とも記載する）が開口部１０ａの一部分を通過するような位置に設けられる。言い換えると、開口部１０ａは、通過する０次光の面積が、開口部１０ａの面積よりも小さくなるような位置に設けられる。

【0017】

尚、本実施形態では一例として、遮光手段１０は、対物レンズ６の瞳位置に設けられる。また、開口部１０ａは、結像光学系１２の光軸と垂直な面上において位置が可変な構成である。例えば、開口部１０ａは光軸周りに回転可能な構成を有している。

【0018】

光源２には、単色ＬＥＤが用いられる。その他、水銀ランプやキセノンランプ等を用いてもよい。

【0019】

撮像素子９は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳといったイメージセンサである。撮像素子９は、不図示のモニタ等の表示媒体と接続されており、取得された画像信号をその表示媒体へ出力することでユーザが画像を視認する。また撮像素子９は、画像信号を記憶する記憶装置等を設けた制御装置と接続されていてもよい。

【0020】

標本Ｓは、光を透過し、透過した光に位相差を生じさせる培養細胞等の生体標本である。標本Ｓは、例えば、複数のウェルを有するウェルプレートのいずれかのウェルの中に入った状態で設置される。

【0021】

上記の構成を有する位相物体可視化装置１において、照明光学系１１によって標本Ｓに照射された光は、０次光と、標本Ｓによって回折され、照明光に対して位相差をもつ回折光とに分けられて結像光学系１２へ入射し、撮像素子９に結像される。特に、本発明における位相物体可視化装置１では、照明光学系１１によって標本Ｓに対して垂直に照明される場合であっても、遮光手段１０が有する開口部１０ａを標本Ｓの端部（エッジとも記載する）において回折された回折光が通過することで、標本Ｓの特定方向のコントラストを際立たせるような像を撮像素子９に結像させることができる。即ち、偏斜照明を行った場合と同じように、位相物体である標本Ｓを明瞭に可視化して観察することができる。以下、開口部１０ａを通過する光を例に挙げて、開口部１０ａの機能を詳細に説明する。

【0022】

図２は、開口部１０ａの配置の一例を示し、開口部１０ａを光軸方向から見た図である。図２では、開口部１０ａと、標本Ｓから開口部１０ａが設けられた遮光手段１０へ入射する０次光が形成する領域１３と、対物レンズ６の瞳１４との位置関係が示されている。なお、遮光手段１０の大きさについては図示していないが瞳１４より大きく、瞳１４の外側にある。
ハッチングで記載した領域１３は、照明光学系１１の開口絞り１５の投影像を示す。ここでは開口絞り１５と対物レンズ６の射出瞳位置は、ほぼ光学的に共役な位置に配置されている。また、開口絞り１５を所定の径に絞ることによって、対物レンズの射出瞳位置で光束が瞳のすべてを満たさない所定の径になるよう設定している。
なお、照明光学系の光源とコレクタレンズ等の設計により対物レンズの瞳径を満たさない所定の径となるよう設定されているならば、開口絞り１５を省略することもできる。
このとき、標本Ｓは、標本Ｓに対して略垂直な照明光により照明されているため、０次光は対物レンズ６の瞳１４の中心を含む領域である領域１３を通っている。また、瞳１４における０次光の光径の大きさ、即ち領域１３の径は瞳１４の径よりも小さい。また、本実施形態における位相物体可視化装置１の構成では、光源２の像が、瞳１４における０次光の光束部分に形成されている。

【0023】

開口部１０ａは、結像光学系１２の光軸から偏心した位置にあり、開口部１０ａの周囲の瞳１４を含む領域は、遮光手段１０によって遮光される。つまり、０次光が開口部１０ａの一部分を通過するような位置に設けられている。そのため、標本Ｓのエッジ部分によって回折された特定方向の１次回折光が開口部１０ａを通過するようになっている。

【0024】

また、開口部１０ａは、結像光学系１２の光軸から偏心した位置であって、且つ、０次光が開口部１０ａの一部分を通過するような位置に設けられていればよく、図２の配置に限定されるものではない。例えば、開口部１０ａは図３のような位置関係であってもよい。図３は、図２とは別の開口部１０ａの配置の一例を示した図である。図２では、遮光手段１０によって０次光の一部が開口部１０ａを通過せずに遮光されている例を示したが、図３のように０次光が遮光されずに、開口部１０ａを通過するような配置であってもよい。即ち、領域１３の全てが開口部１０ａ内に含まれている状態である。この場合においても、標本Ｓのエッジ部分によって回折された特定方向の１次回折光が開口部１０ａの一部分の領域を通過する。

【0025】

以上の構成を有する位相物体可視化装置１によれば、照明光学系１１によって標本Ｓに対して略垂直に照明される場合であっても、遮光手段１０が有する開口部１０ａを標本Ｓのエッジ部分で回折した特定方向の１次回折光が通過するような構成となる。従って、標本Ｓの特定方向のコントラストを際立たせるような像を撮像素子９に結像させることができ、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる。

【0026】

一般に、偏斜照明を用いた位相物体の可視化方法では、偏斜させた照明光が生体標本へ入射されるまでの光路中に存在する培養液や培養容器に付着した水滴等によって屈折されて、照明光の角度が変わることがある。即ち、生体標本の周りの状態によって照明光の角度、ひいては生成される像コントラストが変動してしまうことがあり、安定した標本の可視化が妨げられるといった問題も生じていた。一方で、位相物体可視化装置１では、標本Ｓに垂直に照明される光によって標本Ｓで生じる回折光を検出しているとともに、照明光が標本Ｓを照射するまでの光路上において標本Ｓ以外の要素で屈折された光については、遮光手段１０によって遮断されるため、像形成に影響しない。従って、位相物体可視化装置１を用いた位相物体の可視化を行う方法では、標本Ｓの周りの状態によって生成される像コントラストが変動してしまうといったことが少ない。

【0027】

また、位相物体可視化装置１によれば、標本Ｓに略垂直に照明される光によって標本Ｓで生じる回折光を検出していることから、偏斜照明を用いた場合のように、標本Ｓを保持するウェルの端部によって照明光が遮られてしまうといった問題が起こり得ない。そのため、ウェル端部に近い領域を含め、標本Ｓを余すことなく可視化することができる。

【0028】

また、開口部１０ａは、光軸に垂直な平面上で位置が可変であるため、開口部１０ａに対する、０次光が通過する領域を調整することができる。それにより、開口部１０ａ内において、どの方向の１次回折光を通過させるかを選択することができる。

【0029】

また、開口部１０ａは、例えば絞り等によって大きさが可変な構造であってもよい。それにより、照明光の光束径の変更に応じて開口部１０ａの大きさを調整することができる。

【0030】

また、開口部１０ａは、特定方向の１次回折光が開口部１０ａを通過するような、標本Ｓと像面に設置された撮像素子９との間の光軸から偏心した位置であり、０次光が開口部１０ａの一部分を通過するような位置にあればよい。開口部１０ａは、瞳位置若しくはその近傍又は瞳位置と光学的に共役な位置若しくはその近傍に配置されれば良く、開口部１０ａが配置される位置は対物レンズ６の瞳位置に限らない。

【0031】

また、０次光が開口部１０ａを通過する面積、つまり開口部１０ａ内の領域１３の面積は、望ましくは、開口部１０ａの面積の５０パーセント以下に調整されることで、標本Ｓを可視化する上で十分なコントラストを有する画像信号を取得することができる。

【0032】

また、遮光手段１０が有する開口部１０ａは、物理的な開口に限定されない。例えば、遮光手段１０の構成として、光を選択的に通過、及び、遮光するような液晶パネルであってもよい。その場合には、遮光手段１０が光を選択的に通過している領域が、開口部１０ａに該当する。

【0033】

以下、第２の実施形態における位相物体可視化装置について図面を用いて説明する。図４は、第２の実施形態における位相物体可視化装置２０を示す。位相物体可視化装置２０は、照明光学系１１の代わりに照明光学系２１と、導光ファイバー２４と、ホログラム素子２５とを備えている点で位相物体可視化装置１の構成と異なるが、それ以外の構成は位相物体可視化装置１と同様である。

【0034】

照明光学系２１は、光源２２とレンズ２３を備え、照明光学系２１によって形成された光束は、導光ファイバー２４によってホログラム素子２５へ導光される。

【0035】

ホログラム素子２５は、導光ファイバー２４により入射した光を入射した方向とは略直交する方向を中心に放射するよう設計された素子である。設計された放射角度によって、対物レンズ６の射出瞳位置での０次光の径が決定する。そのため、対物レンズ６の射出瞳を全部満たさない所定の径となるよう設計されている。ここでは、ホログラム素子２５は、標本Ｓを保持するウェルプレートに対して略垂直に光を照射する。即ちホログラム素子２５は、ウェルプレート内の標本Ｓに対して略垂直な照明光を照射するように機能する。

【0036】

以上の構成を有する位相物体可視化装置２０によっても、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる。

【0037】

以下、第３の実施形態における位相物体可視化装置について図面を用いて説明する。図５は、第３の実施形態における位相物体可視化装置３０を示す。位相物体可視化装置３０は、撮像素子９に接続された演算装置３１を含む点で位相物体可視化装置１の構成と異なるが、それ以外の構成は位相物体可視化装置１と同様である。遮光手段１０は、第１の実施形態同様対物レンズ６の瞳位置に設けられている。また、開口部１０ａについても第１の実施形態と同じように、結像光学系１２の光軸と垂直な面上において位置が可変な構成であるものとする。

【0038】

図６は、本実施形態における開口部１０ａの配置の一例を示し、開口部１０ａを光軸方向から見た図である。第１の実施形態において図２を用いた説明と同様に、まず開口部１０ａは、結像光学系１２の光軸から偏心した位置であって、且つ、０次光が開口部１０ａの一部分を通過するような位置（第１の領域とする）に設けられている。位相物体可視化装置３０では、さらに、開口部１０ａの位置が、点線で示される第１の領域と光軸に対して対称な位置（第２の領域とする）に開口部１０ａが可変される。位相物体可視化装置３０では、開口部１０ａが第１、２の領域のそれぞれの位置に変更された状態において、撮像素子９によって画像信号（第１の画像信号である）が取得される。二つの第１の画像信号は、いずれも標本Ｓのエッジ部分で回折された回折光が結像されることにより、標本Ｓの特定方向のコントラストが際立ったものである。また、二つの第１の画像信号は、それぞれコントラスト、すなわち輝度情報が反転した画像信号でもある。

【0039】

演算装置３１は、撮像素子９で取得した画像信号を受信して、受信した画像信号を用いて演算処理を行う演算装置である。

【0040】

図７は、演算装置３１が有する機能を機能構成として示した図である。演算装置３１はその機能構成として、通信部３２と、記憶部３３と、演算部３４とを有している。

【0041】

通信部３２は、撮像素子９から画像信号を受信し、不図示のモニタ等の画像表示媒体へ画像信号の出力を行う。通信部３２は、上述した第１の領域と、第２の領域とでそれぞれ取得された第１の画像信号を受信する。また、通信部３２は、不図示のモニタ等の画像表示媒体へ第２の画像信号の出力を行う。

【0042】

記憶部３３は、通信部３２が受信した第１の画像信号を一時的に記憶する記憶手段である。例えば、光軸に対して対称な位置である第１の領域と、第２の領域とで取得される対となる第１の画像信号が揃った状態で、後述する演算部３４に向けて対となる第１の画像信号を送信する。

【0043】

演算部３４は、受信した上記の対となる第１の画像信号を用いて演算処理を行い、新たな画像信号（第２の画像信号）を生成する。演算部３４は、生成した第２の画像信号を通信部３２に送信する。

【0044】

以下、位相物体可視化装置３０における演算装置３１を含む構成を用いて標本Ｓの可視化を行う方法を、図８を用いて説明する。図８は、位相物体可視化装置３０を用いて標本Ｓの可視化を行うフローチャートを示す。

【0045】

図８のステップＳ１では、開口部１０ａが図６に示されるような結像光学系１２の光軸から偏心した位置であって、且つ、０次光が開口部１０ａの一部分を通過するような位置（第１の領域）に配置されるように、開口部１０ａをユーザが調整する。

【0046】

ステップＳ２では、撮像素子９が第１の画像信号を取得する。取得された画像信号は、演算装置３１の通信部３２を介して記憶部３３に記憶される。

【0047】

ステップＳ３では、開口部１０ａが図６に示されるような第１の領域と光軸に対して対称な第２の領域に配置されるように、開口部１０ａをユーザが調整する。

【0048】

ステップＳ４では、撮像素子９が第１の画像信号を取得する。取得された画像信号は、演算装置３１の通信部３２を介して記憶部３３に記憶される。

【0049】

ステップＳ５では、ステップＳ２及びＳ４で記憶部３３に記憶された二つの第１の画像信号を用いて、演算部３４において演算処理が実行されることで、第２の画像信号が生成される。第２の画像信号は、二つの第１の画像信号を用いて演算処理を行うことで、以下の画像情報が生成される。

【0050】

先ず、二つの第１の画像信号を用いて差演算処理を実行することでコントラスト強調した画像が形成される。二つの第１の画像信号は、それぞれコントラストが反転した画像信号であるため、差演算処理を実行することで、標本Ｓの特定方向のコントラストがより強調された画像信号が生成される。例えば、図６において第１の領域に開口部１０ａを設置した状態で取得した第１の画像信号から、第２の領域に開口部１０ａを設置した状態で取得した第１の画像信号を差し引くような差演算処理を実行した場合には、第１の領域に開口部１０ａを設置した状態で取得した第１の画像信号、即ち差し引かれる側の画像信号で際立つコントラストがより強調された第２の画像信号が生成される。
更に、差演算した画像情報は観察物体の位相分布を微分した情報であることから、積分変換を行うことで観察物体の位相分布情報が形成できる。

【0051】

次に、片方の第１の画像信号を、コントラストを反転させた画像信号（第３の画像信号）として、他方のコントラストを反転させない第１の画像信号と第３の画像信号とは同じコントラストのステレオ画像となることから、第１の画像信号と第３の画像信号にステレオ計測手法を適応することで、観察物体の各点の合焦位置からの光軸方向の位置ズレ量を求めることが可能であり、観察物体の３次元位置情報の計測が可能になる。第２の画像信号として観察物体の３次元位置情報を生成することができる。

【0052】

ステップＳ６では、通信部３２によって、生成された第２の画像信号を含む画像情報がモニタ等の画像表示媒体へ出力される。以上のステップをもって、フローチャートは終了する。

【0053】

以上の構成を有する位相物体可視化装置３０によっても、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる。位相物体可視化装置３０では、位相物体可視化装置１と比較してよりコントラストが強調された画像信号が得られるため、さらに明瞭に位相物体を可視化することができる。

【0054】

また、上記の説明では、第１の領域と第２の領域は、光軸に対して対称な領域としたが、実際には、標本Ｓの対称的な方向の１次回折光をそれぞれ含むような領域であればよい。即ち、第２の領域は、第１の領域と光軸に対して対称な領域の少なくとも一部を含む領域であれば発明の効果を奏するものである。

【0055】

以下、第４の実施形態における位相物体可視化装置について図面を用いて説明する。図９は、第４の実施形態における位相物体可視化装置４０を示す。

【0056】

位相物体可視化装置４０は、標本Ｓに対して落射照明を行う落射型の顕微鏡である。そのため、照明光路と標本Ｓからの光を結像するための光路が一部共通している。

【0057】

位相物体可視化装置４０は、標本Ｓを照明するための照明光路上に光源４１と、レンズ４２と、ハーフミラー４３と、遮光手段４４と、対物レンズ４５を備える。尚、ハーフミラー４３と、遮光手段４４と、対物レンズ４５は、標本Ｓからの光を結像するための光路上に設置されたものでもある。位相物体可視化装置４０は、標本Ｓからの光を結像するための光路上にさらに結像レンズ４６と撮像素子４７を備えている。位相物体可視化装置４０は、撮像素子４７と接続された演算装置４８を備えている。

【0058】

遮光手段４４は、対物レンズ４５の瞳位置に配置されており、第１の実施形態で説明した遮光手段１０と同様の構造を有するものである。即ち、遮光手段４４は、開口部４４ａを備えている。尚、本実施形態において開口部４４ａは、位相物体可視化装置４０が有する光を結像するための光路上の光学系の光軸から偏心した位置にあり、また光軸を含むような位置に備えられている。

【0059】

標本Ｓは、位相物体であることについては他の実施形態と変わりは無いが、標本Ｓが培養細胞等の生体標本である場合には、標本Ｓを収容したウェルプレート等の培養容器の蓋で照明光を反射させることで標本Ｓからの光を結像する。また、本実施形態では、標本Ｓは、表面に微細加工を施された金属等の位相物体であってもよい。

【0060】

演算装置４８は、第３の実施形態で示した演算装置３１と同様の機能を有する。

【0061】

図１０と図１１は、開口部４４ａの配置の一例を示し、開口部４４ａを光軸方向から見た図である。特に、図１０は、照明時に光源４１からの照明光（０次光）が開口部４４ａを通過する様子を示し、図１１は、結像時に標本Ｓからの０次光が開口部４４ａを通過する様子を示している。以下、位相物体可視化装置４０において、標本Ｓへ照明し、標本Ｓからの光が撮像素子４７に結像される流れを、図１０と図１１を用いて説明する。

【0062】

位相物体可視化装置４０では、まず、照明時に開口部４４ａを通過して標本Ｓに照明光が照射される。このときの開口部４４ａと、対物レンズ４５の瞳位置５１へ入射する０次光が形成する領域５０と、瞳位置５１との位置関係は、図１０のようになる。瞳位置５１へ入射した照明光である０次光は、光軸から偏心した位置にある開口部４４ａを通るため、標本Ｓに対して偏斜して照明される。同時に、開口部４４ａは光軸を含むような位置に配置されていることから標本Ｓに対して垂直に照射される照明光が存在することになる。

【0063】

次に、標本Ｓからの光が開口部４４ａに到達する。このときの標本Ｓから開口部４４ａへ入射する０次光が形成する領域５０の位置は、図１１に示される位置となる。ここで、標本Ｓに対して垂直に照明される光が存在しているため、０次光は瞳位置５１の中心を通っている。また、開口部４４ａが光軸を含むような位置に備えられているため、瞳位置５１の中心付近に入射する０次光（即ち、標本Ｓからの垂直方向の成分を含む光）は、開口部４４ａの一部分を通過する。

【0064】

従って、位相物体可視化装置４０の構成によっても、図２等で示した開口部の配置と同じく、標本Ｓに照射された垂直な照明光により、標本Ｓのエッジ部分によって回折された特定方向の１次回折光が開口部４４ａの一部分の領域を通過するようになっている。また、瞳位置５１の中心付近から外れた、偏斜照明による回折光や０次光は遮光手段４４によって遮断されるため、撮像素子４７において結像されることはない。

【0065】

以上の構成を有する位相物体可視化装置４０によっても、偏斜照明を用いずとも、明瞭に位相物体を可視化することができる。言い換えるならば、偏斜照明を行うような場合においても、位相物体可視化装置４０のように、開口部４４ａが光学系の光軸を含むような位置に備えられることで標本Ｓに対して略垂直に照明される光が存在するため、前述した各実施形態の位相物体可視化装置と同様の原理で、明瞭に位相物体を可視化することができる。

【0066】

また、位相物体可視化装置４０においても演算装置４８を用いて、よりコントラストが強調された画像信号を得ることができる。例えば、図１１のような位置に開口部４４ａが配置されたとき、その開口部４４ａが配置された領域を第１の領域として画像信号（第１の画像信号）を取得する。また、図１２のように、開口部４４ａを第１の領域と光軸に対して対称な領域を含む第２の領域に変更して画像信号（第１の画像信号）を取得する。第１、２の領域のそれぞれで取得した画像信号を用いて標本Ｓを可視化する手順については、第３の実施形態の図８等で示した手順と同様である。以上のように、位相物体可視化装置４０においても、よりコントラストが強調された画像信号を得ることで、さらに明瞭に位相物体を可視化することができる。

【0067】

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。位相物体可視化装置は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0068】

１、２０、３０、４０ 位相物体可視化装置
２、２２、４１ 光源
３、４、６、８、２３、４２、４５、４６ レンズ
５、７ ミラー
９、４７ 撮像素子
１１、２１ 照明光学系
１２ 結像光学系
１３、５０ 領域
１４、５１ 瞳位置
２５ ホログラム素子
３１、４８ 演算装置
３２ 通信部
３３ 記憶部
３４ 演算部
Ｓ 標本

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】