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公開番号2024117324
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-29
出願番号2023023359
出願日2023-02-17
発明の名称観察装置および観察方法
出願人浜松ホトニクス株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G02B 21/14 20060101AFI20240822BHJP(光学)
要約【課題】観察対象物が多重散乱体である場合であっても、多重散乱光の影響を低減して観察対象物を容易に観察することができる観察装置を提供する。
【解決手段】観察装置1Aは、光源10、照射部31、撮像部50および処理部60等を備える。照射部31は、光源10から出力された空間的にコヒーレントな光を入力し、その入力した光から第1光および第2光を生成し、これら第1光および第2光を互いに重ね合わせて観察対象物Sに照射する。照射部31は、観察対象物Sに対して第1光を一定の光照射方向に沿って照射し、観察対象物Sに対して第2光を複数の光照射方向それぞれに沿って照射する。撮像部50は、第1光および第2光の双方を受光して、両光の干渉による干渉強度画像を撮像する。処理部60は、干渉強度画像に基づいて所要の処理をして、複素振幅画像などを生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
空間的にコヒーレントな光を出力する光源と、
前記光から第１光および第２光を生成し、前記第１光および前記第２光の双方を観察対象物に照射する照射部と、
前記観察対象物に照射されて前記観察対象物を経た前記第１光および前記第２光の双方を受光して、前記第１光と前記第２光との干渉による干渉強度画像を撮像する撮像部と、
前記干渉強度画像に基づいて処理を行う処理部と、
を備え、
前記照射部は、
前記観察対象物に対して前記第１光を一定の光照射方向に沿って照射し、
前記観察対象物に対して前記第２光を複数の光照射方向それぞれに沿って照射し、
前記撮像部は、
前記第２光の前記複数の光照射方向それぞれについて、前記第１光と前記第２光との間の位相差が複数の位相差それぞれに設定されたときの前記干渉強度画像を撮像し、
前記処理部は、
前記第２光の前記複数の光照射方向それぞれについて、前記複数の位相差それぞれに設定されたときに前記撮像部により撮像された前記干渉強度画像に基づいて位相シフト法により干渉項を求める干渉項算出部と、
前記第２光の前記複数の光照射方向それぞれについて求めた前記干渉項に基づいて前記第１光の複素振幅画像を生成する第１複素振幅画像生成部と、
前記第１光の複素振幅画像に基づいて前記複数の光照射方向それぞれの前記第２光の複素振幅画像を生成する第２複素振幅画像生成部と、
を含む、
観察装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記撮像部は、前記観察対象物の外側の面における前記干渉強度画像を撮像する、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記照射部は、
互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光のうち前記第２方位の直線偏光の光に対して選択的に位相変調する空間光変調器を含み、
前記光源から出力された光を前記空間光変調器に入射させ、その入射光のうち前記第１方位の直線偏光の光を前記第１光とし、前記第２方位の直線偏光の光を前記空間光変調器により位相変調して前記光照射方向および前記位相差を設定して前記第２光とする、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項４】
前記照射部は、
ミラーおよび強度変調型の空間光変調器を含み、
前記光源から出力された光を２分岐して前記第１光および前記第２光とし、前記第１光を前記ミラーにより反射させ、前記第２光を前記空間光変調器により強度変調して前記光照射方向および前記位相差を設定して、前記第１光および前記第２光を合波して出力する、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
前記照射部は、
第１ミラーおよび第２ミラーを含み、
前記光源から出力された光を２分岐して前記第１光および前記第２光とし、前記第１光を前記第１ミラーにより反射させ、前記第２光を前記第２ミラーにより反射させて、前記第１光および前記第２光を合波して出力し、
前記第２ミラーの反射面の方位によって前記光照射方向を設定し、
前記第１ミラーまたは前記第２ミラーの反射面の位置によって前記位相差を設定する、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項６】
前記照射部は、
第１ミラーおよび第２ミラーを含み、
前記光源から出力された光を偏光分離して前記第１光および前記第２光とし、前記第１光を前記第１ミラーにより反射させ、前記第２光を前記第２ミラーにより反射させて、前記第１光および前記第２光を偏波合成して出力し、
前記第２ミラーの反射面の方位によって前記光照射方向を設定し、
前記撮像部は、
複数の偏光成分の光それぞれについて同時に撮像が可能な偏光カメラを含み、複数の偏光成分の光それぞれについて撮像を行うことにより前記位相差が互いに異なる複数の前記干渉強度画像を撮像する、
請求項１に記載の観察装置。
【請求項７】
前記第１複素振幅画像生成部は、前記第２光の前記複数の光照射方向それぞれについて求めた前記干渉項のコヒーレント和に基づいて前記第１光の複素振幅画像の位相を求める、
請求項１～６何れか一項に記載の観察装置。
【請求項８】
前記第１複素振幅画像生成部は、前記第１光および前記第２光のうち前記第１光のみを前記観察対象物に照射したときに前記撮像部により撮像された強度画像に基づいて前記第１光の複素振幅画像の振幅を求める、
請求項１～６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項９】
前記第１複素振幅画像生成部は、前記第２光の前記複数の光照射方向それぞれについて求めた前記干渉項の強度和に基づいて前記第１光の複素振幅画像の振幅を求める、
請求項１～６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記複数の光照射方向それぞれの前記第２光の複素振幅画像に基づいて複素微分干渉画像を生成する複素微分干渉画像生成部を更に含む、
請求項１～６の何れか一項に記載の観察装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察装置および観察方法に関するものである。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、スフェロイドやオルガノイドと呼ばれる３次元の細胞組織を作製する技術が進歩している。また、これらの３次元細胞組織を創薬や再生医療などに応用する研究が進んでいる。これらの３次元細胞組織は光学的に透明な多重散乱体である。このような光学的に透明な散乱体をイメージングする技術として、これまでに多種多様な手法が提案されている。そのうち蛍光プローブを用いるイメージング技術としては、共焦点顕微鏡、多光子顕微鏡、ライトシート顕微鏡が挙げられる。一方、蛍光プローブを用いない非染色・非侵襲のイメージング技術としては、光コヒーレンス・トモグラフィ（Optical Coherence Tomography、ＯＣＴ）などが知られている。
【０００３】
スフェロイドやオルガノイドなどのような観察対象物については非染色・非侵襲のイメージングが望まれる場合が多いものの、これらの観察対象物のイメージングにＯＣＴが適用されたという報告例は多くない。その理由としては、ＯＣＴによるイメージングの分解能が低いこと、および、ＯＣＴによるイメージングにより得られた信号の解釈が難しいこと、が考えられる。したがって、現時点では、ゴールドスタンダードとなりうる非染色の３次元細胞組織のイメージング技術は確立されていないと言ってよい。
【０００４】
観察対象物の光路長を非染色・非侵襲でイメージングすることができる技術として、定量位相イメージング（Quantitative Phase Imaging、ＱＰＩ）も知られている。ＱＰＩは、観察対象物（例えば細胞）の光路長という物理的な情報を取得することができることから、生物分野で応用が進んでいる。ＱＰＩにより取得した画像を用いて、微分干渉画像や位相差顕微鏡画像などの他の種類の画像を生成することができる。ＱＰＩは、情報量が比較的多い画像を取得することができる技術であり、従来の明視野画像を用いた解析よりハイコンテントな解析にも適用することができると期待されている。また、近年の機械学習による画像認識精度の向上により非染色のイメージング技術を使ったハイコンテントな解析が盛んに研究されており、今後、多重散乱体の非染色イメージングは重要な役割を担うことが期待される。しかし、ＱＰＩは、取得される画像があくまで光路長の２次元への投影であるので、真の３次元の構造を把握できない。
【０００５】
また、観察対象物の光路長を非染色・非侵襲でイメージングすることができる技術として、特許文献１に記載されている光回折トモグラフィ（Optical Diffraction Tomography、ＯＤＴ）も知られている。ＯＤＴは、ＱＰＩを３次元イメージング可能な技術に発展させたものであり、観察対象物の３次元屈折率トモグラフィを実現することができる。ＯＤＴを用いて細胞観察を行うことにより、細胞核やミトコンドリアなどの細胞小器官の同定が可能になり、また、３次元的な形態変化の追跡が可能になって、ＱＰＩより更にハイコンテントな解析ができることが期待されている。また、特許文献２に記載されている技術も、観察対象物の３次元屈折率トモグラフィを実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１７－２１９８２６号公報
米国特許第１０２１５６９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に記載された技術を含む従来の技術では、光源から出力された光を２分岐し、観察対象物を経た一方の分岐光を物体光とし、観察対象物を経ない他方の分岐光を参照光として、これら物体光と参照光との干渉による干渉強度画像を撮像部により撮像する。そして、この干渉強度画像に基づいて所要の演算をすることにより、複素振幅画像を生成することができ、更には観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成することができる。従来の二光束干渉法では、観察対象物を経ない既知の波面（平面波）を有する参照光を用いて、干渉計により物体光と参照光とを干渉させて干渉強度画像を取得することにより、物体光の複素振幅（振幅および位相）を正確に求めることができる。
【０００８】
しかし、従来の二光束干渉法では、互いに大きく異なる経路を経て撮像部に到達する物体光と参照光とを効率よく干渉させる為に、コヒーレンス長が長い単一周波数の光を出力するレーザ光源を用いる必要がある。物体光と参照光とを効率よく干渉させる為に、撮像部に到るまでの両光間の光路長差をできる限り短くする必要があるが、観察装置の光学系の調整は容易でなく、環境変動等の要因により光路長差が変化すると干渉信号も変化することから安定性に欠ける。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、観察対象物が多重散乱体である場合であっても、多重散乱光の影響を低減して観察対象物を容易に観察することができる観察装置および観察方法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】
本発明の観察装置の第１態様は、(1) 空間的にコヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光から第１光および第２光を生成し、第１光および第２光の双方を観察対象物に照射する照射部と、(3) 観察対象物に照射されて観察対象物を経た第１光および第２光の双方を受光して、第１光と第２光との干渉による干渉強度画像を撮像する撮像部と、(4) 干渉強度画像に基づいて処理を行う処理部と、を備える。照射部は、観察対象物に対して第１光を一定の光照射方向に沿って照射し、観察対象物に対して第２光を複数の光照射方向それぞれに沿って照射する。撮像部は、第２光の複数の光照射方向それぞれについて、第１光と第２光との間の位相差が複数の位相差それぞれに設定されたときの干渉強度画像を撮像する。処理部は、(a) 第２光の複数の光照射方向それぞれについて、複数の位相差それぞれに設定されたときに撮像部により撮像された干渉強度画像に基づいて位相シフト法により干渉項を求める干渉項算出部と、(b) 第２光の複数の光照射方向それぞれについて求めた干渉項に基づいて第１光の複素振幅画像を生成する第１複素振幅画像生成部と、(c) 第１光の複素振幅画像に基づいて複数の光照射方向それぞれの第２光の複素振幅画像を生成するする第２複素振幅画像生成部と、を含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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