JP2022127657A - Digital Holographic Microscope Realizing Highly Efficient Measurement of Fluorescent Images - Google Patents
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Abstract
【課題】蛍光ホログラフィーで3次元蛍光分布を高効率かつ簡便な系で取得できるディジタルホログラフィック顕微鏡を提供する。【解決手段】観察対象試料の蛍光信号光による蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系を備えるディジタルホログラフィック顕微鏡において、蛍光ホログラフィック光学系は、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に蛍光信号光を分離する分離手段と、蛍光信号光を2つに分離させた光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムを生じさせて蛍光像を取得する光学系を備える。分離手段は、複屈折を利用した偏光プリズムを用いて、蛍光信号光を相互に直交する直線偏光に分離するものであり、ウォーラストンプリズムなどが用いられる。【選択図】図1A digital holographic microscope capable of obtaining a three-dimensional fluorescence distribution in a highly efficient and simple system by fluorescence holography is provided. Kind Code: A1 In a digital holographic microscope equipped with a fluorescence holographic optical system for acquiring a fluorescence image of a sample to be observed by fluorescence signal light, the fluorescence holographic optical system converts two polarized light beams whose polarization directions are orthogonal to each other. and an optical system for generating an off-axis hologram and acquiring a fluorescence image when recombining the light obtained by separating the fluorescence signal light into two. The separating means uses a polarizing prism using birefringence to separate the fluorescence signal light into mutually orthogonal linearly polarized light, and a Wollaston prism or the like is used. [Selection drawing] Fig. 1
Description
本発明は、蛍光ホログラフィーで3次元蛍光分布を高効率で取得するディジタルホログラフィック顕微鏡に関する。 The present invention relates to a digital holographic microscope that efficiently acquires a three-dimensional fluorescence distribution by fluorescence holography.
生きた細胞の動的3次元イメージングは、バイオ応用分野において重要な計測技術である。例えば、蛍光顕微鏡を使って細胞核中の特定DNAに蛍光分子を導入し、有糸分裂する細胞の変化を計測する蛍光標識技術が知られている。蛍光分子で染色された細胞内の核やタンパク質の相互作用を可視化することで様々な観測が可能になる。蛍光像を高分解能かつ高コントラストで計測できるものとして、共焦点レーザ走査型顕微鏡が知られている。しかし、共焦点レーザ走査型顕微鏡では計測物体の一点ごとに集光点の走査が必要なため、蛍光像を得るためには時間がかかり、動的物体の変化が速い現象の計測や奥行き位置が異なる複数の細胞の同時計測は不向きであるという本質的な限界がある。
また、蛍光像でだけでなく細胞核や細胞壁などの構造を同時に観察する技術も求められている。構造観察の手段として、位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡などがある。位相差像は透明物体の形状測定に有効である。蛍光像および位相像を同時観察することができれば、異なる情報を同時に取得することができるため、バイオ反応においてより詳細な情報を提供することが可能になる。
Dynamic three-dimensional imaging of living cells is an important measurement technique in the bioapplication field. For example, a fluorescent labeling technique is known in which fluorescent molecules are introduced into specific DNA in cell nuclei using a fluorescence microscope to measure changes in cells undergoing mitosis. Various observations can be made by visualizing intracellular nuclei and protein interactions stained with fluorescent molecules. A confocal laser scanning microscope is known as a microscope capable of measuring fluorescence images with high resolution and high contrast. However, with a confocal laser scanning microscope, it is necessary to scan the focal point for each point of the object to be measured, so it takes time to obtain a fluorescent image. There is an essential limitation that simultaneous measurement of a plurality of different cells is unsuitable.
There is also a demand for techniques for simultaneously observing structures such as cell nuclei and cell walls in addition to fluorescence images. Means for structural observation include a phase-contrast microscope, a differential interference microscope, and the like. Phase-contrast images are effective for shape measurement of transparent objects. If the fluorescence image and the phase image can be observed simultaneously, different information can be obtained at the same time, so that it becomes possible to provide more detailed information on the biological reaction.
瞬時的な3次元計測を可能とするツールとして、ディジタルホログラフィック顕微鏡が知られている。ディジタルホログラフィック顕微鏡では、3次元情報をホログラム情報として取得し、計算機内で光波の逆伝搬計算を行うことで奥行き位置に対する物体の光波情報を再構成する。ディジタルホログラフィック顕微鏡の特徴としては、特殊な蛍光染色が必要なく生体細胞の3次元観察が可能であること、計算機再構成により焦点位置を任意に変更できるオートフォーカシング機能を有すること、定量的位相計測が可能であることが挙げられる。このため、3次元的に細胞が動くような状況においても、再構成計算により自動的にピントの合った再構成画像を得ることができる。 A digital holographic microscope is known as a tool that enables instantaneous three-dimensional measurement. In a digital holographic microscope, three-dimensional information is acquired as hologram information, and light wave information of an object with respect to depth positions is reconstructed by performing back propagation calculation of light waves in a computer. Features of digital holographic microscopes include the ability to observe living cells in three dimensions without the need for special fluorescent staining, an auto-focusing function that can arbitrarily change the focus position through computer reconfiguration, and quantitative phase measurement. is possible. Therefore, even in a situation where cells move three-dimensionally, a reconstructed image that is automatically in focus can be obtained by reconstruction calculation.
ディジタルホログラフィック顕微鏡を細胞観察に応用する場合、蛍光情報のホログラム取得が必要となるが、蛍光を用いてホログラフィー技術を実現するためには、蛍光が非常に干渉しにくいインコヒーレント光であり、近年、インコヒーレント光からホログラムを作る方法が次々に提案されており、蛍光ディジタルホログラフィック顕微鏡に向けた研究が活発である。
また、蛍光ディジタルホログラフィック顕微鏡は、ターゲッティング計測には適しているが、蛍光を発生しない物質に対しては無力であるという問題がある。また、蛍光観察を行う場合に、有害な蛍光分子を使うために計測対象が制限される問題も生じる。そのため、ディジタルホログラフィック顕微鏡の応用拡大といった視点で見ると、位相像や蛍光像さらには偏光などの多様な情報が観測可能なマルチモーダルディジタルホログラフィック顕微鏡が必要である。
When a digital holographic microscope is applied to cell observation, it is necessary to obtain a hologram of fluorescence information. , methods of making holograms from incoherent light have been proposed one after another, and research toward fluorescence digital holographic microscopes is active.
Also, although the fluorescence digital holographic microscope is suitable for targeting measurement, it has the problem that it is powerless for substances that do not generate fluorescence. In addition, when performing fluorescence observation, there is a problem that measurement objects are restricted due to the use of harmful fluorescent molecules. Therefore, from the viewpoint of expanding the application of digital holographic microscopes, multimodal digital holographic microscopes that can observe various information such as phase images, fluorescence images, and polarization are required.
既に、本発明者の一人は、蛍光ディジタルホログラフィック顕微鏡と位相像検出ディジタルホログラフィック顕微鏡を結合し、蛍光像と位相像を同時に計測できるディジタルホログラフィック顕微鏡を提案している(特許文献1,2を参照)。
しかしながら、ディジタルホログラフィック顕微鏡では、2つの光波の干渉を利用するため、光波を空間的に広げた後、2つの光波に分割し、再び重ね合わせる必要があるため、イメージセンサで観測するには蛍光エネルギーを大きくする必要がある。その結果、観測対象に照射する光エネルギーが大きくなり、観測対象が生きた細胞である場合には、細胞にダメージを与える光毒性が大きな問題となる。バイオイメージング分野に、ディジタルホログラフィック顕微鏡を適用する場合には、この光毒性を避けるため、光エネルギー利用効率の更なる向上(高効率化)が必要である。
One of the inventors of the present invention has already proposed a digital holographic microscope that combines a fluorescence digital holographic microscope and a phase image detection digital holographic microscope and can simultaneously measure a fluorescence image and a phase image (
However, since the digital holographic microscope utilizes the interference of two light waves, it is necessary to expand the light wave spatially, divide it into two light waves, and superimpose them again. You need to increase your energy. As a result, the light energy irradiated to the observed object increases, and when the observed object is a living cell, phototoxicity that damages the cell becomes a serious problem. When applying a digital holographic microscope to the field of bioimaging, it is necessary to further improve the light energy utilization efficiency (higher efficiency) in order to avoid this phototoxicity.
上記状況に鑑みて、本発明は、蛍光ホログラフィーで3次元蛍光分布を高効率かつ簡便な系で取得できるディジタルホログラフィック顕微鏡を提供することを目的とする。また、本発明は、蛍光ディジタルホログラフィック顕微鏡と位相像検出ディジタルホログラフィック顕微鏡が結合され、蛍光像と位相像を同時に計測でき、かつ高効率で蛍光像を計測できるディジタルホログラフィック顕微鏡を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a digital holographic microscope capable of acquiring a three-dimensional fluorescence distribution by fluorescence holography with a highly efficient and simple system. In addition, the present invention provides a digital holographic microscope in which a fluorescence digital holographic microscope and a phase image detection digital holographic microscope are combined, a fluorescence image and a phase image can be measured simultaneously, and a fluorescence image can be measured with high efficiency. With the goal.
上記課題を達成すべく、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡は、観察対象試料の蛍光信号光による蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系を備えるディジタルホログラフィック顕微鏡において、蛍光ホログラフィック光学系は、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に蛍光信号光を分離する分離手段と、蛍光信号光を2つに分離させた光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムを生じさせて蛍光像を取得する光学系を備える。
上記構成によれば、蛍光ホログラフィーで3次元蛍光分布を高効率かつ簡便な系で取得できる。
ここで、分離手段は、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に分離できる複屈折偏光素子が用いられる。具体的には、複屈折を利用した偏光プリズムを用いて、蛍光信号光を相互に直交する直線偏光に分離する。偏光プリズムは、ウォーラストンプリズム、ロションプリズム、ニコルプリズム、グラントムソンプリズム等があるが、特に、ウォーラストンプリズムが好適に用いられる。
In order to achieve the above object, the digital holographic microscope of the present invention is a digital holographic microscope equipped with a fluorescence holographic optical system for acquiring a fluorescent image of a sample to be observed by fluorescence signal light, wherein the fluorescence holographic optical system is composed of polarized light. Separation means for separating the fluorescence signal light into two polarized light beams whose directions are orthogonal to each other, and optics for obtaining a fluorescence image by generating an off-axis hologram when recombining the light beams obtained by splitting the fluorescence signal light into two. Have a system.
According to the above configuration, a three-dimensional fluorescence distribution can be obtained by fluorescence holography in a highly efficient and simple system.
Here, the separating means uses a birefringent polarizing element capable of separating into two polarized light beams whose polarization directions are orthogonal to each other. Specifically, a polarizing prism utilizing birefringence is used to separate the fluorescence signal light into mutually orthogonal linearly polarized light. Polarizing prisms include Wollaston prisms, Rochon prisms, Nicol prisms, Glan-Thompson prisms, etc., and Wollaston prisms are particularly preferred.
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡は、観察対象試料を通過する物体光と通過しない参照光とを重ね合せた干渉光による位相像を取得する位相像検出ホログラフィック光学系を更に備えることでもよい。これにより、蛍光像と位相像を同時に計測でき、かつ高効率で蛍光像を計測できる。
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡において、分離手段は、蛍光ホログラフィック光学系にのみに作用するように設計される。
位相像を取得する位相像検出ホログラフィック光学系の物体光の偏光には感度がなく、レンズ作用を起こすことがないように分離手段を設計し、一方、蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系の蛍光の偏光には強い感度を持たせるように設計する。これにより、蛍光ホログラフィック光学系の蛍光の偏光だけが、分離手段によって分離され、光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムが生じることになる。
The digital holographic microscope of the present invention may further include a phase image detection holographic optical system for acquiring a phase image by interference light in which the object light passing through the observation target sample and the reference light not passing through are superimposed. As a result, the fluorescence image and the phase image can be measured simultaneously, and the fluorescence image can be measured with high efficiency.
In the digital holographic microscope of the invention, the separating means are designed to act only on the fluorescence holographic optics.
A phase image detection holographic optical system that acquires a phase image has no sensitivity to the polarization of object light, and the separating means is designed so as not to cause lens action, while a fluorescence holographic optical system that acquires a fluorescent image. It is designed to have strong sensitivity to the polarization of the fluorescence of . Thereby, only the polarization of the fluorescent light of the fluorescent holographic optics is separated by the separation means, resulting in an off-axis hologram when recombining the light.
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡では、蛍光ホログラフィック光学系と位相像検出ホログラフィック光学系とが共に反射型であることが好ましい。
観察対象試料の蛍光励起光による蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系において、蛍光信号は微弱であるので、透過型にした場合に、強い蛍光励起光だけをカットするのは非常に困難になるため、反射型が好ましい。蛍光ホログラフィック光学系と位相像検出ホログラフィック光学系と共に反射型にし、光学系を共通化することにより、装置のコンパクト化が図れる。なお、蛍光ホログラフィック光学系を反射型でなく透過型にする場合は、蛍光信号を励起する蛍光励起光を十分にカットし、蛍光信号のみを通過させるダイクロイックミラーや蛍光波長の特定の波長および位相計測のためのレーザ波長を通過させるバンドパスフィルタを用いる必要がある。
In the digital holographic microscope of the present invention, both the fluorescence holographic optical system and the phase image detection holographic optical system are preferably reflective.
In a fluorescence holographic optical system that acquires a fluorescence image of a sample to be observed by fluorescence excitation light, since the fluorescence signal is weak, it is very difficult to cut off only the strong fluorescence excitation light when using a transmissive system. Therefore, a reflective type is preferable. By making both the fluorescence holographic optical system and the phase image detection holographic optical system of a reflection type and using a common optical system, the apparatus can be made compact. If the fluorescence holographic optical system is to be a transmissive type instead of a reflective type, a dichroic mirror or a specific wavelength and phase of the fluorescence wavelength can be used to sufficiently cut off the fluorescence excitation light that excites the fluorescence signal and pass only the fluorescence signal. A bandpass filter must be used to pass the laser wavelength for measurement.
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡において、蛍光ホログラフィック光学系の撮像手段と、位相像検出ホログラフィック光学系の撮像手段が共用化され、撮像手段は、蛍光像と位相像をホログラムとして同時に取得する。そして、蛍光像と位相像とを、空間周波数面において分離し、それぞれの干渉強度分布から物体光と蛍光信号光を再構成する。
蛍光像は、蛍光ホログラフィック光学系の蛍光信号光の2つの偏光が合波する際にオフアクシスホログラムとして取得される。位相像も同様に、オフアクシスホログラムとして取得できる。共に、オフアクシスホログラムの等傾角干渉パターンとなるが、空間周波数面で分離することが可能であり、撮像手段により撮像した像から、蛍光像のホログラムパターンと位相像のホログラムパターンを空間周波数面で分離することができる。2つのホログラムパターンをフーリエ変換することで、空間周波数面で、等傾角干渉パターンの成分をバンドパスフィルタによって抽出することができる。
In the digital holographic microscope of the present invention, the imaging means of the fluorescence holographic optical system and the imaging means of the phase image detection holographic optical system are shared, and the imaging means simultaneously acquires the fluorescence image and the phase image as holograms. Then, the fluorescence image and the phase image are separated in the spatial frequency plane, and the object light and the fluorescence signal light are reconstructed from the respective interference intensity distributions.
A fluorescence image is acquired as an off-axis hologram when the two polarizations of the fluorescence signal light of the fluorescence holographic optics are combined. A phase image can also be acquired as an off-axis hologram. Both of them become the equi-angle interference pattern of the off-axis hologram, but it is possible to separate them in the spatial frequency plane. can be separated. By Fourier transforming the two hologram patterns, it is possible to extract equi-angle interference pattern components in the spatial frequency plane by means of a band-pass filter.
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡は、バイオイメージング分野における強力な計測ルールとして、蛍光像と位相像を同時かつ高速撮影することを可能にする。すなわち、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡を用いて、蛍光像により細胞核の時空間情報と、位相像により細胞核や細胞壁の時空間構造とを同時に取得する細胞観察方法を実現できる。 The digital holographic microscope of the present invention enables simultaneous high-speed imaging of fluorescence images and phase images as a powerful measurement rule in the field of bioimaging. That is, by using the digital holographic microscope of the present invention, it is possible to realize a cell observation method that simultaneously acquires spatiotemporal information on cell nuclei from fluorescence images and spatiotemporal structures of cell nuclei and cell walls from phase images.
本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡によれば、蛍光ホログラフィーで3次元蛍光分布を高効率かつ簡便な系で取得でき、バイオイメージング分野における光毒性問題を解消できるといった効果がある。また、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡によれば、蛍光ディジタルホログラフィック顕微鏡と位相像検出ディジタルホログラフィック顕微鏡が結合され、蛍光像と位相像の同時計測、かつ蛍光像の高効率計測が可能であるといった効果がある。
本発明者が既に提案したディジタルホログラフィック顕微鏡のように、回折格子を用いた方法では、回折を利用するので、対象が複雑な蛍光分布をもつ画像に対して十分大きい回折効率を実現することは困難であるが、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡によれば、回折光学素子を利用しないため光エネルギー利用効率が高くできる。
According to the digital holographic microscope of the present invention, it is possible to obtain three-dimensional fluorescence distribution by fluorescence holography with a highly efficient and simple system, and it is possible to solve the problem of phototoxicity in the field of bioimaging. Further, according to the digital holographic microscope of the present invention, a fluorescence digital holographic microscope and a phase image detection digital holographic microscope are combined, enabling simultaneous measurement of a fluorescence image and a phase image and highly efficient measurement of a fluorescence image. There is such an effect.
As in the digital holographic microscope already proposed by the present inventor, the method using a diffraction grating utilizes diffraction, so it is difficult to achieve sufficiently high diffraction efficiency for an image with a complex fluorescence distribution. Although difficult, the digital holographic microscope of the present invention does not use a diffractive optical element, so the light energy utilization efficiency can be increased.
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many modifications and variations are possible.
図1は、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡の一実施形態の光学系の構成を示す。図1に示すディジタルホログラフィック顕微鏡101は、観察対象試料の蛍光信号光による蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系を備えるディジタルホログラフィック顕微鏡において、蛍光ホログラフィック光学系が、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に蛍光信号光を分離する分離手段と、蛍光信号光を2つに分離させた光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムを生じさせて蛍光像を取得する光学系を備えるものである。
FIG. 1 shows the configuration of the optical system of one embodiment of the digital holographic microscope of the present invention. The digital
ディジタルホログラフィック顕微鏡101の光学系について、図1~3を参照して説明する。ディジタルホログラフィック顕微鏡101では、レーザ光源12を用いて試料ステージ11上の観察対象試料1の計測物体に蛍光励起光を照射することにより、観察対象試料1の蛍光分子を励起する。ディジタルホログラフィック顕微鏡101は、対物レンズ14と同じ側から照明光があり、観察対象試料1から反射された光によって試料の像を観察する反射型顕微鏡である。
励起された蛍光分子は、蛍光励起光の照射によって長波長の蛍光信号光を発し、対物レンズ14に入射する。ダイクロイックミラー13は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、蛍光励起光を反射し、蛍光信号光を透過する。
The optical system of the digital
The excited fluorescent molecules emit long-wavelength fluorescent signal light when irradiated with fluorescence excitation light, and enter the
ダイクロイックミラー13を通過した蛍光信号光は、レンズ17aを通り、その後、偏光子15を通過する。図3に示すように、ランダム偏光31の蛍光信号光は偏光子15によって、振動方向(振動面)が特定の一つの方向のみに振動する直線偏光32となる。蛍光信号光は、偏光子15を通過した後、ウォーラストンプリズム16を通り、振動方向が互いに直交する2つの直線偏光(33,34)に分離され、異なる角度で進行する。
ここで、ウォーラストンプリズムは、図2に示すように、2つの方解石の結晶(3a,3b)が相互に光学軸が直交するように接合された偏光プリズムである。ウォーラストンプリズム3に対して垂直に入射した光は、2つの接合されたプリズムによって相互に直交する2つの直線偏光の射出光となり、それぞれがほぼ等しい光量である。
After passing through the
Here, the Wollaston prism is a polarizing prism in which two calcite crystals (3a, 3b) are cemented so that their optical axes are perpendicular to each other, as shown in FIG. The light incident perpendicularly to the
ウォーラストンプリズム16を通過した蛍光信号光は、レンズ17bを通り集光し、その後、偏光子18を通過することで偏光を揃えて、分離した2つの直交する直線偏光が合波する。図3に示すとおり、分離した2つの直交する直線偏光は、合波する際に、わずかに角度がついているため、オフアクシス型干渉となり、等傾角パターンのオフアクシス(off-axis)ホログラム40を生じる。また、結像系により2つの光波を空間的、時間的に重ねる。
干渉により奥行き情報である2次の位相項が残留するため、奥行き方向を記録できる。また、ウォーラストンプリズムなどの複屈折を利用した偏光プリズムにおいて、常光線と異常光線の間に位相差が生じることも物体の奥行き情報である2次の位相項が残留することに寄与する。複屈折を利用した偏光プリズムとイメージセンサを結像関係とすることで、分離された2つの直交する蛍光直線偏光は完全に重なり、かつ等傾角パターンのオフアクシス(off-axis)ホログラムを形成するため、高効率で時空間的に安定したホログラムとなる。
The fluorescence signal light that has passed through the
Since the second-order phase term, which is depth information, remains due to the interference, the depth direction can be recorded. In addition, in a polarizing prism that utilizes birefringence, such as a Wollaston prism, the occurrence of a phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray also contributes to the residual second-order phase term, which is the depth information of the object. By forming an imaging relationship between a birefringence-based polarizing prism and an image sensor, the two orthogonal fluorescent linearly polarized light beams completely overlap to form an equi-oblique patterned off-axis hologram. Therefore, the hologram is highly efficient and spatio-temporally stable.
偏光子18によって合波した蛍光信号光は、その後、バンドパスフィルタ19を通り、EM(Electron Multiplying)-CCD(Charge Coupled Device)カメラ20によって撮像される。バンドパスフィルタ19は、蛍光信号光の蛍光波長の帯域の波長を通過させる。
バンドパスフィルタは、時間コヒーレンスを向上させ、干渉縞のコントラストを向上させる。この結果、再構成像においてノイズが低減され、高コントラスト、高解像度な再構成像が得られる。
The fluorescence signal light multiplexed by the
A bandpass filter improves the temporal coherence and improves the fringe contrast. As a result, noise is reduced in the reconstructed image, and a reconstructed image with high contrast and high resolution is obtained.
撮像手段であるEM-CCDカメラ20で、蛍光像を等傾角パターンのオフアクシスホログラムとして取得し、コンピュータ(図示せず)によって、等傾角干渉パターンのホログラムから、フーリエ変換法を用いて蛍光信号光の振幅分布と位相分布を抽出し、オフアクシス法によって観察対象試料の蛍光分子の位置まで逆伝搬させることにより、観察対象試料の蛍光信号光の波面が再生されることになり、蛍光信号光を再構成する。EM-CCDカメラ20によれば、電子増倍機能を備えるCCDイメージセンサが搭載されており、ノイズを増やすことなく光信号を増倍し、微弱光でも高速撮影が可能である。
An EM-
図4は、本実施例1のディジタルホログラフィック顕微鏡を用いて蛍光測定した蛍光ホログラムとその再構成像を示している。図4(1)に示す蛍光ホログラムでは、綺麗な直線状の干渉稿が得られており、分離性が良くなっていた。 FIG. 4 shows a fluorescence hologram obtained by fluorescence measurement using the digital holographic microscope of Example 1 and its reconstructed image. In the fluorescence hologram shown in FIG. 4(1), a clean linear interference fringe was obtained, and the separability was improved.
図5は、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡の他の実施形態の光学系の構成を示す。図5に示すディジタルホログラフィック顕微鏡102は、実施例1のディジタルホログラフィック顕微鏡101と同様、観察対象試料の蛍光信号光による蛍光像を取得する蛍光ホログラフィック光学系を備えるディジタルホログラフィック顕微鏡において、蛍光ホログラフィック光学系が、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に蛍光信号光を分離する分離手段と、蛍光信号光を2つに分離させた光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムを生じさせて蛍光像を取得する光学系を備えるものである。実施例1のディジタルホログラフィック顕微鏡101が反射型(落射型)であるのに対して、本実施例のディジタルホログラフィック顕微鏡102は透過型である。
透過型にする場合は、蛍光信号光を励起する蛍光励起光を十分にカットする必要があり、蛍光信号光のみを通過させるダイクロイックミラーや蛍光波長光の特定の波長を通過させるバンドパスフィルタが重要になる。
FIG. 5 shows the configuration of the optical system of another embodiment of the digital holographic microscope of the present invention. The digital
When using a transmissive type, it is necessary to sufficiently cut off the fluorescence excitation light that excites the fluorescence signal light, so it is important to use a dichroic mirror that passes only the fluorescence signal light and a bandpass filter that passes a specific wavelength of the fluorescence wavelength light. become.
図6は、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡の他の実施形態の光学系の構成を示す。図6に示すディジタルホログラフィック顕微鏡103は、実施例1のディジタルホログラフィック顕微鏡101に、反射型の位相像検出ディジタルホログラフィック光学系を更に設け、蛍光ホログラフィック光学系と位相像検出ホログラフィック光学系の2つの光学系において、共通光路として、物体光と蛍光信号光を試料ステージから対物レンズを透過し、更にイメージセンサの撮像手段まで、同軸に重畳させて、共通の撮像手段で位相像と蛍光像の2つのホログラムを同時に取得できるものである。
以下、蛍光ホログラフィック光学系と位相像検出ホログラフィック光学系のそれぞれについて説明する。
FIG. 6 shows the configuration of the optical system of another embodiment of the digital holographic microscope of the present invention. The digital
Each of the fluorescence holographic optical system and the phase image detection holographic optical system will be described below.
まず、蛍光ホログラフィック光学系は、実施例1と同様な構成であり、レーザ光源12を用いて試料ステージ11上の観察対象試料1の計測物体に蛍光励起光を照射することにより、観察対象試料1の蛍光分子を励起する。
励起された蛍光分子は、蛍光励起光の照射によって長波長の蛍光信号光を発し、対物レンズ14に入射する。ダイクロイックミラー13は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、蛍光励起光を反射し、蛍光信号光を透過する。レーザ光源12から出射した蛍光励起光は、ダイクロイックミラー13によって反射し、試料ステージ11上の観察対象試料1に照射される。観察対象試料1の中の蛍光分子は、蛍光励起光の照射によって長波長の蛍光信号光を発する。蛍光信号光は、試料ステージ11のガラス基板底面のミラー10で反射された蛍光励起光とともにダイクロイックミラー13に進む。ダイクロイックミラー13では、蛍光励起光を反射し、蛍光信号光を透過することから、蛍光励起光を十分に減衰させ、蛍光信号光を強調できる。
First, the fluorescence holographic optical system has the same configuration as that of the first embodiment. 1 fluorescent molecules are excited.
The excited fluorescent molecules emit long-wavelength fluorescent signal light when irradiated with fluorescence excitation light, and enter the
ダイクロイックミラー13を通過した蛍光信号光は、レンズ17aを通り、その後、偏光子15によって、振動方向が特定の一つの方向のみに振動する直線偏光となる。蛍光信号光は、偏光子15を通過した後、ウォーラストンプリズム16を通り、振動方向が互いに直交する2つの直線偏光に分離される。
ウォーラストンプリズム16を通過した蛍光信号光は、レンズ17bを通り集光し、その後、偏光子18によって、分離した2つの直交する直線偏光が合波する。合波する際に、オフアクシス型干渉による等傾角パターンのオフアクシス(off-axis)ホログラムを生じる。
偏光子18によって合波した蛍光信号光は、その後、バンドパスフィルタ19を通り、EM-CCDカメラ20によって撮像される。撮像手段であるEM-CCDカメラ20で、蛍光像を等傾角パターンのオフアクシスホログラムとして取得し、コンピュータによって、等傾角干渉パターンのホログラムから、フーリエ変換法を用いて蛍光信号光の振幅分布と位相分布を抽出し、蛍光信号光を再構成する。
The fluorescence signal light that has passed through the
After passing through the
The fluorescent signal light combined by the
一方、位相像検出ホログラフィック光学系では、蛍光ホログラフィック光学系と同じく、レーザ光源12を用いて試料ステージ11上の観察対象試料1の計測物体を照明する。但し、レーザ光は、ビームスプリッター21により、計測物体を透過する物体光の経路と、何もない参照光の経路に分けられる。計測物体を透過した物体光は、観測対象試料1の下のミラー10で反射し、対物レンズ14に入射した後、ダイクロイックミラー13に進む。計測物体を透過するレーザ光の波長が、蛍光励起光やそれより長波長の蛍光信号光の波長より長いことを利用し、ダイクロイックミラー13を用いて、計測物体を透過する物体光のみを反射させ、その他の光を透過させる。計測物体を透過する物体光は、ビームスプリッター24により参照光と干渉する。この際、物体光と参照光の間にわずかに角度をつけることによって、オフアクシス(off-axis)ホログラム、すなわち等傾角干渉パターンのホログラムが生じる。これをEM-CCDカメラ20で取得する。EM-CCDカメラ20で取得した等傾角干渉パターンのホログラムから、フーリエ変換法を用いて物体光の振幅分布と位相分布を抽出する。オフアクシス法では元の物体位置まで逆伝搬させることにより、観察対象試料の物体光の波面が再生されることになり、物体光を再構成できる。
On the other hand, in the phase image detection holographic optical system, similarly to the fluorescence holographic optical system, the
ここで、蛍光ホログラムと位相ホログラムの分離再生原理について、図7,8を参照して説明する。本実施例のディジタルホログラフィック顕微鏡では、蛍光ホログラムと位相ホログラムを共用のEM-CCDカメラ20で取得する。蛍光ホログラムと位相ホログラムは、共に、等傾角干渉パターンのホログラムである。しかしながら、位相ホログラムと蛍光ホログラムの2つのパターンをフーリエ変換することにより、空間周波数面で原点からずれた位置に存在する信号の等傾角干渉パターンの成分を、窓関数フィルタによって抽出できる。具体的には、ウィンドウ関数を用いて、空間周波数面で、異なる場所に現れる蛍光ホログラムと、原点からずれた位置に存在する位相ホログラムの2つのホログラムを分離する。
Here, the principle of separating and reproducing the fluorescence hologram and the phase hologram will be described with reference to FIGS. In the digital holographic microscope of this embodiment, the fluorescence hologram and the phase hologram are acquired by the common EM-
本実施例のディジタルホログラフィック顕微鏡を用いて、直径10μmの蛍光ビーズをスライドガラス上に配置させた試料を用いて、これを高さ方向に移動させることで、奥行き方向の記録と再生が可能なことを実証した。図9は、焦点が合っている位置(z=0)から-30 μmから+10μmまで、試料の高さ位置を変化させたときの、焦点が合う再構成像が得られるときの再構成伝搬距離を示したものである。
図9から、本実施例のディジタルホログラフィック顕微鏡では、-30μmから+10μmまで、奥行き方向の記録と再生が可能であることがわかり、奥行き位置と再生距離は比例関係ではないものの、再構成距離から奥行き位置を求めることができ、3次元計測が可能であることが理解できる。
Using the digital holographic microscope of this embodiment, a sample in which fluorescent beads with a diameter of 10 μm are arranged on a slide glass is used, and by moving this in the height direction, recording and playback in the depth direction are possible. We proved that. Fig. 9 shows the reconstruction propagation distance when a focused reconstructed image is obtained when the height position of the sample is changed from -30 μm to +10 μm from the in-focus position (z = 0). is shown.
From FIG. 9, it can be seen that the digital holographic microscope of this embodiment can record and reproduce in the depth direction from −30 μm to +10 μm. It can be understood that the depth position can be obtained and three-dimensional measurement is possible.
次に、蛍光タンパク質を導入したヒメツリガネゴケを用いて、生きた植物細胞の蛍光3次元イメージングが可能であることを実証した。図10は、本実施例のディジタルホログラフィック顕微鏡を用いて、蛍光タンパク質を導入したヒメツリガネゴケの蛍光測定および位相測定を行った結果を示したものである。図10(1)は、蛍光ホログラムで、z=-10μmからz=20μmまでの再構成像を示している。矢印のところで焦点があった細胞核のイメージングが再現されている。図10(2)は、蛍光ホログラムの測定と同時に測定した位相分布である。z=-5μmとz=20μmを比較すると、z=-5μmではエッジが鮮明にでており、周辺部分に焦点があっている。z=20μmでは中央付近の葉緑体の構造が綺麗に観察できていた。蛍光と位相で、それぞれ、細胞核、細胞壁や葉緑体など異なるものを構造観察できることから、蛍光像と位相像の同時測定は、観察対象試料の情報をより多く取れていることを示している。 Next, using Physcomitrella patens into which fluorescent proteins have been introduced, it was demonstrated that fluorescence three-dimensional imaging of living plant cells is possible. FIG. 10 shows the results of fluorescence measurement and phase measurement of Physcomitrella patens into which a fluorescent protein has been introduced using the digital holographic microscope of this example. FIG. 10(1) shows a reconstructed image of a fluorescence hologram from z=−10 μm to z=20 μm. Imaging of the cell nucleus that was in focus at the arrow is reproduced. FIG. 10(2) shows the phase distribution measured simultaneously with the measurement of the fluorescence hologram. When z=−5 μm and z=20 μm are compared, the edges are sharp at z=−5 μm, and the peripheral portion is in focus. At z=20 μm, the structure of the chloroplast near the center could be clearly observed. Since different structures such as cell nuclei, cell walls, and chloroplasts can be observed with fluorescence and phase, respectively, simultaneous measurement of fluorescence and phase images shows that more information can be obtained on the sample to be observed.
図11は、微分干渉観察の原理を説明する光路の模式図である。微分干渉観察は、光が観察試料を透過する際、試料を透過した部位の屈折率および厚さの違いによって、透過した光の進む距離に違い(光路差)が生じることから、この光路差を利用して透明な試料を観察するものである。微分干渉顕微鏡では、細胞内の微小な屈折率差を捉えて明暗のコントラストを作ることができる。図11に示す模式図では、2つのウォーラストンプリズム(52,57)を用いて微分干渉観察の光学系50を構成している。まず、ランダム偏光の光は偏光子51を通過し、直線偏光となる。ウォーラストンプリズム52で、互いに直交する2つの直線偏光に分離され、異なる角度で進行する。レンズ53で光軸に平行になり、ガラス基板54と観察対象試料55を通過する。このとき、ウォーラストンプリズム52の作用により2つの直線偏光は空間的に離れた位置を通過する。レンズ56とウォーラストンプリズム57により2つの偏光の光は光軸に平行な光となり、偏光子58を通過することで、空間的に離れた位置での位相差をもつ干渉強度に変換される。
FIG. 11 is a schematic diagram of optical paths for explaining the principle of differential interference observation. In differential interference contrast observation, when light passes through an observation sample, the difference in the refractive index and thickness of the part that passes through the sample causes a difference in the distance traveled by the transmitted light (optical path difference). It is used to observe a transparent sample. Differential interference contrast microscopy can create contrast between light and dark by capturing minute differences in refractive index within cells. In the schematic diagram shown in FIG. 11, two Wollaston prisms (52, 57) are used to configure an
一方、本発明のディジタルホログラフィック顕微鏡では、ウォーラストンプリズムにより、異なる角度をもつ相互に直交する2つの偏光に分離し、結像レンズにより2つの光波を空間的、時間的に重ねる。また、偏光子を通過させることで偏光を揃えて、等傾角干渉縞を形成するものであり、微分干渉顕微鏡と比べて、目的(位相差と偏光記録)や手段が異なるものである。 On the other hand, in the digital holographic microscope of the present invention, the Wollaston prism separates light into two mutually orthogonal polarized light beams having different angles, and the imaging lens spatially and temporally overlaps the two light waves. In addition, the light is passed through a polarizer to align the polarized light to form an equi-angle interference fringe. Compared to the differential interference microscope, the purpose (phase difference and polarization recording) and means are different.
本発明は、バイオイメージング分野の顕微鏡に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for microscopes in the bioimaging field.
101,102,103 ディジタルホログラフィック顕微鏡
1,55 観察対象試料
11 試料ステージ
12 レーザ光源
13 ダイクロイックミラー
14 対物レンズ
15,18 偏光子
3,16 ウォーラストンプリズム
19 バンドパスフィルタ
20 EM-CCDカメラ
17a~17c レンズ
10,20,23 ミラー
21,24 ビームスプリッター
40 オフアクシスホログラム
101, 102, 103 digital
Claims (9)
前記蛍光ホログラフィック光学系は、偏光方向が互いに直交する2つの偏光に前記蛍光信号光を分離する分離手段と、前記蛍光信号光を2つに分離させた光を再び合波させる際にオフアクシスホログラムを生じさせて前記蛍光像を取得する光学系を備えることを特徴とするディジタルホログラフィック顕微鏡。 In a digital holographic microscope equipped with a fluorescence holographic optical system for acquiring a fluorescence image of a sample to be observed by fluorescence signal light,
The fluorescence holographic optical system includes a separation means for separating the fluorescence signal light into two polarized light beams whose polarization directions are orthogonal to each other, and an off-axis optical system for recombining the light beams obtained by separating the fluorescence signal light beams into two. A digital holographic microscope, comprising an optical system for producing a hologram and acquiring the fluorescent image.
前記撮像手段は、蛍光像と位相像をホログラムとして同時に取得し、オフアクシスホログラムの蛍光像と、オフアクシスホログラムの位相像とを、空間周波数面において分離し、それぞれの干渉強度分布から物体光と蛍光信号光を再構成することを特徴とする請求項6に記載のディジタルホログラフィック顕微鏡。 The imaging means of the fluorescence holographic optical system and the imaging means of the phase image detection holographic optical system are shared,
The imaging means simultaneously obtains a fluorescent image and a phase image as holograms, separates the fluorescent image of the off-axis hologram and the phase image of the off-axis hologram in the spatial frequency plane, and obtains the object light from each interference intensity distribution. 7. A digital holographic microscope according to claim 6, wherein the fluorescence signal light is reconstructed.
7. The digital holographic microscope according to claim 6, wherein both said fluorescence holographic optical system and said phase image detection holographic optical system are of a reflective type.
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