JP2003021788A - 光学装置 - Google Patents
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- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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Abstract
数の蛍光色素の同時観察を効率良く行ない得るようにす
る。 【解決手段】 光源よりの光を試料に照射するための
照明光学系と、第1の波長選択部材と、照明光を試料へ
向ける光分割器と、対物レンズと、検出装置と、対物レ
ンズと検出装置の間に配置された第2の波長選択部材と
を有し、第1の波長選択部材が照明光のうちの所定の波
長域の光を選択的に透過する波長選択素子を、第2の波
長選択部材が試料にて反射され放出された光のうちの所
定の波長の光を選択的に透過する波長選択素子を、更に
光分割器が少なくとも400nm以上、700nm以下
の波長域の透過率が85%以上で反射率が15%以下で
ある光学素子を備えるようにした。
Description
し、試料から放出される光特に蛍光を検出するための光
学装置に関するものである。また、本発明は複数の波長
の蛍光を同時に検出し得る光学装置に関するものであ
る。
を固定試料ではなく生きた試料を用いての研究が行なわ
れている。具体的には注目する特定のタンパク質分子に
特異的に結合する蛍光分子を結合させ、蛍光顕微鏡を用
いて分子の動きや分布を観察、解析しその機能の解明を
行なうようにしている。それに加え、最近では蛍光物質
の登場により発光性のタンパク質を細胞内に発現させる
ことが可能になり、より生理的な活性が保たれた状態で
の観察や解析が可能になった。さらに細胞内のより高度
な機能を解明するために蛍光色素を複数用い、複数の分
子の動きや分布を同時に測定する試みもなされている。
−965頁)には、細胞を生きた状態で観察し得るよう
にするために、励起光の強度を極力弱くし、細胞へのダ
メージを少なくするようにした装置が記載されている。
くするために照明光学系中に減光フィルタ(NDフィル
タ)が配置されている。
フィルタの重要性や生きた細胞を観察する際のNDフィ
ルタの濃度の適正な値については「GFPとバイオイメ
ージング」(実験医学別冊 ポストゲノム時代の実験講
座3、2000年、156頁、羊土社発行)に記載され
ている。
開平11−50052号公報、特開平11−22377
3号公報には、複数の蛍光色素を用いた場合の観察装置
が開示されている。
437号公報に記載された装置は、複数の蛍光を同時に
観察するためにダイクロイックミラーとして3重励起用
もしくは4重励起用のものが使用されている。この多重
励起用ダイクロイックミラーには、図17に示すような
分光特性を有するものがある。このダイクロイックミラ
ーは、図17に示す分光特性を有するダイクロイックミ
ラーを得るために、基板を常温付近に保ったまま薄膜を
蒸着するいわゆるソフトコート膜と呼ばれる方法で製作
される。このソフトコート膜は、温湿度変化、耐薬品
性、表面清掃時の拭き取り等の物理的衝撃に極めて弱い
ために、経時変化により分光特性が劣化することが多
く、メンテナンスに多大な費用がかかる。
も、蛍光色素を多重染色した試料を観察する手法が記載
されている。しかし、この公報に記載された手法は、多
重励起のダイクロイックミラーを用いずに各蛍光色素を
適した単独のダイクロイックミラーに切り替え可能に構
成されている。そのために、複数の色素を用いた複数の
分子の動きや分布を同時に観察することは不可能であ
る。またダイクロイックミラーを保持する部材は、励起
フィルタや吸収フィルタよりも複雑で大きいため高速で
ダイクロイックミラーを切り替える時振動が生ずる。ま
た、複数蛍光色素を同時に観察するためには、蛍光色素
の数だけダイクロイックミラーを用意しなければなら
ず、コスト上も問題がある。さらに各ダイクロイックミ
ラーの平行度の違いから各蛍光色素の観察像にずれを生
ずる。この公報に記載されたずれを解消するための手段
は極めて複雑であり、又、簡単で安価な手段によるずれ
の解消は困難である。
は、対物レンズと観察光学系の光軸方向にダイクロイッ
クミラーを複数配置し、複数の蛍光色素を同時に観察し
得るようにした技術が開示されているが、この技術は、
複数の光源を必要とする。
されたもので、生体の機能解明のために用いられている
複数の蛍光色素の同時観察を効率よく行ない得るように
した光学装置を提供するものである。
源と、光源よりの照明光により試料を照明するための照
明光学系と、この照明光学系の後方に配置された第1の
波長選択部材と、光源からの照明光を偏向させて試料へ
向けるための光分割器と、この光分割器と試料との間に
配置されている対物レンズと、試料よりの光を対物レン
ズを通して光を検出するための検出装置と、対物レンズ
中または対物レンズと検出装置の間に配置された第2の
波長選択部材とを備えていて、第1の波長選択部材が照
明光のうちの所定の波長域の光を選択的に透過する波長
選択素子を少なくとも有しており、第2の波長選択部材
が試料にて反射されあるいは試料より放出された光のう
ちの所定の波長の光を選択的に透過される他の第2の波
長選択素子を少なくとも有しており、光分割器には透過
−反射特性が少なくとも400nmから700nmの波
長域の透過率が85%以上であり反射率が15%以下で
ある光学素子を有していることを特徴とするものであ
る。
構成のものであって、光分割器の光学素子が平行平面板
状でその光源からの照明光が入射する側の面(第1の
面)とは反対側の面(第2面)に少なくとも反射防止コ
ーティングを施したことを特徴とする。この場合第1の
面と第2の面の両方にコーティングを施したものでもよ
い。
の装置で、光分割器がダイクロイックミラーを更に含む
もので光学素子とダイクロイックミラーとを切り替え可
能にしたことを特徴とするものである。
態を示す。
通りの構成である。この第1の実施の形態は、正立型の
顕微鏡を基本構成とするもので、図1において、1は光
源、2は照明光学系、3は第1の波長選択素子を有する
第1の波長選択部材、4は光学素子10を有する光分割
器、5は対物レンズ、6は試料、7は第2の波長選択素
子7aを有する第2の波長選択部材、8は結像レンズ、
9は検出装置である。又、上記構成中光源1は例えば水
銀ランプが用いられる。
紫外線から可視光および近赤外光が含まれており、この
光源よりの光は照明光学系2を通り第1の波長選択部材
3に入射する。この第1の波長選択部材3には、第1の
波長選択素子として所定の波長特性を有する第1の光学
フィルタ3aが配置されている。この第1の波長選択部
材3中のフィルタ3aが光路中に位置するようにして紫
外域−可視域の光のうちの所定の波長域の光のみを透過
させるようにしている。このフィルタ3aを透過した光
は、光分割器4に入射する。この光分割器4には、光学
素子10が配置され、この光学素子10は、照明光学系
2の光軸に対して45°の角度をなすよう配置されてい
る。これによって光分割器4に入射した励起光は、対物
レンズ5に向かって反射される。このように光学素子1
0にて反射されて光分割器4を射出した励起光は、対物
レンズ5を介して試料6を照射する。
試料6は、蛍光を発する。つまり試料から反射した励起
光と蛍光とが発生する。この試料よりの蛍光と励起光と
は、対物レンズ5を透過して光分割器4に入射する。光
分割器4に入射した光は光学素子10を透過して第2の
波長選択部材7に入射する。
て、図2に示すような二つの三角プリズム11、12を
互いに接合した直方体の形状のものや、図3に示すよう
な照明光軸に対して各々22.5°傾斜させて配置した
二つの平行平面板13、14とよりなるもの等がある。
いる第2の波長選択素子である第2の光学フィルタ7a
は所定の波長特性を有し、蛍光と反射光のうち、蛍光の
みを透過させるようにしてある。
入射した蛍光と反射光は、第2の光学フィルタ7aによ
り蛍光のみ透過する。この第2の波長選択部材7を透過
した蛍光は、結像レンズ8により検出装置9の所定位置
に試料の蛍光像を形成する。この蛍光像位置の近傍に接
眼レンズを配置すれば、目視による蛍光像の観察ができ
る。この蛍光像は、非常に暗いために冷却CCD等の電
子撮像素子、特に高感度の撮像素子を配置して撮像する
ことが好ましい。
にて用いられる光分割器中の光学素子について説明す
る。
光学素子は、例えば図1に示すように平行平面板で、少
なくとも400nm以上、700nm以下の波長域にお
いて透過率が85%以上であり、反射率が15%以下の
波長特性を有している。
置において用いる光学素子の波長特性の一例である。こ
の光学素子の材料は、S−BSL7(株式会社オハラ
製)を両面研磨した基板ガラスをそのまま用いたもの
で、図4はこの光学素子の波長300nm〜1200n
mにおける分光透過率特性、図5は、同じ光学素子の波
長300nm〜1200nmにおける分光反射率特性を
示す。
は、前記のように材料S−BSL7の基板ガラスをその
まま用いたもので、つまりコートなしの状態にて用いた
もので、そのため多重励起用ダイクロイックミラーに比
べて経時変化や物理的衝撃等に対する耐久性が格段によ
い。
割器の光学素子の反射率が400nmから1200nm
までの波長域においてほぼ一定であり、そのため励起光
がこの波長域内であればどの波長も同じ反射率にて反射
された後に試料を照射する。したがって、所望の蛍光色
素に対応した第1、第2の光学フィルタを適宜選択する
ことにより、耐性に問題のある多重励起用のダイクロイ
ックミラーを用いる必要がなく、あるいは各蛍光色素に
対応した専用のダイクロイックミラーを複数用い、それ
らを切り替え使用する必要がなく、またNDフィルタ等
の他の光学素子を必要とせずに試料に照射させる励起光
の強度を非常に小さくでき試料に与えるダメージを軽減
し得る。
器のうち、図1に示す構成の光分割器について具体的に
説明したが、図2、図3に示す構成の光分割器の場合
も、光学素子を構成する材料の選択等により、全体とし
て、少なくとも400nm以上、700nm以下の波長
域において透過率が85%以上、反射率が15%以下に
なるようにすればよい。
置について述べる。
体の構成は図1に示す通りで第1の実施の形態と実質上
同じである。しかし、光学装置にて用いられる光分割器
が図6に示す通りで、その光学素子10の励起光が入射
する面(第1の面)10aと反対側の面(第2の面)1
0bとに反射防止コートを施したものである。
トを施すことにより、この光学素子10の透過率が向上
し、試料からの蛍光を効率よく第2の波長選択部材およ
び検出装置へ導くことができ、また試料に照射する励起
光を弱くすることができ試料に対するダメージを軽減で
きる。
の反射率特性を示すもので、基板ガラスは、夫々S−T
IH6、S−BSL7(いずれも株式会社オハラ製)、
合成石英で、厚さはすべて1mmである。これら図にお
いて、aは反射防止コートなしの場合、bは第2の面の
み反射防止コートを施した場合、cは両方の面に反射防
止コートを施した場合である。この第2の実施の形態に
て用いる反射防止コートは、フッ化マグネシウム(Mg
F2)が用いられている。しかし、経時変化や物理的耐
性に問題がない範囲内で多層膜コートを反射防止コート
として用いてもよい。
過率特性を示すもので、基板ガラスは、夫々S−TIH
6、S−BSL7(いずれも株式会社オハラ製)、合成
石英で、厚さはすべて1mmである。
なしの場合、bは第2の面のみ反射防止コートを施した
場合、cは両方の面に反射防止コートを施した場合の分
光透過率特性である。
り光学素子の基板ガラスとしてS−TIH6、S−BS
L7、合成石英を用いることにより、少なくとも400
nm以上700nm以下の波長域において透過率が85
%で、反射率が15%以下の透過、反射特性を有する光
学素子を実現し得る。
割器の光学素子が上記の通りの特性を有するので光学素
子に入射する励起光のほとんどが光学素子を透過し、光
学素子にて反射する励起光は僅かである。
合、約5%の励起光が対物レンズに向かって反射され
る。したがって、対物レンズを透過して試料に達する励
起光は僅かである。そのため、細胞を損傷させることが
なく、生きた細胞の観察が容易に行ない得る。しかし、
励起光の強度が非常に小さいために、試料より発する蛍
光の強度も非常に小さい。そのため、検出装置には、電
子撮像素子を用いるのが好ましい。
2の実施の形態と実質上同じ構成であって、図1に示す
通りである。しかしこの第3の実施の形態は、光分割器
として、第1、第2の実施の形態の光学素子と、従来用
いられているダイクロイックミラーとを切り替え可能に
配置した点で他の実施の形態とは相違する。
る光分割器の構成を示すもので、光学素子15とダイク
ロイックミラー16とが共通の保持部材17にて保持さ
れていて、レバー18により光路に対して挿脱可能にな
っている。
置する構成では、蛍光の強度は非常に小さい。そのた
め、目視での蛍光観察が難しかったり、試料の位置合わ
せが行ないにくいということがあり得る。
と、光学素子15をダイクロイックミラー16に切り替
えることによって、試料への励起光の光量を増加させる
ことができるので、目視観察が可能になる。また、対物
レンズを低倍率に切り替えれば、試料の位置出しを容易
になし得る。
いた場合でも、ダイクロイックミラーに切り替えること
により、試料への励起光の光量を極端に増大させること
ができる。これにより、例えば、蛍光色素を意図的に褪
色させその後蛍光が光量を増大させていく様子を観察す
ることによって、細胞内の特定のたんぱく質の機能を調
べる方法、すなわちフォトブリーチングと呼ばれる手法
を利用することが可能になる。
通りの構成で、1は光源、2は照明光学系、3は第1の
波長選択部材、4は光分割器、5は対物レンズ、6は試
料、7は第2の波長選択部材、8は結像レンズ、9は検
出装置で、これらは基本的には図1と同様の構成であ
る。
波長選択部材と第2の波長選択部材とが夫々光学特性の
異なる複数の波長選択素子を備えていて、コンピュータ
20により制御されている点で他の実施の形態と相違す
る。ここで、第4の実施の形態の光学装置は、光学特性
の異なる複数の第1のフィルタと光学特性の異なる複数
の第2のフィルタとを夫々備えており、コンピュータ2
0により、所望の蛍光色素に最も適した第1の光学フィ
ルタと第2の光学フィルタの組み合わせが光路中に配置
されるようになっている。
用いられる第1、第2の波長選択部材の構成を示すもの
である。この波長選択部材は、図示するよう電動にて回
転し得るターレット状のフィルタホイール21に蛍光色
素に対応する複数の光学フィルタ21a,21b,・・
・を配置した構成であって、コンピュータ制御により任
意の光学フィルタを照明光路あるいは結像光路中に挿脱
し得るようにしたものである。ここで用いる光学フィル
タは、図に示す多重励起対応の励起フィルタや吸収フィ
ルタ、または図に示すような単一の蛍光色素に対応する
励起フィルタや吸収フィルタである。
変形例であって、光分割器4にミラー22を加えたもの
である。この光分割器に入射する光源よりの励起光は、
光分割器4内の光学素子10により反射されて試料6の
側へ向けられるが、一部の光は光学素子を透過する。こ
の光学素子10を透過した光が、鏡筒内面等の反射によ
り光学素子に戻され、観察光路内に入射すると好ましく
ない。これを防ぐために、前記ミラー22により光学素
子を透過した励起光を観察光路外に逃がすようにしてい
る。したがって、ミラー22は、それにて反射した光が
光学素子に戻らないように配置位置、傾斜角を定めるこ
とが好ましい。
要な励起光を逃がす手段(光トラップ機構)は、第1、
第2、第3の実施の形態にも適用し得る。
すようなミラーにより反射させるようにした機構の代わ
りにミラーに代えて吸収フィルタを用いるかあるいは適
宜箇所に光吸収部材を配置することにより光分割器の光
学素子を透過した光源よりの光を吸収することによって
除去するようにしてもよい。この吸収による光トラップ
機構は、他の実施の形態にも適用し得る。
置は、正立型の顕微鏡を基本としているが、前記各実施
の形態にて用いられている本発明の技術手段は、そのま
ま倒立型の顕微鏡にも用い得る。
成で特許請求の範囲に記載する構成の他に次の各項に記
載する構成のものも発明の目的を達成し得る。
は3に記載する装置で、前記光分割器の光学素子の透
過、反射特性が波長330nm以上で1000nm以下
の波長域において透過率が85%以上であり反射率が1
5%以下であることを特徴とする光学装置。
は3に記載する装置で、前記光分割器の光学素子の透
過、反射特性が波長400nm以上で1000nm以下
の波長域において透過率が90%以上であり反射率が5
%以下であることを特徴とする光学装置。
は3に記載する装置で、前記光分割器の光学素子の透
過、反射特性が波長200nm以上で1000nm以下
の波長域において透過率が90%以上であり反射率が7
%以下であることを特徴とする光学装置。
は3あるいは前記の(1)、(2)又は(3)の項に記
載する装置で、前記光分割器の光学素子が下記条件
(1)を満足することを特徴とする光学装置。(1)
n<2.0ただし、nは光学素子のd線に対する屈折
率である。
は前記の(1)、(2)、(3)又は(4)の項に記載
する装置で、前記光分割器の光学素子の照明光が入射す
る側の面とは反対側の面に反射コートを施したことを特
徴とする光学装置。
(4)又は(5)の項に記載する装置で、前記光分割器
が更にダイクロイックミラーを有し、前記光学素子と前
記ダイクロイックミラーとが切り替え可能に構成されて
いることを特徴とする光学装置。
は前記の(6)の項に記載する装置で、前記光分割器が
照明光のうちの所定の波長域の光を選択的に透過させる
波長選択素子と、ダイクロイックミラーと、照明光(励
起光)により照射された試料にて反射された光および放
出された光のうちの所定の波長域の光を選択的に透過さ
せる波長選択素子とが一体に保持されたユニットを有
し、前記光学素子と前記ユニットとが切り替え可能に構
成されていることを特徴とする光学装置。
は3に記載する装置で、前記光分割器が前記光学素子の
照明光が透過する側に光トラップ機構を備えていること
を特徴とする光学装置。
は3に記載する装置で、前記第1の波長選択部材が複数
の波長選択素子とを有し、前記波長選択素子のうちから
一つの波長選択素子を選択する第1の選択機構を備えた
ことを特徴とする光学装置。
又は3あるいは前記の(1)、(2)又は(3)の項に
記載する装置で、前記第2の波長選択部材が複数の波長
選択素子を有し、前記波長選択素子のうち一つの波長選
択素子を選択する第2の選択機構を有することを特徴と
する光学装置。
又は3あるいは前記の(1)、(2)、(3)、
(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)又は
(10)の項に記載する装置で、前記検出装置が電子撮
像素子であることを特徴とする光学装置。
装置で、前記電子撮像素子が高感度撮像素子であること
を特徴とする光学装置。
に記載する装置で、コンピュータを備え、選択機構およ
び第2の選択機構が前記コンピュータにて制御するよう
にしたことを特徴とする光学装置。
装置で、前記高感度撮像素子が前記コンピュータにて制
御されることを特徴とする光学装置。
又は3に記載する装置で、前記光学素子が照明光が入射
する側から順に、第1の面と第2の面とを有し、第1の
面に反射防止コートが施されていることを特徴とする光
学装置。
置で、前記光トラップ機構が少なくとも一つの反射面を
有することを特徴とする光学装置。
装置で、前記反射面が入射してきた光を90度以上の角
度にて反射するように配置されていることを特徴とする
光学装置。
装置で、前記反射面が複数設けられ複数の反射面が向き
合って配置されていることを特徴とする光学装置。
に記載する装置で、前記光トラップ機構が入射した光を
吸収する吸収部材を有することを特徴とする光学装置。
の耐性に弱く、多重励起用のダイクロイックミラーを用
いることなく、更に4重蛍光染色や5重蛍光染色以上の
蛍光色素にて染色した試料を同時に観察することが可能
であり、生きた細胞の機能解明に最適な蛍光観察が可能
である。
を示す図
を示す図
3の例を示す図
る光分割器の光学素子の分光透過率特性を示す図
る光分割器の構成を示す図
板ガラスがS−TIH6の分光反射率特性を示す図
板ガラスがS−BSL7の分光反射率特性を示す図
板ガラスが合成石英の分光反射率特性を示す図
基板ガラスがS−TIH6の分光透過率特性を示す図
基板ガラスがS−BSL7の分光透過率特性を示す図
基板ガラスが合成石英の分光透過率特性を示す図
いる光分割器の構成を示す図
成を示す図
選択部材の構成を示す図
形例を示す図
過率特性を示す図
Claims (3)
- 【請求項1】 光源と、前記光源よりの照明光により
試料を照明するための照明光学系と、第1の波長選択部
材と、前記照明光を偏向させて試料へ向ける光分割器
と、前記光分割器と試料との間に配置された対物レンズ
と、試料よりの光を対物レンズを通して光を検出する検
出装置と、前記対物レンズと前記検出装置の間に配置さ
れた第2の波長選択部材とを備え、前記第1の波長選択
部材が前記照明光のうちの所定の波長域の光を選択的に
透過する波長選択素子を少なくとも一つ有し、前記第2
の波長選択部材は前記試料から反射されあるいは放出さ
れた光のうちの所定の波長の光を選択的に透過させる波
長選択素子を少なくとも一つ有し、前記光分割器が光学
素子を有し、前記光学素子の透過・反射特性が少なくと
も400nm以上、700nm以下の波長域において透
過率が85%以上、反射率が15%以下であることを特
徴とする光学装置。 - 【請求項2】 前記光学素子が、前記照明光の入射側
から順に、第1の面と第2の面とを有し、前記第2の面
あるいは前記第1、第2の面に反射防止コートが施され
ていることを特徴とする請求項1の光学装置。 - 【請求項3】 前記光分割器がダイクロイックミラー
を有し、前記光学素子と前記ダイクロイックミラーが切
り替え可能であることを特徴とする請求項1または請求
項2の光学装置。
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