JP2003270537A - 高安定性光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光学顕微鏡等によって長時間の画像記録や計測
を行なう場合光学顕微鏡が微小に変位し、対象物がずれ
たりピントが外れたりするドリフト現象を防止して、長
時間の画像記録や計測がナノメ−トル単位の精度で安定
した記録と計測を可能にする高安定性光学顕微鏡を提供
する。 【解決手段】光学顕微鏡は、映像光学系を構成する部材
を内蔵、支持する支持体４２と、測光光学系を構成する
部材を内蔵、支持する直筒２８と、照明光学系を構成す
る部材を内蔵、支持する支持台７とから構成し、、それ
ら支持体等の形状は、中空状のピラミッドまたは円錐型
の低重心とする。対物レンズ、結像レンズ、映像光学系
及び測光光学系光軸に形状重量とも対称型に作られた支
持体等に対して、を一直線上に配列した安定性の高い光
学顕微鏡とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学機器、光学測
定器、光学顕微鏡の長時間画像記録や計測に関するもの
である。特に光学顕微鏡等によって長時間の画像記録や
計測を行なう場合光学顕微鏡が微小に変位し、物点（対
象物）がずれたりピントが外れたりする（いわゆるドリ
フト現象）ことがある。本発明はこうしたドリフト現象
が起きないようにして、長時間の画像記録や計測がナノ
メ−トル単位の精度で安定した記録と計測を可能にした
高安定性光学顕微鏡の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来光学顕微鏡方式は柳の木に似た構造
となっている。即ち、主柱（幹に相当）には試料位置決
め装置のステ−ジや照明係、観察光学系等が光軸に重量
的、形状的にもおいても非対象が著しく、バランスを欠
いて取り付けられ、図１の如く不安定な構造となってい
た。すなわち、図１における従来の光学顕微鏡は、ベ−
ス及び照明装置の一端に、主柱を立設し、その主柱の上
端側方にア−ムを設けたコ字型を基本構成としている。
そして、前記主柱は、観察する試料を載置するステ−ジ
を上下動する上下動機構を支持し、ステ−ジの下方に
は、前記試料に対して前記照明装置からの照明光を導く
ためのコンデンサ−を設けている。また、ア−ムの下方
には、対物レンズ、この対物レンズの倍率変換するため
のレボルバを設け、上方には、落射蛍光装置、鏡筒、直
筒、リレ−レンズ、ＴＶカメラを設け、そして、前記落
射蛍光装置の側方には照明光源が、前記鏡筒側方には、
双眼部、接眼レンズが設けられ、この他に付属の計測装
置やカメラ等が枝葉のように取り付けられている。この
ように、ベ−ス及び照明装置の一端に、主柱を立設し、
た片持ち式構造すなわち、柳に風の如く枝葉だけが揺れ
るだけでなく、細い幹が揺れる構造のため、肝心の幹部
分に相当する測光、映像光学系が不安定な状態となって
いた。また、従来の光学顕微鏡は、照明光学系（落射蛍
光、全落射蛍光、透過蛍光、反射偏光、透過偏光、明視
野落射、光ピンセット等）、モニタ−光学系の導入部に
半透過鏡（ダイクロイックミラ−も含む）はそれぞれあ
るが、結像レンズはコストの制約からも１個の結像レン
ズを共用していた。これら照明系の支持金物が映像光学
系及び測光光学系と一体化され、このため照明光学系や
モニタ−光学系支持金物の形状重量の非対象性が及ぼす
不安定さや支持金物の温度依存性による伸び縮みが映像
光学系及び測光光学系に光軸の狂いとなり影響してい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】タンパク質などの生体
物質が働く様子を１分子単位で観察操作する「１分子生
理学」と呼ばれる新しい研究分野が生まれつつある。こ
の研究のためには光学顕微鏡が不可欠であり、生体物質
の動きが非常に小さいため解析には数ナノメ−トルの精
度が必要である。しかし現在の光学顕微鏡には安定性の
問題があり、この為長時間の観察、記録、計測において
ドリフト現象を起こし、常に発生する観測結果の誤差要
因となっていた。そこで、本発明は、観測中に試料が焦
点ボケを生じたり、物点（対象物）の移動（ドリフト）
を起こさない安定性の高い光学顕微鏡の実現を図ったも
ので、また、全ての結像レンズとそれ以降の光学系には
共用の結像レンズを使用することなく個々に結像レンズ
を配置したものである。結像レンズと例えばＴＶカメラ
を一体化することによって、対象物が結像レンズの中心
と焦点位置が変位することの原理を、図２（ａ）、
（ｂ）に基づいて説明する。図２ａの理想位置から支持
金物の形状重量の非対象性が及ぼす不安定によって、図
２ｂのようにＸ、Ｙ方向に変位が起こっても、結像レン
ズＴＶカメラは一体化されているので、光束は若干偏る
が、対象物は結像レンズの中心と焦点位置が変位するこ
となく結像する。これは（天体）望遠鏡に働く原理で、
対象物との望遠鏡との角度変位さえなければ、望遠鏡が
平行移動する限り対象物の光軸移動と焦点移動（ドリフ
ト）を起こさないことに等しい。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した技術手段は、光学顕微鏡において、光軸に対して形
状重量ともに対称型に作られた直進案内機構及び支持体
に対物レンズ、結像レンズ、映像光学系及び測光光学系
を一直線上に配列し偏りなく支持したことを特徴とした
安定性の高い光学顕微鏡の構造としたことである。ま
た、映像光学系の支持体及び測光光学系の支持体は、温
度変化、振動等による傾きの変位が起こらぬよう四角錐
台または円錐台とした安定性の高い光学顕微鏡の構造と
したことである。また、無限遠鏡筒長光学顕微鏡におい
て、照明光学系（落射蛍光、全反射落射蛍光、透過蛍
光、反射偏光、透過偏光、明視野落射、光ピンセット
等）及びモニタ−光学系の導入部に半透過鏡（ダイクロ
イックミラ−をも含む）と結像レンズをそれぞれに組み
合わせ、映像光学系及び測光光学系には形状重量の非対
称形が及ぼす不安定さや支持体（金物）の温度依存性に
よる不安定さを望遠鏡に働く原理で免れる安定性の高い
光学顕微鏡の構造としたことである。また、光軸に形状
重量が対称に作られた試料台と対物レンズ（試料部）と
は一体化し、すべての結像レンズと独立した支持体で構
成させ、しかも低重心に配置した安定性の高い光学顕微
鏡の構造としたことである。

【０００５】

【発明実施の形態】以下、本発明の高安定性光学顕微鏡
を図３に基づいて説明する。無限遠鏡筒長光学顕微鏡に
おいて、映像光学系（測光用絞りｐｓ１７、リレ−レン
ズ支持金物ｐｋ１８、リレ−レンズｐｒ１９、テレビカ
メラ支持金物２０、テレビカメラ２１からなる）と、測
光光学系（直筒２８、測光用絞りｍｓ２９、リレ−レン
ズ金物ｍｋ３０、リレ−レンズｍｌ３１、測光装置支持
金物３２、測光装置３３からなる）と、照明光学系（落
射蛍光照明装置１２、全反射落射蛍光、透過蛍光、反射
偏光、透過偏光、明視野落射、光ピンセット１０、１１
等）と、照明光学系内に設けられた無限遠鏡筒長対物レ
ンズ２と結像レンズｐｌ１６と、からなる。 そして、
支脚３８に支持された防振台１５には、中空状且つ円錐
台の支持台７が固定され、該支持台７の下方の拡大部に
は、光ピンセット導入光学系１０、落射蛍光照明装置１
２、モニタ−光学系（ａ）１３が、中心方向に向かって
設けられている。また、前記光ピンセット導入光学系１
０には、防振台１５に設けられた光ピンセット照明系１
１が連結されている。また、前記支持台７の中空部の下
方には、中心部に結像レンズｐｌ１６を有する基台１４
が設けられ、その、基台１４の平坦部３９は防振台１５
の表面に載置され、脚部４０は、防振台７の中心部に挿
入される。前記基台１４上には、支柱９が立設され、支
柱９の上端の基板８上には、固定台６、Ｙ軸粗動移動台
５、Ｘ軸粗動移動台４、ＸＹＺ軸微動付き試料台３と、
順次設けられ、該ＸＹＺ軸微動付き試料台３に、観察す
る試料１を載置し、前記照明装置によって照射され観察
される。

【０００６】また、前記支持台７の上方の縮小部には、
透過照明装置２３、暗視野照明装置２６、モニタ−光学
系（ｂ）２７が、中心方向に向かって装着され、更に、
支持台７に固定されたコンデンサ−レンズ支持金物２４
の先端部には、コンデンサ−レンズ２２が、更に、前記
支持台７の先端部の平坦中央部には、照明系結像レンズ
２５がそれぞれ設けられている。前記支持台７の先端部
の平坦部に固定された中空状且つ台形状の直筒２８に
は、測光用絞りｍｓ２９、リレ−レンズ支持金物ｍｋ３
０、リレ−レンズｍｌ３１、測光装置支持金物３２、測
光装置３３と、順次設けられ、測光側第一次像３６、測
光側第二次像３７が形成される。前記防振台１５の下面
には、中空状且つ倒立台形状の支持体４１が装着され、
該支持体４１の中空部には、測光用絞りｐｓ１７、リレ
−レンズ支持金物ｐｋ１８、リレ−レンズｐｒ１９、テ
レビカメラ支持金物２０、テレビカメラ２１と、順次設
けられ、映像側第一次像３４、映像側第二次像３５が形
成される。前記したように、無限遠鏡筒長対物レンズ
２、結像レンズ１６ｐｌ、照明系結像レンズ２５、映像
光学系（測光用絞り１７ｐｓ、リレ−レンズ支持金物ｐ
ｋ１８、リレ−レンズｐｒ１９、テレビカメラ支持金物
２０、テレビカメラ２１からなる）、測光光学系（直筒
２８、測光用絞りｍｓ２９、リレ−レンズ金物ｍｋ３
０、リレ−レンズ金物ｍｌ３１、測光装置支持金物３
２、測光装置３３からなる）を、光軸に形状重量ともに
対称型に作られた直線案内機構上に一直線上に配列し偏
りなく支持したことを特徴とした安定性の高い光学顕微
鏡の構造とした。また、無限遠光学系を使用し、映像光
学系、測光光学系は、結像レンズと一体化されているの
で傾きの変動を起こさない限り、平行移動は全く焦点ボ
ケを生じたり、物点（対象物）の移動（ドリフト）を起
こさない望遠鏡の原理が働くものである。この直進案内
機構の一例は円筒と円柱から構成し、円筒部は光軸方向
に移動が可能となっている試料のフォ−カス機構は、Ｘ
ＹＺ軸微動付き試料台３で行ない、このＸＹＺ軸微動付
き試料台３は光軸中心に対称なだけでなく、静電容量型
センサ−を内蔵し、ピエゾ駆動機構に変位量をフィ−ド
バックされ、焦点位置も保持される構造になっている。

【０００７】更に、照明光学系（落射蛍光照明装置１
２、全反射落射蛍光、透過蛍光、反射偏光、透過偏光、
明視野落射、光ピンセット１０、１１等）の導入部に半
透過鏡（ダイクロミラ−も含む）と結像レンズをそれぞ
れに組み合わせ、前述の映像光学系及び測光光学系とは
独立した支持金物により支持され、映像光学系及び測光
光学系には形状重量の非対称性が及ぼす不安定さを排除
した構造となっている。仮に映像光学系、測光光学系及
び照明光学系が変動したとしても、上述の望遠鏡に働く
原理が適用されるし、傾きの変動は強固な台形型（ピラ
ミット型）支持台７に取り付けられている。更に、光ピ
ンセット照明系のように重量的に大きな物はさらに分離
し、防振台１５に直接取り付けているのでアンバランス
な重りのような不安定要素とはならないし、傾きの要因
にもならない。したがって、仮に外部振動等によって、
照明系が変位をおこしても試料や対物レンズにはその影
響は受けない構造となっている。更に不安定最大要因の
試料と対物レンズとの相対的変動が大変重要である。そ
こで、試料１、無限遠鏡筒長対物レンズ２、ＸＹＺ軸微
動付き試料台３、Ｘ軸粗動移動台４、Ｙ軸粗動移動台
５、固定台６はそれぞれを真空吸着等により固定一体化
を行なう。この一体化によって試料と対物レンズとの相
対的変動をなくすことは安定性確保に大変有効となる。
更に、これらの部分を防振台１５に直接取りつけ、重心
の低い位置に配置したことによっても解決している。
（柳に風の如く細い幹がゆれる従来方式から東京タワ−
と直下のビルの如き切離し構造とし、一体化された試料
と対物レンズは重心の低いビルに相当する。）

【０００８】

【発明の効果】前記したように、光軸に対して形状重量
ともに対称型に作られた直進案内機構及び支持体に対物
レンズ、結像レンズ、映像光学系及び測光光学系を一直
線上に配列し偏りなく支持したことを特徴とした安定性
の高い光学顕微鏡としたので、極めて安定性の高い光学
顕微鏡が実現し、分子生物学、生物物理学等における分
子位置の距離計測や分子運動量計測がナノメ−トルオ−
ダ−で容易に可能となる。また、ドリフトを起こさせ
ず、長時間の画像記録も容易に可能になる。また、無限
遠鏡筒長光学顕微鏡において、照明光学系（落射蛍光、
全反射落射蛍光、透過蛍光、反射偏光、透過偏光、明視
野落射、光ピンセット等）及びモニタ−光学系の導入部
に半透過鏡（ダイクロイックミラ−も含む）と結像レン
ズをそれぞれに組み合わせることによって、それぞれの
取りつけ位置や互換性に自由度が生まれ、システムとし
ての発展性があり、且つ安定性の高い光学顕微鏡が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光学顕微鏡の説明図である。

【図２】結像レンズと例えばＴＶカメラを一体化するこ
とによって、対象物が結像レンズの中心と焦点位置は変
位することの原理を説明する図である。 （ａ）理想の位置（変位がない場合）を示す図である。 （ｂ）映像光学系全体がＸ・Ｙ方向に変位した場合を示
す図である。

【図３】本発明により構成された光学顕微鏡の説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 試料 ２ 無限遠鏡筒長対物レンズ ３ ＸＹＺ軸微動付き試料台 ４ Ｘ軸粗動移動台 ５ Ｙ軸粗動移動台 ６ 固定台 ７ 台形型支持台 ８ 基板 ９ 支柱 １０ 光ピンセット導入光学系 １１ 光ピンセット照明系 １２ 落射蛍光照明装置 １３ モニタ−光学系（ａ） １４ 基台 １５ 防振台 １６ 結像レンズｐｌ １７ 測光用絞りｐｓ １８ リレ−レンズ支持金物ｐｋ １９ リレ−レンズｐｒ ２０ テレビカメラ支持金物 ２１ テレビカメラ ２２ コンデンサ−レンズ ２３ 透過照明装置 ２４ コンデンサ−レンズ支持金物 ２５ 照明系結像レンズ ２６ 暗視野照明装置 ２７ モニタ−光学系（ｂ） ２８ 直筒 ２９ 測光用絞りｍｓ ３０ リレ−レンズ支持金物ｍｋ ３１ リレ−レンズｍｌ ３２ 測光装置支持金物 ３３ 測光装置 ３４ 映像側第一次像 ３５ 映像側第二次像 ３６ 測光側第一次像 ３７ 測光側第二次像 ３８ 支脚 ３９ 平坦部 ４０ 脚部 ４１ 支持体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学顕微鏡において、光軸に対して形状重
   量ともに対称型に作られた直進案内機構及び支持体に対
   物レンズ、結像レンズ、映像光学系及び測光光学系を一
   直線上に配列し偏りなく支持したことを特徴とした安定
   性の高い光学顕微鏡の構造。
2. 【請求項２】映像光学系及び測光光学系の支持体は、温
   度変化、振動等による傾きの変位が起こらぬよう四角錐
   台または円錐台としたことを特徴とする請求項１記載の
   安定性の高い光学顕微鏡の構造。
3. 【請求項３】無限遠鏡筒長光学顕微鏡において、照明光
   学系（落射蛍光、全反射落射蛍光、透過蛍光、反射偏
   光、透過偏光、明視野落射、光ピンセット等）及びモニ
   タ−光学系の導入部に半透過鏡（ダイクロイックミラ−
   も含む）と結像レンズをそれぞれに組み合わせ、前記映
   像光学系及び測光光学系には形状重量の非対称形が及ぼ
   す不安定さや支持体（金物）の温度依存性による不安定
   さを望遠鏡に働く原理で免れることを特徴とする請求項
   １〜２のうちの１記載の安定性の高い光学顕微鏡の構
   造。
4. 【請求項４】光軸に形状重量が対称に作られた試料台と
   対物レンズ（試料部）とは一体化し、すべての結像レン
   ズと独立した支持体で構成させ、しかも低重心位置に配
   置し、前記の構造と組み合わせたことを特徴とする請求
   項１〜３のうちの１記載の安定性の高い光学顕微鏡の構
   造。