JP2004205897A

JP2004205897A - 波長分離素子および顕微鏡

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Publication number: JP2004205897A
Application number: JP2002376282A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kasahara; 隆笠原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP4198982B2

Abstract

【課題】収斂光束中に、配置をしても、透過像および反射像の劣化が生じない波長分離素子を提供することを目的とする。
【解決手段】顕微鏡の光路中に形成される収斂光束中に配置され、入射光を波長により反射光と透過光とに分別する波長分離素子であって、該波長分離素子が２色性光学部材を備えるとともに、該２色性光学部材が該部材を透過する光と該部材において反射する光の各々の波面が略等しくなるように構成することにより、収斂光束中に、配置をしても、透過像および反射像の劣化が生じない波長分離素子を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分離素子および顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生命科学などの分野においては、見たい分子だけを選択的に観察することができる蛍光観察がその研究に欠かせない手法になっている。ここで、蛍光観察とは、細胞や物質が有する蛍光色素、すなわち、蛍光を効率良く発するのに適した化学構造をもつ物質を識別することにより、その局在や移動を容易に観察する手法のことである。具体的には、水銀ランプ等の励起光を標本に照射すると、蛍光色素は、特定の波長域の光によって励起され、より長い波長域の蛍光を発するため、これ反射した励起光のみを取り出せば、特定の分子のみを観察することができる。
【０００３】
図７は、従来の蛍光顕微鏡の構成図である。これを用いて、蛍光観察の原理を具体的に説明すると、蛍光顕微鏡は、光源１ａ、１ｂと、照明光学系２と、第１のダイクロイックミラー３と、対物レンズ４と、第２のダイクロイックミラー５と、結像レンズ６と、第１の撮像装置７と、第２の撮像装置８と、ミラー９と、コンデンサー１０と、試料１１とから構成されている。光源１は、蛍光観察に適した極めて明るいものである必要があり、一般には、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の強力な光源が用いられる。
【０００４】
照明光学系２は、図示しないコンデンサレンズやフィルタ、視野絞り等から構成されており、光源から発せられた光の明るさや色調を整えて、光源からの光を平行光に変換する。第１のダイクロイックミラー３は、照明光学系２内に設けられた図示しない励起フィルタで選択された励起光を反射し、標本から発せられた蛍光を透過するミラーであり、光軸に対して４５度の傾きをもって配置されている。対物レンズ４は、入射される励起光を集光して標本に照射するレンズである。
【０００５】
第２のダイクロイックミラー５は、標本が２種類以上の蛍光色素で標識されている場合に、標本から反射した蛍光をさらに波長ごとに分離する光学素子であり、対物レンズ４と結像レンズ６との間の平行光束中に、光軸に対して４５度の傾きをもって配置されている。結像レンズ６ａ、６ｂは、第２のダイクロイックミラーで透過あるいは反射された特定波長の蛍光を集光して撮像装置に像を形成するためのレンズである。また、第１の撮像装置７および第２の撮像装置８は、入射する蛍光の像を画像情報に変換する装置であり、ミラー９は、第２のダイクロイックミラーによって反射された特定波長の蛍光を偏向し、第２の撮像装置８に導く偏向素子である。
【０００６】
光源１ｂは、試料１１に透過照明を与えて蛍光観察を行う場合の光源であり、コンデンサー１０は、光源１ｂからの射出光を試料１１に対して、集光する光学素子である。ここで、ダイクロイックミラーは、平行平面板に多層膜をコーティングした構造となっており、２つのプリズムの間に多層膜と接合層を形成したキューブタイプのものも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２４３８０８号公報（第２−第４頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の蛍光顕微鏡においては、対物レンズと結像レンズとの間の平行光束中に、平行平面板に多層膜をコーティングした第２のダイクロイックミラーが配置されていたため、装置全体をコンパクト化することが困難であった。これを解決するために、結像レンズ以降の収斂光束中に第２のダイクロイックミラーを配置する方法も考えられる。
【０００９】
ところが、ダイクロイックミラーに用いられるコーティングは数十層にも及ぶものであり、この多層膜が強い応力を持つことから、基板である平行平面板が薄くなると基板を変形させる。これは、平行光束中では問題とならないが、収斂光束中では、収差を発生させる要因となり、反射光について像の劣化を招くという問題がある。また、基板の変形を防止するために、基板の厚みを厚くすると、今度は透過光に非点収差が発生して透過像の劣化を招いてしまう。また、特許文献１のように、光路分割手段であるプリズムを用いて、その表面に多層膜を形成すれば、透過像と反射像の両方の像劣化を防止することができるが、単に、表面に多層膜を形成し、これを接合面を介して接合しただけでは、所望の分光特性を得ることができない。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、収斂光束中に、配置をしても、透過像および反射像の劣化が生じない波長分離素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、顕微鏡の光路中に形成される収斂光束中に配置され、入射光を波長により反射光と透過光とに分別する波長分離素子であって、該波長分離素子が２色性光学部材を備えるとともに、該２色性光学部材が該部材を透過する光と該部材において反射する光の各々の波面が略等しくなるように構成されている波長分離素子を提案している。
【００１２】
この発明によれば、波長分離素子が入射光を波長により透過光と反射光とに分別する２色性光学部材を備え、透過光と反射光との波面が略等しくなるように構成されているため、収斂光束中に配置しても透過光および反射光に収差を発生することがなく、劣化のない透過像および反射像を得ることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１記載に記載された波長分離素子について、前記波長分離素子は第１の三角プリズムと、ダイクロイック膜を設けた第２の三角プリズムと、間隔部材とを有し、前記第１の三角プリズムと前記第２の三角プリズムは前記ダイクロイック膜を有する面を挟んで対向して配置されるとともに、第１の三角プリズムと前記第２の三角プリズムの間に前記間隔部材が配置され、前記間隔部材の厚みをＴ1とするとき、以下の条件を満足する波長分離素子を提案している。
０．１ｍｍ＜Ｔ1＜１ｍｍ
【００１４】
この発明によれば、波長分離素子がダイクロイック膜を設けた三角プリズムともう一方の三角プリズムとを間隔部材を介して対向して配置する構造となっている。また、間隔部材により、２つのプリズムの間に空気層を設けることによって波長分離素子に必要な所望の分光特性を得ることができる。さらに、間隔部材の厚みを所定の範囲内としたことから、波長分離素子に必要な所望の分光特性を期待でき、かつ、透過光に収差が発生しない波長分離素子を構成することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載された波長分離素子について、前記波長分離素子は、ダイクロイック膜を設けた平行平面板と、保持部材と、押圧部材とを有し、前記保持部材のうち一面が前記平行平面板のダイクロイック膜が設けられた面と反対側の面に接するとともに、前記ダイクロイック膜が設けられた面に前記押圧部材が接し、前記平行平面板の厚みをＴ2とするとき、以下の条件を満足する波長分離素子を提案している。
０．５ｍｍ＜Ｔ２＜１ｍｍ
【００１６】
この発明によれば、ダイクロイック膜を設けた平行平面板は保持部材と押圧部材とにより固定されているため、ダイクロイック膜によって生ずる応力による平行平面板の変形を機械的に矯正することができる。また、平行平面板の厚みを所定の範囲としたことから、ダイクロイック膜によって生ずる応力の影響を受けにくく、かつ、透過光に透過像の劣化を生じない波長分離素子を構成することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、光源と、該光源から射出される発散光を平行光とする照明光学系と、該平行光を偏向し、試料からの反射光を透過するダイクロイックミラーと、該ダイクロイックミラーからの入射光を波長により反射光と透過光とに分別する請求項１から３のいずれかに記載された波長分離素子とを有する顕微鏡を提案している。
【００１８】
この発明によれば、請求項１から３のいずれかに記載された波長分離素子を結像レンズ以降の収斂光束中に配置した構造となっているため、顕微鏡全体をコンパクトにすることができ、かつ、透過像および反射像の劣化の少ない顕微鏡を構成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る波長分離素子および顕微鏡について図１から図７を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る顕微鏡の光路の一部を示した図である。また、顕微鏡全体の構成を図６に示す。図１に示すように、本発明の実施形態においては、従来、対物レンズ４と、結像レンズ６との間の平行光束中に設けられていた波長分離素子１２を結像レンズ６以降の収斂光束中に配置する構造となっている。したがって、本発明の実施形態においては、収斂光束中のスペースを有効に利用して、対物レンズ４と結像レンズ６との距離を短くすることにより、顕微鏡全体をコンパクトにすることができる。
【００２０】
しかし、収斂光束中に波長分離素子１２を配置した場合には、収差の影響で透過光および反射光の像が劣化するという問題がある。すなわち、平行光束中に、例えば、平行平面板の一方の面にダイクロイック膜を形成したような波長分離素子を配置しても、平行平面板の厚みによる透過光の収差は問題にならない。また、ダイクロイック膜は、多層膜であるため、これによって生ずる応力の影響で、平行平面板が変形し、これによって、反射光に収差が生ずるという問題もあるが、これについても平行平面板の厚みを増せば解消することができる。
【００２１】
ところが、収斂光束中に、上記のような平行平面板で構成される波長分離素子を配置する場合には、単に、平行平面板の厚みを増すだけでは、反射光の収差による像の劣化には対応できても、平行平面板の厚みに起因する透過光の収差による像の劣化に対応することができない。こうした問題に対応するため、本発明においては、以下のような構造上の特徴を有する波長分離素子を提案している。
【００２２】
本発明の第１の実施形態について、図２および図３を用いて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る波長分離素子は、図２に示すように、第１の三角プリズム１３ａと、ダイクロイック膜を設けた第２の三角プリズム１３ｂと、間隔部材１４とから構成されている。三角プリズムは、三角柱の形状をした光を屈折させる光学素子であり、本実施形態においては、ダイクロイック膜によって生ずる応力による膜面の変形を抑制する構造的な効果と、光の屈折作用の両面から、この三角プリズムを採用している。
【００２３】
また、図２に示すように、本実施形態における波長分離素子１２は、第１の三角プリズム１３ａとダイクロイック膜を設けた第２の三角プリズム１３ｂとが第２の三角プリズム１３ｂのダイクロイック膜を有する面を挟んで対向して配置され、その間に間隔部材１４を設けた構造になっている。また、第２の三角プリズム１３ｂに形成されたダイクロイック膜は、入射光束に対し、これよりも大きな有効径をもって形成されている。
【００２４】
間隔部材１４は、第１の三角プリズム１３ａと第２の三角プリズム１３ｂとの間に、空気層を設けるための部材であって、その形状は、図３（ａ）に示すように、第２の三角プリズム１３ａに形成されたダイクロイック膜を除いた部分を４点で指示するような立方体、直方体あるいは円柱形状の部材でもよいし、図３（ｂ）に示すように、ダイクロイック膜が形成された面と同形状の外形を有し、かつ、透過光束の有効径に対応する部分に開口部を設けたような構造であってもよい。なお、間隔部材１４は、第１の三角プリズム１３ａと第２の三角プリズム１３ｂとに、接着によって固定されている。
【００２５】
本実施形態に係る波長分離素子１２に入射した収斂光束は、第２の三角プリズム１３ｂを伝播し、その波長に応じてダイクロイック膜において一部が透過し、一部が反射される。透過した光は、ダイクロイック膜および空気層を伝播して第１の三角プリズム１３ａに入射し、そこで屈折された後、さらに、第１の三角プリズム１３ａ内を伝播して結像レンズ６に至る。
【００２６】
なお、間隔部材１３によって、第１の三角プリズム１３ａと第２の三角プリズム１３ｂとの間に、空気層を設けたのは、鋭い分光特性を有する波長分離素子１２を得るためである。ただし、空気層の厚みをあまり厚くしてしまうと、透過光が三角プリズムによって屈折されるために収差が発生する可能性がある。したがって、この空気層の厚みは、所望の分光特性を期待でき、かつ、透過光に収差を発生させない範囲であることが必要であり、その範囲としては間隔部材１４の厚みをＴ1としたときに、０．１ｍｍ＜Ｔ1＜１ｍｍを満足する必要がある。
【００２７】
本実施形態によれば、三角柱の形状をした２つの三角プリズムの対向する面に、ダイクロイック膜を形成したことから、ダイクロイック膜の生ずる応力による膜面の変形を抑制することができる。また、２つの三角プリズムの対向する面の間に所定の厚みを有する間隔部材を配置することにより、この間に空気層を設けたことから、透過光に収差の発生しない、鋭い分光特性を有する波長分離素子を構成することができる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態について、図４および図５を用いて説明する。
本発明の第２の実施形態に係る波長分離素子は、図４（ａ）に示すように、ダイクロイック膜を設けた平行平面板１５と、保持部材１６と、押圧部材１７とから構成されている。本実施形態においては、ダイクロイック膜が厚さの薄い平行平面板１５上に形成されているため、ダイクロイック膜の生ずる応力により、平行平面板１５が変形して、膜面が歪んでしまう。そこで、押圧部材１７の作用によって、平行平面板１５を保持部材１６に押し付けることによって、平行平面板の変形を機械的に抑制するような構造になっている。
【００２９】
ダイクロイック膜を設けた平行平面板１５は、その厚みが厚くなると透過光に収差が発生し、透過像が劣化する。一方で、その厚みを薄くすると、ダイクロイック膜の生ずる応力により、平行平面板１５が変形して、膜面が歪んでしまう。そのため、本実施形態においては、透過光に透過像の劣化につながる収差が発生せず、かつ、ダイクロイック膜の生ずる応力により、平行平面板１５が変形しても、保持部材１６および押圧部材１７により、平行平面板１４の変形を機械的に矯正することができる範囲であることが必要であり、その範囲としては平行平面板１５の厚みをＴ２としたときに、０．５ｍｍ＜Ｔ２＜１ｍｍを満足する必要がある。
【００３０】
また、保持部材１６は、図４（ｂ）に示すように、その一面が平行平面板１５のダイクロイック膜が設けられた面と反対側の面に接し、透過光の光束に対応したダイクロイック膜の有効径よりも大きな開口部が透過光の伝播方向に設けられた構造となっている。押圧部材１６は、図４（ｃ）に示すように、平行平面板１５の厚みに対応した曲げを有する構造となっており、一方が平行平面板１５のダイクロイック膜が設けられた面と接し、もう一方が保持部材１６にネジで固定される構造となっている。また、押圧部材１７の曲げ部分が平行平面板１５の端面に接し、平行平面板１５のダイクロイック膜が設けられた面と接する押圧部材１７の面の大きさも十分に大きい。したがって、図５（ａ）に示す圧縮応力や図５（ｂ）に示す引張応力に対しても、これを機械的に抑制する効果が期待できる。
【００３１】
本実施形態によれば、ダイクロイック膜を形成した平行平面板の変形を機械的に矯正する保持部材と押圧部材とを備えたことから、透過光に透過像の劣化につながる収差が発生せず、かつ、ダイクロイック膜の生ずる応力により、平行平面板が変形しても、保持部材および押圧部材により、平行平面板の変形を矯正することができる。
【００３２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明の実施形態においては、間隔部材の材質を特定しなかったが、厚み精度を管理できるものであれば、金属やガラスあるいは薄膜等であってもよい。
【００３３】
また、保持部材についても、平面度を管理でき、ある程度の強度を維持できるものであれば、金属であってもプラスチックであってもよい。さらに、押圧部材についても、ある程度の弾性があれば、板バネであっても、緩衝材と金属部材あるいはプラスチック部材の組み合わせでもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、従来、対物レンズと結像レンズの間の平行光束中に配置されていた波長分離素子を、結像レンズ以降の収斂光束中に配置することとしたため、顕微鏡全体をコンパクトにできるという効果がある。
【００３５】
また、波長分離素子がダイクロイック膜を形成した三角プリズムとダイクロイック膜を形成した面と対向し、間隔部材により形成された空気層を介して配置されたもう一方の三角プリズムとで構成され、かつ、間隔部材の厚みを所定の範囲としたことから、所望の分光特性を期待でき、かつ、透過光に収差を発生させない波長分離素子を構成することができるという効果がある。
【００３６】
また、波長分離素子がダイクロイック膜を形成した平行平面板と平行平面板の変形を機械的に抑制する保持部材および押圧部材により構成され、かつ、平行平面板の厚みを所定の範囲としたことから、ダイクロイック膜の生ずる応力により、平行平面板が変形しても、保持部材および押圧部材により、平行平面板の変形を機械的に矯正することができ、透過光に透過像の劣化につながる収差を発生させない波長分離素子を構成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る波長分離素子の構造図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る間隔部材の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る波長分離素子の構造図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る波長分離素子の押圧方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る顕微鏡の構成図である。
【図７】従来例に係る構成図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ・・・光源、２・・・照明光学系、３・・・第１のダイクロイックミラー、４・・・対物レンズ、５・・・第２のダイクロイックミラー、６・・・結像レンズ、７・・・第１の撮像装置、８・・・第２の撮像装置、９・・・ミラー、１０・・・コンデンサー、１１・・・試料、１２・・・波長分離素子、１３ａ、１３ｂ・・・三角プリズム、１４・・・間隔部材、１５・・・平行平面板、１６・・・保持部材、１７・・・押圧部材、

Claims

顕微鏡の光路中に形成される収斂光束中に配置され、入射光を波長により反射光と透過光とに分別する波長分離素子であって、該波長分離素子が２色性光学部材を備えるとともに、該２色性光学部材が該部材を透過する光と該部材において反射する光の各々の波面が略等しくなるように構成されている波長分離素子。
前記波長分離素子は第１の三角プリズムと、ダイクロイック膜を設けた第２の三角プリズムと、間隔部材とを有し、前記第１の三角プリズムと前記第２の三角プリズムは前記ダイクロイック膜を有する面を挟んで対向して配置されるとともに、第１の三角プリズムと前記第２の三角プリズムの間に前記間隔部材が配置され、前記間隔部材の厚みをＴ1とするとき、以下の条件を満足する請求項１記載に記載された波長分離素子。
０．１ｍｍ＜Ｔ1＜１ｍｍ
前記波長分離素子は、ダイクロイック膜を設けた平行平面板と、保持部材と、押圧部材とを有し、前記保持部材のうち一面が前記平行平面板のダイクロイック膜が設けられた面と反対側の面に接するとともに、前記ダイクロイック膜が設けられた面に前記押圧部材が接し、前記平行平面板の厚みをＴ2とするとき、以下の条件を満足する請求項１に記載された波長分離素子。
０．５ｍｍ＜Ｔ２＜１ｍｍ
光源と、該光源から射出される発散光を平行光とする照明光学系と、該平行光を偏向し、試料からの反射光を透過するダイクロイックミラーと、該ダイクロイックミラーからの入射光を波長により反射光と透過光とに分別する請求項１から３のいずれかに記載された波長分離素子とを有する顕微鏡。