JP2004317704A - ３次元共焦点顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】光軸方向の走査手段に機械的振動の発生がなく、しかも高速に光軸方向の走査ができる３次元共焦点顕微鏡を実現する。
【解決手段】光学顕微鏡に共焦点スキャナが取付けられ、この共焦点スキャナにより試料の像を共焦点画像として取得することができるように構成された共焦点顕微鏡において、可動部のない表面張力制御型の可変焦点レンズを顕微鏡のフィールドレンズとして用いる。
【選択図】 図１
【解決手段】光学顕微鏡に共焦点スキャナが取付けられ、この共焦点スキャナにより試料の像を共焦点画像として取得することができるように構成された共焦点顕微鏡において、可動部のない表面張力制御型の可変焦点レンズを顕微鏡のフィールドレンズとして用いる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡に関し、特に観測対象の３次元形状を観察するための３次元共焦点顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡は、ピンホールを用いて空間分解能を高めるニポウディスク方式を採用することにより、光（レーザ光）を微小なピンポイントに絞って観測対象の試料に照射し、その試料からの余分な散乱光やボケを排除して、３次元空間中の１点を正確に計測することができるように構成されている（この種の共焦点顕微鏡としては、例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このような３次元共焦点顕微鏡は、試料を超薄切片にすることなく断層（スライス）画像が得られ、スライス画像データから正確な３次元立体像を構築できるため、生物およびバイオテクノロジーの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察、あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察などに使用される。
【０００４】
図３は、このような従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。共焦点スキャナ２は、光学顕微鏡（以下単に顕微鏡という）３のカメラポート（図示せず）に取り付けられ、顕微鏡３とアクチュエータ（例えばピエゾアクチュエータ）４および対物レンズ５を経由して試料（図示せず）の共焦点画像を得る。その画像はカメラ（例えばビデオレートカメラ）１で撮像される。
【０００５】
ビデオレートカメラ１は撮像した画像をビデオ信号１０として共焦点スキャナ２および画像処理装置６に出力する。画像処理装置６は、ビデオ信号１０を画像データに変換して記憶する。他方、共焦点スキャナ２は、ビデオ信号１０に同期して、内部のニポウディスク（図示せず）の回転同期制御を行う。
【０００６】
アクチュエータ４はコントローラ７から出力される走査用制御信号１１により駆動され、対物レンズ５を光軸方向に走査する。対物レンズ５の焦点面が光軸方向に走査されることにより、試料断面の連続した共焦点スライス像が得られる。
なお、対物レンズ５の光軸方向への走査には、アクチュエータに代えてＺ軸モータを使用することもできる。
【０００７】
図４は、アクチュエータ４の伸縮に伴う焦点面の移動の様子を示す模式図である。同図（ａ）はアクチュエータを伸ばした場合、同図（Ｂ）はアクチュエータを縮めた場合である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−７２１０２号公報（第２頁、第４図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の共焦点顕微鏡では、アクチュエータやモータなどのように可動部分を有する可動手段を使用するため、必然的に機械的な振動が発生し、その振動が観測に影響を及ぼすという欠点があった。
例えば、振動の周波数成分と顕微鏡本体の固有振動数が一致すると、共振を起し、試料面が不安定になって観測できなくなる。
また、従来の共焦点顕微鏡では、可動手段の可動速度が低く、対物レンズの焦点面の走査速度が数Ｈｚ程度と低いため、高速走査の３次元共焦点レーザ顕微鏡を実現できないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、光軸方向の走査手段に機械的振動の発生がなく、しかも高速に光軸方向の走査ができる３次元共焦点顕微鏡を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本願の請求項１に係る発明では、
光学顕微鏡に共焦点スキャナが取付けられ、この共焦点スキャナにより試料の像を共焦点画像として取得することができるように構成された共焦点顕微鏡であって、
可動部のない表面張力制御型の可変焦点レンズを顕微鏡のフィールドレンズとして用いたことを特徴とする。
【００１２】
このように表面張力制御型の可変焦点レンズを用いることにより、機械的振動が発生せず、光軸方向へ高速に走査のできる３次元共焦点顕微鏡を容易に実現することができる。
【００１３】
この場合、請求項２のように、前記表面張力制御型の可変焦点レンズの焦点距離の切替えと前記共焦点スキャナの走査とは同期関係をもって行われるようにする。
これにより、スキャナの走査中には可変焦点レンズの焦点距離が切替わらないように防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る３次元共焦点顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。図１において、図３と同等部分には同一符号を付してあり、異なるところは、アクチュエータとコントローラに代えて表面張力制御型の可変焦点レンズ１０と駆動回路２０を用いた点である。この表面張力型の可変焦点レンズ（以下単に可変焦点レンズと略す）１０はフィールドレンズとして使用する。
【００１５】
図２に、可変焦点レンズ１０の一例であるＶＡＲＩＯＰＴＩＣ社製の可変焦点レンズの原理的構成図（断面図）を示す。この可変焦点レンズは、ガラスあるいはプラスチックでなる透明な板１１と１２、電気的に接続された第１の電極１３ａと１３ｂ、支持台１４ａと１４ｂ、および支持台１４ａと１４ｂにそれぞれ埋設され互いに電気的に接続された第２の電極１５ａと１５ｂの各構成要素により形成されている。
【００１６】
板１１，１２と、第１の電極１３ａ，１３ｂ、および支持台１４ａ，１４ｂのこれら構成要素により密封状に囲まれた箱内には、互いに混ざり合わない第１の液体（例えば油）１６と第２の液体（例えば水）１７が充填されている。
第１の電極１３ａと第２の電極１５ａの間には駆動回路２０から出力される電圧Ｖ（パルス幅信号）が印加される。
【００１７】
第１の液体１６と支持台１４ａ（１４ｂ）との接触角θはその印加電圧Ｖに対応する。したがって、印加電圧Ｖを変化させることにより、接触角θ換言すればこの可変焦点レンズの焦点距離ｆを変化させることができる。
このような可変焦点レンズは、焦点距離ｆを切替えるとき、可動部がないため機械的振動がなく、また高速（例えば５０Ｈｚ）に切替えることができ、ヒステリシスもないという特徴がある。
【００１８】
さて、再び図１に戻って説明する。駆動回路２０より可変焦点レンズ１０に電圧を印加して同図（ａ）に示すように可変焦点レンズ１０の焦点距離をｆ１にしたとき、それに対応して像面位置はｂ１となる。この状態で共焦点スキャナ２を走査すれば、その像面位置ｂ１における１枚の共焦点スライス像を得ることができる。その像はカメラ１で撮像できる。
なお、共焦点スキャナ２では断面スライス像を通常１００枚／秒の割合で得ることができる。
【００１９】
次に、駆動回路２０により印加電圧Ｖを切替えて、同図（ｂ）に示すように可変焦点レンズ１０の焦点距離をｆ２に変えたときは、それに対応して像面位置ｂ２における１枚の共焦点スライス像を得ることができる。
したがって、可変焦点レンズの焦点距離を連続的に変化させると、異なる像面位置の断面共焦点スライス像を連続的に得ることができ、試料の３次元情報を観測することができる。
【００２０】
なお、共焦点スキャナ２の走査と駆動回路２０の印加電圧の切替えのタイミングとは同期関係をもって行われ、スキャナの走査途中に可変焦点レンズ１０の焦点距離が切替わることがないように制御されている。
【００２１】
また、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、可動部の無い表面張力制御型の可変焦点レンズをフィールドレンズとして用いることにより顕微鏡の焦点面を軸方向に高速に（数十Ｈｚで）走査することができ、機械的振動の影響を受けない高速の３次元画像を得ることのできる共焦点顕微鏡を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元共焦点顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。
【図２】可変焦点レンズの一例を示す原理的構成図（断面図）である。
【図３】従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。
【図４】アクチュエータの伸縮に伴う焦点面の移動の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１ カメラ
２ 共焦点スキャナ
３ 顕微鏡
５ 対物レンズ
８ 試料
１０ 可変焦点レンズ
２０ 駆動回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡に関し、特に観測対象の３次元形状を観察するための３次元共焦点顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡は、ピンホールを用いて空間分解能を高めるニポウディスク方式を採用することにより、光（レーザ光）を微小なピンポイントに絞って観測対象の試料に照射し、その試料からの余分な散乱光やボケを排除して、３次元空間中の１点を正確に計測することができるように構成されている（この種の共焦点顕微鏡としては、例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このような３次元共焦点顕微鏡は、試料を超薄切片にすることなく断層（スライス）画像が得られ、スライス画像データから正確な３次元立体像を構築できるため、生物およびバイオテクノロジーの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察、あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察などに使用される。
【０００４】
図３は、このような従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。共焦点スキャナ２は、光学顕微鏡（以下単に顕微鏡という）３のカメラポート（図示せず）に取り付けられ、顕微鏡３とアクチュエータ（例えばピエゾアクチュエータ）４および対物レンズ５を経由して試料（図示せず）の共焦点画像を得る。その画像はカメラ（例えばビデオレートカメラ）１で撮像される。
【０００５】
ビデオレートカメラ１は撮像した画像をビデオ信号１０として共焦点スキャナ２および画像処理装置６に出力する。画像処理装置６は、ビデオ信号１０を画像データに変換して記憶する。他方、共焦点スキャナ２は、ビデオ信号１０に同期して、内部のニポウディスク（図示せず）の回転同期制御を行う。
【０００６】
アクチュエータ４はコントローラ７から出力される走査用制御信号１１により駆動され、対物レンズ５を光軸方向に走査する。対物レンズ５の焦点面が光軸方向に走査されることにより、試料断面の連続した共焦点スライス像が得られる。
なお、対物レンズ５の光軸方向への走査には、アクチュエータに代えてＺ軸モータを使用することもできる。
【０００７】
図４は、アクチュエータ４の伸縮に伴う焦点面の移動の様子を示す模式図である。同図（ａ）はアクチュエータを伸ばした場合、同図（Ｂ）はアクチュエータを縮めた場合である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−７２１０２号公報（第２頁、第４図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の共焦点顕微鏡では、アクチュエータやモータなどのように可動部分を有する可動手段を使用するため、必然的に機械的な振動が発生し、その振動が観測に影響を及ぼすという欠点があった。
例えば、振動の周波数成分と顕微鏡本体の固有振動数が一致すると、共振を起し、試料面が不安定になって観測できなくなる。
また、従来の共焦点顕微鏡では、可動手段の可動速度が低く、対物レンズの焦点面の走査速度が数Ｈｚ程度と低いため、高速走査の３次元共焦点レーザ顕微鏡を実現できないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、光軸方向の走査手段に機械的振動の発生がなく、しかも高速に光軸方向の走査ができる３次元共焦点顕微鏡を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本願の請求項１に係る発明では、
光学顕微鏡に共焦点スキャナが取付けられ、この共焦点スキャナにより試料の像を共焦点画像として取得することができるように構成された共焦点顕微鏡であって、
可動部のない表面張力制御型の可変焦点レンズを顕微鏡のフィールドレンズとして用いたことを特徴とする。
【００１２】
このように表面張力制御型の可変焦点レンズを用いることにより、機械的振動が発生せず、光軸方向へ高速に走査のできる３次元共焦点顕微鏡を容易に実現することができる。
【００１３】
この場合、請求項２のように、前記表面張力制御型の可変焦点レンズの焦点距離の切替えと前記共焦点スキャナの走査とは同期関係をもって行われるようにする。
これにより、スキャナの走査中には可変焦点レンズの焦点距離が切替わらないように防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る３次元共焦点顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。図１において、図３と同等部分には同一符号を付してあり、異なるところは、アクチュエータとコントローラに代えて表面張力制御型の可変焦点レンズ１０と駆動回路２０を用いた点である。この表面張力型の可変焦点レンズ（以下単に可変焦点レンズと略す）１０はフィールドレンズとして使用する。
【００１５】
図２に、可変焦点レンズ１０の一例であるＶＡＲＩＯＰＴＩＣ社製の可変焦点レンズの原理的構成図（断面図）を示す。この可変焦点レンズは、ガラスあるいはプラスチックでなる透明な板１１と１２、電気的に接続された第１の電極１３ａと１３ｂ、支持台１４ａと１４ｂ、および支持台１４ａと１４ｂにそれぞれ埋設され互いに電気的に接続された第２の電極１５ａと１５ｂの各構成要素により形成されている。
【００１６】
板１１，１２と、第１の電極１３ａ，１３ｂ、および支持台１４ａ，１４ｂのこれら構成要素により密封状に囲まれた箱内には、互いに混ざり合わない第１の液体（例えば油）１６と第２の液体（例えば水）１７が充填されている。
第１の電極１３ａと第２の電極１５ａの間には駆動回路２０から出力される電圧Ｖ（パルス幅信号）が印加される。
【００１７】
第１の液体１６と支持台１４ａ（１４ｂ）との接触角θはその印加電圧Ｖに対応する。したがって、印加電圧Ｖを変化させることにより、接触角θ換言すればこの可変焦点レンズの焦点距離ｆを変化させることができる。
このような可変焦点レンズは、焦点距離ｆを切替えるとき、可動部がないため機械的振動がなく、また高速（例えば５０Ｈｚ）に切替えることができ、ヒステリシスもないという特徴がある。
【００１８】
さて、再び図１に戻って説明する。駆動回路２０より可変焦点レンズ１０に電圧を印加して同図（ａ）に示すように可変焦点レンズ１０の焦点距離をｆ１にしたとき、それに対応して像面位置はｂ１となる。この状態で共焦点スキャナ２を走査すれば、その像面位置ｂ１における１枚の共焦点スライス像を得ることができる。その像はカメラ１で撮像できる。
なお、共焦点スキャナ２では断面スライス像を通常１００枚／秒の割合で得ることができる。
【００１９】
次に、駆動回路２０により印加電圧Ｖを切替えて、同図（ｂ）に示すように可変焦点レンズ１０の焦点距離をｆ２に変えたときは、それに対応して像面位置ｂ２における１枚の共焦点スライス像を得ることができる。
したがって、可変焦点レンズの焦点距離を連続的に変化させると、異なる像面位置の断面共焦点スライス像を連続的に得ることができ、試料の３次元情報を観測することができる。
【００２０】
なお、共焦点スキャナ２の走査と駆動回路２０の印加電圧の切替えのタイミングとは同期関係をもって行われ、スキャナの走査途中に可変焦点レンズ１０の焦点距離が切替わることがないように制御されている。
【００２１】
また、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、可動部の無い表面張力制御型の可変焦点レンズをフィールドレンズとして用いることにより顕微鏡の焦点面を軸方向に高速に（数十Ｈｚで）走査することができ、機械的振動の影響を受けない高速の３次元画像を得ることのできる共焦点顕微鏡を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元共焦点顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。
【図２】可変焦点レンズの一例を示す原理的構成図（断面図）である。
【図３】従来の共焦点顕微鏡のブロック図である。
【図４】アクチュエータの伸縮に伴う焦点面の移動の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１ カメラ
２ 共焦点スキャナ
３ 顕微鏡
５ 対物レンズ
８ 試料
１０ 可変焦点レンズ
２０ 駆動回路
Claims (2)
- 光学顕微鏡に共焦点スキャナが取付けられ、この共焦点スキャナにより試料の像を共焦点画像として取得することができるように構成された共焦点顕微鏡であって、
可動部のない表面張力制御型の可変焦点レンズを顕微鏡のフィールドレンズとして用いたことを特徴とする３次元共焦点顕微鏡。 - 前記表面張力制御型の可変焦点レンズの焦点距離の切替えと前記共焦点スキャナの走査とは同期関係をもって行われるように構成したことを特徴とする請求項１記載の３次元共焦点顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003109934A JP2004317704A (ja) | 2003-04-15 | 2003-04-15 | ３次元共焦点顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003109934A JP2004317704A (ja) | 2003-04-15 | 2003-04-15 | ３次元共焦点顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004317704A true JP2004317704A (ja) | 2004-11-11 |
Family
ID=33470928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003109934A Pending JP2004317704A (ja) | 2003-04-15 | 2003-04-15 | ３次元共焦点顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004317704A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007121863A1 (de) * | 2006-04-20 | 2007-11-01 | Carl Zeiss Mikrolmaging Gmbh | Laser-scanning-mikroskop und laser-scanning-mikroskopierverfahren |
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| US8670178B2 (en) | 2009-12-08 | 2014-03-11 | Spectral Applied Research Inc. | Imaging distal end of multimode fiber |
| CN106019550A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-10-12 | 上海交通大学 | 用于高速显微扫描的动态对焦装置及对焦跟踪方法 |
| JP2017501441A (ja) * | 2013-11-27 | 2017-01-12 | カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハーＣａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｇｍｂｈ | 光学顕微鏡および顕微鏡使用法 |
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| CN109716197A (zh) * | 2016-08-10 | 2019-05-03 | 科磊股份有限公司 | 自动化三维测量 |
| CN110108688A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-08-09 | 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司 | 一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构 |
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-
2003
- 2003-04-15 JP JP2003109934A patent/JP2004317704A/ja active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US9134519B2 (en) | 2008-12-09 | 2015-09-15 | Spectral Applied Reseach Inc. | Multi-mode fiber optically coupling a radiation source module to a multi-focal confocal microscope |
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| US10634888B2 (en) | 2013-11-27 | 2020-04-28 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E. V. | Light microscope with inner focusing objective and microscopy method for examining a plurality of microscopic objects |
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| US10422983B2 (en) | 2013-11-27 | 2019-09-24 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E. V. | Light microscope with inner focusing objective and microscopy method for examining a plurality of microscopic objects |
| JP2021006927A (ja) * | 2013-11-27 | 2021-01-21 | カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハーＣａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｇｍｂｈ | 光学顕微鏡および顕微鏡使用法 |
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| US10775598B2 (en) | 2015-08-26 | 2020-09-15 | Olympus Corporation | Scanning microscope |
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| CN106019550B (zh) * | 2016-07-12 | 2019-05-24 | 上海交通大学 | 用于高速显微扫描的动态对焦装置及对焦跟踪方法 |
| CN106019550A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-10-12 | 上海交通大学 | 用于高速显微扫描的动态对焦装置及对焦跟踪方法 |
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| CN110108688A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-08-09 | 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司 | 一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构 |
| CN110108688B (zh) * | 2019-05-14 | 2024-02-02 | 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司 | 一种用于共聚焦显微镜三维成像的控制机构 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20051006 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20081030 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090908 |