JP2005010516A - 顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】対物レンズと試料の距離を変えることなく焦点移動を簡単に行なうことができる顕微鏡を提供する。
【解決手段】光源２１から発せられる一定の波長域の光を対物レンズ２７を通して試料２８に照射し、試料２８から発せられる光を観察する顕微鏡であって、光源２１と対物レンズ２７との間の光路に、対物レンズ２７の焦点を移動させるように波面を変換する複数の焦点移動レンズを回転板５に設けた焦点移動手段４を配置し、回転板５を回転させることで、所望する焦点移動レンズを光路上に位置させる。
【選択図】 図３
【解決手段】光源２１から発せられる一定の波長域の光を対物レンズ２７を通して試料２８に照射し、試料２８から発せられる光を観察する顕微鏡であって、光源２１と対物レンズ２７との間の光路に、対物レンズ２７の焦点を移動させるように波面を変換する複数の焦点移動レンズを回転板５に設けた焦点移動手段４を配置し、回転板５を回転させることで、所望する焦点移動レンズを光路上に位置させる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料を拡大して観察する顕微鏡に係り、特に、試料の３次元形状の観察を可能にした共焦点顕微鏡に代表される顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料の３次元構造の観察を可能にした顕微鏡として、共焦点顕微鏡が用いられている。
【０００３】
図５は、このような共焦点顕微鏡の概略構成を示すもので、レーザ光源１０１から出射される励起光としてのレーザ光の光路上にダイクロックミラー１０２が配置されている。ダイクロックミラー１０２は、蛍光を励起するレーザの波長を反射し、蛍光波長は透過するようになっている。
【０００４】
ダイクロックミラー１０２の反射光路上には、ＸＹ走査を行う２つのガルバノミラー１０３、瞳リレーレンズ１０４、対物レンズ１０５を介して試料１０６が配置されている。試料１０６は、ステージ１０７の上に配置されている。
【０００５】
ダイクロックミラー１０２の試料１０６に対する透過光路上には、集光レンズ１０８、ピンホール１０９を介して、試料１０６からの蛍光を光電変換するための光検出器１１０が配置されている。この光検出器１１０には、コンピュータ（ＰＣ）１１１が接続されている。
【０００６】
このような構成において、レーザ光源１０１からレーザ光が発せられると、レーザ光は、ダイクロックミラー１０２で反射される。この反射されたレーザ光は、２つのガルバノミラー１０３で反射され、瞳リレーレンズ１０４を介して対物レンズ１０５に入射する。この場合、瞳リレーレンズ１０４は、ガルバノミラー１０３の位置が対物レンズ１０５の瞳面と共役になるような光学配置にしており、これにより、ガルバノミラー１０３の角度を振ることで、対物レンズ１０５の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査するようになる。対物レンズ１０５に入射したレーザ光が、対物レンズ１０５の焦点近傍に配置された試料１０６に入射すると、試料１０６では入射した励起光により蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ１０５、瞳リレーレンズ１０４、ガルバノミラー１０３を介してダイクロックミラー１０２に達し、蛍光である長い波長が透過して集光レンズ１０８でピンホール１０９に収束される。ピンホール１０９は対物レンズ１０５の焦点と光学的に共役であるので、試料１０６からの蛍光のうち合焦の成分はピンホール１０９を通過するが、非合焦の成分は広がってしまうため、ほとんどピンホール１０９を透過できない。ピンホール１０９を透過した、焦点のあっている成分は、光検出器１１０に入力されて光電変換され、ＰＣ１１１でＡ／Ｄ変換された後、ＰＣ１１１の不図示のメモリに記憶される。
【０００７】
このようにして、ガルバノミラー１０３を互いに垂直な方向に振動すると、光軸と垂直な面をＸＹ平面とすれば、一方を高速のＸ軸、もう一方を低速のＹ軸の走査を行なうことでＸＹ面の２次元画像を得ることができる。
【０００８】
一方、試料１０６の３次元構造を観察するには、ステージ１０７により試料１０６を対物レンズ１０５に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動させ、対物レンズ１０５の焦点を試料１０６に対して相対的に少量ずつ移動させながら、上述のＸＹ走査を繰り返し行うようにする。つまり、このような共焦点顕微鏡では、試料１０６のＺ軸方向の観察を行うために、対物レンズ１０５の焦点位置をずらそうとすると、試料１０６と対物レンズ１０５の相対距離を変化させる必要がある。
【０００９】
このため、上述したようにステージ１０７を使って試料１０６を移動させる方法や、その他の方法として、対物レンズ１０５を含む光学系をＺ軸方向に動かすこととなる。
【００１０】
しかし、このようにしてステージ１０７または対物レンズ１０５を移動させるには、両者ともかなりの重量があるため高速で、しかも高精度に動かすことが難しい。また、試料１０６として生物試料の観察の場合、対物レンズ１０５と試料１０６の間に水を介在させた水浸観察等があるが、特に、生物試料が生きた細胞の水浸観察では、ステージ１０７または対物レンズ１０５を高速にＺ軸方向に移動させると試料１０６が動いてしまい試料観察に支障がでることがある。
【００１１】
そこで、従来、対物レンズ１０５と試料１０６の相対距離を変化させずに、対物レンズ１０５の焦点位置をＺ軸方向に移動させる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、対物レンズと試料との間に焦点位置変化手段として平行平板の光学ガラス板を配置し、このガラス板を厚さの異なったものに高速で切換えることで焦点位置を変化させる方法や、特許文献２に開示されるように、光学系として、２枚の弾性透明膜の間に透明な液体を満たした可変焦点レンズを構成し、弾性透明膜の周囲に圧電素子で圧力を加えて焦点を変化させることで、焦点位置を変化させる方法が考えられている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−５０４６号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開２０００−３１６１２０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来の焦点移動方法には、次のような欠点がある。
【００１５】
顕微鏡に用いられる対物レンズは、高倍率になるほど焦点距離が短くなる。このため、対物レンズと試料との間の距離は、倍率が６０倍や１００倍になると、数百μｍ程度しかない。このため、特許文献１のように対物レンズと試料との間に、平行平板のガラス板を配置し、さらに、このガラス板を高速で切換えるのは、極めて難しく、実用的でない。また、高倍率の対物レンズは、分解能をよくするために、ＮＡ（開口数）が非常に大きく０．９以上であるため、平行平板のガラス板で焦点距離を変えようとすると、収差が変化して観察像の解像度が著しく悪化してしまう。また、対物レンズと試料の間に液体を介在させた液浸観察の場合は、対物レンズと試料の間に液体が介在するため、この間にガラス板を配置するのは極めて難しくなる。
【００１６】
また、可変焦点レンズを使用した方法でも、対物レンズのＮＡが大きい場合は、可変焦点レンズで焦点位置を変えようとすると、焦点の位置によって収差が変化してしまい、観察像の解像度が著しく悪化してしまう。また、可変焦点レンズそのものが高価であり、このため装置全体が高価になるという問題もある。
【００１７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、対物レンズと試料の距離を変えることなく焦点移動を簡単に行なうことができる顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光源から発せられる一定の波長域の光を対物レンズを通して試料に照射し、試料から発せられる光を観察する顕微鏡において、前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段とを具備したことを特徴としている。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記焦点移動手段は、前記対物レンズの瞳面と共役の面に配置されることを特徴としている。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記切換え手段は、周縁部に沿って前記焦点移動素子を複数配置した円板状の回転板を有し、該回転板を回転させて前記焦点移動素子を選択的に光路上に位置させることを特徴としている。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記焦点移動素子は、１枚以上の光学レンズから構成されることを特徴としている。
【００２２】
請求項５記載の発明は、光源と、前記光源からの光を試料上に集光させる対物レンズと、前記光を前記試料上で２次元走査する走査手段と、前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段と、前記試料上の集光位置から発する光を共焦点観察する共焦点観察手段とを具備したことを特徴としている。
【００２３】
この結果、本発明によれば、対物レンズと試料の距離を変えることなく対物レンズの焦点移動を簡単に行なうことができる。
【００２４】
また、本発明によれば、焦点移動手段は、光源と対物レンズとの間の光路に配置できるので、対物レンズの焦点移動を高速で行なうことができ、しかも、高倍率でＮＡの大きな対物レンズに対して収差が変化することもなく、解像度の劣化を防止できる。
【００２５】
さらに、本発明によれば、試料として生きた細胞を液浸観察するような場合も、対物レンズと試料の間に液体が介在していても、対物レンズの焦点を移動させることで試料が動いてしまうことがなくなり、正確な試料観察を行なうことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態が適用される蛍光共焦点顕微鏡の概略構成を示している。図において、１はレーザ光源で、このレーザ光源１は、励起光として一定の波長域のレーザ光を発生するものである。このレーザ光の光路上には、ビームエキスパンダ２、ダイクロックミラー３が配置されている。ダイクロックミラー３は、蛍光を励起するレーザ光の波長を反射し、蛍光波長を透過するような特性を有している。
【００２８】
ダイクロックミラー３の反射光路上には、焦点移動手段４、第１の瞳リレーレンズ７、走査手段としてのガルバノミラーユニット８、第２の瞳リレーレンズ９および対物レンズ１０が配置されている。また、対物レンズ１０の焦点近傍には、試料１１が配置されている。
【００２９】
焦点移動手段４は、図２に示すように切換え手段として円板状の回転板５の周縁部に円周方向に沿って１個の空穴４ａと複数（図示例では９個）の焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊが設けられている。ここでの空穴４ａは、レンズが無い状態であり、本来の対物レンズ１０の焦点位置を使う場合に用いられる。また、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊは、対物レンズ１０の焦点をそれぞれ異なった距離にするように波面変換するのに用いられ、このうちの焦点移動レンズ４ｂは、対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．１μｍだけ移動させるように波面を平面から球面に変換するもので、同様に焦点移動レンズ４ｃ、４ｄ、…は、それぞれ対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．２μｍ、０．３μｍ、…だけ移動させるように波面を平面から球面に変換するものである。これら焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…は、対物レンズ１０の設計と移動させる焦点距離の量などによって条件が異なるため、個々に光線追跡、波面のシミュレーションなどの数値計算を用いて設計されている。
【００３０】
なお、これらの焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊは、それぞれ１枚の光学レンズで構成してもよいが、実際は、色収差を取るため２〜３枚の光学レンズで構成されている。
【００３１】
図１に戻って、回転板５は、モータ６の回転軸６ａ上に取り付けられている。
モータ６は、モータドライバ１６により駆動され、回転軸６ａを介して回転板５を回転させて空穴４ａ、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を選択的に光路上に位置させるようにしている。
【００３２】
第２の瞳リレーレンズ９は、ガルバノミラーユニット８の位置を対物レンズ１０の瞳面に共役になるような光学配置とするためのものである。また、第１の瞳リレーレンズ７は、第２の瞳リレーレンズ９で投影された瞳をもう一度リレーして、焦点移動手段４の位置を対物レンズ１０の瞳面に共役になるような光学配置とするためのものである。ここで、焦点移動手段４の位置を対物レンズ１０の瞳面と共役になるように光学配置しているのは、各焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊより対物レンズ１０の瞳面に球面波を入射させた時の対物レンズ１０での焦点の移動量を求める計算が比較的簡単にできるからである。このことから、焦点移動手段４は、必ずしも対物レンズ１０の瞳面と共役になる位置に配置しなくともよい。
【００３３】
ガルバノミラーユニット８は、直交する２方向に光を偏向するための２枚のガルバノミラー８ａ、８ｂを有するもので、これらのガルバノミラー８ａ、８ｂにより光を２次元方向に偏向するようになっている。これにより、ガルバノミラーユニット８のガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ることで、対物レンズ１０の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査するようにしている。
【００３４】
一方、ダイクロックミラー３の試料１１に対する透過光路上には、共焦点観察手段として、レンズ１２、ピンホール１３を介して、ホトマルチプライヤー（ＰＭＴ）１４が配置されている。ピンホール１３は、対物レンズ１０の焦点と光学的に共役な位置に配置され、試料１１からの蛍光のうち合焦の成分を通過し、非合焦の成分を遮断して高い空間分解能を与えるためのものである。ＰＭＴ１４は、ピンホール１３を透過した焦点のあっている蛍光の成分を受光し、光電変換により電気信号に変換するものである。
【００３５】
ＰＭＴ１４には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１５に接続されている。ＰＣ１５は、ＰＭＴ１４からの出力をＡ／Ｄ変換し、不図示のメモリに記憶するようにしている。また、ＰＣ１５には、モータドライバ１６が接続されている。モータドライバ１６は、ＰＣ１５からの指令によりモータ６を駆動して回転板５の回転を制御するようになっている。
【００３６】
次に、このように構成した実施の形態の作用について説明する。
【００３７】
いま、レーザ光源１からレーザ光が発せられると、レーザ光は、ビームエキスパンダ２を通って、ダイクロックミラー３で反射される。この反射したレーザー光は、焦点移動手段４に入射する。
【００３８】
ここで、焦点移動手段４において、仮に、回転板５上の焦点移動レンズ４ｂが光路上に位置されているものとすると、レーザ光は、焦点移動レンズ４ｂを透過することで、対物レンズ１０の焦点がずれるように平行光からわずかに波面が曲面に変換される。
【００３９】
そして、第１の瞳リレーレンズ７を透過し、２つのガルバノミラー８ａ、８ｂで反射され、第２の瞳リレーレンズ９を介して対物レンズ１０に入射する。この場合、第２の瞳リレーレンズ９は、ガルバノミラーユニット８の位置が対物レンズ１０の瞳面と共役にするような光学配置であり、第１の瞳リレーレンズ７は、第２の瞳リレーレンズ９で投影された瞳をもう一度リレーし、焦点移動レンズ４ｂの位置が対物レンズ１０の瞳面と共役になるような光学配置となっている。
【００４０】
これにより、ガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ることで、対物レンズ１０の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でのレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査される。対物レンズ１０に入射したレーザ光は、対物レンズ１０の焦点近傍に配置された試料１１に励起光として入射する。
この場合、対物レンズ１０の焦点位置は、焦点移動レンズ４ｂにより試料１１の方向に０．１μｍだけ移動したところになる。
【００４１】
試料１１では、入射した励起光により蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ１０、第２瞳リレーレンズ９、ガルバノミラーユニット８、第１の瞳リレーレンズ７を介して焦点移動レンズ４ｂで平行光となって、ダイクロックミラー３に達し、蛍光である長い波長が透過し、レンズ１２を介してピンホール１３に収束される。
【００４２】
ピンホール１３は、対物レンズ１０の焦点と光学的に共役である。これにより、試料１１からの蛍光のうち合焦の成分はピンホールを通過するが、非合焦の成分は広がってしまうため、ほとんどピンホール１３を透過できない。ピンホール１３を透過した焦点のあっている成分は、ＰＭＴ１４で受光され、光電変換されたのち、ＰＣ１５に入力され、Ａ／Ｄ変換されて不図示のメモリに記憶される。
【００４３】
このようにして、ガルバノミラー８ａ、８ｂを互いに垂直な方向に振動させ、このとき一方を高速なＸ軸、もう一方を低速なＹ軸の走査を行なわせることにより、ＸＹ面の２次元画像を取得することができる。
【００４４】
次に、試料１１の３次元構造を観察する場合を説明する。
【００４５】
この場合、始めにＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、回転板５上のレンズが無い空穴４ａを光路上に位置させる。そして、この状態から、上述したガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行なうことにより、１枚の２次元画像を取得する。この状態は、回転板５上にレンズが無い状態であり、本来の対物レンズ１０の焦点位置での２次元画像が取得される。
【００４６】
次に、ＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、焦点移動レンズ４ｂを光軸上に位置させる。この状態で、レーザ光が焦点移動レンズ４ｂを透過すると、対物レンズ１０の焦点が試料１１の方向に０．１μｍだけ移動するように、波面が平面から曲面に変換される。
【００４７】
そして、上述したガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行なうことにより、対物レンズ１０の焦点が試料１１の方向に０．１μｍだけずれた位置での２次元画像を取得する。
【００４８】
以下、同様にして、ＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、焦点移動レンズ４ｃ、４ｄ、…を順番に光軸上に位置させ、対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．１μｍずつ移動させながら、それぞれの焦点位置で、ガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行い、２次元画像を取得する。
【００４９】
これにより、これら対物レンズ１０の異なる焦点位置から取得された２次元画像から３次元画像を構成することができる。
【００５０】
従って、このようにすれば、対物レンズ１０の瞳面と光学的に共役な面に対物レンズ１０の焦点を移動させるように波面を変換する複数の焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を有する回転板５を具備した焦点移動手段４を配置し、回転板５を回転させて、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を光軸上に順次位置させることで、対物レンズ１０の異なる焦点位置を設定できるようにしたので、対物レンズ１０と試料１１の距離を変えることなく対物レンズ１０の焦点移動を簡単に行なうことができる。
【００５１】
また、焦点移動手段４は、レーザ光源１と対物レンズ１０との間の光路に配置できるので、従来の対物レンズと試料との間に極めて狭い空間に平行平板の光学ガラス板を配置したものと比べ、対物レンズ１０の焦点移動を高速で行なうことができ、しかも、高倍率でＮＡの大きな対物レンズに対して収差が変化することもなく、観察像の解像度の劣化を防止できる。
【００５２】
さらに、焦点移動手段４は、対物レンズ１０の焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を選択的に切換えるようにしているので、従来の可変焦点レンズを使用したものと比べても、対物レンズのＮＡが大きい場合に焦点位置によって収差が変化してしまうことがなく、観察像の解像度の劣化を防止できる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００５４】
図３は、本発明の第２の実施の形態が適用される顕微鏡の概略構成を示すものである。図において、２１は光源で、この光源２１は、一定の波長域の光を発するものである。この光源２１から発せられる光の光路上には、第１のレンズ２２、第２のレンズ２３およびハーフミラー２４が配置されている。第１のレンズ２２は、光源２１からの光を平行光に変換するコレクタレンズの役目をしている。
第２のレンズ２３は、後述する焦点移動手段２５の位置に光源２１の像を投影するためのものである。
【００５５】
ハーフミラー２４の反射光路上には、焦点移動手段２５、瞳リレーレンズ２６および対物レンズ２７が配置されている。また、対物レンズ２７の焦点近傍には、試料２８が配置されている。
【００５６】
いま、光源２１から光が発せられると、この光は、第１のレンズ２２と第２のレンズ２３を透過し、ハーフミラー２４で反射される。反射した光は、第２のレンズ２３により、焦点移動手段２５の位置に光源２１の像を投影する。
【００５７】
ここで、焦点移動手段２５において、仮に、回転板５上の焦点移動レンズ４ｂが光路上に位置されているものとすると、焦点移動レンズ４ｂを透過した光は、対物レンズ２７の焦点がずれるようにわずかに波面が曲面に変換される。
【００５８】
焦点移動手段２５を透過した光は、瞳リレーレンズ２６を介して対物レンズ２７の瞳面に光源像を投影する。対物レンズ２７は、この光源２１から光で試料２８面を照明する。この場合、対物レンズ２７の焦点位置は、焦点移動レンズ４ｂにより試料２８の方向に０．１μｍだけ移動したところになる。
【００５９】
試料２８で反射した光は、図示破線に沿って対物レンズ２７、瞳リレーレンズ２６、焦点移動手段２５を通り、ハーフミラー２４を透過してチューブレンズ３２を通り接眼レンズ３３に入射し、試料像が目視される。
【００６０】
次に、対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に設定し、それぞれの焦点位置で試料２８の観察を行なう場合を説明する。
【００６１】
この場合、始めに、モータコントローラ３１からモータドライバ３０に指令を出してモータ２９により回転板５を回転し、回転板５上のレンズが無い空穴４ａを光路上に位置させる。この状態で、光源２１からの光が空穴４ａを通過し、瞳リレーレンズ２６、対物レンズ２７を透過して試料２８を照明することで、試料２８の像が観察される。つまり、この状態は、回転板５上にレンズが無い場合で、本来の対物レンズ２７の焦点位置の像が観察されることになる。
【００６２】
次に、モータコントローラ３１からモータドライバ３０に指令を出してモータ２９により回転板５を回転し、例えば、焦点移動レンズ４ｂを光軸上に位置させる。この状態で、光源２１からの光が焦点移動レンズ４ｂを透過すると、対物レンズ２７の焦点が試料２８の方向に０．１μｍだけ移動するように、波面が平面から曲面に変換される。この焦点移動レンズ４ｂを透過した光は、瞳リレーレンズ２６、対物レンズ２７を透過して試料２８を照明する。これにより、対物レンズ２７の焦点が試料２８の方向に０．１μｍだけずれた位置の試料像が観察される。
【００６３】
以下、同様にして、モータコントローラ３１からの指令により、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊを選択的に光軸上に位置させることにより、対物レンズ２７の焦点を試料２８の方向に適宜ずらすことができ、つまり対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に設定することができ、それぞれの焦点位置の試料２８の像の観察を行なうことができる。
【００６４】
従って、このようにしても、対物レンズ２７と試料２８の距離を動かすことなく、対物レンズ２７の焦点を試料２８の方向に移動させることができるので、つまり、対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に簡単に設定することができるので、試料２８上のＸＹ面は勿論、上下方向（Ｚ方向）の所望する場所も容易に観察することができる。
【００６５】
また、試料２８として生きた細胞を液浸観察するような場合も、対物レンズ２７と試料２８の間に液体が介在していても、対物レンズ２７の焦点を移動させることで試料２８が動いてしまうことがなくなり、正確な試料観察を行なうことができる。
【００６６】
その他、第１の実施の形態で述べたと同様な効果も期待できる。
【００６７】
なお、上述した第１の実施の形態では、蛍光共焦点顕微鏡の例を述べたが、例えば、ダイクロックミラー３を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に変更し、このＰＢＳと試料１１との間の光路中にλ／４板を介在させるようにすれば、半導体や金属試料を観察する反射観察にも使用できる。また、第１の実施の形態では、ＸＹ走査をするガルバノミラー８ａ、８ｂを１個所に纏めて配置する構成としたが、２つのガルバノミラー８ａ、８ａの間に瞳リレー光学系を配置すれば、ガルバノミラーユニット８の位置を正確に瞳面と共役になるので、収差をさらに減少させることができる。
【００６８】
また、上述した第２の実施の形態では、ハーフミラー２４を用いているが、これをダイクロックミラーに代え、光源２１との間に励起フィルタを介在させ、同時に、ダイクロックミラーと接眼レンズ３３との間にバリアフィルターを介在させれば蛍光観察を行なうことができる。
【００６９】
さらに、上述した第２の実施の形態では、接眼レンズ３３を通して目視観察を行なうようにしたが、これに代えて、ＣＣＤで撮像した像の観察も可能である。
【００７０】
さらに、上述した焦点移動手段に用いられる回転板５は、図４に示すように内側円周方向に沿って１個の空穴４１ａと複数（図示例では７個）の焦点移動レンズ４１ｂ、４１ｃ、…４１ｈを配置するとともに、外側円周方向に沿って、１個の空穴４２ａと複数（図示例では９個）の焦点移動レンズ４２ｂ、４２ｃ、…４２ｊを配置して、２種類の対物レンズに対して切り替えて使用できるようにすることもできる。
【００７１】
さらに、回転板５に代えて直線方向に複数の焦点移動レンズを配置した板状部材を直線方向に移動可能に配置し、この板状部材の移動により所望する焦点移動レンズを光路上に選択的に配置させるような構成としてもよい。
【００７２】
さらに、焦点移動レンズに代えて液晶による焦点移動手段を用いることも可能である。
【００７３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００７４】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。
例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、対物レンズと試料の距離を変えることなく焦点移動を簡単に行なうことができる顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に用いられる焦点移動手段の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図４】焦点移動手段の変形例の概略構成を示す図。
【図５】従来の顕微鏡の一例として共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…レーザ光源、２…ビームエキスパンダ
３…ダイクロックミラー、４…焦点移動手段
４ａ…空穴、４ｂ、４ｃ、…４ｊ…焦点移動レンズ
５…回転板、６…モータ
６ａ…回転軸、７…第１の瞳リレーレンズ
８…ガルバノミラーユニット、８ａ．８ｂ…ガルバノミラー
９…第２の瞳リレーレンズ、１０…対物レンズ
１１…試料、１２…レンズ、１３…ピンホール
１４…ＰＭＴ、１５…ＰＣ、１６…モータドライバ
２１…光源、２２…第１のレンズ、２３…第２のレンズ
２４…ハーフミラー、２５…焦点移動手段
２６…瞳リレーレンズ、２７…対物レンズ
２８…試料、２９…モータ、２９ａ…回転軸
３０…モータドライバ、３１…モータコントローラ
３２…チューブレンズ、３３…接眼レンズ、４１ａ、４２ａ…空穴、
４１ｂ．４１ｃ…４１ｈ、４２ｂ．４２ｃ…４２ｊ…焦点移動レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料を拡大して観察する顕微鏡に係り、特に、試料の３次元形状の観察を可能にした共焦点顕微鏡に代表される顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料の３次元構造の観察を可能にした顕微鏡として、共焦点顕微鏡が用いられている。
【０００３】
図５は、このような共焦点顕微鏡の概略構成を示すもので、レーザ光源１０１から出射される励起光としてのレーザ光の光路上にダイクロックミラー１０２が配置されている。ダイクロックミラー１０２は、蛍光を励起するレーザの波長を反射し、蛍光波長は透過するようになっている。
【０００４】
ダイクロックミラー１０２の反射光路上には、ＸＹ走査を行う２つのガルバノミラー１０３、瞳リレーレンズ１０４、対物レンズ１０５を介して試料１０６が配置されている。試料１０６は、ステージ１０７の上に配置されている。
【０００５】
ダイクロックミラー１０２の試料１０６に対する透過光路上には、集光レンズ１０８、ピンホール１０９を介して、試料１０６からの蛍光を光電変換するための光検出器１１０が配置されている。この光検出器１１０には、コンピュータ（ＰＣ）１１１が接続されている。
【０００６】
このような構成において、レーザ光源１０１からレーザ光が発せられると、レーザ光は、ダイクロックミラー１０２で反射される。この反射されたレーザ光は、２つのガルバノミラー１０３で反射され、瞳リレーレンズ１０４を介して対物レンズ１０５に入射する。この場合、瞳リレーレンズ１０４は、ガルバノミラー１０３の位置が対物レンズ１０５の瞳面と共役になるような光学配置にしており、これにより、ガルバノミラー１０３の角度を振ることで、対物レンズ１０５の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査するようになる。対物レンズ１０５に入射したレーザ光が、対物レンズ１０５の焦点近傍に配置された試料１０６に入射すると、試料１０６では入射した励起光により蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ１０５、瞳リレーレンズ１０４、ガルバノミラー１０３を介してダイクロックミラー１０２に達し、蛍光である長い波長が透過して集光レンズ１０８でピンホール１０９に収束される。ピンホール１０９は対物レンズ１０５の焦点と光学的に共役であるので、試料１０６からの蛍光のうち合焦の成分はピンホール１０９を通過するが、非合焦の成分は広がってしまうため、ほとんどピンホール１０９を透過できない。ピンホール１０９を透過した、焦点のあっている成分は、光検出器１１０に入力されて光電変換され、ＰＣ１１１でＡ／Ｄ変換された後、ＰＣ１１１の不図示のメモリに記憶される。
【０００７】
このようにして、ガルバノミラー１０３を互いに垂直な方向に振動すると、光軸と垂直な面をＸＹ平面とすれば、一方を高速のＸ軸、もう一方を低速のＹ軸の走査を行なうことでＸＹ面の２次元画像を得ることができる。
【０００８】
一方、試料１０６の３次元構造を観察するには、ステージ１０７により試料１０６を対物レンズ１０５に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動させ、対物レンズ１０５の焦点を試料１０６に対して相対的に少量ずつ移動させながら、上述のＸＹ走査を繰り返し行うようにする。つまり、このような共焦点顕微鏡では、試料１０６のＺ軸方向の観察を行うために、対物レンズ１０５の焦点位置をずらそうとすると、試料１０６と対物レンズ１０５の相対距離を変化させる必要がある。
【０００９】
このため、上述したようにステージ１０７を使って試料１０６を移動させる方法や、その他の方法として、対物レンズ１０５を含む光学系をＺ軸方向に動かすこととなる。
【００１０】
しかし、このようにしてステージ１０７または対物レンズ１０５を移動させるには、両者ともかなりの重量があるため高速で、しかも高精度に動かすことが難しい。また、試料１０６として生物試料の観察の場合、対物レンズ１０５と試料１０６の間に水を介在させた水浸観察等があるが、特に、生物試料が生きた細胞の水浸観察では、ステージ１０７または対物レンズ１０５を高速にＺ軸方向に移動させると試料１０６が動いてしまい試料観察に支障がでることがある。
【００１１】
そこで、従来、対物レンズ１０５と試料１０６の相対距離を変化させずに、対物レンズ１０５の焦点位置をＺ軸方向に移動させる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、対物レンズと試料との間に焦点位置変化手段として平行平板の光学ガラス板を配置し、このガラス板を厚さの異なったものに高速で切換えることで焦点位置を変化させる方法や、特許文献２に開示されるように、光学系として、２枚の弾性透明膜の間に透明な液体を満たした可変焦点レンズを構成し、弾性透明膜の周囲に圧電素子で圧力を加えて焦点を変化させることで、焦点位置を変化させる方法が考えられている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−５０４６号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開２０００−３１６１２０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来の焦点移動方法には、次のような欠点がある。
【００１５】
顕微鏡に用いられる対物レンズは、高倍率になるほど焦点距離が短くなる。このため、対物レンズと試料との間の距離は、倍率が６０倍や１００倍になると、数百μｍ程度しかない。このため、特許文献１のように対物レンズと試料との間に、平行平板のガラス板を配置し、さらに、このガラス板を高速で切換えるのは、極めて難しく、実用的でない。また、高倍率の対物レンズは、分解能をよくするために、ＮＡ（開口数）が非常に大きく０．９以上であるため、平行平板のガラス板で焦点距離を変えようとすると、収差が変化して観察像の解像度が著しく悪化してしまう。また、対物レンズと試料の間に液体を介在させた液浸観察の場合は、対物レンズと試料の間に液体が介在するため、この間にガラス板を配置するのは極めて難しくなる。
【００１６】
また、可変焦点レンズを使用した方法でも、対物レンズのＮＡが大きい場合は、可変焦点レンズで焦点位置を変えようとすると、焦点の位置によって収差が変化してしまい、観察像の解像度が著しく悪化してしまう。また、可変焦点レンズそのものが高価であり、このため装置全体が高価になるという問題もある。
【００１７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、対物レンズと試料の距離を変えることなく焦点移動を簡単に行なうことができる顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光源から発せられる一定の波長域の光を対物レンズを通して試料に照射し、試料から発せられる光を観察する顕微鏡において、前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段とを具備したことを特徴としている。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記焦点移動手段は、前記対物レンズの瞳面と共役の面に配置されることを特徴としている。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記切換え手段は、周縁部に沿って前記焦点移動素子を複数配置した円板状の回転板を有し、該回転板を回転させて前記焦点移動素子を選択的に光路上に位置させることを特徴としている。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記焦点移動素子は、１枚以上の光学レンズから構成されることを特徴としている。
【００２２】
請求項５記載の発明は、光源と、前記光源からの光を試料上に集光させる対物レンズと、前記光を前記試料上で２次元走査する走査手段と、前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段と、前記試料上の集光位置から発する光を共焦点観察する共焦点観察手段とを具備したことを特徴としている。
【００２３】
この結果、本発明によれば、対物レンズと試料の距離を変えることなく対物レンズの焦点移動を簡単に行なうことができる。
【００２４】
また、本発明によれば、焦点移動手段は、光源と対物レンズとの間の光路に配置できるので、対物レンズの焦点移動を高速で行なうことができ、しかも、高倍率でＮＡの大きな対物レンズに対して収差が変化することもなく、解像度の劣化を防止できる。
【００２５】
さらに、本発明によれば、試料として生きた細胞を液浸観察するような場合も、対物レンズと試料の間に液体が介在していても、対物レンズの焦点を移動させることで試料が動いてしまうことがなくなり、正確な試料観察を行なうことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態が適用される蛍光共焦点顕微鏡の概略構成を示している。図において、１はレーザ光源で、このレーザ光源１は、励起光として一定の波長域のレーザ光を発生するものである。このレーザ光の光路上には、ビームエキスパンダ２、ダイクロックミラー３が配置されている。ダイクロックミラー３は、蛍光を励起するレーザ光の波長を反射し、蛍光波長を透過するような特性を有している。
【００２８】
ダイクロックミラー３の反射光路上には、焦点移動手段４、第１の瞳リレーレンズ７、走査手段としてのガルバノミラーユニット８、第２の瞳リレーレンズ９および対物レンズ１０が配置されている。また、対物レンズ１０の焦点近傍には、試料１１が配置されている。
【００２９】
焦点移動手段４は、図２に示すように切換え手段として円板状の回転板５の周縁部に円周方向に沿って１個の空穴４ａと複数（図示例では９個）の焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊが設けられている。ここでの空穴４ａは、レンズが無い状態であり、本来の対物レンズ１０の焦点位置を使う場合に用いられる。また、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊは、対物レンズ１０の焦点をそれぞれ異なった距離にするように波面変換するのに用いられ、このうちの焦点移動レンズ４ｂは、対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．１μｍだけ移動させるように波面を平面から球面に変換するもので、同様に焦点移動レンズ４ｃ、４ｄ、…は、それぞれ対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．２μｍ、０．３μｍ、…だけ移動させるように波面を平面から球面に変換するものである。これら焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…は、対物レンズ１０の設計と移動させる焦点距離の量などによって条件が異なるため、個々に光線追跡、波面のシミュレーションなどの数値計算を用いて設計されている。
【００３０】
なお、これらの焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊは、それぞれ１枚の光学レンズで構成してもよいが、実際は、色収差を取るため２〜３枚の光学レンズで構成されている。
【００３１】
図１に戻って、回転板５は、モータ６の回転軸６ａ上に取り付けられている。
モータ６は、モータドライバ１６により駆動され、回転軸６ａを介して回転板５を回転させて空穴４ａ、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を選択的に光路上に位置させるようにしている。
【００３２】
第２の瞳リレーレンズ９は、ガルバノミラーユニット８の位置を対物レンズ１０の瞳面に共役になるような光学配置とするためのものである。また、第１の瞳リレーレンズ７は、第２の瞳リレーレンズ９で投影された瞳をもう一度リレーして、焦点移動手段４の位置を対物レンズ１０の瞳面に共役になるような光学配置とするためのものである。ここで、焦点移動手段４の位置を対物レンズ１０の瞳面と共役になるように光学配置しているのは、各焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊより対物レンズ１０の瞳面に球面波を入射させた時の対物レンズ１０での焦点の移動量を求める計算が比較的簡単にできるからである。このことから、焦点移動手段４は、必ずしも対物レンズ１０の瞳面と共役になる位置に配置しなくともよい。
【００３３】
ガルバノミラーユニット８は、直交する２方向に光を偏向するための２枚のガルバノミラー８ａ、８ｂを有するもので、これらのガルバノミラー８ａ、８ｂにより光を２次元方向に偏向するようになっている。これにより、ガルバノミラーユニット８のガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ることで、対物レンズ１０の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査するようにしている。
【００３４】
一方、ダイクロックミラー３の試料１１に対する透過光路上には、共焦点観察手段として、レンズ１２、ピンホール１３を介して、ホトマルチプライヤー（ＰＭＴ）１４が配置されている。ピンホール１３は、対物レンズ１０の焦点と光学的に共役な位置に配置され、試料１１からの蛍光のうち合焦の成分を通過し、非合焦の成分を遮断して高い空間分解能を与えるためのものである。ＰＭＴ１４は、ピンホール１３を透過した焦点のあっている蛍光の成分を受光し、光電変換により電気信号に変換するものである。
【００３５】
ＰＭＴ１４には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１５に接続されている。ＰＣ１５は、ＰＭＴ１４からの出力をＡ／Ｄ変換し、不図示のメモリに記憶するようにしている。また、ＰＣ１５には、モータドライバ１６が接続されている。モータドライバ１６は、ＰＣ１５からの指令によりモータ６を駆動して回転板５の回転を制御するようになっている。
【００３６】
次に、このように構成した実施の形態の作用について説明する。
【００３７】
いま、レーザ光源１からレーザ光が発せられると、レーザ光は、ビームエキスパンダ２を通って、ダイクロックミラー３で反射される。この反射したレーザー光は、焦点移動手段４に入射する。
【００３８】
ここで、焦点移動手段４において、仮に、回転板５上の焦点移動レンズ４ｂが光路上に位置されているものとすると、レーザ光は、焦点移動レンズ４ｂを透過することで、対物レンズ１０の焦点がずれるように平行光からわずかに波面が曲面に変換される。
【００３９】
そして、第１の瞳リレーレンズ７を透過し、２つのガルバノミラー８ａ、８ｂで反射され、第２の瞳リレーレンズ９を介して対物レンズ１０に入射する。この場合、第２の瞳リレーレンズ９は、ガルバノミラーユニット８の位置が対物レンズ１０の瞳面と共役にするような光学配置であり、第１の瞳リレーレンズ７は、第２の瞳リレーレンズ９で投影された瞳をもう一度リレーし、焦点移動レンズ４ｂの位置が対物レンズ１０の瞳面と共役になるような光学配置となっている。
【００４０】
これにより、ガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ることで、対物レンズ１０の瞳面に入射するレーザ光の入射角が変化し、焦点面でのレーザスポットが光軸に対して垂直な面内で２次元に走査される。対物レンズ１０に入射したレーザ光は、対物レンズ１０の焦点近傍に配置された試料１１に励起光として入射する。
この場合、対物レンズ１０の焦点位置は、焦点移動レンズ４ｂにより試料１１の方向に０．１μｍだけ移動したところになる。
【００４１】
試料１１では、入射した励起光により蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ１０、第２瞳リレーレンズ９、ガルバノミラーユニット８、第１の瞳リレーレンズ７を介して焦点移動レンズ４ｂで平行光となって、ダイクロックミラー３に達し、蛍光である長い波長が透過し、レンズ１２を介してピンホール１３に収束される。
【００４２】
ピンホール１３は、対物レンズ１０の焦点と光学的に共役である。これにより、試料１１からの蛍光のうち合焦の成分はピンホールを通過するが、非合焦の成分は広がってしまうため、ほとんどピンホール１３を透過できない。ピンホール１３を透過した焦点のあっている成分は、ＰＭＴ１４で受光され、光電変換されたのち、ＰＣ１５に入力され、Ａ／Ｄ変換されて不図示のメモリに記憶される。
【００４３】
このようにして、ガルバノミラー８ａ、８ｂを互いに垂直な方向に振動させ、このとき一方を高速なＸ軸、もう一方を低速なＹ軸の走査を行なわせることにより、ＸＹ面の２次元画像を取得することができる。
【００４４】
次に、試料１１の３次元構造を観察する場合を説明する。
【００４５】
この場合、始めにＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、回転板５上のレンズが無い空穴４ａを光路上に位置させる。そして、この状態から、上述したガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行なうことにより、１枚の２次元画像を取得する。この状態は、回転板５上にレンズが無い状態であり、本来の対物レンズ１０の焦点位置での２次元画像が取得される。
【００４６】
次に、ＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、焦点移動レンズ４ｂを光軸上に位置させる。この状態で、レーザ光が焦点移動レンズ４ｂを透過すると、対物レンズ１０の焦点が試料１１の方向に０．１μｍだけ移動するように、波面が平面から曲面に変換される。
【００４７】
そして、上述したガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行なうことにより、対物レンズ１０の焦点が試料１１の方向に０．１μｍだけずれた位置での２次元画像を取得する。
【００４８】
以下、同様にして、ＰＣ１５からモータドライバ１６に指令を出してモータ６により回転板５を回転し、焦点移動レンズ４ｃ、４ｄ、…を順番に光軸上に位置させ、対物レンズ１０の焦点を試料１１の方向に０．１μｍずつ移動させながら、それぞれの焦点位置で、ガルバノミラー８ａ、８ｂの角度を振ってＸＹ走査を行い、２次元画像を取得する。
【００４９】
これにより、これら対物レンズ１０の異なる焦点位置から取得された２次元画像から３次元画像を構成することができる。
【００５０】
従って、このようにすれば、対物レンズ１０の瞳面と光学的に共役な面に対物レンズ１０の焦点を移動させるように波面を変換する複数の焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を有する回転板５を具備した焦点移動手段４を配置し、回転板５を回転させて、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を光軸上に順次位置させることで、対物レンズ１０の異なる焦点位置を設定できるようにしたので、対物レンズ１０と試料１１の距離を変えることなく対物レンズ１０の焦点移動を簡単に行なうことができる。
【００５１】
また、焦点移動手段４は、レーザ光源１と対物レンズ１０との間の光路に配置できるので、従来の対物レンズと試料との間に極めて狭い空間に平行平板の光学ガラス板を配置したものと比べ、対物レンズ１０の焦点移動を高速で行なうことができ、しかも、高倍率でＮＡの大きな対物レンズに対して収差が変化することもなく、観察像の解像度の劣化を防止できる。
【００５２】
さらに、焦点移動手段４は、対物レンズ１０の焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…を選択的に切換えるようにしているので、従来の可変焦点レンズを使用したものと比べても、対物レンズのＮＡが大きい場合に焦点位置によって収差が変化してしまうことがなく、観察像の解像度の劣化を防止できる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００５４】
図３は、本発明の第２の実施の形態が適用される顕微鏡の概略構成を示すものである。図において、２１は光源で、この光源２１は、一定の波長域の光を発するものである。この光源２１から発せられる光の光路上には、第１のレンズ２２、第２のレンズ２３およびハーフミラー２４が配置されている。第１のレンズ２２は、光源２１からの光を平行光に変換するコレクタレンズの役目をしている。
第２のレンズ２３は、後述する焦点移動手段２５の位置に光源２１の像を投影するためのものである。
【００５５】
ハーフミラー２４の反射光路上には、焦点移動手段２５、瞳リレーレンズ２６および対物レンズ２７が配置されている。また、対物レンズ２７の焦点近傍には、試料２８が配置されている。
【００５６】
いま、光源２１から光が発せられると、この光は、第１のレンズ２２と第２のレンズ２３を透過し、ハーフミラー２４で反射される。反射した光は、第２のレンズ２３により、焦点移動手段２５の位置に光源２１の像を投影する。
【００５７】
ここで、焦点移動手段２５において、仮に、回転板５上の焦点移動レンズ４ｂが光路上に位置されているものとすると、焦点移動レンズ４ｂを透過した光は、対物レンズ２７の焦点がずれるようにわずかに波面が曲面に変換される。
【００５８】
焦点移動手段２５を透過した光は、瞳リレーレンズ２６を介して対物レンズ２７の瞳面に光源像を投影する。対物レンズ２７は、この光源２１から光で試料２８面を照明する。この場合、対物レンズ２７の焦点位置は、焦点移動レンズ４ｂにより試料２８の方向に０．１μｍだけ移動したところになる。
【００５９】
試料２８で反射した光は、図示破線に沿って対物レンズ２７、瞳リレーレンズ２６、焦点移動手段２５を通り、ハーフミラー２４を透過してチューブレンズ３２を通り接眼レンズ３３に入射し、試料像が目視される。
【００６０】
次に、対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に設定し、それぞれの焦点位置で試料２８の観察を行なう場合を説明する。
【００６１】
この場合、始めに、モータコントローラ３１からモータドライバ３０に指令を出してモータ２９により回転板５を回転し、回転板５上のレンズが無い空穴４ａを光路上に位置させる。この状態で、光源２１からの光が空穴４ａを通過し、瞳リレーレンズ２６、対物レンズ２７を透過して試料２８を照明することで、試料２８の像が観察される。つまり、この状態は、回転板５上にレンズが無い場合で、本来の対物レンズ２７の焦点位置の像が観察されることになる。
【００６２】
次に、モータコントローラ３１からモータドライバ３０に指令を出してモータ２９により回転板５を回転し、例えば、焦点移動レンズ４ｂを光軸上に位置させる。この状態で、光源２１からの光が焦点移動レンズ４ｂを透過すると、対物レンズ２７の焦点が試料２８の方向に０．１μｍだけ移動するように、波面が平面から曲面に変換される。この焦点移動レンズ４ｂを透過した光は、瞳リレーレンズ２６、対物レンズ２７を透過して試料２８を照明する。これにより、対物レンズ２７の焦点が試料２８の方向に０．１μｍだけずれた位置の試料像が観察される。
【００６３】
以下、同様にして、モータコントローラ３１からの指令により、焦点移動レンズ４ｂ、４ｃ、…４ｊを選択的に光軸上に位置させることにより、対物レンズ２７の焦点を試料２８の方向に適宜ずらすことができ、つまり対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に設定することができ、それぞれの焦点位置の試料２８の像の観察を行なうことができる。
【００６４】
従って、このようにしても、対物レンズ２７と試料２８の距離を動かすことなく、対物レンズ２７の焦点を試料２８の方向に移動させることができるので、つまり、対物レンズ２７の焦点をＺ方向の異なる位置に簡単に設定することができるので、試料２８上のＸＹ面は勿論、上下方向（Ｚ方向）の所望する場所も容易に観察することができる。
【００６５】
また、試料２８として生きた細胞を液浸観察するような場合も、対物レンズ２７と試料２８の間に液体が介在していても、対物レンズ２７の焦点を移動させることで試料２８が動いてしまうことがなくなり、正確な試料観察を行なうことができる。
【００６６】
その他、第１の実施の形態で述べたと同様な効果も期待できる。
【００６７】
なお、上述した第１の実施の形態では、蛍光共焦点顕微鏡の例を述べたが、例えば、ダイクロックミラー３を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に変更し、このＰＢＳと試料１１との間の光路中にλ／４板を介在させるようにすれば、半導体や金属試料を観察する反射観察にも使用できる。また、第１の実施の形態では、ＸＹ走査をするガルバノミラー８ａ、８ｂを１個所に纏めて配置する構成としたが、２つのガルバノミラー８ａ、８ａの間に瞳リレー光学系を配置すれば、ガルバノミラーユニット８の位置を正確に瞳面と共役になるので、収差をさらに減少させることができる。
【００６８】
また、上述した第２の実施の形態では、ハーフミラー２４を用いているが、これをダイクロックミラーに代え、光源２１との間に励起フィルタを介在させ、同時に、ダイクロックミラーと接眼レンズ３３との間にバリアフィルターを介在させれば蛍光観察を行なうことができる。
【００６９】
さらに、上述した第２の実施の形態では、接眼レンズ３３を通して目視観察を行なうようにしたが、これに代えて、ＣＣＤで撮像した像の観察も可能である。
【００７０】
さらに、上述した焦点移動手段に用いられる回転板５は、図４に示すように内側円周方向に沿って１個の空穴４１ａと複数（図示例では７個）の焦点移動レンズ４１ｂ、４１ｃ、…４１ｈを配置するとともに、外側円周方向に沿って、１個の空穴４２ａと複数（図示例では９個）の焦点移動レンズ４２ｂ、４２ｃ、…４２ｊを配置して、２種類の対物レンズに対して切り替えて使用できるようにすることもできる。
【００７１】
さらに、回転板５に代えて直線方向に複数の焦点移動レンズを配置した板状部材を直線方向に移動可能に配置し、この板状部材の移動により所望する焦点移動レンズを光路上に選択的に配置させるような構成としてもよい。
【００７２】
さらに、焦点移動レンズに代えて液晶による焦点移動手段を用いることも可能である。
【００７３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００７４】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。
例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、対物レンズと試料の距離を変えることなく焦点移動を簡単に行なうことができる顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に用いられる焦点移動手段の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図４】焦点移動手段の変形例の概略構成を示す図。
【図５】従来の顕微鏡の一例として共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…レーザ光源、２…ビームエキスパンダ
３…ダイクロックミラー、４…焦点移動手段
４ａ…空穴、４ｂ、４ｃ、…４ｊ…焦点移動レンズ
５…回転板、６…モータ
６ａ…回転軸、７…第１の瞳リレーレンズ
８…ガルバノミラーユニット、８ａ．８ｂ…ガルバノミラー
９…第２の瞳リレーレンズ、１０…対物レンズ
１１…試料、１２…レンズ、１３…ピンホール
１４…ＰＭＴ、１５…ＰＣ、１６…モータドライバ
２１…光源、２２…第１のレンズ、２３…第２のレンズ
２４…ハーフミラー、２５…焦点移動手段
２６…瞳リレーレンズ、２７…対物レンズ
２８…試料、２９…モータ、２９ａ…回転軸
３０…モータドライバ、３１…モータコントローラ
３２…チューブレンズ、３３…接眼レンズ、４１ａ、４２ａ…空穴、
４１ｂ．４１ｃ…４１ｈ、４２ｂ．４２ｃ…４２ｊ…焦点移動レンズ
Claims (5)
- 光源から発せられる一定の波長域の光を対物レンズを通して試料に照射し、試料から発せられる光を観察する顕微鏡において、
前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、
前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段とを具備したことを特徴とする顕微鏡。 - 前記焦点移動手段は、前記対物レンズの瞳面と共役の面に配置されることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
- 前記切換え手段は、周縁部に沿って前記焦点移動素子を複数配置した円板状の回転板を有し、該回転板を回転させて前記焦点移動素子を選択的に光路上に位置させることを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡。
- 前記焦点移動素子は、１枚以上の光学レンズから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の顕微鏡。
- 光源と、
前記光源からの光を試料上に集光させる対物レンズと、
前記光を前記試料上で２次元走査する走査手段と、
前記光源と対物レンズとの間の光路に配置され、且つ前記対物レンズの焦点を移動させるように波面を変換する焦点移動素子を少なくとも１個有する焦点移動手段と、
前記焦点移動手段の焦点移動素子を前記光路上に位置させる切換え手段と、
前記試料上の集光位置から発する光を共焦点観察する共焦点観察手段とを具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡。
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|---|---|---|---|
| JP2003175185A JP2005010516A (ja) | 2003-06-19 | 2003-06-19 | 顕微鏡 |
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2003
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