JP2005091615A - Microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡に関する。特に標本の分光情報が取得可能な顕微鏡に関する。 The present invention relates to a microscope. In particular, the present invention relates to a microscope capable of acquiring spectroscopic information of a specimen.
近年、医学、生命科学の発展に伴って、生体組織、細胞などの微細構造を精密に研究するための顕微鏡が強く求められている。そのため標本の分光情報を取得して観察対象の詳細な分析することができる顕微鏡が種々提案されている。例えば、標本を特定の組織、細胞、タンパク質ごとに蛍光染色して、その蛍光を分光観察することができる顕微鏡などが知られている。
例えば、特許文献1には、試料(標本)上に照明光を照射し、その透過光の光路上にレンズ、分光素子である直視プリズム、および光検出器を光検出器の入射開口と試料とが共役となるように配置するとともに、試料を光軸と直交する方向に走査可能とした分光型走査顕微鏡が記載されている。
また、例えば、特許文献2には、標本上を走査可能なレーザ光源を照明手段とし、標本からの光を集光する位置に共焦点絞りを設け、その後段に分光素子であるグレーティングを設け、分光された光の波長に応じた所定位置にスリットを配置して特定波長の光を検出する光検出器を設けた走査型光学顕微鏡が記載されている。
For example, in
Further, for example, in
しかしながら、上記のような従来の顕微鏡には以下のような問題があった。
特許文献1に記載の技術では、標本と光検出器の入射開口が共役の位置関係にあるので、標本上の1点もしくは微小領域からの光が直視プリズムにより分光され、光検出器に入射する。そのため受光強度が小さくなり、それがさらに分光されるので、S/N比が大きくとれないという問題がある。特に、標本からの光が、もともと光強度が小さい蛍光観察などを行う場合には、きわめて微弱な受光強度となっていた。
一方、標本を劣化させないためには照明光強度には限界があるから、光検出器の受光量をより大きくしようとすれば、分光素子の入射開口を大きくする必要がある。その場合、波長分解能が低下してしまうので、精密な計測ができないという問題がある。
また標本上の全面の分光情報を取得するには、標本を走査しなければならないので、測定に時間がかかるという問題がある。
また特許文献2に記載の走査型顕微鏡は共焦点顕微鏡であるから、特許文献1と同様、標本上の1点もしくは微小領域の光を分光し、共役な位置にある光検出器に導くものであり、受光量が小さく、標本上を走査する必要がある点では特許文献1と同様の問題がある。
However, the conventional microscope as described above has the following problems.
In the technique described in
On the other hand, since there is a limit to the intensity of illumination light in order not to deteriorate the specimen, it is necessary to increase the incident aperture of the spectroscopic element in order to increase the amount of light received by the photodetector. In this case, the wavelength resolution is lowered, and there is a problem that precise measurement cannot be performed.
In addition, in order to acquire spectral information on the entire surface of the specimen, the specimen must be scanned, so that there is a problem that it takes time for measurement.
Further, since the scanning microscope described in
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、標本を走査することなく、標本上の比較的広い領域の分光情報をまとめて取得できる顕微鏡を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a microscope that can collectively acquire spectral information of a relatively wide area on a specimen without scanning the specimen.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明では、光源と、該光源から出射される光により標本を照明する照明光学系と、前記照明された標本からの光を結像する対物レンズと、前記標本からの光を分光する分光光学系とを備えた顕微鏡であって、前記分光光学系の入射開口と前記対物レンズの瞳とを共役とする結像光学系を備える。
この発明によれば、結像光学系により、対物レンズの瞳、すなわち対物レンズの後側焦点面と分光光学系の入射開口とを共役とするので、標本での反射光および標本から発せられた蛍光のうち光軸に平行なものがすべて分光光学系の入射開口に到達する。したがって、標本からの光を、対物レンズの有効径範囲内で分光光学系にまとめて取り込むことができる。
In order to solve the above-described problems, in the invention described in
According to this invention, since the pupil of the objective lens, that is, the rear focal plane of the objective lens and the entrance aperture of the spectroscopic optical system are conjugated by the imaging optical system, the light reflected from the specimen and emitted from the specimen All of the fluorescence parallel to the optical axis reaches the entrance aperture of the spectroscopic optical system. Therefore, the light from the specimen can be collectively taken into the spectroscopic optical system within the effective diameter range of the objective lens.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の顕微鏡において、前記照明光学系が標本上の照明範囲を可変できるように構成される。
この発明によれば、照明範囲を可変することにより、標本や光学系を走査することなく、照明された標本上の領域の光を分光光学系の入射開口に到達させて、分光情報を取得することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the microscope according to the first aspect, the illumination optical system is configured such that the illumination range on the specimen can be varied.
According to the present invention, by changing the illumination range, light in a region on the illuminated specimen reaches the entrance aperture of the spectroscopic optical system without scanning the specimen or the optical system, and spectral information is acquired. be able to.
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載の顕微鏡において、前記結像光学系が前記対物レンズの瞳を縮小投影する光学系である。
この発明によれば、対物レンズの瞳が縮小投影されるので、対物レンズの瞳を通過する光を効率よく集光することができるとともに、分光光学系の入射開口による光量損失を防止することができるので、光利用効率の高い分光観察を行うことができる。
According to a third aspect of the present invention, in the microscope according to the first or second aspect, the imaging optical system is an optical system that projects a reduced pupil of the objective lens.
According to the present invention, since the pupil of the objective lens is reduced and projected, the light passing through the pupil of the objective lens can be efficiently collected, and light quantity loss due to the entrance aperture of the spectroscopic optical system can be prevented. Therefore, it is possible to perform spectroscopic observation with high light utilization efficiency.
本発明の顕微鏡によれば、標本での反射光および標本から発せられた蛍光のうち光軸に平行なものがすべて分光光学系の入射開口に到達するので、標本を走査することなく、標本上の比較的広い領域の分光情報をまとめて取得でき、明るい分光観察を迅速に行うことができるという効果を奏する。 According to the microscope of the present invention, all of the reflected light from the specimen and the fluorescence emitted from the specimen that is parallel to the optical axis reach the entrance aperture of the spectroscopic optical system. Thus, spectral information of a relatively wide area can be acquired collectively, and bright spectral observation can be performed quickly.
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略構成について説明するための構成ブロック図である。図2(a)、(b)は、それぞれ本発明の実施形態に係る顕微鏡に用いることができる分光光学系の構成例を説明するための概略説明図である。
なおこれらは概略図であり、例えば複数のレンズやレンズ群であっても、便宜上、図示では一つの部材として表している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, even if the embodiments are different, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
FIG. 1 is a configuration block diagram for explaining a schematic configuration of a microscope according to an embodiment of the present invention. 2A and 2B are schematic explanatory diagrams for explaining a configuration example of a spectroscopic optical system that can be used in the microscope according to the embodiment of the present invention.
These are schematic views, and for example, even a plurality of lenses and lens groups are represented as one member in the drawing for convenience.
本発明の実施形態に係る顕微鏡1は、図1に示したように、落射型顕微鏡であり、その概略構成は、照明光学系5、対物レンズ6、接眼レンズ15、結像光学系12および分光器14(分光光学系)からなる。
照明光学系5は、例えば水銀ランプなどの光源2と、視野調整を行うための視野絞り3と、視野絞り3を透過した光を対物レンズ6を通して、標本の配置された物体面8上に照明するレンズ4とを備える。レンズ4による照明法は、例えばケーラー照明など周知の照明法を採用することができる。ハーフミラー9は、集光レンズ4から出射された光束を対物レンズ6の光軸上に導くためのものである。
なお図示しないが、照明光学系5は、顕微鏡1の観察用途の必要に応じて、例えばフィルタ素子や偏光板素子など、適宜の光学素子を備えているものである。
As shown in FIG. 1, the
The illumination optical system 5 illuminates the object surface 8 on which the specimen is arranged through the
Although not shown, the illumination optical system 5 includes appropriate optical elements such as a filter element and a polarizing plate element, for example, as required for the observation application of the
本実施形態において、視野絞り3は、例えば対物レンズ6の倍率に応じて開口の大きさを可変できることは当然であるが、光軸中心に照明範囲を可変するために自由に開口の大きさを可変できるものである。
さらに、物体面8に配置された標本上の照明範囲を可変できるように、光軸に対して開口中心を偏心させて配置することができる構成とされている。また、視野絞り3の開口形状も、円形以外の適宜形状に可変できるようにしておいてもよい。
In the present embodiment, the
Further, the aperture center is decentered with respect to the optical axis so that the illumination range on the specimen placed on the object plane 8 can be varied. Further, the aperture shape of the
対物レンズ6は、本実施形態の場合、標本からの光を結像するためのもので、後側焦点面に対物レンズの瞳面7が形成される。対物レンズ6は、例えばターレット方式により複数のレンズを切り替え配置したり、対物レンズ6をズームレンズとしたりして、倍率が可変できる構成とされている。
接眼レンズ15は、対物レンズ6により形成された標本の像を拡大するためのものである。図1において、符号50は瞳を示す。
In the case of this embodiment, the
The
結像光学系12は、ハーフミラー9と接眼レンズ15の間の光路上に設けられた結像レンズ10と、結像レンズ10を透過した光束の一部を光軸外に分岐するハーフミラー13と、ハーフミラー13で分岐された光束の光路上に設けられたレンズ11とからなり、対物レンズの瞳面7と分光器14の入射開口14aとが共役であり、縮小倍に投影されるように配置される。
The imaging
分光器14は、入射光束の分光情報を取得するための光学系である。
分光器14の光学系は、分光観察の目的に応じて周知の種々の分光光学系を採用することができる。ここで、それらの例について簡単に説明する。
図2(a)に示したのは、分光器14が、いわゆるツェルニー・ターナー(Czerny-Turner)型分光器からなる例である。
本例では、光路に沿って、入射開口14a、凹面鏡16、回折格子17、凹面鏡18およびラインセンサ19が配置されている。
入射開口14aを透過した発散光は、凹面鏡16で集光されて略平行光とされ、回折格子17により、入射光の波長に応じた方向に回折される。そして、凹面鏡18によりそれらの光束を結像する。結像面には、各波長光の結像位置における光強度を検出するためのラインセンサ19を配置し、分光強度分布を測定できるようにする。
本例では、検出波長帯の回折効率を落とさない程度に、回折格子17の格子本数を増やしておくことが好ましい。そうすれば分散が大きくなるので、入射開口14aのスリット幅が広くても結像面上の分光成分が混ざりにくくなり、効率よく分光できるという利点がある。
The
As the optical system of the
FIG. 2A shows an example in which the
In this example, an
The divergent light that has passed through the
In this example, it is preferable to increase the number of
図2(b)に示したのは、分光器14が、プリズムを用いた分光器からなる例である。
本例では、光路に沿って、入射開口14a、レンズ20、プリズム21、レンズ22およびラインセンサ19が配置されている。
入射開口14aを透過した発散光は、レンズ20で集光されて略平行光とされ、プリズム21により、入射光の波長に応じた方向に屈折される。そして、レンズ22それらの光束を結像する。結像面には、ラインセンサ19が配置される。
なお、以上の2例では、分光分布測定手段として、ラインセンサ19を用いた例で説明したが、エリアセンサでもよいし、光検出器上をスリットがスキャンするセンサなどを用いてもよい。
FIG. 2B shows an example in which the
In this example, the
The divergent light that has passed through the
In the above two examples, the
本実施形態の顕微鏡1の作用について、その分光観察時の作用を中心に説明する。
照明光学系5により、物体面8上の標本が照明される。その際、視野絞り3を光軸中心の略円形開口とすることにより、対物レンズ6の開口数に応じた範囲内で、標本を全体的に照明することができる。そして、光軸に略平行に射出する標本からの反射光もしくは蛍光が対物レンズ6により、対物レンズの瞳面7の中心付近に集光する。
対物レンズの瞳面7の中心付近を透過した光束は発散しつつハーフミラー9を透過し、結像レンズ10により集光され、ハーフミラー13で一部が光軸外に反射される。そして、レンズ11により入射開口14aの位置に集光する。
ここで、対物レンズの瞳面7と入射開口14aとが共役とされているので、標本の照明範囲の全体にわたる情報が入射開口14aに集光する。また、結像光学系12の倍率は、対物レンズの瞳面7を縮小投影する光学系とされているので、縮小倍率を適宜の値とすることにより、瞳径の範囲の像を入射開口14aの開口幅よりも小さな径に縮小することができる。それにより、対物レンズの瞳全体が入射開口14aに光量損失なく入射される。
入射開口14aに入射した光束は、分光器14により分光分布が計測され、標本の分光情報が取得できる。
The action of the
The specimen on the object plane 8 is illuminated by the illumination optical system 5. At that time, by setting the
The light beam that has passed through the vicinity of the center of the
Here, since the
The spectral distribution of the light beam incident on the
このように、本実施形態の顕微鏡1によれば、対物レンズの瞳面7を通過する光束を全体的に入射開口14aに導くことができるから、光量損失のない効率的な分光観察を行うことができるという利点がある。また、標本を走査することなく、分光器14により標本の像の全体的な分光情報をまとめて取得できるので、迅速に分光情報を取得できるという利点がある。
As described above, according to the
また、顕微鏡1によれば、視野絞り3を縮径して、照明範囲を光軸中心に縮径することもできる。
また、視野絞り3を縮径したり、開口形状を可変したりして、照明範囲を狭めることができ、さらに光軸中心に対して偏心させることにより、標本上の照明範囲の大きさ、位置を可変することができる。例えば、図1における領域Wの範囲に照明範囲を制限することができ、図示したような光路をたどって、標本上の領域Wの反射光のみが入射開口14aに到達する。このようにすれば、標本上の所望の領域の分光情報を取得することができるという利点がある。
例えば、蛍光観察時において、標本の特定領域に蛍光波長が近接する蛍光タンパク質が分布していて肉眼観察では正確な識別ができない場合などに、その特定領域を照明し、精密な分光分布を計測するといったことが可能となる。その際、ノイズとなる他の領域の波長光をあらかじめ排除することができるから、ダイナミックレンジの大きな測定を行うことが可能となるという利点がある。
Further, according to the
In addition, the
For example, during fluorescence observation, when a fluorescent protein with a fluorescent wavelength close to a specific region of a specimen is distributed and cannot be accurately identified with the naked eye, the specific region is illuminated and a precise spectral distribution is measured. It becomes possible. At this time, since the wavelength light in the other region that causes noise can be excluded in advance, there is an advantage that measurement with a large dynamic range can be performed.
なお本実施形態では、顕微鏡1が落射型顕微鏡であるとして説明したが、透過型顕微鏡であっても同様な作用効果を備えることは言うまでもない。図1の照明光学系5に代えて、透過型照明光学系を設けることはきわめて容易である。
また、入射開口14aはスリット状とされるので、分光分解能を確保しつつ光利用効率を向上するには、入射開口14aに入射する光束がスリットに平行な偏平状とすることが好ましい。そのために、結像光学系12において、例えばシリンドリカルレンズなどの光学素子を備えるようにしてもよい。
In the present embodiment, the
In addition, since the
本実施形態の変形例として、照明光学系5を変更した例を挙げることができる。以下、上記の実施形態と異なる点を中心に簡単に説明する。
図3は、本発明の実施形態の第1変形例の顕微鏡の概略構成について説明するための構成ブロック図である。図4は、本発明の実施形態の第2変形例の顕微鏡の概略構成について説明するための構成ブロック図である。
As a modification of the present embodiment, an example in which the illumination optical system 5 is changed can be given. The following briefly describes the differences from the above embodiment.
FIG. 3 is a configuration block diagram for explaining a schematic configuration of a microscope according to a first modification of the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a microscope according to a second modification of the embodiment of the present invention.
本実施形態の第1変形例の顕微鏡100は、レーザ顕微鏡であり、特に2フォトン励起またはマルチフォトン励起(以下、これらを総称して、マルチフォトン励起と略称する。)のレーザ顕微鏡に好適となるものである。図3に示したように、上記の照明光学系5に代えて照明光学系24を備える。
照明光学系24は、レーザ25(光源)、スキャナ26、およびレンズ27、28からなる。
レーザ25は、マルチフォトン励起を行うための光源である。
スキャナ26は、レーザ25のスポットを標本上で走査するための機構で、例えばガルバノミラーなどの光走査素子により構成される。
レンズ27、28は、レーザ25から出射された光束を物体面8上で微小スポット径に結像するとともに、適宜速度で走査するための走査光学系である。
The
The illumination
The
The
The
マルチフォトン励起とは、例えば蛍光分子などを励起するための励起光として、励起光波長のn倍の波長を有する光束を照射する励起方式である。このような長波長の励起光は、蛍光分子に対してn個のフォトンが吸収されることにより、本来の励起波長光のフォトン1個が吸収されたのと同様の光励起を起こすことができる。したがって、標本へのダメージが少ない長波長光を用いて蛍光観察できるという利点があることが知られている。
しかしながら、1フォトン励起では光束の透過域内で多数の光励起が発生するのに対して、nフォトン励起では特定の蛍光分子にn個のフォトンが同時に(極めて短い時間に)吸収される確率がきわめて小さいため、実質的にはエネルギー密度の高い焦点位置のみで光励起が発生する。したがって1フォトン励起に比べて光量が小さく、分光観察する際にS/N比が小さくなってしまうという問題があった。
Multi-photon excitation is an excitation method in which a light beam having a wavelength n times the excitation light wavelength is irradiated as excitation light for exciting fluorescent molecules, for example. Such long-wavelength excitation light can cause photoexcitation similar to that in which one photon of the original excitation wavelength light is absorbed by absorbing n photons with respect to the fluorescent molecule. Therefore, it is known that there is an advantage that fluorescence observation can be performed using long wavelength light with little damage to the specimen.
However, in the case of 1-photon excitation, a large number of photo-excitations occur in the light transmission range, whereas in n-photon excitation, the probability that n photons are absorbed simultaneously (in a very short time) by a specific fluorescent molecule is extremely small. Therefore, photoexcitation occurs substantially only at a focal position with a high energy density. Therefore, there is a problem that the light amount is smaller than that of the one-photon excitation, and the S / N ratio becomes small when performing spectroscopic observation.
ところが、本変形例の顕微鏡100によれば、瞳面を通る光束を入射開口14aの幅内に集光させることができるので、標本からの光が微小であっても、効率的に分光器14に入射させることができ、比較的高いS/N比を得ることができるという利点がある。したがって、顕微鏡100は、2フォトン励起またはマルチフォトン励起用のレーザ顕微鏡としてきわめて好適である。
However, according to the
本実施形態の第2変形例の顕微鏡101は、全反射蛍光観察が可能な顕微鏡であり、図4に示したように、上記の照明光学系5に代えて照明光学系29を備え、対物レンズ6に代えて油浸対物レンズ33(対物レンズ)を備える。
照明光学系29は、カバーガラス8a上に配置された標本8bにカバーガラス8aの側から全反射する照明光を照射し、標本8b側にしみ出すエバネッセント光によりカバーガラス8a面の近傍の標本8bを照明するものである。このような照明光学系は、透過型、落射型のいずれの顕微鏡でも設けることができるが、図4では落射型の構成を示した。
照明光学系29の構成は、周知のエバネッセント照明光学系と同様であり、レーザ25(光源)、レンズ30、視野絞り31、レンズ32および油浸対物レンズ33からなる。
The
The illumination
The configuration of the illumination
レーザ25から照射された光束はレンズ30に偏心して入射され、レンズ30の焦点を通過する平行光束とされる。視野絞り31は、焦点位置を透過する光束の大きさを規制して、照明範囲を規制するためのものである。
視野絞り31を透過した光束は、レンズ32により集光され、ハーフミラー9で反射されて、油浸対物レンズ33に偏心して入射する。ここで、レンズ30、32により、レーザ25の発光点と油浸対物レンズ33の後側焦点面である対物レンズの瞳面7とが共役とされた光学系が構成される。
油浸対物レンズ33は、対物レンズの瞳面7から拡散しながら偏心して入射した光束を平行光束としつつ、光軸中心に斜行させ、カバーガラス8aの内面側で全反射させる光学素子である。符号33aはオイルである。
The light beam emitted from the
The light beam that has passed through the
The oil
このような顕微鏡101によれば、照明光学系29によりエバネッセント照明された標本8bからの光が油浸対物レンズ33により対物レンズの瞳面7上に集光され、結像光学系12に入射して入射開口14aから、分光器14に入射される。
エバネッセント照明は全反射面から数百nm程度の範囲にしみ出すエバネッセント光を用いるので、標本8bからの光はきわめて微弱な光である。そのため、例えば標本の一点もしくは微小領域部分の光量を分光器に導く場合には一層微弱な光となるが、本変形例では、標本全体からの光を分光器14に入射させることができるので、S/N比の高い分光計測を行うことができるという利点がある。
According to such a
Since evanescent illumination uses evanescent light that oozes out to a range of about several hundreds of nanometers from the total reflection surface, the light from the
なお、上記の説明では、効率的な分光観察を行うために、いずれも入射開口14aと対物レンズの瞳面7とが共役となる構成としているが、従来のように標本を走査して分光観察を行うことができるように、結像光学系12のレンズ配置を可変できるようにしておいてもよい。すなわち、レンズ配置を切り替えることにより、入射開口14aが対物レンズの瞳面7と共役になる状態と、物体面8と共役となる状態とを、切り替えられるようにしておいてもよい。その際、入射開口14aの前に共焦点とするためのピンホールスリットを配置することが好ましい。
このように構成すれば、従来の分光観察の機能を併せ持つ顕微鏡とすることができるという利点がある。
In the above description, in order to perform efficient spectroscopic observation, the
If constituted in this way, there is an advantage that it can be set as the microscope which has the function of the conventional spectroscopic observation.
1、100、101 顕微鏡
2 光源
3 視野絞り
5、24、29 照明光学系
6 対物レンズ
7 対物レンズの瞳面
8 物体面
8b 標本
12 結像光学系
14 分光器(分光光学系)
14a 入射開口
15 接眼レンズ
17 回折格子
19 ラインセンサ
21 プリズム
25 レーザ(光源)
26 スキャナ
33 油浸対物レンズ(対物レンズ)
1, 100, 101
26
Claims (3)
前記分光光学系の入射開口と前記対物レンズの瞳とを共役とする結像光学系を備えることを特徴とする顕微鏡。 A light source; an illumination optical system that illuminates the specimen with light emitted from the light source; an objective lens that forms an image of light from the illuminated specimen; and a spectroscopic optical system that separates the light from the specimen A microscope,
A microscope comprising an imaging optical system in which an entrance aperture of the spectroscopic optical system and a pupil of the objective lens are conjugate.
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