JP2005326549A - 光刺激装置および光走査型観察装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 標本に対して光刺激を与える位置を高速に走査させること、および、標本上の特定の位置に光刺激位置を固定することを可能とする。
【解決手段】 光源２と、該光源２からの光を走査する走査部４，５，６と、該走査部４，５，６により走査された光を標本Ａ上に結像させる対物光学系１２とを備え、走査部４，５が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子４，５を備える光刺激装置１を提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】 光源２と、該光源２からの光を走査する走査部４，５，６と、該走査部４，５，６により走査された光を標本Ａ上に結像させる対物光学系１２とを備え、走査部４，５が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子４，５を備える光刺激装置１を提供する。
【選択図】 図１
Description
この発明は、光刺激装置および光走査型観察装置に関するものである。
従来、生物試料等の標本を生きたままの状態(in vivo)拡大観察する光学顕微鏡として、特許文献１に示される光ファイバ顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、レーザ光源から発せられたレーザ光を光ファイバ束の一端面に結像させる第１の対物レンズと、光ファイバ束の他端面に配置された第２の対物レンズとを備え、レーザ光走査器により、レーザ光源からのレーザ光を標本上において２次元的に走査させる構造のものである。
レーザ光走査器としては、ミラー角度を変化させることで、レーザ光の反射方向を変化させるガルバノミラーやポリゴンミラー、レーザ光を通過させるピンホールの位置を変化させることで標本上の光スポットの位置を移動させるディスクスキャン方式等が知られている。
特開２００３−３４４７７７号公報（図１等）
しかしながら、一般に、ガルバノミラーの振動周波数は５００Ｈｚ程度であり、それ以上の高速走査は困難である。また、ガルバノミラーの角度は、検出器によって検出しておく必要があり、装置が大型化するおそれがある。
また、振動周波数を高くしようとすると、光量が低下するため、検出器の感度を高める必要があり、コストが高くつくという問題がある。また、検出器の感度を補うために、照射する光の強度を増加させたのでは、標本にダメージを与えることが考えられ、好ましくない。
また、振動周波数を高くしようとすると、光量が低下するため、検出器の感度を高める必要があり、コストが高くつくという問題がある。また、検出器の感度を補うために、照射する光の強度を増加させたのでは、標本にダメージを与えることが考えられ、好ましくない。
さらに、共振ガルバノミラーのような高速振動するガルバノミラーもあるが、検出器の感度に限界があり、画像取得のために使用するのは実用的ではなく、また、特定の位置に光を停止させておくことができない不都合がある。
また、ポリゴンミラーの場合も同様の不都合が考えられる。
また、ポリゴンミラーの場合も同様の不都合が考えられる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、標本に対して光刺激を与える位置を高速に走査させることができ、かつ、特定の位置に光刺激位置を固定することが可能な光刺激装置および光走査型観察装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源と、該光源からの光を走査する走査部と、該走査部により走査された光を標本上に結像させる対物光学系とを備え、前記走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子を備える光刺激装置を提供する。
本発明は、光源と、該光源からの光を走査する走査部と、該走査部により走査された光を標本上に結像させる対物光学系とを備え、前記走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子を備える光刺激装置を提供する。
本発明によれば、光源から発せられた光が走査部により走査され、対物光学系により標本上に結像される。この場合において、音響光学素子からなる走査部の作動により、入力する振動周波数に応じた回折角度で光源からの光が回折されて出射される。音響光学素子によれば、１×１０６Ｈｚ程度の振動数で光を走査することができ、高速に光刺激位置を移動させることができる。その結果、高速の光刺激に対する標本の反応を観察することが可能となる。また、入力する振動周波数を固定しておくことにより、所望の回折角度に固定して、特定の光刺激位置に光を照射することもできる。
また、上記発明においては、前記走査部が、入力される高周波の周波数に応じて回折角度を一方向に変化させる第１の音響光学素子と、該第１の音響光学素子から発せられた光を、該第１の音響光学素子による回折方向とは交差する方向に回折させる第２の音響光学素子とを備えることが好ましい。
本発明によれば、第１の音響光学素子により一方向に移動させた光刺激位置を、第２の音響光学素子によりこれに交差する方向に移動させることにより、光刺激位置を２次元的に変化させることができる。また、各音響光学素子に入力する振動周波数を連続的に変化させることにより、光刺激位置をそれぞれ交差する方向に連続的に移動させ、２次元的に光を走査させることができる。
また、本発明は、第１の光源と、該第１の光源からの光を走査する第１の走査部と、該第１の走査部により走査された光を標本上に結像させる対物光学系と、該対物光学系および第１の走査部を介して戻る戻り光を検出する光検出器と、第２の光源と、該第２の光源からの光を走査する第２の走査部と、該第２の走査部により走査された光の光軸を前記第１の光源からの光軸に一致させる光軸結合手段とを備え、前記第２の走査部が、入力される高周波の周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子を備える光走査型観察装置を提供する。
本発明によれば、第１の光源から発せられた光が第１の走査部により走査されて、対物光学系により標本上に結像される。標本から発せられた戻り光は、対物光学系および第１の走査部を介して同一光路を戻り、光検出器により検出される。また、第２の光源から発せられた光は第２の走査部により走査され、光軸結合手段によって第１の光源からの光軸と同一の光軸に入射される。そして、第１の光源からの光と同じ対物光学系を通して標本上に走査される。この場合において、第２の走査部が音響光学素子により構成されているので、光刺激が高速に行われ、その結果得られる画像を光検出器により検出することが可能となる。
上記発明においては、前記第２の走査部が、入力される高周波の周波数に応じて回折角度を一方向に変化させる第１の音響光学素子と、該第１の音響光学素子から発せられた光を、該第１の音響光学素子による回折方向とは交差する方向に回折させる第２の音響光学素子とを備えることが好ましい。
このようにすることで、２次元的に高速に光刺激が行われた標本の画像を光検出器ににより検出することが可能となる。
このようにすることで、２次元的に高速に光刺激が行われた標本の画像を光検出器ににより検出することが可能となる。
さに、上記発明においては、前記第１の走査部が、集光ディスクおよびピンホールディスクを回転させるディスク型走査部であることが好ましい。
このようにすることで、ピンホールディスクに設けた多数のピンホールによって、標本上を迅速に走査して、光刺激に対する標本の反応を観察することができる。
このようにすることで、ピンホールディスクに設けた多数のピンホールによって、標本上を迅速に走査して、光刺激に対する標本の反応を観察することができる。
本発明によれば、音響光学素子に加える振動周波数を高速に変化させることにより、光刺激位置を高速に移動させた標本の反応を得ることができる。また、音響光学素子に加える振動周波数を所定の値に固定することにより、特定の光刺激位置に光を照射させ続けることができる。これにより、光刺激位置に光を照射し続けた場合の標本の反応を得ることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る光刺激装置について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る光刺激装置は、図１に示されるように、レーザ光を発するレーザ光源２と、レーザ光を拡大するビームエキスパンダ３と、第１の音響光学素子（ＡＯＤ：Acoust-Optical Device）４と、第２の音響光学素子５と、これら音響光学素子４，５を制御するＡＯＤ制御装置６と、第１の音響光学素子４から発せられた光を所定の光束径に保持するテレスコープレンズ７と、前記第２の音響光学素子５から出射された光の中間像を形成する瞳投影レンズ８と、該瞳投影レンズ８により中間像を形成した光を集光する結像レンズ９と、該結像レンズ９により集光された光を結像させる第１の対物レンズ１０と、該第１の対物レンズ１０による結像位置に一端面を配置する光ファイバ束１１と、該光ファイバ束１１の他端面に配置された第２の対物レンズ１２とを備えている。第２の対物レンズ１２は、光ファイバ束１１により伝播されてきた光を、該第２の対物レンズ１２の先端に対向配置された実験小動物等の標本Ａの観察対象部位に結像させるようになっている。
本実施形態に係る光刺激装置は、図１に示されるように、レーザ光を発するレーザ光源２と、レーザ光を拡大するビームエキスパンダ３と、第１の音響光学素子（ＡＯＤ：Acoust-Optical Device）４と、第２の音響光学素子５と、これら音響光学素子４，５を制御するＡＯＤ制御装置６と、第１の音響光学素子４から発せられた光を所定の光束径に保持するテレスコープレンズ７と、前記第２の音響光学素子５から出射された光の中間像を形成する瞳投影レンズ８と、該瞳投影レンズ８により中間像を形成した光を集光する結像レンズ９と、該結像レンズ９により集光された光を結像させる第１の対物レンズ１０と、該第１の対物レンズ１０による結像位置に一端面を配置する光ファイバ束１１と、該光ファイバ束１１の他端面に配置された第２の対物レンズ１２とを備えている。第２の対物レンズ１２は、光ファイバ束１１により伝播されてきた光を、該第２の対物レンズ１２の先端に対向配置された実験小動物等の標本Ａの観察対象部位に結像させるようになっている。
前記第１の音響光学素子４は、前記ＡＯＤ制御装置６から、内蔵されているピエゾ変換素子（図示略）に電圧が供給されることにより、ピエゾ変換素子を介して結晶（例えば、モリブデン酸鉛等）に高周波振動を加え、結晶を透過する光の回折角度を一方向に、例えば、図１に示す例では、紙面に沿う方向に変化させるようになっている。第１の音響光学素子４からは、入射する光に対してまっすぐに透過する０次光も出射されるが、本実施形態では、この０次光は利用せず、それに隣接する＋１次光を利用するようになっている。
前記第２の音響光学素子５も、ピエゾ変換素子が発生する高周波振動により光の回折角度を一方向に変化させるものであるが、第１の音響光学素子４による回折角度の変化方向に対して交差する方向、例えば、直交する方向に回折角度を変化させるように配置されている。第１の音響光学素子４と同様に、本実施形態では、０次光ではなく、＋１次光を利用するように構成されている。
前記ＡＯＤ制御装置６は、レーザ光源２からのレーザ光を、標本Ａ上において２次元的に走査させたい場合には、第１、第２の音響光学素子４，５に対し、それぞれ、一定の周期で変化する電圧信号を供給するようになっている。また、標本Ａ上において１次元的に走査させたい場合には、いずれか一方の音響光学素子４（５）に入力する電圧信号を固定し、他方の音響光学素子５（４）への電圧信号を一定の周期で変化させるようになっている。さらに、標本Ａ上に入射させるレーザ光の入射位置を固定したい場合には、両音響光学素子４，５に入力する電圧信号を固定するようになっている。この場合に、ピエゾ変換素子が発生する高周波振動の周波数と、それに応じて決定される回折角度との関係から、所望の回折角度を達成するような電圧信号を決定して各音響光学素子４，５に対して出力するようになっている。
また、第１の音響光学素子４により発生した０次光を利用しないようにするために、第２の音響光学素子５は、その入射側の開口部５ａを、０次光が通過することなく＋１次光が通過する位置に配置している。また、その開口部５ａは、ピエゾ変換素子により発生される振動周波数に応じて変化する回折角度範囲にわたる全ての１次光を、第２の音響光学素子５に入射させることができる口径を有している。
このように構成された本実施形態に係る光刺激装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る光刺激装置１によれば、レーザ光源２から発せられたレーザ光は、ビームエキスパンダ３によりその光束径を拡大されて第１の音響光学素子４に入力される。第１の音響光学素子４においては、ＡＯＤ制御装置６から入力される電圧信号に応じた回折角度で＋１次光が出射され、テレスコープレンズ７によって平行光とされて、第２の音響光学素子５に入射される。第２の音響光学素子５においては、第１の音響光学素子４から発せられた＋１次光が入力され、ＡＯＤ制御装置６から入力される電圧信号に応じた回折角度で＋１次光が出射される。
本実施形態に係る光刺激装置１によれば、レーザ光源２から発せられたレーザ光は、ビームエキスパンダ３によりその光束径を拡大されて第１の音響光学素子４に入力される。第１の音響光学素子４においては、ＡＯＤ制御装置６から入力される電圧信号に応じた回折角度で＋１次光が出射され、テレスコープレンズ７によって平行光とされて、第２の音響光学素子５に入射される。第２の音響光学素子５においては、第１の音響光学素子４から発せられた＋１次光が入力され、ＡＯＤ制御装置６から入力される電圧信号に応じた回折角度で＋１次光が出射される。
そして、第２の音響光学素子４から出射された光は、瞳投影レンズ８、結像レンズ９および第１の対物レンズ１０を経て、光ファイバ束１１の一端面に結像され、光ファイバ束１１を伝播して、他端面に配置されている第２の対物レンズ１２により、標本Ａ上に再結像される。これにより、標本Ａ上にレーザ光源２からの光を照射して、光刺激を与えることができる。
標本Ａに対向する第２の対物レンズ１２が光ファイバ束１１の端部に配置されているので、光ファイバ束１１を湾曲させることにより第２の対物レンズ１２の位置および姿勢を自由に設定できる。したがって、標本Ａの形態や光刺激位置に合わせて、第２の対物レンズ１２を適正な位置に配置して、所望の位置に正確に光刺激を与えることができる。
標本Ａに対向する第２の対物レンズ１２が光ファイバ束１１の端部に配置されているので、光ファイバ束１１を湾曲させることにより第２の対物レンズ１２の位置および姿勢を自由に設定できる。したがって、標本Ａの形態や光刺激位置に合わせて、第２の対物レンズ１２を適正な位置に配置して、所望の位置に正確に光刺激を与えることができる。
この場合において、第１の音響光学素子４による回折方向、すなわち、第１の音響光学素子４から出射される＋１次光の回折角度が変化する方向と、第２の音響光学素子５による回折方向とは相互に直交するように配置されているので、第２の音響光学素子５からは、２次元的に広がる範囲に出射可能となる。したがって、ＡＯＤ制御装置６から入力される電圧信号が所定の値に設定されると、それに応じて発生される高周波振動の周波数も一定の値に設定されるので、標本Ａに照射される光による光刺激位置は特定の位置に固定された状態に維持されることになる。
また、ＡＯＤ制御装置６から第１の音響光学素子４に入力する電圧信号を固定し、第２の音響光学素子５に入力する電圧信号のみを変化させることにより、第１の音響光学素子４に入力する電圧信号に応じて定まる紙面に沿う方向の特定の位置において、紙面に垂直な方向に沿う直線上で１次元的に光刺激位置を移動させることが可能となる。逆に、第２の音響光学素子５に入力する電圧信号を固定して第１の音響光学素子４に入力する電圧信号のみを変化させることにより、第２の音響光学素子５に入力する電圧信号に応じて定まる紙面に垂直な方向に沿う特定の位置において、紙面に沿う直線上で１次元的に光刺激位置を移動させることが可能となる。
さらに、ＡＯＤ制御装置６から両音響光学素子４，５に入力する電圧信号を変化させることにより、光刺激位置を２次元的に移動させることが可能となる。例えば、図２に示されるように、第１の音響光学素子４に入力する電圧信号をステップ状に変化させ（図２（ａ））、第２の音響光学素子５に入力する電圧信号を三角波状に変化させることにより（図２（ｂ））、同図（ｃ）に示されるように、標本Ａ上における光刺激位置を２次元的に走査させることができる。
これらの場合において、本実施形態に係る光刺激装置１によれば、振動周波数を変化させることにより、回折角度を高速で変化させて光刺激位置を高速に移動することができる。したがって、高速に光刺激位置を移動させて、標本Ａから得られる電気信号を観察する場合のような用途に使用して、効果的な観察を行うことを可能とすることができる。また、音響光学素子４，５によれば、ガルバノミラーの場合のような検出器が不要であり、検出器の感度によって走査速度が制限されることがないという利点があるとともに、装置をコンパクトにすることができるという効果がある。
なお、本実施形態に係る光刺激装置１においては、単一のレーザ光源２を使用する場合について説明したが、これに代えて、図３に示されるように、波長の異なる複数のレーザ光源２ａ〜２ｃを用いることにしてもよい。この場合、各レーザ光源２ａ〜２ｃからの光は、ダイクロイックミラー１３またはミラー１４によってその光軸を結合することにすればよい。
次に、本発明の一実施形態に係る光走査型観察装置２０について、図４を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置２０は、図４に示されるように、図１に示される光刺激装置１、照明光学系２１および観察光学系２２を備える。照明光学系２１は、例えば、励起光である近赤外光を発するハロゲンランプ２３と、該ハロゲンランプ２３からの光を平行光に変換するコリメートレンズ２４と、該コリメートレンズ２４により発せられた平行光を２次元的に走査する近接ガルバノミラー２５と、近接ガルバノミラー２５により走査された光を前記光刺激装置１の結像レンズ９と第１の対物レンズ１０との間の光軸に結合させるハーフミラー（光軸結合手段）２６とを備えている。
本実施形態に係る光走査型観察装置２０は、図４に示されるように、図１に示される光刺激装置１、照明光学系２１および観察光学系２２を備える。照明光学系２１は、例えば、励起光である近赤外光を発するハロゲンランプ２３と、該ハロゲンランプ２３からの光を平行光に変換するコリメートレンズ２４と、該コリメートレンズ２４により発せられた平行光を２次元的に走査する近接ガルバノミラー２５と、近接ガルバノミラー２５により走査された光を前記光刺激装置１の結像レンズ９と第１の対物レンズ１０との間の光軸に結合させるハーフミラー（光軸結合手段）２６とを備えている。
また、観察光学系２２は、標本Ａから戻る蛍光を前記近接ガルバノミラー２５とコリメートレンズ２４との間の光軸から分離するダイクロイックミラー２７と、蛍光を透過させ励起光および光刺激のための光をカットするバリアフィルタ２８と、該バリアフィルタ２８を通過して戻る蛍光を波長毎に分離するダイクロイックミラー２９と、２組の蛍光フィルタ３０、集光レンズ３１および光検出器３２とを備えている。光検出器３２は、例えば、光電子増倍管（Photomultiplier Tube）である。
このように構成された本実施形態に係る光走査型観察装置２０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置２０によれば、ハロゲンランプ２３から発せられた近赤外光がコリメートレンズ２４を通して平行光にされ、近接ガルバノミラー２５によって２次元的に走査されてハーフミラー２６により第１の対物レンズ１０に入射させられる。第１の対物レンズ１０により光ファイバ束１１の端面に結像された光は、光ファイバ束１１内を伝播されて第２の対物レンズ１２により標本Ａ上に再結像される。標本Ａにおいて近赤外光を照射された観察対象部位は、蛍光を発するようになる。
本実施形態に係る光走査型観察装置２０によれば、ハロゲンランプ２３から発せられた近赤外光がコリメートレンズ２４を通して平行光にされ、近接ガルバノミラー２５によって２次元的に走査されてハーフミラー２６により第１の対物レンズ１０に入射させられる。第１の対物レンズ１０により光ファイバ束１１の端面に結像された光は、光ファイバ束１１内を伝播されて第２の対物レンズ１２により標本Ａ上に再結像される。標本Ａにおいて近赤外光を照射された観察対象部位は、蛍光を発するようになる。
発せられた蛍光は、第２の対物レンズ１２、光ファイバ束１１および第１の対物レンズ１０を介して戻り、ハーフミラー２６によって照明光学系２１に戻される。そして、近接ガルバノミラー２５を介して、ダイクロイックミラー２７により照明光学系２１から分離されてバリアフィルタ２８、ダイクロイックミラー２９、蛍光フィルタ３０および集光レンズ３１を介して光検出器３２により検出される。
照明光学系２１および観察光学系２２による標本Ａにおいて発せられた蛍光の観察が行われる間に、光刺激装置１の作動により、標本Ａ上において、特定の光刺激位置に光刺激が行われたとき、および、光刺激位置が高速で移動させられたときの標本Ａの反応を観察光学系２２により取得される画像によって観察することができる。
なお、本実施形態に係る光走査型観察装置２０においては、近接ガルバノミラー２５により光源２３からの光を２次元的に走査させることとしたが、これに代えて、図５に示されるように、ディスクスキャン型の走査部３３を備えることにしてもよい。この走査部３３は、集光ディスク３４とピンホールディスク３５とをドラム３６により接続してなり、モータ３７によって一方向に回転させられるようになっている。
集光ディスク３４はガラス基板の片面に形成された複数のフレネルレンズを有し、このフレネルレンズが半径方向に所定距離だけずれた状態で配置されている。ピンホールディスク３５は、基板に複数のピンホールを有するものであり、このピンホールが半径方向に所定距離だけ順次ずれた状態で配置されている。集光ディスク３４とピンホールディスク３５との間にはダイクロイックミラー３８が配置されており、第１の対物レンズ１０、ハーフミラー２６およびピンホールディスク３５を介して戻る蛍光がダイクロイックミラー３８によって反射されて光検出器３９により検出されるようになっている。図中、符号４０は集光レンズ、符号４２は光源、符号４１はコリメートレンズである。
このように構成することにより、光源４２からの光を複数のピンホールに同時に通過させて、複数点の光スポットによって標本Ａを走査することができ、標本Ａの蛍光画像を迅速に取得することができる。
Ａ 標本
１ 光刺激装置
２ レーザ光源（光源、第２の光源）
４ 第１の音響光学素子（走査部、音響光学素子）
５ 第２の音響光学素子（走査部、音響光学素子）
６ ＡＯＤ制御装置（走査部）
１２ 第２の対物レンズ（対物光学系）
２０ 光走査型観察装置
２５ 近接ガルバノミラー（第１の走査部）
２６ ハーフミラー（光軸結合手段）
３３ 走査部（第１の走査部）
３４ 集光ディスク
３５ ピンホールディスク
４１ 光源（第１の光源）
１ 光刺激装置
２ レーザ光源（光源、第２の光源）
４ 第１の音響光学素子（走査部、音響光学素子）
５ 第２の音響光学素子（走査部、音響光学素子）
６ ＡＯＤ制御装置（走査部）
１２ 第２の対物レンズ（対物光学系）
２０ 光走査型観察装置
２５ 近接ガルバノミラー（第１の走査部）
２６ ハーフミラー（光軸結合手段）
３３ 走査部（第１の走査部）
３４ 集光ディスク
３５ ピンホールディスク
４１ 光源（第１の光源）
Claims (5)
- 光源と、
該光源からの光を走査する走査部と、
該走査部により走査された光を標本上に結像させる対物光学系とを備え、
前記走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子を備える光刺激装置。 - 前記走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を一方向に変化させる第１の音響光学素子と、該第１の音響光学素子から発せられた光を、該第１の音響光学素子による回折方向とは交差する方向に回折させる第２の音響光学素子とを備える請求項１に記載の光刺激装置。
- 第１の光源と、
該第１の光源からの光を走査する第１の走査部と、
該第１の走査部により走査された光を標本上に結像させる対物光学系と、
該対物光学系および第１の走査部を介して戻る戻り光を検出する光検出器と、
第２の光源と、
該第２の光源からの光を走査する第２の走査部と、
該第２の走査部により走査された光の光軸を前記第１の光源からの光軸に一致させる光軸結合手段とを備え、
前記第２の走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を変化させる音響光学素子を備える光走査型観察装置。 - 前記第２の走査部が、入力される振動周波数に応じて回折角度を一方向に変化させる第１の音響光学素子と、該第１の音響光学素子から発せられた光を、該第１の音響光学素子による回折方向とは交差する方向に回折させる第２の音響光学素子とを備える請求項３に記載の光走査型観察装置。
- 前記第１の走査部が、集光ディスクおよびピンホールディスクを回転させるディスク型走査部である請求項３または請求項４に記載の光走査型観察装置。
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