JP2006308709A - Microscope stage, and focal position measuring instrument and confocal microscope system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学顕微鏡により三次元情報を得るための、焦点位置を移動させる顕微鏡ステージおよびそのような装置・システムに関するものである。 The present invention relates to a microscope stage for moving a focal position and such an apparatus / system for obtaining three-dimensional information by an optical microscope.
光学顕微鏡の結像面にビデオレートカメラを設置することで、顕微試料標本を実時間で観察できる。共焦点顕微鏡によって、光学切片の薄い顕微試料標本の断面像を取得できるので、光軸方向に対物レンズを走査し、取得した光学切片を光軸方向に並べることで、三次元画像を取得することができる。光学ぼけの少ない画像を取得するために、カメラの撮影時間外に、対物レンズを階段状に移動させ、焦点移動を完了し、撮影時間内は焦点を固定させる手法が開示されている。(例えば、特許文献1参照)特許文献1では、ビデオレートカメラの垂直同期信号と同期させて、ピエゾアクチュエータにより対物レンズの焦点位置を制御する。従って、必要とする焦点位置での共焦点像をビデオフレームに合わせて取得できる。 By installing a video rate camera on the imaging plane of the optical microscope, the microscopic specimen can be observed in real time. A confocal microscope can acquire a cross-sectional image of a microscopic sample specimen with a thin optical section, so that a three-dimensional image can be acquired by scanning the objective lens in the optical axis direction and arranging the acquired optical sections in the optical axis direction. Can do. In order to obtain an image with little optical blur, a technique is disclosed in which the objective lens is moved stepwise outside the camera shooting time, the focus movement is completed, and the focus is fixed during the shooting time. (For example, refer to Patent Document 1) In Patent Document 1, the focal position of the objective lens is controlled by a piezoelectric actuator in synchronization with a vertical synchronization signal of a video rate camera. Therefore, a confocal image at the required focal position can be acquired in accordance with the video frame.
また、ピエゾアクチュエータにより、対物レンズを駆動させる場合、ピエゾアクチュエータの電圧に対する応答が線形ではなく、電圧の増減で応答が異なる履歴特性を持つ。そのため、前記ピエゾアクチュエータに、ピエゾ素子の歪み具合を知るセンサを備え、前記ピエゾアクチュエータの駆動を制御するピエゾドライバ内で、前記履歴特性を補正する技術が存在する。対物レンズを階段状に駆動させる場合、対物レンズは、その重量の為に必ず振動する。その振動を抑制する方法として、前記ピエゾドライバにフィードバック回路等を加えるなどして電気的な制動信号を与える方法が存在する。 Further, when the objective lens is driven by a piezo actuator, the response of the piezo actuator to the voltage is not linear, and has a hysteresis characteristic that the response varies depending on the increase or decrease of the voltage. Therefore, there is a technique for correcting the hysteresis characteristics in a piezo driver that includes a piezo actuator that includes a sensor that knows the degree of distortion of the piezo element, and that controls the driving of the piezo actuator. When the objective lens is driven stepwise, the objective lens always vibrates due to its weight. As a method of suppressing the vibration, there is a method of giving an electrical braking signal by adding a feedback circuit or the like to the piezo driver.
顕微鏡の焦点位置を計測する方法には、顕微観察時により得られた顕微試料標本からの反射光、および、散乱光である戻り光を指標に、焦点位置を計算する方法が良く用いられている。(例えば、特許文献2参照)この技術は、低可干渉光源を用いて顕微試料標本を照射し、前記光源とその戻り光により生成させた干渉光を光検出素子で検出し、光の強度が最大、または、極大になるように焦点を調節する技術である。この技術では、干渉を発生させるため、光路長を可変にする必要があり、光学系が複雑になってしまう。これらの技術は、焦点位置の絶対位置を取得することは困難であるため、主に、顕微観察中の焦点位置のずれを修正するために用いられている。
前記のような三次元画像の取得方法では、焦点を階段状に変化させた場合、対物レンズの重量の為に、対物レンズがオーバーシュートを起こし振動してしまうという問題点があった。前記問題を解決しようと、物理的に粘性抵抗を上げる、あるいは、電気的にフィードバック回路を加える等の改良を施すと、オーバーシュートや振動はある程度抑えることができるが、階段駆動に時間遅れが生じ、階段の立ち上がりに少なくとも数msを有してしまう。また、前記のような、ピエゾの歪み具合を知るセンサを備え、前記ピエゾアクチュエータの駆動を制御するピエゾドライバを用いた場合、対物レンズを数nmの誤差で正確に駆動させることができるが、上記同様に、階段駆動に時間遅れが生じる。更に、焦点を移動させた際に、その焦点位置を取得するための上記手段では、光学系が複雑になってしまうと言う問題点がある。また、顕微観察時により得られた顕微試料標本からの反射光、および、散乱光である戻り光から画像処理等により、焦点位置を計算する手法も存在するが、この方法では、計算に時間を有するため、高速に焦点位置を取得することが不可能である。 In the method of acquiring a three-dimensional image as described above, there is a problem that when the focus is changed stepwise, the objective lens causes overshoot due to the weight of the objective lens and vibrates. In order to solve the above problem, if the physical resistance is increased physically or an improvement such as adding a feedback circuit is added, overshoot and vibration can be suppressed to some extent, but time delay occurs in the staircase drive. The staircase will have at least a few ms to rise. Further, when a piezo driver that controls the driving of the piezo actuator is provided with a sensor that knows the degree of distortion of the piezo as described above, the objective lens can be accurately driven with an error of several nm. Similarly, a time delay occurs in the staircase drive. Furthermore, when the focus is moved, the above-described means for acquiring the focus position has a problem that the optical system becomes complicated. In addition, there is a method to calculate the focal position by image processing etc. from the reflected light from the microscopic sample specimen obtained at the time of microscopic observation and the return light that is scattered light, but this method takes time to calculate. Therefore, it is impossible to acquire the focal position at high speed.
本発明は、光学顕微鏡下において、高速に焦点位置を走査することのできる装置と、その焦点位置を簡便な光学系にて、高速に取得できる手法を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide an apparatus capable of scanning a focal position at high speed under an optical microscope and a technique capable of acquiring the focal position at high speed with a simple optical system.
本発明によれば、光学顕微鏡において、顕微試料標本を入れるためのガラスチャンバーと、このガラスチャンバーを直接接着し、画像を得る焦点方向の深さ位置を指定し焦点位置を制御するためのピエゾ素子と、このピエゾ素子の伸長・短縮方向を前記光学顕微鏡の光軸に並行に調節するあおりネジを具備し、前記ピエゾ素子の電圧に対する変位応答を計測した校正表を予め用意し、その校正表を用いて前記ピエゾ素子を駆動することにより、フィードバック回路を用いることなく、高速に焦点位置を走査することを特徴とする顕微鏡ステージが得られる。 According to the present invention, in an optical microscope, a glass chamber for putting a microscopic sample specimen, and a piezo element for directly controlling the focal position by directly attaching the glass chamber and specifying a depth position in a focal direction for obtaining an image. And a calibration table that measures the displacement response to the voltage of the piezo element in advance, and has a tilt screw that adjusts the expansion / contraction direction of the piezo element in parallel with the optical axis of the optical microscope. By driving the piezo element, a microscope stage can be obtained which scans the focal position at high speed without using a feedback circuit.
また、本発明によれば、前記ガラスチャンバーは、観察顕微試料を収納する、大きさ9mm×9mm以下、厚さ150〜400μmのガラス矩形板二枚を、9mm×9mm以下の面が50μm以下の間隙を有するように対向して接着した構造を特徴とする顕微鏡ステージが得られる。 Further, according to the present invention, the glass chamber contains two glass rectangular plates having a size of 9 mm × 9 mm or less and a thickness of 150 to 400 μm, in which an observation microscope sample is accommodated, and a 9 mm × 9 mm or less surface is 50 μm or less A microscope stage characterized by a structure in which they are bonded to each other so as to have a gap is obtained.
また、本発明によれば、前記ガラスチャンバーと、開口数1.3以上の対物レンズと、対物レンズの後焦点面にミラーを配置した光学顕微鏡において、前記ガラスチャンバー内の溶液とガラスとの界面を焦点として全反射するレーザー光学系を備え、焦点である前記界面の移動により全反射光の光路が変化し、この光路の変化が、前記対物レンズの後焦点面にミラーの位置で角度変化となり、前記角度変化を二分割、あるいは、四分割フォトダイオードにて検出し、顕微観察時の焦点位置を検出・調整することを特徴とする焦点位置計測装置が得られる。 According to the present invention, in the optical microscope in which the glass chamber, an objective lens having a numerical aperture of 1.3 or more, and a mirror is disposed on the back focal plane of the objective lens, the interface between the solution in the glass chamber and the glass The optical path of the total reflected light changes due to the movement of the interface, which is the focal point, and the change in the optical path becomes an angular change at the position of the mirror on the rear focal plane of the objective lens. Thus, a focal position measuring apparatus is obtained, wherein the angle change is detected by a two-divided or four-divided photodiode, and the focal position at the time of microscopic observation is detected and adjusted.
また、本発明によれば、前記焦点位置計測装置において、焦点位置を確認しながら、前記本発明の顕微鏡ステージにて、顕微焦点を移動させることを特徴とする、焦点位置計測装置が得られる。 In addition, according to the present invention, there is obtained a focal position measuring apparatus characterized in that, in the focal position measuring apparatus, the microscopic focal point is moved on the microscope stage of the present invention while confirming the focal position.
また、本発明によれば、顕微試料標本を照射するレーザーと、x、y軸座標で表される二次元光学切片をビデオ信号に変換するビデオカメラと、前記ビデオ信号をデジタルデータとして記録する記憶媒体と、請求項1に記載の顕微鏡ステージと、前記ステージのピエゾ素子を電圧制御するための波形出力装置と高電圧アンプを備え、焦点位置を前記ビデオカメラの垂直同期信号毎にビデオフレームの撮影時間外に階段状に変位させ、前記ビデオフレームの撮影時間内では焦点を固定させることで、鮮明な光学切片の取得を可能にし、前記の取得した光学切片をz軸座標にならべて構成した三次元的なデジタル画像データを実時間で連続的に取得することを特徴とする共焦点顕微鏡システムが得られる。 Further, according to the present invention, a laser for irradiating a microscopic sample specimen, a video camera for converting a two-dimensional optical section represented by x and y axis coordinates into a video signal, and a memory for recording the video signal as digital data 2. A medium, a microscope stage according to claim 1, a waveform output device for voltage-controlling the piezoelectric element of the stage, and a high-voltage amplifier, and taking a video frame for each vertical synchronizing signal of the video camera. By shifting in a stepped manner outside the time and fixing the focus within the video frame shooting time, it is possible to obtain a clear optical section, and the acquired optical section is arranged in accordance with the z-axis coordinate. A confocal microscope system characterized by continuously acquiring original digital image data in real time is obtained.
本発明によれば、光学顕微鏡下において、高速に焦点位置を走査すること、および、その焦点位置を簡便な光学系にて、高速に取得することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to scan a focus position at high speed under an optical microscope, and to acquire the focus position at high speed with a simple optical system.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る顕微鏡ステージと共焦点顕微鏡システムの構成を示した。図1に示したように、前記顕微鏡ステージは、顕微試料標本を入れたガラスチャンバー1を光軸方向に走査するためのピエゾ素子3、前記ピエゾ素子を固定するための台4、前記ピエゾ素子の走査軸を微調整するためのあおりネジ5、および、これらを対物レンズ上部に固定するための台6、および、台7から構成される。ピエゾ素子3の電圧−変位特性の校正表を予め備え付けてある波形出力装置9が高電圧アンプ8に10V以内のアナログ電圧信号V1を送る。電圧アンプ8は、波形出力装置9から送られてきた電圧信号V1を増幅したアナログ電圧信号V2をピエゾ素子に与える。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a microscope stage and a confocal microscope system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the microscope stage includes a piezo element 3 for scanning the glass chamber 1 containing a microscopic specimen in the optical axis direction, a base 4 for fixing the piezo element, and a piezo element. A tilt screw 5 for finely adjusting the scanning axis, and a base 6 and a base 7 for fixing these to the upper part of the objective lens. A waveform output device 9 provided with a calibration table of voltage-displacement characteristics of the piezo element 3 in advance sends an analog voltage signal V1 within 10V to the high voltage amplifier 8. The voltage amplifier 8 gives an analog voltage signal V2 obtained by amplifying the voltage signal V1 sent from the waveform output device 9 to the piezo element.
また、前記共焦点顕微鏡システムは、前記顕微鏡ステージに加え、ガラスチャンバー1内の顕微試料標本を観察するための対物レンズ2、共焦点スキャナユニット12、イメージインテンシファイア13、ビデオカメラ14、ビデオカメラ14から送られるビデオ信号VIDEOを蓄積し、画像処理を行うための記録媒体10から構成される。共焦点スキャナユニット12には、マイクロレンズアレイや、ピンホールアレイや、ビームスプリッタや、マイクロレンズアレイとピンホールアレイを回転駆動する回転制御部が収容されている。波形出力装置9は、ビデオレートカメラ14から同期信号SYNCを受け取り、前記SYNCに同期したアナログ電圧信号V1を高電圧アンプ8に送る。図2は、同期信号SYNCとピエゾ素子3の変位を同期させて、焦点位置を走査する場合の一例を示した。 In addition to the microscope stage, the confocal microscope system includes an objective lens 2 for observing a microscopic specimen in the glass chamber 1, a confocal scanner unit 12, an image intensifier 13, a video camera 14, and a video camera. 14 includes a recording medium 10 for accumulating the video signal VIDEO sent from 14 and performing image processing. The confocal scanner unit 12 houses a microlens array, a pinhole array, a beam splitter, and a rotation control unit that rotationally drives the microlens array and the pinhole array. The waveform output device 9 receives the synchronization signal SYNC from the video rate camera 14 and sends an analog voltage signal V 1 synchronized with the SYNC to the high voltage amplifier 8. FIG. 2 shows an example in which the focal position is scanned by synchronizing the synchronization signal SYNC and the displacement of the piezo element 3.
記録媒体10が、ビデオ信号VIDEOの取得を開始すると、波形出力装置9は、ビデオレートカメラ14から同期信号SYNCを受け取り、前記SYNCに同期したアナログ電圧信号V1を高電圧アンプ8に送る。記録媒体10に蓄積されたデジタルビデオ画像を、示すようにz軸方向にフレーム順に並べることによって三次元画像を構築し、実時間で取得できる。図3は、フレーム構成を示した。 When the recording medium 10 starts acquiring the video signal VIDEO, the waveform output device 9 receives the synchronization signal SYNC from the video rate camera 14 and sends the analog voltage signal V1 synchronized with the SYNC to the high voltage amplifier 8. By arranging digital video images stored in the recording medium 10 in the z-axis direction in the order of frames as shown, a three-dimensional image can be constructed and acquired in real time. FIG. 3 shows a frame configuration.
電圧を振幅96Vの1Hzの三角波で50回振動させ、その時のピエゾ素子3の伸長から得られた、ピエゾ素子3の電圧−変位特性を図4に示した。図4では、50回繰り返し振動させたすべてのデータをプロットしてある。電圧を0Vから96Vに増加させた場合と、96Vから0Vに減少させた場合で、変位応答は異なった。しかしながら、反復による再現誤差は、与えた電圧が0Vの時に最大10nm、96Vの時に最大16nmと非常に小さい。従って、図4を校正表として、ピエゾ素子3に電圧信号を送ることにより、歪みセンサやピエゾドライバを用いることなく、正確にピエゾ素子を伸長、伸縮させることができる。 FIG. 4 shows the voltage-displacement characteristics of the piezo element 3 obtained by vibrating the voltage 50 times with a triangular wave of 1 Hz having an amplitude of 96 V and obtaining the extension of the piezo element 3 at that time. In FIG. 4, all the data which were vibrated 50 times are plotted. The displacement response was different when the voltage was increased from 0V to 96V and when the voltage was decreased from 96V to 0V. However, the reproduction error due to repetition is as small as 10 nm at the maximum when the applied voltage is 0V and 16 nm at the maximum when 96V. Therefore, by sending a voltage signal to the piezo element 3 using FIG. 4 as a calibration table, the piezo element can be accurately expanded and contracted without using a strain sensor or a piezo driver.
図5は、顕微試料標本を入れるガラスチャンバーの実施の形態を示した。本発明では、ガラスチャンバー1をピエゾ素子3により走査するので、ガラスチャンバー1の重量が、焦点移動のオーバーシュートや振動の原因となる。できる限り、ガラスチャンバー1は小さくしたほうが良い。本実施の形態では、大きさ9mm×9mm、厚さ170μmのガラス矩形板を二枚用意し、その間に、エナメル樹脂を挟みチャンバーを作製した。対物レンズ2に油侵レンズを選択する場合、ガラスチャンバー1がピエゾ素子により変位されると、前記油侵レンズとガラスチャンバーの間を埋めるイマージョンオイルの粘性より、厚さ170μmのガラスを用いたガラスチャンバーでは、前記ガラスチャンバーにおける観測面が湾曲し、ガラス面に結合した顕微試料標本は、振動してしまう。従って、対物レンズ2に油侵レンズを選択する場合には、厚さ340μmのガラスを用いてガラスチャンバーを使用すれば、前記湾曲による顕微試料標本の振動は軽減される。また、前記イマージョンオイルの粘性は、ガラスチャンバー1の駆動の立ち上がりの時間遅れや振動の原因にもなる。イマージョンオイルの代わりにイマージョンオイルより粘性が低い屈折率1.50のシリコンオイルを用いても良い。 FIG. 5 shows an embodiment of a glass chamber in which a microscopic sample specimen is placed. In the present invention, since the glass chamber 1 is scanned by the piezo element 3, the weight of the glass chamber 1 causes overshoot and vibration of focal movement. The glass chamber 1 should be made as small as possible. In this embodiment, two glass rectangular plates having a size of 9 mm × 9 mm and a thickness of 170 μm were prepared, and an enamel resin was sandwiched between them to produce a chamber. When an oil immersion lens is selected as the objective lens 2, when the glass chamber 1 is displaced by a piezo element, a glass using a 170 μm thick glass is used due to the viscosity of the immersion oil filling between the oil immersion lens and the glass chamber. In the chamber, the observation surface in the glass chamber is curved, and the microscopic sample specimen bonded to the glass surface vibrates. Therefore, when an oil immersion lens is selected as the objective lens 2, if a glass chamber is used using glass having a thickness of 340 μm, the vibration of the microscopic sample specimen due to the curvature is reduced. In addition, the viscosity of the immersion oil also causes a time delay or vibration of the driving of the glass chamber 1. Instead of the immersion oil, a silicone oil having a refractive index of 1.50 having a viscosity lower than that of the immersion oil may be used.
図5は、図1に示した顕微鏡ステージの実施形態例の立体模式図も示した。符号は、図1に対応している。ガラスチャンバー1とピエゾ素子3は、接着剤によって直接接着させる。接着剤の種類は、無蛍光性であれば、特に問わないが、ガラスチャンバー1とピエゾ素子3の接着、剥離を容易にするために、有機溶媒可溶性のものが好ましい。本実施の形態では、アセトン可溶性であるポリマー樹脂MMP(Methyl Methacrylate Polymer)を利用し、アセトンを溶媒とした10%MMP溶液を接着剤として用いた。ピエゾ素子3を伸長・短縮させることにより、ガラスチャンバー1が移動し、焦点位置を走査するが、この走査軸は、光軸に対し厳しく平行である必要がある。顕微試料標本を観察しながら焦点を走査すると、もし、前記駆動軸と光軸が平行でなければ、観察される顕微鏡像は、焦点位置の走査と同時に光軸と垂直方向にも移動する。あおりネジ5を用いて、焦点位置を走査しても、観察される像が顕微視野内で左右、上下いずれにも動かないように前記駆動軸を調節すれば、前記駆動軸は、光軸と平行になる。また、焦点位置を階段状に変位させたい場合、ピエゾ素子に与える電圧を単純な矩形波にせず、矩形波の立ち上がりを正弦波とする。これにより、焦点位置の変位時のオーバーシュートや振動が軽減される。 FIG. 5 also shows a three-dimensional schematic diagram of the embodiment of the microscope stage shown in FIG. The reference numerals correspond to those in FIG. The glass chamber 1 and the piezo element 3 are directly bonded by an adhesive. The type of the adhesive is not particularly limited as long as it is non-fluorescent, but is preferably an organic solvent-soluble one in order to facilitate adhesion and peeling between the glass chamber 1 and the piezoelectric element 3. In this embodiment, an acetone-soluble polymer resin MMP (Methyl Methacrylate Polymer) is used, and a 10% MMP solution using acetone as a solvent is used as an adhesive. By extending and shortening the piezo element 3, the glass chamber 1 moves and scans the focal position. This scanning axis needs to be strictly parallel to the optical axis. When the focal point is scanned while observing the microscopic specimen, if the drive axis and the optical axis are not parallel, the observed microscope image moves in the direction perpendicular to the optical axis simultaneously with the scanning of the focal position. If the drive shaft is adjusted so that the observed image does not move left and right or up and down within the microscopic field even when the focal position is scanned using the tilt screw 5, the drive shaft is Become parallel. Also, when the focal position is desired to be displaced stepwise, the voltage applied to the piezo element is not a simple rectangular wave, but the rising edge of the rectangular wave is a sine wave. Thereby, overshoot and vibration at the time of displacement of the focal position are reduced.
図6は、本実施の形態に係る焦点位置計測装置の構成を示した。図示するように、焦点位置計測装置は、ガラスチャンバー21と、無限遠系対物レンズ22と、顕微試料標本を結像させるための結像レンズ23と、結像レンズの焦点位置に置かれたミラー24と、二分割、もしくは、四分割フォトダイオード25から構成される。対物レンズ22と結像レンズ23は、一つの有限系対物レンズとして扱う。対物レンズ22と結像レンズ23の代わりに、一つの有限系対物レンズを用いても良い。ガラスチャンバー21の底面にて、レーザーを全反射させるために、対物レンズ22は、開口数が1.3以上の油侵レンズである。ガラスチャンバー21と対物レンズ22を埋めるオイルの屈折率はガラスの屈折率と等しくする。入射したレーザーがガラスチャンバー21内の溶液とガラスの界面で全反射されるように、ミラー24を調節する。点線で示したように顕微試料21の位置が変化すると、全反射が起こる位置も変化する。前記の変化Adが、無限遠系対物レンズ22と結像レンズ23により構成される光学系の後焦点面に置かれたミラー上で近似的に角度変化Aeとなり、二分割、もしくは、四分割フォトダイオード25に投影され、位置変化Axとして検出される。二分割、もしくは、四分割フォトダイオード25は、位置変化Axを電圧として出力する。図7に、前記焦点位置計測装置によって計測した、焦点位置とニ分割フォトダイオードの電圧の相関を示した。AdとAxの関係は、理論上は、ほぼ直線性を示すのだが、実際には、光学系の収差や迷光等の影響により、直線性は示さない。焦点位置を、オーバーシュートや振動が発生しないように、1秒間に100nmずつゆっくりと動かした。図7をキャリブレーション校正表として、ピエゾ素子3を高速に駆動させたときの、焦点位置の動きを二分割、もしくは、四分割フォトダイオード25の出力から計測できる。本実施の形態に係る焦点位置計測装置は、レーザーが、ガラスチャンバー21内の溶液とガラスの界面で全反射されるため、前記レーザーが、ガラスチャンバー21内の顕微試料標本を前記界面近傍約200nm以外は照射せず、顕微観察時における余計な背景光が発生しないことを特徴としている。 FIG. 6 shows the configuration of the focal position measuring apparatus according to the present embodiment. As shown in the figure, the focal position measuring device includes a glass chamber 21, an infinite objective lens 22, an imaging lens 23 for imaging a microscopic sample specimen, and a mirror placed at the focal position of the imaging lens. 24 and two or four divided photodiodes 25. The objective lens 22 and the imaging lens 23 are handled as one finite objective lens. Instead of the objective lens 22 and the imaging lens 23, one finite objective lens may be used. In order to totally reflect the laser beam at the bottom surface of the glass chamber 21, the objective lens 22 is an oil immersion lens having a numerical aperture of 1.3 or more. The refractive index of the oil filling the glass chamber 21 and the objective lens 22 is made equal to the refractive index of the glass. The mirror 24 is adjusted so that the incident laser is totally reflected at the interface between the solution in the glass chamber 21 and the glass. As the position of the microscopic sample 21 changes as indicated by the dotted line, the position where total reflection occurs also changes. The change Ad is approximately an angle change Ae on a mirror placed on the back focal plane of the optical system constituted by the infinity objective lens 22 and the imaging lens 23, and is divided into two or four-division photo. It is projected on the diode 25 and detected as a position change Ax. The two-part or four-part photodiode 25 outputs the position change Ax as a voltage. FIG. 7 shows the correlation between the focal position and the voltage of the two-part photodiode measured by the focal position measurement apparatus. The relationship between Ad and Ax shows almost linearity in theory, but in reality, it does not show linearity due to the effects of aberrations of the optical system, stray light, and the like. The focal position was moved slowly by 100 nm per second so as not to cause overshoot or vibration. With reference to FIG. 7 as a calibration calibration table, the movement of the focal position when the piezo element 3 is driven at high speed can be measured from the output of the two-part or four-part photodiode 25. In the focal position measurement apparatus according to the present embodiment, since the laser is totally reflected at the interface between the solution and glass in the glass chamber 21, the laser applies the microscopic sample specimen in the glass chamber 21 to about 200 nm in the vicinity of the interface. No other light is irradiated and no extra background light is generated during microscopic observation.
図8は、前記顕微鏡ステージ、前記焦点位置計測装置を用いて計測した、ピエゾ素子3を階段状に伸長させた時の焦点位置を示した。前記焦点位置計測装置で用いた二分割フォトダイオード25からの電圧信号は、24kHzのサンプリングレートで計測した。高速駆動による前記焦点位置のオーバーシュートや振動はほとんど見られない。前記焦点位置の立ち上がり時間は、280isであった。比較として、図9は、従来の焦点移動方法と同様に、ピエゾアクチュエータを用いて光軸方向に対物レンズを階段状に駆動させたときの焦点位置を示した。ピエゾアクチュエータに電圧を与えるピエゾドライバにフィードバック回路を使用しない場合(破線)には、対物レンズをステップ駆動させた直後に激しいオーバーシュートが見られ、30ms後にもまだ振動が減衰していない。上記ピエゾドライバにフィードバック回路を使用した場合(実線)においては、フィードバック回路を使用しない場合に比べ、オーバーシュートや振動の振幅は減少したが、振動の減衰に約20ms間を有した。従って、本発明の顕微鏡ステージは、焦点移動方法として、従来の方法より著しく有効である。 FIG. 8 shows a focal position when the piezo element 3 is extended stepwise, which is measured using the microscope stage and the focal position measuring device. The voltage signal from the two-divided photodiode 25 used in the focal position measuring device was measured at a sampling rate of 24 kHz. There is almost no overshoot or vibration of the focal position due to high-speed driving. The rise time of the focal position was 280 is. For comparison, FIG. 9 shows the focal position when the objective lens is driven stepwise in the optical axis direction using a piezo actuator, as in the conventional focal point movement method. When the feedback circuit is not used for the piezo driver that applies voltage to the piezo actuator (broken line), a severe overshoot is observed immediately after the objective lens is step-driven, and the vibration is not yet attenuated even after 30 ms. When a feedback circuit was used for the piezo driver (solid line), the overshoot and vibration amplitude decreased compared to when the feedback circuit was not used, but the vibration was attenuated for about 20 ms. Therefore, the microscope stage of the present invention is significantly more effective than the conventional method as a focal point moving method.
図10は、ビデオカメラ14からカメラの撮影のオン、オフを同期信号SYNCとして出力させ、前記SYNCに同期させて、前記顕微鏡ステージによって焦点を移動させた実施例を示した。ビデオカメラ14の撮影時間は4msであり、撮影時間外1msで画像信号を記録媒体10に送信した。図10の上部のパネルは、ピエゾ素子3に与えた電圧V2を示す。前記SYNCに同期させてV2信号を送ることにより、上記撮影時間外1ms内にオーバーシュートも振動もなく焦点の移動を完了している。従って、本発明によれば、従来の焦点移動法を用いた場合に比べ、より高速に光学ぼけの少ない画像を取得できる。 FIG. 10 shows an embodiment in which on / off of camera shooting is output as a synchronization signal SYNC from the video camera 14, and the focus is moved by the microscope stage in synchronization with the SYNC. The shooting time of the video camera 14 is 4 ms, and the image signal is transmitted to the recording medium 10 in 1 ms outside the shooting time. The upper panel of FIG. 10 shows the voltage V <b> 2 applied to the piezo element 3. By sending the V2 signal in synchronization with the SYNC, the movement of the focal point is completed without overshoot or vibration within 1 ms outside the imaging time. Therefore, according to the present invention, an image with less optical blur can be acquired at a higher speed than in the case of using the conventional focus movement method.
本発明によって製造された顕微鏡ステージ、焦点位置計測装置、および、共焦点顕微鏡システムは、上下微動機構を備えた光学顕微鏡に関する各種産業機器に利用することができる。 The microscope stage, the focal position measurement device, and the confocal microscope system manufactured according to the present invention can be used for various industrial devices related to an optical microscope provided with a vertical fine movement mechanism.
1 ガラスチャンバー
2 対物レンズ
3 ピエゾ素子
4 台1
5 あおりネジ
6 台2
7 台3
8 高電圧アンプ
9 波形出力装置
10 記憶媒体
11 レーザー光源
12 共焦点ユニット
13 イメージインテンシファイア
14 ビデオカメラ
15 ミラー
21 ガラスチャンバー
22 対物レンズ
23 結像レンズ
24 ミラー
25 二分割、もしくは、四分割フォトダイオードの受光面
1 Glass chamber 2 Objective lens 3 Piezo element 4 Unit 1
5 tilt screw 6 2
7 units 3
8 High Voltage Amplifier 9 Waveform Output Device 10 Storage Medium 11 Laser Light Source 12 Confocal Unit 13 Image Intensifier 14 Video Camera 15 Mirror 21 Glass Chamber 22 Objective Lens 23 Imaging Lens 24 Mirror 25 Two-Division or Four-Division Photodiode Light receiving surface
Claims (5)
2. A laser for irradiating a microscopic specimen, a video camera for converting a two-dimensional optical section represented by x and y axis coordinates into a video signal, and a storage medium for recording the video signal as digital data. Microscope stage, a waveform output device for controlling the voltage of the piezoelectric element of the stage, and a high voltage amplifier, and the focal position is displaced stepwise outside the video frame shooting time for each vertical synchronization signal of the video camera. By fixing the focal point within the video frame shooting time, it is possible to obtain a clear optical section, and to realize three-dimensional digital image data constructed by arranging the acquired optical section according to the z-axis coordinates. A confocal microscope system characterized by continuous acquisition in time.
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