JP2007171598A - 共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラーアレイを２次元の共焦点ピンホールとして使用しつつ軸外の像においても適正な合焦を得ることを可能とし、部品点数の削減および制御の簡易化を図るとともに、走査をさらに高速化する。
【解決手段】対物レンズ６と、該対物レンズ６の像位置に配置されるマイクロミラーアレイ４と、該マイクロミラーアレイ４および対物レンズ６を介して標本Ａを照明する光源２と、マイクロミラーアレイ４上の標本像をリレーするリレーレンズ５，７と、該リレーレンズ５，７によりリレーされた標本像を撮像する撮像素子８とを備え、該撮像素子８の撮像面８ａが、リレーレンズ５，７の後側焦点面Ｆ_２に対して、リレーレンズ５の前側焦点面Ｆ_１に対するマイクロミラーアレイ４の傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている共焦点顕微鏡１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、共焦点顕微鏡に関し、特に、マイクロミラーアレイをピンホールとして使用するものに関するものである。

従来、小型のミラー（マイクロミラー）を２次元配列してなるマイクロミラーアレイを共焦点ピンホールとして使用し、高速走査を行う共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１９９０６３号公報

しかしながら、特許文献１のマイクロミラーアレイは、複数のマイクロミラーを２次元配列しているにもかかわらず、同時にオン状態とされるマイクロミラーが一方向に配列された１以上の列に限られて、１次元の共焦点ピンホールを構成するに留まっている。これは、マイクロミラーアレイを構成する各マイクロミラーが、オン状態となったときに、配列平面上においてそれぞれ同一方向に傾斜させられて、標本側から入射されてきた蛍光を光検出器側に指向させるためである。すなわち、光検出器側からみると、マイクロミラーアレイが光軸に対して傾斜していることになり、全てのマイクロミラーを共焦点ピンホールとして使用して２次元画像を形成する場合、軸外の像の合焦が得られないからである。

このため、特許文献１においては、２次元的な蛍光画像を取得するためには、マイクロミラーアレイにより１次元の共焦点ピンホールを構成するに留める一方、同時にオン状態とされるミラーの列とは直交する軸線回りに揺動させられるガルバノミラーを用意することしている。
しかしながら、２次元配列された複数のマイクロミラーを有するマイクロミラーアレイを１次元の共焦点ピンホールとしての使用に限定するのは無駄であり、ガルバノミラーを用意する分、部品点数が増加し、また、ガルバノミラーの制御が増加する分、制御が複雑になるという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、マイクロミラーアレイを２次元の共焦点ピンホールとして使用しつつ軸外の像においても適正な合焦を得ることを可能とし、部品点数の削減および制御の簡易化を図るとともに、走査をさらに高速化することができる共焦点顕微鏡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、対物レンズと、該対物レンズの像位置に配置されるマイクロミラーアレイと、該マイクロミラーアレイおよび対物レンズを介して標本を照明する光源と、前記マイクロミラーアレイ上の標本像をリレーするリレーレンズと、該リレーレンズによりリレーされた標本像を撮像する撮像素子とを備え、マイクロミラーアレイによりピンホールを形成して共焦点画像を得る共焦点顕微鏡において、前記撮像素子の撮像面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている共焦点顕微鏡を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた光がマイクロミラーアレイにおいて反射された後、対物レンズを介して標本に照射される一方、標本からの光が対物レンズおよびマイクロミラーアレイを介して戻るとともに、リレーレンズを介してリレーされ、撮像素子により撮像される。マイクロミラーアレイがピンホールを構成するので、標本における対物レンズの焦点位置近傍から戻る光のみが光検出器側に指向され、光検出器において共焦点画像を取得することが可能となる。

この場合において、本発明によれば、撮像素子の撮像面が、リレーレンズの前側焦点面に対するマイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に、リレーレンズの後側焦点面に対して傾斜しているので、撮像素子の撮像面をリレーレンズによる標本像の結像面に近接させることができる。したがって、軸外においても適正な合焦を得ることが可能となるため、マイクロミラーアレイのみにより２次元の共焦点ピンホールを構成しても、鮮明な２次元画像を取得することができる。そして、このようにすることで、ガルバノミラーを不要とし、部品点数を削減するとともに、制御を簡易化し、かつ、マイクロミラーアレイのみにより高速走査を実現することができる。

また、本発明は、対物レンズと、該対物レンズの像位置に配置されるマイクロミラーアレイと、該マイクロミラーアレイおよび対物レンズを介して標本を照明する光源と、前記マイクロミラーアレイ上の標本像をリレーするリレーレンズと、該リレーレンズによりリレーされた標本像を撮像する撮像素子とを備え、マイクロミラーアレイによりピンホールを形成して共焦点画像を得る共焦点顕微鏡において、前記撮像素子の前段に、プリズムが配置され、該プリズムの入射面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている共焦点顕微鏡を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた光がマイクロミラーアレイにおいて反射された後、対物レンズを介して標本に照射される一方、標本からの光が対物レンズおよびマイクロミラーアレイを介して戻るとともに、リレーレンズを介してリレーされ、プリズムにより屈折させられた後に撮像素子により撮像される。マイクロミラーアレイがピンホールを構成するので、標本における対物レンズの焦点位置近傍から戻る光のみが撮像素子側に指向され、撮像素子において共焦点画像を取得することが可能となる。

この場合において、本発明によれば、プリズムの入射面が、リレーレンズの前側焦点面に対するマイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に、リレーレンズの後側焦点面に対して傾斜しているので、入射された光を屈折させて、リレーレンズによる標本像の結像面を光軸に直交する方向に変換することができる。したがって、プリズムを透過した光の撮像素子の撮像面への入射方向を、撮像面に直交する方向に近づけつつ、リレーレンズによる標本像の結像面と撮像素子の撮像面とを一致させることができ、軸外においても適正な合焦を得ることが可能となる。

その結果、マイクロミラーアレイのみにより２次元の共焦点ピンホールを構成しても、鮮明な２次元画像を取得することができる。そして、このようにすることで、ガルバノミラーを不要とし、部品点数を削減するとともに、制御を簡易化し、かつ、マイクロミラーアレイのみにより高速走査を実現することができる。さらに、プリズムを透過した光の撮像素子の撮像面への入射方向を、撮像面に直交する方向に近づけるので、撮像素子における量子化効率の低下を防止することができる。

上記発明においては、マイクロミラーアレイ上の標本像を目視で観察するための接眼レンズを備え、該接眼レンズの焦点面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、接眼レンズの焦点面に、リレーレンズによる標本像の結像面を近づけることができ、接眼レンズを介して目視により観察される画像においても、軸外において適正な合焦を得ることが可能となり、観察し易さを向上することができる。

本発明によれば、マイクロミラーアレイを２次元の共焦点ピンホールとして使用しつつ軸外の像においても適正な合焦を得ることを可能とし、部品点数の削減および制御の簡易化を図るとともに、走査をさらに高速化することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡１について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る共焦点顕微鏡１は、図１に示されるように、照明光源２と、該照明光源２からの照明光Ｌを偏向するビームスプリッタ３と、該ビームスプリッタ３により偏向された照明光Ｌを入射させるマイクロミラーアレイ４と、該マイクロミラーアレイ４に照明光Ｌを集光させる第１のリレーレンズ５と、マイクロミラーアレイ４により反射された照明光Ｌを標本Ａに集光する対物レンズユニット（対物レンズ）６と、標本Ａから発せられ、対物レンズユニット６、マイクロミラーアレイ４、第１のリレーレンズ５およびビームスプリッタ３を介して戻る戻り光を集光する第２のリレーレンズ７と、該第２のリレーレンズ７の焦点位置に配置される撮像素子８とを備えている。また、マイクロミラーアレイ４には制御装置９が接続され、撮像素子８にはモニタ１０が接続されている。

前記照明光源２は、例えば、水銀ランプ、ハロゲンランプあるいはレーザ光源等が採用される。本実施形態においては、例えば、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源２を用いるものとする。
また、前記ビームスプリッタ３としては、例えば、レーザ光Ｌを反射し、戻り光としての蛍光Ｆを透過するビームスプリッタを採用する。

前記マイクロミラーアレイ４は、複数の小型のミラー４ａを縦横２次元に配列したものである。各ミラー４ａは制御装置９によりその向きを制御されるようになっている。ここでは、マイクロミラーアレイ４は、対物レンズユニット６の光軸に直交し、かつ、対物レンズユニットの後側焦点位置に配置されており、第１のリレーレンズ５を介して入射されるレーザ光Ｌを対物レンズユニット６の光軸方向に反射するミラー４ａの状態をオン状態、それ以外の状態をオフ状態としている。

すなわち、図２（ａ）に示されるように、全てのミラー４ａがオフ状態では、第１のリレーレンズ５からミラー４ａに入射されるレーザ光Ｌは、対物レンズユニット６の光軸方向とはかけ離れた方向に反射され、同図（ｂ）に示されるように、オン状態となったミラー４ａによってのみ、レーザ光Ｌが対物レンズユニット６の光軸方向に反射されるようになっている。そして、ミラー４ａがオン状態となった部分のレーザ光Ｌのみが標本Ａに入射される結果、標本Ａから戻る蛍光Ｆも、ミラー４ａがオン状態となった部分のみが第１のリレーレンズ５の光軸方向に戻ることができるようになっている。

前記対物レンズユニット６は、オン状態となったミラー４ａにより反射されたレーザ光Ｌを集光する結像レンズ１１と、該結像レンズ１１により集光されたレーザ光Ｌをさらに集光して標本Ａに結像させる一方、標本Ａにおいて発生した蛍光Ｆを集光する対物レンズ１２とを備えている。標本Ａにレーザ光Ｌが照射されると、標本Ａ内の蛍光物質が励起されて蛍光Ｆが発せられ、発せられた蛍光Ｆは、対物レンズ１２および結像レンズ１１により集光された後に、マイクロミラーアレイ４上に結像されるようになっている。

ここで、標本Ａに配置されている対物レンズ１２の焦点位置と、マイクロミラーアレイ４上に配置されている結像レンズ１１の後側焦点位置とは、互いに共役な位置関係に配置され、かつ、各ミラー４ａは十分に小さく構成されているので、オン状態となっているミラー４ａは、共焦点ピンホールを構成するようになっている。
これにより、対物レンズ１２の焦点位置から発せられた蛍光Ｆのみがマイクロミラーアレイ４によって、第１のリレーレンズ５の光軸に沿う方向に反射されるようになっている。

上述したように、マイクロミラーアレイ４は、対物レンズユニット６の結像レンズ１１による標本像の結像面に一致しているので、第１のリレーレンズ５の光軸に沿う方向から見ると、第１のリレーレンズ５の焦点面Ｆ_１に対して角度θだけ傾斜して配置されている。

前記撮像素子８は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラ等の２次元撮像素子である。
本実施形態においては、撮像素子８の撮像面８ａが、第２のリレーレンズ７の後側焦点面Ｆ_２に対して角度φだけ傾斜して配置されている。撮像素子８の撮像面８ａの傾斜方向は、前記マイクロミラーアレイ４の傾斜方向とは逆方向である。したがって、角度θと角度φとはその符号が相違している。また、角度θと角度φとは以下の関係を有することが好ましい。

ｔａｎθ＝−ｍ・ｔａｎφ （１）
ここで、ｍはリレーレンズ５，７の倍率である。倍率ｍは、マイクロミラーアレイ４のアレイ面と撮像素子８の撮像面８ａとの大きさの比で決定され、倍率ｍが大きい方が撮像素子８の傾斜角φは小さくなる。また、マイクロミラーアレイ４の傾斜角θは、ミラー４ａの配列平面を基準としている。

マイクロミラーアレイ４が第１のリレーレンズ５の光軸に対して傾斜しているので、そのマイクロミラーアレイ４上に結像された標本像を第１，第２のリレーレンズ５，７でリレーする場合に、リレーされた像も光軸に対して傾くことになる。したがって、撮像素子８の撮像面８ａを傾斜させることにより、第２のリレーレンズ７による標本像の結像面に撮像素子８の撮像面８ａを近接させ、あるいは一致させることができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る共焦点顕微鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る共焦点顕微鏡１を用いて標本Ａの蛍光画像を取得するには、レーザ光源２を作動させてレーザ光Ｌを出射させ、ビームスプリッタ３および第１のリレーレンズ５を介してマイクロミラーアレイ４に入射させる。また、制御装置９を作動させ、マイクロミラーアレイ４のオン状態になるミラー４ａを高速に順次切り替えていく。これにより、オン状態となったミラー４ａのみにより反射されたレーザ光Ｌが、結像レンズ１１および対物レンズ１２を介して標本Ａに照射され、標本Ａ内の蛍光物質を励起させて蛍光Ｆが発生する。オン状態のミラー４ａが切り替えられることにより、レーザ光Ｌのスポットが標本Ａ上において順次２次元的に走査されていくことになる。

発生した蛍光Ｆは、対物レンズ１２および結像レンズ１１を介して戻り、マイクロミラーアレイ４の配列平面に結像させられる。そして、レーザ光Ｌを照射したオン状態のミラー４ａと同一のミラー４ａによって第１のリレーレンズ５の光軸に沿う方向に反射され、第１のリレーレンズ５、ビームスプリッタ３および第２のリレーレンズ７を介して結像される。

本実施形態に係る共焦点顕微鏡１においては、リレーレンズ５，７の光軸方向から見てマイクロミラーアレイ４の配列平面が傾斜しているので、該マイクロミラーアレイ４の配列平面に結像される結像レンズ１１の標本像が第１、第２のリレーレンズ５，７によりリレーされて結像される標本像も光軸に対して傾斜する。本実施形態によれば、撮像素子８の撮像面８ａが、第１のリレーレンズ５の焦点面Ｆ１に対するマイクロミラーアレイ４の傾斜方向とは逆方向に、第２のリレーレンズ７の焦点面Ｆ２に対して傾斜しているので、第２のリレーレンズ７による結像面を撮像素子８の撮像面８ａに近接させ、軸外においても合焦ズレの少ない２次元蛍光画像を取得することができる。特に、上記式（１）の関係を満たすように角度θ、φを設定することにより、合焦ズレのない鮮明な共焦点蛍光画像を取得し、モニタ１０に表示することができる。

このように、本実施形態に係る共焦点顕微鏡１によれば、ガルバノミラーを不要として部品点数を削減し、また、マイクロミラーアレイ４を駆動するだけで済むので、制御を簡易化することができる。また、オン状態とするミラー４ａを切り替えて標本Ａ上を走査させることに代えて、全てのミラー４ａをオン状態とすることにより、明視野観察を行うことができる。さらに、特定の領域のミラー４ａを常にオン状態にしておくことにより、特定領域の明視野像を常に取得することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る共焦点顕微鏡１′について、図３を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る共焦点顕微鏡１′は、図３に示されるように、第２のリレーレンズ７と撮像素子８との間に第２のビームスプリッタ１３を配置して、第２のリレーレンズ７により集光された蛍光Ｆを撮像素子８側と接眼レンズ１４側とに分岐している点で、第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡１と相違している。
本実施形態によれば、接眼レンズ１４も撮像素子８と同様にして、第２のリレーレンズ７の焦点面Ｆ_２に対して角度φだけ傾斜している。接眼レンズ１４の傾斜方向は、マイクロミラーアレイ４の傾斜方向とは逆方向である。一方、撮像素子８に向かう蛍光Ｆは、ビームスプリッタ１３により１回反転されているので、実質的には撮像素子８もマイクロミラーアレイ４の傾斜方向とは逆方向に傾斜していることになる。

このように構成された本実施形態に係る共焦点顕微鏡１′によれば、撮像素子８の撮像面８ａおよび接眼レンズ１４が、いずれも、第２のリレーレンズ７による標本像の結像面Ｆ_２に近接あるいは一致する位置に配置されるので、軸外においても合焦ズレの少ない鮮明な蛍光画像を取得、あるいは、目視観察することができるという利点がある。

次に、本発明の第３の実施形態に係る共焦点顕微鏡１″について、図４を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係る共焦点顕微鏡１′と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る共焦点顕微鏡１″は、図４に示されるように、第２のビームスプリッタ１３と撮像素子８との間、および第２のビームスプリッタ１３と接眼レンズ１４との間に、それぞれプリズム１５，１６を配置している点で、第２の実施形態に係る共焦点顕微鏡１′と相違している。
プリズム１５，１６は、その入射面１５ａ，１６ａが、第２のリレーレンズ７の焦点面Ｆ_２に対して角度φだけ傾斜している。その傾斜方向は、第２の実施形態における撮像素子８の撮像面８ａおよび接眼レンズ１４の傾斜方向と同一である。また、撮像素子８の撮像面８ａおよび接眼レンズ１４は、プリズム１５，１６を透過した蛍光Ｆの光軸に直交するように配置されている。

このように構成された本実施形態に係る共焦点顕微鏡１″によれば、第２のビームスプリッタ１３を透過した蛍光Ｆおよび第２のビームスプリッタ１３により反射された蛍光Ｆは、プリズム１５，１６の傾斜した入射面１５ａ，１６ａに入射させられることにより屈折され、その結像面を光軸に直交する方向に変換される。したがって、蛍光Ｆの光軸に直交配置された撮像素子８の撮像面８ａに、第２のリレーレンズ７による標本像を結像させることができ、軸外においても合焦ズレの少ない共焦点蛍光画像を取得することができる。また、合焦ズレの少ない鮮明な共焦点蛍光画像を目視観察することもできる。

この場合において、本実施形態によれば、プリズム１５の作用によって撮像素子８の撮像面８ａに対しほぼ直交する方向から蛍光Ｆを入射させることができる。したがって、撮像面７ａにおける量子化効率の低下を防止することができ、明るい蛍光画像を取得することができる。また、接眼レンズ１４においても、プリズム１６の作用により接眼レンズ１４の光軸に対して略平行に蛍光Ｆを入射させることができ、接眼レンズ１４の径寸法を小さくすることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、プリズム１５，１６を例示したが、これに代えて、ブレーズド格子のような光偏向素子を採用してもよい。
また、本発明の構成は、例えば、走査せずに特定の領域だけを照明したり、所定のごく短い時間だけ照明する等の共焦点ではない使用方法も可能である。

本発明の第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡を示す全体構成図である。 図１の共焦点顕微鏡に備えられるマイクロミラーアレイの動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る共焦点顕微鏡を示す全体構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る共焦点顕微鏡を示す全体構成図である。

符号の説明

Ａ 標本
Ｆ_１ 焦点面（前側焦点面）
Ｆ_２ 焦点面（後側焦点面）
１ 共焦点顕微鏡
２ 光源
４ マイクロミラーアレイ
５ 第１のリレーレンズ（リレーレンズ）
６ 対物レンズユニット（対物レンズ）
７ 第２のリレーレンズ（リレーレンズ）
８ 撮像素子
１２ 対物レンズ
１４ 接眼レンズ
１５，１６ プリズム
１５ａ，１６ａ 入射面

Claims (3)

1. 対物レンズと、
   該対物レンズの像位置に配置されるマイクロミラーアレイと、
   該マイクロミラーアレイおよび対物レンズを介して標本を照明する光源と、
   前記マイクロミラーアレイ上の標本像をリレーするリレーレンズと、
   該リレーレンズによりリレーされた標本像を撮像する撮像素子とを備え、
   マイクロミラーアレイによりピンホールを形成して共焦点画像を得る共焦点顕微鏡において、
   前記撮像素子の撮像面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている共焦点顕微鏡。
2. 対物レンズと、
   該対物レンズの像位置に配置されるマイクロミラーアレイと、
   該マイクロミラーアレイおよび対物レンズを介して標本を照明する光源と、
   前記マイクロミラーアレイ上の標本像をリレーするリレーレンズと、
   該リレーレンズによりリレーされた標本像を撮像する撮像素子とを備え、
   マイクロミラーアレイによりピンホールを形成して共焦点画像を得る共焦点顕微鏡において、
   前記撮像素子の前段に、プリズムが配置され、
   該プリズムの入射面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている共焦点顕微鏡。
3. マイクロミラーアレイ上の標本像を目視で観察するための接眼レンズを備え、
   該接眼レンズの焦点面が、前記リレーレンズの後側焦点面に対して、前記リレーレンズの前側焦点面に対する前記マイクロミラーアレイの傾斜方向とは逆方向に傾斜して配置されている請求項１または請求項２に記載の共焦点顕微鏡。

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