JP2008129172A - 共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 １トラックのエンコーダ領域から２種類のトリガ信号を得ることのできる共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡を簡単な構成により実現する。
【解決手段】 ピンホール領域に複数のピンホール螺旋列が形成されたピンホールアレイディスクとこのピンホールに励起光束を集光させるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイディスクとを同軸結合した共焦点スキャナユニットであって、前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクのいずれかに前記ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成するとともに、１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の回転速度で回転するニポウディスクを有する共焦点スキャナユニット、およびこの共焦点スキャナユニットと顕微鏡ユニットとを有し、試料に照射される計測光の戻り蛍光を結像させた共焦点画像を、フレーム転送型ＣＣＤ素子などを備えるカメラにより撮像する共焦点顕微鏡に関するものである。

共焦点顕微鏡は、レーザ光（以下、計測光）による試料上の集光点を走査し、試料からの戻り蛍光を結像させて画像を得ることにより試料を観察するもので、生物やバイオテクノロジーなどの分野おける生きた細胞の生理反応観察や形態観察、あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察等に使用されている。

図３は、従来の共焦点顕微鏡の構成例を示す機能ブロック図である。共焦点スキャナユニット１は、顕微鏡ユニット２のポートに接続されている。計測光Ｌは、共焦点スキャナユニット１のマイクロレンズアレイディスク１１に形成されたマイクロレンズにより個別の励起光束Ｌ１に集光され、ダイクロイックミラー１２を透過後、ピンホールアレイディスク（以下、ニポウディスク）１３の個々のピンホールを通過し、顕微鏡ユニット２の対物レンズ２１により、ステージ３上の試料４に集光される。

この励起光束Ｌ１の照射により、試料４が蛍光を発生する。試料４から出た戻り蛍光Ｌ２は、再び対物レンズ２１を通り、ニポウディスク１３の個々のピンホール上に集光される。個々のピンホールを通過した戻り蛍光は、ダイクロイックミラー１２で反射され、リレーレンズ１４を介してカメラ５が備えるＣＣＤ素子５１の受光面に結像される。

マイクロレンズアレイディスク１１及びニポウディスク１３は、同軸結合され、モータドライバ１５により回転制御されるモータ１６により、所定の速度で回転駆動される。この回転によるニポウディスク１３上のピンホールの移動により、試料４上への集光点を走査している。

ニポウディスク１３のピンホールが並んでいる表面と、試料４の被観察面と、ＣＣＤ素子５１の受光面とは互いに光学的に共役関係に配置されているので、ＣＣＤ素子５１には試料４の光学的断面像、即ち共焦点画像が結像される。ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の詳細に関しては、特許文献１に開示されている。

このような機能構成をとる共焦点顕微鏡において、ノイズの少ない安定した共焦点画像を得るためには、ニポウディスクの回転を高精度に制御するとともに、ニポウディスクの回転走査周期と、カメラの撮像周期を同期させる必要がある。

図３に示す装置では、ニポウディスク１３の回転をフォトセンサの如き回転センサ１７により検出し、走査トリガ生成回路６によりニポウディスク１３の回転に応じたトリガ信号を発生し、モータドライバ１５および撮像トリガ供給部７に供給している。

モータドライバ１５は、このトリガ信号を受け、ニポウディスク１３を所定の回転数でさせるように、モータ１６を駆動する。

撮像トリガ供給部７は、トリガ信号からＣＣＤ素子５１の垂直転送時間を考慮した撮像トリガ信号を生成して撮像制御部８に渡し、撮像制御部８は撮像トリガ信号に基づいて共焦点画像を取得するカメラ５の撮像周期を制御する。

このように、回転センサ１７から得られるトリガ信号によりニポウディスクの回転速度やカメラ５の撮像周期を制御すると、励起光束Ｌ１による試料の走査とカメラ５による共焦点画像の撮像とを正確に同期させることができ、同期縞などのノイズのない、安定した共焦点画像を得ることができる。

特開平５−６０９８０号公報 特開２００６−１４５６３４号公報

図４は、このようなトリガ信号を発生するために使用されるニポウディスク１３の一例を示す構成図である。図４（ａ）は、ニポウディスク上に設けられたピンホール螺旋列の位置に同期したパルス信号を得るものである。斜線で示すピンホール領域１３１には、複数のピンホール螺旋列が形成されており、外周のエンコーダ領域１３２には、ニポウディスク１３の回転位置に応じたトリガ信号を発生するためのスリットが設けられている。図に示す例は、２４列のピンホール螺旋列を有するもので、エンコーダ領域１３２の円周上に２４個のスリットＳ１〜Ｓ２４が設けられている。

ここで、スリットＳ１〜Ｓ２４は等ピッチに形成されており、そのピッチは、１周（３６０°）を２４で割った、１５°となっている。
したがって、回転センサからは、ニポウディスク１３の１回転につき、ピンホール螺旋列の走査位置に応じた２４パルスのトリガ信号が得られ、撮像動作の同期制御に利用することができる。

また、図４（ｂ）は、１回転あたりに１パルスのトリガ信号を発生する例を示したものである。エンコーダ領域１３２には、ニポウディスク１３における任意の基準位置に対応したスリットＳ０が設けられている。
したがって、回転センサからは、ニポウディスク１３の１回転につき、１パルスのトリガ信号が得られ、ニポウディスク１３の回転制御に利用することができる。

なお、ピンホール螺旋列の走査位置に応じた２４パルスのトリガ信号をニポウディスク１３の回転制御に利用することも可能であるが、回転制御の絶対基準として、１回転１パルスのトリガ信号も必要である。

ニポウディスク１３に２トラックのエンコーダ領域１３２を設け、１回転１パルスおよび１回転２４パルスのトリガ信号を同時に得ることも考えられるが、ニポウディスク１３にはピンホール領域１３１の他に、アライメントマーク領域などがあり、広範囲のエンコーダ領域１３２を確保することは難しい。
また、２トラックのエンコーダ領域１３２を読むために、回転センサの構成も複雑になってしまう。

本発明は上記のような従来装置の欠点をなくし、１トラックのエンコーダ領域から２種類のトリガ信号を得ることのできる共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡を簡単な構成により実現することを目的としたものである。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）ピンホール領域に複数のピンホール螺旋列が形成されたピンホールアレイディスクとこのピンホールに励起光束を集光させるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイディスクとを同軸結合した共焦点スキャナユニットであって、
前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクのいずれかに前記ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成するとともに、
１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせたことを特徴とする共焦点スキャナユニット。

（２）前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける外周部に形成したことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。

（３）前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける内周部に形成したことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。

（４）顕微鏡ユニットと、所定の回転速度で回転するピンホールアレイディスクを有する共焦点スキャナユニットとよりなり、試料に照射される計測光の戻り光を結像させた共焦点画像を、フレーム転送型ＣＣＤ素子を備えるカメラにより撮像する共焦点顕微鏡であって、
（１）乃至（３）のいずれかに記載の共焦点スキャナユニットと、
この共焦点スキャナユニットにおけるエンコーダパターンを読み取る回転センサと、
この回転センサの出力信号から前記ピンホール螺旋列の位置に応じたパルス信号を発生する走査同期パルス生成回路と、
前記回転センサの出力信号から前記ピンホールアレイディスクの回転に応じたパルス信号を発生する回転同期パルス生成回路とを有することを特徴とする共焦点顕微鏡。

（５）前記走査同期パルス生成回路の出力信号により、前記カメラの撮像動作を制御することを特徴とする（４）に記載の共焦点顕微鏡。

（６）前記回転同期パルス生成回路の出力信号により、前記ピンホールアレイディスクの回転を制御することを特徴とする（４）または（５）に記載の共焦点顕微鏡。

（７）前記回転同期パルス生成回路の出力信号を計数し、回転指令値と比較することにより、前記ピンホールアレイディスクの回転を制御するモータドライバに制御信号を供給する回転速度比較器を有することを特徴とする（６）に記載の共焦点顕微鏡。

このように、ピンホールアレイディスクまたはマイクロレンズアレイディスクのいずれかにピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成するとともに、１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせるようにすると、回転センサから発生されるパルス信号における立ち上がり（立ち下り）エッジを読めば、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を得ることができ、回転センサから発生されるパルス信号におけるパルス幅を読めば、ピンホールアレイディスクの回転に応じたトリガ信号を得ることができる。
すなわち、１トラックのエンコーダ領域から２種類のトリガ信号を得ることができる。

また、エンコーダ領域は１トラック分だけであるので、余分な領域を占有しないとともに、エンコーダパターンを読み取る回転センサも簡単な構成のもので良い。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明の共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡に使用されるピンホールアレイディスク（以下、ニポウディスク）の一実施例を示す構成図である。図において、前記図４と同様のものは、同一符号を付して示す。

ニポウディスク１３のエンコーダ領域１３２には、ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２が形成されている。ここでは、ピンホール螺旋列の本数が１２本の場合を例示しており、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２のピッチは３０°となっている。

また、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２のうち、１つのエンコーダパターンＰ１は、その周方向の幅が他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２と異なるように形成されている。図の例では、ピッチに換算して１３°相当で、他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２より狭く形成されている。他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２における周方向の幅は、ピッチに換算して１５°相当である。
なお、エンコーダパターンＰ１には、ニポウディスク１３の基準位置に同期した位置のパターンが好適である。

このような位置関係を有するエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２では、各パターンの先端位置を読めば、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を得ることができるとともに、各パターンの幅を読めば、１つだけ幅の狭いエンコーダパターンＰ１の通過を検出することができ、ニポウディスク１３の回転に応じたトリガ信号を得ることができる。

図２は、このような共焦点スキャナユニットを使用した共焦点顕微鏡の一実施例を示す構成図である。図において、前記図３と同様のものは、同一符号を付して示す。ニポウディスク１３は前記図１の如きエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を有するものであり、回転センサ１７はこのエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を読み取り、パターンの有無に応じた２値のパルス信号を発生する。

走査同期パルス生成回路６１は、回転センサ１７から発生されるパルス信号における立ち上がり（立ち下り）エッジを読み、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を発生する。このトリガ信号は、撮影トリガ供給部７に供給され、共焦点画像を取得するカメラ５の撮像周期信号として利用される。

回転同期パルス生成回路６２は、回転センサ１７から発生されるパルス信号におけるパルス幅を読み、幅の狭いエンコーダパターンＰ１の通過を検出して、ニポウディスク１３の回転に応じたトリガ信号を発生する。このトリガ信号は、ニポウディスク１３の１回転に対して１つ発生されるものである。

回転速度比較器６３は、回転同期パルス生成回路６２から発生されるトリガ信号を計数し、これを回転速度設定部６４に保持された回転速度指令値と比較する。この偏差はモータドライバ１５に供給され、ニポウディスク１３の回転が所定の回転速度となるように制御される。

以上説明したように、本発明の共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡では、１トラックのエンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）から２種類のトリガ信号を得ることができる。また、エンコーダ領域１３２は１トラック分だけであるので、ニポウディスク１３の表面に余分な領域を占有しないとともに、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を読み取る回転センサ１７も簡単な構成のもので良い。

なお、上記の説明においては、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）をニポウディスク１３の外周部に設けた場合を例示したが、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）の位置はこれに限らず、ニポウディスク１３の内周部であっても良い。

また、上記の説明においては、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）をニポウディスク１３側に設けた場合を例示したが、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）は、ニポウディスク１３に同軸結合されたマイクロレンズアレイディスク側に設けても良い。

さらに、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２において、特定のパターンＰ１の幅を他のパターンＰ２〜Ｐ１２よりも狭く形成した場合を例示したが、特定のパターンＰ１の幅を他のパターンＰ２〜Ｐ１２よりも広く形成しても、同様の動作を行わせることができる。

本発明の共焦点スキャナユニットおよびこれを使用した共焦点顕微鏡に使用されるピンホールアレイディスク（以下、ニポウディスク）の一実施例を示す構成図。 本発明の共焦点スキャナユニットを使用した共焦点顕微鏡の一実施例を示す構成図。 従来の共焦点顕微鏡の構成例を示す機能ブロック図。 ニポウディスク１３の一例を示す構成図。

符号の説明

１ 共焦点スキャナユニット
１１ マイクロレンズアレイディスク
１２ ダイクロイックミラー
１３ ピンホールアレイディスク（ニポウディスク）
１３１ ピンホール領域
１３２ エンコーダ領域
１４ リレーレンズ
１５ モータドライバ
１６ モータ
２ 顕微鏡ユニット
２１ 対物レンズ
３ ステージ
４ 試料
５ カメラ
５１ ＣＣＤ素子
６ 走査トリガ生成回路
７ 撮像トリガ供給部
８ 撮像制御部
６１ 走査同期パルス生成回路
６２ 回転同期パルス生成回路
６３ 回転速度比較器
６４ 回転速度設定部

Claims (7)

1. ピンホール領域に複数のピンホール螺旋列が形成されたピンホールアレイディスクとこのピンホールに励起光束を集光させるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイディスクとを同軸結合した共焦点スキャナユニットであって、
   前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクのいずれかに前記ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成するとともに、
   １つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせたことを特徴とする共焦点スキャナユニット。
2. 前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける外周部に形成したことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
3. 前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける内周部に形成したことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
4. 顕微鏡ユニットと、所定の回転速度で回転するピンホールアレイディスクを有する共焦点スキャナユニットとよりなり、試料に照射される計測光の戻り光を結像させた共焦点画像を、フレーム転送型ＣＣＤ素子を備えるカメラにより撮像する共焦点顕微鏡であって、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の共焦点スキャナユニットと、
   この共焦点スキャナユニットにおけるエンコーダパターンを読み取る回転センサと、
   この回転センサの出力信号から前記ピンホール螺旋列の位置に応じたパルス信号を発生する走査同期パルス生成回路と、
   前記回転センサの出力信号から前記ピンホールアレイディスクの回転に応じたパルス信号を発生する回転同期パルス生成回路とを有することを特徴とする共焦点顕微鏡。
5. 前記走査同期パルス生成回路の出力信号により、前記カメラの撮像動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の共焦点顕微鏡。
6. 前記回転同期パルス生成回路の出力信号により、前記ピンホールアレイディスクの回転を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の共焦点顕微鏡。
7. 前記回転同期パルス生成回路の出力信号を計数し、回転指令値と比較することにより、前記ピンホールアレイディスクの回転を制御するモータドライバに制御信号を供給する回転速度比較器を有することを特徴とする請求項６に記載の共焦点顕微鏡。

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