JP2008275791A - 走査型共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の小型化を実現できるとともに高い観察性能を得ることができること。
【解決手段】走査型共焦点顕微鏡１００は、標本１の共役面上に配置され、標本１上の異なる領域から発する複数の観察光を選択的に反射させるとともに観察光ごとに反射領域を所定領域に制限するマイクロミラーアレイ４と、マイクロミラーアレイ４が反射させた複数の観察光を１以上の観察光ごとに光検出器１８へ向けて順次偏向させて光検出器１８に入射させるガルバノミラー１６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型共焦点顕微鏡に関するものである。

近年、細胞や組織等の標本観察に用いる走査型共焦点顕微鏡の開発が精力的に進められている。走査型共焦点顕微鏡では、標本内の所望の深さに焦点を合わせることで、その深さの断層画像を得ることができる。また、焦点位置を順次変化させ、異なる深さの断層画像を複数取得することで、３次元的な観察画像を構築することができ、標本を立体的に観察することができる。このような走査型共焦点顕微鏡においては、高い解像力とともに高速動作性が求められる。これに対し、例えば特許文献１に開示された走査型共焦点顕微鏡がある。

特開２００４-１９９０６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された走査型共焦点顕微鏡では、標本と共焦点ピンホールとしてのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）との間に、標本上で照明光を走査させる走査機構としてのガルバノミラーを標本に対して瞳空間に設けるためのリレー光学系を備える必要があるため、光学系を小型化することが困難であるという問題があった。また、標本とＤＭＤとの間に、対物レンズおよび結像レンズからなる結像光学系とは別にリレー光学系を備えることで、解像度等の観察性能を悪化させる恐れがあるという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、光学系の小型化を実現できるとともに高い観察性能を得ることができる走査型共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、標本上の異なる領域から発する複数の観察光を個別に検出する光検出器を備え、該光検出器の検出結果をもとに前記標本の観察画像を生成する走査型共焦点顕微鏡において、前記標本の共役面上に配置され、前記複数の観察光を選択的に反射／透過させるとともに該観察光ごとに反射領域／透過領域を所定領域に制限する光変調素子と、前記光変調素子が反射／透過させた前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させて該光検出器に入射させる偏向走査手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、光源を有し、該光源が発した光を、線状の光束断面を有する線状光に整形して前記光変調素子上に照射する照明手段と、前記照明手段内に設けられ、前記光源が発した光を順次異なる角度で偏向させて、前記光変調素子上で前記線状光をその線状方向に対して略垂直な走査方向に走査させる光走査手段と、を備え、前記光変調素子は、前記線状光の一部を選択的に反射／透過させて前記標本上に照射させるとともに、この照射させた光に基づいて前記標本上から発する前記複数の観察光を選択的に反射／透過させ、前記偏向走査手段は、前記光走査手段に同期して前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させて該光検出器に入射させることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光検出器は、線状に配列された複数の受光部を有し、該複数の受光部を前記線状光に対して略平行にして配置され、前記偏向走査手段は、前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させ、各観察光を前記複数の受光部へ個別に入射させることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記偏向走査手段および前記光走査手段は、一体形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記偏向走査手段および前記光走査手段は、前記複数の観察光を一方の面で反射させるとともに前記光源が発した光を他方の面で反射させる両面反射鏡を用いて形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、光源を有し、該光源が発した光を前記光変調素子上の所定範囲に照射する照明手段を備え、前記光変調素子は、前記照明手段によって照射された光の一部を選択的に反射させて前記標本上に照射させるとともに、この照射させた光に基づいて前記標本上から発した前記複数の観察光を選択的に反射／透過させることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光検出器は、線状に配列された複数の受光部を有し、前記偏向走査手段は、前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させ、各観察光を前記複数の受光部へ個別に入射させることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光検出器と交換自在に配置される撮像素子を備え、前記偏向走査手段は、前記撮像素子が配置された場合、前記複数の観察光を前記撮像素子へ向けて一括して偏向させて該撮像素子に入射させることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記偏向走査手段と前記光検出器との間で前記光変調素子の共役面上に設けられ、前記偏向走査手段が前記複数の観察光の偏向方向を順次変化させる偏向走査方向について前記複数の観察光の通過範囲を所定範囲に制限する光制限素子を備え、前記光変調素子は、前記複数の観察光を少なくとも前記偏向走査方向に対して略垂直な方向に前記反射領域／透過領域を所定領域に制限し、前記光検出器は、前記光制限素子を通過した前記複数の観察光を個別に検出することを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光変調素子は、傾斜角が個別に切換可能な複数の微小ミラーを２次元配列して備えるマイクロミラーアレイであることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光変調素子は、入射する光に対する透過率を個別に切換可能な複数の微小透過部を２次元配列して備えるマトリクス型透過素子であることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記偏向走査手段は、ガルバノミラーを用いて構成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記偏向走査手段または前記光走査手段の少なくとも一方は、ガルバノミラーを用いて構成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡は、上記の発明において、前記光検出器は、フォトマルチプライヤまたはフォトマルチプライヤアレイであることを特徴とする。

本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡によれば、光学系の小型化を実現できるとともに高い観察性能を得ることができる。

以下、添付図面を参照し、本発明にかかる走査型共焦点顕微鏡の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によって、この発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一符号を付して示している。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡について説明する。図１は、本実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡１００の要部構成を示す図である。この図に示すように走査型共焦点顕微鏡１００は、蛍光顕微鏡として構成されており、図示しないステージ等に保持された標本１に対向して設けられた対物レンズ２と、この対物レンズ２と協働して標本１の共役像を結像する結像レンズ３と、結像光学系としての対物レンズ２および結像レンズ３による標本１の共役面上に配置された光変調素子としてのマイクロミラーアレイ４とを備える。

マイクロミラーアレイ４は、個別に傾斜角を切換可能な複数の微小ミラーを２次元配列して備える反射素子であって、例えばＤＭＤが用いられる。ＤＭＤは、半導体基板上に形成された数十万個の微小ミラーを有し、各微小ミラーの傾斜角を制御回路からのオン／オフ信号に応じて個別に切り換えることで、入射した光の一部を微小ミラーごとに選択的に反射させることができる。このようなＤＭＤを用いたマイクロミラーアレイ４は、各微小ミラーの傾斜角駆動がオフされた状態で、その各反射面が標本１の共役面と一致するように設けられている。また、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーは、傾斜角駆動がオンされた場合、後述のように標本１上から発する観察光としての蛍光のうち各々対応する共役領域から発する蛍光を選択的に反射させるとともに、その反射領域を所定領域に制限することで、共焦点ピンホールとして機能する。なお、マイクロミラーアレイ４が標本１の共役面上に配置されるとは、厳密に共役面上に配置されることを意味するものではなく、共役面近傍に配置される場合も含んでいる。

また、走査型共焦点顕微鏡１００は、マイクロミラーアレイ４、結像レンズ３および対物レンズ２を介して標本１を照明する照明光学系として、レーザ光源５、ビームエキスパンダ６、ガルバノミラー７、平面ミラー８〜１０、シリンドリカルレンズ１１、励起フィルタ１２およびダイクロイックミラー１３を備える。

レーザ光源５は、所定波長域のレーザ光を射出する。ビームエキスパンダ６は、レーザ光源５が射出した平行光であるレーザ光のビーム径を拡大整形する。シリンドリカルレンズ１１は、ビームエキスパンダ６が射出させ、ガルバノミラー７および平面ミラー８が反射させたレーザ光を、所定方向（図１では紙面に平行な方向）に集光させることで、その集光面上で線状の光束断面を有する線状ビーム（図１では紙面に垂直な線状ビーム）に整形する。

励起フィルタ１２は、シリンドリカルレンズ１１が射出させ、平面ミラー９が反射させたレーザ光のうち、標本１を励起する励起光として所定波長を有したレーザ光を選択的に透過させる。ダイクロイックミラー１３は、励起フィルタ１２を透過したレーザ光を反射させ、平面ミラー１０を介してマイクロミラーアレイ４上に入射させる。マイクロミラーアレイ４は、シリンドリカルレンズ１１による集光面上あるいはその近傍に設けられており、励起光としてのレーザ光は、マイクロミラーアレイ４上で線状に集光される。

光走査手段としてのガルバノミラー７は、シリンドリカルレンズ１１の入射瞳上に設けられており、ビームエキスパンダ６が射出させたレーザ光を反射させて平面ミラー８へ向けて偏向させる。このとき、ガルバノミラー７は、レーザ光の偏向角（反射角）を所定平面（図１では紙面）に沿って所定角度範囲内で連続的に繰り返し変化させる。これによって、ガルバノミラー７は、マイクロミラーアレイ４上に照射される線状ビームを、その線状方向に対してほぼ垂直な走査方向に繰り返し走査させる。

ガルバノミラー７によって走査される線状ビームのうち傾斜角駆動がオン状態の微小ミラー上に照射されたレーザ光は、そのオン状態の微小ミラーによって反射された後、結像レンズ３および対物レンズ２を介して標本１上に照射される。すなわち、マイクロミラーアレイ４は、マイクロミラーアレイ４上の所望する微小ミラーの傾斜角駆動を適宜オン状態とすることで、線状ビームの一部を選択的に反射させ、励起光として標本１上に照射させる。このとき、各微小ミラーが反射させた線状ビームの一部は、結像レンズ３および対物レンズ２による標本１上の対応する共役領域に照射される。

また、走査型共焦点顕微鏡１００は、このように励起光として線状ビームの一部が照射された標本１上の各領域から発する観察光としての蛍光を、対物レンズ２、結像レンズ３、マイクロミラーアレイ４、平面ミラー１０およびダイクロイックミラー１３を介して検出する検出光学系として、吸収フィルタ１４、リレーレンズ１５、ガルバノミラー１６、撮像レンズ１７および光検出器１８を備える。

標本１上から発した蛍光は、対物レンズ２および結像レンズ３により、その励起光として線状ビームの一部を反射させた微小ミラー上に結像されるとともに、その微小ミラーによって反射され、平面ミラー１０を介してダイクロイックミラー１３に入射される。ダイクロイックミラー１３は、この入射した蛍光を透過させ、吸収フィルタ１４は、ダイクロイックミラー１３が透過させた蛍光のうち所定波長域の蛍光を選択的に透過させる。なお、ダイクロイックミラー１３および吸収フィルタ１４の分光特性は、蛍光体としての標本１の発光特性に応じてあらかじめ設定される。

リレーレンズ１５は、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーが反射させ、吸収フィルタ１４を透過した各蛍光を、ほぼ平行光に変換して射出させる。撮像レンズ１７は、リレーレンズ１５が射出させ、ガルバノミラー１６が反射させた各蛍光をそれぞれ集光させる。

光検出器１８は、例えばフォトマルチプライヤからなる複数の受光部を線状に配列して備えたフォトマルチプライヤアレイが用いられる。光検出器１８は、その複数の受光部がマイクロミラーアレイ４上の線状ビームに対してほぼ平行に配列され、撮像レンズ１７による蛍光の集光面上に配置されている。光検出器１８は、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーが反射させ、撮像レンズ１７が集光させた各蛍光を複数の受光部で個別に光電検出する。なお、光検出器１８の複数の受光部が線状ビームに対してほぼ平行に配列されるとは、マイクロミラーアレイ４から光検出器１８に至る光路中の折り曲げ方向等を考慮し、光学的に実質ほぼ平行である場合を含むものである。

偏向走査手段としてのガルバノミラー１６は、撮像レンズ１７の入射瞳上に設けられており、リレーレンズ１５が射出させた蛍光を反射させ、撮像レンズ１７へ向けて偏向させる。このとき、ガルバノミラー１６は、マイクロミラーアレイ４上の線状ビーム内に位置する各微小ミラーが反射させてリレーレンズ１５が射出させた蛍光を、光検出器１８へ向けて偏向させることで、撮像レンズ１７を介して光検出器１８に入射させる。また、ガルバノミラー１６は、ガルバノミラー７に同期して駆動されることで、マイクロミラーアレイ４上の線状ビームの走査にともない異なる微小ミラーが順次反射させる各蛍光を、その蛍光ごとに光検出器１８へ向けて偏向させて光検出器１８に入射させる。なお、光検出器１８へ向けて偏向させるとは、途中経由する撮像レンズ１７の屈折作用を考慮した上で光検出器１８へ向かう方向へ偏向させることを意味する。

これは言い換えると、ガルバノミラー１６は、ガルバノミラー７によってマイクロミラーアレイ４上で走査される線状ビームの走査位置の変化を打ち消すように、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーが反射させた蛍光をガルバノミラー７に同期して順次偏向させている。これによって、ガルバノミラー１６は、線状ビームの走査位置によらず、線状ビーム内の各微小ミラーが反射させた蛍光を常に光検出器１８に入射させている。

また、走査型共焦点顕微鏡１００は、光検出器１８による検出信号を記録する記録装置１９と、記録装置１９が記録した各検出信号をもとに標本１の観察画像を構築する演算装置２０と、演算装置２０が構築した観察画像を表示する表示装置２１と、走査型共焦点顕微鏡１００内にあって電気的に駆動される各部の処理および動作を制御する制御装置２２とを備える。制御装置２２は、特にガルバノミラー７，１６およびマイクロミラーアレイ４を駆動し、光検出器１８の検出結果をもとに標本１の観察画像を生成する制御を行う。

つづいて、走査型共焦点顕微鏡１００における標本１の観察画像の生成手順について説明する。図示しない焦準機構によって標本１が所望の位置（深さ）に焦点合わせされた後、制御装置２２は、まずマイクロミラーアレイ４の各微小ミラーを所定パターンで傾斜駆動させる。具体的には、例えば図２に示すように、マイクロミラーアレイ４上に照射される線状ビーム２３の線状方向（図２における上下方向）と走査方向（図２における左右方向）とにおいて、それぞれ所定間隔（図２では両方向３個間隔）で配置された複数の微小ミラー４ａの傾斜駆動をオン状態とする。

つぎに、制御装置２２は、ガルバノミラー７を駆動し、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように線状ビーム２３をマイクロミラーアレイ４上で走査させる。これに応じて、各微小ミラー４ａは、線状ビーム２３が通過するごとにその一部を選択的に反射させ、結像レンズ３および対物レンズ２を介して標本１上の共役領域に励起光として照射する。この各微小ミラー４ａの共役領域は、線状ビーム２３の走査にともない順次励起され、励起されるごとに所定波長域の蛍光を発する。標本１上の各領域から発する蛍光は、対物レンズ２および結像レンズ３により、それぞれマイクロミラーアレイ４上の共役位置にある微小ミラー４ａに入射される。この微小ミラー４ａは、励起光として線状ビーム２３の一部を反射させた微小ミラーであり、それぞれ線状ビーム２３を反射させた後、傾斜駆動がオン状態とされたまま、標本１上から発した蛍光を検出光学系へ向けて選択的に反射させている。

つづいて、制御装置２２は、ガルバノミラー７に同期させてガルバノミラー１６を駆動する。これに応じて、ガルバノミラー１６は、線状ビーム２３の走査に連動し、その走査方向に配列された微小ミラー４ａが順次反射させる各蛍光を、その蛍光ごとに光検出器１８へ向けて順次偏向させて光検出器１８に入射させる。また、線状ビーム２３の線状方向に配列された微小ミラー４ａが反射させた各蛍光を、それぞれ光検出器１８の異なる受光部に入射させる。なお、ここでは制御装置２２がガルバノミラー７，１６を順次駆動するものとして説明したが、同時に駆動させて構わない。

その後、制御装置２２は、線状ビーム２３の走査に同期して光検出器１８によって順次検出される検出信号を記録装置１９に逐次記録する。このとき、制御装置２２は、各検出信号を、それぞれ対応する微小ミラー４ａのマイクロミラーアレイ４上での配置位置に対応付けて記録する。あるいは、対応する微小ミラー４ａの標本１上での共役位置に対応付けて記録する。

そして、制御装置２２は、マイクロミラーアレイ４上で傾斜駆動をオンさせる微小ミラー４ａの配置パターンを他の所定パターンに切り換え、同様の走査および検出処理を繰り返す。具体的には、例えば図２に示した各微小ミラー４ａの配置位置を線状ビーム２３の線状方向に微小ミラー１つ分シフトさせた配置パターンとして同様の処理を繰り返す。

さらに、制御装置２２は、各微小ミラー４ａの配置位置を線状方向または走査方向に順次シフトさせ、走査および検出処理を繰り返すことで、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーに対する標本１上のすべての共役点から発した蛍光を検出し、記録装置１９に記録する。そして、標本１上のすべての共役点に対応する検出信号を記録した際、制御装置２２は、その各検出信号をもとに演算装置２０に観察画像を構築させ、構築された観察画像を表示装置２１に表示させる。

以上説明したように、本実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡１００は、標本１の共役面上に配置され、標本１上の異なる点から発した複数の観察光を選択的に反射させるとともに観察光ごとに反射領域を所定領域に制限する光変調素子としてのマイクロミラーアレイ４と、マイクロミラーアレイ４が反射させた複数の観察光を１以上の観察光ごとに光検出器１８へ向けて順次偏向させて光検出器１８に入射させる偏向走査手段としてのガルバノミラー１６とを備えている。このため、走査型共焦点顕微鏡１００では、標本１と共焦点ピンホールとしてのマイクロミラーアレイ４との間に、標本１上で励起光としての照明光を走査させるガルバノミラーを標本１に対して瞳空間内に設けるためのリレー光学系を備える必要がなく、光学系の簡素化および小型化を実現することができる。また、標本１とマイクロミラーアレイ４との間に、ガルバノミラーおよびリレー光学系など、対物レンズ２と結像レンズ３とからなる結像光学系以外に結像に寄与する光学部材を設ける必要がなく、収差要因となる光学部材を削減することができるため、高い観察性能を得ることができる。

（変形例）
つぎに、本実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡の変形例について説明する。図３は、その変形例としての走査型共焦点顕微鏡２００の要部構成を示す図である。この図に示すように、走査型共焦点顕微鏡２００は、走査型共焦点顕微鏡１００の構成をもとに、ガルバノミラー７，１６に替えてガルバノミラー３１を備える。その他の構成は、走査型共焦点顕微鏡１００と同じであり、同一部分には同一符号を付して示している。

ガルバノミラー３１は、走査型共焦点顕微鏡１００におけるガルバノミラー７とガルバノミラー１６とを一体形成した素子であって、表裏面をともに反射面とした両面ミラーを用いて構成されている。ガルバノミラー３１は、制御装置２２からの制御信号に基づき、ビームエキスパンダ６が射出させたレーザ光を一方の面で反射させて平面ミラー８へ向けて偏向させるとともに、リレーレンズ１５が射出させた蛍光を他方の面で反射させて撮像レンズ１７へ向けて偏向させる。

これによって、ガルバノミラー３１は、ガルバノミラー７と同様にマイクロミラーアレイ４上で線状ビーム２３を走査させるとともに、この走査に同期して各微小ミラー４ａが反射させた蛍光をガルバノミラー１６と同様に光検出器１８へ順次入射させる。このため、走査型共焦点顕微鏡２００では、走査型共焦点顕微鏡１００と同様に標本１の観察画像を得ることができる。

走査型共焦点顕微鏡２００では、走査型共焦点顕微鏡１００における２つのガルバノミラー７，１６の機能を１つのガルバノミラー３１によって実現することで、光学系の簡素化および小型化を一層促進させている。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる走査型共焦点顕微鏡について説明する。図４は、本実施の形態２にかかる走査型共焦点顕微鏡３００の要部構成を示す図である。この図に示すように、走査型共焦点顕微鏡３００は、走査型共焦点顕微鏡１００の構成をもとに、光検出器１８と交換自在に撮像素子４１を備えるとともに、照明光学系からガルバノミラー７および平面ミラー８，９が取り除かれている。ここで、撮像素子４１は、ＣＣＤカメラ等が用いられる。その他の構成は走査型共焦点顕微鏡１００と同じであり、同一部分には同一符号を付して示している。

ビームエキスパンダ６が射出させたレーザ光は、励起フィルタ１２、ダイクロイックミラー１３および平面ミラー１０を経由した後、図５に示すように、マイクロミラーアレイ４上の全面に面状ビーム４２として照射される。なお、面状ビーム４２は、矩形開口を有した図示しない絞り等によって光束断面が矩形に整形されている。ただし、面状ビーム４２の光束断面は、矩形に限定されるものではなく、マイクロミラーアレイ４上の全面に一括照射されるものであれば円状等、任意形状でよい。

マイクロミラーアレイ４上で傾斜駆動がオン状態とされた各微小ミラー４ａは、それぞれ面状ビーム４２の一部を選択的に反射させ、結像レンズ３および対物レンズ２を介して標本１上の共役領域に励起光として照射する。励起光が照射された標本１上の各領域は、一括して励起され、それぞれ所定波長域の蛍光を発する。そして、標本１上の各領域から発する蛍光は、対物レンズ２および結像レンズ３により、それぞれマイクロミラーアレイ４上の共役位置にある微小ミラー４ａに入射される。この微小ミラー４ａは、励起光として面状ビーム４２の一部を反射させた微小ミラーであり、それぞれ面状ビーム４２を反射させた後、傾斜駆動がオン状態とされたまま、標本１上から発した蛍光を検出光学系へ向けて選択的に反射させている。

制御装置２２は、撮像レンズ１７の集光面上に光検出器１８が配置されている場合、ガルバノミラー１６を駆動する。これによって、ガルバノミラー１６は、その駆動方向（回転方向）に対して光学的にほぼ平行な方向に配列された各微小ミラー４ａが反射させる各蛍光を、その蛍光ごとに光検出器１８へ向けて順次偏向させて光検出器１８に入射させる。また、ガルバノミラー１６の駆動方向に対して光学的にほぼ垂直な方向に配列された微小ミラー４ａが反射させる各蛍光を、それぞれ光検出器１８の異なる受光部に個別に入射させる。

その後、制御装置２２は、光検出器１８によって順次検出される各検出信号を、各々対応する微小ミラー４ａのマイクロミラーアレイ４上での配置位置もしくは標本１上での共役位置に対応付けて記録装置１９に逐次記録する。さらに、制御装置２２は、実施の形態１と同様に、マイクロミラーアレイ４上で傾斜駆動をオン状態とさせる微小ミラー４ａの配置パターンを他の所定パターンに順次切り換えながら検出を繰り返すことで、マイクロミラーアレイ４上の各微小ミラーに対する標本１上のすべての共役領域から発した蛍光を検出し、記録装置１９に記録する。そして、標本１上のすべての共役領域に対応する検出信号を記録した際、制御装置２２は、その各検出信号をもとに演算装置２０に観察画像を構築させ、構築された観察画像を表示装置２１に表示させる。

一方、撮像レンズ１７の集光面上に撮像素子４１が配置されている場合、制御装置２２は、ガルバノミラー１６の動きを停止させるとともに、マイクロミラーアレイ４上のすべての微小ミラーの傾斜駆動をオン状態とする。これによって、ガルバノミラー１６は、標本１上の各領域から発しマイクロミラーアレイ４上が反射させる蛍光を、撮像素子４１へ向けて一括して偏向させて撮像素子４１に入射させる。また、撮像レンズ１７は、リレーレンズ１５と協働し、各微小ミラー４ａの観察像としての共役像を撮像素子４１の撮像面上に結像させ、撮像素子４１は、その観察画像を撮像する。そして、制御装置２２は、撮像素子４１が撮像した観察画像を記録装置１９に記録するとともに、表示装置２１に表示させる。

以上説明したように、本実施の形態２にかかる走査型共焦点顕微鏡３００では、走査型共焦点顕微鏡１００と同様に、マイクロミラーアレイ４およびガルバノミラー１６を備えているため、標本１と共焦点ピンホールとしてのマイクロミラーアレイ４との間に、ガルバノミラーを標本１に対して瞳空間内に設けるためのリレー光学系を備える必要がなく、光学系の簡素化および小型化を実現することができるとともに、高い観察性能を得ることができる。

また、走査型共焦点顕微鏡３００では、フォトマルチプライヤ等を用いた高感度な光検出器１８と、撮像素子４１とを交換自在に備えるとともに、光検出器１８と撮像素子４１との配置切換に対応させてガルバノミラー１６の駆動および停止を切換可能としているため、光検出器１８による高感度な共焦点観察と、撮像素子４１による簡易的かつ高速な観察とを切換自在に行うことができる。これによって観察者は、例えば撮像素子４１によって準備段階における簡易観察を行い、光検出器１８によって高感度な観察を行うことができる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３にかかる走査型共焦点顕微鏡について説明する。図６は、本実施の形態３にかかる走査型共焦点顕微鏡４００の部分構成を示す図である。この走査型共焦点顕微鏡４００は、上述した走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００のいずれかの構成をもとに、撮像レンズ１７と光検出器１８との間に共焦点スリット５１をさらに備えている。図６では、撮像レンズ１７、光検出器１８および共焦点スリット５１の構成のみを便宜的に示している。

光制限素子としての共焦点スリット５１は、図６に示すように、撮像レンズ１７による蛍光の集光面上、つまりリレーレンズ１５と撮像レンズ１７とによるマイクロミラーアレイ４の共役面上に設けられている。共焦点スリット５１は、所定幅のスリット開口部５１ａを有しており、このスリット開口部５１ａがガルバノミラー１６の駆動方向に対して光学的にほぼ垂直になるように配置されている。すなわち、スリット開口部５１ａは、ガルバノミラー１６がリレーレンズ１５からの蛍光の偏向方向を順次変化させる偏向走査方向に対して光学的にほぼ垂直に設けられている。これによって、共焦点スリット５１は、ガルバノミラー１６による偏向走査方向について、撮像レンズ１７が集光させる蛍光の通過範囲をスリット開口部５１ａのスリット幅に制限している。なお、ガルバノミラー１６による偏向走査方向は、共焦点スリット５１が走査型共焦点顕微鏡１００または２００の構成をもとに設けられる場合、線状ビーム２３の走査方向に対して光学的にほぼ平行な方向である。

光検出器１８は、撮像レンズ１７に対して共焦点スリット５１の背後に配置されており、撮像レンズ１７がスリット開口部５１ａ内に集光させて通過させた蛍光を検出する。なお、走査型共焦点顕微鏡３００の構成をもとに共焦点スリット５１を設ける場合には、撮像素子４１に対して共焦点スリット５１および光検出器１８を一体にして交換自在にするとよい。

走査型共焦点顕微鏡４００では、共焦点スリット５１を設けたことで、マイクロミラーアレイ４上で傾斜駆動をオン状態とさせる微小ミラー４ａの配列を、図７−１に示すように、線状ビーム２３の走査方向に連続的に配列することができる。図７−１では、白抜き四角形の配列が微小ミラー４ａの配列を示している。

上述した走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００のように、共焦点スリット５１が設けられていない場合には、微小ミラー４ａは、共焦点ピンホールとしての機能を持たせる必要があり、このため図２に示したように、線状ビーム２３の走査方向について微小ミラー４ａを不連続に配列しなければならなかった。これに対して、共焦点スリット５１を設けた場合には、線状ビーム２３の走査方向における共焦点効果をスリット開口部５１ａによって得ることができるため、マイクロミラーアレイ４上では、線状ビーム２３の走査方向に共焦点効果を得る必要がなく、微小ミラー４ａを連続的に配列することができる。この場合、微小ミラー４ａは、線状ビーム２３の線状方向についてのみ共焦点効果を発揮することとなる。

このようにマイクロミラーアレイ４上で微小ミラー４ａを連続的に配列することによって、走査型共焦点顕微鏡４００では、観察画像を構築するために必要な検出信号を得るため、つまりマイクロミラーアレイ４上のすべての微小ミラーに対応する検出信号を得るために必要な線状ビーム２３の走査回数を減少させることができ、観察画像を生成する一連の処理を高速化することができる。

具体的には、共焦点スリット５１を用いる場合、例えば図７−１に示した微小ミラー４ａの配列パターンに対して線状ビーム２３を走査させた後、その配列パターンを図７−２に示すように切り換えて再び走査を行うことで、マイクロミラーアレイ４上のすべての微小ミラーに対応する検出信号を得ることができる。これに対して、共焦点スリット５１を用いない場合には、線状ビーム２３の走査方向に微小ミラー４ａを少なくとも１つおきに配列する必要があるため、４回以上の走査を行わなければすべての微小ミラーに対応する検出信号を得ることができない。したがって、この場合、共焦点スリット５１を用いることで、観察画像を生成する一連の処理時間を概ね１／４倍に短縮することができる。

なお、ここではマイクロミラーアレイ４上の各微小ミラー４ａについて検出信号を得るものとして説明したが、必ずしも微小ミラー４ａと検出信号とを１対１に対応させる必要はなく、例えば図８−１および図８−２に示すように、４つの微小ミラー４ａに対して１つの検出信号を得るものとして構わない。この場合、線状ビーム２３内で隣接する４つの微小ミラー４ａが反射させる蛍光を光検出器１８における同一の受光部で検出することで、この４つの微小ミラー４ａを単位とした検出信号を得ることができる。なお、光検出器１８上の同一の受光部に対応させる微小ミラー４ａの数は、４つに限定されず、任意数で構わない。

ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態１〜３として説明したが、本発明は、上述した実施の形態１〜３に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

例えば、上述した実施の形態１〜３では、走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００，４００は、光変調素子としてマイクロミラーアレイ４を備えるものとしたが、反射素子に限定されず、透過素子を用いることもできる。その場合、入射する光に対する透過率を個別に切換可能な複数の微小透過部、特に入射した光の透過と遮断とを個別かつ自在に切換可能な複数の微小透過部を２次元配列して備えるマトリクス型透過素子を用いることができ、例えばマトリクス液晶を用いることができる。走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００または４００の構成をもとに、マイクロミラーアレイ４に替えてかかるマトリクス型透過素子を備え、マトリクス型透過素子に対して線状ビーム２３または面状ビーム４２を透過照明するとともに、標本１から発した蛍光をマトリクス型透過素子を透過させた後に検出することで、マイクロミラーアレイ４を用いた場合と同様の機能および効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態１〜３では、走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００，４００は、蛍光顕微鏡であるものとして説明したが、蛍光に限定されず、例えば白色光による観察に用いることもできる。その場合、励起フィルタ１２、吸収フィルタ１４を取り除き、ダイクロイックミラー１３をハーフミラー等に置き換えるとよい。

また、上述した実施の形態１〜３では、走査型共焦点顕微鏡１００，２００，３００，４００は、標本１に対し、マイクロミラーアレイ４を介して落射照明を行うものとしたが、透過照明を行うようにすることもできる。また、自発光する標本を標本１として観察を行う場合には、照明光学系を省略することもできる。

また、上述した実施の形態１〜３では、偏向走査手段および光走査手段として所定方向に回転駆動するガルバノミラー７，１６を用い、それぞれ１次元的にレーザ光または蛍光の偏向角を変化させるものとしたが、２次元的に偏向角を変化させるようにしても構わない。その場合、例えば回転軸を光学的に直交させた２つのガルバノミラーを組み合わせて１つの偏向走査手段もしくは光走査手段とすればよい。

本発明の実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡の要部構成を示す図である。 マイクロミラーアレイと線状ビームとの関係を示す図である。 実施の形態１にかかる走査型共焦点顕微鏡の変形例の要部構成を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる走査型共焦点顕微鏡の要部構成を示す図である。 マイクロミラーアレイと面状ビームとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる走査型共焦点顕微鏡の部分構成を示す図である。 共焦点スリットを設けた場合のマイクロミラーアレイの駆動パターンを示す図である。 共焦点スリットを設けた場合のマイクロミラーアレイの駆動パターンを示す図である。 共焦点スリットを設けた場合のマイクロミラーアレイの駆動パターンを示す図である。 共焦点スリットを設けた場合のマイクロミラーアレイの駆動パターンを示す図である。

符号の説明

１ 標本
２ 対物レンズ
３ 結像レンズ
４ マイクロミラーアレイ
４ａ 微小ミラー
５ レーザ光源
６ ビームエキスパンダ
７，１６ ガルバノミラー
８〜１０ 平面ミラー
１１ シリンドリカルレンズ
１２ 励起フィルタ
１３ ダイクロイックミラー
１４ 吸収フィルタ
１５ リレーレンズ
１７ 撮像レンズ
１８ 光検出器
１９ 記録装置
２０ 演算装置
２１ 表示装置
２２ 制御装置
２３ 線状ビーム
３１ ガルバノミラー
４１ 撮像素子
４２ 面状ビーム
５１ 共焦点スリット
５１ａ スリット開口部
１００，２００，３００，４００ 走査型共焦点顕微鏡

Claims (14)

1. 標本上の異なる領域から発する複数の観察光を個別に検出する光検出器を備え、該光検出器の検出結果をもとに前記標本の観察画像を生成する走査型共焦点顕微鏡において、
   前記標本の共役面上に配置され、前記複数の観察光を選択的に反射／透過させるとともに該観察光ごとに反射領域／透過領域を所定領域に制限する光変調素子と、
   前記光変調素子が反射／透過させた前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させて該光検出器に入射させる偏向走査手段と、
   を備えたことを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
2. 光源を有し、該光源が発した光を、線状の光束断面を有する線状光に整形して前記光変調素子上に照射する照明手段と、
   前記照明手段内に設けられ、前記光源が発した光を順次異なる角度で偏向させて、前記光変調素子上で前記線状光をその線状方向に対して略垂直な走査方向に走査させる光走査手段と、を備え、
   前記光変調素子は、前記線状光の一部を選択的に反射／透過させて前記標本上に照射させるとともに、この照射させた光に基づいて前記標本上から発する前記複数の観察光を選択的に反射／透過させ、
   前記偏向走査手段は、前記光走査手段に同期して前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させて該光検出器に入射させることを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。
3. 前記光検出器は、線状に配列された複数の受光部を有し、該複数の受光部を前記線状光に対して略平行にして配置され、
   前記偏向走査手段は、前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させ、各観察光を前記複数の受光部へ個別に入射させることを特徴とする請求項２に記載の走査型共焦点顕微鏡。
4. 前記偏向走査手段および前記光走査手段は、一体形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の走査型共焦点顕微鏡。
5. 前記偏向走査手段および前記光走査手段は、前記複数の観察光を一方の面で反射させるとともに前記光源が発した光を他方の面で反射させる両面反射鏡を用いて形成されることを特徴とする請求項４に記載の走査型共焦点顕微鏡。
6. 光源を有し、該光源が発した光を前記光変調素子上の所定範囲に照射する照明手段を備え、
   前記光変調素子は、前記照明手段によって照射された光の一部を選択的に反射／透過させて前記標本上に照射させるとともに、この照射させた光に基づいて前記標本上から発した前記複数の観察光を選択的に反射／透過させることを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。
7. 前記光検出器は、線状に配列された複数の受光部を有し、
   前記偏向走査手段は、前記複数の観察光を１以上の該観察光ごとに前記光検出器へ向けて順次偏向させ、各観察光を前記複数の受光部へ個別に入射させることを特徴とする請求項６に記載の走査型共焦点顕微鏡。
8. 前記光検出器と交換自在に配置される撮像素子を備え、
   前記偏向走査手段は、前記撮像素子が配置された場合、前記複数の観察光を前記撮像素子へ向けて一括して偏向させて該撮像素子に入射させることを特徴とする請求項６または７に記載の走査型共焦点顕微鏡。
9. 前記偏向走査手段と前記光検出器との間で前記光変調素子の共役面上に設けられ、前記偏向走査手段が前記複数の観察光の偏向方向を順次変化させる偏向走査方向について前記複数の観察光の通過範囲を所定範囲に制限する光制限素子を備え、
   前記光変調素子は、前記複数の観察光を少なくとも前記偏向走査方向に対して略垂直な方向に前記反射領域／透過領域を所定領域に制限し、
   前記光検出器は、前記光制限素子を通過した前記複数の観察光を個別に検出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。
10. 前記光変調素子は、傾斜角が個別に切換可能な複数の微小ミラーを２次元配列して備えるマイクロミラーアレイであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。
11. 前記光変調素子は、入射する光に対する透過率を個別に切換可能な複数の微小透過部を２次元配列して備えるマトリクス型透過素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。
12. 前記偏向走査手段は、ガルバノミラーを用いて構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。
13. 前記偏向走査手段または前記光走査手段の少なくとも一方は、ガルバノミラーを用いて構成されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。
14. 前記光検出器は、フォトマルチプライヤまたはフォトマルチプライヤアレイであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の走査型共焦点顕微鏡。

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