JP2009042411A - Illuminator for microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡用照明装置に関し、特に、全反射照明を行う顕微鏡用照明装置に関する。 The present invention relates to an illumination device for a microscope, and more particularly to an illumination device for a microscope that performs total reflection illumination.
近年、細胞の挙動の研究において、細胞内物質(主にタンパク質)の動きの追跡が行われている。細胞内物質の動きを追跡することにより、細胞内外のコミュニケーション、細胞分裂、細胞移動などの細胞の主要な活動が解明され、ひいては、生体機能や病気の解明につながる。そこで、細胞内物質の動きを追跡するために、所定の波長の光を照射すると蛍光を発する性質を有する蛍光物質を蛍光ラベルとして観察対象とする細胞内物質につけて、顕微鏡により観察(以下、蛍光観察とも称する)することが一般的に行われている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, in the study of cell behavior, the movement of intracellular substances (mainly proteins) has been tracked. By tracking the movement of intracellular substances, major cellular activities such as communication inside and outside the cell, cell division, and cell migration are elucidated, leading to the elucidation of biological functions and diseases. Therefore, in order to track the movement of the intracellular substance, a fluorescent substance having a property of emitting fluorescence when irradiated with light of a predetermined wavelength is attached to the intracellular substance to be observed as a fluorescent label and observed with a microscope (hereinafter referred to as fluorescence). It is generally performed (referred to as Patent Document 1).
最近、PA-GFP(Photoactivatable GFP)、Kaede(商標)、Dronpa(商標)などの蛍光物質が開発および商品化され、細胞内物質の追跡の自由度が向上している。PA-GFPは、特定の波長の光を照射することにより、蛍光を発しない状態から蛍光を発する状態に変化する蛍光物質である。Kaede(商標)は、特定の波長の光を照射することにより、緑色から赤色の蛍光に変化する蛍光物質である。Dronpa(商標)は、特定の波長の光を照射することにより、蛍光を発しない状態から蛍光を発する状態に変化し、次に別の波長の光を照射することにより、蛍光を発しない状態に戻すことを繰り返し行うことができる蛍光物質である。 Recently, fluorescent substances such as PA-GFP (Photoactivatable GFP), Kaede (trademark), and Dronpa (trademark) have been developed and commercialized, and the degree of freedom of tracking intracellular substances has been improved. PA-GFP is a fluorescent substance that changes from a state that does not emit fluorescence to a state that emits fluorescence when irradiated with light of a specific wavelength. Kaede (trademark) is a fluorescent substance that changes from green to red fluorescence when irradiated with light of a specific wavelength. Dronpa (trademark) changes from a state that does not emit fluorescence by irradiating light of a specific wavelength, and then changes to a state that does not emit fluorescence by irradiating light of another wavelength. It is a fluorescent substance that can be repeatedly returned.
また、蛍光観察においては、以上のような光で標本を刺激して状態を変化させる光刺激(PA(Photo Activation)またはPhoto Conversion)の他、FRAP(Fluorescence Recovery after Photobleaching)、FCS(Fluorescence Correlation Spectroscopy)などの手法が一般的に用いられる。 In fluorescence observation, in addition to light stimulation (PA (Photo Activation) or Photo Conversion) that stimulates the specimen with light as described above, FRAP (Fluorescence Recovery after Photobleaching), FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy) ) Is generally used.
光刺激を用いた蛍光観察法では、例えば、任意のタイミングで任意の物質の蛍光ラベルに所定の波長の光を照射することにより、蛍光のオンまたはオフを制御し、細胞内物質の追跡を行う。 In the fluorescence observation method using light stimulation, for example, the fluorescence label of an arbitrary substance is irradiated with light of a predetermined wavelength at an arbitrary timing, thereby controlling the on / off of the fluorescence and tracking the intracellular substance. .
FRAPを用いた蛍光観察法では、例えば、所定の波長の光を所定の強度より強く照射することにより、その照射エネルギーにより蛍光ラベルが蛍光を発しなくなる退色を利用し、部分的に蛍光ラベルの蛍光を消去し、その部分に移動してくる蛍光物質を観察する。 In the fluorescence observation method using FRAP, for example, by using a fading that causes the fluorescent label to cease to emit fluorescence due to the irradiation energy by irradiating light of a predetermined wavelength stronger than a predetermined intensity, the fluorescence of the fluorescent label is partially Is erased, and the fluorescent substance moving to that part is observed.
FCSを用いた蛍光観察法では、例えば、照明光の照射範囲を数fl(フェルムリットル)という微少体積に限定し、その領域の蛍光信号の変化を記録、解析することで、蛍光ラベルをつけた物質の挙動を明らかにする(例えば、特許文献2参照)。 In the fluorescence observation method using FCS, for example, the irradiation range of illumination light is limited to a very small volume of several fl (ferm liter), and the fluorescent signal change in that region is recorded and analyzed to attach a fluorescent label. The behavior of the substance is clarified (for example, see Patent Document 2).
ところで、近年、蛍光観察法の一つとして、全反射を利用した照明(以下、全反射照明、あるいは、TIRF(Total Internal Reflection Fluorescence)と称する)を用いて標本の蛍光観察を行う全反射照明蛍光観察法が普及してきている。従来の全反射照明では、対物レンズの像側焦点面(瞳面)において、標本を保護するカバーガラスの標本側の面で全反射する条件を満たす範囲(以下、TIRF範囲とも称する)内に照明光を集光させ、標本に平行光を照射することにより、標本の所定の範囲内を均一に照らすことが可能となる(例えば、特許文献3参照)。例えば、倍率が100倍の対物レンズを用いた場合、標本の直径0.1mmの円の範囲内が照明される。全反射照明蛍光観察法では、従来の落射蛍光観察法と比較して、標本の深さ方向に対して照明光が照射される範囲が極めて浅い範囲に限定され、バックグラウンドの影響を受けずに、標本の表面付近の情報を高感度で得ることが可能となる。 By the way, in recent years, as one of the fluorescence observation methods, total reflection illumination fluorescence that performs fluorescence observation of a sample using illumination using total reflection (hereinafter referred to as total reflection illumination or TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence)). Observation methods are becoming popular. In conventional total reflection illumination, illumination is performed within a range (hereinafter also referred to as a TIRF range) that satisfies the condition of total reflection on the specimen side surface of the cover glass that protects the specimen on the image side focal plane (pupil plane) of the objective lens. By condensing the light and irradiating the sample with parallel light, it is possible to uniformly illuminate a predetermined range of the sample (see, for example, Patent Document 3). For example, when an objective lens having a magnification of 100 is used, the inside of a circle with a diameter of 0.1 mm of the sample is illuminated. Compared with the conventional epifluorescence observation method, the total reflection illumination fluorescence observation method is limited to a very shallow range in which the illumination light is irradiated in the depth direction of the specimen, and is not affected by the background. It becomes possible to obtain information near the surface of the specimen with high sensitivity.
従来、光刺激、部分退色、FSC等の手法で、蛍光観察により標本の微細な領域を観察する場合、照明光を標本において集光させるスポット照明が利用される。そのスポット照明領域の分布は、照明光が通過する領域全域において標本が均質であると仮定し、対物レンズの開口数(NA)を用いて計算されるが、実際の生物標本は、細胞、組織ともに均質ではなく複雑な構造を持つため、屈折率、光の散乱状態などが標本の位置や方向により異なる。従って、計算どおりに標本内部に照明のためのスポットを形成することは非常に困難であり、照明される領域が理想的な対称形から歪んでしまう。そのため、実際の蛍光実験においては、この照明光の乱れを加味して計算したり、スポット照明の形状を予備実験などの結果に基づいて計算値を補正したりする場合が多い。 Conventionally, when observing a fine region of a specimen by fluorescence observation using a technique such as light stimulation, partial fading, and FSC, spot illumination that collects illumination light on the specimen is used. The distribution of the spot illumination area is calculated using the numerical aperture (NA) of the objective lens, assuming that the specimen is homogeneous throughout the area through which the illumination light passes. Since both have non-homogeneous and complex structures, the refractive index, light scattering state, and the like vary depending on the position and direction of the specimen. Therefore, it is very difficult to form a spot for illumination inside the specimen as calculated, and the illuminated area is distorted from an ideal symmetrical shape. Therefore, in an actual fluorescence experiment, calculation is often performed taking into account the disturbance of the illumination light, or the calculated value of the shape of the spot illumination is often corrected based on a result of a preliminary experiment or the like.
従って、光刺激または部分退色を用いた蛍光観察法では、厚さ方向および平面方向とも照明領域が大きくなり、標本の不必要な領域に照明光が照射されてしまう。また、FCSを用いた蛍光観察法では、照明領域のサイズが計算上の値と異なると、誤った解析結果となってしまう可能性がある。 Therefore, in the fluorescence observation method using light stimulation or partial fading, the illumination area becomes large in both the thickness direction and the planar direction, and illumination light is irradiated to an unnecessary area of the specimen. Further, in the fluorescence observation method using FCS, if the size of the illumination area is different from the calculated value, there is a possibility that an erroneous analysis result is obtained.
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、照明領域の小さい、かつ、光軸方向に極めて薄い精度の高いスポット照明を行うことができるようにし、照明領域の分布形状を理論的な大きさにするものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and enables the spot illumination with a small illumination area and extremely thin in the optical axis direction to be performed, and the distribution shape of the illumination area is theoretically calculated. It is intended to be a sensible size.
本発明の一側面の顕微鏡用照明装置は、光源と、前記光源から発する照明光を平行光束にするコリメータレンズと、対物レンズとを備え、前記対物レンズを通して標本に全反射照明を行う顕微鏡用照明装置において、前記コリメータレンズにより平行光束とされた前記照明光を前記対物レンズの像側焦点面上の所定の範囲に入射させ、前記標本を保護するカバーガラスの前記標本側の面に集光させることにより、当該標本側の面で全反射するように構成する。 The illumination device for a microscope according to one aspect of the present invention includes a light source, a collimator lens that changes the illumination light emitted from the light source into a parallel light beam, and an objective lens, and performs illumination for total reflection on a specimen through the objective lens. In the apparatus, the illumination light converted into a parallel light beam by the collimator lens is incident on a predetermined range on the image side focal plane of the objective lens, and is condensed on the surface of the cover glass that protects the sample. Thus, it is configured so as to be totally reflected on the surface on the sample side.
前記光源をレーザ光源とし、シングルモードファイバを用いて前記コリメータレンズに導かれるようにすることができ、前記シングルモードファイバの射出部または前記コリメータレンズを、相互に、光軸方向、光軸に垂直な方向および回転方向に調整可能に構成することができる。 The light source may be a laser light source, and may be guided to the collimator lens using a single mode fiber, and the single mode fiber emitting portion or the collimator lens may be mutually in the optical axis direction and perpendicular to the optical axis. It can be configured to be adjustable in various directions and rotational directions.
前記シングルモードファイバの射出部、前記コリメータレンズおよび前記コリメータレンズの標本側に配置される絞りは光源ユニットを構成することができ、当該光源ユニット全体を光軸に垂直な方向に移動可能に構成することができる。 The exit portion of the single mode fiber, the collimator lens, and the diaphragm arranged on the sample side of the collimator lens can constitute a light source unit, and the entire light source unit is configured to be movable in a direction perpendicular to the optical axis. be able to.
本発明の一側面においては、コリメータレンズにより平行光束とされた照明光が対物レンズの像側焦点面上の所定の範囲に入射され、標本を保護するカバーガラスの前記標本側の面に集光されることにより、当該標本側の面で全反射される。 In one aspect of the present invention, the illumination light converted into a parallel light beam by the collimator lens is incident on a predetermined range on the image-side focal plane of the objective lens, and is condensed on the surface of the cover glass that protects the sample. By doing so, it is totally reflected on the surface on the sample side.
本発明によれば、エバネッセント光を用いる、原理的に浅い領域を照明する全反射照明で、照明光をカバーガラスの標本面側に集光して照明用スポットを形成するので、照明領域が小さく精度の高いスポット照明を、照明領域の分布形状を理論的な大きさにして行うことができる。 According to the present invention, the illumination area is small because the illumination spot is formed by condensing the illumination light on the specimen surface side of the cover glass in the total reflection illumination that illuminates a shallow area in principle using evanescent light. Spot illumination with high accuracy can be performed with the distribution shape of the illumination area having a theoretical size.
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書又は図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書又は図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書又は図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。 Embodiments of the present invention will be described below. Correspondences between the constituent elements of the present invention and the embodiments described in the specification or the drawings are exemplified as follows. This description is intended to confirm that the embodiments supporting the present invention are described in the specification or the drawings. Therefore, even if there is an embodiment which is described in the specification or the drawings but is not described here as an embodiment corresponding to the constituent elements of the present invention, that is not the case. It does not mean that the form does not correspond to the constituent requirements. Conversely, even if an embodiment is described here as corresponding to a configuration requirement, that means that the embodiment does not correspond to a configuration requirement other than the configuration requirement. It's not something to do.
本発明の一側面の顕微鏡照明装置(例えば、図1の顕微鏡1、図4の顕微鏡101、または、図5の顕微鏡201の照明光学系)は、光源(例えば、図1のレーザ光源51、レーザ光源54、図4のレーザボックス121、または、図5のレーザボックス211)と、前記光源から発する照明光を平行光束にするコリメータレンズ(例えば、図1のフィールドレンズ16、図4のフィールドレンズ16、または、図5リレーレンズ217)と、対物レンズ(例えば、図1、図4または図5の対物レンズ18)とを備え、前記対物レンズを通して標本に全反射照明を行う顕微鏡用照明装置において、前記コリメータレンズにより平行光束とされた前記照明光を前記対物レンズの像側焦点面上の所定の範囲に入射させ、前記標本を保護するカバーガラス(例えば、図1、図4または図5のカバーガラス5)の前記標本側の面に集光させることにより、当該標本側の面で全反射するように構成した。
The microscope illumination apparatus according to one aspect of the present invention (for example, the illumination optical system of the microscope 1 in FIG. 1, the
前記光源はレーザ光源であり、シングルモードファイバ(例えば、図1のシングルモードファイバ12)を用いて前記コリメータレンズに導かれ、前記シングルモードファイバの射出部(例えば、図1の射出部12B)または前記コリメータレンズは、相互に、光軸方向、光軸に垂直な方向および回転方向に調整可能に構成されている。
The light source is a laser light source, and is guided to the collimator lens using a single mode fiber (for example, the
前記シングルモードファイバの射出部、前記コリメータレンズおよび前記コリメータレンズの標本側に配置される絞り(例えば、図1の絞り62)は光源ユニット(例えば、図1の光源ユニット13)を構成し、当該光源ユニット全体は光軸に垂直な方向に移動可能に構成されている
The exit portion of the single mode fiber, the collimator lens, and a diaphragm (for example, the
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について説明する。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用した顕微鏡の照明光学系の一実施の形態を示す図である。図1の顕微鏡1の照明光学系は、レーザユニット11、シングルモードファイバ12、光源ユニット13、リレーレンズ14、ダイクロイックミラー15、フィールドレンズ16、ダイクロイックミラー17、対物レンズ18、シングルモードファイバ21、コリメータレンズ22、水銀ランプ31、コリメータレンズ32、電動シャッタ33、リレーレンズ34、視野絞り35、フィールドレンズ36、励起フィルタ37、ダイクロイックミラー38、バリアフィルタ41、および、第2対物レンズ42を含むように構成される。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an illumination optical system of a microscope to which the present invention is applied. The illumination optical system of the microscope 1 in FIG. 1 includes a
そのうち、レーザユニット11、シングルモードファイバ12、光源ユニット13、リレーレンズ14、フィールドレンズ16、ダイクロイックミラー17、および、対物レンズ18によりスポット照明光学系が構成される。また、図示せぬレーザ光源、シングルモードファイバ21、コリメータレンズ22、ダイクロイックミラー15、フィールドレンズ16、ダイクロイックミラー17、および、対物レンズ18によりTIRF照明光学系が構成される。さらに、水銀ランプ31、コリメータレンズ32、電動シャッタ33、リレーレンズ34、視野絞り35、フィールドレンズ36、励起フィルタ37、ダイクロイックミラー38、および、対物レンズ18により落射照明光学系が構成される。
Among these, the
また、図1においては、顕微鏡1による観察対象となる標本2は、スライドグラス3内の溶液4内に浸され、カバーガラス5により保護されている。また、対物レンズ18のカバーガラス5と接する部分には、オイル6が満たされている。
In FIG. 1, the
レーザユニット11は、波長が488nmのレーザ光(以下、第1スポットレーザ光とも称する)を射出するレーザ光源51、シャッタ52、ミラー53、波長が547nmのレーザ光(以下、第2スポットレーザ光とも称する)を射出するレーザ光源54、シャッタ55、波長が488nmの光を透過し、波長が547nmの波長を反射する特性を有するダイクロイックミラー56を含むように構成される。また、レーザユニット11には、シングルモードファイバ12の入射部12Aが接続されている。
The
なお、以下、第1スポットレーザ光および第2スポットレーザ光を特に区別する必要がない場合、単に、スポットレーザ光と称する。 Hereinafter, when it is not necessary to distinguish between the first spot laser beam and the second spot laser beam, they are simply referred to as spot laser beams.
シングルモードファイバ12の入射部12A、レーザ光源51、ミラー53、レーザ光源54、および、ダイクロイックミラー56には、図示せぬ調整機構が設けられている。各調整機構を調整することにより、レーザ光源51から射出される第1スポットレーザ光は、ミラー53により反射され、ダイクロイックミラー56を透過し、シングルモードファイバ12の入射部12Aに1本の光線として導かれる。また、各調整機構を調整することにより、レーザ光源54から射出される第2スポットレーザ光は、ダイクロイックミラー56により反射され、シングルモードファイバ12の入射部12Aに1本の光線として導かれる。また、シャッタ52およびシャッタ55の開閉を外部から制御することにより、第1スポットレーザ光および第2スポットレーザ光のオンまたはオフが制御される。
The
なお、図1のレーザユニット11においては、レーザ光源を2つ設ける構成となっているが、3つ以上設けるようにすることも可能である。その場合、例えば、レーザ光源、シャッタ、ダイクロイックミラー、および、調整機構の組み合わせを新たに追加することにより、実現することができる。
In the
また、図1において、TIRF照明光学系のシングルモードファイバ21およびコリメータレンズ22を、スポット照明光学系のシングルモードファイバ12乃至リレーレンズ14のように構成することで、2点の薄いスポット照明を実現できる。同様に、この照明光学系をダイクロイックミラーとともに増やすことが可能である。
Further, in FIG. 1, the
シングルモードファイバ12の入射部12Aは、上述したようにレーザユニット11に接続され、射出部12Bは光源ユニット13に接続されている。シングルモードファイバ12は、入射部12Aから入射されるスポットレーザ光を光源ユニット13内に設けられた射出部12Bから射出する。
The
光源ユニット13は、コリメータレンズ61、および、絞り62を含むように構成される。シングルモードファイバ12の射出部12Bから射出されたスポットレーザ光は、コリメータレンズ61により平行光束とされ、絞り62を透過し、リレーレンズ14に入射する。なお、絞り62の絞り径は、固定および可変のいずれでもよい。
The
なお、シングルモードファイバ12の射出部12Bは、図示せぬ調整機構により、光軸方向および光軸に垂直な方向に移動することができ、位置を調整することが可能である。すなわち、射出部12Bとコリメータレンズ61との間隔、および、コリメータレンズ61に入射するスポットレーザ光の位置を調整することが可能である。また、射出部12Bは、図示せぬ角度調整機構により、スポットレーザ光の射出口を中心に回転することができ、スポットレーザ光を射出する角度を調整することが可能である。
In addition, the
さらに、光源ユニット13自体も、図示せぬ調整機構により、光軸に垂直な方向に移動することができ、リレーレンズ14に入射するスポットレーザ光の位置を調整することが可能である。
Further, the
なお、射出部12Bの調整機構および角度調整機構の機能の一部または全部を、コリメータレンズ61側に設けるようにすることも可能である。すなわち、コリメータレンズ61を光軸および光軸に垂直な方向に移動させたり、回転させたりできるようにすることも可能である。
It should be noted that some or all of the functions of the adjusting mechanism and the angle adjusting mechanism of the emitting
光源ユニット13から射出されたスポットレーザ光は、リレーレンズ14により一旦集光され、ダイクロイックミラー15を透過し、フィールドレンズ16により再び平行光束とされる。さらに、平行光束とされたスポットレーザ光は、ダイクロイックミラー17により対物レンズ18の光軸方向に反射され、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFに入射する。そして、スポットレーザ光は、対物レンズ18により標本2のカバーガラス5と接する面において集光し、標本2をスポット照明する。このようにして、スポットレーザ光による全反射のスポット照明が実現される。なお、スポット照明光学系の動作の詳細については、図2および図3を参照して後述する。
The spot laser light emitted from the
TIRF照明光学系の図示せぬレーザ光源から射出されたレーザ光(以下、TIRFレーザ光とも称する)は、シングルモードファイバ21に入射され、射出部21Aからコリメータレンズ22の光軸方向に射出される。シングルモードファイバ21から射出されたTIRFレーザ光は、コリメータレンズ22により平行光束となり、ダイクロイックミラー15により、フィールドレンズ16の光軸方向に反射され、フィールドレンズ16を透過する。このとき、フィールドレンズ16は集光レンズとして作用し、フィールドレンズ16を透過したTIRFレーザ光は、ダイクロイックミラー17により対物レンズ18の光軸方向に反射され、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFの所定の領域において集光する。そして、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BF上の所定の領域において集光したTIRFレーザ光は、対物レンズ18により平行光束となり、標本2を照射する。このようにして、TIRFレーザ光による全反射照明が実現される。
Laser light emitted from a laser light source (not shown) of the TIRF illumination optical system (hereinafter also referred to as TIRF laser light) is incident on the
なお、シングルモードファイバ21の射出部21Aにも、シングルモードファイバ12の射出部12Bと同様の図示せぬ調整機構および角度調整機構が設けられ、光軸方向および光軸に垂直な方向への移動、および、射出部21Aの射出口を中心とする回転が可能である。
Note that the
落射照明光学系の水銀ランプ31から発せられた光(以下、落射照明光とも称する)は、コリメータレンズ32により平行光束となり、電動シャッタ33、リレーレンズ34、視野絞り35、フィールドレンズ36を透過し、励起フィルタ37により、所定の波長成分のみが選択透過する。励起フィルタ37を透過した落射照明光は、ダイクロイックミラー38により対物レンズ18の光軸方向に反射され、ダイクロイックミラー17、対物レンズ18を透過し、標本2に照射される。
Light emitted from the
なお、電動シャッタ33は外部から開閉することができ、落射照明光学系の照明のオンまたはオフを切換えることができる。
The
第1スポットレーザ光、第2スポットレーザ光、TIRFレーザ光または落射照明光を照射することにより標本2が発した蛍光、または、標本2が反射した反射光は、対物レンズ18により集められ、ダイクロイックミラー17およびダイクロイックミラー38により、観察に必要な成分のみ透過され、不要な成分は反射される。そして、ダイクロイックミラー38を透過した光のうち所定の波長の光が、バリアフィルタ41を透過し、第2対物レンズ42により像面IMに結像する。
The fluorescence emitted from the
次に、図2および図3を参照して、スポット照明光学系の動作の詳細について説明する。 Next, the details of the operation of the spot illumination optical system will be described with reference to FIGS.
図2および図3は、図1の顕微鏡1の照明光学系のうち、スポット照明光学系に関わる部分を抽出した図である。ただし、図2および図3において、レーザユニット11の図示は省略されている。
2 and 3 are diagrams in which portions related to the spot illumination optical system are extracted from the illumination optical system of the microscope 1 in FIG. However, illustration of the
なお、以下、シングルモードファイバ12の射出部12Bの射出口のコア直径=3.5umとし、シングルモードファイバ12が、NA=0.11(=約13度の角度)の条件で射出部12Bからスポットレーザ光を放射しているものとする。
In the following, the core diameter of the exit port of the
図2は、スポットレーザ光のファイバ射出端面の発光中心が光学系の光軸上に位置するように調整した場合の例を示している。 FIG. 2 shows an example in which adjustment is made so that the emission center of the fiber exit end face of the spot laser light is positioned on the optical axis of the optical system.
約13度の角度で射出部12Bから放射されたスポットレーザ光の明るさは一様ではなく、ガウス分布に従い中央ほど明るく周辺ほど暗くなる。そのため、暗い周辺光を制限する場合に絞り62が用いられる。例えば、スポットレーザ光の放射範囲は、絞り62により約半分の角度に制限される。
The brightness of the spot laser light emitted from the emitting
絞り62を透過したスポットレーザ光は、リレーレンズ14により一旦集光され、さらに、フィールドレンズ16により平行光束となる。フィールドレンズ16により平行光束とされたスポットレーザ光は、ダイクロイックミラー17により、対物レンズ18の光軸方向に反射され、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFに、平行光束となったスポットレーザ光が到達する。これにより、スポットレーザ光は、対物レンズ18の標本2側の焦点面に集光する。
The spot laser beam that has passed through the
図3は、図2と比較して、レーザ光の光軸に対して垂直な矢印A31で示される方向に距離d31だけ光源ユニット13を平行移動させた場合の例を示している。
FIG. 3 shows an example in which the
光源ユニット13を平行移動させることにより、スポットレーザ光の進路は、対物レンズ18の光軸の中心から図内で右方向にずれ、スポットレーザ光は、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFの端部を通過する。スポットレーザ光が対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFを通過する位置が、NA=1.38以上の位置になると、スポットレーザ光は、カバーガラス5の標本2側の面において集光するとともに全反射され、標本2に対して全反射のスポット照明が行われる状態となる(ただし、カバーガラス5の屈折率ncov=1.5255、カバーガラス5より標本側の媒質の屈折率nobj=1.33とする。)。
By moving the
ここで、具体例を挙げて、スポットレーザ光が全反射照明となる条件、および、スポットレーザ光によるスポット照明の照射範囲について考える。なお、以下、シングルモードファイバ12の射出部12Bのコア直径φs=3.5μm、開口数NAs=0.11、コリメータレンズ61の焦点距離fc=5mm、リレーレンズ14の焦点距離fr=1000mm、フィールドレンズ16の焦点距離ff=200mm、対物レンズ18の倍率Mobj=100倍、開口数NAobj=1.49、焦点距離fobj=2mmとする。
Here, a specific example will be given to consider the conditions under which the spot laser light is totally reflected and the irradiation range of the spot illumination by the spot laser light. Hereinafter, the core diameter φs = 3.5 μm, the numerical aperture NAs = 0.11, the focal length fc = 5 mm of the
この場合、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFにおいてNA=1.38からNA=1.49までの範囲内、すなわち、カバーガラス5の標本2側の面において全反射する条件を満たす、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFにおける範囲内をスポットレーザ光が通過するとき、全反射照明が実現される。つまり、スポットレーザ光が対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFの辺縁部の幅0.22mm(=fobj×(1.49−1.38)=2×(1.49−1.38))の範囲(TIRF範囲)内を通過した場合に、全反射照明が実現される。
In this case, the objective lens satisfying the condition of total reflection in the range from NA = 1.38 to NA = 1.49 on the image side focal plane (pupil plane) BF of the
一方、シングルモードファイバ12から射出されるスポットレーザ光の光束の大きさ(直径)は、コリメータレンズ61を出たところで、φ1.1mm(=fc×NAs×2=5×0.11×2)となる。さらに、スポットレーザ光の光束の大きさは、リレーレンズ14およびフィールドレンズ16を透過することにより、φ0.22mm(=φ1.1mm×ff/fr=φ1.1mm×200/1000)に縮小される。すなわち、スポットレーザ光の光束の大きさは、TIRF範囲の幅に収まる。
On the other hand, the size (diameter) of the light beam of the spot laser light emitted from the
対物レンズ18から標本2を照射するスポットレーザ光のNASLは、シングルモードファイバ12および各レンズの焦点距離から、以下の式(1)により求められる。
The NA SL of the spot laser light that irradiates the
NASL=NAs×fc/fr×ff/fobj=0.11×5/1000×200/2=0.055 ・・・(1) NA SL = NAs × fc / fr × f f / f obj = 0.11 × 5/1000 × 200/2 = 0.055 (1)
標本2を照射したときのスポットレーザ光の照射範囲は、このNASLを用いて以下の式(2)により求められる。
The irradiation range of the spot laser beam when the
照射範囲=(n×スポットレーザ光の代表波長)÷(2×NASL)
=(1.55×スポットレーザ光の代表波長)÷(2×0.055) ・・・(2)
ただし、n:オイル6およびカバーガラス5の屈折率の代表値
Irradiation range = (n x representative wavelength of spot laser beam) / (2 x NA SL )
= (1.55 x representative wavelength of spot laser beam) / (2 x 0.055) (2)
Where n: representative value of refractive index of
従って、第1スポットレーザ光および第2スポットレーザ光の照射範囲は、以下の式(3)および式(4)より、それぞれ約7μmおよび約8μmとなる。 Accordingly, the irradiation ranges of the first spot laser beam and the second spot laser beam are about 7 μm and about 8 μm, respectively, from the following expressions (3) and (4).
第1スポットレーザ光の照射範囲=(1.55×488nm)÷(2×0.055)
≒6.9μm≒約7μm ・・・(3)
第2スポットレーザ光の照射範囲=(1.55×547nm)÷(2×0.055)
≒7.7μm≒約8μm ・・・(4)
First spot laser beam irradiation range = (1.55 x 488nm) / (2 x 0.055)
≒ 6.9μm ≒ approx. 7μm (3)
Second spot laser beam irradiation range = (1.55 x 547 nm) / (2 x 0.055)
≒ 7.7μm ≒ Approximately 8μm (4)
また、第1スポットレーザ光または第2スポットレーザ光による対物レンズ18を介した全反射照明の厚みは、約0.15μm(エバネッセント光が照明光として働くエバネッセント光の厚み)になることが分かっている。
In addition, it is known that the thickness of the total reflection illumination through the
なお、シングルモードファイバ12から射出されるスポットレーザ光の光束の大きさを調整することにより、スポット照明の照射範囲を調整することが可能である。
It is possible to adjust the irradiation range of the spot illumination by adjusting the size of the light beam of the spot laser light emitted from the
以上のようにして、カバーガラス5と接する標本2の面のエバネッセント層と呼ばれる範囲にスポット照明を行うことができる。また、全反射照明の理論上、標本2の屈折率および光の散乱状態に関わらず、スポット照明の面積および厚みは理論値に近くなるため、精度の高いスポット照明を行うことができる。
As described above, spot illumination can be performed in a range called an evanescent layer on the surface of the
これにより、光刺激やFRAPを用いた蛍光観察法において、標本2に照明光を照射する範囲を狭く抑えることができ、標本2を効率よく照らすとともに、照明により標本2が受けるダメージを小さくすることができる。
As a result, in the fluorescence observation method using light stimulation or FRAP, the range in which the
ここで、顕微鏡1を用いてFCSによる蛍光観察を行う場合について考える。 Here, consider the case of performing fluorescence observation by FCS using the microscope 1.
上述したように、FCSを用いた蛍光観察法では、照明光の照射範囲の体積を数fl(フェルム・リットル)以下にする必要がある。通常の対物レンズによる集光サイズを例に挙げると、倍率100倍、NA=1.2の水浸タイプの対物レンズの場合、光軸に垂直な方向の照明の幅が約0.3μm、光軸方向の照明の厚みは約2μmと計算される。集光部分を円筒として計算すると、その体積は、約0.14fl(=0.152×π×2×10-9(mm2))なる。 As described above, in the fluorescence observation method using FCS, the volume of the illumination light irradiation range needs to be several fl (ferm · liter) or less. For example, in the case of a condensing size with a normal objective lens, in the case of a water immersion type objective lens with a magnification of 100 times and NA = 1.2, the illumination width in the direction perpendicular to the optical axis is about 0.3 μm, The illumination thickness is calculated to be about 2 μm. When the condensing portion is calculated as a cylinder, the volume is about 0.14 fl (= 0.15 2 × π × 2 × 10 −9 (mm 2 )).
一方、顕微鏡1において第2スポットレーザ光を用いた場合、スポット照明の照射範囲の直径が約7.7μm、厚みが0.15μmとなるので、その体積は、約7fl(=3.852×π×0.15×10-9(mm2))となる。先ほどの例と比較して、照射範囲の体積は大きくなっているが、数flレベルとなっているため、顕微鏡1により、FCSを用いて蛍光観察を行うことは十分可能である。 On the other hand, when the second spot laser beam is used in the microscope 1, the diameter of the irradiation area of the spot illumination is about 7.7 μm and the thickness is 0.15 μm, so the volume is about 7 fl (= 3.85 2 × π × 0.15 × 10 -9 (mm 2 )). Compared to the previous example, the volume of the irradiation range is large, but it is a few fl level. Therefore, it is sufficiently possible to perform fluorescence observation with the microscope 1 using FCS.
図4は、図1の顕微鏡1のスポット照明光学系の光源(レーザユニット11、シングルモードファイバ12、および、光源ユニット13)を、光源ユニット111に置き換えた顕微鏡101の照明光学系の実施の形態を示している。なお、図中、図1と対応する部分については同じ符号を付してあり、処理が同じ部分に関しては、その説明は繰り返しになるので省略する。
FIG. 4 shows an embodiment of the illumination optical system of the
光源ユニット111は、レーザボックス121、ビームエクスパンダ122、および、絞り123を含むように構成される。レーザボックス121から射出されたレーザ光(以下、スポットレーザ光と称する)は、ビームエクスパンダ122に入射し、その直径が拡大され、絞り123により所定のサイズの光束とされ、リレーレンズ14に入射する。リレーレンズ14以降の動作は、顕微鏡1と同様である。
The
レーザボックス121は、顕微鏡1のシングルモードファイバ12の射出部12Bと同様に、図示せぬ角度調整機構により、射出口を中心にして回転することができ、スポットレーザ光を射出する角度を調整することが可能である。
The
また、光源ユニット111自体も、顕微鏡1の光源ユニット13と同様に、図示せぬ調整機構により、光軸に垂直な移動することができ、リレーレンズ14に入射するスポットレーザ光の位置を調整することが可能である。
Similarly to the
図5は、スポットレーザ光の角度を変える光学素子と、コンピュータ制御の回折拡散板を利用し、標本面に複数のスポットを形成可能な顕微鏡201の照明光学系の実施の形態を示している。なお、図中、図1と対応する部分については同じ符号を付してあり、処理が同じ部分に関しては、その説明は繰り返しになるので省略する。
FIG. 5 shows an embodiment of the illumination optical system of the
図5の顕微鏡201は、レーザボックス211、シャッタ212、ステアラ制御部213、コンピュータ制御の回折発生素子(Computer controlled diffraction generator)214、絞り215、リレーレンズ216、リレーレンズ217、ダイクロイックミラー17、対物レンズ18、バリアフィルタ41、および、第2対物レンズ42を含むように構成される。また、ステアラ制御部213は、第1ステアラ231および第2ステアラ232を含むように構成される。第1ステアラ231および第2ステアラ232は、外部からの制御により、各々独立して、レーザボックス211から射出されるレーザ光(以下、スポットレーザ光と称する)に対する角度の調整、および、スポットレーザ光の光軸に垂直な方向の位置の調整を行うことが可能である。
5 includes a
レーザボックス211から出射されたスポットレーザ光は、シャッタ212を通り、第1ステアラ231および第2ステアラ232により反射され、回折発生素子214に入射する。上述したように、第1ステアラ231および第2ステアラ232は、スポットレーザ光に対する角度と位置の調整が可能であり、それぞれの角度と位置を調整することにより、回折発生素子214に入射するスポットレーザ光の方向と位置を自由に変えることが可能である。
The spot laser light emitted from the
なお、図5においては、レーザボックス211、シャッタ212、第1ステアラ231、および、第2ステアラ232が同一平面上に描かれているが、レーザボックス211からのスポットレーザ光の射出方向により、それぞれの位置関係は変化する。例えば、レーザボックス211が、紙面に対して垂直な方向(紙面の上から下に突き抜ける方向)にスポットレーザ光を射出し、第1ステアラ231が、紙面に向かうスポットレーザ光を第2ステアラ232の方向に反射し、第2ステアラ232が、図内のリレーレンズ216の方向にスポットレーザ光を反射するようにすることが考えられる。
In FIG. 5, the
ここで、図6を参照して、回折発生素子214によるスポット形成について説明する。なお、図6は、図5の顕微鏡201の照明光学系のうち、説明に関係ある部分のみを抽出したものである。また、説明の便宜上、図6では、回折発生素子214、リレーレンズ216、リレーレンズ217、ダイクロイックミラー17、および、対物レンズ18が同じ光軸上にくるよう図示しているが、実際には、各部品は図5に示されるような配置となる。
Here, with reference to FIG. 6, the spot formation by the
回折発生素子214が、視野面214Aの円周C1の図内の最上部にスポットSa1を形成すると、スポットSa1を2次光源とするスポットレーザ光は、リレーレンズ216の光軸の中心を通過し、リレーレンズ217により、リレーレンズ217の光軸方向に進行方向が変化する。そして、スポットレーザ光は、ダイクロイックミラー17により対物レンズ18の光軸方向に反射され、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFの円周C2の図内の最下部にスポットSa2を形成する。同様に、回折発生素子214が、視野面214A上の円周C1の図内の最下部にスポットSb1を形成すると、対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFの円周C2の図内の最上部にスポットSb2が形成される。
When the
従って、円周C2が対物レンズ18の像側焦点面(瞳面)BFのTIRF範囲内に入るように、円周C1の位置を設定し、第1ステアラ231および第2ステアラ232の角度と位置を調整し、円周C1上の任意の位置に回折発生素子214によりスポットを形成することにより、全反射のスポット照明が実現される。そして、第1ステアラおよび第2ステアラの角度と位置を調整し、円周C1上のスポットの位置を変えずに、そのスポットに入射するスポットレーザ光の入射角度を調整することにより、全反射照明の状態を維持しながら、標本2上のスポット照明の位置を移動させることができる。
Accordingly, the position of the circumference C1 is set so that the circumference C2 falls within the TIRF range of the image side focal plane (pupil plane) BF of the
また、スポットを高速に連続移動させることにより、任意の形状の照明を形成することが可能となる。さらに、シャッタ212のオンまたはオフの切替えと連動させることにより、複数ポイントのスポット照明を実現することができ、例えば、FCSを用いた蛍光観察において、標本の複数ポイントの観察が可能になる。
Moreover, it becomes possible to form illumination of an arbitrary shape by continuously moving the spot at a high speed. Further, by linking with the switching of the
また、スポットレーザ光の角度および位置の調整を、ガルバノミラー、AOM(音響光学素子、Acousto-Optic Modulator)等の高速の素子により行うことにより、スポット移動を高速化できるだけでなく、複数ポイントにおけるスポット照明をほぼ同時に実行できるようになる。 In addition, by adjusting the angle and position of the spot laser beam with a high-speed element such as a galvanometer mirror or AOM (Acousto-Optic Modulator), not only the spot movement can be made faster, but also the spot at multiple points. Lighting can be performed almost simultaneously.
さらに、スポット照明部をスキャンすることにより、全反射照明のコンフォーカルを実現することができる。そして、従来のコンフォーカルに比べ、より光軸方向(厚さ方向)の厚みが薄い照明を確実に実現することができる。例えば、従来は、倍率が100倍でNAが1.4の対物レンズを用いた場合に、照明の厚みは約0.4μmとなるが、本発明では、約0.15μmとすることができる。 Furthermore, the confocal of total reflection illumination is realizable by scanning a spot illumination part. In addition, it is possible to reliably realize illumination with a thinner thickness in the optical axis direction (thickness direction) than conventional confocals. For example, conventionally, when an objective lens having a magnification of 100 and an NA of 1.4 is used, the illumination thickness is about 0.4 μm, but in the present invention, the thickness can be about 0.15 μm.
なお、以上の説明では、レーザ光を用いる例を示したが、本発明の実施の形態においては、例えば、キセノンランプ、水銀ランプなどの他の種類の光源の光を、絞りなどにより光束の大きさが十分小さくなるように絞って用いるようにしてもよい。 In the above description, an example in which laser light is used has been described. However, in the embodiment of the present invention, for example, light of another type of light source such as a xenon lamp or a mercury lamp is used to increase the size of a light beam by a diaphragm or the like. You may make it use it, restrict | squeezing so that may become small enough.
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 顕微鏡, 2 標本, 3 スライドグラス, 5 カバーガラス, 6 オイル, 11 レーザユニット, 12 シングルモードファイバ, 13 光源ユニット, 14 リレーレンズ, 16 フィールドレンズ, 17 ダイクロイックミラー, 18 対物レンズ, 51 レーザ光源, 54 レーザ光源, 55 シャッタ, 61 コリメータレンズ, 62 絞り, 101 顕微鏡, 111 光源ユニット, 121 レーザボックス, 122 ビームエクスパンダ, 123 絞り, 201 顕微鏡, 211 レーザボックス, 212 シャッタ, 213 ステアラ制御部, 214 回折発生素子, 215 絞り, 216,217 リレーレンズ 1 microscope, 2 specimens, 3 slide glass, 5 cover glass, 6 oil, 11 laser unit, 12 single mode fiber, 13 light source unit, 14 relay lens, 16 field lens, 17 dichroic mirror, 18 objective lens, 51 laser light source, 54 laser light source, 55 shutter, 61 collimator lens, 62 aperture, 101 microscope, 111 light source unit, 121 laser box, 122 beam expander, 123 aperture, 201 microscope, 211 laser box, 212 shutter, 213 steerer control unit, 214 diffraction Generating element, 215 stop, 216, 217 relay lens
Claims (3)
前記コリメータレンズにより平行光束とされた前記照明光を前記対物レンズの像側焦点面上の所定の範囲に入射させ、前記標本を保護するカバーガラスの前記標本側の面に集光させることにより、当該標本側の面で全反射するように構成した
顕微鏡用照明装置。 In a microscope illumination apparatus, comprising: a light source; a collimator lens that converts illumination light emitted from the light source into a parallel luminous flux; and an objective lens, and performing total reflection illumination on a specimen through the objective lens.
By making the illumination light converted into a parallel light beam by the collimator lens into a predetermined range on the image side focal plane of the objective lens, and condensing on the surface on the sample side of the cover glass protecting the sample, An illumination device for a microscope configured to totally reflect on the surface on the specimen side.
請求項1に記載の顕微鏡用照明装置。 The light source is a laser light source, and is guided to the collimator lens using a single mode fiber, and the exit part of the single mode fiber or the collimator lens is mutually in the optical axis direction, the direction perpendicular to the optical axis, and the rotation direction. The illumination device for a microscope according to claim 1, wherein the illumination device is adjustable.
請求項2に記載の顕微鏡用照明装置。 The single-mode fiber emitting portion, the collimator lens, and a diaphragm disposed on the specimen side of the collimator lens constitute a light source unit, and the entire light source unit is configured to be movable in a direction perpendicular to the optical axis. Item 3. The illumination device for a microscope according to Item 2.
Priority Applications (1)
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JP2007206113A JP2009042411A (en) | 2007-08-08 | 2007-08-08 | Illuminator for microscope |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016525229A (en) * | 2013-07-10 | 2016-08-22 | カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハーCarl Zeiss Microscopy Gmbh | Equipment for optical sheet microscopy |
-
2007
- 2007-08-08 JP JP2007206113A patent/JP2009042411A/en not_active Withdrawn
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