JP2010530075A - 光源 - Google Patents

Abstract

蛍光顕微鏡用の光源は、電球、アーク、フィラメント等の光生成器の使用可能な寿命にわたって検体に比較的一定の照明（ルーメン単位）を与えるよう設計される。別の態様では、本発明は、光の必要な励起波長を十分に透過させる一方で、光生成器から光学的構成要素への伝熱を減少させるよう設計された蛍光顕微鏡法用の光源を提供する。

Description

本発明は、蛍光顕微鏡法において使用される光源に関わる。

本願は、「光源」なる名称で２００７年３月２０日に出願された米国仮出願第６０／９１９，３４８号明細書の恩恵を主張するものである。同出願の内容全体は参照として本願に組み込まれる。

蛍光顕微鏡法は、反射や吸収の代わりに、あるいは、それらに加えて蛍光現象やリン光現象を用いる、有機または無機物質の微視的性質の研究である。多くの場合、研究対象の成分は、フルオロフォア（例えば、中でも、テクサス・レッド、フラ（ＦＵＲＡ）、および、緑色蛍光たんぱく質）と呼ばれる蛍光分子で具体的にラベル付けされている。励起波長と通常は称され、フルオロフォアによって吸収される特定の波長（または、複数の波長）の光が検体に照射される。ある特定のフルオロフォアに対して特有の励起波長により、フルオロフォアは励起波長と異なる波長で光を発する（蛍光を発する）。

典型的な広視野蛍光顕微鏡は、紫外線から可視域を介して赤外線に至るまでの当該波長に亘る広範囲の高輝度な光を供給する光源を備えている。一般的な光源は、キセノンや水銀アーク放電ランプ等のランプを含む。光源のスペクトル域は、励起フィルタ、ダイクロイックミラー（または、二色性ビームスピリッタ）、および、発光フィルタを用いて制御される。フィルタとダイクロイックミラーは、検体をラベル付けするために使用されるフルオロフォアのスペクトル励起や放射特性と一致するよう選択される。装置には、特定の用途に応じて、ブロッカ、偏光器、帯域フィルタ、および、減光フィルタ等の他のフィルタが設けられてもよい。蛍光顕微鏡法の用途、および、利用可能なフルオロフォアの範囲や種類は、急激に出現して常に変化しているため、顕微鏡、フィルタ、および、蛍光顕微鏡法の分野で使用される光源を含む他の装置の設計者はそれらに対応できなくてはならない。例えば、ｗｗｗ．ｃｈｒｏｍａ．ｃｏｍから利用可能な２０００年６月のＨＢ１．１「蛍光顕微鏡法用光学フィルタのハンドブック」を参照されたい。蛍光顕微鏡法の適用には、検体を撮像するために、益々高レベルの入力照明が要求される。このような、より高レベルの照明は、より高い電力出力の光源を必要とし、光源によって生成される熱や光がそれに伴って増加する。蛍光顕微鏡法用の光源は、顕微鏡、検体、および、応用特有の光学フィルタとは別個の装置に設けられることが便利である。光源は、光源と顕微鏡を連結する光導波路によって顕微鏡および検体からある距離離間して設けられてもよい。光源は、ランプや光導波路といった光源の感熱素子の温度を制御するためにファン、バッフル、および、流量調整部を含んでもよい。

光学機器は、光源に熱を反射して返すことで光学系を保護するためにしばしば用いられる特殊な誘電ミラーや二色性干渉フィルタであるホットミラーを備えてもよい。ホットミラーは、ゼロから４５度の間で変化する入射角で光学系に挿入されるよう設計され、熱の蓄積が構成要素に損傷を与えたり、光源のスペクトル特性に悪影響を及ぼしたりする様々な用途において有用である。典型的な赤外線ホットミラーによって反射される波長は、約７５０ｎｍ乃至１２５０ｎｍの範囲にある。ホットミラーは、赤外線波長を反射しつつ、可視スペクトル以下において励起波長を透過することで、蛍光顕微鏡法における特殊な用途のための二色性ビームスプリッタとしても機能する。

本発明の一態様では、蛍光顕微鏡と使用する光源は、高輝度ランプと、光学出力部と、ランプと光学出力部との間に位置決めされるミラーとを有する。高輝度ランプは、既存のメタルハライド光源よりも光出力が良好で、既存の水銀ランプと同じ光出力を紫外線域で供給する。

ミラーはランプから光を受光し、３２０ナノメートルより小さいか６８０ナノメートルを超える波長では光学出力部への光の透過を防止する一方で、３２０ナノメール乃至６８０ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の波長では光学出力部に相当量の光を透過するよう構成される。

本発明の別の態様では、光源は、ランプと、ランプ用の電源と、光学出力部と、ランプの動作上の使用に応じてランプに供給される電力量を変えるよう構成される制御部とを有する。

これらの態様の実施形態は、以下の特徴を一つ以上有してもよい。ミラーは、約８００ナノメートルを超える波長では光学出力部への光の透過を防止し、３４０ナノメールでは８５％を超える透過を可能にし、３２０乃至６８０ｎｍの範囲では９０％を超える透過を可能にするよう構成される。ミラーは、パイレックス基板上にスパッタリング処理をして好ましくは製造される多層誘電体コーティングを含む。ミラーは、０度から約４５度（例えば、１０度）の範囲内の入射角で位置決めされる。光源は、ミラーを入射角で位置決めするアングル・マウンティング・ブラケットを更に有する。ミラーは、ランプと液体光導波路の中間に位置決めされる。ミラーは、ランプによって発生される、または、生成される熱エネルギーを反射するよう構成される。

光源は、ランプと光学出力部との間に配置される一つ以上の流量調製部、減光フィルタまたはスクリーン、シャッター、および、ヒートシンクを更に含んでもよい。
他の利点の中でも、蛍光顕微鏡用の光源は、電球、アーク、または、フィラメント等の光生成器の使用可能な寿命にわたって検体に高輝度で比較的一定の照明（ルーメン）を与える。光源は、高輝度な光出力と光の必要な励起波長の透過を提供しつつ、光生成器から光学的構成要素への伝熱を減少するよう構成される。

図１は、顕微鏡用の光源を示すブロック図である。 図２は、図１の光源を示す図である。 図３は、顕微鏡用の光源の別の実施形態を示すブロック図である。 図４は、図３の光源の一部分を示す図である。 図５は、図３の光源と使用されるホットミラーの透過特性を示す図である。

図１を参照すると、光源１００は、蛍光顕微鏡１０２に光を供給する。光源１００は、カルフォルニア州サイプレス市にある米国ウシオ電機株式会社から入手可能な型式ＳＭＲ−２００／Ｄ１等の２００ワットのランプ１０４を含む。ランプ１０４は、メタルハライドランプでもよい。ランプ１０４は、液体光導波路１０８（例えば、ドイツ国ダイゼンホーフェンのルマテック社から入手可能なコア直径が５ｍｍで長さが１メートルの光導波路）を介して顕微鏡１０２に接続される光学出力インターフェース１０６に照明を与える。光源１００は、ランプに電力を供給する電源１１０も有する。

一実施形態では、電源１１０によって供給される電力レベルはランプ１０４の特性が経時的に変化するよう制限され、電力レベルは光学出力インターフェース１０６に供給される光量（ルーメン単位で測定される）が略一定となるよう変化する。例えば、ランプ１０４から発せられる光量は、経時的に安定して減少する。ランプ輝度の減少は、同じ型式のランプ間で比較的再現可能なため、時間の関数としてその劣化を特徴付けるために特定の型式のモデルがテストされ得る。ランプ１０４から同じ光の量を維持するために、ランプに供給される電力は経時的に増加される。そのため、ランプ１０４からの光度のレベルは、ランプの動作寿命にわたって比較的一定である。更に、ランプの動作上の使用可能な寿命は延長される。電源１１０によってランプ１０４に供給される電力量の増加は、制御部１１２を用いて規制される。制御部１１２は、ランプ１０４が動作している時間を追跡記録するメモリ１１４を含む。メモリ１１４は、ランプ１０４が動作している時間と電力レベルとを関連付けるデータも記憶している。例えば、一実施形態では、電力レベルは、経時的なランプの劣化について実験的に収集されたデータに基づき、ある時間間隔にわたるランプ出力における減少に対応して、同じ時間間隔毎に約２ワットずつ増加する。一実施形態において、データは、一連の時間分および対応する電力レベルを有する表表１１６に記憶される。表１１６の値は、ランプ１０４の型式毎に実験的に収集されたデータを用いて得られる。他の実施形態では、ランプ１０４からの光度のレベルは調節されない。

制御部１１２には、多数のモードで動作可能なユーザインターフェース３００が設けられる。ユーザインターフェース３００は、メニュースクリーンや動作パラメータの状態に関するメッセージを表示するために液晶表示部等の表示部を含む。ユーザインターフェース３００にはスイッチが設けられてもよく、ユーザは、スイッチを押下して動作モード間を切り換えるか、動作パラメータを入力あるいは変更する。ある動作モードでは、ユーザインターフェース３００は、ランプ１０４が動作している時間等の光源１００の動作状態を表示する。別のモードでは、ユーザはユーザインターフェースの動作設定を変更してもよい。例えば、ユーザは、警報アラームの音量を変えるか、表示部のコントラストあるいはバックライトレベルを変えてもよい。更に別のモードでは、ユーザインターフェース３００は診断モードで動作する。

図２を参照すると、光源１００は、一対の流量調整部１１８ａ、１１８ｂを介して出力インターフェース１０６に光学的に結合されるランプ１０４を示す。各流量調製部１１８ａ、１１８ｂは、下流端部にランプ取付台１２０を有する。流量調整部１１８ａ、１１８ｂは、ランプの陽極と陰極とにわたる温度を特定の動作範囲内に維持するよう構成され、且つ位置決めされる。ランプ１０４の最も近くに位置決めされる流量調整部１１８ａは、ランプ１０４の温度を制御するファン１２２を含む。光源１００は、レギュレータとしてのバラスト１２４も備える。バラスト１２４は、ランプ１０４に対する電力を消費し、変換し、制御し、かつ、ランプ１０４を開始させ動作させるために必要な回路条件を提供する。光源１００は、ランプ１０４とバラスト１２４の温度をそれぞれ監視するランプ温度センサおよびバラスト温度センサ（図示せず）と、ランプ１０４を保護するランプ・インターロックとを更に含む。光源１００は、筐体１２６内に実装され、筐体の前パネル１３０上にはオン／オフスイッチ１２８が設けられ、筐体の後パネル３１４上にはＡＣレセプタクル１３２が設けられる。光源１００は、ＡＣ電力が供給されていない場合（例えば、光源がオフされている場合）には光源を低電力モードで作動させる電力を供給する電池（図示せず）を更に備える。電池としては、リチウムイオン電池が挙げられる。

光源１００は、ランプ１０４が電源１１０から切断されたことを検知するランプセンサを含む。ランプセンサは、光源１００がオンされた場合と、オフされた場合とのそれぞれにおいてランプ１０４の存在を継続的に監視する。ランプ１０４が切断されたことをランプセンサが検知すると、ランプ変化状態がメモリ１１４に設定される。ランプ変化状態は、新しいランプ１０４がその後接続されても設定されたままである。次に光源１００がオンされると、新しいランプ１０４が接続されたことを確認するようユーザに要求するメッセージがユーザインターフェース３００の表示部に表示される。ユーザが確認すると、制御部１１２はランプ変化状態と、ランプ１０４が動作している時間とをメモリ１１４に再設定する。ユーザが特定の期間内、例えば、２分以内に応答しない場合、制御部１１２は新しいランプ１０４が接続されたと推測してユーザが確認したかのように動作し始める。ランプが新しいランプではないとユーザが応答した場合、ランプ１０４が動作している時間は再設定されず、ランプ変化状態がメモリ１１４に再設定される。

ユーザインターフェース３００は、警告またはエラー状態の場合に警告またはエラーメッセージをそれぞれ表示部に表示する。警告またはエラー状態は、光源１００が動作している間に検出される。制御部１１２は、最初にオンされたときに診断テストを実施して、警告またはエラー状態の有無を確認する。警告状態としては、例えば、ランプ・インターロックの故障、ランプ変化状態が設定されたとき、ランプが動作している時間が１７５０時間を超える等ランプ１０４が動作している時間が第１の事前設定限界値に近づくとき、ランプ１０４が発する光量が第２の事前設定限界値に近づくとき、ランプの温度が９０°Ｃを超える等ランプ１０４の温度が第１の事前選択ランプ温度を超えるとき、バラストの温度が５５°Ｃを超える等バラスト１２４の温度が第１の事前選択バラスト温度を超えるとき、または、筐体１２６が開けられているときが挙げられる。エラー状態としては、電源１１０の故障、電池内の低電圧、ランプ１０４が切断されているとき、バラスト１２４が切断されているとき、ランプが動作している時間が２０００時間を超える等ランプ１０４が動作している時間が第１の事前設定限界値を超えるとき、ランプ１０４が発する光量が第２の事前設定限界値を超えるとき、ランプの温度が１００°Ｃを超える等ランプ１０４の温度が第２の事前選択ランプ温度を超えるとき、または、バラストの温度が７０°Ｃを超える等バラスト１２４の温度が第２の事前選択バラスト温度を超えるときが含まれる。エラー状態が検出されると、ランプ１０４および／またはバラスト１２４は、ランプを破裂から守るために遮断されてもよい。ランプ温度センサ、バラスト温度センサ、または、ランプセンサのいずれかに不具合があるか切断されている場合、ランプ１０４および／またはバラスト１２４は安全のために動作不能にされてもよい。ユーザインターフェース３００は、本願では記載しない他の状態に対するエラーまたは警告メッセージを表示することもできる。

ユーザインターフェース３００は、警報アラームを含んでもよい。このアラームは、スイッチが押下されたこと、または、警告またはエラー状態にあること等を示すために使用され得る。該アラームは、特定の状況に応じた音を発する。例えば、スイッチが押下された場合、アラームは低音量で１００ミリ秒のビープ音を発する。警告の場合、アラームは、２００ミリ秒間隔で１００ミリ秒のビープ音を三回といった警告シーケンスを発する。この警告シーケンスは、３０秒間隔で繰り返される。エラーの場合、アラームは、５０ミリ秒間隔で５０ミリ秒のビープ音を五回といったエラー・シーケンスを発する。このエラー・シーケンスは、１０秒間隔で繰り返される。警告およびエラー・シーケンスは、高音量で行われてもよい。

図３を参照すると、別の実施形態では、光源２００は、電源２０６によって駆動されるランプ２０４を有する。ランプ２０４は、出力インターフェース１０８を介して顕微鏡（図示せず）に光を供給する。本実施形態では、ランプアダプタ２１０および流量調製部２１２は、ランプの陽極と陰極にわたる温度を特定の動作範囲内に制御するために使用され、図ではランプ２０４と液体光導波路２２２との間に配置されている。ランプ２０４は、筐体内のバッフル（図示せず）上に実装され、本願記載のスペクトル特性を有するホットミラー２１４と位置合わせされ、ランプと液体光導波路との間の光路に配置される。ホットミラー２１４は、アングル・マウンティング・ブラケット２１６を用いて実装され、ホットミラーの仕様に関して所望のまたは最適な角度でヒート・エポキシを用いて固定される。本発明の一実施形態では、ホットミラー２１４の角度は、ランプの縦方向の位置合わせに垂直な面に対して１０度である。ホットミラー２１４は、特定の用途に所望のまたは必要な波長を透過しつつ、液体光導波路をその特定の動作温度範囲内に維持するために、光路からランプ２０４によって生成される熱エネルギーの相当な部分を反射するよう設計されている。

特に、図５を参照すると、ホットミラー２１４は、フルオロフォアＦＵＲＡとの使用において３４０ｎｍでは８６％を超える光を透過し、３２０ｎｍ乃至６８０ｎｍの間の可視域では９０％を超える照明光を透過する。同時に、約３２０ｎｍより小さい場合と約６８０ｎｍを超える場合、および、熱を運ぶ波長である近赤外域以上の場合では、９０％以上の光は遮光される。本発明の好ましい実施形態では、ホットミラーは、３６５ｎｍ乃至５７７ｎｍの間では最低９０％の照明光を透過し、図５に示すスペクトル特性を有するようパイレックス基板上にスパッタリング処理を施すことで作製される。ホットミラー２１４のスペクトル特性は、図５に示され、以下の透過特性（Ｔ）によって与えられる。
３６５ｎｍでのＴ＞＝９１％
４０５ｎｍでのＴ＞＝９２％
４３６ｎｍでのＴ＞＝９３％
５４６ｎｍでのＴ＞＝９３％
５７７ｎｍでのＴ＞＝９４％
図４を再び参照すると、光源２００は、ホットミラーと光導波路との間の光路において減光フィルタまたはスクリーン２１８の使用を可能にするよう構成され得る。一つ以上の減光フィルタまたはスクリーンは、用途に応じて透過度が異なる減光フィルタまたはスクリーンの交換可能な使用を可能にするために、可動カートリッジまたは回転台２２０上に実装されてもよい。ホットミラーと減光フィルタまたはスクリーンが使用されたとして、それらを通過した後、光は、ランプと位置合わせされて筐体の外部に取り付けられる液体光導波路２２２（図３）に送られる。伝導熱を含むランプからの熱を放散させるためのヒートシンク２２４は、液体光導波路と物理的に結合されて設けられてもよい。液体光導波路が除去された場合の筐体からの思いがけない露光および／または光漏れを防止するための可動シャッター２２６もランプと液体光導波路との間の路に設けられてもよい。好ましい実施形態では、銅または他の金属製のシャッターが４５度の角度で液体光導波路の取り付け点に隣接して実装される。

前記記載は例示的であり、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を限定するものでないことは理解されるであろう。他の実施形態も特許請求の範囲に包含される。

Claims (23)

1. 光源であって、
   ランプと、
   光学出力部と、
   前記ランプと前記光学出力部との間に位置決めされるミラーであって、前記ランプから光を受光し、３２０ナノメートルより小さいか６８０ナノメートルを超える波長では前記光学出力部への光の透過を防止すが、３２０ナノメール乃至６８０ナノメートルの範囲内の波長では前記光学出力部に実質的に光を透過する前記ミラーと
   を備える光源。
2. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、約８００ナノメールを超える波長では前記光学出力部への光の透過を更に防止する、光源。
3. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、３４０ナノメールの波長では前記光学出力部に８５％を超える光を透過する、光源。
4. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、多層誘電体コーティングを含む、光源。
5. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、０度から約４５度の範囲内の入射角で位置決めされる、光源。
6. 請求項５に記載の光源において、前記ミラーは、約１０度の入射角で位置決めされる、光源。
7. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーを入射角で位置決めするアングル・マウンティング・ブラケットを更に備える、光源。
8. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、前記ランプと前記光学出力部の中間に位置決めされる、光源。
9. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーは、前記ランプが発生または生成する熱エネルギーを反射する、光源。
10. 請求項１に記載の光源において、前記ランプと前記光学出力部との間に配置される少なくとも一つの流量調製部を更に備える、光源。
11. 請求項１に記載の光源において、前記ミラーと前記光学出力部との中間に位置決めされる少なくとも一つの減光フィルタまたはスクリーンを更に備える、光源。
12. 請求項１に記載の光源において、前記ランプと前記光学出力部との間に配置され、約４５度の入射角で位置決めされるシャッターを更に備える、光源。
13. 請求項１に記載の光源において、前記光学出力部と物理的に結合されて位置決めされるヒートシンクを更に備える、光源。
14. 光源であって、
    ランプと、
    前記ランプ用の電源と、
    光学出力部と、
    前記ランプの動作上の使用に応じて前記ランプに供給される電力量を変えるよう構成される制御部と
    を備える光源。
15. 請求項１４に記載の光源において、前記制御部は、前記ランプが動作している時間の関数として前記ランプに供給される電力量を変えるように構成される、光源。
16. 請求項１４に記載の光源において、前記制御部は、前記ランプに供給される電力レベルを前記ランプの動作上の使用の持続時間に関連付けるデータを記憶するメモリを含む、光源。
17. 請求項１６に記載の光源において、前記メモリに記憶される前記データは、実験によるデータに基づく、光源。
18. 請求項１４に記載の光源において、前記ランプと前記光学出力部との間に位置決めされるミラーを更に備える、光源。
19. 請求項１８に記載の光源において、前記ミラーは前記ランプから光を受光し、約３２０ナノメートルより小さい波長では前記光学出力部への光の透過を防止する一方で、３４０ナノメールの波長では前記光学出力部に実質的に光を透過するように構成される、光源。
20. 請求項１８に記載の光源において、前記ミラーは、約４５度の入射角で位置決めされる、光源。
21. 請求項１４に記載の光源において、前記ランプと前記光学出力部との間に配置される少なくとも一つの流量調製部を更に備える、光源。
22. 請求項１４に記載の光源において、少なくとも一つの減光フィルタまたはスクリーンを更に備える、光源。
23. 請求項１４に記載の光源において、蛍光顕微鏡法用に設けられ、前記ランプは１２０ワットを超える電力出力を有する、光源。

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