JP2011191671A - オートフォーカス光学装置、顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】対物レンズと第２対物レンズとの間をオートフォーカス光学装置が占有することなく、かつ標本に対する俊敏な合焦動作を可能にするオートフォーカス光学装置と、これを有する倒立顕微鏡を提供すること。
【解決手段】対物レンズを介して、ＡＦ光を標本に照射するＡＦ照明光学系と標本からの前記ＡＦ光を検出するオートフォーカス検出光学系と、前記ＡＦ照明光学系と前記ＡＦ検出光学系とで共用されるミラーと、前記ＡＦ光の光軸は、前記対物レンズの光軸に沿い、かつ略平行な光軸を含み、前記ＡＦ照明光学系の一部と前記ＡＦ検出光学系の一部の光学部材は、前記レボルバ部とは分離された場所に配置されていることを特徴とするＡＦ光学装置と、これを有する顕微鏡。
【選択図】図１

Description

本発明は、オートフォーカス光学装置と、これを有する顕微鏡に関する。

従来、ステージに載置された標本の所定位置に対物レンズの焦点を合わせ、かつ合焦状態を維持するためのオートフォーカス（以後、本明細書中では単にＡＦと記す）光学系とＡＦ検出光学系とからなるＡＦ光学装置を対物レンズと第２対物レンズとの間に配置した顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、上記顕微鏡では、レボルバと第２対物レンズとの間に配置できる光学装置の数には操作性などを維持するために限度があり、ＡＦ光学装置をこの部分に配置すると観察に必要な数の光学装置（例えば、蛍光照明装置、落射照明装置、レーザ照明装置など）を配置することができず多様な観察に対応できなくなると言う問題がある。そしてこの問題を解決するために、ＡＦ光学装置を複数の対物レンズを載置するレボルバと一体に備え、このＡＦ光学装置からの信号に基きレボルバを光軸に沿って上下移動することで標本に合焦させ、かつ合焦状態を維持するＡＦ機構を有する顕微鏡が提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−３４４６７５号公報 特開平１０−２５３８９５号公報

従来の顕微鏡のように、レボルバにＡＦ光学装置を一体に配置した場合、レボルバがＡＦ光学装置を備えている分重量が増加するため、標本に対する俊敏な合焦動作が難しくなると言う問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、レボルバと第２対物レンズとの間をＡＦ光学装置が占有することなく、かつ標本に対する俊敏な合焦動作を可能にするＡＦ光学装置と、これを有する顕微鏡を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、対物レンズを介してオートフォーカス光を標本に照射するオートフォーカス照明光学系と、前記対物レンズを介して標本からの前記オートフォーカス光を検出するオートフォーカス検出光学系と、前記オートフォーカス照明光学系と前記オートフォーカス検出光学系とで共用されるミラーと、前記オートフォーカス光の光軸は、前記対物レンズの光軸に沿い、かつ略平行な光軸を含み、前記オートフォーカス照明光学系の一部と前記オートフォーカス検出光学系の一部の光学部材は、前記レボルバとは分離された場所に配置されていることを特徴とするオートフォーカス光学装置を提供する。

また、本発明は、前記オートフォーカス光学装置を有することを特徴とする顕微鏡を提供する。

本発明によれば、レボルバと第２対物レンズとの間をＡＦ光学装置が占有することなく、かつ標本に対する俊敏な合焦動作を可能にするＡＦ光学装置と、これを有する顕微鏡を提供することができる。

本実施形態に係る顕微鏡の部分断面を含む側面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図とＡＦ光学装置の光路の一部を示す。 図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図とＡＦ光学装置の光路の一部を示す。 図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図でＡＦ照明光学部とＡＦ検出光学部とを示す。

以下、本願の実施形態に係るＡＦ光学装置を有する顕微鏡について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解を容易にするためのものに過ぎず、本願発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。なお、以下の説明では、倒立顕微鏡を代表として説明するが正立顕微鏡でも同様であることは言うまでもない。

図１〜図３において、本実施形態に係る倒立顕微鏡１は、顕微鏡の鏡基部（以後、ベース部と記す）１０と、ステージユニット２０と、透過照明支柱３０と、観察ユニット４０と、落射蛍光ユニット５０と、レーザ蛍光ユニット６０と、カメラ７０とを備える。

ベース部１０は、第２対物レンズ１１と、第２対物レンズ１１からの光を観察ユニット４０に導くミラー１２とミラー１３と、後述するＡＦ光学装置８０とレボルバ２３の上下移動で使用するモータ１４等を備える。

また、ミラー１２は光軸に直交する方向（図１の紙面垂直方向）にスライド可能である。ここでの光軸は、後述する対物レンズ２２と第２対物レンズ１１とを結ぶ光軸のことを言う。また、本明細書中では、この光軸を対物レンズ２２の光軸とも記すことがある。ミラー１２を光軸から退避することで、第２対物レンズ２２からの光はカメラ７０に集光されて不図示の表示装置で標本像等を観察することができる。

また、ミラー１２の第２対物レンズ１１側にハーフミラー１５を設けた光学部材を挿入することで、第２対物レンズ１１からの光の一部をカメラポート１６（図２参照）に射出することができる。なお、このカメラポート１６には、カメラのほかに光検出器（例えば、ＰＭＴ等）を装着することができる。また、カメラ７０が装着されているポートにも光検出器を装着することができる。

ステージユニット２０は、標本２を載置するステージ２１と、複数の対物レンズ２２を保持するレボルバ２３と、レボルバ２３を保持して対物レンズ２２の光軸に沿って上下移動するレボルバ支柱２４とを備える。また標本２が載置されるステージ２１には、標本２を載置してステージ２１上を任意の方向へ動かすスライディングステージ２５を備える。

なお、本倒立顕微鏡１で使用される対物レンズ２２は、無限遠補正光学対物レンズである。これにより対物レンズ２２で集光された標本２からの光は、平行光として対物レンズ２２から第２対物レンズ１１に向け射出する。この結果本倒立顕微鏡では、対物レンズ２２と第２対物レンズ１１との間に複数の光学装置（落射蛍光照明装置５０、レーザ蛍光照明装置６０）を配置することができる。

レボルバ支柱２４は、ベース部１０に配置された不図示の焦準ダイヤルを回転することで、モータ１４の軸に設けられた不図示のピニオンギアがレボルバ支柱２４の下部に設けられたラックギアに歯合してレボルバ支柱２４を対物レンズ２２の光軸に沿って上下移動する。これにより、標本２の観察位置に対物レンズ２２の焦点を合わせることができる。また、レボルバ支柱２４は、観察者による不図示の顕微鏡コントローラからの指示あるいは焦準ダイヤルの回転によりモータ１４が回転し、上記ラックアンドピニオンギアを介してレボルバ支柱２４を対物レンズ２２の光軸に沿って上下移動する。

透過照明支柱３０は、ステージユニット２０に設けられた垂直部３１と、この垂直部３１の上端から観察ユニット４０方向に水平に延在する水平部３２とを備える。

垂直部３１の上端背面部には、例えばハロゲンランプ等の透過光源３３とレンズ３４等が収納されたランプハウス３５を備える。ランプハウス３５からの照明光は水平部３２内を伝達され、水平部３２の観察ユニット４０側先端近傍に配置されたミラー３６で、対物レンズ２２方向に反射される。ミラー３６で反射された照明光はレンズ３７を透過し、垂直部３１と水平部３２とに取り付け部３８を介して配置されたコンデンサレンズ３９で標本２に集光される。取り付け部３８には、コンデンサレンズ３９を対物レンズ２２の光軸に沿って上下移動するツマミ３８ａが設けられている（図２、３参照）。

観察ユニット４０は、双眼部４１を有し、ベース部１０のミラー１３で反射された光束を双眼部４１にリレーするミラー４２と、接眼レンズ４３を備える。

標本２からの光は対物レンズ２２で集光され、第２対物レンズ１１、ミラー１２、１３、４２を介して接眼レンズ４３に伝達され、観察者に標本像が観察される。

本倒立顕微鏡１では、レボルバ２３と第２対物レンズ１１との間の光路中に配設された落射蛍光ユニット５０は、ランプハウス５１と照明光投光装置５２と複数のフィルタキューブ５３、５４を搭載したフィルタターレット５５を備える。ランプハウス５１には、可視光から紫外光までの波長の光を射出できる水銀ランプやキセノンランプ等が収納される。フィルタキューブ５３、５４には、落射蛍光観察するための波長選択フィルタ５３ａ、５４ａ、ダイクロイックミラー５３ｂ、５４ｂ、エミッションフィルタ５３ｃ、５４ｃ等が収納されている。なお、落射蛍光ユニット５０を用いた落射蛍光観察は公知であり詳細な説明は省略する。

本倒立顕微鏡１では、レボルバ２３と第２対物レンズ１１との間の光路中に配設されたレーザ蛍光ユニット６０は、励起光であるレーザ光を不図示のレーザ光源装置から導入する光ファイバ６１とレーザ照明光投光装置６２と複数のフィルタキューブ６３、６４を搭載したフィルタターレット６５を備える。フィルタキューブ６３、６４には、レーザ蛍光観察するための波長選択フィルタ６３ａ、６４ａ、ダイクロイックミラー６３ｂ、６４ｂ、エミッションフィルタ６３ｃ、６４ｃ等が収納されている。なお、レーザ蛍光ユニット６０を用いたレーザ蛍光観察は公知であり詳細な説明は省略する。

なお、第２対物レンズ１１とレボルバ２３との間には、上記落射蛍光ユニット５０、レーザ蛍光ユニット６０に限らず、第２対物レンズ１１とレボルバ２３との間に配置するように設計された既存のＡＦ光学ユニット（例えば、落射照明ユニット等）を配置することができる。

次に、本実施形態に係るＡＦ光学装置８０について図１〜図４を参照しつつ説明する。

本倒立顕微鏡１に搭載されるＡＦ光学装置８０は、図１〜図４に示すように、ベース部１０の低部の背面部近傍にレボルバ２３とは分離して配置された、ＡＦ照明光学部８１とＡＦ検出光学部８２と、倒立顕微鏡１のベース部１０、ステージユニット２０およびリボルバ２３の内部に配置されたリレー光学部８３と、リボルバ２３の内部で対物レンズ２２の光軸に配置されたダイクロイックミラー８４とから構成されている。なお、ＡＦ光学装置８０の一部であるＡＦ照明光学部８１とＡＦ検出部８２は、上記位置に限らずレボルバ２３と分離され、リレー光学部８３で後述するＡＦ光をリレーできる場所であれば倒立顕微鏡１のいずれの場所に配置しても良い。例えば、配置場所は、リボルバ２３の近傍でステージユニット２０の側面等であっても良い。

図４に示すように、ＡＦ照明光学部８１は近赤外光（以後、ＡＦ光と記す）を射出する（例えば赤外ＬＥＤ等）光源８１ａと、集光レンズ８１ｂと、光束の１／２を遮蔽する半円絞り８１ｃと、凸レンズ８１ｄと、オフセットレンズである凹レンズ８１ｅと、ハーフミラー８１ｆと、ミラー８３ａを備える。

また、図４に示すように、ＡＦ検出光学部８２は、ラインセンサー等の光検出器８２ａと、凸レンズ８２ｂと、ハーフミラー８１ｆ、ミラー８３ａを備える。

ここでハーフミラー８１ｆは、ＡＦ照明光学部８１とＡＦ検出光学系８２とで共用される。また、ミラー８３ａは、ＡＦ照明光学部８１、ＡＦ検出光学系８２と、リレー光学部８３とで共用される。なお、ＡＦ照明光学部８１およびＡＦ検出光学系８２は、設計において上記光学部材以外の光学部材を適宜追加しても良い。

図１〜図３に示すように、レボルバ２３の内部で対物レンズ２２の光軸に配置されたダイクロイックミラー８４とミラー８３ａとの間には、リレー光学部８３を構成する他の複数のミラー８３ｂ、８３ｃを備える。なお、リレー光学部８３を構成する複数のミラー８３ａ、８３ｂ、８３ｃの数は上述の３個に限定されないことは言うまでもない。

図４に示すように、光源８１ａからのＡＦ光は、集光レンズ８１ｂで半円絞り８１ｃに集光され、１／２のＡＦ光が半円絞り８１ｃから射出される。半円絞り８１ｃから射出したＡＦ光は、凸レンズ８１ｄと凹レンズ８１ｅとで平行光にされてハーフミラー８１ｆを透過し、ＡＦ照明光学部８１の光軸に対して約４５度傾けて配置したミラー８３ａに入射する。

図１〜図３に示すように、ミラー８３ａで反射されたＡＦ光は、対物レンズ２２の光軸に沿い、かつ平行な光軸（ＡＦ光光軸）に沿って伝達され、このＡＦ光光軸に約４５度傾けて配置されたミラー８３ｂに入射し、対物レンズ２２の光軸に交わる面上に配置されるミラー８３ｃに入射する。ミラー８３ｂおよびミラー８３ｃ間の光軸は、対物レンズ２２の光軸とは分離した関係にある。なお、対物レンズ２２の光軸に交わる面は、対物レンズ２２の光軸に直交していることが好ましい。

両光軸を分離した関係となるように構成することで、ＡＦ光光軸を照明光投光部５２の光軸およびレーザ照明光投光部６２の光軸と分離した関係に構成することができる。この結果、ＡＦ光光軸と照明光投光部５２の光軸およびレーザ照明光投光部６２の光軸との干渉を避けることができる。

そしてミラー８３ｃで反射されたＡＦ光は、対物レンズ２２の光軸に配置されたダイクロイックミラー８４方向に向かいダイクロイックミラー８４で反射されて対物レンズ２２を介して標本２に集光される。

なお、本ＡＦ光学装置８０では、対物レンズ２２におけるＡＦ光の集光位置は、標本２である細胞と細胞を載置するカバーガラスとの界面に行われる。ここで、標本は細胞等を想定している。また、リレー光学部８３のミラー８３ａと８３ｂとの間に偶数個のミラーを配置してＡＦ光を偏向することも可能である。この際、対物レンズ２２の光軸に沿い、かつ平行なＡＦ光光軸を少なくとも１つ有することが望ましい。ＡＦ光が対物レンズ２２の光軸に沿い、かつ平行な光軸を有することで、レボルバ２３（対物レンズ２２）が合焦動作に伴い上下移動してもＡＦ光を標本２に照射し続けることができる。

一方、細胞とカバーガラスとの界面で反射されたＡＦ光は、前述の対物レンズ２２への入射時のＡＦ光とは異なる１／２領域に入射してダイクロイックミラー８４に入射および反射し、ミラー８３ｃ、８３ｂ、８３ａとリレーされてハーフミラー８１ｆに入射する。ハーフミラー８１ｆに入射する戻りのＡＦ光は、射出時の１／２のＡＦ光とは異なる領域に入射する。ハーフミラー８１ｆを反射したＡＦ光は、凸レンズ８２ｂでラインセンサー８２ａに結像される。

このように、ＡＦ光学装置８０は、光源８１ａから対物レンズ２２までの光学部材によりＡＦ照明光学系を構成し、対物レンズ２２からラインセンサー８２ａまでの光学部材によりＡＦ検出光学系を構成している。なお、ハーフミラー８１ｆから対物レンズ２２までの光学部材は、ＡＦ照明光学系とＡＦ検出光学系とで共用される。

そして、細胞とカバーガラスとの界面にＡＦ光に対する対物レンズ２２の焦点位置があるとき、ラインセンサー８２ａにおけるＡＦ光の集光位置は中央部にあって不図示の制御部で合焦していると判断される。

一方、ＡＦ光の焦点位置が細胞とカバーガラスとの界面からずれたとき、ラインセンサー８２ａにおけるＡＦ光の集光位置が中央部からずれる。制御部はラインセンサー８２ａにおけるＡＦ光の集光位置のずれ量とずれ方向とに基き集光位置を中央部に戻すようにモータ１４を介してレボルバ２３を対物レンズ２２の光軸に沿って上下移動する。また制御部は上記制御を連続して行うことで合焦位置を維持する。なお、このとき、制御部はモータ１４を駆動して合焦位置のずれに応じて瞬時にレボルバ２３を上下移動するため、レボルバ２３の重量が軽いことが望まれ、本ＡＦ光学装置８０は、ＡＦ光学装置８０の一部であるＡＦ照明光学部８１とＡＦ検出光学部８２とをレボルバ２３から分離して配置することで、この要求を満足させている。

また、本ＡＦ光学装置８０は、オフセットレンズである凹レンズ８１ｅのオフセット量をゼロとすれば、対物レンズ２２における、ＡＦ光の焦点位置と、対物レンズ２２と第２対物レンズ１１からなる結像光学系の焦点位置とが一致する。

また、本ＡＦ光学装置８０は、オフセットレンズである凹レンズ８１ｅをＡＦ照明光学部８１の光軸に沿って移動することでＡＦ光の合焦位置にオフセットを与える。制御部は凹レンズ８１ｅのオフセット量を検出して、モータ１４を介してこのオフセット量に応じた移動量をレボルバ２３に与えることで、合焦位置を所定のオフセット量だけずらした位置に合焦させ、その後この位置で合焦状態を維持する。この時、ＡＦ光の焦点位置は細胞とカバーガラスとの界面にあり、上述の結像光学系の焦点位置はオフセット量だけずれた細胞（標本２）の内部に位置付けられる。

このように、本ＡＦ光学装置８０を用いたＡＦ機構は、オフセットレンズである凹レンズ８１ｅを光軸に沿って移動させることで、細胞内の任意の位置に結像光学系の焦点を位置付けることができる機能を有している。なお、本ＡＦ光学装置８０を用いたＡＦ制御方法は公知であり（例えば、特開２００４−７０２７６号公報参照）、詳細な説明は省略する。

以上述べたように、本ＡＦ光学装置８０を有する倒立顕微鏡１は、ＡＦ光が対物レンズ２２の光軸に沿い、かつ平行な光軸を含むリレー光学系８３を有することにより、ＡＦ照明光学部８１およびＡＦ検出光学部８２をレボルバ２３とは異なる場所に分離して配置することができる。この結果、本倒立顕微鏡１は、レボルバ２３の重量が軽くなり小さな慣性力で合焦動作および合焦維持動作を行うことができる。また、本倒立顕微鏡１は、レボルバ２３の重量が軽いので、俊敏な合焦動作を実現できる。

また、本ＡＦ光学装置８０を有する倒立顕微鏡１は、ＡＦ光学装置８０をレボルバ２３を介して構成することで、ＡＦ光学装置８０がレボルバ２３と第２対物レンズ１１との間を占有しないので、その他の複数の光学装置（例えば、各種の照明ユニット等）を使用することができ、多様な顕微鏡観察を行うことができる。

１ 倒立顕微鏡
２ 標本
１０ 顕微鏡鏡基部（ベース部）
１１ 第２対物レンズ
１２、１３、１４ ミラー
１５ ハーフミラー
２０ ステージユニット
２１ ステージ
２２ 対物レンズ
２３ レボルバ
２４ レボルバ支柱
２５ スライディングステージ
３０ 透過照明支柱
３１ 垂直部
３２ 水平部
３５ ランプハウス
３９ コンデンサレンズ
４０ 観察ユニット
５０ 落射蛍光ユニット
５１ ランプハウス
５２ 照明光投光装置
５５ フィルタターレット
６０ レーザ蛍光ユニット
６１ 光ファイバ
６２ レーザ光投光装置
６５ フィルタターレット
７０ カメラ
８０ ＡＦ光学装置
８１ ＡＦ照明光学部
８２ ＡＦ検出光学部
８３ リレー光学部
８３ａ、８３ｂ、８３ｃ ミラー
８４ ダイクロイックミラー

Claims (6)

1. 対物レンズを介してオートフォーカス光を標本に照射するオートフォーカス照明光学系と、
   前記対物レンズを介して標本からの前記オートフォーカス光を検出するオートフォーカス検出光学系と、
   前記オートフォーカス照明光学系と前記オートフォーカス検出光学系とで共用されるミラーと、
   前記オートフォーカス光の光軸は、前記対物レンズの光軸に沿い、かつ略平行な光軸を含み、
   前記オートフォーカス照明光学系の一部と前記オートフォーカス検出光学系の一部の光学部材は、前記レボルバ部とは分離された場所に配置されていることを特徴とするオートフォーカス光学装置。
2. 前記対物レンズを保持するレボルバの内部に設けられ前記対物レンズの光軸に配置されて前記オートフォーカス光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記ミラーと前記ダイクロイックミラーとの間の前記オートフォーカス光をリレーする少なくとも１つのリレーミラーとを有することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス光学装置。
3. 前記オートフォーカス照明光学系の一部は、前記オートフォーカス照明光学系の光軸に沿って順に、光源と、集光レンズと、絞りと、コリメートレンズと、オフセットレンズと、ハーフミラーと、前記ミラーとを有し、
   前記オートフォーカス検出光学系の一部は、前記オートフォーカス検出光学系の光軸に沿って順に、光検出器と、集光レンズと、前記ハーフミラーとを有することを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス光学装置。
4. 前記オートフォーカス光の光源は、標本を観察する光とは異なり、かつ蛍光観察における励起光の波長とも異なる波長の光を発する光源であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のオートフォーカス光学装置。
5. 前記場所は、鏡基部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のオートフォーカス光学装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のオートフォーカス光学装置を有することを特徴とする顕微鏡。