JP2011232431A - 共焦点光スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】ピンホールディスクを交換することなく、複数の対物レンズに対して最適なピンホール効果を得ることが可能な共焦点光スキャナを提供する。
【解決手段】複数のマイクロレンズが設けられたマイクロレンズディスク２２と複数のピンホールが設けられピンホールディスク６１を回転させ、前記ピンホールを通過した光を対物レンズ３２を介して試料５に照射する共焦点光スキャナ６において、前記ピンホールは、前記ピンホールディスク６１の厚み方向に応じて開口径が異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点光スキャナに関し、更に詳しくは、複数の対物レンズに対して最適な共焦点像を得る共焦点光スキャナに関する。

従来の共焦点光スキャナの構成を、図面を用いて説明する。図４は従来の共焦点光スキャナの例を示した構成図である。共焦点光スキャナは、主として光源１と、スキャナユニット２と、顕微鏡部３と、光検出部４とから構成され、試料５に光を照射して観察する。

図４において、光源１は、レーザ光が光ファイバの端面等から出力される微細な点光源等である。
スキャナユニット２のコリメートレンズ２１は、光源１の光軸上に配置され、光源１からの光をコリメートして出力する。
マイクロレンズディスク２２は、図５に示すように、微小なレンズであるマイクロレンズ２２１が、螺旋状に配置されたニポウ（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスク等で、コリメートレンズ２１からの光を集光する。

ピンホ−ルディスク２３は、マイクロレンズディスク２２のマイクロレンズ２２１と同一パターンの螺旋状に配置されたピンホール２３１を有し、このピンホール２３１がマイクロレンズ２２１によって集光された光の焦点に位置するよう、ドラム２４によってマイクロレンズディスク２２と連結されている。
マイクロレンズディスク２２とピンホ−ルディスク２３は、一体となりモータ２５により回転する。

ダイクロイックミラー２６は、マイクロレンズディスク２２とピンホ−ルディスク２３の間に、図示しない支持機構により空間に保持してある。ダイクロイックミラー２６は、光源１からの波長光は透過し、光源１からの波長光によって試料５が発する蛍光波長光は反射する。

ピンホ−ル２３１を通過した光は、チューブレンズ３１と対物レンズ３２を有する顕微鏡部３に入力する。
チューブレンズ３１は、ピンホール２３１を通過した光を入力し、光軸に対するピンホール２３１の位置に応じた傾きを有する平行光を出力する。図４には、光軸中心に位置するピンホール２３１からの光路を実線で示し、光軸からずれたピンホール２３１からの光路の例を破線で示している。
対物レンズ３２は、チューブレンズ３１が出力した光を入力し、試料５上に焦点を結ぶ。この入力光によって励起された試料５は蛍光を発する。この蛍光は入力光と同一の光路を戻り、再び対物レンズ３２、チューブレンズ３１を経由し、入力光が通過したものと同じピンホール２３１を通過する。

ピンホール２３１を通過した戻り光は、ダイクロイックミラー２６によって反射される。
ダイクロイックミラー２６からの反射光は、集光レンズ２６により集光され、特定の波長光を通すフィルタ２７を経由して、撮像素子を備えたカメラ等である光検出部４に入力する。

このような従来の共焦点光スキャナの動作を、図面を用いて詳細に説明する。
光源１からの光は、コリメートレンズ２１によって平行光へと変換される。この光はマイクロレンズ２２１により集光されて出力される。ダイクロイックミラー２６はこの光を透過し、ピンホ−ルディスク２３の各々のピンホール２３１上で焦点を結ぶ。
ピンホール２３１を通過した光は、チューブレンズ３１によって、通過したピンホール２３１の位置に対応する傾きを有する平行光に変換される。対物レンズ３２は平行光を入力すると、その傾きに応じて焦点面に焦点を結像する。

焦点面上の試料５は蛍光を発し、戻り光として入力光と同一の光路を戻り、再び対物レンズ３２、チューブレンズ３１を経由し、入力光が通過したものと同じピンホール２３１を通過する。ピンホール２３１を通過した戻り光はダイクロイックミラー２６によって反射され、集光レンズ２６により集光され、特定の波長光を通すフィルタ２７を経由して、光検出部４で結像する。

ここでマイクロレンズディスク２２とピンホ−ルディスク２３を一体的に回転させると、ピンホール２３１を通過したそれぞれの光が、対応するそれぞれの焦点面を走査する。それぞれの焦点面からの戻り光は、再びピンホール２３１を通過した後に、ダイクロイックミラー２６で反射され、集光レンズ２６とフィルタ２７を経由して光検出部の撮像素子上を走査するので、走査された焦点面の情報が光検出部４に投影されて試料の観察が可能となる。

このとき、焦点面からの戻り光以外の光（迷光）は、ピンホール２３１によって遮断され、光検出部４にほとんど到達しない（ピンホール効果）。このピンホール効果によって、光検出部４は焦点面からの戻り光のみの、いわゆる共焦点画像を撮影することになる。

特許文献１には、マイクロレンズディスクとピンホールディスクを一体的に回転させることにより、試料に光を照射してその戻り光を観察する共焦点光スキャナの構成が詳細に記載されている。

特開平５−６０９８０号公報

このような共焦点光スキャナにおいて複数の異なる倍率の対物レンズを用いる場合、迷光を遮断するために、対物レンズの焦点径に応じた最適なピンホール径が選択できることが好ましい。しかしながらマイクロレンズディスクとピンホールディスクを一体的に回転している構造上、対物レンズの焦点径に応じてピンホール径を変えることは困難であるという課題があった。

そこで本発明の目的は、ピンホールディスクの厚み方向に応じて開口径が異なるピンホールを設けることで、ピンホールディスクを交換することなく、複数の対物レンズに対して最適なピンホール効果を得ることにより、最適な共焦点像を得る共焦点光スキャナを実現することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数のマイクロレンズが設けられたマイクロレンズディスクと複数のピンホールが設けられピンホールディスクを回転させ、前記ピンホールを通過した光を対物レンズを介して試料に照射する共焦点光スキャナにおいて、
前記ピンホールは、前記ピンホールディスクの厚み方向に応じて開口径が異なることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記ピンホールの開口径は、前記ピンホールディスク厚み方向中央部においては高倍率の前記対物レンズを使用した際の前記試料からの戻り光の焦点径とほぼ合致し、前記ピンホールディスク上下面付近においては低倍率の前記対物レンズを使用した際の前記試料からの戻り光の光路径とほぼ合致することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明であって、
前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が連続的に広がるように形成されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載の発明であって、
前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が末広がりなテーパ状に形成されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の発明であって、
前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が階段状に広がるように形成されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明であって、
前記ピンホールディスクは、異なる開口径の開口部を有する薄膜が蒸着した透明なディスクが、複数枚積層されて形成されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６記載の発明であって、
前記ピンホールディスクは、前記複数のピンホールが螺旋状に配置されるニポウディスクであることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７記載の発明であって、
前記ピンホールディスクと前記対物レンズの間に配置され、前記照射光の光軸近傍の光を遮蔽する輪帯アパーチャーを有することを特徴とする請求項１〜７記載の共焦点光スキャナ。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明であって、
前記輪帯アパーチャーは、前記対物レンズの瞳位置に配置されることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項８または９記載の発明であって、
前記輪帯アパーチャーは挿脱可能であることを特徴とする。

本発明によれば、複数のマイクロレンズが設けられたマイクロレンズディスクと複数のピンホールが設けられピンホールディスクを回転させ、ピンホールを通過した光を対物レンズを介して試料に照射する共焦点光スキャナにおいて、ピンホールの開口径が、ピンホールディスク厚み方向中央部においては高倍率の対物レンズを使用した際の試料からの戻り光の焦点径とほぼ合致し、ピンホールディスク上下面付近においては低倍率の対物レンズを使用した際の試料からの戻り光の光路径とほぼ合致し、また、低倍率の対物レンズを使用する際には輪帯アパーチャーが対物レンズの瞳位置に配置されるので、ピンホールディスクを交換することなく、複数の対物レンズに対して最適なピンホール効果得られ、最適な共焦点像を得る共焦点光スキャナを実現することができる。

本発明の一実施例の構成図である。 図１に示す装置のピンホールの構成例を示す図である。 図１に示す装置のピンホールのその他の構成例を示す図である。 従来の共焦点光スキャナの例を示した構成図である。 図４に示す装置の動作説明図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図４と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。

図１において、スキャナユニット６のピンホールディスク６１は、マイクロレンズディスク２２のマイクロレンズ２２１と同一パターンの螺旋状に配置されたピンホール６１１を有し、このピンホール６１１がマイクロレンズ２２１によって集光された光の焦点に位置するよう、ドラム２４によってマイクロレンズディスク２２と連結されている。

ピンホール６１１は、図２（ａ）に示すように、ピンホールディスク６１の厚み方向に応じて異なる開口径を有する。この開口径は、ピンホールディスク６１厚み方向中央部においては図２(ｂ)に示すように高倍率の対物レンズ３２を使用した際の試料５からの戻り光Ｌ１の焦点径にほぼ合致する開口径６１１ａとなり、ピンホールディスク６１上下面付近においては図２(ｃ)に示すように低倍率の対物レンズ３２を使用した際の試料５からの戻り光Ｌ２の光路径とほぼ合致する開口径６１１ｂとなる。

このようなピンホールディスク６１は、例えば、光を透過するディスクに、ピンホール径６１１(ａ)、６１１（ｂ）を有する薄膜を蒸着させて作成することができる。

顕微鏡部７の輪帯アパーチャー７１は、チューブレンズ３１から対物レンズ３２に至る光路上かつ対物レンズ３２の瞳位置に、図示しない支持機構により、挿脱可能に配置される。

このような共焦点スキャナの動作を、詳細に説明する。
光源１からの光は、コリメートレンズ２１、マイクロレンズ２２１、ダイクロイックミラー２６を経由し、ピンホールディスク６１のピンホール６１１で焦点を結ぶ。ここでの光の焦点径は、ピンホールディスク６１の厚み方向中央部の開口径６１１ａとほぼ合致する。
ピンホール６１１を通過した光は、チューブレンズ３１によって、通過したピンホール６１１の位置に対応する傾きを有する平行光に変換される。
輪帯アパーチャー７１はチューブレンズ３１が出力する平行光の光軸近傍の光を遮蔽して対物レンズ３２に出力する。

対物レンズ３２は平行光を入力すると、その傾きに応じて焦点面に焦点を結像する。
焦点面上の試料５は蛍光を発し、この蛍光が戻り光として再び対物レンズ３２を経由して、入力光と同じ光路を逆向きに通過するが、その際に輪帯アパーチャー７１は光軸近傍の光を遮蔽する。
この光軸近傍が遮蔽された光は、再度ピンホール６１１を通過し、ダイクロイックミラー２６によって反射され、集光レンズ２７、フィルタ２８を介して光検出部４に入力される。

ここで、ピンホール６１１および輪帯アパーチャー７１の作用について説明する。
高倍率の対物レンズ３２を用いるときには、輪帯アパーチャー７１は光路から取り除かれている。この場合には従来の共焦点スキャナと同様の光学系となり、試料５からの蛍光はピンホール６１１で再び焦点を結ぶ。ピンホールディスク６１の厚み方向中央部の開口径６１１ａは高倍率の対物レンズ３２からの戻り光Ｌ１の焦点径にほぼ合致する大きさとなっているので、最適な共焦点像を得ることができる。

一方、低倍率の対物レンズ３２を用いるときには、戻り光Ｌ２の焦点径はピンホールディスク６１の厚み方向中央部の開口径６１１ａより小さくなるが、ピンホールディスク６１の上下面付近の光路径は開口径６１１ｂとほぼ合致するので。共焦点となる。
さらに、低倍率の対物レンズ３２を用いるときには輪帯アパーチャー７１が光路に挿入され、ピンホール６１１を通過する戻り光の光軸近傍の光が遮光される。
図２（ｃ）には架空のアパーチャー６２が、図１に示す輪帯アパーチャー７１と光学的に等価である位置に示されているが、この図のように戻り光の光軸近傍の光が遮光されて矢印で示す光軸近傍以外の光のみが通過することになり、共焦点となる光以外のノイズ光が大幅に遮蔽される。
その他、輪帯アパーチャー７１を配置することにより、試料５上の焦点を通常の光学顕微鏡よりも小さくできることも知られており、通常の共焦点顕微鏡よりも高い水平分解能も期待できる。

したがって、低倍率の対物レンズ３２を用いた場合でも最適な共焦点像を得ることができる。

このように、複数のマイクロレンズが設けられたマイクロレンズディスク２２と複数のピンホールが設けられピンホールディスク６１を回転させ、ピンホールを通過した光を対物レンズ３２を介して試料５に照射する共焦点光スキャナにおいて、ピンホールの開口径が、ピンホールディスク６１厚み方向中央部においては高倍率の対物レンズ３２を使用した際の試料５からの戻り光の焦点径とほぼ合致し、ピンホールディスク６１上下面付近においては低倍率の対物レンズ３２を使用した際の試料５からの戻り光の光路径とほぼ合致し、また、低倍率の対物レンズ３２を使用する際には輪帯アパーチャー７１が対物レンズ３２の瞳位置に配置されるので、ピンホールディスク６１を交換することなく、複数の対物レンズ３２に対して最適なピンホール効果得られ、最適な共焦点像を得る共焦点光スキャナを実現することができる。

なお、ピンホールは、ピンホールディスクの厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が連続的に末広がりなテーパ状に形成される縦断面を有してもよい。
図３の例では、ピンホールディスク６３にピンホール６３１の開口径を、厚み方向中央部では高倍率の対物レンズ、例えば６０倍の焦点径６３１ａに対応させ、上下面に近づくに従い、開口径６３１ｂ、６３１ｃ、６３１ｄをそれぞれ４０倍、２０倍、１０倍程度の対物レンズの光路径に対応させている。
その際には、輪帯アパーチャー７１も対物レンズの倍率に応じて最適な位置、最適な大きさに配置することで、いずれの倍率の対物レンズにおいて、最適な共焦点像を得ることができる。

２２ マイクロレンズディスク
２２１ マイクロレンズ
６１ ピンホールディスク
６１１ ピンホール
６１１ａ、６１１ｂ 開口径
３２ 対物レンズ
５ 試料
７１ 輪帯アパーチャー

Claims (10)

1. 複数のマイクロレンズが設けられたマイクロレンズディスクと複数のピンホールが設けられピンホールディスクを回転させ、前記ピンホールを通過した光を対物レンズを介して試料に照射する共焦点光スキャナにおいて、
   前記ピンホールは、前記ピンホールディスクの厚み方向に応じて開口径が異なることを特徴とする共焦点光スキャナ。
2. 前記ピンホールの開口径は、前記ピンホールディスク厚み方向中央部においては高倍率の前記対物レンズを使用した際の前記試料からの戻り光の焦点径とほぼ合致し、前記ピンホールディスク上下面付近においては低倍率の前記対物レンズを使用した際の前記試料からの戻り光の光路径とほぼ合致することを特徴とする請求項１記載の共焦点光スキャナ。
3. 前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が連続的に広がるように形成されることを特徴とする請求項１または２記載の共焦点光スキャナ。
4. 前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が末広がりなテーパ状に形成されることを特徴とする請求項１〜３記載の共焦点光スキャナ。
5. 前記ピンホールは、前記ピンホールディスク厚み方向中央部から上下面付近にかけて、開口径が階段状に広がるように形成されることを特徴とする請求項１または２記載の共焦点光スキャナ。
6. 前記ピンホールディスクは、異なる開口径の開口部を有する薄膜が蒸着した透明なディスクが、複数枚積層されて形成されることを特徴とする請求項５記載の共焦点光スキャナ。
7. 前記ピンホールディスクは、前記複数のピンホールが螺旋状に配置されるニポウディスクであることを特徴とする請求項１〜６記載の共焦点光スキャナ。
8. 前記ピンホールディスクと前記対物レンズの間に配置され、前記照射光の光軸近傍の光を遮蔽する輪帯アパーチャーを有することを特徴とする請求項１〜７記載の共焦点光スキャナ。
9. 前記輪帯アパーチャーは、前記対物レンズの瞳位置に配置されることを特徴とする請求項８記載の共焦点光スキャナ。
10. 前記輪帯アパーチャーは挿脱可能であることを特徴とする請求項８または９記載の共焦点光スキャナ。

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