JP2016045427A - Microscope device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡装置に関するものである。 The present invention relates to a microscope apparatus.
従来、光源からのパルスレーザ光をスキャナによって走査し、リレーレンズによってリレーし、対物レンズによって標本に集光させることにより、多光子励起効果により発生した蛍光を観察する顕微鏡装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, there is known a microscope apparatus that observes fluorescence generated by a multiphoton excitation effect by scanning pulse laser light from a light source with a scanner, relaying it with a relay lens, and condensing it on a specimen with an objective lens ( For example, see Patent Document 1.)
この特許文献1の顕微鏡装置において、大きな標本を高分解能で観察するためには、実視野の広い低倍率の対物レンズを装着するとともに、対物レンズの焦点位置におけるレーザ光の開口数(照明NA)を増大させる必要がある。 In the microscope apparatus of Patent Document 1, in order to observe a large specimen with high resolution, a low-magnification objective lens with a wide real field of view is mounted, and the numerical aperture (illumination NA) of laser light at the focal position of the objective lens Need to be increased.
しかしながら、ガルバノミラーを用いたスキャナを備える顕微鏡装置においては、照野と照明NAとを独立に設計することは困難であり、照野は、リレーレンズによるガルバノミラーから対物レンズの瞳位置へのリレー倍率に反比例するのに対し、照明NAは比例するという関係にある。したがって、照野確保を優先すると対物レンズの瞳径を満たすように光束径を拡大することはできず、照明NAを十分に増大させることはできず、分解能が制限されてしまうという不都合がある。
一方、照明NAの十分な増大を優先するとガルバノミラーの振り角が足りず照野を十分に確保できないという不都合がある。
However, in a microscope apparatus equipped with a scanner using a galvanometer mirror, it is difficult to design the illumination field and the illumination NA independently, and the illumination field is relayed from the galvanometer mirror by the relay lens to the pupil position of the objective lens. The illumination NA is in proportion to the inverse of the magnification. Therefore, if priority is given to ensuring the illumination field, the beam diameter cannot be expanded to satisfy the pupil diameter of the objective lens, the illumination NA cannot be increased sufficiently, and the resolution is limited.
On the other hand, if priority is given to a sufficient increase in the illumination NA, there is a disadvantage that the illuminating field cannot be secured sufficiently because the swing angle of the galvano mirror is insufficient.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スキャナやリレーレンズを大型化させることなく、大きな標本を高分解能で観察することができる顕微鏡装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a microscope apparatus capable of observing a large specimen with high resolution without increasing the size of a scanner or a relay lens.
上記目標を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、光源からのレーザ光を走査させるガルバノミラーを有するスキャナと、該スキャナにより走査されたレーザ光をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされたレーザ光を標本に集光する対物レンズと、該対物レンズと前記スキャナとの間の光路上に配置され、回折により対物レンズに入射させるレーザ光の光束径を拡大させる回折光学素子とを備える顕微鏡装置を提供する。
In order to achieve the above goal, the present invention provides the following means.
One embodiment of the present invention includes a scanner having a galvanometer mirror that scans laser light from a light source, a relay optical system that relays laser light scanned by the scanner, and a sample of laser light relayed by the relay optical system And a diffractive optical element that is arranged on an optical path between the objective lens and the scanner and that expands a beam diameter of laser light incident on the objective lens by diffraction. .
本態様によれば、光源からのレーザ光がスキャナのガルバノミラーによって走査された後、リレー光学系によってリレーされ対物レンズによって標本に集光されることにより、標本において蛍光を発生させ、発生した蛍光が対物レンズによって集光されて検出されることにより、標本の蛍光観察を行うことができる。この場合において、レーザ光はスキャナと対物レンズとの間の光路上において回折光学素子によって回折により光束径を拡大させられるので、リレー光学系のリレー倍率を調整することなく、対物レンズの瞳を満たす光束径で対物レンズに入射させることができる。 According to this aspect, after the laser light from the light source is scanned by the galvanometer mirror of the scanner, it is relayed by the relay optical system and condensed on the sample by the objective lens, thereby generating fluorescence in the sample, and the generated fluorescence Is collected and detected by the objective lens, so that the fluorescence observation of the specimen can be performed. In this case, since the beam diameter of the laser beam can be enlarged by diffraction by the diffractive optical element on the optical path between the scanner and the objective lens, the pupil of the objective lens is filled without adjusting the relay magnification of the relay optical system. It can be made incident on the objective lens with a light beam diameter.
すなわち、照野を確保し得るリレー倍率に設定しておき、リレー倍率とは無関係に回折光学素子によって光束径を拡大させることにより、照野を確保しながら空間分解能を向上することができる。これにより、大きな標本を高分解能で観察することができる。また、リレー倍率を調整しないので、スキャナ、リレー光学系および対物レンズを変更せずに済み、スキャナやリレー光学系の大型化を防止することができる。 That is, it is possible to improve the spatial resolution while securing the illumination field by setting the relay magnification that can secure the illumination field and enlarging the beam diameter by the diffractive optical element regardless of the relay magnification. Thereby, a large sample can be observed with high resolution. Further, since the relay magnification is not adjusted, it is not necessary to change the scanner, the relay optical system, and the objective lens, and the enlargement of the scanner and the relay optical system can be prevented.
上記態様においては、前記リレー光学系が光軸方向に間隔を空けて配置された一対のレンズを備え、前記回折光学素子が、前記対物レンズ側の前記レンズの前側焦点位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、リレー光学系を構成する一対のレンズの内、対物レンズ側のレンズの前側焦点位置において集光してスポットを形成したレーザ光の拡散角度を回折光学素子によって拡大させ、リレー光学系から出力される略平行光束の光束径を容易に拡大させることができる。
In the above aspect, the relay optical system may include a pair of lenses arranged at intervals in the optical axis direction, and the diffractive optical element may be arranged at a front focal position of the lens on the objective lens side. Good.
By doing in this way, the diffusion angle of the laser beam that has focused and formed a spot at the front focal position of the objective lens side of the pair of lenses constituting the relay optical system is enlarged by the diffractive optical element, The diameter of the substantially parallel light beam output from the relay optical system can be easily increased.
また、上記態様においては、倍率の異なる複数の前記対物レンズが交換可能に設けられ、前記回折光学素子が、前記光路に挿脱可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、瞳径の小さい対物レンズに対しては、回折光学素子を光路上から離脱させて光束径を小さくすることによってケラれを防止し、瞳径の大きい対物レンズに対しては、回折光学素子を光路上に挿入して光束径を拡大させ、分解能を向上することができる。なお、単一の回折光学素子の挿脱に代えて、回折角度の異なる複数の回折光学素子を挿脱して、さらに細かく対物レンズの瞳径に合わせた調整を行うことができる。
Moreover, in the said aspect, the said some objective lens from which magnification differs may be provided interchangeably, and the said diffractive optical element may be provided in the said optical path so that insertion or removal is possible.
In this way, for an objective lens having a small pupil diameter, vignetting is prevented by removing the diffractive optical element from the optical path and reducing the beam diameter, and for an objective lens having a large pupil diameter. Can increase the resolution by inserting a diffractive optical element on the optical path to increase the beam diameter. Note that, instead of inserting / removing a single diffractive optical element, a plurality of diffractive optical elements having different diffraction angles can be inserted / removed to make finer adjustment in accordance with the pupil diameter of the objective lens.
また、上記態様においては、前記回折光学素子が、前記光源からのレーザ光の波長に対応して複数備えられ、これらの回折光学素子を択一的に光路上に配置する素子選択機構を備えていてもよい。
このようにすることで、光源からのレーザ光の波長に合わせて、素子選択機構により適切な回折角度を有する回折光学素子を光路上に配置することにより、レーザ光の波長を変えても、同じ対物レンズの瞳を過不足なく満たすような光束径に設定して、波長の異なるレーザ光を用いた高分解能の観察を行うことができる。
In the above aspect, the diffractive optical element includes a plurality of diffractive optical elements corresponding to the wavelength of the laser light from the light source, and includes an element selection mechanism that selectively arranges these diffractive optical elements on the optical path. May be.
By doing in this way, even if the wavelength of the laser beam is changed by arranging a diffractive optical element having an appropriate diffraction angle on the optical path by an element selection mechanism in accordance with the wavelength of the laser beam from the light source, It is possible to perform high-resolution observation using laser beams having different wavelengths by setting the light beam diameter so as to fill the pupil of the objective lens without excess or deficiency.
本発明によれば、スキャナやリレーレンズを大型化させることなく、大きな標本を高分解能で観察することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that a large sample can be observed with high resolution without increasing the size of a scanner or a relay lens.
本発明の一実施形態に係る顕微鏡装置1について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置1は、図1および図2に示されるように、図示しない光源から発せられる極短パルスレーザ光(以下、単にレーザ光という。)Lを走査するスキャナ2と、該スキャナ2により走査されたレーザ光Lをリレーするリレー光学系3と、該リレー光学系3によりリレーされたレーザ光Lを標本Aに照射し、標本Aにおいて発生した蛍光を集光する対物レンズ4と、該対物レンズ4により集光された蛍光Fをレーザ光Lの光路から分岐するダイクロイックミラー5と、該ダイクロイックミラー5により分岐された蛍光Fを集光する集光レンズ6と、該集光レンズ6により集光された蛍光Fを検出する光検出器7とを備えている。また、本実施形態に係る顕微鏡装置1は、レーザ光Lの光束径を回折によって拡大させる回折光学素子(DOE)8を備えている。
A microscope apparatus 1 according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 and 2, a microscope apparatus 1 according to the present embodiment includes a
スキャナ2は、例えば、非平行な軸回りに揺動する2枚のガルバノミラー2a(図では1枚のみ表示)を備え、ガルバノミラー2aの揺動角度の組み合わせにより、レーザ光Lを光軸に交差する2次元方向に走査させることができるようになっている。
The
リレー光学系3は、図1に示す例では、光軸方向に間隔を空けて配置された2枚一対の第1レンズ3aと第2レンズ3bとを備えている。スキャナ2に近い側の第1レンズ3aの前側焦点位置は、スキャナ2から離れた側の第2レンズ3bの後ろ側焦点位置と一致しており、略平行光の形態で入射されたレーザ光Lを一旦結像させた後に略平行光の形態で射出するようになっている。
In the example shown in FIG. 1, the relay
ダイクロイックミラー5は、対物レンズ4の後ろ側に近接して、対物レンズ4の光軸に対して45°の角度をなして配置されている。ダイクロイックミラー5はレーザ光Lを透過し、蛍光Fを反射する透過率特性を有している。これにより、光源からのレーザ光Lはダイクロイックミラー5を透過して対物レンズ4に入射される一方、対物レンズ4により集光された蛍光Fはダイクロイックミラーによって90°偏向されて集光レンズ6により集光され光検出器7により検出されるようになっている。
The
光検出器7は、例えば、光電子増倍管(PMT)である。スキャナ2により走査されるレーザ光Lの各走査位置と、その走査位置にレーザ光Lが照射されることにより発生した蛍光Fの強度とを対応づけて記憶することにより、2次元的な蛍光画像を取得することができる。
The
回折光学素子8は、リレー光学系3の中間結像位置、すなわち、第1レンズ3aの後ろ側焦点位置近傍かつ第2レンズ3bの前側焦点位置近傍の光路上に挿脱可能に配置され、光路上に挿入されたときには、該前側焦点位置から第2レンズ3bに向かって拡散するレーザ光Lの拡散角度を回折によって広げるようになっている。
具体的には、回折光学素子8は、図3に示されるように、透過するレーザ光Lを回折させることにより、光軸に対して、例えば、NA0.045の角度および、NA0.09の角度をなして、それぞれ周方向に等間隔を開けた12の方向に回折させるようになっている。
The diffractive
Specifically, as shown in FIG. 3, the diffractive
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡装置1の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置1を用いて標本Aの蛍光観察を行うには、図2に示されるように、光源からのレーザ光Lをスキャナ2によって2次元的に走査し、リレー光学系3によってリレーし、ダイクロイックミラー5を透過したレーザ光Lを対物レンズ4によって標本Aに集光する。これにより、レーザ光Lの集光位置において標本A内に存在する蛍光物質が多光子励起効果によって励起され蛍光Fが発生する。
The operation of the microscope apparatus 1 according to the present embodiment configured as described above will be described below.
In order to perform fluorescence observation of the specimen A using the microscope apparatus 1 according to this embodiment, the laser light L from the light source is scanned two-dimensionally by the
発生した蛍光Fは、対物レンズ4によって集光され、ダイクロイックミラー5によって反射されて集光レンズ6により集光され、光検出器7によって検出される。スキャナ2によるレーザ光Lの走査位置と光検出器7によって検出された蛍光Fの強度とを対応づけて記憶しておくことにより、蛍光画像を取得することができる。
The generated fluorescence F is collected by the
この場合において、本実施形態に係る顕微鏡装置1によれば、図4(a)に示されるように、この回折光学素子8を光路上から抜去した場合には、リレー光学系3の第1レンズ3aにより、例えば、NA0.03の角度で集光され、中間像を結像したレーザ光Lは同じNA0.03で拡散し、第2レンズ3bによって略平行光に変換される。
In this case, according to the microscope apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 4A, when the diffractive
第1レンズ3aの焦点距離を50mm、第2レンズ3bの焦点距離を150mmとすると、リレー倍率は3となり、第2レンズ3bから射出される略平行光の光束径は、図4(b)に示されるように、例えば、φ9となる。対物レンズ4の瞳径をφ36とすると、レーザ光Lの光束が瞳に占める割合である瞳充足率は6.25%となる。
If the focal length of the
一方、図4(c)に示されるように、この回折光学素子8を光路上に挿入した状態では、リレー光学系3の第1レンズ3aにより、NA0.03の角度で集光され、中間像を結像したレーザ光Lは、回折光学素子8によって、図3に示されるように、NA0.045およびNA0.09の角度方向に回折されるので、第2レンズ3bによって集光された略平行光の光束径は、例えばφ36となる。
この略平行光束は、図4(d)に示されるように、回折光学素子8によって複数方向に回折された複数の光束の集合であり、瞳充足率は90%より大きくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 4C, in a state where the diffractive
As shown in FIG. 4D, this substantially parallel light beam is a set of a plurality of light beams diffracted in a plurality of directions by the diffractive
すなわち、本実施形態に係る顕微鏡装置1によれば、第2レンズ3bの後ろ側焦点位置に回折光学素子8を挿入するだけで、他の光学系を変更することなく、対物レンズ4に入射するレーザ光Lが瞳を満たすように光束径を拡大させることができる。これにより、対物レンズ4から標本Aに照射されるレーザ光LのNAを十分に大きくすることができ、焦点位置近傍に集光されるレーザ光Lの光子密度が高められる光軸方向の範囲を短くして、光軸方向の空間分解能を向上することができる。
In other words, according to the microscope apparatus 1 according to the present embodiment, the diffractive
特に、本実施形態に係る顕微鏡装置1によれば、スキャナ2のガルバノミラー2aとの関係で、十分に大きな照野を確保し得るリレー倍率のままで、リレー倍率とは無関係に回折光学素子8によって光束径を拡大させることにより、照野を確保しながら空間分解能を向上することができる。これにより、大きな標本Aを高分解能で観察することができる。また、リレー倍率を調整しないので、スキャナ2、リレー光学系3および対物レンズ4を変更せずに済み、スキャナ2やリレー光学系3の大型化を防止することができるという利点がある。
In particular, according to the microscope apparatus 1 according to the present embodiment, the diffractive
また、ガルバノミラー2aの大型化を許容した場合、リレー光学系3を変更することなく、かつ、回折光学素子8を用いることなく、対物レンズ4に入射させるレーザ光Lの光束径を拡大させる方法として、走査するレーザ光Lの光束径自体を大きくすることが考えられる。しかし、そのような方法を採用した場合に図5(a)に示されるように、対物レンズ4に入射されるレーザ光Lの光束は通常のガウシアン分布の強度分布を有している。したがって、分解能や明るさに寄与する高NA成分、すなわち、光束の外周部分の強度は相対的に低く、例えば、光束の中心の強度の10%程度である。
Further, when the enlargement of the
これに対し、本実施形態に係る顕微鏡装置1によれば、回折光学素子8によって光束径が拡大された光束は、図5(b)に示されるように、複数の方向に回折されたレーザ光Lの各々がガウシアン分布の強度分布を有しているため、高NA成分の相対的な強度を劇的に向上させることができ、例えば、光束の外周部分近傍においても、光束の中心の強度と同等の強度を有するようにすることができる。その結果、照明強度や空間分解能のさらなる向上を図ることができるという利点がある。
On the other hand, according to the microscope apparatus 1 according to the present embodiment, the light beam whose light beam diameter is expanded by the diffractive
また、本実施形態においては、回折光学素子8を光路上に挿脱可能に設けることとしたので、瞳径の小さい対物レンズ4に交換して観察を行う場合等に、回折光学素子8を光路上から抜去して、対物レンズ4に入射するレーザ光Lの光束径を瞳径に合うように縮小することができる。
In the present embodiment, since the diffractive
なお、本実施形態に係る顕微鏡装置においては、各レンズ3a,3b,4の焦点距離や、レーザ光Lの光束径を例示したが、これに限定されるものではなく、任意のレンズ3a,3b,4や任意の光束径のレーザ光Lを使用することができる。
In the microscope apparatus according to the present embodiment, the focal lengths of the
また、本実施形態においては、単一の回折光学素子8を挿脱可能に設けたが、これに代えて、図6に示されるように、複数の回折光学素子8と該回折光学素子8を択一的に光路上に配置することを可能とするターレット(素子選択機構)9とを備えることにしてもよい。
上記のように、瞳径の異なる複数の対物レンズ4に対応して、各対物レンズ4の瞳を満たす光束径のレーザ光Lを入射させるようにしてもよい。また、レーザ光Lの波長が変化すると回折角度が変化することを考慮して、使用するレーザ光Lの波長に対応づけた複数の回折光学素子8を用意し、レーザ光Lの波長が変化するごとに、ターレット9を回転させて光路上に挿入する回折光学素子8を切り替え、対物レンズ4の瞳を常に満たすようにレーザ光Lの光束径を調節することにしてもよい。
In the present embodiment, the single diffractive
As described above, the laser light L having a light beam diameter that satisfies the pupils of the
また、回折光学素子8として、NA0.045およびNA0.09の2つの角度方向で周方向に等間隔に12の方向にレーザ光Lを分割して回折させる回折パターンのものを例示したが、回折の角度方向や数、あるいは、周方向の光束の分割数については任意のものを採用することができる。
Further, as the diffractive
また、回折のパターンとしては、図7に示されるように、(a)上記実施形態のパターンの他、(b)周方向に連続するリング状に回折させるものや、(c)正方配列される光束に回折させるもの等、任意のパターンを採用してもよい。
また、回折光学素子8を第2レンズ3bの前側焦点位置近傍に配置することとしたが、精度よく前側焦点位置に配置されている場合の他、第2レンズ3bの焦点深度の範囲内に配置されている場合も含まれる。このようにすることで、対物レンズに発散光や集光光が入射されることを防止して、フォーカスずれや収差の発生を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 7, as the diffraction pattern, (a) in addition to the pattern of the above embodiment, (b) a pattern that is diffracted into a ring shape continuous in the circumferential direction, and (c) a square arrangement. You may employ | adopt arbitrary patterns, such as what makes a light beam diffract.
Further, the diffractive
A 標本
L レーザ光
1 顕微鏡装置
2 スキャナ
2a ガルバノミラー
3 リレー光学系
3a 第1レンズ(レンズ)
3b 第2レンズ(レンズ)
4 対物レンズ
8 回折光学素子
9 ターレット(素子選択機構)
A Specimen L Laser light 1
3b Second lens (lens)
4
Claims (4)
該スキャナにより走査されたレーザ光をリレーするリレー光学系と、
該リレー光学系によりリレーされたレーザ光を標本に集光する対物レンズと、
該対物レンズと前記スキャナとの間の光路上に配置され、回折により対物レンズに入射させるレーザ光の光束径を拡大させる回折光学素子とを備える顕微鏡装置。 A scanner having a galvanometer mirror that scans laser light from a light source;
A relay optical system that relays laser light scanned by the scanner;
An objective lens for condensing the laser beam relayed by the relay optical system on a specimen;
A microscope apparatus, comprising: a diffractive optical element that is disposed on an optical path between the objective lens and the scanner and that enlarges a beam diameter of laser light incident on the objective lens by diffraction.
前記回折光学素子が、前記対物レンズ側の前記レンズの前側焦点位置近傍に配置されている請求項1に記載の顕微鏡装置。 The relay optical system includes a pair of lenses arranged at intervals in the optical axis direction,
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the diffractive optical element is disposed in the vicinity of a front focal position of the lens on the objective lens side.
前記回折光学素子が、前記光路に挿脱可能に設けられている請求項1または請求項2に記載の顕微鏡装置。 A plurality of objective lenses having different magnifications are provided to be exchangeable,
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the diffractive optical element is provided to be detachable from the optical path.
これらの回折光学素子を択一的に光路上に配置する素子選択機構を備える請求項1から請求項3のいずれかに記載の顕微鏡装置。 A plurality of the diffractive optical elements are provided corresponding to the wavelength of the laser light from the light source,
The microscope apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising an element selection mechanism that selectively arranges these diffractive optical elements on an optical path.
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