JP2016212154A - 走査型顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体上の複数の光スポットを観察物体の画像の倍率とは異なる倍率で投影する走査型顕微鏡システムを提供する。【解決手段】顕微鏡システム１００は、像面に配列された複数の受光素子を有するカメラ３０と、観察物体１の像とカメラ３０との位置関係が維持されるように、複数のスポットＳ１に光を照射して観察物体１を走査する走査光学系２０を備える。走査光学系２０は、中間像面に複数の開口１６ａが配列された共焦点板７を備え、共焦点板７は、複数の開口１６ａを覆う複数のレンズ要素１７ａを有するレンズアレイ１７を備える。レンズアレイ１７は、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数のスポットＳ１の各々がカメラ３０に投影されるように、複数の開口１６ａに形成される複数のスポットＳ１の中間像Ｓ２の各々を縮小する。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型顕微鏡システムの技術に関する。

近年、従来の共焦点顕微鏡法を発展させた技術の１つとして、共焦点顕微鏡法と広視野検出を組み合わせたＩＳＭ（Image Scanning Microscopy）が知られている。ＩＳＭは、観察物体に形成する光スポットをカメラの複数の画素に跨って投影し、各画素の面積をピンホール開口と同様に機能させることで、高解像と高検出効率を両立させる技術である。ＩＳＭに関連する技術は、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１には、マルチ焦点（multi-focal）構造化照明顕微鏡システムが記載されている。また、特許文献１には、複数の光スポットで観察物体を走査するマルチスポットタイプの走査顕微鏡でＩＳＭを実現するために必要な技術である、観察物体を検出器に投影する倍率（つまり、走査画像の倍率）の１／２の倍率で観察物体に形成された光スポットの各々を検出器に投影する技術が、記載されている。

国際公開第２０１３／１２６７６２号

しかしながら、特許文献１に記載の顕微鏡システムのように、ピンホールアレイと検出器の間に設けられたリレー光学系で、各光スポットの倍率を観察物体の画像（走査画像）の倍率の１／２倍に縮小するためには、光学素子間の高精度な位置合わせが必要である。例えば、特許文献１に記載の顕微鏡システムでは、リレー光学系を構成する複数のマイクロレンズアレイとピンホールアレイの位置関係を高精度に調整しなければならない。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体上の複数の光スポットを観察物体の画像の倍率とは異なる倍率で投影する走査型顕微鏡システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、像面に配列された複数の受光素子を有する光検出器と、観察物体の像と前記光検出器との位置関係が維持されるように、前記観察物体上の複数のスポットに光を照射して前記観察物体を走査する走査光学系と、を備え、前記走査光学系は、前記観察物体と前記光検出器の間の中間像面に複数の開口が配列された共焦点板であって、前記複数の開口を覆う複数のレンズ要素を有するレンズアレイを備える共焦点板を備え、前記レンズアレイは、前記観察物体が前記光検出器に投影される倍率の１／２の倍率で前記複数のスポットの各々が前記光検出器に投影されるように、前記複数の開口に形成される前記複数のスポットの中間像の各々を縮小する走査型顕微鏡システムを提供する。

本発明の別の態様は、像面に配列された複数の受光素子を有する光検出器と、観察物体の像と前記光検出器との位置関係が維持されるように、前記観察物体上の複数のスポットに光を照射して前記観察物体を走査する走査光学系と、を備え、前記走査光学系は、複数の第１のレンズ要素を有する第１のレンズアレイであって、前記複数の第１のレンズ要素の各々が前記観察物体と前記光検出器の間の中間像面に焦点面を有する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイと前記観察物体の間の光路上に配置された、複数の第２のレンズ要素を有する第２のレンズアレイと、を備え、前記第２のレンズアレイは、前記観察物体が前記光検出器に投影される倍率の１／２の倍率で前記複数のスポットの各々が前記光検出器に投影されるように、前記中間像面に形成される前記複数のスポットの中間像を縮小する走査型顕微鏡システムを提供する。

本発明によれば、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体上の複数の光スポットを観察物体の画像の倍率とは異なる倍率で投影する走査型顕微鏡システムを提供することができる。

本発明の実施例１に係る顕微鏡システム１００の構成を示した図である。 図１に示す顕微鏡システム１００の基本構成を示したブロック図である。 共焦点板７が備えるレンズアレイ１７の作用を説明するための図である。 共焦点板７の変形例を示した図である。 共焦点板７の別の変形例を示した図である。 共焦点板７の更に別の変形例を示した図である。 本発明の実施例２に係る顕微鏡システム２００の構成を示した図である。 図５に示す顕微鏡システム２００の基本構成を示したブロック図である。 本発明の実施例３に係る顕微鏡システム３００の構成を示した図である。 共焦点板６６に形成される開口パターンを例示した図である。 レンズアレイ板６４とレンズアレイ７３の位置関係を説明するための図である。 図７に示す顕微鏡システム３００の基本構成を示したブロック図である。 本発明の実施例４に係る顕微鏡システム４００の構成を示した図である。 本発明の実施例５に係る顕微鏡システム５００の構成を示した図である。 図１２に示す顕微鏡システム５００の基本構成を示したブロック図である。

図１は、本実施例に係る顕微鏡システム１００の構成を示した図である。図２は、図１に示す顕微鏡システム１００の基本構成を示したブロック図である。図３は、共焦点板７が備えるレンズアレイ１７の作用を説明するための図である。顕微鏡システム１００は、レーザー走査型顕微鏡システムの一種である共焦点顕微鏡システムであり、観察物体１を高い解像力で撮像する撮像システムである。以降、観察物体１が生体試料であり、顕微鏡システム１００が観察物体１の蛍光画像を取得する場合を例に説明する。

顕微鏡システム１００は、観察物体１上の複数のスポット（小領域）に光を照射して観察物体１を走査する走査光学系２０と、観察物体１を撮像するカメラ３０を備えている。なお、光が照射された複数のスポットからは後述するように蛍光が発生する。これを踏まえ、以降では、光が照射された観察物体１上の複数のスポットの各々を、発光点という意味で光スポットと記す。

走査光学系２０は、照明光学系２１と、ダイクロイックミラー６と、共焦点板７と、結像光学系２２と、撮像光学系２３を含んでいる。カメラ３０は、例えば、ＥＭ−ＣＣＤイメージセンサなどの光検出器を含み、カメラ３０の光検出器は、像面に配列された複数の受光素子（画素）を有している。

照明光学系２１は、励起光を出射するレーザー２と、励起光の光束径を拡大するビームエクスパンダ３と、励起光を偏向させるミラー４と、レンズアレイ５を備えている。レーザー２と共焦点板７の間に配置されたレンズアレイ５は、観察物体１とカメラ３０の間の中間像面に焦点面を有する複数のレンズ要素５ａを有する第１のレンズアレイである。レンズアレイ５は、共焦点板７に形成された複数の開口に励起光を集光させるように構成されている。即ち、レンズアレイ５は、各レンズ要素５ａが対応する開口に励起光を集光させることで、励起光を複数に分割する。なお、中間像面は、結像光学系２２と共焦点板７に設けられたレンズアレイ１７によって定義される。

ダイクロイックミラー６は、レーザー２と観察物体１とを結ぶ照明光路と、観察物体１とカメラ３０を結ぶ検出光路を分岐させる手段である。ここでは、ダイクロイックミラー６は、励起光を透過させ、励起光が照射された観察物体１から生じた観察光である蛍光を反射させる特性を有している。

共焦点板７には、観察物体１とカメラ３０の間の中間像面に複数の開口１６ａが配列されている。共焦点板７は、図３に示すように、複数の開口１６ａが形成された遮光板１６と、複数の開口１６ａを覆う複数のレンズ要素１７ａを有するレンズアレイ１７とを含んでいる。遮光板１６は、複数のレンズ要素５ａの焦点面に配置されていて、複数の開口１６ａの各々は、対応するレンズ要素５ａの焦点位置に形成されている。レンズアレイ５と観察物体１の間に設けられた第２のレンズアレイであるレンズアレイ１７は、遮光板１６上に設けられていて、各々が正のパワーを有する複数のレンズ要素１７ａは、複数の開口１６ａの物体側に配置されている。

結像光学系２２は、レンズ８と、走査ユニット９と、レンズ１０と、結像レンズ１１と、対物レンズ１２を備え、複数の開口１６ａを観察物体１上に投影し、且つ、観察物体１の中間像を共焦点板７上に形成するように構成されている。走査ユニット９は、例えば、観察物体１を結像光学系２２の光軸に直交する平面で走査するガルバノミラーである。走査ユニット９は、共焦点板７と観察物体１の間の光路上に配置された、顕微鏡システム１００の第１の走査ユニットである。

撮像光学系２３は、レンズ１３と、走査ユニット１４と、レンズ１５を備え、共焦点板７上に形成された観察物体１の中間像をカメラ３０に投影するように構成されている。走査ユニット１４は、例えば、ガルバノミラーであり、共焦点板７とカメラ３０の間の光路上に配置された、顕微鏡システム１００の第２の走査ユニットである。走査ユニット９と走査ユニット１４は、等倍且つ等速に動作する。

顕微鏡システム１００では、レーザー２から出射した励起光は、ビームエクスパンダ３で所定の光束径を有する平行光に変換され、ミラー４を介してレンズアレイ５に入射する。レンズアレイ５では、複数のレンズ要素５ａの各々がそのレンズ要素５ａに入射した励起光をそのレンズアレイ５ａの焦点位置に形成された開口１６ａ上に集光させる。これにより、レンズアレイ１７の複数の開口１６ａ上に複数の集光点が形成される。

複数の開口１６ａは、結像光学系２２（レンズ８、走査ユニット９、レンズ１０、結像レンズ１１、対物レンズ１２）によって観察物体１上に投影される。これにより、観察物体１に励起光が照射されて、観察物体１上の複数のスポットに複数の集光点が形成される。なお、走査ユニット９は、複数の開口１６ａが観察物体１に投影される位置を変化させることができる。このため、顕微鏡システム１００では、走査ユニット９を制御することで、複数の集光点が観察物体１上に形成される位置を変化させることができる。

励起光が照射された観察物体１では、複数のスポットから蛍光が発生する。即ち、複数のスポットは複数の光スポットＳ１である。各光スポットＳ１から発生した蛍光は、結像光学系２２によって開口１６ａ上に集光し、開口１６ａを通過する。この際、光スポットＳ１の中間像Ｓ２が、レンズアレイ１７により開口１６ａ上に形成される。

開口１６ａを通過した蛍光は、ダイクロイックミラー６で反射し、撮像光学系２３に入射する。撮像光学系２３（レンズ１３、走査ユニット１４、レンズ１５）は、複数の開口１６ａ上に形成された複数の中間像Ｓ２をカメラ３０に投影する。なお、走査ユニット１４は、複数の開口１６ａがカメラ３０に投影される位置を変化させることができる。このため、顕微鏡システム１００では、走査ユニット１４を制御することで、複数の中間像Ｓ２がカメラ３０に投影される位置を変化させることができる。特に、走査ユニット１４は、走査ユニット９と等倍且つ等速に動作する。このため、走査ユニット１４は、複数の光スポットＳ１の位置によらず走査ユニット９によって複数の開口１６ａ上に形成された複数の中間像Ｓ２を、複数の光スポットＳ１の位置に応じたカメラ３０上の位置に投影する、ように機能する。従って、顕微鏡システム１００では、走査ユニット９と走査ユニット１４とを含む走査光学系２０は、観察物体１の像とカメラ３０との位置関係が維持されるように、観察物体１を走査することになる。

カメラ３０は、所定時間内に検出された蛍光の光量に基づいて、観察物体１の共焦点画像データを生成する。共焦点画像データの生成方法は、特許文献１の場合と同様である。また、生成された共焦点画像データに対してデコンボリューション処理を行って画像の解像を強化してもよい点も同様である。

次に、共焦点板７に設けられたレンズアレイ１７の作用について、図３を参照しながら説明する。なお、図３では、説明の都合のため、図１に記載のレンズ８、走査ユニット９、レンズ１０が省略されている。
レンズアレイ１７は、レンズ要素１７ａの正のパワーによって、レンズ要素１７ａがない場合に形成される中間像Ｓ２´よりも物体側（即ち、対物レンズ１２により近い位置）に、中間像Ｓ２´に比べて１／２倍に縮小された中間像Ｓ２を形成する。なお、図３では、レンズ要素１７ａがない場合に配置される遮光板の位置は、遮光板１６´で示されている。

顕微鏡システム１００では、レンズアレイ１７により中間像Ｓ２が１／２のサイズに縮小されるため、共焦点板７の開口径を従来の１／２のサイズにまで小さくすることができる。具体的には、例えば、開口１６ａの径を０．５エアリーユニット（ＡＵ）としてもよい。このため、顕微鏡システム１００は、蛍光の検出効率の低下を伴うことなく、開口径の縮小化に起因してより高い解像力を発揮することができる。

また、レンズ要素１７ａは、中間像を縮小する一方で中間像間の間隔には作用せず、カメラ３０に投影される観察物体１の倍率には影響を及ぼさない。つまり、レンズアレイ１７は、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数の光スポットＳ１の各々がカメラ３０に投影されるように、複数の開口１６ａに形成される複数の光スポットＳ１の中間像の各々を縮小する。このため、ＩＳＭを実現するために必要となる光スポットＳ１の縮小投影を、リレー光学系を用いることなく実現することができる。従って、リレー光学系の存在によって生じていた高度な調整作業を省略することができるため、調整作業の難易度を大幅に低下させることができる。なお、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数の光スポットＳ１の各々をカメラ３０に投影することは、例えば、非特許文献１（C. Muller and J. Enderlein, “Image Scanning Microscopy”, Physical Review Letters, Vol. 104, 198101, 2010年）に記載されているような従来のＩＳＭにおいて電気的に行われていた画素データの重心位置を補正する処理を光学的に実現するものである。

顕微鏡システム１００によれば、共焦点板７にレンズアレイ１７が設けられているため、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体１上の複数のスポットＳ１を観察物体１の画像の倍率とは異なる倍率で投影してＩＳＭを実現することができる。また、レンズ要素１７ａは、図３に示す中間像Ｓ´を１／２倍に縮小して中間像Ｓを形成するが、その際に、中間像Ｓは中間像Ｓ´の虚像として投影される。これにより、中間像Ｓから観察物体１までの距離が短くなるため、顕微鏡システム１００をよりコンパクトに構成することが可能となる。

なお、上述した効果を得るためには、共焦点板７に設けられたレンズアレイ１７が、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数のスポットＳ１の各々がカメラ３０に投影されるように、複数のスポットＳ１の中間像Ｓ２の各々を縮小すればよい。このため、顕微鏡システム１００は、共焦点板７の代わりに、例えば、図４Ａから図４Ｃに示す共焦点板を採用してもよい。

図４Ａに示す共焦点板２４、図４Ｂに示す共焦点板２６、図４Ｃに示す共焦点板２８は、いずれも、複数の開口１６ａが形成された遮光板１６を含む点は共焦点板７と同様である。

共焦点板２４は、レンズアレイ１７の代わりにレンズアレイ２５を備えている点が共焦点板７と異なっている。レンズアレイ２５は、透明な基板２５ｂと、基板２５ｂ上に形成された複数のレンズ要素２５ａとを有していて、正のパワーを有する複数のレンズ要素２５ａは、複数の開口１６ａを覆うように遮光板１６の物体側に配置されている。

共焦点板２６は、レンズアレイ１７の代わりにレンズアレイ２７を備えている点が共焦点板７と異なっている。レンズアレイ２７は、複数のレンズ要素２７ａを有するいわゆるレンチキュラーレンズである。複数のレンズ要素２７ａは、それぞれ正のパワーを有し、複数の開口１６ａを覆うように遮光板１６の物体側に配置されている。

共焦点板２８は、レンズアレイ１７の代わりにレンズアレイ２９を備えている点が共焦点板７と異なっている。レンズアレイ２９は、負のパワーを有する複数のレンズ要素２９ａを有していて、複数のレンズ要素２９ａは複数の開口１６ａを覆うように遮光板１６の像側に配置されている。

上述したいずれの共焦点板（共焦点板２４、共焦点板２６、共焦点板２８）でも、レンズアレイは、カメラ３０に観察物体１が投影される倍率の１／２の倍率で複数の光スポットＳ１の各々がカメラ３０に投影されるように、作用する。

なお、図４Ａから図４Ｃでは、複数の開口１６ａが形成された遮光板１６としたが、遮光板１６の代わりに、図４Ａでは透明な基板２５に、図４Ｂではレンズアレイ２７に、図４Ｃではレンズアレイ２９に、それぞれクロム膜等を蒸着することにより形成された複数の開口１６ａを有する遮光膜であってもよい。

図５は、本実施例に係る顕微鏡システム２００の構成を示した図である。図６は、図５に示す顕微鏡システム２００の基本構成を示したブロック図である。顕微鏡システム２００は、顕微鏡システム１００と同様に、共焦点顕微鏡システムであり、観察物体１を高い解像力で撮像する撮像システムである。顕微鏡システム２００は、走査光学系２０の代わりに走査光学系４０を備える点が、顕微鏡システム１００とは異なっている。

走査光学系４０は、結像光学系４２と撮像光学系４３が走査ユニット１９を共有している点、及び、ミラー１８を備える点が、走査光学系２０と異なっている。その他の点は、走査光学系２０と同様であり、観察物体１上の複数のスポットに光を照射して観察物体１を走査する。走査ユニット１９は、両面ミラーを備えるガルバノミラーであり、共焦点板７と観察物体１との間の光路と共焦点板７とカメラ３０との間の光路が交わる位置に配置されている。走査ユニット１９は、ミラーの一方の面での反射によって複数の開口１６ａが観察物体１に投影される位置を変化させる走査ユニットである。また、走査ユニット１９は、ミラーの他方の面での反射によって複数の開口１６ａがカメラ３０に投影される位置を変化させる走査ユニットである。

顕微鏡システム２００でも、顕微鏡システム１００と同様に、共焦点板７にレンズアレイ１７が設けられているため、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体１上の複数のスポットＳ１を観察物体１の画像の倍率とは異なる倍率で投影してＩＳＭを実現することができる。

さらに、顕微鏡システム２００は、共焦点板７を除き、Swept Filed Confocal顕微鏡として知られている既存の共焦点顕微鏡と同様の構成を有している。従って、Swept Filed Confocal顕微鏡の共焦点板を共焦点板７に交換するだけで顕微鏡システム２００と同様の効果を得ることが可能であり、既存の製品への適用が容易である。

図７は、本実施例に係る顕微鏡システム３００の構成を示した図である。図８は、共焦点板６６に形成される開口パターンを例示した図である。図９は、レンズアレイ板６４とレンズアレイ７３の位置関係を説明するための図である。図１０は、図７に示す顕微鏡システム３００の基本構成を示したブロック図である。顕微鏡システム３００は、いわゆる共焦点スピニングディスク型の共焦点顕微鏡システムであり、観察物体１を高い解像力で撮像する撮像システムである。

顕微鏡システム３００は、観察物体１上の複数のスポットに光を照射して観察物体１を走査する走査光学系５０と、観察物体１を撮像するカメラ３０と、演算装置７４（画像処理ボード７５及び計算機７６）と、各種データを記憶する記憶媒体７７と、観察物体１の画像を表示する表示装置７８を備えている。
カメラ３０は、例えば、科学計測用ＣＭＯＳ（sCMOS：Scientific complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサなどの光検出器を含み、カメラ３０の光検出器は、像面に２次元に配列された複数の受光素子を有している。

走査光学系５０は、照明光学系５１と、励起光を出射するレーザー６１と観察物体１とを結ぶ照明光路と、観察物体１とカメラ３０を結ぶ検出光路を分岐させるダイクロイックミラー６５と、回転ディスクである共焦点板６６と、モーター６７と、結像光学系５２と、撮像光学系５３を含んでいる。共焦点板６６としては、例えば、いわゆるニポウディスクを用いることができる。

照明光学系５１は、レーザー６１と、シングルモード光ファイバー６２と、シングルモード光ファイバー６２を介して入射した励起光の光束径を拡大するビームエクスパンダ６３と、回転ディスクであるレンズアレイ板６４を備えている。レンズアレイ板６４は、観察物体１とカメラ３０の間の中間像面に焦点面を有する複数のレンズ要素６４ａを、円形形状のディスク上に有する第１のレンズアレイである。レンズアレイ板６４は、共焦点板６６に形成された複数の開口７２ａに励起光を集光させるように構成されている。

共焦点板６６は、複数の開口７２ａが形成された遮光板７２と、複数の開口７２ａを覆う複数のレンズ要素７３ａを有するレンズアレイ７３（第２のレンズアレイ）とを含み、全体として円形形状を有している。複数の開口７２ａの各々は、対応するレンズ要素６４ａの焦点位置に形成されている。複数の開口７２ａは、例えば、図８に示すように、それぞれ開口直径ｗのピンホール形状を有し、縦横共に開口周期ｐで整列している。なお、光学セクショニング効果を生じさせるために、開口周期ｐは開口直径ｗの３倍程度に設計されている。

遮光板７２は、複数のレンズ要素６４ａの焦点面に配置されていて、モーター６７の回転により、複数の開口７２ａが中間像面上で移動するように回転する。即ち、モーター６７は、共焦点板６６（遮光板７２）を移動させる駆動手段である。なお、モーター６７は、共焦点板６６（遮光板７２）に加えて、レンズアレイ板６４も回転させる。詳細には、モーター６７は、レンズアレイ板６４と共焦点板６６との相対的な位置関係が変化しないように、レンズアレイ板６４と共焦点板６６を回転させる。例えば、レンズアレイ板６４と共焦点板６６はモーター６７で回転する同軸に連結されていてもよい。これにより、レンズ要素６４ａの焦点位置が開口７２ａ上に維持されるため、励起光の光量損失を抑制し、観察物体１により多くの励起光を照射して観察物体１を走査することができる。レンズアレイ板６４、ダイクロイックミラー６５、共焦点板６６は、顕微鏡システム３００の走査ユニットとして機能する。

レンズアレイ７３は、遮光板７２上に設けられていて、各々が正のパワーを有する複数のレンズ要素７３ａが、複数の開口７２ａの物体側に配置されている。より具体的には、図９に示すように、レンズアレイ７３は、レンズ要素７３ａの焦点距離の１／２だけレンズアレイ７３から離れた位置に中間像面が位置するように、レンズアレイ板６４と観察物体１の間に配置されている。これにより、レンズアレイ７３が存在しない場合に比べて１／２のサイズに縮小された光スポットの中間像が中間像面に形成される。なお、図９には、レンズ要素６４ａとレンズ要素７３ａがそれぞれ同じ焦点距離ｆを有する場合におけるレンズ要素６４ａとレンズ要素７３ａの配置例が示されている。

結像光学系５２は、結像レンズ６８と、対物レンズ６９を備え、開口７２ａを観察物体１上に投影し、且つ、観察物体１の中間像を共焦点板６６上に形成するように構成されている。

撮像光学系５３は、励起光を遮断する阻止フィルタ７０と、撮像レンズ７１を備え、共焦点板６６上に形成された観察物体１の中間像をカメラ３０に投影するように構成されている。

カメラ３０は、所定時間内に検出された蛍光の光量に基づいて、観察物体１の共焦点画像データを生成する。共焦点画像データの生成方法は、特許文献１の場合と同様である。

画像処理ボード７５及び計算機７６は、カメラ３０で生成された共焦点画像データに対して画像処理を行う演算装置である。画像処理ボード７５及び計算機７６は、例えば、共焦点画像データに対して、共焦点画像データに含まれる超解像成分を強調するデジタル処理を行って画像の解像を強化してもよい。なお。超解像成分とは、結像光学系のカットオフ周波数を超える高周波成分である。このデジタル処理では、好ましくは、フーリエフィルタ又はコンボリューションフィルタ、より好ましくは３×３以上の核を有するシャープフィルタ、更に好ましくは５×５以上の核を有するシャープフィルタが用いられる。

記憶媒体７７は、例えば、ハードディスク装置などであり、カメラ３０で生成された共焦点画像データやデジタル処理後の画像データを記憶する媒体である。表示装置７８は、例えば、液晶ディスプレイなどであり、カメラ３０で生成された共焦点画像データやデジタル処理後の画像データを表示する。

顕微鏡システム３００では、共焦点板６６に設けられたレンズアレイ７３は、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数のスポットの各々がカメラ３０に投影されるように、複数の開口７２ａに形成される複数のスポットの中間像の各々を縮小する。従って、顕微鏡システム３００によっても、実施例１に係る顕微鏡システム１００と同様に、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体１上の複数のスポットを観察物体１の画像の倍率とは異なる倍率で投影してＩＳＭを実現することができる。

また、顕微鏡システム３００では、演算装置７４によって超解像成分を強調するデジタル処理が行われる。このため、顕微鏡システム３００は、更に高い解像力を実現することができる。

なお、図８では、ピンホール形状の開口が例示されているが、開口の形状はピンホール形状に限られず、例えば、ライン形状であってもよい。この場合、レンズアレイ板６４は、シリンドリカルレンズアレイであることが望ましい。また、図９では、レンズアレイ７３に設けられたレンズ要素７３ａが正レンズである例が示されているが、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数のスポットの各々がカメラ３０に投影されれば、レンズ要素７３ａは、負レンズであってもよい。

図１１は、本実施例に係る顕微鏡システム４００の構成を示した図である。顕微鏡システム４００は、スピニングディスク型の共焦点顕微鏡システムであり、観察物体１を高い解像力で撮像する撮像システムである。なお、図１１では、阻止フィルタ７０、画像処理ボード７５、計算機７６、記憶媒体７７、表示装置７８の記載が省略されているが、顕微鏡システム４００は、これらを含んでもよい。

顕微鏡システム４００の走査光学系８０は、レーザー６１、シングルモード光ファイバー６２及びビームエクスパンダ６３の代わりにインコヒーレント光源である水銀ランプ８１及びコリメータレンズ８２を備えている点、照明光学系が共焦点板６６に励起光を集光させるレンズアレイ板６４を有しない点を除き、顕微鏡システム３００の走査光学系５０と同様である。

従って、顕微鏡システム４００でも、共焦点板６６に設けられたレンズアレイ７３は、観察物体１がカメラ３０に投影される倍率の１／２の倍率で複数のスポットの各々がカメラ３０に投影されるように、複数の開口７２ａに形成される複数のスポットの中間像の各々を縮小する。従って、顕微鏡システム４００によっても、顕微鏡システム３００と同様に、高度な調整作業を必要とすることなく、観察物体１上の複数のスポットを観察物体１の画像の倍率とは異なる倍率で投影してＩＳＭを実現することができる。

図１２は、本実施例に係る顕微鏡システム５００の構成を示した図である。図１３は、図１２に示す顕微鏡システム５００の基本構成を示したブロック図である。顕微鏡システム５００は、レーザー走査型顕微鏡システムの一種である二光子励起顕微鏡システムであり、観察物体１を高い解像力で撮像する撮像システムである。なお、図１２では、阻止フィルタ７０、画像処理ボード７５、計算機７６、記憶媒体７７、表示装置７８の記載が省略されているが、顕微鏡システム５００は、これらを含んでもよい。

顕微鏡システム５００の走査光学系９０は、レーザー６１の代わりにパルスレーザー９１を備えている点、共焦点板６６の代わりに第２のレンズアレイであるレンズアレイ板９３を備えている点を除き、顕微鏡システム３００の走査光学系５０と同様である。

パルスレーザー９１は、例えば、パルス幅がフェムト秒オーダーで、かつ、ピークパワーの大きな超短パルスレーザーであり、例えば、近赤外域のレーザー光を出射する。光源にパルスレーザー９１が採用されることで、レーザー光が照射された観察物体１で２光子励起現象が引き起こされる。

レンズアレイ板９３は、複数のレンズ要素を有し、共焦点板６６に設けられた遮光板７２を取り除いたものに相当する。レンズアレイ板９３は、そのレンズ要素の焦点距離の１／２だけレンズアレイ板９３から離れた位置に中間像面が位置するように、配置されている。これにより、レンズアレイ板９３が存在しない場合に比べて１／２のサイズに縮小された光スポットの中間像が中間像面に形成される。

従って、顕微鏡システム５００でも、既存の共焦点スピニングディスク型の共焦点顕微鏡システムと同程度の調整作業で、観察物体１上の複数のスポットを観察物体１の画像の倍率とは異なる倍率で投影してＩＳＭを実現することができる。

上述した各実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。走査型顕微鏡システムは、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。この明細書で説明される個別の実施例の文脈におけるいくつかの特徴を組み合わせて単一の実施例としてもよい。

例えば、実施例３から実施例５では、レンズアレイや共焦点板が回転ディスクとして構成される例を示したが、これらは光軸と直交する面内で移動すればよい。このため、例えば、光軸と直交する方向に振動するように構成されてもよい。また、共焦点板は、予め複数準備され、必要に応じて交換して使用されてもよい。例えば、開口径や開口間隔が異なる複数の共焦点板が用意されていてもよく、また、レンズアレイが設けられた共焦点板と設けられていない共焦点板が用意されていてもよい。

１・・・観察物体、２、６１・・・レーザー、３、６３・・・ビームエクスパンダ、４、１８・・・ミラー、５、１７、２５、２７、２９、７３・・・レンズアレイ、６、６５・・・ダイクロイックミラー、７、２４、２６、２８、６６・・・共焦点板、８、１０、１３、１５・・・レンズ、９、１４、１９・・・走査ユニット、１１、６８・・・結像レンズ、１２、６９・・・対物レンズ、１６、７２・・・遮光板、１６ａ、７２ａ・・・開口、１７ａ、２５ａ、２７ａ、２９ａ、６４ａ、７３ａ・・・レンズ要素、２０、４０、５０、８０、９０・・・走査光学系、２１、５１、９４・・・照明光学系、２２、４２、５２・・・結像光学系、２３、４３、５３・・・撮像光学系、２５ｂ・・・基板、３０・・・カメラ、６２・・・シングルモード光ファイバー、６４、９３・・・レンズアレイ板、６７・・・モーター、７０・・・阻止フィルタ、７１・・・撮像レンズ、７４・・・演算装置、７５・・・画像処理ボード、７６・・・計算機、７７・・・記憶媒体、７８・・・表示装置、８１・・・水銀ランプ、８２、９２・・・コリメータレンズ、９１・・・パルスレーザー、１００、２００、３００、４００・・・顕微鏡システム、Ｓ１・・・光スポット、Ｓ２・・・中間像

Claims (10)

1. 像面に配列された複数の受光素子を有する光検出器と、
   観察物体の像と前記光検出器との位置関係が維持されるように、前記観察物体上の複数のスポットに光を照射して前記観察物体を走査する走査光学系と、を備え、
   前記走査光学系は、前記観察物体と前記光検出器の間の中間像面に複数の開口が配列された共焦点板であって、前記複数の開口を覆う複数のレンズ要素を有するレンズアレイを備える共焦点板を備え、
   前記レンズアレイは、前記観察物体が前記光検出器に投影される倍率の１／２の倍率で前記複数のスポットの各々が前記光検出器に投影されるように、前記複数の開口に形成される前記複数のスポットの中間像の各々を縮小する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
2. 請求項１に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記複数のレンズ要素は、
   前記複数の開口の物体側に配置され、
   各々、正のパワーを有する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
3. 請求項１に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記複数のレンズ要素は、
   前記複数の開口の像側に配置され、
   各々、負のパワーを有する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記走査光学系は、さらに、
   前記共焦点板と前記観察物体の間の光路上に配置され、前記複数の開口が前記観察物体に投影される位置を変化させる第１の走査ユニットと、
   前記共焦点板と前記光検出器の間の光路上に配置され、前記複数の開口が前記光検出器に投影される位置を変化させる第２の走査ユニットと、を備える
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記走査光学系は、さらに、前記共焦点板と前記観察物体との間の光路と前記共焦点板と前記光検出器との間の光路が交わる位置に配置され、前記複数の開口が前記観察物体に投影される位置を変化させ、且つ、前記複数の開口が前記光検出器に投影される位置を変化させる走査ユニットを備える
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
6. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記走査光学系は、さらに、前記複数の開口が中間像面上で移動するように、前記共焦点板を移動させる駆動手段と、を備える
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記走査光学系は、さらに、
   光源と、
   前記光源と前記共焦点板の間の光路上に配置された、前記複数の開口に前記光源からの光を集光させるレンズアレイを備える
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
8. 像面に配列された複数の受光素子を有する光検出器と、
   観察物体の像と前記光検出器との位置関係が維持されるように、前記観察物体上の複数のスポットに光を照射して前記観察物体を走査する走査光学系と、を備え、
   前記走査光学系は、
   複数の第１のレンズ要素を有する第１のレンズアレイであって、前記複数の第１のレンズ要素の各々が前記観察物体と前記光検出器の間の中間像面に焦点面を有する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイと前記観察物体の間の光路上に配置された、複数の第２のレンズ要素を有する第２のレンズアレイと、を備え、
   前記第２のレンズアレイは、前記観察物体が前記光検出器に投影される倍率の１／２の倍率で前記複数のスポットの各々が前記光検出器に投影されるように、前記中間像面に形成される前記複数のスポットの中間像を縮小する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
9. 請求項８に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
   前記第２のレンズアレイは、前記第２のレンズ要素の焦点距離の１／２だけ前記第２のレンズアレイから離れた位置に前記中間像面が位置するように、配置される
   ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。
10. 請求項８又は請求項９に記載の走査型顕微鏡システムにおいて、
    前記走査光学系は、さらに、前記複数の第１のレンズ要素と前記複数の第２のレンズ要素との相対的な位置関係が変化しないように、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとを各々の光軸と直交する方向に移動させる駆動手段と、を備える
    ことを特徴とする走査型顕微鏡システム。