JP2017207625A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】標本面での照明分布を均質にするとともに、柔軟な設置を可能にする。【解決手段】光源３から発せられた照明光を導光する光ファイバ５と、光ファイバ５により導光されてきた照明光の光束径を拡大する前段ビーム拡大レンズ群２７と、前段ビーム拡大レンズ群２７により光束径が拡大された照明光の照明分布を均質にするガラスロッド２９と、ガラスロッド２９により照明分布が均質にされた照明光を標本に照射する対物レンズ１５と、対物レンズ１５に入射させるガラスロッド２９からの照明光の光束を制限する複数のピンホールが中心軸周りにアレイ状に配置されたピンホールアレイディスク３３と、ピンホールアレイディスク３３を回転軸１３回りに回転可能な回転駆動部とを備える顕微鏡装置１を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、顕微鏡装置に関するものである。

従来、同一パターンのマイクロレンズアレイとピンホールアレイとが組み合わせられたディスクユニットを備え、レーザ光を通過させるマイクロレンズとピンホールの位置を一体的に変化させることで標本上の光スポットの位置を移動させるディスクスキャン型の共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照。）。

特許文献１〜３に記載の共焦点顕微鏡は、光源から発せられた照明光をマルチモードファイバにより導光し、リレー光学系によりリレーしてディスクユニットに入射させている。マルチモードファイバは、ファイバコア径を大きくして、ディスクユニットに均質な照明分布の照明光を入射させることができる。

米国特許第８９２２８８７号明細書 米国特許第８６７０１７８号明細書 米国特許第８２７５２２６号明細書

しかしながら、従来の共焦点顕微鏡のように、マルチモードファイバにより導光した照明光をリレー光学系によりディスクスキャンにそのまま直接入射させる構成では、ファイバコア径を大きくして照明分布を均質にする分だけマルチモードファイバの許容曲げ半径が大きくなるために、柔軟な設置が制約されるという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、標本面での照明分布を均質にするとともに、柔軟な設置を可能にする顕微鏡装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源から発せられた照明光を導光する光ファイバと、該光ファイバにより導光されてきた前記照明光の光束径を拡大する拡大光学系と、該拡大光学系により光束径が拡大された前記照明光の照明分布を均質にする照明均質部材と、該照明均質部材により照明分布が均質にされた前記照明光を標本に照射する対物レンズと、該対物レンズに入射させる前記照明均質部材からの前記照明光の光束を制限する複数の微小開口が中心軸周りにアレイ状に配置された開口ディスクと、該開口ディスクを前記中心軸回りに回転可能な回転駆動部とを備える顕微鏡装置を提供する。

本発明によれば、光源から光ファイバにより導光されてきた照明光が、拡大光学系および照明均質部材を介して、回転駆動部により中心軸回りに回転されている開口ディスクの微小開口を通過し、対物レンズにより標本に照射される。開口ディスクの回転により照明光が通過する微小開口が次々に替わることで、照明光のスポット位置を移動させて標本上で照明光を走査させることができる。

この場合において、光ファイバからの照明光を拡大光学系により光束径を拡大して照明均質部材によりその照明分布を均質にすることで、光ファイバのコア径が小さくてすみ、また、微小開口に均質な照明分布の照明光を入射させることができる。これにより、標本面での照明分布を均質にするとともに、柔軟な設置を可能にすることができる。

上記発明においては、前記拡大光学系が、前記光ファイバの出射端面を前記照明均質部材の入射端面に投影することとしてもよい。
このように構成することで、照明均質部材に入射する照明光の漏れを防いで光量のロスを低減することができる。

上記発明においては、前記照明均質部材の出射端面を前記微小開口に投影するリレー光学系を備えることとしてもよい。
このように構成することで、リレー光学系により、微小開口に入射する照明光の漏れを防いで光量のロスを低減することができる。

上記発明においては、前記リレー光学系が、前記照明均質部材からの前記照明光を光束径を拡大して前記微小開口にリレーすることとしてもよい。
このように構成することで、光ファイバから出射された照明光をいずれも光束径を拡大する拡大光学系およびリレー光学系を介して開口ディスクの微小開口に入射させることにより、微小開口の入射ＮＡを光ファイバの出射ＮＡや照明均質部材の出射ＮＡに対して小さくし、微小開口での照明光のロスを低減することができる。

上記発明においては、前記照明均質部材が、ガラスブロック、ロッドレンズまたはマルチモードファイバであることとしてもよい。前記マルチモードファイバは、方形コア光ファイバ、大口径光ファイバまたはリキッドファイバであってもよい。

上記発明においては、前記照明均質部材が略四角形状の出射端面を有することとしてもよい。
標本の観察に用いられるカメラの撮像範囲は一般的に四角形状なので、このように構成することで、一般的なカメラの撮像範囲に照明範囲を合わせ込み易くすることができる。

上記発明においては、前記照明光としてレーザ光を発する前記光源と、該光源から発せられた前記レーザ光からスペックルノイズを除去するスペックル除去部とを備えることとしてもよい。
このように構成することで、スペックル除去部によりレーザ光からスペックルノイズが除去されるので、レーザ光により高強度で標本を照明し、明るく高精細な画像を得ることができる。

上記発明においては、前記開口ディスクに対して前記中心軸方向に間隔を空けて配され、前記照明均質部材からの前記照明光を前記微小開口に集光可能な複数のマイクロレンズが中心軸周りに前記複数の微小開口と同一パターンでアレイ状に配置されたレンズディスクを備え、前記回転駆動部が、前記開口ディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させることとしてもよい。
このように構成することで、マイクロレンズにより、照明均質部材から微小開口に入射させる照明光の入射効率を向上して、照明光量のロスを低減することができる。

本発明によれば、標本面での照明分布を均質にするとともに、柔軟な設置を可能にすることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 図１の均質照明整形部の周辺を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 図３の第３スペックル除去機構の偏芯モータをガラスロッドとしての方形コア光ファイバに取り付けた構成を示す斜視図である。 図３の第１スペックル除去機構を示す平面図である。 スクランブラの効果の一例を示す図である。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る顕微鏡装置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、照明光を発生する光源３と、光源３から発せられた照明光を導光する光ファイバ５と、光ファイバ５により導光されてきた照明光を整形する均質照明整形部７と、均質照明整形部７により整形にされた照明光をリレーする後段ビーム拡大レンズ群（リレー光学系）９と、複数のピンホール（微小開口）３１およびマイクロレンズ３５を有するディスクユニット１１と、ディスクユニット１１を回転軸（中心軸）１３回りに回転させる回転駆動部（図示略）と、ディスクユニット１１を通過した照明光を標本に照射する一方、標本Ｓからの蛍光（観察光）を集光する対物レンズ１５とを備えている。

また、顕微鏡装置１は、対物レンズ１５により集光された標本Ｓからの蛍光を集光して結像させる結像レンズ１７と、結像レンズ１７により集光された蛍光を分岐させるダイクロイックミラー（ビームスプリッタ）１９と、ダイクロイックミラー１９により分岐させられた蛍光を検出する蛍光検出系２１とを備えている。

光ファイバ５は、例えば、シングルモードファイバやマルチモードファイバであり、入射端が光源３に接続されている。光ファイバ５の出射端にはファイバ出射コネクタ２３が取り付けられている。

均質照明整形部７は、図２に示すように、光ファイバ５のファイバ出射コネクタ２３から出射された照明光を光束径を拡大してリレーする前段ビーム拡大レンズ群（拡大光学系）２７と、前段ビーム拡大レンズ群２７によりリレーされた照明光の照明分布を均質にするガラスロッド（照明均質部材）２９とを備えている。

前段ビーム拡大レンズ群２７は、ビーム拡大倍率が１よりも大きく、入射ＮＡが出射ＮＡよりも大きい特性を有している。この前段ビーム拡大レンズ群２７は、ファイバ出射コネクタ２３の出射端面（光ファイバ５の出射端面）をガラスロッド２９の入射端面に投影するようになっている。これにより、ガラスロッド２９に入射する照明光の漏れを防いで光量のロスを低減することができる。

ガラスロッド２９は、例えば、ガラスブロック、ロッドレンズまたはマルチモードファイバである。マルチモードファイバとしては、方形コア光ファイバ、大口径光ファイバまたはリキッドファイバ等を用いることができる。このガラスロッド２９は、光ファイバ５のコア径以上の大きさの有効開口を有している。

また、ガラスロッド２９は、略四角形状の出射端を有している。標本Ｓの観察に用いられるカメラの撮像範囲は一般的に四角形状なので、このようにすることで、一般的なカメラの撮像範囲に照明範囲を合わせ込み易くすることができる。

ディスクユニット１１は、図１に示すように、複数のピンホール３１が回転軸１３周りにアレイ状に配置されたピンホールアレイディスク（開口ディスク）３３と、複数のマイクロレンズ３５が回転軸１３周りにアレイ状に配置されたマイクロレンズアレイディスク（レンズディスク）３７とを備えている。

このディスクユニット１１は、光源３側にマイクロレンズアレイディスク３７が配され、標本Ｓ側にピンホールアレイディスク３３が配され、マイクロレンズアレイディスク３７とピンホールアレイディスク３３とが互いに回転軸１３方向に間隔を空けて同軸上に設けられている。また、これらマイクロレンズアレイディスク３７およびピンホールアレイディスク３３は、回転駆動部により共通の回転軸１３回りに一体的に回転させられるようになっている。

また、ディスクユニット１１は、ピンホールアレイディスク３３の各ピンホール３１とマイクロレンズアレイディスク３７の各マイクロレンズ３５とが同一パターンで形成されており、各ピンホール３１と各マイクロレンズ３５とが対応付けられて配されている。したがって、各マイクロレンズ３５に入射した照明光は、そのマイクロレンズ３５に対応するピンホール３１に集光されるようになっている。各ピンホール３１は、結像レンズ１７により集光された蛍光の内、標本Ｓにおける対物レンズ１５の焦点位置において発生した蛍光のみを通過させるようになっている。

後段ビーム拡大レンズ群９は、ビーム拡大倍率が１よりも大きく、入射ＮＡが出射ＮＡよりも大きい特性を有している。この後段ビーム拡大レンズ群９は、ガラスロッド２９の出射端面をディスクユニット１１のマイクロレンズ３５またはピンホール３１に投影するようになっている。これにより、ピンホール３１に入射する照明光の漏れを防いで光量のロスを低減することができる。

ダイクロイックミラー１９は、マイクロレンズアレイディスク３７とピンホールアレイディスク３３との間の照明光の光軸上に配されている。このダイクロイックミラー１９は、各マイクロレンズ３５により対応するピンホール３１に集光される照明光を透過させる一方、ピンホール３１を通過した標本Ｓからの蛍光を蛍光検出系２１に向けて反射するようになっている。

蛍光検出系２１は、ダイクロイックミラー１９からの蛍光をリレーするリレー光学系３９と、蛍光と共に標本Ｓから戻る照明光を吸収して、蛍光のみを通過させる吸収フィルタ４１と、リレー光学系３９によりリレーされた蛍光を検出して画像情報を取得するカメラ等の撮像デバイス４３とを備えている。撮像デバイス４３は、撮像範囲が略四角形状を有している。

このように構成された顕微鏡装置１の作用について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置１により標本Ｓを観察するには、まず、回転駆動部によりディスクユニット１１を回転軸１３回りに回転させ、光源３から照明光を発生させる。

光源３から発せられた照明光は、光ファイバ５により導光された後、前段ビーム拡大レンズ群２７により光束径を拡大されてガラスロッド２９にリレーされる。そして、照明光は、ガラスロッド２９により照明分布が均質にされ、後段ビーム拡大レンズ群９により光束径が拡大されて略平行光となってディスクユニット１１にリレーされる。

ディスクユニット１１に入射した照明光は、照明光の光路に配されたマイクロレンズ３５により集光されてダイクロイックミラー１９を透過し、同じく照明光の光路に配されたピンホール３１を通過して、結像レンズ１７を介して対物レンズ１５により標本Ｓに照射される。ディスクユニット１１の回転により照明光が通過するマイクロレンズ３５およびピンホール３１が次々に替わることで、これらマイクロレンズ３５およびピンホール３１のパターンに従い照明光のスポット位置が移動して、標本Ｓ上で照明光が走査される。

照明光が照射されることにより標本Ｓにおいて発生した蛍光は、対物レンズ１５により集光されて照明光の光路を戻り、結像レンズ１７により集光されてピンホール３１を通過し、ダイクロイックミラー１９により蛍光検出系２１に向けて反射される。そして、蛍光は、リレー光学系３９によりリレーされて吸収フィルタ４１を通過し、撮像デバイス４３により検出される。これにより、撮像デバイス４３において、検出した蛍光に基づく標本Ｓの画像情報が取得される。

この場合において、光ファイバ５からの照明光を前段ビーム拡大レンズ群２７により光束径を拡大してガラスロッド２９によりその照明分布を均質にすることで、光ファイバ５のコア径を大きくしなくても、ピンホール３１に均質な照明分布の照明光を入射させることができる。

したがって、本実施形態に係る顕微鏡装置１によれば、標本面での照明分布を均質にするとともに、コア径が小さい光ファイバ５を用いて柔軟な設置を可能にすることができる。また、光ファイバ５から出射された照明光をいずれも光束径を拡大する前段ビーム拡大レンズ群２７および後段ビーム拡大レンズ群９を介してピンホール３１に入射させることにより、マイクロレンズ３５またはピンホール３１の入射ＮＡを光ファイバ５の出射ＮＡやガラスロッド２９の出射ＮＡに対して小さくし、ピンホール３１での照明光のロスを低減することができる。なお、後段ビーム拡大レンズ群９に代えて、照明光をその光束径を拡大せずにリレーするリレー光学系を採用することしてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置５０は、図３に示すように、光源３に代えて、照明光としてレーザ光を発するレーザ光源５１を採用し、レーザ光源５１から発せられたレーザ光からスペックルノイズを除去する第１スペックル除去機構５３、第２スペックル除去機構５５、第３スペックル除去機構５７および第４スペックル除去機構５９（いずれもスペックル除去部）の少なくともいずれか１つを備える点で第１実施形態と異なる。図３は４つのスペックル除去機構５３，５５，５７，５９の全てを配置した構成を示しているが、いずれか１つのみを使用することとしてもよいし複数を併用することとしてもよい。
以下、第１実施形態に係る顕微鏡装置１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

第１スペックル除去機構５３は、例えば、マルチモードファイバ用スクランブラであり、光ファイバ５に取り付けられるようになっている。
第２スペックル除去機構５５は、例えば、スペックルリデューサであり、前段ビーム拡大レンズ群２７を構成する２つの第２レンズ２７Ａ，２７Ｂ間の光路上に配されるようになっている。

第３スペックル除去機構５７は、例えば、スクランブラであり、ガラスロッド２９に取り付けられるようになっている。
第４スペックル除去機構５９は、例えば、スペックルリデューサであり、後段ビーム拡大レンズ群９を構成する２つの第１レンズ９Ａ，９Ｂ間の光路上に配されるようになっている。

より具体的には、第１スペックル除去機構５３および第３スペックル除去機構５７は、例えば、光ファイバ５またはガラスロッド２９に取り付けられる偏芯モータまたはＰＺＴ素子を備え、これら偏芯モータまたはＰＺＴ素子により光ファイバ５またはガラスロッド２９に振動を与えるようになっている。図４は、ガラスロッド２９としての方形コア光ファイバに第３スペックル除去機構５７の偏芯モータ６１を結束バンド６３によって取り付けた構成を例示している。

また、第２スペックル除去機構５５および第４スペックル除去機構５９は、回転拡散板、回転移相板、互いに焦点位置が異なるマイクロレンズアレイまたは波面変調器等を備え、これら回転拡散板、回転移相板、互いに焦点位置が異なるマイクロレンズアレイまたは波面変調器等により、前段ビーム拡大レンズ群２７または後段ビーム拡大レンズ群９によりリレーされる照明光を拡散するようになっている。図５は、第２スペックル除去機構５５を例示している。

このように構成された顕微鏡装置５０の作用について説明する。
レーザ光源５１により標本Ｓにレーザ光を照射する場合、レーザ光の可干渉性の良さから、光ファイバ５やガラスロッド２９から出射される照明光は、光ファイバ５やガラスロッド２９内で発生する互いに光路長が異なる各モード光どうしの干渉により、ビーム形状がスペックルパターンになる。

この場合において、第１スペックル除去機構５３および第３スペックル除去機構５７により光ファイバ５およびガラスロッド２９に振動を与えることで、各モード光の位相と偏光に乱れを生じさせ、例えば、図６に示すように、スペックルパターンの発生を防ぐことができる。図６において、紙面左側は第１スペックル除去機構５３および第３スペックル除去機構５７の駆動を停止（ｏｆｆ）することでスペックルパターンが発生する様子を示し、紙面右側は第１スペックル除去機構５３および第３スペックル除去機構５７を駆動（ｏｎ）することでスペックルパターンの発生が防止される様子を示している。

また、第２スペックル除去機構５５および第４スペックル除去機構５９により、前段ビーム拡大レンズ群２７および後段ビーム拡大レンズ群９によりリレーされるレーザ光の位相と偏光を微細領域単位で乱し、干渉を抑制することができる。

したがって、本実施形態に係る顕微鏡装置５０によれば、スペックル除去機構５３，５５，５７，５９によりレーザ光からスペックルノイズが除去されるので、レーザ光により高強度で標本Ｓを照明し、明るく高精細な画像を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記実施形態および変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

また、上記実施形態においては、微小開口としてピンホール３１を例示して説明したが、これに代えて、例えば、複数の微小開口が、回転軸１３周りに複数のマイクロレンズ３５と同一パターンで形成された複数のスリットであってもよい。また、上記実施形態においては、ピンホールアレイディスク３３とマイクロレンズアレイディスク３７とが一体的に構成されてなるディスクユニット１１を例示して説明したが、マイクロレンズアレイディスク３７を用いず、ピンホールアレイディスク３３だけを用いることとしてもよい。

１，５０ 顕微鏡装置
５ 光ファイバ
９ 後段ビーム拡大レンズ群（リレー光学系）
１３ 回転軸（中心軸）
１５ 対物レンズ
２７ 前段ビーム拡大レンズ群（拡大光学系）
２９ ガラスロッド（照明均質部材）
３１ ピンホール（微小開口）
３３ ピンホールアレイディスク（開口ディスク）
３５ マイクロレンズ
３７ マイクロレンズアレイディスク（レンズディスク）
Ｓ 標本

Claims (9)

1. 光源から発せられた照明光を導光する光ファイバと、
   該光ファイバにより導光されてきた前記照明光の光束径を拡大する拡大光学系と、
   該拡大光学系により光束径が拡大された前記照明光の照明分布を均質にする照明均質部材と、
   該照明均質部材により照明分布が均質にされた前記照明光を標本に照射する対物レンズと、
   該対物レンズに入射させる前記照明均質部材からの前記照明光の光束を制限する複数の微小開口が中心軸周りにアレイ状に配置された開口ディスクと、
   該開口ディスクを前記中心軸回りに回転可能な回転駆動部とを備える顕微鏡装置。
2. 前記拡大光学系が、前記光ファイバの出射端面を前記照明均質部材の入射端面に投影する請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記照明均質部材の出射端面を前記微小開口に投影するリレー光学系を備える請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記リレー光学系が、前記照明均質部材からの前記照明光を光束径を拡大して前記微小開口にリレーする請求項３に記載の顕微鏡装置。
5. 前記照明均質部材が、ガラスブロック、ロッドレンズまたはマルチモードファイバである請求項１から請求項４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
6. 前記マルチモードファイバが、方形コア光ファイバ、大口径光ファイバまたはリキッドファイバである請求項５に記載の顕微鏡装置。
7. 前記照明均質部材が略四角形状の出射端面を有する請求項１から請求項６のいずれかに記載の顕微鏡装置。
8. 前記照明光としてレーザ光を発する前記光源と、
   該光源から発せられた前記レーザ光からスペックルノイズを除去するスペックル除去部とを備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の顕微鏡装置。
9. 前記開口ディスクに対して前記中心軸方向に間隔を空けて配され、前記照明均質部材からの前記照明光を前記微小開口に集光可能な複数のマイクロレンズが中心軸周りに前記複数の微小開口と同一パターンでアレイ状に配置されたレンズディスクを備え、
   前記回転駆動部が、前記開口ディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させる請求項１から請求項８のいずれかに記載の顕微鏡装置。