JP2018169502A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察に伴う標本の光褪色を十分に抑制する。【解決手段】標本Ｓからの光を取り込む検出光学系１２と、検出光学系１２の光軸と異なる方向に光軸を有し、照明光を標本Ｓに照射する照明光学系１１と、を備え、照明光学系１１は、第１軸方向にパワーを持ち、第１軸方向と直交する第２軸方向にパワーを持たないシリンドリカルレンズ５と、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たないシリンドリカルレンズ６と、検出光学系１２の光軸及び照明光学系１１の光軸と直交する方向である幅方向に照明光を走査するスキャナ４と、を有し、照明光学系１１は、第１軸方向が、幅方向となるように構成され、シリンドリカルレンズ５、６は、スキャナ４の後段に配置され、照明光学系１１は、照明光を集光することにより、検出光学系の視野内で光スポットを形成し、光スポットを走査することにより光シートを形成する。【選択図】図１

Description

生体標本からの蛍光を用いて観察を行う顕微鏡装置に関する。

生体標本から発生する蛍光を検出し、観察を行う手段として、ライトシート顕微鏡が知られている。ライトシート顕微鏡は、シート状の照明光（シート光）を検出光軸と直交する観察対象の平面（観察平面）上に形成し、その平面から発生する蛍光を取得する。そのため、観察平面以外に照明光が照射されず生体標本の褪色を軽減できるといった特徴をもつ。

ライトシート顕微鏡の技術を示す文献として、特許文献１、２が挙げられる。

一般的にライトシート顕微鏡における観察では、標本Ｓ上の異物や段差、散乱等により影が生じることを防ぐことが重要になる。特許文献１ではシート光または楕円ビームをスキャナによって走査し、標本に照射される照明光の角度を時間的に変化させることで影を消す方法を提案している。

パウエルレンズを用いずに、均一なシート光照明を行う方法として、特許文献２に挙げられるような幅方向に発散した（若しくは収束した）シート光を走査する方法がある。シート光を走査することで、観察平面上の異なる方向から光が当たることから、標本Ｓ上の異物や段差等により影が生じることを防ぐことができる。

特開2008-250303号公報 特開2016-091006号公報

特許文献１では、レーザを光源として用いるとシート光の中心部と周辺部で大きな光量差が生じてしまい、特許文献１の図１で示すとおり、パウエルレンズのようなビーム強度分布均一化素子が必須となってしまう。パウエルレンズは非常に高価な上、波長毎に拡散角特性が異なるので、多色の照明光学系に適さない。また特許文献１の図９に示すように、楕円ビームをスキャンさせ、球面レンズで集光させる構成では、球面レンズでの非点収差やコマ収差が発生し、シート光の周辺部でシート厚が増大してしまうといった原理的な課題がある。

一方で特許文献２ではシート光の集光にシリンドリカルレンズを使用しているので特許文献１のような、点収差やコマ収差の発生はないものの、観察平面において幅方向に大きな広がりのあるシート光を形成するため、観察平面上での明るさを均一にするためには、標本よりも大きな面積を照射することとなる。即ち、生体標本における幅方向の照射面積が不必要に増加してしまい、その分生体標本の褪色やスキャンスピードの低速化につながる。

過剰な光照射は生体標本へのダメージへつながるため、そのような過剰な光照射を軽減することは生体標本の観察において重要となる。従って、ライトシート顕微鏡が本来有する褪色を軽減するという利点を損なわない装置構成が望まれる。

以上の観点から、本発明では、観察に伴う標本の光褪色を十分に抑制でき、かつ、収差を抑えた良好な照明光学性能が得られる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様における顕微鏡装置は、標本からの光を取り込む検出光学系と、前記検出光学系の光軸と異なる方向を向いた光軸を有し、照明光を前記標本に照射する照明光学系と、を備え、前記照明光学系は、第１軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向と直交する第２軸方向にパワーを持たない第１の非光軸対称光学系と、前記第２軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向にパワーを持たない第２の非光軸対称光学系と、前記検出光学系の光軸及び前記照明光学系の光軸と直交する方向である幅方向に前記照明光を走査する走査部と、を有し、前記照明光学系は、前記第１軸方向が前記幅方向となるように構成され、前記第１の非光軸対称光学系、前記第２の非光軸対称光学系は、前記走査部の後段に配置され、前記照明光学系は、前記照明光を集光することにより、前記検出光学系の視野内で光スポットを形成し、該光スポットを走査することによりシート光を形成することを特徴とする。
本発明の一態様における照明装置は、第１軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向と直交する第２軸方向にパワーを持たない第１の非光軸対称光学系と、前記第２軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向にパワーを持たない第２の非光軸対称光学系と、本照明光学系の光軸と直交する方向である幅方向に照明光を走査する走査部と、を有する照明光学系を備え、前記照明光学系は、前記第１軸方向が前記幅方向となるように構成され、前記第１の非光軸対称光学系、前記第２の非光軸対称光学系は、前記走査部の後段に配置され、前記照明光学系は、前記照明光を集光することにより光スポットを形成し、該光スポットを走査することによりシート光を形成することを特徴とする。

本発明によれば、観察に伴う標本の光褪色を十分に抑制でき、収差を抑えた良好な照明光学性能が得られる。

第１の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第２の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第３の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 プリズムからの射出光束の様子を示す図。 第４の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第５の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第６の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第７の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第８の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第９の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第１０の実施形態における顕微鏡装置の構成を示す図。 第１０の実施形態における絞りの構成を示す図。

本発明の第１の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図１は、本実施形態における顕微鏡装置１０の構成を示す図である。

顕微鏡装置１０は、照明光学系１１と、検出光学系１２とを備えている。照明光学系１１と、検出光学系１２は、互いに異なる方向に光軸を有している。本実施形態では、図１に示すように、検出光学系１２の光軸方向（Ｚ軸方向）と、照明光学系１１の光軸方向（Ｘ軸方向）とは互いに直交した方向を有している。

照明光学系１１は、標本Ｓに照明光を照射する光学系である。標本Ｓは、例えば生体標本であり、光透過性の容器７に培養液等と合わせて収容されており、顕微鏡装置１０が有する図示しないステージに固定されている。尚、顕微鏡装置１０において、標本Ｓに照明光を照射するまでの構成を照明装置とも表記する。

照明光学系１１は、光源１と、レンズ２と、レンズ３と、スキャナ４と、シリンドリカルレンズ５、６と、を備えている。

光源１は、励起光である照明光を出力する。レンズ２、レンズ３は、光源１が出力した照明光をスキャナ４へ導光する。ここで、レンズ２、レンズ３は、スキャナ４へ導光する照明光の光束径の大きさを調整し、その照明光を平行光束とする役割を有している。具体的には、レンズ２は、照明光を発散させ、レンズ３は、該発散された光束を平行光束とする。即ち図１に示す構成では、照明光の光束径は光源１射出時より拡大された平行光束となる。

スキャナ４は、図１に示すＹ軸方向、即ち照明光学系１１の光軸及び検出光学系１２の光軸と直交する方向（幅方向）に照明光を偏向すると共に、その偏向方向を変化させる。これにより、幅方向に標本Ｓ上で形成される光スポットの走査を行うため、スキャナ４は走査部として機能する。尚、本構成では、Ｚ軸方向（厚さ方向）に照明光を走査する構成は、照明光学系１１に含まれないが、ステージを駆動させることでＺ軸方向に照明光の照射位置を変更する構成を有していてもよい。

また、スキャナ４は、シリンドリカルレンズ５の前側焦点面に配置されることが望ましい。ここでは、光源１側を前側、標本Ｓ側を後側と規定する。シリンドリカルレンズ５の前側焦点面に配置されることで、スキャナ４によって照明光の偏向方向が変えられたとしても、シリンドリカルレンズ５を射出する照明光の主光線をＸ軸に対し平行とすることができる。即ち照明光学系１１を、テレセントリックな光学系とすることができる。照明光学系１１がテレセントリックであることで、スキャナ４によって照明光を走査した場合における、標本Ｓに照射される照明光の均一性を確保することができる。

スキャナ４の後段には、シリンドリカルレンズ５、６が配置される。シリンドリカルレンズ５は、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称の素子である。尚、本実施形態では、第１軸方向をＹ軸方向（幅方向）、第２軸方向をＺ軸方向（厚さ方向）となるように規定され、シリンドリカルレンズ５が配置される。シリンドリカルレンズ５は、スキャナ４からの照明光を、ステージに配置された標本Ｓ上に第１軸方向に集光するように設置される。

シリンドリカルレンズ６は、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の素子である。シリンドリカルレンズ６は、スキャナ４からの照明光をステージに配置された標本Ｓ上に第２軸方向に集光するように設置される。

ここで、シリンドリカルレンズ５及びシリンドリカルレンズ６は、それぞれ第１軸方向及び第２軸方向に照明光を集光させることで照射位置である標本Ｓ上に光スポットを形成する。即ち、シリンドリカルレンズ５及びシリンドリカルレンズ６のＸ軸方向の集光位置が略一致するように構成される。また、形成される光スポットの径は、それぞれ第１軸方向および第２軸方向の射出側集光ＮＡ（開口数）に応じて決定され、ＹＺ面内断面において円または楕円形状の強度分布となる。

また、第１軸方向、第２軸方向のそれぞれにパワーを有する非光軸対称の素子は、それぞれ一枚のシリンドリカルレンズのみからなる構成に限らない。例えば、シリンドリカルレンズ５の代わりに、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない複数の非光軸対称素子（非光軸対称レンズ）によって構成される非光軸対称光学系が配置されてもよい。同様にシリンドリカルレンズ６についても、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない複数の非光軸対称素子（非光軸対称レンズ）によって構成される非光軸対称光学系であってもよい。複数のレンズ群によって構成されることで、レンズ群の中にズームレンズ等の駆動機構を設けることができる。

検出光学系１２は、標本Ｓからの蛍光を取り込む対物レンズ８を備えている。対物レンズ８が、取り込んだ蛍光を、顕微鏡装置１０が備える図示しない任意の光検出手段へ導光することで標本Ｓを観察することができる。光検出手段としては、撮像素子や光電子増倍管（ＰＭＴ）、または、実体顕微鏡における観察者の瞳に光を結像するような構成であってもよい。また、検出光学系１２は、対物レンズ８以外の複数のレンズを備えていてもよく、対物レンズ８と該複数のレンズを用いて蛍光を光検出手段へ導光してもよい。

以上の構成を有する顕微鏡装置１０によれば、照明光学系の軸外収差が抑えられ、ライトシート顕微鏡による良好な観察を行うことができる。標本Ｓ上でＹ軸方向に集光しない、幅を有するシート光（平行光、発散光等）を形成する場合では、照度が均一となるようにＹ軸方向に走査を行うと、標本Ｓにおける幅方向の照射面積が不必要に増加してしまい、標本Ｓの褪色を助長してしまっていた。言い換えると、標本Ｓ上の観察を行う範囲外の領域においてもシート光が照射されてしまうため、その分褪色が起きてしまう。一方で、本構成では、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６により光スポットを形成しているため、スキャナ４によって第１軸方向（Ｙ軸方向）に照明光の走査を実行したとしても、標本Ｓ上で不必要に照射面積が増加してしまうことがない。従って、観察に伴う標本Ｓの光褪色を十分に抑制することができる。

また、本構成によれば、走査部であるスキャナ４以降の、標本Ｓ上にシート光を形成する構成が、Ｙ軸方向への集光にのみ寄与する非光軸対称の光学系（シリンドリカルレンズ５）と、Ｚ軸方向への集光にのみ寄与する非光軸対称の光学系（シリンドリカルレンズ６）と、にわかれて構成されている。そのため、例えば、形成されるシート光の径方向の集光を一枚の球面レンズで行うような場合では、レンズ端部を通過する光がレンズ側にずれて焦点を結んでしまう所謂軸外収差（非点収差やコマ収差）が発生し得るが、シリンドリカルレンズを用いた構成によれば球面レンズを使用した場合と比べてレンズ端部を通過する光による収差の発生を抑えることができる。従って、軸外収差によって、Ｚ軸方向に光が広がってしまい、検出分解能が低下してしまうこともなく、シート光本来の検出分解能を維持して観察を行うことができる。

また、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６により、形成されるシート光のＺ軸方向（第２軸方向）の成分とＹ軸方向（第１軸方向）の成分とを、もう片方の方向成分への影響なく、独立して調整することが可能である。そのため、Ｚ軸方向における分解能に寄与するシート光の厚みや、シート幅の調整に伴うレンズ設計が球面レンズと比較して容易である。

また、第１軸方向の射出側集光ＮＡは０．０４以上であることが望ましい。第１軸方向の射出側集光ＮＡが０．０４以上であれば、シート光のＹ軸方向（第１軸方向）の走査時に標本Ｓ上の異なる方向から十分に光が当たることから、標本Ｓ上に異物や段差等があった場合の影の発生を抑制する効果が期待できる。
以上のように、顕微鏡装置１０によれば、観察に伴う標本Ｓの褪色を抑制できるとともに、ライトシート顕微鏡による良好な観察を行うことが可能である。

以下、第２の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図２は、本実施形態における顕微鏡装置２０の構成を示す図である。

顕微鏡装置２０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系２１を備えているという点で顕微鏡装置１０と異なっている。照明光学系２１は、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６の代わりに、フレネルレンズ２５、非球面レンズ２６を備えている。

フレネルレンズ２５は、シリンドリカルレンズ５と同様に、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称のレンズである。フレネルレンズ２５は、複数の溝を有しており、各溝が屈折面として働くことで照明光を集光させる。また、非球面レンズ２６は、シリンドリカルレンズ６と同様に、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称のレンズである。また、非球面レンズ２６は、コーニック係数が０でない、非球面の曲面形状を有するレンズである。

このように、フレネルレンズ２５及び非球面レンズ２６を用いることで、フレネルレンズ２５の溝の角度、及び非球面レンズ２６の曲面形状の設計具合に応じて、レンズ面の端部や中心といった各領域の光の集光具合を調節できる。そのため、より収差を抑制した良好な観察を行うことができる。

以下、第３の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図３は、本実施形態における顕微鏡装置３０の構成を示す図である。

顕微鏡装置３０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系３１を備えているという点で顕微鏡装置１０と異なっている。照明光学系３１は、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６の代わりに、シリンドリカルレンズ３５、プリズム３６を備えている。尚、シリンドリカルレンズ３５は、シリンドリカルレンズ５と同様である。

プリズム３６は、シリンドリカルレンズ６と同様に、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称のプリズムである。図３のように配置されたプリズム３６の屈折により集光した照明光は、図４のようにプリズム３６からの光束が交差する領域である領域Ａ内で干渉縞を発生させ、複数のシート状の光強度分布Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・を形成する。そのため、観察を行う際には、焦点深度が十分浅い検出光学系においてフォーカス調整し、いずれかのシート光（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・）を選択する方法や、デコンボリューションなどの画像処理等を用いて復元する方法を用いる。

以上の顕微鏡装置３０の構成のように、非光軸対称の光学素子（光学系）としてレンズに関わらずプリズムを用いても構わない。

以下、第４の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図５は、本実施形態における顕微鏡装置４０の構成を示す図である。

顕微鏡装置４０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系４１を備えているという点で顕微鏡装置１０と異なっている。照明光学系４１は、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６の代わりに、シリンドリカルレンズ４５、ＤＯＥ４６を備えている。シリンドリカルレンズ４５は、シリンドリカルレンズ５と同様である。

ＤＯＥ４６は、複数の溝が形成されており、該複数の溝による回折現象を用いて光を集光、発散させるような回折レンズである。本実施形態では、ＤＯＥ４６は、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の回折レンズである。即ち、第２軸方向において標本Ｓ上の一点に集光するように複数の溝が設けられる。また、迷光を生じさせないために、特定の次数の回折光のみを集光させるように設計することが望ましい。

以上の顕微鏡装置４０の構成のように、非光軸対称の光学素子（光学系）としてＤＯＥを用いる場合であっても、レンズやプリズムと同様の光学性能を実現できる。

以下、第５の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図６は、本実施形態における顕微鏡装置５０の構成を示す図である。

顕微鏡装置５０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系５１を備えているという点で顕微鏡装置１０と異なっている。照明光学系５１は、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６の代わりに、レンズアレイ５５、シリンドリカルレンズ５６を備えている。シリンドリカルレンズ５６は、シリンドリカルレンズ６と同様である。

レンズアレイ５５は、シリンドリカルレンズ５と同様に、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称のレンズにより構成されるレンズアレイである。レンズアレイを用いることで、第１軸方向、すなわち幅方向の射出側集光ＮＡが小さくなるものの、標本上に多数の集光スポットが形成され、僅かなスキャナ走査角度でも、広い範囲にシート光を形成することができ、このような構成はスキャン速度の高速化に望ましい。

以下、第６の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図７は、本実施形態における顕微鏡装置６０の構成を示す図である。

顕微鏡装置６０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系６１を備え、さらに駆動機構６８を備えている点で顕微鏡装置１０と異なっている。

照明光学系６１は、第１軸方向、第２軸方向のそれぞれにパワーを有する非光軸対称の素子を、複数備えている。具体的には、照明光学系６１は、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群６２、レンズ群６３、シリンドリカルレンズ６６を備え、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群６４、レンズ群６５、シリンドリカルレンズ６７を備えている。尚、レンズ群６３、６５は、駆動機構６８により、それぞれレンズ群６２、６４との間で光路中に切り替えて設置される。図７では、レンズ群６２、６４が光路上に設置されている様子が示されている。また、シリンドリカルレンズ６６、シリンドリカルレンズ６７は、それぞれシリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６と等しい。

レンズ群６２は、それぞれ焦点距離の異なるシリンドリカルレンズ６２ａ、６２ｂを有している。ここでは、シリンドリカルレンズ６２ａの焦点距離の方がシリンドリカルレンズ６２ｂの焦点距離より長いものとする。即ちレンズ群６２は、図７のように配置されることで入射光束に対して出射光束の光束径を小さくするものである。

レンズ群６３は、焦点距離の異なるシリンドリカルレンズ６３ａ、６３ｂを有し、レンズ群６２とは逆に、焦点距離の長いシリンドリカルレンズ６３ｂを、シリンドリカルレンズ６３ａの後段に配置した構成であり、入射光束に対して出射光束の光束径を大きくするものである。

レンズ群６４は、焦点距離の異なるシリンドリカルレンズ６４ａ、６４ｂを有し、焦点距離の長いシリンドリカルレンズ６４ｂを、シリンドリカルレンズ６４ａの後段に配置した構成であり、入射光束に対して出射光束の光束径を大きくするものである。

レンズ群６５は、焦点距離の異なるシリンドリカルレンズ６５ａ、６５ｂを有し、レンズ群６４とは逆に、焦点距離の長いシリンドリカルレンズ６５ａを、シリンドリカルレンズ６５ｂの前段に配置した構成であり、入射光束に対して出射光束の光束径を小さくするものである。

駆動機構６８は、光路上に設置するレンズ群を切り替える切替機構として機能する。具体的には、駆動機構６８は、レンズ群６２とレンズ群６３を、また、レンズ群６４とレンズ群６５を、切り替えて光路上に設置する。駆動機構６８は、例えばモータである。また、駆動機構６８は、二つの異なるモータ（駆動機構）を有していてもよく、各モータによりレンズ群６２、６３の切替とレンズ群６４、６５の切替を行ってもよい。

従って、駆動機構６８は、レンズ群の切替を行うことで照明光学系６１中の光束径を変更する。即ち、駆動機構６８は、照明光学系６１の射出側集光ＮＡを変更する手段として機能する。より具体的には、駆動機構６８は、光路上に設置するレンズ群を、レンズ群６２とレンズ群６３との間で切り替えることで、第１軸方向における照明光学系６１の射出側集光ＮＡを変更する第１開口数変更部として機能する。また、駆動機構６８は、光路上に設置するレンズ群を、レンズ群６４とレンズ群６５との間で切り替えることで、第２軸方向における照明光学系６１の射出側集光ＮＡを変更する第２開口数変更部として機能する。

以上の構成によれば、シート光を形成する照明光学系６１の第１軸方向（幅方向）、第２軸方向（厚さ方向）の射出側集光ＮＡを、それぞれ独立して変更することができる。シート光の厚さ方向に射出側集光ＮＡの調整を行うことにより、形成するシート光の厚さを変更できる。例えば、観察時において、検出分解能の向上に重点を置く場合にはシート光の厚さを小さくすることで、第２軸方向の検出分解能を向上させることができ、照明光軸方向（Ｘ軸方向）の照射範囲を増やして観察の効率を上げたい場合にはシート光の厚さを大きくすることで、照明光軸方向（Ｘ軸方向）に照射範囲を広げることができる。

また、シート光の幅方向に射出側集光ＮＡの調整を行うことで、標本Ｓ上でシート光の幅方向に照射範囲が変更される。第１軸方向の射出側集光ＮＡを小さくすることで照射範囲を抑え、標本Ｓ上の褪色をより抑制することができ、射出側集光ＮＡを大きくすることでスキャナ４による影消しの効果をより大きくすることができる。

このように顕微鏡装置６０によれば、観察者の意向に応じて最適なシート光を形成し、標本Ｓの観察を行うことができる。

尚、本構成では、スキャナ４は、シリンドリカルレンズ６６の前側焦点面と共役な面に配置されることが望ましい。スキャナ４によって照明光が偏向されたとしても、シリンドリカルレンズ６６を射出する照明光の主光線をＸ軸に対し平行とすることができる。即ち照明光学系６１を、テレセントリックな光学系とすることができる。照明光学系６１がテレセントリックであることで、標本Ｓに照射される照明光の均一性が確保される。

以下、第７の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図８は、本実施形態における顕微鏡装置７０の構成を示す図である。

顕微鏡装置７０は、照明光学系１１の代わりに、照明光学系７１を備え、さらに駆動機構７５を備えている点で顕微鏡装置１０と異なっている。

照明光学系７１は、第１軸方向、第２軸方向のそれぞれにパワーを有する非光軸対称の素子を、複数備えている。具体的には、照明光学系７１は、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群７２を備え、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群７３を備えている。

レンズ群７３は、シリンドリカルレンズ７３ａ、７３ｂ、７３ｃを備えている。シリンドリカルレンズ７３ａ、７３ｃは、凸面状のシリンドリカルレンズであり、シリンドリカルレンズ７３ｂは、凹面状のシリンドリカルレンズである。図８のように配置することで、シリンドリカルレンズ７３ａに入射した平行光束は、シリンドリカルレンズ７３ｃから平行光束として射出される。ここで、シリンドリカルレンズ７３ｂの配置をＸ軸方向に変更することで、レンズ群７３からの射出光束の光束径が変更される。

駆動機構７５は、このレンズ群７３におけるシリンドリカルレンズ７３ｂの配置をＸ軸方向に変更するものである。駆動機構７５により、シリンドリカルレンズ７３ｂの位置がシリンドリカルレンズ７３ａ側に変更されることで、レンズ群７３の射出光束の光束径は大きくなる。逆に、駆動機構７５により、シリンドリカルレンズ７３ｂの位置がシリンドリカルレンズ７３ｃ側に変更されることで、レンズ群７３の射出光束の光束径は小さくなる。即ち、シリンドリカルレンズ７３ｂは、ズームレンズとしての役割を果たす。

このようなレンズ群７３及び駆動機構７５の構成によっても照明光学系７１の射出側集光ＮＡを片方の軸方向（ここでは第２軸方向）に変更することができる。それにより第６の実施形態で説明した効果と同様の効果を得られる。

尚、図８では、レンズ群７２として、第６の実施形態のレンズ群６２と同様の構成を記載している。レンズ群７２の射出光束の光束径を変更する構成として、第６の実施形態の構成を採用し、レンズ群７３の光束径を変更する構成として、上述したズームレンズによる構成を採用する等、照明光学系の射出側集光ＮＡを変更する構成は異なる構成を組み合わせてよい。また、例えば、レンズ群７２についてもレンズ群７３と同様にズームレンズにより、光束径を変更する構成となるように変形しても構わない。

また、照明光学系７１では、最も標本Ｓ側に配置される素子として、便宜上球面レンズであるレンズ７４を配置しているが、レンズ７４の代わりに第６の実施形態におけるシリンドリカルレンズ６６、シリンドリカルレンズ６７を配置する構成とすることもできる。

以下、第８の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図９は、本実施形態における顕微鏡装置８０の構成を示す図である。

照明光学系８１は、第１軸方向、第２軸方向のそれぞれにパワーを有する非光軸対称の素子を、複数備えている。具体的には、照明光学系８１は、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群８２を備え、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系として、レンズ群８３を備えている。

レンズ群８３は、パウエルレンズ８３ａ、シリンドリカルレンズ８３ｂを有する。パウエルレンズ８３ａは、レンズ群８２からの平行光束を扇状に発散させるため、後段のシリンドリカルレンズ８３ｂから射出される平行光束は、第２軸方向に均一な強度分布を有する光束となる。このとき、第２軸方向のレンズ群８２からの射出光束の光束径はパウエルレンズ８３aの発散角度とシリンドリカルレンズ８３ｂの焦点距離によって拡大される。従って、パウエルレンズを用いることで、照明光学系８１を通して形成されるシート光の厚さ方向（第２軸方向）の強度分布均一性を一層向上させつつ、第２軸方向の射出側集光ＮＡを変更することができる。

顕微鏡装置８０は、さらに、レンズ群８２やレンズ群８３を他のレンズ群と切り替える駆動機構を備えていてもよい。駆動機構を備えることで、第６の実施形態の駆動機構６８と同様に光路上に配置するレンズ群を切り替えることで、照明光学系８１の射出側集光ＮＡを変更することができる。

また、照明光学系８１では、最も標本Ｓ側に配置される素子として、便宜上球面レンズであるレンズ８４を配置しているが、レンズ８４の代わりに第６の実施形態におけるシリンドリカルレンズ６６、シリンドリカルレンズ６７を配置する構成とすることもできる。

また、照明光学系８１は、絞り８５を備えていてもよい。絞り８５は、第１軸方向に光束を遮光することで、標本Ｓ上に形成されるシート光の幅を制限する遮光部材である。また、絞り８５及びスキャナ４は、レンズ８４の前側焦点面若しくは前側焦点面と共役な面に配置されることが望ましい。上記のような配置とすることで、照明光学系８１をテレセントリックな光学系とすることができる。

以下、第９の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図１０は、本実施形態における顕微鏡装置９０の構成を示す図である。

顕微鏡装置９０は、照明光学系１１の代わりに照明光学系９１を備えている点で顕微鏡装置１０と異なる。照明光学系９１は、シリンドリカルレンズ５、シリンドリカルレンズ６の代わりに、シリンドリカルレンズ９２、シリンドリカルレンズ９３と、絞り９４、絞り９５を備えている。尚、シリンドリカルレンズ９２、９３は、それぞれシリンドリカルレンズ５、６と等しい。

絞り９４は、第２軸方向に光束を遮光する遮光部材であり、形成されるシート光の厚さを制限する。絞り９５は、第１軸方向に光束を遮光する遮光部材であり、形成されるシート光の幅と、標本の散乱による影を消すための光線角度を制限する。絞り９４、９５はそれぞれ可変であり、図示しない駆動機構により光束の絞り具合が調整される。即ち、絞り９４、９５が遮光する範囲を変更する、遮光調節手段である駆動機構を有している。

このような可変の絞りを有することで照明光学系における射出側集光ＮＡが、第１軸方向および第２軸方向に、それぞれ独立に変更される。即ち、可変絞りを有する構成によっても、形成されるシート光の厚さと影消しの効果を調整することができる。

以下、第１０の実施形態における顕微鏡装置について説明する。図１１は、本実施形態における顕微鏡装置１００の構成を示す図である。

顕微鏡装置１００は、照明光学系１１の代わりに照明光学系１０１を備えており、落射照明型の顕微鏡の構成を有している点で、前述した実施形態の装置構成とは異なっている。

顕微鏡装置１００は、照明光学系１０１と、バリアフィルタ１０９と、レンズ１１０と、撮像素子１１１と、制御装置１２０と、を備える。

照明光学系１０１は、照明光学系１１と異なる構成部分について記載すると、シリンドリカルレンズ５、６の代わりに、シリンドリカルレンズ１０３、１０４、１０５、１０６を有し、さらに、絞り１０２とダイクロイックミラー１０７と、対物レンズ１０８を有している。

シリンドリカルレンズ１０３、１０６は、第１軸方向にパワーを持ち、第２軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系である。シリンドリカルレンズ１０４、１０５は、第２軸方向にパワーを持ち、第１軸方向にパワーを持たない非光軸対称の光学系である。

絞り１０２は、第１軸方向及び第２軸方向に光束を遮光する遮光部材であり、形成されるシート光の厚さを制限する。図１２は、絞り１０２の構成を示す図である。絞り１０２は、それぞれ可動な遮光板１０２ａ〜遮光板１０２ｄを有しており、各遮光板が矢印の方向に移動することで光束の絞り具合が調整される。具体的には、遮光板１０２ａ、１０２ｂの移動により、第１軸方向での照明光学系における射出側集光ＮＡを変更することができる。また、遮光板１０２ｃ、１０２ｄの移動により、第２軸方向での照明光学系における射出側集光ＮＡを変更することができる。

ダイクロイックミラー１０７は、光源１が出力する照明光束を反射し、標本Ｓからの蛍光を透過するように設定されたものである。撮像素子１１１は、例えば、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳ等である。

シリンドリカルレンズ１０６を射出した照明光束は、ダイクロイックミラー１０７で反射され、対物レンズ１０８を介して標本Ｓへ入射する。このとき、シリンドリカルレンズ１０６の後側焦点位置を対物レンズ１０８の瞳位置に合わせることで、スキャナ４の光束の走査に対してテレセントリックとすることができ、第１軸方向に形成されるシート光を均一とすることができる。標本Ｓから発生する蛍光は、対物レンズ１０８、ダイクロイックミラー１０７を通過し、バリアフィルタ１０９及びレンズ１１０を介して撮像素子１１１へ到達する。

このとき、顕微鏡装置１００は、対物レンズ１０８を通過する照明光束の光軸（照明光軸）と、蛍光の光軸（観察光軸）との位置が異なる非同軸落射型の構成を成している。照明光束は、対物レンズ１０８の光軸から離れた位置から対物レンズ１０８へ入射し、対物レンズ１０８から斜めに標本Ｓへ向けて照射される。また、レンズ１１０により結像される蛍光像は、対物レンズ１０８の光軸に対して斜めに形成されるため、撮像素子１１１を斜めに配置することで、形成されるシート光の面内の画像を取得することができる。

制御装置１２０は、撮像素子１１１の画素出力等の設定や光源１のＯＮ、ＯＦＦ等を制御する。また、制御装置１２０は、絞り１０２が有する各遮光板、スキャナ４の駆動を制御する。

以上の構成を有する顕微鏡装置１００は、照明光軸と観察光軸が直交しないライトシート顕微鏡である。

本構成によっても、照明光学系における射出側集光ＮＡが、第１軸方向および第２軸方向にそれぞれ独立に変更されるため、形成されるシート光の厚さと影消しの効果を調整することができる。

上述した実施形態は、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形態に限定されるものではない。上述した顕微鏡装置は、特許請求の範囲に記載した本発明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。

１０、２０、３０、４０、５０、
６０、７０、８０、９０、１００ 顕微鏡装置
１ 光源
２、３、１１０ レンズ
６２、６４、７２、７３、８２、８３ レンズ群
４ スキャナ
５、６、３５、４５、５６、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、
６３ｂ、６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ、６６、
６７、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、８３ｂ、９２、９３、
１０３、１０４、１０５、１０６ シリンドリカルレンズ
７ 容器
８、１０８ 対物レンズ
１２ 検出光学系
２５、２６ 非球面レンズ
３６ プリズム
４６ ＤＯＥ
５５ レンズアレイ
６８、７５ 駆動機構
１０９ バリアフィルタ
１２０ 制御装置
Ａ 領域
Ｂ 光強度分布
Ｓ 標本

Claims (14)

1. 標本からの光を取り込む検出光学系と、
   前記検出光学系の光軸と異なる方向を向いた光軸を有し、照明光を前記標本に照射する照明光学系と、を備え、
   前記照明光学系は、
   第１軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向と直交する第２軸方向にパワーを持たない第１の非光軸対称光学系と、
   前記第２軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向にパワーを持たない第２の非光軸対称光学系と、
   前記検出光学系の光軸及び前記照明光学系の光軸と直交する方向である幅方向に前記照明光を走査する走査部と、を有し、
   前記照明光学系は、前記第１軸方向が前記幅方向となるように構成され、
   前記第１の非光軸対称光学系、前記第２の非光軸対称光学系は、前記走査部の後段に配置され、
   前記照明光学系は、前記照明光を集光することにより、前記検出光学系の視野内で光スポットを形成し、該光スポットを走査することによりシート光を形成する
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
2. 請求項１に記載の顕微鏡装置であって、
   前記走査部は、前記第１の非光軸対称光学系の前側焦点面または前記前側焦点面と共役な面に配置されるスキャナである
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置であって、
   前記照明光学系は、前記走査部に入射する光束を平行光束とする光学系を含む
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置であって、さらに、
   前記照明光学系の前記第１軸方向における射出側集光ＮＡを変更する第１開口数変更部を備える
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡装置であって、
   前記照明光学系の前記第１軸方向おける射出側集光ＮＡが０．０４以上である
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の顕微鏡装置であって、さらに、
   前記照明光学系の前記第２軸方向における前記射出側集光ＮＡを変更する第２開口数変更部を備える
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
7. 請求項４に記載の顕微鏡装置であって、
   前記照明光学系は、前記照明光学系の光路上に設置された前記第１の非光軸対称光学系と、切り替えて設置可能な前記第１の非光軸対称光学系と異なる射出側集光ＮＡを与える第３の非光軸対称光学系を有し、
   前記第１開口数変更部は、前記照明光学系の光路上において前記第１の非光軸対称光学系と前記第３の非光軸対称光学系を切り替えて設置する切替機構である
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
8. 請求項６に記載の顕微鏡装置であって、
   前記照明光学系は、前記照明光学系の光路上に設置された前記第２の非光軸対称光学系と、切り替えて設置可能な前記第２の非光軸対称光学系と異なる射出側集光ＮＡを与える第４の非光軸対称光学系を有し、
   前記第１開口数変更部は、前記照明光学系の光路上において前記第２の非光軸対称光学系と前記第４の非光軸対称光学系を切り替えて設置する切替機構である
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
9. 請求項４に記載の顕微鏡装置であって、
   前記第１開口数変更部は、前記第１の非光軸対称光学系の射出側集光ＮＡを変更するズームレンズである
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
10. 請求項６に記載の顕微鏡装置であって、
    前記第２開口数変更部は、前記第２の非光軸対称光学系の射出側集光ＮＡを変更するズームレンズである
    ことを特徴とする顕微鏡装置。
11. 請求項６に記載の顕微鏡装置であって、
    前記照明光学系は、前記第２軸方向に前記照明光の一部を遮光する遮光部材を有し、
    前記第２開口数変更部は、前記遮光部材が遮光する範囲を変更する、遮光調節手段である
    ことを特徴とする顕微鏡装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の顕微鏡装置であって、
    前記第１の非光軸対称光学系または前記第２の非光軸対称光学系は、非球面レンズを有する
    ことを特徴とする顕微鏡装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の顕微鏡装置であって、
    前記検出光学系の光軸と前記照明光学系の光軸は互いに直交する
    ことを特徴とする顕微鏡装置。
14. 第１軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向と直交する第２軸方向にパワーを持たない第１の非光軸対称光学系と、
    前記第２軸方向にパワーを持ち、前記第１軸方向にパワーを持たない第２の非光軸対称光学系と、
    本照明光学系の光軸と直交する方向である幅方向に照明光を走査する走査部と、を有する照明光学系を備え、
    前記照明光学系は、前記第１軸方向が前記幅方向となるように構成され、
    前記第１の非光軸対称光学系、前記第２の非光軸対称光学系は、前記走査部の後段に配置され、
    前記照明光学系は、前記照明光を集光することにより、前記検出光学系の視野内で光スポットを形成し、該光スポットを走査することにより光シートを形成する
    ことを特徴とする照明装置。