JP3311083B2 - 顕微鏡観察のための微調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は顕微鏡観察のための微
調整装置に関し、例えば生体細胞等の微小な試料を顕微
鏡観察する際に、試料を非接触に微調整するための装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の光学顕微鏡を使用して、様々な方
向から試料を観察しようとする際、光学顕微鏡の光学的
設計の制約により、任意の方向における試料の像を結像
するのが困難な場合がある。一般に光学顕微鏡は、光学
系の光軸方向に垂直をなすステージ面に載置された資料
の像が結像されるように設計されている。

【０００３】図１５に概略的に示した一般的な顕微鏡１
３は、資料を載置すべきステージ１５を移動させるため
に、機械的なＸ−Ｙステージ駆動機構１７及びＺステー
ジ駆動機構１９を採用している。

【０００４】Ｘ−Ｙステージ駆動機構１７は、対物レン
ズ２１の光軸（Ｚ軸）に垂直な水平面（Ｘ−Ｙ平面）に
沿って試料を移動させ、Ｘ−Ｙ平面における試料の任意
の部分を視野内に設定することができる。試料を光軸方
向に移動させるためのＺ軸ステージ駆動機構１９は、焦
点調節に利用され、通常の方法では光軸方向に沿った面
（Ｚ−Ｙ平面、Ｙ−Ｚ平面）における試料の観察に用い
ることはできない。

【０００５】また一般に、生体細胞などの微小試料は、
生理食塩水などの液体と共にスライドグラス（図示せ
ず）上に滴下され、カバーグラスにより固定された状態
で観察される。従って、試料を観察できる方向はカバー
グラスの垂直上方からの方向のみに制限され、試料が固
定されれば他の方向から観察するのは困難である。

【０００６】微小な試料を任意の方向から観察するため
に、微小試料を顕微鏡下で微調整（マイクロマニピュレ
ーション）する技術として、機械的なマイクロマニピュ
レータ（微調整装置）が公知である。

【０００７】図１６に概略的に示した公知のマイクロマ
ニピュレータ２３は、上述したような光学顕微鏡１３の
ステージ１５と組み合わされている。ステージ１５上に
は、それぞれホルダー２５，２７に支持された針２９や
ホールドピペット３１などの微小操作器具が可動に設置
されている。試料を含む液体（図示せず）は、微小器具
の先端において、ステージ１５上に滴下されている。

【０００８】ホールドピペット３１はガラス管など管空
状の部材からなる。ホールドピペット３１にビニール管
３３を通じて接続された微小圧力調整器３５がホールド
ピペット３１中の液体を吸引することにより、ホールド
ピペット３１の先端で試料を捕捉できる。

【０００９】微小操作器具を支持するホルダー２５、２
７は、その駆動機構３７，３９によりＸ−Ｙ−Ｚ方向に
駆動可能である。ホルダー駆動機構３７，３９は、観察
者の手元に置かれたコントローラ４１により駆動命令を
与えられる。コントローラ４１は、ジョイスティックや
つまみなどの手動操作要素を有し、この手動操作の動作
は油圧や電気信号によりホルダー駆動機構３７，３９に
伝達され、その結果ホルダー２５、２７が駆動される。
従って観察者がコントローラ４１の手動操作要素を操作
することにより、微小操作器具をＸ軸方向、Ｙ軸方向、
Ｚ軸方向などの目的に応じた方向に粗微動させ、所定の
位置に位置決めすることができる。この結果、ステージ
１５上の試料を保持操作および回転操作、即ち微調整す
ることができる。

【００１０】しかしながら、機械的なマイクロマニピュ
レータにおいて微小操作器具の所望の粗微動のために手
動操作要素を正確に操作するには熟練した技術が要求さ
れる。 これは実際上には困難な要求である。更に、生
体細胞など柔軟な試料に硬い微小操作器具を直接に接触
させるために、試料が損傷、変形または破壊される危険
性がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】既に検討したように、
任意の方向からの試料の観察は、一般的な光学顕微鏡で
実現することは非常に困難である。この困難を解消する
ために上述のような機械的なマイクロマニピュレータを
用いることは、その操作の困難性に加えて試料の損傷、
変形または破壊の危険性のために実用的ではない。

【００１２】この発明の目的は、試料を顕微鏡下で任意
の方向から観察するために試料を非接触に微調整するこ
とができ、操作が容易であり、試料に対する悪影響も少
ない微調整装置を提供することがある。

【００１３】

【課題を達成するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、容器内の液体に含まれた試料を、液体を
通る光軸を有する顕微鏡光学系により観察する際に試料
を微調整するための装置であって、顕微鏡光学系の光軸
と平行な光軸を有し、試料に対して第１のレーザービー
ムを収束させるための第１の光学系と、第１の光学系の
光軸に対して直交する光軸を有し、試料に対して第２の
レーザービームを収束させる第２の光学系と、第１と第
２とのレーザービームの相対強度を調整する調整手段
と、を備える顕微鏡観察のための微調整装置を提供す
る。

【００１４】

【作用】本発明に係わる微調整装置は、観察すべき試料
をレーザービームにより捕捉するための光トラッピング
技術に基づいている。光学特性の異なる二つの物体間の
境界における反射や屈折により光ビームの進行方向が変
化したり物体による光の吸収のために光の強度が減衰す
ると、光ビームが運動量を有するために進行方向の変化
量に応じた力、即ち光圧力が生じる。この光圧力の絶対
量は非常に小さい。しかし高い空間的コヒーレント性を
有するレーザービームを収束させることにより、大きな
光エネルギーを局所的に集中させることができる。その
結果、微小な試料を捕捉可能な大きさの光圧力を発生さ
せることができる。

【００１５】更に本発明によれば、光軸が直交する二つ
のレーザービームを試料に集束させ、且つそれらの相対
強度を制御することにより、試料を回転制御することが
できる。

【００１６】

【実施例】図１乃至図４を参照して、本発明の各実施例
に共通な原理について説明する。図１は屈折率の異なる
微小試料に入射光ＬＢ_O が入射した場合の光圧力の発生
の原理を示す。入射光ＬＢ_O は、微小試料の表面におい
て屈折光ＬＢ_D と反射光ＬＢ_R とに分離する。ここで微
小試料が球であると仮定すると、微小試料の動径方向に
屈折による力ベクトルＦ_D と反射による力ベクトルＦ_R
とが互いに逆向きに発生する。また微小試料による入射
光ＬＢ_O の吸収がある場合は、入射光ＬＢ_O と同じ方向
に吸収による力ベクトルＦ_A が発生する。これらの力の
強度関係は、入射光ＬＢ_O の入射角度や微小試料の内外
における屈折率の差異、微小試料における入射光ＬＢ_O
の吸収率等に依存する。

【００１７】図２は、レーザービーム２００を開口の大
きなレンズ２０４により微小試料２０２上に集光させた
場合の光トラッピングの原理を示す。いま、レーザービ
ーム２００のうち微小試料２０２の右端におけるビーム
成分ＬＢ_A に着目する。このビーム成分ＬＢ_A が試料２
０２に入射する際には、試料表面には力ベクトルＦ_A1が
作用する。ビーム成分ＬＢ_A が試料から射出する際に
は、試料表面に力ベクトルＦ_A2が作用する。これら２つ
の力ベクトルＦ_A1とＦ_A2をベクトル加算すると、力ベク
トルＦ_A （＝Ｆ_A1＋Ｆ_A2）が試料２０２に作用する。試
料２０２の屈折率分布が点対称であり、ビーム成分ＬＢ
_A とＬＢ_B の強度が等しければ、力ベクトルＦ_A とＦ_B
の合力ベクトルＦは水平成分が打ち消された鉛直方向の
上向きの力となる。このような関係が光軸と平行なあら
ゆる断面で成り立てば、光圧力に生じた合力により試料
は上方に持ち上げられることになり、この力と重力とが
釣り合った状態で試料２０２が捕捉されることになる。

【００１８】本発明は基本的に光圧力を利用するもので
あるが、光軸が直交する二つのレーザービームを試料に
集光させることにより試料に対して回転方向に働く力を
生み出すものである。

【００１９】図３において本発明の作用を説明する。図
２で説明した関係と同様に、一つのレーザービーム２０
０を開口の大きいレンズ２０４により微小試料２０２へ
集光させることにより、微小試料２０２がトラッピング
された状態において、レーザービーム２００と光軸が直
交する他の一つのレーザービーム２０６をレンズ２０８
により微小試料２０２に集光させる。

【００２０】図３ではレンズ２０８の開口が小さく、微
小試料２０２に対するレーザービーム２０６の入射角度
が小さくなる場合を想定する。開口の大きいレンズ２０
４を用いる場合は、レーザービーム２００の周辺成分の
屈折による微小試料２０２を引き込む力が強く働く。対
照的に、開口の小さいレンズ２０８を用いる場合は、反
射や吸収により微小試料２０２を押し出す力の方が強く
なる。レーザービーム２０６のうち微小試料２０２の下
端におけるビーム成分ＬＢ_C に着目すると、レーザービ
ーム成分ＬＢ_C が微小試料２０２に入射する表面と射出
する表面においてそれぞれ力ベクトルＦ_C1とＦ_C2が働
き、これら二つの力ベクトルＦ_C1とＦ_C2をベクトル加算
した合力ベクトルＦ_C （＝Ｆ_C1＋Ｆ_C2）が試料２０２に
作用する。同様にレーザービーム２０６のうち微小試料
２０２の上端におけるビーム成分ＬＢ_D によれば、力ベ
クトルＦ_D1とＦ_D2との合力ベクトルが微小試料２０２に
作用する。

【００２１】図２と同様に、試料２０２の屈折率分布が
点対称でありビーム成分ＬＢ_C とＬＢ_D の強度が等しい
条件によれば、合力ベクトルＦ_C とＦ_D の合力ベクトル
Ｆは鉛直成分が打ち消されて水平方向に微小試料２０２
を押し出す力として作用することになる。

【００２２】この場合、レーザービーム２００による光
圧力と重力との均衡状態が変化し、新たな均衡状態が生
じる。即ち、レーザービーム２００による光圧力は、レ
ーザービーム２０６による微小試料２０２を押し出す力
ベクトルＦと逆向きに微小試料２０２を引き戻す力とし
て働く。その結果、微小試料２０２は、破線２０２′で
示すように、その重心がレーザービーム２００の光軸か
らずれた位置で安定する。

【００２３】更にこの場合、微小試料２０２によるレー
ザービーム２００の吸収により回転方向に力ベクトルＦ
_R が生じる。その原理を図４に示す。球状の微小試料２
０２がレーザービーム２００の光軸からずれた位置（図
３の破線２０２´）に捕捉されている場合、レーザービ
ームの左半分の吸収による合力ベクトルＦ_L と右半分の
吸収による合力ベクトルＦ_R とが発生する。

【００２４】ここで正確には、微小試料２０２により光
子が吸収された時点で力が発生するので、光が通過して
いる全ての部分で力が発生するが、図４ではそれらの力
を一点で発生する合力ベクトルＦ_L およびＦ_R に代表さ
せてある。

【００２５】微小試料２０２を回転させるには力のモー
メントが必要である。上述の条件の場合、合力ベクトル
Ｆ_L とＦ_R とにより、それぞれモーメント Ｎ_L ×Ｆ_L ，Ｎ_R ＝ｒ_R ×Ｆ_R が発生し、全体ではモーメント Ｎ_A ＝Ｎ_L ＋Ｎ_R ＝ｒ_L ×Ｆ_L ＋ｒ_R ×Ｆ_R ＝ｒ_L Ｆ´_L ＋ｒ_R ×Ｆ´_R が発生する。上式において、×はベクトルの外積を表わ
す演算子である。

【００２６】図４ではモーメントＮ_L を垂直上向きのベ
クトルを意味する記号”丸囲みの・”で表わす。またモ
ーメントＮ_R は垂直下向きのベクトルを意味する記号”
丸囲みの×”で表わす。微小試料２０２の光の吸収量を
考えると、Ｎ_L とＮ_R とではＮ_L の方が大きいので、全
体のモーメントＮ_L は紙面に対して垂直上向きとなり、
微小試料２０２に対しては左回りの回転力が働くことに
なる。

【００２７】本発明はこのような原理に基づいて対称物
を回転制御することにより、開口の大きいレンズ２０４
を利用して高解像度な顕微鏡像を任意の方向から観察で
きる装置を構成する。

【００２８】図３では開口の小さなレンズ２０８により
微小試料２０２を押し出す力を生じさせる場合について
説明した。代替的に、レンズ２０８を開口の大きいレン
ズに代えることにより、微小試料２０２を引き付ける力
を利用してもよい。

【００２９】図５は、本発明の第１実施例を示す。レー
ザ光源２１０から発せられたレーザービームＬＢ_O は、
ビームエキスパンダ２１２によりビーム径が拡大され、
次いでハーフミラー２１４により二つのビームに分割さ
れる。その一方のレーザービームＬＢ₁ は第１の顕微鏡
鏡筒２１６内のハーフミラー２１８により対物レンズ２
２０に導かれ、水槽２２２内の液体２２２ａ中の微小試
料２０２をトラッピングする。

【００３０】また、微小試料の像は、第２の顕微鏡鏡筒
２２４内の対物レンズ２２６及び接眼レンズ２２８を通
じてテレビカメラ２３０の受光面に結像され、テレビモ
ニタ２３２の画面に映像化される。

【００３１】ハーフミラー２１４により分割された他方
のレーザービームＬＢ₂ は、ターレット２３４に支持さ
れた何れか一つのＮＤフィルタを通過した後に、顕微鏡
鏡筒２１６内のミラー２１８により対物レンズ２２０に
導かれる。ここで対物レンズ２２０は、対物レンズ２２
６と光軸が直交するように配置されている。その結果、
対物レンズ２２６により既にトラッピングされている微
小試料に対して、光圧力が加えられる。

【００３２】図６に示すように、ターレット２３４に
は、その回転方向に沿って、透過率が異なる複数のＮＤ
フィルタ２３４ａが配置されている。モータドライバ２
３８により駆動制御されるモータ２３６がターレット２
３４の回転位置を制御し、その回転位置に対応した一つ
のＮＤフィルタ２３４ａにより、レーザービームの光強
度が調整される。

【００３３】水槽２２２は、微小試料を探索すべき方向
である水平方向に移動可能なように、ＸＹステージ２４
２の上に載置されている。ＸＹステージ２４２は、モー
タドライバ２３８により駆動制御されるＸ軸モータ２４
２ａ、Ｙ軸モータ２４２ｂにより自動制御されることが
好ましい。

【００３４】対物レンズ２２６は対物レンズホルダ２４
４により保持され、ホルダ２４４は対物レンズ駆動機構
２４６により光軸方向に駆動制御される。モータドライ
バ２３８及び対物レンズ駆動機構２４６は、コントロー
ラ２４８からの指令信号により動作制御される。コント
ロールボックス等の遠隔操作手段２５０は、ジョイステ
ィック、つまみ等を備え、観察者の指令をコントローラ
２４８に伝えるユーザインタフェースとして働く。

【００３５】第１実施例の装置の観察者による操作は以
下の通りである。i)レーザ光源２１０を発振させない状
態で、ステージ２４２を水平方向へ、対物レンズ２２６
を鉛直方向へそれぞれ粗微動させながら、顕微鏡像をＴ
Ｖモニタ２３２で観察し、目的とする試料を対物レンズ
２２６の視野内に収める。

【００３６】ii) 次にレーザ光源２１０を発振させる
が、レーザービームＬＢ₂ を透過率０のＮＤフィルタ２
３４ａで遮断し、レーザービームＬＢ₁ だけを利用して
微小試料をトラッピングする。

【００３７】iii)微小試料をトラッピングしたら、その
状態で対物レンズ２２０の結像面付近に微小試料を移動
させ、ターレット２３４を回転させて適宜なＮＤフィル
タ２３４ａを選択し、透過率を調節することにより、レ
ーザービームＬＢ₂ を適当な強度で微小試料に照射す
る。

【００３８】以上により、レーザービームＬＢ₂ の強度
に応じた速度で微小試料が回転するので、観察者は微小
試料を任意の方向から観察することができる。必要に応
じてレーザービームＬＢ₂ を透過率０のフィルタ２３４
ａで再び遮断し、所望の角度方向から微小試料を観察す
ればよい。

【００３９】代替的に、レーザービームＬＢ₂ の強度を
調整する機構として、ＮＤフィルタを支持したターレッ
ト２３４に代えて、液晶板を利用した透過率可変フィル
タ等を用いてもよい。

【００４０】本実施例は、レーザービームＬＢ₁ により
微小試料を光トラッピングすると共に、レーザービーム
ＬＢ₁ の光軸と直交する方向から第２の連続発振レーザ
ービームＬＢ₂ を試料へ照射することにより、微小試料
を対物レンズ２２０及び対物レンズ２２６の光軸を含む
面内で連続回転させるものである。本実施例は、以下の
理由により、装置構成が比較的に簡便であるという効果
を有する。

【００４１】第２のレーザービームＬＢ₂ を収束させる
ための対物レンズ２２０が小さな開口を有するため、対
物レンズ２２０の作動距離が長くなる。その結果、対物
レンズ２２０と、大きな開口を有して作動距離が短い対
物レンズ２２６との光軸を直交させながら微小試料を捕
捉する構成を容易に実現できる。

【００４２】またターレット２３４を備えることによ
り、第２のレーザービームの光強度が変更可能であり、
微小試料の回転速度を制御できる。図７は本発明の第２
実施例を示す。本実施例は、第１実施例におけるレーザ
ービームＬＢ₂ をシャッタ動作させることにより、微小
試料の向きを僅かづつ変化させながら逐次に画像を出力
するものである。第１実施例と同様な参照符号を付した
構成要素は、特に断らない限り、第１実施例のそれと同
様な作用を有する。

【００４３】第１実施例と同様に、ハーフミラー２１４
を通過したレーザービームＬＢ₁ により、微小試料が捕
捉される。ハーフミラー２１４により反射されたレーザ
ービームＬＢ₂ は、回転光チョッパ２５２を通過する。

【００４４】図８に示すように、回転光チョッパ２５２
は、レーザービームＬＢ₂ を遮断するための羽根を有
し、モータドライバ２５６により制御されたモータ２５
４により定速度で回転されることにより、光シャッタ動
作を果たす。その結果、微小試料はレーザービームＬＢ
₂ が照射されている間に回転し、レーザービームＬＢ₂
の照射が止むと静止する。モータドライバ２５６は、コ
ントローラ２４８からの指令信号により制御される。

【００４５】代替的に、図８の光チョッパ２５２におけ
る羽根の間に、レーザービームＬＢ₂ の強度を調整する
ためのＮＤフィルタを設けてもよい。或いは第１実施例
と同様に、レーザービームＬＢ₂ の光路上に、複数のＮ
Ｄフィルタを支持したターレットを設けることにより、
レーザービームＬＢ₂ の強度を可変調整可能としてもよ
い。

【００４６】再度図７を参照すると、レーザービームＬ
Ｂ₂ により微小試料が静止されている間に、ＴＶカメラ
２３０に入力された映像信号は、フレームメモリ装置２
５８内のビデオＡ／Ｄ変換器（図示せず）によりディジ
タル画像信号に変換され、フレームメモリ装置２５８内
のフレームメモリ（図示せず）に記録される。

【００４７】ＴＶカメラ２３０は、１フレーム１／３０
秒の通常のビデオ周期で連続的に画像を入力する。フレ
ームメモリ装置２５８内のビデオＡ／Ｄ変換器は、ＴＶ
カメラ２３０のフレーム周期とは非同期に１フレームの
画像をＡ／Ｄ変換する。

【００４８】回転光チョッパ２５２の光シャッタ動作に
より微小試料を回転操作し、フレームメモリ装置２５８
内に微小試料のディジタル画像信号を入力するまでの一
連の操作は、ＴＶカメラ２３０のフレーム周期の数倍乃
至数十倍程度の周期で行われる。

【００４９】図９は、上述のタイミングの関係を表すチ
ャートを示す。フレームメモリ装置２５８に記録された
ディジタル画像信号はフレームメモリ装置２５８内のビ
デオＤ／Ａ変換器により所定のアナログビデオ信号に変
換され、ＴＶモニタ２３２に表示される。

【００５０】コントローラ２４８は、第１実施例と同様
に、モータドライバ２３８及び対物レンズ駆動機構２４
６に制御指令信号を与えることにより、微小試料を捕捉
する際のステージ２４２の操作及び対物レンズ２２６の
焦点操作を実行する。

【００５１】第２実施例のコントローラ２４８は、第１
実施例と異なる二つの機能を有する。第一に、コントロ
ーラ２４８は、チョッパ用モータドライバ２５６とフレ
ームメモリ２５８にも制御指令信号を与え、微小試料を
回転させながら画像を入力する際のタイミング制御を実
行する。

【００５２】第二に、コントローラ２４８は、ＴＶモニ
タ２３２、フレームメモリ２５８及び後述の外部記憶装
置２６０と共に、画像記録再生装置を構成する。即ち、
コントローラ２４８は、フレームメモリ装置２５８から
の画像データを外部記憶装置２６０に記録及び保存さ
せ、その保存された画像データを検索し、且つＴＶモニ
タ２３２に表示させる。ここで外部記憶装置２６０の記
録媒体としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気
テープなどのディジタル記録媒体が用いられる。

【００５３】第２実施例によれば、光チョッパ２５２を
用いてレーザービームＬＢ₂ を所定のタイミングでシャ
ッタ操作することにより、微小試料を逐次的に所定の角
度づつ回転させながら、各々の角度方向において結像さ
れた顕微鏡画像を表示すると共に、この画像をディジタ
ル的に記録、保存することができる。

【００５４】この場合、多方向から見た微小試料の像が
外部記憶装置２６０に自動的に入力されてディジタル的
に保存されるので、顕微鏡観察終了後も、任意の角度方
向から見た画像を検索して再生させることができる。更
に、多方向から見たディジタル画像を用いて、ＣＴ再構
成などの様々な画像処理技術にも有益な画像を提供でき
る。

【００５５】第２実施例におけるレーザービームＬＢ₂
のシャッタ機構は、光チョッパに代えて、電気光学効果
を利用したポッケルスセルあるいはカーセル等を用いて
もよい。

【００５６】図１０は第３実施例を示す。この実施例
は、レーザービームＬＢ₂ により微小試料を水平方向に
押し出すための二つの光学系を対向させて配置すること
により、微小試料の回転方向を切り替えるものである。
二つの光学系の各々は、第１または第２実施例における
レーザービームＬＢ₂ のための光学系と同様である。

【００５７】図１０において、第１及び第２実施例と同
様な構成要素については同様な参照符号を付して示す。
第１実施例と同様に、ハーフミラー２１４を通過するレ
ーザービームＬＢ₁ により微小試料が捕捉される。

【００５８】ＴＶカメラ２３０からの映像信号は、第１
または第２実施例と同様にＴＶモニタやフレームメモリ
に入力される。ハーフミラー２１４により反射されたレ
ーザービームＬＢ₂ はミラー２６２により反射され、可
動ミラー２６４へ向かう。可動ミラー２６４は、ミラー
方向制御機構２６６により、ミラー２６２の反射光路上
の位置と、符号２６４′で示すようにミラー２６２の反
射光路から外れた位置とに選択的に位置することができ
る。

【００５９】ここで可動ミラー２６４がミラー２６２の
反射光路上に位置する場合、レーザービームＬＢ₂ は、
可動ミラー２６４により反射され、図示の左側の顕微鏡
鏡筒２６８ａ内に導かれる。次で、ミラー２７０ａで反
射され、既に捕捉されている微小試料に対し、対物レン
ズ２７２ａにより集光される。

【００６０】一方、可動ミラー２６４がミラー２６２の
反射光路上から外れた位置２６４′に位置する場合、レ
ーザービームＬＢ₂ はミラー２７４により反射され、図
示の右側の顕微鏡鏡筒２６８ｂ内に導かれて、ミラー２
７０ｂ及び対物レンズ２７２ｂにより微小試料に集光さ
れる。左顕微鏡鏡筒２６８ａの対物レンズ２７２ａと右
顕微鏡鏡筒２６８ｂの対物レンズ２７２ｂとは、同一軸
上で対向している。

【００６１】顕微鏡鏡筒２２４の対物レンズ２２６の焦
点操作、ステージ２４４の操作、及びレーザービームＬ
Ｂ₂ の強度制御は、第１または第２実施例と同様な機構
及び制御系により実行されるが、図１０では図示の簡略
化のために、それらの図示を省略する。また、ミラー方
向制御機構２６６に対する制御指令も上述の制御系によ
り実行される。

【００６２】本実施例によれば、レーザービームＬＢ₂
を同一軸上で対向する対物レンズ２７２ａと２７２ｂと
の何れかに導くことにより、微小試料に対して異なる方
向からレーザービームＬＢ₂ を照射することができる。

【００６３】ここで対物レンズ２２６により集光される
レーザービームＬＢ₁ と、対物レンズ２７２ａまたは２
７２ｂにより集光されるレーザービームＬＢ₂ との光圧
力の関係を考えると、異なる方向からレーザービームＬ
Ｂ₂ を照射することにより、微小試料の回転方向が変わ
ることが解る。従って、観察者の所望により微小試料の
回転方向を選択することができ、より自由度の高い微小
操作が可能となる。

【００６４】図１１は第４実施例を示す。本実施例は、
微小試料の捕捉に用いられるレーザービームＬＢ₁ の空
間特性分布を非点対称とし、更にこの非点対称な空間特
性分布を回転制御することにより、微小試料をレーザー
ビームＬＢ₁ の光軸に対して回転制御する自由度を加え
たものである。

【００６５】第１及び第２実施例と同様な構成要素につ
いては同様な参照符号を付して示す。ＴＶカメラ２３０
からの映像信号は、第１または第２実施例と同様にＴＶ
モニタやフレームメモリに入力される。

【００６６】ハーフミラー２１４を通過したレーザービ
ームＬＢ₁ は、矩形フィルタ２７６を通過して顕微鏡鏡
筒２２４に導かれる。図１２に示すように、矩形フィル
タ２７６は、その中心に矩形状の開口２７６ａを有し、
レーザービームＬＢ₁ の空間強度分布を光軸に対して非
点対称な楕円状の分布に変換する。

【００６７】レーザービームＬＢ₁ は楕円状の空間強度
分布に変換された状態で対物レンズ２２６により微小試
料上に集光され、微小試料が捕捉される。矩形フィルタ
２７６がモータ２７８により回転制御されることによ
り、レーザービームＬＢ₁ の楕円状強度分布も回転す
る。その結果、後述する原理に基づいて、微小試料は対
物レンズ２２６の光軸に対して垂直な直面で回転制御さ
れる。

【００６８】ハーフミラー２１４で反射されたレーザー
ビームＬＢ₂ は、ミラー２１６と対物レンズ２２０によ
り微小試料上に集光され、第１実施例と同様に微小試料
を押し出す力を発生させる。それと同時に、対物レンズ
２２０及び対物レンズ２２６の光軸を含む面内で微小試
料を回転させる。

【００６９】顕微鏡鏡筒２２４の対物レンズ２２６の焦
点操作、ステージ２４４の操作、及びレーザービームＬ
Ｂ₂ の強度制御は、第１または第２実施例と同様な機構
及び制御系により実行されるが、図１１では図示の簡略
化のために、それらの図示を省略する。また、モータ２
７８に対する制御指令も上述の制御系により実行され
る。

【００７０】非点対称に変換された空間的特性分布を有
するレーザービームにより、非点対称な屈折率分布を有
する試料を捕捉することによって、試料を回転制御する
ことが可能になる。本実施例によれば、この原理に基づ
いて、微小試料の捕捉に用いられるレーザービームＬＢ
₁ により、微小試料をレーザービームＬＢ₁ の光軸に対
して回転制御することができる。

【００７１】図１３を参照して、上述の原理について更
に詳しく説明する。図１１に示すような空間的に細長い
楕円形のレーザービームをレンズで集光し、屈折率分布
に異方性のある試料、例えば偏平な形状を有する試料に
照射すると、レーザ光と試料の長軸方向が一致するよう
な状態で試料が捕捉される。これは、レーザービームの
異方性に起因して、捕捉力も異方性を有することになる
結果、非点対称の屈折率分布を有する試料にとって上述
したような捕捉状態が力学的に安定になるためである。
従って、レーザービームの強度分布の長軸方向を回転さ
せると、それに伴って捕捉された試料も回転することに
なる。本実施例は、このような原理に基づいて微小試料
をレーザービームＬＢ₁ の光軸に対して回転させる自由
度を提供する。

【００７２】図１４に示すように、本実施例は、微小試
料に対してレーザービームＬＢ₂ を利用した対物レンズ
２４４の光軸２４４ａに垂直な軸に対する回転操作と、
対物レンズ２２２の光軸２２０ａに対する回転操作とが
可能であり、結果的に３次元的に全ての方向制御が可能
である。従って観察者は、微小試料をあらゆる方向から
観察することできる。

【００７３】本発明は中心対称な屈折率分布を有する試
料に対しては適応が難しい。しかしながら、殆どの場
合、生体細胞などの微小物体は、その形状や内部構造に
より屈折率分布に異方性を有するので、本発明の適用範
囲は広いことが明らかである。

【００７４】

【発明の効果】本発明の微小調整装置は、以下のような
効果を有する。 ｉ）レーザによる光圧力は、生体細胞などの微小試料を
捕捉するのに好都合な大きさの力（レーザ強度１ｍＷに
つきｐＮ）を有するので、顕微鏡下で試料を微小操作す
るのに適している。しかも、捕捉力の制御は光強度の制
御により簡単に実行できる。

【００７５】ｉｉ）対象物に非接触に微調整することが
できる上に、対象物に対して影響の少ない波長を選択す
ることにより、試料の機械的な損傷は殆ど生じない。ま
た、試料を捕捉するための第１のレーザービームに対し
て直交する第２のレーザービームを試料上に集光するこ
とにより、第１及び第２のレーザービームを含む面内に
おいて微小試料を回転制御することが可能にある。従っ
て、第１のレーザービームと共軸な光学顕微鏡により、
微小試料を任意の方向から観察することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光圧力の発生の原理を示すベクトル図である。

【図２】光トラッピングの原理を示すベクトル図であ
る。

【図３】微小試料の光圧力による移動の原理を示すベク
トル図である。

【図４】微小試料の光圧力による回転の原理を示すベク
トル図である。

【図５】本発明の第１実施例に係る微小操作装置を模式
的に示す図である。

【図６】図５の装置に使用されるＮＤフィルタを支持し
たターレットを示す平面図である。

【図７】第２実施例に係る装置を模式的に示す図であ
る。

【図８】図７の装置に使用される光チョッパを示す平面
図である。

【図９】図７の装置における光シャッタのタイミング
と、テレビカメラの露光のタイミングと、フレームメモ
リ装置のＤ／Ａ変換のタイミングとの関係を示すタイミ
ングチャートである。

【図１０】第３実施例に係る装置を模式的に示す図であ
る。

【図１１】第４実施例に係る装置を模式的に示す図であ
る。

【図１２】図１１の装置に使用される矩形フィルタを示
す平面図である。

【図１３】図１１の装置による試料の回転制御の原理を
示す光路図である。

【図１４】図１１の装置による試料の回転動作を模式的
に示す図である。

【図１５】従来の光学顕微鏡を示す側面図である。

【図１６】従来の機械的な微調整装置を光学顕微鏡と共
に示す正面図である。

【符号の説明】

２０２…試料、２２２…水槽（容器）、ＬＢ₁ …第１の
レーザービーム、ＬＢ₂…第２のレーザービーム、２３
４…ＮＤフィルタターレット（調整手段）、２５２…光
チョッパ（調整手段）、２７６…矩形フィルタ（調整手
段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−91545（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−2137（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−2136（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296914（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−88107（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 21/32

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器内の液体に含まれた試料を、液体を
   通る光軸を有する顕微鏡光学系により観察する際に試料
   を微調整するための装置であって、 顕微鏡光学系の光軸と平行な光軸を有し、試料に対して
   第１のレーザービームを収束させるための第１の光学系
   と、 第１の光学系の光軸に対して直交する光軸を有し、試料
   に対して第２のレーザービームを収束させる第２の光学
   系と、 第１と第２とのレーザービームの相対強度を調整する調
   整手段と、を備える顕微鏡観察のための微調整装置。