JP3857166B2 - 新規光学系、及びその光学系を備える顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞膜上の分子反応を観察するために有用な蛍光観察などに使用される新規光学系、及びその光学系を備える顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
生物の生命活動の多くは、細胞膜上に存在する膜タンパク質などの分子に担われているため、生きている細胞の細胞膜で実際に分子が働いている現場を観察することが、医学・細胞工学の基礎研究および応用開発において重要である。
【0003】
このような細胞膜上の分子反応を観察する有用な方法の一つに、蛍光標識された分子に励起光を照射することによって発生する蛍光を蛍光顕微鏡にて観察する蛍光顕微鏡法がある。上記蛍光顕微鏡法としては、落斜照明法がよく用いられる。しかしながら、上記落斜照明法では、照明光が試料中の水溶液を通過するので、背景光が大きくなり、その背景光の中から微弱な蛍光を捕らえるのは非常に困難であるという問題点がある。
【0004】
そこで近年、細胞膜上の分子反応の蛍光観察を行うための装置として、全反射型蛍光顕微鏡が注目されてきている。上記全反射型蛍光顕微鏡は、エバネッセント光を、試料に照射する光として利用している。上記エバネッセント光とは、後述するように、カバーグラスと細胞との界面などにおいて、入射光の入射角を臨界角よりも大きくすることによって生ずる入射光の全反射現象で得られる、カバーグラスを通過する光である。上記エバネッセント光の光強度は、界面から急激に減衰し、界面より数百nmの範囲までしか届かないため、水溶液からのラマン散乱などによる背景光を抑えることができる。
【0005】
そのため、上記エバネッセント光で細胞膜上の分子を標識している蛍光色素を励起させる全反射型蛍光顕微鏡によれば、非常に高いコントラストの画像を得ることができる。従って、全反射型蛍光顕微鏡は、微弱な蛍光を捕らえることが可能となり、蛍光1分子をも観察することができる。
【0006】
上記全反射型蛍光顕微鏡の一例である対物レンズ型全反射蛍光顕微鏡が、文献「Biochemical and Biophysical Research Communications :1997 Jun 9;235(1):47-53 :Tokunaga M, Kitamura K, Saito K, Iwane AH, Yanagida T.」に記載されている。この対物レンズ型全反射蛍光顕微鏡において、試料にエバネッセント光を照射するための光学系の構成を図2を用いて説明する。
【0007】
図2に示すように、上記対物レンズ型全反射蛍光顕微鏡の光学系は、レーザー光を発生させる光源であるレーザー発振器20、光路を変更するためのミラーM21、可動ミラーM22、レンズL21、対物レンズ23などにより構成される。レーザー発振器20より放出されたレーザー光は、先ずミラーM21によって反射され、光路を変更し、レンズL21へ入射する。レンズL21を通過したレーザー光は、続いて可動ミラーM22によって反射され、対物レンズ23へ入射する。
【0008】
上記可動ミラーM22は、図2中の矢印Eに示すように位置を変化させることができる。これに伴い、対物レンズ23へ入射するレーザー光は矢印Fに示すように、対物レンズ23の光軸と平行を保ちながら、上記光軸と上記レーザー光の光路との間隔を変化させることができる。対物レンズ23を通過するレーザー光は、上述のように対物レンズ23の光軸とレーザー光の光路との間隔を変化させることよって、カバーグラスの配された試料面への入射角を矢印Gに示すように変化させ、エバネッセント光を発生させることができる。カバーグラスの先にある蛍光標識された分子は、このエバネッセント光が照射されることによって、励起され蛍光を発する。
【0009】
このような光学系を備えることにより、上記対物レンズ型蛍光顕微鏡は、背景光を抑え、微弱な蛍光観察を行うことができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記光学系では、細胞膜のような曲面状の界面においては、場所による入射角の違いのため、エバネッセント光を局所的にしか発生させることができないので、試料全面に渡って良好な画像を得ることができないという問題点がある。
【0011】
例えば、上記光学系を用いて、カバーグラス上に培養した細胞に照射するレーザー光の入射角を大きくしていくと、まず、図3(a)に示すように、細胞の一部で入射角が臨界角に達しエバネッセント光が発生する。しかし、入射角が臨界角以下の部分も同時に存在し、ここからレーザー光が溶液側に抜けてゆくので背景光が大きくなってしまう。この部分でエバネッセント光を発生させるために、図3(b)に示すように、さらにレーザー光の入射角を大きくすると、最初にエバネッセント場が発生した部分では入射角が大きくなり過ぎて、エバネッセント光は非常に弱くなってしまう。これは、エバネッセント光の減衰長が、入射角が臨界角のときにもっとも長く、入射角が大きくなるに従って急激に短くなってゆく、という性質によるものである。
【0012】
従って、上記光学系においては、細胞の腹側、即ちカバーグラスに面している側の細胞膜の蛍光観察を行うことは可能であるが、細胞の背側、即ちカバーグラスから離れている側の細胞膜の蛍光観察は不可能である。しかしながら、多くの細胞においては、上記腹側および上記背側の細胞膜は構成要素、機能とも異なっており、生理的に重要な分子が背側にのみ発現している例も多い。
【0013】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、細胞全体にわたって蛍光観察を行えるような光学系、および、この光学系を用いた顕微鏡を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学系は、光源より発生するレーザー光を対物レンズへ入射させ、上記対物レンズを通過した上記レーザー光を入射角が臨界角以上となるように対象物へ入射させることによって、エバネッセント光を発生させる光学系において、上記光学系は、上記レーザー光を2つの経路に分割して異なる位置から対物レンズへ入射させる分光手段を備え、
前記2つの経路を有するレーザー光を、対物レンズの光軸を挟む別々の位置から同時に前記対象物に入射させることを特徴としている。
【0015】
すなわち、上記光学系は、顕微鏡などを用いて、対象物である試料を観察する際に、その試料を照射するために、レーザー光を試料まで導く光学系であり、光源より発生したレーザー光を、対物レンズを通過させて試料へ照射するものである。そして、上記光学系は、上記レーザー光を上記対物レンズへ入射させる前に、2つ経路を有するレーザー光に分割する分光器などの分光手段を備えることによって、上記レーザー光を上記対物レンズへ異なる2つの位置から入射させる。
【0016】
上記の構成によれば、異なる入射角で対象物に2つのレーザー光を照射することができる。従って、例えば全反射蛍型光顕微鏡を用いて、蛍光標識された細胞膜を観察する場合に、従来の1つのレーザー光のみを試料に照射する光学系に比べて、広範囲にエバネッセント光を照射することができる。そのため、細胞全体にわたって、ムラなく背景光を抑えた良好な画像を得ることができる。
【0017】
上記光学系はさらに、上記分光手段により分割された2つのレーザー光を対物レンズへ導く導光手段を備え、上記導光手段は、上記2つの経路を有するレーザー光を、上記対物レンズの光軸に対して平行に入射させる構成としてもよい。
【0018】
上記の構成によれば、上記2つの経路を有するレーザー光は、上記対物レンズの光軸と平行を保ちながら上記対物レンズに入射するため、焦点を含む対象物の面を通過する上記2つの経路を有するレーザー光の中心位置を変化させることなく、上記2つのレーザー光の入射角を変化させることができる。即ち、上記2つの経路を有するレーザー光の各経路の中心位置を、上記対物レンズの焦点へ集めるため、目的とする対象物面へずれることなく上記2つのレーザー光を照射することができる。
【0019】
上記光学系における上記導光手段は、上記対物レンズに対して上記2つの経路を有するレーザー光を反射させる1つの反射体と、上記2つの経路を有するレーザー光を経路ごとに受光して上記反射体へ照射する2つの中継光学部とを有し、前記中継光学部は、前記反射体に対する前記2つの経路を有するレーザー光の照射位置をそれぞれ独立して移動させることができる可動型光学部である構成としてもよい。
【0020】
上記の構成によれば、上記2つの中継光学部の位置を適宜変更させることによって、上記2つの経路を有するレーザー光の照射位置を移動させることができる。これによれば、対物レンズを通過し、対象物へ照射されるレーザー光の入射角を変更することができるため、各対象物に適した入射角を有するレーザー光を照射させることができる。従って、対象物によって屈折率が異なる場合にも、レーザー光の入射角を適宜調節することによって、例えば、蛍光観察に最適なエバネッセント光を発生させることができる。
【0021】
上記光学系において、上記可動型光学部は、レーザー光を受光する中継レンズと、上記中継レンズを通過したレーザー光を上記反射体に照射する中継ミラーとを有し、上記中継レンズと上記中継ミラーとが、常に同じ距離を保ちながら、上記対物レンズの光軸に対して平行に移動するような構成としてもよい。
【0022】
上記の構成によれば、上記中継レンズと上記対物レンズとの距離を一定に保つことができ、上記対物レンズへ入射するレーザー光の収束度が変化することを防止できる。
【0023】
なお、上記中継レンズと上記対物レンズとの距離は、両レンズによって導かれるレーザー光の光路長が、上記両レンズの焦点距離の和に等しくなる位置に配されることが好ましい。上記のような光学系を全反射型蛍光顕微鏡に用いれば、収束度の変化によるレーザー光の強度変化、全反射条件を満たさない入射光の混入および、光散乱の増加による背景光の増大を防ぐことができる。
【0024】
また、上記光学系においては、上記反射体の断面が直角二等辺三角形の形状を有し、かつ上記直角二等辺三角形の等辺を含む2つの面が少なくとも反射面であり、上記2つの中継光学部は、上記2つの経路を有するレーザー光を、経路ごとに上記2つの面にそれぞれ照射する位置関係となるように配置される構成としてもよい。
【0025】
ここで、上記反射体の「断面」とは、上記中継ミラーによって反射されたレーザー光が上記反射体によって反射される場合に、レーザー光の光路が取り得る面によって上記反射体を切断したときに得られる断面のことを意味する。従って、上記反射体は、上述のような断面を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、三角柱や、四角錐のような形態を有するものであることが好ましい。
【0026】
上記の構成によれば、少なくとも2つの反射面を有する1つの反射体によって、上記2つの中継光学部より導かれた2つの経路を有するレーザー光を、上記対物レンズへ異なる位置から入射させることができる。また、上記の構成によれば、上記2つの中継光学部が可動型光学部である場合に、上記2つの可動型光学部を上記反射体を挟んで向き合うように配置することができるため、可動範囲を大きくすることができる。
【0027】
さらに、上記光学系は、上記直角二等辺三角形の頂点が、上記対物レンズの光軸上に配される構成としてもよい。
【0028】
上記の構成によれば、上記2つの中継光学部が位置を変えることで、上記対物レンズの中心位置(光軸の位置)から、あらゆる距離を持たせて、上記2つの可動型光学部からのレーザー光を対物レンズへ入射させることができる。従って、上記対象物への入射角をさらに自由に変化させることができる。さらに、上記の構成によれば、上記2つの経路を有するレーザー光の各経路を共に、上記直角二等辺三角形の頂点の部分に導けば、1つのレーザー光を対象物へ照射することも可能であり、上記光学系の利用範囲を広げることができる。
【0029】
また、上記光学系は、上記レーザー光の光路の上記対象物への入射角が臨界角となったときの、上記対物レンズ上での上記レーザー光の光路と上記対物レンズの光軸との距離をdとし、上記対物レンズの径をDとしたときに、上記反射体の直角二等辺三角形の断面における底辺の長さlは、2d≦l≦Dを満たすことが好ましい。
【0030】
2d≦lとは、上記直角二等辺三角形の底辺の長さlが、上記レーザー光の中心位置の光路と上記光軸との距離dの2倍以上であるということを意味する。従って、これによれば、上記レーザー光の対象物への入射角を、光軸上の0度からエバネッセント光が起こる臨界角まで、自由に変化させることができる。
【0031】
また、l≦Dとは、上記直角二等辺三角形の底辺の長さlが、上記対物レンズの径D以下であることを意味する。なお、ここで言う対物レンズの径Dとは、光軸を中心として上記レーザー光が入射する位置の方向における、対物レンズの一方の端から他方の端までの長さのことである。これによれば、上記反射体によって反射された上記2つのレーザー光を、ともに対物レンズから外れることなく確実に入射させることができる。
【0032】
さらに、上記光学系は、上記分光手段が、上記レーザー光を偏光の異なる2つの直線偏光、あるいは、回転方向の異なる2つの円偏光に分割する構成としてもよい。
【0033】
同一光源から発生したレーザー光を単純に2つのレーザー光に分割し、対象物に入射すると、上記2つのレーザー光間に干渉が起こり、均一な照明を得ることができない。上記の構成によれば、異なる偏光を有する2つのレーザー光に分割するため、上述のような干渉を防ぐことができる。さらに、レーザー光を分割する際、あるいは、統合する際(一つの対象物に照射する際)の光量の浪費を防ぐことできるため、有用である。
【0034】
また、本発明には、上記光学系を備えた顕微鏡も含まれる。そして、上記顕微鏡は、光学顕微鏡あるいは蛍光顕微鏡であることが好ましい。
【0035】
上記の構成によれば、一つの光学系のみで、2つのレーザー光を対象物へ照射することができるため、例えば、複数のレーザー光を必要とする光学顕微鏡において、光源の数を減らすことができる。また、上記の構成によれば、照明光の角度を自由に変化させることができるため、多目的に使用することができる。
【0036】
そして、上記構成の蛍光顕微鏡によれば、全反射法によって広範囲にエバネッセント光を照射できるため、例えば細胞を観察する際などに、細胞全体にムラなく背景光を抑えた良好な画像を得ることができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。なお、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
【0038】
まず、本発明に係る光学系として、全反射型蛍光顕微鏡に接続して用いられる光学系を例に挙げて説明する。蛍光顕微鏡は、観察対象となる試料中の分子(例えば、細胞膜上に存在する膜タンパク質など)を蛍光標識し、励起光を照射して得られる蛍光画像を観察するために用いられるものである。そして、上記全反射型蛍光顕微鏡は、光の全反射現象を利用して蛍光観察を行う。従って、上記光学系は、光の全反射現象によって得られる励起光を試料に照射するために用いられる。
【0039】
全反射型蛍光顕微鏡に利用される上記励起光は、エバネッセント光と称される。上記エバネッセント光について、以下に説明する。
【0040】
光は、屈折率の異なる2つの透明な媒質間を通過するとき、その境界面において屈折する。例えば、第1媒質、第2媒質の屈折率をそれぞれn1、n2(n1>n2)とし、境界面への光の入射角をθとすると、図4(a)に示すように、θが小さいとき(即ち、θが臨界角より小さいとき)、光は境界面で屈折して進む。しかし、θが大きくなるに従って屈折角は90°に近づき、図4(b)に示すように、sinθ=n1/n2のとき、屈折角は90°になる。このときの入射角を、臨界角という。さらに、θを大きくする(即ち、θを臨界角より大きくする)と、図4(c)に示すように、光は境界面で全て反射する。この現象を全反射と呼ぶ。
【0041】
そして、入射角が臨界角以上の場合、光は第2媒質中に全く入射しないわけではなく、第2媒質中には境界面からの距離に比例して、指数関数的に急激に強度が減衰する光波が存在する。このような光波が、エバネッセント光と呼ばれるものである。上述のように、エバネッセント光は、微弱な光であるため、背景光を抑えたい蛍光観察などには、好適に用いられる。なお、上述のような光の全反射現象により発生するエバネッセント光を利用する方法を、全反射法(全反射蛍光顕微鏡法)と称する。
【0042】
続いて、上記光学系の構成について図1を用いて説明する。図1に示すように、上記光学系は、レーザー光を発生させる光源であるレーザー発振器10、光路を変更するためのミラーM2・M3、分光手段である偏光ビームスプリッター14、中継ミラーM1および中継レンズL1によって構成される第1可動型光学部18、中継ミラーM1’および中継レンズL1’によって構成される第2可動型光学部19、反射体である直角反射プリズム15、対物レンズ13などを含んで構成される。さらに上記光学系は、レーザー光の偏光を変換する偏光板として、3つのλ/4板11・12・12’を有している。なお、上記第1可動型光学部、上記第2可動型光学部および上記直角反射プリズムを併せた部分が導光手段である。
【0043】
上記光学系における各構成部品の配置について、以下に説明する。レーザー発振器10とミラーM2との間に、λ/4板11が配されている。λ/4板11は、レーザー発振器10より出された直線偏光のレーザー光を円偏光に変換する。また、ミラーM2とミラーM3との間に偏光ビームスプリッター14が配されている。上記偏光ビームスプリッター14は、入射したレーザー光をレーザー発振器10より出されたレーザー光と同方向の偏光と、上記レーザー光に対して垂直方向の偏光とに分割させるような位置に配されている。
【0044】
λ/4板12および第1可動型光学部18は、上記垂直方向の偏光を有するレーザー光が入射するような位置に配されている。すなわち、第1可動型光学部18内の中継レンズL1は、その光軸上を上記垂直方向の偏光を有するレーザー光が通過するような位置に配されている。
【0045】
また、λ/4板12’および第2可動型光学部19は、上記同方向の偏光を有するレーザー光が、ミラーM3に反射された後に入射するような位置に配されている。すなわち、第2可動型光学部19内の中継レンズL1’は、その光軸上を上記同方向の偏光を有するレーザー光が通過するような位置に配されている。
【0046】
さらに、2つの中継光学部、第1可動型光学部18・第2可動型光学部19は、図1に示すように、直角反射プリズム15を挟んで対称な位置に配されている。即ち、直角反射プリズム15は、上記2つの可動型光学部の中間の位置に配されている。
【0047】
上記直角反射プリズム15は、その断面が直角二等辺三角形の形状を有する三角柱である。そして、上記三角柱の断面である二等辺三角形の等辺のうちの一辺を含む面と平行な位置に、第1可動型光学部18内の中継ミラーM1は配されている。また、上記三角柱の断面である二等辺三角形の等辺のうちの他の一辺を含む面と平行な位置に、第2可動型光学部19内の中継ミラーM1’は配されている。なお、上記直角反射プリズム15の断面の直角二等辺三角形の頂点は、対物レンズ13の光軸が通過するような位置に配されている。
【0048】
そして、上記第1可動型光学部18・第2可動型光学部19は、それぞれ矢印Aあるいは矢印A’に示すように、対物レンズ13の光軸と平行に独立して移動することができる。これにより、偏光ビームスプリッター14によって偏光された2つの経路を有するレーザー光を、対物レンズ13の光軸と平行を保ちながら、上記2つの経路を有するレーザー光を矢印BあるいはB’のように光軸からの距離を変更することができる。従って、対物レンズ13を通過した上記2つの経路を有するレーザー光は、試料面における入射角を矢印CあるいはC’のように変化させることができる。
【0049】
さらに、上記第1可動型光学部18内の中継レンズL1および中継ミラーM1、あるいは、上記第2可動型光学部19内の中継レンズL1’および中継ミラーM1’は、常に一定の距離を保ちながら移動する。これにより、中継レンズL1あるいはL1’から対物レンズ13までの光路長を常に一定にすることができる。
【0050】
続いて、上記光学系において、レーザー光を試料まで照射する方法について説明する。先ず、レーザー発振器10は、所定の方向の直線偏光(これをP偏光と称する)であるレーザー光を発生させる。続いて、λ/4板11が、上記P偏光のレーザー光を円偏光に変換する。λ/4板11を通過した円偏光のレーザー光は、ミラーM2によって反射され、光路を変更し、偏光ビームスプリッター14へ入射する。上記ミラーM2は、光軸調整を行うために適宜角度を変更することができる。これにより、レーザー発振器10自体を動かして光軸調整を行う手間を省くことができる。
【0051】
偏光ビームスプリッター14では、上記円偏光のレーザー光を2つの直線偏光、即ちP偏光と上記P偏光と垂直に交差する方向の直線偏光であるS偏光とに分割する。次に、上記S偏光のレーザー光は、偏光方向による反射率の違いの影響を避けるために、λ/4板12で再び円偏光に変換され、第1可動型光学部18へ入射する。一方、上記P偏光のレーザー光は、ミラーM3によって光路を変更された後、λ/4板12’で再び円偏光に変換され、第2可動型光学部19へ入射する。なお、上記λ/4板12・12’によって変換された2つの円偏光は、互いに逆回りの円偏光を有している。これによって、2つのレーザー光間の干渉を防ぐことができ、観察する試料に含まれる蛍光色素を偏りなく励起することができる。
【0052】
第1可動型光学部18へ入射したレーザー光は、中継レンズL1を通過した後、中継ミラーM1によって反射され、直角反射プリズム15の一つの反射面へ入射する。第2可動型光学部19へ入射したレーザー光は、中継レンズL1’を通過した後、中継ミラーM1’によって反射され、直角反射プリズム15の他の反射面へ入射する。
【0053】
上記直角反射プリズム15へ入射した各経路のレーザー光は、それぞれ反射され、上述のように対物レンズ13の光軸と平行を保ちながら、対物レンズ13の異なる位置へ入射する。
【0054】
上述のような方法で、本実施形態の光学系は、上記2つのレーザー光を、対物レンズ13の光軸から離れた別々の位置から入射させることができる。そのため、試料面の広範囲に渡って全反射現象を生ずるような入射角を有して、試料に入射することが可能であり、試料の全体にエバネッセント光を照射することができる。さらに、上記光学系は、試料面への入射角を適宜変更することができるため、エバネッセント光が発生するような入射角となるように、各試料の屈折率に応じて入射角を変えることができる。従って、確実に蛍光観察を行うことができる。
【0055】
即ち、上記のような構成によって、本光学系は、図5に示すように2つに分割されたレーザー光を、異なる位置からカバーグラスを通して、試料となる細胞へ照射することができる。そして、対物レンズ13の光軸からの距離を自由に調節することができるため、試料への入射角を調節することが可能となる。従って、細胞の全体にわたって全反射条件を満たすようなレーザー光を照射でき、エバネッセント光を発生させることができる。なお、図5においては、比較的細いレーザー光を使用した場合の様子を示しているが、より太いレーザー光を使用することによって、細胞全体にエバネッセント光を照射することが可能である。
【0056】
また、本光学系を用いた蛍光顕微鏡は、観察対象となる試料として、細胞に限らず、屈折率の異なる材料が湾曲した界面で接している部分を全反射法で観察する場合にも、好適に用いることができる。
【0057】
そして、本実施形態においては、上記反射体の一例として、直角反射プリズム15を用いている。この構成によれば、直角反射プリズム15の先端にレーザー光の2つの経路を導くことによって、光軸とレーザーの光路が重なり入射角が0度になるまで2本のレーザーの間隔を小さくすることができる。これは通常の落斜型蛍光顕微鏡と同じ状態であり、本発明の利用範囲を広げるものである。即ち、本実施の形態に係る光学系は、落斜照明法による蛍光観察にも使用することができる。また、上記直角反射プリズム15を用いることによって、上記光学系は、上記2つのレーザー光と上記光軸との間隔を小さくすることもできるため、瞳の大きさが制限される蛍光顕微鏡の入射光学系に好適に用いることができる。
【0058】
さらに、上記直角反射プリズムにおいて、レーザー光の光路が取り得る面である二等辺三角形の断面の底辺の長さをlとすると、上記lは、次のような条件を満たすことが好ましい。
【0059】
第1に、試料面への入射角が臨界角以上になるような位置から、対物レンズ13へ入射できることが好ましい。つまり、対物レンズ13への入射時に、レーザー光の光路が、対物レンズ13の光軸位置と、試料面への入射角が臨界角となる程度に離れていなければ、上記レーザー光が試料面を照射した場合に、エバネッセント光を効率よく発生させることができない。従って、レーザー光における光路の試料面への入射角が臨界角となったときの、対物レンズ13上におけるレーザー光の中心と対物レンズ13上の光軸位置との距離をdとすると、lとdとの間で、d≦l/2という関係を満たすことが好ましい。
【0060】
即ち、上記直角反射プリズムの一つの反射面に対する底辺の長さ、即ち底辺lの半分の長さに相当するl/2が、距離d以上となることによって、第1可動型光学部18より反射されたレーザー光は、上記入射角を臨界角以上とすることができる。また、第2可動型光学部19より反射されたレーザー光においても同様のことが言えるため、結果として、底辺l長さは、2d≦lを満たすことが好ましい。なお、レーザー光が取り得る光路と対物レンズ13の光軸とは、互いに平行な関係にあるため、上記距離dは上記光路と上記光軸との距離とも言える。
【0061】
第2に、対物レンズ13の径をDとしたときに、上記2つの可動型光学部18・19からの2つのレーザー光を、ともに対物レンズ13へ外れることなく確実に入射させるために、底辺lは径D以下であることが好ましい。即ち、底辺lの長さが、l≦Dを満たすことが好ましい。
【0062】
以上をまとめると、結果として、上記直角二等辺三角形の底辺lの長さは、2d≦l≦Dを満たすことが好ましい。
【0063】
また、本実施の形態においては、ミラーM2およびλ/4板12・12’を備えた構成としているが、本発明に係る光学系は、上記の構成を省いてもよい。また、本実施の形態において用いられる分光手段としての上記偏光ビームスプリッター14は、各々逆回りの円偏光に分割するようなものであってもよい。これによれば、分割されたレーザー光を、λ/4板12・12’を使用することなく、直接2つの可動型光学部18・19へ入射させることができる。
【0064】
なお、本発明の実施の他の形態として、上記光学系は、図6に示すように、直角反射プリズム15と対物レンズ13との間に、さらに2つのレンズ16・17を有する構成としてもよい。上記の構成によれば、上記光学系を蛍光観察などに用いた場合に、試料面へのレーザー光の入射角をより調節しやすくすることができる。
【0065】
すなわち、第1可動型光学部18の移動距離をKとし、上記第1可動型光学部18を通過して対物レンズ13へ入射するレーザー光の移動距離をkとすると、図1に示す光学系の場合、各移動距離Kおよびkは等しくなる(即ち、K=k)。一方、図6に示す光学系のように、レンズ16・17を備える構成の場合、レンズ16および17に異なる焦点距離のレンズを選択することによって、上記第1可動型光学部18の移動距離Kと上記レーザー光の移動距離kとの間に比例関係が成立する(即ち、K=ak)。
【0066】
レンズ16と17との焦点距離を、それぞれf16、f17とすると、a=f17/f16となる。従って、例えば、f16<f17とすると、a>1となるため、上記レーザー光の移動距離kは上記第1可動型光学部18の移動距離Kよりも大きくなる(即ち、K<k)。つまり、第1可動型光学部18を少し動かしただけで、対物レンズ13へ入射するレーザー光の光路を大きく移動させることができる。また、逆にf16>f17とすると、a<1となり、上記レーザー光の移動距離kを上記第1可動型光学部18の移動距離Kよりも小さくすることができるため、入射角の微妙な調整が可能となる。なお、上記の構成によれば、第2可動型光学部19を通過したレーザー光についても、上記第1可動型光学部18を通過したレーザー光と同様に、試料面への入射角を調節しやすくすることができる。
【0067】
本実施の形態においては、全反射型蛍光顕微鏡に接続して使用する光学系を例に挙げている。しかしながら、本発明に係る光学系はこれに限らず、例えば、複数の入射光を必要とする光学顕微鏡、より具体的には、スタンディングウェーブ顕微鏡やCARS顕微鏡などに使用することができる。上記の構成によれば、一つの光源によって、2つの入射光を得ることができるため、用いる光学系の数を減らすことができる。
【0068】
また、本発明に係る光学系は、入射光の角度を変化させることが必要な暗視野顕微鏡、低角照明顕微鏡、光トモグラフィー顕微鏡などにも利用することができる。上記の構成によれば、入射光の角度を自由に変化させることが可能であるため、試料の広範囲に良好な入射光を照射することができるようになり、有用である。
【0069】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る光学系は、光源より発生するレーザー光を対物レンズへ入射させ、上記対物レンズを通過した上記レーザー光を対象物へ照射する光学系において、上記光学系は、上記レーザー光を2つの経路に分割し、異なる位置から対物レンズへ入射させる分光手段を備える構成である。
【0070】
また、本発明に係る顕微鏡は、上記各構成の光学系を備えた構成であり、具体的には、上記各構成の光学系を備える光学顕微鏡または蛍光顕微鏡を挙げることができる。
【0071】
それゆえ、本発明では、異なる入射角で対象物に2つのレーザー光を個別の経路で照射することができる。従って、1つの経路のみで対象物にレーザー光を照射する従来の光学系に比べて、広範囲にレーザー光を照射することができる。そのため対象物を良好に照射することができるという効果を奏する。
【0072】
特に、例えば全反射蛍光顕微鏡法を用いて、蛍光標識された細胞膜を観察する場合に、従来の光学系に比べて広範囲にエバネッセント光を照射することができる。そのため、全ての膜内在性分子および、細胞内外から膜と相互作用する分子の蛍光観察に利用することも可能であり、非常に広範囲に及ぶ研究に利用できるという効果を奏する。
【0073】
さらに、上記光学系は、細胞膜の観察という生物学的研究に利用するだけでなく、屈折率の異なる材料が湾曲した界面で接しているような物を試料として全反射法により蛍光観察する場合にも利用することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る光学系の構成を示す模式図である。
【図2】従来の対物レンズ型全反射蛍光顕微鏡の光学系の構成を示す模式図である。
【図3】図2に示す光学系によって、カバーグラスを通して試料となる細胞にレーザー光が照射された場合に、発生するエバネッセント光の様子を示した模式図である。(a)は、入射角が小さい場合の、また、(b)は、入射角を大きくした場合の試料に照射されるエバネッセント光の様子を示した模式図である。
【図4】屈折率の異なる2つの透明媒質の界面における光の性質を示した模式図である。なお、(a)は、光の入射角が臨界角よりも小さい場合、(b)は、光の入射角が臨界角と等しい場合、(c)は、光の入射角が臨界角よりも大きい場合を示す。
【図5】図1に示す光学系によって、細胞を含む試料にレーザー光が照射された場合の様子を示す模式図である。
【図6】本発明の実施の他の形態に係る光学系の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
10 レーザー発振器(光源)
13 対物レンズ
14 偏光ビームスプリッター(分光手段)
15 直角反射プリズム(反射体)
16・17 レンズ
18 第1可動型光学部(中継光学部、又は可動型光学部)
19 第2可動型光学部(中継光学部、又は可動型光学部)
L1・L1’ 中継レンズ
M1・M1’ 中継ミラー
M2・M3 ミラー
Claims (10)
- 光源より発生するレーザー光を対物レンズへ入射させ、前記対物レンズを通過した前記レーザー光を入射角が臨界角以上となるように対象物へ入射させることによって、エバネッセント光を発生させる光学系において、
前記光学系は、前記光源より出された前記レーザー光を2つの経路に分割し、異なる位置から前記対物レンズへ入射させる分光手段を備え、
前記2つの経路を有するレーザー光を、対物レンズの光軸を挟む別々の位置から同時に前記対象物に入射させることを特徴とする光学系。 - 前記光学系はさらに、前記分光手段により分割された2つの経路を有するレーザー光を対物レンズへ導く導光手段を備え、
前記導光手段は、前記2つの経路を有するレーザー光を、前記対物レンズの光軸に対して平行に入射させることを特徴とする請求項1に記載の光学系。 - 前記導光手段は、前記対物レンズに対して前記2つの経路を有するレーザー光を反射させる1つの反射体と、前記2つの経路を有するレーザー光を経路ごとに受光して前記反射体へ照射する2つの中継光学部とを有し、
前記中継光学部は、前記反射体に対する前記2つの経路を有するレーザー光の照射位置をそれぞれ独立して移動させることができる可動型光学部であることを特徴とする請求項2に記載の光学系。 - 前記可動型光学部は、レーザー光を受光する中継レンズと、前記中継レンズを通過したレーザー光を前記反射体に照射する中継ミラーとを有し、
前記中継レンズと前記中継ミラーとが、常に同じ距離を保ちながら、前記対物レンズの光軸に対して平行に移動することを特徴とする請求項3に記載の光学系。 - 前記反射体は、断面が直角二等辺三角形の形状を有し、かつ前記直角二等辺三角形の等辺を含む2つの面が少なくとも反射面であり、
前記2つの中継光学部は、前記2つの経路を有するレーザー光を、経路ごとに前記2つの面にそれぞれ照射する位置関係となるように配置されることを特徴とする請求項3または4に記載の光学系。 - 前記直角二等辺三角形の頂点は、前記対物レンズの光軸上に配されることを特徴とする請求項5に記載の光学系。
- 前記2つの経路を有するレーザー光の光路の前記対象物への入射角が臨界角となったときの、前記対物レンズ上における前記レーザー光の光路と前記対物レンズの光軸との距離をdとし、
前記対物レンズの径をDとしたときに、
前記反射体の直角二等辺三角形の断面における底辺の長さlは、
2d≦l≦Dを満たすことを特徴とする請求項5または6に記載の光学系。 - 前記分光手段は、前記レーザー光を異なる2つの直線偏光、あるいは、回転方向の異なる2つの円偏光に分割することを特徴とする請求項1ないし7の何れか1項に記載の光学系。
- 請求項1ないし8の何れか1項に記載の光学系を備えることを特徴とする顕微鏡。
- 前記顕微鏡が、光学顕微鏡または蛍光顕微鏡であることを特徴とする請求項9に記載の顕微鏡。
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