JP4332730B2 - レーザ共焦点顕微鏡 - Google Patents
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Description
本発明は、回転式のピンホールディスクを用いたレーザ共焦点顕微鏡において、ピンホールディスクの回転に同期した輝度の変動を低減出来るレーザ共焦点顕微鏡に関するものである。
レーザ共焦点顕微鏡に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
従来よりニポウディスク型光スキャナ装置を用いた共焦点顕微鏡はよく知られている。 この種の共焦点顕微鏡において撮像装置を備えたものとして、例えば特願昭６３−５０３２２９号「走査式共焦点光学顕微鏡」に記載の顕微鏡がある。
図５にその要部構成を示す。
図において、光源（図示せず）からの入射光１が偏光子２によって偏光され、その偏光された光はビームスプリッタ３を通過してニポウディスク４に入射する。
図５にその要部構成を示す。
図において、光源（図示せず）からの入射光１が偏光子２によって偏光され、その偏光された光はビームスプリッタ３を通過してニポウディスク４に入射する。
ニポウディスク４には多数のピンホールが設けられていて、モータ５によって回転するようになっている。
なお、ここではニポウディスク４とモータ５から成る部分がニポウディスク型光スキャナ装置に相当する。
なお、ここではニポウディスク４とモータ５から成る部分がニポウディスク型光スキャナ装置に相当する。
入射光１は前記ピンホールによって回折され、回折光は１／４波長板６を通過して円偏光となって対物レンズ７上に集束し、試料８に照射される。
試料８で反射した光は再び対物レンズ７により集束され、１／４波長板６を通過（ここで円偏光から直線偏光に変わる）した後同一のピンホール上に結像する。
試料８で反射した光は再び対物レンズ７により集束され、１／４波長板６を通過（ここで円偏光から直線偏光に変わる）した後同一のピンホール上に結像する。
ピンホールを通過した光はビームスプリッタ３で直角方向に偏向され検光子９に入射される。この入射光をピンホール上に合焦させたリレーレンズ１０を介して撮像装置（例えばテレビカメラ）１１で見ることにより試料面の像を観測することができる。
次に、特開平９−０８０３１５号公報に記載の顕微鏡に付いて説明する。
ニポウディスク型の光スキャナにおいては、１回転内でニポウディスク上に形成されたピンホール群へのレーザ光入射位置がニポウディスクの偏芯によって変動し出射パワーの変化をひき起こす。
ニポウディスク型の光スキャナにおいては、１回転内でニポウディスク上に形成されたピンホール群へのレーザ光入射位置がニポウディスクの偏芯によって変動し出射パワーの変化をひき起こす。
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラのように一定周期で撮像を繰り返す撮像装置で撮像を行う場合、光スキャナ装置のスキャン周期と撮像装置との撮像周期との間に差があるとこの差によりスキャンむらが生じ、そのため撮像画面に明暗の縞が現れるという欠点があった。
特開平９−０８０３１５号公報に記載の顕微鏡はその対策として、スキャン周期と撮像装置の撮影周期との同期を取ることによりスキャンむらを解消するようにしたものである。
特開平９−０８０３１５号公報に記載の顕微鏡はその対策として、スキャン周期と撮像装置の撮影周期との同期を取ることによりスキャンむらを解消するようにしたものである。
図６は、ニポウディスク型光スキャン装置の他の従来例を示す構成説明図、図７はニポウディスクの上面図である。
図において、２０はニポウディスクであり、図７に示すように、試料のスキャンを目的とする多数のピンホールから成るスキャントラック２０１（斜線部）と、その外側の任意の円周上にスキャンの始点に対応して配置されたスキャン始点検出用ピンホール２０２（スキャン始点が４箇所ある場合を例にとってある）を有する。
図において、２０はニポウディスクであり、図７に示すように、試料のスキャンを目的とする多数のピンホールから成るスキャントラック２０１（斜線部）と、その外側の任意の円周上にスキャンの始点に対応して配置されたスキャン始点検出用ピンホール２０２（スキャン始点が４箇所ある場合を例にとってある）を有する。
２１は光検出器としてのフォトダイオードであり、スキャン始点検出用ピンホール２０２の透過光を受光できる位置に配置されている。
２２は電流電圧変換回路であり、フォトダイオード２１で発生した電流を電圧に変換する。
２３は電圧比較回路であり、電流電圧変換回路２２からの信号を基準電圧２４と比較し、信号電圧の大小を２値化して出力する。
２２は電流電圧変換回路であり、フォトダイオード２１で発生した電流を電圧に変換する。
２３は電圧比較回路であり、電流電圧変換回路２２からの信号を基準電圧２４と比較し、信号電圧の大小を２値化して出力する。
２５は外部接続の撮像装置であり、電圧比較回路２３の出力を撮影同期信号（トリガ信号）として受け取る。
なお、図６では試料への光照射、試料からの反射光の経路などについては説明を簡潔にするため省略してある。
なお、図６では試料への光照射、試料からの反射光の経路などについては説明を簡潔にするため省略してある。
このような構成における動作を次に説明する。ニポウディスク２０の表面に入射光１を照射する。
入射光１のビーム断面の直径は、スキャントラック２０１およびスキャン始点検出用ピンホール２０２を両方照射できるように設定されている。
入射光１のビーム断面の直径は、スキャントラック２０１およびスキャン始点検出用ピンホール２０２を両方照射できるように設定されている。
ニポウディスク２０を回転させることにより、スキャントラック２０１を透過した入射光は試料（図示せず）を多点スキャンする。
他方、スキャン始点検出用ピンホール２０２を透過した入射光は、スキャン始点検出用ピンホール２０２がフォトダイオード２１の上を通過するごとにフォトダイオード２１で受光される。
他方、スキャン始点検出用ピンホール２０２を透過した入射光は、スキャン始点検出用ピンホール２０２がフォトダイオード２１の上を通過するごとにフォトダイオード２１で受光される。
このとき、フォトダイオード２１からの出力電流はパルス状に変化するので、この電流変化を電流電圧変換回路２２で電圧に変換した後、所定の基準電圧をしきい値とする電圧比較回路２３に入力することにより、出力としてスキャン周期と同一の周期をもつ電圧パルス列を取り出すことができる。
このパルス列をトリガ信号として外部の撮像装置２５に与え、光スキャナ装置と撮像装置２５との同期をとることができる。
撮像装置２５はそのトリガによってフレームの取り込みを行う。
結果的にニポウディスク２０が同じ角度にある状態でフレームの取り込みが行われ、角度に依存したパワー変動に対して撮影された画像の明るさをフレーム間では安定化することが出来る。
撮像装置２５はそのトリガによってフレームの取り込みを行う。
結果的にニポウディスク２０が同じ角度にある状態でフレームの取り込みが行われ、角度に依存したパワー変動に対して撮影された画像の明るさをフレーム間では安定化することが出来る。
生細胞の観察において、より高速な撮影が求められている。
その対策として、ニポウディスクの回転数を数倍早くすることは、装置への振動をひき起こすため望ましくない。
したがってニポウディスクの１回転中に数フレームの画像取り込みが必要となる。
その対策として、ニポウディスクの回転数を数倍早くすることは、装置への振動をひき起こすため望ましくない。
したがってニポウディスクの１回転中に数フレームの画像取り込みが必要となる。
その際に、１回転内でニポウディスク上に形成されたピンホール群へのレーザ光入射位置が、ニポウディスクの偏芯によって変動し、出射パワーの変化をひき起こし、連続した画像間で明るさの変化を生んでしまう。
このことで、生細胞の観察において、輝度変化が細胞の反応変化として捉えられ、測定の精度を低減してしまうという問題点がある。
このことで、生細胞の観察において、輝度変化が細胞の反応変化として捉えられ、測定の精度を低減してしまうという問題点がある。
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、ニポウディスクが用いられたレーザ共焦点顕微鏡において、光源の出力変動とは独立したスキャナの状態に依存する１回転内で発生する透過率変動を補正する機構を提供することを目的とする。
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１のレーザ共焦点顕微鏡においては、
回転式のピンホールディスクを用いたレーザ共焦点顕微鏡において、
前記ピンホールディスクの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記ピンホールディスクの回転角度に対応する光スキャナ部の透過率変化を検出する透過率センサ部と、前記ピンホールディスクの回転角度に対する透過率変化を記憶する記憶部と、測定使用される回転角度に対応して前記記憶部に記憶された当該回転角度に対する透過率変化値の逆数に相当する信号を出力する任意波形発生部と、レーザ光源の後に設置され前記任意波形発生部の信号に基づきレーザ光のパワーを制御する可変減衰部とを具備したことを特徴とする。
回転式のピンホールディスクを用いたレーザ共焦点顕微鏡において、
前記ピンホールディスクの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記ピンホールディスクの回転角度に対応する光スキャナ部の透過率変化を検出する透過率センサ部と、前記ピンホールディスクの回転角度に対する透過率変化を記憶する記憶部と、測定使用される回転角度に対応して前記記憶部に記憶された当該回転角度に対する透過率変化値の逆数に相当する信号を出力する任意波形発生部と、レーザ光源の後に設置され前記任意波形発生部の信号に基づきレーザ光のパワーを制御する可変減衰部とを具備したことを特徴とする。
本発明の請求項２のレーザ共焦点顕微鏡においては、請求項１記載のレーザ共焦点顕微鏡において、
前記ニポウディスクの入射光側に配置されニポウディスクのピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの集光光がニポウディスクの対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスクが前記光スキャナ部分に設けられたことを特徴とする。
前記ニポウディスクの入射光側に配置されニポウディスクのピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの集光光がニポウディスクの対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスクが前記光スキャナ部分に設けられたことを特徴とする。
本発明の請求項３においては、請求項１又は請求項２記載のレーザ共焦点顕微鏡において、
前記透過率センサ部は、着脱自由であることを特徴とする。
前記透過率センサ部は、着脱自由であることを特徴とする。
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
ニポウディスクの回転角度に対応して、可変減衰部から出力されるレーザ光の強度は、ニポウディスクの回転によって生じる出射パワーの変動を打ち消すようにフィードフォワード制御がかけられるので、１回転内でも安定した明るさの画像を撮影することが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
ニポウディスクの回転角度に対応して、可変減衰部から出力されるレーザ光の強度は、ニポウディスクの回転によって生じる出射パワーの変動を打ち消すようにフィードフォワード制御がかけられるので、１回転内でも安定した明るさの画像を撮影することが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
ニポウディスクの入射光側に配置されニポウディスクのピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの集光光がニポウディスクの対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスクが光スキャナ部分に設けられた。
従って、ニポウディスクのピンホールへの入射光の結合効率が向上されたレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
ニポウディスクの入射光側に配置されニポウディスクのピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの集光光がニポウディスクの対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスクが光スキャナ部分に設けられた。
従って、ニポウディスクのピンホールへの入射光の結合効率が向上されたレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
透過率センサ部は、着脱自由であるので、透過率センサ部はレーザ共焦点顕微鏡の初期調整時のみ必要で、実使用時には不要である。
即ち、レーザ共焦点顕微鏡の実使用時においては、制御装置内の記憶部に格納された角度変化に対応する輝度変化を元に制御をかけるので、透過率センサ部は、実使用時に光路内に入れる必要が無い。
透過率センサ部は、着脱自由であるので、透過率センサ部はレーザ共焦点顕微鏡の初期調整時のみ必要で、実使用時には不要である。
即ち、レーザ共焦点顕微鏡の実使用時においては、制御装置内の記憶部に格納された角度変化に対応する輝度変化を元に制御をかけるので、透過率センサ部は、実使用時に光路内に入れる必要が無い。
光路内に入れようとすると、ハーフミラーでパワーの一部を取り出したり、画角の一部を検出器用に削る必要があり、パワーや画角のロスとなる。
請求項３の発明によれば、レーザ光を有効に使うことが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
請求項３の発明によれば、レーザ光を有効に使うことが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２〜図４は図１の動作説明図である。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２〜図４は図１の動作説明図である。
レーザ光源３１はレーザ共焦点顕微鏡にレーザ光を供給する。
この場合は、レーザ発振器が使用されている。
光ファイバ３３は、一端がレーザ発振器３１に接続されている。
可変減衰部３２は、光ファイバ３３の途中に設けられレーザ光線に強度変調をかける。
この場合は、レーザ発振器が使用されている。
光ファイバ３３は、一端がレーザ発振器３１に接続されている。
可変減衰部３２は、光ファイバ３３の途中に設けられレーザ光線に強度変調をかける。
この場合は、可変減衰機構３２は光音響光学素子で形成され、数ＫＨｚの高速な周波数応答性能を有する。
レーザ光線は、光ファイバ３３の他端からレンズ３４に入射され所定面積を有する入射光３５として、この場合は、マイクロレンズアレイ円板３６を介して、ニポウディスク円板３７に入射される。
レーザ光線は、光ファイバ３３の他端からレンズ３４に入射され所定面積を有する入射光３５として、この場合は、マイクロレンズアレイ円板３６を介して、ニポウディスク円板３７に入射される。
マイクロレンズアレイ円板３６とニポウディスク円板３７はパルスモータ３８の回転軸に固定されており、マイクロレンズアレイ円板３６の各マイクロレンズがニポウディスク円板３７上のピンホールに１：１で焦点を結ぶように設計・調整されている。
ニポウディスク円板３７の外周の一点にスリットパターンが設けられ、フォトセンサ３９によって、ニポウディスク円板３７が特定の角度になった際に、パルス信号を発生させる。
即ち、フォトセンサ３９は、ピンホールディスクの回転角度を検出する回転角度検出部を構成する。
即ち、フォトセンサ３９は、ピンホールディスクの回転角度を検出する回転角度検出部を構成する。
透過率センサ部４０は、ニポウディスク円板３７を透過した入射光３５のニポウディスク円板３７の角度変化に対応する輝度変化を測定する。この場合は、輝度検出器が使用されている。
フォトセンサ３９の出力信号は、ニポウディスク円板３７の回転角度との対応において、フォトセンサ３９からのパルスを原点信号とし、パルスモータ３８に送るパルスを内挿信号として用いられる。
フォトセンサ３９の出力信号は、ニポウディスク円板３７の回転角度との対応において、フォトセンサ３９からのパルスを原点信号とし、パルスモータ３８に送るパルスを内挿信号として用いられる。
ニポウディスク円板３７の角度変化に対応する輝度変化は、制御装置４１内の記憶部４１１に格納される。
任意波形発生部４２は、測定使用されるニポウディスク円板３７の回転角度に対応して、記憶部４１１に記憶された当該回転角度に対する透過率変化値の、逆数に相当する信号を前記可変減衰部３２に出力する。
任意波形発生部４２は、測定使用されるニポウディスク円板３７の回転角度に対応して、記憶部４１１に記憶された当該回転角度に対する透過率変化値の、逆数に相当する信号を前記可変減衰部３２に出力する。
以上の構成において、レーザ共焦点顕微鏡の実使用時においては、フォトセンサ３９からのパルス信号を原点信号とし、制御装置４１内の記憶装置４１１に格納された角度変化に対応する輝度変化の測定値を基に、輝度変化の逆数を演算して任意波形発生装置４２から電気信号として出力し、可変減衰機構３２によって透過率変化に変換し、光ファイバ３３に入射するレーザ強度に変調をかける。
図３に時間変化Ｔに対するフォトセンサ３９からのパルス信号Ｓ１の様子を示す。
それに対する輝度検出器４０で得られる輝度変化Ｓ２の例を図４に示す。輝度はニポウディスク円板３７の回転と同期して生じる。
図５に任意波形発生装置４２から可変減衰機構３２に出力する電気信号Ｓ３の様子を示す。
可変減衰機構３２から出力されるレーザ光の強度はこの電気信号に比例する。
それに対する輝度検出器４０で得られる輝度変化Ｓ２の例を図４に示す。輝度はニポウディスク円板３７の回転と同期して生じる。
図５に任意波形発生装置４２から可変減衰機構３２に出力する電気信号Ｓ３の様子を示す。
可変減衰機構３２から出力されるレーザ光の強度はこの電気信号に比例する。
この結果、
ニポウディスク３７の回転角度に対応して、可変減衰部３２から出力されるレーザ光の強度は、ニポウディスク３７の回転によって生じる出射パワーの変動を打ち消すようにフィードフォワード制御がかけられるので、１回転内でも安定した明るさの画像を撮影することが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
ニポウディスク３７の回転角度に対応して、可変減衰部３２から出力されるレーザ光の強度は、ニポウディスク３７の回転によって生じる出射パワーの変動を打ち消すようにフィードフォワード制御がかけられるので、１回転内でも安定した明るさの画像を撮影することが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
ニポウディスク３７の入射光側に配置され、ニポウディスク３７のピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイ３６を有し、マイクロレンズアレイ３６の各マイクロレンズの集光光がニポウディスク３７の対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスク３６が光スキャナ部分に設けられた。
従って、ニポウディスク３７のピンホールへの入射光の結合効率が向上されたレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
従って、ニポウディスク３７のピンホールへの入射光の結合効率が向上されたレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
透過率センサ部４０は、着脱自由であるので、透過率センサ部４０はレーザ共焦点顕微鏡の初期調整時のみ必要で、実使用時には不要である。
即ち、レーザ共焦点顕微鏡の実使用時においては、制御装置４１内の記憶部４１１に格納された角度変化に対応する輝度変化を基に制御をかけられるので、透過率センサ部４０は、実使用時に光路内に入れる必要が無い。
即ち、レーザ共焦点顕微鏡の実使用時においては、制御装置４１内の記憶部４１１に格納された角度変化に対応する輝度変化を基に制御をかけられるので、透過率センサ部４０は、実使用時に光路内に入れる必要が無い。
光路内に入れようとすると、ハーフミラーでパワーの一部を取り出したり、画角の一部を検出器用に削る必要があり、パワーや画角のロスとなる。
要するに、請本発明によれば、レーザ光を有効に使うことが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
要するに、請本発明によれば、レーザ光を有効に使うことが出来るレーザ共焦点顕微鏡が得られる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
１ 入射光１
２ 偏光子
３ ビームスプリッタ
４ ニポウディスク
５ モータ
６ １／４波長板
７ 対物レンズ
８ 試料
９ 検光子
１０ リレーレンズ
１１ 撮像装置
２０ ニポウディスク
２０１ スキャントラック
２０２ スキャン始点検出用ピンホール
２１ フォトダイオード
２２ 電流電圧変換回路
２３ 電圧比較回路
２４ 基準電圧
２５ 撮像装置
３１ レーザ光源
３２ 可変減衰機構
３３ 光ファイバ
３４ レンズ
３５ 入射光
３６ マイクロレンズアレイ円板
３７ ニポウディスク円板
３８ パルスモータ
３９ フォトセンサ
４０ 撮透過率センサ部
４１ 制御装置
４１１ 記憶部
４２ 任意波形発生装置
Ｓ１ パルス信号
Ｓ２ 輝度変化
Ｓ３ 電気信号
Ｔ 時間
２ 偏光子
３ ビームスプリッタ
４ ニポウディスク
５ モータ
６ １／４波長板
７ 対物レンズ
８ 試料
９ 検光子
１０ リレーレンズ
１１ 撮像装置
２０ ニポウディスク
２０１ スキャントラック
２０２ スキャン始点検出用ピンホール
２１ フォトダイオード
２２ 電流電圧変換回路
２３ 電圧比較回路
２４ 基準電圧
２５ 撮像装置
３１ レーザ光源
３２ 可変減衰機構
３３ 光ファイバ
３４ レンズ
３５ 入射光
３６ マイクロレンズアレイ円板
３７ ニポウディスク円板
３８ パルスモータ
３９ フォトセンサ
４０ 撮透過率センサ部
４１ 制御装置
４１１ 記憶部
４２ 任意波形発生装置
Ｓ１ パルス信号
Ｓ２ 輝度変化
Ｓ３ 電気信号
Ｔ 時間
Claims (3)
- 回転式のピンホールディスクを用いたレーザ共焦点顕微鏡において、
前記ピンホールディスクの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記ピンホールディスクの回転角度に対応する光スキャナ部の透過率変化を検出する透過率センサ部と、
前記ピンホールディスクの回転角度に対する透過率変化を記憶する記憶部と、
測定使用される回転角度に対応して前記記憶部に記憶された当該回転角度に対する透過率変化値の逆数に相当する信号を出力する任意波形発生部と、
レーザ光源の後に設置され前記任意波形発生部の信号に基づきレーザ光のパワーを制御する可変減衰部と
を具備したことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。 - 前記ニポウディスクの入射光側に配置されニポウディスクのピンホールパターンと同一パターンのマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの集光光がニポウディスクの対応するピンホールに入射するように構成されたマイクロレンズアレイディスクが前記光スキャナ部分に設けられたこと
を特徴とする請求項１記載のレーザ共焦点顕微鏡。 - 前記透過率センサ部は、着脱自由であること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ共焦点顕微鏡。
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