JP4629658B2 - ミラーの交換を伴う共焦点装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察対象側に向けられた照明光線を、観察対象から来る検出すべき光線から分離する分離ミラーを交換するための手段を備える共焦点光学装置に関する。

図１は先行技術による共焦点光学装置の一部分を示す図である。レーザ308から出された光線はレンズ300、301により拡大され平行化される。レンズ301を通過した照明光線FEはほぼ平行であり、次に部分反射ミラー302により反射され、次にレンズ304側に方向変換されるが、このレンズは顕微鏡の対物レンズまたは中間レンズとすることができる。レンズ304は、格子300のある点から来る照明光線を、像307の被照明点309に合焦させる。この像は中間像とするか、直接、観察対象とすることができる。被照明点から戻ってくる検出すべき光線FDはレンズ304を逆方向に再度通過し、部分透明ミラー302を通過する。光線はレンズ305を通過し、ろ波の役割を有しレンズ305の焦点面に設置された微細穴306に到達する。図では、部分透明ミラー302はレンズ305の無焦点ゾーン内にある。すなわち、照明光線および検出すべき光線はこのゾーン内ではほぼ平行である。しかしながら共焦点顕微鏡観察においては、部分透明ミラーは必ずしも無焦点ゾーン内に設置されるとは限らない。たとえば微細穴のごく近傍に設置することもできる。蛍光で作動する顕微鏡の場合、通常、部分透明ミラー302は、励起波長および放射波長を分離する二色性ミラーとするか、観察すべき対象によって反射された光を観察する場合には、波長非依存性の分離器とすることができる。

システムが作動するためには、被照明点309は微細穴306と共役させなければならない。しかし、ミラー302が他のミラーと交換されるか取り除かれた後、再度設置された時に、信頼できる方法でそのような共役が再現されるようにするためにはミラー302の位置決め精度は不十分である。実際、ミラーの位置決め精度が悪いと、ミラーによって反射される照明光線の方向が変わり、その結果被照明点が変位し微細穴とは共役しなくなる。励起波長を変えるためのたとえば二色性ミラーの場合、ミラー302の交換が必要である。また無焦点ゾーンに到達する照明線は、異なるものが複数存在することがあり、部分透明ミラーにより、検出すべき光線にそれぞれ重ね合わされる。この場合、別の照明線に対応するミラーにより妨害されることなく照明線を使用することができるようにするためには、各ミラーは取り外し可能でなければならない。

簡略化する目的から、たとえば一対のガルバノミラーあるいは供試体の移動装置とすることができる走査装置は図１には示さなかった。レンズ300をマイクロレンズ格子に置き換え、微細穴306を微細穴の格子に置き換えることにより、図をマルチポイント照明の場合に適合させることができる。

照明レーザの仮想焦点と共役されている対象内の照明光線の焦点と、二色性ミラーの交換の際のろ波用微細穴との間で共役がなくなるという問題は、通常、種々の方法で解決することができる。すなわち、
ａ）微細穴をより寸法の大きい穴に置き換えるよう、面306内に形成される像を著しく拡大し、二色性ミラーを無焦点ゾーンにではなくこの穴の近傍に設置する方法。この方法は光路を著しく長くし、微細穴の格子(マルチポイント照明)のケースには移植することができない。実際、この後者の場合、像を拡大するということは必然的に微細穴の格子全体を拡大することになり、格子の寸法が共焦点装置の通常の寸法とは適合しなくなる。
ｂ）微細穴の位置の再調節システムを用意する方法
ｃ）過大な再調整または頻繁過ぎる再調整を行わないようにし、光路を過度に長くしないようにするために、前記の方法を組み合わせる
ｄ）微細穴に照明光線を通し、照明光線の光路上で微細穴の前、すなわち対象物から戻ってくる光線の光路上の微細穴の後に二色性ミラーを設置する方法。この方法によりシステムは単純になるが、微細穴の寸法を調節すると必ず照明光線に影響が出てしまい、また、照明光線と被観察対象物から戻ってくる検出すべき光線の間の色収差の違いを補正することはできない。したがってこの方法では、結果として、得られる像の画質の低下が生じる。

本発明は、マルチポイント照明の使用に適した方法で、上で言及した技術を特徴付けるような欠点を防ぐことにより、分離ミラー302の交換の際の照明光線の焦点309と微細穴306の間で共役がなくなるという問題を解決することを目的とする。

本発明は、照明光源から出され被照明点に合焦される照明光線を用いて少なくとも1つの被照明点を照明し、被照明点から来る検出すべき光線を微細穴に合焦させるための共焦点光学装置において、第一光線が通過し第二光線を反射する分離ミラーを備え、第一および第二光線のうちの一方が照明光線であり、他方が検出すべき光線であり、分離ミラーが交換可能である装置であって、
分離ミラーとほぼ平行であり第二光線を反射する方向変換ミラーを含むこと、
分離ミラーおよび方向変換ミラーが相互に固設され、その結果、方向変換ミラーおよび分離ミラーが、分離ミラーの交換時に一連の動作で交換される分離ブロックを構成することを特徴とする装置から成る。

たとえば、分離ミラーは二色性ミラーとし、方向変換ミラーを全反射するミラーとすることができる。また、分離ミラーを、部分的に透明なミラー(光線分離器)または全反射するミラーとすることができる。

分離ミラーが方向変換ミラーとは無関係に位置決めされると、分離ミラーの位置決め誤差が第二光線の方向に影響を及ぼすことがあり、したがって分離ミラーを光路外に設置し、次に再度定位置に設置する場合、この方向に再現性があるとはみなすことができないことがある。2つのミラーが固設されているため、結果として、分離ブロックの出力側における第二光線の方向は分離ブロック全体の位置決め誤差の影響を受けない。実際、光線は、光線とミラーの角度の如何にかかわらず、相互に平行な2つのミラーで反射した後、正確に当初の方向をとる。また、平行移動時の分離ブロックの位置決め誤差は光線には影響を及ぼさないことも確認され、分離ブロックの入力側でも出力側でも、光線の位置も方向も影響を受けない。

しかしながら、このようにして形成された分離ブロックの位置決め誤差に対するシステムの感応性を排除するにあたっては、分離ミラーに固設され分離ミラーに平行な方向変換ミラーが存在するだけでは十分ではない。たとえば、分離ブロックの回転位置決め誤差は、第二光線の方向が一定であっても、この光線の応分の移動となって現れる。この移動が、被照明点と微細穴の間における光学的共役の損失となることがある。

本発明によれば、分離ミラーおよび方向変換ミラー(すなわち分離ブロック)を無焦点ゾーン内に設置し、同ゾーン内では照明光線および検出すべき光線をほぼ平行にすればこの問題は解決される。

分離ブロックが無焦点ゾーン内に設置されるため、分離ブロックにおける光線の方向は、光線が合焦される面内のある点に対応し、したがってそのような点の位置(よって、照明光線の焦点と微細穴の共役)は、回転時であっても移動時であっても、分離ブロックの位置決め誤差には影響されない。

本発明は、シングルポイントシステムにもマルチポイントシステムにも適合する。しかしながらマルチポイントの場合、既存のシステムは適用がより難しく、さらには、上で言及した技術（ａ）の場合には不可能である。したがって本発明はマルチポイントシステムに対しきわめて有用であり、その場合、本発明による光学装置は、複数の照明光線を用いて複数の点を照明し、照明される各点からの複数の検出すべき光線を複数の微細穴に合焦させるための手段を含み、前記分離ミラーを複数の第一光線が通過し、前記分離ミラーおよび方向変換ミラーが複数の第二光線を反射し、前記第一光線は照明光線であり、または前記第二光線は検出すべき光線であるか、または前記第一光線は検出すべき光線であり、前記第二光線は照明光線である。

前記分離ミラーはたとえば、二色性ミラーまたは中性波長部分透過ミラーとすることができる。方向変換ミラーは全反射ミラーであるのが好ましい。

分離ブロックの交換ができるよう、本発明による装置は、それぞれが1つの分離ミラーおよび対応する1つの方向変換ミラーを備える複数の分離ブロックと、光路に複数の前記分離ブロックを互いに交互に配置するための手段を含むのが好ましい。この手段はたとえば、スライダ、あるいは軸を中心として回転するホイールとすることができる。

分離ミラーと方向変換ミラーが完全に平行ではない場合、分離ブロックの出力側の第二光線の方向は、分離ブロックの入力側の光線の方向から若干変わっていることがある。被照明点と微細穴の共役をなくすことなく複数の分離ブロックの交換が行えるようにするためには、全ての交換可能なブロックから発せられる光線の方向の変化が、きわめて高い精度で同じであることが必要である。複数の組み立て部品を含む分離ブロックではこれを実現することは難しい。本発明の好ましい形態によれば、分離ミラーおよび方向変換ミラーは平行面を有する薄板の対向する2つの面上に設置される。

この薄板は、
第二光線の光学的行程に、平行面を有する薄板の最初の通過、第一ミラーでの反射、平行面を有する薄板の二回目の通過、第二ミラーでの反射、平行面を有する薄板の三回目の通過が相次いで含まれ、第一および第二ミラーの一方が方向変換ミラーとなり他方が分離ミラーとなり、
第一光線の光学的行程に、平行面を有する薄板の通過と分離ミラーの通過が含まれる
よう配置される。

分離ミラーおよび方向変換ミラーは平行面を有する薄板に薄い層を付着させることにより作製される。薄板は、光線が有効に分離されるよう十分厚くなければならない。この状態では、複数の分離ブロックを構成する薄板の面の平行度が良好であれば、これらのブロックの互換性が確保される。これは光学機器の工場であれば容易に実現可能である。互換性がある分離ブロックを構成する薄板の面が完全には平行でない場合、互換性がある分離ブロック全てについてこれらの面間の角度が同じでなければならない。

光線の分離が可能な平行面を有する薄板は、ユニットとしての共焦点装置と同じように、本発明の必要不可欠な部分を成している。したがって本発明はまた、平行面を有する薄板で構成され、
前記薄板の第一面が、少なくとも1つの薄い層を付着させることにより二色性ミラーまたは部分反射ミラーが作製され、第一光線が通過し第二光線を反射するようになっている第一ゾーンを含み、
前記薄板の第一面が、第二光線が通過するようになっている非反射第二ゾーンを含み、
前記薄板の第一面に対向する第二面が、少なくとも1つの薄い層を付着させることにより方向変換ミラーが作製され、第二光線を反射するようになっている第三ゾーンを含み、
前記薄板の第二面が、第一光線および第二光線が通過するようになっている非反射第四ゾーンも含む
ことを特徴とする共焦点光学装置のための分離ブロックでも構成される。

実際、そのような分離ブロックにより、第一光線および第二光線を変化させることなく第二光線から第一光線を分離することが可能である。分離ブロックは特に共焦点顕微鏡内で使用するようになっているが、光線の方向を変えない分離ブロックの再現性のある交換を必要とする他の装置内でも使用することが可能である。

図２は本発明による装置の単純な実施例を示す図である。システムは図１のシステムと同一であるが、分離ミラー302は、分離ミラー321および方向変換ミラー320から成り無焦点ゾーンに位置する分離ブロックに置き換えられている。

図３および図４は分離ブロックの個別の実施形態を示す図である。分離ブロックは、上に分離ミラーが作製された表面401と、上に方向変換ミラーが作製された表面400を備えるガラス部品403を含む。分離ミラーを通過する光線の部分の軌跡を妨げないようにするために第二のガラス部品402を使用する必要がある。照明光線FEおよび検出光線FDの光路は点線で示してある。図５に示すように、独立した複数の分離ブロック410、411、412は、これらのブロックを相次いで光路の中に持ってくることができるスライダ414内で結合することができる。

場合によっては、スライダが、アセンブリー413の他にはただ1つの分離ブロック412しか含まないようにすることもでき、この場合、スライダは分離ブロックの位置決めまたは取り外しにのみ用いられる。別々の2つの分離ブロックが光線を異なる方向に向けるを防止するために、一般に、面400と401の間の平行度および面404と406の間の平行度においてきわめて高い精度を実現するのが望ましい。しかしながら、分離ブロック413のみが使われる場合、この精度は、同じアセンブリーが設置され、取り外され、再度設置される時の共役特性の再現性にはほとんど影響しないため、この精度の必要度は低くなる。面404、406、405も相互に完璧に平行でなければならない。

図６は本発明による別のタイプの分離ブロックを示す図である。このブロックは、光線を通すために穿孔された担体500を備え、担体の上には分離ミラー501および方向変換ミラー502が設置される。照明光線は穴503を通り、方向変換ミラー502によって反射され、分離ミラー501によって反射され、穴504を通って装置から出る。ミラー501および502はガラス薄板上に反射層を付着させることにより作製される。これらミラーは、ミラーの周囲に圧力を印加するスチール製の弾性要素、たとえば505および506により担体500の表面に押圧される。これらミラーは接着剤層によって固定することもできる。担体500自体もガラス製である場合、「分子接着」もまた可能である。ただ1つのスライダ上で複数の分離ブロックを結合することができる。この場合、これらのアセンブリーを容易に交換できるようにするためには、方向変換ミラー502および分離ミラー501がそれぞれ取り付けられる表面同士の平行度はきわめて高い精度で実現する必要がある。この制約は、図６に示すタイプの複数の担体をただ1つの部品で作製することにより、軽減することができる。たとえば図７は、図６のミラー501に相当する部分透明第一ミラー511から514と、穴510と、図６の穴503に相当する穴521から525を含む多重担体520を示す図である。複数の部分透明ミラーを連続して使用する時でも、また、2つのミラー501、502の表面間に若干の平行度不良が残っている時でも、光線の方向について良好な再現性を得るには、このようにして作製された多重担体の表面の平面度が良好であるだけでよい。ただし、必要な精度で、分離ミラーおよび方向変換ミラーを支持面で位置決めすることは依然として難しい。

スライダはモータ駆動することが可能である。しかしながら、軸を中心として回転するホイールに複数の分離ブロックを取り付けることも可能であり、それにより、スライダシステムと比較して摩擦を軽減し、モータ駆動を簡略化することができる。

図８は、単独で容易に交換できる分離ブロックを過度の技術的困難さをともなうことなく作製することが可能な分離ブロックの好ましい実施形態を示す図である。実際、上で記述した実施形態は、本発明の装置の種々の画像面間の一対一共役関係を妨害することなく、個々の分離ブロックが互換性を有するのに必要な精度で実施するのは難しい。図８に示す分離ブロックがこの問題を解決する。この分離ブロックは十分な厚さをもった平行面を有する薄板600から成り、その上に、薄い層の付着(たとえば二色性ミラーの場合には多層付着)により分離ミラー602が作製され、薄い層の付着(通常は金属層または多層付着)により方向変換ミラー603も作製される。照明光線FEは、反射防止処理をすることができるゾーン604から平行面を有する薄板内に入り、薄板を通過し、方向変換ミラー603に達し、このミラーにより反射される。同光線は再度平行面を有する薄板を通過し、分離ミラー602により反射される。最後に同光線は平行面を有する薄板内に入り、反射防止処理することができるゾーン601を経て薄板から出る。検出すべき光線FDはゾーン601から薄板内に入り、薄板を通過し、ミラー602に達しこれを通過する。図９に示すように、図８に示すタイプの複数の分離ブロック701、702、703、704を、あるブロックから他のブロックに移動することができるスライダ700内に結合することができる。通常、平行面を有する薄板はガラス製とすることができ、ガラス製薄板上に完全に平行な2つの面を作製することについては技術的な問題は生じない。平行面を有する薄板の寸法は光線の幅によって異なるが、通常、15mm(分離ミラー602およびミラー603を支承する面間の厚さ)×15mm(幅)×45mm(長さ)とすることができる。したがってこの方法により、たとえばホイールまたはスライダに取り付けるようになっている容易に互換できる分離ブロックを妥当なコストで得ることができる。

この装置は、光線が横方向にシフトするが、これは図２のレンズをその分だけシフトすることにより相殺することができる。図１０は、例として、図８で記述した平行面を有する薄板600を使用する場合のために改造した図２の構成を示す。図２と同じ符号を残した他、図８で使われ図２のミラー321および320にそれぞれ対応する符号602、603を加えた。図１１は、マルチポイント照明および図８で記述した分離ブロックを使用する場合の、本発明の好ましい実施形態を示す。コリメートされたレーザ光800はマイクロレンズ格子801により複数の照明光線FEに分離される。図には、これらの光線の1本を実線で示し、他の1本を点線で示した。次に照明光線はレンズ802を通過するが、このレンズ以降は各照明光線はほぼ平行である。光線はミラー803により反射される。次に照明光線は、平行面を有する薄板600から成る分離ブロックに到達する。照明光線は薄板内に入り、ミラー603および602により反射され、次に薄板から出る。照明光線は、対物レンズ804を通過し、対象物807の被照明点に合焦される。次に、被照明点から送られてくる検出すべき光線FDは、対物レンズ804を通過し、平行面を有する薄板600およびミラー602を通過し、レンズ805を通過し、微細穴800の格子の穴に合焦される。走査装置は図示しなかったが、通常はガルバノミラーとすることができ、平行面を有する薄板と対物レンズ804の間に設置する。

諸図上では常に、検出すべき光線が分離ミラーを通過するようにした。検出すべき光線を反射されるようにし、照明光線が分離ミラーを通過するようにすることも可能であり、このことは本発明の趣旨を変えるものではない。

記述された装置により、共焦点、特にマルチポイント顕微鏡内の二色性ミラーのすばやく確実な交換が可能である。この交換はたとえば、複数の蛍光マーカを使用してマークされた細胞の観察時に、各マーカに対応する画像を連続的に取得するのに必要である。

先行技術による共焦点光学装置を示す図である。 本発明による共焦点光学装置を示す図である。 本発明による分離ブロックの斜視図である。 同じ分離ブロックの断面図である。 ミラー交換スライダの中心で結合された複数の分離ブロックを示す図である。 別のタイプの分離ブロックの断面図である。 図６に示すタイプの複数の分離ブロックを結合するスライダを示す図である。 好ましいタイプの分離ブロックを示す図である。 スライダ内における図８に示すタイプの複数の分離ブロックの結合を示す図である。 図８の分離ブロックを使用する本発明によるシングルポイント共焦点装置を示す図である。 図８の分離ブロックを使用する本発明によるマルチポイント共焦点装置を示す図である。

符号の説明

300 照明光源
301、302 部分透明ミラー
304 レンズ
305 レンズ
306 微細穴
307 像
308 レーザ
309 被照明点
320、321 平行ミラー
400 上に方向変換ミラーが作製された表面
401 上に分離ミラーが作製された表面
402 第二のガラス部品
403 ガラス部品
410、411、412、413 分離ブロック
414 スライダ
500 担体
501 分離ミラー
502 方向変換ミラー
503、504 穴
505、506 弾性要素
510 穴
511、512、513、514 部分透明第一ミラー
520 多重担体
521、522、523、524、525 穴
600 平行面を有する薄板
601、604 ゾーン
602 分離ミラー
603 方向変換ミラー
700 スライダ
701、702、703、704 分離ブロック
800 レーザ光
801 マイクロレンズ格子
802 レンズ
803 ミラー
804 対物レンズ
805 レンズ
807 対象物
FE 照明光線
FD 検出すべき光線

Claims (11)

1. 照明光源から出され複数の被照明点に合焦される複数の照明光線を用いて前記複数の被照明点を照明し、前記複数の被照明点のそれぞれから来る検出すべき複数の光線のそれぞれを微細穴に合焦させるための共焦点光学装置において、
   -第一の複数の光線(FD)が通過し第二の複数の光線(FE)を反射する分離ミラーを備え、前記第一の複数の光線および前記第二の複数の光線のうちの一方が前記複数の照明光線(FE)であり、他方が前記検出すべき複数の光線(FD)であり、前記分離ミラーが交換可能である装置であって、
   -前記分離ミラーとほぼ平行であり前記第二の複数の光線を反射する方向変換ミラーを含むこと、
   -前記分離ミラーが前記方向変換ミラーに取り付けられ、その結果、前記方向変換ミラーおよび前記分離ミラーが、分離ミラーの交換時に一体に交換される分離ブロックを構成すること
   を特徴とする装置。
2. 前記分離ミラーおよび前記方向変換ミラーが無焦点ゾーン内に設置され、同ゾーン内では各照明光線および検出すべき各光線が互いにほぼ平行であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記分離ミラーおよび前記方向変換ミラーが、平行面を有する薄板の対向する2つの面上に設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記分離ミラーおよび前記方向変換ミラーが、前記平行面を有する薄板に薄い層を付着させることにより作製されることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 前記平行面を有する薄板が、
   前記第二の複数の光線(FE)の光路に、前記平行面を有する薄板の最初の通過、第一ミラーでの反射、前記平行面を有する薄板の二回目の通過、第二ミラーでの反射、前記平行面を有する薄板の三回目の通過が相次いで含まれ、前記第一ミラーおよび前記第二ミラーの一方が前記方向変換ミラーとなり他方が前記分離ミラーとなり、
   前記第一の複数の光線(FD)の光路に、前記平行面を有する薄板の通過と前記分離ミラーの通過が含まれる
   よう配置されることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. 前記分離ミラーが二色性ミラーであり、前記方向変換ミラーが全反射ミラーであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記分離ミラーが波長非依存性の分離器であり、前記方向変換ミラーが全反射ミラーであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
8. それぞれが１つの分離ミラーおよび対応する１つの方向変換ミラーを備える複数の分離ブロックを具備すること、および前記光路に複数の前記分離ブロックを互いに交互に配置するための手段
   を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 配置するための前記手段がスライダであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 配置するための前記手段が、一軸を中心として回転し前記分離ブロックが取り付けられたローラであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 平行面を有する薄板であって、
    前記薄板の第１の面が、
    少なくとも一つの薄い層をその上に付着させることで二色性ミラー又は部分的に反射性のミラーが作製されていると共に、前記第１の複数の光線を通過させ、且つ前記第２の複数の光線を反射する第１の領域と、
    非反射性であると共に前記第２の複数の光線を通過させる第２の領域とを備え、
    前記第１の面に対向する前記薄板の第の２面が、
    少なくとも一つの薄い層をその上に付着させることで前記方向変換ミラーが作製されていると共に前記第２の複数の光線を反射する第３の領域と、
    非反射性を有すると共に前記第１の複数の光線及び前記第２の複数の光線を通過させる第４の領域とを備える、平行面を有する薄板からなることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置のための分離ミラー。

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