JP4671463B2 - 照明光学系及び照明光学系を備えた顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は顕微鏡に関し、特に全反射を利用して試料を照明する照明光学系、及び該照明光学系を備えた蛍光顕微鏡に関する。また、従来の落射照明光学系による照明と全反射を利用した照明の両方を使用できる顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生物学の研究において、全反射を利用した照明（以下、エヴァネッセント照明とする）が蛍光色素の励起方法に用いられることが多くなってきている。その理由は、照明範囲が試料の深さ方向に対して極めて浅いため、バックグランドの影響を受けず、試料の表面付近の情報が高感度で得られるためである。
【０００３】
従来の落射照明光学系とエヴァネッセント照明とを具体的に比較すると、以下のようになる。従来の落射照明では図１１に示すように、照明光は対物レンズを介して光軸に沿ってカバーガラス上の試料（図示せず）に照射される。この時、対物レンズの焦点位置近傍が最も照明強度が強く、焦点位置から離れるにしたがって照明強度は弱くなる。このように、照明光は試料の深さ方向に強度分布が変化しているがある範囲内で強度を有するため、その範囲に応じた試料の深さ方向すべての蛍光色素がほとんど励起されてしまう。そのため、対物レンズの焦点面以外の蛍光はバックグラウンド光となって観察され、Ｓ／Ｎ比を落としてしまう。
【０００４】
一方、エヴァネッセント照明は図１２に示すように、照明光は対物レンズを介して照射されるが、照明光は光軸に対して斜め方向から照射される。この時の照射角度は、カバーガラスと試料の境界で全反射が発生するよう角度に設定されている。ただし、照明光はこの境界で全て反射されるのではなく、一部のごくわずかの光はカバーガラスから試料側へにじみ出る。この境界からにじみ出た光がエヴァネッセント光で、試料の深さ方向へにじみ出だす量は使用する光源の波長程度となる。そこで、エヴァネッセント光を照明光として利用した場合、照明範囲は使用する光源の波長程度の深さに限られることから、蛍光を発する部分が極めて狭くそれ以外は蛍光を発しなくなり、通常の落射照明時と異なりバックグラウンドとなる蛍光が非常に少なくなる。従って、エヴァネッセント照明では極めて高いＳ／Ｎ比を実現でき、特に、細胞膜表面の観察やカバーガラス表面付近に局在する蛍光色素一分子の可視化に有効である。
【０００５】
このエヴァネッセント照明を実現する手段としては、特開平９−１５９９２２号公報、特開平１１−２１１９９０号公報、Noninvasive Techniques in Cell Biology（P93-127,Wiley-liss, Inc 1990）が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の先行技術における構成では、エヴァネッセント照明は実現できるものの、照明光（励起光）としてのレーザ光は、レーザ光源と顕微鏡の間に配置された反射ミラーなどの光学素子を介して顕微鏡に導かれるように構成されている、このような構成だと、光学素子の調整を必要とする他、光学素子を埃から遮断するための覆いが必要となり、装置が大型化してしまう。また、レーザ光源と顕微鏡の配置の自由度も制限される。
【０００７】
また、このエヴァネッセント照明をするためには、試料に対する照明光の照射角度が重要で、全反射が生じる角度にしなければならない。ところが、この全反射を生じる角度は角度ずれに敏感であるため、少しでも照射角度がずれると全反射が生じなくなってしまう。この角度ずれが生じる原因の一つとしては、外部からの振動が挙げられる。レーザ光源や顕微鏡、あるいは光学素子に振動が伝わると、これらの部材が振動する。その結果、レーザ光の照射位置や照射角度が微妙に変動しずれを生じる。そのため、レーザ光源と顕微鏡を防振台の上に一体で配置する必要がある。また、レーザ光源から顕微鏡までレーザ光を導く間に、レーザ光の光束径を広げるビームエキスパンダや集光レンズ等の光学系が必要になるが、これらの光学系も同じ防振台の上に配置しなければならないので、結果的に装置全体が大型化してしまう。
【０００８】
また、Noninvasive Techniques in Cell Biologyでは水銀ランプを用い、照明光路途中に輪帯状の開口を有する円錐状のプリズム（アキシコンプリズム）を挿入することでエヴァネッセント照明を実現する旨が記載されている。アキシコンプリズムを使用すれば、確かに水銀ランプの一点から発した光については輪帯状にすることはできる。しかしながら、実際の水銀ランプの発光領域は０．５mm以上の大きさを有しているため、輪帯状の光が重なり合うことになり、全体としてはほとんど輪帯状の光束にはならない。結局、この方法では絞りを多用して水銀ランプの一点から発した光束のみだけを取り出すようにする必要がある。しかし、これでは水銀ランプから発した光のほとんどが絞りでカットされてしまうため、照明強度が低下する恐れがある。
【０００９】
このような問題に鑑み、本発明は、蛍光色素を励起するのに十分な強度を有するレーザ光を用いつつ、装置全体もコンパクトでありながら、容易にエヴァネッセント照明と通常の落射照明が切り替え可能な照明光学系、及びこの照明光学系を備えた顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の照明光学系は、エヴァネッセント照明と落射照明が切り替え可能な顕微鏡用の照明光学系であって、レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系と、を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と該第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍と前記光ファイバの射出端とが共役となるよう前記光ファイバ側に配置された第２の集光光学系を有し、前記光ファイバの射出端の投影像を前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させるように前記光ファイバの射出端を移動させる移動機構を備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
第１実施例を図１乃至図４に示す。図１は本発明の照明光学系を備えた倒立型の蛍光顕微鏡である。図１において１は光源、２はレーザ光導入機構、３は光ファイバ、４はアダプタ、５はファイバ位置調整つまみ、６は落射照明投光管、７は対物レンズ、８は試料、９はダイクロイックミラー、１０は吸収フィルタ、１１顕微鏡本体、１２は観察鏡筒である。
【００１３】
光源１はレーザ光源であって、光源１から射出したレーザ光はレーザ光導入機構２を介して光ファイバ３に導かれる。レーザ光導入機構２は図２に示すようにレンズ１３からなる導入光学系を有しており、光源１から射出された略平行なレーザ光を光ファイバ３の入射端面に集光する。なお、光ファイバ３のコア径に応じて、レンズ１３よりも光源１側レーザ光の光束径を拡大あるいは縮小する光束径変換光学系が配置される場合がある。この場合、導入光学系はレンズ１３と光束径変換光学系とで構成されることになる。また、光ファイバ３の開口数よりも、レンズ１３で集光される光束で決まる開口数のほうが小さいことが望ましい。
【００１４】
光ファイバ３に入射したレーザ光は、光ファイバ３内を伝播し出射端に達する。光ファイバ３の出射端はアダプタ４に接続されている。アダプタ４は落射照明投光管６に接続され、光ファイバ３から出射したレーザ光を落射照明投光管６に導く。アダプタ４内には公知の調整機構が備えられており、光ファイバ３の出射端はこの調整機構に保持されている。公知の調整機構は、光ファイバ３を光軸方向や光軸に垂直な面内方向に移動させることができるほか、光軸に対する傾を調整できるようになっている。この調整機構にはファイバ位置調整つまみ５が設けられ、ファイバ位置調整つまみ５を操作することにより光ファイバ３の出射端の位置が外部から調整できるようになっている。
【００１５】
光ファイバ３の出射端から射出したレーザ光は、落射照明投光管６内を通過してダイクロイックミラー９に入射する。レーザ光はダイクロイックミラー９によって対物レンズ７に向けて反射され、対物レンズ７を介して試料８に照射される。試料８から発生した蛍光は対物レンズ７、ダイクロイックミラー９、吸収フィルタ１０を通過して観察鏡筒１２に達する。
【００１６】
図３及び図４は落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部で、光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系１５を示している。照射光学系１５は、試料側に配置された対物レンズ７（第１の集光光学系）と光ファイバ３側に配置された集光レンズ１４（第２の集光光学系）で構成されている。図３は従来の落射照明（ケーラー照明）を行う場合の光学配置を示す図で、図４はエヴァネッセント照明を行う場合の光学配置を示す図である。いずれの図においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７までを直線的に表示している。
【００１７】
図３に示す従来の落射照明（第１の光路）では、光ファイバ３の出射端は照射光学系１５の光軸１６上に位置している。また、集光レンズ１４は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端とが共役になるように配置されている。そのため、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光してから対物レンズ７に入射する。この結果、対物レンズ７から射出するレーザ光束は平行光束になり、試料８はケーラー照明によって照明されることになる。
【００１８】
一方、エヴァネッセント照明（第２の光路）を行う場合は、図４に示すように光ファイバ３の出射端面を、光軸１６上の位置（破線で示す従来の照明位置）から光軸１６以外の位置に移動させる。本実施例では、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBにおける光軸１６に垂直な面（以下、対物レンズ７の後側焦点面という）内を光ファイバ３の出射端の投影像が移動するように、光ファイバ３の出射端を移動させる。この時、光ファイバ３の出射端面から射出される光束の中心光線１８（光ファイバ３から発散せずに直進する光線）が主光線となって対物レンズ７の後側焦点面に対して傾いて入射させるようにすると、照明光の利用効率を高くできるので好ましい。
【００１９】
また、光ファイバ３の出射端の移動に合わせて、光ファイバ３の出射端面の向きも変化させるほうが好ましい。また、光ファイバ３の出射端の移動軌跡が円弧状になるように、光ファイバ３を移動させるようにしても良い。図３では、従来の落射照明における光ファイバ３に比べ、エヴァネッセント照明における光ファイバ３の位置が集光レンズ１４側に大きくずれているが、これは従来の落射照明とエヴァネッセント照明との違いを明確にするためで、実際にはわずかなずれ量である。光ファイバ３の出射端面の移動は、ファイバ位置調整つまみ５を操作して行う。なお、図１では調整つまみの数は１しか示されていないが、複数の調整つまみを設けて調整するようにしても構わない。
【００２０】
ファイバ位置調整つまみ５を操作して光ファイバ３の出射端を光軸上から光軸外にずらすと、対物レンズ７に入射する光束の角度が変化する。対物レンズ７から射出されるレーザ光は従来の落射照明と同じように平行光束のままであるが、光軸１６に対して傾いて射出する。対物レンズ７から射出される光束の角度は、光ファイバ３の移動に伴って変化していく。
【００２１】
前述のように、エヴァネッセント照明は全反射を利用するものである。ここで、カバーガラス１７の屈折率をｎ1、試料側の屈折率をｎ2とすると、光軸１６を基準にしたときの対物レンズ７から射出される光束の角度θがsin-1（ｎ2／ｎ1）よりも小さい場合、対物レンズ７から射出される光束はカバーガラス１７及び試料８を通過していく。ところが、角度θがsin-1（ｎ2／ｎ1）に等しくなる（あるいはそれ以上になる）と、カバーガラス１７及び試料８（あるいは標本を保持する培養液や水）の境界で全反射が生じる。
【００２２】
そのため、ほとんどのレーザ光は試料８に達しなくなるが、ごく一部のレーザ光はカバーガラス１７と試料８の境界を超えて試料８側に達する（試料８側へにじみ出す）。この光がエヴァネッセント光（エヴァネッセント場）で、試料８側へにじみ出す光軸方向の量は照明光の波長程度である。このように、エヴァネッセント照明では、試料の光軸方向の照明範囲が波長程度と非常に狭いため、境界付近の標本の情報（蛍光）のみを高感度で検出することができる。
【００２３】
なお、本実施例の対物レンズ７は、対物レンズ７とカバーガラス１７との間にイマージョンオイルを満たして使用する液浸対物レンズであって、開口数は１．４である。また、カバーガラス１７の屈折率は１．５２で、イマージョンオイルの屈折率は１．５２である。したがって、カバーガラス１７とイマージョンオイルとの間で屈折はほとんど生じない。
【００２４】
以上述べたように、本実施例では光源から射出されたレーザ光を光ファイバで顕微鏡に導くように構成しているため、顕微鏡に対して光源を自由に配置することができ、レイアウトの自由度が高い。また、光源と顕微鏡の間に反射ミラーやリレーレンズなどの光学素子を配置する従来の構成では、顕微鏡までレーザ光を導くためにレーザ光を見ながらこれらの光学素子の配置位置や傾きを調整しなければならないが、本実施例のように光ファイバを用いるとレーザを見ながら調整する必要はなくなるので安全面で有効である。また、これらの光学素子を保持したり調整したりする機構が不要になるほか、光学素子を埃などから隔離するための防塵部材（カバー）など必要がないので装置を小型化ができる。また、調整はアダプタに設けられた１ヶ所だけで行えば良いので調整が容易に行える。
【００２５】
（第２実施例）
第２実施例を図５に示す。図５も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示したもので、第１実施例とは異なる光学配置を示している。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系２０は、試料側に配置された対物レンズ７と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系１９で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００２６】
集光レンズ系１９は複数のレンズで構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。したがって、破線で示す位置に光ファイバ３がある場合は、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光した後に対物レンズ７に入射し、光軸１６に平行なレーザ光束となって対物レンズ７から射出されるので、ケーラー照明となる。一方、エヴァネッセント照明を行う場合は、実線で示すように光ファイバ３の出射端面が光軸１６から離れた位置に移動する。
【００２７】
本実施例では、集光レンズ系１９は片側テレセントリック光学系であって、対物レンズ７側に対してテレセントリックになっている。したがって、光束光ファイバ３から射出された光束のうち中心光線（主光線）２１は、集光レンズ系１９に入射する時は光軸１６に対して非平行になっているが、集光レンズ系１９から射出する際には光軸１６と平行になっている。また、光ファイバ３から射出された光束のうち周辺光線２２、２３は、それぞれ集光レンズ系１９から射出する際には対物レンズの後側焦点位置ＦBで交わる収斂光線となる。
【００２８】
この結果、カバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形になる。このように本実施例では、光ファイバ３から射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。
【００２９】
（第３実施例）
第３実施例を図６に示す。図６も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示す図ある。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系は、試料側に配置された対物レンズ７と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系２４で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００３０】
第２実施例と同様に、集光レンズ系２４は複数のレンズで構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。したがって、破線で示す位置に光ファイバ３がある場合は、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光した後に対物レンズ７に入射し、光軸１６に平行なレーザ光束となって対物レンズ７から射出されるので、ケーラー照明となる。一方、エヴァネッセント照明を行う場合は実線で示すように、光ファイバ３の出射端面が光軸１６上の位置から光軸１６以外の位置に移動する。
【００３１】
本実施例では、集光レンズ系２４は両側テレセントリック光学系になっている。したがって、光ファイバ３から射出された光束のうち中心光線（主光線）２６は、集光レンズ系２４に入射する際も射出する際も、主光線２６は光軸１６と平行になっている。また、光ファイバ３から射出された光束のうち周辺光線は、それぞれ集光レンズ系２４から射出する際には対物レンズの後側焦点位置ＦBで交わる収斂光線となる。
【００３２】
この結果、第２実施例と同様にカバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形になる。よって、光ファイバ３から射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。また、本実施例の場合、光ファイバ３の移動は光軸に垂直な面内のみで良く、移動の際に光ファイバ３の出射端面を光軸１６に対して傾ける必要もない。したがって、第１実施例や第２実施例に比べて、光ファイバ３の位置を調整する調整機構を簡略化することができ、操作性が向上する。
【００３３】
なお、図７は集光レンズ系２４の具体例であって、２枚の正レンズ２７、２８で集光レンズ系２４を構成したものである。光ファイバ３の出射端が正レンズ２７の前側焦点面に配置され、正レンズ２８後側焦点面に対物レンズ７の後側焦点位置ＦBが一致する構成となっている。図７では２枚のレンズで集光レンズ系が構成できるので、コスト的に有効である。
【００３４】
（第４実施例）
第４実施例を図８に示す。図８も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示す図である。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系２５は、試料側に配置された対物レンズ７’と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系２４で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００３５】
本実施例では、第３実施例の対物レンズ７の代わりに、別の対物レンズ７’が用いられた場合の様子を示すものである。図７と同様に、集光レンズ系２５は２枚の正レンズ２７、２８で構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBが位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。
【００３６】
対物レンズ７’は第３実施例の対物レンズ７と異なる後側焦点位置ＦB’を有している。しがって、対物レンズ７の代わりに対物レンズ７’が用いられた場合、集光レンズ系２４に対して後側焦点位置がΔmmずれることになる。この場合、主光線２６と周辺光線２９、３０は対物レンズ７’を射出する際に平行とはならない。そのため、一部の光線が全反射されなくなってしまう。その結果、カバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形にならず、観察に必要な範囲を効率よく照明できなくなる。
【００３７】
そこで本実施例では、集光レンズ系２４を光軸方向に移動する移動機構を備えることによって、対物レンズの交換に伴って生じる後側焦点位置の変化に応じて集光レンズ系２４を光軸方向に移動させるようにしている。これによって、使用する対物レンズの後側焦点位置が異なっても、光ファイバ３から射出したレーザ光を常に後側焦点位置に集光させることができる。
【００３８】
なお、集光レンズ系２４の移動に合わせて光ファイバ３も光軸方向に移動させても良い。この場合、光ファイバ３の出射端面が集光レンズ系２４の前側焦点位置に一致するように光ファイバ３を移動させることが望ましい。
【００３９】
また、集光レンズ系２４を構成するレンズ２７とレンズ２８を一体に移動させず、個別に移動させることもできる。レンズ２７とレンズ２８の個々の移動量を異ならせた場合、集光レンズ系２４のテレセントリック性が失われることになる。しかしながら、第１実施例のように、光ファイバ３の出射端面と対物レンズの後側焦点位置が共役になるようにレンズ２７、２８あるいは更に光ファイバ３を移動させれば、エヴァネッセント照明を行うことができる。
【００４０】
なお、図８では、レンズ２７、２８及び光ファイバ３の移動量はいずれもΔとなっているが、上述のように必ずしも同じ量移動させなければならないわけではない。
【００４１】
以上説明したように、本実施例においても、同じ移動量が同じから射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。また、本実施例の場合、光ファイバの移動は光軸に垂直な面内のみで良く、移動の際に光ファイバ３の出射端面を円弧状に移動させる必要もない。したがって、第１実施例や第２実施例に比べて、光ファイバ３の位置を調整する調整機構を簡略化することができ、操作性が向上する。
【００４２】
（第５実施例）
第５実施例を図９に示す。本実施例は第１実施例の変形例であって、全体構成を上方から見た図である。第１実施例と同じ構成については同じ番号を付し説明は省略する。本実施例では、倒立型顕微鏡３１に設けてある落射照明投光管６の一端に、アダプタ３２が接続されている。このアダプタ３２は内部に光分割素子３３を備えており、２つの方向から入射する光を一つの光路に合成する機能を有する。
【００４３】
そのため、アダプタ３２の一方の入射端に第１実施例のアダプタ４を接続し、もう一方の入射端に落射照明で用いられる水銀ランプを接続すると、光源１からのレーザ光によるエヴァネッセント照明と水銀ランプよる従来の落射照明とが行える。したがって、複数の蛍光色素を用いた試料を観察する場合や試料の位置を探す場合には水銀ランプよる従来の落射照明を行い、試料を高感度で観察する場合にはエヴァネッセント照明による照明を行うというように、目的に応じて照明方法を切換えることができるので操作性や利便性が向上する。
【００４４】
なお、本実施例においても、光ファイバ３の射出端面を対物レンズ７の後側焦点位置に投影する光学系が落射照明投光管６内に設けられている。ただし、本実施例のように従来の落射照明で用いられる水銀ランプも使用する場合、従来の落射照明性能を維持する観点からすると、落射投光管６として従来の蛍光顕微鏡で用いられる落射照明投光管を用いることが良いこともある。この場合、従来の落射照明投光管の光学系を利用するかあるいは更に光学系を追加して、光ファイバ３の射出端面を対物レンズ７の後側焦点位置に投影できるように構成すれば良い。
【００４５】
また、光分割素子３３としては、ミラー、ハーフミラー、ダイクロイックミラーなどがある。光分割素子３３としてミラーを用いた場合は、ミラーを光路中に挿脱することによってエヴァネッセント照明と従来の落射照明を切換えることができる。この場合、いずれの照明においても光量損失がない。また、光分割素子３３としてハーフミラーを用いた場合は、ハーフミラーを光路中に挿脱する必要がなくなるので装置を簡素化できる。ただし、光量損失が生じる。また、光分割素子３３としてダイクロイックミラーを用いた場合は、光量損失はほとんど生じない。
【００４６】
また、光源１とは別の波長のレーザ光を射出する光源、レーザ光導入機構、光ファイバ、アダプタ、ファイバ位置調整つまみを別に１セット用意し、水銀ランプ３４の代わりにアダプタを介してアダプタ３２に取り付けることもできる。この場合、複数の異なる波長によるエヴァネッセント照明が可能となる。
【００４７】
（第６実施例）
第６実施例を図１０に示す。第１実施例と同じ構成については同じ番号を付し説明は省略する。図１０は本発明の照明光学系を備えた正立型の蛍光顕微鏡である。図１０において１は光源、２はレーザ光導入機構、３は光ファイバ、４はアダプタ、５はファイバ位置調整つまみ、６は落射照明投光管、７は対物レンズ、８は試料、９はダイクロイックミラー、１０は吸収フィルタ、３５は顕微鏡本体、１２は観察鏡筒である。
【００４８】
本実施例では、光ファイバ３としてシングルモードファイバを用いている。シングルモードファイバを用いると光ファイバ３の出射端面の大きさが小さくなるため、対物レンズ７の後側焦点位置に投影される光ファイバ３の出射端面の像の大きさも小さくすることができる。この場合、従来の落射照明となる範囲に比べてエヴァネッセント照明となる範囲は極端に小さくなるが、その範囲内に確実に光ファイバの投影像を移動させることができ、従来の落射照明との切換えが容易になる。
【００４９】
なお、本実施例にかぎらず、第１実施例乃至第５実施例の光ファイバとしてシングルモードファイバを用いても構わない。
以上、各実施例について説明したが、本発明には以下のような特徴も含まれる。
【００５０】
（１）レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と前記光ファイバ側任配置された第２の集光光学系を有し、前記第２の集光光学系は前記第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍に前記光ファイバから射出された光を集光させ、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させる移動機構を備える照明光学系。
【００５１】
（２）前記第２の集光光学系は、略片側テレセントリック光学系であることを特徴とする（１）に記載の照明光学系。。
（３）前記第２の集光光学系は、略両側テレセントリック光学系であることを特徴とする（１）または（２）に記載の照明光学系。
【００５２】
（４）前記移動機構は、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸中心に対して略垂直な平面内で移動させることを特徴とする（３）に記載のレーザー顕微鏡。
（５）前記第２の集光光学系は、二つの正レンズ成分からなることを特徴とする（３）に記載の照明光学系。
【００５３】
（６）第２の集光光学系を構成するレンズ成分は、それぞれ前記照射光学系の光軸方向に移動可能なことを特徴とする（２）または（３）に記載の照明光学系。
【００５４】
（７）導入光学系を構成するレンズ成分は、前記レーザ光源の射出光軸方向に移動可能なことを特徴とする（２）または（３）に記載の照明光学系。
（８）前記略片側テレセントリック光学系は、前記第１の集光光学系側がテレセントリックになっている（２）に記載の照明光学系。
【００５５】
（９）レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と前記光ファイバ側任配置された第２の集光光学系を有し、前記第２の集光光学系は前記第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍に前記光ファイバから射出された光を集光させ、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させる移動機構を備え、前記ファイバを前記照射光学系の光軸上に位置させた第１の照明と、前記ファイバを前記照射光学系の光軸から離れて位置させた第２の照明を有する顕微鏡。
【００５６】
（１０）前記第２の照明は前記標本近傍で全反射を生じる（９）記載の顕微鏡。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、十分な照明強度を有するレーザ光を用いながら、装置全体もコンパクトでありながら、エヴァネッセント照明と通常の落射照明が容易に切り替え可能な照明光学系及び顕微鏡を提供することができる。
【００５８】
また、照明光学系の一部にテレセントリック光学系を用いることにより光ファイバからの出射光を効率よくエヴァネッセント照明として利用することができる。
【００５９】
また、前記光ファイバーを光軸中心に対して移動させる方向が略垂直面内にすることで、移動機構が簡略化されるだけでなく、エヴァネッセント照明と通常の落射照明との切り替え時の操作性を向上することができる。
【００６０】
また、照明光学系の少なくとも一部を光軸方向に移動させることにより、後側焦点位置が異なる対物レンズを用いた場合でも、光ファイバを出射した光を前記対物レンズの略後側焦点位置付近に集光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の照明光学系を備えた倒立型の蛍光顕微鏡の構成を示す図。
【図２】レーザ光導入機構を示す図。
【図３】第１実施例の照明光学系の主要部を示す図であって、ケーラー照明の場合の構成。
【図４】第１実施例の照明光学系の主要部を示す図であって、エヴァネッセント照明の場合の構成。
【図５】照明光学系の主要部を示す第２実施例を示す図。
【図６】照明光学系の主要部を示す第３実施例を示す図。
【図７】照明光学系の主要部を示す第３実施例を示す図であって、具体的なレンズ構成の一例。
【図８】照明光学系の主要部を示す第４実施例を示す図。
【図９】第５実施例の構成を示す図であって、第１実施例の変形例を示す図。
【図１０】本発明の照明光学系を備えた正立型の蛍光顕微鏡の構成を示す図。
【図１１】従来の落射照明を示す図。
【図１２】エヴァネッセント照明を示す図。
【符号の説明】
１ 光源
２ レーザ光導入機構
３ 光ファイバ
４、３２ アダプタ
５ ファイバ位置調整つまみ
６ 落射照明投光管
７ 対物レンズ
８ 試料
９ ダイクロイックミラー
１０ 吸収フィルタ
１１、３５ 顕微鏡本体
１２ 観察鏡筒
１３ レンズ（導入光学系）
１４ 集光レンズ
１５、２０、２５ 照射光学系
１６ 光軸
１７ カバーガラス
１８、２１、２６ 光束の中心光線（主光線）
１９、２４ 集光レンズ系
２２、２３、２９、３０ 周辺光線
２７、２８ 正レンズ
３１ 倒立型顕微鏡
３３ 光分割素子
【発明の属する技術の分野】
本発明は顕微鏡に関し、特に全反射を利用して試料を照明する照明光学系、及び該照明光学系を備えた蛍光顕微鏡に関する。また、従来の落射照明光学系による照明と全反射を利用した照明の両方を使用できる顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生物学の研究において、全反射を利用した照明（以下、エヴァネッセント照明とする）が蛍光色素の励起方法に用いられることが多くなってきている。その理由は、照明範囲が試料の深さ方向に対して極めて浅いため、バックグランドの影響を受けず、試料の表面付近の情報が高感度で得られるためである。
【０００３】
従来の落射照明光学系とエヴァネッセント照明とを具体的に比較すると、以下のようになる。従来の落射照明では図１１に示すように、照明光は対物レンズを介して光軸に沿ってカバーガラス上の試料（図示せず）に照射される。この時、対物レンズの焦点位置近傍が最も照明強度が強く、焦点位置から離れるにしたがって照明強度は弱くなる。このように、照明光は試料の深さ方向に強度分布が変化しているがある範囲内で強度を有するため、その範囲に応じた試料の深さ方向すべての蛍光色素がほとんど励起されてしまう。そのため、対物レンズの焦点面以外の蛍光はバックグラウンド光となって観察され、Ｓ／Ｎ比を落としてしまう。
【０００４】
一方、エヴァネッセント照明は図１２に示すように、照明光は対物レンズを介して照射されるが、照明光は光軸に対して斜め方向から照射される。この時の照射角度は、カバーガラスと試料の境界で全反射が発生するよう角度に設定されている。ただし、照明光はこの境界で全て反射されるのではなく、一部のごくわずかの光はカバーガラスから試料側へにじみ出る。この境界からにじみ出た光がエヴァネッセント光で、試料の深さ方向へにじみ出だす量は使用する光源の波長程度となる。そこで、エヴァネッセント光を照明光として利用した場合、照明範囲は使用する光源の波長程度の深さに限られることから、蛍光を発する部分が極めて狭くそれ以外は蛍光を発しなくなり、通常の落射照明時と異なりバックグラウンドとなる蛍光が非常に少なくなる。従って、エヴァネッセント照明では極めて高いＳ／Ｎ比を実現でき、特に、細胞膜表面の観察やカバーガラス表面付近に局在する蛍光色素一分子の可視化に有効である。
【０００５】
このエヴァネッセント照明を実現する手段としては、特開平９−１５９９２２号公報、特開平１１−２１１９９０号公報、Noninvasive Techniques in Cell Biology（P93-127,Wiley-liss, Inc 1990）が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の先行技術における構成では、エヴァネッセント照明は実現できるものの、照明光（励起光）としてのレーザ光は、レーザ光源と顕微鏡の間に配置された反射ミラーなどの光学素子を介して顕微鏡に導かれるように構成されている、このような構成だと、光学素子の調整を必要とする他、光学素子を埃から遮断するための覆いが必要となり、装置が大型化してしまう。また、レーザ光源と顕微鏡の配置の自由度も制限される。
【０００７】
また、このエヴァネッセント照明をするためには、試料に対する照明光の照射角度が重要で、全反射が生じる角度にしなければならない。ところが、この全反射を生じる角度は角度ずれに敏感であるため、少しでも照射角度がずれると全反射が生じなくなってしまう。この角度ずれが生じる原因の一つとしては、外部からの振動が挙げられる。レーザ光源や顕微鏡、あるいは光学素子に振動が伝わると、これらの部材が振動する。その結果、レーザ光の照射位置や照射角度が微妙に変動しずれを生じる。そのため、レーザ光源と顕微鏡を防振台の上に一体で配置する必要がある。また、レーザ光源から顕微鏡までレーザ光を導く間に、レーザ光の光束径を広げるビームエキスパンダや集光レンズ等の光学系が必要になるが、これらの光学系も同じ防振台の上に配置しなければならないので、結果的に装置全体が大型化してしまう。
【０００８】
また、Noninvasive Techniques in Cell Biologyでは水銀ランプを用い、照明光路途中に輪帯状の開口を有する円錐状のプリズム（アキシコンプリズム）を挿入することでエヴァネッセント照明を実現する旨が記載されている。アキシコンプリズムを使用すれば、確かに水銀ランプの一点から発した光については輪帯状にすることはできる。しかしながら、実際の水銀ランプの発光領域は０．５mm以上の大きさを有しているため、輪帯状の光が重なり合うことになり、全体としてはほとんど輪帯状の光束にはならない。結局、この方法では絞りを多用して水銀ランプの一点から発した光束のみだけを取り出すようにする必要がある。しかし、これでは水銀ランプから発した光のほとんどが絞りでカットされてしまうため、照明強度が低下する恐れがある。
【０００９】
このような問題に鑑み、本発明は、蛍光色素を励起するのに十分な強度を有するレーザ光を用いつつ、装置全体もコンパクトでありながら、容易にエヴァネッセント照明と通常の落射照明が切り替え可能な照明光学系、及びこの照明光学系を備えた顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の照明光学系は、エヴァネッセント照明と落射照明が切り替え可能な顕微鏡用の照明光学系であって、レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系と、を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と該第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍と前記光ファイバの射出端とが共役となるよう前記光ファイバ側に配置された第２の集光光学系を有し、前記光ファイバの射出端の投影像を前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させるように前記光ファイバの射出端を移動させる移動機構を備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
第１実施例を図１乃至図４に示す。図１は本発明の照明光学系を備えた倒立型の蛍光顕微鏡である。図１において１は光源、２はレーザ光導入機構、３は光ファイバ、４はアダプタ、５はファイバ位置調整つまみ、６は落射照明投光管、７は対物レンズ、８は試料、９はダイクロイックミラー、１０は吸収フィルタ、１１顕微鏡本体、１２は観察鏡筒である。
【００１３】
光源１はレーザ光源であって、光源１から射出したレーザ光はレーザ光導入機構２を介して光ファイバ３に導かれる。レーザ光導入機構２は図２に示すようにレンズ１３からなる導入光学系を有しており、光源１から射出された略平行なレーザ光を光ファイバ３の入射端面に集光する。なお、光ファイバ３のコア径に応じて、レンズ１３よりも光源１側レーザ光の光束径を拡大あるいは縮小する光束径変換光学系が配置される場合がある。この場合、導入光学系はレンズ１３と光束径変換光学系とで構成されることになる。また、光ファイバ３の開口数よりも、レンズ１３で集光される光束で決まる開口数のほうが小さいことが望ましい。
【００１４】
光ファイバ３に入射したレーザ光は、光ファイバ３内を伝播し出射端に達する。光ファイバ３の出射端はアダプタ４に接続されている。アダプタ４は落射照明投光管６に接続され、光ファイバ３から出射したレーザ光を落射照明投光管６に導く。アダプタ４内には公知の調整機構が備えられており、光ファイバ３の出射端はこの調整機構に保持されている。公知の調整機構は、光ファイバ３を光軸方向や光軸に垂直な面内方向に移動させることができるほか、光軸に対する傾を調整できるようになっている。この調整機構にはファイバ位置調整つまみ５が設けられ、ファイバ位置調整つまみ５を操作することにより光ファイバ３の出射端の位置が外部から調整できるようになっている。
【００１５】
光ファイバ３の出射端から射出したレーザ光は、落射照明投光管６内を通過してダイクロイックミラー９に入射する。レーザ光はダイクロイックミラー９によって対物レンズ７に向けて反射され、対物レンズ７を介して試料８に照射される。試料８から発生した蛍光は対物レンズ７、ダイクロイックミラー９、吸収フィルタ１０を通過して観察鏡筒１２に達する。
【００１６】
図３及び図４は落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部で、光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系１５を示している。照射光学系１５は、試料側に配置された対物レンズ７（第１の集光光学系）と光ファイバ３側に配置された集光レンズ１４（第２の集光光学系）で構成されている。図３は従来の落射照明（ケーラー照明）を行う場合の光学配置を示す図で、図４はエヴァネッセント照明を行う場合の光学配置を示す図である。いずれの図においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７までを直線的に表示している。
【００１７】
図３に示す従来の落射照明（第１の光路）では、光ファイバ３の出射端は照射光学系１５の光軸１６上に位置している。また、集光レンズ１４は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端とが共役になるように配置されている。そのため、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光してから対物レンズ７に入射する。この結果、対物レンズ７から射出するレーザ光束は平行光束になり、試料８はケーラー照明によって照明されることになる。
【００１８】
一方、エヴァネッセント照明（第２の光路）を行う場合は、図４に示すように光ファイバ３の出射端面を、光軸１６上の位置（破線で示す従来の照明位置）から光軸１６以外の位置に移動させる。本実施例では、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBにおける光軸１６に垂直な面（以下、対物レンズ７の後側焦点面という）内を光ファイバ３の出射端の投影像が移動するように、光ファイバ３の出射端を移動させる。この時、光ファイバ３の出射端面から射出される光束の中心光線１８（光ファイバ３から発散せずに直進する光線）が主光線となって対物レンズ７の後側焦点面に対して傾いて入射させるようにすると、照明光の利用効率を高くできるので好ましい。
【００１９】
また、光ファイバ３の出射端の移動に合わせて、光ファイバ３の出射端面の向きも変化させるほうが好ましい。また、光ファイバ３の出射端の移動軌跡が円弧状になるように、光ファイバ３を移動させるようにしても良い。図３では、従来の落射照明における光ファイバ３に比べ、エヴァネッセント照明における光ファイバ３の位置が集光レンズ１４側に大きくずれているが、これは従来の落射照明とエヴァネッセント照明との違いを明確にするためで、実際にはわずかなずれ量である。光ファイバ３の出射端面の移動は、ファイバ位置調整つまみ５を操作して行う。なお、図１では調整つまみの数は１しか示されていないが、複数の調整つまみを設けて調整するようにしても構わない。
【００２０】
ファイバ位置調整つまみ５を操作して光ファイバ３の出射端を光軸上から光軸外にずらすと、対物レンズ７に入射する光束の角度が変化する。対物レンズ７から射出されるレーザ光は従来の落射照明と同じように平行光束のままであるが、光軸１６に対して傾いて射出する。対物レンズ７から射出される光束の角度は、光ファイバ３の移動に伴って変化していく。
【００２１】
前述のように、エヴァネッセント照明は全反射を利用するものである。ここで、カバーガラス１７の屈折率をｎ1、試料側の屈折率をｎ2とすると、光軸１６を基準にしたときの対物レンズ７から射出される光束の角度θがsin-1（ｎ2／ｎ1）よりも小さい場合、対物レンズ７から射出される光束はカバーガラス１７及び試料８を通過していく。ところが、角度θがsin-1（ｎ2／ｎ1）に等しくなる（あるいはそれ以上になる）と、カバーガラス１７及び試料８（あるいは標本を保持する培養液や水）の境界で全反射が生じる。
【００２２】
そのため、ほとんどのレーザ光は試料８に達しなくなるが、ごく一部のレーザ光はカバーガラス１７と試料８の境界を超えて試料８側に達する（試料８側へにじみ出す）。この光がエヴァネッセント光（エヴァネッセント場）で、試料８側へにじみ出す光軸方向の量は照明光の波長程度である。このように、エヴァネッセント照明では、試料の光軸方向の照明範囲が波長程度と非常に狭いため、境界付近の標本の情報（蛍光）のみを高感度で検出することができる。
【００２３】
なお、本実施例の対物レンズ７は、対物レンズ７とカバーガラス１７との間にイマージョンオイルを満たして使用する液浸対物レンズであって、開口数は１．４である。また、カバーガラス１７の屈折率は１．５２で、イマージョンオイルの屈折率は１．５２である。したがって、カバーガラス１７とイマージョンオイルとの間で屈折はほとんど生じない。
【００２４】
以上述べたように、本実施例では光源から射出されたレーザ光を光ファイバで顕微鏡に導くように構成しているため、顕微鏡に対して光源を自由に配置することができ、レイアウトの自由度が高い。また、光源と顕微鏡の間に反射ミラーやリレーレンズなどの光学素子を配置する従来の構成では、顕微鏡までレーザ光を導くためにレーザ光を見ながらこれらの光学素子の配置位置や傾きを調整しなければならないが、本実施例のように光ファイバを用いるとレーザを見ながら調整する必要はなくなるので安全面で有効である。また、これらの光学素子を保持したり調整したりする機構が不要になるほか、光学素子を埃などから隔離するための防塵部材（カバー）など必要がないので装置を小型化ができる。また、調整はアダプタに設けられた１ヶ所だけで行えば良いので調整が容易に行える。
【００２５】
（第２実施例）
第２実施例を図５に示す。図５も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示したもので、第１実施例とは異なる光学配置を示している。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系２０は、試料側に配置された対物レンズ７と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系１９で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００２６】
集光レンズ系１９は複数のレンズで構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。したがって、破線で示す位置に光ファイバ３がある場合は、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光した後に対物レンズ７に入射し、光軸１６に平行なレーザ光束となって対物レンズ７から射出されるので、ケーラー照明となる。一方、エヴァネッセント照明を行う場合は、実線で示すように光ファイバ３の出射端面が光軸１６から離れた位置に移動する。
【００２７】
本実施例では、集光レンズ系１９は片側テレセントリック光学系であって、対物レンズ７側に対してテレセントリックになっている。したがって、光束光ファイバ３から射出された光束のうち中心光線（主光線）２１は、集光レンズ系１９に入射する時は光軸１６に対して非平行になっているが、集光レンズ系１９から射出する際には光軸１６と平行になっている。また、光ファイバ３から射出された光束のうち周辺光線２２、２３は、それぞれ集光レンズ系１９から射出する際には対物レンズの後側焦点位置ＦBで交わる収斂光線となる。
【００２８】
この結果、カバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形になる。このように本実施例では、光ファイバ３から射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。
【００２９】
（第３実施例）
第３実施例を図６に示す。図６も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示す図ある。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系は、試料側に配置された対物レンズ７と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系２４で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００３０】
第２実施例と同様に、集光レンズ系２４は複数のレンズで構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBの位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。したがって、破線で示す位置に光ファイバ３がある場合は、光ファイバ３から射出したレーザ光は対物レンズ７の後側焦点位置ＦBに一旦集光した後に対物レンズ７に入射し、光軸１６に平行なレーザ光束となって対物レンズ７から射出されるので、ケーラー照明となる。一方、エヴァネッセント照明を行う場合は実線で示すように、光ファイバ３の出射端面が光軸１６上の位置から光軸１６以外の位置に移動する。
【００３１】
本実施例では、集光レンズ系２４は両側テレセントリック光学系になっている。したがって、光ファイバ３から射出された光束のうち中心光線（主光線）２６は、集光レンズ系２４に入射する際も射出する際も、主光線２６は光軸１６と平行になっている。また、光ファイバ３から射出された光束のうち周辺光線は、それぞれ集光レンズ系２４から射出する際には対物レンズの後側焦点位置ＦBで交わる収斂光線となる。
【００３２】
この結果、第２実施例と同様にカバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形になる。よって、光ファイバ３から射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。また、本実施例の場合、光ファイバ３の移動は光軸に垂直な面内のみで良く、移動の際に光ファイバ３の出射端面を光軸１６に対して傾ける必要もない。したがって、第１実施例や第２実施例に比べて、光ファイバ３の位置を調整する調整機構を簡略化することができ、操作性が向上する。
【００３３】
なお、図７は集光レンズ系２４の具体例であって、２枚の正レンズ２７、２８で集光レンズ系２４を構成したものである。光ファイバ３の出射端が正レンズ２７の前側焦点面に配置され、正レンズ２８後側焦点面に対物レンズ７の後側焦点位置ＦBが一致する構成となっている。図７では２枚のレンズで集光レンズ系が構成できるので、コスト的に有効である。
【００３４】
（第４実施例）
第４実施例を図８に示す。図８も落射照明投光管６内に設けられた照明光学系の主要部を示す図である。光ファイバ３から射出されたレーザ光を試料８に照射する照射光学系２５は、試料側に配置された対物レンズ７’と光ファイバ３側に配置された集光レンズ系２４で構成されている。本実施例においても、簡単のためにダイクロイックミラー９は省略し、光ファイバ３から対物レンズ７まで直線的に表示している。
【００３５】
本実施例では、第３実施例の対物レンズ７の代わりに、別の対物レンズ７’が用いられた場合の様子を示すものである。図７と同様に、集光レンズ系２５は２枚の正レンズ２７、２８で構成され、対物レンズ７の後側焦点位置ＦBが位置と光ファイバ３の出射端が共役になるように配置されている。
【００３６】
対物レンズ７’は第３実施例の対物レンズ７と異なる後側焦点位置ＦB’を有している。しがって、対物レンズ７の代わりに対物レンズ７’が用いられた場合、集光レンズ系２４に対して後側焦点位置がΔmmずれることになる。この場合、主光線２６と周辺光線２９、３０は対物レンズ７’を射出する際に平行とはならない。そのため、一部の光線が全反射されなくなってしまう。その結果、カバーガラス１７と標本８の境界に照射される光束の範囲（照明範囲）Ｄは略円形にならず、観察に必要な範囲を効率よく照明できなくなる。
【００３７】
そこで本実施例では、集光レンズ系２４を光軸方向に移動する移動機構を備えることによって、対物レンズの交換に伴って生じる後側焦点位置の変化に応じて集光レンズ系２４を光軸方向に移動させるようにしている。これによって、使用する対物レンズの後側焦点位置が異なっても、光ファイバ３から射出したレーザ光を常に後側焦点位置に集光させることができる。
【００３８】
なお、集光レンズ系２４の移動に合わせて光ファイバ３も光軸方向に移動させても良い。この場合、光ファイバ３の出射端面が集光レンズ系２４の前側焦点位置に一致するように光ファイバ３を移動させることが望ましい。
【００３９】
また、集光レンズ系２４を構成するレンズ２７とレンズ２８を一体に移動させず、個別に移動させることもできる。レンズ２７とレンズ２８の個々の移動量を異ならせた場合、集光レンズ系２４のテレセントリック性が失われることになる。しかしながら、第１実施例のように、光ファイバ３の出射端面と対物レンズの後側焦点位置が共役になるようにレンズ２７、２８あるいは更に光ファイバ３を移動させれば、エヴァネッセント照明を行うことができる。
【００４０】
なお、図８では、レンズ２７、２８及び光ファイバ３の移動量はいずれもΔとなっているが、上述のように必ずしも同じ量移動させなければならないわけではない。
【００４１】
以上説明したように、本実施例においても、同じ移動量が同じから射出したレーザ光を全て利用することができるため、照明効率の高い照明が行える。また、本実施例の場合、光ファイバの移動は光軸に垂直な面内のみで良く、移動の際に光ファイバ３の出射端面を円弧状に移動させる必要もない。したがって、第１実施例や第２実施例に比べて、光ファイバ３の位置を調整する調整機構を簡略化することができ、操作性が向上する。
【００４２】
（第５実施例）
第５実施例を図９に示す。本実施例は第１実施例の変形例であって、全体構成を上方から見た図である。第１実施例と同じ構成については同じ番号を付し説明は省略する。本実施例では、倒立型顕微鏡３１に設けてある落射照明投光管６の一端に、アダプタ３２が接続されている。このアダプタ３２は内部に光分割素子３３を備えており、２つの方向から入射する光を一つの光路に合成する機能を有する。
【００４３】
そのため、アダプタ３２の一方の入射端に第１実施例のアダプタ４を接続し、もう一方の入射端に落射照明で用いられる水銀ランプを接続すると、光源１からのレーザ光によるエヴァネッセント照明と水銀ランプよる従来の落射照明とが行える。したがって、複数の蛍光色素を用いた試料を観察する場合や試料の位置を探す場合には水銀ランプよる従来の落射照明を行い、試料を高感度で観察する場合にはエヴァネッセント照明による照明を行うというように、目的に応じて照明方法を切換えることができるので操作性や利便性が向上する。
【００４４】
なお、本実施例においても、光ファイバ３の射出端面を対物レンズ７の後側焦点位置に投影する光学系が落射照明投光管６内に設けられている。ただし、本実施例のように従来の落射照明で用いられる水銀ランプも使用する場合、従来の落射照明性能を維持する観点からすると、落射投光管６として従来の蛍光顕微鏡で用いられる落射照明投光管を用いることが良いこともある。この場合、従来の落射照明投光管の光学系を利用するかあるいは更に光学系を追加して、光ファイバ３の射出端面を対物レンズ７の後側焦点位置に投影できるように構成すれば良い。
【００４５】
また、光分割素子３３としては、ミラー、ハーフミラー、ダイクロイックミラーなどがある。光分割素子３３としてミラーを用いた場合は、ミラーを光路中に挿脱することによってエヴァネッセント照明と従来の落射照明を切換えることができる。この場合、いずれの照明においても光量損失がない。また、光分割素子３３としてハーフミラーを用いた場合は、ハーフミラーを光路中に挿脱する必要がなくなるので装置を簡素化できる。ただし、光量損失が生じる。また、光分割素子３３としてダイクロイックミラーを用いた場合は、光量損失はほとんど生じない。
【００４６】
また、光源１とは別の波長のレーザ光を射出する光源、レーザ光導入機構、光ファイバ、アダプタ、ファイバ位置調整つまみを別に１セット用意し、水銀ランプ３４の代わりにアダプタを介してアダプタ３２に取り付けることもできる。この場合、複数の異なる波長によるエヴァネッセント照明が可能となる。
【００４７】
（第６実施例）
第６実施例を図１０に示す。第１実施例と同じ構成については同じ番号を付し説明は省略する。図１０は本発明の照明光学系を備えた正立型の蛍光顕微鏡である。図１０において１は光源、２はレーザ光導入機構、３は光ファイバ、４はアダプタ、５はファイバ位置調整つまみ、６は落射照明投光管、７は対物レンズ、８は試料、９はダイクロイックミラー、１０は吸収フィルタ、３５は顕微鏡本体、１２は観察鏡筒である。
【００４８】
本実施例では、光ファイバ３としてシングルモードファイバを用いている。シングルモードファイバを用いると光ファイバ３の出射端面の大きさが小さくなるため、対物レンズ７の後側焦点位置に投影される光ファイバ３の出射端面の像の大きさも小さくすることができる。この場合、従来の落射照明となる範囲に比べてエヴァネッセント照明となる範囲は極端に小さくなるが、その範囲内に確実に光ファイバの投影像を移動させることができ、従来の落射照明との切換えが容易になる。
【００４９】
なお、本実施例にかぎらず、第１実施例乃至第５実施例の光ファイバとしてシングルモードファイバを用いても構わない。
以上、各実施例について説明したが、本発明には以下のような特徴も含まれる。
【００５０】
（１）レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と前記光ファイバ側任配置された第２の集光光学系を有し、前記第２の集光光学系は前記第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍に前記光ファイバから射出された光を集光させ、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させる移動機構を備える照明光学系。
【００５１】
（２）前記第２の集光光学系は、略片側テレセントリック光学系であることを特徴とする（１）に記載の照明光学系。。
（３）前記第２の集光光学系は、略両側テレセントリック光学系であることを特徴とする（１）または（２）に記載の照明光学系。
【００５２】
（４）前記移動機構は、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸中心に対して略垂直な平面内で移動させることを特徴とする（３）に記載のレーザー顕微鏡。
（５）前記第２の集光光学系は、二つの正レンズ成分からなることを特徴とする（３）に記載の照明光学系。
【００５３】
（６）第２の集光光学系を構成するレンズ成分は、それぞれ前記照射光学系の光軸方向に移動可能なことを特徴とする（２）または（３）に記載の照明光学系。
【００５４】
（７）導入光学系を構成するレンズ成分は、前記レーザ光源の射出光軸方向に移動可能なことを特徴とする（２）または（３）に記載の照明光学系。
（８）前記略片側テレセントリック光学系は、前記第１の集光光学系側がテレセントリックになっている（２）に記載の照明光学系。
【００５５】
（９）レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系を備え、該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と前記光ファイバ側任配置された第２の集光光学系を有し、前記第２の集光光学系は前記第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍に前記光ファイバから射出された光を集光させ、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させる移動機構を備え、前記ファイバを前記照射光学系の光軸上に位置させた第１の照明と、前記ファイバを前記照射光学系の光軸から離れて位置させた第２の照明を有する顕微鏡。
【００５６】
（１０）前記第２の照明は前記標本近傍で全反射を生じる（９）記載の顕微鏡。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、十分な照明強度を有するレーザ光を用いながら、装置全体もコンパクトでありながら、エヴァネッセント照明と通常の落射照明が容易に切り替え可能な照明光学系及び顕微鏡を提供することができる。
【００５８】
また、照明光学系の一部にテレセントリック光学系を用いることにより光ファイバからの出射光を効率よくエヴァネッセント照明として利用することができる。
【００５９】
また、前記光ファイバーを光軸中心に対して移動させる方向が略垂直面内にすることで、移動機構が簡略化されるだけでなく、エヴァネッセント照明と通常の落射照明との切り替え時の操作性を向上することができる。
【００６０】
また、照明光学系の少なくとも一部を光軸方向に移動させることにより、後側焦点位置が異なる対物レンズを用いた場合でも、光ファイバを出射した光を前記対物レンズの略後側焦点位置付近に集光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の照明光学系を備えた倒立型の蛍光顕微鏡の構成を示す図。
【図２】レーザ光導入機構を示す図。
【図３】第１実施例の照明光学系の主要部を示す図であって、ケーラー照明の場合の構成。
【図４】第１実施例の照明光学系の主要部を示す図であって、エヴァネッセント照明の場合の構成。
【図５】照明光学系の主要部を示す第２実施例を示す図。
【図６】照明光学系の主要部を示す第３実施例を示す図。
【図７】照明光学系の主要部を示す第３実施例を示す図であって、具体的なレンズ構成の一例。
【図８】照明光学系の主要部を示す第４実施例を示す図。
【図９】第５実施例の構成を示す図であって、第１実施例の変形例を示す図。
【図１０】本発明の照明光学系を備えた正立型の蛍光顕微鏡の構成を示す図。
【図１１】従来の落射照明を示す図。
【図１２】エヴァネッセント照明を示す図。
【符号の説明】
１ 光源
２ レーザ光導入機構
３ 光ファイバ
４、３２ アダプタ
５ ファイバ位置調整つまみ
６ 落射照明投光管
７ 対物レンズ
８ 試料
９ ダイクロイックミラー
１０ 吸収フィルタ
１１、３５ 顕微鏡本体
１２ 観察鏡筒
１３ レンズ（導入光学系）
１４ 集光レンズ
１５、２０、２５ 照射光学系
１６ 光軸
１７ カバーガラス
１８、２１、２６ 光束の中心光線（主光線）
１９、２４ 集光レンズ系
２２、２３、２９、３０ 周辺光線
２７、２８ 正レンズ
３１ 倒立型顕微鏡
３３ 光分割素子
Claims (10)
- エヴァネッセント照明と落射照明が切り替え可能な顕微鏡用の照明光学系であって、
レーザ光源と、前記レーザ光源を発した光を光ファイバへ導入する導入光学系と、前記光ファイバを出射した光を試料に照射する照射光学系と、を備え、
該照射光学系は、前記試料側に配置された第１の集光光学系と該第１の集光光学系の後側焦点位置あるいはその近傍と前記光ファイバの射出端とが共役となるよう前記光ファイバ側に配置された第２の集光光学系を有し、前記光ファイバの射出端の投影像を前記照射光学系の光軸に垂直な面内で移動させるように前記光ファイバの射出端を移動させる移動機構を備えることを特徴とする照明光学系。 - 前記移動機構は、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸中心に対して略垂直な平面内で移動させることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
- 前記第２の集光光学系は、略両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
- 前記第２の集光光学系は、二つの正レンズ成分からなることを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
- 前記第２の集光光学系を構成するレンズ成分は、それぞれ前記照射光学系の光軸方向に移動可能なことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明光学系。
- 前記移動機構は、前記光ファイバを前記照射光学系の光軸方向、前記照射光学系の光軸に垂直な方向で移動させ、光軸に対する傾きを調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
- 前記第２の集光光学系は、略片側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１または６に記載の照明光学系。
- 前記第２の集光光学系は、前記第１の集光光学系側がテレセントリックになっていることを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
- 前記光ファイバは、シングルモードファイバであること特徴とする請求項１から８のいずれか1項に記載の照明光学系。
- 請求項１から９のいずれか１項に記載の照明光学系備えた顕微鏡であって、
前記移動機構を備えたアダプタと落射照明用の水銀ランプとを切り替え可能に接続するアダプタを備えること特徴とする顕微鏡。
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