JP5032754B2 - 光走査型顕微鏡およびそれの使用 - Google Patents

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Description

本発明は、大きな試料の迅速走査を可能にする方法および装置について記述する。当方法は、特に、撮影領域が顕微鏡の最大画像フィールドより大きい場合に適している。
DE 19702753A1
大きな試料を撮影する場合、現在では複数の画像およびスタックが撮影されている。その場合、試料は画像またはスタックの撮影間に動力化試料ボードと共に移動させられる。撮影された画像またはスタックは、続いて、全体像の構成のためボードポジションに応じてコピーされる。共焦点顕微鏡による画像およびスタックの撮像速度引き上げのための開発に伴って、ボードの位置設定が総撮像時間に大きく関わる状況となった。
以下では図面を参照しながら本発明を実施例に基づきさらに詳しく説明する。
図1は主要部が5つのコンポーネント、すなわち、レーザ走査型顕微鏡検査のための励起光を生成する光源モジュール2、励起光をコリメートして試料上の走査のため然るべき偏向を行なう走査モジュール3、走査モジュールによって用意された走査ビームを顕微鏡光路内で試料の方向に向ける顕微鏡モジュール4および試料からの光線を受け止め検出する検出モジュール5から成るレーザ走査型顕微鏡1の模式図である。その場合検出モジュール5は、図1に描かれているように、スペクトル別のマルチチャネル型に構成することができる。
点状走査式のレーザ走査型顕微鏡に関する一般事項についてはDE 19702753A1が参考になり、したがってその内容は本明細書の構成部分でもある。
光源モジュール2は、レーザ走査型顕微鏡検査に適した照明光、したがって特に蛍光を誘起し得るビームを生成する。適用法に対応させるため、光源モジュールは当目的用に複数の光源を有している。図示された実施態様では光源モジュール2に2つのレーザ6および7が配備されている。それらの後にはそれぞれ光バルブ8および減衰器9が接続されており、それらはビームを結合ポイント10を通じて光ファイバ11に連結させている。光バルブ8は、レーザユニット6または7のレーザ自体の作動を遮断しなくてもビームを遮断させることのできるビーム偏向器として機能する。光バルブ8は、例えば、ビーム遮断のためレーザビームを光ファイバ11へ連結する手前で、図示されていない光の落下方向に偏向させるAOTF(音響光学フィルタ)として形成されている。
図1のモデル例ではレーザユニット6は3つのレーザB、C、Dを有しているが、それに対しレーザユニット7はレーザAを1つ持つのみである。したがって、図の6と7は、単一波長用レーザと多種波長用レーザの組み合せモデルであり、個別に、または共同で1つまたは複数のファイバに連結されている。複数ファイバを通じてビームを同時連結することも可能であるが、その場合では、ビームは、後に、すなわち適合光学系の通過後にカラー結合器によって混合される。このようにして、励起光用に種々様々な波長または波長領域を使用することができる。
光ファイバ11に通されたビームは、移動式のコリメーション光学系12および13によりビーム結合ミラー14,15を通じて合一化され、ビーム形成ユニット内でビームの特性が変更される。
コリメータ12、13は、光源モジュール2から走査モジュール3へ送られるビームが無限大光路にコリメートされるように作用する。これはそれぞれ、(図には描かれていない)中央制御ユニットの制御下のもと光軸に沿って移動することでフォーカシング機能を発揮する個別レンズで行うのが有利である。コリメータ12、13とそれぞれの光ファイバ末端との距離は変更可能なようになっている。
ビーム形成ユニットについては後にさらに詳しく説明するが、これは、ビーム結合ミラー14、15の後方に位置する回転対称なガウス型プロフィールのレーザビームから、もはや回転対称でない、長方形型照明フィールドの形成に適した横断面を持つ線形ビームを生成する。線形ビームとも言われるこの照明光は励起光として用いられ、メインカラースプリッタ17を通じてスキャナ18に誘導される。メインカラースプリッタについては後ほど詳しく述べるので、ここでは顕微鏡モジュール4から戻ってきた試料光を励起光から分離させる機能を持つことだけを指摘しておく。
スキャナ18は線形ビームを1軸または2軸方向に偏向させるので、ビームは走査対物レンズ19および顕微鏡モジュール4の鏡筒レンズ、対物レンズを通って、プレパラートまたは試料内にある焦点22に集束する。その場合、光学結像は、試料が励起光により焦点で照明されるように行なわれる。
線形フォーカスで励起されたこのような蛍光ビームは顕微鏡モジュール4の対物レンズ、鏡筒レンズおよび走査対物レンズ19を通ってスキャナ18に戻るので、スキャナ18に向かっての戻り過程の方向では再び定常ビームになっている。したがって、スキャナ18は蛍光ビームをデスキャンするとも言われる。
メインカラースプリッタ17は励起光とは別な波長領域にある蛍光ビームを通すことができるので、蛍光ビームは検出モジュール5の転向ミラー24で転向させた後分析することができる。検出モジュール5は、図1の実施態様では複数のスペクトルチャネルを有している。すなわち、転向ミラー24のほうから来た蛍光ビームはサブカラースプリッタ25により2つのスペクトルチャネルに分割される。
各スペクトルチャネルは、試料23に対して共焦点結合あるいは部分共焦点結合を実現するスリット絞り26を有しており、その大きさがビームの検出を可能にする焦点深度を決定する。したがって、スリット絞り26の幾何学構造は、蛍光ビームの検出がなされる(厚みのある)プレパラート内の切断面を決定づける。
スリット絞り26の後方には、さらに検出モジュール5に到達した歓迎されざる励起光をブロックするためのブロックフィルタ27が配置されている。特定深度の切断面に由来する、このように分離され扇形に広がった線形ビームは、次に然るべき検出器28によって分析される。上記のカラーチャネルと同様に、スリット絞り26A、ブロックフィルタ27Aおよび検出器28Aを持つ第2スペクトル検出チャネルも構成されている。
検出モジュール5における共焦点スリット開口の使用はモデル例に過ぎない。もちろん、単点型スキャナの実現も可能である。その場合はスリット絞り26、26Aはホール型絞りに代えられ、ビーム形成ユニットは省くことができる。因みに、そのような構造様式にはすべての光学系が回転対称に構成される。もちろん、単点式の走査および検出に代えて、後に図3および4を手掛かりに改めて説明する点雲形式またはニポーディスク形式のコンセプトなど、原則として任意の多点型装置を使用することもできる。ただし、スキャナの通過時には複数の試料点が平行して捕捉されるので、検出器28はスポット分解能を有していることが重要である。
図1から分かるように、可動式、すなわち移動可能なコリメータ12および13の後方にあるガウス光線束はビーム結合ミラー14、15形式のステップ型ミラーを通じて合一化され、続いて、図示された共焦点スリット絞り付き構造様式の場合では、長方形の横断面を持つ光線束に変換される。図1の実施例では、ビーム形成ユニット内には円筒型テレスコープ37が使用されていて、その後ろには非球面ユニット38、さらに円筒型光学系39が配置されている。
ビーム変形後では、ビームはプロフィール平面にはほぼ長方形のフィールドを照らし出す。その場合フィールドの長軸に沿った強度分布はガウス形ではなくボックス形である。
非球面ユニット38を持つ照明装置は、鏡筒レンズと対物レンズ間にあるひとみを均一充填させるのに用いられる。それによって、対物レンズの光学分解能を完全に発揮させることができる。したがって、このバリエーション法は単点走査式または多点走査式の顕微鏡システム、例えばライン走査システムにも有用である(後者の場合、当該軸に加えそれ以外にも、試料上または試料中にフォーカシングされる)。例えば線形に整えられた励起光がメインカラースプリッタ17の方向に偏向される。
当カラースプリッタは、好ましい実施態様では分割ミラーとして、つまり本発明でもその内容を包括的に取り入れているDE
10257237 A1記載のスペクトル中性な分割ミラーとして形成されている。したがって、「カラースプリッタ」の概念には非スペクトル的に作用する分割システムの意が含まれている。記述のスペクトル非依存型カラースプリッタの代わりに、均一型中性スプリッタ(例えば50/50、70/30、80/20タイプなど)またはダイクロイックスプリッタを使用することができる。それにより、適用別に選択することが可能になるので、メインカラースプリッタとしては、交換可能な個別スプリッタを含む、例えば然るべきスプリッタ切換ダイヤルにより簡易交換のできる機構の備わっているのが好ましい。
例えば、反射、ストークス/反ストークスラマン分光法、高次数のコヒーレントラマンプロセスや、第2高調波発生、第3高調波発生、和周波混合発生などの一般的パラメトリック非線光学プロセス、2光子、多光子吸収および蛍光におけるコヒーレントビーム、すなわち特に方向づけられたビームを検出すべき場合は、ダイクロイックメインカラースプリッタが有利である。これらの方法のうち、非線光学分光法のいくつかは、コリニヤ重畳をなす2つまたはそれ以上のレーザビームの使用を必要とする。この場合、図示されているような複数レーザビームの結合が特に有利であると実証されている。原則的には、蛍光顕微鏡検査で広く普及しているダイクロイックビームスプリッタであれば使用可能である。また、ラマン顕微鏡検査には、レイリー散乱成分の抑制のため検出器の前にホログラフィックノッチ・スプリッタまたはフィルタを設置するのが有利である。
図1の実施態様では、励起光または照明光はモータ制御式ズーム光学系41を通じてスキャナ18に送り込まれる。ズーム倍率は当方式で適合化させることができ、走査される視野は特定の調整領域内で連続的に変更することができる。ズーム光学系としては、連続的同調過程における焦点位置および結像倍率の適合化のあいだ、ひとみ位置が維持されたままであるようなタイプが特に有利である。
図1に矢印で示されたモータによるズーム光学系41の自由移動度は、結像倍率、焦点位置、ひとみ位置の3つのパラメータの適合化に想定されている自由度の数値に精確に一致している。その出力側のひとみに固定式絞り42の配置されたズーム光学系41が特に好ましい。絞り42を実地で簡単に実現するには、スキャナ18鏡面幅の制限によって構成することもできる。ズーム光学系41を持つ出力側絞り42により、ズーム倍率の設定如何に拘わらず常に一定したひとみ直径を走査対物レンズ19上に結像させることが可能になる。このように、ズーム光学系41を任意に設定した場合でも対物レンズのひとみは依然として完全に照らし出されたままである。スキャナ18領域での願わしくない散乱光発生事態の阻止には独自型絞り42の使用が好ましい。
ズーム光学系41と共同作用をする円筒型テレスコープ37は、同じくモータ作動式であり、非球面ユニット38の前に配置されている。図2の実施態様ではコンパクト構造の理由からこれが選ばれているが、そのようにする必要はない。
ズーム倍率1.0未満が望まれる場合、円筒型テレスコープ37は自動的に光学光路内に旋回挿入される。これは、ズーム対物レンズ41が縮小された場合に開口絞り42への照明が不完全になるのを防止する。
したがって、旋回挿入の可能なこの円筒型テレスコープ37により、ズーム倍率1未満の場合でも、すなわちズーム対物レンズ41の設定の如何に拘わらず、対物レンズひとみの位置では常に一定長の照明光線の到達が保証される。それにより、単式視野ズームに比較して、照明光におけるレーザ出力損失が避けられる。
円筒型テレスコープ37の旋回挿入時には照明光線による画像明度の急変が避けられないので、画像明度を一定に保つため、(図には描かれていない)制御ユニットでは、円筒型テレスコープ37が作動している場合、スキャナ18の送出し速度または検出モジュール5における検出器の増幅係数がそれ相応に適合するような設計がなされている。
図1のレーザ走査型顕微鏡では、モータ作動式ズーム光学系41およびモータにより操作切換可能な円筒型テレスコープ37のほか、検出モジュール5でも遠隔制御可能な調整素子が設置されている。例えば、色波長誤差の補正のため、スリット絞りの前に丸型光学系44と円筒型光学系39が、検出器28の直前に円筒型光学系39が設置されており、それらはモータによりそれぞれ軸方向に移動できるようになっている。
加えて、補償のため補正ユニット40が配備されているが、それについては以下に簡単に説明する。
スリット絞り26は、前方配置の丸型光学系44、同様に前方配置の第1円筒型光学系39および後方配置の第2円筒型光学系と共に検出システム5のピンホール対物レンズを形成するが、この場合のピンホールはスリット絞り26によって実現される。システム内で反射した励起光の意図しない検出を避けるため、第2円筒型レンズ39の前にはブロックフィルタ27も設置されており、これは求める蛍光ビームだけを検出器28、28Aに到達させるべく、それに適したスペクトル特性を有している。
カラースプリッタ25またはブロックフィルタ27を取り換えて旋回挿入した場合、幾分かの傾斜誤差または楔角誤差が発生するのは避けられない。カラースプリッタは試料領域とスリット絞り26間の誤差を、ブロックフィルタ27はスリット絞り26と検出器28間の誤差を持ち込む可能性がある。その場合に、スリット絞り26または検出器28の新たな位置調整が必要になることがないように、丸型光学系44とスリット絞り26の間に、すなわち試料と検出器28間の結像光路内に、コントローラの制御下で様々な傾斜位置に設定することのできるオプチカルフラットのプレート40が配置されている。オプチカルフラットのプレート40は、その目的のために然るべきホルダ内に位置調整可能なように設置されている。
図2は、ズーム光学系41を利用すれば提供された最大限の視野SF内で如何にしてROI(観察対象領域)が選択できるかを示している。例えば、共振型スキャナの場合では必ず必要なことであるが、振幅に変化が起きないようにスキャナ18を持続的に制御すれば、ズーム光学系においてセットされた1.0以上の倍率により走査フィールドSFの光軸を中心として選択されるROI領域が狭められる。
共振型スキャナに関しては、例えばPawley著“Handbook of Biological Confocal Microscopy”Plenum
Press社1994年刊、461ページ以降に記述されている。
スキャナがフィールドを、光軸に対し、すなわち走査ミラーの定常位置に対し非対称に走査するように、スキャナの制御を行えば、ズーム作用との関連性から選定ROI領域の補正移動OFが得られる。既に触れたスキャナ18のデスキャン作用およびズーム光学系41の再通過により、検出器方向への検出光路における観察対象領域ROIの選択が改めて中断される。それにより、走査画像SF内のROI領域に対し任意の選択が可能になる。様々なROI領域の選択毎に画像を追加獲得することができ、それらを高分解性画像に合成することができる。
選択ROI領域を光軸に対する補正分OFだけ移動させるのでなく、それに加えて回転もさせたい場合は、メインカラースプリッタ17と試料23間の光路のひとみに、周知のとおり画像フィールドに対して回転作用のあるアッベ・ケーニッヒプリズムを配置した実施態様が目的に適っている。この場合も検出器方向で作業の中断を行う。それにより、様々な補正シフトOFおよび様々な回転角を持つ画像が測定でき、続いて、例えば文献
“Three-dimentional and maltidimantional microscopy ; Image aquisition processing VII” Proceeding
of SPIE 第3919巻(2000年)、141〜150ページのGustafsson, M.著“Doubling
the lateral resolution of wide−field fluorescence microscopy using structured illumination”に記載されているようなアルゴリズムに従って高分解性のある画像に修正することができる。
図3は、ニポーディスク方式を実現するレーザ走査型顕微鏡1として考えられる別な構造様式を示している。図3では極端に簡略描画されている光源モジュールが、ミニレンズアレー65からメインカラースプリッタ17を通過して、例えばUS
6 028 306、WO 88 07695またはDE 2360197 A1に記載されているようなニポーディスク64を照明する。ミニレンズアレー65を通じて照明されたニポーディスクのピンホールは顕微鏡モジュール4内の試料に結像する。ここでも試料側の画像サイズを変更できるように、ズーム光学系41が設置されている。
ニポースキャナの場合、図1の構造様式からは変更部分があり、照明はメインカラースプリッタ17を通過させて行われ、検出光は反射分離される。さらに、ニポーディスク64による多点照明の場合では、それに対応した平行な走査が行われるように、図2に変更を加えて検出器28はスポット分解能を持つように作られている。そのほか、ニポーディスク64とズーム光学系41の間には、ニポーディスク64のピンホールを通り抜ける発散光を適当な束直径に変換させる、正の屈折力を持った然るべき固定型光学系63が配置されている。
メインカラースプリッタ17は、図3のニポー式構造の場合では,旧来型のダイクロイックビームスプリッタであり、したがってスリット状または点状の反射領域を持つ上記ビームスプリッタではない。
ズーム光学系41は上段で説明した構造様式に対応しているが、この場合はニポーディスク64があるため、もちろんスキャナ18は不要になる。しかし、図2を基に説明したROI領域の選択を行いたい場合は、これを設置することができる。同じことがアッベ・ケーニッヒプリズムについても言える。
多点走査による別法が模式図として図4に示されているが、その方法では複数の光源がスキャナのひとみに対して斜めに照射される。この場合でもメインカラースプリッタ17とスキャナ18間での結像にズーム光学系41を使用することにより、図2に描かれたようなズーム機能を実現することができる。ひとみに共役な平面に様々な角度から光線束を同時入射することにより、光点が対象物平面に共役な平面に形成され、それがスキャナ18により同時に対象物フィールド全体のうちの一部領域上に誘導される。スポット分解性のあるマトリックス検出器28では部分画像全体の評価を通して画像情報が生成される。
その他の実施態様としては、US 6 028 306に記載されているような多点走査があるが、その開示内容の中で関連事項は本発明に包括的に取り入れられている。ここでもスポット分解性のある検出器28を設置することができる。その場合は試料は多点光源によって照明されるが、それは、多点光源が実現されるようにマルチ開口プレートを照明する、マイクロレンズアレーの後続配置されたビームエキスパンダによってなされる。
図5は、(X/Y)点像スキャナ、点光源および点検出器の使用下におけるフォーカシング装置を通じての大きな試料の走査を示している。ライン状に行われるX方向点走査における撮像/照明領域BMは、スキャナのパラメータおよび使用光学系によって決定される。Y方向における走査は、ここではスキャナに代わりボードの連続的Y駆動で決定されるが、当該Yスキャナによって限定される、点像スキャナ通常の走査フィールドを越えている。
図6では図1に基づくライン状光源が試料に結像し、ボードがここでも同じようにY方向へシフトする。
3次元座標系は、z軸が顕微鏡光軸の方向になるように決定する。x軸およびy軸z軸に直交する。それらの精確な方向は方法を説明する上では重要でない。
本発明に基づく方法では、全領域の記録のため、データはx方向のラインに沿って記録される。顕微鏡ボードは一定速度でy軸方向に移動する。記録された個別ラインデータは、記録された順序で順次画像メモリの中の隣接ラインにコピーされる。
試料内の異なったyポジションでこの工程を繰り返せば、x方向もy方向も顕微鏡の最大画像フィールドよりも大きな画像を生成することができる。
大きなスタックの撮影では、上記に加え撮影ラインが周期的にx方向に追加シフトされる。
図7は、点像スキャナの場合に試料内レーザスポットが移動して描いた曲線を示している。
ラインスキャナの場合もこれに準じたことが行われる。
以下では、ボードの同じxポジションで撮影された画像データセグメントを画像ストライプと言うことにする。左側にあるストライプのxポジションは、例えばそれぞれスタート点のポジションということになろう。図はx(スタート)ポジションの異なる3つの画像ストライプを示している。
保存は、最終画像メモリに直接行うか、または個別画像ストライプ用の中間メモリに行うこともできる。後者の場合、画像ストライプは後に最終画像メモリの撮像ポジションに当る箇所に保存される。
x、y方向でのボード移動が不正確であれば、画像ストライプの接合箇所に目に見えるズレを来たす場合がある。これを避けるには、画像ストライプをオーバラップさせて撮影することができる。続いて、オーバラップ領域の画像情報から画像の特徴を引き出し、画像比較または相互に関連付けることで、各画像ストライプに対応するボードのリアルポジションを決定し、それに呼応して画像ストライプを移動させ最終メモリにコピーする。この場合画像ストライプ用に中間メモリが必要である。最低限のレベルでは1画像ストライプに1つの中間メモリで十分である。ボードのリアルポジションの決定は相互関連付けから行える。
撮影のためのボードのリアルポジション修正には次の過程が想定できる :
1. 第1画像ストライプの撮影および中間メモリへの保存
2. 中間メモリからの画像ストライプの最終画像メモリへのコピー
3. x方向でのボードの移動
4. 次の画像ストライプの撮影
5. 中間メモリおよび最終画像メモリからのオーバラップ領域の取り出しおよびその画像データからボードの相対的リアルポジションの決定
6. 中間メモリからの画像ストライプの取り出しおよび最終画像メモリの特定ボードポジションに対応するポジションへのコピー
7.すべての画像ストライプを撮影すれば、撮影を終了する。そうでない場合は、ステップ3の撮影を続行する。
光源モジュール、走査モジュールおよび検出モジュールを有するレーザ走査顕微鏡の模式図 ズーム作用の効果を表わすための走査フィールドの模式図 ニポーディスク付きレーザ走査型顕微鏡の模式図 平行な多点照明および多点走査機能を持つレーザ走査型顕微鏡の模式図 (X/Y)点像スキャナ、点光源および点検出器の使用下におけるフォーカシング装置を通じての大きな試料の走査 図1に基づくライン状光源が試料に結像し、ボードがここでも同じようにY方向へシフトする試料の走査 点像スキャナの場合に試料内レーザスポットが移動して描いた曲線
符号の説明
1 レーザ走査型顕微鏡
2 光源モジュール
3 走査モジュール
4 顕微鏡モジュール
5 検出モジュール
6,7 レーザユニット
8 光バルブ
10 結合ポイント
11 光ファイバ
12,13 コリメータ
14,15 ビーム結合ミラー
17 カラースプリッタ
18 スキャナ
19 走査対物レンズ
20 鏡筒レンズ
21 対物レンズ
22 焦点
23 試料
24 転向ミラー
26 スリット絞り
27 ブロックフィルタ
28 検出器
29 ハロゲンランプ
34 水銀蒸気ランプ
36 ビームスプリッタ
37 円筒形テレスコープ
38 非球面ユニット
40 補正ユニット
41 ズーム対物レンズ
42 固定式絞り
64 ニポーディスク
SF 視野(走査フィールド)

Claims (3)

  1. 光走査型顕微鏡であって、
    局所的に限定された領域を超えて第1の方向に向かって移動できる試料ボードであって、前記第1の方向は、前記顕微鏡の光軸と垂直である、前記試料ボードと、
    前記第1の方向への前記試料ボードの移動中に、前記局所的に限定された領域における試料の格子状の照明のためにライン状の光分布を生成する照明手段と、
    ライン状の試料光を検出するためのスポット分解能を有する検出手段であって、2次元の画像ストライプ内の検出された試料光のデータ、および前記試料ボードの位置を記録する前記検出手段と、
    前記試料ボードの位置に従って、前記記録されたデータから全体画像を生成する手段と、を備え、
    前記光分布の少なくとも1方向での移動により前記局所的に限定された領域が生成され、
    前記試料ボードが第1の方向に垂直に順次シフトして複数の走査領域が形成され、且つ前記試料ボードが順次シフトする際に前記試料ボードのシフト位置が保存される、光走査型顕微鏡。
  2. 複数の走査領域が互に隣接していて、保存された走査領域のデータから画像が合成される、請求項1に記載の光走査型顕微鏡。
  3. 走査領域がオーバラップしていて、保存されたボードポジションが画像比較を基に少なくとも1つの試料領域に対して修正される、請求項1または2に記載の光走査型顕微鏡。
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