JP5059324B2 - 光学顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源が発した照明光を標本に照射し、前記標本が発した光を観察する光学顕微鏡装置に関するものである。

従来から、照明光を標本に照射し、標本が発する光を観察する光学顕微鏡装置が多用されている。一般にピントの合った鮮明な画像を取得するには、対物レンズと標本との距離を一定に保つ必要があるが、熱ドリフトの発生、あるいは標本をカバーするカバーガラスの厚さが変化すると、この対物レンズと標本との距離が変化して焦点位置および収差が変化し、良好な画像が取得できない。そこで、一般に機械的調整手段を用いて焦点位置の修正および収差の補正を行っている。しかし、特にカバーガラスの厚さがばらつくと、補正をおこなうための補正環は、通常対物レンズに設けられていてあまり操作性がよいとはいえず、この調整に多大な手間を要していた。機械的調整手段を用いずに焦点位置の修正および収差の補正を行う技術として、光の波面を変調するアダプティブ光学装置を配置するものが開示されている（特許文献１）。

特開平１１−１０１９４２号公報

しかしながら、上述に開示された技術は、焦点位置の変位および収差の変化に対してアダプティブ光学装置をどのように制御すべきかが示されていないため、ピントがずれた不鮮明な画像が取得されるという現象に対して上述の技術を用いることができない。したがって、不良な画像が取得された場合、従来通りの機械的調整手段を用いることになり、調整に多大な時間を要するとともに調整を不確実なものにするという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で迅速かつ確実に焦点位置の修正および／または収差の補正を行うことが可能な光学顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、照明光を標本に照射し、前記標本が発する光を観察する光学顕微鏡装置において、前記標本が発した光を受光する受光部と、前記照明光を反射する反射面形状を可変に形成して前記照明光を反射する反射面可変部と、熱ドリフトを要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うための熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状と、前記標本を被覆するカバーガラスの厚さの変化を要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うためのカバーガラス要因に対応する複数の反射面形状とを記憶する記憶部と、前記記憶部が記憶する前記熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状と前記カバーガラス要因に対応する複数の反射面形状を前記反射面可変部に形成させる制御を行う反射面制御部と、を具備し、前記反射面制御部は、前記受光部によって取得された観察画像が、ピントのずれた不鮮明な画像であった場合、前記記憶部に記憶された前記熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状を順次選択して該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記熱ドリフト要因に対応する反射面形状を選択した後、前記記憶部に記憶された前記カバーガラス要因に対応する複数の反射面形状を順次選択して該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記カバーガラス要因に対応する反射面形状を選択することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記記憶部は、前記標本に前記照明光を集光する対物レンズごとに前記複数の反射面形状を記憶することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記記憶部は、前記標本を照明する光の波長ごとに前記複数の反射面形状を記憶することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記熱ドリフト要因に対応する反射面形状は、低次の関数にしたがって近似され、前記カバーガラス要因に対応する反射面形状は、高次の関数にしたがって近似されることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記反射面可変部は、電圧値によって前記反射面形状が可変するアダプティブミラーであることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記記憶部は、前記アダプティブミラーに印加する電圧値を記憶することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、照明光を標本に照射し、前記標本が発する光を観察する光学顕微鏡装置において、前記標本が発した光を受光する受光部と、電極を有し、該電極に電圧を印加することで、前記照明光を反射する反射面形状を可変に形成して前記照明光を反射する反射面可変部と、前記反射面可変部の電極に印加し、熱ドリフトを要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うための熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値と、前記標本を被覆するカバーガラスの厚さの変化を要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うためのカバーガラス要因に対応する複数の電圧値とを記憶する記憶部と、前記記憶部が記憶する前記熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値と前記カバーガラス要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に印加し、複数の反射面形状を形成させる制御を行う反射面制御部と、を具備し、前記反射面制御部は、前記受光部によって取得された観察画像が、ピントのずれた不鮮明な画像であった場合、前記記憶部に記憶された前記熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に順次選択して印加し、該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記熱ドリフト要因に対応する電圧値を選択した後、前記記憶部に記憶された前記カバーガラス要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に順次選択して印加し、該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記カバーガラス要因に対応する電圧値を選択することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記記憶部は、前記標本に前記照明光を集光する対物レンズごとに前記複数の電圧値を記憶することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学顕微鏡装置は、上記の発明において、前記記憶部は、前記標本を照明する光の波長ごとに前記複数の電圧値を記憶することを特徴とする。

本発明にかかる光学顕微鏡装置は、アダプティブミラーとアダプティブミラーの可変形状を記憶する記憶部を備えることによって焦点位置の修正および／または収差の補正を迅速かつ確実に行うことができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光学顕微鏡装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる光学顕微鏡装置１の概要構成を示すブロック図である。図１に示すように、この光学顕微鏡装置１は、照明光を出射する光源１０と、照明光を平行光に変換するコレクタレンズ１１と、平行光に変換された照明光を標本１３に集光するコンデンサレンズ１２と、照明光の集光によって標本１３が発した光をカバーガラス１４を介して受光する対物レンズ１５ａと、複数の対物レンズ１５ａ,１５ｂを収納するレボルバ１６と、対物レンズ１５ａによって平行光に変換された光を分割するハーフミラー１７と、ハーフミラー１７を透過した光を反射面形状を可変して反射するアダプティブミラー１８と、アダプティブミラー１８で反射された光を結像させる結像光学系１９と、結像光学系１９によって結像された光を光電変換して観察画像を取得するＣＣＤカメラ２０と、ＣＣＤカメラ２０によって取得された観察画像の光量をもとにアダプティブミラー１８の反射面形状を可変に制御する制御部２１と、アダプティブミラー１８に印加する複数の電圧値である電圧パターンを記憶する補正テーブル２２とを有する。制御部２１は、レボルバ１６を回転させて対物レンズ１５ａ,１５ｂの配置制御を行うとともに補正テーブル２２に記憶されている電圧パターンを読込み、読込んだ電圧パターンをアダプティブミラー１８に印加する。

一般に、アダプティブミラー１８は、電極を有し、この電極に電圧を印加すると反射面形状が変化する。反射面形状が変化すると、対物レンズ１５ａの焦点位置を可変する。その結果、熱ドリフトが発生し、焦点位置が変位した場合、あるいはカバーガラス１４の厚さが変化し、収差が変化した場合、アダプティブミラー１８の反射面形状を可変することによって、この変位した焦点位置の修正および変化した収差の補正を行うことができる。

そこで、図２と図３とを参照して、制御部２１が焦点位置の修正および収差の補正を行う処理手順を説明する。図２は、制御部２１が行う処理手順を示すフローチャートである。まず、制御部２１は、この光学顕微鏡装置１の標準的な光学系の設定である初期設定を行う（ステップＳ１０１）。初期設定を行った後、標本１３を用いた観察を開始する。観察を行う中、ピントがずれた不鮮明な画像が取得された場合（ステップＳ１０２）、制御部２１は、補正テーブル２２から、この光学顕微鏡装置１が使用している対物レンズ１５に対応した対物レンズテーブルを選択する（ステップＳ１０３）。

図３は、補正テーブル２２が記憶するテーブル構造を示す模式図である。図３に示すように、この補正テーブル２２は、対物レンズテーブルＡ１〜Ａｌを有し、さらに、対物レンズテーブルＡ１〜Ａｌは、熱ドリフト要因に対応する電圧パターンＢ１０〜Ｂｍ０を有し、さらに各熱ドリフト要因に対応する電圧パターンＢ１０〜Ｂｍ０は、カバーガラス要因に対応する電圧パターンをＢ１１〜Ｂ１ｎ,Ｂ２１〜Ｂ２ｎ,・・・Ｂｍ１〜Ｂｍｎを有する。

熱ドリフト要因に対応する電圧パターンＢ１０〜Ｂｍ０は、熱ドリフトを要因として焦点位置の変位および収差が変化した場合、この焦点位置の変位を修正するとともに収差の変化を補正する電圧パターンであり、カバーガラス要因に対応する電圧パターンＢ１１〜Ｂ１ｎ,Ｂ２１〜Ｂ２ｎ,・・・Ｂｍ１〜Ｂｍｎは、カバーガラス１４の厚さのばらつきを要因として焦点位置の変位および収差が変化した場合、この焦点位置の変位を修正するとともに収差の変化を補正する電圧パターンである。

一般に、熱ドリフトを要因とする焦点位置の変位量および収差の変化量は、カバーガラス１４の厚さのばらつきを要因とする焦点位置の変位量および収差の変化量に比して大であり、これに対応して、熱ドリフト要因に対応する電圧値の変化量は、カバーガラス要因に対応する電圧値の変化量に比して大となる。

制御部２１は、この顕微鏡装置１が使用している対物レンズに対応した対物レンズテーブルを選択した後、対物レンズテーブルに記憶された熱ドリフト要因に対応する電圧パターンＢ１０〜Ｂｍ０を選択してアダプティブミラー１８に順次印加する（ステップＳ１０４）。その後、この電圧パターンＢ１０〜Ｂｍ０の中から最大光量が取得された電圧パターンを選択する（ステップＳ１０５）。たとえば、電圧パターンＢ１０が選択された場合、制御部２１は、カバーガラス要因に対応する電圧パターンＢ１１〜Ｂ１ｎを選択してアダプティブミラー１８に順次印加する（ステップＳ１０６）。その後、この電圧パターンＢ１１〜Ｂ１ｎの中から最大光量が取得された電圧パターンを選択する（ステップＳ１０７）。たとえば、電圧パターンＢ１１が選択された場合、制御部２１は、アダプティブミラー１８に電圧パターンＢ１１を印加する（ステップＳ１０８）。以上によって、焦点位置の修正処理および収差の補正処理を終了する。

ここで、図４に対物レンズテーブルＡ１の具体的内容を例示する。アダプティブミラー１８が４分割され、４つの電極（第１電極〜第４電極）を有する場合、対物レンズテーブルＡ１は、４つの電極に対応する電極テーブルＡ１１〜Ａ１４を個別に有する。シートＡ１１には、第１電極に印加する複数の電圧値が記憶され、熱ドリフト要因に対応する電圧値とカバーガラス要因に対応する電圧値とがマトリックス状に記憶されている。

熱ドリフト要因に対応する電圧値は、１Ｖ間隔で１５０．０Ｖから１５５．０Ｖまで記憶され、カバーガラス要因に対応する電圧値は、０．１Ｖ間隔で１５０．１Ｖから１５５．９Ｖまで記憶されている。なお、シートＡ１２〜Ａ１４についてもシートＡ１１と同様の形式で電圧値が記憶されているが、各電圧値は、同じであるとは限らない。

また、制御部２１が各電極（第１電極〜第４電極）に対して印加する電圧値は、予めシミュレーション計算等によって求めておくことができる。一般に、熱ドリフト要因に対応する反射面形状は、低次の関数によって近似される曲面であり、カバーガラス要因に対応する反射面形状は、高次の関数によって近似される曲面であることが知られている。熱ドリフト要因とカバーガラス要因とが複合した場合、低次の関数に高次の関数が重ね合わされた反射面形状となる。したがって、これらの組合わせを補正テーブル２２が予め記憶することによって、多様な焦点位置の変位および収差の変化に対応できる。

なお、アダプティブミラー１８の電極は４つとは限らない。電極テーブルは、使用されるアダプティブミラー１８の電極の数に合わせて用意する。

この実施の形態１では、ピントのずれた不鮮明な画像が取得された場合、補正テーブル２２に記載された電圧パターンを選択してアダプティブミラー１８に順次印加し、焦点位置の修正および収差の補正を迅速、かつ確実に行うようにしていた。

なお、この実施の形態１では、ＣＣＤカメラ２０が受光した光量が最大である時、焦点位置の修正および収差の補正が完了したとしていたが、ＣＣＤカメラ２０が受光した光量が所定値になった時に焦点位置の修正および収差の補正が完了したとするようにしてもよい。また、ＣＣＤカメラ２０に代えて光ラインセンサ、フォトディテクタ等を用いてもよい。落射照明や蛍光観察をおこなう場合には、照明光もアダプティブミラー１８を経由するように、アダプティブミラー１８の前段（図１でアダプティブミラー１８よりもＣＣＤカメラ２０側）に照明光源を配置する。

また、この実施の形態１では、熱ドリフト要因に対応する電圧パターンを選択した後にカバーガラス要因に対応する電圧パターンを選択するようにしていたが、熱ドリフト要因とカバーガラス要因とを区別することなく全ての電圧パターンを順次選択するようにしてもよい。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２である光学顕微鏡装置について説明する。実施の形態１では、透過照明型の光学顕微鏡装置１にアダプティブミラー１８を用いて焦点位置の修正および収差の補正を行うようにしていたが、この実施の形態２では、走査型共焦点型の光学顕微鏡装置にアダプティブミラーを用いて焦点位置の修正および収差の補正を行うようにしている。

図５は、この実施の形態２にかかる光学顕微鏡装置２の概要構成を示すブロック図である。図５に示すように、この光学顕微鏡装置２は、レーザ光を出射するレーザ光源３１と、レーザ光を平行光に変換するコリメート光学系３２と、平行光に変換されたレーザ光を反射するダイクロイックミラー３３と、ダイクロイックミラー３３で反射されたレーザ光を反射する反射ミラー３４と、反射ミラー３４で反射されたレーザ光を反射面形状を可変させて反射するアダプティブミラー３５と、アダプティブミラー３５で反射されたレーザ光を反射しつつ蛍光標本４０上を走査させるスキャナ３６と、スキャナ３６で走査されたレーザ光を集光する投影レンズ３７と、投影レンズ３７によって集光されたレーザ光を平行光に変換する中間結像レンズ３８と、中間結像レンズ３８によって平行光に変換されたレーザ光を蛍光標本４０上に集光する対物レンズ３９と、蛍光標本４０が発した蛍光を集光する結像レンズ４１と、対物レンズ３９の焦点位置と共役な位置に配置された共焦点ピンホール４２と、共焦点ピンホール４２を通過した蛍光を光電変換するＰＭＴ４３と、ＰＭＴ４３が変換した電流によって蛍光標本４０の蛍光画像を取得するとともにアダプティブミラー３５の反射面形状を制御する制御部４４と、アダプティブミラー３５に印加する電圧パターンを記憶する記憶部４５とを有する。

この共焦点走査型の光学顕微鏡装置２において、レーザ光源３１、あるいは電源（図示せず）等の発熱によって熱ドリフトが発生した場合、あるいは蛍光標本４０を被覆するカバーガラス（図示せず）の厚さが標準の厚さと異なった場合、制御部４４は、ピントのずれた不鮮明な蛍光画像を取得する。

ピントのずれた不鮮明な蛍光画像が取得されると、制御部４４は、アダプティブミラー３５に対して補正テーブル４５が記憶する電圧パターンを順次印加し、アダプティブミラー３５の反射面形状を可変させ、取得された蛍光画像の光量をもとに焦点位置の修正および収差の補正を行う。最大光量が取得された電圧パターンをアダプティブミラー３５に印加して焦点位置の修正および収差の補正を行う。

この実施の形態２では、アダプティブミラー３５と補正テーブル４５とを共焦点走査型の光学顕微鏡装置２に用いて焦点位置の修正および収差の補正を行うようにした。なお、補正テーブル４５は、図６に示すように、実施の形態１で説明した補正テーブル２２にレーザ光源３１のレーザ波長に対応する電圧パターンを追加した構造としてもよい。このことによって、レーザ波長を要因とした収差も補正できるからである。

図７は、制御部４４が行う処理手順を示すフローチャートである。制御部４４の処理手順（ステップＳ２０１〜Ｓ２０３）は、実施の形態１で示した処理手順（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）に対応する。その後、制御部４４は、使用しているレーザ光に対応した波長テーブルを選択する（ステップＳ２０４）。その後の処理手順（ステップＳ２０５〜Ｓ２０９）は、実施の形態１で示した処理手順（ステップＳ１０４〜１０８）に対応する。

なお、この実施の形態１，２では、制御部２１，４４が取得した画像の光量をもとに補正テーブル２２，４５が記憶する電圧パターンをアダプティブミラー１８，３５に印加するようにしていたが、制御部４４を介さずにＣＣＤカメラ２０，ＰＭＴ４３が出力する電気信号、あるいは電流をもとにアダプティブミラー１８，３５に電圧パターンを印加するようにしてもよい。

これにより、簡易な構成で迅速かつ確実に焦点位置の修正および／または収差の補正を行うことができる。

この発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡装置の概要構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１にかかる制御部が行う焦点位置の修正および収差の補正の処理手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１にかかる補正テーブルが記憶するテーブル構造を示す模式図である。 この発明の実施の形態１にかかる対物レンズテーブルの具体的内容を示す図である。 この発明の実施の形態２にかかる光学顕微鏡装置の概要構成を示すブロック図である。 実施の形態２にかかる補正テーブルが記憶するテーブル構造を示す模式図である。 実施の形態２にかかる制御部が行う焦点位置の修正および収差の補正の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１，２ 光学顕微鏡装置
１０ 光源
１１ コレクトレンズ
１２ コンデンサレンズ
１３ 標本
１４ カバーガラス
１５ａ，１５ｂ，３９ 対物レンズ
１６ レボルバ
１７ ハーフミラー
１８，３５ アダプティブミラー
１９ 結像光学系
２０ ＣＣＤカメラ
２１，４４ 制御部
２２，４５ 補正テーブル
３１ レーザ光源
３２ コリメート光学系
３３ ダイクロイックミラー
３４ 反射ミラー
３６ スキャナ
３７ 投影レンズ
３８ 中間結像レンズ
４０ 蛍光標本
４１ 結像レンズ
４２ 共焦点ピンホール
４３ ＰＭＴ

Claims (9)

1. 照明光を標本に照射し、前記標本が発する光を観察する光学顕微鏡装置において、
   前記標本が発した光を受光する受光部と、
   前記照明光を反射する反射面形状を可変に形成して前記照明光を反射する反射面可変部と、
   熱ドリフトを要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うための熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状と、前記標本を被覆するカバーガラスの厚さの変化を要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うためのカバーガラス要因に対応する複数の反射面形状とを記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶する前記熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状と前記カバーガラス要因に対応する複数の反射面形状を前記反射面可変部に形成させる制御を行う反射面制御部と、を具備し、
   前記反射面制御部は、前記受光部によって取得された観察画像が、ピントのずれた不鮮明な画像であった場合、前記記憶部に記憶された前記熱ドリフト要因に対応する複数の反射面形状を順次選択して該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記熱ドリフト要因に対応する反射面形状を選択した後、前記記憶部に記憶された前記カバーガラス要因に対応する複数の反射面形状を順次選択して該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記カバーガラス要因に対応する反射面形状を選択する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
2. 前記記憶部は、前記標本に前記照明光を集光する対物レンズごとに前記複数の反射面形状を記憶することを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡装置。
3. 前記記憶部は、前記標本を照明する光の波長ごとに前記複数の反射面形状を記憶することを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡装置。
4. 前記熱ドリフト要因に対応する反射面形状は、低次の関数にしたがって近似され、前記カバーガラス要因に対応する反射面形状は、高次の関数にしたがって近似されることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡装置。
5. 前記反射面可変部は、電圧値によって前記反射面形状が可変するアダプティブミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡装置。
6. 前記記憶部は、前記アダプティブミラーに印加する電圧値を記憶することを特徴とする請求項５に記載の光学顕微鏡装置。
7. 照明光を標本に照射し、前記標本が発する光を観察する光学顕微鏡装置において、
   前記標本が発した光を受光する受光部と、
   電極を有し、該電極に電圧を印加することで、前記照明光を反射する反射面形状を可変に形成して前記照明光を反射する反射面可変部と、
   前記反射面可変部の電極に印加し、熱ドリフトを要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うための熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値と、前記標本を被覆するカバーガラスの厚さの変化を要因とする前記照明光の焦点位置の変位および収差の変化に対応して前記焦点位置の修正および前記収差の補正を行うためのカバーガラス要因に対応する複数の電圧値とを記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶する前記熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値と前記カバーガラス要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に印加し、複数の反射面形状を形成させる制御を行う反射面制御部と、を具備し、
   前記反射面制御部は、前記受光部によって取得された観察画像が、ピントのずれた不鮮明な画像であった場合、前記記憶部に記憶された前記熱ドリフト要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に順次選択して印加し、該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記熱ドリフト要因に対応する電圧値を選択した後、前記記憶部に記憶された前記カバーガラス要因に対応する複数の電圧値を前記反射面可変部に順次選択して印加し、該反射面形状を前記反射面可変部に形成させ、前記受光部が受光した光の光量が最大となる前記カバーガラス要因に対応する電圧値を選択する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
8. 前記記憶部は、前記標本に前記照明光を集光する対物レンズごとに前記複数の電圧値を記憶することを特徴とする請求項７に記載の光学顕微鏡装置。
9. 前記記憶部は、前記標本を照明する光の波長ごとに前記複数の電圧値を記憶することを特徴とする請求項７に記載の光学顕微鏡装置。

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