JP5070810B2

JP5070810B2 - フィルタホイール

Info

Publication number: JP5070810B2
Application number: JP2006307989A
Authority: JP
Inventors: 康弘谷端; 多一郎根津
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: JP2008122784A; US20080112070A1

Description

本発明は、例えば顕微鏡ユニットと共焦点スキャナユニットから構成され、複数波長の励起用レーザ光を各波長に対応した励起側フィルタ手段で切り換えて試料に照射し、試料からの戻り蛍光を、前記励起光の各波長に対応して切り換えられる蛍光観察側フィルタ手段を介して撮像手段に結像させる共焦点顕微鏡に用いて好適なフィルタホイールに関するものである。

ニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の詳細については特許文献１に開示されている。
図６は、共焦点顕微鏡の一般的なシステム構成の一例を示す機能ブロック図である。１は、励起光を出射する多波長励起光源である。２は、この多波長励起光源１からの励起光を選択的に入射する共焦点スキャナユニットである。３は、この共焦点スキャナに接続された蛍光観察用の倒立型顕微鏡ユニットである。

多波長励起光源１において、１ａはＡｒＫｒ（アルゴン・クリプトン）ガスレーザであ
り、４８８ｎｍと５６８ｎｍの波長で同時に発振する。これら励起光は、光ファイバ４を介して共焦点スキャナユニット２に選択的に入射される。１ｂは半導体レーザであり、４０５ｎｍの波長で発振する。この励起光は、光ファイバ５を介して共焦点スキャナユニット２に入射される。

１ｃは、励起側フィルタホイールであり、このフィルタホイールに搭載された特定の波
長のみを透過する励起フィルタによって、ＡｒＫｒガスレーザ１ａの励起光は、４８８ｎ
ｍと５６８ｎｍの２波長に分離して選択的に出射される。

１ｄは４０５ｎｍの半導体レーザ１ｂの出射口付近に設けられたシャッターであり、Ａ
Ｋｒガスレーザ１ａの励起光が共焦点スキャナユニット２に入射されている場合には、こ
のシャッターが閉じられ、試料に照射されないようになっている。

共焦点スキャナユニット２が、ＡｒＫｒガスレーザ１ａより４８８ｎｍの励起光を導入する場合は、ＧＦＰ（グリーン蛍光タンパク）またはＹＦＰ（イエロー蛍光タンパク）を励起することが可能であり、５６８ｎｍを導入する場合には、ＤｓＲｅｄ（レッド蛍光タンパク）やｍＲＦＰ（モノマーレッド蛍光タンパク）を励起することが可能である。励起光の切り替えは、励起側フィルタホイール１ｃが回転することによって行われ、切り替え速度は最速で１２５ｍｓｅｃである。

共焦点スキャナユニット２が、半導体レーザ１ｂより４０５ｎｍの励起光を導入する場合は、ＤＡＰＩ（一種の蛍光試薬）またはＣＦＰ（シアン蛍光タンパク）を励起することが可能である。

特開平５−６０９８０号公報

ところで、上述のような共焦点顕微鏡で用いられる励起側及び蛍光観測側で用いられるフィルタホイールは図７に示す構成のものが知られている。
図７において、２０はフィルタホイール、２１はフィルタを収納するフィルタホルダー、２２はフィルタホルダー２１内に配置された第１プーリーで、フィルタホルダー２１の底部に固定されたモータ２５の回転軸に取り付けられている。２３はフィルタホルダー２１内の前記第１プーリーに併設され、フィルタを取り付けるためのフィルタセットテーブル（以下、単にテーブルという）である。このテーブル２３は外周部に歯を形成することにより第２プーリーを兼ねている。

２６はモータ２５とフィルタホルダー２１の位置を調整する４本のキャップねじ、２７は第２プーリー２３の回転を検出するフォトセンサー、２８はフィルタホルダー２１の外周の第１プーリー２２側に設けられ、第１，第２プーリー２２，２３にかかる歯付きベルト３２の張りの微調整を行う調節ねじである。３５はフィルタホルダー２１のカバーであり、取付けねじ３７により固定される。

上述の構成において、図しない制御装置によりモータ２５に回転指令が発せられ、第１プーリー２２の回転に関連してテーブル（第２プーリー）２３が回転し、このテーブル２３に搭載されたフィルタ（図示せず）が選択されて試料の解析などが行われる。なお、第１プーリー２２の回転をテーブル２３（第２プーリー）に対して高速応答（例えば３３ｍｓｅｃ）させるために各プーリーの直径は同じサイズに形成されている。

しかしながら、現在用いられているフィルタホイール（例えば直径１８ｍｍ）の構造ではフィルタサイズが大きくなった場合、例えば、フィルタの直径を２５ｍｍとしたときにはテーブルの直径は約１．５倍のサイズになり、質量は約２倍になる。

また、モータ２５側の第１プーリー２２の直径もテーブル（第２プーリー）２３の直径と同サイズとなる。その場合、負荷トルクと慣性モーメントは質量に比例するので、同じモータを使用した場合は、起動・停止がしにくくなる。たとえ、トルクの大きなモータを使用した場合でもこの条件では安定した動作が保証できない。という問題があった。

本発明は例えばφ２５ｍｍサイズのフィルタとした場合でも、３０ｆｐｓ｛フレーム（ｆｒａｍｅ）／秒｝の周期時間、３３ｍｓｅｃ以下の速度で、正確に安定に連続動作するフィルタホイールを実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は、共焦点顕微鏡において励起用レーザ光の切り換え、および試料からの戻り蛍光の選択に用いられるフィルタホイールであって、中心軸と外周との間に複数のフィルタを円状に等間隔で取付け可能で、取付けられる複数のフィルタよりも内側に従動プーリーが形成されたフィルタセットテーブルと、モータの回転軸に固定され、前記従動プーリーと同じ直径で、外周が前記フィルタセットテーブルの外周よりも外側になるように配置された駆動プーリーと、前記駆動プーリーの回転を前記従動プーリーに伝達するベルトと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、フィルタセットテーブルの回転の高速応答が求められる共焦点顕微鏡のフィルタホイールにおいて、フィルタサイズが大きい場合であっても、高速で正確に連続動作することが可能となる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したフィルタホイールの一実施例を示す要部構成図である。なお、図７と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図１において、２２ａは第１プーリー、３９は第３プーリーである。この第３プーリー３９は、テーブル２３ａに搭載するフィルタの径を例えば直径１８ｍｍから２５ｍｍに大きくしたときのものである。第３プーリー３９は、複数のフィルタ（図では２５ｍｍのフィルタ６個）をテーブル２３ａ上に円状に配置したときに形成される内側の空間にテーブル２３ａと一体に形成されている。

この場合、第３プーリー３９の径に合わせて第１プーリー２２ａの径も変更され、歯付きベルト３２ａも変更した径にあわせた大きさのものが用いられ、第１プーリー２２ａおよび第３プーリー３９に係合している。なお、第１プーリー２２ａ側のモータ２５aも必要に応じてトルクの大きなものに変更する。

図２（ａ〜ｃ）はテーブル２３ａと第３プーリー３９の詳細を示す構成図であり、フィルタを６枚装着する場合を示している。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ断面図、図２（ｃ）は側面図である。これらの図において、４８はフィルタを押圧して固定するためのリングナットである。このリングナット４８をねじ込むことにより、サイズの大きな（例えば直径２５ｍｍ）フィルタが空間Ａに取付けられる。第３プーリー３９の外周に歯が形成され第１プーリー２２ａ（図１参照）に係合して歯付きベルトがかけられる。

４９はキャップねじで、４箇所においてテーブル２３ａと第３プーリー３９を固定する。４０は第３プーリー３９側からテーブルの上部表面に達する連結軸である。４１は連結ねじで、連結軸の内周に形成されたねじに螺合してカラー４２の抜け出しを防止している。４３は第２，第３プーリーの内周とカラーの間に配置されたベアリングである。
上述の構成によりテーブル２３と第３プーリーは一体として回転する。

図３（ａ，ｂ）は第１プーリー２２ａと第３フィルタ３９の直径の関係を示すもので、図３（ａ）はテーブル２３ａに直径２５ｍｍ以上のフィルタを６個装着した例、図３（ｂ）は直径２５ｍｍ以上のフィルタを８個装着した例を示し、この場合は、テーブル２３ａはフィルタを６個装着した場合より大きくなり、内周の空間も大きくなるが第３プーリー３９の直径はフィルタを６個装着したと同様としている。

図４は第１プーリー２２ａを回転させるパルスモータ２５ａの駆動形態を示す説明図である。図において、縦軸はパルスモータに印加するパルス周波数、横軸はパルス印加時間である。図に示すように、加速時間（Ｔ１）−定常運転時間（Ｔ２）−減速時間（Ｔ３）の３ステップでモータドライバーにパルスを与える。この時の起動周波数、運転周波数、加速時間、減速時間を最適な値に設定することで、安定な高速動作が可能となる。実施例に示すように小径プーリータイプとして質量を小さくし、安定した駆動が可能なモータ(例えばαステップモータ)を選定する。

図４において、加速時間Ｔ１の期間では起動周波数ｆ０より運転周波数ｆ１まで所定の加速レートの周波数でパルスを発生させる。
次に、定常運転時間Ｔ２の期間では一定の運転周波数ｆ１にてパルスを発生させる。そして、減速時間Ｔ３の期間では運転周波数ｆ１より起動周波数ｆ０まで所定の減速レートの周波数でパルスを発生させる。

図５（ａ，ｂ）はテーブル３ａのサイズの大きさに合わせて第１プーリー２２ａの大きさも大きくした場合（図５ａ）と、本発明の上記実施例とした場合（図５ｂ）において、テーブルが静定するまでの振幅の状態を示すオシロスコープでの測定結果を示す図である。図中、線分（イ）はパルス電圧のオンオフを示し、一目盛り２Ｖ／ｄｉｖである。線分（ロ）はレーザー変位計での位置信号で、一目盛り１ｍｍ／ｄｉｖである（２Ｖ＝１ｍｍに相当）。

なお、いずれの場合においても、加速時間、定常運転時間、減速時間における印加パルスの周波数は図４で説明した状態と同じとしている。また、図中、Ｂで示す範囲はパルス印加時間で、フィルタを６個搭載した場合に、あるフィルタから隣のフィルタに６０度移動させる場合を示している。モータを６０度回転させフィルタを移動させた後、振動を±０．１３ｍｍ以下(モーターの回転角で±０．７２度以内)に抑えると、フィルタホイールを高速に連続動作させても安定した動作が可能となる。

テーブル２３ａのサイズの大きさに合わせて第１プーリー２２ａの大きさも大きくした場合（図５ａ）では、レーザ変位計で測定した振動は最大±０．８８ｍｍ程度から収束までに長時間を要しているが、本発明の実施例（図５ｂ）によれば、短時間で±０．１３ｍｍ以内に収束していることが分かる。

なお、第１，第３プーリーおよびテーブルを質量の軽いアルミ合金若しくは樹脂で作製すれば効果の高い静定を実現することができる。また、本発明のフィルタホイールは共焦点顕微鏡に用いるものとして説明したが、フィルタを搭載する他の光学部品にも適用可能である。

以上は、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。従って本発明は、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、変形を含むものである。

本発明を適用したフィルタホイールの一実施例の構成を示す平面図（ａ）および一部断面正面図（ｂ）である。フィルタセットテーブルと第３プーリーの構成を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＸ−Ｘ断面図（ｂ）および側面図（ｃ）である。フィルタセットテーブル、第３プーリー及び第１プーリーの関係を示す説明図である。モータの駆動形態を示す説明図である。フィルタセットテーブルのサイズの大きさに合わせて第１プーリーの大きさも大きくした場合と本発明を適用した場合のフィルタセットテーブルの静定状態を示す説明図である。共焦点顕微鏡の一般的なシステム構成の一例を示す機能ブロック図である。従来のフィルタホイールの構成を示す平面図（ａ）および一部断面正面図（ｂ）である。

符号の説明

１多波長励起光源
１ｃ励起側フィルタホイール
２共焦点スキャナユニット
３顕微鏡ユニット
６蛍光観察側フィルタホイール
１１制御装置
１２シーケンス処理手段
２０フィルタホイール
２１，２１ａフィルタホルダー
２２，２２ａ第１プーリー
２３，２３ａフィルタセットテーブル
２４固定ねじ
２５，２５ａモータ
２６，３０，３６キャップねじ
２７フォトセンサ
２８調節ねじ
３２，３２ａ歯付きベルト
３５，３５ａカバー
４０連結軸
４１連結ねじ
４２カラー
４３ベアリング
４５ワッシャ

Claims

共焦点顕微鏡において励起用レーザ光の切り換え、および試料からの戻り蛍光の選択に用いられるフィルタホイールであって、
中心軸と外周との間に複数のフィルタを円状に等間隔で取付け可能で、取付けられる複数のフィルタよりも内側に従動プーリーが形成されたフィルタセットテーブルと、
モータの回転軸に固定され、前記従動プーリーと同じ直径で、外周が前記フィルタセットテーブルの外周よりも外側になるように配置された駆動プーリーと、
前記駆動プーリーの回転を前記従動プーリーに伝達するベルトと、を備えたことを特徴とするフィルタホイール。