JP5831782B2 - Microscope equipment - Google Patents

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Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a microscope apparatus.

近年、焦点維持装置を持つ顕微鏡が市場を拡大しつつある。常に標本に合焦し続ける焦点維持装置は、長時間のタイムラプス観察や試薬投与に伴う観察画像のボケやユレを効果的に除去することができる。焦点維持の手法の一つとして、アクティブ方式がある。この手法は、標本(カバーガラスなど)に照射したフォーカス光(以下「AF光」と呼ぶ)の反射から、標本のZ方向の位置(対物レンズの光軸方向位置)を検出する。この際AF光として顕微鏡本来の照明光・信号光(標本からの光)とは異なる波長の光を用いている(例えば、特許文献1参照)。そして、AF光検出部において、波長情報を用いてAF光以外の光を除去し,AF光のみを検出する。   In recent years, microscopes with focus maintaining devices are expanding the market. A focus maintaining device that keeps focusing on the specimen at all times can effectively remove blurs and blurs of the observation image that accompany long-time time-lapse observation and reagent administration. One method for maintaining focus is an active method. In this method, the position of the specimen in the Z direction (the position of the objective lens in the optical axis direction) is detected from the reflection of focus light (hereinafter referred to as “AF light”) applied to the specimen (such as a cover glass). At this time, light having a wavelength different from that of the original illumination light / signal light (light from the specimen) of the microscope is used as AF light (see, for example, Patent Document 1). Then, the AF light detection unit removes light other than the AF light using the wavelength information, and detects only the AF light.

特開2007−323094号公報JP 2007-323094 A

しかしながら、波長情報をもとにAF光を検出する手法では、AF光として用いる光の波長を照明光・信号光の波長として使用できず、顕微鏡観察における波長選択性の自由度が低下してしまうという課題があった。例えば、従来の蛍光顕微鏡では、照明光・信号光(蛍光)ともに可視域にあるため、AF光として近赤外光を用いることで、波長重複の問題を比較的回避しやすかった。しかし昨今、2光子励起蛍光顕微鏡に代表される非線形光学顕微鏡が注目を浴びている。これらの手法では照明光と信号光の波長関係が実に多種多様であり、AF光と重複しない波長領域を定めるのは非常に困難である。従って、照明光・信号光の波長選択性に制限を与えないようなAF光検出機構が求められている。   However, in the method of detecting AF light based on wavelength information, the wavelength of light used as AF light cannot be used as the wavelength of illumination light / signal light, and the degree of freedom of wavelength selectivity in microscope observation is reduced. There was a problem. For example, in a conventional fluorescence microscope, both illumination light and signal light (fluorescence) are in the visible range, so it is relatively easy to avoid the problem of wavelength overlap by using near infrared light as AF light. However, recently, a nonlinear optical microscope represented by a two-photon excitation fluorescence microscope has attracted attention. In these methods, the wavelength relationship between illumination light and signal light is very diverse, and it is very difficult to determine a wavelength region that does not overlap with AF light. Therefore, there is a need for an AF light detection mechanism that does not limit the wavelength selectivity of illumination light / signal light.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、AF光の波長が信号光・照明光の波長と重複しても、AF光のみを検出できる焦点維持装置を有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and provides a microscope apparatus having a focus maintaining device capable of detecting only AF light even if the wavelength of AF light overlaps with the wavelength of signal light / illumination light. For the purpose.

前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、対物レンズを有し、この対物レンズを介して第1の周波数で強度変調された照明光を標本に照射し、標本からの、第1の周波数で強度が変化する蛍光を取得する顕微鏡装置であって、第2の周波数で強度変調され、照明光及び蛍光の少なくとも一方の波長領域と重複する波長を有するフォーカス光を放射する光源部と、光を検出して検出信号を出力する光検出部と、フォーカス光を対物レンズを介して標本に照射するとともに、対物レンズの光軸方向に沿った位置であって、標本の所定の位置とは異なる位置で反射したフォーカス光を光検出部に導くフォーカス光学系と、光検出部から出力される検出信号から、第2の周波数を有する信号を取り出す信号抽出部と、信号抽出部で抽出された信号に基づいて、対物レンズと標本との相対位置関係を変化させることで、対物レンズの焦点面を標本の所定の位置に維持する制御部と、を有する焦点維持装置を有し、第2の周波数は、第1の周波数よりも低い周波数であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a microscope apparatus according to the present invention has an objective lens, and irradiates the specimen with illumination light that is intensity-modulated at the first frequency via the objective lens . A microscope device that acquires fluorescence whose intensity changes at a frequency of 1, and that emits focus light that is intensity-modulated at a second frequency and has a wavelength that overlaps at least one wavelength region of illumination light and fluorescence. A light detection unit that detects light and outputs a detection signal; and irradiates the specimen with focus light through the objective lens, and is a position along the optical axis direction of the objective lens, and a predetermined position of the specimen A focus optical system that guides the focus light reflected at a position different from that to the light detection unit, a signal extraction unit that extracts a signal having the second frequency from the detection signal output from the light detection unit, and a signal extraction unit Based on the signal, by changing the relative positional relationship between the objective lens and the specimen, it has a focal maintenance device having a control unit for maintaining the focal plane of the objective lens at a predetermined position of the sample, a first The second frequency is lower than the first frequency.

このような顕微鏡装置において、第1の周波数は、第2の周波数の整数倍でないことが好ましい。 In such a microscope apparatus , it is preferable that the first frequency is not an integral multiple of the second frequency.

また、このような顕微鏡装置において、光源部は、光を放射する光源と、第2の周波数の信号を出力する信号発生器と、光源から放射された光の強度を信号発生器から出力される信号により強度変調してフォーカス光として射出させる強度変調素子と、を有し、信号抽出部は、信号発生器から出力される信号により検出信号から第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することが好ましい。 In such a microscope apparatus , the light source unit outputs a light source that emits light, a signal generator that outputs a signal of the second frequency, and an intensity of light emitted from the light source from the signal generator. An intensity modulation element that modulates the intensity of the signal and emits the light as focus light, and the signal extraction unit includes a detection mechanism that extracts a signal having the second frequency from the detection signal by a signal output from the signal generator. It is preferable to have.

また、このような顕微鏡装置において、光源部は、第2の周波数の信号を出力する信号発生器と、この信号発生器から出力される信号により強度変調されたフォーカス光を出力する光源と、を有し、信号抽出部は、信号発生器から出力される信号により検出信号から第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することが好ましい。 In such a microscope apparatus , the light source unit includes a signal generator that outputs a signal of the second frequency, and a light source that outputs focus light that is intensity-modulated by a signal output from the signal generator. The signal extraction unit preferably includes a detection mechanism that extracts a signal having the second frequency from the detection signal by a signal output from the signal generator.

また、このような顕微鏡装置において、光源部は、第2の周波数で繰り返されるパルス光をフォーカス光として放射する光源と、このフォーカス光の一部を取り出す光学部材と、この光学部材で取り出されたフォーカス光の一部を検出する光検出器と、を有し、信号抽出部は、光検出器から出力された第2の周波数を有する信号により検出信号から第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することが好ましい。 Further, in such a microscope apparatus , the light source unit is extracted with the light source that emits the pulse light repeated at the second frequency as the focus light, the optical member that extracts a part of the focus light, and the optical member. And a signal extraction unit that extracts a signal having the second frequency from the detection signal by using the signal having the second frequency output from the photodetector. It is preferable to have a detection mechanism.

本発明を以上のように構成すると、AF光の波長が信号光・照明光の波長と重複しても、AF光のみを検出できる焦点維持装置を有する顕微鏡装置を提供することができる。   By configuring the present invention as described above, it is possible to provide a microscope apparatus having a focus maintaining device capable of detecting only AF light even when the wavelength of AF light overlaps with the wavelength of signal light / illumination light.

第1の実施形態に係る焦点維持装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the focus maintenance apparatus which concerns on 1st Embodiment. 対物レンズによるAF光の結像面と標本面との関係を示す説明図であって、(a)は結像面と標本面とが一致している場合を示し、(b)は標本面が結像面より奥側にある場合を示し、(c)は標本面が結像面より手前側にある場合を示す。It is explanatory drawing which shows the relationship between the imaging surface of AF light by an objective lens, and a sample surface, Comprising: (a) shows the case where an imaging surface and a sample surface correspond, (b) shows a sample surface. The case where it exists in the back | inner side from an image formation surface is shown, (c) shows the case where a sample surface exists in a near side from an image formation surface. AF光と照明光及び信号光との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between AF light, illumination light, and signal light. 第2の実施形態に係る焦点維持装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the focus maintenance apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る焦点維持装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the focus maintenance apparatus which concerns on 3rd Embodiment.

[第1の実施形態]
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る焦点維持装置の構成について説明する。この焦点維持装置10は、LED等の光源21を有する光源部20からのAF光を、フォーカス光学系30を用いて顕微鏡装置60の対物レンズ61に導き、この対物レンズ61を介して標本面Oに照射し、その反射光を4分割フォトダイオード40(円状の領域が4分割され、各領域にPD(フォトダイオード)が配置された光検出素子であって、以下、「QPD40」と呼ぶ)等で構成される光検出部で検出することで、対物レンズ61に対する標本面OのZ軸方向位置を検出するものである。
[First Embodiment]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the focus maintaining apparatus according to the present embodiment will be described. The focus maintaining apparatus 10 guides AF light from a light source unit 20 having a light source 21 such as an LED to an objective lens 61 of a microscope apparatus 60 using a focus optical system 30, and the specimen surface O is passed through the objective lens 61. 4, and the reflected light is a quadrant photodiode 40 (a photodetection element in which a circular region is divided into four, and a PD (photodiode) is arranged in each region, hereinafter referred to as “QPD40”) The position of the sample surface O with respect to the objective lens 61 is detected in the Z-axis direction by detecting with a light detection unit constituted by, for example.

この焦点維持装置10のフォーカス光学系30は、光源21側から順に、光源21から放射されたAF光を略平行光束に変換するコリメートレンズ31、略平行光束の略半分を遮光するマスク32、入射するAF光の略半分を透過し、残りを反射させる第1ハーフミラー33、後述する機能を有するオフセットレンズ34、及び、顕微鏡装置60を構成する対物レンズ61の像側に配置され、光源21から放射されたAF光を対物レンズ61に導くとともに、標本面Oで反射されたAF光を焦点維持装置10に導く第2ハーフミラー35を有している。   A focus optical system 30 of the focus maintaining apparatus 10 includes, in order from the light source 21 side, a collimator lens 31 that converts AF light emitted from the light source 21 into a substantially parallel light beam, a mask 32 that blocks approximately half of the substantially parallel light beam, and an incident light. The first half mirror 33 that transmits substantially half of the AF light to be reflected and reflects the rest, the offset lens 34 having a function to be described later, and the objective lens 61 that constitutes the microscope apparatus 60 are arranged on the image side. A second half mirror 35 is provided that guides the emitted AF light to the objective lens 61 and guides the AF light reflected from the sample surface O to the focus maintaining apparatus 10.

また、この焦点維持装置10のフォーカス光学系30は、標本面OからのAF光(反射光)が第1ハーフミラー33で反射する方向に、結像レンズ36を有している。なお、QPD40は、結像レンズ36の焦点面上に配置されている。また、この焦点維持装置10の光源部20は、AF光の強度を変調する強度変調素子である音響光学素子22(以下、「AOM22」と呼ぶ)、所定の周波数fmで振動する信号を出力する信号発生器であるファンクションジェネレータ23(以下、「FG23」と呼ぶ)、及び、このFG23からの信号に応じてAOM22の作動を制御するドライバ24を有し、また、この焦点維持装置10は、後述するように、FG23からの信号に応じてQPD40で取得された信号から所定の信号を取り出す信号抽出部を構成する検出機構であるロックインアンプ41、及び、このロックインアンプ41により取り出された信号に基づいて顕微鏡装置60の合焦の制御を行う制御部50を有している。このように、本第1の実施形態では、光源21及びAOM22によりAF光を放射する光源部20を構成している。   Further, the focus optical system 30 of the focus maintaining apparatus 10 includes an imaging lens 36 in a direction in which AF light (reflected light) from the sample surface O is reflected by the first half mirror 33. The QPD 40 is disposed on the focal plane of the imaging lens 36. The light source unit 20 of the focus maintaining apparatus 10 outputs an acoustooptic element 22 (hereinafter referred to as “AOM22”) that is an intensity modulation element that modulates the intensity of AF light, and a signal that vibrates at a predetermined frequency fm. A function generator 23 (hereinafter referred to as “FG23”) that is a signal generator, and a driver 24 that controls the operation of the AOM 22 in accordance with a signal from the FG 23, and the focus maintaining apparatus 10 will be described later. The lock-in amplifier 41, which is a detection mechanism that constitutes a signal extraction unit that extracts a predetermined signal from the signal acquired by the QPD 40 in accordance with the signal from the FG 23, and the signal extracted by the lock-in amplifier 41 And a control unit 50 for controlling the focusing of the microscope apparatus 60 based on the above. As described above, in the first embodiment, the light source unit 20 that emits AF light is configured by the light source 21 and the AOM 22.

このような構成の焦点維持装置10において、光源21から射出したAF光は、コリメートレンズ31により略平行光束に変換された後、マスク32によりビームプロファイルが半月状になり、AOM22に入射する。AOM22はFG23とドライバ24によって周波数fmでオン−オフを繰り返すよう制御されており、このAOM22を透過して射出するAF光に変調周波数fmで強度変調が施される。このAF光の略半分は第1ハーフミラー33を透過し、オフセットレンズ34により曲率変化を受け、さらに第2ハーフミラー35により、照明光と合波され、対物レンズ61に導かれる。そして、対物レンズ61によって集光されたAF光は、標本面Oで反射し、再び対物レンズ61を通過する。その後、第2ハーフミラー35で反射し、オフセットレンズ34を通過し、第1ハーフミラー33により反射されて結像レンズ36によりQPD40上に集光される。   In the focus maintaining apparatus 10 having such a configuration, the AF light emitted from the light source 21 is converted into a substantially parallel light beam by the collimating lens 31, and then the beam profile is made into a half-moon shape by the mask 32 and enters the AOM 22. The AOM 22 is controlled to be repeatedly turned on and off at a frequency fm by the FG 23 and the driver 24, and intensity modulation is performed on the AF light transmitted through the AOM 22 and emitted at the modulation frequency fm. Almost half of the AF light passes through the first half mirror 33, undergoes a change in curvature by the offset lens 34, is further combined with illumination light by the second half mirror 35, and is guided to the objective lens 61. Then, the AF light collected by the objective lens 61 is reflected by the sample surface O and passes through the objective lens 61 again. Thereafter, the light is reflected by the second half mirror 35, passes through the offset lens 34, is reflected by the first half mirror 33, and is condensed on the QPD 40 by the imaging lens 36.

なお、オフセットレンズ34は、対物レンズ61の焦点面に対してAF光の結像位置をZ軸方向にずらす機能を有している。すなわち、光源21から放射されてコリメートレンズ31により略平行光束になったAF光がオフセットレンズ34を通過した後も略平行光である場合は、対物レンズ61により結像するAF光の位置は対物レンズ61の焦点面に略一致する。一方、オフセットレンズ34を射出したAF光が発散光である場合は、AF光の結像位置は対物レンズ61の焦点面より奥側に移動し、オフセットレンズ34を射出したAF光が収束光である場合は、AF光の結像位置は対物レンズ61の焦点面より手前側に移動する。このように、対物レンズ61の焦点面に対してAF光の結像位置を光軸方向にずらす(オフセットする)ことにより、対物レンズ61の焦点は標本内の所望の位置に合焦させながら、対物レンズ61の焦点面とは異なる位置(例えば、標本を覆うプレートガラスと標本との境界面(上述の「標本面O」)でAF光を反射させて焦点の維持を行うことができる。   The offset lens 34 has a function of shifting the AF light imaging position in the Z-axis direction with respect to the focal plane of the objective lens 61. That is, when the AF light emitted from the light source 21 and made into a substantially parallel light beam by the collimator lens 31 is substantially parallel light after passing through the offset lens 34, the position of the AF light imaged by the objective lens 61 is the objective. This substantially coincides with the focal plane of the lens 61. On the other hand, when the AF light emitted from the offset lens 34 is divergent light, the image formation position of the AF light moves to the back side from the focal plane of the objective lens 61, and the AF light emitted from the offset lens 34 is convergent light. In some cases, the imaging position of the AF light moves to the near side from the focal plane of the objective lens 61. In this way, by shifting (offset) the imaging position of the AF light in the optical axis direction with respect to the focal plane of the objective lens 61, the focal point of the objective lens 61 is focused on a desired position in the sample. The focus can be maintained by reflecting the AF light at a position different from the focal plane of the objective lens 61 (for example, the boundary surface between the plate glass covering the specimen and the specimen (the above-described “specimen plane O”)).

また、図2(a)に示すように、オフセットレンズ34で指定した位置に標本面Oがある時は、結像レンズ36に入射する光は略平行光である(図2において、光軸方向をZ軸方向とし、この光軸に直交する面内で互いに直交する方向の一方をX軸方向とし、他方をY軸方向とする)。これは焦点ズレがない状態を表し、QPD40の中心に光が結像している。一方、図2(b),(c)に示すように、焦点ズレが生じると、QPD40上での光強度分布が変化する。例えば、図2(b)のように、標本面Oが対物レンズ61から離れると、結像レンズ36に入射する光が収束光になる。そのため、QPD40よりも手前で結像し、このQPD40上では左にずれる。また、図2(c)のように、標本面Oが対物レンズ61に近づくと、結像レンズ36に入射する光が発散光になる。そのため、QPD40よりも奥で結像し、このQPD40上では右にずれる。このように、ナイフエッジ法(半月集光)により焦点ズレをQPD40上での位置ズレとして検出し、図2(a)の状態を保持するように制御部50でフィードバック制御する(例えば、QPD40の検出結果に応じて標本が載置されたステージを対物レンズ61の光軸に沿って移動させる)ことで焦点維持を達成できる。   As shown in FIG. 2A, when the sample surface O is at the position designated by the offset lens 34, the light incident on the imaging lens 36 is substantially parallel light (in FIG. 2, the optical axis direction). In the plane perpendicular to the optical axis, one of the directions orthogonal to each other is defined as the X-axis direction and the other as the Y-axis direction). This represents a state where there is no focus shift, and light is imaged at the center of the QPD 40. On the other hand, as shown in FIGS. 2B and 2C, when the focus shift occurs, the light intensity distribution on the QPD 40 changes. For example, as shown in FIG. 2B, when the sample surface O is separated from the objective lens 61, the light incident on the imaging lens 36 becomes convergent light. Therefore, an image is formed in front of QPD 40 and is shifted to the left on QPD 40. Further, as shown in FIG. 2C, when the sample surface O approaches the objective lens 61, light incident on the imaging lens 36 becomes divergent light. For this reason, an image is formed behind the QPD 40 and shifted to the right on the QPD 40. In this way, the focus shift is detected as a positional shift on the QPD 40 by the knife edge method (half-moon focusing), and feedback control is performed by the control unit 50 so as to maintain the state of FIG. The focus can be maintained by moving the stage on which the sample is placed according to the detection result along the optical axis of the objective lens 61).

このとき、QPD40を構成する各PDで検出される光には、図3に示すように焦点維持に必要なAF光の他に、照明光と信号光も混入している。そのため、入射した光の強度和に応じた電気信号が各PDから出力される。このようなQPD40からの出力はロックインアンプ41に送られる。ロックインアンプ41は取り出したい信号(この場合はAF光)の周波数と位相情報によって、雑音(この場合は信号光及び照明光)を除去するデバイスである。QPD40からの出力信号と、FG23から出力されAF光をAOM22で強度変調したものと同じ、周波数fmの参照信号の積を取ることで、QPD40から出力される信号のうち、周波数fmを持つ信号(すなわち、AF光)のみが直流成分に変換される。この大きさはAF光と参照信号の位相差に依存する。そして、このロックインアンプ41に内蔵されているローパスフィルタ(以下「LPF」と呼ぶ)により、直流成分のみを検出することで、AF光のみを検出することができる。雑音(信号光,照明光)は周波数fmの成分を持たないため、直流成分に変換されることはなく、LPFを通過できないからである。このように、ロックインアンプ41は、QPD40からの出力信号のうち、FG23から得られる参照信号と同じ周波数fmを有する信号のみを同期検波する。従って、波長が重複していても、AF光を照明光・信号光から分離検波することができる。上述のように、ロックインアンプ41によって検出された信号(AF光)が標本面Oの焦点位置情報を有しており、この信号を用いて制御部50によりフィードバック処理を行い、ステージがズレを補正するように光軸に沿って移動することで焦点維持を達成することができる。   At this time, illumination light and signal light are mixed in the light detected by each PD constituting the QPD 40 in addition to the AF light necessary for maintaining the focus as shown in FIG. Therefore, an electrical signal corresponding to the sum of the intensity of incident light is output from each PD. The output from the QPD 40 is sent to the lock-in amplifier 41. The lock-in amplifier 41 is a device that removes noise (in this case, signal light and illumination light) based on the frequency and phase information of a signal to be extracted (in this case, AF light). By taking the product of the output signal from the QPD 40 and the reference signal having the frequency fm, which is the same as that obtained by intensity-modulating the AF light output from the FG 23 with the AOM 22, the signal having the frequency fm among the signals output from the QPD 40 ( That is, only AF light) is converted into a DC component. This magnitude depends on the phase difference between the AF light and the reference signal. Then, only the AF light can be detected by detecting only the DC component by a low-pass filter (hereinafter referred to as “LPF”) built in the lock-in amplifier 41. This is because noise (signal light, illumination light) does not have a component of frequency fm, and thus is not converted into a direct current component and cannot pass through the LPF. In this way, the lock-in amplifier 41 performs synchronous detection only on a signal having the same frequency fm as the reference signal obtained from the FG 23 among the output signals from the QPD 40. Therefore, even if the wavelengths overlap, the AF light can be separated and detected from the illumination light / signal light. As described above, the signal (AF light) detected by the lock-in amplifier 41 has the focal position information of the specimen surface O, and the control unit 50 performs feedback processing using this signal, and the stage is displaced. Focus movement can be achieved by moving along the optical axis to correct.

ここで、雑音の1/fゆらぎ特性を考慮すると、AF光を変調する周波数fmは、高い値にするほどロックインアンプ41で取り出される信号のノイズを減らすことができ、たとえば、この周波数fmを100KHz以上とすることが望ましい。また、変調されたAF光は、正弦波の形状よりも矩形波の形状の方が感度を高くすることができる。   Here, considering the 1 / f fluctuation characteristics of noise, the higher the value of the frequency fm for modulating the AF light, the more noise the signal extracted by the lock-in amplifier 41 can be reduced. It is desirable to set it to 100 KHz or more. Further, the modulated AF light can be made more sensitive in the rectangular wave shape than in the sine wave shape.

また、顕微鏡装置60において、照明光を変調するときは、照明光を変調する周波数とAF光を変調する周波数fmとを異なる値にしなければならない。1/fゆらぎ特性を鑑みて、AFの感度よりも顕微鏡本体の感度を向上させるには、照明光を変調する周波数に対して、AF光を変調する周波数fmを低くする方が良い。これにより、照明光に変調歪による高調波成分が発生したとしても、それはAF光検出には影響しない。また、この時、AF光に変調歪による高調波成分が発生し、その成分が照明光の変調周波数と一致若しくは近似してしまうと、AF光が顕微鏡本体の検出感度を低下させてしまう。そのため、照明光を変調する周波数は、AF光を変調する周波数fmの整数倍にしないことが望ましい。   Further, in the microscope apparatus 60, when modulating the illumination light, the frequency for modulating the illumination light and the frequency fm for modulating the AF light must be set to different values. In view of the 1 / f fluctuation characteristics, in order to improve the sensitivity of the microscope body over the sensitivity of AF, it is better to lower the frequency fm for modulating the AF light than the frequency for modulating the illumination light. Thereby, even if a harmonic component due to modulation distortion occurs in the illumination light, it does not affect the AF light detection. At this time, if a harmonic component due to modulation distortion is generated in the AF light and the component matches or approximates the modulation frequency of the illumination light, the AF light lowers the detection sensitivity of the microscope body. For this reason, it is desirable that the frequency for modulating the illumination light is not an integral multiple of the frequency fm for modulating the AF light.

このように、本実施形態に係る焦点維持装置10は、LED等からなる光源21から放射されるAF光をAOM22で所定の周波数fmで強度変調することにより、このAF光を顕微鏡装置60における照明光若しくは信号光(蛍光)が同一の波長であっても、上記ロックインアンプ41より、所定の周波数fmを有するAF光の信号だけを取り出すことができるので、顕微鏡装置60において、信号光・照明光の波長選択に制限がなくなる。   As described above, the focus maintaining apparatus 10 according to this embodiment modulates the intensity of the AF light emitted from the light source 21 such as an LED with the AOM 22 at the predetermined frequency fm, thereby illuminating the AF light in the microscope apparatus 60. Even if the light or the signal light (fluorescence) has the same wavelength, only the AF light signal having a predetermined frequency fm can be extracted from the lock-in amplifier 41. There is no limit to the wavelength selection of light.

なお、光源21は、LEDに限定されず、LD(レーザーダイオード)を用いることもできる。また、強度変調素子は、音響光学素子(AOM)22の代わりに光チョッパや電気光学素子を用いることもできる。また、4分割フォトダイオード(QPD)40の代わりに、PDアレイを用いることもできる。   The light source 21 is not limited to an LED, and an LD (laser diode) can also be used. The intensity modulation element may be an optical chopper or an electro-optic element instead of the acousto-optic element (AOM) 22. Further, a PD array can be used instead of the quadrant photodiode (QPD) 40.

[第2の実施形態]
第1の実施形態では、LED等の光源21から放射されたAF光を、AOM22で強度変調させる光源部20の構成について説明したが、図4に示すように、光源21として半導体レーザーを用い、ドライバ24により半導体レーザーへの注入電流を変調周波数fmで直接変調することで、この光源21から放射されるAF光を強度変調するように光源部20を構成することができる。このような構成によると、第1の実施形態で示したAOM22のような変調素子を使用しなくても変調されたAF光を用いることができる。なお、図4においては、第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符合を付し、詳細な説明は省略する(以下も同様である)。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the configuration of the light source unit 20 that modulates the intensity of the AF light emitted from the light source 21 such as an LED by the AOM 22 has been described. However, as shown in FIG. The light source unit 20 can be configured to modulate the intensity of the AF light emitted from the light source 21 by directly modulating the current injected into the semiconductor laser with the modulation frequency fm by the driver 24. According to such a configuration, modulated AF light can be used without using a modulation element such as the AOM 22 shown in the first embodiment. In FIG. 4, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted (the same applies to the following).

また、半導体レーザーである光源21の変調周波数を高くすると、周波数チャープが発生してAF光の波長が変化し、標本の観察に影響を及ぼす可能性があるため、周波数チャープの発生しない変調周波数fmとすることが望ましい。   Further, when the modulation frequency of the light source 21 which is a semiconductor laser is increased, frequency chirp is generated and the wavelength of the AF light is changed, which may affect the observation of the specimen. Therefore, the modulation frequency fm at which no frequency chirp is generated. Is desirable.

[第3の実施形態]
第1及び第2の実施形態では、AF光を変調するために、光源部20にファンクションジェネレータ(FG)23を設けていたが、図5に示すように、光源21としてパルスレーザーを用いると、このFG23も不要となる。パルスレーザーは、所定の繰り返し周波数のパルス光を放射するものであり、この繰り返し周波数を上述の所定の周波数fmとすることにより、ロックインアンプ41でこの周波数fmを有するAF光を検出することができる。なお、ロックインアンプ41に入力する参照信号は、AF光の光路上にこのAF光の一部を反射し、残りの一部を透過する光学部材25を配置し、その反射光を光検出器であるフォトダイオード(PD)26で検出して所定の周波数を有する信号として出力することで、取得することができる。この光学部材25は、ガラスのようにAF光の一部(数%程度)を反射することができる部材であれば良い。
[Third Embodiment]
In the first and second embodiments, the function generator (FG) 23 is provided in the light source unit 20 in order to modulate the AF light. However, as shown in FIG. This FG 23 is also unnecessary. The pulse laser emits pulsed light having a predetermined repetition frequency. By setting the repetition frequency to the above-mentioned predetermined frequency fm, the lock-in amplifier 41 can detect AF light having this frequency fm. it can. The reference signal input to the lock-in amplifier 41 is provided with an optical member 25 that reflects part of the AF light and transmits the other part of the AF light on the optical path of the AF light. It can be obtained by detecting with a photodiode (PD) 26 and outputting as a signal having a predetermined frequency. The optical member 25 may be any member that can reflect a part of AF light (about several percent) such as glass.

なお、この第3の実施形態の場合、照明光の光源にもパルスレーザーを用いている場合には、照明光のパルスの繰り返し周波数とAF光のパルスの繰り返し周波数とが一致しないようにする必要がある。また、標本の励起観察をする場合には、AF光の強度が、標本で蛍光を発生しない程度にする(励起しない強度にする)必要がある。   In the case of the third embodiment, when a pulse laser is also used as the light source of illumination light, it is necessary that the repetition frequency of the illumination light pulse and the repetition frequency of the AF light pulse do not coincide with each other. There is. In addition, when performing excitation observation of a specimen, it is necessary that the intensity of the AF light is set so as not to generate fluorescence in the specimen (the intensity is not excited).

以上に説明した第1〜第3の実施形態において、焦点ずれを検出する方法としてナイフエッジ法(半月集光)を例として示したが、本発明がこの方法に限定されることはない。また、オフセットレンズ34の有無も、本発明を限定するものではない。   In the first to third embodiments described above, the knife edge method (half-moon focusing) is shown as an example of the method for detecting the defocus, but the present invention is not limited to this method. Further, the presence or absence of the offset lens 34 does not limit the present invention.

10 焦点維持装置 20 光源部 21 光源
22 AOM(強度変調素子)
23 ファンクションジェネレータ(信号発生器)
25 光学素子 26 フォトダイオード(光検出器)
30 フォーカス光学系 40 QPD(光検出部)
41 ロックインアンプ(検出機構) 50 制御部
60 顕微鏡装置 61 対物レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Focus maintenance apparatus 20 Light source part 21 Light source 22 AOM (intensity modulation element)
23 Function generator (signal generator)
25 Optical element 26 Photodiode (photodetector)
30 Focus optical system 40 QPD (light detection unit)
41 Lock-in amplifier (detection mechanism) 50 Control unit 60 Microscope device 61 Objective lens

Claims (5)

対物レンズを有し、該対物レンズを介して第1の周波数で強度変調された照明光を標本に照射し、前記標本からの、前記第1の周波数で強度が変化する蛍光を取得する顕微鏡装置であって、
第2の周波数で強度変調され、前記照明光及び前記蛍光の少なくとも一方の波長領域と重複する波長を有するフォーカス光を放射する光源部と、
光を検出して検出信号を出力する光検出部と、
前記フォーカス光を前記対物レンズを介して前記標本に照射するとともに、前記対物レンズの光軸方向に沿った位置であって、前記標本の所定の位置とは異なる位置で反射した前記フォーカス光を前記光検出部に導くフォーカス光学系と、
前記光検出部から出力される前記検出信号から、前記第2の周波数を有する信号を取り出す信号抽出部と、
前記信号抽出部で抽出された前記信号に基づいて、前記対物レンズと前記標本との相対位置関係を変化させることで、前記対物レンズの焦点面を標本の所定の位置に維持する制御部と、を有する焦点維持装置を有し、
前記第2の周波数は、前記第1の周波数よりも低い周波数であることを特徴とする顕微鏡装置
A microscope apparatus having an objective lens, irradiating the specimen with illumination light whose intensity is modulated at the first frequency via the objective lens, and acquiring fluorescence from the specimen whose intensity changes at the first frequency Because
A light source unit that emits focus light having a wavelength that is intensity-modulated at a second frequency and overlaps at least one wavelength region of the illumination light and the fluorescence;
A light detection unit that detects light and outputs a detection signal;
The focus light is applied to the specimen through the objective lens, and the focus light reflected at a position along the optical axis direction of the objective lens, which is different from a predetermined position of the specimen. A focus optical system that leads to the light detector;
A signal extraction unit for extracting a signal having the second frequency from the detection signal output from the light detection unit;
A control unit that maintains a focal plane of the objective lens at a predetermined position of the sample by changing a relative positional relationship between the objective lens and the sample based on the signal extracted by the signal extraction unit; A focus maintaining device having
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the second frequency is lower than the first frequency.
前記第1の周波数は、前記第2の周波数の整数倍でないことを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡装置The microscope apparatus according to claim 1, wherein the first frequency is not an integer multiple of the second frequency. 前記光源部は、光を放射する光源と、前記第2の周波数の信号を出力する信号発生器と、前記光源から放射された前記光の強度を前記信号発生器から出力される前記信号により強度変調して前記フォーカス光として射出させる強度変調素子と、を有し、
前記信号抽出部は、前記信号発生器から出力される前記信号により前記検出信号から前記第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡装置
The light source unit includes: a light source that emits light; a signal generator that outputs a signal of the second frequency; and an intensity of the light emitted from the light source by the signal output from the signal generator. An intensity modulation element that modulates and emits the focused light, and
The microscope according to claim 1, wherein the signal extraction unit includes a detection mechanism that extracts a signal having the second frequency from the detection signal based on the signal output from the signal generator. Equipment .
前記光源部は、前記第2の周波数の信号を出力する信号発生器と、前記信号発生器から出力される前記信号により強度変調されたフォーカス光を出力する光源と、を有し、
前記信号抽出部は、前記信号発生器から出力される前記信号により前記検出信号から前記第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡装置
The light source unit includes a signal generator that outputs a signal of the second frequency, and a light source that outputs focus light that is intensity-modulated by the signal output from the signal generator,
The microscope according to claim 1, wherein the signal extraction unit includes a detection mechanism that extracts a signal having the second frequency from the detection signal based on the signal output from the signal generator. Equipment .
前記光源部は、前記第2の周波数で繰り返されるパルス光を前記フォーカス光として放射する光源と、前記フォーカス光の一部を取り出す光学部材と、前記光学部材で取り出された前記フォーカス光の一部を検出する光検出器と、を有し、
前記信号抽出部は、前記光検出器から出力された前記第2の周波数を有する信号により前記検出信号から前記第2の周波数を有する信号を抽出する検出機構を有することを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡装置
The light source unit emits pulsed light repeated at the second frequency as the focus light, an optical member that extracts a part of the focus light, and a part of the focus light extracted by the optical member A photodetector for detecting
2. The signal extracting unit includes a detection mechanism that extracts a signal having the second frequency from the detection signal based on the signal having the second frequency output from the photodetector. Or the microscope apparatus of 2.
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