JP5945400B2 - 検出光学系および走査型顕微鏡 - Google Patents
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Description
このため、反射型回折格子自体の回折効率が改善されても、顕微鏡全体として光の利用効率が十分に改善されないという不都合がある。
本発明の第1の態様は、標本からの光を複数の波長帯域に分光する透過型のVPH回折格子と、該VPH回折格子を前記標本からの光の入射光軸と前記VPH回折格子からの出射光軸とに直交する軸線回りに回転させる回転機構と、前記VPH回折格子により分光された前記標本からの光を検出する光検出部と、前記回転機構と同期して、前記VPH回折格子の回転によって生じる光軸の変位に応じて前記光検出部への入射位置を補正する補正手段とを備え、該補正手段が、(i)前記VPH回折格子が第1の回転角にあるときに前記標本からの所定波長の光が前記VPH回折格子から射出されるときの第1の出射角と、(ii)前記VPH回折格子が第2の回転角にあるときに前記標本からの前記所定波長の光が前記VPH回折格子から射出されるときの第2の出射角とのずれを補正する検出光学系である。
以上のように、本発明の第1の態様によれば、光検出部により検出される光量を向上するとともに、標本からの光の分光精度を向上することができる。
反射部回転機構により、回転機構と同期して反射部をVPH回折格子の回転軸線に平行な軸線回りに回転させることで、VPH回折格子の回転によって生じる光軸の変位に応じて光検出部への入射位置を補正することができる。このように補正手段を構成することで、標本からの光の分光精度を向上するとともに、光学系全体をコンパクトにして装置の小型化を図ることができる。
Δα=2sin-1{N(λstd+Δλ)/2}−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λstd/2+Δλ)}
ここで、
Δα:前記VPH回折格子を透過した標本からの光の光軸のずれ角度
N:前記VPH回折格子の特性によって決定される定数
λstd:前記VPH回折格子の角度が基準角度のときに最大効率となる波長
Δλ:検出対象の波長と最大効率となる波長(λstd)との差
である。
光検出部回転機構により、光検出部をVPH回折格子の回転軸線回りに回転させることで、VPH回折格子の回転によって生じる光軸の変位に応じて光検出部への入射位置を補正することができる。このように補正手段を構成することで、標本からの光の分光精度を向上するとともに、反射部等の光学部材を無くして該光学部材による標本からの光のロスを無くすことができ、光検出部による検出効率を向上することができる。
Δα=2sin-1{N(λstd+Δλ)/2}−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λstd/2+Δλ)}
ここで、
Δα:前記VPH回折格子を透過した標本からの光の光軸のずれ角度
N:前記VPH回折格子の特性によって決定される定数
λstd:前記VPH回折格子の角度が基準角度のときに最大効率となる波長
Δλ:検出対象の波長と最大効率となる波長(λstd)との差
である。
光検出部をマルチチャンネル光電子増倍管とすることで、VPH回折格子により分光された標本からの光(複数の波長帯域の光)を同時に検出することができ、リアルタイムでの分光観察を行うことができる。
光検出部を単チャンネル光電子増倍管とし、波長選択スリットにより光検出部に入射する光の波長を選択することで、VPH回折格子により分光された標本からの光(複数の波長帯域の光)のうち選択した波長の光を検出することができる。このように構成することで、装置コストの低減を図ることができる。
本発明の第2の態様によれば、前述の検出光学系を備えているため、光検出部により検出される光量を向上するとともに、標本からの光の分光精度を向上して、標本の観察精度を向上することができる。
本発明の第1の実施形態に係る検出光学系およびこれを備える顕微鏡について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡1は、共焦点走査型顕微鏡であり、図1に示されるように、レーザ光を射出するレーザ光源2と、レーザ光と標本Aからの蛍光とを分岐するダイクロイックミラー3と、レーザ光を標本上で2次元走査するスキャンユニット(走査部)4と、対物レンズ(対物光学系)5と、共焦点レンズ6と、対物レンズ5の焦点位置と共役な位置にピンホールを有する共焦点絞り7と、コリメータレンズ8と、検出光学系10とを備えている。
ダイクロイックミラー3は、レーザ光源2からのレーザ光を反射する一方、レーザ光が照射されることで標本Aにおいて発生した蛍光を透過させるようになっている。
共焦点レンズ6は、ダイクロイックミラー3を透過してきた標本Aからの蛍光を集光するようになっている。
コリメータレンズ8は、共焦点絞り7を通過してきた蛍光を平行光にして検出光学系10に入射させるようになっている。
sinα+sinβ=Nλ
上式において、Nは回折格子の格子周波数、λは回折格子への入射波長である。
上式において、Nとλが一定の場合、α=βの近傍では、出射角α+βはほとんど変化しない。このため、透過型回折格子では、入射角が変化しても、0次光に対する1次回折光の出射角は波長毎に略一定となり、入射角によらず回折方向が略一定に維持される。特に、格子周波数Nが小さいときにはこの近似が精度良く成り立つ。
図1に示すように、レーザ光源2から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー3により反射されて、スキャンユニット4を介して対物レンズ5に入射する。対物レンズ5は、レーザ光を標本Aの1点に集光させて照射する。これにより、標本A中の蛍光物質がレーザ光により励起されて蛍光が発生する。
以上のように、本実施形態に係る検出光学系10およびこれを備える顕微鏡1によれば、光検出部15により検出される光量を向上するとともに、標本Aからの蛍光の分光精度の向上することができる。
図3は、VPH回折格子11の回転角度が基準角度θ1である状態(すなわち、基準波長λstdの回折効率が最大になっている状態)を示す。
図4は、検出したい波長であるλ600(=600nm)の回折効率が最大になる回転角度θ2にVPH回折格子11を回転させた状態を示す。
λstd:VPH回折格子11が最大効率となる波長(設計基準波長)
Δλ:検出対象の波長と最大効率となる波長(設計基準波長λstd)との差
λ600:検出対象の波長
N:VPH回折格子11の特性により決定される定数
θ1’:設計基準波長λstdの回折角
θ600’:検出波長λ600の回折角(図3の状態の場合)
θ2’:検出波長λ600の回折効率が最大になった場合(図4の状態)の回折角
α1:VPH回折格子の回転角がθ1の場合(図3)の検出波長λ600出射角
α2:VPH回折格子の回転角がθ2の場合(図4)の検出波長λ600出射角
図4において、λ600maxと表示した実線は、検出波長λ600の回折効率が最大となる図4の状態において波長λ600の光が出射する光軸を示す。
sinθ1+sinθ600’=Nmλ600・・・(1)
sinθ1+sinθ1’=Nmλstd・・・(2)
上記の(2)式においてλstdが最大効率となる場合にθ1=θ1’なので、以下の式が導かれる。
sinθ1=sinθ1’=Nmλstd/2・・・(2)’
sinθ600’=N(λ600−λstd/2)
∴θ600’=sin-1{N(λ600−λstd/2)}
ここで、α1=θ1+θ600’=θ1’+θ600’なので、以下の式が導かれる。
α1=sin-1(Nλstd/2)+sin-1{N(λ600−λstd/2)}・・・(3)
sinθ2+sinθ2’=Nmλ600・・・(4)
上記の(4)式においてλ600が最大効率となる場合にθ2=θ2’なので、以下の式が導かれる。
sinθ2=sinθ2’=Nmλ600/2・・・(4)’
θ2’=sin-1(Nλ600/2)
α2=2θ2’=2sin-1(Nλ600/2)・・・(5)
上式に(3)式および(5)式を代入すると、以下の式が導かれる。
Δα=2sin-1(Nλ600/2)−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λ600−λstd/2)}
Δα=2sin-1{N(λstd+Δλ)/2}−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λstd/2+Δλ)}・・・(6)
次に、本発明の第2の実施形態に係る検出光学系について、図5を参照して説明する。以降では、各実施形態に係る検出光学系およびこれを備える顕微鏡について、前述の実施形態と共通する点については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。
次に、本発明の第3の実施形態に係る検出光学系について、図6を参照して説明する。
本実施形態に係る検出光学系30は、図6に示すように、前述の第1の実施形態に係る検出光学系10の構成(図2参照)において、反射ミラー12および反射部回転機構13に代えて、光検出部15および結像レンズ14をVPH回折格子11の回転軸線回りに回転させる光検出部回転機構(補正手段)19を備えている。
1 顕微鏡
2 レーザ光源
3 ダイクロイックミラー
4 スキャンユニット(走査部)
5 対物レンズ(対物光学系)
6 共焦点レンズ
7 共焦点絞り
8 コリメータレンズ
10,20,30 検出光学系
11 VPH回折格子
12 反射ミラー(反射部)
13 反射部回転機構(補正手段)
14 結像レンズ
15 光検出部
16 波長選択スリット
17 光検出部
19 光検出部回転機構(補正手段)
Claims (8)
- 標本からの光を複数の波長帯域に分光する透過型のVPH回折格子と、
該VPH回折格子を前記標本からの光の入射光軸と前記VPH回折格子からの出射光軸とに直交する軸線回りに回転させる回転機構と、
前記VPH回折格子により分光された前記標本からの光を検出する光検出部と、
前記回転機構と同期して、前記VPH回折格子の回転によって生じる光軸の変位に応じて前記光検出部への入射位置を補正する補正手段とを備え、
該補正手段が、(i)前記VPH回折格子が第1の回転角にあるときに前記標本からの所定波長の光が前記VPH回折格子から射出されるときの第1の出射角と、(ii)前記VPH回折格子が第2の回転角にあるときに前記標本からの前記所定波長の光が前記VPH回折格子から射出されるときの第2の出射角とのずれを補正する検出光学系。 - 前記補正手段が、
前記標本からの光を反射する反射部と、
前記回転機構と同期して、前記反射部を前記VPH回折格子の回転軸線に平行な軸線回りに回転させる反射部回転機構とを備える請求項1に記載の検出光学系。 - 前記反射部回転機構が、以下の式に基づいて、前記反射部を前記標本からの光の入射光軸に直交する軸線回りに角度Δα/2だけ回転させる請求項2に記載の検出光学系。
Δα=2sin-1{N(λstd+Δλ)/2}−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λstd/2+Δλ)}
ここで、
Δα:前記VPH回折格子を透過した標本からの光の光軸のずれ角度
N:前記VPH回折格子の特性によって決定される定数
λstd:前記VPH回折格子の角度が基準角度のときに最大効率となる波長
Δλ:検出したい波長と最大効率となる波長(λstd)との差
である。 - 前記補正手段が、
前記光検出部を前記VPH回折格子の回転軸線回りに回転させる光検出部回転機構を備える請求項1に記載の検出光学系。 - 前記光検出部回転機構が、以下の式に基づいて、前記光検出部を前記VPH回折格子の回転軸線回りに角度Δαだけ回転させる請求項4に記載の検出光学系。
Δα=2sin-1{N(λstd+Δλ)/2}−sin-1(Nλstd/2)−sin-1{N(λstd/2+Δλ)}
ここで、
Δα:前記VPH回折格子を透過した標本からの光の光軸のずれ角度
N:前記VPH回折格子の特性によって決定される定数
λstd:前記VPH回折格子の角度が基準角度のときに最大効率となる波長
Δλ:検出したい波長と最大効率となる波長(λstd)との差
である。 - 前記光検出部がマルチチャンネル光電子増倍管である請求項1から5のいずれかに記載の検出光学系。
- 前記光検出部に入射する光の波長を選択する波長選択スリットを備え、
前記光検出部が単チャンネル光電子増倍管である請求項1から5のいずれかに記載の検出光学系。 - 光源と、
該光源から射出された光を標本上で走査する走査部と、
該走査部により走査された光を標本に集光する一方、前記標本からの光を集める対物光学系と、
請求項1から7のいずれかに記載の検出光学系とを備える走査型顕微鏡。
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