JP5988676B2

JP5988676B2 - 顕微鏡装置

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Publication number: JP5988676B2
Application number: JP2012105143A
Authority: JP
Inventors: 寛末岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-05-02
Also published as: JP2013231930A

Description

本発明は、顕微鏡装置に関するものである。

従来、光源からのレーザ光をビームスプリッタで２つに分割し、分割されたレーザ光をそれぞれ別々の光ファイバで顕微鏡光学系へ導光する構成を備え、２つの異なる用途に対応した顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２７０５３８号公報

レーザ光を励起光として蛍光観察するときは、蛍光の退色を防止するためにレーザ光の強度を必要最低限とすることが好ましい。一方、レーザ光により標本に光刺激を与えるときは、レーザ光には高い強度が要求される。同一のレーザ光をこのような２つの用途に用いる場合、レーザ光の強度を変調する音響光学可変フィルタ（ＡＯＴＦ）のような音響光学素子が用いられる。すなわち、光源の出力強度を光刺激に適した強度に設定し、レーザ光を蛍光励起用に用いるときにはレーザ光の強度を音響光学素子によって減衰させる。

しかしながら、音響光学素子による強度の減衰幅が大きくなると、音響光学素子によって調節されるレーザ光の強度の分解能が低くなる。その結果、蛍光観察用のレーザ光の強度を微調整することができないという問題がある。
光源の出力強度を光刺激用と蛍光観察用とで切り替える方法も考えられるが、この場合には、レーザ光の出力条件、例えば、ポインティングや出射角、波長などが変動することにより、レーザ光と該レーザ光を顕微鏡光学系へと導く光ファイバとのカップリングがずれて意図したレーザパワーで観察を行うことができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、レーザ光を強度を下げて使用するときであってもレーザ光の強度の微調整が可能であるとともに安定した観察を行うことができる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、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、レーザ光を出力する光源部と、該光源部から出力されたレーザ光を標本に照射して該標本を観察する観察光学系と、前記光源部からのレーザ光を前記観察光学系に導くファイバ光学系と、前記光源部から前記観察光学系までの光路に直列に配置され、前記レーザ光の強度を変調する２つの変調手段とを備え、一方の前記変調手段が前記ファイバ光学系の前段に配置され、他方の前記変調手段が前記ファイバ光学系の後段に配置され、前記一方の変調手段が、音響光学素子を備える顕微鏡装置を提供する。

本発明によれば、光源部から出力されたレーザ光がファイバ光学系によって観察光学系へと導かれることにより、該観察光学系によりレーザ光を用いて標本を観察することができる。
この場合に、レーザ光は、光源部から観察光学系へ導光される間に、２つの変調手段によって２段階で強度が変調されるので、レーザ光の強度を大きく減衰させて使用するときにもレーザ光の強度を細かい幅で微調整することができる。また、光源部からのレーザ光の出力強度は変化させる必要がないので、レーザ光とファイバ光学系とのカップリングを良好に維持したまま安定した観察を行うことができる。

上記発明においては、前記一方の変調手段が、高い変調階調数を有する音響光学素子を備えることにより、レーザ光の強度を高い分解能で変調することができる。

また、上記発明においては、前記音響光学素子が、前記ファイバ光学系の前段に配置されることで、音響光学素子によってレーザ光が変調されたときに該レーザ光に生じる波面の歪みが、ファイバ光学系を導光される間にファイバ光学系が有する空間フィルタの作用によって除去される。これにより、波面が整えられたレーザ光を観察光学系に導くことができる。

また、上記発明においては、前記他方の前記変調手段が、減衰フィルタを備えていてもよい。
このようにすることで、装置構成を簡易にすることができる。

また、減衰フィルタによって変調するレーザ光の強度を変更するために減衰フィルタを機械的に移動したときに、減衰フィルタの後段において光軸の位置がずれやすい。したがって、減衰フィルタがファイバ光学系の前段に配置されている場合には、減衰フィルタの機械的な移動によってレーザ光とファイバ光学系とのカップリング効率が変化し得る。そこで、減衰フィルタをファイバ光学系の後段に配置することにより、カップリング効率を安定させることができる。

本発明によれば、レーザ光を強度を下げて使用するときであってもレーザ光の強度の微調整が可能であるとともに安定した観察を行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る顕微鏡装置の全体構成図である。図１の顕微鏡装置の変形例を示す図である。図１の顕微鏡装置のもう１つの変形例を示す図である。図１の顕微鏡装置のもう１つの変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る顕微鏡装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置１は、図１に示されるように、複数のレーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎを備える光源部２と、該光源部２からのレーザ光を図示しない標本に照射して観察する観察光学系３と、光源部２からのレーザ光を観察光学系３へと導くファイバ光学系４と、光源部２とファイバ光学系４との間に配置された第１の変調手段５と、ファイバ光学系４と観察光学系３との間に配置された第２の変調手段６と、各変調手段５，６を制御する第１の制御部７および第２の制御部８と、ユーザインタフェイス９とを備えている。

光源部２は、複数のレーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎから出力された複数のレーザ光を同一の光路に合成するミラー１０ａおよび複数のダイクロイックミラー１０ｂ，１０ｃ，…，１０ｎを備えている。各レーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎは、互いに異なる波長のレーザ光を出力する。光源部２は、ミラー１０ａおよびダイクロイックミラー１０ｂ，１０ｃ，…，１０ｎによって単一の光路に合成されたレーザ光を第１の変調手段５へ出力する。

観察光学系３は、例えば、光学顕微鏡装置からなり、光源部２から第１の変調手段５、ファイバ光学系４および第２の変調手段６を介して入力されたレーザ光を標本に照射するとともに、該標本からの反射光または蛍光を受光して標本の画像を取得するようになっている。
ファイバ光学系４は、入力端が第１の変調手段５の出力光路上に設置され、出力端が第２の変調手段６の入力光路上に設置された光ファイバ１１を備えている。

第１の変調手段５は、光源部２から入力されたレーザ光に含まれる波長を択一的に選択して出力するとともに、出力するレーザ光の強度を調節可能なＡＯＴＦ（以下、第１のＡＯＴＦ５ともいう。）からなる。第１のＡＯＴＦ５によって変調されるレーザ光の波長および強度は、第１の制御部７から印加される高周波電圧の周波数および振幅によって制御される。

第２の変調手段６は、ファイバ光学系４から入力されてきたレーザ光の強度を調節するＡＯＴＦ（以下、第２のＡＯＴＦ６ともいう。）からなる。第２のＡＯＴＦ６によって変調されるレーザ光の強度は、第２の制御部８から印加される高周波電圧の振幅によって制御される。

ユーザインタフェイス９は、第１のＡＯＴＦ５によって選択する波長および波長の切り替えのタイミングなどが設定されたタイムシーケンスがユーザによって設定可能に構成されている。また、ユーザインタフェイス９は、第１のＡＯＴＦ５によって選択される各波長に対するレーザ光の強度がユーザによって設定可能に構成されている。ユーザインタフェイス９は、ユーザによって設定された条件を第１の制御部７または第２の制御部８へ送る。第１の制御部７および第２の制御部８は、ユーザインタフェイス９に設定された条件に基づく周波数および振幅を有する高周波電圧を第１のＡＯＴＦ５または第２のＡＯＴＦ６に印加する。

次に、このように構成された顕微鏡装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置１は、光源部２において、複数のレーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎから出力されたレーザ光をミラー１０ａおよびダイクロイックミラー１０ｂ，１０ｃ，…，１０ｎによって同一の光路に合成して出力する。光源部２から出力された複数の波長を含むレーザ光は第１のＡＯＴＦ５に入力される。第１のＡＯＴＦ５において、レーザ光は、ユーザがユーザインタフェイス９に設定した任意の波長が選択されるとともに、選択された波長のレーザ光の強度が減衰されてファイバ光学系４へ出力される。該ファイバ光学系４によって導光されて出力されたレーザ光は、第２のＡＯＴＦ６によって強度がさらに減衰された後、観察光学系３に入力される。

以上のようにして光源部２から観察光学系３に入力されるレーザ光は、ユーザによってユーザインタフェイス９に設定されたタイムシーケンスにしたがって切り替わることにより、観察光学系３は複数の種類の標本の画像を取得する。例えば、観察光学系３は、励起波長の異なる複数種類の蛍光画像を取得する。

このように、本実施形態によれば、観察光学系３に入力されるレーザ光の強度が第１のＡＯＴＦ５および第２のＡＯＴＦ６によって２段階で減衰される。これにより、レーザ光を低い強度で観察光学系３に入力する場合であっても、各レーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎからのレーザ光の強度を、各ＡＯＴＦ５，６によって十分に高い分解能で変調することができ、観察光学系３に入力される励起光としてのレーザ光の強度を細かい幅で調整することができるという利点がある。

また、レーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎからのレーザ光の出力強度を一定とすることができるので、レーザ光源２ａ，２ｂ，…，２ｎからのレーザ光のポインティング、出射角または波長などの出力条件を一定とし、それによってレーザ光と光ファイバ１１との良好なカップリングを維持して観察光学系３に入力されるレーザ光を安定させることができる。また、第１の変調手段５および第２の変調手段６の両方に、レーザ光の強度の変調階調数が大きいＡＯＴＦを用いることにより、レーザ光の強度をより高い分解能で変調することができる。

なお、本実施形態においては、第１の変調手段５および第２の変調手段６の両方がＡＯＴＦからなることとしたが、これに代えて、一方の変調手段がＮＤフィルタからなっていてもよい。図２および図３は、第２の変調手段としてＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃを備えた変形例に係る顕微鏡装置１００，２００を示している。

図２は、第２の変調手段が、単一のＮＤフィルタ６ａと、該ＮＤフィルタ６ａを光軸上に配される位置と光軸から退避した位置との間で移動させる図示しない移動機構とを備えた構成を示している。図３は、第２の変調手段が、複数のＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃと、該複数のＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃのうち１つを光軸上に配するようにＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃを移動させる図示しない移動機構とを備えた構成を示している。図２および図３に示されるＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃとして、透過率が連続的に変化するＮＤフィルタを採用してもよい。

このように、一方の変調手段としてＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃを用いることにより、音響光学素子を用いた場合と比べて構成を簡易にすることができる。また、ＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃは、機械的な動作によって光路への挿脱が切り替えられるため、ＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃの後段において光軸の位置ずれが発生しやすい。また、それぞれのＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃの楔（フィルタの平行度の誤差）による光軸ずれも発生する。したがって、ＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃをファイバ光学系４の前段に配置した場合には、光ファイバ１１との十分なカップリング効率を保証するために、ＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃの移動機構に極めて高い位置精度とＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃの楔をおさえる（平行度を高める）ことの両方が要求される。そこで、図２および図３に示されるようにＮＤフィルタ６ａ，６ｂ，６ｃをファイバ光学系４の後段に配置することにより、光ファイバ１１とのカップリング効率を考慮する必要がないので、上記要求が緩和され、構成を簡易にすることができる。

さらに、変調手段５としてＡＯＴＦを用いた場合には、ファイバ光学系４よりも光源側で発生したレーザ光の歪は、光ファイバ１１が空間フィルタとして作用することにより、光ファイバ１１を導光する間に除去される。したがって、レーザ光を、光学性能を低下させることなく観察光学系３に導光することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、図４に示されるように、光源部２’に対して観察光学系３と並列に接続された光刺激光学系１２を備えていてもよい。図４に示される変形例に係る顕微鏡装置３００は、光源部２’が、単一の光路に合成したレーザ光を２つに分割するビームスプリッタ１３を備えている。該ビームスプリッタ１３によって分割されたレーザ光のうち、一方は観察光学系３へと導かれ、他方は光刺激光学系１２へと導かれるようになっている。図中の符号１４は、レーザ光を偏向するミラーを示している。ミラー１４と光刺激光学系１２との間には、他方のレーザ光の周波数および強度を変調する第３の変調手段１５（図示する例ではＡＯＴＦ）と、該第３の変調手段１５から光刺激光学系１２へレーザ光を導光するファイバ光学系１６とが備えられている。

このように構成された顕微鏡装置３００は、光刺激光学系１２と観察光学系３とにより標本の光刺激と蛍光観察とを同時に行うことができる。ここで、標本を効率的に光刺激するために、光源部２’から光刺激光学系１２に導かれるレーザ光の強度は高いことが好ましい。一方、標本の蛍光画像を取得するためには蛍光の退色を防止するために、光源部２’から観察光学系３に導かれるレーザ光の強度は低いことが好ましい。本実施形態によれば、光源部２’から出力されるレーザ光の強度を光刺激に適した十分に高い強度としたとしても、観察光学系３の前段に直列に配置された第１の変調手段５および第２の変調手段６により、観察光学系３に入力されるレーザ光の強度を十分に低く減衰させつつ、そのときの強度を十分に高い分解能で調節することができる。

また、本実施形態においては、２つの変調手段５，６のうち一方がファイバ光学系４の前段に配置され、他方がファイバ光学系４の後段に配置されていることとしたが、これに代えて、両方がファイバ光学系４の後段に配置されていてもよい。
このようにすることで、光源装置と顕微鏡装置とをファイバ光学系４によって接続して顕微鏡装置を構築する場合に、光源装置を小型とすることができる。すなわち、光源装置が光源部２から構成され、顕微鏡装置が観察光学系３および２つの変調手段５，６から構成される。

１顕微鏡装置
２光源部
２ａ，２ｂ，…，２ｎレーザ光源
３観察光学系
４ファイバ光学系
５第１の変調手段、ＡＯＴＦ（音響光学素子）
６第２の変調手段、ＡＯＴＦ（音響光学素子）
６ａ，６ｂ，６ｃＮＤフィルタ（変調手段）
７第１の制御部
８第２の制御部
９ユーザインタフェイス
１０ａミラー
１０ｂ，…，１０ｎダイクロイックミラー
１１光ファイバ
１２光刺激光学系
１３ビームスプリッタ
１４ミラー
１５第３の変調手段
１６ファイバ光学系

Claims

レーザ光を出力する光源部と、
該光源部から出力されたレーザ光を標本に照射して該標本を観察する観察光学系と、
前記光源部からのレーザ光を前記観察光学系に導くファイバ光学系と、
前記光源部から前記観察光学系までの光路に直列に配置され、前記レーザ光の強度を変調する２つの変調手段とを備え、
一方の前記変調手段が前記ファイバ光学系の前段に配置され、他方の前記変調手段が前記ファイバ光学系の後段に配置され、
前記一方の変調手段が、音響光学素子を備える顕微鏡装置。
前記他方の前記変調手段が、減衰フィルタを備える請求項１に記載の顕微鏡装置。
前記減衰フィルタを光軸に対して挿脱する移動機構を備える請求項２に記載の顕微鏡装置。
複数の前記減衰フィルタと、そのうちの１つを光軸上に配するように移動させる移動機構とを備える請求項２に記載の顕微鏡装置。
前記減衰フィルタは、透過率が連続的に変化するＮＤフィルタである請求項２から４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
前記光源部は、互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、この複数のレーザ光を同一の光路に合成する合成光学素子を備え、
前記一方の変調手段は、入力された前記レーザ光の波長を選択するとともに強度を調節可能な音響光学素子である請求項２から５のいずれかに記載の顕微鏡装置。
前記観察光学系と並列に接続された光刺激光学系と、
前記光源部からのレーザ光を前記光刺激光学系に向けて分岐させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐された前記レーザ光の強度を変調する光刺激用音響光学素子と、
前記光刺激用音響光学素子から出射した前記レーザ光を前記光刺激光学系に導く光刺激用ファイバ光学系を備える、請求項１から６のいずれかに記載の顕微鏡装置。