JP6024576B2 - 共焦点顕微鏡の光源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、共焦点顕微鏡の光源ユニットに関し、特に、レーザ励起ランプ光源を用いた共焦点顕微鏡の光源ユニットに関する。

共焦点顕微鏡は、高い解像度と深い焦点深度の両方を実現する光学顕微鏡であり、半導体の表面観察や、生体・細胞等の観察等に用いられている。共焦点顕微鏡では、スキャン速度を高速化するために、螺旋状のパターンでピンホールが形成されたニポウディスクを用いた方式が知られている。

図５は、特許文献１に記載されたニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の構成を示す図であり、図５（ａ）は構成ブロック図、図５（ｂ）は斜視図である。図５（ａ）において、共焦点顕微鏡５００は、光源５１０、共焦点スキャナユニット５２０、顕微鏡ユニット５３０、カメラ５４０を備えており、ステージ５５０上に載置された試料に対して走査を行ない、カメラ５４０で記録する。

共焦点スキャナユニット５２０では、螺旋状のパターンでピンホール５２４が形成されたニポウディスク５２３と、ピンホール５２４と同一のパターンでマイクロレンズ５２２が配置されたマイクロレンズディスク５２１とが回転軸５２６で連結され、モータ等の回転駆動装置５２５により、一体となって回転するようになっている。

光源５１０から出射された励起光は、コリメートレンズ５２７により平行光に変換され、マイクロレンズディスク５２１に配置された複数個のマイクロレンズ５２２に入射する。各マイクロレンズ５２２に入射した励起光は、ビームスプリッタ５２６を透過し、個別の光束に集光してニポウディスク５２３の対応する位置のピンホール５２４で焦点を結び、ピンホール５２４を通過して顕微鏡ユニット５３０に入射される。

顕微鏡ユニット５３０に入射された励起光は、チューブレンズ５３１を介して対物レンズ５３２に入射し、ステージ５５０上で焦点を結び、試料を励起する。励起光により試料が発光する蛍光は、顕微鏡ユニット５３０に入射し、対物レンズ５３２、チューブレンズ５３１により、ニポウディスク５２３のピンホール５２４に集光して通過する。

ピンホール５２４を通過した試料からの蛍光は、ビームスプリッタ５２６で反射してリレーレンズ５２８を介してカメラ５４０に入射する。なお、ビームスプリッタ５２６は、光源５１０の出射光の波長を透過し、この波長の光によって試料が発する蛍光波長を反射する特性となっている。

特開２０１１−２２１１７０号公報 特表２００９−５３２８２９号公報

共焦点顕微鏡５００において、光源５１０の出射光をマイクロレンズ５２２で集光し、ピンホール５２４を効率よく通過させるためには、コリメートレンズ５２７で精度のよい平行光を生成する必要がある。コリメートレンズ５２７で精度のよい平行光を生成するためには、光源５１０を点光源に近づけることが要求されるため、従来の共焦点顕微鏡５００では、光源５１０として、輝点が極めて小さいレーザ光源が用いられている。

しかしながら、レーザ光源は高価であり、さらに複数の波長の励起光を使い分ける場合は、波長の数に比例した個数のレーザ光源が必要となり共焦点顕微鏡のコスト上昇を招いている。

レーザ光源を用いることによる共焦点顕微鏡のコスト上昇を避けるために、従来から光学顕微鏡の光源として用いられているハロゲンランプ・水銀ランプ等のランプ光源を共焦点顕微鏡５００に適用しようとしても、ランプ光源は輝点が大きいため、コリメートレンズ５２７で精度のよい平行光を作成することができない。このため、ピンホール５２４に入る励起光の効率が極めて悪くなってしまう。

ところで、特許文献２に記載されているように、近年、レーザ励起のランプ光源が開発されている。レーザ励起ランプ光源は、レーザ光源より安価であり、従来のランプ光源よりも輝点が小さいため、共焦点顕微鏡の光源として用いることができれば、効率のよい共焦点顕微鏡を、コスト上昇を抑えて実現できる可能性がある。

しかしながら、レーザ励起ランプ光源の輝点は、従来のランプ光源よりも小さいものの、レーザ光源よりは大きく、単にレーザ光源をレーザ励起のランプ光源に置き換えただけでは、ピンホール５２４に効率よく励起光を通すことはできない。

そこで、本発明は、レーザ励起ランプ光源を用いた効率のよい共焦点顕微鏡の光源ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の共焦点顕微鏡の光源ユニットは、複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズディスクと前記マイクロレンズと同じパターンのピンホールが形成されたピンホールディスクとを一体的に回転させることで対象物を走査する共焦点顕微鏡の光源ユニットであって、レーザ励起ランプ光源と、前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像を前記マイクロレンズディスクに拡大して結像させる拡大投影部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記拡大投影部は、前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像に焦点が位置する第１拡大レンズと、前記第１拡大レンズよりも焦点距離の大きい第２拡大レンズとを含んで構成することができる。
また、前記輝点の像は、前記レーザ励起ランプ光源の輝点を一組のコンデンサレンズを用いて結像することにより形成することができる。
また、前記拡大投影部の前段に、前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像の光強度分布を平均化する光学素子を配置するようにしてもよい。
また、本発明は、上記の共焦点顕微鏡の光源ユニットを搭載した共焦点顕微鏡としてもよい。

本発明によれば、レーザ励起のランプ光源を用いた効率のよい共焦点顕微鏡の光源ユニットを提供することができる。

本実施形態に係る共焦点顕微鏡の光源ユニットの構成を示す図。 本実施形態に係る共焦点顕微鏡の構成を示すブロック図。 本実施形態に係る共焦点顕微鏡を模式的に示す斜視図。 共焦点顕微鏡の光源ユニットの別構成を示す図。 従来のニポウディスク方式の共焦点顕微鏡の構成を示す図。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る共焦点顕微鏡の光源ユニットの構成を示すブロック図である。

本図に示すように、共焦点顕微鏡の光源ユニット７は、レーザ励起ランプ光源２２、第１コンデンサレンズ２３、第２コンデンサレンズ２４、第１拡大レンズ２５、第２拡大レンズ２６、励起フィルタ２７を備えており、レーザ励起ランプ光源２２から発せられた光を、励起フィルタ２７を介して、マイクロレンズディスク３に励起光８として照射する。

第１コンデンサレンズ２３、第２コンデンサレンズ２４、第１拡大レンズ２５、第２拡大レンズ２６は、この順番で光軸が一致するように配置されており、レーザ励起ランプ光源２２は、第１コンデンサレンズ２３側の光軸上に配置されている。

レーザ励起ランプ光源２２は、図示しないレーザ光源によって励起され、輝点２８から高輝度の白色光を発生する。この輝点２８は、従来のランプ光源の輝点よりも小さく、その大きさは、直径０．５ｍｍ程度である。

第１コンデンサレンズ２３は、その焦点がレーザ励起ランプ光源２２の輝点２８に位置するように配置されており、輝点２８から発せられた光は、第１コンデンサレンズ２３によって平行光に変換される。

第１コンデンサレンズ２３によって変換された平行光は、第２コンデンサレンズ２４によって集光され、第２コンデンサレンズ２４の焦点である輝点２９にて結像し、直径０．５ｍｍ程度の大きさの輝点２８の像を形成する。

輝点２９は、第１拡大レンズ２５、第２拡大レンズ２６によって４０倍程度に拡大され、マイクロレンズディスク３の位置で、直径２０ｍｍ程度の大きさで結像するようになっている。すなわち、直径０．５ｍｍ程度の大きさの輝点２９が、第１拡大レンズ２５、第２拡大レンズ２６とを含んで構成される拡大投影部によりマイクロレンズディスク３に直径２０ｍｍ程度の大きさで拡大投影されることになる。ただし、拡大投影部による拡大率は４０倍に限られず、例えば、１０〜６０倍程度とすることができる。

第２拡大レンズ２６とマイクロレンズディスク３との間の光路中には励起フィルタ２７が挿入されており、励起光として所望の波長のみを透過するように構成されている。励起フィルタ２７は、図示しないモータ等により、異なる波長特性の励起フィルタと交換可能としている。

第１拡大レンズ２５の焦点距離は、例えば、５ｍｍ程度とし、第１拡大レンズ２５の焦点に輝点２９が位置するように配置されている。この距離を確保するために、レーザ励起ランプ光源２２の輝点２８から発せられる光を、第１コンデンサレンズ２３と第２コンデンサレンズ２４とで輝点２９に集光するようにしている。ただし、第１拡大レンズ２５の焦点にレーザ励起ランプ光源２２の輝点２８を直接配置できる場合は、第１コンデンサレンズ２３と第２コンデンサレンズ２４とを省くことができる。

第１拡大レンズ２５の焦点に輝点２９が位置するため、直径０．５ｍｍ程度の輝点２９からの個々の光は、拡大レンズ２５を通過すると平行に進んで第２拡大レンズ２６に入射する。第２拡大レンズ２６の焦点距離は、例えば、２００ｍｍ程度とする。第１拡大レンズ２５と第２拡大レンズ２６との距離は、限定されないが、同じく２００ｍｍ程度とすることが光学的に望ましい。また、第２拡大レンズ２６とマイクロレンズディスク３との距離も２００ｍｍ程度とする。ただし、励起フィルタ２７の影響を考慮するものとする。

第２拡大レンズ２６の焦点距離は、２００ｍｍと長いため、輝点２９からの個々の光は、図１に示すように開口数（NA：numerical aperture）の小さい鋭角な光となってマイクロレンズディスク３に投影され、マイクロレンズディスク３上で焦点を結ぶことになる。ここで、焦点近傍では、光の波面は波動光学的に、光軸に対して垂直になる。すなわち、精度の高いコリメート光と同様になり、レーザ励起ランプ光源２２を用いた効率のよい共焦点顕微鏡の光源ユニット７が実現することになる。

図２は、上記の光源ユニット７を用いた共焦点顕微鏡１の構成を示すブロック図である。また、図３は、光源ユニット７を用いた共焦点顕微鏡１を模式的に示す斜視図である。

上述のように、光源ユニット７からの励起光８は、マイクロレンズディスク３上に投影される。マイクロレンズディスク３はピンホールディスク（ニポウディスク）４と回転軸５で連結され、モータ等の回転駆動装置６により、一体となって回転するようになっている。

マイクロレンズディスク３とピンホールディスク４との間には、ダイクロイックミラー９が配置されている。ダイクロイックミラー９には、光源ユニット７が出射する励起光８の波長は透過し、この波長よりも長い波長の光は反射する薄膜が施されている。

また、ピンホールディスク４の下方には、顕微鏡ユニット１０が配置されている。顕微鏡ユニット１０には、撮影レンズ（チューブレンズ）１１と対物レンズ１２とが配置されている。撮影レンズ１１は、ピンホールディスク４を通過した励起光が平行光となる位置に配置されており、平行光となった励起光は、対物レンズ１２によって焦点１３で結像するようになっている。焦点面１４上には、試料が載置される。

ダイクロイックミラー９の近傍には、前側リレーレンズ１５が配置されている。前側リレーレンズ１５は、対物レンズ１２側からピンホールディスク４を通過した光を平行光に変換する位置に配置されている。

前側リレーレンズ１５のさらに前方には、光源ユニット７からの励起光８によって励起された試料が発光する蛍光波長のみを通過させる蛍光フィルタ１６が配置されている。この蛍光フィルタ１６の先には後側リレーレンズ１７が配置されている。この後側リレーレンズ１７は、平行光が撮像カメラ１８の撮像素子１９上で焦点を結ぶように配置されている。

また、光源ユニット７、回転駆動装置６、撮像カメラ１８は、モニタ２１を備えたＰＣ等の制御装置２０に電気的に接続されており、その動作が制御されるともに、観察結果が収集される。

このような構成の共焦点顕微鏡１において、マイクロレンズディスク３上で焦点結んだ励起光は、マイクロレンズディスク３に配置された個々のマイクロレンズの作用によって、ダイクロイックミラー９を透過した後、ピンホールディスク４の対応するピンホール上で焦点を結ぶようになっており、ピンホールディスク４を通過する。

ピンホールディスク４を通過した励起光は、撮影レンズ１１によって、通過したピンホールの位置に応じた傾きを有する平行光に変換される。対物レンズ１２は平行光を入射すると、焦点面１４上における、平行光の傾きに応じた位置に結像させる。このため、入射された励起光は、その傾きに対応した位置で焦点１３を結ぶ。図２では、光軸中心の光線を実線で示し、光軸からずれた光線の例を破線で示している。

この焦点１３に蛍光物質が存在すると蛍光が発せられる。この蛍光は、入射した励起光と同じ光路を通って同じピンホールを再通過する。ピンホールを通過した蛍光はダイクロイックミラー９によって反射され、前側リレーレンズ１５、後側リレーレンズ１７の作用で撮像カメラ１８の撮像素子１９上に等倍で結像される。このとき、蛍光フィルタ１６の作用により、光源ユニット７からの励起光８によって発した蛍光の波長だけが選択的に撮像カメラ１８で撮影される。

本実施例の場合、マイクロレンズディスク３およびピンホールディスク４に励起光８が照射される領域は直径２０ｍｍ程度なので、撮像カメラ１８の撮像素子１９の大きさは、直径２０ｍｍ程度の領域を収められるものが望ましい。

回転駆動装置６により、マイクロレンズディスク３とピンホールディスク４とを一体的に回転させると、図３に示すように、ピンホールを通過する励起光が、対応する焦点面１４上を走査し、さらに個々の戻り光はピンホールを再び通過した後に、ダイクロイックミラー９で分離されて撮像カメラ１８の撮像素子１９上を走査する。

この動作によって、焦点面１４上の情報が撮像カメラ１８に撮影されて観察が可能となる。この際に、焦点面１４上以外からの光は、ピンホールをほとんど通過できないため、撮像カメラ１８の撮像素子１９にはほとんど到達しない。このため、撮像カメラ１８は、焦点面１４からの光のみの共焦点画像を撮影することになる。

また、光源ユニット７の励起フィルタ２７、ダイクロイックミラー９、蛍光フィルタ１６の各特性を適宜変更することにより、複数の励起波長による蛍光画像を撮影することが可能となる。

以上、本実施形態の光源ユニット７によれば、レーザ励起ランプ光源２２の比較的小さい輝点２８を、マイクロレンズディスク３に拡大投影しているため、精度のよいコリメートにすることが可能となり、安価で効率のよい共焦点顕微鏡を提供することができる。

このとき、レーザ励起ランプ光源２２の内部にある輝点２８を一組のコンデンサレンズで等倍に結像し、結像された輝点２９を拡大投影するようにしているため、輝点２９の近傍に焦点距離の小さい第１拡大レンズ２５を配置することが可能となり、光源ユニット７の小型化を図ることができる。

次に、光源ユニット７の別構成例について図４のブロック図を参照して説明する。符号については、図１と同じものを付している。本図に示すように、別構成例では、励起フィルタ２７が第１コンデンサレンズ２３と第２コンデンサレンズ２４との間に配置されている。

また、結像された輝点２９には、断面形状がほぼ同等のロッドインテグレータレンズ３０が配置されている。このロッドインテグレータレンズ３０からの出射光が第１拡大レンズ２５、第２拡大レンズ２６によりマイクロレンズディスク３に拡大投影されるようになっている。他の構成については１図と同様である。

別構成例において、ロッドインテグレータレンズ３０は、輝点２９における励起光の強度分布を平均化するように働くため、マイクロレンズディスク３上での励起光の強度分布が平均化され、さらに焦点面１４に照射される励起光の強度も平均化される。

このため、より一様な強度の励起光で焦点面１４を励起することができる。なお、ロッドインテグレータレンズ３０に限られず、マルチモードの光ファイバ、拡散板等の同様の効果が得られる光学素子を用いて構成してもよい。

１…共焦点顕微鏡、３…マイクロレンズディスク、４…ピンホールディスク、５…回転軸、６…回転駆動装置、７…光源ユニット、８…励起光、９…ダイクロイックミラー、１０…顕微鏡ユニット、１１…撮影レンズ、１２…対物レンズ、１３…焦点、１４…焦点面、１５…前側リレーレンズ、１６…蛍光フィルタ、１７…後側リレーレンズ、１８…撮像カメラ、１９…撮像素子、２０…制御装置、２１…モニタ、２２…レーザ励起ランプ光源、２３…第１コンデンサレンズ、２４…第２コンデンサレンズ、２５…第１拡大レンズ、２６…第２拡大レンズ、２７…励起フィルタ、２８…輝点、２９…輝点、３０…ロッドインテグレータレンズ、５００…共焦点顕微鏡、５１０…光源、５２０…共焦点スキャナユニット、５２１…マイクロレンズディスク、５２２…マイクロレンズ、５２３…ニポウディスク、５２４…ピンホール、５２５…回転駆動装置、５２６…ビームスプリッタ、５２６…回転軸、５２７…コリメートレンズ、５２８…リレーレンズ、５３０…顕微鏡ユニット、５３１…チューブレンズ、５３２…対物レンズ、５４０…カメラ、５５０…ステージ

Claims (5)

1. 複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズディスクと前記マイクロレンズと同じパターンのピンホールが形成されたピンホールディスクとを一体的に回転させることで対象物を走査する共焦点顕微鏡の光源ユニットであって、
   レーザ励起ランプ光源と、
   前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像を前記マイクロレンズディスクに拡大して結像させる拡大投影部と、
   を備えたことを特徴とする共焦点顕微鏡の光源ユニット。
2. 前記拡大投影部は、
   前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像に焦点が位置する第１拡大レンズと、前記第１拡大レンズよりも焦点距離の大きい第２拡大レンズとを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡の光源ユニット。
3. 前記輝点の像を、前記レーザ励起ランプ光源の輝点を一組のコンデンサレンズを用いて結像することにより形成することを特徴とする請求項１または２に記載の共焦点顕微鏡の光源ユニット。
4. 前記拡大投影部の前段に、前記レーザ励起ランプ光源の輝点または前記輝点の像の光強度分布を平均化する光学素子を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡の光源ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡の光源ユニットを搭載した共焦点顕微鏡。