JP6033797B2

JP6033797B2 - レーザビーム選択器

Info

Publication number: JP6033797B2
Application number: JP2013556576A
Authority: JP
Inventors: クーパー，ジェレミー・アール
Original assignee: Amersham Biosciences Corp
Current assignee: Global Life Sciences Solutions USA LLC
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: EP2681607B1; US20130335797A1; EP2681607A1; EP2681607A4; CN103384845A; US9606342B2; JP2014507017A; WO2012118424A1; CN103384845B

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年３月１日に出願された仮出願第６１／４４７，７０９号の利益を主張するものである。

本開示は、蛍光顕微鏡に関し、具体的には、蛍光顕微鏡機器内の励起レーザビームを選択するためのシステムに関する。

近年では、落射型蛍光顕微鏡の技術的改良は、蛍光標識された試料成分及び背景間のコントラストを増大することに集中されてきた。結果として、生体試料の多くの異なる細胞成分、亜細胞成分、及び、分子成分を標識する手段を提供するために、何千もの蛍光プローブが開発されてきた。加えて、利用可能な蛍光体の大きいスペクトル範囲は、異なる成分の同時画像化を可能にする。試料の異なる成分を画像化するために、異なる成分は、異なる波長で蛍光を発する蛍光体で標識されるが、各蛍光体は、異なる波長の励起ビームで励起される。結果として、落射型蛍光顕微鏡でのこれらの作業は、ビームが対物レンズを介して試料中に同じ経路に沿って進むように、励起ビームを重畳させる効率的で費用効果的な方法を開発することに、多くの注意を向けてきた。ガス管レーザ、及び、ダイクロイックミラーの積層体は、重畳励起ビームを生成するために検討されている２つのシステムである。ガス管レーザは、典型的には、いくつかの別個の波長で構成された光の単一のビームを放射し、ダイクロイックミラーの積層体は、異なる光源から発する励起ビームを結合するために使用され得る。図１は、パターン化された線１０６〜１０８によってそれぞれ表される、異なる波長λ₁、λ₂及びλ₃の３つの励起ビームを重畳させるように積層された２枚のダイクロイックミラー１０２及び１０４の一例を示す。すべての３つの波長で構成された重畳ビーム１１０を形成するように、ダイクロイックミラー１０２は、ビーム１０６を透過すると共にビーム１０７を反射し、ダイクロイックミラー１０４は、ビーム１０６及び１０７を透過すると共にビーム１０８を反射する。

しかしながら、典型的なガス管レーザは、大きく、費用が法外で、非効率的で、不安定である。ガス管レーザは、また、短い寿命を有し、非常に限られた範囲の波長にわたって光を放射する。他方では、ダイクロイックミラーベースの手法は、多目的であるが、励起ビームが重畳ビームに追加されるたびに、別個のダイクロイックミラーが積層体に追加され、これは、無視できない損失が蓄積するにつれて、かなりの非効率性につながる。例えば、図１に示すように、ビーム１０６は、すでに２枚のダイクロイックミラー１０２及び１０４を通過する。第４の波長を反射すると共に波長λ₁、λ₂及びλ₃を透過する第３のダイクロイックミラーの積層体への追加は、さらにビーム１０６を減衰させることになる。加えて、ガス管レーザ又はダイクロイックミラー積層体のどちらも、サブミリ秒の時間尺度での、又はより速い、異なる励起ビーム間の切り替えを提供しない。ダイクロイックミラーベースの手法では、積層体に入力する各ビームの経路にシャッタを配置することができる。しかしながら、各シャッタは、かなりの費用を機器に追加し、シャッタは、異なる励起ビーム間の所望のサブミリ秒の切り替え速度を達成することができない。上記の理由から、エンジニア、科学者、及び蛍光顕微鏡製造業者は、励起ビームを同じ経路に沿って配置するための、高速で、効率的で、費用効果的なシステムを探し続ける。

光の少なくとも２つのビームの１つを、ビーム選択器からの同じ出力経路に沿って選択的に配置するための種々のビーム選択器が開示される。一態様では、ビーム選択器は、別個の光源から出力される光の少なくとも２つの実質的に平行なビームを受ける。ビーム選択器は、少なくとも２つのビームの１つが透過のために選択された場合、ビーム選択器が、選択されたビームのみを、板の開口部を通る出力経路に沿って導くように、開口部を有する板を含む。板は、また、選択されていないビームの透過を遮断するように機能することができる。開口部を通る出力経路は、各ビームが透過のために選択されている場合、少なくとも２つのビームの各々に関して同じである。ビーム選択器は、試料の特定の成分に取り付けられた蛍光プローブの蛍光を励起するために、特定の励起ビームを、顕微鏡対物レンズを通り、試料へ、同じ経路に沿って選択的に配置するために、蛍光顕微鏡機器内に組み込まれてよい。

異なる波長の３つの励起ビームを重畳させるように積層された２つのダイクロイックミラーの一例を示す。ビーム選択器を含む蛍光顕微鏡機器の一例の概略図を示す。平行ビーム源の一例の図を示す。図４Ａは、ビーム選択器の一例の上面図を示す。図４Ｂは、ビーム選択器の一例の等角図を示す。動作時の図４に示すビーム選択器の上面図を示す。図４に示すビーム選択器を通る３つのビームが進む内部経路のスナップショットの例を示す。図４に示すビーム選択器を通る３つのビームが進む内部経路のスナップショットの例を示す。図４に示すビーム選択器を通る３つのビームが進む内部経路のスナップショットの例を示す。ビーム選択器の一例の等角図を示す。ビーム選択器の一例の上面図を示す。ビーム選択器の一例の上面図を示す。ビーム選択器の一例の等角図を示す。ビーム選択器の一例の上面図を示す。ビーム選択器の一例の上面図を示す。ビーム選択器の一例の上面図を示す。ビーム発射台の実装例と組み合わされたビーム選択器の概略図を示す。

図２は、ビーム選択器（「ＢＳ」）２０２を含む蛍光顕微鏡機器２００の一例の概略図を示す。多くの異なる形式の蛍光顕微鏡機器及び対応する光路が存在する。機器２００は、蛍光顕微鏡機器のすべての異なる周知の変形形態内の光路を表すことを目的とせず、代わりに、ＢＳを蛍光顕微鏡機器に組み込む一般的な原理を例示することを目的とする。機器２００は、平行レーザビーム源２０４、ＢＳ２０２、第１のレンズ２０６、ダイクロイックミラー２０８、対物レンズ２１０、ステージ２１２、第２のレンズ２１４、及び検出器２１６を含む。図２の例に示すように、ビーム源２０４は、励起光のＮの実質的に平行なビーム２１８をビーム選択器２０２に放射し、ここでＮは正の整数である。λ₁，λ₂，λ₃，．．．，λ_Nによって示されるビーム２１８の各々は、電磁スペクトルの、単一の波長の光、又は、波長の非常に狭い帯域内の光の、コリメートされた、高輝度の、実質的に単色のビームである。ステージ２１２上に配置された試料２２０は、多数の異なる成分で構成され、それらの成分の多くは、異なる蛍光プローブで標識される。ビーム源２０２からの各ビーム出力は、試料２２０の特定の成分を画像化するために使用される蛍光体からの蛍光発光を刺激する。ＢＳ２０２は、励起ビーム２１８を受け、画像化すべき試料２２０の成分に取り付けられた蛍光体の蛍光を励起するために選択された励起ビームのみを出力する。例えば、試料２２０の第１の成分が、画像化のために選択されると仮定する。ビーム選択器２０２は、成分に取り付けられた蛍光体を励起する励起ビーム２２２、λ_iのみを出力するように動作される。他の励起ビームは、ＢＳ２０２によって遮断される。レンズ２０６は、励起ビーム２２２を集束し、ダイクロイックミラー２０８は、励起ビームを対物レンズ２１０の後方に反射し、次に対物レンズ２１０は、励起ビームを試料２２０に導く。蛍光体から放射された蛍光の一部は、対物レンズ２１０によって捕捉され、陰影領域２２４によって表されるビームにコリメートされ、ビームは、ダイクロイックミラー２０８を通過し、第２のレンズ２１４によって検出器２１６上に集束される。検出器２１６は、光電子倍増管、フォトダイオード、又は固体電荷結合素子（「ＣＣＤ」）であってよい。試料２２０の第２の成分が、画像化のために選択されると、ビーム選択器２０２は、第２の成分に取り付けられた蛍光体の種類を励起する励起ビームのみを出力するように切り替える。代わりの機器構成では、ダイクロイックミラー２０８は、励起ビームを透過させ、蛍光を反射するように構成されてよく、この場合には、ＢＳ２０２、ビーム源２０４、及びレンズ２０６の位置は、レンズ２１４及び検出器２１６と交換される。

ビーム源２０４は、任意の適切な数の励起ビームを、並列に出力するように構成されてよい。図３は、並列ビーム源３００の一例の図を示し、並列ビーム源３００は、７個の別個の光源３０１〜３０７を含み、光源３０１〜３０７の各々は、それぞれ、λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆、及びλ₇によって示される７つの異なる波長の１つを有する光を放射する。例えば、各光源は、電磁スペクトルの、異なる非常に狭い波長の光の、高輝度で、実質的に単色のビームを放射し、又は、単一の波長を有する光を放射するレーザであってよい。各ビームがビーム源３００を通って進む経路は、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、及びＢ７によって示される、異なってパターン化された矢印によって表される。図３の例では、ビーム源３００は、７つのミラー３０９〜３１５を含み、ミラー３０９〜３１５は、所望の間隔を有する実質的に平行な経路内にビームを反射するように配置される。理想的には、ビームが沿って進む経路は、平行又は非交差であるが、実際には、ミラー及び光源の相対的な配置並びに配向におけるわずかな変化のため、経路は、実質的に平行であるか、ビーム源３００から離れた非常に長い距離で交差するだけでよいことが認識される。結果として、ビームが沿って出力される経路は、実質的に平行と呼ばれる。

図４Ａ〜４Ｂは、ビーム選択器４００の一例の上面図及び等角図を示す。選択器４００は、走査ミラー４０２、第１の平面固定ミラー４０４、第２の平面固定ミラー４０６、及び、開口部４１０を有する板４０８を含む。第１のミラー４０４の反射面は、走査ミラー４０２及び第２のミラー４０６間の領域に向かって傾斜され、第２のミラー４０６の反射面は、走査ミラー４０２及び第１のミラー４０４間の領域に向かって傾斜され、ミラーの反射面は、同じ平面に対して実質的に垂直である。図４Ａ〜４Ｂの例では、走査ミラー４０２は、モータ４１４の回転可能な軸に取り付けられた平面回転ミラー４１２を含むガルバノミラーであり、モータ４１４は、ガルバノモータ又はステッパモータであってよい。代わりに、走査ミラーは、圧電制御ミラーであってよい。図４Ａ〜４Ｂに示すように、ミラー４１２は、ある角度の範囲で、モータ４１４によって前後に回転される。

図５は、動作時のビーム選択器４００の上面図を示す。図５は、ミラー４１２に向かって導かれる７つの異なる実質的に平行なビーム経路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、及びＢ７を有するビーム源３００の表現を含む。図５は、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、及びＭ７によって示される７つの異なる位置に回転されるミラー４１２を示す。異なってパターン化された線５０１〜５０７は、回転ミラー４１２が７つの異なる位置の１つに回転された場合に、各ビームが選択器４００を通って進む経路を表す。各ビームは、同じ平面内のミラー４０４、４０６及び４１２間を進む。図５の例に示すように、固定ミラー４０４及び４０６、並びに回転ミラー４１２は、各ビームが、平面４０８内の開口部４１０を通って同じ経路５１０に沿って出力されるように、同じ平面内に配置される。すなわち、ミラー４１２が位置Ｍｊに回転された場合、ビームＢｊは、経路５１０に沿って、４回の反射後、選択器４００から出力され、ここで、ｊは１から７までの整数である。ミラー４１２が位置Ｍｊにある間、他のビームＢｋは、選択器４００を出ず、ここで、ｋは１から７までの整数であり、ｋ≠ｊである。

図５に示すように、結果としてビームの１つが経路５１０上に配置される回転ミラー４１２の各回転位置に対して、ビームは、合計４回の反射について、ミラー４１２から１回目に反射され、第１の固定ミラー４０４から１回反射され、第２の固定ミラー４０６から１回反射され、ミラー４１２から２回目に反射される。また、他の６つのビームは、これらが平面４０８の開口部４１０に到達しないように反射される。図６Ａ〜６Ｃは、回転ミラー４１２が３つの位置Ｍ１、Ｍ４及びＭ７にそれぞれ回転されたときの、選択器４００を通って進む７つのビームのうち３つ（すなわち、ビームＢ１、Ｂ４及びＢ７）の内部経路のスナップショットの例を示す。図６Ａでは、回転ミラー４１２は、位置Ｍ１に回転される。ビームＢ１は、順番に１、２、３及び４の番号が付けられた内部経路により、点６０２で回転ミラー４１２に入射し、ミラー４０４、４０６及び４１２からの４回の反射を受ける。５番目の経路は、点６０４での回転ミラー４１２からの第２の反射によって形成され、５番目の経路は、ビームＢ１を、経路５１０として図５にも示す、開口部４１０を通る経路上に配置する。図６Ａに示すように、他の２つのビームＢ４及びＢ７は、異なる反射経路をたどり、この異なる反射経路は、結果として、ビームＢ４及びＢ７を開口部４１０に通過させない。図６Ｂでは、回転ミラー４１２は、位置Ｍ４に回転される。ビームＢ４は、順番に１’、２’、３’及び４’の番号が付けられた内部経路により、点６０６で回転ミラー４１２に入射し、ミラー４０４、４０６及び４１２からの４回の反射を受ける。５’番目の経路は、点６０８での回転ミラー４１２からの第２の反射によって形成され、５’番目の経路は、ビームＢ４を、経路５１０として図５にも示す、開口部４１０を通る経路上に配置する。図６Ｂに示すように、他の２つのビームＢ１及びＢ７は、異なる反射経路をたどり、この異なる反射経路は、結果として、ビームＢ１及びＢ７を開口部４１０に通過させない。図６Ｃでは、回転ミラー４１２は、位置Ｍ７に回転される。ビームＢ４は、順番に１”、２”、３”及び４”の番号が付けられた内部経路により、点６１０で回転ミラー４１２に入射し、ミラー４０４、４０６及び４１２からの４回の反射を受ける。５”番目の経路は、点６１２での回転ミラー４１２からの第２の反射によって形成され、５”番目の経路は、ビームＢ７を、経路５１０として図５にも示す、開口部４１０を通る経路上に配置する。図６Ｃに示すように、他の２つのビームＢ１及びＢ４は、異なる反射経路をたどり、この異なる反射経路は、結果として、ビームＢ１及びＢ４を開口部４１０に通過させない。

ビーム選択器４００は、サブミリ秒の出力ビームの選択を提供するために、走査ミラー４０２を用いて実装される。図７Ａ〜７Ｃは、ビーム選択器７００の一例の等角図及び２つの上面図を示す。選択器７００は、走査ミラー７０２、及び、開口部７０６を有する板７０４を含む。図７Ａでは、走査ミラー７０２は、モータ７１０に取り付けられた、平坦な固定位置ミラー７０８を含み、モータ７１０は、矢印７１４によって示すように、ミラー７０８を、軌道７１２に沿って前後に移動させる。図７Ｂ及び７Ｃに示すように、ミラー７０８は、ビーム源３００から出力されるビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、及びＢ７が、ミラーの法線に対して４５度でミラーに入射するように配向される。実際には、ミラー７０８は、ビームを板７０４に向けて反射するために、任意の適切な角度で配置されてよく、ビームの経路に対して４５度の角度に限定されない。図７Ｂでは、ミラー７０８は、すべてのビームがミラー７０８に入射するように配置されるが、ビームＢ３のみが、ミラー７０８に反射され、開口部７０６を通過し、残りのビームは、板７０４に遮断される。図７Ｃでは、モータ７１０は、ビームＢ２が開口部７０６を通過し、他のビームが板７０４によって遮断されるように、ミラー７０８を方向７１６に移動するために使用されている。

図８Ａ〜８Ｄは、ビーム選択器８００の一例の等角図及び３つの上面図を示す。選択器８００は、モータ８０４に取り付けられた透明板８０２を含み、モータ８０４は、ミラー８０２を、矢印８０６及び８０７によって示すように、前後に回転させる。透明板８０２は、所望の屈折率を有するガラス又は透明なプラスチックで構成されてよく、モータ８０４は、ガルバノモータ又はステッパモータであってよい。図８Ｂ〜８Ｄは、開口部８１０を有する不透明板８０８を含む選択器８００を示す。図８Ｂ〜８Ｄは、ビームの１つが開口部８１０を通って出力され、他のビームが板８０８によって遮断されるように、ビーム源３００から出力される光の平行ビームを屈折させるために、透明板８０２がどのように回転されるかを示す。図８Ｂでは、透明板８０２は、ビームが、透明板８０２を垂直入射で通過するように回転される。この位置では、中心ビームＢ４は、開口部８１０を通過し、他のビームは、板８０８によって遮断される。図８Ｃ〜８Ｄの例では、透明板８０２は、ビームが屈折されるように回転され、結果として、ビームは、中心ビームＢ４以外のビームが開口部８１０を通過するようにシフトされる。図８Ｃでは、透明板８０２は、ビームが、ビームオフセットで屈折されるように回転され、ビームオフセットは、結果として、ビームＢ５を開口部８１０に通過させ、他のビームは、板８０８によって遮断される。図８Ｄでは、透明板８０２は、さらに回転され、結果として、より大きいビームオフセットを生じ、より大きいビームオフセットは、ビームＢ６を、開口部８１０を通る経路上に配置し、他のビームは、板８０８によって遮断される。

代わりの実施形態では、ビーム選択器４００は、ビーム発射台と組み合わされてよく、ビーム発射台は、選択されたビームの照射を制御するために使用される。図９は、ビーム発射台９００の実装例と組み合わされたビーム選択器４００の概略図を示す。図９の例では、各ビームは、平行ビーム源３００から、実質的に単色の光のビームとして出力される。発射台９００は、円形開口部４１０を有する板４０８を含み、レンズ９０２、及び単一モード光ファイバ９０４を含む。図９に示すように、開口部４１０の中心、レンズ９０２の光軸、及び、ファイバ９０４の光軸は、一点鎖線９０６によって示すように、一致する。レンズ９０２は、レンズ９０２の焦点９０８が、光軸９０６及びファイバ９０４の直径に沿って位置し、レンズ９０２での受光コーン９１０が、開口部４１０の直径にほぼ等しくなるように、光軸９０６に沿って配置される。受光コーン９１０の直径は、光軸９０６との受光角によって決定され、受光角は、ファイバ９０４の開口数と相関する。焦点９０８に集束された光は、受光コーン９１０内に位置し、コア９１２に閉じ込められる。すなわち、レンズ９０２は、開口部４１０から出力される光のビームを、光が受光コーン９１０内に位置するように成形する。光のファイバ９０４への最大の結合効率を達成するために、各ビームの直径は、ファイバ９０４の受光コーン９１０の直径とほぼ一致するように調整される。ミラー４１２が、角度の連続体にわたって回転されると、ビーム５１０は、光軸９０６と一致するビーム５１０の伝播方向に実質的に垂直に移動又はシフトされる。ビーム５１０が、光軸９０６に実質的に垂直に移動されるにつれ、ビーム５１０の一部は、開口部４１０の縁部の周囲の板４０８によって遮断され、次にこの遮断は、最終的にコア９１２に入るビームの照射を制御するために使用される。単一モード光ファイバ９０４は、レンズ９０２から出力される非対称的なビームの空間フィルタリングを提供する。例えば、ビーム５１０が光軸９０６に垂直に移動されると、コア９１２に到達するビームは、非対称的な放射照度分布を有する。ファイバ９０４は、単一モード光ファイバであるため、ビーム５１０が、非対称的な放射照度分布でファイバ９０４に入射する場合でも、ビームは、ファイバ９０４の反対側の端部に、対称的な放射照度分布で出力される。

上記の説明は、説明の目的のために、本開示の完全な理解を提供するために、特定の用語を使用した。しかしながら、特定の詳細は、本明細書に記載のシステム及び方法を実施するために必要とされないことは、当業者には明らかであろう。特定の例の上記の説明は、例示及び説明の目的のために提示される。それらは、網羅的であること、又は、本開示を、記載されたまさにその形態に限定することを目的とされない。明らかに、多くの変更及び変形が、上記の教示に鑑みて可能である。本開示の原理、及び、実際的応用を最良に説明し、それによって、当業者が、本開示、及び、企図される特定の用途に適するような種々の変更による種々の例を最良に利用することができるようにするために、例が示され、説明される。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその同等物によって定義されることが意図される。

Claims

少なくとも２つのビームのうちの１つのビームを選択するためのビーム選択器であって、
前記少なくとも２つのビームを受ける走査ミラーと、
２つの固定ミラーと、
開口部を有する板とを備え、
前記走査ミラーは、少なくとも２つの位置に回転されるものであり、前記少なくとも２つの位置の各々の位置は、前記少なくとも２つのビームのうちの１つのビームが、前記走査ミラーにおいて第１の反射をし、前記２つの固定ミラーの各々の固定ミラーにおいて反射し、前記走査ミラーにおいて第２の反射をして、前記開口部を通る経路を進むように、前記１つのビームを選択するための位置である、ビーム選択器。
前記走査ミラーは、モータの回転可能な軸に取り付けられた平面ミラーを備え、前記モータは、ガルバノモータ及びステッパモータのうち１つを備える、請求項１に記載のビーム選択器。
前記走査ミラーは、圧電制御ミラーを備える、請求項１に記載の選択器。
前記２つの固定ミラーのうちの第１の固定ミラーが、前記走査ミラーと前記２つの固定ミラーのうちの第２の固定ミラーとの間の領域に向けられ、前記第２の固定ミラーの反射面が、前記走査ミラーと前記第１の固定ミラーとの間の領域に向けられるように、前記走査ミラー、前記２つの固定ミラー、及び前記板が配置される、請求項１に記載のビーム選択器。
前記一つのビームは、前記２つの固定ミラーのうちの第１の固定ミラーで反射した後、前記２つの固定ミラーのうちの第２の固定ミラーで反射する、請求項１に記載のビーム選択器。
各ビームが前記走査ミラーにおいて前記第２の反射をする場合、前記少なくとも２つのビームの各々について、前記開口部を通る出力経路は同じである、請求項１に記載のビーム選択器。
前記走査ミラーは、前記少なくとも２つの位置の各々に、０．２ミリ秒未満で回転されるものである、請求項１に記載のビーム選択器。
前記少なくとも２つのビームは、実質的に平行である、請求項１に記載のビーム選択器。
少なくとも２つの励起ビームを放射する平行ビーム源と、
前記少なくとも２つの励起ビームを受ける走査ミラーと、開口部を有する板とを含み、前記少なくとも２つの励起ビームのうちの１つの励起ビームが前記開口部を通過するように、前記１つの励起ビームを選択するビーム選択器と、
選択された励起ビームを受け、試料の特定の成分に取り付けられた蛍光プローブの蛍光を励起するために、前記励起ビームを前記試料に導く対物レンズと、を備え、
前記走査ミラーは所定方向に移動するように構成されており、
前記走査ミラーが前記所定方向に移動することにより、前記少なくとも２つの励起ビームのうちの前記開口部を通過する励起ビームが変更される、蛍光顕微鏡機器。
前記平行ビーム源は、少なくとも２つのレーザを備え、各レーザは、単一波長又は狭い範囲内の波長のビームであって、高輝度で実質的に単色のビームを放射するものである、請求項９に記載の蛍光顕微鏡機器。