JP6081056B2 - レーザ走査顕微鏡 - Google Patents

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本発明は、顕微鏡(レーザ走査顕微鏡)に関するものである。
従来、レーザ光を射出するレーザ光源と、透過照明観察を行う透過照明光源とを備え、レーザ光を標本に照射することで蛍光観察を行うことができるとともに、透過照明光を標本に照射することで透過照明光観察を行うことができる顕微鏡が知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2005−140850号公報
ところで、一般的に、顕微鏡の光学性能は対物レンズの性能に左右される。しかし、透過照明光観察において、対物レンズの性能に合わせた最適な照明をしなければ本来の性能を発揮することはできない。そのため、顕微鏡の照明光学系に視野絞りと開口絞りを備えて、最適な照明を実現する。特に、照野を制御する視野絞りは、絞り込んだ方がコントラストを向上できるので、視野がケラレない程度に絞り込むことが重要である。一方、開口絞りは、照明NAを対物のNAの80%程度に絞ることで最良のエッジ像が得られる。
一方、レーザ光を励起光源とする蛍光観察において、より明るい蛍光画像を取得したいという要求や、より深部を観察したいという要求に応えるために、近年、レーザ光のパワーの高いものが採用されている。特に2光子励起観察を行うためのレーザ光は、対物出射時のレーザパワー(平均パワー)が500mWを超えることもある。
しかしながら、特許文献1に開示されている顕微鏡において、高パワーのレーザ光が照射されると不都合が生ずる部位がある。その代表的なものが視野絞りと開口絞りであり、視野絞りと開口絞りを構成している「ハネ」の材質は鉄系で、厚さ0.1mm以下で黒い塗装処理をしているのが一般的である。
その「ハネ」に高パワーのレーザ光が照射されると、塗装が焦げる、あるいは焼けて発煙する。さらには「ハネ」自身が溶融、変形するといった状況が発生し、本来の視野絞り、開口絞りの性能が発揮できなくなるという不都合がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、レーザ光源と透過照明光源とを備えた顕微鏡において、視野絞りおよび開口絞りをレーザ光から保護することができる顕微鏡を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、多光子励起用の近赤外の波長を有する極短パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光を標本に集光する対物レンズ、および、該対物レンズにより集光される前記極短パルスレーザ光を前記標本上で2次元的に走査する走査部を備えるレーザ光照射光学系と、透過照明光を射出する透過照明光源と、前記レーザ光照射光学系とは標本を挟んで反対側に配置され、開口絞りおよび視野絞りを有し、前記透過照明光源からの透過照明光を標本に照射する透過照明光学系と、前記標本からの光を集める観察光学系と、前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度である場合に、前記レーザ光源に対して極短パルスレーザ光の射出を許可する制御部とを備えるレーザ走査顕微鏡を採用する。
本発明によれば、レーザ光源からレーザ光を射出して、該レーザ光をレーザ光照射光学系により標本に照射することで、標本から発生した蛍光を観察光学系により集めて蛍光観察を行うことができる。また、透過照明光源から透過照明光を射出して、該透過照明光を透過照明光学系により標本に照射することで、標本からの光を観察光学系により集めて透過照明光観察を行うことができる。
このような顕微鏡において、蛍光観察を行う際、すなわちレーザ光源からレーザ光を射出する際に、制御部は、透過照明光学系の開口絞りおよび視野絞りの開度が最大開度である場合にレーザ光源に対してレーザ光の射出を許可する。このようにすることで、開口絞りおよび視野絞りに、標本を透過してきた高パワーのレーザ光が照射されてしまうことを防止することができ、開口絞りおよび視野絞りのレーザ光による溶融や変形といった不具合を防止することができる。
上記発明において、前記開口絞りの開度を調節する開口絞り調節部と、前記視野絞りの開度を調節する視野絞り調節部とを備え、前記制御部が、前記レーザ光源から極短パルスレーザ光を射出する際に、前記開口絞りおよび前記視野絞りが最大開度となるように前記開口絞り調節部および前記視野絞り調節部を制御することとしてもよい。
このような構成とすることで、レーザ光源からレーザ光を射出する際に、開口絞り調節部および視野絞り調節部により、自動的に開口絞りおよび視野絞りの開度を最大開度にすることができる。これにより、確実に、開口絞りおよび視野絞りに高パワーのレーザ光が照射されてしまうことを防止することができる。
上記発明において、前記制御部が、前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光の射出が終了した場合に、前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度をレーザ光射出前の大きさとなるように前記開口絞り調節部および前記視野絞り調節部を制御することとしてもよい。
このようにすることで、透過照明光観察を行う場合、すなわち透過照明光源から透過照明光を射出する場合に、開口絞りおよび視野絞りの開度をレーザ光射出前の状態とすることができ、透過照明光観察の観察精度の向上と観察時間の短縮を図ることができる。
上記発明において、前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光を遮断するシャッタと、前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度になったことを検知するセンサとを備え、前記制御部が、前記センサにより前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度になったことが検知された場合に、前記シャッタを開くこととしてもよい。
このような構成とすることで、センサにより開口絞りおよび視野絞りの開度が最大開度になったことが検知された場合に、シャッタを開いてレーザ光を射出することができ、開口絞りおよび視野絞りに高パワーのレーザ光が照射されてしまうことを確実に防止することができる。
本発明によれば、レーザ光源と透過照明光源とを備えた顕微鏡において、視野絞りおよび開口絞りをレーザ光から保護することができるという効果を奏する。
本発明の第1および第2の実施形態に係る顕微鏡の概略構成図である。 第1の実施形態に係る顕微鏡により実行される処理を示すフローチャートである。 第2の実施形態に係る顕微鏡により実行される処理を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施形態に係る顕微鏡の概略構成図である。 図4の顕微鏡により実行される処理を示すフローチャートである。 従来の顕微鏡の概略構成図である。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係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、図1に示されるように、レーザ光Lを射出するレーザ光源11と、透過照明光Vを射出するランプ光源(透過照明光源)12と、レーザ光源11からのレーザ光Lを標本Aに照射するレーザ光照射光学系10と、ランプ光源12からの透過照明光Vを標本Aに照射する透過照明光学系20と、標本Aからの光を集める観察光学系50A,50Bと、レーザ光照射光学系10および透過照明光学系20を制御する制御装置(制御部)30とを備えている。
レーザ光源11は、多光子励起を目的とした近赤外の波長の極短パルスレーザ光を射出する高出力のレーザ光源である。
レーザ光照射光学系10は、レーザ光源11からのレーザ光Lを標本A上で2次元走査するガルバノスキャナ16と、瞳投影レンズ17と、レーザ光源11からのレーザ光Lの光路と標本Aからの光の光路の交点上に配置されたミラー13と、レンズ15と、ミラー13からのレーザ光Lを標本Aに集光する対物レンズ14とを備えている。
ミラー13は、ランプ光源12の光軸上に挿脱される可動式のダイクロイックミラーである。ミラー13は、レーザ光源11からレーザ光Lを射出する場合には、ランプ光源12の光軸上に挿入され、レーザ光源11からのレーザ光Lを反射するようになっている。一方、ランプ光源12から透過照明光Vを射出する場合には、ランプ光源12の光軸上から外されて、ランプ光源12からの透過照明光Vを通過させるようになっている。また、ミラー13は、レーザ光Lが標本Aに照射されることで標本Aにおいて発生した蛍光を透過する特性を有している。このような特性を有することで、ミラー13は、レーザ光源11からのレーザ光Lと、標本Aからの光とを分岐するようになっている。
また、レーザ光源11からのレーザ光Lの光路上には、レーザ光源11からのレーザ光Lを遮断するシャッタ31が配置されている。シャッタ31は、制御装置30からの指令に基づいてレーザシャッタ駆動部32により駆動され、レーザ光Lの標本Aへの照射をON/OFFするようになっている。
シャッタ31の具体的な機構としては、例えば、機械的に開閉する開閉機構や、音響光学素子を使用した開閉機構を採用する。あるいは、シャッタ31に代えて、レーザ光源11を直接電気的な制御を行うことで、レーザ光Lの発振をON/OFFする方式としてもよい。
透過照明光学系20は、標本Aを挟んでレーザ光照射光学系10とは反対側に配置されている。透過照明光学系20は、ランプ光源12からの透過照明光Vをリレーするレンズ23,25と、レンズ23,25によりリレーされた透過照明光Vを標本Aに集光する対物コンデンサレンズ21と、コンデンサレンズ21とレンズ23との間に配置された開口絞り22と、レンズ23とレンズ25との間に配置された視野絞り24とを備えている。
開口絞り22は、制御装置30からの指令に基づいて、電動開口絞り(開口絞り調節部)26によりその開口の大きさ(開度)が調節されるようになっている。
視野絞り24は、制御装置30からの指令に基づいて、電動視野絞り(視野絞り調節部)27によりその開口の大きさ(開度)が調節されるようになっている。
なお、図において、電動開口絞り26および電動視野絞り27は、それぞれ電動ASおよび電動FSと表記している。
制御装置30は、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31を駆動して、レーザ光Lの標本Aへの照射をON/OFFするようになっている。
また、制御装置30は、電動開口絞り26および電動視野絞り27により、開口絞り22および視野絞り24の開口の大きさを調節するようになっている。
具体的には、制御装置30は、レーザ光源11からレーザ光Lを射出する際に、開口絞り22および視野絞り24の開度を最大開度になるように電動開口絞り26および電動視野絞り27を制御するようになっている。ここで、「最大開度」とは、開口絞り22および視野絞り24をメカ的に最大限開いた状態の開度であり、本実施形態のように電動絞りの場合には電動制御で最大に開いた状態の開度をいう。
また、制御装置30は、レーザシャッタ駆動部32によるシャッタ31の制御と、電動視野絞り27による視野絞り24の電動制御および電動開口絞り26による開口絞り22の電動制御とが排他仕様とされている。すなわち、制御装置30は、電動開口絞り26および電動視野絞り27の駆動制御量(駆動量)によって、開口絞り22および視野絞り24が最大開度であることを検出することができるようになっている。そして、制御装置30は、開口絞り22および視野絞り24が最大開度である場合に、レーザ光源11(レーザシャッタ駆動部32)に対してレーザ光Lの射出を許可するようになっている。
上記制御を行うことで、制御装置30は、電動視野絞り27による視野絞り24の全開動作および電動開口絞り26による開口絞り22の全開動作を完了した後でなければ、レーザシャッタ駆動部32によるシャッタ31の開動作を行えないようになっている。なお、開口絞り22および視野絞り24が最大開度であることの検出は、センサ(図示略)によって行うこととしてもよい。
レーザ観察光学系50Aは、レーザ光源11からのレーザ光Lの射出によって生じる蛍光を検出する光学系であり、後述するミラー51の透過方向に配置されたレンズ53および光検出器54とを備えている。
透過観察光学系50Bは、ランプ光源12からの透過照明光Vの射出による透過像を観察する光学系であり、ミラー13の標本Aからの光の透過方向に配置されたミラー51と、ミラー51の反射方向に配置された接眼レンズ52とを備えている。
ミラー51は、ランプ光源12の光軸上に挿脱される可動式の全反射ミラーである。ミラー51は、レーザ光源11からレーザ光Lを射出する場合には、ランプ光源12の光軸上から外され、レーザ光Lが標本Aに照射されることで標本Aにおいて発生した蛍光を通過させるようになっている。一方、ランプ光源12から透過照明光Vを射出する場合には、ランプ光源12の光軸上に挿入され、透過照明光Vが標本Aに照射されることで標本Aを透過してきた光を反射するようになっている。
光検出器54は、例えばPMT(Photomultiplier Tube:光電子増倍管)であり、標本Aにおいて発生した蛍光を検出する。この検出した蛍光強度と、ガルバノスキャナ16の標本A上の位置と対応付けることで標本Aの蛍光画像を生成するようになっている。また、ミラー51により反射された標本Aを透過してきた光は、接眼レンズ52により結像され、標本Aの目視観察が行えるようになっている。なお、透過照明光観察は、TVカメラによって行うこととしてもよい。
上記構成を有する本実施形態に係る顕微鏡1の作用について、図2に示すフローチャートを用いて以下に説明する。
まず、蛍光観察、すなわちレーザ光Lにより標本Aの撮像をしようとしたときには、まず制御装置30により使用する光源としてレーザ光源11を選択し、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31を駆動して、レーザ光Lの標本Aへの照射をONにする(ステップS1)。
この際、直ちにシャッタ31が開くと、視野絞り24あるいは開口絞り22にレーザ光Lが照射される可能性があるため、シャッタ31を開く前に、視野絞り24および開口絞り22の開度を全開にする(ステップS2)。なお、視野絞り24と開口絞り22の開度の調節の順番は、どちらが早くてもよく、同時でも構わない。
次に、視野絞り24と開口絞り22の開度が全開になったところで、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31を駆動して、シャッタ31を開く(ステップS3)。
この状態において、レーザ光源11からレーザ光Lを射出して、レーザ光Lをレーザ光照射光学系10により標本Aに照射することで、標本Aから発生した蛍光をレーザ観察光学系50Aにより集めて蛍光観察を行うことができる(ステップS4)。
ここで、本実施形態に係る顕微鏡1の比較例として、視野絞りおよび開口絞りを備えた従来の顕微鏡に、光源としてレーザ光を導入する場合について説明する。
図6に示すように、従来の顕微鏡100によれば、蛍光観察、すなわちレーザ光源11からレーザ光Lを射出する際に、透過照明光学系20の開口絞り22および視野絞り24に標本Aを透過してきたレーザ光Lが照射されてしまう可能性がある。開口絞り22および視野絞り24に高パワーのレーザ光Lが照射されると、開口絞り22および視野絞り24が溶融、変形するといった不具合が発生する場合がある。
これに対して、本実施形態に係る顕微鏡1によれば、前述のように、蛍光観察、すなわちレーザ光源11からレーザ光Lを射出する際に、透過照明光学系20の開口絞り22および視野絞り24の開度を最大開度にする。このようにすることで、開口絞り22および視野絞り24に高パワーのレーザ光Lが照射されてしまうことを防止することができ、開口絞り22および視野絞り24のレーザ光Lによる溶融や変形といった不具合を防止することができる。
また、この場合に、制御装置30が開口絞り22および視野絞り24の開度が最大開度となるように電動開口絞り26および電動視野絞り27を制御することで、より確実に、開口絞り22および視野絞り24に高パワーのレーザ光Lが照射されてしまうことを防止することができる。
なお、本来のレンズ位置(フォーカス位置)であれば、レーザ光源11からレーザ光Lは視野絞り24の位置に集光するため、単位面積当たりのレーザ光Lのパワーが大きくなる視野絞り24のみ開放すれば良い。しかしながら、何らかの理由で対物レンズ14の位置やコンデンサレンズ21の位置がフォーカス位置からズレている(デフォーカス状態)場合には、開口絞り22にレーザ光Lが集光する可能性もあるため、開口絞り22の開度も全開とする。
[第2の実施形態]
以下に、第2の実施形態に係る顕微鏡2について、図3を参照して説明する。以降では、各実施形態に係る顕微鏡について、前述の実施形態に係る顕微鏡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、前述の実施形態に係る顕微鏡と異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡2は、前述の第1の実施形態に係る顕微鏡1と同様の構成を有しており、第1の実施形態に係る顕微鏡1とは制御装置30により実行される制御が一部異なっている。
図3は、本実施形態に係る顕微鏡2により実行される処理を示すフローチャートである。
本実施形態に係る顕微鏡2は、第1の実施形態と同様に、シャッタ31が開いた状態でレーザ光Lによる撮像が可能となるが、レーザ光Lによる撮像が完了した時点で、それ以前の観察方法に戻りたいとき(たとえば目視観察、あるいはCCDカメラによる観察)には、シャッタ31を閉じる必要がある。
この場合には、制御装置30においてシャッタ31の「閉」を選択すると(ステップS11)、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31が駆動されて、直ちにシャッタ31が閉じられる(ステップS22)。
シャッタ31が閉じたところで、制御装置30からの指令に基づいて、電動視野絞り27により視野絞り24が駆動されるとともに、電動開口絞り26により開口絞り22が駆動され、視野絞り24と開口絞り22の開度がレーザ光L射出前の径に設定される(ステップS13)。これは、レーザ光L射出前の視野絞り24と開口絞り22の開度をメモリ(図示略)に記憶しておくことで可能となる。
この場合に、制御装置30によるインターロックにより、レーザ光源11からのレーザ光Lの射出が禁止される。この状態において、透過照明光Vを透過照明光学系20により標本Aに照射することで、標本Aを透過してきた光を透過観察光学系50Bにより集めて透過照明光観察(目視観察)を行うことができる(ステップS14)。
以上のように、本実施形態に係る顕微鏡2によれば、透過照明光観察を行う場合、すなわちランプ光源12から透過照明光Vを射出する場合に、開口絞り22および視野絞り24の開度をレーザ光L射出前の状態とすることができ、透過照明光観察の観察精度を向上することができる。
[第3の実施形態]
以下に、第3の実施形態に係る顕微鏡3について、図4および図5を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡3が、前述の実施形態に係る顕微鏡と異なる点は、開口絞り22と視野絞り24が電動ではなく、手動であることである。そのため、開口絞り22と視野絞り24の開度の調節は、前述の実施形態のように制御装置30により自動的に行うのではなく、ユーザが手動開口絞り46および手動視野絞り47を操作して行うようになっている。
その代わりに、本実施形態に係る顕微鏡3は、図4に示すように、開口絞り22と視野絞り24が全開になったことを検知するセンサ42,44を設置し、これらセンサ42,44からの信号が制御装置30に出力される構成としている。
上記構成を有する本実施形態に係る顕微鏡3の作用について、図5を用いて以下に説明する。
まず、蛍光観察、すなわちレーザ光Lにより標本Aの撮像をしようとしたときに、まず制御装置30により使用する光源としてレーザ光源11を選択し、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31を駆動して、レーザ光Lの標本Aへの照射をONにする(ステップS21)。
この際、直ちにシャッタ31が開くと、視野絞り24あるいは開口絞り22にレーザ光Lが照射される可能性があるため、シャッタ31を開く前に、開口絞り22および視野絞り24の開度を手動(手動開口絞り46および手動視野絞り47の操作)により全開にし、その開度をセンサ42,44により確認する(ステップS22)。
この場合において、センサ42,44がOFF、すなわち開口絞り22と視野絞り24の少なくとも一方の開度が全開でない場合には、制御装置30のインターロックによりシャッタ31の開動作が禁止される(ステップS23)。この場合に、警報等の報知手段によりユーザに対して、開口絞り22と視野絞り24の少なくとも一方の開度が全開でないことを報知することが望ましい。
一方、センサ42,44がON、すなわち開口絞り22と視野絞り24の両方の開度が全開の場合には、制御装置30のインターロックが解除され、レーザシャッタ駆動部32によりシャッタ31を駆動して、シャッタ31が開かれる(ステップS24)。
この状態において、レーザ光源11からレーザ光Lを射出して、レーザ光Lをレーザ光照射光学系10により標本Aに照射することで、標本Aから発生した蛍光をレーザ観察光学系50Aにより集めて蛍光観察を行うことができる(ステップS25)。
以上のように、本実施形態に係る顕微鏡3によれば、センサ42,44により開口絞り22および視野絞り24の開度が最大開度になったことが検知された場合に、シャッタを開いてレーザ光Lを射出することができ、開口絞り22および視野絞り24に標本Aを透過してきた高パワーのレーザ光Lが照射されてしまうことを確実に防止することができる。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を、上記の各実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよい。
また、各実施形態において、レーザ光源11からレーザ光Lを射出する際に、開口絞り22および視野絞り24を全開にすることとして説明したが、レーザ光Lの光束径よりも大きくなるように開度を調節すればよい。
A 標本
L レーザ光
V 透過照明光
1,2,3 顕微鏡
10 レーザ光照射光学系
11 レーザ光源
12 ランプ光源(透過照明光源)
13 ミラー
14 対物レンズ
15 レンズ
16 ガルバノスキャナ
17 レンズ
20 透過照明光学系
21 レンズ
22 開口絞り
23 レンズ
24 視野絞り
25 レンズ
26 電動開口絞り(開口絞り調節部)
27 電動視野絞り(視野絞り調節部)
30 制御装置(制御部)
31 シャッタ
42,44 センサ
46 手動開口絞り
47 手動視野絞り
50A レーザ観察光学系(観察光学系)
50B 透過観察光学系(観察光学系)
51 ミラー
52 接眼レンズ
53 レンズ
54 光検出器

Claims (4)

  1. 多光子励起用の近赤外の波長を有する極短パルスレーザ光を射出するレーザ光源と、
    前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光を標本に集光する対物レンズ、および、該対物レンズにより集光される前記極短パルスレーザ光を前記標本上で2次元的に走査する走査部を備えるレーザ光照射光学系と、
    透過照明光を射出する透過照明光源と、
    前記レーザ光照射光学系とは標本を挟んで反対側に配置され、開口絞りおよび視野絞りを有し、前記透過照明光源からの透過照明光を標本に照射する透過照明光学系と、
    前記標本からの光を集める観察光学系と、
    前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度である場合に、前記レーザ光源に対して極短パルスレーザ光の射出を許可する制御部とを備えるレーザ走査顕微鏡。
  2. 前記開口絞りの開度を調節する開口絞り調節部と、
    前記視野絞りの開度を調節する視野絞り調節部とを備え、
    前記制御部が、前記レーザ光源から極短パルスレーザ光を射出する際に、前記開口絞りおよび前記視野絞りが最大開度となるように前記開口絞り調節部および前記視野絞り調節部を制御する請求項1に記載のレーザ走査顕微鏡。
  3. 前記制御部が、前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光の射出が終了した場合に、前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度をレーザ光射出前の大きさとなるように前記開口絞り調節部および前記視野絞り調節部を制御する請求項2に記載のレーザ走査顕微鏡。
  4. 前記レーザ光源からの極短パルスレーザ光を遮断するシャッタと、
    前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度になったことを検知するセンサとを備え、
    前記制御部が、前記センサにより前記開口絞りおよび前記視野絞りの開度が最大開度になったことが検知された場合に、前記シャッタを開く請求項1から3のいずれかに記載のレーザ走査顕微鏡。
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