JP6257312B2 - 顕微鏡システム - Google Patents

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Description

本発明は、光刺激装置および顕微鏡システムに関するものである。
従来、LCOS−SLM(Liquid Crystal On Silicon−Spatial Light Modulator)を用いた瞳変調技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。LCOS素子を用いた位相変調型空間光変調素子は、対物レンズの瞳に入射させる光の位相分布を任意に変化させることができ、これにより、像位置にマルチスポットを同時に形成して標本における複数の刺激ポイントを同時に刺激することができるようになっている。
特開2011−133580号公報
しかしながら、LCOS素子は、液晶パネル構造を有するため、位相変調量の切り替えに最短でも数ms〜数10ms以上の時間を要する。また、位相変調量を切り替え中に刺激光を照射すると、LCOS素子を透過する刺激光がどの位置に結像するかを予期することができない。
そのため、位相変調量の更新が完了していない早すぎるタイミングでLCOS素子に刺激光を照射すると、意図しない位置に光照射されてしまうことがある。このような位相変調量の切り替え途中に起こり得る意図しない位置への光照射は、時間的には数ms以内といえども光刺激アプリケーションにおいて好ましい結果が得られない可能性が高いという不都合がある。
本発明は、位相変調量の切り替え中の不定な光照射を回避し、所望の刺激ポイントを同時に刺激することができる光刺激装置および顕微鏡システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源から発せられた励起光を標本上で走査させる走査部と、該走査部により励起光が走査されることによって前記標本から戻る戻り光を検出し、該標本の画像を生成する画像生成部とを備えるイメージング装置と、標本への刺激光の照射のON/OFFを切り替えるスイッチ部と、該スイッチ部により前記標本への照射がON状態に切り替えられた刺激光の位相を変調可能な位相変調部と、該位相変調部による刺激光の位相変調量の切り替えおよび前記スイッチ部による刺激光の照射のON/OFFの切り替えを制御する制御部とを備える光刺激装置とを備え前記制御部が、前記位相変調部による位相変調量の切り替えの開始以前に前記スイッチ部により刺激光の照射をOFFに切り替え、前記位相変調部による位相変調量の切り替えの完了以後に前記スイッチ部により刺激光の照射をONに切り替える顕微鏡システムを提供する。
本発明によれば、スイッチ部により標本への刺激光の照射をON状態に切り替えると、位相変調部により刺激光の位相が変調されて標本に照射される。これにより、位相変調部の位相変調量に応じて標本の複数の照射位置を同時に光刺激することができる。また、スイッチ部により標本への刺激光の照射をOFF状態に切り替えると、標本への光刺激が停止する。
この場合において、制御部が、位相変調部による位相変調量の切り替え中に刺激光が照射されないようにスイッチ部によるON/OFFを切り替えることで、位相変調量を切り替え中の位相変調部により意図しない位置に光照射されてしまうことを防ぐことができる。したがって、位相変調量の切り替え中の不定な光照射を回避し、所望の刺激ポイントを同時に刺激することができる。
上記発明においては、前記制御部が、前記位相変調部から送出されるフレーム同期信号を取り込み、該フレーム同期信号に同期させて前記スイッチ部による刺激光の照射のON/OFFを切り替えることとしてもよい。
このように構成することで、制御部により、位相変調部の所定のフレームデータに従い、位相変調量の切り替え期間中を避けて刺激光を照射させるスイッチ部の切り替えを簡易に行うことができる。
本発明は、光源から発せられた励起光を標本上で走査させる走査部と、該走査部により励起光が走査されることによって前記標本から戻る戻り光を検出し、該標本の画像を生成する画像生成部とを備えるイメージング装置を備える。
本発明によれば、光刺激装置により位相変調量の切り替え中の不定な光照射を回避して所望の刺激ポイントを同時に刺激した標本の反応を、イメージング装置により画像上で観察することができる。
本発明によれば、位相変調量の切り替え中の不定な光照射を回避し、所望の刺激ポイントを同時に刺激することができるという効果を奏する。
本発明の第1実施形態に係る顕微鏡システムを示す概略構成図である。 図1のLCOS−SLMによる刺激光の位相変調量の切り替えタイミングとAOMによる標本への刺激光照射のON/OFFのタイミングとの関係を示す一例である。 本発明の第1実施形態の第1変形例に係る顕微鏡システムを示す概略構成図である。 本発明の第1実施形態の第2変形例に係る顕微鏡システムを示す概略構成図である。 図4のLCOS−SLMによる刺激光の位相変調量の切り替えタイミングとAOMによる標本への刺激光照射のON/OFFのタイミングとの関係を示す一例である。
〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る光刺激装置および顕微鏡システムについて図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る多光子励起(MPE)レーザ顕微鏡システム(以下、顕微鏡システムという。)1は、図1に示すように、標本Sを光刺激する光刺激装置3と、標本Sの画像を生成するイメージング装置5とを備えている。
光刺激装置3は、刺激レーザ光(以下、刺激光という。)を発する超短パルスレーザ(光源。以下、刺激用レーザという。)11と、刺激用レーザ11から発せられた刺激光のON/OFFおよび強度変調を行うAOM(Acousto−Optic Modulator、音響光学素子、スイッチ部)13と、AOM13を通過した刺激光を平行光に変換する導入光学系15と、平行光に変換された刺激光の位相を変調可能なLCOS−SLM(Liquid Crystal On Silicon−Spatial Light Modulator、位相変調部)17と、LCOS−SLM17を通過した刺激光を集光する瞳投影レンズ19とを備えている。
また、光刺激装置3には、瞳投影レンズ19により集光された刺激光を平行光に変換する結像レンズ21と、結像レンズ21により平行光に変換された刺激光を標本Sに照射し、標本Sから戻る光を集光する対物レンズ23と、AOM13およびLCOS−SLM17の制御等を行うコントローラ(制御部)25とが備えられている。この光刺激装置3は、イメージング装置5が動作中であるか非動作中であるかに関わらず任意のタイミングで標本Sを光刺激することができるようになっている。
イメージング装置5は、励起レーザ光(以下、励起光という。)を発生する超短パルスレーザ(光源。以下、励起用レーザという。)31と、励起用レーザ31から発せられた励起光のON/OFFおよび強度変調を行うAOM33と、AOM33を通過した励起光を平行光に変換する導入光学系35と、平行光に変換された励起光を反射する反射ミラー36と、反射ミラー36により反射された励起光を偏向するスキャナ(走査部)37と、スキャナ37により偏向された励起光を集光する瞳投影レンズ39と、瞳投影レンズ39により集光された励起光を光刺激装置3の刺激光の光路に合成する合成DM(Dichroic Mirror)41とを備えている。
また、イメージング装置5は、光刺激装置3の結像レンズ21、対物レンズ23およびコントローラ25を共用し、合成DM41により刺激光の光路に合成された励起光を結像レンズ21により平行光に変換して対物レンズ23により標本Sに照射するとともに、コントローラ25によりAOM33およびスキャナ37を制御したり標本Sの画像を生成したりするようになっている。
さらに、イメージング装置5には、励起光が照射されることによって標本Sにおいて発生し対物レンズ23により集光される蛍光を光刺激装置3の光路から分離する励起DM43と、励起DM43により分離された蛍光を集光する集光レンズ45と、集光レンズ45により集光された蛍光を検出して光電変換し輝度に相当する光強度信号をコントローラ25に送るPMT(Photomultiplier Tube)47とが備えられている。
AOM13,33は、コントローラ25の制御により、刺激用レーザ11から発せられた刺激光および励起用レーザ31から発せられた励起光の標本Sへの照射のON/OFFを切り替えたり調光したりすることができるようになっている。
LCOS−SLM17は、例えば、1920×1080のピクセル(図示略)を有しており、対物レンズ23の瞳位置と共役な位置に配置されている。また、LCOS−SLM17、コントローラ25の制御により、ピクセルごとに刺激光の位相を0〜2π[rad]の範囲で任意に変化させて透過することができるようになっている。これにより、LCOS−SLM17は、標本S上での刺激光の強度分布を3次元的に変化させて、フーリエ変換像としての3次元的な所望のパターンを標本Sに照射することができるようになっている。
スキャナ37は、いわゆる近接ガルバノスキャナであり、互いに対向して配された2枚のガルバノミラー38A,38Bを備えている。このスキャナ37は、コントローラ25の制御により、2枚のガルバノミラー38A,38Bを相互に直交する軸線(XY)回りに揺動させてラスタスキャン動作により励起光を偏向するようになっている。これにより、スキャナ37は、標本S上で励起光を2次元的に走査することができるようになっている。
合成DM41は、光刺激装置3の瞳投影レンズ19により集光された刺激光を透過する一方、イメージング装置5の瞳投影レンズ39により集光された励起光を反射することによって、これら刺激光の光路と励起光の光路とを合成するようになっている。
励起DM43は、結像レンズ21からの刺激光あるいは励起光を透過して対物レンズ23に入射させる一方、対物レンズ23により集光された標本Sからの蛍光を集光レンズ45に向けて反射することによって、励起光の光路から蛍光の光路を分離させるようになっている。
コントローラ25は、AOM13,33による刺激光および励起光の照射のON/OFFの切り替え、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量の切り替え、スキャナ37によるガルバノミラー38A,38Bの搖動角度の切り替え、および、PMT47からの光強度信号の取得を相互に時間的同期関係を持って制御するようになっている。
このコントローラ25は、LCOS−SLM17により刺激光の照射パターンを切り替える場合に、刺激光の位相変調量の切り替えを開始する以前に、AOM13により標本Sへの刺激光の照射をOFFに切り替えるようになっている。また、コントローラ25は、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量の切り替えを完了した以後に、AOM13により標本Sへの刺激光の照射をONに切り替えるようになっている。
また、コントローラ25は、PMT47から送られてくる光強度信号をスキャナ37の走査位置に対応する画素ごとに積算して標本Sの2次元的な画像を生成するようになっている。このコントローラ25は、モニタ27を備えており、生成した画像をモニタ27に表示することができるようになっている。
このように構成された光刺激装置3および顕微鏡システム1の作用について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡システム1のイメージング装置5により標本Sの画像を取得する場合は、励起用レーザ31から励起光を発生させ、AOM33により標本Sへの励起光の照射をON状態に切り替えて調光する。AOM33により調光された励起光は、導入光学系35および反射ミラー36を介してスキャナ37により偏向され、瞳投影レンズ39により集光されて合成DM41により光刺激装置3の光路に合成される。
光刺激装置3の光路に合成された励起光は、結像レンズ21により平行光に変換されて励起DM43を透過し、対物レンズ23により標本Sに照射される。これにより、スキャナ37のガルバノミラー38A,38Bの搖動角度に応じて標本S上で励起光が2次元的に走査される。
励起光が照射されることにより標本Sにおいて蛍光が発生すると、蛍光は対物レンズ23により集光され励起DM43により励起光の光路から分離されて集光レンズ45を介してPMT47により検出される。PMT47においては、検出した蛍光が光電変換されて輝度に相当する光強度信号がコントローラ25に送られる。
コントローラ25は、PMT47から送られてくる光強度信号をスキャナ37の走査位置に対応する画素ごとに積算して標本Sの2次元的な画像を生成し、生成した画像をモニタ27に表示させる。これにより、ユーザはモニタ27上で標本Sを観察することができる。
次に、光刺激装置3により標本Sを光刺激する場合は、刺激用レーザ11から刺激光を発生させ、AOM13により標本Sへの刺激光の照射をON状態に切り替えて調光する。AOM13により調光された刺激光は、導入光学系15を介してLCOS−SLM17に入射し、例えば、標本S上での3次元的な強度分布が所望のパターン(例えば、パターン1とする。)となるように位相が変調されて透過する。
LCOS−SLM17を透過した刺激光は、瞳投影レンズ19により集光されて合成DM41を透過し、結像レンズ21により平行光に変換される。平行光に変換された刺激光は、励起DM43を透過して対物レンズ23により標本Sに照射される。これにより、LCOS−SLM17の位相変調量に応じたパターン1の強度分布で標本Sの複数の照射位置を同時に光刺激することができる。
これにより、例えば、イメージング装置5により標本Sの画像を取得しながら、光刺激装置3により標本Sを光刺激することで、光刺激による標本Sの反応をモニタ27上で観察することができる。
また、コントローラ25により、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量を切り替えることで、強度分布が異なる他のパターン(例えば、パターン2とする。)で標本Sの複数の照射位置を同時に光刺激することができる。
ここで、LCOS−SLM17は、液晶パネル構造を有するため、位相変調量の切り替えに最短でも数ms〜数10ms以上の時間を要する。また、LCOS−SLM17の位相変調量を切り替え中に刺激光を照射すると、各ピクセルを透過する刺激光がどの位置に結像するかを予期することができない。そのため、位相変調量の切り替えが完了していない早すぎるタイミングでLCOS−SLM17に刺激光を照射すると、意図しない位置に光照射されてしまうことがある。
これに対し、光刺激装置3においては、図2に示すように、コントローラ25により、LCOS−SLM17においてパターン1からパターン2への切り替えを開始する若干前、すなわち、刺激光の位相変調量の切り替えを開始する若干前(強度変調にAOMを用いる場合の典型的な例では1ミリ秒程度前)に、AOM13において刺激光の照射がOFFに切り替えられる。また、LCOS−SLM17においてパターン2への切り替えが完了した若干後、すなわち、位相変調量の切り替えが完了した若干後(強度変調にAOMを用いる場合の典型的な例では1ミリ秒程度後)に、AOM13において刺激光の照射がONに切り替えられる。
これにより、標本Sへの刺激光の照射がLCOS−SLM17による位相変調量の切り替えを開始する前と切り替えが完了した後に制限され、位相変調量の切り替え中は標本Sへの刺激光の照射が中断される。図2において、横軸は時間(t)を示している。
以上説明したように、本実施形態に係る光刺激装置3および顕微鏡システム1によれば、コントローラ25が、LCOS−SLM17による位相変調量の切り替え中に刺激光が照射されないようにAOM13によるON/OFFを切り替えることで、位相変調量を切り替え中のLCOS−SLM17により意図しない位置に光照射されてしまうことを防ぐことができる。したがって、位相変調量の切り替え中の不定な光照射を回避し、所望の刺激ポイントを同時に刺激することができる。また、イメージング装置5により、光刺激した標本Sの反応をモニタ27上で観察することができる。
図2に示す例では、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量の切り替えを開始する若干前に標本Sへの刺激光の照射をOFFに切り替え、位相変調量の切り替えが完了した若干後に標本Sへの刺激光の照射をONに切り替えることとしたが、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量の切り替え中に標本Sに刺激光が照射されないようにすればよい。例えば、LCOS−SLM17による刺激光の位相変調量の切り替えの開始とほぼ同時に標本Sへの刺激光の照射をOFFに切り替え、位相変調量の切り替えの完了とほぼ同時に標本Sへの刺激光の照射をONに切り替えることとしてもよい。
なお、本実施形態を説明する図1においては、位相変調部として、透過する光の位相を変化させる透過型LCOS−SLM(LCOS−SLM17)の例を示しているが、反射する光の位相を変化させる反射型LCOS−SLMを用いても本発明の本質は変わらない。以下の変形例においても同様である。
本実施形態は以下のように変形することができる。
すなわち、本実施形態においては、光刺激装置3が単一の刺激用レーザ11およびAOM13を備えることとしたが、第1変形例としては、例えば、図3に示すように、光刺激装置3が、互いに波長が異なる2以上の刺激用光源11A,11Bおよび互いに独立したAOM13A,13Bを備え、各刺激用光源11A,11Bから発せられた刺激光のON/OFFを各AOM13A,13Bによりそれぞれ独立して切り替えるとともに、AOM13A,13Bを通過した刺激光の位相を共通のLCOS−SLM17により変調することとしてもよい。
また、刺激用光源11Bから発せられAOM13Bを通過した刺激光を平行光に変換する導入光学系15Bと、導入光学系15Bにより平行光に変換された刺激光を反射する反射ミラー51と、反射ミラー51により反射された刺激光を刺激用光源11A、AOM13A、導入光学系15Aの組の刺激光の光路に合成する合成DM53とを備え、コントローラ25によりAOM13A,13Bを独立して制御することとすればよい。
例えば、刺激用レーザ11Aからのある波長の刺激光により標本Sを例えばパターン1の強度分布で光刺激し、刺激用レーザ11Bからの他の波長の刺激光により標本Sを例えばパターン2の強度分布で光刺激することとしてもよい。
この場合、刺激用レーザ11Aからの刺激光をAOM13Aにより調光してパターン1により標本Sを光刺激する間は、AOM13Bにより刺激用レーザ11Bからの刺激光の照射をOFFすることとすればよい。また、AOM13Bにより刺激用レーザ11Bからの刺激光をAOM13Bにより調光してパターン2により標本Sを光刺激する間は、AOM13Aにより刺激用レーザ11Aからの刺激光の照射をOFFすることとすればよい。
本変形例においても、LCOS−SLM17により刺激光の位相変調量を切り替える場合は、コントローラ25により、LCOS−SLM17において刺激光の位相変調量の切り替えを開始する以前に、AOM13A,13Bにより各刺激用レーザ11A,11Bからの刺激光の照射をOFFに切り替え、LCOS−SLM17において位相変調量の切り替えが完了した以後に、AOM13A,13Bにより各刺激用レーザ11A,11Bからの刺激光の照射をONに切り替えることとすればよい。
本変形例は、単に標本Sの刺激部位を異ならせる目的だけでなく、例えば、チャネルロドプシンとハロロドプシンの組み合わせによるイオンチャンネルの活性化または抑制化など、標本Sにおける異なる機能を活性化等する目的で標本Sの異なる位置を光刺激する場合にも好適である。
次に、第2変形例としては、LCOS−SLM17が、所定のフレームデータに応じて位相変調量の空間分布を設定することとしてもよい。また、図4に示すように、コントローラ25が、LCOS−SLM17のフレームデータに対応付けられたフレーム同期信号を取り込み、そのフレーム同期信号に同期させてAOM13による刺激光の照射のON/OFFを切り替えることとしてもよい。
例えば、図5に示すように、LCOS−SLM17が、フレーム同期信号の立ち上がりエッジで位相変調量の切り替えを開始することとする。この場合、コントローラ25が、LCOS−SLM17のフレーム同期信号の立ち上がりエッジをタイミング基準とし、このタイミング基準よりも前にAOM13により刺激光の照射をOFF状態にすることとすればよい。また、タイミング基準から位相変調量の切り替えが完了するまでの所定のディレイ時間経過後に、AOM13により刺激光の照射をON状態にして所望の変調量に切り替えることとすればよい。
また、AOM13が刺激光の照射をONし続ける継続時間はコントローラ25により予め決められているため、図5においてパターン2として例示したように、フレーム同期信号の2周期以上にわたり刺激光の照射を連続する場合には、タイミング基準となる同期信号の立ち上がりエッジを検出してもAOM13のON/OFFを操作しないこととすればよい。
このようにすることで、コントローラ25により、LCOS−SLM17の所定のフレームデータに従い、位相変調量の切り替え期間中を避けて標本Sに刺激光を照射させるAOM13の切り替えを簡易に行うことができる。
本変形例においては、コントローラ25が、LCOS−SLM17のフレーム同期信号の立ち下がりエッジをタイミング基準としてもよい。
以上、本発明の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、本発明を上記実施形態および変形例に適用したものに限定されることなく、上記実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。
また、刺激用光源11,11A,11Bおよび励起用光源31に代えて、例えば、可視のCWレーザ(Continuous Wave Laser)を採用することとしてもよい。また、イメージング装置5が、集光レンズ45により集光された蛍光の内、標本Sにおける対物レンズ23の焦点位置において発生した光のみを通過させる共焦点ピンホールを備えることとしてもよい。
1 顕微鏡システム
3 光刺激装置
5 イメージング装置
13,13A,13B AOM(スイッチ部)
17 LCOS−SLM(位相変調部)
25 コントローラ(制御部、画像生成部)
37 スキャナ(走査部)
S 標本

Claims (2)

  1. 光源から発せられた励起光を標本上で走査させる走査部と、該走査部により励起光が走査されることによって前記標本から戻る戻り光を検出し、該標本の画像を生成する画像生成部とを備えるイメージング装置と、
    前記標本への刺激光の照射のON/OFFを切り替えるスイッチ部と、該スイッチ部により前記標本への照射がON状態に切り替えられた刺激光の位相を変調可能な位相変調部と、該位相変調部による刺激光の位相変調量の切り替えおよび前記スイッチ部による刺激光の照射のON/OFFの切り替えを制御する制御部とを備える光刺激装置とを備え
    前記制御部が、前記位相変調部による位相変調量の切り替えの開始以前に前記スイッチ部により刺激光の照射をOFFに切り替え、前記位相変調部による位相変調量の切り替えの完了以後に前記スイッチ部により刺激光の照射をONに切り替える顕微鏡システム
  2. 記制御部が、前記位相変調部から送出されるフレーム同期信号を取り込み、該フレーム同期信号に同期させて前記スイッチ部による刺激光の照射のON/OFFを切り替える請求項1に記載の顕微鏡システム
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