JP6282641B2 - 顕微鏡およびspim顕微鏡検査方法 - Google Patents
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Description
図1では、最初にSPIM顕微鏡の基本構造が示されている。照明源1の光は、照明光学系2によりシート光へと成形され、試料3へと誘導される。試料およびシート光は結像対物レンズ4の焦点面内に存在している。結像対物レンズ4の光軸は、試料3が照明される方向に対して垂直である。照明光学系2は一般的に複数の光学素子を含んでおり、これらの光学素子が、照明源1のコヒーレント光をコリメートし、それを基にシート光を成形する。現況技術では、一般的に照明光学系2が円柱レンズも含んでおり、この円柱レンズの平坦な側を試料に向け、アーチ状の側を照明源の方に向けている。以下に、現況技術から知られている構成に対して被写界深度を上昇させ、かつ影投射を減少させたシート光の生成が可能な、照明光学系2の複数の例を説明する。
a)干渉パターンは、y方向では薄く、かつ原理的には理論的にx方向およびz方向に無限に広がることができるが、ただしy方向に周期的に連なっており、したがってシート光の外に非常に多くの光が存在している。
上に挙げた解決策の欠点は、単一ビームの広がりが小さいということ、またはビームをスキャンしなければならないという必要条件である。さらに、ベッセルビームの場合はy方向に、およびx線焦点の場合はz方向に、非常に多くの光が存在しており、この光は試料を退色させる可能性がある。したがって、さらなる目標は、光の焦点の広がりを大きくすることである。
好ましい変形形態は従属請求項の対象である。
特許請求項は、明確に本発明の開示内容に含まれている。
z方向における伝播不変性のまたは、明確に規定された分布は、光の周波数スペクトルにおけるz成分を制限することによって得られる。各々のz成分には、「伝播」により、もう1つの位相シフトが生じるので、周波数スペクトルのz成分をフィルタ関数によって限定することが有利である。とりわけ、z方向のフィルタ関数としてSinc(z)関数を使用することが提案される。
照明方向において、円柱レンズZLおよび生成されたシート光LBが続いている。sinc(νz)は、エヴァルトの方程式によりνy方向にリスケーリングされたνy=0(軸上)でゼロ位のSincに相当することが有利である。したがって、y軸上に投射されたSinc(νz)はz方向での広がりを生じさせる。
さらなる一例では、実質的にx軸に沿って一定に形成された円柱光学系を用いる代わりに、通常の回転対称な例えば球面を有する光学系を用いてもシート光を実施することができる。この場合、z方向のフィルタ関数(Sinc(νz))は、回転対称の関数としてx−y平面内に投射され、そして、yでの所望の制限ならびにxおよびzでの所望の広がりを得るため、1つまたは2つのさらなるxおよびyのフィルタ関数と掛け合わされ、つまり、例えばy方向において薄いシート光のためのy方向での非常に広いsinc(νy)関数およびx方向での大きな広がりのためのx方向での非常に狭いsinc(νx)関数と掛け合わされる。
こうすることで意外にも、図示した円柱レンズのようなアナモフィック光学系を使用しなくても、y方向で約1μmの厚さで、z方向で10μmの焦点長さの、広げられた線焦点(波長0.488μm)を実現することができる(100μm×10μm×1μm X×Z×Y)。
軸上(角度ゼロ)で、Sinc関数は単純に重なり合っており、かつ相互に「破壊」し合っており、つまり常にその時々のより小さな幅のSinc関数が優位である(図3も参照)。
シート光をx方向、y方向、およびz方向に変位させるために(焦点またはシフト)、シート光を位相関数によって変調することができる。つまり、このシート光は、例えばSLM(空間光変調器)を用いて、その空間全体を移動(スキャン)することもできる。このSLMは単独でまたは振幅フィルタと協働して用いられ、シート光の変位を例えばy方向で生じさせる。これにより、例えばy方向からの観察ビームによる試料全体の共焦点スキャンが可能である。
SINC関数:
左下には例として、
図5の表示はそれぞれ、最初に左上に、図4で右下に示したようなサイドの主ピークを有する断面画像としての、瞳内の複素フィルタとしてのSinc(νz)フィルタを示している。中央上では、瞳内にSinc(z)フィルタが配置されたレンズ(対物レンズ)の理想的な焦点位置(z=0)でのx−y平面の断面(フィルタを有するシステムの点広がり関数PSF)(対数スケーリング)を示しており、右上にはy−z軌道(z、すなわち光の伝播方向に沿って)を示している。
左下:x−y平面(z=0)の断面 − リニアスケーリングでのPSF
中央下:x−z軌道
右下:y−z軌道、リニアスケーリング、「光針」の左の領域へのズーム。
一般的なSinc^3フィルタ
argx=π[νx−rνx]/Δx
argy=π[νy−rνy]/Δy
上述の複素フィルタは、瞳内の1つの単純な複素フィルタによって実現することができる(これに対応してF(νx,νx))。ただし、ほとんどどこでもF(νx,νx)=0なので、この場合は非常に低い透過率となる。
図8の例では、屈折力の一部が第1のフィルタから、コリメータ(ビーム成形望遠鏡)に移されている。
F1およびF2は2つの位相フィルタであってもよい。このF1およびF2は一緒に入射瞳内の光分布を生成し、この光分布は、光が光学系Oを通過した後に生じる光分布のための空間フィルタ関数としての3次元の(X、Y、Z)sinc関数に対応している。
「Iterative design of a holographic beamformer」、アイスマン(Eismann)、タイ(Tai)、セダークィスト(Cederquist)、Applied Optics Vol.28、No.13、1989年7月1日。
国際公報第2004/053558号では、シート光による平面的な照明のほかに、「線状の」点状光ビーム(そこでは図7)のスキャン移動によってシート光を生成し得ることが記載されている。この場合、試料と照明の相対移動は、試料または平面的な照明領域を生成するための光ビームの移動によって行うことができる。
マシュービームは、z方向においてほぼ伝播不変性であり、すなわちマシュービームのxy平面でのビームプロフィルはz位置にはほとんど左右されない。z方向では、y方向での広がりが約1μmの線焦点が可能である。このビームは確かにy方向に拡散するが、これは抑制することができる。したがって、観察方向(y方向)では観察ビームの開口内に妨害光が存在しないので、マシュービームを用い、x方向にスキャンすることにより、意外にもSPIMシート光を実現することができる。
図9a)および図9b)ではそれぞれ、ガウス状レーザビームLSからのマシュービームMSの生成を、光学的な照明軸zに沿って、Z平面での側断面において概略的に示している。
図9bでは、円柱レンズによるビーム成形の代わりに、「空間光変調器」(SLM)のような平面的な光変調器が、ガウス状レーザビームの後ろに配置されており、この光変調器は、ここでも図9aでのようにマシュービームを生成するため、リング絞りの必要な領域だけに光を当てることができる。
図10a)〜図10c)では、円柱レンズ構成(10a)、強度変調器IM(10b)、または円柱レンズ構成と強度変調器の組合せ(10c)の後ろに配置されたアキシコンAXによってマシュービームが生成されている。
ここでは、径方向にスケーリングされた楕円形でガウス状の強度分布をアキシコン上に生成する強度影響により、ベッセルビームとマシュービームの混合を回避できることが利点である。
図に制限されることなく、IM、SLM、または適切なアナモフィック光学系により、ビーム成形のさらなる最適化を行うことができる。
Claims (13)
- 試料(3)から第1の開口角内に放射された光を、結像対物レンズ(4)により第1の方向yで受光する結像光学系、
該試料(3)から該第1の開口角内に放射され、該結像光学系によって受光された光を検出するための検出機構、
波長λの照明光源(1)と、該第1の方向yに対して実質的に垂直な第2の方向zにおいて該試料(3)を照明光分布で照明するための照明用ビーム経路とを含む照明機構
を備える顕微鏡において、
該照明機構が、該第2の方向zの一区間(LZ)内では該照明光分布が実質的に一定となる手段を有しており、
該第1の方向yの広がり(LY)の領域外での該第1の開口角によって開かれた円錐内では、照明光の出力が20%未満であり、その際、
LY<2λ、
LZ>8λ
が当てはまり、
前記手段が空間周波数スペクトルにおけるz成分を制限するSinc(z)フィルタ関数を有するフィルタを含むことを特徴とする顕微鏡。 - 前記手段が、前記照明機構の瞳内への光分布を実質的に円形の領域内に制限する複素フィルタを含む、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記複素フィルタが、前記照明機構の前記瞳内に、少なくとも2つのSinc関数の重ね合わせからなる照明光分布を生成する、請求項1または2に記載の顕微鏡。
- 前記両方のSinc関数の一方が、エヴァルトの方程式に対応して好ましくはX−Y平面内に投射されたSinc(z)関数に相当する、請求項3に記載の顕微鏡。
- 前記複素フィルタが、前記照明機構の前記瞳内に、マシュービームのスペクトルに対応する照明光分布を生成する、請求項2乃至4のいずれか1項に記載の顕微鏡。
- 照明光源(1)と、シート光により前記試料(3)を照明するための照明用ビーム経路とを含む照明機構、
前記試料(3)から放射された光を検出するための検出機構、
前記試料(3)を、結像用ビーム経路内の結像対物レンズ(4)により、少なくとも部分的に該検出機構上に結像する結像光学系からなり、
該シート光が、該結像対物レンズ(4)の焦点内または該結像対物レンズの幾何学的焦点の付近の規定の平面内では実質的に平らであり、かつ該結像対物レンズ(4)が、該シート光の平面とゼロとは異なる角度で、好ましくは垂直に交差する光軸を有しており、
生じる空間周波数をsinc(z)関数によってフィルタリングすることにより照明光を前記照明用ビーム経路の光学軸と平行である少なくとも1つの空間方向で制限することでSinc空間フィルタとして作用する振幅フィルタおよび位相フィルタのうちの少なくとも一つが、該照明用ビーム経路内に設けられている、顕微鏡。 - 前記振幅フィルタおよび位相フィルタのうちの少なくとも一つが、少なくとも部分的には照明光学系の瞳面内または瞳面の付近に配置されており、
かつ/または
前記フィルタが、ホログラム(CGH)および/または回折性光学系によって実現されており、
かつ/または
前記フィルタが、少なくとも部分的には、光のための空間変調器(空間光変調器(SLM)によって構成されており、
かつ/または
前記シート光の光方向に垂直な変位が、SLMによって行われ、
かつ/または
前記シート光が変位する際に前記結像対物レンズの焦点面の変位が行われること、
および/または
非対称Sinc関数/軸外分布が、該瞳面内で生成されること、および/または
光軸に対して軸外で作用するsincフィルタが設けられており、
かつ/または
シート光構造化のために複数のSincフィルタが重ね合わされており、
かつ/または
エヴァルトの方程式によってリスケーリングされたsinc関数がフィルタ関数として提供されており、かつ/または
照明用ビーム経路内で、ビーム成形のために前記フィルタとアナモフィック光学系が組み合わされている
ことを特徴とする請求項6に記載の顕微鏡。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の顕微鏡の動作方法。
- 照明光源(1)と、シート光により試料(3)を照明するための照明用ビーム経路とを含む照明機構、
前記試料(3)から放射された光を検出するための検出機構、
前記試料(3)を、結像用ビーム経路内の結像対物レンズ(4)により、少なくとも部分的に該検出機構上に結像する結像光学系からなり、
該シート光が、該結像対物レンズ(4)の焦点内または該結像対物レンズの幾何学的焦点の付近の規定の平面内では実質的に平らであり、かつ該結像対物レンズ(4)が、該シート光の平面とゼロとは異なる角度で、好ましくは垂直に交差する光軸を有している顕微鏡において、
SPIMの際のシート光生成のためのマシュービームの使用を特徴とする顕微鏡。 - SPIMの際のシート光生成のための、スキャンするマシュービームの使用を特徴とする請求項9に記載の顕微鏡。
- 照明光源(1)と、シート光により前記試料(3)を照明するための照明用ビーム経路とを含む照明機構、
前記試料(3)から放射された光を検出するための検出機構、
前記試料(3)を、結像用ビーム経路内の結像対物レンズ(4)により、少なくとも部分的に該検出機構上に結像する結像光学系からなり、
該シート光が、該結像対物レンズ(4)の焦点内または該結像対物レンズの幾何学的焦点の付近の規定の平面内では実質的に平らであり、かつ該結像対物レンズ(4)が、該シート光の平面とゼロとは異なる角度で、好ましくは垂直に交差する光軸を有している顕微鏡において、
強度変調器および/または位相変調器、とりわけ下に挙げた光学素子1)部分的なリング絞り、とりわけ2つの向かい合う半円からなる絞り
2)光のための空間変調器(空間光変調器(SLM)
3)アキシコン
4)ホログラム
5)回折性素子
の少なくとも1つによってマシュービームを生成するための手段を備える
ことを特徴とする顕微鏡。 - 前記リング絞りの前での楕円形ガウス分布の生成
および/または
前記リング絞りの前での、前記リング絞りの上および下の部分に当たらないガウス分布の生成、
および/または
アナモフィック光学系および/またはSLMのような強度変調器によるビーム成形
および/または
前記アキシコン上での楕円形ガウス分布の生成
および/または
前記アキシコン上での、前記アキシコンの上および下の部分に当たらないガウス分布の生成、
および/または
光分布を最適化するための強度変調器の使用
および/または
光分布を最適化するためのアナモフィック光学系と強度変調器の組み合わせ
および/または
前記ビームの周期的な強度変調を回避するための前記マシュービームの周波数成分の抑制
および/または
構造化された照明の生成
および/または
平面検出器、とりわけCCD受光器またはEMCCD受光器またはCMOSまたはsCMOSカメラ上でのラインごとの検出
および/または
平面検出器上での、該平面検出器の検出面積全体より小さい検出面積での平面的な検出を特徴とする請求項11に記載の顕微鏡。 - 請求項9乃至12のいずれか1項に記載の顕微鏡の動作方法。
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