JP6396137B2 - Microscope illumination device, microscope illumination method, and microscope - Google Patents

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Description

本発明は、顕微鏡照明装置、顕微鏡照明方法および顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a microscope illumination device, a microscope illumination method, and a microscope.

従来、カバーガラスの表面直近の極薄い範囲の標本を観察する技術としてエバネッセント照明を利用した顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
エバネッセント照明は、液浸対物レンズの後ろ側焦点位置においてレンズ辺縁部に集光したレーザ光を液浸対物レンズに入射させ、液浸対物レンズによって略平行光となったレーザ光をカバーガラスと液体との界面において全反射させることにより、カバーガラス側にエバネッセント光を染み出させる照明方法である。カバーガラスの表面直近の極薄い範囲の標本を高コントラストで観察できる一般的な顕鏡手法であるが、1方向から照明する全反射照明では偏った蛍光情報しか得られないという問題がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a microscope using evanescent illumination is known as a technique for observing a specimen in an extremely thin range near the surface of a cover glass (see, for example, Patent Document 1).
The evanescent illumination causes the laser light collected on the lens edge at the back focal position of the immersion objective lens to enter the immersion objective lens, and the laser light that has become substantially parallel light by the immersion objective lens and the cover glass. In this illumination method, evanescent light is oozed out to the cover glass side by total reflection at the interface with the liquid. Although this is a general microscope technique that enables observation of a very thin specimen in the vicinity of the surface of the cover glass with high contrast, there is a problem that only partial fluorescence information can be obtained with total reflection illumination that illuminates from one direction.

そこで、カバーガラスへのレーザ光の入射方向を液浸対物レンズの軸線回りに回転させ、時間平均化された画像を取得することにより、偏射照明による画像中の陰影の形成やスペックルノイズを抑制する手法が示されている(例えば、特許文献2参照。)。   Therefore, by rotating the incident direction of the laser light on the cover glass around the axis of the immersion objective lens and acquiring a time-averaged image, it is possible to reduce shadow formation and speckle noise in the image by oblique illumination. A technique for suppressing the above is shown (for example, see Patent Document 2).

特開2001−272606号公報JP 2001-272606 A 特開2003−131141号公報JP 2003-131141 A

しかしながら、視野範囲を広げるために液浸対物レンズの後ろ側焦点位置に入射するレーザ光のNAを増大させる場合には、当該後ろ側焦点位置におけるレーザ光のエネルギ密度が極めて高くなり、液浸対物レンズが熱によって損傷するという不都合がある。すなわち、レーザ光のNAを増大させて照野を広げると、後ろ側焦点位置に形成されるレーザ光のスポット径が小さくなるうえに、広がった照野の明るさを広がる前と同等にするためには、その分、高いエネルギのレーザ光を入射させる必要があり、後ろ側焦点位置におけるレーザ光のエネルギ密度は相乗的に増加してしまうという不都合がある。さらに、時間平均化が必要なため、高速で撮影することができず、ガルバノミラーやモーターなどの振動により、被写体ズレが生じてしまう欠点がある。   However, when the NA of the laser light incident on the back focal position of the immersion objective lens is increased in order to widen the field of view, the energy density of the laser light at the back focal position becomes extremely high, and the immersion objective is There is a disadvantage that the lens is damaged by heat. That is, if the NA of the laser beam is increased to widen the illumination field, the spot diameter of the laser beam formed at the back focal position becomes small and the brightness of the wide illumination field is made equal to that before spreading. Therefore, it is necessary to make high-energy laser light incident to that extent, and there is a disadvantage that the energy density of the laser light at the back focal position increases synergistically. Furthermore, since time averaging is required, it is impossible to photograph at high speed, and there is a disadvantage that subject displacement occurs due to vibration of a galvanometer mirror, a motor, or the like.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、レーザ光を集光させてケーラー照明を行うレンズの熱による損傷を防止しつつ視野範囲を拡大することができ、さらにスペックルノイズを生じることなく標本を照明することができる顕微鏡照明装置、顕微鏡照明方法および顕微鏡を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of expanding the visual field range while preventing damage caused by heat of a lens that condenses laser light and performs Kohler illumination, and further, speckle noise. It is an object of the present invention to provide a microscope illumination apparatus, a microscope illumination method, and a microscope that can illuminate a specimen without causing any problems.

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。
本発明の一態様は、光源から発せられたレーザ光を入射させ、その入射光軸に対して所定の角度をなして広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有しかつ前記入射光軸を進んできた光を含むレーザ光に変換して出射させる光変換部と、該光変換部から出射されたレーザ光を前記入射光軸に平行な方向に偏向する、パワーを有しない光学素子と、前記光変換部から出射されたレーザ光を前記入射光軸の延長軸線回りに回転させる回転機構とを備え、前記光学素子から出射されたレーザ光を、標本を照明するための集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させる顕微鏡照明装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
One aspect of the present invention, is incident laser light emitted from the light source, organic vital to and NA has a main optical axis distributed on a conical surface extending at an angle to the incident optical axis A light conversion unit that converts and emits laser light including light that has traveled along the incident optical axis, and a power that deflects the laser light emitted from the light conversion unit in a direction parallel to the incident optical axis. an optical element which does not, the laser light emitted from the light conversion unit and a rotating mechanism for rotating the extension about the axis of the incident optical axis, a laser beam emitted from the optical element, for illuminating the specimen Provided is a microscope illuminating device that condenses light at a pupil position of a condenser lens or a conjugate position thereof.

本態様によれば、光源から発せられたレーザ光が光変換部に入射されると、レーザ光は光変換部において円錐面上に分布する主光軸を有しかつ該主光軸に沿って集光するNAを有するレーザ光に変換される。光変換部から出射されたレーザ光は光学素子を通過することにより偏向されて入射光軸に平行な円筒面上に主光軸を分布させたNAを有するレーザ光となる。   According to this aspect, when the laser light emitted from the light source is incident on the light conversion unit, the laser light has the main optical axis distributed on the conical surface in the light conversion unit and is along the main optical axis. It is converted into laser light having NA to be condensed. The laser beam emitted from the light conversion unit is deflected by passing through the optical element, and becomes a laser beam having an NA in which the main optical axis is distributed on a cylindrical surface parallel to the incident optical axis.

そして、このようなレーザ光が集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光されることにより、集光レンズによって集光されたレーザ光はケーラー照明として標本を照明する。この場合において、集光レンズに入射するレーザ光は集光レンズの光軸を中心として周方向に主光軸を分布させているので、周方向の複数方向から同時に標本に射入射されて標本を照明する。   Then, by condensing such laser light at the pupil position of the condenser lens or its conjugate position, the laser light condensed by the condenser lens illuminates the sample as Koehler illumination. In this case, since the main optical axis is distributed in the circumferential direction around the optical axis of the condenser lens, the laser light incident on the condenser lens is incident on the specimen simultaneously from a plurality of circumferential directions. Illuminate.

したがって、偏射照明による問題は解消されるとともに、集光レンズの瞳位置におけるレーザ光の集光位置が分散されているので、レーザ光のNAを大きくしかつ大きなエネルギのレーザ光を導入しても、集光位置におけるエネルギ密度が過大とはならず、集光レンズを健全な状態に維持することができる。さらに、時間平均化を必要としないため、高速での撮像が可能かつ、振動原を有しないので被写体ブレも生じない。   Therefore, the problem due to the oblique illumination is solved, and the condensing position of the laser light at the pupil position of the condensing lens is dispersed. Therefore, the NA of the laser light is increased and a laser beam having a large energy is introduced. However, the energy density at the condensing position does not become excessive, and the condensing lens can be maintained in a healthy state. Furthermore, since time averaging is not required, high-speed imaging is possible, and no vibration is generated, so that subject blurring does not occur.

また、光学素子はパワーを有しないので、光学素子の通過前後においてレーザ光のNAは変化無く保存される。すなわち、入射光軸に対して所定の角度をなして広がる途中の光軸上のどの位置に光学素子を配置するかによって、光学素子から出射されるレーザ光の主光軸が配置される円筒面の径寸法が変化し、集光レンズによって標本に入射されるケーラー照明の角度を連続的に変化させることができ、対物レンズや標本、観察条件に最適な照明状態を提供できる。そして、この場合においてもレーザ光のNAが変化しないので、ケーラー照明の光束径を一定に維持し、照野における明るさを一定に維持することができる。   Further, since the optical element has no power, the NA of the laser light is stored without change before and after passing through the optical element. That is, the cylindrical surface on which the main optical axis of the laser beam emitted from the optical element is arranged depending on where the optical element is arranged on the optical axis that is spreading at a predetermined angle with respect to the incident optical axis The angle of the Koehler illumination that is incident on the sample by the condenser lens can be continuously changed, and an optimal illumination state can be provided for the objective lens, the sample, and the observation conditions. In this case as well, since the NA of the laser light does not change, the beam diameter of the Koehler illumination can be kept constant, and the brightness in the illumination field can be kept constant.

さらに、集光レンズに入射するレーザ光を回転機構によって円筒面上において周方向に回転させると、集光レンズから標本へ照射されるレーザ光も、集光レンズの光軸回りに回転する。集光レンズから標本へ照射されるレーザ光の分割数が少なく、図5(a),(b)に示されるような、レーザ光の干渉性に起因するスペックルノイズがレーザ光に含まれている場合には、該スペックルノイズもレーザ光の照明領域内において回転し、スペックルノイズに起因する明暗が照明領域において時間的に平均化されて視認されない程度まで低減される。これにより、実質的にスペックルノイズを生じることなく標本を照明することができる。   Further, when the laser light incident on the condensing lens is rotated in the circumferential direction on the cylindrical surface by the rotation mechanism, the laser light irradiated from the condensing lens to the specimen also rotates around the optical axis of the condensing lens. The number of divisions of the laser light irradiated from the condenser lens to the specimen is small, and the speckle noise caused by the coherence of the laser light as shown in FIGS. 5A and 5B is included in the laser light. In this case, the speckle noise also rotates in the illumination area of the laser light, and the brightness and darkness resulting from the speckle noise is reduced to the extent that it is not visually recognized after being temporally averaged in the illumination area. As a result, the specimen can be illuminated substantially without causing speckle noise.

上記態様においては、前記光変換部が、レーザ光を偏向しかつNAを付与する回折格子であってもよい。
このようにすることで、単一の回折格子により、簡易に集光レンズの瞳位置におけるレーザ光のエネルギ密度を分散させ、ケーラー照明を行う集光レンズの損傷を防止しつつ視野範囲を拡大することができる。
In the above aspect, the light conversion unit may be a diffraction grating that deflects laser light and imparts NA.
By doing so, the energy density of the laser beam at the pupil position of the condenser lens can be easily dispersed by a single diffraction grating, and the visual field range is expanded while preventing damage to the condenser lens that performs Koehler illumination. be able to.

また、上記態様においては、前記光変換部が、レーザ光にNAを付与する正のパワーを有するレンズと、レーザ光を偏向する回折格子とを備えていてもよい。
このようにすることで、回折格子の機能を単純化して簡易なものにすることができる。レンズによってNAを付与した後のレーザ光を回折格子によって偏向させてもよいし、逆でもよい。
Moreover, in the said aspect, the said light conversion part may be provided with the lens which has a positive power which provides NA to a laser beam, and the diffraction grating which deflects a laser beam.
In this way, the function of the diffraction grating can be simplified and simplified. The laser light after NA is given by the lens may be deflected by the diffraction grating, or vice versa.

また、上記態様においては、前記回転機構が、前記回折格子を、前記入射光軸に平行な回転軸線回りに回転させてもよい。
このようにすることで、回折格子の回転に伴って、回折格子から射出されるレーザ光を入射光軸の延長軸線回りに回転させることができる。ここで、回折格子から出射されるレーザ光の主光軸の位置および方向は、回折格子自身の中心軸と、回転機構による回折格子の回転軸線と、入射光軸との相対位置関係に依存しない。すなわち、回折格子は、光源からのレーザ光が入射する位置に配置されていればよく、周辺の光学素子に対する回折格子の精密なアライメントは不要である。さらに、回折格子は小さな板状の部材であるため、毎分10000回転以上の高速の回転速度においても安定した回転が可能である。
In the above aspect, the rotation mechanism may rotate the diffraction grating around a rotation axis parallel to the incident optical axis.
By doing so, the laser light emitted from the diffraction grating can be rotated around the extension axis of the incident optical axis as the diffraction grating rotates. Here, the position and direction of the main optical axis of the laser light emitted from the diffraction grating do not depend on the relative positional relationship between the central axis of the diffraction grating itself, the rotation axis of the diffraction grating by the rotation mechanism, and the incident optical axis. . That is, the diffraction grating is only required to be disposed at a position where the laser light from the light source is incident, and precise alignment of the diffraction grating with respect to the peripheral optical elements is not necessary. Furthermore, since the diffraction grating is a small plate-like member, stable rotation is possible even at a high rotational speed of 10,000 revolutions per minute or more.

また、上記態様においては、前記回転機構は、前記レーザ光の照射によって前記標本から発せられる観察光を撮影する撮像素子の露光時間をT秒としたときに、毎秒1/T回転以上の回転速度で前記光変換部を回転させることが好ましい。
このようにすることで、撮像素子が1フレーム分の観察光を露光している間に、標本を照明するレーザ光が1回転(360°)以上回転することによって、レーザ光の照明領域全体にわたって照度分布が時間的に平均化される。これにより、均一な照度分布を有するレーザ光によって標本を照明したときと同等の、スペックルノイズを含まない画像を撮像素子によって取得することができる。
Further, in the above aspect, the rotation mechanism has a rotation speed of 1 / T rotation or more per second when the exposure time of the image sensor that captures the observation light emitted from the specimen by the laser light irradiation is T seconds. It is preferable to rotate the light conversion unit.
By doing in this way, while the imaging device is exposing the observation light for one frame, the laser light that illuminates the specimen is rotated by one rotation (360 °) or more, so that the entire illumination area of the laser light is covered. The illuminance distribution is averaged over time. As a result, an image that does not include speckle noise can be acquired by the imaging device, which is equivalent to when the specimen is illuminated with laser light having a uniform illuminance distribution.

また、上記態様においては、前記光変換部が、前記円錐面上に全周にわたって連続的に分布するレーザ光に変換してもよい。
このようにすることで、集光レンズの瞳位置に集光するレーザ光のエネルギ密度を最も低くすることができ、広く明るい視野範囲を確保することができる。
Moreover, in the said aspect, the said light conversion part may convert into the laser beam distributed continuously over the perimeter on the said conical surface.
By doing in this way, the energy density of the laser beam condensed to the pupil position of a condensing lens can be made the lowest, and a wide and bright visual field range can be ensured.

また、上記態様においては、前記光学素子が、前記レーザ光の入射光軸方向に沿って移動可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、集光レンズの瞳位置へのレーザ光の径方向の入射位置を変化させ、集光レンズによる標本へのケーラー照明の入射角度を連続的に調節することができる。この場合に、入射角度を変化させても照野の明るさを一定に維持することができる。
Moreover, in the said aspect, the said optical element may be provided so that a movement is possible along the incident optical axis direction of the said laser beam.
By doing in this way, the incident position of the laser beam to the pupil position of the condensing lens in the radial direction can be changed, and the incident angle of the Koehler illumination to the sample by the condensing lens can be continuously adjusted. In this case, the brightness of the illumination field can be maintained constant even when the incident angle is changed.

また、本発明の他の態様は、光源から発せられたレーザ光を、その入射光軸に対して所定の角度をなして広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有しかつ前記入射光軸を進んできた光を含むレーザ光に変換する第1のステップと、該第1のステップにおいて変換されたレーザ光を、パワーを有しない光学素子によって前記入射光軸に平行な方向に偏向する第2のステップと、該第2のステップにおいて偏向されたレーザ光を、標本を照明するための集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させる第3のステップと、前記光学素子を前記レーザ光の入射光軸方向に沿って移動させる第4のステップと、前記第3のステップにおいて前記集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させるレーザ光を前記入射光軸の延長軸線回りに回転させる第5のステップとを含む顕微鏡照明方法を提供する。 Another aspect of the present invention, a laser beam emitted from the light source, have a and NA has a main optical axis distributed on a conical surface extending at an angle to the incident optical axis A first step of converting the laser light including light that has traveled along the incident optical axis; and the laser light converted in the first step is parallel to the incident optical axis by an optical element having no power. A second step of deflecting in the direction; a third step of condensing the laser light deflected in the second step at a pupil position of a condenser lens for illuminating the specimen or a conjugate position thereof; A fourth step of moving the optical element along the incident optical axis direction of the laser beam; and a laser beam for condensing the optical element at the pupil position of the condenser lens or its conjugate position in the third step. Extension axis times It provides a microscope illumination method and a fifth step of rotating the.

また、本発明の他の態様は、標本を搭載するステージと、該ステージに搭載された標本に対向して配置される集光レンズと、該集光レンズにレーザ光を入射させる上記いずれかに記載の顕微鏡照明装置とを備える顕微鏡を提供する。   According to another aspect of the present invention, there is provided a stage on which a sample is mounted, a condensing lens disposed to face the sample mounted on the stage, and any of the above cases in which laser light is incident on the condensing lens. A microscope comprising the described microscope illumination device is provided.

本発明によれば、レーザ光を集光させてケーラー照明を行うレンズの熱による損傷を防止しつつ視野範囲を拡大することができ、さらにスペックルノイズを生じることなく標本を照明することができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to expand the visual field range while preventing damage caused by heat of a lens that performs Koehler illumination by condensing laser light, and further, it is possible to illuminate a specimen without causing speckle noise. There is an effect.

本発明の一実施形態に係る顕微鏡の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the microscope which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の顕微鏡において、矢視A−Aの(a)レーザ光の集光パターンの一例、(b)他の例をそれぞれ示す図である。In the microscope of FIG. 1, it is a figure which shows an example of the condensing pattern of (a) laser beam of arrow AA, and (b) another example, respectively. 図1の顕微鏡においてアキシコンレンズを光軸方向に移動させた場合の光束の形状の変化を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the change of the shape of the light beam when an axicon lens is moved to an optical axis direction in the microscope of FIG. 本発明の一実施形態に係る顕微鏡照明方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the microscope illumination method which concerns on one Embodiment of this invention. (a)〜(d)図1の顕微鏡において、矢視A−Aにおけるレーザ光の集光パターン(上段)と、カバーガラスの底面におけるレーザ光の照明領域に発生するスペックルノイズとを示す模式図である。(A)-(d) In the microscope of FIG. 1, the schematic which shows the condensing pattern (upper stage) of the laser beam in arrow AA and the speckle noise which generate | occur | produces in the illumination area of the laser beam in the bottom face of a cover glass. FIG. 図1の顕微鏡において、回折格子の位置と、該回折格子から出射されるレーザ光との関係を説明する模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the relationship between the position of a diffraction grating and laser light emitted from the diffraction grating in the microscope of FIG. 1. 図1の顕微鏡の(a)本実施形態に係る顕微鏡照明装置、(b)変形例に係る顕微鏡照明装置をそれぞれ示す模式図である。It is a schematic diagram which respectively shows the microscope illumination apparatus which concerns on (a) this embodiment of the microscope of FIG. 1, and the microscope illumination apparatus which concerns on (b) modification. 図1の顕微鏡の他の変形例に係る顕微鏡照明装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the microscope illuminating device which concerns on the other modification of the microscope of FIG.

本発明の一実施形態に係る顕微鏡照明装置4、顕微鏡1および顕微鏡照明方法について、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、標本Sを搭載するステージ2と、該ステージ2の下方に近接して上向きに配置された液浸対物レンズ(集光レンズ)3と、該液浸対物レンズ3を介して標本Sにレーザ光を照射させる顕微鏡照明装置4とを備えている。
A microscope illumination device 4, a microscope 1, and a microscope illumination method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a microscope 1 according to this embodiment includes a stage 2 on which a specimen S is mounted, and an immersion objective lens (condensing lens) 3 that is disposed close to the lower side of the stage 2 and facing upward. And a microscope illumination device 4 that irradiates the specimen S with laser light through the immersion objective lens 3.

標本SはカバーガラスGに載せた状態でステージ2に搭載されている。ステージ2には開口部2aが設けられ、液浸対物レンズ3によって集光されたレーザ光が開口部2aを介してステージ2上のカバーガラスG越しに標本Sに下方から照射されるようになっている。   The specimen S is mounted on the stage 2 while being placed on the cover glass G. The stage 2 is provided with an opening 2a, and the laser beam condensed by the immersion objective lens 3 is irradiated from below through the cover glass G on the stage 2 through the opening 2a. ing.

液浸対物レンズ3は、図中、単一のレンズによって表示しているが、実際には多数のレンズを組み合わせて構成されている。液浸対物レンズ3の最先端のレンズの上面3aとカバーガラスGとの隙間には、純水等の液体Bが注入され、表面張力によって隙間内に保持されるようになっている。   Although the immersion objective lens 3 is represented by a single lens in the drawing, it is actually configured by combining a number of lenses. A liquid B such as pure water is injected into the gap between the upper surface 3a of the most advanced lens of the immersion objective lens 3 and the cover glass G, and is held in the gap by surface tension.

本実施形態に係る顕微鏡照明装置4は、光ファイバ5によって導光されてきた光源からのレーザ光L1を集光して略平行光からなるレーザ光L2に変換するコリメートレンズ6と、該コリメートレンズ6によって略平行光に変換されたレーザ光L2を透過させる際に回折させる回折格子7と、該回折格子7から出射されたレーザ光L3を偏向する、パワーを有しないアキシコンレンズ8とを備えている。
図中、符号9,10は、液浸対物レンズ3の瞳位置Pをリレーするリレーレンズ、符号11は絞り、符号12はミラー、符号18は撮像素子である。
The microscope illumination device 4 according to the present embodiment includes a collimating lens 6 that condenses the laser light L1 from the light source guided by the optical fiber 5 and converts it into laser light L2 that is substantially parallel light, and the collimating lens. 6 includes a diffraction grating 7 that diffracts the laser light L2 that has been converted into substantially parallel light by 6 and transmits the laser light L3 emitted from the diffraction grating 7 and that has no power and an axicon lens 8 that has no power. ing.
In the figure, reference numerals 9 and 10 are relay lenses for relaying the pupil position P of the immersion objective lens 3, reference numeral 11 is a stop, reference numeral 12 is a mirror, and reference numeral 18 is an image sensor.

回折格子7は、略平行光からなるレーザ光L2を入射させ、透過させる際に、図1に示されるように、その入射光軸Xに対して所定の角度をなして広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有するレーザ光L3に変換して出射させるようになっている。すなわち、回折格子7によって回折されたレーザ光L3は、図2(a)に示されるように、その集光位置において、周方向に連続する円環状のパターンCを有して集光するようになっている。   The diffraction grating 7 is distributed on a conical surface that spreads at a predetermined angle with respect to the incident optical axis X as shown in FIG. 1 when the laser beam L2 made of substantially parallel light is incident and transmitted. The laser beam L3 having a main optical axis and NA is emitted after being converted. That is, as shown in FIG. 2A, the laser beam L3 diffracted by the diffraction grating 7 is condensed with an annular pattern C continuous in the circumferential direction at the condensing position. It has become.

なお、本実施形態においては、回折格子7において、図2(a)に示されるように、周方向に連続するパターンCで集光するレーザ光L3に変換することにしたが、連続していることは必ずしも必要ではなく、図2(b)に示されるように周方向に間隔をあけて多数の位置に集光するパターンC’のレーザ光L3に変換してもよい。スポットの個数は2以上の任意の個数でよく、多ければ多いほど効果的である。   In the present embodiment, in the diffraction grating 7, as shown in FIG. 2A, the laser beam L <b> 3 is collected in a pattern C that is continuous in the circumferential direction, but is continuous. This is not always necessary, and it may be converted into laser light L3 of a pattern C ′ that is focused at a number of positions at intervals in the circumferential direction as shown in FIG. The number of spots may be an arbitrary number of 2 or more, and the larger the number, the more effective.

アキシコンレンズ8は、入射端側にテーパ面8aを有している。テーパ面8aの傾斜角度は、回折格子7から出射されたレーザ光L3の主光軸を回折格子7への入射光軸Xに平行な方向に偏向する角度に設定されている。アキシコンレンズ8はパワーを有していないので、アキシコンレンズ8を通過する前後においてレーザ光L3,L4のNAは変化しない。   The axicon lens 8 has a tapered surface 8a on the incident end side. The inclination angle of the tapered surface 8 a is set to an angle that deflects the main optical axis of the laser light L 3 emitted from the diffraction grating 7 in a direction parallel to the incident optical axis X to the diffraction grating 7. Since the axicon lens 8 has no power, the NA of the laser beams L3 and L4 does not change before and after passing through the axicon lens 8.

回折格子7およびアキシコンレンズ8は、アキシコンレンズ8から出射されたレーザ光L4の集光位置が、リレーレンズ9,10を構成する後ろ側のレンズ9の後ろ側焦点位置Qに一致するように配置されている。すなわち、アキシコンレンズ8から出射されたレーザ光L4は液浸対物レンズ3の瞳位置Pと光学的に共役な位置Qに集光されるようになっている。   The diffraction grating 7 and the axicon lens 8 are arranged so that the condensing position of the laser light L4 emitted from the axicon lens 8 coincides with the rear focal position Q of the rear lens 9 constituting the relay lenses 9 and 10. Is arranged. In other words, the laser beam L4 emitted from the axicon lens 8 is condensed at a position Q optically conjugate with the pupil position P of the immersion objective lens 3.

また、アキシコンレンズ8は、回折格子7へのレーザ光L2の入射光軸Xに沿う方向に移動可能に設けられている。この方向にアキシコンレンズ8を移動させると、図3に示されるように、回折格子7から出射されたレーザ光L3のアキシコンレンズ8のテーパ面8aへの入射位置が径方向に変化する結果、レーザ光L4の集光位置におけるパターンの径寸法が変化するようになっている。図3に示す例では、アキシコンレンズ8を回折格子7に近接する方向に移動させることで、レーザ光L4の集光位置Qにおける円形パターンの径寸法を小さくするようになっている。   The axicon lens 8 is provided so as to be movable in a direction along the incident optical axis X of the laser light L2 to the diffraction grating 7. When the axicon lens 8 is moved in this direction, as shown in FIG. 3, the incident position of the laser light L3 emitted from the diffraction grating 7 on the tapered surface 8a of the axicon lens 8 changes in the radial direction. The diameter of the pattern at the condensing position of the laser beam L4 changes. In the example shown in FIG. 3, the radial dimension of the circular pattern at the condensing position Q of the laser beam L4 is reduced by moving the axicon lens 8 in a direction close to the diffraction grating 7.

さらに、顕微鏡照明装置4は、回折格子7をレーザ光L2の入射光軸Xに平行な回転軸線Y回りに回転させる回転機構17を備えている。図1において、回転軸線Yは入射光軸Xと一致しているが、後で説明するように、回転軸線Yは入射光軸Xに対して偏心していてもよい。回転機構17は、例えば、中空モータである。中空モータは、回折格子7の外側に取り付けられ、回折格子7が回転軸線Y回りに回転可能となるように、回折格子7の外周面を支持する。あるいは、回転機構17は、モータと、該モータから出力される回転力を回折格子7に伝達するギヤの組み合わせとから構成されていてもよい。   Furthermore, the microscope illumination device 4 includes a rotation mechanism 17 that rotates the diffraction grating 7 around a rotation axis Y parallel to the incident optical axis X of the laser light L2. In FIG. 1, the rotational axis Y coincides with the incident optical axis X, but the rotational axis Y may be eccentric with respect to the incident optical axis X as will be described later. The rotation mechanism 17 is, for example, a hollow motor. The hollow motor is attached to the outside of the diffraction grating 7 and supports the outer peripheral surface of the diffraction grating 7 so that the diffraction grating 7 can rotate around the rotation axis Y. Alternatively, the rotation mechanism 17 may include a motor and a combination of gears that transmit the rotational force output from the motor to the diffraction grating 7.

回転機構17によって回折格子7が回転させられると、回折格子7から出射されるレーザ光L3の主光軸は、入射光軸X上に頂点が位置し入射光軸Xの延長軸線に対して対称な円錐面に沿って入射光軸Xの延長軸線回りに回転し、アキシコンレンズ8から出射されるレーザ光4の主光軸も、入射光軸Xの延長軸線を中心とする円筒面に沿って前記延長軸線回りに回転する。その結果、後述するように、液浸対物レンズ3からカバーガラスGへ向かって出射される、円錐面上に分布するレーザ光L5が、前記円錐面に沿って液浸対物レンズ3の光軸Z回りに回転するようになっている。 When the diffraction grating 7 is rotated by the rotation mechanism 17, the main optical axis of the laser light L3 emitted from the diffraction grating 7 is located on the incident optical axis X and is symmetric with respect to the extension axis of the incident optical axis X. The main optical axis of the laser beam 4 that rotates about the extension axis of the incident optical axis X along the conical surface and that is emitted from the axicon lens 8 is also along the cylindrical surface centered on the extension axis of the incident optical axis X. And rotate around the extension axis. As a result, as will be described later, the laser beam L5 distributed on the conical surface emitted from the immersion objective lens 3 toward the cover glass G is optical axis Z of the immersion objective lens 3 along the conical surface. It is designed to rotate around.

回転機構17による回折格子7の回転速度は、撮像素子18の露光時間T(秒)に応じて決定され、毎秒1/T回転(1/Trps)以上の高速に設定される。例えば、撮像素子18の露光時間Tが1/60秒(フレームレートが60fpm)である場合、回折格子7の回転速度は、60rps以上に設定される。   The rotation speed of the diffraction grating 7 by the rotation mechanism 17 is determined according to the exposure time T (seconds) of the image sensor 18 and is set to a high speed of 1 / T rotation (1 / Trps) or more per second. For example, when the exposure time T of the image sensor 18 is 1/60 seconds (frame rate is 60 fpm), the rotational speed of the diffraction grating 7 is set to 60 rps or more.

さらに、観察対象が生体反応のような高速の現象である場合には、回折格子7の回転速度は、10000rpm以上であることが好ましい。生体反応の速度は、速いものでは数ミリ秒である。このような生体反応を観察するためには、撮像素子18の露光時間Tを生体反応の速度と同程度にまで短縮する必要があり、撮像素子18の露光時間Tの短縮に伴って回折格子7の回転速度も高める必要がある。例えば、数ミリ秒規模の生体反応を観察するために撮像素子18の露光時間Tが10ミリ秒に設定されている場合には、回折格子7の回転速度は10000rpmに設定される。   Furthermore, when the observation target is a high-speed phenomenon such as a biological reaction, the rotational speed of the diffraction grating 7 is preferably 10,000 rpm or more. The speed of the biological reaction is several milliseconds for a fast one. In order to observe such a biological reaction, it is necessary to shorten the exposure time T of the image sensor 18 to the same level as the speed of the biological reaction, and as the exposure time T of the image sensor 18 decreases, the diffraction grating 7 It is also necessary to increase the rotation speed. For example, when the exposure time T of the image sensor 18 is set to 10 milliseconds in order to observe a biological reaction on the order of several milliseconds, the rotational speed of the diffraction grating 7 is set to 10,000 rpm.

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡照明装置4および顕微鏡1を用いた顕微鏡照明方法について以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡1を用いて標本Sの観察を行うには、カバーガラスGに載せた標本Sをステージ2に搭載し、光源からのレーザ光L1を光ファイバ5の出射端から出射させる。
A microscope illumination method using the microscope illumination device 4 and the microscope 1 according to the present embodiment configured as described above will be described below.
In order to observe the specimen S using the microscope 1 according to the present embodiment, the specimen S placed on the cover glass G is mounted on the stage 2 and the laser light L1 from the light source is emitted from the exit end of the optical fiber 5. .

本実施形態に係る顕微鏡照明方法は、図4に示されるように、光ファイバ5の出射端から出射されコリメートレンズ6によって略平行光に変換されたレーザ光L2を、回折格子7によってその入射光軸Xを中心として広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有するレーザ光L3に変換する第1のステップS1と、該第1のステップS1において変換されたレーザ光L3を、パワーを有しないアキシコンレンズ8によって入射光軸に平行な方向に偏向する第2のステップS2と、該第2のステップS2において偏向されたレーザ光L4を、液浸対物レンズ3の瞳位置Pと共役な位置Qに集光させる第3のステップS3と、アキシコンレンズ8を入射光軸方向に沿って移動させる第4のステップS4と、回折格子7の回転によって、位置Qに集光するレーザ光L4を入射光軸Xの延長軸線回りに高速で回転させる第5のステップS5とを含んでいる。   In the microscope illumination method according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, laser light L <b> 2 emitted from the emission end of the optical fiber 5 and converted into substantially parallel light by the collimator lens 6 is incident on the incident light by the diffraction grating 7. A first step S1 for converting into a laser beam L3 having a main optical axis distributed on a conical surface extending around the axis X and having NA, and the laser beam L3 converted in the first step S1, A second step S2 deflected in a direction parallel to the incident optical axis by the axicon lens 8 having no power, and the laser beam L4 deflected in the second step S2 are converted into the pupil position P of the immersion objective lens 3. The third step S3 for condensing light at a conjugate position Q, the fourth step S4 for moving the axicon lens 8 along the incident optical axis direction, and the rotation of the diffraction grating 7, And a fifth step S5 of rotating at a high speed laser light L4 converged on the extension around the axis of the incident optical axis X to Q.

光ファイバ5の出射端から出射されたレーザ光L1は、コリメートレンズ6によって略平行光からなるレーザ光L2に変換された後に、第1のステップS1において回折格子7に入射させられる。レーザ光L2は回折格子7において回折されることにより、入射光軸Xを中心とした円錐面上に延びる主光軸を有する円環状のパターンを有しかつ、所定のNAによって集光するレーザ光l3に変換される。レーザ光L3は、その後、第2のステップS2においてアキシコンレンズ8を透過させられることにより、入射光軸Xに平行な方向に主光軸が偏向されて、入射光軸Xを中心とした円筒面上に延びる主光軸を有する円環状のパターンを有するレーザ光L4となって、第3のステップS3においてリレーレンズ9の後ろ側焦点位置Qに集光される。   The laser light L1 emitted from the emission end of the optical fiber 5 is converted into laser light L2 composed of substantially parallel light by the collimator lens 6 and then incident on the diffraction grating 7 in the first step S1. The laser light L2 is diffracted by the diffraction grating 7, thereby having a circular pattern having a main optical axis extending on a conical surface with the incident optical axis X as the center, and condensing with a predetermined NA. converted to l3. Thereafter, the laser light L3 is transmitted through the axicon lens 8 in the second step S2, so that the main optical axis is deflected in a direction parallel to the incident optical axis X, and the cylindrical centered on the incident optical axis X. The laser beam L4 has an annular pattern having a main optical axis extending on the surface, and is condensed at the rear focal position Q of the relay lens 9 in the third step S3.

集光されたレーザ光L4はリレーレンズ9,10によってリレーされ、ミラー12によって90°偏向されて液浸対物レンズ3の後ろ側焦点位置である瞳位置Pに集光される。これにより、液浸対物レンズ3によって集光されたレーザ光L5は、平行光となって液体B内を伝播し、液浸対物レンズ3の全周方向からカバーガラスGの底面に斜入射される。レーザ光L5の入射角度が臨界角度を超えて浅くなっている場合にはレーザ光L5はカバーガラスGと液体Bとの界面において全反射し、エバネッセント光がカバーガラスGを通過してカバーガラスGの上面に接着している標本Sの接着面近傍の極薄い領域を照明する。   The condensed laser light L4 is relayed by the relay lenses 9 and 10, deflected by 90 ° by the mirror 12, and condensed at the pupil position P which is the back focal position of the immersion objective lens 3. As a result, the laser beam L5 collected by the immersion objective lens 3 propagates through the liquid B as parallel light and is obliquely incident on the bottom surface of the cover glass G from the entire circumference direction of the immersion objective lens 3. . When the incident angle of the laser beam L5 is shallower than the critical angle, the laser beam L5 is totally reflected at the interface between the cover glass G and the liquid B, and the evanescent light passes through the cover glass G and passes through the cover glass G. A very thin region in the vicinity of the bonding surface of the specimen S bonded to the upper surface is illuminated.

ここで、第5のステップS5において回折格子7を高速で回転させながら、前述のステップS1からステップS3を行うことによって、ステップS3において、レーザ光L4を入射光軸Xの延長軸線回りに回転させながら位置Qに集光させる。これにより、レーザ光L5は、液浸対物レンズ3の光軸Z回りに回転しながら、液浸対物レンズ3からカバーガラスGへ斜入射される。   Here, by rotating the diffraction grating 7 at a high speed in the fifth step S5, the laser beam L4 is rotated around the extension axis of the incident optical axis X in step S3 by performing the above-described steps S1 to S3. The light is condensed at position Q. Thus, the laser beam L5 is obliquely incident on the cover glass G from the immersion objective lens 3 while rotating around the optical axis Z of the immersion objective lens 3.

エバネッセント光が照射された結果、標本Sの接着面近傍において発生した蛍光(観察光)Lfが、液浸対物レンズ3によって集光される。ミラー12は、レーザ光L4,L5を反射する一方、蛍光Lfを透過させるダイクロイックミラーである。液浸対物レンズ3によって集光された蛍光Lfは、ミラー12によってレーザ光L5から分離され、レンズ19によって撮像素子18の撮像面上に集光され、撮像素子18によって撮影されることにより、蛍光画像を得ることができる。
この場合において、本実施形態に係る顕微鏡照明装置4によれば、回折格子7によってレーザ光L4を輪帯状に分散させているので、液浸対物レンズ3の瞳位置Pにおけるレーザ光L4が一点に集中することなく、全周にわたって分散される。
As a result of the irradiation with the evanescent light, the fluorescence (observation light) Lf generated in the vicinity of the adhesion surface of the specimen S is collected by the immersion objective lens 3. The mirror 12 is a dichroic mirror that reflects the laser beams L4 and L5 and transmits the fluorescence Lf. The fluorescence Lf collected by the immersion objective lens 3 is separated from the laser beam L5 by the mirror 12, collected by the lens 19 on the imaging surface of the imaging device 18, and photographed by the imaging device 18, thereby fluorescence. An image can be obtained.
In this case, according to the microscope illuminating device 4 according to the present embodiment, the laser light L4 is dispersed in a ring shape by the diffraction grating 7, so the laser light L4 at the pupil position P of the immersion objective lens 3 is at one point. Dispersed over the entire circumference without concentration.

これにより、視野範囲を増大させるために、液浸対物レンズ3の瞳位置Pに入射させるレーザ光L4のNAを増大させることで、瞳位置Pにおけるスポット径が縮小されても、さらに、広がった照野の明るさを維持するためにレーザ光L1のエネルギが増大させられても、瞳位置Pにおけるレーザ光L4のエネルギ密度が過度に高くなることが防止され、液浸対物レンズ3の熱による損傷を防止することができるという利点がある。   Thereby, in order to increase the visual field range, the NA of the laser light L4 incident on the pupil position P of the immersion objective lens 3 is increased, so that the spot diameter at the pupil position P is further expanded even if it is reduced. Even if the energy of the laser beam L1 is increased in order to maintain the brightness of the illumination field, the energy density of the laser beam L4 at the pupil position P is prevented from becoming excessively high, and is caused by the heat of the immersion objective lens 3. There is an advantage that damage can be prevented.

また、本実施形態に係る顕微鏡照明装置4および顕微鏡1によれば、第4のステップS4においてアキシコンレンズ8をその光軸方向に連続的に移動させることにより、リレーレンズ9の後ろ側焦点位置Qにおいて集光させられるレーザ光L4のパターンの径を連続的に変化させることができる。その結果、図3に示されるように、液浸対物レンズ3から標本Sに向けて出射されるレーザ光L5の傾斜角度を連続的に変化させることができる。傾斜角度を変化させることで、エバネッセント光の標本S側への染み出し量を連続的に調節することができる。   Further, according to the microscope illumination device 4 and the microscope 1 according to the present embodiment, the back focal position of the relay lens 9 is obtained by continuously moving the axicon lens 8 in the optical axis direction in the fourth step S4. The pattern diameter of the laser beam L4 collected at Q can be continuously changed. As a result, as shown in FIG. 3, the tilt angle of the laser beam L5 emitted from the immersion objective lens 3 toward the specimen S can be continuously changed. By changing the tilt angle, it is possible to continuously adjust the amount of evanescent light that oozes out to the specimen S side.

この場合において、本実施形態に係る顕微鏡照明装置4によれば、アキシコンレンズ8がパワーを有していないので、光軸方向に移動させても透過するレーザ光L4の集光位置を光軸方向に変化させずに済み、また、レーザ光L4のNAも変化させずに済むという利点がある。
すなわち、集光位置を変化させないので、エバネッセント光の染み出し量を調節するためにアキシコンレンズ8を光軸方向に移動させても、液浸対物レンズ3の瞳位置Pにレーザ光L4を精度よく集光させ続けて、ケーラー照明を持続することができる。また、NAを変化させないので、エバネッセント光の染み出し量を調節しても照野の広さと明るさを維持することができるという利点がある。
In this case, according to the microscope illuminating device 4 according to the present embodiment, the axicon lens 8 does not have power. There is an advantage that it is not necessary to change the direction, and the NA of the laser beam L4 is not changed.
In other words, since the condensing position is not changed, the laser beam L4 is accurately applied to the pupil position P of the immersion objective lens 3 even if the axicon lens 8 is moved in the optical axis direction in order to adjust the amount of evanescent light oozing out. The Koehler illumination can be sustained by continuing to concentrate well. Further, since the NA is not changed, there is an advantage that the width and brightness of the illumination field can be maintained even if the amount of evanescent light exuded is adjusted.

さらに、本実施形態に係る顕微鏡照明装置4および顕微鏡1によれば、回転機構17によって回折格子7を高速で回転させながら、レーザ光L5による標本Sの照明と、撮像素子18による蛍光Lfの撮影とを行うことによって、スペックルノイズを含まない蛍光画像を撮像素子18によって取得することができるという利点がある。   Furthermore, according to the microscope illumination device 4 and the microscope 1 according to the present embodiment, the sample S is illuminated with the laser light L5 and the fluorescence Lf is imaged by the imaging element 18 while the diffraction grating 7 is rotated at high speed by the rotation mechanism 17. By performing the above, there is an advantage that a fluorescence image not including speckle noise can be acquired by the image sensor 18.

すなわち、レーザ光L1〜L4が通過するレンズ表面の汚れに起因して、レーザ光L5には、図5(a)に示されるように、局所的な干渉模様が含まれることがある。さらに、レーザ光L3〜L5が、図2(b)に示されるような、周方向に間隔を空けた複数の位置に集光するパターンC’を有する場合、カバーガラスGの底面の照明領域においては、図5(b)〜(d)に示されるように、複数方向から同時に斜入射されたレーザ光L5同士が干渉することによって、そのパターンC’に応じた干渉縞が発生する。図5(a)〜(d)の下段に示されるようなスペックルノイズは、エバネッセント光および蛍光Lfにも強度ムラを生じさせ、その結果、液浸対物レンズ3によって結像される蛍光像にもスペックルノイズが残る。   That is, due to dirt on the lens surface through which the laser beams L1 to L4 pass, the laser beam L5 may include a local interference pattern as shown in FIG. Further, when the laser beams L3 to L5 have patterns C ′ that are condensed at a plurality of positions spaced apart in the circumferential direction as shown in FIG. 2B, in the illumination region on the bottom surface of the cover glass G As shown in FIGS. 5B to 5D, the interference fringes corresponding to the pattern C ′ are generated when the laser beams L5 obliquely incident simultaneously from a plurality of directions interfere with each other. Speckle noise as shown in the lower part of FIGS. 5A to 5D also causes unevenness in the intensity of the evanescent light and the fluorescence Lf, and as a result, the fluorescence image formed by the immersion objective lens 3 is formed. Even speckle noise remains.

図5(a)〜(d)において、上段は、瞳位置Pまたはこれと共役な位置Qにおけるレーザ光L3,L4の集光パターンC,C’を示し、下段は、カバーガラスGの底面におけるレーザ光L5の照度分布を示している。また、図5(b),(c),(d)の上段は、レーザ光L3が2本、4本、36本に分割されて、2個、4個、36個の位置に集光するパターンC’をそれぞれ示している。   5 (a) to 5 (d), the upper stage shows the condensing patterns C and C ′ of the laser beams L3 and L4 at the pupil position P or a position Q conjugate thereto, and the lower stage is on the bottom surface of the cover glass G. The illuminance distribution of the laser beam L5 is shown. 5B, 5C, and 5D, the laser light L3 is divided into two, four, and thirty-four and condensed at two, four, and thirty-six positions. Each pattern C ′ is shown.

本実施形態においては、カバーガラスGの底面の照明領域に形成されたスペックルノイズも、レーザ光L5の光軸Z回りの回転に伴って、撮像素子18の露光時間Tの間に、光軸Z回りに1回転以上する。これにより、照明領域においては、スペックルノイズに起因する不均一なレーザ光L5の照度分布が時間的に平均化されて視認されない程度にまで低減され、エバネッセント光および該エバネッセント光によって励起される蛍光Lfの、スペックルノイズに起因する明暗も時間的に平均化される。撮像素子18は、このようにしてスペックルノイズが実質的に除去された蛍光像を撮影するので、均一な照度分布を有するレーザ光を用いて蛍光Lfを励起した場合と同等の、スペックルノイズを含まない蛍光画像を取得することができる。   In the present embodiment, speckle noise formed in the illumination region on the bottom surface of the cover glass G is also generated during the exposure time T of the image sensor 18 along with the rotation of the laser light L5 around the optical axis Z. Make one or more rotations around Z. Thereby, in the illumination region, the illuminance distribution of the non-uniform laser light L5 caused by speckle noise is reduced to the extent that it is not visually recognized after being temporally averaged, and the fluorescence excited by the evanescent light and the evanescent light. The brightness and darkness of Lf due to speckle noise is also averaged over time. Since the imaging element 18 captures a fluorescent image from which speckle noise has been substantially removed in this way, speckle noise equivalent to the case where the fluorescence Lf is excited using laser light having a uniform illuminance distribution. It is possible to acquire a fluorescence image that does not contain the.

また、回折格子7は、直径約10mmまたはそれ以下の円板状の小さな部材であるので、12000rpm程度の高速の回転速度においても、安価かつ簡易な回転機構17による安定した回転が可能である。   In addition, since the diffraction grating 7 is a small disk-shaped member having a diameter of about 10 mm or less, stable rotation by an inexpensive and simple rotation mechanism 17 is possible even at a high rotation speed of about 12000 rpm.

さらに、レーザ光L3を回転させる回転機構17として、回折格子7を回転させる方式を採用することによって、特別な構成や制御を必要とせずにレーザ光L3を入射光軸Xの延長軸線回りに正確に回転させることができる。   Further, by adopting a method of rotating the diffraction grating 7 as the rotating mechanism 17 for rotating the laser light L3, the laser light L3 can be accurately transmitted around the extension axis of the incident optical axis X without requiring any special configuration or control. Can be rotated.

すなわち、回折格子7から出射されるレーザ光L3は、図6(a),(b)に示されるように、回折格子7の回折面に形成されている格子の、回転軸線Y回りの角度のみによって制御され、回折格子7の、入射光軸Xに交差する方向の並進移動は、レーザ光L3に何ら影響しない。したがって、図6(b)に示されるように、入射光軸Xと、回転機構17による回折格子7の回転軸線Yと、回折格子7の中心軸Wとの三者は必ずしも一致している必要が無く、回折格子7は、どの回転角度においてもレーザ光L2が入射する位置に配置されていればよい。これにより、回折格子7の高精度なアライメントを不要とし、機械的な回転等に伴って回折格子7の位置ずれが発生したとしてもこれを許容することができる。 That is, the laser beam L3 emitted from the diffraction grating 7 is only an angle around the rotation axis Y of the grating formed on the diffraction surface of the diffraction grating 7, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). The translational movement of the diffraction grating 7 in the direction intersecting the incident optical axis X does not affect the laser beam L3 at all. Therefore, as shown in FIG. 6B, the three of the incident optical axis X, the rotation axis Y of the diffraction grating 7 by the rotation mechanism 17, and the center axis W of the diffraction grating 7 need not necessarily match. The diffraction grating 7 may be disposed at a position where the laser beam L2 is incident at any rotation angle. As a result, high-precision alignment of the diffraction grating 7 is not required, and even if a positional deviation of the diffraction grating 7 occurs due to mechanical rotation or the like, this can be allowed.

なお、本実施形態においては、回折格子7を回転させることによってレーザ光L3を回転させる回転機構17について説明したが、回転機構17の構成はこれに限定されるものではなく、他の光学素子、例えば像回転プリズムまたは2枚のガルバノミラーを用いてレーザ光L3またはL4を回転させる構成を採用してもよい。ただし、像回転プリズムおよびガルバノミラーを用いる場合には、高精度なアライメントや制御が必要となる。   In the present embodiment, the rotation mechanism 17 that rotates the laser beam L3 by rotating the diffraction grating 7 has been described. However, the configuration of the rotation mechanism 17 is not limited to this, and other optical elements, For example, a configuration in which the laser light L3 or L4 is rotated using an image rotating prism or two galvanometer mirrors may be employed. However, when an image rotation prism and a galvanometer mirror are used, highly accurate alignment and control are required.

例えば、アキシコンレンズ8とリレーレンズ9との間に配置した図示しない像回転プリズムの回転によってレーザ光L4を回転させる場合には、像回転プリズム自身の中心軸と、像回転プリズムの回転軸線と、入射光軸Xの延長軸線との三者が正確に一致していなければならない。さらに、像回転プリズムは比較的大きな部材であるため、回転に伴って数ミクロン規模の位置ずれが生じやすい。したがって、像回転プリズムの高精度なアライメントや、像回転プリズムの位置ずれを補償するための高度な制御が必要となる。   For example, when the laser light L4 is rotated by rotation of an image rotation prism (not shown) disposed between the axicon lens 8 and the relay lens 9, the center axis of the image rotation prism itself, the rotation axis of the image rotation prism, , And the three extension axes of the incident optical axis X must match exactly. Furthermore, since the image rotation prism is a relatively large member, positional displacement on the order of several microns is likely to occur with rotation. Therefore, high-precision alignment of the image rotation prism and advanced control for compensating for the positional deviation of the image rotation prism are required.

2枚のガルバノミラーによってレーザ光L4を互いに直交する方向に走査することによってレーザ光L4を回転させる場合にも、ガルバノミラーの反射光軸と、入射光軸Xの延長軸線とが正確に一致していなければならない。さらに、レーザ光L4を回転させるためには、2つのガルバノミラーを正確に同期させながら駆動しなければならない。もし2つのガルバノミラーの振動の位相および振幅がわずかでも理想値からずれてしまうと、レーザ光L4の回転軌跡が真円筒面ではなく楕円筒面になってしまう。したがって、ガルバノミラーの高度な制御が必要となる。   Even when the laser beam L4 is rotated by scanning the laser beam L4 in a direction orthogonal to each other by two galvanometer mirrors, the reflected optical axis of the galvanometer mirror and the extension axis of the incident optical axis X are exactly coincident. Must be. Furthermore, in order to rotate the laser beam L4, the two galvanometer mirrors must be driven while being accurately synchronized. If the phase and amplitude of vibrations of the two galvanometer mirrors are slightly deviated from the ideal values, the rotation locus of the laser light L4 becomes an elliptic cylinder surface instead of a true cylinder surface. Therefore, advanced control of the galvanometer mirror is required.

また、本実施形態においては、回折格子7を透過したレーザ光L3を偏向する光学素子として、図7(a)に示されるように、レーザ光L3を透過させる際に偏向するアキシコンレンズ8を例示したが、これに限定されるものではなく、図7(b)に示されるように、テーパ面状の反射面13aとテーパ内面状の反射面14aとを組み合わせて反射によりレーザ光を偏向するミラー13,14を採用してもよい。   In the present embodiment, as an optical element that deflects the laser beam L3 that has passed through the diffraction grating 7, as shown in FIG. 7A, an axicon lens 8 that deflects when transmitting the laser beam L3 is used. Although illustrated, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 7B, the laser beam is deflected by reflection by combining the reflecting surface 13a having the tapered surface and the reflecting surface 14a having the tapered inner surface. Mirrors 13 and 14 may be employed.

また、本実施形態においては、回折格子7において、レーザ光L2を漸次広がる円錐面上に主光軸を有し、かつ、NAを有するレーザ光L3に変換したが、これに代えて、図8に示されるように、コリメートレンズ6によって略平行光に変換されたレーザ光L2にNAを付与する集光レンズ15を設け、回折格子16としては、集光レンズ15から出射されたNAを有するレーザ光を円錐面上に沿う主光軸を有する光に変換するためのパワーを有しないものを採用してもよい。このようにすることで、回折格子16の機能を単純化して簡易に構成することができる。また、回折格子16に平行光を入射させ、回折格子16から射出されたレーザ光にNAを付与するレンズを回折格子16の後段に設けることにしてもよい。   Further, in the present embodiment, in the diffraction grating 7, the laser light L2 is converted into the laser light L3 having a main optical axis on a conically expanding conical surface and having NA, but instead of this, FIG. As shown in FIG. 4, a condensing lens 15 for providing NA to the laser light L2 converted into substantially parallel light by the collimating lens 6 is provided, and the diffraction grating 16 is a laser having NA emitted from the condensing lens 15. You may employ | adopt what does not have the power for converting light into the light which has the main optical axis along a conical surface. In this way, the function of the diffraction grating 16 can be simplified and configured easily. Further, a lens that allows parallel light to enter the diffraction grating 16 and imparts NA to the laser light emitted from the diffraction grating 16 may be provided in the subsequent stage of the diffraction grating 16.

また、本実施形態においては液体BとカバーガラスGとの界面においてレーザ光L5を全反射させる全反射照明を行う顕微鏡照明装置4を例示したが、これに代えて、コンデンサレンズによって光軸に対して傾斜した方向から偏射照明したレーザ光L5を全反射させること無く透過させ、透過光が入射しない光軸上の位置において蛍光を観察するための暗視野照明を行う顕微鏡照明装置に適用することにしてもよい。   In the present embodiment, the microscope illuminating device 4 that performs total reflection illumination that totally reflects the laser light L5 at the interface between the liquid B and the cover glass G is exemplified. The laser light L5 that is obliquely illuminated from the inclined direction is transmitted without being totally reflected, and is applied to a microscope illumination device that performs dark field illumination for observing fluorescence at a position on the optical axis where the transmitted light does not enter. It may be.

また、本実施形態においては、図1のアキシコンレンズ8から出射されたレーザ光L4の集光位置である、液浸対物レンズ3の瞳位置Pと光学的に共役な位置Qにレーザスペックルリデューサ(ランダム位相変調素子:図示略)を配置して、標本Sに照射されるレーザ光に含まれるスペックルノイズを低減することにしてもよい。   In the present embodiment, the laser speckle is positioned at a position Q optically conjugate with the pupil position P of the immersion objective lens 3, which is the condensing position of the laser light L4 emitted from the axicon lens 8 of FIG. A reducer (random phase modulation element: not shown) may be arranged to reduce speckle noise included in the laser light irradiated on the specimen S.

1 顕微鏡
2 ステージ
3 液浸対物レンズ(集光レンズ)
4 顕微鏡照明装置
7,16 回折格子(光変換部)
8 アキシコンレンズ(光学素子)
15 集光レンズ(レンズ:光変換部)
17 回転機構
P 瞳位置
Q 共役な位置
S 標本
S1 第1のステップ
S2 第2のステップ
S3 第3のステップ
S4 第4のステップ
S5 第5のステップ
1 Microscope 2 Stage 3 Immersion Objective Lens (Condenser Lens)
4 Microscope illumination device 7,16 Diffraction grating (light conversion part)
8 Axicon lenses (optical elements)
15 Condensing lens (Lens: Light conversion part)
17 Rotating mechanism P Pupil position Q Conjugate position S Sample S1 First step S2 Second step S3 Third step S4 Fourth step S5 Fifth step

Claims (9)

光源から発せられたレーザ光を入射させ、その入射光軸に対して所定の角度をなして広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有しかつ前記入射光軸を進んできた光を含むレーザ光に変換して出射させる光変換部と、
該光変換部から出射されたレーザ光を前記入射光軸に平行な方向に偏向する、パワーを有しない光学素子と、
前記光変換部から出射されたレーザ光を前記入射光軸の延長軸線回りに回転させる回転機構とを備え、
前記光学素子から出射されたレーザ光を、標本を照明するための集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させる顕微鏡照明装置。
The laser beam emitted from the light source is incident, has progressed Yu vital the incident optical axis has and NA the main optical axis distributed on a conical surface extending at an angle to the incident optical axis A light conversion unit for converting into laser light including the emitted light and emitting the laser light;
An optical element having no power for deflecting the laser light emitted from the light conversion unit in a direction parallel to the incident optical axis;
A rotation mechanism for rotating the laser light emitted from the light conversion unit around an extension axis of the incident optical axis,
Wherein the laser beam emitted from the optical element, the illumination apparatus is focused on the pupil position or its conjugate position of the condenser lens to illuminate the sample.
前記光変換部が、レーザ光を偏向しかつNAを付与する回折格子である請求項1に記載の顕微鏡照明装置。   The microscope illumination apparatus according to claim 1, wherein the light conversion unit is a diffraction grating that deflects laser light and applies NA. 前記光変換部が、レーザ光にNAを付与する正のパワーを有するレンズと、レーザ光を偏向する回折格子とを備える請求項1に記載の顕微鏡照明装置。   The microscope illumination apparatus according to claim 1, wherein the light conversion unit includes a lens having a positive power that gives NA to laser light, and a diffraction grating that deflects the laser light. 前記回転機構が、前記回折格子を、前記入射光軸に平行な回転軸線回りに回転させる請求項2または請求項3に記載の顕微鏡照明装置。   The microscope illumination apparatus according to claim 2 or 3, wherein the rotation mechanism rotates the diffraction grating about a rotation axis parallel to the incident optical axis. 前記回転機構は、前記レーザ光の照射によって前記標本から発せられる観察光を撮影する撮像素子の露光時間をT秒としたときに、毎秒1/T回転以上の回転速度で前記光変換部を回転させる請求項1から請求項4のいずれかに記載の顕微鏡照明装置。   The rotation mechanism rotates the light conversion unit at a rotation speed of 1 / T rotation or more per second when an exposure time of an image pickup device that captures observation light emitted from the specimen by irradiation of the laser light is T seconds. The microscope illumination device according to any one of claims 1 to 4, wherein 前記光変換部が、前記円錐面上に全周にわたって連続的に分布するレーザ光に変換する請求項1から請求項5のいずれかに記載の顕微鏡照明装置。   The microscope illumination device according to any one of claims 1 to 5, wherein the light conversion unit converts the light into a laser beam continuously distributed over the entire circumference on the conical surface. 前記光学素子が、前記レーザ光の入射光軸方向に沿って移動可能に設けられている請求項1から請求項6のいずれかに記載の顕微鏡照明装置。   The microscope illumination device according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical element is provided so as to be movable along an incident optical axis direction of the laser light. 光源から発せられたレーザ光を、その入射光軸に対して所定の角度をなして広がる円錐面上に分布する主光軸を有しかつNAを有しかつ前記入射光軸を進んできた光を含むレーザ光に変換する第1のステップと、
該第1のステップにおいて変換されたレーザ光を、パワーを有しない光学素子によって前記入射光軸に平行な方向に偏向する第2のステップと、
該第2のステップにおいて偏向されたレーザ光を、標本を照明するための集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させる第3のステップと、
前記光学素子を前記レーザ光の入射光軸方向に沿って移動させる第4のステップと、
前記第3のステップにおいて前記集光レンズの瞳位置またはその共役位置に集光させるレーザ光を前記入射光軸の延長軸線回りに回転させる第5のステップとを含む顕微鏡照明方法。
The laser beam emitted from the light source, the light has progressed Yu vital the incident optical axis has and NA the main optical axis distributed on a conical surface extending at an angle to the incident optical axis A first step of converting into a laser beam comprising :
A second step of deflecting the laser beam converted in the first step in a direction parallel to the incident optical axis by an optical element having no power;
A third step of condensing the laser beam deflected in the second step at a pupil position of a condenser lens for illuminating the specimen or a conjugate position thereof;
A fourth step of moving the optical element along an incident optical axis direction of the laser beam;
And a fifth step of rotating the laser beam condensed at the pupil position of the condensing lens or its conjugate position in the third step around an extended axis of the incident optical axis.
標本を搭載するステージと、
該ステージに搭載された標本に対向して配置される集光レンズと、
該集光レンズにレーザ光を入射させる請求項1から請求項7のいずれかに記載の顕微鏡照明装置とを備える顕微鏡。
A stage with a specimen,
A condensing lens disposed opposite to the specimen mounted on the stage;
A microscope provided with the microscope illumination device according to any one of claims 1 to 7, wherein a laser beam is incident on the condenser lens.
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