JP6534127B2 - 対物レンズ交換装置、撮像システム及び蛍光撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズ交換装置に関し、具体的には、複数の対物レンズの中から所望の倍率の対物レンズを選択するための顕微鏡または他の光学機器用の対物レンズ交換装置に関する。

顕微鏡や他の光学機器では、撮像する対象の種類および所望のレベルの詳細に応じて異なる倍率を適用する必要があることが多い。このことは従来、光学機器の光路に選択的に配置することができる異なる倍率の２つ以上のレンズを有する対物レンズ交換装置によって達成されている。図１は、３つの対物レンズ位置３０を有する対物レンズタレット２０を含む従来技術の対物レンズ交換装置１０を示しており、タレットをその中心周りに回転させて光路にある対物レンズを交換する。図２は、２つの対物レンズ位置３０を含む旋回型の別の対物レンズ交換装置４０を示す。

米国公開特許出願番号２０１０／３０９５４６号明細書

本発明の目的は、従来技術の１つ以上の欠点を克服する新たな対物レンズ交換装置を提供することである。これは、独立項に定義されている対物レンズ交換装置によって達成される。

かかる対物レンズ交換装置の１つの利点は、別の対物レンズ位置への平行移動が開始される前に、対物レンズを能動的に光軸に沿って撮像対象から本質的に離して移動させることである。同様に、対物レンズは、光軸に沿った移動によって最終的な位置に配置される。したがって、対物レンズの変更は、撮像対象の近傍で光軸を横切る移動を伴わない。

別の利点は、対物レンズ交換装置は、その運動学的設計の結果として高い繰り返し性をもたらすことである。

本発明のさらなる適用範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、詳細な説明および特定の例は、本発明の好適な実施形態を示すが、例示目的に過ぎないことを理解されたい。本発明の趣旨および範囲内にある種々の変更および修正は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

タレット型の従来技術の対物レンズ交換装置の概略図である。 旋回型の従来技術の対物レンズ交換装置の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置を有する顕微鏡の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置の動作の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置の一実施形態の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置の別の実施形態の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置の別の実施形態の概略図である。 本発明に係る対物レンズ交換装置の別の実施形態の概略図である。

本発明の実施形態が図面を参照して説明されており、同一の構成要素には同一の符号を付している。実施形態の説明は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

図３は、顕微鏡システム１００の形態における光学装置の一実施形態の不可欠な構成要素を示す。開示されている顕微鏡システム１００は以下の構成要素、すなわち光源１０１と、ビーム折り返し素子１０３と、２つの対物レンズ１０７を有する対物レンズ交換装置１０４と、試料ホルダ１０９と、結像光学系１１５と、画像センサユニット１１７と、ハウジング１２０と、制御ユニット１２１と、オプションのフィルタ１２５とを含む。システムは、共焦点顕微鏡および広視野顕微鏡で通常見られるような他の構成要素を含んでもよい。以下の節は、これらおよび他の構成要素を詳細に説明する。多数の構成要素に、複数の可能性のある実施形態が存在する。一般に、好適な実施形態は、目的とする用途に依存する。

光源１０１は、特定の用途、たとえば従来のランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ光源などに適した特性の光を照射することができる任意の光源とすることができる。一実施形態では、顕微鏡は、蛍光顕微鏡であってもよく、光源１０１は、所望の励起波長の光を照射して蛍光ターゲットを励起することができる任意の光源とすることができ、フィルタ１２５を、検出光路の励起光を除去する光路中に配置してもよい。図３に点線のランプの記号で示されるように、光源１０１を代替的に、撮像される試料の透過照明のために配置してもよい。図３において、ビーム折り返し素子１０３は、光源１０１からの光線を顕微鏡１００の撮像ビーム経路内に導入するために配置されており、半反射鏡、プリズム、ダイクロイック素子などで構成することができる。

対物レンズ交換装置１０４を、図４から７を参照して以下でより詳細に開示する。試料ホルダ１０９は、試料を顕微鏡に保持するのに適した任意の従来型の試料ホルダであってよく、ステージなどの形態の平行移動手段を備えることができる。結像光学系１１５は、任意の適切な光学構成要素から構成され、画像センサユニット１１７上で撮像対象の投影を行うように配置されている。画像センサユニット１１７は、試料ホルダ上の対象からの光を検出して画像を生成することができる任意の適切な光センサアレイまたはカメラから構成されている。画像センサユニット１１７で撮影された画像は、画像処理などのために制御ユニット１２１によってアクセスすることができる。制御ユニット１２１は、概略的に開示されているように顕微鏡と一体型とすることができ、外部のコンピュータなどで構成することができる。図３において、顕微鏡ハウジングまたはスタンド１２０が点線で概略的に示されており、いくつかの構成要素がハウジングの内側および外側に配置されている。しかし、いくつかの実施形態では、本質的にすべての構成要素が完全にハウジング１２０の内側に配置されており、他の実施形態では、いくつかまたはすべての構成要素が、ハウジングの外部に設けられ、必要に応じてハウジングに取り付けることができることに留意されたい。特に、対物レンズ交換装置１０４は、ハウジング１２０に取り付けられた状態で示されている。

図４は、一実施形態に係る対物レンズ交換装置１０４の斜視図を示し、図５は、対物レンズ交換装置１０４の簡略概略側面図を示す。対物レンズ交換装置１０４は、光学装置の光路に対して、たとえばハウジング１２０に対して位置決めして配置された交換装置フレーム１３０と、機械的リンク構成１４０によってフレームに移動可能に取り付けられた対物レンズキャリア１３５とを含む。対物レンズキャリア１３５は、機械的リンク構成１４０によって光路に選択的に位置決めすることができる２つの対物レンズ位置１４５を含み、これにより対物レンズ交換装置は、たとえば異なる拡大倍率の２つの異なる対物レンズ１０７の間の切り替えを可能にする。

図４において、機械的リンク構成１４０は、第１のリンク部１５０と、光軸方向に第１のリンク部１５０から離間した第２のリンク部１５５とを含む。一実施形態では、図４および５に開示されている第１のリンク部１５０は、交換装置フレーム１３０と対物レンズキャリア１３５を枢動可能に接続しているレバーアーム１５１を含む。レバーアーム１５１は、一方の端部が旋回軸１５２によって交換装置フレーム１３０に枢動可能に接続されており、図４において、旋回軸１５２との接続を含む交換装置フレーム１３０の断面は、例示の目的のために切除されている。同様に、図５おいて、旋回軸１５２は、例示の目的のために交換装置フレーム１３０のアーム１３１によって支持されて示されているが、交換装置フレームは、異なる形状であってもよいことを理解されたい。図５において、旋回軸１５２の角度位置を矢印で示す。レバーアーム１５１は、両端部が旋回接続部１５３によって対物レンズキャリア１３５に枢動可能に接続されている。図６ａ〜６ｅを参照して以下に詳細に説明するように、レバーアーム１５１は、２つの端部位置の間で回転するように配置されており、各端部位置は、対物レンズキャリア１３５を光路にある対物レンズ位置１４５と位置決めする。したがって、第１のリンク部１５０は、対物レンズ位置１４５それぞれの間で対物レンズキャリア１３５の平行移動をもたらすように配置されている。一実施形態では、旋回軸１５２は、対物レンズの変更を行うためのモータ（図示せず）に接続されている。モータは、任意の適切な種類のモータ、たとえばステッパモータなどであってよく、旋回軸１５２に直接、または適切な伝送配置で接続することができる。他の実施形態は、たとえば、システムのユーザによって手動で動作させることができる対物レンズ切り替えレバーを設けることにより旋回軸１５２の手動操作を伴う。

図４および５において、第２のリンク部１５５は、交換装置フレーム１３０と対物レンズキャリア１３５を枢動可能に接続しているレバーアーム１５６を含む。レバーアーム１５６は、一方の端部が旋回軸１５７によって交換装置フレーム１３０に枢動可能に接続されており、図４において、旋回接続部は具体的にボールベアリングとして示されているが、本質的に任意の適切な軸接続で構成することができる。レバーアーム１５６は、両端部が旋回接続部１５８によって対物レンズキャリア１３５に枢動可能に接続されている。第２のリンク部１５５は、レバーアーム１５１を２つの端部位置の間で回転可能に、かつ光軸に対して光路に位置する対物レンズ位置１４５の配置を制御可能に配置されている。

それぞれの対物レンズ位置１４５で繰り返し可能な位置決めを提供するために、機械的リンク構成１４０はさらに、キネマティック測位手段を設けることができる。図４および５において、キネマティック測位手段は、交換装置フレーム１３０に取り付けられたキネマティックボール１６１と、嵌合関係に配置された対物レンズキャリア１３５の各対物レンズ位置１４５にＶ字型ブロック１６０とを含むものとして示される。このようにして、光軸に対する対物レンズの位置決めを、図６ａ〜６ｅを参照して以下で開示するような非常に精密な、かつ繰り返し可能な様式で達成することができる。

撮像目的のために、対物レンズ交換装置１０４は、光路内の位置に対物レンズ１０７を堅固に保持する必要がある。一実施形態では、機械的リンク構成１４０は、対物レンズキャリア１３５上のＶ字型ブロック１６０をそれぞれの端部位置でキネマティックボール１６１に対して押し付けることで適所に固定するように配置されている。一実施形態では、その力は、旋回軸１５２に接続されたモータを制御して機構が許容するよりもさらに移動しようとすることによりもたらされる。モータは次いで、キネマティックボール１６１およびＶ字型ブロック１６０を共に保持するばねとして作用する。モータがステッパモータである一実施形態によれば、ハードストップ位置を越えて１ステップの移動が指示された場合に、適切な予圧が得られる。他の実施形態では、前記ばねの効果は組み立て時において、柔軟なモータマウント、順応性のあるレバー、または順応性のある接続部などの順応性のある部材をモータレバーと対物レンズ交換装置自体との間に設けることなどによって得ることができる。

本実施形態では、破線ａ−ａおよびｂ−ｂによって図５に示されるように、対物レンズ１０７、キネマティック測位手段１６０、１６１、旋回軸１５２および旋回接続部１５８はすべて、光路中に配置された対物レンズ交換装置位置の線ａ−ａまたはｂ−ｂの中心に置かれている。本実施形態では、線ａ−ａまたはｂ−ｂは、光軸に揃えてさらに適切に配置されている。しかし、選択された場合に各対物レンズ１０７が光軸に対して正確な位置に位置決めされることを保証するために、上記の構成要素および旋回軸を前記線ａ−ａまたはｂ−ｂに沿って配置する幾何学的必要条件はないことに留意されたい。構成要素および旋回軸は、選択された場合に各対物レンズ１０７が光軸に対して正確な位置に位置決めされることを保証する限り、別の配置で位置決めすることができる。

図６ａ〜６ｂは、図５の概略図に対応し、第１から第２の対物レンズへの切り替えを示す。図６ａは、第１の位置における対物レンズ交換装置１０４を示しており、第１の（右側の）対物レンズは、光学機器（図示せず）の光軸の撮像位置に配置されている。上で開示したように、この位置で対物レンズキャリア１３５の第１のＶ字型ブロック１６０は、キネマティックボール１６１に対して押し付けられることで第１の対物レンズの明確に画定された配置を行う。図６ｂにおいて、旋回軸１５２が約４５度回転されており、対物レンズキャリア１３５および第１の対物レンズ１０７は、撮像位置から離れて光軸に沿って本質的に移動している。図６ｃにおいて、旋回軸１５２が約９０度回転されており、切り替えは中途の地点となり、対物レンズキャリア１３５は光軸に対して角度運動を行っている。そして図６ｄにおいて、旋回軸１５２が約１３５度回転されており、対物レンズキャリア１３５および第２の対物レンズ１０７は光軸に沿って本質的に移動しつつ撮像位置に近づいている。最後に図６ｅにおいて、対物レンズキャリア１３５および第２の対物レンズ１０７は第２の終点に達しており、対物レンズキャリア１３５の第２のＶ字型ブロック１６０は、キネマティックボール１６１に対して押し付けられる。

図６ａ〜６ｅから、従来技術に対する本発明の対物レンズ交換装置の１つの利点は、対物レンズを交換する際の撮像位置からの対物レンズ１０７の初期退避であると結論することができる。これは、撮像対象に非常に近接する必要がある高倍率対物レンズに特に有益である。図６ａ〜６ｅから、機械的リンク構成１４０は、対物レンズキャリア１３５を一平面に移動させるように配置されており、それにより対物レンズ位置１４５の間の平行移動は、光軸に対する対物レンズキャリア１３５の角度運動と直線運動の両方を伴うとさらに結論付けることができる。

図７は、本発明の対物レンズ交換装置の一実施形態を示しており、第２のリンク部１５５は、交換装置フレーム１３０内で対物レンズキャリア１３５に取り付けられたガイドピン１７０と、溝１７１とを含み、ガイドピン１７０は、溝１７１に沿った直線運動のために配置されている。上記実施形態に開示されているレバーアーム１５６と同様に、ガイドピン１７０および溝１７１は、光軸に対して光路に位置する対物レンズ位置の配置を制御するために配置されている。

図８ａ〜８ｃは、本発明の対物レンズ交換装置の一実施形態を示しており、第１のリンク部１５０は、対物レンズキャリア１３５に配置されたカムプロファイル１８０と、交換装置フレーム１３０上のカムフォロワ１６１とを含む。開示された実施形態では、カムプロファイル１８０は、先の実施形態のＶ字型ブロック１６０と一体型になっており、キネマティックボール１６１は、カムフォロワ１６１として使用される。しかし、カムプロファイル１８０およびカムフォロワ１６１は、Ｖ字型ブロックおよびキネマティックボールとは別個に設けられていてもよいことに留意されたい。本実施形態では、対物レンズキャリア１３５は、３つの対物レンズ１０７と共に示されているが、光学機器に利用可能なスペースがある限り、２つまたは任意の適切な数の対物レンズを有するように設計されてもよい。本実施形態では、それぞれの対物レンズ間の切り替えは、適切な駆動ユニット（図示せず）に接続されたスイッチレバー１９０によって行われるように示されているが、キネマティック測位手段１６０および１６１を定位置に保持する力をレバーアーム１５６を介して適用されてもよいことが概略的に示されている。

一実施形態によれば、上記実施形態のいずれかに従う対物レンズ交換装置を含む撮像システムが提供され、撮像システムは、蛍光撮像システムとすることができる。

本発明の現在の好適な実施形態が図面を参照して説明されており、同一の構成要素には同一の符号を付している。好適な実施形態の説明は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明を特定の実施形態に関して上述してきたが、本発明の多くの修正および変更が、以下の特許請求の範囲に記載のその趣旨および範囲から逸脱することなく可能であることは当業者には明らかであろう。

１０ 対物レンズ交換装置
２０ 対物レンズタレット
３０ 対物レンズ位置
４０ 対物レンズ交換装置
１００ 顕微鏡システム
１０１ 光源
１０３ ビーム折り返し素子
１０４ 対物レンズ交換装置
１０７ 対物レンズ
１０９ 試料ホルダ
１１５ 結像光学系
１１７ 画像センサユニット
１２０ ハウジング、スタンド
１２１ 制御ユニット
１２５ フィルタ
１３０ 交換装置フレーム
１３１ アーム
１３５ 対物レンズキャリア
１４０ 機械的リンク構成
１４５ 対物レンズ位置
１５０ 第１のリンク部
１５１ レバーアーム
１５２ 旋回軸
１５３ 旋回連結部
１５５ 第２のリンク部
１５６ レバーアーム
１５７ 旋回軸
１５８ 旋回連結部
１６０ Ｖ字型ブロック、キネマティック測位手段
１６１ キネマティックボール、カムフォロワ、キネマティック測位手段
１７０ ガイドピン
１７１ 溝
１８０ カムプロファイル
１９０ スイッチレバー

Claims (6)

1. 光路を有する光学機器用の対物レンズ交換装置（１０４）であって、
   前記光学機器の光路に対して位置決めして配置された交換装置フレーム（１３０）と、
   機械的リンク構成（１４０）によって前記交換装置フレーム（１３０）に動作可能に取り付けられた対物レンズキャリア（１３５）とを含み、
   前記機械的リンク構成（１４０）は、前記対物レンズキャリアを、前記光路における少なくとも２つの対物レンズ位置（１４５）に選択的に置くよう配置されており、なおかつ前記機械的リンク構成（１４０）は、対物レンズ位置（１４５）の間で前記対物レンズキャリア（１３５）の移動をもたらすよう配置された第１のリンク部（１５０）と、光軸の方向に前記第１のリンク部（１５０）から離間しており、前記光軸に対して前記光路における前記対物レンズ位置（１４５）への前記対物レンズキャリアの配置を制御するように配置されている第２のリンク部（１５５）とを含み、
   さらに、前記機械的リンク構成（１４０）は、前記対物レンズキャリア（１３５）を一平面内において移動させるように配置されており、それにより前記対物レンズ位置（１４５）の間の前記対物レンズキャリア（１３５）の移動は、前記光軸に対する前記対物レンズキャリア（１３５）の角度運動と直線運動の両方を伴い、
   前記機械的リンク構成（１４０）が、それぞれの対物レンズ位置（１４５）で繰り返し可能な位置決めを提供するために配置されたキネマティック測位手段（１６０、１６１）を含んでおり、
   前記キネマティック測位手段（１６０、１６１）が、キネマティックボール（１６１）と、嵌合関係で配置されたＶ字型ブロック（１６０）とを含む、対物レンズ交換装置（１０４）。
2. 前記レバーアーム（１５１）が、モータ駆動装置によって、またはユーザによって手動で前記２つの端部位置の間で回転するように駆動される請求項１に記載の対物レンズ交換装置（１０４）。
3. 前記第１のリンク部（１５０）が、前記対物レンズキャリア（１３５）に配置されたカムプロファイル（１８０）と、前記交換装置フレーム（１３０）上のカムフォロワ（１６１）とを含む請求項１又は２に記載の対物レンズ交換装置（１０４）。
4. 前記対物レンズキャリア（１３５）が、３つ以上の対物レンズ位置（１４５）を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の対物レンズ交換装置（１０４）。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の対物レンズ交換装置（１０４）を含む撮像システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の対物レンズ交換装置（１０４）を含む蛍光撮像システム。