JP6560694B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

他の出願との相互関連
なし

本出願は、顕微鏡用撮像デバイスならびに撮像デバイスを組み込む顕微鏡に関する。

顕微鏡は、肉眼にはそれ自体があまりに小さくて、またはその細部があまりに小さくて見えない対象を撮像するために使用される科学機器である。多くの種類の市販顕微鏡がある。これらのうちで最も一般的で最初に発明されたものが、いわゆる光学顕微鏡であり、照明された試料が反射または透過した光がレンズ系で結像して試料の拡大像を作る。光学顕微鏡による像は、接眼レンズを通して見ることができ、あるいはより一般的に現在では感光カメラに取り込まれて、いわゆる顕微鏡写真が生成される。像は、以前は写真フィルム上に記録されたが、最近の電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラの発達により、デジタルキャプチャの取込み、およびデジタル画像の保存が可能になっている。

光学顕微鏡に使用される照明源は長年にわたって開発されてきており、異なる波長の光または別の種類の放射を発することができる多種多様な照明源が現在では市販されている。試料を照明する放射の波長を制限するために、照明源と撮像されるべき試料との間に光学フィルタを配置することができる。

現代の生物学顕微鏡観察では、試料としての細胞内の特定の構造を撮像するために蛍光プローブを使用する。通常の透過光顕微鏡観察とは異なり、蛍光顕微鏡観察における試料は、狭い光波長の組を用いて対物レンズを通して照明される。これらの狭い光波長の組は、試料中のフルオロフォアと相互作用し、そうしてフルオロフォアは異なる波長の光を放出する。この放出／蛍光発光された光を使用して、試料の像が構築される。

米国特許第７，７１０，６４２号および米国特許第７，５０２，１６４号（Ｌｙｔｌｅ他、Ｗｅｓｔｏｖｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、Ｍｉｌｌ Ｃｒｅｅｋ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎに譲渡）は、蛍光顕微鏡の照明システムを教示している。これら２つの米国特許に開示されている照明システムは、顕微鏡の中に取り外し可能な形で受け入れ可能なキャリッジと、キャリッジ上に配置された複数のフィルタ「キューブ」とを含む。フィルタキューブのそれぞれは、活動位置と不活動位置の間で移動可能である。フィルタキューブは、第１および第２の開口があるハウジング、ならびにハウジングに固定された固体光源を備える。この固体光源は、フィルタキューブが活動位置まで移動したときに放射を発する。フィルタキューブはさらに、ハウジングの中に配置される少なくとも１つの光学フィルタを備える。

国際特許出願ＷＯ２０１２／０５１７１８は、顕微鏡の自動摺動スキャンシステムを教示している。この自動摺動スキャンシステムは、滑り台上に載せた対象を照明して戻り光を生成するための照明システムを有する。摺動ディスペンサが複数の摺動ホルダを保持するように構成され、これらの摺動ホルダは、摺動ディスペンサの中に垂直に積み重ねられる。電動スキャントラックが、摺動ホルダを摺動ディスペンサからスキャントラックの上に引っ張り出すように、およびスライドホルダ上に載せた対象を撮像するために摺動ホルダを軸に沿って一方向に動かすように、構成される。

Ｍｏｓｅｒ他の、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ｖｏｌ．２２２、Ｐａｒｔ ２、Ｍａｙ ２００６、１３５〜１４０頁に掲載された「Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｕｌｔｒａｂｒｉｇｈｔ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ ａｓ ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」という題の論文では、蛍光顕微鏡の従来の励起光源に対する可能性のある代替品として、超高輝度発光ダイオードを使用することを教示している。超高輝度発光ダイオードは、平行化フレネル・レンズ、ホログラフィック・ディフューザおよび発光フィルタと一緒に、従来の蛍光顕微鏡のフィルタ・ブロックの中に一体化された。

米国特許出願公開第２０１２／０３２６０５５号（Ｗｉｌｓｏｎ他、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｈｅａｌｔｈ Ｎｅｔｗｏｒｋに譲渡）は、励起源および光検出器を用いた表面下蛍光撮像のシステムを教示している。励起源は広帯域光源であり、広帯域光源の前に置かれた励起フィルタホイールを有する。励起フィルタホイールは、広帯域光源からの少なくとも２つの励起波長の光をフィルタリングすることができる。光源からの光は、かなり広い試料領域に投射される。

国際特許出願ＷＯ０１／７３３７４（Ｂｕｃｈｌｅｒ）は、駆動装置を使用して対象のまわりの３つの軸のいずれかに入れることができる電子カメラ付きの測定顕微鏡を開示している。

従来技術の顕微鏡の問題の１つは、撮像のために試料を所定位置まで動かす必要があることである。この移動は（試料の加速も減速も含む）、（小さい）試料に働く力に起因する試料の歪みをもたらすことがある。その結果、試料の撮像は、そうでない場合と同じくらい正確である、ということはなくなる。

顕微鏡に使用するための撮像デバイスが開示される。撮像デバイスは、少なくとも１つの固定試料を撮像し、複数の個別光源、および検出器を備える。複数の個別光源のうちの少なくとも１つからの光路が少なくとも１つの固定試料を照明し、固定試料から反射または蛍光発光された放射が検出器によって検出される。この構成は、試料を固定したまま個別光源のうちの異なるものを動かし、試料を照明することができるようにする。個別光源は、白色光源からの光をフィルタリングすることに比べて、光を生成するために消費される電力量を低減し、また光学要素が個別光源からの光に整合することを可能にもする。

本開示の一態様ではペルチェ素子が、複数の個別光源のうちの少なくとも１つとヒート・シンクの間に配置される。

撮像デバイスはさらに、複数の個別光源のうちの少なくとも１つと固定試料の間の光路内に配置されるスペクトル・フィルタを備えることができる。スペクトル・フィルタは、バンドパス・フィルタ、ローパス・フィルタ、ハイパス・フィルタ、またはこれらの組合せとすることができる。

撮像デバイスはさらに、光路内に配置されたディフューザを備えることができる。

撮像デバイスはさらに、試料が取り付けられる動かせない試料ホルダに対して複数の個別光源を動かすように適合されている、モータを備えることができる。

本開示はまた、試料を照明および撮像するための対物レンズと、撮像デバイスが取り付けられる並進台と、試料ホルダと、検出器とを有する顕微鏡を教示する。撮像デバイス、対物レンズおよび試料ホルダは、光路が複数の個別光源のうちの少なくとも１つから固定試料まで、対物レンズを経由して進むように配置される。

撮像されるべき試料は固定されたままである。対物レンズは、試料に対して位置決めすることができる。対物レンズは、試料に対するその相対位置を維持するが、個別光源は動く。

本開示のスクリーニング顕微鏡の概略図である。

スクリーニング顕微鏡の並進台の詳細図である。

スクリーニング顕微鏡に組み込まれる光学プラットフォームの詳細図である。

光学プラットフォームの別の図である。

スクリーニング顕微鏡の並進台の反転取付けを用いた別の態様を示す図である。

次に、本発明を図に基づいて説明する。本明細書で説明する本発明の実施形態および態様は例示的なものにすぎず、特許請求の範囲の保護範囲を何ら限定するものではないことを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲およびその等価物によって画定される。本発明の一態様または一実施形態の特徴は、本発明の別の態様および／または実施形態の特徴と組み合わせることができることを理解されたい。

図１はスクリーニング顕微鏡２０の例示的な概略図である。スクリーニング顕微鏡２０は、本質的に３つの階層に配置されていることが分かる。上階層２２は、２つの開口２６および２７を有する。中間階層２３は、図２に関連して以下で説明するように、可動光学部品および並進台を有する。下階層２４は制御構成要素２５を含む。複数の試料ホルダ１３０は、開口２６および２７の中に配置することができる。試料ホルダ１３０のそれぞれは、１つまたは複数の試料６０を収容することができる。試料ホルダ１３０は、開口２６および２７の中に動かないように配置される。言い換えると、試料６０は、撮像処理中に動かない（静止している）。試料ホルダ１３０は、開口２６および２７の一方にあることも両方にあることもある。試料６０の１つが、開口２７の試料ホルダ１３０内に示されている。試料ホルダ１３０自体は図１に示されていない。

試料ホルダ１３０は、撮像処理が完了した後に開口２６および２７から取り外すことができる。図１のスクリーニング顕微鏡２０は図示される２つの開口２６および２７を有するが、上階層２２は単一の開口を備えることも、もっと多い数の開口を備えることもできることを理解されたい。

中間階層２３は、可動光学部品および並進台を備える。照明デバイス１０が並進台１１０に取り付けられる。カメラ１５などの検出器または撮像デバイスもまた、並進台１１０に取り付けられる。照明デバイス１０は、複数の個別光源４０を有し（図１には示していないが、図２および図３に示す）、この光源は、光路４５（図３に示す）に沿って光学部品を通り１つまたは複数の試料６０の上まで導かれる光を生成する。試料６０上の典型的な光の焦点領域は、約０．１ｍｍから４ｍｍの間であるが、これらは本発明を限定するものではない。試料６０からの戻り光路４５’（図３および図４に示す）に沿った反射光または蛍光発光した光は、カメラ１５の中に導かれ、そうしてカメラは顕微鏡写真を生成し保管する。可動光学部品および並進台は、より詳細に図２に示されている。

下階層２４は、制御構成要素２５および任意の冷却デバイスを有するように構成される。

図２は、可動光学部品および並進台をより詳細に示す。図２は、並進台１１０に取り付けられた照明デバイス１０を示す。照明デバイス１０は、第１の並進レール１１５の上に置かれ、第１の並進レール１１５に沿って前方および後方に一次元で動くことができる（便宜上、これは図２でｘ次元として示されているが、これは本発明を限定するものではない）。個別光源４０のそれぞれ異なるものが、対物レンズ１２０に向けられている。図２では、３つの個別光源４０が存在するが、これは本発明を限定するものではない。カメラ１５は、並進台１１０の上に固定して取り付けられる。

並進台１１０は、２つの第２のレール１５５を有する中間台２０５に取り付けられる。並進台１１０は、第２のレール１５５上で中間台２０５に対してｙ方向に動くことができる。中間台２０５は、第３のレール１５０に沿ってｘ方向に移動可能である。したがって、照明デバイス１０および対物レンズ１２０は、ｘ方向にもｙ方向にも動くことができる。照明デバイス１０と対物レンズ１２０は、ｘ方向およびｙ方向に対して互いに固定されたままであり、個別光源４０源の位置は変わらない。リニア・モータ２４０が、並進台１１０を動かすために使用される。

図３は、照明デバイス１０をより詳細に示す。個別光源４０は、冷却フィン３２を有するヒート・シンク３０上に取り付けられる。個別光源４０を冷却するために、ペルチェ素子３５をヒート・シンク３０と光源４０の間に組み込むことができる。個別光源４０は、本発明の一態様では発光ダイオードであるが、これは本発明を限定するものではない。３つの光路４５が、対応する個別光源４０と共に図３に示されている。光路４５の１つが、細部を見せるために切取図で示されている。

個別光源４０のそれぞれからの放射は、図３に示されるように、光路４５がビーム・スプリッタ５０に達する前に、コリメータ・レンズ３７、スペクトル・フィルタ（たとえば、バンドパス・フィルタ）３８、およびディフューザ３９（図示せず）を通過し、ビーム・スプリッタ５０は、フィルタリングされた放射を対物レンズ１２０（図１および図２に示す）に通して、上階層２２の開口２６、２７のうちの１つに配置された試料６０の上に向けて偏向する。光路４５の中のコリメータ・レンズ３７、スペクトル・フィルタ３８、ならびにディフューザ３９およびダイクロイック・フィルタ４１の順序は、図３に示された順序に限定されない。試料６０は、放射を反射、または蛍光発光して対物レンズ１２０を逆に通す。反射または蛍光発光された放射は、戻り光路４５’に沿って放出フィルタ４２を通過し、カメラ１５（図３には図示せず）によって撮像される。試料６０の放射は、試料６０のスキャン部によって行われる。

図４は、中間階層２３の、可動光学部品および第１の並進レール１１５がある並進台１１０の斜視図を示す。図４はさらに、対物レンズ１２０が取り付けられているｚ台４１０を示す。ｚ台４１０は、ｚモータ４２０によってｚ方向に動く。別のリニア・モータが並進台１１０の下側に取り付けられ、並進台１１０をｙ方向に動かすことができる。リニア・モータが、照明デバイス１０を矢印４３０で示されたｘ方向に動かすために使用される。対物レンズ１２０はｚ台４１０に固定されたままであり、したがって照明デバイス１０は、光源４０のうちの別のものが放射を対物レンズ１２０に向けられるように動かすことができる。戻り光路４５’に沿った放射は、放射がカメラ１５に入る前に、鏡４６などの反射器によって撮像対象４７の中へ偏向される。

照明デバイス１０は、図３および図４の例では複数の光源４０を備えるが、個別光源４０が３つだけ示されている。個別光源４０のうちの別のものは、異なる付随スペクトル・フィルタ３８を有することを理解されたい。照明デバイス１０の別の態様では、２つから５つの光源４０を設けることができる。

照明デバイス１０は、白色光源を使用して必要な波長をフィルタリングするのではなく個別光源４０を、この方が効率的であるために使用する。蛍光顕微鏡観察用の化学標識は通常、１０〜２０ｎｍの範囲内の非常に狭い励起スペクトルを有することが知られている。したがって、白色光源から狭い帯域の光または放射をフィルタリングすると、エネルギーのかなりの量、たとえば９０％超を「浪費」することになる。したがって、こうすると、フィルタリングされた狭帯域内の光で同じ量の出力を得るには、より強力な白色光源が必要になる。この強力な白色光源により、熱生成が多くなり、したがって能動的な冷却が必要になる。

さらに、白色光源の出力密度は非均一でもあり、これにより、対象となっている波長帯域内の励起出力が異なり変化することになる。個別光源４０を使用すると、出力を生物学的用途に適合するように波長帯域ごとに調整することが可能になる。清浄化フィルタ３８、ディフューザ３９および平行化レンズ３７を含む、光学構成内の光学要素の調整もまた簡単になる。

個別光源４０は、出力範囲が１００ｍＷから数ワットの発光ダイオードである。使用される典型的な波長を下の表に示す。
紫外 ４０５ｎｍ
紫 ４２０ｎｍ
ロイヤル・ブルー ４５５ｎｍ
青 ４７０ｎｍ
青 ４９０ｎｍ
シアン ５０５ｎｍ
緑 ５３０ｎｍ
黄緑 ５６５ｎｍ
黄褐色 ５９０ｎｍ
黄褐色 ５９５ｎｍ
橙 ６１７ｎｍ
赤 ６２５ｎｍ
濃い赤 ６６０ｎｍ

並進台１１０は、スクリーニング顕微鏡２０の上階層２２の開口２６、２７内に取り付けられた試料６０の様々なものを撮像できるようにするために、ｘ方向にもｙ方向にも動かせることを理解されたい。

図５は、スクリーニング顕微鏡の別の態様を示しており、並進台１１０および中間台２０５が「反転」され、上階層２２の下面からつり下げられている。それ以外には、各要素は図１に示された本発明の態様と同一である。

１０ 照明デバイス
１５ カメラ
２０ スクリーニング顕微鏡
２２ 上階層
２３ 中間階層
２４ 下階層
２５ 制御構成要素
２６ 開口
２７ 開口
３０ ヒート・シンク
３２ 冷却フィン
３５ ペルチェ素子
３７ コリメータ・レンズ
３８ スペクトル・フィルタ
３９ ディフューザ
４０ 光源
４１ ダイクロイック・フィルタ
４２ 放出フィルタ
４５ 光路
４５’ 光路
４６ 鏡
４７ 撮像対象
５０ ビーム・スプリッタ
６０ 試料
１１０ 並進台
１１５ 第１の並進レール
１２０ 対物レンズ
１３０ 試料ホルダ
１５０ 第３のレール
１５５ 第２のレール
２０５ 中間台
２４０ リニア・モータ
４１０ ｚ台
４２０ ｚモータ
４３０ 矢印

Claims (7)

1. 少なくとも１つの試料ホルダ（１３０）中の少なくとも１つの固定試料（６０）を撮像する顕微鏡（２０）であって、
   対物レンズ（１２０）を介して前記少なくとも１つの固定試料（６０）を照明するための複数の個別光源（４０）を備えた照明デバイス（１０）と、
   前記少なくとも１つの固定試料（６０）からの放射を検出するための検出器（１５）と、
   前記複数の個別光源（４０）の少なくとも１つからの光路（４５）によって前記少なくとも１つの固定試料（６０）を照明して、前記少なくとも１つの固定試料（６０）からの前記放射を前記検出器（１５）に向けるように配置された光学構成と、
   を備え、
   前記照明デバイス（１０）、前記光学構成及び前記検出器（１５）は、並進台（１１０）の上に取り付けられており、前記並進台（１１０）は、第一の方向と第二の方向とにより形成される面内で移動可能であり、前記照明デバイス（１０）を、前記並進台（１１０）及び前記対物レンズ（１２０）に対して前記第一及び第二の方向の何れか一つの方向に移動可能とすることにより、前記複数の個別光源（４０）の放射を前記対物レンズ（１２０）に向けることができるようにした顕微鏡（２０）。
2. 前記並進台（１１０）は、前記第一の方向に移動可能に中間台（２０５）の上に取り付けられており、前記中間台（２０５）は前記第二の方向に移動可能であり、前記照明デバイス（１０）は前記並進台（１１０）に対して前記第二の方向に移動可能である、請求項１に記載の顕微鏡（２０）。
3. 前記複数の個別光源（４０）のうちの少なくとも１つと、前記複数の個別光源（４０）が取り付けられるヒート・シンク（３０）との間に配置されたペルチェ素子（３５）をさらに備える、請求項１または２に記載の顕微鏡（２０）。
4. 前記複数の個別光源（４０）のうちの少なくとも１つと前記固定試料（６０）との間の前記光路（４５）内に配置されたバンドパス・フィルタ（３８）をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡（２０）。
5. 前記バンドパス・フィルタ（３８）と前記固定試料（６０）との間の前記光路（４５）内に配置されているディフューザをさらに備える、請求項４に記載の顕微鏡（２０）。
6. 前記個別光源（４０）が発光ダイオードである、請求項１から５のいずれか１項に記載の顕微鏡（２０）。
7. 前記照明デバイス（１０）、前記対物レンズ（１２０）及び前記検出器（１５）を前記固定試料（６０）に対して動かすために少なくとも１つのモータ（２４０）と協働する、複数の並進レール（１１５、１５０、１５５）をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の顕微鏡（２０）。

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