JP6621844B2 - 蛍光観察装置および蛍光観察システム、インキュベータ - Google Patents
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Description
本発明のある態様は、試料ホルダに保持される試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置に関する。蛍光観察装置は、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、パターンを時間的に変化させながら試料に照射する照明装置と、試料面と対向する受光面を有し、受光面に試料が発する蛍光を受け、受光面と平行方向に導波させる板状の第1光学部材と、第1光学部材により導波された蛍光を受光して検出信号を出力する光検出器と、を備える。検出信号および励起光が試料面に形成する平面強度分布は、パターンごとに得られ、試料の蛍光画像の生成に使用される。
これにより、照明装置も薄型化できるため、蛍光観察装置全体をさらに薄型化できる。
これにより、照明装置も薄型化できるため、蛍光観察装置全体をさらに薄型化できる。
この態様によれば、ホログラム画像と蛍光画像を取得することができる。
図2は、第1の実施の形態に係る蛍光観察装置100aを備える蛍光観察システム200aを示す図である。以下、理解の容易化および説明の簡潔化のため、X,Y,Z方向を図示の通りに、すなわち鉛直下方向にZ軸をとり、水平方向にXY平面を定義する。試料面12は、XY平面と平行である。照明装置20は、Z軸方向に励起光L1⊥を照射する。なお光線につけられた添え字⊥はZ軸方向(あるいはその逆方向)に進行する光を示し、||はXY平面と平行に進行する光を示す。
第1の実施の形態において、受光部30は、第1光学部材32および光検出器(受光素子)34を有する。第1光学部材32は板状であり、その受光面33に試料202が発する蛍光L2⊥を受け、受光面33と平行方向(X軸方向)に導波させる。第1光学部材32は、その受光面33が試料面12と対向するように配置される。受光面33と試料面12は平行であることが好ましいが、その限りでは無い。第1光学部材32の受光面33は、受光部30の受光面31に相当する。光検出器34は、その受光面35がYZ平面と平行であり、第1光学部材32により導波された蛍光L2||を受光する。光検出器34は、たとえばフォトダイオードなどを用いることができるが、その限りではない。本実施の形態において第1光学部材32は、試料ホルダ10を挟んで照明装置20と反対側に設けられる。
Λ…グレーティングの周期
θb…グレーティングのブレーズ角
n1…コア層42の屈折率
n2…上部クラッド層44および下部クラッド層46の屈折率
T…コア層42の厚み
θc…蛍光L2の入射角
θin=sin−1(N/n1) …(1)
θb=(θin+θc)/2 …(2)
で与えられる。
n2・k0・sin(θc)=β+q・Κ …(3)
q=0,±1,±2…
β=N・k0
Κ=2π/Λ
図2に戻り、照明装置20の構成を説明する。照明装置20は、薄型の平面光源22および空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)28を含む。平面光源22は、その出射面26から強度および位相が均一な励起光L1⊥を出射する。空間光変調器28は透過型であり、平面光源22の出射面26(すなわち後述する第2光学部材24の出射面)と、試料ホルダ10との間に挿入され、平面波である励起光L1⊥を空間的に変調する。空間変調のパターンは、コントローラ204からのパターン制御信号S3により制御される。コントローラ204のSLMドライバ212は、空間光変調器28に与えるパターンを、ランダム(疑似ランダム)に切りかえる。空間光変調器28によって空間的にランダムなパターンを与えられた励起光L1は、スペックルとも称される。
I(x,y)=f(x,y)・f*(x,y) …(6)
*は複素共役を表す。
TGI(x,y)=1/M×Σj=1:M(Bj−<B>)Ij(x,y) …(7)
<B>は、M個の測定値B1〜BMのアンサンブル平均である。
Σt=1:M(dt−Bt)2 …(9)
|Ψ{TGI}|L1 …(10)
Σt=1:M(dt−Bt)2+α|Ψ{TGI}|L1 …(11)
図11は、第2の実施の形態に係る蛍光観察装置100bを備える蛍光観察システム200bを示す図である。すでに説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。図11の蛍光観察装置100bでは、図2と比べて、照明装置20、試料ホルダ10、受光部30の順序が変更されている。すなわち受光部30の第1光学部材32は、試料ホルダ10と照明装置20の間に挿入されている。第1光学部材32は、励起光L1⊥を透過させるよう構成される。試料202は、第1光学部材32を透過した励起光L1⊥によって下側から照射される。第1光学部材32は、試料202から下方向(Z軸方向)に発される蛍光L2⊥を受光する。
図12(a)、(b)は、第3の実施の形態に係る蛍光観察装置100cを備える蛍光観察システム200cを示す図である。蛍光観察装置100cは、平面光源22および空間光変調器28の組み合わせに代えて、照明装置20cを備える。この照明装置20cは、試料面12と平行な出射面を有し、それぞれが独立に変調された励起光I1〜INを出射可能な発光素子のアレイで構成される。図12(b)に示すように照明装置20cは、複数の画素PIX1〜PIXNを含み(ここではN=9として簡略化している)、画素毎ごとに、出射光の振幅あるいは位相を独立に制御可能となっている。各画素の発光素子はVCSELを含んでもよい。各画素PIXには、位相変調器(あるいは周波数変調器)MODが形成される。
図13(a)、(b)は、第4の実施の形態に係る蛍光観察装置100dを示す図である。図13(a)に示すように、蛍光観察装置100dの基本構成は図2の蛍光観察装置100aと同様であるが、第1光学部材32として、入射導波路グレーティング40ではなく、導光板80が用いられる。導光板80は、液晶のバックライトなどにおいて、ある局所的な光を平面に拡散させ均一に発光させるために使用されるが、この実施の形態では反対に、ある面に広がる光を局所的な領域に集中させるために使用される。
第5の実施の形態では、蛍光画像に加えて、ホログラフィック画像を取得可能な蛍光観察システム200eを説明する。図14は、第5の実施の形態に係る蛍光観察装置100eを備える蛍光観察システム200eを示す図である。蛍光観察装置100eは、図2の蛍光観察装置100aに加えて、ホログラフィック画像の生成のための撮像素子90および蛍光カットフィルタ92をさらに備える。
図17は、第6の実施の形態に係る蛍光観察装置100fを示す図である。この蛍光観察装置100fは、図11の蛍光観察装置100bと、図14の蛍光観察装置100eの組み合わせと把握することができる。この構成では、試料ホルダ10の上面に、励起光L1⊥を反射する反射層94あるいはミラーが形成される。
Claims (16)
- 試料ホルダに保持される試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置であり、
二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、前記パターンを時間的に変化させながら、前記試料に照射する照明装置と、
試料面と対向する受光面を有し、前記受光面に前記試料が発する蛍光を受け、前記受光面と平行方向に導波させる板状の第1光学部材と、
前記第1光学部材により導波された前記蛍光を受光して検出信号を出力する光検出器と、
を備え、
前記パターンごとに得られる、前記検出信号および前記励起光が前記試料面に形成する平面強度分布が、前記試料の蛍光画像の生成に使用される蛍光観察装置。 - 前記第1光学部材は、前記蛍光に選択的にカップリングする導波路グレーティングを含むことを特徴とする請求項1に記載の蛍光観察装置。
- 前記第1光学部材は、背面に前記蛍光を選択的に反射する反射層が設けられた導光板を含むことを特徴とする請求項1に記載の蛍光観察装置。
- 前記第1光学部材は、前記試料ホルダを挟んで前記照明装置と反対側に設けられることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の蛍光観察装置。
- 前記第1光学部材は、前記試料ホルダと前記照明装置の間に設けられ、前記励起光を透過させることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の蛍光観察装置。
- 前記照明装置は、
前記試料面と平行に励起光を出射する励起光源と、
前記試料面と実質的に平行なスラブ型導波路を有し、その入射面に前記励起光を受け、前記励起光の導波方向と垂直方向に平面波として出射する第2光学部材と、
前記第2光学部材の出射面と前記試料ホルダの間に挿入され、前記平面波である前記励起光を、空間的に変調する空間光変調器と、
を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の蛍光観察装置。 - 前記第2光学部材は、導波路グレーティングを含むことを特徴とする請求項6に記載の蛍光観察装置。
- 前記照明装置は、
前記試料面と平行な出射面を有し、それぞれが独立に変調された励起光を出射可能な発光素子のアレイを含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の蛍光観察装置。 - 前記発光素子はVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)を含むことを特徴とする請求項8に記載の蛍光観察装置。
- 前記励起光が前記試料面に形成する平面強度分布は、前記空間光変調器に与えたパターンにもとづき計算により求められることを特徴とする請求項6に記載の蛍光観察装置。
- 前記試料ホルダおよび前記第1光学部材を挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、前記試料により変調された光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備え、
前記第1光学部材は前記試料により変調された光を透過させ、
前記撮像素子の出力が、前記試料のホログラフィック画像の生成に使用されることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の蛍光観察装置。 - 前記試料により変調された光は、前記試料を通過した前記励起光であることを特徴とする請求項11に記載の蛍光観察装置。
- 請求項1から12のいずれかに記載の蛍光観察装置と、
前記蛍光観察装置の外部に設けられた演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記蛍光観察装置から出力された、前記検出信号及び前記平面強度分布を用いて、前記試料の蛍光画像を生成することを特徴とする蛍光観察システム。 - 請求項1から12のいずれかに記載の蛍光観察装置と、
前記蛍光観察装置の内部に設けられた演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記検出信号及び前記平面強度分布を用いて、前記試料の蛍光画像を生成することを特徴とする蛍光観察システム。 - 試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置であり、
前記試料を試料面にて保持する試料ホルダと、
二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、前記パターンを時間的に変化させながら前記試料に照射する照明装置と、
前記試料が発する蛍光を受光する受光部と、
を備え、
前記照明装置、前記試料ホルダ、前記受光部は、前記照明装置の出射面、前記試料面、前記受光部の受光面が平行でかつオーバーラップするように配置され、
前記受光部は前記試料ホルダを挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、かつ前記励起光に対して透明であり、
前記蛍光観察装置は、
前記試料ホルダおよび前記受光部を挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、前記試料により変調された前記励起光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備えることを特徴とする蛍光観察装置。 - 請求項1から12、15のいずれかに記載の蛍光観察装置が複数個、組み込まれることを特徴とするインキュベータ。
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