JP6742984B2 - ビームスプリッタ装置を備えた顕微鏡 - Google Patents

ビームスプリッタ装置を備えた顕微鏡 Download PDF

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Description

本発明は、請求項1の上位概念に記載の顕微鏡に関する。
今日の顕微鏡、例えば研究用倒立型顕微鏡では、種々の実験のために、照明用、操作用及び測定用の付加的な光源が、結像光路、好ましくは対物系とチューブレンズとの間の無限光路に導入される。また、こうした顕微鏡では、ふつう、試料から出た結像光の所定のスペクトル成分の出力に用いられる手段が設けられている。光源として通常はレーザーが使用され、このレーザーのレーザー光は本来の検出光として長波長もしくは短波長を有する。光の入出力は、ふつう、入出力光が伝搬する一方の光路の光軸と検出光が伝搬する他方の光軸とが相互に90°の角度で配置される直角配置で行われる。
相応に構成される顕微鏡の一例が米国特許第7071451号明細書(US7071451B2)に記載されている。当該顕微鏡はレーザー光源を有するオートフォーカスモジュールを含み、このレーザー光源は、以下では反射部分光と称される、波長スペクトルの赤外領域の波長を有する第1の光ビームを送光する。当該反射部分光は、ダイクロイックミラー面が設けられたミラーに入射する。当該ミラーは、第1の反射部分光を検査すべき試料へ反射させるように構成されている。ダイクロイックミラー面での反射により、反射部分光の伝搬方向は90°の偏向角で変化する。オートフォーカスモジュールは、試料で反射した反射部分光を用いて信号を検出し、この信号に基づいて顕微鏡の結像光学系をフォーカシングする。このために、試料から出る反射部分光は、オートフォーカスモジュールへの導波のために、ダイクロイックミラー面で再び反射される。
つまり、公知の顕微鏡で使用されているダイクロイックミラー面は、赤外光を反射し、可視領域の検出光を透過する。したがって、反射部分光のほか、試料から出た検出光の形態の、ダイクロイックミラー面を透過する第2の光ビームが設けられる。第2の光ビームは以下では透過部分光と称される。このように、ダイクロイックミラー面は、反射部分光と透過部分光とが伝搬する2つの光路を結合している。よって、2つの光路はダイクロイックミラー面と試料との間に共通の光路区間を有する。この場合、ダイクロイックミラー面は、その面法線が共通の光路区間の光軸に対して45°の角度の位置にくるように配置される。
従来技術で行われているダイクロイックミラー面の配置は、以下では単に45°配置と称するが、簡単に実現可能である。しかし、この45°配置には一連の欠点が存在する。まず、45°配置は、ダイクロイックミラー面の偏光中性、すなわち、ミラー面に入射する光の反射及び透過の割合である偏光状態を不変のままとする特性を損なう。つまり、光入射方向に対するダイクロイックミラー面の面法線の傾きが強くなるにつれて、偏光中性の実現が困難となる。このため、傾斜角が大きくなると、偏光光学の適用分野での負の影響が増大する。45°配置によって負の影響を受ける適用分野の例として、観察すべき対象物における光路長さの差を画像輝度差へ変換してこれにより透明相の対象物を可視とする、微分干渉法又は短くDIC法と称される方法が挙げられる。
また、ダイクロイックミラー面の45°配置では、ミラー面によって反射又は透過を行う2つのスペクトル領域を鮮鋭に分離することの達成が困難である。ここで、ダイクロイックミラー面の所望の反射/透過作用は、通常、規定通りの、例えば透明な平行平面状のプレートに被着された相応の層構造体によって形成される光波の干渉に基づいている。当該層構造体の面法線と光入射方向とのなす角度が大きくなるにつれて、層構造体を用いた各スペクトル領域の鮮鋭な分離の達成が困難となる。こうした問題は、従来技術では、反射領域と透過領域とを相互に鮮鋭に分離するための付加的な光学デバイスを設けることによって対処されることが多かった。これについて、例えば米国特許第7071451号明細書(US7071451B2)では、付加的な赤外阻止フィルタが、透過された検出光の光路においてダイクロイックミラー面の後方に配置されている。
さらに、従来利用されているダイクロイックミラー面の45°配置では、顕微鏡の適用のフレキシビリティを高めるために、適用形態に応じてダイクロイックミラー面を顕微鏡光路に導入可能又は顕微鏡光路から除去可能に構成する場合にも不都合が生じる。このケースでは、45°配置での、ダイクロイックミラー面が顕微鏡の光路にあるときとないときの2つの動作状態間で光路の光軸にかなり大きなずれが発生し、光学結像の品質が損なわれたり、又は、他のデバイスを用いて補償しなければならなくなったりする。
従来技術を補充するものとして独国特許第4231267号明細書(DE4231267B4)が挙げられるが、ここでは「スミススプリッタ」として知られるミラー装置が記載されている。当該ミラー装置は2つのミラーから成っており、そのうち1つは光軸に対して45°ではなく22.5°の角度で配置される分割面として形成されている。なお、当該分割面は、波長から独立した反射透過作用を有するニュートラルスプリッタとして構成されている。よって、種々のスペクトル成分を相互に分離することには適さない。
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の顕微鏡を改善し、技術的コストを低下させ、上述した欠点を回避しつつ、各スペクトル領域を精密に分離できるようにすることである。
この課題は、本発明の請求項1に記載の特徴を有する顕微鏡により解決される。有利な実施形態は各従属請求項に記載されている。こうした顕微鏡は、複数の波長領域の光を有する照明光路を個々にもしくは共通に形成する1つもしくは複数の光源と、複数の波長領域を有する光路区間の対物光学系とチューブレンズとの間に配置されたダイクロイックミラー面を有するダイクロイックビームスプリッタ装置とを含み、このダイクロイックビームスプリッタ装置は、反射により反射光路へ向かう反射部分光を形成し、かつ、透過により透過光路へ向かう透過部分光を形成し、透過光路の透過波長領域は反射部分光の反射波長領域とは異なっており、ここで、ビームスプリッタ装置は、反射部分光の伝搬方向を照明光路に対して所定の偏向角だけ変化させる。本発明によれば、ダイクロイックミラー面は角度22.5±7.5°で光路区間に配置されている。ビームスプリッタ装置は、反射光路に配置された少なくとも1つの別のミラーを有する。反射部分光の伝搬方向は、ダイクロイックミラー面と少なくとも1つの別のミラーとにおける全ての反射の和によって、所定の偏向角だけ変化している。
つまり、本発明によれば、顕微鏡は、ダイクロイックミラー面を有するダイクロイックビームスプリッタ装置を有し、このダイクロイックビームスプリッタ装置が、反射光路に沿って伝搬する反射部分光を反射し、透過光路に沿って伝搬する、反射部分光の波長とは異なる波長を有する透過部分光を透過する。また、顕微鏡は、反射光路内で、反射光路と透過光路とを有する共通の光路区間の外に配置された、少なくとも1つの別のミラーを有する。当該別のミラーは、ダイクロイックミラー面により、所望の偏向角が得られるように連続反射において反射部分光を偏向する反射装置を形成している。この場合、偏向角とは、ビームスプリッタ装置に入射する光ビームの伝搬方向とビームスプリッタ装置から出る光ビームの伝搬方向とのなす角度を意味する。
別のミラーを設けることにより、ダイクロイックミラー面の面法線が共通の光路区間の光軸に対して角度22.5±7.5°で傾斜するように、このダイクロイックミラー面を配向することができる。つまり、本発明では、従来の45°配置に代え、ダイクロイックミラー面を共通の光路区間の光軸に対して45°よりも小さい角度で配向できる。この角度が小さくなればなるほど、ダイクロイックミラー面の実現に通常使用されるような層構造体によって、各スペクトル領域の所望の鮮鋭な分離を簡単に達成できる。特に、本発明の装置によれば、例えば赤外阻止フィルタなどの他の光学素子をこのために設ける必要なく、各スペクトル領域の鮮鋭な分離が可能である。こうした鮮鋭な分離は特に、高感度カメラが使用される生体細胞への蛍光の適用にとって必須である。この場合、他のスペクトル領域の残留光は障害となるグラウンドパターンと認識されてしまうからである。
本発明では、ダイクロイックミラー面の面法線が共通の光路区間の光軸に対して通常よりも小さい角度で配向されるように構成したことにより、ダイクロイックミラー面の所望の偏光中性を保証することもできる。これにより、本発明の顕微鏡は、偏光光学の適用分野全体にわたって、例えばDICプロセスにおいて、特に有益に利用可能である。
本発明のダイクロイックミラー面の配向により、さらに、従来の45°配置の場合に生じていた光路の光軸に沿ったミラー面の拡大を小さくすることができる。このため、ダイクロイックミラー面は、光軸に沿って、45°配置の場合より小さなスペースしか要さない。このことは特にコンパクトな顕微鏡構造をもたらし、ダイクロイックビームスプリッタ装置にふつう存在している対物光学系とチューブレンズとの間の距離感応領域を設計する際に特に有利に作用する。
ダイクロイックミラー面が、適用のフレキシビリティを高めるために、光路へ導入可能となるようにかつ光路から除去可能となるように構成される場合、本発明のミラー面の配向によって、光路へのミラー面導入の動作状態と光路からのミラー面除去の動作状態との間で生じる光路の光軸ずれが低減される。さらに、この場合にも、光軸に沿って小さなスペースしか要さないので好都合である。
本発明の構成では、ダイクロイックミラー面の面法線は、共通の光路区間の光軸に対し、通常使用される45°配置に比べて1/2の強さでしか傾斜されない。こうした22.5°未満の配置により、特に各スペクトル領域の所望の鮮鋭な分離と所望の偏光中性とに関し、特に有利であることが判明している。
本発明の解決手段が上述した22.5°配置のみに厳密に限定されるものでないことは明らかであると理解される。相応に、ダイクロイックミラー面を共通の光路区間の光軸に対して配置する際の角度は±7.5°の許容範囲で変化してよい。この手段を行っても依然として、通常行われる45°配置よりも角度が小さくなることは保証される。したがって、意図した技術的作用、すなわち、ビームずれの低減、各スペクトル領域の鮮鋭な分離、及び/又は、一貫した偏光中性が達成される。
好ましくは、別のミラーが設けられる。本発明のビームスプリッタ装置はこのケースでは2つのミラー面のみから形成され、これにより光学構造を単純に保つことができる。
好ましくは、本発明の顕微鏡は、ダイクロイックミラー面を光路区間から除去するか又は光路区間に導入する調整装置を有する。これにより、顕微鏡の適用のフレキシビリティが向上する。
特に好ましい構成では、ダイクロイックミラー面が切り替え可能なスプリッタ面として構成される場合、すなわち、適用形態に応じて光路区間に導入可能又は光路区間から除去可能なスプリッタ面として構成されるのに対して、別のミラーを顕微鏡に固定に、例えば架台に取り付けることも有利である。これは、当該別のミラーが共通の光路区間の外に位置することから可能になっている。したがって、ダイクロイックミラー面が光路区間から除去される動作状態では、当該別のミラーも動作しない。
別の有利な一実施形態では、オートフォーカス光をビームスプリッタ装置へ送光するオートフォーカス光源を含むオートフォーカスモジュールが設けられる。こうした実施形態により、例えば、それまで光路区間から除去されていたダイクロイックミラー面をオートフォーカスモジュールの使用開始時にこの光路区間へ導入するように構成可能である。この場合、オートフォーカスモジュールのオートフォーカス光源は、好ましくは、反射部分光を、赤外領域の波長を有する光の形態で送光する。
好ましい一実施形態では、ダイクロイックミラー面は無限光路に配置される。これは特に、ダイクロイックミラー面を切り替え可能な素子として構成する場合、すなわち、適用形態に応じて光路区間に導入される素子又は光路区間から除去される素子として構成する場合に、有利である。
本発明を以下に図に即して詳細に説明する。
本発明の第1の実施形態である顕微鏡の各部品を示す概略図である。 図1の顕微鏡に設けられているダイクロイックビームスプリッタ装置を示す概略図である。 比較例としての顕微鏡を示す概略図である。 図3の顕微鏡で使用されているダイクロイックビームスプリッタ装置を示す概略図である。 図1の顕微鏡で使用されているダイクロイックミラー面の波長依存性の透過率を示すグラフである。 aは従来技術で使用されている比較例としてのダイクロイックミラー面の波長依存性の透過率を示すグラフであり、bは従来技術で使用されている赤外阻止フィルタの波長依存性の透過率を示すグラフである。 ガラスプレートでの反射の例における偏光中性の角度依存性を示すグラフである。
図1には、本発明の第1の実施形態の顕微鏡10が示されている。ここで、図1には、顕微鏡10の素子のうち本発明の理解に必要なものしか示していない。
図1の顕微鏡10は、複数のレンズ群14,16,18,20から形成される対物光学系12を含む。対物光学系12は、チューブレンズ24を介して試料22を中間像面26へ結像するために用いられる。
顕微鏡10は、さらに、対物光学系12をそれ自体公知の手段によって試料22へフォーカシングする機能を有するオートフォーカスモジュール28を含む。オートフォーカスモジュール28は、赤外領域の波長を有する反射部分光32を送光するレーザー光源30を有する。レーザー光源30から送光された反射部分光32は、可視波長スペクトルにある反射部分光32のスペクトル成分を除去する阻止フィルタ34を通過する。当該反射部分光32は、集光レンズ31及びフィールドレンズ36を通過し、ミラー素子38で反射されて、複数のレンズ群42,44,46,48及び絞り50から形成される伝送光学系40に入る。
伝送光学系40を通過した後、当該反射部分光32は、ダイクロイックミラー面54とミラー56とから形成されるダイクロイックビームスプリッタ装置52へ入射する。ダイクロイックビームスプリッタ装置52は、図2にさらに詳細に示されている。図2に示されているように、ダイクロイックミラー面54は、層構造体として透明な平行平面状の支持板58上に被着されている。全反射を行うミラー56は、別の平行平面状の支持板60上に設けられている。
反射部分光32は、まずミラー56で、続いて第1のダイクロイックミラー面54で反射される。ミラー56が全反射性を有するように構成されているのに対して、ダイクロイックミラー面54は例えば層構造体の形態で、赤外領域の波長を有する反射部分光32を反射し、可視領域の波長を有する光を透過するように構成されている。
ダイクロイックミラー面54での反射の後、反射部分光32は対物光学系12へ到達し、そこから試料22へフォーカシングされる。反射部分光32のうち試料22で反射された成分は、対物光学系12を介してダイクロイックミラー面54へ戻り、このダイクロイックミラー面54が反射部分光32を第2のミラー面56へ偏向する。当該第2のミラー面56は、反射部分光32を伝送系40へ戻す。この場合、反射部分光32は、ピューピルスプリッタ部を介してミラー素子38で反射され、フィルタ62を通過して検出器64へ結像される。フィルタ62及び検出器64はオートフォーカスモジュール28の一部である。オートフォーカスモジュール28は、反射部分光32が検出器64上に形成する信号を評価し、この信号によって、試料22への対物光学系12を鮮鋭化すべく、フォーカシング装置を調整する。こうした調整のために設けられる素子は、図1では省略されている。
反射部分光32は、顕微鏡10内で、図1に全体として66で示された反射光路に沿って伝搬する。これに対して、試料22から出た検出光は、対物光学系12及びチューブレンズ24を介して中間像面26へ案内され、透過部分光68の形態で図1に70で示された透過光路に沿って伝搬する。この実施形態では、透過部分光の波長は可視波長スペクトルにあってよい。したがって、ダイクロイックミラー面54は、可視領域の波長を有する光を透過するように構成されている。
反射光路66及び透過光路70は、ダイクロイックミラー面54と試料22との間に、光軸Oを有する、図1に72で示されている共通の光路区間を有する。図2に示されているように、共通の光路区間72の光軸Oは、面法線Nに対して角度β=22.5°をなすようにダイクロイックミラー面54上に定められる。相応に、第2のミラー面56の、図2にNで示されている面法線は、入射する反射部分光32の入射方向に対して同様に角度22.5°をなし、この角度は図2にγで示されている。ミラー面54,56ではそれぞれ光入射角が光出射角に等しいので、ダイクロイックビームスプリッタ装置52は、自身に入射する反射部分光32を、図2では下方のミラー56へ配向された照明光路に対して全体で偏向角α=90°だけ反射する。
ダイクロイックミラー面54で行われる、反射光路32から対物光学系12への反射は、オートフォーカスモジュール28の動作中にのみ必要となるので、ダイクロイックミラー面54を上部に配置した支持板58を反射光路66から除去可能である。このために、図1に概略的にのみ示されている調整装置74が設けられている。支持板58が反射光路から除去されると、反射部分光32は対物光学系12へは入力されない。これに対して、第2のミラー面56を上部に配置した支持板60は、顕微鏡10に固定に取り付けられている。
図3,図4には、ふつう従来技術で使用されるような、本発明ではない比較例が示されている。ここで、図3,図4では、図1,図2に示した実施形態の素子に対応する素子に同じ参照番号を付してある。
図1,図2に示されている実施形態は、主にダイクロイックビームスプリッタ装置52の点で図3,図4の比較例と異なっている。図2に関連して上述したように、本発明の実施形態では、ミラー56を設けたことにより、ダイクロイックミラー面54の面法線Nが共通の光路区間72の光軸Oに対して角度β=22.5°(のみ)をなすように、このダイクロイックミラー面54を反射光路66に配置できる。これに対して、比較例では、唯一のミラー面、すなわち、54’で示されているダイクロイックミラー面しか設けられていない。偏向角α=90°を実現するため、当該ダイクロイックミラー面54’は、その面法線N’が共通の光路区間72の光軸Oに対して角度β’=45°をなすように反射光路66に配置されている。このことは、冒頭に言及した従来技術での通常の45°配置に対応する。
図2と図4とを比較してわかるように、本発明の実施形態で適用される22.5°配置は、2つの動作状態間すなわち支持板58,58’が反射光路66へ導入された状態とそこから除去された状態との間で生じるビームずれ量xが小さいという利点を有する。こうしたそのつどのビームずれ量の大きさを理解するために、単に例としてではあるが、各支持板58,58’がBK7から形成される2mm厚さのプレートであるとする。この例では、45°配置での0.67mmのビームずれ量が、本発明の22.5°配置での0.28mmへ低減される。
本発明の解決手段のさらなる利点が、図5及び図6のa,bから理解される。ここで、図5には本発明の22.5°配置でのダイクロイックミラー面54の波長依存性の透過率が示されており、通常の45°配置(図4を参照)でのダイクロイックミラー面54’の透過率を示した図6のaの相応のグラフと比較される。図5と図6のaとを比較して明らかなように、本発明の配置では、観察されるスペクトル領域、すなわち、この実施形態では可視領域と赤外領域との格段に鮮鋭な分離が可能である。したがって、ダイクロイックミラー面54’での通常の45°配置ではしばしば赤外阻止フィルタが後置されるが、その波長依存性の透過率が図6のbに示されている。こうしたフィルタは、図1,図2に示した実施形態ではもはや必要ない。
さらに、図7には、ダイクロイックミラー面54を反射光路66に配置することが偏光中性にどのように作用するかが示されている。このために、図7には、屈折率1.5のガラスプレートでの、垂直偏光した又は水平偏光した光の反射の反射率R,Rが示されている。図7のグラフに示されているように、偏向角αが大きくなるにつれ、2つの反射率R,Rの相互偏差が強くなる。したがって、本発明でのダイクロイックミラー面54の22.5°配置は、偏光中性の点で、従来の45°配置よりも格段に良好である。
上述したように、本発明の解決手段は、具体的に説明した実施形態で提案した22.5°配置に限定されるものではない。共通の光路区間72の光軸Oに対してダイクロイックミラー面54の面法線Nがなす角度は、この角度が本発明の目指す技術的効果、すなわち、ビームずれ量の低減、スペクトル領域の鮮鋭な分離、及び/又は、一貫した偏光中性の実現などを達成できる程度に充分に小さいかぎり、±7.5°の範囲で異なってもよい。
10 顕微鏡、 12 対物光学系、 14,16,18,20,42,44,46,48 レンズ群、 22 試料、 24 チューブレンズ、 26 中間像面、 28 オートフォーカスモジュール、 30 レーザー光源、 31 集光レンズ、 32 反射部分光、 34 阻止フィルタ、 36 フィールドレンズ、 38 ミラー素子、 40 伝送光学系、 50 絞り、 52 ダイクロイックビームスプリッタ装置、 54 ダイクロイックな第1のミラー面、 56 第2のミラー面、 58,60 支持板、 62 フィルタ、 64 検出器、 66 反射光路、 68 透過部分光、 70 透過光路、 72 共通の光路区間、 74 調整装置、 N,N 面法線、 α,β,γ 角度、 x ビームずれ量

Claims (9)

  1. 複数の波長領域の光を有する照明光路を個々にもしくは共通に形成する1つもしくは複数の光源(30)と、
    複数の波長領域を含む光路区間(72)の、対物光学系(12)とチューブレンズ(24)との間に配置されたダイクロイックミラー面(54)を有する、ダイクロイックビームスプリッタ装置(52)と、
    を含む顕微鏡(10)であって、
    前記ダイクロイックビームスプリッタ装置(52)は、反射により反射光路(66)へ向かう反射部分光(32)を形成し、かつ、透過により透過光路(70)へ向かう透過部分光(68)を形成し、前記透過光路の透過波長領域は前記反射部分光(32)の反射波長領域とは異なっており、
    前記ビームスプリッタ装置(52)は、前記反射部分光(32)の伝搬方向を前記照明光路に対して所定の偏向角(α)だけ変化させる、
    顕微鏡(10)において、
    前記ダイクロイックミラー面(54)は、角度22.5±7.5°で前記光路区間(72)に配置されており、
    前記ビームスプリッタ装置(52)は、前記反射光路(66)に配置された少なくとも1つの別のミラー(56)を有しており、
    前記反射部分光(32)の伝搬方向は、前記ダイクロイックミラー面(54)と少なくとも1つの前記別のミラー(56)とにおける全ての反射の和によって、前記所定の偏向角(α)だけ変化しており、
    前記ダイクロイックミラー面(54)を前記光路区間(72)に導入するか又は前記光路区間(72)から除去する調整装置(74)が設けられており、
    前記別のミラー(56)は、前記顕微鏡(10)に固定に取り付けられており、
    オートフォーカス光源(30)から前記ビームスプリッタ装置(52)へ送光されたオートフォーカス光は、赤外領域の波長を有する、
    ことを特徴とする顕微鏡(10)。
  2. 前記偏向角(α)は、90°である、
    請求項1に記載の顕微鏡(10)。
  3. 前記別のミラー(56)が、1つだけ設けられている、
    請求項1又は2に記載の顕微鏡(10)。
  4. 前記ダイクロイックミラー面(54)は、平行平面状の透明な支持板(58)上に被着された層構造体から形成されている、
    請求項1から3までのいずれか1項に記載の顕微鏡(10)。
  5. 前記オートフォーカス光源(30)を含むオートフォーカスモジュール(40)が設けられている、
    請求項1から4までのいずれか1項に記載の顕微鏡(10)。
  6. 前記オートフォーカス光源(30)は、前記オートフォーカス光を、共通の前記光路区間(72)の外側に配置された前記別のミラー(56)へ送光し、
    前記別のミラー(56)は、前記オートフォーカス光を、前記ダイクロイックミラー面(54)へ反射し、
    前記ダイクロイックミラー面(54)は、前記反射部分光(32)を、共通の前記光路区間(72)へ反射する、
    請求項1から5までのいずれか1項に記載の顕微鏡(10)。
  7. 前記透過部分光(68)は、共通の前記光路区間(72)では、前記反射部分光(32)の伝搬方向に対して反対向きに、前記ダイクロイックミラー面(54)へ入射する、
    請求項6に記載の顕微鏡(10)。
  8. 前記ダイクロイックミラー面(54)は、前記反射部分光(32)の伝搬方向で見て、共通の前記光路区間(72)の前記対物光学系(12)より前方に配置されている、
    請求項7に記載の顕微鏡(10)。
  9. 前記ダイクロイックミラー面(54)は、無限光路に配置されている、
    請求項1から8までのいずれか1項に記載の顕微鏡(10)。
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