JP7338898B2 - 光路を切り替えるためのアセンブリとそれを含む光学顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光学顕微鏡、特に、限定しないが、マルチチャネル蛍光顕微鏡に関する。より具体的には、本発明は、自動化された手法で、多数の光学検査チャネルを、迅速かつ任意選択的に切り替えるように構成された、光路を切り替えるためのアセンブリに関する。本発明はさらに、光路を切り替えるための上記のアセンブリを含むマルチチャネル光学顕微鏡に関する。

今日、光学顕微鏡は広く普及し、多くの分野で使用され、たとえば、工学、医療、科学の用途で使用されている。蛍光顕微鏡は、試料によって放出された光を利用して試料の画像を生成する特殊な光学顕微鏡である。励起照射に応じて、試料の特定の部分または要素は、励起の波長とは異なる波長の光を放出するか、または励起に応じて、試料の特定の部分または要素（たとえば、試料に存在する様々な分子）は、異なる波長の光を放出する。したがって、同じ試料は、一般に、複数の蛍光波長を、同時に、または、その後に使用することによって、検査することができる。この種の（異なる波長に基づく）選択的検査では、試料の様々な部分を、試料によって放出される光の適切なマッピングおよび処理を通じて、画像生成の基礎として使用できる。このように、試料の様々な要素を選択的に観察することにより、生成された画像は、信号対雑音比の観点から、より良好な品質および／または詳細（より高い解像度）を有することができる。

当技術分野でよく知られているように、蛍光顕微鏡の場合、適切なカラーフィルタが主に、広帯域光源の光の成分を選択するために使用され、前記成分は、試料の励起に最適な波長を有するようにする。このような広帯域光源は、多くの場合、試料を照明するために顕微鏡に組み込まれている。選択された波長の成分で試料を照射することにより、試料の特定の要素が励起され、これは、その後、それらの波長に対応する光（蛍光光）を放出し、この放出された光は、顕微鏡に導かれて画像が生成される。試料を照明するために使用される光と、試料によって放出される（および、試料自体に情報を送る）蛍光は、通常、コンパクトな光学アセンブリによって、実質的に同じ光路内のプロセスに依存する。画像生成に関して関心のある、放出された（または、反射された）光の分離のために、通常、ダイクロイックミラー（すなわち、色分離ビームスプリッタ）と呼ばれるいくつかの特殊な光学要素が使用される。

ダイクロイックミラー（または、ダイクロイックフィルタ）は、ミラーとして、所与の第１の波長の光を、第１の波長とは異なる第２の波長の光を通過させながら反射する特殊な光学要素である。ダイクロイックミラーは通常、薄い金属酸化物層が堆積された透明なプレートによって形成され、干渉のために、一方の光成分がキャンセルされ、他方の光成分が増幅される。波長の選択は、堆積された金属酸化物層の厚さと屈折率を調整することによって正確に決定され得る。第１の波長の励起光と、第２の波長の蛍光とを効率的に分離する、特定の波長で動作するダイクロイックミラーは、一般に、いわゆる「フィルタキューブ」として商品化され、機械的保護を提供するための特定の寸法を有するハウジング内に、ダイクロイックミラーが組み込まれている。一般に、特定の蛍光波長における（すなわち、所与の光学チャネル内の）画像コントラストを改善するために、そのようなフィルタキューブは、（照明側における）励起フィルタおよび（試料側における）発光フィルタをさらに備える。これらのフィルタキューブは、所定の重量を有する。

複数の異なる波長でマルチチャネル蛍光画像生成を実行するには、単一の顕微鏡を使用して、異なる波長で動作する多数のダイクロイックミラー、または同じダイクロイックミラーを備える多数のフィルタキューブが明らかに必要である。取り扱いを容易にするために、前述の要素は一般に統合され、こうして得られたコンパクトな光学アセンブリは、ほとんどの場合、交換可能な方式で、マルチチャネル蛍光顕微鏡に取り付けられる。

そのようなコンパクトな光学アセンブリは、たとえば、モータによって軸の周りを回転することができるディスクの形態で、特許文献１に開示されており、異なる特性を有するダイクロイックミラーが、ディスク内に配置される。モータを蛍光顕微鏡に取り付けると、実際に選択した検査チャネルを調整するために、モータが、ディスクを、軸を中心に回転させ、目的の光学検査チャネルに対応する波長で動作するダイクロイックミラーが、顕微鏡の光路に沿って構成される。

米国特許第６，６８３，７３５Ｂ２号 米国特許第９，９６４，７５４号

ｗｗｗ．ｓｅｍｒｏｃｋ．ｃｏｍ

マルチチャネル検査で使用されるそのようなコンパクトな光学ユニットの主な欠点の１つは、これらのユニットはかなりの重量であり、その結果として、その操作速度が低いことである。蛍光画像の品質に重要な役割を果たすダイクロイックミラー、およびダイクロイックミラーを備えるフィルタキューブおよびマルチチャネルフィルタモジュールは、蛍光顕微鏡の作業プロセスに大きな影響を与え、特に速度を低下させる。特定の波長における蛍光画像生成では、光学要素の重量のために、（軸を中心に回転するか、線形的に移動されるかに関わらず、）それぞれのダイクロイック光学要素を、顕微鏡の光路に移動するのにかなり長い時間がかかる。これは、作業プロセスの自動化において特に深刻なことであり、様々な光学検査チャネルを、所定の順序で体系的に選択するために、ダイクロイック光学要素を、それぞれの位置に順次移動するには、たとえば、１つまたは複数のモータのような、駆動ユニットの操作が必要である。光学要素は、最初に１つまたは複数のモータによって移動速度まで加速され、次に移動速度で配置され、画像生成位置を得るために停止される。これらのデバイスでは、チャネルの切替時間は、数秒のオーダにさえ達する場合がある。

特許文献２は、主に蛍光顕微鏡用の光学アセンブリを開示しており、ここでは、単一の入力光路に沿って光学アセンブリに入る光は、ガルバノメータによって回転するミラーを向けることによって、様々な内部光学チャネルに選択的に導かれる。各光路に沿って、固定光学変更要素とミラーリング要素が配置される。選択された光学チャネルに導かれた入射光は、特定の光路に沿って配置されたいくつかの光学変更要素（複数可）を通過し、１つまたは複数のミラーリング要素で反射した後、光は指向性ミラーに戻る。指向性ミラーで反射した後、光は、ガルバノメータによって設定された方向で光学アセンブリを出る。光学変更要素は、主に、（ｉ）異なる波長または偏光状態を有する光線を、選択的に通過／フィルタリングするように、または（ｉｉ）入射光の一部を通過させ、その残りの部分を反射するように特別に構成された光フィルタによって形成される。この解決策の欠点は、光学アセンブリに適用されるかなりの数の光学変更／ミラーリング要素と、そのほぼ直線的な構成とを含む。指向性ミラーの他に、少なくとも２つのミラーリング要素および少なくとも１つの光学変更要素が、選択可能な各内部光路に沿って配置され、この解決策による光切替アセンブリを、より高価に、より複雑に、より大型化する。

本発明の目的は、従来技術の解決策の前述の欠点を排除または実質的に低減する、光路を切り替えるためのアセンブリを提供することである。

より具体的には、本発明の目的は、異なる光路間での迅速な切り替えを可能にする、光路を切り替えるためのマルチチャネルアセンブリを提供することである。このアセンブリは、主に蛍光顕微鏡で使用される反射型の光学顕微鏡での使用に適合される。２つの光路間の迅速な切替は、アセンブリの動作中、第１の光路と第２の光路との間の光線の切替として理解されるべきであり、切替動作は通常、数ミリ秒、好ましくは１から５ミリ秒、より好ましくは、１から３ミリ秒を要する。光路間の迅速な切替により、顕微鏡による単位時間あたりの記録数が大幅に増加する。これは、自動顕微鏡の場合に非常に有用である。

本発明のさらなる目的は、光路を切り替えるためのアセンブリを提供することであり、ここでは、光学顕微鏡、好ましくは、蛍光顕微鏡において、本発明にしたがうアセンブリを使用しながら、顕微鏡によってサンプルの画像を記録するために使用される照明光（および一般に、励起光）は、光学検査チャネルに入ることができず、最終的には、試料から戻る蛍光を受け取る検出器／カメラ、または眼に入ることができない。そのような構成の利点の１つは、試料からの低強度の蛍光をより適切に処理できるため、信号対雑音比の観点から、蛍光画像の品質（たとえば、コントラスト）が向上する可能性があることであり、これは、特に診断目的で作成された試料の蛍光画像の分析を容易化または改善する。

本発明のさらに別の目的は、特にスタンドアロンモジュールとして、コンパクトな形態で構築することができる光路を切り替えるためのマルチチャネルアセンブリを提供することである。この種の構成は、顕微鏡のユニットが、顕微鏡のフレーム内に交換可能な方式で配置され、それらが互いに独立して簡単に交換できる場合がある、モジュラ設計を有する顕微鏡の場合に特に有益である可能性がある。

したがって、本発明のさらに別の目的は、現在利用可能な顕微鏡、特に蛍光顕微鏡に関して、画像化プロセス中、光路間のより短い切替時間で動作する顕微鏡を提供することである。

上記の目的は、光切替構成を提供することによって達成され得、各光学チャネルにおいて、比較的重い重量を有するそれぞれの固定フィルタキューブが配置され、照明光の光路が試料に向けられ、画像化用の情報を送る試料からの光ビームは、固定構成、好ましくは平面ミラーの固定システムを有する回転可能なミラー面によって選択され、前記ミラーは、フィルタキューブの重量よりも実質的に軽い重量を有し、したがって、それらは、はるかに高速に動作する。

上記の目的は、光路を切り替えるためのアセンブリを提供することによって達成され、前記アセンブリは、照明光を試料に導くため、および試料からの光を画像記録ユニットに導くための複数の光学チャネルを備え、アセンブリはさらに、照明光および試料からの光を方向付けるための、各光学チャネル内の複数の導光ミラーおよび少なくとも１つの光学変更要素を備える。複数の光学チャネルのおのおのにおいて、少なくとも１つの光学変更要素は、固定ダイクロイックミラーを備える。導光ミラーは、以下のミラー、すなわち、照明光を、選択されたダイクロイックミラーに向けるための第１の回転可能な導光ミラーと、ダイクロイックミラーによって反射された光線を試料に導き、試料からの光線をダイクロイックミラーに向けるための第２の回転可能な導光ミラーと、第３の固定導光ミラーおよび第４の回転可能な導光ミラーとを含み、第３の導光ミラーは、ダイクロイックミラーを通過した光線を、第４の導光ミラーに向ける。回転ユニットは、第１、第２、および第４の導光ミラーに結合され、前記導光ミラーの回転軸は、共通の幾何学軸と整列する。それぞれの光学チャネルに関連付けられたダイクロイックミラーおよび第３の導光ミラーは、前記幾何学軸の周りに互いに等しい角距離で配置される。

上記の目的は、光源と、試料を照明し、試料からの光を受け取るための対物レンズと、光切替アセンブリと、検出される光をマッピングする管状レンズと、画像記録ユニットとを備える光学顕微鏡を提供することによってさらに達成される。光学顕微鏡は、光切替アセンブリが、本発明にしたがって光路を切り替えるためのアセンブリを備えることを特徴とする。

次に、本発明は、添付の図面を参照してより詳細に説明される。

反射光学顕微鏡、特に蛍光顕微鏡の一部として１つの光学チャネルのみを示す、光路を切り替えるためのアセンブリを概略的に示す図である。 所与の選択された光路を示す縦断面図において、本発明による光切替アセンブリの好ましい実施形態を概略的に示す図である。 本発明による光切替アセンブリの６チャネルの実施形態の斜視図である。 図３に示される光切替アセンブリの実施形態を示し、シャフトを支持するハウジングにアセンブリが統合された図である。 図４に示される実施形態の概略断面図である。 本発明による光切替アセンブリの別の実施形態を概略的に示す図である。

図１は、本発明によるマルチチャネル光切替アセンブリ１０の概念を示し、光切替アセンブリ１０は、光学顕微鏡の一部として示され、１つの光学チャネルのみが示されている。好ましくは、光学顕微鏡は、当業者に知られている手法で、照明された試料２によって放出された蛍光を受け取り、マッピングするように適合された蛍光顕微鏡である。光学顕微鏡内では、光路は、当技術分野で周知のように、光学顕微鏡の対物レンズ１と、その管状レンズ３との間の光切替アセンブリ１０を通って延びる。光切替アセンブリ１０によって選択される光学チャネル内のマッピングは、光の伝搬方向に沿って管状レンズ３の下流に配置された画像記録ユニット、好ましくはカメラ４によって実行される。

図１は、本発明による光切替アセンブリおよびその光学チャネルの選択された１つを概略的に示している。光学チャネルのおのおのには、導光要素および光学変更要素が設けられており、前記導光要素は、試料２を照明する光線を導く（そして、所与の場合には、試料を励起する）ように、および、試料２から反射された、および／または、試料２によって放出された光線を導くように適合されている。導光要素は、好ましくは平面ミラーとして形成されるガイドミラー１８、１８－ｉ、２２、３２、４２を含む、幾何光学の規則にしたがって動作するミラー面によって形成されることが好ましい。

ミラー面の第１のグループ、特にこの場合は、ミラー２２、３２、４２は、それぞれシャフト２４、３４、４４に取り付けられたミラー面を含み、前記シャフトは、ミラー面の反対側のミラーの側面に配置される。ミラー２２、３２、４２の回転シャフトは、共通の幾何学軸Ｓと整列しており、その周りでミラーを正／負方向に回転させることができる。ミラー面のおのおのは、所与の取付角度で、好ましくは解放可能な接続を介して、それぞれのシャフト２４、３４、４４に取り付けられる。取付角度の大きさのオーダは、光切替アセンブリ１０の全体的な空間寸法、および、光学変更要素に対する導光要素の相対位置、ならびに、それらの間の距離に基づいて、当業者によって容易に計算および最適化され、前記取付角度は、所与の光学顕微鏡において所望の値に設定することができる。前述のミラー２２、３２、４２の取付角度は、図１に見られるように、好ましくは等しい。取付角度の大きさのオーダは、特定の実施形態に関連して後で説明される。光切替アセンブリ１０のミラー２２、３２、４２は、幾何学軸Ｓに沿って同軸的に上下に配置される。ミラー面は、ミラー２２、３２、４２のシャフト２４、３４、４４に結合された駆動ユニット、好ましくはガルバノメトリックドライブまたはステッピングモータによって回転される。シャフト２４、３４、４４および関連付けられた駆動ユニットは、ともに回転ユニットを形成する。回転ユニットの動作は、電子的に、好ましくはコンピュータによって制御され得る。当業者に知られているガルバノメトリックドライブは、たとえば、Ｎａｎｏｔｅｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ（フェルトキルヒェン、ドイツ）から、ステッピングモータは、たとえば、ケンブリッジテクノロジー社（ベッドフォード、マサチューセッツ、米国）から購入することができる。ガルバノメトリックドライブの利点は、高速なことであるが、軸を中心に通常最大±４０°までしか回転できないという欠点がある。これとは異なり、ステッピングモータは一般に低速であるが、前述のミラー面をその軸を中心に３６０°まで回転させることができ、これは、複数の光学チャネルを組み込んだ光切替アセンブリにとって特に有益である。

好ましくは、導光ミラー２２、３２、４２は、互いに独立して回転可能である。この場合、各ミラー２２、３２、４２は、それぞれの回転ユニットを備えている。光切替アセンブリ１０の例示的な実施形態は、上下に配置され、共通の幾何学軸Ｓの周りで回転可能な２つの上部ミラー面、すなわち、図１および図２に示されるミラー２２、３２が、共通の物理シャフトの反対端に取り付けられ、共通のドライブを装備される。

ミラー面の第２のグループ、すなわち、この場合、導光ミラー１８、１８－ｉは、固定ミラー面を含む。図１に見られるように、ミラー１８は、外部光源５の光線を光切替アセンブリ１０のミラー３２に向ける。光切替アセンブリ１０の別の実施形態では、光源は、ミラー３２、４２の間のそのセクション内で、幾何学軸Ｓに沿って配置され得る。この実施形態では、光源は、照明光を直接ミラー３２に放射するので、ミラー１８を使用する必要はない。

光源５は広いスペクトルを有することが好ましい。光源５は、光切替アセンブリ１０に隣接して配置され得るか、またはその光は、光ファイバを通ってミラー１８に導かれ得る。好ましくは、ミラー１８－ｉは、光切替構成１０を組み込み、それを機械的に保護するハウジング４０（図４および５を参照）の内側に取り付けられる。ミラー１８－ｉは、好ましくは、ミラー面が方向付けられ、最終的に調整され、必要に応じて微調整され得るように、解放可能な接続を介して取り付けられる。ミラー１８－ｉのミラー面は、対物レンズ１の光軸に平行であることが好ましい。本発明による光切替アセンブリのコンパクトな設計、対物レンズ１の光軸は、光切替アセンブリ１０の本実施形態における共通の幾何学軸Ｓと整列されることに留意されたい。

光学変更要素は、入射光の少なくとも１つの物理的特性（たとえば、波長、偏光、強度など）を、またはそれらの組合せによって変更する１つまたは複数の光学要素を含む。本発明では、これらの光学要素は、色分離ビームスプリッタ、すなわちダイクロイックミラーである。いくつかの実施形態では、特定の波長または特定の波長範囲の光を通過／吸収するために、ダイクロイックミラーの片側または両側にフィルタ（カラーフィルタ）が配置され得る。当業者にとって、光切替アセンブリ１０の特定の用途に応じて、導光要素および光学変更要素が、多数の光学要素によって形成され得ることは明らかである。蛍光顕微鏡における利用の場合、光切替アセンブリ１０において使用される光学変更要素が、共通のハウジング内の励起および発光フィルタおよびダイクロックミラー１４ａ－ｉを備える、組み合わされた光学要素、いわゆるフィルタキューブ１４－ｉによって形成されることが特に有利である。そのようなフィルタキューブは、たとえば、Ｃｈｒｏｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（米国）で入手可能である。

図１に図示される光切替アセンブリ１０の実施形態で使用されるフィルタキューブ１４－ｉは、光源５からの照明光（１２ａ）が、角度４５°でダイクロイックミラー１４ａ－ｉに入るように構成される。したがって、特定の波長および帯域幅を有するダイクロイックミラー１４ａ－ｉによって反射された光線１２ｂは、４５°の角度でダイクロイックミラー１４－ｉを離れる。フィルタキューブ１４－ｉから出る光線１２ｂは、ミラー２２のミラー面で反射し、対物レンズ１を通って試料２に到達する。この場合、ダイクロックミラー１４ａ－ｉの法線は、対物レンズ１の光軸に垂直であり、共通の幾何学軸Ｓにも垂直である。したがって、幾何光学の規則にしたがって、対物レンズ１のミラー面および光軸を形成する回転可能な導光ミラー２２、３２、４２、ならびに前記法線および幾何学軸Ｓは、ミラー２２、３２、４２の取付角度が２２．５°であると仮定すると、角度６７．５°を規定する。図１に図示される実施形態では、光源５によって放出された光は、同じく４５°で固定ミラー面を形成するミラー１８に入り、照明光（１２ａ）は、その上で４５°の角度で反射される。これは、ミラー１８の法線と、対物レンズ１の光軸、または共通の幾何学軸Ｓも、４５°の角度を規定することを意味する。この幾何学的構成では、フィルタキューブ１４－ｉの幾何学中心は、共通の幾何学軸Ｓに沿ってミラー２２、３２間の中間にあり、幾何学軸Ｓに整列する面に存在する。

その成分のうちの１つは、照明光（１２ａ）から発せられる光ビーム１２ｂであり、その１つまたは複数の他の成分は、試料２から反射または放出された光線である、試料２からの、対物レンズ１を通って光切替アセンブリ１０に入る光線１２ｃは、ミラー２２で反射した後、フィルタキューブ１４－ｉに入り、その後、特定の波長および特定の帯域幅を有する光線１２ｄとして、４５°の角度で固定ミラー１８－ｉに入る。光線１２ｄは、所与のシャフト方位を有するダイクロックミラー１４ａ－ｉを通過する。したがって、本発明の本実施形態では、ミラー１８－ｉの法線および対物レンズ１の光軸、ならびに前記法線および共通の幾何学軸Ｓは、９０°の角度、すなわち、法線は両方の軸に垂直である。ミラー１８－ｉにおいて反射されると、光線１２ｄは、導光ミラー４２のミラー面に入り、さらに反射された後、光学顕微鏡の管状レンズ３を通過し、好ましくはカメラである画像記録ユニット４に到達する。ダイクロックミラー１４ａ－ｉと、回転可能な固定ミラーとを光路に沿ってこのように配置することにより、対物レンズ１と管状レンズ３との間の距離を、広い範囲で調整することができ、必要に応じて、本発明による光切替アセンブリを備える光学顕微鏡は、極めてコンパクトに作製され得る。

図２から図５は、本発明の例示的な実施形態、すなわち、複数の、好ましくは６つの光学チャネルを備える光切替アセンブリ１０’を示す。この実施形態では、図２および図４に示される実施形態に見られるように、マルチチャネル構成の光学チャネルを規定する光学要素、すなわち、導光要素および光学変更要素は、支持ユニット３０に固定される。所望の光学チャネルは、回転可能なミラー２２、３２、４２のミラー面をそれぞれのシャフト２４、３４、４４の周りで、所望の方向に回転させることによって選択される。支持ユニット３０は、好ましくは長方形の形状を有するハウジング４０を備え、その上側４０ａには、光が通過することを可能にするために複数の開口部１５－ｉが形成されている。フィルタキューブ１４－ｉは、上記で論じたように適切なシャフト方位で、これらの開口部１５－ｉに個別に固定される。この場合、適切なシャフト方位は、それぞれのフィルタキューブ１４－ｉが光源から試料に向かって光線を導き、また試料から、たとえばカメラのような画像記録装置に光線を導くことを可能にする各光学チャネルのシャフト方位を意味する。フィルタキューブ１４－ｉの適切なシャフト方位は、それぞれのフィルタキューブ１４－ｉ内で使用されるダイクロイックミラーの光軸の方位によって規定される。

光学チャネルにおいて使用されるダイクロイックミラー１４ａ－ｉは、好ましくは、幾何学軸Ｓの周りにγ＝３６０°／ｎの等しい角距離で配置されるように、ハウジング４０の上側４０ａに固定される。ここで、ｎは、光切替アセンブリの光学チャネルの数（図示の実施形態ではｎ＝６）である。しかしながら、ダイクロイックミラー１４ａ－ｉは、互いに異なる角距離であっても、別の方式で配置され得る。

図２から図５に示される光切替アセンブリ１０’の実施形態は、図１の概略図にも示されるように、ダイクロイックミラー１４ａ－ｉの光軸（または法線）が、共通の光軸Ｓに垂直である。ハウジング４０の上側４０ａは、好ましくは、フィルタキューブ１４－ｉの幾何学中心点と整列する平面が、共通の幾何学軸Ｓに沿ったミラー２２、３２間の距離の中間点も含むように配置される。

好ましくは、ハウジング４０の底側４０ｂには、１つの光透過開口部４６のみが存在する。光学チャネルに適用される固定ミラー面を形成するミラー１８－ｉは、この光透過開口部４６の周辺に沿って、互いに等しい角距離γ＝３６０°／ｎで、好ましくは幾何学軸Ｓの周囲に、底側４０ｂに取り付けられる。ここで、ｎは、光切替アセンブリの光学検査チャネルの数（本実施形態ではｎ＝６）であり、共通の幾何学軸Ｓに垂直な法線を有する。ミラー１８－ｉはまた別の配置を有し得、それらは互いに異なる角距離γでさえ配置され得るが、ミラー１８－ｉの配置は、光学チャネルの適切な構成のために、ダイクロイックミラー１４ａ－ｉの配置にしたがうべきである。ミラー２２、３２、すなわちこの場合はステッピングモータ２３の共通の駆動として機能する駆動ユニットは、ハウジング４０の上側４０ａに取り付けられている。駆動シャフトの端部は、上側４０ａの２つの反対側に配置され、それらは、それぞれのシャフト２４、３４に接続される。ミラー４２の駆動ユニットとして使用されるステッピングモータ４３は、光透過開口部４６を橋渡しするクロス要素４９に取り付けられ、クロス要素４９の反対側の端部は、ハウジング４０の底側４０ｂに接続される。クロス要素４９は、好ましくは、ハウジング４０の底側４０ｂの平面から特定の距離まで延びる。この距離は、ハウジング４０内の光の伝播が、いかなる機械的障害物によっても妨げられないように指定される。幾何学的光路およびその要素に基づくこの距離の決定は、当業者にとって単純なルーチン的な作業である。

回転ユニットおよびそれに組み込まれる駆動ユニット（本発明による光切替アセンブリの他の様々な実施形態で使用されるステッピングモータ２３、４３またはガルバノメトリックドライブ）は、図面に示されない電子制御ユニットに動作可能に結合されている。制御ユニットは、顕微鏡の動作にしたがって、回転可能な導光ミラーの方向を適切に調整することにより、所望のチャネルの選択のために、光学チャネル間の切り替えを制御する。

上記で論じたように、光切替アセンブリ１０’の長手方向寸法（図面の垂直方向）は、光線の直径に加えて、アセンブリで使用されるフィルタキューブ１４－ｉの設計、特に、フィルタキューブで使用されるダイクロイックミラー１４ａ－ｉの方位によっても規定される。試験中、本発明による光切替アセンブリの垂直寸法は、フィルタキューブ１４ａ－ｉの構成を変更することによって変えられ得ることが経験され、好ましくは、縮小でき、特定の範囲内で、寸法は所望の値に調整できる。光切替アセンブリの垂直寸法を、顕微鏡のフレームワーク内で光切替アセンブリを受け入れるように構成されたチャンバの垂直寸法に適合させることができるので、これは特に有利である。

図６は、本発明による光切替アセンブリの上記の実施形態に対応する光切替アセンブリ１０’’の概略図を示す。簡素化のために、この図には１つの光学チャネルしか図示されていない。図６では、図１から図５に示す構造要素と同じ構造要素が、同じ参照番号で示される。光切替アセンブリ１０’’の重要な特徴は、光学チャネルのフィルタキューブが、幾何学的な特性を維持し、回転ミラーと固定ミラーとの配置を変えずに、各光学チャネルにおいて、励起フィルタ５５－ｉ、ダイクロイックミラー５４－ｉ、および発光フィルタ５３－ｉによって置き換えられることである。したがって、回転可能なミラー２２、３２、４２を支持するシャフト２４、３４、４４は、共通の幾何学軸Ｓと整列され、さらに、固定ミラー１８－ｉのミラー面は、幾何学軸Ｓに実質的に平行に配置される。それに加えて、ダイクロックミラー５４－ｉの法線もまた、幾何学軸Ｓに垂直であり、その幾何学中心は、共通の幾何学軸Ｓに沿ったミラー２２、３２間の中間に存在し、幾何学軸Ｓに垂直な面に存在する。同時に、励起フィルタ５５－ｉおよび発光フィルタ５３－ｉは、当業者によく知られているように、適用されたダイクロイックミラー５４－ｉの特性、および画像化のために試料２で使用されるフルオロフォアの特性に基づいて選択される。

図６に図示すように、光路１１２ｂがダイクロイックミラー５４－ｉに到達する入射角α／２またはその最小値と、ミラー２２、３２、４２がそれぞれのシャフト２４、３４、４４に取り付けられた取付角度εと同様に、光路１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに沿って伝搬する光線が、回転可能なミラー２２、３２、４２に入る入射角βとの間の関係は、すべて以下のように決定される。単純な幾何学的考察に基づいて、上記の幾何学的パラメータは、次の要件を満たす。β＝４５°＋α／４およびε＝４５°－α／４。対称性のために、光路１１２ｄ、１１２ｅ、１１２ｆの入射角および出射角を決定することができる。結果として、光線の所与の直径で、光切替アセンブリ１０’’の垂直寸法およびその最小値は、適用されたダイクロイックミラー５４－ｉの光学特性に基づいて（特に、入射角度αに基づいて）当業者によって計算され得る。入射角度の関数として、いくつかの特定の光学フィルタの計算と光学スペクトルに必要な式は、たとえば、光学フィルタ：非正規入射角、と題されたＴｕｒａｎ Ｅｒｄｏｇａｎの研究から学習することができる（非特許文献１を参照）。所与の入射角α／２を提供するためのダイクロイックミラー５４－ｉ、励起フィルタ５５－ｉ、および発光フィルタ５３－ｉは、たとえば、Ｓｅｍｒｏｃｋ ａｎｄ Ｃｈｒｏｍａ社（米国）から取得することができる。

ステッピングモータの特定の要素、または、光切替アセンブリ１０’’で使用されるガルバノメトリックドライブを支持するために、図２から図５に示されるハウジング４０と同様のハウジングを使用できることは当業者には明らかであり、ここで、ハウジングは、幾何学的光路および入射角α／２に基づいてサイズ変更され得る。ハウジングのサイズを変更する方法は当業者には明らかであるため、その詳細はここでは省略される。

上記の構成で配置された所望の数の光学チャネルを備える本発明による光切替アセンブリ１０、１０’、１０’’の使用は、光学顕微鏡、特に蛍光顕微鏡を構築することを可能にし、照明光は、検出器に到達しないため、試料からの光を使用する画像化プロセスを妨げることはない。

本発明による光切替アセンブリを備える顕微鏡はまた、光切替アセンブリ１０、１０’、１０’’の比較的軽量な光学変更要素が固定されており、したがって、異なる特性（波長、偏光など）を有する試料からの光に基づく画像生成の場合、画像化のために使用される様々な光学チャネル間で回転可能な導光ミラーを移動させることによって、高速切替を実行することができるので、高速マルチチャネル画像生成を提供する。

Claims (12)

1. 光学顕微鏡において、光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）であって、前記アセンブリは、照明光を試料に導くため、および前記試料からの光を画像記録ユニットに導くための複数の光学チャネルを備え、前記アセンブリはさらに、前記照明光および前記試料からの光を方向付けるための、各光学チャネル内の複数の導光ミラーおよび少なくとも１つの光学変更要素を備え、
   前記光学変更要素は、固定ダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）を備え、
   前記導光ミラーは、
   照明光（１２ａ）を、選択されたダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）に向けるための第１の回転可能な導光ミラー（３２）と、
   前記ダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）によって反射された光線（１２ｂ）を前記試料に導き、前記試料からの光線（１２ｃ）を前記ダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）に向けるための第２の回転可能な導光ミラー（２２）と、
   複数の第３の固定導光ミラー（１８－ｉ）であって、おのおのは、それぞれのダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）とペアを形成し、関連付けられたダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）を通過した光線（１２ｄ）を、第４の回転可能な第４の導光ミラー（４２）に導くように適合された、複数の第３の固定導光ミラー（１８－ｉ）と、
   前記第３の導光ミラー（１８－ｉ）のうちの１つによって反射された前記光線（１２ｄ）を画像記録ユニット（４）へ向けるための第４の回転可能な導光ミラー（４２）とを含み、
   回転ユニットは、前記第１、第２、および第４の導光ミラー（３２、２２、４２）に結合され、前記導光ミラー（３２、２２、４２）の回転軸は、共通の幾何学軸（Ｓ）と整列し、
   それぞれの前記光学チャネルに関連付けられた前記ダイクロイックミラー（１４ａ－ｉ）および前記第３の導光ミラー（１８－ｉ）は、前記幾何学軸（Ｓ）の周りに配置される
   ことを特徴とするアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
2. 前記回転ユニットは、ガルバノメトリックドライブである
   請求項１に記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
3. 前記回転ユニットは、ステッピングモータである
   請求項１に記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
4. 前記第１および第２の導光ミラー（３２、２２）は、結合された共通の回転ユニットを備える
   請求項１ないし３のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
5. 各ダイクロックミラー（５４－ｉ）は、追加の光学変更要素として、
   第１の波長スループット特性を有する第１のフィルタ要素（５５－ｉ）であって、それぞれの前記ダイクロックミラーの一方の側に配置された第１のフィルタ要素（５５－ｉ）と、
   第２の波長スループット特性を有する第２のフィルタ要素（５３－ｉ）であって、それぞれの前記ダイクロックミラーの他方の側に配置された第２のフィルタ要素（５３－ｉ）とを備える
   請求項１ないし４のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
6. 各ダイクロックミラー（５４－ｉ）は、前記関連付けられた第１および第２のフィルタ要素（５４－ｉ、５５－ｉ）とともに、フィルタキューブ（１４－ｉ）を形成する
   請求項１ないし５のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
7. 前記幾何学軸（Ｓ）に沿った前記第２および第４の導光ミラー（２２、４２）間の距離は、前記導光ミラー（２２、３２、４２）の面と、前記幾何学軸（Ｓ）とによって規定される角度（ε）によって決定される
   請求項１ないし５のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
8. 光源（５）と、試料（２）を照明し、前記試料（２）からの光を受け取るための対物レンズ（１）と、光切替アセンブリと、検出される光をマッピングする管状レンズ（３）と、画像記録ユニット（４）とを備える光学顕微鏡であって、
   前記光切替アセンブリは、請求項１ないし７のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）を備える
   ことを特徴とする光学顕微鏡。
9. 前記照明光（１２ａ）は、前記光源（５）によって、前記第１の導光ミラー（３２）へ直接放射される
   請求項８に記載の光学顕微鏡。
10. 前記照明光（１２ａ）は、前記光源（５）によって、第５の固定導光ミラー（１８）へ放射され、前記第５の固定導光ミラー（１８）は、前記照明光（１２ａ）を、前記第１の回転可能な導光ミラー（３２）へ向ける
    請求項８に記載の光学顕微鏡。
11. 前記画像記録ユニット（４）はカメラである
    請求項８ないし１０のいずれかに記載の光学顕微鏡。
12. 前記それぞれの光学チャネルに関連付けられたダイクロックミラー（１４ａ－ｉ）と、前記第３の導光ミラー（１８－ｉ）とは、前記幾何学軸（Ｓ）の周りに、互いに等しい角距離（γ）に配置される
    請求項１ないし７のいずれかに記載の光路を切り替えるためのアセンブリ（１０、１０’、１０’’）。
    

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