JPH11258513A - 落射照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照射光の照射範囲の制御が容易な落射照明装
置を提供する。 【解決手段】 レーザ光源１から出射されたレーザビー
ムを拡大する集光レンズ２とフォーカスレンズ４との間
にレーザビームに収差と焦点移動を発生させるレンズ３
を着脱することにより、対物レンズ２３を経て試料１３
上に集光されるレーザビームのビーム径を変更するとと
もに、その強度分布をガウス分布から分散させて、均一
分布に近づける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察対象に観察光
学系と同軸で光を照射する照明光学系を備える落射照明
装置に関する。特に、観察対象の反応、加工用の光を照
射する機能を備える落射照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】落射照明装置は、生体細胞の観察や、回
路基板の配線状態の確認等に広く用いられており、単に
試料に照明を照射するだけでなく、反応を促す光や加工
用のレーザ光を観察光学系と同軸で照射する機能を有す
るものもある。

【０００３】このような落射照明装置としては、特開平
６−１６０７２４号公報、特開平７−５６０９２号公報
に開示されている装置がある。これらの装置は、いずれ
も生体組織中の細胞内外における各種反応を光をトリガ
ーに用いて計測するフォトリシス用顕微鏡に関するもの
である。

【０００４】フォトリシス用顕微鏡においては、予め生
体細胞に目的の反応の引き金となる物質にニトロフェニ
ル基などの保護基を結合させたケージド化合物（Caged
Compounds）を投与しておき、落射照明を利用して強い
紫外光をトリガーとして照射してこの保護基を解離させ
ることにより、ケージド化合物を活性化させ、反応を起
こさせる。このケージド化合物の光による活性化をフォ
トリシス（photolysis）反応と呼ぶ。

【０００５】フォトリシス反応では、トリガーとして光
を用いるため、特定の位置に集中して反応を起こさせる
ことができ、時間的、空間的に優れた分解能で反応状態
を調べることが可能となる。また、注射等での試薬注入
では試薬の拡散の影響を考慮する必要があるが、フォト
リシス反応を利用することにより、ケージド化合物の濃
度が均一になってからトリガー光を照射することで、拡
散の影響を排除することができる。

【０００６】上述の公報に開示された装置は、いずれも
観察用の照明光学系とトリガー光の照明光学系の各々に
独立して絞りを設けることにより、それぞれの光の照射
範囲を独立して制御するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フォトリシス反応のト
リガー光としては、従来、アーク光源やキセノンフラッ
シュランプなどが用いられてきた。しかし、アーク光源
ではフォトリシス反応を引き起こすのに長時間の照射が
必要であり、一方、キセノンフラッシュランプでは連続
発光が困難である。これに対して、短パルスレーザ光を
用いれば、高いエネルギーを短時間に集中でき、高時間
分解能を確保することができる。しかし、レーザビーム
を使用し、回折限界まで絞りこんだスポット照明と、視
野の数十％程度の広い面積を照射するのを両立させるこ
とは困難であった。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、
照射光の照射範囲の制御が容易な落射照明装置を提供す
ることを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の落射照明装置は、観察対象の像を拡大する
観察光学系と、これと観察対象側の光学系を共用して観
察対象に所定の照明光を照射する照明光学系を備える落
射照明装置であって、照明光学系は、第１の照明光を出
射する第１の照明光源と、第１の照明光と特性の異なる
第２の照明光を照射する第２の照明光源と、第１及び第
２の照明光を合成する合成手段と、合成手段と第２の照
明光源の間に着脱可能に配置され、第２の照明光の光像
に収差を発生させるとともに焦点を移動させる光学装置
と、を備えていることを特徴とする。

【００１０】これによれば、合成手段と第２の照明光源
の間に収差を発生させ、焦点を移動させる光学装置を配
置している場合には、第２の照明光源から発せられた光
は、この光学装置により光像に収差が発生させられると
ともにその焦点が移動する。つまり、像がボケた状態に
なる。このようにして生成された収差を有する光は、合
成手段で第１の照明光と合成され、観察光学系の観察対
象側の光学系を利用して観察対象に照射される。この結
果、この光学装置がないときに第２の照明光が観察対象
上に投影する光像より、ボケた分だけ広い範囲に光像が
投影される。このボケを調整することで照射範囲を調整
することができる。さらに、絞りを利用していないた
め、照射範囲全体に照射される光量の総量はこの光学装
置を用いないときと同一になる。逆を言えば、この光学
装置を用いていないときには、光学装置を用いたときに
比べて小面積に強い光が集中して照射されることにな
る。単位面積あたりの光量をこの光学装置を用いた場合
と同一にするためには、光学装置の代わりにＮＤフィル
タを挿入する構成とすればよい。

【００１１】この第２の照明光源は、レーザ光源であっ
てもよい。本発明によれば、収差発生手段によりレーザ
光の光量分布がガウス分布から均一分布に近づく。

【００１２】この光学装置は、光軸部分の透過率を外周
部の透過率より低下させていることが好ましい。これに
より、さらに光学装置を透過した光の光量分布が均一に
なる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について説明する。なお、説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１４】図１に本発明の落射照明装置の光学系を概
略的に示す。この装置は、試料１３にトリガー光を照射
してその像を観察するフォトリシス用顕微鏡システムに
含まれる。

【００１５】図１に示されるように、この装置は、トリ
ガー光となるＹＡＧレーザなどのハイパワーの短パルス
レーザ光を発するレーザ光源１と、このレーザ光を集光
する集光レンズ２と、この集光レンズ２の結像面より集
光レンズ２側に着脱可能に配置される収差発生及び焦点
移動用のレンズ３と、集光レンズ２の結像面より下流側
に配置され、入射光をほぼ平行光に調整するフォーカス
レンズ４と、トリガー光照射位置確認のためのガイド光
を発するレーザダイオード５と、ガイド光を平行光に調
整する調整レンズ６と、ガイド光を透過し、トリガー光
を反射することにより、両者を同軸上に合成するハーフ
ミラー７と、ガイド光、トリガー光の透過、反射を切り
換えるシャッタ８と、観察対象を撮像するカメラヘッド
９と、カメラヘッド９の前面に配置され、観察像をカメ
ラヘッドに結像する受像レンズ１０と、観察像を透過
し、ガイド光とトリガー光の合成光を反射するハーフミ
ラー１１と、ガイド光、トリガー光、観察像の合成光を
集光するＵＶレンズ１２と、を有し、合成光は、顕微鏡
２０に接続されている。そして、顕微鏡２０は、合成光
を反射するミラー２１と、これを集光するレンズ２２及
び対物レンズ２３からなる。

【００１６】次に、本装置の動作を説明する。まず、収
差発生及び焦点移動用のレンズ３を挿入していない場合
について説明する。レーザ光源１から射出されたレーザ
パルスは、集光レンズ２とフォーカスレンズ４によりほ
ぼ平行で元のビームよりビーム径の大きなビームに拡大
されて、トリガー光としてハーフミラー７に導かれる。
一方、レーザダイオード５から出射されたガイド光は、
調整レンズ６により平行光に調整されて同じくハーフミ
ラー７に導かれる。ハーフミラー７は、ガイド光を透過
し、トリガー光を反射することにより、これら二つの光
を光軸が同一となるよう合成する。こうして生成された
合成光は、シャッタ８を透過状態に設定している場合
は、このシャッタ８を透過してミラー１１に導かれ、反
射されて、ＵＶレンズ１２に入射し、集光されて顕微鏡
２０に入射される。

【００１７】顕微鏡２０に入射した合成光は、ミラー２
１で反射されて、レンズ２２と対物レンズ２３により試
料面上の一点に集光される。ここで、各光学系は、トリ
ガ光が一点に集束されるよう収差補正が行われているこ
とが好ましい。

【００１８】一方、試料１３の観察像は、合成光と逆
に、対物レンズ２３、レンズ２２により拡大されてミラ
ー２１で反射され、顕微鏡２０外部へ導かれ、ＵＶレン
ズ１２とハーフミラー１１を透過し、結像レンズ１０に
よりカメラヘッド９により撮像される。

【００１９】こうして、トリガー光が試料１３の一点に
照射されると、試料１３に予め投与されていたケージド
化合物の保護基がフォトリシス反応により分離して、生
体活性化合物となり、所望の反応を引き起こすことがで
きる。そして、その際の試料１３の様子をカメラヘッド
９を用いて観察することができる。観察像の画像信号を
デジタル変換して、パソコン等により各種の画像処理を
施してもよい。

【００２０】続いて、収差発生用の追加レンズ３を挿入
した場合の動作について説明する。図２は、レンズ３の
挿入の有無による光路変化を概略的に比較した図であ
り、図２（ａ）が上述したレンズ３を挿入していない場
合を示し、図２（ｂ）がレンズ３を挿入した場合を示し
ている。

【００２１】レンズ３の挿入によって、収差および焦点
移動が発生するため、集光レンズ２の結像面では、光が
集束せず、ボケた状態になり、トリガー光は、はガウス
分布より強度分布が均一になった状態で広い範囲に照射
される。このトリガー光は、フォーカスレンズ４から対
物レンズ２３までを経て試料１３に照射されるが、この
試料１３の表面と前述の集光レンズ２の結像面が共役関
係にあるため、トリガー光は図２（ａ）に示されるレン
ズ３のない場合に比べて広い範囲にほぼ均一に照射され
ることになる。

【００２２】この結果、試料１３のうち照射範囲内の広
い領域内でケージド化合物の保護基がフォトリシス反応
により分離して、生体活性化合物となり、所望の反応を
引き起こすことができる。つまり、反応を引き起こす範
囲を調製することができる。

【００２３】このとき、収差を発生させ、焦点を移動さ
せるレンズ３は、トリガー光の光学系にのみ配置されて
いるから、観察像光学系、ガイド光光学系は何ら影響を
受けない、つまり、トリガー光照射範囲の変更に応じて
観察像のピントを調整したり、ガイド光の集光状態を変
更する必要がないので、トリガー光照射範囲の切替が容
易である。

【００２４】図３は、試料１３面に照射されるトリガー
光の照射状況を計算により求めた結果を表す図である。
ここで、対物レンズ２３の焦点距離は１００ｍｍであっ
てそのＦ値は１．５とし、焦点位置およびその前後にお
けるトリガー光ビームの様子を示したものである。この
時に、ビーム強度分布はフラットなものとして取り扱っ
た。

【００２５】図３（ａ）は、レンズ３を用いていない場
合であり、焦点位置では点状にトリガー光が集光され、
その前後では、ビーム径が拡大するとともに、強度分布
は不均一になる。図３（ｂ）は、レンズ３を挿入して収
差を発生させた場合であり、ビーム径が拡大し、拡大さ
れた範囲に均一に近いビームが照射される。図３（ｃ）
は、さらに収差の大きいレンズ３を挿入した場合であ
り、さらにビーム径が拡大することができることがわか
る。

【００２６】いずれの場合も、照射範囲内に照射される
トリガー光の総光量は一定であるため、照射強度を制御
したい場合は、レーザ光源１から出射されるレーザの光
量を制御することで、容易に制御することができる。

【００２７】収差発生用のレンズ３には、図４に示され
るように表面上に遮光膜３ａ₁〜３ａ₄を設けてもよい。
この遮光膜３ａは、入射ビームの強度分布に応じて、中
心３ａ₁の透過率を低くし、周辺に行くにしたがってそ
の透過率を高く設定することにより、出射光の強度分布
を均一に近づけている。この遮光膜３ａの透過率設定
は、図４に示されるように段階的に設定しても、連続的
に設定してもよい。

【００２８】また、レンズ３ではなく、平行なガラス板
を配置してもよい。この場合は、ガラス内の屈折により
収差が発生し、同様の効果を得ることができる。この場
合も、表面に遮光膜を設けることで、レンズ３に遮光膜
３ａを設けた場合と同様の効果を得ることができる。

【００２９】これらのレンズ、ガラス等の収差発生用の
光学部材は、レーザ光の拡散光束中、集光光束中のいず
れに配置してもよいが、特に、高出力のレーザビームを
用いる場合、レーザ光の吸収による発熱及び光化学反応
を防ぐため、結像面からできるだけ離して配置すること
が好ましい。

【００３０】本発明では、収差と焦点移動を利用してレ
ーザ光の分布状態を変えているのでレーザ光を有効に利
用することができ、また、収差発生用の光学部材での吸
収を抑えることができるので、ハイパワーレーザ光源に
対しても同様に利用可能である。

【００３１】以上の説明では、フォトリシス用顕微鏡に
利用する例について説明してきたが、本発明はこれに限
られるものではなく、基板の配線状態を確認しながら補
修を行うレーザリペア顕微鏡など各種の落射照明装置に
適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
照射光の一方の光学系のみに収差発生及び焦点移動用の
光学装置を着脱することにより、この収差発生及び焦点
移動を利用して観察対象に照射される照射光の一方のス
ポット径を拡大しつつ、その強度分布も均一化すること
ができる。

【００３３】特に、レーザ光の場合には、レーザ光がガ
ウス分布を有しているため、特に有効である。

【００３４】光学部材の表面に遮光膜を設ければ、さら
に強度分布を均一化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る落射照明装置の光学系の概略図で
ある。

【図２】収差発生用レンズの有無による集光光学系を比
較した図である。

【図３】収差発生用レンズの有無による集光状態を比較
した図である。

【図４】収差発生用レンズの別の形態を示す図である。

【符号の説明】

１…レーザ光源、２…集光レンズ、３…収差発生用レン
ズ、４…フォーカスレンズ、５…ガイド光光源、６…調
整レンズ、７、１１…ハーフミラー、８…シャッタ、９
…カメラヘッド、１０…撮像レンズ、１２…ＵＶレン
ズ、１３…試料、２０…顕微鏡、２１…ミラー、２２…
レンズ、２３…対物レンズ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察対象の像を拡大する観察光学系と、
   前記観察光学系と前記観察対象側の光学系を共用して前
   記観察対象に所定の照明光を照射する照明光学系を備え
   る落射照明装置において、 前記照明光学系は、前記照明光を出射する第１の照明光
   源と、前記第１の照明光源の照明光と特性の異なる第２
   の照明光を照射する第２の照明光源と、前記第１及び第
   ２の照明光源の光を合成する合成手段と、前記合成手段
   と前記第２の照明光源の間に着脱可能に配置され、第２
   の照明光の光像に収差を発生させるとともに焦点を移動
   させる光学装置と、を備えていることを特徴とする落射
   照明装置。
2. 【請求項２】 前記第２の照明光源は、レーザ光源であ
   ることを特徴とする請求項１記載の落射照明装置。
3. 【請求項３】 前記光学装置は、光軸部分の透過率を外
   周部の透過率より低下させていることを特徴とする請求
   項１、２のいずれかに記載の落射照明装置。