JPWO2017221356A1 - microscope - Google Patents
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Abstract
共焦点ピンホールと励起光の集光点とが光学的に非共役な位置関係となる最適点を自動設定して、操作者にかかる負担を軽減することを目的として、本発明に係る顕微鏡(1)は、光源(2)からの励起光を走査するスキャナ(7)と、走査される励起光を試料(A)に集光する一方、各走査位置で試料において発生した蛍光を集光する対物光学系(8)と、集光された蛍光を検出する検出器(12)と、検出器と対物光学系との間に配置され対物光学系により集光された蛍光を部分的に遮断する遮光部材(11)と、遮光部材と試料における励起光の集光点との位置関係を、光学的に共役な位置関係と、光学的に非共役な位置関係とに時間的に切り替える切替部(3)と、集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布を取得する蛍光分布取得部(18)と、取得された蛍光分布に基づいて、切替部における非共役な位置関係を設定する設定部(17)とを備える。 A microscope according to the present invention for the purpose of reducing the burden on the operator by automatically setting the optimum point at which the confocal pinhole and the focusing point of the excitation light are in an optically non-conjugated positional relationship. 1) a scanner (7) for scanning excitation light from a light source (2) and focusing excitation light to be scanned onto a sample (A), while focusing fluorescence generated in the sample at each scanning position An objective optical system (8), a detector (12) for detecting collected fluorescent light, and a detector and an objective optical system arranged to partially block the fluorescent light collected by the objective optical system Switching unit that temporally switches the positional relationship between the light blocking member (11) and the light blocking member and the condensing point of the excitation light in the sample to an optically conjugate positional relationship and an optically non-conjugated positional relationship ( 3) and fluorescence distribution to obtain fluorescence distribution at a position optically conjugate with the focusing point It comprises obtain unit (18), based on the obtained fluorescence distribution, setting unit for setting a non-conjugate relationship in the switching section (17).
Description
本発明は、顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a microscope.
焦点外蛍光の共焦点ピンホール内への漏れ込みにより、試料の深部の観察が困難になるのを防止するために、共焦点ピンホールと励起光の集光点との位置関係を光学的に共役な位置と非共役な位置とに切り替えてそれぞれ蛍光を検出し、取得された蛍光信号の差分を演算する顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1参照)。 The positional relationship between the confocal pinhole and the focusing point of the excitation light is optically set in order to prevent the observation of the deep part of the sample from being difficult due to the leakage of the out-of-focus fluorescence into the confocal pinhole. There is known a microscope which switches between a conjugated position and a non-conjugated position, detects fluorescence respectively, and calculates a difference between acquired fluorescence signals (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の顕微鏡では、共焦点ピンホールと励起光の集光点とが光学的に非共役な位置関係となる最適点の設定については、操作者が手動で試料を撮影しながら共焦点ピンホールの位置を調整する必要があり煩雑であった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、共焦点ピンホールと励起光の集光点とが光学的に非共役な位置関係となる最適点を自動設定して、操作者にかかる負担を軽減することができる顕微鏡を提供することを目的としている。However, in the microscope of
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an operator automatically sets an optimum point at which the confocal pinhole and the focusing point of the excitation light have an optically non-conjugated positional relationship. An object of the present invention is to provide a microscope capable of reducing such burden.
本発明の一態様は、光源からの励起光を走査するスキャナと、該スキャナにより走査される前記励起光を試料に集光する一方、各走査位置で前記試料において発生した信号光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された前記信号光を検出する検出器と、該検出器と前記対物光学系との間に配置され該対物光学系により集光された前記信号光を部分的に遮断する遮光部材と、該遮光部材と前記試料における前記励起光の集光点との位置関係を、光学的に共役な位置関係と、光学的に非共役な位置関係とに時間的に切り替える切替部と、前記集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布を取得する蛍光分布取得部と、該蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布に基づいて、前記切替部における前記非共役な位置関係を設定する設定部とを備える顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a scanner for scanning excitation light from a light source, and condensing the excitation light scanned by the scanner on a sample while collecting signal light generated on the sample at each scanning position An objective optical system, a detector for detecting the signal light collected by the objective optical system, the signal light disposed between the detector and the objective optical system and collected by the objective optical system The position relationship between the light blocking member that partially blocks the light, the light blocking member and the focusing point of the excitation light in the sample is an optically conjugate position relationship and an optically non-conjugated position relationship. In the switching unit based on the fluorescence distribution acquired by the fluorescence distribution acquiring unit, and a fluorescence distribution acquiring unit acquiring the fluorescence distribution at a position optically conjugate with the focusing point, and Set the non-conjugated positional relationship A microscope and a setting unit.
本態様によれば、光源からの励起光がスキャナにより走査され、対物光学系によって試料に集光されることにより、試料における励起光の集光点において蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。発生した蛍光および試料からの励起光の反射光は対物光学系によって集光された後に検出器により検出され、検出された蛍光の強度と走査位置とを対応づけることにより蛍光画像が生成される。 According to this aspect, the excitation light from the light source is scanned by the scanner and condensed on the sample by the objective optical system, whereby the fluorescent material is excited at the condensing point of the excitation light on the sample to generate fluorescence. The generated fluorescence and the reflected light of the excitation light from the sample are collected by the objective optical system and detected by the detector, and a fluorescence image is generated by correlating the detected fluorescence intensity with the scanning position.
この場合において、蛍光分布取得部により、集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布が取得され、取得された蛍光分布に基づいて設定部により、切替部における非共役な位置関係が設定される。そして、切替部の作動により、検出器の前段に設けられた遮光部材と試料における励起光の集光点との位置関係が共役な位置関係に切り替えられると、焦点蛍光および焦点外蛍光とが検出器により検出される。 In this case, the fluorescence distribution acquiring unit acquires the fluorescence distribution at a position optically conjugate with the condensing point, and the setting unit sets the non-conjugated positional relationship in the switching unit based on the acquired fluorescence distribution. Ru. Then, when the positional relationship between the light shielding member provided in the front stage of the detector and the focusing point of the excitation light in the sample is switched to a conjugate positional relationship by the operation of the switching unit, the focal fluorescence and the out-of-focus fluorescence are detected Detected by the
また、切替部の作動により、設定部により設定された非共役な位置関係に切り替えられると、焦点蛍光は遮光部材を通過できずに焦点外蛍光のみが検出器により検出される。そして、検出されたこれら蛍光信号の差分が演算されることにより、焦点外蛍光が除去された焦点蛍光を得ることができ、鮮明な蛍光画像を取得することができる。
すなわち、本態様によれば、集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布に基づいて、最適な非共役な位置関係を求められるので、操作者が煩雑な設定作業を行うことなく、焦点外蛍光が精度よく除去された焦点蛍光を得ることができる。したがって、操作者にかかる負担を軽減することができる。Further, when the switching unit is switched to the non-conjugated positional relationship set by the setting unit, the focal fluorescence can not pass through the light shielding member, and only the out-of-focus fluorescence is detected by the detector. Then, by calculating the difference between the detected fluorescence signals, it is possible to obtain the focused fluorescence from which the out-of-focus fluorescence has been removed, and to obtain a clear fluorescence image.
That is, according to the present aspect, since the optimal non-conjugated positional relationship can be obtained based on the fluorescence distribution at a position optically conjugate with the focusing point, the operator does not have to perform complicated setting operations. It is possible to obtain focal fluorescence in which the external fluorescence is accurately removed. Therefore, the burden on the operator can be reduced.
上記態様においては、前記設定部が、前記蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布を焦点蛍光と焦点外蛍光とに分離し、前記焦点蛍光が所定の閾値以下になりかつ前記集光点と光学的に共役な位置に最も近い位置関係を、前記切替部における非共役な位置関係として設定してもよい。 In the above aspect, the setting unit separates the fluorescence distribution acquired by the fluorescence distribution acquiring unit into focal fluorescence and off-focus fluorescence, and the focal fluorescence becomes equal to or less than a predetermined threshold value and the focusing point. The positional relationship closest to the optically conjugate position may be set as the non-conjugated positional relationship in the switching unit.
共役な位置関係からずれればずれるほど、非共役の度合いが強くなって、取得される焦点蛍光はゼロに近づくが、取得される焦点外蛍光は、遮光部材と試料における集光点とが光学的に共役な位置関係である場合に検出器により検出される焦点外蛍光とは相違するものとなる。このようにすることで、遮光部材と試料における集光点とが光学的に共役な位置関係である場合に検出器により検出される焦点外蛍光に等しくかつ焦点蛍光が含まれていない蛍光を検出することができ、差分によって精度よく焦点外蛍光を除去した焦点蛍光を得ることができる。 As the position deviates from the conjugate positional relationship, the degree of non-conjugateness becomes stronger, and the acquired focal fluorescence approaches zero, but the acquired out-of-focus fluorescence is an optical property of the light-shielding member and the condensing point of the sample. The out-of-focus fluorescence detected by the detector in the case of a substantially conjugate positional relationship is different. By doing this, when the light blocking member and the light condensing point in the sample are in an optically conjugate positional relationship, the fluorescence which is equal to the out-of-focus fluorescence detected by the detector and does not contain the focal fluorescence is detected It is possible to obtain focused fluorescence from which off-focus fluorescence has been precisely removed by subtraction.
また、上記態様においては、前記設定部が、前記蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布を所定の分布モデルに当てはめて、焦点蛍光と焦点外蛍光とを分離してもよい。
このようにすることで、蛍光分布を所定の分布モデルに当てはめるだけで、焦点蛍光と焦点外蛍光とを簡易に分離することができ、適正な非共役な位置関係を設定することができる。In the above aspect, the setting unit may separate the focal fluorescence and the off-focus fluorescence by applying the fluorescence distribution acquired by the fluorescence distribution acquisition unit to a predetermined distribution model.
By so doing, it is possible to easily separate the in-focus fluorescence and the out-of-focus fluorescence only by applying the fluorescence distribution to a predetermined distribution model, and to set an appropriate non-conjugated positional relationship.
また、上記態様においては、前記蛍光分布取得部が、前記試料における前記励起光の前記集光点と前記遮光部材との位置関係を変化させたときに、前記検出器により検出される前記信号光である蛍光の強度に基づいて前記蛍光分布を取得してもよい。
このようにすることで、顕微鏡の基本構成によって蛍光分布を取得することができる。Further, in the above aspect, the signal light detected by the detector when the fluorescence distribution acquiring unit changes the positional relationship between the condensing point of the excitation light in the sample and the light shielding member. The fluorescence distribution may be obtained based on the intensity of the fluorescence.
By doing this, the fluorescence distribution can be obtained by the basic configuration of the microscope.
また、上記態様においては、前記蛍光分布取得部が、前記遮光部材と前記試料における前記励起光の前記集光点との位置関係が共役な位置関係にあるとき、および異なる2点の非共役な位置関係にあるときに取得された蛍光の強度に基づいて前記蛍光分布を取得してもよい。
このようにすることで、最低限、共役な位置関係、非共役な度合いの高い位置関係および、共役な位置関係に近く非共役な度合いの低い位置関係の3点において、蛍光強度を取得することにより、設定部によって焦点蛍光と焦点外蛍光とを精度よく分離可能な非共役な位置関係を簡易に設定することができる。Further, in the above aspect, when the positional relationship between the light blocking member and the focusing point of the excitation light in the sample is in a conjugate positional relationship, the fluorescence distribution acquiring unit has two different non-conjugated positions. The fluorescence distribution may be acquired based on the intensity of the fluorescence acquired when in a positional relationship.
By doing this, it is necessary to obtain fluorescence intensities at least at three points of the conjugate positional relationship, the high non-conjugated positional relationship, and the non-conjugated positional relationship close to the conjugated positional relationship. Accordingly, it is possible to easily set a non-conjugated positional relationship in which the focusing fluorescence and the out-of-focus fluorescence can be separated with high accuracy by the setting unit.
また、上記態様においては、前記蛍光分布取得部が、前記対物光学系と前記励起光の波長とにより決定される前記集光点における前記励起光のスポット径の理論的な大きさに基づいて、前記蛍光の強度を取得する前記遮光部材と前記試料における前記励起光の前記集光点との位置関係を設定してもよい。
このようにすることで、非共役の度合いについてはスポット径の理論的な大きさによって決定することができ、これにより、設定部によって焦点蛍光と焦点外蛍光とを精度よく分離可能な非共役な位置関係を簡易に設定することができる。Further, in the above aspect, the fluorescence distribution acquisition unit is based on the theoretical size of the spot diameter of the excitation light at the focusing point determined by the objective optical system and the wavelength of the excitation light. The positional relationship between the light shielding member for acquiring the intensity of the fluorescence and the focusing point of the excitation light in the sample may be set.
In this way, the degree of non-conjugation can be determined by the theoretical size of the spot diameter, whereby non-conjugation that allows the setting portion to separate focal fluorescence and out-of-focus fluorescence accurately The positional relationship can be set easily.
また、上記態様においては、前記蛍光分布取得部が、前記試料における前記励起光の前記集光点と光学的に共役な位置に配置された2次元センサであってもよい。
このようにすることで、蛍光分布を一度に取得でき、設定部によって焦点蛍光と焦点外蛍光とを精度よく分離可能な非共役な位置関係を高速に設定することができる。In the above aspect, the fluorescence distribution acquisition unit may be a two-dimensional sensor disposed at a position optically conjugate with the focusing point of the excitation light in the sample.
In this way, the fluorescence distribution can be acquired at one time, and the setting unit can quickly set a non-conjugated positional relationship that can accurately separate the focal fluorescence and the out-of-focus fluorescence.
また、上記態様においては、前記蛍光分布取得部が、複数点において前記蛍光分布を取得し、前記設定部が、複数の前記蛍光分布の平均に基づいて前記切替部における前記非共役な位置関係を設定してもよい。
このようにすることで、蛍光画像を取得することなく、簡易に、設定部によって焦点蛍光と焦点外蛍光とを精度よく分離可能な非共役な位置関係を設定することができ、試料への励起光の照射時間を低減して試料のダメージを軽減することができる。In the above aspect, the fluorescence distribution acquisition unit acquires the fluorescence distribution at a plurality of points, and the setting unit determines the non-conjugated positional relationship in the switching unit based on an average of the plurality of fluorescence distributions. It may be set.
By doing this, it is possible to easily set a non-conjugated positional relationship capable of accurately separating the focal fluorescence and the out-of-focus fluorescence by the setting unit without acquiring a fluorescence image, and excitation of the sample is achieved. The light irradiation time can be reduced to reduce the damage to the sample.
本発明によれば、共焦点ピンホールと励起光の集光点とが光学的に非共役な位置関係となる最適点を自動設定して、操作者にかかる負担を軽減することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to automatically set the optimum point at which the confocal pinhole and the focusing point of the excitation light are in an optically non-conjugated positional relationship, thereby reducing the burden on the operator. Play.
本発明の一実施形態に係る顕微鏡1について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡1は、図1に示されるように、レーザ光源2からの励起光を交互に射出される2種類の励起光に切り替える切替部3と、該切替部3により切り替えられた2種類の励起光を試料Aに照射して、試料Aにおいて発生した蛍光を検出する顕微鏡本体4と、該顕微鏡本体4において検出された蛍光を用いて演算により画像を生成する演算部5と、該演算部5により生成された画像を表示するモニタ6とを備えている。A
The
顕微鏡本体4は、切替部3からの励起光を2次元的に走査するスキャナ7と、該スキャナ7により走査された励起光を試料Aに集光し、試料Aからの蛍光(信号光)を集光する対物レンズ(対物光学系)8と、該対物レンズ8により集光され、スキャナ7を経由して戻る蛍光を励起光の光路から分岐するダイクロイックミラー9と、該ダイクロイックミラー9によって分岐された蛍光を集光する結像レンズ10と、対物レンズ8の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されたピンホール(遮光部材)11と、該ピンホール11を通過した蛍光を検出する光検出器(検出器)12とを備えている。
The microscope main body 4 two-dimensionally scans the excitation light from the
なお、遮光部材としてピンホール11を例示したが、これに代えて、対物レンズ8の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されたときに焦点蛍光を通過させ、非共役な位置に配置されたときに焦点蛍光を遮断する任意の遮光部材を採用してもよい。その他、遮光部材としてはマイクロミラーデバイスや空間光変調器が挙げられる。
In addition, although the
スキャナ7は、例えば、非平行な軸線回りに揺動可能な2枚のガルバノミラーを近接配置してなる近接ガルバノミラーである。
光検出器12は、例えば、光電子増倍管(PMT)である。The
The
レーザ光源2は、励起光を連続的に射出する光源である。
切替部3は、図1に示されるように、揺動角度を変化させる可動ミラー(偏向素子)13と、該可動ミラー13を駆動する駆動制御部14とを備えている。The
As illustrated in FIG. 1, the
駆動制御部14には、設定部16が接続されるとともに、設定部16には入力部17および分布取得部(蛍光分布取得部)18が接続されている。入力部17は、設定モードと撮影モードの2つの動作モードを選択する入力を行うキーボード、マウスあるいはGUIにより構成されている。設定部16は、入力部17からの入力に基づいて、駆動制御部14を2つの動作モードのいずれかによって動作させるように設定するようになっている。
The
設定部16は、入力部17から設定モードが選択された場合には、予め設定されているシフト量だけ、可動ミラー13を駆動してレーザ光束をシフトさせるように駆動制御部14を動作させる一方、撮影モードが選択された場合には、所定の周波数を発振する周波数発振器として駆動制御部14を機能させるようになっている。
ここで、予め設定されているシフト量xは、図2Aおよび図3に示されるように、集光点とピンホール11とが光学的に共役な位置関係となるシフト量ゼロの第1シフト量x1、集光点とピンホール11とが部分的に光学的に非共役な位置関係となる第2シフト量x2および集光点とピンホール11とが十分に光学的に非共役な位置関係となる第3シフト量x3である。When the setting mode is selected from the
Here, as shown in FIG. 2A and FIG. 3, the shift amount x set in advance is the first shift amount of the shift amount zero where the focusing point and the
さらに具体的には、設定モードにおいては、設定部16は、予め設定された3つのシフト量を達成可能な角度に可動ミラー13を設定するように駆動制御部14に指令するとともに、可動ミラー13の各角度において光検出器12により検出された蛍光の強度を分布取得部18に記憶させるようになっている。
分布取得部18は、可動ミラー13の3つの各角度を達成可能なシフト量xと、各角度において取得された蛍光強度とを対応づけた蛍光分布を生成するようになっている。More specifically, in the setting mode, the setting
The
すなわち、対物レンズ8による励起光の集光点とピンホール11の位置関係が光学的に共役な位置に配置されている場合には、光検出器12により検出される蛍光においては、図2Bに示されるように、焦点から発生する焦点蛍光が大きく支配的である一方、焦点以外の位置において発生した焦点外蛍光も含まれている。そして、集光点とピンホール11の位置関係が光学的に共役な位置からずれていくと、焦点蛍光は減少するが、焦点外蛍光はあまり変化しない。
That is, when the positional relationship between the condensing point of the excitation light by the
設定部16は、分布取得部18により取得された蛍光分布から、焦点蛍光をほとんど含まず焦点外蛍光が支配的である蛍光を検出可能な集光点とピンホール11との位置関係を達成可能な可動ミラー13の角度、すなわち、図2Bにおける符号xPのシフト量の達成可能な角度を算出するようになっている。
符号xPのシフト量を達成可能な角度の算出方法は、分布取得部18により生成された3点からなる蛍光分布を、例えば、ガウス関数等の分布モデルにフィッティングして最適位置を探す方法を挙げることができる。The setting
As a method of calculating the angle capable of achieving the shift amount of the code x P, a method of searching for the optimum position by fitting the fluorescence distribution consisting of three points generated by the
すなわち、ガウス関数へのフィッティングを行うと、次式により表すことができる。
L=Pexp(−x2/2w2)+Q
ここで、Pは焦点内蛍光強度、Qは焦点外蛍光の強度である。xは励起光束のシフト量、w2は分散である。That is, when fitting to a Gaussian function is performed, it can be expressed by the following equation.
L = Pexp (−x 2 / 2w 2 ) + Q
Here, P is the in-focus fluorescence intensity, and Q is the out-of-focus fluorescence intensity. x is the shift amount of the excitation light flux, and w 2 is the dispersion.
これにより、第1項の焦点蛍光と第2項の焦点外蛍光とを分離することができ、第1項の大きさが、例えば、閾値=0.01P以下となる最小のシフト量x=xPを切替部3による最適な非共役な位置関係として設定することができる。なお、0.01は焦点蛍光が1%まで減少したことを意味しているが、この値は、任意に設定することができる。Thereby, it is possible to separate the focal fluorescence of the first term and the off-focus fluorescence of the second term, and for example, the minimum shift amount x = x at which the magnitude of the first term is equal to or less than threshold value 0.01P. P can be set as an optimal non-conjugated positional relationship by the
そして、設定部16は、算出した最適な非共役な位置関係を達成可能なシフト量x=xPに対応する可動ミラー13の角度および共役な位置関係を達成可能なシフト量x=0に対応する可動ミラー13の角度を、撮影モードにおける可動ミラー13の角度として駆動制御部14に設定するようになっている。Then, the setting
撮影モードにおいては、駆動制御部14は、所定の周波数を発振し、発振された周波数に同期して、可動ミラー13の角度を、設定部16により設定された2つの角度に交互に切り替えるようになっている。図中符号15はミラーである。なお、偏向素子として可動ミラー13を例示したが、音響光学偏向器や電気光学偏向器などのデバイスを使用することもできる。
In the imaging mode, the
これにより、撮影モードにおいては、顕微鏡本体4に対して、入射角度の異なる2種類の励起光が交互に入射させられるようになっている。すなわち、顕微鏡本体4に入射してくる2種類の励起光は、図4Aおよび図4Bに示されるように、反転したタイミングを有する矩形波状に形成されている。なお、ここでは2種類の励起光として反転したタイミングを有する矩形波状の光を例示したが、これに代えて、正弦波状等の任意の繰り返し形状を有し、位相の異なる励起光を採用してもよい。 As a result, in the imaging mode, two types of excitation light with different incident angles are alternately made to be incident on the microscope main body 4. That is, as shown in FIGS. 4A and 4B, the two types of excitation light incident on the microscope main body 4 are formed in a rectangular wave shape having inverted timing. In addition, although the rectangular wave light which has the timing inverted as two types of excitation light was illustrated here, it replaces with this and it has arbitrary repeating shapes, such as a sine wave, and employ | adopts excitation light from which a phase differs. It is also good.
図4Aに示される一方の励起光は、スキャナ7および対物レンズ8を介してピンホール11と光学的に共役な位置に焦点を結び、図4Bに示される他方の励起光は、スキャナ7および対物レンズ8を介してピンホール11と光学的に非共役な位置に焦点を結ぶようになっている。入射角度の切替周波数は、各画素位置において2種類の励起光を少なくとも1回明滅させることができる周波数に設定されている。
One excitation light shown in FIG. 4A focuses on a position optically conjugate with the
2種類の励起光は交互に試料Aに照射されるので、発生する蛍光も、交互に異なる時刻に光検出器12により検出されるようになっている。
演算部5は、同一の画素位置において、光検出器12により検出された、2種類の励起光により発生した蛍光の強度の差分を算出するようになっている。演算部5は、例えば、ロックインアンプ(図示略)を備えている。Since the two types of excitation light are alternately irradiated to the sample A, the generated fluorescence is also detected by the
The
ロックインアンプは、励起光を明滅させるための駆動制御部14により発生された周波数に同期して光検出器12から出力された2種類の蛍光信号の差分をハードウェア的に算出するようになっている。
そして、演算部5は、画素毎に算出された差分とスキャナ7による走査位置とを対応づけて記憶することにより、画像を生成するようになっている。The lock-in amplifier is configured to calculate the difference between the two types of fluorescence signals output from the
Then, the
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡1の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡1を用いて試料Aの蛍光観察を行うには、顕微鏡本体4のステージ(図示略)に試料Aを配置して、対物レンズ8の焦点位置を試料Aに一致するように調節した状態で、レーザ光源2から連続した励起光を発生させる。The operation of the
In order to perform fluorescence observation of the sample A using the
そして、入力部17において設定モードが選択されたときには、設定部16が、駆動制御部14に対して、集光点とピンホール11とが共役となるシフト量x1および非共役の度合いの異なる2つのシフト量x2,x3に対応する3つの角度に可動ミラー13の角度を設定し、それぞれの角度において光検出器12により検出された蛍光強度とシフト量xとが、分布取得部18により対応づけられて、蛍光分布が生成される。
Then, when the setting mode is selected in the
生成された蛍光分布は設定部16に送られる。設定部16においては、送られてきた蛍光分布が、ガウス分布に当てはめられて、共役な位置関係となるシフト量x=0および最適な非共役な位置関係となるシフト量x=xPに対応する可動ミラー13の角度が算出される。
設定部16は、入力部17において撮影モードが選択されると、算出された可動ミラー13の角度を駆動制御部14により切り替えられる可動ミラー13の角度として設定する。The generated fluorescence distribution is sent to the
When the photographing mode is selected in the
撮影モードにおいては、駆動制御部14は、該駆動制御部14により発振された所定の周波数に従って、設定部16により設定された2つの角度に可動ミラー13の角度を交互に変化させることにより、顕微鏡本体4に、入射角度の異なる2種類の励起光を交互に入射させる。
In the photographing mode, the
その結果、一方の励起光に含まれる焦点蛍光は、ピンホール11と共役な試料A内の位置に集光させられるので、その焦点位置近傍において発生した蛍光が、対物レンズ8によって集光され、スキャナ7を経由して戻る途中でダイクロイックミラー9によって分離され、結像レンズ10によって集光されてピンホール11を通過し、光検出器12により検出される。
As a result, since the focal fluorescence contained in one excitation light is condensed at a position in the sample A conjugate to the
この場合において、試料Aに励起光が照射されると、励起光は対物レンズ8の焦点位置に至る経路の途中においても試料Aを通過することにより蛍光物質を励起するので、蛍光は対物レンズ8の焦点位置のみならず該焦点位置に至る経路の途中においても発生する。特に、試料Aが散乱物質からなる場合には、励起光の散乱により蛍光が焦点位置以外の部位において蛍光が発生し易い。
In this case, when the sample A is irradiated with the excitation light, the excitation light excites the fluorescent material by passing through the sample A even on the way to the focal position of the
また、特に、高精細な観察を行うために試料Aに入射される励起光のNAを増大させると、焦点位置に至るまでに励起光が通過する領域が増えるため、焦点位置以外の部位で発生する蛍光が増大する。また、同様に深部観察時にも励起光が通過する領域が増加するため焦点外蛍光が増加する。さらに深部観察には散乱の影響を補償するために励起光を強める必要があり焦点外蛍光の影響が特に顕著である。 Further, in particular, when the NA of the excitation light incident on the sample A is increased to perform high-definition observation, the region through which the excitation light passes before the focal position is increased. Fluorescence increases. In addition, similarly, the region through which the excitation light passes also increases during deep observation, so that the out-of-focus fluorescence increases. Furthermore, for deep observation, it is necessary to intensify the excitation light in order to compensate for the effects of scattering, and the effects of out-of-focus fluorescence are particularly remarkable.
試料Aにおいて発生した蛍光の内、対物レンズ8の焦点位置から発生した蛍光は、光学的に共役な位置に配置されているピンホール11を容易に通過するので光検出器12により信号光として検出されるが、焦点位置以外の部位から発生した蛍光はサンプルにより散乱され、その一部がピンホール11を通過して光検出器12によりノイズとして検出されてしまう。したがって、一方の励起光の照射により検出される蛍光には、対物レンズ8の焦点位置において発生した、信号として取得すべき焦点蛍光と、他の部位において発生した、信号として取得すべきでない焦点外蛍光とが含まれている。
Among the fluorescence generated in the sample A, the fluorescence generated from the focal position of the
また、他方の励起光は、試料A内のピンホール11とは非共役な位置に集光させられて、対物レンズ8の焦点位置および焦点位置に至るまでの経路の途中において蛍光物質を励起することにより蛍光を発生させる。
この場合において、非共役な焦点位置において発生した蛍光はピンホール11を通過することができずに遮断される一方、焦点位置以外の部位から発生した蛍光の一部はサンプルにより散乱され、先のステップ同様に同じピンホール11を通過して光検出器12により検出される。Also, the other excitation light is condensed at a position that is not conjugate with the
In this case, the fluorescence generated at the non-conjugated focal position is blocked without being able to pass through the
そして、本実施形態に係る顕微鏡1によれば、非共役な位置が最適に設定されているので、光検出器12により検出される蛍光内の焦点蛍光は99%削減されており、かつ、焦点外蛍光は、共役な位置関係において光検出器12により検出された焦点外蛍光とほぼ同等である。
したがって、演算部5において、これらの2種類の励起光の照射により検出された蛍光の差分が演算されることにより、対物レンズ8の焦点位置以外の部位において発生した、信号として取得すべきでない焦点外蛍光が除去された焦点蛍光を精度よく取得することができる。And according to the
Therefore, by calculating the difference between the fluorescence detected by the irradiation of these two types of excitation light in the
2種類の励起光が照射されることにより蛍光が発生する範囲は厳密には一致していないが、多くの部分において一致しているため、また同じピンホール11を用いて検出を行っていることにより、そのまま減算しても大部分の焦点外蛍光を除去することができる。特に、励起光のNAを大きくして高精細な観察を行う場合には、蛍光発生範囲の重複率が増大するので、さらに効果的に焦点外蛍光を除去することができる。
Although the range in which the fluorescence is generated by the irradiation of the two types of excitation light is not exactly the same, in many parts, the detection is performed using the
このように本実施形態に係る顕微鏡1によれば、対物レンズ8の焦点位置において発生した蛍光を高いS/N比で検出することができ、ノイズの少ない鮮明な画像を取得することができるという利点がある。特に、励起光のNAが大きな高精細の観察時、および、試料Aが強い散乱物質であって焦点外蛍光が発生し易い場合に効果が高い。そして、最適な非共役位置が自動的に設定されるので、操作者が手動で試料Aを撮影しながらピンホール11と蛍光光束との位置関係を調整する煩わしい作業が必要なく、操作者にかかる負担を軽減することができるという利点がある。
As described above, according to the
また、本実施形態においては、画素毎に極めて短い時間差で取得した2種類の蛍光の差分を演算しているので、高速に移動する試料Aであってもブレの少ない蛍光画像を取得することができるという利点がある。 Further, in the present embodiment, since the difference between the two types of fluorescence acquired with an extremely short time difference is calculated for each pixel, it is possible to acquire a fluorescence image with less blurring even with the sample A moving at high speed. It has the advantage of being able to
なお、本実施形態においては、遮光部材としてピンホール11を例示したが、これに代えて、対物レンズ8の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されたときに焦点蛍光を通過させ、非共役な位置に配置されたときに焦点蛍光を遮断する任意の遮光部材を採用してもよい。他の遮光部材としてはマイクロミラーデバイスや空間光変調器が挙げられる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態においては、光検出器12が検出する試料Aからの信号光として、蛍光のみを用いたものを例示したが、これに加えて、試料Aからの励起光の反射光を用いてもよい。試料Aからの励起光の反り光をイメージングすることにより、屈折率分布をイメージングすることができる。
Moreover, in this embodiment, although what used only fluorescence was illustrated as signal light from sample A which
切替部3を構成する偏向素子として可動ミラー13を例示したが、図5に示されるように、音響光学偏向器(音響光学素子、光束移動部)19や電気光学偏向器(電気光学素子、光束移動部)20などのデバイスを使用することもできる。これらのデバイス19,20も、駆動制御部14によって発振された所定の周波数に従って入力する電圧を切り替えることにより、可動ミラー13と同様に入力電圧に同期して蛍光光束の結像レンズ10への入射角度を変化させることができる。
The
設定部16は、設定モード時に、駆動制御部14によって発生する電圧を切り替えて分布取得部18により蛍光分布を取得させ、取得された蛍光分布に基づいて、撮影モード時にデバイス19,20に入力する電圧を設定する。これらのデバイス19,20によれば、可動ミラー13のような可動部分を含まないため、コンパクトかつ長寿命に構成することができる。
The setting
また、本実施形態においては、固定された遮光部材11に対して入射する蛍光光束の入射位置を時間的に切り替えることとしたが、これに代えて、蛍光光束を固定しておき、遮光部材21を蛍光光束の光軸Sに交差する方向に移動させることにしてもよい。
すなわち、遮光部材21として、図6Bに示されるように、周方向に間隔をあけて配列された複数のピンホール22を有する円板状のディスクを採用し、図6Aに示されるように、モータ(切替部)23によってディスク21を中心軸回りに回転させることにしてもよい。Further, in the present embodiment, the incident position of the fluorescent light flux incident on the fixed
That is, as shown in FIG. 6B, a disk-shaped disc having a plurality of
このようにすることで、結像レンズ10による蛍光の集光位置をディスク21に一致させておき、モータ23によってディスク21を回転させることにより、蛍光の光軸Sにピンホール22が一致する状態と一致しない状態とを交互に繰り返すことができる。すなわち、蛍光の光軸Sにいずれかのピンホール22が一致した状態で、試料Aにおける励起光の集光点とピンホール22とが光学的に共役な位置関係となり、蛍光の光軸Sに対していずれのピンホール22も一致していない状態で、試料Aにおける励起光の集光点とピンホール22とが光学的に非共役な位置関係となる。
By doing this, the fluorescent light focusing position by the
本実施形態においては、蛍光の光軸Sにピンホール22が一致した位置、部分的に一致している位置および完全に一致していない位置の3箇所で取得した蛍光強度に基づいて蛍光分布を生成し、生成された蛍光分布に基づいて非共役な位置として設定される最適なディスク21の位置を設定することにより、焦点外蛍光を精度よく除去することができる。
In the present embodiment, the fluorescence distribution is determined based on the fluorescence intensities acquired at three positions where the
これにより、光学的に共役な位置関係と光学的に非共役な位置関係とを時間的に交互に形成し、焦点蛍光を精度よく検出するための2種類の蛍光を同一の光検出器12によって、順次検出することができる。また、ディスク21を高速に回転させることにより、2つの位置関係をより高速に切り替えることができるという利点がある。
As a result, the optically conjugate positional relationship and the optically non-conjugated positional relationship are alternately formed temporally, and two types of fluorescence for detecting focal fluorescence with high accuracy by the
また、本実施形態においては、蛍光光束をピンホール22に対して光軸Sに交差する方向に移動させる場合について例示したが、これに代えて、ピンホール22を蛍光光束に対して移動させることにしてもよい。
また、図7に示されるように、レーザ光源2から試料Aに入射される励起光の入射角度を異ならせることにより、非共役な位置関係を達成してもよい。その場合に、レーザ光源2とダイクロイックミラー9との間に配置された可動ミラー30によって励起光の入射角度を変化させる場合に、試料Aにおける集光点の位置がずれないように、スキャナ7を連動して動作させる必要がある。この場合、駆動制御部14が可動ミラー30を駆動させると、可動ミラー30が揺動してレーザ光束をシフトさせるようになっている。符号31は、レーザ光源2から可動ミラー30への励起光の光路を形成するためのミラーである。Further, in the present embodiment, the case where the fluorescent light flux is moved in the direction intersecting the optical axis S with respect to the
Further, as shown in FIG. 7, the non-conjugated positional relationship may be achieved by making the incident angles of the excitation light incident on the sample A from the
また、当てはめを行う分布モデルとしては、ガウス関数に限定されるものではなく、ローレンツ関数あるいはフォークト関数を用いてもよい。また、共役な位置関係となるシフト量x1=0、非共役な位置関係となるシフト量x2,x3の3点について蛍光強度を検出することとしたが、これに代えて、4点以上のシフト量において蛍光強度を検出して蛍光分布を生成することにしてもよい。これにより、分布モデルへの当てはめの精度を向上することができる。 Further, the distribution model to be fitted is not limited to the Gaussian function, and Lorentz function or Voigt function may be used. In addition, although it has been decided to detect the fluorescence intensity at three points of shift amount x1 = 0 which is a conjugate positional relationship and shift amounts x2 and x3 which is a non-conjugate positional relationship, it is replaced by four or more shifts The fluorescence intensity may be detected in quantity to generate a fluorescence distribution. This can improve the accuracy of fitting to the distribution model.
また、試料Aにおける1箇所において蛍光分布を取得してもよいし、2箇所以上において取得された蛍光強度を平均して蛍光分布を生成してもよい。
また、x=x2,x3について予め設定しておくこととしたが、その目安として、励起光のスポット径の理論的な大きさを表す単位であるエアリ(AIRY)を用いてもよい。In addition, the fluorescence distribution may be obtained at one place in the sample A, or the fluorescence intensities obtained at two or more places may be averaged to generate the fluorescence distribution.
In addition, although x = x2 and x3 are set in advance, Airy (AIRY), which is a unit representing the theoretical size of the spot diameter of the excitation light, may be used as a standard.
すなわち、対物レンズ8のNAおよび波長λによって定まる焦点サイズ(励起光のスポット径)およびピンホールサイズを1エアリとしたときに、シフト量x2=0.5エアリ、シフト量x3=5エアリのように設定しておくことにすればよい。このようにすることで、3点の蛍光分布によって精度よく、非共役な位置関係を最適化したシフト量を算出することができる。
That is, when the focal point size (spot diameter of excitation light) and the pinhole size determined by the NA of the
また、本実施形態においては、設定モードにおけるシフト量の設定の際にも、顕微鏡本体4に備えられた光検出器12を用いて検出された蛍光強度を用いることとした。これにより、顕微鏡本体4の基本構成に、新たなデバイスを追加することなく、蛍光分布を生成することができる。
Further, in the present embodiment, also when setting the shift amount in the setting mode, the fluorescence intensity detected using the
これに代えて、図8に示されるように、試料Aからの蛍光の一部を分岐するハーフミラー24と、分岐された蛍光を、ピンホール11と光学的に共役な位置において撮像するカメラ(蛍光分布取得部)25のような2次元センサとを備えていてもよい。図中、符号26は集光レンズである。
このようにすることで、カメラ25によって2次元的な蛍光分布を一度に取得でき、設定モードにおける蛍光分布取得時に、蛍光光束あるいはピンホール11のシフトが不要となるので短時間で処理することができるという利点がある。Instead of this, as shown in FIG. 8, a
In this way, two-dimensional fluorescence distribution can be acquired at one time by the
また、本実施形態においては、蛍光光束とピンホール11とを蛍光光束の光軸Sに交差する方向に相対的に移動させる場合について説明したが、これに代えて、図9に示されるように、蛍光光束とピンホール11とを蛍光光束の光軸Sに沿う方向に相対的に移動させることにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the fluorescent light flux and the
すなわち、図9に示す例では、音響光学偏向器19あるいは電気光学偏向器20に代えて、音響光学レンズ27を採用している。音響光学レンズ27は、入力される電圧に応じて、屈折力を変化させるレンズであり、周波数発振器28による周波数に同期して屈折力を切り替えることにより、結像レンズ10による蛍光の結像位置をピンホール11に一致する位置とピンホール11から光軸方向にずれた位置とで切り替えることができる。
この場合においても、最適な非共役な位置関係が存在し、最適な位置関係に設定することで、焦点外蛍光を精度よく除去することができる。That is, in the example shown in FIG. 9, an acousto-
Also in this case, the optimal non-conjugated positional relationship exists, and by setting the optimal positional relationship, the out-of-focus fluorescence can be accurately removed.
1 顕微鏡
2 レーザ光源(光源)
3 切替部
7 スキャナ
8 対物レンズ(対物光学系)
11 ピンホール(遮光部材)
12 光検出器(検出器)
16 設定部
18 分布取得部(蛍光分布取得部)
23 モータ(切替部)
25 カメラ(2次元センサ、蛍光分布取得部)
A 試料1
3 switching
11 Pinhole (light blocking member)
12 light detector (detector)
16
23 Motor (switching unit)
25 cameras (two-dimensional sensor, fluorescence distribution acquisition unit)
A sample
本発明の一態様は、光源からの励起光を走査するスキャナと、該スキャナにより走査される前記励起光を試料に集光する一方、各走査位置で前記試料において発生した信号光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された前記信号光を検出する検出器と、該検出器と前記対物光学系との間に配置され該対物光学系により集光された前記信号光を部分的に遮断する遮光部材と、該遮光部材と前記試料における前記励起光の集光点との位置関係を、光学的に共役な位置関係と、光学的に非共役な位置関係とに時間的に切り替える切替部と、前記集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布を取得する蛍光分布取得部と、該蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布に基づいて、前記切替部における前記非共役な位置関係を設定する設定部とを備え、該設定部が、前記蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布を所定の分布モデルに当てはめて、焦点蛍光と焦点外蛍光とを分離する顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a scanner for scanning excitation light from a light source, and condensing the excitation light scanned by the scanner on a sample while collecting signal light generated on the sample at each scanning position An objective optical system, a detector for detecting the signal light collected by the objective optical system, the signal light disposed between the detector and the objective optical system and collected by the objective optical system The position relationship between the light blocking member that partially blocks the light, the light blocking member and the focusing point of the excitation light in the sample is an optically conjugate position relationship and an optically non-conjugated position relationship. In the switching unit based on the fluorescence distribution acquired by the fluorescence distribution acquiring unit, and a fluorescence distribution acquiring unit acquiring the fluorescence distribution at a position optically conjugate with the focusing point, and Set the non-conjugated positional relationship And a setting unit, the setting unit, said fitting fluorescence distribution the fluorescence distribution obtained by the obtaining unit to a predetermined distribution model is a microscope you separate the focal fluorescence and out of focus fluorescence.
また、蛍光分布を所定の分布モデルに当てはめるだけで、焦点蛍光と焦点外蛍光とを簡易に分離することができ、適正な非共役な位置関係を設定することができる。 Further, it is possible to easily separate the in-focus fluorescence and the out-of-focus fluorescence only by applying the fluorescence distribution to a predetermined distribution model, and to set an appropriate non-conjugated positional relationship .
上記態様においては、前記設定部が、前記焦点蛍光が所定の閾値以下になりかつ前記集光点と光学的に共役な位置に最も近い位置関係を、前記切替部における非共役な位置関係として設定してもよい。 In the above aspect, the setting unit sets, as the non-conjugated positional relationship in the switching unit, a positional relationship in which the focal fluorescence becomes equal to or less than a predetermined threshold and is closest to a position optically conjugate with the focusing point. You may
共役な位置関係からずれればずれるほど、非共役の度合いが強くなって、取得される焦点蛍光はゼロに近づくが、取得される焦点外蛍光は、遮光部材と試料における集光点とが光学的に共役な位置関係である場合に検出器により検出される焦点外蛍光とは相違するものとなる。このようにすることで、遮光部材と試料における集光点とが光学的に共役な位置関係である場合に検出器により検出される焦点外蛍光に等しくかつ焦点蛍光が含まれていない蛍光を検出することができ、差分によって精度よく焦点外蛍光を除去した焦点蛍光を得ることができる。 As the position deviates from the conjugate positional relationship, the degree of non-conjugateness becomes stronger, and the acquired focal fluorescence approaches zero, but the acquired out-of-focus fluorescence is an optical property of the light-shielding member and the condensing point of the sample. The out-of-focus fluorescence detected by the detector in the case of a substantially conjugate positional relationship is different. By doing this, when the light blocking member and the light condensing point in the sample are in an optically conjugate positional relationship, the fluorescence which is equal to the out-of-focus fluorescence detected by the detector and does not contain the focal fluorescence is detected it can be can Rukoto give focus fluorescence accurately remove off-focal fluorescence by the difference.
Claims (8)
該スキャナにより走査される前記励起光を試料に集光する一方、各走査位置で前記試料において発生した信号光を集光する対物光学系と、
該対物光学系により集光された前記信号光を検出する検出器と、
該検出器と前記対物光学系との間に配置され該対物光学系により集光された前記信号光を部分的に遮断する遮光部材と、
該遮光部材と前記試料における前記励起光の集光点との位置関係を、光学的に共役な位置関係と、光学的に非共役な位置関係とに時間的に切り替える切替部と、
前記集光点と光学的に共役な位置における蛍光分布を取得する蛍光分布取得部と、
該蛍光分布取得部により取得された前記蛍光分布に基づいて、前記切替部における前記非共役な位置関係を設定する設定部とを備える顕微鏡。A scanner for scanning excitation light from a light source;
An objective optical system which condenses the excitation light scanned by the scanner onto a sample while condensing signal light generated on the sample at each scanning position;
A detector for detecting the signal light collected by the objective optical system;
A light shielding member disposed between the detector and the objective optical system and partially blocking the signal light collected by the objective optical system;
A switching unit for temporally switching the positional relationship between the light blocking member and the focusing point of the excitation light in the sample to an optically conjugate positional relationship and an optically non-conjugated positional relationship;
A fluorescence distribution acquisition unit for acquiring a fluorescence distribution at a position optically conjugate with the focusing point;
A setting unit configured to set the non-conjugated positional relationship in the switching unit based on the fluorescence distribution acquired by the fluorescence distribution acquiring unit.
前記設定部が、複数の前記蛍光分布の平均に基づいて前記切替部における前記非共役な位置関係を設定する請求項1から請求項7のいずれかに記載の顕微鏡。The fluorescence distribution acquisition unit acquires the fluorescence distribution at a plurality of points,
The microscope according to any one of claims 1 to 7, wherein the setting unit sets the non-conjugated positional relationship in the switching unit based on an average of a plurality of the fluorescence distributions.
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