WO2015064098A1 - 全反射顕微鏡 - Google Patents

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WO2015064098A1
WO2015064098A1 PCT/JP2014/005474 JP2014005474W WO2015064098A1 WO 2015064098 A1 WO2015064098 A1 WO 2015064098A1 JP 2014005474 W JP2014005474 W JP 2014005474W WO 2015064098 A1 WO2015064098 A1 WO 2015064098A1
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WO
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light
total reflection
incident angle
unit
optical axis
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PCT/JP2014/005474
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喬之 森田
鈴木　昭俊
小林　智子
恵太 益田
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株式会社ニコン
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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    • G02B21/00—Microscopes
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    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence

Definitions

  • the present invention relates to a total reflection microscope.
  • the position of the illumination light at the entrance pupil of the objective lens is detected by a CCD or a position-division photodiode (PSD) to calculate and guarantee the total reflection angle (for example, patent document) 1).
  • the position accuracy of the illumination light depends on the resolution of the detection element and the projection magnification of the entrance pupil of the objective lens with respect to the detection element.
  • an expensive detection element with high resolution is used or the projection magnification is increased. Therefore, the detection optical system can only be increased in size.
  • the projection magnification is increased, it is necessary to increase the size of the detection element, resulting in an increase in cost.
  • the position detection resolution of a general CCD or PSD is about several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and this is multiplied by the reciprocal of the projection magnification from the entrance pupil of the objective lens to the detection element. This corresponds to the detection accuracy of the illumination light condensing position in the pupil. That is, the higher the projection magnification, the higher the position detection accuracy.
  • the entrance pupil of a 60x to 100x objective lens used for total reflection microscope observation has a diameter of about 6 to 10 mm, and there are generally few detection elements of a size that can be projected at a magnification of 2 or 3 times. It becomes expensive.
  • the difference in the condensing position at the entrance pupil of the objective lens affects the observation image even if it is about several ⁇ m, and changes the penetration depth of the evanescent field.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a total reflection microscope that can accurately control the illumination angle of the total reflection microscope with a simple configuration.
  • a total reflection microscope relays light from a light source with a relay optical system to form an image of the light source on or near an entrance pupil plane of an objective lens, and the light is
  • a total reflection microscope having an illumination optical system that irradiates a specimen through an objective lens, an incident angle adjustment unit that changes a position of an image of the light source in a direction orthogonal to an optical axis, and the light is reflected by the specimen
  • a light detection unit that detects the intensity of the return light collected by the objective lens
  • a control unit that determines an operation amount of the incident angle adjustment unit, and the control unit adjusts the incident angle.
  • the operating amount of the incident angle adjusting unit is determined based on a change in the intensity of the return light when the unit is changed.
  • the optical system further includes a focus lens unit that changes the position of the image of the light source in the optical axis direction, and the control unit changes the incident angle adjustment unit and the focus lens unit. It is preferable that the operation amounts of the incident angle adjustment unit and the focus lens unit are determined based on a change in the intensity of the return light.
  • control unit is configured to change the incident angle so that the light is totally reflected by the sample based on a change in the intensity of the return light when the incident angle adjustment unit is changed.
  • the operation amount of the adjustment unit is determined, and the operation amount of the focus lens unit is determined so that the light becomes parallel light based on a change in the intensity of the return light when the focus lens unit is changed. It is preferable.
  • the controller may position the light source image in a direction orthogonal to the optical axis direction at or near the entrance pupil of the objective lens so that the light is totally reflected by the sample. It is preferable to adjust the position of the light source image in the optical axis direction at or near the entrance pupil of the objective lens so that the light becomes parallel light.
  • control unit specifies a boundary between total reflection in the sample and non-total reflection in the sample based on a change in the intensity of the return light.
  • control unit includes a change amount of the incident angle adjustment unit or an optical axis of the relay optical system that changes with an operation of the incident angle adjustment unit. It is preferable to calculate an incident angle of the light with respect to the sample based on a change amount of an angle formed by
  • control unit includes a change amount of the incident angle adjustment unit or an optical axis of the relay optical system that changes with an operation of the incident angle adjustment unit. It is preferable to calculate at least one of the refractive index of the sample and the penetration depth of the evanescent field based on the amount of change in the angle formed by.
  • control unit controls the incident angle adjustment unit so as to obtain a desired penetration depth of the evanescent field.
  • the light detection unit is disposed at a position conjugate with or near the entrance pupil plane.
  • control unit changes the amount of change of the incident angle adjustment unit or the principal axis of the light and the optical axis of the relay optical system that change with the operation of the incident angle adjustment unit. It is preferable to determine the position of the image of the light source in the entrance pupil plane based on the amount of change in the angle between
  • control unit determines at least three positions serving as a boundary between the total reflection and the non-total reflection within the entrance pupil plane, and a center of a circle that is the boundary from the position is determined. Is preferably determined.
  • control unit is configured to adjust the intensity of the return light when the focus lens unit changes the position of the image of the light source in the optical axis direction. It is preferable to detect a condensing state of the image of the light source.
  • the incident angle adjustment unit is disposed on the optical axis of the relay optical system and intersects with a position conjugate with the visual field of the objective lens or the vicinity thereof, and It is preferable to have a reflective surface that reflects, and to change the incident angle by changing an angle of the reflective surface with respect to the optical axis around a point that intersects the optical axis of the reflective surface.
  • the incident angle adjusting unit changes the incident angle by changing a distance from the optical axis of the light source within a plane orthogonal to the optical axis.
  • the incident angle adjustment unit changes the incident angle on the optical axis of the relay optical system and rotates around a position conjugate with or near the field of view of the objective lens. It is preferable to make it.
  • the illumination angle of the total reflection microscope can be accurately controlled with a simple configuration.
  • the total reflection microscope 100 applies the illumination light LI emitted from the light source 1 to the sample ground glass 17 placed on the sample ground glass 17 placed on a sample table (not shown) via the objective lens 11.
  • the illumination optical system 110 irradiating from the 17 side and the fluorescence LO generated from the specimen 12 excited by the illumination light LI are collected by the objective lens 11 and collected on the image pickup surface of the image pickup device 19 such as a CCD.
  • an imaging optical system 120 Note that the light source 1 in FIG. 1 may be an end face of an optical fiber that guides illumination light emitted from another light source device to the illumination optical system 110.
  • the objective lens 11 is a high NA objective lens capable of observation with a total reflection microscope.
  • the illumination optical system 110 sequentially reflects the illumination light LI emitted from the collimator lens 2 and the collimator lens 2 that changes the illumination light LI emitted from the light source 1 into a substantially parallel light beam from the light source 1 side.
  • the angle adjustment mirror 3 having a high angle resolution, which is an incident angle adjustment unit for adjusting the incident angle when the sample 12 is irradiated, and a focus for adjusting the parallelism of the illumination light LI irradiated to the sample 12
  • a lens unit 6, a relay lens 8 comprising at least two lenses for relaying the image of the light source 1, and a dichroic that reflects the illumination light LI toward the objective lens 11 and transmits the fluorescence LO generated from the sample 12.
  • the objective lens 11 is composed of a first optical path branching section 9 composed of a mirror or a half mirror (or half prism) that transmits a part of light and reflects the remaining light.
  • the specimen 12 is arranged on the focal plane on the object side of the objective lens 11.
  • the reflection surface of the angle adjustment mirror 3 is arranged so as to intersect with a position substantially conjugate with the field of view of the objective lens 11 on the optical axis 16 (near the position conjugate with the field of view).
  • the reflecting surface 3 is configured to rotate (swing) around a position conjugate to the field of view on the optical axis 16 or in the vicinity thereof.
  • the illumination light principal ray 4 of the illumination light LI is configured to enter the rotation center.
  • the angle adjusting mirror 3 is rotatable in the X-axis direction and the Y-axis direction when the optical axis 16 is the Z-axis and the directions perpendicular to the optical axis 16 are the X-axis and the Y-axis, respectively. It is configured.
  • the light source 1 is disposed so as to substantially coincide with one focal point of the collimating lens 2.
  • reference numeral 10 in FIG. 1 indicates the position of the exit pupil (pupil plane) of the objective lens 11, and reference numeral 7 indicates the conjugate position (pupil conjugate plane) of the pupil plane 10.
  • the imaging optical system 120 includes an objective lens 11, a first optical path branching unit 9, and an imaging lens 18 in this order from the sample 12 side, and is substantially the same as the image-side focal plane of the imaging lens 18.
  • the imaging surface of the image sensor 19 is arranged so as to match.
  • the illumination light LI emitted from the light source 1 becomes a substantially parallel light beam by the collimator lens 2 and is reflected by the angle adjusting mirror 3. Then, after being focused on the pupil conjugate plane 7 of the objective lens 11 or its vicinity by the focus lens unit 6 to form an image of the light source 1, it is relayed by the relay lens 8 and reflected by the first optical path branching unit 9. Then, the light is condensed on the pupil surface 10 of the objective lens 11 or in the vicinity thereof and the image of the light source 1 is formed again.
  • the illumination light LI is collimated by the objective lens 11 to become a substantially parallel light beam, and is irradiated on the sample ground glass 17.
  • the image of the light source 1 is the pupil plane 10 or the optical axis 16 in the vicinity thereof.
  • the illumination light LI is irradiated obliquely with a predetermined incident angle with respect to the specimen ground glass 17.
  • the incident angle refers to an angle formed by the principal ray of the illumination light L1 and the normal of the boundary surface between the sample 12 and the sample ground glass 17 (a line substantially parallel to the optical axis 16).
  • the incident angle exceeds the critical angle of the boundary surface between the sample 12 and the sample ground glass 17, the illumination light LI is totally reflected at the boundary surface.
  • Fluorescence LO is generated from the specimen 12 excited by the evanescent light.
  • the fluorescence LO is condensed by the objective lens 11 to become a substantially parallel light beam, and is transmitted through the first optical path branching unit 9 to be connected.
  • the light is condensed on the image pickup surface of the image pickup device 19 by the image lens 18, and an image of the sample 12 is formed by the fluorescence LO.
  • the specimen 12 can be excited in a very dark state with little optical noise on the background, so that an image with high contrast can be acquired.
  • the focusing lens unit 6 By moving the focusing lens unit 6 in the optical axis direction, the position in the optical axis direction of the image of the light source 1 formed at or near the pupil conjugate plane 7 changes, and as a result, the pupil plane 10 or The position in the optical axis direction of the image of the light source 1 formed in the vicinity changes.
  • the image of the light source 1 is made to coincide with the pupil conjugate plane 7 by the focusing lens unit 6, so that this image coincides with the pupil plane 10, thereby illuminating the sample 12 via the objective lens 11.
  • LI can be made into parallel light (parallelism can be adjusted). Further, by changing the angle of the reflecting surface of the angle adjusting mirror 3 with respect to the optical axis 16, the incident angle of the illumination light LI irradiated on the specimen 12 (incident angle with respect to the boundary surface) can be adjusted.
  • the total reflection microscope 100 includes a return light detection unit 130 that detects illumination light LI (hereinafter referred to as “return light”) that is totally reflected at the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12.
  • the return light detector 130 determines whether or not the illumination light LI is totally reflected at the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12, and the angle in the boundary state (critical state) between total reflection and non-total reflection Depending on the angle of the adjustment mirror 3, the total reflection illumination state is guaranteed.
  • the return light detection unit 130 is disposed on the optical path between the focusing lens unit 6 and the angle adjustment mirror 3, and on the side of the second optical path branching unit 5.
  • the condensing lens 14 and a light detection unit 15 arranged so that one focal plane of the condensing lens 14 and the detection surface substantially coincide with each other.
  • the second optical path branching unit 5 is configured by a half mirror (or a half prism) that transmits part of light and reflects the remaining light.
  • the second optical path branching unit 5 is disposed in the vicinity of the focal plane on the image side of the objective lens 11 and closer to the sample 12 than the angle adjusting mirror 3.
  • symbol 13 in FIG. 1 has shown the chief ray of the return light.
  • the illumination light (returned light) totally reflected at the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12 is condensed on the pupil plane 10 by the objective lens 11, then reflected by the first optical path branching section 9, and further relayed.
  • the light is relayed by the lens 8 and the focus lens unit 6, and a part of the light is reflected by the second optical path branching unit 5.
  • the return light reflected by the second optical path branching unit 5 is condensed on the detection surface of the light detection unit 15 by the condenser lens 14.
  • the detection surface of the light detection unit 15 is arranged at a position conjugate to or near the pupil plane 10 of the objective lens 11, a condensing state (focus state) of illumination light condensed on the pupil surface 10 or The condensing position on the pupil surface 10 can be detected, and the light is condensed on the pupil surface 10 by moving the focus lens unit 6 in the optical axis direction or by swinging (rotating or swinging) the angle adjusting mirror 3.
  • the state of the illumination light LI is changed, it is possible to grasp the state.
  • the return light detection unit 130 detects the intensity of the return light, and the total reflection light (illumination light LI totally reflected by the sample ground glass 17 and the sample 12) having an intensity ratio of about 100: 4, the sample 12, and the like. It is possible to distinguish between the reflected light reflected by, and the boundary between total reflection and non-total reflection can be determined from the intensity of light detected by the light detection unit 15. Note that the light detection unit 15 of the return light detection unit 130 is required to be able to detect the focus state and intensity of the light beam condensed on the detection surface, such as a CCD or a position-division photodiode (PSD). .
  • the detection surface of the light detection unit 15 is substantially conjugate with the pupil surface 10, the total reflection angle of the illumination light LI incident on the sample 12 by detecting the position of condensing on the detection surface, the refractive index of the sample 12, It is possible to calculate the penetration depth of the evanescent field, but the accuracy depends on the resolution of the detection element, and the accuracy is not so high.
  • h is the distance between the condensing position of the illumination light LI in the pupil plane 10 and the center of the pupil plane 10, that is, the optical axis 16
  • n 1 is the refractive index of the sample ground glass 17
  • f is the focal length of the objective lens 11.
  • Equation (2) is obtained from the combined focal length f1 of the optical system up to: Note that when the reflection surface of the angle adjustment mirror 3 is changed by the angle ⁇ m , the light reflected by the reflection surface of the angle investigation mirror 3 (the principal ray of light) changes by an angle 2 ⁇ m with respect to the optical axis.
  • the illumination light LI is at the boundary surface. Total reflection occurs, allowing observation with a total reflection microscope.
  • n 1 is the refractive index of the specimen ground glass 17
  • n 2 is the refractive index of the specimen 12.
  • the accurate value of the refractive index of the sample 12 is often not known, and in adjustment for performing observation with the total reflection microscope, it is necessary to search for the angle of illumination light, etc. by hand, but with the total reflection microscope 100 according to the present embodiment, These values can be calculated by the following method.
  • the relationship between the incident angle ⁇ of the illumination light LI with respect to the specimen 12 and the penetration depth of the evanescent field, that is, the depth range d (depth in the optical axis direction from the boundary surface) where the illumination light strikes the specimen 12 is as follows. (4) Where ⁇ is the wavelength of the illumination light.
  • the incident angle ⁇ of the illumination light LI may be adjusted in order to adjust the penetration depth d of the evanescent field, that is, the condensing position of the illumination light LI on the pupil plane 10. h may be adjusted by the angle adjustment mirror 3.
  • the position of the image of the light source 1 on the pupil plane 10 is moved, so that the spot position of the return light collected on the light detection unit 15 of the return light detection unit 130 is changed to this position. It moves within the detection surface of the light detector 15.
  • the center of the light detection unit 15 intersects the optical axis perpendicularly on the detection surface conjugate with the pupil surface 10, the inside of a predetermined circle (circle C in FIG. 2B) centering on the detection surface center.
  • the spot intensity of the return light changes greatly on the outside (FIG. 2 (a)).
  • the spot intensity ratio between the inside and the outside of this circle C is 4: 100, and when the spot is inside the circle C, the illumination light LI is incident on the sample 12 at a total reflection angle or less, and the spot is When the light is outside the circle C, the illumination light LI is incident on the sample 12 at a total reflection angle or more. That is, this circle C indicates the boundary between total reflection and non-total reflection at the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12, and the angle adjusting mirror 3 is located in the vicinity of this circle C on the detection surface of the light detection unit 15. Is changed so that the spot of the return light intersects the circle C, and the position where the intensity changes is detected, so that the illumination light LI is totally reflected on the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12.
  • the radius of the circle C depends on the magnification of the objective lens 11, the refractive index of the specimen 12, the wavelength of the illumination light LI, and the like, and the circle is distorted by the optical element in the optical path or the center of the circle is shifted from the center of the optical axis.
  • the angle can be adjusted with high accuracy by determining the angle of total reflection from the intensity of the return light as described above. For example, in observation using an objective lens with a magnification of 60 times NA 1.49, as shown in FIG. 3, the circle PI on the detection surface of the light detection unit 15 corresponds to the pupil diameter of the pupil plane 10.
  • the illumination light LI is incident on the sample 12 at the total reflection critical angle, and the total reflection microscope 100 generally performs observation in this vicinity.
  • the angle adjusting mirror 3 by detecting the angle of the angle adjusting mirror 3 at which the incident angle of the illumination light LI incident on the boundary surface between the sample ground glass 17 and the sample 12 becomes the total reflection critical angle (by the angle adjusting mirror 3).
  • the light reflected by the reflecting surface (convertible to the angle between the principal ray of light) and the optical axis can be observed with a total reflection microscope, but the center position (coordinates) and radius of the circle C described above
  • the total reflection angle ⁇ r of the illumination light LI incident on the specimen 12 is calculated from the spot position, and the refractive index n 2 of the specimen 12 is calculated based on the above-described equations (3) and (4).
  • the penetration depth d of the evanescent field can be calculated.
  • the above-described total reflection position is detected at three or more locations (for example, points P1 to P3 in FIG. 5), and the center O of the circle C is determined from each coordinate.
  • the radius of the circle C can be obtained.
  • the radius of the circle C can be detected more accurately, and the accuracy depends on the intensity detection resolution of the light detection unit 15 but does not depend on the position detection resolution. . That is, by detecting the state of being at the boundary of the total reflection (circle C) from the light detection unit 15, the position of the image of the light source 1 on the pupil plane 10 is calculated from the angle ⁇ m of the angle adjustment mirror 3, The radius of the circle C can be obtained with high accuracy.
  • the intensity detection resolution of a CCD, a position division photodiode (PSD) or the like is 256 gradations or more, and is sufficiently high to distinguish between the reflection and the total reflection, and the influence on the cost is small.
  • the incident angle of the illumination light LI with respect to the specimen 12 in the total reflection microscope 100 that is, the penetration depth of the evanescent field can be managed with high accuracy and at low cost.
  • an angle adjustment actuator 51 that rotates the angle adjustment mirror 3, a position adjustment actuator 52 that moves the focus lens unit 6 in the optical axis direction, and a control unit that controls these operations. 50, and by controlling these actuators 51 and 52 from the control unit 50 based on the detection result from the light detection unit 15 (the intensity of the spot of the return light), the LI of the illumination light irradiated on the specimen 12 The parallelism and incident angle can be controlled.
  • the control unit 50 includes an input unit 53 operated by an observer, a storage unit 54 that stores information for adjusting total reflection illumination and an image of the specimen 20 acquired by the imaging device 19, and a setting.
  • a display unit 55 is connected to display information and acquired images. Then, the adjustment process of the total reflection illumination by the control part 50 is demonstrated using FIG.
  • a case will be described in which the position where total reflection occurs at three points within the detection surface of the light detection unit 15 is measured and adjusted.
  • the control unit 50 sets the number N of points to be measured for this adjustment (step S400).
  • the number N of measurement points may be stored in advance in the storage unit 53, or may be input by the observer from the input unit 53 (here, N is set to 3 as described above).
  • the control unit 50 first operates the angle adjustment actuator 51 so that the image of the light source 1 is formed at the initial position where the first point of the pupil plane 10 is measured, and the angle of the angle adjustment mirror 3 is set. Is set (step S401).
  • the critical angle at which the illumination light LI is totally reflected at the boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12 is determined from the focal length of the objective lens 11 and the like.
  • the angle of the angle adjusting mirror 3 with respect to the optical axis 16 may be obtained from the operation amount of the angle adjusting actuator 51 or may be configured to be detected by providing an angle detector separately from the actuator 51. .
  • the position of the focus lens unit 6 is the same.
  • a point inside the circle C (point W1 in FIG. 2B) indicating the boundary (critical angle) between total reflection and non-total reflection is set as the initial position. The case where it comprises is demonstrated.
  • the control unit 50 turns on the light source 1 to emit illumination light (step S402), operates the position adjusting actuator 52 to move the focus lens unit 6 in the optical axis direction, and causes the light detection unit 15 to operate. Move to a position where the detected spot diameter is minimum and the peak intensity is maximum (step S403). Thereby, the parallelism of the illumination light LI at the current measurement position with respect to the sample 12 is increased (in the sample 12, the illumination light L1 becomes substantially parallel light). Then, the control unit 50 operates the angle adjustment actuator 51 to rotate the angle adjustment mirror 3 to move the image of the light source 1 in the pupil plane 10 in the direction away from the optical axis 16, as shown in FIG.
  • the angle adjustment mirror 3 is stopped at the position where the intensity of the spot detected by the light detection unit 15 is higher than the initial position (point W2 in FIG. 2B) (step S404), and the light source 1 is turned off. (Step S405).
  • the control unit 50 determines the current image position of the light source 1 (coordinates in the pupil plane 10) from the angle of the angle adjustment mirror 3 and stores it in the storage unit 54 (step S406), and calculates 1 from the number N of measurement points. Subtraction is performed (step S407), it is determined whether or not the number P of measurement points is greater than zero, and the processes of steps S401 to S407 are repeated until the number N of measurement points becomes zero (step S408).
  • control unit 50 obtains the central coordinates and radius of the critical angle circle C from the three coordinates (angle of the angle adjusting mirror 3) measured as described above (step S409).
  • the angle ⁇ m of the angle adjustment mirror 3 is determined and set by the angle adjustment actuator 51 so that the penetration depth d of the evanescent field desired by the observer is obtained from the center coordinates and radius of the angle (step S410).
  • the adjustment processing of the total reflection illumination is finished.
  • the refractive index n 2 of the sample 12 may be calculated.
  • the control by the control unit 50 adjusts the focus by the focus lens unit 6 (processing for matching the image of the light source 1 to the pupil plane 10), and the penetration depth d of the desired evanescent field.
  • the angle adjustment mirror 3 can be automatically adjusted.
  • the light detection unit 15 only needs to be able to detect the intensity of the return light, and it is not necessary to specify the position of the spot on the detection surface.
  • PSD When PSD is used for the light detection unit 15
  • the angle adjustment mirror 3 is swung before the focus lens unit 6 is adjusted, and the spot position of the return light on the light detection unit 15 is moved.
  • the light detection unit 15 is conjugate with the pupil plane 10, and as shown in FIG. 7, the circle PI on the detection plane of the light detection unit 15 corresponds to the pupil diameter of the pupil plane 10, and is outside the circle PI.
  • the spot W4 When the spot W4 is moved, the light returns to the light detection unit 15 and does not reach.
  • the position of the image of the light source 1 deviates from the pupil plane 10 at W4 ′ and W4 ′′ in FIG.
  • the spot diameter of the return light is increased, and the return light is detected when the return light protrudes to the inside of the circle PI.
  • the intensity of the return light spot W4 when the focus adjustment lens unit 6 is moved near the outside of the circle PI is represented by the position of the image of the light source 1 from the pupil plane 10 in the optical axis direction.
  • the focus lens unit 6 Since the return light is detected by the light detection unit 15 when it is deviated (front and back positions of the pupil plane in the optical axis direction), the focus lens unit 6 is moved in the optical axis direction and the return light is not detected. 6 movement ranges By setting the center of (focus range) as the optimum position, that is, the position where the image of the light source 1 is formed on the pupil plane 10, the illumination light beam irradiated onto the specimen 12 becomes parallel. Then, the illumination angle detection accuracy described below is improved.
  • the method of adjusting the incident angle of the illumination light LI to the specimen 12 by the angle adjusting mirror 3 is the same as that in the case where the CCD is used in the above-described light detection unit 15.
  • the total reflection microscope 100 controls the angle of the angle adjustment mirror 3 that reflects the illumination light LI from the light source 1 so that the illumination light LI is a boundary surface between the specimen ground glass 17 and the specimen 12.
  • the total reflection microscope 200 according to the second embodiment moves the light source 1 in the direction perpendicular to the optical axis 16 as shown in FIG. A case will be described in which the principal ray 4 of the illumination light LI radiated from is emitted in parallel with the optical axis so that the position of the image of the light source 1 in the pupil plane 10 is adjusted.
  • symbol is attached
  • the chief ray of the illumination light LI emitted from the light source 1 travels parallel to the optical axis 16 and is converted into a substantially parallel light beam by the collimator lens 2.
  • the light source 1 is held by the light source holding unit 20 and is configured to move the light source 1 in a direction substantially orthogonal to the optical axis 16 while maintaining the radiation direction of the illumination light from the light source 1. Yes. Therefore, the angle formed by the substantially parallel light beam emitted from the collimating lens 2 and the optical axis 16 is determined according to the distance from the optical axis 16 of the light source 1.
  • This substantially flat light beam passes through the second optical path branching section 5, is condensed by the focus lens section 6 on or near the pupil conjugate plane 7 of the objective lens 11, and is further relayed by the relay lens 8, so that the first optical path.
  • the focus adjustment by the focus lens unit 6 (the process of matching the image of the light source 1 with the pupil plane 10) is the same as in the first embodiment.
  • the configuration of the control unit 50 and the like is omitted.
  • the condensing position of the illumination light LI on the pupil plane 10 (the position of the image of the light source 1), that is, the incident angle ⁇ of the illumination light LI incident on the sample 12 is as described above.
  • the light source 1 is moved in a direction orthogonal to the optical axis. That is, the light source holding unit 20 that moves the light source 1 in the optical axis direction functions as an incident angle adjusting unit.
  • the distance h between the condensing position of the illumination light LI in the pupil plane 10 (the position of the image of the light source 1) and the optical axis 16 (the center of the exit pupil of the objective lens 11) is expressed by the following equation (2 ′). Is required.
  • ⁇ is the projection magnification of the light source 1 onto the pupil plane 10
  • h 0 is the distance between the light source 1 and the optical axis 16.
  • the intensity detection resolution of the light detection unit 15 is low, if the resolution for determining the position of the light source holding unit 20 from the optical axis 16 of the light source 1 is high,
  • the incident angle of the illumination light LI with respect to the specimen 12 in the total reflection microscope 200 that is, the penetration depth of the evanescent field can be managed with high accuracy and at low cost.
  • the total reflection microscope 300 according to the third embodiment in the total reflection microscope 100 according to the first embodiment, instead of the configuration in which the angle of the illumination light LI with respect to the optical axis 16 is changed by the angle adjustment mirror 3, The case where the light source 1 and the condenser lens 2 are configured to rotate (swing) together is shown. Specifically, in the total reflection microscope 300, as shown in FIG. 10, the light source 1 and the collimating lens 2 are integrally held by the light source holding unit 21, and the light is emitted from the light source 1 and is made into a substantially parallel light flux by the condenser lens 2.
  • the light source holder 21 is configured to rotate (swing) around the field conjugate position or its vicinity so that the principal ray 4 of the illumination light LI passes through the field conjugate position on the optical axis 16. . That is, the light source holding unit 21 functions as an incident angle adjusting unit. Other configurations are the same as those of the first embodiment. Also in the total reflection microscope 300 according to the third embodiment, if the resolution of the rotation amount of the light source holding unit 21 is high, the incident angle of the illumination light LI with respect to the sample 12 in the total reflection microscope 300, that is, the penetration of the evanescent field is absorbed. Depth management can be performed with high accuracy and at low cost.
  • the vicinity of the pupil plane 10 of the objective lens 11 is preferably within a range of a position 5 mm from the pupil plane 10.
  • the vicinity of the position conjugate with the pupil plane 10 of the objective lens 11 in each of the above-described embodiments is set based on the magnification of the position conjugate with the pupil plane 10 of the objective lens 11. Specifically, it is the relay lens 8, the focus lens unit 6, and the condenser lens 14 that are involved in the setting of the magnification.
  • the setting method of “near the position conjugate with the field of view of the objective lens 11 on the optical axis 16” in the above-described embodiment will be described.
  • the field of view position of the objective lens 11 that is, the focus position
  • the depth of focus is usually set. Assume degree.
  • n is the refractive index of the medium between the specimen and the objective lens.
  • ⁇ is the wavelength of light from the light source 1
  • NA is the NA of the objective lens 11.
  • the vicinity of such a position conjugate to the visual field position is set based on the magnification determined by the three lenses of the objective lens 11, the relay lens 8, and the focus lens unit 6.
  • the magnification determined by these three lenses is ⁇ b

Abstract

　光源（１）からの照明光をリレー光学系（８）でリレーして光源（１）の像を対物レンズ（１１）の入射瞳面（１０）若しくはその近傍に形成し照明光を対物レンズ（１１）を介して標本（１２）に照射する照明光学系（１１０）を有する全反射顕微鏡（１００）は、光源（１）の像の位置を光軸と直交する方向に変化させる入射角度調整部である角度調整ミラー（３）と、照明光が標本（１２）で反射して対物レンズ（１１）で集光された戻り光の強度を検出する光検出部（１５）と、角度調整ミラー（３）の作動量を決定する制御部（５０）と、を有し、この制御部（５０）は、角度調整ミラー（３）を変化させたときの戻り光の強度の変化に基づいて、照明光が標本（１２）で全反射するように、角度調整ミラー（３）の作動量を決定する。

Description

全反射顕微鏡
　本発明は、全反射顕微鏡に関する。
　従来の全反射顕微鏡の照明角度検出においてはＣＣＤや位置分割フォトダイオード（ＰＳＤ）によって対物レンズの入射瞳における照明光の位置を検出して全反射角度を算出、保証していた（例えば、特許文献１参照）。この場合、照明光の位置精度は検出素子の分解能ならびに検出素子に対する対物レンズの入射瞳の投影倍率に依存し、精度向上のためには高分解能で高価な検出素子を用いるか、投影倍率を上げて検出光学系の大型化を許容するしかない。投影倍率を上げた場合、検出素子サイズも大きくする必要がありコスト上昇を招く。具体的に説明すると、一般的なＣＣＤやＰＳＤの位置検出分解能は数μｍ～数十μｍ程度であり、これに対物レンズの入射瞳から検出素子への投影倍率の逆数をかけたものがこの入射瞳における照明光の集光位置検出精度に相当する。すなわち投影倍率が高いほど位置検出の精度を高くすることができる。
米国特許公開２０１０/０１７１９４６
　しかしながら全反射顕微鏡観察に用いられる６０ｘ～１００ｘの対物レンズの入射瞳は直径６～１０ｍｍ程度であり、これを２倍、３倍と倍率をかけて投影できるサイズの検出素子は一般的に少なく、高価なものになる。全反射顕微鏡において対物レンズの入射瞳での集光位置の違いは数μｍ程度でも観察像に影響を及ぼし、エバネッセント場の浸み込み深さを変化させてしまう。これに対し数μｍという同程度の分解能しかない検出素子では検出精度を管理、保証することは難しい。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で全反射顕微鏡の照明角度を精度よく制御することができる全反射顕微鏡を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る全反射顕微鏡は、光源からの光をリレー光学系でリレーして前記光源の像を対物レンズの入射瞳面若しくはその近傍に形成し前記光を前記対物レンズを介して標本に照射する照明光学系を有する全反射顕微鏡であって、前記光源の像の位置を光軸と直交する方向に変化させる入射角度調整部と、前記光が前記標本で反射して前記対物レンズで集光された戻り光の強度を検出する光検出部と、前記入射角度調整部の作動量を決定する制御部と、を有し、前記制御部は、前記入射角度調整部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射角度調整部の作動量を決定することを特徴とする。
　このような全反射顕微鏡において、前記光源の像の位置を光軸方向に変化させるフォーカスレンズ部をさらに有し、前記制御部は、前記入射角度調整部および前記フォーカスレンズ部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射角度調整部および前記フォーカスレンズ部の作動量を決定することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記入射角度調整部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記光が前記標本で全反射するように、前記入射角度調整部の作動量を決定し、前記フォーカスレンズ部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記光が平行光になるように、前記フォーカスレンズ部の作動量を決定することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記光が前記標本で全反射するように、前記対物レンズの入射瞳若しくはその近傍において、光軸方向と直交する方向に、前記光源像の位置を調整し、前記光が平行光になるように、前記対物レンズの入射瞳若しくはその近傍において、前記光軸方向に、前記光源像の位置を調整することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記標本における全反射と前記標本における非全反射の境界を特定することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記入射角度調整部の変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記光の前記標本に対する入射角度を算出することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記入射角度調整部の変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記標本の屈折率及びエバネッセント場の浸み込み深さの少なくとも一方を算出することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、所望のエバネッセント場の浸み込み深さになるように前記入射角度調整部を制御することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記光検出部は、前記入射瞳面と共役な位置若しくはその近傍に配置されていることが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記入射角度調整部の前記変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記入射瞳面内における前記光源の像の位置を決定することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記入射瞳面内における前記全反射と非全反射の境界となる前記位置を少なくとも３箇所以上決定し、当該位置から前記境界である円の中心を決定することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記制御部は、前記フォーカスレンズ部により前記光源の像の位置を光軸方向に変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射瞳面に対する前記光源の像の集光状態を検出することが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記入射角度調整部は、前記リレー光学系の光軸上であって、前記対物レンズの視野と共役な位置若しくはその近傍と交差するように配置され、前記光を反射する反射面を有し、前記反射面の前記光軸に対する角度を当該反射面の前記光軸と交差する点を中心に変化させて前記入射角度を変化させることが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記入射角度調整部は、前記光源の光軸からの距離を、前記光軸に直交する面内で変化させて前記入射角度を変化させることが好ましい。
　このような全反射顕微鏡において、前記入射角度調整部は、前記リレー光学系の光軸上であって、前記対物レンズの視野と共役な位置若しくはその近傍を中心に回転させて前記入射角度を変化させることが好ましい。
　本発明によると、簡単な構成で全反射顕微鏡の照明角度を精度よく制御することができる。
第１の実施形態に係る全反射顕微鏡の構成を示す説明図である。 全反射と非全反射の境界を検出する方法を説明するための説明図であって、（ａ）は境界付近における戻り光の強度の変化を示し、（ｂ）は検出面内における位置を示す。 光検出部上でのスポットの移動を説明するための説明図である。 光検出部上でスポットを移動させたときの強度の変化を示す説明図である。 検出面内の測定点及び全反射と非全反射の境界との関係を説明する説明図である。 全反射と非全反射の境界を検出することにより行う全反射照明の調整方法のフローチャートである。 フォーカス調整用レンズを操作したときにスポットの状態を説明するための説明図である。 フォーカス調整用レンズを操作したときの強度の変化を示す説明図である。 第２の実施形態に係る全反射顕微鏡の構成を示す説明図である。 第３の実施形態に係る全反射顕微鏡の構成を示す説明図である。
［第１の実施形態］
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて第１の実施形態に係る全反射顕微鏡１００の構成について説明する。この全反射顕微鏡１００は、図示しない試料台に設置された標本接地ガラス１７の上に載せられた標本１２に対して、光源１から放射された照明光ＬＩを対物レンズ１１を介して標本接地ガラス１７側から照射する照明光学系１１０と、この照明光ＬＩにより励起された標本１２から発生する蛍光ＬＯを対物レンズ１１で集光し、ＣＣＤ等からなる撮像素子１９の撮像面上に集光する結像光学系１２０と、を有して構成されている。なお、この図１における光源１は、別の光源装置から放射された照明光をこの照明光学系１１０に導く光ファイバーの端面でも良い。また、対物レンズ１１は、全反射顕微鏡観察が可能な高ＮＡ対物レンズである。
　照明光学系１１０は、光源１側から順に、光源１から放射された照明光ＬＩを略平行光束にするコリメートレンズ２と、コリメートレンズ２から出射した照明光ＬＩを反射し、この照明光ＬＩが標本１２に照射されるときの入射角度を調整するための入射角度調整部である、高角度分解能の角度調整ミラー３と、標本１２に照射される照明光ＬＩの平行度を調整するためのフォーカスレンズ部６と、光源１の像をリレーするための少なくも２枚のレンズからなるリレーレンズ８と、照明光ＬＩを対物レンズ１１側に反射し、標本１２から発生した蛍光ＬＯを透過するダイクロイックミラー、又は、一部の光を透過し残りの光を反射するハーフミラー（又はハーフプリズム）で構成された第１の光路分岐部９と、対物レンズ１１とから構成されており、対物レンズ１１の物体側の焦点面に標本１２が配置されている。ここで、角度調整ミラー３の反射面は、光軸１６上の対物レンズ１１の視野と略共役な位置（視野と共役な位置の近傍）と交差するように配置されており、この角度調整ミラー３の反射面は、光軸１６上の視野共役な位置またはその近傍を中心に回転（揺動）するように構成されている。なお、照明光ＬＩの照明光主光線４は、この回転中心に入射するように構成されている。また、角度調整ミラー３は、光軸１６をＺ軸とし、光軸１６に直交する面内で直交する方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸としたとき、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に回転可能に構成されている。また、光源１はコリメートレンズ２の一方の焦点と略一致するように配置されている。また、図１における符号１０は、対物レンズ１１の射出瞳の位置（瞳面）を示し、符号７は、この瞳面１０の共役位置（瞳共役面）を示している。
　また、結像光学系１２０は標本１２側から順に、対物レンズ１１と、第１の光路分岐部９と、結像レンズ１８とから構成されており、結像レンズ１８の像側焦点面と略一致するように撮像素子１９の撮像面が配置されている。
　このような全反射顕微鏡１００において、光源１から放射された照明光ＬＩはコリメートレンズ２で略平行光束になり、角度調整ミラー３で反射される。そして、フォーカスレンズ部６で対物レンズ１１の瞳共役面７若しくはその近傍に一旦集光されて光源１の像を形成した後、リレーレンズ８でリレーされ、第１の光路分岐部９で反射されて、対物レンズ１１の瞳面１０若しくはその近傍に集光して光源１の像を再度形成する。そして、照明光ＬＩは、対物レンズ１１によりコリメートされて略平行光束となり標本接地ガラス１７に照射される。このとき、照明光ＬＩは角度調整ミラー３によりその主光線４が光軸に対して所定の角度をなすように反射されているため、光源１の像は瞳面１０若しくはその近傍の光軸１６から離れた位置に形成され、照明光ＬＩは標本接地ガラス１７に対して所定の入射角度を有して斜めに照射される。ここで、入射角度とは、照明光Ｌ１の主光線と標本１２と標本接地ガラス１７との境界面の法線（光軸１６と略平行な線）とのなす角をいう。このとき、この入射角度が標本１２と標本接地ガラス１７との境界面の臨界角を超えているときは、照明光ＬＩはこの境界面で全反射する。この照明光ＬＩが全反射する標本接地ガラス１７と標本１２との境界面では、標本１２側に光（エバネッセント光）が浸み込んでエバネッセント場を形成し、標本１２側の厚さ数十～数百ｎｍの範囲が照明される。このエバネッセント光により励起された標本１２からは蛍光ＬＯが発生する。この位置に対物レンズ１１の物体側の焦点面が位置するように調整すると、この蛍光ＬＯは対物レンズ１１で集光されて略平行光束となって第１の光路分岐部９を透過し、結像レンズ１８により撮像素子１９の撮像面に集光され、蛍光ＬＯによる標本１２の像が形成される。このように、この全反射顕微鏡１００によると、背景に光ノイズの少ない非常に暗い状態で標本１２を励起することができるので、コントラストの高い像を取得することができる。なお、フォーカス用レンズ部６を光軸方向に移動させることにより、瞳共役面７若しくはその近傍に形成される光源１の像の光軸方向の位置が変化し、その結果、瞳面１０若しくはその近傍に形成される光源１の像の光軸方向の位置が変化する。そのため、フォーカス用レンズ部６により光源１の像を瞳共役面７と一致させることにより、この像が瞳面１０と一致し、これにより、対物レンズ１１を介して標本１２に照射される照明光ＬＩを平行光にする（平行度を調整する）ことができる。また、角度調整ミラー３の反射面の光軸１６に対する角度を変化させることにより標本１２に照射される照明光ＬＩの入射角度（境界面に対する入射角度）を調整することができる。
　このような全反射顕微鏡１００において、上述した境界面で浸み込むエバネッセント光の量は、この境界面に入射する照明光ＬＩの入射角度に依存することから、境界面に入射する照明光ＬＩを平行光に近づける必要がある。そのため、この全反射顕微鏡１００は、標本接地ガラス１７と標本１２との境界面で全反射した照明光ＬＩ（以下、この照明光を「戻り光」と呼ぶ）を検出する戻り光検出部１３０を備え、標本接地ガラス１７と標本１２の境界面で照明光ＬＩが全反射したか否かをこの戻り光検出部１３０で判別するとともに、全反射と非全反射の境界状態(臨界状態)における角度調整ミラー３の角度により、全反射照明状態を保証するように構成されている。
　戻り光検出部１３０は、フォーカス用レンズ部６と角度調整ミラー３との間の光路上に配置された第２の光路分岐部５と、この第２の光路分岐部５の側方に配置された集光レンズ１４と、この集光レンズ１４の一方の焦点面と検出面が略一致するように配置された光検出部１５と、から構成される。なお、第２の光路分岐部５は、一部の光を透過し残りの光を反射するハーフミラー（またはハーフプリズム）で構成される。また、この第２の光路分岐部５は、対物レンズ１１の像側の焦点面の近傍であって、角度調整ミラー３より標本１２側に配置されている。なお、図１における符号１３は、戻り光の主光線を示している。
　標本接地ガラス１７と標本１２との境界面で全反射した照明光（戻り光）は、対物レンズ１１で瞳面１０に集光された後、第１の光路分岐部９で反射され、さらにリレーレンズ８及びフォーカスレンズ部６でリレーされて第２の光路分岐部５で一部の光が反射される。そして、この第２の光路分岐部５で反射された戻り光は、集光レンズ１４により光検出部１５の検出面上に集光される。ここで、光検出部１５の検出面は対物レンズ１１の瞳面１０と共役な位置若しくはその近傍に配置されているため、瞳面１０に集光する照明光の集光状態（ピント状態）や瞳面１０上における集光位置を検出することが可能であり、フォーカスレンズ部６を光軸方向に動かしたり角度調整ミラー３を振ったり（回転又は揺動）することで瞳面１０に集光される照明光ＬＩの状態が変化した際、その状態を把握することが可能である。
　さらに、戻り光検出部１３０では、戻り光の強度を検出することにより強度比率がおよそ１００：４である全反射光（標本接地ガラス１７と標本１２で全反射した照明光ＬＩ）と標本１２等で反射した反射光とを区別することが可能であり、光検出部１５で検出される光の強度から、全反射と非全反射の境界を判断することが可能である。なお、このような戻り光検出部１３０の光検出部１５には、ＣＣＤや位置分割フォトダイオード（ＰＳＤ）など、検出面に集光する光束のピント状態や強度を検出可能であることが求められる。さらに、光検出部１５の検出面は瞳面１０と略共役なので、この検出面に集光する位置を検出することで標本１２に入射する照明光ＬＩの全反射角度、標本１２の屈折率、エバネッセント場の浸み込み深さを算出することも可能であるが、その精度は検出素子の分解能に依存し、あまり精度は高くない。
　それでは、光検出部１５により戻り光のスポットを検出することにより、標本１２に照射される照明光ＬＩの平行度や入射角度を調整する方法について説明する。なお、ここでは、光検出部１５にＣＣＤを用いた場合と、位置分割フォトダイオード（ＰＳＤ）を用いた場合とについて説明を行う。
（光検出部１５にＣＣＤを用いた場合）
　まず、光検出部１５にＣＣＤを用いた場合の調整方法について説明する。フォーカスレンズ部６を光軸方向に動かすと、戻り光検出部１３０の光検出部１５に集光する戻り光のスポット径が変化し、ピーク強度も変化する。具体的には、光源１の像が瞳面１０と一致すると、光検出部１５により検出されるスポット径が最小になり、且つ、ピーク強度が最高になる。すなわち、スポットの径が最小になり、且つ、ピーク強度が最高になるようにフォーカスレンズ部６を調整することにより、光源１の像が瞳面１０上に位置し、標本１２に照射される照明光束が平行になるので、これにより、次に説明する照明角度算出精度が向上する。
　次に、角度調整ミラー３による照明光ＬＩの標本１２への入射角度の調整方法について説明する。ここで、標本１２に入射する照明光ＬＩの入射角度θと瞳面１０内で照明光ＬＩが集光する位置との関係は次の式（１）で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この式（１）において、ｈは瞳面１０内における照明光ＬＩの集光位置と瞳面１０の中心すなわち光軸１６との距離であり、ｎ1は標本接地ガラス１７の屈折率であり、ｆは対物レンズ１１の焦点距離である。さらに、角度調整ミラー３の反射面の角度θmが光軸１６に対して４５°のときを基準位置（０°）としたとき、距離ｈは角度θmならびに角度調整ミラー３から瞳面１０までの光学系の合成焦点距離ｆ１により次の式（２）のように求められる。なお、角度調整ミラー３の反射面を角度θm変化させた場合、角度調査ミラー３の反射面で反射する光（光の主光線）は、光軸に対して角度２θm変化する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　そして、標本接地ガラス１７と標本１２との境界面の法線に対する照明光ＬＩの入射角度θが次の式（３）で表される角度θrを超えたとき、照明光ＬＩは境界面で全反射を起こし、全反射顕微鏡観察が可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここでｎ1は標本接地ガラス１７の屈折率であり、ｎ2は標本１２の屈折率である。一般に標本１２の屈折率について正確な値を知らない場合が多く、全反射顕微鏡観察を行うための調整において照明光の角度など手探りで探さなければならないが、本実施形態に係る全反射顕微鏡１００では、以下に示す方法により、これらの値を算出することができるように構成されている。
　また、標本１２に対する照明光ＬＩの入射角度θとエバネッセント場の浸み込み深さ、すなわち照明光が標本１２に当たる深さ範囲ｄ（境界面からの光軸方向の深さ）との関係は次の式（４）で表される。但しλは照明光の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　この式（４）から明らかなように、エバネッセント場の浸み込み深さｄを調整するには照明光ＬＩの入射角度θを調整すればよく、すなわち瞳面１０における照明光ＬＩの集光位置ｈを角度調整ミラー３で調整すればよい。
　上述したように、角度調整ミラー３を振ると瞳面１０における光源１の像の位置が移動し、これにより、戻り光検出部１３０の光検出部１５に集光する戻り光のスポット位置がこの光検出部１５の検出面内において移動する。このとき瞳面１０と共役な検出面において、光検出部１５の中心が光軸と垂直に交わる場合、この検出面中心を中心とする所定の円（図２（ｂ）における円Ｃ）の内側と外側で戻り光のスポット強度が大きく変化する（図２（ａ））。この円Ｃの内側と外側のスポット強度比は４：１００であり、スポットが円Ｃの内側にあるとき、照明光ＬＩは標本１２に全反射角度以下で入射している状態であり、スポットが円Ｃの外側にあるとき、照明光ＬＩは標本１２に全反射角度以上で入射している状態となる。すなわち、この円Ｃは標本接地ガラス１７と標本１２との境界面における全反射と非全反射の境界を示しており、光検出部１５の検出面におけるこの円Ｃの近傍で、角度調整ミラー３の角度を変化させて戻り光のスポットが円Ｃを交差するように移動させ、その強度が変化する位置を検出することにより、照明光ＬＩが標本接地ガラス１７と標本１２との境界面で全反射する状態に調整することができる。なお、この円Ｃの半径は対物レンズ１１の倍率、標本１２の屈折率、照明光ＬＩの波長などに依存し、また光路にある光学素子によって円がゆがんだり円の中心が光軸中心からずれたりすることもあるが、上述のように戻り光の強度から全反射する角度を決定することにより、精度良く調整することができる。例えば、倍率６０倍ＮＡ１．４９の対物レンズを用いた観察において、図３に示すように、光検出部１５の検出面における円ＰＩは、瞳面１０の瞳径に対応するものであり、円ＰＩの外側から上述した円Ｃを横切るように（図３に示す矢印に沿って）スポットＷ３を動かしたとき、図４に示すような、スポットＷ３の移動と検出強度の関係が得られる。強度が増大している部分が標本面で全反射を起こしている状態であり、これにより全反射境界位置を検出することができる。
　以上より、この円Ｃの境界上若しくはその外側にスポットがあるとき、照明光ＬＩが全反射臨界角で標本１２に入射している状態であり、全反射顕微鏡１００では一般にこの近傍で観察を行う。なお、標本接地ガラス１７と標本１２との境界面に入射する照明光ＬＩの入射角度が全反射臨界角になる角度調整ミラー３の角度を上述の方法により検出することで（角度調整ミラー３の反射面で反射した光（光の主光線）と光軸とのなす角度に換算可能）、全反射顕微鏡観察を行うことが可能であるが、上述の円Ｃの中心の位置（座標）及び半径をもとに、スポットの位置から標本１２に入射する照明光ＬＩの全反射角度θrを算出し、さらに、上述した式（３）及び（４）に基づいて、標本１２の屈折率ｎ2及びエバネッセント場の浸み込み深さｄを算出することが可能である。具体的には、図５に示すように、上述した全反射する位置の検出を検出面内の３箇所以上（例えば、図５における点Ｐ１～Ｐ３）で行い、各座標から円Ｃの中心Ｏの座標及びこの円Ｃの半径を求めることができる。
　ここで、角度調整ミラー３の角度分解能が高いと円Ｃの半径はより正確に検出することができ、その精度は光検出部１５の強度検出分解能には依存するが位置検出分解能には依存しない。すなわち、光検出部１５からは全反射の境界（円Ｃ）にあるという状態を検出し、瞳面１０における光源１の像の位置は、角度調整ミラー３の角度θmから算出することにより、精度良く円Ｃの半径を求めることができる。一般にＣＣＤや位置分割フォトダイオード（ＰＳＤ）などの強度検出分解能は２５６階調以上あり上記反射及び全反射の識別をするのに十分高く、コストにも影響が小さい。
　以上の手順により、この全反射顕微鏡１００における照明光ＬＩの標本１２に対する入射角度すなわちエバネッセント場の浸み込み深さの管理を高精度かつ低コストで行うことが可能となる。
　なお、図１に示すように、角度調整ミラー３を回転させる角度調整用アクチュエータ５１と、フォーカスレンズ部６を光軸方向に移動させる位置調整用アクチュエータ５２と、これらの作動の制御を行う制御部５０とを設け、光検出部１５からの検出結果（戻り光のスポットの強度）に基づいてこれらのアクチュエータ５１，５２を制御部５０から制御することにより、標本１２に照射される照明光のＬＩの平行度と入射角度を制御することができる。また、この制御部５０には、観察者が操作をする入力部５３、全反射照明を調整するための情報や撮像素子１９で取得された標本２０の画像を記憶する記憶部５４、及び、設定情報や取得した画像の表示等を行う表示部５５が接続されている。それでは、図６を用いて制御部５０による全反射照明の調整処理について説明する。なお、ここでは、光検出部１５の検出面内の３点で全反射となる位置を測定して調整する場合について説明する。
　制御部５０は、入力部５３より全反射照明の調整処理の開始が指示されると、この調整のために測定する箇所の数Ｎを設定する（ステップＳ４００）。この測定箇所の数Ｎは、予め記憶部５３に記憶しておいても良いし、観察者に入力部５３から入力させても良い（ここでは、上述したようにＮに３を設定する）。そして、制御部５０は、まず、瞳面１０の第１点目の測定を行う初期位置に光源１の像が形成されるように、角度調整用アクチュエータ５１を作動させて角度調整ミラー３の角度を設定する（ステップＳ４０１）。なお、照明光ＬＩが標本接地ガラス１７と標本１２との境界面で全反射する臨界角は、対物レンズ１１の焦点距離等から決定されるため、測定を開始する初期位置を対物レンズ１１の種類毎に、予め記憶部５４に記憶させておいても良い。また、角度調整ミラー３の光軸１６に対する角度は、角度調整用アクチュエータ５１の作動量から求めても良いし、このアクチュエータ５１とは別に角度検出器を設けて検出するように構成しても良い。フォーカスレンズ部６の位置も同様である。また、ここでは、図２に示すように、全反射と非全反射との境界（臨界角）を示す円Ｃの内側の点（図２（ｂ）の点Ｗ１）を初期位置とするように構成されている場合について説明する。
　次に制御部５０は、光源１をオンにして照明光を放射させ（ステップＳ４０２）、位置調整用アクチュエータ５２を作動させてフォーカスレンズ部６を光軸方向に移動させて、光検出部１５により検出されるスポット径が最小になり、且つ、ピーク強度が最高になる位置に移動させる（ステップＳ４０３）。これにより、現在の測定位置での照明光ＬＩの標本１２に対する平行度が高くなる（標本１２において、照明光Ｌ１は略平行光になる）。そして制御部５０は、角度調整用アクチュエータ５１を作動させて角度調整ミラー３を回転させ、瞳面１０内の光源１の像を光軸１６から離れる方向に移動させ、図２（ａ）に示すように、光検出部１５に検出されるスポットの強度が初期位置よりも高くなった位置（図２（ｂ）の点Ｗ２）で角度調整ミラー３を停止させ（ステップＳ４０４）、光源１をオフにする（ステップＳ４０５）。制御部５０は現在の光源１の像の位置（瞳面１０内の座標）を角度調整ミラー３の角度から決定して記憶部５４に記憶させ（ステップＳ４０６）、測定箇所の数Ｎから１を減算し（ステップＳ４０７）、この測定箇所の数Ｐが０より大きいかを判断して測定箇所の数Ｎが０になるまでステップＳ４０１～Ｓ４０７の処理を繰り返す（ステップＳ４０８）。最後に、制御部５０は、上述のようにして測定された３箇所の座標（角度調整ミラー３の角度）から、臨界角の円Ｃの中心座標及び半径を求め（ステップＳ４０９）、この円Ｃの中心座標及び半径から、観察者が所望するエバネッセント場の浸み込み深さｄとなるように、角度調整ミラー３の角度θmを決定して角度調整用アクチュエータ５１により設定し（ステップＳ４１０）、全反射照明の調整処理を終了する。なお、ステップＳ４０９において、標本１２の屈折率ｎ2を算出するように構成しても良い。
　以上のように構成すると、制御部５０の制御により、フォーカスレンズ部６によるフォーカスの調整（瞳面１０に光源１の像を一致させる処理）と、所望のエバネッセント場の浸み込み深さｄとなる角度調整ミラー３の調整を自動的に行うことができる。このとき、上述したように、光検出部１５は戻り光の強度を検出できれば良く、その検出面でのスポットの位置を特定する必要はない。
（光検出部１５にＰＳＤを用いた場合）
　次に、光検出部１５にＰＳＤを用いた場合のフォーカスの調整方法について説明する。フォーカスレンズ部６を調整前に角度調整ミラー３を振り、光検出部１５上の戻り光のスポット位置を動かす。光検出部１５は瞳面１０と共役であり、図７に示すように、光検出部１５の検出面における円ＰＩは、瞳面１０の瞳径に対応するものであり、円ＰＩの外側にスポットＷ４を動かすと光検出部１５に戻り光は届かなくなる。円ＰＩの少し外にスポットＷ４がくる状態にした上で、フォーカスレンズ部６を光軸方向に動かすと、光源１の像の位置が瞳面１０から外れるところでは図７のＷ４′やＷ４″のように戻り光のスポット径が大きくなり、円ＰＩの内側に戻り光がはみ出してくることにより戻り光が検出されるようになる。図８は倍率６０倍ＮＡ１．４９の対物レンズを用いた観察において、戻り光のスポットＷ４を円ＰＩの外側近傍においてフォーカス調整用レンズ部６を動かしたときの強度変化を表したものである。光源１の像の位置が瞳面１０から光軸方向に外れた（光軸方向の瞳面の前後位置）ときに、光検出部１５で戻り光は検出されるので、フォーカスレンズ部６を光軸方向に動かし、戻り光が検出されないフォーカス調整用レンズ部６の移動範囲（フォーカス範囲）の中心を最適位置とする、つまり、光源１の像が瞳面１０上に形成されている位置とすることで、標本１２に照射される照明光束が平行になるので、これにより、次に説明する照明角度検出精度が向上する。
　なお、角度調整ミラー３による照明光ＬＩの標本１２への入射角度の調整方法は、上述の光検出部１５にＣＣＤを用いた場合と同じである。
［第２の実施形態］
　第１の実施形態に係る全反射顕微鏡１００は、光源１からの照明光ＬＩを反射する角度調整ミラー３の角度を制御することにより、照明光ＬＩが標本接地ガラス１７と標本１２との境界面で全反射するように構成していたが、この第２の実施形態に係る全反射顕微鏡２００は、図９に示すように、光源１を光軸１６と直交する方向に移動させて、この光源から放射される照明光ＬＩの主光線４が光軸と平行に射出させることにより、瞳面１０内での光源１の像の位置を調整するように構成した場合について説明する。なお、第１の実施形態に係る全反射顕微鏡１００と同一の構成部材については同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
　光源１から放射された照明光ＬＩは、その主光線が光軸１６に平行に進み、コリメートレンズ２で略平行光束に変換される。このとき、光源１は光源保持部２０で保持されており、光源１からの照明光の放射方向を維持したまま、この光源１を光軸１６と略直交する方向に移動させるように構成されている。そのため、光源１の光軸１６からの距離に応じてコリメートレンズ２から出射した略平行光束と光軸１６とのなす角度が決まる。この略平光束は、第２の光路分岐部５を透過し、フォーカスレンズ部６により対物レンズ１１の瞳共役面７若しくはその近傍に集光され、さらにリレーレンズ８でリレーされ、第１の光路分岐部９で反射されて対物レンズ１１の瞳面若しくはその近傍に光源１の像を形成し、対物レンズ１１で略平行光にされ、所定の角度で標本接地ガラス１７と標本１２との境界面に照射される。なお、フォーカスレンズ部６によりフォーカスの調整（瞳面１０に光源１の像を一致させる処理）は第１の実施形態と同じである。また、図９では、制御部５０等の構成は省略している。
　この第２の実施形態に係る全反射顕微鏡２００において、瞳面１０における照明光ＬＩの集光位置（光源１の像の位置）、すなわち標本１２に入射する照明光ＬＩの入射角度θは、上述したように、光源１を光軸と直交する方向に移動させることにより行う。すなわち、光源１を光軸方向に移動させる光源保持部２０が入射角度調整部として機能する。ここで、瞳面１０内における照明光ＬＩの集光位置（光源１の像の位置）と光軸１６（対物レンズ１１の射出瞳の中心）との距離ｈは、次の式（２′）で求められる。なお、この式（２′）において、βは光源１の瞳面１０への投影倍率であり、ｈ0は光源１と光軸１６との距離である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　この第２の実施形態に係る全反射顕微鏡２００においても、光検出部１５の強度検出分解能が低くても、光源保持部２０の光源１の光軸１６からの位置を決定する分解能が高ければ、この全反射顕微鏡２００における照明光ＬＩの標本１２に対する入射角度すなわちエバネッセント場の浸み込み深さの管理を高精度かつ低コストで行うことが可能となる。
［第３の実施形態］
　第３の実施形態に係る全反射顕微鏡３００は、第１の実施形態に係る全反射顕微鏡１００において、角度調整ミラー３で照明光ＬＩの光軸１６に対する角度を変化させていた構成に代えて、光源１及びコンデンサレンズ２を一体に回転（揺動）させるように構成した場合を示している。具体的には、この全反射顕微鏡３００は、図１０に示すように、光源保持部２１で光源１及びコリメートレンズ２を一体に保持し、光源１から放射されコンデンサレンズ２により略平行光束にされた照明光ＬＩの主光線４が光軸１６上の視野共役位置を通過するように、この視野共役位置またはその近傍を中心に光源保持部２１を回転（揺動）させるように構成されている。すなわち、この光源保持部２１が入射角度調整部として機能する。その他の構成は第１の実施形態と同一である。この第３の実施形態に係る全反射顕微鏡３００においても、光源保持部２１の回転量の分解能が高ければ、この全反射顕微鏡３００における照明光ＬＩの標本１２に対する入射角度すなわちエバネッセント場の浸み込み深さの管理を高精度かつ低コストで行うことが可能となる。
　なお、上述の各実施形態において、「対物レンズ１１の瞳面１０の近傍」は、瞳面１０から５ｍｍの位置の範囲内であることが好ましい。
　また、上述の各実施形態における「対物レンズ１１の瞳面１０と共役な位置の近傍」については、対物レンズ１１の瞳面１０と共役な位置の倍率に基づき設定される。具体的には、この倍率の設定に関与するのは、リレーレンズ８と、フォーカスレンズ部６と、集光レンズ１４であり、これら３枚のレンズで決まる倍率をβaとし、瞳面１０近傍をδとすると、共役な位置近傍Δaは、Δa=δ×βa 2となる。例えば、δ＝５ｍｍ、βa＝０．５とすると、Δa＝５×０．５2＝１．２５ｍｍとなるので、１．２５ｍｍの範囲内となる。
　また、上述の実施形態における「光軸１６上の対物レンズ１１の視野と共役な位置の近傍」の設定方法について説明すると、まず、対物レンズ１１の視野位置、つまりピント位置として、通常、焦点深度程度を想定する。焦点深度Δｚは、Δｚ＝ｎ×λ／（２×ＮＡ2）の式で表わされる。ｎは標本と対物レンズの間の媒質の屈折率である。また、λは光源１からの光の波長、ＮＡは対物レンズ１１のＮＡである。そして、このような視野位置と共役な位置の近傍については、対物レンズ１１と、リレーレンズ８と、フォーカスレンズ部６の３つのレンズで決まる倍率に基づき設定される。これら３枚のレンズで決まる倍率をβbとすると、近傍な位置Δｂは、Δｂ＝Δｚ×βb 2となる。例えば、ＮＡ１．４９の対物レンズ１１で、媒質の屈折率を１．５２、光源１からの光が波長λ＝４８０ｎｍ（青色）であるとすると、Δｚ＝０．１６μｍとなる。そして、βb＝１００とすると、近傍な位置Δｂは、Δｂ＝Δｚ×βb 2＝０．１６×１００2＝１．６ｍｍとなるので、１．６ｍｍの範囲内となる。
［その他］
　なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
１　光源
３　角度調整ミラー（入射角度調整部）
６　フォーカスレンズ部
８　リレー光学系
１０　対物レンズの入射瞳面（瞳面）
１１　対物レンズ
１２　標本
１５　光検出部
２０，２１　光源保持部（入射角度調整部）
５０　制御部
１００　全反射顕微鏡
１１０　照明光学系
２００，３００　全反射顕微鏡
 

Claims (15)

  1. 　光源からの光をリレー光学系でリレーして前記光源の像を対物レンズの入射瞳面若しくはその近傍に形成し前記光を前記対物レンズを介して標本に照射する照明光学系を有する全反射顕微鏡であって、
    　前記光源の像の位置を光軸と直交する方向に変化させる入射角度調整部と、
    　前記光が前記標本で反射して前記対物レンズで集光された戻り光の強度を検出する光検出部と、
    　前記入射角度調整部の作動量を決定する制御部と、を有し、
    　前記制御部は、前記入射角度調整部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射角度調整部の作動量を決定することを特徴とする全反射顕微鏡。
  2. 　前記光源の像の位置を光軸方向に変化させるフォーカスレンズ部をさらに有し、
    　前記制御部は、前記入射角度調整部および前記フォーカスレンズ部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射角度調整部および前記フォーカスレンズ部の作動量を決定することを特徴とする請求項１に記載の全反射顕微鏡。
  3. 　前記制御部は、前記入射角度調整部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記光が前記標本で全反射するように、前記入射角度調整部の作動量を決定し、前記フォーカスレンズ部を変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記光が平行光になるように、前記フォーカスレンズ部の作動量を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の全反射顕微鏡。
  4. 　前記制御部は、前記光が前記標本で全反射するように、前記対物レンズの入射瞳若しくはその近傍において、光軸方向と直交する方向に、前記光源像の位置を調整し、前記光が平行光になるように、前記対物レンズの入射瞳若しくはその近傍において、前記光軸方向に、前記光源像の位置を調整することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  5. 　前記制御部は、前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記標本における全反射と前記標本における非全反射の境界を特定することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  6. 　前記制御部は、前記入射角度調整部の変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記光の前記標本に対する入射角度を算出することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  7. 　前記制御部は、前記入射角度調整部の変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記標本の屈折率及びエバネッセント場の浸み込み深さの少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  8. 　前記制御部は、所望のエバネッセント場の浸み込み深さになるように前記入射角度調整部を制御することを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  9. 　前記光検出部は、前記入射瞳面と共役な位置若しくはその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  10. 　前記制御部は、前記入射角度調整部の前記変化量、あるいは前記入射角度調整部の作動に伴って変化する、前記光の主光線と前記リレー光学系の光軸とのなす角の変化量に基づいて、前記入射瞳面内における前記光源の像の位置を決定することを特徴とする請求項９に記載の全反射顕微鏡。
  11. 　前記制御部は、前記入射瞳面内における前記全反射と非全反射の境界となる前記位置を少なくとも３箇所以上決定し、当該位置から前記境界である円の中心を決定することを特徴とする請求項１０に記載の全反射顕微鏡。
  12. 　前記制御部は、前記フォーカスレンズ部により前記光源の像の位置を光軸方向に変化させたときの前記戻り光の強度の変化に基づいて、前記入射瞳面に対する前記光源の像の集光状態を検出することを特徴とする請求項９～１１のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  13. 　前記入射角度調整部は、前記リレー光学系の光軸上であって、前記対物レンズの視野と共役な位置若しくはその近傍と交差するように配置され、前記光を反射する反射面を有し、前記反射面の前記光軸に対する角度を当該反射面の前記光軸と交差する点を中心に変化させて前記入射角度を変化させることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  14. 　前記入射角度調整部は、前記光源の光軸からの距離を、前記光軸に直交する面内で変化させて前記入射角度を変化させることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
  15. 　前記入射角度調整部は、前記リレー光学系の光軸上であって、前記対物レンズの視野と共役な位置若しくはその近傍を中心に回転させて前記入射角度を変化させることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の全反射顕微鏡。
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