JP2015102743A - 共焦点スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイディスク１への入射光の入射角度とピンホールアレイディスク３の出射光の中心を個別に調整でき、ファイバ１５を固定とすることにより安定性の向上が図れる共焦点スキャナを実現すること。【解決手段】入射光束を点光源として集光する複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイディスクと、このマイクロレンズアレイディスクの集光位置に機械的に結合されて回転駆動されマイクロレンズと１対１に対応するように複数のピンホールが配列されたピンホールアレイディスクと、前記点光源を試料に結像させる対物レンズを具備し、前記ピンホール面と観察試料面は前記対物レンズの焦点と共役な点に配置された共焦点スキャナにおいて、前記マイクロレンズアレイディスクの前段に、空気と異なる屈折率を有し板厚が均一な透明板が光軸と交わる上下、左右の２方向に調整可能に設けられたことを特徴とするもの。【選択図】 図１

Description

本発明は、共焦点スキャナに関し、詳しくは、光学系の調整機構に関するものである。

図４は、特許文献１に記載された共焦点スキャナ顕微鏡の概念的構成図である。図４において、光源部１０は、複数の多波長光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、光透過帯域の異なるフィルタ１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、混合用のダイクロイックミラー１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、スイッチング機構１４とで構成されている。

各多波長光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃの出力光をフィルタ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを通すことによりそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの波長成分の光が取り出される。ダイクロイックミラー１３ａ，１３ｂ，１３ｃの部分ではこれらのＲ，Ｇ，Ｂ光を合成することにより、白色光として出射する。

スイッチング機構１４はこの白色光の通過と遮断を制御するものである。スイッチング機構１４を通過した光は光ファイバ１５を経由してミラー１６に入射する。ミラー１６はこの光を反射してレンズ１７に入射する。レンズ１７は入射光を平行光として、マイクロレンズアレイディスク２に入射する。

光検出部２０は、フィルタ２１と、イメージインテンシファイア２２と、レンズ２３と撮像カメラ７とにより構成されている。

フィルタ２１は透過波長特性の異なる複数のフィルタから構成されており、その各フィルタは択一的に選択できるように構成されている。選択機構としては、たとえば円板に複数のフィルタを配列しておき、円板の回転によりフィルタを切り換えるなどの機構を用いることができる。

フィルタ切り換え期間中は、光源部１０のスイッチング機構１４で合成光を遮断することにより、サンプル６への励起光照射を中止する。なお、遮断する必要がない場合は、常時通過の状態にするか、またはスイッチング機構１４を除去してもよい。

イメージインテンシファイア２３はフォトンを１００倍程度増幅する。なお、増幅率は可視光の範囲でほぼ一定であり、またその出力はたとえば緑色蛍光発光体である。出力が緑色蛍光発光体であるため、すべての入射光は緑色に変換される。このイメージインテンシファイア２３の出力光はレンズ２４により集光されて撮像カメラ７に入射される。

撮像カメラ７は、撮像画像を増幅し、電気信号に変換して出力する。

画像収集装置３０は、撮像カメラ７が出力する電気信号を画像データに変換して保存する。

画像表示装置４０は、通常コンピュータが用いられ、画像収集装置３０に格納された画像を読み出し、適宜に処理を行って表示画面に表示する。

このような構成において、光源部１０では３つの多波長光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃから発せられた光をそれぞれフィルタ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを通すことによりＲ，Ｇ，Ｂの光を得て、これらをダイクロイックミラー１３ａ，１３ｂ，１３ｃに入射することにより白色光を合成する。合成された白色光はスイッチング機構１４を通過して光ファイバ１５に入射される。

光ファイバ１５から出射された光はミラー１６で反射されてレンズ１７に入射され、平行光になる。レンズ１７により平行光となった光はマイクロレンズアレイディスク２に入射される。なお、光ファイバ１５の出力光を直接レンズ１７に入射させることができる場合には、ミラー１６は不要になる。

マイクロレンズアレイディスク２には、入射光束を点光源として集光する複数のマイクロレンズが配列されている。マイクロレンズアレイディスク２に入射された光は一つ一つのマイクロレンズで各々に対応するように配置されたピンホールアレイディスク３のピンホール上に点光源として集光される。この集光によって、ピンホールアレイディスク３を通過できる光量は大幅に向上する。また同時に、ピンホール以外のディスク表面での反射光（ノイズ光）が減少し、Ｓ／Ｎ比も向上する。

また、マイクロレンズアレイディスク１とピンホールアレイディスク３の間にはダイクロイックミラー４が配置されており、励起光はこのダイクロイックミラー４を透過する。ここで、マイクロレンズアレイディスク２とピンホールアレイディスク３は機械的に一体化されていて、回転により観察領域全体をスキャンできるように構成されている。

ピンホールアレイディスク３のピンホールを出たレーザ光は、対物レンズ５を通過後サンプル６を励起する。サンプル６から出た蛍光は再び対物レンズ５とピンホールアレイディスク３のピンホールを通過し、ダイクロイックミラー４で反射して観察光路系に導かれる。なお、ピンホールアレイディスク３のピンホール面と観察試料面は、対物レンズ５の焦点と共役な点に配置されている。

スキャナ部から観察光路系に出射された蛍光は、そこに混入している励起光の反射や迷光成分が図示しないバリアフィルタで除去されてたとえばＨＡＲＰ膜を用いたＨＡＲＰ方式の高感度撮像カメラ７に入り、サンプル６の蛍光像がこのカメラ７で観測される。

サンプル６から発せられる蛍光には通常複数の波長が含まれている。そこで、フィルタ２１を切り換えて各波長の蛍光を個別に透過させる。フィルタ２１を透過した蛍光はイメージインテンシファイア２３で増幅され、その出力光はレンズ２４で集光されて撮像カメラ７に入射される。撮像カメラ７の図示しない受像面に結像したサンプル６の蛍光像が撮影される。

イメージインテンシファイア２３の出力光は、フィルタ２１の透過光とは無関係に常に緑色である。撮像カメラ７ではこの緑色に変換された蛍光像を撮像する。画像収集装置３０では、選択したフィルタ２１の種類（または透過波長）の情報と撮像カメラ７の緑色出力画像信号とを関連付けて保存する。

画像表示装置４０は、画像収集装置３０に保存された画像データとフィルタ２１の情報を読み出し、元の蛍光色にカラー再構成して蛍光画像を画面表示する。なお、カラー再構成しないで蛍光画像を表示させることも可能である。

このようにして、フィルタ２１の透過波長を時分割で変えて蛍光画像を観察することができる。このとき、フィルタ２１の特性を変えることにより蛍光物質の種類を同定することもできる。

特開２００４−０９３７２１号公報

図５は、図４におけるミラー１６の動作説明図である。ピンホールアレイディスク３に入射されるレーザ光の角度θは、ピンホールアレイディスク３を通過する光量を決める重要な角度である。この角度はマイクロレンズアレイディスク２とピンホールアレイディスク３の位置関係により変化するため、マイクロレンズアレイディスク２とピンホールアレイディスク３の組み合わせごとに調整が必須である。

この調整を単純にミラー１６の角度調整で行うと図５（ａ）に示すように、出射光がサンプル６の中心からずれてしまう。このずれを修正するために、ファイバ１５の角度調整を行うことになる。

ところがファイバ１５の角度調整を行うと、マイクロレンズアレイディスク２への入射角も変化するため、再度ミラー１６の角度調整を行わなければならない。

マイクロレンズアレイディスク２への入射角度が適正でかつピンホールアレイディスク３からの出射光が図５（ｂ）に示すようにサンプル６の中心になるまで、ミラー１６とファイバ１５の角度調整を交互に行う必要があり、調整が煩雑で長時間かかってしまうという問題があった。

また、ファイバ１５からサンプル６までの距離が離れているため、小さな角度変化が大きな中心ズレとなることから、角度調整機構部分の安定性も必要となっていた。

本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、マイクロレンズアレイディスク１への入射光の入射角度とピンホールアレイディスク３の出射光の中心を個別に調整でき、ファイバ１５を固定とすることにより安定性の向上が図れる共焦点スキャナを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光束を点光源として集光する複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイディスクと、このマイクロレンズアレイディスクの集光位置に機械的に結合されて回転駆動されマイクロレンズと１対１に対応するように複数のピンホールが配列されたピンホールアレイディスクと、前記点光源を試料に結像させる対物レンズを具備し、前記ピンホール面と観察試料面は前記対物レンズの焦点と共役な点に配置された共焦点スキャナにおいて、
前記マイクロレンズアレイディスクの前段に、空気と異なる屈折率を有し板厚が均一な透明板が光軸と交わる上下、左右の２方向に調整可能に設けられたことを特徴とする共焦点スキャナである。

請求項２の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナにおいて、
前記透明板はガラスで構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の共焦点スキャナにおいて、
前記透明板はアクリルで構成されていることを特徴とする。
ことを特徴とする。

これらにより、光学調整の簡便化が図れ、調整後の外乱による影響を軽減できる共焦点スキャナを実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１の構成における光軸調整の原理説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 特許文献１に記載された共焦点スキャナ顕微鏡の概念的構成図である。 図４におけるミラー１６の動作説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、マイクロレンズアレイディスク２の前段には、空気と異なる屈折率を有し板厚が均一な透明板８が、光軸と交わる上下、左右の２方向に調整可能に設けられている。

なお、透明板８は、ガラスであってもよいし、アクリルであってもよい。アクリルはガラスよりも軽量で加工しやすいことから、上下、左右方向の調整機構もガラスに比べて簡略化できる。

マイクロレンズアレイディスク２とピンホールアレイディスク３を完全に位置合わせをすることは不可能であり、両者間の位置合わせ誤差がある場合にはピンホールアレイディスク３を通過できる光量が低下する。

そこで、この光量低下を防ぐために、空気と異なる屈折率を有し板厚が均一な透明板８を光軸と交わる上下、左右の２方向に調整可能に設け、ファイバ１５から出射されてマイクロレンズアレイディスク２に入射される角度θを調整することにより、マイクロレンズアレイディスク２とピンホールアレイディスク３の位置合わせ誤差を修正する。

図２は、図１の構成における光軸調整の原理説明図である。光は空気中から屈折率ｎの物体に入射角度θ１で入射されると、屈折角θ２で進む。そして、光が物体から出る場合には逆方向に屈折するため、入射光と平行に出射される。光軸は屈折率ｎの物体を通った分、もとの光軸よりＤだけシフトする。

このシフト量Ｄは、物体の厚みＴと屈折率ｎと入射角θ１により次式で表すことができる。
Ｄ＝ｔ・sinθ{1-(cosθ/n・cosθ')}
つまり、透明板８の角度を変更することでシフト量Ｄを変更することが可能となる。

ここで、透明板８による光軸の位置調整は、角度θに全く影響を与えない。このため、ピンホールアレイディスク３を通過する光量に影響を与えることなく、光軸の位置調整が可能となる。

また、光源１５はピンホールアレイディスク３から最も距離が離れているため、振動や外気温度など外乱による角度変化の影響を特に受けやすい構造となっているが、光源１５を固定とすることができるため、より外乱による影響を受けにくい構造とすることができる。

図３は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図３において、ファイバ１５とミラー１６の間の光路には少なくとも１枚のレンズ１７が設けられている。ここで、レンズ１７は、ファイバ１５から照射される光を均一に広げたり、平行光にコリメートするために使用する。

ここで、ファイバ１５から照射される光の光軸はレンズ１７の中央を通ることが望ましいが、本発明を用いれば光軸はファイバ１５からミラー１６に至るまでの光路はマイクロレンズアレイディスク２に入射される角度θの調整に関係なく不変であるため、ファイバ１５から照射される光の光軸は常にレンズ１７の中央を通ることができる。

このように構成される共焦点スキャナは、マイクロレンズアレイディスク１への入射光の入射角度とピンホールアレイディスク３の出射光の中心を個別に調整できること、ファイバ１５を固定とすることにより安定性の向上が図れるなどから、たとえば長時間の生細胞観察などに好適である。

以上説明したように、本発明によれば、光学調整の簡便化が図れ、調整後の外乱による影響を軽減できる共焦点スキャナが実現できる。

２ マイクロレンズアレイディスク
３ ピンホールアレイディスク
６ サンプル
８ 透明板
１５ ファイバ
１６ ミラー

Claims (3)

1. 入射光束を点光源として集光する複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイディスクと、このマイクロレンズアレイディスクの集光位置に機械的に結合されて回転駆動されマイクロレンズと１対１に対応するように複数のピンホールが配列されたピンホールアレイディスクと、前記点光源を試料に結像させる対物レンズを具備し、前記ピンホール面と観察試料面は前記対物レンズの焦点と共役な点に配置された共焦点スキャナにおいて、
   前記マイクロレンズアレイディスクの前段に、空気と異なる屈折率を有し板厚が均一な透明板が光軸と交わる上下、左右の２方向に調整可能に設けられたことを特徴とする共焦点スキャナ。
2. 前記透明板はガラスで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナ。
3. 前記透明板はアクリルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナ。