JP2009168964A - 共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】カラー化された共焦点顕微鏡において簡便な装置構成により色収差を低減する。
【解決手段】波長可変照明光学系１０はニッポウディスク４０の回転に同期してＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂを点灯するよう構成されており、領域４０ｒは赤色ＬＥＤ１１ｒからの光束で照明、領域４０ｇは緑色ＬＥＤ１１ｇからの光束で照明、領域４０ｂは青色ＬＥＤ１１ｂからの光束で照明される。領域４０ｒ、４０ｇ、４０ｂの光学的厚みｄ／ｎは、赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂの各波長に対する対物レンズ５の軸上色収差による焦点ずれを補償するように厚みを調整されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、共焦点顕微鏡に関するものである。

タンデム走査型の共焦点顕微鏡は分解能が高いといった利点から従来から良く知られている。このような従来のタンデム走査型共焦点顕微鏡を、図８を参照して説明する。この顕微鏡は、筐体内に、共焦点照明光源１、コレクタレンズ２、第１ビームスプリッター３、ニッポウディスク４、対物レンズ５、リレーレンズ６および接眼レンズ７を配設して構成されている。ニッポウディスク４は中心から螺旋状に広がるパターンで多数のピンホール（ピンホール）が形成されたディスクを有し、軸４ａを中心として高速回転される。

この顕微鏡において、共焦点照明光源１から照射された光はコレクタレンズ２により集光された後、第１ビームスプリッター３により反射されニッポウディスク４を照明し、ニッポウディスク４のピンホールを通過する。ピンホールを通過した光は、対物レンズ５を通り観察試料８に照射される。ここで、ニッポウディスク４のピンホール形成面４ｐは対物レンズ５を介して観察試料８の一次像面位置（共役位置ｃ１）に配設されており、このため対物レンズ５を通り観察試料８に照射される光は観察試料８上にピンホール像を結ぶ。このように観察試料８に照射された光は、観察試料８により反射されて再び対物レンズ５を通り、元のピンホールに集まってこれを通過し、第１ビームスプリッター、リレーレンズ６を通過し、共役位置ｃ２に観察試料の二次像を結ぶ。これを接眼レンズ７で見ることにより共焦点観察ができる。
このようなタンデム型共焦点顕微鏡は、光源にレーザー等を用いずに構成が可能であることから、裸眼による直接観察が可能であることに加え、カラー画像の観察、撮影が可能である点が特長である。

カラー画像観察、撮像のためには光学系の色収差の補正が必要であり、一般的に対物レンズ５は異なる屈折率、分散を有する複数種類の硝材を用いたレンズを組み合わせることで色収差補正を行っている。また、特開２０００−３１０７３５号公報（特許文献１）
において屈折レンズと回折光学素子を組み合わせた対物レンズを用いることで共焦点像の色収差を補正する方法が提案されている。
特開２０００−３１０７３５号公報

しかしながら、対物レンズの色収差補正によって特定の２波長の色収差を補正することはできるが、それ以外の波長においては所謂二次スペクトルと呼ばれる残存色収差が残る。この２次スペクトルを低減させるためには、高価で加工の難しい蛍石（ＣａＦ_２）等を用いる必要があり好ましくない。また、２次スペクトルは一般に対物レンズの差動距離に比して大きくなり、対物レンズの開口数が大きくなるほど影響が大きくなる為、高分解能で長差動距離の対物レンズを作ることが困難である。

一方で特許文献１のような回折光学素子を用いた対物レンズは、比較的容易に二次スペクトルが低減できるものの加工が難しい。また回折レンズを用いることにより発生するフレアは、共焦点像においては除去することができるものの通常照明における観察では除去することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はカラー化された共焦点顕微鏡において簡便な装置構成により色収差を低減することにある。

前記課題を解決するための第１の手段は、光源装置と、複数のピンホールを有し、走査作動がされる走査基板と、前記光源装置からの光を前記走査基板の前記ピンホールに照明する照明光学系と、前記ピンホールを通過した光を観察対象物に集光照明するとともに前記観察対象物からの観察光を前記ピンホールに集光する対物レンズを含む対物光学系と、前記ピンホールを透過した前記観察光を撮像装置の撮像面に集光する集光光学系とを備えた共焦点顕微鏡であって、前記走査基板の走査に同期して、前記観察対象物を集光照明する光の波長を変える波長変更手段と、前記集光照明光の波長に対応して、前記ピンホールから前記観察対象物までの光路長を変更する光路長変更手段と、を備えていることを特徴とする共焦点顕微鏡である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記光路長変更手段は、前記走査基板の走査に同期して駆動されること特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記光路長変更手段は、前記照明光学系を経た照明光の入射面が平面であって、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領城を有する前記走査基板そのものであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記光路長変更手段は、前記走査基板に配置された、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領域を有する基板であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段であって、前記光路長変更手段は、前記走査基板に同期して駆動する、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領域を有する基板であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記光源装置は、異なる波長の光をそれぞれ出射する複数の光源であり、前記波長変更手段は、前記複数の光源のうち光を出力させる光源を選択し切り替える切替制御機構であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、前記切替制御機構は、前記各部分領域に対応する波長の光を出力する光源を選択し切り替えることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記光源装置は、白色光源であり、前記波長変更手段は、前記走査基板に同期して駆動する、透過する光の波長が異なる複数の部分領域を有するフィルタであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記光源装置は、白色光源であり、前記波長変更手段は、前記走査基板に配置された、透過する光の波長が異なる複数の部分領城を有するフィルタであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１０の手段は、請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡であって、前記走査基板は、らせん状に配列された多数の前記ピンホールを有した円板から構成され、この円板を回転させて走査作動を行わせるニッポウディスクであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１１の手段は、請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡であって、前記波長変更手段による複数の波長の光を用いて、前記観察対象物の画像を複数作成し、この複数の画像を合成することにより、カラー画像を得る手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、カラー化された共焦点顕微鏡において簡便な装置構成により色収差を低減することができる。

（第１実施形態）
以下、図１を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態における顕微鏡は、筐体内に、波長可変照明光学系１０、第１ビームスプリッター３、ニッポウディスク４０、対物レンズ５、リレーレンズ６および接眼レンズ７を配設して構成されている。ニッポウディスク４０は中心から螺旋状に広がるパターンで多数のピンホールが形成されたディスクを有し、軸４０ａを中心として高速回転される。

波長可変照明光学系１０から照射された光は第１ビームスプリッター３により反射されニッポウディスク４０を照明し、ニッポウディスク４０のピンホールを通過する。ピンホールを通過した光は、対物レンズ５を通り観察試料８に照射される。ここで対物レンズ５は有限遠補正光学系で構成され、ニッポウディスク４０のピンホール形成面４０ｐは対物レンズ５を介して観察試料８の一次像面位置（共役位置ｃ１）に配設されており、このため対物レンズ５を通り観察試料８に照射される光は観察試料８上にピンホール像を結ぶ。このように観察試料８に照射された光は、観察試料８により反射されて再び対物レンズ５を通り、元のピンホールに集まってこれを通過し、第１ビームスプリッター３、リレーレンズ６を通過し、共役位置ｃ２に観察試料の二次像を結ぶ。これを接眼レンズ７で見ることにより共焦点観察ができる。第１ビームスプリッター３は、照明光学系と結像光学系に共用されている。

波長可変照明光学系１０は例えば赤、緑、青のように発光色の異なる赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂを有しており、赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂから放出される光束はそれぞれコレクタレンズ２により集光された後、クロスダイクロイックプリズム１２によって同一光路に導かれる。赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂから出力される光は、それぞれのＬＥＤの１つのみを点灯させることにより、切り替え可能となっており、後に述べるように、ニッポウディスク４０の回転に同期して順次点灯される。

図２は本実施の形態におけるニッポウディスク４０の形状を表す図である。ニッポウディスク４０の対物レンズ５側には、屈折率ｎが等しく、厚みｄの異なる領域（即ち光学的厚みｄ／ｎの異なる領域）４０ｒ、４０ｇ、４０ｂが形成されており、ニッポウディスク４０の螺旋状ピンホールパターンは領域４０ｒ、４０ｇ、４０ｂにおいてそれぞれ少なくとも１回観察試料８上をピンホールの像が走査されるようにパターンが形成されている。

すなわち、ニッポウディスク４０が１回転する毎に、領域４０ｒに形成されている複数のピンホールからの光で、観察試料８上の観察領域全体が照射され、領域４０ｇに形成されている複数のピンホールからの光で、観察試料８上の観察領域全体が照射され、領域４０ｂに形成されている複数のピンホールからの光で、観察試料８上の観察領域全体が照射されるように、領域４０ｒ、４０ｇ、４０ｂの大きさが決められている。

図１において、波長可変照明光学系１０はニッポウディスク４０の回転に同期して赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂを点灯するよう構成されており、領域４０ｒは赤色ＬＥＤ１１ｒからの光束で照明、領域４０ｇは緑色ＬＥＤ１１ｇからの光束で照明、領域４０ｂは青色ＬＥＤ１１ｂからの光束で照明される。

領域４０ｒ、４０ｇ、４０ｂの光学的厚みｄ／ｎは、赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂの各波長に対する対物レンズ５の軸上色収差による焦点ずれを補償するように厚みを調整されている。このように構成することで対物レンズ５の軸上色収差によらず、赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂの各波長における軸上色収差を補正することが可能になる。すなわち、本発明において、ピンホールと観察対象の間の光学的距離を変えているのは、対物レンズ５の軸上色収差を、使用色（波長）ごとに補正するためである。

第１の実施の形態におけるニッポウディスク４０は、屈折率ｎが等しく、厚みｄの異なる領域を形成することで光学的厚みｄ／ｎを変化させているとして説明しているが、これに限られずたとえば厚みｄが等しく屈折率ｎが異なる複数の媒質で構成してもよい。

また第１の実施の形態におけるニッポウディスク４０は、３つの光学的厚みの異なる領域を有するとして説明したが、これに限られずたとえば２つの領域とし、赤色、青色の色収差を補正した対物レンズにおける緑色の２次スペクトルをニッポウディスクで補正するよう構成してもよい。あるいは、３つの光学的厚みの異なる領域を２つずつ、６つの領域に分割し、回転対称に配置してもよい。このように構成することでニッポウディスクの慣性モーメントを減少させ、より高速での回転が可能になる。

第１の実施の形態において、対物レンズ５は有限遠補正光学系で構成されているとして説明しているが、例えば図３のように第１対物レンズ５１と第２対物レンズ５２により構成される無限遠補正光学系としてもよい。

また、図４のように通常照明光学系３２と第２ビームスプリッター３１を更に有するよう構成してもよい。このように構成することにより、共焦点観察に加え、通常観察も行うことが可能である。

（第２実施形態）
以下、図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態における顕微鏡は図８に示す従来技術に比べニッポウディスクの構成が異なっている。

第２の実施の形態における顕微鏡は、筐体内に、照明光源１、コレクタレンズ２、第１ビームスプリッター３、ニッポウディスク４１、対物レンズ５、リレーレンズ６および接眼レンズ７を配設して構成されている。ニッポウディスク４１は中心から螺旋状に広がるパターンで多数のピンホールが形成されたディスクを有し、軸４１ａを中心として高速回転される。

照明光源１から照射された光はコレクタレンズ２により集光された後、第１ビームスプリッター３により反射されニッポウディスク４１を照明し、ニッポウディスク４１のピンホールを通過する。ピンホールを通過した光は、対物レンズ５を通り観察試料８に照射される。ここで、ニッポウディスク４１のピンホール形成面４０ｐは対物レンズ５を介して観察試料８の一次像面位置（共役位置ｃ１）に配設されており、このため対物レンズ５を通り観察試料８に照射される光は観察試料８上にピンホール像を結ぶ。このように観察試料８に照射された光は、観察試料８により反射されて再び対物レンズ５を通り、元のピンホールに集まってこれを通過し、第１ビームスプリッター、リレーレンズ６を通過し、共役位置ｃ２に観察試料の二次像を結ぶ。これを接眼レンズ７で見ることにより共焦点観察ができる。

図６は本実施の形態におけるニッポウディスク４１の形状を表す図である。ニッポウディスク４１の対物レンズ５側には、屈折率ｎが等しく、厚みｄの異なる領域（即ち光学的厚みｄ／ｎの異なる領域）４１ｒ、４１ｇ、４１ｂが形成されており、ニッポウディスク４１の螺旋状ピンホールパターンは領域４１ｒ、４１ｇ、４１ｂにおいてそれぞれ少なくとも１回観察試料８上をピンホールの像が走査されるようパターンが形成されている。さらに領域４１ｒ、４１ｇ、４１ｂの表面にはそれぞれ赤色、緑色、青色を透過する波長選択フィルタとして機能する誘電体多層膜が形成されている。

白色光源である共焦点照明光源1からの光束はニッポウディスク４１の回転により領域４１ｒでは赤色、領域４１ｇでは緑色、領域４１ｂで青色の光を試料８に照射する。領域４１ｒ、４１ｇ、４１ｂの光学的厚みｄ／ｎは、領域４１ｒ、４１ｇ、４１ｂ上に形成された波長選択フィルタの各透過波長に対する対物レンズ５の軸上色収差による焦点ずれを補償するように厚みを調整されている。このように構成することで対物レンズ５の軸上色収差によらず、各波長における軸上色収差を補正することが可能になる。

（第３実施形態）
以下、図７を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態における顕微鏡は、筐体内に、照明光源１、コレクタレンズ２、第１ビームスプリッター３、ニッポウディスク４１、対物レンズ５、リレーレンズ６およびＣＣＤカメラ２０により構成されている。光源１から照射された光が観察試料８を照射し共役位置ｃ２に観察試料の二次像を結ぶまでの過程は第２の実施例と同様であり、説明を省略する。

第３の実施の形態は第２の実施の形態に比べ、共役位置ｃ２に結像する観察試料の二次像を接眼レンズを通して肉眼で見る代わりに、ＣＣＤのように撮像素子を用いて電子画像に変換することが異なる。

ここで、ＣＣＤカメラ２０はモノクロカメラであって、領域４１ｒ、４１ｇ、４１ｂに同期してそれぞれ赤色、緑色、青色により観察された３つの画像を撮像するよう構成されている。３色で撮像された画像を不図示の画像合成手段で合成することでカラー画像を得る。このように構成することで、単板のモノクロＣＣＤカメラを用いてカラー画像を合成することが可能になる。

以上の各実施の形態の説明においては、ニッポウディスク４０自体の厚みを領域毎に変化させているが、厚みや屈折率が領域毎に変化する図２に示すような透明基板（だだしピンホールのないものとする）を製造し、これをニッポウディスク４０に貼り合わせたり近接配置して、ニッポウディスク４０と同期して移動させたりしても同様の作用効果が得られることは自明のことであろう。なお、透明基板というのはフィルム状のものであってもよく、無色でなくてもよいことはもちろんである。

又、本発明はニッポウディスクを使用したものに限られるものではなく、ピンホールを複数形成した基板を、平行移動させることにより走査を行うような共焦点顕微をも含むのである。

本発明の第１の実施形態である共焦点顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 第１の実施形態におけるニッポウディスクの詳細な構成を示す図である。 無限遠対物の場合の第１の実施の形態の変形例を示す図である。 明視野系をさらに有する第１の実施の形態の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態である共焦点顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 第２の実施形態におけるニッポウディスクの詳細な構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である共焦点顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 従来の共焦点顕微鏡の光学系の概要を示す図である。

符号の説明

１…共焦点照明光源、２…コレクタレンズ、３…第１ビームスプリッター、４，４０，４１…ニッポウディスク、５…対物レンズ、６…リレーレンズ、７…接眼レンズ、８…観察試料、１０…波長可変照明光学系、１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ…ＬＥＤ、１２…クロスダイクロイックプリズム、２０…ＣＣＤカメラ、３１…第２ビームスプリッター、３２…通常照明光学系、４ａ，４０ａ，４１ａ…軸、４ｐ，４０ｐ，４１ｐ…ピンホール形成面、４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ，４１ｒ，４１ｇ，４１ｂ…領域、５１…第１対物レンズ、５２…第２対物レンズ、

Claims (11)

1. 光源装置と、
   複数のピンホールを有し、走査作動がされる走査基板と、
   前記光源装置からの光を前記走査基板の前記ピンホールに照明する照明光学系と、
   前記ピンホールを通過した光を観察対象物に集光照明するとともに前記観察対象物からの観察光を前記ピンホールに集光する対物レンズを含む対物光学系と、
   前記ピンホールを透過した前記観察光を撮像装置の撮像面に集光する集光光学系と
   を備えた共焦点顕微鏡であって、
   前記走査基板の走査に同期して、前記観察対象物を集光照明する光の波長を変える波長変更手段と、
   前記集光照明光の波長に対応して、前記ピンホールから前記観察対象物までの光路長を変更する光路長変更手段と、
   を備えていることを特徴とする共焦点顕微鏡。
2. 前記光路長変更手段は、前記走査基板の走査に同期して駆動されること特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡。
3. 前記光路長変更手段は、前記照明光学系を経た照明光の入射面が平面であって、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領城を有する前記走査基板そのものであることを特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡。
4. 前記光路長変更手段は、前記走査基板に配置された、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領域を有する基板であることを特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡。
5. 前記光路長変更手段は、前記走査基板に同期して駆動する、厚さの異なる複数の部分領域を有する基板、又は屈折率の異なる複数の部分領域を有する基板であることを特徴とする請求項１に記載の共焦点顕微鏡。
6. 前記光源装置は、異なる波長の光をそれぞれ出射する複数の光源であり、前記波長変更手段は、前記複数の光源のうち光を出力させる光源を選択し切り替える切替制御機構であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡。
7. 前記切替制御機構は、前記各部分領域に対応する波長の光を出力する光源を選択し切り替えることを特徴とする請求項６に記載の共焦点顕微鏡。
8. 前記光源装置は、白色光源であり、前記波長変更手段は、前記走査基板に同期して駆動する、透過する光の波長が異なる複数の部分領域を有するフィルタであることを特徴とする請求項1から請求項５のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡。
9. 前記光源装置は、白色光源であり、前記波長変更手段は、前記走査基板に配置された、透過する光の波長が異なる複数の部分領城を有するフィルタであることを特徴とする請求項1から請求項５のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡。
10. 請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡であって、前記走査基板は、らせん状に配列された多数の前記ピンホールを有した円板から構成され、この円板を回転させて走査作動を行わせるニッポウディスクであることを特徴とする共焦点顕微鏡。
11. 請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡であって、前記波長変更手段による複数の波長の光を用いて、前記観察対象物の画像を複数作成し、この複数の画像を合成することにより、カラー画像を得る手段を有することを特徴とする共焦点顕微鏡。

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