JP2014512027A - 複数の検出器を備える切り替え可能な顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、蛍光信号を出力する少なくとも２つの光出力（１２、１４）と前記蛍光信号の出力を前記光出力間で切り替える切替装置（１６）とを有する顕微鏡（１０）と、ビーム分割装置（１８）と、それぞれの出力に関連づけられた別個の部分ビーム経路（２４、２６）を生成する光学要素（２８、３０）であり、前記別個の部分ビーム経路が、それぞれの前記出力のそれぞれの前記蛍光信号が、それぞれの前記部分ビーム経路を通過した後に、前記ビーム分割器のところで重ね合わされるように生成される光学要素と、それぞれの前記部分ビーム経路に関して、１つの検出器が、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置し、別の１つの検出器が、透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割装置の後ろに位置するような少なくとも２つの光検出器（２０、２２）とを備える顕微鏡装置に関する。

Description

顕微鏡を使用した蛍光信号の観察では一般に、出力（ポート）を介して、場合によっては画像化条件または距離を調整するためにこの目的用に提供された追加の光学要素（中継光学系）によって、顕微鏡に接続されたカメラ（ＣＣＤ、ｓＣＭＯＳ、ＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤなど）が使用される。複数の色を同時に観察するためには、蛍光はしばしば複数のカメラに対して分割される。この分割は、顕微鏡内、顕微鏡外またはカメラ内で実行することができる。この色分割は通常、ビーム経路上の２色性要素（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）（色分割器）を使用することにより、波長または偏光に基づいて実行される。

色分割のためのこの装置の一般的な欠点は、外部分割の場合に、この色分割装置を１つのポートでしか使用できないことである。具体的には、このことは、通常は高価な検出器をその１つのポートでしか使用できないことを意味する。回転円板（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｄｉｓｋ）と広視野（ｗｉｄｅ−ｆｉｅｌｄ）の間、または回転円板とＴＩＲＦ（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）（全反射顕微鏡法）の間など、異なる検出モード間で装置を迅速に切り替えるために、この欠点は、それぞれの構成が、対応する検出器およびフィルタ／フィルタ・ホイール（ｆｉｌｔｅｒ ｗｈｅｅｌ）を必要とすることを印象づける。特に、チャンネルごとに１つの検出ユニットが必要な多チャンネル測定では、この重複ハードウェアのためにかなりの追加の費用が生じる。

本発明の目的は、異なる用途に対する検出器の多重使用および／または異なるポーを介した検出器の多重使用を単純かつ安価に可能にする顕微鏡装置を提供することにある。

本発明は、この目的を、以下の説明および特許請求の範囲に基づく装置によって達成する。

本発明のいくつかの実施形態では、カメラ、ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）（アバランシェ光検出器）、または光電子増倍管など、２つ以上の検出器を組み合わせて、再構成することなしに、異なる検出方法で、同時にまたは逐次的に使用することを可能にする。この目的のために、この顕微鏡は、異なる出力間の手動切り替えまたは電動化された切り替えを使用し、光学構造は、ビームが再び重ね合わされる前の両方のアーム（ａｒｍ）の光路長および／または機械的経路の長さが等しいかまたはほぼ等しくなるように選択されることが好ましい。この重ね合わせは、例えば単一の２色性要素（色分割器もしくは一般的なビーム分割器）によって、または手動でもしくはモータによって操作される色分割器／スライダ（ｓｌｉｄｅｒ）もしくはフィルタ・ホイールによって、実現することができる。このビーム分割器または色分割器は、蛍光を再び２つのアームに分離する。それらのアームはそれぞれ、２つの検出器のうちの一方の検出器へ通じる。顕微鏡内のスイッチの位置に応じて、２色性要素は、２つのアームのうちの一方のアームに対しては透過要素として、２つのアームのうちのもう一方のアームに対しては反射要素として機能し、またはその逆の形で機能する。したがって、スイッチの両方の位置に関して２色検出が実現される。

本発明の他の実施形態では、顕微鏡の単一の光出力（ポート）が使用され、直後に（または中継もしくは画像化光学要素の後ろで）、移動可能なミラーまたは他の光学要素（ＡＯＭ（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）（音響光学変調器）、ＡＯＴＦ（ａｃｏｕｓｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ）（音響光学チューナブル・フィルタ）、ＥＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）（電気光学変調器）など）を含む２つのアーム間で切替えが実施される。好ましくは長さが等しいまたは長さがほぼ等しい光路の後ろで、これらの２つのアームは、前述の実施形態の場合と同様に、ビーム分割器（例えば色分離器（ｃｏｌｏｒ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を備える波長従属のビーム分割器または例えば偏光による波長独立のビーム分割器）のところで重ね合わされる。この手段によって、内部ポート・スイッチのない顕微鏡においても以前の例で説明した構成を実現することができ、または、それに応じて、１つの外部ポートしか使用できない顕微鏡を拡張することができる。

本発明の一実施形態に基づく顕微鏡装置を示す図である。 本発明の他の実施形態に基づく顕微鏡装置を示す図である。

本発明の顕微鏡装置の一実施形態を図１および２に示す。この実施形態は、蛍光信号を出力する２つの光出力１２および１４と蛍光信号の出力を出力１２と出力１４の間で切り替える切替装置１６とを有する顕微鏡１０と、例えば色分割器を構成するビーム分割器１８と、２つの光検出器２０および２２と、２つの出力１２、１４のうちの一方の出力にそれぞれ関連づけられた２つの別個の部分ビーム経路またはアーム２４および２６を生成する光学要素（ミラー２８、レンズ３０）とを備える。図示の例では、部分ビーム経路２６に、回転円板ユニット３２（共焦点ニプコー（Ｎｉｐｋｏｖ）スキャナ）が組み込まれている。部分ビーム経路２４、２６は、それぞれの蛍光信号が、それぞれの部分ビーム経路を通過した後に、ビーム分割器１８のところで重ね合わされるように形成され、部分ビーム経路２４、２６は、（図示の例のように）少なくともほぼ等しい長さの光路を有するか、または、部分ビーム経路のうちの少なくとも一方の経路が、光路差を補償するための装置（図示せず）を備える。検出器２０、２２は、それぞれの部分ビーム経路２４および２６に関して、１つの検出器が、反射経路上において、（顕微鏡１０から見て）ビーム分割器１８の後ろにあり、別の１つの検出器が、透過経路上において、ビーム分割器１８の後ろにあるように配置される（図示の例では、第１の部分ビーム経路２４に関して、検出器２２が、反射経路上において、ビーム分割器１８の後ろに位置し、検出器２０が、透過経路上において、ビーム分割器１８の後ろに位置する。第２の部分ビーム経路２６に関してはこれが正反対になる）。

図示の例では、必要に応じて、さまざまな検出モード間の切替えが可能である。図１は、第１の出力１２（したがって第１の部分ビーム経路２４）が使用されるスイッチ・アセンブリ１６の第１の位置を示す。この第１の位置は、ＥＰＩ（すなわち照明／画像化ビーム経路）、ＴＩＲＦまたはＳＩ（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）（構造化照明）測定に対して使用することができる。図２は、第２の出力１４（したがって第２の部分ビーム経路２６）が使用される切替装置１６の第２の位置を示す。この第２の位置は、ユニット３２による回転円板検出に対して使用される。

代替実施形態では、単一の顕微鏡出力（例えば出力１２）を２つの部分ビーム経路２４および２６間で切り替えるために、切替装置１６に対応する切替装置が顕微鏡１０の外側に設けられる。

本発明の一態様によれば、顕微鏡装置が、蛍光信号を出力する少なくとも２つの光出力と前記蛍光信号の出力を前記光出力間で切り替える切替装置とを含む顕微鏡と、ビーム分割器と、それぞれの出力に関連づけられた別個の部分ビーム経路を生成する光学要素であり、前記別個の部分ビーム経路が、それぞれの前記出力のそれぞれの前記蛍光信号が、それぞれの前記部分ビーム経路を通過した後に、前記ビーム分割器のところで重ね合わされるように生成される光学要素と、それぞれの前記部分ビーム経路に関して、１つの検出器が、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置し、別の１つの検出器が、透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置するような少なくとも２つの光検出器とを備える。

いくつかの実施形態では、前記ビーム分割器が色分割器を含む。いくつかの実施形態では、前記検出器のうちの少なくとも１つの検出器がカメラを含む。いくつかの実施形態では、前記検出器のうちの少なくとも１つの検出器が、アバランシェ・フォト・ダイオード、光電子増倍管またはそれらのアレイを含む。いくつかの実施形態では、前記切替装置が、前記出力間の切替えを手動で実行するように構成されており、または電動化されている。

本発明の他の態様によれば、顕微鏡装置が、蛍光信号を出力する少なくとも１つの光出力と前記蛍光信号を部分ビーム経路間で切り替える切替装置とを有する顕微鏡と、ビーム分割器と、部分ビーム経路を生成する光学要素であり、前記部分ビーム経路が、前記蛍光信号が、それぞれの前記部分ビーム経路を通過した後に、前記ビーム分割装置のところで重ね合わされるように生成される光学要素と、それぞれの前記部分ビーム経路に関して、１つの検出器が、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置し、別の１つの検出器が、透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割装置の後ろに位置する少なくとも２つの光検出器とを備える。

いくつかの実施形態では、前記切替装置が、ＡＯＴＦスイッチ、電気光学スイッチまたはガルバノメータ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）によって駆動されるスイッチを有する。いくつかの実施形態では、前記部分ビーム経路のうちの１つのビーム経路に、ニプコー・スキャナなどの回転円板ユニットが組み込まれている。

いくつかの実施形態では、前記部分ビーム経路が少なくともほぼ等しい長さの光路を形成し、または前記部分ビーム経路のうちの少なくとも１つの経路が光路差を補償する装置を有する。

本発明はさらに、切替え可能な顕微鏡を使用する方法であって、異なる光路を有する切替え可能な２つの光出力間で前記顕微鏡を切り替えること、前記２つの光路の前記光出力をビーム分割器のところで重ね合わせること、ならびに反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第１の検出器、および透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第２の検出器を使用して前記光出力を検出することを含む方法を包含する。

この方法の一実施形態によれば、異なる光路に接続する切替え可能な２つの光出力間で前記顕微鏡を切り替え、前記２つの光路の前記光出力をビーム分割器のところで重ね合わせ、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第１の検出器、および透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第２の検出器を使用して前記光出力を検出することによって、切替え可能な顕微鏡が操作される。

この方法のいくつかの実施形態では、ビームが重ね合わされる前のビームの前記異なる光路がほぼ等しい。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、ビームが重ね合わされる前の前記異なる光出力の光路長の差を補償することを含む。いくつかの実施形態では、前記２つの光路の光出力を、色ビーム分割器（ｃｏｌｏｒ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）のところで重ね合わせる。いくつかの実施形態では、切替え可能な２つの光出力間で前記顕微鏡を切り替えることが、切替えモータを作動させることを含む。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

【０００３】
色分割のためのこの装置の一般的な欠点は、外部分割の場合に、この色分割装置を１つのポートでしか使用できないことである。具体的には、このことは、通常は高価な検出器をその１つのポートでしか使用できないことを意味する。回転円板（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｄｉｓｋ）と広視野（ｗｉｄｅ−ｆｉｅｌｄ）の間、または回転円板とＴＩＲＦ（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）（全反射顕微鏡法）の間など、異なる検出モード間で装置を迅速に切り替えるために、この欠点は、それぞれの構成が、対応する検出器およびフィルタ／フィルタ・ホイール（ｆｉｌｔｅｒ ｗｈｅｅｌ）を必要とすることを印象づける。特に、チャンネルごとに１つの検出ユニットが必要な多チャンネル測定では、この重複ハードウェアのためにかなりの追加の費用が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】米国出願公開第２００７／０２４７６３０号明細書
【特許文献２】米国出願公開第２００４／０１４５７４８号明細書
【特許文献３】米国特許第０５４１２４７３号明細書

Claims (15)

1. 蛍光信号を出力する少なくとも２つの光出力（１２、１４）と前記蛍光信号の出力を前記光出力間で切り替える切替装置（１６）とを含む顕微鏡（１０）と、
   ビーム分割器（１８）と、
   それぞれの出力に関連づけられた別個の部分ビーム経路（２４、２６）を生成する光学要素（２８、３０）であり、前記別個の部分ビーム経路が、それぞれの前記出力のそれぞれの前記蛍光信号が、それぞれの前記部分ビーム経路を通過した後に、前記ビーム分割器のところで重ね合わされるように生成される光学要素と、
   それぞれの前記部分ビーム経路に関して、１つの検出器が、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置し、別の１つの検出器が、透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置するような少なくとも２つの光検出器（２０、２２）と
   を備える顕微鏡装置。
2. 前記ビーム分割器が色分割器（１８）を含む、請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記検出器（２０、２２）のうちの少なくとも１つの検出器がカメラを含む、請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記検出器（２０、２２）のうちの少なくとも１つの検出器が、アバランシェ・フォト・ダイオード、光電子増倍管またはそれらのアレイを含む、請求項３に記載の顕微鏡装置。
5. 前記切替装置（１６）が、前記出力間の切替えを手動で実行するように構成されており、または電動化されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
6. 蛍光信号を出力する少なくとも１つの光出力（１２）と前記蛍光信号を部分ビーム経路（２４、２６）間で切り替える切替装置とを有する顕微鏡（１０）と、
   ビーム分割器（１８）と、
   部分ビーム経路を生成する光学要素（２４、２６）であり、前記部分ビーム経路が、前記蛍光信号が、それぞれの前記部分ビーム経路を通過した後に、前記ビーム分割装置のところで重ね合わされるように生成される光学要素（２４、２６）と、
   それぞれの前記部分ビーム経路に関して、１つの検出器が、反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置し、別の１つの検出器が、透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割装置の後ろに位置する少なくとも２つの光検出器（２０、２２）と
   を備える顕微鏡装置。
7. 前記切替装置（１６）が電動化されている、請求項６に記載の顕微鏡装置。
8. 前記切替装置（１６）が、ＡＯＴＦスイッチ、電気光学スイッチまたはガルバノメータによって駆動されるスイッチを有する、請求項７に記載の顕微鏡装置。
9. 前記部分ビーム経路のうちの１つのビーム経路（２６）に回転円板ユニット（３２）（ニプコー・スキャナ）が組み込まれた、請求項１から８のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
10. 前記部分ビーム経路（２４、２６）が少なくともほぼ等しい長さの光路を形成し、または前記部分ビーム経路のうちの少なくとも１つの経路が光路差を補償する装置を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
11. 切替え可能な顕微鏡を操作する方法であって、
    異なる光路に接続する切替え可能な２つの光出力間で前記顕微鏡を切り替えること、
    前記２つの光路の前記光出力をビーム分割器のところで重ね合わせること、ならびに
    反射経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第１の検出器、および透過経路上において、前記顕微鏡から見て前記ビーム分割器の後ろに位置する第２の検出器を使用して前記光出力を検出すること
    を含む方法。
12. ビームが重ね合わされる前のビームの前記異なる光路がほぼ等しい、請求項１１に記載の方法。
13. ビームが重ね合わされる前の前記異なる光出力の光路長の差を補償することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記２つの光路の光出力を、色ビーム分割器のところで重ね合わせる、請求項１１に記載の方法。
15. 切替え可能な２つの光出力間で前記顕微鏡を切り替えることが、切替えモータを作動させることを含む、請求項１１に記載の方法。

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