JP2016070961A - レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】測定ヘッドの回転移動に伴って観察対象部位以外の位置にレーザ光が不用意に照射されることを、確実に回避する。
【解決手段】標本Ｓを載置するステージ６と、レーザ光源２から発せられたレーザ光Ｌをステージ６上の標本Ｓへ照射するとともに、レーザ光Ｌの照射によって標本Ｓにおいて発生した観察光Ｆを集光する対物光学系８を保持する測定ヘッド９と、該測定ヘッド９を、ステージ６に対して所定の回転軸線Ｂ回りに回転移動可能に支持する回転機構１０と、少なくとも、回転機構１０によって測定ヘッド９が回転移動しているときに、対物光学系８からのレーザ光Ｌの出射を禁止するレーザ光禁止手段１３とを備えるレーザ顕微鏡１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ顕微鏡に関するものである。

従来、対物レンズを保持する測定ヘッドを水平な回転軸線回りに回転移動可能に設けたレーザ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなレーザ顕微鏡によれば、測定ヘッドの回転移動によってステージ上の標本に対する対物レンズの光軸の方向が変化するので、鉛直方向のみならず、様々な方向からの標本の観察が可能となる。例えば、脳科学分野では、生体内の脳を水平方向や斜め方向等からも観察することができる。

特許第４６８１８３４号公報

しかしながら、特許文献１のようなレーザ顕微鏡において、測定ヘッドの回転移動に伴って、対物レンズから出射されるレーザ光も移動する。したがって、測定ヘッドの回転移動時に、標本の観察部位以外の位置に不用意にレーザ光が照射される可能性がある。標本が生体試料である場合には、不用意に照射された高エネルギのレーザ光によって、蛍光が退色する等の影響を受けやすい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、測定ヘッドの回転移動に伴って観察対象部位以外の位置にレーザ光が不用意に照射されることを、確実に回避することができるレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、標本を載置するステージと、レーザ光源から発せられたレーザ光を前記ステージ上の前記標本へ照射するとともに前記レーザ光の照射によって前記標本において発生した観察光を集光する対物光学系を保持する測定ヘッドと、該測定ヘッドを水平な回転軸線回りに回転させる回転機構と、少なくとも、前記回転機構によって前記測定ヘッドが回転移動しているときに、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を禁止するレーザ光禁止手段とを備えるレーザ顕微鏡を提供する。

本発明によれば、対物光学系から標本へレーザ光が照射されることによって発生した観察光が、対物光学系によって集光されることによって、標本の観察光像が取得される。ここで、回転機構によって測定ヘッドを回転軸線回りに回転移動させることによって、ステージ上の標本に対する対物光学系の光軸の方向を変更することができるので、異なる方向から標本を観察した観察光像を取得することができる。

この場合に、測定ヘッドが回転移動している最中には、レーザ光禁止手段によって対物光学系からのレーザ光の出射が強制的に禁止される。したがって、測定ヘッドの回転移動に伴って観察対象部位以外の位置にレーザ光が不用意に照射されることを確実に回避することができる。

上記発明においては、前記測定ヘッドの前記回転軸線回りの回転移動を検知する回転検知手段を備え、前記レーザ光禁止手段は、前記回転検知手段によって前記測定ヘッドの回転移動が検知されているときに、前記レーザ光の出射を禁止してもよい。
このようにすることで、対物光学系からレーザ光が出射している状態でユーザが測定ヘッドの回転移動を開始した場合に、測定ヘッドの回転移動が回転検知手段によって検知されて、対物光学系からのレーザ光の出射が強制的にレーザ光禁止手段によって停止させられる。これにより、測定ヘッドの回転移動の開始と略同時に対物光学系からのレーザ光の出射を停止させることができる。

また、上記発明においては、前記レーザ光禁止手段は、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を許可する許可状態と、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を禁止する禁止状態との間でユーザによって切り替え可能に設けられ、前記レーザ光禁止手段によって前記禁止状態が選択されているときにのみ、前記回転機構による前記測定ヘッドの回転移動を許可する回転許可手段を備えていてもよい。
このようにすることで、ユーザは、レーザ光禁止手段の禁止状態への切り替え操作を行わない限り、測定ヘッドを回転移動させることができない。したがって、対物光学系からレーザ光が出射している状態でユーザが測定ヘッドを回転移動させてしまうことを確実に回避することができる。

また、上記発明においては、前記測定ヘッドを前記回転軸線回りの一定の回転角度で固定するブレーキ手段を備え、前記レーザ光禁止手段は、前記ブレーキ手段による前記測定ヘッドの固定が解除されているときに、前記レーザ光の出射を禁止してもよい。
このようにすることで、測定ヘッドが回転機構によって回転移動可能な状態になっているときには、測定ヘッドが回転移動しているか、静止しているかにかかわらず、レーザ光禁止手段によって対物光学系からのレーザ光の出射が強制的に禁止される。したがって、標本の観察対象部位以外の位置へのレーザ光の不用意な照射を、さらに確実に回避することができる。

また、上記発明においては、前記測定ヘッドを、前記回転機構よりも高い角度決め精度で前記回転軸線回りに回転移動させる微回転機構を備え、前記レーザ光禁止手段は、前記微回転機構によって前記測定ヘッドが回転移動しているときには、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を許可してもよい。
このようにすることで、回転機構による観察位置および観察方向の粗調整時には、レーザ光の標本Ｓへの照射を禁止しつつ、微回転機構による観察位置および観察方向の微調整時には実際にレーザ光を標本へ照射しながら高精度で観察位置および観察方向を設定することができる。

また、上記発明においては、可視域の波長を有する低出力光を、前記レーザ光禁止手段とは独立して、前記対物光学系から前記標本へ照射する低出力光照明系を備えていてもよい。
測定ヘッドの回転移動中は、標本へのレーザ光の照射が禁止された状態であるので、標本に対するレーザ光の正確な照射位置および照射方向（つまり、観察位置および観察方向）を確認することができない。一方、低出力光照明系は、測定ヘッドの回転移動中であってもレーザ光を標本へ照射することが可能であるので、低出力光を用いてレーザ光の照射位置および照射方向を正確にかつ容易に調整することができる。

本発明によれば、測定ヘッドの回転移動に伴って観察対象部位以外の位置にレーザ光が不用意に照射されることを、確実に回避することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るレーザ顕微鏡の全体構成を示す（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。 図１のレーザ顕微鏡の、回転機構による測定ヘッドの回転移動を説明する正面図である。 図１のレーザ顕微鏡の使用方法を示すフローチャートである。 図１のレーザ顕微鏡の変形例の全体構成を示す（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。 図４のレーザ顕微鏡の、微回転機構による測定ヘッドの回転移動を説明する正面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るレーザ顕微鏡１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１は、図１（ａ），（ｂ）に示されるように、レーザ光源２と、該レーザ光源２から入射されたレーザ光Ｌを標本Ｓ上で走査する顕微鏡本体３と、レーザ光Ｌの照射によって標本Ｓにおいて発生する蛍光（観察光）Ｆを検出する光検出器４とを備えている。

標本Ｓは、マウスのような小動物や細胞等の生体試料である。
顕微鏡本体３は、ベース５と、該ベース５上に固定されたステージ６と、走査光学系７および対物光学系８を保持する測定ヘッド９と、該測定ヘッド９を水平方向の回転軸線Ｂ回りに回転可能に支持する回転機構１０と、該回転機構１０による測定ヘッド９の回転移動を阻止するブレーキ（ブレーキ手段）１１とを備えている。
ステージ６は、標本Ｓが載置される、略水平な載置面６ａを有する。

測定ヘッド９は、走査光学系７および対物光学系８を保持し、光ファイバ２１，２２を介してレーザ光源２および光検出器４と接続された筺体１２と、対物光学系８と走査光学系７との間に配置されたシャッタ（レーザ光禁止手段）１３とを備えている。
走査光学系７は、例えば、一対のガルバノミラーからなり、光ファイバ２１を介してレーザ光源２から筺体１２内へ入射したレーザ光Ｌを該レーザ光Ｌの光軸に交差する２軸方向に走査しながら、対物光学系８へ向かって反射する。
対物光学系８は、走査光学系７から入射されたレーザ光Ｌをステージ６上の標本Ｓへ照射するとともに、標本Ｓから発せられる蛍光Ｆを集光する。

シャッタ１３は、走査光学系７から対物光学系８へ向かうレーザ光Ｌの通過を許可する開状態（許可状態）と、走査光学系７から対物光学系８へ向かうレーザ光Ｌの通過を禁止する閉状態（禁止状態）とを択一的に選択可能である。シャッタ１３の開状態と閉状態との切り替えは、ユーザの操作による手動切替と、後述するようにブレーキ１１から受信する許可信号に基づく自動切替とによって行われるようになっている。具体的には、シャッタ１３は、ブレーキ１１から許可信号を受信しているときには、ユーザの操作に従って開状態と閉状態とを切り替える。一方、シャッタ１３は、許可信号を受信していないときには必ず閉状態を選択し、ユーザによる開状態への切り替え操作を拒否するようになっている。

符号１４は、走査光学系７と対物光学系８との間に配置され、走査光学系７から対物光学系８へ向かって進むレーザ光Ｌを透過させ、対物光学系８から走査光学系７へ向かって進む蛍光Ｆを反射するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー１４によって反射された蛍光Ｆは、光ファイバ２２によって光検出器４へ導光され、該光検出器４によって検出される。

回転機構１０は、水平方向に延びる円柱状のシャフト１５と、鉛直面内で延びるアーム１６とを備えている。
シャフト１５は、ベース５に対して固定されている。
アーム１６は、その一方の端部に、対物光学系８の光軸Ａが他方の端部へ向かうように測定ヘッド９を支持している。アーム１６と測定ヘッド９との間には、測定ヘッド９をＸ、ＹおよびＺの３方向へ移動させる移動機構１７が設けられている。Ｚ方向は、対物光学系８の光軸Ａ方向、Ｘ方向およびＹ方向は対物光学系８の光軸Ａに交差する方向である。

アーム１６は、その他方の端部に、アーム１６の長手軸に直交する方向の貫通穴が形成された円筒状のスリーブ１６ａを有している。スリーブ１６ａは、シャフト１５の外側に、シャフト１５の中心軸である回転軸線Ｂ回りに回転可能に嵌合している。固定されたシャフト１５に対してスリーブ１６ａが回転軸線Ｂ回りに回転することによって、図２に示されるように、測定ヘッド９が、載置面６ａ上の標本Ｓに合わされた対物光学系８の焦点位置またはその近傍を通る回転軸線Ｂ回りに回転移動し、標本Ｓに対する対物光学系８の光軸Ａの方向が変化するようになっている。測定ヘッド９の回転移動は、ユーザの手動によって行われてもよく、図示しないモータによって電動で行われてもよい。

ブレーキ１１は、例えば、ゴム等の弾性部材からなるブレーキパッド（図示略）を備え、該ブレーキパッドをスリーブ１６ａの外周面に押し付けることによって、スリーブ１６ａの回転軸線Ｂ回りの回転に対して、ブレーキパッドとスリーブ１６ａとの間の摩擦による制動力を発生させ、該制動力によってスリーブ１６ａの回転軸線Ｂ回りの回転を阻止するようになっている。

また、ブレーキ１１は、該ブレーキ１１がスリーブ１６ａに与える制動力の大きさを検出する手段、例えば、ブレーキパッドに作用する荷重を検出する荷重センサを備えている。ブレーキ１１は、スリーブ１６ａに与える制動力が所定の閾値以上であるときにのみ、シャッタ１３へ許可信号を送信し、制動力が所定の閾値未満であるときには、シャッタ１３へ許可信号を送信しない。すなわち、アーム１６がブレーキ１１によって安定的に固定されているときにのみ、シャッタ１３は開状態に切り替え可能となり、対物光学系８からのレーザ光Ｌの出射が可能となる。

さらに、レーザ顕微鏡１は、標本Ｓに低出力光Ｌ’を照射する低出力光照明系１８を備えている。
低出力光照明系１８は、低出力光Ｌ’を出力する光源１９と、該光源１９から光ファイバ２３を介して筺体１２内に入射した低出力光Ｌ’を対物光学系８の光軸Ａに沿って該対物光学系８へ向かって反射するダイクロイックミラー２０とを備えている。

低出力光Ｌ’は、ユーザが肉眼で観察可能なように、可視域の波長を有する。また、低出力光Ｌ’は、標本Ｓに影響を与えない、レーザ光Ｌよりも低いエネルギーを有する。
ダイクロイックミラー２０は、シャッタ１３と対物光学系８との間において対物光学系８の光軸Ａ上に配置されており、シャッタ１３よりも対物光学系８側の位置において、低出力光Ｌ’をレーザ光Ｌの光路に合成する。これにより、低出力光Ｌ’は、シャッタ１３の開閉状態とは独立して、任意のタイミングで対物光学系８から出射可能となっている。ダイクロイックミラー２０は、低出力光Ｌ’を反射し、レーザ光Ｌおよび蛍光Ｆを透過させる。

次に、このように構成されたレーザ顕微鏡１の作用について説明する。
本実施形態に係るレーザ顕微鏡１により標本Ｓを観察するには、まず、図３に示されるように、ステージ６の載置面６ａ上に標本Ｓを載置する（ステップＳ１）。次に、低出力光Ｌ’を用いた予備観察を行いながら標本Ｓの観察位置と観察方向とを調整する。具体的には、ブレーキ１１を解除し（ステップＳ２）、対物光学系８から標本Ｓへの低出力光Ｌ’の照射を開始する（ステップＳ３）。ステップＳ３の予備観察において、ユーザは、標本Ｓに照射される低出力光Ｌ’を目視で確認しながら、該低出力光Ｌ’が標本Ｓの所望の観察位置へ所望の観察方向から照射されるように、測定ヘッド９の回転軸線Ｂ回りの回転角度を調整し（ステップＳ４）、ブレーキ１１によって測定ヘッド９を固定する（ステップＳ５）。

低出力光Ｌ’およびレーザ光Ｌは、互いに同じ光路を通って標本Ｓの同一位置に同一方向から照射される。したがって、低出力光Ｌ’を用いて、標本Ｓに影響を与えることなく、レーザ光Ｌによる観察位置および観察方向を所望の状態に事前に設定することができる。
次に、低出力光Ｌ’を停止し、レーザ光源２からのレーザ光Ｌの出力を開始するとともにシャッタ１３を開状態へ切り替えてレーザ光Ｌによる本観察を開始する（ステップＳ６）。

レーザ光源２から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ２１を介して測定ヘッド９内の走査光学系７へ導光され、該走査光学系７によって２次元走査されながら、対物光学系８を介して標本Ｓに照射される。レーザ光Ｌが標本Ｓの観察位置において２次元走査されることによって生じた蛍光Ｆは、対物光学系８によって集光され、ダイクロイックミラー１４および光ファイバ２２を介して光検出器４へ導光される。光検出器４によって検出された蛍光Ｆの強度情報は、図示しない画像プロセッサによってレーザ光Ｌの走査位置と対応づけられることによって２次元画像化される。

本観察の終了後、標本Ｓの別の観察位置を観察したい場合や、標本Ｓを別の観察方向から観察したい場合には（ステップＳ７のＮＯ）、シャッタ１３を閉状態へ切り替えることによって対物光学系８からのレーザ光Ｌの出射を停止し（ステップＳ８）、その後にステップＳ２〜Ｓ６を繰り返す。

この場合に、ステップＳ８のレーザ光Ｌの停止操作をユーザが怠り、対物光学系８から標本Ｓへレーザ光Ｌが照射されている状態でブレーキ１１を解除してしまったとしても、このブレーキ１１の解除に応答してシャッタ１３が自動的に閉じることによって、レーザ光Ｌが直ちに消える。
また、レーザ光Ｌを用いた本観察中に、何等かの理由でブレーキ１１が緩んで測定ヘッド９の固定が不安定になった場合にも、このブレーキ１１の緩みに応答してシャッタ１３が自動的に閉じることによって、レーザ光Ｌが直ちに消える。

このように、標本Ｓへレーザ光Ｌが照射されている最中に測定ヘッド９が回転移動可能な状態になると、対物光学系８からのレーザ光Ｌの出射が直ちに強制的に停止するので、レーザ光Ｌが所望の観察位置以外の位置に不用意に照射されてしまうことがない。レーザ顕微鏡１において標本Ｓの本観察に使用されるパルスレーザ光のような高エネルギのレーザ光Ｌは、生体試料と相互作用し易く、蛍光物質の退色のような影響を生体試料に及ぼしやすい。本実施形態によれば、このような高エネルギのレーザ光Ｌの不用意な照射から標本Ｓである生体試料を保護することができる。

なお、本実施形態においては、回転機構１０に加えて、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、微回転機構２４を備えていてもよい。
微回転機構２４は、回転機構１０と同様に、端部にスリーブ２５ａが設けられた微動アーム２５を備え、測定ヘッド９は、微動アーム２５に支持されている。

微動アーム２５は、アーム１６と並列に配置され、スリーブ１６ａの外側に、微動アーム２５のスリーブ２５ａが回転可能に嵌合している。これにより、微動アーム２５は、図５に示されるように、ブレーキ１１とは独立してアーム１６に対して回転軸線Ｂ回りに回転移動可能となっている。ここで、微動アーム２５は、アーム１６よりも高い精度で回転軸線Ｂ回りの回転角度を決定できるように、いわゆるクリック機構等によって、アーム１６に対して所定の微小角度ずつ回転移動可能となっている。

このようにすることで、低出力光Ｌ’を用いてアーム１６の回転移動による観察位置および観察方向の粗調整を行った後、実際にレーザ光Ｌを標本Ｓへ照射しながら微動アーム２５の回転移動による観察位置および観察方向の微調整を行うことができる。

また、本実施形態においては、ブレーキ１１がスリーブ１６ａに与える制動力が所定の閾値未満であるときにシャッタ１３が自動的に閉じることとしたが、これに代えて、アーム１６の回転軸線Ｂ回りの回転移動を検知するエンコーダ等の回転検知手段（図示略）を備え、該回転検知手段によってアーム１６の回転移動が検知されているときに、シャッタ１３が自動的に閉じるように構成されていてもよい。

このようにすることで、対物光学系８からレーザ光Ｌが出射している状態でユーザが測定ヘッド９の回転移動を開始すると、この測定ヘッド９の回転移動の開始が直ちに回転検知手段によって検知されてシャッタ１３が閉じる。このようにしても、レーザ光Ｌの不用意な照射から標本Ｓを保護することができる。

また、本実施形態においては、ブレーキ（回転許可手段）１１が、シャッタ１３から該シャッタ１３の開閉状態を示す信号を取得し、シャッタ１３が閉状態であるときにのみ、アーム１６の固定を解除可能に構成されていてもよい。
このようにすることで、ユーザは、シャッタ１３の閉状態への切り替え操作を行わない限り、ブレーキ１１を解除することができない。このようにしても、レーザ光Ｌの不用意な照射から標本Ｓを確実に保護することができる。

また、本実施形態においては、レーザ光禁止手段として、レーザ光源２と対物光学系８との間の光路に配置されたシャッタ１３を用いることとしたが、これに代えて、例えば、レーザ光源２をオフにする等の他の手段を用いて対物光学系８からのレーザ光Ｌの出射を強制的に停止させてもよい。

１ レーザ顕微鏡
２ レーザ光源
３ 顕微鏡本体
４ 光検出器
５ ベース
６ ステージ
６ａ 載置面
７ 走査光学系
８ 対物光学系
９ 測定ヘッド
１０ 回転機構
１１ ブレーキ（ブレーキ手段、回転許可手段）
１２ 筺体
１３ シャッタ（レーザ光禁止手段）
１４，２０ ダイクロイックミラー
１５ シャフト
１６ アーム
１６ａ，２５ａ スリーブ
１７ 移動機構
１８ 低出力光照明系
１９ 光源
２１，２２，２３ 光ファイバ
２４ 微回転機構
２５ 微動アーム
Ｓ 標本
Ｌ レーザ光
Ｆ 蛍光（観察光）
Ｌ’ 低出力光

Claims (6)

1. 標本を載置するステージと、
   レーザ光源から発せられたレーザ光を前記ステージ上の前記標本へ照射するとともに前記レーザ光の照射によって前記標本において発生した観察光を集光する対物光学系を保持する測定ヘッドと、
   該測定ヘッドを水平な回転軸線回りに回転させる回転機構と、
   少なくとも、前記回転機構によって前記測定ヘッドが回転移動しているときに、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を禁止するレーザ光禁止手段とを備えるレーザ顕微鏡。
2. 前記測定ヘッドの前記回転軸線回りの回転移動を検知する回転検知手段を備え、
   前記レーザ光禁止手段は、前記回転検知手段によって前記測定ヘッドの回転移動が検知されているときに、前記レーザ光の出射を禁止する請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
3. 前記レーザ光禁止手段は、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を許可する許可状態と、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を禁止する禁止状態との間でユーザによって切り替え可能に設けられ、
   前記レーザ光禁止手段によって前記禁止状態が選択されているときにのみ、前記回転機構による前記測定ヘッドの回転移動を許可する回転許可手段を備える請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
4. 前記測定ヘッドを前記回転軸線回りの一定の回転角度で固定するブレーキ手段を備え、
   前記レーザ光禁止手段は、前記ブレーキ手段による前記測定ヘッドの固定が解除されているときに、前記レーザ光の出射を禁止する請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
5. 前記測定ヘッドを、前記回転機構よりも高い角度決め精度で前記回転軸線回りに回転移動させる微回転機構を備え、
   前記レーザ光禁止手段は、前記微回転機構によって前記測定ヘッドが回転移動しているときには、前記対物光学系からの前記レーザ光の出射を許可する請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。
6. 可視域の波長を有する低出力光を、前記レーザ光禁止手段とは独立して、前記対物光学系から前記標本へ照射する低出力光照明系を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のレーザ顕微鏡。

Images