JP3734010B2 - 共焦点光スキャナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スリットを通過した光で試料を走査して共焦点画像を得る共焦点光スキャナに関し、特に高速、高分解能及びローコストである共焦点光スキャナに関する。
【0002】
【従来の技術】
共焦点光スキャナは開口部であるスリットを通過した光の光路をガルバノミラー等で変化させて試料上を走査させ、試料からの蛍光をスリットを介して取り出すことにより共焦点画像を得るものである。
【0003】
図7はこのような従来の共焦点光スキャナの一例を示す斜視図である。図7において1はレーザ光源、2及び8はスリット、3はダイクロイックミラー、4,9,11及び12はミラー、5及び10はガルバノミラー、6は対物レンズ、7は試料である。また、ガルバノミラー5及び10は図示しない駆動手段により駆動される。
【0004】
レーザ光源1のレーザ光はスリット2を通過してダイクロイックミラー3で反射されてミラー4に入射される。ミラー4で反射されたレーザ光はガルバノミラー5を介して再びミラー4に入射され、この反射光が対物レンズ6を介して試料7に照射される。
【0005】
レーザ光の照射により試料7で発生した蛍光は対物レンズ6を介してミラー4に入射される。ミラー4で反射された蛍光はガルバノミラー5を介して再びミラー4に入射されて反射される。
【0006】
この反射光はダイクロイックミラー3を透過し、スリット8を通過してミラー9に入射される。ミラー9で反射された蛍光はガルバノミラー10を介して再びミラー9に入射され、この反射光がミラー11及び12を介して観察される。
【0007】
ここで、図7に示す従来例の動作を説明する。スリット2を通過したレーザ光はガルバノミラー5の動作により一軸方向に走査されて試料7上に照射される。この試料7からの蛍光はガルバノミラー5に戻ってきてスリット像になる。
【0008】
このスリット像がスリット8を通過することにより共焦点効果が生じ、このスリット像をガルバノミラー10で走査することにより2次元のスライス画像になり肉眼若しくはカメラ等によって観察される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図7に示す従来例ではレーザ光及び発生した蛍光を走査するためにそれぞれガルバノミラー5及び10を設けており、構成が複雑であると言った問題点があった。また、温度変化や振動等の影響により2つのガルバノミラーを同期させて動作させることが困難であると言った問題点があった。
【0010】
また、スリットが1本だけであるので試料7の全体を走査するのに時間がかかってしまうと言った問題点があった。特に、DNAチップ等の低倍率で高視野、高分解能が要求される用途にあっては測定に大きな時間がかかってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、高速、高分解能及びローコストである共焦点光スキャナを実現することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
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、
スリットを通過した光で試料を走査して共焦点画像を得る共焦点光スキャナにおいて、
光源と、この光源の出力光を平行光にする第1のレンズと、前記平行光を反射若しくは透過させる光分岐手段と、この光分岐手段からの反射光若しくは透過光が照射される複数本のスリットがそれぞれ平行になるように形成されたスリットアレイと、このスリットアレイを構成する前記各スリットを通過した光を集光すると共に前記試料からの戻り光を前記各スリットに集光する対物レンズと、前記各スリットを通過し前記光分岐手段を透過若しくは反射した前記戻り光を光検出器に集光する第2のレンズと、前記スリットアレイを前記各スリットに対する直角方向に往復運動するように駆動する駆動手段とを備えたことにより、単純な構成で高速に共焦点画像を得ることができる。
【0012】
請求項2記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記スリットアレイが、
前記試料と共役な位置に配置されたことにより、単純な構成で高速に共焦点画像を得ることができる。
【0013】
請求項3記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記駆動手段が、
前記各スリットのピッチの整数倍のストロークで前記スリットアレイを駆動することにより、更なる高速化が駆動周波数を高くするのに比較して容易に実現できる。
【0014】
請求項4記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記駆動手段が、
前記各スリットが隣接するスリットまで移動する時間が前記光検出器の一画面の撮影時間の整数分の1倍となるように駆動することにより、画面の走査が終了して得られた画面に縞が生じることを防止できる。
【0015】
請求項5記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
ケーラー照明により前記出力光を前記スリットアレイに対して照射することにより、スリットアレイに対してフィラメント像が決像されることなく均一な照射が可能になるので高品質の共焦点画像を得ることが可能になる。
【0016】
請求項6記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記スリットアレイの光源側に前記各スリットと同数の集光手段を設けたことにより、集光手段により集光された光はスリットアレイのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。
【0017】
請求項7記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記スリットアレイの光源側には前記光分岐手段が配置され、前記光分岐手段の光源側には前記各スリットと同数の集光手段が形成された固定手段が配置され、この固定手段の一端を前記はスリットアレイに固定すると共に前記スリットアレイと一体に前記駆動手段により駆動されることにより、集光手段により集光された光はスリットアレイのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。更に、分解能が向上する。
【0018】
請求項8記載の発明は、
請求項6及び請求項7記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記集光手段が、
シリンドリカルレンズであることにより、シリンドリカルレンズにより集光された光はスリットアレイのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。
【0019】
請求項9記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記スリットアレイ上に複数種類のパターンのスリットアレイを形成し、必要に応じてパターンの異なるスリットアレイを選択することにより、対物レンズの倍率等に応じて適切なスリットアレイを選択することが可能になる。
【0020】
請求項10記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記対物レンズと前記スリットアレイとの間にリレー光学系を設けたことにより、対物レンズから見たスリット幅を変化させることが可能になる。
【0021】
請求項11記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記駆動手段が、
電磁式、圧電素子式若しくは共振型であることにより、高速駆動が容易であったり、小さなストロークを正確に駆動することが可能になる。
【0022】
請求項12記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記スリットアレイの支持手段が、
軸受け若しくは板バネであることにより、高速化が容易であり、耐久性も向上する。
【0023】
請求項13記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点光スキャナにおいて、
前記駆動手段によるストロークの検出器と、
この検出器の出力に基づき前記駆動手段を制御するサーボ手段を備えたことにより、スリットアレイを正確に駆動することが可能になり、耐振動性が向上する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係る共焦点光スキャナの一実施例を示す構成ブロック図である。図1において13はレーザ光源や白色光源等の光源、14及び20はレンズ、15はダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ(Polarize Beam Splitter)等の光分岐手段、16はスリットアレイ、17は駆動手段、18は対物レンズ、19は試料、21はCCDカメラ等の光検出器である。
【0025】
光源13の出力光はレンズ14で平行光になり光分岐手段15で反射されてスリットアレイ16に入射される。スリットアレイ16を構成する各スリットを通過した出力光は対物レンズ18により試料19上に集光されてスリット像を形成する。
【0026】
試料19からの反射光や出力光の照射により生じた蛍光等の戻り光は再び同一のスリットを通過し、光分岐手段15を透過しレンズ20で集光されて光検出器21に入射される。
【0027】
また、スリットアレイ16は試料19と共役な位置に配置されると共に駆動手段17に接続され図1中”DD01”に示す方向に往復運動するように駆動される。
【0028】
ここで、図1に示す実施例の動作を図2を用いて説明する。図2はスリットアレイ16及び駆動手段17の詳細を示す平面図である。
【0029】
スリットアレイ16には図2中”SL01”、”SL02”及び”SL03”に示すような複数本のスリットがそれぞれ平行になるように形成され、各スリットに対する直角方向である図2中”DD11”に示す方向に往復運動するように駆動手段17により駆動される。
【0030】
このように駆動されている複数本の各スリットを通過した出力光に起因する戻り光は再び同一のスリットを通過して共焦点効果を生じ、また、スリットアレイ16の往復運動により試料19上が走査されるので対物レンズ18の焦点位置における2次元のスライス画像(以下、共焦点画像と呼ぶ。)として光検出器21において撮影される。
【0031】
また、図2中”P”は各スリットのピッチ、図2中”W”は各スリットの幅、そして、図2中”S”は往復運動のストロークである。このとき、ストローク”S”はピッチ”P”の整数倍であり、各スリットが隣接するスリットまで移動する時間は光検出器21の一画面の撮影時間の整数分の1倍である。
【0032】
但し、整数分の1でない場合は隣接するスリットの途中までしか走査されないため光量のむらが発生して画像としては縞となる。
【0033】
このような条件を満たすことにより画面の走査が終了して得られた画面に縞が生じることを防止できる。
【0034】
この結果、複数本のスリットがそれぞれ平行になるように形成されたスリットアレイ16を試料19と共役な位置に配置して各スリットに対する直角方向に往復運動するように駆動手段17で駆動することにより、高速に共焦点画像を得ることができる。また、駆動部分が1つになるので従来例と比較して構成が単純になるのでローコストになる。
【0035】
すなわち、スリットアレイ16を用いることにより往復運動のストロークは1スリットの場合と比較した短くすることが可能になるので高速になる。例えば、ストロークを図2中”P”に示すピッチ分だけ移動させれば、1画面の共焦点画像を得ることができるので従来例と比較して高速になる。
【0036】
逆に、図2中”P”に示すピッチだけスリットを移動させることにより1画面の共焦点画像を得ることができるので、同じ時間内でストロークをピッチの2倍以上(但し、整数倍。)に大きくとることにより更に高速になる。
【0037】
スリットアレイ16の変位を”x”、スリットアレイ16が移動する速度を”v=dx/dt”、スリットアレイ16が受ける加速度を”α=d2x/dt2”、ストロークを”S”、駆動する周波数を”ω”とすれば、
x=S・sinωt (1)
v=dx/dt=−S・ω・cosωt (2)
α=d2x/dt2=S・ω2・sinωt (3)
となる。
【0038】
また、力”F”はスリットアレイ16の質量を”m”とすれば、
となる。
【0039】
ここで、ストローク”S”若しくは駆動周波数”ω”の何れか一方を2倍にすれば1回の駆動で撮影できる共焦点画像は2倍に高速になる。
【0040】
但し、式(4)から分かるように力”F”に対してストローク”S”は1乗であるのに対して駆動周波数”ω”は2乗である。言い換えれば、高速化を図るためにストローク”S”を2倍にすると2倍の力”F”であるのに対して、駆動周波数”ω”を2倍にすると4倍の力”F”が必要になってしまい駆動手段17が大型化したり構成が複雑になってしまう。
【0041】
この結果、ストローク”S”をピッチ”P”の整数倍にすることによる更なる高速化の方が駆動周波数”ω”を高くするのに比較して容易に実現できる。
【0042】
例えば、図3は往復運動のストロークの違いによる運動速度の変化を示す特性曲線図であり、図3(a)はストローク”S”がピッチ”P”の8倍の場合の速度変化を示し、図3(b)はストローク”S”がピッチ”P”の1倍の場合の速度変化を示している。
【0043】
図3(b)の場合は画面の取得毎にピッチ”P”の間で図3中”AC01”に示す加速動作及び図3中”AC02”に示す減速動作とういう加速度運動をさせる必要があるに対して、図3(a)の場合には図3中”UV01”に示す等速動作と共に一度だけ図3中”AC03”に示す加速動作及び図3中”AC04”に示す減速動作が存在する。
【0044】
画面取得を高速にさせる場合には図3(b)では駆動周波数”ω”を大きくする必要があり、力”F”はその2乗で増加する。これに対して図3(a)では等速動作の領域をストローク”S”を大きくすることにより高速化できる。この場合、力”F”は1乗の増加のみでよくなる。
【0045】
従って、駆動手段17の負荷も駆動周波数”ω”を高くすることと比較して低減されるので高速化を図る場合にはストローク”S”を大きくすることが有効であることが分かる。
【0046】
なお、図1においては光分岐手段15で出力光が反射され、試料17から戻り光が透過しているが、勿論、その逆で光分岐手段15で出力光が透過し、試料17から戻り光が反射されても構わない。
【0047】
また、図1において光源13がランプ等の大きな面積を持つ光源の場合にはケーラー照明にすることにより、スリットアレイ16に対してフィラメント像が決像されることなく均一な照射が可能になるので高品質の共焦点画像を得ることが可能になる。
【0048】
また、光源13がレーザ光源の場合にはスリットアレイ16の光源側に集光手段であるシリンドリカルレンズをアレイ状に配置しても良い。図4及び図5はこのようなシリンドリカルレンズ・アレイを用いた共焦点光スキャナの一実施例を示す部分構成ブロック図である。
【0049】
図4において16aはスリットアレイ、17aは駆動手段、22はシリンドリカルレンズである。シリンドリカルレンズ22はスリットアレイ16a上であって光源側にスリットアレイ16aに形成されているスリットと同数だけアレイ状に形成される。
【0050】
図4に示すような構成にすることにより、形成されたアレイ状のシリンドリカルレンズ22により集光されたレーザ光はスリットアレイ17aのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。
【0051】
また、図5において16bはスリットアレイ、17bは駆動手段、23はシリンドリカルレンズ、24は光分岐手段、25は固定手段である。
【0052】
スリットアレイ16bの光源側には光分岐手段24が配置され、光分岐手段24の更に光源側にはスリットアレイ16bに形成されているスリットと同数のシリンドリカルレンズ23がアレイ状に形成された固定手段25が配置される。
【0053】
また、この固定手段25の一端はスリットアレイ16bに固定され、スリットアレイ16bと一体になって駆動手段17bにより往復運動するように駆動される。但し、光分岐手段24は固定である。
【0054】
図5に示すような構成でも、固定手段25に形成されたアレイ状のシリンドリカルレンズ23により集光されたレーザ光はスリットアレイ17bのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。更に、スリットアレイ17bの像をマイクロレンズを介さずに観察できるので分解能が向上する。
【0055】
図4に示す構成ではスリットアレイ16aを構成するマイクロレンズの幅、言い換えれば、各スリットのピッチ”P”によりその分解能が決まるのに対して、図5に示す構成では各スリットの幅”W”により分解能が決まる。そして、共焦点効果を得るためには”P>W”である必要があり(P:W=5:1〜20:1程度)、このため、図5に示す構成の方が図4に示す構成よりも分解能が向上する。
【0056】
また、最適なスリットの幅”W”は対物レンズ18の倍率等で決まる。例えば、対物レンズ18の倍率を”1倍”、波長”λ”が”0.5μm”、開口数”NA”が”0.5”の場合、
となる。
【0057】
また、例えば、対物レンズ18の倍率を”100倍”、波長”λ”が”0.5μm”、開口数”NA”が”1.3”の場合、
となる。
【0058】
このように、対物レンズ18の倍率等を変化させるとスリットの幅も変化させる必要がある。図6はこのようなスリットの幅を変化させることが可能な共焦点光スキャナの一実施例を示す構成図ブロック図である。
【0059】
図6において13〜15及び18〜21は図1と同一符号を付してあり、16cはスリットアレイ、17cは駆動手段である。光路や接続関係等に関しては図1に示す実施例と同様であるので説明は省略する。
【0060】
スリットアレイ16cには図6中”SA01”、”SA02”及び”SA03”に示すようなスリットの幅の異なる複数のスリットアレイが形成されており、図1に示す実施例と同様に図6中”DD21”に示す各スリットに対して直角方向に往復運動するように駆動手段17cにより駆動される。
【0061】
図6に示す状態では図6中”SA01”に示すスリットアレイが選択されており、対物レンズ18の倍率を変更する場合には、図6中”SE21”に示す方向にスリットアレイ16cをスライドさせて適切なスリットアレイ、例えば、図6中”SA03”に示すスリットアレイを選択する。
【0062】
この結果、複数種類のパターンのスリットアレイが形成されたスリットアレイ16cを設けて必要に応じてパターンの異なるスリットアレイを選択することにより、対物レンズ18の倍率等に応じて適切なスリットアレイを選択することが可能になる。
【0063】
また、図1に示す実施例では対物レンズ18の中間画像の位置にスリットアレイ16を配置しているが、試料19と共役な位置であれば構わない。すなわち、スリットアレイのと対物レンズ18との間にリレー光学系を入れても構わない。この場合には、対物レンズから見たスリット幅を変化させることが可能になる。
【0064】
また、駆動手段17等としては電磁式、圧電素子式若しくは共振型等であれば良い。この場合、共振型では高速駆動が容易であり、圧電素子式では小さなストロークを正確に駆動することが可能になる。
【0065】
また、スリットアレイ16等を支持する支持手段としては軸受け若しくは板バネ等であれば良い。板バネの場合には摩擦がないので高速化が容易であり、耐久性も向上する。
【0066】
また、駆動手段17等によるストロークを検出する検出器を設け、この検出器の出力に基づいて駆動手段17等を制御するサーボ手段を設けることにより、よりスリットアレイ16等を正確に駆動することが可能になり、耐振動性が向上する。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1及び請求項2の発明によれば、複数本のスリットがそれぞれ平行になるように形成されたスリットアレイを試料と共役な位置に配置して各スリットに対する直角方向に往復運動するように駆動手段で駆動することにより、単純な構成で高速に共焦点画像を得ることができる。
【0068】
また、請求項3の発明によれば、各スリットのピッチの整数倍のストロークでスリットアレイを駆動することにより、更なる高速化が駆動周波数を高くするのに比較して容易に実現できる。
【0069】
また、請求項4の発明によれば、各スリットが隣接するスリットまで移動する時間が光検出器の一画面の撮影時間の整数分の1倍となるように駆動することにより、画面の走査が終了して得られた画面に縞が生じることを防止できる。
【0070】
また、請求項5の発明によれば、ケーラー照明により出力光をスリットアレイに対して照射することにより、スリットアレイに対してフィラメント像が決像されることなく均一な照射が可能になるので高品質の共焦点画像を得ることが可能になる。
【0071】
また、請求項6及び請求項8の発明によれば、スリットアレイの光源側に各スリットと同数の集光手段を設けたことにより、集光手段により集光された光はスリットアレイのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。
【0072】
また、請求項7の発明によれば、スリットアレイの光源側に光分岐手段が配置され、光分岐手段の光源側には各スリットと同数の集光手段が形成された固定手段が配置され、この固定手段の一端を前記はスリットアレイに固定すると共にスリットアレイと一体に駆動することにより、集光手段により集光された光はスリットアレイのスリットを効率よく通過するので、照射効率が向上する。更に、分解能が向上する。
【0073】
また、請求項9の発明によれば、スリットアレイ上に複数種類のパターンのスリットアレイを形成し、必要に応じてパターンの異なるスリットアレイを選択することにより、対物レンズの倍率等に応じて適切なスリットアレイを選択することが可能になる。
【0074】
また、請求項10の発明によれば、対物レンズとスリットアレイとの間にリレー光学系を設けたことにより、対物レンズから見たスリット幅を変化させることが可能になる。
【0075】
また、請求項11の発明によれば、駆動手段が電磁式、圧電素子式若しくは共振型であることにより、高速駆動が容易であったり、小さなストロークを正確に駆動することが可能になる。
【0076】
また、請求項12の発明によれば、スリットアレイの支持手段が、軸受け若しくは板バネであることにより、高速化が容易であり、耐久性も向上する。
【0077】
また、請求項13の発明によれば、駆動手段によるストロークの検出器と、この検出器の出力に基づき駆動手段を制御するサーボ手段を備えたことにより、スリットアレイを正確に駆動することが可能になり、耐振動性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る共焦点光スキャナの一実施例を示す構成ブロック図である。
【図2】スリットアレイ及び駆動手段の詳細を示す平面図である。
【図3】往復運動のストロークの違いによる運動速度の変化を示す特性曲線図である。
【図4】シリンドリカルレンズ・アレイを用いた共焦点光スキャナの一実施例を示す部分構成ブロック図である。
【図5】シリンドリカルレンズ・アレイを用いた共焦点光スキャナの一実施例を示す部分構成ブロック図である。
【図6】スリットの幅を変化させることが可能な共焦点光スキャナの一実施例を示す構成図ロック図である。
【図7】従来の共焦点光スキャナの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2,8 スリット
3 ダイクロイックミラー
4,9,11,12 ミラー
5,10 ガルバノミラー
6,18 対物レンズ
7,19 試料
13 光源
14,20 レンズ
15,24 光分岐手段
16,16a,16b,16c スリットアレイ
17,17a,17b,17c 駆動手段
21 光検出器
22,23 シリンドリカルレンズ
25 固定手段
Claims (13)
- スリットを通過した光で試料を走査して共焦点画像を得る共焦点光スキャナにおいて、
光源と、
この光源の出力光を平行光にする第1のレンズと、
前記平行光を反射若しくは透過させる光分岐手段と、
この光分岐手段からの反射光若しくは透過光が照射される複数本のスリットがそれぞれ平行になるように形成されたスリットアレイと、
このスリットアレイを構成する前記各スリットを通過した光を集光すると共に前記試料からの戻り光を前記各スリットに集光する対物レンズと、
前記各スリットを通過し前記光分岐手段を透過若しくは反射した前記戻り光を光検出器に集光する第2のレンズと、
前記スリットアレイを前記各スリットに対する直角方向に往復運動するように駆動する駆動手段と
を備えたことを特徴とする共焦点光スキャナ。 - 前記スリットアレイが、
前記試料と共役な位置に配置されたことを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記駆動手段が、
前記各スリットのピッチの整数倍のストロークで前記スリットアレイを駆動することを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記駆動手段が、
前記各スリットが隣接するスリットまで移動する時間が前記光検出器の一画面の撮影時間の整数分の1倍となるように駆動することを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - ケーラー照明により前記出力光を前記スリットアレイに対して照射することを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記スリットアレイの光源側に前記各スリットと同数の集光手段を設けたことを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記スリットアレイの光源側には前記光分岐手段が配置され、
前記光分岐手段の光源側には前記各スリットと同数の集光手段が形成された固定手段が配置され、
この固定手段の一端を前記スリットアレイに固定すると共に前記スリットアレイと一体に前記駆動手段により駆動されることを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記集光手段が、
シリンドリカルレンズであることを特徴とする
請求項6及び請求項7記載の共焦点光スキャナ。 - 前記スリットアレイ上に複数種類のパターンのスリットアレイを形成し、必要に応じてパターンの異なるスリットアレイを選択することを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記対物レンズと前記スリットアレイとの間にリレー光学系を設けたことを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記駆動手段が、
電磁式、圧電素子式若しくは共振型であることを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記スリットアレイの支持手段が、
軸受け若しくは板バネであることを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。 - 前記駆動手段によるストロークの検出器と、
この検出器の出力に基づき前記駆動手段を制御するサーボ手段を備えたことを特徴とする
請求項1記載の共焦点光スキャナ。
Priority Applications (1)
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