JP3734010B2 - 共焦点光スキャナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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、
【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、
【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、
【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。
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