JP4563699B2

JP4563699B2 - 照明切換装置

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Description

本発明は、例えば対物レンズを通して標本を全反射照明又は通常の蛍光観察照明のいずれか一方に切り換える照明切換装置に関する。

近年、生物を蛍光観察する顕微鏡として全反射蛍光顕微鏡（ＴＩＲＦＭ：Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy）が注目されている。この全反射蛍光顕微鏡は、図１２に示すようにカバーガラス１００と標本１０２との境界面で照明光を全反射させ、このときに標本１０２側に数１００ｎｍ以下の僅かな領域に浸み出すエバネッセント光１０３と呼ばれる光を用いて蛍光物質を励起する。この全反射蛍光顕微鏡では、カバーガラス１００近傍の僅かな領域の蛍光だけを観察する。全反射蛍光顕微鏡の観察像は、非常に暗いバックグランドとなる。これにより、高いコントラストの蛍光観察及び微弱な蛍光の観察が可能となる。

エバネッセント光１０３は、カバーガラス１００から離れた標本１０２の深いところに届かない。このため、標本１０２の深いところの蛍光観察ができない。

従って、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察とを切り換えることで、カバーガラス１００近傍の高コントラストな観察と標本１０２の全体の観察とが分けて行なわれる。特に、反応速度の速い生理現象を観察する場合、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切り換えを高速に行うことが要求される。

対物レンズを通して行う全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切り換え方法は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１は、対物レンズ側に照明光を反射するミラーを平行移動させる。これにより、照明光は、対物レンズへの入射位置を当該対物レンズの光軸から離れる方向に移動させる。この結果、対物レンズから出射する照明光の角度が変化する。特許文献２は、照明光学系の途中にあるミラーの角度を変えることで、対物レンズから出射される照明光の角度を変化させる。
特開平９−１５９９２２号公報特開２００２−３１７６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように照明光学系の途中に配置されているミラーを平行移動させたり、又は特許文献２に記載されているようにミラーの角度を変化させる構成では、いずれも全反射蛍光観察と通常の蛍光観察とで各々単一のミラーを正確に決められた位置の間で往復移動させる必要がある。

このようなミラーの往復移動では、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切換スピードを高速にする程、ミラーを停止したときの停止位置精度を高めることが困難になる。ミラーの停止位置精度を高めることができなければ、一度切り換えを行った後、再び切り換えを行うと、このときの観察像は、切り換えを行う前の観察像に正確に再現できない。

ミラー位置における照明光の光束の断面積が大きくなると、ミラーサイズの大きいミラーを用いる。このため、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切換スピードの高速化に限界が生じる。ミラーを平行移動させる方式での切換スピードは、例えば時間０．５秒程度を限界とする。ミラーを角度変化させる方式での切換スピードは、例えば０．１秒程度を限界とする。このため、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切換に必要な１００分の１秒オーダの高速切換スピードには対応できない。

本発明の照明切換装置は、対象物に対して全反射照明を可能とする開口数を有する対物レンズと、第１のレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、第２のレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、前記第１及び第２のレーザビームを前記対物レンズに導く照明光学系と、前記第１のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第１のシャッタ機構と、前記第２のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第２のシャッタ機構と、前記第１のシャッタ機構を通過した前記第１のレーザビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバにより伝送された前記第１のレーザビームを前記照明光学系の光軸と一致する方向に出射する第１のレーザ出射部と、前記第２のシャッタ機構を通過した前記第２のレーザビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバにより伝送された前記第２のレーザビームを出射する第２のレーザ出射部と、前記第２のレーザ出射部から出射された前記第２のレーザビームを前記照明光学系の光軸からずれた位置で前記照明光学系の光軸に対して平行方向に反射する全反射マイクロプリズムとを具備している。前記照明光学系は、前記第１及び第２のレーザ出射部からそれぞれ出射された前記第１及び第２のレーザビームを平行光線に整形するコリメートレンズと、平行光線に整形されたレーザビームを収束光線にする集光レンズとを備えたテレセントリック光学系の構成を有している。前記ずれた位置は、前記第２のレーザビームが前記対象物を全反射蛍光観察照明で照明する位置である。照明切換装置は、さらに、前記対象物に対する通常の蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を開放すると共に前記第２のシャッタ機構を閉じ、前記対象物に対する全反射蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を閉じると共に前記第２のシャッタ機構を開放するシャッタコントローラを具備している。

本発明の照明切換装置は、対象物に対して全反射照明を可能とする開口数を有する対物レンズと、第１のレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、第２のレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、前記第１及び第２のレーザビームを前記対物レンズに導く照明光学系と、前記第１のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第１のシャッタ機構と、前記第２のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第２のシャッタ機構と、前記第１のシャッタ機構を通過した前記第１のレーザビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバにより伝送された前記第１のレーザビームを出射する第１のレーザ出射部と、前記第１のレーザ出射部から出射された前記第１のレーザビームを前記照明光学系の光軸と一致する方向に反射する全反射マイクロプリズムと、前記第２のシャッタ機構を通過した前記第２のレーザビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバにより伝送された前記第２のレーザビームを前記照明光学系の光軸からずれた位置で前記照明光学系の光軸に対して平行方向に出射する第２のレーザ出射部とを具備している。前記照明光学系は、前記第１及び第２のレーザ出射部からそれぞれ出射された前記第１及び第２のレーザビームを平行光線に整形するコリメートレンズと、平行光線に整形されたレーザビームを収束光線にする集光レンズとを備えたテレセントリック光学系の構成を有している。前記ずれた位置は、前記第２のレーザビームが前記対象物を全反射蛍光観察照明で照明する位置である。照明切換装置は、さらに、前記対象物に対する通常の蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を開放すると共に前記第２のシャッタ機構を閉じ、前記対象物に対する全反射蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を閉じると共に前記第２のシャッタ機構を開放するシャッタコントローラを具備している。

本発明は、全反射蛍光観察と通常の蛍光観察との切換スピードの高速化を図ることができる照明切換装置を提供できる。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は照明切換装置を顕微鏡に適用した構成図である。２台の第１と第２のレーザ発振器１、２が設けられている。第１と第２のレーザ発振器１、２の出力端には、それぞれ第１と第２のシャッタ機構３、４が設けられている。第１と第２のシャッタ機構３、４は、それぞれシャッタコントローラ７によって開閉制御される。第１と第２のシャッタ機構３、４の各出力端には、それぞれ第１と第２の光ファイバ５、６が接続されている。

第１と第２のシャッタ機構３、４は、例えば機械的な構造を有する。図２は第１と第２のシャッタ機構３、４の構成例を示す。シャッタ回転軸３００に例えば２枚の羽根３０１、３０２が矢印Ａ、Ｂ方向にそれぞれ回転可能に設けられている。各羽根３０１、３０２は、例えば各内側に各凹部３０３、３０４を有する半球状に形成されている。各羽根３０１、３０２の一端部側にシャッタ回転軸３００が設けられている。第１と第２のシャッタ機構３、４は、各羽根３０１、３０２を開放した状態で、各羽根３０１、３０２の間に第１、第２のレーザ発振器１、２から出力される第１、第２のレーザビームの光軸Ｘ_１、Ｘ_２が通過するように配置される。第１と第２のシャッタ機構３、４は、例えば液晶シャッタ、ＡＯＴＦ等を用いた電気的なシャッタを用いてもよい。

シャッタコントローラ７は、全反射蛍光観察のモードと通常の蛍光観察のモードとを切り換え制御する。シャッタコントローラ７は、例えば全反射蛍光観察モードのときに第２のシャッタ機構４を開放すると共に第１のシャッタ機構３を閉じる。シャッタコントローラ７は、通常の蛍光観察モードのときに第２のシャッタ機構４を閉じると共に第１のシャッタ機構３を開放する。シャッタコントローラ７は、全反射蛍光観察モードと通常の蛍光観察モードとを交互に高速切換、例えば１００分の１秒オーダで高速切換する高速切換モードを有する。

第１と第２の光ファイバ５、６の各端部には、それぞれ第１と第２のレーザ出射部８、９が設けられている。第１の光ファイバ５及び第１のレーザ出射部８は、第１の光伝送部を構成する。第２の光ファイバ６、第２のレーザ出射部９及び後述する全反射マイクロプリズム１６は、第２の光伝送部を構成する。

第１と第２のレーザ出射部８、９から出射される第１と第２のレーザビームは、照明光学系１０に入射される。照明光学系１０は、第１と第２のレーザ出射部８、９から出射された第１と第２のレーザビームを顕微鏡の観察光路に導く。顕微鏡は、観察光路の光軸Ｏ上に対物レンズ１１を設ける。

照明光学系１０は、光軸Ｏ’上にコリメートレンズ１２、視野絞り１３及び集光レンズ１４を配置してなる。コリメートレンズ１２は、第１と第２のレーザ出射部８、９から出射された各レーザビーム（拡散光線）を平行光線に整形する。コリメートレンズ１２は、いわゆる凸パワーを有する。集光レンズ１４は、平行光線に整形されたレーザビームを収束光線に整形する。集光レンズ１４は、いわゆる凸パワーを有する。

コリメートレンズ１２と視野絞り１３との間の距離は、コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ_１と一致する。視野絞り１３と集光レンズ１４との間の距離は、集光レンズ１４の焦点距離ｆ_２と一致する。これにより、照明光学系１０は、テレセントリック光学系の構成を有する。

照明光路の光軸Ｏ’は、観察光路の光軸Ｏと交わる。光軸Ｏ’と光軸Ｏとの交点上にダイクロイックミラー１５が設けられている。カバーガラス１００が対物レンズ１１上でかつ光軸Ｏ上にセットされる。標本１０２がカバーガラス１００上に載せられる。

第１のレーザ出射部８は、レーザ出射方向を照明光路の光軸Ｏ’上に一致させて設けられている。第１のレーザ出射部８は、第１のレーザビーム（以下、照明光線Ｑａと称する）を照明光路の光軸Ｏ’と一致する方向に出射する。

このような第１のレーザ出射部８の配置位置であれば、第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａは、照明光学系１０を伝送し、ダイクロイックミラー１５で折返されて観察光路の光軸Ｏ上を伝送し、対物レンズ１１に入射し、標本１０２を通常の蛍光観察照明（落射照明）で照明する。

一方、第２のレーザ出射部９は、レーザ出射方向を照明光路の光軸Ｏ’に対して垂直方向に一致させて設けられている。第２のレーザ出射部９は、第２のレーザビーム（以下、照明光線Ｑｂと称する）を照明光路の光軸Ｏ’に対して垂直方向に出射する。

全反射マイクロプリズム１６が第２のレーザ出射部９のレーザ出射方向上に設けられている。全反射マイクロプリズム１６は、照明光路の光軸Ｏ’から所定の距離だけずれて配置されている。全反射マイクロプリズム１６は、第２のレーザ出射部９から出射された照明光線Ｑｂを垂直方向に反射し、照明光路の光軸Ｏ’に対してずれた位置でかつ平行方向に進行させる。

具体的に、照明光線Ｑｂは、照明光路の光軸Ｏ’に対して例えば数ｍｍ程度ずれた位置で、かつ照明光路の光軸Ｏ’に対して平行に進行する。換言すれば、照明光線Ｑａと照明光線Ｑｂとの各光路の間隔は、例えば数ｍｍ程度となる。

このような全反射マイクロプリズム１６の配置位置であれば、全反射マイクロプリズム１６で反射した照明光線Ｑｂは、照明光学系１０を伝送し、ダイクロイックミラー１５で折返され、観察光路の光軸Ｏに対してずれた位置で平行に進行し、対物レンズ１１に入射することにより標本１０２を全反射蛍光観察照明（落射照明）で照明する。

対物レンズ１１からの照明光線Ｑｂの出射角度は、対物レンズ１１に入射する照明光線Ｑｂの光軸Ｏからのずれ量によって一義的に定まる。対物レンズ１１から出射される照明光線Ｑｂの出射角度は、直接的に全反射マイクロプリズム１６での第２のレーザビームの折り返し位置に依存する。

すなわち、全反射マイクロプリズム１６は、カバーガラス１００に入射する照明光線Ｑｂの入射角を全反射の臨界角よりも大きくする位置に設置される。全反射マイクロプリズム１６は、第１のレーザ出射部８から出射される照明光線Ｑａの光束中に照明光線Ｑｂを進入させない位置に設置される。

図３は全反射の条件を示す摸式図である。例えば、オイル又はガラスの屈折率ｎ_Ｏは、１．５２である。水の屈折率ｎ_Ｗは、１．３３である。レーザビームの入射角をθすると、
sinθ＞１．３３／１．５２
の条件の入射角θのときに、レーザビームは、オイル又はガラスと水との境界で全反射する。

対物レンズ１１の開口率ＮＡは、
ＮＡ＝（オイル又はガラスの屈折率ｎ_Ｏ）×sinθ
の関係を持つ。従って、対物レンズ１１の開口率ＮＡが水の屈折率ｎ_Ｗ（＝１．３３）よりも大きいときにレーザビームは、全反射する。

例えば、倍率６０倍の対物レンズ１１を用いた場合、対物レンズ１１の焦点距離ｆは、
ｆ＝（１８０ｍｍ／６０）＝３ｍｍ
である。ここで、１８０ｍｍは、対物レンズ１１を通った観察光を収束光に変換して結像させる結像レンズの焦点距離であり、顕微鏡の光学構成によって定まる距離である。

レーザビームが全反射するための対物レンズ１１の瞳位置における光軸中心からのレーザビームの入射位置までの距離ｘ_２は、
ｘ_１＝３ｍｍ（対物レンズ１１の焦点距離）×１．３３（水の屈折率ｎ_Ｗ）＝３．９９
となる。

対物レンズ１１の瞳径ｘ_２は、
ｘ_２＝３ｍｍ（対物レンズ１１の焦点距離）×１．４５（対物レンズ１１の開口率ＮＡ）
＝４．３５
となる。

従って、レーザビームが全反射するレーザ入射範囲は、入射径ｘ_１〜瞳径ｘ_２の範囲となる。しかるに、全反射マイクロプリズム１６は、入射径ｘ_１〜瞳径ｘ_２の範囲にレーザビームを入射させる位置に設けられる。全反射マイクロプリズム１６の配置位置は、照明光学系１０の投影倍率に応じて変更される。

次に、上記の如く構成された装置の作用について説明する。

先ず、シャッタコントローラ７は、通常の蛍光観察モードにおいて、第２のシャッタ機構４を閉じると共に第１のシャッタ機構３を開く。第１のシャッタ機構３が開いた状態で、第１のレーザ発振器１は、第１のレーザビームを出力する。第１のレーザビームは、第１のシャッタ機構３を通って第１の光ファイバ５に入射する。第１のレーザビームは、第１の光ファイバ５を伝送して第１のレーザ出射部８に至る。

第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａは、拡散光線になる。拡散光線になった照明光線Ｑａは、コリメートレンズ１２を通ることで平行光線になる。平行光線になった照明光線Ｑａは、視野絞り１３を通過し、集光レンズ１４を通ることにより収束光線になる。収束光線になった照明光線Ｑａは、ダイクロイックミラー１５で折返され、対物レンズ１１の後ろ側焦点位置で集光される。集光された照明光線Ｑａは、対物レンズ１１から平行光線として出射される。対物レンズ１１から出射された照明光線Ｑａは、カバーガラス１００に入射する。

このとき照明光線Ｑａは、照明光路の光軸Ｏ’上及び観察光路の光軸Ｏ上を通ってカバーガラス１００に入射するので、標本１０２を通常の蛍光観察の励起光として照明する。

一方、シャッタコントローラ７は、全反射蛍光観察モードにおいて、第２のシャッタ機構４を開放すると共に第１のシャッタ機構３を閉じる。第２のシャッタ機構４が開いた状態で、第２のレーザ発振器２は、第２のレーザビームを出力する。第２のレーザビームは、第２のシャッタ機構４を通って第２の光ファイバ６に入射する。第２のレーザビームは、第２の光ファイバ６を伝送して第２のレーザ出射部９に至る。第２のレーザ出射部９から出射された照明光線Ｑｂは、拡散光線になる。

拡散光線になった照明光線Ｑｂは、全反射マイクロプリズム１６によって照明光路の光軸Ｏ’から所定の距離だけずらされた光路で、かつ照明光路の光軸Ｏ’に対して平行方向に折り返される。

照明光線Ｑｂは、コリメートレンズ１２を通ることで所定の傾きを持った平行光線になる。平行光線になった照明光線Ｑｂは、視野絞り１３を通過し、集光レンズ１４を通ることにより照明光路の光軸Ｏ’上からずれた状態で、かつ光軸Ｏ’に対して平行方向に進行する収束光線になる。収束光線になった照明光線Ｑｂは、ダイクロイックミラー１５で折返され、対物レンズ１１の後ろ側焦点位置で集光される。集光された照明光線Ｑｂは、対物レンズ１１から所定の傾きを持った平行光線として出射される。対物レンズ１１から出射された照明光線Ｑｂは、カバーガラス１００に入射する。

ここで、全反射マイクロプリズム１６での折り返し位置は、カバーガラス１００に入射される際の傾きを全反射の臨界角よりも大きくなるように設定されている。これにより、全反射マイクロプリズム１６で反射する照明光線Ｑｂは、全反射蛍光観察照明のための励起光になる。

すなわち、照明光線Ｑｂは、カバーガラス１００に対して全反射の臨界角よりも大きい入射角で入射する。これにより、標本１０２側に数１００ｎｍ以下の僅かな領域に浸み出すエバネッセント光１０３が発生する。エバネッセント光１０３により蛍光物質が励起される。この結果、カバーガラス１００近傍の僅かな領域の蛍光だけが観察される。

シャッタコントローラ７は、高速切換モードにおいて、全反射蛍光観察モードと通常の蛍光観察モードとを例えば１００分の１秒オーダで交互に高速に切換える。すなわち、第１と第２のシャッタ機構３、４は、それぞれ第１と第２のレーザ発振器１、２の各出力端に設けられている。第１と第２のレーザ発振器１、２の各出力端における第１と第２のレーザビームの各ビーム径は小さい。これにより、第１と第２のレーザビームをそれぞれ遮光する面積は狭くなる。従って、第１又は第２のレーザビームを遮光するスピードを例えば１００分の１秒オーダで高速化することが可能である。この結果、カバーガラス１００に載置された標本１０２に対する通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とが高速に切り換わる。

このように上記第１の実施の形態によれば、各レーザ発振器１、２の各出力端に第１と第２のシャッタ機構３、４を設けて高速に切り換え、カバーガラス１００への入射光の傾きを全反射の臨界角よりも大きくする位置に全反射マイクロプリズム１６を配置し、第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａを照明光路の光軸Ｏ上に入射させる。これにより、標本１０２に対する通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とを高速、例えば１００分の１秒オーダの高速で切り換えることができる。

第１と第２のシャッタ機構３、４の位置での各レーザビームは、第１と第２のレーザ発振器１、２から出力された第１と第２のレーザビームを整形等せずにそのままの状態で入射する。第１と第２のレーザビームの径は、例えば１ｍｍ程度に小さい。従って、第１と第２のシャッタ機構３、４は、それぞれシャッタ開口を小さくできる。この結果、第１と第２のシャッタ機構３、４は、各開閉スピードを高速にすることを可能とする。

通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とに使用する各照明光線Ｑａ、Ｑｂは、それぞれ別々の光路を通るので、照明光学系１０内において互いに完全に独立している。これによっても照明光線Ｑａと照明光線Ｑｂとは、高速に切り換える可能である。

従って、本発明装置は、各照明光線Ｑａ、Ｑｂを切り換えるだけなので、従来のミラーを移動させる方式とは相違する。本発明装置は、通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とを高速に切り換えても、切り換える前の通常の蛍光観察像と全反射蛍光観察像とをそれぞれ正確に再現できる。

全反射マイクロプリズム１６を照明光路の光軸Ｏ’から所定の距離だけずらして配置するので、全反射マイクロプリズム１６の位置位置を照明光路の光軸Ｏ’に近接できる。これにより、通常の蛍光観察で用いる照明光線Ｑａと全反射蛍光観察で用いる照明光線Ｑｂとの各光路の間隔を例えば数ｍｍ程度に狭くできる。なお、第１と第２のレーザ出射部８、９は、それぞれ第１と第２の光ファイバ５、６の端面に機械的なコネクタ部を構成するため径がφ５〜１０ｍｍ程度必要であり、ただ単に並列に並べただけでは、照明光線Ｑａと照明光線Ｑｂとの間隔を数ｍｍ程度に狭くできない。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図４は照明切換装置を顕微鏡に適用した構成図である。第１のレーザ出射部８は、レーザ出射方向を照明光路の光軸Ｏ’に対して垂直方向に設定している。これにより、第１のレーザ出射部８は、照明光路の光軸Ｏ’に対して垂直方向に照明光線Ｑａを出射する。

全反射マイクロプリズム１６が第１のレーザ出射部８のレーザ出射方向上に設けられている。全反射マイクロプリズム１６は、照明光路の光軸Ｏ上に配置され、第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａを照明光路の光軸Ｏ’上に反射する。

全反射マイクロプリズム１６の配置位置であれば、第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａは、照明光学系１０を伝送し、ダイクロイックミラー１５で反射され、観察光路の光軸Ｏ上を進行して対物レンズ１１に入射し、標本１０２を通常の蛍光観察照明で照明する。

第２のレーザ出射部９は、レーザ出射方向を照明光路の光軸Ｏ’上から所定距離だけずれた位置に設けられている。第２のレーザ出射部９は、照明光路の光軸Ｏ’に対して平行方向に照明光線Ｑｂを出射する。

第２のレーザ出射部９の配置位置であれば、第２のレーザ出射部９から出射された照明光線Ｑｂは、照明光学系１０を伝送し、ダイクロイックミラー１５で反射される。これにより、照明光線Ｑｂは、観察光路の光軸Ｏ’に対してずれた位置で、かつ平行に進行して対物レンズ１１に入射し、標本１０２を全反射蛍光観察照明で照明する。

このように上記第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態における第１と第２のレーザ出射部８、９の位置関係を逆転する。すなわち、第１のレーザ出射部８から出射された照明光線Ｑａを全反射マイクロプリズム１６により反射して光軸Ｏ’上に進行させる。第２のレーザ出射部９を照明光路の光軸Ｏ’に対して所定距離だけずらして配置し、照明光線Ｑｂを照明光路の光軸Ｏ’に対してずれた位置でかつ平行に進行させる。このような構成の上記第２の実施の形態でも、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図５は照明切換装置を顕微鏡に適用した構成図である。マイクロプリズム１６は、固定した状態にある。第２のレーザ出射部９は、照明光路の光軸Ｏ’の軸方向（矢印Ａ方向）に移動可能である。

第２のレーザ出射部９をマイクロプリズム１６に対して移動可能にすれば、照明光線Ｑｂの光軸Ｏ’に対するずれ量を調整することができる。この調整により全反射蛍光観察における照明光線Ｑｂのカバーガラス１００への入射角度が調整できる。

なお、第２のレーザ出射部９を照明光路の光軸Ｏ’の軸方向（矢印Ｃイ方向）に移動可能にするに限らず、第２のレーザ出射部９とマイクロプリズム１６とを一体的に照明光路の光軸Ｏ’の軸方向に対して直交する方向に移動可能にしてもよい。

カバーガラス１００への入射角度の調整は、図６に示すように第１のレーザ出射部８のレーザ出射光路上に全反射マイクロプリズム１６を配置して照明光線Ｑａを光軸Ｏ’上に反射する。第２のレーザ出射部９は、照明光路の光軸Ｏ’に対して所定距離だけずらして配置する。この配置状態で、第２のレーザ出射部９を照明光路の光軸Ｏ’に対して垂直方向（矢印Ｄ方向）に移動可能にしてもよい。

このような調整でも、全反射蛍光観察における照明光線Ｑｂのカバーガラス１００への入射角度を調整することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図７は照明切換装置を顕微鏡に適用した構成図である。レーザ発振器１が１台設けられている。ビームスプリッタ２０がレーザ発振器１のレーザ出力端に設けられる。ビームスプリッタ２０は、レーザ発振器１から出力されたレーザビームを２方向に分岐する。

第１と第２のシャッタ機構３、４がそれぞれビームスプリッタ２０の各レーザ分岐方向の各出力端部に設けられている。第１のシャッタ機構３のレーザを出射する一方の端部に第１の光ファイバ５が接続されている。第２のシャッタ機構４のレーザを出射する他方の端部に第２の光ファイバ６が接続されている。

このような構成であれば、レーザ発振器１からレーザビームが出力される。レーザビームは、ビームスプリッタ２０により２方向に分岐される。分岐された一方のレーザビームは、第１のシャッタ機構３に送られる。他方のレーザビームは、第２のシャッタ機構４に送られる。

この状態で、シャッタコントローラ７は、通常の蛍光観察モード、全反射蛍光観察モード又は高速切換モードにより第１と第２のシャッタ機構３、４をそれぞれ開閉制御する。通常の蛍光観察モード、全反射蛍光観察モード又は高速切換モードにおける各動作は、上記第１の実施の形態と同様である。

このように上記第４の実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されたレーザビームをビームスプリッタ２０により２方向に分岐し、各レーザビームをそれぞれ第１と第２のシャッタ機構３、４によって切り換えるので、上記第１の実施の形態と同様に、標本１０２に対する通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とを高速、例えば１００分の１秒オーダの高速で切り換えることができる。

なお、本発明は、上記第１乃至第４の実施の形態に限定されるものでなく、種々に変形することが可能である。

例えば、第１乃至第４の実施の形態は、それぞれ図８又は図９に示すような各撮像光学系を備えることが可能である。図８は第１乃至第４の実施の形態における落射照明系の観察光路の光軸Ｏ上に撮像光学系３０を設けた構成図である。例えば、ビームスプリッタ３１が照明光路の光軸Ｏ’と観察光路の光軸Ｏとの交点上に設けられている。ビームスプリッタ３１は、上記第１乃至第４の実施の形態におけるダイクロイックミラー１５に代わるものである。ダイクロイックミラー１５は、各照明光線Ｑａ、Ｑｂを対物レンズ１１側に反射し、かつ対物レンズ１１からの標本像を撮像光学系３０側に透過する。

観察光路の光軸Ｏ上にバリアフィルタ３２、結像レンズ３３及びＣＣＤカメラ３４が設けられている。ＣＣＤカメラ３４は、対物レンズ１１からビームスプリッタ３１、バリアフィルタ３２を通り、結像レンズ３３により結像された標本１０２の像を撮像する。

標本１０２の像は、標本１０２に対して通常の蛍光観察照明、全反射蛍光観察照明、又は通常の蛍光観察照明と全反射蛍光観察照明とを高速に交互に切り換えられたときに得られる像である。

ＣＣＤカメラ３４は、通常の蛍光観察照明、全反射蛍光観察照明、又は通常の蛍光観察照明と全反射蛍光観察照明とを高速に交互に切り換えられたときに得られた標本１０２の像を撮像してその画像信号を出力する。

モニタ３５は、ＣＣＤカメラ３４から出力されたる画像信号を入力し、通常の蛍光観察照明、全反射蛍光観察照明、又は通常の蛍光観察照明と全反射蛍光観察照明とを高速に交互に切り換えられたときの像を表示する。

図９は第１乃至第４の実施の形態における透過照明系の観察光路の光軸Ｏ上に撮像光学系４０を設けた構成図である。対物レンズ１１は、照明側対物レンズ１１と称する。観察側対物レンズ４１が観察光路の光軸Ｏ上に設けられている。観察側対物レンズ４１は、カバーガラス１００を介して照明側対物レンズ１１に対向する。観察光路の光軸Ｏ上に吸収フィルタ４２、結像レンズ３３及びＣＣＤカメラ３４が設けられている。

ＣＣＤカメラ３４は、観察側対物レンズ４１から吸収フィルタ４２を透過し、結像レンズ３３により結像された標本１０２の透過像を撮像する。標本１０２は、照明側対物レンズ１１を通して通常の蛍光観察照明、全反射蛍光観察照明、又は通常の蛍光観察照明と全反射蛍光観察照明とを高速に交互に切り換えたときに得られる。

ＣＣＤカメラ３４は、標本１０２の透過像を撮像してその画像信号を出力する。モニタ３５は、ＣＣＤカメラ３４から出力されたる画像信号を入力し、通常の蛍光観察照明、全反射蛍光観察照明、又はこれら通常の蛍光観察照明と全反射蛍光観察照明とを高速に交互に切り換えられたときの像を表示する。

第１乃至第３の実施の形態は、３台以上の複数のレーザ発振器を設けてよい。例えば１台のレーザ発振器から出力されたレーザビームは、照明光路の光軸Ｏ’上に入射させる。他の各レーザ発振器から出力された各レーザビームは、それぞれ照明光路の光軸Ｏ’に対して互いに異なるずれ量をもった各位置で、かつ光軸Ｏ’に対して平行方向に入射させる。

各レーザ発振器１、２は、それぞれ互いに異なる波長の各レーザビームを出力してもよい。例えば、各レーザビームは、標本１０２の観察の目的に合った各波長を用いる。観察の目的に合った波長のレーザビームを標本１０２に照射することにより、通常の蛍光観察照明又は全反射蛍光観察照明により標本１０２の観察が可能になる。

図７に示す１台のレーザ発振器１は、例えば多波長のレーザビームを出力するものに代えてもよい。図１０に示すレーザ発振器１を多波長のレーザビームを出力するものに代えれば、各光ファイバ５、６に各波長切換装置５０、５１がそれぞれ接続される。各波長切換装置５０、５１は、それぞれ複数の互いに異なる波長のフィルタを円周上に設けている。各波長切換装置５０、５１は、各軸５０ａ、５１ａを中心に回転し、観察に必要な波長のフィルタを各光路上にセットする。このように構成しても各照明光線Ｑａ、Ｑｂの波長をそれぞれ観察に必要な波長に選択できる。

各照明光線Ｑａ、Ｑｂを照明光路の光軸Ｏ’に入射するのに、レーザ出射部８、レーザ出射部９及び全反射マイクロプリズム１６を用いている。これに限らず、図１１に示す三角型のミラー５２を用いてもよい。

ミラー５２は、例えばレーザ出射部８から出射されたレーザビームを照明光路の光軸Ｏ’上に入射する。ミラー５２は、レーザ出射部９から出射されたレーザビームを照明光路の光軸Ｏ’に対してずれた位置でかつ平行方向に入射する。ミラー５２は、２つの反射面５２ａ、５２ｂを有する。

各反射面５２ａ、５２ｂは、それぞれ全反射ミラーコーティングを施してある。各反射面５２ａ、５２ｂの成す角度θｍは、任意の角度、例えば第１と第２のレーザ出射部８、９からの第１と第２のレーザビームの入射角度に合せて形成される。反射面５２ａは、第１のレーザ出射部８から出射された第１のレーザビームを反射して照明光路の光軸Ｏ’上に入射される。反射面５２ｂは、第２のレーザ出射部９から出射された第２のレーザビームを反射して照明光路の光軸Ｏ’に対してずれた位置でかつ平行方向に入射させる。

三角型のミラー５２を用いるのに限らず、プリズムを用いてもよい。プリズムを用いても、光量のロスが少なく、非常に効率よくレーザビームを反射できる。

図１及び図４〜７に示すようにレーザ出射部８又は９から出射されたレーザビームは、照明光学系１０の光軸Ｏ’に対して垂直方向に入射している。これに限らず、レーザ出射部８又は９から出射されたレーザビームは、照明光学系１０の光軸Ｏ’に対して任意の角度で入射してもよい。入射されたレーザビームは、全反射マイクロプリズム１６等により照明光学系１０の光軸Ｏ’に平行に反射させる。

本発明の照明切換装置は、通常の蛍光観察と全反射蛍光観察とを行う顕微鏡に適用した場合について説明したが、これに限らず、照明を切り換える全ての装置に適用が可能である。

本発明に係わる照明切換装置の第１の実施の形態を示す構成図。同装置における第１と第２のシャッタ機構の一例を示す構成図。全反射の条件を示す模式図。本発明に係わる照明切換装置の第２の実施の形態を示す構成図。本発明に係わる照明切換装置の第３の実施の形態を示す構成図。本発明に係わる照明切換装置の第３の実施の形態の他の構成例を示す構成図。本発明に係わる照明切換装置の第４の実施の形態を示す構成図。本発明に係わる照明切換装置の第１乃至４の実施の形態における落射照明系の観察光路に撮像光学系を設けた構成図。本発明に係わる照明切換装置の第１乃至４の実施の形態における透過照明系の観察光路に撮像光学系を設けた構成図。本発明に係わる照明切換装置の実施の形態に波長切換装置を設けた構成図。本発明に係わる照明切換装置における変形例を示す構成図。全反射蛍光観察を示す図。

符号の説明

１：第１のレーザ発振器、２：第２のレーザ発振器、３：第１のシャッタ機構、４：第２のシャッタ機構、５：第１の光ファイバ、６：第２の光ファイバ、３００：シャッタ回転軸、３０１，３０２：羽根、３０３，３０４：凹部、７：シャッタコントローラ、８：第１のレーザ出射部、９：第２のレーザ出射部、１６：全反射マイクロプリズム、１０：照明光学系、１１：対物レンズ、１２：コリメートレンズ、１３：視野絞り、１４：集光レンズ、１５：ダイクロイックミラー、１００：カバーガラス、１０２：標本、１０３：エバネッセント光、２０：ビームスプリッタ、３０：撮像光学系、３１：ビームスプリッタ、３２：バリアフィルタ、３３：結像レンズ、３４：ＣＣＤカメラ、３５：モニタ、４０：撮像光学系、４１：観察側対物レンズ、４２：吸収フィルタ、５０，５１：波長切換装置、５０ａ，５１ａ：軸、５２：三角型のミラー、５２ａ，５２ｂ：反射面。

Claims

対象物に対して全反射照明を可能とする開口数を有する対物レンズと、
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
第２のレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
前記第１及び第２のレーザビームを前記対物レンズに導く照明光学系と、
前記第１のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第１のシャッタ機構と、
前記第２のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第２のシャッタ機構と、
前記第１のシャッタ機構を通過した前記第１のレーザビームを伝送する第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバにより伝送された前記第１のレーザビームを前記照明光学系の光軸と一致する方向に出射する第１のレーザ出射部と、
前記第２のシャッタ機構を通過した前記第２のレーザビームを伝送する第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバにより伝送された前記第２のレーザビームを出射する第２のレーザ出射部と、
前記第２のレーザ出射部から出射された前記第２のレーザビームを前記照明光学系の光軸からずれた位置で前記照明光学系の光軸に対して平行方向に反射する全反射マイクロプリズムとを具備し、
前記照明光学系は、前記第１及び第２のレーザ出射部からそれぞれ出射された前記第１及び第２のレーザビームを平行光線に整形するコリメートレンズと、平行光線に整形されたレーザビームを収束光線にする集光レンズとを備えたテレセントリック光学系の構成を有し、前記ずれた位置は、前記第２のレーザビームが前記対象物を全反射蛍光観察照明で照明する位置であり、さらに、
前記対象物に対する通常の蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を開放すると共に前記第２のシャッタ機構を閉じ、前記対象物に対する全反射蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を閉じると共に前記第２のシャッタ機構を開放するシャッタコントローラを具備することを特徴とする照明切換装置。
前記第２のレーザ出射部は、前記照明光学系の光軸の方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の照明切換装置。
対象物に対して全反射照明を可能とする開口数を有する対物レンズと、
第１のレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
第２のレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
前記第１及び第２のレーザビームを前記対物レンズに導く照明光学系と、
前記第１のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第１のシャッタ機構と、
前記第２のレーザ発振器のレーザ出力端に設けられた第２のシャッタ機構と、
前記第１のシャッタ機構を通過した前記第１のレーザビームを伝送する第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバにより伝送された前記第１のレーザビームを出射する第１のレーザ出射部と、
前記第１のレーザ出射部から出射された前記第１のレーザビームを前記照明光学系の光軸と一致する方向に反射する全反射マイクロプリズムと、
前記第２のシャッタ機構を通過した前記第２のレーザビームを伝送する第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバにより伝送された前記第２のレーザビームを前記照明光学系の光軸からずれた位置で前記照明光学系の光軸に対して平行方向に出射する第２のレーザ出射部とを具備し、
前記照明光学系は、前記第１及び第２のレーザ出射部からそれぞれ出射された前記第１及び第２のレーザビームを平行光線に整形するコリメートレンズと、平行光線に整形されたレーザビームを収束光線にする集光レンズとを備えたテレセントリック光学系の構成を有し、前記ずれた位置は、前記第２のレーザビームが前記対象物を全反射蛍光観察照明で照明する位置であり、さらに、
前記対象物に対する通常の蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を開放すると共に前記第２のシャッタ機構を閉じ、前記対象物に対する全反射蛍光観察照明のモードのときに前記第１のシャッタ機構を閉じると共に前記第２のシャッタ機構を開放するシャッタコントローラを具備することを特徴とする照明切換装置。
前記第２のレーザ出射部は、前記照明光学系の光軸に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の照明切換装置。
全反射蛍光観察モードで入射される前記第２のレーザは、対物レンズの入射径と瞳径の間に照明光学系で投影されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかひとつに記載の照明切換装置。