JP6987493B2

JP6987493B2 - 顕微鏡

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Publication number: JP6987493B2
Application number: JP2016220342A
Authority: JP
Inventors: 竜男中田; 健一日下
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: JP2018077416A; US10302925B2; US20180136445A1

Description

本発明は、顕微鏡に関するものである。

従来、ＥＴＬ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＴｕｎａｂｌｅＬｅｎｓ）のような焦点可変光学系を用いて焦点距離を変更する顕微鏡が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
この顕微鏡によれば、焦点可変光学系によって、対物レンズの作動距離を変更することなく、焦点位置を変更することができる。

「Ｏｎｌｉｎｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｃｋｉｎｇ−ｉｎｄｕｃｅｄｂｒａｉｎｍｏｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈａｔｕｎａｂｌｅｌｅｎｓ」，ＪｅｒｒｙＬ．Ｃｈｅｎ他，Ｊ．ｐｈｙｓｉｃａｌ５９１．１９（２０１３），ｐｐ４６８９−４６９８

しかしながら、非特許文献１に記載の顕微鏡は、対物レンズの後ろ側に焦点可変光学系を有しているので、焦点距離を変更すると視野範囲も変更されてしまうという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、作動距離および視野範囲を変更することなく、焦点距離を変更することができる顕微鏡を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の参考例としての発明の一態様は、標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系とを備える顕微鏡を提供する。

本態様によれば、対物光学系によって集光された標本からの光が、リレー光学系によってリレーされた後、焦点可変光学系を通過して光検出器により検出される。焦点可変光学系を作動させることにより、対物光学系の焦点位置が対物光軸に沿う方向に変更され、標本内の異なる深さ位置からの光を光検出器により検出することができる。

この場合において、焦点可変光学系が対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置されているので、焦点可変光学系を作動させて焦点位置を変化させても、視野範囲を変化させずに済む。これにより、視野範囲を変化させることなく標本の深さ方向に異なる位置の観察を行うことができる。

上記態様においては、顕微鏡本体と、該顕微鏡本体に着脱可能に取り付けられ、先端に前記対物光学系を取り付けるインナーフォーカスユニットとを備え、該インナーフォーカスユニットに、前記リレー光学系および前記焦点可変光学系が備えられていてもよい。
このようにすることで、先端に対物光学系を取り付けたインナーフォーカスユニットを顕微鏡本体に取り付けることにより、対物光学系により集光された光がリレー光学系によってリレーされ、焦点可変光学系が対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置された顕微鏡を構成することができる。

本発明の一態様は、顕微鏡本体と、標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、前記顕微鏡本体に着脱可能に取り付けられ、先端に前記対物光学系を取り付けるインナーフォーカスユニットとを備え、該インナーフォーカスユニットに、前記リレー光学系および前記焦点可変光学系が備えられ、前記顕微鏡本体が、複数の対物レンズを変更可能に保持するレボルバを着脱可能に取り付けるレボルバ取付部を備え、前記インナーフォーカスユニットが、前記レボルバ取付部に着脱可能に取り付けられるとともに、該レボルバ取付部に前記レボルバが取り付けられたときに該レボルバに保持された前記対物レンズの瞳位置に配置される位置に前記焦点可変光学系を備えている。

このようにすることで、既存の顕微鏡のレボルバ取付部からレボルバを取り外し、レボルバに代えてインナーフォーカスユニットを取り付けることにより、インナーフォーカスユニットの先端に取り付けた対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に焦点可変光学系を簡易に配置することができる。

本発明の第２態様は、顕微鏡本体と、標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、前記顕微鏡本体に着脱可能に取り付けられ、先端に前記対物光学系を取り付けるインナーフォーカスユニットとを備え、該インナーフォーカスユニットに、前記リレー光学系および前記焦点可変光学系が備えられ、前記顕微鏡本体が、複数の対物レンズを変更可能かつ着脱可能に保持するレボルバを備え、前記インナーフォーカスユニットが、前記レボルバの前記対物レンズ取付部に着脱可能に取り付けられるとともに、該対物レンズ取付部に前記対物レンズが取り付けられたときに前記対物レンズの瞳位置に配置される位置に前記焦点可変光学系を備えている。

このようにすることで、既存の顕微鏡のレボルバに設けられた対物レンズ取付部からいずれかの対物レンズを取り外し、対物レンズに代えてインナーフォーカスユニットを取り付けることにより、インナーフォーカスユニットの先端に取り付けた対物レンズの瞳と光学的に共役な位置に焦点可変光学系を簡易に配置することができる。

本発明の第３態様は、標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、前記標本からの光を集光する結像レンズと、該結像レンズにより集光された光を略平行光に変換する瞳投影レンズとを備え、前記リレー光学系が前記結像レンズと前記瞳投影レンズとの間に配置される一対のリレーレンズを備え、前記焦点可変光学系が、前記リレーレンズの間に配置されている。

このようにすることで、対物光学系により集光された標本からの光が、結像レンズにより中間像を形成した後に、リレー光学系を構成する一対のリレーレンズによってリレーされ、瞳投影レンズによって集光されて光検出器により検出される。この場合に、一対のリレーレンズ間に形成された略平行光の位置に形成された対物光学系と光学的に共役な位置において焦点可変光学系を通過する。これにより、視野範囲を変更させずに焦点距離を変更して異なる深さ位置の標本の観察を行うことができる。

また、上記態様においては、前記インナーフォーカスユニットが、先端に取り付けた前記対物光学系の光軸の位置および／または方向を変更する１以上の回転機構を備えていてもよい。
このようにすることで、回転機構を作動させて、対物光学系の光軸の位置を変更することにより標本の異なる位置を簡易に観察することができ、また、対物光学系の光軸の方向を変更することにより、標本を異なる角度から観察することができる。

また、上記態様においては、門型顕微鏡であってもよい。
このようにすることで、顕微鏡本体に対してインナーフォーカスユニットが動作しても、周囲の構造物にインナーフォーカスユニットが干渉しないような広い空間を十分に確保することができる。
また、上記態様においては、前記焦点可変光学系がＥＴＬであり、該ＥＴＬの光軸方向が鉛直方向に維持されるように配置されていてもよい。
このようにすることで、焦点可変光学系を構成しているＥＴＬの光軸が鉛直方向に維持され、ＥＴＬにかかる重力の方向を変動させずに済み、収差の発生を抑えることができる。

また、上記態様においては、２光子レーザ走査型顕微鏡、レーザ走査型顕微鏡、またはディスクスキャン方式コンフォーカル顕微鏡であってもよい。

本発明によれば、作動距離および視野範囲を変更することなく、焦点距離を変更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顕微鏡を示す全体構成図である。図１の顕微鏡の第１の変形例を示す部分的な概略構成図である。図１の顕微鏡の第２の変形例を示す部分的な概略構成図である。図１の顕微鏡の第３の変形例を示す部分的な概略構成図である。図１の顕微鏡の第４の変形例を示す部分的な概略構成図である。

本発明の一実施形態に係る顕微鏡１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１は、門型顕微鏡であり、図１に示されるように、門型の構造部材２に支持され、光源（図示略）からの光を２次元的に走査するスキャンユニット３を備える顕微鏡本体４と、該顕微鏡本体４に着脱可能に取り付けられるインナーフォーカスユニット５と、該インナーフォーカスユニット５の先端に設けられた対物光学系６と、該対物光学系６により集光された光を検出する外部検出装置（光検出器）７と、標本Ｓを載置するステージ８とを備えている。

門型の構造部材２は、顕微鏡本体４に対してインナーフォーカスユニット５が動作しても、周囲の構造物にインナーフォーカスユニット５が干渉しないような広い空間を顕微鏡本体４の鉛直下方かつステージ８の上方に確保するようになっている。

顕微鏡本体４は、例えば、スキャンユニット３としてガルバノスキャナを備える２光子レーザ走査型顕微鏡またはレーザ走査型顕微鏡や、スキャンユニット３として複数のピンホールを有するピンホールアレイディスクを備えるディスクスキャン方式コンフォーカル顕微鏡の顕微鏡本体である。この顕微鏡本体４は、門型の構造部材２に固定されており、ステージ８が図示しない除振台に固定されている。

インナーフォーカスユニット５は、図１に示されるように、先端に対物光学系６を取り付けるとともに、対物光学系６により集光された標本Ｓからの蛍光（観察光）をリレーするリレー光学系９と、リレー光学系９によりリレーされる蛍光を反射する反射ミラー１０ａ，１０ｂと、ＥＴＬからなる焦点可変光学系１１とを備えている。

焦点可変光学系１１は、制御部１２からの駆動信号に基づき、対物光学系６やステージ（例えば、傾斜回転ＸＹステージ）８など標本Ｓ付近の構造物を機械的に動かすことなく、対物光学系６の焦点位置を対物光軸Ｐに沿う方向に高速で変更することができるようになっている。
制御部１２には、例えば、パーソナルコンピュータにより構成された入力部１３およびモニタ１４が接続されており、操作者は入力部１３を介して、対物光学系６の倍率情報を入力するとともにモニタ１４に表示されている標本Ｓの画像を見ながら、対物光軸Ｐに沿う方向の観察位置を調整することができるようになっている。

そして、制御部１２は、入力部１３から入力された対物光学系６の倍率情報に応じて、焦点可変光学系１１による焦点位置の移動量を制御するようになっている。これにより、装着される対物光学系６の倍率が異なっても、操作者による観察位置の調整入力が同じであれば、等しい距離だけ対物光軸Ｐに沿う方向に焦点を移動させることができるようになっている。

また、インナーフォーカスユニット５は、ダイクロイックミラー１５を内蔵するレボアーム１６に着脱可能に取り付けられ、顕微鏡本体４のスキャンユニット３に接続されている。レボアーム１６には、複数の対物レンズ（図示略）を交換可能に保持する図示しないレボルバを着脱可能に装着するためのアリ形状のレボルバ取付部１７が設けられており、レボルバ取付部１７を利用して、レボルバの代わりにインナーフォーカスユニット５を着脱可能に取り付けるようになっている。

ダイクロイックミラー１５は、光源からのレーザ光を透過する一方、標本Ｓからインナーフォーカスユニット５を介して戻る蛍光を外部検出装置７に向けて反射するようになっている。

また、インナーフォーカスユニット５には、２つの回転機構（例えば、ベアリングによって回転可能に支持された構造）１８，１９が備えられている。第１の回転機構１８は、対物光学系６、反射ミラー１０ａ，１０ｂおよびリレー光学系９を収容する筐体２１を、焦点可変光学系１１を収容する筐体２０に対して対物光軸Ｐに平行な回転軸Ｐ２回りに回転させるようになっている。また、第２の回転機構１９は、対物光学系６、リレー光学系９を構成する一方のリレーレンズ９ａおよび反射ミラー１０ａを収容する筐体２２を他方のリレーレンズ９ｂおよび反射ミラー１０ｂを収容する筐体２１に対して対物光軸Ｐに直交する回転軸Ｐ１回りに回転させるようになっている。

これにより、対物光学系６を対物光軸Ｐに平行な回転軸Ｐ２回りおよび対物光軸Ｐに直交する回転軸Ｐ１回りに回転させて、様々な方向から標本Ｓを観察することができるようになっている。また、この場合において、第１の回転機構１８および第２の回転機構１９により対物光学系６の位置および姿勢を変化させても、焦点可変光学系１１の姿勢は変化せず、その光軸が常に鉛直方向に沿って配されるように固定されている。

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１によれば、光源から発せられたレーザ光がスキャンユニット３において２次元的に走査され、レボアーム１６内のダイクロイックミラー１５を透過して、焦点可変光学系１１、反射ミラー１０ａ，１０ｂ、リレー光学系９および対物光学系６を介して標本Ｓに集光されることにより、対物光学系６の焦点位置において蛍光が発生する。

発生した蛍光は、対物光学系６により集光され、リレー光学系９、反射ミラー１０ａ，１０ｂおよび焦点可変光学系１１を介して戻る途中でダイクロイックミラー１５によって分岐され外部検出装置７によって検出され、制御部１２によって画像化されてモニタ１４に表示される。
操作者が、モニタ１４の画像を見ながら入力部１３を操作して、標本Ｓの観察したい深さ位置を変更すると、制御部１２から焦点可変光学系１１に駆動信号が送られて、対物光学系６の焦点位置が対物光軸Ｐに沿う方向に変更される。

この場合において、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、焦点可変光学系１１が、対物光学系６の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されているので、焦点可変光学系１１を作動させて焦点位置を変化させても視野範囲を変動させずに済む。すなわち、焦点可変光学系１１により、対物光学系６やステージ８の位置を変更することなく、かつ、視野範囲を変更することなく、観察したい深さ位置を容易に変更することができるという利点がある。また、スキャンユニット３およびレボアーム１６等、一般的に顕微鏡が備えている各構成要素に改造を加えることなく、インナーフォーカスユニット５を容易に装着することができる。

なお、本実施形態においては、インナーフォーカスユニット５が２つの回転機構１８，１９を備えることとしたが、１または３以上であってもよい。
また、本実施形態においては、焦点可変光学系１１としてＥＴＬを例示したが、これに代えて、形状可変ミラーまたはＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｉｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）等の波面変調素子を採用してもよい。
また、本実施形態においては門型の構造部材２に顕微鏡本体４を取り付けた場合を例示したが、これに代えて、通常の顕微鏡のレボルバ取付部１７に着脱可能に取り付ける構成を採用してもよい。

また、本実施形態においては、レボアーム１６に設けられたレボルバ取付部１７のアリ形状を利用してインナーフォーカスユニット５を取り付けることとし、レボルバが取り付けられていたならば対物レンズの瞳位置が配置されていた位置に、焦点可変光学系１１を配置した。
これに代えて、レボルバに対物レンズを着脱可能に取り付ける対物レンズ取付部に、インナーフォーカスユニット５を着脱可能に取り付けることにしてもよい。

また、倒立型顕微鏡（顕微鏡）２５は、図２に示されるように、倒立型顕微鏡２５の顕微鏡本体４がスキャンユニット３と別個の筐体で構成された鏡基４１を備え、スキャンユニット３と鏡基４１との間にインナーフォーカスユニット５を着脱可能に取り付けることにしてもよい。この場合、顕微鏡本体４のスキャンユニット３は、瞳投影レンズ２３と、瞳投影レンズ２３の焦点位置かつ対物光学系６の瞳と光学的に共役な位置に配置される光偏向器（例えば、ガルバノスキャナ等。）３１とを備えている。

インナーフォーカスユニット５をスキャンユニット３と鏡基４１との間に配置して、スキャンユニット３のポート部３ａと鏡基４１のポート部４１ａとに接続させる。これにより、インナーフォーカスユニット５の焦点可変光学系１１が、図２に示されるように、瞳投影レンズ２３と、一般的な倒立型顕微鏡２５の対物光学系６により集光された蛍光を結像する結像レンズ２４との間に、一対のリレーレンズ９ａ，９ｂからなるリレー光学系９と、これらのリレーレンズ９ａ，９ｂの間に形成される対物光学系６の瞳と光学的に共役な位置に配置されるようになっている。図中、符号１０ｃは、対物光学系６により集光された蛍光を結像レンズ２４に向けて反射する反射ミラーである。

これにより、一般的な倒立型顕微鏡２５にインナーフォーカスユニット５を装着して、インナーフォーカスユニット５により対物光学系６の焦点位置を調節することができる。また、スキャンユニット３および鏡基４１等、一般的に倒立型顕微鏡が備えている各構成要素に改造を加えることなく、インナーフォーカスユニット５を容易に装着することができる。

また、図３に示されるように、リレー光学系９の途中位置に配置されている反射ミラー１０ａに代えてダイクロイックミラー２６を採用し、対物光学系６の瞳位置と光学的に共役な位置に光電子増倍管２７を配置することにしてもよい。このようにすることで、多光子励起による蛍光観察を行う場合に、対物光学系６に近い位置で蛍光を検出でき、より明るい蛍光画像を取得することができる。図中、符号２８は、標本Ｓからの蛍光を集光する集光レンズである。

また、図４に示されるように、対物光学系６の直後にダイクロイックミラー２６を配置し、対物光学系６の瞳位置と光学的に共役な位置に光電子増倍管２７を配置することにしてもよい。このようにすることで、多光子励起による蛍光観察を行う場合に、対物光学系６に近い位置で蛍光を検出でき、より明るい蛍光画像を取得することができる。図中、符号２９ａ，２９ｂは、標本Ｓからの蛍光をリレーするリレーレンズである。

また、図５に示されるように、リレー光学系９の途中位置に配置されている反射ミラー１０ａを挿脱可能な構成とし、リレー光学系９の像と光学的に共役な位置に２次元撮像素子３０、例えば、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージングデバイスを配置してもよい。これにより、反射ミラー１０ａを光軸上から離脱させて、外光の標本Ｓからの反射光を２次元撮像素子３０によって撮影することにより、注目位置に対物光学系６の焦点位置を一致させるための位置合わせを容易にすることができる。そして、位置合わせが終了した後には、反射ミラー１０ａを光軸上に挿入し、蛍光観察を行うことができる。

１顕微鏡
４顕微鏡本体
５インナーフォーカスユニット
６対物光学系
７外部検出装置（光検出器）
９リレー光学系
１１焦点可変光学系
１７レボルバ取付部
１８第１の回転機構（回転機構）
１９第２の回転機構（回転機構）
２３瞳投影レンズ
２４結像レンズ
２５倒立型顕微鏡（顕微鏡）
Ｐ対物光軸
Ｓ標本

Claims

顕微鏡本体と、
標本からの光を集光する対物光学系と、
該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、
該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、
該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、
前記顕微鏡本体に着脱可能に取り付けられ、先端に前記対物光学系を取り付けるインナーフォーカスユニットとを備え、
該インナーフォーカスユニットに、前記リレー光学系および前記焦点可変光学系が備えられ、
前記顕微鏡本体が、複数の対物レンズを変更可能に保持するレボルバを着脱可能に取り付けるレボルバ取付部を備え、
前記インナーフォーカスユニットが、前記レボルバ取付部に着脱可能に取り付けられるとともに、該レボルバ取付部に前記レボルバが取り付けられたときに該レボルバに保持された前記対物レンズの瞳位置に配置される位置に前記焦点可変光学系を備えている顕微鏡。
顕微鏡本体と、
標本からの光を集光する対物光学系と、
該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、
該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、
該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、
前記顕微鏡本体に着脱可能に取り付けられ、先端に前記対物光学系を取り付けるインナーフォーカスユニットとを備え、
該インナーフォーカスユニットに、前記リレー光学系および前記焦点可変光学系が備えられ、
前記顕微鏡本体が、複数の対物レンズを変更可能かつ着脱可能に保持するレボルバを備え、
前記インナーフォーカスユニットが、前記レボルバの対物レンズ取付部に着脱可能に取り付けられるとともに、該対物レンズ取付部に前記対物レンズが取り付けられたときに、前記レボルバに保持された前記対物レンズの瞳位置に配置される位置に前記焦点可変光学系を備えている顕微鏡。
標本からの光を集光する対物光学系と、
該対物光学系により集光された光をリレーするリレー光学系と、
該リレー光学系によりリレーされた前記対物光学系からの光を検出する光検出器と、
該光検出器と前記対物光学系との間の該対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置され、該対物光学系の焦点位置を対物光軸に沿う方向に変更可能な焦点可変光学系と、
前記標本からの光を集光する結像レンズと、
該結像レンズにより集光された光を略平行光に変換する瞳投影レンズとを備え、
前記リレー光学系が、前記結像レンズと前記瞳投影レンズとの間に配置される一対のリレーレンズを備え、
前記焦点可変光学系が、前記リレーレンズの間に配置されている顕微鏡。
前記標本からの光を集光する結像レンズと、該結像レンズにより集光された光を略平行光に変換する瞳投影レンズとを備え、
前記リレー光学系が前記結像レンズと前記瞳投影レンズとの間に配置される一対のリレーレンズを備え、
前記焦点可変光学系が、前記リレーレンズの間に配置されている請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。
前記インナーフォーカスユニットが、先端に取り付けた前記対物光学系の光軸の位置および／または方向を変更する１以上の回転機構を備える請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。
門型顕微鏡である請求項５に記載の顕微鏡。
前記焦点可変光学系がＥＴＬであり、
該ＥＴＬの光軸方向が鉛直方向に維持されるように配置されている請求項１から請求項６のいずれかに記載の顕微鏡。
２光子レーザ走査型顕微鏡、レーザ走査型顕微鏡、またはディスクスキャン方式コンフォーカル顕微鏡である請求項１から請求項７のいずれかに記載の顕微鏡。