イメージングシステムにおけるビームエクスパンダの調整システム及び方法
平行光光源と試料上で走査されるライン状照明領域を与えるように配置されたライン形成光学系とを有する照明システムと、受像システムと、倍率を変えられるように光路内で交換可能な２以上の対物レンズとを備えるライン共焦点顕微鏡システムであって、対物レンズが異なる開口径を有し、照明システムが、平行光光源とライン形成光学系との間に配置されたビーム形状変換素子であって、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ライン形成光学系へと送られる平行光ビームの断面形状を所定の形状に選択的に変換するビーム形状変換素子を備える、ライン共焦点顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、最適照明をもたらすようにイメージングシステムの照明ビームエクスパンダを調整するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、試料の微小な関心領域を研究する際、研究者は顕微鏡を用いて試料を観察することが多い。かかる顕微鏡としては、従来の広視野、蛍光、落射蛍光又は共焦点顕微鏡がある。かかる顕微鏡の光学的構成は、通例、光源、照明光学系、対物レンズ、サンプルホルダ、結像光学系及び検出器を含んでいる。光源から放射された光は、照明光学系及び対物レンズを伝播した後、試料の関心領域を照明する。顕微鏡の対物レンズは、接眼レンズで観察できる物体の拡大像を形成するが、デジタル顕微鏡の場合には、拡大像は検出器でとらえられて、ライブ観察、データ保存及び追加の解析のためコンピュータに送られる。
【０００３】
光源から送られる励起光は落射蛍光顕微鏡の対物レンズに達するが、これは理想的にはその後側開口を完全に満たすべきである。しかし、対物レンズの設計のため、これらのレンズは、異なる開口径を有する異なる開口数（ＮＡ）を有し、一定ビーム径条件下では、後側開口を完全に満たすことができなくなることがある。対物レンズ開口のアンダーフィリングは有効ＮＡを小さくし、横方向及び軸方向分解能が全般的に落ち、共焦点システムに対するオプティカルセクショニングの性能が低下する。対物レンズ開口のオーバーフィリングは励起エネルギーの一部しか使わないので、照明効率の低下をきたす。
【０００４】
米国特許第６０８１３７１号のような先行特許文献があり、ポイント共焦点及び広視野顕微鏡に関して、従来のズームシステムを用いて、様々な対物レンズに適合するように励起ビーム径を調整することができる。これらの特許では、ビームは光軸の周りで円対称であり、ズーム光学素子もその対称性を維持している。対照的に、ライン共焦点システムでは、ビームは円対称性をもたず、特殊なズーム解決策が必要とされる。この特許に記載されているように、ポイント共焦点ズームシステムをライン共焦点顕微鏡に適用すると、著しい像の不均一性を招くので、望ましくない。
【０００５】
米国特許第７２３５７７７号のような他の従来技術では、近一次元ズーミングを達成するため複雑な設計が提案されている。しかし、この特許は、複雑な設計のため、支持されたすべての対物レンズに最適な照明システムをもたらさない。そこで、支持されたすべての対物レンズに最適な後側開口の照明をもたらす簡単な調整システムに対するニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１３４００２号明細書
【特許文献１】米国特許第７２３５７７７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、従来技術の１以上の短所を解消する新規なライン走査共焦点顕微鏡を提供することである。この目的は、独立請求項に規定するライン走査共焦点顕微鏡によって達成される。
【０００８】
かかるライン走査共焦点顕微鏡の利点の１つは、従来技術よりも格段に単純な設計を用いて、広範な対物レンズに対して後側開口径の照明が改善されることである。
【０００９】
本発明を適用できる範囲については、以下の詳細な説明から明らかになろう。ただし、詳細な説明及び具体例は、本発明の好ましい実施形態を示すものではあるが、単なる例示にすぎない。本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変形及び変更は、以下の詳細な説明から当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るシリンドリカルズームビームエクスパンダを備えるライン走査イメージングシステムのブロック図。
【図２】本発明による図１の照明システムの光線追跡概略図。
【図３】本発明による図１のシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムの概略図。
【図４】シリンドリカルズームビームエクスパンダ設計のシリンドリカルレンズダブレットの３通りの相対的位置を示す図。
【図５】本発明による図１の光源からの出力ビーム幅とダブレット１、２及び３の位置との関係を示す図。
【図６】本発明による図１の受像装置の概略図。
【図７ａ】本発明による非球面光学系１０４のビームフットプリント（ズームなし）を示す図。
【図７ｂ】本発明による試料のライン励起の光強度分布（ズームなし）を示す図。
【図７ｃ】本発明によるシリンドリカルズームを用いたＸ方向３×ズームでの非球面光学系１０４のビームフットプリントを示す図。
【図７ｄ】本発明によるシリンドリカルズームを用いた３×ズームでの試料の励起ラインの略均一な光強度分布を示す図。
【図７ｅ】従来のズームを用いて得られるビーム形状を対比したシミュレーション結果を示す図。
【図７ｆ】従来のズームを用いて得られるビーム形状を対比したシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、現時点における本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明するが、図面において類似の部品には同じ符号を付した。好ましい実施形態の説明は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１２】
一実施形態では、照明システムと、受像システムと、２以上の対物レンズとを備えるライン共焦点顕微鏡システムであって、照明システムがビーム形状変換素子を含んでいる、ライン共焦点顕微鏡システムを提供する。照明システムは、平行光光源（例えば、以下で詳しく説明する点光源及びコリメータ）と、試料上で走査されるライン状照明領域を与えるように配置されたライン形成光学系（例えば非球面光学部品）とを備える。受像システムは、集光光学系と、試料からの放射光を検出するように構成された検出器ユニットと、以下で詳しく説明する像形成手段とを備えている。２以上の対物レンズは、倍率を変えられるように光路内で交換可能であり、前述の通り、これらの対物レンズは異なる開口径を有する。ビーム形状変換素子は、平行光光源とライン形成光学系との間に配置され、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ライン形成光学系へと送られる平行光ビームの断面形状を所定の形状に選択的に変換するが、これについては以下で詳しく説明する。
【００１３】
一実施形態では、ライン形成光学系は非球面タイプのものであり、ビーム形状変換素子は、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に交差する方向（図２のＸ方向）に選択的に制御するように構成される。ビーム形状変換素子は、２以上のシリンドリカルレンズを備えるシリンドリカルズームエクスパンダであってもよく、以下の実施形態の詳細な説明に記載した通り、ビーム形状変換素子は、固定入口レンズと、光路に沿って相互に移動可能な２つのズームレンズとを備えていてもよい。かかる実施形態では、ライン走査共焦点顕微鏡はさらに、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ビーム形状変換素子の移動可能なレンズを所定の位置に制御するように構成された制御システムをさらに備えていてもよい。別の実施形態では、ビーム形状変換素子は、各々断面形状の所定の変換を行うように構成された２組以上の交換可能な固定ズームレンズを備えていてもよい。
【００１４】
一実施形態では、シリンドリカルレンズの１以上は、平行光ビームの横断面の拡がり部分を、さらにライン状照明領域の拡がり方向と実質的に平行な方向（すなわち図２のＹ方向）に選択的に制御するように変更される。これによって、様々な対物レンズに対する後側開口の照明形状をさらに最適化できる。
【００１５】
図１に、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステムを備えるライン走査顕微鏡システムの一実施形態の基本部品のブロック図を示す。開示した顕微鏡システム１００は、光源１０１、コリメータ１０２、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３、非球面光学系１０４、ビーム屈折光学系１０５、対物レンズ１０７、試料１０９、サンプルホルダ１１１、ステージ１１３、チューブレンズ１１５、光学検出器１１７、任意構成要素としての通信リンク１１９及び任意構成要素としてのコンピュータ１２１を備える。
【００１６】
光源１０１は、ランプ、レーザ、複数のレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、複数のＬＥＤ、又は光ビーム１０１ａを発生させる当業者に公知の任意のタイプの光源であればよい。光ビーム１０１ａは光源１０１から放射され、コリメータ１０２、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３、非球面光学系１０４、ビーム屈折光学系１０５及び対物レンズ１０７を伝播して、試料１０９を照明する。試料１０９は、生きた生物、生体細胞、非生物試料などである。非球面光学系１０４は、光ビーム１０１ａを試料でのライン状ビームへと変換するように構成されたパウエルレンズなどでよい。ビーム屈折光学系１０５は、光ビーム１０１ａを対物レンズ１０７の後側開口に送るとともにビームを走査するように構成された走査ミラーなどである。試料を様々な倍率で観察するために、顕微鏡は、倍率の異なる（例えば、１０×及び２０×など）２以上の対物レンズ１０７を備える。試料１０９から放射又は反射された光は対物レンズ１０７で集光され、試料１０９の像が典型的チューブレンズ１１５によって光学検出器１１７上に形成される。光学検出器１１７は、光電子増倍管、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像検出器、又は当業者に利用される任意の光学検出器でよい。光学検出器１１７は、適宜、通信リンク１１９によってコンピュータ１２１に電気的又は無線接続される。別の実施形態では、光学検出器１１７に代えて、対物レンズ１０７と共に中間画像をさらに拡大して試料詳細が観察できるように作用する典型的な顕微鏡アイピース又は接眼レンズを用いてもよい。試料１０９はサンプルホルダ１１１上に載置されるが、サンプルホルダ１１１は、典型的なマイクロタイタープレート、顕微鏡スライド、チップ、ガラスプレート、ペトリ皿又は任意のタイプのサンプルホルダでよい。
【００１７】
別の実施形態では、顕微鏡システム１００を、適宜、通信リンク１１９によって従来のコンピュータ１２１に電気的又は無線接続してもよい。通信リンク１１９は、例えばＬＡＮ、無線ＬＡＮ、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ＵＳＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）リンク、光ファイバなど、自動顕微鏡システム１００とコンピュータ１２１とのデータ転送を容易にすることができる任意のネットワークでよい。顕微鏡は複数の対物レンズ１０７を有していてもよい。コンピュータ１２１を画像検出装置ということもある。本発明の別の実施形態では、画像検出装置１２１をデジタル顕微鏡１００の内部に配置してもよい。画像検出装置１２１は、光学検出器１１７から試料１０９の画像を受信し、標準的な画像処理ソフトウェアプログラム、アルゴリズム又は方程式を用いて画像を表示、保存又は処理することのできる典型的なコンピュータとして動作する。
【００１８】
顕微鏡システム１００の概略を図１に示すが、その基本部品しか示していない。
【００１９】
図２は、図１の顕微鏡を光ビーム１０１ａの観点から示したものであり、顕微鏡の光路に沿ったビームプロファイルを示すためＸ及びＹ方向の複数の光線で表す。光源１０１から放射される光錐はコリメータ１０２でコリメートされ、平行光ビームを形成する。平行ビーム１０１ａがシリンドリカルズームビームエクスパンダ１０３（例えば、図３及び図４に示すもの）を通過する際に、ビームはＸ方向にのみ拡大（縮小）される。Ｙ軸方向のビームプロファイルは一定のままである。この種のプロファイル拡大（又は縮小）は円形ビームを楕円形１０１ｂに変える。次いで、非球面光学系（ＡＯ）部品１０４（例えばパウエルレンズ）がビームを４５度走査反射光学系（ＳＲＯ）１０５上に集束し、ビームをＹ方向に反射して対物レンズに向ける。ミラーで反射された後のビームの形状は楔１０１ｃに似ている。Ｙ方向に角度分散されるが、Ｘ方向の平行度は保つ。対物レンズ１０７は最終的に、非球面光学系１０４で予備調整されたビームをＹ方向の均一励起ライン１０１ｄとして試料上に集束する。試料上での励起ラインの均一性は、図７ａ〜７ｆに示すように、非球面光学系１０４及びビームエクスパンダ設計１０３によって大きく左右される。
【００２０】
一般に、非球面光学系１０４は調整できないので、Ｘ方向のビーム寸法を調整するシステムを設けるのが望ましい。シリンドリカルズームビームエクスパンダがこのようなシステムである。走査光学系と対物レンズとの距離を適切な値に定めることによって、Ｙ方向における対物レンズ後側開口のビームフィリングを常に選択することができる。Ｘ方向では、対物レンズの後側開口のフィリング状態は基本的に同方向のビーム寸法によって決まる。
【００２１】
図３は、本発明に係るシリンドリカルズームエクスパンダシステム１０３の一実施形態の概略図である。図３のシリンドリカルズームビームエクスパンダは、３つのシリンドリカルダブレット３０１、３０３及び３０５からなる。全体的設計は逆ガリレオ式に類似しており、レンズのシリンドリカル設計のため一方向だけで機能する。第１のダブレット３０１は負シリンドリカルレンズである。第２のダブレット３０３及び第３のダブレット３０５は正シリンドリカルレンズをなし、それらの間隔をズーム機構５０５で変えることによって焦点距離を調整することができる。幾何光学の諸法則から導かれる関数に従ってダブレット２及び３を移動させことによって、ビーム幅をＸ方向に拡大することができる。
【００２２】
図３に、ズーム制御システムの概略を示すが、典型的な制御装置５０１にコンピュータ１２１又はコンピュータ２０３が接続されており、１以上のズーム駆動部５０３を制御するように構成されている。ズーム駆動部５０３は、ステッピングモータ、直流（ＤＣ）モータ、サーボモータ、圧電モータ又はソレノイドであってもよい。このズーム駆動部５０３はズーム機構５０５を駆動するように構成され、ズーム機構５０５は、典型的な機械式ギア（全又は部分ギア）、ベルト又はチェーンシステム、ベルト／プーリ、摩擦式スピンドル、フリクションドライブ、その他当業者に公知の機構でよい。
【００２３】
ここでのズーム機構５０５は、ダブレット２（３０３）及びダブレット３（３０５）に取り付けられており、３つのシリンドリカルダブレット１、２及び３の間の距離を制御するのに用いられる。
【００２４】
図４に、シリンドリカルズームビームエクスパンダの代表的なモデルを様々な対物レンズに対応した３通りのズーム位置で示す。その他のシリンドリカルズームビームエクスパンダ設計の実施形態も可能である。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、図５に示すように、ダブレット１、２及び３の相対的位置とシリンドリカルビームエクスパンダからのＸ方向の出力幅との関係を図解するが、Ｙ方向のビーム幅は基本的に変わらない。この例では、入力ビームの幅は３ｍｍであり、ダブレット２と３の位置を同時に調整することによって出力ビームの幅を１０．４ｍｍ超まで大きくすることができる。例えば、出力ビーム幅を８．７ｍｍにする必要があるときは、ダブレット１と２との距離が３．３ｍｍ、ダブレット２と３との距離が１２０ｍｍとなるようにダブレット２及び３を位置決めすべきである。
【００２６】
図６に、図１のシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムの受像装置の概略図を示す。コンピュータ１２１は受像装置２０３として知られ、従来のコンピュータに付随する典型的な部品を備える。受像装置２０３は、像伝達システム１００に格納してもよい。受像装置２０３は、プロセッサ２０３ａ、入力／出力（Ｉ／Ｏ）制御装置２０３ｂ、大容量記憶装置２０３ｃ、メモリ２０３ｄ、ビデオアダブタ２０３ｅ、上記システム部品をプロセッサ２０３ａに動作可能に電気的又は無線接続する接続インターフェース２０３ｆ及びシステムバス２０３ｇを備える。また、システムバス２０３ｇは、典型的なコンピュータシステム部品をプロセッサ２０３ａに動作可能に電気的又は無線接続する。プロセッサ２０３ａは、処理装置、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、複数の処理装置又は並列処理装置であってもよい。システムバス２０３ｇは、従来のコンピュータに付随する典型的なバスであってもよい。メモリ２０３ｄとしては、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）がある。ＲＯＭは、基本ルーチンを含む典型的な入力／出力システムを備えており、起動時にコンピュータの部品間の情報転送に資する。
【００２７】
入力／出力制御装置２０３ｂは、バス２０３ｇによってプロセッサ２０３ａに接続されており、入力／出力制御装置２０３ｂはインターフェースとして機能し、ＧＵＩ及び入力装置２０４（キーボード及びポインティングデバイスなど）を通してユーザがコマンド及び情報をコンピュータに入力することができる。利用される典型的なポインティングデバイスは、ジョイスティック、マウス、ゲームパッドなどである。ディスプレイ２０６は、、ビデオアダブタ２０３ｅによってシステムバス２０３ｇに電気的又は無線接続される。ディスプレイ２０６は、典型的なコンピュータモニタ、プラズマテレビ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又はコンピュータ１２１で生成した文字及び／又は静止画像を有する任意の装置でよい。コンピュータ２０３のビデオアダブタ２０３ｅの次は、接続インターフェース２０３ｆである。接続インターフェース２０３ｆは、前述の通り通信リンク１１９によって光学検出器１１７に接続されるネットワークインターフェースであってもよい。また、受像装置２０３はネットワークアダプタ又はモデムを備えていてもよく、受像装置２０３を他のコンピュータに接続することができる。
【００２８】
メモリ２０３ｄの上は大容量記憶装置２０３ｃであり、１．ハードディスクへの読み出し及び書き込みのためのハードディスクドライブ部品（図示せず）及びハードディスクドライブインターフェース（図示せず）、２．磁気ディスクドライブ（図示せず）及び磁気ディスクドライブインターフェース（図示せず）、３．リムーバブル光ディスク（例えばＣＤ−ＲＯＭ又は他の光媒体）への読み出し又は書き込みのための光ディスクドライブ（図示せず）及び光ディスクドライブインターフェース（図示せず）が挙げられる。上述のドライブ及びそれらに関連するコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールその他のコンピュータ２０３用のデータの不揮発性記憶を与える。また、上述のドライブは、本発明のシリンドリカルズームビームエクスパンダのダブレット調整のためのアルゴリズム、ソフトウェア又は方程式を有するという技術的作用も有する。さらに、上述のドライブは、以下に示すビームフィリング表に含まれる。このビームフィリング表は、対物レンズ、レンズ開口、対物レンズの開口を満たすのに必要なビーム幅、ダブレット１位置、ダブレット２位置及びダブレット３位置を含む。
【００２９】
シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３又はダブレットの調整のためのソフトウェアプログラムには、シリンドリカルズームビームエクスパンダグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）があってもよい。シリンドリカルズームビームエクスパンダグラフィカルユーザインターフェースは、コンピュータユーザがコンピュータ２０３と容易にやりとりできるように設計されたソフトウェアプログラムである典型的なＧＵＩと同じ機能の一部を有する特別にプログラムされたＧＵＩであってもよい。シリンドリカルズームビームエクスパンダＧＵＩは、１．対物レンズ倍率（２×、４×、１０×、２０×、４０×及び６０×など）、２．各対物レンズに関するレンズ開口（２×、４×、１０×又は２０×対物レンズについて２０〜１０ｍｍ、例えば４０×で６ｍｍ、６０×で４．７ｍｍなど）、３．ビーム１０１ａの初期ビームサイズ及びビーム１０１ａの出射ビームサイズ、４．様々な対物レンズに対するダブレット位置、を表示するスクリーンショットを備えていてもよい。
【００３０】
図４に、３組のレンズダブレットに対する３通りの位置の例を示すが、これらはシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムで用いられる様々な相対的位置にあり、異なるビームサイズが得られる。各ダブレットは、互いに接着した２枚のレンズ又は２枚のガラス片からなる。ダブレット３０１は１枚の凹レンズと１枚の凸レンズを接着したものであり、負シリンドリカルレンズである。ダブレット３０３及び３０５は２枚の凸レンズを接着したものであり、正シリンドリカルレンズであって、それらの距離を変えることによって焦点距離を調整できる。これらのダブレットを用いて、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３の第１の端部１０３ａから入射し、その第２の端部１０３ｂから出射する図１のビーム１０１ａを拡大する。ビーム１０１ａはＸ方向にしか拡大されないので、その形状は、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３に入るときの円形から、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３を出るときの楕円形に変わる。ダブレット３０１と３０３及びダブレット３０３と３０５の距離によって、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３から出るビーム１０１ａのサイズが決まる。開示した実施形態では、シリンドリカルビームエクスパンダは拡大縮小自在な装置であり、広範な対物レンズに対して所望のビーム形状が得られるように制御できる。別の実施形態では、シリンドリカルビームエクスパンダは、１組の固定ビームエクスパンダレンズの組合せからなり、倍率を変えるための対物レンズの交換と同様に、ビーム経路内に選択的に挿入すればよい。
【００３１】
制御ソフトウェアアプリケーションでは、シリンドリカルズームビームエクスパンダの状態は、ユーザが選択した対物レンズ１０７に応じて制御される。一実施形態では、コンピュータ２０３の大容量記憶装置２０３ｃは、以下の例示的な表に示すような対物レンズ１０７開口に関連するビームフィリング表を含む。
【００３２】
【表１】
【００３３】
図７Ａ及び７Ｂは、非球面光学系１０４のビームフットプリント（ズームなし）と試料のライン励起光強度分布（ズームなし）を示す。試料１０９の均一なライン照明は、非球面光学系１０４を対物レンズ１０７と併用したときに得られる。非球面光学系１０４はＹ方向にしか作用しないので、試料１０９上でのｙ方向の集束ビーム分布は非球面光学系１０４によって決まる。試料１０９でのＸ方向の幅は２μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。ズームレンズがなければ、ｙ方向のビーム幅がＡＯとうまく機能するようにコリメータを選択しなければならない。図７Ａは、ＡＯ入射口での入力ビーム図を示す。試料上での集束ビーム線のＹ方向に沿った強度プロファイルを図７Ｂに示すが、ライン強度分布は略均一である。この場合の問題は、Ｘ方向のビーム幅が小さくて、対物レンズの開口を満たさないことであり、試料の集束ライン幅は２μｍで、完全に満たした場合の２分の１に満たない。
【００３４】
図７Ｃ及び７Ｄは、Ｘ方向に３×ズームしたときの非球面光学系１０４のビームフットプリントと、シリンドリカルズームを用いて３×ズームしたときの試料上での励起ラインの略均一な光強度分布を示す。試料１０９でのＸ方向の線幅は１μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。シリンドリカルズームレンズを用いると、ｙ方向のビーム幅は一定のまま保たれ、非球面光学系１０４とうまく機能する。図７Ｃは、非球面光学系１０４入射口での入力ビーム図を示す。Ｘ方向の入力ビーム幅は、非球面光学系の入射開口を満たした。Ｘ方向のビーム幅の増大によって、対物開口でのフィリングが増し、試料１０９上でシャープな集束レーザライン照明が得られる。試料上での集束ビーム線の強度プロファイルを図７Ｄに示すが、ライン強度分布は略均一である。ここに示す数値の例は、単に例示のためのものにすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３５】
図７Ｅ及び７Ｆは、ズームの使用の有無による性能を対比する数値シミュレーション結果を示す。従来のズームレンズを用いると、ビーム幅はｘ及びｙ両方向で増大した。試料１０９でのＸ方向の幅は１μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。非球面光学系１０４ではｙ方向のビーム幅が適切に調整されないので、試料１０９上でのライン照明は一様でなくなる。図７Ｅは、非球面光学系１０４入射口での入力ビーム図を示す。入力ビームは、非球面光学系１０４の入射開口を満たす。しかし、Ｙ方向のビーム幅が増大するため、図７Ｆに示すように試料上で不均一な照明を生じ、ライン照明強度分布は均一ではない。
【００３６】
本発明は、最適照明をもたらすようにイメージングシステムの照明ビームを調整するシステムを提供する。ユーザは、光源から試料に送られる光ビームを拡大・縮小することができる。光源から放射される光ビームの拡大によって、ユーザは試料の像を観察することができるが、後側開口が照明されるので試料の全体像が示される。ユーザは、試料の像を観察するためにどの対物レンズを用いるかに関係なく、システムの光スループット及び開口数を最適化することができる。こうして、支持されている対物レンズすべてについて後側開口の十分な照明をもたらす簡単な調整システムがユーザに提供される。
【００３７】
現時点での本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明してきた。図面では、類似の部品は同じ符号を付した。好ましい実施形態の説明は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３８】
以上、本発明について特定の実施形態を例にとって説明してきたが、当業者には自明であろうが、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱せずに、本発明の様々な変更及び変形をなすことができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、最適照明をもたらすようにイメージングシステムの照明ビームエクスパンダを調整するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、試料の微小な関心領域を研究する際、研究者は顕微鏡を用いて試料を観察することが多い。かかる顕微鏡としては、従来の広視野、蛍光、落射蛍光又は共焦点顕微鏡がある。かかる顕微鏡の光学的構成は、通例、光源、照明光学系、対物レンズ、サンプルホルダ、結像光学系及び検出器を含んでいる。光源から放射された光は、照明光学系及び対物レンズを伝播した後、試料の関心領域を照明する。顕微鏡の対物レンズは、接眼レンズで観察できる物体の拡大像を形成するが、デジタル顕微鏡の場合には、拡大像は検出器でとらえられて、ライブ観察、データ保存及び追加の解析のためコンピュータに送られる。
【０００３】
光源から送られる励起光は落射蛍光顕微鏡の対物レンズに達するが、これは理想的にはその後側開口を完全に満たすべきである。しかし、対物レンズの設計のため、これらのレンズは、異なる開口径を有する異なる開口数（ＮＡ）を有し、一定ビーム径条件下では、後側開口を完全に満たすことができなくなることがある。対物レンズ開口のアンダーフィリングは有効ＮＡを小さくし、横方向及び軸方向分解能が全般的に落ち、共焦点システムに対するオプティカルセクショニングの性能が低下する。対物レンズ開口のオーバーフィリングは励起エネルギーの一部しか使わないので、照明効率の低下をきたす。
【０００４】
米国特許第６０８１３７１号のような先行特許文献があり、ポイント共焦点及び広視野顕微鏡に関して、従来のズームシステムを用いて、様々な対物レンズに適合するように励起ビーム径を調整することができる。これらの特許では、ビームは光軸の周りで円対称であり、ズーム光学素子もその対称性を維持している。対照的に、ライン共焦点システムでは、ビームは円対称性をもたず、特殊なズーム解決策が必要とされる。この特許に記載されているように、ポイント共焦点ズームシステムをライン共焦点顕微鏡に適用すると、著しい像の不均一性を招くので、望ましくない。
【０００５】
米国特許第７２３５７７７号のような他の従来技術では、近一次元ズーミングを達成するため複雑な設計が提案されている。しかし、この特許は、複雑な設計のため、支持されたすべての対物レンズに最適な照明システムをもたらさない。そこで、支持されたすべての対物レンズに最適な後側開口の照明をもたらす簡単な調整システムに対するニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１３４００２号明細書
【特許文献１】米国特許第７２３５７７７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、従来技術の１以上の短所を解消する新規なライン走査共焦点顕微鏡を提供することである。この目的は、独立請求項に規定するライン走査共焦点顕微鏡によって達成される。
【０００８】
かかるライン走査共焦点顕微鏡の利点の１つは、従来技術よりも格段に単純な設計を用いて、広範な対物レンズに対して後側開口径の照明が改善されることである。
【０００９】
本発明を適用できる範囲については、以下の詳細な説明から明らかになろう。ただし、詳細な説明及び具体例は、本発明の好ましい実施形態を示すものではあるが、単なる例示にすぎない。本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変形及び変更は、以下の詳細な説明から当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るシリンドリカルズームビームエクスパンダを備えるライン走査イメージングシステムのブロック図。
【図２】本発明による図１の照明システムの光線追跡概略図。
【図３】本発明による図１のシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムの概略図。
【図４】シリンドリカルズームビームエクスパンダ設計のシリンドリカルレンズダブレットの３通りの相対的位置を示す図。
【図５】本発明による図１の光源からの出力ビーム幅とダブレット１、２及び３の位置との関係を示す図。
【図６】本発明による図１の受像装置の概略図。
【図７ａ】本発明による非球面光学系１０４のビームフットプリント（ズームなし）を示す図。
【図７ｂ】本発明による試料のライン励起の光強度分布（ズームなし）を示す図。
【図７ｃ】本発明によるシリンドリカルズームを用いたＸ方向３×ズームでの非球面光学系１０４のビームフットプリントを示す図。
【図７ｄ】本発明によるシリンドリカルズームを用いた３×ズームでの試料の励起ラインの略均一な光強度分布を示す図。
【図７ｅ】従来のズームを用いて得られるビーム形状を対比したシミュレーション結果を示す図。
【図７ｆ】従来のズームを用いて得られるビーム形状を対比したシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、現時点における本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明するが、図面において類似の部品には同じ符号を付した。好ましい実施形態の説明は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１２】
一実施形態では、照明システムと、受像システムと、２以上の対物レンズとを備えるライン共焦点顕微鏡システムであって、照明システムがビーム形状変換素子を含んでいる、ライン共焦点顕微鏡システムを提供する。照明システムは、平行光光源（例えば、以下で詳しく説明する点光源及びコリメータ）と、試料上で走査されるライン状照明領域を与えるように配置されたライン形成光学系（例えば非球面光学部品）とを備える。受像システムは、集光光学系と、試料からの放射光を検出するように構成された検出器ユニットと、以下で詳しく説明する像形成手段とを備えている。２以上の対物レンズは、倍率を変えられるように光路内で交換可能であり、前述の通り、これらの対物レンズは異なる開口径を有する。ビーム形状変換素子は、平行光光源とライン形成光学系との間に配置され、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ライン形成光学系へと送られる平行光ビームの断面形状を所定の形状に選択的に変換するが、これについては以下で詳しく説明する。
【００１３】
一実施形態では、ライン形成光学系は非球面タイプのものであり、ビーム形状変換素子は、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に交差する方向（図２のＸ方向）に選択的に制御するように構成される。ビーム形状変換素子は、２以上のシリンドリカルレンズを備えるシリンドリカルズームエクスパンダであってもよく、以下の実施形態の詳細な説明に記載した通り、ビーム形状変換素子は、固定入口レンズと、光路に沿って相互に移動可能な２つのズームレンズとを備えていてもよい。かかる実施形態では、ライン走査共焦点顕微鏡はさらに、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ビーム形状変換素子の移動可能なレンズを所定の位置に制御するように構成された制御システムをさらに備えていてもよい。別の実施形態では、ビーム形状変換素子は、各々断面形状の所定の変換を行うように構成された２組以上の交換可能な固定ズームレンズを備えていてもよい。
【００１４】
一実施形態では、シリンドリカルレンズの１以上は、平行光ビームの横断面の拡がり部分を、さらにライン状照明領域の拡がり方向と実質的に平行な方向（すなわち図２のＹ方向）に選択的に制御するように変更される。これによって、様々な対物レンズに対する後側開口の照明形状をさらに最適化できる。
【００１５】
図１に、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステムを備えるライン走査顕微鏡システムの一実施形態の基本部品のブロック図を示す。開示した顕微鏡システム１００は、光源１０１、コリメータ１０２、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３、非球面光学系１０４、ビーム屈折光学系１０５、対物レンズ１０７、試料１０９、サンプルホルダ１１１、ステージ１１３、チューブレンズ１１５、光学検出器１１７、任意構成要素としての通信リンク１１９及び任意構成要素としてのコンピュータ１２１を備える。
【００１６】
光源１０１は、ランプ、レーザ、複数のレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、複数のＬＥＤ、又は光ビーム１０１ａを発生させる当業者に公知の任意のタイプの光源であればよい。光ビーム１０１ａは光源１０１から放射され、コリメータ１０２、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３、非球面光学系１０４、ビーム屈折光学系１０５及び対物レンズ１０７を伝播して、試料１０９を照明する。試料１０９は、生きた生物、生体細胞、非生物試料などである。非球面光学系１０４は、光ビーム１０１ａを試料でのライン状ビームへと変換するように構成されたパウエルレンズなどでよい。ビーム屈折光学系１０５は、光ビーム１０１ａを対物レンズ１０７の後側開口に送るとともにビームを走査するように構成された走査ミラーなどである。試料を様々な倍率で観察するために、顕微鏡は、倍率の異なる（例えば、１０×及び２０×など）２以上の対物レンズ１０７を備える。試料１０９から放射又は反射された光は対物レンズ１０７で集光され、試料１０９の像が典型的チューブレンズ１１５によって光学検出器１１７上に形成される。光学検出器１１７は、光電子増倍管、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像検出器、又は当業者に利用される任意の光学検出器でよい。光学検出器１１７は、適宜、通信リンク１１９によってコンピュータ１２１に電気的又は無線接続される。別の実施形態では、光学検出器１１７に代えて、対物レンズ１０７と共に中間画像をさらに拡大して試料詳細が観察できるように作用する典型的な顕微鏡アイピース又は接眼レンズを用いてもよい。試料１０９はサンプルホルダ１１１上に載置されるが、サンプルホルダ１１１は、典型的なマイクロタイタープレート、顕微鏡スライド、チップ、ガラスプレート、ペトリ皿又は任意のタイプのサンプルホルダでよい。
【００１７】
別の実施形態では、顕微鏡システム１００を、適宜、通信リンク１１９によって従来のコンピュータ１２１に電気的又は無線接続してもよい。通信リンク１１９は、例えばＬＡＮ、無線ＬＡＮ、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ＵＳＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）リンク、光ファイバなど、自動顕微鏡システム１００とコンピュータ１２１とのデータ転送を容易にすることができる任意のネットワークでよい。顕微鏡は複数の対物レンズ１０７を有していてもよい。コンピュータ１２１を画像検出装置ということもある。本発明の別の実施形態では、画像検出装置１２１をデジタル顕微鏡１００の内部に配置してもよい。画像検出装置１２１は、光学検出器１１７から試料１０９の画像を受信し、標準的な画像処理ソフトウェアプログラム、アルゴリズム又は方程式を用いて画像を表示、保存又は処理することのできる典型的なコンピュータとして動作する。
【００１８】
顕微鏡システム１００の概略を図１に示すが、その基本部品しか示していない。
【００１９】
図２は、図１の顕微鏡を光ビーム１０１ａの観点から示したものであり、顕微鏡の光路に沿ったビームプロファイルを示すためＸ及びＹ方向の複数の光線で表す。光源１０１から放射される光錐はコリメータ１０２でコリメートされ、平行光ビームを形成する。平行ビーム１０１ａがシリンドリカルズームビームエクスパンダ１０３（例えば、図３及び図４に示すもの）を通過する際に、ビームはＸ方向にのみ拡大（縮小）される。Ｙ軸方向のビームプロファイルは一定のままである。この種のプロファイル拡大（又は縮小）は円形ビームを楕円形１０１ｂに変える。次いで、非球面光学系（ＡＯ）部品１０４（例えばパウエルレンズ）がビームを４５度走査反射光学系（ＳＲＯ）１０５上に集束し、ビームをＹ方向に反射して対物レンズに向ける。ミラーで反射された後のビームの形状は楔１０１ｃに似ている。Ｙ方向に角度分散されるが、Ｘ方向の平行度は保つ。対物レンズ１０７は最終的に、非球面光学系１０４で予備調整されたビームをＹ方向の均一励起ライン１０１ｄとして試料上に集束する。試料上での励起ラインの均一性は、図７ａ〜７ｆに示すように、非球面光学系１０４及びビームエクスパンダ設計１０３によって大きく左右される。
【００２０】
一般に、非球面光学系１０４は調整できないので、Ｘ方向のビーム寸法を調整するシステムを設けるのが望ましい。シリンドリカルズームビームエクスパンダがこのようなシステムである。走査光学系と対物レンズとの距離を適切な値に定めることによって、Ｙ方向における対物レンズ後側開口のビームフィリングを常に選択することができる。Ｘ方向では、対物レンズの後側開口のフィリング状態は基本的に同方向のビーム寸法によって決まる。
【００２１】
図３は、本発明に係るシリンドリカルズームエクスパンダシステム１０３の一実施形態の概略図である。図３のシリンドリカルズームビームエクスパンダは、３つのシリンドリカルダブレット３０１、３０３及び３０５からなる。全体的設計は逆ガリレオ式に類似しており、レンズのシリンドリカル設計のため一方向だけで機能する。第１のダブレット３０１は負シリンドリカルレンズである。第２のダブレット３０３及び第３のダブレット３０５は正シリンドリカルレンズをなし、それらの間隔をズーム機構５０５で変えることによって焦点距離を調整することができる。幾何光学の諸法則から導かれる関数に従ってダブレット２及び３を移動させことによって、ビーム幅をＸ方向に拡大することができる。
【００２２】
図３に、ズーム制御システムの概略を示すが、典型的な制御装置５０１にコンピュータ１２１又はコンピュータ２０３が接続されており、１以上のズーム駆動部５０３を制御するように構成されている。ズーム駆動部５０３は、ステッピングモータ、直流（ＤＣ）モータ、サーボモータ、圧電モータ又はソレノイドであってもよい。このズーム駆動部５０３はズーム機構５０５を駆動するように構成され、ズーム機構５０５は、典型的な機械式ギア（全又は部分ギア）、ベルト又はチェーンシステム、ベルト／プーリ、摩擦式スピンドル、フリクションドライブ、その他当業者に公知の機構でよい。
【００２３】
ここでのズーム機構５０５は、ダブレット２（３０３）及びダブレット３（３０５）に取り付けられており、３つのシリンドリカルダブレット１、２及び３の間の距離を制御するのに用いられる。
【００２４】
図４に、シリンドリカルズームビームエクスパンダの代表的なモデルを様々な対物レンズに対応した３通りのズーム位置で示す。その他のシリンドリカルズームビームエクスパンダ設計の実施形態も可能である。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、図５に示すように、ダブレット１、２及び３の相対的位置とシリンドリカルビームエクスパンダからのＸ方向の出力幅との関係を図解するが、Ｙ方向のビーム幅は基本的に変わらない。この例では、入力ビームの幅は３ｍｍであり、ダブレット２と３の位置を同時に調整することによって出力ビームの幅を１０．４ｍｍ超まで大きくすることができる。例えば、出力ビーム幅を８．７ｍｍにする必要があるときは、ダブレット１と２との距離が３．３ｍｍ、ダブレット２と３との距離が１２０ｍｍとなるようにダブレット２及び３を位置決めすべきである。
【００２６】
図６に、図１のシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムの受像装置の概略図を示す。コンピュータ１２１は受像装置２０３として知られ、従来のコンピュータに付随する典型的な部品を備える。受像装置２０３は、像伝達システム１００に格納してもよい。受像装置２０３は、プロセッサ２０３ａ、入力／出力（Ｉ／Ｏ）制御装置２０３ｂ、大容量記憶装置２０３ｃ、メモリ２０３ｄ、ビデオアダブタ２０３ｅ、上記システム部品をプロセッサ２０３ａに動作可能に電気的又は無線接続する接続インターフェース２０３ｆ及びシステムバス２０３ｇを備える。また、システムバス２０３ｇは、典型的なコンピュータシステム部品をプロセッサ２０３ａに動作可能に電気的又は無線接続する。プロセッサ２０３ａは、処理装置、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、複数の処理装置又は並列処理装置であってもよい。システムバス２０３ｇは、従来のコンピュータに付随する典型的なバスであってもよい。メモリ２０３ｄとしては、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）がある。ＲＯＭは、基本ルーチンを含む典型的な入力／出力システムを備えており、起動時にコンピュータの部品間の情報転送に資する。
【００２７】
入力／出力制御装置２０３ｂは、バス２０３ｇによってプロセッサ２０３ａに接続されており、入力／出力制御装置２０３ｂはインターフェースとして機能し、ＧＵＩ及び入力装置２０４（キーボード及びポインティングデバイスなど）を通してユーザがコマンド及び情報をコンピュータに入力することができる。利用される典型的なポインティングデバイスは、ジョイスティック、マウス、ゲームパッドなどである。ディスプレイ２０６は、、ビデオアダブタ２０３ｅによってシステムバス２０３ｇに電気的又は無線接続される。ディスプレイ２０６は、典型的なコンピュータモニタ、プラズマテレビ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又はコンピュータ１２１で生成した文字及び／又は静止画像を有する任意の装置でよい。コンピュータ２０３のビデオアダブタ２０３ｅの次は、接続インターフェース２０３ｆである。接続インターフェース２０３ｆは、前述の通り通信リンク１１９によって光学検出器１１７に接続されるネットワークインターフェースであってもよい。また、受像装置２０３はネットワークアダプタ又はモデムを備えていてもよく、受像装置２０３を他のコンピュータに接続することができる。
【００２８】
メモリ２０３ｄの上は大容量記憶装置２０３ｃであり、１．ハードディスクへの読み出し及び書き込みのためのハードディスクドライブ部品（図示せず）及びハードディスクドライブインターフェース（図示せず）、２．磁気ディスクドライブ（図示せず）及び磁気ディスクドライブインターフェース（図示せず）、３．リムーバブル光ディスク（例えばＣＤ−ＲＯＭ又は他の光媒体）への読み出し又は書き込みのための光ディスクドライブ（図示せず）及び光ディスクドライブインターフェース（図示せず）が挙げられる。上述のドライブ及びそれらに関連するコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールその他のコンピュータ２０３用のデータの不揮発性記憶を与える。また、上述のドライブは、本発明のシリンドリカルズームビームエクスパンダのダブレット調整のためのアルゴリズム、ソフトウェア又は方程式を有するという技術的作用も有する。さらに、上述のドライブは、以下に示すビームフィリング表に含まれる。このビームフィリング表は、対物レンズ、レンズ開口、対物レンズの開口を満たすのに必要なビーム幅、ダブレット１位置、ダブレット２位置及びダブレット３位置を含む。
【００２９】
シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３又はダブレットの調整のためのソフトウェアプログラムには、シリンドリカルズームビームエクスパンダグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）があってもよい。シリンドリカルズームビームエクスパンダグラフィカルユーザインターフェースは、コンピュータユーザがコンピュータ２０３と容易にやりとりできるように設計されたソフトウェアプログラムである典型的なＧＵＩと同じ機能の一部を有する特別にプログラムされたＧＵＩであってもよい。シリンドリカルズームビームエクスパンダＧＵＩは、１．対物レンズ倍率（２×、４×、１０×、２０×、４０×及び６０×など）、２．各対物レンズに関するレンズ開口（２×、４×、１０×又は２０×対物レンズについて２０〜１０ｍｍ、例えば４０×で６ｍｍ、６０×で４．７ｍｍなど）、３．ビーム１０１ａの初期ビームサイズ及びビーム１０１ａの出射ビームサイズ、４．様々な対物レンズに対するダブレット位置、を表示するスクリーンショットを備えていてもよい。
【００３０】
図４に、３組のレンズダブレットに対する３通りの位置の例を示すが、これらはシリンドリカルズームビームエクスパンダシステムで用いられる様々な相対的位置にあり、異なるビームサイズが得られる。各ダブレットは、互いに接着した２枚のレンズ又は２枚のガラス片からなる。ダブレット３０１は１枚の凹レンズと１枚の凸レンズを接着したものであり、負シリンドリカルレンズである。ダブレット３０３及び３０５は２枚の凸レンズを接着したものであり、正シリンドリカルレンズであって、それらの距離を変えることによって焦点距離を調整できる。これらのダブレットを用いて、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３の第１の端部１０３ａから入射し、その第２の端部１０３ｂから出射する図１のビーム１０１ａを拡大する。ビーム１０１ａはＸ方向にしか拡大されないので、その形状は、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３に入るときの円形から、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３を出るときの楕円形に変わる。ダブレット３０１と３０３及びダブレット３０３と３０５の距離によって、シリンドリカルズームビームエクスパンダシステム１０３から出るビーム１０１ａのサイズが決まる。開示した実施形態では、シリンドリカルビームエクスパンダは拡大縮小自在な装置であり、広範な対物レンズに対して所望のビーム形状が得られるように制御できる。別の実施形態では、シリンドリカルビームエクスパンダは、１組の固定ビームエクスパンダレンズの組合せからなり、倍率を変えるための対物レンズの交換と同様に、ビーム経路内に選択的に挿入すればよい。
【００３１】
制御ソフトウェアアプリケーションでは、シリンドリカルズームビームエクスパンダの状態は、ユーザが選択した対物レンズ１０７に応じて制御される。一実施形態では、コンピュータ２０３の大容量記憶装置２０３ｃは、以下の例示的な表に示すような対物レンズ１０７開口に関連するビームフィリング表を含む。
【００３２】
【表１】
【００３３】
図７Ａ及び７Ｂは、非球面光学系１０４のビームフットプリント（ズームなし）と試料のライン励起光強度分布（ズームなし）を示す。試料１０９の均一なライン照明は、非球面光学系１０４を対物レンズ１０７と併用したときに得られる。非球面光学系１０４はＹ方向にしか作用しないので、試料１０９上でのｙ方向の集束ビーム分布は非球面光学系１０４によって決まる。試料１０９でのＸ方向の幅は２μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。ズームレンズがなければ、ｙ方向のビーム幅がＡＯとうまく機能するようにコリメータを選択しなければならない。図７Ａは、ＡＯ入射口での入力ビーム図を示す。試料上での集束ビーム線のＹ方向に沿った強度プロファイルを図７Ｂに示すが、ライン強度分布は略均一である。この場合の問題は、Ｘ方向のビーム幅が小さくて、対物レンズの開口を満たさないことであり、試料の集束ライン幅は２μｍで、完全に満たした場合の２分の１に満たない。
【００３４】
図７Ｃ及び７Ｄは、Ｘ方向に３×ズームしたときの非球面光学系１０４のビームフットプリントと、シリンドリカルズームを用いて３×ズームしたときの試料上での励起ラインの略均一な光強度分布を示す。試料１０９でのＸ方向の線幅は１μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。シリンドリカルズームレンズを用いると、ｙ方向のビーム幅は一定のまま保たれ、非球面光学系１０４とうまく機能する。図７Ｃは、非球面光学系１０４入射口での入力ビーム図を示す。Ｘ方向の入力ビーム幅は、非球面光学系の入射開口を満たした。Ｘ方向のビーム幅の増大によって、対物開口でのフィリングが増し、試料１０９上でシャープな集束レーザライン照明が得られる。試料上での集束ビーム線の強度プロファイルを図７Ｄに示すが、ライン強度分布は略均一である。ここに示す数値の例は、単に例示のためのものにすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３５】
図７Ｅ及び７Ｆは、ズームの使用の有無による性能を対比する数値シミュレーション結果を示す。従来のズームレンズを用いると、ビーム幅はｘ及びｙ両方向で増大した。試料１０９でのＸ方向の幅は１μｍであり、Ｙ方向の幅は０．６ｍｍである。非球面光学系１０４ではｙ方向のビーム幅が適切に調整されないので、試料１０９上でのライン照明は一様でなくなる。図７Ｅは、非球面光学系１０４入射口での入力ビーム図を示す。入力ビームは、非球面光学系１０４の入射開口を満たす。しかし、Ｙ方向のビーム幅が増大するため、図７Ｆに示すように試料上で不均一な照明を生じ、ライン照明強度分布は均一ではない。
【００３６】
本発明は、最適照明をもたらすようにイメージングシステムの照明ビームを調整するシステムを提供する。ユーザは、光源から試料に送られる光ビームを拡大・縮小することができる。光源から放射される光ビームの拡大によって、ユーザは試料の像を観察することができるが、後側開口が照明されるので試料の全体像が示される。ユーザは、試料の像を観察するためにどの対物レンズを用いるかに関係なく、システムの光スループット及び開口数を最適化することができる。こうして、支持されている対物レンズすべてについて後側開口の十分な照明をもたらす簡単な調整システムがユーザに提供される。
【００３７】
現時点での本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明してきた。図面では、類似の部品は同じ符号を付した。好ましい実施形態の説明は例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３８】
以上、本発明について特定の実施形態を例にとって説明してきたが、当業者には自明であろうが、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱せずに、本発明の様々な変更及び変形をなすことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光光源と試料上で走査されるライン状照明領域を与えるように配置されたライン形成光学系とを有する照明システムと、受像システムと、倍率を変えられるように光路内で交換可能な２以上の対物レンズとを備えるライン共焦点顕微鏡システムであって、上記対物レンズが異なる開口径を有しており、上記照明システムが、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ライン形成光学系へと送られる平行光ビームの断面形状を所定の形状に選択的に変換するビーム形状変換素子を平行光光源とライン形成光学系との間に含んでいる、ライン共焦点顕微鏡システム。
【請求項２】
前記ライン形成光学系が非球面タイプのものであり、前記ビーム形状変換素子が、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に交差する方向に選択的に制御するように構成される、請求項１記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記ビーム形状変換素子が、２以上のシリンドリカルレンズを含むシリンドリカルズームエクスパンダである、請求項２記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項４】
前記ビーム形状変換素子が、固定入口レンズと、光路に沿って相互に移動可能な２つのズームレンズとを含む、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項５】
光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ビーム形状変換素子の移動可能なレンズを所定の位置に制御するように構成された制御システムを備える、請求項４記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項６】
前記ビーム形状変換素子が、各々断面形状の所定の変換を行うように構成された２組以上の交換可能な固定ズームレンズを備える、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項７】
前記シリンドリカルレンズの１以上が、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に平行な方向にさらに選択的に制御するように変更される、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項１】
平行光光源と試料上で走査されるライン状照明領域を与えるように配置されたライン形成光学系とを有する照明システムと、受像システムと、倍率を変えられるように光路内で交換可能な２以上の対物レンズとを備えるライン共焦点顕微鏡システムであって、上記対物レンズが異なる開口径を有しており、上記照明システムが、光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ライン形成光学系へと送られる平行光ビームの断面形状を所定の形状に選択的に変換するビーム形状変換素子を平行光光源とライン形成光学系との間に含んでいる、ライン共焦点顕微鏡システム。
【請求項２】
前記ライン形成光学系が非球面タイプのものであり、前記ビーム形状変換素子が、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に交差する方向に選択的に制御するように構成される、請求項１記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記ビーム形状変換素子が、２以上のシリンドリカルレンズを含むシリンドリカルズームエクスパンダである、請求項２記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項４】
前記ビーム形状変換素子が、固定入口レンズと、光路に沿って相互に移動可能な２つのズームレンズとを含む、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項５】
光路内に配置された対物レンズの後側開口径に応じて、ビーム形状変換素子の移動可能なレンズを所定の位置に制御するように構成された制御システムを備える、請求項４記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項６】
前記ビーム形状変換素子が、各々断面形状の所定の変換を行うように構成された２組以上の交換可能な固定ズームレンズを備える、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【請求項７】
前記シリンドリカルレンズの１以上が、平行光ビームの横断面の拡がりを、ライン状照明領域の拡がり方向と実質的に平行な方向にさらに選択的に制御するように変更される、請求項３記載のライン走査共焦点顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図７ｄ】
【図７ｅ】
【図７ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図７ｄ】
【図７ｅ】
【図７ｆ】
【公表番号】特表２０１２−５０５４３１（Ｐ２０１２−５０５４３１Ａ）
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３１１３３（Ｐ２０１１−５３１１３３）
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５９７８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４２５７６
【国際公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５９８０４１４６３）ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・コーポレイション (43)
【住所又は居所原語表記】８００ Ｃｅｎｔｅｎｎｉａｌ Ａｖｅｎｕｅ， Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ １３２７，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ ０８８５５−１３２７，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５９７８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４２５７６
【国際公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５９８０４１４６３）ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・コーポレイション (43)
【住所又は居所原語表記】８００ Ｃｅｎｔｅｎｎｉａｌ Ａｖｅｎｕｅ， Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ １３２７，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ ０８８５５−１３２７，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
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