顕微鏡装置
【課題】フィールドレンズを用いることなく、結像レンズと対物レンズとの間隔が変化したとしても瞳透過率を最大にすることを目的とする。
【解決手段】本発明の顕微鏡装置１は、試料Ｓに照射されるレーザ光Ｌを発振する光源２と、レーザ光Ｌを入射して試料Ｓに焦点を結ばせる結像レンズ２８および対物レンズ２９を有する顕微鏡光学系１０と、光源２からのレーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０にリレーする第１リレーレンズ２５および第２リレーレンズ２６を有するリレー光学系９と、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を調整するレンズ移動機構２７と、を備えている。
【解決手段】本発明の顕微鏡装置１は、試料Ｓに照射されるレーザ光Ｌを発振する光源２と、レーザ光Ｌを入射して試料Ｓに焦点を結ばせる結像レンズ２８および対物レンズ２９を有する顕微鏡光学系１０と、光源２からのレーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０にリレーする第１リレーレンズ２５および第２リレーレンズ２６を有するリレー光学系９と、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を調整するレンズ移動機構２７と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察対象にレーザ光を照射して、観察対象からの戻り光を検出して観察を行う顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蛍光色素や蛍光タンパク等を導入した試料に対してレーザ光を照射して蛍光を発生させ、発生した蛍光に基づいて試料の観察を行う顕微鏡装置が従来から用いられている。この種の顕微鏡装置が特許文献１に開示されている。この特許文献１が開示しているように、光源から発振したレーザ光は結像レンズおよび対物レンズにより試料に焦点を結ぶ。
【０００３】
特許文献１の顕微鏡装置における顕微鏡光学系は、結像レンズと対物レンズにより構成されている。この顕微鏡光学系により、試料の微小領域にレーザ光の焦点を結ばせて、試料から蛍光を発生させる。この蛍光を観察することにより、試料の画像を得ることができる。
【０００４】
この顕微鏡光学系において、結像レンズと対物レンズとの間隔を固定させることもできるが、結像レンズと対物レンズとの間に他の光学系を挿抜することにより、顕微鏡光学系に自由度を持たせることができる。例えば、特許文献２の段落００９７にも記載されているように、結像レンズと対物レンズとの間にダイクロイックミラーを挿入する。これにより、結像レンズからのレーザ光以外の波長を持つ光を対物レンズに入射させることができる。このため、２つの異なる波長の光を試料に照射することができる。
【０００５】
このように結像レンズと対物レンズとの間に自由に他の光学系を設けることにより、顕微鏡光学系に自由度を持たせることができる。このために、結像レンズと対物レンズとの間隔は変化し得る。例えば、特許文献２の段落００５６にも記載されているように、結像レンズと対物レンズとの間隔を自由に変化させているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０２８２０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１７０９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、顕微鏡光学系へのレーザ光Ｌの入射画角を固定したまま、結像レンズと対物レンズとの間隔を変化させると、レーザ光Ｌの対物レンズ瞳透過率（以下、単に「瞳透過率」と記す）が低下する。図６は、レーザ光Ｌの顕微鏡光学系への入射画角を０度、すなわち、全てのレーザ光Ｌの光軸が顕微鏡光学系の基準光軸に対して平行となる状態に固定して、結像レンズと対物レンズとの間隔を変化させたときの瞳透過率の変化を示している。同図のａ）〜ｃ）において、顕微鏡光学系１０１は結像レンズ１０２と対物レンズ１０３と結像面１０４とを有している。
【０００８】
結像レンズ１０２は光源からのレーザ光Ｌを対物レンズ１０３に導く。対物レンズ１０３は結像レンズ１０２から入射したレーザ光Ｌの焦点を結ばせる。同図ａ）は結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が短い場合（間隔Ｌ１）、同図ｂ）は最適な間隔の場合（間隔Ｌ２：Ｌ２＞Ｌ１）、同図ｃ）は間隔が長い場合（間隔Ｌ３：Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１）を示している。
【０００９】
同図ｂ）に示すように、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔Ｌ２が最適な場合には、レーザ光Ｌの瞳透過率が最大になる。つまり、光の利用効率が最大になり、且つ何れのレーザ光Ｌも瞳全面を満たしていることから結像特性も最良になる。
【００１０】
一方、同図ａ）のように間隔Ｌ１が短い場合、或いは同図ｃ）のように間隔Ｌ３が長い場合には、レーザ光Ｌの一部が瞳を通過することができないため、瞳透過率は最大にならない。これにより、一部の光が利用されず、光の利用効率が低下する。また、結像特性も劣化する。
【００１１】
結像面１０４にフィールドレンズを設けることで、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が最適にならない場合でも、瞳透過率を最大にすることができる。図７はフィールドレンズによる瞳透過率改善の例を示している。ただし、一般にフィールドレンズの焦点距離は固定されており、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔に応じて最適な焦点距離を持つフィールドレンズを選択しなければならない。
【００１２】
このために、最適なフィールドレンズを選択する作業が著しく煩雑になり、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が変化するごとに、煩雑な選択作業を行なわなければならなくなる。且つ、フィールドレンズの焦点距離は離散的な値を持つため、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔に最適な焦点距離を持つフィールドレンズを用いることができないこともある。
【００１３】
そこで、本発明は、フィールドレンズを用いることなく、結像レンズと対物レンズとの間隔が変化したとしても瞳透過率を最大にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するため、本発明の顕微鏡装置は、観察対象に照射されるレーザ光を発振する光源と、前記レーザ光を入射して前記観察対象に焦点を結ばせる結像レンズおよび対物レンズを有する顕微鏡光学系と、前記光源からの前記レーザ光を前記顕微鏡光学系にリレーする第１リレーレンズおよび第２リレーレンズを有するリレー光学系と、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に応じて、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整するレンズ移動機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
この顕微鏡装置によれば、結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を調整している。結像レンズと対物レンズとの間隔の変化によって生じた瞳透過率の低下を、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を調整することで防止することができる。
【００１６】
さらには、前記レンズ移動機構は、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に基づく前記対物レンズの瞳透過率が最大となるように、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００１７】
結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を対物レンズの瞳透過率が最大となるように設定することで、理想的な光利用効率が得られ、結像特性を最良にすることができるようになる。
【００１８】
また、ピンホールを複数配列したピンホールディスクと、前記ピンホールと同じパターンで配列され、前記ピンホールに前記レーザ光を集光させる複数のレンズを配列したレンズディスクと、前記ピンホールディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させる回転部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
ピンホールを設けることで、生成される画像を高分解能の共焦点画像とすることができる。且つ、ピンホールディスクおよびレンズディスクを回転させることで、レーザ光を高速に走査させることができるようになる。
【００２０】
また、前記光源から発振した前記レーザ光を１方向の偏光方向に変換する偏光調整素子と、前記レーザ光の偏光方向を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記レーザ光を反射する前記観察対象と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられるλ／４波長板と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
観察対象が試料のように蛍光を放出する素材ではなく、ＩＣチップや光ディスク等の反射体の場合にも、瞳透過率が最大となるように設定することができる。このため、理想的な光利用効率が得られ、結像特性も最良とすることができる。
【００２２】
また、前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるカメラと、を備え、前記レンズ移動機構は、前記カメラが検出する前記レーザ光のスポットが最小となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００２３】
ミラーによりレーザ光をカメラに導き、カメラを対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置して、レーザ光のスポットが最小となるように第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を事前に調整する。これにより、瞳透過率が最大となるように設定することができる。
【００２４】
また、前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるフォトディテクタと、このフォトディテクタの前段に配置される前記対物レンズの瞳面と同一の開口半径を有する開口部と、を備え、前記レンズ移動機構は、前記フォトディテクタが検出する光量が最大となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００２５】
ミラーによりレーザ光をフォトディテクタに導き、開口部により対物レンズの瞳面と同一の開口半径をレーザ光に通過させる。フォトディテクタで受光されるレーザ光の強度が最大となるように調整することで、瞳透過率が最大となるように設定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を任意に調整できることから、結像レンズと対物レンズとの間隔が変化したとしても、対物レンズの瞳透過率を最大にすることができる。これにより、高い光利用効率および良好な結像特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の顕微鏡装置の構成図である。
【図２】レンズ移動機構による第２リレーレンズの調整を説明した図である。
【図３】第１変形例の顕微鏡装置の概念図である。
【図４】第２変形例の顕微鏡装置の構成図である。
【図５】第２変形例の他の例の顕微鏡装置の構成図である。
【図６】対物レンズと結像レンズとに基づく画角を説明した図である。
【図７】フィールドレンズによる瞳透過率改善の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本実施形態の顕微鏡装置１を示している。この顕微鏡装置１の観察対象は蛍光タンパクや蛍光色素等を導入した試料Ｓになり、試料Ｓを照明することにより蛍光を生じる。後述するように、観察対象は試料Ｓには限定されず、例えば反射体のようなものであってもよい。
【００２９】
この顕微鏡装置１は、光源２と集光レンズ３とファイバ入射端４とファイバ５とファイバ出射端６とコリメートレンズ７と走査部８とリレー光学系９と顕微鏡光学系１０と撮像レンズ１１とカメラ１２とを備えて構成している。
【００３０】
光源２はレーザ光Ｌを発振するレーザ光源である。レーザ光Ｌは試料Ｓに照射される光であり、試料Ｓに導入した蛍光タンパクや蛍光色素等が反応する波長を有している。なお、レーザ光Ｌではなくランプ光を用いてもよく、この場合には光源２はランプを適用する。光源２から発振されたレーザ光Ｌは集光レンズ３によりファイバ入射端４に集光する。
【００３１】
ファイバ入射端４はファイバ５の入射端になっている。ファイバ５はレーザ光Ｌを導光する。ファイバ５の出射端にはファイバ出射端６が設けられており、導光されたレーザ光Ｌが発散光として出射する。発散光となったレーザ光Ｌはコリメートレンズ７に入射する。コリメートレンズ７により発散光となっているレーザ光Ｌは平行光に変換される。このために、コリメートレンズ７の焦点位置にファイバ出射端６を配置している。コリメートレンズ７により平行光になったレーザ光Ｌは走査部８に入射する。
【００３２】
走査部８はレーザ光Ｌを平面方向に走査する走査手段であり、レンズディスク２１とピンホールディスク２２と連結ドラム２３とダイクロイックミラー２４とを有して構成している。レンズディスク２１は複数のレンズ（マイクロレンズ）２１Ｒを配列した円盤状のディスクである。レンズディスク２１には複数のレンズ２１Ｒが螺旋状に多条に配列されている。各レンズ２１Ｒはレーザ光Ｌを集光させる機能を有している。
【００３３】
ピンホールディスク２２は複数のピンホール２２Ｐを配列した円盤状のディスクである。ピンホールディスク２２にはレンズディスク２１に形成されている各レンズＲと同じパターンでピンホール２２Ｐを配列している。つまり、多条の螺旋状のパターンで配列している。且つ、ピンホール２２Ｐはレンズ２１Ｒの集光位置に形成されている。ピンホール２２Ｐはレーザ光Ｌおよび後述する戻り光Ｒが通過する微小開口部であり、戻り光Ｒのうち試料Ｓの焦点の範囲内の光のみが通過するようになっている。これにより、光軸方向に分解能の高い共焦点顕微鏡として顕微鏡装置１を用いることができる。
【００３４】
レンズディスク２１とピンホールディスク２２とは回転部としての連結ドラム２３に一体的に取り付けられている。連結ドラム２３は図示しないモータに接続されており、モータの回転力が連結ドラム２３に付与される。これにより、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とは一体的に回転を行う。
【００３５】
レンズディスク２１とピンホールディスク２２との間、つまりレンズ２１Ｒとピンホール２２Ｐとの間にダイクロイックミラー２４を配置している。ダイクロイックミラー２４はレーザ光Ｌの波長域によって透過と反射とを分ける光学素子である。ここでは、レーザ光Ｌの波長の光を透過させ、後述する戻り光Ｒの波長の光を反射する特性を有しているものとする。よって、レンズＲを通過したレーザ光Ｌはダイクロイックミラー２４を透過して、ピンホール２２Ｐに入射する。
【００３６】
走査部８を通過したレーザ光Ｌは、リレー光学系９に入射する。リレー光学系９は第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６とを有しており、レーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０に導く。第１リレーレンズ２５はレンズ自身の焦点距離だけ、ピンホールディスク２２より離れた位置に設けられており、レンズ２１Ｒによりピンホール２２Ｐ上に一旦集光し、次いで発散光となったレーザ光Ｌが第１リレーレンズ２５に入射する。
【００３７】
第１リレーレンズ２５は発散光となっているレーザ光Ｌを平行光に変換して、第２リレーレンズ２６に向けて出射する。第２リレーレンズ２６は平行光となっているレーザ光Ｌを集光させる。このうち、第２リレーレンズ２６には光軸方向に移動可能なレンズ移動機構２７が取り付けられている。
【００３８】
第１リレーレンズ２５および第２リレーレンズ２６は走査部８を通過したレーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０にリレーするための光学系となっている。リレーされたレーザ光Ｌは顕微鏡光学系１０に入射する。顕微鏡光学系１０は結像レンズ２８と対物レンズ２９とを有している。
【００３９】
顕微鏡光学系１０は無限遠光学系となっており、まず結像レンズ２８にレーザ光Ｌを入射して、その次に対物レンズ２９に入射させる。これにより、レーザ光Ｌは試料Ｓに焦点を結ぶ。試料Ｓは対物レンズ２９の焦点位置に配置するようにしている。試料Ｓは図示しないディッシュ等に搭載されており、レーザ光Ｌが試料Ｓで焦点を結ぶことにより、蛍光を発生させる。この蛍光が戻り光Ｒとなって、レーザ光Ｌと同じ光路を戻っていく。
【００４０】
試料Ｓはレーザ光Ｌを吸収することにより、蛍光を戻り光Ｒとして放出する。この戻り光Ｒは対物レンズ２９により捕捉されて、結像レンズ２８を介して、リレー光学系９に導かれる。そして、戻り光Ｒは、リレー光学系９を通過して、ピンホールディスク２２のピンホール２２Ｐからダイクロイックミラー２４に入射する。つまり、戻り光Ｒはレーザ光Ｌと同じ光路を辿ってダイクロイックミラー２４まで導かれる。
【００４１】
ダイクロイックミラー２４は戻り光Ｒを反射する光学特性を有しているため、戻り光Ｒを側方に反射する。そして、撮像レンズ１１により観察部としてのカメラ１２の撮像面に集光する。なお、ピンホールディスク２２の表面とカメラ１２の撮像面とは共役面となる関係になっている。
【００４２】
以上が構成である。次に、動作について説明する。光源２からレーザ光Ｌを発振する。このレーザ光Ｌはファイバ入射端４からファイバ５を導光され、ファイバ出射端６から出射する。そして、コリメートレンズ７により平行光に変換されて、走査部８に入射する。
【００４３】
走査部８は連結ドラム２３に回転力を付与することで、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とが一体的に回転する。レンズ２１Ｒとピンホール２２Ｐとは多条の螺旋状のパターンで配列されており、且つ両者は対応した位置関係になっている。よって、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とが一体的に回転することにより、試料Ｓに照射されるレーザ光Ｌの位置が高速に変化する。これにより、試料Ｓの平面方向（光軸に直交する方向）にレーザ光Ｌを走査することができる。
【００４４】
ピンホール２２Ｐを通過したレーザ光Ｌは、リレー光学系９に入射する。第１リレーレンズ２５により平行光になったレーザ光Ｌは第２リレーレンズ２６に入射して、顕微鏡光学系１０の結像レンズ２８に入射する。結像レンズ２８を通過したレーザ光Ｌは対物レンズ２９により試料Ｓに焦点を結ぶ。試料Ｓはレーザ光Ｌにより蛍光を発生し、この蛍光が戻り光Ｒとなる。
【００４５】
発生した戻り光Ｒは対物レンズ２９、結像レンズ２８、第２リレーレンズ２６、第１リレーレンズ２５、ピンホール２２Ｐを介してダイクロイックミラー２４に入射し、ダイクロイックミラー２４で反射して、撮像レンズ１１に入射する。そして、撮像レンズ１１によりカメラ１２の結像面に結像する。カメラ１２に結像された戻り光Ｒの像に基づいて、試料Ｓの画像が生成される。
【００４６】
ピンホール２２Ｐを通過した戻り光Ｒは試料Ｓの焦点の範囲内の光のみが通過している。つまり、カメラ１２に集光した戻り光Ｒの像に基づく画像は共焦点画像になる。従って、顕微鏡の光軸方向に高い分解能の画像を得ることができるようになる。ピンホールディスク２２が回転して、レーザ光Ｌは走査されることになるが、いずれにしてもピンホール２２Ｐを通過するため、カメラ１２が受光される像に基づく画像は必ず光軸方向に高い分解能の共焦点画像になる。
【００４７】
このとき、レンズ移動機構２７は、ピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔、および結像レンズ２８と第２リレーレンズ２６との間隔を保持したまま、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第２リレーレンズ２６を光軸方向に移動させることにより、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を変化させる。
【００４８】
図２は、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、瞳透過率が最大となるよう、結像レンズ２８へのレーザ光Ｌの入射画角が変化する様子を示している。同図ｂ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値Ｌ２となっている場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＝０度」となっている。
【００４９】
同図ａ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値より短い値Ｌ１となっている場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＞０度」となっている。同図ｃ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値より長い値Ｌ３の場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＜０度」となっている。
【００５０】
図２に示す例のように、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの画角が０度のとき、同図ｂ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ２'をピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔Ｌと、第２リレーレンズ２６と顕微鏡光学系１０の結像面１０４の間隔Ｌの和、すなわち、２Ｌに等しくなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。
【００５１】
一方、図２ａ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ１'を間隔Ｌ１に応じて前記の２Ｌに比べて長くなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。また、図２ｃ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ３'を間隔Ｌ３に応じて前記の２Ｌに比べて長くなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。
【００５２】
このように、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの出射画角が任意の値に固定されており、且つ瞳透過率が最大となる結像レンズ２８へのレーザ光Ｌの入射画角が、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの出射画角と一致していなくても、レンズ移動機構２７により第２リレーレンズ２６に前記の作用を加えることにより、瞳透過率を最大にすることができる。
【００５３】
以上において、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させることによって、瞳透過率を最大にしているが、この瞳透過率は必ずしも最大でなくてもよい。つまり、瞳透過率が理想的に最大でなくても、瞳透過率を向上させるものであればよい。これにより、理想的でないとしても、結像特性を向上させることができる。
【００５４】
また、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させているが、ピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔、および結像レンズ２８と第２リレーレンズ２６との間隔を保持したままであれば、第１リレーレンズ２５を移動させてもよいし、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との両者を移動させてもよい。
【００５５】
次に、第１変形例について説明する。図３は第１変形例の顕微鏡装置１を示している。図１で示した顕微鏡装置１とは異なり、コリメートレンズ７と走査部８との間に偏光調整素子３１を設けている。また、ダイクロイックミラー２４に代えて偏光ビームスプリッタ３２を設けており、リレー光学系９の第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間にλ／４波長板３３を追加している。その他の構成は図１の顕微鏡装置１と同じである。
【００５６】
また、この第１変形例では、観察対象は蛍光色素や蛍光タンパク等を導入した試料Ｓではなく、反射体Ｓ１であるものとする。この反射体Ｓ１としては、例えばＩＣチップの表面や光ディスク等を適用することができ、レーザ光Ｌを高い反射率で反射する素材であれば、任意の素材を観察対象とすることができる。
【００５７】
偏光調整素子３１はレーザ光Ｌの偏光方向を１つの偏光方向（直線偏光）となるように調整する。例えば、λ／２波長板や偏光板等のように１つの偏光面を振動する光に変換する。このときのレーザ光Ｌの偏光方向は偏光ビームスプリッタ３２の透過率が最大となる偏光方向と一致させる。
【００５８】
偏光ビームスプリッタ３２は所定の偏光方向の光を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する光学素子である。偏光ビームスプリッタ３２は偏光調整素子３１により調整された偏光方向のレーザ光Ｌを透過し、直交する方向の偏光方向（戻り光Ｒ）を反射する。
【００５９】
λ／４波長板３３は直線偏光を円偏光に変換する光学素子である。λ／４波長板３３はレーザ光Ｌの偏光面を４５度回転させる機能を有している。これにより、λ／４波長板３３を透過したレーザ光Ｌは直線偏光から円偏光になる。
【００６０】
この円偏光となったレーザ光Ｌは顕微鏡光学系１０により反射体Ｓ１に入射する。反射体Ｓ１はレーザ光Ｌを反射する。これにより、戻り光Ｒが発生する。この戻り光Ｒは顕微鏡光学系１０を通って、再びλ／４波長板３３に入射する。これにより、戻り光Ｒは円偏光から直線偏光に変換される。このとき、戻り光Ｒの偏光面は再び４５度回転する。これにより、λ／４波長板３３を透過した戻り光Ｒは円偏光から直線偏光になる。且つ、もともとのレーザ光Ｌから見ると、偏光面が９０度回転した状態になる。
【００６１】
この戻り光Ｒは偏光ビームスプリッタ３２に入射する。戻り光Ｒはレーザ光Ｌのときから偏光面が９０度回転しており、つまり偏光方向が直交している。このため、偏光ビームスプリッタ３２で戻り光Ｒが反射する。そして、カメラ１２に戻り光Ｒが集光することで、画像が得られる。
【００６２】
このとき、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を光軸方向に移動させている。これにより、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を調整している。従って、瞳透過率を最大にすることができ、理想的な光利用効率が得られ、最良の結像特性が得られる。
【００６３】
従って、この第１変形例では、試料Ｓのように蛍光する素材を観察対象とするのではなく、反射体Ｓ１を観察対象としている。偏光調整素子３１、偏光ビームスプリッタ３２、λ／４波長板３３を設けるだけで、ＩＣチップや光ディスク等の反射体Ｓ１を観察対象とすることができる。
【００６４】
次に、第２変形例について説明する。図４に示すように、顕微鏡光学系１０の結像レンズ２８と対物レンズ２９との間にミラー４０を設けている。ミラー４０にはミラー移動機構４１が取り付けられている。また、対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に調整用カメラ４２を設けている。
【００６５】
ミラー４０は結像レンズ２８からのレーザ光Ｌを側方に向けて反射する。これにより、レーザ光Ｌは対物レンズ２９に向かうことなく、調整用カメラ４２に向けて反射する。ミラー４０にはミラー移動機構４１が取り付けられている。ミラー移動機構４１はレーザ光Ｌの光路からミラー４０を挿抜する。
【００６６】
レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させることにより、対物レンズ２９の瞳透過率を調整している。この調整を行うときにはミラー４０をレーザ光Ｌの光路に位置させ、試料Ｓの観察を行うときにはミラー４０をレーザ光Ｌの光路から退避させる。
【００６７】
調整用カメラ４２はレーザ光Ｌを受光して光量を検出するカメラである。調整用カメラ４２の撮像面は対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に配置している。つまり、対物レンズ２９の瞳位置におけるレーザ光Ｌの状態を調整用カメラ４２は反映していることになる。
【００６８】
調整用カメラ４２は図示しない表示装置に接続され、当該表示装置によりレーザ光Ｌの受光状態を視認することができる。対物レンズ２９の瞳透過率が高ければ、対物レンズ２９の瞳位置におけるレーザ光Ｌのスポットは極小になる。
【００６９】
そこで、表示装置に表示されるレーザ光Ｌの受光状態を視認しながら、レンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６を移動させる。これにより、調整用カメラ４２におけるレーザ光Ｌのスポット径が変化する。結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適であればスポット径が極小化され、最適な間隔からずれを生じると、スポット径が大きくなる。
【００７０】
従って、ユーザ等はレンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６の位置を調整して、観察されるスポット径が極小化される位置に設定する。調整用カメラ４２は対物レンズ２９の瞳位置に共役な位置に配置していることから、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を最適に設定することができる。
【００７１】
第２リレーレンズ２６の位置調整は、試料Ｓを観察する前の調整ステップとして行われる。この調整ステップで、ミラー移動機構４１はミラー４０をレーザ光Ｌの光路上に配置するように移動することで、試料Ｓの観察をする前に瞳透過率が最大となるように第２リレーレンズ２６の調整を行うことができる。一方、調整ステップを終了した後に、ミラー移動機構４１によりミラー４０をレーザ光Ｌの光路から退避させることで、試料Ｓの観察を行うことができる。
【００７２】
このとき、光検出部としての調整用カメラ４２は所定範囲を撮影するカメラとして用いているが、図５に示すように、調整用カメラ４２に代えてフォトダイオード４３を用いてもよい。フォトダイオード４３の前段（レーザ光Ｌの入射側）には対物レンズ２９の瞳面と同一の開口半径を有する開口部４４を設ける。
【００７３】
ミラー４０で反射したレーザ光Ｌは開口部４４により対物レンズ２９の瞳面と同一のスポットとなってフォトダイオード４３に入射する。フォトダイオード４３は受光したレーザ光Ｌの光量に基づいて光電変換を行う。これにより、レーザ光Ｌの光量に応じた電流或いは電圧が発生する。
【００７４】
この電流或いは電圧は表示装置に表示されて視認することができる。そして、レンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６を移動することにより、対物レンズ２９の瞳透過率が変化する。フォトダイオード４３を対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に配置することで、瞳透過率に応じたレーザ光Ｌの光量がフォトダイオード４３に受光される。
【００７５】
そして、フォトダイオード４３が発生した電流或いは電圧を表示装置で視認する。対物レンズ２９の瞳透過率が高い位置に第２リレーレンズ２６を配置していれば、発生する電流或いは電圧が高くなり、瞳透過率が低ければ電流或いは電圧が低くなる。そこで、フォトダイオード４３が発生する電流或いは電圧が最大となるようにレンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６の位置を調整することで、瞳透過率を最大にすることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 顕微鏡装置
８ 走査部
９ リレー光学系
１０ 顕微鏡光学系
１２ カメラ
２１ レンズディスク
２１Ｒ レンズ
２２ ピンホールディスク
２２Ｐ ピンホール
２５ 第１リレーレンズ
２６ 第２リレーレンズ
２７ レンズ移動機構
２８ 結像レンズ
２９ 対物レンズ
３０ ミラー
３１ 偏光調整素子
３２ 偏光ビームスプリッタ
３３ λ／４波長板
４０ ミラー
４１ ミラー移動機構
４２ 調整用カメラ
４３ フォトダイオード
４４ 開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察対象にレーザ光を照射して、観察対象からの戻り光を検出して観察を行う顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蛍光色素や蛍光タンパク等を導入した試料に対してレーザ光を照射して蛍光を発生させ、発生した蛍光に基づいて試料の観察を行う顕微鏡装置が従来から用いられている。この種の顕微鏡装置が特許文献１に開示されている。この特許文献１が開示しているように、光源から発振したレーザ光は結像レンズおよび対物レンズにより試料に焦点を結ぶ。
【０００３】
特許文献１の顕微鏡装置における顕微鏡光学系は、結像レンズと対物レンズにより構成されている。この顕微鏡光学系により、試料の微小領域にレーザ光の焦点を結ばせて、試料から蛍光を発生させる。この蛍光を観察することにより、試料の画像を得ることができる。
【０００４】
この顕微鏡光学系において、結像レンズと対物レンズとの間隔を固定させることもできるが、結像レンズと対物レンズとの間に他の光学系を挿抜することにより、顕微鏡光学系に自由度を持たせることができる。例えば、特許文献２の段落００９７にも記載されているように、結像レンズと対物レンズとの間にダイクロイックミラーを挿入する。これにより、結像レンズからのレーザ光以外の波長を持つ光を対物レンズに入射させることができる。このため、２つの異なる波長の光を試料に照射することができる。
【０００５】
このように結像レンズと対物レンズとの間に自由に他の光学系を設けることにより、顕微鏡光学系に自由度を持たせることができる。このために、結像レンズと対物レンズとの間隔は変化し得る。例えば、特許文献２の段落００５６にも記載されているように、結像レンズと対物レンズとの間隔を自由に変化させているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０２８２０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１７０９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、顕微鏡光学系へのレーザ光Ｌの入射画角を固定したまま、結像レンズと対物レンズとの間隔を変化させると、レーザ光Ｌの対物レンズ瞳透過率（以下、単に「瞳透過率」と記す）が低下する。図６は、レーザ光Ｌの顕微鏡光学系への入射画角を０度、すなわち、全てのレーザ光Ｌの光軸が顕微鏡光学系の基準光軸に対して平行となる状態に固定して、結像レンズと対物レンズとの間隔を変化させたときの瞳透過率の変化を示している。同図のａ）〜ｃ）において、顕微鏡光学系１０１は結像レンズ１０２と対物レンズ１０３と結像面１０４とを有している。
【０００８】
結像レンズ１０２は光源からのレーザ光Ｌを対物レンズ１０３に導く。対物レンズ１０３は結像レンズ１０２から入射したレーザ光Ｌの焦点を結ばせる。同図ａ）は結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が短い場合（間隔Ｌ１）、同図ｂ）は最適な間隔の場合（間隔Ｌ２：Ｌ２＞Ｌ１）、同図ｃ）は間隔が長い場合（間隔Ｌ３：Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１）を示している。
【０００９】
同図ｂ）に示すように、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔Ｌ２が最適な場合には、レーザ光Ｌの瞳透過率が最大になる。つまり、光の利用効率が最大になり、且つ何れのレーザ光Ｌも瞳全面を満たしていることから結像特性も最良になる。
【００１０】
一方、同図ａ）のように間隔Ｌ１が短い場合、或いは同図ｃ）のように間隔Ｌ３が長い場合には、レーザ光Ｌの一部が瞳を通過することができないため、瞳透過率は最大にならない。これにより、一部の光が利用されず、光の利用効率が低下する。また、結像特性も劣化する。
【００１１】
結像面１０４にフィールドレンズを設けることで、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が最適にならない場合でも、瞳透過率を最大にすることができる。図７はフィールドレンズによる瞳透過率改善の例を示している。ただし、一般にフィールドレンズの焦点距離は固定されており、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔に応じて最適な焦点距離を持つフィールドレンズを選択しなければならない。
【００１２】
このために、最適なフィールドレンズを選択する作業が著しく煩雑になり、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔が変化するごとに、煩雑な選択作業を行なわなければならなくなる。且つ、フィールドレンズの焦点距離は離散的な値を持つため、結像レンズ１０２と対物レンズ１０３との間隔に最適な焦点距離を持つフィールドレンズを用いることができないこともある。
【００１３】
そこで、本発明は、フィールドレンズを用いることなく、結像レンズと対物レンズとの間隔が変化したとしても瞳透過率を最大にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するため、本発明の顕微鏡装置は、観察対象に照射されるレーザ光を発振する光源と、前記レーザ光を入射して前記観察対象に焦点を結ばせる結像レンズおよび対物レンズを有する顕微鏡光学系と、前記光源からの前記レーザ光を前記顕微鏡光学系にリレーする第１リレーレンズおよび第２リレーレンズを有するリレー光学系と、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に応じて、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整するレンズ移動機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
この顕微鏡装置によれば、結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を調整している。結像レンズと対物レンズとの間隔の変化によって生じた瞳透過率の低下を、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を調整することで防止することができる。
【００１６】
さらには、前記レンズ移動機構は、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に基づく前記対物レンズの瞳透過率が最大となるように、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００１７】
結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を対物レンズの瞳透過率が最大となるように設定することで、理想的な光利用効率が得られ、結像特性を最良にすることができるようになる。
【００１８】
また、ピンホールを複数配列したピンホールディスクと、前記ピンホールと同じパターンで配列され、前記ピンホールに前記レーザ光を集光させる複数のレンズを配列したレンズディスクと、前記ピンホールディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させる回転部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
ピンホールを設けることで、生成される画像を高分解能の共焦点画像とすることができる。且つ、ピンホールディスクおよびレンズディスクを回転させることで、レーザ光を高速に走査させることができるようになる。
【００２０】
また、前記光源から発振した前記レーザ光を１方向の偏光方向に変換する偏光調整素子と、前記レーザ光の偏光方向を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記レーザ光を反射する前記観察対象と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられるλ／４波長板と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
観察対象が試料のように蛍光を放出する素材ではなく、ＩＣチップや光ディスク等の反射体の場合にも、瞳透過率が最大となるように設定することができる。このため、理想的な光利用効率が得られ、結像特性も最良とすることができる。
【００２２】
また、前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるカメラと、を備え、前記レンズ移動機構は、前記カメラが検出する前記レーザ光のスポットが最小となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００２３】
ミラーによりレーザ光をカメラに導き、カメラを対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置して、レーザ光のスポットが最小となるように第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を事前に調整する。これにより、瞳透過率が最大となるように設定することができる。
【００２４】
また、前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるフォトディテクタと、このフォトディテクタの前段に配置される前記対物レンズの瞳面と同一の開口半径を有する開口部と、を備え、前記レンズ移動機構は、前記フォトディテクタが検出する光量が最大となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
【００２５】
ミラーによりレーザ光をフォトディテクタに導き、開口部により対物レンズの瞳面と同一の開口半径をレーザ光に通過させる。フォトディテクタで受光されるレーザ光の強度が最大となるように調整することで、瞳透過率が最大となるように設定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、結像レンズと対物レンズとの間隔に応じて、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間隔を任意に調整できることから、結像レンズと対物レンズとの間隔が変化したとしても、対物レンズの瞳透過率を最大にすることができる。これにより、高い光利用効率および良好な結像特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の顕微鏡装置の構成図である。
【図２】レンズ移動機構による第２リレーレンズの調整を説明した図である。
【図３】第１変形例の顕微鏡装置の概念図である。
【図４】第２変形例の顕微鏡装置の構成図である。
【図５】第２変形例の他の例の顕微鏡装置の構成図である。
【図６】対物レンズと結像レンズとに基づく画角を説明した図である。
【図７】フィールドレンズによる瞳透過率改善の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本実施形態の顕微鏡装置１を示している。この顕微鏡装置１の観察対象は蛍光タンパクや蛍光色素等を導入した試料Ｓになり、試料Ｓを照明することにより蛍光を生じる。後述するように、観察対象は試料Ｓには限定されず、例えば反射体のようなものであってもよい。
【００２９】
この顕微鏡装置１は、光源２と集光レンズ３とファイバ入射端４とファイバ５とファイバ出射端６とコリメートレンズ７と走査部８とリレー光学系９と顕微鏡光学系１０と撮像レンズ１１とカメラ１２とを備えて構成している。
【００３０】
光源２はレーザ光Ｌを発振するレーザ光源である。レーザ光Ｌは試料Ｓに照射される光であり、試料Ｓに導入した蛍光タンパクや蛍光色素等が反応する波長を有している。なお、レーザ光Ｌではなくランプ光を用いてもよく、この場合には光源２はランプを適用する。光源２から発振されたレーザ光Ｌは集光レンズ３によりファイバ入射端４に集光する。
【００３１】
ファイバ入射端４はファイバ５の入射端になっている。ファイバ５はレーザ光Ｌを導光する。ファイバ５の出射端にはファイバ出射端６が設けられており、導光されたレーザ光Ｌが発散光として出射する。発散光となったレーザ光Ｌはコリメートレンズ７に入射する。コリメートレンズ７により発散光となっているレーザ光Ｌは平行光に変換される。このために、コリメートレンズ７の焦点位置にファイバ出射端６を配置している。コリメートレンズ７により平行光になったレーザ光Ｌは走査部８に入射する。
【００３２】
走査部８はレーザ光Ｌを平面方向に走査する走査手段であり、レンズディスク２１とピンホールディスク２２と連結ドラム２３とダイクロイックミラー２４とを有して構成している。レンズディスク２１は複数のレンズ（マイクロレンズ）２１Ｒを配列した円盤状のディスクである。レンズディスク２１には複数のレンズ２１Ｒが螺旋状に多条に配列されている。各レンズ２１Ｒはレーザ光Ｌを集光させる機能を有している。
【００３３】
ピンホールディスク２２は複数のピンホール２２Ｐを配列した円盤状のディスクである。ピンホールディスク２２にはレンズディスク２１に形成されている各レンズＲと同じパターンでピンホール２２Ｐを配列している。つまり、多条の螺旋状のパターンで配列している。且つ、ピンホール２２Ｐはレンズ２１Ｒの集光位置に形成されている。ピンホール２２Ｐはレーザ光Ｌおよび後述する戻り光Ｒが通過する微小開口部であり、戻り光Ｒのうち試料Ｓの焦点の範囲内の光のみが通過するようになっている。これにより、光軸方向に分解能の高い共焦点顕微鏡として顕微鏡装置１を用いることができる。
【００３４】
レンズディスク２１とピンホールディスク２２とは回転部としての連結ドラム２３に一体的に取り付けられている。連結ドラム２３は図示しないモータに接続されており、モータの回転力が連結ドラム２３に付与される。これにより、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とは一体的に回転を行う。
【００３５】
レンズディスク２１とピンホールディスク２２との間、つまりレンズ２１Ｒとピンホール２２Ｐとの間にダイクロイックミラー２４を配置している。ダイクロイックミラー２４はレーザ光Ｌの波長域によって透過と反射とを分ける光学素子である。ここでは、レーザ光Ｌの波長の光を透過させ、後述する戻り光Ｒの波長の光を反射する特性を有しているものとする。よって、レンズＲを通過したレーザ光Ｌはダイクロイックミラー２４を透過して、ピンホール２２Ｐに入射する。
【００３６】
走査部８を通過したレーザ光Ｌは、リレー光学系９に入射する。リレー光学系９は第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６とを有しており、レーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０に導く。第１リレーレンズ２５はレンズ自身の焦点距離だけ、ピンホールディスク２２より離れた位置に設けられており、レンズ２１Ｒによりピンホール２２Ｐ上に一旦集光し、次いで発散光となったレーザ光Ｌが第１リレーレンズ２５に入射する。
【００３７】
第１リレーレンズ２５は発散光となっているレーザ光Ｌを平行光に変換して、第２リレーレンズ２６に向けて出射する。第２リレーレンズ２６は平行光となっているレーザ光Ｌを集光させる。このうち、第２リレーレンズ２６には光軸方向に移動可能なレンズ移動機構２７が取り付けられている。
【００３８】
第１リレーレンズ２５および第２リレーレンズ２６は走査部８を通過したレーザ光Ｌを顕微鏡光学系１０にリレーするための光学系となっている。リレーされたレーザ光Ｌは顕微鏡光学系１０に入射する。顕微鏡光学系１０は結像レンズ２８と対物レンズ２９とを有している。
【００３９】
顕微鏡光学系１０は無限遠光学系となっており、まず結像レンズ２８にレーザ光Ｌを入射して、その次に対物レンズ２９に入射させる。これにより、レーザ光Ｌは試料Ｓに焦点を結ぶ。試料Ｓは対物レンズ２９の焦点位置に配置するようにしている。試料Ｓは図示しないディッシュ等に搭載されており、レーザ光Ｌが試料Ｓで焦点を結ぶことにより、蛍光を発生させる。この蛍光が戻り光Ｒとなって、レーザ光Ｌと同じ光路を戻っていく。
【００４０】
試料Ｓはレーザ光Ｌを吸収することにより、蛍光を戻り光Ｒとして放出する。この戻り光Ｒは対物レンズ２９により捕捉されて、結像レンズ２８を介して、リレー光学系９に導かれる。そして、戻り光Ｒは、リレー光学系９を通過して、ピンホールディスク２２のピンホール２２Ｐからダイクロイックミラー２４に入射する。つまり、戻り光Ｒはレーザ光Ｌと同じ光路を辿ってダイクロイックミラー２４まで導かれる。
【００４１】
ダイクロイックミラー２４は戻り光Ｒを反射する光学特性を有しているため、戻り光Ｒを側方に反射する。そして、撮像レンズ１１により観察部としてのカメラ１２の撮像面に集光する。なお、ピンホールディスク２２の表面とカメラ１２の撮像面とは共役面となる関係になっている。
【００４２】
以上が構成である。次に、動作について説明する。光源２からレーザ光Ｌを発振する。このレーザ光Ｌはファイバ入射端４からファイバ５を導光され、ファイバ出射端６から出射する。そして、コリメートレンズ７により平行光に変換されて、走査部８に入射する。
【００４３】
走査部８は連結ドラム２３に回転力を付与することで、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とが一体的に回転する。レンズ２１Ｒとピンホール２２Ｐとは多条の螺旋状のパターンで配列されており、且つ両者は対応した位置関係になっている。よって、レンズディスク２１とピンホールディスク２２とが一体的に回転することにより、試料Ｓに照射されるレーザ光Ｌの位置が高速に変化する。これにより、試料Ｓの平面方向（光軸に直交する方向）にレーザ光Ｌを走査することができる。
【００４４】
ピンホール２２Ｐを通過したレーザ光Ｌは、リレー光学系９に入射する。第１リレーレンズ２５により平行光になったレーザ光Ｌは第２リレーレンズ２６に入射して、顕微鏡光学系１０の結像レンズ２８に入射する。結像レンズ２８を通過したレーザ光Ｌは対物レンズ２９により試料Ｓに焦点を結ぶ。試料Ｓはレーザ光Ｌにより蛍光を発生し、この蛍光が戻り光Ｒとなる。
【００４５】
発生した戻り光Ｒは対物レンズ２９、結像レンズ２８、第２リレーレンズ２６、第１リレーレンズ２５、ピンホール２２Ｐを介してダイクロイックミラー２４に入射し、ダイクロイックミラー２４で反射して、撮像レンズ１１に入射する。そして、撮像レンズ１１によりカメラ１２の結像面に結像する。カメラ１２に結像された戻り光Ｒの像に基づいて、試料Ｓの画像が生成される。
【００４６】
ピンホール２２Ｐを通過した戻り光Ｒは試料Ｓの焦点の範囲内の光のみが通過している。つまり、カメラ１２に集光した戻り光Ｒの像に基づく画像は共焦点画像になる。従って、顕微鏡の光軸方向に高い分解能の画像を得ることができるようになる。ピンホールディスク２２が回転して、レーザ光Ｌは走査されることになるが、いずれにしてもピンホール２２Ｐを通過するため、カメラ１２が受光される像に基づく画像は必ず光軸方向に高い分解能の共焦点画像になる。
【００４７】
このとき、レンズ移動機構２７は、ピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔、および結像レンズ２８と第２リレーレンズ２６との間隔を保持したまま、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第２リレーレンズ２６を光軸方向に移動させることにより、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を変化させる。
【００４８】
図２は、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、瞳透過率が最大となるよう、結像レンズ２８へのレーザ光Ｌの入射画角が変化する様子を示している。同図ｂ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値Ｌ２となっている場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＝０度」となっている。
【００４９】
同図ａ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値より短い値Ｌ１となっている場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＞０度」となっている。同図ｃ）は結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適な値より長い値Ｌ３の場合であり、瞳透過率が最大となる結像レンズ２８の結像面側の画角αが「α＜０度」となっている。
【００５０】
図２に示す例のように、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの画角が０度のとき、同図ｂ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ２'をピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔Ｌと、第２リレーレンズ２６と顕微鏡光学系１０の結像面１０４の間隔Ｌの和、すなわち、２Ｌに等しくなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。
【００５１】
一方、図２ａ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ１'を間隔Ｌ１に応じて前記の２Ｌに比べて長くなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。また、図２ｃ）の場合は、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６の間隔Ｌ３'を間隔Ｌ３に応じて前記の２Ｌに比べて長くなるように設定することにより、瞳透過率が最大となる。
【００５２】
このように、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの出射画角が任意の値に固定されており、且つ瞳透過率が最大となる結像レンズ２８へのレーザ光Ｌの入射画角が、走査部８の光学系を出射するレーザ光Ｌの出射画角と一致していなくても、レンズ移動機構２７により第２リレーレンズ２６に前記の作用を加えることにより、瞳透過率を最大にすることができる。
【００５３】
以上において、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させることによって、瞳透過率を最大にしているが、この瞳透過率は必ずしも最大でなくてもよい。つまり、瞳透過率が理想的に最大でなくても、瞳透過率を向上させるものであればよい。これにより、理想的でないとしても、結像特性を向上させることができる。
【００５４】
また、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させているが、ピンホールディスク２２と第１リレーレンズ２５との間隔、および結像レンズ２８と第２リレーレンズ２６との間隔を保持したままであれば、第１リレーレンズ２５を移動させてもよいし、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との両者を移動させてもよい。
【００５５】
次に、第１変形例について説明する。図３は第１変形例の顕微鏡装置１を示している。図１で示した顕微鏡装置１とは異なり、コリメートレンズ７と走査部８との間に偏光調整素子３１を設けている。また、ダイクロイックミラー２４に代えて偏光ビームスプリッタ３２を設けており、リレー光学系９の第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間にλ／４波長板３３を追加している。その他の構成は図１の顕微鏡装置１と同じである。
【００５６】
また、この第１変形例では、観察対象は蛍光色素や蛍光タンパク等を導入した試料Ｓではなく、反射体Ｓ１であるものとする。この反射体Ｓ１としては、例えばＩＣチップの表面や光ディスク等を適用することができ、レーザ光Ｌを高い反射率で反射する素材であれば、任意の素材を観察対象とすることができる。
【００５７】
偏光調整素子３１はレーザ光Ｌの偏光方向を１つの偏光方向（直線偏光）となるように調整する。例えば、λ／２波長板や偏光板等のように１つの偏光面を振動する光に変換する。このときのレーザ光Ｌの偏光方向は偏光ビームスプリッタ３２の透過率が最大となる偏光方向と一致させる。
【００５８】
偏光ビームスプリッタ３２は所定の偏光方向の光を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する光学素子である。偏光ビームスプリッタ３２は偏光調整素子３１により調整された偏光方向のレーザ光Ｌを透過し、直交する方向の偏光方向（戻り光Ｒ）を反射する。
【００５９】
λ／４波長板３３は直線偏光を円偏光に変換する光学素子である。λ／４波長板３３はレーザ光Ｌの偏光面を４５度回転させる機能を有している。これにより、λ／４波長板３３を透過したレーザ光Ｌは直線偏光から円偏光になる。
【００６０】
この円偏光となったレーザ光Ｌは顕微鏡光学系１０により反射体Ｓ１に入射する。反射体Ｓ１はレーザ光Ｌを反射する。これにより、戻り光Ｒが発生する。この戻り光Ｒは顕微鏡光学系１０を通って、再びλ／４波長板３３に入射する。これにより、戻り光Ｒは円偏光から直線偏光に変換される。このとき、戻り光Ｒの偏光面は再び４５度回転する。これにより、λ／４波長板３３を透過した戻り光Ｒは円偏光から直線偏光になる。且つ、もともとのレーザ光Ｌから見ると、偏光面が９０度回転した状態になる。
【００６１】
この戻り光Ｒは偏光ビームスプリッタ３２に入射する。戻り光Ｒはレーザ光Ｌのときから偏光面が９０度回転しており、つまり偏光方向が直交している。このため、偏光ビームスプリッタ３２で戻り光Ｒが反射する。そして、カメラ１２に戻り光Ｒが集光することで、画像が得られる。
【００６２】
このとき、レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を光軸方向に移動させている。これにより、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を調整している。従って、瞳透過率を最大にすることができ、理想的な光利用効率が得られ、最良の結像特性が得られる。
【００６３】
従って、この第１変形例では、試料Ｓのように蛍光する素材を観察対象とするのではなく、反射体Ｓ１を観察対象としている。偏光調整素子３１、偏光ビームスプリッタ３２、λ／４波長板３３を設けるだけで、ＩＣチップや光ディスク等の反射体Ｓ１を観察対象とすることができる。
【００６４】
次に、第２変形例について説明する。図４に示すように、顕微鏡光学系１０の結像レンズ２８と対物レンズ２９との間にミラー４０を設けている。ミラー４０にはミラー移動機構４１が取り付けられている。また、対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に調整用カメラ４２を設けている。
【００６５】
ミラー４０は結像レンズ２８からのレーザ光Ｌを側方に向けて反射する。これにより、レーザ光Ｌは対物レンズ２９に向かうことなく、調整用カメラ４２に向けて反射する。ミラー４０にはミラー移動機構４１が取り付けられている。ミラー移動機構４１はレーザ光Ｌの光路からミラー４０を挿抜する。
【００６６】
レンズ移動機構２７は第２リレーレンズ２６を移動させることにより、対物レンズ２９の瞳透過率を調整している。この調整を行うときにはミラー４０をレーザ光Ｌの光路に位置させ、試料Ｓの観察を行うときにはミラー４０をレーザ光Ｌの光路から退避させる。
【００６７】
調整用カメラ４２はレーザ光Ｌを受光して光量を検出するカメラである。調整用カメラ４２の撮像面は対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に配置している。つまり、対物レンズ２９の瞳位置におけるレーザ光Ｌの状態を調整用カメラ４２は反映していることになる。
【００６８】
調整用カメラ４２は図示しない表示装置に接続され、当該表示装置によりレーザ光Ｌの受光状態を視認することができる。対物レンズ２９の瞳透過率が高ければ、対物レンズ２９の瞳位置におけるレーザ光Ｌのスポットは極小になる。
【００６９】
そこで、表示装置に表示されるレーザ光Ｌの受光状態を視認しながら、レンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６を移動させる。これにより、調整用カメラ４２におけるレーザ光Ｌのスポット径が変化する。結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔が最適であればスポット径が極小化され、最適な間隔からずれを生じると、スポット径が大きくなる。
【００７０】
従って、ユーザ等はレンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６の位置を調整して、観察されるスポット径が極小化される位置に設定する。調整用カメラ４２は対物レンズ２９の瞳位置に共役な位置に配置していることから、結像レンズ２８と対物レンズ２９との間隔に応じて、第１リレーレンズ２５と第２リレーレンズ２６との間隔を最適に設定することができる。
【００７１】
第２リレーレンズ２６の位置調整は、試料Ｓを観察する前の調整ステップとして行われる。この調整ステップで、ミラー移動機構４１はミラー４０をレーザ光Ｌの光路上に配置するように移動することで、試料Ｓの観察をする前に瞳透過率が最大となるように第２リレーレンズ２６の調整を行うことができる。一方、調整ステップを終了した後に、ミラー移動機構４１によりミラー４０をレーザ光Ｌの光路から退避させることで、試料Ｓの観察を行うことができる。
【００７２】
このとき、光検出部としての調整用カメラ４２は所定範囲を撮影するカメラとして用いているが、図５に示すように、調整用カメラ４２に代えてフォトダイオード４３を用いてもよい。フォトダイオード４３の前段（レーザ光Ｌの入射側）には対物レンズ２９の瞳面と同一の開口半径を有する開口部４４を設ける。
【００７３】
ミラー４０で反射したレーザ光Ｌは開口部４４により対物レンズ２９の瞳面と同一のスポットとなってフォトダイオード４３に入射する。フォトダイオード４３は受光したレーザ光Ｌの光量に基づいて光電変換を行う。これにより、レーザ光Ｌの光量に応じた電流或いは電圧が発生する。
【００７４】
この電流或いは電圧は表示装置に表示されて視認することができる。そして、レンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６を移動することにより、対物レンズ２９の瞳透過率が変化する。フォトダイオード４３を対物レンズ２９の瞳位置と共役な位置に配置することで、瞳透過率に応じたレーザ光Ｌの光量がフォトダイオード４３に受光される。
【００７５】
そして、フォトダイオード４３が発生した電流或いは電圧を表示装置で視認する。対物レンズ２９の瞳透過率が高い位置に第２リレーレンズ２６を配置していれば、発生する電流或いは電圧が高くなり、瞳透過率が低ければ電流或いは電圧が低くなる。そこで、フォトダイオード４３が発生する電流或いは電圧が最大となるようにレンズ移動機構２７を用いて第２リレーレンズ２６の位置を調整することで、瞳透過率を最大にすることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 顕微鏡装置
８ 走査部
９ リレー光学系
１０ 顕微鏡光学系
１２ カメラ
２１ レンズディスク
２１Ｒ レンズ
２２ ピンホールディスク
２２Ｐ ピンホール
２５ 第１リレーレンズ
２６ 第２リレーレンズ
２７ レンズ移動機構
２８ 結像レンズ
２９ 対物レンズ
３０ ミラー
３１ 偏光調整素子
３２ 偏光ビームスプリッタ
３３ λ／４波長板
４０ ミラー
４１ ミラー移動機構
４２ 調整用カメラ
４３ フォトダイオード
４４ 開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象に照射されるレーザ光を発振する光源と、
前記レーザ光を入射して前記観察対象に焦点を結ばせる結像レンズおよび対物レンズを有する顕微鏡光学系と、
前記光源からの前記レーザ光を前記顕微鏡光学系にリレーする第１リレーレンズおよび第２リレーレンズを有するリレー光学系と、
前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に応じて、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整するレンズ移動機構と、
を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記レンズ移動機構は、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に基づく前記対物レンズの瞳透過率が最大となるように、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
ピンホールを複数配列したピンホールディスクと、
前記ピンホールと同じパターンで配列され、前記ピンホールに前記レーザ光を集光させる複数のレンズを配列したレンズディスクと、
前記ピンホールディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させる回転部と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記光源から発振した前記レーザ光を１方向の偏光方向に変換する偏光調整素子と、
前記レーザ光の偏光方向を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記レーザ光を反射する前記観察対象と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられるλ／４波長板と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、
前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるカメラと、
を備え、
前記レンズ移動機構は、前記カメラが検出する前記レーザ光のスポットが最小となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、
前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるフォトディテクタと、
このフォトディテクタの前段に配置される前記対物レンズの瞳面と同一の開口半径を有する開口部と、
を備え、
前記レンズ移動機構は、前記フォトディテクタが検出する光量が最大となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項１】
観察対象に照射されるレーザ光を発振する光源と、
前記レーザ光を入射して前記観察対象に焦点を結ばせる結像レンズおよび対物レンズを有する顕微鏡光学系と、
前記光源からの前記レーザ光を前記顕微鏡光学系にリレーする第１リレーレンズおよび第２リレーレンズを有するリレー光学系と、
前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に応じて、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整するレンズ移動機構と、
を備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記レンズ移動機構は、前記結像レンズと前記対物レンズとの間隔に基づく前記対物レンズの瞳透過率が最大となるように、前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
ピンホールを複数配列したピンホールディスクと、
前記ピンホールと同じパターンで配列され、前記ピンホールに前記レーザ光を集光させる複数のレンズを配列したレンズディスクと、
前記ピンホールディスクと前記レンズディスクとを一体的に回転させる回転部と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記光源から発振した前記レーザ光を１方向の偏光方向に変換する偏光調整素子と、
前記レーザ光の偏光方向を透過し、この偏光方向に直交する偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
前記レーザ光を反射する前記観察対象と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられるλ／４波長板と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、
前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるカメラと、
を備え、
前記レンズ移動機構は、前記カメラが検出する前記レーザ光のスポットが最小となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記結像レンズと前記対物レンズとの間に挿抜される前記レーザ光を反射するミラーと、
前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されるフォトディテクタと、
このフォトディテクタの前段に配置される前記対物レンズの瞳面と同一の開口半径を有する開口部と、
を備え、
前記レンズ移動機構は、前記フォトディテクタが検出する光量が最大となるように前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間隔を調整すること
を特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２５３０１（Ｐ２０１３−２５３０１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３３３０（Ｐ２０１１−１６３３３０）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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