(57)【要約】【課題】導波路の入射口付近の熱の蓄積を抑えた蛍光顕微鏡を提供する。【解決手段】本発明の蛍光顕微鏡は、キセノンランプ104と、キセノンランプ104を収容するランプ筐体110と、対物レンズ109と、キセノンランプ104からの光を対物レンズ109の方へ導く液体ライトガイド102と、キセノンランプ104からの光を液体ライトガイド102端面に集光させるコンデンサレンズ106と、液体ライトガイド102をランプ筐体110へ固定する保持部110と、液体ライトガイド102入射口周辺からの熱をランプ筐体110側へ取り込む通気孔119aと、通気孔109aを通過した熱をランプ筐体110の外部へ排出するファン111と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
光源を収容する筐体と、
対物レンズと、
光源からの光を対物レンズの方へ導く導波路と、
光源からの光を導波路端面に集光させる光学素子と、
導波路を筐体へ固定する保持部と、
導波路入射口周辺からの熱を筐体側へ取り込む送風路と、
送風路を通過した熱を筐体の外部へ排出するファンと、を備えた蛍光顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
送風路は、保持部に設けられている、蛍光顕微鏡。
【請求項３】
請求項１において、
送風路は、筐体に設けられている、蛍光顕微鏡。
【請求項４】
請求項２において、
送風路は、筐体から導波路の方向へ形成された貫通孔である、蛍光顕微鏡。
【請求項５】
請求項３において、
送風路は、保持部の周囲に設けられている、蛍光顕微鏡。
【請求項６】
請求項１において、
保持部の周囲を覆い、筐体と接続されたガイド部材を備えている、蛍光顕微鏡。
【請求項７】
請求項１において、
保持部は、導波路に対して垂直に外側へ突き出た突出部を複数有する、蛍光顕微鏡。
【請求項８】
請求項１において、
保持部と導波路との間には放熱シートが挟まれている、蛍光顕微鏡。
【請求項９】
請求項３において、
送風路は、筐体に設けられた貫通孔であり、
保持部の周囲を覆い、筐体と接続されたガイド部材を備え、
ガイド部材は、前記貫通孔を覆っている、蛍光顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１において、
光学素子はレンズである、蛍光顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１において、
光学素子はトロイダルミラーである蛍光顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１において、
光学素子はトロイダル形状のダイクロイックミラーである蛍光顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１において、
導波路は液体ライトガイドである蛍光顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１において、
保持部の材料はアルミであることを特徴とする請求項１記載の蛍光顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１において、
光源はキセノンランプであることを特徴とする請求項１記載の蛍光顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核酸やタンパク質等を分離分析する際に用いる、蛍光顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代DNAシーケンサは、蛍光顕微鏡を基礎として作られる。蛍光体が取り込まれたDNA断片をより多くパラレルに蛍光検出するためには、顕微鏡の広視野化とそれに伴う照射領域の拡大が必要となる。照射系には、一般的な落射照明や全反射照明が用いられる。広い視野領域を高い照度で照射する光源として、水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプが用いられる。上記は、高出力（数十〜数百ワット）である一方、放熱用のファンや高電圧・高電流の電源が必要となるため、ランプ筐体は大きくなる。物理的干渉を避けるため、ランプ筐体は、照射系から離れたところに配置される。ランプからの光は、ライドガイドや光ファイバなどを介して、照射系に入射する。
【０００３】
特許文献１は、ダブルエンド型ランプの発光点からの光を転楕円面のリフレクタでライトガイド端面に集光させて、ライトガイドに光を入射させる。光源電極の電極を冷却するためのフィン構造とフィンに送風するためのファンを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-220833号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ランプの発光点からの光を、直径数ミリメートル程度の液体ライドガイドや光ファイバにより多く入射させるためには、特許文献１のように転楕円面のリフレクタを用いたり、コンデンサレンズを用いたりして、ライトガイド入射口表面に集光させる。集光された高密度の光束の一部は液体ライドガイドや光ファイバに入射せずに入射口表面で反射したり入射口周辺の金属に吸収されたりするため、熱として蓄積される。特に液体ライトガイドの場合、上記熱のために内部の液体に気泡が発生して、ライトガイドの透過率を低下させる。したがって、照射強度が低下するため、良好な蛍光観察ができなくなる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、導波路の入射口付近の熱の蓄積を抑えた蛍光顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の蛍光顕微鏡は、光源と、光源を収容する筐体と、対物レンズと、光源からの光を対物レンズの方へ導く導波路と、光源からの光を導波路端面に集光させる光学素子と、導波路を筐体へ固定する保持部と、導波路入射口周辺からの熱を筐体側へ取り込む送風路と、送風路を通過した熱を筐体の外部へ排出するファンと、を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ファンと送風路により、筐体外からの空気が導波路入射口付近を通り、ファンによって筐体外へ排出される。この空気の流れによって、導波路入射口の熱が筐体外に放出される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】次世代DNAシーケンサに組み込まれた蛍光顕微鏡の概略図。
【図２】(a)形状１、(b)形状２。
【図３】実施例１の保持部形状３と４。            (a)-1：ランプ筐体を図１の方向１から見た構成。            (a)-2：図(a)-1のAB断面の保持部形状３周辺図。             (b)-1：ランプ筐体を図１の方向１から見た構成。            (b)-2：図(b)-1のAB断面の保持部形状4周辺図。            (b)-3：保持部形状４を斜めから見た図
【図４】保持部にカイド部材を設けたときの筐体内部の空気の流れ。
【図５】液体ライトガイド挿入部側面を保持部に密着させるための保持部。
【図６】実施例２の保持部形状５と６。            (a)-1：ランプ筐体を図１の方向１から見た構成。            (a)-2：図(a)-1のAB断面の保持部形状５周辺図。             (b)-1：保持部形状６を斜めから見た図。            (b)-2：保持部形状６断面図。
【図７】実施例２の保持部形状７と８。            (a)-1：保持部形状７を斜めから見た図。            (a)-2：保持部形状７断面図。             (b)-1：保持部形状８を斜めから見た図。            (b)-2：保持部形状８断面図。
【図８】液体ライトガイド入射口周辺の温度分布。(a)形状5、(b)形状６。
【図９】液体ライトガイド入射口周辺の温度分布。(a)形状７、(b)形状８。
【図１０】ライトガイド挿入部側面平均温度。
【図１１】コンデンサレンズ106として (a)平凸レンズ1枚を用いた場合、(b)平凸レンズ2枚を用いた場合の光線追跡結果。(c)(a)と(b)の場合の液体ライトガイド射出口光量
【図１２】凸レンズと凹レンズを組み合わせたコンデンサレンズ。
【図１３】コンデンサレンズ106と液体ライトガイドの間を(a)マッチング材で満たした場合と(b)マッチング材で満たさない場合の入射光路。
【図１４】実施例３の形態。
【図１５】実施例４の形態。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と利益を、図面を参酌して説明する。ただし、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１１】
図1は、次世代DNAシーケンサに組み込まれた蛍光顕微鏡の構成図である。蛍光顕微鏡の構成は、照射系と検出系に分けられる。
【００１２】
光りが進む経路の順番に、まず照射系の構成を説明する。ランプ104の電極部117から発せられる光は、放物面鏡118で反射して平行光束となり、コールドミラー105でその赤外波長成分を透過させて除去し、可視光成分を反射した後、可視光成分をコンデンサレンズ106で集光して液体ライトガイド102に入射する。液体ライトガイド102内を伝搬する光は、もう一方の端から射出して、コンデンサレンズ107で平行光束となり、フィルタキューブ108に入射する。バンドパスフィルタ103で特定の波長帯域のみが透過し、その他の帯域は反射する。上記透過光は、ダイクロイックミラー113で反射したのち、対物レンズ109によって、平滑基板114上に集光する。
【００１３】
次に検出系の構成を説明する。集光された励起光によって、平滑基板114上に固定された4種蛍光体のうち、上記特定の波長帯域に励起波長帯をもつ蛍光体が励起される。励起された蛍光体からの発光は、ダイクロイックミラー113を透過したのち、バンドパスフィルタ120で励起光の散乱成分を取り除いた後、結像レンズ121によって二次元センサ116上に結像する。フィルタキューブ108は4セット用意されている。フィルタキューブ108を自動的に切り替えて、励起波長帯を変更することで、4種蛍光体を順次観察することができる。
【００１４】
照射強度を増大させれば、蛍光体を感度よく観察できる。そのためには、液体ライトガイド102に入射させる光量を増大させる必要がある。ランプ筐体101は、これを達成するためにランプ104に高出力（300Ｗ）のキセノンランプを用いるだけでなく、コンデンサレンズ106で光を効率的に液体ライトガイド102入射口に集める構成である。ランプ筐体101内には、キセノンランプを発光させるためのランプ電源112がある。ランプ電源112とランプ104からの熱をランプ筐体101外に排出するため、ランプ筐体101に設けた通気孔119aから空気を取り入れ、ファン111で熱気を排出している。
【００１５】
液体ライトガイド102入射口は、光が高密度となるため熱が発生する。高密度の光が熱を発生する原因は２つある。第一の原因は、液体ライトガイド102に入射しない光の一部が、周縁の金属（液体ライトガイド102縁の金属と保持部110の金属）で吸収されて熱に変換されることである。これは、ランプから射出する光は厳密には平行でないことに加えて収差により、液体ライトガイド102の入射口に集まる光は液体ライトガイド102の径（φ3ｍｍ）以上に広がるため、入射しない光が入射口周縁の金属にあたるためである。第二の原因は、液体ライトガイド102への入射角には制限があるため（本実施例の場合は36度、ＮＡ＝0.58に相当）、制限された入射角以上の光は液体ライトガイド102入射口で反射することにある。これら反射する光の一部は熱となるため、液体ライトガイド102入射口周辺は高温となる。
【００１６】
本発明は、保持部110に複数の送風路を備えることを特徴とする。図１の拡大図は液体ライトガイド102の保持部110のみを斜めから見た図である。保持部110は、コンデンサレンズ106と液体ライトガイド102をランプ筐体101上に保持するためのアルミ製のホルダである。図における送風路は通気孔115である。通気孔115を通して、ランプ筐体101外から空気がランプ筐体101内へ流入し、ファン111によってランプ筐体101外へ排出される。この空気の流れは、液体ライトガイド102入射口付近を通るため、入射口付近に発生した熱をランプ筐体101内からランプ筐体101外へ排出することができる。したがって、液体ライトガイド102入射口付近の温度上昇を防ぐことができる。
【００１７】
以下、実施例に基づき、送風路の形状と効果を説明する。
【実施例１】
【００１８】
本実施例の形態を図３(a)の形状３に示す。図3(a)-1は、ランプ筐体101を図１の方向１から見た構成である。図3(a)-2は、図3(a)-1のAB断面の保持部110周辺図である。図２(b)は形状２の構成である。形状３でガイド部材３０１を設ける以外は、形状２と形３は同じ構成である。図２(b)-1からわかるように、形状２と３のランプ筐体101下面には、通気孔119b,c,dが設けられている。図3(ｂ)に示すように、形状４は、形状３の構成に加えて、保持部110にフィン302を備えている。図３(b)‐3は、形状４の保持部110を斜めから見た図である。本実施例は、ガイド部材301が保持部110を覆うことで送風路を形成することを特徴とする。
【００１９】
本実施例の効果を示す。図4は、ガイド部材301を設けたときのランプ筐体101内部の空気の流れを矢印で示している。ランプ筐体101外部の空気は、ガイド部材301と保持部110の間に形成された送風路を通って通気孔119d、119cからランプ筐体101内に流入し、ファン111によりランプ筐体101外に流出される。液体ライトガイド102入射口から保持部110に伝わる熱は、上記空気の流れによって、保持部110表面からランプ筐体101外に放出される。図10は、形状２，３，４の液体ライトガイド102挿入部側面の平均温度を示している。挿入部側面とは，保持部110に挿入される液体ライトガイド102円柱側面である。ガイド部材301を有しない形状２の温度（47度）に比べて、ガイド部材301を有する形状３と４の温度（それぞれ40度と38度）が低くなることがわかる。これは、上記空気の流れによって、保持部110の熱が効率的に放出されることを示している。形状４よりも形状３の液体ライトガイド102挿入部側面の平均温度が低いことは、フィン111が熱の放出に寄与していることを示している。
【００２０】
液体ライトガイド102は、その挿入部側面を保持部110に密着して固定されることが好ましい。液体ライトガイド102と保持部110の間に空気層が存在すると、液体ライトガイド102入射口から保持部110への熱伝導効率が低くなる。液体ライトガイド102挿入部側面を保持部110に密着させるための保持部110の構成例を図５に示す。
【００２１】
保持部110は、コンデンサレンズ106と液体ライトガイド102を保持する機能を備える。液体ライトガイド102を保持する部分は、保持部溝110aと保持部蓋110bと放熱シート110cからなる。保持部溝110aは、液体ライトガイド102挿入部側面と同じ曲率を持っている。したがって、液体ライトガイド102挿入部側面を保持部溝110aに押し当てると、液体ライトガイド102挿入部が保持部溝110aにおさまる。保持部溝110aの位置は、コンデンサレンズ106と液体ライトガイド102の中心が合うように設計されている。そのため、液体ライドガイトの位置を調整することなく、キセノンランプの光がもっとも多く入射する位置に液体ライトガイド102を配置することができる。保持部蓋110bの局面にはあらかじめ放熱シート110cが貼られている。保持部蓋110bの放熱シート110c部分を液体ライトガイド102に押し当てながらネジで固定する。これにより、放熱シート110cを介して液体ライトガイド102挿入部側面を保持部蓋110bに密着した状態で、液体ライトガイド102を保持部110に固定することができる。放熱シート110cには、厚さ0.3‐0.5mmのシリコンゲルを樹脂状にしたシートを用いた。上記の他に、グラファイトシートやアルミシートを用いてもよい。放熱シートを用いずに、シリコングリースを液体ライトガイド102挿入部側面に塗布してもかまわない。放熱シートが保持部110と液体ライトガイド102の隙間を満たすことで、液体ライトガイド102からの熱が放熱シート110cを介して効率的に保持部110に伝わる。
【００２２】
図５の構成は、液体ライトガイド102の位置決め機構を備え、保持部110への密着性が優れている。保持部溝110aと液体ライトガイド102の間に放熱シート110cを入れてもかまわない。保持部110にはアルミを用いたが、銅、真ちゅう、鉄を用いてもかまわない。
【実施例２】
【００２３】
図６と７に本実施例の保持部110の形状5-8を示す。図6(a)-1は、ランプ筐体101を図１の方向１から見た構成である。図６(a)-2は、図6(a)-1のAB断面の保持部110形状５周辺図である。図６(b)、図７(a)、図7(b)に、形状６、形状７、形状８の保持部110の断面および斜めから見た構成をそれぞれ図示した。図2(a)は形状１の構成である。形状5-8で保持部110に通気孔601, 801, 901を設ける以外は，形状１と形状5-8は同じ構成である。本実施例の特徴は、保持部110に設けた通気孔601, 801, 901を送風路とすることである。上記送風路を通して、液体ライトガイド102から伝わる保持部110の熱をランプ筐体101外に放出することができる。
【００２４】
形状１と形状5-8を比べることで、本実施例の効果を示す。図10に示すように、形状1に比べ、形状５-８の場合に液体ライトガイド102挿入部側面の平均温度が低くなる。したがって、通気孔601, 801, 901を設けることで、液体ライトガイド102入射口付近に発生する熱が効率的に放出されていることがわかる。図８と図9に形状5−8における、液体ライトガイド102入射口周辺の温度分布を示す。形状６は形状5にガイド部材701を付加した構造である。上記ガイド部材701により、形状６では形状5よりもライトガイド挿入部側面の温度が低くなる（図8の温度分布および図10参照）。形状８は、形状７よりも保持部110が大きくかつ通気孔が多い。この形状の違いによって、形状８のライトガイド挿入部側面の温度は形状７よりも低くなる（図９の温度分布および図10参照）。以上より、ガイド部材701を設けること、保持部110を大きくすること、通気孔を多くすることで、液体ライドガイドの熱を放出する効果が増大する。
【００２５】
コンデンサレンズ106は一枚レンズの他に、図11(b)に示すように二枚のレンズを用いてもよい。図11(a)(b)は、コンデンサレンズ106に(a)平凸レンズ1枚を用いた場合、(b)平凸レンズ2枚を用いた場合の、電極部117から発せられる光が放射面鏡118を反射して、液体ライトガイド102に入射するまでの光路を示している。図11(c)は、上記光路計算から求められた(a)(b)の場合の液体ライトガイド102出射口での光量である。二枚レンズの場合(b)、一枚レンズの場合(a)同等以上の光を液体ライトガイド102に入射させることができる。本実施例では、一枚レンズに非球面レンズ（THORLABS社  #AL4532(直径45mm, EFL33)）、二枚レンズに非球面レンズ （Edmund社, #67247（直径40mm、EFL=25mm））と非球面レンズ（Edmund社, #48534 (直径15mm, EFL=15mm)）を用いたが、他のレンズを用いてもかまわない。上記に加えて、図12に示すように、凸レンズと凹レンズの組み合わせでもかまわない。上記レンズの構成は、実施例１に適用してもよい。
【００２６】
液体ライトガイド102の間を液体ライトガイド102の屈折率と同程度のマッチング材1201で満たしてもかまわない。図13は、コンデンサレンズ106と液体ライトガイド102の間を(a)マッチング材1201で満たした場合と(b)マッチング材で満たさない場合の入射光路を示している。マッチング材1201として屈折率1.47のグリセロールを用いた。マッチング材がある場合に液体ライトガイド102への入射角（図中のθ）が小さくなる。入射角が小さいことで、反射損失が低減されるので、反射による熱の発生を低減する効果がある。加えて、照射強度を増加させる効果がある。上記では、マッチング材1201にグリセロールを用いたが、他の材質でもかまわない。液体以外にもＰＤＭSのような固体を用いてもかまわない。上記マッチング材は、実施例１に適用してもよい。
【実施例３】
【００２７】
本実施例の形態を図14に示す。キセノンランプ104の光をトロイダルミラー1301で集光させて、液体ライトガイド102に入射させることを特徴とする。トロイダルミラー1301の集光機能により、コンデンサレンズを省略することができる。保持部110の送風路の構造は実施例１と実施例２に記載の構造を用いることができる。ただし、本実施例では、保持部110の構造からコンデンサレンズを保持する部分を省略できる。これにより、液体ライトガイド102周辺により多くの空気を送ることができる。トロイダルミラー1301では色収差が生じないため、どの波長帯域も同等の効率で液体ライトガイド102に入射させることができる。
【００２８】
本実施例では、コールドミラー1302をキセノンランプ射出口直後においた。コールドミラー1302は、4種蛍光体の励起波長のみを透過させるように、次のような透過率特性を有する；300−400nmにおいて90%以上、653-1250nmにおいて90%以上、850-2500nmにおいて80%以上、454 - 643 nmにおいて2%以下である。上記透過率特性を満たさなくても、本実施例の効果は失われない。コールドミラー1302は、平行光束となっている光路上に配置されることで、色間での光路変化を小さくすることができる。このため本実施例では、コールドミラー1302をトロイダルミラー1301の前に配置したが、後ろに配置してもかまわない。
【実施例４】
【００２９】
本実施例の形態を図15に示す。キセノンランプ104の光をトロイダル形状のコールドミラー1401で集光させて、液体ライトガイド102に入射させることを特徴とする。トロイダル形状のコールドミラー1401を用いることで、トロイダルミラーとコールドミラーの２つの光学素子を１つにすることができるため、装置を簡便にする効果がある。コールドミラー1401の透過率波長特性を拡大図で示す。上記波長特性は、4種蛍光体の励起波長のみを反射させる特性である。すなわち、透過率は、300−400nmにおいて90%以上、653-1250nmにおいて90%以上、850-2500nmにおいて80%以上、454 - 643 nmにおいて2%以下である。上記透過率特性を満たさなくても、本実施例の効果は失われない。
【００３０】
以上、本発明の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の
範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解される。各
実施例を適宜組み合わせることも、本発明の範囲である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１    ランプ筐体
１０２    液体ライトガイド
１０３    クリティカル照明系
１０４    キセノンランプ
１０５、１３０２    コールドミラー
１０６、１０７  コンデンサレンズ
１０８    フィルタキューブ
１０９    対物レンズ
１１０    保持部
１１０a    保持部溝
１１０b    保持部蓋
１１０c    放熱シート
１１１    ファン
１１２    ランプ電源
１１３    ダイクロイックミラー
１１４    平滑基板
１１５、１１９a、１１９b、１１９c、１１９d、２０１、６０１、８０１、９０１    通気孔
１１６    二次元センサ
１１７    電極部
１１８    放射面鏡
１２０    バンドパスフィルタ
１２１    結像レンズ
３０１、５０１、７０１    ガイド部材
３０２    フィン
１２０１    マッチング材
１３０１    トロイダルミラー
１４０１    トロイダル形状のダイクロイックミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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