(57)【要約】【課題】  Ｐ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差を低減し、かつ、蛍光の透過帯域を長波長側まで広げることができるダイクロイックミラー、鉛等の有害物質を有しないエコ硝材により構成可能な蛍光フィルタセットおよびこれを有する顕微鏡装置を提供する。【解決手段】  透明基板１０ａ上に高屈折率層と低屈折率層とを繰り返し積層してなる誘電体多層膜１０ｂを備え、その設計波長をλ０としたとき、該誘電体多層膜１０ｂが、それぞれ１．５λ０／４〜２．５λ０／４の光学膜厚を有する高屈折率層および低屈折率層を５０〜１５０層繰り返して積層した繰り返し層を備え、前記設計波長λ０より短波長側に配される励起光反射帯域Ｂを有するダイクロイックミラー１０を提供する。【選択図】      図２
2006038940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に高屈折率層と低屈折率層とを繰り返し積層してなる誘電体多層膜を備え、
その設計波長をλ０としたとき、
該誘電体多層膜が、それぞれ１．５λ０／４〜２．５λ０／４の光学膜厚を有する高屈折率層および低屈折率層を５０〜１５０層繰り返して積層した繰り返し層を備え、
前記設計波長より短波長側に配される励起光反射帯域を有するダイクロイックミラー。
【請求項２】
第１の波長の励起光を選択的に透過する第１波長選択部材と、
該第１波長選択部材を透過した励起光を入射方向に交差する方向に反射する一方、反射方向から戻る蛍光を透過する請求項１に記載のダイクロイックミラーと、
該ダイクロイックミラーを透過した蛍光を選択的に透過する第２波長選択部材とを備える蛍光フィルタセット。
【請求項３】
光源と、
光源からの励起光を反射する一方、反射方向から戻る蛍光を透過する請求項２に記載の蛍光フィルタセットと、
該蛍光フィルタセットにより反射された励起光を試料に照射する対物光学系と、
該対物光学系および前記蛍光フィルタセットを透過して試料から戻る蛍光を観察する観察光学系とを備える顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイクロイックミラー、蛍光フィルタセットおよび顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイクロイックミラーとしては、例えば、特許文献１〜３に示されるものが知られている。
特許文献１に記載のダイクロイックミラーは、透明な基板に、設計中心波長λ０の１／４の光学膜厚を有する高屈折率膜、中屈折率膜および低屈折率膜を交互に積層した多層膜を備えている。
特許文献２に記載のダイクロイックミラーは、基板に、基準波長λ０の１／４の厚さの光学膜厚を有する高屈折率層と、基準波長λ０の３／４の厚さの光学膜厚を有する低屈折率層とを交互に積層してなる交互層を備えている。
特許文献３に記載のダイクロイックミラーは、基板に、基準波長λ０の１／４と３／４の光学膜厚を有する高屈折率層と、基準波長λ０の１／４と３／４の光学膜厚を有する低屈折率層とを交互に配置してなる交互層を備えている。
【特許文献１】特開平１１−２０２１２７号公報
【特許文献２】特開昭６１−４５２０２号公報
【特許文献３】特開昭６２−２７３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
蛍光観察においては、試料に照射される励起光の波長と、該励起光により励起された試料内の蛍光物質から発生する蛍光の波長が近接しているため、ダイクロイックミラーにおける励起光の反射帯域と蛍光の透過帯域とはできるだけ近接している方が効率がよい。
しかしながら、特許文献１に記載のダイクロイックミラーにおいては、該ダイクロイックミラーが励起光の入射光軸に対して略４５°の角度に配置されると、Ｐ偏光とＳ偏光の分離により透過率特性に比較的大きな段差を生じる不都合がある。
【０００４】
ところが、Ｐ偏光とＳ偏光の分離により透過率特性に大きな段差を生ずると、その段差の形成される帯域幅分だけ、励起光の反射帯域と蛍光の透過帯域とが離れることになる。その結果、試料から発生する微弱な蛍光を効率的に回収するために、透過率特性を短波長側に設定すると、励起光の一部がダイクロイックミラーを透過してしまう一方、励起光を完全に反射するために、透過率特性を長波長側に設定すると、蛍光の一部がダイクロイックミラーによって反射されてしまう不都合が生ずる。
【０００５】
ダイクロイックミラーを励起光の一部が透過してしまう場合には、構造部材等によって散乱した励起光が種々の方向から観察光学系に入射してしまうため、分光特性に角度依存性の少ない色ガラスからなる吸収フィルタを用いて、観察光学系への励起光の入射を遮断する必要が生ずる。しかしながら、色ガラスは、鉛やカドミウム等の有害物質なしでは構成することができないため、地球環境に優しいエコ材料のみで顕微鏡を構成しようとする近年の環境保護の趨勢に反することになる。また、高屈折率膜、中屈折率膜および低屈折率膜の３種類の膜を使用するため、製造が煩雑になるという不都合がある。
【０００６】
また、特許文献２および特許文献３のダイクロイックミラーのように、基準波長λの１／４と３／４の高屈折率層および低屈折率層を交互に積層する場合には、特許文献１のダイクロイックミラーのようなＰ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差を小さくできるが、透過率特性の立ち上がりがなだらかである。また、励起光を反射する波長帯域の反射率も低い。また、蛍光の透過帯域が狭く、長波長の蛍光を回収できず、汎用性に劣る不都合がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差を低減し、かつ、蛍光の透過帯域を長波長側まで広げることができるダイクロイックミラー、鉛等の有害物質を有しないエコ硝材により構成可能な蛍光フィルタセットおよびこれを有する顕微鏡装置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】
【０００８】
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。
本発明は、透明基板上に高屈折率層と低屈折率層とを繰り返し積層してなる誘電体多層膜を備え、その設計波長をλ０としたとき、該誘電体多層膜が、それぞれ１．５λ０／４〜２．５λ０／４の光学膜厚を有する高屈折率層および低屈折率層を５０〜１５０層繰り返して積層した繰り返し層を備え、前記設計波長より短波長側に配される励起光反射帯域を有するダイクロイックミラーを提供する。
【０００９】
本発明によれば、第２高調波以上の高次高調波の反射帯域の帯域幅を拡大して、励起光反射帯域として利用することができる。高次高調波の反射帯域においては、ダイクロイックミラーが励起光の入射光軸に対して傾斜配置されても、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差が少なくて済むので、励起光の反射帯域と蛍光の透過帯域とを近接させることが可能となり、励起光をほぼ完全に反射し、かつ、蛍光を効率よく透過させることができる。また、蛍光の透過帯域も長波長側に広く確保することができ、長波長帯域の蛍光を回収する用途にも広く利用することができる。
【００１０】
また、本発明は、第１の波長の励起光を選択的に透過する第１波長選択部材と、該第１波長選択部材を透過した励起光を入射方向に交差する方向に反射する一方、反射方向から戻る蛍光を透過する上記ダイクロイックミラーと、該ダイクロイックミラーを透過した蛍光を選択的に透過する第２波長選択部材とを備える蛍光フィルタセットを提供する。
【００１１】
本発明によれば、第１の波長選択部材により選択的に透過させられた励起光がダイクロイックミラーに入射されると、入射方向とは交差する方向に反射され、反射方向前方に向けて照射される。反射方向から戻る蛍光は、ダイクロイックミラーに入射されるとこれを透過して、後段に配される第２波長選択部材に入射され、蛍光のみが選択的に透過させられることになる。
【００１２】
この場合において、本発明によれば、ダイクロイックミラーへの励起光の入射角度が比較的大きくなっても、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差が小さいので、励起光をほぼ完全に反射することができる。その結果、第２波長選択部材に対して種々の方向から入射するような励起光はほとんど存在せず、したがって、分光特性に角度依存性のない色ガラスを用いる必要がない。これにより、鉛やカドミウム等の有害物質を含まないエコ硝材のみによって構成することができる。
【００１３】
また、本発明は、光源と、光源からの励起光を反射する一方、反射方向から戻る蛍光を透過する上記蛍光フィルタセットと、該蛍光フィルタセットにより反射された励起光を試料に照射する対物光学系と、該対物光学系および前記蛍光フィルタセットを透過して試料から戻る蛍光を観察する観察光学系とを備える顕微鏡装置を提供する。
【００１４】
本発明によれば、光源から発せられた光が蛍光フィルタセットに入射されると、第１波長選択部材により選択的に透過された励起光がダイクロイックミラーにより反射され、対物光学系により試料に照射される。試料においては、予め注入した蛍光物質あるいは試料内の自家蛍光物質が励起光により励起されて蛍光が発せられる。試料において発生した蛍光は対物光学系を戻って蛍光フィルタセットに入射され、ダイクロイックミラーを透過して、かつ、第２波長選択部材を透過して観察光学系に入射される。
【００１５】
本発明によれば、光源からの励起光がほぼ完全にダイクロイックミラーによって反射されるので、第２波長選択部材に向けて種々の方向から入射するような励起光が存在せず、第２の波長選択部材に色ガラスを用いなくても、観察光学系に入射される励起光をほぼ完全に除去することができる。その結果、有害物質を含有しないエコ硝材のみを用いて顕微鏡装置の硝子部材を構成でき、環境保護に適した顕微鏡装置を構成することができる。また、色ガラスを用いなくても観察光学系に励起光が入射されるのをほぼ完全に遮断することができ、フレア等の発生のない鮮明な観察画像を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るダイクロイックミラーによれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による透過率特性の段差を低減し、かつ、蛍光の透過帯域を長波長側まで広げることができる。また、本発明に係る蛍光フィルタセットおよび顕微鏡装置によれば、観察光学系側に励起光を透過させず、フレア等のノイズの少ない鮮明な観察画像を得ることができという効果を奏する。また、鉛等の有害物質を含まない、いわゆるエコ材料により硝子部材を構成でき、環境保護の観点からも好ましいという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係るダイクロイックミラー、蛍光フィルタセットおよび顕微鏡装置について、図１〜図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡装置１の全体構成を図１に示す。
【００１８】
本実施形態に係る顕微鏡装置１は、図１に示されるように、光源２と、該光源２から発せられた光Ｌ１を効率的に導く照明光学系３と、該照明光学系３を通過した光Ｌ１を入射させ、該光Ｌ１の入射方向に直交する方向に励起光Ｌ２を出射するとともに、励起光Ｌ２の出射方向から戻る蛍光Ｌ３を直線的に透過させる蛍光フィルタセット４と、出射された励起光Ｌ２を試料Ａに集光する対物光学系５と、試料Ａにおいて発生し、対物光学系５および蛍光フィルタセット４を透過した蛍光Ｌ３を観察するための観察光学系６とを備えている。観察光学系６は、結像レンズ７と、例えば、ＣＣＤカメラのような検出装置８とを備えている。
【００１９】
本実施形態に係る蛍光フィルタセット４は、図２に示されるように、光源２から入射された光Ｌ１から所定の波長の励起光Ｌ２のみを透過させる第１の光学フィルタ（第１波長選択部材）９と、該第１の光学フィルタ９を透過した励起光Ｌ２を、その入射方向に直交する方向に反射するように、入射方向に対して４５°の角度をなして配置されたダイクロイックミラー１０と、該ダイクロイックミラー１０を透過した蛍光Ｌ３を選択的に透過させる第２の光学フィルタ（第２波長選択部材）１１とをケース１２内に配置して構成されている。
【００２０】
前記ダイクロイックミラー１０は、平板状の透明基板１０ａ上に高屈折率層と低屈折率層とを繰り返し積層してなる誘電体多層膜１０ｂを備えている。
高屈折率層は、屈折率が２．０以上の高屈折率材料からなる誘電体層である。低屈折率層は、屈折率が１．５以下の低屈折率材料からなる誘電体層である。これら高屈折率層および低屈折率層の光学膜厚は、設計波長λ０に対して、いずれも１．５λ０／４〜２．５λ０／４となるように設定されている。そして、誘電体多層膜１０ｂは、好ましくは、上記高屈折率層および低屈折率層を５０〜１５０層繰り返して積層した繰り返し層を備えている。
ここで、設計波長λ０は、入射角度０°における第１高調波の中心波長である。
【００２１】
また、本実施形態に係るダイクロイックミラー１０は、設計波長λ０よりも短波長側に励起光反射帯域を有している。すなわち、設計波長λ０近傍に配される第１高調波の波長帯域を励起光反射帯域Ｂとして使用するのではなく、設計波長λ０よりも短波長側に出現する第２高調波以上の波長帯域を励起光反射帯域Ｂとして使用するようになっている。
【００２２】
このように構成された本実施形態に係るダイクロイックミラー１０、蛍光フィルタセット４および顕微鏡装置１の作用について、以下に説明する。
従来のダイクロイックミラーにおいては、設計波長λ０近傍に配される第１高調波の波長帯域に出現する透過率特性が略０％となる帯域を励起光反射帯域Ｂとして使用していた。これは、従来のダイクロイックミラーでは、設計波長λ０より短波長側に出現する第２高調波以上の波長帯域における透過率特性が略０％となる帯域が非常に狭く、この波長帯域を励起光反射帯域Ｂとして使用することが全く考えられなかったことをその理由としている。
【００２３】
これに対して、本実施形態に係るダイクロイックミラー１０は、繰り返し層における高屈折率層と低屈折率層の積層数を５０〜１５０層にすることにより、この第２高調波以上の波長帯域における透過率特性が略０％となる波長帯域を十分に広く確保することを可能とし、この帯域の励起光反射帯域Ｂとしての利用を可能とした。
【００２４】
その結果、図３に模式的に示されるような理想的な透過率特性を有するダイクロイックミラー１０が構成された。図３中、比較例１は、高屈折率層および低屈折率層の光学膜厚を、いずれもλ０／４とした例、比較例２、比較例３は、高屈折率層および低屈折率層の光学膜厚を、それぞれ、λ０／４と３×λ０／４とした例である。繰り返し層の積層数はいずれも２０層程度である。
【００２５】
比較例１の場合には、ダイクロイックミラーを励起光Ｌ２の入射光軸に対して４５°傾けて配置することにより生ずるＰ偏光とＳ偏光の分離によって透過率特性に大きな段差が生じ、比較例２、比較例３の場合には、段差はないが、励起光反射帯域Ｂにおける透過率特性が略０％からなだらかに立ち上がり、あるいは、蛍光透過帯域Ｃにおける透過率特性が、なだらかに略１００％に到達する不都合がある。特に、比較例３の場合は、蛍光透過帯域Ｃの透過率が略１００％に到達せず、しかも、長波長側で急速に低下するという不都合も生じている。
【００２６】
これに対して、本実施形態に係るダイクロイックミラー１０は、透過率が略０％の励起光反射帯域Ｂから鋭く立ち上がり、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による段差が小さく、透過率が略１００％の蛍光透過帯域Ｃに急速に到達し、かつ、長波長帯域まで蛍光透過帯域Ｃが長く延びている。
したがって、本実施形態に係るダイクロイックミラー１０によれば、励起光反射帯域Ｂと蛍光透過帯域Ｃとを近接させることができる。励起光Ｌ２の波長帯域とその励起光Ｌ２により発生する蛍光Ｌ３の波長帯域とは近接しているため、励起光反射帯域Ｂと蛍光透過帯域Ｃとを近接させることにより、試料Ａにおいて蛍光Ｌ３を効率的に発生させるような励起光Ｌ２を試料Ａに照射することが可能となる。
【００２７】
そして、このようなダイクロイックミラー１０を用いた本実施形態に係る蛍光フィルタセット４によれば、図４に示されるように、第１の光学フィルタ９により選択する励起光Ｌ２の透過率特性Ｆ１と、第２の光学フィルタ１１により選択する蛍光Ｌ３の透過率特性Ｆ２とを近接して設定することができる。すなわち、ダイクロイックミラー１０の透過率特性Ｆ３が、透過率略０％の励起光反射帯域Ｂから鋭く立ち上がっているので、第１の光学フィルタ９の透過率特性Ｆ１を比較的長波長側に設定しても第１の光学フィルタ９を透過した励起光Ｌ２がダイクロイックミラー１０を透過してしまう不都合を防止できる。
【００２８】
その結果、第１の光学フィルタ９を透過した励起光Ｌ２をほぼ完全にダイクロイックミラー１０によって反射することができる。したがって、励起光Ｌ３はダイクロイックミラー１０を透過しないので、ケース１２内において散乱することもなく、第２の光学フィルタ１１として角度依存性の少ない色ガラスを用いなくても、励起光Ｌ２が第２の光学フィルタ１１を透過しないようにすることができる。
【００２９】
また、ダイクロイックミラー１０の透過率特性Ｆ３が、透過率略１００％の蛍光透過帯域Ｃに急速に到達しているので、第２の光学フィルタ１１の透過率特性Ｆ２を比較的短波長側に設定しても、第２の光学フィルタ１１を透過可能な蛍光Ｌ３の一部が、ダイクロイックミラー１０によって反射されてしまうことを防止して、蛍光Ｌ３を効率的に回収することができる。
また、ダイクロイックミラー１０の透過率特性Ｆ３が、長波長側まで延びる蛍光透過帯域Ｃを備えるので、長波長側の蛍光Ｌ３を回収する用途においても汎用的に利用可能な蛍光フィルタセット４を構成することができる。
【００３０】
さらに、このような蛍光フィルタセット４を備える顕微鏡装置１によれば、第１の光学フィルタ９により選択された励起光Ｌ２がほぼ完全にダイクロイックミラー１０によって反射されるので、観察光学系６側に励起光Ｌ２が漏れることを防止して、ＣＣＤカメラ８により撮像される画像におけるフレア等のノイズの発生を防止することができ、鮮明な蛍光画像を得ることができるという利点がある。また、ダイクロイックミラー１０における励起光反射帯域Ｂと蛍光透過帯域Ｃとを近接させることができたので、ＣＣＤ６に到達する蛍光Ｌ３の光量を増大させて明るい蛍光画像を得ることができるという利点もある。
【００３１】
また、色ガラスを用いないので、鉛やカドミウム等の有害物質を含まない、いわゆるエコ材料のみによって顕微鏡装置１を構成する硝子部材を製造でき、環境保護の観点からも望ましい顕微鏡装置１を構成することができるという利点がある。
【実施例】
【００３２】
［第１の実施例］
表１に、上記実施形態に係るダイクロイックミラー１０の第１の実施例に係る誘電体多層膜１０ｂの光学膜厚を示し、図５に、第１の実施例に係るダイクロイックミラー１０の透過率特性Ｆ３を示す。
【００３３】
【表１】
2006038940.tif 000003
【００３４】
表１および図５は、設計波長としてλ０＝７５５ｎｍを用い、励起光の反射帯域として第３高調波の帯域を使用する場合であり、表１の数字は、各層の光学膜厚をλ０／４の何倍であるかという係数で示している。この係数が１．５〜２．５の範囲の層は、繰り返し層を構成し、それ以外の係数の層は、調整層である。また、数字は、透明基板１０ａ側から並べて示されており、最終の空気に接する層の係数は、他の層の略半分以下に設定することにより、長波長側の高く安定した透過率特性Ｆ３の達成を可能にしている。
また、表１中符号Ｈは高屈折率層、符号Ｌは低屈折率層を示している。
【００３５】
［第２の実施例］
図６は、設計波長としてλ０＝８５７ｎｍを用い、励起光の反射帯域として第３高調波の帯域を使用する場合である。
各屈折率層の光学膜厚を示す係数は、表１の係数と同一である。光学膜厚は、設計波長λ０の値が異なるために、第１の実施例とは相違している。
【００３６】
［第３の実施例］
図７は、設計波長としてλ０＝８４０ｎｍを用い、励起光の反射帯域として第３高調波の帯域を使用する場合である。
各屈折率層の光学膜圧を示す係数は、表１の係数と同一である。光学膜厚は、設計波長λ０の値が異なるので、第１、第２の実施例とは相違している。
【００３７】
［第４の実施例］
表２および図８は、設計波長としてλ０＝５５５ｎｍを用い、励起光の反射帯域として第３高調波の帯域を使用する場合である。
【００３８】
【表２】
2006038940.tif 000004
【００３９】
［第５の実施例］
図９は、設計波長としてλ０＝４８５ｎｍの場合である。
各屈折率層の光学膜圧を示す係数は、表２の係数と同じである。光学膜厚は、設計波長λ０の値が異なるので、第４の実施例とは相違している。
【００４０】
これらの実施例によれば、透過率が略０％の励起光反射帯域Ｂから、透過率が略１００％の蛍光透過帯域Ｃまで鋭く立ち上がって急速に到達し、かつ、Ｐ偏光とＳ偏光の分離による段差が極めて小さく、しかも、比較的長波長帯域まで蛍光透過帯域Ｃが延びているという理想的な透過率特性Ｆ３を有するダイクロイックミラー１０が構成されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る蛍光顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】図１の蛍光顕微鏡に使用される本発明の一実施形態に係る蛍光フィルタセットの構成を示す図である。
【図３】図２の蛍光フィルタセットに使用される本発明の一実施形態に係るダイクロイックミラーの透過率特性を、従来のダイクロイックミラーの透過率特性と対比して模式的に示す図である。
【図４】図２の蛍光フィルタセットを構成する第１、第２の光学フィルタおよびダイクロイックミラーの透過率特性を重ねて模式的に示す図である。
【図５】第１の実施例に係る図３のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。
【図６】第２の実施例に係る図３のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。
【図７】第３の実施例に係る図３のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。
【図８】第４の実施例に係る図３のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。
【図９】第５の実施例に係る図３のダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
２  光源
４  蛍光フィルタセット
５  対物光学系
６  観察光学系
９  第１の光学フィルタ（第１波長選択部材）
１０  ダイクロイックミラー
１０ａ  透明基板
１０ｂ  誘電体多層膜
１１  第２の光学フィルタ（第２波長選択部材）
Ａ  試料
λ０  設計波長
Ｌ２  励起光
Ｌ３  蛍光
【図１】
2006038940.tif 000005
【図２】
2006038940.tif 000006
【図３】
2006038940.tif 000007
【図４】
2006038940.tif 000008
【図５】
2006038940.tif 000009
【図６】
2006038940.tif 000010
【図７】
2006038940.tif 000011
【図８】
2006038940.tif 000012
【図９】
2006038940.tif 000013