(57)【要約】      （修正有）【課題】均一な強度分布を有した照明光を形成することができる多点共焦点顕微鏡を提供する【解決手段】多点共焦点顕微鏡１００は、光源１と、入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本Ｓへ照射する多点照明光学系１２と、光源１が出力する光を多点照明光学系１２へ導光するとともに、多点照明光学系１２が光を分割する分割面において光束内で均一な強度分布とされた光を形成するマイクロレンズアレイ４と、を備え、マイクロレンズアレイ４は光を重ねて均一な強度分布とされた光を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本へ照射する多点照明光学系と、
前記光源が出力する光を分割して前記多点照明光学系へ導光するとともに、分割した前記光源が出力する光を重ねることで、前記多点照明光学系が光を分割する分割面において光束内で均一な強度分布とされた光を形成する光均一化手段と、を備える
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記光均一化手段は、マイクロレンズアレイを含み、該マイクロレンズアレイを介した光を重ねる
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項３】
請求項２に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記マイクロレンズアレイは、レンズ直径及び面頂位置がアレイ内のレンズ毎に異なるエンジニアードマイクロレンズディフューザーである
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記光均一化手段は、ファイババンドルを含み、前記ファイババンドルを介した光を重ねる
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記光均一化手段は、前記ファイババンドルの出射端に配置されるマイクロレンズアレイを含む
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項６】
請求項４に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記光均一化手段は、前記ファイババンドルの出射端の投影面に配置されるマイクロレンズアレイを含む
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の多点共焦点顕微鏡において、
さらに、レーザ光を出力するレーザ光源を備え、
前記ファイババンドルの各ファイバの長さは互いに異なり、前記各ファイバ間での前記レーザ光のコヒーレンスを抑えるような長さである
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項８】
請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記光源は、白色光源である
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項９】
請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記多点照明光学系は、前記均一な強度分布とされた光を前記分割面において分割し、後段の光学系へ導光するマイクロレンズアレイを含み、
前記光均一化手段に含まれる前記マイクロレンズアレイのNAは、前記多点照明光学系に含まれる前記マイクロレンズアレイのNAよりも小さい
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項１０】
光源と、
入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本へ照射する多点照明光学系と、
前記光源が出力する光を前記多点照明光学系へ導光するとともに、前記多点照明光学系が光を分割する分割面において光束内で均一な強度分布とされた光を形成する拡散板と、を備える
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の多点共焦点顕微鏡において、
前記均一な強度分布とされた光の前記分割面における断面形状は、矩形または円形である
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の多点共焦点顕微鏡において、
さらに、前記標本からの光を検出する光検出器を備え、
前記均一な強度分布とされた光は、前記分割面において、前記光検出器の受光面積に応じて決定される断面積を有する
ことを特徴とする多点共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
多点照明により観察を行う多点共焦点顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点顕微鏡は、標本からの光を対物レンズの焦点面と共役な面に配置されたピンホールを介して検出することで、標本中の上記焦点面以外から光が検出されることを防ぎ、鮮明な２次元画像を得ることができる。また、多数のピンホールを有するディスクを回転させることで光の走査を行うディスク走査型顕微鏡等の多点共焦点顕微鏡が知られており、多点共焦点顕微鏡によれば、複数の照明光を一度に標本へ照射することで画像取得にかかる時間を大幅に短縮することができる。
【０００３】
一方、多点共焦点顕微鏡では、１つのピンホールの共焦点顕微鏡が光源からの照明光を標本上の一点に集束させ、これを走査するのと異なり、照明光を２次元の面に広げて複数の焦点を作るため、照明光の強度分布がそのまま観察像の強度分布となってしまう。従って、多点共焦点顕微鏡が照射する複数の照明光の強度分布が不均一であると、観察像の明るさがばらつくため観察に支障が生じる。そのような問題を回避するべく、照明光束内で均一な強度分布を有した照明光を標本へ照射することができる構成が望まれる。
【０００４】
多点共焦点顕微鏡で均一な照明を行う技術としては、例えば下記特許文献１−５が挙げられる。
【０００５】
特許文献１は、曲面形状のミラーを用いて照明の均一化を実行している。
【０００６】
特許文献２では、複数のレンズを用いて照明の均一化を実行している。
【０００７】
特許文献３では、マルチモードファイバの出射端面の光をマイクロレンズアレイへ投影し、照明の均一化を実行している。
【０００８】
特許文献４では、マルチモードファイバとケーラー照明を用いて照明の均一化を実行している。
【０００９】
特許文献５では、非球面レンズや回折格子を用いて照明の均一化を実行している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７２７０４３１号明細書
【特許文献２】特許第５３３９０９８号公報
【特許文献３】米国特許第８６７０１７８号明細書
【特許文献４】米国特許第８２７５２２６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１６／２３１５５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明では、多点共焦点顕微鏡において、照明光束内で均一な強度分布を有した照明光を形成することができる多点共焦点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】
【００１２】
本発明の一態様における多点共焦点顕微鏡は、光源と、入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本へ照射する多点照明光学系と、前記光源が出力する光を分割して前記多点照明光学系へ導光するとともに、分割した前記光源が出力する光を重ねることで、前記多点照明光学系が光を分割する分割面において光束内で均一な強度分布とされた光を形成する光均一化手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに別の態様における多点共焦点顕微鏡は、光源と、入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本へ照射する多点照明光学系と、前記光源が出力する光を前記多点照明光学系へ導光するとともに、前記多点照明光学系が光を分割する分割面において光束内で均一な強度分布とされた光を形成する拡散板と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の多点共焦点顕微鏡によれば、照明光束内で均一な強度分布を有した照明光を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態における多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図２】第１の実施形態の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図３】第１の実施形態の別の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図４】第１の実施形態のさらに別の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図５】第１の実施形態のさらに別の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図６】第２の実施形態における多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図７】第２の実施形態の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図８】第２の実施形態の別の変形例である多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図９】第３の実施形態における多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【図１０】第４の実施形態における多点共焦点顕微鏡の構成を示す
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、第１の実施形態における多点共焦点顕微鏡１００について説明する。図１は、多点共焦点顕微鏡１００の構成を示す。多点共焦点顕微鏡１００は、光源１、レンズ２、３、マイクロレンズアレイ４、マイクロレンズアレイディスク５、ピンホールアレイディスク６、レンズ７、対物レンズ８、結像レンズ９、光検出器１０を備えている。
【００１７】
光源１は、例えばレーザ光源であり、標本Ｓを照明するための光を出力する。
【００１８】
マイクロレンズアレイ４は、複数のマイクロレンズが連なって配置されたマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ４は、光源１からの光を分割してマイクロレンズアレイディスク５へ導光する。
【００１９】
マイクロレンズアレイディスク５は、複数の孔が形成されたディスクであり、その各孔にはマイクロレンズが配置されている。即ちマイクロレンズアレイディスク５は、マイクロレンズアレイ４と同様の複数のマイクロレンズが連なって配置されたディスクであり、配置されたマイクロレンズを介して入射光を複数の光に分割して、後段の光学系へ導光する。
【００２０】
ピンホールアレイディスク６は、マイクロレンズアレイディスク５の各マイクロレンズの集光位置であり、対物レンズ８の焦点面と共役な面にピンホールが形成されたディスクである。ピンホールアレイディスク６を介した複数の光は、レンズ７、対物レンズ８を介して標本Ｓへ照射され、多点照明が行われる。尚、入射した光を複数の光に分割し、該複数の光を標本Ｓへ照射することで多点照明を行うマイクロレンズアレイディスク５、ピンホールアレイディスク６、レンズ７、対物レンズ８を含む構成を多点照明光学系１２とも表記する。
【００２１】
マイクロレンズアレイディスク５、ピンホールアレイディスク６は、不図示の駆動モータ等により連動して回転させることで、対物レンズ８の瞳面へ投影する複数の光の分布を変更し、標本Ｓへの集光位置を同平面上で変更する。従って、マイクロレンズアレイディスク５、ピンホールアレイディスク６は、標本Ｓ上で照明光である複数の光の走査を行う走査手段として機能する。
【００２２】
標本Ｓから生じる光は、ビームスプリッタ１１を反射し、結像レンズ９を介して、光検出器１０で検出される。光検出器１０は、二次元アレイをもつＣＣＤ等の撮像素子である。
【００２３】
以下、マイクロレンズアレイ４の配置及び作用について具体的に記載する。
【００２４】
光源１からの光はガウシアンビームであるため、その光束断面中で強度分布に差異が生じる。従って、光源１からの光を受けたマイクロレンズアレイ４の各マイクロレンズは、マイクロレンズ毎に強度の異なった光を出射することになる。一方で、互いのマイクロレンズが近接して配置されるマイクロレンズアレイ４では、異なるマイクロレンズから出射された光は集光後拡散し、光軸方向にある程度光が進むと、出射された光が互いに重なり合う。このように、マイクロレンズアレイ４から光軸方向にある一定以上離れた距離において、複数のマイクロレンズから出射された光が互いに重なり合うため、光束内での強度分布の均一性を確保することができる。
【００２５】
マイクロレンズアレイ４は、マイクロレンズアレイディスク５の入射面、即ちマイクロレンズアレイディスク５が入射光を複数の光に分割する分割面において、光束内で均一な強度分布とされた光を形成するように、マイクロレンズアレイディスク５との相対的な距離が調整されて配置される。尚、上記分割面において、均一な強度分布とされた光を形成する構成を光均一化手段とも表記する。第１の実施形態では、光均一化手段は、マイクロレンズアレイ４のみを含むが、この構成に限られない。光均一化手段の他の構成例については後述する実施形態で説明する。
【００２６】
以上の構成を有することで、多点照明光学系１２では、マイクロレンズアレイディスク５が入射光を複数の光に分割する分割面に、光束内で均一な強度分布とされた光が入射する。従って、マイクロレンズアレイディスク５を介して出射される複数の光は、その光束内で均一であり、多点照明光学系１２によって照明光束内で均一な強度分布を有する照明光による多点照明を実施することができる。
【００２７】
また、マイクロレンズアレイ４は、レンズ直径及び面頂位置がアレイ内のレンズ毎に異なるエンジニアードマイクロレンズディフューザーであってもよい。レンズ直径及び面頂位置が異なるマイクロレンズを配置する構成では、マイクロレンズを互いに隙間無く配置することができ、光源１からの光をより損失無く後段の光学系へ導光することができる。
【００２８】
また、マイクロレンズアレイ４のNAが、マイクロレンズアレイディスク５に含まれるマイクロレンズアレイのNAよりも小さくなるように調整されるとよい。マイクロレンズアレイ４のNAがマイクロレンズアレイディスク５に含まれるマイクロレンズアレイのNAよりも大きくなってしまうと、後段のピンホールアレイディスク６へ光を十分に集光できず光損失の原因となるためである。
【００２９】
また、マイクロレンズアレイディスク５の入射面（分割面）において形成される均一な強度分布とされた光の断面形状は、矩形でもよく円形であっても構わない。また、分割面において形成される均一な強度分布とされた光の断面積は、光検出器１０の受光面積に応じて決められるとよい。より詳しくは、受光する撮像素子の受光面のサイズに合わせた大きさの光束がマイクロレンズアレイディスク５の入射面に形成されるとよい。観察に際し必要以上に広い光束、または狭い光束がマイクロレンズアレイディスク５に照射されると光損失や光量不足が発生するため、上記のようにマイクロレンズアレイディスク５の入射面に形成される光束の大きさは、適宜調整されることが望ましい。
【００３０】
以下、第１の実施形態の変形例である多点共焦点顕微鏡２００について説明する。図２に示されるように、多点共焦点顕微鏡２００は、スペックル低減素子２１を備えている点で多点共焦点顕微鏡１００と異なるが、それ以外の構成は同様である。
【００３１】
スペックル低減素子２１は、入射した光のコヒーレンスを低下させ、スペックルノイズの発生を抑制する。従って、スペックル低減素子２１をさらに有することで、マイクロレンズアレイ４から射出された光が重なり、均一な強度分布とされた光が形成されるマイクロレンズアレイディスク５の入射面においてスペックルの発生を抑制することができ、スペックルの発生によって生じる強度分布の不均一性を軽減することができる。
【００３２】
以下、第１の実施形態の別の変形例である多点共焦点顕微鏡３００について説明する。図３は、多点共焦点顕微鏡３００の構成を示す。多点共焦点顕微鏡３００は、多点照明光学系１２の代わりに多点照明光学系３０を備えている点で多点共焦点顕微鏡１００と異なるが、それ以外の構成は同様である。
【００３３】
多点照明光学系３０は、マイクロレンズアレイ３１、ビームスプリッタ３２、二次元スキャナ３３、レンズ３４、対物レンズ３５、ミラー３６、ピンホールアレイ３７、光検出器３８を備えている。
【００３４】
多点共焦点顕微鏡１００のマイクロレンズアレイディスク５と同様に、マイクロレンズアレイ３１の光の入射面（分割面）には、マイクロレンズアレイ４が均一な強度分布とされた光が形成されるように、マイクロレンズアレイ３１とマイクロレンズアレイ４が配置される。マイクロレンズアレイ３１を出射して分割された複数の光は、二次元スキャナ３３へ入射する。
【００３５】
二次元スキャナ３３は、対物レンズ３５の瞳共役な面に配置され、入射した複数の光を反射する角度を変更することで、標本Ｓ上での複数の光の照射位置を照射平面上で変更する。即ち、二次元スキャナ３３は、マイクロレンズアレイディスク５、ピンホールアレイディスク６のように標本Ｓ上で複数の光を走査する手段として機能する。
【００３６】
標本Ｓからの光は同様の光路をたどり、一部がビームスプリッタ３２を反射してミラー３６を介し、ピンホールアレイ３７へ入射する。
【００３７】
ピンホールアレイ３７は、対物レンズ３５の焦点面と共役な面上に複数のピンホールが配置されている。即ち、ピンホールアレイ３７は合焦した光のみを光検出器３８へ導光する点で、多点共焦点顕微鏡１００のピンホールアレイディスク６と同様の機能を有する。
【００３８】
以上のように、多点照明を行う多点照明光学系は、スピニングディスク式の構成に限らず、本構成のように二次元スキャナを搭載しているものであってもよい。また、ピンホールアレイ３７と光検出器３８の間に二次元スキャナを設けていてもよい。そのような構成によれば、二次元スキャナにより光検出器３８へ入射する光の位置を変更することができるため、光を取り込んだ後に共焦点顕微鏡において実行される画像構築処理が不要となる。
【００３９】
以下、第１の実施形態のさらに別の変形例である多点共焦点顕微鏡４００について説明する。図４は、多点共焦点顕微鏡４００の構成を示す。多点共焦点顕微鏡４００は、マイクロレンズアレイ４の後段にレンズ４１を備えている点で多点共焦点顕微鏡１００と異なるが、それ以外の構成は同様である。尚、多点共焦点顕微鏡４００は、マイクロレンズアレイ４、レンズ４１の後段に上記記載した多点照明光学系１２、３０のいずれを有していても構わない。
【００４０】
レンズ４１は、マイクロレンズアレイ４の各マイクロレンズアレイから射出された光を収束光とし、多点照明光学系１２（または多点照明光学系３０）における分割面にてそれらの光を重ねて強度分布が均一とされた光を形成する。このように、光均一化手段は、マイクロレンズアレイ４だけでなくレンズ４１を有する構成としてもよい。レンズ４１をさらに有することで、マイクロレンズアレイ４と多点照明光学系１２の分割面との間の距離を調整する際の調整幅を増やすことができ、配置の自由度が増す。
【００４１】
また、上記変形例に係る多点共焦点顕微鏡４００では、マイクロレンズアレイ４の後段に一枚のレンズ４１を加えたが、図５に示す多点共焦点顕微鏡５００の構成のように、レンズ群５４（レンズ５１、５２、５３）を有する構成としてもよい。
【００４２】
レンズ群５４（レンズ５１、５２、５３）は、多点照明光学系１２（多点照明光学系３０）の分割面にケーラー照明を行うように配置される。このような構成としても分割面で強度分布が均一とされた光を形成することができる。また、分割面と共役な位置に視野絞りを置くことで明るさの調整を行ってもよい。
【００４３】
以下、第２の実施形態における多点共焦点顕微鏡６００について説明する。図６は、多点共焦点顕微鏡６００の構成を示す。多点共焦点顕微鏡６００は、光源１、ファイババンドル６１、レンズ６２、６３、多点照明光学系１２（または多点照明光学系３０）を備える。
【００４４】
ファイババンドル６１は、複数のファイバからなるファイババンドルであり、光源１から出力された光は、ファイババンドル６１の各ファイバへ入射しレンズ６２へ向けて出射される。レンズ６２、６３は、多点照明光学系１２（または多点照明光学系３０）の分割面において、ファイババンドル６１の各ファイバを介した光を互いに重なることで、第１の実施形態と同様に光束内で強度分布が均一化された光を形成する。即ち、ファイババンドル６１、レンズ６２、６３が光均一化手段として機能する。尚、各ファイバの出射端面の光が多点照明光学系１２（または多点照明光学系３０）の分割面へ投影される構成であることが望ましい。
【００４５】
また、光源１としてレーザ光源を用いる場合、ファイババンドル６１は、各ファイバの長さが互いに異なるような状態であることが望ましい。より詳しくは、各ファイバ間でのレーザ光のコヒーレンスを抑えるように、ファイバの長さを調整するとよい。ファイババンドル６１のファイバの長さを上記のように調整することで、レーザ光によるスペックルノイズが投影面上で生じてしまうことを抑制することができる。
【００４６】
以下、第２の実施形態の変形例である多点共焦点顕微鏡７００について説明する。図７は、第２の実施形態の変形例に係る多点共焦点顕微鏡７００の構成を示す。
【００４７】
多点共焦点顕微鏡７００は、ファイババンドル６１の出射端にマイクロレンズアレイ７１が配置されている。より詳しくは、ファイババンドル６１の各ファイバの出射端面からの光がマイクロレンズアレイ７１の各マイクロレンズに入射するようにマイクロレンズアレイ７１が配置される。
【００４８】
第１の実施形態で説明したように、マイクロレンズアレイディスク５へ入射する光の拡散角は、マイクロレンズアレイディスク５に含まれるマイクロレンズアレイの出射側の光の収束角よりも小さいことが好ましい。本変形例の構成によれば、ファイババンドル６１から出射される光がマイクロレンズアレイ７１を介することで拡散角を抑え、マイクロレンズアレイディスク５へ入射する光の拡散角を低減させやすくなる。即ち、本変形例では、ファイババンドル６１、マイクロレンズアレイ７１、レンズ６２、６３が光均一化手段として機能する。
【００４９】
また、図８の多点共焦点顕微鏡８００の構成に示されるように、ファイババンドル６１の出射端の投影面にマイクロレンズアレイを配置した構成としても同様の効果を奏する。この場合には、レンズ６３から出射される光の拡散角を低減する。即ち、この場合では、ファイババンドル６１、レンズ６２、６３、マイクロレンズアレイ８１が光均一化手段として機能する。
【００５０】
以下、第３の実施形態における多点共焦点顕微鏡９００について説明する。図９は、多点共焦点顕微鏡９００の構成を示す。
【００５１】
多点共焦点顕微鏡９００は、光源１がレーザ光源でなく白色光源９１である場合の構成例である。ファイババンドル６１、レンズ６２、６３は、第２の実施形態で示した構成と等しく、多点照明光学系９０は、マイクロレンズアレイディスク５を有さない点で多点照明光学系１２と異なる。
【００５２】
面光源である白色光源９１を用いる場合であっても、複数のファイバからなるファイババンドル６１により後段の光学系へ導光する構成では入射面の面積が大きく、白色光源９１とファイババンドル６１間での接続損失が少ない。そのため、照明光として白色光を用いる場合において、光均一化手段としてファイババンドル６１を含む構成を用いることで光量損失を抑えることが可能である。
【００５３】
以下、第４の実施形態における多点共焦点顕微鏡１０００について説明する。図１０は、多点共焦点顕微鏡１０００の構成を示す。
【００５４】
多点共焦点顕微鏡１０００は、光均一化手段としてマイクロレンズアレイ４の代わりに拡散板１００１を配置している点で第１の実施形態の多点共焦点顕微鏡１００と異なるが、それ以外の構成は同様である。
【００５５】
拡散板１００１は、光源１から出力される光を均一に拡散し、マイクロレンズアレイディスク５の入射面（分割面）上に強度分布が均一とされた光を導光する。このように、マイクロレンズアレイ４やファイババンドル６１のほかに拡散板１００１を用いることでも均一な光により標本Ｓに対し多点照明を実行することができる。
【００５６】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述した多点共焦点顕微鏡は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、
７００、８００、９００、１０００                    多点共焦点顕微鏡
１、９１                                        光源
２、３、７、３４、５１、５２、５３、６２、６３  レンズ
４、３１、７１、８１                          マイクロレンズアレイ
５                                            マイクロレンズアレイディスク
６                                            ピンホールアレイディスク
８、３５                                      対物レンズ
９                                            結像レンズ
１０                                          光検出器
２１                                          スペックル低減素子
３２                                          ビームスプリッタ
３３                                          二次元スキャナ
３６                                          ミラー
３７                                          ピンホールアレイ
３８                                          光検出器
６１                                          ファイババンドル
１００１                                      拡散板
【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】
2019056734.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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