(57)【要約】【課題】標本と対物光学系との相対距離を変化させることなく、標本のＺ方向の走査を可能とする蛍光顕微鏡を提供することを目的とする。【解決手段】蛍光顕微鏡において、前記波長分離素子と走査ユニットとの間に配置され、前記波長分離素子からの光束を偏向する固定ミラーと、偏向された光束をさらに所定方向に偏向する可動ミラーと、該可動ミラーにより偏向された光束を集光し、前記可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生させる集光光学系と、該集光光学系において集光された光束を反射する反射ミラーとを備え、前記集光光学系の前側焦点位置に配置された前記可動ミラーから入射された平行光束を前記可動ミラーの回転角に応じた集束光束または発散光束の反射光に変換する光学系により、標本と対物光学系との相対距離を変化させることなく、標本のＺ方向の走査を可能とする蛍光顕微鏡を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光を反射し、標本から戻ってきた光を透過する波長分離素子と、該波長分離素子で反射された光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと、前記波長分離素子を透過した光を検出する検出手段とを有する蛍光顕微鏡であって、前記波長分離素子と走査ユニットとの間に配置され、前記波長分離素子からの光束を偏向する固定ミラーと、該固定ミラーにより偏向された光束をさらに所定方向に偏向する可動ミラーと、該可動ミラーにより偏向された光束を集光し、前記可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生させる集光光学系と、該集光光学系の前側焦点位置に配置された反射ミラーとを備えた蛍光顕微鏡。
【請求項２】
光源と、該光源からの光を反射し、標本から戻ってきた光を透過する波長分離素子と、該波長分離素子で反射された光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと、前記波長分離素子を透過した光を検出する検出手段とを有する蛍光顕微鏡であって、前記波長分離素子と走査ユニットとの間に配置され、前記波長分離素子からの光束を偏向する固定ミラーと、該固定ミラーにより偏向された光束をさらに所定方向に偏向する可動ミラーと、該可動ミラーにより偏向された光束を集光する集光光学系と、該集光光学系の前側焦点位置に配置され、前記可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生する反射ミラーとを備えた蛍光顕微鏡。
【請求項３】
前記集光光学系の像面湾曲収差量が、入射する光束の入射角ごとに異なる請求項１に記載された蛍光顕微鏡。
【請求項４】
前記反射ミラーは平面ミラーである請求項１に記載された蛍光顕微鏡。
【請求項５】
前記反射ミラーの像面湾曲収差量が、入射する光束の入射角ごとに異なる請求項２に記載された蛍光顕微鏡。
【請求項６】
前記反射ミラーで発生する像面湾曲量は、前記集光光学系で発生する像面湾曲量に比べて小さい請求項２に記載された蛍光顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛍光顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、用いられている蛍光顕微鏡は、図５に示すように、レーザ光源１と、波長分離素子２と、可動ミラー３と、瞳投影光学系４と、対物光学系５と、標本６と、結像レンズ７と、共焦点ピンホール８と、光電検出素子９とから構成されている。レーザ光源1から発せられたレーザ光は、波長分離素子２によって反射され、可動ミラー３でＸＹ方向に偏向された後、瞳投影光学系４、対物光学系５を介して、標本６にスポット状に照射される。
【０００３】
この照射により励起された標本６は、所定波長の蛍光を反射光として発する。この蛍光は対物光学系５から瞳投影光学系４を介して、波長分離素子２までの経路を戻り、波長分離素子２を透過してレーザ光と分離される。波長分離素子２を透過した蛍光は、結像光学系７によって集光されて共焦点ピンホール８を通過する。共焦点ピンホール８を通過した蛍光は、光電検出素子９で検出される。なお、標本のＸＹ走査は、可動ミラー３により光線をＸＹ方向に偏向することにより行われる。
【０００４】
ＸＹ走査については、上記の通りであるが、従来の顕微鏡において、標本のＺ方向の走査を行う場合には、対物光学系５を固定した状態で、標本６を上下に動かす方法が用いられていた。また別の方法として、標本６を固定した状態で、対物光学系５を上下に動かす方法、すなわち、標本６と対物光学系５のいずれかをＺ方向に動かして、相対距離を変化させることによって標本のＺ方向の走査を行っていた。
【０００５】
また、標本６及び対物光学系５を移動せずにＺ方向の走査を行う手段として、光学的に焦点位置を移動する手段がある。例えば、標本６と共役な１次像、又は２次像に対して、光学系を光軸方向に相対的に移動させることによって、対物光学系５の標本６側の結像位置を変化させる方法がある。また、形状が可変なミラーを用いて、可動ミラー３に入射する光線を発散もしくは集束させることにより、対物光学系の標本側の結像位置を変化させる方法があった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１０１９４２号公報（第３−第６頁、第６図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、標本６又は対物光学系５のいずれかを動かすことにより相対的な距離を変えてＺ方向の走査を行う方法では、近年さかんに行われているような標本６に電極を取り付け刺激等を与えて観察を行うような場合には、以下のような問題があった。すなわち、こうした観察方法においては、標本６に対して微細な電極を固定する必要があるが、標本６を移動させると、その電極が標本６から外れてしまい、十分な観察が行えない。また、標本６や対物光学系５を液体に浸して観察する場合も多く、このときに、対物光学系５を移動させてしまうと、標本６に振動が伝わり、正確な測定が出来なくなるといった問題である。
【０００８】
また、電極を標本６に取り付けて観察する場合以外でも、標本６又は対物光学系５のいずれかを動かすことにより相対的な距離を変えてＺ方向の走査を行う方法では、標本６を移動させる際に、移動機構の熱的微動により長時間の測定を行うと、標本６の位置ズレが生じてしまうとか、移動機構の重量の問題で、高速なＺ方向の走査が行えない等の問題も生じる。
【０００９】
また、先に述べた光学的に焦点位置を移動する手段においては、標本６と対物光学系５が固定されているため、上記のような問題は発生しないが、例えば、光学系を光軸方向に移動させる移動機構の公差等により光軸の偏心や角度ズレが発生しやすく、こうした光軸のズレにより、ＸＹ方向の走査位置のズレが同時に生じるという問題があった。また、可変形状ミラーにより光束を発散又は集光させる場合においても、可変形状ミラーの形状を正確にコントロールすることは、困難であるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、標本と対物光学系との相対距離を変化させることなく、標本のＺ方向の走査を可能とする蛍光顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、光源と、該光源からの光を反射し、標本から戻ってきた光を透過する波長分離素子と、該波長分離素子で反射された光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと、前記波長分離素子を透過した光を検出する検出手段とを有する蛍光顕微鏡であって、前記波長分離素子と走査ユニットとの間に配置され、前記波長分離素子からの光束を偏向する固定ミラーと、該固定ミラーにより偏向された光束をさらに所定方向に偏向する可動ミラーと、該可動ミラーにより偏向された光束を集光し、前記可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生させる集光光学系と、該集光光学系の前側焦点位置に配置された反射ミラーとを備えた蛍光顕微鏡を提案している。
【００１２】
可動ミラーが集光光学系の前側焦点位置に配置されている場合、集光光学系に像面湾曲収差が存在しなければ、光束は可動ミラーの回転角に関係なく所定の平面上（焦点面）に集光する。しかし、本発明では、集光光学系が、所定の像面湾曲収差を持っている。この集光光学系が、集光した光束に可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生させるため、光軸から離れた位置では所定の平面上に集光しない。この結果、反射ミラーで反射される光束には、可動ミラーの回転角に応じた所定の収差が含まれる。すなわち、集光光学系で集光された光束は、反射ミラーに入射した時とは異なる状態の収束光束または発散光束に変換されて反射ミラーから射出する。したがって、これを標本に集光すれば、可動ミラーの回転角に応じて、標本に集光した光をＺ方向に走査することができる。また、標本に集光される光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと同時に使用することにより、標本に集光した光をＸＹＺの３次元に走査することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、光源と、該光源からの光を反射し、標本から戻ってきた光を透過する波長分離素子と、該波長分離素子で反射された光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと、前記波長分離素子を透過した光を検出する検出手段とを有する蛍光顕微鏡であって、前記波長分離素子と走査ユニットとの間に配置され、前記波長分離素子からの光束を偏向する固定ミラーと、該固定ミラーにより偏向された光束をさらに所定方向に偏向する可動ミラーと、該可動ミラーにより偏向された光束を集光する集光光学系と、該集光光学系の前側焦点位置に配置され、前記可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生する反射ミラーとを備えた蛍光顕微鏡を提案している。
【００１４】
前述のように、可動ミラーが集光光学系の前側焦点位置に配置されている場合、集光光学系に像面湾曲収差が存在しなければ、光束は可動ミラーの回転角に関係なく所定の平面上（焦点面）で集光する。本発明では、集光光学系で発生する像面湾曲収差の量は極めて少ない。よって、集光光学系で集された光は、可動ミラーの回転角に関係なく所定の平面上に集光する。しかし、本発明では、反射ミラーが、所定の像面湾曲収差をもっている。この反射ミラーが、集光光学系において集光した光束を反射する際に、可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を発生させる。そのため、反射ミラーで反射される光束に、可動ミラーの回転角に応じた所定の収差が含まれる。すなわち、集光光学系で集光された光束は反射ミラーに入射した時とは異なる状態の収束光束または発散光束に変換されて反射ミラーから射出する。したがって、これを標本に集光すれば、可動ミラーの回転角に応じて、標本に集光した光をＺ方向に走査することができる。また、標本に集光される光をＸＹ方向に走査する走査ユニットと同時に使用することにより、標本に集光した光をＸＹＺの３次元に走査することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載された蛍光顕微鏡について、前記集光光学系の像面湾曲収差量が、入射する光束の入射角ごとに異なる光顕微鏡を提案している。
【００１６】
この発明によれば、集光光学系に、入射角ごとに異なる量の像面湾曲収差を発生する特性を持たせているので、集光光学系への入射光束の入射角を可動ミラーにより制御すれば、可動ミラーの回転角に応じて、標本をＺ方向に走査することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載された蛍光顕微鏡について、前記反射ミラーは平面ミラーである蛍光顕微鏡を提案している。
この発明によれば、反射ミラーを平面ミラーとしたことから、シンプルな構成で標本をＺ方向に走査することができる蛍光顕微鏡を実現することができる。
【００１８】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載された蛍光顕微鏡について、前記反射ミラーの像面湾曲収差量が、入射する光束の入射角ごとに異なる蛍光顕微鏡を提案している。
この発明によれば、反射ミラーに、入射角ごとに異なる量の像面湾曲収差を発生する特性を持たせているので、反射ミラーへの入射光束の入射角を可動ミラーにより制御すれば、可動ミラーの回転角に応じて、標本をＺ方向に走査することができる。
【００１９】
請求項６に係る発明は、請求項２に記載された蛍光顕微鏡について、前記反射ミラーで発生する像面湾曲量は、前記集光光学系で発生する像面湾曲量に比べて小さい蛍光顕微鏡を提案している。
この発明によれば、反射ミラーで発生する像面湾曲収差量を集光光学系で発生する像面湾曲量に比べて小さく設定してあるため、反射ミラーで発生する像面湾曲収差が標本のＺ方向走査に関して影響を与えることがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡について図１から図４を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る蛍光顕微鏡は、図１に示すように、従来の蛍光顕微鏡の波長分離素子２と可動ミラー（ＸＹ）３の間に、固定ミラー１０と、可動ミラー（Ｚ）１１と、集光光学系１２と、反射ミラー１３とからなる光学系を配置した構成となっている。
【００２１】
固定ミラー１０は、互いに９０度の角度をもって配置された２つのミラーからなり、一方のミラーは、波長分離素子２で反射された光の光軸に対して、４５度の角度をもって配置され、波長分離素子２からの入射光を可動ミラー（Ｚ）１１に導く。もう一方のミラーは、可動ミラー（Ｚ）１１で反射した光の光軸に対して、４５度の角度をもって配置され、可動ミラー（Ｚ）１１からの入射光を可動ミラー（ＸＹ）３に導く。
【００２２】
可動ミラー（Ｚ）１１は、固定ミラー１０からの入射光および集光光学系１２からの入射光を反射する２つのミラーを備え、図示しない制御手段により、入射する光軸に対して、ＸＹ方向に可動する。なお、可動ミラー（Ｚ）１１は、集光光学系１２の前側焦点位置に配置されており、集光光学系１２および反射ミラー１３に像面湾曲収差がない場合には、反射ミラー１３面上に、像を形成するように構成されている。
【００２３】
集光光学系１２は、可動ミラー（Ｚ）１１の一方のミラーで反射された平行光束を入射して、これを集光する作用を有する。反射ミラー１３は、集光光学系１２からの集光された光束を集光光学系１２に反射する。反射した光束は、集光光学系１２を介して、可動ミラー（Ｚ）１１のもう一方のミラーで反射され、さらに固定ミラー１０で反射されて、可動ミラー（ＸＹ）３に導かれる。
【００２４】
次に、図１および図２を用いて、第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、光の伝播の様子を上から見た図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）を横方向から見た図である。図１（ｂ）に示すように、可動ミラー（Ｚ）１１には、上下に２つのミラーを備えられている。可動ミラー（Ｚ）１１が走査されていない場合、波長分離素子２から可動ミラー（Ｚ）１１に入射した平行光束は、下部のミラーで反射され、集光光学系１２において集光される。集光光学系１２において集光された光は、反射ミラー１３で反射され、反射した光束は、再び集光光学系１２に入射する。集光光学系１２に入射した光は平行光束となって出射され、今度は下部のミラーで反射されて、可動ミラー（ＸＹ）３に導かれていく。
【００２５】
第１の実施形態においては、図１（ａ）に示すように、集光光学系１２が集光する光束に対して、所定の像面湾曲収差を発生する。すなわち、図１（ａ）の右側の太い線が、反射ミラー１３の反射面を示し、細い実線で描かれた曲線が、集光光学系１２で発生する像面湾曲収差を示している。したがって、上述のように、可動ミラー（Ｚ）１１から集光光学系１２に入射された平行光束が、再び、平行光束の戻り光として可動ミラー（Ｚ）１１に入射するような、可動ミラー（Ｚ）１１の角度を中立位置として、これをＸＹ方向に回転することにより、戻り光を発散光束あるいは集束光束に変換することができる。
【００２６】
図２を用いて、可動ミラー（Ｚ）１１による光束の発散あるいは集束の様子をみてみると、波長選択素子２から入射した平行光束は、固定ミラー１０によって偏向される。偏向された光束は可動ミラー（Ｚ）１１に入射する。入射した平行光束は、可動ミラー（Ｚ）１１により、所定の方向に偏向されて集光光学系１２に入射する。集光光学系１２は、入射した平行光束を集光するとともに、可動ミラー（Ｚ）１１の偏向方向に応じた像面湾曲収差を集光光束に発生する。
【００２７】
図２（ａ）の場合、集光光学系１２により発生する像面湾曲収差が反射ミラー１３の反射面よりも奥側で像を結ぶような収差となっているため、集光光学系１２からの集光光束は、像を結ぶ手前で反射ミラー１３の反射面により反射することになる。したがって、反射光は発散光束となって、集光光学系１２を伝播し、可動ミラー（Ｚ）１１および固定ミラー１０で反射され、可動ミラー（ＸＹ）３、瞳投影光学系４および対物光学系５を介して、集光光学系１２で発生した収差を含んだまま、標本６に集光される。したがって、この場合には、標本６の本来の結像点よりも奥に像を結ぶため、結像点よりも奥の部分を走査することができる。
【００２８】
一方、図２（ｂ）の場合は、集光光学系１２により発生する像面湾曲収差が反射ミラー１３の反射面よりも手前側で像を結ぶような収差となっているため、集光光学系１２からの集光光束は、像を結んだ後に反射ミラー１３の反射面により反射することになる。したがって、反射光は集束光束となって、集光光学系１２を伝播し、可動ミラー（Ｚ）１１および固定ミラー１０で反射され、可動ミラー（ＸＹ）３、瞳投影光学系４および対物光学系５を介して、集光光学系１２で発生した収差を含んだまま、標本６に集光される。したがって、この場合には、標本６の本来の結像点よりも手前側に像を結ぶため、結像点よりも手前の部分を走査することができる。
【００２９】
次に、図３を用いて、第２の実施形態について説明する。
第２の実施例は、第１の実施例と同様に可動ミラー１１、集光光学系１２、反射ミラー１３とから構成される点において、共通しているが、反射ミラー１３が所定の湾曲湾曲収差を発生する点で相違する。このため、図３（ａ）に示すように、集光光学系１２の像面は平面（図３（ａ）右端の細い実線）であるが、反射ミラー１３は湾曲した面形状を有している（図３（ａ）右端の太い実線で描かれた曲線）。すなわち、可動ミラー（Ｚ）１１によって偏向された平行光束を集光光学系１２で反射ミラー１３の異なる位置に集光させることにより、平面である像面と異なる位置で光線が反射されることになるため、反射ミラー１３により反射されて集光光学系１２により集光される光束を集束光束または発散光束に変換することができる。したがって、この光束を可動ミラー（Ｚ）１１、固定ミラー１０、可動ミラー（ＸＹ）３、瞳投影光学系４および対物光学系５を介して、標本６に集光すれば、標本上の集束位置を走査することができる。
【００３０】
次に、図４を用いて、第１の実施形態に係る光学系を備えた第３の実施形態である蛍光顕微鏡について説明する。
波長分離素子２によって反射された平行光束であるレーザ光は、固定ミラー１０で反射された後、可動ミラー（Ｚ）１１によって集光光学系１２へ偏向される。集光光学系１２に入射したレーザ光は集光され、反射ミラー１３によって反射された後、集光光学系１２によって可動ミラー（Ｚ）１１へと再び導かれる。可動ミラー（Ｚ）１１で反射した光束は、可動ミラー（ＸＹ）３へと導かれ、瞳投影光学系４および対物光学系５を介して、標本６に集光される。集光されたレーザ光により標本６が発した蛍光は、先程とは逆の経路を辿って波長分離素子２まで戻り、波長分離素子２を透過して光電検出素子１０によって検出される。
【００３１】
可動ミラー（Ｚ）１１は集光光学系１２の前側焦点位置に配置されているため、可動ミラー（Ｚ）１１によって偏向され、集光光学系１２で集光された光束は、反射ミラー１３へ垂直に入射する。反射ミラー１３に入射した光束は、ミラー面で反射され、再び前側焦点位置に配置されている可動ミラー（Ｚ）１１へと導かれ、最初に可動ミラー（Ｚ）１１に入射した光線と平行に射出される。
【００３２】
本実施形態においては、集光光学系１２が、可動ミラー（Ｚ）１１の偏向方向に応じた所定の量の像面湾曲収差を発生しているため、可動ミラー（Ｚ）１１によって光束を偏向し、反射ミラー１３の異なる位置に光束を集光させれば、像面湾曲量の異なる位置に光束を集光させることができる。そのため、反射ミラー１３により反射されて集光光学系１２により集光された光束を集束光束または発散光束に変換することができる。したがって、この光束を可動ミラー（Ｚ）１１、固定ミラー１０、可動ミラー（ＸＹ）３、瞳投影光学系４および対物光学系５を介して、標本６に集光すれば、標本上の集束位置を走査することができる。
【００３３】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施形態においては、可動ミラー（Ｚ）の走査手段を特に明示しなかったが、ジンバル構造を有している静電駆動方式あるいはカルバノミラーや電磁力によりミラーの角度を変える方式等でもよい。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態からわかるように、本発明においては、集光光学系と反射ミラーの少なくとも一方が、可動ミラーの回転角に応じた所定の像面湾曲収差を持っていればよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、標本と対物光学系のいずれかをZ方向に動かすことにより、両者の相対距離を変化させて標本のZ方向の走査を行う必要がないため、標本に微細な電極を固定して観察をする場合や対物光学系を液体に浸して観察する場合においても、振動によって電極が外れたり、不要な振動により正確な観察の妨げとなるようなことがないという効果がある。
【００３５】
また、レンズの移動機構が存在しないため、鏡枠の公差による光軸ズレに起因する走査位置ズレが生じず、さらに、Ｚ方向の走査を偏向ミラーによって行うため、ＸＹ走査と同等の速度でZ方向の走査を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学系の光路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光学系における集光光束と反射光束の関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光学系における集光光束と反射光束の関係を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る蛍光顕微鏡の光路図である。
【図５】従来の蛍光顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】
１・・・光源、２・・・波長分離素子、３・・・可動ミラー、４・・・瞳投影光学系、５・・・対物光学系、６・・・標本、７・・・結像レンズ、８・・・共焦点ピンホール、９・・・光電検出素子、１０・・・固定ミラー、１１・・・可動ミラー（Ｚ）、１２・・・集光光学系、１３・・・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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