(57)【要約】共焦点顕微鏡及びそれを用いた蛍光測定方法及び偏光測定方法であって、照明光源（１１）から偏光を、マイクロレンズアレイ（２１）を上部に配置したマトリクス式液晶素子（２２）及び対物レンズ（２３）を介して被観察物（２）へ入射する入射光学系（１０，１０’）と、被観察物からの反射光又は蛍光を検出する検出光学系（３０，３０’）と、液晶素子（２２）を制御する液晶制御部（５２）とを備え、マイクロレンズアレイ（２１）を透過したマイクロレンズ毎の光を、液晶素子（２２）の各画素（２２ａ）毎に透過させ、対物レンズ（２３）にて被観察物（２）に複数の焦点（２４）を結ぶと共に、液晶素子（２２）の各画素を透過する光の偏光方向を液晶制御部（５２）を用い各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御する。
2004036284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光源から偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、上記ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部を含む制御系を含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記マトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記対物レンズにより上記被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を上記液晶制御部を用いて制御し、上記液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項２】
前記マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項１に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項３】
照明光源からの偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記被観察物に複数の焦点を結ばせ、
さらに、上記第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の上記反射光または蛍光を、上記第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、上記撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、上記第一及び第二の液晶制御部を用いて制御することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項４】
前記入射光学系の第一の液晶制御部が、第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項３に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項５】
前記検出光学系の第二の液晶制御部が、第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項３に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項６】
前記第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光方向が、前記第一のマトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項３に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項７】
照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、上記ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部と上記照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記マトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記対物レンズにより上記被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を上記液晶制御部を用いて互いに直交するように制御し、
上記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換することにより検出することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項８】
前記マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項９】
前記照明光源が一波長または多波長であり、前記照明光源の光強度変調がマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスのいづれかの素子を用いて行われることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１０】
前記照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されることを特徴とする、請求項７または９に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１１】
前記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号への変換が、高速フーリエ変換で演算処理されることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１２】
照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部と上記照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記被観察物に複数の焦点を結ばせ、
さらに、上記第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の上記反射光または蛍光を、上記第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、上記撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、上記第一及び第二の液晶制御部を用いて制御し、
上記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換することにより検出することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１３】
前記入射光学系の第一の液晶制御部が、前記第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１４】
前記検出光学系の第二の液晶制御部が、前記第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１５】
前記第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１６】
前記照明光源が一波長または多波長であり、前記照明光源の光強度変調がマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスの何れかを用いて行われることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１７】
前記照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されることを特徴とする、請求項１２または１６に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１８】
前記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号への変換が、高速フーリエ変換で演算処理されることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１９】
選択的に標識となる蛍光物質が予め付与されているマイクロアレイ基板の蛍光測定において、
請求項１乃至１８の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記蛍光物質からの蛍光を観察することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板からの蛍光測定方法。
【請求項２０】
前記マイクロアレイ基板が、微量のＤＮＡまたは生体物質を含んでいることを特徴とする、請求項１９に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２１】
前記マイクロアレイ基板が、ＤＮＡチップであることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２２】
被観察物からの反射光または蛍光からの偏光測定において、請求項１乃至１８の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記被観察物からの偏光を測定することを特徴とする、上記共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【請求項２３】
前記液晶を用いた共焦点顕微鏡の液晶マトリクスにおいて、前記偏光を１８０度変化させることにより、前記被観察物からの偏光測定を行うことを特徴とする、請求項２２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、生体組織や生体組織からの蛍光観察などに使用される共焦点顕微鏡に関し、高感度で、横方向、深さ方向の分解能に優れ、広領域の動的な観察が可能である、液晶を用いた共焦点顕微鏡及び液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板からの蛍光測定方法並びに液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法に関するものである。
【背景技術】  従来、生命科学の研究分野における生体組織や蛍光試薬を添加した生体組織試料からの蛍光発光の観察に共焦点顕微鏡が使用されている。共焦点顕微鏡は、深さ方向に高い分解能を有することから、生体試料の三次元観察などに主に利用されてきた。
図１９に共焦点顕微鏡の従来例１を示す（例えば、非特許文献１参照。）。レーザ光１６１は、ビームスプリッター１６２で反射され、対物レンズ１６３で試料１６４に結像される。そして、試料１６４で反射した反射光、または、蛍光１６６がビームスプリッター１６２を透過してミラー１６７とレンズ１６９を通過して検出器１７１に入る。ここで、検出器１７１の前にピンホール１７０を置くことによって、焦点面以外から発生する光束を除去し明確な像を得ることができる。試料１６４の全体を見るためには、試料１６４を載置しているステージを平面内で移動、即ち走査１７２を行うことによって観察するようにしている。
共焦点顕微鏡において、試料の移動を行わないで高速で走査する方法が１８８４年にＰａｕｌ  Ｎｉｐｋｏｗが発明したニポウディスク方式である。図２０は、従来例２のニポウディスクを用いた多重共焦点顕微鏡の走査方式の原理を示す図である（例えば、下記特許文献１、非特許文献２参照）。
多重共焦点顕微鏡１８０では、レーザ光１８１が、共焦点用走査装置１９０に入射する。共焦点用走査装置１９０は、２枚の円板で構成された集光ディスク１９１及びピンホールディスク１９２と、ドラム１９４と、ビームスプリッター１８２と、から構成されている。集光ディスク１９１及びピンホールディスク１９２はドラム１９４に保持され、モーター１９５により回転している。
ここで、レーザ光１８１は、集光ディスク１９１に設けられた多数のピンホール１９３を通過する。この通過した光は、ビームスプリッター１８２を介してレンズ１８３により被観察物１８４に複数の焦点を形成する。そして、被観察物１８４からの反射光は、ビームスプリッター１８２を介して光路が入射方向に対して９０°曲げられて、レンズ１８５によりカメラ１８６に結像される。これにより光の利用効率を向上させ、複数の焦点同時検出による多重共焦点顕微鏡を実現している。
図２１は従来例３の多重共焦点顕微鏡の構成を示す図である（例えば、下記特許文献２参照）。多重共焦点顕微鏡２００は、図１８の従来例１と同様な光学系を有しているが、入射光の光路に液晶セル２０３が配設されている点が異なる。入射光２０１が、ビームスプリッター２０２を通過し、液晶セル２０３を介して対物レンズ２０４で試料２０５に集光される。試料２０５からの反射光は、ビームスプリッター２０２を介してレンズ２０７を通過して、反射光２０８がカメラ２０９に結像される。
ここで、入射光２０１は、液晶セルの１画素である開口部２０３ａを通り、試料２０５の２１０ａの点に結像する。次に液晶セルの他の画素である２０３ｂを開口すると、入射光は、試料２０５の２１０ｂの点に結像する。このように、試料２０５の走査は、液晶セルの平面にある画素を順番に、入射光２０１をオンオフさせる所謂Ｘ−Ｙ走査により行われる。
下記特許文献３及び４では、入射光源をマルチビームとしたマルチスポットアレイを有し、照射した励起光により発生する蛍光を共焦点検出するＤＮＡ検査装置が開示されている。
特許文献：
特開平５−６０９８０号公報
特開平５−２１００５１号公報
特開２００１−１０８６８４号公報
特開２００１−２０８６８８号公報
非特許文献：
Ｍａｒｋ  Ｓｃｈｅｎａ著，加藤郁之進  監訳「ＤＮＡマイクロアレイ基板」，丸善株式会社，２０００年，ｐ．１９−４５
川村信一郎  他３名，「共焦点顕微鏡レーザ顕微鏡スキャナとＣＣＤカメラ」横河技報，２００１年，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．２，ｐ．１１２−１１４
ところで、従来例１の試料走査型の共焦点顕微鏡は、単焦点での検出を行うため、広領域を観察するには走査を行う必要があり、蛍光などの実時間観察が困難である。
従来例２の多重共焦点顕微鏡は、多数の点を同時に検出することから、隣接する焦点に入射する光同士が干渉する。これを、クロストークと呼んでいる。この干渉によって生じる入射光強度分布が、明暗の模様である干渉縞を生じさせる。これが原因で、照明光強度分布が不均一となるために、観察像の横分解能が低下するという課題がある。また、各焦点毎に光強度にばらつきが生じるという課題がある。さらに、共焦点顕微鏡の応用として、ＤＮＡチップからのばらつきの大きい蛍光信号を検出器上で一度に観察できない。
従来例３の多重共焦点顕微鏡では、液晶セルの多数の点を順番に開閉することにより走査を行うことで、従来例２の走査のように機械的な走査機構が不要となる。しかし、液晶セルの各画素をオンオフさせるために、画素数分のＸ−Ｙ走査をさせる必要があるので、一画面を走査するのに時間がかかり、実時間で試料全体の蛍光などの検出をすることが困難である。
また、上記特許文献３のＤＮＡ検査装置では、マルチスポットアレイから入射する光同士が干渉しクロストークが発生し、従来例２の共焦点顕微鏡と同様に、照明光強度分布が不均一となるために観察像の横分解能が低下する。
さらに、上記特許文献４のＤＮＡ検査装置では、マルチスポットアレイを偏光素子により形成しているが、従来１の共焦点顕微鏡と同様に、試料載置ステージを平面内の走査を行うことによって観察するようにしている。従来例１の多重共焦点顕微鏡の単焦点の場合よりも走査に要する時間は短縮されるものの、広領域を観察するには走査を行う必要があり、蛍光などの実時間観察が困難である。
【発明の開示】
本発明の目的は、以上の課題に鑑みて、高感度で、横方向、深さ方向の分解能に優れ、広領域の動的な観察が可能である、液晶を用いた共焦点顕微鏡及び液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板からの蛍光測定方法並びに液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源から偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部を有する制御系と、を含む共焦点顕微鏡であって、マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、マトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、対物レンズにより被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を液晶制御部を用いて制御し、液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光がマトリクス式液晶の各画素で制御される。
この構成によれば、被観察物に照射する光が、マイクロレンズアレイにより、マトリクス式液晶素子の各画素をピンホールとして入射し、被観察物に第一の複数の焦点を形成する。さらに、被観察物の反射光または蛍光が、検出光学系において、第二の複数の焦点を形成することから、本発明の顕微鏡は、共焦点顕微鏡として動作する。この際、マトリクス式液晶素子の各画素において、各画素を透過する光の偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子の各画素が制御される。これにより、被観察物の走査制御を行わないで、被観察物の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、分解能が向上する。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源からの偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部を含む制御系と、を備え、第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、被観察物に複数の焦点を結ばせ、さらに、第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の反射光または蛍光を、第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、第一及び第二の液晶制御部を用いて制御することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、入射光学系の第一の液晶制御部が、第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御すればよい。また、好ましくは、検出光学系の第二の液晶制御部が、第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御すればよい。また、第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光方向を、第一のマトリクス式液晶の各画素で制御するようにしてもよい。
この構成によれば、被観察物に照射する入射光が、第一のマイクロレンズアレイにより第一のマトリクス式液晶素子の各画素に入射し、被観察物に第一の複数の焦点を形成する。さらに、被観察物の反射光または蛍光が、検出光学系の第二のマイクロレンズアレイ及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を通過して第二の複数の焦点を形成することから、本発明の顕微鏡は、共焦点顕微鏡として動作する。この際、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素において、各画素を透過する光の偏光方向が互いに直交するように、各マトリクス式液晶素子の各画素が制御される。これにより、被観察物の走査制御を行わないで、被観察物の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、横方向及び深さ方向の分解能が向上する。さらに、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の組み合わせにより、偏光制御、検出信号の選択等を動的に実現することができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部と照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系とを備え、マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光をマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、対物レンズにより被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を液晶制御部を用いて互いに直交するように制御し、被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換して検出することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光を、マトリクス式液晶の各画素で制御する。また好ましくは、照明光源が一波長または多波長であり、照明光源の光強度変調をマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスの何れかを用いて行う。また、照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されてもよい。
この構成によれば、さらに、被観察物に照射する入射光が光強度変調されているので、被観察物からの反射光または蛍光を周波数軸に信号変換をすることにより、被観察物からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、照明光源が多波長の場合には、多波長からの反射光または蛍光を短時間に、高感度で測定することができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部と照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系とを備え、第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、被観察物に複数の焦点を結ばせ、さらに、第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の反射光または蛍光を第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を第一及び第二の液晶制御部を用いて制御し、被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換して検出することを特徴とする。
上記構成において、入射光学系の第一の液晶制御部が、好ましくは、第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御する。また、好ましくは、検出光学系の第二の液晶制御部が、第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御する。また、第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光を、マトリクス式液晶の各画素で制御してもよい。好ましくは、照明光源が一波長または多波長であり、照明光源の光強度変調がマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスのいづれかを用いて行われる。また、照明光源の一波長あたりの光強度変調を各画素毎に複数の変調周波数で印加してもよい。また、好ましくは、被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号変換が、高速フーリエ変換で演算処理される。
この構成によれば、さらに、被観察物に照射する入射光が光強度変調されているので、被観察物からの反射光または蛍光を周波数軸に信号変換をすることにより、被観察物からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、照明光源が多波長の場合には、多波長からの反射光または蛍光を短時間に、高感度で測定することができる。
本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板からの蛍光測定方法は、選択的に標識となる蛍光物質が予め付与されているマイクロアレイ基板を用いて、本発明の共焦点顕微鏡により蛍光物質からの蛍光を観察することを特徴とする。上記構成において、マイクロアレイ基板は、微量のＤＮＡまたは生体物質を含んでおり、これらを平板状に配置した被観察物である。また、マイクロアレイ基板はＤＮＡチップであってもよい。この構成によれば、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡に使用することで、マイクロアレイ基板の走査無しに効率よく、蛍光の観察ができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡による被観察物の偏光測定方法は、被観察物からの偏光測定において、本発明の共焦点顕微鏡により被観察物の反射光または蛍光からの偏光を測定することを特徴とする。好ましくは、液晶を用いた共焦点顕微鏡の液晶マトリクスにおいて、偏光を１８０度変化させることにより、被観察物からの偏光測定を行う。この構成によれば、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡において、被観察物の反射光または蛍光からの偏光を効率よく観察できる。
本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡によれば、マトリクス式液晶素子を用いることで、被観察物の走査無しに一度に被観察物の測定を行うことができる。そして、マトリクス式液晶素子の各画素の偏光制御によりクロストークを減少させ、横方向と深さ方向の分解能を向上することができる。また、光源を一波長または多波長で光強度変調を印加した場合には、反射光または蛍光を高感度で検出することができる。
本発明の共焦点顕微鏡を用いたマイクロアレイ基板の測定方法によれば、マイクロアレイ基板の機械的走査無しに効率よく、一波長または多波長の蛍光を観察することができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法によれば、被観察物からの偏光を、被観察物の機械的走査無しに、一波長または多波長を用いて効率よく観察できる。
【図面の簡単な説明】  本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけのものである。
図１は、本発明に係る第１の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図２は、マトリクス式液晶素子の各画素の偏光制御を模式的に示す図である。
図３は、図２のマトリクス式液晶素子における各画素を透過する光の偏光状態を示す図である。
図４は、本発明に係る第１の実施の形態による共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。
図５は、入射光学系に設けた偏光子の作用効果を説明する概略図である。
図６は、本発明に係る第２の実施の形態による共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図７は、本発明による共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。
図８は、本発明に係る第３の実施の形態による共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図９は、本発明に係る第３の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の別の構成例を示す模式図である。
図１０は、本発明に係る第３の実施の形態による共焦点顕微鏡の別の構成を示す模式図である。
図１１は、本発明に係る第４の実施の形態による共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図１２は、本発明に係る第４の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の一構成例を示す模式図である。
図１３は、本発明に係る第４の実施の形態による共焦点顕微鏡の別の構成を示す模式図である。
図１４は、本発明に係る第５の実施の形態による共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図１５は、本発明に係る第５の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の別の構成例を示す模式図である。
図１６は、本発明による共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。
図１７は、本発明に係る第６の実施の形態による共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。
図１８は、本発明による共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。
図１９は、従来例１の共焦点顕微鏡の構成を示す図である。
図２０は、従来例２のニポウディスクを用いた多重共焦点顕微鏡の走査方式の原理を示す図である。
図２１は、従来例３の多重共焦点顕微鏡の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
始めに本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡の第１の実施の形態を示す。図１は本発明に係る第１の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。液晶を用いた共焦点顕微鏡１は、照明光学系１０と、マトリクス式液晶素子を含み被観察物へ多重焦点を形成する入射光学系２０と、照明被観察物からの反射光を検出する検出光学系３０と、マトリクス式液晶素子及び検出光学系からの画像データを制御する制御系５０と、被観察物２を載置するステージ３から構成される。
照明光学系１０は、照明光源１１と、コリメータ１２と、第一の偏光子１３と、ビームスプリッター１４とからなっている。照明光源１１は、例えばレーザ光源で、出射した光は、レンズ１２ａ及びレンズ１２ｂからなるコリメータ１２によって所望のビーム径の平行光に拡大して、偏光子１３を通ってビームスプリッター１４に入射する。レーザ光源の波長は、４００ｎｍから７００ｎｍ程度の波長でよい。ここで、照明光源１１として直線偏光のレーザ光源を用いれば、偏光子１３は省略することができる。
入射光学系２０は、上から順に、マイクロレンズアレイ２１と、マトリクス式液晶素子２２と、対物レンズ２３とからなっている。ビームスプリッター１４に入射した平行光は、下部方向に反射され、一様な光強度分布の光が、ビームスプリッター１４の下部に配設されたマイクロレンズアレイ２１により、焦点がマトリクス式液晶素子２２の各画素に結ばれる。
このマイクロレンズアレイ２１は、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａに対応する位置に、アレイ状に配列した複数の微小レンズから構成されており、マトリクス式液晶素子２２の各々の画素２２ａ毎に効率よく光を入射させることができる。マイクロレンズアレイ２１に入射した各光は、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａをピンホールとして通過する。この各画素２２ａをピンホールとして通過した各光は一度拡大してから、さらに対物レンズ２３によって被観察物２の表面に複数の焦点２４として結像される。
被観察物２はステージ３に載置されている。ステージ３は、前後左右及び上下方向に移動可能なＸＹＺステージ３ａ及びθステージ３ｂから構成されている。ＸＹＺステージ３ａによりステージ３が水平面内と垂直方向の両方で移動調整されることにより、被観察物２の位置調整が行なわれ得る。また、このとき、θステージ３ｂによりＸＹＺ面内の角度調整も行われることにより、被観察物２の位置調整が行なわれるようになっている。
次に、被観察物からの反射光を検出する検出光学系について説明する。検出光学系３０において、被観察物２からの反射光は、入射光の経路を逆進してビームスプリッター１４を介して結像レンズ３１へ入射し、複数の焦点３２が撮像素子３３に形成され、被観察物２の反射光が結像される。撮像素子３３としては、上記の結像を一度に受光できるＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子を使用できる。さらに、これらの撮像素子３３は、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させるために雑音を減らすように、例えば液体窒素やペルチェ素子を使用した冷却装置で冷却してもよい。
ここで、被観察物の反射光は、照明光源１１と同一波長の場合の通常反射光の場合と、照明光源１１より励起された被観察物からの励起光である蛍光の場合がある。蛍光の波長は、通常、照明光源の波長よりも長い。従って、蛍光を観測する場合には、ビームスプリッター１４として、照明光源光源の波長と、蛍光波長を分離できるダイクロイックミラーなどを使用することができる。
制御系５０は、パーソナルコンピュータ５１と、第一の液晶制御部５２と、画像処理装置５３とを備えている。上記パーソナルコンピュータ５１は、被観察物の画像などを表示するディスプレー装置５４を備えている。
さらに、上記パーソナルコンピュータ５１は、マトリクス式液晶素子２２の各画素を透過する光の偏光方向を制御するデータを、液晶制御部５２へ出力する。上記液晶制御部５２は、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａで回転させる光の偏光方向を液晶素子駆動信号に変換する駆動回路である。この駆動回路は、パーソナルコンピュータ５１からのマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａの偏光信号を、マトリクス式液晶素子２２に適合する液晶素子駆動信号、即ち各画素２２ａに関する電圧信号に変換する。そして、液晶制御部５２が、各画素２２ａに印加する駆動電圧を適宜に調整し、または、駆動時間中に駆動電圧を変更することにより、各画素２２ａを透過する光の偏光方向を制御する。撮像素子３３の画像信号３３ａは制御系５０の画像処理装置５３に出力されて、パーソナルコンピュータ５１により画像データの演算処理などがされ、ディスプレー装置５４に画像が出力される。
次に、マトリクス式液晶素子の偏光制御について説明する。マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａは、制御系５０を構成する第一の液晶制御部５１によって、マトリクス式液晶素子２２の各々の画素２２ａを透過する光の偏光方向を制御する。これによって、隣り合う各画素に入射する光の偏光方向が互いに直角になるように制御される。この際、マトリクス式液晶素子の画素全部が、同時にかつ被観察物２の観察に必要な時間だけ制御されるので、複数の焦点２４を同時に被観察物に形成することができる。
図２及び図３は、マトリクス式液晶素子の各画素の偏光制御を模式的に示す図である。図２に示すように、コリメータ１２からの平行光１５は、第一の偏光子１３と、マイクロレンズアレイ２１を介して、マトリクス式液晶素子２２へ入射する。上記第一の偏光子１３は公知の構成であって、例えば二枚のガラス板の間に偏光膜を挟んで貼り合わせることにより構成されている。
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光偏光１６になり、マトリクス式液晶の各画素２２ａにより１７ａ，１７ｂ，１７ｃのように入射光の偏光１６が制御される。ここで、マトリクス式液晶素子による偏光１７の偏光１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、それぞれ照明光の偏光１６に対して垂直、平行、垂直と平行の中間状態を示している。
図３は、マトリクス式液晶素子２２における各画素２２ａを透過する光の偏光状態を示している。図中のａとｂは、それぞれ、偏光が入射光と平行及び垂直の状態である。従って図示の場合は、隣接する各画素２２ａを透過する光の偏光方向が互いに直交するようになっている。このように、マトリクス式液晶素子２２の隣接する各画素２２ａを透過する光の偏光方向を制御すると、互いに隣接するａとｂの入射光は振動成分が直交し干渉が生じない。
ここで、干渉するのは、対角に位置するａとａおよびｂとｂの画素となる。対角に位置するａとａ、ｂとｂの焦点の間隔は、隣接する焦点ａとｂの間隔に比べ２１／２に広がることから、隣接する入射光の偏光を制御しない場合と比較すると２−１／２の０．７１倍まで、隣接する焦点の間隔を近づけることができる。従って、従来と比較して約３０％の横分解能の向上ができる。これにより、マトリクス式液晶を使用することで、隣接する焦点に集光される光の偏光方向は互いに直交するので、隣接する照明光同士は干渉せず、クロストークによる横分解能の低下を防ぐことができる。
次に、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡の動作について説明する。被観察物２に照射される光は、マイクロレンズアレイ２１により、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａをピンホールとして入射し、被観察物２に第一の複数の焦点２４を形成する。さらに、被観察物２の反射光または蛍光が、検出光学系３０において第二の複数の焦点３２を形成することから、本発明の顕微鏡は共焦点顕微鏡として動作する。この際、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、各画素２２ａを透過する光の偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子の各画素２２ａが制御されることができる。これにより、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、横方向及び深さ方向の分解能が向上する。また、被観察物２の機械的な走査を行わないで、被観察物２の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。
ここで、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａの間隔であるピッチ分は、厳密には、像が得られないので、ステージ３を１ピッチ分だけＸ方向及びＹ方向に移動させて１画面を構成してもよい。ここで、マトリクス式液晶素子２２の画素のピッチは１０μｍから２０μｍ程度である。この１ピッチ分のステージのＸ−Ｙ駆動制御は、電歪素子による駆動装置をステージ３に付加することで行うことができる。
次に、本発明において、液晶を用いた共焦点顕微鏡の第１の実施の形態の変形例を示す。図４は本発明による液晶を用いた共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。図４に示す共焦点顕微鏡１’が、図１に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡１と異なるのは、入射光学系２０である。他の照明光学系１０、検出光学系３０、制御系５０、ステージ３は、図１と同じ構成であるので、説明は省略する。
入射光学系２０において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が、図１の入射光学系と異なる。
図５は入射光学系に設けた偏光子２５の作用効果を説明する概略図である。図５に示すように、コリメータ１２からの平行光１５が第一の偏光子１３と、マイクロレンズアレイ２１と、マトリクス式液晶素子２２を通過して入射する。ここで、上記第一の偏光子１３及び第二の偏光子２５は、同軸ではなく、互いに直交（９０°）するように配置している。
マトリクス式液晶素子の画素２２ａが駆動電圧を印加されない状態では、第一の偏光子１３を透過した光が画素２２ａを透過することで、１７に示すようにその偏光方向が９０°捩れるために、第一の偏光子１３と透過軸が９０°ずれている第二の偏光子２５を透過し透過光２６ａとなる。
一方、画素２２ａが駆動電圧を印加された状態では、電圧の大きさによって画素２２ａ内の液晶分子の捩れの状態が変化するため、第一の偏光子１３を透過した直線偏光の偏光方向を当該画素２２ａ内で０〜９０°の範囲で回転させることができる。これにより、第二の偏光子２５を透過する光の強度が任意に制御される。従って、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａの駆動電圧により、入射光が、透過２６ａ、透過しない遮光２６ｂ、これらの中間状態（グレー）２６ｃとなるように制御されるので、照明光強度を変えることができる。
ここで、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡の動作の特徴について説明する。この例では、第二の偏光子２５を追加したことにより、照明光の強度制御を行うことができる。これにより、被観察物に応じて、マトリクス式液晶素子の各画素２２ａを制御することで照明光強度の制御ができることになる。
次に、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡の第２の実施の形態を示す。図６は本発明に係る第２の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。図において、液晶を用いた共焦点顕微鏡５は、照明光学系１０と、マトリクス式液晶素子を含み被観察物２へ多重焦点を形成する入射光学系２０’と、被観察物からの反射光を検出する検出光学系３０’と、マトリクス式液晶素子及び検出光学系からの画像データを制御する制御系５０’と、被観察物２を載置するステージ３とから構成される。なお、図１と同一の構成要素には、同じ符号を付して説明は省略する。照明光学系１０は、図１の照明光学系と同様に、照明光源１１と、コリメータ１２と、第一の偏光子１３から構成され、偏光した平行光をビームスプリッター１４に入射させる。
入射光学系２０’は、対物レンズ２６と、レンズ２７と、マイクロレンズアレイ２１と、マトリクス式液晶素子２２とから構成されている。ビームスプリッター１４からの偏光した平行光は、対物レンズ２６とレンズ２７を用いてさらに拡大される。この拡大された一様な光強度分布の光が、第一のマイクロレンズアレイ２１の全面に照射される。第一のマトリクス式液晶素子２２の表面に取り付けられた第一のマイクロレンズアレイ２１を通過したマイクロレンズ毎の光は、第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａ毎に透過し、ステージ３に載置された被観察物２に複数の焦点２４を形成する。
マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａは、図２及び図３で説明したように、制御系５０’を構成する第一の液晶制御部５１によって、第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａの隣り合う画素の偏光方向を互いに直交させるように制御する。これにより、第一のマトリクス式液晶２２を使用することで、隣接する焦点に集光される入射光の偏光方向が互いに直交するので、隣接する入射光同士は干渉せず、クロストークによる横分解能の低下を防ぐことができる。
次に、被観察物２からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター１４を通過した後に検出する検出光学系３０’について説明する。
検出光学系３０’は、ミラー３４，フィルタ３５，対物レンズ３６，レンズ３７，第二のマイクロレンズアレイ３８，第二のマトリクス式液晶素子３９，集光レンズ４０，撮像素子３３から構成されている。ここで、対物レンズ３６から第二のマトリクス式液晶素子３９までの光学系は、入射光学系２０’の対物レンズ２６から第一のマトリクス式液晶素子２２までの構成と同じにする。ミラー３４は、ビームスプリッター１４を通過した被観察物からの反射光の光路を９０°曲げて、特定の波長の光のみを通過させるフィルタ３５を介して対物レンズ３６に入射させる。
被観察物２からの蛍光を観察する場合には、蛍光の波長は照明光源１１より波長が長いことから、蛍光のみを検出光学系３０’に透過させるために、ビームスプリッター１４としてダイクロイックミラーを使用すればよい。さらに、蛍光のコントラスト向上のため、フィルタ３５としては蛍光のみを透過させるエミッションフィルタを用いることが好ましい。
次に、対物レンズ３６とレンズ３７は、被観察物２からの反射光または蛍光をさらに拡大し、一様な光強度分布の光を第二のマイクロレンズアレイ３８の全面に照射する。この第二のマイクロレンズアレイ３８は、第一のマイクロレンズアレイ２１と同じく、第二のマトリクス式液晶素子３９の各画素に対応する位置にアレイ状に配列した微小レンズから構成されており、第二のマトリクス式液晶素子３９の各々の画素毎に効率よく、光を入射させることができる。第二のマトリクス式液晶素子３９の表面に取り付けられた第二のマイクロレンズアレイ３８を通過したマイクロレンズ毎の光は、第二のマトリクス式液晶素子３９の各画素毎に通り、集光レンズ４０により撮像素子３３に複数の焦点４１を形成する。
制御系５０’は、図１の制御系５０にさらに、検出光学系３０’の第二のマトリクス式液晶素子３９の制御部である第二の液晶制御部５５を備えたほかは、同じ構成である。入射光学系のマトリクス式液晶素子２２は、図２及び図３で説明したように、制御系５０’を構成する第一の液晶制御部５２によって、マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａの隣り合う画素を透過する光の偏光方向を互いに直交させるように制御される。
検出光学系３０’に入射する反射光または蛍光において、それらの偏光方向が同一となり干渉の影響を受ける場合には、検出光学系の第二のマトリクス式液晶素子３９を透過する際に、反射光または蛍光の偏光方向を互いに直交させればよい。これにより、撮像素子に入射する互いに隣接する反射光または蛍光同士は、干渉せず、クロストークによる横分解能の低下を防ぐことができる。
また、検出光学系３０’の第二のマトリクス式液晶素子３９の画素を透過する反射光に対して偏光方向の制御を行うこともできる。この際、検出光学系３０’のマトリクス式液晶素子３９の各画素を、透過、遮光あるいはその中間の状態に制御できるので、視野の限定などができる。
ここで、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡の動作について説明する。
被観察物２に照射する光が、第一のマイクロレンズアレイ２１により第一のマトリクス式液晶素子の各画素２２ａへ入射し、被観察物２に第一の複数の焦点２４を形成する。さらに、被観察物２の反射光または蛍光が、検出光学系３０’において、第二のマイクロレンズアレイ３８と、第二のマトリクス式液晶素子３９の各画素を使用して第二の複数の焦点４１を形成することから、本発明の顕微鏡は共焦点顕微鏡として動作する。この際、マトリクス式液晶素子２２，３９の各画素を透過する光において、その偏光方向が互いに直交するようにマトリクス式液晶素子２２，３９の各画素が制御され得る。
従って、前記した従来例１のように、クロストークが生じない程度離れたピンホールの下に、試料を走査して時系列で画像を測定して合成する必要がない。また、従来例２のように、クロストークが生じない程度離れたピンホールの組み毎の画像を、時系列で測定して合成する必要がない。このため、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡によれば、マトリクス式液晶素子の全ての画素をピンホールとした画面を形成しても、クロストークによる画面の乱れがなくなり、リアルタイムで被観察物の全画像を観察できる。これにより、被観察物２の機械的な走査制御を行わないで、被観察物２の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止できるので、横方向と深さ方向の分解能が向上する。また、２枚のマトリクス式液晶素子の組み合わせにより、偏光制御、検出信号の選択等を実現することができる。
次に、本発明において、液晶を用いた共焦点顕微鏡の第２の実施の形態の変形例を示す。図７は、本発明による液晶を用いた共焦点顕微鏡の別の構成を示す図である。図示する液晶を用いた共焦点顕微鏡５’が、図６に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡５と異なるのは、入射光学系２０’である。他の照明光学系１０、検出光学系３０’、制御系５０’、ステージ３は、図６と同じ構成であるので、説明は省略する。本例では、入射光学系２０’において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が図６の入射光学系と異なる。
この第二の偏光子２５による作用は、図４及び図５で説明したように、第一のマトリクス式液晶素子の画素２２ａの駆動電圧により照明光強度を変えることである。入射光学系の第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、隣り合う各画素２２ａを透過する光の偏光方向を互いに直交させるように、第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素が制御され得る。
ここで、被観察物２の反射光により撮像素子３３に形成される複数の焦点４１間のクロストークは、第二のマトリクス式液晶素子の各画素の偏光制御により防止できる。従って、入射光の照明制御を行なった場合であっても、反射光のクロストークのない像を形成できるので、従来の共焦点顕微鏡のように機械的な走査をして全画面を合成する必要がなく、制御系５０’のデイスプレー装置５４で直ちに観察できる。これにより、被観察物２の機械的な走査を行わないで、被観察物２の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、分解能が向上する。さらに、２枚のマトリクス式液晶素子と、第二の偏光子２５との組み合わせにより、照明光制御、偏光制御、検出信号の選択等を実現することができる。
次に、本発明の共焦点顕微鏡の第３の実施の形態を示す。図８は第３の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。図８に示す共焦点顕微鏡７が、図１に示す共焦点顕微鏡１と異なるのは、照明光学系６０及び制御系７０である。他の入射光学系２０、検出光学系３０、ステージ３は、図１と同じ構成であるので、それらの説明は省略する。
照明光学系６０は照明光源１１に光強度変調を印加できる点が、図１の液晶を用いた共焦点顕微鏡１と異なっている。照明光学系６０は、照明光源１１と、光強度変調部６１から構成されている。光強度変調部６１は、照明光源１１を光強度変調したビーム光６２を発生させる。照明光源１１の光強度変調には、マトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスなどの光強度変調素子を用いることができる。
図８に示す照明光学系６０は、光強度変調素子として、マトリクス式液晶素子を用いた場合であり、照明光源１１と、コリメータ１２と、第三の偏光子６３と、光強度変調用マトリクス式液晶素子６４と、第四の偏光子６５とから構成されている。
照明光源１１は、例えばレーザ光源を用い、出射した光はレンズ１２ａ及びレンズ１２ｂからなるコリメータ１２によって所望のビーム径の平行光に拡大される。第三の偏光子６３及び第四の偏光子６５の配置は互いに直交する配置であり、この拡大されたビームは、第三及び第四の偏光子６３、６５の間に挿入されている光強度変調用マトリクス式液晶素子６４の各画素に印加される電圧により光の強度が変調、所謂ＡＭ変調（周波数ｆ１）される。
光強度変調用マトリクス式液晶素子６４は、後述する制御系７０により制御される。この際、隣接する画素同士の光強度変調周波数が異なるように、例えば、ｆ１，ｆ２というように異なる複数の周波数で強度変調してもよい。これらの変調周波数は、互いに高調波関係とならないように選定することが好ましい。
図９は本発明の第３の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の別の構成例を示す模式図である。照明光学系６０’は、照明光源１１とコリメータ１２との間にさらに音響光学素子６８が配設されている点が、図８の照明光学系６０と異なる。照明光源１１は、音響光学素子６８により光強度変調（変調周波数ｆＡＯ）された後に、コリメータ１２によって、所望のビーム径の平行光に拡大されたのち、光強度変調用マトリクス式液晶素子６４により光の強度が変調され（変調周波数ｆ２）、所謂、二重強度変調される。音響光学素子６８は、光強度変調用マトリクス式液晶素子よりも高い周波数で光強度変調をすることができる（ｆＡＯ＞ｆ１，ｆ２）。
制御系７０は、光強度変調された反射光を検出する点が、図１の液晶を用いた共焦点顕微鏡１の制御系５０と異なる。制御系７０は、光強度変調制御部５６と光強度変調された反射光を検出する画像処理装置５８を有している。光強度変調制御部５８は、光強度変調素子６４，６８を駆動制御し、照明光源１１の光強度変調を行う。照明光学系６０において光強度変調された入射光は、図１に示す共焦点顕微鏡１と同様に、入射光学系２０を介して被観察物２に照射される。この被観察物２からの反射光は、検出光学系３０に入射し画像処理装置５８において信号処理されて画像信号がパーソナルコンピュータ５１に送出される。
画像処理装置５８は、検出電気信号用の増幅器、Ａ／Ｄ変換器などを備え、検出光学系からの時間軸信号をデジタル化して、パーソナルコンピュータ５１に送出する。パーソナルコンピュータ５１は、時間軸信号を周波数軸に変換するフーリエ変換処理をして、被観察物２の反射光のまたは蛍光の光強度分布を得て、ディスプレー装置５４に表示する。フーリエ変換は、高速フーリエ変換の計算手法により行うことができる。
次に、第３の実施形態に係る共焦点顕微鏡７の動作について説明する。
第３実施形態の共焦点顕微鏡７の動作は、被観察物２に照射される光が光強度変調されている点が、共焦点顕微鏡１と異なる。マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、各画素２２ａを透過する光は光強度変調されると共に、その偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子の各画素２２ａが制御されている。被観察物２からの反射光または蛍光に照射される光は、検出光学系３０及び制御系７０において、光強度変調された各画素からの信号を周波数信号に変換することにより、周波数軸上で検出できる。この際、液晶を用いた共焦点顕微鏡７内で生じるクロストーク以外の雑音などは、光強度変調周波数とは異なり周波数軸で容易に判別処理できるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を増大させることができる。即ち被観察物２からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、隣り合う画素同士が異なる周波数で光強度変調されている場合には、さらにクロストークを防止できる。これにより、多重共焦点間におけるクロストークを防止できるとともに、反射光または蛍光の強度を光強度変調の周波数で検出できるので高感度となり、共焦点顕微鏡１よりも、さらに、横方向及び深さ方向の分解能が向上する。また、被観察物２の機械的な走査を行わないで、被観察物２の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。
次に、共焦点顕微鏡の上記第３の実施の形態の変形例を示す。図１０は第３の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の別の構成を示す模式図である。図１０に示す共焦点顕微鏡７’が、図８に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡７と異なるのは、入射光学系２０である。他の照明光学系６０、検出光学系３０、制御系７０、ステージ３は、図８と同じ構成であるので、説明は省略する。入射光学系２０において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が、図８の入射光学系と異なる。この例では、第二の偏光子２５を追加したことにより、図５で説明したように、照明光の強度制御を行うことができる。これにより、被観察物に応じてマトリクス式液晶素子の各画素２２ａを制御することで、照明光強度の制御ができることになる。
次に、本発明の共焦点顕微鏡の第４の実施の形態を示す。図１１は第４の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。図１１に示す共焦点顕微鏡８が、図８に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡７と異なるのは、照明光学系８０及び制御系９０である。他の入射光学系２０、検出光学系３０、ステージ３は、図８と同じ構成であるので、説明は省略する。照明光学系８０は、照明光源１１が複数の波長を有する光源と、各波長の光源に異なる光強度変調を印加する光強度変調部８２から構成されている。図においては、照明光源１１が３つの異なる波長の光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有するとして説明する。光強度変調部８２は、照明光源１１を光強度変調したビーム光８４を発生させる。照明光源１１の光強度変調には、マトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスなどの光強度変調素子を用いることができる。制御系９０は、照明光源の光強度変調制御部９１と、光強度変調された被観察物２の反射光または蛍光を検出する画像処理装置９２と、を有している。
図１２は、上記第４の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の一構成例を示す模式図である。照明光学系８０は、３つの異なる波長の光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃのそれぞれに、コリメータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、第三の偏光子６３ａ，６３ｂ，６３ｃと、光強度変調用マトリクス式液晶素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃと、第四の偏光子６６ａ，６４ｂ，６４ｃと、ビームスプリッター８５，８６，８７と、から構成されている。例えば、照明光源１１ａにおいては、図９で説明した照明光源１１と同様に、出射した光は、レンズ１２ａ及びレンズ１２ｂからなるコリメータ１２によって所望のビーム径の平行光に拡大される。第三の偏光子６２及び第四の偏光子６６の配置は、互いに直交する配置である。この拡大されたビームは、第三の偏光子６２ａ及び第四の偏光子６６ａの間に挿入されている光強度変調用マトリクス式液晶素子６４ａの各画素に印加される電圧により光の強度が変調、所謂ＡＭ変調（周波数ｆ１）され、光強度変調されたビーム８４ａとなる。
光強度変調用マトリクス式液晶素子６４ａは、制御系９０の光強度変調制御部９１により制御される。照明光源１１ｂ及び１１ｃにおいても、照明光源１１ａと同様に、光強度変調用マトリクス式液晶素子６４ｂ及び６４ｃにより光強度変調されたビーム８４ｂ（周波数ｆ２），８４ｃ（周波数ｆ３）となる。
光強度変調制御部９１は、光強度変調素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃを駆動制御し、照明光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃの強度変調を行う。照明光学系８０において光強度変調されたビーム８４ａ，８４ｂ，８４ｃは、それぞれ、ビームスプリッター８５，８６，８７に入射し、合波されて光強度変調されたビーム８４となる。ここで、隣接する画素同士の光強度変調周波数が異なるように、光強度変調されたビーム８４ａ，８４ｂ，８４ｃの各画素毎に異なる複数の周波数で強度変調してもよい。例えば、光強度変調されたビーム８４ａ（波長λ１）の光強度変調周波数を隣り合う画素の順にｆ１，ｆ２，ｆ３とし、同様に、光強度変調されたビーム８４ｂ（波長λ２）の光強度変調周波数をｆ４，ｆ５，ｆ６とし、光強度変調されたビーム８４ｃ（波長λ３）の光強度変調周波数をｆ７，ｆ８，ｆ９としてもよい。これらの変調周波数は、互いに高調波関係とならないように選定することが好ましい。
光強度変調されたビーム８４は、図８に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡７と同様に、入射光学系を介して被観察物２に照射される。この被観察物２からの反射光または蛍光は、検出光学系３０に入射し画像処理装置９２において信号処理されて画像信号がパーソナルコンピュータ５１に送出される。
画像処理装置９２は、検出電気信号用の増幅器、Ａ／Ｄ変換器などを備え、検出光学系からの時間軸信号をデジタル化してパーソナルコンピュータ５１に送出する。パーソナルコンピュータ５１は、時間軸信号を周波数軸に変換するフーリエ変換処理をして、反射光の強度分布を得てディスプレー装置５４に表示する。フーリエ変換は、処理時間を短くするためには高速フーリエ変換の計算手法により演算処理すればよい。
次に、上記第４実施形態の共焦点顕微鏡８の動作について説明する。この共焦点顕微鏡８の動作は、被観察物２に照射される複数の光が光強度変調されている点が、共焦点顕微鏡７と異なる。マトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、各画素２２ａを透過する光は光強度変調されると共に、その偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子の各画素２２ａが制御されている。被観察物２からの複数の波長の反射光または蛍光は、検出光学系３０及び制御系９０において、各波長の光強度変調された各画素からの信号を周波数軸上で検出できる。この際、液晶を用いた共焦点顕微鏡７内で生じるクロストーク以外の雑音等などは光強度変調周波数とは異なり周波数軸で容易に判別処理できるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を増大させることができる。即ち、被観察物２の複数の波長からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、隣り合う画素同士が異なる周波数で光強度変調されている場合には、さらにクロストークを防止できる。これにより、多重共焦点間におけるクロストークを防止できるとともに、複数の波長からの反射光または蛍光の強度を光強度変調の周波数で検出できるので多波長において高感度となり、共焦点顕微鏡７では得られない多波長からの横方向及び深さ方向の分解能が向上する。また、被観察物２の機械的な走査を行わないで、被観察物２の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。
次に、共焦点顕微鏡の第４の実施の形態の変形例を示す。図１３は第４の実施の形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の別の構成を示す模式図である。図１３に示す共焦点顕微鏡８’が、図１１に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡８と異なるのは、入射光学系２０である。他の照明光学系８０、検出光学系３０、制御系９０、ステージ３は、図１１と同じ構成であるので、説明は省略する。入射光学系２０において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が、図１１の入射光学系と異なる。この変形例では、第二の偏光子２５を追加したことにより、図５で説明したように、照明光の強度制御を行うことができる。これにより、被観察物に応じてマトリクス式液晶素子の各画素２２ａを制御することで、照明光強度の制御ができることになる。
次に、本発明の共焦点顕微鏡の第５の実施の形態を示す。図１４は第５の実施形態による液晶を用いた共焦点顕微鏡の構成を示す模式図である。図１４に示す共焦点顕微鏡９が、図６に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡５と異なるのは、照明光学系６０及び制御系１００である。他の入射光学系２０’、検出光学系３０’、ステージ３は、図６と同じ構成であるので、説明は省略する。照明光学系６０は、図８に示した照明光学系６０と同じであり、光源１１と光強度変調部６２とから構成されていて、照明光源１１を光強度変調用マトリクス式液晶素子６４により光強度変調したビーム光６２を発生させる。光強度変調用マトリクス式液晶素子６４は、後述する制御系１００により制御される。この際、隣接する画素同士の光強度変調周波数が異なるように、異なる複数の周波数で強度変調することが好ましい。
図１５は、上記第５の実施の形態による共焦点顕微鏡の照明光学系の別の構成例を示す模式図である。この共焦点顕微鏡９Ａにおいて、照明光学系６０は、照明光源１１と、コリメータ１２との間にさらに音響光学素子６８が配設されている点が、図１４の照明光学系６０と異なる。照明光源１１は、音響光学素子６８により光強度変調された後に、コリメータ１２によって所望のビーム径の平行光に拡大されたのち、光強度変調用マトリクス式液晶素子６４により光の強度が変調され、所謂、二重強度変調される。音響光学素子６８は、光強度変調用マトリクス式液晶素子よりも高い周波数で光変調することができる。
制御系１００は、光強度変調制御部５６と光強度変調された反射光を検出する画像処理装置１０１を有している点が、図６の制御系５０’と異なる。光強度変調制御部５６は光強度変調素子６４を駆動制御し、照明光源１１の強度変調を行う。照明光学系６０において光強度変調された入射光は、図６に示す共焦点顕微鏡５と同様に、入射光学系２０’を介して被観察物２に照射される。この被観察物２からの反射光は、検出光学系３０’に入射し画像処理装置１０１において信号処理されて画像信号がパーソナルコンピュータ５１に送出される。
画像処理装置１０１は、検出電気信号用の増幅器、Ａ／Ｄ変換器などを備え、検出光学系からの時間軸信号をデジタル化してパーソナルコンピュータ５１に送出する。パーソナルコンピュータ５１は、時間軸信号を周波数軸に変換するフーリエ変換処理をして、被観察物２の反射光または蛍光の光強度分布を得てディスプレー装置５４に表示する。フーリエ変換は、高速フーリエ変換の計算手法により行うことができる。
ここで、第５の実施形態の共焦点顕微鏡の動作について説明する。上記第５の実施形態の共焦点顕微鏡９では、第２の実施形態による共焦点顕微鏡５の動作で説明したと同様に、マトリクス式液晶素子２２，３９の各画素を透過する光の偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子２２，３９の各画素が制御される。
第５の実施形態では、被観察物２からの反射光または蛍光に照射される光は、検出光学系３０及び制御系１００において、光強度変調された各画素からの信号を周波数軸上で検出できる。この際、液晶を用いた共焦点顕微鏡９内で生じるクロストーク以外の雑音などは光強度変調周波数とは異なり周波数軸で容易に判別処理できるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を増大させることができる。即ち、被観察物２からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、隣り合う画素同士が異なる周波数で光強度変調されている場合には、さらにクロストークを防止できる。
次に、本発明の共焦点顕微鏡の第５の実施の形態の変形例を図１６に示す。図示する液晶を用いた共焦点顕微鏡９Ｂが、図１４に示す液晶を用いた共焦点顕微鏡９と異なるのは、入射光学系２０’である。他の照明光学系６０、検出光学系３０’、制御系１００、ステージ３は、図１４と同じ構成であるので、説明は省略する。本例では、入射光学系２０’において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が図１４の入射光学系と異なる。
この第二の偏光子２５による作用は、図４及び図５で説明したように、第一のマトリクス式液晶素子の画素２２ａの駆動電圧により照明光強度を変えることである。入射光学系の第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、隣り合う各画素２２ａを透過する光の偏光方向を互いに直交させるように、第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素が制御され得る。
次に、本発明の共焦点顕微鏡の第６の実施の形態を図１７に示す。共焦点顕微鏡９Ｃが、図１４に示す共焦点顕微鏡９と異なるのは、照明光学系８０と制御系１００’である。なお、図１４と同一の構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。照明光学系８０は、図１１及び図１２と同じ構成とすることができるので詳しい説明は省略する。また、制御系１００’は、光強度変調制御部５６と光強度変調された反射光を検出する画像処理装置１０１を有している以外は、図１４と同じ構成とすることができるので詳しい説明は省略する。
ここで、照明光源１１は異なる３波長の光１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有し、それぞれの波長の光は光強度変調されている。マトリクス式液晶素子２２，３９の各画素を透過する光において、その偏光方向が互いに直交するようにマトリクス式液晶素子２２，３９の各画素が制御され。そして、各画素において、異なる波長の反射光または蛍光が光強度変調されているので、クロストークが生じない。また、各画素における波長の異なる入射光は光強度変調周波数が異なるので、各波長からの反射光または蛍光を容易に識別することができる。
さらに、共焦点顕微鏡９内で生じるクロストーク以外の雑音等も光強度変調周波数とは異り周波数軸で容易に判別処理できるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を増大させることができる。即ち、被観察物２からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。
これにより、被観察物２の機械的な走査と、波長により検出器の切り替えを行うことなしに、被観察物２の多波長からの反射光または蛍光の観察を高速に高感度で行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、分解能が向上する。
次に、共焦点顕微鏡の第６の実施の形態の変形例を図１８を参照しつつ説明する。図示の液晶を用いた共焦点顕微鏡９Ｄが、図１７に示す共焦点顕微鏡９Ｃと異なるのは入射光学系２０’である。他の照明光学系８０、検出光学系３０’、制御系１００’、ステージ３は、図１７と同じ構成であるので説明は省略する。本例では、入射光学系２０’において、マトリクス式液晶素子２２の下部に第二の偏光子２５を設けている点が図１７の入射光学系と異なる。
この第二の偏光子２５による作用は、図４及び図５で説明したように、第一のマトリクス式液晶素子の画素２２ａの駆動電圧により、照明光強度を変えることである。入射光学系の第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素２２ａにおいて、隣り合う各画素２２ａを透過する光の偏光方向を互いに直交させるように、第一のマトリクス式液晶素子２２の各画素が制御される。
ここで、被観察物２の反射光により撮像素子３３に形成される複数の焦点４１間のクロストークは、第二のマトリクス式液晶素子の各画素の偏光制御により防止できる。従って、入射光の照明制御を行なった場合であっても、反射光のクロストークのない像を形成できるので、従来の共焦点顕微鏡のように機械的な走査をして全画面を合成する必要がなく、制御系１００’のディスプレー装置５４で直ちに観察できる。これにより、被観察物２の機械的な走査を行わないで、被観察物２の多波長からの反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、分解能が向上するとともに、光変調された光源により感度を向上させることができる。さらに、２枚のマトリクス式液晶素子と、第二の偏光子２５との組み合わせにより、照明光制御、偏光制御、検出信号の選択等を実現することができる。
以下、共焦点顕微鏡を用いたマイクロアレイ基板の測定方法の実施の形態を説明する。
ここで、マイクロアレイ基板は、微量のＤＮＡ、または、生体物質を平板状に配置した被観察物である。これらのマイクロアレイ基板は、選択的に標識となる蛍光物質が予め付与されている。また、このマイクロアレイ基板は、蛍光標識化した未知の一本鎖ＤＮＡとハイブリダイゼーション反応させたＤＮＡマイクロアレイ基板でもよい。
上記ＤＮＡマイクロアレイ基板を、図６に示す本発明の共焦点顕微鏡５を用いて観察する測定方法について説明する。共焦点顕微鏡５の第一及び第二のマトリクス式液晶素子２２及び３９の大きさは、ＤＮＡマイクロアレイ基板よりも十分に大きいものを使用する。従って、ＤＮＡマイクロアレイ基板の全体の反射像または蛍光は、共焦点顕微鏡５を用いて観察できる。
先ず、ＤＮＡマイクロアレイ基板をステージ３に載置して照明光源１１を点灯する。次に、照明光源１１の焦点位置と、ＤＮＡマイクロアレイ基板の検出位置が重なるように、観察するＤＮＡマイクロアレイ基板のＺ方向位置をＸＹＺステージ３ａ及びθステージ３ｂを用いて調節する。
ＤＮＡマイクロアレイ基板への入射光は、マトリクス式液晶素子２２によって、隣接する画素を透過した入射光の偏光方向を互いに直交させるように第一の液晶制御部５２により制御される。この際、検出光学系の第二のマトリクス式液晶素子３９の各画素もまた、第二の液晶制御部により制御される。
このようにして、ＤＮＡマイクロアレイ基板で発生した全部の蛍光が、撮像素子３３として、例えばＣＣＤカメラを使用することで同時に検出でき、検出する信号の強度や偏光方向を変化させて蛍光画像観察を行うことができる。
ここで、マトリクス式液晶素子２２，３９の画素の大きさは、１０μｍ〜２０μｍであり、例えば、ＤＮＡマイクロアレイ基板で発生する一つの蛍光の大きさは直径が１００μｍ程度であるので、分解能は十分にある。従って、ＤＮＡマイクロアレイ基板の蛍光の数や蛍光発生個所を、直ちに判別することができる。そして、制御系５０のパーソナルコンピュータ５１を使用して、画像の記録やデータ処理を敏速に行うことができる。
また、上記ＤＮＡマイクロアレイ基板を、図１４に示す本発明の共焦点顕微鏡９を用いて観察すれば、光源が光強度変調されており、ＤＮＡマイクロアレイ基板から蛍光を周波数軸で高感度で測定できる。
次に、選択的に標識となる複数の蛍光波長を有する蛍光物質が予め付与されている場合のＤＮＡマイクロアレイ基板を、図１１に示す本発明の共焦点顕微鏡５を用いて観察する測定方法について説明する。図１６に示す本発明の共焦点顕微鏡９Ｂを用いて観察すれば、光源が多波長で、各波長が光強度変調されており、ＤＮＡマイクロアレイ基板からの多波長の蛍光を周波数軸で高感度で測定することができる。
上記した共焦点顕微鏡を用いたマイクロアレイ基板の測定方法によれば、マイクロアレイ基板上にマトリクス式液晶素子の画素数に相当する多重の焦点が生じ、その反射光が分離光学系を通って共焦点検出光学系へ入射し、マトリクス式液晶素子を通って画素数に相当する多重の焦点として形成される。従って、本発明の共焦点顕微鏡によれば、マトリクス式液晶素子の画素数に対応する被観察物を一度に観察することができる。また、一波長に限らず多波長の光源を用いることができるので、ＤＮＡマイクロアレイ基板上からの多波長の蛍光を短時間に、精度よく測定することができる。これにより、ＤＮＡマイクロアレイ基板上で励起された蛍光の鮮明な全体像が、ＤＮＡマイクロアレイ基板の機械的な走査なしに、すなわちリアルタイムで観察できる。
次に、共焦点顕微鏡を用いた偏光の測定方法の実施の形態を説明する。偏光は被観察物２の反射光または蛍光からの偏光であり、例えば、図１７に示す本発明の共焦点顕微鏡９Ｃを用いて、上記ＤＮＡマイクロアレイ基板による蛍光からの偏光を観察する場合を例にとって説明する。
先ず、ＤＮＡマイクロアレイ基板をステージ３に載置して、照明光源１１を点灯する。次に、照明光源１１の焦点位置と、ＤＮＡマイクロアレイ基板の検出位置が重なるように、観察するＤＮＡマイクロアレイ基板のＺ方向位置をＸＹＺステージ３ａ及びθステージ３ｂを用いて調節する。
ＤＮＡマイクロアレイ基板への入射光は、マトリクス式液晶素子２２によって、隣接する画素を透過した入射光の偏光方向を互いに変化させるように第一の液晶制御部５２により制御される。この際、各画素を透過する光の偏光方向を画素毎に独立して制御することができる。この偏光を１８０度回転させると、偏光子２５を透過する光の量が変化し、被観察物からの偏光の変化を観察することができる。
このようにして、ＤＮＡマイクロアレイ基板、生物試料、糖などにおける蛍光や反射光からの偏光を撮像素子３３として、例えばＣＣＤカメラを使用することで検出できる。また、本発明の共焦点顕微鏡９Ｂを用いて観察すれば、光源が多波長で各波長が光強度変調されており、ＤＮＡマイクロアレイ基板からの多波長の蛍光の偏光を周波数軸で高感度で測定することができる。
ここで、マトリクス式液晶素子２２，３９の画素の大きさは、１０μｍ〜２０μｍであり、例えばＤＮＡマイクロアレイ基板で発生する一つの蛍光の大きさは直径が１００μｍ程度であるので、分解能は十分にある。従って、ＤＮＡマイクロアレイ基板の蛍光の偏光を直ちに測定することができる。この際、制御系５０のパーソナルコンピュータ５１を使用して、画像の記録やデータ処理を敏速に行うことができる。
本発明の共焦点顕微鏡を用いた反射光や蛍光の偏光の測定方法によれば、マイクロアレイ基板上にマトリクス式液晶素子の画素数に相当する多重の焦点が生じ、その反射光が、分離光学系を通って共焦点検出光学系へ入射し、マトリクス式液晶素子を通って画素数に相当する多重の焦点として形成される。従って、本発明の共焦点顕微鏡によれば、マトリクス式液晶素子の画素数に対応する被観察物からの偏光を一度に観察することができる。また、一波長に限らず多波長の光源を用いることができるので、被観察物からの多波長の反射光または蛍光からの偏光を短時間に精度よく測定することができる。
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、検出光学系に撮像素子を用いたが、撮像素子位置で目視の観察や写真撮影なども行うことができるように、検出系は必要に応じて複数の検出系とすることも可能である。また、多波長とする入射光学系及び検出光学系の構成や光強度変調素子などは、被観察物に応じて最適な設計や使用部品を選定できることは勿論である。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年7月20日(2004.7.20)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光源及び偏光子からの偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、上記ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部を含む制御系を含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、該マイクロレンズ毎の対応する位置に配列された上記マトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記対物レンズにより上記被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を上記液晶制御部を用いて制御し、上記液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、上記被観察物に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせることを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項２】
前記マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項１に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項３】
照明光源及び偏光子からの偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、該マイクロレンズ毎の対応する位置に配列された上記第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記被観察物に複数の焦点を結ばせ、
さらに、上記第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の上記反射光または蛍光を、該マイクロレンズ毎の対応する位置に配列された上記第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、上記撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、
上記第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、上記第一の液晶制御部を用いて制御し、上記第一の液晶制御部が、上記第一のマトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、上記被観察物に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせ、
上記第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、上記第二の液晶制御部を用いて制御し、上記第二の液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、上記撮像素子に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせることを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
前記第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光方向が、前記第一のマトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項３に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項７】
照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、上記ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部と上記照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記マトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記対物レンズにより上記被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、
上記マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を上記液晶制御部を用いて互いに直交するように制御し、
上記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換することにより検出することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項８】
前記マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項９】
前記照明光源が一波長または多波長であり、前記照明光源の光強度変調がマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスのいづれかの素子を用いて行われることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１０】
前記照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されることを特徴とする、請求項７または９に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１１】
前記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号への変換が、高速フーリエ変換で演算処理されることを特徴とする、請求項７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１２】
照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、
被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部と上記照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系と、を備えた共焦点顕微鏡であって、
上記第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、上記第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、上記被観察物に複数の焦点を結ばせ、
さらに、上記第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の上記反射光または蛍光を、上記第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、上記撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、
上記第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、上記第一及び第二の液晶制御部を用いて制御し、
上記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換することにより検出することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１３】
前記入射光学系の第一の液晶制御部が、前記第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１４】
前記検出光学系の第二の液晶制御部が、前記第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、互いに直交するように制御することを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１５】
前記第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、該偏光子を透過した光の偏光が、前記マトリクス式液晶の各画素で制御されることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１６】
前記照明光源が一波長または多波長であり、前記照明光源の光強度変調がマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスの何れかを用いて行われることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１７】
前記照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されることを特徴とする、請求項１２または１６に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１８】
前記被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号への変換が、高速フーリエ変換で演算処理されることを特徴とする、請求項１２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡。
【請求項１９】
選択的に標識となる蛍光物質が予め付与されているマイクロアレイ基板の蛍光測定において、
請求項７乃至１８の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記蛍光物質からの蛍光を観察することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２０】
前記マイクロアレイ基板が、微量のＤＮＡまたは生体物質を含んでいることを特徴とする、請求項１９に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２１】
前記マイクロアレイ基板が、ＤＮＡチップであることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２２】
被観察物からの反射光または蛍光からの偏光測定において、請求項７乃至１８の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記被観察物からの偏光を測定することを特徴とする、上記共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【請求項２３】
前記液晶を用いた共焦点顕微鏡の液晶マトリクスにおいて、前記偏光を１８０度変化させることにより、前記被観察物からの偏光測定を行うことを特徴とする、請求項２２に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【請求項２４】
選択的に標識となる蛍光物質が予め付与されているマイクロアレイ基板の蛍光測定において、
請求項１、２、３、６の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記蛍光物質からの蛍光を観察することを特徴とする、液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２５】
前記マイクロアレイ基板が、微量のＤＮＡまたは生体物質を含んでいることを特徴とする、請求項２４に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２６】
前記マイクロアレイ基板が、ＤＮＡチップであることを特徴とする、請求項２４または２５に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板の蛍光測定方法。
【請求項２７】
被観察物からの反射光または蛍光からの偏光測定において、請求項１、２、３、６の何れかに記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡を使用して、上記被観察物からの偏光を測定することを特徴とする、上記共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【請求項２８】
前記液晶を用いた共焦点顕微鏡の液晶マトリクスにおいて、前記偏光を１８０度変化させることにより、前記被観察物からの偏光測定を行うことを特徴とする、請求項２７に記載の液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法。
【手続補正００２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
を観察するには走査を行う必要があり、蛍光などの実時間観察が困難である。
発明の開示
本発明の目的は、以上の課題に鑑みて、高感度で、横方向、深さ方向の分解能に優れ、広領域の動的な観察が可能である、液晶を用いた共焦点顕微鏡及び液晶を用いた共焦点顕微鏡によるマイクロアレイ基板からの蛍光測定方法並びに液晶を用いた共焦点顕微鏡による偏光測定方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源及び偏光子からの偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部を有する制御系と、を含む共焦点顕微鏡であって、マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、マイクロレンズ毎の対応する位置に配列されたマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、対物レンズにより被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を液晶制御部を用いて制御し、上記液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、観察物に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光がマトリクス式液晶の各画素で制御される。
この構成によれば、被観察物に照射する光が、マイクロレンズアレイにより、マトリクス式液晶素子の各画素をピンホールとして入射し、被観察物に第一の複数の焦点を形成する。さらに、被観察物の反射光または蛍光が、検出光学系において、第二の複数の焦点を形成することから、本発明の顕微鏡は、共焦点顕微鏡として動作する。この際、マトリクス式液晶素子の各画素において、各画素を透過する光の偏光方向が互いに直交するように、マトリクス式液晶素子の各画素が制御される。これにより、被観察物の走査制御を行わないで、被観察物の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、分解能が向上する。


【手続補正００３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源及び偏光子からの偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッター，レンズ，第二のマイクロレンズアレイを上部に配置した第二のマトリクス式液晶素子，集光レンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を制御する第一及び第二の液晶制御部を含む制御系と、を備え、第一のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光を、マイクロレンズ毎の対応する位置に配列された第一のマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、被観察物に複数の焦点を結ばせ、さらに、第二のマイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズアレイ毎の反射光または蛍光を、マイクロレンズ毎の対応する位置に配列された第二のマトリクス式液晶素子の画素毎に透過させ、撮像素子に複数の焦点を結ばせると共に、第一のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、第一の液晶制御部を用いて制御し、第一の液晶制御部が、第一のマトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、被観察物に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせ、第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を、第二の液晶制御部を用いて制御し、第二の液晶制御部が、マトリクス式液晶素子の隣接する各画素を透過する光の偏光方向を互いに直交するように制御して、撮像素子に光の偏光方向が互いに直交した複数の焦点を結ばせることを特徴とする。
上記構成において、第一のマトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光方向を、第一のマトリクス式液晶の各画素で制御するようにしてもよい。
この構成によれば、被観察物に照射する入射光が、第一のマイクロレンズアレイにより第一のマトリクス式液晶素子の各画素に入射し、被観察物に第一の複数の焦点を形成する。さらに、被観察物の反射光または蛍光が、検出光学系の第二のマイクロレンズアレイ及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素を透過して第二の複数の焦点を形成することから、本発明の顕微鏡は、共焦点顕微鏡として動作する。この際、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の各画素において、各画素を透過する光の偏光方向が互いに直交するように、各マトリクス式液晶素子の各画素が制御される。これにより、被観察物の走査制御を行わないで、被観察物


【手続補正００４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
の反射光または蛍光の観察を高速に行うことができる。また、多重共焦点間におけるクロストークを防止でき、横方向及び深さ方向の分解能が向上する。さらに、第一及び第二のマトリクス式液晶素子の組み合わせにより、偏光制御、検出信号の選択等を動的に実現することができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，マイクロレンズアレイを上部に配置したマトリクス式液晶素子及び対物レンズを介して被観察物へ入射する入射光学系と、被観察物からの反射光または蛍光を、ビームスプリッターとレンズを介して検出する撮像素子を含む検出光学系と、マトリクス式液晶素子の各画素を制御する液晶制御部と照明光源の光強度変調制御部とを含む制御系とを備え、マイクロレンズアレイを透過したマイクロレンズ毎の光をマトリクス式液晶素子の各画素毎に透過させ、対物レンズにより被観察物に複数の焦点を結ばせると共に、マトリクス式液晶素子の各画素を透過する光の偏光方向を液晶制御部を用いて互いに直交するように制御し、被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号を周波数信号に変換することにより検出することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、マトリクス式液晶素子の下部に偏光子を配置し、偏光子を透過した光の偏光を、マトリクス式液晶の各画素で制御する。また好ましくは、照明光源が一波長または多波長であり、照明光源の光強度変調をマトリクス式液晶素子、音響光学素子、デジタル・ミラー・デバイスの何れかを用いて行う。また、照明光源の一波長あたりの光強度変調が各画素毎に複数の変調周波数で印加されてもよい。また、好ましくは、被観察物からの反射光または蛍光の光強度変調信号から周波数信号への変換が、高速フーリエ変換で演算処理される。
この構成によれば、さらに、被観察物に照射する入射光が光強度変調されているので、被観察物からの反射光または蛍光を周波数軸に信号変換をすることにより、被観察物からの反射光または蛍光を高感度で検出することができる。また、証明光源が多波長の場合には、多波長からの反射光または蛍光を短時間に、高感度で測定することができる。
また、本発明の液晶を用いた共焦点顕微鏡は、照明光源から光強度変調された偏光を、ビームスプリッター，レンズ，第一のマイクロレンズアレイを上部に配置した第一のマトリクス式液晶素子を介して被観察物へ入射する入射光学系と、




【国際調査報告】
2004036284.tif 000025
2004036284.tif 000026
2004036284.tif 000027
2004036284.tif 000028