(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、入射光の入射方向と異なる方向に射出する第１の波長選択素子と、
前記第１の波長選択素子で射出された光を入射方向と異なる方向に射出する全反射ミラーと、
入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、前記全反射ミラーで反射された光を入射方向と異なる方向に射出する第２の波長選択素子とを備え、
前記第１及び第２の波長選択素子が、各々の入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設けられ、
前記全反射ミラーが、反射面の法線方向に移動可能に設けられ、
前記第１及び第２の波長選択素子の回動と前記全反射ミラーの移動とが連動するようになされたことを特徴とする蛍光キューブ。
【請求項２】
入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、所定の入射角に対して異なる分光特性を有する回折パターンを複数備え、該複数の回折パターンが同一の媒質に積層して形成されている回折光学素子を有し、
前記回折光学素子が、入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設けられ、入射角の変化に応じて回折作用を有する回折パターンが切り替わるように構成されていることを特徴とする蛍光キューブ。
【請求項３】
前記第１及び第２の波長選択素子の少なくとも一つが、干渉フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光キューブ。
【請求項４】
前記第１及び第２の波長選択素子の少なくとも一つが、回折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光キューブ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の蛍光キューブを備えた光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛍光キューブ及びそれを備えた光学顕微鏡に関する。
【０００２】
図１３は異なる波長の蛍光を観察するための方式のうち、複数の蛍光キューブを切り換える方式の一従来例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、ダイクロイックミラーの波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【０００３】
蛍光キューブ１１は、図１３(a)に示すように、励起フィルタ１２と、ダイクロイックミラー１３と、吸収フィルタ１４とを有して構成されている。励起フィルタ１２の透過波長領域は、図１３(b)に示すように、ダイクロイックミラー１３、吸収フィルタ１４のそれぞれの透過波長領域とは異なっている。また、吸収フィルタ１４の透過波長領域は、ダイクロイックミラー１３の透過波長領域内に含まれている。
そして、図１３(a)の蛍光キューブ１１において励起フィルタ１２を透過した所定波長λ１の励起光は、ダイクロイックミラー１３に対し４５度の入射角で入射する。このとき、励起光１の波長λ１はダイクロイックミラー１３の透過波長領域外の波長であるため、励起光は４５度の反射角で反射され、図示省略した被観察物体に向かう。被観察物体からの反射光（励起光及び蛍光）は、ダイクロイックミラー１３に対し４５度の入射角で入射する。このとき、ダイクロイックミラー１３の透過波長領域内の波長の光、すなわち蛍光がそのまま透過し、さらにその光の殆どが吸収フィルタ１４も透過し観察者の瞳又は撮像光学系に導かれる。
【０００４】
また、図１３(a)に示す蛍光キューブ１１’は、励起フィルタ１２’と、ダイクロイックミラー１３’と、吸収フィルタ１４’とを有して構成されている。そして、蛍光キューブ１１’を構成する励起フィルタ１２’と、ダイクロイックミラー１３’と、吸収フィルタ１４’の各透過波長領域は、蛍光キューブ１１を構成する励起フィルタ１２と、ダイクロイックミラー１３と、吸収フィルタ１４の各透過波長領域と異なっている。また、吸収フィルタ１４’の透過波長領域は、ダイクロイックミラー１３’の透過波長領域内に含まれている。
このようにして、蛍光キューブ１１，１１’はそれぞれ異なる一つの波長領域について蛍光観察を行うことができるようになっている。
【０００５】
そして、このように構成された従来の蛍光キューブ１１では、異なる波長の蛍光を観察する場合には、蛍光キューブ１１とその他の蛍光キューブ１１’とを切り換えていた。
【０００６】
図１４は異なる波長を蛍光観察するための方式のうち、多重波長に対応したダイクロイックミラーを用い、励起フィルタと吸収フィルタのみを切り換える方式の一例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、ダイクロイックミラーの波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【０００７】
蛍光キューブ２１は、図１４(a)に示すように、キューブの函体内部に固定された、多重波長に対応したダイクロイックミラー２３と、着脱可能な励起フィルタ２２、吸収フィルタ２４とを備えて構成されている。図１４(b)に示すように、ダイクロイックミラー２３は、透過波長領域を複数有している。励起フィルタ２２としては、透過波長領域が、ダイクロイックミラー２３、吸収フィルタ２４のそれぞれの透過波長領域とは異なるものが複数用意されている。
また、吸収フィルタ２４は、透過波長領域が、ダイクロイックミラー２３の一つの透過波長領域内に含まれるものがダイクロイックミラー２３の複数の透過波長領域に応じて複数用意されている。
【０００８】
そして、このように構成された従来の蛍光キューブ２１では、多重波長による蛍光観察を行う場合には、蛍光キューブ２１の函体内部から励起フィルタ２２と吸収フィルタ２４を取り外していた。また、異なる一つの励起波長で蛍光を観察する場合には、蛍光キューブ２１の函体内部の励起フィルタ２２、吸収フィルタ２４を所望の波長領域に対応したフィルタに切り換えていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の蛍光キューブを切り換える方式では、観察する蛍光波長に対応したキューブを個々に用意しなければならず、複数の蛍光色素に対応するには蛍光キューブの数が非常に多く必要となりコスト高となるという問題があった。
【００１０】
また、励起フィルタ、吸収フィルタを切り換える方式では、多重波長に対応したダイクロイックミラーは、キューブ内に固定して設けるために多波長に１枚のダイクロイックミラーで対応する構成としなければならない。ところが、ダイクロイックミラーに設ける干渉膜の膜層が非常に多くなると、製造が非常に難しくコスト高であり、また、コーティングの材質が特殊になるため耐性が悪く、膜の層数が増えるためダイクロイックミラーの波長特性も良くないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な構成でもって、複数の蛍光波長を最適な励起波長に調整して観察でき、製造が容易でコストも低減することができる、蛍光キューブ及びそれを備えた光学顕微鏡を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本第１の発明による蛍光キューブは、入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、入射光の入射方向と異なる方向に射出する第１の波長選択素子と、前記第１の波長選択素子で射出された光を入射方向と異なる方向に射出する全反射ミラーと、入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、前記全反射ミラーで反射された光を入射方向と異なる方向に射出する第２の波長選択素子とを備え、前記第１及び第２の波長選択素子が、各々の入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設けられ、前記全反射ミラーが、反射面の法線方向に移動可能に設けられ、前記第１及び第２の波長選択素子の回動と前記全反射ミラーの移動とが連動するようになされたことを特徴としている。
【００１３】
また、本第１の発明においては、前記第１及び第２の波長選択素子の少なくとも１つが、干渉フィルタであるのが好ましい。
【００１４】
また、本第１の発明においては、前記第１及び第２の波長選択素子の少なくとも１つが、回折光学素子であるのが好ましい。
【００１５】
本第２の発明による蛍光キューブは、入射角度に依存して透過・反射波長特性が変化する光学素子であって、所定の入射角に対して異なる分光特性を有する回折パターンを複数備え、該複数の回折パターンが同一の媒質に積層して形成されている回折光学素子を有し、前記回折光学素子が、入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設けられ、入射角の変化に応じて回折作用を有する回折パターンが切り替わるように構成されていることを特徴としている。なお、分光特性には分光透過率特性や分光反射率特性がある。
【００１６】
また、本第２の発明においては、前記各回折パターンにおける被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、該各回折パターンの反射波長帯域のいずれにも重ならないようにするのが好ましい。
【００１９】
また、本第３の発明の蛍光キューブを備えた光学顕微鏡は、本第１又は本第２の発明の蛍光キューブを備えるのが好ましい。
【００２０】
本第１の発明のように２つの波長選択素子と１つの全反射ミラーを用いる構成とすれば、１つの装置で複数の蛍光波長を観察をすることができる。
また、観察波長領域を連続的かつ広範囲に移動させることができ、蛍光観察に最適な励起波長の調整をすることができる。
【００２１】
また、本第２の発明のようにすれば、一つの装置で複数の蛍光波長に対応することができる。また、回折光学素子は個々の波長特性に対して最適化することが出来るため、波長特性を改善することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１実施例
図１は本発明の蛍光キューブの第１実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は蛍光キューブを構成するバンド反射ミラーとしての干渉フィルタが満たすべき条件を説明するための説明図、(c)はバンド反射ミラーの波長に対する反射率特性を示すグラフである。
【００２３】
本実施例の蛍光キューブ１は、図１(a)に示すように、入射光の入射方向と異なる方向に反射する第１の波長選択素子である第１バンド反射ミラー２と、第１バンド反射ミラー２で反射された光を入射方向と異なる方向に反射する全反射ミラーである全反射ミラー４と、全反射ミラー４で反射された光を入射方向と異なる方向に反射する第２の波長選択素子である第２バンド反射ミラー３とを備えている。なお、キューブの函体は図示を省略してある。
第１バンド反射ミラー２、第２バンド反射ミラー３は、ミラー面に干渉膜を設けた干渉フィルタとして構成されており、傾けると反射する波長特性が変わるようになっている。また、第１バンド反射ミラー２、第２バンド反射ミラー３は、ミラーであるので、入射角と射出角は、同じである。ここで、図１(b)に示すように、バンド反射フィルタへの入射角をθとすると、反射時における干渉フィルタが満たす条件は次の式(1)で示される。
２ｄ・ｃｏｓθ＝ｍλ                                        ……(1)
但し、ｄは干渉膜の光学的厚さ、ｍは半整数、λは波長である。
そして、第１バンド反射ミラー２，第２バンド反射ミラー３は、図１(c)に示すように、入射角θが小さくなると、波長が長くなる。
【００２４】
そして本実施例では、図１(a)に示すように、照明光が所定の入射角θ１でもって第１バンド反射ミラー２に入射し、その入射角θ１に対応する波長幅の光が反射角θ１でもって反射されて、被観察物体側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は第２バンド反射ミラー３に所定の入射角θ２でもって入射し、その入射角θ２に対応する波長幅の光が反射角θ２でもって反射されて図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００２５】
また、第１バンド反射ミラー２、第２バンド反射ミラー３は、それぞれ入射光の光軸に垂直な軸（図１(a)の紙面に対して垂直であり、かつ、第１バンド反射ミラー２への入射光の光軸と第１バンド反射ミラー２との交点を通る軸、及び、第２バンド反射ミラー３への入射光の光軸と第２バンド反射ミラー３との交点を通る軸）に対して回動可能に設けられている。全反射ミラー４は、ミラーの法線方向に移動可能に設けられている。そして、第１バンド反射ミラー２及び第２バンド反射ミラー３の回動と全反射ミラー４の移動とが連動するようになっており、観察波長を変えるために一方のバンド反射ミラーの向きを変えたときには、他方のバンド反射ミラーの向き及び全反射ミラーの位置が変わり、第１バンド反射ミラー２、全反射ミラー４、第２バンド反射ミラー３を経由して所望の波長の光が観察物体の方向に向かうようになっている。
【００２６】
このように構成された本実施例の蛍光キューブによれば、図示省略された照明光源からの光が第１バンド反射ミラー２に所定の入射角θ１でもって入射すると、第１バンド反射ミラー２がその入射角θ１に対応した波長λを中心とする所定範囲の波長の光を射出角θ１でもって反射する。全反射ミラー４は、第１バンド反射ミラー２の入射角θ１に連動して所定位置に矢印方向に沿って移動して、第１バンド反射ミラー２からの反射光を全反射する。このとき第２バンド反射ミラー３も第１バンド反射ミラー２、全反射ミラー４に連動して所定角度回動し、所定の入射角θ２でもって入射した全反射ミラー４からの反射光のうち入射角θ２に対応した波長の光を反射して被観察物体に向かわせる。
被観察物体からの反射光（励起光及び蛍光）は第２バンド反射ミラー３に入射角θ２で入射するが、第２バンド反射ミラーが入射角θ２で反射する波長領域と蛍光の波長は異なるので、蛍光は第２バンド反射ミラーを透過して図示省略した観察光学系に向かう。これにより、観察者は、所定範囲の波長による蛍光観察をすることができる。
【００２７】
従って、本実施例の蛍光キューブによれば、バンド反射ミラーの入射角を調整することにより励起波長を広範囲にわたって連続的に変えることができる。そして、この場合、他のバンド反射ミラー、全反射ミラーが上記バンド反射ミラーの動きと同期して所定の回転あるいは移動を行うので、所定波長の光を常に被観察物体に向けることができる。この結果、１つの装置で複数の蛍光波長による観察が可能となり、コストを低減することができる。
また、上述のように連続的に波長を変えることができるため、蛍光観察に最適な励起波長に調整することができる。
【００２８】
また、本実施例の蛍光キューブによれば、２つのバンド反射ミラーと１つの全反射ミラーの入射角を調整することにより所望波長の蛍光観察をすることができるため、従来の蛍光キューブにおける励起フィルタや吸収フィルタを用いずに済む。なお、励起フィルタや蛍光フィルタを有していても本実施例の構成は適用可能である。
なお、本実施例の蛍光キューブにおいて、第２バンド反射ミラー３が反射する波長幅を第１バンド反射ミラー２が反射する波長幅よりも広くなるようにすれば励起光が観察光学系側に漏れるのを防ぐことができる。
【００２９】
また、さらに、本実施例の蛍光キューブによれば、バンド反射ミラーは従来の蛍光キューブに用いられていた多重波長用ダイクロイックミラーに比べて製造が容易であり、その分装置の製造が簡単になる。
【００３０】
第２実施例
図２は本発明の蛍光キューブの第２実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は蛍光キューブを構成する回折光学素子が満たすべき条件を説明するための説明図、(c)は回折光学素子の波長に対する射出角θ’における回折効率特性を示すグラフ、(d)は回折光学素子としてホログラム素子を用いる場合におけるホログラム素子が満たすべき条件を説明するための説明図、(e)はホログラム素子の入射角θｃに対する回折波長λｃと射出角θｉを示すグラフである。図３〜図７は第２実施例の蛍光キューブの変形例を示す概略構成図である。
【００３１】
本実施例の蛍光キューブ１は、図２(a)に示すように、入射光を入射方向と異なる方向に射出する第１の波長選択素子である反射型の第１回折光学素子５と、第１回折光学素子５で反射された光を入射方向と異なる方向に射出する全反射ミラー４と、全反射ミラー４で反射された光を入射方向と異なる方向に射出する第２の波長選択素子である反射型の第２回折光学素子６とを備えている。
第１回折光学素子５、第２回折光学素子６は、傾けると回折する波長特性が変わるようになっている。また、第１回折光学素子５、第２回折光学素子６は、入射光の角度と回折されて射出される射出光の角度を自在に設定できる特性を備えている。ここで、図２(b)に示すように、回折光学素子への入射角をθとし、回折光学素子で回折されて射出される射出角をθ’とすると、回折光学素子が満たす条件は次の式(2)で示される。
ｄ・（ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’）＝ｍλ                          ……(2)
但し、ｄは回折格子の格子間隔、ｍは整数、λは波長である。
そして、第１回折光学素子５、第２回折光学素子６は、図２(c)に示すように、入射角θが射出角θ’に近づくと射出角θ’でもって射出する波長が短くなる。
【００３２】
そして、本実施例では、第１回折光学素子５、第２回折光学素子６としてホログラム素子（ＨＯＥ）を用いている。これにより、厚みをもった３次元構造を持たせることができる。ここで、図２(d)に示すように、ホログラム素子が満たす条件は、ホログラム素子の厚みを考慮した場合、次の式(3)で示される。
２ｄ・ｓｉｎθ’＝ｍλｃ’                                  ……(3)
但し、θ’＝（θｃ’−θｉ’）／２
λｃ’＝λｃ／ｎ
ｓｉｎθｃ＝ｎ・ｓｉｎθｃ’      （スネルの法則）
ｓｉｎθｉ＝ｎ・ｓｉｎθｉ’      （スネルの法則）
また、ｄは格子間隔、θｃは入射角、θｉは射出角、λｃは波長、ｍは整数、ｎは波長λｃにおける媒質の屈折率である。
【００３３】
ここで、ホログラム素子の格子間隔ｄと格子の向きは一定であり、屈折率ｎも定数である。
ホログラム素子は、図２(d)に示すように、入射角θｃで入射した光のうちλｃの波長の光を回折してθｉの射出角をもって射出するようになっている。
【００３４】
また、図２(e)について簡単に説明する。横軸は角度を示しており、入射角であり射出角でもある。縦軸は波長であって、２つの曲線で挟まれた範囲がほぼ１００％に近い回折効率を得られる範囲であることを示している。
例えば、図２(e)において入射角を６０度とする。図２(e)において、６０度の目盛の位置から縦軸に平行な線を引くと、この線と２つの曲線が交わる領域が求まる。この領域が、ほぼ１００％に近い回折効率が得られる領域である。そこで、この領域に対応する波長を求めると、波長が５２０ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲であることがわかる。実際の計算では、最も高い回折効率が得られるのは波長が５３０ｎｍのときである。また、５３０ｎｍの目盛の位置から横軸に水平な線を引くと２箇所（４点）で２つの曲線と交わる。１箇所は先ほどの６０度前後の位置で、もう１箇所は−３０度前後の位置である。先ほどの６０度が入射角なので、−３０度前後が射出角になる。実際の計算では、最も高い回折効率が得られるのは角度が−３０度のときである。したがって、図２(e)に示すホログラムでは、入射角を６０度とした場合において回折波長が５３０ｎｍ、射出角が−３０度で最適化されている。
【００３５】
このようにホログラム素子は入射角と射出角とを異なる角度に自在に設定できるので、本実施例によれば、第１実施例のバンド反射ミラーと比べて、回折光学素子を自由に配置できる。
また、ホログラム素子としては、回折反射する反射型ホログラムと回折透過する透過型ホログラムのいずれを用いても構成可能である。
【００３６】
図２(a)の例では、照明光が所定の入射角でもって反射型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角に対応する波長幅λｃ１の光が回折反射されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、被観察物体側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は反射型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折反射されることによって所定の射出角でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００３７】
図３の例では、照明光が所定の入射角θｃ１でもって反射型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角θｃ１に対応する波長幅λｃ１の光が回折反射されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、観察光学系側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は反射型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折反射されることによって所定の射出角θｉ２でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００３８】
図４の例では、照明光が所定の入射角でもって透過型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角に対応する波長幅λｃ１の光が回折透過されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、被観察物体側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は反射型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折反射されることによって所定の射出角でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００３９】
図５の例では、照明光が所定の入射角でもって反射型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角に対応する波長幅λｃ１の光が回折反射されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、観察光学系側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は透過型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折透過されることによって所定の射出角θｉ２でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００４０】
図６の例では、照明光が所定の入射角でもって透過型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角に対応する波長幅λｃ１の光が回折透過されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、観察光学系側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は透過型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折透過されることによって所定の射出角でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００４１】
図７の例では、照明光が所定の入射角θｃ１でもって透過型の第１回折光学素子５に入射し、その入射角θｃ１に対応する波長幅λｃ１の光が回折透過されることによって射出角θｉ１でもって射出されて、被観察物体側に配置された全反射ミラー４へ向かい、全反射ミラー４で全反射する。全反射ミラー４で反射した光は透過型の第２回折光学素子６に所定の入射角θｃ２でもって入射し、その入射角θｃ２に対応する波長幅λｃ２の光が回折透過されることによって射出角θｉ２でもって射出されて、図示省略した被観察物体へと向かうようになっている。
【００４２】
また、図２(a)、図３〜図７に示す蛍光キューブでは、いずれも、第１回折光学素子５、第２回折光学素子６は、それぞれ入射光の光軸に垂直な軸（図２(a)、図３〜図７の各図において紙面に対して垂直であり、かつ、第１回折光学素子５への入射光の光軸と第１回折光学素子５との交点を通る軸、第２回折光学素子６への入射光の光軸と第２回折光学素子６との交点を通る軸）に対して回動可能に設けられている。全反射ミラー４は、ミラーの法線方向に移動可能に設けられている。そして、第１回折光学素子５及び第２回折光学素子６の回動と全反射ミラー４の移動とが連動するようになっており、観察波長を変えるために一方の回折光学素子の向きを変えたときには、他方の回折光学素子の向き及び全反射ミラーの位置が変わり、第１回折光学素子５、全反射ミラー４、第２回折光学素子６を経由して所望の波長の光が観察物体の方向に向かうようになっている。
【００４３】
このように構成された本実施例の蛍光キューブによれば、図示省略された照明光源からの光が第１回折光学素子５に所定の入射角θｃ１でもって入射すると、第１回折光学素子５がその入射角θｃ１に対応した波長λｃを中心とする所定範囲の波長の光を射出角θｉ１でもって射出する。全反射ミラー４は、第１回折光学素子５の入射角θｃ１に連動して所定位置に矢印方向に沿って移動して、第１回折光学素子５からの射出光を全反射する。このとき第２回折光学素子６も第１回折光学素子５、全反射ミラー４に連動して所定角度回動し、所定の入射角θｃ２でもって入射した全反射ミラー４からの反射光のうち入射角θｃ２に対応した波長λｃ２の光を射出して被観察物体に向かわせる。
被観察物体からの反射光（励起光及び観察光）は第２回折光学素子６に入射角θｃ２で入射するが、第２バンド反射ミラーが入射角θｃ２で反射する波長領域と蛍光の波長は異なるので、蛍光は第２回折光学素子６で回折されずにそのまま透過して図示省略した観察光学系に向かう。これにより、観察者は、所定範囲の波長による蛍光観察をすることができる。
【００４４】
従って、本実施例の蛍光キューブによれば、回折光学素子の入射角を調整することにより波長を広範囲にわたって連続的に変えることができる。そして、この場合、他の回折光学素子、全反射ミラーが上記回折光学素子の動きと同期して所定の回転あるいは移動を行うので、所定波長の光を常に被観察物体に向けることができる。この結果、１つの装置で複数の蛍光波長による観察が可能となり、コストを低減することができる。
また、上述のように連続的に波長を変えることができるため、蛍光観察に最適な励起波長に調整することができる。
【００４５】
また、本実施例の蛍光キューブによれば、２つの回折光学素子と１つの全反射ミラーにより所望波長の蛍光観察をすることができるため、従来の蛍光キューブにおける励起フィルタや吸収フィルタを用いずに済む。但し、励起フィルタや蛍光フィルタを有していても本実施例の構成は適用可能である。
なお、本実施例の図２(a)，図３，図４の構成の蛍光キューブにおいて、第２回折光学素子６が回折する波長幅を第１回折光学素子５が回折する波長幅よりも広くなるようにすれば励起光が観察光学系側に漏れるのを防ぐことができる。
【００４６】
また、多層膜干渉フィルタを作成する場合に多くの膜層を蒸着するのに対し、本実施例では、回折光学素子として用いるホログラム素子は１回の露光で製造でき、製造が容易になる。
また、本実施例の蛍光キューブによれば、上述のように、ホログラム素子への入射角と射出角を自由に選ぶことができるため構成部材の配置の自由度を大きくとることができる。
さらには、ホログラム素子のタイプとして透過型と反射型とを選ぶことができるため、構成の自由度を大きくとることができる。
なお、本実施例の上記各図では、回折光学素子５，６として、単一層のホログラム素子で構成した例を示したが、後述のように、ホログラム素子を積層して構成してもよい。
【００４７】
図８は参考例にかかる蛍光キューブの第３実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【００４８】
本実施例の蛍光キューブ１は、図１４に示した従来の蛍光キューブ２１において、複数の透過波長領域を有するダイクロイックミラーの代わりに、所定の入射角に対して異なる分光透過率特性を有する回折パターンを複数備え、該回折パターンが同一の媒質に積層して形成されている回折光学素子を備えて構成されている。
【００４９】
即ち、本実施例の蛍光キューブ１は、図８(a)に示すように、キューブの函体内部に固定された、所定の入射角に対して波長特性（分光透過率特性）の異なる回折パターンを有するホログラム素子が同一の媒質に積層して形成されている回折光学素子７と、着脱可能な励起フィルタ２２、吸収フィルタ２４とを備えて構成されている。回折光学素子７は、図８(b)の左側の３つのグラフの実線で示すように、それぞれ異なる波長領域において光を透過しないホログラム素子７1，７2，７3を積層して図８(b)のグラフの実線で示す波長特性を備えて構成されている。積層されるホログラム素子７1，７2，７3は、被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、ホログラム素子７1，７2，７3の反射波長帯域のいずれにも重ならないようになっている。
吸収フィルタ２４としては、ホログラム素子７1，７2，７3に対応させて、透過波長領域がホログラム素子７1，７2，７3それぞれの上記いずれにも重ならない透過波長領域内に含まれるものが、複数用意されている。
また、励起フィルタ２２としては、ホログラム素子７1，７2，７3に対応させて、透過波長領域がホログラム素子７1，７2，７3のそれぞれの透過波長領域と異なるものが、複数用意されている。
【００５０】
そして、このように構成された本実施例の蛍光キューブ１では、異なる一つの励起波長による蛍光観察を行う場合には、蛍光キューブ１の函体内部の励起フィルタ２２、吸収フィルタ２４を所望のホログラム素子に対応したフィルタに切り換える。
そして、図８(a)の蛍光キューブ１において励起フィルタ２２を透過した所定波長λ１の励起光は、バンド反射回折光学素子７に所定の入射角でもって入射する。ここで励起光は、バンド反射回折光学素子７を構成するホログラム素子７1，７2，７3のうち励起フィルタ２２の透過波長領域の波長を透過しない波長特性を有するホログラム素子で回折反射されて、図示省略した被観察物体に向かう。被観察物体からの反射光（励起光及び蛍光）は、バンド反射回折光学素子７に所定の入射角でもって入射する。ここで反射光のうちバンド反射回折光学素子７の透過波長領域内の波長の光、すなわち蛍光がそのまま透過して吸収フィルタ２４に入射する。なお、励起光はバンド反射回折光学素子７でほとんど反射されるが、わずかな量の励起光がバンド反射回折光学素子７を透過することがある。しかしながら、励起光の波長は吸収フィルタ２４の吸収波長域と一致するため、吸収フィルタ２４で吸収される。それ以外の波長領域の光（蛍光）が吸収フィルタを透過して観察者の瞳又は撮像光学系に導かれる。
【００５１】
また、本実施例の蛍光キューブ１では、多重波長による蛍光観察を行う場合には、蛍光キューブ１の函体内部の励起フィルタ２２と吸収フィルタ２４を取り外す。
このような状態の蛍光キューブ１では、図示省略した光源から射出した光が、バンド反射回折光学素子７に所定の入射角でもって入射したとき、バンド反射回折光学素子７を構成するホログラム素子７1，７2，７3がそれぞれ光源からの光の透過波長領域の波長を透過しないでそれぞれ回折反射して、図示省略した被観察物体に向かう。被観察物体からの反射光は、バンド反射回折光学素子７に所定の入射角でもって入射し、バンド反射回折光学素子７の透過波長領域内の波長の光が回折されずにそのまま透過して観察者の瞳又は撮像光学系に導かれる。
【００５２】
このように構成された本実施例の蛍光キューブによれば、２重や３重に重ねた励起用の干渉フィルタは膜層が多くなりコスト高となるのに比べて、回折素子を構成するホログラム素子は複数枚を積層することができるため、製造が容易となる。
また、それぞれの回折光学素子の波長特性をそれぞれ個別に最適化できるため性能が良くなる。
【００５３】
ところで、所定の入射角に対して異なる分光透過率特性を有する回折パターンを複数備え、該回折パターンが同一の媒質に積層して形成されているバンド反射回折光学素子を用いて、蛍光観察装置を構成する場合において、本実施例とは異なり、積層されるホログラム素子の被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、いずれかのホログラム素子の反射波長帯域に重なると、本来一つのホログラム素子の層で観察され得る観察波長が、他のホログラム素子の層で遮断されてしまうことになり、蛍光観察を行うことができない。
そこで、この問題を解決した実施例を図９に示す。
【００５４】
第４実施例
図９は本発明の蛍光キューブの第４実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図であり、(b)は(a)の蛍光キューブに励起フィルタ、吸収フィルタを備えた場合における励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。また、図９(a)，(b)の各段は、バンド反射回折光学素子に対する光の入射角をそれぞれ３０度、４５度、６０度に変えたときの状態を示している。
【００５５】
本実施例の蛍光キューブは、波長に対する透過率特性の異なる反射型ホログラム素子を複数積層したバンド反射回折光学素子を、入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設け、入射角の変化に応じて回折作用を奏するホログラム素子が切り替わるように構成されている。
【００５６】
即ち、本実施例の蛍光キューブは、図９(a)に示すように、波長特性の異なるホログラム素子７1，７2，７3が複数積層されたバンド反射回折光学素子７を、入射光の光軸に垂直な軸に対して回動可能に設けて構成されている。ホログラム素子７1，７2，７3は、図８(b)の左側の３つのグラフの実線で示すように、それぞれ異なる波長領域において光を透過しない波長特性を有している。
そして、図９(a)の上段の図に示すように、入射角を３０度にしたときに、ホログラム素子７1のみが回折効果を奏して４２０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射し、図９(a)の中段の図に示すように、入射角を４５度にしたときに、ホログラム素子７2のみが回折効果を奏して４７０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射し、図９(c)の下段の図に示すように、入射角を６０度にしたときに、ホログラム素子７3のみが回折効果を奏して５３０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射するようになっている。なお、それぞれの場合において、回折作用を奏さないホログラム素子は、一般的な平行平面板のように作用する。
【００５７】
このように構成された本実施例の蛍光キューブによれば、バンド反射回折光学素子の入射角を切り換えることで所望の波長の蛍光観察を行うことができる。したがって、積層されるホログラム素子の被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、いずれかのホログラム素子の反射波長帯域に重なっていても、所望の波長による蛍光観察をすることができる。
このとき、切り換わるホログラム素子ごとの波長特性が明確になっているため、本第１及び第２の発明のような連続的な波長切り換えに比べて波長の特定が容易になる。
また、本実施例によれば、入射角ごとに作用するホログラム素子が異なっていればよく、積層する波長特性が制限されないため、広範囲の波長を選択することができる。
なお、本実施例の蛍光キューブは入射角の切り換えごとに一つの波長による蛍光観察を行うものであるため、励起フィルタや吸収フィルタは不要である。なお、これらのフィルタを設けて所望の波長でもって蛍光観察を行うようにしてもよい。
また、本実施例の蛍光キューブによれば、複数の波長の蛍光観察を行う場合に複数のキューブを必要としなくて済む。
このため、本実施例の蛍光キューブによれば、構成を簡単にすることができる。
【００５８】
第５実施例
図１０は本発明の蛍光キューブの第５実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図であり、(b)は(a)の蛍光キューブに励起フィルタ、吸収フィルタを備えた場合における励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。また、図１０(a)，(b)の各段は、第１及び第２のバンド反射回折光学素子に対する光の入射角をそれぞれ所定の角度に切り換えたときの状態を示している。
【００５９】
本実施例の蛍光観察装置は、図１０(a)に示すように、２つの波長選択素子として、波長特性の異なるホログラム素子が複数積層された第１バンド反射回折光学素子７と波長特性の異なるホログラム素子が複数積層された第２バンド反射回折光学素子７’とを、それぞれの入射光の光軸に垂直な軸を中心に回動可能に設け、入射角の変化に応じて回折作用を奏するホログラム素子が切り替わるように構成されている。
【００６０】
第１、第２バンド反射回折光学素子７，７’は、図１０(b)の左側の３つのグラフの実線で示すように、それぞれ異なる波長領域において光を透過しないホログラム素子７1，７1’、７2，７2’、７3，７3’を積層して図１０(b)のグラフの実線で示す波長特性を備えて構成されている。
そして、第１及び第２バンド反射回折光学素子７，７’は、図１０(a)の上段の図に示すような入射角にしたときに、ホログラム素子７1，７1’のみが回折効果を奏して、例えば４２０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射し、図１０(a)の中段の図に示すような入射角にしたときに、ホログラム素子７2，７2’のみが回折効果を奏して例えば４７０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射し、図１０(c)の下段の図に示すような入射角にしたときに、ホログラム素子７3，７3’のみが回折効果を奏して、例えば５３０ｎｍの波長の光で被観察物体を照射するようになっている。なお、それぞれの場合において、回折作用を奏さないホログラム素子は、一般的な平行平面板のように作用する。
【００６１】
このように構成された本実施例の蛍光キューブによれば、第１及び第２のバンド反射回折光学素子の入射角を切り換えることで所望の波長の蛍光観察を行うことができる。したがって、積層されるホログラム素子の被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、いずれかのホログラム素子の反射波長帯域に重なっていても、所望の波長による蛍光観察をすることができる。
このとき、切り換わるホログラム素子ごとの波長特性が明確になっているため、本第１及び第２の発明のような連続的な波長切り換えに比べて波長の特定が容易になる。
また、本実施例によれば、入射角ごとに作用するホログラム素子が異なっていればよく、積層する波長特性が制限されないため、広範囲の波長を選択することができる。
なお、本実施例の蛍光キューブは入射角の切り換えごとに一つの波長による蛍光観察を行うものであるため、励起フィルタや吸収フィルタは不要である。なお、これらのフィルタを設けて所望の波長でもって蛍光観察を行うようにしてもよい。
なお、本実施例の蛍光キューブにおいて、第２バンド反射回折光学素子６が回折する波長幅を第１バンド反射回折光学素子５が回折する波長幅よりも広くなるようにすれば励起光が観察光学系側に漏れるのを防ぐことができる。
また、本実施例は、図２(a)、図３〜図８に示す第２実施例の構成と比べて全反射ミラーを設けずに済み構成を簡単にすることができる。
【００６２】
なお、本発明の実施例におけるバンド反射回折光学素子７，７’は、図１１(a)に示すように、所定の入射角に対して異なる分光透過率特性を有する回折パターンのホログラム素子７1，７2，７3又は７1’，７2’，７3’を同一の媒質に積層して構成されているが、図１１(b)に示すように、１つのホログラム素子に多重露光により複数の波長特性を作り込んで構成してもよい。
【００６３】
以上の各実施例で例示した本発明の蛍光キューブ１は、図１２に示すように落射投光管８、さらには光学顕微鏡９に取り付けて使用される。
【００６４】
以上の本発明の第１及び第２実施例の蛍光キューブは、ある蛍光を効率良く観察するために波長を調整する場合に有効であり、第４及び第５実施例の蛍光キューブは、特定の波長に対する蛍光の振る舞いを観察する場合に有効である。
【００６５】
以上説明したように、蛍光キューブ及びそれを備えた光学顕微鏡は、特許請求の範囲に記載された発明の他に、次に示すような特徴も備えている。
【００６８】
（１）所定の入射角に対して異なる分光特性を有する回折パターンを複数備え、該複数の回折パターンが同一のホログラム素子に多重露光により複数の波長特性を作り込んで形成されている回折光学素子を有することを特徴とする請求項２に記載の蛍光キューブ。
【００６９】
（２）前記各回折パターンにおける被観察物体からの光を透過させる波長帯域が、該各回折パターンの反射波長帯域のいずれにも重ならないようにしたことを特徴とする請求項２又は上記（１）に記載の蛍光キューブ。
【００７２】
（３）上記（１）又は（２）に記載の蛍光キューブを有する光学顕微鏡。
【００７３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、簡単な構成でもって、複数の蛍光波長を最適な励起波長に調整して観察でき、製造が容易でコストも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の蛍光キューブの第１実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は蛍光キューブを構成するバンド反射ミラーとしての干渉フィルタが満たすべき条件を説明するための説明図、(c)はバンド反射ミラーの波長に対する反射率特性を示すグラフである。
【図２】  本発明の蛍光キューブの第２実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は蛍光キューブを構成する回折光学素子が満たすべき条件を説明するための説明図、(c)は回折光学素子の波長に対する射出角θ’における回折効率特性を示すグラフ、(d)は回折光学素子としてホログラム素子を用いる場合におけるホログラム素子が満たすべき条件を説明するための説明図、(e)はホログラム素子の入射角θｃに対する回折波長λｃと射出角θｉを示すグラフである。
【図３】  第２実施例の蛍光キューブの一変形例を示す概略構成図である。
【図４】  第２実施例の蛍光キューブの他の変形例を示す概略構成図である。
【図５】  第２実施例の蛍光キューブのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図６】  第２実施例の蛍光キューブのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図７】  第２実施例の蛍光キューブのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図８】  参考例にかかる蛍光キューブの第３実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【図９】  本発明の蛍光キューブの第４実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図であり、(b)は(a)の蛍光キューブに励起フィルタ、吸収フィルタを備えた場合における励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【図１０】  本発明の蛍光キューブの第５実施例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図であり、(b)は(a)の蛍光キューブに励起フィルタ、吸収フィルタを備えた場合における励起フィルタ、吸収フィルタ、バンド反射回折光学素子の波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【図１１】  本発明のバンド反射回折光学素子の概略構成図であり、(a)は３つのホログラム層を積層した構成例、(b)は１つのホログラム素子に対し多重露光を行い複数の波長特性を作りこんだ構成例を示す。
【図１２】  本発明の蛍光キューブを落射投光管、光学顕微鏡に備えた状態を示す説明図である。
【図１３】  異なる波長を蛍光観察するための方式のうち、複数の蛍光キューブを切り換える方式の一従来例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、ダイクロイックミラーの波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【図１４】  異なる波長を蛍光観察するための方式のうち、多重波長に対応したダイクロイックミラーを用い、励起フィルタと吸収フィルタのみを切り換える方式の一例を示す説明図であり、(a)は蛍光キューブの概略構成図、(b)は(a)の蛍光キューブを構成する励起フィルタ、吸収フィルタ、ダイクロイックミラーの波長に対する透過率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１，１１，１１’，２１        蛍光キューブ
２                          第１バンド反射ミラー
３                          第２バンド反射ミラー
４                          全反射ミラー
５                          第１回折光学素子
６                          第２回折光学素子
７，７’                    回折光学素子
７1，７2，７3，７1’，７2’，７3’          ホログラム素子
８                          落射投光管
９                          光学顕微鏡
１２，１２’，２２            励起フィルタ
１３，１３’，２３            ダイクロイックミラー
１４，１４’，２４            吸収フィルタ
【図１】
0003866940.tif 000002
【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】
0003866940.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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