JP7306428B2 - 共焦点スキャナ、共焦点スキャナシステム、及び共焦点顕微鏡システム - Google Patents

Description

本開示は、共焦点スキャナ、共焦点スキャナシステム、及び共焦点顕微鏡システムに関する。

従来、共焦点顕微鏡システムにおいて用いられる、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点スキャナに関する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、ピンホール径が互いに異なるピンホールアレイディスクを照明光の光路にかかる位置と、光路から退避させる位置との間で交互に切り替えて、マイクロレンズアレイディスクとそれぞれ組み合わせた２種類のディスクユニットを提供可能な共焦点光スキャナが記載されている。このような共焦点光スキャナにより、ピンホール径が可変となるマイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点スキャナが実現される。したがって、顕微鏡における対物レンズの倍率に合わせてピンホール径を変更することで共焦点性を維持して精細な画像を得ることが可能である。

特開２０１１－０８５７５９号

しかしながら、このような従来技術では２種類のディスクユニットが必要となり、コストが増加する。また、高速回転するディスクユニットを可動機構に取り付けるため、可動機構に関する設計が複雑となる。その結果、精密部品の点数が増加し、コストがさらに増加する。

本開示は、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能な共焦点スキャナ、共焦点スキャナシステム、及び共焦点顕微鏡システムを提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る共焦点スキャナは、複数の第１ピンホールがアレイ状に配置されている第１ピンホールアレイディスクと、複数の第２ピンホールがアレイ状に配置されている第２ピンホールアレイディスクと、複数の集光素子がアレイ状に配置されている集光素子アレイディスクであって、前記第１ピンホールアレイディスクと前記第２ピンホールアレイディスクとの間に位置する前記集光素子アレイディスクと、前記第１ピンホールアレイディスク、前記第２ピンホールアレイディスク、及び前記集光素子アレイディスクを連結する連結軸と、前記連結軸と共に前記第１ピンホールアレイディスク、前記第２ピンホールアレイディスク、及び前記集光素子アレイディスクを回転させるモータと、を備え、前記第１ピンホールアレイディスクは、前記集光素子アレイディスクにおける一の前記集光素子の第１焦点面に一の前記第１ピンホールが位置するように前記連結軸に取り付けられ、前記第２ピンホールアレイディスクは、前記集光素子アレイディスクにおける一の前記集光素子の第２焦点面に一の前記第２ピンホールが位置するように前記連結軸に取り付けられ、前記第１ピンホールの径と前記第２ピンホールの径とは互いに異なる。

これにより、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能である。例えば、一実施形態に係る共焦点スキャナでは、特許文献１に記載のようなピンホールアレイディスクに対する複雑な可動機構を必要とせず、固定化された一組のディスクユニットによってピンホール径を変更可能である。共焦点スキャナは、複雑な可動機構を用いることなく共焦点スキャナにおける後述の第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能であり、ピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。一実施形態によれば、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点レーザ顕微鏡において、共焦点スキャナのピンホール径を可変にすることができる。このようにピンホール径を変えることで、顕微鏡における低倍率及び高倍率の対物レンズに対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。

一実施形態における共焦点スキャナは、前記第１ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの間、及び前記第２ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの間の少なくとも一方に配置されている分岐素子をさらに備えてもよい。これにより、共焦点スキャナは、光源からの照射光の光路と顕微鏡における試料からの蛍光の光路とを切り分けることが可能である。共焦点スキャナが２つの分岐素子の両方を有することで、後述の第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれに対しても同様の効果が得られる。

一実施形態における共焦点スキャナでは、前記複数の第１ピンホールは、前記第１ピンホールアレイディスクにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置され、前記複数の第２ピンホールは、前記第２ピンホールアレイディスクにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されていてもよい。これにより、共焦点スキャナは、後述の第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれにおいても、顕微鏡上の試料に対する光源からの照射光の高速スキャンを実現可能である。

一実施形態における共焦点スキャナでは、前記第１ピンホールアレイディスクにおける前記複数の第１ピンホールの配置と前記第２ピンホールアレイディスクにおける前記複数の第２ピンホールの配置とは互いに同一であってもよい。これにより、共焦点スキャナの設計がさらに容易になる。

幾つかの実施形態に係る共焦点スキャナシステムは、上記のいずれかの共焦点スキャナと、前記第１ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの組み合わせである第１共焦点スキャナを含む第１光学系であって、前記第１共焦点スキャナを通過して試料を含む顕微鏡まで照射光を導き、かつ第１共焦点像に寄与する、前記照射光に基づく前記試料からの被測定光を検出器まで導く前記第１光学系と、前記第２ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの組み合わせである第２共焦点スキャナを含む第２光学系であって、前記第２共焦点スキャナを通過して前記顕微鏡まで前記照射光を導き、かつ第２共焦点像に寄与する、前記照射光に基づく前記試料からの前記被測定光を前記検出器まで導く前記第２光学系と、を備えてもよい。

これにより、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能である。例えば、共焦点スキャナでは、特許文献１に記載のようなピンホールアレイディスクに対する複雑な可動機構を必要とせず、固定化された一組のディスクユニットによってピンホール径を変更可能である。共焦点スキャナシステムは、複雑な可動機構を用いることなく共焦点スキャナにおける第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能であり、ピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。一実施形態によれば、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点レーザ顕微鏡において、共焦点スキャナのピンホール径を可変にすることができる。このようにピンホール径を変えることで、顕微鏡における低倍率及び高倍率の対物レンズに対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。

一実施形態における共焦点スキャナシステムでは、前記第１光学系は、複数の可動ミラーを含み、前記複数の可動ミラーの各々が光路に寄与しない位置に移動することで前記第１光学系から前記第２光学系へと切り替わってもよい。これにより、可動ミラーに対する単純な可動機構のみによって共焦点スキャナにおける第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能である。したがって、共焦点スキャナにおけるピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。

一実施形態における共焦点スキャナシステムでは、前記第１光学系は、前記第１ピンホールアレイディスクのピンホール面と、前記顕微鏡の像面と、を共役関係に結ぶ第１組のリレーレンズと、前記第１ピンホールアレイディスクのピンホール面と、前記検出器の受光面と、を共役関係に結ぶ第２組のリレーレンズと、を含んでもよい。これにより、第１ピンホールアレイディスクのピンホール面、顕微鏡の像面、及び検出器の受光面の間で共役関係を維持した状態で光学系を適切に構築することが可能である。

幾つかの実施形態に係る共焦点顕微鏡システムは、上記のいずれかの共焦点スキャナシステムと、前記共焦点スキャナシステムに入射する前記照射光を照射する光源と、前記照射光が照射される前記試料を含む前記顕微鏡と、前記試料からの前記被測定光を検出する前記検出器と、を備えてもよい。

これにより、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能である。例えば、共焦点スキャナでは、特許文献１に記載のようなピンホールアレイディスクに対する複雑な可動機構を必要とせず、固定化された一組のディスクユニットによってピンホール径を変更可能である。共焦点顕微鏡システムは、複雑な可動機構を用いることなく共焦点スキャナにおける第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能であり、ピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。一実施形態によれば、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点レーザ顕微鏡において、共焦点スキャナのピンホール径を可変にすることができる。このようにピンホール径を変えることで、顕微鏡における低倍率及び高倍率の対物レンズに対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。

一実施形態における共焦点顕微鏡システムでは、前記顕微鏡が有する対物レンズの倍率に合わせて前記第１光学系及び前記第２光学系のいずれか一方が用いられてもよい。これにより、顕微鏡における低倍率及び高倍率の対物レンズに対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。例えば、第１ピンホールアレイディスクでは第１ピンホールの径をφ５０μｍ、第２ピンホールアレイディスクでは第２ピンホールの径をφ２５μｍとすれば、第１光学系は高倍率の対物レンズに対応可能であり、第２光学系は低倍率の対物レンズに対応可能である。これにより、高倍率から低倍率まで幅広く共焦点性が向上し、ボケが抑制された鮮明な画像を得ることが可能である。

本開示によれば、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能な共焦点スキャナ、共焦点スキャナシステム、及び共焦点顕微鏡システムを提供可能である。

一実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの構成の一例を示す模式図である。 第１ピンホールアレイディスクの一例を上方から見たときの模式図である。 第１光学系に切り替わったときの共焦点顕微鏡システムの構成の一例を示す図１に対応する模式図である。 第２光学系に切り替わったときの共焦点顕微鏡システムの構成の一例を示す図１に対応する模式図である。 集光素子アレイディスクの一例を上方から見たときの模式図である。

従来技術の背景及び問題点についてより詳細に説明する。

従来技術における、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点スキャナの代表的な構成について説明する。このような共焦点スキャナは、ピンホールアレイディスクを有する。ピンホールアレイディスクは、顕微鏡の対物レンズで観察する焦点面のみの信号光を通過させる。共焦点スキャナは、焦点面以外のノイズ光を遮断する。このようなピンホールによって共焦点画像が得られる。

共焦点スキャナは、マイクロレンズアレイディスクをさらに有する。マイクロレンズアレイディスクは、顕微鏡上の試料に照射する照明光の利用効率を向上させる。ピンホールアレイディスク上に形成されている各ピンホールの位置とマイクロレンズアレイディスク上に形成されている集光手段としての各マイクロレンズの位置とは、互いに一対一の関係にある。

共焦点スキャナは、ピンホールアレイディスク及びマイクロレンズアレイディスクを連結する連結軸をさらに有する。ピンホールアレイディスク及びマイクロレンズアレイディスクが取り付けられた連結軸の先端はモータに取り付けられている。モータは、連結軸と共にピンホールアレイディスク及びマイクロレンズアレイディスクを互いに同一方向に回転させる。共焦点スキャナは、照明光の光路と信号光の光路とを分けるためのビームスプリッタをさらに有する。

ピンホールアレイディスク及びマイクロレンズアレイディスクをモータで互いに同一方向に回転させることにより、共焦点スキャナの機能が達成される。以上のような従来技術では、ピンホールアレイディスク上のピンホール径は１種類であり固定化されている。

以上のようなマイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点スキャナの問題点はピンホール径が固定化されていることにある。ピンホール径が固定化されていると、高倍率の対物レンズ及び低倍率の対物レンズのいずれか一方に対してのみしか高い共焦点性が得られない。例えば、６０倍以上の対物レンズに合わせてピンホール径がφ５０μｍに設計された場合、このような高倍率の対物レンズに対しては共焦点性が高く、精細な画像が得られる。しかしながら、例えば２０倍以下の低倍率の対物レンズに対しては共焦点性が低く、画像内のボケが十分に除去されない。特に、光軸方向、すなわち試料の深さ方向では共焦点性の低下が顕著である。

これに対して、特許文献１に記載の共焦点光スキャナでは、ピンホールの径が互いに異なるピンホールアレイディスクを照明光の光路にかかる位置と、光路から退避させる位置との間で交互に切り替えて、マイクロレンズアレイディスクとそれぞれ組み合わせた２種類のディスクユニットが提供される。このような共焦点光スキャナにより、ピンホールの径が可変となるマイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点スキャナが実現される。

より具体的には、特許文献１に記載の共焦点光スキャナでは、２種類のディスクユニットを直動機構上に配置し、いずれかを光路上に移動させることが可能である。例えば、顕微鏡に備わっている対物レンズが高倍率であるとき、大きいピンホール径のピンホールアレイディスクを含むディスクユニットが使用される。例えば、顕微鏡に備わっている対物レンズが低倍率であるとき、小さいピンホール径のピンホールアレイディスクを含むディスクユニットが使用される。以上により、対物レンズの倍率の高低によらず、同一の共焦点性が得られる。

しかしながら、特許文献１に記載の共焦点光スキャナでは、ピンホール径の異なるマイクロレンズ付きニポウディスク方式のディスクユニットが２種類用意され、それぞれ高倍率の対物レンズ及び低倍率の対物レンズに応じて使い分けされる。このような従来技術では２種類のディスクユニットが必要となり、コストが増加する。また、高速回転するディスクユニットを可動機構に取り付けるため、可動機構に関する設計が複雑となりその難易度が上がる。その結果、精密部品の点数が増加し、コストがさらに増加する。

以下では、これらの問題点を解決可能な共焦点スキャナ、共焦点スキャナシステム、及び共焦点顕微鏡システムについて説明する。本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本開示は、共焦点レーザ顕微鏡の他にも、共焦点レーザ顕微鏡法を利用した創薬支援装置などの製品にも応用可能である。共焦点レーザ顕微鏡では、点光源と見なせるレーザ光源をコリメートレンズなどで広げ、２次元の面光源にしてから、共焦点レーザ顕微鏡の励起光、すなわち照射光とする。共焦点光学系及び顕微鏡光学系を介して細胞などの試料に照射光を照射し、試料を励起する。細胞には予め蛍光物質を融合しておき、励起光を受けたとき、細胞から蛍光が放出される。蛍光信号を顕微鏡光学系で画像として撮影し、細胞の観察及び細胞の挙動の解析を行う。このような顕微手法は、生物の基礎研究から創薬の応用開発の分野まで幅広く利用可能である。細胞の画像を撮影する際、ボケの無い高画質な画像を得るために、光学系には共焦点方式が利用される。さらにマイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点レーザ顕微鏡は、高速に画像を取得可能であり、生きた細胞のダイナミックな動きをリアルタイムで撮影可能である。

図１は、一実施形態に係る共焦点顕微鏡システム１の構成の一例を示す模式図である。図１を主に参照しながら、一実施形態に係る共焦点顕微鏡システム１の構成について説明する。

共焦点顕微鏡システム１は、光源１０と、共焦点スキャナシステム２０と、顕微鏡３０と、検出器４０と、を有する。

光源１０は、共焦点スキャナシステム２０に入射して、顕微鏡３０上の試料Ｓに照射される照射光を出力する。光源１０は、例えばレーザ光源を含む。光源１０から照射される照射光の波長は、例えば試料Ｓの吸収帯に含まれ、試料Ｓから蛍光を発生させることが可能な波長領域に含まれる。例えば、光源１０から照射される照射光の波長は、可視領域に含まれていてもよい。

共焦点スキャナシステム２０は、共焦点スキャナ２１と、複数の光学素子を含む第１光学系Ｓａと、複数の光学素子を含む第２光学系Ｓｂと、を有する。

共焦点スキャナ２１は、複数の第１ピンホールがアレイ状に配置されている第１ピンホールアレイディスク２１１ａと、複数の第２ピンホールがアレイ状に配置されている第２ピンホールアレイディスク２１１ｂと、を有する。一実施形態に係る共焦点スキャナ２１では、第１ピンホールの径と第２ピンホールの径とは互いに異なる。例えば、第１ピンホールの径は、第２ピンホールの径よりも大きい。例えば、第１ピンホールの径がφ５０μｍであり、第２ピンホールの径がφ２５μｍであってもよい。

図２は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａの一例を上方から見たときの模式図である。図２では、第１ピンホールアレイディスク２１１ａのみについて示しているが、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂについても図２と同様に構成されてもよい。例えば、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおける複数の第１ピンホールの配置と第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおける複数の第２ピンホールの配置とは互いに同一であってもよい。

第１ピンホールアレイディスク２１１ａに形成されている複数の第１ピンホールは、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されている。同様に、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂに形成されている複数の第２ピンホールは、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されている。

図１を再度参照すると、共焦点スキャナ２１は、複数の集光素子がアレイ状に配置されている集光素子アレイディスク２１２を有する。集光素子アレイディスク２１２は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａと第２ピンホールアレイディスク２１１ｂとの間に挟まれるように位置する。集光素子は、例えばマイクロレンズを含む。

共焦点スキャナ２１は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａ、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂ、及び集光素子アレイディスク２１２を連結する連結軸２１３と、連結軸２１３と共に第１ピンホールアレイディスク２１１ａ、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂ、及び集光素子アレイディスク２１２を同一方向に回転させるモータ２１４と、を有する。

第１ピンホールアレイディスク２１１ａは、集光素子アレイディスク２１２における一の集光素子の第１焦点面に一の第１ピンホールが位置するように連結軸２１３に取り付けられている。第２ピンホールアレイディスク２１１ｂは、集光素子アレイディスク２１２における一の集光素子の第２焦点面に一の第２ピンホールが位置するように連結軸２１３に取り付けられている。

より具体的には、集光素子アレイディスク２１２におけるマイクロレンズアレイは、図１の上下方向に２つの焦点面を有する。第１ピンホールアレイディスク２１１ａは、上方の第１焦点面の位置に取り付けられている。第２ピンホールアレイディスク２１１ｂは、下方の第２焦点面の位置に取り付けられている。第１ピンホールアレイディスク２１１ａ及び第２ピンホールアレイディスク２１１ｂを含むピンホールアレイディスク２１１上に形成されている各ピンホールの位置と集光素子アレイディスク２１２上に形成されている集光素子としての各マイクロレンズの位置とは、互いに一対一の関係にある。

以上のように、共焦点スキャナ２１は、例えば１枚のマイクロレンズアレイディスクとそれを挟むように配置したピンホール径が異なる２枚のピンホールアレイディスク２１１から構成されるピンホール径が可変のマイクロレンズ付きピンホールアレイディスクである。第１ピンホールアレイディスク２１１ａと集光素子アレイディスク２１２との組み合わせで第１共焦点スキャナが形成される。同様に、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂと集光素子アレイディスク２１２との組み合わせで第２共焦点スキャナが形成される。

共焦点スキャナ２１は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａと集光素子アレイディスク２１２との間に配置されている第１分岐素子２１５ａ、及び第２ピンホールアレイディスク２１１ｂと集光素子アレイディスク２１２との間に配置されている第２分岐素子２１５ｂをさらに有する。第１分岐素子２１５ａ及び第２分岐素子２１５ｂを含む分岐素子２１５は、例えばダイクロイックミラーを含む。

第１光学系Ｓａは、第１ピンホールアレイディスク２１１ａと集光素子アレイディスク２１２との組み合わせである第１共焦点スキャナを含む。第１光学系Ｓａは、複数の可動ミラー２２ａを含む。例えば、第１光学系Ｓａは、光源１０から検出器４０に向かって順に配置されている第１可動ミラー２２ａ１、第２可動ミラー２２ａ２、及び第３可動ミラー２２ａ３を含む。第１光学系Ｓａは、これら３つの可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与する位置に移動することで構成される。

第１光学系Ｓａは、固定された複数のミラー２３ａを含む。例えば、第１光学系Ｓａは、光源１０から検出器４０に向かって順に配置されている第１ミラー２３ａ１、第２ミラー２３ａ２、第３ミラー２３ａ３、第４ミラー２３ａ４、第５ミラー２３ａ５、第６ミラー２３ａ６、第７ミラー２３ａ７、第８ミラー２３ａ８、及び第９ミラー２３ａ９を含む。

第１光学系Ｓａは、固定された複数のレンズ２４ａを含む。例えば、第１光学系Ｓａは、光源１０から検出器４０に向かって順に配置されている第１レンズ２４ａ１、第２レンズ２４ａ２、第３レンズ２４ａ３、第４レンズ２４ａ４、第５レンズ２４ａ５、及び第６レンズ２４ａ６を含む。

第１光学系Ｓａは、第６レンズ２４ａ６の直前に配置されている蛍光フィルタ２５ａを含む。

第２光学系Ｓｂは、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂと集光素子アレイディスク２１２との組み合わせである第２共焦点スキャナを含む。第２光学系Ｓｂは、第１光学系Ｓａに含まれる３つの可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与しない位置に移動することで構成される。

第２光学系Ｓｂは、固定された複数のミラー２３ｂを含む。例えば、第２光学系Ｓｂは、光源１０から検出器４０に向かって順に配置されている第１ミラー２３ｂ１及び第２ミラー２３ｂ２を含む。

第２光学系Ｓｂは、固定された複数のレンズ２４ｂを含む。例えば、第２光学系Ｓｂは、光源１０から検出器４０に向かって順に配置されている第１レンズ２４ｂ１及び第２レンズ２４ｂ２を含む。

第２光学系Ｓｂは、第２レンズ２４ｂ２の直前に配置されている蛍光フィルタ２５ｂを含む。

第１光学系Ｓａと第２光学系Ｓｂとは、複数の可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与する位置と寄与しない位置との間でそれぞれ移動することで互いに切り替わる。このとき、第１光学系Ｓａの第１レンズ２４ａ１と第２光学系Ｓｂの第１レンズ２４ｂ１とは互いに同一のレンズである。すなわち、当該レンズは、第１光学系Ｓａの第１レンズ２４ａ１及び第２光学系Ｓｂの第１レンズ２４ｂ１として共通に利用される。同様に、第１光学系Ｓａの第６レンズ２４ａ６と第２光学系Ｓｂの第２レンズ２４ｂ２とは互いに同一のレンズである。第１光学系Ｓａの蛍光フィルタ２５ａと第２光学系Ｓｂの蛍光フィルタ２５ｂとは互いに同一の蛍光フィルタである。

顕微鏡３０は、例えば試料Ｓの観察に利用可能な任意の顕微鏡を含む。顕微鏡３０には、光源１０からの照射光が照射される試料Ｓが含まれる。顕微鏡３０は、光源１０から照射された照射光を試料Ｓに対して最終的に集光する対物レンズ３１を有する。

検出器４０は、顕微鏡３０上の試料Ｓからの被測定光としての蛍光を検出する。検出器４０は、例えばカメラを含む。このようなカメラは、試料Ｓから放出される蛍光の波長帯域において適切な受光感度を有する。例えば、検出器４０は、可視領域において適切な受光感度を有してもよい。

図３は、第１光学系Ｓａに切り替わったときの共焦点顕微鏡システム１の構成の一例を示す図１に対応する模式図である。図３を主に参照しながら、第１光学系Ｓａに切り替わったときの共焦点顕微鏡システム１の機能について説明する。第１光学系Ｓａは、第１共焦点スキャナを通過して試料Ｓを含む顕微鏡３０まで照射光を導き、かつ第１共焦点像に寄与する、照射光に基づく試料Ｓからの被測定光、すなわち蛍光を検出器４０まで導く。

光源１０から拡散しながら出力された照射光は、共焦点スキャナシステム２０における第１光学系Ｓａの第１レンズ２４ａ１によって平行光となる。すなわち、第１レンズ２４ａ１はコリメートレンズとして機能する。平行光となった照射光は、第１可動ミラー２２ａ１、第１ミラー２３ａ１、第２ミラー２３ａ２、及び第３ミラー２３ａ３で反射して共焦点スキャナ２１の集光素子アレイディスク２１２に入射する。

集光素子アレイディスク２１２上に配置されているマイクロレンズを通過した照射光は、第１分岐素子２１５ａを透過して、各マイクロレンズの焦点で収束する。各マイクロレンズの焦点に収束した照射光は、マイクロレンズの第１焦点面の位置に配置されている第１ピンホールアレイディスク２１１ａの各第１ピンホールを通過する。図２の実線囲み部で示されているとおり、各マイクロレンズの焦点に収束した照射光は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて、例えば上方から見て３時の方向に位置する所定領域に照射されてもよい。

図３に示すとおり、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて多数の点光源となった照射光は、第４ミラー２３ａ４、第５ミラー２３ａ５、第６ミラー２３ａ６、及び第２可動ミラー２２ａ２で反射して顕微鏡３０に入射する。このとき、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて多数の点光源となった照射光は、光路内の第２レンズ２４ａ２及び第３レンズ２４ａ３によって、顕微鏡３０の像面Ｐ１にリレーされる。すなわち、第２レンズ２４ａ２及び第３レンズ２４ａ３は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール面と、顕微鏡３０の像面Ｐ１と、を共役関係に結ぶ一組のリレーレンズとして機能する。

第１ピンホールアレイディスク２１１ａによる多数の点光源が、顕微鏡３０内の対物レンズ３１によって試料Ｓで点像となり、試料Ｓを励起する。共焦点スキャナ２１のモータ２１４の回転によって多数の点光源が試料Ｓの全面を走査し、２次元の画像情報を得ることが可能となる。

多数の点光源によって励起された試料Ｓから蛍光が放出される。このような蛍光は逆光路を辿り、顕微鏡３０の像面Ｐ１において蛍光像が得られる。蛍光は、第６ミラー２３ａ６、第５ミラー２３ａ５、及び第４ミラー２３ａ４で反射し、光路内の第３レンズ２４ａ３及び第２レンズ２４ａ２によって第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール面にリレーされる。蛍光は、第１ピンホールの回転走査によって第１共焦点像となる。

第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール像、すなわち第１共焦点像は、照射光が透過し蛍光が反射する特性を有する第１分岐素子２１５ａのダイクロイックミラーで反射する。第１共焦点像は、さらに第７ミラー２３ａ７、第８ミラー２３ａ８、及び第９ミラー２３ａ９で反射し、光路内の第４レンズ２４ａ４及び第５レンズ２４ａ５によって顕微鏡３０の像面Ｐ１の共役面Ｐ２にリレーされる。すなわち、第４レンズ２４ａ４及び第５レンズ２４ａ５は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール面と、顕微鏡３０の像面Ｐ１の共役面Ｐ２と、を共役関係に結ぶ一組のリレーレンズとして機能する。

第１共焦点像は、第３可動ミラー２２ａ３で反射し、蛍光フィルタ２５ａ及び第６レンズ２４ａ６を介して、検出器４０のカメラにより画像として撮影される。第４レンズ２４ａ４、第５レンズ２４ａ５、及び第６レンズ２４ａ６は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール面と、検出器４０の受光面と、を共役関係に結ぶ一組のリレーレンズとして機能する。蛍光フィルタ２５ａは、観察すべき試料Ｓの情報を含む蛍光のみを透過させる。

図４は、第２光学系Ｓｂに切り替わったときの共焦点顕微鏡システム１の構成の一例を示す図１に対応する模式図である。複数の可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与しない位置に移動することで第１光学系Ｓａから第２光学系Ｓｂへと切り替わる。図４を主に参照しながら、第２光学系Ｓｂに切り替わったときの共焦点顕微鏡システム１の機能について説明する。第２光学系Ｓｂは、第２共焦点スキャナを通過して試料Ｓを含む顕微鏡３０まで照射光を導き、かつ第２共焦点像に寄与する、照射光に基づく試料Ｓからの被測定光、すなわち蛍光を検出器４０まで導く。

光源１０から拡散しながら出力された照射光は、共焦点スキャナシステム２０における第２光学系Ｓｂの第１レンズ２４ｂ１によって平行光となる。すなわち、第１レンズ２４ｂ１はコリメートレンズとして機能する。平行光となった照射光は、第１ミラー２３ｂ１及び第２ミラー２３ｂ２で反射して共焦点スキャナ２１の集光素子アレイディスク２１２に入射する。

集光素子アレイディスク２１２上に配置されているマイクロレンズを通過した照射光は、第２分岐素子２１５ｂを透過して、各マイクロレンズの焦点で収束する。各マイクロレンズの焦点に収束した照射光は、マイクロレンズの第２焦点面の位置に配置されている第２ピンホールアレイディスク２１１ｂの各第２ピンホールを通過する。図２の破線囲み部で示されているとおり、各マイクロレンズの焦点に収束した照射光は、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて、例えば上方から見て９時の方向に位置する所定領域に照射されてもよい。

図４に示すとおり、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて多数の点光源となった照射光は、顕微鏡３０内の対物レンズ３１によって試料Ｓで点像となり、試料Ｓを励起する。共焦点スキャナ２１のモータ２１４の回転によって多数の点光源が試料Ｓの全面を走査し、２次元の画像情報を得ることが可能となる。

多数の点光源によって励起された試料Ｓから蛍光が放出される。このような蛍光は逆光路を辿り、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂのピンホール面に入射する。蛍光は、第２ピンホールの回転走査によって第２共焦点像となる。

第２ピンホールアレイディスク２１１ｂのピンホール像、すなわち第２共焦点像は、照射光が透過し蛍光が反射する特性を有する第２分岐素子２１５ｂのダイクロイックミラーで反射する。第２共焦点像は、蛍光フィルタ２５ｂ及び第２レンズ２４ｂ２を介して、検出器４０のカメラにより画像として撮影される。蛍光フィルタ２５ｂは、観察すべき試料Ｓの情報を含む蛍光のみを透過させる。

以上のように、一組の回転するディスクユニットによって２種類の異なるピンホール径をそれぞれ有する第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナが実現される。第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方は、顕微鏡３０が有する対物レンズ３１の倍率に合わせて用いられる。すなわち、顕微鏡３０が有する対物レンズ３１の倍率に合わせて第１光学系Ｓａ及び第２光学系Ｓｂのいずれか一方が用いられる。

図５は、集光素子アレイディスク２１２の一例を上方から見たときの模式図である。図５は、図２の第１ピンホールアレイディスク２１１ａと同一方向から見たときの集光素子アレイディスク２１２の様子を示したものである。

図５に示すとおり、集光素子アレイディスク２１２において、多数のマイクロレンズがアレイ状に配置されている。図３を用いて上述した第１光学系Ｓａにおいて照射光が集光素子アレイディスク２１２に照射されるとき、図５の実線囲み部Iで示されているとおり、照射光は、集光素子アレイディスク２１２において、例えば上方から見て３時の方向に位置する所定領域に照射されてもよい。一方で、図４を用いて上述した第２光学系Ｓｂにおいて照射光が集光素子アレイディスク２１２に照射されるとき、図５の実線囲み部IIで示されているとおり、照射光は、集光素子アレイディスク２１２において、例えば上方から見て９時の方向に位置する所定領域に照射されてもよい。

以上のような一実施形態によれば、複雑な可動機構を必要とせずコストを低減した状態でピンホール径を変更可能である。例えば、共焦点スキャナ２１では、特許文献１に記載のようなピンホールアレイディスクに対する複雑な可動機構を必要とせず、固定化された一組のディスクユニットによってピンホール径を変更可能である。共焦点スキャナシステム２０及び共焦点顕微鏡システム１では、可動ミラー２２ａに対する単純な可動機構のみによって共焦点スキャナ２１における第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能であり、ピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。一実施形態によれば、マイクロレンズ付きニポウディスク方式の共焦点レーザ顕微鏡において、共焦点スキャナ２１のピンホール径を可変にすることができる。このようにピンホール径を変えることで、顕微鏡３０における低倍率及び高倍率の対物レンズ３１に対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。

共焦点スキャナ２１は、分岐素子２１５を有することで、光源１０からの照射光の光路と顕微鏡３０における試料Ｓからの蛍光の光路とを切り分けることが可能である。共焦点スキャナ２１が第１分岐素子２１５ａ及び第２分岐素子２１５ｂの両方を有することで、第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれに対しても同様の効果が得られる。

複数の第１ピンホールは、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されている。複数の第２ピンホールは、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されている。以上により、共焦点スキャナ２１は、第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれにおいても、顕微鏡３０上の試料Ｓに対する光源１０からの照射光の高速スキャンを実現可能である。

第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおける複数の第１ピンホールの配置と第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおける複数の第２ピンホールの配置とが互いに同一であることで、共焦点スキャナ２１の設計がさらに容易になる。

共焦点スキャナシステム２０では、複数の可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与しない位置に移動することで第１光学系Ｓａから第２光学系Ｓｂへと切り替わる。これにより、可動ミラー２２ａに対する単純な可動機構のみによって共焦点スキャナ２１における第１共焦点スキャナ及び第２共焦点スキャナのいずれか一方を選択可能である。したがって、共焦点スキャナ２１におけるピンホール径を可変にする技術においても低コストの装置を実現可能である。

共焦点スキャナシステム２０における第１光学系Ｓａは、第１組のリレーレンズとして、第２レンズ２４ａ２及び第３レンズ２４ａ３を含む。第１光学系Ｓａは、第２組のリレーレンズとして、第４レンズ２４ａ４、第５レンズ２４ａ５、及び第６レンズ２４ａ６を含む。これにより、第１ピンホールアレイディスク２１１ａのピンホール面、顕微鏡３０の像面Ｐ１、及び検出器４０の受光面の間で共役関係を維持した状態で光学系を適切に構築することが可能である。

顕微鏡３０が有する対物レンズ３１の倍率に合わせて第１光学系Ｓａ及び第２光学系Ｓｂのいずれか一方が用いられることで、顕微鏡３０における低倍率及び高倍率の対物レンズ３１に対して互いに同様の共焦点性を実現可能である。例えば、第１ピンホールアレイディスク２１１ａでは第１ピンホールの径をφ５０μｍ、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂでは第２ピンホールの径をφ２５μｍとすれば、第１光学系Ｓａは高倍率の対物レンズ３１に対応可能であり、第２光学系Ｓｂは低倍率の対物レンズ３１に対応可能である。これにより、高倍率から低倍率まで幅広く共焦点性が向上し、ボケが抑制された鮮明な画像を得ることが可能である。

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

上記実施形態では、例えば第１ピンホールの径がφ５０μｍであり第２ピンホールの径がφ２５μｍであると説明したが、これに限定されない。第１ピンホールの径と第２ピンホールの径とが互いに異なっていれば、第１ピンホールアレイディスク２１１ａ及び第２ピンホールアレイディスク２１１ｂは、互いに任意のピンホール径で設計されてもよい。例えば、第１ピンホールの径が第２ピンホールの径よりも小さくてもよい。

上記実施形態では、共焦点スキャナ２１は、第１分岐素子２１５ａ及び第２分岐素子２１５ｂを有すると説明したが、これに限定されない。共焦点スキャナ２１は、第１分岐素子２１５ａ及び第２分岐素子２１５ｂのいずれか一方のみを有してもよいし、両方有さなくてもよい。例えば、第１分岐素子２１５ａは、顕微鏡３０上の試料Ｓから放出された蛍光が第１ピンホールアレイディスク２１１ａ及び集光素子アレイディスク２１２を通過した後の第１光学系Ｓａにおける任意の箇所に配置されていてもよい。例えば、第２分岐素子２１５ｂは、顕微鏡３０上の試料Ｓから放出された蛍光が第２ピンホールアレイディスク２１１ｂ及び集光素子アレイディスク２１２を通過した後の第２光学系Ｓｂにおける任意の箇所に配置されていてもよい。

上記実施形態では、分岐素子２１５は例えばダイクロイックミラーを含むと説明したが、これに限定されない。分岐素子２１５は、例えば光源１０からの照射光を透過させて顕微鏡３０上の試料Ｓからの蛍光を反射させる任意の素子を含んでもよい。例えば、分岐素子２１５は、ビームスプリッタを含んでもよい。

上記実施形態では、複数の第１ピンホールが第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置され、複数の第２ピンホールが第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されていると説明したが、これに限定されない。複数の第１ピンホールは、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおいて任意の状態で配置されていてもよい。複数の第２ピンホールは、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおいて任意の状態で配置されていてもよい。

上記実施形態では、第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおける複数の第１ピンホールの配置と第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおける複数の第２ピンホールの配置とが互いに同一であると説明したが、これに限定されない。第１ピンホールアレイディスク２１１ａにおける複数の第１ピンホールの配置と第２ピンホールアレイディスク２１１ｂにおける複数の第２ピンホールの配置とは互いに異なっていてもよい。

上記実施形態では、第１光学系Ｓａに含まれる複数の可動ミラー２２ａの各々が光路に寄与しない位置に移動することで第１光学系Ｓａから第２光学系Ｓｂへと切り替わると説明したが、これに限定されない。第１光学系Ｓａと第２光学系Ｓｂとは、可動ミラー２２ａ以外の任意の簡易的な可動要素によって互いに切り替わってもよい。

上記実施では、第１光学系Ｓａは、複数組のリレーレンズを含むと説明したが、これに限定されない。第１光学系Ｓａに代えて、第２光学系Ｓｂがこのような複数組のリレーレンズを含んでもよい。第１光学系Ｓａ及び第２光学系Ｓｂは、対物レンズ３１の異なる倍率に対して第１共焦点像及び第２共焦点像の両方を鮮明に得ることが可能であれば任意に構成されてもよい。

上記実施形態では、光源１０は例えばレーザ光源を含むと説明したが、これに限定されない。光源１０は、第１共焦点像及び第２共焦点像を得ることが可能な任意の光源を含んでもよい。例えば、光源１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含んでもよい。また、上記実施形態では、光源１０から照射される照射光の波長は可視領域に含まれていると説明したが、これに限定されない。光源１０から照射される照射光の波長は、紫外領域及び赤外領域などに含まれていてもよい。

上記実施形態では、集光素子アレイディスク２１２を構成する集光素子はマイクロレンズを含むと説明したが、これに限定されない。このような集光素子は、第１ピンホールアレイディスク２１１ａ及び第２ピンホールアレイディスク２１１ｂの位置で光源１０からの照射光を集光可能な任意の素子を含んでもよい。

上記実施形態では、図２及び図５に示すとおり、上方から見たときに第１ピンホールアレイディスク２１１ａ、第２ピンホールアレイディスク２１１ｂ、及び集光素子アレイディスク２１２において３時及び９時の位置にある所定領域に照射光又は蛍光が入射すると説明したが、これに限定されない。照射光又は蛍光が入射する領域は、第１光学系Ｓａと第２光学系Ｓｂとの間で任意の配置関係にあってもよい。

１ 共焦点顕微鏡システム
１０ 光源
２０ 共焦点スキャナシステム
２１ 共焦点スキャナ
２１１ ピンホールアレイディスク
２１１ａ 第１ピンホールアレイディスク
２１１ｂ 第２ピンホールアレイディスク
２１２ 集光素子アレイディスク
２１３ 連結軸
２１４ モータ
２１５ 分岐素子
２１５ａ 第１分岐素子
２１５ｂ 第２分岐素子
２２ａ 可動ミラー
２２ａ１ 第１可動ミラー
２２ａ２ 第２可動ミラー
２２ａ３ 第３可動ミラー
２３ａ ミラー
２３ａ１ 第１ミラー
２３ａ２ 第２ミラー
２３ａ３ 第３ミラー
２３ａ４ 第４ミラー
２３ａ５ 第５ミラー
２３ａ６ 第６ミラー
２３ａ７ 第７ミラー
２３ａ８ 第８ミラー
２３ａ９ 第９ミラー
２３ｂ ミラー
２３ｂ１ 第１ミラー
２３ｂ２ 第２ミラー
２４ａ レンズ
２４ａ１ 第１レンズ
２４ａ２ 第２レンズ
２４ａ３ 第３レンズ
２４ａ４ 第４レンズ
２４ａ５ 第５レンズ
２４ａ６ 第６レンズ
２４ｂ レンズ
２４ｂ１ 第１レンズ
２４ｂ２ 第２レンズ
２５ａ 蛍光フィルタ
２５ｂ 蛍光フィルタ
３０ 顕微鏡
３１ 対物レンズ
４０ 検出器
Ｐ１ 像面
Ｐ２ 共役面
Ｓ 試料
Ｓａ 第１光学系
Ｓｂ 第２光学系

Claims (9)

1. 複数の第１ピンホールがアレイ状に配置されている第１ピンホールアレイディスクと、
   複数の第２ピンホールがアレイ状に配置されている第２ピンホールアレイディスクと、
   複数の集光素子がアレイ状に配置されている集光素子アレイディスクであって、前記第１ピンホールアレイディスクと前記第２ピンホールアレイディスクとの間に位置する前記集光素子アレイディスクと、
   前記第１ピンホールアレイディスク、前記第２ピンホールアレイディスク、及び前記集光素子アレイディスクを連結する連結軸と、
   前記連結軸と共に前記第１ピンホールアレイディスク、前記第２ピンホールアレイディスク、及び前記集光素子アレイディスクを回転させるモータと、
   を備え、
   前記第１ピンホールアレイディスクは、前記集光素子アレイディスクにおける一の前記集光素子の第１焦点面に一の前記第１ピンホールが位置するように前記連結軸に取り付けられ、
   前記第２ピンホールアレイディスクは、前記集光素子アレイディスクにおける一の前記集光素子の第２焦点面に一の前記第２ピンホールが位置するように前記連結軸に取り付けられ、
   前記第１ピンホールの径と前記第２ピンホールの径とは互いに異なる、
   共焦点スキャナ。
2. 前記第１ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの間、及び前記第２ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの間の少なくとも一方に配置されている分岐素子をさらに備える、
   請求項１に記載の共焦点スキャナ。
3. 前記複数の第１ピンホールは、前記第１ピンホールアレイディスクにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置され、
   前記複数の第２ピンホールは、前記第２ピンホールアレイディスクにおいて等ピッチでかつ螺旋状に配置されている、
   請求項１又は２に記載の共焦点スキャナ。
4. 前記第１ピンホールアレイディスクにおける前記複数の第１ピンホールの配置と前記第２ピンホールアレイディスクにおける前記複数の第２ピンホールの配置とは互いに同一である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の共焦点スキャナ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共焦点スキャナと、
   前記第１ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの組み合わせである第１共焦点スキャナを含む第１光学系であって、前記第１共焦点スキャナを通過して試料を含む顕微鏡まで照射光を導き、かつ第１共焦点像に寄与する、前記照射光に基づく前記試料からの被測定光を検出器まで導く前記第１光学系と、
   前記第２ピンホールアレイディスクと前記集光素子アレイディスクとの組み合わせである第２共焦点スキャナを含む第２光学系であって、前記第２共焦点スキャナを通過して前記顕微鏡まで前記照射光を導き、かつ第２共焦点像に寄与する、前記照射光に基づく前記試料からの前記被測定光を前記検出器まで導く前記第２光学系と、
   を備える、
   共焦点スキャナシステム。
6. 前記第１光学系は、複数の可動ミラーを含み、
   前記複数の可動ミラーの各々が光路に寄与しない位置に移動することで前記第１光学系から前記第２光学系へと切り替わる、
   請求項５に記載の共焦点スキャナシステム。
7. 前記第１光学系は、前記第１ピンホールアレイディスクのピンホール面と、前記顕微鏡の像面と、を共役関係に結ぶ第１組のリレーレンズと、前記第１ピンホールアレイディスクのピンホール面と、前記検出器の受光面と、を共役関係に結ぶ第２組のリレーレンズと、を含む、
   請求項５又は６に記載の共焦点スキャナシステム。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の共焦点スキャナシステムと、
   前記共焦点スキャナシステムに入射する前記照射光を照射する光源と、
   前記照射光が照射される前記試料を含む前記顕微鏡と、
   前記試料からの前記被測定光を検出する前記検出器と、
   を備える、
   共焦点顕微鏡システム。
9. 前記顕微鏡が有する対物レンズの倍率に合わせて前記第１光学系及び前記第２光学系のいずれか一方が用いられる、
   請求項８に記載の共焦点顕微鏡システム。
   

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