JP2013210673A - 半導体蛍光アセンブリ及び顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】多様な染色に対して使用することができ、容易に扱うことができ、人的エラーの起きにくい蛍光顕微鏡用の半導体蛍光照明装置を提供する。
【解決手段】半導体蛍光照明装置は、可動台５６を含み、可動台５６上には、複数のフィルタキューブ６０が移動可能に取り付けられている。可動台５６は実質的に円形状を呈しており、可動台５６は可動台ベース５８及び可動台ベース５８の上に配置された回転可能なプレート６２を含んでいる。可動台５６は、可動台ベースに対して直線的にスライドするプレートを、プレート６２の代わりに含んでいてもよく、この場合の可動台５６は、例えば、正方形や矩形などのその他の適宜の形状でもよい。フィルタキューブ６０のそれぞれは、半導体光源を可動台５６に固定するためのハウジングを含んでおり、半導体光源は、望ましくは少なくとも一部がハウジングに設けられている。
【選択図】図３

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００６年８月１４日出願の米国特許仮出願第６０／８３７，９０５の優先権を主張するもので、この仮出願の開示内容は、本明細書での参照によって本明細書に明示的に組み込まれる。

蛍光顕微鏡（fluorescence microscope）は、反射や吸収（absorption）に代わって、または、それに加えて、蛍光発光（fluorescence）を使用して有機または無機の物質の性質を研究するための光学顕微鏡である。蛍光顕微鏡は、ある種の物質は、特定の波長の光を照射されると、可視光として検出できるエネルギを放射するという現象に基づいている。見本は、例えばクロロフィルのように自然の形態で蛍光発光してもよく、また、蛍光染色（fluorescing stain）とともに処理されてもよい。

当該技術分野において周知であるように、基本的な蛍光顕微鏡は、光源と、蛍光染色と一致する波長に対応する複数のフィルタを含んでいる。光源からの光の励起波長を選択するために、励起フィルタ（excitation filter）が備えられており、試料を照射するためにダイクロイックビームスプリッタ（dichroic beamsplitter）が光源からの光を反射する。照射された光は、発光フィルタ（emission filter）によって、さらに弱い放射された蛍光から分離される。蛍光領域（fluorescing area）は顕微鏡で観測することができ、暗い背景に対して高いコントラストで光る。

蛍光顕微鏡は、蛍光染色とともに処理された試料を観察するために、特別な照明装置（lighting system）を使用する。この照明装置は、特別な光源、とりわけ、対応する蛍光染色の最大励起波長（peak excitation wavelength）に関連する、ある重要な波長で高レベルの光を出力する光源を必要とする。ほぼ単色（monochromatic）、二色（dichromatic）または三色（trichromatic）の光源を作り出すために、大部分の光を除去しなければならないため、光源は、とても強力である必要がある。現在のところ、ほとんどの製造者は、水銀（mercury）またはキセノン（xenon）光源を使用し、また、金属ハロゲン光源を使用することもある。使用される光源の種類に拘わらず、光源は、典型的にはおよそ５０から２００ワットの出力を有している。

最も一般的に使用される光源は水銀とキセノンアーク（arc）タイプのランプである。これらのアークタイプのランプは、安定したアークを得るために、また、試料の安定した像（image）を作り出すために、高価な電源を必要とする。また、アークタイプのランプは、比較的寿命が短く（およそ２００時間）、そのため、実験室では頻繁にランプの電球を換えて再調整する必要がある。アークタイプのランプは周知のように高価であり、頻繁に電球を交換することは大幅に実験コストを増加させることなる。さらに、ある種のランプは有害な材質であるとされており、このことが使用済みの電球の処理を面倒にしている。

アークタイプのランプはとても小さなアークを特色としており、新しいランプが取り付けられた場合に、適切に光源を拡大し、顕微鏡の光学システムのフィールド（field）を満たすためには、精密で複雑な光学系（optic）を必要とする。アークを調整し、焦点を合わせるためには、（アークとその鏡像の焦点が合った像のシミュレートを行う）１つまたは２つの蝶ネクタイ型の像（bow-tie shaped image）がウィンドウ（window）に出現するまで、集光レンズフォーカススライダ（collector lens focus slider）が使用される。２つのアーク像の明度をほぼ等しくするために、ランプハウスミラーポジションスライダ（lamp house mirror position slider）が使用され、２つのアーク像を重ねて１つの像にするために、アークランプの水平及び垂直スライダ（arc lamp horizontal and vertical slider）が利用される。ウィンドウの中心に小さなアーク像を作り出すようにスライダが調整されたら、光の一様なフィールドでウィンドウ全体を満たすように、アーク像を拡大するために、集光レンズフォーカススライダが使用される。このように、アークタイプのランプの調整、焦点合わせは、複雑で時間がかかる。

アークタイプのランプの代わりとなるものであって、より安価で、さらに精密で、さらに信頼性のある光源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体光源である。ＬＥＤは、安く、強力で、長持ちする光源である。その上、アークタイプのランプなどの広帯域光源（wide spectrum light source）は、適正な信号対雑音比（signal to noise ratio）を提供するためには、照明（illumination）から多くの光を効率的に除去しなければならない。ＬＥＤのバンド幅（bandwidth）が狭い（narrow）ため、多くの好ましくない光を排除することができ、フィルタリングに必要なものを減らすことができる。

それにも関わらず、蛍光顕微鏡でＬＥＤを使用する場合に、いくつかの欠点が存在する。各蛍光染色は、異なる波長で蛍光する。そのため、各染色は、異なる単色光源によって照射されなければならない。多くの使用者は、いくつかの異なる染色を利用する。したがって、１つのＬＥＤを有する顕微鏡は、その用途が大幅に限られてしまう。

顕微鏡は異なる波長を有する多数のＬＥＤを有してもよく、使用者は異なる染色がされた試料を観察するために、ＬＥＤを切り替える。しかしながら、各ＬＥＤは光をフィルタリングするために、固有の光学フィルタを必要とする。したがって、使用者は、顕微鏡に新たなＬＥＤが取り付けられる度に、手動でフィルタを選択し、交換しなければならない。この過程は、時間がかかり、面倒なだけではなく、人的エラーの影響を受けやすい。誤ったフィルタを使用すると、使用者の目にダメージを与える。したがって、多様な染色に対して使用することができ、容易に扱うことができ、人的エラーの起きにくい蛍光顕微鏡用の半導体蛍光照明装置（solid state fluorescence light system）を提供することが望まれている。

蛍光顕微鏡用の照明装置が提供される。本発明の照明装置は、顕微鏡内に取り外し可能に収納可能な可動台と、可動台上に移動可能に配置され、可動台上で動作位置と非動作位置との間を移動可能な複数のフィルタキューブとを備えている。各フィルタキューブは、第１及び第２の開口部を有するハウジングと、ハウジングに固定された半導体光源とを含んでいる。半導体光源は、フィルタキューブが動作位置に移動されると、光を放射する。各フィルタキューブは、ハウジング内に配置された少なくとも１つの光学フィルタを有しており、この光学フィルタは、半導体光源に対応している。

この概要は、単純化された形での複数のコンセプトの選択を紹介するために設けられたものであり、複数のコンセプトは以下の発明の詳細な説明に詳しく表されている。この概要は、請求の主題の重要な特徴を特定することを意図しているものではなく、また請求の主題の範囲を決定するための助けとして使用されることを意図しているものでもない。

上述の観点及び本発明の付随する利点の多くは、添付の図面ととともに、以下の詳細な説明を参照することで容易に理解される。

半導体蛍光照明装置（solid state fluorescence light system）と共に使用される顕微鏡と共に表現された半導体照明装置の典型的な実施の態様の周囲の図である。 図１の顕微鏡に取り付けられる図１の半導体蛍光照明装置の等角図法による図である。 顕微鏡の一部として使用される図１の半導体蛍光照明装置の一部の分解組立図である。 図３に示される半導体蛍光照明装置の断面図である。 図１の半導体蛍光照明装置のフィルタキューブの等角図法による図である。 図５のフィルタキューブの断面図である。 図１の半導体蛍光照明装置の代わりの実施の態様の断面図である。

同種の符号が同種のエレメントに対応している図面を参照して、半導体蛍光照明装置１０の代表的な実施の形態を説明する。本発明は、蛍光顕微鏡を用いて試料を観察するのに使用される半導体蛍光照明装置１０に関するものである。半導体蛍光照明装置１０の典型的な実施の形態を、以下、蛍光顕微鏡との関連で説明するが、半導体蛍光照明装置１０の複数の特徴は、広い用途を持っており、その他の装置にも適用できるものである。それ故に、以下の説明及び図面は、事実上、実施例として考慮されるべきものであり、したがって、本発明の範囲を限定するものではない。

図１を参照すると、半導体蛍光照明装置１０は、蛍光顕微鏡１２と組み合わせて表されている。どのような適宜の蛍光顕微鏡にも使用することはできるが、図示した蛍光顕微鏡１２はベース１６及びベース１６から上方向に延びるアーム２０を含んでいる。上側支持部２４は、アーム２０に固定されている。上側支持部２４は、ベース１６の上に位置する実質的な横梁のように、アームから外側に向かって延びている。ベース１６、アーム２０及び上側支持部２４は、一体化された部品（integral piece）として形成されることが好ましい。

蛍光顕微鏡１２は、更に、任意の適した方法で上側支持部２４の上面に固定された接眼レンズ・アセンブリ２８と、上側支持部２４の底面に固定された対物レンズ・アセンブリ３２を含んでいる。対物レンズ・アセンブリ３２はターレット３６と、そこに固定された複数の対物レンズ４０を含んでおり、ターレット３６は上側支持部２４の底面に回動可能に取り付けられている（pivotally mounted）。対物レンズ４０は、アーム２０に固定され、そこから外側に向かって延びるステージ４４の上に位置を合わせることができる（positionable）。ステージ４４は、試料トレイ４８を受けるようになっており（図２参照）、従来技術でよく知られている方法で、試料トレイ４８は接眼レンズ・アセンブリ２８及び対物レンズ・アセンブリ３２を通して見ることができる。本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その他の適宜の顕微鏡にも使用することができる。

図１及び２を参照すると、蛍光顕微鏡１２は、さらに、接眼レンズ・アセンブリ２８と対物レンズ・アセンブリ３２との間に設けられたレセプタクル５２を含んでいる。レセプタクル５２は、適宜の方法で、半導体蛍光照明装置１０を取り外し可能に収容するようになっている。半導体蛍光照明装置１０を使用するときに、レセプタクル５２の内部にアクセスするために、蛍光顕微鏡１２には扉や、開口部等が形成されている。以下に説明するように、半導体蛍光照明装置１０は、レセプタクル５２内に収納されている。半導体蛍光照明装置１０は、試料(specimen)に照射するために、接眼レンズ・アセンブリ２８と対物レンズ・アセンブリ３２の間に適切に設けられている。

図３を参照して、以下に、半導体蛍光照明装置１０を詳細に説明する。半導体蛍光照明装置１０は、蛍光顕微鏡１２内に組み込まれて、蛍光染色された試料を観察するための半導体照明（solid state lighting）を選択的に提供する。半導体蛍光照明装置１０は、可動台(carriage)５６を含み、可動台５６上には、複数のフィルタキューブ６０が移動可能に取り付けられている。可動台５６は実質的に円形状を呈しており、可動台５６は可動台ベース５８及び可動台ベース５８の上に配置された回転可能なプレート６２を含んでいる。プレート６２を可動台ベース５８に対して自由に回転させるために、プレート６２と可動台ベース５８との間には、図示しない適切なベアリング・アセンブリが設けられている。可動台５６は、可動台ベースに対して直線的にスライドするプレートを、プレート６２の代わりに含んでいてもよく、この場合の可動台５６は、例えば、正方形や矩形などのその他の適宜の形状でもよい。可動台５６は、使用者がプレート６２にアクセスし、ベース５８に対してプレート６２を動かすことができるように、レセプタクル５２内に収納されている。

図５及び６を参照すると、フィルタキューブ６０のそれぞれは、試料の特定の蛍光染色に対応する特定の波長を有する半導体光源を提供する。フィルタキューブ６０のそれぞれは、半導体光源を可動台５６に固定するためのハウジング６４を含んでおり、半導体光源は、望ましくは少なくとも一部がハウジング６４内に設けられている。ハウジング６４は、金属またはその他の適切な材料でできており、内部表面に黒色に陽極酸化された反射コーティング（black anodized reflective coating）を有している。ハウジング６４は、どのような適切な形状でもよいが、実質的に矩形状で、上面６８、底面７２、第１及び第２の側面７６及び７８、開口する第１端部８０及び第２端部８４を含んでいることが望ましい。フィルタキューブ６０は、その中に設けられた半導体光源の波長を識別するために、ハウジング６４の外面に図示しないマークやラベルを含んでもよい。

どのような適切な半導体光源も使用することができるが、第１端部８０を閉じる（enclose）ように発光ダイオード・アセンブリ（light emitting diode assembly）８８がハウジング６４に固定されていることが好ましい。発光ダイオード・アセンブリ８８は、ハウジング６４の外面に固定された回路基板９２を含み、発光ダイオード（ＬＥＤ）９６が回路基板９２に組み込まれている。もし、より高い出力が必要な場合には、２以上のＬＥＤ９６が回路基板９２に組み込まれていてもよく、各ＬＥＤは、高い強度で、単色光の均質化した出力を発生させる光ファイバの光ガイド（fiber optic light guide）と結合してもよい。

ＬＥＤ９６は、任意の適切な方法で回路基板９２に接続線で接続されており、ＬＥＤ９６は、ハウジング６４の内部に向けられている。一組の接続線１００及び１０２（電源及びグランド）は、回路基板９２に電気的に接続されており、回路基板９２の底面から外側に向かって延びている。接続線１００及び１０２は、ハウジング６４の外側に巻きつけられて（wrap around）、ハウジング６４の外側に設けられた第１及び第２の接点１０４及び１０６に接続されている。第１及び第２の接点１０４及び１０６は、ハウジング６４の底面を越えて延び、可動台５６のベース５８に並べられた第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２に電気的に接続されるように構成されている（図２参照）。ＬＥＤ９６は、試料の固有の染色を蛍光発光させるために、所定の波長の光を放射する。

図４及び６を参照すると、フィルタキューブ６０のそれぞれは、ハウジング６４内のＬＥＤ９６の波長に対応する少なくとも１つの光学フィルタをハウジング６４内に含んでいる。ＬＥＤ９６の波長に対応したダイクロイックビームスプリッタ（dichroic beamspritter）１１０は、ハウジング６４内に固定されており、ＬＥＤ９６から放射された光を反射するようになっている。ビームスプリッタ１１０は、ハウジング６４の底面７２の底面開口部１１４を通って、試料トレイ４８に向かって下に光を反射する。ＬＥＤ９６の波長に対応した任意の集光レンズ（condenser lens）１１８がハウジング６４内に固定され、集光レンズ１１８はＬＥＤ９６から放射された光を集中させるためにＬＥＤ９６とビームスプリッタ１１０との間に配置されている。さらに、任意の励起フィルタ（excitation filter）１２２がハウジング６４内に固定され、励起フィルタ１２２は集光レンズ１１８とビームスプリッタ１１０との間に配置されている。

上面開口部１３０が、ビームスプリッタ１１０の上のハウジング６４の上面６８に形成されている。試料から放射された光は、底面開口部１１４を通って上に向かい、ビームスプリッタ１１０を通って、上面開口部１３０に向かう。ＬＥＤ９６の波長に対応したバリアまたはエミッションフィルタ（barrier or emission filter）１２６が上面開口部１３０内に固定されており、これは試料からの蛍光を伝達（transmit）するようになっており、いかなる励起光（excitation light）も遮断するようになっている。蛍光は接眼レンズ・アセンブリ２８に伝達され、使用者Ｕは試料を観察することができる。

可動台５６上をフィルタキューブ６０が動かされたときでも、フィルタ１１０、１２２及び１２６が、ＬＥＤ９６に対する連係関係を残すようにハウジング内に設けられている。この方法によれば、ＬＥＤ９６は必然的に正しいフィルタ・アセンブリとともに使用されることになる。この設計により、正しいフィルタを探す無駄な時間を回避でき、使用者が不注意に誤ったフィルタを使用して、場合により眼を傷めることを防ぐことができる。

図３に戻ると、複数のフィルタキューブ６０は、可動台５６のプレート６２上に取り外し可能に取り付けられていて、使用者が可動台５６に各種の異なるフィルタキューブを配置することを可能にしている。可動台５６上には、適宜の数のフィルタキューブ６０を配置してもよいが、可動台５６上に４つのフィルタキューブ６０が配置され、相互に等距離に間隔をあけて配置されているのが望ましい。複数のフィルタキューブ６０は、ハウジング６４の底面７２に、テール部（tail section）１３８を形成する（define）ために、ハウジング６４の各側面の底面端縁７６に沿って形成された溝部（groove）１３４を含んでいる。プレート６２は、テール部１３８をスライド可能に受け入れるようになっている対応ソケット１４２を含んでおり、テール部１３８と対応ソケット１４２との間にスライド式のあり継ぎ接合部（sliding dovetail joint）が形成されている。そのため、使用者は、異なる染色を観察する必要性があるときには、自由にフィルタキューブ６０を交換することができる。フィルタキューブ６０は、任意の適切な方法で、プレート６２に取り外し可能に固定されていることが好ましい。さらに、蛍光染色を観察するために他のフィルタキューブ６０が必要になった場合に、使用者が可動台５６全体を置き換えてもよいように、複数のフィルタキューブ６０がプレート６２に固定的に取り付けられて（fixedly secured）いてもよい。

プレート６２は、可動台ベース開口部１５８の上に配置可能なプレート開口部１４６を含んでおり、可動台ベース開口部１５０は、対物レンズ・アセンブリ３２の対物レンズ４０と並べられている。複数のフィルタキューブ６０は、底面開口部１１４がプレート開口部１４６と並ぶようにプレート６２に取り付けられている。

図３及び４を参照すると、複数のフィルタキューブ６０は、可動台ベース開口部１５８の上に、または”動作”位置（active position）に、フィルタキューブ６０のうちの１つを選択して位置を合わせるため、可動台ベース５８に対してプレート６２とともに回転可能である。第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２は、可動台ベース開口部１５８に近接して可動台ベース５８上に設けられており、フィルタキューブ６０が可動台ベース開口部１５８上の位置に移動されたとき、フィルタキューブ６０の第１及び第２の接点１０４及び１０６が第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２と電気的に接続される（come into electrical communication）。第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２と第１及び第２の接点１０４及び１０６間の接続を確実なものとするため、第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２はバネで付勢されている（spring loaded）ことが望ましい。第１及び第２の電源コネクタ１０８及び１１２は、ＬＥＤ９６を発光させるために、図示しない適切な電源と電気的に接続されている。したがって、フィルタキューブ６０が動作位置に移動すると、ＬＥＤ９６は試料に光を当てるように自動的に発光する。この方法によれば、使用者は、フィルタキューブ６０が動作位置に移動されたときには電源にＬＥＤ９６を接続しなくてもよく、同様に、フィルタキューブ６０が動作位置から移動されたときには電源からＬＥＤ９６を切り離さなくてもよい。

図３及び５を参照すると、動作位置に移動されたフィルタキューブ６０を検出するように、複数のフィルタキューブ識別センサ１５０が可動台ベース開口部１５８に近接して可動台ベース５８上に設けられている。フィルタキューブ６０のそれぞれは、少なくとも１つのフィルタキューブ識別センサ１５０によって読み取り可能な、ハウジング６４の底面７２に配置された少なくとも１つのフィルタキューブ識別タグ１５４を含んでいる。固有のフィルタキューブ６０のフィルタキューブ識別センサ１５０を検出する上で、フィルタキューブ識別センサ１５０は、フィルタキューブのハウジング９６内に設けられたＬＥＤ９６の波長を識別する出力信号を発生させる。センサからの出力信号は、蛍光顕微鏡１２の操作を管理する適切なプログラマブル・ロジック・コントローラ（programmable logic controller）（ＰＬＣ）によって受信される。ＬＥＤの波長によって、ＰＬＣは電源、デジタルイメージングなどを調節する信号を出力する。さらに、蛍光顕微鏡１２は、試料に使用される染色のタイプを識別する使用者からの入力信号を受信するように構成されてもよい。この場合には、ＰＬＣは、例えば、もしＬＥＤが試料の蛍光染色に対応していなかった場合には、警告を発したり、電源を切断するようにしてもよい。このようにすれば、使用者が試料を誤ったＬＥＤで不注意に観察することを防ぐことができる。

図１及び２を参照すると、蛍光顕微鏡１２を使用する場合、使用者は、まず、観察する染色された試料を選択し、適切に試料を試料トレイ４８上に配置する。その後、試料トレイ４８は、ステージ４４の上の対物レンズ・アセンブリ３２の対物レンズ４０の真下に配置される。次に、使用者は、ＬＥＤ９６の波長によって決まる、試料を観察するのに適切なフィルタキューブ６０を選択する。適切なフィルタキューブ６０が動作位置まで可動台５６のプレート６２は、ベース５８に対して回転され、ＬＥＤ９６が発光する。使用者は、様々な蛍光染色を観察するために可動台５６上のフィルタキューブ６０を交換してもよく、または、代わりに可動台５６全体を交換してもよい。

図７を参照すると、フィルタキューブ２６０の他の実施例が描かれている。フィルタキューブ２６０は、以下の例外を除いて、上述のフィルタキューブ６０と実質的に同一である。フィルタキューブ２６０は、底面開口部２１４及び上面開口部２３０を有するハウジング２６４を含んでいる。ハウジング２６４の側面に複数のＬＥＤ２９６が設けられており、対物レンズ・アセンブリ２３２に向かって下方に光を投影する。この方法によれば、ビームスプリッタが不要であり、さらにコストを削減することができる。試料から放射された光は、底面開口部２１４を通って、上面開口部２３０に向かって上方に投影される。試料からの蛍光を伝送し、反射励起光（reflected excitation light）を遮断するために、バリアフィルタ２２６が、上面開口部２３０に配列されていてもよい。

実施の形態を説明し、記載したが、本発明の精神と範囲から外れない様々な変更がなされることが好ましい。

Claims (1)

1. 蛍光顕微鏡用の照明装置であって、
   (a) 顕微鏡内に取り外し可能に収納可能な可動台と、
   (b) 前記可動台上に移動可能に配置され、前記可動台上で動作位置と非動作位置との間を移動可能な複数のフィルタキューブとを備え、
   前記複数のフィルタキューブのそれぞれは、
   (i) 第１及び第２の開口部を有するハウジングと、
   (ii) 前記ハウジングに固定され、前記フィルタキューブが前記動作位置に移動されたときに、光を放射するようになっている半導体光源と、
   (iii) 前記ハウジング内に設けられて、前記半導体光源に対応する少なくとも１つの光学フィルタとを備えており、
   (c) 前記可動台が電源とつながっている電源コネクタを更に含み、
   (d) 前記複数のフィルタキューブのそれぞれは、前記フィルタキューブが前記動作位置に移動されたときに、前記電源コネクタと接続されるようになっている接点を有することを特徴とする蛍光顕微鏡用の照明装置。

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