JP2015094887A - Confocal microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明光学系に光ファイバーを用いた共焦点顕微鏡に関する。 The present invention relates to a confocal microscope using an optical fiber as an illumination optical system.
従来、観察対象のサンプル(試料)に照射光を照射し、これによりサンプルからの観察光のうち、そのサンプルと共役な位置にあるピンホールを通過した光束を光検出器で検出することで、サンプルの2次元の画像を得る共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡ではピンホールを設けることで、サンプルにおける、照射される照射光の進行方向と同じ方向に薄い部位の層のみからの観察光だけを検出し、その部位の画像を得ることができる。 Conventionally, by irradiating a sample to be observed (specimen) with irradiation light, the light beam that has passed through a pinhole at a position conjugate with the sample is detected by a photodetector among the observation light from the sample. A confocal microscope that obtains a two-dimensional image of a sample is known. By providing a pinhole in a confocal microscope, it is possible to detect only observation light from only a thin layer in the sample in the same direction as the traveling direction of irradiated light, and obtain an image of that portion.
特に、観察対象となるサンプルの厚み方向の観察範囲、より詳細には、サンプルの厚み方向の観察範囲の調節能力はセクショニング分解能と呼ばれており、サンプルの厚み方向の観察範囲の厚みが薄いほど、よりセクショニング分解能は高いとされる。例えば共焦点顕微鏡では、ピンホールの開口をより小さくするほど、観察光の検出対象となる試料の厚み方向の観察範囲がより薄くなるので、セクショニング分解能は高くなる。 In particular, the ability to adjust the observation range in the thickness direction of the sample to be observed, more specifically, the ability to adjust the observation range in the thickness direction of the sample is called sectioning resolution. It is said that the sectioning resolution is higher. For example, in a confocal microscope, the smaller the pinhole opening, the thinner the observation range in the thickness direction of the sample to be detected by the observation light, so the sectioning resolution increases.
特許文献1〜3には、光ファイバーを共焦点顕微鏡に用いる技術が開示されている。しかしながら、これらの文献に記載のものは、光源として光ファイバーを用いてはいるが、光検出器としての構造が具体的に示唆されていない。そのため、複数の波長光を同時にサンプルに照射する場合、開口が小さなピンホールを共役な位置に配置することが困難であった。
そこで、本発明の目的は、照明光学系に光ファイバー束を用いた場合の最適な受光系を備えた共焦点顕微鏡を提供することである。
Patent Documents 1 to 3 disclose techniques using an optical fiber for a confocal microscope. However, although those described in these documents use an optical fiber as a light source, a structure as a photodetector is not specifically suggested. Therefore, when irradiating a sample with a plurality of light beams at the same time, it is difficult to arrange a pinhole having a small opening at a conjugate position.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a confocal microscope equipped with an optimal light receiving system when an optical fiber bundle is used as an illumination optical system.
本発明の共焦点顕微鏡は、光源からの波長の異なる光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバーの端面から出射された前記波長の異なる光を観察対象のサンプルの観察面に照明光学光として集光する照明光学系と、前記観察面上で前記照明光を走査させるスキャナーと、前記サンプルからの観察光を集光する結像光学系と、前記サンプルにおける前記照明光の各波長の光の集光位置と共役な位置に端面が配置され前記観察光を該端面から入射する複数の光ファイバーを含む検出光学系と、をそなえたことを特徴とする。 The confocal microscope of the present invention is an illumination that condenses the light having different wavelengths emitted from the end faces of a plurality of optical fibers that respectively transmit light having different wavelengths from a light source onto the observation surface of a sample to be observed as illumination optical light. An optical system, a scanner that scans the illumination light on the observation surface, an imaging optical system that collects the observation light from the sample, and a light condensing position of each wavelength of the illumination light in the sample. And a detection optical system including a plurality of optical fibers on which end faces are arranged at conjugate positions and the observation light is incident from the end faces.
本発明により、照明光学系と受光系に光ファイバー束を用いた共焦点顕微鏡を提供できる。これによって、照明光学系側及び受光系側の構成を各波長に合わせて最適化することができるため、高精細、高分解能を実現できる。 The present invention can provide a confocal microscope using an optical fiber bundle for the illumination optical system and the light receiving system. Thereby, the configuration on the illumination optical system side and the light receiving system side can be optimized according to each wavelength, so that high definition and high resolution can be realized.
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は本発明の実施形態であるファイバーバンドルコンバイナ共焦点顕微鏡を説明する図である。共焦点顕微鏡10は、光源である偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12、ビームコリメータ14、偏光ビームスプリッタ16、スキャナー18、広帯域1/4波長板20、対物レンズ22、結像レンズ24、受光光学系の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26を備えて構成される。偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12の各色(R、G、B、IR(赤外光))の出力位置がピンホールとして働く。また、図示しないが、厚み方向(z方向)にセクショニングするために、サンプル2は、サブミクロン以下の分解能をz方向に持つ可動ステージ上に置く。偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12と偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の構成については、後に詳しく説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a fiber bundle combiner confocal microscope according to an embodiment of the present invention. The
偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12の各光ファイバーの端面から出射した光は、ビームコリメータ14により光源からの光が平行光に変換される。ビームコリメータ14により光源光が平行光に変換されるが、出射位置によって光軸に対して傾く。ビームコリメータ14で平行光にされた光は偏光ビームスプリッタ16を通過し、スキャナー18により偏向された光は、広帯域1/4波長板20、対物レンズ22を介して、観察対象物上の観察面であるサンプル2上において、対物レンズ22の焦点の位置に集光される。スキャナー18を駆動することで、光源からの光束によりサンプル2を2次元走査することができる。偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12の出射位置(出射端面)とサンプル2上の対物レンズ22の焦点4の位置とは共役の位置関係にある。ここで、サンプル2の厚み方向データまたは、表面形状をセクショニングするためには図示しないが可動ステージをz方向にずらしながら2次元走査をおこなう。
The light emitted from the end face of each optical fiber of the polarization preserving
サンプル2上の対物レンズ22の焦点位置からの反射光だけが、観察光として高効率に入射光と逆方向に向かう。そして、広帯域1/4波長板20により反射光の偏光方向が90度変わり、偏光ビームスプリッタ16で反射される。偏光ビームスプリッタ16で反射された反射光は、結像レンズ24を介して、受光光学系の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の端面に入射する。偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の各光ファイバーの端面の位置は、サンプル2上の対物レンズ22の焦点4の位置と共役の位置関係にある。そして、偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の各光ファイバーの端面はピンホールとして機能する。
Only the reflected light from the focal position of the
ここで、本発明に用いている偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12と偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の構成を図2と図3を用いて説明する。図2は偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12、26を説明するための図である。図2(A)は、フェルール33の破断斜視図である。図2(B)は、フェルール33により固定されるファイバーバンドルの断面図である。図2(C)は、図2(B)に示した各ファイバー32がどのファイバーであるかを説明するための図である。
Here, the configuration of the polarization preserving fiber bundle combiner 12 and the polarization preserving fiber bundle combiner 26 used in the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram for explaining the polarization preserving
フェルール33は、例えばジルコニアにより円筒形に構成される。フェルール33は、円筒形の貫通孔33aの中に、Rファイバー31r、Gファイバー31g、Bファイバー31bをそれぞれ1本ずつと、Dファイバー31dを4本の、合計7本のファイバーを固
定する。図1では、Dファイバーの一部がIRファイバーに置換されている構成となっている。また、図1では、Rファイバー、Gファイバー、Bファイバー及びIRファイバーが、フェルール33より飛び出た形状で図示されているが、図2(A)のように、フェルール33の端部で揃えた状態で配置されてもよい。
The
各ファイバー31は、コア311と、コアの周囲を覆うクラッド312とを有する。コア311は、ファイバー31の芯の中心に形成され、レーザー光を伝送する。クラッド312は、コア312の外周に形成され、コア311よりも屈折率が低い。
これらの複数のファイバー31は、中心となるGファイバー31gを取り囲むように、他の6本のファイバーが同心円状に配置される。さらに、Rファイバー31r、Gファイバー31gおよびBファイバー31bが、その同心縁の直径上で図2(C)のA方向に並ぶように配置される。各ファイバー31の直径は略等しく、隣接する2つのコア311間の距離も略等しくなる。フェルール33は、こうした配置で束ねられたファイバーバンドルを固定する。
Each
In the plurality of
照明用の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12では、Rファイバー31r、Gファイバー31g、およびBファイバー31bは、光源である図示しないR、G、Bのレーザーダイオードから出射されるレーザー光を伝送する。Dファイバー31dはダミーファイバーである。
In the polarization preserving fiber bundle combiner 12 for illumination, the
フェルール33は、固定具の一例であり、Rファイバー31r、Gファイバー31g、Bファイバー31b、およびDファイバー31dを、レーザー光源(図示せず)とは反対側の端部で束ねて固定する。RGBの各色のレーザー光は、フェルール33の端部にある各光ファイバー31の出射端面から出射される。
The
図3は、図1で用いた偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12、26をより具体的に説明するための図である。図3に示される例では、図2に示されるダミーDファイバーのうち1本を、赤外線を出力するファイバーとしたものである。このファイバーのことをIRファイバーという。IRファイバーは赤外線照射光用・受光用ファイバーの一例である。IRファイバーの位置は、Dファイバーがあった(RGBファイバー以外の)4箇所のうちどこでもよい。図3(A)は照明光学系のファイバーバンドルコンバイナ12の断面図を、図3(B)はディテクター用(受光光学系)の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の配置を示す。図3(B)では、Rファイバー、Gファイバー、Bファイバー及びIRファイバーは、R用の受光素子、G用の受光素子、B用の受光素子、IR用の受光素子にそれぞれつながっている。
FIG. 3 is a diagram for more specifically explaining the polarization preserving
図4は、波長毎の光路を説明する図である。図4では、簡略して、Bファイバーから出射される青色光の光路と、IRファイバーから出射される赤外光の光路のみを示している。照明光学系として、R,G,B,IRレーザー光源から出射された各R,G,B,IRレーザー光は、ビームコリメータ14、偏光ビームスプリッタ16、スキャナー18、テレセントリックのリレー光学系28、を経由して対物レンズ22に入射し、サンプル2上の焦点に照明光として集光する。R,G,B,IRレーザー光源となる異なるファイバーの位置は、ビームコリメータ16によって角度変換される。スキャナー18は、MEMSによってMEMSのホームポジションを中心に対物レンズ22の焦点が走査される。
FIG. 4 is a diagram for explaining an optical path for each wavelength. In FIG. 4, for simplicity, only the optical path of blue light emitted from the B fiber and the optical path of infrared light emitted from the IR fiber are shown. As an illumination optical system, each of the R, G, B, and IR laser light emitted from the R, G, B, and IR laser light sources is supplied with a
スキャナー18の位置と対物レンズ22の入射ひとみ位置は、ケラレを防止するために、4fの配置となるような両側テレセントリックのリレー光学系28が用いられる。
そして、受光光学系として、サンプル2から反射された反射光は、入射光と反対向きの光路を経て、観察光として偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の各光ファーバーの入射端面に至る。偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の入射端面はピンホ
ールとしての機能を有する。そして、サンプル2上の焦点の位置と偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の入射端面とが共役な関係にある。つまり、照明光学系の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ12の位置と共役な受光光学系の偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ26の位置に出力光が結像する。
In order to prevent vignetting between the position of the
Then, as the light receiving optical system, the reflected light reflected from the
本発明の実施形態であるファイバーバンドルコンバイナ共焦点顕微鏡Rレーザー光、Gレーザー光、Bレーザー光、およびIRレーザー光は、照明光学系側および受光系側にファイバーバンドルコンバイナを構成する個々の光ファイバーによって伝送される。個々の波長に最適化された個々の光ファイバーを用いることで、波長ごとに最適な設計が可能となる。また、本実施形態では、各光ファイバーをフェルールで束ねた構成としたが、円筒状のフェルールは用いず、直線状に各光ファイバーを配置して固定した構成としても構わない。 The fiber bundle combiner confocal microscope R laser light, G laser light, B laser light, and IR laser light according to the embodiment of the present invention are transmitted by individual optical fibers constituting the fiber bundle combiner on the illumination optical system side and the light receiving system side. Is transmitted. By using individual optical fibers optimized for individual wavelengths, it is possible to design optimally for each wavelength. In this embodiment, each optical fiber is bundled with a ferrule. However, a cylindrical ferrule is not used, and each optical fiber may be arranged and fixed in a straight line.
例えば、受光側と空間的に波長を分離することができるためカラーフィルタ等を用いる必要がなく、Rレーザー光、Gレーザー光、Bレーザー光、およびIRレーザー光の同時スキャンが可能となる。 For example, since the wavelength can be spatially separated from the light receiving side, it is not necessary to use a color filter or the like, and simultaneous scanning of R laser light, G laser light, B laser light, and IR laser light is possible.
なお、サンプル2を人などの眼球とすれば、本発明と同等の光学系により、走査型レーザー検眼鏡を構成できる。
If the
2 サンプル
4 焦点
10 共焦点顕微鏡
12 偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ
14 ビームコリメータ
16 偏光ビームスプリッタ
18 スキャナー
20 広帯域1/4波長板
22 対物レンズ
24 結像レンズ
26 偏光保存型ファイバーバンドルコンバイナ
28 テレセントリック光学系
f 焦点距離
B 青色
G 緑色
R 赤色
IR 赤外光色
2 Sample 4
f Focal length B Blue G Green R Red IR Infrared color
Claims (3)
該光源の端面から出射された前記波長の異なる光を観察対象物の観察面に照明光として集光する照明光学系と、
前記観察対象物からの観察光を集光して受光する複数の光ファイバーを含む受光光学系とを備え、
前記光源の端面と、前記観察対象物の観察面に前記照明光が集光した集光位置とは、共役の位置にあり、
前記観察対象物の観察面に前記照明光が集光した集光位置と、前記受光光学系の受光する端面とは、共役な位置にあることを特徴とする共焦点顕微鏡。 A light source comprising a plurality of optical fibers for transmitting light of different wavelengths,
An illumination optical system that condenses the light having different wavelengths emitted from the end face of the light source as illumination light on the observation surface of the observation object;
A light receiving optical system including a plurality of optical fibers that collect and receive the observation light from the observation object;
The end face of the light source and the condensing position where the illumination light is condensed on the observation surface of the observation object are in a conjugate position,
A confocal microscope characterized in that a condensing position where the illumination light is condensed on an observation surface of the observation object and an end surface where the light receiving optical system receives light are in a conjugate position.
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