JP2915919B2 - Laser scanning fluorescence microscope - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、収束レーザ光により蛍光試料を走査する
とともに励起された蛍光試料からの蛍光を検出して試料
の顕微画像を得るレーザ走査蛍光顕微鏡に関し、特に、
試料の厚み方向の画像を採取するための改良された手法
および蛍光のエネルギー収集効率の改良に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laser scanning fluorescence microscope that scans a fluorescent sample with a converged laser beam and detects fluorescence from the excited fluorescent sample to obtain a microscopic image of the sample. With regard to
The present invention relates to an improved method for acquiring an image in the thickness direction of a sample and an improvement in energy collection efficiency of fluorescence.
(従来の技術とその問題点) 蛍光顕微鏡は現在、生物学、医学、半導体産業等多く
の分野で一般的に使用されており、分解能が高く、コン
トラストがよいこと及び定量測定に適していることなど
から、これまでの透過型の生物顕微鏡や電子顕微鏡に置
き替わり、あるいはまたこれらを補う測定装置として多
用されつつある。又、試料の照明において、コヒーレン
ト光であるレーザ光のコヒーレンシイの欠点を走査とい
う概念で打破し、逆にレーザ光の利点を生かして散乱光
の影響がない高コントラスト、高分解能を実現するレー
ザ走査蛍光顕微鏡が最近、顕微測定に用いられようとし
ている。(Conventional technology and its problems) Fluorescence microscopes are currently generally used in many fields such as biology, medicine, and the semiconductor industry, and have high resolution, good contrast, and are suitable for quantitative measurement. For this reason, conventional transmission-type biological microscopes and electron microscopes have been replaced, or are being widely used as measuring devices to supplement these. In the illumination of a sample, a laser that overcomes the drawback of coherency of laser light, which is coherent light, with the concept of scanning, and that realizes high contrast and high resolution without the influence of scattered light by taking advantage of laser light Scanning fluorescence microscopes have recently been used for microscopic measurements.
第1図には一般に使用されている一様照明落射型蛍光
顕微鏡の光学系の原理図を示す。蛍光顕微鏡は、特に微
小な構造を観察することが多いため、通常の生物顕微鏡
に比べて、より高い分解能が求められ、また、励起され
た蛍光(1)の微弱光測定になるので、これの高いエネ
ルギー収集効率をもつことが望まれている。FIG. 1 shows a principle diagram of an optical system of a commonly used uniform illumination epi-fluorescence microscope. Fluorescent microscopes often observe particularly minute structures, and therefore require higher resolution than ordinary biological microscopes. In addition, since the fluorescence (1) of the excited fluorescence is measured by weak light, the fluorescence It is desired to have high energy collection efficiency.
蛍光顕微鏡の分解能は、対物レンズ(2)の開口数
(Numerical Aperture;以下、NAと記載することがあ
る)と蛍光(1)の波長で決まる回折限界によって制限
される。すなわち、より高い空間分解能を得る(より細
かい構造を結像する)ためには、対物レンズ(2)の
開口数をより大きくするか、より短い波長の蛍光を利
用しなければならない。しかしながら、蛍光波長は、被
測定対象・試料(3)の物質によって決定され、装置側
では選択はできない。他方、対物レンズ(2)の開口数
は、乾燥系レンズでは無限に大きいレンズを用いても1
が最大であり、たとえ油浸系レンズを用いても高々1.5
程度である。The resolution of the fluorescence microscope is limited by a numerical limit (Numerical Aperture; hereinafter, sometimes referred to as NA) of the objective lens (2) and a diffraction limit determined by the wavelength of the fluorescence (1). That is, in order to obtain higher spatial resolution (image a finer structure), it is necessary to increase the numerical aperture of the objective lens (2) or to use fluorescence of a shorter wavelength. However, the fluorescence wavelength is determined by the substance of the object to be measured / sample (3) and cannot be selected on the device side. On the other hand, the numerical aperture of the objective lens (2) is 1 even when an infinitely large lens is used for a dry lens.
Is the largest, even at most 1.5
It is about.
しかも、問題となるのは、回折限界が分解能を決定す
るという従来からの公式は、試料がある特定の面内にの
み分布している場合に限られているということである。
試料(3)に厚みがある場合は、分解能は回折限界より
はるかに劣る。これは、フォーカス面近傍の面の試料の
構造のデフォーカス像がフォーカス像に重畳するためで
ある。Moreover, the problem is that the traditional formula that the diffraction limit determines the resolution is limited to the case where the sample is only distributed in a certain plane.
If the sample (3) is thick, the resolution is much worse than the diffraction limit. This is because the defocus image of the structure of the sample on the surface near the focus surface is superimposed on the focus image.
より高い分解を求めるためには、より大きい開口数を
もつ対物レンズを使用することが考えられるが、しかし
これにより焦点深度はより浅くなり、フォーカス面以外
のディフォーカスの影響は大きくなり、結果として像の
分解能を低下させてしまう。すなわち、分解能を上げる
ために対物レンズの開口数を大きくすると、フォーカス
面以外からのボケが入り、分解能が低下するという相反
した問題が生じる。For higher resolution, it is conceivable to use an objective lens with a higher numerical aperture, but this will result in a shallower depth of focus and a greater defocus effect outside of the focus plane, resulting in The resolution of the image is reduced. That is, if the numerical aperture of the objective lens is increased in order to increase the resolution, there is a contradictory problem that blur occurs from a position other than the focus surface and the resolution is reduced.
結局、デフォーカスの影響を受けないためには、試料
の厚さ以上の焦点深度をもつ対物レンズを用いる必要が
あり、その対物レンズの開口数で分解能は決定される。
しかし、焦点深度を深くするためには対物レンズの開口
数は小さくする必要があり、試料が厚くなると、分解能
は低下することになる。高分解能と長焦点深度とは相矛
盾する要求であることは、よく知られたことである。無
限に薄い試料に対してのみ、上述の回折限界が分解能を
決定する。しかし、総ての試料は厚みをもっているの
で、分解能はこれより小さくなる。After all, in order not to be affected by defocus, it is necessary to use an objective lens having a focal depth greater than the thickness of the sample, and the resolution is determined by the numerical aperture of the objective lens.
However, in order to increase the depth of focus, it is necessary to reduce the numerical aperture of the objective lens. As the sample becomes thicker, the resolution decreases. It is well known that high resolution and long depth of focus are conflicting requirements. Only for infinitely thin samples, the above diffraction limit determines the resolution. However, since all samples are thick, the resolution is lower.
蛍光顕微鏡に要求されるもうひとつの重要な点は蛍光
のエネルギー収集効率である。このエネルギー収集効率
は、対物レンズの開口数によって決まり、それが大きけ
れば大きいほど、高いエネルギー収集効率が得られ、SN
比のよい良質な蛍光画像を得ることができる。しかし、
厚みのある試料を観察するためには、上に述べたよう
に、深い焦点深度が必要であり、開口数を小さくしなけ
ればならず、結局、エネルギー収集効率を犠牲にするこ
とになる。Another important point required for a fluorescence microscope is the energy collection efficiency of fluorescence. This energy collection efficiency is determined by the numerical aperture of the objective lens, and the larger it is, the higher the energy collection efficiency can be obtained, and
A good-quality fluorescent image with a good ratio can be obtained. But,
In order to observe a thick sample, as described above, a large depth of focus is required, and the numerical aperture must be reduced, which ultimately sacrifices energy collection efficiency.
本発明は、厚みのある試料の深さ方向(厚み方向,奥
行き方向)の像の分解能に関する対物レンズの上記問
題、及び対物レンズに関連するエネルギー収集効率の上
記問題を解決することを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problem of the objective lens regarding the resolution of an image in the depth direction (thickness direction, depth direction) of a thick sample and the above-mentioned problem of energy collection efficiency related to the objective lens. .
(問題点を解決するための手段) 本発明に係る第1の発明は、収束レーザ光により蛍光
試料を走査するとともに励起された蛍光試料からの蛍光
を検出して試料の顕微画像を得るレーザ走査蛍光顕微鏡
において、励起光学系の光路中に、レーザ光束を輪帯光
束にする手段を備えたことを基本的な特徴とするもので
ある。(Means for Solving the Problems) A first invention according to the present invention is a laser scanning method for scanning a fluorescent sample with a converged laser beam and detecting fluorescence from the excited fluorescent sample to obtain a microscopic image of the sample. A fundamental feature of a fluorescence microscope is that a means for converting a laser beam into an annular beam is provided in the optical path of the excitation optical system.
第2の発明は、共焦点型のレーザ走査蛍光顕微鏡にお
いて、蛍光を検出する光電検出器の被露光面の面積を可
変する手段を備えたことを基本的な特徴とするものであ
る。A second aspect of the invention is a confocal laser scanning fluorescence microscope, which is basically characterized in that a means for changing the area of a surface to be exposed of a photoelectric detector for detecting fluorescence is provided.
(本発明の理論的背景) 光学系の結像特性を解析する場合、光学的伝達関数
(OTF)を用いる。OTFは、光学系の空間周波数応答を表
し、強度の点像分布関数の2次元フーリエ変換で与えら
れる。この値が大きいほど、周波数応答がよいことを意
味する。(Theoretical Background of the Present Invention) When analyzing the imaging characteristics of an optical system, an optical transfer function (OTF) is used. OTF represents the spatial frequency response of the optical system and is given by a two-dimensional Fourier transform of the point spread function of the intensity. The larger this value is, the better the frequency response is.
以下では、比較のため、第1図に示した一様照明落射
型蛍光顕微鏡の3次元OTFを示すとともに、第2図のレ
ーザ走査蛍光顕微鏡(共焦点型)の3次元OTFを示し、
次に、共焦点型のレーザ走査蛍光顕微鏡(第2図)にお
いて蛍光を検出する検出器面積をパラメータに含む新規
に導出された3次元OTFを示して検討を行い、最後に第
9図に示される,励起光学系に輪帯瞳を用いたレーザ走
査蛍光顕微鏡の3次元結像特性・新規に導出された3次
元OTFを示して検討を行う。In the following, for comparison, the three-dimensional OTF of the uniform illumination epi-illumination fluorescence microscope shown in FIG. 1 and the three-dimensional OTF of the laser scanning fluorescence microscope (confocal type) shown in FIG.
Next, a newly derived three-dimensional OTF including a detector area for detecting fluorescence in a confocal type laser scanning fluorescence microscope (FIG. 2) including parameters as parameters is examined and finally shown in FIG. The three-dimensional imaging characteristics of a laser scanning fluorescence microscope using an annular pupil as the excitation optical system and a newly derived three-dimensional OTF will be discussed.
一様照明落射型蛍光顕微鏡 この顕微鏡では、面積をもつ光源(4)からの光束を
ダイクロイックミラー(5)で反射し、対物レンズ
(2)により蛍光試料(3)を一様に照明し、励起され
た蛍光試料(3)からの蛍光発光(1)を対物レンズ
(2)により像検出器(6)で(CCDカメラやアイ・ピ
ースを通して目視するなどして)観測する。試料(3)
での強度分布が一様になるように照明されているので、
照明光の空間分布を考慮する必要はなく、光学系全体と
しては蛍光物体をインコーヒレント発光体とみてこの発
光の結像特性のみを扱えばよい。3次元OTF、H(ρ,
η)は(1)式で与えられる。Uniform illumination epi-illumination fluorescence microscope In this microscope, a light beam from a light source (4) having an area is reflected by a dichroic mirror (5), and a fluorescent sample (3) is uniformly illuminated by an objective lens (2) to be excited. The fluorescence emission (1) from the fluorescent sample (3) thus observed is observed by an objective lens (2) with an image detector (6) (by visual observation through a CCD camera or an eyepiece). Sample (3)
It is illuminated so that the intensity distribution at
It is not necessary to consider the spatial distribution of the illumination light, and the entire optical system may treat the fluorescent object as an incoherent luminous body and deal only with the imaging characteristics of this luminescence. 3D OTF, H (ρ,
η) is given by equation (1).
H(ρ,η)=(1/λ2ρA)× Re{[1−(λρA+2|η|A/ρ)2]1/2} …(1) 共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡 第2図に光学系の原理図を示す。この顕微鏡では、点
光源(24)を試料(23)に結像させ、結像点からの蛍光
(21)を対物レンズ(22)により点検出器(26)で計測
する。画像化のため、点光源(24)と点検出器(26)を
X−Y走査する。理想的な点検出器を用いると、焦点位
置からの蛍光のみを検出でき、焦点から外れた位置から
の蛍光は検出されない。従って、ピントがはずれた像は
ボケるのではなく、そのコントラストを失って観測され
ない。3次元の試料(33)のz方向の一断面のみがシャ
ープに観測される。H (ρ, η) = (1 / λ 2 ρA) × Re {[1- (λρA + 2 | η | A / ρ) 2 ] 1/2 } (1) FIG. 2 shows the principle of the optical system. In this microscope, a point light source (24) forms an image on a sample (23), and fluorescence (21) from the image forming point is measured by an object lens (22) with a point detector (26). For imaging, a point light source (24) and a point detector (26) are XY scanned. When an ideal point detector is used, only the fluorescence from the focus position can be detected, and the fluorescence from a position out of focus is not detected. Therefore, the out-of-focus image is not blurred, but loses its contrast and is not observed. Only one cross section in the z direction of the three-dimensional sample (33) is sharply observed.
ここでは、十分に小さい検出器(26)をもつものとし
て、この顕微鏡の3次元OTFを与える。Here, the three-dimensional OTF of this microscope is given assuming that it has a sufficiently small detector (26).
この光学系は、一様照明落射型蛍光顕微鏡とは異な
り、試料は一様に照明されない。ただし、結像光学系
は、一様照明落射型蛍光顕微鏡の光学系と等価である。
従って、この光学系による強度の3次元点像分布関数 と、点光源による強度分布の積で与えられる。点光源に
よる強度分布もまた、先の式 で与えられるので、この光学系による強度の3次元点像
分布関数 は次式で与えられる。This optical system, unlike a uniform illumination epi-illumination fluorescence microscope, does not uniformly illuminate the sample. However, the image forming optical system is equivalent to the optical system of the uniform illumination epi-fluorescence microscope.
Therefore, the three-dimensional point spread function of the intensity by this optical system And the intensity distribution by the point light source. The intensity distribution from a point light source is also , The three-dimensional point spread function of the intensity of this optical system Is given by the following equation.
実領域での積は、周波数領域でのコンボリューション
に対応しているので、共焦点型のレーザ走査蛍光顕微鏡
の3次元OTF、Hc(ρ・η)は(3)式で与えられる。
なお、*はコンボリューションを表し、Hc(ρ・η)は
(1)式での のフーリエ変換で与えられたものである。 Since the product in the real domain corresponds to the convolution in the frequency domain, the three-dimensional OTF and Hc (ρ · η) of the confocal laser scanning fluorescence microscope are given by Expression (3).
Note that * represents convolution, and Hc (ρ · η) is expressed by equation (1). Given by the Fourier transform of.
Hc(ρ,η)=[H(ρ,η)]*[H(ρ,η)] ……(3) (3)式と上記(1)の3次元OTFを計算した結果を
第3図に示す。同図(a)は一様照明系、(b)は共焦
点型レーザ走査蛍光顕微鏡の光学系のものである。Hc (ρ, η) = [H (ρ, η)] * [H (ρ, η)] (3) FIG. 3 shows the result of calculating equation (3) and the three-dimensional OTF of the above (1). Shown in 1A shows a uniform illumination system, and FIG. 2B shows an optical system of a confocal laser scanning fluorescence microscope.
ρは面内方向の空間周波数を表し、ηは奥行方向の空
間周波数を表している。縦軸は各周波数に対する3次元
OTFの値をlogスケールで示しており、各空間周波数に対
する応答を表している。ρ represents the spatial frequency in the in-plane direction, and η represents the spatial frequency in the depth direction. The vertical axis is three-dimensional for each frequency
The value of OTF is shown on a log scale, and represents the response to each spatial frequency.
第3図より、共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡は、一様
照明落射型蛍光顕微鏡に比べて、奥行方向(η方向)の
空間周波数帯域が2倍、面内方向(ρ方向)の空間周波
数帯域が1.7倍になっていることがわかる。また、
(a)では、η軸に近づくほど、奥行方向の空間周波数
帯域が狭くなっており、η軸上では原点しか値をもって
いない。従って、一様照明落射型蛍光顕微鏡は、奥行方
向のみに構造の変化をもつ試料に対しては全く分解をも
たない。例えば、面内に構造の変化をもたない薄い膜状
の試料を一様照明落射型蛍光顕微鏡で観察した場合、試
料の位置も(z座標)厚みも知ることはできない。他
方、(b)には(a)のような原点付近の欠落は見られ
ない。従って、レーザ走査蛍光顕微鏡は奥行方向のみに
構造の変化をもつ試料に対しても分解をもつことがわか
る。From FIG. 3, the confocal laser scanning fluorescence microscope has twice the spatial frequency band in the depth direction (η direction) and the spatial frequency band in the in-plane direction (ρ direction) as compared with the uniform illumination epifluorescence microscope. It can be seen that has increased 1.7 times. Also,
In (a), the spatial frequency band in the depth direction becomes narrower toward the η axis, and only the origin has a value on the η axis. Accordingly, the uniform illumination epi-illumination fluorescence microscope has no decomposition for a sample having a structural change only in the depth direction. For example, when a thin film sample having no structural change in the plane is observed with a uniform illumination epifluorescence microscope, neither the position nor the thickness (z coordinate) of the sample can be known. On the other hand, in (b), there is no lack near the origin as in (a). Therefore, it can be seen that the laser scanning fluorescence microscope has decomposition even for a sample having a structural change only in the depth direction.
検出器面積をパラメータのする3次元OTF 共焦点型のレーザ走査蛍光顕微鏡では、第4図に示す
ように、光電子増倍管や半導体光電検出器(26d)の前
に、ピンホール(26p)の開口を有するアパーチャ(26a
p)が設けられ、ピンホール(26p)が検出光量を制限し
ている。In a three-dimensional OTF confocal laser scanning fluorescence microscope in which the detector area is a parameter, as shown in FIG. 4, a pinhole (26p) is placed in front of a photomultiplier tube and a semiconductor photoelectric detector (26d). Aperture with opening (26a
p) is provided, and the pinhole (26p) limits the amount of light detected.
ここで、アパーチャ(26ap)をピンホール(26p)以
外の円形開口とする。円形開口の半径をパラメータとし
て、この3次元OTFを導出する。Here, the aperture (26ap) is a circular opening other than the pinhole (26p). The three-dimensional OTF is derived using the radius of the circular opening as a parameter.
検出器の面積を変えても、励起光学系は影響を受けな
いため、結像光学系についてのみ考究すればよい。Even if the area of the detector is changed, the excitation optical system is not affected. Therefore, only the imaging optical system needs to be considered.
試料からの蛍光による強度の3次元点像分布関数h
(x,z)は、対物レンズの瞳関数P(μ)を用いて次式
で与えられる。Three-dimensional point spread function h of intensity due to fluorescence from the sample
(X, z) is given by the following equation using the pupil function P (μ) of the objective lens.
レーザ走査顕微鏡では、第5図のように、検出器を走
査することによって像を得ているので、結像光学系にお
ける強度の3次元点像分布関数 は、(4)式と、円形開口の形状を表す関数 とのコンボリューションで与えられる。 In the laser scanning microscope, since the image is obtained by scanning the detector as shown in FIG. 5, the three-dimensional point spread function of the intensity in the imaging optical system is obtained. Is the equation (4) and a function representing the shape of the circular opening. Given by the convolution with
ここで、aは円形開口の半径である。 Here, a is the radius of the circular opening.
ここで、検出器の面積が十分に小さいとする(a→
0)とΠはデルタ関数になり、(5)式は(6)式で与
えられる。第5図(b)はこの場合の走査(scan)の状
態を模式的に示している。 Here, it is assumed that the area of the detector is sufficiently small (a →
0) and Π are delta functions, and equation (5) is given by equation (6). FIG. 5 (b) schematically shows the state of scanning in this case.
励起光の強度分布を考慮すると、全体の光学系による
強度の3次元点像分布関数は、先にも述べたように、結
像光学系による強度の3次元点像分布関数h2と、点光源
による強度分布の積で与えられる。従って全体の光学系
による強度の3次元点像分布関数h3は、 で与えられる。 Considering the intensity distribution of the excitation light, the three-dimensional point spread function of the intensity by the entire optical system is, as described above, the three-dimensional point spread function h 2 of the intensity by the imaging optical system and the point spread function h 2 It is given by the product of the intensity distribution by the light source. Therefore, the three-dimensional point spread function h 3 of the intensity by the whole optical system is Given by
(7)式を3次元フーリエ変換することにより、検出
器面積をパラメータとした3次元OTF、H3(ρ,η)を
得る。ここで のフーリエ変換は(8)式で与えられ、 ただし、J1は第1種ベッセル関数であり、 として、この3次元OTF,Ha(ρ,η)は(9)式で与え
られることになる。By performing a three-dimensional Fourier transform on the equation (7), a three-dimensional OTF and H 3 (ρ, η) using a detector area as a parameter is obtained. here Is given by equation (8), Where J 1 is a Bessel function of the first kind, The three-dimensional OTF, Ha (ρ, η) is given by the equation (9).
Ha(ρ,η)=H(ρ,η)*[H(ρ,η)・ J1(2πaρ)/πaρ] …(9) この(9)式に基づいて、検出器面積をパラメータと
して3次元OTFの計算を行った。結果を第6図に示す。
ρは面内方向(r)の空間周波数を表し、ηは奥行方向
(z)の空間周波数を表す。図化した縦軸は、各空間周
波数成分における3次元OTFの値をlogスケールで示して
いる。計算に用いたパラメータは次の通りである。Ha (ρ, η) = H (ρ, η) * [H (ρ, η) · J 1 (2πap) / πap] (9) Based on the equation (9), 3 The dimension OTF was calculated. The results are shown in FIG.
ρ represents the spatial frequency in the in-plane direction (r), and η represents the spatial frequency in the depth direction (z). The illustrated vertical axis shows the value of the three-dimensional OTF in each spatial frequency component on a log scale. The parameters used for the calculation are as follows.
励起波長:488nm(Arレーザ) 蛍光波長:520nm レンズのFナンバー:0.5(ドライレンズの場合NA=0.
7) 第6図(a),(b),(c),(d)は下記の条件
による。Excitation wavelength: 488nm (Ar laser) Fluorescence wavelength: 520nm Lens F number: 0.5 (NA = 0.
7) Figures 6 (a), (b), (c) and (d) are based on the following conditions.
(a)…a→0 (共焦点型) (b)…a=励起光によるエアリディスクの半径(425n
m) (c)…a=励起光によるエアリディスクの半径の2倍
の半径(850nm) (d)…a→∞(一様照明落射型蛍光顕微鏡) なお、円形開口の半径aの値は、円形開口を試料面に
投影したときの値であり、実際では、この円形開口の半
径は(a×顕微鏡の倍率)となる。また、エアリディス
クとは、第7図に示すように、励起光によって試料面に
つくられるエアリパターンの最初の暗リングの内側を指
す。(A) ... a → 0 (confocal type) (b) ... a = radius of airy disk by excitation light (425n
m) (c)... a = radius twice as large as the radius of the air disk by the excitation light (850 nm) (d)... a → ∞ (uniform illumination epifluorescence microscope) The value of the radius a of the circular aperture is This is a value when the circular opening is projected on the sample surface, and in reality, the radius of the circular opening is (a × magnification of the microscope). The airy disk refers to the inside of the first dark ring of the airy pattern formed on the sample surface by the excitation light, as shown in FIG.
第6図より、検出器の面積を、その半径がエアリディ
スクと同じ、または、エアリディスクの2倍まで広げた
場合、その3次元OTFがη軸上で値をもち、3次元分解
能をもっていることがわかる。このような光学系は、一
様照明落射型蛍光顕微鏡が全く分解をもたなかったz方
向のみに構造の変化をもつ試料に対しても分解をもつ。
特に検出器の面積がエアリディスクと同じである場合
は、半径がエアリディスクの2倍である場合と比べて、
2倍の奥行分解能をもち、共焦点型に近い分解能を示し
ている。また、エネルギー収集効率は共焦点型に比べは
るかに高くなる。According to Fig. 6, when the area of the detector is the same as that of the air disk, or is expanded to twice the air disk, the three-dimensional OTF must have a value on the η axis and have three-dimensional resolution. I understand. Such an optical system has decomposition even for a sample having a structural change only in the z direction, for which the uniform illumination epi-fluorescence microscope has no decomposition.
In particular, when the area of the detector is the same as that of the air disk, the radius is twice as large as that of the air disk.
It has twice the depth resolution and shows a resolution close to that of a confocal type. Also, the energy collection efficiency is much higher than that of the confocal type.
また、第6図(c),(d)では、面内方向の空間周
波数成分が低い場合、つまりη軸付近で奥行方向の空間
周波数帯域幅が狭くなっている。すなわち面内の構造に
よって奥行方向の分解能が影響を受けている。しかし、
第6図(b)には、同図(c),(d)に見られるよう
な原点付近の欠落部分は殆ど存在しない。従って、検出
器の大きさがエアリディスクと同じである場合は、面内
の構造によって奥行分解能が影響を受けることはほとん
どない。6C and 6D, when the spatial frequency component in the in-plane direction is low, that is, the spatial frequency bandwidth in the depth direction is narrow near the η axis. That is, the resolution in the depth direction is affected by the structure in the plane. But,
In FIG. 6B, there is almost no missing portion near the origin as seen in FIGS. 6C and 6D. Therefore, when the size of the detector is the same as that of the air disk, the depth resolution is hardly affected by the in-plane structure.
励起光学系に輪帯瞳を用いた3次元結像特性 第8図に示すような、輪帯瞳(annular pupil)は、
低い空間周波数成分の光をカットし、一定の空間周波数
以上の光を通すことができる。Three-dimensional imaging characteristics using an annular pupil as the excitation optical system As shown in FIG.
Light of a low spatial frequency component can be cut, and light of a certain spatial frequency or higher can be transmitted.
第9図に励起光学系にこの輪帯瞳(アパーチャ(98)
で形成)を用いた光学系の原理図を示す。(94)は点光
源(レーザ)、(97)はレンズ、(98)はアパーチャで
レーザ光束を輪帯光束にする。この輪帯光束(99)は、
ダイクロイックミラー(95)により反射され、対物レン
ズ(92)で収束されて、3次元試料(93)上に結像され
る。励起された試料からの蛍光(91)は対物レンズ(9
2)で収集され、検出器(96)により検出される。Fig. 9 shows this annular pupil (aperture (98))
FIG. 1 shows a principle diagram of an optical system using (formed in). (94) is a point light source (laser), (97) is a lens, and (98) is an aperture that converts a laser beam into an annular beam. This annular luminous flux (99)
The light is reflected by the dichroic mirror (95), is converged by the objective lens (92), and forms an image on the three-dimensional sample (93). The fluorescence (91) from the excited sample is
Collected in 2) and detected by detector (96).
この光学系において、点光源による試料面での強度分
布 は、輪帯瞳の瞳関数Pa(μ)を用いて次式で与えられ
る。In this optical system, the intensity distribution on the sample surface by a point light source Is given by the following equation using the pupil function Pa (μ) of the annular pupil.
ここで、輪帯瞳の瞳関数は次式により定義される。 Here, the pupil function of the annular pupil is defined by the following equation.
上記(10)式を3次元フーリエ変換し、瞳関数を代入
すると次式(11)を得る。ただし である。 The following equation (11) is obtained by subjecting the above equation (10) to three-dimensional Fourier transform and substituting the pupil function. However It is.
Hap(ρ,η)=(1/λ2ρAmax)rect[4|η|λA2max /(1−(Amax/Amin)2)]×Re{[1−(λρAmax +2|η|Amax/ρ)2]1/2−(Amax/Amin)[1−(λρAmin −2|η|Amin/ρ)2]1/2} …(11) 一方、蛍光物体からの発光による強度の3次元点像分
布関数の3次元フーリエ変換は、先に示した通り、次式
で与えられる。Hap (ρ, η) = ( 1 / λ 2 ρAmax) rect [4 | η | λA 2 max / (1- (Amax / Amin) 2)] × Re {[1- (λρAmax +2 | η | Amax / ρ ) 2 ] 1 /2-(Amax / Amin) [1- (λρAmin −2 | η | Amin / ρ) 2 ] 1/2 } (11) On the other hand, a three-dimensional point image of the intensity due to light emission from the fluorescent object The three-dimensional Fourier transform of the distribution function is given by the following equation as described above.
H(ρ,η)×J1(2πaρ)/πaρ …(12) ただし、J1は第1種ベッセル関数を表し、H(ρ,
η)は(1)式で与えられる。H (ρ, η) × J 1 (2πap) / πap (12) where J 1 represents a Bessel function of the first kind, and H (ρ,
η) is given by equation (1).
従って、励起光学系に輪帯瞳を用いた全体の光学系の
3次元OTF、Hapa(ρ,η)は次の(13)式で与えられ
る。Accordingly, the three-dimensional OTF, Hapa (ρ, η) of the entire optical system using the annular pupil as the excitation optical system is given by the following equation (13).
Hapa(ρ,η)=Hap(ρ,η)*[H(ρ,η)× J1(2πaρ)/πaρ] …(13) ρは面内方向の空間周波数を表し、ηは奥行方向の空
間周波数を表す。第10図は各空間周波数成分に対する3
次元OTFの値をlogスケールで表示している。Hapa (ρ, η) = Hap (ρ, η) * [H (ρ, η) × J 1 (2πaρ) / πaρ] (13) ρ represents the spatial frequency in the in-plane direction, and η represents the spatial frequency in the depth direction. Represents the spatial frequency. FIG. 10 shows 3 for each spatial frequency component.
The value of the dimension OTF is displayed on a log scale.
計算に用いたパラメータは次の通りである。 The parameters used for the calculation are as follows.
励起波長:488nm(Arレーザ) 蛍光波長:520nm Amax:0.5 Amin:0.55 第10図(a),(b),(c),(d)は下記の条件
による。Excitation wavelength: 488 nm (Ar laser) Fluorescence wavelength: 520 nm Amax: 0.5 Amin: 0.55 FIGS. 10 (a), (b), (c) and (d) are based on the following conditions.
(a)…a→0 (共焦点型) (b)…a=励起光によるエアリディスクの半径(425n
m) (c)…a=励起光によるエアリディスクの半径の2倍
の半径(850nm) (d)…a→∞ 尚、実際の円形開口の半径は、先に述べたのと同様
に、a×(顕微鏡の倍率)である。(A) ... a → 0 (confocal type) (b) ... a = radius of airy disk by excitation light (425n
m) (c)... a = radius twice as large as the radius of the Airy disk by the excitation light (850 nm) (d)... a → ∞ Note that the actual radius of the circular aperture is a × (magnification of microscope).
また、表1.に輪帯瞳を励起光学系に用いた場合と用い
ていない場合における面内方向の分解能を示す。即ち、
分解限界を示している。Table 1 shows the in-plane resolution when the annular pupil is used for the excitation optical system and when it is not used. That is,
Shows the decomposition limit.
第10図より、励起光学系に輪帯瞳を用いた光学系は、
η方向の空間周波数帯域幅が一様に狭く、深い焦点深度
をもつことがわかる。検出器の面積を大きくすると、焦
点深度は深くなる。一方、面内方向の空間周波数帯域
は、検出器の面積を大きくしても奥行方向の空間周波数
帯域幅ほど減少しない。従って、励起光学系に輪帯瞳を
用いると、面内方向の分解を高く保ちつつ、かつ焦点深
度を深くできると考えられる。 From Fig. 10, the optical system using the annular pupil as the excitation optical system is
It can be seen that the spatial frequency bandwidth in the η direction is uniformly narrow and has a large depth of focus. As the area of the detector increases, the depth of focus increases. On the other hand, the spatial frequency band in the in-plane direction does not decrease as much as the spatial frequency bandwidth in the depth direction even if the area of the detector is increased. Therefore, it is considered that the use of the annular pupil for the excitation optical system can increase the depth of focus while keeping the resolution in the in-plane direction high.
励起光学系に輪帯瞳を用いた光学系は、輪帯瞳を用い
ていない光学系に比べて検出器の面積によらず高い面内
分解能をもつことが表1よりわかる。ただし、励起光学
系に輪帯瞳を用いると、奥行方向の空間周波数帯域が狭
くなるので、正しくは、η=0付近においてのみ高い面
方向分解能をもつというべきであろう。つまり奥行方向
に構造の変化をもたない試料に対して、輪帯瞳を用いて
励起を行うと、高い分解が得られることがわかる。即
ち、奥行方向に構造をもたない(z方向に構造が変化し
ない)試料を円形瞳を用いて励起すると、フォーカス面
の分解は高いが、フォーカス面以外の像がボケて残って
いるので、結局フォーカス面の微細な構造は詳細に観測
しえない。他方、同じ試料を、輪帯瞳を用いて励起する
と、フォーカス面の分解は、円形瞳を用いて励起した場
合に比べて若干低くなるが、焦点深度が深いためにデフ
ォーカスが起こらない。従って、奥行方向に構造をもた
ないような試料の観察には、輪帯瞳を用いて励起したほ
うがより高い分解を得ることができる。It can be seen from Table 1 that the optical system using the annular pupil as the excitation optical system has a higher in-plane resolution regardless of the area of the detector than the optical system not using the annular pupil. However, if an annular pupil is used for the excitation optical system, the spatial frequency band in the depth direction is narrowed, so that it should be correct to have a high in-plane resolution only near η = 0. In other words, it can be seen that high resolution can be obtained by performing excitation using a ring pupil on a sample having no structural change in the depth direction. That is, when a sample having no structure in the depth direction (the structure does not change in the z direction) is excited using a circular pupil, the resolution of the focus plane is high, but an image other than the focus plane remains blurred. After all, the fine structure of the focus plane cannot be observed in detail. On the other hand, when the same sample is excited by using the annular pupil, the resolution of the focus plane is slightly lower than that in the case of being excited by using the circular pupil, but no defocus occurs because the depth of focus is deep. Therefore, for observation of a sample having no structure in the depth direction, higher resolution can be obtained by excitation using the annular pupil.
第6図(円形瞳による励起法)と第10図(輪帯瞳によ
る励起法)を比較すると、円形瞳励起法では、検出器前
の開口を広げると、3次元OTFが8の字状になってゆく
(焦点はずれ像がボケて広がることに対応)のに帯し、
輪帯瞳励起法では、3次元OTFが棒状であり、z軸方向
の空間周波数帯域が円形瞳励起法の場合より狭いことか
ら、焦点深度が深く、かつ焦点はずれ像はボケるのでは
なく強度を下げてゆく(消える)ことが確認できる。一
様照明落射型蛍光顕微鏡(第6図(d)に対応)や共焦
点型レーザ走査蛍光顕微鏡(第6図(a)に対応)にお
いて、焦点深度を深くする(η軸方向に対して3次元OT
Fの幅をせまくする)ためには、対物レンズの開口数を
小さくしようとするが、それはρ軸方向の帯域も例示し
て狭めることとなり、結果的に分解能を低下させてしま
う。また、対物レンズの開口数を小さくすると、対物レ
ンズを通過できる蛍光の光量は減少するので、微弱光測
定においてこの方法は致命的であるが、しかしそれ以外
に方法はない。Comparing Fig. 6 (excitation method with circular pupil) and Fig. 10 (excitation method with annular pupil), in the circular pupil excitation method, if the aperture in front of the detector is widened, the three-dimensional OTF becomes a figure-eight. Becoming (corresponding to the out-of-focus image blurring and spreading)
In the annular pupil excitation method, since the three-dimensional OTF is rod-shaped and the spatial frequency band in the z-axis direction is narrower than in the circular pupil excitation method, the depth of focus is deep, and the out-of-focus image is not blurred but intensity. It can be confirmed that is lowered (disappears). In a uniform illumination epi-illumination fluorescence microscope (corresponding to FIG. 6 (d)) or a confocal laser scanning fluorescence microscope (corresponding to FIG. 6 (a)), the depth of focus is increased (3 in the η-axis direction). Dimension OT
In order to reduce the width of F, the numerical aperture of the objective lens is reduced, but this also narrows the band in the ρ-axis direction as an example, resulting in a reduction in resolution. In addition, when the numerical aperture of the objective lens is reduced, the amount of fluorescent light that can pass through the objective lens decreases, so this method is fatal in the measurement of weak light, but there is no other method.
ところが、レーザ走査蛍光顕微鏡の励起光学系に輪帯
瞳を設けると、その3次元OTFは、第10図(d)に示さ
れるように、η方向には十分狭いにもかかわらず、ρ方
向に円形瞳励起法(第6図(d))よりむしろ広帯域な
結像特性をもち、高分解でかつ長焦点深度を同時に実現
することができる。However, when an annular pupil is provided in the excitation optical system of the laser scanning fluorescence microscope, as shown in FIG. 10 (d), although the three-dimensional OTF is sufficiently narrow in the η direction, Rather than the circular pupil excitation method (FIG. 6 (d)), it has a wide band imaging characteristic, and can simultaneously realize high resolution and a long depth of focus.
(実施例) 第11図に実施例を示す。落射型蛍光顕微鏡(30)を利
用したものである。光源は、波長488nmのArレーザ(3
1)でSpectra−Physics社製・161Bである。蛍光の検出
は、(株)日本電気製・TI−23AのCCDカメラ(32)によ
り行っている。CCDカメラ(32)を連結できるように、
倍率を1〜2.25に可変できるリレーレンズ(33)を使用
している。試料(34)は中央部に開口のある上下動可能
なステージ台(35)に載置する。試料(34)としては、
スライドガラスに蛍光塗料を一様に塗布したものを用い
ている。(Example) FIG. 11 shows an example. An epi-fluorescence microscope (30) was used. The light source is an Ar laser with a wavelength of 488 nm (3
1) Spectra-Physics 161B. Fluorescence is detected by a CCD camera (32) of TI-23A manufactured by NEC Corporation. To be able to connect the CCD camera (32)
A relay lens (33) that can change the magnification from 1 to 2.25 is used. The sample (34) is placed on a vertically movable stage table (35) having an opening at the center. As the sample (34),
A glass slide coated with a fluorescent paint uniformly is used.
(38)はレーザ光の径を拡大するビームエクスパンダ
ーであり、収束レンズ(38)は、このレーザ光束を顕微
鏡(30)の視野絞りの位置に収束させる。収束光は、ダ
イクロイックミラー(39)に向かい、ここで反射され、
対物レンズ(40)に向かい、対物レンズ(40)によって
試料(34)上に結像する。試料(34)は、この光源の結
像スポットにより励起され、蛍光を発する。試料(34)
からの蛍光は、対物レンズ(40)を通り、510nmのダイ
クロイックミラー(39),吸収フィルタ(41)によって
520nm以下の波長をもつ光波成分をカットされた後、リ
レーレンズ(33)を通り、鏡胴上部の結像位置に取り付
けたCCDカメラ(32)の受光面上に結像される。なお、
対物レンズ(40)は、倍率20倍,NAは0.5のものを用いて
いる。また、レンズ(38)の焦点距離は250mmである。(38) is a beam expander for expanding the diameter of the laser beam, and the converging lens (38) converges this laser beam on the position of the field stop of the microscope (30). The convergent light goes to the dichroic mirror (39), where it is reflected,
It faces the objective lens (40) and forms an image on the sample (34) by the objective lens (40). The sample (34) is excited by the imaging spot of the light source and emits fluorescence. Sample (34)
Fluorescence from the object passes through the objective lens (40) and is passed through a 510 nm dichroic mirror (39) and an absorption filter (41).
After the light wave component having a wavelength of 520 nm or less is cut, the light passes through a relay lens (33) and is imaged on a light receiving surface of a CCD camera (32) attached to an image forming position above the lens barrel. In addition,
The objective lens (40) has a magnification of 20 and an NA of 0.5. The focal length of the lens (38) is 250 mm.
CCDカメラ(32)の受光面で受光された蛍光パターン
は、このCCDカメラ(32)により読み出され、アナログ
ビデオ信号として、画像取り込み装置(51)に入力さ
れ、ここで6ビットのディジタル信号に変換された後、
フレームメモリに格納される。画像データは、画像取り
込み装置(51)とコンピュータ(52)の間を直結するDM
Aバスを介して、コンピュータ(52)へ転送される。コ
ンピュータ(52)で処理された画像データは、ディスプ
レイモニタ(53)に映出される。実施例においては、画
像取り込み装置(51)は(株)シバソク製・VM01B1フレ
ームグラバーを用い、コンピュータ(52)には(株)DE
C製・ミニコンピュータ・Micro VAX IIを使用してい
る。The fluorescent pattern received by the light receiving surface of the CCD camera (32) is read out by the CCD camera (32) and input as an analog video signal to the image capturing device (51), where it is converted into a 6-bit digital signal. After being converted,
Stored in frame memory. The image data is directly transmitted between the image capture device (51) and the computer (52).
The data is transferred to the computer (52) via the A bus. The image data processed by the computer (52) is displayed on a display monitor (53). In the embodiment, the image capturing device (51) uses a VM01B1 frame grabber manufactured by Shibasoku Co., Ltd., and the computer (52) uses DE (Ltd.).
Uses a C minicomputer or Micro VAX II.
実施例において、検出器面積による奥行分解能、及び
エネルギー収集効率への影響は、画像処理に基づいて検
証している。試料(34)をz方向に10μmずつずらしな
がら、7枚の画像(総画像256×256)を収集した。こう
して得られた256×256の2次元データ上に、各面積をも
つ検出器をシミュレートして、面積の異なる各検出器か
らの出力強度を計算した。例えば、ピンホールならば、
画像内で最も強度の大きい1点(1画素)の強度を出力
強度としてとり(第12図(a))、ある面積をもつ検出
器からの出力強度は、画像内の対応する領域内の画素の
強度の和をとっている(第12図(b),(c),
(d))。この計算処理等はコンピュータ(52)により
行った。なお、第12図(a)はピンホールの場合、
(b)はエアリディスク対応の場合、(c)はその半径
がエアリディスクの半径の2倍の場合、(d)は大面積
とした場合を模式的に示している。In the embodiment, the effects of the detector area on the depth resolution and the energy collection efficiency are verified based on image processing. While shifting the sample (34) by 10 μm in the z direction, seven images (total image 256 × 256) were collected. A detector having each area was simulated on the 256 × 256 two-dimensional data thus obtained, and the output intensity from each detector having a different area was calculated. For example, if it is a pinhole,
The intensity of one point (one pixel) having the highest intensity in the image is taken as the output intensity (FIG. 12 (a)), and the output intensity from the detector having a certain area is determined by the pixel in the corresponding area in the image. (Fig. 12 (b), (c),
(D)). This calculation and the like were performed by the computer (52). FIG. 12 (a) shows a case of a pinhole.
(B) schematically shows the case where the radius is twice the radius of the airy disk, and (d) schematically shows the case where the area is large.
第13図は上記の実験結果をプロットしたもので、z方
向の距離に対する検出器からの出力強度の変化を表して
いる。FIG. 13 is a plot of the above experimental results, showing the change in the output intensity from the detector with respect to the distance in the z direction.
第13図(a)は、横軸にフォーカス位置を0としたと
きのz座標、縦軸に出力強度をプロットしている。検出
器の面積が小さくなると、強度が落ちていることがわか
る。例えば、ピンホールを用いた場合には、検出される
蛍光エネルギーは非常に小さい。FIG. 13 (a) plots the z coordinate when the focus position is set to 0 on the horizontal axis and the output intensity on the vertical axis. It can be seen that the intensity decreases as the area of the detector decreases. For example, when a pinhole is used, the detected fluorescence energy is very small.
一方、第13図(b)は、横軸にフォーカス位置に対す
る座標、縦軸にそれぞれの検出器面積について、フォー
カス位置における出力強度で規格化した値をプロットし
ている。検出器の面積が小さくなるに従って出力強度は
即やかに減衰している。十分に大きな検出器を仮定した
場合、出力強度はほとんど変化していない。On the other hand, FIG. 13 (b) plots the coordinates of the focus position on the horizontal axis and the area of each detector on the vertical axis, normalized by the output intensity at the focus position. As the area of the detector becomes smaller, the output intensity immediately decreases. Assuming a sufficiently large detector, the output intensity hardly changes.
この例で用いた試料のように奥行方向のみに構造の変
化をもつ試料に対して、一様照明落射型蛍光顕微鏡は全
く分解をもたなかった。上記の結果から、検出器の面積
を十分に大きくすると、このような試料に対する分解は
失われてしまうが、検出器をエアリディスクと同じ大き
さにするか、検出器の半径をエアリディスクの半径の2
倍にした場合、z方向のみに構造の変化をもった試料に
対しても分解をもち、3次元分解能を有していることが
わかる。ピンホールを用いた場合に比べて、エアリディ
スクと同じ大きさの検出器を用いた場合は約30%、検出
器の半径がエアリディスクの半径の2倍のものを用いた
場合は約70%の奥行分解能が減少している。この結果よ
り、検出器の面積をピンホールからエアリディスクと同
じ大きさまで広げても奥行分解能は約30%減少するだけ
であり、しかもピンホールを用いた場合に比べてエネル
ギー収集効率を相当に高くすることができる。For a sample having a structural change only in the depth direction, such as the sample used in this example, the uniform illumination epifluorescence microscope did not have any decomposition. From the above results, if the detector area is sufficiently large, such decomposition of the sample will be lost.However, make the detector the same size as the Airy disk or change the detector radius to the radius of the Airy disk. 2
When it is doubled, it can be seen that the sample having the structural change only in the z direction is decomposed and has a three-dimensional resolution. Approximately 30% when using a detector of the same size as an Airy disk, and approximately 70% when using a detector whose radius is twice the radius of an Airy disk, compared to the case using a pinhole. Has a reduced depth resolution. From this result, even if the area of the detector is increased from the pinhole to the same size as the air disk, the depth resolution only decreases by about 30%, and the energy collection efficiency is considerably higher than when the pinhole is used. can do.
なお、検出器の受光面積を制限するために、実施例の
ようにCCDカメラ(32)をもらい、画像処理を行う以外
に、簡単には、蛍光の結像位置に所定の受光面をもつ光
電検出器を設置し、この前に所定の開口をもつアパーチ
ャを設けるとよい。開口の大きさを可変したい場合、簡
便には、開口径を少しずつ変えた開口を円板の周辺部に
円周に沿って配列したターレット円板アパーチャ(60)
を設ける。In addition, in order to limit the light receiving area of the detector, a CCD camera (32) is used as in the embodiment, and image processing is performed. The detector may be installed, and an aperture having a predetermined opening may be provided in front of the detector. If you want to change the size of the opening, it is convenient to use a turret disk aperture (60) in which openings whose diameters are slightly changed are arranged along the circumference of the disk.
Is provided.
また、第11図では、走査のメカニズムを省略している
が、走査は、ビーム走査またはステージ走査のよく知ら
れたいずれの手法によって行ってよい。ビーム走査の場
合、ガルバノミラー,共振ガルバノミラー,ポリゴンミ
ラー,タービン駆動ポリゴンミラー,AO偏向器,ホログ
ラムスキャナーなどのうちいずれかを用いたものとす
る。また、ステージ走査では、ステッピングモータ,ピ
エゾ素子,ボイスコイル等のいずれかを用いた手法を採
用する。Although the scanning mechanism is omitted in FIG. 11, the scanning may be performed by any of the well-known techniques of beam scanning or stage scanning. In the case of beam scanning, one of a galvanometer mirror, a resonance galvanometer mirror, a polygon mirror, a turbine drive polygon mirror, an AO deflector, and a hologram scanner is used. In the stage scanning, a method using any of a stepping motor, a piezo element, a voice coil, and the like is employed.
第11図の実施例において、励起光学系に輪帯瞳を形成
する場合、簡単には、レーザ(31)からダイクロイック
ミラー(39)の間に、レーザ光束を輪帯光束にする輪帯
開口アパーチャ(70)を設置する。ビームエクスパンダ
ー(36)の後でも、レンズ(38)の後ろのいずれでもよ
い。また、ダイクロイックミラー(39)の反射面を輪帯
状にしておいてもよい。さらに、より簡単には、レンズ
(36),(38)に中心を光軸に一致させた遮光円形マス
クを貼付してもよい。In the embodiment shown in FIG. 11, when an annular pupil is formed in the excitation optical system, simply, between the laser (31) and the dichroic mirror (39), an annular aperture aperture for converting the laser beam into an annular beam is provided. (70) is installed. Either after the beam expander (36) or after the lens (38). Further, the reflection surface of the dichroic mirror (39) may be formed in an annular shape. More simply, a light-shielding circular mask whose center is coincident with the optical axis may be attached to the lenses (36) and (38).
第14図,第15図は輪帯開口アパーチャ(70)を設けた
とき、試料がどのように観測されるかを模式的に示した
ものである。試料の深さ方向(z方向)の焦点深度内に
円形物体、方形物体、三角状物体、があるとした場合で
ある。FIGS. 14 and 15 schematically show how a sample is observed when the annular opening aperture (70) is provided. It is assumed that there is a circular object, a square object, and a triangular object within the depth of focus (z direction) of the sample.
第14図において、2の方形物体面に合焦したとき、共
焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡(アパーチャなし)では、
第15図(a)のように、その方形物体のみ鮮明な画像を
得ることができ、1の円形物体や3の三角状物体はその
情報が全く欠落する。しかし、輪帯アパーチャ(70)を
用いると、第15図(b)のように、1,2,3すべての断面
における物体の像、しかもコントラストのよい鮮明な像
が同時に観測される。深い焦点深度内の総ての断面像が
ボケの重畳なくシャープに一覧(透視平面図的)に観測
することが可能である。In FIG. 14, when focused on a square object surface of 2, a confocal laser scanning fluorescence microscope (without aperture)
As shown in FIG. 15 (a), a clear image can be obtained only for the rectangular object, and the information is completely lost for the one circular object and the three triangular objects. However, when the annular aperture (70) is used, as shown in FIG. 15 (b), images of the object in all 1, 2, and 3 cross sections, and a clear image with good contrast are simultaneously observed. All cross-sectional images within a deep depth of focus can be observed in a list (in a perspective plan view) sharply without blurring.
上記の説明は、レーザ走査蛍光顕微鏡に関し、蛍光試
料を対象とするものであったが、ここに開示したこの発
明に係る各種の手法は、レーザ走査でラマン散乱を利用
する顕微鏡にも全く同様に適用でき、同等の効果を期待
できるものであり、本発明の手法をラマン散乱利用の顕
微鏡に応用することができる。The above description relates to a laser scanning fluorescence microscope and is directed to a fluorescent sample. However, the various methods according to the present invention disclosed herein are exactly the same for a microscope using Raman scattering in laser scanning. The method can be applied and the same effect can be expected, and the method of the present invention can be applied to a microscope using Raman scattering.
(発明の効果) 以上のように、励起を輪帯光束で行う第1の発明よれ
ば、面内分解能を高く保持したままで焦点深度を深くす
ることができる。従って、対物レンズのNAを大きくす
る、すなわち大径化することが可能になり、これにより
蛍光のエネルギー収集効率を高くすることができる。ま
た、試料の深さ方向で焦点深度範囲内の明るい像を一覧
的(透視平面図的)に得ることができる。さらに、共焦
点型であると、デフォーカス像の影響がなくなるので、
深い焦点深度の範囲の試料像を、高分解能でかつバック
グラウンドのない高コントラストの状態で一覧的(透視
平面図的)に得ることができる。(Effects of the Invention) As described above, according to the first aspect of the invention in which the excitation is performed by the annular luminous flux, it is possible to increase the depth of focus while maintaining a high in-plane resolution. Therefore, it is possible to increase the NA of the objective lens, that is, to increase the diameter, thereby improving the energy collection efficiency of the fluorescent light. In addition, a bright image within the depth of focus range in the depth direction of the sample can be obtained in a list (in a perspective plan view). In addition, the confocal type eliminates the influence of the defocused image,
A sample image in a deep depth of focus range can be obtained in a list (in a perspective plan view) with high resolution and high contrast without a background.
蛍光を検出する検出器面積をピンホール以外の所定の
面積にもできる第2の発明によれば、高い奥行き分解能
と合わせて高いエネルギー収集効率を得ることができ、
SN比が高くかつ3次元分解能にも優れた高性能の蛍光顕
微鏡を実現することができる。According to the second invention in which the area of the detector for detecting fluorescence can be set to a predetermined area other than the pinhole, a high energy collection efficiency can be obtained in combination with a high depth resolution,
A high-performance fluorescence microscope having a high SN ratio and excellent three-dimensional resolution can be realized.
【図面の簡単な説明】 第1図は一様照明落射型蛍光顕微鏡の光学系の原理図、
第2図は共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡の光学系の原理
図、第3図は(a),(b)はそれぞれ3次元OTFを示
す図、第4図は点検出の説明図、第5図(a),(b)
は検出器の走査(scan)の説明図、第6図(a),
(b),(c),(d)はそれぞれ異なる検出器面積に
よる3次元OTFを示す図、第7図はエアリディスクの説
明図、第8図は輪帯瞳の説明図、第9図は輪帯瞳を用い
た共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡の光学系の原理図、第
10図(a),(b),(c),(d)はそれぞれ異なる
検出器面積による3次元OTFを示す図、第11図は実施例
を示す図、第12図(a),(b),(c),(d)はそ
れぞれシュミレートした検出器面積を模式的に示す図、
第13図(a),(b)は実施例を用いて行った結果をプ
ロットした蛍光強度のグラフ、第14図は試料の模式的な
断面を示す図、第15図(a),(b)はそれぞれ共焦点
型レーザ走査蛍光顕微鏡と実施例の顕微鏡における観測
される画像の相違を模式的に示した説明図である。 31……レーザ、32……CCDカメラ、34……蛍光試料、40
……対物レンズ、60……開口面積を可変するアパーチ
ャ、70……輪帯開口をもつアパーチャ。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a principle diagram of an optical system of a uniform illumination epi-illumination type fluorescence microscope,
FIG. 2 is a principle diagram of an optical system of a confocal laser scanning fluorescence microscope, FIGS. 3 (a) and 3 (b) each show a three-dimensional OTF, FIG. 4 is an explanatory diagram of point detection, and FIG. Figures (a) and (b)
Fig. 6 (a) is an explanatory view of the scanning of the detector.
(B), (c), and (d) show three-dimensional OTFs with different detector areas, FIG. 7 is an explanatory diagram of an air disk, FIG. 8 is an explanatory diagram of an annular pupil, and FIG. Principle of the optical system of a confocal laser scanning fluorescence microscope using an annular pupil.
10 (a), (b), (c) and (d) show three-dimensional OTFs with different detector areas, FIG. 11 shows an embodiment, and FIGS. 12 (a) and (b) ), (C) and (d) schematically show the simulated detector area, respectively.
13 (a) and 13 (b) are graphs of fluorescence intensity plotting the results obtained using the examples, FIG. 14 is a diagram showing a schematic cross section of the sample, and FIGS. 15 (a) and (b). () Is an explanatory diagram schematically showing a difference between images observed by the confocal laser scanning fluorescence microscope and the microscope of the example. 31 ... Laser, 32 ... CCD camera, 34 ... Fluorescent sample, 40
…… Objective lens, 60… Aperture with variable aperture area, 70 …… Aperture with annular aperture.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−12615(JP,A) 特開 昭61−219920(JP,A) 特開 昭63−298211(JP,A) 特開 昭59−49514(JP,A) 特開 昭61−105521(JP,A) 特開 平2−267512(JP,A) 特公 平7−3508(JP,B2) Journal of Micros copy,Vol.149(1988),p. 51−66 OPTICS LETTERS,Vo l.10(2)(1985),p.53−55 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 21/00 - 21/36 Continuation of the front page (56) References JP-A-56-12615 (JP, A) JP-A-61-219920 (JP, A) JP-A-63-292111 (JP, A) JP-A-59-4954 (JP) JP-A-61-105521 (JP, A) JP-A-2-267512 (JP, A) JP-B-7-3508 (JP, B2) Journal of Microscopy, Vol. 149 (1988), pp. 51-66 OPTICS LETTERS, Vol. 10 (2) (1985), p. 53-55 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G02B 21/00-21/36
Claims (1)
て、 蛍光試料を励起する励起光学系の光路中に、レーザ光束
を輪帯光束にする手段を備えると共に、 励起により生じた蛍光を検出する光電検出器の被露光面
に近接させて、ピンホールを含み円形開口の大きさを可
変して設定可能な手段を設けたことを特徴とするレーザ
走査蛍光顕微鏡。1. A confocal laser scanning fluorescence microscope, comprising: means for converting a laser beam into an annular beam in an optical path of an excitation optical system for exciting a fluorescent sample; and a photoelectric device for detecting fluorescence generated by the excitation. A laser scanning fluorescence microscope characterized in that a means is provided in proximity to a surface to be exposed of a detector and capable of variably setting the size of a circular opening including a pinhole.
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1989
- 1989-03-21 JP JP6994989A patent/JP2915919B2/en not_active Expired - Lifetime
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