CN101124505A - 微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置 - Google Patents

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Abstract

为了能够利用0℃左右的冷却CCD以较短的曝光时间拍摄发出微弱光的标本，提供一种微弱光标本摄像单元，其具备：成像光学系统，使具有发出微弱光的点光源的标本的标本像成像；摄像机构，具有对入射的光进行受光的多个像素，拍摄对应于上述标本像的图像；上述成像光学系统在该成像光学系统的标本像侧是远心的，并且将来自上述点光源的微弱光进行聚光，形成与上述像素大致相同的大小、或者比上述像素小的艾里斑。

Description

微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置
技术领域
本发明涉及对发出微弱光的标本进行摄像的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，特别涉及在发出微弱荧光的标本、进行生物体发光的标本等的具有微小发光源的标本的摄像中适用的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置。
背景技术
近年来，在细胞生物学、分子生物学等研究领域，将绿色荧光蛋白质(GFP，Green Fluorescent Protein)及作为生物发光酶的荧光素酶(luciferase)基因作为表达的报告物起作用，对细胞内的特定部位及功能蛋白质添加荧光标识及发光标识来观察生物体细胞的必要性提高了。
在使用GFP的观察中，GFP是对应于激励光的照射而发出荧光的蛋白质，由于对使GFP作用的标本照射大强度的激励光而得到荧光，所以容易给标本造成损伤，1～2小时程度的观察是极限，但在使用荧光素酶的观察中，由于荧光素酶是自发光酶，不需要对标本造成损伤的激励光，所以能够进行5天左右的观察。另一方面，在使用GFP的观察中，例如能够通过共焦激光扫描显微镜将激励光聚集在标本的一点上而增大荧光的发光量，但在使用荧光素酶的观察中，由于不能通过激励光增大发光量，所以不得不利用来自荧光素酶的微弱光观察标本。
一般，捕捉微弱光的用途较广泛，并不限于使用荧光素酶的观察，有在使用GFP的观察中也减弱激励光进行观测的情况、以及DNA芯片的荧光测光、微生物的鞭毛的暗视场观察等。对于这样的用途，正在进行高灵敏度的冷却CCD摄像机的开发。
此外，在捕捉微弱光的用途中，为了能够从标本聚集更多的光，以往在对标本的像进行成像的光学系统中使用了数值孔径(NA：Numerical Aperture)较大的物镜。另外，除了利用物镜增大标本侧的NA的方法之外，还可以将具有缩小倍率的透镜配置在显微镜的成像透镜的像侧来增大成像侧的NA，但其目的是使通过目视观察的视场与CCD拍摄的视场的大小一致，而不是为了进行微弱光的观察。
图28表示配置了具有缩小倍率的透镜的成像光学系统的一例。如图28所示，具有缩小倍率的透镜104配置在由物镜102及成像透镜103构成的成像光学系统的像空间、即成像透镜103与像面106之间的空间，作为整体在像侧形成了远心的成像光学系统。在标本101上，处于光轴OA3上的物点101a和从光轴OA3偏离的物点101b，在没有配置透镜104的情况下分别成像在像面106上的像点106a、106b上，但在配置有透镜104的情况下，分别成像在像面105上的像点105a、105b上。此外，在该例中，像点105b同像点106b相比成像为约1/2倍的高度。另外，被设定为，不论透镜104的配置与否，成像光学系统的射出光瞳Pu的位置及口径都不变化。
此外，在图28所示的在像侧远心的成像光学系统，以往经常利用于测长显微镜等，近年来作为CCD摄像机用所必需的光学系统使用。所谓的在像侧远心的成像光学系统，是指射出光瞳位于无限远的光学系统，是从该光学系统射出并朝向各像点的主光线平行于光轴的光学系统。通常，在CCD摄像机中，随着相对于摄像面的光的入射角变大而灵敏度降低，所以为了在整个摄像面进行均匀且高灵敏度的摄像，需要使入射到CCD摄像机的各像素中的光的主光线垂直于摄像面，为了实现这一点，在像侧远心的成像光学系统是必须的。
此外，在像侧远心的成像光学系统经常利用于显微镜等(例如参照专利文献1、2)。在专利文献1公开的显微镜中，通过配置根据随物镜更换而发生的射出光瞳位置的变化能够更换的光学机构，即使在更换了物镜的情况下，也能够将像侧维持为远心。此外，在专利文献2公开的显微镜中，通过使CCD摄像机的摄像面相对于光轴稍稍倾斜，即使在使用了激光光源的情况下也不会在摄像面上生成干涉条纹，能够得到鲜明的观察图像。
另外，在CCD摄像机中，除了高灵敏度化之外，还进行高分辨力化的开发，例如实现了像素尺寸为2～3μm、像素数为500万个的高精度的CCD摄像机。并且，通过将这样的高精度的CCD摄像机与显微镜组合，开发出了称作虚拟幻灯机(Virtual Slide)的装置。在虚拟幻灯机中，使用倍率为20倍左右、将像面弯曲及变形抑制得很小的成像光学系统，预先取得将显微镜用试片上的标本分割为多个区域后拍摄的多个图像，将取得的各图像在图像数据上接合之后，通过电子放大处理即电子缩放将5～100倍程度的任意倍率的图像显示在监视器上。这样，即使实际的显微镜和标本不在现场，虚拟幻灯机也能够将高精度的标本图像显示在监视器上，所以能够作为医学专业学生用的教材使用。
专利文献1：日本特许第2990871号公报
专利文献2：日本特开2000-235150号公报
专利文献3：日本特开2004-191252号公报
非专利文献1：David K.Welsh，Seung-Hee Yoo，Andrew C.Liu，Joseph S.Takahashi，and Steve A.Kay，“Bioluminescence Imaging ofIndividual Fibroblasts Reveals Persistent，Independently PhasedCircadian Rhythms of Clock Gene Expression”，Current Biology，2004，Vol.14，p.2289-2295
非专利文献2：N.Takasuka，M.R.H.White，C.D.Wood.W.R.Robertson，and J.R.E.Davis，“Dynamic Changes in Prolactin PromoterActivation in Individual Living Lactotrophic Cells”，Endocrinology，1998，Vol.139p.1361-1368
但是，将荧光素酶基因作为报告基因导入到细胞中，以荧光素酶活性所产生的来自细胞的发光量作为指标来调查荧光素酶基因的表达强度时，通过将目的DNA片段连接到荧光素酶基因的上游或下游，能够调查该DNA片段对荧光素酶基因的复制产生的影响。此外，通过将认为会给荧光素酶基因的复制造成影响的复制因子等基因连接到表达遗传媒介上而与荧光素酶基因一起表达，能够调查该基因产物给荧光素酶基因的表达带来的影响。
在将荧光素酶基因等报告基因导入到细胞中的方法中，有磷酸钙法、脂质体(Lipofectin)法及正电子法等，这些方法根据导入的目的及细胞的种类而分开使用。并且，在荧光素酶活性所产生的来自细胞的发光量的测量中，在使细胞溶解液与含有荧光素酶、ATP及镁等的基质溶液反应后，通过使用了光电倍增管的光度计将发光量定量。在该测量中，在溶解了细胞之后测量发光量，所以能够将某个时刻的表达量作为细胞整体的平均值来测量。
此外，为了捕捉基因的表达量的经时变化，需要按时间序列测量来自活细胞的发光量。例如，对培养细胞的培养器设计光度计的功能，通过每隔一定时间测量从培养中的整个细胞集团发出的光量，能够测量具有一定周期性的表达节奏等。在此情况下，测量细胞全体的经时的表达量的变化。
另一方面，在基因的表达为一过性的情况下，各个细胞中的表达量产生较大的偏差。例如，即使是HeLa细胞等已克隆的培养细胞，通过细胞膜表面的受体做出的药剂响应在各个细胞中也有偏差。即，存在即使未检测出作为细胞整体的响应、但几个细胞在响应的情况。在该情况下，测量各个细胞中的表达量、而不是测量来自细胞整体的表达量，这是很重要的。
但是，为了用显微镜等观察各个细胞的发光，由于来自活细胞的发光量非常弱，所以存在必须使用例如光子计数CCD摄像机、-90℃左右的冷却CCD摄像机等高灵敏度CCD摄像机进行30分钟左右的长时间曝光的问题(参照非专利文献1、2)。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的是提供一种微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，即使是作为发光色素导入了荧光素酶基因的细胞那样的发出微弱光的标本，也能够利用0℃左右的较高温的冷却CCD摄像机，不进行光子计数而以较短的曝光时间拍摄标本像。
为了达到上述目的，本发明的微弱光标本摄像单元，具备：成像光学系统，将具有发出微弱光的点光源的标本的标本像成像；摄像机构，具有对入射的光进行受光的多个像素，拍摄对应于上述标本像的图像；而且，上述成像光学系统在该成像光学系统的标本像侧是远心的，并且将来自上述点光源的微弱光聚光，形成与上述像素大致相同的大小、或者比上述像素小的艾里斑。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述成像光学系统具备：物镜，在该成像光学系统的标本侧是远心的，并且将来自上述点光源的微弱光变换为平行光束；成像透镜，将由上述物镜变换的平行光束聚光，形成上述艾里斑。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述物镜配置成，能够同焦距和标本侧数值孔径中的至少一个与该物镜不同的更换物镜进行更换。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述物镜具有作为配置该物镜时的基准的物方配置基准面，并且该物镜配置成，能够同从该物方配置基准面到标本侧焦点及射出光瞳的各距离与该物镜大致相等的上述更换物镜进行更换。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，其特征在于，上述物镜具备开口孔径可变的可变亮度光阑(AS：ApertureStop)。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述成像透镜配置成，能够同焦点距离及标本像侧数值孔径中的至少一个与该成像透镜不同的更换成像透镜进行更换。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述成像透镜具有作为配置该成像透镜时的基准的成像配置基准面，并且该成像透镜配置成，能够同从该成像配置基准面到标本像侧焦点及射出光瞳的各距离与该成像透镜大致相等的上述更换成像透镜进行更换。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述成像透镜具有与上述物镜的射出光瞳直径同等或其以上的大小的入射瞳直径。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述摄像机构配置成，能够同规定的摄像特性与该摄像机构不同的更换摄像机构进行更换。
此外，本发明的微弱光标本摄像单元是，在上述发明中，上述成像光学系统的成像倍率为大致2倍以上、大致8倍以下。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置，具备：上述的微弱光标本摄像单元；标本保持机构，保持上述标本；照明机构，对上述标本进行照明；以及焦点调节机构，使上述成像光学系统、上述摄像机构及上述标本保持机构的至少1个沿上述微弱光标本摄像单元的光轴方向移动，进行上述微弱光标本摄像单元对于上述标本的对焦；上述成像光学系统将由上述照明机构照射的照射光、即透射或反射了上述标本的照射光进行聚光，使上述标本的明视场标本像成像；上述焦点调节机构进行对焦，使上述明视场标本像被鲜明地成像。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，具备：上述的微弱光标本摄像单元；标本保持机构，保持上述标本；照明机构，对上述标本进行照明；以及焦点调节机构，使上述物镜、上述成像透镜、上述摄像机构及上述标本保持机构的至少1个沿上述微弱光标本摄像单元的光轴方向移动，进行上述微弱光标本摄像单元对于上述标本的对焦；上述成像光学系统将由上述照明机构照射的照射光、即透射或反射了上述标本的照射光进行聚光，使上述标本的明视场标本像成像；上述焦点调节机构进行对焦，使上述明视场标本像被鲜明地成像。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备：荧光单元，具有使激励上述标本的激励光有选择地透射的激励光透射滤光器、使从由上述激励光激励的标本发出的荧光有选择地透射的荧光透射滤光器、以及反射上述激励光而使上述荧光透射的分色镜，荧光单元在上述物镜与上述成像透镜之间可插入脱离地配置；荧光照射机构，具有发出上述激励光的激励光源，通过上述分色镜反射从该激励光源发出的激励光并照射在上述标本上；上述成像光学系统将上述荧光作为上述微弱光进行聚光，形成上述艾里斑。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备荧光切换机构，该荧光切换机构保持对于上述激励光及上述荧光的至少一方的光学特性相互不同的多个上述荧光单元，有选择地将该保持的多个荧光单元中的1个荧光单元配置到上述物镜与上述成像透镜之间。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，上述荧光照射机构使上述激励光成为大致平行光束而照射在上述标本上。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间、从上述微弱光中提取规定波长区域的光的波长提取滤光器。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备滤光器切换机构，该滤光器切换机构保持提取的波长区域相互不同的多个上述波长提取滤光器，有选择地将该保持的多个波长提取滤光器中的至少1个波长提取滤光器配置在上述物镜与上述成像透镜之间，其中包括不配置滤光器。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备：分色镜，可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间，使上述微弱光中的规定的第1波长区域的光透射，并且将与该第1波长区域不同的第2波长区域的光反射；反射侧成像透镜，将由上述分色镜反射的上述第2波长区域的光聚光；以及反射侧摄像机构，具有多个像素，对由上述反射侧成像透镜聚光的上述第2波长区域的光进行受光；上述反射侧成像透镜形成与上述反射侧摄像机构所具有的像素内的受光区域大致内切的大小的艾里斑。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备分色镜切换机构，该分色镜切换机构保持上述第1波长区域及上述第2波长区域的至少一个相互不同的多个上述分色镜，有选择地将该保持的多个分色镜中的1个分色镜配置在上述物镜与上述成像透镜之间。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备：透射侧波长提取滤光器，可插入脱离地配置在上述分色镜与上述成像透镜之间，从上述第1波长区域的光中提取规定的第3波长区域的光；以及反射侧波长提取滤光器，可插入脱离地配置在上述分色镜与上述反射侧成像透镜之间，从上述第2波长区域的光中提取规定的第4波长区域的光。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备：反射镜，可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间，将透射上述标本或反射的上述照明光反射；明视场成像透镜，将由上述反射镜反射的照射光进行聚光，使上述标本的明视场像成像；明视场摄像机构，拍摄与由上述明视场成像透镜成像的明视场像对应的明视场图像。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备位置调节机构，该位置调节机构使上述成像光学系统或上述摄像机构沿与上述微弱光标本摄像单元的光轴大致正交的方向移动，进行上述摄像机构与上述反射侧摄像机构或上述明视场摄像机构的位置对准。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备进行上述焦点调节机构的对焦及上述位置调节机构的位置对准中的至少一个的自动控制的调节控制机构。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，上述标本保持机构具备：收容机构，将上述标本保持在内部；环境调节机构，调节上述收容机构内部的环境条件。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，上述环境条件是与上述收容机构内部的温度、湿度、气压及成分浓度中的至少1个相对应的条件。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，该微弱光标本摄像装置配置在遮断来自外部的光的遮光机构内。
此外，本发明的微弱光标本摄像装置是，在上述发明中，具备将上述摄像机构拍摄的图像、即与上述明视场标本像和通过上述微弱光形成的上述标本像分别对应的图像重合显示的显示机构。
根据本发明的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，即使是导入了荧光素酶作为发光色素的细胞这样的发出微弱光的标本，也可以通过0℃左右的比较高温的冷却CCD摄像机不进行光子计数而以较短的曝光时间对标本像进行摄像。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的微弱光标本摄像单元的结构的图。
图2是表示由图1所示的微弱光标本摄像单元形成的艾里斑的图。
图3-1是表示使艾里斑直径与像素内的受光区域的大小大致相等时的艾里斑的光量分布的图。
图3-2是表示在艾里斑内包含4个像素时的艾里斑的光量分布的图。
图3-3是表示在1个像素的受光区域包含2个艾里斑时的艾里斑的光量分布的图。
图4是表示成像侧NA与艾里斑直径的关系的图。
图5是说明光学低通滤光器的特性的图。
图6是表示本发明的第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置的结构的图。
图7-1是表示利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置拍摄了标本的明视场像的图像的图。
图7-2是表示利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置将标本的自发光所产生的像曝光1分钟后拍摄的图像的图。
图7-3是表示利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置将标本的自发光所产生的像曝光5分钟后拍摄的图像的图。
图7-4是将图7-1及图7-3所示的图像重叠显示的图像的图。
图8-1是说明利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置制作实验标本的制作方法的图。
图8-2是说明利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置制作实验标本的制作方法的图。
图9-1是表示利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置拍摄了标本的明视场像的图像的图。
图9-2是表示利用图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置将标本的自发光所产生的像曝光1分钟后拍摄的图像的图。
图9-3是将图9-1及图9-2所示的图像重叠放大显示的图像的图。
图10是表示测量了图9-3所示图像中的、从与规定区域相对应的标本来的发光强度的经时变化的结果的图。
图11是说明利用图6所示的微弱光标本摄像单元进行的标本的深度方向上的成像状态的图。
图12是表示相对于标本深度的测光量变化的图。
图13-1是表示利用综合倍率设为2倍的微弱光标本摄像单元拍摄了由微弱光生成的标本像的图像的图。
图13-2是表示利用综合倍率设为4倍的微弱光标本摄像单元拍摄了由微弱光生成的标本像的图像的图。
图13-3是表示利用综合倍率设为8倍的微弱光标本摄像单元拍摄了由微弱光生成的标本像的图像的图。
图14是表示按每个微弱光标本摄像单元的综合倍率考察了由微弱光生成的标本像状态的结果的图。
图15是表示微弱光标本摄像单元中的物镜、综合倍率、测光深度及焦点深度的对应关系的图。
图16是表示与显微镜用物镜的种类相对应的焦距及数值孔径的图。
图17是表示在图6所示的微弱光标本摄像装置中附加了反射荧光装置时的主要部分结构的图。
图18是表示在图6所示的微弱光标本摄像装置中附加了平行光束照明用的反射荧光照明装置时的主要部分结构的图。
图19是表示由图6所示的微弱光标本摄像单元成像的DNA芯片与CCD摄像范围的对应关系的图。
图20是表示在图6所示的微弱光标本摄像装置中附加了滤光单元时的主要部分结构的图。
图21是表示多色荧光素酶基因的发光特性及图20所示的波长提取滤光器的透射率特性的图。
图22是表示在图6所示的微弱光标本摄像装置中附加了分光单元时的主要部分结构的图。
图23是表示在图6所示的微弱光标本摄像装置中附加了反射镜切换明视场摄像单元时的主要部分结构的图。
图24是表示将图6所示的微弱光标本摄像装置配置在遮光装置内并从外部进行自动控制时的结构的图。
图25是表示将图6所示的标本1保持在内部且环境条件可改变的收容器结构的图。
图26是系统地表示能够应用在图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中的各部分结构的图。
图27是表示与能够应用在图6所示的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中的物镜相对应的成像透镜和其组合的性能规格的图。
图28是表示在配置了具有缩小倍率的透镜的像侧远心的成像光学系统的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明涉及的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置的优选实施方式。另外，本发明并不受该实施方式限制。此外，在附图的记载中，对于相同部分赋予相同的附图标记。
(第一实施方式)
首先，对本发明的第一实施方式的微弱光标本摄像单元进行说明。图1是表示本发明的第一实施方式的微弱光标本摄像单元结构的示意图。如图1所示，该第一实施方式的微弱光标本摄像单元具备沿光轴OA1配置且发出微弱光的作为观察对象的标本1、作为成像光学系统的摄像镜头2、将红外光遮光的红外光截止滤光器4及作为摄像机构的固体摄像元件即CCD3。
摄像镜头2用数值孔径NAo捕捉从在标本1上处于规定视场内的各点光源来的光，将标本1的像以数值孔径NAi远心地成像在垂直于光轴OA1的CCD3的摄像面3a上。摄像镜头2例如将来自标本1上的点光源ao、bo的光聚光，分别成像于摄像面3a上的像点ai、bi。此时，成像在像点bi上的光的主光线CR1在摄像镜头2的作用下同光轴OA1平行，垂直地入射摄像面3a。同样，在像点bi以外的摄像面3a上的各点上成像的光的主光线，也在摄像镜头2的作用下平行于光轴OA1，垂直地入射摄像面3a。另外，所谓的摄像镜头2作用下的远心成像，并不限于各主光线相对于光轴OA1严密平行的情况，也包括大致成为平行的情况。此外，摄像镜头2校正由红外光截止滤光器4产生的球面像差、像散等。另外，数值孔径NAo优选为约0.7以上，但并不需要限定解释为0.7以上，例如也可以使用0.6。
CCD3是高灵敏度的黑白CCD，由0℃左右的比较高温的冷却CCD实现。CCD3与红外光截止滤光器4一起被一体地保持在摄像机壳体5的内部。摄像机壳体5具有对应于C-安装规格的安装螺钉5a，保持着CCD3，将摄像面3a配设在距离端面5a的空气换算长度即镜后距离为17.3mm的位置上。
这里，对摄像镜头2将标本1上的点光源成像在摄像面3a上的条件进行说明。一般，通过透镜系统成像的点光源的像，在单色光源的情况下形成明暗的轮带状的条纹图形，处于条纹图形中心部的最亮的圆盘部称作艾里斑(airy disk)。摄像镜头2用数值孔径NAo捕捉来自标本1上的点光源的光，例如图2所示，在位于摄像面3a上的像素3pn内的受光区域形成大致内切的大小的艾里斑AD，在像点ai上成像点光源ao的像。即，摄像镜头2形成点光源ao的像，使得艾里斑AD的直径和像素3pn内的受光区域的大小大致相等。艾里斑AD内的光量分布如图3-1所示，由光量分布曲线AD1表示。成像在像点ai上的光量的约90％集中在艾里斑AD内，该艾里斑AD内的光都由像素3pn受光。另外，为了避免复杂，在图2及图3-1中，用相同的大小表示各像素与各像素内的受光区域。
接着，表示艾里斑直径与数值孔径等的关系式。一般，设成像的光的波长为λ时，用数值孔径NAi成像而形成的艾里斑直径φdi可以用下式(1)表示。
φdi＝1.22·λ/NAi    ……(1)
在波长λ＝0.6μm的情况下，由式(1)得到的艾里斑直径φdi与数值孔径NAi的关系如图4所示。
在此，由于摄像镜头2的倍率Mg用数值孔径NAo、NAi由下式(2)表示，所以将式(1)变换为式(3)。
Mg＝NAo/NAi    ……(2)
φdi＝1.22·λ·Mg/NAo    ……(3)
此外，由于摄像镜头2的标本1上的分辨力ε基于雷利的分辨力基准用下式(4)表示，所以将式(3)变换为式(5)。
ε＝0.61·λ/NAo    ……(4)
φdi＝2·ε·Mg    ……(5)
另一方面，摄像镜头2的摄像面3a上的分辨力L基于雷利的分辨力基准而用下式(6)表示。
L＝0.61·λ/NAi    ……(6)
利用式(2)及式(4)将式(6)变换为下式(7)。
L＝ε·Mg    ……(7)
进而，利用式(5)将式(7)变换为式(8)。
L＝(1/2)·φdi    ……(8)
一般，在通过CCD等摄像元件进行摄像的情况下，为了不产生莫尔条纹而得到鲜明的图像，根据取样定理，在对应于分辨力L的大小中至少需要两个像素。基于该条件，设CCD3的各像素的大小为h、分辨力L＝2h，并代入到式(8)，则得到下式(9)。
φdi＝4·h    ……(9)
由该式(9)可知，为了利用CCD3不产生莫尔条纹而得到鲜明的图像，在艾里斑内至少需要放入4个像素。
但是，发出微弱光的标本1例如是将荧光素酶基因作为发光色素导入的细胞，可考虑成点光源的程度较小发光源在黑暗的背景中星点分布，所以不需要考虑莫尔条纹的影响。因而，在该第一实施方式的微弱光标本摄像单元中，不需要考虑式(9)所示的条件，如图2及图3-1所示，使艾里斑直径与1个像素内的受光区域的大小大致相等，降低了受光量的损失并提高CCD的S/N比，能够高灵敏度地接收集中在艾里斑内的来自点光源的微弱光。
在满足式(9)所示的条件的情况下，例如图3-2所示，艾里斑直径为φdi2的光量分布曲线AD2跨越5个像素3pn-2～像素3pn+2。由此，将摄像镜头2会聚的光在摄像面3a上用艾里斑内的21个像素(5×5像素中的除了不受光的4角以外的像素)分开受光。在此情况下，在各像素中产生一定的噪声(暗电流)，来自摄像镜头2的光与暗电流的比即S/N比，同使来自摄像镜头2的光集中在1个像素上的情况相比出现较大差别。在微弱光的测光中，提高S/N比就是制作明亮的图像。
暗电流是在CCD的受光部对于红外光为高灵敏度、且驱动CCD时，由于CCD自身接收因CCD及CCD驱动电路的温度上升而产生的红外光而产生的电流。该暗电流能够通过冷却CCD来降低，一般，在室温附近，使CCD的温度每降低8℃就减少1/2。近年来，开发出了冷却到-140℃来显著抑制红外光及暗电流的产生的非常高灵敏度的CCD，但无法得到能够以短时间鲜明地观察荧光素酶基因等的微弱的发光色素的足够的S/N比。
相对于此，在该第一实施方式的微弱光标本摄像单元中，通过使艾里斑直径与1个像素内的受光区域的大小大致相等，增大1个像素的受光量及起动电流，提高了S/N比，能够高灵敏度地拍摄标本1上的点光源。因此，对于荧光素酶基因等的微弱的发光色素，也能够通过0℃左右的比较高温的冷却CCD不进行光子计数就得到能够以几分钟程度的较短曝光时间进行摄像的足够的灵敏度。
另一方面，例如图3-3所示，还可以使1个像素的受光区域中包含多个艾里斑，能够进一步增大每个像素的受光量及起动电流。但是，在此情况下，不能识别对应于各光量分布曲线AD3a、AD3b的艾里斑。但是，本发明的本微弱光标本摄像单元的目的不是例如将每个发光色素分离来测光，而是，在作为标本1的细胞内远比摄像镜头2的极限分辨力更大的密度接触而无数分布的发光中的发光色素集团不论处于细胞的哪个位置，只要大致都能够观察，就能够充分地达到目的。极端地讲，只要知道发光中的细胞的形状(存在)，能够测量该细胞的发光总量就可以。由此，对于艾里斑的CCD3的像素大小的规定是用于提高S/N的措施，而且是用于得到后述的测光深度的参数。
另外，如图3-3所示，为了在1个像素的受光区域的宽度内包含相邻接的两个艾里斑，由式(5)可知，同艾里斑直径与1个像素内的受光区域大小相等的情况相比，使摄像镜头2的倍率Mg的大小成为1/2倍即可。
如以上说明，在该第一实施方式的微弱光标本摄像单元中，利用在标本侧具有高NA的摄像镜头2将来自标本1上的各点光源的光远心地成像在CCD3上，形成与像素内的受光区域大致内切的大小的艾里斑，所以在像素内使来自点光源的微弱光大致集中而能够高灵敏度地受光，并且提高了S/N比。由此，对于例如将荧光素酶基因作为发光色素导入的细胞那样的发出微弱光的标本1，也能够利用0℃左右的比较高温的冷却CCD，不进行光子计数，就能够以几分钟左右的较短的曝光时间拍摄标本像。
另外，CCD3使用黑白CCD的理由是，在例如单板式的彩色CCD的情况下，由于在1个像素中设有具有R、G、B的三原色的滤色器的受光区域，所以会发生受光量的损失和分辨力的降低。
此外，在使用普通CCD的情况，为了不产生莫尔条纹而在摄像面之前设置光学的低通滤光器，但在该第一实施方式的微弱光标本摄像单元中不具备低通滤光器。这是因为，光学的低通滤光器例如图5所示那样由水晶滤光器LPF实现，从光轴OA分支出光轴OA’，生成从像IMo两分割的像IMi1、IMi2，所以会发生受光量的损失和分辨力的降低。此外，还有一个原因是，在该第一实施方式的微弱光标本摄像单元中，如上所述地不需要考虑莫尔条纹的影响。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。在上述的第一实施方式中，通过一体的有限远光学系统即摄像镜头2将标本1的像成像在摄像面3a上，但在该第二实施方式中，通过由物镜与成像透镜构成的无限远光学系统的透镜系统将标本1的像成像。
图6是表示本发明的第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置的结构的示意图。如图6所示，该第二实施方式的微弱光标本摄像单元具备沿着光轴OA2配置的作为成像光学系统的物镜6及成像透镜7、红外光截止滤光器4、和CCD3。这里，对于与第一实施方式相同的构成部分赋予相同的附图标记。
物镜6通过敛缝等被保持在镜筒6a中，镜筒6a通过螺钉嵌合安装在镜筒9的端面9a上，成像透镜7通过敛缝等被保持在镜筒7a中，镜筒7a通过螺钉嵌合安装在镜筒9的端面9a上。此外，具备CCD3、红外光截止滤光器4及摄像机壳体5的摄像机C1，通过螺钉嵌合安装在连接镜筒10的端面10a上，连接镜筒10通过螺钉嵌合安装在镜筒9的端面9a上。这些镜筒6a、镜筒7a、连接镜筒10及摄像机C1分别可拆装地安装。另外，摄像机C1对应于C-安装规格，CCD3的摄像面3a沿着光轴OA2配设在距端面10a为17.53mm的位置。
此外，该第二实施方式的微弱光标本摄像装置具备保持微弱光标本摄像单元的镜筒9、沿着滑动面11a可移动地保持镜筒9的主体架台11、保持主体架台11的基座架台12、保持标本1的试料台、对照明标本1的照明光进行导光的作为照明机构的照明光纤15、以及保持照明光纤15的照明架台14。照明架台14保持在试料台13上，试料台13保持在主体架台11上。
镜筒9根据操作拨盘11b的旋转操作而沿着大致平行于光轴OA2的滑动面11a在图中上下方向上进行位置调节，由此进行物镜6对标本1的对焦。此外，照明光纤15对从未图示的白色光源等光源发出的照明光进行导光，对标本1进行作为透射照明的明视场照明。另外，照明光纤15根据标本的不同也可以进行从光轴倾斜的角度的偏斜照明。
这里，说明由物镜6及成像透镜7构成的成像光学系统。物镜6是被校正为无限远的透镜系统，用数值孔径NAo远心地捕捉从对焦在该物镜6的前侧焦点位置上的标本1上的各点光源发出的光，分别成为平行光束而射出。从物镜6射出的各平行光束聚光在配设于物镜6的后侧焦点位置上的亮度光阑8上而形成射出光瞳。
成像透镜7配置成其前侧焦点位置与亮度光阑8上的射出光瞳位置一致，将通过了亮度光阑8的各平行光束聚光，用数值孔径NAi将标本1的像远心地成像在垂直于光轴OA2的CCD3的观察面3a上。此时，成像透镜7校正由红外光截止滤光器4产生的球面像差、像散等并形成标本1的像。
物镜6及成像透镜7例如图6所示，将来自标本1上的点光源ao、bo的光聚光，分别成像在摄像面3a上的像点ai、bi上。此时，成像在像点bi上的光的主光线CR2在成像透镜7的作用下平行于光轴OA2，垂直地入射摄像面3a。同样，成像在像点bi以外的摄像面3a上的各点上的光的主光线，也在成像透镜7的作用下平行于光轴OA2，垂直地入射摄像面3a。另外，通过物镜6及成像透镜7进行的远心成像并不限定于各主光线相对于光轴OA2严格平行的情况，也包括大致平行的情况。
此外，成像透镜7与第一实施方式的摄像镜头2同样，形成与位于摄像面3a上的像素内的受光区域内切的大小的艾里斑。即，成像透镜7将标本1上的点光源的像成像在摄像面3a上，使得艾里斑直径与像素内的受光区域的大小大致相等。由此，在该第二实施方式的微弱光标本摄像单元中，也增大1个像素的受光量及起动电流，并提高S/N比，能够高灵敏度地拍摄标本1上的各点光源。
另外，物镜6的数值孔径NAo优选为约0.7以上，但并不需要限定解释为0.7以上，例如也可以设为0.6。此外，成像透镜7的数值孔径NAi优选为0.1～0.3左右，在此情况下，如果设波长λ＝0.6μm，则如图4所示，形成的艾里斑直径为7.3～2.4μm程度。这里，成像透镜7可以具有与物镜6的射出光瞳直径同等以上的大小的入射瞳直径。
此外，亮度光阑8通过未图示的安装部件安装在镜筒6a或镜筒9上。这里，将亮度光阑8做成了开口孔径固定的固定光阑，但也可以做成开口孔径可变的可变光阑，来变更数值孔径NAo、NAi。另外，亮度光阑8也可以包含在物镜6的内部。
再者，对于由物镜6和成像透镜7构成的成像光学系统，如果设倍率为Mg、标本1上的分辨力为ε、摄像面3a上的分辨力为L、形成在摄像面3a上的艾里斑直径为φdi，则与摄像镜头2同样能够适用式(1)～(9)。
此外，物镜6通过镜筒6a可拆装地安装在镜筒9上，根据标本1的观察条件等，能够更换为焦距及数值孔径NAi的至少一个不同的更换用物镜。在更换用物镜中，为了与物镜6相互成为同焦点，使得与从作为物镜6的配置基准面的对接面6b到前侧焦点位置的距离L1、和从对接面6b到射出光瞳位置的距离L2相对应的距离，分别与物镜6大致相等。
同样，成像透镜7通过镜筒7a可拆装地安装在镜筒9上，根据向摄像面3a上的成像条件等，能够更换为焦距及数值孔径NAo的至少一个不同的更换用成像透镜。在更换用成像透镜中，为了在安装到镜筒9上的情况下后侧焦点位置与摄像面3a一致，使得与从作为成像透镜7的配置基准面的对接面7b到射出光瞳位置的距离L3、和从对接面7b到后侧焦点位置的距离L4相对应的距离，分别与成像透镜7大致相等。
再者，从镜筒7a的端面7d到摄像面3a的距离L5设为17.53mm以上，使得对应于C-安装规格的摄像机C1能够容易地更换。即使在成像透镜7被更换为更换用成像透镜的情况下，该距离L5也被保持为大致固定。
此外，物镜6及成像透镜7分别安装在镜筒9上时的镜筒6a的端面6c与镜筒7a的端面7c之间的距离L6优选设为约20mm以上，以便能够在其间配置各种光学元件。此外，为了防止从标本1到摄像面3a的距离L0变得过大而导致成像透镜7变大、价格提高、且对配置带来妨碍，优选设为约70mm以下。即使在将物镜6及成像透镜7分别更换为更换用物镜及更换用成像透镜的情况下，该距离L6也大致保持为固定。另外，在不需要将光学元件配置在其间的情况下，距离L6也可以设为20mm以下。
这样，在该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中，不仅能够将标本1上的点光源的像成像在摄像面3a上，使得艾里斑直径与像素内的受光区域的大小大致相等，并且能够高灵敏度地拍摄，而且通过由物镜6与成像透镜7构成的无限远校正系统的成像光学系统将标本1的像远心地成像在摄像面3a上，所以物镜6及成像透镜7的至少一个能够容易地更换，能够容易地变更数值孔径NAo、NAi、艾里斑直径φdi、倍率Mg等的成像条件。此外，由于能够通过照明光纤15对标本1进行透射照明，所以能够观察标本1的明视场像。
另外，在图6所示的微弱光标本摄像装置中，将镜筒9沿着滑动面11a进行位置调节而执行对标本1的对焦，但由于由物镜6及成像透镜7构成的成像光学系统是无限远校正系统，即使物镜6在光轴OA2方向上稍稍前进后退也不会发生成像性能的劣化，所以也可以对物镜6进行位置调节来进行对标本1的对焦。
接着，将由该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置实际拍摄的图像示于图7-1～图7-4。图7-1～图7-4所示图像是将荧光素酶基因“pGL3-controlvector(プロメガ公司制)”导入到来自人体的Hela细胞中，培养1天后，用汉克斯平衡盐类溶液进行清洗，置换为含有1mM的荧光素酶的汉克斯盐类溶液，对这样制作的标本进行摄像的图像。
作为物镜6及成像透镜7使用的透镜分别是规格为“Oil，40倍，NA1.0”以及“5倍，NA0.13”的市场销售的显微镜用物镜，与成像光学系统的倍率Mg对应的综合倍率是8倍。作为摄像机C1使用的摄像机是0℃冷却的天体观测用冷却CCD摄像机(SBIG公司制)，作为CCD3的CCD元件是2/3英寸型、像素数765×510、像素尺寸9μm。
图7-1是拍摄了标本的明视场像的图像，图7-2及图7-3是拍摄了标本的自己发光所形成的像的图像，是分别曝光1分钟及5分钟后拍摄的图像。图7-4是使图7-1及图7-3所示的两个图像重叠显示的图像。
如图7-2所示，根据该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，即使是0℃冷却的比较高温的冷却CCD，也能够不进行光子计数，以1分钟的较短的曝光时间拍摄荧光素酶基因发出的微弱光。此外，如图7-3所示，通过曝光时间设为5分钟，能够拍摄发出更微弱的光的荧光素酶基因。再者，如图7-1所示，能够拍摄标本的明视场像，并且如图7-4所示，通过将明视场像与自己发光的像重叠，能够观测发光的荧光素酶基因在标本内的位置，并且能够确定包含有发光的荧光素酶基因的细胞。另外，在非专利文献1中，如该文献中的图2所示，以马赛克状拍摄标本，要确定发光的细胞是非常困难的。
进一步，作为利用该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置进行的实验结果的另一例，说明单一细胞中的随时间进行的报告基因分析的例子。
在该报告基因分析中，首先，使在恒常地表达四环素阻遏蛋白(TetR)的遗传媒介“pcDNA6/TR(インビトロジエン公司制)”、和具有四环素操作子(TetO2)的表达遗传媒介“pcDNA4/TO(インビトロジエン公司制)”上连接了荧光素酶基因的质粒，在HeLa细胞中一起表达而制作标本。在该状态下，如图8-1所示，由于TetR同型二聚体结合在TetO2区域，所以荧光素酶基因的复制被抑制。接着，如图2所示，通过在培养液中添加四环素而结合在TetR同型二聚体上，使TetR同型二聚体的立体构造变化，使TetR同型二聚体从TetO2分离，诱导荧光素酶基因的复制。另外，培养液是含有10mM的HEPES的D-MEM培养基，含有1mM的荧光素酶。
作为物镜6及成像透镜7使用的透镜分别是规格为“Oil，20倍，NA0.8”以及“5倍，NA0.13”的市场销售的显微镜用物镜，对应于倍率Mg的综合倍率是4倍(物镜的执行NAo＝0.52)。作为摄像机C1使用的摄像机是5℃冷却的显微镜用数字摄像机“DP30BW(奥林巴斯公司制)”，作为CCD3的CCD元件是2/3英寸型、像素数1360×1024、像素尺寸6μm。
图9-1是拍摄了添加四环素前的标本的明视场像的图像。图9-2是将添加四环素9小时后的标本的自发光所产生的图像曝光1分钟并拍摄的图像。图9-3是将图9-1及图9-2所示的两个图像重叠的图像，是将一部分放大显示的图像。另外，这些观察是在室温(25℃)下进行的。在标本被载置在培养器内的情况下，或者在摄像单元或摄像装置的一部分或全部也被收纳在培养器内的情况下，能够在37℃的环境下观察。
如图9-2所示，根据该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，通过5℃冷却的冷却CCD，不进行光子计数，就能够以1分钟的较短曝光时间拍摄荧光素酶基因所发出的微弱光。此外，如图9-3所示，通过将明视场像和自发光所产生的像重叠，能够以鲜明的图像观测发光的荧光素酶基因的位置，并且能够容易地确定包含有该荧光素酶基因的细胞。由此，能够测量每个细胞的发光量的经时变化。
图10是表示对图9-3所示的区域ROI-1、ROI-2测量了荧光素酶基因的发光强度的经时变化的结果的图。图10表示从添加四环素的2小时后开始捕捉发光，在6～7小时后达到稳定水平的情况。这样，根据该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，能够确定发光的荧光素酶基因的位置并按时序追踪，测量发光现象的经时变化。
接着，对由物镜6与成像透镜7构成的成像光学系统的成像倍率与像的亮度之间关系进行说明。在原理上，成像光学系统中的物镜6的聚光能力与标本1侧的数值孔径NAo的平方成正比。由于该光量用于成像，所以与成像有关的总光量LQ忽略成像光学系统的透射率等，用下式(10)表示。
LQ∝NAo 2    ……(10)
即，物镜6的聚光量与NAo 2成正比，NAo越大则越亮。
另一方面，如果成像光学系统以倍率Mg使标本1的标本像成像，则标本像的大小成为标本1的Mg倍，标本像的单位面积的亮度与(1/Mg 2)成正比。由此，在标本1内的作为点光源的发光体的分布一样时，标本像的单位面积的光量Qo由下式(11)表示。
Qo∝(1/Mg 2)    ……(11)
由此，摄像面3a上的一像素的受光量QA使用像素的一边的长度d、面积A表示，但由于面积A与d2成正比，所以用下式(12)表示。
QA∝d2·(1/Mg 2)    ……(12)
即，该像素的受光量与d2成正比，与Mg 2成反比。
此外，一般的光学系统具有称作焦点深度的概念。该概念指的是，从物镜的焦点位置沿光轴方向离开的物点，在像面上作为物体像同处于焦点上的物点大致同样地成像，但这也是指能够拾取来自离开焦点位置的发光点的光。所以，为了使说明变得容易理解，设标本1的发光色素在厚度方向上也均匀地分布，研究在成像光学系统的像面上设置直径φd的小孔PH进行测光时的光量。
如图11所示，在本第二实施方式的成像光学系统中，使处于物镜6的焦点位置的点光源成像在像面IM上。从物镜6的焦点位置向远方离开距离Lo的点光源oc，成像在从像面IM向成像透镜7侧离开距离Li的像点oci上。该成像光学系统的纵向倍率使用倍率Mg用Mg 2表示，所以距离Li使用距离Lo由下式(13)表示。
Li＝Lo·Mg 2    ……(13)
此外，成像透镜7的射出侧的数值孔径NAi较微小，像点oci与像点ai的位置只稍微变化，所以数值孔径NAi、距离Li及小孔直径φd具有由下式(14)表示的关系。
Li·NAi＝φd/2    ……(14)
如果利用式(13)将式(14)对于距离Lo进行归纳，则可得到式(15)所示的关系。
Lo＝(φd/2)·{1/(Mg 2·NAi)}    ……(15)
进一步，如果使用作为表示倍率与数值孔径之间关系的一般式的下式(16)，则式(15)如式(17)所示那样变形。
NAi＝NAo/Mg    ……(16)
Lo＝(φd/2)·{1/(Mg·NAo)}    ……(17)
这里，来自处于从焦点位置沿前后方向距离Lo以内的点光源oc、of等的光，如图11所示地由物镜6聚光后，通过成像透镜7成像时，不会由小孔PH遮光。即来自从焦点位置沿前后方向距离Lo以内的光源的光，能够不被小孔HP遮光而进行测光。这样，如果将能够不受像面IM上的小孔PH等遮光而测光的标本侧的深度定义为测光深度(D·D·O·L：Detectable Depth of Luminescence)，则该测光深度Ld使用式(17)由下式(18)表示。
Ld＝2Lo＝φd·{1/(Mg·NAo)}    ……(18)
另外，通过小孔PH的实际受光量，由于来自测光深度Ld外的点光源的光也被部分取入，所以对应于标本侧的深度，如图12所示那样变化。在图12中，将标本侧的每个深度的受光强度作为图表示出，实际的受光量是对该曲线进行了积分的值。通过该图12，在实用上考虑测光深度Ld＝3Lo左右，但这里并不考虑。
在发光体(例如发光色素)在标本的厚度方向也以密度ρ均匀分布的标本中，标本侧的数值孔径NAo、成像光学系统的倍率Mg、像面IM上的小孔直径φd的一组的受光量TQ，可以认为是式(10)、(12)、(18)的积，所以用下式(19)表示。
TQ∝NAo 2·(1/Mg 2)·φd 3·ρ{1/(Mg·NAo)}
＝φd 3·NAo·ρ/Mg 3    ……(19)
式(19)的意思是，成为受光量TQ与小孔直径φd的立方和标本侧的数值孔径NAo成正比、与倍率Mg的立方成反比的结果。即，在测光方面倍率Mg的贡献非常高，所以作为这里的结论，优选尽可能减小成像光学系统的倍率Mg。艾里斑直径φd已经由与艾里斑直径的关系决定。
这里，使用规格为“20倍，f 10mm，NAo 0.8”的物镜6，进行成像透镜7的焦距为200mm(综合倍率20倍)和40mm(综合倍率4倍)时的光量比较。首先，式(19)中的小孔直径φd、数值孔径NAo及密度ρ固定，综合倍率20倍时的受光量TQ20由下式(20)表示。
TQ20∝1/203＝1/8000    ……(20)
此外，综合倍率4倍时的受光量TQ4同样由下式(21)表示。
TQ4∝1/43＝1/64    ……(21)
它们的比TQ4/TQ20用下式(22)表示。
TQ4/TQ20＝125    ……(22)
即，在综合倍率4倍时，与综合倍率20倍相比可得到125倍的亮度。此外，同样，在综合倍率2倍及8倍时，与综合倍率20倍相比可得到1000倍及16倍的亮度。
接着，对微弱光标本摄像单元的分辨力和亮度进行说明。成像光学系统的分辨力基本上依赖于物镜6的标本侧的数值孔径NAo，与成像透镜7的焦距无关。但是，如果CCD3等的受光部具有一定面积，则因该面积的大小而分辨力(像的表现力)变差。由于对测光上最佳的CCD3的像素大小已经叙述，所以这里不再叙述，但在本微弱光标本摄像单元中使用的CCD3的像素的1边大小是分辨力所需要的像素大小的4倍以上，所以，实际上实验了标本以怎样的分辨力和亮度表现在监视器上。
在实验中，作为成像透镜7，使用规格为“f40mm，NA0.13”的显微镜物镜，作为物镜6，分别在综合倍率8倍时使用规格为“Uapo40X，NA1.35，f 5mm”的显微镜用物镜，在综合倍率4倍时使用规格为“Uapo 20X，NA0.75，f 10mm”的显微镜用物镜，在综合倍率2倍时使用规格为“Uapo 10X，NA0.40，f20mm”的显微镜用物镜。在此，由于成像透镜7的NA是0.13，所以物镜6的有效NA在Uapo40X时是1.04(＝0.13×8)、在Uapo 20X时是0.52(＝0.13×4)、在Uapo 10X时是0.26(＝0.13×2)。此外，作为摄像机C1，使用了CCD像素的大小为6μm的“DP30BW(奥林巴斯公司制)”。由此，以曝光时间5分钟拍摄了与在图7-1～图7-4中表示了结果的实验同样的标本。将其结果在图13-1～图13-3中表示。
基于该结果，将标本中的细胞大小考虑为与25μm左右的圆内切的程度，在综合倍率为2倍、4倍、8倍的各种情况下对像质的品质和像的亮度进行考察。将其结果汇总在图14中表示。另外，在图14中，将摄像中所需的CCD的像素数作为参考一起记载。
关于综合倍率8倍、4倍、和2倍，如果利用式(19)与式(22)同样计算像的亮度(CCD3的像素所接收的受光量)的比，则设CCD的大小相等，利用上述物镜6的有效NA由下式(23)表示。
TQ8∶TQ4∶TQ2：＝1.04/83∶0.52/43∶0.26/23
＝1.04/512∶0.52/64∶0.26/8
＝4/64∶2/8∶1/1
＝1/16∶1/4∶1
＝1∶4∶16    ……(23)
这里，TQ8、TQ4、TQ2分别表示综合倍率为8倍、4倍、2倍时的受光量。如果在考虑该计算值的同时考虑符合目的的适当倍率，则成为如下结果。即，综合倍率2倍适合于在较大的视场中不关注细胞形状地想要进行细胞整体的测光的情况，综合倍率8倍适合于虽然较暗、但还要观察细胞的轮廓并测光的情况，综合倍率4倍适合于在2倍与8倍的中间通常使用的情况。
作为这里的结论，微弱光标本摄像单元中的成像光学系统的成像倍率Mg根据像的可见程度和亮度而优选为大致2倍～大致8倍程度，从观察像并且进行测光的目的来看，从像的可见程度的观点来看1倍以下不符合目的，10倍以上的情况下只要不是特别明亮的标本，在测光时间等方面会出现不良情况。
根据实验成为这样的结论，但对于由式(18)计算出的测光深度也进行了研究。首先，将成像光学系统的物镜6和成像透镜7使用了显微镜用物镜时的各种组合中的综合倍率、测光深度以及焦点深度(D·O·F：Depth of Focus)示于图15。设波长λ＝0.6μm，焦点深度Fd由下式(24)表示。在图15中将与光轴方向的前后的焦点深度Fd匹配的深度(2Fd)，作为焦点深度表示。
Fd＝λ/(2·NAo 2)＝0.3/NAo 2    ……(24)
这里，从测光深度及焦点深度的观点来看，微弱光标本摄像单元的成像光学系统可以说希望具有如下结构。第1，如果测光深度相对于作为标本的细胞的厚度过大，则会拾取位于对象细胞的光轴方向前后的细胞的光量，所以测光深度优选为细胞厚度的1/5以下。在本发明中研究的Hela细胞直径为25μm左右，厚度在截片上为10μm左右。第二，测光深度优选为与焦点深度的2倍相等或其以上。这是因为，即使是处于焦点深度内的点光源作为像被观察，也会被拍摄得较暗。
如果基于该考察来看图15，则在“Dry，20倍”的物镜中优选综合倍率为8倍以下、在“Oil，40倍”的物镜中优选综合倍率为16倍以下。此外，式(18)中的倍率Mg是成像光学系统的综合倍率，所以可以如以下那样换种说法。即，从测光深度来看，成像光学系统优选数值孔径NAo为0.8以上、综合倍率为8倍以下。其中，数值孔径NAo并不需要拘泥于0.8以上，即使是例如0.6以上，在实际使用上也不会有较大的障碍。
接着，存在想要实现尽可能宽的视场的希望。一般，显微镜的光学系统的视场比由显微镜规定的视场数大很多，但从保持光学像差和像面照度的均匀性的意义出发，在目镜的前方放置光阑，由它来规定视场。对于本发明的微弱光标本摄像单元的成像光学系统，也使用同样的思考方法进行说明。
一般的显微镜的视场数为24左右，物镜的视场(实际视场)FNOB使用物镜的倍率MOB由下式(25)表示。
FNOB＝24/MOB    ……(25)
此时，如果根据上述讨论而设定成像光学系统的综合倍率Mg为4倍，则成像侧的视场FNOB用下式(26)表示。
FNOBI＝(24/MOB)·Mg＝96/MOB    ……(26)
本发明的微弱光标本摄像单元用CCD捕捉像，所以像面的大小(视场数)要满足2/3英寸(摄像面8.8×6.6mm，对角长11mm)，1/2英寸(摄像面6.4×4.8mm，对角长8mm)。相对于此，设物镜6的倍率MOB为10倍时的视场数FNOBI10，基于式(26)由下式(27)表示。
FNOBI10＝96/10＝9.6    ……(27)
该值在2/3英寸CCD中会在四角发生遮光，但满足1/2英寸CCD。但是，10倍物镜在使用显微镜用的物镜的情况下，会出现以下的有关数值孔径的问题。
根据求CCD像素的受光量的式(19)，从在本微弱光标本摄像单元中重视测光的观点来看，想要增大物镜6的数值孔径NAo。但是，显微镜的一般物镜的数值孔径NAo除了物理上受到被夹在标本与物镜之间的物质的折射率的限制，还由于需要使用方便性方面的WD(Working Distance)，所以在Dry物镜(所夹物质是空气，折射率na＝1.0)的情况下数值孔径NAo＝0.9，在Oil物镜(所夹物质是油，折射率no＝1.5)的情况下数值孔径NAo＝1.4，是最大的。
此外，在限制显微镜的物镜的数值孔径的要素中，除了上述以外，还有将物镜安装到显微镜的转换器上的安装螺纹(20.32山36)、和物镜的光瞳的大小。物镜的光瞳配置在该安装螺纹附近，其光瞳直径dp使用数值孔径NAo和焦点距离f，用下式(28)计算。
dp＝2·NAo·f    ……(28)
由此，如果使用于加工安装螺纹的镜框的壁厚为2mm左右，则光瞳直径dp需要抑制在最大16mm左右。有了该限制，各种物镜的最大NAo如图16所示那样构成。
作为结论，在10倍与20倍的物镜中，数值孔径NAo较大的透镜不能设计为显微镜用。所以，成像光学系统的物镜6在Dry物镜的情况下选择数值孔径NAo为最大的20倍物镜，在Oil物镜的情况下，即使倍率变大，数值孔径NAo也被抑制在1.4，倍率会变高，相反视场会变小，所以可选择视场数为最大的最低倍率的40倍物镜。
根据以上的结果，在本微弱光标本摄像单元的成像光学系统中使用现有的显微镜用物镜的情况下，作为使用Dry物镜的情况，优选使物镜6为“20倍，NAo0.8，f10mm”、使成像透镜7为“NAi0.2，f40mm”，使综合倍率为4倍、标本上的实际视场直径为1.2mm、CCD3上的视场数为4.8。此外，作为使用Oil物镜的情况，优选使物镜6为“40倍，NAo1.4，f5mm”、使成像透镜7为“NAi0.35，f20mm”，使综合倍率为4倍、标本上的实际视场直径为0.6mm、CCD3上的视场数为2.4。
这里，作为成像透镜7的“NAi0.35，f20mm”不仅制造上较昂贵而且视场数也较小，也可以共用Dry物镜“NAi0.2，f40mm”。在此情况下，综合倍率为8倍，视场数为4.8，像稍稍变暗，但能够进行鲜明的观察。
另外，根据以上的理由，决定使用了图26所示的本微弱光标本摄像单元的显微镜物镜时的最适合的光学结构，但数值孔径NAo也可以不取0.8以上，例如设为0.6以上也可以。有关图26的详细情况在后面叙述。
在加大物镜6向转换器安装的安装螺纹而新制作透镜的情况下，通过做成以下的规格，不仅能够维持在显微镜用物镜中讨论的亮度、分辨力，而且能够增大视场数，例如，能够在1/2英寸的CCD中消除CCD摄像面的遮光。即，在使用Dry物镜的情况下，使物镜6为“10倍，NAo0.8，f20mm”、使成像透镜7为“NAi0.2，f80mm”，使综合倍率为4倍、标本上的实际视场直径为2.4mm、CCD3上的视场数为9.6。而且，在使用Oil物镜的情况下，使物镜6为“20倍，NAo1.4，f10mm”、使成像透镜7为“NAi0.2，f80mm”，综合倍率为8倍，标本上的实际视场直径2.4mm，CCD3上的视场数为9.6。其中，成像透镜7的实际数值孔径为0.175。由此，透镜变大而变得高价，但能够做成最适合于本微弱光标本摄像单元的光学系统。
如以上说明，通过增大本微弱光标本摄像单元的成像光学系统的数值孔径、且减小综合倍率，来增加像的亮度，同时加深测光深度，由此捕捉来自离开物镜焦点位置的点光源的光，其结果，能够大幅增加CCD像素的受光量。
在该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中，由于由物镜6与成像透镜7构成的成像光学系统为无限远修正系统，所以能够将各种光学元件配置在物镜6与成像透镜7之间，通过各种方法观察标本。
图17是表示在该第二实施方式的微弱光标本摄像装置中设置了反射荧光装置时的主要部分结构的示意图。如图17所示，该反射荧光装置具备作为荧光单元的荧光立方体24、荧光用投光管25及激励光源26。荧光立方体24一体地具备：激励滤光器21，作为激励光透射滤光器，使用于激励标本1的激励光透射；吸收滤光器22，作为荧光透射滤光器，使从由激励光激励的标本1发出的荧光有选择地透射；和分色镜23，反射激励光而透射荧光。荧光用投光管25同轴地具备聚光透镜25a、亮度光阑制作透镜25b、投光透镜25c、亮度光阑AS及视场光阑FS。
激励光源26是发出激励光的光源，由水银灯、氙气灯、激光等实现。作为荧光照射机构的激励光源26及荧光用投光管25，通过分色镜23反射激励光并照射到标本1上。激励滤光器21是从由激励光源26发出的光中提取激励光的带通滤光器，吸收滤光器22是具有规定的截止波长的长通滤光器。荧光立方体24可插入脱离地配置在物镜6与成像透镜7之间的光轴OA2上。另外，也可以具备荧光立方体切换装置，将荧光立方体24和多个更换用荧光立方体一体地保持，将所保持的荧光立方体中的一个荧光立方体有选择地配置在物镜6与成像透镜7之间，该多个更换用荧光立方体对于激励光及荧光的至少一个的光学特性不同。
如图17所示，通过附加反射荧光装置，在该第二实施方式的微弱光标本摄像装置中，能够拍摄标本1的荧光像。此外，根据该微弱光标本摄像单元，由于能够观测微弱的荧光，所以不需要像利用反射荧光激光扫描共焦显微镜的情况那样对标本照射强力的激励光，能够减轻标本的损伤。再者，不需要强力的激励光源用激光、电镜等扫描装置、共焦光学系统、光电倍增器、图像制作用处理装置等。
作为对象的标本，在荧光观察时也在标本的厚度方向分散存在生物细胞等的荧光发光体，作为观察的目的，不是观察来自细胞的细微部位的荧光发光，而是大体上确定从细胞的哪个部位发光并测量发光量。由此，适合于这样目的的照明，优选为对标本的视场平面整体具有均等的光量分布、且沿光轴方向(标本的厚度方向)也具有均等的照明。这是因为，式(15)、(17)意味着CCD的各像素接收来自处于标本的圆筒状体积内的发光荧光体的光。
图18是表示在本第二实施方式的微弱光标本摄像装置中具备实现这样照明的反射荧光照明装置时的主要部分结构的示意图。该反射荧光照明装置如图18所示，具备平行光束光源27、扩束器28、激励小孔PS、投光透镜29及波长选择镜30。
平行光束光源27使用例如激光光源，将激励光以平行光束射出。扩束器28使从平行光束光源27射出的平行光束扩大而透射。激励小孔PS配置在投光透镜29的前侧焦点位置上，将从扩束器28射出的平行光束限制为规定的光束直径并使其通过。投光透镜29将通过了激励小孔PS的平行光束经由波长选择镜30聚光在物镜6的后侧焦点PP上。该聚光的激励光在物镜6的作用下再次成为平行光束，照射在试料1上。然后，从标本1发出的荧光通过物镜6及成像透镜7成像在CCD3上，被检测出。
通过这样附加反射荧光照明装置，在本第二实施方式的微弱光标本摄像装置中，能够对标本1在视场平面内及厚度方向上均匀地照射激励光，并且能够观测与该激励光一起发出的微弱的荧光。另外，在作为激励光源使用水银灯来代替激光光源的情况下，激励光量下降，但能够通过调节亮度光阑(未图示)而制作平行光束，然而，通常用克勒法使面光源对标本照明，所以不需要无理地调节亮度光阑。
这样，图17及图18所示的微弱光标本摄像装置，可以作为DNA芯片读取器使用。所谓DNA芯片，是在玻璃和聚苯乙烯等树脂基板上以约0.3mm的直径、约0.6mm间隔涂布几百个多种类的DNA片段及合成寡核苷酸的芯片，是为了调查基因的表达、特定基因的存在等使用的。通常，从该DNA芯片发出的荧光是微弱的。
一般的DNA芯片读取器是激光照射的共焦光学系统与高速移动扫描台的组合，该装置的测光是光斑激励光照射点的发光量之和，所以，如果扫描幅度变化，则每次测光量也变化，不能测量绝对光量。例如，即使是专利文献3公开的作为DNA芯片读取器的荧光读取装置中，由于标本上的照明视场直径为0.2mm较小、涂布在DNA芯片上的各个合成寡核苷酸(以下称作DNA个体)的直径为0.3mm，所以虽然改良了共焦光学系统的弱点，但扫描台方式没有变化。
相对于此，如果使用图17或图18所示的微弱光标本摄像装置，则通过例如相对于具有0.5mm直径的视场的物镜、以0.6mm的步幅移动保持DNA芯片的工作台，每当停止时测光，就能够测量绝对光量。此外，通过使用10倍物镜(实际视场2.4mm)作为物镜6、使成像光学系统的综合倍率为4倍、并使用2/3英寸CCD(摄像面8.8×6.6mm)作为CCD3，例如如图19所示，能够不移动工作台就同时进行6个DNA个体的测光。这里，图19是表示成像在CCD3的摄像面3a上的6个DNA个体像DI、和对应于实际视场的视场像FI的图。另外，并不限于现有的显微镜用物镜，通过设计视场较大的透镜，例如使物镜的视场为2倍、使综合倍率为2倍，能够同时进行30个DNA个体的测光。
图20是表示在该第二实施方式的微弱光标本摄像装置中设置了分光测光用的滤光单元时的主要部分结构的示意图。如图20所示，分光测光用的滤光单元31在孔部31a、31b分别具有波长提取滤光器32、33，并且被配置在物镜6与成像透镜7之间。滤光单元31在大致与光轴OA2正交的面内配置成能够以滑动方式移动，将波长提取滤光器32、33和空穴31c的一个有选择地配置在光轴OA2上。另外，滤光单元31也可以做成能够以转台方式移动，还可以保持更多的波长提取滤光器。
在使用滤光单元31将例如发出双色的光的多色荧光素酶作为标本1进行分光测光的情况下，可以使波长提取滤光器32为使650nm以上的长波长的光透射的长波通滤光器、使波长提取滤光器33为使550nm以下的短波长的光透射的短通滤光器。这里，多色荧光素酶的发光特性用图21所示的分光特性曲线35G、35R表示，波长提取滤光器32、33的透射率特性分别用图21所示的透射率曲线32LP、33SP表示。
在此情况下，通过利用滤光单元31将波长提取滤光器32配设在光轴OA2上，能够对从多色荧光素酶发出的红色光进行测光，通过将波长提取滤光器33配设在光轴OA2上，能够对从多色荧光素酶发出的绿色光进行测光。此外，通过将空穴31c配置在光轴OA2上，能够观察标本1的明视场像。另外，在配设了波长提取滤光器32的情况下，对分光特性曲线35G、35R交叉的波长区域的一部分进行测光，但该光量由于是微量的，所以可以忽略。
此外，如图20所示，也可以通过滑块等切换用于检测从标本1发出的微弱光的摄像机C1、和用于将标本1的明视场像摄像的摄像机C2，能够对标本1的明视场像进行彩色摄像。摄像机C2是例如具有CCD34a～34c的三片式彩色CCD摄像机，各CCD34a～34c可以做成比CCD3像素小而高精度的CCD。此外，摄像机C2也可以做成具备高精度的黑白CCD的黑白CCD摄像机。
图22是表示在该第二实施方式的微弱光标本摄像装置中具有摄像机C1和分光测光用的摄像机C3时的主要部分结构的示意图。如图22所示，该微弱光标本摄像装置在物镜6与成像透镜7之间设有一体地具有波长提取滤光器32、33及分色镜35的分光立方体36，并且具备将从标本1发出并由分色镜35反射的微弱光以数值孔径NAi远心地成像的成像透镜37、和具有与摄像机C1同样特性的摄像机C3。这里，分色镜35将与图21所示的特性曲线35G、35R的交点对应的约600nm波长设为透射及反射的反转波长，使该反转波长以上的波长透射并反射比反转波长短的波长。
在图22所示的微弱光标本摄像装置中，如果将例如具有图21的特性曲线35G、35R所示发光特性的多色荧光素酶作为标本1观察，则能够通过摄像机C1对从多色荧光素酶发出的红色光进行测光，并且能够通过摄像机C3同时对从多色荧光素酶发出的绿色光进行测光。另外，由摄像机C1、C3及成像透镜7、37的特性的个体差引起的摄像倍率等的差，希望预先进行校准来除去。
另外，分光立方体36也可以插入脱离地配置在物镜6与成像透镜7之间的光轴OA2上。此外，也可以与分光立方体36一起具备一体地保持分光特性等光学特性不同的多个更换用分光立方体、并有选择地将其中1个分光立方体配置在物镜6与成像透镜7之间的分光立方体切换装置。进而，分光立方体切换装置也可以分别地交换分色镜及波长提取滤光器。
图23是表示在该第二实施方式的微弱光标本摄像装置中，具有摄像机C1和明视场观察用的摄像机C4时的主要部分结构的示意图。如图23所示，该微弱光标本摄像装置具备反射镜38、成像透镜37。摄像机C4及吸收滤光器22。吸收滤光器22通过滑块等的切换装置39可插入脱离地配置在反射镜38与成像透镜7之间的光轴OA2上。反射镜38通过未图示的插入脱离机构可插入脱离地配置在物镜6与成像透镜7之间的光轴OA2上，在配置于光轴OA2上的情况下，将来自标本1的光朝着成像透镜37反射。另外，在反射镜被配置在光轴OA2上的情况下，由照明光纤15对标本1进行明视场照明。
摄像机C4例如是具有像素比CCD3小但高精度CCD的黑白CCD摄像机，在反射镜38被配置在光轴OA2上的情况下，拍摄标本1的明视场像。另一方面，在反射镜38没有配置在光轴OA2上的情况下，摄像机C1拍摄标本1的自发光的像。此时，也可以将吸收滤光器22及切换装置39代替为图20所示的滤光单元31，对来自标本1的微弱光进行分光测光。另外，摄像机C4也可以是三片式的彩色CCD。
一般，在摄像机C1中使用的高灵敏度的冷却CCD摄像机的壳体较大，例如图20所示那样的摄像机的更换较困难，但在图23所示的微弱光标本摄像装置中，通过将反射镜38插入脱离于光轴OA2上，能够容易地切换使用的摄像机，能够容易地切换标本1的明视场像及自发光的像的摄像。
另外，在图22及图23所示的微弱光标本摄像装置中，为了进行摄像机C1和摄像机C3或摄像机C4的位置对准，即进行使由各摄像机摄像的图像中心一致的定心，优选具备使成像透镜7或摄像机C1沿大致正交于光轴OA2的方向移动的位置调节机构。或者，在图22所示的微弱光标本摄像装置中，也可以使成像透镜37或摄像机C3沿大致垂直于其光轴的方向移动，在图23所示的微弱光标本摄像装置中，也可以使成像透镜37或摄像机C4沿大致垂直于其光轴的方向移动。
这样，在该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中，由于使由物镜6与成像透镜7构成的成像光学系统为无限远校正系统，所以能够在物镜6与成像透镜7之间配置各种光学元件而使该微弱光标本摄像装置多功能化。
另一方面，该第二实施方式的微弱光标本摄像装置例如如图24所示，通过配置在遮断来自外部的光的腔室等的遮光装置内，能够不受外部的光的影响而高精度、稳定地检测微弱光，能够鲜明地拍摄标本1的自发光的像。这里，图24所示的遮光装置通过基座41、包围部42及盖43形成暗室，在该暗室内在基座41上具备微弱光标本摄像装置。在该遮光装置中，通过将把手45提起，能够以铰链部44为中心将盖43打开，来更换标本1。
此外，如图24所示，在将该第二实施方式的微弱光标本摄像装置配设在遮光装置内的情况下，可以通过具有键盘、鼠标等输入装置47的计算机等控制装置46从遮光装置的外部对该微弱光标本摄像装置进行远程操作及自动控制，特别地，也可以是，能够自动控制对标本1的对焦及位置对准动作、摄像机C1等的摄像动作、照明光纤15的照明光的调光等。
这里，所谓对标本1的位置对准是，使由物镜6及成像透镜7构成的成像光学系统、保持摄像机C1及标本1的试料台13的至少1个，沿大致正交于光轴OA2的方向移动，将标本1配设在物镜6的视场内的处理。
此外，控制装置46如图24所示，可以具备显示装置48，将标本1的明视场像与对应于自发光的像的图像重叠显示。进而，控制装置可以具备保存这些图像的存储器等存储部。
另一方面，该第二实施方式的微弱光标本摄像装置也可以代替试料13而如图25所示那样具备由玻璃皿51、分隔部52及透明板53构成的作为收容机构的密闭容器，将标本1保持在玻璃皿51上。这里，该密闭容器具备将由未图示的空调装置生成的低温低湿的CO2向容器内供气的供气管54、和将容器内的CO2排气的排气管55，能够调节容器内的温度、湿度、气压及CO2浓度中的至少1个。另外，也可以代替CO2的供排气，而是在该密闭容器的内部设置热密封等，通过电气方式进行容器内的温度调节等。
这里，将适合应用在该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置的各部结构系统地示于图26。如图26所示，在物镜6中，以规格为“Oil，40倍，NA1.4，f5mm”的物镜6-1为代表，可以使用规格为“20倍，NA0.8，f10mm”的物镜6-2、能够观察标本1整体的规格为“5倍，NA0.15，f40mm”的物镜6-3。在这些物镜6-1～6-3中，可以使用一般市场销售的光瞳位置相互大致相等的以视场数24左右设计的显微镜用物镜。此外，也可以使用将观察视场取得较大的规格为“Oil，20倍，NA1.4，f10mm”的物镜6。但是，在此情况下，物镜6的射出光瞳直径扩大为28mm，同物镜6一起配置在成像透镜7及这些透镜间的光学元件的直径扩大，在一般的显微镜中使用的光学单元、光学元件等变得不能使用。另外，也可以在物镜6中具备开口孔径可变的可变亮度光阑，能够调节成像透镜7的数值孔径NAi，在透射明视场观察中使用。
在成像透镜7中，如图26所示，可以使用规格为“NA0.35，f20mm(使用40倍物镜时的综合倍率4倍、实际视场0.6mm、视场数2.4)”的成像透镜7-1、规格为“NA0.2，f40mm(使用40倍物镜时的综合倍率8倍、实际视场0.6mm、视场数4.8)”的成像透镜7-2等。此外，在明视场观察用中使用规格为“NA0.03，f100mm(使用5倍物镜时的综合倍率2.5倍、实际视场6mm、视场数15)”的的成像透镜7-3。
这里，将以上说明的物镜6与成像透镜7的组合结构的光学规格和其特长汇总示于图27。另外，图27中所示的“亮度”是以使用Dry20倍的物镜、综合倍率为4倍时的亮度为基准的指标值。
在配置于物镜6与成像透镜7之间的中间镜筒中，可以分别使用具备图17所示的荧光立体24等的反射荧光装置、具备图20所示的滤光单元31、图22所示的分光立方体36等的分光单元、以及图23所示的反射镜38等的反射镜切换明视场摄像单元。
在拍摄标本1的像的摄像机中，拍摄作为微弱光的标本1的自发光所产生的像的摄像机，可以使用作为高灵敏度的冷却黑白CCD摄像机的摄像机C1、C3，拍摄标本1的明视场像的摄像机，可以使用作为3板式的彩色CCD摄像机的摄像机C2或作为高精度的黑白CCD摄像机的摄像机C4。另外，摄像机C1、C3的像素大小可以做成6～9μm边长左右，配合由成像透镜7形成的艾里斑的大小来选择。
在将标本1照明的照明机构中，除了从白色光源等对照明光进行导光的照明光纤15以外，如图26所示，也可以使用将白色LED与单透镜组合来实现临界照明的照明装置、或作为使用了聚光透镜的克勒照明装置的显微镜用UCD等。此外，也可以具备进行微分干涉观察及相位观察的照明装置。但是，在此情况下，需要专用的环挡块、棱镜、物镜等。
另外，关于该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，至今说明了倒立式，但也可以是正立式。
另外，该第二实施方式的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置使用CCD作为摄像机构，但并不限于此，也可以是CMOS等的摄像元件、具有与0℃左右的冷却CCD同等的摄像灵敏度的摄像元件。
以上，本发明的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置，在拍摄发出微弱光的标本的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置中是有实用性的，适合于对发出微弱荧光的标本、进行生物体发光的标本等具有微小发光源的标本进行摄像的微弱光标本摄像单元及微弱光标本摄像装置。

Claims (27)

1.一种微弱光标本摄像单元，具备：成像光学系统，将具有发出微弱光的点光源的标本的标本像成像；摄像机构，具有对入射的光进行受光的多个像素，拍摄对应于上述标本像的图像；其特征在于，
上述成像光学系统在该成像光学系统的标本像侧是远心的，并且将来自上述点光源的微弱光聚光，形成与上述像素大致相同的大小、或者比上述像素小的艾里斑。
2.如权利要求1所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，
上述成像光学系统具备：
物镜，在该成像光学系统的标本侧是远心的，并且将来自上述点光源的微弱光变换为平行光束；
成像透镜，将由上述物镜变换的平行光束聚光，形成上述艾里斑。
3.如权利要求2所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述物镜配置成，能够同焦距和标本侧数值孔径中的至少一个与该物镜不同的更换物镜进行更换。
4.如权利要求3所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述物镜具有作为配置该物镜时的基准的物方配置基准面，并且该物镜配置成，能够同从该物方配置基准面到标本侧焦点及射出光瞳的各距离与该物镜大致相等的上述更换物镜进行更换。
5.如权利要求2～4中任一项所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述物镜具备开口孔径可变的可变亮度光阑。
6.如权利要求2～5中任一项所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述成像透镜配置成，能够同焦点距离及标本像侧数值孔径中的至少一个与该成像透镜不同的更换成像透镜进行更换。
7.如权利要求6所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述成像透镜具有作为配置该成像透镜时的基准的成像配置基准面，并且该成像透镜配置成，能够同从该成像配置基准面到标本像侧焦点及射出光瞳的各距离与该成像透镜大致相等的上述更换成像透镜进行更换。
8.如权利要求2～7中任一项所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述成像透镜具有与上述物镜的射出光瞳直径同等或其以上的大小的入射瞳直径。
9.如权利要求2～8中任一项所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述摄像机构配置成，能够同规定的摄像特性与该摄像机构不同的更换摄像机构进行更换。
10.如权利要求1～9中任一项所述的微弱光标本摄像单元，其特征在于，上述成像光学系统的成像倍率为大致2倍以上、大致8倍以下。
11.一种微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的微弱光标本摄像单元；
标本保持机构，保持上述标本；
照明机构，对上述标本进行照明；以及
焦点调节机构，使上述成像光学系统、上述摄像机构及上述标本保持机构的至少1个沿上述微弱光标本摄像单元的光轴方向移动，进行上述微弱光标本摄像单元对于上述标本的对焦；
上述成像光学系统将由上述照明机构照射的照射光、即透射或反射了上述标本的照射光进行聚光，使上述标本的明视场标本像成像；
上述焦点调节机构进行对焦，使上述明视场标本像被鲜明地成像。
12.一种微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
权利要求2～9中任一项所述的微弱光标本摄像单元；
标本保持机构，保持上述标本；
照明机构，对上述标本进行照明；以及
焦点调节机构，使上述物镜、上述成像透镜、上述摄像机构及上述标本保持机构的至少1个沿上述微弱光标本摄像单元的光轴方向移动，进行上述微弱光标本摄像单元对于上述标本的对焦；
上述成像光学系统将由上述照明机构照射的照射光、即透射或反射了上述标本的照射光进行聚光，使上述标本的明视场标本像成像；
上述焦点调节机构进行对焦，使上述明视场标本像被鲜明地成像。
13.如权利要求12所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
荧光单元，具有使激励上述标本的激励光有选择地透射的激励光透射滤光器、使从由上述激励光激励的标本发出的荧光有选择地透射的荧光透射滤光器、以及反射上述激励光而使上述荧光透射的分色镜，该荧光单元在上述物镜与上述成像透镜之间可插入脱离地配置；
荧光照射机构，具有发出上述激励光的激励光源，通过上述分色镜反射从该激励光源发出的激励光并照射在上述标本上；
上述成像光学系统将上述荧光作为上述微弱光进行聚光，形成上述艾里斑。
14.如权利要求13所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备荧光切换机构，该荧光切换机构保持对于上述激励光及上述荧光的至少一方的光学特性相互不同的多个上述荧光单元，有选择地将该保持的多个荧光单元中的1个荧光单元配置到上述物镜与上述成像透镜之间。
15.如权利要求13或14所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，上述荧光照射机构使上述激励光成为大致平行光束而照射在上述标本上。
16.如权利要求12所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间、从上述微弱光中提取规定波长区域的光的波长提取滤光器。
17.如权利要求16所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备滤光器切换机构，该滤光器切换机构保持提取的波长区域相互不同的多个上述波长提取滤光器，有选择地将该保持的多个波长提取滤光器中的至少1个波长提取滤光器配置在上述物镜与上述成像透镜之间，其中包括不配置滤光器。
18.如权利要求12所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
分色镜，可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间，使上述微弱光中的规定的第1波长区域的光透射，并且将与该第1波长区域不同的第2波长区域的光反射；
反射侧成像透镜，将由上述分色镜反射的上述第2波长区域的光聚光；以及
反射侧摄像机构，具有多个像素，对由上述反射侧成像透镜聚光的上述第2波长区域的光进行受光；
上述反射侧成像透镜形成与上述反射侧摄像机构所具有的像素内的受光区域大致内切的大小的艾里斑。
19.如权利要求18所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备分色镜切换机构，该分色镜切换机构保持上述第1波长区域及上述第2波长区域的至少一个相互不同的多个上述分色镜，有选择地将该保持的多个分色镜中的1个分色镜配置在上述物镜与上述成像透镜之间。
20.如权利要求18或19所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
透射侧波长提取滤光器，可插入脱离地配置在上述分色镜与上述成像透镜之间，从上述第1波长区域的光中提取规定的第3波长区域的光；以及
反射侧波长提取滤光器，可插入脱离地配置在上述分色镜与上述反射侧成像透镜之间，从上述第2波长区域的光中提取规定的第4波长区域的光。
21.如权利要求12～20中任一项所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备：
反射镜，可插入脱离地配置在上述物镜与上述成像透镜之间，将透射上述标本或反射的上述照明光反射；
明视场成像透镜，将由上述反射镜反射的照射光进行聚光，使上述标本的明视场像成像；
明视场摄像机构，拍摄与由上述明视场成像透镜成像的明视场像对应的明视场图像。
22.如权利要求18～21中任一项所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备位置调节机构，该位置调节机构使上述成像光学系统或上述摄像机构沿与上述微弱光标本摄像单元的光轴大致正交的方向移动，进行上述摄像机构与上述反射侧摄像机构或上述明视场摄像机构的位置对准。
23.如权利要求22所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备进行上述焦点调节机构的对焦及上述位置调节机构的位置对准中的至少一个的自动控制的调节控制机构。
24.如权利要求11～23中任一项所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，
上述标本保持机构具备：
收容机构，将上述标本保持在内部；
环境调节机构，调节上述收容机构内部的环境条件。
25.如权利要求24所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，上述环境条件是与上述收容机构内部的温度、湿度、气压及成分浓度中的至少1个相对应的条件。
26.如权利要求11～25中任一项所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，该微弱光标本摄像装置配置在遮断来自外部的光的遮光机构内。
27.如权利要求11～26中任一项所述的微弱光标本摄像装置，其特征在于，具备将上述摄像机构拍摄的图像、即与上述明视场标本像和通过上述微弱光形成的上述标本像分别对应的图像重合显示的显示机构。
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