CN102027353B - 生物体图像摄像装置 - Google Patents

Abstract

用于从多个方向观察试样保持构件上的试样并且将从试样发出的各方向的光的图像经过主成像透镜引向二维检测器的方向的导光路包括不接受直接来自试样的光的导光路。不接受直接来自试样的光的导光路包括被配置成将试样的像形成在主成像透镜的实质对焦范围内并且使形成像之后的光线射向主成像透镜的方向的光学元件。至少一个导光路的光学元件是形成实像的光学元件。由此，主成像透镜将试样以及这些实像同时成像在二维检测器上。

Description

生物体图像摄像装置

技术领域

本发明涉及一种以小动物等生物体试样为对象的生物光学成像(bioluminescence imaging)技术。

背景技术

将生物体中的分子种(molecular species)分布方式进行图像化的方法是医学、生物学的重要研究方法。以往在细胞等级广泛应用着如下方法：使用显微镜，利用附着有荧光色素的分子探针、使用化学发光的分子探针来将分子种进行图像化。将来要求如下一种装置：针对比细胞水平更大的脏器、甚至动物个体，在仍旧存活的状态下观察所关注的分子种分布的样子。例如如下技术：通过使荧光探针与小鼠等个体中的癌细胞相结合来将所关注的癌细胞增殖的样子进行图像化，观察每天或者每周的经时变化。在以往的用于细胞等级的测量装置中，为了观察动物个体内部的癌细胞的增殖，通过杀死动物对规定的部分染色或者附着荧光体来进行观察，但是这样就无法对一个个体长时间地观察细胞的经时的增殖。由于该原因，期望开发一种能够在个体仍旧存活的状态下观察小动物个体的内部信息的分子种的装置。

由于近红外光在生物体内部的透射率比较好，因此使用利用600nm～900nm左右波长的近红外光来观察小动物的观察装置。然而，在现有技术的观察方法中，通常只从上部拍摄试样，无法同时进行多个方向的观察。存在例如如下情况：在从特定的方向观察小鼠时看不到癌细胞，但是如果从相反侧观察小鼠则能检测到癌细胞。在使用只能够从一个方向进行观察的装置时，操作者只能以如下的操作进行对应：不得不停止操作，通过拍摄以小鼠的体轴为中心旋转少许得到的像来进行类似多个方向的观察。但是，通过该方法无法得到具有再现性的数据，无法同时检测各方向。特别是在观察来自生物体的发光时由于发光强度本身非常弱，因此需要在二维检测器上进行通常几十秒至几分钟的累积曝光。另一方面，由于发光强度随时间而改变，因此当按不同的方向来依次切换地进行摄像时每个方向的图像条件不同，因而发光强度不起作用。期望能够在检测器上对生物体的多个方向的像同时并行地进行长时间累积。荧光测量与发光测量相比，由于强度较强，因此能够在比较短的时间内进行测量，尽管如此，为了迅速地得到正确的数据，能够同时拍摄多个方向的信息是必不可少。

作为得到多个方向的图像的方法，已知有使用旋转反射镜分时地依次获取多个角度的图像的方法(参照专利文献1)。该方法虽然有试样本身的平行移动，但是无需旋转试样，也无需旋转二维检测器，通过中间的反射镜的旋转和试样位置的改变来进行多个方向的观察。

使用旋转反射镜的专利文献1的方法的缺点如下：由于各方向的测量是分时进行的，因此无法同时进行测量而导致进行测量需要花费时间；并且由于在每个方向上测量的时刻不同，因此在如发光那样强度经时改变时，导致各方向的时间条件不同，此外还产生结构复杂的问题。

另一方面，作为同时拍摄多个方向的像的以往的方法，已知有使用背面反射镜装置的方法(参照专利文献2)。在该专利文献2中公开了如下一种方法：为了获取立体图像结构的多个方向的像而利用设置在试样背面的多个反射镜，在拍摄试样正面的同时拍摄背面、侧面的像。但是，由于利用这多个反射镜形成的虚像的位置比试样到摄像透镜的距离远，因此无法对从试样直接进入透镜的光与利用背面反射镜反射之后进入透镜的光线同时进行对焦。在立体图像摄像中如果能够进行上述多个方向的同时测量，通常以如下摄像方法为前提：通过缩小透镜的光圈能够使对焦的范围、所谓的焦点深度变深因而即使焦点对不上也没有关系。即，这种用于获取立体图像数据的摄像机是以通过缩小开口来使焦点深度变深为前提的。

专利文献1：美国专利申请公开第20050201614号公报

专利文献2：日本特开2001-330915号公报

发明内容

发明要解决的问题

可是，在以本发明设为目的的生物体的荧光图像或者发光图像的拍摄中，由于需要测量微弱的光，因此需要大口径的透镜。即，不是如视频摄像机那样的焦距f为15mm口径比为F/8(这种情况下的透镜的实际口径仅为15/8大约2mm)等的小口径的透镜，由于要达到焦距f为50mm左右并且亮度为F/1～F/2这样的透镜的条件，因此典型的透镜的实际口径是50mm～25mm左右。换言之，在发光或者荧光的测量中，与在立体图像摄像中作为前提的测量条件相比，透镜的实际口径大1位左右。由于焦点深度与透镜的有效直径成反比例，因此立体图像摄像的摄像机的焦点深度较深，即使透镜到被摄体(试样或者试样的像)的距离多少有些不同也没有问题。在通过本发明拍摄成为对象的生物体的荧光图像或者发光图像时，需要以用于大口径的亮的透镜的浅焦点深度为前提制作多个方向摄像装置。

作为解决上述专利文献2的限制、即由于利用设置在背面的反射镜得到的试样的像比试样的位置远而无法同时对两者进行对焦的问题的一个方法，考虑使用辅助透镜的方法。这是在光路的中间插入用于使试样本身或者利用反射镜得到的像相对于主成像透镜前后移动的辅助透镜的方案。利用图16A说明该方案。图16A是使用为了观察试样S的斜后侧而配置的平面镜M1和M2来并行获取包括正面方向在内的三个观察方向的像的测量系统。

利用平面镜M1能够形成试样S的虚像S1′，利用平面镜M2能够形成试样S的虚像S2′，主成像透镜100到S1′、S2′的距离为y，与到试样S的距离x相比非常大。

作为前后移动该距离的方法，在到达主成像透镜100的正面光路上插入凸透镜110或者在斜后面用的光路上插入凹透镜110A来作为辅助透镜。凸透镜110具有使距离x延长以接近背面用的距离y的作用，相反，凹透镜110A具有缩短距离y以接近正面用的距离x的作用。

已知上述辅助透镜的方式在某种程度上是有效的，如果主成像透镜100的口径是2mm到20mm左右则缺点比较不明显从而很实用，但是如果透镜的口径大于等于20mm(例如焦距为50mm左右、透镜的F值为1～1.2等的大口径透镜中口径是40mm到50mm)则不能使用上述辅助透镜。下面，使用图16B、图16C说明该理由。

图16B和图16C是在与图16A相同的三方向测量系统中将凸透镜110作为辅助透镜置于正面像的光路的中间的情况。下面，将主成像透镜100的口径较小的情况(图16B)与口径较大的情况(图16C)进行比较，来说明在主成像透镜100的口径较大的情况下产生的问题。

图16B和图16C的情况都将利用反射镜M1和M2得到的试样S的虚像形成在试样的下方S1′和S2′处。另一方面，关于从试样进入正面的光，当为了使试样的像下降到反射镜像的位置以使该像距主成像透镜100的距离与侧面两个像距主成像透镜100的距离相同而插入辅助透镜110时，由于试样的像被辅助透镜放大至(b/a)倍，因此形成如S0′那样较大的像。a是辅助透镜110与试样S之间的距离，b是辅助透镜110与像S0′之间的距离。

在此产生的第一问题是正面像极大，相反地背面像变小。

第二问题是向主成像透镜100行进的背面像的导光路104、106与正面像的导光路102在辅助透镜110的位置处发生重叠。在本图中用斜线表示各导光路。在主成像透镜100的口径较小的图16B的情况下没有发生重叠，但是在主成像透镜100的口径较大的图16C的情况下发生了重叠。

上述内容中对用附图标记104、106、102表示的部分使用了“导光路”这样的词语，在以后所有的记述中，将各方向的引导各个像的光路域整体定义为导光路。以后，使用导光路说明各观察方向的成像以及上述重叠的问题。

从试样的各点发出的大量的光线要传送图像信息，这些光线在导光路内通过并经过主成像透镜100而到达二维检测器108。另外，各导光路根据需要包括使光反射或者折射来引导光的光学元件。即，存在与观察方向数相应的个数的导光路，在导光路中存在大量光线，并且导光路包括直到其所有的光线最外侧边界为止的空间，如果存在光学元件则导光路还包括光学元件。由于在正面的导光路102上从试样到主成像透镜之间没有配置光学元件，因此正面的导光路102仅由空间构成，但是为了说明的一致性，即使不包括光学元件也定义为导光路。导光路可以是包括光学元件的导光路和不包括光学元件的导光路。

从图16B与图16C的比较明显可知，在主成像透镜的口径较小的图16B的情况下导光路之间的重叠较小，在主成像透镜的口径较大的图16C的情况下导光路之间的重叠较大，但问题不是在想要配置辅助透镜的位置处导光路重叠，而是是否具有足够大的间隙。为了更正确地表现该关系，关注如下这样通过导光路端部的光线。

在图16B的情况下，直线C′B(将利用反射镜M1得到的像S1′的右端C′与主成像透镜100的右端B连结的直线)与直线D′A(将利用辅助透镜110得到的试样的放大像的左端D′与主成像透镜100的左端连结的直线)之间在辅助透镜110的位置处没有发生重叠，但是在图16C的情况下，直线C′B与直线D′A之间在辅助透镜110的位置处发生了重叠。如果导光路在辅助透镜110处发生了重叠则导致两方的像被双成像，因此需要避免发生重叠。为此，虽然如果将辅助透镜110靠近试样S则可增加少许余裕，但是这样会导致辅助透镜110与试样S之间的距离a变小而正面像的倍率、(b/a)变得更大，从而放大了第一缺点。结果是只要是在试样S与主成像透镜100之间使用辅助透镜110的方式，就无法构建使用口径大小为某种程度以上的主成像透镜100的多面镜系统。此外，在上述内容中说明了将凸透镜作为辅助透镜插入于正面像的导光路中的情况，但是即使在图16A所示的将凹透镜110A插入斜后方向的导光路104、106中的情况下，在凹透镜部分处也产生同样的重叠，从而无法应对大口径透镜。

如上所述，如果为了观察背侧的像而只配置了平面镜，则平面镜的像形成在远处，从而无法对不同方向的所有的像进行对焦，并且即使使用缓和该现象的辅助透镜的方式在成像透镜的口径方面也受限，因此无法构建明亮的摄像系统。

本发明的目的在于提供一种生物体图像摄像装置，其具备在进行多个方向像的同时测量时用于将多个方向的光线引向二维检测器的不同位置的明亮的光学系统。

用于解决问题的方案

本发明的生物体图像摄像装置具备：试样保持构件，其载置生物体试样；二维检测器，其检测从试样保持构件上的试样发出的光的像；导光路，其存在于观察试样保持构件上的试样的多个方向上，并且导光路将从试样发出的多个方向中的每个方向上的像引向二维检测器；以及主成像透镜，其配置在二维检测器与导光路之间，将被导光路引导的多个图像按多个方向中的每个方向成像在二维检测器上的不同位置处。

并且，导光路包括不接受直接来自试样的光的导光路，不接受直接来自试样的光的导光路包括被配置成将试样的像形成在主成像透镜的实质对焦范围内并且使形成像之后的光线射向主成像透镜的方向的光学元件，并且至少一个导光路的光学元件是形成实像来作为上述像的光学元件。

由此，主成像透镜将经由导光路的图像一并成像在二维检测器上。

如所记述的那样，仅使用平面镜具有不产生像差的优点，但是只能够在试样的下部形成虚像，并且对于试样的背面方向，平面镜的虚像形成在远处，从而主成像透镜无法对不同方向的所有的像进行对焦。另外，即使为了缓和上述情形而使用辅助透镜，也受限于成像透镜的口径，因此本发明采取了以下对策。

本发明的第一原理-成像型光学元件的使用。

在本发明中，对于如将平面镜的像形成在远处那样的导光路，代替平面镜而使用如凹面镜那样形成实像的光学元件，在距主成像透镜的距离与试样距主成像透镜的距离大致相等的位置处形成试样的实像而不是虚像。

图1A-1D表示该原理图。在此，作为形成实像的光学元件列举凹面镜进行说明，但是并不限定于凹面镜，通过平面镜与凸面镜的组合那样的光学元件也可以实现该原理。图1A是立体图，图1B是正面截面图，图1C表示这种情况下的导光路。作为二维检测器，以CCD 4为例进行说明。在图1A、图1B、图1C的方式中，为了将背侧像引向CCD侧，使用较大的凹面镜M1、M2来代替图16A的平面镜M1、M2，在试样S的两侧形成试样S的倒立实像S1、S2，由主成像透镜5和CCD 4从上面拍摄这三个像S、S1、S2。由于试样S以及两个像S1、S2这三者位于距主成像透镜的距离大致相等的位置处，因此不需要如图16A那样的用于不同方向对焦的辅助透镜，即使主成像透镜5是大口径而导光路发生重叠也没有关系。将图1C与图16B进行比较可知，在图16B中，S1′、S2′相对于S位于远处，因此为了强行使三者的距离一致而需要辅助透镜110，但是在该辅助透镜110的位置处导光路发生重叠。与此相对地，在图1C中，将要成像的试样S、像S1、S2预先排列形成在距主成像透镜的距离大致相等的位置处，因此不需要辅助透镜，从而导光路的重叠不会妨碍测量。即，在图1C中，用斜线表示的三个导光路102、104、106在主成像透镜的前方也发生了重叠，但是与图16A之间重要的区别点在于在主成像透镜的前方不需要配置光学元件。

图1A、图1B中形成像的重要点是以下两点。

1)凹面镜M1、M2各自的曲率中心的位置C1、C2很重要，并且试样S与试样S的像S1、S2的各对应点相对于C1或C2形成立体的点对称。考虑从成像透镜5看聚焦于例如Q点且从成像透镜5向试样S逆向行进的主光线(通过成像透镜5的中心的光)。该主光线在Q点延长线上的G点处照射到凹面镜M1，在此处被反射向试样S上的P点，但是由于反射的入射角与出射角相等，因此反射镜M1的曲率中心C1存在于P点与Q点的中点处。即，从G点射出的光相对于对称中心C1反射到与Q点呈点对称的P点。以测量作为试样S的小鼠的情况为例，当设P点为如图1A所示那样的小鼠头部的下面时，则Q点为将小鼠翻转后的试样像S1的头部的下部，并且腹部朝向透镜侧。这样，当从主成像透镜5向下看时，观察到如图1D那样的拍摄到小鼠背部的正面像以及位于其两侧的拍摄到小鼠腹部的背面像，在图像中P点与Q点也相对于C1呈点对称。同样地，试样S其它的点、例如H点在试样的像S2中被形成为相对于C2对称的点I。

此外，如果使C1点、C2点的位置靠近试样S，则像S1、S2整体靠近试样S，如果使C1点、C2点的位置远离试样S，则像也远离试样S。通过改变C1点、C2点的位置能够调节像的位置，因此能够在摄像机的视场中均匀地排列多个方向的像。

2)第二点与形成实像的光学元件的成像特性有关。在通过如凹面镜M1、M2那样的较大的光学元件形成试样的实像时，通常像差会变得非常大。例如在图1A中，如果在试样像S1的位置处放置“纸”来观察试样的像S1的成像，则由于使用凹面镜M1的整个表面，因此像差较大而仅形成模糊的像。但是，实际上要通过主成像透镜5来观察试样的像S1，因此例如在聚焦于Q点时，入射到主成像透镜5的光仅是由以Q点的延长线与M1相交的G点为中心的δS表示的面积部分的光线。即，用于成像的只是作为很大的凹面镜M1的一部分的由δS表示的较小的凹面镜。因而，由于用于成像的立体角ω是比较小的值(在用F值表示时是F6以上)，因此即使是这样很大的凹面镜也可以收敛于实际允许的像差内。在移动想要观察的Q点时，所对应的凹面镜M1的部分δS随着Q点的移动而在整个凹面镜M1上移动，但是在各个位置处用于成像的仅限于上述面积δS的范围。

另一优点在于在利用球面的凹面镜形成等倍率的一比一的像时，像差变小。特别是如果P点与Q点相接近，则(在角QGP较小时)形成更清晰的成像。作为极端的例子，如果使角QGP趋近于零，则形成非常近似于从球面凹面镜的曲率中心发出并返回到相同的点的光的状态，从而完全不会产生像差，从该例子中也能够理解利用球面凹面镜得到的一比一的成像在像差方面有利。

并且，如图1A中所看到的那样，如果S1、S2是一比一的像，则包含试样S在内的相同大小的三个像通过成像透镜5再次成像在CCD 4上，因此能够得到大小均匀并且上述一比一的成像在像差方面也有利的双重优点，因此利用球面凹面镜的光学元件是一种很有利的方法。即，强调不使用非球面(椭圆面等)的凹面镜而使用廉价的球面凹面镜就可以获得足够的效果。并且，在下面的“作用”项目中通过更为详细的计算来研究当该一比一的成像的像差和β(角QGP)稍微变大时会出现什么样的情况，以及记述在光学元件中如何配置凹面镜才能发挥凹面镜的特性的指导方针。

如上所述，用于使背面方向的像返回到CCD侧的成像光学元件的利用原理是本发明的第一原理。在此进一步说明图中的M1、M2为大的凹面镜的原因。在从主成像透镜5观察试样的像S1的一点、例如Q时，在对面侧的凹面镜上存在点G，M1的大小需要大到能够存在G的程度。在需要观察整个试样的像S1时，整个M1的大小在图的例子中是S1的大小的1.5倍左右。这是因为凹面镜需要有以下程度的大小：从透镜5看时在试样的像S1的对面侧均存在凹面镜。如果不需要观察整个试样的像S1而只要观察试样的一部分(例如只观察头部)即可，则可以如后述的实施例那样使凹面镜M1、M2更小，能够根据测量目标来选择凹面镜的大小。

本发明的第二原理是通过追加使用以下记述的“反射平面镜”来对成像型光学元件配置观察角度，并且使成像型光学元件所形成的像朝向所希望的摄像机视场的空闲位置的方法。

在第一原理中，通过利用作为成像型光学元件的一例的凹面镜M1得到的像(例如像S1)的光线在图1A的配置中从下侧射向上部的主成像透镜5的方向，因此需要将该凹面镜M1配置在从主成像透镜5看时位于像S1的“相对侧”。由于凹面镜M1位于试样S的背侧，因此这种状态下只能够用于观察背侧。消除该限制的方法、即“配置凹面镜的同时实现凹面镜在试样的观察方向的正侧面或斜上方并且使该凹面镜的像S1朝向主成像透镜的方向且射向CCD视场中期望位置的方法”是第二原理。该方法是组合所追加的“反射平面镜”的方法。

使用图2说明第二原理。在图2中用圆筒表示试样S，记述为M1a的虚拟的凹面镜在图1A的配置中能够观察试样S的背侧的角度α0的方向。第二原理的课题是将观察方向改变为α的方向而不是α0的方向。为此将凹面镜M1配置成期望的观察方向α的角度。在图2中，将α设为90度整，因此实现了从正侧面的观察方向。将图2的“反射平面镜”M3与铅垂线形成的角度设为θ，当考虑将凹面镜M1的位置配置成相对于平面镜M3的面与虚拟的凹面镜M1a呈面对称时，根据对称性，只要具有

α-θ＝θ-α₀

即

α＝2θ-α₀(1)

或者

θ＝(α+α₀)/2(1′)

的关系即可。即，为了得到期望的观察角度α，只要如式(1′)那样决定“反射平面镜”M3的角度θ即可，相反地，如果θ已定，则如(1)式那样确定观察方向。

该方法可以说是如下的配置方法：首先在期望的观察角度α的位置处配置凹面镜M1，再配置一个反射镜以使从摄像机4能够看到像S1对面的该凹面镜M1。

在此，如下这样确认从图2中的试样上的关注点P发出的光的成像。通过凹面镜M1能够将P的像形成为Q′，但是通过反射镜M3该成像位置被变换到Q的位置。之后，光线射向主成像透镜5并在二维检测器上再次成像。

第二原理的另一变形原理(组合两个反射镜)。

与将试样S的实像形成在S1的位置相同，但是提供一种组合两个反射镜来消除“将凹面镜配置在期望的观察角度α处”的上述限制的方法。使用图3A进行说明。在图3A中，列举观察试样S的正后方向(180度方向)的例子。即α＝0度。在这种情况下，当仅使用第一原理将凹面镜配置为α＝0度时，由凹面镜反射向透镜5的像由于叠加在实际试样上而无法从透镜处观察到。如图3A那样，将凹面镜配置在新的M1的位置处，与图2的例子同样地将试样S上的点P的实像形成于S1上的点Q，之后通过上面的摄像机4一起拍摄实际试样S及其实像S1。但是，不同点在于该实像S1是经过凹面镜M1和两个反射镜M5、M6的反射而形成的。在包括两个反射镜M5、M6的成像的说明中，如果使用中间的虚像S′和S1′则很容易理解。在此，S′是利用“反射镜M5”得到的试样S的虚像，S1′是利用“反射镜M6”得到的最后形成的实像S1的虚像。另外，同样地P′是利用“反射镜M5”得到的试样S上的关注点P的虚像，Q′是利用“反射镜M6”得到的“P的共轭点Q ”的虚像。

因此，使用从图3A中仅抽出虚像S′和S1′与凹面镜M1相关的部分而作成的图3B，来追溯从P到Q的成像过程。首先，图3A的试样S以及S上的关注点P通过“反射镜M5”转换为S′和P′。接着转移到图3B，S′和P′通过凹面镜M1转换为S1′和Q′。C1是凹面镜M1的曲率中心，R是其曲率半径。如在第一原理的说明中记述的那样，在这种情况下，P′和Q′也以相对于C1呈点对称的方式而成像。再返回图3A，最后将S1′和Q′通过“反射镜M6”转换为S1和Q。

由此可知试样S相对于摄像机(透镜5和CCD 4的总称)翻转得到的像形成在S1的位置处。摄像机只要通过普通的方式拍摄实际试样S和相邻的翻转像S1即可。

概括以上的第二原理，通过除了使用凹面镜以外还使用多个平面镜，能够将试样S的期望方向的实像形成在与试样相邻的位置处，并且使从该像射出的光射向主成像透镜5并最终成像在CCD 4上的期望位置处。

下面记述构成为“将试样的实像形成在主成像透镜的实质对焦范围内并且使形成实像之后的光线射向主成像透镜的方向”的意义和“实质对焦范围”的定义。

再次概括以上详细记述的解决问题的方案，其要点为以下两点。

1)在从摄像机直接观察试样的导光路以外的不同方向的导光路中，在该不同方向的导光路的中间形成一次实像，并将该实像形成在从主成像透镜观察时与试样大致相同的距离处，主成像透镜将由此得到的像与其它方向的像一起拍摄。

2)即使形成了实像，如果之后的光线不射向主成像透镜的方向，则在CCD上也无法形成规定的像，因此通过适当选择凹面镜的大小和位置以及根据需要来同时使用平面镜，实现了使形成实像后的光线射向主成像透镜的方向的结构。

在此，研究与“将实像形成在从主成像透镜观察时与试样大致相同的距离处”有关的“与试样大致相同的距离”的允许范围。能够允许实像的位置偏离δL(mm)何种程度是由δL所引起的横向模糊量δY(mm)所决定的。一般地，在摄像机镜头的焦点深度的研究中已知的模糊量δY如位置偏离δL与主成像透镜的有效直径D(mm)的关系式那样形成为

δY/D＝δL/L  (2)

的关系(参照图15)。在此，L(mm)是主成像透镜与实像之间的距离。期望的δY的值是根据测量目标而决定的像的位置分辨率，例如0.5mm、1mm是假定赋予的值。这样，能够允许的位置偏离δL通过

δL＝(L/D)δY

而被赋予。例如假定δY＝1mm，在L＝300mm时，如果是D＝50mm的大口径透镜，则δL为6mm，如果是D＝20mm的中口径透镜，则δL为15mm，如果是D＝2mm的小口径透镜，则δL为150mm等。由此可知越是为了高灵敏度化而使用大口径的主成像透镜，越是需要在导光路中间的窄距离范围内事先形成一次实像。上述的δL就是“与试样大致相同的距离”的允许距离。将主成像透镜的焦点前后的正负δL范围、即如果设为距离则为2δL的范围定义为主成像透镜的“实质对焦范围”。这样，虽然2δL的范围根据设为目标的位置分辨率δY和主成像透镜的口径而改变，但是通过如上述那样进行定义，明确了将本发明的要件构成为“对于所需要的导光路，将试样的实像形成在主成像透镜的实质对焦范围内并且使形成实像之后的光线射向主成像透镜的方向”的意义。

此外，作为用于在实质对焦范围内形成试样的实像的光学元件，使用凹面镜是最实际的，除此之外也可以组合平面镜和凸透镜。由于平面镜将光路转向、凸透镜形成试样的实像，因此这成为独立地分担凹面镜所具有的两个功能的变形。

在实施例的说明中，记述了通过适当地组合上述第一原理、第二原理来将试样S的多个方向的像形成在CCD等二维检测器上的例子。

此外，在专利文献2中公开了也可以利用凹面镜替代多个平面镜来作为背面镜的实施例，但是以下说明即使是相同的凹面镜在本发明和专利文献2中凹面镜的使用方法也完全不同。

将专利文献2的图10与该文献的图3相比可知，图3的三个平面镜在图10中被更换为一个凹面镜。因此，在专利文献2中，将凹面镜等价于排列很多较小的平面镜来进行处理。在图10中也示出了凹面镜的各点对应于各方向、这些各点依次排列投影在检测器上。因而，可以说在专利文献2中仅使用一个凹面镜，利用该凹面镜形成了由多个方向构成的一个像。

与此相对地，本发明的目的在于，在各方向的导光路中配置凹面镜，来在导光路内将试样的像一次形成在与试样实质相同的距离处，由此使从透镜看到的试样和试样的像的距离一致。另外，也如实施例中详细记述的那样，通过一个凹面镜形成一个方向的实像，因此例如在本发明的图1中，通过两个凹面镜形成两个方向的两个实像，加上直接像而存在三个方向的像。同样地，在图4A中通过四个凹面镜形成四个方向的四个像，加上直接像而存在五个方向的像。这样，两者的凹面镜的使用方法完全不同。

(作用)

将从试样向多个方向发出的光线通过各个导光路直接引向共用的二维检测器的不同位置或者通过光学元件反射向共用的二维检测器的不同位置。反射光的光学元件具有如下功能：将该光学元件的导光路的光引向在一个检测器上的距直接来自试样的像适当距离的位置处。根据光学元件的种类，如图16A的平面镜那样在各方向之间存在光路长差异，因此产生焦点模糊或者需要辅助透镜，但是在本发明中通过利用光学元件的成像能力来在从主成像透镜观察的与试样相同的焦点位置处形成实像，因此在试样到主成像透镜之间不需要辅助透镜等的焦点校正，这是最大的优点。

除以上之外还有其它关注点，特别记载了廉价的球面凹面镜意外地适合于本目的以及想办法减小球面镜的非点像差这两点，因此在此补充说明。

第一点是在第二原理基础上稍微延伸说明球面凹面镜“特别适合于一倍的成像”。众所周知从椭圆面镜的一个焦点发出的光聚集在另一个焦点上，如果将球面镜考虑为是椭圆面镜的两个焦点相一致的镜，则从球面凹面镜的曲率中心C发出的光无像差地成像为C是理所当然的。因而，可以预计当成像倍率近似为1时，一对成像点P和Q距曲率中心C的距离越小，越是形成清晰的成像。

图12表示球面凹面镜的倍率1是特别有利的一例，在P点的像通过凹面镜成像为Q点的情况下，对于倍率1的成像(中部)与倍率0.5(上部)、倍率2(下部)，比较计算像差后得到的点图。在各自的五个点图中，中央(附有圆圈标记的图)是最好的成像位置，比较以其为中心在焦点前后移动焦点位移量(单位mm)的位置处的点图。此外，进行计算的条件是凹面镜的R(曲率半径)为150mm、照射到凹面镜的光的光束直径为24mm、∠PGQ为2度的情况。左端的条的长度是0.05mm，表示点的大小。

从中央圆圈标记处的成像明显可知，如预计的那样，一倍的情况示出了良好的成像。

第二是非点像差的问题。关于非点像差，众所周知如图13的说明图。假设以G为照射到凹面镜的圆形光束的中心、PGQ处于水平面内，当观察从距G距离R(曲率半径)的一点Q发出的光的反射光的行进方向时，由于水平面的成像形成在比本来的像P稍靠前的P1的位置处，因此P1的强度分布形成如图那样的一条竖线。另一方面，铅垂面的成像形成在稍靠后的P2的位置处，在P2处的强度分布形成一条横线。两条线之间的P点处于距G距离R的位置处，本来希望光在此处汇聚的位置处的强度分布形成圆形，但是P1-P2的开度越大，P点处的圆形射束的直径越大，因此希望P1-P2的开度(轴上的非点像差)较小。

关于轴上的非点像差，已知下式。

P1形成在比本来的像P靠前的位置处，关于距离GP1，近似为

GP₁＝2R cos(β/2)(4)

。P2形成在比本来的像P靠后的位置处，关于距离GP2，近似为

${\mathrm{GP}}_2=2R\left(\frac{1}{\cos (\mathrm{\β}/2)}\right)---\left(5\right).$

因而，P1-P2的距离(轴上的非点像差)根据GP1与GP2之差可以写成

$P_1{P}_2=2R\left(\frac{1}{\cos (\mathrm{\β}/2)}\text{-cos}(\mathrm{\β}/2)\right)---\left(6\right)$

。另外，由于P点形成在P1、P2大致中间的位置处，因此大致为

P₁P＝2R(1-cos(β/2))(7)。

对几个β计算(7)式，如表1那样示出在曲率半径R为150mm和300mm的情况下轴上非点像差与角度β之间的关系。

[表1]

角度β由试样和试样的像的共轭点(P和Q)之间的距离与凹面镜的曲率半径R之比决定，因此如果已经给出P和Q，则通过增大R来减小角度β。因而，考虑如果使R增加到2倍则能够使β减半的情形，通过表1的计算，相对于在R＝150mm时的β在R＝300mm时的β减半。

从表1可知，当增加角度β时，非点像差P1-P2的开度迅速(不是与β成比例，而是与大致β的平方成比例地)增加。如果使R增加到2倍，则β的平方就是1/4，因此根据2×(1/4)能够理解非点像差减半。

这样，为了得到清晰的成像，重要的是角度β(即，∠PGQ所形成的角度)尽可能地小。即，以减小β的方式配置凹面镜很重要，可以说想办法配置辅助的平面镜M5、M6等来减小β是设计的要点，在实施例中，进行凹面镜的配置以尽可能地满足上述条件。

另外，当试样较大并且想要观察其整体时，由于P点和Q点相距较远，因此试样端部的焦点变得有些模糊，相反在试样的中心部由于角QGP较小，因此产生清晰的焦点。另外，能够增大R来减小β，或者为了减小空间，也能够想办法通过平面镜添加反射来增大R而减小β。

发明的效果

根据本发明，1)如第一原理和第二原理所说明的那样，由于在进入主成像透镜的正前方不使用对不同方向对焦的辅助透镜，因此能够使用大口径的主成像透镜进行多个方向的同时测量。其结果是在如下方面的效果较大：能够在需要特别亮的光学系统的发光测量中以高灵敏度进行多个方向的测量。

2)各导光路的像形成在距主成像透镜等距离的位置处，因此也解决了背侧的像变小的问题(由于虚像位于远处)。

3)由于在试样与主成像透镜之间不存在辅助透镜等光学部件，因此在结构上能够被简化。

4)作为从上述3)的效果中产生的其它优点

(4-1)通过改变主成像透镜与试样之间的距离，能够选择要同时观察的方向数。

(4-2)使多个试样的一个方向的观察和一个试样多个方向的观察这两种测量方法的切换变得非常简单。

一句话总结上述效果，可以说是“能够实现作为本来目的的为了进行多个方向像的同时测量而将多个方向的光线引向二维检测器的不同位置的明亮的光学元件，并且同时具有附带的2)、4)的效果”。

此外，并不是在所有的导光路中都需要在导光路的中间形成实像，仅针对虚像距主成像透镜的距离与其它导光路的像有很大不同的导光路采用也有效。例如，在以后的第二实施例中记述了一部分导光路仅形成虚像不使用实像而只在另一部分的导光路中形成实像的例子。另外，在上述的原理说明中，使用由主成像透镜一并拍摄在“接受直接来自试样的光的导光路”和“不接受直接来自试样的光的导光路”中引导的像的典型例子进行了说明，但是在第七实施例中记述了即使不包括“接受直接来自试样的光的导光路”本发明也成立的情形。

下面在记述应用了本发明的多个实施例之前，为了进一步明确作为本发明的主要部分的导光路的概念，而将导光路的类型分类汇总为图17。实施例由图17的三个类型的导光路的全部或者一部分构成。

在图17中，仅强调导光路和在导光路中行进的光线以便于识别，因而省略了在光线反射处存在的反射镜、透镜等光学元件的记载。在该图中S是试样，5是主成像透镜，4是二维检测器。

导光路102是“接受直接来自试样的光的导光路”，将其称为类型1的导光路。

导光路104、104A、106都是“不接受直接来自试样的光的导光路”，其中，导光路104和104A将试样S的实像分别形成为S1和S2，称为类型2的导光路。即，类型2是“不接受直接来自试样的光的导光路，并且是形成实像的导光路”。将类型2的导光路的例子分为104、104A两种的理由是形成实像的导光路可以在导光路中间两次以上形成像，只要最后的像进入对焦范围即可。即，相对于导光路104在导光路的中间仅形成一次实像，导光路104A在导光路的中间形成两次实像，后一次(第二次)的实像S2进入主成像透镜的对焦范围，与其它导光路的像一起成像在二维检测器上。

导光路106无法形成实像但能够形成虚像S3，因此称为类型3的导光路。即，类型3是“不接受直接来自试样的光的导光路，并且是不形成实像的导光路”。

此外，为了表示导光路中成像的情形，而关注试样S上的四个点P1、P2、P3、P4，例示了从这些点发出的大量的光线中的通过主成像透镜5的端部的两条光线如何在导光路中行进的情形。从P1发出并在导光路102中行进的光线直接通过透镜5的两端成像在二维检测器上。从P2发出并在导光路104A内行进的光线聚集在Q2′和Q2处(合计两次)之后进入主成像透镜5并成像在二维检测器上。从P3发出并在导光路104内行进的光线聚集在Q3处(仅一次)之后通过主成像透镜5成像在二维检测器上。从P4发出并在导光路106内通过的光线如从虚像Q4发出的那样行进，进入主成像透镜5并成像在二维检测器上。

如已经记述的那样，仅由类型1的导光路和类型3的导光路无法构成本专利，至少具有一个类型2的导光路是本专利的必要条件。

在类型3的虚像方式中，如使用图16C详细记述的那样产生如下问题：当在试样的背侧周围制作反射向检测器方向的导光路时，其虚像的位置形成在远处，其结果是脱离了主成像透镜5的对焦范围；以及为了强行使其进入对焦范围，只好将使虚像的位置移动的辅助透镜配置在主成像透镜附近，但是这样会导致产生辅助透镜与其它导光路发生重叠的问题。

在图17中例示了不将类型1的导光路配置在对称的中心而有意地偏离一点距离的情形。附记，在以下的多个实施例中，虽然将“接受直接来自试样的光的导光路”配置在对称的中心的情况较多，但是该情况并不是本专利的必要条件，而是各个实施例所限定的要素。

附图说明

图1A是用于说明本发明的原理的概要立体图。

图1B是用于说明本发明的原理的概要正面截面图。

图1C是显示了概要正面截面图(图1B)的导光路的图。

图1D是表示在该原理图中从透镜向下看时的试样和试样的像的俯视图。

图2是说明本发明的第二原理的概要正面截面图。

图3A是说明本发明的第二原理的变形原理的概要正面截面图。

图3B是仅抽出图3A中的与凹面镜M1有关的部分来表示的概要正面截面图。

图4A是表示拍摄五个方向的像的第一实施例的概要正面截面图。

图4B是表示在该实施例中拍摄的像的俯视图。

图5A是表示在本发明的生物体图像摄像装置中使用的照明用光源部的一例的概要立体图。

图5B是表示该照明用光源部中的激励光源和激励用干涉滤波器的特性的一例的光谱图。

图6A是表示拍摄五个方向的像的第二实施例的概要正面截面图。

图6B是表示在该实施例中拍摄的像的俯视图。

图6C是由图像变换部重新排列图6B的各方向的像得到的图。

图6D是说明针对一个方向的像的变形校正的图。

图6E是表示接着二维检测器之后设置的图像获取电路和图像变换部的框图。

图7A是表示拍摄试样的上下左右四个方向的像的第三实施例的概要立体图。

图7B是表示在该实施例中拍摄的像的俯视图。

图7C是说明该实施例中的背侧平面镜的作用的概要正面截面图。

图8A是表示在能够改变测量方向数的第四实施例中进行五个方向测量的状态的概要正面截面图。

图8B是表示在该实施例中进行三个方向测量的状态的概要正面截面图。

图8C是表示在该实施例中进行一个方向测量的状态的概要正面截面图。

图8D是表示该实施例中的摄像机移动机构的立体图。

图9是表示在该实施例中变形成移动试样来代替移动摄像机的实施例的概要正面截面图。

图10A是表示在能够切换多个试样的一个方向观察和一个试样的多个方向观察的第五实施例中进行一个试样的五个方向测量的状态的概要正面截面图。

图10B是表示在该实施例中进行多个试样的一个方向观察的状态的概要正面截面图。

图11A是表示在能够使凹面镜的曲率中心移动的第六实施例中使曲率中心靠近试样的状态的概要正面截面图。

图11B是表示在该实施例中使曲率中心远离试样的状态的概要正面截面图。

图12是表示在使用球面凹面镜时倍率为1特别有利的光线跟踪图。

图13是说明凹面镜的非点像差的概要立体图。

图14是说明不利用来自试样的直接的像的第七实施例的图。

图15是说明主成像透镜的“实质对焦范围内”的定义的图。

图16A是说明通过被视作生物体图像摄像装置的多面镜方式来拍摄试样的斜后侧的像的概要结构和像间距离校正用的辅助透镜的效果的图。

图16B是说明通过被视作生物体图像摄像装置的多面镜方式在主成像透镜的口径较小的情况下在辅助透镜位置处导光路发生重叠的图。

图16C是说明通过被视作生物体图像摄像装置的多面镜方式在主成像透镜的口径较大的情况下在辅助透镜位置处导光路发生重叠的图。

图17是说明导光路的三种类型的区别的概念图。

附图标记说明

4：CCD；5：主成像透镜；M1-M6：凹面镜或者平面镜。

具体实施方式

(第一实施例)

[用于五个方向的同时观测方法的光学系统]

使用图4A和图4B以从五个方向同时进行观察的情况为例来进行说明。在图4A中，相对于配置在中央的试样S，在正上方(观察角度为0度的方向)配置主成像透镜5和CCD 4，四个凹面镜M3、M1、M2、M4被分别配置在观察角度为60°、135°、205°、300°的方向上。即，0度方向的导光路是从试样S直接进入透镜5的光所占据的区域，60°方向的导光路是按试样S→凹面镜M3→平面镜M5→透镜5的顺序行进的光所占据的区域，同样地，135°方向的导光路是按试样S→凹面镜M1→透镜5的顺序行进的光所占据的区域，205°方向的导光路是按试样S→凹面镜M2→透镜5的顺序行进的光所占据的区域，300°方向的导光路是按试样S→凹面镜M4→平面镜M6→透镜5的顺序行进的光所占据的区域。其中的135°、205°方向的导光路中，利用凹面镜M1、M2得到的试样S的实像如原理1那样形成在S1、S2的位置处，一次成像之后向主成像透镜5行进，在CCD 4上再次成像。另外，在60°方向和300°方向的导光路中，斜上方的凹面镜M3和M4的实像形成为S3、S4，像S3、S4如原理2的说明那样是利用反射镜M5和M6的效果将来自实像的光的方向和实像的位置变换为所需条件的结果而得到的。

在此，从试样S的下部的关注点P发出的光通过凹面镜M1一次成像为实像S1上的点Q，通过主透镜5再次成像在二维检测器4上。另外，可知从试样S上的上部的关注点H发出的光被凹面镜M3和反射镜M5反射并一次成像为实像S3上的I点，进一步通过透镜5再次成像在二维检测器4上。

由于这些四个实像S1-S4与试样S位于透镜5能够对焦的相同的距离处，因此能够将试样S以及四个像合计五个像同时成像在CCD 4上来进行摄像。其结果，CCD 4上的试样的五个方向的像如图4B那样从左起依次为S3(观察方向为60度)、S1(观察方向为135度)、S(观察方向为0度)、S2(观察方向为205度)以及S4(观察方向为300度)。仅中央的像的小鼠的头的像的朝向相反。

该五个方向测量光学系统具有不需要在试样与摄像机(包括透镜5和CCD 4)之间插入焦点调节用的辅助透镜等光学部件的特征，即使五个导光路在主成像透镜5附近相互重叠也不会产生任何问题，从而能够使用大口径的主成像透镜。即，解决了图16示出的问题点。也不具有作为以往目的的可动部分，实现了能够将多个方向观察的像一次成像在共用的CCD 4上的明亮的观察系统。

[关于荧光测量的实施例的追加说明]

上述说明是在化学发光或者生物发光模式的情况下并且在试样中的分子探针自身发光时进行的。接着，针对分子探针在接受激励光时通过产生荧光而发光的系统、即在荧光模式下的使用方法进行说明。在五个位置具备照明用光源部IL1、IL2、IL3、IL4以及IL5(IL表示illumination(照明))，包含在各光源部中的荧光激励光源照射试样S，使从试样S产生的荧光作为五个方向的荧光像而成像在CCD 4上来进行摄像。此外，能够在主成像透镜5的前面插入荧光用(激励光去除)滤波器F_EM，在进行荧光测量时，通过该激励光去除滤波器F_EM阻止激励波长成分，由此在CCD上形成仅由荧光形成的图像。

图5A示出照明用光源部IL1、IL2、IL3、IL4以及IL5的具体结构例。在图5A的例子中，照明用光源部由三种不同的光源A、B以及C构成。光源A如后述那样是用于照明生物体试样S来拍摄外观图像的白色LED。光源B和C是荧光激励光源，光源B由发出波长λ1的激励光的发光元件激光二极管(以后省略为LD)LDλ1以及安装在发光元件LDλ1的发光侧的激励侧干涉滤波器F_exλ1构成。光源C由发光元件LDλ2以及安装在发光元件LDλ2的发光侧的激励侧干涉滤波器F_exλ2构成，该发光元件LDλ2由发出波长λ2的激励光的LD构成。但是，光源B和C根据需要还能够在干涉滤波器F_exλ1、F_exλ2之后追加用于向生物体试样整体照射光的发散透镜(省略图示)。在此，不通过机械性的切换而仅通过电源的接通/断开就能够进行图5A所示的三种光源A、B以及C的选择。因而，不通过机械性的切换而通过配置在各照射方向IL1、IL2、IL3、IL4以及IL5上的各个光源A、B以及C的电源的接通/断开，来指定光源的方向IL1、IL2、IL3、IL4、IL5以及光源的种类(A、B以及C)。

接着，使用图5B说明激励光源和激励用干涉滤波器的特性。图5B示出光源B的发光元件LDλ1与安装在发光元件LDλ1的发光侧的干涉滤波器F_exλ1之间的关系。发光元件LDλ1往往被认为仅发出单一波长λ1的光，但是实际上伴随着微弱的拖尾的发光。该拖尾部分含有透过设置在二维检测器CCD 4的入射侧的作为激励光去除滤波器的荧光侧滤波器F_EM的波长成分，当上述波长的光被照射向生物体试样时，与生物体试样所产生的荧光成分一起透过荧光侧滤波器F_EM而入射到二维检测器4。其结果，由试样的荧光以外的漏光成分所形成的杂散光叠加在所拍摄到的荧光摄像图像中，从而导致荧光的检测灵敏度下降。

因此，在本实施例中，通过在发光元件LDλ1的发光侧安装遮挡发光波长的拖尾部分的光的干涉滤波器F_exλ1，来去除处于荧光侧滤波器F_EM的透过域的来自发光元件LDλ1的激励光成分。由此，透过荧光侧滤波器F_EM的光仅为来自生物体试样的荧光成分，能够防止由于杂散光混入二维检测器4上的摄像图像中而导致荧光检测能力下降。

此外，在上述内容中说明了光源B，光源C也是与光源B相同的结构。

作为照明用光源部IL1、IL2、IL3、IL4以及IL5所包含的荧光激励光源，如果使用LD、LED则通过电路的接通/断开就能够自由地仅点亮和熄灭所需要的光源，因此除了能够点亮所有的五个方向的光源来测量荧光以外，还能够选择性地仅点亮需要的组合来进行荧光图像测量。这样，不仅能够得到从试样的前面照射激励光时的荧光图像，还能够得到仅从后面或者仅从侧面照射激励光时的图像，因此对于来自动物的五个方向的图像分别得到激励方向不同的五个图像，因此通过五次曝光能够得到合计25个图像。从25个图像中能够估计出发光源是位于动物体内的浅位置处还是深位置处。即，如果是浅位置的发光源，则推测出25个图像中的某个图像的被摄体的较小部分发光强烈，与此相对地，如果是深位置的发光源，则25个图像都形成了发散的发光分布。

这样，荧光激励方法不存在可动部分而仅通过激励光的点亮和熄灭就能够自由地设定从试样的前面、侧面、后面进行激励的激励方法。这样示出了即使在荧光模式的情况下也能够从试样周围的多个方向简单地得到激励/观察图像的情形。

上述例示了“远离”试样照射荧光激励光的例子，但是还能够进行将照明用光源部IL1等紧贴试样进行照射的变形。这种情况是将照明用光源部作成较小、将两个照明用光源部紧贴例如小鼠腹部的左右侧进行照射等。贴合照射的优点是避免激励试样的不关注的位置，易于仅选择激励试样的要关注的部位(例如要关注的内脏)。如果对试样的大范围进行激励，则肯定会导致妨碍测量的试样的目标外荧光也被一起激励，因此上述激励法是重视避免上述情形的效果的激励法。在这种情况下，由于也在多个方向上进行观察，因此能够得到例如五个方向的“贴合激励荧光观察图像”。

贴合照射的缺点是照明用光源部遮挡住观察的像的一部分，但是这取决于是优先考虑“关注部位的选择激励的优点”还是“图像遮挡的缺点”的判断。可如贴合照射那样将照明用光源制作得非常小来进行应对贴合照射的缺点。

另外，图5A所示的光源中的用A表示的光源是白色LED，在拍摄试样的外观图像时点亮。在发光像或者荧光像的情况下，都事先在进行发光测量或荧光测量之前或者之后获取白色LED照明的图像以获知试样的哪个部分正在发光。在进行图像解析时，通过用将外观照明的数据叠加在发光图像或者荧光图像中的图来进行比较或者将外观照明的数据与发光图像或荧光图像并列比较，能够获知相应的位置相当于外观图的哪个部位。

以上所述的激励光源和外观照明光源虽然非常重要，但是只是与本发明一起使用的元件，并不是本发明的主要部分，因此仅在第一实施例的图中记录并进行了说明。关于以后的实施例，只要将同样的光源避开反射镜等而配置在试样周围需要的位置上即可，因此在以后的实施例中省略与光源有关的记述。

另外，观察方向与光源的照射方向是独立的，在以后的实施例中记述观察方向为两个方向、三个方向、四个方向以及五个方向的例子，但是照射方向和照射方向的个数与观察方向无关，例如能够在三个方向的照射下进行两个方向的观察、在四个方向的照射下进行三个方向的观察、在五个方向的照射下进行五个方向的观察等，能够自由地设计装置的结构。

(第二实施例)

使用图6说明将第一实施例中的五个方向测量中用于获得“从斜上方看到的像”的部件的两个凹面镜变更为平面镜的方式。代替用于获得“从斜上方看到的像”的凹面镜(图4A的M3和M4)，而通过配置在试样S的斜上方的平面镜M5和M6来分别形成虚像S3和S4。即，五个导光路中的两个斜上方的观察方向的导光路分别被替代为试样S→平面镜M5→透镜5以及试样S→平面镜M6→透镜5，其它三个方向的导光路与第一实施例相同。斜上方的观察方向的导光路的光路长由于在平面镜处反射，因此比从试样S直接到达透镜5的导光路的光路长稍长，因此利用平面镜M5和M6得到的各个虚像S3和S4与实像S1、S2以及试样S相比距透镜5稍远。虽然并不是如第一实施例那样的试样S以及实像S1、S2、S3、S4全部严格地形成在距透镜5等距离的位置处的理想条件，但是(S3、S4)与(S1、S、S2)之间的距离差非常小，从而即使不在斜上方的观察方向的导光路中放入辅助透镜，也处于在实际使用上能够允许的水平。即，平面镜M5和M6被配置成满足将各自的虚像S3和S4形成在透镜5的实质对焦范围内并使形成虚像S3和S4后的光线射向透镜5的方向的条件。

概括本实施例的成像，在0°方向上将试样S通过透镜5原样成像在CCD 4上。在斜上方的两个方向的导光路的中间不成像，而是将虚像S3、S4通过透镜5成像在CCD 4上。仅斜下方的两个观察方向的导光路在导光路的中间成像一次，并通过透镜5再次成像在CCD 4上。

这样，第二实施例是将通过凹面镜形成实像的方法和仅通过平面镜形成虚像的方法组合的折衷方式，由于形成“从斜上方看到的像”的虚像的方式的不良影响非常小，并且比正式的第一实施例要简单些，因此可以说是在实际使用上有利的方法。换言之，是仅在平面镜的虚像形成得非常远的斜下方的导光路上插入凹面镜来在导光路的中间成像的实施例。

另外，在本实施例中，形成在CCD 4上的像如图6B那样，与图4B相比两端的像S3和S4较小并且头和尾巴的方向相反。这种像的差别能够在最后通过适当的图像变换软件来调节像的顺序和朝向的变更、大小。例如，在图6E所示的CCD 4的图像获取电路20后级的图像变换部22中事先具备上述图像变换软件，在要显示到显示部24上时将图6B的图像变换成图6C那样。在该变换中，使S1(135°)和S2(205°)的像翻转180°，并且改变S3(60°)和S4(300°)的排列顺序，由此使小鼠的朝向一致，并且与观察角度的顺序一致。另外，将S3(60°)和S4(300°)左右翻转并且放大显示拍摄成较小的像的大小。

并且，利用凹面镜得到的像有时会发生如图6D的左图那样的变形。原本笔直的线通过凹面镜变形成曲线而被拍摄。但是，由于变形的大小已知，因此拍摄如图那样的格子，这样就能够实施变形校正使其形成为该图右侧的正确的直角图形。能够如下这样进行应对：事先将变形校正软件装入在上述图像变换部22中，在根据需要进行了变形校正之后，重新排列成图6C那样。此外，当然这种图像变换并不限于第二实施例，在所有的实施例中都能够实施。

(第三实施例)

使用图7A-7C说明表示如下例的实施例：不是针对试样的整个身体而是针对试样的一部分、例如作为试样的小鼠的头部(脑)从上下左右四个方向进行测量的反射镜的组合的例子。

在试样S的上部配置主成像透镜5和CCD 4的结构与之前的实施例相同，但是利用凹面镜M1接受试样S左侧面的像，使该像通过平面镜M3反射而射向透镜5。同样地，利用凹面镜M2接受试样S右侧面的像，使该像通过平面镜M4反射而射向透镜5。该方法就是使用图2记述的第二原理，试样S侧面方向的像S2、S3形成在试样S的两侧。

另一方面，试样下侧方向的光通过平面镜M6反射而射向凹面镜M5，其反射光再次通过平面镜M6向上反射而朝向透镜5的方向。图7C是为了说明该部分光的行进方式而准备的图。利用凹面镜M5将试样S的实像形成为相对于设置在试样小鼠的头前方的凹面镜M5的中心C5(C5是利用平面镜M6得到的像)呈点对称的S3。小鼠头部的下部关注点P的像通过平面镜M6的两次反射以及凹面镜M5形成为Q点，从而将该像作为试样的背侧像而能够从上面进行观察。该背侧方向的成像原理与在图3A、3B中说明的使用反射镜的第二原理的附记大致相同。不同点可以解释为是将图3A的平面镜M5和M6一体化而形成图7C的平面镜M6。如果如图3A那样将平面镜分割为两个，则能够自由地选择观察角，例如使正下方的180度方向朝向透镜5的方向，但是在图7C中通过平面镜的共用化使结构变得简单，相反地，使下侧的观察稍微变得倾斜。

这样，左、右、下的三个像以及正面(上侧)这四个像通过四个导光路被引导至主成像透镜，如图7B那样形成在CCD上。由于不拍摄试样S整体而仅拍摄一部分，因此能够缩小凹面镜和平面镜的大小。

关于成像次数，正面方向仅在CCD上成像一次，其它三个方向分别在各自的导光路中间成像一次、在CCD上成像一次总计两次。

(第四实施例)

使用图8A-8D说明能够通过改变摄像机与试样之间的距离来改变测量方向的个数的实施例。如图8A、8B、8C那样，如果将包括透镜5和CCD 4的摄像机10上下移动来改变试样S到透镜5的距离，则能够简单地选择5个方向、3个方向、1个方向这三种情况。

图8D是移动摄像机10的上下滑动机构12的例子，通常是使用直线导轨和驱动马达等实现的滑动机构。当使摄像机10靠近试样时，为了对焦而需要使透镜5伸出，这也是在普通的摄像机中通过手动或者自动进行的公知的手段。

或许认为只要能够进行5个方向的测量，就不需要特意地选择3个方向、1个方向，但是需要指出“使用光量的大小”与“方向数的大小”实际上是相对抗的。即，当摄像机10靠近试样时，从试样处看到的透镜5的立体角变大，因此与立体角成比例地能够将试样每单位面积的大量的光量引导至CCD 4。特别是在光量较弱的发光测量中，由于测量时间是1分钟或者5分钟的较长的时间，因此较为理想的是，根据情况通过靠近试样来在短时间内以较少的方向数进行测量。相反地，也存在由于发光较强而优选进行信息较多的多个方向测量的情况等，具体问题具体分析。因此，希望能够整体考虑要观察的试样的个数、所允许的测量时间等来选择“使用光量的大小”和“方向数的大小”。本实施例能够应对这种要求。

再次概括本实施例，将n设为整数，在主成像透镜5的对焦面内具备合计n+1个导光路，这n+1个导光路包括在试样的侧方方向上距试样S不同距离的位置处形成包括实像在内的n个像的n个导光路以及接受直接来自试样的光的导光路，以能够移动的方式支承主成像透镜5使得主成像透镜5与试样S之间的距离可变，通过改变主成像透镜5与试样S之间的距离，能够从(n+1)个和少于(n+1)的个数中选择同时进入主成像透镜5的视场的方向数。

本实施例可以说是具有作为本发明特征的、不需要在试样与摄像机之间配置辅助透镜等部件的优点并能够充分发挥摄像机的近摄功能的实施例之一。

图9是改变摄像机与试样之间的距离的不同实施例的说明图。是代替使摄像机移动的机构而事先在上部(用于3个方向)和下部(用于5个方向)设置试样的设定位置、通过选择使用哪个位置来选择摄像机与试样之间的距离的方法。在使用5个方向时，由于上侧的凹面镜M1′和M2′妨碍测量，因此设置伸缩机构来自动或者通过手动使凹面镜M1′和M2′移动至侧面以进行应对。

另外，作为另一个不同的变形例还有如下方法：作为改变观察视场的方法，可代替改变摄像机与试样之间的距离，而改变主成像透镜的焦距。作为改变主成像透镜的焦距的方法，有事先准备多个焦距不同的透镜作为主成像透镜并通过滑动或者安装/拆卸的方式更换透镜来阶梯式改变焦距的方法。另外，当然也可以使用可变焦距的透镜。作为可变焦距的透镜，可以移动或者安装/拆卸作为主成像透镜的结构的一部分的透镜，或者使用能够得到连续的可变焦距的所谓的变焦透镜。这种“通过将主成像透镜的焦距设为可变来改变观察方向数”的方式与上述的移动试样与摄像机之间的距离的方式相比，虽然不需要移动摄像机的如图8D那样的机构，但是相反主成像透镜侧的机构变得复杂从而费用增加。特别是具有以下缺点：一般很难得到非常亮的可变焦点透镜，即使能够得到，价格也会非常昂贵。

概括以上内容，试样与摄像机间距离可变方式和可变焦距方式各有优点和缺点，但是通过任一种方法选择观察视场来改变观察方向数是第四实施例的要点。

(第五实施例)

使用图10A、图10B说明能够对多个试样进行一个方向的观察和对一个试样进行多个方向的观察这两种测量方法进行切换的实施例。

图10A是目前为止所记述的对一个试样进行五个方向测量的使用法。试样S被载置在透明试样台14上。代替该透明试样台14，也可以使用如图10B那样的光遮断材质的试样台16。该试样台16遮断摄像机能够直接观察的方向以外的光线并且具有在试样台16上能够配置5只小鼠作为试样的大小。即，通过具备光遮断性试样台16能够对5只小鼠进行一个方向的并列测量。在这种情况下，由于不需要改变反射镜等光学系统，因此本实施例的意义在于仅更换试样部的试样台就能够简单地切换对多个试样进行一个方向的观察和对一个试样进行多个方向的观察。

虽然多个方向观察确实是所期望的，但是也有小鼠的观察部位已定而不需要特意观察背侧方向的实验。即，是针对相应停止多个方向观察而一次测量多个小鼠的情况所准备的使用方法。

不改变光学系统就能够进行该切换是试样S与透镜5之间的空间空闲这一反复强调的优点实现的效果。

(第六实施例)

图11A表示能够使凹面镜的曲率中心C1移动的实施例。是要利用如本发明的第一原理中反复记述的那样将试样与试样的实像形成为相对于凹面镜的曲率中心C1等点对称的技术。只要使曲率中心C1移动就能够改变试样与形成在试样旁边的像之间的距离。在图11A中使用凹面镜的曲率中心位置调整螺钉SC1、SC2来改变凹面镜的角度，从而改变曲率中心C1和C2的位置。在图11A中，曲率中心C1和C2位于试样附近，适于进行小试样的测量。当试样S变大时，如果仍按原样进行观察，则导致试样S与其像重叠，因此当使曲率中心C1和C2移动来远离试样时，如图11B那样像离开试样S。但是有可能移出摄像机的视场，因此此时根据需要使用摄像机的上下移动机构来使摄像机向上移动，只要使大试样的三个像成像在CCD 4上即可。这样，通过将移动摄像机来选择视场范围的功能和使凹面镜的曲率中心移动的功能组合，能够不受小鼠等试样大小的限制而自如地进行最有效的测量。

(第七实施例)

本实施例与第三实施例相同，是不拍摄整个试样而从四个方向同时拍摄例如小鼠头部的实施例。但是，与之前记述的实施例不同，是不利用来自试样S的直接的像的方式，使用图14进行说明。在图14中，在四个方向的各导光路的中间成像一次之后，将该像通过主透镜5引导至二维检测器，但是与之前的实施例的不同点在于不将小鼠横置，而是将小鼠竖起使小鼠的体轴朝向上部的主成像透镜5的方向。可以将小鼠事先竖起并通过合适的胶带粘贴在试样保持构件上，也可以是用细网将小鼠固定在试样保持构件上的方法。另外，如果将该图整体向右转动90度，则能够将小鼠如通常那样横向配置在试样保持构件上。

因而，本例的目的在于在小鼠的体轴方向上配置主成像透镜，并且同时拍摄体轴周围的多个方向。

并且，在图14中，在试样S的体轴周围四个方向上每隔90度配置凹面镜M1、M2、M3、M4。但是，在该图中，由于纸面方向是截面方向，因此仅显示了凹面镜M1和M3的截面，没有显示位于纸面的垂直方向的凹面镜M2和M4。即，凹面镜M2配置在纸面的前侧，凹面镜M4配置在纸面的背面侧。另外，平面镜M11、M12、M13、M14配置在试样的上部。此处也仅记载了平面镜M11和M13的截面，由于平面镜M12和M14在纸面的垂直方向上分开设置，因此图中没有记载。平面镜M12位于纸面的前侧，平面镜M14位于纸面的背面侧。四个平面镜M11、M12、M13、M14的形状都是三角形，四个三角形被配置成四角锥的形状(金字塔形)。其截面显示为图中的平面镜M11和M13。另外，用斜线表示位于纸面上的两个导光路G1、G3的截面。

从试样S的一点P发出的光被凹面镜M1反射并一次成像为Q点，进而被平面镜M11反射向透镜5，利用透镜5最终成像在CCD 4上。即，从试样S向凹面镜M1行进的大量光线在导光路G1(用斜线表示)的中间的平面镜M11附近进行中间成像之后，最终将作为试样S的小鼠头部的像成像在CCD 4的一部分上。从小鼠头部背侧(右侧)的一点H发出的光也同样地被凹面镜M3反射，在成像为平面镜M13附近的点I之后，再次延伸并朝向透镜5，通过透镜5成像为CCD 4上的一点。这样，从试样向凹面镜M3行进的大量光线在导光路G3的中间的平面镜M13附近进行中间成像之后，最终将小鼠头部的像成像在CCD 4的一部分上。导光路G2和G4(都未显示在图中)分别从试样S向纸面的前侧和背面侧发出光，被分别位于纸面的前侧和背面侧的凹面镜M2和M4反射，并被形成四角锥的平面镜M12、14反射，经由透镜5成像在CCD 4上。

这样，在体轴周围每隔90°配置的四个导光路的中间分别形成一次小鼠头部的四个方向的像之后，进一步利用透镜5再次成像在CCD 4上。

如所述的那样，在试样S直接朝向透镜的方向因被形成为锥体状的平面镜M11、M12、M13、M14遮挡而无法成像。

第七实施例的特征在于，通过将与体轴垂直的四个方向的像形成为相对于试样(小鼠)的体轴对称的光学系统来成像，并且不拍摄体轴方向的直接的像。

此外，在上述例子中，围绕体轴每隔90°进行分割，但是也可以增减分割数，例如设为每隔60°分割。在6个方向上围绕体轴的凹面镜的个数是6个，只要使覆盖试样S的小鼠头部的平面镜组合成六角锥即可。

最后，针对此前记述的实施例，将使用图17说明的导光路的类型和个数整理如下。

第一实施例(图4A)由一个类型1的导光路、四个类型2的导光路合计五个导光路构成。

第二实施例(图6A)由一个类型1的导光路、两个类型2的导光路、两个类型3的导光路合计五个导光路构成。

第三实施例(图7A)由一个类型1的导光路、三个类型2的导光路合计四个导光路构成。

在第四实施例的前半部分(图8A、图8B、图8C)中，具有如下结构：虽然准备了一个类型1的导光路、四个类型2的导光路合计五个导光路，但是通过选择主成像透镜的视场而从其中选择需要的导光路。

在第四实施例的后半部分(图9)中，具有如下结构：虽然准备了一个类型1的导光路、两个类型2的导光路、两个类型3的导光路合计五个导光路，但是通过选择试样位置来从其中选择使用五个或者三个导光路。

在第五实施例中，仅在选择多个方向时，使用一个类型1的导光路、四个类型2的导光路合计五个导光路。

第六实施例由一个类型1的导光路、两个类型2的导光路合计三个导光路构成。

第七实施例不包括类型1的导光路，仅由四个类型2的导光路构成。

上述实施例都存在如下情况：必须包括类型2的导光路，相反可以不包括类型1和类型3的导光路。

另外，在此前记述的第一至第七实施例中都仅对利用一个摄像机(将主成像透镜和二维检测器整体称为摄像机)的典型的情况进行了处理。但是，当然也能够将本发明扩展用于使用两个以上的摄像机的情况。例如能够使用由两个摄像机适当地分担在不同方向上准备的六个导光路所引导的各个图像来进行受光的方式。在这种情况下，考虑如下方式进行导光路的分配：例如第一摄像机分担三个导光路的图像进行受光，第二摄像机分担剩下的三个导光路的图像进行受光。各个摄像机对被指定的多个方向的图像同时进行受光，并成像在二维检测器的不同位置上。

另外，作为图1B的另一变形例，存在将第二摄像机追加配置在凹面镜M1和M2之间的间隙中来拍摄试样S正下方的像的情况。当将图1B原有的摄像机(主成像透镜5和二维检测器4)视为第一摄像机时，第一摄像机分担三个方向(上方、两个斜下方)，第二摄像机分担正下方，总计四个方向。在这种情况下，由于第二摄像机本身仅分担一个方向的图像，因此没有应用本发明，但是从装置整体来看，第一摄像机应用了本发明，同时对被指定的多个方向的导光路所引导的图像进行受光，并成像在二维检测器的不同位置处。

并且，即使在仅具有一个摄像机时，在图8A、图8B的实施例中也准备了五个导光路，但是除了对导光路内的五个导光路都进行受光的图8A的情况以外，还存在忽略两端的两个导光路而对三个导光路进行受光的图8B的情况，从所准备的所有导光路中选择指定的多个方向的导光路同时进行受光。根据以上所述的每个实施例，再次概括本发明的要点，存在在不同方向上准备的很多导光路，根据需要将通过该导光路的全部或者一部分(其中多个导光路)引导的多个方向的图像成像在二维检测器的不同位置上，并且多个导光路内的一个以上的导光路是图17所示的类型2的导光路。即，不仅最后在二维检测器上成像，而且在导光路的中间也进行成像。

Claims (23)

1.一种生物体图像摄像装置，其特征在于，具备：

试样保持构件，其载置生物体试样；

二维检测器，其检测从上述试样保持构件上的试样发出的光的像；

导光路，其存在于观察上述试样保持构件上的试样的多个方向上，并且导光路将从上述试样发出的上述多个方向中的每个方向上的像引向上述二维检测器；以及

主成像透镜，其配置在上述二维检测器与上述导光路之间，将被上述导光路引导的多个图像按上述多个方向中的每个方向成像在上述二维检测器上的不同位置处，

其中，上述导光路包括不接受直接来自试样的光的导光路，不接受直接来自试样的光的该导光路包括被配置成将试样的像形成在主成像透镜的实质对焦范围内并且使形成像之后的光线射向该主成像透镜的光学元件，并且至少一个导光路的上述光学元件是形成实像来作为上述像的光学元件，

由此，上述主成像透镜将经由上述导光路的图像一并成像在二维检测器上；

其中，上述实质对焦范围是上述主成像透镜的焦点前后的正负δL范围，δL＝(L/D)δY，L是上述主成像透镜与上述实像之间的距离，D是上述主成像透镜的有效直径，δY是模糊量。

2.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

上述导光路除了包括不接受直接来自试样的光的导光路以外，还包括接受直接来自试样的光的导光路。

3.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

不接受直接来自试样的光的所有导光路都包括形成实像来作为上述像的光学元件。

4.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

作为用于将试样的实像形成在上述主成像透镜的实质对焦范围内的光学元件包括凹面镜。

5.根据权利要求4所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

包括上述凹面镜的导光路中的至少一个导光路还包括平面镜，通过凹面镜和平面镜将试样的实像形成在主成像透镜的实质对焦范围内。

6.根据权利要求4所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

包括接受直接来自试样的光的导光路和一个或者两个具有上述凹面镜而在试样旁边形成实像的导光路，

上述主成像透镜通过将试样和形成在试样旁边的实像形成在二维检测器上来同时观察两个方向或者三个方向。

7.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将五个导光路如下配置：在从试样处看而将主成像透镜和二维检测器的方向定义为正上方时，将来自试样的直接观察到的像形成在二维检测器的中央，将试样斜下两个方向的像形成在中央的像的两侧，将试样斜上两个方向的像形成在该斜下两个方向的像的更外侧的两侧，由此能够在二维检测器上获取合计五个观察方向的像。

8.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将四个导光路如下配置：在从试样处看而将主成像透镜和二维检测器的方向定义为正上方时，将来自试样的直接观察到的像形成在二维检测器的中央，将试样旁侧两个方向的像形成在中央的像的两侧，将试样下侧的像形成在与该旁侧两个方向的像垂直的方向附近，由此能够在二维检测器上获取上下左右、合计四个观察方向的像。

9.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将n设为整数，在主成像透镜的对焦面内，具备由在试样的侧方方向上距试样不同距离的位置处形成像的不接受直接来自试样的光的n个导光路以及接受直接来自试样的光的导光路构成的合计(n+1)个导光路，

以能够移动的方式支承主成像透镜或者试样，使得主成像透镜与试样之间的距离可变，

通过改变或者选择主成像透镜与试样之间的距离，能够从(n+1)个和少于(n+1)个的个数中选择同时进入主成像透镜的视场的方向数。

10.根据权利要求9所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

具备四个导光路使得在包含载置有试样的面的平面内的一条直线上在试样的两侧各形成一个像并且在该两侧的更外侧再各形成一个像，合计形成四个像，

通过改变主成像透镜与试样之间的距离，能够从五个方向、三个方向以及一个方向这三种方向数中选择两种以上同时进行观察的方向数。

11.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

具备多个导光路以在试样的侧方形成多个实像，

以能够安装和拆卸的方式具备光遮断性试样台和光透过性试样台作为上述试样保持构件的试样台，该遮断性试样台能够阻碍形成所有的实像并且具有能够配置多个试样的大小，

能够对如下两种测量方法进行切换：在配置了光遮断性试样台时对多个试样进行一个方向的观察；在配置了光透过性试样台时对一个试样进行多个方向的观察。

12.根据权利要求4所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

至少一个包括凹面镜的导光路具备调节机构，该调节机构能够以机械方式移动上述凹面镜的曲率中心的位置，使得能够移动要形成的实像的位置。

13.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

至少一个不接受直接来自试样的光的导光路仅包括平面镜来形成虚像作为上述的像。

14.根据权利要求13所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

其它不接受直接来自试样的光的导光路包括凹面镜来作为用于将试样的实像形成在上述主成像透镜的实质对焦范围内的光学元件。

15.根据权利要求14所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

包括上述凹面镜的导光路中的至少一个导光路还包括平面镜，通过凹面镜和平面镜来将试样的实像形成在主成像透镜的实质对焦范围内。

16.根据权利要求13所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将五个导光路如下配置：在从试样处看而将主成像透镜和二维检测器的方向定义为正上方时，将来自试样的直接观察到的像形成在二维检测器的中央，将试样斜下两个方向的像形成在中央的像的两侧，将试样斜上两个方向的像形成在该斜下两个方向的像的更外侧的两侧，由此能够在二维检测器上获取合计五个观察方向的像。

17.根据权利要求13所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将四个导光路如下配置：在从试样处看而将主成像透镜和二维检测器的方向定义为正上方时，将来自试样的直接观察到的像形成在中央，将试样旁侧两个方向的像形成在中央的像的两侧，将试样下侧的像形成在与该旁侧两个方向的像垂直的方向附近，由此能够在二维检测器上获取上下左右、合计四个观察方向的像。

18.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

将n设为整数，在主成像透镜的对焦面内，具备由在试样的侧方方向上距试样不同距离的位置处形成像的不接受直接来自试样的光的n个导光路以及接受直接来自试样的光的导光路构成的合计(n+1)个导光路，

通过改变主成像透镜的焦距，能够从(n+1)个和少于(n+1)个的个数中选择同时进入主成像透镜的视场的方向数。

19.根据权利要求18所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

具备四个导光路使得在包含载置有试样的面的平面内的一条直线上在试样的两侧各形成一个像并且在该两侧的更外侧再各形成一个像，合计四个像，

通过改变主成像透镜的焦距，能够从五个方向、三个方向以及一个方向这三种方向数中选择两种以上同时进行观察的方向数。

20.根据权利要求14所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

至少一个包括凹面镜的导光路具备调节机构，该调节机构能够以机械方式移动上述凹面镜的曲率中心的位置，使得能够移动要形成的实像的位置。

21.根据权利要求1所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

仅包括具备凹面镜和平面镜且不接受直接来自试样的光的导光路作为上述导光路。

22.根据权利要求1至21中的任一项所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

还具备激励光源和滤波器，该激励光源以用于产生荧光的激励光照射试样，该滤波器配置在试样与主成像透镜之间，去除上述激励光源的波长成分。

23.根据权利要求1至21中的任一项所述的生物体图像摄像装置，其特征在于，

具备显示部和图像变换单元，该显示部显示所获取的多个方向的各图像，该图像变换单元针对要在上述显示部显示的上述各图像，进行如下操作中的任一个以上的操作：显示的顺序和朝向的变更、翻转、旋转、大小的调节以及变形校正。

Images