CN109643012B

CN109643012B - 观察装置

Info

Publication number: CN109643012B
Application number: CN201680088537.5A
Authority: CN
Inventors: 平田唯史
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Yijingtong Co ltd
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2036-09-06
Also published as: DE112016007200T5; JPWO2018047239A1; US11150456B2; US20190187451A1; JP6728368B2; CN109643012A; WO2018047239A1

Abstract

本发明以不使装置大型化而对试样高效地进行照明从而通过偏射照明对试样立体且高精细地进行观察为目的，本发明的观察装置(1)具有：光源部(5)，其从载置于容器(2)的底面(2b)的试样(X)的下方朝向上方射出照明光；以及摄影光学系统(6)，其在试样(X)的下方，拍摄来自光源部(5)的照明光在试样(X)的上方被反射而透过试样(X)的透过光，光源部(5)具有：产生照明光的LED光源(7)；会聚透镜(8)，其与容器(2)的底面(2b)平行地配置，会聚来自LED光源(7)的照明光；以及扩散板(9)，其与底面(2b)平行地配置在会聚透镜(8)与容器(2)的底面(2b)之间，并使由会聚透镜(8)会聚的照明光扩散，LED光源(7)被配置为，光轴相比会聚透镜(8)的光轴向离开所述摄影光学系统(6)的方向偏移。

Description

观察装置

技术领域

本发明涉及观察装置。

背景技术

以往，作为观察细胞等被摄体而不进行标记的装置，公知有使用相位差观察法和微分干涉观察法的观察装置(例如参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7-261089号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，专利文献1的观察装置需要隔着被摄体来配置摄影光学系统和照明光学系统，存在装置大型化、复杂化这样的不良情况。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供不会使装置大型化而能够对细胞等试样高效地进行照明从而通过偏射照明对试样立体且高精细地进行观察的观察装置。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下手段。

本发明的一个方式是一种观察装置，其具有：光源部，其从载置于试样载置面的试样的下方朝向上方射出照明光；以及摄影光学系统，其在所述试样的下方，拍摄从该光源部射出的照明光在所述试样的上方被反射而透过所述试样的透过光，所述光源部具有：产生所述照明光的光源；会聚透镜，该会聚透镜与所述试样载置面平行地配置，并使从所述光源发出的所述照明光会聚；扩散板，其与该试样载置面平行地配置在该会聚透镜与所述试样载置面之间，并使由所述会聚透镜会聚的所述照明光扩散，所述光源被配置为，光轴相比所述会聚透镜的光轴向离开所述摄影光学系统的方向偏移。

根据本方式，通过将光源被配置为，光轴相比会聚透镜的光轴向离开摄影光学系统的方向偏移，由此，从光源发出的照明光在经由会聚透镜而由扩散板均匀地扩散并在试样的上方被反射之后，透过试样而带角度地入射到摄影光学系统。

因此，能够以可立体地观察到试样的偏射照明的角度高效地进行照明。此外，分别各配置1片会聚透镜和扩散板即可，能够抑制产生光量的不均。并且，通过相互平行地配置试样载置面、会聚透镜和扩散板，能够减薄装置的厚度。由此，不使装置大型化而能够对试样高效地进行照明，从而通过偏射照明对试样立体且高精细地进行观察。

在上述方式中，也可以是，所述光源被配置成，所述光源的所述光轴向所述摄影光学系统侧倾斜。

通过这样地构成，照明光从光源向摄影光学系统侧的射出变得更强，能够抑制照明光的损失，从而提高照明效率。

在上述方式中，也可以是，所述会聚透镜为菲涅耳透镜。

通过采用菲涅耳透镜作为会聚透镜，能够减薄光源部整体的厚度。

在上述方式中，也可以是，所述扩散板与所述菲涅耳透镜形成为一体。

通过这样地构成，能够将光源部整体的厚度减薄使得扩散板与菲涅耳透镜在光轴方向上不分开的量。

在上述方式中，也可以是，从所述扩散板射出的所述照明光的角度分布满足以下的条件。

θmin/NA<0.5

θmax/NA>2.0

其中，NA是物镜光学系统的数值孔径，θmin是由所述扩散板扩散后的照明光中强度为峰值强度的一半以上的照明光相对于所述物镜光学系统的光轴的角度的最小值，θmax是由所述扩散板扩散后的照明光中强度为峰值强度的一半以上的照明光相对于所述物镜光学系统的光轴的角度的最大值。

通过这样地构成，能够以适合摄影光学系统的偏射照明的角度高效地射出照明光，从而能够难以产生照明不均。

在上述方式中，也可以是，在设以所述会聚透镜的光轴为基准的所述光源的发光区域的中心位置为ΔY、物镜光学系统的数值孔径为NA、所述会聚透镜的焦距为FI的情况下，满足以下的条件。

0.5<ΔY/(NA×FI)<1.5

在上述方式中，也可以是，所述光源为LED。

通过这样地构成，能够对光源进行点亮控制。

用于解决课题的手段

发明效果

根据本发明，发挥不使装置大型化而能够对细胞等试样高效地进行照明从而通过偏射照明对试样立体且高精细地进行观察的效果。

附图说明

图1是示出本发明第1实施方式的观察装置的纵剖视图。

图2是图1的物镜光学系统中的照明光在每个通过位置上的轨迹的一例的图。

图3是示出通过偏射照明立体地观察到的试样的一例的图。

图4是示出本发明第2实施方式的观察装置的纵剖视图。

图5是在沿着会聚透镜的光轴的方向上观察到的内缘部的形状为长方形的照明掩膜的俯视图。

图6A是示出容器的顶板的高度较高的情况下的物镜光学系统的光瞳面上的照明光的光束的一例的图。

图6B是示出容器的顶板的高度较低的情况下的物镜光学系统的光瞳面上的照明光的光束的一例的图。

图7是在沿着会聚透镜的光轴的方向上观察到的内缘部的形状为梯形的照明掩膜的俯视图。

图8是示出照明掩膜的内缘部的形状是物镜光学系统侧作为短边的梯形的情况下的物镜光学系统的光瞳面上的照明光的光束的图。

图9是示出从图4的观察装置的扩散板射出的照明光的扩散分布的一例的图。

图10是示出由扩散板扩散的照明光中强度为峰值强度的一半以上的照明光的强度与相对于物镜光学系统的光轴的角度之间的关系的曲线图。

图11是示出从扩散板发散地射出照明光的情形的图。

图12是示出从扩散板平行地射出照明光的情形的图。

图13是示出从扩散板收敛地射出照明光的情形的图。

图14是示出本发明第2实施方式的第1变形例的观察装置的LED光源在水平方向上移动的情形的图。

图15是示出本发明第2实施方式的第2变形例的观察装置的LED光源改变倾斜角的情形的图。

图16是示出扩散板上的光强度的分布与照明光的强度的关系的曲线图。

图17是示出物镜光学系统的光瞳面上的照明光的光束的一例的图。

图18是示出本发明第3实施方式的观察装置的纵剖视图。

图19是图18的观察装置的菲涅耳透镜周边的放大图。

具体实施方式

〔第1实施方式〕

下面，参照附图对本发明的第1实施方式的观察装置1进行说明。

如图1所示，本实施方式的观察装置1具有：工作台3，其载置收纳有试样X的容器2；摄影光学系统6，其具有配置在工作台3的下方并使从上方透过工作台3而来的光会聚的物镜光学系统4，对透过试样X并由物镜光学系统4会聚的光进行拍摄；以及光源部5，其配置在物镜光学系统4的径向外方，透过工作台3而向上方射出照明光。

在工作台3上设置有以覆盖物镜光学系统4和光源部5的上方的方式水平地配置的光学上透明的材质、例如玻璃板3a。

容器2例如是具有对光进行反射的顶板2a和载置试样X的底面(试样载置面)2b的细胞培养烧瓶，容器2整体由光学上透明的树脂构成。该容器2的顶板2a与底面2b相互平行，在载置于工作台3的玻璃板3a上的状态下，水平地配置这些顶板2a和底面2b。

光源部5具有：产生照明光的LED光源7；会聚透镜8，其使从LED光源7发出的照明光会聚；以及扩散板9，其使由会聚透镜8会聚的照明光扩散。这些会聚透镜8和扩散板9在沿着光轴的方向上隔开间隔，分别与容器2的底面2b平行地配置。

LED光源7被配置为，光轴与会聚透镜8的光轴平行，且LED光源7的光轴相比会聚透镜8的光轴向离开物镜光学系统4的方向偏移。由此，从LED光源7入射到会聚透镜8的照明光由会聚透镜8向物镜光学系统4侧倾斜地射出。

LED光源7的位置例如优选配置成满足条件式(1)。

0.5<ΔY/(NA×FI)<1.5……(1)

并且，LED光源7的位置更优选满足条件式(1′)。

ΔY＝NA×FI……(1′)

其中，ΔY是以会聚透镜8的光轴为基准的LED光源7的发光区域的中心位置，NA是物镜光学系统4的数值孔径，FI是会聚透镜8的焦距。

从扩散板9射出的照明光具有角度分布。这样，在物镜光学系统4的光瞳面上，照明光的光束不是点而成为面，能够提高针对容器2的顶板2a的角度偏差的鲁棒性。在扩散板9上设置有照明掩膜11，该照明掩膜11限制使来自LED光源7的照明光射出的射出区域。

除了物镜光学系统4以外，摄影光学系统6还具有：摄像元件12，其对由物镜光学系统4会聚的透过光进行拍摄；处理器(省略图示)等，它们根据由摄像元件12拍摄出的透过光的信息生成图像。

物镜光学系统4具有：前端透镜13，其配置于前端；基端透镜14，其在沿着光轴的方向上与前端透镜13隔开间隔地配置在基端侧；光瞳(明亮度光圈)15，其配置在前端透镜13与基端透镜14之间的光轴上；以及框16，其收纳这些部件。

下面，说明这样构成的本实施方式的观察装置1的作用。

根据本实施方式的观察装置1，在观察如收纳于容器2中的细胞那样透明的试样X的情况下，如图1所示，在将试样X收纳于容器2内并粘接于底面2b的状态下，将容器2以使底面2b成为下侧的方式载置在工作台3的玻璃板3a上。

在该状态下，使LED光源7动作而产生照明光。在该情况下，将LED光源7配置为，光轴相比会聚透镜8的光轴向离开所述摄影光学系统6的方向上偏移，由此，使从LED光源7发出的照明光由会聚透镜8会聚并向物镜光学系统4侧倾斜地射出。然后，从会聚透镜8射出的照明光由扩散板9均匀地扩散而从下向上透过玻璃板3a和容器2的底面2b，在试样X的上方，在容器2的顶板2a内表面处被反射而倾斜地从上方照射到试样X。

照射到试样X的照明光中的、透过试样X的透过光从上向下透过容器2的底面2b和玻璃板3a，以与光轴成角度的方式倾斜地入射到物镜光学系统4。这时，照明光由于试样X的形状、折射率而折射、散射，或者，由于试样X的透射率而减光，由此，成为携带有试样X的信息的透过光而被物镜光学系统4会聚，被摄像元件12拍摄。

这里，在物镜光学系统4内，要在光瞳15的外侧通过的透过光被遮挡。如图2所示，在物镜光学系统4中的照明光的入射角与物镜光学系统4的纳入角(取り込み角)相等的情况下，未通过试样X的照明光L1、L5在光瞳15的边缘部15a附近通过，并到达像面12a。此外，通过试样X的左端后的照明光L2在试样X处进行折射而到达光瞳15的外侧，未到达像面12a。此外，通过试样X的中央附近后的照明光L3和通过试样X的右侧后的照明光L4在试样X处进行折射，通过光瞳15的边缘部15a的内侧而到达像面12a。其结果，如图3所示，试样X上带有影而可立体地观察到。

因此，根据本实施方式的观察装置1，能够以可立体地观察到试样X的偏射照明的角度高效地进行照明，能够抑制产生照明不均。特别是，通过满足条件式(1)、更优选满足(1′)，能够以更加适合的偏射照明的角度对试样X进行照明。此外，通过相互平行地配置载置有试样X的底面2b、会聚透镜8和扩散板9，能够减薄装置的厚度。由此，不使装置大型化而能够对试样X高效地进行照明，从而通过偏射照明对试样立体且高精细地进行观察X。此外，部件个数较少，能够削减成本。

另外，在LED光源7的位置不满足条件式(1)，(1′)的情况下，入射到扩散板9的照明光的角度大幅偏离偏射照明的条件。在不满足条件式(1)，(1′)的情况下，为了使从扩散板9射出的照明光满足偏射照明的条件，必须使用扩散角较大的扩散板9来增大来自扩散板9的射出光的角度分布，照明效率下降。

〔第2实施方式〕

接着，下面，参照附图来说明本发明第2实施方式的观察装置。

如图4所示，本实施方式的观察装置21在以下方面与第1实施方式不同：LED光源7配置成使其光轴向摄影光学系统6侧倾斜。

在本实施方式的说明中，对结构与上述的第1实施方式的观察装置1相同的部位标注同一标号并省略说明。

除了使光轴倾斜地配置有LED光源7这方面以外，本实施方式的观察装置21的基本结构都与第1实施方式的观察装置1相同。

通过向摄影光学系统6侧倾斜地配置LED光源7的光轴，照明光从LED光源7向摄影光学系统6侧的射出变得更强，能够抑制照明光的损失而提高照明效率。

其中，对本实施方式的观察装置21的照明掩膜11的形状进行说明。

例如，如图5所示，照明掩膜11的使照明光通过的内缘部11a的形状优选为长方形。

这样，试样X中的透过光的光线的折射与物镜光学系统4的光瞳面上的照明光的光束的偏移成比例。此外，在照明掩膜11的内缘部11a的形状为圆形的情况下，像面上的明亮度变化(与光瞳内的照明光的光束的面积成比例)不成为线性，与此相对，通过使照明掩膜11的内缘部11a的形状成为长方形，像面上的明亮度变化接近线性。此外，通过使照明掩膜11的内缘部11a的形状成为长方形，能够应对各种各样的高度的容器2。

图6A示出容器2的顶板2a的高度较高的情况下的物镜光学系统4的光瞳面上的照明光的光束W，图6B示出容器2的顶板2a的高度较低的情况下的物镜光学系统4的光瞳面上的照明光的光束W。

并且，如图7所示，照明掩膜11的内缘部11a的形状更优选为物镜光学系统4侧作为短边的梯形。这样，试样X中的透过光的光线的折射与物镜光学系统4的光瞳面上的照明光的光束的偏移成比例。此外，相比照明掩膜11的内缘部11a的形状为长方形的情况，像面上的明亮度变化更大，能够提高对比度。

图8示出使用内缘部11a的形状是物镜光学系统4侧作为短边的梯形的照明掩膜11的情况下的物镜光学系统4的光瞳面上的照明光的光束W。

接着，对本实施方式的观察装置21的扩散特性进行说明。

如图9和图10所示，从扩散板9射出的照明光的角度分布优选满足条件式(2)、(3)。

θmin/NA<0.5……(2)

θmax/NA>2……(3)

其中，NA是物镜光学系统4的数值孔径，θmin是由扩散板9扩散后的照明光中强度为峰值强度的一半以上的照明光相对于物镜光学系统4的光轴的角度的最小值，θmax是由扩散板9扩散后的照明光中强度为峰值强度的一半以上的照明光相对于物镜光学系统4的光轴的角度的最大值。

通过使从扩散板9射出的照明光的角度分布满足条件式(2)、(3)，能够以最佳的偏射照明的角度对试样X高效地照射照明光，从而能够抑制产生照明不均。此外，部件个数较少，能够削减成本。并且，能够提高针对容器2的形状误差的鲁棒性。

另外，在从扩散板9射出的照明光的角度分布不满足条件式(2)、(3)的情况下，在容器2的顶板2a由于形状误差而倾斜时，照明光偏离偏射照明的条件，对比度和照明效率下降。

接着，对LED光源7和会聚透镜8在高度方向上的位置进行说明。

LED光源7相对于会聚透镜8的高度需要满足条件式(5)。

－0.5<ΔZ/FI<0.5……(5)

其中，ΔZ是LED光源7的高度相对于会聚透镜8的焦点面的偏移，FI是会聚透镜8的焦距。

在扩散板9中，ΔZ为正的情况下，如图11所示，照明光进行发散，在ΔZ＝0的情况下，如图12所示，照明光成为平行，在ΔZ为负的情况下，如图13所示，照明光进行收敛。

在LED光源7相对于会聚透镜8的高度满足条件式(5)时，由扩散板9扩散的照明光的角度特性在扩散板9的各位置处相等。因此，即使使用扩散板9的扩散量较小的扩散板，也能够实现满足上述条件式(2)、(3)的照明光，能够提高照明效率。

另一方面，在LED光源7相对于会聚透镜8的高度不满足条件式(5)的情况下，由扩散板9扩散后的照明光的散射角根据扩散板9的位置而大幅不同，在对试样X进行观察时产生明亮度不均。为了抑制该不良情况，必须采用扩散量较大的扩散板9，照明效率下降。

本实施方式能够如下变形。

作为第1变形例，例如，如图14所示，也可以具有使LED光源7在水平方向上移动的驱动机构(照明系统驱动机构、省略图示)。在图14中，ΔY表示LED光源7的移动量。

通过利用驱动机构使LED光源7在水平方向上移动，能够变更从扩散板9射出的照明光的射出角。因此，能够与物镜光学系统4的NA、容器2的顶板2a的倾斜相结合地将从扩散板9射出的照明光的射出角设定为效率较好的角度。

作为第2变形例，例如，如图15所示，也可以具有变更LED光源7的倾斜角的驱动机构(照明系统驱动机构、省略图示)。这样，如图16所示，能够改变扩散板9上的光强度分布。由此，如图17所示，物镜光学系统4的光瞳面中的照明光的像在光轴侧变弱，在光瞳端侧变强，能够提高试样X的像的对比度。

〔第3实施方式〕

接着，下面，参照附图来说明本发明第3实施方式的观察装置。

如图18所示，本实施方式的观察装置31在以下方面与第1实施方式不同：替代会聚透镜8和扩散板9，采用带扩散功能的菲涅耳透镜32作为会聚透镜和扩散板。

在本实施方式的说明中，对结构与上述的第1实施方式的观察装置1和第2实施方式的观察装置21相同的部位标注同一标号并省略说明。

如图19所示，带扩散功能的菲涅耳透镜32在LED光源7侧具有菲涅耳透镜面32a，在试样X侧具有扩散面(磨砂等)32b。

从菲涅耳透镜32的扩散面32b射出的照明光具有角度分布。由此，在物镜光学系统4的光瞳面上，照明光的光束不是点而成为面，能够提高针对容器2的顶板2a的角度偏差的鲁棒性。在扩散面32b上设置有照明掩膜11，该照明掩膜11限制使来自LED光源7的照明光射出的射出区域。

LED光源7被配置为，光轴朝向摄影光学系统6侧倾斜，且该光轴相比会聚透镜8的光轴向离开物镜光学系统4的方向偏移。LED光源7的位置优选满足上述条件式(1)。

根据本实施方式的观察装置31，通过采用菲涅耳透镜32作为会聚透镜，能够减薄光源部5整体的厚度。并且，通过使扩散板与菲涅耳透镜32形成为一体，能够将光源部5整体的厚度减薄使得扩散板与菲涅耳透镜32在光轴方向上不分开的量。另外，LED光源7的位置不满足上述条件式(1)时的不良情况与在第1实施方式中不满足上述条件式(1)的情况相同。

在本实施方式中，与第2实施方式的第1变形例同样，可以采用使LED光源7在水平方向上移动的驱动机构，也可以与第2实施方式的第2变形例同样，采用变更LED光源7的倾斜角的驱动机构。在这样的情况下，也能够获得与第2实施方式的第1变形例和第2变形例相同的效果。

以上，参照附图对本发明的实施方式进行了具体说明，但是具体结构不限于该实施方式，还包含不脱离本发明主旨范围的设计变更等。例如，不限于将本发明应用于上述各实施方式和变形例，还可以应用于适当组合了这些实施方式和变形例而得的实施方式，没有特别限定。此外，例如，作为光源，例示出LED光源7进行说明，但不限定于此，例如，也可以采用有机EL这样的面光源。

此外，例如，在上述各实施方式中，将试样X收纳在细胞培养烧瓶这样的、具有顶板2a的容器2内，在容器2的顶板2a的内表面使照明光进行菲涅耳反射，但不限定于此。例如，作为容器，也可以在不具有顶板2a的培养皿(无盖)那样的容器中收纳有试样X的情况下，在封闭培养皿的上部开口的位置处配置反射镜这样的反射部件，利用该反射部件的一个表面对从下向上透过培养皿的底面的照明光进行反射。反射部件还可以设置成能够通过直动或者通过摆动在试样X的上方位置上插拔。

此外，作为容器，也可以在不具有顶板2a的培养皿(无盖)那样的容器中收纳有试样X的情况下，在培养皿内加入溶液(例如，培养基、磷酸缓冲液等)并将试样X浸入到溶液内，利用溶液上方的液面对从下向上透过培养皿的底面的照明光进行反射。也可以在具有顶板2a的容器2中收纳有试样X的情况下，在容器2内加入溶液(例如，培养基、磷酸缓冲液等)并将试样X浸入到溶液内。在这些变形例中，替代容器2的顶板2a的高度，将反射部件的一个表面的高度、溶液上方的液面的高度应用于上述的各条件式即可。

标号说明

1、21、31：观察装置；2：容器；2a：顶板；5：光源部；6：摄影光学系统；7：LED光源；8：会聚透镜；9：扩散板；32：菲涅耳透镜；X：试样。

Claims

1.一种观察装置，其具有：

工作台，其载置收纳试样的容器；

光源部，其从载置于试样载置面的试样的下方朝向上方射出照明光；以及

摄影光学系统，其在所述试样的下方，所述摄影光学系统具有使从上方透过工作台而来的光会聚的物镜光学系统，所述摄影光学系统拍摄从该光源部射出的照明光在所述试样的上方被反射而透过所述试样并被所述物镜光学系统会聚后的透过光，

所述光源部具有：产生所述照明光的光源；会聚透镜，该会聚透镜与所述试样载置面平行地配置，并使从所述光源发出的所述照明光会聚；以及扩散板，其与该试样载置面平行地配置在该会聚透镜与所述试样载置面之间，并使由所述会聚透镜会聚的所述照明光扩散，

所述光源被配置为，光轴相比所述会聚透镜的光轴向离开所述摄影光学系统的方向偏移。

2.根据权利要求1所述的观察装置，其中，

所述光源被配置成，所述光源的所述光轴向所述摄影光学系统侧倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的观察装置，其中，

所述会聚透镜为菲涅耳透镜。

4.根据权利要求3所述的观察装置，其中，

所述扩散板与所述菲涅耳透镜形成为一体。

5.根据权利要求1、2、4中的任意一项所述的观察装置，其中，

从所述扩散板射出的所述照明光的角度分布满足以下的条件，

θmin/NA<0.5

θmax/NA>2.0

6.根据权利要求3所述的观察装置，其中，

θmin/NA<0.5

θmax/NA>2.0

7.根据权利要求1所述的观察装置，其中，

在设以所述会聚透镜的光轴为基准的所述光源的发光区域的中心位置为ΔY、物镜光学系统的数值孔径为NA、所述会聚透镜的焦距为FI的情况下，满足以下的条件，

0.5<ΔY/(NA×FI)<1.5。

8.根据权利要求1、2、4、6、7中的任意一项所述的观察装置，其中，

所述光源为LED。

9.根据权利要求3所述的观察装置，其中，

所述光源为LED。

10.根据权利要求5所述的观察装置，其中，

所述光源为LED。