DE112016007200T5

DE112016007200T5 - Beobachtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112016007200T5
Application number: DE112016007200.7T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hirata
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109643012A; US20190187451A1; JPWO2018047239A1; JP6728368B2; CN109643012B; WO2018047239A1; US11150456B2

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Probe effizient zu beleuchten und die Probe stereoskopisch und hochpräzise durch schräge Beleuchtung zu beobachten, ohne dass die Vorrichtung größer gemacht werden muss. Eine Beobachtungsvorrichtung (1) gemäß der vorliegenden Erfindung ist ausgestattet mit: einem Lichtquellenabschnitt (5), der Beleuchtungslicht in einer Richtung nach oben von unterhalb einer auf einer Bodenfläche (2b) eines Behälters (2) platzierten Probe (X) emittiert; und ein optisches Abbildungssystem (6), welches unterhalb der Probe (X) transmittiertes Licht aufnimmt, welches das Beleuchtungslicht ist, das von dem Lichtquellenabschnitt (5) emittiert, über der Probe (X) reflektiert und durch die Probe (X) transmittiert wurde, wobei der Lichtquellenabschnitt (5) ausgestattet ist mit: einer LED-Lichtquelle (7), welche das Beleuchtungslicht erzeugt; einer Sammellinse (8), welche parallel zu der Bodenfläche (2b) des Behälters (2) angeordnet ist und das Beleuchtungslicht von der LED-Lichtquelle (7) sammelt; und eine Streuscheibe (9), welche zwischen der Sammellinse (8) und der Bodenfläche (2b) des Behälters (2) parallel zu der Bodenfläche (2b) angeordnet ist und die das von der Sammellinse (8) gesammelte Beleuchtungslicht streut, und wobei die LED-Lichtquelle (7) derart angeordnet ist, dass eine optische Achse davon von einer optischen Achse der Sammellinse (8) in einer Richtung weg von dem Abbildungssystem (6) verschoben ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Beobachtungsvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Aus dem Stand der Technik ist als eine Vorrichtung zur markierungsfreien Beobachtung eines Abbildungsobjekts, wie Zellen, eine Beobachtungsvorrichtung bekannt, welche ein Phasendifferenz-Beobachtungsverfahren oder ein differenzielles Interferenz-Beobachtungsverfahren anwendet (siehe z. B. Patentliteratur 1).
Zitierliste
Patentliteratur
PTL1 Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP H07-261089
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Allerdings muss in der Beobachtungsvorrichtung in Patentliteratur 1 ein Abbildungsobjekt zwischen einem optischen Abbildungssystem und einem optischen Beleuchtungssystem angeordnet sein, und daher tritt das Problem auf, dass die Vorrichtung größer und komplizierter aufgebaut ist.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Probleme entwickelt, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beobachtungsvorrichtung anzugeben, mit welcher es möglich ist, eine Probe, wie Zellen, effizient zu beleuchten, und die Probe mithilfe einer schrägen Beleuchtung stereoskopisch und hochpräzise zu beobachten, ohne dass die Vorrichtung größer gemacht werden muss.
Problemlösung
Um die vorstehende Aufgabe der Erfindung umzusetzen, sieht die vorliegende Erfindung die folgenden Lösungen vor.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beobachtungsvorrichtung, ausgestattet mit: einen Lichtquellenabschnitt, welcher Beleuchtungslicht in einer Richtung nach oben von unterhalb einer auf einer Probenauflagefläche platzierten Probe emittiert; und ein optisches Abbildungssystem, welches unterhalb der Probe transmittiertes Licht aufnimmt, welches das Beleuchtungslicht ist, das von dem Lichtquellenabschnitt emittiert, oberhalb der Probe reflektiert und durch die Probe transmittiert wurde, wobei der Lichtquellenabschnitt ausgestattet ist mit: einer Lichtquelle, die das Beleuchtungslicht erzeugt; einer Sammellinse, die parallel zu der Probenauflagefläche angeordnet ist und die das von der Lichtquelle emittierte Beleuchtungslicht sammelt; und einer Streuscheibe, die zwischen der Sammellinse und der Probenauflagefläche parallel zu der Probenauflagefläche angeordnet ist und die das von der Sammellinse gesammelte Beleuchtungslicht streut, und wobei die Lichtquelle so angeordnet ist, dass eine optische Achse davon von einer optischen Achse der Sammellinse in einer Richtung weg von dem optischen Abbildungssystem verschoben ist.
Bei diesem Aspekt wird, indem die Lichtquelle derart positioniert wird, dass die optische Achse der Lichtquelle von der optischen Achse der Sammellinse in der Richtung weg von dem optischen Abbildungssystem verschoben ist, das von der Lichtquelle mittels der Sammellinse emittierte Beleuchtungslicht durch die Streuscheibe gleichmäßig gestreut, und nach der Reflexion oberhalb der Probe durchläuft das Licht die Probe und wird unter einem Winkel auf das optische Abbildungssystem gerichtet.
Daher ist es möglich, die Probe unter einem schrägen Beleuchtungswinkel effizient zu beleuchten, der eine stereoskopische Ansicht der Probe ermöglicht. Außerdem genügt es, dass sowohl die Sammellinse als auch die Streuscheibe vorgesehen sind, und es ist möglich, das Auftreten von Ungleichmäßigkeiten in der Lichtintensität zu vermeiden. Des Weiteren kann durch Anordnen der Probenauflagefläche, der Sammellinse und der Streuscheibe parallel zueinander die Dicke der Vorrichtung reduziert werden. Dadurch ist es möglich, die Probe effizient zu beleuchten und die Probe stereoskopisch und hochpräzise durch schräge Beleuchtung zu beobachten, ohne dass die Vorrichtung größer gemacht werden muss.
In dem vorstehenden Aspekt kann die Lichtquelle derart angeordnet sein, dass die optische Achse davon in Richtung des optischen Abbildungssystems geneigt ist.
Bei dieser Anordnung wird das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle in Richtung des optischen Abbildungssystems stärker emittiert und es ist möglich, den Verlust des Beleuchtungslichts zu vermeiden und somit die Beleuchtungseffizienz zu verbessern.
Bei dem vorstehenden Aspekt kann die Sammellinse eine Fresnellinse sein.
Indem eine Fresnellinse als die Sammellinse verwendet wird, ist es möglich, die Dicke des gesamten Lichtquellenabschnitts zu reduzieren.
Bei dem vorstehenden Aspekt kann die Streuscheibe einstückig mit der Fresnellinse ausgebildet sein.
Bei dieser Anordnung kann, da die Streuscheibe und die Fresnellinse in der optischen Achsenrichtung nicht voneinander getrennt sind, die Dicke des gesamten Lichtquellenabschnitts um einen entsprechenden Betrag reduziert werden.
Bei dem vorstehenden Aspekt kann die Winkelverteilung des von der Streuscheibe emittierten Beleuchtungslichts folgende Bedingungen erfüllen:

θmin/NA < 0.5
θmax/NA > 2.0
wobei NA die numerische Apertur einer Objektivoptik ist; θmin der minimale Wert eines Winkels relativ zu einer optischen Achse der Objektivoptik ist, bei welchem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe gestreuten Beleuchtungslichts ist; und θmax der maximale Wert eines Winkels relativ zu der optischen Achse der Objektivoptik ist, bei welchem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe gestreuten Beleuchtungslichts ist.

Bei dieser Anordnung ist es möglich, das Beleuchtungslicht effizient in einem optimalen schrägen Beleuchtungswinkel für das optische Abbildungssystem zu emittieren und das Auftreten von Ungleichmäßigkeiten der Beleuchtung zu vermeiden.
Bei dem vorstehenden Aspekt kann die folgende Bedingung erfüllt sein: $0.5 < Δ Y/ (NA \times FI) < 1.5$
wobei ΔY die zentrale Position eines Licht emittierenden Bereichs der Lichtquelle bezogen auf die optische Achse der Sammellinse ist; NA die numerische Apertur einer Objektivoptik; und FI die Brennweite der Sammellinse ist.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Beleuchtungslicht effizient in einem optimalen Winkel für schräge Beleuchtung für das optische Abbildungssystem zu emittieren und das Auftreten von Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtung zu vermeiden.
Bei dem vorstehenden Aspekt kann die Lichtquelle eine LED sein.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Beleuchtung der Lichtquelle zu steuern.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erbringt einen Vorteil dadurch, dass es möglich ist, eine Probe, wie Zellen, effizient zu beleuchten und die Probe mittels schräger Beleuchtung stereoskopisch und hochpräzise zu beobachten, ohne dass die Vorrichtung größer gemacht werden muss.
Figurenliste

1 ist ein Längsschnitt einer Beobachtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für Trajektorien für einzelne Positionen, durch welche Beleuchtungslicht in einer Objektivoptik aus 1 hindurchgeht.
3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels einer Probe, die mittels schräger Beleuchtung in stereoskopischer Weise erscheint.
4 ist ein Längsschnitt einer Beobachtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht einer Beleuchtungsblende, von welcher ein innerer Kantenabschnitt eine rechteckige Form hat, aus der Sicht in einer Richtung entlang einer optischen Achse einer Sammellinse.
6A ist ein Diagramm eines Beispiels des Beleuchtungslichtflusses in der Pupillenebene der Objektivoptik in einem Fall, wenn die Höhe einer oberen Platte eines Behälters hoch ist.
6B ist ein Diagramm eines Beispiels des Beleuchtungslichtflusses in der Pupillenebene der Objektivoptik in einem Fall, wenn die Höhe der oberen Platte des Behälters gering ist.
7 ist eine Draufsicht einer Beleuchtungsblende, von welcher ein innerer Kantenabschnitt eine Trapezform hat, aus der Sicht in der Richtung der optischen Achse der Sammellinse.
8 ist ein Diagramm, das den Beleuchtungslichtfluss in der Pupillenebene der Objektivoptik in einem Fall zeigt, wenn ein innerer Kantenabschnitt der Beleuchtungsblende eine Trapezform hat, bei welcher eine kurze Seite davon zur Objektivoptik zeigt.
9 ist ein Diagramm eines Beispiels der Streuverteilung des Beleuchtungslichts, das von einer Streuscheibe der Beobachtungsvorrichtung in 4 emittiert wird.
10 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Intensität des Beleuchtungslichts und einem Winkel relativ zu einer optischen Achse der Objektivoptik zeigt, an welcher die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe gestreuten Beleuchtungslichts ist.
11 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem das Beleuchtungslicht von der Streuscheibe in divergierender Weise emittiert wird.
12 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem das Beleuchtungslicht von der Streuscheibe in kollimierter Weise emittiert wird.
13 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem das Beleuchtungslicht von der Streuscheibe in konvergierender Weise emittiert wird.
14 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem eine LED-Lichtquelle in einer horizontalen Richtung in einer Beobachtungsvorrichtung gemäß einer ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform bewegt wird.
15 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem der Neigungswinkel einer LED-Lichtquelle geändert wird, in einer Beobachtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Lichtintensitätsverteilung auf der Streuscheibe und der Intensität des Beleuchtungslichts zeigt.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Beleuchtungslichtflusses in der Pupillenebene der Objektivoptik zeigt.
18 ist ein Längsschnitt einer Beobachtungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine vergrößerte Darstellung der Umgebung einer Fresnellinse der Beobachtungsvorrichtung aus 18.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Erste Ausführungsform
Eine Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, ist die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ausgestattet mit: einer Bühne 3, auf welcher ein Behälter 2 montiert ist, welcher eine Probe X aufnimmt; eine Objektivoptik 4, die unterhalb der Bühne 3 angeordnet ist und welche Licht sammelt, das durch die Bühne 3 von oberhalb passiert; ein optisches Abbildungssystem 6, das das Licht sammelt, das die Probe X passiert hat und das durch die Objektivoptik 4 darin gesammelt worden ist; und ein Lichtquellenabschnitt 5, der radial außerhalb der Objektivoptik 4 angeordnet ist und der Beleuchtungslicht nach oben emittiert, welches die Bühne 3 passiert.
Die Bühne 3 ist mit einem optisch transparenten Material ausgestattet, zum Beispiel einer Glasplatte 3a, welche horizontal angeordnet ist, um obere Abschnitte der Objektivoptik 4 und des Lichtquellenabschnitts 5 abzudecken.
Der Behälter 2 ist zum Beispiel ein Zellkulturbehälter mit einer oberen Platte 2a, welche Licht reflektiert, und einer Bodenfläche (Probenauflagefläche) 2b, auf welcher die Probe X platziert wird, und besteht gänzlich aus einem optisch transparenten Harz. In diesem Behälter 2 sind die obere Platte 2a und die Bodenfläche 2b parallel zueinander, und die obere Platte 2a und die Bodenfläche 2b sind horizontal angeordnet in einem Zustand, in welchem der Behälter 2 auf der Glasplatte 3a der Bühne 3 montiert ist.
Der Lichtquellenabschnitt 5 ist ausgestattet mit: einer LED-Lichtquelle 7, welche Beleuchtungslicht erzeugt; einer Sammellinse 8, die das von der LED-Lichtquelle 7 emittierte Beleuchtungslicht sammelt; und einer Streuscheibe 9, die das von der Sammellinse 8 gesammelte Beleuchtungslicht streut. Die Sammellinse 8 und die Streuscheibe 9 werden einzeln parallel zu der Bodenfläche 2b des Behälters 2 angeordnet, mit einem Zwischenraum dazwischen in einer Richtung entlang der optischen Achse.
Die LED-Lichtquelle 7 ist derart positioniert, dass die optische Achse davon parallel zu der optischen Achse der Sammellinse 8 ist, und dass die optische Achse davon von der optischen Achse der Sammellinse 8 in einer Richtung weg von der Objektivoptik 4 verschoben ist. Dadurch wird erreicht, dass das Beleuchtungslicht von der LED-Lichtquelle 7, das in die Sammellinse 8 eingetreten ist, die Sammellinse 8 mit einem Neigungswinkel in Richtung der Objektivoptik 4 verlässt.
Es ist wünschenswert, dass die LED-Lichtquelle 7 derart positioniert wird, dass zum Beispiel die Formelbedingung (1) erfüllt ist. $0.5 < Δ Y/ (NA \times FI) < 1.5$
Des Weiteren ist es noch wünschenswerter, dass die Position der LED-Lichtquelle 7 die Formelbedingung (1') erfüllt. $Δ Y= (NA \times FI)$
Hierbei ist ΔY die zentrale Position des Licht emittierenden Bereichs der LED-Lichtquelle 7 bezogen auf die optische Achse der Sammellinse 8; NA die numerische Apertur der Objektivoptik 4; und FI ist die Brennweite der Sammellinse 8.
Das von der Streuscheibe 9 emittierte Licht hat eine Winkelverteilung. Bei dieser Anordnung tritt der Beleuchtungslichtfluss in eine Pupillenebene der Objektivoptik 4 in Form einer Ebene anstatt eines Punkts ein, und daher ist es möglich, die Robustheit gegen Winkelvariationen auf der oberen Platte 2a des Behälters 2 zu verbessern. Die Streuscheibe 9 ist mit einer Beleuchtungsblende 11 ausgestattet, die den Emissionsbereich zum Emittieren des Beleuchtungslichts von der LED-Lichtquelle 7 begrenzt.
Das optische Abbildungssystem 6 ist, zusätzlich zu der Objektivoptik 4, ausgestattet mit: einem Bilderfassungselement 12, das das transmittierte Licht aufnimmt, das von der Objektivoptik 4 gesammelt wurde; und zum Beispiel einem Prozessor (nicht dargestellt), der ein Bild aus der Information des von dem Bilderfassungselement 12 aufgenommenen transmittierten Lichts erzeugt.
Die Objektivoptik 4 ist ausgestattet mit: eine Distalende-Linse 13, welche an einem distalen Ende davon angeordnet ist; eine Proximalende-Linse 14, welche an der proximalen Endseite bezüglich der Distalende-Linse 13 angeordnet ist, mit einem Zwischenraum dazwischen in einer Richtung entlang der optischen Achse; einer Pupille (Aperturblende) 15, welche auf der optischen Achse zwischen der Distalende-Linse 13 und der Proximalende-Linse 14 angeordnet ist; und einem Rahmen 16, der diese Komponenten aufnimmt.
Die Arbeitsweise der derart ausgebildeten Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
In einem Fall, wenn eine transparente Probe X, wie Zellen, die in dem Behälter 2 aufgenommen wird, durch Verwendung der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beobachtet wird, wie in 1 dargestellt, in einem Zustand, in welchem die Probe X in dem Behälter 2 aufgenommen wird und an der Bodenfläche 2b anhaftet, ist der Behälter 2 auf der Glasplatte 3a der Bühne 3 derart angeordnet, dass die Bodenfläche 2b als die untere Fläche festgelegt wird.
In diesem Zustand wird die LED-Lichtquelle 7 aktiviert, um Beleuchtungslicht zu erzeugen. In diesem Fall, indem die LED-Lichtquelle 7 derart positioniert wird, dass die optische Achse davon von der optischen Achse der Sammellinse 8 in der Richtung weg von dem optischen Abbildungssystem 6 verschoben ist, wird das von der LED-Lichtquelle 7 emittierte Beleuchtungslicht von der Sammellinse 8 gesammelt und wird mit einer Neigung in Richtung der Objektivoptik 4 emittiert. Dann wird das von der Sammellinse 8 emittierte Beleuchtungslicht gleichmäßig von der Streuscheibe 9 gestreut; passiert die Glasplatte 3a und die Bodenfläche 2b des Behälters 2 in einer Richtung nach oben; wird oberhalb der Probe X, an einer inneren Oberfläche der oberen Platte 2a des Behälters 2, reflektiert; und wird schräg von oben auf die Probe X eingestrahlt.
Von dem Beleuchtungslicht, das auf die Probe X eingestrahlt wird, passiert das transmittierte Licht, das die Probe X passiert hat, die Bodenfläche 2b des Behälters 2 und die Glasplatte 3a in einer Richtung nach unten und tritt schräg, mit einem Winkel relativ zur optischen Achse davon, in die Objektivoptik 4 ein. Zu diesem Zeitpunkt wird das Beleuchtungslicht gebrochen und gestreut durch die Form oder den Brechungsindex der Probe X, oder wird abgeschwächt durch die Transmittivität der Probe X, wodurch das transmittierte Licht, das Information über die Probe X hat, von der Objektivoptik 4 gesammelt und von dem Bilderfassungselement 12 aufgenommen.
Hierin wird das transmittierte Licht, das außerhalb der Pupille 15 vorbeigeht, in der Objektivoptik 3 geblockt. Wie in 2 gezeigt, gehen in einem Fall, wenn der Einfallswinkel des Beleuchtungslichts in der Objektivoptik 4 dem Akzeptanzwinkel der Objektivoptik 4 entspricht, Beleuchtungslichtstrahlen L1, L5, die nicht die Probe X passieren, nahe bei einem Kantenabschnitt 15a der Pupille 15 vorbei und erreichen eine Abbildungsoberfläche 12a. Außerdem wird ein Beleuchtungslichtstrahl L2, welcher das linke Ende der Probe X passiert hat, an der Probe X gebrochen und erreicht einen Bereich außerhalb der Pupille 15; somit wird der Beleuchtungslichtstrahl L2 geblockt und erreicht nicht die Abbildungsoberfläche 12a. Außerdem werden ein Beleuchtungslichtstrahl L3, der den zentralen Abschnitt der Probe X passiert hat, und ein Beleuchtungslichtstrahl L4, welcher die rechte Seite von der Probe X passiert hat, an der Probe X gebrochen, passieren innerhalb des Kantenabschnittes 15a der Pupille 15 und erreichen die Abbildungsoberfläche 12a. Infolgedessen wird, wie in 3 gezeigt, die Probe X abgeschattet und erscheint in stereoskopischer Weise.
Daher ist es mit der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform möglich, die Probe X effizient in einem schrägen Beleuchtungswinkel zu beleuchten, der eine stereoskopische Ansicht der Probe X ermöglicht, und es ist möglich, das Auftreten von Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtung zu vermeiden. Im Detail ist es möglich, durch Erfüllung der Formelbedingung (1), noch bevorzugter von Formelbedingung (1'), die Probe X unter einem optimalen schrägen Beleuchtungswinkel zu beleuchten. Außerdem ist es, indem die Bodenfläche 2b, auf der die Probe X platziert wird, die Sammellinse 8 und die Streuscheibe 9 parallel zueinander angeordnet sind, möglich, die Dicke der Vorrichtung zu reduzieren. Dadurch ist es möglich, die Probe X effizient zu beleuchten und die Probe X mittels schräger Beleuchtung stereoskopisch und hochpräzise zu beobachten, ohne dass die Vorrichtung größer gemacht werden muss. Außerdem wird die Zahl der Komponenten reduziert und dadurch ist es möglich, die Kosten zu senken.
Es sei darauf hingewiesen, dass in einem Fall, wenn die Position der LED-Lichtquelle 7 nicht die Formelbedingung (1) und (1') erfüllt, der Winkel des Beleuchtungslichts, das in die Streuscheibe 9 eintritt, deutlich von den Bedingungen für die schräge Beleuchtung abweicht. In dem Fall, wenn die Formelbedingungen (1) und (1') nicht erfüllt sind, ist es erforderlich, die Winkelverteilung des von der Streuscheibe 9 emittierten Lichts aufzuweiten, indem eine Streuscheibe 9 mit einem breiten Streuwinkel verwendet wird, sodass das von der Streuscheibe 9 emittierte Beleuchtungslicht die Bedingungen für schräge Beleuchtung erfüllt, und dadurch würde die Beleuchtungseffizienz verringert.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Wie in 4 dargestellt, unterscheidet sich eine Beobachtungsvorrichtung 21 gemäß dieser Ausführungsform von der in der ersten Ausführungsform dadurch, dass die LED-Lichtquelle 7 derart angeordnet ist, dass die optische Achse davon in Richtung des optischen Abbildungssystems 6 geneigt ist.
In der Beschreibung dieser Ausführungsform werden Teile mit derselben Konfiguration wie jene in der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und die Beschreibung davon wird ausgelassen.
In der Beobachtungsvorrichtung 21 gemäß dieser Ausführungsform ist der Grundaufbau der gleiche wie bei der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, außer dass die LED-Lichtquelle 7 derart angeordnet ist, dass die optische Achse davon geneigt ist.
Indem die LED-Lichtquelle 7 derart positioniert wird, dass die optische Achse davon in Richtung des optischen Abbildungssystems 6 geneigt ist, wird das Beleuchtungslicht von der LED-Lichtquelle 7 stärker in Richtung des optischen Abbildungssystems 6 emittiert, und es ist möglich, den Verlust an Beleuchtungslicht zu vermeiden und dadurch die Beleuchtungseffizienz zu verbessern.
Hierin wird die Form der Beleuchtungsblende 11 der Beobachtungsvorrichtung 21 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
Wie zum Beispiel in 5 dargestellt, ist es wünschenswert, dass ein innerer Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11, welcher das Beleuchtungslicht hindurchpassieren lässt, eine Rechteckform hat.
Dadurch wird die Brechung der transmittierten Lichtstrahlen an der Probe X proportional zu der Verschiebung des Beleuchtungslichtflusses in der Pupillenebene der Objektivoptik 4. Außerdem zeigt in einem Fall, wenn der innere Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11 kreisförmig ist, die Helligkeitsänderung auf der Abbildungsoberfläche (proportional zu der Fläche des Beleuchtungslichtflusses durch die Pupille) kein lineares Verhalten, wohingegen die Helligkeitsänderung auf der Abbildungsoberfläche nahezu linear wird, wenn der innere Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11 als Rechteck ausgebildet ist. Außerdem ist es möglich, wenn der innere Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11 als Rechteck ausgebildet ist, die Beleuchtungsblende 11 für Behälter mit verschiedenen Höhen zu verwenden.
6A zeigt den Beleuchtungslichtfluss W an der Pupillenebene der Objektivoptik 4 in einem Fall, wenn die Höhe der oberen Platte 2a des Behälters 2 hoch ist, und 6B zeigt den Beleuchtungslichtfluss W in der Pupillenebene der Objektivoptik 4 in einem Fall, wenn die Höhe der oberen Platte 2a des Behälters 2 niedrig ist.
Weiter, wie in 7 dargestellt, ist es wünschenswerter, dass der innere Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11 eine Trapezform hat, in welcher eine kurze Seite davon zur Objektivoptik 4 zeigt. Dadurch wird die Brechung der transmittierten Lichtstrahlen an der Probe X proportional zu der Verschiebung des Beleuchtungslichtflusses an der Pupillenebene des optischen Objektivsystems 4. Außerdem steigt die Helligkeitsänderung auf der Abbildungsoberfläche verglichen mit dem Fall, wenn der innere Kantenabschnitt 11a der Beleuchtungsblende 11 eine Rechteckform hat, und es ist möglich, den Kontrast zu verbessern.
8 zeigt den Beleuchtungslichtfluss W in der Pupillenebene der Objektivoptik 4 in einem Fall, wenn die Beleuchtungsblende 11, deren innerer Kantenabschnitt 11a eine Trapezform hat, wobei eine kurze Seite davon zur Objektivoptik 4 zeigt, verwendet wird.
Als nächstes werden die Streueigenschaften der Beobachtungsvorrichtung 21 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
Wie in 9 und 10 dargestellt, ist es wünschenswert, dass die Winkelverteilung des Beleuchtungslichts, das von der Streuscheibe 9 emittiert wird, die Bedingungen (2) und (3) erfüllt. $θ min / NA < 0.5$
$θ max / NA > 2$
Hierbei ist NA die numerische Apertur der Objektivoptik 4; θmin ist der minimale Wert des Winkels relativ zur optischen Achse der Objektivoptik 4, bei dem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe 9 gestreuten Beleuchtungslichts ist; und θmax ist der maximale Wert des Winkels relativ zur optischen Achse der Objektivoptik 4, bei dem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe 9 gestreuten Beleuchtungslichts ist.
Wenn die Winkelverteilung des von der Streuscheibe 9 emittierten Beleuchtungslichts die Bedingungen (2) und (3) erfüllt, kann das Beleuchtungslicht effizient auf die Probe X in einem optimalen schrägen Beleuchtungswinkel eingestrahlt werden, und es ist möglich, das Auftreten von Beleuchtungs-Ungleichmäßigkeiten zu vermeiden. Außerdem wird die Anzahl von Komponenten verringert und dadurch können die Kosten reduziert werden. Des Weiteren ist es möglich, die Robustheit gegen Formfehler des Behälters 2 zu verbessern.
Es sei darauf hingewiesen, dass in einem Fall, wenn die Winkelverteilung des von der Streuscheibe 9 emittierten Beleuchtungslichts die Formelbedingungen (2) und (3) nicht erfüllt, das Beleuchtungslicht von den Bedingungen für die schräge Beleuchtung abweicht, wenn die obere Platte 2a des Behälters 2 aufgrund eines Formfehlers geneigt ist, wodurch der Kontrast und die Beleuchtungseffizienz verringert werden.
Als nächstes werden die Positionen der LED-Lichtquelle 7 und der Sammellinse 8 in der Höhenrichtung beschrieben.
Die Höhe der LED-Lichtquelle 7 bezüglich der Sammellinse 8 muss Formelbedingung (5) erfüllen. $- 0.5 < Δ Z / FI < 0.5$
Hierin ist ΔZ die Höhenabweichung der LED-Lichtquelle 7 bezüglich der Fokusebene der Sammellinse 8, und FI ist die Brennweite der Sammellinse 8.
An der Streuscheibe 9 wird das Beleuchtungslicht in einer divergenten Weise emittiert, wie in 11 gezeigt, wenn ΔZ einen positiven Wert hat; das Beleuchtungslicht wird in einer kollimierten Weise emittiert, wie in 12 dargestellt, wenn ΔZ = 0; und das Beleuchtungslicht wird in einer konvergenten Weise emittiert, wie in 13 dargestellt, wenn ΔZ einen negativen Wert hat.
Wenn die Höhe der LED-Lichtquelle 7 bezüglich der Sammellinse 8 die Formelbedingung (5) erfüllt, werden die Winkeleigenschaften des durch die Streuscheibe 9 gestreuten Beleuchtungslichts an jeder Position auf der Streuscheibe 9 gleich. Daher ist es, selbst wenn eine Streuscheibe 9 mit einer geringen Streustärke verwendet wird, möglich, eine Anordnung zu realisieren, welche die vorstehenden Formelbedingungen (2) und (3) erfüllt, und somit ist es möglich, die Beleuchtungseffizienz zu verbessern.
Andererseits variiert in einem Fall, wenn die Höhe der LED-Lichtquelle 7 bezüglich der Sammellinse 8 die Formelbedingung (5) nicht erfüllt, der Streuwinkel des von der Streuscheibe 9 gestreuten Beleuchtungslichts deutlich, abhängig von der Position auf der Streuscheibe 9, und Ungleichmäßigkeiten der Helligkeit treten auf, wenn die Probe X beobachtet wird. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es erforderlich, eine Streuscheibe 9 mit einer großen Streustärke zu verwenden, und das würde die Beleuchtungseffizienz vermindern.
Diese Ausführungsform kann wie nachstehend beschrieben modifiziert werden.
Wie zum Beispiel in 14 dargestellt, kann eine erste Modifikation mit einem Antriebsmechanismus ausgestattet sein (Beleuchtungssystem-Antriebsmechanismus, nicht dargestellt), welcher die LED-Lichtquelle 7 in einer horizontalen Richtung bewegt. In 14 bezeichnet ΔY die Verschiebungsstrecke der LED-Lichtquelle 7.
Durch das Verschieben der LED-Lichtquelle 7 in horizontaler Richtung mittels des Antriebsmechanismus ist es möglich, den Emissionswinkel des von der Streuscheibe 9 emittierten Beleuchtungslichts zu ändern. Daher ist es möglich, den Emissionswinkel des von der Streuscheibe 9 emittierten Beleuchtungslichts auf einen effizienten Winkel festzulegen, in Übereinstimmung mit der NA der Objektivoptik 4 oder der Neigung der oberen Platte 2a des Behälters 2.
Wie zum Beispiel in 15 dargestellt, kann eine zweite Modifikation mit einem Antriebsmechanismus (Beleuchtungssystem-Antriebsmechanismus, nicht dargestellt) ausgestattet sein, welche den Neigungswinkel der LED-Lichtquelle 7 ändert. Dadurch, wie in 16 dargestellt, ist es möglich, die Lichtintensitätsverteilung auf der Streuscheibe 9 zu ändern. Bei dieser Anordnung ist, wie in 17 dargestellt, die Abbildung des Beleuchtungslichts in der Pupillenebene der Objektivoptik 4 schwach auf der Seite der optischen Achse und stark auf der Pupillen-Endseite, und somit ist es möglich, den Kontrast der Abbildung der Probe X zu verbessern.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand der Figuren beschrieben.
Wie in 18 dargestellt, unterscheidet sich eine Beobachtungsvorrichtung 31 gemäß dieser Ausführungsform von der in der ersten Ausführungsform darin, dass anstelle der Sammellinse 8 und der Streuscheibe 9 eine Fresnellinse 32 mit einer Streufunktion als Sammellinse und Streuscheibe eingesetzt wird.
In der Beschreibung dieser Ausführungsform werden Teile mit derselben Konfiguration wie in der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform und in der Beobachtungsvorrichtung 21 gemäß der zweiten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals erläutert.
Wie in 19 dargestellt, hat die Fresnellinse 32 mit einer Streufunktion eine Fresnellinsen-Oberfläche 32A auf der Seite der LED-Lichtquelle 7 und einer Streuoberfläche (Körnung oder Ähnliches) 32b auf der Seite der Probe X.
Das von der Streuoberfläche 32b der Fresnellinse 32 emittierte Beleuchtungslicht hat eine Winkelverteilung. Bei dieser Anordnung tritt der Beleuchtungslichtfluss in die Pupillenebene der Objektivoptik 4 in Form einer Ebene anstatt eines Punkts ein, und daher ist es möglich, die Robustheit gegen Winkelvariationen auf der oberen Platte 2a des Behälters 2 zu verbessern. Die Streuoberfläche 32b ist mit einer Beleuchtungsblende 11 versehen, die den Emissionsbereich für die Emission des Beleuchtungslichts von der LED-Lichtquelle 7 begrenzt.
Die LED-Lichtquelle 7 ist derart positioniert, dass die optische Achse davon in Richtung des optischen Abbildungssystems 6 geneigt ist, und dass die optische Achse davon von der optischen Achse der Sammellinse 8 in Richtung weg von der Objektivoptik 4 verschoben ist. Es ist wünschenswert, dass die Position der LED-Lichtquelle 7 die vorstehende Formelbedingung (1) erfüllt.
Bei der Beobachtungsvorrichtung 31 gemäß dieser Ausführungsform ist es, indem die Fresnellinse 32 als die Sammellinse verwendet wird, möglich, die Dicke des gesamten Lichtquellenabschnitts 5 zu reduzieren. Weiter sind, weil die Streuscheibe einstückig mit der Fresnellinse 32 ausgebildet ist, die Streuscheibe und die Fresnellinse 32 nicht voneinander getrennt in Richtung der optischen Achse, und daher ist es möglich, die Dicke des gesamten Lichtquellenabschnitts 5 um einen entsprechenden Betrag zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, dass das Problem in dem Fall, wenn die Position der LED-Lichtquelle 7 die vorstehende Formelbedingung (1) nicht erfüllt, dasselbe ist wie in dem Fall, wenn die vorstehende Formelbedingung (1) in der ersten Ausführungsform nicht erfüllt ist.
Bei dieser Ausführungsform kann ähnlich wie bei der ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform ein Antriebsmechanismus eingesetzt werden, der die LED-Lichtquelle 7 in einer horizontalen Richtung bewegt, oder ähnlich zur zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform kann ein Antriebsmechanismus eingesetzt werden, der den Neigungswinkel der LED-Lichtquelle 7 ändert. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, dieselben Effekte wie in der ersten Modifikation und der zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform zu erzielen.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend anhand der Figuren beschrieben wurden, ist die spezifische Anordnung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und Designänderungen und so weiter, die nicht außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung sind, werden auch umfasst. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, auf die vorstehenden Ausführungsformen und Modifikationen angewendet zu werden, und kann auf Ausführungsformen angewendet werden, die durch geeignetes Kombinieren dieser Ausführungsformen und Modifikationen gebildet werden, ohne besondere Einschränkung. Außerdem ist zum Beispiel, obwohl die LED-Lichtquelle 7 als ein Beispiel der Lichtquelle beschrieben wurde, die Lichtquelle nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann eine ebene Lichtquelle, wie eine organische EL, verwendet werden.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung zum Beispiel, obwohl in den vorstehenden Ausführungsformen die Probe X in dem Behälter 2 mit der oberen Platte 2a, wie einem Zellkulturbehälter, aufgenommen ist und obwohl das Beleuchtungslicht an der inneren Oberfläche der oberen Platte 2a des Behälters 2 Fresnel-reflektiert wird, nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann in einem Fall, wenn die Probe X in einem Behälter wie einer Petrischale (ohne Deckel) aufgenommen ist, welcher keine obere Platte 2a hat, ein Reflexionsbauteil wie ein Spiegel an einer Position angeordnet sein, wo das Reflexionsbauteil eine obere Öffnung der Petrischale verschließt, und das Beleuchtungslicht, das die Bodenfläche der Petrischale in einer Richtung nach oben passiert hat, kann an einer Oberfläche dieses Reflexionsbauteils reflektiert werden. Das Reflexionsbauteil kann derart an einer Position oberhalb der Probe X vorgesehen sein, dass das Reflexionsbauteil durch eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung anbringbar bzw. lösbar ist.
Außerdem kann in einem Fall, wenn die Probe X in einem Behälter wie einer Petrischale (ohne einen Deckel) aufgenommen ist, welcher keine obere Platte 2a hat, eine Lösung (zum Beispiel ein Kulturmedium, Phosphatpuffer usw.) in der Petrischale platziert werden, die Probe X kann in dieser Lösung eingelegt werden, und das Beleuchtungslicht, das die Bodenfläche der Petrischale passiert hat, kann an der Flüssigkeitsoberfläche an einem oberen Teil der Lösung reflektiert werden. Auch kann in einem Fall, wenn die Probe X in dem Behälter 2 aufgenommen ist, der die obere Platte 2a hat, eine Lösung (zum Beispiel ein Kulturmedium, Phosphatpuffer, usw.) in dem Behälter 2 platziert sein, und die Probe X kann in diese Lösung eingelegt werden. Bei diesen Modifikationen kann anstelle der Höhe der oberen Platte 2a des Behälters 2 die Höhe der einen Oberfläche des Reflexionsbauteils oder die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche an dem oberen Teil der Lösung auf die vorstehenden Formelbedingungen angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1, 21, 31: Beobachtungsvorrichtung
2: Behälter
2a: obere Platte
5: Lichtquellenabschnitt
6: optisches Abbildungssystem
7: LED-Lichtquelle
8: Sammellinse
9: Streuscheibe
32: Fresnellinse
X: Probe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP H07261089 [0003]

Claims

Beobachtungsvorrichtung, aufweisend: einen Lichtquellenabschnitt, welcher Beleuchtungslicht in einer Richtung nach oben von unterhalb einer auf einer Probenauflagefläche platzierten Probe emittiert; und ein optisches Abbildungssystem, welches unterhalb der Probe transmittiertes Licht aufnimmt, welches das Beleuchtungslicht ist, das von dem Lichtquellenabschnitt emittiert, über der Probe reflektiert und durch die Probe transmittiert wurde, wobei der Lichtquellenabschnitt aufweist: eine Lichtquelle, die das Beleuchtungslicht erzeugt; eine Sammellinse, die parallel zu der Probenauflagefläche angeordnet ist und die das von der Lichtquelle emittierte Beleuchtungslicht sammelt; und eine Streuscheibe, die zwischen der Sammellinse und der Probenauflagefläche parallel zu der Probenauflagefläche angeordnet ist und die das von der Sammellinse gesammelte Beleuchtungslicht streut, und wobei die Lichtquelle so angeordnet ist, dass eine optische Achse davon von einer optischen Achse der Sammellinse in einer Richtung weg von dem optischen Abbildungssystem verschoben ist.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, dass die optische Achse davon in Richtung des optischen Abbildungssystems geneigt ist.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sammellinse eine Fresnellinse ist.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Streuscheibe einstückig mit der Fresnellinse ausgebildet ist.
Beobachtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Winkelverteilung des von der Streuscheibe emittierten Beleuchtungslichts die folgenden Bedingungen erfüllt: $θ min / NA < 0.5$
$θ max / NA > 2$
wobei NA eine numerische Apertur einer Objektivoptik ist; θmin der minimale Wert eines Winkels relativ zu einer optischen Achse der Objektivoptik ist, bei welchem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe gestreuten Beleuchtungslichts ist; und θmax der maximale Wert eines Winkels relativ zu einer optischen Achse der Objektivoptik ist, bei welchem die Intensität wenigstens die Hälfte der maximalen Intensität des durch die Streuscheibe gestreuten Beleuchtungslichts ist.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die folgende Bedingung erfüllt ist: $0.5 < Δ Y / (NA \times FI) < 1.5$
wobei ΔY die zentrale Position eines Licht emittierenden Bereichs der Lichtquelle bezogen auf die optische Achse der Sammellinse ist; NA die numerische Apertur einer Objektivoptik; und FI die Brennweite der Sammellinse ist.
Beobachtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle eine LED ist.