JP2006126364A - 培養標本観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養環境による観察装置への悪影響が少ない培養標本観察装置を提供する。
【解決手段】主に扉１０１ａと上側ベース部材１１４とで規定される領域Iは、温度と湿度が人や動植物の体内環境あるいはその他生物やウイルスなどの活動環境と同等レベルに維持される。主に基部１０１ｂと上側ベース部材１１４とで規定される領域IIは、温度は領域Iと同等レベルに、湿度は常湿レベルに維持される。培養標本観察装置の外の領域IIIは、温度は常温レベルに、湿度は常湿レベルに維持される。領域Iと領域IIと領域IIIは、対物レンズ１２５と結像レンズ１４９と撮像装置１５０を含む結像光学系の光軸に沿って配置されている。標本１２３は領域I内に、撮像装置１５０は領域III内に配置されている。基部１０１ｂには、標本１２３から光が対物レンズ１２５を通って結像レンズ１４９に伝搬するように、ガラス板などの光学部材からなる光学窓２２３が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、培養標本を観察するための培養標本観察装置に関する。

生物は高度な複雑性を持つため、構造や機能を理解するのは容易なことではない。そのため、近年生命現象を再現できる最小単位である細胞、つまり培養細胞を用いた単純な実験系が用いられている。培養細胞を用いることによって、ホルモンの応答などの解析が生体内の他要因による影響を受けることのない実験が可能となる。

つまり遺伝子の導入や阻害により遺伝子の機能解析を行なうことが可能となる。細胞を培養するためには、生体内を真似た環境を用いる必要がある。そのため温度は体温と同等の３７℃近傍とし、また細胞間液を真似た培地が用いられる。培地にはアミノ酸などの栄養源の他に、ＰＨ調整のための炭酸バッファーが含まれる。炭酸バッファーは５％という高い分圧の炭酸ガスを含む空気の存在下で平衡状態になり、ディッシュなどの開放系の培養に利用される。また培地から水分の蒸発を防ぐため、高湿度の環境が要求される。

細胞の培養には上記環境条件を備えた炭酸ガスインキュベーターが用いられる。

また細胞の状態観察には位相差顕微鏡、ＧＦＰの発現観察には蛍光顕微鏡により、時系列の画像取得によるタイムラプス観察が行なわれている。

培養細胞を含む標本とこれを観察するための装置はいずれも、保温・保湿性能上脆弱（ぜいじゃく）であるため、常温・常湿環境から分離して維持されるとよい。また、細胞の培養に適した培養環境は観察装置の光学素子に結露などの悪影響を与えやすい。このため培養標本観察装置においては、培養環境による観察装置の光学素子への悪影響（特に結露）ができる限り緩和されることが望まれしい。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、培養環境による観察装置の光学素子への悪影響が少ない培養標本観察装置を提供することである。

本発明による培養標本観察装置は、標本を観察するための光学系と、温度と湿度が人や動植物の体内環境あるいはその他生物やウイルスなどの活動環境と同等レベルに維持される領域Iと、温度は領域Iと同等レベルに維持され、湿度は常湿レベルに維持される領域IIと、温度は常温レベルに、湿度は常湿レベルに維持される領域IIIの少なくとも三つの領域を有し、領域Iと領域IIと領域IIIは光軸に沿って配置されており、標本は領域I内に配置されており、さらに、前記光学系を通る光が三つの領域の間の少なくとも一つの境界を通り、なおかつ該境界の少なくとも光が通過する部分は少なくとも一つの光学部材を有している。

本発明によれば、培養環境による観察装置の光学素子への悪影響が少ない培養標本観察装置が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態の培養標本観察装置を概略的に示している。培養標本観察装置は、基本的に、培養細胞の観察するための観察装置と、温度・湿度・炭酸ガス濃度を培養細胞に適切な値に制御可能な培養装置１０１とから構成されている。

［培養標本観察装置概要］
図１において、本観察装置は、標本１２３（すなわち培養細胞を収容した培養ケース）内の培養細胞の観察を可能とする対物レンズ１２５と、対物レンズ１２５による培養細胞の拡大像を撮像する撮像装置１５０と、標本１２３（従って培養細胞）と対物レンズ１２５を相対移動させる移動装置と、対物レンズ１２５と移動装置が設置される上側ベース部材１１４と、撮像装置１５０が設置される下側ベース部材１９１と、上側ベース部材１１４と下側ベース部材１９１とを連結している複数の支持支柱１１１とを備えている。

上側ベース部材１１４と下側ベース部材１９１と支持支柱１１１は共に、熱による膨張が少ない低膨張材料からなる。

移動装置は、直動ガイド１１５と水平移動部材１１６とボールネジ１１７とステッピングモーター１１８と回転軸１１９と回転軸受け１２０とステッピングモーター１２１とテーブル１２２と直動ガイド１２４と上下移動部材１２６とボールネジ１２７とステッピングモーター１２８とから構成されている。

直動ガイド１１５と水平移動部材１１６とボールネジ１１７とステッピングモーター１１８は共に上側ベース部材１１４の下側に設けられている。直動ガイド１１５は水平移動部材１１６を一方向に移動可能に支持し、ステッピングモーター１１８はボールネジ１１７を介して水平移動部材１１６を移動させる。水平移動部材１１６は回転軸受け１２０とステッピングモーター１２１を保持している。ステッピングモーター１２１は回転軸受け１２０に対して同軸に配置されている。回転軸受け１２０は、回転軸１１９を水平面に垂直に回転可能に支持するともに与圧を付加する。回転軸１１９と回転軸受け１２０の間には摩擦を軽減するために複数のボール１３５が設けられている（図２参照）。回転軸１１９の下側の端部はステッピングモーター１２１に接続されている。回転軸１１９の上側の端部は、上側ベース部材１１４に形成された開口を通って上側ベース部材１１４の上面から突出している。回転軸１１９の上側の端部には、標本１２３が装着されるテーブル１２２がネジによって着脱可能に固定されている。

対物レンズ１２５は、回転軸１１９から水平移動部材１１６の移動方向に伸ばした直線上に位置している。対物レンズ１２５は上下移動部材１２６によって支持されている。上下移動部材１２６は、上側ベース部材１１４に固定された直動ガイド１２４によって上下に移動可能に支持されている。また上下移動部材１２６は、ボールネジ１２７を介して、上側ベース部材１１４に固定されたステッピングモーター１２８と連結しており、ステッピングモーター１２８によって上下に移動される。直動ガイド１２４と上下移動部材１２６とボールネジ１２７とステッピングモーター１２８は共に上側ベース部材１１４の下側に設けられている。

このように構成された移動装置によって、テーブル１２２に装着された標本１２３と対物レンズ１２５との間の相対移動が可能になる。つまり、上側ベース部材１１４に対して水平面内の一方向に水平移動部材１１６の直線運動が可能となる。また水平移動部材１１６に対してテーブル１２２の揺動運動が可能となる。さらに上側ベース部材１１４に対して上下移動部材１２６の上下方向への直線移動が可能となる。つまり、標本１２３は対物レンズ１２５に対して一方向への直線移動と揺動が可能となり、対物レンズ１２５は標本１２３に対して上下方向への相対移動が可能となる。その結果、複数の標本１２３の観察が可能となる。また撮像装置１５０を培養装置１０１の外に配置したため、撮像装置１５０の温度に起因するノイズを低減することが可能となる。さらに培養装置１０１の内外で温度の異なる上側ベース部材１１４と下側ベース部材１９１を低膨張材料で構成することにより、熱膨張による歪みを低減でき光学系の調整を乱すことがなくなる。

［培養装置概要］
培養装置１０１は、上側ベース部材１１４と、上側ベース部材１１４の上側に位置する扉１０１ａと、上側ベース部材１１４の下側に位置する基部１０１ｂとからなる。扉１０１ａは、テーブル１２２への標本１２３の装着のために、上側ベース部材１１４に対して開閉可能である。上側ベース部材１１４と扉１０１ａは、扉１０１ａが閉じられたときに、培養空間を規定する。扉１０１ａが閉じられたときに扉１０１ａと上側ベース部材１１４との間を気密に保つために、弾性を有するシール部材１１２が扉１０１ａと上側ベース部材１１４との間に設けられている。基部１０１ｂは支持支柱１１１によって保持されており、上側ベース部材１１４との間を気密に保つために、弾性を有するシール部材１１２が基部１０１ｂと上側ベース部材１１４との間に設けられている。

培養装置１０１は、断熱材１０２と、抗菌性と耐食性を有するステンレス鋼または抗菌コーティングされた金属材料の内装部１０３と、培養装置内部の温度・湿度・ＰＨを感知するセンサー１０４と、培養装置の内装に設けられた内部温度調整用の加温ヒーター１０５と、上側ベース部材１１４に設けられた培養装置内部湿度調整用の加湿ヒーター１０６と、炭酸ガス濃度を調整しＰＨ調整を行なうための炭酸ガスボンベに接続された炭酸ガス供給用の電磁弁１０７と、培養装置１０１の内外を連結するための支持支柱１１１の温度調整用の支柱ヒーター１０８と、支持支柱１１１の温度測定用の支持支柱センサー１０９とを備えている。上側ベース部材１１４の上には、加湿ヒーター１０６の上方にあたる位置に、培養装置１０１の内部を加湿する水を入れた加湿パッド１１３が置かれる。培養装置１０１はさらに、センサー１０４からの信号に基づいて設定条件を維持するための演算を行なって加温ヒーター１０５と加湿ヒーター１０６と電磁弁１０７とを制御する制御部１１０を備えている。

このような構成により、断熱材１０２は、培養装置１０１から撮像装置１５０を熱的に隔離する。断熱材１０２とシール部材１１２によって培養装置１０１の内外での熱の出入りが少なくなる。このため、外気温度の変動を受けずらく、温度の安定化が可能となる。また熱の出入りが少ないため、加温ヒーター１０５と加湿ヒーター１０６の容量と加湿パッド１１３の水容量とを少なくできる。また、細胞を培養する培地には豊富な栄養分が備わるため、増殖能の高い微生物が浸入すると培養細胞に悪影響を与えてしまう。しかし抗菌性と耐食性を有する培養装置１０１の内装部１０３により、微生物の浸入を抑え、培養細胞の活性を維持することが可能となる。

また培養装置１０１の培養空間は水分の蒸発による培地の乾燥を防ぐため高湿度に保たれている。そのため２３℃程度の室内で作業した標本を培養装置に持ち込むと容器外側に結露が生じ、観察像の劣化を生じてしまう。そのため、制御部１１０は以下に述べる加湿制御を行なうとよい。培養装置１０１は、特に図示していないが、扉１０１ａの開閉を感知する扉センサーを有している。制御部１１０は、扉センサーの信号（標本１２３の装着指示）に基づいて、容器を含めて培養細胞が（つまり標本１２３が）培養装置１０１の内部の温度と同じになるための一定時間経過後（例えば１０分後）から加湿ヒーター１０６により加湿パッド１１３を加温して加湿を開始する。この制御により、培養細胞は培養装置１０１の内部と同じ温度に達した後に加湿されるため、容器を含む培養細胞が結露することなく、良好な観察像を取得可能となる。また、扉センサーに代えて標本装着ボタンを制御部１１０に設け、標本装着ボタンによる指示に基づいて制御部１１０が同様の加湿制御を行なっても同様の効果を得ることが可能である。また加湿ヒーター１０６のオン・オフに代え、加湿パッド１１３に設けた扉の開閉を行なってもよい。

［観察装置のテーブル部と対物レンズ部の詳細］
図２は、図１に示されたテーブルの周辺部分を拡大して示している。テーブル１２２と上側ベース部材１１４の間には、水平移動部材１１６に固定された中間部材１２９が配置されている。テーブル１２２と中間部材１２９の間には、四フッ化エチレン（ＰＦＴＥ）からなるリング状の二枚のシートシール１９９と、弾性を有するＯリング１３０とが設けられている。Ｏリング１３０は押圧された状態で配置されている。また上側ベース部材１１４と中間部材１２９の間にも、同様に、二枚のシートシール１９９とＯリング１３０とが設けられ、Ｏリング１３０は押圧された状態で配置されている。

図３は、図１に示された対物レンズの周辺部分を拡大して示している。上側ベース部材１１４は、対物レンズ１２５を突出させるための開口１１４ｂを有し、開口１１４ｂの内周面には溝が形成されており、開口１１４ｂの溝内には弾性を有するＯリング１３４が収容されている。対物レンズ１２５が開口１１４ｂを通って上側ベース部材１１４の上面に突出している状態では、Ｏリング１３４は押圧されている。

図２において、ステッピングモーター１２１の回転はテーブル１２２を揺動させる。テーブル１２２の揺動によって、摩擦係数の小さいＰＴＦＥ材の二枚のシートシール１９９の間には主に滑りが生じる。また、シートシール１９９を介するテーブル１２２と中間部材１２９の間に間隔変動が生じても、Ｏリング１３０が弾性変形して間隔変動を吸収し常に隙間の発生を防止する。同様に、シートシール１９９を介する上側ベース部材１１４と中間部材１２９の間にも間隔変動が生じても、Ｏリング１３０が同様の作用により隙間の発生を防止する。またシートシール１９９は摩擦係数が小さいため、摺動抵抗は低く抑えられている。ガイドやステージを構成する部材の剛性を低くしても、精密な移動が可能となる。また摩擦力は小さいため部材の摩耗も抑えることが可能である。

また、図３において、対物レンズ１２５の上下移動においても、対物レンズ１２５と上側ベース部材１１４の開口１１４ｂの間に間隔変動が生じるが、Ｏリング１３４が弾性変形して間隔変動を吸収し常に隙間の発生を防止する。

また、図１において、扉１０１ａを閉めると、扉１０１ａと上側ベース部材１１４の間でシール部材１１２が押圧される。従って、扉１０１ａつまり培養装置１０１と上側ベース部材１１４の間に隙間は生じない。

従って、観察装置は、上側ベース部材１１４と基部１０１ｂとシール構造（シール部材１１２とシートシール１９９とＯリング１３０とＯリング１３４）により、培養装置１０１の湿気から隔離される。

この構成により、閉じられた扉１０１ａと上側ベース部材１１４とで規定される培養空間を外気と遮断することが可能である。さらに、培養空間の内部のテーブル１２２と対物レンズ１２５を培養空間の外部から移動させることが可能となる。そのため、培養空間の温度と湿度維持が容易なため、必要なヒーター容量と必要な水分量の削減が可能である。さらに、機構部（移動装置）と光学部への湿気の浸入を低減可能となり、錆と結露の発生を抑制できる。

また摩擦係数の小さいＰＴＦＥをシール面に用いたことによって、位置精度とシール性を兼ね備えた培養標本観察装置が実現可能である。

これまでに述べたシール構造（シール部材１１２とシートシール１９９とＯリング１３０とＯリング１３４）によっても、上側ベース部材１１４の下面側へ僅かではあるが湿気は侵入する。そのような湿気に対して機構部（移動装置）と光学部を湿気に曝さないため、図２において、上側ベース部材１１４の下面と水平移動部材１１６との隙間は０．１ｍｍ以下に設定され、また水平移動部材１１６には吸気管１３１と排気管１３２が接続されている。吸気管１３１と排気管１３２は外部に導かれ、吸気管１３１には吸気のために空圧源が接続されている。また吸気管１３１は培養装置１０１の内部での経路を長くするため、培養装置１０１の内部で数巻き巻かれている。吸気管１３１と排気管１３２は、観察装置の雰囲気と培養標本観察装置全体を包む外気との間を接続している、観察装置の雰囲気を除湿するための除湿手段を構成している。また中間部材１２９は、水平移動部材１１６に接続されている円筒部に、円筒部を貫通している連絡穴１２９ａを備えている。

また図３において、上側ベース部材１１４には、上側ベース部材１１４から対物レンズ１２５の軸方向に伸びた捕獲部材１３３が設けられている。捕獲部材１３３は、対物レンズ１２５が通る開口を有し、開口の内周面に形成された溝にはＯリング１３４が装着され、対物レンズ１２５を押圧している。捕獲部材１３３のＯリング１３４と上側ベース部材１１４のＯリング１３４の間にも、前述した吸気管１３１と排気管１３２が接続されている。

閉じられた扉１０１ａと上側ベース部材１１４とで規定された培養空間から二枚のシートシール１９９の間を通って侵入した湿気は、中間部材１２９と回転軸１１９の隙間から連絡穴１２９ａを通って、上側ベース部材１１４と水平移動部材１１６の間に拡散する。上側ベース部材１１４と水平移動部材１１６に拡散した湿気は吸気管１３１から導入される外気とともに排気管１３２から外部に排気される。吸気管から導入される外気は、培養装置１０１の内部での長い経路により暖められた空気となり水平移動部材１１６に達するため、部材の温度低下を生じさせることがない。対物レンズ１２５とＯリング１３４の間から侵入した湿気も同様に外部に排気される。

上記の構成により、それぞれのシール構造（シートシール１９９とＯリング１３０とＯリング１３４）から侵入した僅かな湿気も外部に強制的に排出される。このため、機構部（移動装置）や光学部に湿気が到ることがなく、錆や結露が生じる恐れがなくなる。また対物レンズ１２５の温度を一定にすることによって、温度変化による対物レンズ１２５の焦点移動を排除することが可能である。このため、長時間の観察でもピントズレのない観察が可能となる。

［マニュピレーター］
次に、培養細胞に遺伝子や薬剤を導入するマニュピレーターについて図３を参照しながら説明する。マニュピレーターは、揺動と上下移動が可能なアーム１４２を有し、アーム１４２は端部にシリンジ１４３を保持している。アーム１４２は上下移動軸１３８にネジによって着脱可能に固定されている。上下移動軸１３８は、円筒状の回転軸１３６の中に収容されており、回転軸１３６に対して上下移動し得る。回転軸１３６は、軸受け１３７を介して上側ベース部材１１４に取り付けられており、上側ベース部材１１４に対して回転し得る。回転軸１３６は下端部に大歯車１９５を備えている。大歯車１９５は、上側ベース部材１１４に固定されたステッピングモーター１９４の出力軸に取り付けられた小歯車１９３とかみ合っている。上下移動軸１３８は下端部にメスネジを有している。上下移動軸１３８のメスネジは、ステッピングモーター１４０の出力軸に形成されたオスネジとかみ合っている。上下移動軸１３８は外周面に上下に延びる溝１３８ａを有している。溝１３８ａには、回転軸１３６に固定されたピン１３９が収容されている。ピン１３９は、回転軸１３６に対する上下移動軸１３８の上下移動の範囲を定めるとともに、回転軸１３６に対する上下移動軸１３８の回転を規制する。上下移動軸１３８に対するアーム１４２の固定位置は、シリンジ１４３と回転軸１３６の芯との間の距離が対物レンズ１２５の光軸と回転軸１３６の芯との間の距離と同じになるように調整されている。

以上の構成により、高湿度環境下でも、アーム１４２を移動して視野中心の細胞にシリンジ１４３を配置することが可能となり、例えば上側ベース部材１１４の上に設置した試薬を培養細胞に投与することが可能となる。また、アーム１４２を回転させるためのステッピングモーター１９４と、標本１２３を水平移動させるためのステッピングモーター１１８とを連動させて駆動することにより、シリンジ１４３を所定の範囲内で任意の位置に配置することが可能である。

本実施形態の培養標本観察装置では、テーブル１２２とアーム１４２を取り外した状態では、上側ベース部材１１４の上側に突出している部材は、円柱状の部材（移動装置の回転軸１１９と中間部材１２９、マニュピレーターの回転軸１３６）だけであるので、清掃を容易に行なうことが可能である。

［水補給］
水浸対物レンズへの水補給装置について図３を参照しながら説明する。本実施形態の培養標本観察装置は、対物レンズ１２５が水浸対物レンズである場合も考慮して、水浸対物レンズへ水を補給する水補給装置を備えている。水補給装置は、培養装置１０１の設定温度とは異なる温度への設定が可能な冷却部を備えている。冷却部は、これに限らないが、本実施形態ではペルチェ素子１４４で構成されている。ペルチェ素子１４４は、テーブル１２２の下面で、テーブル１２２の移動の際に対物レンズ１２５の光軸上に位置し得る個所に固定されている。ペルチェ素子１４４は、対物レンズ１２５に対向し得る水補給面１４４ａを有している。培養空間は相対湿度１００％に近い飽和状態に維持されるため、ペルチェ素子１４４の水補給面１４４ａを数度冷却すると、水補給面１４４ａに水蒸気が結露する。前述した移動装置によってテーブル１２２を移動して、水補給面１４４ａを対物レンズ１２５の上方に配置した後に降下させることにより、水補給面１４４ａに結露した水を対物レンズ１２５に補給することができる。この構成によれば、ペルチェ素子１４４だけで、ほかに特別な部材を用いることなく、対物レンズ１２５への水の補給が可能となる。つまり、安価な水補給装置が提供される。

ペルチェ素子１４４をテーブル１２２に設ける代わりに上側ベース部材１１４の上面に設け、ペルチェ素子１４４の上面に結露した水を前述したマニュピレーターを利用して対物レンズ１２５に供給することも可能である。この構成では、ペルチェ素子１４４をテーブル１２２に設けていないため、標本の温度変化を少なくすることが可能となる。

［暗視野］
観察装置は蛍光観察と暗視野観察とが可能である。蛍光観察は目的部位での蛍光蛋白の発現確認などに利用し、暗視野観察は細胞の核や輪郭を可視化し細胞の位置や培養の状態、または細菌汚染の確認などに利用する。

観察装置は、培養細胞を照明するための照明装置と、培養細胞を観察するための観察装置とを含んでいる。図４は、図１に示される観察装置に適用可能な照明装置を示している。図４に示されるように、照明装置は、発光波長が異なる複数の発光ダイオード１４５と、発光ダイオード１４５の前方にそれぞれ配置された複数の励起フィルター１４６と、屈折部材１４７とを備えている。発光ダイオード１４５と励起フィルター１４６と屈折部材１４７は共に対物レンズ１２５の外周部に配置されている。励起フィルター１４６は、発光ダイオード１４５から発せられる照明光のうち特定の波長の照明光だけを選択的に透過する。屈折部材１４７は、励起フィルター１４６を透過した照明光を屈折させて標本１２３に方向付ける。

観察装置は、図１に示されるように、対物レンズ１２５と、対物レンズ１２５と共働して結像光学系を構成する結像レンズ１４９と、結像光学系によって結像された光学像を撮る撮像装置１５０と、撮像装置１５０で取得された像を表示するモニター１９２とを備えている。標本１２３から光が対物レンズ１２５を通って結像レンズ１４９に伝搬するように、基部１０１ｂには光学窓２２３が設けられている。光学窓２２３はガラス板などの透明光学部材で構成されてよい。さらに観察装置は、撮像装置１５０に向かう観察光のうち特定の波長の観察光だけを選択的に透過する吸収フィルター１４８と、吸収フィルター１４８を必要に応じて光軸上に配置するためのターレット１５１とを備えている。撮像装置１５０は、蛍光観察を考慮して冷却ＣＣＤであるとよい。

暗視野観察では、図１において、ターレット１５１を切り換えて空穴を光軸上に配置し、吸収フィルター１４８を光軸上から外す。図４において、発光ダイオード１４５が発した光は、励起フィルター１４６を透過し、屈折部材１４７により標本１２３を対物レンズ１２５のＮＡの外から照明する。そのため照明光や標本容器の下面で正反射した光は、対物レンズ１２５に捕獲されない。標本１２３内の培養細胞による反射光や散乱光だけが対物レンズ１２５に捕獲され、撮像装置１５０によって検出される。そのため透明な培養細胞でも染色することなく可視化が可能となる。また通常用いられている位相差観察で用いる透過照明部が不要なため、標本上部に空間が生じるため、培養装置１０１への標本１２３の出し入れや、標本１２３への試薬の投与などの操作が容易となる。

図５は、図１に示される観察装置に適用可能な別の照明装置を示している。対物レンズ１２５のＮＡが例えば０．８５とすると、対物レンズ１２５が捕獲する光の範囲は光軸から約６０度の範囲となる。標本容器底面の中央に向け、光軸から７０度の母線上には複数の照明光軸が設定され、照明光軸上には、励起フィルター１５２とコリメートレンズ１５３と発光ダイオード１５４とが配置される。励起フィルター１５２とコリメートレンズ１５３と発光ダイオード１５４は、上側ベース部材１１４上でテーブル１２２の移動範囲の外に設けた照明部材１５５の内部に防塵ガラス１５６によって封じられている。

言い換えれば、図５の照明装置は、照明光を発する発光ダイオード１５４と、発光ダイオード１５４から発せられる照明光を平行光にするコリメートレンズ１５３と、発光ダイオード１５４から発せられる照明光のうち特定の波長の照明光だけを選択的に透過する励起フィルター１５２と、発光ダイオード１５４とコリメートレンズ１５３と励起フィルター１５２を収容する照明部材１５５と、照明部材１５５に設けられた光学窓を構成する防塵ガラス１５６とを備えている。発光ダイオード１５４とコリメートレンズ１５３と励起フィルター１５２を通る照明光軸は、対物レンズ１２５の光軸に対して７０度傾いている。

発光ダイオード１５４が発した光は、コリメートレンズ１５３で平行光となり対物レンズ１２５での観察視野内を均一に照明する。標本１２３を透過した光は、対物レンズ１２５のＮＡの外からの光のため、対物レンズ１２５に捕獲されない。標本１２３による反射光や散乱光だけが対物レンズ１２５に捕獲され、撮像装置１５０によって検出される。そのため透明な培養細胞でも染色することなく可視化が可能となることや、透過照明部が不要になることなど、図４に示される照明装置による暗視野照明と同様の効果がある。蛍光観察を兼ねない場合または励起波長で狭帯域の波長が不要な場合は、励起フィルター１５２を取り除いた構成でもよい。

［蛍光］
図４の照明装置を用いて蛍光観察も可能である。蛍光観察では、図１において、ターレット１５１を切り換えて、標本１２３の蛍光波長に合わせた吸収フィルター１４８を光軸上に配置する。図４において、発光ダイオード１４５が発した光は、励起フィルター１４６によって標本励起に必要な波長の光だけが選択的に透過され、標本１２３を照明する。照明光により励起された標本１２３は、励起に用いた波長より長い波長の蛍光を発する。蛍光は対物レンズ１２５に捕獲され、平行光となり対物レンズ１２５を出て吸収フィルター１４８に到る。吸収フィルター１４８を透過した光は結像レンズ１４９により撮像装置１５０の受光面に結像され、モニター１９２上に物体像を表示する。暗視野照明のため、照明光が対物レンズ１２５で捕獲されないので、照明光による対物レンズ１２５での自家蛍光によるＳＮの低下が生じない。

図５の照明装置を用いて蛍光観察も可能である。図５において、発光ダイオード１５４が発した光は、コリメートレンズ１５３によって平行光となり、励起フィルター１５２によって標本励起に必要な光だけが選択的に透過され、標本を均一に照明する。結像までに到る作用は図４の照明装置の場合と同様である。

また発光ダイオード１５４に代えて、装置外部に設けた光源をファイバー伝達して用いることも可能である。ファイバーを用いる場合は、光源の大きさや光源の熱への配慮が不要となるため高輝度光源を用いることも可能となる。

ここでは、蛍光観察のための照明装置は、図４と図５に示されるように、斜照明の照明装置であるが、落射照明の照明装置であってもよい。

［培養環境］
培養標本観察装置は、図１に示されるように、主に扉１０１ａと上側ベース部材１１４とによって規定される領域Iと、主に基部１０１ｂと上側ベース部材１１４とによって規定される領域IIと、培養標本観察装置の外の領域IIIとを有している。領域I内は、温度と湿度が人や動植物の体内環境あるいはその他生物やウイルスなどの活動環境と同等レベルに維持される。領域II内は、温度は領域Iと同等レベルに維持され、湿度は常湿レベルに維持される。領域III内は、温度は常温レベルに、湿度は常湿レベルに維持される。

領域Iと領域IIと領域IIIは、対物レンズ１２５と結像レンズ１４９と撮像装置１５０を含む結像光学系の光軸に沿って配置されている。標本１２３は領域I内に配置され、撮像装置１５０は領域III内に配置されている。

領域IIと領域IIIは、結像光学系の光すなわち標本１２３からの光が領域IIと領域IIIの境界を通過するように、領域IIと領域IIIの間に位置している光学窓２２３を介して光学的に結合されている。

領域Iと領域IIは、領域Iの温度をｔ１、領域Iの湿度をｈ１、領域IIの温度をｔ２、領域IIの湿度をｈ２として、
３６℃≦ｔ１≦３８℃，９０％≦ｈ１≦１００％
３６℃≦ｔ２≦３８℃，５０％≦ｈ２≦８０％
を満足している。

標本１２３と対物レンズ１２５は、保温・保湿性能上脆弱（ぜいじゃく）であり、常温・常湿環境から分離して維持されるとよい。培養環境による対物レンズ１２５への悪影響（特に結露）はできる限り緩和されることが望ましい。結像光学系中の撮像装置１５０は、基本的に発熱体であり、培養環境からできる限り離して配置されることが望ましい。

本実施形態の培養標本観察装置は緩衝領域としての領域IIを有しており、標本２１３と撮像装置１２５０はそれを介して配置され、対物レンズ１２５は主にその中に配置されている。その結果、対物レンズ１２５への悪影響（特に結露）は効果的に軽減され、培養環境は好適な状態に容易に維持される。

［位相差］
図６は、本実施形態の変形例の培養標本観察装置を示している。具体的には、図１に示される観察装置を暗視野観察に適した構成から位相差観察に適した構成に変更した培養標本観察装置を示している。図６において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

本変形例の培養標本観察装置では、観察装置は、図６から分かるように、図１の対物レンズ１２５に代えて位相差対物レンズ１５７を備えており、また図４や図５の暗視野照明装置に代えて透過照明装置を備えている。

透過照明装置は、照明支柱１５８とリングスリット１５９と発光ダイオード１６０と反射ミラー１６１とコリメートレンズ１６２とを備えている。照明支柱１５８は、上側ベース部材１１４上でテーブル１２２の移動範囲の外に設置されている。照明支柱１５８は、リングスリット１５９と発光ダイオード１６０と反射ミラー１６１とを収容している。コリメートレンズ１６２は照明支柱１５８の開口部に挿入され、接着材によって隙間なく固定されている。リングスリット１５９はリング状の開口を有し、位相差対物レンズ１５７の後ろ側焦点面と共役な位置に配置されている。発光ダイオード１６０は、リングスリット１５９の近傍に配置されている。

位相差対物レンズ１５７は後ろ側焦点面に位相板１６３を備えている。位相板１６３の大きさは投影されるリングスリット１５９を含む大きさである。つまり、リングスリット１５９の像は位相板１６３の内側に投影される。また位相板１６３は、透過光の位相を１／４波長シフトする光学部材と透過光を減衰させるＮＤ膜とから構成されている。

発光ダイオード１６０を発した光は、リングスリット１５９の開口を透過し、反射ミラー１６１で方向転換され、コリメートレンズ１６２により平行光となり、標本１２３をムラなく照明する。

標本１２３を透過した０次光は、位相差対物レンズ１５７の位相板１６３上に集光し、位相シフトと光量減衰がなされる。また標本１２３で回折した一次光は、位相差対物レンズ１５７の後ろ側焦点面で位相板１６３上に集光しないため、位相シフトと光量減衰はなされない。

０次光と一次光は結像レンズ１４９によって撮像装置１５０の受光面に結像する。位相板１６３による０次光の位相シフトによって一次光との間で干渉が生じ、無染色標本でも観察が可能となる。また、コリメートレンズ１６２によって照明支柱１５８の内部と培養空間が遮断されるため、照明支柱内部の光学部材を結露させることがない。

＜第一実施形態の別の変形例＞
図７は、本発明の第一実施形態の別の変形例の培養標本観察装置を示している。図７において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

培養装置１０１内の上側ベース部材１１４には、複数の支持支柱２０１を介して固定した脚取付部２０２が設置され、脚取付部２０２の中央と下側ベース部材１９１は一本の脚部２０５によって接続されている。

また、対物レンズ１２５のシール部材２０３として以下の部材を用いる。シール部材２０３は弾性を有する肉薄形状のゴム材料であり、円筒部と二個所の平面部を持つ。二個所の平面部は対物レンズ１２５と上側ベース部材１１４に固定部材２０４を介して固定されている。

一本の脚部２０５により培養装置１０１の内外で設定温度の異なる脚取付部２０２と下側ベース部材１９１を接続することにより、温度による膨張差で生じる材料の歪みを低減可能であり、光学調整を狂わすことがない。

またシール部材２０３により摺動抵抗が低いシールが可能となり、位置再現性の向上が可能となる。

＜第五実施形態のさらに別の変形例＞
図８は、本発明の第五実施形態のさらに別の変形例の培養標本観察装置を示している。図８において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

本変形例の培養標本観察装置は、図１に示された培養標本観察装置の装置構成に加えて、標本１２３を透過照明するための透過照明装置２１０をさらに備えている。過照明装置２１０は、対物レンズ１２５の上方に位置し、扉１０１ａから外れるように扉１０１ａに取り付けられている。扉１０１ａには、過照明装置２１０からの光を透過する二枚の光学窓２２１と２２２が設けられている。二枚の光学窓２２１と２２２はガラス板などの透明光学部材で構成されてよい。

本変形例では、領域I（主に扉１０１ａと上側ベース部材１１４とによって規定される領域）と領域II（主に基部１０１ｂと上側ベース部材１１４とによって規定される領域）とが、結像光学系の光すなわち透過照明装置２１０からの光が領域Iと領域IIの境界を通過するように、領域Iと領域IIの間に位置している光学窓２２１と２２２を介して光学的に結合されている。

本変形例においても、領域Iと領域IIは前述の条件を満足している。発熱源となる光源を含む透過照明装置２１０が領域Iと領域II以外の領域つまり領域III内に配置されているため、領域Iと領域IIの温度制御が容易に行なえる。このため、対物レンズ１２５への悪影響（特に結露）が効果的に軽減される。

第二実施形態
図９は、本発明の第二実施形態の培養標本観察装置を概略的に示している。

本実施形態の培養標本観察装置は、温度・湿度・ＰＨの制御が可能で細胞培養に用いる培養装置としてのインキュベーター１６４と、インキュベーター１６４の内部に収容される顕微鏡装置１６５と、顕微鏡装置１６５をインキュベーター１６４の内部と外部の間で移動させるスライド装置１６６とを備えている。スライド装置１６６はインキュベーター１６４の内部に設けられている。

顕微鏡装置１６５は、培養細胞を照明するための照明装置１６７と、培養細胞を観察するための観察装置１６８と、移動装置１６９と、顕微鏡容器１７０とから構成される。照明装置１６７は、発光ダイオード１７１と、コリメートレンズ１７２と、励起フィルター１７３とを備えている。観察装置は１６８、対物レンズ１７４と、吸収フィルター１７５を備えたターレット１７６と、結像レンズ１７７と、撮像装置１７８とを備えている。対物レンズ１７４と撮像装置１７８は結像光学系を構成している。移動装置は、顕微鏡容器１７０に設置された標本と対物レンズ１７４とを相対的に移動させるためのものであり、水平面内で二次元移動が可能な水平ステージ１７９と、水平ステージ１７９に設置された上下方向への移動が可能な上下ステージ１８０とを備えている。

対物レンズ１７４と照明装置１６７は上下ステージ１８０に一体的に固定されている。吸収フィルター１７５とターレット１７６と結像レンズ１７７と撮像装置１７８は水平ステージに一体的に固定されている。顕微鏡容器１７０は、実質的に、二つの開口を有する直方体形状の箱である。一方の開口は顕微鏡容器１７０の上面に位置し、他方の開口は顕微鏡容器１７０の側面に位置している。上面の開口近傍に設けた溝には弾性を有するＯリング１８１が装着され、光学的に透明なガラス板１８２がＯリング１８１を押圧した状態で顕微鏡容器１７０に固定されている。

顕微鏡容器１７０の側面の開口には連絡管１８３が固定されている。連絡管１８３は、伸縮が可能なベローズで、顕微鏡容器１７０の内部とインキュベーター１６４の外部を接続している。連絡管１８３は、図９には作図の都合から、顕微鏡容器１７０の移動方向すなわち前後方向に垂直な方向すなわち左右方向に延びるように模式的に描かれているが、実際には、顕微鏡用器１７０の移動方向すなわち前後方向に平行に延びるように設けられている。また図９には一本の連絡管１８３が描かれているが、実際には、吸気と排気のために二本の連絡管１８３が設けられている。スライド装置１６６は、固定部１８４と移動部１８５と転動部１８６とからなり、固定部１８４はインキュベーター１６４に固定され、移動部１８５は顕微鏡容器１７０に固定されている。

インキュベーター１６４には内部の温度・湿度ムラをなくす目的でファン２３１が設けられている。しかしファン２３１による振動は取得画像を劣化させる。そのため、制御部２３２は、撮影時に、ファン２３１を停止させるブレ防止制御を行なう。ブレ防止制御は照明装置１６７の点灯と同時に開始されてもよい。このブレ防止制御によって、ファン２３１の振動による像ボケが生じることなく、高品位な画像取得が可能となる。

Ｏリング１８１を用いた密閉構造により、高湿度のインキュベーター１６４環境においても顕微鏡容器１７０内部への湿気の侵入が軽減されるとともに、侵入した僅かな湿気も連絡管１８３によって外部に排出されるため、観察装置部に錆や結露を生じることがない。また、スライド装置１６６を設けてインキュベーター１６４に対する顕微鏡容器１７０の出し入れを容易にすることにより清掃しやすくしているため、細菌やカビなどへの汚染を嫌う細胞培養においても汚染予防が可能となる。またＯリングによるシール部では僅かな湿気の侵入があるため、二本の連絡管を設け、一方の連絡管で外気を導入し他方の連絡管で内部の湿気を強制的に除去してもよい。これにより、さらに湿気対策を完全なものとすることが可能となる。

培養標本観察装置は、インキュベーター１６４と顕微鏡容器１７０の間の領域Iと、顕微鏡容器１７０の内部の領域IIと、インキュベーター１６４の外の領域IIIとを有している。領域I内は、温度と湿度が人や動植物の体内環境あるいはその他生物やウイルスなどの活動環境と同等レベルに維持される。領域II内は、温度は領域Iと同等レベルに維持され、湿度は常湿レベルに維持される。領域III内は、温度は常温レベルに、湿度は常湿レベルに維持される。

領域Iと領域IIと領域IIIは、観察装置１６８の結像光学系の光軸に沿って配置されている。標本１２３は領域I内に配置されている。

領域Iと領域IIは、観察装置の光すなわち標本１２３からの光が領域Iと領域IIの境界を通過するように、領域Iと領域IIの間に位置している光学的に透明なガラス板１８２を介して光学的に結合されている。

領域Iと領域IIは、領域Iの温度をｔ１、領域Iの湿度をｈ１、領域IIの温度をｔ２、領域IIの湿度をｈ２として、
３６℃≦ｔ１≦３８℃，９０％≦ｈ１≦１００％
３６℃≦ｔ２≦３８℃，５０％≦ｈ２≦８０％
を満足している。

本実施形態の培養標本観察装置は、その中に観察装置が配置される領域IIを有しているので、観察装置１６８への悪影響（特に結露）が効果的に軽減される。

本実施形態では、顕微鏡容器１７０はスライド装置１６６によってインキュベーター１６４に入れられたりインキュベーター１６４から出されたりされるが、顕微鏡容器１７０を出し入れする機構はこれに限定されるものではなく、任意の公知の移動機構が適用可能である。またスライド装置１６６などの移動機構が省かれ、手作業によって顕微鏡容器１７０がインキュベーター１６４に入れられたりインキュベーター１６４から出されたりしてもよい。

本実施形態においても、蛍光観察のための照明装置１６７は、斜照明の照明装置であるが、落射照明の照明装置であってもよい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

例えば、培養標本観察装置内の観察装置は、上述した実施形態では倒立顕微鏡の態を成しているが、これに限定されるものでない。つまり、観察装置は正立顕微鏡やその他の光学系の態を成していてもよい。

本発明の第一実施形態の培養標本観察装置を概略的に示している。 図１に示されたテーブルの周辺部分を拡大して示している。 図１に示された対物レンズの周辺部分を拡大して示している。 図１に示される観察装置に適用可能な照明装置を示している。 図１に示される観察装置に適用可能な別の照明装置を示している。 本発明の第一実施形態の変形例の培養標本観察装置を示している。 本発明の第一実施形態の別の変形例の培養標本観察装置を示している。 本発明の第一実施形態のさらに別の変形例の培養標本観察装置を示している。 本発明の第二実施形態の培養標本観察装置を概略的に示している。

符号の説明

１０１…培養装置、１０１ａ…扉、１０１ｂ…基部、１０２…断熱材、１０３…内装部、１０４…センサー、１０５…加温ヒーター、１０６…加湿ヒーター、１０７…電磁弁、１０８…支柱ヒーター、１０９…支持支柱センサー、１１０…制御部、１１１…支持支柱、１１２…シール部材、１１３…加湿パッド、１１４…上側ベース部材、１１４ｂ…開口、１１５…直動ガイド、１１６…水平移動部材、１１７…ボールネジ、１１８…ステッピングモーター、１１９…回転軸、１２０…回転軸受け、１２１…ステッピングモーター、１２２…テーブル、１２３…標本、１２４…直動ガイド、１２５…対物レンズ、１２６…上下移動部材、１２７…ボールネジ、１２８…ステッピングモーター、１２９…中間部材、１２９ａ…連絡穴、１３０…Ｏリング、１３１…吸気管、１３２…排気管、１３３…捕獲部材、１３４…Ｏリング、１３５…ボール、１３６…回転軸、１３７…軸受け、１３８…上下移動軸、１３８ａ…溝、１３９…ピン、１４０…ステッピングモーター、１４２…アーム、１４３…シリンジ、１４４…ペルチェ素子、１４４ａ…水補給面、１４５…発光ダイオード、１４６…励起フィルター、１４７…屈折部材、１４８…吸収フィルター、１４９…結像レンズ、１５０…撮像装置、１５１…ターレット、１５２…励起フィルター、１５３…コリメートレンズ、１５４…発光ダイオード、１５５…照明部材、１５６…防塵ガラス、１５７…位相差対物レンズ、１５８…照明支柱、１５９…リングスリット、１６０…発光ダイオード、１６１…反射ミラー、１６２…コリメートレンズ、１６３…位相板、１６４…インキュベーター、１６５…顕微鏡装置、１６６…スライド装置、１６７…照明装置、１６８…観察装置、１６９…移動装置、１７０…顕微鏡容器、１７１…発光ダイオード、１７２…コリメートレンズ、１７３…励起フィルター、１７４…対物レンズ、１７５…吸収フィルター、１７６…ターレット、１７７…結像レンズ、１７８…撮像装置、１７９…水平ステージ、１８０…上下ステージ、１８１…Ｏリング、１８２…ガラス板、１８３…連絡管、１８４…固定部、１８５…移動部、１８６…転動部、１９１…下側ベース部材、１９２…モニター、１９３…小歯車、１９４…ステッピングモーター、１９５…大歯車、１９９…シートシール、２０１…支持支柱、２０２…脚取付部、２０３…シール部材、２０４…固定部材、２０５…脚部、ファン…２３１、制御部２３２。

Claims (4)

1. 標本を観察するための光学系と、
   温度と湿度が人や動植物の体内環境あるいはその他生物やウイルスなどの活動環境と同等レベルに維持される領域Iと、温度は領域Iと同等レベルに維持され、湿度は常湿レベルに維持される領域IIと、温度は常温レベルに、湿度は常湿レベルに維持される領域IIIの少なくとも三つの領域を有し、領域Iと領域IIと領域IIIは光軸に沿って配置されており、標本は領域I内に配置されており、さらに、
   前記光学系を通る光が三つの領域の間の少なくとも一つの境界を通り、なおかつ該境界の少なくとも光が通過する部分は少なくとも一つの光学部材を有している、培養標本観察装置。
2. 請求項１において、光学系は標本の光学像を撮るための撮像素子を含み、撮像素子は領域III内に配置されている、培養標本観察装置。
3. 請求項１において、領域Iと領域IIは、領域Iの温度をｔ１、領域Iの湿度をｈ１、領域IIの温度をｔ２、領域IIの湿度をｈ２として、
   ３６℃≦ｔ１≦３８℃，９０％≦ｈ１≦１００％
   ３６℃≦ｔ２≦３８℃，５０％≦ｈ２≦８０％
   を満足している、培養標本観察装置。
4. 請求項１において、領域IIIに標本を照明する照明装置を設置した、培養標本観察装置。

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