JP2006301599A - 微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システム - Google Patents
微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】生体細胞等の特定部位から発する微弱な発光を検出可能な微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムを提供する。
【解決手段】微弱光撮像光学系１が、無限遠補正型の対物レンズ２と、結像レンズ３と、撮像手段４を備え、物体６からの微弱な光を検出可能である。対物レンズ２の同焦点距離をＤ、結像レンズ３の開口数をＮＡ'としたとき、次の条件式を満足する。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０
好ましくは、対物レンズ２の胴付位置５から結像レンズ３の最も物体側の面までの距離が可変であって、この可変量をＷ、結像レンズ３の焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式を満足する。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ
さらに好ましくは、次の条件式を満足する。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５
１≦Ｄ／Φｄ＜３
但し、Φｄは対物レンズ２の胴付の外径である。
【選択図】図２
【解決手段】微弱光撮像光学系１が、無限遠補正型の対物レンズ２と、結像レンズ３と、撮像手段４を備え、物体６からの微弱な光を検出可能である。対物レンズ２の同焦点距離をＤ、結像レンズ３の開口数をＮＡ'としたとき、次の条件式を満足する。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０
好ましくは、対物レンズ２の胴付位置５から結像レンズ３の最も物体側の面までの距離が可変であって、この可変量をＷ、結像レンズ３の焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式を満足する。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ
さらに好ましくは、次の条件式を満足する。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５
１≦Ｄ／Φｄ＜３
但し、Φｄは対物レンズ２の胴付の外径である。
【選択図】図２
Description
本発明は、生体からの発光等、物体からの微弱な光を検出可能な微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムに関する。
従来、生体細胞内の病変部等を観察する顕微鏡観察の一手法として、蛍光観察が一般的に行われている。蛍光観察は、特定の蛍光タンパク等の蛍光物質で生体細胞等の生体試料を染色した後、励起光を照射して蛍光を発させ、これを観察することで生体細胞内における病変等、生体試料内の特定部位の有無及びその位置を検出するというものである。
しかし、蛍光観察には、次のような問題があった。
蛍光を発させるためには、生体細胞に照射する励起光の強度をある程度大きくすることが必要である。しかし、強度の大きい励起光を照射しつづけると、生体細胞に大きなダメージを与えてしまう。このため、蛍光観察では、生体細胞を長時間安定させた状態で観察することが難しい。また、蛍光観察では、生体試料に対して励起光を照射するため、蛍光以外のバックグラウンドが高くなり、Ｓ／Ｎに悪影響を与え易い。そして、これらのことから、蛍光観察では、蛍光測定の定量性に問題がある。さらに、蛍光観察では、蛍光物質や蛍光観察を行うための装置が高価であり、コスト高となる。
蛍光を発させるためには、生体細胞に照射する励起光の強度をある程度大きくすることが必要である。しかし、強度の大きい励起光を照射しつづけると、生体細胞に大きなダメージを与えてしまう。このため、蛍光観察では、生体細胞を長時間安定させた状態で観察することが難しい。また、蛍光観察では、生体試料に対して励起光を照射するため、蛍光以外のバックグラウンドが高くなり、Ｓ／Ｎに悪影響を与え易い。そして、これらのことから、蛍光観察では、蛍光測定の定量性に問題がある。さらに、蛍光観察では、蛍光物質や蛍光観察を行うための装置が高価であり、コスト高となる。
しかるに、近年、生体細胞等に励起光を照射することなく、生体細胞からの発光を検出することで、生体細胞内における病変等特定部位の有無及びその位置を検出することが求められている。
発光による検出方法では、例えば、生物発光酵素であるルシフェラーゼ遺伝子等の特定の自己発光酵素を、生体細胞内における特定部位や機能たんぱく質に付けて、その発光を検出するというものである。
発光による検出方法では、例えば、生物発光酵素であるルシフェラーゼ遺伝子等の特定の自己発光酵素を、生体細胞内における特定部位や機能たんぱく質に付けて、その発光を検出するというものである。
発光による検出方法によれば、蛍光観察において必要であった生体細胞への励起光の照射が不要となるため、生体細胞にダメージを与えることなく長期間安定した状態で観察することができる。また、バックグラウンドが低くなり、Ｓ／Ｎが高く、定量性に優れた測定ができる。
一方で、発光による検出方法においては、ルシフェラーゼ遺伝子等の発光酵素からの発光の強度が低く微弱であるため、微弱な光を検出せざるを得ないという欠点がある。
一方で、発光による検出方法においては、ルシフェラーゼ遺伝子等の発光酵素からの発光の強度が低く微弱であるため、微弱な光を検出せざるを得ないという欠点がある。
従来、微弱な発光を検出するための光学装置としては、例えば、次の特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
ＵＳ６７５４００８Ｂ１
特公平１−４５０２０号公報
しかし、特許文献１に記載の装置は、光学系が縮小系として構成されている。このため、特許文献１に記載の装置では、生体細胞の特定部位から発する微弱な発光を検出することはできない。
また、特許文献２に記載の装置は、ルシフェラーゼ等の発光酵素を用いて細胞内の経時的な発現量を測定するものであるが、発現量の解析において細胞全体の平均値を測定しており、個々の細胞の発現量を得ることはできない。
また、従来の顕微鏡を用いて微弱な発光を検出するためには高価なフォトンカウンティングシステムが必要であった。
また、特許文献２に記載の装置は、ルシフェラーゼ等の発光酵素を用いて細胞内の経時的な発現量を測定するものであるが、発現量の解析において細胞全体の平均値を測定しており、個々の細胞の発現量を得ることはできない。
また、従来の顕微鏡を用いて微弱な発光を検出するためには高価なフォトンカウンティングシステムが必要であった。
本発明は上記従来の問題点を鑑みてなされたものであり、生体細胞等の特定部位から発する微弱な発光を検出可能な微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明による微弱光撮像光学系は、無限遠補正型の対物レンズと、結像レンズと、撮像手段を備え、物体からの微弱な光を検出可能な微弱光撮像光学系であって、前記対物レンズの同焦点距離をＤ、前記結像レンズの開口数をＮＡ'としたとき、次の条件式(1)を満足することを特徴としている。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズの胴付位置から前記結像レンズの最も物体側の面までの距離が可変であって、この可変量をＷ、前記結像レンズの焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、次の条件式(3)，(4)を満足するのが好ましい。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
但し、Ｄは前記対物レンズの同焦点距離、ＦＬは前記結像レンズの焦点距離、Φｄは前記対物レンズの胴付の外径である。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
但し、Ｄは前記対物レンズの同焦点距離、ＦＬは前記結像レンズの焦点距離、Φｄは前記対物レンズの胴付の外径である。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズの後側焦点位置が、該対物レンズの胴付位置よりも物体側に位置するのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズを、少なくとも２つ交換可能に備えるとともに、前記交換可能な全ての対物レンズにおける、胴付位置から後側焦点位置までの距離の差が±１５ｍｍ以内となるように、該交換可能な各対物レンズを構成するのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズを、少なくとも２つ同焦点距離を異ならせて交換可能に備えるとともに、前記同焦点距離の異なるいずれの対物レンズに交換したときにおいても該交換して取り付けた各対物レンズの前側焦点位置が略一致するように、前記交換可能な各対物レンズの同焦点距離に対応して、該対物レンズの胴付位置を変化させる胴付位置調整手段を備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記結像レンズを、少なくとも２つ備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズと前記結像レンズとの間に、蛍光観察用照明光学系を備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記対物レンズが、液浸対物レンズ又は固体浸対物レンズであるのが好ましい。
また、本発明による顕微鏡装置は、上記いずれかの本発明の微弱光撮像光学系を備えている。
また、本発明による顕微鏡システムは、上記いずれかの本発明の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置を第１の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置に用いる対物レンズとは同焦点距離及び射出ＮＡが異なる無限遠補正型の第２の対物レンズと、該第１の顕微鏡装置に用いる結像レンズと同じ焦点距離の第２の結像レンズを有する顕微鏡装置を第２の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置における前記結像レンズの開口数をＮＡ'、前記対物レンズの同焦点距離をＤ、物体面から該対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の結像レンズの開口数をＮＡ２'、前記第２の対物レンズの同焦点距離をＤ２、物体面から該第２の対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ２としたとき、前記第１の顕微鏡装置における前記対物レンズ及び前記結像レンズが、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の対物レンズ及び前記第２の結像レンズに対して、次の条件式(5)，(6)，(7)を満足することを特徴としている。
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ …(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ …(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ …(7)
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ …(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ …(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ …(7)
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、物体を挟んで、前記対物レンズとは反対側に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察のうちの少なくともいずれかの観察が可能となるように構成された透過照明光学系を備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記透過照明光学系は、光源と、コンデンサレンズを有し、前記コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能に備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記撮像手段を介して得られる物体の透過照明観察像と物体からの発光観察像とをスーパーインポーズするための画像処理手段を、備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記画像処理手段を介してスーパーインポーズした画像領域の範囲を、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示するための表示手段を備えるのが好ましい。
本発明の微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムによれば、生体細胞等の特定部位から発する微弱な発光を検出可能な微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムが得られる。
本件出願人は、従来一般の蛍光顕微鏡に用いられている撮像光学系を構成する結像レンズの条件を変えながら、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した生体細胞の発光の観察の可否について試験を行った。上述したように、従来の顕微鏡の撮像光学系では、生体細胞等の特定部位からの微弱な発光を検出することはできない。
一般に、顕微鏡の撮像光学系は、対物レンズと、結像レンズと、撮像手段を備えている。
従来の顕微鏡では、対物レンズの開口数ＮＡは、最大でも１．４程度に限定される。これは、標本と対物レンズとの間にオイルを充填してオイルの屈折率により対物レンズの開口数ＮＡを大きくできる液浸対物レンズの場合であっても、オイルの屈折率が２程度に限定されるためである。
一般に、顕微鏡の撮像光学系は、対物レンズと、結像レンズと、撮像手段を備えている。
従来の顕微鏡では、対物レンズの開口数ＮＡは、最大でも１．４程度に限定される。これは、標本と対物レンズとの間にオイルを充填してオイルの屈折率により対物レンズの開口数ＮＡを大きくできる液浸対物レンズの場合であっても、オイルの屈折率が２程度に限定されるためである。
発光する細胞の画像を明るく撮像するためには、射出側の開口数（即ち、結像レンズの開口数ＮＡ’）を大きくする必要がある。しかるに、従来の顕微鏡の撮像光学系に用いられている結像レンズの開口数ＮＡ’は、０．０５程度であり、最大でも０．０７程度である。また、一般的な対物レンズの同焦点距離Ｄは４０〜６５ｍｍ程度である。
そこで、本件出願人は、開口数ＮＡが１．４で同焦点距離Ｄ＝４５ｍｍの対物レンズに対し、開口数が０．０５よりも大きな開口数を持つ複数種類の対物レンズを結像レンズとして用い、結像レンズの開口数ＮＡ’をどの程度の大きさにすれば、発光画像を観察できるかを調べた。撮像素子の画素数は７６５×５１０ピクセル、画素サイズ９×９μのものを使用した。
上記試験の結果、発光画像を観察するには、対物レンズの開口数ＮＡが１．４で同焦点距離が４５ｍｍのときに、組み合わせる結像レンズは、開口数ＮＡ’が少なくとも０．１５以上必要であることが分かった。なお、結像レンズの開口数ＮＡ’を０．１５にした場合、物体から像面までの倍率は約１０倍（１．４÷０．１５）となる。
本件出願人は、上記試験結果を基礎として、発光画像を効率良く観察するために必要な撮像光学系の構成について導出した。
撮像素子面での撮像範囲は、対物レンズの開口数ＮＡと観察範囲との積を結像レンズの開口数ＮＡ’で割ることにより求まる。従って、結像レンズの開口数ＮＡ’を大きくするだけでは撮像素子面での撮像範囲が小さくなり、撮像素子面に対する撮像範囲が有効に活用できなくなる。このため、物体から像面までの倍率は、例えば４〜１０倍程度に維持することが必要となる。
物体から像面までの倍率を４〜１０倍程度に維持しながら結像レンズの開口数ＮＡ’を０．１５以上に大きくするには、対物レンズから射出される光束径を大きくする必要がある。
そして、対物レンズから射出される光束径を大きくするには、対物レンズの開口数ＮＡを大きくすることが必要となる。
撮像素子面での撮像範囲は、対物レンズの開口数ＮＡと観察範囲との積を結像レンズの開口数ＮＡ’で割ることにより求まる。従って、結像レンズの開口数ＮＡ’を大きくするだけでは撮像素子面での撮像範囲が小さくなり、撮像素子面に対する撮像範囲が有効に活用できなくなる。このため、物体から像面までの倍率は、例えば４〜１０倍程度に維持することが必要となる。
物体から像面までの倍率を４〜１０倍程度に維持しながら結像レンズの開口数ＮＡ’を０．１５以上に大きくするには、対物レンズから射出される光束径を大きくする必要がある。
そして、対物レンズから射出される光束径を大きくするには、対物レンズの開口数ＮＡを大きくすることが必要となる。
しかるに、本発明の微弱光撮像光学系は、次の条件式(1)を満足するように構成されている。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
但し、Ｄは対物レンズの同焦点距離、ＮＡ’は結像レンズの開口数である。
上記条件式(1)を満足すれば、対物レンズの開口数を大きくしても十分な収差補正できる複数のレンズ群を備えた対物レンズが得られる。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
但し、Ｄは対物レンズの同焦点距離、ＮＡ’は結像レンズの開口数である。
上記条件式(1)を満足すれば、対物レンズの開口数を大きくしても十分な収差補正できる複数のレンズ群を備えた対物レンズが得られる。
これに対し、上記条件式(1)の下限値を下回ると、結像レンズの開口数ＮＡ’が小さくなり、対物レンズの開口数ＮＡを大きくすることができず、発光の撮像に適さない。あるいは、対物レンズの同焦点距離が短くなり、対物レンズ内に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることができない。
また、上記条件式(1)の上限値を上回ると、同焦点距離が長くなりすぎて、対物レンズ内での光線のケラレや硝材の光の吸収による透過率の低下が生ずるので好ましくない。
また、上記条件式(1)の上限値を上回ると、同焦点距離が長くなりすぎて、対物レンズ内での光線のケラレや硝材の光の吸収による透過率の低下が生ずるので好ましくない。
また、本発明の微弱光撮像光学系では、対物レンズの胴付位置から結像レンズの最も物体側の面までの距離が可変であって、この可変量をＷ、結像レンズの焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式(2)を満足するのが好ましい。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
上記条件式(2)を満足すれば、撮像面への入射角度が０度〜５度程度の略テレセントリックの構成とすることができ、ＣＣＤ等の撮像素子固有のシェーディングによる光量低下を抑えることが可能となる。また、対物レンズと結像レンズとの間に、例えば、従来の蛍光照明系等の中間鏡筒ユニットを組み合わせるスペースを十分に確保でき、観察装置としてのシステム性が向上する。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
上記条件式(2)を満足すれば、撮像面への入射角度が０度〜５度程度の略テレセントリックの構成とすることができ、ＣＣＤ等の撮像素子固有のシェーディングによる光量低下を抑えることが可能となる。また、対物レンズと結像レンズとの間に、例えば、従来の蛍光照明系等の中間鏡筒ユニットを組み合わせるスペースを十分に確保でき、観察装置としてのシステム性が向上する。
これに対し、上記条件式(2)の下限値を下回ると、対物レンズと結像レンズとの間のスペースが狭くなり、観察装置としてのシステム性が低下する。また、撮像素子に対して光線が斜めに入射することになり、撮像素子によるシェーディングの影響を受けて撮像素子周辺の光量が低下してしまい好ましくない。
また、上記条件式(2)の上限値を上回ると、対物レンズと結像レンズとの間のスペースを十分とることはできるが、上記条件式(2)の下限値を下回る場合と同様に、撮像素子に対して光線が斜めに入射することになり、撮像素子によるシェーディングの影響を受けて撮像素子周辺の光量が低下してしまい好ましくない。また、結像レンズの外径も大きくなり、撮像光学系全体が大型化してしまう。
また、上記条件式(2)の上限値を上回ると、対物レンズと結像レンズとの間のスペースを十分とることはできるが、上記条件式(2)の下限値を下回る場合と同様に、撮像素子に対して光線が斜めに入射することになり、撮像素子によるシェーディングの影響を受けて撮像素子周辺の光量が低下してしまい好ましくない。また、結像レンズの外径も大きくなり、撮像光学系全体が大型化してしまう。
さらに、本発明の微弱光撮像光学系では、次の条件式(3)，(4)を満足するのが好ましい。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
但し、Ｄは対物レンズの同焦点距離、ＦＬは結像レンズの焦点距離、Φｄは対物レンズの胴付の外径である。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
但し、Ｄは対物レンズの同焦点距離、ＦＬは結像レンズの焦点距離、Φｄは対物レンズの胴付の外径である。
物体から像面までの倍率は、結像レンズの焦点距離ＦＬに対する対物レンズの焦点距離の比率、あるいは結像レンズの開口数ＮＡ’に対する対物レンズの開口数ＮＡの比率で決定される。
また、上述したように、撮像素子面での撮像範囲は、対物レンズの開口数ＮＡと観察範囲との積を結像レンズの開口数ＮＡ’で割ることにより求まる。従って、結像レンズの開口数ＮＡ’が大きくなると撮像素子面での撮像範囲が小さくなり、撮像素子面に対する撮像範囲が有効に活用できない。このため、微弱な発光を効率良く撮像するためには、結像レンズの開口数ＮＡ’を０．１５以上にするとともに、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度となるようにするのが好ましい。
また、上述したように、撮像素子面での撮像範囲は、対物レンズの開口数ＮＡと観察範囲との積を結像レンズの開口数ＮＡ’で割ることにより求まる。従って、結像レンズの開口数ＮＡ’が大きくなると撮像素子面での撮像範囲が小さくなり、撮像素子面に対する撮像範囲が有効に活用できない。このため、微弱な発光を効率良く撮像するためには、結像レンズの開口数ＮＡ’を０．１５以上にするとともに、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度となるようにするのが好ましい。
上記条件式(3)，(4)は、物体から像面までの倍率が観察するのに適切な倍率でもって微弱光を効率良く撮像するための条件式である。
上記条件式(3)を満足すれば、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率となり、且つ、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズと組み合わせるのに好適な開口数ＮＡの対物レンズとなり、対物レンズ内でのケラレが少なく、高い収差性能が得られる。
それとともに、上記条件式(4)を満足すれば、対物レンズの胴付位置付近のレンズ群の有効径を十分に確保することで、結像レンズの開口数ＮＡ’を大きくすることができ、且つ、周辺光量のロスを最小限に抑えることが可能となる。
上記条件式(3)を満足すれば、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率となり、且つ、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズと組み合わせるのに好適な開口数ＮＡの対物レンズとなり、対物レンズ内でのケラレが少なく、高い収差性能が得られる。
それとともに、上記条件式(4)を満足すれば、対物レンズの胴付位置付近のレンズ群の有効径を十分に確保することで、結像レンズの開口数ＮＡ’を大きくすることができ、且つ、周辺光量のロスを最小限に抑えることが可能となる。
これに対し、上記条件式(3)の下限値を下回ると、対物レンズの同焦点距離が短くなりすぎてしまい、収差補正が良好且つ高ＮＡの対物レンズが構成できない。
また、上記条件式(3)の上限値を上回ると、対物レンズの同焦点距離が長くなりすぎてしまい、対物レンズ内での光線のケラレや硝材の光の吸収等を原因として透過率が低下する等、周辺光量のロスが大きくなるので好ましくない。
また、上記条件式(3)の上限値を上回ると、対物レンズの同焦点距離が長くなりすぎてしまい、対物レンズ内での光線のケラレや硝材の光の吸収等を原因として透過率が低下する等、周辺光量のロスが大きくなるので好ましくない。
また、上記条件式(4)の下限値を下回ると、対物レンズの同焦点距離が短くなり過ぎて、対物レンズの収差補正が困難になる。
また、上記条件式(4)の上限値を上回ると、対物レンズの胴付位置付近のレンズの有効径が小さくなり過ぎて、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズを用いたときに、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率でもって撮像することができなくなる。
また、上記条件式(4)の上限値を上回ると、対物レンズの胴付位置付近のレンズの有効径が小さくなり過ぎて、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズを用いたときに、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率でもって撮像することができなくなる。
また、本発明の微弱光撮像光学系では、対物レンズの後側焦点位置が、この対物レンズの胴付位置よりも物体側に位置するようにするのが好ましい。
このように構成すれば、対物レンズ内に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることができる。
このように構成すれば、対物レンズ内に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることができる。
また、本発明の微弱光撮像光学系では、後側焦点位置が胴付位置よりも物体側に位置する対物レンズを、少なくとも２つ交換可能に備えるのが好ましい。
このように構成すれば、異なる開口数や同焦点距離の対物レンズを用いることで、観察用途を広げることができる。
なお、その場合、交換可能な全ての対物レンズにおける、胴付位置から後側焦点位置までの距離の差が±１５ｍｍ以内となるように、これらの交換可能な各対物レンズを構成するのが好ましい。
このように構成すれば、各対物レンズを、ほぼ同様に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることが可能な対物レンズとして構成できる。
このように構成すれば、異なる開口数や同焦点距離の対物レンズを用いることで、観察用途を広げることができる。
なお、その場合、交換可能な全ての対物レンズにおける、胴付位置から後側焦点位置までの距離の差が±１５ｍｍ以内となるように、これらの交換可能な各対物レンズを構成するのが好ましい。
このように構成すれば、各対物レンズを、ほぼ同様に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることが可能な対物レンズとして構成できる。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、対物レンズを、少なくとも２つ同焦点距離を異ならせて交換可能に備えるとともに、同焦点距離の異なるいずれの対物レンズに交換したときにおいても交換して取り付けた各対物レンズの前側焦点位置が略一致するように、交換可能な各対物レンズの同焦点距離に対応して、対物レンズの胴付位置を変化させる胴付位置調整手段を備えるのが好ましい。
このように構成すれば、観察用途を広げることができる上、対物レンズを交換したときに焦点を調整する手間を省くことができる。
このように構成すれば、観察用途を広げることができる上、対物レンズを交換したときに焦点を調整する手間を省くことができる。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、結像レンズを、少なくとも２つ備えるのが好ましい。
このように構成すれば、観察用途を広げることができる。
なお、その場合、結像レンズは交換可能に備えるとよい。
あるいは、対物レンズの物体とは反対側に光路分岐手段を設け、光路分岐手段を介して分岐された夫々の光路上に結像レンズと、撮像手段を設けても良い。
このように構成すれば、波長の異なる発光の観察等を同時に行うことができる。
このように構成すれば、観察用途を広げることができる。
なお、その場合、結像レンズは交換可能に備えるとよい。
あるいは、対物レンズの物体とは反対側に光路分岐手段を設け、光路分岐手段を介して分岐された夫々の光路上に結像レンズと、撮像手段を設けても良い。
このように構成すれば、波長の異なる発光の観察等を同時に行うことができる。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、対物レンズと結像レンズとの間に、蛍光観察用照明光学系を備えてもよい。
このように構成すれば、用途に応じて発光観察と蛍光観察とを切り替えて行うことができ、顕微鏡システムとしての観察用途がより一層広がる。
このように構成すれば、用途に応じて発光観察と蛍光観察とを切り替えて行うことができ、顕微鏡システムとしての観察用途がより一層広がる。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、対物レンズを、液浸対物レンズ又は固体浸対物レンズで構成するのが好ましい。
このように構成すれば、対物レンズの開口数ＮＡを大きくとることができ、結像レンズの開口数ＮＡ’をより大きくとることができるため、発光観察に有利となる。
このように構成すれば、対物レンズの開口数ＮＡを大きくとることができ、結像レンズの開口数ＮＡ’をより大きくとることができるため、発光観察に有利となる。
そして、本発明の顕微鏡装置は、上記いずれかの本発明の微弱光撮像光学系を備えている。
また、本発明の顕微鏡システムは、上記いずれかの本発明の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置を第１の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置に用いる対物レンズとは同焦点距離及び射出ＮＡが異なる無限遠補正型の第２の対物レンズと、該第１の顕微鏡装置に用いる結像レンズと同じ焦点距離の第２の結像レンズを有する顕微鏡装置を第２の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置における前記結像レンズの開口数をＮＡ'、前記対物レンズの同焦点距離をＤ、物体面から該対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の結像レンズの開口数をＮＡ２'、前記第２の対物レンズの同焦点距離をＤ２、物体面から該第２の対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ２としたとき、前記第１の顕微鏡装置における前記対物レンズ及び前記結像レンズが、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の対物レンズ及び前記第２の結像レンズに対して、次の条件式を(5)〜(7)を満足するように構成している。
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ …(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ …(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ …(7)
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ …(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ …(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ …(7)
条件式(5)〜(7)は、本発明の顕微鏡システムにおいて、同焦点距離４５〜９０ｍｍ、結像レンズの焦点距離１８０ｍｍ、結像レンズの開口数０．０３〜０．０７である、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系との互換性を持たせるための条件を規定したものである。
本発明の顕微鏡システムのように、条件式(5)〜(7)を満足すれば、上記従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系との互換性を持たせることができる。
条件式(5)の下限値は、結像レンズの開口数が０．０３である、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系と、結像レンズの開口数が０．３である、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための下限値である。
条件式(5)の上限値は、結像レンズの開口数が０．０７である、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系と、結像レンズの開口数が０．０８である、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための上限値である。
本発明の顕微鏡システムのように、条件式(5)〜(7)を満足すれば、上記従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系との互換性を持たせることができる。
条件式(5)の下限値は、結像レンズの開口数が０．０３である、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系と、結像レンズの開口数が０．３である、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための下限値である。
条件式(5)の上限値は、結像レンズの開口数が０．０７である、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系と、結像レンズの開口数が０．０８である、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための上限値である。
条件式(6)の下限値は、同焦点距離が４５ｍｍである、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系と、同焦点距離がＩＳＯ規格９０ｍｍを満足する、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための下限値である。
条件式(6)の上限値は、同焦点距離が６５ｍｍである、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系との、同焦点距離が７５ｍｍを満足する、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための上限値である。
条件式(6)の上限値は、同焦点距離が６５ｍｍである、従来の顕微鏡システムにおける撮像光学系との、同焦点距離が７５ｍｍを満足する、本発明の顕微鏡システムにおける微弱光撮像光学系との互換性を持たせるための上限値である。
なお、位相差観察用リングスリットや微分干渉観察用プリズムを従来の顕微鏡システムと本発明の顕微鏡システムとで共通使用する場合、両システム間で物体面からの対物レンズの後側焦点位置がほぼ同じ位置に来るようにする必要がある。
条件式(7)はその位置ずれの許容量を規定したものである。
条件式(7)はその位置ずれの許容量を規定したものである。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、物体を挟んで、前記対物レンズとは反対側に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察のうちの少なくともいずれかの観察が可能となるように構成された透過照明光学系を備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記透過照明光学系は、ハロゲン光源、ＬＥＤ光源、ファイバ光源等の光源と、コンデンサレンズを有し、前記コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能に備えるのが好ましい。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記透過照明光学系は、ハロゲン光源、ＬＥＤ光源、ファイバ光源等の光源と、コンデンサレンズを有し、前記コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能に備えるのが好ましい。
蛍光観察を行う場合の照明方式としては、落射照明と透過照明の方式がある。ここで、本発明の微弱光撮像光学系のように、透過照明によって蛍光観察を行う構成にすれば、対物レンズと結像レンズとの間に照明系を配置しなくて済むので、対物レンズと結像レンズとの間をコンパクト化することができる。また、開口数ＮＡ’が大きい結像レンズの収差性能や、結像レンズの像側（撮像素子側）のテレセントリック性が向上する。
また、観察物体が透明な場合、透過照明での該観察物体の可視化手法として、本発明の微弱光撮像光学系のように構成すれば、透過蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、偏斜照明及びホフマンモジュレーションコントラスト観察等の観察手法を発光観察と組み合わせることによって、観察物体の位置や形状を特定し、同時に、発光像を取得することができる。
なお、上述した各種透過照明の観察および落射蛍光観察で使用する光源としては、ＬＥＤ光源が好ましい。ＬＥＤ光源を用いると、低消費電力でもって、照明光強度を電気的に調整することが可能となり、蛍光観察の切替を高速に行うことが可能となる。
また、観察物体が透明な場合、透過照明での該観察物体の可視化手法として、本発明の微弱光撮像光学系のように構成すれば、透過蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、偏斜照明及びホフマンモジュレーションコントラスト観察等の観察手法を発光観察と組み合わせることによって、観察物体の位置や形状を特定し、同時に、発光像を取得することができる。
なお、上述した各種透過照明の観察および落射蛍光観察で使用する光源としては、ＬＥＤ光源が好ましい。ＬＥＤ光源を用いると、低消費電力でもって、照明光強度を電気的に調整することが可能となり、蛍光観察の切替を高速に行うことが可能となる。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記撮像手段を介して得られる物体の透過照明観察像と物体からの発光観察像とをスーパーインポーズするための画像処理手段を、備えるのが好ましい。
このように構成すれば、透過観察像と組み合わせた発光像観察を実現でき、観察物体の位置、形状等を特定して発光像を取得することができる。
なお、発光像は、光量が微弱である。一方、透過照明による透過観察像は、発光観察像に比べて光量が強い。このため、発光観察像を透過観察像と組み合わせて観察するためには、撮像手段で撮像した、発光像と透過観察像との明るさを調整して、これら二つの像を重ね合わせるようにする。
このように構成すれば、透過観察像と組み合わせた発光像観察を実現でき、観察物体の位置、形状等を特定して発光像を取得することができる。
なお、発光像は、光量が微弱である。一方、透過照明による透過観察像は、発光観察像に比べて光量が強い。このため、発光観察像を透過観察像と組み合わせて観察するためには、撮像手段で撮像した、発光像と透過観察像との明るさを調整して、これら二つの像を重ね合わせるようにする。
また、本発明の微弱光撮像光学系においては、前記画像処理手段を介してスーパーインポーズした画像領域の範囲を、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示するための表示手段を備えるのが好ましい。
このように構成すれば、スーパーインポーズされた観察領域が明確になり、観察物体における発光観察位置を把握し易くなる。
このように構成すれば、スーパーインポーズされた観察領域が明確になり、観察物体における発光観察位置を把握し易くなる。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図、図２は図１に示す微弱光撮像光学系の原理説明図である。
第１実施形態の顕微鏡装置は、微弱光撮像光学系１と、微弱光撮像情報処理表示手段７を有して構成されている。
微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２と、結像レンズ３と、撮像手段４を備えている。なお、図１中、５は対物レンズ２の胴付位置、６は生体試料等の物体を示している。また、図２中、Ｏは物体面、Ｉは撮像面の位置を夫々示している。
対物レンズ２は、無限遠補正型の対物レンズとして構成され、物体６からの微弱な発光を略平行光に変換する。
結像レンズ３は、対物レンズ２からの平行光束を集光して撮像手段４の撮像面上に物体像を結像する。
撮像手段４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有して構成されている。
微弱光撮像情報処理表示手段７は、例えばパソコンで構成されており、撮像手段４の撮像動差を制御する撮像制御手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報を記録する画像記録手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報から数値情報に変換して計測する計測手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報や上記計測手段で計測された数値情報を表示する表示手段（図示省略）等を備えている。
図１は本発明の第１実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図、図２は図１に示す微弱光撮像光学系の原理説明図である。
第１実施形態の顕微鏡装置は、微弱光撮像光学系１と、微弱光撮像情報処理表示手段７を有して構成されている。
微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２と、結像レンズ３と、撮像手段４を備えている。なお、図１中、５は対物レンズ２の胴付位置、６は生体試料等の物体を示している。また、図２中、Ｏは物体面、Ｉは撮像面の位置を夫々示している。
対物レンズ２は、無限遠補正型の対物レンズとして構成され、物体６からの微弱な発光を略平行光に変換する。
結像レンズ３は、対物レンズ２からの平行光束を集光して撮像手段４の撮像面上に物体像を結像する。
撮像手段４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有して構成されている。
微弱光撮像情報処理表示手段７は、例えばパソコンで構成されており、撮像手段４の撮像動差を制御する撮像制御手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報を記録する画像記録手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報から数値情報に変換して計測する計測手段（図示省略）や、撮像手段４で撮像された画像情報や上記計測手段で計測された数値情報を表示する表示手段（図示省略）等を備えている。
また、微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の同焦点距離をＤ、結像レンズ３の開口数をＮＡ'としたとき、次の条件式(1)を満足するように構成されている。
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
また、微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の胴付位置５から結像レンズ３の最も物体側の面までの距離は、可変となっている。そして、この可変量をＷ、結像レンズ３の焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式(2)を満足するように構成されている。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
５≦Ｄ・ＮＡ'≦３０ …(1)
また、微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の胴付位置５から結像レンズ３の最も物体側の面までの距離は、可変となっている。そして、この可変量をＷ、結像レンズ３の焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式(2)を満足するように構成されている。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ …(2)
また、微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の胴付の外径をΦｄとしたとき、次の条件式(3)，(4)を満足するように構成されている。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５ …(3)
１≦Ｄ／Φｄ＜３ …(4)
さらに、対物レンズ２は、後側焦点位置Ｆｂが、対物レンズ２の胴付位置５よりも物体側に位置するように構成されている。
このように構成された第1実施形態の微弱光撮像光学系１を備えた顕微鏡装置では、物体６から発した微弱光は、対物レンズ２を介して平行光に変換され、結像レンズ３を介して撮像手段４の撮像面上に結像され、撮像手段４を介して撮像される。撮像手段４で撮像された発光画像は、微弱光撮像情報処理表示手段７に送られる。微弱光撮像情報処理表示手段７に送られた画像情報は、画像記録手段（図示省略）を介して記録され、計測手段（図示省略）を介して数値情報に変換されて計測されるとともに、表示手段（図示省略）を介して、画像情報や計測された数値情報が表示される。
このとき、第１実施形態の微弱光撮像光学系１を備えた顕微鏡装置によれば、発光する細胞の画像を明るく撮像することができ、発光画像を観察可能となる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(1)を満足するので、開口数を大きくしても十分な収差補正できる複数のレンズ群を備えた対物レンズ２として構成できる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(2)を満足するので、撮像面への入射角度が０度〜５度程度の略テレセントリックの構成とすることができ、ＣＣＤ等の撮像素子固有のシェーディングによる光量低下を抑えることが可能となる。また、対物レンズ２と結像レンズ３との間に、例えば、従来の蛍光照明系等の中間鏡筒ユニットを組み合わせるスペースを十分に確保でき、観察装置としてのシステム性が向上する。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(3)を満足するので、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率となり、且つ、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズ３と組み合わせるのに好適な開口数ＮＡの対物レンズ２となり、対物レンズ２内でのケラレが少なく、高い収差性能が得られる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(4)を満足するので、対物レンズ２の胴付位置５付近のレンズ群の有効径を十分に確保することで、結像レンズ３の開口数ＮＡ’を大きくすることができ、且つ、周辺光量のロスを最小限に抑えることが可能となる。
また、微弱光撮像光学系１における対物レンズ２の後側焦点位置Ｆｂが、対物レンズ２の胴付位置５よりも物体側に位置するので、対物レンズ２内に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることができる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(1)を満足するので、開口数を大きくしても十分な収差補正できる複数のレンズ群を備えた対物レンズ２として構成できる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(2)を満足するので、撮像面への入射角度が０度〜５度程度の略テレセントリックの構成とすることができ、ＣＣＤ等の撮像素子固有のシェーディングによる光量低下を抑えることが可能となる。また、対物レンズ２と結像レンズ３との間に、例えば、従来の蛍光照明系等の中間鏡筒ユニットを組み合わせるスペースを十分に確保でき、観察装置としてのシステム性が向上する。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(3)を満足するので、物体から像面までの倍率が４〜１０倍程度の適切な倍率となり、且つ、開口数ＮＡ’が０．１５以上の結像レンズ３と組み合わせるのに好適な開口数ＮＡの対物レンズ２となり、対物レンズ２内でのケラレが少なく、高い収差性能が得られる。
また、微弱光撮像光学系１が条件式(4)を満足するので、対物レンズ２の胴付位置５付近のレンズ群の有効径を十分に確保することで、結像レンズ３の開口数ＮＡ’を大きくすることができ、且つ、周辺光量のロスを最小限に抑えることが可能となる。
また、微弱光撮像光学系１における対物レンズ２の後側焦点位置Ｆｂが、対物レンズ２の胴付位置５よりも物体側に位置するので、対物レンズ２内に複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることができる。
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第２実施形態では、微弱光撮像光学系１は、２つの対物レンズ２1，２2を交換可能に備えている。また、交換可能な全ての対物レンズ２1，２2は、夫々胴付位置５から後側焦点位置Ｆｂ1，Ｆｂ2までの距離の差ΔＦｂが±１５ｍｍ以内となるように構成されている。
図３は本発明の第２実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第２実施形態では、微弱光撮像光学系１は、２つの対物レンズ２1，２2を交換可能に備えている。また、交換可能な全ての対物レンズ２1，２2は、夫々胴付位置５から後側焦点位置Ｆｂ1，Ｆｂ2までの距離の差ΔＦｂが±１５ｍｍ以内となるように構成されている。
このように構成された第２実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、異なる開口数や同焦点距離の対物レンズを用いることで、観察用途を広げることができる。
また、交換可能な全ての対物レンズ２1，２2を、夫々胴付位置５から後側焦点位置Ｆｂ1，Ｆｂ2までの距離の差ΔＦｂが±１５ｍｍ以内となるように構成したので、夫々の対物レンズ２1，２2を複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることが可能な対物レンズとして構成することができる。
その他の構成及び作用効果は、第1実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
また、交換可能な全ての対物レンズ２1，２2を、夫々胴付位置５から後側焦点位置Ｆｂ1，Ｆｂ2までの距離の差ΔＦｂが±１５ｍｍ以内となるように構成したので、夫々の対物レンズ２1，２2を複数のレンズ群を配置して高い収差性能を得ることが可能な対物レンズとして構成することができる。
その他の構成及び作用効果は、第1実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第３実施形態の微弱光撮像光学系１は、同焦点距離がＤ1，Ｄ2というように夫々異なる２つの対物レンズ２1’，２2’を交換可能に備えている。また、交換可能な対物レンズ２1’，２2’の同焦点距離Ｄ1，Ｄ2に対応して、対物レンズ２1’，２2’の胴付位置を変化させる胴付位置調整手段８としてスペーサを備えており、対物レンズ２1’，２2’のいずれに交換したときにおいても交換して取り付けたときの各対物レンズの前側焦点位置が物体６の面Ｏに略一致するようになっている。
図４は本発明の第３実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第３実施形態の微弱光撮像光学系１は、同焦点距離がＤ1，Ｄ2というように夫々異なる２つの対物レンズ２1’，２2’を交換可能に備えている。また、交換可能な対物レンズ２1’，２2’の同焦点距離Ｄ1，Ｄ2に対応して、対物レンズ２1’，２2’の胴付位置を変化させる胴付位置調整手段８としてスペーサを備えており、対物レンズ２1’，２2’のいずれに交換したときにおいても交換して取り付けたときの各対物レンズの前側焦点位置が物体６の面Ｏに略一致するようになっている。
このように構成された第３実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、観察用途を広げることができる。また、位置調整手段８を備えたので、対物レンズ２1’，２2’を交換したときに焦点を調整する手間を省くことができる。
その他の構成及び作用効果は第1実施形態の第1実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
その他の構成及び作用効果は第1実施形態の第1実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
（第４実施形態）
図５は本発明の第４実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第４実施形態の微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の物体６とは反対側に光路分岐手段９としてのダイクロイックミラーまたはビームスプリッタを備えるとともに、光路分岐手段９を介して分岐された夫々の光路上に結像レンズ３1，３2、撮像手段４1，４2を備えている。なお、図５中、１０1，１０2は、光路分岐手段９を介して分岐された夫々の光路上に配置された分光用フィルタである。
図５は本発明の第４実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第４実施形態の微弱光撮像光学系１は、対物レンズ２の物体６とは反対側に光路分岐手段９としてのダイクロイックミラーまたはビームスプリッタを備えるとともに、光路分岐手段９を介して分岐された夫々の光路上に結像レンズ３1，３2、撮像手段４1，４2を備えている。なお、図５中、１０1，１０2は、光路分岐手段９を介して分岐された夫々の光路上に配置された分光用フィルタである。
このように構成された第４実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、複数種類の波長の異なる発光の観察等を同時に行うことができる。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
（第５実施形態）
図６は本発明の第５実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第５実施形態の微弱光撮像光学系１は、２つの結像レンズ３1，３2を交換可能に備えている。
このように構成された第５実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、例えば、結像レンズ３1，３2の開口数ＮＡ’を異ならせることで、物体６から像面までの倍率の異ならせた観察をすることができる等、観察用途を広げることができる。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
図６は本発明の第５実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第５実施形態の微弱光撮像光学系１は、２つの結像レンズ３1，３2を交換可能に備えている。
このように構成された第５実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、例えば、結像レンズ３1，３2の開口数ＮＡ’を異ならせることで、物体６から像面までの倍率の異ならせた観察をすることができる等、観察用途を広げることができる。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
（第６実施形態）
図７は本発明の第６実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第６実施形態の微弱光撮像光学系は、対物レンズ２と結像レンズ３との間に、蛍光観察用照明光学系１１を着脱可能に備えている。
蛍光観察用照明光学系１１は、ＬＥＤ光源１２と、照明レンズ１３と、励起フィルタ１４と、ダイクロイックミラー１５と、蛍光以外の光をカットするバリアフィルタ１６を有して構成されている。
図７は本発明の第６実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第６実施形態の微弱光撮像光学系は、対物レンズ２と結像レンズ３との間に、蛍光観察用照明光学系１１を着脱可能に備えている。
蛍光観察用照明光学系１１は、ＬＥＤ光源１２と、照明レンズ１３と、励起フィルタ１４と、ダイクロイックミラー１５と、蛍光以外の光をカットするバリアフィルタ１６を有して構成されている。
このように構成された第６実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、蛍光照明光学系１１を取り付けた場合は、蛍光顕微鏡観察を行うことができる。即ち、ＬＥＤ光源１２からの光が照明レンズ１３を通り、励起フィルタ１４を励起波長の光が通過し、ダイクロイックミラー１５、対物レンズ２を経て物体６を照射する。物体６からの光は対物レンズ２を通り、ダイクロイックミラー１５を励起光以外の光が通過し、バリアフィルタ６を介して蛍光以外の光が除去されて、蛍光のみが撮像手段４で撮像される。
一方、蛍光照明光学系１１を取り外した場合は、実施形態１と同様に発光を観察することができる。
なお、蛍光照明光学系１１は、固定して取り付けてもよい。その場合には、ダイクロイックミラー１５、バリアフィルタ１６を着脱可能にし、発光を観察するときに、ダイクロイックミラー１５、バリアフィルタ１６を取り外すようにすればよい。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
一方、蛍光照明光学系１１を取り外した場合は、実施形態１と同様に発光を観察することができる。
なお、蛍光照明光学系１１は、固定して取り付けてもよい。その場合には、ダイクロイックミラー１５、バリアフィルタ１６を着脱可能にし、発光を観察するときに、ダイクロイックミラー１５、バリアフィルタ１６を取り外すようにすればよい。
その他の構成及び作用効果は、第１実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
（第７実施形態）
図８は本発明の第７実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡システム全体の概略説明図である。
第７実施形態の顕微鏡システムは、上記いずれかの実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置の構成に加えて、対物レンズ２及び結像レンズ３が、次の条件式(5)〜(7)を満足するように構成されている。
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ ・・・(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ ・・・(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ ・・・(7)
但し、ＮＡ’は結像レンズ３の開口数、Ｄは対物レンズ２の同焦点距離、ｆｂは物体面から対物レンズ２の後側焦点位置までの光軸上の距離、ＮＡ２’は第２の結像レンズ３2の開口数、Ｄ２は第２の対物レンズ２2の同焦点距離、ｆｂ２は物体面から第２の対物レンズ２2の後側焦点位置までの光軸上の距離である。
図８は本発明の第７実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡システム全体の概略説明図である。
第７実施形態の顕微鏡システムは、上記いずれかの実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置の構成に加えて、対物レンズ２及び結像レンズ３が、次の条件式(5)〜(7)を満足するように構成されている。
０．１≦ＮＡ２'／ＮＡ'≦０．８８ ・・・(5)
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７ ・・・(6)
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ ・・・(7)
但し、ＮＡ’は結像レンズ３の開口数、Ｄは対物レンズ２の同焦点距離、ｆｂは物体面から対物レンズ２の後側焦点位置までの光軸上の距離、ＮＡ２’は第２の結像レンズ３2の開口数、Ｄ２は第２の対物レンズ２2の同焦点距離、ｆｂ２は物体面から第２の対物レンズ２2の後側焦点位置までの光軸上の距離である。
第２の顕微鏡装置は、従来の一般的な顕微鏡装置であり、第２の対物レンズ２2と、第２の結像レンズ３2を備えている。そして、第２の撮像光学系１2が、第２の対物レンズ２2と、第２の結像レンズ３2と、撮像手段４2を備えて構成されている。なお、図７中、５2は胴付位置、６2は物体（生体試料）、７2は撮像情報処理表示手段である。
第２の対物レンズ２2は、対物レンズ２とは同焦点距離と射出ＮＡが異なる、無限遠補正型の対物レンズとして構成されている。第２の結像レンズ３2は、結像レンズ３と焦点距離が等しくなっている。
第２の対物レンズ２2は、対物レンズ２とは同焦点距離と射出ＮＡが異なる、無限遠補正型の対物レンズとして構成されている。第２の結像レンズ３2は、結像レンズ３と焦点距離が等しくなっている。
第７実施形態の顕微鏡システムによれば、対物レンズ２及び結像レンズ３を、第２の顕微鏡装置に備わる第２の対物レンズ２2及び第２の結像レンズ３2と相互に交換することができる。このため、第７実施形態の顕微鏡システムによれば、従来の顕微鏡システムと互換性を持たせることができ、高い拡張性が得られる。
（第８実施形態）
図９は本発明の第８実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第８実施形態の顕微鏡装置は、微弱光撮像光学系１’と、撮像情報処理表示手段７’を備えている。
微弱光撮像光学系１’は、第１〜第３実施形態のいずれかの顕微鏡装置におけるいずれかの微弱光撮像光学系１とほぼ同様の構成に加えて、物体６を挟んで、対物レンズ２とは反対側に、透過照明光学系２１を備えている。
図９は本発明の第８実施形態にかかる微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置全体の概略構成を示すブロック図である。
第８実施形態の顕微鏡装置は、微弱光撮像光学系１’と、撮像情報処理表示手段７’を備えている。
微弱光撮像光学系１’は、第１〜第３実施形態のいずれかの顕微鏡装置におけるいずれかの微弱光撮像光学系１とほぼ同様の構成に加えて、物体６を挟んで、対物レンズ２とは反対側に、透過照明光学系２１を備えている。
透過照明光学系２１は、ＬＥＤ光源２２と、コンデンサレンズ２３を有している。また、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察のうちの少なくともいずれかの観察が可能となるように構成されている。
なお、図９中、２４は明るさ絞り、２５は視野絞りである。
そして、図９の例では、所定の励起波長のみを透過させその他の波長を遮断する励起フィルタ２６が、ＬＥＤ光源２２とコンデンサレンズ２３との間に配置されるとともに、所定の蛍光波長及び発光波長のみを透過させそれ以外の波長を遮断するバリアフィルタ２７が対物レンズ２と結像レンズ４との間に配置されており、透過照明により蛍光観察を行うことができるようになっている。フィルタ２６，２７は、蛍光観察をする場合に光路上に配置され、蛍光観察以外の観察では光路から外れるように着脱可能に備えられている。
なお、図９中、２４は明るさ絞り、２５は視野絞りである。
そして、図９の例では、所定の励起波長のみを透過させその他の波長を遮断する励起フィルタ２６が、ＬＥＤ光源２２とコンデンサレンズ２３との間に配置されるとともに、所定の蛍光波長及び発光波長のみを透過させそれ以外の波長を遮断するバリアフィルタ２７が対物レンズ２と結像レンズ４との間に配置されており、透過照明により蛍光観察を行うことができるようになっている。フィルタ２６，２７は、蛍光観察をする場合に光路上に配置され、蛍光観察以外の観察では光路から外れるように着脱可能に備えられている。
また、明るさ絞り２４は、コンデンサレンズ２３の略瞳位置にスライダ３０を介して着脱可能に配置されている。スライダ３０には、明るさ絞り２４の他に、位相差観察用リングスリット２８、微分干渉観察用プリズム２９、さらには、偏光板及びホフマンモジュレーションコントラスト観察用スリット開口板（図示省略）が備えられている。
そして、第８実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置では、スライダ３０を介して、それぞれ観察用途に応じて、コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察（明るさ絞り２４）、蛍光観察（明るさ絞り２４）、位相差観察（位相差観察用リングスリット２８）、微分干渉観察（微分干渉観察用プリズム２９）、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察（偏光板及びホフマンモジュレーションコントラスト観察用スリット開口板）を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能となっている。
なお、スライダ３０の切替操作に加えて、蛍光観察以外の観察時には、フィルタ２６，２７は、光路から外されるようになっている。また、位相差観察時には、対物レンズ２は、位相差用のものが用いられる。さらに、ホフマンモジュレーションコントラスト観察時には、対物レンズ２の近傍にホフマンモジュレーションコントラスト観察用モジュレータが装着されるようになっている。
そして、第８実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置では、スライダ３０を介して、それぞれ観察用途に応じて、コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察（明るさ絞り２４）、蛍光観察（明るさ絞り２４）、位相差観察（位相差観察用リングスリット２８）、微分干渉観察（微分干渉観察用プリズム２９）、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察（偏光板及びホフマンモジュレーションコントラスト観察用スリット開口板）を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能となっている。
なお、スライダ３０の切替操作に加えて、蛍光観察以外の観察時には、フィルタ２６，２７は、光路から外されるようになっている。また、位相差観察時には、対物レンズ２は、位相差用のものが用いられる。さらに、ホフマンモジュレーションコントラスト観察時には、対物レンズ２の近傍にホフマンモジュレーションコントラスト観察用モジュレータが装着されるようになっている。
撮像情報処理表示手段７’は、第１〜第７実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置における撮像情報処理表示手段７の機能に加えて、撮像手段４を介して得られる物体の透過照明観察像と物体からの発光観察像とをスーパーインポーズするための画像処理手段（図示省略）をさらに備えている。さらに、撮像情報処理表示手段７’は、上記画像処理手段を介してスーパーインポーズした画像領域の範囲を、例えば、その輪郭形状や円又は矩形状の線でもって、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示するための表示手段（図示省略）を備えている。
第８実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置によれば、対物レンズと結像レンズとの間に照明系を配置しなくて済むので、対物レンズと結像レンズとの間をコンパクト化することができる。また、開口数ＮＡ’が大きい結像レンズの収差性能や、結像レンズの像側（撮像素子側）のテレセントリック性が向上する。
また、観察物体が透明な場合であっても、透過蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、偏斜照明及びホフマンモジュレーションコントラスト観察等の観察手法を発光観察と組み合わせてスーパーインポーズした観察画像を得ることができ、観察物体の位置や形状を特定し、同時に、発光像を取得することができる。
また、スーパーインポーズした画像領域の範囲を、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示することができ、スーパーインポーズされた観察領域が明確になり、観察物体における発光観察位置を把握し易くなる。
その他の構成及び作用効果は、第１〜第３実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
また、観察物体が透明な場合であっても、透過蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、偏斜照明及びホフマンモジュレーションコントラスト観察等の観察手法を発光観察と組み合わせてスーパーインポーズした観察画像を得ることができ、観察物体の位置や形状を特定し、同時に、発光像を取得することができる。
また、スーパーインポーズした画像領域の範囲を、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示することができ、スーパーインポーズされた観察領域が明確になり、観察物体における発光観察位置を把握し易くなる。
その他の構成及び作用効果は、第１〜第３実施形態の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置とほぼ同じである。
本発明の微弱光撮像光学系、それを備えた顕微鏡装置、及びそれを備えた顕微鏡システムは、非常に微小な領域での、非常に微弱な発光を測定することが求められる医学、生物学の分野において有用である。
１、１2、１’ 微弱光撮像光学系
２、２1、２2、２1’、２2’ 対物レンズ
３、３1、３2 結像レンズ
４、４1、４2 撮像手段
５、５2 胴付位置
６、６2 物体（生体試料）
７、７2、７’ 微弱光撮像情報処理表示手段
８ 胴付位置調整手段
９ 光路分岐手段
１０1、１０2 分光用フィルタ
１１ 蛍光観察用照明光学系
１２ ＬＥＤ光源
１３ 照明レンズ
１４ 励起フィルタ
１５ ダイクロイックミラー
１６ バリアフィルタ
２１ 透過照明光学系
２２ ＬＥＤ光源
２３ コンデンサレンズ
２４ 明るさ絞り
２５ 視野絞り
２６ 励起フィルタ
２７ バリアフィルタ
２８ 位相差観察用リングスリット
２９ 微分干渉観察用プリズム
３０ スライダ
２、２1、２2、２1’、２2’ 対物レンズ
３、３1、３2 結像レンズ
４、４1、４2 撮像手段
５、５2 胴付位置
６、６2 物体（生体試料）
７、７2、７’ 微弱光撮像情報処理表示手段
８ 胴付位置調整手段
９ 光路分岐手段
１０1、１０2 分光用フィルタ
１１ 蛍光観察用照明光学系
１２ ＬＥＤ光源
１３ 照明レンズ
１４ 励起フィルタ
１５ ダイクロイックミラー
１６ バリアフィルタ
２１ 透過照明光学系
２２ ＬＥＤ光源
２３ コンデンサレンズ
２４ 明るさ絞り
２５ 視野絞り
２６ 励起フィルタ
２７ バリアフィルタ
２８ 位相差観察用リングスリット
２９ 微分干渉観察用プリズム
３０ スライダ
Claims (15)
- 無限遠補正型の対物レンズと、結像レンズと、撮像手段を備え、物体からの微弱な光を検出可能な微弱光撮像光学系であって、
前記対物レンズの同焦点距離をＤ、前記結像レンズの開口数をＮＡ’としたとき、次の条件式を満足することを特徴とする微弱光撮像光学系。
５≦Ｄ・ＮＡ’≦３０ - 前記対物レンズの胴付位置から前記結像レンズの最も物体側の面までの距離が可変であって、
この可変量をＷ、前記結像レンズの焦点距離をＦＬとしたとき、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の微弱光撮像光学系。
０．５ＦＬ＜Ｗ＜１．２ＦＬ - 次の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の微弱光撮像光学系。
０．４＜Ｄ／ＦＬ＜５
１≦Ｄ／Φｄ＜３
但し、Ｄは前記対物レンズの同焦点距離、ＦＬは前記結像レンズの焦点距離、Φｄは前記対物レンズの胴付の外径である。 - 前記対物レンズの後側焦点位置が、該対物レンズの胴付位置よりも物体側に位置することを特徴とする請求項３に記載の微弱光撮像光学系。
- 前記対物レンズを、少なくとも２つ交換可能に備えるとともに、
前記交換可能な全ての対物レンズにおける、胴付位置から後側焦点位置までの距離の差が±１５ｍｍ以内となるように、該交換可能な各対物レンズを構成したことを特徴とする請求項４に記載の微弱光撮像光学系。 - 前記対物レンズを、少なくとも２つ同焦点距離を異ならせて交換可能に備えるとともに、
前記同焦点距離の異なるいずれの対物レンズに交換したときにおいても該交換して取り付けた各対物レンズの前側焦点位置が略一致するように、前記交換可能な各対物レンズの同焦点距離に対応して、該対物レンズの胴付位置を変化させる胴付位置調整手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の微弱光撮像光学系。 - 前記結像レンズを、少なくとも２つ備えたことを特徴とする請求項３に記載の微弱光撮像光学系。
- 前記対物レンズと前記結像レンズとの間に、蛍光観察用照明光学系を備えたことを特徴とする請求項３又は５に記載の微弱光撮像光学系。
- 前記対物レンズが、液浸対物レンズ又は固体浸対物レンズであることを特徴とする請求項４又は５に記載の微弱光撮像光学系。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の微弱光撮像光学系を備えた顕微鏡装置を第１の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置に用いる対物レンズとは同焦点距離及び射出ＮＡが異なる無限遠補正型の第２の対物レンズと、該第１の顕微鏡装置に用いる結像レンズと同じ焦点距離の第２の結像レンズを有する顕微鏡装置を第２の顕微鏡装置、前記第１の顕微鏡装置における前記結像レンズの開口数をＮＡ’、前記対物レンズの同焦点距離をＤ、物体面から該対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の結像レンズの開口数をＮＡ２’、前記第２の対物レンズの同焦点距離をＤ２、物体面から該第２の対物レンズの後側焦点位置までの光軸上の距離をｆｂ２としたとき、
前記第１の顕微鏡装置における前記対物レンズ及び前記結像レンズが、前記第２の顕微鏡装置における前記第２の対物レンズ及び前記第２の結像レンズに対して、次の条件式を満足することを特徴とする顕微鏡システム。
０．１≦ＮＡ２’／ＮＡ’≦０．８８
０．５≦Ｄ２／Ｄ≦０．８７
−１５＜ｆｂ２−ｆｂ＜１５ - 物体を挟んで、前記対物レンズとは反対側に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察のうちの少なくともいずれかの観察が可能となるように構成された透過照明光学系を備えたことを特徴とする請求項３又は５に記載の微弱光撮像光学系。
- 前記透過照明光学系は、光源と、コンデンサレンズを有し、
前記コンデンサレンズの略瞳位置に、明視野観察、蛍光観察、位相差観察、微分干渉観察、及びホフマンモジュレーションコントラスト観察を可能とする各種光学素子のうちの少なくともいずれかを切替可能に備えたことを特徴とする請求項１２に記載の微弱光撮像光学系。 - 前記撮像手段を介して得られる物体の透過照明観察像と物体からの発光観察像とをスーパーインポーズするための画像処理手段を、備えたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の微弱光撮像光学系。
- 前記画像処理手段を介してスーパーインポーズした画像領域の範囲を、該スーパーインポーズされた画像とともに表示装置に表示するための表示手段を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の微弱光撮像光学系。
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