JP2007316409A - 生体観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体のような高さを持つ試料に対して、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる生体観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】試料４を観察するための対物レンズ６を含む光学系７と、光学系７の光軸１０方向に沿う対物レンズ６と試料４との相対位置を調節する焦点移動機構９と、スポット光３を照射する複数の照明部２とを備え、照明部２は、スポット光３が対物レンズ６の焦点面で交差するように配置されている生体観察装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体観察装置に関するものである。

試料のマクロ観察を行う技術としては、例えば、特許文献１、２に示されるものが知られている。
特許文献１においては、オートフォーカス用のマークとして使える所望の１実素子パターンを選定し、選定された実素子マークをＴＴＬオートフォーカス検出光で照明し、ステージに備えた基準平面ミラー（試料面と同じ高さにある）にパターンを照射することで焦点状態を検出している。この技術は、基本的にシリコンウェハなどフラットな試料の観察には有効である。

また、特許文献２においては、微分干渉顕微鏡において照明光と異なる波長の光を用いて試料面に投影したスリット像を検出し、焦点状態の検出を行うものが提案されている。この技術も、基本的にフラットな試料の観察に有効である。
特開平９−４３８６２号公報 特開２０００−３５５４０号公報

しかし、マクロ観察で使用する低倍対物レンズはNAが高く、焦点深度が浅いため、観察者の目で焦点を合わせても、そこが正確な焦点位置か否かを確認することが困難であるという不都合がある。
生体のような不定形で高さのある試料を観察する場合には、試料の表面がシリコンウェハや液晶基板のようにフラットではなく、観察したい試料の表面に体毛などで段差があるため、特許文献１、２で使用されているオートフォーカスでは、パターンが歪んで合焦が困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、生体のような高さを持つ試料に対して、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる生体観察装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、試料を観察するための対物レンズを含む光学系と、該光学系の光軸方向に沿う前記対物レンズと前記試料との相対位置を調節する焦点移動機構と、スポット光を照射する複数の照明部とを備え、該照明部は、前記スポット光が前記対物レンズの焦点面で交差するように配置されている生体観察装置を提供する。

本発明によれば、焦点移動機構を作動させて、対物レンズと試料とを光学系の光軸方向に相対移動させると、照明部から照射された複数のスポット光の試料表面における照射位置が変動する。スポット光は、対物レンズの焦点面で交差するように照明部から照射されているので、複数のスポット光が相互に近接するように、焦点移動機構を作動させ、試料の表面に照射された複数のスポット光が完全に重なり合う位置において、焦点移動機構の作動を停止することにより、対物レンズの焦点面に試料の表面を一致させることができる。
すなわち、対物レンズの焦点面で交差する複数のスポット光を照射するという簡易な構成により、厚みのある立体的な試料の表面にも、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる。

また、上記発明においては、前記焦点移動機構を駆動する駆動手段と、前記光学系を介して画像を取得する画像取得手段と、前記試料の表面における前記スポット光を検出するスポット光検出手段と、該スポット光検出手段により検出された複数の前記スポット光が一致するように前記駆動手段を制御する自動合焦手段とを備えることとしてもよい。

このように構成することで、画像取得手段により取得された試料の画像に基づいて、スポット光検出手段により、試料の表面に照射されたスポット光が検出され、自動合焦手段の作動により、スポット光が一点で完全に重なるように制御される。したがって、焦点合わせを簡易に自動化することができ、操作者の手間を省いて、高精度の焦点合わせを行うことができる。

上記発明においては、前記スポット光がレーザ光であることとしてもよい。
このように構成することで、直進性が高く光束径の小さいレーザ光により、指向性のよい微小のスポット光を試料の表面に形成することができる。これにより、曲面を持つ試料においても、複数のスポット光を一点において交差させることができ、合焦の精度を向上させることができる。

また、上記発明においては、前記照明部が様々な波長の光を照射可能に設けられていることとしてもよい。
このように構成することで、試料の色に対して目立つ色のスポット光に切り替えることができ、焦点位置の検知を行い易くすることができる。更に、観察に影響を及ぼさない波長の光を選択することもできる。
また、不可視光に検出感度を持つ画像取得手段を使用した場合には、不可視光を照射することもできる。

また、上記発明においては、前記照明部が、前記光学系の光軸まわりに回転可能に設けられていることとしてもよい。
このように構成することで、光学系の光軸まわりに照明部を回転させることにより、スポット光が試料によって遮られないように、照明部を配置することができる。したがって、障害物を避けて、対物レンズの焦点面に確実にスポット光を照射することができる。

また、上記発明においては、前記スポット光の断面形状が、相互に交差する複数の直線を含むこととしてもよい。
このように構成することで、スポット光の大きさを比較的大きく確保しながら、試料に照射されるスポット光の中心点を明確にすることができる。したがって、試料面が曲面である場合や、試料面に段差がある場合に、焦点合わせの精度を向上させることができる。

また、上記発明においては、前記照明部が、前記スポット光の照射角度を調整可能に設けられていることとしてもよい。
このように構成することで、焦点距離の異なる対物レンズに切り替えた場合に、スポット光の照射角度を調整することにより、各対物レンズの焦点面に対応するように、スポット光を照射させることできる。

また、本発明は、試料を観察するための対物レンズを含む光学系と、該光学系の光軸方向に沿う前記対物レンズと前記試料との相対位置を調節する焦点移動機構と、前記対物レンズの焦点面に沿って直進性の高いスポット光を照射する１以上の照明部とを備える生体観察装置を提供する。

本発明によれば、対物レンズの焦点面の真横から水平に、直進性の高いスポット光を照射することとなる。これにより、焦点移動機構を作動させて、対物レンズと試料とを光学系の光軸方向に相対移動させると、対物レンズの焦点面と試料の表面とが一致したとき、スポット光が遮断される。したがって、スポット光が試料の観察面で遮られて乱反射された光を検出することにより、対物レンズの焦点面に試料の表面を一致させることができる。
このように、単一の照明部により、対物レンズの焦点面の真横から水平に直進性の高いスポット光を照射するという非常に簡易な構成により、対物レンズの焦点面の検出を容易に行うことができ、また、厚みのある立体的な試料の表面にも、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる。

本発明によれば、簡易的な構成により、焦点の検出を行うことができ、生体のような高さを持つ試料に対して、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置１について、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態に係る生体観察装置１は、図１に示されるように、試料４を観察するための観察光学系７（光学系）と、対物レンズ６と試料４との相対位置を調節する焦点距離調節ノブ９（焦点移動機構）と、スポット光３を照射する照明部２とを備えている。

観察光学系７は、試料４を載せる水平なステージ５の上方に近接して設置された対物レンズ６を備えている。ステージ５は、焦点距離調節ノブ９を操作することにより、鉛直方向に昇降可能とされている。そして、ステージ５を昇降させ、対物レンズ６と試料４との距離を調整して対物レンズ６の焦点面と試料４の表面とを一致させることにより、試料４の観察画像を観察光学系７により取得することができるようになっている。

照明部２は、観察光学系７の水平方向の両側２箇所に配置されている。各照明部２は、光軸１０に対して傾斜する方向にスポット光３を照射するように、傾斜して配置され、各照明部２から照射されたスポット光３が対物レンズ６の焦点面において１点（例えば光軸１０上の１点）で交差するように、照射角度が調整されている。
照明部２は、観察照明用とは別に設けられたスポット照明用であり、該照明部２に電力を供給する照明部用電源８に接続されている。

また、照明部２は、図２に示すように、観察光学系７の光軸１０まわりに回転可能に設けられている。図２（ａ）は、鉛直方向から見た図であり、図２（ｂ）は、水平方向から見た図である。これにより、スポット光３が試料４によって遮られる場合には、スポット光３が遮られない位置に照明部２を回転移動させることができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る生体観察装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る生体観察装置１を用いて生体を観察するには、まず、試料４をステージ５に載置し、照明部用電源８のスイッチを入れて、照明部２よりスポット光３を照射する。次いで、観察光学系７を介して取得された観察画像を目視で確認しながら、焦点を合わせたい試料４の観察部を観察画像の中心に合わせる。

試料４の表面が対物レンズ６の焦点面と一致していない状態では、図３（ａ）に示すように、試料４の表面に２点のスポット光３が照射される。図３において、符号３A、３Bは、試料４の表面上におけるスポット光３を示している。
焦点距離調節ノブ９を作動させて、対物レンズ６と試料４を載置したステージ５とを観察光学系７の光軸１０に沿う方向に相対移動させると、図３（ｂ）に示すように、２つのスポット光３A、３Bの位置が変動する。

２つのスポット光３A、３Bは、対物レンズ６の焦点面で交差するように照射されているので、図３（ｃ）に示すように、１点で完全に重なり合ったとき、試料４の表面と対物レンズ６の焦点面とが一致することとなる。したがって、試料４に照射された２点のスポット光３が相互に近接するように、対物レンズ６と試料４との距離を調整していくことにより、対物レンズ６を試料４の表面に合焦させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る生体観察装置１によれば、対物レンズ６の焦点面で交差する２点のスポット光３を照射するという簡易な構成により、厚みのある立体的な試料４の表面にも、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる。

なお、上述した実施形態は、以下のように変形することができる。
図４に示すように、照明部２には、フィルタターレット１８を設けることとしてもよい。フィルタターレット１８としては、例えば、フィルタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄに異なる形状のスリットを備えたものを挙げることができる。これにより、フィルタターレット１８を回転させ、いずれか一のフィルタ１８a〜１８dを照明部２に合わせることによって、スポット光３の断面形状がそのフィルタに備えられた形状となって、試料４の表面に照射される。

例えば、図５に示すように、十字、アスタリスク、格子図等、相互に交差する複数の直線からなるスリットのフィルタを選択した場合、照射されたスポット光３の断面形状は、中心に交差点を有するので、スポット光３の中心点を明確にすることができる。そして、複数のスポット光３の中心点を一致させることにより、スポット光３を容易に一致させ、合焦を図ることができる。
特に、試料４の表面が曲面である場合や、表面に段差がある場合に、表面上のスポット光３が変形しても容易に中心点を確認でき、合焦作業を容易にすることができる点で有効となる。

また、フィルタターレット１８にそれぞれ波長の異なるフィルタを取り付け、照明部２としてランプやＬＥＤ等の広帯域の光源を使用することにより、スポット光３の波長を任意の波長に変更してもよい。例えば、試料４の色に対して目立つ色となる波長を選択して照射した場合には、焦点位置がより明確となるので、合焦の精度を向上させることができる。更に、不可視光を照射することとしてもよい。

なお、照明部２は、上述した実施形態のように２つに限定されるものではなく、複数設けられていればよい。
また、対物レンズ６の焦点面において、スポット光３を１点で交差させる位置は、光軸１０上に限られるものではなく、焦点面上であればよい。
更に、照明部２は、スポット照明用として使用するだけではなく、絞り調節により、観察照明として使用することもできる。これにより、別個の観察照明を設ける必要がなく、省スペース・省エネルギー化を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置１´について、図６を用いて説明する。
なお、本実施形態の説明において、第１の実施形態に係る生体観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る生体観察装置１´は、観察光学系７を介して画像を取得する画像取得装置12（画像取得手段）と、試料４の表面のスポット光３の検出を行うスポット光検出装置１４（スポット光検出手段）と、ステージ５および照明部２を制御する顕微鏡制御装置１３（自動合焦手段）とを備えている。

照明部２は、図７（a）、（b）に示されるように、顕微鏡制御装置１３からの指令により照射角度を変化させることができるようになっている。
画像取得装置１２は、観察光学系７の上部に設置され、スポット光検出装置１４に接続されている。

スポット光検出装置１４は、顕微鏡制御装置１３、モニタ１５および操作装置１６に接続されている。スポット光検出装置１４には、生体観察を行うためのアプリケーションソフトウェアが組込まれている。

アプリケーションソフトウェアには、対物レンズ６の焦点距離と照明部２によるスポット光３の照射角度とが予め対応付けられて記憶されている。対物レンズ６の情報が入力されると、アプリケーションソフトウェアは対応するスポット光３の照射角度を読み出して、顕微鏡制御装置１３に指令するようになっている。
指令を受けた顕微鏡装置１３は、指令信号に基づいて照明部２を作動させ、使用する対物レンズ６の焦点面において照明部２からのスポット光３が１点で交差するように、照射角度を調整させるようになっている。

また、アプリケーションソフトウェアは、焦点合わせ動作時に、画像取得装置１２により取得された観察画像の中心に枠を重ねて、モニタ１５に表示するようになっている。これにより、操作者は、モニタ１５上の観察画像を確認しながら、操作装置１６を操作し、観察画像上の枠内に試料４の観察したい部位を容易に配置することができるようになっている。なお、この枠は、焦点合わせのときのみに表示され、観察の妨げとなら内容になっている。

また、アプリケーションソフトウェアは、画像取得装置１２により取得された画像情報を処理して観察画像上のスポット光３を検出し、検出されたスポット光３に基づいてオートフォーカスを行うよう顕微鏡制御装置１３に指令するようになっている。
指令を受けた顕微鏡装置１３は、指令信号に基づいてステージ５を昇降させることにより、試料４の表面上における２つのスポット光３を一致させ、図３（c）の合焦状態を達成するようになっている。

具体的には、画像取得装置１２により取得された画像情報が画像処理されることにより、試料４の表面上の２つのスポット光３が抽出され、その中心間距離が算出される。
アプリケーションソフトウェアは、顕微鏡制御装置１３に対し、ステージ５を上方あるいは下方のいずれかの方向に所定距離だけ移動させるよう指令を出力する。指令を受けた顕微鏡制御装置１３がステージ５を所定距離だけ移動させる。

この状態で、画像取得装置１２により再度取得された画像情報が画像処理され、２つのスポット光３の中心間距離が抽出され、その中心間距離が算出される。
ステージを移動させる前後において中心間距離が短くなった場合には、アプリケーションソフトウェアは、顕微鏡制御装置１３に対しステージ５を前回と同一方向に移動させるよう指令する。逆に中心間距離が長くなった場合には、アプリケーションソフトウェアは、顕微鏡制御装置１３に対しステージ５を前回とは逆方向に移動させるよう指令する。

その後、画像情報を連続的にあるいは断続的に画像処理してスポット光３の位置を検出することにより、中心間距離がゼロとなった時点で焦点合わせ動作が完了する。
アプリケーションソフトウェアは、モニタ１５上に焦点合わせが完了した旨のメッセージを表示し、焦点合わせ動作を終了する。
なお、焦点合わせ動作が完了した際には、モニタ１５上への表示に代えて、音声あるいはランプやＬＥＤの点灯により報知することとしてもよい。

このように、本実施形態に係る生体観察装置１´によれば、画像取得装置１２により取得された試料４の観察画像に基づいて、スポット光検出装置１４により、試料４の表面に照射されたスポット光３が検出され、顕微鏡制御装置１３の作動により、スポット光３が１点で完全に重なるように制御される。したがって、焦点合わせを簡易に自動化することができ、操作者の手間を省いて、高精度の焦点合わせを行うことができる。これにより、生体のようなフラットでない形状の試料４に対しても自動焦点検出を行うことができる。

〔第３の実施形態〕
以下、本発明の第３の実施形態に係る生体観察装置１″について、図８を用いて説明する。
図８に示すように、本実施形態に係る生体観察装置１″は、照明部２４の構成が上述した第１の実施形態に係る生体観察装置１と異なっている。したがって、本実施形態の説明において、第１の実施形態に係る生体観察装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る生体観察装置１″は、対物レンズ６の焦点面に沿って直進性の高いスポット光２５を照射する照明部２４を備えている。
照明部２４は、あらかじめ対物レンズ６の焦点面の真横に設置されている。
スポット光３は、対物レンズ６の焦点面に沿って水平に照射されているので、ステージ５を昇降させて、試料４の表面が対物レンズ６の焦点面と一致したとき、スポット光２５が遮断されることとなる。したがって、スポット光２５が試料４の観察面で遮られるように、対物レンズ６と試料４との距離を調整していくことにより、対物レンズ６を試料４の表面に合焦させることができる。

このように、本実施の形態に係る生体観察装置１″によれば、単一の照明部２４により、対物レンズ６の焦点面の真横から水平に直進性の高いスポット光２５を照射するという非常に簡易な構成により、対物レンズ６の焦点面の検出を容易に行うことができ、また、厚みのある立体的な試料４の表面にも、迅速かつ精度よく焦点合わせを行うことができる。
なお、本実施形態に係る生体観察装置１″においては、スポット光２５の代わりに直進性の高いシート状の照明を照明部２４から照射することとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明に係る観察光学系７を鉛直方向に昇降可能とすることで焦点合わせを行うこととしてもよい。
また、各照明部２ごとに異なる波長の光を照射することとしてもよい。これにより、各照明部２から照射される波長が交差するとき、その集光位置で波長が変わるので、集光位置をわかりやすくすることができる。
また、スポット光３の波長を可変にするには、光源を波長可変型のレーザ光としてもよい。更に、複数の波長のレーザ光を設置しておいて、その中から選択してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置の正面概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置の上面および正面概略図である。 試料の表面のスポット光が相互に近接する様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る生体観察装置の照明部周りの拡大図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係るスポット光の断面図の例と、合焦までの流れを示した合焦点判断図である。 本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置の正面概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置の照明部周りの拡大図である。 本発明の第３の実施形態に係る生体観察装置の正面概略図である。

符号の説明

１、１´、１″ 生体観察装置
２ 照明部
３ スポット光
４ 試料
７ 観察光学系
９ 焦点距離調節ノブ

Claims (8)

1. 試料を観察するための対物レンズを含む光学系と、
   該光学系の光軸方向に沿う前記対物レンズと前記試料との相対位置を調節する焦点移動機構と、
   スポット光を照射する複数の照明部とを備え、
   該照明部は、前記スポット光が前記対物レンズの焦点面で交差するように配置されている生体観察装置。
2. 前記焦点移動機構を駆動する駆動手段と、
   前記光学系を介して画像を取得する画像取得手段と、
   前記試料の表面における前記スポット光を検出するスポット光検出手段と、
   該スポット光検出手段により検出された複数の前記スポット光が一致するように前記駆動手段を制御する自動合焦手段とを備える請求項１に記載の生体観察装置。
3. 前記スポット光が、レーザ光である請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
4. 前記照明部が、様々な波長の光を照射可能に設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体観察装置。
5. 前記照明部が、前記光学系の光軸まわりに回転可能に設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体観察装置。
6. 前記スポット光の断面形状が、相互に交差する複数の直線を含む請求項１から請求項５のいずれかに記載の生体観察装置。
7. 前記照明部が、前記スポット光の照射角度を調整可能に設けられている請求項１から請求項６のいずれかに記載の生体観察装置。
8. 試料を観察するための対物レンズを含む光学系と、
   該光学系の光軸方向に沿う前記対物レンズと前記試料との相対位置を調節する焦点移動機構と、
   前記対物レンズの焦点面に沿って直進性の高いスポット光を照射する１以上の照明部とを備える生体観察装置。

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