JP2009186753A - 観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送り機構のバックラッシュやステッピングモータの脱調、あるいはピエゾアクチュエータのヒステリシス等の影響を受けることなく、対物レンズの焦点位置を精度よく数μｍ移動させる。
【解決手段】所定の波長の光を出射する光源３と、該光源３から出射された光を観察対象Ａに照射する照明光学系４と、該照明光学系により観察対象Ａに照射された光の観察対象Ａにおける透過光を集光する対物レンズ１２を有する検出光学系５と、該検出光学系５により集光された透過光を撮影する撮像素子６とを備え、検出光学系５が、観察対象Ａと撮像素子６との間の光路上に、該光路における光学的距離を変化させる光学的距離可変手段１３〜１５を備える観察装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、観察装置に関するものである。

従来、観察対象に対して焦点位置をずらした複数の画像から観察対象の厚さ寸法を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。観察対象に対して焦点位置をずらした複数の画像を取得する場合には、観察対象を搭載したステージ、あるいは、該ステージに対向する対物レンズを光軸方向に移動させる必要がある。

国際公開第００／２６６２２号パンフレット

しかしながら、厚さ寸法を測定するためにずらす焦点位置のずれ量は、数μｍと非常に小さいため、ステージや対物レンズを光軸方向に精度よく移動させる必要がある。顕微鏡においては、手動式の粗動ハンドルや微動ハンドルを用いて焦点位置を合わせることが行われるが、焦点位置をずらすために手動により正確に数μｍ移動させることは困難である。また、ステージや対物レンズの移動をステッピングモータやピエゾアクチュエータにより行う方法も考えられるが、光軸方向に送りをかけるための送り機構のバックラッシュやステッピングモータの脱調、あるいはピエゾアクチュエータのヒステリシス等により、焦点位置を繰り返し精度よく移動させることが困難であるという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、送り機構のバックラッシュやステッピングモータの脱調、あるいはピエゾアクチュエータのヒステリシス等の影響を受けることなく、対物レンズの焦点位置を精度よく数μｍ移動させることができる観察装置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に、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、所定の波長の光を出射する光源と、該光源から出射された光を観察対象に照射する照明光学系と、該照明光学系により観察対象に照射された光の観察対象における透過光を集光する対物レンズを有する検出光学系と、該検出光学系により集光された透過光を撮影する撮像素子とを備え、前記検出光学系が、前記観察対象と前記撮像素子との間の光路上に、該光路における光学的距離を変化させる光学的距離可変手段を備える観察装置を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた所定の波長の光が、照明光学系により観察対象に照射され、観察対象における透過光が検出光学系により集光されて撮像素子により撮影される。この場合において、検出光学系に備えられた光学的距離可変手段を作動させて、観察対象から撮像素子までの光路における光学的距離を変化させることにより、検出光学系に備えられた対物レンズの焦点位置を光軸方向に変更することができる。

これにより、観察対象や対物レンズの光軸方向に沿う移動を伴うことなく、光軸方向に精度よく合焦位置をずらした２以上の画像を取得することができる。そして、このようにして取得された２以上の画像から位相差画像を取得することができる。

観察対象や対物レンズの光軸方向に沿う移動を伴わないので、バックラッシュやヒステリシスによる光軸方向の繰り返し位置決め精度の低下が発生せず、数μｍだけ焦点位置をずらした２以上の画像を簡易に取得することができる。その結果、観察対象の厚さ寸法を精度よく算出することが可能となる。

上記発明においては、前記光学的距離可変手段が、空気の屈折率とは異なる屈折率を有する異種屈折率部材と、該異種屈折率部材を光路に対して挿脱させる移動機構とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、移動機構を作動させて空気の屈折率とは異なる屈折率を有する異種屈折率部材を光路に対して挿脱させることにより、対物レンズの焦点位置を切り替えることができる。

また、上記発明においては、２種以上の異種屈折率部材を備えていてもよい。
このようにすることで、異種屈折率部材を光路上に配置しない場合を加えて、対物レンズの焦点位置を光軸方向に３箇所以上に切り替えることができる。ステージや対物レンズを備える検出光学系を光軸方向に移動させて、いずれかの対物レンズの焦点位置を観察対象に一致させた後に、他の２以上の焦点位置に移動させることにより、焦点位置が光軸方向に精度よくずれた２以上の画像を簡易に取得することが可能となる。これにより、さらに簡易かつ精度よく、観察対象の厚さ寸法を算出することができる。

本発明によれば、送り機構のバックラッシュやステッピングモータの脱調、あるいはピエゾアクチュエータのヒステリシス等の影響を受けることなく、対物レンズの焦点位置を精度よく数μｍ移動させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る観察装置１について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、試料（観察対象）Ａを搭載するステージ２と、該ステージ２の鉛直上方に配置され、所定の波長の光、例えば、近赤外光を発生する光源３と、該光源３から発せられた近赤外光を鉛直方向に配される光軸Ｃに沿って試料Ａに照射する照明光学系４と、試料Ａを下方に透過した透過光を集光する検出光学系５と、該検出光学系５により集光された透過光を撮影するＣＣＤのような撮像素子６と、これらを支持するフレーム７とを備えている。

図中、符号８は、撮像素子６に接続され、取得された輝度情報を処理して２次元的な画像を形成する画像処理部、符号９は、形成された画像を表示するモニタ、符号１０は、形成された画像を記憶する記憶部である。

試料Ａは、例えば、透明なシャーレ１１の底面に接着して培養されている細胞群である。
ステージ２は、図示しない粗動ハンドルおよび微動ハンドルにより上下方向に移動可能に設けられている。

照明光学系４は、コンデンサレンズであって、光源３から発せられた近赤外光を略平行光にして試料Ａの鉛直上方から試料Ａに照射するようになっている。
検出光学系５は、図１に示されるように、フレーム７に固定された対物レンズ１２と、前記ステージ２と対物レンズ１２との間に挿脱可能に配置される２枚の厚さの異なるガラス平板（異種屈折率部材）１３，１４と、これらのガラス平板１３，１４を固定し光軸Ｃに直交する方向に移動させられる移動部材１５とを備えている。

ガラス平板１３，１４は、空気の屈折率とは異なる屈折率を有する同一のガラス材料により構成されている。したがって、光路上に配置するガラス平板１３，１４を変更することにより、当該光路における光学的距離を変化させることができるようになっている。そして、これらガラス平板１３，１４および移動部材１５によって光学的距離可変手段が構成されている。

移動部材１５は、図１に示されるように、平板状に形成され、鉛直方向すなわち板厚方向に貫通する３つの貫通孔１５ａを備えている。そして、移動部材１５は、水平方向に移動可能に、図示しないガイド機構等によって支持されている。
厚さの異なる２枚のガラス平板１３，１４は、それぞれ異なる貫通孔１５ａを閉塞する位置に固定されている。１つの貫通孔１５ａにはガラス平板１３，１４が取り付けられておらず、開放された空孔になっている。

光路上にガラス平板１３，１４または空孔が配置されたときの対物レンズ１２の前側焦点位置ｆは、ステージ２の上下動によって、ステージ２上に載置されているシャーレ１１の底面近傍おいて上下方向の所定範囲に配置することができるようになっている。図２（ａ）の光路上に空孔が配置された場合、すなわち、光路上からガラス平板１３，１４が取り外された場合と、図２（ｂ）のガラス平板１３が配置された場合とでは、対物レンズ１２の前側焦点位置は、上下方向に、例えば、５μｍ正確にずれた位置に配置されるようになっている。また、同様にして、図示しないが、光路上にガラス平板１３が配置された場合と、ガラス平板１４が配置された場合とにおいても、対物レンズ１２の前側焦点位置は、上下方向に、例えば、５μｍ正確にずれた位置に配置され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観察装置１を用いて、試料Ａである細胞の厚さ寸法を測定するには、底面に試料Ａを接着させたシャーレ１１をステージ２上に載置し、移動部材１５をスライドさせて、中央の貫通孔１５ａの中心を光軸Ｃに一致させるように配置する。
この状態で、光源３から近赤外光を出射させる。

光源３から発せられた近赤外光は、その鉛直下方に配置されている照明光学系４によって略平行光とされてシャーレ１１内の試料Ａに照射される。
試料Ａに照射された近赤外光は試料Ａを透過して、貫通孔１５ａを通過し、対物レンズ１２により集光されて撮像素子６により撮影される。これにより、撮影された試料Ａ各部の輝度信号が画像処理部８において処理されて試料Ａの２次元的な画像が形成され、モニタ９に表示される。

ユーザはモニタ９を見ながら図示しない粗動ハンドルおよび微動ハンドルにより、ステージ２を上下動させて、シャーレ１１の底面に存在する試料Ａの所望の（光軸Ｃ方向の）観察位置に、対物レンズ１２の焦点位置ｆを一致させる。

この状態で、ユーザは移動部材１５を水平方向にスライドさせて、隣接する貫通孔１５ａに設けられているガラス平板１３，１４をそれぞれ光軸Ｃ上に配置して、撮像素子６により試料Ａを撮影し、２枚の２次元的な画像を取得する。異なる厚さのガラス平板１３，１４を光軸Ｃ上に配置することで、焦点位置ｆを光軸Ｃ方向に沿って上下に移動させることができる。

これにより、所望の観察位置に対して光軸Ｃに沿う方向にずれた焦点位置による異なる２枚の画像を取得することができ、記憶部１０に記憶される。したがって、これら２枚の画像を用いて、公知の方法により、試料Ａの厚さ寸法を精度よく測定することができる。

本実施形態に係る観察装置１によれば、焦点位置を光軸Ｃ方向に精度よくずらした２枚のガラス平板１３，１４と空孔とを光軸Ｃに直交する水平方向に移動させて切り替えるので、対物レンズ１２の焦点位置ｆの移動量は、ガラス平板１３，１４の屈折率と厚さ寸法の精度のみに依存する。その結果、移動部材１５の移動方向の位置決め精度が悪くても、焦点位置ｆの光軸Ｃ方向への移動を極めて精度よく行うことができる。

その結果、従来、対物レンズ１２やステージ２を光軸Ｃ方向に移動させることで焦点位置ｆをずらしていた場合と比較して、極めて短時間で精度よく焦点位置ｆを５μｍ程度の微細なズレ量だけずらすことができ、観察作業を容易にすることができる。

なお、本実施形態においては、ガラス平板１３，１４を固定した移動部材１５を水平方向に手動で移動させることとしたが、これに代えて、何らかのアクチュエータや送り機構によって水平方向に移動させることにしてもよい。この場合において、送り機構のバックラッシュやアクチュエータのヒステリシスが発生しても、焦点位置ｆの移動方向には影響しないので、精度よく焦点位置をずらすことができる。

また、本実施形態においては、２枚のガラス平板１３，１４を固定したが、これに代えて、１枚のガラス平板あるいは３枚以上のガラス平板を固定することにしてもよい。
また、ガラス平板１３，１４の厚さ寸法を異ならせることで、ガラス平板１３，１４を同一のガラス材料によって構成したが、これに代えて、屈折率の異なるガラス材料あるいは透明な樹脂材料等によって異種屈折率部材を構成することにしてもよい。

また、水平方向に直線移動させられる移動部材１５を例示したが、これに代えて、水平方向に旋回させられるレボルバを移動部材１５として採用してもよい。
また、撮像素子６としては、ＣＣＤに代えてＣＭＯＳ等、他の任意の撮像素子を採用してもよい。

また、ガラス平板１３，１４と空孔との切替えによる対物レンズ１２の焦点位置ｆの最小ズレ量を５μｍとしたが、任意の値に設定してよい。
また、ガラス平板１３，１４を試料Ａと対物レンズ１２との間の光路に挿脱することとしたが、これに代えて、試料Ａと撮像素子６との間の任意の位置に挿脱することにしてもよい。

また、上記本実施形態においては、所定の波長の光、例えば近赤外光を出射することとしたが、これに代えて、光源から広い帯域の光を出射し、照明光学系の途中にバンドパスフィルタを設けて近赤外光を照射することとしてもよい。

本発明の一実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。 図１の観察装置の光学的距離可変手段を示す拡大縦断面図である。

符号の説明

Ａ 試料（観察対象）
１ 観察装置
３ 光源
４ 照明光学系
５ 検出光学系
６ 撮像素子
１２ 対物レンズ
１３，１４ ガラス平板（異種屈折率部材：光学的距離可変手段）
１５ 移動部材（移動機構：光学的距離可変手段）

Claims (3)

1. 所定の波長帯域の光を出射する光源と、
   該光源から出射された光を観察対象に照射する照明光学系と、
   該照明光学系により観察対象に照射された光の観察対象における透過光を集光する対物レンズを有する検出光学系と、
   該検出光学系により集光された透過光を撮影する撮像素子とを備え、
   前記検出光学系が、前記観察対象と前記撮像素子との間の光路上に、該光路における光学的距離を変化させる光学的距離可変手段を備える観察装置。
2. 前記光学的距離可変手段が、空気の屈折率とは異なる屈折率を有する異種屈折率部材と、該異種屈折率部材を光路に対して挿脱させる移動機構とを備える請求項１に記載の観察装置。
3. ２以上の異種屈折率部材を備える請求項２に記載の観察装置。

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