JP2010020298A - 結像装置及び顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影対象となる試料を特定し、特定した試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時撮影可能な結像装置。
【解決手段】結像レンズ１５と、撮像手段６と、試料の光軸方向に異なる複数の観察位置の像を撮像手段６の撮像面６ａに並べて形成するために、結像レンズ１５の光路を複数の光路に分割する光路分割手段５２〜５５と、前記複数の光路のうち少なくとも１つの光路の長さを変更する光路長変更部材５７，５８とからなる光路分割光路長変更素子５１を有し、光路分割手段５２〜５５は前記複数の観察位置のうち基準となる基準観察位置の像を撮像面６ａの中央部に形成し、かつ前記複数の光路のうち前記基準観察位置の像を形成する光路を前記光路分割手段５２〜５５の入射光路と同一直線上に導き、光路分割光路長変更素子５１を光路から外した場合に前記基準観察位置の像が撮像面６ａに形成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、結像装置及び顕微鏡に関する。

近年、試料の画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが望まれつつある（例えば、特許文献１を参照。）。

特表２００１−５１１９０２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている顕微鏡は、共焦点顕微鏡であるため、試料の２次元画像を撮影することができないという問題があった。
また、試料の画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影を行うための顕微鏡においては、撮影を行う際に、撮影対象となる最適な試料（例えば、培養細胞等）を予め特定しておく必要がある。
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、撮影対象となる試料を特定し、特定した試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡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、
試料の像を形成する結像レンズと、
前記結像レンズによって形成された前記試料の像を撮影する撮像手段と、
前記試料の光軸方向に異なる複数の観察位置の像を、前記撮像手段の撮像面上に並べて形成するために、前記結像レンズからの光路を複数の光路に分割する光路分割手段と、前記複数の光路のうちの少なくとも１つの光路の長さを変更する光路長変更部材とからなる光路分割光路長変更素子と、
を有しており、
前記光路分割手段は、前記試料の光軸方向に異なる前記複数の観察位置のうち、基準となる観察位置の像を前記撮像面上の中央部に形成し、かつ、前記複数の光路のうち、前記基準となる観察位置の像を形成するための光路を、前記光路分割手段の入射光路と同一直線上に導き、
前記光路分割光路長変更素子を光路から外した場合に、前記基準となる観察位置の像が前記撮像手段の前記撮像面上に形成されることを特徴とする結像装置を提供する。
また、本発明の結像装置を有することを特徴とする顕微鏡を提供する。

本発明によれば、撮影対象となる試料を特定し、特定した試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡における結像部の構成を示す拡大図であり、（ｂ）は、光路分割光路長変更素子の各平行平板にそれぞれ設けられている遮光部の形状を示す図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡において、試料の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図であり、（ｂ）は、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料の像が３つ並んで同時に形成されているカメラの撮像面の様子を示す図である。 （ａ）は、本発明の参考例に係る顕微鏡の全体構成を示す図であり、（ｂ）は、本発明の参考例に係る顕微鏡における平行平板部の変形例である回転ターレット部の構成を示す拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る顕微鏡における結像部の第１変形例の構成を示す拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る顕微鏡における結像部の第２変形例の構成を示す拡大図である。

以下、本発明の各実施形態に係る結像装置を適用した顕微鏡を添付図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
はじめに、本実施形態に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図１に示すように本実施形態に係る顕微鏡１は、顕微鏡本体部２と、顕微鏡本体部２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ６の撮像面６ａ上に結ぶための結像部７と、試料４の２次元画像を撮影する前記カメラ６とからなる。

照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。
顕微鏡本体部２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くための半透過ミラー１３と、試料４からの光を反射して結像部７へ導くための全反射ミラー１４とを備えている。

次に、本実施形態において最も特徴的な結像部７の構成について詳細に説明する。
図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１における結像部７の構成を示す要部拡大図である。
結像部７は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光を分割してカメラ６へ導く光路分割光路長変更素子１６とを備えている。
この光路分割光路長変更素子１６は、３つの反射部１７,１８,１９（反射部１７,１８は半透過）を備えたプリズム部２０と、各反射部１７,１８,１９に対応してプリズム部２０の射出端面に一体的に備えられた厚みの異なる３つの平行平板２７,２８,２９とからなる。なお、反射部１７，１８，１９には、例えば透過ミラーと全反射ミラーが用いられる。

まず、プリズム部２０内において、結像レンズ１５の射出光軸上には、透過率が約３０％の反射部１７が配置されている。そして、この反射部１７の透過光路上であってプリズム部２０の射出端面には平行平板２７が備えられている。
また、プリズム部２０内において、反射部１７の反射光軸上には、透過率が約５０％の反射部１８が前記反射部１７に対して平行に配置されている。そして、この反射部１８の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２７よりも光軸方向の厚みが大きい平行平板２８が備えられている。さらに、プリズム部２０内において、反射部１８の透過光軸上には、反射部１９が前記反射部１８に対して平行に配置されている。そして、この反射部１９の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２８よりも光軸方向の厚みがさらに大きい平行平板２９が備えられている。

ここで、本実施形態において各平行平板２７,２８,２９は、いずれもガラス板で構成されており、その射出端面の両端には、図２（ｂ）に示すように開口が図２（ａ）紙面に対して垂直に延びる帯形状の遮光部３０がそれぞれ設けられている。なお、図２（ｂ）は、光路分割光路長変更素子１６の各平行平板２７,２８,２９にそれぞれ設けられている遮光部３０の形状を示す図である。

以上の構成の下、本顕微鏡１において、照明部５の励起光源８から発せられた励起光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部２へ導かれる。そしてこの励起光は、半透過ミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４から発せられた蛍光は、対物レンズ１２、半透過ミラー１３を順に経た後、全反射ミラー１４によって反射されて結像部７へ導かれる。

図３（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１において、試料４の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図である。
倒立顕微鏡を例に、各光路の光路長について説明する。まず、図２（ａ）のように３つの光路に分岐する場合、平行平板２８がある中段の光路を基準位置とする。この光路は、図３（ａ）の観察位置ｚ２の像をカメラ６へ導くものである。また、平行平板２９がある上段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも長い光路長にしたものであり、図３（ａ）の観察位置ｚ１の像をカメラ６へ導くものである。さらに、平行平板２７がある下段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも短い光路長にしたもので、図３（ａ）の観察位置ｚ３の像をカメラ６へ導くものである。

結像部７に入射した光は、結像レンズ１５を介して光路分割光路長変更素子１６内の反射部１７へ入射する。この反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７を透過した光は、平行平板２７を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第１結像系」という。）。
なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ３となる。

一方、反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７によって反射された光は、反射部１８に入射する。そして、この反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８によって反射された光は、平行平板２８を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第２結像系」という。）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ２となる。
そして、反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８を透過した光は、反射部１９によって反射された後、平行平板２９を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第３結像系」という。）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ１となる。

このようにしてカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成される。言い換えれば、カメラ６の撮像面６ａに、光軸方向に異なる３つの観察位置についての結像面が３つ並んで同時に形成される。
より詳しくは、本実施形態では上述した構成の光路分割光路長変更素子１６によって結像レンズ１５とカメラ６の撮像面６ａとの間、即ち非平行光束の光路を３つに分割し、各光路に厚みの異なる平行平板２７,２８,２９を配置したことで、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成し、これによりカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が、図３（ｂ）に示すように３つ並んで同時に形成されることとなる（なお、本実施形態では上述のように３つの平行平板２７，２８，２９を用いているが、平行平板２７は必須ではなく平行平板２８，２９のみでもよい。）。したがってカメラ６では、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像を、３つ並んだ１つの２次元画像として撮影することが可能となる。なお、図３（ｂ）は、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成されているカメラ６の撮像面６ａの様子を示す図である。

以上より、本実施形態によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる３つの観察位置ｚ１,ｚ２,ｚ３で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができる。また、このように光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に試料の状態を画像化できることで、試料に生じた光軸方向へ空間的に異なった現象を同時に観察することができる。したがって、解析方法によっては、試料内をＸＹＺ方向へ移動する物体の追尾観察をすることも可能となる。
また前述のように、３つの観察位置ｚ１,ｚ２,ｚ３についての試料４の像を３つ並べて１つの２次元画像として撮影することができるため、観察に際して見やすい。また、複数台のカメラを用意する必要がないため、簡素な構成を採ることができる。

また本実施形態では、上述のように各平行平板２７,２８,２９には、遮光部３０が設けられている。これにより、カメラ６の撮像面６ａ上に形成される３つの観察位置ｚ１,ｚ２,ｚ３についての試料４の像は、図３（ｂ）に示すように撮像面６ａ上で区切られることとなるため、互いに重なり合ってしまうことを防ぐことができる。
また、各反射部１７,１８の透過率を上述のように設定したことによって、第１結像系、第２結像系、及び第３結像系からカメラ６の撮像面６ａへそれぞれ導かれる蛍光の光量を均一にすることができる。したがって、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの観察位置ｚ１,ｚ２,ｚ３についての試料４の像の明るさを均一にすることができる。

なお、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６は、上述のように３つの反射部１７,１８,１９を備えたプリズム部２０と、厚みの異なる平行平板２７,２８,２９とから構成されている。しかしながら光路分割光路長変更素子１６の構成はこれに限られず、プリズム部２０と平行平板２７,２８,２９を排除し、上記３つの反射部１７,１８,１９のみで構成することもできる。３つの反射部１７,１８,１９によって光路を３つに分割し、それぞれがカメラ６の撮像面６ａ上に試料４の像を結ぶように反射部１７,１８,１９どうしの間隔を設定すれば、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成することができ、本発明の目的を達成することができる。

また、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６による光路の分割数は３つに限られず、ミラー及び平行平板を減らす又は増やすことで２つ又は４つ以上の光路を設け、光軸方向に異なる２つ又は４つ以上の観察位置についての試料像を同時に撮影可能な構成とすることもできる。
また、本実施形態では、上述のように各平行平板２７,２８,２９に遮光部３０を設けることにより、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像どうしが重なり合ってしまうことを防いでいる。しかしながらこれに限られず、照明部５の視野絞り１０の位置に、前記遮光部３０と同様の形状の遮光部を配置する構成とすることもできる。

また、本実施形態では、上述のように各反射部１７,１８の透過率を設定することによってカメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像の明るさを均一にしている。しかしながら各反射部１７,１８の透過率は上記設定に限られず、例えば通常のハーフミラーを用い、平行平板２７,２８,２９の射出側に光量調整フィルタをそれぞれ配置する構成とすることで、試料像の明るさの均一化を図ることもできる。

ここで、以上に述べた本実施形態に係る顕微鏡１において、結像部７の構成は上述のものに限られない。以下に、結像部７についての２つの変形例を説明する。
図５は、結像部７の第１変形例である結像部５０の構成を示す拡大図である。
第１変形例の結像部５０は、結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光路を分割してカメラ６へ導く光路分割光路長変更素子５１と、後述する光路長補正部材５９とからなる。なお、光路分割光路長変更素子５１と光路長補正部材５９は、ターレット等の不図示の切り替え手段によって保持されており、結像レンズ１５の射出光路内へ選択的に挿脱することができる。

光路分割光路長変更素子５１は、４つの反射部５２,５３,５４，５５（反射部５２,５３は半透過）を備えたプリズム部５６と、反射部５４,５５に対応してプリズム部５６の射出端面に一体的に備えられた厚みの異なる２つの平行平板５７,５８とからなる。なお、反射部５２,５３,５４，５５には、例えば半透過ミラーと全反射ミラーが用いられる。
プリズム部５６内において、結像レンズ１５の射出光軸上には、結像レンズ１５側から順に、透過率が約６５％の反射部５２と、透過率が約５０％の反射部５３とが配置されている。なお、反射部５３は反射部５２に対して垂直に配置されている。

プリズム部５６内において、反射部５２の反射光軸上には、反射部５２からの反射光を全反射する反射部５４が前記反射部５２に対して平行に配置されている。そして、この反射部５４の反射光路上であってプリズム部５６の射出端面には平行平板５７が備えられている。
プリズム部５６内において、反射部５３の反射光軸上には、反射部５３からの反射光を全反射する反射部５５が前記反射部５３に対して平行に配置されている。そして、この反射部５５の反射光路上であってプリズム部５６の射出端面には、平行平板５７よりも光軸方向の厚みが大きい平行平板５８が備えられている。
ここで、各平行平板５７,５８は、いずれもガラス板で構成されている。なお、これらの射出端面、及びプリズム部５６における反射部５３の反射光路上の射出端面には、上記結像部７と同様に、図２（ｂ）に示す帯形状の遮光部３０がそれぞれ設けられている（図５中では不図示）。

光路長補正部材５９は、上述した不図示の切り替え手段によって光路分割光路長変更素子５１を光路外へ退避させた際に、該光路分割光路長変更素子５１に代わって光路内へ配置されるものである。この光路長補正部材５９は、基準となる観察位置の像（後述する観察位置ｚ２の像）のみをカメラ６の撮像面６ａ上に形成するために、結像レンズ１５からの光路の長さを変更するものである。本変形例において光路長補正部材５９は、ガラス板で構成された平行平板からなる。

ここで、斯かる第１変形例の結像部５０を適用した顕微鏡１について、光路分割光路長変更素子５１を光路内へ配置した場合（「多焦点撮影モード」という）と、光路長補正部材５９を光路内へ配置した場合（「通常観察モード」という）に分けて説明する。
はじめに、多焦点撮影モードについて図３を参照して説明する。
図５に示すように、光路分割光路長変更素子５１で分割した３つの光路のうち、中段の光路を基準としたとき、この光路は、図３（ａ）に示す観察位置ｚ２の像をカメラ６へ導くものである（基準像（Ｚ＝０））。また、平行平板５８を備えた上段の光路は、中段の光路よりも光路長が長く、図３（ａ）の観察位置ｚ１の像をカメラ６へ導くものである（負の焦点差（Ｚ＝−ΔＺ））。さらに、平行平板５７を備えた下段の光路は、中段の光路よりも光路長が短く、図３（ａ）の観察位置ｚ３の像をカメラ６へ導くものである（正の焦点差（Ｚ＝＋ΔＺ））。

斯かる構成の下、試料４より発せられて結像部５０へ導かれた観察光は、結像レンズ１５を介して光路分割光路長変更素子５１内の反射部５２へ入射する。この反射部５２へ入射した光のうち、該反射部５２を透過した光は反射部５３へ入射する。そして、この反射部５３へ入射した光のうち、該反射部５３を透過した光は、図３（ｂ）に示すようにカメラ６の撮像面６ａ上の中央に結像されることとなる。なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ２となる。またこのとき、斯かる観察位置ｚ２の像を形成するための光路（中段の光路）は、光路分割光路長変更素子５１の入射光路と同一直線上に位置している。
一方、反射部５２へ入射した光のうち、該反射部５２によって反射された光は、反射部５４によって反射され、平行平板５７を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ３となる。

また一方、反射部５３へ入射した光のうち、該反射部５３によって反射された光は、反射部５５によって反射され、平行平板５８を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ１となる。
このようにしてカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が、観察位置ｚ２の像を中心として３つ並んで同時に形成される。したがって結像部５０を適用した顕微鏡１は、上述の結像部７を備えた顕微鏡１と同様の効果を奏することが可能となる。

次に、通常観察モードについて説明する。
通常観察モードにおいて、試料４より発せられて結像部５０へ導かれた観察光は、結像レンズ１５と光路長補正部材５９を順に介し、カメラ６の撮像面６ａ上に結像される。なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ２のみとなるため、該観察位置ｚ２の像がカメラ６の撮像面６ａ全体にわたって結像されることとなる。したがってカメラ６では、試料４における観察位置ｚ２の２次元画像を、上述の多焦点撮影モード時よりも広い範囲で撮影することが可能となる。

詳しくは、上述のように多焦点撮影モード時には、基準となる観察位置ｚ２の像を形成する光路（中段の光路）が、光路分割光路長変更素子５１の入射光路と同一直線上に導かれるとともに、観察位置ｚ２の像がカメラ６の撮像面６ａの中央に形成される。したがって、当該中段の光路は、通常観察モード時に結像レンズ１５とカメラ６の間にできる光路と一致し、撮像面６ａの中央に入射することとなる。即ち、多焦点撮影モードと通常観察モードにおいて、視野の中心を一致させることができ、試料４の同じ観察位置（光軸に垂直な平面内において同じ観察位置）の像を撮影することが可能となる。言い換えれば、通常観察モードにおいて撮像面６ａの中央部分に形成された像を、多焦点撮影モードで基準の観察位置ｚ２の像として撮影することができる。

また、上述のように通常観察モード時には、光路長補正部材５９が光路長を変更することで、結像レンズ１５とカメラ６の間にできる光路の焦点位置を、多焦点撮影モード時の中段の光路の焦点位置と一致させることができる。即ち、多焦点撮影モードと通常観察モードにおいて、試料４の同じ観察位置（光軸方向において同じ観察位置、即ち観察位置ｚ２）の像を撮影することが可能となる。
以上より、第１変形例の結像部５０を適用した顕微鏡１では、通常観察モード時に、多焦点撮影モード時に基準となる観察位置ｚ２の像を、位置や大きさ等の状態を変えることなく、より広い範囲で撮影することが可能となる。

ここで、第１変形例の結像部５０を適用することで、上述のように多焦点撮影モードと通常観察モードが実施可能となった顕微鏡１について、使用手順の一例を説明する。
手順１：顕微鏡１の使用者は、ステージ３上の試料４を目視にて観察し、試料４のおおよその位置を調整する。
手順２：使用者は、通常観察モードで試料４を撮影し、顕微鏡１に別途備えられている不図示のモニタに試料４の画像を表示させる。そして使用者は、当該モニタを観察しながら、試料４の多焦点撮影モードで撮影したい箇所（観察希望位置）を特定する。

手順３：使用者は、手順２で特定した観察希望位置（例えば、培養細胞等）の像がカメラ６の撮像面６ａの中央に位置するように、試料４の位置を調整する。また使用者は、通常観察モードから多焦点撮影モードへ切り替える。
手順４：使用者は、試料４に対して投薬等の実験を行い、多焦点撮影モードで撮影を行う。これにより、試料４の観察希望位置と、該観察希望位置を基準とした光軸方向における上下２つの観察位置で、試料４の二次元画像を同時に撮影することができる。

以上、第１変形例の結像部５０を適用した顕微鏡１では、通常観察モードと多焦点撮影モードを切り替えて実施可能であり、これによって予め通常観察モードで試料４の観察希望位置を特定し、特定した観察希望位置を多焦点撮影モードで撮影することが可能となる。即ち、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる３つの観察位置ｚ１，ｚ２，ｚ３で同時に撮影可能な使い勝手の良い顕微鏡１を実現することができる。

次に、結像部７の第２変形例である結像部７０について説明する。
図６は、結像部７の第２変形例である結像部７０の構成を示す拡大図である。
第２変形例の結像部７０は、結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光路を分割してカメラ６へ導く光路分割光路長変更素子７１とからなる。なお、光路分割光路長変更素子７１は、ターレット等の不図示の切り替え手段によって保持されており、結像レンズ１５の射出光路外へ退避させることが可能である。

光路分割光路長変更素子７１は、５つの反射部７２,７３,７４，７５，７６（反射部７４,７５は半透過）を備えたプリズム部７７と、厚みの異なる３つの平行平板７８,７９,８０からなる平行平板ユニット８１で構成されている。なお、反射部７２,７３,７４，７５，７６には、例えば半透過ミラーと全反射ミラーが用いられる。

プリズム部７７内において、結像レンズ１５の射出光軸上には、結像レンズ１５からの光を全反射する反射部７２が配置されており、反射部７２の反射光路上には反射部７３が反射部７２に対して平行に配置されている。反射部７３の反射光路上には、透過率が約３５％の反射部７４が、反射部７３に対して垂直に配置されている。反射部７４の反射光路上には、反射部７４側から順に、透過率が約５０％の反射部７５と、反射部７５からの透過光を全反射する反射部７６とが、それぞれ反射部７２に対して平行に配置されている。なお、反射部７５は、反射部７５の反射光軸が反射部７２の入射光軸と同一直線上となるように配置されている。

平行平板ユニット８１において、平行平板７８は、反射部７４の透過光路上及び反射部７５，７６の反射光路上であってプリズム部５６の射出端面に備えられている。平行平板７９は、反射部７４の透過光路上及び反射部７５の反射光路上であって平行平板７８の射出端面に備えられている。平行平板８０は、反射部７４の透過光路上であって平行平板７９の射出端面に備えられている。
なお、平行平板７８,７９,８０は、いずれもガラス板で構成されており、それぞれの射出端面には、上記結像部７と同様に、図２（ｂ）に示す帯形状の遮光部３０が設けられている（図６中では不図示）。

ここで、第２変形例の結像部７０を適用した顕微鏡１について、光路分割光路長変更素子７１を光路内へ配置した場合（「多焦点撮影モード」）と、光路外へ退避させた場合（「通常観察モード」）に分けて説明する。
はじめに、多焦点撮影モードについて図３を参照して説明する。
図６に示すように、光路分割光路長変更素子７１で分割した３つの光路のうち、中段の光路を基準としたとき、この光路は図３（ａ）に示す観察位置ｚ２の像をカメラ６へ導くものである（基準像（Ｚ＝０））。また、平行平板８０を備えた下段の光路は、中段の光路よりも光路長が長く、図３（ａ）の観察位置ｚ１の像をカメラ６へ導くものである（負の焦点差（Ｚ＝−ΔＺ））。これに対して上段の光路は、中段の光路よりも光路長が短く、図３（ａ）の観察位置ｚ３の像をカメラ６へ導くものである（正の焦点差（Ｚ＝＋ΔＺ））。

斯かる構成の下、試料４より発せられて結像部７０へ導かれた観察光は、結像レンズ１５を介して光路分割光路長変更素子７１のプリズム部７７へ入射する。この光は反射部７２、反射部７３によって順に反射され、反射部７４へ入射する。反射部７４へ入射した光のうち、該反射部７４を透過した光は、平行平板７８，７９，８０を順に経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ１となる。
一方、反射部７４へ入射した光のうち、該反射部７４によって反射された光は、反射部７５に入射する。反射部７５へ入射した光のうち、該反射部７５で反射された光は、平行平板７８，７９を順に経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ２となる。またこのとき、斯かる観察位置ｚ２の像を形成するための光路（中段の光路）は、光路分割光路長変更素子７１の入射光路と同一直線上に位置している。

また一方、反射部７５へ入射した光のうち、該反射部７５を透過した光は、反射部７６によって反射され、平行平板７８を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３（ａ）に示す観察位置ｚ３となる。
このようにしてカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が、観察位置ｚ２の像を中心として３つ並んで同時に形成される。したがって結像部７０を適用した顕微鏡１は、上述の結像部７を備えた顕微鏡１と同様の効果を奏することが可能となる。

次に、通常観察モードについて説明する。
通常観察モードにおいて、試料４より発せられて結像部５０へ導かれた観察光は、結像レンズ１５を介してカメラ６の撮像面６ａ上に結像される。
ここで、第２変形例の結像部７０においては、光路分割光路長変更素子７１の各反射部７２,７３,７４，７５，７６の枚数と間隔、及び各平行平板７８,７９,８０の厚みは、多焦点撮影モード時の中段の光路の長さが、通常観察モード時に結像レンズ１５とカメラ６の間にできる光路の長さと一致するように適切に設定されている。
したがって通常観察モードでは、上述した第１変形例と同様に、図３（ａ）に示す観察位置ｚ２の像のみがカメラ６の撮像面６ａ上に結像されることとなる。このため、カメラ６では試料４における観察位置ｚ２の２次元画像を、多焦点撮影モード時よりも広い範囲で撮影することが可能となる。

以上より、第２変形例の結像部７０を適用した顕微鏡１は、上記第１変形例における光路長補正部材５９を必要とすることなく、第１変形例の結像部５０を適用した顕微鏡１と同様の効果を奏することができる。
なお、以上に述べた第１変形例の結像部５０における光路分割光路長変更素子５１、及び第２変形例の結像部７０における光路分割光路長変更素子７１による光路の分割数は３つに限られず、反射部や平行平板の枚数を減らす又は増やすことで２つ又は４つ以上の光路を設け、試料４の光軸方向に異なる２つ又は４つ以上の観察位置について同時に撮影可能な構成とすることもできる。
以上、各変形例によれば、撮影対象となる試料を特定し、特定した試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を実現することができる。

（参考例）
はじめに、本参考例に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図４（ａ）は、本発明の参考例に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図４（ａ）に示すように本参考例に係る顕微鏡３１は、顕微鏡本体部３２と、顕微鏡本体部３２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ３３,３４の撮像面上に結ぶための２つの結像部（第１結像部３５、第２結像部３６）と、試料４の２次元画像を撮影する２つのカメラ３３,３４からなる。
照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。
顕微鏡本体部３２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くためのハーフミラー１３と、試料４からの光を分割して第１結像部３５と第２結像部３６へ導くためのハーフミラー３７とを備えている。

次に、本参考例において最も特徴的な２つの結像部３５,３６の構成について詳細に説明する。
第１結像部３５は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５ａと、該結像レンズ１５ａとカメラ３３の間に配置された平行平板部３８とを備えている。
平行平板部３８は、光軸に対して垂直な方向へ並んだ光軸方向の厚さの異なる４つの平行平板を備え、光軸に対して垂直な方向へスライド可能なユニットである。これにより、平行平板部３８をスライドさせることで、所望の厚さの平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能となる。
第２結像部３６は、前述の第１結像部３５と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、第２結像部３６における平行平板部３９には、第１結像部３５における４つの平行平板とはいずれも光軸方向の厚さが異なる４つの平行平板が備えられている。

以上の構成の下、本顕微鏡３１において、照明部５の光源８から発せられた光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部３２へ導かれる。そしてこの光は、ハーフミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４からの光は、対物レンズ１２、ハーフミラー１３を順に経た後、ハーフミラー３７に入射される。なお、蛍光観察の場合は、光源８からの光は励起光であり、試料４からの光は蛍光となる。

ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７によって反射された光は、第１結像部３５へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ａを介して平行平板部３８中の任意の平行平板を経て、カメラ３３の撮像面上に結像される（「第１結像系」という。）。このようにして、カメラ３３は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。
一方、ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７を透過した光は、第２結像部３６へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ｂを介して平行平板部３９中の任意の平行平板を経て、カメラ３４の撮像面上に結像される（「第２結像系」という。）。このようにして、カメラ３４は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。なお、図４（ａ）では、いずれの結像部３５,３６においても光路内に平行平板を配置していない様子が示されている。

以上のように本参考例では、結像部を２つ設け、各結像部３５,３６において結像レンズ１５ａ,１５ｂとカメラ３３,３４の撮像面との間、即ち非平行光束の光路に厚みの異なる平行平板を配置することで、光路長の異なる第１結像系と第２結像系を形成している。これにより、結像部３５,３６毎に備えられたカメラ３３,３４の撮像面上には、観察位置が光軸方向に異なる試料４の像がそれぞれ形成されて、２次元画像として同時に撮影することができる。

以上より、本参考例によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる２つの観察位置で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、２つの結像部３５,３６において、平行平板部３８,３９をスライドさせることで所望の厚さの平行平板を光路内に配置することが可能であるため、光軸方向に異なる様々な観察位置で試料４の２次元画像を撮影することができる。
ここで、平行平板部３８,３９に備えられた平行平板の光軸方向の厚みに対する試料４の観察位置の光軸方向のシフト量Δの一数値例を以下の表１に示す。なお、対物レンズ１２は「Plan Apo TIRF 100×H/1.45」を想定し、試料４の観察位置の基準は光路内に平行平板を配置しなかったときとする。

（表１）
100倍対物レンズ使用時の試料面上の 平行平板の厚さ(mm)
フォーカスシフト量Δ(μm)
0.1 2.8
0.2 5.5
0.3 8.3
0.4 11.0
0.5 13.8

なお、本参考例において、上述のように光路内への所望な平行平板の挿脱は、平行平板部３８,３９を光軸に対して垂直な方向へスライドさせることで行われる。しかしながらこれに限られず、本参考例に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８,３９に代えて、図４（ｂ）に示した回転軸４０ａを中心に回転可能な円盤部材４０上に複数の平行平板を備え、当該円盤部材４０を回転させることで所望の平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能な回転ターレット部４１を有する構成とすることもできる。これにより、本参考例に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８,３９を有する場合に比して、顕微鏡内のスペースをより有効に活用することができる。なお、図４（ｂ）は、本発明の参考例に係る顕微鏡３１における平行平板部３８,３９の変形例である回転ターレット部４１の構成を示す拡大図である。

また、上述のように本参考例に係る顕微鏡３１は２つの結像部３５，３６を備える構成であるが、ハーフミラー３７及び第１結像部３５を排除し、第２結像部３６のみを備える構成とすることもできる。この場合、光軸方向に異なる複数の観察位置で試料４の２次元画像を同時に得ることはできないものの、平行平板部３８，３９をスライドさせることで、平行平板の切り替えが高速、高精度に実行できるため、ステージや対物レンズを光軸方向に移動することで光軸方向の観察位置を変更していた従来の顕微鏡に比して、光軸方向の観察位置の変更をより迅速に達成することができる。

以上、上記第１実施形態及び参考例によれば、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を実現することができる。

１，３１ 顕微鏡
２，３２ 顕微鏡本体部
５ 照明部
４ 試料
７，３５，３６ 結像部
６，３３，３４ カメラ
１２ 対物レンズ
１５，１５ａ，１５ｂ 結像レンズ
１６ 光路分割光路長変更素子
１７，１８，１９ 反射部
２７，２８，２９ 平行平板
３８，３９ 平行平板部
４１ 回転ターレット部
４２ 補助光学素子
５０，７０ 結像部
５１，７１ 光路分割光路長変更素子
５２，５３，５４，５５，７２，７３，７４，７５，７６ 反射部
５７，５８，７８，７９，８０ 平行平板

Claims (5)

1. 試料の像を形成する結像レンズと、
   前記結像レンズによって形成された前記試料の像を撮影する撮像手段と、
   前記試料の光軸方向に異なる複数の観察位置の像を、前記撮像手段の撮像面上に並べて形成するために、前記結像レンズからの光路を複数の光路に分割する光路分割手段と、前記複数の光路のうちの少なくとも１つの光路の長さを変更する光路長変更部材とからなる光路分割光路長変更素子と、
   を有しており、
   前記光路分割手段は、前記試料の光軸方向に異なる前記複数の観察位置のうち、基準となる観察位置の像を前記撮像面上の中央部に形成し、かつ、前記複数の光路のうち、前記基準となる観察位置の像を形成するための光路を、前記光路分割手段の入射光路と同一直線上に導き、
   前記光路分割光路長変更素子を光路から外した場合に、前記基準となる観察位置の像が前記撮像手段の前記撮像面上に形成されることを特徴とする結像装置。
2. 前記光路分割光路長変更素子を光路から外した場合に、前記基準となる観察位置の像を前記撮像手段の前記撮像面上に形成するために、前記結像レンズからの光路の長さを変更する光路長補正部材を、前記光路分割光路長変更素子と切り替え可能に有していることを特徴とする請求項１に記載の結像装置。
3. 前記光路分割手段は、前記試料の光軸方向に異なる３つの観察位置の像を前記撮像面上に並べて形成するために、前記結像レンズからの光路を３つの光路に分割し、前記３つの観察位置のうち、中間の観察位置の像を前記基準となる観察位置の像として前記撮像面上の中央部に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結像装置。
4. 前記光路長変更部材は、前記３つの光路のうち少なくとも２つの光路に設置された、光軸方向の厚みの異なる平行平板からなることを特徴とする請求項３に記載の結像装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結像装置を有することを特徴とする顕微鏡。

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