JP2023071334A - 顕微鏡装置、及び、顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】位相物体内の位相勾配を可視化する。【解決手段】顕微鏡装置１は、標本Ｓを照明する照明光学系と、標本Ｓからの光を導く観察光学系と、ポラライザ６と、偏光分離プリズム７と、照明光学系と観察光学系の一方である第１光学系の瞳位置に置かれた絞り２を備える。絞り２の開口部の形状は、円形または正多角形である。照明光学系と観察光学系の他方である第２光学系は、ポラライザ６と偏光分離プリズム７の間の光路上に置かれた唯一の偏光分離プリズムであって、光を異なる方向に進行する互いに振動方向が直交する２つの偏光に分離し、分離した２つの偏光で第２光学系の瞳位置に干渉縞を形成する。【選択図】図１

Description

本明細書の開示は、顕微鏡装置、及び、顕微鏡システムに関する。

位相物体内の局所的な位相勾配を強度分布に変換することでコントラスト（以降、傾斜コントラストと記す。）を得る技術が知られている。このような技術は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術では、対物レンズの瞳位置又は瞳位置と光学的に共役な位置に強度変調のための構造を設けることで、傾斜コントラストを得ることができる。

特開２０２０－０８５９８８号公報

しかしながら、対物レンズの瞳位置は、通常は対物レンズ内にある。このため、特許文献１に記載の技術が適用可能な顕微鏡装置は、実質的には、瞳リレー系を有するものに限られてしまう。

以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、位相物体内の位相勾配を可視化する新たな技術を提供することである。

本発明の一態様に係る顕微鏡装置は、標本を照明する照明光学系と、 前記標本からの光を導く観察光学系と、ポラライザと、アナライザと、前記照明光学系と前記観察光学系の一方である第１光学系の瞳位置に置かれた絞りであって、開口部の形状が円形または正多角形である絞りと、を備え、前記照明光学系と前記観察光学系の他方である第２光学系は、前記ポラライザと前記アナライザの間の光路上に置かれた唯一の偏光分離プリズムであって、光を異なる方向に進行する互いに振動方向が直交する２つの偏光に分離し、分離した前記２つの偏光で前記第２光学系の瞳位置に干渉縞を形成する偏光分離プリズムと、含む。

上記の態様によれば、位相物体内の位相勾配を可視化する新たな技術を提供することができる。

一実施形態に係る顕微鏡装置１の構成を例示した図である。 偏光分離プリズム７の配置について説明するための図である。 干渉縞１０の配置について説明するための図である。 位相物体の形状を例示した図である。 図４に示す形状の位相物体を経由して瞳位置に投影される絞り像２ａを例示した図である。 プリズム調整ユニット１２の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００の構成を例示した図である。 第２の実施形態に係る顕微鏡装置２００の構成を例示した図である。 干渉縞１０と対物レンズの瞳との関係を例示した図である。 絞り１０３の状態について説明するための図である。 第３の実施形態に係る顕微鏡装置３００の構成を例示した図である。 ターレット３０１に設けられた絞りの大きさと配置について説明するための図である。 光軸に対して偏心した絞り３０５の作用について説明するための図である。 第４の実施形態に係る顕微鏡装置４００の構成を例示した図である。 ターレット４０１に設けられた絞りの大きさと配置について説明するための図である。 偏光分離プリズム１２２のスライドによる作用について説明するための図である。 第５の実施形態に係る顕微鏡装置５００の構成を例示した図である。 第６の実施形態に係る顕微鏡システム７００の構成を例示した図である。 第７の実施形態に係る顕微鏡システム９００の構成を例示した図である。 顕微鏡システム９００で取得した傾斜コントラスト画像の一例である。 顕微鏡システム９００で取得した位相差画像の一例である。 図２０に示す傾斜コントラスト画像と図２１に示す位相差画像から生成された画像の一例である。 図２０に示す傾斜コントラスト画像と図２１に示す位相差画像から生成された画像の別の一例である。

図１は、一実施形態に係る顕微鏡装置１の構成を例示した図である。図２は、偏光分離プリズム７の配置について説明するための図である。図３は、干渉縞１０の配置について説明するための図である。以下、顕微鏡装置１の構成と作用について図１から図３を参照しながら説明する。

顕微鏡装置１は、位相物体を観察する顕微鏡装置であり、位相物体内の局所的な位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得る装置である。顕微鏡装置１は、図１に示すように、絞り２と、コンデンサレンズ３と、ステージ４と、対物レンズ５と、ポラライザ６と、偏光分離プリズム７と、アナライザ８を備えている。

図１では、顕微鏡装置１は、透過照明装置を備え、標本Ｓが置かれたステージ４を挟んで、標本Ｓを照明する照明光学系と標本Ｓからの光を導く観察光学系とが向かい合わせに配置されている。しかしながら、コンデンサレンズ３を含む照明光学系と、対物レンズ５及び偏光分離プリズム７を含む観察光学系は、必ずしもステージ４を挟んで配置される必要はなく、顕微鏡装置１には透過照明の代わりに落射照明が採用されてもよい。

また、図１では、顕微鏡装置１は、ステージ４に配置された標本Ｓを上方から観察する正立顕微鏡として構成されているが、顕微鏡装置１は、正立顕微鏡に限らない。顕微鏡装置１は、標本Ｓを下方から観察する倒立顕微鏡として構成されてもよい。

また、図１では特に図示しないが、顕微鏡装置１は、撮像装置を備えてもよく、撮像装置でイメージングした傾斜コントラスト画像を表示装置に表示してもよい。また、顕微鏡装置１は、接眼レンズを備えてもよく、顕微鏡装置１の利用者は、顕微鏡装置１で形成された標本Ｓの像（虚像）を接眼レンズで観察することで、標本Ｓを観察してもよい。

絞り２は、照明光学系の瞳位置に配置された開口絞りであり、コンデンサレンズ３の前側焦点位置に配置されている。絞り２は、複数の絞り羽根を有し、開口径を調整可能な可変絞り機構を備えていることが望ましい。絞り２の形状、つまり、絞り２の開口部の形状は、円形または正多角形である。なお、開口絞りが円に近い形状である方が、デフォーカスした像が円形にぼけて自然な見え方になるという点で、望ましい。

偏光分離プリズム７は、図２に示すように、入射光（直線偏光Ｌ１）を異なる方向に進行する互いに偏光方向が直交する２つの偏光（直線偏光Ｌ２、直線偏光Ｌ３）に分離するプリズムであり、ポラライザ６とアナライザ８の間の光路上に置かれた唯一の偏光分離プリズムである。図２中の黒丸と矢印はプリズムの光学軸方向を示している。偏光分離プリズム７は、例えば、ノマルスキープリズム、又は、ウォラストンプリズムであるが、ローションプリズムなどの他の種類のプリズムであってもよい。

より詳細には、偏光分離プリズム７は、図示しない光源から出射した光が照明光学系と観察光学系を通って撮像装置または接眼レンズに至るまでの間に一度だけ入射する位置に配置されている。この点において、顕微鏡装置１は、一対の偏光分離プリズムを有する透過型の微分干渉顕微鏡や１つの偏光分離プリズムに照明光と観察光がそれぞれ１回ずつ作用する反射型の微分干渉顕微鏡とは異なっている。

偏光分離プリズム７は、２つの偏光で観察光学系の瞳位置に干渉縞を形成するように配置されている。より詳細には、偏光分離プリズム７は、像側から物体側に向かって逆光線追跡が行われた場合に、図２に示すように、直線偏光Ｌ２と直線偏光Ｌ３が観察光学系の瞳位置９（つまり、対物レンズ５の後側焦点位置）で交わるように配置されている。これにより、直線偏光Ｌ２と直線偏光Ｌ３が干渉することで瞳位置に干渉縞が形成される。

偏光分離プリズム７によって形成される干渉縞１０は、図３に示すように、瞳１１内において、対物レンズ５の瞳径よりも細い幅を有する直線形状を有し、この直線の幅方向にグラデーションを有している。この干渉縞１０は、瞳位置に置かれたＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの減光フィルタと同様に、入射光の強度を変調する強度変調手段として作用する。このため、偏光分離プリズム７で干渉縞１０を形成することで、リレー光学系を有しないコンパクトな構成を採用しながら、瞳位置に直接フィルタを置くことなく瞳位置における強度変調が可能となる。

位相物体に位相勾配がない場合、位相物体を通過する主光線は位相物体で屈折しないため瞳の中心を通過する。これに対して、位相物体に局所的な位相勾配が生じている場合、その位相勾配が生じた位置を通過する主光線はその位相勾配によって屈折するため、瞳位置において勾配の向きに応じた向きに勾配の大きさに応じた大きさだけ瞳の中心からずれた位置を通過することになる。このことは、瞳の中心からずれた位置に干渉縞１０を形成することで、位相物体を通過した光のうち、干渉縞１０が形成された位置に対応する位相勾配（特定の向きと大きさを有する位相勾配）を有する位相物体の部分を通過した光だけを、選択的に減光可能であることを意味している。

局所的な位相勾配は、通常は位相物体の表面形状、より具体的には、位相物体表面の傾斜、を表している。このため、位相勾配が生じている部分（つまり、傾斜部分）にコントラストを付けることで位相物体を立体的に可視化することが可能である。従って、瞳位置に形成される干渉縞は、位相物体を立体的に可視化するために、瞳位置においてその瞳位置に投影された絞りの像の中心からずれた位置に形成されることが望ましい。

図４は、位相物体の形状を例示した図である。図５は、図４に示す形状の位相物体を経由して瞳位置に投影される絞り像２ａを例示した図である。図４及び図５を参照しながら、位相物体が有する位相勾配によって、位相物体の像にどのようにコントラストが付くかを説明する。まず、標本Ｓが平坦な位相物体である場合には、図４（ａ）に示すように、コンデンサレンズ３からの光は位相物体で屈折することなく進む。このため、図５（ａ）に示すように、コンデンサレンズ３からの光は対物レンズ５の瞳中心を通過し、干渉縞１０によりある程度減光された像を形成する。また、標本Ｓが位相の勾配がある位相物体である場合には、例えば、図４（ｂ）に示すように、コンデンサレンズ３からの光は位相物体で屈折する。この場合、図５（ｂ）に示すように、コンデンサレンズ３からの光は対物レンズ５の瞳中心からはずれた位置を通過し、干渉縞１０で図５（ａ）に示す場合よりも、さらに減光された像を形成する。また、標本Ｓが図４（ｂ）とは逆方向に位相勾配を有する位相物体である場合にも、図４（ｃ）に示すように、コンデンサレンズ３からの光は位相物体で屈折する。この場合、図５（ｃ）に示すように、コンデンサレンズ３側からの光線は図５（ｂ）に示す場合とは逆方向に対物レンズ５の瞳中心からはずれた位置を通過し、干渉縞１０で減光されず像を形成する。このように、瞳の中心からずれた位置に干渉縞１０を形成することで、位相物体の勾配の方向によって像が明るくなったり暗くなったりする。つまり、コンデンサレンズ３からの光が干渉縞１０によって減光される量が位相物体の勾配の方向によって増減する。これにより、位相物体の像がレリーフ状のコントラストをもって可視化される。

図６は、プリズム調整ユニット１２の一例を示した図である。干渉縞１０が形成される位置を調整するために、顕微鏡装置１には、図６に示すような、偏光分離プリズム７の位置を微調整するプリズム調整ユニット１２が設けられてもよい。偏光分離プリズム７は、プリズム調整ユニット１２の筐体１３内に収容されていて、ハンドル１４とハンドル１５を操作することで、筐体１３内における偏光分離プリズム７の位置を微調整することができる。

具体的には、プリズム調整ユニット１２は、偏光分離プリズム７を観察光学系の光軸と直交する方向にスライドする構造を有していて、ハンドル１４を操作することで、偏光分離プリズム７を観察光学系の光軸と直交する方向に移動することができる。従って、顕微鏡装置１の利用者は、観察を開始する前に、ハンドル１４を操作して、干渉縞１０の位置が図３に示すように絞り像２ａの端に来るように調整してもよい。これにより、標本Ｓの位相勾配に応じた強度変調が可能であり、位相物体を立体的に可視化することができる。

また、顕微鏡装置１の利用者は、ハンドル１４を操作して、光軸に対する干渉縞１０が形成される方向を変更することで、強度変調対象の位相勾配の向きを変更してもよい。図３では干渉縞１０が光軸に対して左上方向に形成されているが、偏光分離プリズム７を移動させることで干渉縞１０を光軸に対して右下方向に形成してもよい。これにより、図３に示す場合とは反対方向から光を当てたような画像を得ることができる。

また、プリズム調整ユニット１２は、偏光分離プリズム７を観察光学系の光軸と平行な方向にスライドする構造を有していて、ハンドル１５を操作することで、偏光分離プリズム７を観察光学系の光軸と平行な方向に移動することができる。従って、顕微鏡装置１の利用者は、観察を開始する前に、ハンドル１５を操作して、干渉縞１０が瞳位置に形成されるように調整してもよく、さらに、干渉縞１０が瞳位置にコントラスト良く形成されるように調整してもよい。このような操作を行うことで、瞳位置が異なる複数の対物レンズを切り替えて用いる場合であっても良好な観察が可能となる。

以上のように構成された顕微鏡装置１では、リレー光学系を用いることなく瞳位置に強度変調のための光透過率分布（干渉縞）を形成することができる。従って、顕微鏡装置１によれば、コンパクトな装置構成を採用しながら瞳位置で強度変調を行うことが可能であり、位相物体内の位相勾配を可視化して位相物体を良好に観察することができる。

干渉縞の作用により画像に十分な強さのコントラストを付けるためには、瞳位置を通過する光束の径を瞳径よりも小さく絞ることが望ましい。即ち、瞳位置に干渉縞が形成される光学系の開口数は、瞳位置に絞り２が設けられた光学系の、絞り２の径に依存する開口数よりも大きいことが望ましい。従って、顕微鏡装置１では、図３に示すように、瞳位置に瞳１１の径よりも小さく絞り込まれた絞り２の像（絞り像２ａ）が投影されるように、絞り２の開口径を調整することが望ましい。

なお、本願の発明者は、鋭意検討の結果、干渉縞が形成される光学系（図１では観察光学系の）の開口数と、瞳位置に絞りが設けられた光学系（図１では照明光学系）の開口数は、以下の関係を満たすことで、特に良好な傾斜コントラストが得られることを見出した。従って、より具体的には、絞り２の径は以下の関係を満たすように調整されることが望ましい。ここで、ＮＡ１は、瞳位置に絞りが設けられた光学系の絞りの径に依存する開口数であり、ＮＡ２は干渉縞が形成される光学系の開口数である。
０．３≦ＮＡ１／ＮＡ２≦０．８

偏光分離プリズム７を１つだけしか必要としないという顕微鏡装置１が有する微分干渉顕微鏡との構成上の違いは、標本での位相変化を利用する微分干渉顕微鏡と標本表面での屈折を利用する顕微鏡装置１の可視化の原理の違いに起因するものである。

微分干渉顕微鏡は、標本上のわずかに異なる位置（所謂シャー量だけずれた位置）を通過する２光線間の位相の違いを可視化することを標本の凹凸を観察可能とするものである。このため、微分干渉顕微鏡では、２光線に分離した光を標本に照射し、照射後にその２光線を合成する必要があり、一対の偏光分離プリズムを設けるか、又は、１つの偏光分離プリズムに光を２回作用させる必要がある。

これに対して、顕微鏡装置１は、標本の凹凸（傾斜）によって生じる屈折を利用して位相物体である標本を可視化するものであり、微分干渉顕微鏡のように２光線間の位相の違いを可視化するものではない。顕微鏡装置１では、偏光分離プリズム７は、２光線の干渉により瞳位置に干渉縞を形成することで瞳位置における強度変調のために光透過率分布を形成するものであり、偏光分離プリズム７で分離した２光線を微分干渉顕微鏡のように合成する必要がない。このため、顕微鏡装置１は、図１に示すように、偏光分離プリズム７を１つだけ有していればよい。

図１では、照明光学系の瞳位置に絞り２が設けられ、観察光学系が偏光分離プリズム７を備える構成を例示したが、絞り２は、照明光学系と観察光学系の一方の瞳位置に設けられればよく、偏光分離プリズム７は、照明光学系と観察光学系の他方に備えられていればよい。従って、例えば、絞り２が観察光学系の瞳位置に設けられ、照明光学系が偏光分離プリズム７を備えてもよい。

ただし、偏光分離プリズム７で形成される干渉縞１０は、上述したように、照明光学系と観察光学系のうち開口数が大きい方の光学系に設けられることが望ましい。一般的に観察光学系の開口数は、照明光学系の開口数よりも高いため、通常は観察光学系が偏光分離プリズム７を備えることが望ましい。ただし、照明光学系が偏光分離プリズム７を備える場合には、照明光学系の開口数が観察光学系の開口数よりも大きくなるように、絞り２により観察光学系の開口数を調整してもよい。

図１では、ポラライザ６とアナライザ８が対物レンズ５のすぐ隣に置かれる例を示したが、ポラライザ６とアナライザ８は、これらの間の光路上に偏光分離プリズム７が位置するように配置されればよい。従って、ポラライザ６は、例えば、コンデンサレンズ３よりも光源側に置かれてもよい。ただし、この場合、瞳位置にコントラスト良く干渉縞を形成するためにはプラスティックシャーレのような偏光を乱す部材はポラライザ６と対物レンズ５の間に配置されるべきではない。従って、プラスティックシャーレを用いる場合には、図１に示すように、対物レンズ５よりも像側にポラライザ６を配置することが望ましい。

以下、上述した顕微鏡装置１の具体例について、各実施形態でさらに詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図７は、本実施形態に係る顕微鏡装置１００の構成を例示した図である。顕微鏡装置１００は、傾斜コントラスト画像を得る顕微鏡装置である。以下、図７を参照しながら、顕微鏡装置１００について説明する。

顕微鏡装置１００は、ステージ１０４の下方に照明光学系１１０を含み、ステージ１０４の上方に観察光学系１２０を含む正立顕微鏡である。顕微鏡装置１００は、さらに、光源１０１と、視野絞りとして機能する絞り１０２と、開口絞りとして機能する絞り１０３と、標本Ｓが置かれるステージ１０４と、ポラライザ１０５と、アナライザ１０６と、撮像装置１０７を備えている。

照明光学系１１０は、光源１０１から出射した光をコリメートするコレクタレンズ１１１と、コレクタレンズ１１１でコリメートされた光を標本Ｓに向けて反射するミラー１１２と、コレクタレンズ１１１でコリメートされた光を絞り１０３上に集光するフィールドレンズ１１３と、標本Ｓに光を照射するコンデンサレンズ１１４を備えている。

絞り１０３は、照明光学系１１０の瞳位置に配置された開口絞りであり、コンデンサレンズ１１４の前側焦点位置に配置されている。絞り１０３は、複数の絞り羽根を有し、開口径を調整可能な可変絞り機構を備えていることが望ましい。絞り１０３の開口部の形状は、円形または正多角形である。顕微鏡装置１００の利用者は、照明光学系１１０が観察光学系１２０（対物レンズ１２１）の開口数の３割から８割程度の開口数の光で標本Ｓを照明するように、絞り１０３の開口径を調整することが望ましい。

観察光学系１２０は、無限遠補正型の対物レンズ１２１と、入射光を異なる方向に進行する互いに振動方向が直交する２つの偏光に分離する偏光分離プリズム１２２と、標本Ｓからの光を撮像装置１０７上に集光して標本Ｓの像を形成する結像レンズ１２３を備えている。

偏光分離プリズム１２２は、ポラライザ１０５とアナライザ１０６の間に配置されている。偏光分離プリズム１２２は、例えば、入射光を分離した２つの偏光が偏光分離プリズム１２２の外側で交差するように設計されたノマルスキープリズムである。偏光分離プリズム１２２は、撮像装置１０７側から入射した入射光を分離した２つの偏光が観察光学系１２０の瞳位置で交わるように配置されている。また、偏光分離プリズム１２２は、瞳位置において干渉縞が光軸からずれた位置に形成されるように配置されている。

以上のように構成された顕微鏡装置１００では、偏光分離プリズム１２２が観察光学系１２０の瞳位置に形成する干渉縞が強度変調手段として作用することで、標本Ｓの位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得ることができる。従って、顕微鏡装置１００によれば、リレー光学系を有しないコンパクトな構成で標本Ｓを立体的に可視化することができる。

［第２の実施形態］
図８は、本実施形態に係る顕微鏡装置２００の構成を例示した図である。図９は、干渉縞１０と対物レンズの瞳との関係を例示した図である。図１０は、絞り１０３の状態について説明するための図である。顕微鏡装置２００は、顕微鏡装置１００と同様に傾斜コントラスト画像を得る顕微鏡装置である。以下、図８から図１０を参照しながら、顕微鏡装置２００について説明する。

顕微鏡装置２００は、観察光学系１２０の代わりに観察光学系２２０を備える点が顕微鏡装置１００とは異なっている。その他の点は、顕微鏡装置１００と同様である。

観察光学系２２０は、切替可能な複数の対物レンズ（対物レンズ２２１、対物レンズ２２２、対物レンズ２２３）を備えている点が観察光学系１２０とは異なる。複数の対物レンズは、互いに倍率の異なる対物レンズであり、例えば、図９に示すように、それぞれ異なる瞳径を有している。

なお、図９に示す瞳２３１は、３本の対物レンズのうちの最も低倍の対物レンズである対物レンズ２２１の瞳であり、最も大きな瞳径を有している。瞳２３２は、３本の対物レンズのうちの真ん中の倍率（中倍）の対物レンズである対物レンズ２２２の瞳であり、中程度の瞳径を有している。瞳２３３は、３本の対物レンズのうちの最も高倍の対物レンズである対物レンズ２２３の瞳であり、最も小さな瞳径を有している。

図９に示すように、偏光分離プリズム１２２が形成する干渉縞１０は、瞳位置において光軸（瞳の中心）から逸れた位置に形成されている。干渉縞１０は偏光分離プリズム１２２を動かさない限り瞳位置において一定の位置に形成されるが、顕微鏡装置２００では、瞳径は対物レンズによって変化する。このため、瞳と干渉縞１０の位置関係は、対物レンズを交換することによって変化する。従って、顕微鏡装置２００では、特定の対物レンズを使用するときに瞳の端に干渉縞１０が形成されるように偏光分離プリズム１２２の位置が調整されている場合であっても、対物レンズを交換すると干渉縞１０が瞳の端からずれてしまう。

このため、複数の対物レンズを切り替えて使用する顕微鏡装置２００では、図１０に示すように、対物レンズの倍率に応じて絞り１０３の開口径を調整することが望ましい。具体的には、より低い倍率の対物レンズほど大きな瞳径を有しているため、倍率を下げるほど絞り１０３を絞り込むことが望ましい。なお、一般に低倍対物レンズはＮＡが小さいので、絞り１０３をより絞る必要がある。つまり、低倍対物レンズを使用する時に絞り１０３の絞り径を絞り込むことで、干渉縞１０を低倍対物レンズの瞳の端に合わせる効果と、低倍対物レンズのＮＡに合わせた照明を行える効果の両方を実現できる。

以上のように構成された顕微鏡装置２００によっても、顕微鏡装置１００と同様に、標本Ｓの位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得ることが可能であり、コンパクトな構成で標本Ｓを立体的に可視化することができる。また、顕微鏡装置２００によれば、様々な倍率を有する対物レンズを用いて標本Ｓを良好に観察することができる。

［第３の実施形態］
図１１は、本実施形態に係る顕微鏡装置３００の構成を例示した図である。図１２は、ターレット３０１に設けられた絞りの大きさと配置について説明するための図である。図１３は、光軸に対して偏心した絞り３０５の作用について説明するための図である。顕微鏡装置３００は、顕微鏡装置２００と同様に傾斜コントラスト画像を得る顕微鏡装置である。以下、図１１から図１３を参照しながら、顕微鏡装置３００について説明する。

顕微鏡装置３００は、図１１に示すように、照明光学系１１０の瞳位置に設けられた開口径を調整可能な絞り１０３の代わりに、ターレット３０１に収容された対物レンズに応じて切り替えて使用される交換可能な複数の絞りを有する点が顕微鏡装置２００とは異なっている。その他の点は、顕微鏡装置２００と同様である。

顕微鏡装置３００は、対物レンズの倍率に応じて、絞り１０３の開口径を調整する代わりに、開口径の異なる絞りを、ターレット３０１を用いて照明光学系１１０の瞳位置に挿入する。

ターレット３０１には、例えば、図１２に示すように４つの絞り（絞り３０２、絞り３０３、絞り３０４、絞り３０５）が設けられている。絞り３０２は、中倍の対物レンズ２２２と共に使用される絞りである。絞り３０３は、高倍の対物レンズ２２３と共に使用される絞りであり、絞り３０２よりも大きな開口径を有している。絞り３０４は、最も大きな開口径を有する絞りであり、瞳位置で光線を遮断しない場合などに使用される。絞り３０５は、低倍の対物レンズ２２１と共に使用される絞りであり、絞り３０２よりも小さな開口径を有している。絞り３０３、絞り３０４及び絞り３０５の開口部の形状は、円形または正多角形である。

なお、図１２に示すように、絞り３０２から絞り３０４は、それぞれ照明光学系１１０の光軸ＡＸ上に挿入されたときに光軸ＡＸが絞りの中心を通るように配置されている。これに対して、絞り３０５は、照明光学系１１０の光軸ＡＸ上に挿入されたときに光軸ＡＸが絞り３０５の中心から逸れた位置を通るように配置されている。即ち、絞り３０５は、光軸ＡＸに対して偏心している。なお、ターレット３０１は、絞り３０２から絞り３０４と絞り３０５と間で光路上に配置する絞りを切り換えることで、絞りの中心を光軸に対して偏心させる構造の一例である。

このような低倍対物レンズ用の絞り３０５を光軸ＡＸに対して偏心させて配置する構成は、偏光分離プリズム１２２が比較的高い倍率の対物レンズ（例えば、対物レンズ２２３）に合わせて調整されている場合に、特に有効である。

偏光分離プリズム１２２が比較的高い倍率の対物レンズ（例えば、対物レンズ２２３）に合わせて調整されている場合には、干渉縞１０はその対物レンズの小さな瞳径に合わせて光軸ＡＸから比較的近い位置に形成されている。このようなケースでは、瞳径が大きい低倍の対物レンズ（例えば、対物レンズ２２１）を使用する場合、干渉縞１０を絞り像の端に位置付けるため、瞳径に対してかなり大きく絞り込まれた開口径の小さな絞りを用いる必要があり、低倍の対物レンズの開口数に対して望ましい割合（例えば、３割から８割）を超えて照明光が絞り込まれてしまうことがある。また、照明光が絞り込まれ過ぎると、分解能が著しく低下したり、明るさ不足が生じたりして観察が困難になってしまう場合がある。

しかしながら、図１３に示すように、低倍対物レンズ用の絞り３０５を光軸ＡＸ（瞳２３１の中心）に対して予め偏心させておくことで、望ましい割合を超えて大きく絞り込まれた絞りを用いることなく絞り像３０５ａの端に干渉縞１０を位置づけることが可能となる。

以上のように構成された顕微鏡装置３００によっても、顕微鏡装置２００と同様に、標本Ｓの位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得ることが可能であり、コンパクトな構成で標本Ｓを立体的に可視化することができる。また、様々な倍率を有する対物レンズを用いて標本Ｓを良好に観察することができる点も同様である。さらに、低倍用の絞りを光軸に対して偏心させることで開口径を過度に小さくする必要がない。このため、顕微鏡装置２００よりも広い倍率範囲で観察を良好に行うことが可能となる。

［第４の実施形態］
図１４は、本実施形態に係る顕微鏡装置４００の構成を例示した図である。図１５は、ターレット４０１に設けられた絞りの大きさと配置について説明するための図である。図１６は、偏光分離プリズム１２２のスライドによる作用について説明するための図である。顕微鏡装置４００は、顕微鏡装置３００と同様に傾斜コントラスト画像を得る顕微鏡装置である。以下、図１４から図１６を参照しながら、顕微鏡装置４００について説明する。

顕微鏡装置４００は、図１４に示すように、偏光分離プリズム１２２がプリズム調整ユニット４０６に収容されている点と、ターレット３０１の代わりにターレット４０１を備える点が、顕微鏡装置３００とは異なっている。その他の点は、顕微鏡装置３００と同様である。

プリズム調整ユニット４０６は、偏光分離プリズム１２２を収容する筐体４０７と、筐体４０７内で偏光分離プリズム１２２を観察光学系２２０の光軸と直交する方向にスライドする構造と、を備えている。偏光分離プリズム１２２をスライドする構造は、ハンドル４０８で操作可能であり、顕微鏡装置４００の利用者は、ハンドル４０８を用いて偏光分離プリズム１２２を光軸と直交する方向を動かすことができる。

ターレット４０１には、例えば、図１５に示すように４つの絞り（絞り３０２、絞り３０３、絞り３０４、絞り４０５）が設けられている。なお、ターレット４０１は、光軸に対して偏心した絞り３０５の代わりに絞り４０５が設けられている点が、ターレット３０１とは異なっている。絞り４０５は、例えば、絞り３０５と同じ開口径を有しているが、光軸ＡＸ上に挿入されたときに光軸ＡＸが絞り４０５の中心を通るように配置されている点が、絞り３０５とは異なっている。なお、絞り４０５の開口部の形状は、円形または正多角形である。

顕微鏡装置４００では、低倍の対物レンズ２２１を用いる場合に、光軸ＡＸに対して偏心した絞りを用いて干渉縞と絞り像の位置関係を調整する代わりに、図１６に示すように、プリズム調整ユニット４０６を用いて干渉縞と絞り像の位置関係を調整する。より具体的には、ハンドル４０８を操作して偏光分離プリズム１２２を光軸と直交する方向に動かすことで、図１６に示すように、干渉縞１０が絞り像４０５ａの端に位置するように調整する。

以上のように構成された顕微鏡装置４００では、顕微鏡装置３００と同様に、標本Ｓの位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得ることが可能であり、コンパクトな構成で標本Ｓを立体的に可視化することができる。また、様々な倍率を有する対物レンズを用いて標本Ｓを良好に観察することができる点も同様である。さらに、低倍用の絞りの開口径を過度に小さくする必要がない点も顕微鏡装置３００と同様である。従って、顕微鏡装置４００によっても、顕微鏡装置３００と同様に広い倍率範囲で観察を良好に行うことが可能である。

［第５の実施形態］
図１７は、本実施形態に係る顕微鏡装置５００の構成を例示した図である。顕微鏡装置５００は、顕微鏡装置２００と同様に傾斜コントラスト画像を得る顕微鏡装置である。以下、図１７を参照しながら、顕微鏡装置５００について説明する。

顕微鏡装置５００は、低倍の対物レンズ２２１を使用するときに、コンデンサレンズ１１４の先玉レンズを光路上から取り除く点が顕微鏡装置２００とは異なっている。その他の点は、顕微鏡装置２００と同様である。

なお、コンデンサレンズ１１４は、所謂ハネノケコンデンサ（Ｓｗｉｎｇ－Ｏｕｔ Ｃｏｎｄｅｎｓｏｒ）と呼ばれるコンデンサである。先玉レンズ１１４ａをはねのけることでより広い照野（例えば、１０倍以下の観察倍率に対応する照野）を確保することができる。ただし、先玉レンズ１１４ａが取り除かれると、絞り１０３は開口絞りとして機能せず、照明光学系１１０の瞳位置は絞り１０２の位置となる。このため、絞り１０２を開口絞りとして用いてコントラストを調整する。

以上のように構成された顕微鏡装置６００では、顕微鏡装置２００と同様に、標本Ｓの位相勾配を可視化した傾斜コントラスト画像を得ることが可能であり、コンパクトな構成で標本Ｓを立体的に可視化することができる。また、様々な倍率を有する対物レンズを用いて標本Ｓを良好に観察することができる点も同様である。さらに、顕微鏡装置２００よりも広い照野を確保することができるため、顕微鏡装置２００よりも低い倍率に対応可能である。

［第６の実施形態］
図１８は、本実施形態に係る顕微鏡システム７００の構成を例示した図である。顕微鏡システム７００は、倒立顕微鏡である顕微鏡装置６００と、顕微鏡装置６００を制御する制御装置７０１と、表示装置７０２と、入力装置（キーボード７０３、マウス７０４）を含んでいる。以下、図１８を参照しながら、顕微鏡システム７００について説明する。

顕微鏡装置６００は、ステージ６０４の上方に照明光学系６１０を含み、ステージ６０４の下方に観察光学系６２０を含む倒立顕微鏡である。顕微鏡装置６００は、さらに、光源６０１と、開口絞りとして機能する絞り６０３が収容された電動部６０２と、標本Ｓが置かれるステージ６０４と、複数の対物レンズ（対物レンズ６２１、対物レンズ６２２、対物レンズ６２３）が取り付けられた電動レボルバー（電動部６０５）と、ポラライザ６０６と、偏光分離プリズム６２４を収容するプリズム調整ユニットである電動部６０７と、アナライザ６０８と、撮像装置６０９を備えている。絞り６０３は、照明光学系６１０の瞳位置に配置された開口絞りであり、コンデンサレンズ６１２の前側焦点位置に配置されている。絞り６０３の開口部の形状は、円形または正多角形である。

照明光学系６１０は、光源６０１から出射した光をコリメートするコレクタレンズ６１１と、コレクタレンズ６１１でコリメートされた光を標本Ｓに照射するコンデンサレンズ６１２を備えている。

観察光学系６２０は、切り替えて使用される複数の対物レンズ（対物レンズ６２１、対物レンズ６２２、対物レンズ６２３）と、入射光を異なる方向に進行する互いに振動方向が直交する２つの偏光に分離する偏光分離プリズム６２４と、標本Ｓからの光を撮像装置６０９上に集光して標本Ｓの像を形成する結像レンズ６２５と、結像レンズ６２５からの光を撮像装置６０９に向けて反射するミラー６２６を備えている。

複数の対物レンズ（対物レンズ６２１、対物レンズ６２２、対物レンズ６２３）は、例えば、１０倍、２０倍、４０倍などの倍率の異なる対物レンズである。ポラライザ６０６とアナライザ６０８の間に配置された偏光分離プリズム６２４は、例えば、入射光を分離した２つの偏光が偏光分離プリズム６２４の外側で交差するように設計されたノマルスキープリズムである。

以上のように構成された顕微鏡システム７００では、制御装置７０１が顕微鏡装置６００を制御することで、対物レンズの倍率変更に伴う各種の調整作業が自動的に行われる。具体的には、顕微鏡装置の利用者は、表示装置７０２に表示されるＧＵＩ上でキーボード７０３やマウス７０４を用いて使用する対物レンズの倍率を選択するだけで、切替指示に応じて、電動部６０２、電動部６０５、電動部６０７が動作して、対物レンズの倍率に応じた設定に調整される。

より具体的には、対物レンズの倍率が選択されると、選択された倍率の対物レンズは、制御装置７０１からの指示に従って電動部６０５によって光路上に配置される。即ち、電動部６０５は、複数の対物レンズを切り替える第１電動部である。また、絞り６０３の開口径は、制御装置７０１からの指示に従って電動部６０２によって電動で調整され、照明光学系６１０の開口数が選択された対物レンズの開口数に対して最適化される。即ち、電動部６０２は、絞り６０３の開口径を変更することで照明光学系６１０の開口数を調整する第２電動部である。また、偏光分離プリズム６２４は、制御装置７０１からの指示に従って電動部６０７によって光軸と平行な方向の位置が電動で調整され、選択された対物レンズに応じた観察光学系６２０の瞳位置に干渉縞が形成されるように配置される。さらに、偏光分離プリズム６２４は、制御装置７０１からの指示に従って電動部６０７によって光軸と直交する方向の位置が電動で調整され、瞳位置において干渉縞が光軸からずれた位置に形成されるように配置される。即ち、電動部６０７は、偏光分離プリズム６２４を観察光学系６２０の光軸と直交する方向に移動する第３電動部であり、偏光分離プリズム６２４を観察光学系６２０の光軸と平行な方向に移動する第４電動部でもある。

制御装置７０１は、例えば、対物レンズの倍率に応じた絞り６０３の開口径と偏光分離プリズム６２４の位置の組み合わせ表を有してもよく、組み合わせ表を用いて上述した電動部を制御してもよい。なお、絞り６０３の中心を偏心する構造を電動部６０２が有する場合には、さらに、絞り６０３の開口径と偏光分離プリズム６２４の位置に加えて絞り６０３の中心位置を含む組み合わせ表を有してもよく、この組み合わせ表を用いて上述した電動部を制御してもよい。

上述した第２の実施形態から第５の実施形態では、顕微鏡装置の利用者が絞りの開口径や偏光分離プリズムの位置を調整することで、様々な倍率で良好な傾斜コントラスト画像を得ていたのに対して、顕微鏡システム７００では、これらの調整作業の大部分を自動化することができる。従って、顕微鏡システム７００によれば、顕微鏡装置の利用者の調整作業を大幅に簡素化することができる。

［第７の実施形態］
図１９は、本実施形態に係る顕微鏡システム９００の構成を例示した図である。 図２０は、顕微鏡システム９００で取得した傾斜コントラスト画像の一例である。図２１は、顕微鏡システム９００で取得した位相差画像の一例である。図２２及び図２３は、それぞれ、図２０に示す傾斜コントラスト画像と図２１に示す位相差画像から生成された画像の一例である。顕微鏡システム９００は、正立顕微鏡である顕微鏡装置８００と、顕微鏡装置８００を制御する制御装置７０１と、表示装置７０２と、入力装置（キーボード７０３、マウス７０４）を含んでいる。以下、図１９から図２３を参照しながら、顕微鏡システム９００について説明する。

顕微鏡装置８００は、傾斜コントラスト画像と位相差画像を取得する顕微鏡装置であり、設定に応じて取得する画像を傾斜コントラスト画像と位相差画像の間で切り替えることができる点が、顕微鏡装置１００とは異なっている。

顕微鏡装置８００は、照明光学系１１０を備える点については、顕微鏡装置１００と同様である。ただし、位相差観察に対応するため、電動部８０１を備えている。電動部８０１は、絞り８０２とリングスリット８０３を収容した電動ターレットである。絞り８０２の開口部の形状は、円形または正多角形である。電動部８０１は、傾斜コントラスト画像を取得する際には、絞り８０２を照明光学系１１０の瞳位置に挿入し、位相差画像を取得する際には、リングスリット８０３を照明光学系１１０の瞳位置に挿入する。

顕微鏡装置８００は、観察光学系８２０を備えている。観察光学系８２０は、対物レンズ１２１と切り替え可能な対物レンズ８２２を備える点が、観察光学系１２０とは異なっている。対物レンズ８２２は、瞳位置に位相膜８２２ａが設けられた位相差観察に対応する対物レンズである。さらに、顕微鏡装置８００では、ポラライザ１０５とアナライザ１０６と偏光分離プリズム１２２が光路に対して取り外し可能に配置されている。

以上のように構成された顕微鏡システム９００では、傾斜コントラスト画像を取得する際には、対物レンズ１２１と絞り８０２が光路上に配置されるように、制御装置７０１が顕微鏡装置８００を制御する。一方で、位相差画像を取得する際には、対物レンズ８２２とリングスリット８０３が光路上に配置され、さらに、ポラライザ１０５とアナライザ１０６と偏光分離プリズム１２２が光路外に配置されるように、制御装置７０１が顕微鏡装置８００を制御する。これにより、図２０に示すような傾斜コントラスト画像（画像１００１）と図２１に示すような位相差画像（画像１００２）を選択的に取得することができる。いずれの画像でも通常の明視野観察ではコントラストが付きにくい位相物体を良好に可視化することができる。なお、画像１００１と画像１００２はいずれも観察倍率１０倍で取得した画像である。

また、顕微鏡装置８００で取得した画像は、制御装置７０１に出力される。制御装置７０１は、顕微鏡装置８００で取得した画像を画像処理することで新たな画像を生成してもよい。例えば、制御装置７０１は、傾斜コントラスト画像を位相差画像で割ることで、図２２に示す画像１００３を生成してもよく、傾斜コントラスト画像から位相差画像を引くことで、図２３に示す画像１００４を生成してもよい。制御装置７０１は、顕微鏡システム９００の利用者の指示に応じて、上述した４枚の画像（画像１００１から画像１００４）を選択的に表示装置７０２に表示してもよく、また、これらのうちいくつかを表示装置７０２に並べて表示してもよい。また、これらの画像のいくつかを重ねて表示装置７０２に表示してもよい。例えば、画像１００１と画像１００２を重ね合わせて表示装置７０２に表示してもよい。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態を変形した変形形態および上述した実施形態に代替する代替形態が包含され得る。つまり、各実施形態は、その趣旨および範囲を逸脱しない範囲で構成要素を変形することが可能である。また、１つ以上の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、新たな実施形態を実施することができる。また、各実施形態に示される構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよく、または実施形態に示される構成要素にいくつかの構成要素を追加してもよい。さらに、各実施形態に示す処理手順は、矛盾しない限り順序を入れ替えて行われてもよい。即ち、本発明の顕微鏡装置、顕微鏡システムは、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

上述した実施形態では、同じ顕微鏡装置で傾斜コントラスト画像と位相差画像を取得する例を示したが、傾斜コントラスト画像と位相差画像は別々の顕微鏡装置で取得されてもよく、制御装置が別々の顕微鏡装置で取得した傾斜コントラスト画像と位相差画像を用いて表示装置に画像を選択的に表示してもよく、また、これらの画像を用いて新たな画像を生成してもよい。

上述した実施形態では、絞りが円形の開口を有する例を示したが、絞りの開口は、円形に限らない。絞りの開口は、多角形形状などであってもよいが、軸対称に近い形状であることがより望ましい。

１、１００、２００、３００、４００、５００、６００、８００
顕微鏡装置
２、１０２、１０４、３０２、３０３、３０４、３０５、４０５、６０３、８０２
絞り
２ａ、３０５ａ 絞り像
３、１１４ コンデンサレンズ
４ ステージ
５、１２１、２２１、２２２、２２３、６２１、６２２、６２３、８２２
対物レンズ
６、１０５、６０６ ポラライザ
７、１２２、６２４ 偏光分離プリズム
８、１０６、６０８ アナライザ
９ 瞳位置
１０ 干渉縞
１１、２３１、２３２、２３３ 瞳
１２、４０６ プリズム調整ユニット
１３、４０７ 筐体
１４、１５ ハンドル
１０１、６０１ 光源
１０４、６０４ ステージ
１０７、６０９ 撮像装置
１１０、５１０、６１０ 照明光学系
１１１、６１１ コレクタレンズ
１１２、６２６ ミラー
１１３、６１２ フィールドレンズ
１１４ａ 先玉レンズ
１２０、２２０、６２０、８２０ 観察光学系
１２３、６２５ 結像レンズ
３０１、４０１ ターレット
４０８ ハンドル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 直線偏光
６０２、６０５、６０７、８０１ 電動部
７００、９００ 顕微鏡システム
７０１ 制御装置
７０２ 表示装置
７０３ キーボード
７０４ マウス
８０３ リングスリット
８２２ａ 位相膜
１００１、１００２、１００３、１００４ 画像
ＡＸ 光軸
Ｓ 標本

Claims (9)

1. 標本を照明する照明光学系と、
   前記標本からの光を導く観察光学系と、
   ポラライザと、
   アナライザと、
   前記照明光学系と前記観察光学系の一方である第１光学系の瞳位置に置かれた絞りであって、開口部の形状が円形または正多角形である絞りと、を備え、
   前記照明光学系と前記観察光学系の他方である第２光学系は、前記ポラライザと前記アナライザの間の光路上に置かれた唯一の偏光分離プリズムであって、光を異なる方向に進行する互いに振動方向が直交する２つの偏光に分離し、分離した前記２つの偏光で前記第２光学系の瞳位置に干渉縞を形成する偏光分離プリズムと、含む
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
2. 請求項１に記載の顕微鏡装置において、
   前記第２光学系の開口数は、前記第１光学系の開口数であって前記絞りの径に依存する開口数よりも大きく、
   前記干渉縞は、前記第２光学系の瞳位置に投影された前記絞りの像の中心からずれた位置に形成される
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
3. 請求項２に記載の顕微鏡装置において、
   前記第１光学系の開口数であって前記絞りの径に依存する開口数をＮＡ１とし、前記第２光学系の開口数のＮＡをＮＡ２とするとき、以下の条件式を満たす
   ０．３≦ＮＡ１／ＮＡ２≦０．８
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
   前記第１光学系は、前記照明光学系であり、
   前記第２光学系は、前記観察光学系であり、
   前記観察光学系は、切替可能な複数の対物レンズを備え、
   前記絞りは、開口径を変更可能な絞り、又は、交換可能な絞りである
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
5. 請求項４に記載の顕微鏡装置において、さらに、
   前記絞りの中心を前記照明光学系の光軸に対して偏心させる構造を備える
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載の顕微鏡装置において、さらに、
   前記偏光分離プリズムを前記観察光学系の光軸と直交する方向にスライドする構造を備える
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
7. 請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、さらに、
   前記偏光分離プリズムを前記観察光学系の光軸と平行な方向にスライドする構造を備える
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
   前記偏光分離プリズムは、ノマルスキープリズム、又は、ウォラストンプリズムである
   ことを特徴とする顕微鏡装置。
9. 請求項４に記載の顕微鏡装置と、
   制御装置と、を備え、
   前記顕微鏡装置は、さらに、
   前記複数の対物レンズを切り替える第１電動部と、
   前記絞りの開口径を変更する、又は、前記絞りを開口径の異なる絞りと交換する第２電動部と、
   前記偏光分離プリズムを前記観察光学系の光軸と直交する方向にスライドする第３電動部と、を備え、
   前記制御装置は、対物レンズの切替指示に応じて、前記第１電動部、前記第２電動部、及び、前記第３電動部を制御する
   ことを特徴とする顕微鏡システム。

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