JP4909732B2

JP4909732B2 - 位相差顕微観察装置

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Publication number: JP4909732B2
Application number: JP2006350871A
Authority: JP
Inventors: 三木夫北條
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2007293267A

Description

本発明は、観察対象物を光が透過するときの光の位相変化を利用して観察対象物を観察する位相差顕微観察装置に関するものである。

従来、各種の細胞や微生物などの試料を培養するためにインキュベータが用いられており、例えば図９に示すインキュベータはチャンバー(８)を具備し、該チャンバー(８)は開閉扉(81)を具え、更にその中に、試料をその内部に有する培養容器の一種たる複数枚のマイクロプレート(９)を収容するためのスタッカー(84)を配列してなるスタッカーユニット(83)と、チャンバー(８)の挿入口(80)から挿入されたマイクロプレート(９)を所定のスタッカー(84)の所定位置に搬送するためのマイクロプレート搬送機構(82)とが配備されている。この構造によりインキュベータは、培養のための所望の温度、湿度、時間等を設定することで、当該培養環境を維持して試料を培養し保管することが可能となる。

マイクロプレート(９)に替えて、図１１に示す如きフラスコタイプの培養容器(５)を用いることも可能である。該培養容器(５)は、光透過性の容器本体(50)にフィルター(53)を具えたキャップ(52)を取り付けて構成される。

図９に示すインキュベータにおいて１つのスタッカー(84)に替えて、図１０に示す如き観察装置(10)を配備することにより、試料の観察を行なうことが可能である。観察装置(10)としては、試料を染色することなく観察することが出来る位相差顕微鏡(位相差顕微観察装置。例えば特許文献１参照)等、種々の観察装置を採用することが出来る。

図１０に示す観察装置(10)は、培養容器(５)を収容すべき容器収納部(11)の上方に照明ユニット(20)、容器収納部(11)の下方に結像ユニット(30)を配備して、位相差顕微観察装置を構成している。なお、観察対象物としての培養容器内の試料は搬送部(82)によって容器収納部(11)に搬送される。

以上の機構により、培養環境を維持して試料を培養し保管することができる一方、試料をインキュベータ外部に取り出すことを要せずに、すなわち培養環境を乱すことなく、位相差顕微観察装置を用いて試料を観察し、試料の結像画像を得ることが可能となる。

照明ユニット(20)は、図１２に示す如く、ＬＥＤからなる光源(21)からの光を、照明用レンズ(22)、位相差リング(23)、反射板(24)及びコンデンサレンズ(25)を介して、容器収納部(11)の培養容器(５)に照射するものである。位相差リング(位相リングとも呼ばれる)とは、リングスリットを有し、点光源からの光を断面がリング状の照明光として観察対象物へ照射させるためのもので、位相差リングを経て当該リングの中心軸上に存在する対象物に照射された後に、位相差を形成するために使用されるものである。

又、結像ユニット(30)は、培養容器(５)を透過した光を対物レンズ及び位相板からなる対物レンズ部(32)を経てカメラ(33)へ入射させ、カメラ(33)内の結像面上に結像させるものである。位相板（リングスリット、位相膜とも呼ばれる）とは、対物レンズの後ろ側焦点の位置に存在するレンズのレンズ面や、前記焦点位置に存在するガラス板のガラス表面等に蒸着されているリング状の薄い膜を意味し、位相差リングを経て観察対象物を通る照明光がリング状に膜の上に結像するように構成される。これは、位相差リングを経て観察対象物を直進透過する光と観察対象物における散乱・回折光との間に位相差を設けることで視覚的にコントラストを得ることができるので、観察対象物たる透明体の輪郭等を明確化することを目的として設けられている。
特開２００３−１９５１８０号公報

しかしながら、図１１に示す培養容器(５)の底面を完全な平面に成形することは困難であり、底面にある程度の湾曲が生じることは避けることが出来ないため、この様な培養容器(５)を図１０に示す観察装置(10)の容器収納部(11)に設置したとき、培養容器(５)の底面は、その全面が水平な姿勢とならず、位置によって異なる角度で傾斜することになる。又、培養容器(５)全体が傾斜することもある。

例えば図１３の如く培養容器(５)が傾斜した場合、培養溶液(51)の表面は水平に保たれるので、照明光Ｂは培養溶液(51)内へ垂直に入射するが、培養溶液(51)から出射する際に屈折して、培養容器(５)を透過した観察光の光軸Ｂ′は、顕微観察光軸Ａからずれることになる。

この様な光軸のずれが発生すると、図１２に示す結像ユニット(30)において結像されるべき画像が不鮮明なものとなり、この様な画像劣化により観察の精度が低下する問題があった。

そこで本発明の目的は、容器の傾斜や容器底面の湾曲に拘わらず、常に鮮明な画像を得ることが出来る位相差顕微観察装置を提供することである。

本発明に係る位相差顕微観察装置は、光源からの光を位相差リングを介して観察対象物に照射する照明光学系と、観察対象物を収納する収納部と、観察対象物を透過した光を対物レンズ及び位相板からなる対物レンズ部を経て結像面上に結像させる結像光学系とを具え、結像光学系に入射する観察光の光軸のずれを検知する検知手段と、該検知手段によって検知される光軸のずれを解消するための制御手段とを具えている。

上記本発明の位相差顕微観察装置においては、照明光学系からの照明光が観察対象物を透過する際に光の屈折が生じて、結像光学系に入射する観察光の光軸にずれが生じた場合、この光軸のずれが検知され、検知された光軸のずれを解消するための光軸の制御が行なわれるので、結像光学系において結像される画像は鮮明なものとなる。

なお、前記検知手段は、結像光学系に入射する観察光によって生成される位相差リングの画像の位置を、位相差リングの物理的な位置と比較して、両位置の誤差を前記光軸のずれとして検知するものであってよい。

これにより、画像処理によって光軸のずれを検知することが出来る。

更に、前記照明光学系として、入力された光を集光する機能を有するコンデンサレンズ(25)、光源から発せられた光の一部の入力を受けて前記コンデンサレンズに向けて出力する照明用レンズ(22)、もしくは前記位相差リング(23)、のうちの少なくとも一つを有し、前記制御手段は、前記コンデンサレンズ(25)、前記照明用レンズ(22)、前記位相差リング(23)、のうちの少なくとも一つの位置を光軸に直交する２軸方向に移動させるアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該アクチュエータを制御する制御回路とから構成されていてよい。

これにより、位相差リングの位置を２軸方向に移動させることによって、照明光学系側で光軸の制御を行なうことが出来る。

或いは、前記制御手段は、前記収納部内の観察対象物を収納した容器の姿勢を変化させる第２のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第２のアクチュエータを制御する制御回路とから構成されていてよい。または、前記照明光学系の姿勢を変化させる第３のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第３のアクチュエータを制御する制御回路とから構成されていてよい。

これにより、容器自体を底面の傾斜に応じて逆向きに傾斜させることにより、光軸の制御を行なうことが出来る。

本発明に係るインキュベータは、試料を有する複数の培養容器、位相差顕微観察装置、選択された前記培養容器内の前記試料を観察対象物として前記収納部に搬送するための搬送部とを備えるインキュベータであって、当該位相差顕微観察装置は上記位相差顕微観察装置である。なお、該インキュベータは、試料を有する複数の培養容器、位相差顕微観察装置、選択された前記培養容器内の前記試料を観察対象物として前記収納部に搬送するための搬送部とを備えるチャンバーを具備し、当該位相差顕微観察装置は上記位相差顕微観察装置であって、該チャンバーの姿勢を変化させる第４のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第４のアクチュエータを制御する制御回路とから構成されていてもよい。

上記のインキュベータは、前記観察対象物をインキュベータ外部に取り出すことを要せずに結像画像を得ることが出来る上、光軸のずれを解消する制御を行なうことが出来るので鮮明な結像画像を得ることが出来る。

なお、照明光学系は少なくとも光源、位相差リングを有し、容器収納部の培養容器に照射するものである。また、結像光学系は少なくとも対物レンズ部を有し、カメラ等の結像面上に結像させるものである。

本発明に係る位相差顕微観察装置、およびインキュベータによれば、容器の傾斜や容器底面の湾曲に拘わらず、常に鮮明な観察画像を得ることが出来る。

以下、図９のインキュベータに用いる観察装置に本発明を実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。

図１及び図２に示す如く、本発明に係る観察装置(１)は、培養容器(５)を収納すべき容器収納部(11)の上方に照明ユニット(２)、容器収納部(11)の下方に結像ユニット(３)を配備して、位相差顕微観察装置を構成している。図２は観察装置(１)を位相差リング(23)を含む面の法線方向から見た時の図（正面図）であり、図１は観察装置(１)を横方向から見た図である。

ここで、観察対象物は、培養容器(５)内の溶液中に存在する物質や、培養容器(５)の底面に付着している物質であり、培養容器(５)が透明板によって構成される場合は該透明板上の物質となる。

尚、容器収納部(11)には、培養容器(５)を水平面上で２軸方向に駆動する容器駆動機構(図示省略)が配備されている。

照明ユニット(２)は照明光学系の一例であり、ＬＥＤからなる光源(21)からの光を、照明用レンズ(22)、位相差リング(23)、反射板(24)及びコンデンサレンズ(25)を介して、容器収納部(11)の培養容器(５)に照射するものである。

位相差リング(23)には、Ｘ軸駆動機構(41)及びＹ軸駆動機構(42)からなるアクチュエータ(４)が連繋しており、これによって位相差リング(23)を光軸に直交する２軸方向に移動させることが可能である。

又、結像ユニット(３)は結像光学系の一例であり、容器収納部(11)からの観察光をハーフミラー(31)にて分光し、ハーフミラー(31)を透過した観察光を、対物レンズ及び位相板からなる対物レンズ部(32)を経てカメラ(33)へ入射させ、カメラ(33)内の結像面上に結像させるものである。

一方、ハーフミラー(31)にて反射された観察光は、光軸センサ(34)へ入射し、光軸センサ(34)の出力信号に基づいて、結像ユニット(３)に入射する観察光の光軸のずれが検知される。

培養容器(５)の底面が全域に亘って水平であれば、図５(ａ)に示す様に、位相差リング(23)を通過した照明光Ｂは、結像ユニット(３)内において位相差リング(23)の物理的な位置と一致するが、培養容器(５)の底面に湾曲や傾斜が生じている場合は、図５(ｂ)に示す様に、位相差リング(23)を通過した照明光Ｂ′は、結像ユニット(３)内において位相差リング(23)の物理的な位置(前記湾曲や傾斜がない場合の位相差リング画像の位置)からずれて、光軸のずれが生じる。

図３は、光軸センサ(34)の出力信号から前記光軸のずれを検知し、その検知結果に基づいて光軸のずれを解消するための制御を行なう制御装置(６)の構成を示している。

該制御装置(６)は、アクチュエータ(4)からの移動量（リング位置）情報をもとに光軸センサ(34)によって検出された位相差リング(23)の透過光の画像Iに画像処理を施して輝度平均位置を算出する画像処理回路(62)と、該画像処理回路(62)によって算出された輝度平均位置と位相差リング(23)の物理的な中心位置（入力ｒ）との誤差（光軸のずれに相当）に応じた操作量（制御量ｅ）を算出してアクチュエータ(４)へ供給する誤差判定処理回路(61)とを具え、同図に示されるような前記光軸のずれを制御偏差としてアクチュエータ(４)を駆動制御するフィードバック制御系が構成されている。

なお、アクチュエータ(４)は、図１の位相差リング(23)を光軸に直交する２軸方向に移動させるＸ軸駆動機構(41)及びＹ軸駆動機構(42)からなるアクチュエータのみならず、後述する図６、および図７に示すような容器支持部材(12)を傾斜させるＸ軸駆動機構(41)とＹ軸駆動機構(42)からなるアクチュエータ、図８に示すような観察装置(１)自体を傾斜させるＸ軸駆動機構(71)及びＹ軸駆動機構(73)からなるアクチュエータ、または後で述べる様な図１４に示すチャンバー(８)自体を傾斜させるＸ軸駆動機構(71b)及びＹ軸駆動機構(73b)からなるアクチュエータも含まれる。

図４は、画像処理回路(62)による画像処理と誤差判定処理回路(61)による誤差判定処理の流れの一例を示している。この様な処理を培養容器(５)の観察面(容器底面)における所定の走査線に沿う複数の観察点で実行する。なお、誤差判定処理(61)において設定される移動量は、各々誤差ｅ_ｘ、ｅ_ｙが閾値ε_ｘ、ε_ｙとの比較の結果、乱反射が増大するために、基準値よりも大きいと判断された場合には移動が必要であるので、誤差ｅ_ｘ、ｅ_ｙが設定される。この移動量（誤差）ｅがアクチュエータへ出力される。また、コントラストで判定する場合は、閾値に対して各々誤差ｅ_ｘ、ｅ_ｙが小さくなる。

各観察点では、光軸のずれが検知され、検知された光軸のずれを解消するための光軸の制御が行なわれた後、結像ユニット(３)のカメラ(33)によって、観察画像が取り込まれ、記録される。

図５(ａ)の如く光軸のずれが解消した状態でカメラ(33)に取り込まれた画像は鮮明なものであるので、観察面の全ての観察点で精度の高い観察が実現される。

また、位相差リング(23)を光軸に直交する２軸方向に移動させる代わりに、またはこれと併せて、照明用レンズ(22)、反射板(24)及びコンデンサレンズ(25)等を図１と同様のＸ軸駆動機構(41)及びＹ軸駆動機構(42)からなるアクチュエータによって光軸に直交する２軸方向に移動させることによっても光軸のずれを調整できるので、図５(ａ)に示すように位相差リング(23)の物理的な位置と照明光Ｂとのずれを解消することが可能である。

上述の実施例では、光軸のずれを調整するために図１の位相差リング(23)等を２軸方向に移動させているが、図６及び図７に示す様に、培養容器(５)を支持する容器支持部材(12)を傾斜させることによって、例えば培養容器(５)の底面に存在する湾曲や図１３に示される培養容器(５)の傾斜の影響に起因する光軸のずれを調整することも可能である。

容器支持部材(12)には、図６に示すＸ軸駆動機構(41)と図７に示すＹ軸駆動機構(42)とが連繋している。

Ｘ軸駆動機構(41)は、図６(ａ)(ｂ)の如く、Ｘ軸モータ(43)の回転を変速プーリ機構(44)により上下動に変換して容器支持部材(12)の一方の側部に伝えるものであって、該Ｘ軸駆動機構(41)の駆動によって、容器支持部材(12)は他方の端部を中心Ｃとして回動し、容器支持部材(12)によって支持されている培養容器(５)を左右に傾斜させる。

一方、Ｙ軸駆動機構(42)は、図７(ａ)(ｂ)の如く、Ｙ軸モータ(45)の回転を変速プーリ機構(46)により上下動に変換して容器支持部材(12)の後端部に伝えるものであって、該Ｙ軸駆動機構(42)の駆動によって、培養容器(５)を前後に傾斜させる。

この様にして、培養容器(５)の傾斜が修正された後、結像ユニット(３)のカメラ(33)によって観察画像が取り込まれ、記録される。

本実施例によっても、カメラ(33)に取り込まれた画像は鮮明なものとなるので、精度の高い観察が実現される。

更に、図８に示す様に、観察装置(１)自体を傾斜させることによって、図１３に示される培養容器(５)の傾斜の影響に起因する光軸のずれを調整することも可能である。図１３を用いて上で説明したように、培養溶液(51)の表面と培養容器(５)の底面のなす角度の関係（例えば、平行であるか否か）により、培養容器(５)を透過した観察光の光軸Ｂ′が顕微観察光軸Ａからずれることとなる。よって、観察装置(１)自体を傾斜させることによって培養容器(５)を傾斜させることが出来るので、光軸がずれている場合に観察装置(１)自体を傾斜させることによって培養溶液(51)の表面と培養容器(５)の底面のなす角度の関係を調整できるので、光軸Ｂ′を正しい光軸の位置に調整することができるのである。

観察装置(１)には、Ｘ軸駆動機構(71)及びＹ軸駆動機構(73)からなるアクチュエータ(７)が連繋し、Ｘ軸駆動機構(71)を構成するＸ軸モータ(72)の回転と、Ｙ軸駆動機構(73)を構成するＹ軸モータ(74)の回転によって、観察装置(１)全体を前後左右に傾斜させる。

また、図１４に示す様に、チャンバー(８)自体を傾斜させることによって、光軸のずれを調整することも可能である。

図１４に示すインキュベータも図９に示すものと同様に、チャンバーを具備し、該チャンバーは開閉扉を具え、更にその中に、試料をその内部に有する培養容器の一種たる複数枚のマイクロプレートを収容するためのスタッカーを配列してなるスタッカーユニットと、チャンバーの挿入口から挿入されたマイクロプレートを所定のスタッカーの所定位置に搬送するためのマイクロプレート搬送機構とが配備されている。さらに、１つのスタッカーに替えて、図１０に示される様な観察装置を配備することにより試料の観察を行なうことが可能であり、観察装置としては試料を染色することなく観察することが出来る位相差顕微鏡等、種々の観察装置を採用することが出来る。なお、観察対象物としての培養容器内の試料は搬送部によって容器収納部に搬送される。

チャンバー(８)には、Ｘ軸駆動機構(71b)及びＹ軸駆動機構(73b)からなるアクチュエータ(７ｂ)が連繋し、Ｘ軸駆動機構(71b)を構成するＸ軸モータ(72b)の回転と、Ｙ軸駆動機構(73b)を構成するＹ軸モータ(74b)の回転によって、チャンバー(８)自体を前後左右に傾斜させる。

なお、上記図中のＸ軸駆動機構、及びＹ軸駆動機構等の形状、位置などはあくまで例示であり、この例示に固定して捉われない。

以上の構成においても、図３に示されるような、光軸センサ(34)によって検出された位相差リング(23)の透過光の画像Iから画像処理回路(62)によって算出された輝度平均位置と入力ｒとの誤差に応じた制御量ｅが誤差判定処理回路(61)に入力されてアクチュエータ(４)が制御されるフィードバック制御によって、培養容器(５)の傾斜が修正された後、結像ユニット(３)のカメラ(33)によって観察画像が取り込まれ、記録される。

上記のように、インキュベータ全体を前後左右に傾斜させる構成も採用可能である。

本発明に係る観察装置の光学系及び駆動系の構成を示す正面図である。同上の構成を示す側面図である。制御装置の構成を示すブロック図である。画像処理及び誤差判定処理の流れを示すフローチャートである。光軸のずれを説明する図である。培養容器の傾斜を修正する構成例を示す正面図である。同上の構成例を示す側面図である。培養容器の傾斜を修正する他の構成例を示す正面図である。インキュベータの斜視図である。従来の観察装置の斜視図である。培養容器の斜視図である。従来の観察装置の光学系の構成を示す正面図である。培養容器の傾斜に起因する問題点を説明する図である。チャンバーの傾斜を修正する他の構成例を示す正面図である。

符号の説明

(１) 観察装置
(11) 容器収納部
(２) 照明ユニット
(21) 光源
(22) 照明用レンズ
(23) 位相差リング
(24) 反射板
(25) コンデンサレンズ
(３) 結像ユニット
(31) ハーフミラー
(32) 対物レンズ部
(33) カメラ
(34) 光軸センサ
(４) アクチュエータ
(41) Ｘ軸駆動機構
(42) Ｙ軸駆動機構
(５) 培養容器
(51) 培養溶液
(８) チャンバー
(80) 挿入口

Claims

光源からの光を位相差リングを介して観察対象物に照射する照明光学系と、観察対象物を収納する収納部と、観察対象物を透過した光を対物レンズ及び位相板からなる対物レンズ部を経て結像面上に結像させる結像光学系とを具えた位相差顕微観察装置において、結像光学系に入射する観察光の光軸のずれを検知する検知手段と、該検知手段によって検知される光軸のずれを解消するための制御手段とを具え、
前記検知手段は、前記対物レンズに入射する観察光を分光するハーフミラーと、該ハーフミラーによって反射された観察光が入射される光軸センサを備え、前記ハーフミラーによって反射された観察光により前記光軸センサに生成される位相差リングの画像の位置を、ずれがない場合の位相差リングの画像の位置と比較して、両位置の誤差を前記光軸のずれとして検知することを特徴とする位相差顕微観察装置。
前記照明光学系として、入力された光を集光する機能を有するコンデンサレンズ(25)、光源から発せられた光の一部の入力を受けて前記コンデンサレンズに向けて出力する照明用レンズ(22)、もしくは前記位相差リング(23)、のうちの少なくとも一つを有し、
前記制御手段は、前記コンデンサレンズ(25)、前記照明用レンズ(22)、前記位相差リング(23)、のうちの少なくとも一つの位置を光軸に直交する２軸方向に移動させるアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該アクチュエータを制御する制御回路とから構成される請求項１に記載の位相差顕微観察装置。
前記制御手段は、前記収納部内の観察対象物を収納した容器の姿勢を変化させる第２のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第２のアクチュエータを制御する制御回路とから構成される請求項１又は請求項２の何れかに記載の位相差顕微観察装置。
前記制御手段は、前記照明光学系の姿勢を変化させる第３のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第３のアクチュエータを制御する制御回路とから構成される請求項１乃至請求項３の何れかに記載の位相差顕微観察装置。
試料を有する複数の培養容器、前記位相差顕微観察装置、選択された前記培養容器内の前記試料を観察対象物として前記収納部に搬送するための搬送部とを備えるインキュベー
タであって、
前記位相差顕微観察装置は請求項１乃至請求項４の何れかに記載の位相差顕微観察装置であることを特徴とするインキュベータ。
試料を有する複数の培養容器、前記位相差顕微観察装置、選択された前記培養容器内の前記試料を観察対象物として前記収納部に搬送するための搬送部とを備えるチャンバーを具備し、
前記位相差顕微観察装置は請求項１乃至請求項５の何れかに記載の位相差顕微観察装置であって、該チャンバーの姿勢を変化させる第４のアクチュエータと、前記検知手段の検知結果に応じて該第４のアクチュエータを制御する制御回路とから構成されるインキュベータ。