JP6297210B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察装置に関するものである。

従来、インキュベータ内で細胞を培養しながら、細胞の状態を観察する観察装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この観察装置においては、培養容器の底面に接着した細胞からの光を集光する対物レンズが、培養容器の下方に、培養容器の底面に対向して配置され光軸を鉛直方向に配置されているとともに、該対物レンズにより集光された細胞からの光を撮影する撮像素子を含む撮影光学系が、対物レンズの下方に配置されている。

特開２００５−３２６４９５号公報

このため、特許文献１の観察装置には、対物レンズの長さ寸法および対物レンズの下方に配置されているレンズや撮像素子等の撮影光学系を収容するための十分な高さ寸法が必要であり、小型化す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、装置を大型化させることなく、細胞等の被写体を観察す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、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、試料を収容した容器を載置する光を透過可能な平板状のステージと、該ステージの下方に配置され、上方に向かって照明光を射出する光源と、前記ステージの下方に配置され、前記ステージ上の試料からの光を集光する対物レンズと、該対物レンズにより集光された光を撮影する撮像素子と、前記対物レンズおよび前記撮像素子を備える撮影ユニットと、
該撮影ユニットを前記ステージに沿う方向に移動させる移動機構と、を備え、
前記光源から射出された前記照明光が前記試料の上方に配置されている前記容器の天板の内面によって反射される観察装置を提供する。

本態様によれば、試料を収容した容器をステージ上に載置して、試料に対して照明光を照射することにより、試料を透過もしくは反射した光が、ステージを下向きに透過して対物レンズによって集光され撮像素子により撮影される。

この場合において、対物レンズの光軸を略水平方向に配置することにより、ステージ下のスペースとしては、対物レンズの径寸法だけの高さ寸法で足りる。すなわち、対物レンズを、その光軸が略水平方向となるように配置することにより、対物レンズにより集光された光を撮影する撮像素子も対物レンズの光軸の延長上に配置することができる。したがって、高さ方向の寸法を低減して薄型化することができる。薄型の観察装置によれば、ステージ上に搭載した容器とともにインキュベータ内に収容することができ、細胞を培養しながら細胞の状態を観察することができる。

上記態様においては、前記対物レンズが、光軸方向に移動可能な１以上の可動レンズを備え、該可動レンズを前記光軸方向に移動させる焦点調節機構を備えていてもよい。
このようにすることで、焦点調節機構を作動させると対物レンズを構成する１以上の可動レンズが光軸方向に移動させられ、対物レンズと偏向部材との距離が変動して、ステージの上方に配置されている対物レンズの焦点位置を上下方向に移動させることができる。すなわち、対物レンズの光軸を鉛直方向に配置している従来の観察装置では焦点位置の調節は対物レンズを上下方向に移動させることで行われるが、これでは、さらに高さ寸法を必要とするのに対し、本態様によれば、高さ寸法を増大させることなく焦点位置の調節を行うことができる。

上記態様においては、前記偏向部材、前記対物レンズおよび前記撮像素子を備える撮影ユニットと、該撮影ユニットを前記ステージに沿う方向に移動させる移動機構とを備えていてもよい。
このようにすることで、撮影ユニット自体の視野範囲が狭くても、移動機構を作動させて撮影ユニットを水平方向に移動させることにより、広い観察範囲を確保することができる。この場合においても、移動機構は水平方向に広がる形態を有するものを採用でき、高さ寸法を大きく増大させることなく、薄型化を図ることができる。

上記態様においては、前記ステージが、光学的に透明な材質からなり、該ステージを天板とし、前記撮影ユニットおよび前記移動機構を密封状態に収容する筐体を備えていてもよい。
このようにすることで、湿度の高いインキュベータ内に容器とともに長時間にわたって収容しても、密封状態の筐体によって、湿気が撮影ユニットや移動機構に接触することを阻止して、これら装置を健全な状態に維持することができる。

上記態様においては、前記撮像素子により取得された画像を外部に送信する送信部を備えていてもよい。
このようにすることで、容器をステージ上に載せた状態で、容器に触れることなく、送信部により送信されてくる画像により、長時間にわたって試料の状態を観察することができる。例えば、容器をステージ上に載せた状態で、インキュベータ内に収容して培養を開始すると、撮像素子により取得された画像が送信部によりインキュベータ外に送信されてくるので、長時間にわたって、インキュベータ内から容器を取り出すことなく、培養中の試料の状態を外部で観察することができる。

本発明によれば、装置を大型化させることなく、細胞等の被写体を観察す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に容器を搭載した状態を示す縦断面図である。 図１の観察装置の内部構造を示す平面図である。 図１の観察装置に搭載した容器への照明装置の他の取付例を示す斜視図である。 図１の観察装置の変形例を示す撮影ユニットの拡大平面図である。 図１の観察装置の他の変形例を示す撮影ユニットの拡大平面図である。 図１の観察装置の他の変形例を示す撮影ユニットの拡大側面図である。 図１の観察装置の他の変形例を示す撮影ユニットの拡大平面図である。

本発明の一実施形態に係る観察装置１について図面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Ｐを収容した容器２を載置する光学的に透明なステージ３を天板とする筐体４と、該筐体４内に配置された撮影ユニット６と、該撮影ユニット６を天板に沿う方向に２次元的に移動させる移動機構７とを備えている。

ステージ３は、例えば、ガラス平板であり、載置した試料Ｐからの光を透過させて筐体４内部に入射させることができる。筐体４は、密封構造を有しており、外部の湿気が筐体４内に入ることを阻止するようになっている。

撮影ユニット６は、ステージ３の下方に配置され、ステージ３を上方から透過して来る光を偏向するミラー（偏向部材）８と、該ミラー８により偏向された光を集光する対物レンズ９と、該対物レンズ９により集光された光を撮影する撮像素子１０とを備えている。
ミラー８は、ステージ３に対して略４５°の角度をなして配置された反射面８ａを有し、試料Ｐからの光を略９０°偏向して、略水平方向に指向させるようになっている。対物レンズ９は、ミラー８により偏向された光を集光するように、略水平な光軸Ｓを有するように配置された１以上のレンズ（可動レンズ）１１を備えている。

撮影ユニット６には、図２に示されるように、対物レンズ９を構成する１以上のレンズ１１を光軸Ｓ方向に移動させる焦点調節機構１２が設けられている。焦点調節機構１２は、例えば、モータ１３およびボールネジ１４を備えた直動機構であり、モータ１３の作動によってボールネジ１４を回転させ、ボールネジ１４に噛み合っているナット１５を対物レンズ９の光軸Ｓに沿って直線移動させることで、ナット１５に固定されたレンズ１１を対物レンズ９の光軸Ｓに沿って移動させることができるようになっている。

移動機構７は、図２に示されるように、直交配置された２つの直動機構１６，１７により構成されている。第１の直動機構１６は、筐体４に固定されたガイドレール１８と、ガイドレール１８に沿って第１の水平方向Ｘに移動可能に支持されたスライダ１９と、スライダ１９を移動させる駆動機構２０とを備えている。駆動機構２０は、モータ２１とボールネジ２２とを備えている。

第２の直動機構１７は、第１の直動機構１６のスライダ１９に固定されたガイドレール２３と、該ガイドレール２３に沿って第２の水平方向Ｙに移動可能に支持されたスライダ２４と、スライダ２４を移動させる駆動機構２５とを備えている。この駆動機構２５も、モータ２６とボールネジ２７とを備えている。

筐体４内には、撮像素子１０により取得された画像信号を外部に無線送信する一方、外部からの指令信号を受信する送受信部（送信部）２８と、該送受信部２８により受信された指令信号に基づいて焦点調節機構１２および移動機構７を制御する制御部２９とが設けられている。
指令信号としては、送受信部２８から外部に送信されてきた画像信号により画像の合焦状態を確認した操作者またはプログラムが、焦点調節機構１２をいずれかの方向に作動させるための指令信号、および、他の視野範囲を確認したい操作者が、移動機構７によって撮影ユニット６をいずれかの方向に移動させるための指令信号が挙げられる。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて、培養中の細胞（試料）Ｐの観察を行うには、光学的に透明な細胞培養フラスコのような容器２内に細胞を収容し、底面に接着させる。

この状態で底面を下向きにして、容器２を観察装置１のステージ３上に載置し、容器２および観察装置１をインキュベータ内に収容し、培養を開始する。試料Ｐに照射する照明光は、インキュベータ内の光源から発せられてもよいし、図１に示されるように、容器２毎に固定された照明装置（光源）３０から発せられてもよい。図１に示される照明装置３０は容器２の天板に固定した例であるが、これに代えて、図３に示されるように、容器２の側面に固定してもよい。図３中、符号３１は、観察装置１と容器２と照明装置３０とを一体に固定するベルトである。

照明装置３０からの照明光が容器２内の試料Ｐに照射されると、照明光は試料Ｐの形状や屈折率によって屈折され、あるいは、試料Ｐの透過率によって減光されることで、試料Ｐの情報を載せた透過光となってステージ３を透過し、筐体４内に入射する。
筐体４内に入射した光は、ミラー８によって９０°偏向されて略水平方向に光軸Ｓを有する対物レンズ９により集光されて、撮像素子１０により撮影される。取得された画像は送受信部２８によって外部に向けて無線で送信され、インキュベータ外において観察することができる。

操作者またはプログラムは、撮像素子１０により取得された画像によって、対物レンズ９の焦点が適正に試料Ｐに合致しているか否かを確認し、合致していない場合には、焦点調節機構１２をいずれかの方向に作動させるための指令信号を送信する。送信されてきた指令信号は送受信部２８において受信され、焦点調節機構１２を作動させる。

モータ１３の回転によりボールネジ１４が回転させられると、ボールネジ１４の回転方向に応じてナット１５が水平方向のいずれかの方向に移動し、ナット１５に固定されているレンズ１１が水平方向に移動させられる結果、対物レンズ９の焦点位置が上下方向に移動させられる。
すなわち、レンズ１１が、ミラー８に近接する方向に移動させられると、焦点位置が上昇させられ、レンズ１１がミラー８から離間する方向に移動させられると、焦点位置が下降させられる。これにより、焦点位置を適正な位置に調節して、鮮明な画像を得ることができる。

操作者は、異なる位置を観察したい場合には、移動機構７をいずれかの方向に移動させるための指令信号を送信する。送信されてきた指令信号は送受信部２８において受信され、移動機構７を作動させる。第２の直動機構１７に沿って撮影ユニット６を移動させることにより、観察位置を水平一方向Ｙに移動させ、第１の直動機構１６に沿って第２の直動機構１７および撮影ユニット６を移動させることにより観察位置を水平他方向Ｘに移動させる。これにより、観察位置を２次元的に調節することができる。

このように、本実施形態に係る観察装置１によれば、ステージ３を透過して筐体４内に入射した光をミラー８によって略水平方向に偏向し、略水平な光軸Ｓを有する対物レンズ９によって集光するので、筐体４内部の空間の高さ寸法を対物レンズ９の直径程度に抑えることができるという利点がある。
すなわち、図１に示されるように、高さ寸法を最小限に抑えた観察装置１を容器２とともにインキュベータ内に収容して、培養しながら培養状態を観察することができる。

本実施形態に係る観察装置１によれば、対物レンズ９を構成する１以上のレンズ１１を水平方向に移動させることにより、対物レンズ９の焦点位置を上下方向に移動させるので、筐体４内部の空間の高さ寸法を大きく確保すること無く焦点位置の調節を行うことができる。これによっても、観察装置１を薄型化することができるという利点がある。

本実施形態に係る観察装置１によれば、移動機構７によって撮影ユニット６を水平方向Ｘ，Ｙに２次元的に移動させるので、一度に撮影可能な視野範囲は小さくても、撮影ユニット６を水平方向Ｘ，Ｙに移動しながら撮影することによって、より広い範囲の試料Ｐの状態を観察することができる。この場合においても、小型の撮影ユニット６を水平方向Ｘ，Ｙに移動させて観察範囲を大きく確保する構造なので、大きな光学部品は不要であり、薄型化を図ることができるという利点がある。

本実施形態においては、焦点調節機構１２、移動機構７、送受信部２８および制御部２９を備える観察装置１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、被写界深度の大きな対物レンズ９を使用する場合、あるいは、焦点位置の調節が必要ない場合には、焦点調節機構１２は無くてもよい。

試料Ｐが比較的狭い領域に配置される場合、あるいは、試料Ｐの一部の特定範囲のみを観察すれば済む場合には、移動機構７を備えている必要はない。移動機構７および焦点調節機構１２を外部から遠隔操作しない場合には、送受信部２８の受信機能は不要である。また、移動機構７および焦点調節機構１２がない場合にも送受信部２８の受信機能および制御部２９は不要である。
撮像素子１０により取得された画像を記憶しておく記憶部（図示略）を筐体４内に備えている場合には、取得された画像信号を外部に送信する必要が無く、送受信部２８を備えていなくてもよい。

本実施形態の説明では、照明光をインキュベータ内の光源あるいは、容器２に固定する照明装置３０によって試料Ｐに照射することとしたが、これに代えて、図４に示されるように、ミラー８の周囲に、ステージ３の下方から上方に向かって照明光を射出する光源３２を設けることにしてもよい。

光源３２は、例えば、独立して点灯可能な複数のＬＥＤ光源を採用することが好ましい。ミラー８の周囲から上向きに射出された照明光は、容器２の天板の内面によって反射され、斜め上方から試料Ｐを透過して、ステージ３下方のミラー８に入射されるので、斜照明のように試料Ｐの像に陰影を形成することができる。したがって、透明な細胞のような試料Ｐの見やすさを向上することができる。

この場合に、図５に示されるように、ミラー８を中心として放射方向に間隔をあけて複数の光源３２を配置し、点灯させる光源３２を切り替えることにしてもよい。このようにすることで、試料Ｐを透過する照明光の入射角度を変化させることができ、試料Ｐの像に形成される陰影を変化させて、見やすさを向上することができる。

本実施形態においては、図６に示されるように、対物レンズ９を通過した光を再度約９０°偏向するプリズム３３を配置してもよい。このようにすることで、撮像素子１０および撮像素子１０が固定される基板を略水平に配置することができ、撮像面が大きな撮像素子１０を採用しても、筐体４内部の空間の高さ寸法を増大させずに済むという利点がある。偏向部材としては、ミラー８の他、反射面を有する偏向プリズム３４を採用してもよい。図７に示されるようにさらに光路を折り返すことにより、ミラー８から撮像素子１０までの光学部品をさらにコンパクトに配置することができる。

本実施形態の説明では、容器２として、細胞培養フラスコを例示したが、これに代えて、シャーレ、マイクロプレートまたは細胞培養バッグ等を用いてもよい。
本実施形態においては、焦点調節機構１２として、撮像素子１０に対してレンズ１１を光軸Ｓ方向に移動させて焦点位置を調節するものを例示したが、これに代えて、レンズ１１に対して撮像素子１０を光軸Ｓ方向に移動させて焦点位置を調節してもよい。撮像素子１０とレンズ１１とを光軸Ｓ方向に一体的に移動させてもよい。これにより、撮像素子１０とレンズ１１とが所定の間隔に保持された状態で焦点位置を調節するため、焦点位置を調節しても取得される画像の倍率が変化しないようにすることができる。

本実施形態においては、ステージ３として、光学的に透明なガラス平板を例示したが、これに代えて、照明光を遮蔽する平板状の遮光部材を用いてもよい。
この場合、遮光部材にはその周方向の一部あるいは径方向の一部に開口する開口部が設けられており、試料Ｐからの光が開口部を透過して筐体４内部に透過するようになっている。開口部は、容器２の底面よりも小さな寸法で形成されている。これにより、容器２の底面が開口部を被覆するようにステージ３上に容器２を載置することで、筐体４内を密封状態にすることができる。

ステージ３上に容器２を載置していない場合、開口部により筐体４内の空間と外部とが連結されているため、開口部を介して筐体４内の対物レンズ９等の光学系へのアクセスが簡便になる。これにより、対物レンズ９等の光学系を倍率の異なるレンズに容易に交換することができる。
また、光学的に透明なガラス平板に開口部を設けてもよい。

１ 観察装置
２ 容器
３ ステージ
４ 筐体
６ 撮影ユニット
７ 移動機構
８ ミラー（偏向部材）
９ 対物レンズ
１０ 撮像素子
１１ レンズ（可動レンズ）
１２ 焦点調節機構
２８ 送受信部（送信部）
Ｐ 試料

Claims (13)

1. 試料を収容した容器を載置する光を透過可能な平板状のステージと、
   該ステージの下方に配置され、上方に向かって照明光を射出する光源と、
   前記ステージの下方に配置され、前記ステージ上の試料からの光を集光する対物レンズと、
   該対物レンズにより集光された光を撮影する撮像素子と、
   前記対物レンズおよび前記撮像素子を備える撮影ユニットと、
   該撮影ユニットを前記ステージに沿う方向に移動させる移動機構と、を備え、
   前記光源から射出された前記照明光が前記試料の上方に配置されている前記容器の天板の内面によって反射され、斜め上方から前記試料を透過した光が前記対物レンズにより集光される観察装置。
2. 前記ステージが、光学的に透明な材質からなり、
   該ステージを天板とし、前記撮影ユニットおよび前記移動機構を密封状態に収容する筐体を備える請求項１に記載の観察装置。
3. 前記撮像素子により取得された画像を外部に送信する送信部を備える請求項１または２に記載の観察装置。
4. 前記撮像素子により取得された画像を外部に送信する一方、外部からの指令信号を受信する送受信部を備える請求項１記載の観察装置。
5. 前記撮像素子により取得された画像を外部に送信する一方、外部からの指令信号を受信する送受信部を備える請求項２記載の観察装置。
6. 前記送受信部により受信された指令信号に基づいて前記移動機構を制御する制御部を前記筺体内に備える請求項５に記載の観察装置。
7. 前記光源が独立して点灯可能な複数のＬＥＤ光源である請求項１から６のいずれかに記載の観察装置。
8. 点灯させる前記複数のＬＥＤ光源が切り替え可能に設けられている請求項７に記載の観察装置。
9. 前記光源が、前記ステージの下方に間隔をあけて配置され、上方に向かって照明光を射出する複数の光源である請求項１から６のいずれかに記載の観察装置。
10. 前記ステージの下方に配置され、前記ステージ上の試料からの光を略水平方向に偏向する偏向部材を備え、
    前記対物レンズは、該偏向部材により偏向された光を集光する請求項１から９のいずれかに記載の観察装置。
11. 前記対物レンズが、光軸方向に移動可能な１以上の可動レンズを備え、
    該可動レンズを前記光軸方向に移動させる第１の焦点調節機構を備える請求項１から１０のいずれかに記載の観察装置。
12. 前記対物レンズを構成するレンズに対して前記撮像素子を前記光軸方向に移動させる第２の焦点調節機構を備える請求項１から１０のいずれかに記載の観察装置。
13. 前記対物レンズを構成するレンズおよび前記撮像素子を前記光軸方向に一体的に移動させる第３の焦点調節機構を備える請求項１から１０のいずれかに記載の観察装置。

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