JP6585150B2 - 倒立型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料台に載置された試料に対して光を照明する照明光学系と、試料からの光を試料台の下方で結像する観察光学系とを備える倒立型顕微鏡に関する。

上述した倒立型顕微鏡は、例えば、医療分野における細胞の観察に用いられる。倒立型顕微鏡は、試料が載置される試料台と、試料台の上方に位置して試料に観察光を照明する照明光学系と、試料台の下方に位置する対物レンズを含む観察光学系と、これらを搭載した本体部とを備える（例えば、特許文献１,２,３を参照）。試料を収容したプレートやシャーレなどの容器は、観察の対象となる複数の試料を別々の部位に収容して試料台に載置される。容器が載置された試料台は、観察光を照明される１つの位置に各試料が順次位置するように移動する。

特開２０１１−１１８４３５号公報 特開２０１３−１７８３７７号公報 特開２０１３−２３１８５２号公報

一方、容器に収容された細胞などの試料は、静止した液状体の内部でその状態を維持する。この点、試料台の移動による試料台の振動は、容器に収容された液状体に伝播し、試料の位置や試料の性状などの状態を容器内で変えてしまう。それゆえに、上述した倒立型顕微鏡では、試料の状態が変わることによる観察の精度低下を抑えることが望まれている。
本発明は、試料の状態が変わることによる観察の精度低下を抑制可能とした倒立型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の倒立型顕微鏡は、支持構造体と、前記支持構造体に支持されて水平方向を前記支持構造体に固定された試料台と、前記試料台に載置された試料に対して光を照明する照明光学系と、前記試料からの光を前記試料台の下方で結像する観察光学系と、前記支持構造体に支持されたステージ機構であって、前記照明光学系、および、前記観察光学系を搭載した可動ステージの水平方向への移動によって、前記支持構造体、および、前記試料台に対して、前記照明光学系、および、前記観察光学系を水平方向へ移動させる前記ステージ機構と、を備える。

上記倒立型顕微鏡によれば、試料に対する照明光学系の相対的な移動は、ステージ機構の駆動による照明光学系の移動によって実現される。試料に対する観察光学系の相対的な移動もまた、ステージ機構の駆動による観察光学系の移動によって実現される。そして、照明光学系や観察光学系が移動する間、これらの荷重は支持構造体での振動を抑える力として作用し、試料台はこの支持構造体に固定され続ける。結果として、試料に対する照明光学系や観察光学系の相対的な移動に際して、試料そのものの移動による振動の発生が抑えられ、試料の状態が変わることが抑えられる。それゆえに、試料の状態が変わることに起因した観察の精度低下を抑えることが可能となる。

上記倒立型顕微鏡において、前記支持構造体は、前記可動ステージの振動が前記試料台に伝わることを抑える防振部を備えてもよい。この倒立型顕微鏡によれば、可動ステージで発生した振動が試料に伝わることを防振部が抑えるため、支持構造体の重量による防振と相まって、試料の状態が変わることに起因した観察の精度低下を、さらに抑えることが可能となる。

上記倒立型顕微鏡において、前記可動ステージは、ＸＹステージであってもよい。この倒立型顕微鏡によれば、Ｘ方向とＹ方向とに可動ステージが移動するため、ＸＹ方向に配置された各試料について、観察の精度低下を抑えることが可能となる。それゆえに、各試料に対する照明光学系や観察光学系の相対的な移動に際して、例えば、移動の都度、試料における振動が収まるまで倒立型顕微鏡を待機させる場合と比べて、観察に要する時間を大幅に短くすることが可能ともなる。

上記倒立型顕微鏡において、支持構造体は、倒立型顕微鏡の筐体を構成してもよい。この倒立型顕微鏡によれば、倒立型顕微鏡の筐体が、試料台を固定する機能を兼ねるため、試料台を固定するための支持構造体を別途備えることを要しない。それゆえに、観察の精度低下を抑えるうえでの部材点数の増大を抑えることが可能ともなる。

上記倒立型顕微鏡において、前記試料台における各観察点の位置を記憶し、前記照明光学系により光の照明される部位を各観察点に順次移動させるように前記ステージ機構の駆動を制御する制御部をさらに備えてもよい。この倒立型顕微鏡によれば、観察光が照射される部位に各観察点が順次位置するため、ステージ機構の駆動に要する手間を軽減することが可能ともなる。

倒立型顕微鏡の一実施形態における構成を示す構成図。 倒立型顕微鏡の一実施形態における作用を示す作用図。 変形例の倒立型顕微鏡における構成を示す構成図。

以下、倒立型顕微鏡の一実施形態を説明する。なお、以下では、倒立型顕微鏡のなかで、特定の波長の照明光を試料に照明して、試料から出る蛍光を観察する蛍光観察が可能な倒立型顕微鏡について説明する。なお、図１では、倒立型顕微鏡における構成要素間の機械的な結合を破線で示す。

［倒立型顕微鏡の構成］
図１が示すように、倒立型顕微鏡は、支持構造体の一例である支持台１０と、ＸＹステージ２０と、ＸＹステージ２０に固定された観察ユニット３０と、を備える。支持台１０は、例えば、倒立型顕微鏡の筐体を構成し、倒立型顕微鏡の設置される設備の床などに固定されている。

ＸＹステージ２０は、Ｘステージ２１、および、可動ステージの一例であるＹステージ２２を備える。ＸＹステージ２０は、支持台１０の上面に固定された一対のＸレール２３（図２参照）と、一対のＸレール２３に挟まれたＸ駆動軸２４（図２参照）とを備える。Ｘ駆動軸２４は、Ｘ駆動源２５の駆動力を受けて、Ｘ駆動軸２４の軸心を中心に回転する。一対のＸレール２３は、Ｘ方向に延在してＹ方向に並ぶ。Ｘステージ２１は、一対のＸレール２３に移動可能に連結されている。Ｘステージ２１は、Ｘ駆動軸２４の回転に伴ってＸ方向に移動する。Ｘステージ２１の移動は、Ｘレール２３によってＸ方向に案内される。

ＸＹステージ２０は、Ｘステージ２１の上面に固定された一対のＹレール２６（図２参照）と、一対のＹレール２６に挟まれたＹ駆動軸２７（図２参照）とを備える。Ｙ駆動軸２７は、Ｙ駆動源２８の駆動力を受けて、Ｙ駆動軸２７の軸心を中心に回転する。一対のＹレール２６は、Ｙ方向に延在してＸ方向に並ぶ。Ｙステージ２２は、Ｙ駆動軸２７の回転に伴ってＹ方向に移動する。Ｙステージ２２の移動は、Ｙレール２６によってＹ方向に案内される。観察ユニット３０は、Ｙステージ２２に搭載されている。

試料台１０Ｓは、ＸＹステージ２０の上方に位置し、支持台１０に固定されている。試料台１０Ｓは、ＸＹ平面とほぼ平行な載置面を備える。試料台１０Ｓは、プレートやシャーレなどの容器に収容された各試料を、支持台１０の上面に沿って並べる。Ｙステージ２２は、この試料台１０Ｓ、および、支持台１０に対して、Ｘ方向、および、Ｙ方向に移動し、観察ユニット３０を、各試料の並ぶ方向、すなわち、Ｘ方向、および、Ｙ方向に移動する。試料台１０Ｓは、観察ユニット３０の移動に関わらず、支持台１０に対して静止している。

観察ユニット３０は、試料台１０Ｓに載置された試料に対して光を照明する照明光学系３０Ａと、試料からの光を試料台の下方で結像する観察光学系３０Ｂとを備える。照明光学系３０Ａは、光源３１,３５Ａ、および、コンデンサレンズ３２を備える。観察光学系３０Ｂは、対物レンズ３３、レボルバ３４、フィルター装置３５、および、フォーカス装置３６を備える。

光源３１は、例えば、キセノンランプやハロゲンランプであり、透過照明光を出射する。光源３１は、Ｙステージ２２に固定され、Ｙステージ２２と共に移動する。コンデンサレンズ３２は、光源３１の出射した透過照明光を集光する。コンデンサレンズ３２は、例えば、コンデンサレンズ３２の直下に位置する対物レンズ３３の光軸に沿って移動し、対物レンズ３３の光軸上に透過照明光を集光する。コンデンサレンズ３２のＸＹ方向での位置は、Ｙステージ２２に固定され、Ｙステージ２２と共に移動する。すなわち、光源３１、および、コンデンサレンズ３２は、Ｙステージ２２と共に、試料台１０Ｓに対して、ＸＹ方向に移動する。
光源３５Ａは、落射照明光を出射する。光源３５Ａは、例えば、フィルター装置３５に取り付けられたＬＥＤや、フィルター装置３５に取り付けられた光ファイバーを通じて、フィルター装置３５に光を出射する外部の光源である。

各対物レンズ３３は、例えば、他の対物レンズ３３と異なる倍率を有している。複数の対物レンズ３３は、レボルバ３４に対して交換可能に取り付けられている。レボルバ３４は、Ｙステージ２２に固定された脚部３７に支持されている。各対物レンズ３３は、レボルバ３４の回転を通じて、コンデンサレンズ３２の直下に順次移動する。

フィルター装置３５は、Ｙステージ２２に固定された脚部３７に支持されている。フィルター装置３５は、落射照明光のなかの励起光を反射して試料台１０Ｓに導くダイクロイックミラーを備える。ダイクロイックミラーは、観察光のなかの蛍光成分を含む光を透過する。フィルター装置３５は、複数の波長選択フィルターを備える。各波長選択フィルターは、他の波長選択フィルターとは異なる特定波長であって、観察光の中からの蛍光成分のみを透過する。各波長選択フィルターは、フィルター装置３５の駆動を通じて、コンデンサレンズ３２の直下に順次に位置する。フィルター装置３５は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を備え、波長選択フィルターにより分離された試料からの蛍光を撮像素子で撮像する。

フォーカス装置３６は、Ｙステージ２２に固定されている。フォーカス装置３６は、例えば、オートフォーカス光を試料に照明する照明光学系と、試料からのオートフォーカス光を検出する検出光学系と、を備え、フィルター装置３５の試料に対する合焦動作を行う。そして、対物レンズ３３、レボルバ３４、フィルター装置３５、および、フォーカス装置３６は、Ｙステージ２２と共に、試料台１０Ｓに対して、ＸＹ方向に移動する。

制御部５０は、中央演算処理装置、および、メモリを備えている。制御部５０は、各種の処理を全てソフトウェアで処理するものに限らない。例えば、制御部５０は、各種の処理のうちの少なくとも一部の処理を実行する専用のハードウェア（特定用途向け集積回路：ＡＳＩＣ）を備えたものであってもよい。つまり、制御部５０は、ＡＳＩＣなどの１つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ（マイクロコンピュータ）、あるいは、これらの組み合わせ、を含む回路として構成し得る。

試料台１０Ｓに載置される容器は、複数の試料を収容し、ＸＹ方向における別々の位置に各試料を収容する。制御部５０は、試料台１０Ｓでの各試料の位置を、観察点の位置として記憶する。制御部５０は、コンデンサレンズ３２の直下に位置する対物レンズ３３の光軸上に各観察点が位置するように、例えば、Ｘ駆動源２５、および、Ｙ駆動源２８の駆動量として、各観察点の位置を記憶する。

制御部５０は、移動処理と観察処理とを繰り返し行う。移動処理は、照明光の照明される部位に観察点を配置させる処理である。観察処理は、照明光の照明される部位に各観察点が位置する都度、撮像素子による撮像を行い、その撮像によって生成された画像データＰＩをフィルター装置３５から取得する処理である。

［倒立型顕微鏡の作用］
まず、液状体に含まれる細胞が試料として用いられ、各試料を別々の凹部に収容した１つのプレートが、試料台１０Ｓに載置される。試料台１０Ｓにおける各凹部の位置は、観察点の位置として制御部５０に記憶される。この際、１つの容器に収容された各試料は、静止した液状体の内部でその状態を維持する。試料台１０Ｓが支持台１０に固定されているため、試料台１０Ｓに載置された各試料は、振動を抑え、その状態を維持し続ける。

次いで、制御部５０は、１番目の観察点に対して移動処理を行う。すなわち、対物レンズ３３の光軸上に１番目の観察点が位置するように、制御部５０は、Ｘ駆動源２５、および、Ｙ駆動源２８を駆動するための各駆動信号ＤＳＸ，ＤＳＹを出力する。そして、対物レンズ３３の光軸上に１番目の観察点が位置するとき、制御部５０は、１番目の観察点に対して観察処理を行う。すなわち、制御部５０は、フィルター装置３５、および、フォーカス装置３６の駆動を通じて、１番目の観察点に位置する試料の画像データＰＩを取得する。この際、照明光学系３０Ａや観察光学系３０Ｂが移動する間、これらの荷重は、支持台１０での振動を抑える力として作用し、試料台１０Ｓは、この支持台１０に固定され続ける。そして、ＸＹステージ２０、および、観察ユニット３０のみが、試料台１０Ｓに対して移動する。そのため、１番目の観察点に位置する試料は、静止した液状体の内部でその状態を維持し、他の観察点に位置する試料もまた、静止した液状体の内部でその状態を維持する。

そして、制御部５０は、２番目以降の観察点に対しても、移動処理と観察処理とを繰り返し、全ての試料の画像データＰＩを取得する。この間、試料台１０Ｓが支持台１０に固定され続けるため、各観察点に位置する試料は、静止した液状体の内部でその状態を維持する。結果として、試料と観察ユニット３０との相対移動に起因した状態の変化を試料において抑え、その試料の画像データＰＩを得ることが可能となる。

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）試料台１０Ｓに対する照明光学系３０Ａや観察光学系３０Ｂの相対的な移動に際して、試料台１０Ｓそのものの移動による振動の発生が抑えられ、試料の状態が変わることが抑えられる。それゆえに、試料の状態が変わることに起因した観察の精度低下を抑えることが可能となる。

（２）Ｘ方向とＹ方向とにＹステージ２２が移動するため、試料台１０Ｓの上でＸＹ方向に配置された各試料について、（１）に準じた効果を得ることが可能となる。そして、各試料に対する照明光学系３０Ａや観察光学系３０Ｂの相対的な移動に際して、例えば、移動の都度、試料における振動が収まるまで倒立型顕微鏡を待機させる場合と比べて、観察に要する時間を大幅に短くすることが可能ともなる。

（３）倒立型顕微鏡の筐体が、試料台１０Ｓを固定する機能を兼ねるため、試料台１０Ｓを固定するための支持構造体を別途備えることを要しない。それゆえに、観察の精度低下を抑えるうえでの部材点数の増大を抑えることが可能ともなる。

（４）試料台１０Ｓに載置された容器における各観察点の位置が制御部５０に記憶され、観察光の照射される部位が各観察点に順次移動するため、ＸＹステージ２０の駆動に要する手間を軽減することが可能ともなる。

なお、上述した実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
［支持台１０］
・ＸＹステージ２０を支持する支持台１０は、防振部を備えることも可能である。
例えば、図３が示すように、支持台１０は、本体１１、防振部の一例であるプレート可動部１２、および、支持プレート１３を備える。本体１１は、倒立型顕微鏡の設置される設備の床などに固定される。試料台１０Ｓは、本体１１に固定されている。支持プレート１３の上面は、ＸＹステージ２０を固定し、ＸＹステージ２０を介して、観察ユニット３０を支持する。プレート可動部１２は、支持プレート１３に発生する振動が本体１１に伝わることを抑える。プレート可動部１２は、例えば、プレート可動部１２と、それが支持する構造体とを含む振動系において、Ｘステージ２１、および、Ｙステージ２２の移動による重心の変位を抑えるように、ＸＹステージ２０の駆動と共に、支持プレート１３を移動させる。それによって、プレート可動部１２は、支持プレート１３、ＸＹステージ２０、および、観察ユニット３０の重心が変位することを抑える。そして、支持台１０は、ＸＹステージ２０の振動が試料台１０Ｓに伝わることを抑える。

・なお、プレート可動部１２は、例えば、防振ゴムであり、プレート可動部１２は、本体１１、および、試料台１０Ｓを含めた構造体での固有振動数の振動が支持プレート１３から本体１１に伝わることを抑える。

・また、図３が示すように、支持台１０は、防振部１４を介して、試料台１０Ｓと機械的に結合することも可能である。防振部１４は、例えば、防振ゴムであって、試料台１０Ｓの固有振動数の振動が支持台１０から試料台１０Ｓに伝わることを抑える構造体である。

・試料台１０Ｓを支持する支持台１０は、ＸＹ方向において試料台１０Ｓを固定し、かつ、ＸＹ方向と直交するＺ方向に試料台を可動させる機構を備えることも可能である。Ｚ方向に試料台を可動させる構成であれば、試料台１０Ｓに載置された容器の高さに合わせた観察を観察ユニット３０で行うことが可能ともなる。なお、試料台１０Ｓを支持する支持台１０は、ＸＹＺ方向において試料台１０Ｓを固定し、設備の床などに支持台１０と共に固定されることも可能である。

・支持台１０は、観察ユニット３０を覆う筐体とは別体であって、倒立型顕微鏡が設置される設備の床などに、筐体とは別々に固定されることも可能である。

［観察ユニット３０］
・照明光学系３０Ａは、ＸＹ方向に照明光の焦点を移動させるように照明光を走査する照明光走査系を備えることも可能である。
・観察光学系３０Ｂは、対物レンズ３３として液浸レンズを備えることも可能である。

・観察ユニット３０は、開口絞りや視野絞りなどの各種の光学素子を観察方法に合わせて適宜備える。例えば、観察ユニット３０は、暗視観察、位相差観察、微分干渉観察、偏光観察を行うための構成を備えることも可能である。暗視野観察は、試料に対する斜め方向から試料を照明して試料によって散乱した光を観察する。位相差観察は、位相差板などを用い、照明光に位相差の変化を与える位相物体を試料として、照明光の回折と干渉とによる位相差の可視化像を観察する。微分干渉観察は、試料の表面形状による照明光の進み方の違いを明暗のコントラストに変えて観察する。偏光観察は、試料の偏光特性を明暗のコントラストや色に変えて観察する。

・ステージ機構は、Ｚ方向に沿う回転軸を中心に観察ユニット３０を回転させる回転機構を備えることも可能である。要は、ステージ機構は、観察ユニット３０をＸＹ平面で並進させる機構、および、観察ユニット３０をＺ方向に沿う回転軸で回転させる機構の少なくとも１つを備える構成であればよい。

ＰＩ…画像データ、ＤＳＸ，ＤＳＹ…駆動信号、１０…支持台、１０Ｓ…試料台、１１…本体、１２…プレート可動部、１３…支持プレート、１４…防振部、２０…ＸＹステージ、２１…Ｘステージ、２２…Ｙステージ、２３…Ｘレール、２４…Ｘ駆動軸、２５…Ｘ駆動源、２６…Ｙレール、２７…Ｙ駆動軸、２８…Ｙ駆動源、３０…観察ユニット、３０Ａ…照明光学系、３０Ｂ…観察光学系、３１…光源、３２…コンデンサレンズ、３３…対物レンズ、３４…レボルバ、３５…フィルター装置、３６…フォーカス装置、３７…脚部、５０…制御部。

Claims (4)

1. 倒立型顕微鏡であって、
   支持構造体と、
   前記支持構造体に支持されて水平方向を前記支持構造体に固定された試料台と、
   前記試料台に載置された試料に対して光を照明する照明光学系と、
   前記試料からの光を前記試料台の下方で結像する観察光学系と、
   前記支持構造体に支持されたステージ機構であって、前記照明光学系、および、前記観察光学系を搭載した可動ステージの水平方向への移動によって、前記支持構造体、および、前記試料台に対して、前記照明光学系、および、前記観察光学系を水平方向へ移動させる前記ステージ機構と、を備え、
   前記支持構造体は、
   当該倒立型顕微鏡を支持する本体と、
   前記ステージ機構を支持する支持プレートと、
   前記本体と前記支持プレートとの間に設けられ、前記支持プレートから前記本体に振動が伝わることを抑制する防振部と、
   を有し、
   前記試料台は、前記支持構造体のうち前記本体に対して固定され、
   前記防振部により、前記可動ステージの振動が前記支持構造体を介して前記試料台に伝わることが抑制される
   倒立型顕微鏡。
2. 前記ステージ機構は、ＸＹステージである
   請求項１に記載の倒立型顕微鏡。
3. 前記支持構造体は、倒立型顕微鏡の筐体を構成する
   請求項１または２に記載の倒立型顕微鏡。
4. 前記試料台における各観察点の位置を記憶し、前記照明光学系により光の照明される部位を各観察点に順次移動させるように前記ステージ機構の駆動を制御する制御部をさらに備える
   請求項１から３のいずれか１項に記載の倒立型顕微鏡。
   

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