JP6621844B2 - 蛍光観察装置および蛍光観察システム、インキュベータ - Google Patents

Description

本発明は、蛍光観察装置に関する。

細胞の形状やその組成等を観察する蛍光観察装置が、研究、医療などのさまざまな分野で用いられている。蛍光観察装置として、レンズベースの蛍光顕微鏡が主流であったが、近年ではレンズフリーの蛍光観察装置の開発が進められている。たとえば特許文献１には、ホログラム画像と蛍光画像を同時に取得可能なレンズフリーのシステムが開示される。このシステムは、蛍光励起光源、ホログラム用光源、空間フィルタ、撮像素子およびプリズムを用いて構成されている。

特許文献２，３あるいは非特許文献１，２には、ゴーストイメージングを利用した画像観察装置が提案されている。ゴーストイメージングでは、空間的にランダムに変調された励起光を、時間的に変化させながら物体に照射し、物体から得られる物体光を、空間情報を含まないバケット光（Bucket light）として測定する。そして励起光の空間分布とバケット光との相関にもとづいて、物体の像を再生する。

特許第５６３９６５４号公報 米国特許第８０５３７１５Ｂ２号明細書 米国特許第８２４２４２８Ｂ２号明細書

F. Ferri, D. Magatti, V. G. Sala and A. Gatti、「Longitudinal coherence in thermal ghost imaging」、Appl. Phys. Let. 92, 261109 (2008) Ori Katz, Yaron Bromberg, and Yaron Silberberg、「Compressive ghost imaging」、Appl. Phys. Let. 95, 131110 (2009),

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ゴーストイメージングの手法を利用した蛍光観察装置の提供にある。

本発明のある態様は、試料ホルダに保持される試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置に関する。蛍光観察装置は、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、パターンを時間的に変化させながら試料に照射する照明装置と、試料面と対向する受光面を有し、受光面に試料が発する蛍光を受け、受光面と平行方向に導波させる板状の第１光学部材と、第１光学部材により導波された蛍光を受光して検出信号を出力する光検出器と、を備える。検出信号および励起光が試料面に形成する平面強度分布は、パターンごとに得られ、試料の蛍光画像の生成に使用される。

本発明の別の態様も蛍光観察装置に関する。この蛍光観察装置は、試料を試料面にて保持する試料ホルダと、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、パターンを時間的に変化させながら試料に照射する照明装置と、試料が発する蛍光を受光する受光部と、を備える。照明装置、試料ホルダ、受光部は、照明装置の出射面、試料面、受光部の受光面が平行でかつオーバーラップするように配置される。

本発明の別の態様は、インキュベータ（培養装置）に関する。インキュベータは、上述のいずれかの蛍光観察装置が複数個、組み込まれて構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ゴーストイメージングの手法を利用した蛍光観察装置が提供できる。

実施の形態に係る蛍光観察装置を示す図である。 第１の実施の形態に係る蛍光観察装置を備える蛍光観察システムを示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１構成例に係る入射導波路グレーティングを備える受光部の平面図および断面図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、グレーティングの溝の断面図である。 入射導波路グレーティングの断面図である。 第２構成例に係る入射導波路グレーティングを備える受光部の平面図である。 空間光変調器による位相変調を説明する図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、出射導波路グレーティングを備える平面光源の平面図および断面図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、圧縮ゴーストイメージングを説明する図である。 図１０（ａ）〜（ｅ）は、圧縮ゴーストイメージングの計算過程を示す図である。 第２の実施の形態に係る蛍光観察装置を備える蛍光観察システムを示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る蛍光観察装置を備える蛍光観察システムを示す図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、第４の実施の形態に係る蛍光観察装置を示す図である。 第５の実施の形態に係る蛍光観察装置を備える蛍光観察システムを示す図である。 位相回復法のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図１６（ａ）は、細胞の蛍光画像であり、図１６（ｂ）は、撮像素子の画像Ｉ（ｘ，ｙ）を示す図であり、図１６（ｃ）は、位相回復法から求めた位相情報φ（ｘ’，ｙ’）を示す図であり、図１６（ｄ）は、ゴーストイメージングによる蛍光画像と位相情報φ（ｘ’，ｙ’）を重ね合わせた図である。 第６の実施の形態に係る蛍光観察装置を示す図である。 蛍光観察装置を備えるインキュベータを示す図である。

はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
本発明のある態様は、試料ホルダに保持される試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置に関する。蛍光観察装置は、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、パターンを時間的に変化させながら試料に照射する照明装置と、試料面と対向する受光面を有し、受光面に試料が発する蛍光を受け、受光面と平行方向に導波させる板状の第１光学部材と、第１光学部材により導波された蛍光を受光して検出信号を出力する光検出器と、を備える。検出信号および励起光が試料面に形成する平面強度分布は、パターンごとに得られ、試料の蛍光画像の生成に使用される。

本発明のある態様によれば、バケット光を測定する受光部を、板状の第１光学部材および光検出器で構成することで、受光部を薄型化（低背化）することができ、ひいては蛍光観察装置を薄型化できる。それに加えて、またはそれに代えて、バケット光を測定する光検出器のレイアウトの制約を緩和することができる。なお本明細書において「対向する」とは、第１光学部材の受光面が試料面と直接対向する場合のみでなく、それらの間に、別の光学素子（たとえばフィルタや偏光素子）などが挿入され、間接的に対向する場合も含む。

第１光学部材は、蛍光に選択的にカップリングする導波路グレーティングを含んでもよい。

第１光学部材は、背面に励起光を選択的に反射する反射層が設けられた導光板を含んでもよい。

第１光学部材は、試料ホルダを挟んで照明装置と反対側に設けられてもよい。

第１光学部材は、試料ホルダと照明装置の間に設けられ、励起光を透過させてもよい。

照明装置は、試料面と平行に励起光を出射する励起光源と、試料面と実質的に平行なスラブ型導波路を有し、その入射面に励起光を受け、励起光の導波方向と垂直方向に平面波として出射する第２光学部材と、第２光学部材の出射面と試料ホルダの間に挿入され、平面波である励起光を、空間的に変調する空間光変調器と、を含んでもよい。第２光学部材は、導波路グレーティングを含んでもよい。
これにより、照明装置も薄型化できるため、蛍光観察装置全体をさらに薄型化できる。

照明装置は、試料面と平行な出射面を有し、それぞれが独立に変調された励起光を出射可能な発光素子のアレイを含んでもよい。発光素子はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を含んでもよい。
これにより、照明装置も薄型化できるため、蛍光観察装置全体をさらに薄型化できる。

励起光が試料面に形成する平面強度分布は、空間光変調器に与えたパターンにもとづき計算により求められてもよい。これにより、試料面の平面強度分布を測定する光学系が不要となり、蛍光観察装置を一層小型化できる。

ある態様の蛍光観察装置は、試料ホルダおよび第１光学部材を挟んで照明装置と反対側に設けられ、試料により変調された光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備えてもよい。第１光学部材は、試料により変調された光を透過させてもよい。撮像素子の出力は、試料のホログラフィック画像の生成に使用されてもよい。
この態様によれば、ホログラム画像と蛍光画像を取得することができる。

試料により変調された光は、試料を通過した励起光であってもよい。この態様では、ホログラフィック画像のための励起光源と蛍光画像のための励起光源を共有化できるため、装置をさらに簡素化できる。

本発明の別の態様もまた、蛍光観察装置である。この蛍光観察装置は、試料を試料面に保持する試料ホルダと、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、パターンを時間的に変化させながら試料に照射する照明装置と、試料が発する蛍光を受光する受光部と、を備える。照明装置、試料ホルダ、受光部は、照明装置の出射面、試料面、受光部の受光面が平行でかつオーバーラップするように配置される。

受光部は試料ホルダを挟んで照明装置と反対側に設けられ、かつ励起光に対して透明であってもよい。蛍光観察装置は、試料ホルダおよび受光部を挟んで照明装置と反対側に設けられ、試料により変調された励起光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様は、蛍光観察システムに関する。蛍光観察システムは、上述のいずれかの蛍光観察装置と、蛍光観察装置の外部に設けられた演算装置と、を備えてもよい。演算装置は、蛍光観察装置から出力された、検出信号及び平面強度分布を用いて、試料の蛍光画像を生成してもよい。また別の態様において、演算装置は蛍光観察装置の内部に設けられてもよい。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る蛍光観察装置１００を示す図である。図１には、蛍光観察装置１００およびその周辺の構成要素を含む蛍光観察システム２００が示される。いくつかの図面において、光線は単線で、電気的な信号線は二重線で示す。蛍光観察システム２００は、励起光に応じて蛍光を発する試料２０２を画像化する。試料２０２は特に限定されないが、たとえば細胞や蛍光タンパク質を含んでもよい。

蛍光観察システム２００は、蛍光観察装置１００、コントローラ２０４、表示装置２０６を備える。コントローラ２０４は、蛍光観察システム２００全体を統合的に制御し、蛍光観察装置１００から得られる信号にもとづいて蛍光画像Ｓ１を生成する。表示装置２０６は、生成された蛍光画像Ｓ１を表示し、あるいはユーザインタフェースとして設けられる。

図１には、蛍光観察装置１００に関しては断面図が示される。蛍光観察装置１００は、主として試料ホルダ１０、照明装置２０、受光部３０、を備える。試料ホルダ１０は、試料２０２を保持する。ある観点において、試料２０２の観察対象の面を試料面１２と称することができる。試料２０２が平面であると仮定したときの仮想的な平面を、試料面１２と把握してもよい。試料２０２が無視できない厚みを有する場合、試料面１２は、試料２０２の一部を含む平面であってもよい。また別の観点から見ると、試料２０２が試料ホルダ１０に載置される面を試料面１２と把握してもよく、言い換えれば、試料ホルダ１０が試料２０２を試料面１２にて保持するものと把握できる。試料ホルダ１０は、試料２０２の重力による変形を防ぐために水平面に試料２０２を保持することが望ましいが、試料２０２が変形しないあるいは変形しにくい場合にはこの限りではない。

照明装置２０は、二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光Ｌ１を、当該パターンを時間的に変化させながら試料２０２に照射する。照明装置２０は、コントローラ２０４からのパターン制御信号Ｓ３にもとづいて、励起光Ｌ１を空間的に変調する。この空間的な変調は、位相変調や振幅変調、それらの組み合わせであってもよい。励起光Ｌ１の波長は、蛍光タンパク質の励起波長にもとづいて選択される。

受光部３０は、その受光面３１に試料２０２が発する蛍光Ｌ２を受光し、受光量に応じた検出信号Ｓ２を生成する。受光部３０は、ゴーストイメージング手法においてバケットディテクタとも称される。受光部３０が生成する検出信号Ｓ２は、空間分解能をもたず、試料２０２からの蛍光を空間的に蓄積（積分）したものである。受光部３０は、蛍光タンパク質の蛍光波長に感度を有するよう構成される。

照明装置２０、試料ホルダ１０および受光部３０は、照明装置２０の出射面２１、試料面１２、受光部３０の受光面３１が平行でかつオーバーラップするように配置される。照明装置２０、試料ホルダ１０および受光部３０はそれぞれ、板状の部材の組み合わせで構成することが望ましい。

コントローラ２０４は、照明装置２０に与えるパターンを順次切りかえる。そしてコントローラ２０４は、パターンごとに得られる受光部３０からの検出信号Ｓ２および励起光Ｌ１が試料面に形成する平面強度分布にもとづいて、試料２０２の蛍光画像を取得する。コントローラ２０４による画像生成のアルゴリズムについては後述する。

以上が蛍光観察装置１００の基本構成である。本発明は、図１として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例を説明する。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ａを備える蛍光観察システム２００ａを示す図である。以下、理解の容易化および説明の簡潔化のため、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を図示の通りに、すなわち鉛直下方向にＺ軸をとり、水平方向にＸＹ平面を定義する。試料面１２は、ＸＹ平面と平行である。照明装置２０は、Ｚ軸方向に励起光Ｌ１_⊥を照射する。なお光線につけられた添え字⊥はＺ軸方向（あるいはその逆方向）に進行する光を示し、||はＸＹ平面と平行に進行する光を示す。

光は、照明装置２０、試料ホルダ１０、受光部３０の順で進行するが、以下では、受光部３０、照明装置２０の順で各構成を説明する。

（受光部３０）
第１の実施の形態において、受光部３０は、第１光学部材３２および光検出器（受光素子）３４を有する。第１光学部材３２は板状であり、その受光面３３に試料２０２が発する蛍光Ｌ２_⊥を受け、受光面３３と平行方向（Ｘ軸方向）に導波させる。第１光学部材３２は、その受光面３３が試料面１２と対向するように配置される。受光面３３と試料面１２は平行であることが好ましいが、その限りでは無い。第１光学部材３２の受光面３３は、受光部３０の受光面３１に相当する。光検出器３４は、その受光面３５がＹＺ平面と平行であり、第１光学部材３２により導波された蛍光Ｌ２_||を受光する。光検出器３４は、たとえばフォトダイオードなどを用いることができるが、その限りではない。本実施の形態において第１光学部材３２は、試料ホルダ１０を挟んで照明装置２０と反対側に設けられる。

光検出器３４の出力信号は、検出信号Ｓ２としてコントローラ２０４に入力される。コントローラ２０４のＡ／Ｄコンバータ２１４は、検出信号Ｓ２をデジタル値Ｂ_ｔに変換し、演算装置２１６に入力する。光検出器３４がＡ／Ｄコンバータを内蔵し、デジタル出力を有する場合、Ａ／Ｄコンバータ２１４は省略しうる。

演算装置２１６は、蛍光観察装置１００ａを制御するとともに、蛍光画像を生成するための処理を行う。表示装置２０６は、蛍光画像を表示し、また蛍光観察システム２００ａを操作するためのインタフェースとして使用される。演算装置２１６は専用のハードウェアであってもよいし、コンピュータやワークステーションであってもよい。演算装置２１６は、蛍光観察装置１００ａの外部に別個に設けられてもよいし、ＳＬＭドライバ２１２やＡ／Ｄコンバータ２１４とともに蛍光観察装置１００ａに内蔵されてもよい。

第１光学部材３２には、以下で説明する導波路グレーティング（入射導波路グレーティングと称する）を用いることができる。入射導波路グレーティングは、蛍光Ｌ２_⊥に選択的にカップリングし、励起光Ｌ１_⊥にはカップリングしないように構成される。図３（ａ）、（ｂ）は、第１構成例に係る入射導波路グレーティング４０を備える受光部３０の平面図および断面図である。スラブ型の入射導波路グレーティング４０は、コア層４２およびそれを挟むように設けられた上部クラッド層４４、下部クラッド層４６を備える。上部クラッド層４４とコア層４２の境界（もしくはコア層４２と下部クラッド層４６の境界）には、所定間隔で、Ｙ軸方向に延びる多数のグレーティング４８が形成されている。入射導波路グレーティング４０は、Ｚ軸方向に伝搬する蛍光Ｌ２_⊥を受光面３１に受光し、それに結合して蛍光Ｌ２_||をＸ軸方向に導波させ、入射導波路グレーティング４０の端部に設けられた光検出器３４に入射させる。

図４（ａ）〜（ｄ）は、グレーティングの溝の断面図である。グレーティング４８の溝は、図４（ａ）に示すように矩形であってもよいし、図４（ｂ）に示すように鋸歯形状であってもよいし、図４（ｃ）に示すように波型形状であってもよい。また図４（ｄ）に示すように、グレーティング４８を、屈折率ｎ_ｇの異なる材料で形成してもよい。

入射導波路グレーティング４０の設計例を説明する。図５は、入射導波路グレーティング４０の断面図である。ここでは図４（ｂ）に示す鋸歯形状の溝を例とする。
Λ…グレーティングの周期
θ_ｂ…グレーティングのブレーズ角
ｎ_１…コア層４２の屈折率
ｎ_２…上部クラッド層４４および下部クラッド層４６の屈折率
Ｔ…コア層４２の厚み
θ_ｃ…蛍光Ｌ２の入射角

一旦結合した蛍光Ｌ２_||を光検出器３４に高効率で導波させるためには、Ｘ軸方向に導波中の蛍光Ｌ２_||が、受光面３１あるいはその反対の面から再放射されるのを抑制することが望ましく、そのために入射導波路グレーティング４０は、ワンビーム結合（シングルビーム結合ともいう）となるように構成される。ワンビーム結合とするための条件は、等価屈折率Ｎを用いて、
θ_ｉｎ＝ｓｉｎ^−１（Ｎ／ｎ_１） …（１）
θ_ｂ＝（θ_ｉｎ＋θ_ｃ）／２ …（２）
で与えられる。

ここで導波路に関して、一般的な以下の式が成り立つ。
ｎ_２・ｋ_０・ｓｉｎ（θ_ｃ）＝β＋ｑ・Κ …（３）
ｑ＝０，±１，±２…
β＝Ｎ・ｋ_０
Κ＝２π／Λ

蛍光波長λ_２＝０．５２０μｍ、ｎ_２＝１．４９４、ｎ_１＝１．５４４、Ｔ＝０．５５μｍ、Λ＝０．３４２μｍとする。等価屈折率Ｎは、１．５２３となる。これらを式（３）に代入すると、ｑ＝−１のときθ_ｃ＝０となり、受光面３１に垂直に入射する蛍光Ｌ２_⊥に結合する。式（１）のθ_ｉｎは、８０．５３９°となり、式（２）からθ_ｂ＝４０．２７０°とすればよいことが分かる。

励起波長λ_１＝０．４９０μｍに対しては等価屈折率Ｎ＝１．５２４となり、ｑ＝−１に対してθ_ｃ＝３．４２°、ｑ＝−２に対してθ_ｃ＝−６４．２５°となる。励起光Ｌ１_⊥は受光面３１に対して実質的に垂直（すなわち０°）に入射するため、励起光Ｌ１_⊥は入射導波路グレーティング４０には結合せず、透過することとなる。以上が入射導波路グレーティング４０の波長選択性の説明である。

図３に戻る。入射導波路グレーティング４０のＹ軸方向の幅に対して、光検出器３４の幅が小さい場合、光検出器３４に対して導波光を集光することが望ましい。そこでグレーティング４８が形成される領域５２と光検出器３４との間に、変換グレーティング５０を形成してもよい。変換グレーティング５０は、領域５２において平面波である導波光Ｌ２_||を球面波に変換する。これにより、幅の小さい光検出器３４を利用することが可能となる。

なお入射導波路グレーティング４０の構成は図３（ａ）、（ｂ）のそれには限定されない。図６は、第２構成例に係る入射導波路グレーティング４０ａを備える受光部３０ａの平面図である。この例では、図３の変換グレーティング５０が省略されており、グレーティング４８が、光検出器３４を同心とする円形状に形成されている。グレーティング４８は、受光面３１で受光された光を、球面波に変換しながらＸ方向に導波させ、光検出器３４に集光する。

（照明装置２０）
図２に戻り、照明装置２０の構成を説明する。照明装置２０は、薄型の平面光源２２および空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）２８を含む。平面光源２２は、その出射面２６から強度および位相が均一な励起光Ｌ１_⊥を出射する。空間光変調器２８は透過型であり、平面光源２２の出射面２６（すなわち後述する第２光学部材２４の出射面）と、試料ホルダ１０との間に挿入され、平面波である励起光Ｌ１_⊥を空間的に変調する。空間変調のパターンは、コントローラ２０４からのパターン制御信号Ｓ３により制御される。コントローラ２０４のＳＬＭドライバ２１２は、空間光変調器２８に与えるパターンを、ランダム（疑似ランダム）に切りかえる。空間光変調器２８によって空間的にランダムなパターンを与えられた励起光Ｌ１は、スペックルとも称される。

以降の説明では空間光変調器２８は、位相変調を与える位相変調器であるものとする。励起光Ｌ１の位相分布を変化させることにより、励起光Ｌ１が試料面１２に形成する平面強度分布を変化させることができる。図７は、空間光変調器２８による位相変調を説明する図である。

空間光変調器２８の平面（すなわち照明装置２０の出射面２１）において、位相変調器が与える位相の分布をφ（ｘ’，ｙ’）とする。また空間光変調器２８と試料面１２とは、距離ｚ離間している。このときに試料面１２上に形成される光の平面強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を求める。

空間光変調器２８を透過した直後の光の複素振幅ｇ（ｘ’，ｙ’）は、式（４）で与えられる。

フレネル積分の式から、試料面１２における光の複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）は式（５）で表される。

なお、式（５）はｚがある程度大きいという近似を用いたものであるが、このような近似を用いずにｆ（ｘ，ｙ）を計算してもよい。

試料面１２に形成される平面強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、式（６）で与えられる。
Ｉ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）・ｆ^＊（ｘ，ｙ） …（６）
＊は複素共役を表す。

このように励起光Ｌ１_⊥が試料面１２に形成する平面強度分布は、空間光変調器２８に与えたパターンにもとづき計算により求めることができる。つまりビームスプリッタなどにより励起光Ｌ１_⊥を別のアームに分岐し、その平面強度分布を実測する必要がなくなる。

図２に戻る。好ましくは平面光源２２は、励起光源２３と第２光学部材２４を含む。励起光源２３は、試料面１２と平行に励起光Ｌ１_||を出射する。励起光源２３には、コントローラ２０４の電源２１０から給電される。図２では、励起光源２３からの励起光Ｌ１_||は、Ｘ軸負方向に出射されているが、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向（またはＹ軸負方向）に出射してもよい。励起光源２３としては、半導体レーザを用いることができる。第２光学部材２４は、試料面１２と実質的に平行なスラブ型導波路を有し、その入射面２５に励起光源２３からの励起光Ｌ１_||を受け、その出射面２６から励起光Ｌ１_⊥を、励起光Ｌ１_||と垂直方向に平面波として出射する。第２光学部材２４は、第１光学部材３２と同様に、導波路グレーティング（出射導波路グレーティング、あるいは放射導波路グレーティングと称する）を用いて構成することができる。

図８（ａ）、（ｂ）は、出射導波路グレーティング６０を備える平面光源２２の平面図および断面図である。スラブ型の出射導波路グレーティング６０は、コア層６２およびそれを挟むように設けられた上部クラッド層６４、下部クラッド層６６を備える。下部クラッド層６６とコア層６２の境界（もしくは上部クラッド層６４とコア層６２の境界）には、所定間隔で、Ｙ軸方向に延びる多数のグレーティング６８が形成されている。ここでは矩形状のグレーティング６８が示されており、ｈ_ｇは溝の高さ（深さ）、ａはグレーティングファクタ（ａ＜１）である。出射導波路グレーティング６０は、入射面２５に励起光源２３からＸ軸負方向に放射される励起光Ｌ１_||を受け、それに結合して励起光Ｌ１_||をＸ軸負方向に導波しながら、出射面２６から励起光Ｌ１_⊥を出射する。なお、グレーティング６８が形成される領域７２と励起光源２３との間に、変換グレーティング７０を形成してもよい。変換グレーティング７０は、励起光源２３から出射する球面波の励起光Ｌ１_||を平面波に変換して領域７２に導く。

出射導波路グレーティング６０の設計例を説明する。出射導波路グレーティング６０においても上述の式（３）が成り立つ。励起波長λ_１＝０．４９０μｍ、ｎ_２＝１．４９４、ｎ_１＝１．５４４、Ｔ＝０．５５μｍ、Λ＝０．３２２μｍ、ａ＝０．５、ｈ_ｇ＝５０ｎｍとする。このときの等価屈折率Ｎは、１．５２４となる。これらを式（３）に代入すると、ｑ＝−１のときθ_ｃ＝０となり、出射面２６に対して垂直に励起光Ｌ１_⊥を放射することができる。

なお、グレーティングファクタａおよび溝の高さｈ_ｇを変化させることで、Ｘ軸方向の照明の範囲および明るさの強弱（均一性）を制御することができる。もし溝の高さｈ_ｇが一定であるとすれば、出射面２６から出射される光の強度は、Ｘ軸負方向に進むにつれて指数関数的に減少しうる。これは蛍光観察装置１００の用途においては、後の演算処理において補正を要することとなるため好ましくない場合もあろう。この場合には、Ｘ軸負方向に進むにつれて溝の高さｈ_ｇを徐々に深くすることにより、Ｘ軸方向に関して均一な励起光Ｌ１_⊥を試料２０２に照射することが可能となる。

なお出射導波路グレーティング６０は、図６の入射導波路グレーティング４０ａと同様に同心円状のグレーティングを備えてもよい。また溝の形状も、図４（ａ）〜（ｄ）に示すものを採用でき、特に限定されるものではない。

以上が第１の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ａの構成である。続いてその動作を説明する。

演算装置２１６は、時刻ｔ_１，ｔ_２，…ｔ_Ｍにおいて、空間光変調器２８に与える位相φ（ｘ，ｙ）のパターンを変化させる。そして時刻ごと（時間区間ごと）の試料面１２における平面強度分布Ｉ_１（ｘ，ｙ）、Ｉ_２（ｘ，ｙ），…Ｉ_Ｍ（ｘ，ｙ）を計算する。

また受光部３０は、各時刻の平面強度分布に応答して得られる蛍光Ｌ２_⊥を測定し、バケット光の検出信号Ｓ２を生成する。Ａ／Ｄコンバータ２１４は、各時間区間（露光期間）において得られる検出信号Ｓ２をデジタル値Ｂ_１，Ｂ_２，…Ｂ_Ｍに変換する。なお一連の測定期間の間、試料２０２は静止しているものとする。言い換えれば測定時間は、試料２０２が静止しているとみなせる範囲に収まっている必要がある。

演算装置２１６は、一連の測定から得られたＩ_１（ｘ，ｙ），Ｉ_２（ｘ，ｙ），…Ｉ_Ｍ（ｘ，ｙ）と、Ｂ_１，Ｂ_２，…Ｂ_Ｍの値にもとづいて、試料２０２の蛍光画像を再生する。この再生にはゴーストイメージングの手法が用いられる。

試料面１２における蛍光画像Ｔ_ＧＩ（ｘ，ｙ）は、式（７）から求めることができる。
Ｔ_ＧＩ（ｘ，ｙ）＝１／Ｍ×Σ_{ｊ＝１：Ｍ}（Ｂ_ｊ−＜Ｂ＞）Ｉ_ｊ（ｘ，ｙ） …（７）
＜Ｂ＞は、Ｍ個の測定値Ｂ_１〜Ｂ_Ｍのアンサンブル平均である。

演算装置２１６は、式（７）にしたがって蛍光画像Ｔ_ＧＩ（ｘ，ｙ）を計算してもよいが、そのためにはサンプル数Ｍを十分に大きく（Ｍ≧Ｎ）とる必要がある。Ｎは蛍光画像の画素数である。ｘ＝１，２，・・・ｘ_ＭＡＸ，ｙ＝１，２，・・・ｙ_ＭＡＸとしたとき、Ｎ＝ｘ_ＭＡＸ×ｙ_ＭＡＸとなる。たとえば ｘ_ＭＡＸ＝ｙ_ＭＡＸ＝３００、すなわちＮ＝９００００画素とし、空間光変調器２８の速度を１２０Ｈｚとすると、トータルの測定時間は７５０秒となり、いくつかの用途では長すぎる。

そこで演算装置２１６は、以下で説明する圧縮ゴーストイメージングのアルゴリズムを用いて、蛍光画像Ｔ_ＧＩ（ｘ，ｙ）を計算してもよい。

圧縮ゴーストイメージングでは、自然界の画像がスパース（まばら）であるという特徴（傾向）に着目し、蛍光画像Ｔ_ＧＩにある種の拘束条件を課した上で、少ないサンプル数Ｍ（＜Ｎ）で蛍光画像Ｔ_ＧＩを再生する。

図９（ａ）〜（ｄ）は、圧縮ゴーストイメージングを説明する図である。演算の簡略化のため、画素の番号ｊを、ｊ＝ｘ＋ｘ_ＭＡＸ×（ｙ−１）で定義する。ｊ＝１，２，…Ｎである。図９では説明の簡潔化のため、ｘ_ＭＡＸ＝ｙ_ＭＡＸ＝３、Ｍ＝２として示す。図９（ａ）は、蛍光の実画像Ｔを示し、図９（ｂ）および（ｃ）は、異なる時刻ｔ_１、ｔ_Ｍにおける試料面１２における励起光の強度分布Ｉ_１、Ｉ_Ｍを示し、図９（ｄ）は、ゴーストイメージングにより再生される蛍光画像Ｔ_ＧＩを示す。各画像は、いずれもＮ（９画素）を含む。圧縮ゴーストイメージングは、少ないサンプル数Ｍで、実画像Ｔに近い蛍光画像Ｔ_ＧＩを求めるアルゴリズムと把握される。

各画像を、Ｎ個の要素を含む一次元のベクトル（列ベクトル）として表す。ある蛍光画像Ｔ_ＧＩを仮定したときに、時刻ｔにおいて得られるバケット光ｄ_ｔは、式（８）で表される。

実画像に対応するバケット光は、Ｂとして測定されている。したがって、ｄ_ｔとＢ_ｔの誤差が最小（ゼロ）となるとき、再生画像Ｔ_ＧＩと実画像Ｔが一致するといえる。よって圧縮ゴーストイメージングでは、式（９）の誤差を最小とするＴ_ＧＩが求めるべき解である。
Σ_{ｔ＝１：Ｍ}（ｄ_ｔ−Ｂ_ｔ）^２ …（９）

圧縮ゴーストイメージングでは、変換演算子Ψが導入される。Ψは、行列をスパースにする演算子であり、たとえば離散コサイン変換（ＤＣＴ）であってもよい。上述したように自然界の画像がまばらであるという特性は、式（１０）で表されるような、演算子Ψにより変換された行列の１次ノルムが小さいことに対応する。｜｜_Ｌ１は１次ノルムを表す。
|Ψ｛Ｔ_ＧＩ｝|_Ｌ１ …（１０）

ある重み付け係数αを用いて、式（１１）の誤差量を定義し、その値が最小となるような画像Ｔ_ＧＩを求めると、それは実画像Ｔに近い画像となる。
Σ_{ｔ＝１：Ｍ}（ｄ_ｔ−Ｂ_ｔ）^２＋α|Ψ｛Ｔ_ＧＩ｝|_Ｌ１ …（１１）

図１０（ａ）〜（ｅ）は、圧縮ゴーストイメージングの計算過程を示す図である。Ｍ＝５１２、ｘ_ＭＡＸ＝６４、ｙ_ＭＡＸ＝３２である。図１０（ａ）には、求めるべき実画像Ｔが示される。図１０（ｂ）は、ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３における試料面１２における励起光の強度分布Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３を示す。図１０（ｃ）は、最適化前（初期状態）の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}と、最適化後（最終状態）の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＦＩＮＡＬ}が示される。図１０（ｄ）は、最適化前（初期状態）の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}にもとづくバケット光ｄ_{ｔ＿ＩＮＩＴ}、最適化後の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＦＩＮＡＬ}にもとづくバケット光ｄ_{ｔ＿ＦＩＮＡＬ}および実画像Ｔから得られるバケット光Ｂ_ｔを示す。図１０（ｅ）は、最適化前（初期状態）の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}をＤＣＴした画像Ψ（Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}）、最適化後の画像Ｔ_{ＧＩ＿ＦＩＮＡＬ}をＤＣＴした画像Ψ（Ｔ_{ＧＩ＿ＦＩＮＡＬ}）および実画像ＴをＤＣＴした画像Ψ（Ｔ）を示す。

はじめにＴ_ＧＩの初期値Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}をランダムに生成する。図１０（ｅ）に示すように、これをＤＣＴ変換した画像Ψ（Ｔ_ＧＩ）は、濃度が濃く、したがってスパースではない。一方、実画像ＴをＤＣＴ変換した画像Ψ（Ｔ）は色が薄く、したがってスパースである。

また図１０（ｄ）に示すように、初期画像Ｔ_{ＧＩ＿ＩＮＩＴ}から得られるｄ_ｔの波形は、実画像から得られるバケット光Ｂ_ｔの波形から乖離している。式（１１）の誤差を最小化するように画像Ｔ_ＧＩを修正していくことは、Ψ（Ｔ_ＧＩ）をスパースにするとともに、バケット光の計算値ｄ_ｔを実画像に対応するバケット光Ｂ_ｔに近づけることを意味する。この修正を繰り返すことにより、最適化後の画像Ｔ_ＧＩは、実画像Ｔ_ｊを復元したものとなる。

以上が蛍光観察装置１００ａの動作である。続いてその利点を説明する。

第１の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ａでは、受光部３０に入射導波路グレーティング４０を用いることとした。入射導波路グレーティング４０は、光の空間的な情報を失うかわりに、空間的に積算した値を得ることができ、きわめて薄型で構成される。ここでゴーストイメージング手法におけるバケット光の測定では、空間的な情報は不要であり、空間的な積算値のみが必要である。このことから、ゴーストイメージングにおけるバケットディテクタとして入射導波路グレーティング４０は非常に適していると言える。第１の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ａでは、入射導波路グレーティング４０を採用することにより、レンズやミラーなどの結像光学系、あるいはプリズムなどを用いる構成に比べて、受光部３０を薄型化でき、ひいては蛍光観察装置１００ａを薄型化（低背化）することができる。

蛍光観察装置１００ａでは、平面光源２２の第２光学部材２４にも導波路グレーティングを用いることとした。これにより、励起光源２３の厚みにかかわらず、照明装置２０の高さ方向の厚みを減らすことができ、蛍光観察装置１００ａをさらに薄型化することができる。

（第２の実施の形態）
図１１は、第２の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ｂを備える蛍光観察システム２００ｂを示す図である。すでに説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。図１１の蛍光観察装置１００ｂでは、図２と比べて、照明装置２０、試料ホルダ１０、受光部３０の順序が変更されている。すなわち受光部３０の第１光学部材３２は、試料ホルダ１０と照明装置２０の間に挿入されている。第１光学部材３２は、励起光Ｌ１_⊥を透過させるよう構成される。試料２０２は、第１光学部材３２を透過した励起光Ｌ１_⊥によって下側から照射される。第１光学部材３２は、試料２０２から下方向（Ｚ軸方向）に発される蛍光Ｌ２_⊥を受光する。

第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。別の実施の形態において図２の構成を天地反転してもよいし、図１１の天地を反転してもよい。また平面光源２２として、ＶＣＳＥＬなどの面発光レーザを用いてもよい。

（第３の実施の形態）
図１２（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ｃを備える蛍光観察システム２００ｃを示す図である。蛍光観察装置１００ｃは、平面光源２２および空間光変調器２８の組み合わせに代えて、照明装置２０ｃを備える。この照明装置２０ｃは、試料面１２と平行な出射面を有し、それぞれが独立に変調された励起光Ｉ_１〜Ｉ_Ｎを出射可能な発光素子のアレイで構成される。図１２（ｂ）に示すように照明装置２０ｃは、複数の画素ＰＩＸ_１〜ＰＩＸ_Ｎを含み（ここではＮ＝９として簡略化している）、画素毎ごとに、出射光の振幅あるいは位相を独立に制御可能となっている。各画素の発光素子はＶＣＳＥＬを含んでもよい。各画素ＰＩＸには、位相変調器（あるいは周波数変調器）ＭＯＤが形成される。

たとえば画素に対応するＶＣＳＥＬの出射口に光学結晶を配置し、各光学結晶にマトリックススイッチでそれぞれ異なる制御電圧Ｖ_ＣＮＴを与えて、各ＶＣＳＥＬからの光を位相変調してもよい。あるいは、各ＶＣＳＥＬの発振周波数（波長）を、制御電圧Ｖ_ＣＮＴに応じてＶＣＳＥＬごとに独立に制御してもよい。これはＶＣＳＥＬを位相変調したことと等価であり、試料面１２の平面強度分布を制御できる。なおＶＣＳＥＬの波長を電気的に制御する方法は公知技術を用いればよく、特に限定されない。

コントローラ２０４ｃのＶＣＳＥＬドライバ２１８は、ＶＣＳＥＬの各セルに、変調パターンにもとづく制御電圧Ｖ_ＣＮＴを供給する。各画素の変調器ＭＯＤに制御電圧Ｖ_ＣＮＴを与える方式は特に限定されないが、マトリクス型ディスプレイのように走査線Ｌ_Ｓとデータ線Ｌ_Ｄの組み合わせで駆動してもよい。

第３の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に照明装置２０が薄型化されるため、蛍光観察装置１００ｃの厚みを減らすことができる。

（第４の実施の形態）
図１３（ａ）、（ｂ）は、第４の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ｄを示す図である。図１３（ａ）に示すように、蛍光観察装置１００ｄの基本構成は図２の蛍光観察装置１００ａと同様であるが、第１光学部材３２として、入射導波路グレーティング４０ではなく、導光板８０が用いられる。導光板８０は、液晶のバックライトなどにおいて、ある局所的な光を平面に拡散させ均一に発光させるために使用されるが、この実施の形態では反対に、ある面に広がる光を局所的な領域に集中させるために使用される。

図１３（ｂ）には、導光板８０の断面図および平面図が示される。導光板８０は、Ｙ軸方向に隣接して設けられた第１部分８０Ａと第２部分８０Ｂを含む。第１部分８０Ａは、試料２０２からの蛍光Ｌ２_⊥を受け、第２部分８０Ｂに向かってＹ軸方向に導波させる。第２部分８０Ｂは、第１部分８０ＡからＹ軸方向に伝搬する蛍光Ｌ２_||を受け、Ｘ軸方向に伝搬させて、光検出器３４に入射させる。なお導光板８０はそのままでは波長選択性を有さず、したがって蛍光Ｌ２のみでなく、励起光Ｌ１も光検出器３４に入射しうる。そこで導光板８０の第１部分８０Ａの背面には、蛍光Ｌ２を選択的に反射し、励起光Ｌ１に対して透明な反射層８２が形成される。反射層８２は、誘電体多層膜で形成することができる。あるいは別のアプローチとして、導光板８０には波長選択性をもたせずに、光検出器３４の受光面３５と導光板８０の間に、励起光カット用のフィルタを挿入してもよい。

第４の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、受光部３０を薄型化でき、蛍光観察装置１００ｄの厚みを減らすことができる。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、蛍光画像に加えて、ホログラフィック画像を取得可能な蛍光観察システム２００ｅを説明する。図１４は、第５の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ｅを備える蛍光観察システム２００ｅを示す図である。蛍光観察装置１００ｅは、図２の蛍光観察装置１００ａに加えて、ホログラフィック画像の生成のための撮像素子９０および蛍光カットフィルタ９２をさらに備える。

撮像素子９０は、試料ホルダ１０および第１光学部材３２を挟んで照明装置２０と反対側に設けられる。撮像素子９０は、試料２０２により変調された光Ｌ３の二次元強度分布を測定する。撮像素子９０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いることができる。第１光学部材３２は試料２０２により変調された光Ｌ３を透過させる。なお撮像素子９０に蛍光Ｌ２が入射するとホログラフィック画像の画質が低下する。そこで受光部３０の裏面から蛍光Ｌ２が漏れる場合には、蛍光カットフィルタ９２を挿入することが望ましい。

本実施の形態では、試料２０２により変調された光Ｌ３は、励起光Ｌ１_⊥が試料２０２を透過した光である。上述のように第１光学部材３２は、励起波長λ_１に対して透明とみなすことができるため、変調された光Ｌ３は撮像素子９０に低損失で入射する。試料２０２が振幅物体である場合、光Ｌ３は、励起光Ｌ１_⊥を空間的に振幅変調した光となり、撮像素子９０で撮像した画像は、物体の形状を表す。試料２０２が位相物体である場合、光Ｌ３は、励起光Ｌ１_⊥を空間的に位相変調した光となり、撮像素子９０で撮像した画像から、試料２０２の位相情報を演算により求めることとなる。

以下では、試料２０２が位相物体であるものとして説明を進める。撮像素子９０の出力Ｓ４は二次元の画像データＩ（ｘ，ｙ）であり、試料２０２のホログラフィック画像Ｓ５の生成に使用される。具体的にはコントローラ２０４の演算装置２１６は、公知のあるいは将来利用可能なアルゴリズムを用いて、撮像素子９０の出力Ｓ４にもとづいてホログラフィック画像Ｓ５を生成する。表示装置２０６はホログラフィック画像Ｓ５の表示にも使用される。

以上が蛍光観察装置１００ｅの構成である。続いてその動作を説明する。ホログラフィック画像Ｓ５を測定するモードでは、励起光Ｌ１_⊥の位相は均一にセットされる。たとえば全画素の位相はゼロとなる。この状態において、試料面１２に入射する励起光Ｌ１_⊥は平面波とみなすことができる。

試料２０２として細胞のような位相物体を考える。位相物体は透過率が１であり、位相のみが座標に応じて変化する。試料２０２の位相分布をφ（ｘ’，ｙ’）とすると、試料２０２を通過した直後の光線（つまり位相変調された光Ｌ３）の複素振幅は、式（４）で与えられる。また試料２０２と撮像素子９０との距離をｚとすると、撮像素子９０上での位相分布は、式（５）で与えられる。撮像素子９０が検出する値Ｉ（ｘ，ｙ）は、式（６）で与えられる。

演算装置２１６は たとえば位相回復法により、Ｉ（ｘ，ｙ）から元の位相情報φ（ｘ’，ｙ’）を再生する。図１５は、位相回復法のアルゴリズムを示すフローチャートである。はじめに位相分布φの予測値であるｐ（ｘ，ｙ）に乱数をセットする（Ｓ１００）。１回目の処理では（Ｓ１０２のＹ）、光の振幅√Ｉ（ｘ，ｙ）および位相情報ｐ（ｘ，ｙ）から、撮像素子９０上の光の複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）を計算する。続いて、計算された複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）を、逆方向に距離ｚ伝搬させ、試料面１２における複素振幅ｇ（ｘ’，ｙ’）を計算する（Ｓ１０６）。

位相物体では、試料面１２における振幅は均一であるから、ｇ（ｘ’，ｙ’）の振幅情報を消去し、振幅を正規化する（Ｓ１０８）。

こうして得られた試料面１２上の複素振幅ｇ（ｘ’，ｙ’）を距離ｚ伝搬させ、撮像素子９０上の複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）を求める（Ｓ１１０）。そしてステップＳ１０２に戻り、２回目以降（Ｓ１０２のＮ）は、光の振幅√Ｉ（ｘ，ｙ）および直前のステップＳ１１０において得られた複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）の位相成分から、撮像素子９０上の光の新たな複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）を計算する（Ｓ１１２）。続いて、計算された複素振幅ｆ（ｘ，ｙ）を、逆方向に距離ｚ伝搬させ、試料面１２における複素振幅ｇ（ｘ’，ｙ’）を計算する（Ｓ１０６）。以降、同様の処理が繰り返される。

この処理を繰り返すと、ｇ（ｘ’，ｙ’）は、試料２０２の位相情報φに近づいていく。そして計算が収束すると、ａｒｇ（ｇ（ｘ’，ｙ’））を計算することで、目的とする位相分布φ（ｘ’，ｙ’）すなわちホログラフィック画像を生成することを特徴とするができる。

試料として細胞を用いる場合に、細胞内に発現させた蛍光タンパク質を蛍光画像として観察することがしばしば行われる。図１６（ａ）には細胞の蛍光画像の一例が示されているが、蛍光画像からは、細胞がどのような形状を有しており、また、どの部分で蛍光が光っているのかを知ることができない。一方、ホログラフィック画像として位相情報を取得することで、細胞の形状を知ることができる。第５の実施の形態で説明するように、ホログラフィック画像と、ゴーストイメージングによる蛍光画像を取得し、それらを重ね合わせることで、細胞のどの部分が光っているかを知ることができる。図１６（ｂ）は、撮像素子９０の画像Ｉ（ｘ，ｙ）を示す図であり、図１６（ｃ）は、位相回復法から求めた位相情報φ（ｘ’，ｙ’）を示す図であり、図１６（ｄ）は、ゴーストイメージングによる蛍光画像と位相情報φ（ｘ’，ｙ’）を重ね合わせた図である。

この蛍光観察装置１００ｅによれば、特許文献１に記載の従来技術のように、プリズムなどの厚みのある光学系を必要としないため、装置を小型化、薄型化することができる。

また試料２０２の位相情報が反映された光として、試料２０２を通過した励起光Ｌ１を用いるため、ホログラフィック画像のための励起光源と蛍光画像のための励起光源を共有化でき、装置をさらに簡素化、小型化できる。

（第６の実施の形態）
図１７は、第６の実施の形態に係る蛍光観察装置１００ｆを示す図である。この蛍光観察装置１００ｆは、図１１の蛍光観察装置１００ｂと、図１４の蛍光観察装置１００ｅの組み合わせと把握することができる。この構成では、試料ホルダ１０の上面に、励起光Ｌ１_⊥を反射する反射層９４あるいはミラーが形成される。

照明装置２０から出射された励起光Ｌ１_⊥は位相物体である試料２０２を透過し、位相シフトを受けた後に、試料ホルダ１０の上面の反射層９４で反射し、再度試料２０２を透過して位相シフトを受けた後に、受光部３０、照明装置２０を通過して撮像素子９０に入射する。

この蛍光観察装置１００ｆによっても、図１４の蛍光観察装置１００ｅと同様の効果を得ることができる。

図１８は、蛍光観察装置１００を備えるインキュベータを示す図である。インキュベータ３００は、温度や湿度を調節する機構に加えて、ひとつまたは複数の蛍光観察装置１００が組み込まれている。コントローラ２０４は、複数の蛍光観察装置１００に対して、マルチプレクサ３０２を用いて共有化されている。図１８には、図２の蛍光観察装置１００ａを用いた構成を示すが、その他の実施の形態の蛍光観察装置１００を用いてもよい。

たとえばインキュベータ３００は、高さ方向にＫ段（図１８ではＫ＝４）のラックを備える。ラックの一段には、ひとつまたは複数の試料ホルダ１０が収容される。またラックの一段ごとに、１個あるいは複数の蛍光観察装置１００が設けられる。

蛍光観察装置１００が小型化されることにより、インキュベータに統合することが容易となる。これは、細胞などをインキュベータ内で培養しながら観察できることを意味する。細胞をインキュベータから取り出すことは、温度変化、湿度変化を細胞にもたらすこととなり好ましくない。また細胞を取り出すことにより、紛失や落下などのリスクが高まることとなる。図１８のインキュベータ３００では、このような問題を解決できる。

薄型の蛍光観察装置１００を採用することにより、同じ高さのインキュベータ内に、より多くの蛍光観察装置１００を組み込むことができる。あるいはインキュベータに同じ個数の蛍光観察装置を組み込むことを考えた場合、薄型の蛍光観察装置１００を採用することで、インキュベータ３００の高さを低くすることができる。

なお蛍光観察装置１００（試料ホルダ１０以外の部分）は、試料ホルダ１０ごとに設けられてもよい。あるいは複数の試料ホルダ１０で１個の蛍光観察装置１００が共有されてもよい。この場合、観察者が手動で試料ホルダ１０または蛍光観察装置１００を移動させてもよいし、試料ホルダ１０と蛍光観察装置１００を相対的に変位させる可動ステージを設けてもよい。

また、複数の蛍光観察装置１００の間で、ひとつまたは複数の構成要素を共有してもよい。具体的には同じラック（段）に複数の蛍光観察装置１００が設けられる場合、それらの間で、照明装置２０や受光部３０を共用してもよい。あるいは複数のラックにわたり、オーバーラップして複数の蛍光観察装置１００が設けられる場合に、それらの間で照明装置２０や受光部３０を共用してもよい。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえばいくつかの実施の形態（たとえば図１、図２、図１１、図１２等を参照）では、受光部３０の受光面３１と試料面１２とが、並行となるように対向配置される構成を説明したが本発明はそれには限定されない。試料面１２に対する受光部３０の傾斜角が大きいと、受光部３０のＺ軸方向の高さが大きくなるが、傾斜角がそれほど大きくなければ、受光部３０のＺ軸方向の高さの増加はそれほど問題とはならない場合もある。したがって受光面３１と試料面１２は、完全に並行である必要はなく、実質的に平行であればよく、一例として完全な平行を０°として−２０°〜２０°の範囲に配置されてもよい。

また第１の実施の形態（図２）において、受光部３０の第１光学部材３２として、図３〜図５に示したような入射導波路グレーティング４０を用いた場合に、励起波長λ_１が結合可能な入射角（θ_ｃ１とする）が、蛍光波長λ_２が結合可能な入射角（θ_ｃ２とする）である０°に近い状況が生じうる。この場合、受光面３３（入射導波路グレーティング４０）を試料面１２に対して傾斜させることにより、励起光Ｌ１_⊥の角度をθ_Ｃ１＝０°から遠ざけ、結合を防止することができる。一方で、蛍光Ｌ２_⊥は、試料面１２に分布する点光源の集合体からの球面波とみなせ、受光面３３を傾けても、受光面３３に垂直方向（すなわちθ_Ｃ２＝０°）に入射する蛍光Ｌ２_⊥が入射導波路グレーティング４０に結合するため、受光面３３と試料面１２のなす角度はバケット光の測定に影響を及ぼさないと言える。したがって、受光部３０の受光面３１と試料面１２の傾斜角は、入射導波路グレーティング４０に対する蛍光および励起光の結合を制御するためのパラメータとして積極的に利用することも可能である。

言い換えれば、いくつかの実施の形態における蛍光観察装置１００は、試料ホルダ１０、照明装置２０、受光部３０のアライメントに関して、レンズやミラーを用いた蛍光観察装置に比べて、それほどシビアではないという利点を有する。すなわち、試料ホルダ１０と受光部３０の傾き、あるいはそれらの距離は、バケット光の測定に本質的に影響しない。また、照明装置２０と試料ホルダ１０の距離ｚは、試料面１２における励起光の平面強度分布に影響を与えるところ、実際の距離ｚが設計値からずれたとしても、式（５）の中のｚを補正することにより、容易に解消することができる。

実施の形態では、レンズフリーの蛍光観察装置１００について説明したが、本発明はその限りではなく、一部の光学部材としてレンズを用いてもよい。

２００…蛍光観察システム、２０２…試料、２０４…コントローラ、２０６…表示装置、２１０…電源、２１２…ＳＬＭドライバ、２１４…Ａ／Ｄコンバータ、２１６…演算装置、２１８…ＶＣＳＥＬドライバ、１００…蛍光観察装置、１０…試料ホルダ、１２…試料面、２０…照明装置、２１…出射面、２２…平面光源、２３…励起光源、２４…第２光学部材、２５…入射面、２６…出射面、２８…空間光変調器、３０…受光部、３１…受光面、３２…第１光学部材、３４…光検出器、Ｌ１…励起光、Ｌ２…蛍光、Ｓ１…蛍光画像、Ｓ２…検出信号、Ｓ３…パターン制御信号、４０…入射導波路グレーティング、４２…コア層、４４…上部クラッド層、４６…下部クラッド層、４８…グレーティング、５０…変換グレーティング、６０…出射導波路グレーティング、６２…コア層、６４…上部クラッド層、６６…下部クラッド層、６８…グレーティング、７０…変換グレーティング、８０…導光板、８２…反射層、９０…撮像素子、９２…蛍光カットフィルタ、３００…インキュベータ。

本発明は、蛍光観察技術に利用できる。

Claims (16)

1. 試料ホルダに保持される試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置であり、
   二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、前記パターンを時間的に変化させながら、前記試料に照射する照明装置と、
   試料面と対向する受光面を有し、前記受光面に前記試料が発する蛍光を受け、前記受光面と平行方向に導波させる板状の第１光学部材と、
   前記第１光学部材により導波された前記蛍光を受光して検出信号を出力する光検出器と、
   を備え、
   前記パターンごとに得られる、前記検出信号および前記励起光が前記試料面に形成する平面強度分布が、前記試料の蛍光画像の生成に使用される蛍光観察装置。
2. 前記第１光学部材は、前記蛍光に選択的にカップリングする導波路グレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の蛍光観察装置。
3. 前記第１光学部材は、背面に前記蛍光を選択的に反射する反射層が設けられた導光板を含むことを特徴とする請求項１に記載の蛍光観察装置。
4. 前記第１光学部材は、前記試料ホルダを挟んで前記照明装置と反対側に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蛍光観察装置。
5. 前記第１光学部材は、前記試料ホルダと前記照明装置の間に設けられ、前記励起光を透過させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蛍光観察装置。
6. 前記照明装置は、
   前記試料面と平行に励起光を出射する励起光源と、
   前記試料面と実質的に平行なスラブ型導波路を有し、その入射面に前記励起光を受け、前記励起光の導波方向と垂直方向に平面波として出射する第２光学部材と、
   前記第２光学部材の出射面と前記試料ホルダの間に挿入され、前記平面波である前記励起光を、空間的に変調する空間光変調器と、
   を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蛍光観察装置。
7. 前記第２光学部材は、導波路グレーティングを含むことを特徴とする請求項６に記載の蛍光観察装置。
8. 前記照明装置は、
   前記試料面と平行な出射面を有し、それぞれが独立に変調された励起光を出射可能な発光素子のアレイを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蛍光観察装置。
9. 前記発光素子はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を含むことを特徴とする請求項８に記載の蛍光観察装置。
10. 前記励起光が前記試料面に形成する平面強度分布は、前記空間光変調器に与えたパターンにもとづき計算により求められることを特徴とする請求項６に記載の蛍光観察装置。
11. 前記試料ホルダおよび前記第１光学部材を挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、前記試料により変調された光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備え、
    前記第１光学部材は前記試料により変調された光を透過させ、
    前記撮像素子の出力が、前記試料のホログラフィック画像の生成に使用されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の蛍光観察装置。
12. 前記試料により変調された光は、前記試料を通過した前記励起光であることを特徴とする請求項１１に記載の蛍光観察装置。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の蛍光観察装置と、
    前記蛍光観察装置の外部に設けられた演算装置と、を備え、
    前記演算装置は、前記蛍光観察装置から出力された、前記検出信号及び前記平面強度分布を用いて、前記試料の蛍光画像を生成することを特徴とする蛍光観察システム。
14. 請求項１から１２のいずれかに記載の蛍光観察装置と、
    前記蛍光観察装置の内部に設けられた演算装置と、を備え、
    前記演算装置は、前記検出信号及び前記平面強度分布を用いて、前記試料の蛍光画像を生成することを特徴とする蛍光観察システム。
15. 試料の蛍光画像を測定する蛍光観察装置であり、
    前記試料を試料面にて保持する試料ホルダと、
    二次元のパターンに従って空間的に変調された励起光を、前記パターンを時間的に変化させながら前記試料に照射する照明装置と、
    前記試料が発する蛍光を受光する受光部と、
    を備え、
    前記照明装置、前記試料ホルダ、前記受光部は、前記照明装置の出射面、前記試料面、前記受光部の受光面が平行でかつオーバーラップするように配置され、
    前記受光部は前記試料ホルダを挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、かつ前記励起光に対して透明であり、
    前記蛍光観察装置は、
    前記試料ホルダおよび前記受光部を挟んで前記照明装置と反対側に設けられ、前記試料により変調された前記励起光の二次元強度分布を測定する撮像素子をさらに備えることを特徴とする蛍光観察装置。
16. 請求項１から１２、１５のいずれかに記載の蛍光観察装置が複数個、組み込まれることを特徴とするインキュベータ。