JP6780665B2 - 対物光学系及び光音響イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、対物光学系及び光音響イメージング装置に関する。

近年、色素や標識等を使用することなく、生体の組織、器官、細胞等の試料を２次元画像又は３次元画像に画像化することができる光音響イメージングが注目されている。この光音響イメージングは、光音響効果（光エネルギーが試料に吸収されることによって生ずる熱弾性膨張に起因して音響波が発生する現象）を利用し、試料に短パルスレーザを照射したときに、試料から得られる音響波に基づいて試料を画像化する技術である。ここで、試料で発生する音響波は、試料内での減衰が少ないことから、光音響イメージングでは、試料の深部の画像化も可能である。

以下の特許文献１〜３及び非特許文献１〜３には、従来の光音響イメージング装置の一例が開示されている。例えば、以下の特許文献１に開示された光音響イメージング装置は、共焦点光音響顕微鏡システムを利用したものであり、光パルスを発生するレーザ、光パルスを対象物の内部の領域に集束させる集束アセンブリ、対象物から発せられた音波を受信する超音波トランスデューサ、及び音波を処理して対象物の内部の領域の画像を生成する電子システムを備える。ここで、上記の集束アセンブリは、対物レンズよりも物体側に配置された分離部材（２つのプリズムの間にシリコンオイル層が設けられた部材）を備えており、この分離部材によって光パルスと音響信号とを分離するようにしている。

特開２０１５−６２６７８号公報 特開２０１６−２０２６３１号公報 国際公開第２０１６／０９４４３４号

Hui Wang et al.，"Reflection-mode optical-resolution photoacoustic microscopy based on a reflective objective"，Optics Express Vol.21，No.20，p.24210-24218 Junjie Yao et al.，"Sensitivity of photoacoustic microscopy"，Photoacoustics Volume 2，Issue 2，June 2014，p.87-101 Rui Cao et al.，"Multispectral photoacoustic microscopy based on an optical-acoustic objective"，Photoacoustics Volume 3，Issue 2，June 2015，p.55-59

ところで、上述した特許文献１に開示された光音響イメージング装置は、対物レンズよりも物体側に配置された分離部材によって光パルスと音響信号とを分離していることから、対物レンズと試料との間の距離が必然的に長くなる。また、上述した特許文献１に開示された光音響イメージング装置では、試料で発生した音響波が、検出器（超音波トランスデューサ）に導かれるまでに、種々の部材（例えば、分離部材を構成するプリズムや音響レンズ等）を通過することになる。

このため、上述した特許文献１に開示された光音響イメージング装置では、試料で発生した音響波が検出器で検出されるまでに減衰し、検出器で検出される音響波の信号強度が低下してしまう虞が考えられる。また、上述した特許文献１に開示された光音響イメージング装置の構成では、収差が発生する虞も考えられる。このような音響波の減衰や収差があると、例えば試料の画像が不鮮明になってしまう虞が考えられる。

また、光音響イメージング装置において、分解能を向上させるためには、例えば開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）の大きな対物レンズを用いる必要がある。しかしながら、開口数の大きな対物レンズは作動距離が短いため、上述した特許文献１に開示された光音響イメージング装置のように、対物レンズよりも物体側に分離部材を備える構成では使用することが困難であり、分解能の向上を実現することが難しいという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも鮮明な試料の画像を得ることが可能な対物光学系及び光音響イメージング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の対物光学系（２３、２３Ａ〜２３Ｄ、５３、５３Ａ）は、試料（ＳＰ）に向けて進む光を反射する凸面の反射面を有する第１ミラー（１０１）と、前記第１ミラーで反射された光を反射して前記試料に照射する凹面の反射面を有する第２ミラー（１０２）と、少なくとも一端部が前記第１ミラーの物体側に設けられ、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する検出器（１０３）と、を備える。
また、本発明の対物光学系は、前記第２ミラーの中心部には、前記試料に向けて進む光が通過する孔部（Ｈ）が形成されており、前記第１ミラー、前記第２ミラー、及び前記検出器が、前記試料に向けて進む光の光軸（ＡＸ）上に、前記第２ミラー、前記第１ミラー、前記検出器の一端部の順で配置されている。
また、本発明の対物光学系は、前記検出器が、棒状であり、前記第１ミラーの中心部には、前記検出器が介挿される孔部（ｈ）が形成されている。
また、本発明の対物光学系は、前記検出器が、前記試料に照射される光を遮らないように、前記試料に照射される光の光路外に配置されている。
また、本発明の対物光学系は、前記検出器が、前記試料に光を照射して得られる音響波を集める音響レンズ（１０３Ａ）を備える。
また、本発明の対物光学系は、前記第１ミラー及び前記第２ミラーよりも物体側に設けられ、液体との境界面をなすとともに、液体の前記第１ミラー及び前記第２ミラーへの浸入を防止する透明なカバー部材（１０５）を備える。
また、本発明の対物光学系は、前記カバー部材の物体側に前記検出器が固定され、前記カバー部材の物体側とは反対側に前記第１ミラーが設けられている。
また、本発明の対物光学系は、前記カバー部材の光の入射面（１０５ａ）及び射出面（１０５ｂ）の少なくとも一方が、概ね球面に形成されており、前記球面の曲率中心が、前記第１ミラー及び前記第２ミラーによって形成される反射光学系の焦点位置（Ｐ）と概ね等しい。
また、本発明の対物光学系は、前記第２ミラーで反射された光の前記試料又は前記試料の容器（ＣＴ１）に至るまでの光路は、液体で満たされている。
また、本発明の対物光学系は、中央部に前記第１ミラーが形成され、周辺部に透過部（ＴＳ）が設けられた第１面（２００ａ）と、中央部に前記試料に向けて進む光が入射され、周辺部に前記第２ミラーが形成された第２面（２００ｂ）と、を有する光学部材（２００）を備え、前記検出器が、前記光学部材の物体側における中央部に固定される。
また、本発明の対物光学系は、前記透過部が、概ね球面に形成されており、前記球面の曲率中心が、前記第１ミラー及び前記第２ミラーによって形成される反射光学系の焦点位置（Ｐ）と概ね等しい。
また、本発明の対物光学系は、少なくとも前記第２ミラーを内部に支持する鏡筒（１００）と、一端部が前記鏡筒の物体側の周囲を取り囲むように設けられて、内部に液体（ＷＴ、ＣＦ）を保持可能な筒状の液体保持部材（１０６、１１０）と、を備える。
また、本発明の対物光学系は、前記液体保持部材の内部に液体を導く導液管（１１１、１２１、２０１）を備える。
また、本発明の対物光学系は、前記液体保持部材の他端部には、前記試料の容器（ＣＴ１）の底部が近接配置され、前記液体保持部材と前記容器の底部との間は、前記液体保持部材の内部に保持された液体（ＷＴ）によって満たされた状態にされる。
また、本発明の対物光学系は、前記液体保持部材が、一端部から他端部に向けて径が小さくなる筒状の部材である。
本発明の光音響イメージング装置は、試料（ＳＰ）に光を照射して得られる音響波に基づいて前記試料の画像を生成する光音響イメージング装置（１、２）において、前記試料に光を照射するとともに、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する上記の何れかに記載の対物光学系（２３、２３Ａ〜２３Ｄ、５３、５３Ａ）を備える。
また、本発明の光音響イメージング装置は、前記試料に照射される光を走査する走査光学ユニット（１３）を備えており、前記対物光学系の瞳位置が、前記走査光学ユニットの内部又はその近傍と光学的に共役にされている。
また、本発明の光音響イメージング装置は、前記対物光学系の瞳位置が、前記第１ミラーの位置である。
また、本発明の光音響イメージング装置は、前記対物光学系に入射する光を、断面形状がリング状の光に変換する光学系（１９）を備える。
また、本発明の光音響イメージング装置は、前記光学系が、互いの頂角が対向するように配置された２つのアキシコンレンズ（１９ａ、１９ｂ）を用いて構成されている。
また、本発明の光音響イメージング装置は、前記試料に光を照射して得られる蛍光を検出する光検出器（１８）と、前記音響波の検出結果に基づいて光音響画像を生成し、前記光検出器の検出結果に基づいて蛍光画像を生成する画像生成部（３０）と、を更に備える。

本発明によれば、試料に向けて進む光を反射する凸面の反射面を有する第１ミラーと、第１ミラーで反射された光を反射して試料に照射する凹面の反射面を有する第２ミラーと、少なくとも一端部が第１ミラーの物体側に設けられ、試料に光を照射して得られる音響波を検出する検出器と、を備える対物光学系を用いることにより、従来よりも対物光学系を試料に近接配置することができることから、従来よりも鮮明な試料の画像（試料から得られる音響波に基づいた画像）を得ることが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による光音響イメージング装置の要部構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるミラー保持部材を示す底面図である。 本発明の第１実施形態における超音波検出器の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光音響イメージング装置に設けられる光学系の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による対物光学系の変形例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による光音響イメージング装置の要部構成を示す図である。 本発明の第３実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態におけるパルス光の集光点付近の拡大図である。 本発明の第４実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第６実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。 本発明の第７実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による対物光学系及び光音響イメージング装置について詳細に説明する。尚、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、必要に応じて各部材の寸法を適宜変えて図示している。また、以下では、図中に設定したＸＹＺ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。このＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が水平面内に設定され、Ｚ軸が鉛直方向に設定されたものである。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は固定せずに、図毎にその位置を適宜変更するものとする。

〔第１実施形態〕
〈光音響イメージング装置〉
図１は、本発明の第１実施形態による光音響イメージング装置の要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の光音響イメージング装置１は、共焦点ユニット１０、倒立型顕微鏡２０、及びコントローラ３０（画像生成部）を備えており、試料容器ＣＴ１に格納された試料ＳＰにパルス状のレーザ光（以下、パルス光という）を照射して得られる音響波、或いは蛍光に基づいて試料ＳＰの画像を生成する。尚、以下では、試料ＳＰから得られる音響波に基づいた画像を「光音響画像」といい、試料ＳＰから得られる蛍光に基づいた画像を「蛍光画像」という。

共焦点ユニット１０は、共焦点顕微鏡の主要部をなすユニットである。この共焦点ユニット１０に倒立型顕微鏡２０が取り付けられることで、共焦点顕微鏡が実現される。尚、倒立型顕微鏡２０のみが共焦点ユニット１０に取り付け可能という訳ではなく、他の顕微鏡（例えば、正立型顕微鏡）も取り付け可能である。つまり、共焦点ユニット１０は、共焦点顕微鏡の用途に応じて任意の顕微鏡が取り付け可能である。

共焦点ユニット１０は、レーザ光源１１、ダイクロイックミラー１２、走査光学ユニット１３、瞳投影レンズ１４、蛍光フィルタ１５、レンズ１６、ピンホール１７、及び光検出器１８を備える。レーザ光源１１は、コントローラ３０の制御の下で、試料容器ＣＴ１に格納された試料ＳＰに照射するパルス光を射出する。レーザ光源１１から射出されるパルス光の波長は、試料ＳＰに応じて任意の波長とすることができる。また、レーザ光源１１は、連続的又は離散的に波長を変化させることができるものであっても良い。

ダイクロイックミラー１２は、レーザ光源１１から射出されるパルス光の波長の光を反射し、試料ＳＰから得られる蛍光の波長の光を透過する特性を有するミラーである。このダイクロイックミラー１２は、レーザ光源１１の−Ｚ側に配置されており、レーザ光源１１から−Ｚ方向に射出されるパルス光を＋Ｘ方向に反射し、走査光学ユニット１３から射出されて−Ｘ方向に進む蛍光を透過させる。

走査光学ユニット１３は、コントローラ３０の制御の下で、試料ＳＰに照射されるパルス光を、その光軸ＡＸに直交する面内で走査するユニットである。具体的に、走査光学ユニット１３は、ダイクロイックミラー１２で＋Ｘ方向に反射されたパルス光を−Ｚ方向に反射する可変ミラー１３ａと、可変ミラー１３ａで−Ｚ方向に反射されたパルス光を＋Ｘ方向に向けて反射する可変ミラー１３ｂとを備える。これら可変ミラー１３ａ，１３ｂは、互いに直交する軸の周りで回動可能に構成されている。例えば、可変ミラー１３ａは、Ｙ軸に平行な軸の周りで回動可能に構成されており、可変ミラー１３ｂは、ＺＸ面内に含まれて可変ミラー１３ｂの反射面に沿う軸の周りで回動可能に構成されている。これら可変ミラー１３ａ，１３ｂの回動は、コントローラ３０によって制御される。

瞳投影レンズ１４は、走査光学ユニット１３に設けられた可変ミラー１３ｂの＋Ｘ側に配置されており、可変ミラー１３ｂで＋Ｘ方向に反射されたパルス光を集光するとともに、倒立型顕微鏡２０から−Ｘ方向に射出される蛍光を平行光に変換する。尚、図１に示す例では、パルス光は、瞳投影レンズ１４によって共焦点ユニット１０内に集光されており、共焦点ユニット１０からは発散するパルス光が射出される。尚、共焦点ユニット１０から射出されるパルス光（発散するパルス光）が倒立型顕微鏡２０に入射される。

蛍光フィルタ１５は、ダイクロイックミラー１２の−Ｘ側に配置され、試料ＳＰから得られる蛍光を選択的に透過させる。レンズ１６は、蛍光フィルタ１５を透過した蛍光を集光する。ピンホール１７は、レンズ１６の焦点位置（−Ｘ側の焦点位置）に配置されている。光検出器１８は、ピンホール１７の−Ｘ側に配置されており、ピンホール１７を通過した光を検出する。尚、光検出器１８の検出信号は、コントローラ３０に出力される。

倒立型顕微鏡２０は、結像レンズ２１、ミラー２２、及び対物光学系２３を備えており、試料容器ＣＴ１に格納された試料ＳＰを、下側（−Ｚ側）から観察するものである。結像レンズ２１は、共焦点ユニット１０から射出されて倒立型顕微鏡２０に入射するパルス光を平行光に変換するとともに、ミラー２２で反射されて−Ｘ方向に進む蛍光を結像させるレンズである。ミラー２２は、結像レンズ２１の＋Ｘ方向に配置されており、結像レンズ２１を介して＋Ｘ方向に進むパルス光を＋Ｚ方向に反射させるとともに、対物光学系２３を介して−Ｚ方向に進む蛍光を−Ｘ方向に反射させる。

対物光学系２３は、ミラー２２の＋Ｚ側に配置されており、ミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されたパルス光を集光して試料ＳＰに照射するとともに、試料ＳＰから得られる蛍光を平行光に変換する。また、対物光学系２３は、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波を検出する。対物光学系２３の検出信号は、コントローラ３０に出力される。この対物光学系２３は、コントローラ３０の制御の下で、Ｚ方向に移動可能に構成されている。尚、対物光学系２３の詳細は後述する。

コントローラ３０は、光音響イメージング装置１の動作を統括して制御する。例えば、共焦点ユニット１０に設けられたレーザ光源１１を制御して、試料ＳＰに照射するパルス光を射出させ或いは停止させる。また、共焦点ユニット１０に設けられた走査光学ユニット１３及び倒立型顕微鏡２０に設けられた対物光学系２３を制御して、試料ＳＰに対するパルス光の走査（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の走査）を行う。また、コントローラ３０は、共焦点ユニット１０に設けられた光検出器１８から出力される検出信号の信号処理を行って蛍光画像を生成して表示モニタ３１に表示させ、対物光学系２３から出力される検出信号の信号処理を行って光音響画像を生成して表示モニタ３１に表示させる。尚、表示モニタ３１は、例えば液晶表示装置等を備えるモニタである。

〈対物光学系〉
図２は、本発明の第１実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。図２に示す通り、本実施形態の対物光学系２３は、鏡筒１００、凸面ミラー１０１（第１ミラー）、凹面ミラー１０２（第２ミラー）、超音波検出器１０３（検出器）、ミラー保持部材１０４、ガラスカバー１０５（カバー部材）、及び水受け部材１０６（液体保持部材）を備える。鏡筒１００は、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２をその内部に保持する円環状の部材である。尚、鏡筒１００の形状は、円環状に制限されることはなく、他の形状（例えば、四角環状等）であっても良い。

凸面ミラー１０１は、試料ＳＰに向けて進むパルス光の光軸ＡＸ上に配置されており、試料ＳＰに向けて進むパルス光を反射する凸面の反射面を有するミラーである。具体的に、凸面ミラー１０１は、ミラー保持部材１０４によって、鏡筒１００の一端側（＋Ｚ側）において、その中央部が光軸ＡＸ上に配置されるように保持される。尚、凸面ミラー１０１の位置は、対物光学系２３の瞳位置となる。凸面ミラー１０１は、倒立型顕微鏡２０に設けられた結像レンズ２１及び共焦点ユニット１０に設けられた瞳投影レンズ１４等によって、走査光学ユニット１３の内部又はその近傍と光学的に共役にされる。

図３は、本発明の第１実施形態におけるミラー保持部材を示す底面図である。図３に示す通り、ミラー保持部材１０４は、同心とされた径が異なる２つの円環部１０４ａ，１０４ｂを有し、これら円環部１０４ａ，１０４ｂが放射状に延びる複数（図３に示す例では４つ）の連結部材１０４ｃで連結された構成である。円環部１０４ａは、鏡筒１００の内径と同程度の外径を有しており、鏡筒１００の内壁に固定される部位である。円環部１０４ｂは、凸面ミラー１０１の外径と同程度の内径を有しており、その内部に凸面ミラー１０１が固定される部位である。これら円環部１０４ａと円環部１０４ｂとが連結部材１０４ｃで連結されているため、凸面ミラー１０１は、鏡筒１００の内部に支持される。尚、円環部１０４ａと円環部１０４ｂとの間（連結部材１０４ｃを除く）は、パルス光（凹面ミラー１０２で反射されたパルス光）が通過する通過部ＰＳとされている。

凹面ミラー１０２は、凸面ミラー１０１で反射されたパルス光を反射して、試料ＳＰに照射する凹面の反射面を有するミラーである。凹面ミラー１０２の反射面は、反射したパルス光が、試料ＳＰに集光するように設計されている。この凹面ミラー１０２は、鏡筒１００の内径と同程度の外径を有しており、その中心部には、試料ＳＰに向けて進むパルス光（ミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されたパルス光）が通過する孔部Ｈが形成されている。凹面ミラー１０２は、鏡筒１００の他端側（−Ｚ側）において、孔部Ｈが光軸ＡＸ上に配置されるように保持される。

超音波検出器１０３は、検出面が設けられた一端部を試料ＳＰ側（＋Ｚ側）に向けた状態で凸面ミラー１０１の＋Ｚ側（物体側）に設けられ、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波を検出する。具体的に、超音波検出器１０３は、ガラス製の円板状部材であるガラスカバー１０５の中央部に取り付けられており、ガラスカバー１０５が鏡筒１００の一端側（＋Ｚ側：物体側の端部）を塞ぐように鏡筒１００に取り付けられることで、凸面ミラー１０１の＋Ｚ側に配置される。このように、超音波検出器１０３は、凸面ミラー１０１の＋Ｚ側において、ガラスカバー１０５によって支持されており、試料ＳＰに照射される光を遮らないように、ＳＰ試料に照射されるパルス光の光路外に配置されている。

図４は、本発明の第１実施形態における超音波検出器の要部構成を模式的に示す断面図である。図４に示す通り、超音波検出器１０３は、音響レンズ１０３Ａ、音響整合層１０３Ｂ、圧電振動子１０３Ｃ、及びバッキング材１０３Ｄを備える。この超音波検出器１０３は、音響レンズ１０３Ａが物体側（試料ＳＰ側）に配された状態でガラスカバー１０５に結合されることで、ガラスカバー１０５に支持されている。

音響レンズ１０３Ａは、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波を集める（集音する）ものである。具体的に、音響レンズ１０３Ａは、その焦点位置がパルス光の焦点位置と一致するようにされており、パルス光の焦点位置及びその付近で発生する音響波を選択的に集める。音響整合層１０３Ｂは、音響インピーダンスの整合（マッチング）を行うための層であり、一面に音響レンズ１０３Ａが接着され、他面に圧電振動子１０３Ｃが接着されている。

圧電振動子１０３Ｃは、音響レンズ１０３Ａ及び音響整合層１０３Ｂを介した音響波を検出して検出信号を出力する素子である。この圧電振動子１０３Ｃの両面には不図示の電極が設けられており、各々の電極には配線１０３ａが電気的に接続されている。圧電振動子１０３Ｃの検出信号は、配線１０３ａから出力される。バッキング材１０３Ｄは、圧電振動子１０３Ｃの余分な振動を抑えるものであり、圧電振動子１０３Ｃの裏面（音響整合層１０３Ｂが接着されている面とは反対側の面）に接着されている。

ここで、図２に示す通り、凸面ミラー１０１、凹面ミラー１０２、及び超音波検出器１０３は、試料ＳＰに向けて進むパルス光の光軸ＡＸ上に、−Ｚ側から＋Ｚ側に向かう方向に、凹面ミラー１０２、凸面ミラー１０１、及び超音波検出器１０３の順で配置されている。超音波検出器１０３の検出信号は、配線１０３ａを介してコントローラ３０に出力される。超音波検出器１０３の配線１０３ａは、ミラー保持部材１０４をなす連結部材１０４ｃの＋Ｚ側に這わせてあり、鏡筒１００の側面から外部に延在するようにされている。このようにするのは、図３に示す通過部ＰＳを通過するパルス光を極力遮らないようにするためである。

水受け部材１０６は、一端部（−Ｚ側の端部）がガラスカバー１０５の周囲を取り囲むように鏡筒１００の一端側（＋Ｚ側：物体側の端部）に設けられ、その内部に水等の液体ＷＴを保持可能な筒状の部材である。図２に示す通り、水受け部材１０６の他端部（＋Ｚ側の端部）には、試料容器ＣＴ１の底部が近接配置される。水受け部材１０６の一端部に配置されるガラスカバー１０５と、水受け部材１０６の他端部に近接配置される試料容器ＣＴ１の底部との間は、水受け部材１０６の内部に保持された液体ＷＴで満たされた状態にされる。

このようにするのは、試料ＳＰから得られる音響波を極力減衰させることなく超音波検出器１０３で検出するためである。つまり、試料ＳＰから超音波検出器１０３までの音響波が伝わる経路が液体（試料容器ＣＴ１内の培養液ＣＦ及び液体ＷＴ）で満たされることになるから、試料ＳＰから得られる音響波を極力減衰させることなく超音波検出器１０３で検出することが可能になる。尚、前述の通り、対物光学系２３は、Ｚ方向に移動可能に構成されているため、水受け部材１０６の他端部（＋Ｚ側の端部）と試料容器ＣＴ１の底部との間隔は変わり得るが、図２でも模式的に示している通り、液体ＷＴの表面張力によって上記の状態（ガラスカバー１０５と試料容器ＣＴ１の底部との間が液体ＷＴで満たされた状態）を維持することは可能である。

〈光音響イメージング装置の動作〉
（１）蛍光画像生成時の動作
光音響イメージング装置１の動作が開始されると、まずコントローラ３０によってレーザ光源１１が制御され、レーザ光源１１からは−Ｚ方向に向けてパルス光が射出される。レーザ光源１１から射出されたパルス光は、ダイクロイックミラー１２で＋Ｘ方向に反射された後に、走査光学ユニット１３及び瞳投影レンズ１４を順に介して倒立型顕微鏡２０に入射する。倒立型顕微鏡２０に入射したパルス光は、結像レンズ２１を介した後にミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されて対物光学系２３に入射する。

対物光学系２３に入射したパルス光は、凹面ミラー１０２に形成された孔部Ｈを通過した後に凸面ミラー１０１に入射して反射され、その後に凹面ミラー１０２に入射して反射されて試料ＳＰに照射される。このとき、パルス光は、試料ＳＰに集光されるように照射される。パルス光が試料ＳＰに照射されると、試料ＳＰに含まれる蛍光物質から蛍光が発せられる。

試料ＳＰから発せられた蛍光は、パルス光の光路を逆向きに進み、対物光学系２３、ミラー２２、結像レンズ２１、瞳投影レンズ１４、走査光学ユニット１３を順に介してダイクロイックミラー１２に導かれる。ダイクロイックミラー１２に導かれた蛍光は、ダイクロイックミラー１２を透過した後に、蛍光フィルタ１５に入射する。そして、蛍光に含まれる波長成分のうち、特定の波長成分のみが蛍光フィルタ１５を透過する。蛍光フィルタ１５を透過した波長成分は、レンズ１６を介してピンホール１７に入射し、焦点面からの光のみがピンホール１７を透過して光検出器１８に入射して検出される。

光検出器１８の検出信号は、コントローラ３０に出力されてディジタル信号に変換され、走査位置（走査光学ユニット１３によるＸＹ面内の走査位置及び対物光学系２３によるＺ方向の走査位置）と対応付けられる。以上の動作が、走査光学ユニット１３によるＸＹ面内の走査位置を変えながら（更には、対物光学系２３によるＺ方向の走査位置を変えながら）行われる。

ここで、前述の通り、対物光学系２３の瞳位置（凸面ミラー１０１の位置）は、共焦点ユニット１０に設けられた走査光学ユニット１３の内部又はその近傍と光学的に共役にされているので、走査光学ユニット１３によって試料ＳＰに照射されるパルス光を走査しても、ほぼすべてのパルス光が対物光学系２３の瞳位置を通過する。即ち、対物光学系２３の瞳位置でパルス光を走査していることと等価な状態となる。これにより、パルス光のロスを少なくすることができる。このような動作が行われることで、２次元又は３次元の蛍光画像が生成される。尚、生成された蛍光画像は、表示モニタ３１に表示しても良く、内部のメモリ（図示省略）に記憶しても良い。

（２）光音響画像生成時の動作
光音響イメージング装置１の動作が開始されると、蛍光画像生成時と同様に、レーザ光源１１からパルス光が射出され、前述した光路を経て試料ＳＰに照射される。ここで、試料ＳＰの内部に、照射されたパルス光を吸収する物質がある場合には、試料ＳＰは局部的に暖められて急速に膨張し、これに伴って試料ＳＰからは局所的な音響波が発せられる。この音響波は、試料容器ＣＴ１を通過した後に、水受け部材１０６の内部に保持されている液体ＷＴを伝わって超音波検出器１０３で検出される。

尚、音響波の伝達を考慮すると、試料容器ＣＴ１は、音響インピーダンス密度が液体ＷＴの音響インピーダンス密度と近くなる材料で形成されているのが好ましい。例えば、試料容器ＣＴ１が、ポリスチレン等の樹脂で形成されている場合には、ガラスで形成されている場合よりも、音響インピーダンスが液体ＷＴの音響インピーダンスに近くなる。これにより、超音波伝達の損失が少なくなるために好ましい。

このとき、超音波検出器１０３では、図４に示す音響レンズ１０３Ａによって、パルス光の焦点付近で発生した音響波が選択的に集められ、音響整合層１０３Ｂによって、その音響波が殆ど反射されることなく効率良く圧電振動子１０３Ｃに伝えられて電気信号（検出信号）に変換される。尚、圧電振動子１０３Ｃの余分な振動は、圧電振動子１０３Ｃに接着されたバッキング材１０３Ｄによって抑制される。このため、圧電振動子１０３Ｃからは、信号レベルが高く、ノイズが少ない検出信号が出力される。

超音波検出器１０３の検出信号は、コントローラ３０に出力されてディジタル信号に変換され、走査位置（走査光学ユニット１３によるＸＹ面内の走査位置及び対物光学系２３によるＺ方向の走査位置）と対応付けられる。以上の動作が、走査光学ユニット１３によるＸＹ面内の走査位置を変えながら（更には、対物光学系２３によるＺ方向の走査位置を変えながら）行われる。

ここで、対物光学系２３の瞳位置（凸面ミラー１０１の位置）は、共焦点ユニット１０に設けられた走査光学ユニット１３の内部又はその近傍と光学的に共役にされているので、走査光学ユニット１３によって試料ＳＰに照射されるパルス光を走査しても、ほぼすべてのパルス光が対物光学系２３の瞳位置を通過する。即ち、対物光学系２３の瞳位置でパルス光を走査していることと等価な状態となる。これにより、光音響画像生成時においてもパルス光のロスを少なくすることができる。このような動作が行われることで、２次元又は３次元の光音響画像が生成される。尚、生成された光音響画像は、表示モニタ３１に表示しても良く、内部のメモリ（図示省略）に記憶しても良い。

以上の通り、本実施形態では、試料ＳＰに向けて進むパルス光を反射する凸面ミラー１０１と、凸面ミラー１０１で反射されたパルス光を反射して試料ＳＰに照射する凹面ミラー１０２と、凸面ミラー１０１の物体側に設けられ、試料ＳＰに光を照射して得られる音響波を検出する超音波検出器１０３とを備える対物光学系２３を用いている。これにより、従来のように、光パルスと音響信号とを分離するための分離部材を対物レンズよりも物体側に配置する必要が無く、対物光学系２３を従来よりも試料ＳＰに近接配置することが可能である。これにより、音響波の減衰や収差を防止することができるとともに、開口数の大きな対物光学系２３（例えば、開口数が０．３〜０．５程度の対物光学系２３）を用いることができるため、従来よりも分解能が高く鮮明な画像を得ることが可能である。

また、本実施形態では、凸面ミラー１０１の物体側に超音波検出器１０３が配置されているため、凹面ミラー１０２で反射されて試料ＳＰに照射されるパルス光のうち、超音波検出器１０３で遮られるパルス光を極力少なくすることができる。また、超音波検出器１０３に照射されるパルス光を極力少なくすることができることから、パルス光が超音波検出器１０３に照射されて生ずる熱膨張によるノイズを少なくすることができる。

また、対物光学系２３は、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２を備える反射型の光学系であるため、紫外から赤外までの広い波長帯域に亘って収差が生ずることがない。これにより、様々な波長のパルス光を用いて試料ＳＰを観察することが可能である。加えて、反射型の光学系である対物光学系２３は、分散が少ないため、短パルス光のパルス幅を維持することができる。また、試料ＳＰから超音波検出器１０３までの光路（経路）を液体ＷＴで満たしたので、パルス光の透過性及び音響波の透過性の双方を高めることができる。

また、本実施形態では、対物光学系２３の瞳位置（凸面ミラー１０１の位置）が、共焦点ユニット１０に設けられた走査光学ユニット１３の内部又はその近傍と光学的に共役にされている。これにより、走査光学ユニット１３によって試料ＳＰに照射されるパルス光を走査しても、ほぼすべてのパルス光が対物光学系２３の瞳位置を通過する。このため、本実施形態では、パルス光のロスを少なくすることができ、光の利用効率を高めることができる。

尚、上述した実施形態では、理解を容易にするために、蛍光画像生成時の動作と光音響画像生成時の動作とを分けて説明した。しかしながら、レーザ光源１１から射出されたパルス光が試料ＳＰに照射されると、試料ＳＰに含まれる蛍光物質から蛍光が発せられると同時に、試料ＳＰからは局所的な音響波が発せられる。このため、コントローラ３０は、対物光学系２３に設けられた超音波検出器１０３の検出結果と、共焦点ユニット１０に設けられた光検出器１８の検出結果とに基づいて、蛍光画像と光音響画像とを同時に生成することも可能である。これにより、観察を同時に行って得られた同じ観察場所の蛍光画像と光音響画像とを重ね合わせるといったことが可能になる。更に、本実施形態では、液浸によって試料ＳＰを観察していることから、液浸によらずに試料ＳＰを観察する場合よりも解像度を高めることができる。

〔第２実施形態〕
〈光音響イメージング装置〉
本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成は、図１に示す光音響イメージング装置１に対して、図５に示す光学系１９を追加し、対物光学系２３を図６に示す対物光学系２３Ａに代えた構成である。図５は、本発明の第２実施形態による光音響イメージング装置に設けられる光学系の構成を示す図である。図５に示す通り、光学系１９は、互いの頂角が対向するように配置された２つのアキシコンレンズ１９ａ，１９ｂを備えており、入射する光の断面形状（光軸に垂直な面における形状）を変換する光学系である。具体的に、図５に示す光学系１９は、紙面右側から紙面左側に向かって進む断面形状が円形の光を、断面形状がリング状の光に変換する。これとは逆に、紙面左側から紙面右側に向かって進む断面形状がリング状の光を、断面形状が円形の光に変換する。

このような光学系１９は、例えば図１に示す倒立型顕微鏡２０に設けられた結像レンズ２１とミラー２２との間の光路上、或いは、共焦点ユニット１０に設けられたレーザ光源１１から走査光学ユニット１３までの光路上に配置されるのが望ましい。このような配置にすることで、図６に示す対物光学系２３Ａに入射する光（凸面ミラー１０１に入射する光）の断面形状をリング状にすることができる。

これにより、測定に寄与しない凸面ミラー１０１の中心部に入射する光を無くすことができるため、光の利用効率を高めることができる。加えて、凸面ミラー１０１の中心部における反射光を無くすことができるため、ノイズを低減することができる。尚、本実施形態の光音響イメージング装置の動作は、光学系１９によって変換された光（断面形状がリング状の光）が対物光学系２３Ａに入射する点を除いて、図１に示す光音響イメージング装置１の動作と同様である。このため、本実施形態の光音響イメージング装置の動作の詳細な説明は省略する。

〈対物光学系〉
図６は、本発明の第２実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図６においては、図２に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図６に示す通り、本実施形態の対物光学系２３Ａは、棒状の超音波検出器１０３を用いるようにし、これに伴って後端カバー１０７及び配線保護管１０８を追加した構成である。

超音波検出器１０３は、図４に示す音響レンズ１０３Ａ、音響整合層１０３Ｂ、圧電振動子１０３Ｃ、及びバッキング材１０３Ｄが、例えば円筒状の金属製筐体に収納された棒状の機器である。この超音波検出器１０３は、その長手方向がＺ方向に沿うように配置され、その一端部がガラスカバー１０５よりも物体側（＋Ｚ側）に配置された状態で、ガラスカバー１０５に水密に接着されている。ここで、超音波検出器１０３は、内部に設けられた音響レンズ１０３Ａの焦点位置が対物光学系２３Ａの焦点位置（パルス光の焦点位置）と一致するようにガラスカバー１０５に取り付けられている。凸面ミラー１０１は、図２に示す凸面ミラー１０１と同様のミラーであるが、その中心部に超音波検出器１０３が介挿される孔部ｈが形成されている。

後端カバー１０７は、例えば略有底円環状の部材であり、鏡筒１００の他端側（−Ｚ側）に取り付けられる。後端カバー１０７の中央部には、試料ＳＰに向かって進むパルス光（ミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されたパルス光）が通過する孔部Ｈ１が形成されている。また、後端カバー１０７の底面には、孔部Ｈ１と同じ内径を有し、外側面にネジ部ＳＲが形成された−Ｚ方向に突出する突出部１０７ａが設けられている。突出部１０７ａのネジ部ＳＲが不図示の支持部材に螺合されることで、対物光学系２３Ａは、倒立型顕微鏡２０に固定される。後端カバー１０７に形成された孔部Ｈ１の内径は、凹面ミラー１０２の中央部に形成された孔部Ｈと同程度の径である。尚、対物光学系２３Ａに入射する光は、図５に示す光学系１９によって変換された断面形状がリング状の光である。このため、超音波検出器１０３は、光軸ＡＸ上に配置されているものの、ＳＰ試料に照射されるパルス光の光路外（リングの内部）に配置されており、試料ＳＰに照射される光を遮らないようにされている。

配線保護管１０８は、超音波検出器１０３の他端部から延びる配線１０３ａを保護するための配管である。この配線保護管１０８としては、例えば中空円環状の金属製配管を用いることができる。配線保護管１０８は、その一端が後端カバー１０７に形成された孔部Ｈ１の中心部（光が照射されない光軸ＡＸに近い部分）に配置され、その他端が後端カバー１０７の一側面側に配置されるように、後端カバー１０７内に設けられている。超音波検出器１０３の他端部から延びる配線１０３ａは、配線保護管１０８の一端から配線保護管１０８内に介挿され、配線保護管１０８の他端から配線保護管１０８の外部（対物光学系２３Ａの外部）に引き出されている。

このような構成の対物光学系２３Ａは、第１実施形態で用いられている超音波検出器よりも一般的な棒状の超音波検出器１０３を用いて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、このような構成の対物光学系２３Ａでは、対物光学系２３Ａに入射する光（断面形状がリング状の光）が配線保護管１０８に照射されることになるが、配線保護管１０８に介挿された配線１０３ａに光は照射されないため、配線１０３ａを保護することができる。

〈対物光学系の変形例〉
図７は、本発明の第２実施形態による対物光学系の変形例を示す断面図である。尚、図７においては、図６に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図７に示す通り、本実施形態の対物光学系２３Ｂは、図６に示す対物光学系２３Ａと同様に、棒状の超音波検出器１０３を用いるようにしたものであり、これに伴って後端カバー１０７Ａ及び円環ミラー１０９を追加した構成である。また、本実施形態の対物光学系２３Ｂは、断面形状がリング状の光を側方から（−Ｘ側から）入射させるようにしたものである。このような対物光学系２３Ｂは、例えば図１に示すミラー２２を省略し、省略されたミラー２２が配置されていた位置に配置されて用いられる。

超音波検出器１０３は、図６に示すものと同様のものであるが、その他端部に固定部１０３ｂが設けられている。この固定部１０３ｂは、後端カバー１０７Ａに固定される部位であり、超音波検出器１０３の本体部よりも外径が大に設定されている。尚、超音波検出器１０３は、図６に示すものと同様に、その長手方向がＺ方向に沿うように配置され、その一端部がガラスカバー１０５よりも物体側（＋Ｚ側）に配置された状態で、ガラスカバー１０５に水密に接着されている。また、超音波検出器１０３は、内部に設けられた音響レンズ１０３Ａの焦点位置が対物光学系２３Ｂの焦点位置（パルス光の焦点位置）と一致するようにガラスカバー１０５に取り付けられている。

後端カバー１０７Ａは、例えば略有底円環状の部材であり、鏡筒１００の他端側（−Ｚ側）に取り付けられる。後端カバー１０７Ａの中央部には、Ｚ方向に延びる孔部Ｈ２が形成されており、後端カバー１０７Ａの一側面には、Ｘ方向に延びる穴部Ｈ３が形成されている。孔部Ｈ２には、超音波検出器１０３の固定部１０３ｂが介挿され、穴部Ｈ３には、断面形状がリング状のパルス光（結像レンズ２１を介して＋Ｘ方向に進むパルス光）が入射する。穴部Ｈ３の底面（＋Ｘ側の面）は、ＸＹ平面に対してなす角が４５°の斜面ＳＬとされている。

また、後端カバー１０７Ａの底面には、孔部Ｈ２と同じ内径を有し、外側面にネジ部ＳＲが形成された−Ｚ方向に突出する突出部１０７ａが設けられている。突出部１０７ａのネジ部ＳＲが不図示の支持部材に螺合されることで、対物光学系２３Ｂは、倒立型顕微鏡２０に固定される。後端カバー１０７Ａに形成された孔部Ｈ２の内径は、凹面ミラー１０２の中央部に形成された孔部Ｈよりも小さく、超音波検出器１０３の固定部１０３ｂの外径と同程度の径である。後端カバー１０７Ａに形成された穴部Ｈ３の内径は、例えば凹面ミラー１０２の中央部に形成された孔部Ｈと同程度の径である。

円環ミラー１０９は、円環平板状のミラーであり、後端カバー１０７Ａに形成された斜面ＳＬに配置される。つまり、円環ミラー１０９は、ＸＹ平面に対して４５°の角度をもって配置される。この円環ミラー１０９は、後端カバー１０７Ａの穴部Ｈ３に入射したパルス光を、＋Ｚ方向に反射するために設けられる。つまり、円環ミラー１０９は、後端カバー１０７Ａの穴部Ｈ３に入射したパルス光の光軸ＡＸを９０°折り曲げるために設けられる。図７に示す通り、円環ミラー１０９には、超音波検出器１０３が介挿される。尚、本実施形態において、配線１０３ａは、後端カバー１０７Ａに形成された孔部Ｈ２を介して外部（対物光学系２３Ｂの外部）に引き出されている。

このような構成の対物光学系２３Ｂは、図６に示す対物光学系２３Ａと同様に、一般的な棒状の超音波検出器１０３を用いて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、このような構成の対物光学系２３Ｂでは、超音波検出器１０３をガラスカバー１０５と後端カバー１０７とによって強固に支持することができる。更に、このような構成の対物光学系２３Ｂでは、配線１０３ａを保護する部材（図６に示す配線保護管１０８）を省略することができる。

〔第３実施形態〕
〈光音響イメージング装置〉
図８は、本発明の第３実施形態による光音響イメージング装置の要部構成を示す図である。図８に示す通り、本実施形態の光音響イメージング装置２は、共焦点ユニット４０、正立型顕微鏡５０、及びコントローラ６０を備えており、試料容器ＣＴ２に格納された試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波基づいて試料ＳＰの光音響画像を生成する。尚、第１実施形態の光音響イメージング装置１は、蛍光画像及び光音響画像を生成可能であったが、本実施形態の光音響イメージング装置２は、試料ＳＰの光音響画像のみ生成可能である。

共焦点ユニット４０は、共焦点顕微鏡の主要部をなすユニットであり、正立型顕微鏡５０が取り付けられることで、共焦点顕微鏡が実現される。尚、正立型顕微鏡５０のみが共焦点ユニット４０に取り付け可能という訳ではなく、他の顕微鏡（例えば、倒立型顕微鏡）も取り付け可能である。つまり、共焦点ユニット４０は、第１実施形態の共焦点ユニット１０と同様に、共焦点顕微鏡の用途に応じて任意の顕微鏡が取り付け可能である。

共焦点ユニット４０は、レーザ光源４１及びマッチングレンズ４２を備える。レーザ光源４１は、コントローラ６０の制御の下で、試料容器ＣＴ２に格納された試料ＳＰに照射するパルス光を射出する。尚、第１実施形態と同様に、レーザ光源４１から射出されるパルス光の波長は、試料ＳＰに応じて任意の波長とすることができ、また、レーザ光源４１は、連続的又は離散的に波長を変化させることができるものであっても良い。マッチングレンズ４２は、レーザ光源４１の＋Ｘ側に配置されており、レーザ光源４１から射出されるパルス光を、正立型顕微鏡５０にマッチングさせるためのレンズである。

正立型顕微鏡５０は、結像レンズ５１、ミラー５２、対物光学系５３、及び移動ステージ５４を備えており、試料容器ＣＴ２に格納された試料ＳＰを、上側（＋Ｚ側）から観察するものである。結像レンズ５１は、共焦点ユニット４０から射出されて正立型顕微鏡５０に入射するパルス光を平行光に変換するレンズである。ミラー５２は、結像レンズ５１の＋Ｘ方向に配置されており、結像レンズ５１を介して＋Ｘ方向に進むパルス光を−Ｚ方向に反射させる。

対物光学系５３は、ミラー５２の−Ｚ側に配置されており、ミラー５２によって−Ｚ方向に反射されたパルス光を集光して試料ＳＰに照射するとともに、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波を検出する。対物光学系５３の検出信号は、コントローラ３０に出力される。この対物光学系５３は、図１に示す対物光学系２３と同様に、コントローラ６０の制御の下で、Ｚ方向に移動可能に構成されている。尚、対物光学系５３の詳細は後述する。

移動ステージ５４は、試料ＳＰが格納された試料容器ＣＴ２が載置されるステージであり、コントローラ３０の制御の下で、載置された試料容器ＣＴ２をＸＹ面内で移動可能である。この移動ステージ５４としては、例えばリニアＸＹステージを用いることができる。尚、試料容器ＣＴ２内は培養液ＣＦ（図９参照）で満たされており、試料ＳＰは培養液ＣＦ内に浸されている。

コントローラ６０は、光音響イメージング装置２の動作を統括して制御する。例えば、共焦点ユニット４０に設けられたレーザ光源１１を制御して、試料ＳＰに照射するパルス光を射出させ或いは停止させる。また、正立型顕微鏡５０に設けられた対物光学系５３及び移動ステージ５４を制御して、試料ＳＰに対するパルス光の走査（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の走査）を行う。また、コントローラ６０は、対物光学系５３から出力される検出信号の信号処理を行って光音響画像を生成して表示モニタ６１に表示させる。尚、表示モニタ６１は、図１に示す表示モニタ３１と同様に、例えば液晶表示装置等を備えるモニタである。

〈対物光学系〉
図９は、本発明の第３実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図９においては、図２に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図９に示す通り、本実施形態の対物光学系５３は、図２に示す対物光学系２３とは、水受け部材１０６が省略されており、Ｚ方向の向きが逆向きに配置されて、試料ＳＰが浸されている培養液ＣＦにガラスカバー１０５が接した状態にされる点が異なる。

つまり、本実施形態の対物光学系５３は、凸面ミラー１０１、凹面ミラー１０２、及び超音波検出器１０３が、試料ＳＰに向けて進むパルス光の光軸ＡＸ上に、＋Ｚ側から−Ｚ側に向かう方向に、凹面ミラー１０２、凸面ミラー１０１、及び超音波検出器１０３の順で配置されている。また、本実施形態の対物光学系５３は、図２に示す対物光学系２３よりも開口数が小さく（例えば、０．１程度）なるように設計されている。これは、第１実施形態によりも高速に試料ＳＰの断層像（Ｚ方向の断面画像）を得るためである。

〈光音響イメージング装置の動作〉
光音響イメージング装置２の動作が開始されると、コントローラ６０によってレーザ光源４１が制御され、レーザ光源４１からは＋Ｘ方向に向けてパルス光が射出される。レーザ光源４１から射出されたパルス光は、マッチングレンズ４２を介して正立型顕微鏡５０に入射する。正立型顕微鏡５０に入射したパルス光は、結像レンズ５１によって平行光にされた後にミラー５２で−Ｚ方向に反射されて対物光学系５３に入射する。

対物光学系５３に入射したパルス光は、第１実施形態と同様に、凹面ミラー１０２に形成された孔部Ｈを通過した後に凸面ミラー１０１に入射して反射され、その後に凹面ミラー１０２に入射して反射される。そして、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、ミラー保持部材１０４の通過部ＰＳを通過した後に、ガラスカバー１０５及び試料容器ＣＴ２の培養液ＣＦを順に透過して試料ＳＰに照射される。このとき、パルス光は、試料ＳＰに集光されるように照射される。

図１０は、本発明の第３実施形態におけるパルス光の集光点付近の拡大図である。本実施形態のように、対物光学系５３の開口数が小さく（例えば、０．１程度）設計されている場合には、図１０中において、焦点深度ＤＯＦとして示されている通り、パルス光の集光径がほぼ一定となる区間が生ずる。本実施形態では、観察したい試料ＳＰの深部の位置（Ｚ方向の位置）が焦点深度ＤＯＦ内に収まるように、対物光学系５３のＺ方向の位置がコントローラ６０の制御によって調整される。

試料ＳＰの内部に、照射されたパルス光を吸収する物質がある場合には、試料ＳＰは局部的に暖められて急速に膨張し、これに伴って試料ＳＰからは局所的な音響波が発せられる。この音響波は、試料容器ＣＴ２内の培養液ＣＦを伝わって超音波検出器１０３で検出される。超音波検出器１０３の検出信号は、コントローラ６０に出力されてディジタル信号に変換され、走査位置（移動ステージ５４によるＸＹ面内の走査位置）と対応付けられる。

ここで、コントローラ６０は、共焦点ユニット４０に設けられたレーザ光源４１も制御していることから、レーザ光源４１からパルス光が射出された時間を把握している。コントローラ６０は、超音波検出器１０３から得られる検出信号が、レーザ光源４１からパルス光が射出されてからどの程度遅れて得られたものであるのかを求めることにより、音響波の発生源の深さ（Ｚ方向の位置）を知ることができる。このように、レーザ光源４１から１つのパルス光が射出されてから、超音波検出器１０３から得られる検出信号を時系列に観測することによって、焦点深度ＤＯＦ内における試料ＳＰの深さ方向の情報（Ｚ方向の情報）を得ることができる。

以上の動作が、移動ステージ５４によるＸＹ面内の走査位置を変えながら行われる。このような動作が行われることで、試料ＳＰの断層像の光音響画像が生成される。更に、コントローラ６０の制御によって対物光学系５３のＺ方向の位置が調整されて、移動ステージ５４によるＸＹ面内の走査位置を変えながら同様の動作が行われると、深さ方向（Ｚ方向）の異なる位置における試料ＳＰの断層像の光音響画像が生成される。尚、生成された光音響画像は、表示モニタ６１に表示しても良く、内部のメモリ（図示省略）に記憶しても良い。

以上の通り、本実施形態では、試料ＳＰに向けて進むパルス光を反射する凸面ミラー１０１と、凸面ミラー１０１で反射されたパルス光を反射して試料ＳＰに照射する凹面ミラー１０２と、凸面ミラー１０１の物体側に設けられ、試料ＳＰに光を照射して得られる音響波を検出する超音波検出器１０３とを備える対物光学系５３を用いている。この対物光学系５３は、第１実施形態の対物光学系２３と同様の構成であるため、音響波の減衰や収差を防止することができる。これにより、本実施形態においても、従来よりも鮮明な画像を得ることが可能である。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、超音波検出器１０３で遮られるパルス光を極力少なくすることができ、パルス光が超音波検出器１０３に照射されて生ずる熱膨張によるノイズも少なくすることができる。また、紫外から赤外までの広い波長帯域に亘って収差が生ずることがないことから、様々な波長のパルス光を用いて試料ＳＰを観察することが可能である。また、分散が少ないため、短パルス光のパルス幅を維持することができる。

また、本実施形態では、対物光学系５３の開口数を、第１実施形態の対物光学系２３よりも小さく設計しているため、第１実施形態よりも分解能は劣るものの、第１実施形態よりも高速に断層像を作成することができる。また、本実施形態では、正立型顕微鏡５０を用いていることから、正立型での観察が可能であり、動物等の観察にも用いることが可能である。尚、上述した実施形態では、対物光学系５３の開口数を小さくした場合を例に挙げて説明したが、対物光学系５３の開口数を大きくして分解能を高くすることも可能である。更に、本実施形態では、液浸によって試料ＳＰを観察していることから、液浸によらずに試料ＳＰを観察する場合よりも解像度を高めることができる。

〔第４実施形態〕
〈光音響イメージング装置及び動作〉
本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成及び動作は、図８に示す光音響イメージング装置２の全体構成及び動作と同様である。このため、本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成及び動作の詳細な説明は省略する。

〈対物光学系〉
図１１は、本発明の第４実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図１１においては、図９に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図１１に示す通り、本実施形態の対物光学系５３は、図９に示す対物光学系５３とは、水受け部材１１０が設けられている点が異なる。

水受け部材１１０は、一端部１１０ａがガラスカバー１０５の周囲を取り囲むように鏡筒１００の一端側（−Ｚ側：物体側の端部）に設けられ、一端部１１０ａから他端部１１０ｂに向けて径が小さくなる筒状の部材である。水受け部材１１０の一端部１１０ａには、例えば不図示の吸引ポンプに接続された吸引チューブ１１１（導液管）が設けられている。また、水受け部材１１０の他端部１１０ｂの先端の径は、試料ＳＰが格納される試料容器ＣＴ３の径よりも小さくされている。

従って、水受け部材１１０の他端部１１０ｂを試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦに浸した状態で、不図示の吸引ポンプを作動させることにより、水受け部材１１０の内部に培養液ＣＦが保持された状態（水受け部材１１０の内部が培養液ＣＦで満たされた状態）にすることができる。前述した第３実施形態では、図９に示す通り、ガラスカバー１０５の径よりも大きな径を有する試料容器ＣＴ２を用いて、試料容器ＣＴ２内の培養液ＣＦにガラスカバー１０５が接した状態にする必要があったが、本実施形態では、第３実施形態で用いていた試料容器ＣＴ２よりも径の小さな試料容器ＣＴ３を用いることが可能である。

以上の通り、本実施形態では、水受け部材１１０が設けられている点が異なるものの、第３実施形態と同様の構成の対物光学系５３を用いている。このため、本実施形態においても、従来よりも鮮明な画像を得ることが可能であり、また、高速に断層像を作成することが可能である。また、本実施形態においても、第３実施形態と同様に、超音波検出器１０３で遮られるパルス光を極力少なくすることができ、パルス光が超音波検出器１０３に照射されて生ずる熱膨張によるノイズも少なくすることができる。また、様々な波長のパルス光を用いて試料ＳＰを観察することが可能であり、分散が少ないことから短パルス光のパルス幅を維持することもできる。

〔第５実施形態〕
〈光音響イメージング装置〉
本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成は、図１に示す光音響イメージング装置１の全体構成と同様である。このため、本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成の詳細な説明は省略する。

〈対物光学系〉
図１２は、本発明の第５実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図１２においては、図２に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図１２に示す通り、本実施形態の対物光学系２３Ｃは、図２に示す対物光学系２３とは、主に、鏡筒１００、ガラスカバー１０５、及び水受け部材１０６が変更されており、ミラー保持部材１０４が省略されて、供給チューブ１２１（導液管）が追加されている点が異なる。

鏡筒１００は、略有底円環状の部材であり、その内部に凹面ミラー１０２を保持する。鏡筒１００の底面中心部には、試料ＳＰに向かって進むパルス光（ミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されたパルス光）が通過する孔部Ｈ４が形成されている。また、鏡筒１００の底面には、孔部Ｈ４と同じ内径を有し、外側面にネジ部ＳＲが形成された−Ｚ方向に突出する突出部１００ａが設けられている。突出部１００ａのネジ部ＳＲが不図示の支持部材に螺合されることで、対物光学系２３Ｃは、倒立型顕微鏡２０に固定される。鏡筒１００に形成された孔部Ｈ４の内径は、凹面ミラー１０２の中央部に形成された孔部Ｈと同程度の径である。尚、鏡筒１００の形状は、有底円環状に制限されることはなく、他の形状（例えば、有底四角環状等）であっても良い。

ガラスカバー１０５は、例えばガラスや透明樹脂等で形成された部分球殻形状の部材であり、水受け部材１０６の内部空間を内部空間Ｑ１と内部空間Ｑ２とに仕切るように水受け部材１０６に取り付けられている。尚、ガラスカバー１０５は、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に保持された液体ＷＴが、内部空間Ｑ２に浸入しないように、水受け部材１０６と強固に固着（例えば、接着）されている。

ガラスカバー１０５は、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路上に配置されており、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光が入射する入射面１０５ａと、入射面１０５ａから入射したパルス光が射出される射出面１０５ｂとを有する。射出面１０５ｂは、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に液体ＷＴが保持された場合には、液体ＷＴと接する接液面となる。入射面１０５ａは、中央部を除いて、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。射出面１０５ｂも、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。このように形成するのは、入射面１０５ａ（空気とガラスカバー１０５との界面）及び射出面１０５ｂ（ガラスカバー１０５と液体ＷＴとの界面）での屈折を生じさせなくする（或いは、極力生じさせなくする）ことで、広い波長帯域において、色収差が生じないようにするためである。

例えば、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａは、中央部を除いて球面に形成されており、その曲率中心は、凸面ミラー１０１と凹面ミラー１０２とによって形成される反射対物鏡（シュバルツシルド型の反射対物鏡）の焦点位置Ｐと等しくなるようにされている。また、ガラスカバー１０５の射出面１０５ｂも球面に形成されており、その曲率中心は、上記の焦点位置Ｐと等しくなるようにされている。尚、ガラスカバー１０５のパルス光が透過する部分は、透過部ＴＳである。

本実施形態では、ミラー保持部材１０４が省略されているため、凸面ミラー１０１は、凹面ミラー１０２よりも物体側（＋Ｚ側）において、その中央部が光軸ＡＸ上に配置されるようにガラスカバー１０５の入射面１０５ａの中央部に固定される。このため、入射面１０５ａの中央部は平坦にされている。また、超音波検出器１０３は、その検出面を試料ＳＰ側（＋Ｚ側）に向けた状態で、ガラスカバー１０５の射出面１０５ｂに設けられる。具体的に、超音波検出器１０３は、ガラスカバー１０５の射出面１０５ｂの中央部に形成された凹部１０５ｃ内に配置されており、Ｚ方向から見た場合に、凸面ミラー１０１と重なるようにガラスカバー１０５の射出面１０５ｂに設けられている。このように、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａの中央部には凸面ミラー１０１が配置されており、ガラスカバー１０５の射出面１０５ｂの中央部には超音波検出器１０３が配置されている。

水受け部材１０６は、一端部１０６ａから他端部１０６ｂに向けて径が小さくなる筒状の部材であり、一端部１０６ａが鏡筒１００の物体側の端部に取り付けられている。この水受け部材１０６は、ガラスカバー１０５によって内部空間が内部空間Ｑ１と内部空間Ｑ２とに仕切られるようにガラスカバー１０５を支持する。水受け部材１０６は、ガラスカバー１０５によって仕切られた内部空間Ｑ１に液体ＷＴを保持可能である。また、水受け部材１０６は、一端部１０６ａから他端部１０６ｂに向けて径が小さくなっていることから、小さい試料容器ＣＴ１であっても、試料容器ＣＴ１と水受け部材１０６との間に液体ＷＴを保持することができる。この水受け部材１０６の側面には、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１と水受け部材１０６の外部とに連通する孔部ｈ１，ｈ２が形成されている。

供給チューブ１２１は、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に液体ＷＴを供給するためのチューブである。供給チューブ１２１は、例えばゴム又は樹脂によって形成され、一端部が水受け部材１０６の側面に形成された孔部ｈ１に介挿されており、他端部が不図示の液体供給装置に接続されている。液体ＷＴは、液体供給装置から供給チューブ１２１を介して水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に供給される。超音波検出器１０３の配線１０３ａは、水受け部材１０６に形成された孔部ｈ２を介して、水受け部材１０６の外部に引き出されてコントローラ６０に接続されている。超音波検出器１０３の検出信号は、配線１０３ａを介してコントローラ６０に出力される。

〈光音響イメージング装置の動作〉
本実施形態の光音響イメージング装置の動作（蛍光画像生成時の動作及び光音響画像生成時の動作の動作）は、倒立型顕微鏡２０内の動作を除いて第１実施形態と同じである。このため、以下では倒立型顕微鏡２０内の動作について説明する。また、以下では、冗長な記載を避けるため、蛍光画像生成時の倒立型顕微鏡２０内の動作と、光音響画像生成時の倒立型顕微鏡２０内の動作とをまとめて説明する。

共焦点ユニット１０から射出されるパルス光が倒立型顕微鏡２０に入射すると、結像レンズ２１を介した後にミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されて対物光学系２３Ｃに入射する。対物光学系２３Ｃに入射したパルス光は、鏡筒１００に形成された孔部Ｈ４及び凹面ミラー１０２に形成された孔部Ｈを通過した後に凸面ミラー１０１に入射して反射され、その後に凹面ミラー１０２に入射して反射される。凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、図１２に示す通り、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａに入射し、ガラスカバー１０５を透過した後に射出面１０５ｂから射出され、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に保持された液体ＷＴ（水受け部材１０６と試料容器ＣＴ１との間に保持された液体ＷＴを含む）を介した後に試料ＳＰ内に照射される。

ここで、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａは、中央部を除いて、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。このため、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａの周辺部（中央部を除く部分）に対して垂直に入射する。また、ガラスカバー１０５の射出面１０５ｂも、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。このため、ガラスカバー１０５を透過したパルス光は、射出面１０５ｂに対して垂直な方向に射出される。
このため、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、ガラスカバー１０５によって屈折されることなく直進する。

また、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に保持された液体ＷＴ、及び水受け部材１０６と試料容器ＣＴ１との間に保持された液体ＷＴによって、ガラスカバー１０５を透過したパルス光の光路は、試料ＳＰ及び試料容器ＣＴ１の屈折率に近い屈折率にされている。このため、ガラスカバー１０５を透過したパルス光の反射（試料容器ＣＴ１の底部及び試料ＳＰの表面での反射）が極めて少なくなり、多くのパルス光が試料ＳＰの内部に入射されることになる。また、ガラスカバー１０５を透過したパルス光の屈折（試料容器ＣＴ１の底部及び試料ＳＰの表面での屈折）も極めて小さくなり、ガラスカバー１０５を透過したパルス光は、殆ど直進して焦点位置Ｐに集光することになる。このように、本実施形態の対物光学系２３Ｃでは、パルス光の屈折が殆ど生じないことから、凸面ミラー１０１と凹面ミラー１０２とによって形成されるシュバルツシルド型の反射対物鏡の本来の焦点位置Ｐにパルス光を集束させることができる。

また、ガラスカバー１０５と試料容器ＣＴ１の底面との間を液体ＷＴで満たした場合には、試料容器ＣＴ１と液体ＷＴとの屈折率が近いため、液体ＷＴで満たさない場合（空気である場合）よりもパルス光の反射が少なくなる。しかしながら、使用する試料容器ＣＴ１によっては、液体ＷＴと試料容器ＣＴ１との間で生じる屈折を無視できるほど両者の屈折率を近づけることが困難なことが考えられる。ここで、試料容器ＣＴ１の底部の板厚が薄いほど屈折による光路の変動が少なくなるため、このような底部の板厚が薄い試料容器ＣＴ１を用いるのが好ましい。また、試料容器ＣＴ１の底部の下面と上面で生じる光路の変動を補正する光学系を対物光学系２３Ｃに組み込むことも好ましい。例えば、試料容器ＣＴ１の底面は厚さ０．１７ｍｍのガラスであることが多いため、このガラスを通過する際の光路の変動を補正するように構成した凹面ミラー１０２を用いても良い。

パルス光が試料ＳＰに照射されると、試料ＳＰに含まれる蛍光物質から蛍光が発せられ、又は試料ＳＰから局所的な音響波が発せられる。試料ＳＰから発せられた蛍光は、パルス光の光路を逆向きに進む。尚、図１２に示す通り、超音波検出器１０３が光軸ＡＸ上に配置されていることから、対物光学系２３Ｃから射出される蛍光の断面形状（光軸ＡＸに垂直な面における形状）はリング状となる。試料ＳＰから発せられた局所的な音響波は、試料容器ＣＴ１を通過した後に、試料容器ＣＴ１と水受け部材１０６との間に保持されている液体ＷＴ及び水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に保持されている液体ＷＴを伝わって超音波検出器１０３で検出される。

以上の通り、本実施形態では、凹面ミラー１０２で反射された光の光路と直交するように形成された入射面１０５ａ及び射出面１０５ｂを有するガラスカバー１０５を水受け部材１０６に取り付け、水受け部材１０６の内部空間Ｑ１に液体ＷＴを保持できるように対物光学系２３Ｃが構成されている。これにより、対物光学系２３Ｃでは屈折が殆ど生じないことから、色収差が殆ど生じない。このため、１つの対物光学系２３Ｃで、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光に対応することができる。また、色収差だけでなく、屈性に起因する様々な収差も低減することができる。更に、本実施形態では、液浸によって試料ＳＰを観察していることから、液浸によらずに試料ＳＰを観察する場合よりも解像度を高めることができる。

〔第６実施形態〕
〈光音響イメージング装置〉
本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成は、図８に示す光音響イメージング装置２の全体構成と同様である。このため、本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成の詳細な説明は省略する。

〈対物光学系〉
図１３は、本発明の第６実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図１３においては、図１１に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図１３に示す通り、本実施形態の対物光学系５３Ａは、図１１に示す対物光学系５３とは、主に、鏡筒１００が変更されており、ミラー保持部材１０４及びガラスカバー１０５が省略されて、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２に代えて光学部材２００が設けられており、吸引チューブ２０１（導液管）が追加されている点が異なる。鏡筒１００は、図１２に示す鏡筒１００と同様のものであるが、本実施形態の鏡筒１００の側面には孔部ｈ１０が形成されている。

光学部材２００は、例えばガラスや透明樹脂等で形成され、略凹面状に形成された一面２００ａと、略凸形状に形成された他面２００ｂとを有する略円柱状の部材である。光学部材２００の一面２００ａの中央部には凸面ミラー１０１が形成されており、その周辺部には透過部ＴＳが設けられている。光学部材２００の他面２００ｂの中央部は平坦に形成されており、その周辺部には凹面ミラー１０２が形成されている。尚、光学部材２００の他面２００ｂの中央部の径（平坦に形成された部分の径）は、鏡筒１００に形成された孔部Ｈ４の内径よりも大にされている。

光学部材２００は、鏡筒１００の内径と同程度の外径を有しており、他面２００ｂが鏡筒１００の底面に接し、一面２００ａが物体側を向くように、鏡筒１００に保持されている。光学部材２００は、その他面２００ｂの中央部が鏡筒１００に形成された孔部Ｈ４を塞ぐように保持される。このため、光学部材２００の他面２００ｂの中央部には、試料ＳＰに向かって進むパルス光（ミラー５２によって−Ｚ方向に反射されたパルス光）が入射される。

光学部材２００の一面２００ａに形成された凸面ミラー１０１は、試料ＳＰに向かって進むパルス光の光軸ＡＸ上に配置されており、試料ＳＰに向かって進むパルス光を反射する。光学部材２００の他面２００ｂに形成された凹面ミラー１０２は、凸面ミラー１０１で反射されたパルス光を試料ＳＰに向けて反射する。凹面ミラー１０２は、反射したパルス光が、試料ＳＰに集光するように設計されている。尚、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２によって、シュバルツシルド型の反射対物鏡が形成される。

凸面ミラー１０１は、例えば光学部材２００の一面２００ａの中央部に金属膜を蒸着することによって形成され、凹面ミラー１０２は、例えば光学部材２００の他面２００ｂの周辺部に金属膜を蒸着することによって形成される。光学部材２００に蒸着される金属は、例えば金や銀等の、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光に対して高い反射率を有するものが望ましい。

ここで、凸面ミラー１０１の中心部ＣＡは、凸面ミラー１０１の他の部分よりも反射率が低くされている点も異なる。凸面ミラー１０１の中心部ＣＡで反射された光が共焦点ユニット４０に入射するとノイズになることから、凸面ミラー１０１の中心部ＣＡの反射率を凸面ミラー１０１の他の部分の反射率よりも低くすることで、上記の戻り光を少なくすることでノイズを低減するようにしている。尚、凸面ミラー１０１の中心部ＣＡの反射率を低くする方法としては、例えば、凸面ミラー１０１の中心部ＣＡに金属を蒸着せず、或いは凸面ミラー１０１の中心部ＣＡに蒸着された金属を除去する方法が挙げられる。

光学部材２００の一面２００ａに設けられた透過部ＴＳは、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光が透過する部位である。透過部ＴＳは、図１３に示す通り、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦに浸されることから、培養液ＣＦに接する接液面を有することとなる。透過部ＴＳは、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。例えば、透過部ＴＳは、球面に形成されており、その曲率中心は、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２によって形成される反射対物鏡の焦点位置Ｐと等しくなるようにされている。このようにするのは、透過部ＴＳ（光学部材２００と培養液ＣＦとの界面）での屈折を生じさせなくする（或いは、極力生じさせなくする）ことで、広い波長帯域において、色収差が生じないようにするためである。尚、光学部材２００の内部には、側面から透過部ＴＳに連通する連通路ＰＳ１が形成されている。

超音波検出器１０３は、その検出面を試料ＳＰ側（−Ｚ側）に向けた状態で光学部材２００の一面２００ａの中央部に設けられる。図１３に示す通り、超音波検出器１０３は、凸面ミラー１０１の−Ｚ側の面に取り付けられることから、凸面ミラー１０１の中心部ＣＡを透過した光が試料ＳＰに照射されることはない。尚、図１３においては、超音波検出器１０３に接続される配線（図１１中の配線１０３ａに相当する配線）、及び水受け部材１１０に形成される孔部（図１２中の孔部ｈ２に相当する孔部）の図示を省略している。

吸引チューブ２０１は、水受け部材１１０の内部空間Ｑに液体ＷＴを供給するためのチューブである。吸引チューブ２０１は、例えばゴム又は樹脂によって形成され、一端部が鏡筒１００の側面に形成された孔部ｈ１０に介挿されており、他端部が不図示の吸引ポンプに接続されている。図１３に示す通り、光学部材２００は、連通路ＰＳ１が鏡筒１００に形成された孔部ｈ１０と連通するように配置される。このため、不図示の吸引ポンプを作動させることにより、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦが水受け部材１１０の内部空間Ｑに導かれ、水受け部材１１０の内部空間Ｑに培養液ＣＦが保持された状態（水受け部材１１０の内部空間Ｑが培養液ＣＦで満たされた状態）にすることができる。

〈光音響イメージング装置の動作〉
本実施形態の光音響イメージング装置の動作は、正立型顕微鏡５０内の動作を除いて第３実施形態と同じである。このため、以下では正立型顕微鏡５０内の動作について説明する。共焦点ユニット４０から射出されるパルス光が正立型顕微鏡５０に入射すると、結像レンズ５１を介した後にミラー５２によって−Ｚ方向に反射されて対物光学系５３Ａに入射する。

対物光学系５３Ａに入射したパルス光は、鏡筒１００に形成された孔部Ｈ４を通過した後に光学部材２００の他面２００ｂの中央部から光学部材２００内に入射する。光学部材２００内に入射したパルス光は、凸面ミラー１０１で反射され、その後に凹面ミラー１０２に入射して反射される。凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、光学部材２００の一面２００ａに設けられた透過部ＴＳから光学部材２００の外部に射出される。光学部材２００から射出されたパルス光は、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦを介した後に試料ＳＰ内に照射される。

ここで、光学部材２００の透過部ＴＳは、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている。このため、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、透過部ＴＳに対して垂直な方向に射出される。このため、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光は、光学部材２００から培養液ＣＦに入射する際に、屈折されることなく直進する。

また、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦによって、光学部材２００から射出されたパルス光の光路は、試料ＳＰの屈折率に近い屈折率にされている。このため、光学部材２００から射出されたパルス光の反射（試料ＳＰの表面での反射）が極めて少なくなり、多くのパルス光が試料ＳＰの内部に入射されることになる。また、光学部材２００から射出されたパルス光の屈折（試料ＳＰの表面での屈折）も極めて小さくなり、光学部材２００から射出されたパルス光は、殆ど直進して焦点位置Ｐに集光することになる。このように、本実施形態の対物光学系５３Ａも、パルス光の屈折が殆ど生じないことから、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２によって形成されるシュバルツシルド型の反射対物鏡の本来の焦点位置Ｐにパルス光を集束させることができる。

パルス光が試料ＳＰに照射されると、試料ＳＰから局所的な音響波が発せられる。試料ＳＰから発せられた局所的な音響波は、試料容器ＣＴ３及び水受け部材１０６の内部空間Ｑに保持されている培養液ＣＦ液体ＷＴを伝わって超音波検出器１０３で検出される。

以上の通り、本実施形態では、一面２００ａの中央部に凸面ミラー１０１が形成され、他面２００ｂの周辺部に凹面ミラー１０２が形成され、凹面ミラー１０２で反射された光の光路と直交するように形成された透過部ＴＳが一面２００ａの周辺部に設けられた光学部材２００を用いて対物光学系５３Ａが構成されている。そして、対物光学系５３Ａは、光学部材２００の一面２００ａが、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦに接した状態で用いられる。

このため、対物光学系５３Ａでは屈折が殆ど生じないことから、色収差が殆ど生じない。これにより、１つの対物光学系５３Ａで、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光に対応することができる。また、色収差だけでなく、屈性に起因する様々な収差も低減することができる。更に、本実施形態では、液浸によって試料ＳＰを観察していることから、液浸によらずに試料ＳＰを観察する場合よりも解像度を高めることができる。

また、本実施形態では、光学部材２００のみによってシュバルツシルド型の反射対物鏡が形成されている。このため、第３実施形態よりも部品点数を少なくすることができるため、廉価にすることができるとともに、組み立て工数を少なくすることができる。更に、光学部材２００に金属を蒸着することによってシュバルツシルド型の反射対物鏡が形成されていることから、第１実施形態よりも、振動等による凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２の相対的な位置ずれを少なくすることができる。

〔第７実施形態〕
〈光音響イメージング装置及び動作〉
本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成及び動作は、図１に示す光音響イメージング装置１の全体構成及び動作と同様である。このため、本実施形態の光音響イメージング装置の全体構成及び動作の詳細な説明は省略する。

〈対物光学系〉
図１４は、本発明の第７実施形態による対物光学系の要部構成を示す断面図である。尚、図１４においては、図２に示す部材に相当する部材には同一の符号を付してある。図１４に示す通り、本実施形態の対物光学系２３Ｄは、図２に示す対物光学系２３とは、主に、凹面ミラー１０２に代えて光学部材３００が設けられており、ガラスカバー１０５が省略されている点が異なる。

光学部材３００は、例えばガラスや透明樹脂等で形成され、平面状に形成された一面３００ａと、略凹面状に形成された他面３００ｂとを有する略円柱状の部材である。光学部材３００の他面３００ｂの周辺部には、凹面ミラー１０２が形成されている。凹面ミラー１０２は、例えば光学部材３００の他面３００ｂの周辺部に金属膜を蒸着することによって形成される。光学部材３００に蒸着される金属は、例えば金や銀等の、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光に対して高い反射率を有するものが望ましい。尚、光学部材３００の他面３００ｂの中央部は、凹面であっても良いが、例えば平坦に形成されていても良い。

光学部材３００は、鏡筒１００の内径と同程度の外径を有しており、鏡筒１００の他端側（−Ｚ側）において、他面３００ｂが物体側を向くように、鏡筒１００に保持されている。このため、光学部材３００の一面３００ａの中央部に、試料ＳＰに向かって進むパルス光（図１のミラー２２によって＋Ｚ方向に反射されたパルス光）が入射される。尚、光学部材３００の一面３００ａの中央部に入射したパルス光は、光学部材３００を透過し、光学部材３００の他面３００ｂの中央部から＋Ｚ方向に向けて射出される。

光学部材３００の他面３００ｂに形成された凹面ミラー１０２は、凸面ミラー１０１で反射されたパルス光を試料ＳＰに向けて反射する。凹面ミラー１０２は、反射したパルス光が、試料ＳＰに集光するように設計されている。尚、凸面ミラー１０１と光学部材３００に形成された凹面ミラー１０２とによって、シュバルツシルド型の反射対物鏡が形成される。

ここで、本実施形態では、ガラスカバー１０５が省略されている。このため、超音波検出器１０３は、検出面が設けられた一端部を試料ＳＰ側（＋Ｚ側）に向けた状態で凸面ミラー１０１の＋Ｚ側（物体側）に取り付けられて固定されている。尚、超音波検出器１０３は、第１実施形態と同様に、凸面ミラー１０１の＋Ｚ側において、試料ＳＰに照射される光を遮らないように、ＳＰ試料に照射されるパルス光の光路外に配置されている。

本実施形態の対物光学系２３Ｄは、図２に示す対物光学系２３に設けられていたガラスカバー１０５が省略されていることから、水受け部材１０６の内部空間のみならず、鏡筒１００の内部空間にも液体ＷＴに保持される。これにより、光学部材３００よりも物体側が液体ＷＴで満たされ、凸面ミラー１０１及び凹面ミラー１０２が液体ＷＴに浸された状態になる。この状態では、光学部材３００の他面３００ｂの中央部から＋Ｚ方向に向けて射出されたパルス光が試料容器ＣＴ１に至るまでの光路において屈折が生じないことから、色収差が殆ど生じない。これにより、１つの対物光学系２３Ａで、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光に対応することができる。また、色収差だけでなく、屈性に起因する様々な収差も低減することができる。更に、本実施形態では、液浸によって試料ＳＰを観察していることから、液浸によらずに試料ＳＰを観察する場合よりも解像度を高めることができる。

以上、本発明の実施形態による対物光学系及び光音響イメージング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記の第１，第２，第５，第７実施形態では蛍光画像及び光音響画像の双方を生成可能であり、上記の第３，第４，第６実施形態では光音響画像のみを生成可能な光音響イメージング装置を例に挙げて説明した。しかしながら、第１〜第７実施形態の光音響イメージング装置の何れにおいても、蛍光画像及び光音響画像の双方を生成するように設計することも、光音響画像のみを生成するように設計することも可能である。また、上記の第２実施形態における光学系１９（図５参照）は、第３〜第７実施形態でも用いることができる。

また、上述した第５実施形態では、ガラスカバー１０５の入射面１０５ａ（中央部を除く）及び射出面１０５ｂが、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光の光路と直交するように形成されており、上述した第６実施形態では、光学部材２００の一面２００ａ（中央部を除く透過部ＴＳ）が、凹面ミラー１０２で反射されたパルス光の光路と直交するように形成されている例について説明した。

しかしながら、これら入射面１０５ａ、射出面１０５ｂ、及び透過部ＴＳの形状は、液体ＷＴ等との界面における屈折が僅かであり、解像度が大きく低下しなければ変更可能である。例えば、ガラスカバー１０５を例に挙げると、入射面１０５ａ（中央部を除く）又は射出面１０５ｂ上の任意の点の曲率半径ｒが、その点から焦点位置Ｐまでの距離をＳとすると、０．７Ｓ≦ｒ≦１．３Ｓなる関係式を満たすように、入射面１０５ａ（中央部を除く）又は射出面１０５ｂの形状を変更することが可能である。また、入射面１０５ａ（中央部を除く）及び射出面１０５ｂ上は、球面に限られる訳ではなく、非球面であっても良い。

１，２ 光音響イメージング装置
１３ 走査光学ユニット
１８ 光検出器
１９ 光学系
１９ａ，１９ｂ アキシコンレンズ
２３ 対物光学系
２３Ａ〜２３Ｄ 対物光学系
３０ コントローラ
５３，５３Ａ 対物光学系
１００ 鏡筒
１０１ 凸面ミラー
１０２ 凹面ミラー
１０３ 超音波検出器
１０３Ａ 音響レンズ
１０５ ガラスカバー
１０５ａ 入射面
１０５ｂ 射出面
１０６ 水受け部材
１１０ 水受け部材
１１１ 吸引チューブ
１２１ 供給チューブ
２００ 光学部材
２００ａ 一面
２００ｂ 他面
２０１ 吸引チューブ
ＡＸ 光軸
ＣＦ 培養液
ＣＴ１ 試料容器
Ｈ 孔部
ｈ 孔部
Ｐ 焦点位置
ＳＰ 試料
ＴＳ 透過部
ＷＴ 液体

Claims (18)

1. 試料に向けて進む光を反射する凸面の反射面を有する第１ミラーと、
   前記第１ミラーで反射された光を反射して前記試料に照射する凹面の反射面を有する第２ミラーと、
   少なくとも一端部が前記第１ミラーの物体側に設けられ、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する検出器と、
   前記第１ミラー及び前記第２ミラーよりも物体側に設けられ、液体との境界面をなすとともに、液体の前記第１ミラー及び前記第２ミラーへの浸入を防止する透明なカバー部材と、
   を備える対物光学系。
2. 前記第２ミラーの中心部には、前記試料に向けて進む光が通過する孔部が形成されており、
   前記第１ミラー、前記第２ミラー、及び前記検出器は、前記試料に向けて進む光の光軸上に、前記第２ミラー、前記第１ミラー、前記検出器の一端部の順で配置されている、
   請求項１記載の対物光学系。
3. 前記検出器は、棒状であり、
   前記第１ミラーの中心部には、前記検出器が介挿される孔部が形成されている、
   請求項１又は請求項２記載の対物光学系。
4. 前記検出器は、前記試料に照射される光を遮らないように、前記試料に照射される光の光路外に配置されている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の対物光学系。
5. 前記検出器は、前記試料に光を照射して得られる音響波を集める音響レンズを備える、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の対物光学系。
6. 前記カバー部材の物体側に前記検出器が固定され、前記カバー部材の物体側とは反対側に前記第１ミラーが設けられている、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の対物光学系。
7. 前記カバー部材の光の入射面及び射出面の少なくとも一方は、概ね球面に形成されており、前記球面の曲率中心は、前記第１ミラー及び前記第２ミラーによって形成される反射光学系の焦点位置と概ね等しい請求項１から請求項６の何れか一項に記載の対物光学系。
8. 少なくとも前記第２ミラーを内部に支持する鏡筒と、
   一端部が前記鏡筒の物体側の周囲を取り囲むように設けられて、内部に液体を保持可能な筒状の液体保持部材と、
   を備える請求項１から請求項７の何れか一項に記載の対物光学系。
9. 前記液体保持部材の内部に液体を導く導液管を備える、請求項８記載の対物光学系。
10. 前記液体保持部材の他端部には、前記試料の容器の底部が近接配置され、
    前記液体保持部材と前記容器の底部との間は、前記液体保持部材の内部に保持された液体によって満たされた状態にされる、
    請求項８又は請求項９記載の対物光学系。
11. 前記液体保持部材は、一端部から他端部に向けて径が小さくなる筒状の部材である、請求項８から請求項１０の何れか一項に記載の対物光学系。
12. 試料に光を照射して得られる音響波に基づいて前記試料の画像を生成する光音響イメージング装置において、
    前記試料に光を照射するとともに、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の対物光学系を備える、光音響イメージング装置。
13. 前記試料に照射される光を走査する走査光学ユニットを備えており、
    前記対物光学系の瞳位置は、前記走査光学ユニットの内部又はその近傍と光学的に共役にされている、
    請求項１２記載の光音響イメージング装置。
14. 前記対物光学系の瞳位置は、前記第１ミラーの位置である、請求項１３記載の光音響イメージング装置。
15. 前記対物光学系に入射する光を、断面形状がリング状の光に変換する光学系を備える、請求項１２から請求項１４の何れか一項に記載の光音響イメージング装置。
16. 前記光学系は、互いの頂角が対向するように配置された２つのアキシコンレンズを用いて構成されている、請求項１５記載の光音響イメージング装置。
17. 前記試料に光を照射して得られる蛍光を検出する光検出器と、
    前記音響波の検出結果に基づいて光音響画像を生成し、前記光検出器の検出結果に基づいて蛍光画像を生成する画像生成部と、
    を更に備える請求項１２から請求項１６の何れか一項に記載の光音響イメージング装置。
18. 少なくとも前記第２ミラーを内部に支持する鏡筒と、
    一端部が前記鏡筒の一端側に設けられ、他端部が前記試料を格納した試料容器の底部に近接配置され、内部に液体を保持可能な筒状の液体保持部材と、を備え、
    前記カバー部材は、前記液体保持部材に周囲を取り囲まれ、前記液体の前記第１ミラー及び前記第２ミラーへの浸入を防止する、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の対物光学系。

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