JP7111936B2 - 顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡システムに関する。

観察対象の被観察物の表面温度等を観察することができる赤外線カメラがある。しかし、赤外線カメラでは、被観察物の形状を認識することが難しい。また、被観察物を光学的に観察する装置として、可視光に透過性能を有するガラスを用いた光学顕微鏡がある。光学顕微鏡では、生体を透過する赤外イメージング、被観察物の表面温度等を認識する遠赤外イメージングは難しい。

特開２００６－４７７８０号公報

被観察物をカメラや顕微鏡で観察する際に、赤外線領域による観察、可視光線領域による観察などをすることができる。赤外光の透過性、赤外分光による機能情報性、可視光の高解像度性、可視光のハンドリングの簡単さ、近赤外光の生体透明性、など、それぞれの波長領域にはそれぞれのメリットが存在する。もし、すべての波長領域を、同一サンプル、同一レンズ、同視野で撮影できれば、すべてのメリットを享受できる。しかし、全波長を通す素材は存在せず、各波長領域に対応するセンサも異なる。高い解像度を得るには、レンズを使用することが求められるため、一般に、赤外顕微鏡やサーモグラフィは極めて低解像度である。一方で、光学顕微鏡でよく用いる結像レンズは、赤外線を通しにくいため、長波長領域に制限が存在する。

本発明は、複数の波長領域で、同一の被観察物を観察できる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に、以下の手段を採用する。

即ち、第１の態様は、
観察対象である被観察物を観察する顕微鏡システムであって、
前記被観察物側からの光線を入射される対物レンズと、
前記対物レンズからの光線の光路を第１方向と第２方向とに分離する分離部と、
前記第１方向の光路に配置され、第１波長領域の光線を集束する第１レンズ系と、
前記第１波長領域に感度を有し、前記第１レンズ系によって集束されて結像された前記被観察物の像を検出する第１撮像センサと、
前記第２方向の光路に配置され、前記第１波長領域と異なる第２波長領域の光線を集束する第２レンズ系と、
前記第２波長領域に感度を有し、前記第２レンズ系によって集束されて結像された前記被観察物の像を検出する第２撮像センサと、を備える
顕微鏡システムである。
第１の態様によると、同一の被観察物の像を、第１波長領域と、第２波長領域とで取得することができる。

本発明によれば、複数の波長領域で、同一の被観察物を観察できる顕微鏡を提供することができる。

図１は、実施形態の顕微鏡システムの概略構成例を示す図である。 図２は、顕微鏡システムの変形例の概略構成例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、発明の構成は、開示の実施形態の具体的構成に限定されない。発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

〔実施形態〕
（構成例）
図１は、本実施形態の顕微鏡システムの概略構成例を示す図である。本実施形態の顕微鏡システム１は、ステージ１０、カセグレン対物レンズ１１、フリップミラー１２、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４、光学レンズ１５、光学センサ１６、制御基板１７を含む。カセグレン対物レンズ１１、フリップミラー１２、光学レンズ１５、及び、光学センサ１６は、例えば、一直線上に配置される。顕微鏡システム１は、例えば、カセグレン対物レンズ１１、光学レンズ１５、及び、光学センサ１６を含む既存の光学顕微鏡に、フリップミラー１２、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４を追加することで、構成される。

ステージ１０は、顕微鏡システム１で観察される被観察物９０を載置される台である。ステージ１０に載置された被観察物９０は、照明により照らされてもよい。

カセグレン対物レンズ１１は、反射型の対物レンズである。カセグレン対物レンズ１１は、凹面鏡及び凸面鏡を含む。カセグレン対物レンズ１１は、鏡を使用したレンズであるため、可視光線のみならず赤外線等も集束することが可能である。ここでは、可視光線及び赤外線等の電磁波を総称して、光線ともいう。

フリップミラー１２は、切替式の反射鏡である。フリップミラー１２として、赤外領域から可視光領域にわたって対応しうる広帯域の蒸着ミラーが使用される。蒸着ミラーを使用することで、レンズを使用するよりも広帯域の波長に対応できる。フリップミラー１２は、切り替えスイッチ等により、カセグレン対物レンズ１１からの光線の光路を、赤外線センサ１４の方向、または、光学センサ１６の方向に切り替える。フリップミラー１２は、光線の光路を赤外線センサ１４の方向及び光学センサ１６の方向に時間的に分離する分離部の一例である。また、フリップミラー１２は、切替ミラーの一例である。図１の例では、フリップミラー１２を回転することで、光線の光路の方向を切り替えているが、例えば、光線の光路を赤外線センサ１４の方向に導いているフリップミラー１２をスライドして光路から外すことで、光線の光路を光学センサ１６の方向に導いてもよい。

赤外線レンズ１３は、赤外線を集束可能なレンズである。赤外線レンズ１３は、複数のレンズが組み合わされたレンズ群であってもよい。赤外線レンズ１３として、例えば、ゲルマニウムレンズ、サファイアレンズ、フッ化カルシウムレンズが使用され得る。ゲルマニウムは、赤外線領域において、光学特性が安定している。レンズの表面には、反射防止コーティングが施される。反射防止コーティングが施されることで、レンズの表面での反射を抑制し、より多くの赤外線を透過させることができる。カセグレン対物レンズ１１及び赤外線レンズ１３は、ステージ１０上の被観察物９０の像を赤外線センサ１４上に結像する。赤外線レンズ１３には、像の拡大率を変更するズームレンズが含まれてもよい。フ
リップミラー１２側から赤外線レンズ１３に入射した光線は、集束されて、赤外線センサ１４側に出射される。

赤外線センサ１４は、中赤外線（波長２．５μｍ－４．０μｍ程度）領域に感度を有する撮像素子である。赤外線センサ１４は、検知した光線を電気信号に変換して出力する。赤外線センサ１４として、例えば、マイクロボロメータ、インジウムアンチモンセンサが使用され得る。中赤外線を使用することで、被観察物の熱情報、分光情報を得ることができる。赤外線センサ１４は、第１撮像センサの一例である。

光学レンズ１５は、可視光線（波長０．４μｍ－０．８μｍ程度）を集束可能なレンズである。光学レンズ１５は、単一の光学レンズまたは複数の光学レンズが組み合わされた光学レンズ群である。光学レンズ１５として、例えば、石英ガラスが使用され得る。光学レンズ１５には、倍率を変更するズームレンズが含まれてもよい。カセグレン対物レンズ１１及び光学レンズ１５は、ステージ１０上の被観察物９０の像を光学センサ１６上に結像する。光学レンズ１５には、像の拡大率を変更するズームレンズが含まれてもよい。

光学センサ１６は、可視光線領域に感度を有する撮像素子である。光学センサ１６として、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal
Oxide Semiconductor）センサなどが使用され得る。光学センサ１６は、検知した光線を電気信号に変換して出力する。光学センサ１６は、第２撮像センサの一例である。

制御基板１７は、赤外線センサ１４や光学センサ１６に電力を供給するとともに赤外線センサ１４や光学センサ１６からの出力信号を受信する。また、制御基板１７は、図示しない画像表示装置や画像記録装置に信号を送信することが可能となっている。これにより、赤外線画像、可視光線画像を取得することができる。

本実施形態の赤外線レンズ１３及び光学センサ１６におけるフォーカス調整、ズーム調整、フリップミラー１２における光路の切り替えは、利用者がマニュアルで行ってもよいし、モータ等のアクチュエータを使用して電気的に行ってもよい。

（動作例）
ここでは、顕微鏡システム１における、被観察物９０の画像を取得する流れについて説明する。

ステージ１０に載置された被観察物９０で、透過、反射、若しくは、発光された光線は、カセグレン対物レンズ１１で集束される。カセグレン対物レンズ１１は、反射鏡によるレンズであるため、赤外線等の可視光線以外の光線も集束され得る。カセグレン対物レンズ１１で集束された光線は、フリップミラー１２に達する。フリップミラー１２で光路が赤外線センサ１４側に切り替えられている場合、当該光線は、赤外線レンズ１３に向かう。また、フリップミラー１２で光路が光学センサ１６側に切り替えられている場合、当該光線は、光学レンズ１５に向かう。

フリップミラー１２で光路が赤外線センサ１４側に切り替えられているとき、フリップミラー１２から赤外線レンズ１３に入射した光線は、集束されて、赤外線センサ１４側に出射する。赤外線センサ１４では、観察対象の被観察物９０の像が結像される。赤外線センサ１４は、入射される光線を電気信号に変換して出力する。赤外線センサ１４の出力は、制御基板１７によって、受信され、画像表示装置や画像記録装置に送信される。赤外線センサ１４で結像される像は、赤外線レンズ１３により倍率を変更され得る。

また、フリップミラー１２で光路が光学センサ１６側に切り替えられているとき、フリ
ップミラー１２から光学レンズ１５に入射した光線は、集束されて、光学センサ１６側に出射する。光学センサ１６では、観察対象の被観察物９０の像が結像される。光学センサ１６は、入射される光線を電気信号に変換して出力する。光学センサ１６の出力は、制御基板１７によって、受信され、画像表示装置や画像記録装置に送信される。光学センサ１６で結像される像は、光学レンズ１５により倍率を変更され得る。

（変形例１）
上記の例では、被観察物９０についての２つの波長領域の画像を取得する例ついて説明したが、ここでは、３つの波長領域の画像を取得する例について説明する。

図２は、顕微鏡システムの変形例の概略構成例を示す図である。変形例１の顕微鏡システム２は、ステージ１０、カセグレン対物レンズ１１、フリップミラー１２、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４、光学レンズ１５、光学センサ１６、制御基板１７、フリップミラー２０、光学レンズ２１、近赤外線センサ２２を含む。顕微鏡システム２は、顕微鏡システム１と共通点を有する。顕微鏡システム２は、顕微鏡システム１と同様に動作する。顕微鏡システム２において、顕微鏡システム１と共通の構成部分については、同じ参照符号を付した。ここでは、主に相違点について、説明する。

フリップミラー２０は、フリップミラー１２と同様の、切替式の反射鏡である。フリップミラー２０は、切り替えスイッチ等により、フリップミラー１２からの光線の光路を、近赤外線センサ２２の方向、または、光学センサ１６の方向に切り替える。

光学レンズ２１は、近赤外線（波長０．７μｍ－２．５μｍ程度）を集束可能なレンズである。光学レンズ２１は、単一のレンズであっても、複数のレンズが組み合わされたレンズ群であってもよい。光学レンズ２１として、例えば、石英ガラスレンズ、サファイアレンズ等が使用され得る。光学レンズ２１には、倍率を変更するズームレンズが含まれてもよい。カセグレン対物レンズ１１及び光学レンズ２１は、ステージ１０上の被観察物９０の像を近赤外線センサ２２上に結像する。光学レンズ２１には、像の拡大率を変更するズームレンズが含まれてもよい。フリップミラー１２側から光学レンズ２１に入射した光線は、集束されて、近赤外線センサ２２側に出射される。光学レンズ２１として、赤外線レンズ１３のようなレンズが使用されてもよい。

近赤外線センサ２２は、近赤外線領域に感度を有する撮像素子である。近赤外線センサ２２は、検知した光線を電気信号に変換して出力する。近赤外線センサ２２として、例えば、ＩｎＧａＡｓカメラ、ブラックシリコンセンサが使用され得る。近赤外線は生体透過性を有するため、被観察物が生体である場合に、生体内の情報を得ることができる。赤外線センサ２２は、第３撮像センサの一例である。

変形例１の顕微鏡システム２は、１つの対物レンズからの光線を、赤外線センサ１４、光学センサ１６及び近赤外線センサ２２で受光することができる。顕微鏡システム２によれば、同一の被観察物９０について、３つの波長領域の電磁波による画像を得ることができる。また、同様にして、２つのフリップミラーの間などに更に別のフリップミラーを設け、当該３つの波長領域以外の波長領域で機能し得るレンズ、センサを設けることで、更に別の波長領域の被観察物９０の画像を取得し得る。カセグレン対物レンズ１１、フリップミラー１２、フリップミラー２０、光学レンズ１５、及び、光学センサ１６は、例えば、一直線上に配置される。顕微鏡システム２は、例えば、カセグレン対物レンズ１１、光学レンズ１５、及び、光学センサ１６を含む既存の光学顕微鏡に、フリップミラー１２、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４、フリップミラー２０、光学レンズ２１、近赤外線センサ２２を追加することで、構成される。フリップミラー１２とフリップミラー２０との間に光学レンズが配置されてもよい。

（変形例２）
上記の例では、中赤外線、近赤外線、可視光線の波長領域おける被観察物９０の画像を取得したが、波長領域は、これらに限定されるものではない。例えば、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４、光学レンズ１５、光学センサ１６の代わりに、赤外線領域よりも長い波長のテラヘルツ光の波長領域や、可視光線よりも短い波長の紫外線の波長領域に対応したレンズやセンサを使用することで、これらの波長領域における被観察物９０の画像を取得することができる。ここで、各センサが感度を有する波長領域は、互いに、重複してもよい。

（変形例３）
上記の例では、光線の光路を変更する際に、フリップミラー１２を使用したが、フリップミラー１２の代わりに、ダイクロイックミラーを使用してもよい。ダイクロイックミラーは、特定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過するミラーである。ここで、例えば、カセグレン対物レンズ１１からの光線のうち、中赤外線の波長領域の光線を赤外線センサ１４の方向に反射させ、他の波長領域の光線を光学センサ１６の方向へ透過させるように、ダイクロイックミラーを設計し、フリップミラー１２と交換する。ダイクロイックミラーを使用することで、中赤外線の波長領域における被観察物９０の画像と、可視光線の波長領域おける被観察物９０の画像とを同時に取得することができる。当該構成は、特に、被観察物９０が時間変化する場合に有効である。ダイクロイックミラーの代わりに、同様の機能を有する他のビームスプリッタが使用されてもよい。ダイクロイックミラーは、光線の光路を赤外線センサ１４の方向及び光学センサ１６の方向に分離する分離部の一例である。

（変形例４）
カセグレン対物レンズ１１、フリップミラー１２、赤外線レンズ１３、赤外線センサ１４を、一体化して、通常の光学顕微鏡における対物レンズ若しくは対物レンズを含むレボルバーの代わりに取り付け可能な赤外線検出モジュールとしてもよい。当該赤外線検出モジュールが取り付けられた光学顕微鏡では、フリップミラー１２で光路を切り替えることで、同一の被観察物を赤外線で観察したり、可視光線で観察したりすることが可能となる。

（変形例５）
赤外線レンズ１３の代わりに、取得する像の倍率を変動させる光学系を備える構成としてもよい。具体的には、当該構成は、光軸方向に複数の結像点を有するように構成されており、該複数の結像点における像のいずれを赤外線センサ１４によって取得するかを切替可能に選択する機構を備える。このような構成によって、広視野低倍率のマクロ観察と狭視野高倍率のミクロ観察とを、円滑かつシームレスに、切り替えることができる。微弱な赤外シグナルを発生する被観察物に対して、マクロ観察することで微弱な赤外シグナルを検知し、赤外シグナルの発光源の位置を特定した上で、当該位置をミクロ観察することで発光源について効率的に観察、撮影することができる。

また、光学レンズ２１、光学レンズ１５の代わりに、取得する像の倍率を変動させる光学系を備える構成としてもよい。具体的には、当該構成は、光軸方向に複数の結像点を有するように構成されており、該複数の結像点における像のいずれを近赤外線センサ２２、光学センサ１６によって取得するかを切替可能に選択する機構を備える。このような構成によって、広視野低倍率のマクロ観察と狭視野高倍率のミクロ観察とを、円滑かつシームレスに、切り替えることができる。このような構成によって、複数の結像点で結像される像の中から所望の倍率（大きさ）の像を取得することで、赤外線センサ１４等の他のセンサで取得した像と、光学的に倍率が近い像を取得することができる。これにより、倍率が
近い像で、中赤外線の波長領域の像、近赤外線の波長領域の像、可視光線の波長領域の像を閲覧することができるため、比較が容易になる。

なお、本変形例における、広視野低倍率のマクロ観察は、虚像を、倍率を変動させる光学系の先のセンサ上で結像させ実像化することに実現され、狭視野高倍率のミクロ観察は、実像を、倍率を変動させる光学系の先のセンサ上で結像させることにより実現されてもよい。

（実施形態の作用、効果）
本実施形態の顕微鏡システム１は、１つの対物レンズ（カセグレン対物レンズ１１）からの光線を、赤外線センサ１４及び光学センサ１６で受光することができる。顕微鏡システム１によれば、同一の被観察物９０の同じ位置について、赤外線センサ１４による赤外線画像と光学センサ１６による可視光線画像とを比較することが容易となる。本実施形態の顕微鏡システムでは、赤外線レンズ、赤外線センサ等を冷却しなくてもよい。冷却しないことで、構成をより簡素にすることができる。顕微鏡システム１によれば、同一の被観察物９０について、複数の波長領域の電磁波による画像を得ることができる。例えば、顕微鏡システム１によれば、可視光線による画像で被観察物９０の形状を確認しつつ、赤外線による画像で被観察物９０の各位置の温度を確認することができる。

以上の実施形態の構成、各変形例の構成は、可能な限りこれらを組み合わせて実施され得る。

１ ：顕微鏡システム
１０ ：ステージ
１１ ：カセグレン対物レンズ
１２ ：フリップミラー
１３ ：赤外線レンズ
１４ ：赤外線センサ
１５ ：光学レンズ
１６ ：光学センサ
１７ ：制御基板
２ ：顕微鏡システム
２０ ：フリップミラー
２１ ：光学レンズ
２２ ：近赤外線センサ
９０ ：被観察物

Claims (9)

1. 観察対象である被観察物を観察する顕微鏡システムであって、
   前記被観察物側からの光線を入射される対物レンズと、
   前記対物レンズからの光線の光路を第１方向と第２方向とに分離する分離部と、
   前記第１方向の光路に配置され、第１波長領域の光線を集束する第１レンズ系と、
   前記第１波長領域に感度を有し、前記第１レンズ系によって集束されて結像された前記被観察物の像を検出する第１撮像センサと、
   前記第２方向の光路に配置され、前記第１波長領域と異なる第２波長領域の光線を集束する第２レンズ系と、
   前記第２波長領域に感度を有し、前記第２レンズ系によって集束されて結像された前記被観察物の像を検出する第２撮像センサと、
   前記分離部と前記第２レンズ系との間に配置され、前記分離部からの前記光線の前記光路を、前記第２方向と第３方向とに分離する第２分離部と、
   前記第３方向の光路に配置され、前記第１波長領域及び前記第２波長領域と異なる第３波長領域の光線を集束する第３レンズ系と、
   前記第３波長領域に感度を有し、前記第３レンズ系によって集束されて結像された前記被観察物の像を検出する第３撮像センサと、を備え、
   前記第１波長領域は、中赤外線領域であり、
   前記第２波長領域は、可視光線領域であり、
   前記第３波長領域は、近赤外線領域である、
   顕微鏡システム。
2. 前記第１レンズ系は、ゲルマニウムレンズを含み、
   前記第１撮像センサは、マイクロボロメータであり、
   前記第２レンズ系は、石英ガラスレンズを含み、
   前記第２撮像センサは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）セン
   サである、
   請求項１に記載の顕微鏡システム。
3. 前記分離部は、前記光線の前記光路を前記第１方向と前記第２方向との間で切り替える切替ミラーである、
   請求項１または２に記載の顕微鏡システム。
4. 前記分離部は、前記光線の前記光路を前記第１方向と前記第２方向とに分離するダイクロイックミラーである、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
5. 前記対物レンズは、カセグレン対物レンズである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
6. 前記第３レンズ系は、石英ガラスレンズを含み、
   前記第３撮像センサは、ＩｎＧａＡｓカメラである、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
7. 前記第２分離部は、前記光線の前記光路を前記第２方向と前記第３方向との間で切り替える切替ミラーである、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
8. 前記第２分離部は、前記光線の前記光路を前記第２方向と前記第３方向とに分離するダイクロイックミラーである、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。
9. 前記第１レンズ系、前記第２レンズ系、または、前記第３レンズ系は、前記第１撮像センサ、前記第２撮像センサ、または、前記第３撮像センサで取得する像の倍率を変更する倍率変更手段を備えており、
   前記倍率変更手段は、第１倍率の第１の状態と、前記第１倍率よりも大きい第２倍率の第２の状態とを切り替えることによって、前記倍率を変更することを特徴とする、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の顕微鏡システム。

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