JP7416466B2 - 顕微観察装置及び検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、顕微観察装置、検出器及び顕微観察方法に関する。
従来の光学顕微鏡とは異なり、結像や拡大縮小といった光学系の調整および観察対象の走査を要することなく、観察対象の全体を簡易に観察できる観察方法が提案されている（特許文献１）。
特開２０１８－４２２８３号公報
しかし、観察対象の厚み方向に観察することが難しいという問題があった。
本発明の一態様はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、観察対象の厚み方向に観察することを可能とする顕微観察装置、検出器および顕微観察方法を提供することである。
本発明の第１の態様に係る顕微観察装置は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、前記観察対象に励起光を照射する光源と、前記励起光を照射することによって前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光を複数、光制御する第１の光学系と、前記第１の光学系によって光制御された複数の光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタと、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系と、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、を備える。
特許文献１に記載の観察方法は、観察対象に励起光を照射し、観察対象からの蛍光を観察することまでは想定していない。
本発明の一態様はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の一態様の課題は、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して観察対象の全体を簡易に観察できる顕微観察装置、検出器および顕微観察方法を提供することである。
この構成によれば、第１の光学系と第２の光学系とで光制御することによって、観察対象と光電変換素子との間の距離を離すことができる。これにより、観察対象が垂直方向に厚みがあったとしても、手動または機械的に第１の光学系、フィルタ、第２の光学系、光電変換素子を一体的に光電変換素子９の入射面に対して略垂直方向に移動させるだけの空間があるので、移動させて観察することにより、観察対象の厚み方向の蛍光の強度分布を観察することができる。またフィルタが、第１の光学系によって光制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。また、光電変換素子で第２の光学系によって光制御された光を電気に変換するため、従来の光学顕微鏡のように視野と倍率のトレードオフという関係が存在せず、複数の光電変換素子を密に配置すれば広い視野を高倍率で観察することができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に観察できる。
本発明の第２の態様に係る顕微観察装置は、前記フィルタは、入射光の入射角度の増加に伴い透過帯が短波長側に移動する特性を有し、前記フィルタへの入射光の入射角が少なくとも励起光の透過率が規定の上限以下になる入射角度の許容範囲に収まるように、前記第１の光学系の光学特性が設定されている。
この構成によれば、励起光の透過率が規定の上限以下になるように、励起光をフィルタで低減することができるので、蛍光を観察することができる。
本発明の第３の態様に係る顕微観察装置は、第１または２の態様に係る顕微観察装置であって、前記第１の光学系は、前記第１の光学系の前記観察対象側の端部と前記観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、前記第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されている。
この構成によれば、観察対象Ｔが垂直方向に厚みがあったとしても、手動または機械的に、第１の光学系、フィルタ、第２の光学系、光電変換素子を一体的に設定距離（例えば、１ｍｍ）の範囲で光電変換素子の入射面に対して略垂直方向に移動させることができるので、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光の強度分布を観察することができる。
本発明の第４の態様に係る顕微観察装置は、第１から３のいずれかの態様に係る顕微観察装置であって、前記第１の光学系、前記フィルタ、前記第２の光学系及び前記光電変換素子を、それぞれの相対位置関係を保ったまま、前記光電変換素子の入射面に対して略垂直方向に移動させる駆動部を更に備える。
この構成によれば、観察対象が垂直方向に厚みがあったとしても、駆動部により設定距離（例えば、１ｍｍ）の範囲で光電変換素子の入射面に対して略垂直方向に移動させることにより、観察対象の厚み方向の蛍光の強度分布を観察することができる。
本発明の第５の態様に係る顕微観察装置は、第１から４のいずれかの態様に係る顕微観察装置であって、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系を更に備え、前記複数の光電変換素子は、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換し、前記光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限以上になる設定範囲内に収まるように、前記第２の光学系の光学特性が設定されている。
この構成によれば、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。
本発明の第６の態様に係る顕微観察装置は、第５の態様に係る顕微観察装置であって、前記第２の光学系は、前記フィルタを通過した光を光制御する光制御部材と、前記光制御部材によって光制御された光が入射し且つ当該入射した光を光制御する視野角制御層と、を含み、前記光電変換素子は、前記視野角制御層によって光制御された光を光電変換し、前記光電変換素子に入射する光の角度が前記設定範囲内に収まるように、前記視野角制御層の光学特性が設定されている。
この構成によれば、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。
本発明の第７の態様に係る顕微観察装置は、第１から６のいずれかの態様に係る顕微観察装置であって、前記フィルタは、電気的または機械的に透過波長が制御可能である。
この構成によれば、フィルタを透過する波長を変更することができるので、観察したい蛍光波長を変更することができる。
本発明の第８の態様に係る顕微観察装置は、第１から７のいずれかの態様に係る顕微観察装置であって、前記第１の光学系は、前記フィルタへ向かって光が狭まっていくように
光の進行角度を制御し、前記第１の光学系は、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まり、且つ観察対象のうち対象とする焦点深度範囲以外の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まらないように光学特性が設定されている。
この構成によれば、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光のみを観察することができる。
本発明の第９の態様に係る蛍光検出器は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置に用いられる蛍光検出器であって、前記励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む複数の光を光制御する第１の光学系と、前記第１の光学系によって光制御された複数の光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタと、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系と、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、を備える。
本発明の第１０の態様に係る顕微観察方法は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察方法であって、光源から励起光を前記観察対象に照射することと、第１の光学系が、前記励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む複数の光を光制御することと、フィルタが、前記第１の光学系によって光制御された複数の光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減することと、第２の光学系が、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御することと、複数の光電変換素子が、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換することと、を有する。
本発明の第１１の態様に係る顕微観察装置は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、前記観察対象に励起光を照射する光源と、前記励起光を照射することによって前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタと、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系と、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限以上になる設定範囲内に収まるように、前記第２の光学系の光学特性が設定されている。
この構成によれば、フィルタが励起光を低減させて、蛍光を透過させることができ、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。また、光電変換素子で第２の光学系によって光制御された光を電気に変換するため、従来の光学顕微鏡のように視野と倍率のトレードオフという関係が存在せず、複数の光電変換素子を密に配置すれば広い視野を高倍率で観察することができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に高感度で観察できる。
本発明の第１２の態様に係る蛍光検出器は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置に用いられる蛍光検出器であって、光源から励起光を照射することによって前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタと、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系と、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限以上になる設定範囲内に収まるように、前記第２の光学系の光学特性が設定されている。
本発明の第１３の態様に係る顕微観察方法は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察方法であって、光源から励起光を前記観察対象に照射することと、フィルタが、光源から励起光を照射することによって前記観察対象から生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光のうち、前記励起光の波長帯域の光の強度を低減することと、第２の光学系が、前記フィルタを通過した後の複数の光を光制御することと、複数の光電変換素子が、前記第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換することと、を有し、前記光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限以上になる設定範囲内に収まるように、前記第２の光学系の光学特性が設定されている。
本発明の一態様によれば、フィルタが励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。また、光電変換素子で光を電気に変換するため、従来の光学顕微鏡のように視野と倍率のトレードオフという関係が存在せず、複数の光電変換素子を密に配置すれば広い視野を高倍率で観察することができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に観察できる。
第１の実施形態に係る顕微観察装置の概略断面図である。 フィルタ５の透過率と波長の関係の一例を示すグラフである。 励起光の波長λ１におけるフィルタ５の透過率と入射光の入射角度との関係の一例を示すグラフである。 蛍光の波長λ２におけるフィルタ５の透過率と入射光の入射角度との関係の一例を示すグラフである。 光電変換素子９の特性の一例を示す図である。 光電変換素子９に入射する光束の第１の例である。 光電変換素子９に入射する光束の第２の例である。 第１の実施形態に係る顕微観察装置を用いた顕微観察システムを模式的に示すブロック図である。 第１の実施形態に係るロジック回路の構成の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０ｂの概略断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０ｂ２の概略断面図である。 第３の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｃの概略断面図である。 第４の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｄの概略断面図である。 第４の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｄ２の概略断面図である。 第５の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｅの概略断面図である。 第５の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｅ２の概略断面図である。
以下、各実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
図１は、第１の実施形態に係る顕微観察装置の概略断面図である。顕微観察装置１００は、観察対象Ｔに光源１から励起光を照射して観察対象から生じる蛍光を観察するものである。図１に示すように、顕微観察装置１００は、光源１と、蛍光検出器１０とを備える。光源１は、観察対象Ｔに励起光を照射し、光源本体１１とフィルタ１２とを有する。光源本体１１は、光を出射するものであり、例えばランプまたはレーザである。フィルタ１２は、ほぼ励起光の波長帯域だけ透過させるものである。載置部材２は例えば細胞載置用の透明な容器（ディッシュ）であり、載置部材２には一例として略円状の空洞が設けられている。透明部材３は、載置部材２の空洞を覆うように載置部材２の裏面に固定されており、光を透過させるものであり、例えばガラスである。例えば透明部材３の上に観察対象Ｔが載置される。観察対象Ｔは、励起光を照射すると蛍光を発するものであり、例えば蛍光タンパクを発現させた細胞である。本実施形態では一例として、蛍光は励起光よりも長い波長であるものとして以下説明する。
光源１は観察対象Ｔに対して励起光Ｌ１を照射する。観察対象Ｔは励起光Ｌ１によって励起され蛍光Ｌ２を発する。
蛍光検出器１０は、第１の光学系４と、フィルタ５と、第２の光学系６と、中間層７と、半導体基板８と、半導体基板８の上面に設けられた複数の光電変換素子９とを備える。第１の光学系４は、励起光Ｌ１を照射して観察対象から生じる蛍光Ｌ２と一部の励起光Ｌ３を含む複数の光を光制御する。ここで光制御には、光の進行角度の制御（集光を含む）、導光またはこれらの組み合わせである。本実施形態では導光の例について説明する。一部の励起光Ｌ３は、観察対象の周りを通過した光である。フィルタ５は、第１の光学系４によって光制御された複数の光のうち、励起光の波長帯域の光の強度を低減する。本実施形態に係るフィルタ５は一例として光学特性に入射角度依存性があり、例えば誘電体多層膜フィルタである。ここで光学特性の入射角度依存性は例えば、入射光の入射角度の増加に伴い透過帯が短波長側に移動する特性である。ここで入射光の入射角度は、入射光とフィルタ５の法線とがなす角度である。また誘電体多層膜フィルタは、基板表面にフィルタとして機能する誘電体多層膜を蒸着したタイプである。誘電体多層膜フィルタは、光の干渉効果により波長を選択的に取り出すことができる。分光透過特性のグラフにおいて、パス／カットの急激な立ち上がり（或いは立ち下がり）を示すのが誘電体多層膜フィルタの特長である。
なおフィルタ５は、電気的または機械的に透過、吸収、反射のうち少なくとも一つの波長特性が制御可能であってもよい。例えばフィルタ５は液晶チューナブル、またはファブリペローである。液晶チューナブルは電気的に透過波長を変更することが可能であり、ファブリペローは機械的に透過波長を変更することが可能である。
第２の光学系６は、フィルタ５を通過した後の複数の光を光制御する。なお、第
２の光学系６は、光の進行角度の制御（集光を含む）あるいは導光を組み合わせて実現してもよい。本実施形態では導光の例について説明する。
光電変換素子９は第２の光学系６によって光制御された複数の光を電気に変換するものであり、例えばフォトダイオードである。
図２Ａは、フィルタ５の透過率と波長の関係の一例を示すグラフである。図２Ａの縦軸は透過率で横軸は波長である。図２Ａでは、フィルタ５への入射光の入射角度が０のグラフと、フィルタ５への入射光の入射角度がθ１のグラフとが示されている。入射角度が０の場合において、励起光の波長λ１はフィルタ５の透過率がほぼ０％であるから、励起光はフィルタ５によってカットされるが、励起光の波長λ１より長い蛍光の波長λ２はフィルタ５の透過率がほぼ１００％であり、蛍光はフィルタ５を通過する。
一方、入射角度が０より大きいθ１の場合において、励起光の波長λ１はフィルタ５の透過率が０％より大きいα１％であるから、励起光の多くはフィルタ５によってカットされるが、蛍光の波長λ２はフィルタ５の透過率が１００％より低いβ１％であり、蛍光の多くはフィルタ５を通過する。
また例えば、入射角度がθ１より大きいθ２の場合において、励起光の波長λ１はフィルタ５の透過率がα１％より大きいα２％であるから、励起光の半分程度しかフィルタ５によってカットされず、蛍光の波長λ２はフィルタ５の透過率がβ１％より低いβ２％であり、蛍光の強度はフィルタ５を通ると低減する。
図２Ｂは、励起光の波長λ１におけるフィルタ５の透過率と入射光の入射角度との関係の一例を示すグラフである。図２Ｂの縦軸は透過率で横軸は入射光の入射角度である。フィルタ５への入射光の入射角度がθ１のときに、フィルタ５の透過率が０％より大きいα１％である。図２Ｂに示すように、入射光の入射角度が大きくなるほど、励起光の透過率が大きくなる。
特許文献１に記載の観察方法を、そのまま蛍光観察に利用するとすると、光学特性に入射角度依存性があるフィルタ（例えば、誘電体多層膜フィルタ）の場合、入射光の入射角度増にともない透過帯が短波長側に移動するので、入射光の角度によってはフィルタ５が励起光を十分にカットできずにフォトダイオードに入射してしまう。この場合、通常、入射光が蛍光より光の強度が高いため、蛍光だけを取り出すことができず、観察対象からの蛍光を観察できないという問題がある。
それに対して本実施形態では、α１％が励起光の透過率の上限であるとすると、フィルタ５への入射光の入射角度が、励起光の透過率の上限α１％以下になるように、入射角度の範囲－θ１～θ１が定められている。すなわち、フィルタ５への入射光の入射角が少なくとも励起光の透過率が規定の上限以下になる入射角度の許容範囲に収まるように、第１の光学系４の光学特性が設定されている。これにより、励起光の透過率が規定の上限以下になるように、励起光をフィルタ５で低減することができるので、蛍光を観察することができる。
図２Ｃは、蛍光の波長λ２におけるフィルタ５の透過率と入射光の入射角度との関係の一例を示すグラフである。図２Ｃの縦軸は透過率で横軸は入射光の入射角度である。フィルタ５への入射光の入射角度がθ２のときに、フィルタ５の透過率がβ１％より低い低いβ２％である。図２Ｃに示すように、入射光の入射角度が大きくなるほど、蛍光の透過率が小さくなる。
特許文献１に記載の観察方法を、そのまま蛍光観察に利用するとすると、光学特性に入射角度依存性があるフィルタ（例えば、誘電体多層膜フィルタ）の場合、入射光の入射角度増にともない透過帯が短波長側に移動するので、入射光の角度によってはフィルタが蛍光の強度を大きく低減してしまい、フォトダイオードに蛍光が十分に入射できない。このの場合、蛍光の強度が十分ではなく、観察対象からの蛍光を十分な明るさで観察できないという問題がある。
それに対して本実施形態では、β２％が蛍光の透過率の下限であるとすると、フィルタ５への入射光の入射角度が、蛍光の透過率の下限β％以上になるように、入射角度の範囲－θ２～θ２が定められている。
このように、本実施形態では一例として、フィルタ５への入射光の入射角度が、励起光
の透過率が規定の上限α１％以下になり、且つ蛍光の透過率が規定の下限β２％以上になるように、入射角度の範囲－θ１～θ１と入射角度の範囲－θ２～θ２とが重なる範囲である－θ１～θ１が、入射角度の許容範囲として定められている。
このように、フィルタ５は光学特性に入射角度依存性があるので、フィルタ５へ入射する光の入射角が、少なくとも励起光の透過率が規定の上限α１％以下になる入射角度の許容範囲に収まるように、第１の光学系４の光学特性が設定されている。入射角度の許容範囲は、好ましくは、励起光の透過率が規定の上限α１％以下になり、且つ蛍光の透過率が規定の下限β２％以上になる範囲であり、本実施形態ではこの好ましい態様であるものとして説明する。この構成により、フィルタ５が、第１の光学系４によって光制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に観察できる。
第１の光学系４は、複数のセルフォックレンズ４１を有し、当該複数のセルフォックレンズ４１により蛍光と一部の励起光を含む複数の光を導光する。この構成によれば、セルフォックレンズ４１で導光することにより、球面レンズと異なりレンズの多層化が不要で、コンパクト化、低コスト化が可能となり、全幅にわたり均等な像と光量を得ることができる。
第１の光学系４は、第１の光学系４の観察対象側の端部と観察対象Ｔとの間の距離が設定距離（例えば、１ｍｍ）以上離れるように、第１の光学系４の観察対象側の焦点距離が設定されている。ここでは、具体的にはセルフォックレンズ４１の観察対象側の端部と観察対象Ｔとの間の距離が設定距離（例えば、１ｍｍ）以上離れるように、セルフォックレンズ４１の観察対象側の焦点距離が設定されている。
この構成によれば、観察対象Ｔが垂直方向に厚みがあったとしても、手動または機械的に蛍光検出器１０全体を設定距離（例えば、１ｍｍ）の範囲で光電変換素子９の入射面に対して略垂直方向（図１のｚ方向）に移動させることができるので、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光の強度分布を観察することができる。
駆動部２０は、蛍光検出器１０全体を垂直方向（図１のｚ方向）に移動させるものである。すなわち、駆動部２０は、第１の光学系４、フィルタ５、第２の光学系６及び光電変換素子９を、それぞれの相対位置関係を保ったまま、光電変換素子９の入射面に対して略垂直方向に移動させる。駆動部２０は例えばカメラフォーカス用に用いられているアクチュエータであってもよいし、ボイスコイル方式であってもよいし、ピエゾ方式であってもよいし、人工筋肉方式であってもよい。
この構成によれば、観察対象Ｔが垂直方向に厚みがあったとしても、駆動部２０により蛍光検出器１０全体を設定距離（例えば、１ｍｍ）の範囲で、光電変換素子９の入射面に対して略垂直方向（図１のｚ方向）に移動させることにより、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光の強度分布を観察することができる。
図３は、光電変換素子９の特性の一例を示す図である。図３において縦軸は感度で、横軸は光電変換素子９に入射する光の入射角である。ここで光電変換素子９に入射する光の入射角は、入射光と光電変換素子９の法線とがなす角度である。光電変換素子９に入射する光の入射角が設定範囲内（ここでは例えば－Ｘ１～Ｘ１［ｄｅｇ］）であれば、光電変換素子９の感度の規定の下限γ（例えば、ピークの感度から３ｄＢ低下した水準）以上になる。すなわち、光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限γ以上になる設定範囲内に収まるように、第２の光学系６の光学特性が設定されている。
図１に示すように、第２の光学系６は、フィルタ５を通過した光を光制御する複数の光制御部材６１と、複数の光制御部材６１によって光制御された光が入射し且つ所定の視野角に収まるように当該入射した光の進行角度を制御する複数の視野角制御層６２と、を含む。視野角制御層は例えばマイクロレンズである。なお、視野角制御層は視野角制御が可能であればよく、マイクロレンズに限らず、メタマテリアルレンズ、フレネルレンズ、導波構造、またはピンホール等であってもよい。複数の光電変換素子９は、視野角制御層６２を通った光を光電変換する。光電変換素子９に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限γ以上になる設定範囲内（例えば図３の－Ｘ１～Ｘ１［ｄｅｇ］）に収まるように、視野角制御層６２の光学特性が設定されている。
この構成により、光電変換素子９は、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。
本実施形態では光制御部材６１は一例として、セルフォックレンズである。この構成により、光制御部材６１がセルフォックレンズであることにより、球面レンズと異なりレンズの多層化や反転ミラーが不要で、コンパクト化、低コスト化が可能となり、全幅にわたり均等な像と光量を得ることができる。
図４Ａは、光電変換素子９に入射する光束の第１の例である。図４Ｂは、光電変換素子９に入射する光束の第２の例である。光電変換素子９は、光を電子に変換する素子であるので、光電変換素子９で結像させる必要はなく、光電変換素子９に入射する光の角度が設定範囲内（例えば図３の－Ｘ１～Ｘ１［ｄｅｇ］）に収まるようにすれば足りる。よって、光電変換素子９に入射する光束は、図４Ａのように結像せずに光電変換素子９に入射する光束Ｌ４であってもよいし、図４Ｂのように一度１点に集光してから広がって光電変換素子９に入射する光束Ｌ５であってもよい。
図５は、第１の実施形態に係る顕微観察装置を用いた顕微観察システムの構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、顕微観察システムＳは、顕微観察装置１００、光源コントローラ８１、駆動部コントローラ８２、フィルタコントローラ８３、デバイスコントローラ８４、制御装置８５、ロジック回路２００、及び制御装置８５に接続された表示装置３００を備える。
光源コントローラ８１は、光源１の励起波長と励起強度を調整する。駆動部コントローラ８２は、駆動部２０を制御することにより、焦点面を移動させ撮影の位置を調整する。フィルタコントローラ８３は、フィルタ５で透過する波長（すなわち観察したい蛍光波長）を設定する。デバイスコントローラ８４は、ロジック回路２００を制御して、撮影条件（ゲイン、露光、フレームレート等）を設定する。ここでロジック回路２００は、信号処理回路であり、その詳細な説明は図６で後述する。
制御装置８５は、光源コントローラ８１、駆動部コントローラ８２、フィルタコントローラ８３、及びデバイスコントローラ８４を制御する。制御装置８５は例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）またはマイコンである。上記、光源コントローラ８１～デバイスコントローラ８４の操作自体は順不同で行う事ができ、これらの設定を変える事により、所望の蛍光観察を行うことができる。
図６は、第１の実施形態に係るロジック回路の構成の一例を示すブロック図である。ロジック回路２００は、顕微観察装置１００の光電変換素子９による光電変換により得られた電圧信号（ｒａｗ ｄａｔａ）に対して色補正（ホワイトバランス、カラーマトリクス）、ノイズ補正（ノイズリダクション、傷補正）、画質補正（エッジ強調、ガンマ補正）
など所定の信号処理を施し、信号処理された電圧信号を画像信号として制御装置８５へ出力する。制御装置８５は、この画像信号を表示装置３００へ出力する。これにより、操作者は、信号処理後の画像を観察することができる。なお、ロジック回路２００の一部または全部の機能が、制御装置８５で実行されてもよい。
本実施形態においては、顕微観察装置１００に結像用あるいは拡大縮小用のレンズ系が含まれないため、ロジック回路２００には、このようなレンズ収差の補正やシェーディング補正するための補正回路はなくてよい。
このようなロジック回路２００は、例えば半導体基板８において、光電変換素子９（具体的にはフォトダイオード）が形成された領域の周囲に形成することによって蛍光検出器１０に内蔵させてもよいし、蛍光検出器１０とは別基板に設けられて、蛍光検出器１０とは別部品あってもよい。
また、表示装置３００はロジック回路２００から出力される画像信号に基づいて観察対象Ｔの画像を形成し、表示する。表示装置３００は透明部材３の上に配置された観察対象Ｔの全体を一度にリアルタイム表示できる。
以上、第１の実施形態に係る顕微観察装置１００は、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する。この顕微観察装置１００は、観察対象に励起光を照射する光源１と、励起光を照射することによって観察対象から生じる蛍光と一部の励起光を含む複数の光を光制御する第１の光学系４と、第１の光学系４によって光制御された複数の光のうち、励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタ５と、フィルタ５を通過した後の複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子９と、を備える。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、第１の光学系４の光学特性が設定されている。
この構成によれば、フィルタ５が、第１の光学系４によって光制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。また、光電変換素子９で光を電気に変換するため、従来の光学顕微鏡のように視野と倍率のトレードオフという関係が存在せず、複数の光電変換素子９を密に配置すれば広い視野を高倍率で観察することができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に観察できる。また、本実施形態の構成で、蛍光観察だけではなく透過光観察もできる。
＜第２の実施形態＞
続いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る顕微観察装置は、第１の実施形態に係る顕微観察装置とは、蛍光検出器の構成が異なっている。
図７は、第２の実施形態に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０ｂの概略断面図である。図７に示すように、第１の実施形態に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０に比べて、第２の実施形態に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０ｂは、第１の光学系４が第１の光学系４ｂに変更され、第２の光学系６が第２の光学系６ｂに変更されたものになっている。
第１の光学系４ｂ、複数のレンズ４２と、複数のレンズ４３とを有する。レンズ４２は、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光を光制御する。本実施形態では光制御は一例として光の進行角度の制御である。レンズ４２は、光の進行角度を制御して光を広げる。レンズ４３は、レンズ４２によって広がった光を再度、進行角度の制御をして光を狭める。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ４３の光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ４３によって進行角度が制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。更に、上記のように、レンズ４３によって光の進行角度の制御することにより、観察対象の
うち対象とする焦点深度範囲の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるようにし、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲以外の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まらないようにすることができる。これにより、フィルタ５は、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光のみを通すので、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光を観察することができる。
なお、ここではレンズ４３によって光の進行角度を制御させる例について説明したが、光学構成はこれに限らず、第１の光学系４は他の光学構成によって、フィルタ５へ向かって光が狭まっていくように光の進行角度を制御してもよい。この場合、第１の光学系４は、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まり、且つ観察対象のうち対象とする焦点深度範囲以外の蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まらないように光学特性が設定されている。これにより、観察対象のうち対象とする焦点深度範囲の蛍光のみを観察することができる。
第２の光学系６ｂは、複数のレンズ６３と、複数のレンズ６４と、複数の視野角制御層６２とを有する。レンズ６３は、フィルタ５を通過した後の光の進行角度を狭める方向に制御する。レンズ６４は、レンズ６３によって広がった光の進行角度を狭める方向に制御する。視野角制御層６２は、所定の視野角に収まるようにレンズ６４を通って入射した光の進行角度を制御する。ここで第１の実施形態と同様に、光電変換素子９に入射する光の角度が設定範囲内に収まるように、視野角制御層６２の光学特性が設定されている。この構成によれば、光電変換素子９は、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。
＜第２の実施形態の変形例＞
上記第２の実施形態では、各レンズによって光の進行角度を狭める方向に制御する例について説明したが、これに限らず、図８に示すように、各レンズによって導光される構成にしてもよい。図８は、第２の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の蛍光検出器１０ｂ２の概略断面図である。蛍光検出器１０ｂ２は、図７の第２の実施形態の蛍光検出器１０ｂと比べて、第１の光学系４ｂが第１の光学系４ｂ２に変更され、第２の光学系６ｂが第２の光学系６ｂ２に変更されたものになっている。
第１の光学系４ｂは、レンズ４２ｂ、レンズ４２１、レンズ４３ｂを有する。レンズ４２は、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光をレンズ４２１へ導光する。レンズ４２１は、レンズ４２を通って入射した光を平行光として通す。レンズ４３ｂは、レンズ４２１を通って入射した光を平行に通す。これにより、フィルタ５に入る光がフィルタ５に対して垂直になるため、透過帯が短波長側に移動することはないので、フィルタ５は、入射された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
第２の光学系６ｂ２は、レンズ６３ｂ、レンズ６３１、レンズ６４、視野角制御層６２を有する。レンズ６３ｂは、フィルタ５を通過した光をレンズ６３１へ導光する。レンズ６３１は、レンズ６３を通って入射した光を平行光として通す。レンズ６４ｂは、レンズ６３１を通って入射した光を視野角制御層６２へ導光する。更に視野角制御層６２はレンズ６３１を通って入射した光を絞る。ここで第１及び第２の実施形態と同様に、光電変換素子９に入射する光の角度が設定範囲内に収まるように、視野角制御層６２の光学特性が設定されている。この構成によれば、光電変換素子９は、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。
＜第３の実施形態＞
続いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態に係る顕微観察装置は、第１の実施形態に係る顕微観察装置とは、第１の光学系の構成が異なっている。
図９は、第３の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｃの概略断面図である。図９に示すように、第１の光学系４ｃは、平坦層４５と、平坦層４５の上に設けられた複数のレンズ４４と、平坦層４７と、平坦層４７の上に設けられた複数の導波管４６と、平坦層４７の下面に設けられた複数のレンズ４８とを有する。ここで導波管４６は層内レンズともいう。
レンズ４４は、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光の進行角度を狭める方向に制御する。
導波管４６は、レンズ４４及び平坦層４５を通った光を導波する。
レンズ４８は、導波管４６及び平坦層４７を通った光の進行角度を狭める方向に制御する。これにより、レンズ４８を通った光は、フィルタ５に入射する。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ４８の光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ４８によって進行角度を狭める方向に制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
＜第４の実施形態＞
続いて、第４の実施形態について説明する。第３の実施形態に係る顕微観察装置は、第１の実施形態に係る顕微観察装置とは、第１の光学系の構成が異なっている。
図１０は、第４の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｄの概略断面図である。図１０に示すように、第１の光学系４ｄは、平坦層５０と、平坦層５０の上に設けられた複数のレンズ４９と、平坦層５２と、平坦層５２の上に設けられた複数の導波管５１と、平坦層５４と、平坦層５４の上に設けられた複数のレンズ５３とを有する。ここで導波管５１は層内レンズともいう。
レンズ４９は、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光の進行角度を狭める方向に制御する。導波管５１は、レンズ４９及び平坦層５０を通った光を導波する。レンズ５３は、導波管５１及び平坦層５２を通った光の進行角度を狭める方向に制御する。これにより、レンズ５３を通った光は、平坦層５４を通ってフィルタ５に入射する。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ５３の光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ５３によっての行角度を狭める方向に制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
＜第４の実施形態の変形例＞
上記第４の実施形態では、各レンズによって光の進行角度を狭める方向に制御される例について説明したが、これに限らず、図１１に示すように、各レンズによって導光される構成にしてもよい。図１１は、第４の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｄ２の概略断面図である。第１の光学系４ｄ２は、図１０の第４の実施形態の第１の光学系４ｄと比べて、レンズ４９がレンズ４９ｂに、レンズ５３がレンズ５３ｂに変更されたものになっている。
レンズ４９ｂは、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光を導光する。導波管５１は、レンズ４９によって導光され且つ平坦層５０を通った光を導波する。レンズ５３ｂは、導波管５１及び平坦層５２を通った光を導光する。レンズ５３によって導光された光は、平坦層５４を通ってフィルタ５に入射する。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ５３ｂの光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ５３ｂによって導光された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
＜第５の実施形態＞
続いて、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態に係る顕微観察装置は、第
１の実施形態に係る顕微観察装置とは、第１の光学系の構成が異なっている。
図１２は、第５の実施形態に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｅの概略断面図である。図１２に示すように、第１の光学系４ｅは、平坦層５６と、平坦層５６の上に設けられた複数のレンズ５５と、平坦層５８と、平坦層５８の上に設けられた複数のレンズ５７と、平坦層７０と、平坦層７０の上に設けられた複数のレンズ５９と、平坦層７２と、平坦層７２の上に設けられた複数のレンズ７１とを有する。
レンズ５５は、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光の進行角度を狭める方向に制御する。レンズ５７は、レンズ５５及び平坦層５６を通った光の進行角度を狭める方向に制御する。レンズ５９は、レンズ５７及び平坦層５８を通った光の進行角度を狭める方向に制御する。レンズ７１は、レンズ５９及び平坦層７０を通った光の進行角度を狭める方向に制御する。これにより、レンズ７１及び平坦層７２を通ってフィルタ５に入射する。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ７１の光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ７１によって進行角度を狭める方向に制御された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
＜第５の実施形態の変形例＞
上記第５の実施形態では、各レンズによって光の進行角度を狭める方向に制御される例について説明したが、これに限らず、図１３に示すように、各レンズによって導光される構成にしてもよい。図１３は、第５の実施形態の変形例に係る顕微観察装置の第１の光学系４ｅ２の概略断面図である。第１の光学系４ｅ２は、図１２の第５の実施形態の第１の光学系４ｅと比べて、レンズ５５がレンズ５５ｂに、レンズ５７がレンズ５７ｂに、レンズ５９がレンズ５９ｂに、レンズ７１がレンズ７１ｂに変更されたものになっている。
レンズ５５ｂは、観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の前記励起光を含む光を導光する。
レンズ５７ｂは、レンズ５５ｂによって導光され、平坦層５６を通った光を導光する。
レンズ５９ｂは、レンズ５７ｂによって導光され、平坦層５８を通った光を導光する。
レンズ７１ｂは、レンズ５９ｂによって導光され、平坦層７０を通った光を導光する。
レンズ７１ｂによって導光された光は、平坦層７２を通ってフィルタ５に入射する。フィルタ５への蛍光の入射角が入射角度の許容範囲に収まるように、レンズ７１ｂの光学特性が設定されている。これにより、フィルタ５が、レンズ７１ｂによって導光された光のうち、励起光を低減させて、蛍光を透過させることができる。
＜変形例＞
なお、各実施形態ではフィルタ５は一例として光学特性に入射角度依存性があるとして説明したが、これに限ったものではなく、光学特性に入射角度依存性がないものであってもよく、例えばフィルタガラスであってもよい。フィルタガラスは、光学特性に入射角依存性がないが、その反面、パス／カットの立ち上がり（あるいは立ち下がり）が緩やかな特長がある。
フィルタが光学特性に入射角度依存性がない場合において、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光分布を観察するときには、第１の光学系の観察対象側の端部と観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されている第１の光学系が必要である。これにより、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光分布を観察することができる。
一方、フィルタが光学特性に入射角依存性がない場合において、観察対象Ｔの厚み方向の蛍光分布を観察しないときには、第１の光学系はなくてもよい。すなわち、蛍光検出器は、光源から励起光を照射することによって観察対象Ｔから生じる蛍光と一部の励起光を
含む光のうち、励起光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタと、フィルタを通過した後の複数の光を光制御する第２の光学系と、第２の光学系によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、を少なくとも備え、光電変換素子に入射する光の角度が設定範囲内に収まるように、第２の光学系の光学特性が設定されていてもよい。
この構成によれば、フィルタが励起光を低減させて、蛍光を透過させることができ、光電変換素子の感度が規定の下限以上になるので、高感度で観察することができる。また、光電変換素子で第２の光学系によって光制御された光を電気に変換するため、従来の光学顕微鏡のように視野と倍率のトレードオフという関係が存在せず、複数の光電変換素子を密に配置すれば広い視野を高倍率で観察することができる。このため、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用して、観察対象の全体を簡易に高感度で観察できる。
なお、載置部材２の底の少なくとも一部が透明部材（例えば、ボトル，プレパラート，流路など）から構成されている場合、透明部材３はなくてもよい。
以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 光源
２ 載置部材
３ 透明部材
４、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 第１の光学系
４１ セルフォックレンズ
４２、４２ｂ、４２１、４３、４４ レンズ
４５ 平坦層
４６ 導波管
４７ 平坦層
４８ レンズ
４９、４９ｂ レンズ
５ フィルタ
５０ 平坦層
５１ 導波管
５２ 平坦層
５３、５３ｂ レンズ
５４ 平坦層
５５、５５ｂ レンズ
５６ 平坦層
５７、５７ｂ レンズ
５８ 平坦層
５９、５９ｂ レンズ
６、６ｂ 第２の光学系
６１ 光制御部材
６２ 視野角制御層
６３、６３ｂ、６３１、６４、６４ｂ レンズ
７ 中間層
７１、７１ｂ レンズ
７２ 平坦層
８ 半導体基板
９ 光電変換素子
１０、１０ｂ 蛍光検出器
２０ 駆動部
４６ 導波管
１００ 顕微観察装置
２００ ロジック回路
３００ 表示装置
Ｓ 顕微観察システム

Claims (10)

  1. 観察対象に第１の光を照射して前記観察対象からの第２の光を観察する顕微観察装置であって、
    前記観察対象に第１の光を照射する光源と、
    前記観察対象からの第２の光と一部の前記第１の光を含む光束を複数に分けて制御する第１の光学系と、
    前記第１の光学系を通過した複数の並進光を光制御する複数の光制御部材と、
    複数の視野角制御層であって、当該視野角制御層それぞれは対応する前記光制御部材によって光制御された光が入射し且つ所定の視野角に収まるように当該入射した光の進行角度を制御する複数の視野角制御層と、
    前記視野角制御層によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、
    を備え、
    前記第１の光学系は、前記第１の光学系の前記観察対象側の端部と前記観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、前記第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されており、
    前記第１の光学系は、前記観察対象側から順に、前記観察対象からの光の取り込みを制御する複数のレンズ、及び前記複数のレンズを通って入射した光を平行光として通す一段以上の複数の光学部品を有する顕微観察装置。
  2. 観察対象に第１の光を照射して前記観察対象からの第２の光を観察する顕微観察装置であって、
    前記観察対象に第１の光を照射する光源と、
    前記観察対象からの第２の光と一部の前記第１の光を含む光束を複数に分けて制御する第１の光学系と、
    前記第１の光学系を通過した複数の並進光を光制御する複数の光制御部材と、
    複数の視野角制御層であって、当該視野角制御層それぞれは対応する前記光制御部材によって光制御された光が入射し且つ所定の視野角に収まるように当該入射した光の進行角度を制御する複数の視野角制御層と、
    前記視野角制御層によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、
    を備え、
    前記第１の光学系は、前記第１の光学系の前記観察対象側の端部と前記観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、前記第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されており、
    前記第１の光学系は、前記観察対象側から順に、前記観察対象からの光の取り込みを制御する複数の第１レンズ、当該複数の第１レンズを通った光を導光する複数の導波構造体、及び当該複数の光学部品を通過した光が広がらないように制御する複数の第２レンズを有する
    顕微観察装置。
  3. 前記第２レンズは、前記複数の光学部品を基準として前記第１レンズと対称な位置に設けられている請求項２に記載の顕微観察装置。
  4. 前記第２レンズは、前記複数の光学部品を基準として前記第１レンズと対称な位置よりも前記第１レンズから離れた位置に設けられている請求項２に記載の顕微観察装置。
  5. 前記光制御部材は、前記第１の光学系を通過した光を前記視野角制御層へ導光する一段以上の複数の光学素子を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の顕微観察装置。
  6. 前記第１の光学系と前記光制御部材の間に、前記第１の光学系によって光制御された複数の光のうち、前記第１の光の波長帯域の光の強度を低減するフィルタを更に備える
    請求項１から５のいずれか一項に記載の顕微観察装置。
  7. 前記第１の光学系、前記光制御部材、前記視野角制御層及び前記光電変換素子を、それぞれの相対位置関係を保ったまま、前記光電変換素子の入射面に対して略垂直方向に移動させる駆動部を更に備える
    請求項１から６のいずれか一項に記載の顕微観察装置。
  8. 前記光電変換素子に入射する光の角度が当該光電変換素子の感度が規定の下限以上になる設定範囲内に収まるように、前記視野角制御層の光学特性が設定されている
    請求項１から７のいずれか一項に記載の顕微観察装置。
  9. 観察対象に第１の光を照射して前記観察対象からの第２の光を観察する顕微観察装置に用いることが可能な検出器であって、
    前記観察対象からの第２の光と一部の前記第１の光を含む光束を複数に分けて制御する第１の光学系と、
    前記第１の光学系を通過した複数の並進光を光制御する複数の光制御部材と、
    複数の視野角制御層であって、当該視野角制御層それぞれは対応する前記光制御部材によって光制御された光が入射し且つ所定の視野角に収まるように当該入射した光の進行角度を制御する複数の視野角制御層と、
    前記視野角制御層によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、
    を備え、
    前記第１の光学系は、前記第１の光学系の前記観察対象側の端部と前記観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、前記第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されており、
    前記第１の光学系は、前記観察対象側から順に、前記観察対象からの光の取り込みを制御する複数のレンズ、及び前記複数のレンズを通って入射した光を平行光として通す一段以上の複数の光学部品を有する検出器。
  10. 観察対象に第１の光を照射して前記観察対象からの第２の光を観察する顕微観察装置に用いることが可能な検出器であって、
    前記観察対象からの第２の光と一部の前記第１の光を含む光束を複数に分けて制御する第１の光学系と、
    前記第１の光学系を通過した複数の並進光を光制御する複数の光制御部材と、
    複数の視野角制御層であって、当該視野角制御層それぞれは対応する前記光制御部材によって光制御された光が入射し且つ所定の視野角に収まるように当該入射した光の進行角度を制御する複数の視野角制御層と、
    前記視野角制御層によって光制御された複数の光を電気に変換する複数の光電変換素子と、
    を備え、
    前記第１の光学系は、前記第１の光学系の前記観察対象側の端部と前記観察対象との間の距離が設定距離以上離れるように、前記第１の光学系の前記観察対象側の焦点距離が設定されており、
    前記第１の光学系は、前記観察対象側から順に、前記観察対象からの光の取り込みを制御する複数のレンズ、及び前記複数のレンズを通って入射した光を導光する一段以上の複数の導波構造体を有する検出器。
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