JPWO2019123958A1 - 対物光学系及び顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

対物光学系（４３）は、試料（ＳＰ）に向かって進む光を反射する反射面（ＲＳ１）と、反射面（ＲＳ１）で反射された光を試料（ＳＰ）に向けて反射する反射面（ＲＳ２）と、反射面（ＲＳ２）で反射された光の光路上に配置され、試料（ＳＰ）との間に介在する液体（ＷＴ）に接する接液面を有し、その接液面が反射面（ＲＳ２）で反射された光の光路と概ね直交するように形成された透過部（ＴＳ）と、を備える。

Description

本発明は、対物光学系及び顕微鏡システムに関する。

近年、生体の組織、器官、細胞等の試料の内部を２次元画像又は３次元画像に画像化する技術が注目されている。この技術の代表的なものとして、共焦点顕微鏡による画像化技術、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィ（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）による画像化技術、及び光音響イメージングによる画像化技術が挙げられる。共焦点顕微鏡による画像化技術は、共焦点顕微鏡を用いて紫外光から可視光の波長範囲の光を試料に照射して得られる蛍光に基づいて試料を画像化する技術である。ＯＣＴによる画像化技術は、近赤外光を試料に照射して得られる光と参照光とを干渉させた干渉光に基づいて試料を画像化する技術である。光音響イメージングによる画像化技術は、可視光又は近赤外光の短パルスレーザを試料に照射したときに、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。

上述した画像化技術を用いて試料を画像化する場合のように、試料を観察する場合には、紫外光から近赤外光までの幅広い波長範囲の光を用いた観察が望まれている。従来の対物レンズでは、色収差等の収差が発生するために、１つの対物レンズで上記の幅広い波長範囲の光に対応することは困難であった。このため、従来は、様々な波長の光を用いた観察を行って得られた画像の重ね合わせを行う場合には、対物レンズを交換する度に得られる画像（観察時間のずれや観察場所にずれが生じている画像）の重ね合わせを行わなければならず、例えば様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像を重ね合わせるといったことは困難であった。

このような不具合を解消する方策として、例えば以下の特許文献１，２に開示された反射対物鏡を用いることが挙げられる。以下の特許文献１に開示された反射対物鏡は、シュバルツシルド型の反射対物鏡であり、レンズのように屈折系では無く、全てが反射系で構成されていることから、色収差が生じないという利点を有する。また、以下の特許文献２に開示された反射対物光は、高水圧に耐えるために、光学材料よりなる反射対物鏡ブロックの前面及び後面にそれぞれ小鏡及び大鏡が設けられたシュバルツシルド型の反射対物鏡が開示されている。尚、以下の非特許文献１には、光音響イメージングによる画像化技術の一例が開示されている。

特開平６−１４８５７４号公報 特開平５−３２３４３７号公報

Hui Wang et al.，"Reflection-mode optical-resolution photoacoustic microscopy based on a reflective objective"，Optics Express Vol.21，No.20，p.24210-24218

ところで、試料（生体の試料）を観察する場合には、対物光学系が屈折系であるか反射系であるかに拘わらず液浸による観察が望ましい。液浸による観察を行う主な利点は、以下の通りである。第１の利点は、水等の液体と試料との屈折率が近いため、試料表面での反射が少なくなることによって試料の深部観察が可能になる点である。第２の利点は、試料表面での光の屈折が少ないために、試料の深さ方向に像が歪むことが無く、例えば試料の内部の３次元画像を生成する上で良好な画像が得られる点である。第３の利点は、液体の屈折率が空気よりも高いために、対物レンズの開口数を高めることができ、高解像での観察が容易になる点である。

しかしながら、上述した特許文献１に開示された反射対物鏡を用いて液浸による観察（例えば、液体下にある試料の観察）を行おうとすると、反射対物鏡で反射されて試料に向かう光が、空気と液体との界面を通過することから屈折が生ずる。ここで、液体は空気よりも屈折率が高いため、液体を通過した光の焦点位置は、液体が無いとした場合の焦点位置よりも遠くなる。また、液体の屈折率は、光の波長に応じて異なるため、上記の液体を通過した光の焦点位置は波長によって異なり、色収差等の様々な収差の原因となる。

また、上述した特許文献２に開示された反射対物鏡は、水に浸された状態での使用が可能であり、上述した特許文献１のような問題（空気と液体との間の界面での屈折）は生じない。しかしながら、上述した特許文献２では、反射対物鏡で反射されて試料に向かう光が、反射対物鏡ブロックと液体との界面を通過することから屈折が生ずる。ここで、液体は、反射対物鏡ブロックをなす光学材料よりも屈折率が低いために、液体を通過した光の焦点位置は、液体が無いとした場合の焦点位置よりも近くなる。また、反射対物鏡ブロック及び液体の屈折率は、光の波長に応じて異なるため、上記の反射対物鏡ブロック及び液体を通過した光の焦点位置は波長によって異なり、色収差等の様々な収差の原因となる。

このように、上述した引用文献１，２に開示された反射対物鏡は何れも、液体との間の界面（空気と水との界面、反射対物鏡ブロックと液体との界面）で屈折が生ずることから、色収差等の様々な収差が生じてしまう。このような収差が発生すると、得られる画像が劣化してしまい、高解像での観察が困難になるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広い波長帯域において、色収差が生ずることなく高解像での観察が可能な液浸用の対物光学系及び顕微鏡システム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、本発明の一態様による対物光学系（４３、４３Ａ〜４３Ｃ、７３、７３Ａ）は、試料（ＳＰ）に向かって進む光を反射する凸面反射部（ＲＳ１）と、前記凸面反射部で反射された光を前記試料に向けて反射する凹面反射部（ＲＳ２）と、前記凹面反射部で反射された光の光路上に配置され、前記試料との間に介在する液体（ＷＴ、ＣＦ）に接する接液面を有し、該接液面が前記凹面反射部で反射された光の光路と概ね直交するように形成された透過部（ＴＳ）と、を備える。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記接液面が、概ね球面に形成されており、前記球面の曲率中心が、前記凸面反射部及び前記凹面反射部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、本発明の一態様による対物光学系は、前記接液面上の任意の点の曲率半径ｒが、該点から前記焦点位置までの距離をＳとすると、０．７Ｓ≦ｒ≦１．３Ｓなる関係式を満たす。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記接液面が、球面又は非球面である。
ここで、本発明の第１の態様による対物光学系は、前記透過部（ＴＳ）が、前記凹面反射部で反射された光が入射する入射面（１０３ａ、１２０ａ）と、該入射面に入射した光が射出される射出面（１０３ｂ、１２０ｂ）とを有するカバー部材（１０３、１２０）に設けられており、前記カバー部材の前記射出面が前記接液面とされている。
また、本発明の第１の態様による対物光学系は、前記カバー部材の前記入射面が、前記凹面反射部で反射された光の光路と概ね直交するように形成されている。
また、本発明の第１の態様による対物光学系は、前記カバー部材の前記入射面の中央部には、前記凸面反射部が形成され、又は前記凸面反射部を有する凸面ミラー（１０１）が取り付けられている。
また、本発明の第１の態様による対物光学系は、前記凹面反射部を有する凹面ミラー（１０２）を内部に支持する鏡筒（１００）と、前記カバー部材によって内部空間が仕切られるように前記カバー部材を支持し、第１端部（１０４ａ）が前記鏡筒の物体側の端部に取り付けられ、前記カバー部材によって仕切られた第２端部側の内部空間（Ｑ１）に液体を保持可能な筒状の液体保持部材（１０４）と、を備える。
また、本発明の第１の態様による対物光学系は、前記カバー部材によって仕切られた第２端部側の内部空間に液体を供給する液体供給部（１０５）を備える。
ここで、本発明の第２の態様による対物光学系は、中央部に前記凸面反射部が形成され、周辺部に前記透過部（ＴＳ）が設けられた第１面（２００ａ）と、中央部に前記試料に向かって進む光が入射され、周辺部に前記凹面反射部が形成された第２面（２００ｂ）と、を有する光学部材（２００）を備える。
また、本発明の第２の態様による対物光学系は、前記第１面を物体側に向けて前記光学部材を内部に支持する鏡筒（１００）を備える。
また、本発明の第２の態様による対物光学系は、第１端部（２０２ａ）が前記鏡筒の物体側の端部に取り付けられ、内部空間に液体を保持可能な筒状の液体保持部材（２０２）を備える。
また、本発明の第２の態様による対物光学系は、前記内部空間に液体を導く液体導入部（２０３）を備える。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記凸面反射部の中心部（ＣＡ）が、前記凸面反射部の他の部分よりも反射率が低くされている。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記光の一部を反射して、光干渉を生じさせるための参照光として、前記試料とは反対側に戻す参照光反射部（２１１、２２４）を備える参照光生成部を更に備える。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記参照光反射部（２１１、２２４）までの光路長と、前記焦点位置（Ｐ）までの光路長とは、異なる。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記参照光反射部（２１１、２２４）は、前記透過部（ＴＳ）の前記入射面（１０３ａ）に備えられ、前記入射面（１０３ａ）に入射する光の一部を反射する。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記凸面反射部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（１１１、２０１）を備える。
また、本発明の一態様による対物光学系は、前記接液面の近傍に設けられ、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する光ファイバ型検出器を備える。
本発明の一態様による顕微鏡システムは、上記の何れかに記載の対物光学系と、該対物光学系と組み合わされる結像レンズ（４１、７１）と、を有する顕微鏡（４０、７０）と、前記対物光学系と前記結像レンズとの組み合わせによって発生する収差を補正する補正レンズ系（３２）と、を備える。

本発明によれば、広い波長帯域において、色収差が生ずることなく高解像での観察が可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による対物光学系を備える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。 シュバルツシルド型の反射対物鏡を示す図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例による対物光学系を備える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実施形態の第１変形例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実施形態の第２変形例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実施形態の第３変形例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を備えるイメージング装置の構成の一部を示す図である。 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実施形態における超音波検出器の要部構成を模式的に示す断面図である。 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。 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。

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顕微鏡システム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〕
〈イメージング装置〉
図１は、本発明の第１実施形態による対物光学系を備える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、イメージング装置１は、共焦点ユニット１０、分岐ユニット２０、光走査ユニット３０、倒立型顕微鏡４０、ＯＣＴユニット５０、及びコントローラ６０を備えており、培養液ＣＦ内に浸された状態で試料容器ＣＨ１に格納された試料ＳＰ（図２参照）にレーザ光を照射して得られる蛍光、或いは試料ＳＰに近赤外光を試料に照射して得られる後方散乱光と参照光とを干渉させた干渉光に基づいて試料ＳＰの画像を生成する。尚、以下では、試料ＳＰから得られる蛍光に基づいた画像を「蛍光画像」といい、上記の干渉光に基づいた画像を「ＯＣＴ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。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、蛍光フィルタ１３、レンズ１４、ピンホール１５、及び光検出器１６を備える。レーザ光源１１は、コントローラ６０の制御の下で、試料容器ＣＨ１に格納された試料ＳＰに照射するレーザ光を射出する。レーザ光源１１から射出されるレーザ光の波長は、試料ＳＰに応じて任意の波長とすることができる。例えば、４００〜７００［ｎｍ］程度の波長帯域の波長にすることができる。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から射出されるレーザ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方向に射出されるレーザ光を＋Ｘ方向に反射し、分岐ユニット２０から射出されて−Ｘ方向に進む蛍光を透過させる。

蛍光フィルタ１３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１４は、蛍光フィルタ１３を透過した蛍光を集光する。ピンホール１５は、レンズ１４の焦点位置（−Ｘ側の焦点位置）に配置されている。光検出器１６は、ピンホール１５の−Ｘ側に配置されており、ピンホール１５を通過した光を検出する。尚、光検出器１６の検出信号は、コントローラ６０に出力される。

分岐ユニット２０は、ダイクロイックミラー２１を備えており、共焦点ユニット１０、光走査ユニット３０、及びＯＣＴユニット５０に接続され、これらユニット間で光の分岐等を行う。ダイクロイックミラー２１は、共焦点ユニット１０が備えるダイクロイックミラー１２の＋Ｘ側であって、ＯＣＴユニット５０が備えるビームスプリッタ５２の−Ｚ側に配置されている。このダイクロイックミラー２１は、共焦点ユニット１０から射出されるレーザ光の波長の光及び試料ＳＰから得られる蛍光の波長の光を透過し、ＯＣＴユニット５０から射出される近赤外光及び試料ＳＰから得られる後方散乱光を反射する特性を有するミラーである。

尚、本実施形態では、分岐ユニット２０がダイクロイックミラー２１の光学特性（波長に応じて反射特性及び透過特性が異なる性質）を利用して光の分岐等を行う例について説明するが、他の構成によって光の分岐等を行っても良い。例えば、コントローラ６０の制御の下で、ダイクロイックミラー２１の位置に反射ミラー（図示省略）を配置させたり、その位置に配置された反射ミラーを退避させたりすることによって、光の分岐等を行うようにしても良い。

光走査ユニット３０は、光走査装置３１及び瞳投影レンズ３２を備えており、コントローラ６０の制御の下で、試料ＳＰに照射されるレーザ光又は近赤外光を、その光軸ＡＸに直交する面内で走査するユニットである。光走査装置３１は、分岐ユニット２０を透過して＋Ｘ方向に進むレーザ光、又は分岐ユニット２０で反射されて＋Ｘ方向に進む近赤外光を、−Ｚ方向に反射する可変ミラー３１ａと、可変ミラー３１ａで−Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光を＋Ｘ方向に向けて反射する可変ミラー３１ｂとを備える。これら可変ミラー３１ａ，３１ｂ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３１ａ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３１ｂは、ＺＸ面内に含まれて可変ミラー３１ｂ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３１ａ，３１ｂの回動は、コントローラ６０によって制御される。

瞳投影レンズ３２は、光走査装置３１に設けられた可変ミラー３１ｂの＋Ｘ側に配置されており、可変ミラー３１ｂで＋Ｘ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光を集光するとともに、倒立型顕微鏡４０から−Ｘ方向に射出される蛍光又は後方散乱光を平行光に変換する。尚、図１に示す例では、レーザ光又は近赤外光は、瞳投影レンズ３２によって光走査ユニット３０内で集光されており、光走査ユニット３０からは発散するレーザ光又は近赤外光が射出される。尚、共焦点ユニット１０から射出されるレーザ光又は近赤外光（発散するレーザ光又は近赤外光）が倒立型顕微鏡４０に入射される。

倒立型顕微鏡４０は、結像レンズ４１、ミラー４２、及び対物光学系４３を備えており、試料容器ＣＨ１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。尚、後述する通り、対物光学系４３はレンズを備えない光学系であるが、レンズと同様の作用(集光作用）を有する。このため、図１では、便宜的に対物光学系４３をレンズの形状で示している。

結像レンズ４１は、光走査ユニット３０から射出されて倒立型顕微鏡４０に入射するレーザ光又は近赤外光を平行光に変換するとともに、ミラー４２で反射されて−Ｘ方向に進む蛍光又は後方散乱光を結像させるレンズである。ミラー４２は、結像レンズ４１の＋Ｘ方向に配置されており、結像レンズ４１を介して＋Ｘ方向に進むレーザ光又は近赤外光を＋Ｚ方向に反射させるとともに、対物光学系４３を介して−Ｚ方向に進む蛍光又は後方散乱光を−Ｘ方向に反射させる。

対物光学系４３は、ミラー４２の＋Ｚ側に配置されており、ミラー４２によって＋Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光を集光して試料ＳＰに照射するとともに、試料ＳＰから得られる蛍光又は後方散乱光を平行光に変換する。この対物光学系４３は、コントローラ６０の制御の下で、Ｚ方向に移動可能に構成することも可能である。尚、対物光学系４３の詳細は後述する。

ＯＣＴユニット５０は、ブロードバンド光源５１、ビームスプリッタ５２、レンズ５３、光ファイバ５４、レンズ５５、ミラー５６、変調器５７、検出器５８、及びバンドパスフィルタ５９を備える。ブロードバンド光源５１は、コントローラ６０の制御の下で、試料容器ＣＨ１に格納された試料ＳＰに照射する広波長帯域の光を射出する。ブロードバンド光源５１から射出される光の波長帯域は、試料ＳＰに応じて任意の波長帯域とすることができる。例えば、８００〜１５００［ｎｍ］程度の近赤外の波長帯域とすることができる。本実施形態において、ブロードバンド光源５１は、近赤外光を射出するものであるとする。

ビームスプリッタ５２は、ブロードバンド光源５１の−Ｚ側に配置されており、ブロードバンド光源５１から−Ｚ方向に射出される近赤外光を、分岐ユニット２０に設けられたダイクロイックミラー２１に向かう近赤外光（−Ｚ方向に進む近赤外光）と、レンズ５３に向かう近赤外光（＋Ｘ方向に進む近赤外光）とに分岐する。また、ビームスプリッタ５２は、分岐した各々の近赤外光の戻り光（試料ＳＰから得られる後方散乱光、及び変調器５７で周波数変調された近赤外光（参照光））とを合波する。

レンズ５３は、ビームスプリッタ５２の＋Ｘ側に配置されており、ビームスプリッタ５２で分岐されて＋Ｘ方向に進む近赤外光を集光して光ファイバ５４の第１端に入射させ、光ファイバ５４の第１端から射出される近赤外光を平行光に変換する。光ファイバ５４は、第１端から入射した近赤外光を第２端に導き、第２端から入射した近赤外光を第１端に導く光導波路である。レンズ５５は、光ファイバ５４の＋Ｘ側に配置されており、光ファイバ５４の第２端から射出される近赤外光を平行光に変換し、ミラー５６で反射されて−Ｘ方向に進む近赤外光を集光して光ファイバ５４の第２端に入射させる。

ミラー５６は、レンズ５５の＋Ｘ側において、反射面をレンズ５５に向けた状態で変調器５７に取り付けられている。変調器５７は、コントローラ６０によって駆動され、反射面をレンズ５５に向けた状態のミラー５６をＸ方向に沿って微小振動させる。この変調器５７は、例えば、印加される電圧によって歪みが生ずる圧電素子であってよい。これらミラー５６及び変調器５７は、ミラー５６で反射されて−Ｘ方向に向かう近赤外光を一定の周波数で周波数変調して参照光を得るために設けられる。尚、ビームスプリッタ５２から光ファイバ５４を介してミラー５６までの光路長と、ビームスプリッタ５２から試料ＳＰ（焦点位置Ｐ）までの光路長とは等しくなるように構成されている。

検出器５８は、ビームスプリッタ５２の−Ｘ側に配置され、ビームスプリッタ５２で合波された後方散乱光と参照光との干渉光を検出する。バンドパスフィルタ５９は、検出器５８から出力される検出信号のうち、変調器５７で周波数変調された信号成分を抽出するフィルタである。このバンドパスフィルタ５９で抽出された信号成分は、検出信号としてコントローラ６０に出力される。

コントローラ６０は、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に照射するレーザ光を射出させ或いは停止させ、ＯＣＴユニット５０に設けられたブロードバンド光源５１を制御して、試料ＳＰに照射する近赤外光を射出させ或いは停止させる。また、コントローラ６０は、ＯＣＴユニット５０に設けられた変調器５７を駆動する。

また、コントローラ６０は、光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１を制御して、試料ＳＰに対するレーザ光又は近赤外光の走査（Ｘ軸、Ｙ軸の走査）を行う。また、コントローラ６０は、例えば試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等を制御して、試料ＳＰに対するレーザ光又は近赤外光の走査（Ｚ軸の走査）を行う。また、コントローラ６０は、共焦点ユニット１０に設けられた光検出器１６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６１に表示させ、ＯＣＴユニット５０から出力される検出信号の信号処理を行ってＯＣＴ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、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４３は、鏡筒１００、凸面ミラー１０１、凹面ミラー１０２、カバー部材１０３、水受け部材１０４（液体保持部材）、及び供給チューブ１０５（液体供給部）を備える。

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に向かって進むレーザ光又は近赤外光（ミラー４２によって＋Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光）が通過する孔部Ｈ１が形成されている。また、鏡筒１００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４３は、倒立型顕微鏡４０に固定される。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。

凸面ミラー１０１は、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光の光軸ＡＸ上に配置されており、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光を反射する凸面の反射面ＲＳ１（凸面反射部）を有するミラーである。具体的に、凸面ミラー１０１は、図２に示す通り、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カバー部材１０３によって支持される。尚、凸面ミラー１０１の位置は、対物光学系４３の瞳位置となる。凸面ミラー１０１は、倒立型顕微鏡４０に設けられた結像レンズ４１及び光走査ユニット３０に設けられた瞳投影レンズ３２等によって、光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１の内部又はその近傍と光学的に共役にされる。

凹面ミラー１０２は、凸面ミラー１０１で反射されたレーザ光又は近赤外光を試料ＳＰに向けて反射する凹面の反射面ＲＳ２（凹面反射部）を有するミラーである。凹面ミラー１０２の反射面ＲＳ２は、反射したレーザ光又は近赤外光が、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（反射光学系）が形成される。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に向かって進むレーザ光又は近赤外光（ミラー４２によって＋Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光）が通過する孔部Ｈ２が形成されている。尚、凹面ミラー１０２に形成された孔部Ｈ２の内径は、鏡筒１００の底面中心部に形成された孔部Ｈ１の内径と同程度である。凹面ミラー１０２は、孔部Ｈ２が光軸ＡＸ上に配置されるように鏡筒１００に保持される。

ここで、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について考察する。図３は、シュバルツシルド型の反射対物鏡を示す図である。図３に示す通り、凸面ミラー１０１を小鏡Ｍ_１とし、凹面ミラー１０２を大鏡Ｍ_２とする。小鏡Ｍ_１の曲率半径の絶対値をｒ_１とし、大鏡Ｍ_２の曲率半径の絶対値をｒ_２とする。また、小鏡Ｍ_１の曲率中心Ｃ_１と大鏡Ｍ_２の曲率中心Ｃ_２との間隔をｃとすると、小鏡Ｍ_１と大鏡Ｍ_２との間隔ｄは以下の（１）式で示される。

また、小鏡Ｍ_１の焦点距離をｆ_１とし、大鏡Ｍ_２の焦点距離をｆ_２とすると、これら焦点距離ｆ_１，ｆ_２は、以下（２）式で表される。

いま、ａ，ｂを以下の（３）式の通り定義する。

すると、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焦点距離ｆ、及び図３中の距離ｓ_Ｆは、以下の（４）式で表される。

カバー部材１０３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１０４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１０４に取り付けられている。このカバー部材１０３は、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１（更には、水受け部材１０４と試料容器ＣＨ１との間）に水等の液体ＷＴを保持することで、倒立型顕微鏡４０であっても、液浸による試料ＳＰの観察を可能とするために設けられる。尚、カバー部材１０３は、水受け部材１０４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１０４と強固に固着（例えば、接着）されている。

カバー部材１０３は、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光又は近赤外光の光路上に配置されており、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光又は近赤外光が入射する入射面１０３ａと、入射面１０３ａから入射したレーザ光又は近赤外光が射出される射出面１０３ｂとを有する。射出面１０３ｂは、水受け部材１０４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１０３ａは、中央部を除いて、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光又は近赤外光の光路と直交するように形成されている。射出面１０３ｂも、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光又は近赤外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１０３ａ（空気とカバー部材１０３との界面）及び射出面１０３ｂ（カバー部材１０３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、カバー部材１０３の入射面１０３ａ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の焦点位置Ｐと等しくなるようにされている。入射面１０３ａの中央部は、凸面ミラー１０１を固定するために平坦にされている。また、カバー部材１０３の射出面１０３ｂ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、カバー部材１０３のレーザ光又は近赤外光が透過する部分が透過部ＴＳである。

水受け部材１０４は、第１端部１０４ａから第２端部１０４ｂに向けて径が小さくなる筒状の部材であり、第１端部１０４ａ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１０４は、カバー部材１０３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カバー部材１０３を支持する。水受け部材１０４は、カバー部材１０３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１０４は、第１端部１０４ａから第２端部１０４ｂ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ＣＨ１であっても、試料容器ＣＨ１と水受け部材１０４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１０４の側面には、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１と水受け部材１０４の外部とに連通する孔部ｈ１が形成されている。

供給チューブ１０５は、水受け部材１０４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１０５は、例えばゴム又は樹脂によって形成され、第１端部が水受け部材１０４の側面に形成された孔部ｈ１に介挿されており、第２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１０５を介して水受け部材１０４の内部空間Ｑ１に供給される。

〈イメージング装置の動作〉
（１）蛍光画像生成時の動作
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６０によって共焦点ユニット１０のレーザ光源１１が制御され、レーザ光源１１からは＋Ｚ方向に向けてレーザ光が射出される。レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１２で＋Ｘ方向に反射された後に、分岐ユニット２０のダイクロイックミラー２１を透過し、光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１及び瞳投影レンズ３２を順に介して倒立型顕微鏡４０に入射する。倒立型顕微鏡４０に入射したレーザ光は、結像レンズ４１を介した後にミラー４２によって＋Ｚ方向に反射されて対物光学系４３に入射する。

対物光学系４３に入射したレーザ光は、鏡筒１００に形成された孔部Ｈ１及び凹面ミラー１０２に形成された孔部Ｈ２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で反射されたレーザ光は、図２に示す通り、カバー部材１０３の入射面１０３ａに入射し、カバー部材１０３を透過した後に射出面１０３ｂから射出され、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１に保持された液体ＷＴ（水受け部材１０４と試料容器ＣＨ１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、カバー部材１０３の入射面１０３ａは、中央部を除いて、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いる。このため、凹面ミラー１０２で反射されたレーザ光は、カバー部材１０３の入射面１０３ａ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、カバー部材１０３の射出面１０３ｂも、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いる。このため、カバー部材１０３を透過したレーザ光は、射出面１０３ｂ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で反射されたレーザ光は、カバー部材１０３によって屈折されることなく直進する。

また、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１に保持された液体ＷＴ、及び水受け部材１０４と試料容器ＣＨ１との間に保持された液体ＷＴによって、カバー部材１０３を透過したレーザ光の光路は、試料ＳＰ及び試料容器ＣＨ１の屈折率に近い屈折率にされている。このため、カバー部材１０３を透過したレーザ光の反射（試料容器ＣＨ１の底部及び試料ＳＰの表面での反射）が極めて少なくなり、多くのレーザ光が試料ＳＰの内部に入射されることになる。また、カバー部材１０３を透過したレーザ光の屈折（試料容器ＣＨ１の底部及び試料ＳＰの表面での屈折）も極めて小さくなり、カバー部材１０３を透過したレーザ光は、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４３では、レーザ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にレーザ光を集束させることができる。

また、カバー部材１０３と試料容器ＣＨ１の底面との間を液体ＷＴで満たした場合には、試料容器ＣＨ１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）よりもレーザ光の反射が少なくなる。しかしながら、使用する試料容器ＣＨ１によっては、液体ＷＴと試料容器ＣＨ１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ＣＨ１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ＣＨ１を用いるのが好ましい。また、試料容器ＣＨ１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４３に組み込むことも好ましい。例えば、試料容器ＣＨ１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。

レーザ光が試料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、レーザ光の光路を逆向きに進む。尚、図２に示す通り、凸面ミラー１０１が光軸ＡＸ上に配置されていることから、対物光学系４３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。対物光学系４３から射出された蛍光は、ミラー４２、結像レンズ４１、瞳投影レンズ３２、光走査装置３１を順に介し、分岐ユニット２０のダイクロイックミラー２１を透過して、共焦点ユニット１０の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１３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１３を透過する。蛍光フィルタ１３を透過した波長成分は、レンズ１４を介してピンホール１５に入射し、焦点面からの光のみがピンホール１５を透過して光検出器１６に入射して検出される。

光検出器１６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（光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置及び試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等によるＺ方向の走査位置）と対応付けられる。以上の動作が、光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置を変えながら（更には、試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等による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４３の瞳位置（凸面ミラー１０１の位置）は、光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１の内部又はその近傍と光学的に共役にされているので、光走査装置３１によって試料ＳＰに照射されるレーザ光を走査しても、ほぼすべてのレーザ光が対物光学系４３の瞳位置を通過する。即ち、対物光学系４３の瞳位置でレーザ光を走査していることと等価な状態となる。これにより、レーザ光のロスを少なくすることができる。尚、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。

（２）ＯＣＴ画像生成時の動作
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６０によってＯＣＴユニット５０のブロードバンド光源５１が制御され、ブロードバンド光源５１からは−Ｚ方向に向けて近赤外光が射出される。ブロードバンド光源５１から射出された近赤外光は、ビームスプリッタ５２に入射し、分岐ユニット２０に設けられたダイクロイックミラー２１に向かう近赤外光（−Ｚ方向に進む近赤外光）と、レンズ５３に向かう近赤外光（＋Ｘ方向に進む近赤外光）とに分岐される。

前者の分岐光（−Ｚ方向に進む近赤外光）は、ダイクロイックミラー２１で＋Ｘ方向に反射され、光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１に入射する。光走査装置３１に入射した近赤外光は、蛍光画像生成時に説明したレーザ光の光路と同様の光路を経て試料ＳＰに照射される。ここで、対物光学系４３では、近赤外光が試料ＳＰに照射される場合にも、レーザ光が試料ＳＰに照射される場合と同様に、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に近赤外光を集束させることができる。近赤外光が試料ＳＰに照射されると、試料ＳＰからは後方散乱光が発せられる。試料ＳＰから発せられた後方散乱光は、蛍光画像生成時に説明した蛍光の光路と同様の光路を経て分岐ユニット２０に設けられたダイクロイックミラー２１に入射し、＋Ｚ方向に反射された後にＯＣＴユニット５０のビームスプリッタ５２に入射する。

後者の分岐光（＋Ｘ方向に進む近赤外光）は、レンズ５３によって集光されて光ファイバ５４の第１端から光ファイバ５４内に入射し、光ファイバ５４を伝播した後、光ファイバ５４の第２端から射出される。光ファイバ５４の第２端から射出された近赤外光は、レンズ５５で平行光に変換された後、変調器５７によってＸ方向に沿って微小振動しているミラー５６に入射して反射される。これにより、ミラー５６で反射された近赤外光は、一定の周波数で周波数変調された参照光となる。この参照光は、レンズ５５によって集光されて光ファイバ５４の第２端から光ファイバ５４内に入射し、光ファイバ５４を伝播した後、光ファイバ５４の第１端から射出される。光ファイバ５４の第１端から射出された近赤外光は、レンズ５３で平行光に変換された後、ビームスプリッタ５２に入射する。

ビームスプリッタ５２に入射した後方散乱光及び参照光は、ビームスプリッタ５２によって合波されて検出器５８に入射し、検出器５８からは後方散乱光と参照光との干渉光の検出信号が出力される。検出器５８から出力された検出信号は、バンドパスフィルタ５９に入力され、変調器５７で周波数変調された信号成分が抽出され、この信号成分が検出信号としてコントローラ６０に出力される。

ここで、ビームスプリッタ５２から光ファイバ５４を介してミラー５６までの光路長と、ビームスプリッタ５２から試料ＳＰ（焦点位置Ｐ）までの光路長とは等しくなるように構成されている。各々の光路長が一致する場合に、後方散乱光と参照光との干渉は最大となり、光路長差が１０［μｍ］程度ずれてしまうと、後方散乱光と参照光との干渉は殆ど生じなくなる。このため、検出器５８から出力される検出信号から、変調器５７で周波数変調された信号成分を抽出することで、焦点位置Ｐで生じた後方散乱光を感度良く検出することができる。

バンドパスフィルタ５９からコントローラ６０に出力された検出信号は、ディジタル信号に変換され、走査位置（光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置及び試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等によるＺ方向の走査位置）と対応付けられる。以上の動作が、光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置を変えながら（更には、試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等によるＺ方向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、２次元又は３次元のＯＣＴ画像が生成される。尚、生成されたＯＣＴ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、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１０３ａ及び射出面１０３ｂ（接液面）を有するカバー部材１０３を水受け部材１０４に取り付け、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１に液体ＷＴを保持できるように対物光学系４３が構成されている。このため、レーザ光が試料ＳＰに照射される場合、及び近赤外光が試料ＳＰに照射される場合の何れの場合であっても、対物光学系４３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４３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。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像を重ね合わせるといったことが可能になる。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。

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ＯＣＴ画像生成時の動作とを分けて説明した。しかしながら、共焦点ユニット１０のレーザ光源１１から射出されたレーザ光を試料ＳＰに照射すると同時に、ＯＣＴユニット５０のブロードバンド光源５１から射出された近赤外光を試料ＳＰに照射して、蛍光画像とＯＣＴ画像とを同時に生成するようにしても良い。

〔第１実施形態の第１変形例〕
図４は、本発明の第１実施形態の第１変形例による対物光学系２１０を備えるイメージング装置１Ａの要部構成を示す図である。第１実施形態では、上述した実施形態におけるＯＣＴユニット５０は、タイムドメイン型のものであったが、第１実施形態の第１変形例のイメージング装置１Ａは、ＯＣＴユニット５０の代わりに、波長ドメインのＳＤ−ＯＣＴ（Spectral-domain Optical Coherence Tomography）であるＯＣＴユニット９０を備える。また、第１実施形態の第１変形例のイメージング装置１Ａは、対物光学系４３の代わりに、対物光学系２１０を備える。

ＯＣＴユニット９０は、例えば、ＳＬＤ９１と、光サーキュレータ９２と、コリメートレンズ９３と、折り曲げミラー９４と、コリメートレンズ９５と、回折格子９６と、およびカメラ９７とを備える。ＳＬＤ９１は、出力光のスペクトルが広く、コヒーレンス長が短い高輝度の光を発光するスーパールミネッセンスダイオードである。ＳＬＤ９１が発光した光は、光サーキュレータ９２の第１端に入り、光サーキュレータの第２端から出て、コリメートレンズ９３に入る。コリメートレンズ９３に入った光は、折り返しミラー９４で反射し、分岐ユニット２０に入る。分岐ユニット２０に入射した光は、第１実施形態と同様に、ダイクロイックミラー２１で反射され、光走査ユニット３０を経て倒立型顕微鏡４０で試料ＳＰに照射される。

図５は、第１実施形態の第１変形例による対物光学系２１０の要部構成を示す断面図である。第１実施形態の第１変形例の対物光学系２１０は、第１実施形態の対物光学系４３と基本的な構成は同じであるが、第１実施形態の第１変形例の対物光学系２１０は、カバー部材１０３の入射面１０３ａに、複数の反射面２１１が備えられている点が、第１実施形態の対物光学系４３と異なる。反射面２１１は、入射面１０３ａの光が通る外周付近において、複数個所に設けられている。反射面２１１は、光軸ＡＸに対して対称な位置において、４箇所、６箇所、もしくは８箇所程度設けられることが好ましい。反射面２１１は、参照光反射部の一例である。反射面２１１で反射した光が凹面ミラー１０２の反射面ＲＳ２上で焦点２１２を結ぶように、反射面２１１の表面は凹面の形状に形成されている。反射面２１１の曲率を適宜設計することにより、対物光学系２１０に入射された光の焦点位置Ｐまでの光路長と、反射面２１１で反射して結ばれる焦点２１２までの光路長とに、若干の違いを持たせている。この光路長の差は、１００μｍ以下が好ましい。また、光走査装置３１が試料ＳＰに照射される光を光軸ＡＸに直交する面内で走査して、対物光学系２１０に入射される光に傾きが生じても、焦点２１２が反射面ＲＳ２上を移動して、一定の光路長の差を保つように構成されている。

対物光学系２１０に入射し焦点位置Ｐで反射した光と、対物光学系２１０に入射し焦点２１２で反射した光とは、倒立型顕微鏡４０および光走査ユニット３０を同じ光路を通って戻り、分岐ユニット２０のダイクロイックミラー２１で反射され、ＯＣＴユニット９０の折り曲げミラー９４およびコリメートレンズ９３を通り、光サーキュレータ９２に導かれる。光サーキュレータ９２の第２端に入った戻り光は、光サーキュレータ９２の第３端から出て、コリメートレンズ９５でコリメートされ、回折格子９６に入射する。回折格子９６で、波長幅を有するＳＬＤ光は分光される。焦点位置Ｐで反射した光がある場合、焦点位置Ｐで反射した光の光路長と焦点２１２で反射した参照光の光路長との差によって、焦点位置Ｐで反射した光と焦点２１２で反射した参照光とが干渉して、干渉により強めあう波長と弱めあう波長が生じる。この干渉による縞模様をカメラ９７で撮像して、撮像画像を解析することにより、焦点位置Ｐからの散乱光強度を計算して、画像化することができる。

第１実施形態の第１変形例のイメージング装置１Ａは、第１実施形態のイメージング装置１と比べて、ノイズが小さいという特徴がある。また、第１実施形態の第１変形例のイメージング装置１Ａにおいては、対物光学系２１０の内部に、干渉を生じさせる参照光を反射させるための反射面２１１（参照光学系）を設けたので、参照光学系の光路長を調整する必要がないため、イメージング装置１Ａは簡便に実現できる。

〔第１実施形態の第２変形例〕
図６は、本発明の第１実施形態の第２変形例による対物光学系２２０の要部構成を示す断面図である。第１実施形態の第２変形例の対物光学系２２０は、第１実施形態の対物光学系４３と基本的な構成は同じであるが、第１実施形態の第２変形例の対物光学系２２０は、凸面ミラー１０１の中心近傍に４５度の反射面を有するプリズム２２１が固定されている点、水受け部材１０４に参照光鏡筒２２２が固定されている点が、第１実施形態の対物光学系４３と異なる。参照光鏡筒２２２の先端部近傍には、参照光集光レンズ２２３が固定されており、参照光ミラー２２４上で焦点を結ぶようになっている。参照光ミラー２２４は、参照光反射部の一例である。対物光学系２２０に入射された光の焦点位置Ｐまでの光路長と、プリズム２２１で反射され参照光集光レンズ２２３で集光され参照光ミラー２２４に結ばれる焦点までの光路長とに、若干の違いを持たせている。この光路長の差は、１００μｍ以下が好ましい。また、光走査装置３１が試料ＳＰに照射される光を光軸ＡＸに直交する面内で走査して、対物光学系２２０に入射される光に傾きが生じても、参照光集光レンズ２２３で結ばれる焦点が参照光ミラー２２４上を移動して、一定の光路差を保つように構成されている。

〔第１実施形態の第３変形例〕
図７は、本発明の第１実施形態の第３変形例による対物光学系２３０の要部構成を示す断面図である。第１実施形態の第３変形例の対物光学系２３０は、第１実施形態の対物光学系４３と基本的な構成は同じであるが、第１実施形態の第３変形例の対物光学系２３０は、カバー部材１０３の射出面１０３ｂの近傍に、光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃが備えられている点が、第１実施形態の対物光学系４３と異なる。図７では、例えば、光ファイバ型センサ２３１ｂが、射出面１０３ｂの中心付近に備えられ、光ファイバ型センサ２３１ａおよび２３１ｃが、射出面１０３ｂの外周付近に備えられている。しかしながら、１つ以上の光ファイバ型センサが任意の位置に備えられていてよい。光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃは、それぞれ、光ファイバに接続され、光ファイバにはレーザ光が通される。光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃのそれぞれの先端には、所定のキャビティ長で互いに対面する２つの平行な反射面が構成される。反射面は、例えば、薄膜コーティングにより形成される。２つ対面する反射面の間で、レーザ光が多重反射することによって、光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃはファブリペロー型干渉計を構成する。光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃに超音波などの音響波が伝わると、２つの反射面の距離（キャビティ長）が変わることによって、干渉状態が変化する。この干渉状態の変化を、戻り光の強度として検出することができる。更に、複数の光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃの情報を総合的に解析することにより、分解能を高めることも可能である。これらの光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃのそれぞれの光ファイバは、水受け１０４に設けられた穴部２３２を通して対物光学系２３０の外に導かれ、不図示の配線を通してコントローラ６０に接続されている。試料ＳＰに光を照射して得られる音響波の検出信号（光ファイバ型センサ２３１ａ〜ｃから出力される検出信号）に基づいて試料ＳＰの画像を生成する方法については、後述の第３実施形態で説明する。

〔第２実施形態〕
〈イメージング装置〉
図８は、本発明の第２実施形態による対物光学系を備えるイメージング装置の構成の一部を示す図である。尚、図８では、イメージング装置が備える正立型顕微鏡７０のみを図示している。つまり、本実施形態のイメージング装置は、図１に示すイメージング装置１が備える倒立型顕微鏡４０を、図２に示す正立型顕微鏡７０に代えた構成である。

本実施形態のイメージング装置は、培養液ＣＦ内に浸された状態で試料容器ＣＨ２に格納された試料ＳＰにレーザ光を照射して得られる蛍光、或いは試料ＳＰに近赤外光を試料に照射して得られる後方散乱光と参照光とを干渉させた干渉光に基づいて試料ＳＰの画像を生成するものである。尚、試料容器ＣＨ２は、第１実施形態と同様に、不図示の電動ステージ等に搭載されており、コントローラ６０の制御によって試料ＳＰに対するレーザ光又は近赤外光の走査（Ｚ軸の走査）が行われる。

正立型顕微鏡７０は、結像レンズ７１、ミラー７２、及び対物光学系７３を備えている。正立型顕微鏡７０は、試料容器ＣＨ２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。尚、図８においても、便宜的に対物光学系７３をレンズの形状で示している。結像レンズ７１は、光走査ユニット３０から射出されて正立型顕微鏡７０に入射するレーザ光又は近赤外光を平行光に変換するレンズである。ミラー７２は、結像レンズ７１の＋Ｘ方向に配置されており、結像レンズ７１を介して＋Ｘ方向に進むレーザ光又は近赤外光を−Ｚ方向に反射させる。

対物光学系７３は、ミラー７２の−Ｚ側に配置されており、ミラー７２によって−Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光を集光して試料ＳＰに照射するとともに、試料ＳＰから得られる蛍光又は後方散乱光を平行光に変換する。この対物光学系７３は、図１に示す対物光学系４３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することも可能である。以下、対物光学系７３を詳細に説明する。

〈対物光学系〉
図９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７３は、鏡筒１００及び光学部材２００を備えており、鏡筒１００のＺ方向の向きが逆向きにされて、試料ＳＰが浸されている培養液ＣＦに鏡筒１００及び光学部材２００の一部が浸された状態で用いられる。

鏡筒１００は、図２に示す鏡筒１００と同様に略有底円環状の部材であり、その内部に光学部材２００を保持する。鏡筒１００の底面中心部には、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光（ミラー７２によって−Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光）が通過する孔部Ｈ１が形成されている。また、鏡筒１００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１００ａが設けられている。鏡筒１００に設けられた突出部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７３は、正立型顕微鏡７０に固定される。

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第１面２００ａと、略凸形状に形成された第２面２００ｂとを有する略円柱状の部材である。光学部材２００の第１面２００ａの中央部には凸面の反射面ＲＳ１（凸面反射部）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の第２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の反射面ＲＳ２（凹面反射部）が形成されている。尚、光学部材２００の第２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Ｈ１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、第２面２００ｂが鏡筒１００の底面に接し、第１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、その第２面２００ｂの中央部が鏡筒１００に形成された孔部Ｈ１を塞ぐように保持される。このため、光学部材２００の第２面２００ｂの中央部には、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光（ミラー７２によって−Ｚ方向に反射されたレーザ光又は近赤外光）が入射される。

光学部材２００の第１面２００ａに形成された反射面ＲＳ１は、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光の光軸ＡＸ上に配置されており、試料ＳＰに向かって進むレーザ光又は近赤外光を反射する。光学部材２００の第２面２００ｂに形成された反射面ＲＳ２は、反射面ＲＳ１で反射されたレーザ光又は近赤外光を試料ＳＰに向けて反射する。反射面ＲＳ２は、反射したレーザ光又は近赤外光が、試料ＳＰに集光するように設計されている。
尚、反射面ＲＳ１，ＲＳ２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。

反射面ＲＳ１は、例えば光学部材２００の第１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、反射面ＲＳ２は、例えば光学部材２００の第２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。

光学部材２００の第１面２００ａに設けられた透過部ＴＳは、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光が透過する部位である。透過部ＴＳは、図９に示す通り、試料容器ＣＨ２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、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外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、反射面ＲＳ１，ＲＳ２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。

〈イメージング装置の動作〉
本実施形態のイメージング装置の動作（蛍光画像生成時の動作及びＯＣＴ画像生成時の動作）は、正立型顕微鏡７０内の動作を除いて第１実施形態と同じである。このため、以下では正立型顕微鏡７０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、蛍光画像生成時の正立型顕微鏡７０内の動作と、ＯＣＴ画像生成時の正立型顕微鏡７０内の動作とをまとめて説明する。

光走査ユニット３０から射出されるレーザ光又は近赤外光が正立型顕微鏡７０に入射すると、結像レンズ７１を介した後にミラー７２によって−Ｚ方向に反射されて対物光学系７３に入射する。対物光学系７３に入射したレーザ光又は近赤外光は、鏡筒１００に形成された孔部Ｈ１を通過した後に光学部材２００の第２面２００ｂの中央部から光学部材２００内に入射する。光学部材２００内に入射したレーザ光又は近赤外光は、反射面ＲＳ１で反射され、その後に反射面ＲＳ２に入射して反射される。反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光は、光学部材２００の第１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から射出されたレーザ光又は近赤外光は、試料容器ＣＨ２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、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光の光路と直交するように形成されている。このため、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光は、透過部ＴＳに対して垂直な方向に射出される。このため、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光は、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ＣＨ２内の培養液ＣＦによって、光学部材２００から射出されたレーザ光又は近赤外光の光路は、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から射出されたレーザ光又は近赤外光の反射（試料ＳＰの表面での反射）が極めて少なくなり、多くのレーザ光が試料ＳＰの内部に入射されることになる。また、光学部材２００から射出されたレーザ光又は近赤外光の屈折（試料ＳＰの表面での屈折）も極めて小さくなり、光学部材２００から射出されたレーザ光又は近赤外光は、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７３も、レーザ光又は近赤外光の屈折が殆ど生じないことから、反射面ＲＳ１，ＲＳ２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にレーザ光を集束させることができる。

レーザ光又は近赤外光が試料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から後方散乱光が発せられる。試料ＳＰから発せられた蛍光又は後方散乱光は、レーザ光又は近赤外光の光路を逆向きに進む。尚、図９に示す通り、反射面ＲＳ１が光軸ＡＸ上に配置されていることから、対物光学系７３から射出される蛍光又は後方散乱光の断面形状（光軸ＡＸに垂直な面における形状）はリング状となる。

以上の通り、本実施形態では、第１面２００ａの中央部に反射面ＲＳ１が形成され、第２面２００ｂの周辺部に反射面ＲＳ２が形成され、反射面ＲＳ２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が第１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７３が構成されている。そして、対物光学系７３は、光学部材２００の第１面２００ａが、試料容器ＣＨ２内の培養液ＣＦに接した状態で用いられる。

このため、レーザ光が試料ＳＰに照射される場合、及び近赤外光が試料ＳＰに照射される場合の何れの場合であっても、対物光学系７３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７３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。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像を重ね合わせるといったことが可能になる。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１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、振動等による反射面ＲＳ１，ＲＳ２の相対的な位置ずれを少なくすることができる。

〔第３実施形態〕
〈イメージング装置及び対物光学系〉
図１０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１０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１０に示す通り、本実施形態の対物光学系４３Ａは、図２に示す対物光学系４３に超音波検出器１１１を追加した構成である。

尚、本実施形態のイメージング装置は、図１に示す倒立型顕微鏡４０が備える対物光学系４３を図１０に示す対物光学系４３Ａに代えるとともに、図１に示すレーザ光源１１を、パルス状のレーザ光（以下、パルス光という）を射出可能なものにした構成である。本実施形態のイメージング装置が備えるコントローラ６０は、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波の検出信号（超音波検出器１１１から出力される検出信号）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」という。

超音波検出器１１１は、その検出面を試料ＳＰ側（＋Ｚ側）に向けた状態で、カバー部材１０３の射出面１０３ｂ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１１１は、カバー部材１０３の射出面１０３ｂの中央部に形成された凹部１０３ｃ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と重なるようにカバー部材１０３の射出面１０３ｂに設けられている。このように、カバー部材１０３の入射面１０３ａの中央部には凸面ミラー１０１が配置されており、カバー部材１０３の射出面１０３ｂの中央部には超音波検出器１１１が配置されている。

図１１は、本発明の第３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１１に示す通り、超音波検出器１１１は、音響レンズ１１１Ａ、音響整合層１１１Ｂ、圧電振動子１１１Ｃ、及びバッキング材１１１Ｄを備える。この超音波検出器１１１は、音響レンズ１１１Ａを物体側（試料ＳＰ側）に向けた状態で、バッキング材１１１Ｄがカバー部材１０３の射出面１０３ｂに形成された凹部１０３ｃ内に配置されることで、カバー部材１０３に支持されている。

音響レンズ１１１Ａ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１１１Ａは、パルス光の焦点付近で発生する音響波を選択的に集める。音響整合層１１１Ｂ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る。音響整合層１１１Ｂの一面に音響レンズ１１１Ａが接着される。音響整合層１１１Ｂの他面に圧電振動子１１１Ｃが接着されている。

圧電振動子１１１Ｃは、音響レンズ１１１Ａ及び音響整合層１１１Ｂ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１１１Ｃ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１０７が電気的に接続されている。圧電振動子１１１Ｃの検出信号は、配線１０７から出力される。バッキング材１１１Ｄは、圧電振動子１１１Ｃの余分な振動を抑えるものであり、圧電振動子１１１Ｃの裏面（音響整合層１１１Ｂが接着されている面とは反対側の面）に接着されている。

図１に示す通り、水受け部材１０４の側面には、供給チューブ１０５が介挿される孔部ｈ１に加えて、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１と水受け部材１０４の外部とに連通する孔部ｈ２が形成されている。超音波検出器１１１の配線１０７は、水受け部材１０４に形成された孔部ｈ２を介して、水受け部材１０４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１１１の検出信号は、配線１０７を介してコントローラ６０に出力される。

〈イメージング装置の動作〉
本実施形態のイメージング装置の蛍光画像生成時の動作及びＯＣＴ画像生成時の動作は、第１実施形態と同様である。このため、以下では蛍光画像生成時の動作及びＯＣＴ画像生成時の動作の説明を省略し、光音響画像生成時の動作について説明する。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６０によって共焦点ユニット１０のレーザ光源１１が制御され、レーザ光源１１からは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、第１実施形態における蛍光画像生成時におけるレーザ光と同様の光路を経て試料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ＣＨ１を通過した後に、試料容器ＣＨ１と水受け部材１０４との間に保持されている液体ＷＴ及び水受け部材１０４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１１１で検出される。

尚、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、底部の板厚が薄い試料容器ＣＨ１を用いて、試料容器ＣＨ１の底部をパルス光が透過する際の屈折による光路の変動を少なくすることが好ましい。更に、音響波の伝達を考慮すると、試料容器ＣＨ１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ＣＨ１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１１１では、図１１に示す音響レンズ１１１Ａ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１１１Ｂ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１１１Ｃ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１１１Ｃの余分な振動は、圧電振動子１１１Ｃに接着されたバッキング材１１１Ｄによって抑制される。このため、圧電振動子１１１Ｃ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１１１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（光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置及び試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等によるＺ方向の走査位置）と対応付けられる。以上の動作が、光走査装置３１によるＸＹ面内の走査位置を変えながら（更には、試料容器ＣＨ１を搭載する不図示の電動ステージ等によるＺ方向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、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、図２に示す対物光学系４３に代えて、図２に示す対物光学系４３に超音波検出器１１１が追加された構成の対物光学系４３Ａを用いている。このため、１つの対物光学系４３Ａ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とともに、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波の検出も可能である。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像（蛍光画像、ＯＣＴ画像、及び光音響画像）を重ね合わせるといったことが可能になる。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４実施形態〕
〈イメージング装置及び対物光学系〉
図１２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１２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１２に示す通り、本実施形態の対物光学系７３Ａは、図９に示す対物光学系７３に、超音波検出器２０１、水受け部材２０２（液体保持部材）、及び吸引チューブ２０３（液体導入部）を追加した構成である。また、本実施形態の対物光学系７３Ａは、図９に示す対物光学系７３とは、鏡筒１００の側面に孔部ｈ１０が形成されており、光学部材２００の側面から透過部ＴＳに連通する連通路ＰＳ１が光学部材２００の内部に形成されている点が異なる。

また、本実施形態の対物光学系７３Ａは、図９に示す対物光学系７３とは、反射面ＲＳ１の中心部ＣＡが反射面ＲＳ１の他の部分よりも反射率が低くされている点も異なる。反射面ＲＳ１の中心部ＣＡで反射された光がＯＣＴユニット５０に入射するとノイズになることから、反射面ＲＳ１の中心部ＣＡの反射率を反射面ＲＳ１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、反射面ＲＳ１の中心部ＣＡの反射率を低くする方法としては、例えば、反射面ＲＳ１の中心部ＣＡに金属を蒸着せず、或いは反射面ＲＳ１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。

尚、本実施形態のイメージング装置は、図８に示す正立型顕微鏡７０が備える対物光学系７３を図１２に示す対物光学系７３Ａに代えた顕微鏡を、図１に示す倒立型顕微鏡４０に代えて設けるとともに、図１に示すレーザ光源１１を、パルス光を射出可能なものにした構成である。本実施形態のイメージング装置が備えるコントローラ６０は、第３実施形態と同様に、超音波検出器２０１から出力される検出信号に基づいて試料ＳＰの光音響画像を生成することが可能である。

超音波検出器２０１は、図１０に示す超音波検出器１１１と同様のものである。つまり、超音波検出器２０１は、図１１に示す音響レンズ１１１Ａ、音響整合層１１１Ｂ、圧電振動子１１１Ｃ、及びバッキング材１１１Ｄを備える構成である。この超音波検出器２０１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の第１面２００ａの中央部に設けられる。図１２に示す通り、超音波検出器２０１は、反射面ＲＳ１とは反対側の面に取り付けられることから、反射面ＲＳ１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１２においては、超音波検出器２０１に接続される配線（図１０中の配線１１２に相当する配線）、及び水受け部材２０２に形成される孔部（図１０中の孔部ｈ２に相当する孔部）の図示を省略している。超音波検出器２０１は、不図示の配線を介してコントローラ６０に接続されている。

水受け部材２０２は、第１端部２０２ａから第２端部２０２ｂに向けて径が小さくなる筒状の部材であり、第１端部２０２ａが鏡筒１００の物体側の端部に取り付けられている。水受け部材２０２の第２端部２０２ｂの先端の径は、試料ＳＰが格納される試料容器ＣＨ３の径よりも小さくされている。これにより、水受け部材２０２の第２端部２０２ｂを、試料容器ＣＴ３内の培養液ＣＦに浸した状態にすることができる。

吸引チューブ２０３は、水受け部材２０２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２０３は、例えばゴム又は樹脂によって形成され、第１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、第２端部が不図示の吸引ポンプに接続されている。図２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２０２の内部空間Ｑに導かれ、水受け部材２０２の内部空間Ｑに培養液ＣＦが保持された状態（水受け部材２０２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。

〈イメージング装置の動作〉
本実施形態のイメージング装置の蛍光画像生成時の動作及びＯＣＴ画像生成時の動作は、第２実施形態と同様である。また、本実施形態の光音響画像生成時の動作は、パルス光が試料ＳＰに落射照明される点を除いて、第３実施形態とほぼ同様である。このため、本実施形態のイメージング装置の動作については、説明を省略する。

以上の通り、本実施形態では、図９に示す対物光学系７３に代えて、図９に示す対物光学系７３に超音波検出器２０１、水受け部材２０２、及び吸引チューブ２０３等が追加された構成の対物光学系７３Ａを用いている。このため、第３実施形態と同様に、１つの対物光学系７３Ａ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とともに、試料ＳＰにパルス光を照射して得られる音響波の検出も可能である。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像（蛍光画像、ＯＣＴ画像、及び光音響画像）を重ね合わせるといったことが可能になる。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５実施形態〕
〈対物光学系〉
図１３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１３においては、図２又は図１２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４３Ｂは、図２に示す対物光学系４３を、正立型顕微鏡７０で使用可能に改良したものである。

図１３に示す通り、本実施形態の対物光学系４３Ｂは、図２に示すカバー部材１０３よりも厚みが厚くされ、側面から射出面１０３ｂの中央部に連通する連通路ＰＳ２が内部に形成されたカバー部材１０３を備える。カバー部材１０３は、連通路ＰＳ２が水受け部材１０４に形成された孔部ｈ１と連通するように配置される。水受け部材１０４の側面に形成された孔部ｈ１には、第２端部が不図示の吸引ポンプに接続されている吸引チューブ２０３の第１端が介挿されている。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１０４の内部空間Ｑ１に導かれ、水受け部材１０４の内部空間Ｑ１に培養液ＣＦが保持された状態（水受け部材１０４の内部空間Ｑ１が培養液ＣＦで満たされた状態）にすることができる。

以上の通り、本実施形態の対物光学系４３Ｂは、図２に示す対物光学系４３を正立型顕微鏡７０で使用可能に改良しただけであり、その光学特性は図２に示す対物光学系４３と同様である。このため、１つの対物光学系４３Ｂ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。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像を重ね合わせるといったことが可能になる。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〕
〈対物光学系〉
図１４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４３Ｃは、図２に示す対物光学系４３の凸面ミラー１０１及びカバー部材１０３を、カバー部材１２０に代えた構成である。つまり、本実施形態の対物光学系４３Ｃは、図２に示す対物光学系４３では別部材で構成されていた凸面ミラー１０１及びカバー部材１０３の機能を一体化したカバー部材１２０を、凸面ミラー１０１及びカバー部材１０３に代えて設けた構成である。

カバー部材１２０は、カバー部材１０３と同様に、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、カバー部材１０３の入射面１０３ａに相当する入射面１２０ａと、カバー部材１０３の射出面１０３ｂに相当する射出面１２０ｂとを備える。このカバー部材１２０の入射面１２０ａの中央部には、−Ｚ側に凸状とされた凸面ＣＶが形成されている。尚、このような形状のカバー部材１２０を研磨により形成するのは困難であるため、例えば射出成形等によって形成するのが好ましい。カバー部材１２０の凸面ＣＶは、例えば金属膜が蒸着されて反射面ＲＳ１とされている。

以上の通り、本実施形態の対物光学系４３Ｃは、図２に示す対物光学系４３が備える凸面ミラー１０１及びカバー部材１０３を、これらの機能を一体化したカバー部材１２０に代えただけであり、その光学特性は図２に示す対物光学系４３と同様である。このため、１つの対物光学系４３Ｃ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。これにより、様々な波長の光を用いた観察を同時に行って得られた同じ観察場所の画像を重ね合わせるといったことが可能になる。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、第１実施形態よりも安価で組み立て工数を削減することができる。

〔変形例〕
図１５は、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１５に示す通り、光学系８０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８１，８２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１５に示す光学系８０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８０は、例えば図１に示す共焦点ユニット１０に設けられたレーザ光源１１から光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１までの光路上、或いは、ＯＣＴユニット５０に設けられたブロードバンド光源５１から光走査ユニット３０に設けられた光走査装置３１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２に示す対物光学系４３に入射する光（反射面ＲＳ１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、測定に寄与しない反射面ＲＳ１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、反射面ＲＳ１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、レーザ光又は近赤外光を試料ＳＰに照射して得られる蛍光又は後方散乱光が対物光学系４３から射出されるときの蛍光又は後方散乱光の断面形状はリング状であるが、図１５に示す光学系８０を通過することで、断面形状が円形の蛍光又は後方散乱光に変換される。このため、図１５に示す光学系８０を挿入しても、戻り光である蛍光又は後方散乱光に影響を与えることもない。尚、図１５に示す光学系８０は、図１に示す第１実施形態のイメージング装置１以外の他の実施形態のイメージング装置にも適用可能である。

以上、本発明の実施形態による対物光学系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、上述した第１，３，５実施形態では、カバー部材１０３の入射面１０３ａ（中央部を除く）及び射出面１０３ｂ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２，４実施形態では、光学部材２００の第１面２００ａ（中央部を除く透過部ＴＳ）が、反射面ＲＳ２で反射されたレーザ光又は近赤外光の光路と直交するように形成されており、第６実施形態では、カバー部材１２０の入射面１２０ａ（中央部を除く）及び射出面１２０ｂ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いる例について説明した。

しかしながら、これら入射面１０３ａ，１２０ａ、射出面１０３ｂ，１２０ｂ、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、カバー部材１０３を例に挙げると、入射面１０３ａ（中央部を除く）又は射出面１０３ｂ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１０３ａ（中央部を除く）又は射出面１０３ｂの形状を変更することが可能である。また、入射面１０３ａ（中央部を除く）及び射出面１０３ｂ上は、球面に限られる訳ではなく、非球面であっても良い。

また、上述した実施形態では、水等の液体ＷＴを用いて液浸による試料ＳＰの観察を行う例について説明したが。しかしながら、上記の液体ＷＴは、水に限られる訳ではなく、液体ＷＴは、試料ＳＰの観察に適した任意の液体であってもよい。例えば、生体の試料ＳＰに屈折率が近いシリコンオイル等を用いても良い。また、上述した実施形態では、「蛍光画像」を生成する際に、例えば４００〜７００［ｎｍ］程度の波長帯域の光（可視光）を用いる例について説明したが、紫外光や赤外光を用いても良い。また、上述した実施形態におけるＯＣＴユニット５０は、タイムドメイン型ＯＣＴ（Time Domain Optical Coherence Tomography：TD-OCT）であったが、ＯＣＴユニット５０は、スペクトルドメイン型ＯＣＴ（Spectral Domain Optical Coherence Tomography：SD-OCT）等であってもよい。

〔顕微鏡システム〕
市販の顕微鏡には、対物光学系及び結像レンズの色収差を、各々の光学系で個別に補正する単独補正方式のものと、対物光学系と結像レンズとの組み合わせによって補正するコンペンゼーション方式のものとがある。上述した各実施形態の対物光学系４３，４３Ａ〜４３Ｃ，７３，７３Ａをコンペンゼーション方式の顕微鏡で使用する場合には注意が必要である。上述した各実施形態の対物光学系４３，４３Ａ〜４３Ｃ，７３，７３Ａは、単独で色収差を補正する（色収差が殆ど生じない）ものであるため、コンペンゼーション方式の顕微鏡で用いられている結像レンズと、上述した各実施形態の対物光学系４３，４３Ａ〜４３Ｃ，７３，７３Ａとを組み合わせてしまうと、逆に色収差が発生するからである。

このような色収差が発生する場合には、顕微鏡の内部又は外部に補正レンズ系を設けて、上記の色収差を補正する顕微鏡システムとすることが好ましい。例えば、第１実施形態の倒立型顕微鏡４０を例に挙げると、倒立型顕微鏡４０内に設けられた結像レンズ４１を、上記の色収差を補正し得る補正レンズ系とすることで、上記の顕微鏡システムとすることができる。或いは、光走査ユニット３０に設けられた瞳投影レンズ３２（倒立型顕微鏡４０外に設けられたレンズ）を、上記の色収差を補正し得る補正レンズ系とすることで、上記の顕微鏡システムとすることができる。

１ イメージング装置
１Ａ イメージング装置
３２ 瞳投影レンズ
４０ 倒立型顕微鏡
４１ 結像レンズ
４３ 対物光学系
４３Ａ 対物光学系
４３Ｂ 対物光学系
４３Ｃ 対物光学系
５０ ＯＣＴユニット
９０ ＯＣＴユニット
７０ 正立型顕微鏡
７１ 結像レンズ
７３ 対物光学系
７３Ａ 対物光学系
１００ 鏡筒
１０１ 凸面ミラー
１０２ 凹面ミラー
１０３ カバー部材
１０３ａ 入射面
１０３ｂ 射出面
１０４ 水受け部材
１０４ａ 第１端部
１０５ 供給チューブ
１１１ 超音波検出器
１２０ カバー部材
１２０ａ 入射面
１２０ｂ 射出面
２００ 光学部材
２００ａ 第１面
２００ｂ 第２面
２０１ 超音波検出器
２０２ 水受け部材
２０２ａ 第１端部
２０３ 吸引チューブ
２１０ 対物光学系
２１１ 反射面
２２０ 対物光学系
２２１ プリズム
２２２ 参照光鏡筒
２３０ 対物光学系
２３１ａ〜ｃ 光ファイバ型センサ
ＣＡ 中心部
ＣＦ 培養液
Ｐ 焦点位置
Ｑ１ 内部空間
ＲＳ１ 反射面
ＲＳ２ 反射面
ＳＰ 試料
ＷＴ 液体

Claims (20)

1. 試料に向かって進む光を反射する凸面反射部と、
   前記凸面反射部で反射された光を前記試料に向けて反射する凹面反射部と、
   前記凹面反射部で反射された光の光路上に配置され、前記試料との間に介在する液体に接する接液面を有し、該接液面が前記凹面反射部で反射された光の光路と概ね直交するように形成された透過部と、
   を備える対物光学系。
2. 前記接液面は、概ね球面に形成されており、
   前記球面の曲率中心は、前記凸面反射部及び前記凹面反射部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記載の対物光学系。
3. 前記接液面上の任意の点の曲率半径ｒは、該点から前記焦点位置までの距離をＳとすると、
   ０．７Ｓ≦ｒ≦１．３Ｓ
   なる関係式を満たす、請求項２記載の対物光学系。
4. 前記接液面は、球面又は非球面である、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. 前記透過部は、前記凹面反射部で反射された光が入射する入射面と、該入射面に入射した光が射出される射出面とを有するカバー部材に設けられており、
   前記カバー部材の前記射出面が前記接液面とされている、
   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. 前記カバー部材の前記入射面は、前記凹面反射部で反射された光の光路と概ね直交するように形成されている、請求項５記載の対物光学系。
7. 前記カバー部材の前記入射面の中央部には、前記凸面反射部が形成され、又は前記凸面反射部を有する凸面ミラーが取り付けられている、請求項５又は請求項６記載の対物光学系。
8. 前記凹面反射部を有する凹面ミラーを内部に支持する鏡筒と、
   前記カバー部材によって内部空間が仕切られるように前記カバー部材を支持し、第１端部と第２端部を有する液体保持部材であって、前記第１端部が前記鏡筒の物体側の端部に取り付けられ、前記カバー部材によって仕切られた前記第２端部側の内部空間に液体を保持可能な液体保持部材と、
   を備える請求項７記載の対物光学系。
9. 前記カバー部材によって仕切られた第２端部側の内部空間に液体を供給する液体供給部を備える請求項８記載の対物光学系。
10. 中央部に前記凸面反射部が形成され、周辺部に前記透過部が設けられた第１面と、中央部に前記試料に向かって進む光が入射され、周辺部に前記凹面反射部が形成された第２面と、を有する光学部材を備える、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。
11. 前記第１面を物体側に向けて前記光学部材を内部に支持する鏡筒を備える、請求項１０記載の対物光学系。
12. 第１端部が前記鏡筒の物体側の端部に取り付けられ、内部空間に液体を保持可能な筒状の液体保持部材を備える請求項１１記載の対物光学系。
13. 前記内部空間に液体を導く液体導入部を備える請求項１２記載の対物光学系。
14. 前記凸面反射部の中心部は、前記凸面反射部の他の部分よりも反射率が低くされている、請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の対物光学系。
15. 前記光の一部を反射して、光干渉を生じさせるための参照光として、前記試料とは反対側に戻す参照光反射部を更に備える請求項１から請求項１４の何れか一項に記載の対物光学系。
16. 前記参照光反射部までの光路長と、前記焦点位置までの光路長とは、互いに異なる、請求項１から請求項１５の何れか一項に記載の対物光学系。
17. 前記参照光反射部は、前記透過部の前記入射面に備えられ、前記入射面に入射する光の一部を反射する請求項５から請求項１６の何れか一項に記載の対物光学系。
18. 前記凸面反射部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を備える、請求項１から請求項１７の何れか一項に記載の対物光学系。
19. 前記接液面の近傍に設けられ、前記試料に光を照射して得られる音響波を検出する光ファイバ型検出器を備える、請求項１から請求項１８の何れか一項に記載の対物光学系。
20. 請求項１から請求項１９の何れか一項に記載の対物光学系と、該対物光学系と組み合わされる結像レンズと、を有する顕微鏡と、
    前記対物光学系と前記結像レンズとの組み合わせによって発生する収差を補正する補正レンズ系と、
    を備える顕微鏡システム。

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