KR20210028659A - 관찰 장치 - Google Patents

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KR20210028659A
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오사무 혼모우
요시히로 요시카와
다이키 타테야마
코스케 타카하시
코세이 타테야마
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훗카이도 코리츠 다이가쿠 호진 삿포르 이카 다이가쿠
니프로 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 위상차 현미경으로부터 관찰 대상물까지의 거리를 조정하는 작업을 불필요하게 하면서, 콘트라스트를 일정하게 유지함으로써 양호한 광학상을 얻을 수 있는 관찰 장치를 제공하는 것.
[해결수단] 관찰 장치(10)는 현미경(12)을 구비한다. 현미경(12)은 조명 광원(50), 조명 광학계(51), 조명광(61)이 관찰 대상물(28)에 의해 반사된 반사광(62)으로부터 관찰 대상물(28)의 광학상을 형성하는 관찰 광학계(52)를 구비한다. 관찰 광학계(52)는 반사광(62) 중, 반사면(49a)에서 반사된 직접 반사광(62A)의 위상을 변경하는 위상판(57)을 구비한다. 조명 광학계(51) 및 관찰 광학계(52)의 쌍방이 관찰 대상물(28)의 하방에 배치되어 있다. 관찰 장치(10)는 관찰 광학계(52)에 의해 얻어진 광학상을 광전변환하고, 관찰 대상물(28)의 화상 데이터를 작성하는 촬상 소자(53)와, 화상 데이터를 표시하는 표시 장치(38)를 구비하고 있다. 조명 광학계(51)로부터 출사되는 조명광(61)이 평행광이다.

Description

관찰 장치
본 발명은 생물 세포의 관찰에 사용되는 관찰 장치에 관한 것이다.
종래, 생물 세포를 배양하면서 관찰하기 위해서, 염색하지 않고 생물 세포를 관찰할 수 있는 위상차 현미경이 사용되고 있다. 관찰 대상물로서의 생물 세포는 온도를 일정하게 유지하는 것이 가능한 인큐베이터 내에서 배양된다. 생물 세포를 관찰하기 위해서, 위상차 현미경을 인큐베이터 내에 배치할 필요가 있다. 인큐베이터 내에 장착 가능하게 구성한 위상차 현미경의 일례가 특허문헌 1에 개시되어 있다. 이 위상차 현미경은 낙사식의 위상차 현미경이고, 조명 광학계 및 관찰 광학계의 쌍방이 관찰 대상물에 대하여 동일측에 배치되어 있다.
조명 광학계로부터 발광된 조명광은 반사면에 있어서 반사되어서 반사광이 된다. 반사광은 관찰 대상물을 통과할 때에 관찰 대상물의 내부에서 회절되지 않고, 반사면의 표면에서 반사된 직접 반사광과, 관찰 대상물을 통과할 때에 관찰 대상물의 내부에서 회절되어 위상이 1/4파장만큼 지연되어 반사면의 표면에서 반사된 회절 반사광으로 이루어진다. 위상차 현미경에 의한 관찰에서는 반사면의 표면에서 반사된 직접 반사광의 위상이 1/4파장만큼 전진하지만, 지연된다. 직접 반사광의 위상이 조작됨으로써 직접 반사광과 회절 반사광의 위상차가 0 또는 1/2파장이 되고, 직접 반사광과 회절 반사광이 서로 강화되거나 또는 서로 약화된다. 직접 반사광과 회절 반사광의 위상차가 명암의 콘트라스트로 변환되므로, 인간의 눈으로 감지 가능한 광학상이 얻어진다.
일본 특허 공개 평08-194160호 공보
복수의 관찰 대상물을 관찰하는 경우에 관찰 대상물마다 위상차 현미경을 설치하는 것은 비용의 관점에서 현실적이지는 않다. 따라서, 관찰 대상물 또는 위상차 현미경을 이동시킬 필요가 있다. 그런데, 관찰 대상물 또는 위상차 현미경을 이동시키면, 관찰 대상물 또는 위상차 현미경의 정지 위치의 정밀도에 한계가 있기 때문에 위상판으로부터 반사면까지의 거리에 편차가 생긴다.
여기서, 위상차 현미경은 위상을 1/4파장만큼 변경하는 위상막 영역과 위상을 변경하지 않는 투과 영역을 갖는 위상판을 갖고 있다. 직접 반사광이 위상막 영역을 통과하고 또한 회절 반사광이 투과 영역을 통과함으로써, 직접 반사광의 위상이 1/4파장만큼 변경된다.
특허문헌 1에 기재된 위상차 현미경에서는 조명 광학계로부터 관찰 대상물을 향해서 발광되는 조명광이 광축에 대하여 경사져 있다. 그 때문에, 위상판으로부터 반사면까지의 거리에 편차가 생기면, 직접 반사광이 위상판에 있어서 수속하는 위치(수속점)가 변화되어버린다. 수속점의 변동에 의해 직접 반사광이 위상막 영역을 통과하지 않게 되면, 콘트라스트에 변동이 생기고, 거기까지의 조정에 의해 얻어진 양호한 광학상이 얻어지지 않게 되어버린다. 따라서, 위상차 현미경을 이동시킬 때마다, 직접 반사광이 위상막 영역을 통과하도록 위상차 현미경으로부터 관찰 대상물까지의 거리, 즉 위상판으로부터 반사면의 거리를 조정하는 작업이 필요하지만, 이것으로는 작업성의 저하를 초래해 버린다.
본 발명은 상술된 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 위상판으로부터 반사면까지의 거리를 조정하는 작업을 불필요하게 하면서, 콘트라스트를 일정하게 유지함으로써 양호한 광학상을 얻을 수 있는 관찰 장치를 제공하는 것에 있다.
(1) 본 발명에 의한 관찰 장치에 의하면, 조명 광원, 상기 조명 광원으로부터의 조명광을 생물 세포인 관찰 대상물에 출사하는 조명 광학계, 상기 조명광이 상기 관찰 대상물을 통과해서 반사된 반사광으로부터 상기 관찰 대상물의 광학상을 형성하는 관찰 광학계를 구비하고, 상기 관찰 광학계는 상기 반사광 중, 반사면에서 반사된 직접 반사광의 위상을 변경하는 위상판을 구비하고, 상기 조명 광학계 및 상기 관찰 광학계의 쌍방이 상기 관찰 대상물의 하방으로 배치되어 있는 낙사식 위상차 현미경과, 상기 관찰 광학계에 의해 얻어진 상기 광학상을 광전변환하고, 상기 관찰 대상물의 화상 데이터를 작성하는 촬상 소자와, 상기 화상 데이터를 표시하는 표시 장치를 구비하고 있으며, 상기 조명 광학계로부터 출사되는 상기 조명광이 평행광이다.
상기 구성에 의하면, 조명 광학계로부터 평행한 조명광이 출사되므로, 관찰 광학계에 평행한 반사광이 입사한다. 반사광이 광축에 대하여 평행하므로, 위상판으로부터 반사면까지의 거리가 변동해도, 직접 반사광의 위상판에 있어서의 수속점이 변동하지 않는다. 따라서, 낙사식 위상차 현미경을 이동시킴으로써 상기 거리가 변동해도 콘트라스트를 일정하게 유지할 수 있어 양호한 광학상이 얻어진다.
(2) 바람직하게는, 상기 관찰 장치는 상기 관찰 대상물과 상기 낙사식 위상차 현미경을 상대적으로 이동시키는 이동 장치를 구비하고 있다.
상기 구성에 의하면, 상기 관찰 장치는 이동 장치를 구비하고 있으므로, 수동으로 관찰 대상물 또는 낙사식 위상차 현미경을 이동시킬 필요가 없다. 따라서, 작업성이 향상된다.
(3) 바람직하게는, 상기 관찰 장치는 개구를 갖는 하우징, 상기 개구를 개폐가능한 덮개체, 및 상기 하우징 및 상기 덮개체에 의해 획정되는 내부 공간을 상방의 배양실 및 하방의 기계실로 구획하는 구획벽을 구비하는 인큐베이터를 구비하고 있고, 상기 관찰 대상물은 상기 배양실 내에 배치되어 있고, 상기 낙사식 위상차 현미경, 상기 촬상 소자, 및 상기 이동 장치는 상기 기계실 내에 배치되어 있으며, 상기 구획벽은 상기 배양실을 상기 기계실에 대하여 기밀성 및 수밀성을 유지하도록 상기 하우징에 고정되고, 상기 구획벽의 적어도 일부는 상기 조명광을 투과하는 투명 재료로 형성되어 있다.
상기 구성에 의하면, 인큐베이터 내에 낙사식 위상차 현미경이 배치되어 있으므로, 관찰 대상물을 관찰하기 위해서 인큐베이터를 개방해서 외부로부터 현미경을 인큐베이터로 이동시킬 필요가 없다. 그 때문에, 관찰 대상물의 관찰시마다, 인큐베이터가 개방되어도 지장이 없도록 인큐베이터의 외부 환경을 무균 상태로 유지할 필요도 없다. 따라서, 인큐베이터의 관찰에 요하는 작업공수 및 비용이 경감된다. 또한, 배양실의 기밀성 및 수밀성이 기계실에 대하여 유지되어 있으므로, 배양실의 분위기로부터 기계실의 분위기가 분리되어 있다. 그 때문에, 배양실과 기계실 사이에 온도차가 발생했다고 해도, 기계실 내의 낙사식 위상차 현미경에 결로가 발생하는 것이 억제된다.
(4) 바람직하게는, 상기 조명 광원은 상기 조명광의 파장을 복수의 다른 파장 사이에서 스위칭 가능하게 구성되어 있다.
상기 구성에 의하면, 조명광의 파장이 복수의 다른 파장 사이에서 스위칭 가능하다. 그 때문에, 얻어진 화상을 쉐이딩 오프해서 관찰 대상물의 세포 경계에 있어서의 화상 데이터량을 감소시킬 수 있고, 세포수의 계측을 행하기 쉽게 할 수 있다. 또한, 결상면에 있어서의 광학상에 포함되는 각 부 중, 대물 렌즈에 부착된 오염물 등의 이물에 의한 부분은 조명광의 파장의 변경에 의해 영향을 받지 않는다. 그 때문에, 조명광의 파장의 변경에 의해, 광학상의 각 부에 대해서 관찰 대상물의 상인지, 이물에 의한 상인지가 특정될 수 있다.
(5) 바람직하게는, 상기 관찰 장치는 상기 화상 데이터를 수정하는 화상 처리부를 구비하고 있고, 상기 화상 데이터에는 색 정보로서 휘도값을 포함하는 화소가 2차원 좌표로 배열되어 있고, 상기 화상 처리부는 2개의 다른 상기 파장의 상기 조명광에 의해 얻어진 2개의 상기 화상 데이터에 대해서, 동일 좌표의 상기 화소 마다, 상기 휘도값의 차분을 산출하는 산출부와, 상기 차분이 소정값보다 작은 상기 화소를, 오정보를 포함하는 노이즈 화소로서 인식하는 인식부와, 상기 2개의 화상 데이터로부터 각각 상기 노이즈 화소를 삭제해서 2개의 수정 화상 데이터를 작성하는 작성부를 구비한다.
관찰 대상물을 통과한 반사광의 경우, 파장이 변경되면 초점 위치가 수속 또는 확산하도록 변화되고, 휘도값의 차분이 변화된다. 관찰 대상물을 통과하고 있지 않는 반사광, 예를 들면 대물 렌즈에 부착된 오염물로부터의 반사광의 경우, 파장이 변경되어도, 초점 위치가 수속 또는 확산하도록 변화되지 않아 휘도값의 차분이 그다지 변화되지 않는다.
상기 구성에 의하면, 휘도값의 차분이 소정값보다 작은 화소가 오정보를 포함하는 노이즈 화소로서 인식되고, 노이즈 화소가 삭제된 2개의 수정 화상 데이터가 작성된다. 따라서, 관찰 대상물의 화상 데이터에 있어서, 오염물에 의한 오정보의 영향을 배제할 수 있다.
(6) 바람직하게는, 상기 관찰 장치는 상기 관찰 대상물의 상방에 배치된 반사경을 구비하고 있다.
상기 구성에 의하면, 관찰 대상물로부터의 반사광뿐만 아니라, 반사경으로부터의 반사광이 관찰 광학계에 입사한다. 관찰 광학계에 입사하는 광량이 증대하므로, 보다 식별성이 높은 관찰 대상물의 화상 데이터를 얻을 수 있다.
(7) 바람직하게는, 상기 관찰 장치는 투광성 재료로 구성된 하부 접시 및 상부 접시로 이루어지고, 상기 생물 세포가 수납되는 페트리 접시를 구비하고, 상기 상부 접시에는 상기 반사경이 고정되어 있다.
상기 구성에 의하면, 상부 접시에 반사경이 고정되어 있으므로, 반사경을 용이하게 배치할 수 있다.
(8) 바람직하게는, 상기 조명 광학계는 상기 조명 광원으로부터의 상기 조명광을 반사하는 하프 미러와, 상기 하프 미러에서 반사된 상기 조명광을 굴절시키는 제 1 대물 렌즈 및 제 2 대물 렌즈를 구비하고 있고, 상기 관찰 광학계는 상기 관찰 대상물로부터의 상기 반사광을 굴절시키는 상기 제 1 대물 렌즈 및 상기 제 2 대물 렌즈와, 굴절된 상기 반사광을 투과시키는 상기 하프 미러를 구비하고 있다.
본 발명의 관찰 장치에 의하면, 위상차 현미경으로부터 관찰 대상물까지의 거리를 조정하는 작업을 불필요하게 하면서, 콘트라스트를 일정하게 유지할 수 있어 양호한 광학상을 얻을 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 의한 관찰 장치(10)의 블록도이다.
도 2는 본 실시형태에 의한 인큐베이터(11)를 나타내는 도면이고, 도 2(a)는 인큐베이터(11)의 사시도이고, 도 2(b)는 인큐베이터(11) 내에 배치된 구획벽(23), 현미경(12) 및 이동 장치(13)를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2(a)의 III-III 절단선으로부터 본 인큐베이터(11)의 단면도이다.
도 4는 현미경(12)의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 또한, 본 실시형태는 본 발명의 일 실시형태에 지나지 않고, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 실시형태를 변경할 수 있는 것은 말할 것도 없다.
[관찰 장치(10)]
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 본 실시형태에 의한 관찰 장치(10)는 생물 세포인 관찰 대상물(28)을 관찰하는 장치이다. 관찰 장치(10)는 인큐베이터(11)와, 낙사식 위상차 현미경(이하, 현미경)(12)과, 이동 장치(13)와, 관찰용 컴퓨터(14)와, 표시 장치(15)와, 조작 장치(16)를 구비하고 있다. 인큐베이터(11)는 분위기 제어 기구(39)를 구비하고 있다. 현미경(12)은 조명 광원(50)을 구비하고 있다. 현미경(12)에는 촬상 소자(53)가 설치되어 있다. 관찰용 컴퓨터(14)는 광원 제어부(44), 화상 처리부(45), 및 이동 제어부(46)를 구비하고 있다.
관찰 장치(10)를 구성하는 요소는 개략적으로는 이하와 같이 기능한다. 조명 광원(50)은 관찰 대상물(28)을 조명한다. 현미경(12)은 조명된 관찰 대상물(28)의 광학상을 취득한다. 이동 장치(13)는 현미경(12)이 관찰 대상물(28)의 광학상을 취득할 수 있도록 현미경(12)을 이동시킨다. 촬상 소자(53)는 현미경(12)에 의해 취득된 광학상을 광전변환해서 화상 데이터를 작성한다. 화상 처리부(45)는 촬상 소자(53)에서 얻어진 화상 데이터를 수정한다. 표시 장치(15)는 수정 전 및 수정 후의 화상 데이터를 표시한다. 이동 제어부(46)는 이동 장치(13)의 구동을 제어한다. 광원 제어부(44)는 조명 광원(50)의 구동을 제어한다. 조작 장치(16)는 화상 처리부(45)로의 지령을 입력 가능하고, 또한 이동 제어부(46)로의 지령(명령)을 입력 가능하다. 조작 장치(16)는, 예를 들면 키보드 및 마우스이다. 유저는 조작 장치(16)를 조작해서 화상 처리부(45)로의 처리 내용을 설정하고, 또한 이동 장치(13)의 구동을 통해서 현미경(12)의 이동을 제어할 수 있다. 이와 같이 해서, 관찰 장치(10)에 의해 관찰 대상물(28)이 관찰된다.
[인큐베이터(11)]
도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 인큐베이터(11)는 개구(20)를 갖는 하우징(21)과, 개구(20)를 개폐 가능한 덮개체(22)와, 하우징(21) 내에 배치된 구획벽(23)을 구비한다. 이하에 있어서, 상하 방향(17), 전후 방향(18), 및 좌우 방향(19)은 도 1에 나타내어지는 인큐베이터(11)의 자세에 의거해서 정의되어 있다. 개구(20)는 전후 방향(18)으로 열려 있다. 하우징(21) 및 덮개체(22)에 의해 인큐베이터(11)의 내부 공간(24)이 획정되어 있다. 하우징(21) 및 덮개체(22)의 외형 형상은 직육면체 형상이다. 또한, 내부 공간(24)의 형상도 직육면체 형상이다. 덮개체(22)가 닫혀진 상태에서 내부 공간(24)은 인큐베이터(11)의 외기에 대하여 기밀성 및 수밀성이 유지되어 있다.
도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내어지는 바와 같이, 구획벽(23)은 내부 공간(24)을 상방의 배양실(25) 및 하방의 기계실(26)로 구획한다. 배양실(25) 내에는 4개의 페트리 접시(27)가 배치되어 있다. 페트리 접시(27) 내에는 생물 세포인 관찰 대상물(28)(도 3, 도 4)이 수납되어 있다. 기계실(26) 내에는 촬상 소자(53)가 탑재된 현미경(12) 및 이동 장치(13)가 수납되어 있다.
구획벽(23)은 상하 방향(17)으로부터 보아 사각형인 평판 형상이다. 구획벽(23)은 4개의 개구(29)를 갖는 프레임판(30)과, 4개의 개구(29)에 각각 끼워넣어진 투명판(31)을 갖는다. 투명판(31)은 광을 투과하는 재료로 형성되어 있으며, 상하 방향(17)으로 광을 투과 가능하다. 투명판(31)의 재료는, 예를 들면 유리 또는 아크릴이다. 4개의 투명판(31)은 상하 방향(17)으로부터 보아 사각형의 정점 위치에 각각 위치하고 있다.
[페트리 접시(27)]
도 3에 나타내어지는 바와 같이, 페트리 접시(27)는 네스트가 되는 하부 접시(47) 및 상부 접시(48)를 갖는다. 하부 접시(47) 및 상부 접시(48)는 함께 저면을 갖는 얕은 원통 형상의 용기이다. 상부 접시(48)가 하부 접시(47)보다 크고, 하부 접시(47)를 상부 접시(48)에 씌움으로써 페트리 접시(27)의 내부가 닫혀진다. 하부 접시(47) 및 상부 접시(48)는 함께 광을 투과하는 재료, 예를 들면 폴리스티렌 수지에 의해 구성되어 있다.
[반사경(49)]
도 1~도 3에 나타내어지는 바와 같이, 관찰 장치(10)는 현미경(12)으로부터의 조명광(61)을 반사하는 반사경(49)을 구비하고 있다. 반사경(49)은 상부 접시(48)의 상면에 고정되어 있다. 반사경(49)은 원판 형상이다. 반사경(49)은, 본 실시형태에서는 스테인리스로 형성되어 있고, 반사경(49)의 하면에 설치된 반사면(49a)(하면(49a))은 광을 반사 가능하게 경면 가공되어 있다.
[분위기 제어 기구(39)]
다시, 도 1을 참조하여, 인큐베이터(11)의 분위기 제어 기구(39)가 설명된다. 분위기 제어 기구(39)는 배양실(25)의 분위기(온도 및 습도)를 제어하는 기구이며, 기계실(26)의 분위기와는 독립적으로 제어 가능하다. 구체적으로는, 분위기 제어 기구(39)는 가열 장치(32)와, 온도 센서(33)와, 가습 장치(34)와, 습도 센서(35)와, 배양용 컴퓨터(36)와, 조작 장치(37)와, 표시 장치(38)를 구비한다. 가열 장치(32)는 배양실(25)의 온도를 가열 가능하다. 온도 센서(33)는 배양실(25)의 온도를 검출 가능하다. 가습 장치(34)는 배양실(25)의 습도를 가습 가능하다. 습도센서(35)는 배양실(25)의 습도를 검출 가능하다. 배양용 컴퓨터(36)는 가열 장치(32)의 작동 및 가습 장치(34)의 작동을 제어 가능하다. 조작 장치(37)는 배양실(25)의 온도 및 습도의 목표값을 지정 가능한 장치이다. 표시 장치(38)는 온도 센서(33)에 의해 검출된 온도, 습도 센서(35)에 의해 검출된 습도, 조작 장치(37)에 의해 지정된 목표값을 표시 가능하다. 배양용 컴퓨터(36)는 온도 센서(33) 및 습도 센서(35)에 의해 얻어진 온도 및 습도의 검출값이 지정된 온도 및 습도의 목표값에 일치하도록, 가열 장치(32)의 작동 및 가습 장치(34)의 작동을 제어한다. 이와 같이 해서, 배양실(25)의 분위기가 제어된다.
[이동 장치(13)]
도 2 및 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 이동 장치(13)는 현미경(12)이 관찰 대상물(28)을 수납한 페트리 접시(27)의 직하방에 위치하도록 현미경(12)을 이동시키는 장치이다. 이동 장치(13)는 저부(40)와, 본체(41)와, 제 1 암(42)과, 제 2 암(43)을 구비한다. 저부(40)는 인큐베이터(11)의 하우징(21)에 고정되어 있다. 본체(41)는 저부(40)에 고정되어 있고, 제 1 암(42) 및 제 2 암(43)을 구동하는 구동 기구 및 제어 기구를 수납한다. 제 1 암(42) 및 제 2 암(43)은 다관절 암으로 구성되어 있다. 제 1 암(42)의 기단부가 본체(41)에 대하여 상하 방향(17)의 축 주위에 회전 가능하게 연결되어 있다. 제 2 암(43)의 기단부가 제 1 암(42)의 선단부에 대하여 상하 방향(17)의 축 주위에 회전 가능하게 연결되어 있다. 제 2 암(43)의 선단부에는 현미경(12)이 고정되어 있다. 이동 장치(13)의 구동에 의해, 현미경(12)은 수평 방향으로, 즉 전후 방향(18) 및 좌우 방향(19)의 쌍방에 있어서 이동 가능하다. 그 때문에, 구획벽(23)의 상방에 위치하는 4개의 페트리 접시(27) 중 어느 직하방으로도, 이동 장치(13)는 이동할 수 있다.
[현미경(12)]
도 4를 참조하여, 현미경(12)이 설명된다. 현미경(12)은 조명 광원(50)과, 조명 광학계(51)와, 관찰 광학계(52)와, 촬상 소자(53)를 구비하고 있다. 조명 광학계(51)는 조명 광원(50)으로부터의 조명광(61)을 관찰 대상물(28)에 출사한다. 관찰 광학계(52)는 조명광(61)이 관찰 대상물(28)을 통과해서 반사면에 의해 반사된 반사광(62)으로부터 관찰 대상물(28)의 광학상을 형성한다. 촬상 소자(53)는 관찰 대상물(28)의 광학상을 광전변환하여 관찰 대상물(28)의 화상 데이터를 작성한다.
조명 광원(50)은 조명광(61)을 출사하는 광원이다. 조명 광원(50)은 파장 가변 광원이며, 조명광(61)의 파장을 변경할 수 있다. 파장의 스위칭은 유저가 조작 장치(16)(도 1)를 조작함으로써 행해진다. 조작 장치(16)의 조작에 의해 파장의 목표값이 지정되면, 광원 제어부(44)(도 1)는 상기 목표값의 파장의 조명광(61)이 출사되도록 조명광(61)을 제어한다.
현미경(12)은 낙사식의 현미경이고, 조명 광학계(51) 및 관찰 광학계(52)가 관찰 대상물(28)에 대하여 같은 측에, 본 실시형태에서는 하측에 배치되어 있다. 이것에 따라, 조명 광원(50)도, 조명 광학계(51) 및 관찰 광학계(52)와 같은 측(하측)에 배치되어 있다. 조명 광학계(51) 및 관찰 광학계(52)가 관찰 대상물(28)의 양측에 각각 배치되는 일이 없으므로, 현미경(12)이 컴팩트하게 구성되어 있다.
조명 광학계(51)는 하프 미러(54)와, 제 1 대물 렌즈(55)와, 제 2 대물 렌즈(56)를 구비하고 있다. 하프 미러(54)는 조명 광원(50)으로부터의 조명광(61)을 반사하고, 관찰 대상물(28)이 배치된 관찰 위치를 향해서 상측으로 출사한다. 하프 미러(54)와 관찰 대상물(28) 사이에는 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)가 배치되어 있다. 제 1 대물 렌즈(55)가 하프 미러(54)에 가까운 측에 배치되고, 제 2 대물 렌즈(56)는 관찰 대상물(28)에 가까운 측에 배치되어 있다. 하프 미러(54)로부터의 조명광(61)은 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)에 있어서 굴절된 후에, 투명판(31) 및 하부 접시(47)(도 3)를 투과하여, 관찰 대상물(28)을 통과해서 반사면(49a)에 도달한다. 광축(60)은 하프 미러(54)로부터 출사되는 조명광(61)의 광속의 중심축이고, 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)의 중심축이기도 하다. 광축(60)은 상하 방향(17)을 따르고 있다.
제 2 대물 렌즈(56)로부터 출사되는 조명광(61)은 광축(60)과 평행한 평행광이다. 이러한 평행광이 출사되도록, 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)의 굴절률 및 배치가 설정되어 있다.
조명광(61)은 관찰 대상물(28)을 통과해서 반사면(49a)에 있어서 반사되어서 반사광(62)이 된다. 반사광(62)은 반사경(49)의 반사면(49a)에서 반사된 후, 관찰 대상물(28)을 통과할 때에 관찰 대상물(28)의 내부에서 회절되지 않는 직접 반사광(62A)과, 반사경(49)의 반사면(49a)에서 반사된 후, 관찰 대상물(28)을 통과할 때에 관찰 대상물(28)의 내부에서 회절되어서 위상이 1/4파장만큼 지연된 회절 반사광(62B)으로 이루어진다. 도 4에 있어서, 조명광(61)은 실선으로 나타내어지고, 직접 반사광(62A)는 실선으로 나타내어지고, 회절 반사광(62B)은 파선으로 나타내어져 있다. 반사광(62)은 직접 반사광(62A) 및 회절 반사광(62B)을 총칭한다.
본 실시형태에서는 관찰 대상물(28)의 상방에 반사경(49)이 배치되어 있으므로, 반사경(49)의 반사면(49a)에 있어서 보다 많은 광이 반사됨으로써 반사광(62)의 광량이 증대한다. 직접 반사광(62A)은 반사경(49)의 반사면(49a)에서 반사된 광 중, 반사의 전후에 있어서 관찰 대상물(28)을 2회 통과하고, 관찰 대상물(28) 내에서 회절되지 않았던 광이다. 회절 반사광(62B)은 반사경(49)의 반사면(49a)에서 반사된 광 중, 반사의 전후에 있어서 관찰 대상물(28)을 2회 통과하고, 관찰 대상물(28) 내에서 회절된 광이다.
관찰 광학계(52)는 제 1 대물 렌즈(55)와, 제 2 대물 렌즈(56)와, 하프 미러(54)와, 위상판(57)과, 결상면(58)을 구비하고 있다. 결상면(58)은, 본 실시형태에서는 촬상 소자(53)의 표면에 형성된 수광면이다. 여기서, 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)와, 하프 미러(54)는 조명 광학계(51) 및 관찰 광학계(52)에 있어서 공용되어 있다. 반사면(49a)에서 반사한 반사광(62)은 투명판(31) 및 하부 접시(47)(도 3)를 경유해서 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)에 있어서 굴절된 후에, 하프 미러(54) 및 위상판(57)을 투과해서 결상면(58)에 도달한다.
위상판(57)은 위상을 어긋나게 하는 위상막 영역(57A)과, 위상을 변경하지 않는 투과 영역(57B)을 갖는다. 위상막 영역(57A)은 위상판(57)에 있어서 광축(60)을 중심으로 하는 원형 영역이다. 투과 영역(57B)은 위상판(57)에 있어서 광축(60)을 중심으로 하는 원환상 영역이고, 위상막 영역(57A)의 외측에 있다. 위상막 영역(57A) 및 투과 영역(57B)은 광을 투과하는 재료로 구성되어 있다. 광이 위상막 영역(57A)을 통과하면, 그 광의 위상은 1/4파장만큼 지연된다. 본 실시형태에서는 1/4파장만큼 위상이 지연되지만, 반대로 1/4파장만큼 위상이 늦춰져도 좋다. 한편, 투과 영역(57B)은 상기 투과 영역(57B)을 통과하는 광의 위상을 변경하지 않는다.
반사광(62) 중, 직접 반사광(62A)이 위상막 영역(57A)을 통과하도록, 제 1 대물 렌즈(55) 및 제 2 대물 렌즈(56)의 굴절률 및 배치, 위상막 영역(57A)의 크기(반경)가 설정되어 있다. 그 때문에, 직접 반사광(62A)의 위상은 위상막 영역(57A)에 있어서 어긋나게 된다. 한편, 회절 반사광(62B)은 투과 영역(57B)을 통과하므로, 회절 반사광(62B)의 위상은 변경되지 않는다. 직접 반사광(62A)의 위상은 1/4파장만큼 지연되므로, 위상판(57)의 통과 후에 직접 반사광(62A)과 회절 반사광(62B)의 위상차가 0이 된다. 직접 반사광(62A)의 위상이 1/4파장만큼 전진하는 경우에는, 위상판(57)의 통과 후에, 직접 반사광(62A)과 회절 반사광(62B)의 위상차는 1/2파장이 된다.
관찰 대상물(28)의 각 위치를 통과해서 반사된 반사광(62)의 광속은 결상면(58)에 있어서 수속한다. 직접 반사광(62A)의 위상이 1/4파장만큼 지연된 경우에는, 결상면(58)에 있어서 직접 반사광(62A)과 회절 반사광(62B)이 서로 강화되므로, 관찰 대상물(28)이 밝고 배경이 어두운 브라이트 콘트라스트의 광학상이 얻어진다. 직접 반사광(62A)의 위상이 1/4파장만큼 전진된 경우에는, 반대로 관찰 대상물(28)이 어둡고 배경이 밝은 다크 콘트라스트의 광학상이 얻어진다.
결상면(58)에 형성된 광학상은 촬상 소자(53)에 의해 광전변환되어 화상 데이터가 작성된다. 화상 데이터는 화상 처리부(45)(도 1)에서 수정된 후, 표시 장치(15)에 표시된다.
[화상 처리부(45)]
다시, 도 1을 참조하여, 화상 처리부(45)가 설명된다. 화상 처리부(45)는 촬상 소자(53)에 의해 얻어진 화상 데이터에 대하여 노이즈 정보를 제거하는 필터 기능을 갖고 있다. 이 필터 기능은 2개의 다른 파장의 조명광(61)에 의해 얻어진 2개의 화상 데이터에 의거해서 화상 데이터로부터 제 2 대물 렌즈(56)에 부착된 오염물 등에 의한 노이즈 정보를 제거하는 기능이다.
조명광(61)의 파장의 변경은 관찰 대상물(28)로부터 결상면(58)까지의 광로 길이를 변경하는 것과 동일하다. 이 변경에 의해, 반사광(62)이 수속하는 위치가 변동한다. 반사광(62)이 결상면(58)에 있어서 수속하는 경우, 광학상의 초점은 맞춰져 있지만, 반사광(62)이 결상면(58)에 있어서 수속하지 않는 경우, 광학상의 초점이 어긋나 있다. 즉, 2개의 다른 파장의 조명광(61)에 의해, 초점이 맞은 화상 데이터와, 초점이 벗어난 화상 데이터가 작성된다. 여기서, 제 2 대물 렌즈(56)에 부착된 오염물 등에 의한 광학상은 광로 길이의 변동의 영향을 받지 않으므로, 휘도의 변동이 없다. 그래서, 파장의 변경에 의해 얻어진 2개의 화상 데이터에 있어서, 휘도의 변동이 비교적 작은 부분의 화소를 특정함으로써 화상 데이터에 포함되는 노이즈 정보를 특정할 수 있다. 또한, 노이즈 정보를 포함하는 화소의 정보를 삭제함으로써 노이즈 정보의 삭제된 화상 데이터를 작성할 수 있다.
화상 처리부(45)에 필터 기능을 발휘시키는 것에 앞서, 광원 제어부(44)가 조명 광원(50)을 제어해서 조명광(61)의 파장이 변경된다. 이와 같이 해서, 제 1 파장의 조명광(61)에 의해 얻어진 화상 데이터와, 제 2 파장의 조명광에 의해 얻어진 화상 데이터가 얻어진다. 여기서, 화상 데이터는 2차원 좌표로 배열된 화소의 집합체이다. 각 화소는 색 정보로서 휘도값의 정보를 갖고 있다.
화상 처리부(45)는 산출부(71)과, 인식부(72)와, 작성부(73)를 구비하고 있다. 산출부(71)는 2개의 다른 파장의 조명광(61)에 의해 얻어진 2개의 화상 데이터에 대해서, 동일 좌표의 화소마다 휘도값의 차분을 산출한다. 인식부(72)는, 이 차분이 소정값보다 작은 화소를 오정보를 포함하는 노이즈 화소로서 인식한다. 작성부(73)는 2개의 화상 데이터로부터 각각 노이즈 화소를 삭제해서 2개의 수정 화상 데이터를 작성한다. 이와 같이 해서, 화상 데이터에 포함되는 노이즈 정보의 유무가 인식되고, 또한 노이즈 정보가 삭제된 화상 데이터가 작성된다.
[본 실시형태의 작용 효과]
본 실시형태에 의한 관찰 장치(10)에 의하면, 조명 광학계(51)로부터 평행한 조명광(61)이 출사되므로, 관찰 광학계(52)에 평행한 반사광(62)이 입사한다. 반사광(62)이 광축(60)에 대하여 평행하므로, 현미경(12)으로부터 관찰 대상물(28)까지의 거리가 변동해도, 직접 반사광(62A)의 위상판(57)에 있어서의 수속점이 변동하지 않는다. 따라서, 현미경(12)을 이동시킴으로써 상기 거리가 변동해도, 콘트라스트를 일정하게 유지할 수 있고, 양호한 광학상이 얻어진다.
또한, 관찰 장치(10)는 이동 장치(13)를 구비하고 있으므로, 수동으로 관찰 대상물(28) 또는 현미경(12)을 이동시킬 필요가 없다. 따라서, 작업성이 향상된다.
또한, 인큐베이터(11) 내에 현미경(12)이 배치되어 있으므로, 관찰 대상물(28)을 관찰하기 위해서 인큐베이터(11)를 개방해서 외부로부터 현미경(12)을 인큐베이터(11)로 이동시킬 필요가 없다. 그 때문에, 관찰 대상물(28)의 관찰시마다 인큐베이터(11)가 개방되어도 지장이 없도록 인큐베이터(11)의 외부 환경을 무균 상태로 유지할 필요도 없다. 따라서, 인큐베이터(11)의 관찰에 요하는 작업공수 및 비용이 경감된다. 또한, 배양실(25)의 기밀성 및 수밀성이 기계실(26)에 대하여 유지되어 있으므로, 배양실(25)의 분위기로부터 기계실(26)의 분위기가 분리되어 있다. 그 때문에, 배양실과 기계실 사이에 온도차가 발생했다고 해도, 기계실 내의 낙사식 위상차 현미경에 결로가 발생하는 것이 억제된다.
또한, 조명광(61)의 파장이 복수의 다른 파장 사이에서 스위칭 가능하다. 그 때문에, 얻어진 화상을 쉐이딩 오프해서 관찰 대상물(28)의 세포 경계에 있어서의 화상 데이터량을 감소시킬 수 있고, 세포수의 계측을 행하기 쉽게 할 수 있다. 또한, 결상면(58)에 있어서의 광학상에 포함되는 각 부 중, 제 2 대물 렌즈(56)에 부착된 오염물 등의 이물에 의한 부분은 조명광(61)의 파장의 변경에 의해 영향을 받지 않는다. 그 때문에, 조명광(61)의 파장의 변경에 의해, 광학상의 각 부에 대해서 관찰 대상물(28)의 상인지, 이물에 의한 상인지가 특정될 수 있다.
또한, 휘도값의 차분이 소정값보다 작은 화소가 오정보를 포함하는 노이즈 화소로서 인식되고, 노이즈 화소가 삭제된 2개의 수정 화상 데이터가 작성된다. 따라서, 관찰 대상물(28)의 화상 데이터에 있어서, 오염물에 의한 오정보의 영향을 배제할 수 있다.
또한, 관찰 대상물(28)로부터의 반사광(62) 및 반사경(49)으로부터의 반사광(62)이 관찰 광학계(52)에 입사한다. 관찰 광학계(52)에 입사하는 광량이 증대하므로, 보다 식별성이 높은 관찰 대상물(28)의 화상 데이터를 얻을 수 있다.
또한, 상부 접시(48)에 반사경(49)이 고정되어 있으므로, 반사경(49)을 용이하게 배치할 수 있다.
[변형예]
본 실시형태에서는, 이동 장치(13)는 현미경(12)을 이동시키는 장치이지만, 이 구성에 한정되지 않는다. 이동 장치(13)는 관찰 대상물(28)과 현미경(12)을 상대적으로 이동시키는 장치이면 좋다. 이동 장치(13)는 현미경(12)을 이동시키는 대신에, 관찰 대상물(28)을 이동시키는 장치여도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 현미경(12)을 자동으로 이동시키기 위해서 이동 장치(13)가 설치되어 있다. 이동 장치(13)는 필수의 구성요소는 아니고, 현미경(12) 또는 관찰 대상물(28)을 수동으로 이동시키는 경우에는 이동 장치(13)가 설치되지 않아도 좋다.
본 실시형태에서는 반사면(49a)을 하면에 설치한 반사경(49)이 설치되어 있다. 반사경(49)은 필수의 구성요소는 아니고, 반사경(49)이 설치되지 않아도 좋다. 이 경우, 관찰 대상물(28)을 통과해서 다른 반사면의 표면에 있어서 반사된 반사광(62)에 의거해서 현미경(12)에 관찰 대상물(28)의 광학상이 형성된다. 예를 들면, 도 3에 있어서의 상부 접시(48)의 하면, 또는 상부 접시(48)의 상하 방향(17)의 상측에 또한 하부 접시(47)를 적재한 경우에 있어서의 하부 접시(47)의 하면 등도 반사면(49a)과 마찬가지로 반사면으로서 이용하는 것이 가능하다.
본 실시형태에서는, 반사경(49)은 페트리 접시(27)의 상부 접시(48)에 고정된 판재이지만, 이 구성에 한정되지 않는다. 반사경(49)은 관찰 대상물(28)의 상방에 배치되어서 조명광(61)을 반사 가능하면 좋고, 반사경(49)이 배치되는 위치나 반사경(49)이 고정되는 대상물은 한정되지 않는다. 반사경(49)은 배양실(25) 내에 배치되어서 인큐베이터(11)의 하우징(21)에 고정되어도 좋다.
본 실시형태에서는 조명광(61)의 파장을 복수의 다른 파장의 사이에서 스위칭함으로써, 얻어지는 화상을 쉐이딩 오프할 수 있고, 오염물 등의 이물의 화상 데이터의 추출이 가능하지만, 이것에 한정하지 않고, 조명광(61)의 파장을 다른 파장으로 스위칭함으로써, 위상판과 반사면의 거리를 조정할 수도 있고, 직접 반사광이 위상판에 있어서 수속하는 위치(수속점)를 변화시킬 수도 있고, 결상면의 초점을 맞추거나 할 수도 있다.
10…관찰 장치
11…인큐베이터
12…낙사식 위상차 현미경(현미경)
13…이동 장치
15…표시 장치
20…개구
21…하우징
22…덮개체
23…구획벽
24…내부 공간
25…배양실
26…기계실
27…페트리 접시
28…관찰 대상물
45…화상 처리부
47…하부 접시
48…상부 접시
49…반사경
49a‥반사면(반사경의 하면)
50…조명 광원
51…조명 광학계
52…관찰 광학계
53…촬상 소자
61…조명광
62…반사광
71…산출부
72…인식부
73…작성부

Claims (8)

  1. 조명 광원, 상기 조명 광원으로부터의 조명광을 생물 세포인 관찰 대상물에 출사하는 조명 광학계, 상기 조명광이 상기 관찰 대상물을 통과해서 반사된 반사광으로부터 상기 관찰 대상물의 광학상을 형성하는 관찰 광학계를 구비하고, 상기 관찰 광학계는 상기 반사광 중, 반사면에서 반사된 직접 반사광의 위상을 변경하는 위상판을 구비하고, 상기 조명 광학계 및 상기 관찰 광학계의 쌍방이 상기 관찰 대상물의 하방에 배치되어 있는 낙사식 위상차 현미경과,
    상기 관찰 광학계에 의해 얻어진 상기 광학상을 광전변환해서 상기 관찰 대상물의 화상 데이터를 작성하는 촬상 소자와,
    상기 화상 데이터를 표시하는 표시 장치를 구비하고 있으며,
    상기 조명 광학계로부터 출사되는 상기 조명광이 평행광인 관찰 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관찰 대상물과 상기 낙사식 위상차 현미경을 상대적으로 이동시키는 이동 장치를 구비하고 있는 관찰 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    개구를 갖는 하우징, 상기 개구를 개폐 가능한 덮개체, 및 상기 하우징 및 상기 덮개체에 의해 획정되는 내부 공간을 상방의 배양실 및 하방의 기계실로 구획하는 구획벽을 구비하는 인큐베이터를 구비하고 있고,
    상기 관찰 대상물은 상기 배양실 내에 배치되어 있고,
    상기 낙사식 위상차 현미경, 상기 촬상 소자, 및 상기 이동 장치는 상기 기계실 내에 배치되어 있고,
    상기 구획벽은 상기 배양실을 상기 기계실에 대하여 기밀성 및 수밀성을 유지하도록 상기 하우징에 고정되고, 상기 구획벽의 적어도 일부는 상기 조명광을 투과하는 투명 재료로 형성되어 있는 관찰 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 광원은 상기 조명광의 파장을 복수의 다른 파장 사이에서 스위칭 가능하게 구성되어 있는 관찰 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화상 데이터를 수정하는 화상 처리부를 구비하고 있고,
    상기 화상 데이터에는 색 정보로서 휘도값을 포함하는 화소가 2차원 좌표로 배열되어 있고,
    상기 화상 처리부는,
    2개의 다른 상기 파장의 상기 조명광에 의해 얻어진 2개의 상기 화상 데이터에 대해서, 동일 좌표의 상기 화소마다 상기 휘도값의 차분을 산출하는 산출부와,
    상기 차분이 소정값보다 작은 상기 화소를, 오정보를 포함하는 노이즈 화소로서 인식하는 인식부와,
    상기 2개의 화상 데이터로부터 각각 상기 노이즈 화소를 삭제해서 2개의 수정 화상 데이터를 작성하는 작성부를 구비하는 관찰 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관찰 대상물의 상방에 배치된 반사경을 구비하고 있는 관찰 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    투광성 재료로 구성된 하부 접시 및 상부 접시로 이루어지고, 상기 생물 세포가 수납되는 페트리 접시를 구비하고,
    상기 상부 접시에는 상기 반사경이 고정되어 있는 관찰 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 광학계는 상기 조명 광원으로부터의 상기 조명광을 반사하는 하프 미러와, 상기 하프 미러에서 반사된 상기 조명광을 굴절시키는 제 1 대물 렌즈 및 제 2 대물 렌즈를 구비하고 있고,
    상기 관찰 광학계는 상기 관찰 대상물로부터의 상기 반사광을 굴절시키는 상기 제 1 대물 렌즈 및 상기 제 2 대물 렌즈와, 굴절된 상기 반사광을 투과시키는 상기 하프 미러를 구비하고 있는 관찰 장치.
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