WO2010140679A1 - 携帯型蛍光顕微鏡装置 - Google Patents

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厚夫 宮川
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    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/16—Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes

Definitions

  • the present invention relates to a portable fluorescence microscope apparatus for observing a fluorescent image of an object in the outdoors or the like.
  • Patent Document 1 As the structure of a conventional fluorescence microscope, for example, the structure described in Patent Document 1 below is known.
  • This epi-illumination microscope is configured so that the fluorescence filter set including the excitation filter, dichroic mirror, and absorption filter can be inserted into and removed from the optical axis of the observation optical system, and the wavelength range of the excitation light and the fluorescence image to be observed can be switched. Has been.
  • the conventional microscope apparatus is not only large and heavy, but also has a waterproof and dustproof structure, which makes it difficult to use outdoors.
  • the present invention has been made in view of such problems, and portable fluorescence that allows an observation object to be easily found and observed in the natural world while reducing the size and weight of the apparatus.
  • An object is to provide a microscope apparatus.
  • a portable fluorescence microscope apparatus has a columnar shape along one direction, a housing having a window formed on a tip surface, and a housing facing the window.
  • An objective lens having an optical axis along one direction, a light receiving portion that is disposed on the optical axis of the objective lens in the housing and receives a fluorescent image of an object connected through the window portion and the objective lens, and a light receiving portion
  • An optical fiber that irradiates pumping light in a direction that intersects the optical axis between the lens and the objective lens, and a position that is annularly arranged along a plane perpendicular to the optical axis, and where the pumping light from the optical fiber and the optical axis intersect
  • a plurality of half mirrors that are supported so as to be able to rotate alternately and reflect a specific wavelength component of the excitation light toward the objective lens in a direction along the optical axis, and arranged in a ring shape along a plane perpendicular to the
  • a plurality of fluorescent filters that are supported in such a manner as to transmit a specific wavelength component of the fluorescent image toward the light receiving unit in a direction along the optical axis, a first driving unit that rotationally drives the plurality of half mirrors, and a plurality of A second drive unit that rotationally drives the fluorescent filter, an objective lens, a light receiving unit, a plurality of half mirrors, and a plurality of fluorescent filters along one direction with respect to the housing and along a plane perpendicular to the one direction And a third driving unit that moves in the direction.
  • the “half mirror” referred to here includes a dichroic mirror in addition to a narrow half mirror having no wavelength selectivity.
  • the excitation light irradiated from the optical fiber is reflected in the direction along the optical axis of the objective lens by selecting a specific wavelength component by the half mirror, and the excitation light is It is injected onto the object through the lens and the window of the housing.
  • the fluorescence excited by the object is imaged as a fluorescence image by entering the objective lens through the window portion of the housing, and the specific wavelength component in the fluorescence image is reflected by the fluorescence filter. After being transmitted along the optical axis of the objective lens, it is received by the light receiving unit.
  • the excitation light irradiating the target object The wavelength component and the wavelength component of the fluorescence to be observed can be easily changed from a remote location.
  • the unit including the objective lens, the light receiving unit, the plurality of half mirrors, and the plurality of fluorescent filters can be integrally moved along the extending direction of the housing by the third driving unit, the target object The focal position with respect to can be easily adjusted remotely.
  • the unit can be moved two-dimensionally in a direction perpendicular to the extending direction of the housing by the third driving unit, the resolution can be reduced even when the objective lens is used in a fixed manner.
  • the observation range along the window portion of the housing can be easily and remotely scanned while keeping. As a result, when used outdoors, it is possible to easily find and observe observation objects of various positions and types in the natural world without an objective lens switching mechanism. And weight reduction can be realized.
  • the portable fluorescence microscope apparatus of the present invention it is possible to easily find and observe an observation object in a state of being present in nature while reducing the size and weight of the apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view of a portable fluorescence microscope apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. It is the perspective view which looked at the internal structure of the portable fluorescence microscope apparatus of FIG. 1 from the side surface side. It is a bottom view which shows the arrangement
  • FIG. 1 is a perspective view of a portable fluorescence microscope apparatus 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a portable fluorescence microscope apparatus 1 shown in FIG. 1 is an apparatus for observing observation objects such as microorganisms such as bacteria, fungi, and protozoa in the field for the purpose of quantitative or qualitative analysis.
  • the portable fluorescent microscope device 1 is connected to the control device 3 by a cable C, thereby receiving power from the control device 3, and a control signal for controlling the operation of the portable fluorescent microscope device 1, and An image signal related to the fluorescent image of the observation object is transmitted to and received from the control device 3.
  • the portable fluorescence microscope apparatus 1 has a cylindrical casing 5, and the distal end surface 5 a is opposed to the observation object to transmit the image from the observation object to the inside.
  • a window portion 7 made of optical glass is formed.
  • the surface of the window portion 7 has a thickness that does not affect the optical performance of the window portion 7 (for example, 0.1 mm) in order to increase the strength of the window portion 7 and prevent scratches caused by sand, stone, or the like.
  • Degree) transparent plastic plate is a sealed container made of metal such as an aluminum alloy having a waterproof and dustproof structure for outdoor use, and the surface thereof is subjected to anodizing, nitriding, or chrome processing. It has been applied to improve durability.
  • the size of the housing 5 can be set as appropriate, and for example, has an outer diameter of 100 mm and a length of 360 mm. Further, when used in an environment under high pressure such as deep sea, the window portion 7 may be provided with a support portion such as a mesh member. When the portable fluorescence microscope apparatus 1 is used, the front end surface 5a of the housing 5 is placed close to an observation range such as underground or underwater.
  • FIG. 2 is a perspective view of the internal structure of the portable fluorescence microscope apparatus 1 as seen from the side of the housing 5, and
  • FIG. 3 is a bottom view showing the arrangement relationship of some components of the portable fluorescence microscope apparatus. .
  • an objective lens 9 As shown in FIG. 2, an objective lens 9, a reduction lens 11, a condenser lens 13, a dichroic mirror unit 15, a fluorescence filter unit 17, an imaging lens 19, an image sensor (light receiving unit) 21, An optical fiber 23, rotary motors (first and second drive units) 25 and 27, and a drive mechanism (third drive unit) 29 are incorporated.
  • the objective lens 9, the optical axis L 1 is disposed to face the inner surface of the window portion 7 of the casing so as to be substantially parallel to the central axis of the housing 5.
  • the objective lens 9 is not limited to a specific specification.
  • the objective lens 9 has an infinite optical objective having a magnification of 50 times, a numerical aperture NA of 0.42, a working distance WD of 20 mm or more, and a focal length of 4 mm. A lens is used.
  • the dichroic mirror unit 15 and the fluorescence filter unit 17 are arranged in this order on the rear side (image side) of the objective lens 9.
  • the dichroic mirror unit 15 has a disk-shaped rotating wheel 15a, the rotating wheel 15a is rotatably supported around the optical axis L 1 parallel to the central axis L 2. Furthermore, as shown in FIG. 3, the rotating wheel 15a is six circular dichroic mirror 15b is in a state of being inclined with respect to the optical axis L 1, along a plane perpendicular to the optical axis L 1 They are arranged in a ring at regular intervals and fixed.
  • dichroic mirror unit 15 of the structure If such a dichroic mirror unit 15 of the structure is rotated, six dichroic mirror 15b is, is to be arranged alternately in a position P 1 where the excitation light and the optical axis L 1 from the later-described optical fiber 23 intersects The Then, the particular dichroic mirror 15b which is disposed at a position P 1, the specific wavelength component of the excitation light is selected, is reflected toward the objective lens 9 along the optical axis L 1. Further, the dichroic mirror 15b also has a function of reflecting the excitation light reflected as it is from the observation object so as not to be guided to the image sensor 21 side.
  • Fluorescence filter unit 17 has a disk-shaped rotating wheel 17a, the rotating wheel 17a is rotatably supported around the optical axis L 1 parallel to the central axis L 2. Furthermore, as with the dichroic mirror unit 15, the rotating wheel 17a is six circular fluorescent filter 17b is fixed is arranged annularly at equal intervals along a plane perpendicular to the optical axis L 1 Yes.
  • the fluorescence filter unit 17 having such a structure When the fluorescence filter unit 17 having such a structure is rotated, six fluorescence filter 17b is, is to be arranged alternately in a position on the optical axis L 1 between the imaging device 21 to be described later and the objective lens 9 The Then, the particular fluorescence filter 17b arranged on the optical axis L 1, the specific wavelength component of the image that are connected by the objective lens 9, is being transmitted towards the imaging device 21 along the optical axis L 1 . Also, rid of part of the fluorescence filters fluorescence filter unit 17, it is also possible to pass all wavelength components by removing the fluorescence filter 17b from the optical axis L 1 by the rotation.
  • a part of the six dichroic mirrors 15b can be replaced with a half mirror having no wavelength selectivity.
  • a part of the excitation light is reflected toward the objective lens 9 by the half mirror, and as a result, the normal reflected light generated from the observation object is transmitted toward the image sensor 21, so that a normal reflected light image is obtained.
  • the rotary motors 25 and 27 stepping motors, ultrasonic motors, servo motors, or the like are used.
  • the imaging element 21 is an imaging element such as a back-illuminated CCD or CMOS, and a fluorescent image connected on the optical axis L 1 through the window 7, the objective lens 9, the reduction lens 11, and the imaging lens 19. Is received, and the fluorescence image is photoelectrically converted and output as an image signal.
  • the pixel size of the image sensor 21 is preferably a size that does not impair the resolution calculated from the objective lens 9, the reduction lens 11 and the imaging lens 19 described later. It is also preferable that a cooling element such as a Peltier element is attached in consideration of specifications at high temperatures.
  • the optical axis an optical fiber 23 and the condenser lens for guiding the excitation light along a direction intersecting the L 1 13 Is provided.
  • the optical fiber 23 is guided through the emitted excitation light from the semiconductor laser or LED or the like of the light emitting element, is irradiated toward the dichroic mirror 15b, an objective lens along the pumping light on the optical axis L 1 9 Reflect towards.
  • the light emitting element serving as the light source of the excitation light may be provided in the housing 5 and connected to the optical fiber 23, or provided in the control device 3 outside the housing 5 and inserted into the cable C. It may be connected to the optical fiber 23, or a plurality of light emitting elements may be switched and used according to the wavelength band necessary for fluorescence excitation.
  • the optical fiber 23, the condenser lens 13, the dichroic mirror 15 b, the reduction lens 11, and the objective lens 9 constitute the epi-illumination Koehler illumination system, and the diameter of the luminous flux of the excitation light irradiated from the window portion 7 It is designed to be set according to the range.
  • the size of the luminous flux is set to a range that is several tens of percent larger from the same size as the range that can be detected by the image sensor 21.
  • a reduction lens 11 is provided on the optical axis L 1 between the dichroic mirror unit 15 and the fluorescent filter unit 17 and the objective lens 9.
  • the reduction lens 11 reduces the fluorescent image formed by the objective lens 9 and reduces spherical aberration and chromatic aberration caused by water, seawater, or the like existing between the window 7 of the housing 5 and the observation object and the window 7. It has a function to correct.
  • the overall length of the observation optical system including the objective lens 9 and the imaging lens 19 can be shortened, and a reduction in resolution related to the fluorescent image received by the image sensor 21 can be prevented.
  • the performance degradation of the epi-illumination illumination due to the influence of the aberration generated in the window portion 7 is also prevented.
  • the objective lens 9, the reduction lens 11, the condenser lens 13, the dichroic mirror unit 15, the fluorescent filter unit 17, the imaging lens 19, the image sensor 21, the optical fiber 23, and the rotary motors 25 and 27 described above constitute one microscope unit 31.
  • the microscope unit 31 is supported by a frame structure (not shown).
  • a driving mechanism 29 that drives the microscope unit 31 is provided at an end in the housing 5.
  • the drive mechanism 29 drives the entire microscope unit 31 to move along the central axis (Z direction in FIG. 2) of the housing 5 to enable focusing on the observation object.
  • the drive mechanism 29 drives the microscope unit 31 so as to move along the direction perpendicular to the central axis of the housing 5 (the X direction in FIG.
  • the dichroic mirror unit 15 and the fluorescence dichroic in the filter unit 17 dichroic mirror 15b and a circle of diameter connecting the center point of the fluorescent filter 17b (rotation diameter) R 1 has an inner diameter R 0 of the casing 5
  • the size and optical performance of each component of the microscope unit 31 are set so as to be 1/2 or less of the above.
  • an X, Z, ⁇ drive device including a ball screw, a stepping motor, an ultrasonic motor, or the like is used.
  • excitation light emitted from the optical fiber 23 is reflected is selected specific wavelength component by the dichroic mirror 15b in a direction along the optical axis L 1 of the objective lens 9
  • the excitation light is emitted to the observation object through the objective lens 9 and the window portion 7 of the housing 5.
  • the fluorescence excited by the observation object is formed as a fluorescence image by entering the objective lens 9 through the window portion 7 of the housing 5, and a specific wavelength component in the fluorescence image is formed. , it is received by the imaging element 21 after being transmitted along the optical axis L 1 of the objective lens 9 by fluorescence filter 17b.
  • the dichroic mirror 15b and a fluorescent filter 17b respectively, so switched so as to be positioned alternately on the optical axis L 1 of the objective lens 9 by the rotation motor 25 and 27, the wavelength of the excitation light for irradiating the observation object
  • the component and the wavelength component of the fluorescence to be observed can be easily changed from a remote location.
  • a plurality of components such as 406 nm, 473 nm, 488 nm, 532 nm, and 635 nm can be selected as the wavelength component of the excitation light, and a wavelength component of fluorescence can be selected in the range of 400 nm to 800 nm.
  • the microscope unit 31 is integrally moved along the extending direction of the housing 5 by the drive mechanism 29, the focal position with respect to the observation object can be easily adjusted from a remote location. Furthermore, the drive mechanism 29 enables the unit 31 to move in a direction perpendicular to the extending direction of the housing 5 and to rotate around the central axis of the housing 5. Even when the objective lens 9 is fixedly used, the observation range along the window 7 of the housing 5 can be easily and remotely scanned while maintaining the resolution. As a result, when used outdoors or the like, it is possible to easily find and observe observation objects in various positions and types in the natural world without a switching mechanism for the objective lens 9 and for a long time. Can be observed over time, and the apparatus can be reduced in size and weight.
  • the reduction lens 11 on the optical axis L 1 between the dichroic mirror 15b and the objective lens 9 is provided, the total length of the observation optical system such as an imaging lens 19 provided on the side of the objective lens 9 It can be shortened and the size of the apparatus can be easily reduced.
  • the objective lens of a finite optical system that has been used in the past has a certain distance determined by the objective lens such as 160 mm or 190 mm in order to reduce the aberration and obtain an enlarged image with an accurate magnification. is necessary. Even an objective lens of an infinite optical system that has been widely used recently requires an imaging lens defined by an objective lens having a focal length of 200 mm or the like.
  • the total length of the observation optical system is 250 mm to 300 mm, and a large housing is required.
  • the reduction lens 11 the overall length of the observation optical system can be shortened, and as a result, the diameters of the dichroic mirror 15b and the fluorescent filter 17b can be reduced.
  • the reduction lens 11 with a function of correcting the spherical aberration, the aberration generated in the fluorescent image by the window portion 7 can be corrected, and the resolution of the fluorescent image of the observation object can be prevented from being lowered.
  • the housing 5 is not limited to a cylindrical shape, and may be a prismatic shape such as a quadrangular prism.
  • the drive mechanism 29 drives the entire microscope unit 31 so as to move along the direction perpendicular to the central axis of the casing 5 (the X direction in FIG. 2), and at the same time, the central axis of the casing 5
  • an XYZ drive mechanism that drives the actuator to move in a direction perpendicular to the X direction may be used.
  • Such a drive mechanism 29 has an advantage that it is mechanically simple, has a wide scanning range, and can be easily manufactured.
  • all or some of the plurality of half mirrors are preferably dichroic mirrors.
  • the housing has a substantially cylindrical shape along one direction
  • the third driving unit has an objective lens, a light receiving unit, a plurality of half mirrors, and a plurality of fluorescent filters in one direction with respect to the housing. It is preferable to move along a direction perpendicular to one direction and rotate around an axis parallel to one direction. With this configuration, when the casing is cylindrical, the observation range along the window portion of the casing can be scanned efficiently and quickly.
  • a reduction lens for reducing a fluorescent image connected by the objective lens is further provided on the optical axis between the plurality of fluorescent filters and the objective lens. In this way, the overall length of the observation optical system such as an imaging lens provided on the rear side of the objective lens can be shortened, and the apparatus can be easily downsized.
  • the reduction lens further has a function of correcting the spherical aberration of the fluorescent image.
  • the present invention uses a portable fluorescence microscope apparatus for observing a fluorescent image of an object in the field, etc., and easily finds an observation object in a natural state while reducing the size and weight of the apparatus. It can be observed.

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Abstract

　装置の小型化及び軽量化を図りつつ観察対象を容易に見出して観察することを目的とする。携帯型蛍光顕微鏡装置１は、窓部７が設けられた筐体５と、窓部７に対向して配置された対物レンズ９と、対物レンズ９の光軸Ｌ１上に配置された撮像素子２１と、光軸Ｌ１に交差する方向に励起光を照射する光ファイバ２３と、光軸Ｌ１に垂直な面に沿って環状に配列され、光軸Ｌ１上の位置に交互に回転可能に支持されたダイクロイックミラー１５ｂと、光軸Ｌ１に垂直な面に沿って環状に配列され、光軸Ｌ１上の位置に交互に回転可能に支持された蛍光フィルタ１７ｂと、ダイクロイックミラー１５ｂ及び蛍光フィルタ１７ｂを回転駆動する回転モータ２５，２７と、顕微鏡ユニット３１を筐体５に対して中心軸方向、及び中心軸に垂直な方向に沿って移動させるとともに、中心軸を中心に回転させる駆動機構２９とを有する。

Description

携帯型蛍光顕微鏡装置
　本発明は、野外等で対象物の蛍光像を観察するための携帯型蛍光顕微鏡装置に関する。
　地表や水中に限らず、地下、海底熱水系、深海底などの極限環境にも多種類の微生物が生存していることが明らかになっており、メタンの生成やＣＯ２循環に関与して地球環境に大きな影響を及ぼしていると予想されている。しかし、これらの微生物群は培養が困難であり、これまで９０％以上の種が見逃されていると言われている。
　このような微生物を検出するために、これまでに蛍光顕微鏡の利用が検討されてきている。蛍光顕微鏡では、多数の生体物質や、生体物質が代謝・分解・変成した生体関連物質が特徴的な蛍光を発するので、多くの微生物類を培養法やＤＮＡ検出法に比してリアルタイムで検出できる能力が高い。また、蛍光を生じないこれらの物質も特異的な蛍光プローブ試薬で検出と定量ができる種類が多い。蛍光顕微鏡を用いて多くの微生物を迅速に検出することができれば、科学研究での利用にとどまらず、例えば、医療分野では感染症や敗血症の起因菌の迅速診断や、食品衛生分野での細菌の連続リアルタイムモニタなどに利用可能である。
　従来の蛍光顕微鏡の構造としては、例えば、下記特許文献１に記載のものが知られている。この落射蛍光顕微鏡は、励起フィルタ、ダイクロイックミラー、及び吸収フィルタを含む蛍光フィルタセットを観察光学系の光軸に挿脱でき、励起光、及び観察する蛍光像の波長領域の切り換えができるように構成されている。
特開２０００－９８２５０号公報
　しかしながら、上述した従来の蛍光顕微鏡を野外等で使用しようとする場合でも、室内と同様に、標本を採取して顕微鏡ステージ上に載せて観察する必要があり、標本を自然界にあるがままの状態で観察できるような構造にはなっていない。また、従来の顕微鏡装置は大型で重量があるだけでなく、防水や防塵構造でない点も、野外での使用を困難にしている。
　そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、装置の小型化及び軽量化を図りつつ観察対象を自然界に存在する状態で容易に見出して観察することが可能な携帯型蛍光顕微鏡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、本発明の携帯型蛍光顕微鏡装置は、一方向に沿った柱状をなし、先端面に窓部が形成された筐体と、筐体内で窓部に対向して配置され、一方向に沿った光軸を有する対物レンズと、筐体内の対物レンズの光軸上に配置され、窓部及び対物レンズを通じて結ばれた対象物の蛍光像を受光する受光部と、受光部と対物レンズの間における光軸に交差する方向に、励起光を照射する光ファイバと、光軸に垂直な面に沿って環状に配列され、光ファイバからの励起光と光軸とが交わる位置に交互に回転可能に支持され、励起光のうちの特定波長成分を対物レンズに向けて光軸に沿った方向に反射させる複数のハーフミラーと、光軸に垂直な面に沿って環状に配列され、対物レンズと受光部との間の光軸上の位置に交互に回転可能に支持され、蛍光像のうちの特定波長成分を受光部に向けて光軸に沿った方向に透過させる複数の蛍光フィルタと、複数のハーフミラーを回転駆動する第１の駆動部と、複数の蛍光フィルタを回転駆動する第２の駆動部と、対物レンズ、受光部、複数のハーフミラー、及び複数の蛍光フィルタを、筐体に対して一方向、及び一方向に垂直な面に沿った方向に移動させる第３の駆動部と、を有する。なお、ここでいう「ハーフミラー」には、波長選択性を有さない狭義のハーフミラーのほか、ダイクロイックミラーをも含む。
　このような携帯型蛍光顕微鏡装置によれば、光ファイバから照射された励起光が、ハーフミラーによって特定波長成分が選択されて対物レンズの光軸に沿った方向に反射され、その励起光は対物レンズ及び筐体の窓部を介して対象物に射出される。これに対して、対象物で励起された蛍光は、筐体の窓部を介して対物レンズに入射することにより蛍光像として結像され、その蛍光像のうちの特定波長成分が、蛍光フィルタによって対物レンズの光軸に沿って透過された後に受光部で受光される。ここで、複数のハーフミラー及び複数の蛍光フィルタが、それぞれ、第１及び第２の駆動部によって対物レンズの光軸上に交互に位置するように切り替えられるので、対象物に照射する励起光の波長成分、及び観察対象の蛍光の波長成分を容易に遠隔から変更することができる。また、第３の駆動部により、対物レンズ、受光部、複数のハーフミラー、及び複数の蛍光フィルタを含むユニットが一体として、筐体の延在方向に沿って移動可能にされるので、対象物に対する焦点位置を容易に遠隔から調整することができる。さらには、第３の駆動部により、上記ユニットは、筐体の延在方向に垂直な方向に二次元的に移動可能にされるので、対物レンズが固定的に使用される場合でも、分解能を保ちつつ筐体の窓部に沿った観察範囲を容易に遠隔で走査することができる。その結果、屋外等で使用した場合に、対物レンズの切り換え機構が無くても、様々な位置及び種類の観察対象物を自然界に存在する状態で容易に見出して観察することができ、装置の小型化及び軽量化も実現できる。
　本発明の携帯型蛍光顕微鏡装置によれば、装置の小型化及び軽量化を図りつつ観察対象を自然界に存在する状態で容易に見出して観察することができる。
本発明の好適な一実施形態にかかる携帯型蛍光顕微鏡装置の斜視図である。 図１の携帯型蛍光顕微鏡装置の内部構造を側面側から見た透視図である。 図１の携帯型蛍光顕微鏡装置の構成部品の一部の配置関係を示す底面図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明に係る携帯型蛍光顕微鏡装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本発明の好適な一実施形態にかかる携帯型蛍光顕微鏡装置１の斜視図である。同図に示す携帯型蛍光顕微鏡装置１は、野外で細菌、菌類、原生動物等の微生物等の観察対象物を定量的または定性的な分析の目的で観察するための装置である。この携帯型蛍光顕微鏡装置１は、ケーブルＣによって制御装置３に接続されることにより、制御装置３から電力の供給を受けると共に、携帯型蛍光顕微鏡装置１の動作を制御するための制御信号、及び観察対象物の蛍光像に関する画像信号を、制御装置３との間で送受信する。
　ここで、携帯型蛍光顕微鏡装置１は、円柱形状を成す筐体５を有しており、その先端面５ａには観察対象物に対向させて観察対象物からの像を内部に透過させるための光学ガラス製の窓部７が形成されている。この窓部７の表面は、窓部７の強度を高めて砂や石等による傷を防止するために、窓部７の光学的性能に影響を及ぼさない程度の厚さ（例えば、０．１ｍｍ程度）の透明プラスチック板で覆われている。具体的には、筐体５は、野外で使用するための防水、防塵構造を有するアルミ合金等の金属製の密閉容器を構成しており、その表面にはアルマイト加工や窒化加工、クロム加工が施されて耐久性が向上されている。筐体５の大きさは適宜設定可能であるが、例えば、外径100mm、長さ360mmである。また、深海等の高圧下の環境で使用する場合には、窓部７に網状部材等の支持部を設けてもよい。なお、携帯型蛍光顕微鏡装置１の使用時には、筐体５の先端面５ａを地中や水中等の観察範囲に近づけて配置させる。
　次に、携帯型蛍光顕微鏡装置１の内部構造について説明する。図２は、携帯型蛍光顕微鏡装置１の内部構造を筐体５の側面側から見た透視図、図３は、携帯型蛍光顕微鏡装置の構成部品の一部の配置関係を示す底面図である。
　図２に示すように、筐体５の内部には、対物レンズ９、縮小レンズ１１、コンデンサレンズ１３、ダイクロイックミラーユニット１５、蛍光フィルタユニット１７、結像レンズ１９、撮像素子（受光部）２１、光ファイバ２３、回転モータ（第１及び第２の駆動部）２５、２７、及び駆動機構（第３の駆動部）２９が内蔵されている。
　対物レンズ９は、その光軸Ｌ１が筐体５の中心軸線にほぼ平行になるように筐体の窓部７の内面に対向して配置されている。この対物レンズ９としては、特定の仕様のものには限定されないが、例えば、倍率：５０倍、開口数ＮＡ：０．４２、作動距離ＷＤ：２０ｍｍ以上、焦点距離：４ｍｍの無限遠光学系対物レンズが使用される。
　ダイクロイックミラーユニット１５、及び蛍光フィルタユニット１７は、対物レンズ９の後側（像側）に、この順で配置されている。ダイクロイックミラーユニット１５は、円板状の回転ホイール１５ａを有し、この回転ホイール１５ａは、光軸Ｌ１と平行な中心軸Ｌ２を中心にして回転可能に軸支されている。さらに、図３に示すように、回転ホイール１５ａには、６枚の円形のダイクロイックミラー１５ｂが、光軸Ｌ１に対して傾斜した状態で、光軸Ｌ１に対して垂直な面に沿って等間隔で環状に配列されて固定されている。このような構造のダイクロイックミラーユニット１５が回転されると、６枚のダイクロイックミラー１５ｂが、後述する光ファイバ２３からの励起光と光軸Ｌ１とが交わる位置Ｐ１に交互に配置可能にされる。そして、位置Ｐ１に配置された特定のダイクロイックミラー１５ｂにより、励起光のうちの特定波長成分が選択されて、光軸Ｌ１に沿って対物レンズ９に向けて反射される。また、ダイクロイックミラー１５ｂは、観察対象物でそのまま反射された励起光を撮像素子２１側に導かれないように反射する機能も有する。
　蛍光フィルタユニット１７は、円板状の回転ホイール１７ａを有し、この回転ホイール１７ａは、光軸Ｌ１と平行な中心軸Ｌ２を中心にして回転可能に軸支されている。さらに、ダイクロイックミラーユニット１５と同様に、回転ホイール１７ａには、６枚の円形の蛍光フィルタ１７ｂが、光軸Ｌ１に対して垂直な面に沿って等間隔で環状に配列されて固定されている。このような構造の蛍光フィルタユニット１７が回転されると、６枚の蛍光フィルタ１７ｂが、対物レンズ９と後述する撮像素子２１との間の光軸Ｌ１上の位置に交互に配置可能にされる。そして、光軸Ｌ１上に配置された特定の蛍光フィルタ１７ｂにより、対物レンズ９によって結ばれた像のうちの特定波長成分が、光軸Ｌ１に沿って撮像素子２１に向けて透過される。また、蛍光フィルタユニット１７の一部の蛍光フィルタを取り除けば、回転により蛍光フィルタ１７ｂを光軸Ｌ１上から外して全ての波長成分を通過させることもできる。
　なお、６枚のダイクロイックミラー１５ｂの一部を波長選択性の無いハーフミラーと置換することもできる。この場合、ハーフミラーによって励起光の一部を対物レンズ９に向けて反射させて、その結果観察対象物から生じる通常の反射光を撮像素子２１に向けて透過させることで、通常の反射光像を得ることもできる。
　図２に戻って、上記のダイクロイックミラーユニット１５及び蛍光フィルタユニット１７は、それぞれ、回転モータ２５及び回転モータ２７によって中心軸Ｌ２を中心に回転駆動されており、外部に接続された制御装置３によってそれらの回転角が制御されることで、６枚のダイクロイックミラー１５ｂ、及び６枚の蛍光フィルタ１７ｂのうちから任意の組み合わせを選択して光軸Ｌ１上に配置させることができる。回転モータ２５，２７としては、ステッピングモータ、超音波モータやサーボモータ等が使用される。
　光軸Ｌ１上の蛍光フィルタユニット１７を挟んで対物レンズ９の反対側には、結像レンズ１９及び撮像素子２１が順に配置されている。撮像素子２１は、裏面入射型のＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子であり、窓部７、対物レンズ９、縮小レンズ１１、及び結像レンズ１９を介して光軸Ｌ１上に結ばれた蛍光像を受光し、その蛍光像を光電変換して画像信号として出力する。撮像素子２１の画素サイズとしては、対物レンズ９と後述する縮小レンズ１１及び結像レンズ１９から計算される分解能を損なわないサイズが好適である。また、高温下での仕様を考慮してペルチェ素子等の冷却素子が付設されることも好ましい。
　また、筐体５内には、光軸Ｌ１とダイクロイックミラー１５ｂとの交点位置Ｐ１に向けて、光軸Ｌ１に交わる方向に沿って励起光を導光する光ファイバ２３とコンデンサレンズ１３が設けられている。この光ファイバ２３は、半導体レーザやＬＥＤ等の発光素子から出射された励起光を導光して、ダイクロイックミラー１５ｂに向けて照射し、その励起光を光軸Ｌ１上に沿って対物レンズ９に向けて反射させる。ここで、励起光の光源となる発光素子は、筐体５内に設けて光ファイバ２３に接続されてもよいし、筐体５外部の制御装置３内に設けてケーブルＣ内に挿入された光ファイバ２３と接続されてもよいし、蛍光励起に必要な波長帯域に応じて複数の発光素子を切り替えて使用してもよい。
　すなわち、光ファイバ２３、コンデンサレンズ１３、ダイクロイックミラー１５ｂ、縮小レンズ１１、及び対物レンズ９により、落射ケーラ照明系が構成され、窓部７から照射される励起光の光束の径が観察対象物の範囲に応じて設定されるように設計される。例えば、その光束のサイズを撮像素子２１が検出可能な範囲と同じサイズから数十％大きいサイズの範囲とする。
　また、ダイクロイックミラーユニット１５及び蛍光フィルタユニット１７と対物レンズ９との間における光軸Ｌ１上には、縮小レンズ１１が設けられている。この縮小レンズ１１は、対物レンズ９によって結ばれる蛍光像を縮小するとともに、筐体５の窓部７及び観察対象物と窓部７の間に存在する水や海水等によって生じる球面収差と色収差を補正する機能を有する。これにより、対物レンズ９及び結像レンズ１９を含む観察光学系の全長を短くすることができるとともに、撮像素子２１によって受光される蛍光像に関する分解能の低下が防止される。さらに、窓部７で生じる収差の影響による落射ケーラ照明の性能低下も防止される。
　上述した対物レンズ９、縮小レンズ１１、コンデンサレンズ１３、ダイクロイックミラーユニット１５、蛍光フィルタユニット１７、結像レンズ１９、撮像素子２１、光ファイバ２３、及び回転モータ２５、２７は１つの顕微鏡ユニット３１を構成しており、顕微鏡ユニット３１は、図示しないフレーム構造体により支持されている。そして、筐体５内の端部には、この顕微鏡ユニット３１を駆動する駆動機構２９が設けられている。駆動機構２９は、顕微鏡ユニット３１の全体を、筐体５の中心軸線（図２のＺ方向）に沿って移動させるように駆動して、観察対象物に対する焦点合わせを可能にする。また、駆動機構２９は、顕微鏡ユニット３１を、筐体５の中心軸線に垂直な方向（図２のＸ方向）に沿って移動させるように駆動すると同時に、筐体５の中心軸を中心にして（図２のθ方向に）回転させるように駆動する。これにより、窓部７に沿った走査範囲を、筐体５の中心軸線に対して垂直な面に沿って、外部の制御装置３からの制御により自由に変更することができる。ここで、図３に示すように、ダイクロイックミラーユニット１５及び蛍光フィルタユニット１７におけるダイクロイックミラー１５ｂ及び蛍光フィルタ１７ｂの中心点を結ぶ円の直径（回転径）Ｒ１は、筐体５の内径Ｒ０の１／２以下となるように顕微鏡ユニット３１の各構成要素のサイズ、及び光学的な性能が設定されている。これにより、窓部７の全面を効率的に走査することで筐体５の窓部７における観察範囲を広く確保することができる。このような駆動機構２９としては、ボールネジ、ステッピングモータや超音波モータ等を含むＸ、Ｚ、θ駆動装置が用いられる。
　以上説明した携帯型蛍光顕微鏡装置１によれば、光ファイバ２３から照射された励起光が、ダイクロイックミラー１５ｂによって特定波長成分が選択されて対物レンズ９の光軸Ｌ１に沿った方向に反射され、その励起光は対物レンズ９及び筐体５の窓部７を介して観察対象物に射出される。これに対して、観察対象物で励起された蛍光は、筐体５の窓部７を介して対物レンズ９に入射することにより蛍光像として結像され、その蛍光像のうちの特定波長成分が、蛍光フィルタ１７ｂによって対物レンズ９の光軸Ｌ１に沿って透過された後に撮像素子２１で受光される。
　ここで、ダイクロイックミラー１５ｂ及び蛍光フィルタ１７ｂが、それぞれ、回転モータ２５，２７によって対物レンズ９の光軸Ｌ１上に交互に位置するように切り替えられるので、観察対象物に照射する励起光の波長成分、及び観察対象の蛍光の波長成分を容易に遠隔から変更することができる。例えば、励起光の波長成分としては406nm、473nm、488nm、532nm、635nm等の複数の成分が選択可能にされ、蛍光の波長成分としては400nm～800nmの範囲で選択可能にされる。
　また、駆動機構２９により、顕微鏡ユニット３１が一体として、筐体５の延在方向に沿って移動可能にされるので、観察対象物に対する焦点位置を容易に遠隔から調整することができる。さらには、駆動機構２９により、上記ユニット３１が筐体５の延在方向に垂直な方向に移動可能にされるとともに、筐体５の中心軸の周りに回転可能にされるので、一種類の対物レンズ９が固定的に使用される場合でも、分解能を保ちつつ筐体５の窓部７に沿った観察範囲を容易に遠隔で走査することができる。その結果、屋外等で使用した場合に、対物レンズ９の切り換え機構が無くても、様々な位置及び種類の観察対象物を自然界に存在する状態で容易に見出して観察することができ、長時間の経時観察も可能になり、装置の小型化及び軽量化も実現できる。具体的には、野外の試料を観察する際には、通常、足場の不安定な場所で直接試料に近づけて観察する。この場合、人が顕微鏡に直接触れて観察視野の選択と焦点合わせを行うとなると、狭い視野で観察対象を見つけることが困難になるだけでなく、顕微鏡本体の振動や移動が生じて観察が困難になる。このため、顕微鏡本体の窓部７の光学ガラス面の全面を走査する機能と焦点合わせの機構を設けることで、地中や水中という人による操作が困難な状況での観察も容易になる。
　また、ダイクロイックミラー１５ｂと対物レンズ９との間の光軸Ｌ１上には縮小レンズ１１が設けられているので、対物レンズ９の後側に設ける結像レンズ１９等の観察光学系の全長を短くすることができ、装置の小型化が容易になる。従来用いられていた有限光学系の対物レンズは、対物レンズと像の間隔が、収差を減らし正確な倍率の拡大像を得るために、160mmや190mm等の対物レンズにより定められた一定の距離が必要である。最近広く用いられている無限遠光学系の対物レンズでも、焦点距離200mm等の対物レンズにより定められた結像レンズが必要である。従って、観察光学系の全長は250mm～300mmになり大きな筐体が必要になる。これに対して、縮小レンズ１１を設けることで、観察光学系の全長を短くすることができ、その結果、ダイクロイックミラー１５ｂ、蛍光フィルタ１７ｂの径を小さくすることができる。さらに、縮小レンズ１１に球面収差を補正する機能を具備させることで、窓部７によって蛍光像に生じる収差を補正して、観察対象物の蛍光像の分解能の低下を防止することができる。
　なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、筐体５は円柱形状には限定されず、四角柱等の角柱形状であってもよい。その場合は、駆動機構２９は、顕微鏡ユニット３１の全体を、筐体５の中心軸線に垂直な方向（図２のＸ方向）に沿って移動させるように駆動すると同時に、筐体５の中心軸線及びＸ方向に対して垂直な方向に移動させるように駆動するＸＹＺ駆動機構であってもよい。このような駆動機構２９は、機構的に簡単で、走査範囲も広く、容易に製作できるというメリットがある。
　ここで、複数のハーフミラーの全部または一部は、ダイクロイックミラーであることが好ましい。
　また、筐体は、一方向に沿った略円柱状をなし、第３の駆動部は、対物レンズ、受光部、複数のハーフミラー、及び複数の蛍光フィルタを、筐体に対して一方向、及び一方向に垂直な方向に沿って移動させるとともに、一方向に平行な軸を中心に回転させる、ことが好ましい。かかる構成を採れば、筐体が円柱状の場合に筐体の窓部に沿った観察範囲を、効率的かつ速やかに走査することができる。
　複数の蛍光フィルタと対物レンズとの間の光軸上には、対物レンズによって結ばれた蛍光像を縮小する縮小レンズが更に設けられている、ことが好ましい。こうすれば、対物レンズの後側に設ける結像レンズ等の観察光学系の全長を短くすることができ、装置の小型化が容易になる。
　また、縮小レンズは、蛍光像の球面収差を補正する機能をさらに有している、ことも好ましい。この場合、窓部の材質と、標本と窓部の間に存在する水や海水等によって蛍光像に生じる収差を補正して、対象物の蛍光像の分解能の低下を防止することができる。
　本発明は、野外等で対象物の蛍光像を観察するための携帯型蛍光顕微鏡装置を使用用途とし、装置の小型化及び軽量化を図りつつ観察対象を自然界に存在する状態で容易に見出して観察することのできるものである。
　１…携帯型蛍光顕微鏡装置、５…筐体、５ａ…先端面、７…窓部、９…対物レンズ、Ｌ１…光軸、１１…縮小レンズ、１３…コンデンサレンズ、１５ｂ…ダイクロイックミラー、１７ｂ…蛍光フィルタ、２１…撮像素子（受光部）、２３…光ファイバ、２５，２７…回転モータ（第１及び第２の駆動部）、２９…駆動機構（第３の駆動部）。

Claims (5)

  1. 　一方向に沿った柱状をなし、先端面に窓部が形成された筐体と、
    　前記筐体内で前記窓部に対向して配置され、前記一方向に沿った光軸を有する対物レンズと、
    　前記筐体内の前記対物レンズの前記光軸上に配置され、前記窓部及び前記対物レンズを通じて結ばれた対象物の蛍光像を受光する受光部と、
    　前記受光部と前記対物レンズの間における前記光軸に交差する方向に、励起光を照射する光ファイバと、
    　前記光軸に垂直な面に沿って環状に配列され、前記光ファイバからの前記励起光と前記光軸とが交わる位置に交互に回転可能に支持され、前記励起光のうちの特定波長成分を前記対物レンズに向けて前記光軸に沿った方向に反射させる複数のハーフミラーと、
    　前記光軸に垂直な面に沿って環状に配列され、前記対物レンズと前記受光部との間の前記光軸上の位置に交互に回転可能に支持され、前記蛍光像のうちの特定波長成分を前記受光部に向けて前記光軸に沿った方向に透過させる複数の蛍光フィルタと、
    　前記複数のハーフミラーを回転駆動する第１の駆動部と、
    　前記複数の蛍光フィルタを回転駆動する第２の駆動部と、
    　前記対物レンズ、前記受光部、前記複数のハーフミラー、及び前記複数の蛍光フィルタを、前記筐体に対して前記一方向、及び一方向に垂直な面に沿った方向に移動させる第３の駆動部と、
    を有することを特徴とする携帯型蛍光顕微鏡装置。
  2. 　前記複数のハーフミラーの全部または一部は、ダイクロイックミラーである、
    ことを特徴とする請求項１記載の携帯型蛍光顕微鏡装置。
  3. 　前記筐体は、前記一方向に沿った略円柱状をなし、
    　前記第３の駆動部は、前記対物レンズ、前記受光部、前記複数のハーフミラー、及び前記複数の蛍光フィルタを、前記筐体に対して前記一方向、及び一方向に垂直な方向に沿って移動させるとともに、前記一方向に平行な軸を中心に回転させる、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯型蛍光顕微鏡装置。
  4. 　前記複数の蛍光フィルタと前記対物レンズとの間の前記光軸上には、前記対物レンズによって結ばれた前記蛍光像を縮小する縮小レンズが更に設けられている、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の携帯型蛍光顕微鏡装置。
  5. 　前記縮小レンズは、前記蛍光像の球面収差を補正する機能をさらに有している、
    ことを特徴とする請求項４記載の携帯型蛍光顕微鏡装置。
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