WO2019065144A1 - 観察装置、観察方法および観察プログラム - Google Patents

Abstract

視野内で培養容器までの距離を測定できる有効範囲の大きさに関わらず、適切に焦点を調整して画像を撮像できる観察装置、観察方法および観察プログラムを提供する。観察装置は、一連の撮像位置で収容部２２よりも小さい視野により観察対象を撮像し、一連の部分画像を取得する撮像部３７と、撮像部３７から収容部２２までの距離を測定する測定部３８と、容器２０の形状情報および一連の撮像位置情報を記憶する記憶部４４と、形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における撮像部３７の視野内において、撮像に先行して測定部３８が測定可能な有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出部４５と、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲において測定部３８が測定した測定結果と、有効範囲を含む視野と隣り合う視野における測定部３８の測定結果とを用いて撮像部３７の焦点を制御する制御部４０と、を備える。

Description

観察装置、観察方法および観察プログラム

　開示の技術は、観察対象が収容された容器および撮像部の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて、観察対象を観察する観察装置、観察方法および観察プログラムに関する。

　近年、各種細胞等の観察対象を撮像し、取得した画像を解析する技術が種々提案されている。たとえば、ＥＳ（Embryonic Stem）細胞およびｉＰＳ（Induced Pluripotent Stem）細胞などの多能性幹細胞または分化誘導された細胞などを顕微鏡などで撮像し、その画像の特徴を捉えることで細胞の分化状態などを判定する方法が提案されている。たとえば、特許文献１には、撮像条件等が変動しても、観察対象を好適に特定できる識別装置が開示されている。また、特許文献２には、細胞を培養する溶液の液面形状に起因する照明光の屈折を調整する顕微鏡が開示されている。また、特許文献３には、細胞を培養する培地量を把握可能な観察装置が開示されている。

　ＥＳ細胞およびｉＰＳ細胞などの多能性幹細胞は、種々の組織の細胞に分化する能力を備えたものであり、再生医療、薬の開発、および病気の解明などにおいて応用が可能なものとして注目されている。

　上述したように細胞を撮像する際、観察対象となる細胞を顕微鏡によって走査および計測し、得られた画像から判定することが知られている。再生医療の工業化または創薬研究における多水準実験を実現するには、高速に画像化し、高速に品質を判定することが重要である。

　ウェルプレート、シャーレ、およびフラスコといった培養容器を用いて培養された細胞を観察する場合、培養容器の形状および寸法に合わせて、走査計測する撮像位置（たとえば、座標）を決定する。決定された撮像位置を通過する走査軌道に従って顕微鏡が移動される。

特開２０１６－１４９９９８号公報 特開２０１６－０９９５９２号公報 国際公開第２００８／１４６４７４号

　しかし、決定した走査軌道に従って撮像しても、意図しない画像を撮像してしまうことがある。たとえば、撮像に先行してレーザー変位計等により培養容器までの距離を測定し、測定結果に基づいて撮像位置における焦点距離を特定する場合であって、焦点距離を特定するのに十分な範囲でレーザー変位計による測定結果が得られない場合である。具体的には、培養容器において細胞等を収容する収容部よりも、顕微鏡の視野が小さいと、撮像位置によっては、収容部の中心ではなく端を撮像することになる。ここで、収容部の端を撮像する前には、先行するレーザー変位計により視野に入る収容部の端を測定する。しかし、視野に収容部の端しか入らない場合、視野の大部分に収容部が入る場合に比べて、視野内でレーザー変位計により測定できる収容部の範囲（有効範囲）が狭い。有効範囲が狭い程、有効範囲内で振動等の外乱が発生したときに、外乱の影響を大きく受ける。外乱が大きく影響した測定結果に基づいて焦点を調整しても、焦点が細胞等から外れて意図しない画像を撮像する虞がある。

　開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであり、視野内で培養容器までの距離を測定できる有効範囲の大きさに関わらず、適切に焦点を調整して画像を撮像できる観察装置、観察方法および観察プログラムを提供することを目的とする。

　開示の技術に係る観察装置は、容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で収容部よりも小さい視野により撮像し、一連の部分画像を取得する撮像部と、撮像部による一連の撮像位置での各撮像にそれぞれ先行して、撮像部から収容部までの距離を測定する測定部と、容器の形状を表す形状情報および一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶部と、形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における撮像部の視野の範囲内において、測定部が撮像に先行して距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出部と、有効範囲情報に基づいて、有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲において測定部が測定した測定結果と、有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における測定部の測定結果とを用いて前記撮像部の焦点を制御する制御部と、を備える。

　ここで、部分画像は、予め定められた複数の撮像位置のそれぞれにおいて、撮像部が自身の視野により撮像して得られる画像である。形状情報は、部分画像の撮像の前に予め取得される情報であり、たとえば、容器全体における収容部の大きさおよび収容部の位置を表す情報である。有効範囲は、測定部の走査方向に沿った範囲であり、撮像部が撮像位置から撮像したときの視野の範囲内において、測定部が撮像部から収容部までの距離を測定できる範囲である。有効範囲情報は、有効範囲を示す情報として、たとえば、測定部の移動方向における有効範囲の座標情報や、座標情報か算出される測定部の移動方向における有効範囲の長さを示す。予め定められた閾値は、ユーザが任意に決定できる値であり、たとえば、測定部が収容部までの距離を測定する走査範囲として、外乱があっても所望の精度が保てる範囲の撮像部の移動方向における長さに設定される。

　上記の観察装置において、制御部は、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲が小さい程、隣り合う視野における測定部の測定結果を大きい範囲で用いうる。

　上記の観察装置において、閾値は、撮像部の視野の幅の半分の長さでありうる。

　上記の観察装置において、制御部は、有効範囲が閾値以下の場合、閾値に対して有効範囲が足りない長さ分だけ、隣り合う視野における測定部の測定結果を用いて焦点を制御しうる。

　開示の技術に係る観察方法は、容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で収容部よりも小さい視野を有する撮像部により撮像し、一連の部分画像を取得する場合に、一連の部分画像の取得にそれぞれ先行して、撮像部から収容部までの距離を測定する測定工程と、容器の形状を表す形状情報および一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶工程と、形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における視野の範囲内において、撮像に先行して測定工程により距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出工程と、算出工程により算出した有効範囲情報に基づいて、有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲において測定工程により測定した測定結果と、有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における測定工程の測定結果とを用いて撮像の焦点を制御する制御工程と、を備える。

　開示の技術に係る観察プログラムは、容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で収容部よりも小さい視野を有する撮像部により撮像し、一連の部分画像を取得する場合に、一連の部分画像の取得にそれぞれ先行して、撮像部から収容部までの距離を測定する測定工程と、容器の形状を表す形状情報および一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶工程と、形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における視野の範囲内において、撮像に先行して測定工程により距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出工程と、算出工程により算出した有効範囲情報に基づいて、有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲において測定工程により測定した測定結果と、有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における測定工程の測定結果とを用いて撮像の焦点を制御する制御工程と、をコンピュータに実行させる。

　開示の技術に係る他の観察装置は、コンピュータに実行させるための命令を記憶するメモリと、記憶された命令を実行するよう構成されたプロセッサとを備え、プロセッサは、容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で収容部よりも小さい視野を有する撮像部により撮像し、一連の部分画像を取得する場合に、一連の部分画像の取得にそれぞれ先行して、撮像部から収容部までの距離を測定する測定工程と、容器の形状を表す形状情報および一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶工程と、形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における視野の範囲内において、撮像に先行して測定工程により距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出工程と、算出工程により算出した有効範囲情報に基づいて、有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲において測定工程により測定した測定結果と、有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における測定工程の測定結果とを用いて撮像の焦点を制御する制御工程と、を実行する。

　開示の技術によれば、視野の範囲内において測定部が撮像に先行して測定できる有効範囲が閾値以下の場合、有効範囲における測定結果に加えて、隣り合う視野における測定部の測定結果も用いて焦点を制御する。したがって、視野内で培養容器までの距離を測定できる有効範囲の大きさに関わらず、適切に焦点を調整して画像を撮像できる。

開示の技術の実施形態に係る観察装置の概略構成を示す図である。 載置台の一例を示す図である。 開示の技術の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。 培養容器内における走査軌道を実線Ｍで示した図である。 培養容器内の任意の位置に視野がある場合における、第１の変位センサおよび第２の変位センサと、培養容器との位置関係を示す図である。 培養容器内の任意の位置に視野がある場合における、第１の変位センサおよび第２の変位センサと、培養容器との位置関係を示す図である。 収容部を測定部が測定する様子を説明するための図である。 観察装置により実行される観察方法の流れを示すフローチャートである。 視野内の有効範囲から拡張した範囲を、オートフォーカス制御のために測定部による測定結果を用いる範囲とする例を示す図である。

　以下、開示の技術の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

　図１は、開示の技術の実施形態に係る観察装置の概略構成を示す図である。図２は、載置台の一例を示す図である。

　観察装置は、載置台１０に載置された培養容器２０に収容される観察対象を、顕微鏡装置３０により観察するための装置である。載置台１０および顕微鏡装置３０は、制御部４０により制御される。各構成について、順に説明する。

　載置台１０は、培養容器２０を載置可能なステージである。図２に示すように、載置台１０の中央には、矩形の開口１１が形成されている。この開口１１を形成する部材の上に培養容器２０が設置され、顕微鏡装置３０により観察するための光が通過するように構成されている。

　載置台１０には、移動部１２が取り付けられている。移動部１２は、載置台１０を互いに直交するＸ方向およびＹ方向に自由に移動可能である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に直交する方向であり、水平面内において互いに直交する方向である。本実施形態においては、Ｘ方向を主走査方向とし、Ｙ方向を副走査方向とする。移動部１２は、圧電素子などを有するアクチュエータから構成される。載置台１０のＸ－Ｙ平面における移動は、制御部４０によって制御される。載置台１０がＸ－Ｙ平面を移動することによって、載置台１０上の培養容器２０が顕微鏡装置３０に対して移動する。

　なお、本実施形態では、載置台１０を顕微鏡装置３０に対して移動することにより、顕微鏡装置３０により観察対象を観察する位置を変更する例を示すが、これに限定されない。顕微鏡装置３０を載置台１０に対して移動してもよいし、載置台１０および顕微鏡装置３０の両方を移動してもよい。載置台１０に載置された培養容器２０および顕微鏡装置３０の少なくとも一方が他方に対して相対的に移動すれば、いかなる態様を採用することもできる。なお、本開示において、たとえば、顕微鏡装置３０の位置が固定されており、培養容器２０だけが移動している場合でも、「顕微鏡装置３０が培養容器２０に対して相対的に移動している」と表現する。また、本開示では、顕微鏡装置３０および培養容器２０のいずれが実際に移動している場合でも、相対的な移動に伴う軌道を、「走査軌道」と表現する。

　また、培養容器２０を載置台１０に載置して移動するのではなく、培養容器２０の少なくとも一ヶ所を把持する把持部を用い、把持部を動かして、培養容器２０をＸ－Ｙ平面において移動させてもよい。

　培養容器２０は、平板状のプレート２１に複数の収容部２２が形成されてなる。培養容器２０は、たとえば、シャーレ、ディッシュまたはウェルプレートなどを用いることができる。収容部２２は、たとえば、平面視すると円形の凹部であり、ウェルとも呼ばれる。収容部２２には、培養液に漬かった各種の細胞等の観察対象が収容される。収容部２２に収容される細胞としては、ｉＰＳ細胞およびＥＳ細胞といった多能性幹細胞、幹細胞から分化誘導された神経、皮膚、心筋および肝臓の細胞、並びに人体から取り出された皮膚、網膜、心筋、血球、神経および臓器の細胞などがある。

　顕微鏡装置３０は、観察対象の位相差画像を撮像するものである。顕微鏡装置３０は、高倍率の画像を得るために、培養容器２０の各収容部２２よりも小さい視野により、観察対象および培養容器２０の部分画像を撮像する。上述のように、培養容器２０が顕微鏡装置３０に対して移動することによって、顕微鏡装置３０が培養容器２０を走査し、一連の部分画像が得られる。部分画像は、予め定められた複数の撮像位置のそれぞれにおいて、顕微鏡装置３０が自身の視野により撮像して得られる画像である。

　顕微鏡装置３０は、光源３１と、スリット３２と、コンデンサレンズ３３と、対物レンズ３４と、フォーカス調整機構３５と、結像レンズ３６と、撮像部３７と、測定部３８とを備えている。

　光源３１は、白色光を射出する。スリット３２は、光源３１から射出された白色光を遮光する遮光板に対して白色光を透過するリング形状のスリットが設けられて形成されている。白色光がスリットを通過することによってリング状の照明光Ｌが形成される。コンデンサレンズ３３は、リング状の照明光Ｌを、観察対象に集光させる。

　対物レンズ３４は、培養容器２０を介して、コンデンサレンズ３３に対向して配置される。対物レンズ３４は、培養容器２０内の観察対象の像を結像させる。フォーカス調整機構３５は、光軸方向（Ｚ方向）に移動可能な位相差レンズを含む。位相差レンズが光軸方向に移動することによって、オートフォーカス制御が行われ、撮像部３７によって撮像される位相差画像のコントラストが調整される。なお、位相差レンズの光軸方向の移動は、たとえば、制御部４０からの信号に基づく圧電素子のようなアクチュエータの駆動により実現できる。ただし、位相差レンズの駆動は、圧電素子に限らず、位相差レンズをＺ方向に移動可能なものであればよく、その他の公知な構成を用いることができる。また、位相差レンズの倍率を変更可能な構成としてもよい。具体的には、異なる倍率を有する位相差レンズまたはフォーカス調整機構３５を交換可能に構成するようにしてもよい。当該交換は、自動的に行うようにしてもよいし、ユーザが手動で行うようにしてもよい。

　結像レンズ３６は、フォーカス調整機構３５を通過した位相差画像が入射され、これを撮像部３７に結像する。

　撮像部３７は、測定部３８に固定的に取り付けられ、結像レンズ３６によって結像された位相差画像を撮像する。撮像部３７は、たとえば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）
イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの撮像素子である。撮像素子としては、ＲＧＢ（Red Green Blue）のカラーフィルタが設けられた撮像素子を用いてもよいし、モノクロの撮像素子を用いてもよい。

　以下では、上記の対物レンズ３４、フォーカス調整機構３５、結像レンズ３６および撮像部３７を合わせて、結像光学系Ｃとも呼ぶ。

　測定部３８は、培養容器２０および撮像部３７の少なくとも一方の相対的な移動に伴う走査軌道に沿って、載置台１０に設置された培養容器２０のＺ方向の位置を連続的に検出する。

　測定部３８は、具体的には、第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂを備える。第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂは、結像光学系Ｃを挟んで、図１に示すＸ方向に並べて設けられている。本実施形態における第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂはレーザー変位計であり、培養容器２０にレーザー光を照射し、その反射光を検出することによって、培養容器２０の収容部２２の底面のＺ方向の位置を検出し、撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を測定するものである。なお、収容部２２の底面とは、収容部２２の底部と観察対象である細胞との境界面であり、すなわち観察対象設置面である。

　測定部３８によって検出された撮像部３７から収容部２２の底面までの距離は、制御部４０に出力される。制御部４０は、入力された距離に基づいて、フォーカス調整機構３５を制御し、オートフォーカス制御（焦点の制御）を行う。なお、第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂによる培養容器２０の位置の検出およびオートフォーカス制御については、後で詳述する。

　次に、顕微鏡装置３０を制御する制御部４０の構成について説明する。図３は、開示の技術の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。

　制御部４０は、上述のように顕微鏡装置３０の全体を制御し、かつ各種の処理を実行する。制御部４０は、顕微鏡装置制御部４１、走査制御部４２、表示制御部４３、記憶部４４、算出部４５、入力部４６および表示部４７を有する。制御部４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、および半導体メモリ等を備えたコンピュータから構成される。制御部４０は、記憶部４４に本発明の観察プログラムの一実施形態がインストールされている。そして、この観察プログラムがＣＰＵに実行されることによって、図３に示す顕微鏡装置制御部４１、走査制御部４２、表示制御部４３および算出部４５が機能する。

　顕微鏡装置制御部４１は、上述したように測定部３８によって検出された撮像部３７から収容部２２の底面までの距離に基づいて、フォーカス調整機構３５を制御する。そして、フォーカス調整機構３５の駆動によって位相差レンズが光軸方向に移動し、オートフォーカス制御が行われる。

　また、顕微鏡装置制御部４１は、培養容器２０を走査する際に、撮像部３７による撮像を制御する。基本的には、予め記憶部４４に走査中の撮像のタイミングが記憶されており、顕微鏡装置制御部４１は、記憶されたタイミングに基づいて撮像を行う。

　走査制御部４２は、移動部１２を駆動制御し、載置台１０をＸ方向およびＹ方向に移動させる。

　表示制御部４３は、顕微鏡装置３０によって撮像された一連の部分画像を結合することによって、１枚の合成画像を生成し、合成画像を表示部４７に表示させる。

　記憶部４４は、各機能部を実現させる観察プログラムを記憶している。また、記憶部４４は、培養容器２０の容器情報に対応する培養容器２０の形状情報を記憶している。培養容器２０の容器情報は、たとえば、培養容器の仕様（収容部２２の大きさ、数、間隔等）、培養容器の型番、およびメーカーなどである。培養容器２０の形状情報は、培養容器２０の収容部２２の数（６個、２４個、９６個など）、収容部２２の間隔、収容部２２の径、および収容部２２の厚み、培養容器２０内における収容部２２の位置等の情報である。形状情報は、製造するメーカー等から公表されている培養容器２０の仕様の情報でもよいし、レーザー測長器などの形状測定装置により予め測定して得られた培養容器２０の立体形状の情報でもよい。

　容器情報または培養容器２０の立体形状の情報を含む形状情報に基づいて、顕微鏡装置３０の走査軌道を示す軌道情報および一連の撮像位置（座標）を示す撮像位置情報が走査制御部４２によって決定され、記憶部４４に記憶される。

　算出部４５は、記憶部４４に記憶されている形状情報および撮像位置情報に基づき、撮像位置における撮像部３７の視野の範囲内において、測定部３８が撮像に先行して測定できる範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する。有効範囲は、測定部３８の走査方向に沿った範囲であり、撮像部３７が撮像位置から撮像したときの視野の範囲内において、測定部３８が撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を測定できる範囲である。測定部３８は、後述するように撮像部３７よりも先行して相対的に移動し、撮像部３７が撮像位置に到達するまでには有効範囲の測定が可能である。有効範囲情報は、有効範囲を示す情報として、たとえば、撮像部３７の移動方向における有効範囲を示す座標情報、または座標情報から算出される測定部の移動方向における有効範囲の長さである。

　入力部４６は、マウスおよびキーボードなどを備えたものであり、各種の必要なデータおよびユーザによる種々の設定入力を受け付ける。本実施形態の入力部４６は、たとえば、上述の培養容器２０の容器情報、撮像位置に関するデータの入力を受け付ける。

　表示部４７は、たとえば液晶ディスプレイなどを備え、上述したように表示制御部４３によって生成された合成位相差画像を表示する。また、表示部４７をタッチパネルによって構成し、入力部４６と兼用するようにしてもよい。

　次に、走査制御部４２による載置台１０の移動制御および顕微鏡装置制御部４１による顕微鏡装置３０の制御について、詳細に説明する。

　図４は、培養容器内における走査軌道を実線Ｍで示した図である。図５および図６は、培養容器内の任意の位置に視野がある場合における、第１の変位センサおよび第２の変位センサと、培養容器との位置関係を示す図である。図７は、収容部を測定部が測定する様子を説明するための図である。

　本実施形態においては、走査制御部４２による制御によって載置台１０をＸ方向およびＹ方向に移動させ、顕微鏡装置３０を培養容器２０内において２次元状に走査する。走査の課程で、顕微鏡装置３０の各視野内において、培養容器２０および観察対象の部分画像を撮像する。なお、本実施形態においては、培養容器２０として６つの収容部２２を有するウェルプレートを用いる。

　顕微鏡装置制御部４１は、各視野Ｒで撮像するための撮像位置および撮像タイミングを記憶部４４から読み出し、図４に一点鎖線で囲んで示すように、顕微鏡装置３０に視野Ｒ１～Ｒ５４で培養容器２０内を撮像させる。この結果、顕微鏡装置３０の視野Ｒは、走査開始点Ｓから走査終了点Ｅまで実線Ｍに沿って移動する。すなわち、視野Ｒは、Ｘ方向の正方向（図４の右方向）に走査された後、Ｙ方向（図４の下方向）に移動し、逆のＸ方向の負方向（図４の左方向）に走査される。次いで、視野Ｒは、再びＹ方向に移動し、再びＸ方向の正方向に走査される。このように、視野Ｒは、Ｘ方向についての往復移動とＹ方向への移動を繰り返し行うことによって、視野Ｒ１～Ｒ５４の順に、培養容器２０内を２次元状に走査される。

　視野Ｒにおいて顕微鏡装置３０が撮像するのに先行して、測定部３８が撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を検出する。

　本実施形態においては、図５および図６に示すように、第１の変位センサ３８ａと第２の変位センサ３８ｂが結像光学系Ｃを挟んでＸ方向に並べて設けられている。そして、結像光学系Ｃの視野Ｒは、上述したように培養容器２０内を２次元状に走査される。この際、培養容器２０に対する結像光学系Ｃの視野Ｒの位置よりも視野Ｒの移動方向前側の位置において培養容器２０のＺ方向の位置が検出される。具体的には、視野Ｒが、図５に示す矢印方向（図５の右方向）に移動している場合には、第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂのうち、視野Ｒの移動方向前側の第１の変位センサ３８ａによって撮像部３７から収容部２２の底面までの距離が検出される。そして、視野Ｒが、図５に示す位置から第１の変位センサ３８ａの位置まで移動した場合に、前もって検出された培養容器２０のＺ方向の位置情報が用いられてオートフォーカス制御が行われ、部分画像の撮像が行われる。

　一方、視野Ｒが、図６の矢印方向（図６の左方向）に移動している場合には、第１の変位センサ３８ａおよび第２の変位センサ３８ｂのうち、視野Ｒの移動方向前側の第２の変位センサ３８ｂによって撮像部３７から収容部２２の底面までの距離が検出される。そして、視野Ｒが、図６に示す位置から第２の変位センサ３８ｂの位置まで移動した場合に、前もって検出された培養容器２０のＺ方向の位置情報が用いられてオートフォーカス制御が行われ、位相差画像の撮像が行われる。

　このように第１の変位センサ３８ａを用いた培養容器２０の検出と第２の変位センサ３８ｂを用いた培養容器２０の検出とを視野Ｒの移動方向に応じて切り替える。これによって、常に、視野Ｒの位相差画像の撮像に先行して、その視野Ｒの位置における撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を取得できる。

　そして、顕微鏡装置制御部４１は、上述したように先行して検出された培養容器２０のＺ方向の位置情報に基づいて、フォーカス調整機構３５を駆動制御することによって、オートフォーカス制御を行う。具体的には、顕微鏡装置制御部４１には、撮像部３７から収容部２２の底面までの距離と結像光学系Ｃの光軸方向の移動量との関係が予め設定されている。顕微鏡装置制御部４１は、入力された撮像部３７から収容部２２の底面までの距離に基づいて、結像光学系Ｃの光軸方向の移動量を求め、その移動量に応じた制御信号をフォーカス調整機構３５に出力する。フォーカス調整機構３５は、入力された制御信号に基づいて駆動し、これにより位相差レンズが光軸方向に移動して焦点距離を合わせ、培養容器２０のＺ方向の位置に応じたオートフォーカス制御が行われる。

　なお、オートフォーカス制御のための撮像部３７から収容部２２の底面までの距離としては、たとえば、視野Ｒ内で第１の変位センサ３８ａまたは第２の変位センサ３８ｂによって測定された、撮像部３７から培養容器２０の底面までの距離のうち、撮像部３７から収容部２２の底部までの距離の平均値が用いられる。

　培養容器２０の一つの収容部２２（図４における左上の収容部２２）に注目して、測定部３８がＺ方向の位置を測定する様子を説明する。

　図７は、収容部を測定部が測定する様子を説明するための図である。図７中、上段では、収容部２２を平面視したときの測定部３７の走査軌道Ｍを示し、下段では走査軌道における測定部３８の測定結果を示す。

　たとえば、視野Ｒ１の撮像に先立って測定される第１の変位センサ３８ａによる撮像部３７から収容部２２の底面までの距離の測定は、視野Ｒ１全域である図中の両矢印Ｗ１に示す範囲で行われる。しかし、両矢印Ｗ１の全体の測定値を用いたのでは、撮像部３７から収容部２２の底面までの距離とは関係ない測定値までも含まれる。したがって、収容部２２内の観察対象に対するオートフォーカス制御のためには、撮像部３７から収容部２２の底面までの距離とは関係ない測定値を除いた測定結果を用いる必要がある。換言すると、測定部３８が収容部２２の底面までの距離を測定できる範囲（有効範囲）を用いる必要がある。有効範囲は、図中、両矢印ＦＯ１で示される。

　ここで、視野Ｒ１～Ｒ３を比較して分かるように、視野Ｒ毎に収容部２２の底部までの距離を測定できる有効範囲は異なる。視野Ｒ２は、走査方向に沿う全幅が有効範囲ＦＯ２になる。しかし、視野Ｒ１は、走査方向に沿う後半だけが有効範囲ＦＯ１となり、視野Ｒ３は、走査方向に沿う前半だけが有効範囲ＦＯ３となる。

　ここで、外乱により、有効範囲内の一部の測定値に異常値が入ることがある。外乱とは、たとえば、収容部２２の底部の傷等により発生しうる。収容部２２の底部の傷等があると、測定部３８から照射したレーザー光が収容部２２の底部に乱反射し、測定部３８において正確に検出できない場合に、測定値が異常値となる。また、外乱は、たとえば、振動により発生しうる。振動の結果、測定部３８から収容部２２の底面までの距離が一瞬変わる。その瞬間の距離を測定部３８が測定することにより、測定値が異常値となる。このように、異常値の影響が大きいと、結果として、オートフォーカス制御が適切に行えなくなってしまう。対象となっている視野Ｒでの有効範囲の走査方向における距離が十分な長さであれば、有効範囲内の一部の測定値に外乱による異常値が入ったとしても、異常値の影響が小さく、その有効範囲内の測定結果だけを用い測定結果を平均することで、オートフォーカス制御のための撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を求めることができる。しかし、オートフォーカス制御の対象となっている視野Ｒでの有効範囲の走査方向における距離が十分でない場合、外乱により、有効範囲内の一部の測定値に異常値が入ると、異常値の影響が大きく、有効範囲内の測定値を平均して撮像部３７から培養容器２０の底面までの距離を求めたときに適切な値にならず、結果として、オートフォーカス制御が適切に行えなくなってしまう。異常値の影響が大きくなる。

　これを防止するために、本実施形態の観察装置は、何れの視野Ｒに対しても、十分な有効範囲で収容部２２の底面までの距離を測定し、適切なオートフォーカス制御により撮像を行う。以下に、観測装置の観察方法について説明する。以下に示すアルゴリズムは、記憶部４４に記憶されたプログラムを、ＣＰＵが実行することにより実現される。

　図８は、観察装置により実行される観察方法の流れを示すフローチャートである。各工程は、制御部４０により実行される。図９は、視野内の有効範囲から拡張した範囲を、オートフォーカス制御のために測定部による測定結果を用いる範囲とする例を示す図である。

　まず、制御部４０は、入力部４６において、ユーザによる培養容器２０の容器情報の入力を受け付け、入力された培養容器２０の容器情報に基づいて、記憶部４４に記憶された培養容器２０の形状情報を取得する（ステップＳ１０１）。形状情報から、今回使用される培養容器２０の収容部２２の数、収容部２２の間隔、および収容部２２の径等の情報が得られる。

　次に、制御部４０は、ステップＳ１０１で得た培養容器２０の形状情報から、撮像位置を特定する（ステップＳ１０２）。撮像位置は、培養容器２０に収容された観察対象が観察できる載置台１０のＸ－Ｙ平面の座標位置として特定される。たとえば、制御部４０は、ステップＳ１０１で形状が特定された培養容器２０が載置台１０に適切に載置された状態を想定して、図４に示すような視野Ｒ１～視野Ｒ５４において撮像するための結像光学系ＣのＸＹ座標を撮像位置として特定する。加えて、制御部４０は、撮像位置を結ぶ軌道を、走査軌道Ｍとして特定する。制御部４０は、培養容器２０の形状情報に基づいて、先に走査軌道を決定し、走査軌道上において、撮像位置の座標を特定してもよい。走査軌道は、方向転換時以外はできるだけ直線により構成されることが好ましい。

　続けて、制御部４０は、全ての視野Ｒｉ（ｉ＝１～５４）に対して、後続の処理を行うために、初期値としてｉに１を代入する（ステップＳ１０３）。

　制御部４０は、視野Ｒｉにおける測定部３８の有効範囲を示す有効範囲情報を算出する（ステップＳ１０４）。

　制御部４０は、視野Ｒｉにおける測定部３８の有効範囲が予め定められた閾値以下かどうか判断する（ステップＳ１０５）。閾値は、ユーザが任意に決定できる値であり、有効範囲と比較できるように、長さを示す値である。閾値は、たとえば、測定部３８が撮像部
３７から収容部２２の底面までの距離を測定する走査範囲として、外乱があっても所望の精度が保てる範囲の長さに設定される。本実施形態では、閾値が、撮像部３７の視野Ｒｉの走査軌道に沿った幅の半分として説明する。ただし、上述のように、閾値はユーザが測定精度を考慮して、任意に決定できるものであり、視野Ｒｉの幅の半分に限定されない。図９の視野Ｒ１の場合、制御部４０は、有効範囲ＦＯ１を走査方向において視野の幅の半分以下と判断する。図９の視野Ｒ２の場合、制御部４０は、有効範囲ＦＯ２を走査方向において視野の幅の半分より大きいと判断する。

　有効範囲が視野幅の半分以下でない場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、制御部４０は、視野Ｒｉ内の有効範囲のみを、オートフォーカス制御のために測定部３８による測定結果を用いる有効範囲として、記憶部４４に記憶させる（ステップＳ１０６）。本実施形態では、有効範囲の大きさがオートフォーカス制御に用いるのに十分な大きさとみなされるからである。

　有効範囲が視野幅の半分以下である場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御部４０は、視野Ｒｉ内の有効範囲だけでなく、視野Ｒｉ内の有効範囲から拡張した範囲をオートフォーカス制御のために測定部３８による測定結果を用いる測定範囲として、記憶部４４に記憶させる（ステップＳ１０７）。有効範囲の大きさでは、オートフォーカス制御に用いるには不十分とみなされるからである。

　有効範囲の拡張方法の具体例としては、制御部４０は、有効範囲に加えて、視野Ｒｉに隣り合う視野Ｒｉ＋１または視野Ｒｉ－1まで拡張した範囲を、測定範囲として記憶部４
４に記憶させる。たとえば、図９の視野Ｒ１の場合、隣り合う視野Ｒ２では、測定部３８により撮像部３７から収容部２２の底面までの距離が十分に測定できる。そこで、制御部４０は、視野Ｒ１内の有効範囲ＦＯ１から視野Ｒ２内まで拡張された有効範囲ＦＭ１を、視野Ｒ１を顕微鏡装置３０により撮像する際にオートフォーカス制御に用いる有効範囲とする。したがって、図９の下段に示すように、拡張された有効範囲ＦＭ１における測定部３８の測定結果が平均され、視野Ｒ１のオートフォーカス制御に用いられる。拡張された有効範囲ＦＭ１は、図９に示す通り、好ましくは、有効範囲ＦＯ１と、有効範囲ＦＯ１から連続する視野Ｒ２内の測定範囲とを含む。拡張された有効範囲ＦＭ１は、たとえば、閾値の長さと同等になるように設定される。この場合、閾値である視野幅の半分に対して有効範囲ＦＯ１が足りない長さ分だけ、隣り合う視野Ｒ２における有効範囲が組み込まれ、拡張された有効範囲ＦＭ１となる。あるいは、拡張された有効範囲ＦＭ１は、閾値（視野Ｒの半分）以上であり、視野Ｒの全長以下となるように設定されてもよい。

　また、たとえば、図９の視野Ｒ３の場合、隣り合う視野Ｒ２では、測定部３８により撮像部３７から収容部２２の底面までの距離が十分に測定できる。制御部４０は、視野Ｒ３内の有効範囲ＦＯ３から視野Ｒ２内まで拡張した有効範囲ＦＭ３を、視野Ｒ３を顕微鏡装置３０により撮像する際にオートフォーカス制御に用いる測定範囲とする。このように、図９の下段に示すように、拡張された有効範囲ＦＭ１およびＦＭ３における測定部３８の測定結果が平均され、視野Ｒ１および視野Ｒ３のオートフォーカス制御に用いられる。

　続けて、制御部４０は、全視野について、有効範囲の判断が完了したか判断する（ステップＳ１０８）。全視野に対する判断が終わってない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、制御部４０は、ｉを１だけ増やしてして（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０４からの処理を繰り返す。全視野に対する判断が終わった場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部４０は、走査軌道に従って走査制御部４２により載置台１０を移動させつつ、顕微鏡装置３０による撮像を開始することによって、培養容器２０の走査を開始する（ステップＳ１１０）。

　制御部４０は、撮像に先行して、測定部３８により、撮像部３７から収容部２２の底面までの距離を測定し、記憶部４４に記憶する（ステップＳ１１１）。

　制御部４０は、ステップＳ１０６またはステップＳ１０７において記憶した有効範囲における測定部３８の測定結果を平均して、オートフォーカス制御に用い、各視野における撮像位置において顕微鏡装置３０により撮像する（ステップＳ１１２）。

　制御部４０は、走査が完了したか、すなわち、全ての撮像位置において撮像が終わったかを判断する（ステップＳ１１３）。走査が完了していない場合（ステップＳ１１３：ＮＯ）、ステップＳ１１１の処理に戻り、測定部３８による測定と、追従する撮像を行う。走査が完了した場合（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、制御部４０は、観察処理を終了する。

　以上のように、上記実施形態の観察装置は、視野Ｒにおける測定部３８の有効範囲、すなわち、視野Ｒに含まれる収容部２２の走査軌道に沿う長さが、閾値（視野幅の半分）以下の場合であっても、隣り合う視野の有効範囲まで拡張した有効範囲を設定して、測定部３８の測定結果を用いる。したがって、振動等の外乱があった場合でも、オートフォーカス制御の対象である視野Ｒの有効範囲だけの測定結果を用いてオートフォーカス制御する場合に比べて、外乱の影響を少なくできる。換言すると、観察装置は、視野Ｒ内で培養容器２０の収容部までの距離を測定できる有効範囲の大きさに関わらず、適切にオートフォーカス制御を行って画像を撮像できる。

　なお、上記実施形態では、全視野について、有効範囲の判断が完了した後に顕微鏡装置３０による撮像を開始するようにしたが、これに限定されず、各視野の有効範囲の判断と顕微鏡装置３０による撮像を並行して行ってもよい。

　また、上記実施形態でＣＰＵがソフトウェア（プログラム）を読み込んで実行した観察処理を、ＣＰＵ以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）等の製造後に回路構成を変更可能なＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）、及びＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、観察処理を、これらの各種のプロセッサのうちの１つで実行してもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ、及びＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ等）で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。

　また、上記実施形態では、観察処理のプログラムが記憶部４４に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

１０ 載置台
１１ 開口
１２ 移動部
２０ 培養容器
２１ プレート
２２ 収容部
３０ 顕微鏡装置
３１ 光源
３２ スリット
３３ コンデンサレンズ
３４ 対物レンズ
３５ フォーカス調整機構
３６ 結像レンズ
３７ 撮像部
３８ 測定部
３８ａ 第１の変位センサ
３８ｂ 第２の変位センサ
４０ 制御部
４１ 顕微鏡装置制御部
４２ 走査制御部
４３ 表示制御部
４４ 記憶部
４５ 算出部
４６ 入力部
４７ 表示部
Ｃ 結像光学系
Ｅ 走査終了点
ＦＯ１～ＦＯ３ 有効範囲
ＦＭ１、ＦＭ３ 拡張範囲
Ｌ 照明光
Ｍ 走査軌道
Ｒ、Ｒ１～Ｒ５４ 視野
Ｓ 走査開始点

Claims (6)

1. 　容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で前記収容部よりも小さい視野により撮像し、一連の部分画像を取得する撮像部と、
   　前記撮像部による一連の撮像位置での各撮像にそれぞれ先行して、前記撮像部から前記収容部までの距離を測定する測定部と、
   　前記容器の形状を表す形状情報および前記一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶部と、
   　前記形状情報および前記撮像位置情報に基づき、前記撮像位置における前記撮像部の前記視野の範囲内において、前記測定部が撮像に先行して前記距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出部と、
   　前記有効範囲情報に基づいて、前記有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、前記有効範囲が閾値以下の場合、前記有効範囲において前記測定部が測定した測定結果に加えて、前記有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における前記測定部の測定結果も用いて撮像の焦点を制御する制御部と、
   　を備える観察装置。
2. 　前記制御部は、前記有効範囲が閾値以下の場合、前記有効範囲が小さい程、隣り合う前記視野における前記測定部の測定結果を大きい範囲で用いる請求項１に記載の観察装置。
3. 　前記閾値は、前記撮像部の前記視野の幅の半分の長さである請求項１または２に記載の観察装置。
4. 　前記制御部は、前記有効範囲が閾値以下の場合、前記閾値に対して前記有効範囲が足りない長さ分だけ、隣り合う前記視野における前記測定部の測定結果を用いて前記焦点を制御する請求項１から３のいずれか一項に記載の観察装置。
5. 　容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で前記収容部よりも小さい視野を有する撮像部により撮像し、一連の部分画像を取得する場合に、一連の部分画像の取得にそれぞれ先行して、前記撮像部から前記収容部までの距離を測定する測定工程と、
   　前記容器の形状を表す形状情報および前記一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶工程と、
   　前記形状情報および前記撮像位置情報に基づき、前記撮像位置における前記視野の範囲内において、撮像に先行して前記測定工程により前記距離を測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出工程と、
   　前記算出工程により算出した前記有効範囲情報に基づいて、前記有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、前記有効範囲が閾値以下の場合、前記有効範囲において前記測定工程により測定した測定結果と、前記有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における前記測定工程の測定結果とを用いて撮像の焦点を制御する制御工程と、
   　を備える観察方法。
6. 　容器の収容部に収容した観察対象を、予め定められた一連の撮像位置で前記収容部よりも小さい視野を有する撮像部により撮像し、一連の部分画像を取得する場合に、一連の部分画像の取得にそれぞれ先行して、前記撮像部から前記収容部までの距離を測定する測定工程と、
   　前記容器の形状を表す形状情報および前記一連の撮像位置を表す撮像位置情報を記憶する記憶工程と、
   　前記形状情報および前記撮像位置情報に基づき、前記撮像位置における前記視野の範囲内において、撮像に先行して前記距離を前記測定工程により測定可能な範囲である有効範囲を示す有効範囲情報を算出する算出工程と、
   　前記算出工程により算出した前記有効範囲情報に基づいて、前記有効範囲と予め定められた閾値とを比較し、前記有効範囲が閾値以下の場合、前記有効範囲において前記測定工程により測定した測定結果と、前記有効範囲が含まれる視野と隣り合う視野における前記測定工程の測定結果とを用いて撮像の焦点を制御する制御工程と、
   　をコンピュータに実行させる観察プログラム。

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