JP2010181716A - 観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に変化または移動する観察対象であっても精度よく厚さ寸法を測定する。
【解決手段】所定の波長の光を出射する光源３と、該光源３から出射された光を観察対象Ａに照射する照明光学系４と、該照明光学系４により観察対象Ａに照射された光の観察対象Ａにおける透過光を集光する集光光学系５と、透過光を複数の光路に分岐する光路分岐手段６と、該光路分岐手段６により複数の光路に分岐された透過光を撮影する複数の撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃとを備え、該撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃが、集光光学系５による焦点位置と撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃの撮像面７ａ，７ｂ，７ｃとの距離を光軸方向に異ならせて配置されている観察装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察装置に関するものである。

従来、観察対象に対して焦点位置をずらした複数の画像から観察対象の厚さ寸法を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。観察対象に対して焦点位置をずらした複数の画像を取得する場合には、観察対象を搭載したステージ、あるいは、該ステージに対向する対物レンズを光軸方向に移動させる必要がある。

国際公開第００／２６６２２号パンフレット

しかしながら、厚さ寸法を測定するためにずらす焦点位置のずれ量は、数μｍと非常に小さいため、ステージや対物レンズを光軸方向に精度よく移動させる必要がある。顕微鏡においては、手動式の粗動ハンドルや微動ハンドルを用いて焦点位置を合わせることが行われるが、焦点位置をずらすために手動により正確に数μｍ移動させることは困難である。

また、ステージや対物レンズの移動をステッピングモータやピエゾアクチュエータにより行う方法も考えられるが、光軸方向に送りをかけるための送り機構のバックラッシュやステッピングモータの脱調、あるいはピエゾアクチュエータのヒステリシス等により、焦点位置を繰り返し精度よく移動させることが困難であるという不都合がある。

さらに、従来の技術では、焦点位置をずらした複数の画像の取得を同時に行うことができず、ステージあるいは対物レンズを光軸方向に移動させる動作と撮像動作とを繰り返さなければならないので、短時間内に変化または移動する観察対象の厚さ寸法を測定することはできないという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、高速に変化または移動する観察対象であっても精度よく厚さ寸法を測定することができことができる観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、所定の波長の光を出射する光源と、該光源から出射された光を観察対象に照射する照明光学系と、該照明光学系により観察対象に照射された光の観察対象における透過光を集光する集光光学系と、前記透過光を複数の光路に分岐する光路分岐手段と、該光路分岐手段により複数の光路に分岐された透過光を撮影する複数の撮像素子とを備え、該撮像素子が、前記集光光学系による焦点位置と前記撮像素子の撮像面との距離を光軸方向に異ならせて配置されている観察装置を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた所定の波長の光が、照明光学系により観察対象に照射され、観察対象における透過光が集光光学系により集光されるとともに光路分岐手段によって複数の光路に分岐されて、複数の撮像素子により撮影される。この場合において、集光光学系による各光路における焦点位置が、当該光路に配置された各撮像素子の撮像面に対する距離を異ならせて配置されているので、光軸方向に精度よく合焦位置をずらした複数の画像を取得することができる。そして、このようにして取得された複数の画像から位相差画像を取得することができる。

本発明によれば、合焦位置のずれた複数の画像を順次取得するのではなく、光路を複数に分岐して撮影することで同時に取得することができ、高速に変化または移動する観察対象であっても精度よく厚さ寸法を測定することができことができる。

また、上記発明においては、前記集光光学系が、観察対象を透過した透過光を集光して略平行光にする対物レンズと、該対物レンズにより集光された透過光を集光して結像させる結像レンズとを備えていてもよい。
このようにすることで、観察対象を透過した透過光が対物レンズによって略平行光にされた後、結像レンズによって所定の焦点位置に結像させられる。結像レンズを通過した後に光路分岐手段によって光路を分岐する場合、結像レンズから複数の撮像素子の撮像面までの距離を異ならせることで、合焦位置のずれ量を異ならせ、光軸方向に精度よく合焦位置をずらした複数の画像を取得することができる。

また、上記発明においては、前記光路分岐手段が、前記対物レンズと前記結像レンズとの間に配置されていてもよい。
このようにすることで、対物レンズによって略平行光にされた無限遠の光路において透過光を光路分岐手段によって分岐することができ、光路分岐手段の構成を結像レンズからの距離に捕らわれることなく自由に設定することができる。

また、上記発明においては、前記光路分岐手段が、分岐される透過光の光量を略均等にすることが好ましい。
このようにすることで、光路分岐手段により分岐され撮像素子により撮像された画像をそのまま使用して観察対象の厚さ寸法を精度よく計測することができる。

本発明によれば、高速に変化または移動する観察対象であっても精度よく厚さ寸法を測定することができことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る観察装置を示す全体構成図である。 図１の観察装置の検出光学系の第１の変形例を示す全体構成図である。 図１の観察装置の検出光学系の第２の変形例を示す全体構成図である。

本発明の一実施形態に係る観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、試料（観察対象）Ａを搭載するステージ２と、該ステージ２の鉛直上方に配置され、所定の波長の光、例えば、近赤外光を発生する光源３と、該光源３から発せられた近赤外光を鉛直方向に配される光軸Ｃに沿って試料Ａに照射する照明光学系４と、試料Ａを下方に透過した透過光を集光する集光光学系５と、透過光を複数の光路に分岐する光路分岐光学系（光路分岐手段）６と、分岐された透過光をそれぞれ撮影するＣＣＤのような複数の撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃとを備えている。

図中、符号８は、撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃに接続され、取得された輝度情報を処理して２次元的な画像を形成する画像処理部、符号９は、形成された画像を表示するモニタ、符号１０は、形成された画像を記憶する記憶部である。

試料Ａは、例えば、透明なシャーレ１１の底面に接着して培養されている細胞群である。
ステージ２は、図示しない粗動ハンドルおよび微動ハンドルにより上下方向に移動可能に設けられている。

照明光学系４は、コンデンサレンズであって、光源３から発せられた近赤外光を略平行光にして試料Ａの鉛直上方から試料Ａに照射するようになっている。
集光光学系５は、図１に示されるように、試料Ａを透過した透過光を集光して略平行光にする対物レンズ５ａと、該対物レンズ５ａにより集光された透過光をさらに集光して結像させる結像レンズ５ｂとを備えている。

光路分岐光学系６は、透過光をそれぞれ２つの光路に分岐させる２つのビームスプリッタ６ａ，６ｂによって構成されている。第１のビームスプリッタ６ａは、透過率６６．６％であり、入射した透過光の内の３３．３％の光量を反射させ、６６．６％の光量を透過させるようになっている。第２のビームスプリッタ６ｂは、透過率５０％であり、第１のビームスプリッタ６ａを透過してきた６６．６％の光量の透過光を、その５０％、すなわち、３３．３％の光量の２つの光路に分岐させるようになっている。

撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、第１のビームスプリッタ６ａの反射光路および第２のビームスプリッタ６ｂにより分岐された２つの光路にそれぞれ１つずつ、合計３箇所に配置されている。また、各撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、結像レンズ５ｂの焦点位置に対して、光軸方向に異なる距離だけあけて配置されている。具体的には、第１の撮像素子７Ａは、結像レンズ５ｂの焦点位置に精度良く一致する位置に撮像面７ａを配置し、第２の撮像素子７Ｂは、結像レンズ５ｂの焦点位置に対して＋δだけ離れた位置に撮像面７ｂを配置し、第３の撮像素子７Ｃは、結像レンズ５ｂの焦点位置に対して−δだけ離れた位置に撮像面７ｃを配置している。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて試料Ａの観察を行うには、底面に試料Ａを接着させたシャーレ１１をステージ２上に載置し、光源３からの近赤外光を照明光学系４を介して試料Ａに上方から照射し、試料Ａをステージ２の下方に透過した光を対物レンズ５ａおよび結像レンズ５ｂによって集光する。

照明光学系４を介して照射された近赤外光は、略平行光とされてシャーレ１１内の試料Ａに照射される。
試料Ａに照射された近赤外光は試料Ａを透過して集光光学系５により集光され、撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃにより撮影される。これにより、撮影された試料Ａ各部の輝度信号が画像処理部８において処理されて試料Ａの２次元的な画像が形成され、モニタ９に表示される。

ユーザはモニタ９を見ながら図示しない粗動ハンドルおよび微動ハンドルにより、ステージ２を上下動させて、シャーレ１１の底面に存在する試料Ａの所望の（光軸Ｃ方向の）観察位置に、対物レンズ５ａの焦点位置を一致させる。
これにより、所望の観察位置に対して、結像レンズ５ｂの焦点位置を精度良く一致させた１枚の画像と、光軸Ｃに沿う方向にずれた焦点位置による異なる２枚の画像を取得することができ、取得された画像は記憶部１０に記憶される。

したがって、焦点位置を一致させた画像によって鮮明な画像による観察を行うことができ、焦点位置のずれた２枚の画像を用いて、公知の方法により、試料Ａの厚さ寸法を精度よく測定することができる。
その結果、従来、対物レンズ５ａやステージ２を光軸Ｃ方向に移動させることで焦点位置をずらしていた場合と比較して、極めて短時間で精度よく焦点位置を５μｍ程度にずらした画像を撮影することができ、観察作業を容易にすることができる。

また、本実施形態に係る観察装置１によれば、焦点位置のずれた３枚の画像を取得するために、結像レンズ５ｂの焦点位置と撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃの撮像面７ａ，７ｂ，７ｃとの距離をずらしながら撮影を繰り返すことなく、３枚の画像を同時に取得することができる。これにより、短時間内に変化または移動する観察対象の厚さ寸法を精度よく測定することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、結像レンズ５ｂの後段に光路分岐光学系６を配置したが、これに代えて、図２に示されるように、対物レンズ５ａと結像レンズ５ｂとの間に光路分岐光学系６を配置してもよい。このようにすることで、対物レンズ５ａにより略平行光とされた透過光の光路上において光路を分岐することができる。したがって、光路分岐光学系６を構成する各ビームスプリッタ６ａ，６ｂの配置を比較的自由に選択することができる。

また、本実施形態においては、光路分岐光学系６を構成する各ビームスプリッタ６ａ，６ｂの透過率を調節することによって、３つの撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃに到達する透過光の光量が同等となるように設定したが、これに代えて、図３に示されるように、ビームスプリッタ７Ａ後に配置したＮＤフィルタ１２のような減光フィルタによって、３つの撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃに到達する透過光の光量を同等にすることにしてもよい。

例えば、図３に示される例では、第１のビームスプリッタ６ａおよび第２のビームスプリッタ６ｂの透過率をいずれも５０％とし、ＮＤフィルタ１２の減光率を５０％とすることにより、全ての撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃに到達する光量を、等しく試料透過直後の光量の２５％にすることができる。

この場合、透過率の設定は任意でよい。
また、ＮＤフィルタ１２の配置も第１の撮像素子７Ａへの光路に代えて、あるいはこれに加えて、他の１以上の撮像素子７Ｂ，７Ｃへの光路に配置してもよい。

また、ＮＤフィルタ１２を使用することなく、画像処理によって、全ての撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃにより取得された画像信号のレベルを一致させることにしてもよい。この場合、画像信号に含まれる暗ノイズのレベルを一致させる必要があるため、予め暗ノイズのみ取得しておき、撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃにより取得された画像信号から暗ノイズを減算した後に、信号レベルを調節し、その後、再度暗ノイズを加算することにすることが好ましい。

また、３つの撮像素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃにより取得された３枚の画像を試料Ａの厚さ寸法測定に使用するのではなく、その内の２枚の画像のみを厚さ寸法測定に使用する場合には、焦点位置が撮像面７ａに一致する撮像素子７Ａへの透過光の光量のみを他の撮像素子７Ｂ，７Ｃへの透過光の光量に対して異ならせてもよい。すなわち、図１に示す例では、２つのビームスプリッタ６ａ，６ｂの透過率を、例えば、５０％に設定しておくことで、第１の撮像素子７Ａへの透過光の光量を５０％に、第２，第３への撮像素子７Ｂ，７Ｃへの透過光の光量を２５％ずつに設定することにしてもよい。

Ａ 試料（観察対象）
１ 観察装置
３ 光源
４ 照明光学系
５ 集光光学系
５ａ 対物レンズ
５ｂ 結像レンズ
６ 光路分岐光学系（光路分岐手段）
６ａ，６ｂ ビームスプリッタ
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 撮像素子
７ａ，７ｂ，７ｃ 撮像面

Claims (4)

1. 所定の波長の光を出射する光源と、
   該光源から出射された光を観察対象に照射する照明光学系と、
   該照明光学系により観察対象に照射された光の観察対象における透過光を集光する集光光学系と、
   前記透過光を複数の光路に分岐する光路分岐手段と、
   該光路分岐手段により複数の光路に分岐された透過光を撮影する複数の撮像素子とを備え、
   該撮像素子が、前記集光光学系による焦点位置と前記撮像素子の撮像面との距離を光軸方向に異ならせて配置されている観察装置。
2. 前記集光光学系が、観察対象を透過した透過光を集光して略平行光にする対物レンズと、該対物レンズにより集光された透過光を集光して結像させる結像レンズとを備える請求項１に記載の観察装置。
3. 前記光路分岐手段が、前記対物レンズと前記結像レンズとの間に配置されている請求項２に記載の観察装置。
4. 前記光路分岐手段が、分岐される透過光の光量を略均等にする請求項１に記載の観察装置。

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