JP2015203708A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光の光軸と観察光の光軸とが交差する場合であっても、高いコントラストの標本像を取得することができる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】顕微鏡装置１は、観察対象の標本Ｓから発せられた観察光を取り込む対物レンズ４と、標本を照明するシート状の照明光を、対物レンズの光軸と略直交する軸に沿って出射する照明部８と、照明部が出射したシート状の照明光を折り曲げて、対物レンズの光軸と略平行かつ該光軸とは異なる軸に沿って該照明光を対物レンズに向けて進行させるとともに、対物レンズが取り込んだ観察光を通過させる光学部材５と、光学部材を通過した観察光を受光して撮像する撮像部７と、を備え、対物レンズは、対物レンズの光軸に対して傾斜した軸に沿って照明光を屈折して出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察光軸に対して略交差する方向から照明光を標本に照射し、標本から発生した光を受光して標本像の観察を行う顕微鏡装置に関するものである。

従来、医学や生物学等の分野では、細胞等の観察に、標本を照明して観察する顕微鏡が用いられている。また、工業分野においても、金属組織等の品質管理や、新素材の研究開発、電子デバイスや磁気ヘッドの検査等、種々の用途で顕微鏡が利用されている。顕微鏡による標本の観察としては、接眼レンズなどを用いた目視による観察の他、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子を用いて標本像を撮像し、撮像した画像のモニタ表示による観察が知られている。

近年、顕微鏡において、観察焦点面以外からの外乱光を除去し、コントラストの高い観察像を得るための技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、シート状の照明光を標本に照射するとともに、該照明光の光軸と略直交（交差）する方向の光を観察光として検出することにより、観察像を得る。

特開２０１２−１０８４９１号公報

しかしながら、特許文献１が開示する技術では、細胞を培養する際に用いられるディッシュのようなカップ状の容器に収容された標本の観察を行う場合、照明光の光軸、または観察光の光軸のいずれか一方の光が容器の側面を通過することとなるため、該側面によって光が散乱するなどして、標本を照明することや、標本から発せられる観察光を取得することができず、高いコントラストの標本像を得することができない場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、照明光の光軸と観察光の光軸とが交差する場合であっても、高いコントラストの標本像を取得することができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる顕微鏡装置は、観察対象の標本から発せられた観察光を取り込む対物レンズと、前記標本を照明するシート状の照明光を、前記対物レンズの光軸と略直交する軸に沿って出射する照明部と、前記照明部が出射したシート状の照明光を折り曲げて、前記対物レンズの光軸と略平行かつ該光軸とは異なる軸に沿って該照明光を前記対物レンズに向けて進行させるとともに、前記対物レンズが取り込んだ前記観察光を通過させる光学部材と、前記光学部材を通過した観察光を受光して撮像する撮像部と、を備え、前記対物レンズは、当該対物レンズの光軸に対して傾斜した軸に沿って前記照明光を屈折して出射することを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記照明部は、シリンドリカルレンズを有することを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記照明部は、光ファイバスキャナを有することを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記撮像部は、前記観察光を受光する受光面の法線が該観察光の光軸に対して傾斜していることを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記撮像部の受光面を前記対物レンズの光軸に対して任意の角度に傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記光学部材を通過した観察光を結像する結像レンズと、前記結像レンズを通過した光を反射する光反射部材と、をさらに備え、前記撮像部は、前記光反射部材によって反射された前記観察光を受光することを特徴とする。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、上記の発明において、前記光反射部材の反射面を前記対物レンズの光軸に対して任意の角度に傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、照明光の光軸と観察光の光軸とが交差する場合であっても、高いコントラストの標本像を取得することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、照明光学系を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。 図４は、本実施の形態の変形例１にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図であって、出射機構の構成の他の例を説明する図である。 図５は、本実施の形態の変形例２にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。 図６は、本実施の形態の変形例３にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。 図７は、本実施の形態の変形例４にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

まず、本発明の実施の形態にかかる倒立型の顕微鏡装置について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる顕微鏡装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、顕微鏡装置１は、例えば蛍光色素にて特異的に染色された標本Ｓからの観察光を結像して標本Ｓを観察するための倒立型の顕微鏡であって、顕微鏡装置１の土台をなす本体部２と、標本Ｓを載置するステージ３と、対物レンズ４と、を備える。本実施の形態では、標本Ｓは、ディッシュのようなカップ状の容器１００に保持されている。

本体部２は、凹状をなし、ステージ３、および対物レンズ４を支持する対物レンズ支持部４ａを保持する。対物レンズ支持部４ａは、対物レンズ４の光軸が観察光軸Ｎ１０と一致する位置で対物レンズ４を保持している。本体部２には、顕微鏡装置１全体の制御を行う制御基板が設けられていてもよい。制御基板は、外部からの電源を各部へ中継したり、自身に電源が内蔵され、各部へ中継したりする場合もある。

本体部２は、標本Ｓを照明する照明光を反射し、かつ対物レンズ４が取り込んだ光（観察光）を透過するダイクロイックミラー５（光学部材）を保持するとともに、ダイクロイックミラー５を透過した観察光を結像して像を形成する結像レンズ６と、結像レンズ６により結像された光を受光して光電変換する撮像素子を有する撮像部７と、を内部に備える。撮像部７は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどを用いて実現される。

本体部２は、結像レンズ６が結像した光を分岐するハーフミラー（図示せず）と、ハーフミラーにより分岐された光のうち、一方の光を入射して結像する鏡筒（図示せず）と、鏡筒に取り付けられ、該鏡筒に入射して結像された光により形成される標本Ｓの標本像を目視観察するための双眼部（図示せず）と、をさらに備えてもよい。なお、結像レンズ６が結像した光を分岐した光のうち、他方の光は撮像部７に入射する。

また、本体部２は、標本Ｓを照明する照明光を出射する照明部８が取り付けられている。照明部８は、照明光を出射する光源部８ａと、光源部８ａをダイクロイックミラー５に入射させる投光管８ｂと、からなる。光源部８ａでは、ハロゲンランプなどを光源として用いる。なお、光源はハロゲンランプのほか、レーザダイオードに代えても適用可能である。また、投光管８ｂには、光源部８ａが発した光を伝送してシート状に変換して、該シート状の照明光（シート照明光）を、観察光軸Ｎ１０と略直交する照明光軸Ｎ２０に沿って出射する出射機構８１が設けられている。

光源部８ａが出射する照明光としては、標本Ｓを染色した蛍光色素を励起するための励起光が挙げられ、該蛍光色素の波長帯域に応じた波長帯域の励起光が選択される。励起光の選択は、所定の波長の光を透過するフィルタを用いるものであってもよいし、光源を交換することで照明光の波長を切り替えるものであってもよい。

ダイクロイックミラー５は、照明部８から出射された照明光の波長帯域の光を観察光軸Ｎ１０に沿うように折り曲げるとともに、標本Ｓが発した蛍光の波長帯域の光を透過する。

本実施の形態において、撮像部７は、光を受光する受光面が観察光軸Ｎ１０と直交している。

上述した構成を有する顕微鏡装置１では、照明部８から照明光軸Ｎ２０に沿って進行するシート照明光が、ダイクロイックミラー５により対物レンズ４に向けて折り曲げられて対物レンズ４を介して標本Ｓ（容器１００）を照射する。この際、シート照明光は、観察光軸Ｎ１０に対して傾斜して標本Ｓに入射して標本Ｓを照明する。シート照明光が照射されることによって標本Ｓが発した観察光は、対物レンズ４に取り込まれ、結像レンズ６によって結像されて撮像部７によって光電変換されて電気信号が生成される。撮像部７からの電気信号に基づき生成された画像を表示装置２００で表示することにより、標本像を観察することができる。

図２は、本実施の形態にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、照明光学系を説明する図である。図３は、本実施の形態にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。

出射機構８１は、光源が発した照明光を伝達して放射状の照明光を出射する光ファイバ８１１と、光ファイバ８１１が出射した放射状の照明光を一方向の照明光（平行光）に変換して出射するシリンドリカルレンズ８１２と、を有する。出射機構８１は、シリンドリカルレンズ８１２による照明光の変換によって略シート状をなす光（シート照明光）を照明光として出射する。シート照明光は、光のなすシート面が観察光軸Ｎ１０と直交していることが好ましい。

出射機構８１が出射したシート照明光は、ダイクロイックミラー５に入射する。シート照明光は、ダイクロイックミラー５によって観察光軸Ｎ１０に沿うように（略平行な方向に）折り曲げられ、対物レンズ４に入射する。ここで、ダイクロイックミラー５によって折り曲げられたシート照明光は、観察光軸Ｎ１０と略平行であって、観察光軸Ｎ１０とは異なる軸上を進行する。このため、シート照明光は、対物レンズ４の端部側に入射し、外部に出射される際に屈折して観察光軸Ｎ１０に対して傾斜した軸上を進行する。該屈折により傾斜した軸は、標本Ｓを通過する軸であって、観察光軸Ｎ１０と交差する。また、屈折により傾斜した軸は、容器１００の底面に対する傾斜角度が、容器１００を透過する（界面で全反射しない）角度である。換言すれば、シート照明光は、容器１００の底面で全反射しない角度で入射する。対物レンズ４から出射したシート照明光は、標本Ｓを照射する（図２参照）。

標本Ｓは、例えばシート照明光の照射によって蛍光色素Ｆ１，Ｆ２が励起されることにより、観察光（蛍光）を発する（図４参照）。標本Ｓ（蛍光色素Ｆ１，Ｆ２）から発せられた観察光は、対物レンズ４に取り込まれ、観察光軸Ｎ１０に沿って進行する（図４の実線）。その後、観察光は、ダイクロイックミラー５を透過して、結像レンズ６により結像され、撮像部７に入射する。撮像部７に入射した観察光は、イメージセンサにより光電変換され、標本Ｓの観察像を構成する情報を含む電気信号が生成される。

このように、ダイクロイックミラー５で反射させることにより対物レンズ４の光軸（観察光軸Ｎ１０）からずらした光軸上を進行する照明光を対物レンズ４に入射して、屈折により傾斜した軸上を進行するシート照明光を標本Ｓに入射することで、容器１００の側面による干渉を受けることなく、標本Ｓに照明光を照射するとともに、照明光の照射によって標本Ｓが発した光（観察光）を対物レンズ４に取り込ませることができる。

また、標本Ｓを照明する照明光がシート状をなすため、点光源を用いて標本Ｓを照明する場合と比して一層広範囲に標本Ｓを照明することができる。

上述した本実施の形態によれば、対物レンズ４の光軸（観察光軸Ｎ１０）からずらした光軸上を進行する照明光を対物レンズ４に入射して、屈折により傾斜した軸上を進行するシート照明光を標本Ｓに入射するようにしたので、照明光の光軸と観察光の光軸とが交差する場合であっても、高いコントラストの標本像を取得することができる。

（実施の形態の変形例１）
図４は、本実施の形態の変形例１にかかる顕微鏡システムの要部の構成を示す模式図であって、出射機構の構成の他の例を説明する図である。上述した実施の形態では、出射部１２が、光ファイバ８１１とシリンドリカルレンズ８１２とからなり、光ファイバ８１１が放射状の照明光を出射するものとして説明したが、本変形例１では、光ファイバスキャナからなる出射機構８２を用いる。なお、本変形例１では、光源部８ａがレーザダイオードを有し、線状の照明光が出射されるものとして説明する。

出射機構８２は、光源が発した照明光を伝達して放射状の照明光を出射する光ファイバ８１３と、光ファイバ８１３が出射した線状の照明光を集光して出射する集光レンズ８１４と、光ファイバ８１３に設けられる永久磁石８１５と、永久磁石８１５を介して対向する位置に設けられる電磁コイル８１６ａ，８１６ｂを有し、光ファイバスキャナを構成している。

出射機構８２では、電磁コイル８１６ａ，８１６ｂを通電することによって、光ファイバ８１３を一方向（電磁コイル８１６ａ，８１６ｂの各中心軸を通過する軸方向）に振動させることにより振動面上を進行するシート状の照明光を出射する（例えば、特開２０１３−５４１８５号公報を参照）。出射機構８２は、光ファイバ８１３から出射された照明光を集光レンズ８１４で集光して出射するものとして説明したが、シリンドリカルレンズ８１２を介して出射させるものであってもよいし、シリンドリカルレンズ８１２などのレンズを介さずにダイクロイックミラー５に出射させるものであってもよい。

（実施の形態の変形例２）
図５は、本実施の形態の変形例２にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。上述した実施の形態では、撮像部７の受光面が観察光軸Ｎ１０と直交しているものとして説明したが、本変形例２では、標本Ｓに入射するシート照明光の光軸に応じて、受光面の法線Ｎ３０が対物レンズ４の光軸（観察光軸Ｎ１０）に対して傾斜している。

観察光軸Ｎ１０に対して標本Ｓに入射するシート照明光の光軸が傾斜していると、例えば観察光軸Ｎ１０に対して相対的に異なる位置にある蛍光色素Ｆ１，Ｆ２が発した各蛍光は、結像レンズ６によって結像される結像位置が異なる。このため、撮像部７の受光面上に各結像位置が位置するように、受光面の法線Ｎ３０の観察光軸Ｎ１０に対する角度が調整されることが好ましい。これにより、一段と明確な画像を得ることができる。

なお、撮像部７は、図示しない駆動手段（傾斜手段）により、反射面上の軸であって、観察光軸Ｎ１０を通過し、かつ観察光軸Ｎ１０と直交する軸を回転軸として回転自在に設けられ、照明光の角度や標本Ｓが発する光に応じて受光面を任意の角度に傾斜させるようにしてもよい。駆動手段は、例えば、駆動源であるモータと、モータが発生した動力により撮像部７を回転させる回転部材とを有する。回転部材は、例えばゴニオステージなどを用いて実現され、好ましくは該ゴニオステージの回転中心が観察光軸Ｎ１０上に位置するように配置される。モータは制御部の制御のもとで駆動制御され、例えば、蛍光色素Ｆ１，Ｆ２からの蛍光をそれぞれ合焦処理し、各蛍光が合焦する受光面の角度を算出して、受光面が算出された角度となるように撮像部７を回転させる。

（実施の形態の変形例３）
図６は、本実施の形態の変形例３にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。上述した実施の形態では、撮像部７の受光面が観察光軸Ｎ１０上にあるものとして説明したが、本変形例３では、観察光軸Ｎ１０から外れた位置に撮像部７が設けられる。

本変形例３では、撮像部７に観察光を入射させる手段として、結像レンズ６より先の光路上に設けられ、結像レンズ６を通過した光を反射する反射ミラー９が設けられる。反射ミラー９により、観察光軸Ｎ１０から外れた位置に設けられた撮像部７に観察光（結像された光）を入射することができる。これにより、本体部２内において撮像部７の配設位置が限られ、観察光軸Ｎ１０上に配置できない場合や、撮像部７を回転できない場合であっても、本体部２の形状を変えることなく観察光を撮像部７に入射させることができる。

また、変形例３において、上述した変形例２のように結像レンズ６によって結像される結像位置が異なる（複数の結像位置が観察光軸Ｎ１０と直交する一つの直線上にない）場合は、反射面上の軸であって、観察光軸Ｎ１０を通過し、かつ観察光軸Ｎ１０と直交する軸を回転軸として反射ミラー９を回転させることによって、撮像部７の受光面と反射ミラー９の反射面との相対位置を変化させてもよい。反射ミラー９の反射面を対物レンズ４の光軸に対して任意の角度に傾斜させることによって、結像される結像位置が異なる場合や異なる標本Ｓにおいて結像位置が変化した場合であっても明確な画像を得ることができる。なお、駆動手段は、例えば、上述したようなモータおよび回転部材を有し、制御部による制御のもとで駆動する。回転部材としてゴニオステージを用いる場合、該ゴニオステージの回転中心が撮像部７の受光面上に位置するように配置されることが好ましい。

（実施の形態の変形例４）
図７は、本実施の形態の変形例４にかかる顕微鏡装置の要部の構成を示す模式図であって、観察光学系を説明する図である。上述した変形例３では、反射ミラー９を有するものとして説明したが、本変形例４では、反射ミラー９に代えて形状可変ミラー１０が設けられる。

形状可変ミラー１０は、独立して表面を変形（傾斜）させることが可能な複数の可変部１０ａを有し、例えばマトリックス状に複数の可変部１０ａを配列してなる。形状可変ミラー１０では、図示しない制御機構の制御のもと、各可変部１０ａを駆動して各々の角度を調整することによって、光の反射角を変化させることができる。これにより、上述したような反射ミラー９全体を回転させることなく、可変部１０ａを個別に駆動することによって複数の蛍光の結像位置を調整することができる。

なお、上述した実施の形態では、容器１００が標本Ｓのみを収容しているものとして説明したが、培養液や水（生理食塩水）などをさらに収容しているものであってもよい。この場合、液体の屈折率により標本Ｓに入射するシート照明光の光軸の傾斜角度を調整することが好ましい。

また、上述した実施の形態では、ダイクロイックミラー５を用いるものとして説明したが、ダイクロイックミラー５に代えて、照明部８が出射した照明光を対物レンズ４に向けて折り曲げるミラーを光学部材として用いるものであってもよい。

上述した実施の形態は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、実施の形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。

１ 顕微鏡装置
２ 本体部
３ ステージ
４ 対物レンズ
５ ダイクロイックミラー
６ 結像レンズ
７ 撮像部
８ 照明部
９ 反射ミラー
１０ 形状可変ミラー
１０ａ 可変部
８１１，８１３ 光ファイバ
８１２ シリンドリカルレンズ
８１４ 集光レンズ
８１５ 永久磁石
８１６ａ，８１６ｂ 電磁コイル

Claims (7)

1. 観察対象の標本から発せられた観察光を取り込む対物レンズと、
   前記標本を照明するシート状の照明光を、前記対物レンズの光軸と略直交する軸に沿って出射する照明部と、
   前記照明部が出射したシート状の照明光を折り曲げて、前記対物レンズの光軸と略平行かつ該光軸とは異なる軸に沿って該照明光を前記対物レンズに向けて進行させるとともに、前記対物レンズが取り込んだ前記観察光を通過させる光学部材と、
   前記光学部材を通過した観察光を受光して撮像する撮像部と、
   を備え、
   前記対物レンズは、当該対物レンズの光軸に対して傾斜した軸に沿って前記照明光を屈折して出射することを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記照明部は、シリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記照明部は、光ファイバスキャナを有することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
4. 前記撮像部は、前記観察光を受光する受光面の法線が該観察光の光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の顕微鏡装置。
5. 前記撮像部の受光面を前記対物レンズの光軸に対して任意の角度に傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の顕微鏡装置。
6. 前記光学部材を通過した観察光を結像する結像レンズと、
   前記結像レンズを通過した光を反射する光反射部材と、
   をさらに備え、
   前記撮像部は、前記光反射部材によって反射された前記観察光を受光することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の顕微鏡装置。
7. 前記光反射部材の反射面を前記対物レンズの光軸に対して任意の角度に傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡装置。

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