JP7302676B2 - 顕微鏡、及び細胞培養装置 - Google Patents
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Description
本願は、2019年12月25日に、日本に出願された特願2019-233715号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
対物レンズを多層培養容器の全層に渡って移動させ、全層それぞれに焦点を合わせる方式は時間を要する。また、Maksutov Cassegrain Catadioptric方式を用いた長作動顕微鏡が開発されているが、光軸方向への反射ミラーの移動が必要であり、迅速な焦点距離の変更は難しい。
以下、図面を参照しながら第1の実施形態について詳しく説明する。図1は、本実施形態に係る透過型顕微鏡1の一例を示す図である。透過型顕微鏡1は、複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡である。透過型顕微鏡1は、光源3と、集光レンズ4と、視野絞り5と、開口絞り6と、コンデンサレンズ7と、第1反射鏡8とを有する照明光学系と、対物レンズ10と、光学部材11と、第2反射鏡12と、結像レンズ13とを有する結像光学系とを有する。そして、透過型顕微鏡1は、ステージ9上に載置された多層培養装置2の観察面の像を、撮像装置14により撮影することができる。
撮像装置14は、結像面15を撮像可能な位置に備えられる。撮像装置14によって撮像された観察面Ojの拡大像は、モニター(不図示)によって観察される。
なお、図1に示した顕微鏡では、照明光学系がステージ9の下から照明を行い、対物レンズ10を含む結像光学系がステージ9の上方に設けられているが、ステージに対して照明光学系と結像光学系とを入れ替えた所謂倒立型顕微鏡として構成することが可能であることは言うまでもない。
対物レンズ10と結像レンズ13とからなる透過型顕微鏡1の結像倍率βは、対物レンズ10の焦点距離を焦点距離f1、結像レンズ13の焦点距離を焦点距離f2とすると、下記の式(1)によって与えられる。
この様子を図3に示す。図2と同様に、図3(A)は、培養容器20の10層の中間層を観察するために作動距離WD0の基準位置の状態である。図3(B)は、培養容器20の10層のうちの上層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして負レンズGv1が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD1は、中間層の場合の作動距離WD0よりも大きくなっている。そして、図2(C)は、培養容器20の10層のうちの下層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして正レンズGv2が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD2は、中間層の場合の作動距離WD0よりも小さくなっている。このような構成において、変換レンズGvとしての負レンズGv1も正レンズGv2もそれぞれ、対物レンズ10の後側焦点上、即ち対物レンズの後側焦点面Fの光軸上に配置されるため、上述のとおり、対物レンズ10と変換レンズGvとの合成焦点距離は、一定に維持され、顕微鏡としての倍率は一定に維持される。
本実施形態では、一例として、光学部材11は、ターレットTを備える。ターレットTには、焦点距離が互いに異なる複数のレンズLが収納されている。つまり、光学部材11は、焦点距離が互いに異なる複数のレンズLを備える。
ところが、対物レンズ10の焦点位置は一般には顕微鏡光学系の瞳位置として重要な位置であり、取り分け位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡では、特別な絞りやプリズムなどの光学素子が配置される。このため図3及び図4に示した第2実施形態では、変換レンズGvが対物レンズ10の後側焦点位置(後側焦点面F)に配置されるため、位相差などの特殊な顕微鏡観察を正しく行うことは難しい。
上記の課題を解決する第3実施形態について図5を用いて説明する。図5は第3の実施形態に係る作動距離可変の構成を示す概略光路図である。この光路図においても、図3と同様に、説明を簡単にするために、顕微鏡光学系30には、第1反射鏡8と、第2反射鏡12とは含めないで展開光路図として示されている。図3と同様の機能を有する部材には同一の記号を付している。
このような構成により、変換レンズにより顕微鏡としての結像倍率を一定に維持しつつ作動距離を任意に変えることができる顕微鏡で有りながら、対物レンズ10の後側焦点位置、即ち顕微鏡の像側瞳位置に空間を設けることができ、位相差や微分干渉などの高度な観察が可能となっている。
制御装置40は、例えばコンピュータであり、制御部41を備える。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上に配置されるレンズを切り替えることによって、光学部材11の焦点距離fvを変更する。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上に配置すべきレンズ以外のレンズを光軸31から退避させる。図6では、一例として、複数のレンズLのうちレンズL1-1が光軸31上に配置されている。制御部41は、作動距離変更部の一例である。つまり、制御部41は、光学部材11の焦点距離fvを変更することによって複数の観察面Oのうちの観察面Ojから対物レンズ10までの作動距離WDを変更する。
後段ターレットT2は、複数の収納部H2を備える。後段ターレットT2は、複数の収納部H2として、収納部H2-1、収納部H2-2、収納部H2-3、収納部H2-4、収納部H2-5、及び収納部H2-6を備える。それら複数の収納部H2は、円形に並べられて備えられる。
複数の収納部H1と複数の収納部H2とには、レンズLが収納される収納部と、レンズLが収納されない収納部とがある。ここで複数の収納部に収納される複数のレンズLは、互いに焦点距離が異なる。
後段ターレットT2に備えられる複数の収納部H2のうち、収納部H2-1、収納部H2-2、収納部H2-3、及び収納部H2-4には、互いに合成焦点距離が異なるレンズL2-1、レンズL2-2、レンズL2-3、及びレンズL2-4それぞれ収納される。一方、収納部H2-5及び収納部H2-6には、レンズLは収納されない。
このように、本実施形態では、前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納される複数のレンズLの枚数は、一例として、9枚である。
つまり、前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、制御部41によって制御されて複数のレンズLのうち光軸31上に配置されるレンズを切り替える。前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、レンズ切替部の一例である。つまり、本実施形態では、レンズ切替部とは、ターレットである。
培養容器情報は、例えば、透過型顕微鏡1のユーザが操作部(不図示)から制御装置40に入力される。制御部41は、入力された培養容器情報を取得する。なお、培養容器情報には、培養容器20の各層に対応する観察面Oを観察する所定の順番を示す情報が含まれる。
なお、培養容器20の種類に応じて、ステップS10において前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納されるレンズLが交換されてもよい。
ここで制御部41は、配置するレンズLに応じて、回転駆動部を介して前段ターレットT1を回転させ、かつ回転駆動部を介して後段ターレットT2を回転させ光軸31に配置するレンズLを変更する。
制御部41は、合焦していると判定する場合(ステップS30;YES)、ステップS40の処理を実行する。一方、制御部41は、合焦していないと判定する場合(ステップS30;NO)、ステップS60の処理を実行する。
制御部41は、全ての観察面の撮影が完了したと判定する場合(ステップS50;YES)、制御装置40は、撮像処理を終了する。一方、制御部41は、全ての観察面の撮影が完了していないと判定する場合(ステップS50;NO)、ステップS70の処理を実行する。
以上で、制御装置40は、撮像処理を終了する。
レンズ切替部(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)は、作動距離変更部(本実施形態において、制御部41)によって制御されて複数のレンズ(本実施形態において、複数のレンズL)のうち光軸31上に配置される第2レンズを切り替える。
以下、図面を参照しながら上述した第3実施形態の変形例1について詳しく説明する。本変形例では、透過型顕微鏡がバンドパスフィルターを備えて、撮像画像の画質を向上させる場合について説明をする。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1aといい、透過型顕微鏡1aの光学系を顕微鏡光学系30aという。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1aといい、透過型顕微鏡1aの光学系を顕微鏡光学系30aという。
照明光の入射角度を変化させて撮像された複数の撮像画像を合成して得られる撮像画像では、複数の撮像画像を合成しない場合に比べて、コントラストが高くなる。
以下、図面を参照しながら上述した第3実施形態の変形例の構成について説明する。本変形例では、透過型顕微鏡が位相リングを備えて、位相差観察を行う場合について説明をする。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1bといい、透過型顕微鏡1bの光学系を顕微鏡光学系30bという。
ここで瞳位置の近傍には、瞳位置からずれた場合であっても第2位相リング71bが所定の位相差と透過率特性とを与える範囲が含まれる。照明系内の開口絞り6の位置に備えられる第1位相リング70bと、対物レンズ10の瞳位置に備えられる第2位相リング71bとの共役関係がある程度ずれても、低倍率の場合には位相差観察は可能である。また、図10では簡単のために、2つの位相リング70と位相リング71とをほぼ同じ大きさとして示しているが、互いに共役関係を維持する限りは、倍率に応じて大きさが適宜変わることが必要であることは言うまでもない。
以下、図面を参照しながら本発明の第4の実施形態について説明する。
上記第1、第2及び第3の実施形態では、透過型顕微鏡において、ターレットに収納された複数のレンズのうち光軸上に配置されるレンズを交換することによって、光学部材11の焦点距離(即ち、屈折力)を変更することによって、作動距離WD変更する構成であった。本実施形態では、顕微鏡において、変換レンズとしての光学部材11自体が可変焦点レンズを有し、この可変焦点レンズの焦点距離の変化に応じて作動距離が変更される。
本実施形態に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1cといい、透過型顕微鏡1cの光学系を顕微鏡光学系30cという。
さらに、図11に示した第4実施形態による屈折力可変レンズの構成を、図5及び図6で示した第3実施形態に示した光学部材11と組み合わせることが可能である。この場合、光学部材11による作動距離の切り換えの際に、屈折力可変レンズの屈折力(即ち焦点距離)を僅かに変化させることによって、作動距離の微調節を迅速に行うことが可能となり、より高精度の観察を高速に行うことが可能となる。
なお、上述した変換レンズの切替や可変焦点レンズによる作動距離WDの変更の際に、対物レンズ10の個別の移動を加えることにより、作動距離変更の際の焦点合わせの精度や結像性能を向上することが可能である。
上述した実施形態における顕微鏡を備える細胞培養装置では、観察面Oに応じて作動距離WDを簡便に変更することができるため、複数の観察面Oが積層された培養容器20を簡便に観察することができる。しかも、作動距離WDの変更においても結像倍率を一定に保つことが可能である。
Claims (7)
- 複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡であって、
対物レンズと、
結像レンズと、
前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸上に配置される焦点距離が可変である光学部材と、
前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの第1観察面から第2観察面へ作動距離を変更する作動距離変更部と、
前記作動距離変更部によって制御されるレンズ切替部と、
を備え、
前記光学部材は、光軸の周方向に焦点距離が互いに異なる複数の第1レンズを備え、
前記光学部材は、前記複数の第1レンズを光軸方向の位置が互いに異なる複数の組に分けて備え、
前記複数の第1レンズは、それぞれ前記光軸方向に配置された複数のレンズ要素で構成され、
前記光学部材は、前記培養容器、前記対物レンズ、および前記結像レンズとの前記光軸上の距離が一定に保たれた状態で、前記レンズ切替部が前記複数の第1レンズのうち前記光軸上に配置される第2レンズを切り替えることによって焦点距離が可変であり、
前記レンズ切替部によって前記光軸上に配置される前記第2レンズにおいて、当該第2レンズは前記対物レンズの像側焦点よりも物体側または像側のいずれか一方に配置されており、かつ、前記複数のレンズ要素の合成主点と前記対物レンズの像側焦点とが一致している、
顕微鏡。 - 前記レンズ切替部とは、ターレットである、
請求項1に記載の顕微鏡。 - 前記培養容器を載置するステージと、
前記対物レンズの前記ステージに対する光軸上の相対位置を変更する相対位置変更部とをさらに備える、請求項1または2に記載の顕微鏡。 - 開口絞りの位置に、光軸外の周辺部に開口を有する斜光絞りを備える、
請求項1から3のいずれか1項に記載の顕微鏡。 - 開口絞りの位置と、前記開口絞りの位置と共役な前記対物レンズの瞳位置に位相リングをそれぞれ備える、
請求項1から4のいずれか1項に記載の顕微鏡。 - 開口絞りの位置にバンドパスフィルターまたは遮光板を備える、
請求項1から5のいずれか1項に記載の顕微鏡。 - 複数の観察面が積層された培養容器を観察するための細胞培養装置であって、
対物レンズと、
結像レンズと、
前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸上に配置される焦点距離が可変である光学部材と、
前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの第1観察面から第2観察面へ作動距離を変更する作動距離変更部と、
前記培養容器を載置するステージと、
前記作動距離変更部によって制御されるレンズ切替部と、
を備え、
前記光学部材は、前記光軸の周方向に焦点距離が互いに異なる複数の第1レンズを備え、
前記光学部材は、前記複数の第1レンズを光軸方向の位置が互いに異なる複数の組に分けて備え、
前記複数の第1レンズは、それぞれ前記光軸方向に配置された複数のレンズ要素で構成され、
前記光学部材は、前記培養容器、前記対物レンズ、および前記結像レンズとの前記光軸上の距離が一定に保たれた状態で、前記レンズ切替部が前記複数の第1レンズのうち前記光軸上に配置される第2レンズを切り替えることによって焦点距離が可変であり、
前記レンズ切替部によって前記光軸上に配置される前記第2レンズにおいて、当該第2レンズは前記対物レンズの像側焦点よりも物体側または像側のいずれか一方に配置されており、かつ、前記複数のレンズ要素の合成主点と前記対物レンズの像側焦点とが一致している、
細胞培養装置。
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