(57)【要約】【課題】本発明の目的は、マーカが観察用カメラに映り込むことなく、かつマーカの存在によって生体情報が失われることのない、生体観察装置、生体観察装置の制御方法および生体観察方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、生体の観察部位およびマーカに光を照射する照明手段と、前記生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、前記マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段とを具備する、生体観察装置を提供する。【選択図】図１
2010014968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と
を具備する、生体観察装置。
【請求項２】
生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、
検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段と
を具備する、生体観察装置。
【請求項３】
前記調節手段が、観察光学系の開口数を調節可能な第１の調節手段と、検出光学系の開口数を調節可能な第２の調節手段とで構成されている、請求項２に記載の生体観察装置。
【請求項４】
前記第１の調節手段が、前記観察用撮像手段のための第１の絞り部材で構成され、前記第２の調節手段が、前記振動検出用撮像手段のための第２の絞り部材で構成されている、請求項３に記載の生体観察装置。
【請求項５】
前記生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
前記マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、
前記生体の観察部位およびマーカに光を照射する、前記観察用撮像手段のための第１の照明手段と、
前記生体の観察部位およびマーカに光を照射する、前記振動検出用撮像手段のための第２の照明手段と、
検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段と
を具備する、生体観察装置。
【請求項６】
前記調節手段が、観察光学系の開口数を調節可能な第１の調節手段と、検出光学系の開口数を調節可能な第２の調節手段とで構成されている、請求項５に記載の生体観察装置。
【請求項７】
前記第１の調節手段が、前記観察用撮像手段のための第１の絞り部材および／または前記第１の照明手段のための第３の絞り部材で構成され、
前記第２の調節手段が、前記振動検出用撮像手段のための第２の絞り部材および／または前記第２の照明手段のための第４の絞り部材で構成されている、請求項６に記載の生体観察装置。
【請求項８】
生体の観察部位およびマーカに光を照射する照明手段と、
前記生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
前記マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、
前記照明手段から照射された光を、前記観察用撮像手段のための第１の光と、前記振動検出用撮像手段のための第２の光に分岐させる光学系と、
検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段と
を具備する、生体観察装置。
【請求項９】
前記調節手段が、観察光学系の開口数を調節可能な第１の調節手段と、検出光学系の開口数を調節可能な第２の調節手段とで構成されている、請求項８に記載の生体観察装置。
【請求項１０】
前記第１の調節手段が、前記観察用撮像手段のための第１の絞り部材および／または前記第１の光のための第５の絞り部材で構成され、
前記第２の調節手段が、前記振動検出用撮像手段のための第２の絞り部材および／または前記第２の光のための第６の絞り部材で構成されている、請求項９に記載の生体観察装置。
【請求項１１】
前記マーカ付与手段が、スタビライザで構成され、
前記スタビライザが、対物レンズ挿入口を備えた筒部材と、前記筒部材に分離可能に構成され、前記生体の振動のうち光軸方向への振動を抑制し、かつ光軸に垂直な方向への移動を許容する可動部材と、前記可動部材の先端部に位置して生体接触面を有し、前記生体接触面から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して１以上の前記マーカが付与された透明部材と、を具備する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の生体観察装置。
【請求項１２】
前記マーカ付与手段が、カバーガラスで構成され、
前記カバーガラスが、生体接触面から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して１以上の前記マーカが付与された透明部材により構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の生体観察装置。
【請求項１３】
前記生体の観察部位からマーカまでの距離Zmが、
【数１】
2010014968.tif 000006
a:マーカの位置での光束の直径／マーカの直径
NAo: 観察光学系の開口数
D: マーカの直径
n: 生体の観察部位とマーカとの間の媒質の屈折率
によって決定される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の生体観察装置。
【請求項１４】
生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、
検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段と
を具備する、生体観察装置の制御方法であって、
観察光学系の開口数と比較して低く設定された検出光学系の開口数によって、前記観察用撮像手段が生体に合焦されたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光を結像させる工程と、
生体の所定の位置に配置され、かつ生体の振動に追従したマーカの移動を、前記振動検出用撮像手段および制御手段により、前記マーカの変位ベクトルに変換する工程と、
前記変位ベクトルに応じて前記対物レンズ駆動手段を並進移動させる工程と、
前記観察用撮像手段によって撮像された生体の観察画像を表示する工程と
を含む、生体観察装置の制御方法。
【請求項１５】
生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、
マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、
前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、
前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、
前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、
検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段と
を具備する、生体観察装置を使用した生体観察方法であって、
検出光学系の開口数を、観察光学系の開口数と比較して低く設定する工程と、
前記マーカ付与手段を生体（但し、ヒトを除く）に接触させる工程と、
前記観察用撮像手段を前記生体に合焦させる工程と、
生体の所定の位置に配置され、かつ生体の振動に追従したマーカの移動を、前記振動検出用撮像手段および制御手段により、前記マーカの変位ベクトルに変換する工程と、
前記変位ベクトルに応じて前記対物レンズ駆動手段を並進移動させる工程と、
前記観察用撮像手段によって生体の観察画像を得る工程と
を含む、生体観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体振動による像ブレを抑制する生体振動抑制機能を備えた生体観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体機能の解析や病理解明などのため、生体を観察する手法に関心が集まってきている。しかし、生体は生きているがゆえに呼吸や拍動・脈動による振動を有している。この振動は観察像をブレさせるなど、観察を阻害する要因として非常に大きな問題である。
【０００３】
像ブレを抑制する技術として、第１に、生体を物理的に押圧し、観察範囲における生体の振動そのものを抑制する技術が開発されている（特許文献１）。特許文献１では、振動している生体をスタビライザで物理的に押圧し、スタビライザ内側に配置される観察範囲の振動そのものを抑制することによって、像ブレの少ない鮮明な画像を得ることができる。
【０００４】
像ブレを抑制する技術として、第２に、生体の振動そのものを抑制するのではなく、逆に対物レンズを生体の振動に追従させて、像ブレを抑制する技術が開発されている（特許文献２）。特許文献２では、対物レンズを生体振動に追従させるために、振動検出用カメラ、制御装置および対物レンズ駆動装置を設けている。前記振動検出用カメラによって撮像された画像情報を前記制御装置によって演算処理し、生体振動の変位量をデータ化する。この変位量を応じて前記対物レンズ駆動装置を駆動させることにより、対物レンズを生体振動に追従させる。
【０００５】
対物レンズを生体の振動に追従させるためには、生体の位置情報をリアルタイムに正確に取得する必要がある。その一案として、生体に蛍光色素のような高輝度のマーカを付与し、このマーカから位置情報を取得する方法が提案されている（非特許文献１）。明るいマーカは、振動検出用カメラのフレームシフト（FPS）を高く設定して各撮像の露出時間を短くしてもその位置情報が失われない。
【特許文献１】特開２００７−２７９３８８
【特許文献２】特開２００７−１８７８１０
【非特許文献１】Official journal of the Society for Molecular Imaging、2006年8月21日、198-240頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来、マーカが生体に直接付与されていたため、観察カメラにマーカが映り込んでしまうという問題があった。例えば、マーカと観察像を波長によって分離し、マーカからの光を観察用カメラに入射しないように構成した場合、マーカからの光は遮断できるものの、マーカが存在する部位の生体情報も失われてしまう。所望の観察部位にマーカが存在すると、所望の観察部位の生体情報を得ることができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、マーカが観察用カメラに映り込むことなく、かつマーカの存在によって生体情報が失われることのない、生体観察装置、生体観察装置の制御方法および生体観察方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、鋭意研究の結果、マーカ付与手段を生体観察装置に新たに設け、マーカを、生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することによって上記課題を解決するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段とを具備する、生体観察装置を提供する。
【００１０】
また、本発明は、生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段とを具備する、生体観察装置を提供する。
【００１１】
さらにまた、本発明は、生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段とを具備する、生体観察装置の制御方法であって、観察光学系の開口数と比較して低く設定された検出光学系の開口数によって、前記観察用撮像手段が生体に合焦されたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光を結像させる工程と、生体の所定の位置に配置され、かつ生体の振動に追従したマーカの移動を、前記振動検出用撮像手段および制御手段により、前記マーカの変位ベクトルに変換する工程と、前記変位ベクトルに応じて前記対物レンズ駆動手段を並進移動させる工程と、前記観察用撮像手段によって撮像された生体の観察画像を表示する工程とを含む、生体観察装置の制御方法を提供する。
【００１２】
さらにまた、本発明は、生体の観察像を結像する観察用撮像手段と、マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるマーカ付与手段と、前記マーカからの光を結像する振動検出用撮像手段と、前記振動検出用撮像手段によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段と、検出光学系の開口数が、観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、前記振動検出用撮像手段の焦点深度が深くなり、前記観察用撮像手段を生体に合焦させたときに前記振動検出用撮像手段にマーカからの光が結像されることを可能にする調節手段とを具備する、生体観察装置を使用した生体観察方法であって、検出光学系の開口数を、観察光学系の開口数と比較して低く設定する工程と、前記マーカ付与手段を生体（但し、ヒトを除く）に接触させる工程と、前記観察用撮像手段を前記生体に合焦させる工程と、生体の所定の位置に配置され、かつ生体の振動に追従したマーカの移動を、前記振動検出用撮像手段および制御手段により、前記マーカの変位ベクトルに変換する工程と、前記変位ベクトルに応じて前記対物レンズ駆動手段を並進移動させる工程と、前記観察用撮像手段によって生体の観察画像を得る工程とを含む、生体観察方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、マーカが観察用カメラに映り込むことなく、かつマーカの存在によって生体情報が失われることのない、生体観察装置、生体観察装置の制御方法および生体観察方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、本発明の構成を詳細に説明するために例示的に示したものに過ぎない。従って、本発明は、以下の各実施形態に記載された説明に基づいて限定解釈されるべきではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内にある限り、以下の各実施形態の種々の変形、改良形態を含む全ての実施形態が含まれる。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１
図１は、第１の実施形態における生体観察装置100の模式図である。本発明の生体観察装置100は、試料Ａの観察部位およびマーカ９に光を照射する照明手段150と、前記生体の観察像を結像する高感度カメラ110と、前記マーカを、前記生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離して配置することができるスタビライザ１と、前記マーカ９からの光を結像する高速度カメラ120と、前記高速度カメラ120によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出する制御手段130と、前記変位ベクトルに応じて駆動可能な対物レンズ駆動手段140とを具備する、顕微鏡装置である。なお、本発明は、明視野（透過光、反射光、干渉光等）観察や暗視野観察（蛍光、発光）に適用できるので、照明手段150は無くてもよい。
【００１６】
前記マーカ付与手段は、例えばスタビライザ１によって構成され、スタビライザ１はアーム部を介して昇降機構に接続され、該昇降機構が生体観察装置本体に接続されている。スタビライザ１はステージ101上に静置された試料Ａを上方から押し付ける。ステージ101は、除振台103上に設置され、照準つまみ102によって移動調節することができる。
【００１７】
試料Ａは、実際に生きている生体であり、例えば、実験小動物の各種組織（例えば、上皮組織、結合組織、筋組織および神経組織）および上記各種組織で構成された臓器（例えば、心臓、脳、肝臓、胃）を観察対象とする。所望の観察部位は、予め蛍光色素ないしＧＦＰにより標識しておくこととし、通常の外科的手法により外界に露出させる。スタビライザ１は、生体の振動のうち光軸方向（Z軸方向）への振動を抑制し、かつ光軸に垂直な方向（X、Y軸方向）への移動を許容する可動部材を備えているため、スタビライザ１に上方から押し付けられた試料Ａは、Z軸方向への振動は抑制されるものの、X、Y軸方向への振動は抑制されない。
【００１８】
前記観察用撮像手段は、例えば高感度カメラ110によって構成され、試料Ａの精細な観察画像を撮像する。撮像された画像データはPC 111に送信され、モニタ112に表示される。
【００１９】
前記振動検出用撮像手段は、例えば高速度カメラ120によって構成され、マーカ９を撮像する。
【００２０】
制御手段130は、高速度カメラ120によって撮像された画像からマーカの変位ベクトルを算出し、この算出された変位ベクトルに応じて対物レンズ駆動手段140を駆動させる位置制御演算装置である。
【００２１】
対物レンズ駆動手段は、例えば、前記変位ベクトルに応じて駆動可能なXYステージ140によって構成され、XYステージ140には対物レンズ10が取り付けられている。スタビライザ１によって光軸方向（Z軸方向）への試料Ａの振動が抑制されるので、算出される変位ベクトルは（X,Y）で表わされる２次元ベクトルである。従って、対物レンズ駆動手段140はXY平面方向へ駆動可能であれば足り、Z方向への駆動系を備えている必要はない。その他、対物レンズ駆動手段140は、レボルバーおよび昇降機構に取り付けられ、対物レンズの変更、交換および昇降が可能となっている。なお、この昇降機構はスタビライザ１が接続された昇降機構とは別個独立したものである。
【００２２】
マーカ付与手段として、スタビライザ１の代わりにカバーガラスを使用してもよい。カバーガラスは生体観察装置とは分離独立した部材であり、カバーガラス上面（生体非接触面）に蛍光や化学発光等の高輝度の光を発生し得るマーカが付与されている。カバーガラスをマーカ付与手段として用いた場合、生体の振動はZ軸方向にも展開されるので、制御手段130によって算出される変位ベクトルは（X,Y,Z）で表される３次元ベクトルである。従って、対物レンズ駆動手段140は、XYZで規定される３次元空間の任意の位置に駆動可能である必要がある。
【００２３】
第１の実施形態において、光学系は、例えば、ダイクロイックミラー（Dichroic Mirror; 以下、DMなどという）および励起フィルタ（Excitation Filter; 以下、EXフィルタなどという）により構成される。
【００２４】
例えば、ランプ150によって照射された光は、EXフィルタ160を介してDM1 170へ入射し、DM1 170によってDM2 180側へ反射される。その後、光はDM2 180によって対物レンズ10側へ反射され、対物レンズ10を介して試料Ａに照射される。
【００２５】
次に、試料Ａからの蛍光／反射光は、対物レンズ10を介してDM2 180に入射し、DM2 180によってDM1 170側へ反射され、DM1 170を透過した後、高感度カメラ110に入射する。
【００２６】
一方、マーカ９からの蛍光は、対物レンズ10およびDM2 180を透過した後、高速度カメラ120に入射する。なお、マーカとして化学発光のような励起光を必要としない色素等を用いる場合には、専ら生体観察に適した波長の光を照明光または励起光として用いればよい。
【００２７】
第１の実施形態では、マーカ９が、生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離れて配置されているので、高感度カメラ110の焦点を生体試料Ａに合わせたときに、マーカ９が高感度カメラ110に映り込むことはない。従って、第１の実施形態における生体観察装置は、振動する生体において、マーカの映り込みのないクリアな生体画像を高感度カメラ（観察用カメラ）によって連続的に撮像することができる。
【００２８】
一般に、マーカは生体と比較して非常に明るく、像における映り込みの影響は非常に大きく（スミア現象、ブルーミング現象）、生体観察における深刻な問題の１つであった。観察画像へのマーカの映り込みの問題を解決することに成功した本発明の生体観察装置は、振動する生体のリアルタイムな観察において極めて高い技術的意義を有する。
【００２９】
ここで、高感度カメラ110へのマーカ９の映り込みを防止するためには、前記生体の観察部位からマーカまでの距離Zmが、以下の不等式で示される距離だけ離れている必要がある。
【００３０】
【数１】
2010014968.tif 000003
【００３１】
a:マーカの位置での光束の直径／マーカの直径
NAo: 観察光学系の開口数
D: マーカの直径
n: 生体の観察部位とマーカとの間の媒質の屈折率。
【００３２】
例えば、a＝4、NAo＝0.5、D＝10μm、n＝1.5のとき、マーカ９が試料Ａの観察部位から光軸方向に向かって60μm以上離れていれば、高感度カメラ110の焦点を生体の観察部位に合わせたとき、高感度カメラ110によって撮像された画像にマーカ９が映り込むことはない。
【００３３】
前記距離Zmは、式１（数１）から明らかなように、基本的には観察光学系の開口数によって決定される距離である。ここで、観察光学系の開口数とは、観察光学系の開口数を変えることができる観察光学系の種々の手段、例えば、観察用撮像手段、照明手段および光学系によって規定される開口数を意味する。なお、開口数（numerical aperture； 以下、NAなどという）とは、対物レンズの解像力の尺度であり、対物レンズ前面にある媒質の屈折率と、対物レンズに入射するもっとも外側の光線と光軸のなす角の正弦との積によって表わされる。
【００３４】
前記距離Zmは、マーカ付与手段によってもたらされる。例えば、マーカ付与手段がスタビライザで構成されている場合、スタビライザの先端部に取り付けられた透明部材の厚みがこの距離に相当する。また、マーカ付与手段がカバーガラスで構成されている場合、カバーガラスの厚みがこの距離に相当する。
【００３５】
なお、第１の実施形態では、マーカ９が、生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離れて配置されているため、高速度カメラ120の焦点をマーカ９側に合わせ直す作業が必要になる。すなわち、高感度カメラ110の焦点を試料Ａに合わせると、一般に高感度カメラ110に連動して焦点距離が調節される高速度カメラ120の焦点もまた試料Ａに合うので、高速度カメラ120の焦点をマーカ９に合わせ直す必要がある。
【００３６】
＜スタビライザの構造＞
図２
図２は、スタビライザ１の外観を示す斜視図である。スタビライザ１は、上部材３および下部材４により構成された筒部材２と、可動部材５と、透明部材６により構成されている。上部材３はアーム部７を有し、アーム部７は昇降機構８に上下動可能に取り付けられている。昇降機構８は、生態観察装置100本体に取り付けられている。アーム部７は全方向への移動が可能な多関節アーム等にしてもよく、また昇降機構８に平面方向への移動可能な機構をもたせることによって生体試料を的確に押さえ付けることができる。
【００３７】
透明部材６にはマーカ９が付与されている。マーカ９は透明部材６のうち、対物ユニット９の観察範囲Bの範囲内に付与されていればよい。また、マーカ９は透明部材６の生体非接触面６ｂ側に付与され、透明部材６の厚みが、生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離となる。
【００３８】
試料Ａを観察するとき、先ず、実験小動物等の外皮Ｄを切開して、臓器等の試料Ａを露出させる。そして、昇降機構８を作動させてスタビライザ１を下降させ、透明部材６の接触面６aを試料Ａの上面に接触させる。
【００３９】
このとき、スタビライザ１を、生体接触面６aが試料Ａを所定の圧力で押圧するまで下降させ、その位置でスタビライザ１を固定する。試料Ａは、接触面６aによる上方からの押圧力により、光軸Cの方向（Z軸方向）への振動が抑制される。一方、可動部材５は、光軸Cに垂直な方向（X、Y軸方向）への移動が許容されているので、X、Y軸方向への生体の振動は抑制されない。接触面６aが試料Ａを押圧した状態で試料Ａが光軸Cに垂直な方向（X、Y軸方向）に振動すると、可動部材５は試料Ａの振動と連動して可動するので、マーカ９の位置が当初の試料Ａの位置からずれることはない。従って、マーカ９は、試料Ａの振動にかかわらず、試料Ａの特定の位置を常に示し続けることができる。
【００４０】
この状態で対物レンズ10を筒部材２の内空に降下させ、試料Ａに焦点を合わせる。対物レンズ10で捉えたマーカ９の光は、振動検出用撮像手段（高速度カメラ120）によって撮像され、該撮像された画像からマーカの変位ベクトルが制御手段130によって算出される。そして、制御手段130は、この変位ベクトルに応じて対物レンズ10を駆動する。従って、生体の振動に追従して移動するマーカ9の動きに合わせて対物レンズ10も動くので、像ブレが起きず、常に鮮明な画像を得ることができる。
【００４１】
図３
図３は、図２の線Ｂ-Ｂに沿った断面の斜視図である。上部材３の凹部に下部材４を接合し、狭持部１２を有する筒部材２が形成される。一方、可動部材５は突起部（フランジ１１）を備える。そして、可動部材５のフランジ１１が狭持部１２に狭持されることによって可動部材５が筒部材２に担持される。筒部材２は、対物レンズ10を挿入するための内空を有していればよく、その形状に特に制限はない。また、筒部材２を構成する上部材３および下部材４の材質に特に制限はなく、例えば、樹脂材料および金属材料の中から適宜選択される。
【００４２】
可動部材５は、摺動性を有する弾性部材、例えばプラスチックフィルム等の樹脂材料により構成され、その胴部は指圧により変形させることができる。可動部材５を指圧して押し潰すように変形させ、この状態で筒部材２の下方向から可動部材５を挿入する。このとき、可動部材５のフランジ１１が狭持部１２に入るように回転方向を合わせて差し込むとよい。ここで、指を離すと、可動部材５はそれ自体の弾性により元の形状に復帰し、フランジ１１が狭持部１２に入り込んで可動部材５が筒部材２に担持される。下部材４の外側下面に狭持部１２の方向を示す印をつけておくと入れやすい。
【００４３】
可動部材５には、可動部材５の上部にスリット１３を設けてもよい。スリット１３を設けることによって、可動部材５の胴部の変形をより容易にすることができる。
【００４４】
また、可動部材５は、容易に取り外すことができるので、可動部材５を交換もしくは洗浄することによって、生体試料間のコンタミネーションを防止することができる。さらに、カバーガラスの汚れによる観察像の劣化を防ぐことができる。
【００４５】
狭持部１２は、可動部材５のフランジ１１の対応する箇所に設けられる必要があるが、必要に応じてさらに多くの狭持部１２を筒部材２内に設けてもよい。例えば、一対のフランジ１１を備える可動部材５に対して、４つの狭持部１２を筒部材２内に設けることにより、可動部材５の挿入時に、可動部材５のフランジ１１がどの方向に向いている場合であっても、容易に狭持部１２内にフランジ１１を挿入することができる。
【００４６】
狭持部１２の上面および下面には、それぞれ狭持部材１２aおよび１２ｂが貼り付けられ、フランジ１１の光軸Ｃに垂直な方向（X、Y軸方向）への移動を許容する。狭持部材には、フランジ１１のX、Y軸方向への移動を許容する本願出願時に公知の全ての狭持部材が含まれるが、特に好ましくは、摺動部材、ボールおよび板バネからなる群より選択された任意の組み合わせから構成される。図４では、狭持部材１２aおよび１２ｂは、例示的にいずれも摺動部材で構成されている。摺動部材としては、樹脂材料、例えばフッ素樹脂などが好ましい。なお、上部材３および下部材４自体が摺動部材で構成されていてもよい。
【００４７】
フランジ１１は、摺動部材１２aおよび１２ｂの間でX、Y軸方向への移動が許容される。生体の振動に追従する可動部材５のX、Y軸方向への移動は、フランジ１１の摺動作用によりもたらされる。
【００４８】
図４
図４は、図２の線Ｂ-Ｂに沿った断面図である。フランジ１１は、可動部材５が狭持部１２から外れないような寸法を有する。すなわち、一端のフランジ１１aが最端に振れたときに他端のフランジ１１bが狭持部１２に担持されている必要がある。具体的には、400μmの振動が推定される生体を観察する場合、例えば、筒部材２の内径を可動部材５の外径よりも１mm大きく設計し、かつ狭持部１２の内径をフランジ１１の外径よりも上記と同様１mm大きく設計することによって、中心軸に設置された可動部材５には前後左右に500μmの可動空間が与えられる。このとき、フランジ１１の外径を、可動部材５の胴部の外径よりも４mm大きく設計すれば（すなわち、全長４mmの突起部）、可動部材５が狭持部１２から外れることはなく、さらに上部材３または下部材４に引っかかって摺動性が損なわれることもない。
【００４９】
マーカ９は、対物レンズ１０の観察範囲Ｂ（より具体的には、高速度カメラの視野内）に入ればいずれの位置に配置されてもよい。例えば、マーカを視野中央に配置してもよいし、あるいは観察視野から外れた位置に配置してもよい。また、生体の動きや可動部材の初期位置にかかわらず、必ず高速度カメラの視野に入るように、マーカ９を複数配置してもよい。さらにまた、マーカ９は、透明部材６の生体非接触面６ｂ側に付与される。マーカ９の種類および形状等に制限はなく、本願出願時に公知の全てのマーカが含まれる。例えば、マーカ９は、透明部材６上に円形にプリントされた蛍光塗料であり、あるいは十字型に鍍金された反射材料である。マーカ９は内面６b側に付与されているので、マーカ９が生体に接触することはなく、マーカの素材は生体適合性を考慮することなく自由に選択することができる。
【００５０】
図５
図５は、可動部材５の斜視図である。１対のフランジ１１aおよび１１bが可動部材５の円筒本体部に設けられている。フランジ１１の形状および数に特に制限はないが、押しつぶしが容易で筒部材２への挿入が容易なように、同図に示すように、１対のフランジ１１aおよび１１bを円筒円周上で互いに向かい合うように設けるのが好ましい。また任意的に、可動部材５をより容易に押し潰すことができるように円筒円周枠上にスリット１３を設けてもよい。スリット１３の形状および数に特に制限はないが、１対のスリットを互いに向かい合うように設けるのが好ましい。なお、スリット１３を設けると、変形が容易になる分、可動部材５の円筒胴部の厚みをある程度厚くすることができる。可動部材５の円筒胴部の厚みを薄くすれば当然容易に変形可能となるが、その分不可逆的変形を起こしやすくなる。スリット１３を設けて可動部材５の円筒胴部にある程度の厚みをもたせ、可動部材５の不可逆的変形を防止しつつ、スリット１３の効果により、同時に変形容易性を実現することができる。
【００５１】
可動部材５の先端部には透明部材６が取り付けられている。透明部材６は、光学的に透明な部材であればよく、例えば、カバーガラスなどで構成される。ガラスは生体との密着性がよく、生体の振動に従った可動部材５の併進運動を可能にする。透明部材６の表面上には少なくとも１つのマーカ９が付与されている。透明部材６は可動部材５の内空に内接するようにはめ込んで固定することができる。このとき、可動部材５の内空には、例えば図示しない突起部を設けておき、可動部５の内空にはめ込んだ透明部材６が固定されるような構造としてもよい。また、透明部材６を可動部材５の円筒円周枠上に貼り付け固定してもよい。その他、可動部材５の先端部が分離可能な部材で構成され、該先端部と一体になった透明部材６を可動部材５と合体してもよい。
【００５２】
＜カバーガラスの構成＞
図６
図６は、カバーガラス20の外観を示す斜視図である。カバーガラス20は、試料Ａの観察部位上に載置される。カバーガラス20は、スタビライザ１とは異なり生体の光軸方向（Z軸方向）への生体の振動を許容するので、生体は３次元空間座標（X,Y,Z）上を振動する。従って、制御手段130によって算出される変位ベクトルは（X,Y,Z）で表される３次元ベクトルであり、対物レンズ駆動手段は、XYZステージで構成される必要がある。XYZステージとは、３次元空間座標（X,Y,Z）で表される空間の所望の位置に対物レンズを駆動可能なステージを意味する。
【００５３】
カバーガラス20には、生体非接触面側にマーカ９が付与されている。マーカ９と生体の観察部位Ｅとの間の距離Zmは、観察光学系の開口数によって決定される距離であり、その距離は、カバーガラスの厚みによって制御される。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る生体観察装置100は、図１に示す第１の実施形態に係る生体観察装置100に加えて、さらに観察光学系の開口数を調節する第１の調節手段と、検出光学系の開口数を調節する第２の調節手段とを具備する。
【００５５】
ここで、検出光学系の開口数（NA）とは、検出光学系の開口数を変えることができる検出光学系の種々の手段、例えば、振動検出用撮像手段、照明手段および光学系によって規定される開口数を意味する。一方、観察光学系の開口数（NA）とは、上述したように、観察光学系の開口数を変えることができる観察光学系の種々の手段、例えば、観察用撮像手段、照明手段および光学系によって規定される開口数を意味する。
【００５６】
第２の実施形態における生体観察装置100では、第１の調節手段が、観察用撮像手段（高感度カメラ110）のための第１の絞り部材で構成され、第２の調節手段が、振動検出用撮像手段（高速度カメラ120）のための第２の絞り部材で構成されている。絞り部材（diaphragm; 以下、DPなどという）は、対物レンズへの入射光の光幅を狭めたり、あるいは生体からの反射光の光幅を狭めることによってNAを小さくすることができる。
【００５７】
高感度カメラ110に近接して設けられた第１の絞り部材DP1 183は、観察用撮像手段、すなわち高感度カメラ110のNAを調節する役割を果たす。一方、高速度カメラ120に近接して設けられた第２の絞り部材DP2 184は、振動検出用撮像手段、すなわち高速度カメラ120のNAを調節する役割を果たす。なお、絞り部材を使用する代わりに、各カメラの結像レンズの曲率を調節することによって各カメラのNAを調節してもよい。
【００５８】
第２の実施形態に係る生体観察装置100は、絞り部材DP1 183およびDP2 184によって、検出光学系の開口数が観察光学系の開口数と比較して低く設定されることにより、高速度カメラ120の焦点深度が深くなるので、高感度カメラ110の焦点を試料Ａに合わせたときに、同時に高速度カメラ120の焦点が試料Ａのみならず、マーカ９にも合う。このとき、露出時間が短い高速度カメラ120には、マーカ９に比して暗い生体試料Ａはほとんど撮像されることはなく、マーカ９のみが撮像されることになる。従って、高感度カメラ110の焦点を試料Ａに合わせるだけで、高速度カメラ120はマーカ９に自動的に合焦し、かつマーカ９のみを撮像可能な状態となる。このため、高速度カメラ120の焦点をマーカ９に個別に合わせ直す作業が不用になり、高感度カメラ110を生体試料に合焦させるだけで、直ちに振動する生体に対物レンズを追従させ、像ブレのない鮮明な生体画像を得ることができる。
【００５９】
ここで、検出光学系の開口数（NAm）と観察光学系の開口数（NAo）との関係は、以下の数式で表わされる。
【００６０】
（i）画素サイズが小さいＣＣＤカメラの場合
【００６１】
【数２】
2010014968.tif 000004
【００６２】
NAm: 検出光学系の開口数
NAo: 観察光学系の開口数
λ: マーカの照明波長
a: マーカの位置での光束の直径／マーカの直径
D: マーカの直径
例えば、NAo＝0.5、λ＝1μm、a＝4、D＝10μmのとき、NAm≦0.0125となる。
【００６３】
（ii）画素サイズが荒いＣＣＤカメラの場合
【００６４】
【数３】
2010014968.tif 000005
【００６５】
NAm: 検出光学系の開口数
NAo: 観察光学系の開口数
M: 検出側光学系全体の横倍率
p: 検出側撮像素子の画素ピッチ
a: マーカの位置での光束の直径／マーカの直径
D: マーカの直径
例えば、NAo＝0.5、M＝×20、p＝10μm、a＝4、D＝10μmのとき、NAm≦0.025となる。
【００６６】
ＣＣＤカメラの画素ピッチと光学系の条件によって、（i）または（ii）のうち、ゆるいほうを採用する。したがって、ここでは、(ii)の方が適用され、検出光学系の開口数（NAm）は、0.025以下となる。
【００６７】
＜第３の実施形態＞
図７
図１では、例示的に、顕微鏡装置を図示して説明したが、本発明の生体観察装置はこれに限定されるものではなく、現に生きている生体、すなわち外界刺激や生理現象により絶えず振動している生体を観察する全ての生体観察装置が含まれる。一例として、本発明の生体観察装置の構成を適用した内視鏡150を図示する。
【００６８】
図７は、第３の実施形態における内視鏡400の先端部の模式図である。内視鏡レンズ（対物レンズ10）がＸ、Ｙ軸方向への駆動が可能なＸＹステージ30に固定されている。ＸＹステージ30は昇降機構35に取り付けられ、対物レンズ10をＺ軸方向に昇降することができる。対物レンズ10は光ファイバ40に接続され、光ファイバ40は対物レンズ10によってとらえた物体の反射光を光ファイバ40によって図示していない内視鏡本体部に送信する。内視鏡本体部での制御機構は、上述した顕微鏡装置と同様であり、マーカ９の動きに合わせて対物レンズ１０を追従させることができる。
【００６９】
内視鏡150先端部には、本発明のスタビライザ１が取り付けられている。スタビライザ１は、筒部材２と可動部材５により構成され、可動部材５の先端部には透明部材６が取り付けられている。
【００７０】
透明部材６を生体の観察部位に押し付けると、生体の振動に合わせて可動部材５がＸ、Ｙ平面上を可動する。透明部材６にはマーカ９が付与されているため、マーカ９は生体の振動に合わせて動き、生体のある一点との接触を保つことができる。
【００７１】
マーカ９は、透明部材６の生体非接触面（上面）側に設けられており、透明部材の厚みが、生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離れて配置されている。したがって、観察用カメラの焦点を生体に合焦させたときにマーカ９が観察画像中に映り込むことはなく、精密な観察画像を得ることができる。
【００７２】
＜第４の実施形態＞
図８
図８は、第４の実施形態における生体観察装置200の模式図である。その基本的構成は第１の実施形態と同じであるが、照明手段が、高感度カメラ110のための第１のランプ201と、高速度カメラ120のための第２のランプ202で構成されている。
【００７３】
第１のランプ201によって照射された光は、DP3 211を通過してEX1 161を介してDM1 170へ入射し、DM1 170によってDM2 180側へ反射される。その後、光はDM2 180によって対物レンズ10側へ反射され、対物レンズ10を通して試料Ａに照射される。
【００７４】
一方、第２のランプ202によって照射された光は、DP4 212を通過してEX2 162を介してDM3 171へ入射し、DM3 171によってDM2 180側へ反射される。その後、光はDM2 180によって対物レンズ10側へ反射され、対物レンズ10によって試料Ａに照射される。
【００７５】
次に、試料Ａからの蛍光／反射光は、対物レンズ10を介してDM2 180に入射し、DM2 180によってDM1 170側へ反射され、DM3 171およびDM1 170を透過した後、DP1 183を通過して高感度カメラ110に入射する。
【００７６】
一方、マーカ９からの蛍光は、対物レンズ10およびDM2 180を透過した後、DP2 184を通過して高速度カメラ120に入射する。
【００７７】
照明手段を２つに分けることによって、照明手段によるNAの調節が可能になる。すなわち、第２のランプ202の絞り部材DP4 212のスリットを狭めることによって検出光学系のNAが低くなり、結果として高速度カメラ120の焦点深度が深くなる。逆に、第１のランプ201の絞り部材DP3 211のスリットを開くことによって観察光学系のNAが高くなり、結果として高感度カメラ110の焦点深度が浅くなり、より精密な観察画像を得ることができる。
【００７８】
第４の実施形態では、観察光学系のNAは、高感度カメラ110のための第１の絞り部材DP1 183および／または第１のランプ201のための第３の絞り部材DP3 211によって規定され、一方、検出光学系のNAは、高速度カメラ120のための第２の絞り部材DP2 184および／または第２のランプ202のための第４の絞り部材DP4 212によって規定される。カメラ側および照明側の両方、あるいは片方の絞り部材を使用してNAを規定できるので、NA規定の自由度が高くなる。なお、当然ながら、絞り部材の代わりにカメラの結像レンズの曲率を変えることによってNAを規定してもよい。
【００７９】
第４の実施形態では、第１の実施形態と同様、マーカ付与手段としてはスタビライザ１が用いられ、マーカ９が生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離されて配置されている。なお、第１の実施形態と同様、スタビライザ１の代わりにカバーガラスを使用してもよい。
【００８０】
＜第５の実施形態＞
図９
図９は、第５の実施形態における生体観察装置300の模式図である。その基本的構成は第１の実施形態と同じであるが、ランプ150から照射された光を、高感度カメラ110のための第１の光と高速度カメラ120のための第２の光に分岐させる光学系を備えている。
【００８１】
ランプ150から照射された光は、DM1 170によって第１の光と第２の光に分岐される。第１の光はDM1 170を通過し、DP5 301をすり抜けて、ハーフミラー(HM)301側に照射される。その後、第１の光は、HM 310によってDM3 172側に反射され、DM3 172を通過して対物レンズ10を介して試料Ａに照射される。一方、第２の光は、DM1 170によってDM2 171側に反射される。その後、第２の光は、DM2 171によってDM4 173側に照射される。第２の光は、DP6 302をすり抜けて、DM4 173を通過し、DM3 172に至った後、DM3 172に反射されて対物レンズ10を介して試料Ａに照射される。
【００８２】
次に、試料Ａからの蛍光／反射光は、対物レンズ10を介してDM3 172に入射し、DM3 172によってDM4 173側へ反射され、続けてDM4 173によって反射され、DP1 183をすり抜けて高感度カメラ110に入射する。
【００８３】
一方、マーカ９からの蛍光は、対物レンズ10およびDM3 172を透過した後、さらにHM 310を通過し、DP2 184をすり抜けて高速度カメラ120に入射する。
【００８４】
１つの照明手段から照射された光を、２つの光に分岐させることにより、２つの照明手段を備えた第４の実施形態と同様のNAの制御が可能になる。すなわち、第２の光幅を調節可能な第６の絞り部材DP6 302のスリットを狭めることによって検出光学系のNAが低くなり、結果として高速度カメラ120の焦点深度が深くなる。逆に、第１の光幅を調節可能な第５の絞り部材DP5 301のスリットを開くことによって観察光学系のNAが高くなり、結果として高感度カメラ110の焦点深度が浅くなり、より精密な観察画像を得ることができる。
【００８５】
第５の実施形態では、第４の実施形態と同様、カメラ側および照明側の両方、あるいは片方の絞り部材を使用してNAを規定できるので、NA規定の自由度が高くなる。なお、当然ながら、絞り部材の代わりにカメラの結像レンズの曲率を変えることによってNAを規定してもよい。
【００８６】
第５の実施形態では、第１の実施形態と同様、マーカ付与手段としてはスタビライザ１が用いられ、マーカ９が生体の観察部位から光軸方向に向かって観察光学系の開口数によって決定される距離だけ離されて配置されている。なお、第１の実施形態と同様、スタビライザ１の代わりにカバーガラスを使用してもよい。また、本発明は、明視野（透過光、反射光、干渉光等）観察や暗視野観察（蛍光、発光）に適用できるので、光照明の有無を問わない。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施形態における生体観察装置100の模式図
【図２】スタビライザ１の外観を示す斜視図
【図３】図２の線Ｂ-Ｂに沿った断面の斜視図
【図４】図２の線Ｂ-Ｂに沿った断面図
【図５】可動部材５の斜視図
【図６】カバーガラス20の外観を示す斜視図
【図７】第３の実施形態における内視鏡400の先端部の模式図
【図８】第３の実施形態における生体観察装置200の模式図
【図９】第５の実施形態における生体観察装置300の模式図
【符号の説明】
【００８８】
１・・・スタビライザ、２・・・筒部材、３・・・上部材、４・・・下部材、５・・・可動部材、６・・・透明部材、６a・・・生体接触面、６b・・・生体非接触面、７・・・アーム部、８・・・昇降手段、９・・・マーカ部、１０・・・対物レンズ、１１・・・突起部、１１a・・・一端のフランジ、１１b・・・他端のフランジ、１２・・・狭持部、１２a、１２b・・・狭持部材、１３・・・スリット、２０・・・カバーガラス、３０・・・ＸＹステージ、３５・・・昇降機構、４０・・・光ファイバ、100、200、300・・・本発明の生体観察装置、101・・・ステージ、102・・・調節つまみ、103・・・徐振台、110・・・高感度カメラ、111・・・PC、112・・・モニタ、120・・・高速度カメラ、130・・・制御装置、140・・・ＸＹステージ、150、201、202・・・ランプ、160、161、162・・・励起フィルタ、170、171、173、180・・・ダイクロックミラー、183、184、211、212、301、302・・・絞り部材、ハーフミラー・・・310。
【図１】
2010014968.tif 000007
【図２】
2010014968.tif 000008
【図３】
2010014968.tif 000009
【図４】
2010014968.tif 000010
【図５】
2010014968.tif 000011
【図６】
2010014968.tif 000012
【図７】
2010014968.tif 000013
【図８】
2010014968.tif 000014
【図９】
2010014968.tif 000015