(57)【要約】試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を提供する。試料４の像を前記複数の結像面に形成するための結像レンズ１５と、複数の結像面を形成するべく試料４の光軸と直交する面内で同一である領域からの光の光路を分割する光路分割手段１７、１８、１９と、前記複数の結像面と結像レンズ１５との間の光路の少なくとも１つの光路に設置される光路長変更部材２７、２８、２９とを有する。
2008069220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、
前記複数の結像面を形成するべく前記試料の光軸と直交する面内で同一である領域からの光の光路を分割する光路分割手段と、
前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路の少なくとも１つの光路に設置される光路長変更部材とを有することを特徴とする結像装置。
【請求項２】
前記複数の結像面には、撮像手段がそれぞれ備えられており、
前記試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影可能とすることを特徴とする請求項１に記載の結像装置。
【請求項３】
前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路長変更部材として、
光軸方向の厚みが異なる複数の平行平板を有することを特徴とする請求項１に記載の結像装置。
【請求項４】
所望の前記平行平板を光路内へ挿脱する切り替え手段が分割された光路毎にそれぞれ備えられていることを特徴とする請求項３に記載の結像装置。
【請求項５】
前記光路分割手段は、少なくとも１枚の半透過ミラーからなり、
前記撮像手段の撮像面には、少なくとも２つの前記結像面が形成されることを
特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結像装置。
【請求項６】
前記少なくとも１枚の半透過ミラーは、前記光路分割手段によって分割された光路の各々の光量を略均一にする透過率を有することを特徴とする請求項５に記載の結像装置。
【請求項７】
前記少なくとも１枚の半透過ミラーは、
前記結像レンズの射出光軸上に配置された透過率略３０％の半透過ミラーと、
前記透過率略３０％の半透過ミラーに隣接して配置された透過率略５０％の半透過ミラーと、
前記透過率略５０％の半透過ミラーに隣接して配置された全反射ミラーとからなることを特徴とする請求項６に記載の結像装置。
【請求項８】
試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、
前記複数の結像面を形成するべく光路を分割する光路分割手段と、
前記結像レンズによって結ばれた前記試料の像を撮像するための撮像手段とを有し、
前記撮像手段の撮像面には、全ての前記結像面が形成され、
前記試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影可能とすることを特徴とする結像装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の結像装置を有することを特徴とする顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像装置及び顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、試料の画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが望まれつつある（例えば、特表２００１−５１１９０２号公報を参照）。
しかしながら、特表２００１−５１１９０２号公報に開示されている顕微鏡は、共焦点顕微鏡であるため、試料の２次元画像を撮影することができないという問題があった。
【発明の開示】
【０００３】
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、前記複数の結像面を形成するべく前記試料の光軸と直交する面内で同一である領域からの光の光路を分割する光路分割手段と、前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路の少なくとも１つの光路に設置される光路長変更部材とを有することを特徴とする結像装置を提供する。
また、本発明の第２の態様は、第１の態様に係る結像装置を有することを特徴とする顕微鏡を提供する。
本発明によれば、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡における結像部の構成を示す拡大図であり、図２Ｂは、光路分割光路長変更素子の各平行平板にそれぞれ設けられている遮光部の形状を示す図である。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡において、試料の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図であり、図３Ｂは、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料の像が３つ並んで同時に形成されているカメラの撮像面の様子を示す図である。
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図であり、図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡における平行平板部の変形例である回転ターレット部の構成を示す拡大図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の各実施形態に係る結像装置を適用した顕微鏡を添付図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
はじめに、本実施形態に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図１に示すように本実施形態に係る顕微鏡１は、顕微鏡本体部２と、顕微鏡本体部２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ６の撮像面６ａ上に結ぶための結像部７と、試料４の２次元画像を撮影する前記カメラ６とからなる。
照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。顕微鏡本体部２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くための半透過ミラー１３と、試料４からの光を反射して結像部７へ導くための全反射ミラー１４とを備えている。
次に、本実施形態において最も特徴的な結像部７の構成について詳細に説明する。
図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１における結像部７の構成を示す要部拡大図である。
結像部７は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光を分割してカメラ６へ導く光路分割光路長変更素子１６とを備えている。この光路分割光路長変更素子１６は、３つの反射部１７、１８、１９（反射部１７、１８は半透過）を備えたプリズム部２０と、各反射部１７、１８、１９に対応してプリズム部２０の射出端面に一体的に備えられた厚みの異なる３つの平行平板２７、２８、２９とからなる。なお、反射部１７、１８、１９には、例えば半透過ミラーと全反射ミラーが用いられる。
まず、プリズム部２０内において、結像レンズ１５の射出光軸上には、透過率が約３０％の反射部１７が配置されている。そして、この反射部１７の透過光路上であってプリズム部２０の射出端面には平行平板２７が備えられている。
また、プリズム部２０内において、反射部１７の反射光軸上には、透過率が約５０％の反射部１８が前記反射部１７に対して平行に配置されている。そして、この反射部１８の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２７よりも光軸方向の厚みが大きい平行平板２８が備えられている。
さらに、プリズム部２０内において、反射部１８の透過光軸上には、反射部１９が前記反射部１８に対して平行に配置されている。そして、この反射部１９の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２８よりも光軸方向の厚みがさらに大きい平行平板２９が備えられている。
ここで、本実施形態において各平行平板２７、２８、２９は、いずれもガラス板で構成されており、その射出端面の両端には、図２Ｂに示すように開口が図２Ａ紙面に対して垂直に延びる帯形状の遮光部３０がそれぞれ設けられている。なお、図２Ｂは、光路分割光路長変更素子１６の各平行平板２７、２８、２９にそれぞれ設けられている遮光部３０の形状を示す図である。
以上の構成の下、本顕微鏡１において、照明部５の励起光源８から発せられた励起光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部２へ導かれる。そしてこの励起光は、半透過ミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４から発せられた蛍光は、対物レンズ１２、半透過ミラー１３を順に経た後、全反射ミラー１４によって反射されて結像部７へ導かれる。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１において、試料４の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図である。
倒立顕微鏡を例に、各光路の光路長について説明する。まず、図２Ａのように３つの光路に分岐する場合、まず平行平板２８がある中段の光路を基準位置とする。この光路は、図３Ａの観察位置ｚ２の像をカメラ６へ導くものである。また、平行平板２９がある上段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも長い光路長にしたものであり、図３Ａの観察位置ｚ１の像をカメラ６へ導くものである。さらに、平行平板２７がある下段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも短い光路長にしたもので、図３Ａの観察位置ｚ３の像をカメラ６へ導くものである。
結像部７に入射した光は、結像レンズ１５を介して光路分割光路長変更素子１６内の反射部１７へ入射する。この反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７を透過した光は、平行平板２７を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第１結像系」という）。なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ３となる。
一方、反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７によって反射された光は、反射部１８に入射する。そして、この反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８によって反射された光は、平行平板２８を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第２結像系」という）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ２となる。
そして、反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８を透過した光は、反射部１９によって反射された後、平行平板２９を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第３結像系」という）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ１となる。
このようにしてカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成される。言い換えれば、カメラ６の撮像面６ａに、光軸方向に異なる３つの観察位置についての結像面が３つ並んで同時に形成される。
より詳しくは、本実施形態では上述した構成の光路分割光路長変更素子１６によって結像レンズ１５とカメラ６の撮像面６ａとの間、即ち非平行光束の光路を３つに分割し、各光路に厚みの異なる平行平板２７、２８、２９を配置したことで、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成し、これによりカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が、図３Ｂに示すように３つ並んで同時に形成されることとなる（なお、本実施形態では上述のように３つの平行平板２７、２８、２９を用いているが、平行平板２７は必須ではなく平行平板２８、２９のみでもよい）。したがってカメラ６では、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像を、３つ並んだ１つの２次元画像として撮影することが可能となる。なお、図３Ｂは、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成されているカメラ６の撮像面６ａの様子を示す図である。
以上より、本実施形態によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができる。また、このように光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に試料の状態を画像化できることで、試料に生じた光軸方向へ空間的に異なった現象を同時に観察することができる。したがって、解析方法によっては、試料内をＸＹＺ方向へ移動する物体の追尾観察をすることも可能となる。
また前述のように、３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像を３つ並べて１つの２次元画像として撮影することができるため、観察に際して見やすい。また、複数台のカメラを用意する必要がないため、簡素な構成を採ることができる。
また本実施形態では、上述のように各平行平板２７、２８、２９には、遮光部３０が設けられている。これにより、カメラ６の撮像面６ａ上に形成される３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像は、図３Ｂに示すように撮像面６ａ上で区切られることとなるため、互いに重なり合ってしまうことを防ぐことができる。
また、各反射部１７、１８の透過率を上述のように設定したことによって、第１結像系、第２結像系、及び第３結像系からカメラ６の撮像面６ａへそれぞれ導かれる蛍光の光量を均一にすることができる。したがって、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像の明るさを均一にすることができる。
なお、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６は、上述のように３つの反射部１７、１８、１９を備えたプリズム部２０と、厚みの異なる平行平板２７、２８、２９とから構成されている。しかしながら光路分割光路長変更素子１６の構成はこれに限られず、プリズム部２０と平行平板２７、２８、２９を排除し、上記３つの反射部１７、１８、１９のみで構成することもできる。３つの反射部１７、１８、１９によって光路を３つに分割し、それぞれがカメラ６の撮像面６ａ上に試料４の像を結ぶように反射部１７、１８、１９どうしの間隔を設定すれば、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成することができ、本発明の目的を達成することができる。
また、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６による光路の分割数は３つに限られず、ミラー及び平行平板を減らす又は増やすことで２つ又は４つ以上の光路を設け、光軸方向に異なる２つ又は４つ以上の観察位置についての試料像を同時に撮影可能な構成とすることもできる。
また、本実施形態では、上述のように各平行平板２７、２８、２９に遮光部３０を設けることにより、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像どうしが重なり合ってしまうことを防いでいる。しかしながらこれに限られず、照明部５の視野絞り１０の位置に、前記遮光部３０と同様の形状の遮光部を配置する構成とすることもできる。
また、本実施形態では、上述のように各反射部１７、１８の透過率を設定することによってカメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像の明るさを均一にしている。しかしながら各反射部１７、１８の透過率は上記設定に限られず、例えば通常のハーフミラーを用い、平行平板２７、２８、２９の射出側に光量調整フィルタをそれぞれ配置する構成とすることで、試料像の明るさの均一化を図ることもできる。
（第２実施形態）
はじめに、本実施形態に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図４Ａに示すように本実施形態に係る顕微鏡３１は、顕微鏡本体部３２と、顕微鏡本体部３２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ３３、３４の撮像面上に結ぶための２つの結像部（第１結像部３５、第２結像部３６）と、試料４の２次元画像を撮影する２つのカメラ３３、３４からなる。
照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。
顕微鏡本体部３２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くためのハーフミラー１３と、試料４からの光を分割して第１結像部３５と第２結像部３６へ導くためのハーフミラー３７とを備えている。
次に、本実施形態において最も特徴的な２つの結像部３５、３６の構成について詳細に説明する。
第１結像部３５は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５ａと、該結像レンズ１５ａとカメラ３３の間に配置された平行平板部３８とを備えている。
平行平板部３８は、光軸に対して垂直な方向へ並んだ光軸方向の厚さの異なる４つの平行平板を備え、光軸に対して垂直な方向へスライド可能なユニットである。これにより、平行平板部３８をスライドさせることで、所望の厚さの平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能となる。
第２結像部３６は、前述の第１結像部３５と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、第２結像部３６における平行平板部３９には、第１結像部３５における４つの平行平板とはいずれも光軸方向の厚さが異なる４つの平行平板が備えられている。
以上の構成の下、本顕微鏡３１において、照明部５の光源８から発せられた光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部３２へ導かれる。そしてこの光は、ハーフミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４からの光は、対物レンズ１２、ハーフミラー１３を順に経た後、ハーフミラー３７に入射される。なお、蛍光観察の場合は、光源８からの光は励起光であり、試料４からの光は蛍光となる。
ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７によって反射された光は、第１結像部３５へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ａを介して平行平板部３８中の任意の平行平板を経て、カメラ３３の撮像面上に結像される（「第１結像系」という）。このようにして、カメラ３３は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。
一方、ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７を透過した光は、第２結像部３６へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ｂを介して平行平板部３９中の任意の平行平板を経て、カメラ３４の撮像面上に結像される（「第２結像系」という）。このようにして、カメラ３４は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。なお、図４Ａでは、いずれの結像部３５、３６においても光路内に平行平板を配置していない様子が示されている。
以上のように本実施形態では、結像部を２つ設け、各結像部３５、３６において結像レンズ１５ａ、１５ｂとカメラ３３、３４の撮像面との間、即ち非平行光束の光路に厚みの異なる平行平板を配置することで、光路長の異なる第１結像系と第２結像系を形成している。これにより、結像部３５、３６毎に備えられたカメラ３３、３４の撮像面上には、観察位置が光軸方向に異なる試料４の像がそれぞれ形成されて、２次元画像として同時に撮影することができる。
以上より、本実施形態によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる２つの観察位置で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、２つの結像部３５、３６において、平行平板部３８、３９をスライドさせることで所望の厚さの平行平板を光路内に配置することが可能であるため、光軸方向に異なる様々な観察位置で試料４の２次元画像を撮影することができる。
ここで、平行平板部３８、３９に備えられた平行平板の光軸方向の厚みに対する試料４の観察位置の光軸方向のシフト量Δの一数値例を以下の表１に示す。なお、対物レンズ１２は「Ｐｌａｎ  Ａｐｏ  ＴＩＲＦ  １００×Ｈ／１．４５」を想定し、試料４の観察位置の基準は光路内に平行平板を配置しなかったときとする。
【表１】
2008069220.tif 000003
2008069220.tif 000004
なお、本実施形態において、上述のように光路内への所望な平行平板の挿脱は、平行平板部３８、３９を光軸に対して垂直な方向へスライドさせることで行われる。しかしながらこれに限られず、本実施形態に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８、３９に代えて、図４Ｂに示した回転軸４０ａを中心に回転可能な円盤部材４０上に複数の平行平板を備え、当該円盤部材４０を回転させることで所望の平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能な回転ターレット部４１を有する構成とすることもできる。これにより、本実施形態に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８、３９を有する場合に比して、顕微鏡内のスペースをより有効に活用することができる。なお、図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡３１における平行平板部３８、３９の変形例である回転ターレット部４１の構成を示す拡大図である。
また、上述のように本実施形態に係る顕微鏡３１は２つの結像部３５、３６を備える構成であるが、ハーフミラー３７及び第１結像部３５を排除し、第２結像部３６のみを備える構成とすることもできる。この場合、光軸方向に異なる複数の観察位置で試料４の２次元画像を同時に得ることはできないものの、平行平板部３８、３９をスライドさせることで、平行平板の切り替えが高速、高精度に実行できるため、ステージや対物レンズを光軸方向に移動することで光軸方向の観察位置を変更していた従来の顕微鏡に比して、光軸方向の観察位置の変更をより迅速に達成することができる。
以上、上記各実施形態によれば、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を実現することができる。
【図１】
2008069220.tif 000005
【図２Ａ】
2008069220.tif 000006
【図２Ｂ】
2008069220.tif 000007
【図３Ａ】
2008069220.tif 000008
【図３Ｂ】
2008069220.tif 000009
【図４Ａ】
2008069220.tif 000010
【図４Ｂ】
2008069220.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月22日(2009.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、
前記複数の結像面を形成するべく、前記試料における前記結像レンズの光軸上の異なる複数の観察位置からの光の光路を分割する光路分割手段と、
前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路の少なくとも１つの光路に設置され、前記光路分割手段で分割された光の光路長を変更する光路長変更部材と、
前記複数の結像面に設置され前記光路分割手段で分割された前記試料の画像を同時に撮影可能とする撮像手段とを有することを特徴とする結像装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、１つであることを特徴とする請求項１に記載の結像装置。
【請求項３】
前記撮像手段は、光軸方向に異なる前記複数の観察位置の画像を前記撮像手段の撮像面に並べて形成することを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項４】
前記光路分割手段は、前記結像レンズからの光を前記撮像手段の第１の結像位置に結像させるために透過し、さらに前記第１の結像位置とは異なる前記撮像手段の第２の結像位置に結像させるために前記結像レンズからの光を前記透過光に対して垂直であり、前記撮像手段の撮像面に対して平行な方向に反射する半透過ミラーと、
前記半透過ミラーで反射した光を前記撮像手段の前記第２の結像位置の方向に反射する反射ミラーとを有し、
前記光路長変更部材は、前記半透過ミラー又は前記反射ミラーの少なくとも一方の射出部に設置されることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項５】
前記光路分割手段は、前記結像レンズからの光を前記撮像手段の第１の結像位置に結像させるために透過し、さらに前記第１の結像位置とは異なる前記撮像手段の第２の結像位置に結像させるために前記結像レンズからの光を前記透過光の光路に対して垂直であり、前記撮像手段の撮像面に対して平行な方向に反射する第１の半透過ミラーと、
前記第１の半透過ミラーを透過した光を前記撮像手段の前記第２の結像位置の方向に反射し、さらに前記第１の結像位置及び前記第２の結像位置とは異なる前記撮像手段の第３の結像位置に結像させるために前記撮像手段の撮像面に対して平行な方向に透過する第２の半透過ミラーと、
前記第２の半透過ミラーを透過した光を前記撮像手段の前記第３の結像位置の方向に反射させる反射ミラーとを有し、
前記第１の半透過ミラーと前記第２の半透過ミラーと前記反射ミラーのうちの少なくとも２つの射出部に各々異なる光路長の光を前記撮像手段に導く前記光路長変更部材を有していることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項６】
前記光路分割手段は、前記試料の像を前記撮像手段に少なくとも３つの結像面を形成するために、前記結像レンズで結像された光を少なくとも３つの光路に分割するものであることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項７】
前記光路分割手段で分割される３つの光路は、前記結像レンズの光軸上の異なる３つの観察位置の光であり、前記撮像手段に結像される３つの結像面において、前記光軸上の３つの観察位置のうち、中間観察位置が前記撮像手段の撮像面の中央部に結像され、前記３つの観察位置のうち、上部観察位置及び下部観察位置の光を前記撮像手段の前記中央部に結像される前記中間観察位置の結像面を挟む両側に分割することを特徴とする請求項６に記載の結像装置。
【請求項８】
前記光路長変更部材は、前記光軸方向の厚みが異なる複数の平行平板であることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項９】
所望の前記平行平板を光路内へ挿脱する切り替え手段が分割された前記光路毎にそれぞれ備えられていることを特徴とする請求項８に記載の結像装置。
【請求項１０】
前記光路分割手段は、少なくとも１枚の半透過ミラーを有し、前記撮像手段の撮像面には、少なくとも２つの前記結像面が形成されることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１枚の半透過ミラーは、前記光路分割手段によって分割された光路の各々の光量を略均一にする透過率を有することを特徴とする請求項１０に記載の結像装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１枚の半透過ミラーは、
前記結像レンズの射出光軸上に配置された透過率略３０％の半透過ミラーと、
前記透過率略３０％の半透過ミラーに隣接して配置された透過率略５０％の半透過ミラーと、
前記透過率略５０％の半透過ミラーに隣接して配置された全反射ミラーとからなることを特徴とする請求項１１に記載の結像装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の結像装置を有することを特徴とする顕微鏡。
【請求項１４】
試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、
前記複数の結像面を形成するべく、前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路に設置され、前記結像レンズからの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子を備え、前記結像レンズの光軸に対して垂直方向に移動し、前記光学素子を前記光軸上に選択的に配置する光路長変更部材と、
前記試料の画像を撮影する撮像手段とを有することを特徴とする結像装置。
【請求項１５】
前記光路長変更部材は、設置されている複数の前記光学素子を保持する回転ターレットであることを特徴とする請求項１４に記載の結像装置。
【請求項１６】
試料の像を複数方向に分岐するハーフミラーを備え、
前記ハーフミラーで分岐された一方の光が入射し、前記試料の像を結像面に形成し、前記試料からの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子の何れか１つに導く第１の結像レンズを有する第１の光路長変更部材と、
前記ハーフミラーで分岐された他方の光が入射し、前記試料の像を結像面に形成し、前記試料からの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子の何れか１つに導く第２の結像レンズを有する第２の光路長変更部材と、
前記第１の結像レンズで結像され、前記第１の光路長変更部材で光路長が変更された試料の画像を撮影する第１の撮像手段と、
前記第２の結像レンズで結像され、前記第２の光路長変更部材で光路長が変更された試料の画像を撮影する第２の撮像手段とを有することを特徴とする結像装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像装置及び顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、試料の画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが望まれつつある（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特表２００１−５１１９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特表２００１−５１１９０２号公報に開示されている顕微鏡は、共焦点顕微鏡であるため、試料の２次元画像を撮影することができないという問題があった。
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、前記複数の結像面を形成するべく、前記試料における前記結像レンズの光軸上の異なる複数の観察位置からの光の光路を分割する光路分割手段と、前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路の少なくとも１つの光路に設置され、前記光路分割手段で分割された光の光路長を変更する光路長変更部材と、前記複数の結像面に設置され前記光路分割手段で分割された前記試料の画像を同時に撮影可能とする撮像手段とを有することを特徴とする結像装置を提供する。
【０００５】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様に係る結像装置を有することを特徴とする顕微鏡を提供する。
【０００６】
また、本発明の第３の態様は、
試料の像を複数の結像面に形成するための結像レンズと、
前記複数の結像面を形成するべく、前記複数の結像面と前記結像レンズとの間の光路に設置され、前記結像レンズからの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子を備え、前記結像レンズの光軸に対して垂直方向に移動し、前記光学素子を前記光軸上に選択的に配置する光路長変更部材と、
前記試料の画像を撮影する撮像手段とを有することを特徴とする結像装置を提供する。
【０００７】
また、本発明の第４の態様は、
試料の像を複数方向に分岐するハーフミラーを備え、
前記ハーフミラーで分岐された一方の光が入射し、前記試料の像を結像面に形成し、前記試料からの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子の何れか１つに導く第１の結像レンズを有する第１の光路長変更部材と、
前記ハーフミラーで分岐された他方の光が入射し、前記試料の像を結像面に形成し、前記試料からの光の光路長を異なる長さに変更する複数の光学素子の何れか１つに導く第２の結像レンズを有する第２の光路長変更部材と、
前記第１の結像レンズで結像され、前記第１の光路長変更部材で光路長が変更された試料の画像を撮影する第１の撮像手段と、
前記第２の結像レンズで結像され、前記第２の光路長変更部材で光路長が変更された試料の画像を撮影する第２の撮像手段とを有することを特徴とする結像装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡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】
【０００９】
以下、本発明の各実施形態に係る結像装置を適用した顕微鏡を添付図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
はじめに、本実施形態に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図１に示すように本実施形態に係る顕微鏡１は、顕微鏡本体部２と、顕微鏡本体部２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ６の撮像面６ａ上に結ぶための結像部７と、試料４の２次元画像を撮影する前記カメラ６とからなる。
【００１０】
照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。顕微鏡本体部２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くための半透過ミラー１３と、試料４からの光を反射して結像部７へ導くための全反射ミラー１４とを備えている。
【００１１】
次に、本実施形態において最も特徴的な結像部７の構成について詳細に説明する。
図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１における結像部７の構成を示す要部拡大図である。
結像部７は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光を分割してカメラ６へ導く光路分割光路長変更素子１６とを備えている。この光路分割光路長変更素子１６は、３つの反射部１７、１８、１９（反射部１７、１８は半透過）を備えたプリズム部２０と、各反射部１７、１８、１９に対応してプリズム部２０の射出端面に一体的に備えられた厚みの異なる３つの平行平板２７、２８、２９とからなる。なお、反射部１７、１８、１９には、例えば半透過ミラーと全反射ミラーが用いられる。
【００１２】
まず、プリズム部２０内において、結像レンズ１５の射出光軸上には、透過率が約３０％の反射部１７が配置されている。そして、この反射部１７の透過光路上であってプリズム部２０の射出端面には平行平板２７が備えられている。
また、プリズム部２０内において、反射部１７の反射光軸上には、透過率が約５０％の反射部１８が前記反射部１７に対して平行に配置されている。そして、この反射部１８の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２７よりも光軸方向の厚みが大きい平行平板２８が備えられている。
さらに、プリズム部２０内において、反射部１８の透過光軸上には、反射部１９が前記反射部１８に対して平行に配置されている。そして、この反射部１９の反射光路上であってプリズム部２０の射出端面には、平行平板２８よりも光軸方向の厚みがさらに大きい平行平板２９が備えられている。
【００１３】
ここで、本実施形態において各平行平板２７、２８、２９は、いずれもガラス板で構成されており、その射出端面の両端には、図２Ｂに示すように開口が図２Ａ紙面に対して垂直に延びる帯形状の遮光部３０がそれぞれ設けられている。なお、図２Ｂは、光路分割光路長変更素子１６の各平行平板２７、２８、２９にそれぞれ設けられている遮光部３０の形状を示す図である。
【００１４】
以上の構成の下、本顕微鏡１において、照明部５の励起光源８から発せられた励起光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部２へ導かれる。そしてこの励起光は、半透過ミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４から発せられた蛍光は、対物レンズ１２、半透過ミラー１３を順に経た後、全反射ミラー１４によって反射されて結像部７へ導かれる。
【００１５】
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１において、試料４の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図である。
倒立顕微鏡を例に、各光路の光路長について説明する。まず、図２Ａのように３つの光路に分岐する場合、まず平行平板２８がある中段の光路を基準位置とする。この光路は、図３Ａの観察位置ｚ２の像をカメラ６へ導くものである。また、平行平板２９がある上段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも長い光路長にしたものであり、図３Ａの観察位置ｚ１の像をカメラ６へ導くものである。さらに、平行平板２７がある下段の光路は、基準となる中段の光路の光路長よりも短い光路長にしたもので、図３Ａの観察位置ｚ３の像をカメラ６へ導くものである。
【００１６】
結像部７に入射した光は、結像レンズ１５を介して光路分割光路長変更素子１６内の反射部１７へ入射する。この反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７を透過した光は、平行平板２７を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第１結像系」という）。なお、このときの試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ３となる。
【００１７】
一方、反射部１７へ入射した光のうち、該反射部１７によって反射された光は、反射部１８に入射する。そして、この反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８によって反射された光は、平行平板２８を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第２結像系」という）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ２となる。
【００１８】
そして、反射部１８へ入射した光のうち、該反射部１８を透過した光は、反射部１９によって反射された後、平行平板２９を経てカメラ６の撮像面６ａ上に結像される（「第３結像系」という）。このため、試料４の観察位置は、上述のように図３Ａに示す観察位置ｚ１となる。
【００１９】
このようにしてカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成される。言い換えれば、カメラ６の撮像面６ａに、光軸方向に異なる３つの観察位置についての結像面が３つ並んで同時に形成される。
【００２０】
より詳しくは、本実施形態では上述した構成の光路分割光路長変更素子１６によって結像レンズ１５とカメラ６の撮像面６ａとの間、即ち非平行光束の光路を３つに分割し、各光路に厚みの異なる平行平板２７、２８、２９を配置したことで、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成し、これによりカメラ６の撮像面６ａ上には、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が、図３Ｂに示すように３つ並んで同時に形成されることとなる（なお、本実施形態では上述のように３つの平行平板２７、２８、２９を用いているが、平行平板２７は必須ではなく平行平板２８、２９のみでもよい）。したがってカメラ６では、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像を、３つ並んだ１つの２次元画像として撮影することが可能となる。なお、図３Ｂは、光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料４の像が３つ並んで同時に形成されているカメラ６の撮像面６ａの様子を示す図である。
【００２１】
以上より、本実施形態によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができる。また、このように光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に試料の状態を画像化できることで、試料に生じた光軸方向へ空間的に異なった現象を同時に観察することができる。したがって、解析方法によっては、試料内をＸＹＺ方向へ移動する物体の追尾観察をすることも可能となる。
また前述のように、３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像を３つ並べて１つの２次元画像として撮影することができるため、観察に際して見やすい。また、複数台のカメラを用意する必要がないため、簡素な構成を採ることができる。
【００２２】
また本実施形態では、上述のように各平行平板２７、２８、２９には、遮光部３０が設けられている。これにより、カメラ６の撮像面６ａ上に形成される３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像は、図３Ｂに示すように撮像面６ａ上で区切られることとなるため、互いに重なり合ってしまうことを防ぐことができる。
また、各反射部１７、１８の透過率を上述のように設定したことによって、第１結像系、第２結像系、及び第３結像系からカメラ６の撮像面６ａへそれぞれ導かれる蛍光の光量を均一にすることができる。したがって、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの観察位置ｚ１、ｚ２、ｚ３についての試料４の像の明るさを均一にすることができる。
【００２３】
なお、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６は、上述のように３つの反射部１７、１８、１９を備えたプリズム部２０と、厚みの異なる平行平板２７、２８、２９とから構成されている。しかしながら光路分割光路長変更素子１６の構成はこれに限られず、プリズム部２０と平行平板２７、２８、２９を排除し、上記３つの反射部１７、１８、１９のみで構成することもできる。３つの反射部１７、１８、１９によって光路を３つに分割し、それぞれがカメラ６の撮像面６ａ上に試料４の像を結ぶように反射部１７、１８、１９どうしの間隔を設定すれば、光路長の異なる第１結像系、第２結像系、及び第３結像系を形成することができ、本発明の目的を達成することができる。
【００２４】
また、本実施形態において光路分割光路長変更素子１６による光路の分割数は３つに限られず、ミラー及び平行平板を減らす又は増やすことで２つ又は４つ以上の光路を設け、光軸方向に異なる２つ又は４つ以上の観察位置についての試料像を同時に撮影可能な構成とすることもできる。
また、本実施形態では、上述のように各平行平板２７、２８、２９に遮光部３０を設けることにより、カメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像どうしが重なり合ってしまうことを防いでいる。しかしながらこれに限られず、照明部５の視野絞り１０の位置に、前記遮光部３０と同様の形状の遮光部を配置する構成とすることもできる。
【００２５】
また、本実施形態では、上述のように各反射部１７、１８の透過率を設定することによってカメラ６の撮像面６ａに形成される３つの試料像の明るさを均一にしている。しかしながら各反射部１７、１８の透過率は上記設定に限られず、例えば通常のハーフミラーを用い、平行平板２７、２８、２９の射出側に光量調整フィルタをそれぞれ配置する構成とすることで、試料像の明るさの均一化を図ることもできる。
【００２６】
（第２実施形態）
はじめに、本実施形態に係る顕微鏡の全体的な構成を説明する。
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
図４Ａに示すように本実施形態に係る顕微鏡３１は、顕微鏡本体部３２と、顕微鏡本体部３２のステージ３に載置された試料４を照明するための照明部５と、試料４からの光をカメラ３３、３４の撮像面上に結ぶための２つの結像部（第１結像部３５、第２結像部３６）と、試料４の２次元画像を撮影する２つのカメラ３３、３４からなる。
【００２７】
照明部５は、ステージ３上の試料４を照明して励起するための励起光源８と、レンズ９、視野絞り１０、及びレンズ１１とを備えている。
顕微鏡本体部３２は、前述のステージ３の他に、対物レンズ１２と、照明部５からの励起光を反射して試料４へ導くためのハーフミラー１３と、試料４からの光を分割して第１結像部３５と第２結像部３６へ導くためのハーフミラー３７とを備えている。
【００２８】
次に、本実施形態において最も特徴的な２つの結像部３５、３６の構成について詳細に説明する。
第１結像部３５は、試料４からの光を結像する結像レンズ１５ａと、該結像レンズ１５ａとカメラ３３の間に配置された平行平板部３８とを備えている。
平行平板部３８は、光軸に対して垂直な方向へ並んだ光軸方向の厚さの異なる４つの平行平板を備え、光軸に対して垂直な方向へスライド可能なユニットである。これにより、平行平板部３８をスライドさせることで、所望の厚さの平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能となる。
【００２９】
第２結像部３６は、前述の第１結像部３５と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、第２結像部３６における平行平板部３９には、第１結像部３５における４つの平行平板とはいずれも光軸方向の厚さが異なる４つの平行平板が備えられている。
【００３０】
以上の構成の下、本顕微鏡３１において、照明部５の光源８から発せられた光は、レンズ９、視野絞り１０、レンズ１１を順に経て顕微鏡本体部３２へ導かれる。そしてこの光は、ハーフミラー１３によって反射され、対物レンズ１２を介してステージ３上の試料４に照射される。これにより、試料４からの光は、対物レンズ１２、ハーフミラー１３を順に経た後、ハーフミラー３７に入射される。なお、蛍光観察の場合は、光源８からの光は励起光であり、試料４からの光は蛍光となる。
【００３１】
ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７によって反射された光は、第１結像部３５へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ａを介して平行平板部３８中の任意の平行平板を経て、カメラ３３の撮像面上に結像される（「第１結像系」という）。このようにして、カメラ３３は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。
【００３２】
一方、ハーフミラー３７に入射した光のうち、該ハーフミラー３７を透過した光は、第２結像部３６へ導かれる。そしてこの光は、結像レンズ１５ｂを介して平行平板部３９中の任意の平行平板を経て、カメラ３４の撮像面上に結像される（「第２結像系」という）。このようにして、カメラ３４は試料４の２次元画像を撮影することが可能となる。なお、図４Ａでは、いずれの結像部３５、３６においても光路内に平行平板を配置していない様子が示されている。
【００３３】
以上のように本実施形態では、結像部を２つ設け、各結像部３５、３６において結像レンズ１５ａ、１５ｂとカメラ３３、３４の撮像面との間、即ち非平行光束の光路に厚みの異なる平行平板を配置することで、光路長の異なる第１結像系と第２結像系を形成している。これにより、結像部３５、３６毎に備えられたカメラ３３、３４の撮像面上には、観察位置が光軸方向に異なる試料４の像がそれぞれ形成されて、２次元画像として同時に撮影することができる。
【００３４】
以上より、本実施形態によれば、試料４の２次元画像を光軸方向に異なる２つの観察位置で同時に撮影することが可能な顕微鏡を実現することができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、２つの結像部３５、３６において、平行平板部３８、３９をスライドさせることで所望の厚さの平行平板を光路内に配置することが可能であるため、光軸方向に異なる様々な観察位置で試料４の２次元画像を撮影することができる。
【００３５】
ここで、平行平板部３８、３９に備えられた平行平板の光軸方向の厚みに対する試料４の観察位置の光軸方向のシフト量Δの一数値例を以下の表１に示す。なお、対物レンズ１２は「Plan Apo TIRF 100×H/1.45」を想定し、試料４の観察位置の基準は光路内に平行平板を配置しなかったときとする。
【００３６】
（表１）
100倍対物レンズ使用時の試料面上の             平行平板の厚さ(mm)
フォーカスシフト量Δ(μm)
0.1                                   2.8
0.2                                   5.5
0.3                                   8.3
0.4                                  11.0
0.5                                  13.8
【００３７】
なお、本実施形態において、上述のように光路内への所望な平行平板の挿脱は、平行平板部３８、３９を光軸に対して垂直な方向へスライドさせることで行われる。しかしながらこれに限られず、本実施形態に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８、３９に代えて、図４Ｂに示した回転軸４０ａを中心に回転可能な円盤部材４０上に複数の平行平板を備え、当該円盤部材４０を回転させることで所望の平行平板を光路内へ選択的に配置することが可能な回転ターレット部４１を有する構成とすることもできる。これにより、本実施形態に係る顕微鏡３１は、平行平板部３８、３９を有する場合に比して、顕微鏡内のスペースをより有効に活用することができる。なお、図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡３１における平行平板部３８、３９の変形例である回転ターレット部４１の構成を示す拡大図である。
【００３８】
また、上述のように本実施形態に係る顕微鏡３１は２つの結像部３５、３６を備える構成であるが、ハーフミラー３７及び第１結像部３５を排除し、第２結像部３６のみを備える構成とすることもできる。この場合、光軸方向に異なる複数の観察位置で試料４の２次元画像を同時に得ることはできないものの、平行平板部３８、３９をスライドさせることで、平行平板の切り替えが高速、高精度に実行できるため、ステージや対物レンズを光軸方向に移動することで光軸方向の観察位置を変更していた従来の顕微鏡に比して、光軸方向の観察位置の変更をより迅速に達成することができる。
【００３９】
以上、上記各実施形態によれば、試料の２次元画像を光軸方向に異なる複数の観察位置で同時に撮影することが可能な結像装置及び顕微鏡を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態に係る顕微鏡における結像部の構成を示す拡大図である。
【図２Ｂ】光路分割光路長変更素子の各平行平板にそれぞれ設けられている遮光部の形状を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態に係る顕微鏡において、試料の光軸方向に異なる複数の観察位置を示す図である。
【図３Ｂ】光軸方向に異なる３つの観察位置についての試料の像が３つ並んで同時に形成されているカメラの撮像面の様子を示す図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の全体構成を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施形態に係る顕微鏡における平行平板部の変形例である回転ターレット部の構成を示す拡大図である。
【国際調査報告】
2008069220.tif 000012
2008069220.tif 000013