(57)【要約】底面に大きなバラつきを有する容器に収容された観察対象の高倍率かつ広視野画像を撮像するにあたり、高速スキャンに対して適切に追従するオートフォーカス制御を実行可能な顕微鏡装置及びプログラムを提供する。互いに異なる性質を有する光軸方向搬送装部としての圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂを同期制御することにより、顕微鏡装置本体１０が培養容器５０の底面を走査する際に、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂを光軸方向の合焦位置に搬送する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象が収容された容器内の前記観察対象を示す観察対象光を撮像素子に結像可能な結像光学系と、
前記結像光学系の光軸方向に沿って移動可能な第１移動部材と、前記第１移動部材よりも広い範囲で前記光軸方向に移動可能な第２移動部材と、を有し、前記第１移動部材及び前記第２移動部材によって前記結像光学系を前記光軸方向に移動させる駆動源と、
前記容器が設置されるステージ及び前記結像光学系の少なくとも一方の前記光軸方向に交差する面内での移動により前記結像光学系を前記容器内の各領域に対して移動させることで前記撮像素子が前記容器内の各領域を走査している状態で、前記各領域のうちの特定領域に光軸が到達する前に、前記第１移動部材の移動可能範囲の限界まで前記第１移動部材を移動させた状態では非合焦状態となる位置に前記特定領域が存在していると判断した場合、撮像位置にある撮像素子の撮像対象とされている領域と前記特定領域との前記光軸方向の距離に関する情報に基づいて、前記第１移動部材及び前記第２移動部材により前記光軸方向に前記結像光学系を移動させることで、前記光軸の前記特定領域への到達時に合焦状態で前記観察対象光を前記撮像素子に結像させる制御を前記駆動源に対して行う制御部と、
を含む顕微鏡装置。
【請求項２】
前記第１移動部材及び前記第２移動部材による前記光軸方向の動力の配分量は、前記距離に関する情報と、前記特定領域が走査されるまでの前記第２移動部材の前記光軸方向の位置に関する情報と、前記第１移動部材の移動量に関する情報との関係に応じて定められた請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記撮像素子が前記容器内の前記各領域を走査している状態で、前記各領域のうちの特定領域に前記光軸が到達する前に、前記移動可能範囲の限界未満で前記第１移動部材を移動させた状態で前記合焦状態となる位置に前記特定領域が存在していると判断した場合、前記距離に関する情報に基づいて、前記第１移動部材及び前記第２移動部材のうちの前記第１移動部材のみによる前記光軸方向の動力を前記結像光学系に付与することにより、前記光軸の前記特定領域への到達時に前記合焦状態で前記観察対象光を前記撮像素子に結像させる制御を前記駆動源に対して行う請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記第１移動部材及び前記第２移動部材のうちの前記第１移動部材のみによる前記光軸方向の動力は、前記距離に関する情報と前記第１移動部材の移動量に関する情報との関係に応じて定められた請求項３に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記第１移動部材は、前記結像光学系の光軸方向に沿って変形する圧電素子である請求項１から請求項４の何れか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記駆動源は、パルスモータを含み、
前記第２移動部材は、前記パルスモータの動力を受けることで前記光軸方向に移動する請求項１から請求項５の何れか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記光軸方向に沿って設けられ、前記特定領域の前記光軸方向での位置を検出する検出部を更に含み、
前記制御部は、前記撮像素子が前記容器内の前記各領域を走査している状態で、前記各領域のうちの特定領域に前記光軸が到達する前に、前記移動可能範囲の限界まで前記第１移動部材を移動させた状態では前記検出部により検出された位置が前記非合焦状態となる位置の場合、前記距離に関する情報に基づいて、前記第１移動部材及び前記第２移動部材による前記光軸方向の動力を前記結像光学系に付与することにより、前記到達時に前記合焦状態で前記観察対象光を前記撮像素子に結像させる制御を前記駆動源に対して行う請求項１から請求項６の何れか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記検出部は、前記各領域に対する主走査方向に前記結像光学系を挟んで並べて設けられ、前記特定領域の前記光軸方向での位置を各々検出する一対のセンサを有し、
前記制御部は、前記撮像素子が前記容器内の前記各領域を走査している状態で、前記各領域のうちの特定領域に前記光軸が到達する前に、前記一対のセンサのうち、前記主走査方向において先に前記特定領域に到達するセンサにより検出された位置が前記移動可能範囲の限界まで前記第１移動部材を移動させた状態では前記非合焦状態となる位置の場合、前記距離に関する情報に基づいて、前記第１移動部材及び前記第２移動部材による前記光軸方向の動力を前記結像光学系に付与することにより、前記到達時に前記合焦状態で前記観察対象光を前記撮像素子に結像させる制御を前記駆動源に対して行う請求項７に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記駆動源を保持する保持部材を更に含み、
前記検出部は、前記保持部材によって保持される請求項７又は請求項８に記載の顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記結像光学系は、前記光軸方向に移動可能な対物レンズを有し、
前記第１移動部材及び前記第２移動部材により前記光軸方向に前記対物レンズを移動させる請求項１から請求項９の何れか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記容器は、複数のウェルを有するウェルプレートである請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項１２】
コンピュータを、
請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の顕微鏡装置に含まれる前記制御部として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術は、顕微鏡装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＥＳ（Embryonic Stem）細胞およびｉＰＳ（Induced Pluripotent Stem）細胞などの多能性幹細胞や分化誘導された細胞などを顕微鏡などで撮像し、その画像の特徴を捉えることで細胞の分化状態などを判定する方法が提案されている。【０００３】
ＥＳ細胞およびｉＰＳ細胞などの多能性幹細胞は、種々の組織の細胞に分化する能力を備えたものであり、再生医療、薬の開発、病気の解明などにおいて応用が可能なものとして注目されている。【０００４】
一方、顕微鏡による撮像によれば高倍率画像を取得することができるが、顕微鏡の結像光学系の観察領域は狭い範囲に限られる。そこで、観察対象の高倍率かつ広視野な画像を取得するため、いわゆるタイリング撮像を行うことが提案されている。タイリング撮像とは、複数の狭視野画像を撮像し、撮像された複数の狭視野画像を連結して広視野画像を生成する撮像方法である。具体的には、顕微鏡の結像光学系と、観察対象を収容したウェルプレートなどの培養容器が設置されたステージとを２次元的に相対移動させることで観察対象全体を走査し、観察領域の各々について得られた画像を連結することで、観察対象全体を含む広視野画像を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８１２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようなタイリング撮像を行う際には、培養容器の底面を基準として、結像光学系の焦点位置を設定することが多い。【０００７】
しかし、培養容器の底部の厚さにはミリオーダーでの製造公差がある。そして、高倍率な撮像を行う場合にはこの製造誤差に基づく培養容器の底面のバラつきを無視することはできない。つまり、高倍率な撮像を行う場合には、タイリング撮像における各観察領域のそれぞれに対して培養容器の底部の厚さが一様であるとみなすことはできず、観察領域毎に焦点位置を計測し、観察領域毎に結像光学系を光軸方向に合焦位置まで移動させる必要がある。したがって、顕微鏡の結像光学系と培養容器が設置されたステージとは、３次元的に相対移動させる必要がある。【０００８】
顕微鏡の結像光学系により培養容器を高速で走査する場合、培養容器の底面のバラつきに対して観察領域毎に結像光学系の対物レンズを光軸方向の合焦位置まで移動させるには、高速で鉛直方向に移動する機構が好ましい。そこで、圧電素子が光軸方向移動部材として用いられている。【０００９】
一方で、圧電素子は、駆動可能範囲が限られている。そのため、圧電素子の変形の上限値を超えて結像光学系の対物レンズを光軸方向に移動させることはできない。よって、培養容器の底面に大きなバラつきが存在する場合、圧電素子のみを用いる光軸方向移動機構は適切なオートフォーカス制御を行うことができない。【００１０】
特許文献１の顕微鏡装置は、ステッピングモータ及びピエゾ素子を備えた垂直方向駆動手段を備えている。しかしながら、特許文献１は、対物レンズを垂直方向に駆動するに際しステッピングモータ及びピエゾ素子を如何に用いるかについては何ら開示していない。【００１１】
特許文献１に係る技術によっては、培養容器の底面に大きなバラつきが存在する場合に、結像光学系の水平方向の移動に追従するようにオートフォーカス制御を行うことは困難である。【００１２】
本開示の技術は、上述の問題に鑑み、走査状況に応じて、各領域の光軸方向の位置に対してフォーカス制御を追従させることができる、顕微鏡装置及びプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示の第１の態様は、観察対象が収容された容器内の観察対象を示す観察対象光を撮像素子に結像可能な結像光学系と、結像光学系の光軸方向に沿って移動可能な第１移動部材と、前記第１移動部材よりも広い範囲で光軸方向に移動する可能な第２移動部材と、を有し、第１移動部材及び第２移動部材によって結像光学系を光軸方向に移動させる駆動源と、容器が設置されるステージ及び結像光学系の少なくとも一方の光軸方向に交差する面内での移動により結像光学系を容器内の各領域に対して移動させることで撮像素子が容器内の各領域を走査している状態で、各領域のうちの特定領域に光軸が到達する前に、第１移動部材の移動可能範囲の限界まで第１移動部材を移動させた状態では非合焦状態となる位置に特定領域が存在していると判断した場合、撮像位置にある撮像素子の撮像対象とされている領域と特定領域との光軸方向の距離に関する情報に基づいて、第１移動部材及び第２移動部材により光軸方向に結像光学系を移動させることで、光軸の特定領域への到達時に合焦状態で観察対象光を撮像素子に結像させる制御を駆動源に対して行う制御部と、を含む顕微鏡装置である。【００１４】
本開示の第２の態様は、第１の態様において、第１移動部材及び第２移動部材による光軸方向の動力の配分量は、距離に関する情報と、特定領域が走査されるまでの移動部材の光軸方向の位置に関する情報と、第１移動部材の移動量に関する情報との関係に応じて定められた、顕微鏡装置である。【００１５】
本開示の第３の態様は、第１及び第２の態様において、制御部は、撮像素子が容器内の各領域を走査している状態で、各領域のうちの特定領域に光軸が到達する前に、移動可能範囲の限界未満で第１移動部材を移動させた状態で合焦状態となる位置に特定領域が存在していると判断した場合、距離に関する情報に基づいて、第１移動部材及び第２移動部材のうちの第１移動部材のみによる光軸方向の動力を結像光学系に付与することにより、光軸の特定領域への到達時に合焦状態で観察対象光を撮像素子に結像させる制御を駆動源に対して行う、顕微鏡装置である。【００１６】
本開示の第４の態様は、第３の態様において、第１移動部材及び第２移動部材のうちの第１移動部材のみによる光軸方向の動力は、距離に関する情報と第１移動部材の移動量に関する情報との関係に応じて定められた、顕微鏡装置である。【００１７】
本開示の第５の態様は、第１から第４の態様において、第１移動部材は、前記結像光学系の光軸方向に沿って変形する圧電素子である、顕微鏡装置である。【００１８】
本開示の第６の態様は、第１から第５の態様において、駆動源は、パルスモータを含み、第２移動部材は、パルスモータの動力を受けることで光軸方向に移動する、顕微鏡装置である。【００１９】
本開示の第７の態様は、第１から第６の態様において、光軸方向に沿って設けられ、特定領域の光軸方向での位置を検出する検出部を更に含み、制御部は、撮像素子が容器内の各領域を走査している状態で、各領域のうちの特定領域に光軸が到達する前に、移動可能範囲の限界まで第１移動部材を移動させた状態では検出部により検出された位置が非合焦状態となる位置の場合、距離に関する情報に基づいて、第１移動部材及び第２移動部材による光軸方向の動力を結像光学系に付与することにより、到達時に合焦状態で観察対象光を撮像素子に結像させる制御を駆動源に対して行う、顕微鏡装置である。【００２０】
本開示の第８の態様は、第７の態様において、検出部は、各領域に対する主走査方向に結像光学系を挟んで並べて設けられ、特定領域の光軸方向での位置を各々検出する一対のセンサを有し、制御部は、撮像素子が容器内の各領域を走査している状態で、各領域のうちの特定領域に光軸が到達する前に、一対のセンサのうち、主走査方向において先に特定領域に到達するセンサにより検出された位置が移動可能範囲の限界まで第１移動部材を移動させた状態では非合焦状態となる位置の場合、距離に関する情報に基づいて、第１移動部材及び第２移動部材による光軸方向の動力を結像光学系に付与することにより、到達時に合焦状態で観察対象光を撮像素子に結像させる制御を駆動源に対して行う、顕微鏡装置である。【００２１】
本開示の第９の態様は、第７または第８の態様において、駆動源を保持する保持部材を更に含み、検出部は、保持部材によって保持される、顕微鏡装置である。【００２２】
本開示の第１０の態様は、第１から第９の態様において、結像光学系は、光軸方向に移動可能な対物レンズを有し、第１移動部材及び第２移動部材により光軸方向に対物レンズを移動させる、顕微鏡装置である。【００２３】
本開示の第１１の態様は、第１から第１０の態様において、容器は、複数のウェルを有するウェルプレートである、顕微鏡装置である。【００２４】
本開示の第１２の態様は、コンピュータを、第１から第１１の態様の顕微鏡装置に含まれる制御部として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００２５】
本開示の技術によれば、走査状況に応じて、各領域の光軸方向の位置に対してフォーカス制御を追従させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る顕微鏡装置の構成の一例を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る顕微鏡装置に含まれる結像光学系の構成の一例を示す模式図である。
【図３】第１実施形態に係る顕微鏡装置に含まれる結像光学系駆動部の構成の一例を示す概略構成図である。
【図４】第１実施形態に係る顕微鏡装置に含まれるステージの構成の一例を示す概略構成図である。
【図５】第１実施形態に係る顕微鏡装置の電気系のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【図６】第１実施形態に係る顕微鏡装置に含まれる顕微鏡装置本体及び顕微鏡制御装置の本開示の技術に関する部分の要部構成を示すブロック図である。
【図７】第１実施形態に係る顕微鏡装置のステージに設置される培養容器内における観察対象領域の走査位置の一例を示す概念図である。
【図８Ａ】第１実施形態に係る顕微鏡装置のステージに設置される培養容器内の任意の位置に観察対象領域がある場合における結像光学系と、第１及び第２変位センサと、培養容器との位置関係の第１の形態例を示す概念図である。
【図８Ｂ】第１実施形態に係る顕微鏡装置のステージに設置される培養容器内の任意の位置に観察対象領域がある場合における結像光学系と、第１及び第２変位センサと、培養容器との位置関係の第２の形態例を示す概念図である。
【図９】第１実施形態に係る顕微鏡装置でのオートフォーカス制御のタイミングの一例を説明するための状態遷移図である。
【図１０】第１実施形態に係る広視野画像取得処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１１】第１実施形態に係るステージ移動処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１２】観察対象領域とＺ方向の距離との関係の一例を示す概念図である。
【図１３】第１実施形態に係るフォーカス制御準備処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１４】第１実施形態に係るフォーカス制御準備処理が実行されることで作成されるパルスプロファイルの一例を示す概念図である。
【図１５】第１実施形態に係る電圧テーブルの一例を示す概略構成図である。
【図１６】第１実施形態に係る圧電素子制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１７】第１実施形態に係るモータ制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１８】第２実施形態に係る顕微鏡装置の構成の一例を示す概略構成図である。
【図１９】第２実施形態に係る顕微鏡装置に含まれる検出部の構成の一例を示す概略構成図である。
【図２０】第２実施形態に係る顕微鏡装置に含まれる検出部における変位センサの位置の切り替えの説明に供する図である。
【図２１】第１実施形態に係る結像光学系駆動部の構成の変形例を示す概略構成図である。
【図２２】第１及び第２実施形態に係る広視野画像取得プログラムが記憶された記憶媒体から広視野画像取得プログラムが顕微鏡装置にインストールされる態様の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本開示の各実施形態の詳細を述べる。
【００２８】
＜第１実施形態＞
＜システムの概要＞
以下、本開示の技術の第１実施形態に係る顕微鏡装置９０について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１実施形態の顕微鏡装置９０の概略構成を示すブロック図である。
【００２９】
顕微鏡装置９０は、顕微鏡装置本体１０と、顕微鏡制御装置２０とを含む。顕微鏡装置９０は、顕微鏡制御装置２０を介して、表示装置３０及び入力装置４０に接続されてもよい。
【００３０】
顕微鏡装置９０は、本開示の顕微鏡装置の一例である。
【００３１】
顕微鏡装置本体１０は、顕微鏡装置９０の観察対象である培養された細胞の位相差画像を撮像するものである。具体的には、顕微鏡装置本体１０は、一例として図１に示すように、白色光を出射する白色光源１１と、コンデンサレンズ１２と、スリット板１３と、結像光学系１４と、結像光学系駆動部１５と、撮像素子１６と、検出部１８とを備えている。
【００３２】
撮像素子１６は、本開示の撮像素子の一例である。結像光学系１４は、本開示の結像光学系の一例である。
【００３３】
スリット板１３は、白色光源１１から出射された白色光を遮光する遮光板に対して白色光を透過するリング形状のスリットが設けられたものであり、白色光がスリットを通過することによってリング状の照明光Ｌが形成される。
【００３４】
一例として図２に示すように、結像光学系１４は、位相差レンズ１４ａおよび結像レンズ１４ｄを備えている。そして、位相差レンズ１４ａは、対物レンズ１４ｂおよび位相板１４ｃを備えている。位相板１４ｃは、照明光Ｌの波長に対して透明な透明板に対して位相リングを形成したものである。なお、上述したスリット板１３のスリットの大きさは、位相板１４ｃの位相リングと共役な関係にある。
【００３５】
位相リングは、入射された光の位相を１／４波長ずらす位相膜と、入射された光を減光する減光フィルタとがリング状に形成されたものである。位相リングに入射された直接光は、位相リングを通過することによって位相が１／４波長ずれるとともに、その明るさが弱められる。一方、観察対象によって回折された回折光は大部分が位相板１４ｃの透明板を通過し、その位相および明るさは変化しない。
【００３６】
対物レンズ１４ｂを有する位相差レンズ１４ａは、一例として図１に示す結像光学系駆動部１５によって対物レンズ１４ｂの光軸方向に移動するものである。なお、第１実施形態においては、対物レンズ１４ｂの光軸方向とＺ方向（鉛直方向）とは同じ方向である。位相差レンズ１４ａをＺ方向において合焦位置に合わせるように移動させることによってオートフォーカス制御が行われ、撮像素子１６によって撮像される位相差画像のコントラストが調整される。
【００３７】
ここで、第１実施形態においては、予め後述するステージ５１に設置された後述する培養容器５０の底面のＺ方向位置が検出され、基準面として設定されている。そして、結像光学系１４について、基準面に対して合焦位置にあるようにＺ方向の基準位置が設定されている。
【００３８】
観察対象を収容した後述する培養容器５０の底面、つまり培養容器５０の底部と観察対象との境界面が基準面と一致していれば、基準位置に置かれた結像光学系１４は観察対象に対して合焦状態になるはずである。しかしながら、培養容器５０の底面は、基準面に近いが、完全には一致しない。培養容器５０の底面に、製造誤差等に基づくバラつきが存在するからである。つまり、培養容器５０の底面の各領域に対する現実の合焦位置は、基準位置とは一致しないことが多い。
【００３９】
本開示におけるオートフォーカス制御とは、結像光学系１４をＺ方向に移動させて培養容器５０の底面の各領域と基準面とのズレを補正し、各領域において結像光学系１４が観察対象に対して現実の合焦位置にあるように制御することである。
【００４０】
また、位相差レンズ１４ａの倍率を変更可能な構成としてもよい。具体的には、異なる倍率を有する位相差レンズ１４ａまたは結像光学系１４を交換可能に構成するようにしてもよい。位相差レンズ１４ａまたは結像光学系１４の交換は、自動的に行うようにしてもよいし、ユーザが手動で行うようにしてもよい。
【００４１】
一例として図３に示すように、結像光学系駆動部１５は、アクチュエータ１５Ｂと、アクチュエータ１５Ｂの鉛直上方に配置された圧電素子１５Ａとを含む。アクチュエータ１５Ｂは、一例としてパルスモータＭに接続されている。圧電素子１５Ａ及びアクチュエータ１５Ｂは、後述するフォーカス制御部２１から出力された制御信号に基づいて、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂをＺ方向に移動させるためのＺ方向搬送装置として機能する。
【００４２】
結像光学系駆動部１５は、本開示の駆動源の一例である。圧電素子１５Ａは本開示の第１移動部材の一例であり、アクチュエータ１５Ｂは本開示の第２移動部材の一例である。
【００４３】
Ｚ方向搬送装置としての圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを比較すると、以下の相違がある。圧電素子１５Ａは、アクチュエータ１５Ｂに比べて高速で結像光学系１４をＺ方向に移動させることが可能である。一方で、圧電素子１５Ａは、アクチュエータ１５Ｂに比べて駆動可能範囲が小さい。
【００４４】
なお、結像光学系駆動部１５は、位相差レンズ１４ａを通過した位相差光をそのまま通過させる構成となっている。
【００４５】
また、アクチュエータ１５Ｂの駆動源はパルスモータに限らず、圧電素子１５Ａに比較して十分大きな駆動可能範囲を有するものであればよい。アクチュエータ１５Ｂの駆動源として、ソレノイドその他の公知な構成を用いることができる。さらに、結像光学系１５を、駆動可能範囲が小さな第１圧電素子と駆動可能範囲が大きな第２圧電素子との組み合わせ、または、小型パルスモータにより駆動される第１アクチュエータと大型パルスモータにより駆動される第２アクチュエータとの組み合わせにより構成することも可能である。
【００４６】
結像レンズ１４ｄは、位相差レンズ１４ａおよび結像光学系駆動部１５を通過した位相差光が入射され、これを撮像素子１６に結像するものである。
【００４７】
撮像素子１６は、結像レンズ１４ｄによって結像された位相差画像を撮像するものである。撮像素子１６としては、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサなどが用いられる。撮像素子としては、ＲＧＢ（Red Green Blue）のカラーフィルタが設けられた撮像素子を用いてもよいし、モノクロの撮像素子を用いるようにしてもよい。
【００４８】
検出部１８は、ステージ５１に設置された培養容器５０のＺ方向（鉛直方向）の位置を検出するものである。検出部１８は、具体的には、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂを備えたものである。第１実施形態における第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂはレーザ変位計であり、培養容器５０にレーザ光を照射し、その反射光を検出することによって、培養容器５０の底面のＺ方向の位置を検出するものである。なお、本開示において培養容器５０の底面とは、培養容器５０の底部と観察対象である細胞との境界面、すなわち観察対象設置面を指す。
【００４９】
培養容器５０は、本開示における容器の一例である。
【００５０】
第１実施形態において、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂは、位相差レンズ１４ａを挟んで、図１に示すＸ方向に並べて設けられている（図８Ａ及び８Ｂを参照）。
【００５１】
一例として、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂの各々は、位相差レンズ１４ａから、正方形である観察対象領域Ｒの一辺Ｄの９倍の距離、つまり９Ｄだけ離間するように配置されている。観察対象領域Ｒについては後述する。
【００５２】
検出部１８によって検出された培養容器５０のＺ方向の位置情報は、後述のフォーカス制御部２１（図６参照）に出力され、フォーカス制御部２１は、入力された位置情報に基づいて、結像光学系駆動部１５を制御し、オートフォーカス制御を行う。なお、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂによる培養容器５０の位置の検出およびフォーカス制御部２１によるオートフォーカス制御については、後で詳述する。
【００５３】
スリット板１３と位相差レンズ１４ａおよび検出部１８との間には、ステージ５１が設けられている。ステージ５１上には、観察対象である細胞が収容された培養容器５０が設置される。
【００５４】
第１実施形態に係る顕微鏡装置においては、一例として図７に示すように、６個のウェルＷを有するウェルプレートを培養容器５０として用いる。ただし、培養容器５０はこれに限定されるものではない。例えば、２４個または９６個のウェルを有するウェルプレートを培養容器５０として用いることができ、その他任意の個数のウェルを有するウェルプレート、またはシャーレ、ディッシュなどのウェルプレート以外の容器を用いることが可能である。観察対象及び観察の目的に応じて、適切な容器を培養容器５０として選択することができる。
【００５５】
また、培養容器５０に収容される細胞としては、ｉＰＳ細胞およびＥＳ細胞といった多能性幹細胞、幹細胞から分化誘導された神経、皮膚、心筋および肝臓の細胞、並びに人体から取り出された皮膚、網膜、心筋、血球、神経および臓器の細胞などがある。
【００５６】
ステージ５１は、後述するステージ制御部１７（図１及び図６参照）によって互いに直交するＸ方向およびＹ方向に移動するものである。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に直交する方向であり、水平面内において互いに直交する方向である。第１実施形態においては、Ｘ方向を主走査方向とし、Ｙ方向を副走査方向とする。
【００５７】
一例として図４に示すように、ステージ５１の中央には、矩形の開口５１ａが形成されている。培養容器５０は、開口５１ａを形成する部材の上に設置され、培養容器５０内の細胞の位相差光が開口５１ａを通過する。
【００５８】
表示装置３０は、後述する広視野画像取得処理によって生成され記憶された合成位相差画像を表示するものであり、たとえば液晶ディスプレイなどを備えたものである。また、表示装置３０をタッチパネルによって構成し、入力装置４０と兼用するようにしてもよい。
【００５９】
入力装置４０は、マウスやキーボードなどを備えたものであり、ユーザによる種々の設定入力を受け付けるものである。入力装置４０は、たとえば位相差レンズ１４ａの倍率の変更指示およびステージの移動速度の変更指示などの設定入力を受け付けるものである。
【００６０】
次に、顕微鏡装置本体１０を制御する顕微鏡制御装置２０の構成について説明する。図５は、顕微鏡制御装置２０の電気系の構成の一例を示す。
【００６１】
顕微鏡制御装置２０はコンピュータを備えている。顕微鏡制御装置２０のコンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７０、一次記憶部７２、二次記憶部７４、及びＩ／Ｏ（インプット・アウトプット・インタフェース）７６等を備えている。ＣＰＵ７０、一次記憶部７２、二次記憶部７４、及びＩ／Ｏ７６は、バスラインによって接続されている。
【００６２】
ＣＰＵ７０は、顕微鏡装置の全体を制御する。一次記憶部７２は、各種プログラムの実行時のワークエリア等として用いられる揮発性のメモリである。一次記憶部７２の一例としては、ＲＡＭ（Random Access Memory）が挙げられる。二次記憶部７４は、各種プログラム及び各種パラメータ等を予め記憶した不揮発性のメモリであり、本開示の技術に係るプログラムの一例である広視野画像取得プログラム８０を記憶している。二次記憶部７４の一例としては、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）又はフラッシュメモリ等が挙げられる。Ｉ／Ｏ７６は顕微鏡装置本体１０と顕微鏡制御装置２０との間の各種情報の送受信を司る。
【００６３】
ＣＰＵ７０は、二次記憶部７４から広視野画像取得プログラム８０を読み出す。そして、ＣＰＵ７０は、読み出した広視野画像取得プログラム８０を一次記憶部７２に展開し、展開した広視野画像取得プログラム８０を実行することで、一例として図６に示すフォーカス制御部２１及びステージ制御部２２として動作する。
【００６４】
ステージ制御部２２は、ステージ駆動装置１７を制御することで、ステージ５１をＸ方向およびＹ方向に移動させる。ステージ駆動装置１７は、例えば、圧電素子などを有するアクチュエータである。
【００６５】
フォーカス制御部２１は、検出部１８によって検出された培養容器５０のＺ方向の位置情報に基づいて、結像光学系駆動部１５に対して制御（オートフォーカス制御）を行う。オートフォーカス制御は、結像光学系駆動部１５の駆動によって結像光学系１４の対物レンズ１４ｂが光軸方向に移動することで実現される。
【００６６】
フォーカス制御部２１は、本開示の技術に係る制御部の一例である。フォーカス制御部２１は、撮像素子が培養容器５０内の各領域を走査している状態において予め定められた条件を満足した場合に、現時点で撮像素子の撮像対象とされている領域（すなわち、撮像位置にある撮像素子の撮像対象とされている領域）と観察予定領域との光軸方向の距離に関する情報に基づいて、圧電素子１５Ａ及びアクチュエータ１５ＢによるＺ方向の動力を結像光学系１４に付与することにより、結像光学系１４の光軸の観察予定領域への到達時に合焦状態で観察対象光（培養容器５０内の観察対象を示す観察光）を撮像素子１６に結像させる制御を結像光学系駆動部１５に対して行う。なお、撮像素子が培養容器５０内の各領域を走査している状態とは、ステージ５１のＸ方向およびＹ方向によるＸＹ平面内での移動により培養容器５０内の各観察域に対して移動させることで撮像素子１６が培養容器５０内の各領域を走査している状態を指す。また、予め定められた条件とは、圧電素子１５Ａの変形量の限界量で圧電素子１５Ａを変形させた状態では非合焦状態となる光軸方向位置に観察予定領域が存在している、との条件を指す。
【００６７】
＜広視野画像取得処理＞
以下、本開示の第１実施形態に係る顕微鏡装置９０による広視野画像取得のプロセスについて詳細を説明する。  
【００６８】
図１０、１１、１３、１６、１７は、第１実施形態において広視野画像取得処理を行うためのプログラムの一例を示すフローチャートである。図１０、１１、１３、１６、１７は、顕微鏡制御装置２０が実行するプログラムの一例を示している。
【００６９】
ここで、顕微鏡制御装置２０が実行するプログラムは、具体的にはフォーカス制御部２１及びステージ制御部２２として機能する顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０によって実行される。
【００７０】
なお、以下では、説明の便宜上、広視野画像取得処理を（１）フローの開始、（２）走査処理、（３）走査処理後の処理、の３つに分けて述べる。
【００７１】
［フローの開始］
第１実施形態に係る顕微鏡装置９０においては、顕微鏡制御装置２０がステージ５１に対する２次元的な移動制御及び結像光学系１４に対するフォーカス制御を行いながら、顕微鏡装置本体１０がステージ５１上に配置された培養容器５０の狭視野画像を連続的に撮像することにより、観察対象に対する走査が実行される。
【００７２】
観察対象の広視野画像の撮像を希望するユーザは、まず、観察対象である細胞が収容された培養容器５０をステージ５１上に設置する。
【００７３】
上述したように、第１実施形態においては、一例として、培養容器５０は６個のウェルＷを有するウェルプレートであるものとして説明する。
【００７４】
ユーザが入力装置４０を通じて広視野画像の撮像を顕微鏡制御装置２０に指示することにより、第１実施形態に係る広視野画像取得処理が開始される。以下、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、広視野画像取得プログラム８０を二次記憶部７４から読み出し、処理を実行する。図１０は、当該処理の全体を示すフローチャートである。
【００７５】
［走査処理］
ステップＳ１００で、ＣＰＵ７０は、走査処理を実行する。ステップＳ１００では、ステージ移動処理（図１２参照）と、フォーカス制御準備処理（図１３参照）と、圧電素子制御処理（図１６参照）と、モータ制御処理（図１７参照）と、顕微鏡装置本体１０による狭視野画像の連続的な撮像とが実行される。
【００７６】
ステージ移動処理、フォーカス制御準備処理と、圧電素子制御処理、モータ制御処理、及び顕微鏡装置本体１０による狭視野画像の連続的な撮像は、互いに同期して行われる。以下では、この同期制御を前提として、処理を説明する。
【００７７】
（ステージ移動処理サブルーチン）
図１０のステップＳ１００に含まれるステージ移動処理は、サブルーチンとして図１１に示されている。図１１は、ステージ制御部２２として機能する顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０が実行する処理プログラムの一例である。
【００７８】
ステップＳ２０２において、ステージ制御部２２は、ステージ５１に対するＸ軸移動方向の初期設定を行う。一例として、ステージ５１のＸ軸移動方向は負方向に設定される。
【００７９】
次にステップＳ２０４において、ステージ制御部２２は、ステージ駆動装置１７により、設定されたＸ軸移動方向に沿ったステージ５１の移動を開始させる。図１１のサブルーチン開始直後であれば、ステップＳ２０２においてＸ軸移動方向が負方向に設定されているから、ステージ５１は、Ｘ軸の負方向に対して移動を開始する。この場合、図８Ａに示されるように、静止している顕微鏡装置本体１０の結像光学系１４は、ステージ５１に対して相対的にＸ軸の正方向に対して移動することになる。以下では、ステージ駆動装置１７によるステージ５１の移動に伴う、結像光学系１４（および観察対象領域Ｒ）のステージ５１に対する相対移動を、便宜上、結像光学系１４（および観察対象領域Ｒ）の移動として説明する。
【００８０】
図８Ａおよび図８Ｂは、培養容器５０の底面上の任意の位置に観察対象領域Ｒがある場合における結像光学系１４、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂと、培養容器５０とのＸＹ平面上での位置関係を示した図である。観察対象領域Ｒは、培養容器５０の底面において、顕微鏡装置本体１０が撮影を行い、位相差画像を生成することができる領域である。結像光学系１４のステージ５１に対する相対移動に伴い、観察対象領域Ｒもステージ５１に対して相対移動する。以下、ステージ５１のＸ方向移動に伴う、結像光学系１４及び観察対象領域Ｒの培養容器５０の底面を含む平面上での進行方向を、Ｘ軸走査方向と呼ぶ。さらに、培養容器５０の底面を含むＸＹ平面を、走査平面と呼ぶ。
【００８１】
以下では、説明の便宜上、観察対象領域Ｒは正方形の領域であるものとするが、これに限られるものではない。
【００８２】
なお、顕微鏡装置本体１０は、図１に図示されていない水平位置検出センサを備えている。ステージ制御部２２は、この水平位置検出センサを用いて、ステージ５１における観察対象領域Ｒの現時点での走査平面上の位置を検出する。
【００８３】
なお、第１実施形態において、観察対象領域Ｒは、Ｘ軸走査方向に沿って一定の速度で移動する。
【００８４】
結像光学系１４の観察対象領域Ｒが走査平面における終点位置に到達すると、ステップＳ２０６において、観察対象領域Ｒが終点位置に到達したか否かの判断が肯定判断となる。ここで終点位置とは、走査平面においてＸ軸方向の走査を終了する位置であり、図７において図示されている。
【００８５】
一方、ステップＳ２０６の判断が肯定判断となるまで、ステージ制御部２２は、ステージ駆動装置１７によるＸ軸移動方向に沿ったステージ５１の移動を継続する。つまり、ステップＳ２０６の判断が肯定判断となるまで、結像光学系１４は、ステージ５１に対して相対的にＸ軸走査方向に沿って移動し続ける。
【００８６】
観察対象領域ＲがＸ軸走査方向に向かって移動する過程で、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、顕微鏡装置本体１０に、培養容器５０の底面において観察対象領域Ｒと重なる領域を撮影させ、複数の位相差画像を生成する。つまり、Ｘ軸走査方向に沿って連続する培養容器５０の底面上の各領域の位相差画像が生成される。
【００８７】
ここで、後述するフォーカス制御処理がステージ移動処理と同期して実行されていることにより、観察対象領域Ｒに重ねあわされる培養容器５０の底面上の各領域において、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂは、そのＺ方向位置が合焦位置に設定されていることに注意されたい。したがって、観察対象領域ＲがＸ軸走査方向に向かって相対移動する過程で、Ｘ軸走査方向に沿って連続する培養容器５０の底面上の各領域について、合焦状態の位相差画像が生成される。
【００８８】
さらに顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、一例として、生成された複数の位相差画像を、一次記憶部７２に記憶する。なお、生成された複数の位相差画像は、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリ、または二次記憶部７４に記憶されてもよい。
【００８９】
ステップＳ２０６の判断が肯定判断である場合、ステップＳ２０８においてステージ制御部２２は、ステージ駆動装置１７によるＸ軸走査方向に沿ったステージ５１の移動を終了する。さらに、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、顕微鏡装置本体１０による狭視野画像の連続的な撮影を終了する。次に、処理はステップＳ２１０に移行する。
【００９０】
ステップＳ２１０において、ステージ制御部２２は、観察対象領域Ｒが走査終点Ｅに到達したか否かの判断を行う。Ｘ軸走査終了点Ｅとは、培養容器５０の底面において走査処理を終了する点であり、図６に例示的に示されている。
【００９１】
ステップＳ２１０の判断が否定判断である場合、処理はステップＳ２１２へ移行する。
【００９２】
ステップＳ２１２において、ステージ制御部２２は、ステージ駆動装置１７により、ステージ５１をＹ軸の負方向に一単位だけ移動させる。ここで一単位とは、観察対象領域Ｒの一辺の長さＤに相当する距離である。この点に関し、図７を参照する。よって、培養容器５０の底面において、観察対象領域ＲはＹ軸の正方向に一単位だけ移動することになる。次に、処理はステップＳ２１４に移行する。
【００９３】
ステップＳ２１４において、ステージ制御部２２は、ステージ５１に対するＸ軸移動方向を反転させる。これにより、観察対象領域ＲのＸ軸走査方向が反転される。そして、図１１の処理はステップＳ２０４に戻り、ステージ制御部２２は再びＸ軸走査を開始し、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、顕微鏡装置本体１０による狭視野画像の連続的な撮影を再開する。
【００９４】
例えば、図１１の処理において初めてステップＳ２１４が実行される場合には、ステップＳ２０２においてステージ５１に対するＸ軸移動方向が負方向に設定されているから、反転の結果としてステージ５１に対するＸ軸移動方向は正方向に設定される。この場合、図１１の処理がステップＳ２０４に戻ると、ステージ５１はＸ軸の正方向に対して移動を開始する。したがって、この場合、図８Ｂに示されるように、静止している顕微鏡装置本体１０の結像光学系１４(及び観察対象領域Ｒ）は、ステージ５１に対して相対的にＸ軸の負方向に対して移動することになる。
【００９５】
ステップＳ２１０の判断が肯定判断となるまで、図１１の処理は継続される。
【００９６】
以上説明したように、ステージ制御部２２がステージ移動処理サブルーチンを実行することにより、ステージ５１がＸ方向およびＹ方向に移動され、結像光学系１４の観察対象領域Ｒが培養容器５０の底面を２次元状に走査し、各領域の位相差画像が生成され、記憶される。
【００９７】
図７の実線Ｍは、走査処理における、培養容器５０の底面を含む走査平面での観察対象領域Ｒの移動の一例を示している。
【００９８】
図７に示すように、結像光学系１４の観察対象領域Ｒは、走査開始点Ｓから走査終点Ｅまで実線Ｍに沿って移動する。すなわち、観察対象領域Ｒは、Ｘ軸の正方向（図７右方向）に走査した後、Ｙ軸の正方向（図７の下方向）に移動し、さらにＸ軸の負方向（図７の左方向）に走査する。次いで、観察対象領域Ｒは、再びＹ軸の正方向に移動し、再びＸ軸の正方向に走査する。このように、観察対象領域Ｒは、Ｘ方向についての往復移動とＹ方向への移動を繰り返し行うことによって、培養容器５０の底面を２次元状に走査する。
【００９９】
なお、ステージ移動処理における終点位置及びステージ移動速度の設定について、以下の点に留意されたい。
【０１００】
第１実施形態において、培養容器５０の底面全体に対して走査を実行するためには、図７に示すように、培養容器５０の範囲よりもＸ方向について外側の範囲Ｒ１、Ｒ２まで結像光学系１４、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂを相対的に移動させる必要がある。そして、範囲Ｒ１のＸ方向の幅として、少なくとも第１変位センサ１８ａと結像光学系１４とのＸ方向の間隔を確保する必要があり、範囲Ｒ２のＸ方向の幅として、少なくとも第２変位センサ１８ｂと結像光学系１４とのＸ方向の間隔を確保する必要がある。そして、観察対象領域Ｒの走査時間をできるだけ短縮するには、観察対象領域Ｒの走査範囲をできるだけ狭くすることが望ましい。したがって、範囲Ｒ１のＸ方向の幅は、第１変位センサ１８ａと結像光学系１４とのＸ方向の間隔とすることが望ましく、範囲Ｒ２のＸ方向の幅は、第２変位センサ１８ｂと結像光学系１４とのＸ方向の間隔とすることが望ましい。
【０１０１】
一方、ステージ５１をＸ方向に移動させることによって観察対象領域Ｒを培養容器５０の範囲内において走査する場合、培養容器５０の範囲における観察対象領域Ｒの移動速度は一定であることが望ましい。したがって、ステージ５１のＸ方向への移動開始時にはステージ５１が一定の速度になるまで加速する必要があり、ステージ５１のＸ方向への移動終了時には、ステージ５１を一定の速度から減速して停止させる必要がある。
【０１０２】
また、ステージ５１のＸ方向への移動速度を一定の速度にする場合、加速域をほとんどもたせることなく急速に一定の速度に制御することは可能であるが、このような制御を行った場合、培養容器５０に細胞とともに収容された培養液などの液面が揺れてしまい、位相差画像の画質の低下を招く可能性がある。また、ステージ５１を停止する際にも同様の問題が発生する可能性がある。
【０１０３】
そこで、第１実施形態においては、図７に示す範囲Ｒ１および範囲Ｒ２をステージ５１のＸ方向への移動の加減速域に設定する。このように培養容器５０の範囲のＸ方向の両側に加減速域を設定することによって、走査範囲を無駄に広げることなく、かつ培養容器５０の範囲において観察対象領域Ｒを一定の速度で走査することができる。さらに、上述したような培養液の液面の揺れも抑制することができる。
【０１０４】
（フォーカス制御処理サブルーチン）
図１０のステップＳ１００に含まれるフォーカス制御処理は、サブルーチンとして図１３、１６、１７に示されている。
【０１０５】
上述したように、第１実施形態においては、第１変位センサ１８ａと第２変位センサ１８ｂは、図８Ａ及び図８Ｂに示すように結像光学系１４を挟んでＸ方向に並べて設けられている。そのため、上述したステージ移動処理において結像光学系１４の観察対象領域ＲがＸ方向に沿って連続する培養容器５０の底面上の各領域を走査する際に、検出部１８は、観察対象領域Ｒの位置よりもＸ軸走査方向前方に位置する領域に対して、培養容器５０の底面のＺ方向の位置を検出することができる。
【０１０６】
具体的には、観察対象領域Ｒが図８Ａに示す矢印方向（図８Ａの右方向）に移動している場合には、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂのうち、観察対象領域Ｒに対してＸ軸走査方向前方に位置する第１変位センサ１８ａが、培養容器５０の底面のＺ方向の位置を検出する。そして、観察対象領域Ｒが図８Ａの右方向にさらに移動する際に、第１変位センサ１８ａが検出した培養容器５０の底面のＺ方向の位置と、前もって検出された培養容器５０の基準面高さとを含むパラメータに基づくフォーカス制御を実行することにより、Ｘ軸走査方向に沿った培養容器５０の底面上の各領域において、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂのＺ方向位置を合焦位置に合わせることができる。つまり、フォーカス制御を実行することにより、観察対象領域Ｒが図７の右方向に移動する際に、結像光学系１４を培養容器５０の底面に対して合焦状態に保ちつつ、各領域を撮影することができる。
【０１０７】
一方、観察対象領域Ｒが、図８Ｂの矢印方向（図８Ｂの左方向）に移動している場合には、第１変位センサ１８ａおよび第２変位センサ１８ｂのうち、観察対象領域Ｒに対してＸ軸走査方向前方に位置する第２変位センサ１８ｂが、培養容器５０の底面のＺ方向の位置を検出する。そして、図８Ａについて説明した通り、フォーカス制御を実行することにより、観察対象領域Ｒが図８Ｂの左方向に移動する際に、結像光学系１４を培養容器５０の底面に対して合焦状態に保ちつつ、各領域を撮影することができる。
【０１０８】
このように第１変位センサ１８ａを用いた培養容器５０の底面のＺ方向位置検出と第２変位センサ１８ｂを用いた培養容器５０の底面のＺ方向位置検出とを、観察対象領域Ｒの移動方向に応じて切り替えることによって、常に、観察対象領域Ｒの撮影に先行して、当該観察対象領域Ｒの位置における培養容器５０のＺ方向の位置情報を取得することができる。
【０１０９】
フォーカス制御部２１は、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂを含む結像光学系駆動部１５を用いて、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂのＺ方向位置を調整することにより、フォーカス制御を行う。具体的には、フォーカス制御部２１は、圧電素子１５Ａに印加する電圧量と、アクチュエータ１５Ｂを駆動させるパルスモータＭに入力するパルスを制御することにより、フォーカス制御を実行する。
【０１１０】
通常、フォーカス制御部２１は、圧電素子１５Ａのみを用いてフォーカス制御処理を実行する。上述したように、圧電素子１５Ａは、アクチュエータ１５Ｂに比べて高速で結像光学系１４をＺ方向に移動させることが可能である。しかしながら、圧電素子１５Ａはアクチュエータ１５Ｂに比べて駆動可能範囲が小さいため、圧電素子１５Ａのみによっては対物レンズ１４ｂを必要な距離移動させることができない事態が生じ得る。
【０１１１】
この点について、図１２を参照して説明する。便宜上、以下では、観察対象領域Ｒは図８Ａに示すようにＸ軸正方向に移動しているものとして説明する。
【０１１２】
説明の便宜上、培養容器５０の底面のＸ軸方向を観察対象領域Ｒの一辺Ｄで分割することを考える。観察対象領域ＲがＩ番目の領域にある場合、観察予定領域はＩ＋１０番目の領域に配置されている。つまり、観察予定領域は、観察対象領域Ｒに対してＸ軸走査方向の１０単位先前方の領域に位置している。図９は、以上の関係を示す図である。
【０１１３】
ここで観察予定領域とは、第１変位センサ１８ａの鉛直上方に位置する培養容器５０の底面上の領域であって、所定時間経過後に観察対象領域Ｒが重ね合わせられる領域をいう。上述したように、一例として、第１変位センサ１８ａは、位相差レンズ１４ａからＸ方向に観察対象領域Ｒの一辺Ｄの９倍の距離だけ離間するように配置されている。
【０１１４】
観察予定領域は、本開示における特定領域の一例である。
【０１１５】
図１２は、図９に示されたＩ番目の領域からＩ＋１０番目までの各領域について、合焦位置を示した図である。図１２において、観察対象領域Ｒは現在Ｉ番目の領域に位置し、観察予定領域はＩ＋１０番目の領域である。
【０１１６】
図１２において、下方の破線は、培養容器５０の底面の基準面に相当する高さ（基準面に対して合焦位置となる対物レンズ１４ｂのＺ方向位置）、中央の破線は対物レンズ１４ｂの現在のＺ方向位置を表し、上方の破線は圧電素子１５の駆動可能範囲の上限を表している。また、水平な棒はＩ番目の領域からＩ＋１０番目までの各領域の合焦位置を表している。先行する走査において、第１変位センサ１８ａにより、Ｉ番目の領域からＩ＋１０番目までの各領域について培養容器５０の底面のＺ方向位置が既に検出されている。そして、各領域での合焦位置は、培養容器５０の基準面のＺ方向位置から検出された各領域のＺ方向位置を減算することにより、導出することができる。
【０１１７】
同期されているステージ移動処理により、観察対象領域ＲはＩ番目の領域からＩ＋１番目の領域、Ｉ＋２番目の領域、というように、Ｘ軸走査方向の各領域をＩ＋１０番目の領域（つまり、観察予定領域）まで移動していく。フォーカス制御部２１は、結像光学系駆動部１５を制御して、各領域において対物レンズ１４ｂのＺ方向位置をそれぞれの合焦位置に合わせる。
【０１１８】
しかしながら、図１２に示された状況では、Ｉ＋１０番目の領域（つまり、観察予定領域）の合焦位置と基準面に相当する合焦位置（つまり、図１２の下方の破線）との差が、閾値を超えている。この状況を、圧電素子１５Ａのレンジオーバーという。閾値は、圧電素子１５Ａの駆動可能範囲に基づいて定められる値であり、一例として、圧電素子１５Ａの移動可能距離の上限である。閾値は、本開示の第１移動部材の移動可能範囲の限界の一例である。
【０１１９】
したがって、フォーカス制御部２１は、圧電素子１５Ａのみを用いる制御によっては、観察対象領域Ｒが観察予定領域に到達した時点において、結像光学系１４を合焦位置に到達させることができない。
【０１２０】
そこで、フォーカス制御部２１は、圧電素子１５Ａに加えて、アクチュエータ１５Ｂを駆動してフォーカス制御を実行する。上述した通り、アクチュエータ１５Ｂは、圧電素子１５Ａと比べて大きい駆動可能範囲を有している。そのため、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを同期させて駆動することにより、閾値を超えた移動距離の移動が可能となる。
【０１２１】
なお、図１２には図示されていないが、圧電素子１５ＡのＺ方向位置を適切に配置することにより、対物レンズ１４ｂを基準面より鉛直下方に搬送することが可能である。つまり、圧電素子１５ＡのＺ方向変形の最低位置を基準面に相当する位置（図１２の下方の破線）に合わせる必要は無く、基準面よりＺ方向下方に駆動可能範囲の下限を設定することが可能である。
【０１２２】
圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとの同期制御は、種々の最適化計算技術を用いて、適宜実行することが可能である。最適化計算にあたり、特に、アクチュエータ１５Ｂは圧電素子１５Ａに比べてＺ方向移動速度が遅いことに考慮する必要がある。
【０１２３】
以下では、一例として、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとの同期制御がパルスプロファイル４００（図１４参照）と電圧テーブル５００（図１５参照）とを用いて実現される場合についての一例を説明する。
【０１２４】
第１実施形態に係るフォーカス制御処理は、図１３に示されたフォーカス制御準備処理サブルーチンと、図１６に示された圧電素子制御処理サブルーチンと、図１７に示されたモータ制御処理サブルーチンを含む。フォーカス制御部２１は、フォーカス制御準備処理サブルーチンと、圧電素子制御処理サブルーチンと、モータ制御処理サブルーチンを同期させて実行することにより、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとの同期制御を行う。
【０１２５】
フォーカス制御準備処理サブルーチンにおいては、モータ制御を実行するためのパルスプロファイルが生成され、調節される。圧電素子制御処理サブルーチンにおいては、（パルスプロファイルに基づいて変動しうる）電圧テーブルに基づいて、圧電素子１５Ａが制御される。モータ制御処理サブルーチンにおいては、パルスプロファイルに基づいて、アクチュエータ１５Ｂを駆動するパルスモータＭが制御される。
【０１２６】
まず、図１３のフォーカス制御準備処理サブルーチンについて説明する。便宜上、図１２に示されたように、観察対象領域ＲがＩ番目の領域に位置している状況を用いて説明する。
【０１２７】
ステップＳ３０２において、フォーカス制御部２１は、第１変位センサ１８ａによって、培養容器５０の底面における観察予定領域のＺ方向位置検出を行う。
【０１２８】
次にステップＳ３０４において、フォーカス制御部２１は、検出されたＺ方向位置情報を記憶装置に記憶する。一例として、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記憶される。また、検出されたＺ方向位置は、一次記憶部７２または二次記憶部７４に記憶されてもよい。
【０１２９】
次に、ステップＳ３０６において、フォーカス制御部２１は、基準面に相当する合焦位置（つまり、図１２の下方の破線）とＩ＋１０番目の領域（つまり、観察予定領域）と合焦位置とのＺ方向位置の差である距離を導出する。
【０１３０】
算出された距離は、一例として、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記録される。また、距離は、一次記憶部７２または二次記憶部７４に記憶されてもよい。
【０１３１】
観察予定領域を適切に撮影するためには、観察対象領域Ｒが現在の観察予定領域に移動する際に、結像光学系１４をＺ方向に所定距離移動させる必要がある。所定距離とは、具体的にはステップＳ３０６において導出された距離から観察対象領域Ｒの現在のＺ方向位置を減算した値である。
【０１３２】
そしてステップＳ３０８において、フォーカス制御部２１は、距離が閾値より小さいか否かを判断する。上述したように、閾値は、一例として、圧電素子１５Ａの移動可能距離の上限である。
【０１３３】
ステップＳ３０８の判断が肯定判断である場合、図１３の処理はステップＳ３１０へ移行する。ステップＳ３１０において、フォーカス制御部２１は、観察予定領域に対してフラグを立てる（フラグをオンする）。フラグは、観察予定領域の合焦位置が圧電素子１５Ａのみによって到達可能であることを示す。フラグは、一例として、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記録される。
【０１３４】
次にステップＳ３１２において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイルが作成済みであるか否かを判断する。パルスプロファイルの詳細については後述する。
【０１３５】
パルスプロファイルが存在する場合には、フォーカス制御部２１は、ステップＳ３１４においてステップＳ３０４において記憶されたＩ＋１０番目の領域のＺ方向位置情報に基づいて、パルスプロファイルを調節する。パルスプロファイルが存在しない場合には、ステップＳ３１４の処理は実行されない。
【０１３６】
そして、同期されているステージ移動処理によって、観察対象領域Ｒが隣接するＩ＋１番目の領域に移動すると、ステップＳ３２２の判断は肯定判断となり、図１３の処理はステップＳ３２４へ移行する。この場合、観察対象領域ＲはＩ＋１番目の領域に位置し、Ｉ＋１１番目の領域が新たな観察予定領域である。
【０１３７】
ステップＳ３２４において、フォーカス制御部２１は、ステージ制御部２２が実行するステージ移動処理において、新たな観察予定領域が走査終点に到達したか否かの判断を行う。ステップＳ３２４の判断は、図１１に示されたステージ移動サブルーチンのステップＳ２１０に対応するものである。
【０１３８】
ステップＳ３２４の判断が否定判断である場合、図１３の処理は再びステップＳ３０２に戻り、新たな処理が開始される。つまり、観察対象領域Ｒが現在配置されているＩ＋１番目の領域に対し、Ｉ＋１１番目の領域を新たな観察予定領域として、ステップＳ３０２以降の処理が実行される。このようにして、ステージ制御部２２が培養容器５０の底面を走査している間、フォーカス制御部２１はフォーカス制御準備処理を継続する。
【０１３９】
ステップＳ３０８の判断が否定判断である場合、ステップＳ３１６において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイルが作成済みであるか否かを判断する。
【０１４０】
パルスプロファイルが存在する場合には、フォーカス制御部２１は、ステップＳ３１８においてステップＳ３０４において記憶されたＩ＋１０番目の領域のＺ方向位置情報に基づいて、パルスプロファイルを調節する。
【０１４１】
一方、パルスプロファイルが存在しない場合には、ステップＳ３２０において、フォーカス制御部２１は、先行する処理によって記憶されているＩ番目からＩ＋１０番目までの各領域のＺ方向位置情報と、Ｚ方向移動速度等のパルスモータの性能値に基づいて、パルスプロファイルを生成する。パルスプロファイルは、一例として、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記録される。
【０１４２】
そして、同期されているステージ移動処理によって、観察対象領域Ｒが隣接するＩ＋１番目の領域に移動すると、ステップＳ３２２の判断は肯定判断となり、図１３の処理はステップＳ３２４へ移行する。以降の処理は、ステップＳ３０８の判断が肯定判断である場合と同様である。
【０１４３】
以下で、パルスプロファイルについて詳述する。図１４は、パルスプロファイル４００の一例を示す。パルスプロファイルは、時間とパルスモータＭに入力される単位時間当たりのパルス数の関数関係を表す。パルスプロファイル４００は、現在（ｔ＝０）から少なくともＸ軸走査方向の１０単位先の領域に到達する時刻までについて、パルスモータＭに入力されるべき単位時間当たりのパルス数を規定している。パルスプロファイル４００に基づいて、アクチュエータ１５Ｂを駆動するパルスモータＭが制御される。具体的には、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位分移動する時間と、対応する単位時間当たりのパルス数に基づいて、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位分移動する間にパルスモータＭに入力されるパルス数が決定される。
【０１４４】
パルスプロファイル４００は、観察対象領域ＲがＸ軸走査方向の領域に１単位分移動するたびに、変動する。一例として、図１４の実線の曲線は、観察対象領域ＲがＩ番目の領域にある場合のパルスプロファイル４００を表し、破線の曲線は、観察対象領域ＲがＩ＋１番目の領域にある場合のパルスプロファイル４００を表している。
【０１４５】
パルスプロファイル４００の変動に伴い、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位分移動する間にパルスモータＭに入力されるパルス数も変化する。上述したように、パルスプロファイル４００はＸ軸走査方向の１０単位先の領域に到達する時刻までについて、パルスモータＭに入力されるべき単位時間当たりのパルス数を規定しているが、実際にパルスモータＭに入力を決定されるパルス数は、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位分移動する時間に対応する単位時間当たりのパルス数のみによって定まることに留意されたい。
【０１４６】
上述したように、パルスプロファイル４００は、現在位置から１０単位先までの各領域のＺ方向位置情報と、パルスモータの性能値等のパラメータに基づいて生成され、経時的に調節される。
【０１４７】
第１実施形態の圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとの同期制御において、アクチュエータ１５Ｂはパルスプロファイル４００に基づいて制御される。一方、圧電素子１５Ａは、電圧テーブル５００に基づいて制御される。
【０１４８】
図１５に、電圧テーブル５００の一例を示す。電圧テーブル５００は、Ｚ方向の変位量に対する、圧電素子１５Ａに印加すべき電圧の情報を含む。
【０１４９】
一例として、パルスプロファイルが作成されていないか、パルスプロファイルにおいて全ての時刻についてパルス数がゼロとなっている（図１４の関数が横軸と一致する）状況を考える。この状況での電圧テーブル５００の示す各電圧値を、基準値と呼ぶ。
【０１５０】
この場合、アクチュエータ１５Ｂは駆動されず、圧電素子１５Ａのみによって結像光学系１４の対物レンズ１４ｂのＺ方向の移動が行われる。Ｚ方向に対物レンズ１４ｂを搬送すべき変位量がＺ３である場合、フォーカス制御部２１は、電圧テーブル５００を参照して、圧電素子１５Ａに印加すべき電圧値がＶ３であることを導出する。
【０１５１】
圧電素子１５Ａのみによって結像光学系１４の対物レンズ１４ｂがＺ方向に移動される場合、例えば、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位移動するに際し、現在位置（Ｉ番目の領域）の合焦位置と次の位置（Ｉ＋１番目の領域）の合焦位置とのＺ方向の距離がＺ３であったとすると、圧電素子１５Ａに基準値Ｖ３を印加すれば、Ｉ＋１番目の領域の領域において対物レンズ１４ｂを合焦位置に合わせることができる。
【０１５２】
一方、パルスプロファイル４００が存在し、観察対象領域Ｒが現在位置からＸ軸走査方向の領域に１単位分移動する時間における単位時間当たりのパルス数が０でない場合を考える。この場合、アクチュエータ１５Ｂが駆動され、圧電素子１５Ａと共に結像光学系１４の対物レンズ１４ｂのＺ方向の移動が行う。この場合、パルスプロファイル４００に基づいて、電圧テーブル５００の電圧値は変更される。すなわち、パルスプロファイル４００に基づいてアクチュエータ１５ＢがＺ方向に移動するため、Ｚ方向に対物レンズ１４ｂを搬送すべき変位量がＺ３であったとしても、圧電素子１５Ａに印加すべき電圧値は以前の基準値のＶ３とは同じではない。Ｚ３からアクチュエータ１５Ｂによる変位量を減算した変位量に相当する電圧値が、圧電素子１５Ａに印加されることにより、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂは合焦位置に搬送される。
【０１５３】
以上を踏まえ、図１６の処理を説明する。便宜上、図１２に示されたように、観察対象領域ＲがＩ番目の領域に位置している状況を用いて説明する。
【０１５４】
観察対象領域Ｒにおける位相差画像の撮像が終了すると、ステップＳ６０２において肯定判断となり、図１６の処理はステップＳ６０４へ移行する。
【０１５５】
ステップＳ６０４において、フォーカス制御部２１は、先行するフォーカス制御準備処理において記憶されている、Ｉ番目の領域（すなわち、観察対象領域Ｒの現在の位置）からＩ＋１０番目の位置のＺ方向位置情報を取得する。上述したように、一例として、Ｚ方向位置情報は、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記憶されている。
【０１５６】
次に、ステップＳ６０６において、フォーカス制御部２１は、観察対象領域Ｒの現在位置からＸ軸走査方向に１０単位先の領域（つまり、観察予定領域）について、フラグがオフであるか否かを判断する。上述したように、フラグは、先行するフォーカス制御準備処理において、一例としてＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリに記憶されている。
【０１５７】
ステップＳ６０６の判断が否定判断である場合、Ｉ＋１０番目の領域（つまり、観察予定領域）の合焦位置が、圧電素子１５Ａの駆動可能範囲に収まっている。次に、ステップＳ６０８において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイルの現時点（ｔ＝０）から観察対象領域ＲがＸ軸走査方向の領域に１単位分移動した時刻までのパルス数がゼロであるか否かを判断する。パルスプロファイルが作成されていない場合、パルス数はゼロであるとみなされる。
【０１５８】
ステップＳ６０８の判断が肯定判断である場合、観察予定領域の合焦位置が圧電素子１５Ａの駆動可能範囲に収まっており、かつ、アクチュエータ１５Ｂによる変位は行われない。この場合、図１５に示した電圧テーブル５００の各電圧値は基準値に保たれる。
【０１５９】
そして、同期されているステージ移動処理によって、観察対象領域Ｒが隣接するＩ＋１番目の領域に到達すると、ステップＳ６１２の判断は肯定判断となる。この場合、アクチュエータ１５Ｂによる変位は行われないので、ステップＳ６１４において、フォーカス制御部２１は、Ｉ＋１番目の領域において、電圧テーブル５００の基準値を圧電素子１５Ａに印加する。この結果、Ｉ＋１番目の領域において、圧電素子１５Ａのみを用いて、結像光学系１４の対物レンズ１４ｂが合焦位置に移動される。
【０１６０】
次に、ステップＳ６０６の判断が否定判断であり、ステップＳ６０８の判断が否定判断である場合を考える。この場合、観察予定領域の合焦位置は圧電素子１５Ａの駆動可能範囲に収まっているが、アクチュエータ１５Ｂが既に駆動されている。
【０１６１】
そこで、ステップＳ６１０において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイル４００に基づいて電圧テーブル５００を調節する。この結果、電圧テーブル５００は、基準値から変更される。
【０１６２】
そして、同期されているステージ移動処理によって、観察対象領域Ｒが隣接するＩ＋１番目の領域に到達すると、ステップＳ６１２の判断は肯定判断となる。この場合、ステップＳ６１４において、フォーカス制御部２１は、Ｉ＋１番目の領域において、電圧テーブル５００の基準値から修正された値の電圧を圧電素子１５Ａに印加する。また、同期されている後述するモータ制御処理により、アクチュエータ１５Ｂはパルスプロファイルに基づいてＺ方向に変位する。この結果、圧電素子１５Ａの変位とアクチュエータ１５Ｂの変位とによって、Ｉ＋１番目の領域において結像光学系１４の対物レンズ１４ｂが合焦位置に移動される。
【０１６３】
さらに、ステップＳ６０６の判断が肯定判断である場合を考える。この場合、観察予定領域の合焦位置は、圧電素子１５Ａの駆動可能範囲を超過している。
【０１６４】
ステップＳ６１０において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイル４００に基づいて電圧テーブル５００を調節する。そして、フォーカス制御部２１は、ステップＳ６０６の判断が否定判断でありかつステップＳ６０８の判断が否定判断である場合と同様に、ステップＳ６１２及びステップＳ６１４の処理を実行する。
【０１６５】
ステップＳ６１４の処理が完了すると、図１６の処理はステップＳ６１６に移行する。ステップＳ６１６において、フォーカス制御部２１は、ステージ制御部２２が実行するステージ移動処理において、観察対象領域Ｒが走査終点に到達したか否かの判断を行う。ステップＳ６１６の判断は、図１１に示されたステージ移動サブルーチンのステップＳ２１０に対応するものである。
【０１６６】
ステップＳ６１６の判断が否定判断である場合、図１６の処理はステップＳ６０２へ戻り、再び上述の処理が繰り返される。このようにして、ステージ制御部２２がステージ移動処理を実行している間、フォーカス制御部２１は電圧テーブル５００に基づく圧電素子への電圧印加処理を継続する。
【０１６７】
次に、モータ制御処理について説明する。図１７は、フォーカス制御部２１が実行するモータ制御処理サブルーチンを示す。
【０１６８】
図１３に示したフォーカス制御準備処理において一度パルスプロファイルが生成されると、モータ制御処理サブルーチンが開始される。
【０１６９】
ステップＳ７０２において、フォーカス制御部２１は、パルスプロファイル４００に基づいて、アクチュエータ１５Ｂを駆動するパルスモータＭに入力されるパルス数を制御する。入力されるパルス数に基づいて、アクチュエータ１５ＢはＺ方向に変位する。ステップＳ７０２の処理は、ステージ制御部２２が実行するステージ移動処理が終了するまで継続される。
【０１７０】
なお、ステップＳ７０２において、パルスプロファイル４００の現時点（ｔ＝０）でのパルス数がゼロである場合、パルスモータＭにパルスは入力されず、アクチュエータ１５Ｂは駆動されない点に留意されたい。
【０１７１】
ステージ制御部２２が実行するステージ移動処理において、観察対象領域Ｒが走査終点に到達すると、ステップＳ７０４の判断は肯定判断となり、モータ制御処理サブルーチンは終了する。なお、ステップＳ７０４の判断は、図１１に示されたステージ移動処理サブルーチンのステップＳ２１０、及び図１６に示された圧電素子制御サブルーチンのステップＳ６１６の判断に対応するものである。
【０１７２】
以上において、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを併用するフォーカス制御の一例として、パルスプロファイル４００と電圧テーブル５００を用いた圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとの同期制御の全体について説明した。以下では、この同期制御における典型的な例について説明する。
【０１７３】
上述したように、通常、フォーカス制御部２１は圧電素子１５Ａのみを用いてフォーカス制御処理を実行する。
【０１７４】
この状態では、図１３の処理において、ステップＳ３０８において肯定判断、ステップＳ３１２において否定判断、ステップＳ３２４において否定判断が繰り返され、パルスプロファイル４００は生成されることは無い。
【０１７５】
この場合、図１６の処理において、ステップＳ６０６において否定判断、ステップＳ６０８において肯定判断が繰り返される。よって、図１６の処理において、電圧テーブル５００の各電圧値は基準値から変更されない。つまり、図１６の圧電素子制御処理において、フォーカス制御部２１は圧電素子１５Ａに対して基準値の電圧の印加を繰り返す。
【０１７６】
一方、図１３の処理においてパルスプロファイル４００が生成されないため、図１７のモータ制御処理は開始されない。
【０１７７】
このようにして、圧電素子１５Ａのみによるフォーカス制御処理が実行される。
【０１７８】
次に、ステージ制御部２２が実行するステージ移動処理のある時点において、観察予定領域の合焦位置が圧電素子１５Ａの駆動可能範囲を超過したとする。この場合、図１３の処理において、ステップＳ３０８において否定判断、ステップＳ３１６において否定判断となり、ステップＳ３２０においてパルスプロファイル４００が生成される。
【０１７９】
パルスプロファイル４００が生成されると、図１７のモータ制御処理が開始され、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂを同期させたフォーカス制御処理が実行される。
【０１８０】
この過程では、図１３のステップＳ３１４またはステップＳ３１８においてパルスプロファイルが経時的に変動する。一方、図１６のステップＳ６１０において、電圧テーブル５００の各電圧値は基準値から変更され、経時的に変動する。
【０１８１】
このようにして、圧電素子１５Ａ及びアクチュエータ１５Ｂを併用したフォーカス制御処理が実行される。
【０１８２】
次に、ステージ移動処理が進行し、培養容器５０の底面にばらつきが大きい領域を通り過ぎたとする。この場合、図１３のステップＳ３０８において肯定判断かつステップＳ３１２において肯定判断となり、ステップＳ３１４においてパルスプロファイルはゼロ値に近づくように調節されると考えられる。
【０１８３】
パルスプロファイルにおいて全ての時刻についてパルス数がゼロとなる（図１４の関数が横軸と一致する）と、図１７のＳ７０２において、パルスモータＭにパルスは入力されなくなり、アクチュエータ１５Ｂは停止する。一方、図１６のステップＳ６０６において否定判断かつステップＳ６０８において肯定判断となり、電圧テーブル５００の各電圧値は基準値から変動しなくなる。
【０１８４】
このようにして、通常状態への復帰が行われ、再び圧電素子１５Ａのみによるフォーカス制御処理が実行される。
【０１８５】
以上、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを同期制御するフォーカス制御の一例として、パルスプロファイル４００と電圧テーブル５００を用いた制御を説明した。しかし、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを同期制御するフォーカス制御は、パルスプロファイル４００と電圧テーブル５００を用いた制御に限られるものではない。公知の様々な最適化技術を適用することにより、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂとを適切に制御して、第１実施形態のフォーカス制御を実行することができる。
【０１８６】
第１実施形態においては、上述したように各観察対象領域Ｒについてそれぞれ前もって培養容器５０のＺ方向の位置が検出されるため、各観察対象領域Ｒの培養容器５０の位置の検出タイミングと、位相差画像の撮像タイミングが時間的にずれる。したがって、結像光学系１４（対物レンズ１４ｂ）のＺ方向の移動、すなわちオートフォーカス制御は、第１変位センサ１８ａまたは第２変位センサ１８ｂによって培養容器５０の位置の検出が行われた後、その検出位置に観察対象領域Ｒが到達するまでの間に行われる。
【０１８７】
ここで、オートフォーカス制御のタイミングが早すぎる場合には、オートフォーカス制御の後、観察対象領域Ｒが検出位置に到達するまでの間に、何らかの要因によって、培養容器５０のＺ方向の位置がずれる可能性があり、フォーカス位置がずれる可能性がある。
【０１８８】
したがって、オートフォーカス制御のタイミングは、観察対象領域Ｒが検出位置に到達する直前であって、かつその検出位置における位相差画像の撮像が間に合うタイミングであることが望ましい。なお、観察対象領域Ｒが検出位置に到達する直前とは、たとえば図９に示すように、観察対象領域ＲがＸ方向に順次移動し、検出部１８による検出位置が、斜線で示すＰｄの位置である場合には、観察対象領域Ｒが、検出位置Ｐｄに隣接する観察対象領域Ｒの位置Ｐｒを通過した時点から検出位置Ｐｄに到達するまでの間であることが望ましい。なお、観察対象領域Ｒが検出位置Ｐｄに到達した時点でオートフォーカス制御を行うようにしてもよい。
【０１８９】
第１実施形態においては、オートフォーカス制御のタイミングが、上述したような望ましいタイミングとなるように、第１または第２変位センサ１８ａ、１８ｂによる検出タイミングからその検出位置の位置情報を用いたオートフォーカス制御のタイミングまでの時間が予め設定されている。
【０１９０】
なお、たとえば位相差レンズ１４ａの倍率の変更などによってステージ５１の移動速度が変更された場合には、そのステージ５１の移動速度の変更に応じて上述の予め設定された時間を変更するようにしてもよい。または、上述の予め設定された時間を変更する代わりに、ステージ５１の移動速度が変更された場合に、第１変位センサ１８ａまたは第２変位センサ１８ｂをＸ方向に移動させることによって、第１変位センサ１８ａまたは第２変位センサ１８ｂと結像光学系１４との距離を変更するようにしてもよい。
【０１９１】
［走査処理後の処理]
図１０のステップＳ１００の走査処理が終了した時点で、培養容器５０の底面上の各領域について、合焦状態の狭視野画像が生成され、一次記憶部７２、ＣＰＵ７０の図示しないキャッシュメモリ、または二次記憶部７４に記憶されている。
【０１９２】
図１０の処理は、ステップＳ１０２へ移行する。
【０１９３】
ステップＳ１０２において、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、記憶されている狭視野画像を読み出して結合することによって、培養容器５０の底面の全体を示す１枚の合成位相差画像（つまり、広視野画像）を生成する。
【０１９４】
次にステップＳ１０４において、顕微鏡制御装置２０のＣＰＵ７０は、生成された合成位相差画像を記憶し、広視野画像取得処理を終了する。生成された合成位相差画像は、例えば二次記憶部７４に記憶することができる。
【０１９５】
なお、記憶された広視野画像を表示装置３０に表示させることが可能である。
【０１９６】
第１実施形態によれば、走査状況に応じて、各領域の光軸方向の位置に対してフォーカス制御を追従させることができる。
【０１９７】
具体的には、圧電素子とパルスモータに接続されたＺ方向アクチュエータとを同期制御することにより、培養容器の底面に培養容器の底面に大きなバラつきが存在する場合であっても、培養容器の底面全体の高速走査に際し、適切なオートフォーカス制御を実行することができる。培養容器の底面の各領域の光学方向の位置に応じて、領域毎のフォーカス制御を高速化でき、その結果として、培養容器の底面全体の走査時間を短縮することができる。
【０１９８】
＜第２実施形態＞
次に、本開示の技術に係る第２実施形態を用いた顕微鏡装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。第２実施形態の顕微鏡装置は、第１実施形態の顕微鏡装置とは、検出部の構成が異なる。第２実施形態の顕微鏡装置は、その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、以下、第２実施形態の顕微鏡装置の検出部の構成を中心に説明する。
【０１９９】
第１実施形態の検出部１８は、２つの変位センサ１８ａ及び１８ｂを備え、観察対象領域ＲのＸ軸走査方向の変更に応じて使用する変位センサを切り替えるようにしたが、第２実施形態の検出部１９は、単一の変位センサを有し、観察対象領域ＲのＸ軸走査方向の変更に応じて、その変位センサの位置を切り替えるようにしたものである。
【０２００】
図１９および図２０は、第２実施形態の検出部１９の具体的な構成を示す図である。検出部１９は、図１９および図２０に示すように、変位センサ１９ａと変位センサ１９ａを案内してその位置を移動させるガイド機構１９ｂとを備えている。
【０２０１】
変位センサ１９ａは、第１実施形態の第１および第２変位センサ１８ａ，１８ｂと同様であり、レーザ変位センサから構成されるものである。
【０２０２】
ガイド機構１９ｂは、半円弧状のガイド部材を備えたものであり、このガイド部材に沿って変位センサ１９ａを移動させるものである。ガイド部材は、結像光学系１４（対物レンズ１４ｂ）を挟んでＸ方向について一方の側から他方の側に変位センサ１９ａを移動させるものである。
【０２０３】
図１９は、観察対象領域ＲのＸ軸走査方向が、図１９の矢印方向（図１９の右方向）である場合における変位センサ１９ａの位置を示す図である。一方、図２０は、観察対象領域ＲのＸ軸走査方向が、図２０の矢印方向（図２０の左方向）である場合における変位センサ１９ａの位置を示す図である。観察対象領域ＲのＸ軸走査方向が図１９の矢印方向から図２０の矢印方向に変更された場合には、変位センサ１９ａは図１９に示す位置からガイド機構１９ｂのガイド部材に沿って移動し、図２０に示す位置に切り替えられる。
【０２０４】
なお、第２実施形態においては、変位センサの位置を移動させる変位センサ移動機構として上述したガイド機構１９ｂを設けるようにしたが、変位センサ移動機構の構成としてはこれに限らず、変位センサの位置を同様に変更可能な構成であれば、その他の構成を用いてもよい。
【０２０５】
第２実施形態の顕微鏡装置のその他の構成および作用については、第１実施形態の顕微鏡装置と同様である。
【０２０６】
＜変形例＞
以下、本開示の変形例を説明する。以下では第１実施形態に基づいて本変形例を説明するが、本変形例は第２実施形態に適用することも可能である。
【０２０７】
図２１は、圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂを含む結像光学系駆動部１５に変形例を適用した一例を示す。
【０２０８】
図３に示された第１実施形態の結像光学系駆動部１５においては、圧電素子１５Ａはアクチュエータ１５Ｂの上に配置されていた。
【０２０９】
図２１の変形例では、圧電素子１５Ａは保持部材２４に保持される。また、アクチュエータ１５Ｂは、保持部材２４の側面に配置される。本変形例では、アクチュエータ１５Ｂは、保持部材２４をＺ方向に移動させるための動力を保持部材２４の側面を介して保持部材２４に伝達する。保持部材２４がアクチュエータ１５ＢによってＺ方向に移動されることにより、保持部材２４に保持された圧電素子１５Ａに保持される結像光学系１４の対物レンズ１４ｂは、Ｚ方向に移動する。
【０２１０】
圧電素子１５Ａとアクチュエータ１５Ｂの位置関係は、図２１に示された変形例に限定されない。対物レンズ１４ｂを適切にＺ方向に搬送することが可能であればよい。
【０２１１】
なお、第１及び第２実施形態においては、ステージ５１を移動させることによって観察対象領域Ｒを走査するようにしたが、これに限らず、ステージ５１を固定とし、結像光学系１４およびその他の位相差画像の撮像に係る構成を移動させることによって観察対象領域Ｒを走査するようにしてもよいし、ステージ５１と結像光学系１４およびその他の位相差画像の撮像に係る構成との双方を移動させることによって観察対象領域Ｒを走査するようにしてもよい。
【０２１２】
また、第１及び第２実施形態は、本開示を位相差顕微鏡に適用したものであるが、本開示の技術は、位相差顕微鏡に限らず、微分干渉顕微鏡および明視野顕微鏡などのその他の顕微鏡に適用するようにしてもよい。
【０２１３】
また、第１及び第２実施形態においては、結像光学系１４によって結像された位相差画像を撮像素子１６によって撮像するようにしたが、撮像素子を設けることなく、結像光学系１４によって結像された観察対象の位相差画像をユーザが直接観察できるように観察光学系などを設けるようにしてもよい。
【０２１４】
また、第１及び第２実施形態では、広視野画像取得プログラム８０を二次記憶部７４から読み出す場合を例示したが、必ずしも最初から二次記憶部７４に記憶させておく必要はない。例えば、図２２に示すように、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）メモリ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の任意の可搬型の記憶媒体８００に先ずは広視野画像取得プログラム８０を記憶させておいてもよい。この場合、記憶媒体８００の広視野画像取得プログラム８０が顕微鏡装置９０にインストールされ、インストールされた広視野画像取得プログラム８０がＣＰＵ７０によって実行される。
【０２１５】
また、通信網（図示省略）を介して顕微鏡装置９０に接続される他のコンピュータ又はサーバ装置等の記憶部に広視野画像取得プログラム８０を記憶させておき、広視野画像取得プログラム８０が顕微鏡装置９０の要求に応じてダウンロードされるようにしてもよい。この場合、ダウンロードされた広視野画像取得プログラム８０はＣＰＵ７０によって実行される。
【０２１６】
また、第１及び第２実施形態で説明した広視野画像取得処理はあくまでも一例である。従って、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよいことは言うまでもない。
【０２１７】
また、第１及び第２実施形態では、コンピュータを利用したソフトウェア構成により広視野画像取得処理が実現される場合を例示したが、本開示の技術はこれに限定されるものではない。例えば、コンピュータを利用したソフトウェア構成に代えて、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）又はＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェア構成のみによって、広視野画像取得処理が実行されるようにしてもよい。広視野画像取得処理がソフトウェア構成とハードウェア構成との組み合わせた構成によって実行されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０２１８】
１０    顕微鏡装置本体
１１    白色光源
１２    コンデンサレンズ
１３    スリット板
１４    結像光学系
１４ａ  位相差レンズ
１４ｂ  対物レンズ
１４ｃ  位相板
１４ｄ  結像レンズ
１５    結像光学系駆動部
１５Ａ  圧電素子
１５Ｂ  アクチュエータ
１６    撮像素子
１７    ステージ駆動装置
１８    検出部
１８ａ  変位センサ
１８ｂ  変位センサ
１９    検出部
１９ａ  変位センサ
１９ｂ  ガイド機構
２０    顕微鏡制御装置
２１    フォーカス制御部
２２    ステージ制御部
２４    保持部材
３０    表示装置
４０    入力装置
５０    培養容器
５      ステージ
５１ａ  開口
７２    一次記憶部
７４    二次記憶部
８０    広視野画像取得プログラム
９０    顕微鏡装置
４００  パルスプロファイル
５００  電圧テーブル
８００  記憶媒体
Ｅ      Ｘ軸走査終了点
Ｌ      照明光
Ｍ      パルスモータ
Ｐｄ    検出位置
Ｐｒ    位置
Ｒ１    範囲
Ｒ２    範囲
Ｒ      観察対象領域
Ｓ      走査開始点
Ｗ      ウェル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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