(57)【要約】【課題】  テレセントリックレンズのような特殊なレンズを使用することなく、低倍率でケラレを生じることなく、広範囲に亘る観察を行うことができる光学観察装置および光学観察方法を提供する。【解決手段】  照明光７を発する点光源１６を有する光源装置６と、照明光７を平行光にする第１の凸レンズ４と、第１の凸レンズ４からの平行光を集光して、細胞培養を行うディッシュ等の観察対象物１３に照射する第２の凸レンズ５とを設け、更に観察対象物１３の像を形成するための結像用レンズ１４と、形成される像を撮像するＣＣＤ等からなる撮像素子１５を設ける。この装置では、点光源１６から発せられた照明光７は、第２の凸レンズ５によって結像光学系の開口絞り面の中心位置Ｃ（結像用レンズ１４の中心）に集光する。即ち、照明光の直接光９は、結像光学系の主光線８と一致しているので、結像領域Ｌの全てにおいて明るい画像が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源から発せられた照明光を収束光として観察対象物に照射する照明光学系と、観察対象物の像を形成する結像光学系とを備えた光学観察装置であって、
前記照明光学系からの前記照明光の直接光と、前記結像光学系の主光線とが一致していることを特徴とする光学観察装置。
【請求項２】
前記観察対象物が位相物体である請求項１に記載の光学観察装置。
【請求項３】
光源と、該光源から発せられた照明光を収束光として観察対象物に照射して、結像光学系により観察対象物の像を形成する光学観察方法であって、前記照明光の直接光と、前記結像光学系の主光線とが一致していることを特徴とする光学観察方法。
【請求項４】
前記観察対象物が位相物体である請求項３に記載の光学観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過光照明を用いた光学観察装置および光学観察方法関し、より詳細には、観察対象を安価でかつ低倍率で広範囲に亘って観察し得る光学観察装置および光学観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞などの位相物体の観察、半透明体の光の透過率の観察、非透明体の形状観察等を行う場合の照明法として、平行光照明を用いる方法や点光源を用いる方法がある（例えば、特許文献１、２）。これらの照明方法の特徴は、各観察対象位置には１方向からのみ照明光が照射されることである。この照明方法によれば、観察対象物の形状を明瞭に観察することができ、影を明瞭に生成させることが可能である。また、細胞観察の分野では、デフォーカス法によって透明な細胞の位相情報の観察を行うことができる。
【０００３】
図５（ａ）は、平行光照明を用いる方法を示しており、また、図５（ｂ）は点発光照明を用いる方法を示している。図５（ａ）および（ｂ）では、何れも細胞などの観察対象物１３の像は、結像光１２が結像用レンズ１４によって撮像素子１５上に集光することにより形成される。また、図５（ａ）では、平行照明光１１が照明光として使用されており、この平行照明光１１は観察対象物１３に照射され、結像用レンズ１４によって集光した後、更に発散しながら撮像素子１５に到達する。一方、図５（ｂ）では、点発光照明１６から発せられる拡散光が照明光１７として使用されており、この照明光１７は観察対象物１３に照射され、図５（ａ）と同様に結像用レンズ１４によって集光した後、更に発散しながら撮像素子１５に到達する。
【０００４】
しかし、上記観察方法を用いて、例えば細胞培養などを行うための容器（ディッシュ、シャーレ、Ｔフラスコ）の全体を広視野かつ低倍率で観察する場合、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、照明像は矢印Ｌで示すように撮像素子１５の一部の領域にのみ形成されるため、撮像素子１５の全体に均一な明るさで観察対象物の像を形成することができず、ケラレが生じることとなる。このようなケラレの発生を防止するためには、大きなレンズを使用しなければならなず、そのために観察装置全体が大きくなり、しかも高価なものになるという問題点がある。
【０００５】
また、これらの点を解決するものとして、図６に示すテレセントリックレンズと平行照明光とを使用する方法がある（例えば、オプトアート社のＴＣ-４Ｍ-０４など）。図６に示すように、両側テレセントリックレンズ５０は２つの凸レンズ５１、５２の間に開口絞り５３が設けられた構造を有し、平行照明光１１は観察対象物１３に照射された後、凸レンズ５１により集光されて開口絞り５３を通過する。また、結像光１２も凸レンズ５１を通過した後、開口絞り５３を通過する。開口絞り５３を通過した照明光は、凸レンズ５２によって再び平行光となって撮像素子１５まで到達する。一方、開口絞り５３を通過した結像光１２は、凸レンズ５２を通過した後、撮像素子１５上に像を形成することになる。このような特殊なテレセントリックレンズと平行照明光とを使用する方法では、照明光の直接光と結像光学系の主光線とが一致し、観察対象物１３に平行な照明光が照射される点が特徴となっている。しかしながら、上記構成では、特殊なレンズであるテレセントリックレンズを使用しなければならないという問題点がある。
【０００６】
更に、撮像素子１５を使用せずに目視で観察を行う場合、上記平行光照明を用いる図５（ａ）、点発光照明を用いる図５（ｂ）、テレセントリックレンズを用いる図６の方法においては、人間の目の水晶体を結像用レンズ１４の位置に置くことになるが、この場合に水晶体を大きくすることができないため、目視での観察時にもケラレが発生してしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２３５５４０号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−２７５０３０号公報（図４、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、テレセントリックレンズのような特殊なレンズや大きなレンズを使用することなく、また、低倍率でケラレを生じることなく広範囲の画像を得ることができ、またケラレを生じることなく広範囲の目視観察を行うことができる光学観察装置および光学観察方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学観察装置は、光源と、該光源から発せられた照明光を収束光として観察対象物に照射する照明光学系と、観察対象物の像を形成する結像光学系とを備えた光学観察装置であって、前記照明光学系からの前記照明光の直接光と、前記結像光学系の主光線とが一致していることを特徴とする。
【００１０】
このように、照明光の直接光と、結像光学系の主光線とを一致させることにより、観察対象物の像が結像する領域の全てに照明光が到達するため、低倍率、広視野で観察を行った場合にも、照明像ケラレは発生しない。また、従来の図５（ａ）および（ｂ）に示す平行光照明、点発光照明を用いた照明方法と同様に、各観察対象位置には一方向からのみ照明光が照射されるため、観察対象物の形状を明瞭に観察し、影を明瞭に生成することができるという特徴をも有している。
【００１１】
ここで、前記照明光学系は、１以上のレンズ、又は１以上の凹面鏡を用いて構成することが可能である。
【００１２】
また、上記発明は、前記観察対象物が細胞等の位相物体である場合にも、適用することができる。
【００１３】
本発明の光学観察方法は、光源と、該光源から発せられた照明光を収束光として観察対象物に照射して、結像光学系により観察対象物の像を形成する光学観察方法であって、前記照明光の直接光と、前記結像光学系の主光線とが一致していることを特徴とする。
【００１４】
このように、照明光の直接光と、結像光学系の主光線とを一致させることにより、低倍率、広視野で観察を行った場合の照明像ケラレは発生しない。また、従来の照明方法と同様に、観察対象物の形状を明瞭に観察し、影を明瞭に生成することができるという特徴をも有している。
【００１５】
上記発明は、前記観察対象物が細胞等の位相物体である場合にも、適用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光学観察装置および光学観察方法では、照明光の直接光と、結像光学系の主光線とが一致するように構成されているので、低倍率、広視野で観察を行った場合もケラレを生じることがない。これにより、細菌、細胞等の培養に使用されるディッシュ等における培養の様子を広範囲に亘って観察することが可能である。また、本発明の光学観察装置は、テレセントリックレンズのような特殊なレンズや広い視野を確保するための大きなレンズを使用する必要もなく、一般的なマクロレンズを用いて作製することも可能である。更に、目視観察を行う場合にも、ケラレを生ずることなく広視野で観察を行うことができる。これにより、ディッシュ等における培養の様子を広範囲に亘って撮影及び目視観察を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学観察装置の概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る光学観察装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係る図１の光学観察装置を用いて、細胞培養を行ったディッシュを観察した場合の写真である。
【図４】図５（ａ）従来の照明方法を用いて、図３と同じディッシュを観察した場合の写真である。
【図５】（ａ）は平行光照明を用いる従来の照明方法を示し、（ｂ）は点発光照明を用いる従来の照明方法を示す説明図である。
【図６】テレセントリックレンズを用いた照明方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る光学観察装置の概略構成を示している。本実施形態の光学観察装置は、顕微鏡のように高倍率で狭い範囲を観察するのではなく、細胞培養を行うディッシュ等における広い範囲を低倍率で観察するのに使用される。本実施形態の光学観察装置は、照明光７を発する点光源１６を有する光源装置６と、照明光７を平行光にする第１の凸レンズ４と、第１の凸レンズ４からの平行光を集光して、細胞培養を行うディッシュ等の観察対象物１３に照射する第２の凸レンズ５とを有している。また、本実施形態の光学観察装置は、観察対象物１３の像を形成するための結像用レンズ１４と、形成される像を撮像するＣＣＤ等からなる撮像素子１５を備えている。本実施形態では、観察対象物１３は第２の凸レンズ５と結像用レンズ１４との間に位置している。
【００２０】
本実施形態の光学観察装置では、まず、点光源１６から発せられた照明光７は、第１の凸レンズ４により平行光となる。この平行光は、第２の凸レンズ５によって、結像光学系の開口絞り面の中心位置Ｃ、即ち結像用レンズ１４の中心に収束するように集光される。このように第２の凸レンズ５によって集光される照明光７は、結像用レンズ１４に至る途中で観察対象物１３に照射されることになる。結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過した照明光７は、発散しながら撮像素子１５まで到達することになる。一方、本実施形態の光学観察装置においては、観察対象物１３から出た結像光１２は、結像用レンズ１４により撮像素子１５上に到達して像を形成する。
【００２１】
ここで、一例として、第２の凸レンズ５を介して観察対象物１３の観察点１３ａに照射される照明光７ａに着目する。観察対象物１３の観察点１３ａを透過した照明光７ａのうち、拡散せずに直進する直接光９は、結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過し、更に撮像素子１５まで到達する。一方、観察対象物１３の観察点１３ａの像を形成する結像光の主光線８も、結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過した後、撮像素子１５まで到達する。このように、本実施形態の光学観察装置では、照明光７ａの直接光９は、結像光学系の主光線８と一致している（図１では、直接光９と主光線８とが重複して画かれている）ことが特徴となっている。このような照明光の直接光と結像光学系の主光線との一致は、撮像素子１５に画像が形成される全ての領域Ｌで生じており、これにより、広い視野の範囲において明るい画像が得られることになる。従って、本実施形態の光学観察装置を使用すれば、テレセントリックレンズのような特殊なレンズを使用することなく、低倍率で観察を行った場合もケラレを生じることはなく、例えば細菌、細胞等の培養に使用されるディッシュの様子を広範囲に亘って観察することが可能となる。
【００２２】
図１の光学観察装置を用いて人間の目により目視観察を行う場合は、人間の目の水晶体が結像用レンズ１４の位置となり、撮像素子１５が目の網膜に相当することとなる。従って、目視観察の場合には人間の目の水晶体および網膜が結像光学系を構成することとなる。このような目視観察を行う場合にも、Ｌで示す領域の全体においてケラレを生じることはなく、ディッシュ等の様子を広範囲に亘って観察することが可能である。
【００２３】
図３は、実際の細胞培養に使用されるディッシュについて、図１に示す実施形態の光学観察装置を使用して観察を行った場合の写真であり、図４は、前述の図５（ａ）に示す従来の照明方法を使用して上記と同じディッシュについて観察を行った場合の写真である。図３および図４の写真における倍率は、何れも０．５倍である。図３および図４の比較から、図４の従来の照明方法では、ディッシュの画像の周囲にケラレが発生し、視野が狭くなっていることが分かる。これに対して、図３に示すように、本実施形態の光学観察装置を使用した場合、ケラレの発生はなく、ディッシュの広範囲に亘る部分の画像を得ることができることが分かる。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施形態に係る光学観察装置の概略構成を示している。本実施形態の光学観察装置も、顕微鏡のように高倍率で狭い範囲を観察するのではなく、細胞培養を行うディッシュ等における広い範囲を低倍率で観察するのに使用される。本実施形態の光学観察装置は、透過照明光７を発する点光源１６を有する光源装置６と、照明光７を平行光にする第１の放物面鏡２４と、第１の放物面鏡２４からの平行光を集光して、細胞培養を行うディッシュ等の観察対象物１３に照射する第２の放物面鏡２５とを有している。また、本実施形態の光学観察装置には、前述と同様に、観察対象物１３の像を形成するための結像用レンズ１４と、形成される像を撮像するＣＣＤ等からなる撮像素子１５も設けられている。
【００２５】
本実施形態の光学観察装置では、まず、点光源１６から発せられた照明光７は、第１の放物面鏡２４により曲げられて平行光となる。この平行光は、第２の放物面鏡２５によって更に曲げられ、結像光学系の開口絞り面の中心位置Ｃ、即ち結像用レンズ１４の中心に収束するように集光される。このように第２の放物面鏡２５によって集光される照明光７は、結像用レンズ１４に至る途中で観察対象物１３に照射されることになる。結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過した照明光７は、発散しながら撮像素子１５まで到達する。本実施形態の光学観察装置においても、観察対象物１３から出た結像光１２は、結像用レンズ１４により撮像素子１５上に到達して像を形成する。
【００２６】
ここで、一例として、第２の放物面鏡２５を介して観察対象物１３の観察点１３ａに照射される照明光７ａに着目する。観察点１３ａを透過した照明光７ａのうち、拡散せずに直進する直接光９は、図１の場合と同様に、結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過し、更に撮像素子１５まで到達する。一方、観察対象物１３の観察点１３ａの像を形成する結像光の主光線８も、結像用レンズ１４の中心位置Ｃを通過した後、撮像素子１５まで到達する。このように、本実施形態の光学観察装置においても、照明光７ａの直接光９は、結像光学系の主光線８と一致している（図２では、直接光９と主光線８とが重複して画かれている）ことが特徴となっている。このような照明光の直接光と結像光学系の主光線との一致は、撮像素子１５に画像が形成される全ての領域Ｌで生じており、これにより、広い視野の範囲において明るい画像が得られることになる。従って、本実施形態の光学観察装置を使用すれば、テレセントリックレンズのような特殊なレンズを使用することなく、低倍率で観察を行った場合もケラレを生じることはなく、例えば細菌、細胞等の培養に使用されるディッシュの様子を広範囲に亘って観察することが可能となる。
【００２７】
図２の光学観察装置を用いて人間の目により目視観察を行う場合、本実施形態においても人間の目の水晶体が結像用レンズ１４の位置となり、撮像素子１５が目の網膜に相当し、人間の目の水晶体および網膜が結像光学系を構成することになる。このような目視観察を行う場合にも、結像領域の全体においてケラレを生じることはなく、ディッシュ等の様子を広範囲に亘って観察することが可能である。
【００２８】
なお、図１の光学観察装置においては、第１の凸レンズ４、第２の凸レンズ５として両凸レンズを使用しているが、平凸レンズを使用してもよい。さらに装置の軽量化を図るためにフレネルレンズを使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の光学観察装置および光学観察方法は、低倍率で観察を行った場合もケラレを生じることはなく、広い視野で明るい画像を得ることができるので、バイオ関連機器、特に画像処理を行うバイオ関連機器の分野で利用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
４  第１の凸レンズ
５  第２の凸レンズ
６  光源装置
７  照明光
７ａ  照明光
８  主光線
９  直接光
１２  結像光
１３  観察対象物
１３ａ  観察点
１４  結像用レンズ
１５  撮像素子
１６  点光源
２４  第１の放物面鏡
２５  第２の放物面鏡
Ｃ  結像光学系の開口絞り面の中心位置（結像用レンズ１４の中心）
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
2011081082.tif 000006
【図３】
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【図４】
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