(57)【要約】【課題】本発明では、本発明では赤外光観察を行うことができる光学顕微鏡を、できる限り簡単な構成で提供する。【解決手段】本発明の上記課題は対物レンズと接眼レンズと赤外光源を備えた顕微鏡において、標本面と共役位置に赤外可視変換部が配置されることを特徴とする光学顕微鏡によって解決される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズと接眼レンズと赤外光源とを備えた顕微鏡において、前記対物レンズを含む光学系により定義される標本面との共役位置に赤外-可視変換部が配置されることを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項２】
前記共役位置は前記接眼レンズの焦点位置であることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
前記共役位置は中間鏡筒内に配されたリレーレンズによって画定される共役位置であることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に透過させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項２あるいは請求項３の何れかに記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に透過させた後にホットミラーに透過させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項２あるいは請求項３の何れかに記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
前記赤外可視変換部は、コールドミラーを透過させた後に、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に透過させ、さらにホットミラーに透過させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項２あるいは請求項３の何れかに記載の光学顕微鏡。
【請求項７】
前記アップコンバージョン蛍光体は多孔型コリメータに充填されることを特徴とする請求項５あるいは請求項６の何れかに記載の光学顕微鏡。
【請求項８】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に反射させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項９】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とミラーに反射させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項１０】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とホットミラーに反射させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項１１】
前記赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とミラーに反射させ、光指向部材を透過させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項１２】
前記光学顕微鏡は双眼実体顕微鏡であることを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載の光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外光観察を行える顕微鏡に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年において、赤外光による顕微鏡観察の需要が高まっている。その理由はいくつかある。
まず一つは、赤外光は透過力が高いことが上げられる。この現象は光の散乱理論により説明され、可視光と赤外光で比較をするとおよそ６倍程度の透過力を持つ。つまり、可視光では届かないような深い場所にでも赤外光ならば届くために、可視光では届かない標本の深い部分の観察ができる。そのことは観察標本を従来ほど薄くスライスしなくとも観察することができることを意味する。
【０００３】
また、赤外光は可視光や紫外光と比較して光毒性が少ないということも利点である。つまり、生きた状態の細胞を観測する場合に細胞にダメージを与えずに観察をすることができる。このことは同一個体を連続して観察し続ける目的において非常に大きなメリットになる。
【０００４】
しかしながら、赤外光を利用した観察にも欠点がある。まず、赤外光は肉眼では視覚できない。そしてそのことにより、特別な装置によって画像化しなければいけない。そのとき多くの場合は、赤外線ＣＣＤ等の受光素子が使われる。そして、これらの特別な装置は多くの場合は高価であり、観察装置を大規模化させていた。
【０００５】
また、赤外光を利用した簡易性の高い顕微鏡に対する要望も高い。例えば、双眼実体顕微鏡は観察物を両眼視することにより、立体視できることを特徴とする。それ故に立体的な対象物を観察することに適している。また、立体視ができることによって顕微鏡を使いながらの作業性も高い。つまり、小動物などの解剖にも利用する場合によく利用される。
【０００６】
このような特長により、実体顕微鏡は赤外光を使った観察の特性が非常に発揮される。特に小動物の解剖時などには、メスを入れる前に内部構造を確認しながら作業を進めることができる。しかも、赤外光を使って透視した内部構造が、実体顕微鏡の両眼視によって、深さという形で認識され得る。このことにより、作業性の向上に非常に役に立つ。
【０００７】
例えば、特許文献１では実体顕微鏡に赤外線ＣＣＤを組み込むことにより赤外光の顕微鏡観察を行っている。しかし、特許文献１で述べられている方法では単に赤外線ＣＣＤによってなされたものであり、実体顕微鏡のメリットである目視による立体視観察はできない。また、この構成では、顕微鏡装置が大掛かりになるという欠点を克服することができていない。
【特許文献１】特開２００４−１６３４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明では目視により赤外光観察を行うことができる光学顕微鏡を、できる限り簡単な構成で提供する。とくに、既存の光学顕微鏡からの変更点をなるべく少なくすることによって発明の実施に汎用性を持たせる。また、赤外光観察に特化することなく、可視光観察との切り替えを可能な構成にすると同時に、可視光観察像と赤外光観察像を光学的に合成して観察する機能を実装する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の課題は、対物レンズと接眼レンズと赤外光源を備えた顕微鏡において、標本面と共役位置に赤外可視変換部が配置されることを特徴とする光学顕微鏡によって解決される。
【００１０】
このとき、この共役位置は接眼レンズの焦点であることや、共役位置は中間鏡筒内でリレーレンズによって作られた共役位置であることが考えられる。接眼レンズの焦点位置に赤外可視変換部を配置する場合には、従来型の光学顕微鏡の接眼レンズのみの交換で本発明が達成される。また、リレーレンズによって作られた共役位置に配置する場合は設計の自由度が高い。たとえば、可視観察光との合成などが容易である。
【００１１】
本発明の実施の一形態においては、赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に透過させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする。また、赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体に透過させた後に、ホットミラーに透過させる構成も考えられる。また、コールドミラーを透過させた後に、アップコンバージョン蛍光体に透過させ、さらにホットミラーに透過させる構成も考えられる。これらの構成は検出された赤外光をより有効に可視光へと変換することができる。
【００１２】
また、アップコンバージョン蛍光体は多孔型コリメータに充填される構成も可能である。この構成によって、放射される蛍光像が暈けるのを防ぐ効果がある。
本発明の実施の異なる形態においては、赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とミラーに反射させることによって、赤外光を可視光に変換することを特徴とする。また、赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とホットミラーに反射させる構成も考えられる。また、赤外可視変換部は、赤外光をアップコンバージョン蛍光体とミラーに反射させ、光指向部材を透過させてもよい。
【００１３】
本発明の実施の光学顕微鏡は双眼実体顕微鏡であるときに効果がより発揮される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、赤外光観察を行うことができる光学顕微鏡を、できる限り簡単な構成で提供される。とくに、既存の光学顕微鏡からの変更点をなるべく少なくすることによって汎用性があり、顕微鏡の提供者にとってもメリットが大きい。また、赤外光観察に特化することなく、可視光観察との切り替えを可能な構成にすると同時に、可視光観察像と赤外光観察像を光学的に合成して観察する機能を持つことによって、利用者にとってもメリットが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施の形態例について説明する。
図１は本発明の利用される光学顕微鏡の一例である、双眼実体顕微鏡の構成を説明する概略図である。双眼実体顕微鏡は観察物を立体視できることを特徴とし、それ故に立体的な対象物を観察することに適している。また、立体視ができることによって顕微鏡を使いながらの作業性も高い。つまり、小動物などの解剖にも利用する場合には非常に適している。
【００１６】
図１において、１は透過照明用光源であり、２はミラーである。これらは観察対象物を下から照らし、透過光を使って観察するときに利用される。また、３は落射照明用光源であり、これは観察対象の反射光を利用して観察するときに利用される。本発明では赤外光を利用するので、透過照明用光源１と落射照明用光源３のいずれも赤外光を発生させる能力を備えていなければならない。赤外光を発生させる手段としては、通常の顕微鏡の照明系では赤外光線をカットするためのフィルタを備えて利用されるので、このフィルタを外すことによって実施してもよいし、赤外光レーザー装置、赤外ＬＥＤなどによって発生させてもよい。また落射照明は同軸落射照明でもよい。
【００１７】
ステージ４に載せられた観察対象物５は、上記の照明によって照らされる。その結果、発生した観察光（反射光や透過光、あるいは赤外蛍光）を対物レンズ等の光学系を通じて観察する。
【００１８】
図１において、６は対物レンズであり、９は結像レンズであり、１０は接眼レンズである。典型的な実体顕微鏡はさらにズームレンズ光学系７を持ち、対物レンズ６を交換することなしに倍率を変える機能を持っている。また、多くの実体顕微鏡は構成の自由度を高めるために、無限遠補正光学系を採用しているので、対物レンズまたはズームレンズ光学系通過後の光線が平行光線となっている。その結果、図１中のズームレンズ光学系と結像レンズの間の領域Ａの位置にはオプショナルな構成要素を組み込むことが容易であるように設計されている。つまり、本発明の一実施形態はこの領域Ａに後述するユニットを組み入れることによって実現される。
【００１９】
また、結像レンズ９によって結像された観察物体の像は接眼レンズ部１０の中に結像される。本発明の適応される場所は観察物体面の共役位置なので、本発明の別の実施形態は接眼レンズ部に後述する赤外可視変換ユニットを組み入れることによって実現できる。つまり、典型的な顕微鏡において接眼レンズはユニットとして製品化されているので、本発明の最も簡易的な実施の形態は、この接眼レンズユニットを本発明によって提供される接眼レンズユニットに交換することによって実現される。
【００２０】
本発明は通常の光学顕微鏡においても実施可能である。図２は光学顕微鏡の構成の一例を示す。
図２に示される光学顕微鏡において、透過照明時は透過照明用光源１より射出された照明光は照明光学系１１とミラー２を経由して、ステージ４に載せられた観察対象物５を下から照らす。また、落射照明時は、落射照明用光源３より射出された照明光は照明光学系１１とハーフミラーあるいはダイクロイックミラー１２を経由して、対物レンズ６を通じて、ステージ４に載せられた観察対象物５を上から照らす。
【００２１】
上記の照明方法によって照明された観察対象物５から発生した観察光（反射光や透過光、あるいは赤外蛍光）は対物レンズ６を通じて観察光学系へ受け渡される。このときも、無限遠補正光学系を採用しているので、図２中の領域Ａの位置が本発明の一実施形態の設置のために利用できる。
【００２２】
また、領域Ａを通過した観察光は結像レンズ９によって接眼レンズ部１０の中に結像される。つまり、実体顕微鏡の時と同様に、接眼レンズ部１０が本発明の実施の位置となる。
【００２３】
次に図３を使って、領域Ａにおける本発明の実施の構成例について説明する。この構成例は中間像に赤外可視変換部材を配置して、赤外光を透過することによって可視光へと変換する構成である。
【００２４】
対物レンズ６より送られてきた観察光は、光路変更素子１３によって光路を変更される。このとき、光路変更素子１３の光学面をダイクロイックミラー面にして赤外光のみを赤外可視光変換部１５に受け渡し、可視光は光路を変更せずに接眼レンズ部１０へと受け渡せば、可視光観察と赤外光観察の合成像観察が実現できる。また、光路変更素子１３の光学面を全反射ミラーとすれば、観察光のすべてを赤外可視光変換部１５に受け渡せば、赤外光観察のみが行える。もちろん、光路変更素子１３を観察光路から外すことにより、通常の可視光観察を行うことが可能である。つまり、ターレット等によって光路変更素子１３を交換することによって、容易に観察方法を変更できる構成となっている。
【００２５】
光路偏光素子１３によって光路を観察光路と分離された赤外光（あるいは赤外光を含んだ観察光）は２つのリレーレンズ１４によって赤外可視光変換部１５に結像される。赤外可視光変換部１５は後述する構成により、赤外光を可視光に変換する働きを持ち、この構成においては赤外光を結像させることによって、アップコンバージョン蛍光物質を赤外励起し、その結果の可視光域蛍光をもうひとつのリレーレンズ１４によって集光している。リレーレンズを経由した可視光に変換された観察光は光路折り返しプリズム１６などを経て、元の観察光路へと戻るようにする。
【００２６】
次に図４を使って、領域Ａにおける本発明の実施の異なる構成例について説明する。この構成例は中間像に赤外可視変換部材を配置して、赤外光を反射させることによって可視光へと変換する構成である。
【００２７】
対物レンズ６より伝播された観察光は、波長選択素子１７によって光路を分離させる。このとき、波長選択素子１７はダイクロイックミラーを利用することが考えられ、波長選択素子１７は赤外光を含む波長域を反射するものを使っている。
【００２８】
波長選択素子１７によって光路を変更された赤外光はリレーレンズ１４によって赤外可視光変換部１５に結像される。このときの赤外可視光変換部１５の構成は後の図７によって説明される。
【００２９】
赤外可視光変換部１５によって可視光に変換された観察光はリレーレンズ１４を経由して波長選択素子１７に戻される。しかしこのときは、赤外光ではなく可視光に変換されているので、波長選択素子１７を通過して直進する。
【００３０】
このとき、対物レンズ６より波長選択素子１７に伝播した光線に含まれる可視光と、赤外可視光変換部１５より波長選択素子１７に伝播した光線に含まれる可視光とは、光線の進入角度が異なる。つまり、２つの可視光は波長選択素子１７で合成されることはない。そこで、波長選択素子１７より後段で２つの可視光を合成する仕組みを配置する。
【００３１】
図４に示された例では２つのミラー２を使い光線の方向を変えた後に、ハーフミラー１８を使って２つの可視光を合成する。
また、本構成例においても、波長選択素子１７を光路から外すことにより可視光のみの観察に切り替えることができ、ハーフミラー１８を光路から外すことにより赤外光のみの観察に切り替えることができる。
【００３２】
次に、本発明の実施を接眼レンズ部１０において行った場合の構成例を、図５を使って説明する。前述のように、顕微鏡における光学系は無限遠補正系光学系を採用し、接眼レンズ部１０の直前にある結像レンズ９によって結像された観察対象物の像を、接眼レンズ系１９によって観察する。このとき、接眼レンズ部には、外焦点式と内焦点式の２つの種類がある。図５においては（ａ）が外焦点式であり、（ｂ）が内焦点式である。図からも理解されるように、外焦点式は接眼レンズ系１９の焦点が接眼レンズ系１９の外部にあり、内焦点式は接眼レンズ系１９の焦点が接眼レンズ系の内部にある。
【００３３】
本発明を実施するには後述する赤外可視光変換部１５を観察光路中の像位置に設置すればよい。つまり、外焦点式と内焦点式では焦点位置が異なるために像位置も異なるが、どちらの方式にせよ焦点位置に赤外可視光変換部１５を配置すればよい。そしてどちらの方式にせよ、像位置は接眼レンズ部１０に含まれているので、既存の顕微鏡の接眼レンズ部１０を交換するだけで本発明の実施が行える。
【００３４】
なお、接眼レンズ部１０に赤外可視光変換部１５を配置する実施の例においても、赤外可視光変換部１５を光路から外すことによって可視光観察に切り替えることができる。ただし、赤外光は目に悪影響を与える可能性があるので、ＩＲカットフィルターなどを適宜利用することが望まれる。もちろん本実施形態に限らず、中間鏡筒において赤外可視光変換部１５を配置する形態においても、安全のためにＩＲカットフィルターを適宜配置することが望ましい。
【００３５】
次に図６を使って、透過型の赤外可視光変換部１５の内部構成例を説明する。この透過型の構成例は、例えば、図３を使って説明をした中間像に赤外可視光変換部１５を配置した場合でも、図５を使って説明をした接眼レンズ部１０に赤外可視光変換部１５を配置した場合でも適用される。ここでは、４つの例を挙げて、赤外可視光変換部１５の内部構成例を説明する。
【００３６】
まず、一番簡単な内部構成例は（後述する）赤外可視光変換蛍光体２０を単純に配置する構成である。この構成例は図６（ａ）に図示される。ここで赤外可視光変換蛍光体２０は光学ガラスに塗布されていてもよいし、添加させてもよいし、ガラス様態の赤外可視光変換蛍光体を用いてもよい。ただし、赤外可視光変換蛍光体２０の蛍光部分が厚くなりすぎると像がぼやけてしまうので、適切に設計されるべき事項である。
【００３７】
次に簡単な構成例を示すのが、図６（ｂ）である。この構成では、赤外可視光変換蛍光体２０の後段にはホットミラー２１を配置している。赤外可視光変換蛍光体２０の変換効率は１００％ではないので、透過した光線にも赤外光が含まれている。可視光に変換されたものだけ透過し、赤外光は反射するホットミラー２１をこのように配置することにより、変換されなかった赤外光を排除すると共に、変換されなかった赤外光を有効活用する。赤外可視光変換蛍光体２０は蛍光体なので、ホットミラー２１によって反射された赤外光によっても励起され蛍光を発する。つまり、赤外可視光変換蛍光体２０にホットミラー２１を近接させて配置することによって、およそ２倍の励起効果をもたせる事ができる。
【００３８】
図６（ｃ）は図６（ｂ）の発展形である。赤外可視光変換蛍光体２０から発せられる蛍光は等方向に放射される。そこでこの放射された可視光を有効に利用するために、コールドミラー２３を赤外可視光変換蛍光体２０の前段に近接させて配置する。この様に配置することによって、赤外可視光変換蛍光体２０を励起する赤外光を確保しながらも、放射される可視光を観察光路方向へ導く。
【００３９】
次の構成例を示すのが、図６（ｄ）である。この例は赤外可視光変換蛍光体２０の蛍光体としての欠点を補う目的の構成例である。蛍光体は、励起光がどの方向から入射してきたかに依存せずに等方向に蛍光を発する。その結果、赤外可視光変換蛍光体２０は赤外光を可視光に変換することはできるが、赤外光がもっていた指向性は失われてしまう。そこで、図６（ｄ）で例示される構成では、赤外可視光変換蛍光体２０を多孔型コリメータ２２（プレート）の穴部分に充填した構成をしている。こうする事によって、赤外可視光変換蛍光体２０から発せられた蛍光が周辺を照らす（あるいは散乱）光が像を暈けさせるのを防止する。図６（ｅ）に示されるように、この構成においてもコールドミラー２３を赤外可視光変換蛍光体２０の前段に近接して配置する構成ができる。
【００４０】
次に図７を使って、反射型の赤外可視光変換部１５の内部構成例を説明する。この反射型の構成例は、例えば、図４を使って説明をした中間像に赤外可視光変換部１５を配置した場合に適用される。ここでは、３つの例を挙げて、赤外可視光変換部１５の内部構成例を説明する。
【００４１】
まず、一番簡単な内部構成例は、透過型と同様に赤外可視光変換蛍光体２０を単純に配置する構成である。この構成例は、図７（ａ）に示される。反射型で赤外可視光変換蛍光体２０を利用する場合は、透過型のときよりも密度の高い状態で赤外可視光変換蛍光体２０を利用することができる。その結果、一般に透過型よりも反射型のほうが蛍光も明るいという利点がある。
【００４２】
図７（ｂ）も、透過型と同様に、赤外可視光変換蛍光体２０とホットミラー２１を組み合わせた構成例である。しかし、反射型で利用する場合はホットミラー２１を赤外光反射することができる通常のミラーに置き換えることができる。
【００４３】
図７（ｃ）と図７（ｄ）は共に、赤外可視光変換蛍光体２０の指向性を失うという性質を補うための構成例である。図７（ｃ）は光指向性部材としてファイバープレート２４を利用した構成例であり、図７（ｄ）は多孔型コリメータ２２を利用した構成例である。どちらの構成例も像が暈けるのを防止する働きを持つ。
【００４４】
最後に、本発明で利用される赤外可視光変換蛍光体２０に関して説明する。赤外光により励起されて可視光を発する蛍光体は、大きく分けて２種類ある。一つは予備励起を必要とするものであり、もう一つは予備励起を必要としないものである。
【００４５】
図８（ａ）は予備励起を必要とする赤外可視光変換蛍光体のエネルギー準位を模式的に表した図である。このタイプの蛍光体は、まず可視光等の波長λ１の光によって予備励起をした状態で、赤外光の波長λ２で励起をしたときに、可視光域の光を再放射するタイプのものである。
【００４６】
図８（ｂ）は予備励起を必要としない赤外可視光変換蛍光体のエネルギー準位を模式的に表した図である。このタイプの蛍光体は、赤外光の波長λ３での励起を多段階（典型的には２段階）おこない、可視光域の光を再放射するタイプのものである。このような励起現象をする蛍光体としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ディスプロシウム（Ｄｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、サマリウム（Ｓｍ）並びにこれらのハロゲン化物（フッ化物、塩化物）等を含有する無機材料などが知られている。
【００４７】
これらの赤外可視光変換蛍光体はそれぞれ特性が異なり（放射する蛍光の波長や２光子励起のしやすさ：２光子吸収断面積）、本発明の実施者は赤外可視光変換蛍光体の中から最適なものを選択することができる。
【００４８】
以上のように、本発明によれば赤外可視光変換蛍光体を使うことによって、赤外光観察を行うことができる光学顕微鏡を既存の光学顕微鏡からの変更点をなるべく少なくしながら提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施される実体顕微鏡の模式図である。
【図２】本発明の実施される顕微鏡の模式図である。
【図３】中間像における本発明の実施の構成例１である。
【図４】中間像における本発明の実施の構成例２である。
【図５】接眼レンズ部における本発明の実施の構成例である。
【図６】本発明の実施の内部構成を透過型とした例を説明する図である。
【図７】本発明の実施の内部構成を反射型とした例を説明する図である。
【図８】赤外光で励起されて可視光を放射する蛍光体のエネルギー準位の図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・透過照明用光源
２・・・ミラー
３・・・落射照明用光源
４・・・ステージ
５・・・観察対象物
６・・・対物レンズ
７・・・ズームレンズ光学系
９・・・結像レンズ
１０・・・接眼レンズ部
１１・・・照明光学系
１２・・・ハーフミラーあるいはダイクロイックミラー
１３・・・光路変更素子
１４・・・リレーレンズ
１５・・・赤外可視変換部
１６・・・光路折り返しプリズム
１７・・・波長選択素子
１８・・・ハーフミラー
１９・・・接眼レンズ系
２０・・・赤外可視光変換蛍光体
２１・・・ホットミラー
２２・・・多孔型コリメータ
２３・・・コールドミラー
２４・・・ファイバープレート
【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８】
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【図１】
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