(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する出射面を有する発光部と、前記発光部から出射された光が照射される容器の内側を撮像する撮像部であって撮像光が入射する対物レンズを有する撮像部とを有する発光撮像手段と、
光を反射させる反射体であって前記容器を挟んで前記発光撮像手段と互いに向かい合って配置される反射体と、を備え、
前記容器は、前記容器に収容された被収容媒体を囲う囲繞壁であって前記発光部から発せられた光が通過可能な囲繞壁を有し、
前記撮像部の前記対物レンズを中心にして、前記対物レンズの周囲に前記発光部の前記出射面が配置され、
前記発光部から発せられた光は、前記囲繞壁を通過して前記反射体に向かい、前記反射体によって反射された後、前記被収容媒体を照明する撮像光学装置。
【請求項２】
前記容器は、円筒形状の囲繞壁を有し、
前記発光部の前記出射面及び前記撮像部の前記対物レンズは、前記円筒形状の囲繞壁に向かって取り付けられた請求項１に記載の撮像光学装置。
【請求項３】
前記反射体が、前記囲繞壁に沿って配置される請求項１に記載の撮像光学装置。
【請求項４】
前記囲繞壁の屈折率が空気の屈折率よりも大きい請求項１に記載の撮像光学装置。
【請求項５】
前記囲繞壁は、
前記被収容媒体と前記囲繞壁との界面をなす内側壁面と、
前記容器の外側の空気と前記囲繞壁との界面をなす外側壁面と、を有し、
前記外側壁面は、前記被収容媒体から入射した光を反射して前記被収容媒体に戻す請求項１に記載の撮像光学装置。
【請求項６】
前記反射体は、凹凸によって拡散反射を生じさせる反射面を有する請求項１に記載の撮像光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体などの媒体に存在する細胞や微生物などの移動可能な物体を撮像する撮像光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞や微生物等は、シャーレ等の平坦な容器内で培養されていた。細胞や微生物等を培養する培養液を容器の底面側から又は容器の上側から顕微鏡で観察し、それらの分裂成長の状態を可視化していた（例えば、特許文献１参照）。細胞や微生物等の成長の良し悪しは、静止している状態の細胞や微生物等などをカメラで撮像し、その画像を肉眼で視認することで判断されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４８１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大容量の培養容器内で攪拌により培養される細胞は、培養液内を常に浮遊移動できる状態にあり、培養容器内で３次元的に自由に移動することができる。培養している細胞を培養容器から採取して観察する手法もあるが、この手法では、培養液の一部の細胞のみを観察するに過ぎず、観察できる細胞の範囲に限度があり、培養されている細胞の全体的な培養状態を的確に判断することが困難であった。
【０００５】
また、細胞の培養設備では、大量の細胞を培養するために、少しでも多くの培養容器を設置する必要がある。このため、培養容器は隙間が生じないように互いに隣接して配置される。しかしながら、観察装置を培養容器に設置することで、隣り合う培養容器の間に隙間が生じ培養容器の数を減らすような場合には、大量の細胞を培養するという本来の目的を達成することが困難になる。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、遠隔で非侵襲的に高速かつ連続的に細胞や微生物等を観察できるとともに、複数の培養容器の各々で培養されている細胞や微生物等を観察できる撮像光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による撮像光学装置の実施態様は、
光を発する発光部と、前記発光部から発せられた光が照射される容器の内側を撮像する撮像部とを有する発光撮像手段と、
光を反射させる反射体であって前記容器を挟んで前記発光撮像手段と互いに向かい合って配置される反射体と、を備え、
前記容器は、前記容器に収容された被収容媒体を囲う囲繞壁であって前記発光部から発せられた光が通過可能な囲繞壁を有し、
前記発光部から発せられた光は、前記囲繞壁を通過して前記反射体に向かい、前記反射体によって反射された後、前記被収容媒体を照明することである。
【発明の効果】
【０００８】
遠隔で非侵襲的に高速かつ連続的に細胞を観察できるとともに、複数の培養容器の各々で培養されている細胞を観察できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】撮像光学装置１００の概略を示す斜視図である。
【図２】撮像光学装置１００の概略を示す平面図である。
【図３】発光撮像装置１２０の概略を示す斜視図（Ａ）と、発光撮像装置１２０の発光部１３０とＣＣＤカメラ１５０とを示す正面図（Ｂ）とである。
【図４】反射体２００の構成を示す斜視図である。
【図５】撮像光学装置１００を容器３００に取り付けた状態を示す斜視図である。
【図６】発光撮像装置１２０から発せられた光の光路を示す概念図である。
【図７】光が容器３００（プラスチック）から界面Ｓ１に入射する場合の概略図である。
【図８】発光撮像装置１２０から発せられた光の光路を示す概念図である。
【図９】容器の側面の他の態様を示す図である。
【図１０】筐体９１０の概略を示す斜視図である。
【図１１】筐体９１０の概略を示す平面図である。
【図１２】反射体２００の内周面２０２に形成した凹凸によって、界面Ｓ１で生ずる全反射を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
本発明の第１の実施態様によれば、
光を発する発光部（例えば、後述する発光部１３０など）と、前記発光部から発せられた光が照射される容器（例えば、後述する容器３００など）の内側を撮像する撮像部（例えば、後述するＣＣＤカメラ１５０など）とを有する発光撮像手段（例えば、後述する発光撮像装置１２０など）と、
光を反射させる反射体であって前記容器を挟んで前記発光撮像手段と互いに向かい合って配置される反射体（例えば、後述する反射体２００など）と、を備え、
前記容器は、前記容器に収容された被収容媒体（例えば、後述する培養液など）を囲う囲繞壁であって前記発光部から発せられた光が通過可能な囲繞壁（例えば、後述する容器３００の円筒形状の側面３０４など）を有し、
前記発光部から発せられた光は、前記囲繞壁を通過して前記反射体に向かい（例えば、後述する光Ａなど）、前記反射体によって反射された後、前記被収容媒体を照明する（例えば、後述する光Ｂなど）。
【００１２】
撮像光学装置は、発光撮像手段と反射体とを備える。
【００１３】
発光撮像手段は、発光部と撮像部との双方を有する。発光部は、所定の波長で所定の強度の光を発する。発光部から発せられた光は容器に照射されて容器を照明する。撮像部は、照明された容器の内部を撮像する。
【００１４】
発光部と撮像部とが発光撮像手段として容器の同じ側に位置するので、発光部を設置する空間と撮像部を設置する空間とを、別個にかつ互いに異なる位置に確保する必要がなくなる。したがって、複数の容器を設置する場合でも、隣り合う容器の間に隙間が生じないように発光撮像手段を設けることができる。このように、省スペース化を図って空間を有効に活用して、複数の容器を隙間なく密に配置することで大量に細胞や微生物等を培養できる。
【００１５】
発光撮像手段は、発光部及び撮像部が一体に形成されているものが好ましい。特に、発光部及び撮像部が同心状に配置されているものが好ましい。例えば、撮像部を中心にして、撮像部の周囲に発光部が配置されたものがより好ましい。発光撮像手段を所定の方向に向けて配置することで、発光部は所定の方向に向けて光を発し、撮像部は所定の方向からの光を受光することができる。
【００１６】
反射体は光を反射させる。反射体は、容器を挟んで発光撮像手段と互いに向かい合って配置される。容器は、反射体と発光撮像手段との間に位置し、反射体と発光撮像手段とによって挟まれる。
【００１７】
容器は囲繞壁を有する。囲繞壁は、容器に収容された被収容媒体を囲う。囲繞壁は、発光部から発せられた光が通過可能に形成されている。発光部から発せられた光は、囲繞壁を通過できるので、容器に収容された被収容媒体は、発光部から発せられた光によって照明される。
【００１８】
発光部から発せられた光は、まず、囲繞壁を通過して反射体に向かう。その後、反射体によって反射され、被収容媒体を照明する。反射体によって反射された光は、被収容媒体を照明する。
【００１９】
このように、被収容媒体は、発光部から発せられた光だけでなく、反射体によって反射された光も照明されるので、被収容媒体をバックグラウンドとして機能させて明るく撮像することができる。
【００２０】
発光撮像手段によって光を照射して撮像するので、人が介在せずに細胞や微生物等を培養できる環境を維持して、細胞や微生物等の培養状態を観察することが可能となる。さらに、被収容媒体をバックグラウンドとして機能させて明るく撮像するので、高速で撮像でき、例えば速いシャッタースピードでも撮像でき、容器内で移動している細胞や微生物等を明瞭に撮像できる。
【００２１】
この撮像光学装置は、液体等の媒体に存在する細胞や微生物等（以下、単に「細胞等」という。）の移動可能な物体の撮像に有効に用いられ、特に、胚性幹細胞（ＥＳ細胞）や人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）や体性幹細胞等の幹細胞の胚様体（embryoid body）や細胞凝集塊等を撮像するのに好適に用いられる。
【００２２】
本発明の第２の実施態様は、本発明の第１の実施態様において、
前記反射体が、前記囲繞壁に沿って配置されていることである。
【００２３】
反射体が、囲繞壁に沿って配置されているので、囲繞壁から射出された光を的確に反射体に向かわせることができるとともに、反射体によって反射された光を的確に囲繞壁に戻すことができ、発光部から発せられた光を無駄にすることなく効率よく反射体で反射させ、反射光によって被収容媒体を照明することができる。
【００２４】
さらに、隣り合う容器と干渉しないように反射体を配置でき、多くの容器を配置することで大量の細胞等を培養できる。
【００２５】
本発明の第３の実施態様は、本発明の第１の実施態様において、
前記囲繞壁の屈折率が空気の屈折率よりも大きいことである。
【００２６】
囲繞壁の屈折率が空気の屈折率よりも大きいので、発光部から発せられた光を囲繞壁によっても反射させることができる。発光部から発せられた光が囲繞壁の外側（容器の外側）に漏れる量を減らし、囲繞壁によって反射された光を被収容媒体に戻すことで、被収容媒体をさらに明るく照明し、被収容媒体を明るいバックグラウンドとして機能させることができる。
【００２７】
本発明の第４の実施態様は、本発明の第１の実施態様において、
前記囲繞壁は、
前記被収容媒体と前記囲繞壁との界面をなす内側壁面（例えば、後述する内周面２０２など）と、
前記容器の外側の空気と前記囲繞壁との界面をなす外側壁面（例えば、後述する外周面２０４など）と、を有し、
前記外側壁面は、前記被収容媒体から入射した光を反射して前記被収容媒体に戻すことである。
【００２８】
囲繞壁は、内側壁面と外側壁面とを有する。内側壁面は、被収容媒体と囲繞壁との界面をなす。外側壁面は、容器の外側の空気と囲繞壁との界面をなす。外側壁面は、被収容媒体から入射した光を反射して被収容媒体に戻す。囲繞壁の外側壁面によって反射された光を被収容媒体側に戻すことで、被収容媒体をさらに明るく照明することができる。
【００２９】
本発明の第５の実施態様は、本発明の第１の実施態様において、
前記反射体は、反射面に凹凸が形成されていることである。
【００３０】
反射体の反射面には凹凸が形成されているので、反射面で拡散反射が生ずる。拡散反射を生じさせることで、指向性の高い照明を用いた場合でも、入射角を臨界角よりも大きくして全反射する光を多く生成できる。全反射を繰り返す光を多く被収容媒体に通過させることで、バックグラウンドとなる被収容媒体をより明るく照明できるとともに、被写体（細胞）を照明する機会を増やすことでコントラストをさらに高くすることできる。なお、臨界角は、容器の外側に存在する空気の屈折率（約１）と容器の屈折率（約１．５〜１．６）の比で決まる。
【００３１】
本発明の第６の実施態様によれば、
発光部（例えば、後述する発光部１３０など）及び撮像部（例えば、後述するＣＣＤカメラ１５０など）は、被収容媒体（例えば、後述する培養液など）が収容される容器（例えば、後述する容器３００など）を挟んで反射体（例えば、後述する反射体２００など）と向かい合って配置され、
前記発光部から発せられた光（例えば、後述する光Ａなど）と、前記発光部から発せられ前記容器を通過した後に前記反射体によって反射させて前記容器に戻される光（例えば、後述する光Ｂなど）と、によって前記容器に収容された前記被収容媒体を照明する照明工程と、
前記容器の内側を撮像部によって撮像する撮像工程と、を含む。
【００３２】
発光部と撮像部とが容器の同じ側に位置するので、発光部を設置する空間と撮像部を設置する空間とを、別個にかつ互いに異なる位置に確保する必要がなくなる。したがって、複数の容器を設置する場合でも、隣り合う容器の間に隙間が生じないように発光部及び撮像部を設けることができる。このように、省スペース化を図って空間を有効に活用して、複数の容器を隙間なく密に配置することで大量に細胞等を培養できる。
【００３３】
被収容媒体は、発光部から発せられた光だけでなく、反射体によって反射された光も照明されるので、被収容媒体をバックグラウンドとして機能させて明るく撮像することができる。
【００３４】
発光部からの光を照射し撮像部により撮像するので、人が介在せずに細胞等を培養できる環境を維持して、細胞等の培養状態を観察することが可能となる。さらに、被収容媒体をバックグラウンドとして機能させて明るく撮像するので、高速で撮像でき、例えば速いシャッタースピードでも撮像でき、容器内で移動している細胞等を明瞭に撮像できる。
【００３５】
より具体的には、以下の実施態様がある。なお、以下では、撮像する細胞等については「細胞」として説明し、被収容媒体については「培養液」として説明する。
【００３６】
本発明の他の実施態様は、
樹脂製又はガラス製などからなる透明な培養容器（例えば、後述する容器３００など）に密着させ又は近接させたエリアカメラ（例えば、後述するＣＣＤカメラ１５０など）と、
培養容器を透過観察する焦点距離を有するレンズ（例えば、後述する対物レンズ１５６など）と、
を備えるエリアセンサカメラ（例えば、後述する撮像光学装置１００など）である。
【００３７】
さらに、導光用ファイバ（例えば、後述する光ファイバ１３２など）をエリアカメラ（例えば、後述するＣＣＤカメラ１５０など）のレンズ（例えば、後述する対物レンズ１５６など）の外周部に配置する。導光用ファイバは、培養容器を照明するための照明光を導き、射出面（例えば、後述する出射面１３６など）から照明光を射出して照明装置として機能する。照明装置とエリアカメラとを一体化することで全体的に小型化し、対物レンズ１５６の外周部の空間を有効に活用することができる。
【００３８】
また、光源装置（例えば、後述する共通光源４００など）に導光用ファイバ（例えば、後述する光ファイバ１３２など）を接続して、光源装置から発せられた光を導光用ファイバを介して培養容器に導き培養容器の内側を照明する。導光用ファイバ（例えば、後述する光ファイバ１３２など）を用いることで、培養容器から離隔した位置に高輝度な光源装置を設置できる。培養容器から離隔した位置に光源装置を設置するので、光源装置から発せられる熱を培養容器に伝わりにくくし、熱による培養環境への影響を防ぐことができる。
【００３９】
さらに、導光用ファイバとして多分岐ファイバを用いた場合には、単一の光源装置から発せられた光を分岐させて複数台の培養容器に供給することで培養容器の各々を照明できる。光源装置の数を減らすことができるので、省スペース化及び省エネルギー化を図ることができる。
【００４０】
さらに、導光用ファイバの射出面（例えば、後述する出射面１３６など）から射出された照明光は、培養容器の内側を射出角（約７０度）の範囲内で広がりつつ進行する。射出面から射出された照明光の一部は、培養容器の内側に存在する被写体（例えば、細胞など）に照射される。被写体に照射されなかった残りの照明光は、培養容器を挟んでエリアカメラ（例えば、後述するＣＣＤカメラ１５０など）と向かい合う培養容器の反対側に到達する。
【００４１】
さらにまた、光を反射させるための反射板（金属、ミラー、フィルム等からなる）を、培養容器を挟んでエリアカメラと向かい合う培養容器の反対側に設置する。反射板は、培養容器の形状に則して形成されている。また、反射効果を有する酸化マグネシュウムや硫酸バリュウム等を、培養容器を挟んでエリアカメラと向かい合う培養容器の反対側の外周面に塗布してもよい。反射板などで照明光を反射させることで照明光を培養容器に戻すことができる。なお、細胞等の培養環境に影響を及ぼさない限り、培養容器の内周面に反射媒体を設置したり塗布したりしてもよい。
【００４２】
また、培養容器に戻される照明光の反射角が、培養容器（円筒形）の形状によって臨界角以上となる場合には、照明光は、培養容器内で複数回に亘って散乱反射し、照明光を培養容器内に閉じ込められる。照明光を複数回に亘って散乱反射させることで、培養液を複数箇所で照明し、細胞の輪郭やバックグラウンド（培養液と細胞とのコントラスト化）の効果を高め、高速に浮遊移動している細胞を高速でシャッターを切って撮像できる。高速でシャッターを切って撮像できるので、高速に移動する細胞を静止画像として画像を取得することができる。
【００４３】
さらに、高速でシャッターを切って撮像することで、連続撮影も容易になり撮像焦点深度内での撮像回数を多くすることで、大容量の培養容器に収容されている多量の細胞を観察する機会を多くすることができる。
【００４４】
＜＜＜撮像光学装置１００＞＞＞
図１は、撮像光学装置１００の構成を示す斜視図である。図２は、撮像光学装置１００の構成を示す平面図である。図１及び図２に示すように、撮像光学装置１００は、筐体１１０と発光撮像装置１２０と反射体２００とを有する。なお、図２では、筐体１１０と発光撮像装置１２０と反射体２００との関係を明確にするために、これらを離隔して示した。また、図２では、容器３００を想像線で示すとともに、撹拌翼３１０を省略して示した（図５参照）。
【００４５】
図５は、撮像光学装置１００を容器３００に取り付けた状態を示す斜視図である。容器３００は、円形の底面３０２と円筒形状の側面３０４（囲繞壁）とを有する。後述するように、円筒形状の側面３０４で、光が入射したり反射したり出射したりする。このように、本実施の形態では、円筒形状の側面３０４のように湾曲する面における光の入射、反射、屈折を利用する。容器３００の側面３０４は、光を透過させかつ反射させることができる材料によって構成されていればよく、透明な材料や半透明な材料で構成することができる。
【００４６】
容器３００には、ＩｉＰＳ細胞などの各種の細胞等を含む培養液が収容されている。容器３００には撹拌翼３１０が回転可能に設けられている。撹拌翼３１０は、スターラ（図示せず）によって回転駆動される。撹拌翼３１０を回転駆動することで容器３００に収容された培養液が攪拌される。例えば、撹拌翼３１０を４０〜６０ｒｐｍ（回転毎分）で回転することができる。撹拌翼３１０によって培養液が攪拌されている限り、細胞等は、培養液の流れに従って常に浮遊して移動する。
【００４７】
＜＜筐体１１０＞＞
図１に示すように、筐体１１０は、略円筒状の形状を有する円筒帯部１１２を有する。円筒帯部１１２は、円筒内周面１１４と円筒外周面１１６とを有する。筐体１１０は容器３００の側面３０４を巻回するように容器３００に着脱可能に取り付けられる（図５参照）。
【００４８】
筐体１１０を側面３０４に巻回することで、筐体１１０を容器３００に密着させて取り付けることができ、振動や衝撃が生じた場合でも、筐体１１０を容器３００に安定的に保持でき、筐体１１０と容器３００との相対的な位置を一定に保つことで、細胞等を発光撮像装置１２０で明瞭に撮像することができる。
【００４９】
円筒帯部１１２は、ゴムやバネなどの弾性体によって長手方向（周方向）に沿って伸縮できる構造を有し、筐体１１０を容器３００に密着させて取り付けることができる。また、ねじやボルトなどの固定部材を用いて筐体１１０を容器３００に締め付けるように密着させて取り付けることもできる。
【００５０】
＜＜発光撮像装置１２０（発光撮像手段）＞＞
筐体１１０の円筒帯部１１２には、発光撮像装置１２０が取り付けられる。円筒帯部１１２には、保持部１１８（図２参照）が設けられている。発光撮像装置１２０は、ボルトやねじなどの係止部材（図示せず）によって保持部１１８を介して円筒帯部１１２に固定される。
【００５１】
発光撮像装置１２０は、光ファイバ１３２によって構成される発光部１３０と、ＣＣＤカメラ１５０とを有する。ＣＣＤカメラ１５０は、エリアカメラとして機能する。
【００５２】
図３Ａは、発光撮像装置１２０の概略を示す斜視図であり、図３Ｂは、発光撮像装置１２０の発光部１３０とＣＣＤカメラ１５０とを示す正面図である。
【００５３】
＜ＣＣＤカメラ１５０（撮像部）＞
ＣＣＤカメラ１５０は、光学系部１５２と電気系部１６０とからなる。光学系部１５２は、略円筒状の形状を有し、主に対物レンズ１５６やフィルタ（図示せず）などの各種の光学素子を有する。光学系部１５２は開口部１５４を有し、開口部１５４には撮像対象によって反射された光が入射する。開口部１５４に入射した光は、対物レンズ１５６などの各種の光学素子によって光路が調整される。ＣＣＤカメラ１５０として、モノクロのエリアカメラなどを用いることができる。
【００５４】
電気系部１６０は、略直方体状の形状を有し、ＣＣＤイメージセンサ部（図示せず）や信号処理回路部（図示せず）などを有する。光学系部１５２で光路が調整された光は、ＣＣＤイメージセンサ部に入射して像が形成される。電気系部１６０は、ＣＣＤイメージセンサ部で形成された像を電気信号に変換し、ディジタル化などの各種の信号処理を施して撮像信号として出力する。
【００５５】
＜発光部１３０（発光部）＞
発光部１３０は、複数の光ファイバ１３２によって構成される。複数の光ファイバ１３２の各々は、入射面１３４と出射面１３６とを有する。図２に示すように、複数の光ファイバ１３２の全ての入射面１３４が、共通光源４００に接続されている。共通光源４００は、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光体からなる。共通光源４００から発せられた光は、複数の光ファイバ１３２の各々に分岐されて伝播し出射面１３６（図３Ａ及び図３Ｂ）から出射される。このように、単一の共通光源４００を用いて複数の光ファイバ１３２から光を出射することができる。
【００５６】
複数の光ファイバ１３２によって、共通光源４００から発せられた光を伝播させるので、共通光源４００を容器３００から離隔した位置に配置できる。このため、共通光源４００から発せられる熱が容器３００に収容されている培養液や細胞に伝わることを防止でき、共通光源４００から発せられる熱の影響を少なくして培養環境を一定に保つことができる。
【００５７】
図３Ａに示すように、複数の光ファイバ１３２の各々の端部は、発光部１３０の光学系部１５２の外周面に長手方向に沿って配置されている。また、図３Ｂに示すように、複数の光ファイバ１３２の各々の出射面１３６が、光学系部１５２の開口部１５４の外周面に周回するように等間隔に配置される。
【００５８】
複数の光ファイバ１３２の外側には、略円筒状の保持体１７０が取り付けられる（図３Ｂ参照）。複数の光ファイバ１３２は、光学系部１５２の外周面と保持体１７０の内周面との間で保持される。すなわち、複数の光ファイバ１３２が光学系部１５２を覆うように配置され、保持体１７０が光学系部１５２と複数の光ファイバ１３２とを覆うように被せられる。複数の光ファイバ１３２を保持体１７０によって保持することで、出射面１３６から出射される光の方向を一定に保つことができる。
【００５９】
図６に示すように、ＣＣＤカメラ１５０は、光学系部１５２の開口部１５４（対物レンズ１５６）と、複数の光ファイバ１３２の各々の出射面１３６とが、容器３００の側面３０４に向かうように取り付けられる。例えば、ＣＣＤカメラ１５０は、光学系部１５２の軸方向が筐体１１０に対して略直角になるように取り付けられる。
【００６０】
＜＜反射体２００＞＞
図４は、反射体２００の構成を示す斜視図である。反射体２００は、細長い形状を有し、長手方向に沿って湾曲する形状、例えば、略半円筒状の形状を有する。図１及び図５に示すように、反射体２００の高さ（短手方向）は、筐体１１０の高さ（幅）と同じであるか、又は筐体１１０の高さ（幅）よりも短い。反射体２００は、内周面２０２（内側壁面）と外周面２０４（外側壁面）とを有する。
【００６１】
図１及び図２に示すように、反射体２００は、円筒帯部１１２に沿って設けられる。具体的には、反射体２００の外周面２０４が、円筒帯部１１２の円筒内周面１１４に密着するように取り付けられる。例えば、接着剤などを用いて反射体２００を円筒帯部１１２に固着できる。円筒帯部１１２の円筒内周面１１４に反射体２００が取り付けられ、筐体１１０を容器３００に取り付けた場合には、反射体２００の内周面２０２を容器３００の側面３０４に密接して取り付けることができる。
【００６２】
反射体２００は、所定の金属、例えば、アルミや銅などの薄板によって形成される。金属は、反射率の高いものであればよい。金属の薄板を湾曲して反射体２００を形成することで、反射体２００を円筒帯部１１２に沿うように設けることができる。金属の薄板で反射体２００を形成することで、反射体２００の内周面２０２で光を反射させることができる。
【００６３】
さらに、反射体２００の内周面２０２には、微細な凹凸が形成されている。凹凸によって、反射体２００の内周面２０２に入射した光を単に反射させるだけでなく、拡散反射（散乱させつつ反射）させることができる。凹凸の形状や大きさなど、例えば、表面粗さを適宜に変えることで拡散反射の広がりなどの傾向や度合いを決定できる。
【００６４】
また、反射体２００を金属の薄板で形成するだけでなく、プラスチックなどの可撓性を有する材料によって反射体２００の基材を形成してもよい。この場合には、塗布や蒸着やスパッタなどによって反射体２００の内周面２０２に金属薄膜などを成膜することで、金属の薄板と同様に光を反射させることができる。反射率の高い材料を用いて成膜すればよい。例えば、反射効果を奏する酸化マグネシュウムや硫酸バリュウム等を用いることができる。
【００６５】
さらにまた、可撓性を有するフィルム状の材料を基材にして反射体２００を形成してもよい。フィルム状であるので変形しやすく反射体２００の内周面と容器３００の側面３０４との密着性を高め、反射体２００による反射光を容器３００に的確に戻すことができる。
【００６６】
さらに、金属薄膜の成膜よりも事前に基材の表面に凹凸を形成することで拡散反射させることもできる。
【００６７】
上述した例では、反射体２００は、略半円筒状の形状を有する場合を示したが、この形状に限られず、発光撮像装置１２０に必要な光を通過する箇所以外に反射体を設けることができる。また、反射体２００を容器３００と別体に構成したが、容器３００の一部が反射体２００となるように構成してもよい。さらに、反射体２００を構成する材料は、金属だけでなく、光を反射できるものであればよく、反射率の高い樹脂シート等にしてもよい。
【００６８】
＜＜容器３００の培養液の照明＞＞
図６は、発光撮像装置１２０から発せられた光の光路を示す概念図である。図６では、光路を明確に示すために筐体１１０及び撹拌翼３１０を省略して示した。容器３００はプラスチック製であり、容器３００の内側には培養液が収容されている。容器３００の外側には空気が存在する。図６では、主に、共通光源４００から発せられた光と、反射体２００によって反射される光とを考える。
【００６９】
共通光源４００から発せられて光ファイバ１３２を進んだ光は、光ファイバ１３２の出射面１３６から出射される。出射面１３６から出射された光Ａは、配光角（射出角）θＤで広がりつつ進行する。例えば、配光角θＤは約７０度である。
【００７０】
出射面１３６から出射された光Ａは、容器３００の側面３０４を通過して、容器３００に収容されている培養液に進入して、培養液を照明する（矢印Ａの光）。その後、培養液を通過した光Ａは、側面３０４を通過して反射体２００に到達する。反射体２００に到達した光は、反射体２００によって反射される。反射体２００によって反射された光Ｂは、側面３０４を通過して培養液に進入する。培養液に進入した光は、培養液を照明する（矢印Ｂの光）。
【００７１】
このように、共通光源４００から発せられた光Ａが培養液を通過するだけでなく、反射体２００で反射された光Ｂも培養液を通過する。このように、反射体２００で反射された光Ｂも培養液を通過させることで、複数回に亘って光を培養液に進入させて培養液を明るく照明できる。
【００７２】
＜＜発光撮像装置１２０による撮像＞＞
＜細胞の撮像＞
発光撮像装置１２０の光学系部１５２には、対物レンズ１５６が設けられている。例えば、対物レンズ１５６としてテレセントリックレンズを用いることができる。対物レンズ１５６の倍率を適宜に定めることにより、撮像焦点深度内の領域を撮像領域Ｍ（図６参照）として決定できる。ＣＣＤカメラ１５０は、対物レンズ１５６によって撮像領域Ｍに位置する細胞に焦点を合わせて細胞を明瞭に撮像する。
【００７３】
撮像領域Ｍを、撹拌翼３１０と発光撮像装置１２０との間の位置であり、撹拌翼３１０よりも発光撮像装置１２０に近い位置にすることができる。より好ましくは、撮像領域Ｍを、撹拌翼３１０と発光撮像装置１２０との中央よりも発光撮像装置１２０に近い位置にすることができる。具体的には、撮像領域Ｍの位置を容器３００の側面３０４から１ｍｍ程度に撹拌翼３１０に向かった位置にすることができる。
【００７４】
撮像領域Ｍの位置を撹拌翼３１０と焦点が合わない位置にすることで、撹拌翼３１０が撮像されにくくして細胞を明瞭に撮像することができる。撮像領域Ｍの位置は、撹拌翼３１０が撮像されにくく細胞を明瞭に撮像できる位置であればよく、発光撮像装置１２０の位置や対物レンズ１５６の倍率を適宜に定めて決定することができる。
【００７５】
なお、図５では、筐体１１０と発光撮像装置１２０と反射体２００との構成を、容器３００に取り付けた状態で明確に示すために、撹拌翼３１０を発光撮像装置１２０よりも上方に偏移させて示した。しかしながら、撹拌翼３１０が、図５の位置よりも下方に位置し、発光撮像装置１２０の撮像領域Ｍの前方に位置するように構成した場合でも、上述したように、撮像領域Ｍの位置は撹拌翼３１０と焦点が合わない位置であり、撹拌翼３１０は撮像されにくく、撮像領域Ｍに位置する細胞等を明瞭に撮像することができる。
【００７６】
＜培養液の撮像＞
容器３００には細胞を含んだ培養液が収容されている。上述したように、培養液は、出射面１３６から出射された光Ａと、反射体２００で反射された光Ｂとによって照明される。ＣＣＤカメラ１５０は、光Ａ及び光Ｂによって照明された培養液をバックグラウンドとして撮像する。すなわち、撮像領域Ｍ以外の大半の培養液には対物レンズ１５６の焦点は合わないが、培養液を照明した光は対物レンズ１５６を介してＣＣＤカメラ１５０に入射し、明るく照明された培養液はバックグラウンドとして機能する。
【００７７】
＜細胞及び培養液の撮像＞
ＣＣＤカメラ１５０は、対物レンズ１５６によって、撮像領域Ｍに位置する細胞に焦点を合わせ、細胞を撮像する。さらに、ＣＣＤカメラ１５０には、培養液を照明した光が対物レンズ１５６を介して入射する。このように、ＣＣＤカメラ１５０は、培養液を照明した光をバックグラウンドとして機能させ、対象物である細胞と対比させて撮像することができる。培養液を通過する光の量を増やすことで培養液を明るく照明してバックグラウンドとして機能させ、焦点の合った細胞とのコントラストを高くして、対象物である細胞を明瞭に撮像することができる。
【００７８】
なお、反射体２００を設けていない場合には、培養液を一旦通過した後、反射体２００によって光が培養液に戻されることはない。このため、培養液を通過する光を増やすことができず、バックグラウンドを明るくできず、細胞とのコントラストを高くできず、細胞を明瞭に撮像することが困難になる。
【００７９】
撮像光学装置１００は、共通光源４００から発せられた光Ａのみで培養液を照明するのではなく、反射体２００によって反射させた光Ｂも培養液を照明するので、明るいバックグラウンドとして培養液を機能させることができる。
【００８０】
発光撮像装置１２０は、容器３００を挟んで反射体２００と向かい合うように配置されている。発光撮像装置１２０は、発光部１３０とＣＣＤカメラ１５０とが一体に形成されている。発光撮像装置１２０を容器３００に設置すれば、発光部１３０とＣＣＤカメラ１５０との双方を容器３００に同時に設置することができる。発光部１３０とＣＣＤカメラ１５０とを一体にしたことで、発光部１３０を設置する空間とＣＣＤカメラ１５０を設置する空間とを別個にかつ互いに異なる位置に確保する必要がなくなる。したがって、互いに隣り合う撮像光学装置１００を密に配置して、省スペース化を図ることで空間を有効に活用することができる。
【００８１】
＜＜撹拌翼３１０の回転の影響＞＞
培養液は、撹拌翼３１０の回転により攪拌されている。培養液が攪拌されることで、成長過程の細胞は、容器３００内を常に移動する。撮像領域Ｍの位置は撹拌翼３１０と焦点が合わない位置であり、撹拌翼３１０は撮像されにくい。したがって、移動中の細胞のうち、撮像領域Ｍに位置した細胞のみを明瞭に撮像できる。撹拌翼３１０を回転させて培養液を攪拌させている状態でも、撮像光学装置１００によって細胞を撮像することができる。このため、培養工程を中断したり細胞を採取したりすることなく培養過程の細胞を撮像できる。
【００８２】
培養液の攪拌により細胞は容器３００内を常に移動しており、細胞の移動速度に応じてシャッター速度を決定する。上述したように、共通光源４００から発せられた光Ａと、反射体２００で反射された光Ｂとによって、容器３００に収容されている培養液を明るく照明する。このため、シャッター速度を速くした場合であっても、明瞭に細胞を撮像することができる。
【００８３】
また、共通光源４００の出力自体を小さくした場合であっても光Ａと光Ｂとによって十分に培養液を照明できる。共通光源４００の出力を小さくすることで、共通光源４００から発せられる熱の影響を少なくして培養環境を一定に保つことができる。
【００８４】
このように、容器３００内の細胞の移動速度（例えば、撹拌翼３１０の回転速度）に応じてシャッター速度を決定するとともに、決定したシャッター速度に対応させて共通光源４００の強度を最適化できる。このようにして、最適な強度の照明で細胞を撮像して、細胞を明瞭に撮像することができる。
【００８５】
＜＜反射体２００の凹凸による拡散反射＞＞
上述したように、反射体２００の内周面２０２には、微細な凹凸が形成されており、拡散反射が生ずる。拡散反射が生ずることによって内周面２０２から徐々に拡散する光Ｂ１〜Ｂ４（図６参照）が生じ、光Ｂ１〜Ｂ４は、培養液を広い範囲に亘って照明する。培養液を広い範囲で照明することでバックグラウンドとしての培養液の明るさを場所によることなく均一に近づけることができる。
【００８６】
反射体２００の内周面２０２に凹凸が形成されているので、凹凸によって拡散反射が生ずる。拡散反射を生じさせることで、指向性の高い照明を用いた場合でも、容器３００の側面３０４の界面Ｓ１で全反射する光を多く生成できる。入射角が臨界角よりも大きい光を界面Ｓ１に入射させることで界面Ｓ１で全反射を生じさせることができる。
【００８７】
例えば、図１２に示すように、光Ｘ１が反射体２００の内周面２０２に入射する。内周面２０２に凹凸が形成されており、凹凸の傾きは内周面２０２の場所によって異なる。このため、光Ｘ１が入射した位置の凹凸の傾きによっては、内周面２０２に凹凸が形成されていない場合（光Ｘ２’）よりも傾いた方向に反射する（光Ｘ２）。さらに、光Ｘ２が進み反射体２００の内周面２０２によって反射されて培養液に戻ったときに（光Ｘ３）、入射角θＩが臨界角よりも大きく容器３００の界面Ｓ１に入射する場合が生ずる。この場合には、全反射（θＲ＝θＩ）が生ずる（光Ｘ４）。臨界角は、容器３００の外側に存在する空気の屈折率（約１）と容器３００の屈折率（約１．５〜１．６）の比で決まる。
【００８８】
このように、反射体２００の内周面２０２に凹凸を形成することで、界面Ｓ１で全反射する光を多く生成できる。全反射を繰り返す光を培養液に通過させることで、バックグラウンドとなる培養液をより明るく照明できるとともに、細胞を照明する機会を増やすことでコントラストをさらに高くすることできる。
【００８９】
＜＜容器３００における界面＞＞
図７Ａ及び図７Ｂは、光が容器３００の側面３０４から界面Ｓ１に入射する場合を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂでは、容器３００はプラスチック製であり、容器３００の内側には培養液が収容されている。容器３００の外側には空気が存在する。空気と容器３００の側面３０４との界面を界面Ｓ１と称し、容器３００の側面３０４と培養液との界面を界面Ｓ２と称する。図７Ａは、界面Ｓ１での入射角θＩが臨界角よりも小さい場合の例を示す概略図である。図７Ｂは、界面Ｓ１での入射角θＩが臨界角よりも大きい場合の例を示す概略図である。
【００９０】
空気の屈折率＜培養液の屈折率＜プラスチックの屈折率である。例えば、空気の屈折率は約１であり、培養液の屈折率は約１．４であり、プラスチックの屈折率は約１．５である。
【００９１】
図７Ａでは、入射角θＩが臨界角よりも小さい。このため、入射光Ｉは、界面Ｓ１で反射光Ｒと屈折光Ｆとに分離する。反射光Ｒは、界面Ｓ１で反射して容器３００の側面３０４に戻り、界面Ｓ２を通過した後に、培養液に戻り培養液を照明する。一方、屈折光Ｆは、界面Ｓ１から空気に射出する。
【００９２】
図７Ｂでは、入射角θＩは臨界角よりも大きく、全反射が起こる。すなわち、入射光Ｉは、界面Ｓ１で全て反射して反射光Ｒとなり、界面Ｓ１から空気に射出する光は存在しない。界面Ｓ１で反射した反射光Ｒは容器３００の側面３０４に戻り、界面Ｓ２を通過した後に、培養液に戻り培養液を照明する。
【００９３】
上述した例では、容器３００はプラスチックなどの樹脂製である場合を示したが、他の種類の樹脂でもガラス製でもよい。また、容器３００の屈折率は、１．５〜１．６にすることができる。
【００９４】
上述した例では、空気の屈折率は約１で、培養液の屈折率は約１．４で、プラスチックの屈折率は約１．５であり、主に、界面Ｓ１での入射、反射、屈折を考察した。培養液の屈折率や容器３００の屈折率の大きさによっては、界面Ｓ２で反射して培養液に戻る光が増える場合がある。界面Ｓ２で反射した光が培養液に戻ることで培養液を照明する。
【００９５】
＜＜反射光の連続的な形成＞＞
図８は、発光撮像装置１２０から発せられた光の光路を示す概念図である。図６と同様の構成には、同じ符号を付した。図８でも、図６と同様に、光路を明確に示すために筐体１１０及び撹拌翼３１０を省略して示した。容器３００はプラスチック製であり、容器３００の内側には培養液が収容されている。容器３００の外側には空気が存在する。図８では、反射の状態を明確に示すために、側面３０４から離隔した位置に光路を記載した。
【００９６】
空気と容器３００の側面３０４との界面は界面Ｓ１であり、容器３００の側面３０４と培養液との界面は界面Ｓ２である。空気の屈折率＜培養液の屈折率＜容器３００（プラスチック）の屈折率である。図８では、共通光源４００から発せられた光と、界面Ｓ１で反射される光（図７参照）とを考える。
【００９７】
図７で説明したように、側面３０４から界面Ｓ１に光が入射したときに、入射角が臨界角よりも小さい場合には、入射光の一部が反射されて反射光となる。また、側面３０４から界面Ｓ１に光が入射したときに、入射角が臨界角よりも大きい場合には、全反射が生じ、入射光の全てが反射光となる。いずれの場合も強度に差はあるが反射光が生ずる。以下では、界面Ｓ１で反射して培養液に戻る光について着目する。
【００９８】
図６と同様に、共通光源４００から発せられた光は、光ファイバ１３２を進み、光ファイバ１３２の出射面１３６から出射される（点Ｐ１）。出射面１３６から出射された光Ａは、反射体２００に到達する（矢印Ａの光）。反射体２００に到達した光は、反射体２００によって反射される（点Ｐ２）。反射体２００によって反射された光Ｂは、側面３０４を通過して培養液に進入する（矢印Ｂの光）。
【００９９】
上述したように、反射体２００の内周面２０２には、微細な凹凸が形成されており、内周面２０２の凹凸によって拡散する光Ｂ１〜Ｂ４（図８参照）が生ずる。以下では、光Ｂ１〜Ｂ４のうちの光Ｂ１について説明する。光Ｂ１は、培養液に進入して培養液を照明する。
【０１００】
培養液を通過した光Ｂ１は、空気と容器３００の側面３０４との界面Ｓ１（位置Ｐ３）に到達する。図７で説明したように、界面Ｓ１では、容器３００側に反射する反射光Ｒが生ずる。培養液側に反射した反射光Ｒ（光Ｃ）は、培養液を通過して培養液を照明する。
【０１０１】
培養液を通過した光Ｃは、空気と容器３００の側面３０４との界面Ｓ１（位置Ｐ４）に到達する。位置Ｐ４の界面Ｓ１でも、容器３００側に反射する反射光Ｒが生ずる。培養液側に反射した反射光Ｒ（光Ｄ）は、培養液を通過して培養液を照明する。
【０１０２】
このように、発光部１３０から発せられた光は、培養液を通過した後に反射体２００に到達する。反射体２００に到達した光は、反射体２００で反射されて培養液に戻る。培養液に戻った光は、界面Ｓ１での反射を次々に繰り返して（位置Ｐ３→Ｐ４→・・・）、Ｂ１→Ｃ→Ｄ→・・・のように、培養液を次々に通過する。培養液を通過する光を増やすことで、バックグラウンドとして培養液をさらに明るく照明できる。このため、バックグラウンドと細胞との明暗の差をさらに大きくして、細胞をより明瞭に撮像することができる。
【０１０３】
なお、図７で説明したように、界面Ｓ２から入射した光も反射をした後に最終的に培養液に進入することができる。このような光によっても培養液を通過する光を増やすことができる。
【０１０４】
＜＜筐体９１０＞＞
図１及び図５に示した筐体１１０は、底面を有さず帯状の形状を有する。図１に示すように、この筐体１１０は、いわゆるバンド状やベルト状の形状を有する。
【０１０５】
これに対して、図１０及び図１１に示すように、底面を有する筐体９１０を用いてもよい。図１０及び図１１では、図１及び図５と共通する構成に対して同様の符号を付して示した。
【０１０６】
筐体９１０は、円板状の底面部９２０と底面部９２０の外周に沿って設けられた円筒状の側面部９１２とを有し、上端面が開放された形状を有する。底面部９２０に容器３００を載置できるので、筐体９１０に容器３００を容易に取り付けることができ、安定的に容器３００を保持することができる。筐体９１０の底面部９２０に容器３００の底面３０２が載せられて容器３００は筐体９１０に載置される。
【０１０７】
側面部９１２は、円筒帯部１１２と同様に、円筒内周面１１４と円筒外周面１１６とを有する。筐体１１０と同様に、側面部９１２に発光撮像装置１２０が取り付けられている。
【０１０８】
筐体９１０は、上端面が開放されているので、容器３００の着脱を容易にすることができ、作業の効率を高めることができる。
【０１０９】
反射体２００は、側面部９１２に沿って設けられる。具体的には、反射体２００の外周面２０４が、側面部９１２の円筒内周面１１４に密着するように取り付けられる。例えば、接着剤などを用いて反射体２００を側面部９１２に固着できる。側面部９１２に反射体２００を設けることで、筐体９１０を用いた場合も図６と同様に、共通光源４００から発せられた光Ａと、反射体２００で反射された光Ｂとを培養液に進入させて、培養液の全体を明るく照明できる。
【０１１０】
また、筐体９１０を用いた場合も図８と同様に、培養液を次々に通過する光を増やすことができ、バックグラウンドと細胞との明暗の差をさらに大きくして、細胞をより明瞭に撮像することができる。
【０１１１】
なお、図１１も図５と同様に、筐体９１０と発光撮像装置１２０と反射体２００との構成を、容器３００に取り付けた状態で明確に示すために、撹拌翼３１０を発光撮像装置１２０よりも上方に偏移させて示した。しかしながら、撹拌翼３１０が、図１１の位置よりも下方に位置し、発光撮像装置１２０の撮像領域Ｍの前方に位置するように構成した場合でも、撮像領域Ｍの位置は撹拌翼３１０と焦点が合わない位置であり、撹拌翼３１０は撮像されにくく、撮像領域Ｍに位置する細胞等を明瞭に撮像することができる。
【０１１２】
＜＜他の容器の例＞＞
図９Ａ〜図９Ｄは、他の容器の例を示す平面図である。図９Ａ〜図９Ｄでは、容器の形状を明確に示すために撹拌翼３１０を省略して示した。
【０１１３】
上述した容器３００の側面３０４は円筒形状を有し、側面３０４の全体が湾曲した形状を有する。この場合には、側面３０４の形状に応じた半円筒状の反射体２００を側面３０４に用いて、光を側面３０４に戻すことができる。本実施の形態の容器は、側面が円筒形状であるものに限られず、培養液を囲繞したり周回したりする形状を有すればよい。このような形状にすることで側面の内側面で光を次々に反射させて容器の内側を照明することができる。
【０１１４】
図９Ａに示す容器５００の側面は、平坦部５０４ａと湾曲部５０４ｂとを有する。図９Ｂに示す容器６００の側面は、平坦部６０４ａと屈曲部６０４ｂとを有する。図９Ｃに示す容器７００の側面は、湾曲部７０４ａと屈曲部７０４ｂとを有する。図９Ｄに示す容器８００の側面は、平坦部８０４ａと屈曲部８０４ｂと湾曲部８０４ｃとを有する。
【０１１５】
このように、容器３００、５００、６００、７００、８００の側面は、平坦部や湾曲部や屈曲部によって形成され、収容された培養液を周回するように囲むものであればよい。
【０１１６】
＜＜その他＞＞
上述した例では、ＣＣＤカメラ１５０としてモノクロエリアカメラを用いる場合を示したが、カラー対応のエリアカメラを用いてもよい。培養過程で細胞の成長に従って培養液が変色したり濁ったりするような場合も想定される。このような場合に、カラー対応のエリアカメラを用いることで、細胞等の変化だけでなく、培養液の変化も撮像して培養過程を的確に判断することができる。
【０１１７】
また、再生医療の分野では、細胞等を安定して大量に培養することが急務となっている。特に、医療に適用できるまでの時間を短くし、費用を抑え、高速にかつ大量に安定して細胞を培養することが求められている。このため、容量の大きい培養容器内で細胞を人手によることなく培養すること必要である。
【０１１８】
また、培養液内の細胞の濃度は低く、細胞を採取する手法の場合には、攪拌を停止させて沈殿状態にすることで、採取できる細胞の数を増やす。場合によっては、培養装置から培養容器を取り外し採取する必要もある。このため、培養環境とは異なる環境で細胞を観察せざるを得ない。さらに、このように採取した細胞は、他の細胞への影響を考慮すると元の培養液に戻すことができず、観察した後は細胞を廃棄せざるを得ない。
【０１１９】
さらにまた、細胞の培養には無菌の環境が必要である。人間が培養設備に出入り可能にするためには、無菌の環境の維持費も必要になる。したがって、大容量の細胞を培養する上で、培養装置を自動化し、遠隔（クリーンルームの外）で細胞状態を観察することで、無菌状態を維持する必要がある。
【０１２０】
このように、再生医療の分野では、大容量の細胞培養装置で培養されている細胞を遠隔で非侵襲的に高速かつ連続的に観察できる観察装置が要望されており、本実施の形態の撮像光学装置は、このような細胞等の観察にも好適である。
【符号の説明】
【０１２１】
１００  撮像光学装置
１２０  発光撮像装置
２００  反射体
３００、５００、６００、７００、８００  容器
【図１】
0006664909.tif 000002
【図２】
0006664909.tif 000003
【図３】
0006664909.tif 000004
【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】
0006664909.tif 000009
【図９】
0006664909.tif 000010
【図１０】
0006664909.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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