(57)【要約】【課題】物体がどのような方向に運動をしていても、物体の運動を感度よく計測することができる簡便な装置を提供する。【解決手段】物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と遮光する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状フィルターと、前記格子状フィルターを透過した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の強度を測定する光検出器とを有する物体の運動計測装置である。物体の対物像が、格子状フィルターの光を透過する部分と遮光する部分との境界部分で動くときの光量変化を計測することにより物体の運動を計測する。【選択図】      図１
2004264048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と遮光する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状フィルターと、前記格子状フィルターを透過した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の強度を測定する光検出器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。
【請求項２】
物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と反射する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状ハーフミラーと、前記格子状ハーフミラーを透過した光と前記格子状ハーフミラーで反射された光とをそれぞれ集光する２つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する２つの光検出器と、前記２つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。
【請求項３】
物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を２つの異なる角度で反射する２種類の反射面が縦横に交互に並ぶ格子状ミラーと、前記格子状ミラーで２方向に反射された光をそれぞれ集光する２つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する２つの光検出器と、前記２つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。
【請求項４】
物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を縦横に交互に並ぶ２種類の光検出器の受光面で受光する光検出器行列と、前記２種類の光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする物体の運動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的手法による物体の運動計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の運動速度や振動周期を光学的手法で計測する場合、従来、次の２つの方法が用いられて来た。
【０００３】
１つの方法は、ビデオカメラを用い画像処理を施す方法である。物体の動画を撮影し記録した後に、記録された画像から、計測の対象となる物体の一コマ毎の位置変化を求め、そこから運動の速度・振動周期などを求めることになる。
【０００４】
この方法では多様な運動形態に対応できる点で後述の手法に比べ優れているものの、ビデオ記録速度によって時間的精度に制約がある点（一般的なビデオ記録では１／６０秒）、リアルタイム計測は不可能である点、解析作業上の煩雑さと言った難点がある。
【０００５】
もう一つの方法は、光センサーを使った手法である。計測対象の物体の像が光センサーの受光面に投影されるようにし、像の光強度の継時変化を光センサーで計測し、運動速度や変位を求めることになる。
【０００６】
この方法では、運動速度や変位がどのような光信号の変化となって計測されるかは、物体および光センサーの配置、陰影や反射光の進行方向などによって異なる。例えば、明るい背景の中に暗い物体がある場合、物体エッジ部分の像が、受光面上にちょうど投影されるような配置に置かなければならない。あるいは、物体によって反射する光などを手がかりに計測する場合、その光線が、効率よく受光面上に入射するような装置の配置が必要となる。どのような状況であっても、同じような計測感度や精度の期待できるものではなく、汎用的な手法ではない。
【０００７】
光センサーを使って物体の運動速度や振動周期を計測する他の方法も考案されている（例えば、非特許文献１参照。）。図１５（ａ）で示すように一定方向に移動する物体の運動速度ｖを計測する場合には、図１５（ｂ）のように光を透過する部分と光を遮光する部分とが一定間隔ｄ／２をおいて前記一定方向に交互に並ぶ格子模様のフィルターを使用する。
【０００８】
上記のフィルターを通して物体を観察すると、観察像は図１５（ｃ）のように見える。この観察像全体を光センサーで計測すると、図１５（ｄ）のように光センサーの出力電圧は光強度に応じて周期ｔ１をおいて変化することがわかる。周期ｔ１と格子の間隔ｄとから物体の運動速度ｖを計測することができる。
このような運動速度の計測方法については、非特許文献１〜３に記載されている。
【０００９】
物体の往復運動を計測する方法としては、以下の方法がある。図１６（ａ）に示すように一定方向に往復振動する物体の周波数ｆを計測する場合、光の透過度が前記一定方向にそって増加または減少するフィルターを使用する。
【００１０】
例えば、図１６（ｂ）のように、左から右へ向かって光の透過度が減少するフィルターを通して物体を観察すると、観察像は図１６（ｃ）のように、物体が左側にあるときは明るく、右側にあるときは暗く見える。この観察像全体を光センサーで計測すると、図１６（ｄ）のように光センサーの出力電圧は光強度に応じて周期ｔ２をおいて変化することがわかり、周波数ｆを計測することができる。
【００１１】
【非特許文献１】
日本学術会議事務局・日本動物学会関東支部編、「細胞のミクロ探検−見えないものを見る−」日学選書Ｂ、財団法人日本学術協力財団、１９９６年、ｐ．５７−７２
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記手法では、フィルターの光透過度の勾配方向を物体の振動方向に常に合わせる必要があり、継時的に振動方向が変化する物体、例えば鞭毛運動を行う微生物や精子等の振動周期を計測するのは困難であった。
【００１３】
また計測感度を向上させるためにはフィルターの光透過度の勾配を急峻にしなければならないが、光透過度の勾配を急峻にすると逆に計測領域が狭まってしまうという欠点があった。
【００１４】
本発明の課題は、物体がどのような方向に運動をしていても、物体の運動を感度よく計測することができる簡便な装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と遮光する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状フィルターと、前記格子状フィルターを透過した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の強度を測定する光検出器とを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状フィルターの光を透過する部分と遮光する部分との境界部分で動くときの光量変化を計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便に計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を透過する部分と反射する部分とが縦横に交互に並ぶ格子状ハーフミラーと、前記格子状ハーフミラーを透過した光と前記格子状ハーフミラーで反射された光とをそれぞれ集光する２つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する２つの光検出器と、前記２つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状ハーフミラーの光を透過する部分と反射する部分との境界部分で動くときに格子状ハーフミラーの透過光と反射光との光量変化の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を２つの異なる角度で反射する２種類の反射面が縦横に交互に並ぶ格子状ミラーと、前記格子状ミラーで２方向に反射された光をそれぞれ集光する２つの集光レンズと、前記各集光レンズを透過した光の強度を測定する２つの光検出器と、前記２つの光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、物体の対物像が、格子状ミラーの２種類の反射面の境界部分で動くときに格子状ミラーの２種類の反射光の光量変化の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、物体の運動計測装置であって、物体からの光を集光する対物レンズと、前記物体の対物像が投影され前記対物レンズを透過した光を縦横に交互に並ぶ２種類の光検出器の受光面で受光する光検出器行列と、前記２種類の光検出器の出力電圧差を増幅する作動増幅器とを有することを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、物体の対物像が２種類の光検出器の受光面の境界部分で動くときに２種類の光検出器の出力の差を増幅して計測することにより、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便にかつ精度よく計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器や蛍光相関分光法等に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態として光学顕微鏡に適用した例について詳細に述べる。
〔第１の実施の形態〕
図１において、本発明の運動計測装置は、光学顕微鏡１０と、格子状フィルター２１と、光センサー３０と、図示しない解析手段とからなる。
【００２４】
光学顕微鏡１０は、光源１１、照明レンズ１２、コンデンサレンズ１３、試料台１４、対物レンズ１５、接眼レンズ１６（集光レンズ）を組み合わせて構成する。あるいは光学顕微鏡１０として、市販されている任意の光学顕微鏡を使用してもよい。光学顕微鏡１０としては、運動を計測したい物体と背景との輝度の差を大きくするためにブライトコントラストの位相差顕微鏡、あるいは暗視野顕微鏡が好ましく、特に暗視野顕微鏡が好ましい。
【００２５】
光学顕微鏡１０を位相差顕微鏡にするには、コンデンサレンズ１３と対物レンズ１５との組み合わせを位相差顕微鏡用のものにする。また暗視野顕微鏡にするには、コンデンサレンズ１３として暗視野用のものを使用する。
【００２６】
光源１１としては、ハロゲン・タングステンランプ等、任意の照明を用いることができるが、光量の時間的変化がないことが好ましく、照明にかける電圧は直流電圧であることが好ましい。
【００２７】
格子状フィルター２１は、光を透過する透過部分と光を遮る遮光部分Ｓとが縦横に交互に並んで構成されている。
このような格子状フィルターの模様としては、例えば、図２（ａ）に示すように、正方形の透過部分Ｔと遮光部分Ｓとが縦横に交互に並んだ、いわゆる一松模様のものがある。あるいは、図２（ｂ）に示すように、正三角形の透過部分Ｔと遮光部分Ｓとが縦横に交互に並んだ模様のものであってもよい。
【００２８】
格子状フィルターの素材としては、ＮＤフィルターとして周知の素材を用いて作成することができる。あるいは、遮光紙に上記模様の形態に穴をあけたものでもよいし、写真用フィルムに上記の模様を撮影し、現像して用いてもよい。
【００２９】
格子状フィルター２１は、光学顕微鏡１０を構成する対物レンズ１５と接眼レンズ１６との間に設置される。市販の光学顕微鏡を用いた場合には、通常の接眼マイクロメーター、目盛板、レチクル等を挿入する位置から容易に設置することができる。
【００３０】
また格子状フィルター２１は、対物レンズ１５と接眼レンズ１６との間に設設置する代わりに、その他の観察試料面と光学的にほぼ共益となる点、例えば、光源１１とコンデンサレンズとの間に設置してもよいし、あるいは試料台上に設置してもよい。
【００３１】
この他にも光学顕微鏡１０は、対物レンズ１５と格子状フィルター２１との間にビームスプリッターを設置し、反射像をビデオカメラでモニターに写して観察しながら透過光で計測できるようにしてもよい。また市販の光学顕微鏡のカメラ着脱用のＣマウント部にビデオカメラを取り付けてもよい。
【００３２】
光センサー３０（光検出器）は、フォトダイオードや光電子増倍管など周知の光電変換装置を用いることができるが、コストの面から安価なフォトダイオードを用いることが好ましい。また、必要に応じてオペアンプ等、信号を増幅する周知の増幅器を用いることができる。
また、物体と背景とで異なる波長の光が放射される場合には、波長によって受光感度の異なる光センサー３０を用いて物体の運動を計測してもよい。
【００３３】
解析手段は入力された信号を周波数解析、相関解析等する装置であり、光センサー３０からの信号が入力される。解析手段としては、ＦＦＴ解析の専用機（小野測器、ＣＦ−５２２０等）や、ＡＤ変換器と解析ソフトとを有するパソコンなどを用いることができる。
【００３４】
解析ソフトとしては、ＢａｓｉｃやＣなどの一般言語で記述されたＦＦＴのアルゴリズムや、専用のソフト、表計算ソフトなどを用いることができる。具体的には、南茂夫著、「科学計測のための波形データ処理」ＣＱ出版株式会社、ｐ１５４−１６５に記載されている。
【００３５】
また、光センサー３０からの信号を記録する記録手段を任意に設けることができる。記録手段としては、電圧の時間変化を記録する任意の記録手段を用いることができ、具体的には、音声テープ、ビデオテープ、ＤＡＴ等の磁気テープに記録する記録装置を用いることができる。
【００３６】
さらに、光センサー３０からの信号をデジタルデータ化した場合には、周知の表計算ソフトを用いて周波数解析、自己相関解析、相互相関解析等の様々な解析を行うことができる。デジタルデータ化された信号は、任意のデジタルデータの記録媒体に記録することができる。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施の形態の運動計測装置を用いた計測方法について説明する。
【００３８】
ブライトコントラストの位相差顕微鏡、あるいは暗視野顕微鏡での物体の観察像は、暗い背景に対して輝度が高い。ここで、対物レンズ１５と接眼レンズ１６との間に格子状フィルター２１を設置して接眼レンズ１６から振動運動する物体を観察すると、物体が格子状フィルター２１の光を透過する透過部分Ｔと遮光部分との境界線で振動して見える。
【００３９】
このとき、格子状フィルター２１を透過して接眼レンズで集光された光の輝度を光センサーで計測すると、図３（ａ）のように物体の像Ｏが遮光部分Ｓに偏っている時は出力電圧が低く、図３（ｂ）のように物体の像Ｏが透過部分Ｔに偏っているときは出力電圧が高い。さらに経時的に計測すると、物体の振動周期に応じて出力電圧が変化する。光センサーの出力電圧を解析すると、物体の振動周期を計測することができる。
【００４０】
なお物体の像Ｏは焦点が合っていなくてもよい。また像の倍率に依存せず計測することができる。
また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【００４１】
また、透過部分Ｔと遮光部分Ｓとは縦横に交互に並んでいるので、一定方向に運動しながら振動している物体を計測する場合には、運動速度と振動周期を計測することができる。
【００４２】
なお、格子状フィルター２１を計測する物体よりも照明側に設置した場合にも、試料台上の照明される部分と影の部分との境界で物体が振動するので、同様に計測することができる。
【００４３】
また、物体と背景とで異なる波長の光が放射される場合には、格子状フィルターと重ねて、ハイパスフィルターやローパスフィルター、バンドパスフィルター等、物体からの光のみをよりよく透過し背景光を遮光する周知のフィルターを適宜用いてもよい。
【００４４】
このように、本発明の第１の実施の形態によれば、光学顕微鏡１０に格子状フィルター２１と光センサー３０を取り付けるだけで物体の運動を計測する信号を得ることができる。また物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、３次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【００４５】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態例について説明する。図４に示すように、第２の実施の形態の運動計測装置では、光源１１、照明レンズ１２、コンデンサレンズ１３、試料台１４、対物レンズ１５、解析手段は第１の実施の形態と同様であるが、格子状フィルター２１の代わりに、光を透過する部分と反射する部分とからなる格子状ハーフミラー２２が設けられている。また、格子状ハーフミラー２２を透過した光と、格子状ハーフミラー２２で反射された光とをそれぞれ集光する接眼レンズ１６、１６と、各接眼レンズ１６、１６を透過した光の強度を測定する２つの光センサー３０、３０とが設置されている。また２つの光センサー３０、３０の出力が入力され、その電位差を増幅する作動増幅器４０が設置されている。
【００４６】
格子状ハーフミラー２２は、光を透過する透過部分Ｔと反射する反射部分Ｒとが縦横に交互に並んで構成されており、かつ、光を透過する透過部分Ｔと光を反射する反射部分との面積が等しくなっている。
【００４７】
このような格子状ハーフミラー２２としては、例えば、図５（ａ）や（ｂ）に示すように、透過部分Ｔと反射部分Ｒとが縦横に交互に並んだ反射面を有するミラーやプリズムが考えられる。また、図では透過部分Ｔと反射部分Ｒとの形状は正方形や正三角形であるが、円形や多角形等の任意の形状としてもよい。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態の運動計測装置の計測原理について説明する。図６は格子状ハーフミラー２２上の透過部分Ｔと反射部分Ｒとの境界線上に投影された振動する物体のブライトコントラストの位相差顕微鏡像あるいは暗視野顕微鏡像の模式図である。
【００４９】
このとき、物体の像Ｏが図６（ａ）のように透過部分Ｔの方向へ動くと、透過部分Ｔを透過する光量が増大し反射部分Ｒで反射する光量が減少する。また、物体の像Ｏが図６（ｂ）のように反射部分Ｒの方向へ動くと、透過部分Ｔを透過する光量が減少し、反射部分Ｒで反射する光量が増大する。
このとき、透過光と反射光の変化量の絶対値は等しくなっている。
【００５０】
透過部分Ｔを透過した光と反射部分Ｒで反射された光はそれぞれ別の光センサー３０、３０で検出し、その出力電圧の差を作動増幅器４０で増幅すると、物体の振動周期に応じて変化する電圧が信号として出力される。作動増幅器４０の出力電圧を解析すると、第１の実施の形態と同様に物体の振動周期を計測することができる。
【００５１】
第２の実施の形態の運動計測装置によれば、第１の実施の形態と同様の測定ができるとともに、格子状ハーフミラー２２の反射光と透過光とを２つの光センサー３０、３０で計測し、その出力電圧の差を作動増幅器４０で増幅するので、光センサー３０、３０の出力のうち背景光による直流成分をカットしてより感度の高い計測を行うことができる。また、遮光部分Ｓがないので計測する物体からの光を有効に利用することができる。また第１の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、３次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【００５２】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態例について説明する。本発明の第３の実施の形態例が第２の実施の形態と異なるところは、図７に示すように、物体からの光を格子状ハーフミラー２２で透過光と反射光とに分ける代わりに、格子状ミラー２３で２つの反射光に分けて計測した点である。
【００５３】
格子状ミラー２３は図８（ａ）、（ｂ）に示すように、物体からの光軸に対して２つの異なる角度で光を反射する反射面Ｒ１、Ｒ２が縦横に交互に並んで形成されている。
このような格子状ミラー２３としては、例えばＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。格子状ミラー２３としてＤＭＤを用いた場合は、例えばＤＭＤの反射面を図８（ａ）に示すように、縦横に交互に並ぶ反射面Ｒ１とＲ２とに区別し、Ｒ１、Ｒ２の反射光を別々の光センサー３０、３０で検出し、作動増幅器４０で増幅すればよい。作動増幅器４０の出力電圧を解析すると、物体の振動周期を計測することができる。
【００５４】
このように本発明の第３の実施の形態の運動計測装置によれば、格子状ミラー２３を用いてＲ１、Ｒ２の反射光を別々の光センサー３０、３０で検出し、作動増幅器４０でその出力電圧の差を増幅するので、第２の実施の形態で説明した原理と同様の原理により、光センサー３０、３０の出力電圧の背景光による直流成分をカットしてより感度の高い計測を行うことができる。また、遮光部分Ｓがないので計測する物体からの光を有効に利用することができる。また第１、第２の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、３次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【００５５】
また、格子状ミラー２３としてＤＭＤを用いた場合には、反射面Ｒ１とＲ２との配置パターンを、縦横に交互に並べる以外にも、例えば２つずつ縦横に交互に並べる等、任意のパターンにすることができる。
【００５６】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明の第４の実施の形態例について説明する。図９に示すように本発明の第３の実施の形態の運動測定装置では、光源１１、コンデンサレンズ１３、試料台１４、対物レンズ１５、解析手段は第１〜３の実施の形態と同様であるが、対物像が形成される位置に、縦横にフォトダイオードが並べられた２次元フォトダイオードアレイ２４が設置されている。２次元フォトダイオードアレイ２４の出力は２つあり、作動増幅器４０に入力される。
【００５７】
なお図には対物レンズ１５として単レンズしか示されていないが、対物レンズの倍率を上昇させるために、対物レンズ１５と２次元フォトダイオードアレイ２４との間に一つ以上のレンズを設け、２次元フォトダイオードアレイの受光面に接眼像が形成されるようにしてもよい。すなわち、市販の光学顕微鏡の接眼レンズの接眼像が形成される位置に２次元フォトダイオードアレイを取り付けてもよい。市販の光学顕微鏡に取り付けることは、例えば光学顕微鏡のＣマウント部を利用することにより容易に行うことができる。
【００５８】
２次元フォトダイオードアレイ２４としては、同等の性能を持つフォトダイオードを縦横に並べたものを使用できる。あるいは、市販されている２次元フォトダイオードアレイを用いてもよく、例えば５×５素子ＳｉＰＩＮフォトダイオードアレイ（浜松ホトニクス、Ｓ７５８５）、１６×１６素子ＳｉＰＩＮフォトダイオードアレイ（浜松ホトニクス、Ｓ３８０５）等を用いることができる。
【００５９】
次に、本発明における２次元フォトダイオードアレイの使用法について説明する。まず、図１０に示すように、２次元フォトダイオードアレイ２４（図では６×６素子）の各素子を縦横一つ置きに分類する（図ではＡとＢとに分類）。次にＡの出力端子、Ｂの出力端子をそれぞれ結線して出力端子ａ、出力端子ｂの２つの出力端子を得る。
【００６０】
なお、図では偶数個の素子からなる２次元フォトダイオードアレイを示しているが、奇数個の素子からなる２次元フォトダイオードアレイの場合には、例えば中央の素子を使用しないようにして、Ａの素子とＢの素子との数が一致するようにする。
２つの出力端子ａ、ｂを作動増幅器４０に接続し、その出力電圧差を作動増幅して解析手段へ出力させる。
【００６１】
次に本発明の第４の実施の形態の運動計測装置の計測原理について説明する。
第２、第３の実施の形態と同様に、２次元フォトダイオードアレイ２４上の受光面Ａと受光面Ｂとの境界線上に投影された振動する物体の像が受光面Ａの方向へ動くと、端子ａの出力電圧が増大し、端子ｂの出力電圧が減少する。また、物体の像が受光面Ｂの方向へ動くと、端子ａの出力電圧が減少し、端子ｂの出力電圧が増大する。ａとｂとの出力電圧の差を作動増幅器４０で増幅すると、物体の振動周期に応じて変化する電圧が信号として出力される。作動増幅器４０の出力電圧を解析すると、第２、第３の実施の形態と同様にして物体の振動周期を計測することができる。
【００６２】
本発明の第４の実施の形態によれば、２次元フォトダイオードアレイを光学顕微鏡に取り付けるだけで容易に第２、第３の実施の形態と同様の測定ができるとともに、ミラーの角度の微調整が不要になり設計が容易となる。また、各素子間の結線を変えることにより容易に受光面のパターンを変更することができる。また第１〜第４の実施の形態と同様に、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、３次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【００６３】
以上の実施例によれば、光学顕微鏡下での物体の運動を簡易に計測することができる。これにより、例えば絶対温度Ｔ、粘性率ηの溶液中での分子の自己拡散係数Ｄを計測することで、分子の半径ｒをアインシュタインの拡散式（Ｄ＝ｋＴ／６πηｒ、ｋはボルツマン定数）を用いて計測することができ、水溶液中の分子の構造変化や会合状態を計測することができると考えられる。このようにして蛍光相関分光法等にも応用することができる。
【００６４】
なお、本発明は以上の実施例に限られず、例えば上記４つの実施例から光源１１、コンデンサレンズ１３、試料台１４を除き、対物レンズ１５や接眼レンズ１６の倍率を変えることで望遠鏡として遠方の物体の振動運動を計測することもできる。
【００６５】
＜実施例１  ウニ精子の運動の計測＞
ウニ精子（バフンウニ）の運動を計測した。ウニ精子を人口海水（アクアマリン）に希釈してチャンバーに入れ、チャンバーを試料台に設置し、ウニ精子の運動を観察しながら計測した。
【００６６】
倒立顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ    ＩＸ−７０）に位相差コンデンサレンズ（Ｏｌｙｍｐｕｓ    Ｕ−ＵＣＤＢ−２）、位相差対物レンズ（Ｏｌｙｍｐｕｓ    Ｕｐｌａｎ  ２０ＮＨ）を取り付け、作動増幅器を取り付けた２次元フォトダイオードアレイを、倒立顕微鏡のＣマウント部に取り付けた。
【００６７】
２次元フォトダイオードアレイとして５×５素子ＳｉＰＩＮフォトダイオードアレイ（浜松ホトニクス、Ｓ７５８５）を用いた。各素子を縦横に交互に振り分けて結線し、２つの出力端子を得た。なお中央の素子を不使用とした。
【００６８】
２次元フォトダイオードアレイの各出力を２つのオペアンプ（Ｂｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎ、ＯＰＡ１１１ＢＭ）を用いて増幅し、作動増幅器（Ｂｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎ、ＩＮＡ１０６ＫＰ）を用いて作動増幅した。作動増幅器の出力をボルテージフォロワ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、ＬＦ３５６Ｎ）に通し、ＡＤ変換器（ＯＮＫＹＯ、ＵＳＢデジタルオーディオプロセッサＳＥ−Ｕ５５Ｘ）でデジタル化してパソコンに入力し、保存し表計算ソフト（ＥＸＣＥＬ）で解析した。
【００６９】
＜結果１＞
得られた信号を、図１１（ａ）に示す。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の０．５〜１．０秒の間を拡大したものである。ウニ精子の運動に伴って光量が変化している様子がわかる。
【００７０】
図１１（ｃ）は図１１（ａ）の信号をフーリエ変換し、振動の周波数とパワースペクトルとの関係を示したものである。本実施例では、グラフより、ウニ精子の鞭毛打の周波数は約４７Ｈｚであったことがわかる。この値は、これまで報告されているウニ精子の鞭毛打の周波数に近い値であった。
【００７１】
＜実施例２  ニジマス精子の運動の計測＞
ニジマス精子はオス精巣内では不活性な状態にあるが、淡水中に放精されると活性化されて運動を開始し、数十秒間遊泳して静止する。ニジマス精子の淡水中に放精された直後の運動を観察・計測した。
【００７２】
ハロゲン・タングステンランプ（ＰＨＩＬＩＰＳ  １２Ｖ−５０Ｗ）に１１Ｖの直流電圧（ＬＥＡＤＥＲ  ＬＰＳ−１６０−５）をかけて照明とした。暗視野コンデンサレンズ（Ｎｉｋｏｎ  Ｄａｒｋ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ  Ｄｒｙ  ０．９５−０．８０）、対物レンズ（ＯＬＹＭＰＵＳ，  Ａ１０ＮＨ  ０．２５  １６０／０．１）、接眼レンズ（シグマ光機、ＤＬＢ−２０−３０ＰＭ）を用いた。
【００７３】
以上の光学素子を光学ベンチ（Ｎｅｗｐｏｒｔ，  ＢＲＥＡＤＢＯＡＲＤ）の上に水平に組み上げて光学顕微鏡とし、空気ばね式除振台（明立精機、ＶＩＳＯＬＡＴＯＲ）の上に乗せた。
【００７４】
対物レンズと接眼レンズとの間に格子状フィルターを設置し、接眼レンズを透過した光の集光点に光センサーを設置した。コンデンサレンズと対物レンズとの間に、試料台を設置した。対物レンズと格子状フィルターとの間にハーフミラーを設置し、反射光がＣＣＤカメラ（ＳＯＮＹ  ＸＣ−７５）に投影されるように設置した。
【００７５】
フィルターは、スライド用ポジフィルム（ＦＵＪＩＣＨＲＯＭＥ  ＲＤＰ  ＩＩ  １３５）にレーザー光（ＬＡＳＥＲＧＲＡＰＨＩＣＳ，  Ｉｎｃ．  ＬＦＲ  Ｍａｒｋ  ＩＩ）で黒い正方形と白い正方形とが縦横に交互に並ぶ市松模様を焼き付けて作成した。
【００７６】
光センサーは、フォトダイオード（浜松ホトニクス、Ｓ５８２１−０１）、オペアンプ（ＢＵＲＲ−ＢＲＯＷＮ、ＯＰＡ９５４４）を用いた。光センサーの出力をロックインアンプ（ＮＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ  ５６１０Ｂ）で増幅し、ＦＦＴアナライザ（小野測器、ＣＦ−５２２０）で計測するとともにＤＡＴレコーダー（ＰＩＯＮＥＥＲ、Ｄ−０５）に記録した。
【００７７】
なお、並行して高速ビデオを用いて運動を解析する実験も行い、運動周期が計測されていることを確認した。対物レンズの後方の格子状ハーフミラー、接眼レンズ、光センサーを取り除き、格子状ハーフミラーが設置されていた位置と同位置に高速度ＣＣＤカメラ（ＨＡＳ２００Ｒ、ディテクト）の受光面が位置するように設置した。画像処理ボード（ＤＩＧ−ＡＴＩＩ、ディテクト）および画像処理ソフト（ＤＩＰＰ９５、ディテクト）を組み込んだパソコンに映像を入力し記録した。
【００７８】
ニジマス精子は精漿（ニジマス精液の遠心上清）で１０００倍に希釈し、注射針（ＨＡＭＩＬＴＯＮ  ９００３１）を取り付けたシリンジ（ＮＡＲＩＳＩＧＥ  ＳＹＲ−６）に入れた。
チャンバー内には人口淡水（１２０ｍＭ  ＮａＣｌ，  １０μＭ  ＣａＣｌ２，  １０ｍＭ  ＨＥＰＥＳ−Ｃｌ  （ｐＨ  ８．５））を満たした。
【００７９】
精子を入れたシリンジに取り付けた注射針を試料台上に設置したチャンバー内に挿入し、ＣＣＤカメラで観察しながら注射針の先端が視野の中心に位置するように設置した。
シリンジのピストンを押してニジマス精子を淡水中に放精し、その運動を観察・計測した。
【００８０】
＜結果２＞
得られた信号を、図１２に示す。図１３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図１２の信号の測定開始から６秒、１６秒、１９秒、２２秒後から３秒間の平均のパワースペクトルと周波数の関係を示した図である。ニジマス精子が運動を開始するとともにパワースペクトルに約１００Ｈｚのピークが認められた。このピークは時間とともに減衰しながら低周波数側に移動した。このことはパワースペクトルを白黒のグラデーションで示し、周波数と時間との関係を示した周波数時間チャート（図１４）からもわかる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、物体がどのような方向に運動をしていても物体の運動を簡便に計測することができる。また光学顕微鏡、拡大鏡、マイクロレンズ、望遠鏡等の一般の撮像機器に適用して大小さまざまな物体の運動を計測することができる。また、物体の像は焦点が合っていなくてもよいので、３次元的な変位を伴う物体の運動を計測することもできる。また、物体が複数ある場合には、その平均的な振動周期を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）ともに本発明の第１の実施の形態例で用いる格子状フィルターの模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例の測定原理を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態例を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）ともに本発明の第２の実施の形態例で用いる格子状ハーフミラーの模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例の測定原理を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態例を示す図である。
【図８】（ａ）は本発明の第３の実施の形態例で用いる格子状ミラーの模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ部分での断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態例を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態例で用いる２次元フォトダイオードアレイの受光面の模式図である。
【図１１】（ａ）は本発明の実施例１としてウニ精子の運動を計測した信号であり、（ｂ）は（ａ）の０．５〜１．０秒の部分を拡大したものであり、（ｃ）は（ａ）の信号をフーリエ変換したパワースペクトルと周波数の関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２としてニジマス精子の運動を計測した信号である。
【図１３】図１２の信号のパワースペクトルと周波数の関係を示す図であり、（ａ）は測定開始から約６秒後、（ｂ）は約１６秒後、（ｃ）は約１９秒後、（ｄ）は約２２秒後からの３秒間の信号の平均のスペクトルである。
【図１４】図１２の信号のパワースペクトルを白黒のグラデーションで示し、周波数と時間との関係を示した図である。
【図１５】従来の物体の速度測定法を示す図である。
【図１６】従来の物体の振動測定法を示す図である。
【符号の説明】
１０      光学顕微鏡
１１      照明
１２      コンデンサレンズ
１３      試料台
１４      対物レンズ
１５      接眼レンズ
２１      格子状フィルター
２２      格子状ハーフミラー
２３      格子状ミラー
２４      ２次元フォトダイオードアレイ
３０      光センサー
４０      作動増幅器
Ｏ          物体の像
Ｒ          反射部分
Ｒ１、Ｒ２            反射面
Ｓ          遮光部分
Ｔ          透過部分
【図１】
2004264048.tif 000003
【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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