(57)【要約】【課題】  複数の深度における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定する。【解決手段】  厚みの異なる１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊを円環状に配置してなる円盤状のスキャニングディスク３２をマイクロ流路１２と対物レンズ２２との間に配置し、スキャニングディスク３２を回転するモータ３８を設け、スキャニングディスク３２を高速に回転させた状態で調整ガラス３４ａ〜３４ｊが対物レンズ２２に整合するときに同期してカメラ２８により撮影する。調整ガラス３４ａ〜３４ｊの厚さが異なることから、マイクロ流路１２の厚さ方向に高い周波数をもって焦点位置を変化させてマイクロ流路１２内の物質の状態を撮影することができる。この結果、マイクロ流路１２の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置であって、
前記物質から所定距離に配置される対物レンズと、
前記対物レンズからの像を結ばせる結像光学系と、
該対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が前記所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
を備える物質状態測定装置。
【請求項２】
前記焦点距離調整手段は、空気とは屈折率の異なる透光性材料により複数の厚みとして形成された複数の調整部材を前記所定の周波数以上となる周期で前記対物レンズの光軸上に配置することにより前記焦点距離を調整する手段である請求項１記載の物質状態測定装置。
【請求項３】
前記焦点距離調整手段は、円盤状のディスクに前記複数の調整部材を円環状に配置してなる調整用ディスクと、該調整用ディスクを前記所定の周波数以上となる周期で回転させる回転手段と、を有する手段である請求項２記載の物質状態測定装置。
【請求項４】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズの光軸上の前記調整用ディスクの上下に一対のレンズを有する手段である請求項３記載の物質状態測定装置。
【請求項５】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記物質との間に配置されてなる請求項１ないし４いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項６】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記結像光学系との間に配置されてなる請求項１ないし４いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項７】
前記物質の状態として、物質の流速，物質の濃度，物質の温度，物質の形状，物質の相対位置，物質に関する距離のうちのいずれかを測定する請求項１ないし６いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項８】
前記所定厚は、１ｍｍ以下である請求項１ないし７いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項９】
前記所定の周波数は、１０Ｈｚ以上の周波数である請求項１ないし８いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項１０】
前記対物レンズの光軸上に焦点深度を浅くする共焦点スキャナを備える請求項１ないし９いずれか記載の物質状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質状態測定装置に関し、詳しくは、所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の物質状態測定装置としては、対物レンズをその光軸方向に移動させるアクチュエータを備える３次元共焦点レーザ顕微鏡システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、対物レンズの焦点距離を走査するアクチュエータを駆動するための走査波形を三角状やステップ状の波形とすることにより、走査の際の振動を抑制している。
【特許文献１】特開２００５−３７６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の３次元共焦点レーザ顕微鏡システムでは、対物レンズの光軸方向の移動を伴うため、走査速度（走査周波数）を早くすると、走査波形を調整しても振動が生じ、走査周波数を高くすることができない。
【０００４】
本発明の物質状態測定装置は、複数の深度における物質の状態を高い周波数をもって測定することを目的の一つとする。また、本発明の物質状態測定装置は、極めて薄い厚みの物質の状態を精度よく測定することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の物質状態測定装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の物質状態測定装置は、
所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置であって、
前記物質から所定距離に配置される対物レンズと、
前記対物レンズからの像を結ばせる結像光学系と、
該対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が前記所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の物質状態測定装置では、対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段を備えることにより、複数の深度における物質の状態を所定の周波数以上となる周期をもって測定することができる。
【０００８】
ここで、「物質の状態」としては、物質の流速，物質の濃度，物質の温度，物質の形状，物質の相対位置，物質に関する距離のうちのいずれかを測定するものとすることができる。また、「所定厚」としては、例えば１ｍｍや５００μｍ，１００μｍ，５０μｍ，１０μｍなどを用いることができ、この場合、極めて薄い物質の状態を精度よく測定することができる。また、「所定の周波数」としては、１０Ｈｚ以上の周波数、例えば、１０Ｈｚや２０Ｈｚ，３０Ｈｚ，５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１０００Ｈｚなどを用いることができる。このように周波数を高くすれば、時間変化に伴って変化する物質の状態を精度よく測定することができる。
【０００９】
こうした本発明の物質状態測定装置において、前記焦点距離調整手段は、空気とは屈折率の異なる透光性材料により複数の厚みとして形成された複数の調整部材を前記所定の周波数以上となる周期で前記対物レンズの光軸上に配置することにより前記焦点距離を調整する手段であるものとすることもできる。この場合、前記焦点距離調整手段は、円盤状のディスクに前記複数の調整部材を円環状に配置してなる調整用ディスクと、該調整用ディスクを前記所定の周波数以上となる周期で回転させる回転手段と、を有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、周波数を回転周波数とすることができ、周波数を高くすることができる。更に、この場合、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズの光軸上の前記調整用ディスクの上下に一対のレンズを有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、平行光の部分で平行光を非平行光として焦点距離を調整することができる。
【００１０】
また、本発明の物質状態測定装置において、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記物質との間に配置されてなるものとすることもできる。また、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記結像光学系との間に配置されてなるものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の物質状態測定装置において、前記対物レンズの光軸上に焦点深度を浅くする共焦点スキャナを備えるものとすることもできる。こうすれば、極めて薄い物質の状態をより精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の一実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の三次元顕微鏡システム２０は、図示するように、載置台１０に載置された測定対象の層厚が１ｍｍ以下のマイクロ流路１２内を流れる物質の流速を三次元で測定する装置として構成されており、通常の顕微鏡システムが備える対物レンズ２２および結像光学系２４と、撮影用の高性能なカメラ２８と、対物レンズ２２とマイクロ流路１２との間に配置され対物レンズ２２の光軸方向の移動なしに焦点距離を調整する焦点距離調整機構３０と、カメラ２８による撮影や焦点距離調整機構３０による焦点距離の調整を制御するコンピュータ４０と、を備える。ここで、通常の顕微鏡システムが備える対物レンズ２２や結像光学系２４，カメラ２８，コンピュータ４０については周知であるから、その詳細な説明は省略する。
【００１４】
焦点距離調整機構３０は、図２に示すように空気とは屈折率の異なるガラスにより形成された１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク３２と、このスキャニングディスク３２を回転させるモータ３８と、を備える。１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊは、１ｍｍから０．１ｍｍずつ厚くなるように順に厚みが厚くなる円盤状の平板ガラスとして形成されている。モータ３８は、例えばステッピングモータなどにより構成されており、所望の回転数、例えば１００ｒｐｍ〜２０，０００ｒｐｍ程度の回転数でスキャニングディスク３２を回転させる。
【００１５】
図３は、厚みの異なる調整ガラス３４ａ，３４ｆと三次元顕微鏡システム２０における焦点位置との関係の一例を示す説明図である。図示するように、調整ガラス３４ａの厚みＤａは調整ガラス３４ｆの厚みＤｆより薄いため、薄い調整ガラス３４ａを用いたときの焦点位置は厚い調整ガラス３４ｆを用いたときに比して浅くなる。これを厚さの異なる１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊについて考えれば、実施例の三次元顕微鏡システム２０で１０個の異なる焦点位置の物質を測定することができることが解る。
【００１６】
いま、０．３ｍｍの厚さのマイクロ流路１２の厚さ方向に４４μｍ毎に焦点位置が変化するように調整された調整ガラス３４ａ〜３４ｊが嵌め込まれたスキャニングディスク３２を６，０００ｒｐｍで回転させ、調整ガラス３４ａ〜３４ｊが対物レンズ２２に整合するタイミングに同期して撮影するようカメラ２８を制御する場合を考える。この場合、マイクロ流路１２を厚さ方向に１００Ｈｚの周波数で４４μｍ毎の深さでマイクロ流路１２内の物質を撮影することができる。こうした撮影を図１中左右方向や紙面の表裏方向に走査して行なうことにより、マイクロ流路１２内の物質を三次元として撮影することができる。マイクロ流路１２内の物質の三次元的な流速の測定結果を図４および図５に示す。図中、「ｘ」はマイクロ流路１２の図１中紙面の表裏方向の位置を示し、「ｙ」はマイクロ流路１２の図１中の左右方向の位置を示し、「ｚ」はマイクロ流路１２の図１中の上下方向（厚さ方向）の位置を示し、「Ｕ」は流速を意味する。
【００１７】
ここで、測定対象としては、例えば、マイクロ流路１２内に指標となる色を付した微粒子を混ぜて流すと共にこの微粒子の存在を測定するものとすれば、マイクロ流路１２内の物質の三次元的な流速を測定することができるし、温度に反応して発色する微粒子を混ぜて測定するものとすれば、マイクロ流路１２内の物質の三次元的な温度を測定することができる。同様にして、マイクロ流路１２内の物質の三次元的な濃度を測定することもできる。このように、測定対象としては、物質の流速や温度，濃度などを上げることができる他、マイクロ流路１２内の物質の状態であれば如何なるもの、例えば細胞なども三次元的に可視化することができる。
【００１８】
以上説明した実施例の三次元顕微鏡システム２０によれば、厚みの異なる調整ガラス３４ａ〜３４ｊが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク３２を回転させ、調整ガラス３４ａ〜３４ｊが対物レンズ２２に整合する位置に同期してカメラ２８により撮影することにより、マイクロ流路１２の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。しかも、スキャニングディスク３２を回転させるだけで対物レンズ２２をその光軸方向に移動させないから、走査周波数（スキャニングディスク３２の回転数）を高くしても振動により測定精度が低下することがない。
【実施例２】
【００１９】
図６は、本発明の第２実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂは、図示するように、焦点距離調整機構３０Ｂが対物レンズ２２と結像光学系２４との間に配置されている点と、結像光学系２４とカメラ２８との間に焦点距離を浅くする共焦点スキャナ２６を備える点と、を除いて第１実施例の三次元顕微鏡システム２０と同一の構成をしている。なお、共焦点スキャナ２６は、周知のものを用いているため、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
焦点距離調整機構３０Ｂは、第１実施例の焦点距離調整機構３０と同一の構成、即ち、１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク３２と、このスキャニングディスク３２を回転させるモータ３８と、を備える他、スキャニングディスク３２と結像光学系２４との間に配置されて平行光を非平行光とするための凹レンズ３６ａと、スキャニングディスク３２と対物レンズ２２との間に配置されて非平行光を対物レンズ２２に集めるための凸レンズ３６ｂと、を備える。
【００２１】
図７は、厚みの異なる調整ガラス３４ａ，３４ｆと三次元顕微鏡システム２０Ｂにおける焦点位置との関係の一例を示す説明図である。図示するように、凹レンズ３６ａにより平行光を非平行光として厚みの異なる調整ガラス３４ａ，３４ｆに入光させる。第１実施例と同様に、調整ガラス３４ａの厚みＤａは調整ガラス３４ｆの厚みＤｆより薄いため、非平行光に対して薄い調整ガラス３４ａを用いたときの焦点位置は厚い調整ガラス３４ｆを用いたときに比して浅くなる。これを厚さの異なる１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊについて考えれば、第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂで１０個の異なる焦点位置の物質を測定することができることが解る。
【００２２】
以上説明した第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでも厚みの異なる調整ガラス３４ａ〜３４ｊが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク３２を回転させ、調整ガラス３４ａ〜３４ｊが対物レンズ２２に整合する位置に同期してカメラ２８により撮影することにより、マイクロ流路１２の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。しかも、焦点距離調整機構３０Ｂを結像光学系２４と対物レンズ２２との間に配置したから、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）の大きな対物レンズ２２を用いることができる。この結果、解像度を向上させることができると共に焦点深度を浅くすることができる。また、共焦点スキャナ２６を用いるから、更に焦点深度を浅くすることができる。この結果、より薄いマイクロ流路１２内の物質の状態を高い解像度をもって測定することができる。
【００２３】
第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、スキャニングディスク３２と結像光学系２４との間に配置されて平行光を非平行光とするための凹レンズ３６ａと、スキャニングディスク３２と対物レンズ２２との間に配置されて非平行光を対物レンズ２２に集めるための凸レンズ３６ｂとの一対のレンズを備えるものとしたが、こうした一対のレンズに加えて１個あるいは２個以上のレンズを更に備えるものとしても構わない。
【００２４】
第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、共焦点スキャナ２６を備えるものとしたが、共焦点スキャナ２６を備えないものとしても構わない。一方、第１実施例の三次元顕微鏡システム２０では、共焦点スキャナ２６を備えないものとしたが、共焦点スキャナ２６を備えるものとしても構わない。
【００２５】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、スキャニングディスク３２に１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊを円環状に配置するものとしたが、円環状に配置する調整ガラスの数は１０個の限られず、いくつでも構わない。
【００２６】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、ガラスにより調整ガラス３４ａ〜３４ｊを形成したが、空気とは屈折率が異なる材料であれば如何なる材料により調整ガラス３４ａ〜３４ｊを形成するものとしても構わない。
【００２７】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、マイクロ流路１２の厚みを０．３ｍｍとしたが、マイクロ流路１２の厚みは０．３ｍｍに限定されるものではなく、１ｍｍや５００μｍ，１００μｍ，５０μｍ，１０μｍなどの種々の厚みとしても構わない。
【００２８】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、スキャニングディスク３２を１００ｒｐｍ〜２０，０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させるものとしたが、このスキャニングディスク３２の回転数はいくつであっても構わない。例えば、周波数として、１０Ｈｚや２０Ｈｚ，３０Ｈｚ，５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１０００Ｈｚなどとなるようスキャニングディスク３２を回転させるものとしてもよい。
【００２９】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、１０個の調整ガラス３４ａ〜３４ｊを円環状に配置したスキャニングディスク３２を回転させることにより、マイクロ流路１２の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって測定するものとしたが、対物レンズ２２の光軸方向の移動を伴わずに焦点距離を変更することができるものであれば、如何なるものとしても構わない。
【００３０】
第１実施例の三次元顕微鏡システム２０や第２実施例の三次元顕微鏡システム２０Ｂでは、層厚が１ｍｍ以下のマイクロ流路１２内を流れる物質の流速を三次元で測定するものとしたが、物質の流速以外に、層厚が１ｍｍ以下のマイクロ流路１２内の物質の濃度や物質の温度などを三次元で測定するものとしてもよい。また、こうしたマイクロ流路を流れる物質ではなく、スライドガラスの上に置かれた物質の形状や物質の相対位置，物質間の距離など、種々の物質の状態を三次元で測定するものとしてもよい。
【００３１】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、顕微鏡システムや物質状態測定装置などの製造産業に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】スキャニングディスク３２の構成の一例を示す構成図である。
【図３】厚みの異なる調整ガラス３４ａ，３４ｆと三次元顕微鏡システム２０における焦点位置との関係の一例を示す説明図である。
【図４】マイクロ流路１２内の物質の三次元的な流速の測定結果の一例を示す説明図である。
【図５】マイクロ流路１２内の物質の三次元的な流速の測定結果の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図７】厚みの異なる調整ガラス３４ａ，３４ｆと三次元顕微鏡システム２０Ｂにおける焦点位置との関係の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  載置台、１２  マイクロ流路、２０，２０Ｂ  三次元顕微鏡システム、２２  対物レンズ、２４  結像光学系、２６  共焦点スキャナ、２８  カメラ、３０，３０ｂ  焦点距離調整機構、３２  スキャニングディスク、３４ａ〜３４ｊ  調整ガラス、３６ａ  凹レンズ、３６ｂ  凸レンズ、３８  モータ、４０  コンピュータ。
【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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