(57)【要約】【課題】装置の小型化のために結像レンズの焦点距離を小さくする場合又は高性能な分光のために対物レンズと結像レンズの間の距離を長くする場合、視野周辺領域における主光線傾きが大きくなり、受光感度が低下する。【解決手段】拡大系イメージング装置において、イメージセンサにおけるマイクロレンズのピッチ（マイクロレンズピッチ）が受光器のピッチ（受光器ピッチ）よりも大きいものを採用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光器と、前記複数の受光器と１対１に対応する複数のマイクロレンズとを有するイメージセンサ上に、レンズ系により試料像を結像する拡大系イメージング装置において、
前記イメージセンサにおける前記マイクロレンズのピッチよりも前記受光器のピッチの方が短い
ことを特徴とする拡大系イメージング装置。
【請求項２】
複数の受光器と、前記複数の受光器と１対１に対応する複数のマイクロレンズとを有するイメージセンサ上に、レンズ系により試料像を結像する拡大系イメージング装置において、
前記イメージセンサにおける前記マイクロレンズのピッチと前記受光器のピッチの間に、
前記受光器のピッチ／前記マイクロレンズのピッチ
＝１−前記マイクロレンズと前記受光器の距離／レンズ系の射出瞳と前記マイクロレンズとの距離
で表される関係が成立することを特徴とする拡大系イメージング装置。
【請求項３】
複数の受光器と、前記複数の受光器と１対１に対応する複数のマイクロレンズとを有するイメージセンサ上に、レンズ系により試料像を結像する拡大系イメージング装置において、
前記レンズ系を構成する対物レンズの射出瞳と前記レンズ系を構成する結像レンズの物体側主点の距離をＬ、前記結像レンズの焦点距離をｆＩ、前記マイクロレンズと前記受光器の距離をｆＭとするとき、
Ｌ＞ｆＩであり、かつ、次式
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で表される関係が成立することを特徴とする拡大系イメージング装置。
【請求項４】
請求項３に記載の拡大系イメージング装置において、
Ｌ＞２ｆＩである
ことを特徴とする拡大系イメージング装置。
【請求項５】
複数の受光器と、前記複数の受光器と１対１に対応する複数のマイクロレンズとを有するイメージセンサにおいて、
前記マイクロレンズのピッチよりも前記受光器のピッチの方が短い
ことを特徴とするイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡大系イメージング装置に関し、例えば顕微分光法により核酸等の生体分子を分析するために使用される小型かつ高感度の顕微分光イメージング装置と当該装置に用いて好適なイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
核酸等の生体分子の構造を分析する用途では、顕微分光イメージング装置が広く用いられている。この種のイメージング装置は、基板上に固定された生体分子に励起光を照射して励起し、励起された生体分子から放射された蛍光を顕微鏡対物レンズに入射して平行光束に変換し、さらに、変換後の平行光束をフィルタ等の光学素子に入射して分光した後、結像レンズによりＣＣＤ等のイメージセンサの撮像面に結像して生体分子の拡大像を得る。
【０００３】
従前におけるこの種のイメージング装置のフレームレートは、たかだか毎秒数フレーム程度であり、イメージセンサには、主にフレーム転送型のＣＣＤ（Charge Coupled Device）が用いられる。
【０００４】
ところが、昨今におけるゲノム科学の発展に伴い、分析すべき生体分子試料の数・量は飛躍的に増大している。このため、フレームレートが高速な分析装置が必要とされている。例えば毎秒１０フレーム以上のフレームレートが求められている。その結果、今日の生体分子分析用のイメージング装置では、主にインターライン型ＣＣＤ（ＩＴ−ＣＣＤ）が用いられている。将来的には、さらなる高速化の他、小型化、低価格化を目指してＣＭＯＳイメージセンサが主流になっていくことが予想される。
【０００５】
ＩＴ−ＣＣＤ及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサにおいては、各画素において受光部が占める割合（開口率）が、フレーム転送ＣＣＤに比べて低くならざるを得ない。このため、一般的には、各画素の表面にマイクロレンズ（オンチップマイクロレンズ）が形成される。
【０００６】
生体分子分析用のイメージング装置においては、非特許文献１の８頁に示すように、各マイクロレンズの中心と各受光部の中心を通る直線が、いずれも結像レンズの光軸と平行に配置される。すなわち、各画素における受光部とマイクロレンズの相対的な位置関係は全画素において同一であり、受光部とマイクロレンズは同一ピッチで並んでいる。
【０００７】
この配置の場合、イメージセンサの中心部に位置する受光部では、結像レンズにより集光される光線束の中心線（主光線）がレンズ系の光軸に対して平行になる。このため、該当領域に位置する各画素の表面に位置するマイクロレンズは、効率よく、受光部の中央部分に光束を集光することができる。一方、イメージセンサの周辺部に位置する受光部では、結像レンズがテレセントリック光学系でない限り、集光される光線束の中心線（主光線）がレンズ系の光軸に対して平行にならなない。
【０００８】
図１に、イメージセンサの周辺部に位置する受光部（受光器８）について、マイクロレンズ７の光軸Ａと主光線の光軸Ｂとの関係を概略的に示す。図１に示すように、主光線の光軸Ｂは、マイクロレンズ７の光軸Ａに対して斜めとなる。なお、受光器８の中心は、マイクロレンズ７の光軸Ａと一致する。従って、マイクロレンズ７により集光されるスポットの中心は受光器８の中心部分から外れ、受光効率が下がってしまう。すなわち、イメージセンサの周辺画素における受光感度は、中心部に位置する画素に比べ、その感度が低くなる。
【０００９】
しかし、従来の顕微分光イメージング装置では、この感度の低下はほとんど無視されてきた。その理由を以下で説明する。
【００１０】
図２に、生体分子分析に用いられる顕微分光イメージング装置の従来構成の簡略図を示す。図２に示すように、生体分子１から放射された蛍光は、まず、対物レンズ２により平行光束化され、その後、ダイクロイックミラー３や発光（emission）フィルタ４を透過して結像レンズ５に導かれる。この後、結像レンズ５を透過した光束は、イメージセンサ６内のマイクロレンズ７−１〜７−Ｎ上に結像され、マイクロレンズ７−１〜７−Ｎにより受光器８−１〜８−Ｎに集光される。
【００１１】
この場合、各像点を形成する光束の主光線は、図２に示すように、像点と対物レンズ２と結像レンズ５で構成されるレンズ系の射出瞳９の中心を結ぶ直線となる。図２においては、対物レンズ２の射出瞳１０と結像レンズ５の前側（物体側）主点Ｈの間の距離をＬ、結像レンズ５の後側（像側）主点Ｈ”とイメージセンサ６との間の距離（＝結像レンズ５の焦点距離）をｆＩとして表している。
【００１２】
このとき、イメージセンサ６の設置位置（マイクロレンズ７−１〜７−Ｎの設置面）を原点とすると、対物レンズ２と結像レンズ５で構成されるレンズ系の射出瞳９の位置座標Ｓ（図２においては、左側を正とする）は、次式
【数１】
2013044885.tif 000003
により与えられる。
【００１３】
このとき、主光線の最大傾きは、最大像高（すなわち、イメージセンサ６の対角線長さの半分）をｈとすると、ｈ／Ｓとして表される。式１の符号が正であることは、図２において、射出瞳９がイメージセンサ６の左側に位置することに対応する。
【００１４】
従来の顕微分光イメージング装置では、ｆＩが１６４．５〜２００ｍｍとかなり長く、Ｌはそれ以下である（すなわち、Ｌ≦ｆＩ）。一方、ｈは１０ｍｍ程度である。このような条件下ではＳ≧ｆＩが満たされ、さらに、Ｓ＞＞ｈが満たされるので、主光線の傾きが問題とならなかった。例えばＬ＝１３５ｍｍ、ｆＩ＝１８０ｍｍならば、Ｓ＝７２０ｍｍ＞＞１０ｍｍである。１６４．５〜２００ｍｍという結像レンズ５の焦点距離ｆＩは、接眼レンズで１０倍程度に像を拡大して目視観察する場合に十分な倍率を稼ぐために設定された値である。
【００１５】
また、イメージング装置の分解能（解像したい２点間の距離）ｄと、イメージセンサ６の画素ピッチｐ、対物レンズ２の焦点距離ｆＯの間では、次式を満たす必要がある。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
イメージセンサ６の画素サイズが１０μｍ程度であった時代には、前述した結像レンズ５の焦点距離ｆＩを踏襲することが、式２の条件を満たす上でも都合がよいものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平１−２１３０７９号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】「KODAK KAI-04022 IMAGE SENSOR 2048(H)×2048(V) INTERLINE CCD IMAGE SENSOR」、DEVICE PERFORMANCE SPECIFICATION Revision 2.0 MTD/PS-1062、Kodak Image Sensor Solutions、March 26, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、今日では、画素サイズが１μｍ近いイメージセンサ６も存在する。従って、従来よりも焦点距離が小さい結像レンズ５（例えば、焦点距離ｆＩが５０ｍｍや２５ｍｍの結像レンズ）を採用すれば、分解能を低下させることなく装置を小型化することができる。
【００２１】
一方、距離Ｌは、発光フィルタ４やダイクロイックミラーなどの光学素子を挿入するために必要な最低限の間隔であり、イメージセンサ６の進歩によって短縮することはできない。それだけでなく、より高性能の分光測定を実現しようとすると、この空間に挿入される光学素子の数はむしろ増える可能性がある。その結果、距離Ｌの長さは、従来よりも、むしろ長くなる可能性がある。
【００２２】
このように、結像レンズ５の焦点距離ｆＩが小さくなる一方で、距離Ｌが大きくなり、ｆＩ＜Ｌになると、式１におけるＳの符号が反転することになる。このことは、射出瞳９の位置が、イメージセンサ６の裏側（図２において右側）に来ることを意味する。さらに、２ｆＩ＜Ｌになると、式１が示すように、｜Ｓ｜＜ｆＩとなり得る。このような状況下では、もはや主光線の傾きによるイメージセンサ６の感度低下を無視できない状態になる。結果的に、従来構成のイメージング装置を使用できなくなる。
【００２３】
なお、特許文献１には、民生品のデジタルカメラを前提に、イメージセンサにおいてマイクロレンズのピッチを受光器のピッチよりも小さくする構成が開示されている。この構成は、民生品のデジタルカメラにおいては、レンズ系の射出瞳が常にイメージセンサの前側（物体側）にあり、しかもカメラを小型化すると、射出瞳がイメージセンサの前側（物体側）に位置したままイメージセンサに近づくという事情による。しかし、この構成が有効であるのは、民生用のデジタルカメラに特有の事情によるものであり、顕微分光イメージング装置には、この構成を採用することができない。
【００２４】
そこで、本発明者は、拡大系イメージング装置の小型化のために結像レンズの焦点距離ｆＩを小さくする場合、又は、高性能な分光のために対物レンズと結像レンズの間の距離Ｌが長くなった場合等に生ずる主光線の傾きによる感度低下を効果的に改善できる仕組みを鋭意検討した。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
そこで、本発明者は、マイクロレンズのピッチ（マイクロレンズピッチ）が受光器のピッチ（受光器ピッチ）よりも大きいイメージセンサを搭載する拡大系イメージング装置を提供する。
【００２６】
具体的には、マイクロレンズと受光器の間の距離をｆＭとするとき、次式を満たすものとする。
【００２７】
【数３】
2013044885.tif 000005
因みに、Ｓは、イメージセンサの設置位置を原点とする場合におけるレンズ系（対物レンズ及び結像レンズ）の射出瞳の位置座標である。
【００２８】
ここで、式３を、結像レンズの焦点距離ｆＩと、対物レンズの射出瞳と結像レンズの前側（物体側）主点との間の距離Ｌにより表現すると、次式となる。
【００２９】
【数４】
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【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、装置の小型化のために結像レンズの焦点距離を小さくする場合又は高性能な分光のために対物レンズと結像レンズの間の距離を長くする場合でも、イメージセンサの視野周辺領域で主光線の傾きによる感度低下が発生しない、高感度な拡大系イメージング装置を実現することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】主光線の傾きによる感度低下を説明する図。
【図２】従来型の顕微分光イメージング装置を説明する図。
【図３】実施の形態に係る顕微分光イメージング装置の構成例を示す図（実施例１）
【図４】実施の形態に係る顕微分光イメージング装置の構成例を示す図（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の実施の形態においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクション又は実施の形態に分割して説明する。特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００３３】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００３５】
［実施例１］
図３に、第一の実施例に係る顕微分光イメージング装置の構成図を示す。図３に示す顕微分光イメージング装置を構成する各部のうち、対物レンズ２、発光フィルタ４、結像レンズ５の構成は、図２に示す装置構成と同じである。図２に示す装置構成との違いは、本実施例に係る顕微分光イメージング装置では、対物レンズ２と結像レンズ５の間にフィルタホイール１１を設置する点と、本実施例に特有の構造を有するイメージセンサ１６を備える点である。なお、図３には、図２においては不図示であった光源１５も表している。
【００３６】
フィルタホイール１１は、ホイール本体の円周方向に、励起フィルタ１２と、ダイクロイックミラー３と、発光フィルタ４の３要素で構成されるフィルタキューブ１４を４セット備えた構成を有している。フィルタホイール１１をその取り付け軸の周りに回転し、光学系の光軸上に位置するフィルタキューブ１４を切り替えることにより、４色の蛍光分光を実現する。
【００３７】
本実施例で使用するイメージセンサ１６は、マイクロレンズ７−１〜７−Ｎのピッチ（マイクロレンズピッチ）が、受光器８−１〜８−Ｎのピッチ（受光器ピッチ）よりも大きくなるように設定する。
【００３８】
以下では、マイクロレンズピッチと受光器ピッチの関係を具体的に説明する。なお、本実施例の場合、対物レンズ２の射出瞳１０と結像レンズ５の前側（物体側）主点Ｈの間の距離Ｌ、結像レンズ５の焦点距離ｆＩ、マイクロレンズ７−ｉ（ｉ＝１、２…Ｎ）と受光器８−ｉ（ｉ＝１、２…Ｎ）の間の距離ｆＭを以下の値に設定する。
Ｌ＝１５０ｍｍ
ｆＩ＝５０ｍｍ
ｆＭ＝７．５μｍ
【００３９】
この場合、イメージセンサ１６を構成する受光器ピッチは、各数値を式４に代入して得られる値、すなわちマイクロレンズピッチ×０．９９９７に設定する。受光器ピッチとマイクロレンズピッチをこの関係に設定すると、イメージセンサ１６の周辺画素領域においても感度低下は起こらずに済む。すなわち、イメージセンサ１６の周辺画素領域でも、中心部と同様の感度を確保することができる。
【００４０】
以下では、マイクロレンズピッチと受光器ピッチのわずかな差がどれだけ効果的かを簡単に説明する。なお、本実施例に係るイメージセンサ１６の画素数は、４０００×４０００であるものとする。
【００４１】
イメージセンサ１６の中心部では、マイクロレンズ７の中心と受光器８の中心とが一致している。一方、イメージセンサ１６の両端位置は、その中心位置から２０００（＝４０００／２）画素だけ離れている。このため、イメージセンサ１６の両端に位置するマイクロレンズ７の中心と受光器８の中心とは、ピッチのずれを２０００画素分積算した値（すなわち、０．６（＝２０００−２０００×０．９９９７）画素）だけ、マイクロレンズ７の配置位置に対してずれて位置することになる。
【００４２】
従って、イメージセンサ１６の両端に位置するマイクロレンズ７に対して斜めから入射する光束は、０．６画素だけイメージセンサ１６の中心寄りにずれた位置にある受光器８に効率よく集光されることになる。
【００４３】
なお、図２に示す従来構成のように、マイクロレンズ７と受光器８とが完全に同一ピッチでイメージセンサ６の表面に形成される場合には、イメージセンサ６の両端に位置するマイクロレンズ７に対して斜めから入射した光束は、対向する受光器８の中心から０．６画素ずれた位置に集光されることになり、ほとんど受光器８に入射しないことになる。
【００４４】
このように、本実施例に係るイメージセンサ１６を搭載した顕微分光イメージング装置では、装置の小型化のために結像レンズ５の焦点距離ｆＩを小さくする場合又は高性能な分光のために対物レンズ２と結像レンズ５の間の距離Ｌを長くする場合でも、イメージセンサ１６の全体に渡ってほぼ一様な受光感度を得ることが可能になる。このような効果は、マイクロレンズピッチと受光器ピッチを完全同一とする場合にも、マイクロレンズピッチを受光器ピッチよりも小さくする場合（特許文献１の場合）にも奏することはできない。
【００４５】
［実施例２］
図４に、第二の実施例に係る顕微分光イメージング装置の構成図を示す。図４では、二つの励起光源１５−１及び１５−２と、４つのイメージセンサ１６−１〜１６−４により、励起された生体分子から放射される４色の蛍光の同時検出を実現している。また、第三の光源１５−３によりオートフォーカス機能を実装し、安定な計測を実現している。
【００４６】
光源１５−１、１５−２、１５−３はそれぞれ、波長５０５ｎｍ、５９４ｎｍ、７８０ｎｍのレーザである。光源１５−１、１５−２及び１５−３の光は、それぞれダイクロイックミラー３−１、３−３及び３−５によりレンズ系の光軸に導入される。
【００４７】
生体分子１から放射された蛍光は、第一の実施例と同様、対物レンズ２によって集光されて平行光束に変換される。この後、変換後の平行光束は、ダイクロイックミラー３−２によって短波長成分と長波長成分とに分割される。ダイクロイックミラー３−２により反射された短波長成分は、更に、ダイクロイックミラー３−６によって、より細かく短波長成分と長波長成分に分割される。一方は、発光フィルタ４−１、結像レンズ５−１を通じてイメージセンサ１６−１で検出され、他方は、発光フィルタ４−２、結像レンズ５−２を通じてイメージセンサ１６−２で検出される。
【００４８】
ダイクロイックミラー３−２を透過した成分は、さらにダイクロイックミラー３−４によって、より細かく短波長成分と長波長成分に分割される。一方は、発光フィルタ４−３、結像レンズ５−３を通じてイメージセンサ１６−３で検出され、他方は、発光フィルタ４−４、結像レンズ５−４を通じてイメージセンサ１６−４で検出される。
【００４９】
ここで、ダイクロイックミラー３−５のみが短波長透過型であり、他の全てのダイクロイックミラーは短波長反射型である。結像レンズ５−１〜５−４の焦点距離はいずれについてもｆＩ＝９０ｍｍである。
【００５０】
本実施例では、蛍光の４色同時検出とオートフォーカスとにより、高感度かつ高速かつ安定な計測を実現する。
【００５１】
その一方で、本実施例の場合には、対物レンズ２と結像レンズ５−４の間に５枚ものダイクロイックミラーが挿入される。この結果、対物レンズ２の射出瞳と結像レンズ５−４の物体側主点の間の距離Ｌが３６０ｍｍにもなる。この距離Ｌは、実施例１の同距離よりもかなり長くなっている。結像レンズ５−４以外の結像レンズについては、対物レンズ２の射出瞳と結像レンズの物体側主点間の距離Ｌを３６０ｍｍより短くすることは、機械的には可能である。しかし、同一構造のイメージセンサ１６−１〜１６−４を用いて同一のピッチ補正効果を得るために、４つ全ての結像レンズについて各距離Ｌを３６０ｍｍで統一している。
【００５２】
イメージセンサ１６−１〜１６−４におけるマイクロレンズ７と受光器８の間の距離ｆＭは、第一の実施例の場合と同じ７．５μｍとする。そこで、イメージセンサ１６−1〜１６−４においては、式４に従い、受光器ピッチ／マイクロレンズピッチ＝０．９９９７５とした。
【００５３】
このようなピッチ関係にイメージセンサ１６−１〜１６−４を構成するマイクロレンズ７と受光器８を配置することにより、視野周辺領域でも、主光線の傾きによる感度低下が生じることがなく、イメージセンサの受光面全体について均一な感度を得ることができた。
【００５４】
以下でも、このマイクロレンズピッチと受光器ピッチのわずかな差がどれだけ効果的かを簡単に説明する。本実施例に係るイメージセンサ１６−１〜１６−４の場合にも、その画素数は、４０００×４０００であるものとする。実施例１の場合と同様の計算を行うと、イメージセンサ１６−１〜１６−４の両端に位置するマイクロレンズ７の中心と受光器８の中心のずれ量は０．５画素（＝２０００−２０００×０．９９９７５）となる。
【００５５】
従って、もし仮に、従来構成のように、受光器ピッチ／マイクロレンズピッチ＝１の関係によりイメージセンサを設計すると、イメージセンサの両端に位置する画素において、マイクロレンズ７による集光点と受光器８の中心位置との間に０．５画素分ものずれが生じてしまう。すなわち、視野周辺に位置する受光器８には光がほとんど入射せず、著しい感度低下が起きてしまう。
【００５６】
本実施例の場合には、第一の実施例に比べてｆＩが大きくなるが、Ｌがそれ以上に大きくなるため、第一の実施例と同様、大きな感度改善効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…生体分子
２…対物レンズ
３、３―１、３―２、３―３、３−４、３−５、３―６…ダイクロイックミラー
４、４−１、４―２、４―３、４―４…発光フィルタ
５、５−１、５―２、５―３、５―４…結像レンズ
６、１６、１６−１、１６―２、１６―３、１６―４…イメージセンサ
７、７−１〜７−Ｎ…マイクロレンズ
８、８−１〜８−Ｎ…受光器
９…対物レンズと結像レンズからなるレンズ系の射出瞳
１０…対物レンズの射出瞳
１１…フィルタホイール
１２…励起フィルタ
１４…フィルタキューブ
１５、１５―１、１５―２、１５―３…光源
Ａ…光軸
Ｂ、Ｂ−Ｎ〜Ｂ−Ｎ…主光線
Ｈ…結像レンズ物体側主点
Ｈ”…結像レンズ像側主点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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