(57)【要約】【課題】簡便に合焦操作することができ、かつ合焦位置でピントを固定することが可能なスマートデバイス用レンズユニット及び複式顕微鏡装置を提供する。【解決手段】  レンズ１と、レンズ１を光軸に垂直な方向から保持する板状の支持部材２と、弾性を有する透明プラスチック材料からなり、長手方向に垂直な方向に折り目３ａが形成され、この折り目３ａを上側にして支持部材２上に配置された試料板３と、支持部材２に固定される固定部材４１及びこの固定部材４１に保持され、試料板３の折り目３ａ部分を押圧して試料板３のたわみを変化させる押圧部材４２を備えた合焦機構４とを有するレンズユニットを、カメラ機能を有するスマートデバイス上に載置し、そのカメラと共に複式顕微鏡を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラ機能を有するスマートデバイス上に載置され、前記カメラと共に複式顕微鏡を構成するレンズユニットであって、
レンズと、
前記レンズを光軸に垂直な方向から保持する板状の支持部材と、
弾性を有する透明プラスチック材料からなり、長手方向に垂直な方向に折り目が形成され、前記折り目を上側にして前記支持部材上に配置された試料板と、
前記支持部材に固定される固定部材、及び前記固定部材に保持され、前記試料板の前記折り目部分を押圧して前記試料板のたわみを変化させる押圧部材を備えた合焦機構と、
を有するスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項２】
前記支持部材上に、前記試料板の一方の端部の位置を固定する試料板固定材が配設されている請求項１に記載のスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項３】
前記押圧部材は、ねじ状部材である請求項１又は２に記載のスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項４】
前記押圧部材は棒状部材であり、前記固定部材に設けられたゴム材との摩擦力により前記棒状部材の上下方向の位置が固定される請求項１又は２に記載のスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項５】
前記支持部材には凹状又は凸状のガイドが形成されており、前記固定部材には前記ガイドと嵌合する凸部又は凹部が形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項６】
前記支持部材に強磁性材料からなる金属板又は金属テープが貼付されると共に、前記固定部材に磁石が埋め込まれており、
磁力により前記固定部材が前記支持部材に固定される請求項１〜４のいずれか１項に記載のスマートデバイス用レンズユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズユニットと、
カメラ機能を有するスマートデバイスと、を有し、
前記レンズユニットは、前記スマートデバイスの上に、前記レンズが前記カメラの光軸上に位置するように載置されている複式顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ機能を有するスマートデバイスと共に使用されるレンズユニット及びこのレンズユニットとスマートデバイスとで構成される複式顕微鏡装置に関する。より詳しくは、スマートデバイスを用いた複式顕微鏡観察における合焦技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、スマートフォンやタブレット端末などのカメラ機能を有するスマートデバイスを用いて顕微鏡観察を行うためのレンズユニットが提案されている（非特許文献１〜３参照）。非特許文献１〜３では、これらの新しいタイプの複式顕微鏡は、スマートデバイスがカメラ機能として備える自動焦点や自動露出を有効利用し、市販の高級顕微鏡並の性能が得られると報告されている。
【０００３】
しかしながら、前述したスマートデバイスを用いた複式顕微鏡は、以下に示す問題点を有し、現在、期待するほどに普及していない。
（１）手で持つことを前提としているため、撮影された画像に手ぶれが生じやすい。
（２）レンズをスマートデバイスに固定する機構が確立していない。
（３）観察対象物を近接させると、顕微鏡本体により外光が遮られるため、別途照明装置を用意する必要があり、構造が煩雑となる。
【０００４】
これに対して、本発明者は、単純な構造で、スマートデバイスに取り付けることで容易に顕微鏡観察画像を取得することができるレンズユニット及び複式顕微鏡装置を提案している（特許文献１参照）。この複式顕微鏡装置は、スマートデバイスのフロントカメラを利用するものであり、簡便で操作性が高く、前述した従来の複式顕微鏡の課題を全て解決できることから、スマホ顕微鏡の名称で急速に普及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０５７６２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】David N. Breslauer  他４名、“Mobile Phone Based Clinical Microscopy for Global Health Applications”、PLoS ONE 4(7): e6320、２００９年７月２２日発行
【非特許文献２】Z.J. Smith  他９名、“Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications”、PLoS ONE 6(3): e17150、２０１１年３月２日発行
【非特許文献３】Sarun Sumriddetchkajorn et al.、"Mobile Device-Based Digital Microscopy for Education, Healthcare, and Agriculture"、Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON)、2012 9th International Conference on、２０１２年５月１８日、ｐ．１−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来の複式顕微鏡装置は、水平方向の試料移動は手動で簡便に行うことができ、その位置も容易に固定することができるが、焦点合わせが難しく、試料の置き方によって撮像した画像がぼけることがある。
【０００８】
そこで、本発明は、簡便に合焦操作することができ、かつ合焦位置でピントを固定することが可能なスマートデバイス用レンズユニット及び複式顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るレンズユニットは、カメラ機能を有するスマートデバイス上に載置され、前記カメラと共に複式顕微鏡を構成するレンズユニットであって、レンズと、前記レンズを光軸に垂直な方向から保持する板状の支持部材と、弾性を有する透明プラスチック材料からなり、長手方向に垂直な方向に折り目が形成され、前記折り目を上側にして前記支持部材上に配置された試料板と、前記支持部材に固定される固定部材、及び前記固定部材に保持され、前記試料板の前記折り目部分を押圧して前記試料板のたわみを変化させる押圧部材を備えた合焦機構を有するものである。
このレンズユニットは、前記支持部材上に、前記試料板の一方の端部の位置を固定する試料板固定材が配設されていてもよい。
前記押圧部材はねじ状部材でもよく、また、棒状部材でもよい。前記押圧部材が棒状部材の場合、前記固定部材に設けられたゴム材との摩擦力により前記棒状部材の上下方向の位置を固定することができる。
一方、前記支持部材には凹状又は凸状のガイドが形成されており、前記固定部材には前記ガイドと嵌合する凸部又は凹部が形成されていてもよい。
又は、前記支持部材に強磁性材料からなる金属板又は金属テープが貼付されると共に、前記固定部材に磁石が埋め込まれており、磁力により前記固定部材が前記支持部材に固定されていてもよい。
【００１０】
本発明に係る複式顕微鏡装置は、前述したレンズユニットと、カメラ機能を有するスマートデバイスを有し、前記レンズユニットは、前記スマートデバイスの上に、前記レンズが前記カメラの光軸上に位置するように載置されているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、弾性材料からなり上側が凸になるよう折り目が設けられた試料板を合焦機構により押圧し、そのたわみを変化させることで試料とレンズとの距離を調整しているため、簡便に合焦操作することができ、かつ合焦位置でピントを固定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレンズユニットの構成を示す斜視図である。
【図２】Ａは図１に示すレンズユニット１０の平面図であり、Ｂは側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の第１変形例のレンズユニットにおける合焦機構の取り付け部分を示す拡大斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第２変形例のレンズユニットにおける合焦機構の押圧部材の構成を示す拡大斜視図である。
【図５】本発明の実施例で用いたレンズユニットの構成を示す斜視図である。
【図６】Ａ，Ｂは図５に示すレンズユニットを用いて毛髪（黒髪）を観察した透過顕微鏡写真である。
【図７】Ａ〜Ｃは図５に示すレンズユニットを用いて毛髪のレプリカ（透明）を観察した透過顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係るレンズユニットについて説明する。図１及び図２は本実施形態のレンズユニットの構成を示す図であり、図１は斜視図、図２Ａは平面図、図２Ｂは側面図である。本実施形態のレンズユニット１０は、カメラ機能を有するスマートデバイス上に載置され、そのカメラと共に複式顕微鏡を構成するものであり、図１に示すように、レンズ１、支持部材２、試料板３、合焦機構４などを備えている。
【００１５】
［レンズ１］
レンズ１には、ガラス又はプラスチックにより形成されたボールレンズ又は屈折率分布（Gradient Index：ＧＲＩＮ）レンズを使用することができる。レンズ１の大きさは、例えば１〜５ｍｍであるが、小さいレンズほど焦点距離が小さく、スマートデバイスと一体で構成される複式顕微鏡の倍率が大きくなるので、必要倍率に応じて適宜選択することができる。
【００１６】
［支持部材２］
支持部材２は、レンズ１及び合焦機構４を支持するものであり、例えば、レンズ１を収容可能な大きさの貫通孔が形成されている透明平板又は半透明平板を用いることができる。支持部材２には、スマートデバイスのカメラ光軸とレンズユニット１０のレンズ１との位置合わせを容易にする観点から、透明材料を用いることが好ましい。ただし、その場合、レンズ１に迷光が入ることを防止するため、貫通孔の内壁に黒色塗料や黒色シートで被覆するなどの不透明化処理を施すことが望ましい。
【００１７】
また、支持部材２の側面には、合焦機構４の取り付け位置を固定する凸状又は凹状のガイド２１が設けられていてもよい。このガイド２１は、少なくとも合焦機構４を取り付ける位置に設けられていればよいが、図１及び図２に示すレンズユニット１０のように、支持部材２の長手方向両側面にその長さ方向沿って延びる凸状又は凹状のガイド２１を設けてもよい。このように、ガイド２１を長さ方向に延長することで、合焦機構４の位置を、上下方向は変動させず、左右方向のみ任意に調整することが可能となる。
【００１８】
［試料板３］
試料板３は、観察対象物（試料）を載置するものであり、弾性を有する透明プラスチック材料により形成されている。図２Ａ，Ｂに示すように、試料板３は、長手方向に垂直な方向に折り目３ａが形成されており、支持部材２上に上側が凸になるように配置されている。即ち、試料板３は、側面視で「へ」の字状に屈曲した状態で、支持部材２上に配置されている。
【００１９】
ここで、押圧部材４２により押圧される前の初期状態での試料板３の曲げ角度α０は、固定されず、レンズ１の焦点距離、試料板３の長さや折り目３ａの位置によって任意に設定することができる。曲げ角度α０の目安としては、折り目３ａがない平面状態に対して１０〜４５°程度である。また、試料板３の折り目３ａは、例えば一方の端部から１／３程度の位置に形成することができる。なお、試料板３を支持部材２上に配置する際は、操作性の観点から、折り目３ａから端部までの距離が長い方がレンズ１側になるように配置することが好ましい。
【００２０】
［合焦機構４］
合焦機構４は、試料板３を上方から押してそのたわみを変化させる押圧部材４２と、押圧部材４２を保持すると共に支持部材２に固定する固定部材４１とで構成されている。この合焦機構４では、押圧部材４２の先端を試料板３の折り目３ａの部分に接触させ、押圧部材４２を上下方向に移動させることで試料板３のたわみを変化させる。これにより、試料板３に載置されている観察対象物（試料）の上下方向の位置を調整することができるため、顕微鏡観察における合焦操作（ピント合わせ）を行うことが可能となる。
【００２１】
ここで、押圧部材４２には、例えば先端が平面で形成されたねじ状部材を用いることができる。また、固定部材４１は、例えば押圧部材４２が螺合可能なねじ孔を有する橋状部材を用いることができる。このような構成にすることで、合焦位置の調整及び固定が容易になる。具体的には、押圧部材４２にねじ状部材を用いると、押圧部材４２を固定部材４１のねじ孔に螺合させ、押圧部材４２の軸を右回り又は左回りに回転させることで、顕微鏡像を見ながら容易に焦点合わせを行うことができ、更に合焦位置で試料板３を固定することが可能となる。
【００２２】
なお、合焦機構４を支持部材２に取り付ける方法は、特に限定されるものではないが、例えば固定部材４１の脚部に、支持部材２を狭持する又は支持部材２の端部に嵌合する構造の取付部を設ける方法がある。また、支持部材２にガイド２１が形成されている場合は、固定部材４１の脚部に、ガイド２１に嵌合する凹部又は凸部を形成することで、合焦機構４を容易に取付け、位置決めすることが可能となる。
【００２３】
［試料板固定材５］
更に、本実施形態のレンズユニット１０には、支持部材２上に、試料板３の一方の端部の位置を摩擦力や粘着力などによって固定する試料板固定材５が配置されていてもよい。この試料板固定材５としては、ゴムなどの摩擦力の大きい材料や粘着性を有する材料を用いることができ、例えば両面粘着テープを用いてもよい。試料板固定材５の厚さは、特に限定されるものではないが、焦点合わせしやすさの観点から、薄い方が好ましく、例えば０．１〜１ｍｍとすることができる。
【００２４】
合焦機構４の押圧部材４２により試料板３の折り目３ａの部分を押圧すると、試料板３の折り目３ａに対して垂直な方向（長手方向）両端部が支持部材２上で移動し、レンズ１に対して試料の位置がずれることがある。そこで、支持部材２上に試料板固定材５を設け、その上に試料板３の一方の端部を配置すると、合焦機構４により試料板３をたわませた際、一方の端部は試料板固定材５によりその位置が固定され、他方の端部のみが支持部材２上を滑動することとなる。
【００２５】
試料板固定材５は、レンズ１の近くに配置し、試料板３の観察対象物（試料）に近い側の端部を固定するようにすることが好ましい。これにより、合焦操作による試料の位置ずれを効率的に防止することができる。
【００２６】
［滑り止め材６］
本実施形態のレンズユニット１０は、スマートデバイス側の面に、樹脂又はゴム製の滑り止め材６を設けることもできる。スマートデバイス側の面に滑り止め材６を設けることにより、スマートデバイスに固定する際の安定性が向上する。この滑り止め材６の厚さは、スマートデバイスの筐体の凹凸（表示面と筐体の段差など）を考慮し、例えば０．５〜３ｍｍとすることができる。
【００２７】
また、滑り止め材６には、スマートデバイスの表示面を形成する樹脂材料に対して吸着性が高いシリコンゴムが好適である。これにより、スマートデバイスのフロントカメラの窓と、レンズの位置合わせをした後、スマートデバイスに押し付けるだけで、レンズユニット１０を簡単に固定することが可能となる。
【００２８】
［動作］
次に、前述した構成のレンズユニット１０を用いて、試料を観察する方法について説明する。先ず、本実施形態のレンズユニット１０を、スマートデバイスの画像表示面側に設けられたフロントカメラ上に配置する。その際、レンズ１がスマートデバイスに設けられたカメラの光軸上に位置するように配置する。例えば、支持部材２が透明平板で形成されている場合は、支持部材２を通して見えるスマートデバイスのカメラの窓とレンズ１が重なるように配置する。これにより、レンズユニット１０のレンズ１と、スマートデバイス内蔵カメラのレンズとで複式顕微鏡が構成される。
【００２９】
次に、レンズユニット１０の試料板３に、観察対象物（試料）を載置する。その際、試料板３の折り目３ａから端部までの距離が長い方をレンズ１側になるように配置し、試料はレンズ１の直上域又はその近傍に載置する。その後、スマートデバイスの画像表示面で顕微鏡像を確認しながら、手動で合焦機構４を操作し、焦点合わせを行う。
【００３０】
具体的には、試料位置を下げて、試料とレンズの距離を短くする場合は、押圧部材４２を下降させて試料板３の折り目３ａ部分を押圧し、試料板３をたわませる。一方、試料位置を上げて、試料とレンズの距離を長くする場合は、押圧部材４２を上昇させて試料板３の折り目３ａ部分の押圧を解除し、試料板３のたわみを戻す。そして、合焦位置で押圧部材４２の操作を停止し、ピントを固定する。
【００３１】
本実施形態のレンズユニットは、弾性を有する透明プラスチック材料で試料板を形成し、合焦機構によりその折り目部分を押圧することで試料板のたわみを制御しているため、合焦操作を及び合焦位置の固定を容易に行うことができる。
【００３２】
なお、本実施形態のレンズユニットは、透過型及び反射型のいずれの顕微鏡装置にも適用することが可能である。具体的には、本実施形態のレンズユニットは、自然光を光源として利用したり、上方から照明光を照射したりすることで、試料の透過像を得ることができ、また、レンズの近傍に光源を配置してレンズ側から照明することで、試料の反射像を得ることができる。
【００３３】
（第１の実施形態の第１変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係るレンズユニットについて説明する。図３は本変形例のレンズユニットにおける合焦機構の取り付け部分を示す拡大斜視図である。前述した第１の実施形態では、支持部材に設けられた凹部又は凸部と、固定部材の脚部に設けられた凹部又は凸部とを嵌合させることにより、支持部材に合焦機構を固定しているが、本変形例のレンズユニットでは、図３に示すように、磁力により合焦機構を支持部材２に固定している。
【００３４】
具体的には、本変形例のレンズユニットでは、支持部材２の表面の長辺側端部に帯状の鉄など強磁性材料からなる金属板（テープ）２２が貼付されると共に、固定部材４１の脚部に磁石４３が埋め込まれている。このレンズユニットでは、金属板２２と磁石４３とが引き合う力により、合焦機構が支持部材２に固定される。
【００３５】
ここで、図３には２つの脚部に磁石４３が２個ずつ埋め込まれた構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁石の数や大きさは、磁石の性能（磁力）などに応じて適宜選択することができる。例えば、磁力が強い磁石を用いる場合は、各脚部の幅方向中心付近に磁石を１つだけ埋め込んだ構成にすることも可能である。
【００３６】
本変形例のレンズユニットのように、磁力を利用して合焦機構を支持部材に固定する構成にすると、合焦機構の脱着や位置調整が容易になる。なお、本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【００３７】
（第１の実施形態の第２変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例に係るレンズユニットについて説明する。図４は本変形例のレンズユニットにおける合焦機構の押圧部材の構成を示す拡大斜視図である。図１及び図２には、押圧部材としてねじ状部材を用いた構成を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、押圧部材は試料板３を押圧できるものであればよい。
【００３８】
具体的には、図４に示すように、押圧部材として棒状部材４４を使用することもできる。この場合、固定部材４５には、上面中心部に貫通孔が形成され、この貫通孔の内側面にはゴム材４６が貼付され、その内径が棒状部材４４の外径よりもわずかに小径になるように調整されている。そして、このゴム材４６の弾性力により、挿入された棒状部材４４は、上下方向への移動及び任意の位置での固定が可能となる。
【００３９】
本変形例のレンズユニットでは、押圧部材をねじ状部材ではなく棒状部材で構成し、これを貫通孔に挿入し、上下させることで試料板のたわみを制御しているため、合焦機構の構成を簡素化することができる。なお、本変形例におけるその他の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。また、本発明のレンズユニットは、本変形例と前述した第１変形例とを組み合わせた構成とすることもできる。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。図５は本実施例で用いたレンズユニットの構成を示す斜視図である。図５に示すように、本実施例では、前述した第１の実施形態の第１変形例及び第２変形例の両方の構成を備えるレンズユニットを用いて、毛髪（黒髪）の一部とそのレプリカ（透明な合成樹脂に髪の毛の表面構造を転写したもの）を観察した。
【００４１】
図６Ａは直上から照明光を照射して撮影した毛髪の透過像である。黒髪は光が透過しないため、図６Ａでは、試料（黒髪）は黒いシルエットとして明視野を背景に見えている。図６Ｂは照明光を斜めに外し、照明光が直接カメラに入らないようにした斜光照明像である。図６Ｂでは、非対称に色づいた髪がかろうじて暗視野に見えている。
【００４２】
図７Ａ〜Ｃは毛髪のレプリカの透過像である。この合成樹脂レプリカは透明なため、図７Ａ〜Ｃでは透過像が明視野を背景に見えている。そして、図７Ａは焦点（ピント）が合った像であり、髪表面のキューティクルが鮮明に観察できる。これに対して、図７Ｂはピントが近い方にずれた像であり、図７Ｃはピントが遠い方にずれた像である。図７Ｂ，Ｃはいずれも不明瞭なゴースト像が写っている。
【００４３】
このように、合焦操作が極めて難しい透明な試料についても、本発明のレンズユニットを用いることにより、容易な操作で焦点合わせを行うことができ、合焦位置での顕微鏡像観察が可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００４４】
１  レンズ
２  支持部材
３  試料板
３ａ  折り目
４  合焦機構
５  試料板固定材
６  滑り止め材
１０  レンズユニット
２１  ガイド
２２  金属板
４１、４５  固定部材
４２  押圧部材（ねじ状部材）
４３  磁石
４４  棒状部材
４６  ゴム材
【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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