(57)【要約】      （修正有）【課題】観察対象からの光を高精度に検出し、高精度に光照射する生体情報取得装置を提供する。【解決手段】観察対象からの光を検出する光検出部と、観察対象からの光を、光検出部に導く観察光学系１５４と、光を出射する発光部と、発光部が出射した光を、観察対象に導く照明光学系１５２とを備える。観察光学系１５４は、アレイ状に配された複数の光導波路を有してよく、複数の光導波路の少なくとも一部は、テーパ形状を有してよく、光検出部側の端部における有効コア面積が、観察対象側の端部における有効コア面積よりも大きくてよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光部と、
前記発光部が出射した光を、観察対象に導く照明光学系と、
前記発光部からの光により励起された前記観察対象が放出した光を検出する光検出部と、
前記観察対象からの光を前記光検出部に導く観察光学系と、
を備える、撮像装置。
【請求項２】
前記観察光学系は、
前記観察対象からの光を、一端から他端に転送する転送光学系と、
前記転送光学系の他端に転送された光により形成される像を拡大して結像する拡大光学系と、
を有する、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記転送光学系は、アレイ状に配された複数の光導波路を有する、
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記観察光学系は、アレイ状に配された複数の光導波路を有し、
前記複数の光導波路の少なくとも一部は、
テーパ形状を有し、
前記光検出部側の端部における有効コア面積が、前記観察対象側の端部における有効コア面積よりも大きい、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光検出部は、アレイ状に配された複数の受光素子を有し、
前記複数の受光素子の少なくとも一部は、前記複数の光導波路のうちの２以上の光導波路から射出された光を受光する、
請求項３又は請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記観察光学系は、前記観察対象の像を拡大するレンズ又は反射鏡を含む拡大光学系を有する、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記照明光学系は、複数の光導波路を有する、
請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記照明光学系は、前記照明光学系の前記複数の光導波路から出射される光を、前記観察対象に向かって方向づけるレンズ又は反射鏡を有する、
請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記発光部は、
第１の波長の光を出射する第１の発光素子と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を出射する第２の発光素子と、
を有する、
請求項１から請求項８までの何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記照明光学系は、前記観察光学系の外周部に、遮光部材を介して配される、
請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記撮像装置は、前記観察光学系及び前記照明光学系の少なくとも一部が生体内に埋設される埋設型撮像装置である、
請求項１から請求項１０までの何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１０までの何れか一項に記載の撮像装置と、
前記発光部を駆動する駆動制御部と、
前記光検出部が検出した光に基づいて生成された検出信号を処理するデータ処理部と、
を備えた、
生体情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、及び、生体情報取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体組織に刺激を与えて、当該生体組織内で発生する情報を収集したり、収集された情報に基づいて当該生体組織に刺激を与えたりするシステムが研究されている（特許文献１を参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１２−９５８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
薄型の撮像・光刺激装置を、観察・操作対象となる生体組織に密着させたり組織間にすべり込ませて使用したりすることで組織を破壊することなく低侵襲的に適用することができる。しかしながら、従来の装置は空間分解能が低い。そこで、空間分解能を向上させるために新しい機構を実装する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、撮像装置が提供される。上記の撮像装置は、光を出射する発光部を備える。上記の撮像装置は、発光部が出射した光を、観察対象に導く照明光学系を備える。上記の撮像装置は、発光部からの光により励起された観察対象が放出した光を検出する光検出部を備える。上記の撮像装置は、観察対象からの光を光検出部に導く観察光学系を備える。
【０００５】
上記の撮像装置において、観察光学系は、観察対象からの光を、一端から他端に転送する転送光学系を有してよい。また、観察光学系は、転送光学系の他端に転送された光により形成される像を拡大して結像する拡大光学系を有してよい。上記の撮像装置において、転送光学系は、アレイ状に配された複数の光導波路を有してよい。
【０００６】
上記の撮像装置において、観察光学系は、アレイ状に配された複数の光導波路を有してよい。上記の撮像装置において、複数の光導波路の少なくとも一部は、テーパ形状を有し、光検出部側の端部における有効コア面積が、観察対象側の端部における有効コア面積よりも大きくてもよい。上記の撮像装置において、光検出部は、アレイ状に配された複数の受光素子を有してよい。上記の撮像装置において、複数の受光素子の少なくとも一部は、複数の光導波路のうちの２以上の光導波路から射出された光を受光してよい。上記の撮像装置において、観察光学系は、観察対象の像を拡大するレンズ又は反射鏡を含む拡大光学系を有してよい。
【０００７】
上記の撮像装置において、照明光学系は、複数の光導波路を有してよい。上記の撮像装置において、照明光学系は、照明光学系の複数の光導波路から出射される光を、観察対象に向かって方向づけるレンズ又は反射鏡を有してよい。上記の撮像装置において、発光部は、第１の波長の光を出射する第１の発光素子と、第１の波長とは異なる第２の波長の光を出射する第２の発光素子とを有してよい。上記の撮像装置において、照明光学系は、観察光学系の外周部に、遮光部材を介して配されてよい。上記の撮像装置は、観察光学系及び照明光学系の少なくとも一部が生体内に埋設される埋設型撮像装置であってよい。
【０００８】
本発明の第２の態様においては、生体情報取得装置が提供される。上記の生体情報取得装置は、上記の撮像装置を備える。上記の生体情報取得装置は、発光部を駆動する駆動制御部を備える。上記の生体情報取得装置は、光検出部が検出した光に基づいて生成された検出信号を処理するデータ処理部を備える。
【０００９】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】生体光双方向情報交換システム１００のシステム構成の一例を概略的に示す。
【図２】制御部１４０のシステム構成の一例を概略的に示す。
【図３】観察光学系１５４の上面図の一例を概略的に示す。
【図４】観察光学系１５４の断面図の一例を概略的に示す。
【図５】観察光学系５００の断面図の一例を概略的に示す。
【図６】生体光双方向情報交換システム１００の断面図の一例を概略的に示す。
【図７】生体光双方向情報交換システム１００の断面図の一例を概略的に示す。
【図８】生体光双方向情報交換システム８００の断面図の一例を概略的に示す。
【図９】生体光双方向情報交換システム９００の断面図の一例を概略的に示す。
【図１０】生体光双方向情報交換システム１０００の断面図の一例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して、重複する説明を省く場合がある。
【００１２】
図１は、生体光双方向情報交換システム１００のシステム構成の一例を概略的に示す。本実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００は、細胞１０への刺激光１２の照射を制御することにより、細胞１０を活性化させたり、不活性化させたりする。また、細胞１０に励起光１４を照射すると、細胞１０の活動に応じた強度の蛍光が生じる。そこで、生体光双方向情報交換システム１００は、細胞１０に励起光１４を照射して、細胞１０から放出された蛍光の強度分布に関する情報を取得する。
【００１３】
一実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００は、細胞１０に対して、刺激光１２及び励起光１４を照射して、細胞１０からの蛍光の強度分布に関する情報を取得する。これにより、刺激光１２の照射に対する細胞１０の応答をリアルタイムで観察することができる。他の実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００は、細胞１０からの蛍光の強度分布に関する情報を解析して、細胞１０の活動を制御するべく、刺激光１２の照射条件を決定する。刺激光１２の照射条件としては、刺激光１２の波長、強度、照射位置、照射のタイミングなどを例示することができる。生体光双方向情報交換システム１００は、決定された照射条件に基づいて、刺激光１２を出射する。これにより、細胞１０の活動を制御することができる。
【００１４】
細胞１０は、観察対象の一例であってよい。細胞１０は、ヒト以外の動植物の細胞であってもよく、ヒトを含む動植物の細胞であってもよい。細胞１０は、生体の細胞であってもよく、生体の細胞でなくてもよい。細胞１０としては、神経細胞、網膜細胞、筋細胞（例えば、心筋細胞である。）、腺細胞などを例示することができる。腺細胞は、外分泌腺の細胞であってよく、甲状腺、松果腺、消化腺、皮脂腺、汗腺などの細胞を例示することができる。細胞１０は、ホルモン、伝達物質などを放出する組織の細胞であってもよい。他の実施形態において、観察対象は、微生物、菌類などであってもよい。
【００１５】
一実施形態において、細胞１０は、予め遺伝子操作により改変されて、光感受性タンパク質を発現していてもよい。細胞種に特異的なプロモーターを利用して、神経細胞の遺伝子を改変することにより、神経細胞種ごとに異なる種類の遺伝子を発現させてもよい。なお、細胞１０が網膜細胞のような、光感受性を有する細胞である場合、細胞の遺伝子改変を行わなくてもよい。また、蛍光計測による観察対象が、内因性の神経活動に依存した血流変化、細胞内のミトコンドリア代謝系のフラビン変化などである場合、細胞の遺伝子改変を行わなくてもよい。
【００１６】
他の実施形態において、細胞１０の周囲に、光照射により生理活性物質を放出する光感受性ケージド化合物が予め配されていてもよい。光感受性タンパク質又は光感受性ケージド化合物を利用することにより、光の照射のＯＮ／ＯＦＦにより、任意の神経細胞の興奮又は興奮の抑制（興奮の抑制のことを、単に、抑制と称する場合がある。）を制御することができる。
【００１７】
さらに他の実施形態において、細胞１０は、染色操作又は遺伝子操作などにより、予め電位感受性色素を導入されていてもよい。電位感受性色素としては、スチリル系色素、サイアニン系色素、オキソノル系色素、ローダミン誘導体などを例示することができる。電位感受性色素を導入された細胞に、励起光を照射すると、当該細胞の膜電位に応じた強度の光を放出する。細胞の膜電位は、細胞の活動状態に応じて変化するので、細胞から放出された光の強度分布を解析することで、細胞の活動状態に関する情報が得られる。
【００１８】
本実施形態においては、観察対象が細胞である場合について説明する。しかしながら、観察・操作対象は細胞に限定されない。観察・操作対象は、各種の組織又は生体構成要素であってもよい。上記の組織又は生体構成要素としては、循環器系の血管内の血流、細胞内小器官のミトコンドリア内代謝系などを例示することができる。
【００１９】
本実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００は、刺激光用ＬＥＤ１１０と、励起光用ＬＥＤ１２０と、イメージセンサ１３０と、制御部１４０と、光学系１５０とを備える。光学系１５０は、照明光学系１５２と、観察光学系１５４とを有する。生体光双方向情報交換システム１００は、撮像装置及び生体情報取得装置の一例であってよい。刺激光用ＬＥＤ１１０は発光部及び第１の発光素子の一例であってよい。励起光用ＬＥＤ１２０は発光部及び第２の発光素子の一例であってよい。イメージセンサ１３０は、光検出部の一例であってよい。
【００２０】
刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０は、制御部１４０の指示に基づいて、光を出射する。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０は、それぞれ、刺激光１２及び励起光１４を出射する。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の波長は、異なってもよい。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の波長と、蛍光１６の波長とは異なってよい。
【００２１】
刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０のそれぞれは、単一のＬＥＤ素子を有してもよく、複数のＬＥＤ素子を有してもよい。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０のそれぞれは、単一の波長の光を出射してもよく、波長の異なる複数の光を出射してもよい。
【００２２】
イメージセンサ１３０は、細胞１０からの光を検出する。イメージセンサ１３０は、観察光学系１５４を介して、細胞１０からの光を受光する。細胞１０からの光は、細胞１０を透過した光であってもよく、細胞１０の表面又は内部で反射した光であってもよく、細胞１０から放出された光であってもよい。
【００２３】
イメージセンサ１３０は、アレイ状に配された複数の受光素子を有してよい。観察光学系１５４がアレイ状に配された複数の光導波路を有する場合、光導波路の一部と、イメージセンサ１３０の受光素子の一部とが、１対１に対応してもよい。イメージセンサ１３０の受光素子の少なくとも一部は、複数の光導波路からの光を受光してもよい。受光素子は、フォトダイオードであってよい。イメージセンサ１３０としては、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサなどを例示することができる。
【００２４】
制御部１４０は、生体光双方向情報交換システム１００の各部を制御する。例えば、制御部１４０は、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の発光のタイミングを制御する。制御部１４０は、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の少なくとも一方が出射する光の波長を制御してよい。制御部１４０は、イメージセンサ１３０を制御して、イメージセンサ１３０の感度又は撮像速度、信号伝送パターン、撮像領域、などを調整してよい。イメージセンサ１３０の撮像領域は、例えば、複数の画素回路の中から、任意の画素回路を選択することで調整される。
【００２５】
制御部１４０は、イメージセンサ１３０の回路内電子シャッタの開閉を制御してもよい。制御部１４０は、イメージセンサ１３０への電力の供給方法を制御してもよい。例えば、イメージセンサ１３０がＣＭＯＳ回路を有する場合、一部の画素に対して、選択的に電力を供給する。例えば、信号転送時に、信号転送動作の対象となっている画素にのみ電力を供給する。これにより、消費電力及び発熱を抑制することができる。
【００２６】
光学系１５０が液体レンズ、ズームレンズ、反射鏡などの制御可能な部品を有する場合、制御部１４０は、光学系１５０を制御して、焦点距離、照射位置などを調整してよい。制御部１４０は、刺激光、励起光及び透過光の少なくとも１つの時空間的パターンを調整してもよい。時空間的パターンは、光の強度及び波長により定められるパターンであってよい。
【００２７】
照明光学系１５２は、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０が出射した光を、細胞１０の位置まで導く。照明光学系１５２は、複数の光導波路を有してよい。照明光学系１５２は、アレイ状に配された複数の光導波路を有してよい。照明光学系１５２は、刺激光１２及び励起光１４の両方を細胞１０に導く光導波路を有してもよい。照明光学系１５２は、刺激光１２を細胞１０に導く第１の光導波路と、励起光１４を細胞１０に導く第２の光導波路とを有してもよい。
【００２８】
照明光学系１５２は、１又は複数の光導波路から出射される光を、細胞１０に向かって方向づけるレンズ又は反射鏡を有してよい。照明光学系１５２は、ビームスプリッタ、プリズム、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムを有し、１又は複数の光導波路から出射される光を、細胞１０に向かって方向づけてもよい。細胞１０への光の照射方法は特に限定されるものではないが、レンズ又は反射鏡は、照明光学系１５２が、細胞１０に対して、細胞１０の側方又は斜め上方から光を照射するように構成されてよい。
【００２９】
上記のレンズは、フレネルレンズであってもよい。フレネルレンズの厚みは特に限定されるものではないが、極力、薄いレンズを使用することが好ましい。これにより、照明光学系１５２を小型軽量化することができる。反射鏡は、反射面を有する光学部材であればよく、その形状は特に限定されない。反射鏡は、板状、円筒状、円錐状、角柱状又は角錐状の光学部材の一部に配された反射面であってもよい。反射面は、平面であってもよく、球面であってもよく、放物面であってもよい。
【００３０】
観察光学系１５４は、細胞１０からの光をイメージセンサ１３０に導く。例えば、観察光学系１５４は、励起光１４により励起された細胞１０から放出された光を、イメージセンサ１３０に導く。観察光学系１５４は、一端から他端へと光を転送する転送光学系、像を拡大するレンズ又は反射鏡を含む拡大光学系、及び、これらの組み合わせを含んでよい。
【００３１】
転送光学系は、アレイ状に配された複数の光導波路であってもよい。光導波路は、光ファイバであってもよい。光導波路は、テーパ形状を有してよい。この場合、光導波路は、イメージセンサ１３０側の端部における有効コア面積が、細胞１０側の端部における有効コア面積よりも大きくなるように配されてよい。光導波路が光ファイバである場合、コアの直径の最小値は、１μｍ以上であってよい。コアの直径は、１．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、１．９μｍ以上４μｍ以下であることがより好ましい。コアの直径の最小値が１μｍ未満の場合、透過する波長が制限されることがある。この場合、制御部１４０は、波長による光の減衰率を考慮して、画像処理を実行してもよい。
【００３２】
拡大光学系は、１又は複数のレンズ又は反射鏡を含んでもよい。レンズは、フレネルレンズ、液体レンズ及びズームレンズの少なくとも１つを含んでもよい。拡大光学系は、ビームスプリッタ、プリズム、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムを有してもよい。
【００３３】
フレネルレンズの厚みは特に限定されるものではないが、極力、薄いレンズを使用することが好ましい。これにより、拡大光学系を小型軽量化することができる。反射鏡は、反射面を有する光学部材であればよく、その形状は特に限定されない。反射鏡は、板状、円筒状、円錐状、角柱状又は角錐状の光学部材の一部に配された反射面であってもよい。反射面は、平面であってもよく、球面であってもよく、放物面であってもよい。
【００３４】
照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、隣接して配されてもよい。照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、遮光部材を介して、隣接して配されてもよい。観察光学系１５４は、照明光学系１５２と一体的に成形されてもよい。照明光学系１５２及び観察光学系１５４のそれぞれが、アレイ状に配された複数の光導波路を有する場合、照明光学系１５２を構成する光導波路の１本当たりの有効コア面積は、観察光学系１５４を構成する光導波路の１本当たりの有効コア面積よりも大きくてもよい。これにより、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０から出射された光を有効に利用することができる。
【００３５】
照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、生体内に埋設される部位を有してよい。照明光学系１５２及び観察光学系１５４の導波方向の長さは、１ｃｍ以下であってよく、５ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、侵襲を抑制することができる。
【００３６】
図２は、制御部１４０のシステム構成の一例を概略的に示す。本実施形態において、制御部１４０は、駆動制御部２１０と、Ａ／Ｄ変換部２２０と、データ処理部２３０と、通信制御部２４０とを備える。
【００３７】
駆動制御部２１０は、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の駆動を制御する。Ａ／Ｄ変換部２２０は、イメージセンサ１３０における光電変換により生成されたアナログの検出信号を、デジタルデータに変換する。
【００３８】
一実施形態において、データ処理部２３０は、Ａ／Ｄ変換部２２０から受信したデジタルデータを処理して、画像データを生成する。データ処理部２３０は、通信制御部２４０を介して、外部機器２０に画像データを送信してもよい。
【００３９】
他の実施形態において、データ処理部２３０は、Ａ／Ｄ変換部２２０から受信したデジタルデータを解析して、細胞１０の活動を制御するべく、刺激光１２及び励起光１４の照射条件を決定する。刺激光１２の照射条件としては、刺激光１２の波長、強度、照射位置、照射のタイミングなどを例示することができる。例えば、データ処理部２３０は、まず、細胞１０の活動を制御するべく、刺激光１２の波長を決定する。次に、刺激光１２、励起光１４及び蛍光１６の波長が異なるように、励起光１４の波長を決定する。本実施形態によれば、イメージセンサ１３０の空間分解能が向上しているので、刺激光１２の弁別能も向上する。
【００４０】
通信制御部２４０は、外部機器２０との通信を制御する。通信制御部２４０は、外部機器２０との無線通信を制御してもよい。通信制御部２４０は、各種の通信インターフェースであってよい。通信制御部２４０は、複数の通信方式に対応してよい。通信制御部２４０は、外部機器２０からの指示を、駆動制御部２１０又はデータ処理部２３０に送信してよい。これにより、例えば、外部機器２０からの指示に基づいて、駆動制御部２１０が刺激光用ＬＥＤ１１０又は励起光用ＬＥＤ１２０を制御して、刺激光１２又は励起光１４を出射する。
【００４１】
図３及び図４を用いて、観察光学系１５４について説明する。図３は、観察光学系１５４の上面図の一例を概略的に示す。図４は、観察光学系１５４の断面図の一例を概略的に示す。図４は、図３におけるＡ−Ａ'断面の一例を概略的に示す。
【００４２】
本実施形態において、観察光学系１５４は、アレイ状に配列された複数の光ファイバ３１２を有する。アレイ状に配列された複数の光ファイバ３１２の一端には、細胞１０が放出した光が入射する。複数の光ファイバ３１２は、一端における光の強度分布４２を、他端に転送する。
【００４３】
本実施形態において、観察光学系１５４を構成する光ファイバ３１２の少なくとも一部は、テーパ形状を有する。観察光学系１５４は、例えば、光ファイバの束を加熱及び伸張することで作製することができる。光ファイバ３１２は、イメージセンサ１３０側の端部における有効コア面積が、細胞１０側の端部における有効コア面積よりも大きくなるように、生体光双方向情報交換システム１００に組み込まれる。
【００４４】
これにより、観察光学系１５４のイメージセンサ１３０側の端部に転送された光により形成される像４６の大きさは、導波方向に沿って口径が変化しない光ファイバの束を利用した場合と比較して、大きくなる。その結果、空間分解能を向上させることができる。なお、本明細書において、「像」とは、「物体から出た光線が鏡又はレンズで反射又は屈折して生じる、その物体の形」を意味するだけではなく、光ファイバなどの光導波路の端面に現れた２次元の輝度分布をも意味する場合がある。
【００４５】
図５は、観察光学系５００の光軸方向に沿った断面図の一例を概略的に示す。本実施形態において、観察光学系５００は、転送光学系５１０と、拡大光学系５２０とを備える点で、観察光学系１５４と相違する。上記の相違点以外については、観察光学系１５４と同様の構成を有してよい。
【００４６】
本実施形態において、転送光学系５１０は、細胞１０からの光を、一端から他端に転送する。本実施形態において、転送光学系５１０は、アレイ状に配された複数の光ファイバ５１２を有する。なお、本実施形態において、光ファイバ５１２の口径は導波方向に沿って変化しないが、観察光学系１５４における光ファイバ３１２と同様にテーパ状の光ファイバが利用されてもよい。
【００４７】
本実施形態において、拡大光学系５２０は、転送光学系５１０のイメージセンサ１３０側の端部に転送された光により形成される像４４を拡大して結像する。本実施形態において、拡大光学系５２０は、レンズ５２４と、遮光筒５２６とを備え、イメージセンサ１３０の撮像面上に、像４４が拡大された像４６を結像させる。これにより、空間分解能を向上させることができる。なお、拡大光学系５２０のレンズ構成は、焦点が得られるものであればよく、特に限定されるものではない。レンズ５２４は、複数のレンズが積層されてなるレンズユニットであってもよい。拡大光学系５２０は、コリメータを有してもよい。遮光筒５２６の長さ又は拡大光学系５２０の光路長は特に限定されるものではないが、極力、短くすることが好ましい。
【００４８】
本実施形態において、転送光学系５１０、拡大光学系５２０及びイメージセンサ１３０が、観察対象の側から、この順に配される場合について説明した。しかしながら、観察光学系５００は本実施形態に限定されない。他の実施形態において、転送光学系５１０、拡大光学系５２０及びイメージセンサ１３０は、観察対象の側から、拡大光学系５２０、転送光学系５１０、イメージセンサ１３０の順に配されてもよい。
【００４９】
図６及び図７を用いて、生体光双方向情報交換システム１００の具体的な構造について説明する。図６は、生体光双方向情報交換システム１００の断面図の一例を概略的に示す。図７は、図６におけるＡ−Ａ'断面の一例を概略的に示す。図６及び図７は、図３及び図４に関連して説明した観察光学系１５４を、観察光学系として利用する場合における生体光双方向情報交換システム１００の一例を概略的に示す。
【００５０】
本実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００は、刺激光用ＬＥＤ１１０、励起光用ＬＥＤ１２０及びイメージセンサ１３０が実装される基板６１０を備える。本実施形態において、イメージセンサ１３０及び制御部１４０が同一基板上に配されたカメラモジュール７３０を備える。イメージセンサ１３０の側面には、遮光部材６３２が配される。また、イメージセンサ１３０及び観察光学系１５４の間に、光学フィルタ６２０が設けられる。なお、生体光双方向情報交換システム１００は、基板６１０を備えなくてもよい。また、光学フィルタ６２０は、観察光学系１５４の観察対象側に配されてもよい。
【００５１】
本実施形態において、照明光学系１５２は、複数の光ファイバ６５２と、複数の光ファイバ６５２から出射される光を細胞１０に向かって方向づけるレンズ６５４とを備える。光ファイバ６５２は、テーパ状であってよい。光ファイバ６５２は、アレイ状に配されてよい。照明光学系１５２は、光ファイバの代わりに又は光ファイバとともに、透明若しくは着色されたガラス素材又は結晶格子を有する素材を有してもよい。レンズ６５４は、ドーナツ状のフレネルレンズであってよい。フレネルレンズの厚みは特に限定されるものではないが、極力、薄いレンズを使用することが好ましい。これにより、照明光学系を小型軽量化することができる。
【００５２】
本実施形態において、照明光学系１５２は、観察光学系１５４の外周部に、遮光部材６６０を介して配される。本実施形態において、遮光部材６６０は着色ガラスであり、照明光学系１５２、観察光学系１５４及び遮光部材６６０は、同心円状に配される。また、照明光学系１５２、観察光学系１５４及び遮光部材６６０は、一体的に成形される。なお、照明光学系１５２の外周部にも、遮光部材が配されてよい。本実施形態において、照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、封止部材６４０上に接着剤などの接続部材を用いて直接接続される。
【００５３】
本実施形態において、照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、観察光学系１５４の観察対象側の面と、照明光学系１５２の観察対象側の面とが、同一平面上に配されるように構成される。しかしながら、照明光学系１５２及び観察光学系１５４は本実施形態に限定されない。他の実施形態において、照明光学系１５２及び観察光学系１５４は、観察光学系１５４の観察対象側の面が、照明光学系１５２の観察対象側の面から突出するように構成される。さらに他の実施形態において、観察光学系１５４の観察対象側の面は、照明光学系１５２の観察対象側の面から基板６１０側に後退した位置に配される。
【００５４】
本実施形態において、観察光学系１５４の大きさは、イメージセンサ１３０の有効撮像領域よりも大きくなるように設定される。観察光学系１５４を構成する光ファイバ３１２の直径は、イメージセンサ１３０を構成する受光素子の大きさよりも小さくなるように設定される。これにより、１つの受光素子が、複数の光ファイバ３１２からの射出された光を受光することができる。観察光学系１５４は、観察光学系１５４の細胞１０側の端部が、細胞１０の観察範囲７２に密着するように配される。本実施形態によれば、観察範囲７２における光の強度分布が、観察光学系１５４のイメージセンサ１３０側の端部に拡大して転送される。そして、観察光学系１５４から射出した光の一部が、励起光用ＬＥＤ１２０に入射する。なお、観察光学系１５４は本実施形態に限定されるものではない。
【００５５】
基板６１０の種類は、特に限定されるものではないが、ポリイミド基板などの配線基板であってよい。刺激光用ＬＥＤ１１０、励起光用ＬＥＤ１２０及びイメージセンサ１３０は、基板６１０上に直接実装されてもよく、他の部品を介して実装されてもよい。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０は、基板６１０の同一の面に実装されてよい。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０と、イメージセンサ１３０とは、基板６１０の同一の面に実装されてもよく、異なる面に実装されてもよい。
【００５６】
本実施形態において、基板６１０には、２つの刺激光用ＬＥＤ１１０と、１つの励起光用ＬＥＤ１２０とが実装される。例えば、細胞１０に、光感受性タンパク質であるチャネルロドプシン及びハロロドプシンが導入されている場合、チャネルロドプシン用の青色の刺激光、及び、ハロロドプシン用の橙色の刺激光が照射される。この場合、励起光として赤色の光を選択すると、細胞１０から赤外光が放出される。刺激光、励起光及び蛍光の波長領域が重複しないので、空間分解能力を向上させることができる。
【００５７】
刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の少なくとも一方から出射された光の光路上に、波長選択性を有するフィルタが配されてもよい。例えば、波長選択性を有するフィルタは、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の少なくとも一方の出射面上に配される。照明光学系１５２が、波長選択性を有するフィルタを有してもよい。
【００５８】
光学フィルタ６２０は、細胞１０から放出される光の透過率が、刺激光１２及び励起光１４の透過率よりも大きくなるように選択される。これにより、刺激光１２及び励起光１４がイメージセンサ１３０に入射することを抑制できる。封止部材６４０は、刺激光用ＬＥＤ１１０、励起光用ＬＥＤ１２０、イメージセンサ１３０及び光学フィルタ６２０を封止する。封止部材６４０の材料は特に限定されない。
【００５９】
本実施形態において、生体光双方向情報交換システム１００が、２つの刺激光用ＬＥＤ１１０と、１つの励起光用ＬＥＤ１２０とを有する場合について説明した。しかしながら、生体光双方向情報交換システム１００は本実施形態に限定されない。刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０の個数は任意であり、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０は、任意の位置に配置されてよい。
【００６０】
本実施形態において、Ａ−Ａ'断面における照明光学系１５２の外形がドーナツ状であり、Ａ−Ａ'断面における観察光学系１５４の外形が円形である場合について説明した。しかしながら、照明光学系１５２及び観察光学系１５４は本実施形態に限定されない。照明光学系１５２及び観察光学系１５４の外形は、任意の形状を有してよい。
【００６１】
図８は、生体光双方向情報交換システム８００の断面図の一例を概略的に示す。生体光双方向情報交換システム８００は、生体光双方向情報交換システム１００において、観察光学系１５４の代わりに、観察光学系５００を利用する場合の一例を概略的に示す。その他の点については、生体光双方向情報交換システム１００と同様の構成を有してよい。生体光双方向情報交換システム１００と同様の構成については、生体光双方向情報交換システム１００と同様の符号を付して、説明を省略する。
【００６２】
本実施形態において、生体光双方向情報交換システム８００は、刺激光用ＬＥＤ１１０と、励起光用ＬＥＤ１２０と、イメージセンサ１３０と、光学フィルタ６２０と、転送光学系５１０と、拡大光学系５２０と、基板８１０と、照明光学系８５０と、遮光部材８６０とを備える。本実施形態において、基板８１０には、基板８１０を貫通する開口が形成される。転送光学系５１０は、基板８１０に形成された開口の内部に配される。基板８１０の一方の面には、刺激光用ＬＥＤ１１０及び励起光用ＬＥＤ１２０が実装される。基板８１０の他方の面には、イメージセンサ１３０が、拡大光学系５２０及び光学フィルタ６２０を介して実装される。
【００６３】
本実施形態において、照明光学系８５０は、複数の光ファイバ８５２と、複数の光ファイバ８５２から出射される光を細胞１０に向かって方向づけるレンズ８５４とを備える。光ファイバ８５２は、導波方向に沿って同一の口径を有してよい。レンズ８５４は、ドーナツ状のフレネルレンズであってよい。フレネルレンズの厚みは特に限定されるものではないが、極力、薄いレンズを使用することが好ましい。これにより、照明光学系を小型軽量化することができる。また、本実施形態において、照明光学系８５０は、転送光学系５１０の外周部に、遮光部材８６０を介して配される。遮光部材８６０としては、着色ガラスなどを例示することができる。転送光学系５１０の長さは、照明光学系８５０の長さよりも長くてもよい。
【００６４】
本実施形態において、照明光学系８５０及び転送光学系５１０は、転送光学系５１０の観察対象側の面と、照明光学系８５０の観察対象側の面とが、同一平面上に配されるように構成される。しかしながら、照明光学系８５０及び転送光学系５１０は本実施形態に限定されない。他の実施形態において、照明光学系８５０及び転送光学系５１０は、転送光学系５１０の観察対象側の面が、照明光学系８５０の観察対象側の面から突出するように構成される。さらに他の実施形態において、転送光学系５１０の観察対象側の面は、照明光学系８５０の観察対象側の面から基板８１０側に後退した位置に配される。
【００６５】
本実施形態において、生体光双方向情報交換システム８００が、転送光学系５１０及び拡大光学系５２０を有する場合について説明した。しかしながら、生体光双方向情報交換システム８００は本実施形態に限定されない。他の実施形態において、生体光双方向情報交換システム８００は、転送光学系５１０又は拡大光学系５２０を備えなくてもよい。また、転送光学系５１０の代わりに単一の光導波路が用いられてもよい。
【００６６】
図９は、生体光双方向情報交換システム９００の断面図の一例を概略的に示す。生体光双方向情報交換システム９００は、生体光双方向情報交換システム８００において、転送光学系５１０を省略する場合の一例を概略的に示す。その他の点については、生体光双方向情報交換システム１００又は生体光双方向情報交換システム８００と同様の構成を有してよい。生体光双方向情報交換システム８００と同様の構成については、生体光双方向情報交換システム８００と同様の符号を付して、説明を省略する。本実施形態において、拡大光学系５２０は、基板８１０に形成された開口の内部に配される。
【００６７】
本実施形態において、照明光学系８５０及び拡大光学系５２０は、拡大光学系５２０の観察対象側の面と、照明光学系８５０の観察対象側の面とが、同一平面上に配されるように構成される。しかしながら、照明光学系８５０及び拡大光学系５２０は本実施形態に限定されない。他の実施形態において、照明光学系８５０及び拡大光学系５２０は、拡大光学系５２０の観察対象側の面が、照明光学系８５０の観察対象側の面から突出するように構成される。さらに他の実施形態において、拡大光学系５２０の観察対象側の面は、照明光学系８５０の観察対象側の面から基板８１０側に後退した位置に配される。
【００６８】
図１０は、生体光双方向情報交換システム１０００の断面図の一例を概略的に示す。生体光双方向情報交換システム１０００は、生体光双方向情報交換システム１００において、照明光学系１５２及び観察光学系１５４の代わりに、生体光双方向情報交換システム９００の照明光学系８５０及び拡大光学系５２０を利用する場合の一例を概略的に示す。その他の点については、生体光双方向情報交換システム１００、又は生体光双方向情報交換システム９００と同様の構成を有してよい。生体光双方向情報交換システム１００又は生体光双方向情報交換システム９００と同様の構成については、生体光双方向情報交換システム１００と同様の符号を付して、説明を省略する。
【００６９】
本実施形態において、拡大光学系５２０の観察対象側の面は、照明光学系８５０の観察対象側の面から基板８１０側に後退した位置に配される。また、レンズ８５４は、光ファイバ８５２から出射される光を、照明光学系８５０の中心方向に向かって方向づける（図中の矢印８０を参照）。これにより、照明光学系８５０は、観察対象に対して、観察対象の側方又は斜め上方から光を照射することができる。
【００７０】
なお、他の実施形態において、照明光学系８５０及び拡大光学系５２０は、拡大光学系５２０の観察対象側の面と、照明光学系８５０の観察対象側の面とが、同一平面上に配されるように構成されてもよい。また、照明光学系８５０及び拡大光学系５２０は、拡大光学系５２０の観察対象側の面が、照明光学系８５０の観察対象側の面から突出するように構成されてもよい。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、技術的に矛盾しない範囲において、特定の実施形態について説明した事項を、他の実施形態に適用することができる。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７２】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１０  細胞、１２  刺激光、１４  励起光、１６  蛍光、２０  外部機器、４２  強度分布、４４  像、４６  像、７２  観察範囲、８０  矢印、１００  生体光双方向情報交換システム、１１０  刺激光用ＬＥＤ、１２０  励起光用ＬＥＤ、１３０  イメージセンサ、１４０  制御部、１５０  光学系、１５２  照明光学系、１５４  観察光学系、２１０  駆動制御部、２２０  Ａ／Ｄ変換部、２３０  データ処理部、２４０  通信制御部、３１２  光ファイバ、５００  観察光学系、５１０  転送光学系、５１２  光ファイバ、５２０  拡大光学系、５２４  レンズ、５２６  遮光筒、６１０  基板、６２０  光学フィルタ、６３２  遮光部材、６４０  封止部材、６５２  光ファイバ、６５４  レンズ、６６０  遮光部材、７３０  カメラモジュール、８００  生体光双方向情報交換システム、８１０  基板、８５０  照明光学系、８５２  光ファイバ、８５４  レンズ、８６０  遮光部材、９００  生体光双方向情報交換システム、１０００  生体光双方向情報交換システム
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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