WO2021132395A1 - Microscope and cell culture device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a microscope and a cell culture device.
- the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-233715 filed in Japan on December 25, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
- a multi-layer culture vessel which is a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are laminated, may be used.
- the multi-layer culture vessel about 10 observation surfaces are laminated, and all layers have a total thickness of about 20 cm.
- it is necessary to acquire microscopic images of cells In the acquisition of microscopic images of cells cultured in a multi-layer culture vessel, there is no technique for efficiently observing cells by quickly focusing on all observation surfaces. Therefore, the current situation is that the state of cells existing in all layers is estimated based on the number of cells and morphological information in the lowermost layer of the multi-layer culture vessel.
- Patent Document 1 An observation device for observing an object to be observed in a multi-layer culture vessel is known (Patent Document 1).
- the observation device described in Patent Document 1 has an accommodating portion for accommodating a movable trolley on which a multi-layer culture container containing a plurality of trays is mounted, and an optical system, and outputs an image formed by the optical system.
- a trolley equipped with an imaging device and a multi-layer culture container is mounted in a storage portion
- the observed object on each tray of the multi-layer culture container is the light of the imaging device with the multi-layer culture container mounted on the trolley. Placed on the axis.
- the image pickup device and the illumination device are provided so that the optical axes of the image pickup device and the illumination device intersect the bottom surface of the tray of the multilayer culture vessel at an angle in the range of 40 to 50 degrees.
- the device is placed to observe all trays of the multilayer culture vessel. In this way, when observing from an angle with respect to the bottom surface of the tray of the multilayer culture container, the image of the object to be observed in each tray is distorted as compared with the case of observing from the direction perpendicular to the bottom surface of the tray.
- One aspect of the present invention is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and is an optical axis between an objective lens, an imaging lens, and the objective lens and the imaging lens.
- One aspect of the present invention is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and is an optical axis between an objective lens, an imaging lens, and the objective lens and the imaging lens.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a transmission microscope 1 according to the present embodiment.
- the transmission microscope 1 is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked.
- the transmission type microscope 1 includes an illumination optical system having a light source 3, a condenser lens 4, a field aperture 5, an aperture aperture 6, a condenser lens 7, and a first reflecting mirror 8, an objective lens 10, and optics. It has a member 11, a second reflecting mirror 12, and an imaging optical system including an imaging lens 13. Then, the transmission microscope 1 can take an image of the observation surface of the multilayer culture apparatus 2 placed on the stage 9 by the imaging apparatus 14.
- the multi-layer culture device 2 includes a culture container 20, and the culture container 20 is configured by stacking a plurality of trays.
- the transmission microscope 1 observes and images the cells to be cultured in each tray constituting the culture vessel 20.
- the culture vessel 20 the bottom surfaces of the stacked trays serve as observation surfaces. That is, the culture container 20 is a multi-layer culture container in which a plurality of observation surfaces are laminated.
- the culture container 20 has 10 layers of trays, that is, observation surfaces O stacked on top of each other, and has a thickness of about 20 cm.
- each layer of the culture vessel 20 will be referred to as a first layer, a second layer, a third layer, and the like in the order in which they are laminated.
- the bottom layer is the first layer
- the top layer is the tenth layer.
- layers other than the uppermost layer and the lowermost layer may be referred to as an intermediate layer.
- observation surface O1 the observation surface corresponding to the first layer
- observation surface O2 the observation surface corresponding to the second layer
- observation surface O2 the observation surface corresponding to the i-th layer
- the current observation surface may be referred to as an observation surface Oj. That is, the observation surface Oj is an observation surface in which the focal positions are aligned among the plurality of observation surfaces O.
- FIG. 1 shows a state in which the observation surface O5 corresponding to the intermediate layer, which is the fifth layer, is observed as the observation surface Oj.
- the observation surface O5 corresponding to the 5th layer is used as the focusing reference surface.
- the focusing reference plane is a plane that serves as a focusing reference for the culture vessel 20.
- the objective lens 10 moves relative to the stage 9 on the optical axis indicated by the alternate long and short dash line in the figure, so that the focal position is aligned with the focusing reference plane.
- the observation surface of any layer other than the fifth layer of the culture vessel 20 on the focusing reference surface may be used.
- the illumination light from the light source 3 passes through the condenser lens 4 and the condenser lens 7 and becomes a substantially parallel luminous flux.
- the illumination light that has become a parallel luminous flux is reflected by the first reflecting mirror 8 and illuminates the cells on the observation surface Oj.
- the cells on the observation surface Oj are cells to be cultured on the tray corresponding to the observation surface Oj among the trays of each layer of the culture vessel 20.
- a field diaphragm 5 is provided at a position conjugate with the observation surface Oj, and an aperture diaphragm 6 is provided at a position conjugate with the light source 3.
- the light from the observation surface Oj is focused by the objective lens 10 to become a substantially parallel luminous flux.
- the light from the observation surface Oj which has become a parallel luminous flux, passes through the optical member 11 and is then reflected by the second reflecting mirror 12 and incident on the imaging lens 13.
- the light from the observation surface Oj is focused on the image formation surface 15 by the imaging lens 13, and a magnified image of the observation surface Oj is formed.
- the imaging device 14 is provided at a position where the imaging surface 15 can be imaged.
- the enlarged image of the observation surface Oj imaged by the image pickup apparatus 14 is observed by a monitor (not shown).
- the optical member 11 is arranged on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13.
- the optical member 11 includes various lenses and has a variable focal length. That is, the optical member 11 is arranged on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13, and the focal length is variable. Then, the working distance WD is changed by changing the focal length of the optical member 11.
- the transmission microscope 1 when observing the observation surface O10 corresponding to the tenth layer, which is the uppermost layer, from the working distance Wmax when observing the observation surface O1 corresponding to the first layer, which is the lowest layer, in the working distance WD.
- the working distance can be changed in the range up to Wmin.
- the illumination optical system illuminates from below the stage 9, and the imaging optical system including the objective lens 10 is provided above the stage 9, but the illumination optics with respect to the stage. Needless to say, it can be configured as a so-called inverted microscope in which the system and the imaging optical system are exchanged.
- FIG. 2 is a diagram showing a configuration including an example of the microscope optical system 30 according to the present embodiment.
- the microscope optical system 30 is the same as the transmission type microscope 1 shown in FIG. 1, but for the sake of simplicity, the first reflecting mirror 8 and the second reflecting mirror 12 are not included as a developed optical path diagram. It is shown.
- the optical member 11 includes various lenses.
- the lens included in the optical member 11 is called a conversion lens Gv.
- the focal length of the optical member 11 is the focal length of the conversion lens Gv.
- the optical member 11 is arranged between the objective lens 10 and the imaging lens 13 on the optical axis 31.
- FIG. 2A shows a state of a reference position of the working distance WD 0 for observing the intermediate layer among the 10 layers of the culture vessel 20, and in this reference state, the optical member 11 is arranged in the optical path. Absent.
- FIG. 2B shows a state in which the upper layer of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the negative lens Gv1 is inserted as the conversion lens Gv on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13.
- the working distance WD 1 is larger than the working distance WD 0 in the case of the intermediate layer.
- FIG. 2C shows a state in which the lower layer of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the positive lens Gv2 is on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13 as the conversion lens Gv.
- the working distance WD 2 is smaller than the working distance WD 0 in the reference state.
- the focal length of the conversion lens is switched between negative and positive for the observation of the upper layer and the lower layer with the reference state as the intermediate layer, but the reference position is set as the lower layer and the conversion lens Gv is used. It is possible to observe the upper layer portion by sequentially shortening the negative focal length of a certain negative lens Gv1, that is, gradually increasing the negative refractive power. It is also possible to observe the lower layer portion by gradually shortening the positive focal length of the positive lens Gv2, which is the conversion lens Gv, that is, gradually increasing the positive refractive power with the reference position as the upper layer.
- the focal length (that is, the refractive force) of the conversion lens located on the image side of the objective lens 10 is changed, the working distance WD changes and the combined focal length of the objective lens 10 and the optical member 11 (that is, the conversion lens Gv) is changed. Since the distance also changes, the imaging magnification of the microscope changes. Then, the size of the image of each layer of the trays stacked in multiple layers in the culture vessel 20 will be different from each other due to the change of the working distance WD. That is, the imaging magnification changes, and therefore the observation field of view and the size of the image of the test object also change, which may be very inconvenient and cause a big problem for comparative examination of each layer.
- the imaging magnification ⁇ of the transmission type microscope 1 composed of the objective lens 10 and the imaging lens 13 is as follows, assuming that the focal length of the objective lens 10 is the focal length f 1 and the focal length of the imaging lens 13 is the focal length f 2. It is given by the equation (1) of.
- the combined focal length f of the two lenses when a second lens (here, the conversion lens Gv of the focal length fv) is added as the objective lens is the distance d between the objective lens 10 and the conversion lens Gv. Then, it is expressed by the following equation (2).
- the conversion lens Gv for making the working distance WD as a microscope objective lens variable is arranged on the image side focal position of the objective lens 10, that is, on the optical axis of the rear focal plane F of the objective lens 10, it operates. Even when the distance WD is changed, the combined focal distance f between the objective lens 10 and the conversion lens Gv does not change, and as a result, the imaging magnification ⁇ as a microscope is kept constant.
- FIG. 3 (A) shows a state of a reference position at a working distance of WD 0 for observing the intermediate layer of 10 layers of the culture vessel 20.
- FIG. 3B shows a state in which the upper layer of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the negative lens Gv 1 as the conversion lens Gv is on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13. Inserted, the working distance WD 1 is larger than the working distance WD 0 in the case of the intermediate layer.
- FIG. 3 (A) shows a state of a reference position at a working distance of WD 0 for observing the intermediate layer of 10 layers of the culture vessel 20.
- FIG. 3B shows a state in which the upper layer of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the negative lens Gv 1 as the conversion lens Gv is on the optical axis between the objective lens 10 and the imaging lens 13. Inserted, the working distance WD 1 is larger than the working distance WD 0 in the case of the intermediate layer.
- both the negative lens Gv 1 and the positive lens Gv 2 as the conversion lens Gv are arranged on the rear focal point of the objective lens 10, that is, on the optical axis of the rear focal plane F of the objective lens.
- the combined focal distance between the objective lens 10 and the conversion lens Gv is maintained constant, and the magnification as a microscope is maintained constant.
- FIG. 4 is a configuration diagram showing an outline of an optical path and an apparatus of an optical system according to a second embodiment.
- the optical member 11 includes a turret T.
- a plurality of lenses L having different focal lengths are housed in the turret T. That is, the optical member 11 includes a plurality of lenses L having different focal lengths.
- the control device 40 is, for example, a computer and includes a control unit 41.
- the control unit 41 on the optical axis 31 of the plurality of lenses L, by switching the lens disposed at the focal position of the objective lens 10 changes the focal length f v of the optical member 11.
- the control unit 41 retracts a lens other than the lens arranged on the optical axis 31 among the plurality of lenses L from the optical axis 31.
- a positive lens among the plurality of lenses L is arranged on the optical axis 31.
- the control unit 41 is an example of a working distance changing unit. That is, the control unit 41 changes the working distance WD of by changing the focal length f v of the optical member 11 from the viewing plane Oj of the plurality of the observation plane O to the objective lens 10.
- the control unit 41 performs various controls on the microscope optical system 30 in addition to the control of the optical member 11 described above.
- Various controls performed by the control unit 41 include, for example, adjusting the brightness of the light source 3, moving the stage 9, minute movement of the objective lens 10 for focusing in the optical axis direction, and the optical axis of the imaging lens 13. Includes minute movements in the direction.
- the imaging magnification can be kept constant even when the working distance is arbitrarily changed.
- the basic configuration for this is to arrange the conversion lens Gv for changing the working distance at the rear focal position (rear focal plane F) of the objective lens 10.
- the focal position of the objective lens 10 is generally an important position as the pupil position of the microscope optical system, and in particular, in a phase-contrast microscope or a differential interference microscope, an optical element such as a special aperture or a prism is arranged. Therefore, in the second embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the conversion lens Gv is arranged at the rear focal position (rear focal plane F) of the objective lens 10, so that special microscopic observation such as phase difference can be performed. It's difficult to do it right.
- FIG. 5 is a schematic optical path diagram showing a configuration in which the working distance is variable according to the third embodiment. Also in this optical path diagram, as in FIG. 3, for simplification of explanation, the first reflecting mirror 8 and the second reflecting mirror 12 are not included in the microscope optical system 30 and are shown as a developed optical path diagram. ing. Members having the same functions as those in FIG. 3 are designated by the same symbols.
- FIG. 5A shows a state of a reference position at a working distance of WD 0 in order to observe the intermediate layer of 10 layers of the culture vessel 20.
- the optical member 11 is not arranged in the optical path.
- FIG. 5B shows a state in which the upper layer of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the conversion lens Gv1 having the negative lens element and the positive lens element in order from the object side is the objective lens 10 and the imaging lens. It is inserted on the optical axis between 13 and 13.
- FIG. 5C shows a state in which the lower layer portion of the 10 layers of the culture vessel 20 is observed, and the conversion lens Gv2 having the positive lens element and the negative lens element is connected to the objective lens 10 in order from the object side. It is inserted on the optical axis between the image lens 13 and the image lens 13.
- the conversion lens Gv1 is arranged on the object side of the rear focal plane F of the objective lens 10, but the combination of the negative lens element and the positive lens element is important. Therefore, the composite main point H as the conversion lens Gv1 coincides with the rear focal plane F of the objective lens 10.
- the conversion lens Gv2 is arranged on the image side of the rear focal plane F of the objective lens 10, but is converted by the combination of the positive lens element and the negative lens element. The combined principal point H as the lens Gv2 coincides with the rear focal plane F of the objective lens 10.
- the rear focal position of the objective lens 10 that is, the image side pupil of the microscope
- the imaging magnification as a microscope constant by the conversion lens can be arbitrarily changed while maintaining the imaging magnification as a microscope constant by the conversion lens.
- a space can be provided at the position, and advanced observation such as phase difference and differential interference contrast is possible.
- FIG. 6 is a configuration diagram showing an outline of an optical path and an apparatus of an optical system according to a third embodiment.
- the control device 40 is, for example, a computer and includes a control unit 41.
- Control unit 41 by switching the lens disposed on the optical axis 31 of the plurality of lenses L, it changes the focal length f v of the optical member 11.
- the control unit 41 retracts a lens other than the lens to be arranged on the optical axis 31 among the plurality of lenses L from the optical axis 31.
- the lens L1-1 of the plurality of lenses L is arranged on the optical axis 31.
- the control unit 41 is an example of a working distance changing unit. That is, the control unit 41 changes the working distance WD of by changing the focal length f v of the optical member 11 from the viewing plane Oj of the plurality of the observation plane O to the objective lens 10.
- the plurality of lenses L housed in the front turret T1 and the rear turret T2 are all arranged on the optical axis 31. Not done.
- the control unit 41 performs various controls on the microscope optical system 30 in addition to the control of the optical member 11 described above.
- the various controls performed by the control unit 41 include, for example, adjustment of the brightness of the light source 3, movement of the stage 9, movement of the objective lens 10 in the optical axis direction, movement of the imaging lens 13 in the optical axis direction, and the like. ..
- FIG. 7 is a perspective view showing an example of the turret according to the present embodiment.
- the front turret T1 and the rear turret T2 are arranged in two rows so as to overlap in the direction of the optical axis 31.
- the front turret T1 includes a plurality of storage portions H1.
- the front turret T1 includes a storage unit H1-1, a storage unit H1-2, a storage unit H1-3, a storage unit H1-4, a storage unit H1-5, and a storage unit H1-6 as a plurality of storage units H1. ..
- the plurality of storage portions H1 are arranged and provided in a circular shape.
- the rear turret T2 includes a plurality of storage portions H2.
- the rear turret T2 includes a storage unit H2-1, a storage unit H2-2, a storage unit H2-3, a storage unit H2-4, a storage unit H2-5, and a storage unit H2-6 as a plurality of storage units H2. ..
- the plurality of storage portions H2 are arranged and provided in a circular shape.
- the plurality of storage portions H1 and the plurality of storage portions H2 include a storage portion in which the lens L is stored and a storage portion in which the lens L is not stored.
- the plurality of lenses L housed in the plurality of storage portions have different focal lengths from each other.
- the storage unit H1-1, the storage unit H1-2, the storage unit H1-3, the storage unit H1-4, and the storage unit H1-5 A lens L1-1, a lens L1-2, a lens L1-3, a lens L1-4, and a lens L1-5 having different synthetic focal lengths are housed in each.
- the lens L is not stored in the storage unit H1-6.
- the storage unit H2-1, the storage unit H2-2, the storage unit H2-3, and the storage unit H2-4 have lenses L2- with different synthetic focal lengths. 1. Lens L2-2, lens L2-3, and lens L2-4 are stored respectively.
- the lens L is not stored in the storage unit H2-5 and the storage unit H2-6.
- the number of the plurality of lenses L housed in the front-stage turret T1 and the rear-stage turret T2 is nine as an example.
- the front turret T1 and the rear turret T2 overlap in the direction of the optical axis 31 and are arranged in two rows. That is, the positions of the front turret T1 and the rear turret T2 in the optical axis direction are different from each other.
- the plurality of lenses L are divided into two sets depending on whether they are housed in either the front turret T1 or the rear turret T2 whose positions in the optical axis direction are different from each other. Therefore, the plurality of lenses L are provided in a plurality of sets having different positions in the optical axis direction.
- the front turret T1 and the rear turret T2 rotate under the control of a rotation drive unit (not shown).
- This rotation drive unit is controlled by the control unit 41.
- the front turret T1 and the rear turret T2 rotate to rotate the lens L1-1, the lens L1-2, the lens L1-3, the lens L1-4, the lens L1-5, the lens L2-1, and the lens L2-2.
- Lens L2-3, and lens L2-4 are arranged on the optical axis 31. That is, the front turret T1 and the rear turret T2 are controlled by the control unit 41 to switch the lens arranged on the optical axis 31 among the plurality of lenses L.
- the front turret T1 and the rear turret T2 are examples of the lens switching unit. That is, in the present embodiment, the lens switching unit is a turret.
- the control unit 41 retracts the lenses other than the lens L arranged on the optical axis 31 from the optical axis 31 among the plurality of lenses L housed in the turret in which the lens L arranged on the optical axis 31 is stored. Let me. Further, the control unit 41 moves the storage unit in which the lens of the other turret is not stored to a position on the optical axis 31, so that the plurality of lenses L stored in the other turret are retracted from the optical axis 31. Let me.
- the lens L1-1 housed in the storage part H1-1 of the front turret T1 is arranged on the optical axis 31, and the storage part H2-6 in which the lens of the rear turret T2 is not stored is the optical axis. It is arranged on 31.
- the light beam enters the lens L1-1 at the position of the front turret T1 and passes through the hole of the accommodating portion H2-6 at the position of the rear turret T2.
- FIG. 8 is a diagram showing an example of an imaging process according to the present embodiment.
- the observation surface Oj is set as the focusing reference surface by the control unit 41.
- the focusing reference plane is the observation plane O6 corresponding to the sixth layer of the culture vessel 20 as described above.
- none of the plurality of lenses L housed in the front turret T1 and the rear turret T2 is arranged on the optical axis 31.
- Step S10 The control unit 41 sets the first observation surface to start imaging.
- the control unit 41 sets the first observation surface to start observation based on a predetermined order.
- the predetermined order is, for example, the order from the 10th layer, which is the uppermost layer of the culture vessel 20, to the 1st layer, which is the lowest layer.
- the control unit 41 stores the information indicating the set observation surface in the storage unit 42 as the observation surface information.
- the control unit 41 stores the culture container information, which is information indicating the type of the culture container 20, in the storage unit 42.
- This culture container information includes information indicating a lens for focusing on the observation surface O corresponding to each layer of the culture container 20, depending on the type of the culture container 20.
- the information indicating the lens includes, for example, the focal length of the lens.
- the culture container information is input to the control device 40 from the operation unit (not shown), for example, by the user of the transmission microscope 1.
- the control unit 41 acquires the input culture container information.
- the culture container information includes information indicating a predetermined order for observing the observation surface O corresponding to each layer of the culture container 20.
- the lenses L housed in the front turret T1 and the rear turret T2 may be replaced in step S10.
- Step S20 The control unit 41 changes the lens L arranged on the optical axis 31 to a desired lens according to the set observation surface Oj.
- the control unit 41 selects a lens to be arranged on the optical axis 31 among a plurality of lenses L housed in the front turret T1 and the rear turret T2 based on the culture container information stored in the storage unit 42.
- the control unit 41 rotates the front turret T1 via the rotation drive unit and rotates the rear turret T2 via the rotation drive unit according to the lens L to be arranged, and arranges the lens L on the optical axis 31. change.
- Step S30 The control unit 41 determines whether or not the observation surface Oj is in focus.
- focusing means that the focal position of the optical system of the objective lens 10 and the conversion lens Gv included in the optical member 11 coincides with the position of the observation surface Oj.
- the control unit 41 executes the process of step S40.
- the control unit 41 executes the process of step S60.
- Step S40 The control unit 41 causes the imaging device 14 to perform imaging.
- the imaging is to generate an image (captured image) of the subject based on the light detected by the image pickup device on the imaging surface 15.
- Step S50 The control unit 41 determines whether or not all the observation surfaces from the observation surface O1 to the observation surface O10 have been photographed.
- the control unit 41 makes a determination based on, for example, a predetermined order indicated by the culture container information stored in the storage unit 42 and the observation surface information.
- the control unit 41 determines that the imaging of all the observation surfaces is completed (step S50; YES)
- the control device 40 ends the imaging process.
- the control unit 41 executes the process of step S70.
- Step S60 The control unit 41 adjusts the objective lens 10.
- the control unit 41 finely adjusts the objective lens 10 to bring the transmission microscope 1 into focus on the observation surface Oj. After that, the control unit 41 executes the process of step S40.
- Step S70 The control unit 41 sets the observation surface Oj.
- the control unit 41 sets the observation surface Oj based on, for example, a predetermined order indicated by the culture container information stored in the storage unit 42 and the observation surface information. After that, the control unit 41 executes the process of step S20 again. With the above, the control device 40 ends the imaging process.
- the microscope according to the present embodiment is a microscope for observing the culture vessel 20 in which a plurality of observation surfaces O are stacked, and is an objective lens. 10, an imaging lens 13, an optical member 11, and a working distance changing unit (control unit 41 in the present embodiment) are provided.
- the working distance WD can be easily changed according to the observation surface O, so that the culture container 20 in which a plurality of observation surfaces O are stacked can be easily observed. it can.
- the position of the principal point of the optical member 11 (in the present embodiment, the position of the negative lens Gv 1 and the positive lens Gv 2 which are conversion lenses Gv). ) Is arranged so as to coincide with the image-side focal position 32 of the objective lens 10.
- the imaging magnification ⁇ as a microscope can be maintained constant.
- the optical member 11 includes a plurality of first lenses (a plurality of lenses L in the present embodiment) having different focal lengths.
- the microscope includes a lens switching unit (front turret T1 and rear turret T2 in this embodiment).
- the lens switching unit (in the present embodiment, the front turret T1 and the rear turret T2) is controlled by the working distance changing unit (control unit 41 in the present embodiment) and has a plurality of lenses (in the present embodiment, a plurality of lenses).
- the second lens arranged on the optical axis 31 is switched.
- the lens switching unit (the front turret T1 and the rear turret T2 in the present embodiment) has a plurality of lenses (in the present embodiment, the transmission type microscope 1).
- a plurality of lenses L) are provided in a plurality of sets having different positions in the optical axis direction.
- the microscope according to the present embodiment since a plurality of lenses can be stacked and stored in the direction of the optical axis 31, the plurality of lenses are not divided into a plurality of sets having different positions in the optical axis direction. Therefore, a plurality of lenses can be compactly stored in the radial direction perpendicular to the optical axis 31.
- the plurality of lenses are a plurality of lens elements arranged on the same optical axis. (In this embodiment, it is composed of a negative lens element and a positive lens element).
- the types of focal length values of the plurality of first lenses can be increased as compared with the case where the lens is a single lens, so that the number of lenses is one. Compared with the case of a lens, it is easy to change the working distance WD according to the observation surface Oj.
- one lens switching portion in the present embodiment, the front turret T1 and the rear turret T2 is arranged on the optical axis 31.
- the composite principal point H of the plurality of lens elements in the present embodiment, the negative lens element and the positive lens element
- the microscope according to the present embodiment when the position of the lens on the optical axis 31 deviates from the position of the image-side focal length of the objective lens 10, even if the focal length of the lens is changed, the objective lens 10 and the objective lens 10 are used. Since the combined focal length f with a plurality of lenses can be made invariant, the working distance WD is changed when the position of the lens on the optical axis 31 deviates from the position of the image side focal length of the objective lens 10. However, the imaging magnification ⁇ of the transmission type microscope 1 can be kept constant.
- the lens switching unit is a turret (in the present embodiment, the front turret T1 and the rear turret T2).
- the second lens arranged on the optical axis 31 can be switched by rotating the turret, so that the focal length of the optical member 11 can be changed easily and quickly.
- the transmission microscope is equipped with an oblique light diaphragm, and oblique illumination is possible.
- the microscope according to this modification is referred to as a transmission microscope 1a, and the optical system of the transmission microscope 1a is referred to as a microscope optical system 30a.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope optical system 30a according to this modified example. Comparing the microscope optical system 30a (FIG. 9) according to the present modification with the microscope optical system 30 (FIG. 6) according to the third embodiment, the difference is that the oblique light diaphragm 60a is provided.
- the functions of the other components are the first implementation. It is the same as the form. The description of the same function as that of the first embodiment is omitted, and in this modified example, a part different from that of the third embodiment will be mainly described.
- the oblique light diaphragm 60a is provided at the position of the aperture diaphragm 6 as an example, and has an aperture at a peripheral portion outside the optical axis.
- the oblique light diaphragm 60a has, for example, a disk-shaped opening 600a on an arc that transmits light and a light-shielding portion 601a that blocks light.
- the opening 600a is formed in an arc shape having a central angle of 90 degrees.
- the width of the opening 600a is, for example, 1 millimeter.
- the observation surface Oj can be illuminated obliquely, and so-called oblique illumination is performed. This illumination method enables observation of finer patterns.
- the oblique light diaphragm 60a is controlled by the control unit 41a and, as an example, rotates every 90 degrees around the optical axis passing through the light source and the subject.
- the position of the opening 600a rotates every 90 degrees around the optical axis passing through the light source and the subject. That is, the oblique light diaphragm 60a can rotate the position of the opening 600a around the optical axis passing through the light source and the subject.
- the oblique light diaphragm 60a can rotate the position of the opening 600a by a predetermined angle around the optical axis passing through the light source and the subject. By rotating the position of the opening 600a, the incident direction of the oblique illumination light can be changed.
- the oblique light diaphragm 60a is rotated by the control unit 41a to change the incident angle of the illumination light by 90 degrees, and an image of a cell as a subject is imaged.
- the image processing unit provided in the image pickup apparatus 14 synthesizes a plurality of captured images captured by changing the incident angle by 90 degrees to generate one captured image.
- the contrast is higher than in the case where the plurality of captured images are not combined.
- the bandpass filter can be arranged at or near the position of the aperture diaphragm 6.
- a bandpass filter is a filter that transmits long-wavelength light and does not transmit short-wavelength light, where long-wavelength and short-wavelength are, for example, in cells by cutting wavelengths shorter than 660 nanometers. It is possible to remove noise light that is likely to occur. Specifically, it is possible to reduce the diffraction and scattering of the irradiation light applied to the cells that are the subject, and it is possible to improve the image quality of the captured image.
- the bandpass filter in this modification is an example, and the bandpass filter is not limited to this, and the bandpass filter may be a bandpass filter having a center of 625 nm and a bandwidth of about 20 nm. It can also be used in combination with the above-mentioned light-shielding plate for oblique lighting. Further, instead of the bandpass filter, a light-shielding plate may be arranged at or near the position of the aperture diaphragm 6.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope optical system 30b according to this modified example. Comparing the microscope optical system 30b (FIG. 10) according to the present modification with the microscope optical system 30 (FIG. 6) according to the first embodiment, the first phase ring 70b and the second phase ring 71b are provided. The difference is that they are.
- the functions of the other components are the same as those of the third embodiment. The description of the same function as that of the third embodiment is omitted, and in this modification, different parts will be mainly described.
- the first phase ring 70b is provided at the position of the opening diaphragm 6 in the lighting system and has a ring-shaped opening.
- the second phase ring 71b is arranged on the optical axis 31 in the imaging system at a position conjugate with the position of the aperture diaphragm 6, specifically, at the position of the rear focal point of the objective lens 10.
- the image-side focal position 32 of the objective lens 10 is also the pupil position of the objective lens 10.
- the second phase ring 71b has an opening having the same shape as the opening of the first phase ring 70b.
- the second phase ring 71b provides a predetermined phase difference and transmittance characteristics.
- the vicinity of the pupil position includes a range in which the second phase ring 71b gives a predetermined phase difference and transmittance characteristics even when the second phase ring 71b deviates from the pupil position.
- the conjugate relationship between the first phase ring 70b provided at the position of the aperture diaphragm 6 in the illumination system and the second phase ring 71b provided at the pupil position of the objective lens 10 deviates to some extent, the position is high in the case of low magnification. Phase difference observation is possible. Further, in FIG. 10, for the sake of simplicity, the two phase rings 70 and the phase ring 71 are shown as having substantially the same size, but as long as the conjugate relationship with each other is maintained, the sizes may change as appropriate according to the magnification. Needless to say, is necessary.
- phase-contrast observation is possible by providing a phase ring (first phase ring 70b and second phase ring 71b).
- phase difference observation even if the observation target is a transparent sample, it is possible to observe a clear image due to the difference in refractive index.
- the focal length of the optical member 11 is determined by exchanging the lens arranged on the optical axis among the plurality of lenses housed in the turret. That is, the working distance WD was changed by changing the refractive power).
- the optical member 11 itself as a conversion lens has a variable focal length lens, and the working distance is changed according to a change in the focal length of the variable focal length lens.
- the microscope according to this embodiment is referred to as a transmission microscope 1c, and the optical system of the transmission microscope 1c is referred to as a microscope optical system 30c.
- FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope optical system 30c according to the present embodiment. Comparing the microscope optical system 30c (FIG. 11) according to the present embodiment with the microscope optical system 30 (FIG. 2) according to the first embodiment, the optical members 11c are different. Here, the functions of the other components are the same as those of the first embodiment. The description of the same function as that of the first embodiment is omitted, and in this embodiment, a part different from that of the first embodiment will be mainly described.
- the optical member 11c includes a varifocal lens 80c and a voltage application unit (not shown).
- the varifocal lens 80c is a lens whose focal length is changed based on the voltage applied by the voltage application unit, and is installed at the position of the image-side focal plane F of the objective lens 10 on the optical axis 31. Therefore, based on the above-mentioned principle, even if the focal length of the varifocal lens 80c is changed, the imaging magnification ⁇ of the transmission microscope according to the present embodiment does not change.
- the varifocal lens 80c is a liquid crystal lens as an example, and changes the refractive index by changing the angle of the crystal of the liquid crystal according to the magnitude of the voltage applied to the liquid crystal, and as a result, the focal length is changed. ..
- the variable focus lens 80c is an example of a variable refractive power lens, and can be a liquid lens such as a liquid crystal lens.
- the varifocal lens 80 is displayed as a biconcave negative lens, but it may be a negative lens or a positive lens. If the focal length is variable, the working distance WD can be changed within the variable range, as described above in FIG. 2 and the like.
- the voltage application unit applies a voltage to the varifocal lens 80c by applying an electric signal to the varifocal lens 80c to switch the refractive power of the varifocal lens 80c.
- the voltage application unit is an example of the refractive power conversion means.
- the voltage applied by the voltage application unit to the varifocal lens 80c is controlled by the control unit 41c. That is, the control unit 41c changes the focal length (that is, the refractive power) of the varifocal lens 80c depending on the voltage application unit.
- the control unit 41c is an example of a working distance changing unit.
- the value of the voltage applied to the varifocal lens 80c is stored as the applied voltage information 43c in the storage unit 42c of the control device 40c as an example.
- the applied voltage information 43c is information indicating the applied voltage value, which is the value of the voltage applied to the varifocal lens 80c, for each bottom surface of each layer of the culture vessel 20.
- the control unit 41c reads the applied voltage information 43c from the storage unit 42c, and controls the voltage applied to the varifocal lens 80c according to the observation surface O based on the read applied voltage information 43c.
- the applied voltage information may be stored in an external database of the transmission microscope 1c.
- the control device 40c and this database can communicate with each other, and the control unit 41c reads the applied voltage information from this database and reads the applied voltage information.
- the voltage applied to the varifocal lens 80c is controlled based on the above.
- the working distance WD may be changed by changing the focal length of the varifocal lens 80c according to the observation surface O and changing the relative position of the objective lens 10 on the optical axis with respect to the stage 9.
- the microscope is as described above.
- the image magnification can be kept constant.
- the relative position of the objective lens 10 on the optical axis with respect to the stage 9 is changed by the control unit 41c.
- the control unit 41c is an example of a relative position change unit.
- the optical member 11 is a variable optical power lens such as a liquid lens (varifocal lens 80c in the present embodiment). It is provided with a refractive power conversion means (voltage application unit in the present embodiment) for switching the refractive power of the variable refractive power lens (varifocal lens 80c in the present embodiment), and a working distance changing unit (control unit in the present embodiment). 41) changes the refractive power of the variable refractive power lens (variable focus lens 80c in the present embodiment) by the refractive power conversion means (voltage application unit in the present embodiment). Further, the configuration of the variable refractive power lens according to the fourth embodiment shown in FIG.
- the working distance can be finely adjusted quickly by slightly changing the refractive power (that is, the focal length) of the variable refractive power lens. High-precision observation can be performed at high speed.
- the working distance WD can be changed more quickly than in the case of mechanically driving the objective lens or the reflection mirror over several tens of centimeters in the optical axis direction. Further, in the microscope according to the present embodiment, the durability of the mechanism for focusing can be improved as compared with the case where mechanical driving is performed.
- the relative position of the stage 9 in which the culture vessel 20 is arranged and the relative position of the objective lens 10 on the optical axis with respect to the stage 9 are changed. It is possible to further provide a unit. For example, when the working distance WD is changed, the relative position of the objective lens 10 on the optical axis with respect to the stage 9 can be changed to compensate for the insufficient amount of change in the focal length of the varifocal lens. By adding individual movements of the objective lens 10 when switching the conversion lens or changing the working distance WD by the variable focus lens described above, the focusing accuracy and imaging performance when changing the working distance are improved. It is possible to do.
- the microscope in the above-described embodiment may be provided in the cell culture apparatus. That is, this cell culture apparatus is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and the light between the objective lens, the imaging lens, the objective lens 10 and the imaging lens 13.
- a microscope including a distance changing unit and a stage on which the culture vessel is arranged is provided.
- the working distance WD can be easily changed according to the observation surface O, so that the culture container 20 in which a plurality of observation surfaces O are stacked can be easily observed. Can be done. Moreover, the imaging magnification can be kept constant even when the working distance WD is changed.
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡、及び細胞培養装置に関する。
本願は、2019年12月25日に、日本に出願された特願2019-233715号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a microscope and a cell culture device.
The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-233715 filed in Japan on December 25, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
再生医療分野では、必要な細胞を大量に培養するため、複数の観察面が積層された培養容器である多層培養容器を用いる場合がある。多層培養容器では、観察面が10層程度積層されて、全層合わせて20センチメートル程度の厚みがある。培養中の細胞の品質や量を把握するために、細胞の顕微画像を取得する必要がある。多層培養容器において培養される細胞の顕微画像の取得において、全ての観察面に素早く焦点を合わせて効率よく細胞を観察する技術がない。そのため、多層培養容器の最下層の細胞数や形態情報を基に、全層に存在する細胞の状態を推測しているのが現状である。
対物レンズを多層培養容器の全層に渡って移動させ、全層それぞれに焦点を合わせる方式は時間を要する。また、Maksutov Cassegrain Catadioptric方式を用いた長作動顕微鏡が開発されているが、光軸方向への反射ミラーの移動が必要であり、迅速な焦点距離の変更は難しい。
In the field of regenerative medicine, in order to cultivate a large amount of necessary cells, a multi-layer culture vessel, which is a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are laminated, may be used. In the multi-layer culture vessel, about 10 observation surfaces are laminated, and all layers have a total thickness of about 20 cm. In order to understand the quality and quantity of cells in culture, it is necessary to acquire microscopic images of cells. In the acquisition of microscopic images of cells cultured in a multi-layer culture vessel, there is no technique for efficiently observing cells by quickly focusing on all observation surfaces. Therefore, the current situation is that the state of cells existing in all layers is estimated based on the number of cells and morphological information in the lowermost layer of the multi-layer culture vessel.
The method of moving the objective lens across all layers of the multi-layer culture vessel and focusing on each layer is time consuming. Further, a long-acting microscope using the Maksutov Cassegrain Catadioptric method has been developed, but it is necessary to move the reflecting mirror in the optical axis direction, and it is difficult to change the focal length quickly.
多層培養容器の被観察物を観察するための観察装置が知られている(特許文献1)。特許文献1に記載の観察装置は、複数のトレイを内蔵する多層培養容器を搭載して移動可能な台車を収容する収容部と、光学系を有し当該光学系が結像した像を出力する撮像装置と、を備え、収容部に多層培養容器を搭載する台車を収容した場合に、多層培養容器を台車に搭載した状態で、多層培養容器の各トレイの被観察物が、撮像装置の光軸上に配置される。
An observation device for observing an object to be observed in a multi-layer culture vessel is known (Patent Document 1). The observation device described in
特許文献1に記載の観察装置では、撮像装置および照明装置の光軸が、多層培養容器のトレイの底面に対して40度から50度の範囲の角度で交差するように、撮像装置および前記照明装置が配置されて、多層培養容器の全てのトレイを観察する。このように、多層培養容器のトレイの底面に対して斜めから観察する場合、各トレイの被観察物の像が、トレイの底面に対して垂直な方向から観察する場合に比べて歪んでしまう。
In the observation device described in
本発明の一態様は、複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡であって、対物レンズと、結像レンズと、前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸に配置される焦点距離が可変である光学部材と、前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの観察面から前記対物レンズまでの作動距離を変更する作動距離変更部と、を備える顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and is an optical axis between an objective lens, an imaging lens, and the objective lens and the imaging lens. An optical member having a variable focal length arranged in the optical member and a working distance change for changing the working distance from the observation surface to the objective lens among the plurality of observation surfaces by changing the focal length of the optical member. It is a microscope equipped with a part.
本発明の一態様は、複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡であって、対物レンズと、結像レンズと、前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸に配置される焦点距離が可変である光学部材と、前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの観察面から前記対物レンズまでの作動距離を変更する作動距離変更部と、前記培養容器を配置するステージと、を備える顕微鏡を備える細胞培養装置である。 One aspect of the present invention is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and is an optical axis between an objective lens, an imaging lens, and the objective lens and the imaging lens. An optical member having a variable focal length arranged in the optical member and a working distance change for changing the working distance from the observation surface to the objective lens among the plurality of observation surfaces by changing the focal length of the optical member. It is a cell culture apparatus including a microscope including a unit and a stage on which the culture container is arranged.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら第1の実施形態について詳しく説明する。図1は、本実施形態に係る透過型顕微鏡1の一例を示す図である。透過型顕微鏡1は、複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡である。透過型顕微鏡1は、光源3と、集光レンズ4と、視野絞り5と、開口絞り6と、コンデンサレンズ7と、第1反射鏡8とを有する照明光学系と、対物レンズ10と、光学部材11と、第2反射鏡12と、結像レンズ13とを有する結像光学系とを有する。そして、透過型顕微鏡1は、ステージ9上に載置された多層培養装置2の観察面の像を、撮像装置14により撮影することができる。
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of a
多層培養装置2は、培養容器20を備え、培養容器20は、複数のトレイが積層されて構成される。透過型顕微鏡1は、培養容器20を構成するそれぞれのトレイにおいて培養される細胞を観察、及び撮像する。ここで培養容器20では、積層されたトレイの底面がそれぞれ観察面となる。つまり、培養容器20は、複数の観察面が積層された多層の培養容器である。
The
培養容器20には、一例として、10層のトレイ即ち観察面Oが積層されており、20センチメートル程度の厚みがある。以下の説明では、培養容器20の各層を、積層される順に、第1層、第2層、第3層などという。最下層は第1層であり、最上層は第10層である。培養容器20の各層のうち、最上層、及び最下層以外の層を、中間層という場合がある。また、各層に対応する観察面Oについて、第1層に対応する観察面を観察面O1、第2層に対応する観察面を観察面O2というようにして、第i層に対応する観察面を観察面Oi(i=1,2,・・・,10)という。また、複数の観察面Oのうち、現在の観察面を観察面Ojということがある。つまり、観察面Ojとは、複数の観察面Oのうち焦点位置が合わせられている観察面である。図1では、観察面Ojとして、第5層である中間層に対応する観察面O5が観察されている状態を示す。
As an example, the
また、10層の観察面Oのうち、一例として、第5層に対応する観察面O5を、合焦基準面とする。ここで合焦基準面とは、培養容器20の合焦の基準となる面である。対物レンズ10が、ステージ9に対して図中一点鎖線で示す光軸上で相対的に移動することによって合焦基準面に焦点位置が合わせられる。なお、合焦基準面の培養容器20の第5層以外のいずれの層の観察面であってもよい。
Further, as an example of the observation surface O of the 10 layers, the observation surface O5 corresponding to the 5th layer is used as the focusing reference surface. Here, the focusing reference plane is a plane that serves as a focusing reference for the
光源3からの照明光は、集光レンズ4、及びコンデンサレンズ7を経てほぼ平行光束となる。平行光束となった照明光は、第1反射鏡8によって反射されて観察面Ojにおける細胞を照明する。観察面Ojにおける細胞とは、培養容器20の各層のトレイのうち観察面Ojに対応するトレイにおいて培養される細胞である。
The illumination light from the
透過型顕微鏡1では、コンデンサレンズ7によって所謂ケーラー照明がなされる。集光レンズ4とコンデンサレンズ7との間には、観察面Ojと共役になる位置に視野絞り5、また光源3と共役になる位置に開口絞り6がそれぞれ備えられる。
In the
観察面Ojからの光は、対物レンズ10によって集光されてほぼ平行光束となる。平行光束となった観察面Ojからの光は、光学部材11を透過した後、第2反射鏡12によって反射されて結像レンズ13に入射する。観察面Ojからの光は、結像レンズ13によって結像面15上に集光され、観察面Ojの拡大像が形成される。
撮像装置14は、結像面15を撮像可能な位置に備えられる。撮像装置14によって撮像された観察面Ojの拡大像は、モニター(不図示)によって観察される。
The light from the observation surface Oj is focused by the
The
なお、図1においては、説明を簡単にするために、光源3から培養容器20を照明する光線と、観察面Ojから結像面15までの結像光線とを示した。
Note that, in FIG. 1, for the sake of simplicity, the light rays illuminating the
光学部材11は、対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に配置される。光学部材11は、後述する通り、種々のレンズを含み焦点距離が可変である。つまり、光学部材11は、対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に配置されて、焦点距離が可変である。そして、光学部材11の焦点距離を変更することによって、作動距離WDを変更する。
The
透過型顕微鏡1では、作動距離WDを最下層である第1層に対応する観察面O1を観察する場合の作動距離Wmaxから、最上層である第10層に対応する観察面O10を観察する場合の作動距離Wminまでの範囲で作動距離を変えることができる。そして、光学部材11の焦点距離を変えることによって、10層に対応する観察面のうち、任意の観察面Oi(i=1,2,・・・,10)の像を、結像面15に形成することが可能である。
なお、図1に示した顕微鏡では、照明光学系がステージ9の下から照明を行い、対物レンズ10を含む結像光学系がステージ9の上方に設けられているが、ステージに対して照明光学系と結像光学系とを入れ替えた所謂倒立型顕微鏡として構成することが可能であることは言うまでもない。
In the
In the microscope shown in FIG. 1, the illumination optical system illuminates from below the
ここで図2を参照し、顕微鏡光学系30を例に取って、透過型顕微鏡1が作動距離WDを変更する原理について説明する。図2は、本実施形態に係る顕微鏡光学系30の一例を含む構成を示す図である。顕微鏡光学系30は、図1に示した透過型顕微鏡1と同様であるが、説明を簡単にするために、第1反射鏡8と、第2反射鏡12とは含めないで展開光路図として示されている。
Here, with reference to FIG. 2, the principle of the
上述したように光学部材11は、種々のレンズを含む。光学部材11に含まれるレンズを、変換レンズGvという。光学部材11の焦点距離とは、この変換レンズGvの焦点距離である。光学部材11は、光軸31上において対物レンズ10と結像レンズ13との間に配置される。
As described above, the
図2(A)は、培養容器20の10層のうち中間層を観察するために作動距離WD0の基準位置の状態であり、この基準状態においては、光学部材11は光路中に配置されていない。図2(B)は、培養容器20の10層のうちの上層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして負レンズGv1が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD1は、中間層の場合の作動距離WD0よりも大きくなっている。そして、図2(C)は、培養容器20の10層のうちの下層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして正レンズGv2が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD2は基準状態での作動距離WD0よりも小さくなっている。
FIG. 2A shows a state of a reference position of the working distance WD 0 for observing the intermediate layer among the 10 layers of the
この本実施形態の構成においては、基準状態を中間層として、上層部と下層部の観察に対して変換レンズの焦点距離を負と正に切替えたが、基準位置を下層にして変換レンズGvである負レンズGv1の負の焦点距離を順次短く、即ち負屈折力を順次強くすることで上層部の観察を行うことが可能である。また、基準位置を上層にして変換レンズGvである正レンズGv2の正の焦点距離を順次短く、即ち正屈折力を順次強くすることで下層部の観察を行うことも可能である。 In the configuration of this embodiment, the focal length of the conversion lens is switched between negative and positive for the observation of the upper layer and the lower layer with the reference state as the intermediate layer, but the reference position is set as the lower layer and the conversion lens Gv is used. It is possible to observe the upper layer portion by sequentially shortening the negative focal length of a certain negative lens Gv1, that is, gradually increasing the negative refractive power. It is also possible to observe the lower layer portion by gradually shortening the positive focal length of the positive lens Gv2, which is the conversion lens Gv, that is, gradually increasing the positive refractive power with the reference position as the upper layer.
上述したように透過型顕微鏡1では、光学部材11の焦点距離を変更することによって、即ち変換レンズGvの焦点距離fvを変更することによって、対物レンズ10の作動距離WDを変更することができる。このような光学部材11、具体的には変換レンズGvの焦点距離、言い換えれば変換レンズの屈折力を変えることによって、対物レンズ10の作動距離WDを変えることができ、結果として図1に示したような培養容器20内で多層に積層されたトレイの各層の像を観察、撮影することが可能である。但し、対物レンズ10の像側に位置する変換レンズの焦点距離(即ち屈折力)を変える場合に、作動距離WDが変わるとともに、対物レンズ10と光学部材11(即ち変換レンズGv)との合成焦点距離も変わるため、顕微鏡としての結像倍率が変化する。そして、培養容器20内で多層に積層されたトレイの各層の像の大きさが作動距離WDの変化により、互いに異なることになる。即ち、結像倍率が変わり、このため観察視野も被検物体の像の大きさも変化するため、各層の比較検討のためには、大変不都合であり大きな問題となる場合がある。
In
ここで顕微鏡光学系30において作動距離WDが変更されても、透過型顕微鏡1の結像倍率βを一定に維持できる構成について説明する。
対物レンズ10と結像レンズ13とからなる透過型顕微鏡1の結像倍率βは、対物レンズ10の焦点距離を焦点距離f1、結像レンズ13の焦点距離を焦点距離f2とすると、下記の式(1)によって与えられる。
Here, a configuration will be described in which the imaging magnification β of the
The imaging magnification β of the
また、一般に、対物レンズとして第2のレンズ(ここでは焦点距離fvの変換レンズGv)を加えた場合の2つのレンズの合成焦点距離fは、対物レンズ10と変換レンズGvとの間隔を間隔dとすると、次の式(2)によって表現される。
Further, in general, the combined focal length f of the two lenses when a second lens (here, the conversion lens Gv of the focal length fv) is added as the objective lens is the distance d between the
対物レンズ10と変換レンズGvとの間隔dが、対物レンズ10の焦点距離f1と等しい場合には、d=f1となり、合成焦点距離fは、上記の式(2)から、式(3)が導かれる。
Distance d between the
つまり、変換レンズGvの焦点距離fvが変更された場合であっても、対物レンズ10と変換レンズGvとの合成焦点距離fは不変である。
That is, even when the focal length f v of the conversion lens Gv is changed, the combined focal length f between the
従って、顕微鏡対物レンズとしての作動距離WDを可変とするための変換レンズGvを、対物レンズ10の像側焦点位置、即ち対物レンズ10の後側焦点面Fの光軸上に配置すれば、作動距離WDが変更された場合であっても、対物レンズ10と変換レンズGvとの合成焦点距離fは不変であり、結果として顕微鏡としての結像倍率βは一定に維持される。
Therefore, if the conversion lens Gv for making the working distance WD as a microscope objective lens variable is arranged on the image side focal position of the
(第2の実施形態)
この様子を図3に示す。図2と同様に、図3(A)は、培養容器20の10層の中間層を観察するために作動距離WD0の基準位置の状態である。図3(B)は、培養容器20の10層のうちの上層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして負レンズGv1が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD1は、中間層の場合の作動距離WD0よりも大きくなっている。そして、図2(C)は、培養容器20の10層のうちの下層部を観察する状態であり、変換レンズGvとして正レンズGv2が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入され、作動距離WD2は、中間層の場合の作動距離WD0よりも小さくなっている。このような構成において、変換レンズGvとしての負レンズGv1も正レンズGv2もそれぞれ、対物レンズ10の後側焦点上、即ち対物レンズの後側焦点面Fの光軸上に配置されるため、上述のとおり、対物レンズ10と変換レンズGvとの合成焦点距離は、一定に維持され、顕微鏡としての倍率は一定に維持される。
(Second embodiment)
This situation is shown in FIG. Similar to FIG. 2, FIG. 3 (A) shows a state of a reference position at a working distance of WD 0 for observing the intermediate layer of 10 layers of the culture vessel 20. FIG. 3B shows a state in which the upper layer of the 10 layers of the
次に、図4において、光学部材11の構成と、光学部材11の焦点距離の変更の制御について説明する。図4は、第2実施形態に係る光学系の光路と装置の概要を示す構成図である。
本実施形態では、一例として、光学部材11は、ターレットTを備える。ターレットTには、焦点距離が互いに異なる複数のレンズLが収納されている。つまり、光学部材11は、焦点距離が互いに異なる複数のレンズLを備える。
Next, in FIG. 4, the configuration of the
In this embodiment, as an example, the
制御装置40は、例えばコンピュータであり、制御部41を備える。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上で、対物レンズ10の焦点位置に配置されるレンズを切り替えることによって、光学部材11の焦点距離fvを変更する。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上に配置するレンズ以外のレンズを光軸31から退避させる。図4では、一例として、複数のレンズLのうち正レンズが光軸31に配置されている。制御部41は、作動距離変更部の一例である。つまり、制御部41は、光学部材11の焦点距離fvを変更することによって複数の観察面Oのうちの観察面Ojから対物レンズ10までの作動距離WDを変更する。
The
透過型顕微鏡1では、合焦基準面に焦点位置が合わせられる場合、一例として、ターレットTに収納される複数のレンズLは、いずれも光軸31上には配置されない。
In the
なお、制御部41は、上述した光学部材11の制御に加えて、顕微鏡光学系30について各種の制御を行う。制御部41が行う各種の制御には、例えば、光源3の明るさの調整、ステージ9の移動、焦点合わせのための対物レンズ10の光軸方向の微小移動、及び結像レンズ13の光軸方向の微小移動などが含まれる。
The
上記の第2実施形態においては、作動距離を任意に変更する場合にも結像倍率を一定にすることが可能となる。このための基本構成は図3及び図4に示した通り、作動距離を変えるための変換レンズGvを、対物レンズ10の後側焦点位置(後側焦点面F)に配置することであった。
ところが、対物レンズ10の焦点位置は一般には顕微鏡光学系の瞳位置として重要な位置であり、取り分け位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡では、特別な絞りやプリズムなどの光学素子が配置される。このため図3及び図4に示した第2実施形態では、変換レンズGvが対物レンズ10の後側焦点位置(後側焦点面F)に配置されるため、位相差などの特殊な顕微鏡観察を正しく行うことは難しい。
In the second embodiment described above, the imaging magnification can be kept constant even when the working distance is arbitrarily changed. As shown in FIGS. 3 and 4, the basic configuration for this is to arrange the conversion lens Gv for changing the working distance at the rear focal position (rear focal plane F) of the
However, the focal position of the
(第3の実施形態)
上記の課題を解決する第3実施形態について図5を用いて説明する。図5は第3の実施形態に係る作動距離可変の構成を示す概略光路図である。この光路図においても、図3と同様に、説明を簡単にするために、顕微鏡光学系30には、第1反射鏡8と、第2反射鏡12とは含めないで展開光路図として示されている。図3と同様の機能を有する部材には同一の記号を付している。
(Third Embodiment)
A third embodiment for solving the above problems will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic optical path diagram showing a configuration in which the working distance is variable according to the third embodiment. Also in this optical path diagram, as in FIG. 3, for simplification of explanation, the first reflecting
図5(A)は、培養容器20の10層の中間層を観察するために作動距離WD0の基準位置の状態である。この基準状態においては、光学部材11は光路中に配置されていない。図5(B)は、培養容器20の10層のうちの上層部を観察する状態であり、物体側から順に負レンズ要素と正レンズ要素とを有する変換レンズGv1が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入されている。そして、図5(C)は、培養容器20の10層のうちの下層部を観察する状態であり、物体側から順に正レンズ要素と負レンズ要素とを有する変換レンズGv2が対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に挿入されている。
FIG. 5A shows a state of a reference position at a working distance of WD 0 in order to observe the intermediate layer of 10 layers of the
ここで重要なことは、図5(B)に示す通り、変換レンズGv1は対物レンズ10の後側焦点面Fよりも物体側に配置されているが、負レンズ要素と正レンズ要素との組み合わせにより変換レンズGv1としての合成主点Hが、対物レンズ10の後側焦点面Fに一致していることである。また、同様に、図5(C)に示す通り、変換レンズGv2は対物レンズ10の後側焦点面Fよりも像側に配置されているが、正レンズ要素と負レンズ要素との組み合わせにより変換レンズGv2としての合成主点Hが、対物レンズ10の後側焦点面Fに一致している。
このような構成により、変換レンズにより顕微鏡としての結像倍率を一定に維持しつつ作動距離を任意に変えることができる顕微鏡で有りながら、対物レンズ10の後側焦点位置、即ち顕微鏡の像側瞳位置に空間を設けることができ、位相差や微分干渉などの高度な観察が可能となっている。
What is important here is that, as shown in FIG. 5B, the conversion lens Gv1 is arranged on the object side of the rear focal plane F of the
With such a configuration, the rear focal position of the
以下に、第3実施形態の装置全体について説明する。図6は、第3実施形態に係る光学系の光路と装置の概要を示す構成図である。上述した図4と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付しており、詳細な説明は重複するので省略する。
制御装置40は、例えばコンピュータであり、制御部41を備える。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上に配置されるレンズを切り替えることによって、光学部材11の焦点距離fvを変更する。制御部41は、複数のレンズLのうち光軸31上に配置すべきレンズ以外のレンズを光軸31から退避させる。図6では、一例として、複数のレンズLのうちレンズL1-1が光軸31上に配置されている。制御部41は、作動距離変更部の一例である。つまり、制御部41は、光学部材11の焦点距離fvを変更することによって複数の観察面Oのうちの観察面Ojから対物レンズ10までの作動距離WDを変更する。
The entire apparatus of the third embodiment will be described below. FIG. 6 is a configuration diagram showing an outline of an optical path and an apparatus of an optical system according to a third embodiment. Members having the same functions as those in FIG. 4 described above are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as they are duplicated.
The
本実施形態の透過型顕微鏡では、合焦基準面に焦点位置が合わせられる場合、一例として、前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納される複数のレンズLは、いずれも光軸31上には配置されない。
In the transmission microscope of the present embodiment, when the focal position is aligned with the focusing reference plane, as an example, the plurality of lenses L housed in the front turret T1 and the rear turret T2 are all arranged on the
なお、制御部41は、上述した光学部材11の制御に加えて、顕微鏡光学系30について各種の制御を行う。制御部41が行う各種の制御には、例えば、光源3の明るさの調整、ステージ9の移動、対物レンズ10の光軸方向の移動、結像レンズ13の光軸方向の移動などが含まれる。
The
ここで図7を参照し、前段ターレットT1及び後段ターレットT2について説明する。図7は、本実施形態に係るターレットの一例を示す斜視図である。前段ターレットT1と、後段ターレットT2とは、光軸31の方向に重なって2列に並べられる。
Here, with reference to FIG. 7, the front turret T1 and the rear turret T2 will be described. FIG. 7 is a perspective view showing an example of the turret according to the present embodiment. The front turret T1 and the rear turret T2 are arranged in two rows so as to overlap in the direction of the
前段ターレットT1は、複数の収納部H1を備える。前段ターレットT1は、複数の収納部H1として、収納部H1-1、収納部H1-2、収納部H1-3、収納部H1-4、収納部H1-5、及び収納部H1-6を備える。それら複数の収納部H1は、円形に並べられて備えられる。
後段ターレットT2は、複数の収納部H2を備える。後段ターレットT2は、複数の収納部H2として、収納部H2-1、収納部H2-2、収納部H2-3、収納部H2-4、収納部H2-5、及び収納部H2-6を備える。それら複数の収納部H2は、円形に並べられて備えられる。
複数の収納部H1と複数の収納部H2とには、レンズLが収納される収納部と、レンズLが収納されない収納部とがある。ここで複数の収納部に収納される複数のレンズLは、互いに焦点距離が異なる。
The front turret T1 includes a plurality of storage portions H1. The front turret T1 includes a storage unit H1-1, a storage unit H1-2, a storage unit H1-3, a storage unit H1-4, a storage unit H1-5, and a storage unit H1-6 as a plurality of storage units H1. .. The plurality of storage portions H1 are arranged and provided in a circular shape.
The rear turret T2 includes a plurality of storage portions H2. The rear turret T2 includes a storage unit H2-1, a storage unit H2-2, a storage unit H2-3, a storage unit H2-4, a storage unit H2-5, and a storage unit H2-6 as a plurality of storage units H2. .. The plurality of storage portions H2 are arranged and provided in a circular shape.
The plurality of storage portions H1 and the plurality of storage portions H2 include a storage portion in which the lens L is stored and a storage portion in which the lens L is not stored. Here, the plurality of lenses L housed in the plurality of storage portions have different focal lengths from each other.
図7の例では、前段ターレットT1に備えられる複数の収納部H1のうち、収納部H1-1、収納部H1-2、収納部H1-3、収納部H1-4、及び収納部H1-5には、互いに合成焦点距離が異なるレンズL1-1、レンズL1-2、レンズL1-3、レンズL1-4、及びレンズL1-5がそれぞれ収納される。一方、収納部H1-6には、レンズLは収納されない。
後段ターレットT2に備えられる複数の収納部H2のうち、収納部H2-1、収納部H2-2、収納部H2-3、及び収納部H2-4には、互いに合成焦点距離が異なるレンズL2-1、レンズL2-2、レンズL2-3、及びレンズL2-4それぞれ収納される。一方、収納部H2-5及び収納部H2-6には、レンズLは収納されない。
このように、本実施形態では、前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納される複数のレンズLの枚数は、一例として、9枚である。
In the example of FIG. 7, among the plurality of storage portions H1 provided in the front turret T1, the storage unit H1-1, the storage unit H1-2, the storage unit H1-3, the storage unit H1-4, and the storage unit H1-5 A lens L1-1, a lens L1-2, a lens L1-3, a lens L1-4, and a lens L1-5 having different synthetic focal lengths are housed in each. On the other hand, the lens L is not stored in the storage unit H1-6.
Of the plurality of storage units H2 provided in the rear turret T2, the storage unit H2-1, the storage unit H2-2, the storage unit H2-3, and the storage unit H2-4 have lenses L2- with different synthetic focal lengths. 1. Lens L2-2, lens L2-3, and lens L2-4 are stored respectively. On the other hand, the lens L is not stored in the storage unit H2-5 and the storage unit H2-6.
As described above, in the present embodiment, the number of the plurality of lenses L housed in the front-stage turret T1 and the rear-stage turret T2 is nine as an example.
上述したように前段ターレットT1と、後段ターレットT2とは、光軸31の方向に重なって2列に並べられる。つまり、前段ターレットT1と、後段ターレットT2とは、光軸方向の位置が互いに異なる。複数のレンズLは、光軸方向の位置が互いに異なる前段ターレットT1と、後段ターレットT2とのいずれかに収納されるかによって2つの組に分けられる。したがって、複数のレンズLは、光軸方向の位置が互いに異なる複数の組に分かれて備えられる。
As described above, the front turret T1 and the rear turret T2 overlap in the direction of the
前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、回転駆動部(不図示)によって制御されて回転する。この回転駆動部は、制御部41によって制御される。前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、それぞれが回転することによって、レンズL1-1、レンズL1-2、レンズL1-3、レンズL1-4、レンズL1-5、レンズL2-1、レンズL2-2、レンズL2-3、及びレンズL2-4のうち1つが光軸31上に配置される。
つまり、前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、制御部41によって制御されて複数のレンズLのうち光軸31上に配置されるレンズを切り替える。前段ターレットT1及び後段ターレットT2は、レンズ切替部の一例である。つまり、本実施形態では、レンズ切替部とは、ターレットである。
The front turret T1 and the rear turret T2 rotate under the control of a rotation drive unit (not shown). This rotation drive unit is controlled by the
That is, the front turret T1 and the rear turret T2 are controlled by the
ここで制御部41は、光軸31上に配置するレンズLが収納されるターレットに収納される複数のレンズLのうち、光軸31上に配置するレンズL以外のレンズを光軸31から退避させる。また、制御部41は、他方のターレットのレンズが収納されていない収納部を光軸31上の位置まで移動させることによって、他方のターレットに収納される複数のレンズLを光軸31上から退避させる。
Here, the
図7の例では、前段ターレットT1の収納部H1-1に収納されるレンズL1-1が光軸31上に配置され、後段ターレットT2のレンズが収納されていない収納部H2-6が光軸31上に配置されている。この場合、光線は、前段ターレットT1の位置ではレンズL1-1に入射し、後段ターレットT2の位置では収納部H2-6の穴を通過する。
In the example of FIG. 7, the lens L1-1 housed in the storage part H1-1 of the front turret T1 is arranged on the
次に図8を参照し、制御装置40による培養容器20の各層に対応する観察面Oを観察する処理である撮像処理について説明する。図8は、本実施形態に係る撮像処理の一例を示す図である。図8に示す撮像処理の開始前に、制御部41によって観察面Ojが合焦基準面に設定される。ここで合焦基準面は、上述したように培養容器20の第6層に対応する観察面O6である。なお、図8に示す撮像処理の開始前においては、前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納される複数のレンズLのいずれも光軸31上に配置されていない。
Next, with reference to FIG. 8, an imaging process, which is a process of observing the observation surface O corresponding to each layer of the
ステップS10:制御部41は、撮像を開始する最初の観察面を設定する。制御部41は、所定の順番に基づいて、観察を開始する最初の観察面を設定する。所定の順番は、例えば、培養容器20の最上層である第10層から最下層である第1層に向かう順番である。制御部41は、設定された観察面を示す情報を観察面情報として記憶部42に記憶させる。
Step S10: The
また、ステップS10において制御部41は、培養容器20の種類などを示す情報である培養容器情報を記憶部42に記憶させる。この培養容器情報には、培養容器20の種類に応じて、培養容器20の各層に対応する観察面Oに合焦するためのレンズを示す情報が含まれる。レンズを示す情報には、例えば、レンズの焦点距離が含まれる。
培養容器情報は、例えば、透過型顕微鏡1のユーザが操作部(不図示)から制御装置40に入力される。制御部41は、入力された培養容器情報を取得する。なお、培養容器情報には、培養容器20の各層に対応する観察面Oを観察する所定の順番を示す情報が含まれる。
なお、培養容器20の種類に応じて、ステップS10において前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納されるレンズLが交換されてもよい。
Further, in step S10, the
The culture container information is input to the
Depending on the type of the
ステップS20:制御部41は、光軸31に配置するレンズLを、設定された観察面Ojに応じた所望のレンズに変更する。制御部41は、記憶部42に記憶された培養容器情報に基づいて、前段ターレットT1及び後段ターレットT2に収納される複数のレンズLのうち光軸31に配置するレンズを選択する。
ここで制御部41は、配置するレンズLに応じて、回転駆動部を介して前段ターレットT1を回転させ、かつ回転駆動部を介して後段ターレットT2を回転させ光軸31に配置するレンズLを変更する。
Step S20: The
Here, the
ステップS30:制御部41は、観察面Ojにおいて合焦しているか否かを判定する。ここで合焦とは、対物レンズ10と、光学部材11が備える変換レンズGvとの光学系の焦点位置が観察面Ojの位置に一致することである。
制御部41は、合焦していると判定する場合(ステップS30;YES)、ステップS40の処理を実行する。一方、制御部41は、合焦していないと判定する場合(ステップS30;NO)、ステップS60の処理を実行する。
Step S30: The
When determining that the
ステップS40:制御部41は、撮像装置14に撮像を行わせる。ここで撮像とは、結像面15において撮像素子によって検出される光に基づいて被写体の画像(撮像画像)を生成することである。
Step S40: The
ステップS50:制御部41は、観察面O1から観察面O10までの全ての観察面の撮影が完了したか否かを判定する。ここで制御部41は、例えば、記憶部42に記憶させた培養容器情報が示す所定の順番と、観察面情報とに基づいて判定を行う。
制御部41は、全ての観察面の撮影が完了したと判定する場合(ステップS50;YES)、制御装置40は、撮像処理を終了する。一方、制御部41は、全ての観察面の撮影が完了していないと判定する場合(ステップS50;NO)、ステップS70の処理を実行する。
Step S50: The
When the
ステップS60:制御部41は、対物レンズ10を調整する。ここで制御部41は、対物レンズ10を微調整して、透過型顕微鏡1を観察面Ojにおいて合焦させる。その後、制御部41は、ステップS40の処理を実行する。
Step S60: The
ステップS70:制御部41は、観察面Ojを設定する。ここで制御部41は、例えば、記憶部42に記憶させた培養容器情報が示す所定の順番と、観察面情報とに基づいて、観察面Ojを設定する。その後、制御部41は、ステップS20の処理を再度実行する。
以上で、制御装置40は、撮像処理を終了する。
Step S70: The
With the above, the
以上に説明したように、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)は、複数の観察面Oが積層された培養容器20を観察するための顕微鏡であって、対物レンズ10と、結像レンズ13と、光学部材11と、作動距離変更部(本実施形態において、制御部41)とを備える。
As described above, the microscope according to the present embodiment (in the present embodiment, the transmission type microscope 1) is a microscope for observing the
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、観察面Oに応じて作動距離WDを簡便に変更することができるため、複数の観察面Oが積層された培養容器20を簡便に観察することができる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, the working distance WD can be easily changed according to the observation surface O, so that the
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、光学部材11の主点位置(本実施形態において、変換レンズGvである負レンズGv1や正レンズGv2の位置)は、対物レンズ10の像側焦点位置32に一致するように配置されている。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、光学部材11の焦点距離fvを変更した場合に対物レンズ10と光学部材11との合成焦点距離を光学部材11の焦点距離fvに関わらず一定に維持できるため、顕微鏡としての結像倍率βは一定に維持できる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, when the focal length fv of the
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、光学部材11は、焦点距離が互いに異なる複数の第1レンズ(本実施形態において、複数のレンズL)を備え、顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)は、レンズ切替部(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)を備える。
レンズ切替部(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)は、作動距離変更部(本実施形態において、制御部41)によって制御されて複数のレンズ(本実施形態において、複数のレンズL)のうち光軸31上に配置される第2レンズを切り替える。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
The lens switching unit (in the present embodiment, the front turret T1 and the rear turret T2) is controlled by the working distance changing unit (control
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、焦点距離が互いに異なる複数のレンズのうち光軸31上に配置されるレンズを切り替えることができるため、光学部材11の焦点距離を迅速に変更できる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, it is possible to switch the lens arranged on the
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、レンズ切替部(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)は、複数のレンズ(本実施形態において、複数のレンズL)を、光軸方向の位置が互いに異なる複数の組に分けて備えている。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、複数のレンズを光軸31の方向に重ねて収納できるため、複数のレンズが光軸方向の位置が互いに異なる複数の組に分かれていない場合に比べて、複数のレンズを光軸31に垂直な径方向についてコンパクトに収納できる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, since a plurality of lenses can be stacked and stored in the direction of the
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、複数のレンズ(本実施形態において、複数のレンズL)は、それぞれ同一光軸上に配置された複数のレンズ要素(本実施形態において、負レンズ要素と正レンズ要素)で構成されている。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、レンズが1枚のレンズである場合に比べて複数の第1レンズのそれぞれの焦点距離の値の種類を増やすことができるため、レンズが1枚のレンズである場合に比べて、観察面Ojに応じて作動距離WDを変更しやすい。 With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, the types of focal length values of the plurality of first lenses can be increased as compared with the case where the lens is a single lens, so that the number of lenses is one. Compared with the case of a lens, it is easy to change the working distance WD according to the observation surface Oj.
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、レンズ切替部(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)によって光軸31上に配置される一つのレンズにおいて、複数のレンズ要素(本実施形態において、負レンズ要素と正レンズ要素)の合成主点Hと、対物レンズ10の像側焦点とが一致している。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、レンズの光軸31上における位置が対物レンズ10の像側焦点の位置からずれている場合に、レンズの焦点距離を変化させても対物レンズ10と複数のレンズとの合成焦点距離fを不変にできるため、レンズの光軸31上における位置が対物レンズ10の像側焦点の位置からずれている場合に、作動距離WDを変更する場合であっても、透過型顕微鏡1の結像倍率βを一定に保つことができる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, when the position of the lens on the
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1)では、レンズ切替部とは、ターレット(本実施形態において、前段ターレットT1、及び後段ターレットT2)である。
Further, in the microscope according to the present embodiment (
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、ターレットを回転させることによって光軸31上に配置される第2レンズを切り替えることができるため、光学部材11の焦点距離を簡便かつ迅速に変更できる。
With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, the second lens arranged on the
(第3実施形態の変形例1)
以下、図面を参照しながら上述した第3実施形態の変形例1について詳しく説明する。本変形例では、透過型顕微鏡がバンドパスフィルターを備えて、撮像画像の画質を向上させる場合について説明をする。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1aといい、透過型顕微鏡1aの光学系を顕微鏡光学系30aという。
(
Hereinafter, the
The microscope according to this modification is referred to as a transmission microscope 1a, and the optical system of the transmission microscope 1a is referred to as a microscope
以下、図面を参照しながら上述した第3実施形態の変形例1について説明する。本変形例では、透過型顕微鏡が斜光絞りを備えて、斜光照明が可能である。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1aといい、透過型顕微鏡1aの光学系を顕微鏡光学系30aという。
Hereinafter, a
The microscope according to this modification is referred to as a transmission microscope 1a, and the optical system of the transmission microscope 1a is referred to as a microscope
図9は、本変形例に係る顕微鏡光学系30aの構成の一例を示す図である。本変形例に係る顕微鏡光学系30a(図9)と第3の実施形態に係る顕微鏡光学系30(図6)とを比較すると、斜光絞り60aが備えられている点が異なる。ここで、他の構成要素(光源3、集光レンズ4、視野絞り5、開口絞り6、コンデンサレンズ7、対物レンズ10、光学部材11、及び結像レンズ13)が持つ機能は第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と同じ機能の説明は省略し、本変形例では、第3の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope
斜光絞り60aは、一例として、開口絞り6の位置に備えられ、光軸外の周辺部に開口を有する。
The oblique
斜光絞り60aは、一例として円板状である、光を透過させる円弧上の開口部600aと、光を遮る遮光部601aとを有する。開口部600aは、一例として、中心角が90度の円弧状に形成される。開口部600aの幅は、一例として、1ミリメートルである。顕微鏡光学系30aの光源3からの照射光の光線の方向は、開口部600aが光軸外であるため、観察面Ojを斜めに照明することが可能であり、所謂斜光照明がなされる。この照明方法により、より微細なパターンの観察が可能となる。
The oblique
本実施形態では、斜光絞り60aは、制御部41aに制御されて、一例として、光源と被写体とを通る光軸のまわりに90度毎に回転する。斜光絞り60aが回転することに伴い、開口部600aの位置は光源と被写体とを通る光軸のまわりに90度毎に回転する。つまり、斜光絞り60aは、開口部600aの位置を光源と被写体とを通る光軸のまわりに回転可能である。ここで斜光絞り60aは、開口部600aの位置を光源と被写体とを通る光軸のまわりに所定の角度ずつ回転可能である。開口部600aの位置が回転することによって、斜めの照明光の入射方向を変化することができる。
In the present embodiment, the oblique
本変形例に係る透過型顕微鏡では、制御部41aに斜光絞り60aを回転させて、照明光の入射角度を90度ずつ変化させて、被写体である細胞の画像を撮像する。撮像装置14に備えられる画像処理部は、入射角度を90度ずつ変化させて撮像された複数の撮像画像を合成して、1枚の撮像画像を生成する。
照明光の入射角度を変化させて撮像された複数の撮像画像を合成して得られる撮像画像では、複数の撮像画像を合成しない場合に比べて、コントラストが高くなる。
In the transmission electron microscope according to this modification, the oblique
In the captured image obtained by synthesizing a plurality of captured images captured by changing the incident angle of the illumination light, the contrast is higher than in the case where the plurality of captured images are not combined.
上記の図9の構成において、開口絞り6の位置又はその近傍にバンドパスフィルターを配置することができる。バンドパスフィルターは、長波長の光を透過させ、短波長の光を透過させないフィルターであり、ここでは長波長及び短波長は、一例として、660ナノメートルより短い波長をカットすることにより、細胞で発生し易いノイズ光を除去することが可能となる。具体的には、被写体である細胞に照射される照射光の回折や散乱を低減することができ、撮像画像の画質を向上することができる。
In the configuration of FIG. 9 above, the bandpass filter can be arranged at or near the position of the
なお、本変形例におけるバンドパスフィルターは一例であって、これに限定されず、バンドパスフィルターは625nm中心、帯域幅20nm程度のバンドパスフィルターであってもよい。また、前述した斜光照明のための遮光板と併せて用いることも可能である。またなお、バンドパスフィルターの代わりに、開口絞り6の位置又はその近傍に遮光板が配置されてもよい。
The bandpass filter in this modification is an example, and the bandpass filter is not limited to this, and the bandpass filter may be a bandpass filter having a center of 625 nm and a bandwidth of about 20 nm. It can also be used in combination with the above-mentioned light-shielding plate for oblique lighting. Further, instead of the bandpass filter, a light-shielding plate may be arranged at or near the position of the
(第3実施形態の変形例2)
以下、図面を参照しながら上述した第3実施形態の変形例の構成について説明する。本変形例では、透過型顕微鏡が位相リングを備えて、位相差観察を行う場合について説明をする。
本変形例に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1bといい、透過型顕微鏡1bの光学系を顕微鏡光学系30bという。
(
Hereinafter, the configuration of the modified example of the third embodiment described above will be described with reference to the drawings. In this modification, a case where the transmission microscope is provided with a phase ring to perform phase difference observation will be described.
The microscope according to this modification is referred to as a transmission microscope 1b, and the optical system of the transmission microscope 1b is referred to as a microscope
図10は、本変形例に係る顕微鏡光学系30bの構成の一例を示す図である。本変形例に係る顕微鏡光学系30b(図10)と第1の実施形態に係る顕微鏡光学系30(図6)とを比較すると、第1位相リング70b、及び第2位相リング71bが備えられている点が異なる。ここで、他の構成要素が持つ機能は第3の実施形態と同じである。第3の実施形態と同じ機能の説明は省略し、本変形例では、異なる部分を中心に説明する。
FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope
第1位相リング70bは、照明系内の開口絞り6の位置に備えられ、輪帯状の開口部を有する。
The
第2位相リング71bは、結像系内の光軸31上において開口絞り6の位置と共役な位置、具体的には対物レンズ10の後側焦点の位置に配置される。対物レンズ10の像側焦点位置32は、対物レンズ10の瞳位置でもある。
The
第2位相リング71bは、第1位相リング70bの開口部と同じ形状の開口部を有する。第2位相リング71bは、所定の位相差と透過率特性を与える。
ここで瞳位置の近傍には、瞳位置からずれた場合であっても第2位相リング71bが所定の位相差と透過率特性とを与える範囲が含まれる。照明系内の開口絞り6の位置に備えられる第1位相リング70bと、対物レンズ10の瞳位置に備えられる第2位相リング71bとの共役関係がある程度ずれても、低倍率の場合には位相差観察は可能である。また、図10では簡単のために、2つの位相リング70と位相リング71とをほぼ同じ大きさとして示しているが、互いに共役関係を維持する限りは、倍率に応じて大きさが適宜変わることが必要であることは言うまでもない。
The
Here, the vicinity of the pupil position includes a range in which the
本変形例に係る位相差顕微鏡では、位相リング(第1位相リング70b、及び第2位相リング71b)を設けることによって、位相差観察か可能となる。位相差観察によって、観察対象が透明な試料であっても、その屈折率差による明瞭な像を観察することが可能となる。
In the phase-contrast microscope according to this modification, phase-contrast observation is possible by providing a phase ring (
(第4の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の第4の実施形態について説明する。
上記第1、第2及び第3の実施形態では、透過型顕微鏡において、ターレットに収納された複数のレンズのうち光軸上に配置されるレンズを交換することによって、光学部材11の焦点距離(即ち、屈折力)を変更することによって、作動距離WD変更する構成であった。本実施形態では、顕微鏡において、変換レンズとしての光学部材11自体が可変焦点レンズを有し、この可変焦点レンズの焦点距離の変化に応じて作動距離が変更される。
本実施形態に係る顕微鏡を透過型顕微鏡1cといい、透過型顕微鏡1cの光学系を顕微鏡光学系30cという。
(Fourth Embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the first, second and third embodiments described above, in the transmission microscope, the focal length of the
The microscope according to this embodiment is referred to as a transmission microscope 1c, and the optical system of the transmission microscope 1c is referred to as a microscope
図11は、本実施形態に係る顕微鏡光学系30cの構成の一例を示す図である。本実施形態に係る顕微鏡光学系30c(図11)と第1の実施形態に係る顕微鏡光学系30(図2)とを比較すると、光学部材11cが異なる。ここで、他の構成要素が持つ機能は第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と同じ機能の説明は省略し、本実施形態では、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of the microscope
光学部材11cは、可変焦点レンズ80cと電圧印加部(不図示)とを備える。可変焦点レンズ80cは、電圧印加部によって印加される電圧に基づいて焦点距離が変更されるレンズであり、光軸31上において対物レンズ10の像側焦点面Fの位置に設置される。したがって、上述した原理に基づいて、可変焦点レンズ80cの焦点距離が変更されても、本実施形態に係る透過型顕微鏡の結像倍率βは不変である。
The
可変焦点レンズ80cは、一例として液晶レンズであり、液晶に印加される電圧の大きさに応じて、液晶の結晶の角度を変化させることによって屈折率を変化させ、その結果焦点距離が変更される。可変焦点レンズ80cは、屈折力可変レンズの一例であり、液晶レンズのような液体レンズとすることができる。図11において、可変焦点レンズ80を両凹負レンズとして表示しているが、負レンズでも正レンズであってもよい。焦点距離が可変であれば、その可変の範囲で作動距離WDを変えられることは、先に図2などで原理説明を行った通りである。
The
電圧印加部(不図示)は、可変焦点レンズ80cに電気信号を付与することによって可変焦点レンズ80cに電圧を印加して可変焦点レンズ80cの屈折力を切替える。電圧印加部は、屈折力変換手段の一例である。電圧印加部が可変焦点レンズ80cに印加する電圧は、制御部41cによって制御される。つまり、制御部41cは、電圧印加部によって可変焦点レンズ80cの焦点距離(即ち、屈折力)を変更する。制御部41cは、作動距離変更部の一例である。
The voltage application unit (not shown) applies a voltage to the
可変焦点レンズ80cに印加される電圧の値は、一例として制御装置40cの記憶部42cに印加電圧情報43cとして記憶される。印加電圧情報43cは、可変焦点レンズ80cに印加される電圧の値である印加電圧値を培養容器20の各層の底面毎に示す情報である。制御部41cは、記憶部42cから印加電圧情報43cを読み出し、読み出した印加電圧情報43cに基づいて、観察面Oに応じて可変焦点レンズ80cに印加される電圧を制御する。
The value of the voltage applied to the
なお、印加電圧情報は、透過型顕微鏡1cの外部のデータベースに記憶されてもよい。印加電圧情報43cが透過型顕微鏡1cの外部のデータベースに記憶される場合、制御装置40cとこのデータベースとは通信可能であり、制御部41cはこのデータベースから印加電圧情報を読み出し、読み出した印加電圧情報に基づいて可変焦点レンズ80cに印加される電圧を制御する。
The applied voltage information may be stored in an external database of the transmission microscope 1c. When the applied voltage information 43c is stored in an external database of the transmissive microscope 1c, the
なお、本実施形態では、観察面Oに応じて可変焦点レンズ80cの焦点距離が変更されて作動距離WDが変更される場合の一例について説明したが、これに限らない。観察面Oに応じて、可変焦点レンズ80cの焦点距離が変更されて、かつ対物レンズ10のステージ9に対する光軸上の相対位置を変更することによって、作動距離WDを変更してもよい。この場合、対物レンズ10と可変焦点レンズ80との間隔が対物レンズ10の焦点距離に等しく配置された状態で、一体的に光軸方向に移動する構成とする場合には、前述のとおり、顕微鏡としての結像倍率を一定に維持することができる。対物レンズ10のステージ9に対する光軸上の相対位置は、制御部41cによって変更される。制御部41cは、相対位置変更部の一例である。
In the present embodiment, an example in which the focal length of the
以上に説明したように、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1c)では、光学部材11は液体レンズなどの屈折力可変レンズ(本実施形態において、可変焦点レンズ80c)と屈折力可変レンズ(本実施形態において、可変焦点レンズ80c)の屈折力を切り換える屈折力変換手段(本実施形態において、電圧印加部)とを備え、作動距離変更部(本実施形態において、制御部41)は、屈折力変換手段(本実施形態において、電圧印加部)によって屈折力可変レンズ(本実施形態において、可変焦点レンズ80c)の屈折力を変更する。
さらに、図11に示した第4実施形態による屈折力可変レンズの構成を、図5及び図6で示した第3実施形態に示した光学部材11と組み合わせることが可能である。この場合、光学部材11による作動距離の切り換えの際に、屈折力可変レンズの屈折力(即ち焦点距離)を僅かに変化させることによって、作動距離の微調節を迅速に行うことが可能となり、より高精度の観察を高速に行うことが可能となる。
As described above, in the microscope according to the present embodiment (transmission type microscope 1c in the present embodiment), the
Further, the configuration of the variable refractive power lens according to the fourth embodiment shown in FIG. 11 can be combined with the
この構成により、本実施形態に係る顕微鏡では、対物レンズや反射ミラーを光軸方向に数十センチメートルに渡って移動させるメカニカルな駆動を行う場合に比べてより迅速に作動距離WDを変更できる。また、本実施形態に係る顕微鏡では、合焦を行うための機構の耐久性をメカニカルな駆動を行う場合に比べて向上させることができる。 With this configuration, in the microscope according to the present embodiment, the working distance WD can be changed more quickly than in the case of mechanically driving the objective lens or the reflection mirror over several tens of centimeters in the optical axis direction. Further, in the microscope according to the present embodiment, the durability of the mechanism for focusing can be improved as compared with the case where mechanical driving is performed.
また、本実施形態に係る顕微鏡(本実施形態において、透過型顕微鏡1c)では、培養容器20を配置するステージ9と、対物レンズ10のステージ9に対する光軸上の相対位置を変更する相対位置変更部とをさらに備えることが可能である。例えば、作動距離WDを変化させる場合に対物レンズ10のステージ9に対する光軸上の相対位置を変更させて、可変焦点レンズの焦点距離の変化量の不足を補うことができる。
なお、上述した変換レンズの切替や可変焦点レンズによる作動距離WDの変更の際に、対物レンズ10の個別の移動を加えることにより、作動距離変更の際の焦点合わせの精度や結像性能を向上することが可能である。
Further, in the microscope according to the present embodiment (transmission microscope 1c in the present embodiment), the relative position of the
By adding individual movements of the
なお、上述した実施形態における顕微鏡は、細胞培養装置に備えられてもよい。つまり、この細胞培養装置は、複数の観察面が積層された培養容器を観察するための顕微鏡であって、対物レンズと、結像レンズと、対物レンズ10と結像レンズ13との間の光軸上に配置される焦点距離が可変である光学部材と、光学部材11の焦点距離fvを変更することによって複数の観察面Oのうちの観察面から対物レンズ10までの作動距離を変更する作動距離変更部と、前記培養容器を配置するステージと、を備える顕微鏡を備える。
上述した実施形態における顕微鏡を備える細胞培養装置では、観察面Oに応じて作動距離WDを簡便に変更することができるため、複数の観察面Oが積層された培養容器20を簡便に観察することができる。しかも、作動距離WDの変更においても結像倍率を一定に保つことが可能である。
The microscope in the above-described embodiment may be provided in the cell culture apparatus. That is, this cell culture apparatus is a microscope for observing a culture vessel in which a plurality of observation surfaces are stacked, and the light between the objective lens, the imaging lens, the
In the cell culture apparatus provided with the microscope in the above-described embodiment, the working distance WD can be easily changed according to the observation surface O, so that the
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like are made without departing from the gist of the present invention. It is possible to do.
1、1a、1b、1c…透過型顕微鏡、10…対物レンズ、13…結像レンズ、31…光軸、11、11c…光学部材、41、41a、41b、41c…制御部、fv…焦点距離、WD…作動距離 1, 1a, 1b, 1c ... Transmission microscope, 10 ... Objective lens, 13 ... Imaging lens, 31 ... Optical axis, 11, 11c ... Optical member, 41, 41a, 41b, 41c ... Control unit, fv ... Focal length , WD ... Working distance
Claims (15)
対物レンズと、
結像レンズと、
前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸上に配置される焦点距離が可変である光学部材と、
前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの観察面から前記対物レンズまでの作動距離を変更する作動距離変更部と、
を備える顕微鏡。 A microscope for observing a culture vessel in which multiple observation surfaces are stacked.
With the objective lens
Imaging lens and
An optical member having a variable focal length arranged on the optical axis between the objective lens and the imaging lens,
A working distance changing unit that changes the working distance from the observation surface to the objective lens among the plurality of observation surfaces by changing the focal length of the optical member.
A microscope equipped with.
請求項1に記載の顕微鏡。 The principal point position of the optical member is arranged so as to coincide with the image-side focal position of the objective lens.
The microscope according to claim 1.
前記作動距離変更部によって制御されて前記複数のレンズのうち前記光軸上に配置されるレンズを切り替えるレンズ切替部を備える、
請求項1または2に記載の顕微鏡。 The optical member includes a plurality of lenses having different focal lengths.
A lens switching unit for switching a lens arranged on the optical axis among the plurality of lenses controlled by the working distance changing unit is provided.
The microscope according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の顕微鏡。 The microscope according to claim 3, wherein the lens switching unit includes the plurality of lenses in a plurality of sets having different positions in the optical axis direction.
請求項3または4に記載の顕微鏡。 The plurality of lenses are composed of a plurality of lens elements arranged on the same optical axis.
The microscope according to claim 3 or 4.
請求項5に記載の顕微鏡。 In one lens arranged on the optical axis by the lens switching unit, the composite principal point of the plurality of lens elements and the image-side focal point of the objective lens coincide with each other.
The microscope according to claim 5.
請求項3から6のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The lens switching unit is a turret.
The microscope according to any one of claims 3 to 6.
前記対物レンズの前記ステージに対する光軸上の相対位置を変更する相対位置変更部とをさらに備える、請求項1から7のいずれか1項に記載の顕微鏡。 The stage on which the culture container is placed and
The microscope according to any one of claims 1 to 7, further comprising a relative position changing portion for changing the relative position of the objective lens on the optical axis with respect to the stage.
請求項1から8のいずれか1項に記載の顕微鏡。 An oblique light diaphragm having an aperture at a peripheral portion outside the optical axis is provided at the position of the aperture diaphragm.
The microscope according to any one of claims 1 to 8.
請求項1から9のいずれか1項に記載の顕微鏡。 A phase ring is provided at the position of the aperture diaphragm and the pupil position of the objective lens conjugate with the position of the aperture diaphragm.
The microscope according to any one of claims 1 to 9.
請求項1から10のいずれか1項に記載の顕微鏡。 A bandpass filter or shading plate is provided at the position of the aperture stop.
The microscope according to any one of claims 1 to 10.
前記作動距離変更部は、前記屈折力変換手段によって前記屈折力可変レンズの屈折力を変更する、
請求項1または2に記載の顕微鏡。 The optical member includes a refractive power variable lens and a refractive power conversion means for switching the refractive power of the refractive power variable lens.
The working distance changing unit changes the refractive power of the variable refractive power lens by the refractive power conversion means.
The microscope according to claim 1 or 2.
請求項12に記載の顕微鏡。 The microscope according to claim 12, wherein the variable refractive power lens is a liquid lens, and the refractive power conversion means switches the refractive power of the variable refractive power lens by applying an electric signal to the liquid lens.
前記対物レンズの前記ステージに対する光軸上の相対位置を変更する相対位置変更部とをさらに備える、
請求項12または13に記載の顕微鏡。 The stage on which the culture vessel is placed and
A relative position changing portion for changing the relative position of the objective lens on the optical axis with respect to the stage is further provided.
The microscope according to claim 12 or 13.
対物レンズと、
結像レンズと、
前記対物レンズと前記結像レンズとの間の光軸上に配置される焦点距離が可変である光学部材と、
前記光学部材の前記焦点距離を変更することによって前記複数の観察面のうちの観察面から前記対物レンズまでの作動距離を変更する作動距離変更部と、
前記培養容器を載置するステージと、
を備える顕微鏡
を備える細胞培養装置。 A microscope for observing a culture vessel in which multiple observation surfaces are stacked.
With the objective lens
Imaging lens and
An optical member having a variable focal length arranged on the optical axis between the objective lens and the imaging lens,
A working distance changing unit that changes the working distance from the observation surface to the objective lens among the plurality of observation surfaces by changing the focal length of the optical member.
The stage on which the culture container is placed and
A cell culture device equipped with a microscope.
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|---|---|---|---|
| JP2021567577A JP7302676B2 (en) | 2019-12-25 | 2020-12-23 | Microscope and cell culture device |
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|---|---|---|---|
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| JP2019-233715 | 2019-12-25 |
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