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【発明の名称】 物質状態測定装置
【発明者】 【氏名】鈴木 雄二

【氏名】笠木 伸英

【氏名】中村 健一

【氏名】安木 政史

【要約】 【課題】複数の深度における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定する。

【解決手段】厚みの異なる10個の調整ガラス34a〜34jを円環状に配置してなる円盤状のスキャニングディスク32をマイクロ流路12と対物レンズ22との間に配置し、スキャニングディスク32を回転するモータ38を設け、スキャニングディスク32を高速に回転させた状態で調整ガラス34a〜34jが対物レンズ22に整合するときに同期してカメラ28により撮影する。調整ガラス34a〜34jの厚さが異なることから、マイクロ流路12の厚さ方向に高い周波数をもって焦点位置を変化させてマイクロ流路12内の物質の状態を撮影することができる。この結果、マイクロ流路12の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置であって、
前記物質から所定距離に配置される対物レンズと、
前記対物レンズからの像を結ばせる結像光学系と、
該対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が前記所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
を備える物質状態測定装置。
【請求項2】
前記焦点距離調整手段は、空気とは屈折率の異なる透光性材料により複数の厚みとして形成された複数の調整部材を前記所定の周波数以上となる周期で前記対物レンズの光軸上に配置することにより前記焦点距離を調整する手段である請求項1記載の物質状態測定装置。
【請求項3】
前記焦点距離調整手段は、円盤状のディスクに前記複数の調整部材を円環状に配置してなる調整用ディスクと、該調整用ディスクを前記所定の周波数以上となる周期で回転させる回転手段と、を有する手段である請求項2記載の物質状態測定装置。
【請求項4】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズの光軸上の前記調整用ディスクの上下に一対のレンズを有する手段である請求項3記載の物質状態測定装置。
【請求項5】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記物質との間に配置されてなる請求項1ないし4いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項6】
前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記結像光学系との間に配置されてなる請求項1ないし4いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項7】
前記物質の状態として、物質の流速,物質の濃度,物質の温度,物質の形状,物質の相対位置,物質に関する距離のうちのいずれかを測定する請求項1ないし6いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項8】
前記所定厚は、1mm以下である請求項1ないし7いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項9】
前記所定の周波数は、10Hz以上の周波数である請求項1ないし8いずれか記載の物質状態測定装置。
【請求項10】
前記対物レンズの光軸上に焦点深度を浅くする共焦点スキャナを備える請求項1ないし9いずれか記載の物質状態測定装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、物質状態測定装置に関し、詳しくは、所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の物質状態測定装置としては、対物レンズをその光軸方向に移動させるアクチュエータを備える3次元共焦点レーザ顕微鏡システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、対物レンズの焦点距離を走査するアクチュエータを駆動するための走査波形を三角状やステップ状の波形とすることにより、走査の際の振動を抑制している。
【特許文献1】特開2005−37690号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、上述の3次元共焦点レーザ顕微鏡システムでは、対物レンズの光軸方向の移動を伴うため、走査速度(走査周波数)を早くすると、走査波形を調整しても振動が生じ、走査周波数を高くすることができない。
【0004】
本発明の物質状態測定装置は、複数の深度における物質の状態を高い周波数をもって測定することを目的の一つとする。また、本発明の物質状態測定装置は、極めて薄い厚みの物質の状態を精度よく測定することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の物質状態測定装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【0006】
本発明の物質状態測定装置は、
所定厚以下の物質の状態を測定する物質状態測定装置であって、
前記物質から所定距離に配置される対物レンズと、
前記対物レンズからの像を結ばせる結像光学系と、
該対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が前記所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段と、
を備えることを要旨とする。
【0007】
この本発明の物質状態測定装置では、対物レンズの光軸方向への移動を伴わずに所定の周波数以上となる周期をもって焦点距離が所定厚内の複数の深度となるよう焦点距離を調整する焦点距離調整手段を備えることにより、複数の深度における物質の状態を所定の周波数以上となる周期をもって測定することができる。
【0008】
ここで、「物質の状態」としては、物質の流速,物質の濃度,物質の温度,物質の形状,物質の相対位置,物質に関する距離のうちのいずれかを測定するものとすることができる。また、「所定厚」としては、例えば1mmや500μm,100μm,50μm,10μmなどを用いることができ、この場合、極めて薄い物質の状態を精度よく測定することができる。また、「所定の周波数」としては、10Hz以上の周波数、例えば、10Hzや20Hz,30Hz,50Hz,100Hz,1000Hzなどを用いることができる。このように周波数を高くすれば、時間変化に伴って変化する物質の状態を精度よく測定することができる。
【0009】
こうした本発明の物質状態測定装置において、前記焦点距離調整手段は、空気とは屈折率の異なる透光性材料により複数の厚みとして形成された複数の調整部材を前記所定の周波数以上となる周期で前記対物レンズの光軸上に配置することにより前記焦点距離を調整する手段であるものとすることもできる。この場合、前記焦点距離調整手段は、円盤状のディスクに前記複数の調整部材を円環状に配置してなる調整用ディスクと、該調整用ディスクを前記所定の周波数以上となる周期で回転させる回転手段と、を有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、周波数を回転周波数とすることができ、周波数を高くすることができる。更に、この場合、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズの光軸上の前記調整用ディスクの上下に一対のレンズを有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、平行光の部分で平行光を非平行光として焦点距離を調整することができる。
【0010】
また、本発明の物質状態測定装置において、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記物質との間に配置されてなるものとすることもできる。また、前記焦点距離調整手段は、前記対物レンズと前記結像光学系との間に配置されてなるものとすることもできる。
【0011】
さらに、本発明の物質状態測定装置において、前記対物レンズの光軸上に焦点深度を浅くする共焦点スキャナを備えるものとすることもできる。こうすれば、極めて薄い物質の状態をより精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例1】
【0013】
図1は、本発明の一実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム20の構成の概略を示す構成図である。実施例の三次元顕微鏡システム20は、図示するように、載置台10に載置された測定対象の層厚が1mm以下のマイクロ流路12内を流れる物質の流速を三次元で測定する装置として構成されており、通常の顕微鏡システムが備える対物レンズ22および結像光学系24と、撮影用の高性能なカメラ28と、対物レンズ22とマイクロ流路12との間に配置され対物レンズ22の光軸方向の移動なしに焦点距離を調整する焦点距離調整機構30と、カメラ28による撮影や焦点距離調整機構30による焦点距離の調整を制御するコンピュータ40と、を備える。ここで、通常の顕微鏡システムが備える対物レンズ22や結像光学系24,カメラ28,コンピュータ40については周知であるから、その詳細な説明は省略する。
【0014】
焦点距離調整機構30は、図2に示すように空気とは屈折率の異なるガラスにより形成された10個の調整ガラス34a〜34jが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク32と、このスキャニングディスク32を回転させるモータ38と、を備える。10個の調整ガラス34a〜34jは、1mmから0.1mmずつ厚くなるように順に厚みが厚くなる円盤状の平板ガラスとして形成されている。モータ38は、例えばステッピングモータなどにより構成されており、所望の回転数、例えば100rpm〜20,000rpm程度の回転数でスキャニングディスク32を回転させる。
【0015】
図3は、厚みの異なる調整ガラス34a,34fと三次元顕微鏡システム20における焦点位置との関係の一例を示す説明図である。図示するように、調整ガラス34aの厚みDaは調整ガラス34fの厚みDfより薄いため、薄い調整ガラス34aを用いたときの焦点位置は厚い調整ガラス34fを用いたときに比して浅くなる。これを厚さの異なる10個の調整ガラス34a〜34jについて考えれば、実施例の三次元顕微鏡システム20で10個の異なる焦点位置の物質を測定することができることが解る。
【0016】
いま、0.3mmの厚さのマイクロ流路12の厚さ方向に44μm毎に焦点位置が変化するように調整された調整ガラス34a〜34jが嵌め込まれたスキャニングディスク32を6,000rpmで回転させ、調整ガラス34a〜34jが対物レンズ22に整合するタイミングに同期して撮影するようカメラ28を制御する場合を考える。この場合、マイクロ流路12を厚さ方向に100Hzの周波数で44μm毎の深さでマイクロ流路12内の物質を撮影することができる。こうした撮影を図1中左右方向や紙面の表裏方向に走査して行なうことにより、マイクロ流路12内の物質を三次元として撮影することができる。マイクロ流路12内の物質の三次元的な流速の測定結果を図4および図5に示す。図中、「x」はマイクロ流路12の図1中紙面の表裏方向の位置を示し、「y」はマイクロ流路12の図1中の左右方向の位置を示し、「z」はマイクロ流路12の図1中の上下方向(厚さ方向)の位置を示し、「U」は流速を意味する。
【0017】
ここで、測定対象としては、例えば、マイクロ流路12内に指標となる色を付した微粒子を混ぜて流すと共にこの微粒子の存在を測定するものとすれば、マイクロ流路12内の物質の三次元的な流速を測定することができるし、温度に反応して発色する微粒子を混ぜて測定するものとすれば、マイクロ流路12内の物質の三次元的な温度を測定することができる。同様にして、マイクロ流路12内の物質の三次元的な濃度を測定することもできる。このように、測定対象としては、物質の流速や温度,濃度などを上げることができる他、マイクロ流路12内の物質の状態であれば如何なるもの、例えば細胞なども三次元的に可視化することができる。
【0018】
以上説明した実施例の三次元顕微鏡システム20によれば、厚みの異なる調整ガラス34a〜34jが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク32を回転させ、調整ガラス34a〜34jが対物レンズ22に整合する位置に同期してカメラ28により撮影することにより、マイクロ流路12の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。しかも、スキャニングディスク32を回転させるだけで対物レンズ22をその光軸方向に移動させないから、走査周波数(スキャニングディスク32の回転数)を高くしても振動により測定精度が低下することがない。
【実施例2】
【0019】
図6は、本発明の第2実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム20Bの構成の概略を示す構成図である。第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bは、図示するように、焦点距離調整機構30Bが対物レンズ22と結像光学系24との間に配置されている点と、結像光学系24とカメラ28との間に焦点距離を浅くする共焦点スキャナ26を備える点と、を除いて第1実施例の三次元顕微鏡システム20と同一の構成をしている。なお、共焦点スキャナ26は、周知のものを用いているため、その詳細な説明は省略する。
【0020】
焦点距離調整機構30Bは、第1実施例の焦点距離調整機構30と同一の構成、即ち、10個の調整ガラス34a〜34jが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク32と、このスキャニングディスク32を回転させるモータ38と、を備える他、スキャニングディスク32と結像光学系24との間に配置されて平行光を非平行光とするための凹レンズ36aと、スキャニングディスク32と対物レンズ22との間に配置されて非平行光を対物レンズ22に集めるための凸レンズ36bと、を備える。
【0021】
図7は、厚みの異なる調整ガラス34a,34fと三次元顕微鏡システム20Bにおける焦点位置との関係の一例を示す説明図である。図示するように、凹レンズ36aにより平行光を非平行光として厚みの異なる調整ガラス34a,34fに入光させる。第1実施例と同様に、調整ガラス34aの厚みDaは調整ガラス34fの厚みDfより薄いため、非平行光に対して薄い調整ガラス34aを用いたときの焦点位置は厚い調整ガラス34fを用いたときに比して浅くなる。これを厚さの異なる10個の調整ガラス34a〜34jについて考えれば、第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bで10個の異なる焦点位置の物質を測定することができることが解る。
【0022】
以上説明した第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでも厚みの異なる調整ガラス34a〜34jが円環状に配置されてなる円盤状のスキャニングディスク32を回転させ、調整ガラス34a〜34jが対物レンズ22に整合する位置に同期してカメラ28により撮影することにより、マイクロ流路12の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって精度よく測定することができる。しかも、焦点距離調整機構30Bを結像光学系24と対物レンズ22との間に配置したから、開口数(NA:Numerical Aperture)の大きな対物レンズ22を用いることができる。この結果、解像度を向上させることができると共に焦点深度を浅くすることができる。また、共焦点スキャナ26を用いるから、更に焦点深度を浅くすることができる。この結果、より薄いマイクロ流路12内の物質の状態を高い解像度をもって測定することができる。
【0023】
第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、スキャニングディスク32と結像光学系24との間に配置されて平行光を非平行光とするための凹レンズ36aと、スキャニングディスク32と対物レンズ22との間に配置されて非平行光を対物レンズ22に集めるための凸レンズ36bとの一対のレンズを備えるものとしたが、こうした一対のレンズに加えて1個あるいは2個以上のレンズを更に備えるものとしても構わない。
【0024】
第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、共焦点スキャナ26を備えるものとしたが、共焦点スキャナ26を備えないものとしても構わない。一方、第1実施例の三次元顕微鏡システム20では、共焦点スキャナ26を備えないものとしたが、共焦点スキャナ26を備えるものとしても構わない。
【0025】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、スキャニングディスク32に10個の調整ガラス34a〜34jを円環状に配置するものとしたが、円環状に配置する調整ガラスの数は10個の限られず、いくつでも構わない。
【0026】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、ガラスにより調整ガラス34a〜34jを形成したが、空気とは屈折率が異なる材料であれば如何なる材料により調整ガラス34a〜34jを形成するものとしても構わない。
【0027】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、マイクロ流路12の厚みを0.3mmとしたが、マイクロ流路12の厚みは0.3mmに限定されるものではなく、1mmや500μm,100μm,50μm,10μmなどの種々の厚みとしても構わない。
【0028】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、スキャニングディスク32を100rpm〜20,000rpm程度の回転数で回転させるものとしたが、このスキャニングディスク32の回転数はいくつであっても構わない。例えば、周波数として、10Hzや20Hz,30Hz,50Hz,100Hz,1000Hzなどとなるようスキャニングディスク32を回転させるものとしてもよい。
【0029】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、10個の調整ガラス34a〜34jを円環状に配置したスキャニングディスク32を回転させることにより、マイクロ流路12の厚さ方向における物質の状態を高い周波数をもって測定するものとしたが、対物レンズ22の光軸方向の移動を伴わずに焦点距離を変更することができるものであれば、如何なるものとしても構わない。
【0030】
第1実施例の三次元顕微鏡システム20や第2実施例の三次元顕微鏡システム20Bでは、層厚が1mm以下のマイクロ流路12内を流れる物質の流速を三次元で測定するものとしたが、物質の流速以外に、層厚が1mm以下のマイクロ流路12内の物質の濃度や物質の温度などを三次元で測定するものとしてもよい。また、こうしたマイクロ流路を流れる物質ではなく、スライドガラスの上に置かれた物質の形状や物質の相対位置,物質間の距離など、種々の物質の状態を三次元で測定するものとしてもよい。
【0031】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明は、顕微鏡システムや物質状態測定装置などの製造産業に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の一実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム20の構成の概略を示す構成図である。
【図2】スキャニングディスク32の構成の一例を示す構成図である。
【図3】厚みの異なる調整ガラス34a,34fと三次元顕微鏡システム20における焦点位置との関係の一例を示す説明図である。
【図4】マイクロ流路12内の物質の三次元的な流速の測定結果の一例を示す説明図である。
【図5】マイクロ流路12内の物質の三次元的な流速の測定結果の一例を示す説明図である。
【図6】本発明の第2実施例としての物質状態測定装置である三次元顕微鏡システム20Bの構成の概略を示す構成図である。
【図7】厚みの異なる調整ガラス34a,34fと三次元顕微鏡システム20Bにおける焦点位置との関係の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0034】
10 載置台、12 マイクロ流路、20,20B 三次元顕微鏡システム、22 対物レンズ、24 結像光学系、26 共焦点スキャナ、28 カメラ、30,30b 焦点距離調整機構、32 スキャニングディスク、34a〜34j 調整ガラス、36a 凹レンズ、36b 凸レンズ、38 モータ、40 コンピュータ。
【出願人】 【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
【識別番号】593036165
【氏名又は名称】西華産業株式会社
【出願日】 平成17年9月15日(2005.9.15)
【代理人】 【識別番号】110000017
【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所


【公開番号】 特開2007−79278(P2007−79278A)
【公開日】 平成19年3月29日(2007.3.29)
【出願番号】 特願2005−268837(P2005−268837)