JP4931685B2 - 撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロプレートの如く、複数の凹部が形成された容器を対象として、該容器の凹部に収容された試料担体を撮影する撮影装置に関するものである。

従来、生化学・分子生物学分野においては、蛍光色素を標識物質として使用した撮影装置が知られている。この様な撮影装置によれば、蛍光色素で標識された特定の生体由来物質が分布する試料に係る画像情報を読み取ることにより、遺伝子配列、遺伝子の発現レベル、実験用マウスにおける投与物質の代謝・吸収・排泄の経路・状態、タンパク質の分離・同定、あるいは分子量、特性の評価などを行なうことが出来る。

図１１は、複数のウェル(11)が形成されたマイクロプレート(１)を対象として、各ウェル(11)の細胞を撮影するための従来の撮影装置を示している(例えば特許文献１参照)。図示の如く光軸Ｓ上に、マイクロプレート(１)の表面に対向させて、撮影光学系を物体側テレセントリックとするためのフィールドレンズ(３)が設置されている。尚、フィールドレンズ(３)としてはフレネルレンズが採用され、これによってフィールドレンズ(３)の薄型化が図られている。

図１１中に一点鎖線で示すように、カメラ(２)の撮影レンズ(26)とフィールドレンズ(３)との間では、主光線が光軸Ｓに対して斜めの角度をもつことになるが、フィールドレンズ(３)とマイクロプレート(１)との間では、フィールドレンズ(３)の作用によって平行光線が形成されて、マイクロプレート(１)のウェル(11)の底部に至るまで壁面が写り込まない撮影が実現される。
特開２０００−７４８３７号公報

しかしながら、従来の撮影装置においては、フィールドレンズ(３)として用いられているフレネルレンズが多数の溝を有しているため、この溝によって撮影画像の劣化が生じることとなり、この劣化した画像では、マイクロプレート(１)のウェル(11)内の細胞から発せられる光の強度を測定することは出来るが、細胞の発育状態などの形状的特徴までは正確に測定することが出来ない問題があった。

そこで本発明の目的は、従来よりも高い画質で撮影を行なうことが出来る物体側テレセントリック光学系を具えた撮影装置を提供することである。

本発明に係る撮影装置は、表面に複数の凹部が形成された容器を対象として、前記複数の凹部に収容された試料担体を撮影するものであって、前記容器の表面に対向して設置されるべきフィールドレンズを具え、該フィールドレンズは、撮影光学系を物体側テレセントリックとするものであって、その光軸と直交する平面上に複数のレンズ要素を配列して構成され、互いに隣接するレンズ要素間の境界が、前記容器の互いに隣接する凹部間を伸びる仕切り部と、前記光軸と平行な線上で対峙していることを特徴とする。
ここで、容器がマイクロプレートの場合、細胞を収容すべきウェルが前記凹部に相当する。又、凹部間の仕切り部とは、凹部間にある幅をもって形成されることとなる仕切り壁の表面領域を意味している。

一般に撮影光学系を物体側テレセントリックとするためのフィールドレンズを具えた撮影装置においては、フィールドレンズを構成する複数のレンズ要素の要素間の境界、即ちフレネルレンズでは複数の溝のエッジ部を通過する光線が画質の劣化を引き起こすことになるが、本発明に係る撮影装置においては、画像の劣化を引き起こすレンズ要素間の境界が、撮影対象である容器の互いに隣接する凹部間の仕切り部と、前記光軸と平行な線上で対峙しており、画像の劣化は、容器の仕切り部の画像に生じる。そこで、容器の撮影画像の全体から仕切り部の画像を除去し、凹部の画像のみを切り出せば、該画像に基づいて凹部内の試料担体の画像の輝度のみならず、その形状的特徴をも正確に測定することが出来る。

具体的構成において、前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素からなる一体成形品である。
該具体的構成においては、樹脂の一体成型等によってフィールドレンズが作製される。

他の具体的構成において、前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素をそれぞれ独立の部品として、これらのレンズ要素を互いに合体させて構成される。ここで、例えば複数のレンズ要素は互いに接着され、或いは格子状のホルダーによって互いに一体に保持されている。
該具体的構成においては、複数のレンズ要素をそれぞれ樹脂や光学ガラス等で単独で作製した後、これらのレンズ要素を互いに合体させてフィールドレンズを構成することが出来るので、製造コストの低減を図ることが出来る。

他の具体的な構成において、前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素の内、前記光軸と交差する１つのレンズ要素を欠落させて構成されている。
該具体的構成において、フィールドレンズの中央部はテレセントリック補正の不要な領域であるので、フィールドレンズの中央部のレンズ要素が欠落していることに問題はなく、これによって軽量化を図ることが出来る。

本発明に係る撮影装置によれば、撮影対象となる容器の仕切り部の位置に合わせてフィールドレンズを構成する複数のレンズ要素の大きさや形状を設計することにより、従来よりも高い画質で撮影を行なうことが出来、これによって容器内の試料担体の形状的特徴を正確に測定することが可能である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る撮影装置は、図１に示す如く、表面に複数のウェル(11)が形成されたマイクロプレート(１)を対象として、複数のウェル(11)に収容された細胞を撮影するものであり、カメラ(２)からマイクロプレート(１)に至る光路上には、マイクロプレート(１)の表面に対向して、フレネルレンズ状のフィールドレンズ(４)が設置され、これによって物体側テレセントリック光学系が構成されている。

マイクロプレート(１)は例えばポリスチレン等の無色透明のプラスチック材料から形成されており、図２及び図３に示す如く、具体的には１２のウェル(11)を４行３列に配列したものである。
一方、フィールドレンズ(４)は、９つのレンズ要素(41)〜(41)を３行３列に配列したものであって、これによってフレネルレンズと同様の機能が付与されており、焦点距離は例えば３００ｍｍに設定されている。

該フィールドレンズ(４)においては、隣接するレンズ要素(41)(41)間の境界に形成されているエッジ(42)が、マイクロプレート(１)の互いに隣接するウェル(11)(11)間の仕切り壁(12)の表面領域と、光軸Ｓと平行な線上で対峙している。そして、フィールドレンズ(４)の中央部の１つのレンズ要素(41)が、マイクロプレート(１)の中央部の２つのウェル(11)(11)と全面で対向し、フィールドレンズ(４)の周囲の１０個のレンズ要素(41)〜(41)が、マイクロプレート(１)の周囲の８つのウェル(11)〜(11)と全面で対向している。

ここでフィールドレンズ(４)は、９つのレンズ要素(41)〜(41)からなる一体成型品として構成することも可能であるが、図４に示す如く、９つのレンズ要素(41)〜(41)をそれぞれ独立の部品として作製し、これらのレンズ要素(41)〜(41)を互いに接着して、図５の如く合体させることも可能である。

上記撮影装置においては、図１の如くマイクロプレート(１)がフィールドレンズ(４)を介してカメラ(２)により撮影され、これによって物体側テレセントリック補正の施された画像が得られる。即ち、図中に一点鎖線で示す様に、マイクロプレート(１)の各ウェル(11)の画像は、フィールドレンズ(４)の各レンズ要素(41)を介して捉えられ、ウェル(11)の底部まで撮影されることになる。
但し、マイクロプレート(１)の仕切り壁(12)の画像は、フィールドレンズ(４)のエッジ(42)を含む領域を介在させて捉えられるため、エッジ(42)で生じる光の屈折や散乱により、不鮮明な画像となる。

しかしながら、カメラ(２)によって撮影される画像の内、マイクロプレート(１)の仕切り壁(12)の画像は、マイクロプレート(１)上の細胞の観察にとって不要なものである。そこで、カメラ(２)によって撮影される画像から仕切り壁(12)の画像を除去し、ウェル(11)の画像のみを切り出して、観察の対象とするのである。
これによって、フィールドレンズ(４)のエッジ(42)による影響が排除された鮮明な画像が得られ、マイクロプレート(１)上の細胞の画像の輝度のみならず、細胞の形状的特徴をも正確に測定することが出来る。

本発明に係る撮影装置においては、フィールドレンズ(４)を樹脂(例えばアクリル)の一体成型品として作製する場合、レンズ要素(41)(41)間のエッジ(42)は、上述の如く細胞の形状的特徴の測定に寄与しないので、エッジ(42)を必ずしも光軸と平行な壁面に形成する必要はなく、樹脂成型時のドラフト(抜き勾配)を考慮した斜面に形成することも可能である。

又、フィールドレンズ(４)を独立の９つのレンズ要素(41)〜(41)から構成する場合、これらのレンズ要素(41)〜(41)を図６に示す如き格子状のホルダー(５)に取り付けて一体化し、更には中央の１つのレンズ要素(41)を欠落させることも可能である。
又、図６の様な格子状のホルダー(５)で各レンズ要素を保持した場合は、フィールドレンズ(４)の前記エッジ(42)で生じる屈折光や散乱光がホルダー(５)の枠の部分で遮光され、これらの不要な光が除去されるので、撮影画像のＳ／Ｎ比向上の効果も得られる。
この様にフィールドレンズ(４)を独立の複数のレンズ要素(41)〜(41)から構成すれば、各レンズ要素(41)は段差のない凸レンズ片から形成することが出来るので、製造コストの削減が可能である。
又、格子状ホルダー(５)にマイクロプレート(１)のウェル(11)と相似形状の開口を形成することによって、該開口が視野絞りの作用を発揮し、マイクロプレート(１)の他の箇所からの不要な光を積極的に遮断することが出来、これによってＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。

更に、フィールドレンズ(４)の中央の１つのレンズ要素(41)を欠落させた構成によれば、フィールドレンズ(４)の軽量化を図ることが出来る。この様に、中央の１つのレンズ要素(41)を欠落させたとしても、フィールドレンズ(４)の中央部はテレセントリック補正の必要がない領域であるので、測定精度が低下することはない。
更に又、図７に示す如く、複数のフィールドレンズ(４)(４)を重ね合わせて物体側テレセントリック光学系を構成することも可能である。これによって、レンズ収差の補正が容易となる。更に、凸面と凹面の組合せによってアクロマートレンズを構成し、これによって球面収差の補正に加えて色収差などの補正も可能となる。

図８は、本発明に係る撮影装置の応用例を示しており、カメラ(２)は、マイクロプレート(１)の上方位置に、鉛直の光軸に沿って、光源(21)、照明レンズ(22)、励起光フィルター(23)、ダイクロイックミラー(24)及びフィールドレンズ(４)を配置すると共に、該光軸とは直交する水平の光軸上に、蛍光フィルター(25)と、撮影レンズ(26)及び撮像素子(27)からなる撮影ユニット(28)とを配置している。
光源(21)は光源コントロールユニット(７)と接続され、撮影ユニット(28)はカメラコントロールユニット(８)と接続され、光源コントロールユニット(７)及びカメラコントロールユニット(８)は情報処理装置(６)に接続されている。

ここで、マイクロプレート(１)は深さ１１ｍｍのウェル(11)を有しており、フィールドレンズ(４)は焦点距離３００ｍｍに設定され、マイクロプレート(１)の上方０〜３０ｍｍの高さ位置に設置されている。
カメラ(２)の光源(21)は、マイクロプレート(１)の上方からマイクロプレート(１)に向けて、蛍光物質を励起して蛍光を発生させる中心波長４７０ｎｍの励起光を照射するものである。
尚、マイクロプレート(１)の各ウェル(11)内に収容されている細胞は全てが同一のものである必要はなく、例えば所定の励起光を受けて蛍光を発する蛍光物質により標識されているものと標識されていないものを含んでいてもよい。

上記撮影装置においては、マイクロプレート(１)に照射された励起光は、マイクロプレート(１)の各ウェル(11)に収容された細胞を照射するが、前処理によって蛍光物質で標識された細胞は、励起光の照射によって蛍光を発する一方、蛍光物質で標識されていない細胞は、励起光の照射を受けても蛍光を発することはない。
この様にしてマイクロプレート(１)の各ウェル(11)から発せられた蛍光は、フィールドレンズ(４)を通過した後、蛍光フィルター(25)を経て撮影レンズ(26)により更に屈折されて、撮像素子(27)に入射し、蛍光が光電変換されて、映像信号が作成される。

マイクロプレート(１)の各ウェル(11)からは、マイクロプレート(１)や細胞表面からの励起光の反射光も出射し、蛍光と同様に進行するが、蛍光フィルター(25)にて遮断されるので、撮像素子(27)に入射することはない。この結果、撮像素子(27)は、全ウェル(11)の内、蛍光が発せられたウェル(11)に対応するもののみが蛍光を検出する。

ここで、マイクロプレート(１)の各ウェル(11)は、フィールドレンズ(４)によって物体側テレセントリック補正の施された光学系により、その真上から撮影されることになるので、マイクロプレート(１)の端部に位置するウェル(11)であっても、該ウェル(11)から発せられる蛍光が他のウェル(11)からの蛍光と誤認される虞はない。

又、図９は、本発明に係る撮影装置の他の応用例を示しており、カメラ(２)は、水平の光軸上に、折り返しミラー(29)と、蛍光フィルター(25)と、撮影レンズ(26)及び撮像素子(27)からなる撮影ユニット(28)とを配置すると共に、マイクロプレート(１)の下方位置に、波長４００〜７００ｎｍの白色を発する平板状の光源(20)を配置している。
光源(20)は光源コントロールユニット(７)と接続され、撮影ユニット(28)はカメラコントロールユニット(８)と接続され、光源コントロールユニット(７)及びカメラコントロールユニット(８)は情報処理装置(６)に接続されている。

該撮影装置においても同様に、マイクロプレート(１)の各ウェル(11)から発せられた蛍光は、フィールドレンズ(４)を通過した後、蛍光フィルター(25)を経て撮影レンズ(26)により更に屈折されて、撮像素子(27)に入射し、蛍光が光電変換されて、映像信号が作成される。

何れの撮影装置の応用例においても、フィールドレンズ(４)による物体側テレセントリック光学系が配備されて、テレセントリック補正が施される。フィールドレンズ(４)は上述の如くフレネルレンズ状に形成されて薄型化が図られると共に、マイクロプレート(１)の仕切り壁の位置に合わせてフィールドレンズ(４)を構成する複数のレンズ要素の大きさや形状が設計されており、これによってフィールドレンズ(４)のエッジ(42)による画質の劣化が防止されている。

図１０は、本発明に係る撮影装置の動作アルゴルズムを示しており、先ずステップＳ１でマイクロプレートの種類(ウェル数)を装置に入力すると、ステップＳ２では、光源による照明がＯＮとなる。次にステップＳ３では、カメラによる撮影が実行される。その後、ステップＳ４では、光源による照明がＯＦＦとなる。

続いてステップＳ５では、カメラによって撮影された画像から、マイクロプレートの種類に応じてウェルの場所を切り出し、ステップＳ６にて、各ウェル内の輝度と形状について画像処理測定を実行する。
最後にステップＳ７にて、測定結果をディスプレイに表示し、手続きを終了する。

従来の撮影装置では、図１０に示すステップＳ６にて、各ウェル内の輝度についての画像処理測定が可能であったに過ぎないが、本発明に係る撮影装置によれば、形状についての画像処理測定によって各ウェル内の細胞の蛍光分布の形状をも正確に測定することが出来る。
この結果、各ウェル内の細胞の蛍光輝度と蛍光分布の形状に基づいて、細胞の発育状態を判定することが可能となる。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。フィールドレンズ(４)の各レンズ要素(41)は、表面が曲面に形成されてレンズ作用を有するものに限らず、表面が傾斜を有する平面に形成された楔状の平面プリズム要素に形成して、該平面プリズム要素を組み合わせることによってフィールドレンズ(４)を構成することも可能である。この場合においても、各平面プリズム要素による撮影画像自体は鮮明なものであるから、縦横比の修正等、必要な歪補正処理を施せば、撮影対象の形状的特徴の明らかな画像を得ることが出来る。

又、本発明に係る撮影装置は、励起光による励起なしに発光する化学発光や生物発光する被撮影対象物を撮影することも可能である。この場合、励起光を発生させるための光源や蛍光フィルターは不要となる。

本発明に係る撮影装置の物体側テレセントリック光学系を示す図である。 フィールドレンズ及びマイクロプレートの対応関係を示す断面図である。 図２の断面図とは直交する方向の断面図である。 フィールドレンズを分割構造とした例を示す図である。 フィールドレンズの斜視図である。 フィールドレンズの他の構成を示す斜視図である。 フィールドレンズの更に他の構成を示す斜視図である。 本発明に係る撮影装置の応用例を示すブロック図である。 本発明に係る撮影装置の他の応用例を示すブロック図である。 本発明に係る撮影装置の動作アルゴリズムを示すフローチャートである。 従来の撮影装置の物体側テレセントリック光学系を示す図である。

符号の説明

(１) マイクロプレート
(11) ウェル
(12) 仕切り壁
(２) カメラ
(４) フィールドレンズ
(41) レンズ要素
(42) エッジ
(５) ホルダー
(６) 情報処理装置
(７) 光源コントロールユニット
(８) カメラコントロールユニット

Claims (5)

1. 表面に複数の凹部が形成された容器を対象として、前記複数の凹部に収容された試料担体を撮影する撮影装置において、前記容器の表面に対向して設置されて、撮影光学系を物体側テレセントリックとするフィールドレンズを具え、該フィールドレンズは、その光軸と直交する平面上に複数のレンズ要素を配列して構成され、互いに隣接するレンズ要素間の境界が、前記容器の互いに隣接する凹部間を伸びる仕切り部と、前記光軸と平行な線上で対峙していることを特徴とする撮影装置。
2. 前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素からなる一体成形品である請求項１に記載の撮影装置。
3. 前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素をそれぞれ独立の部品として、これらのレンズ要素を互いに合体させて構成される請求項１に記載の撮影装置。
4. 前記複数のレンズ要素はホルダーによって互いに一体に保持されている請求項３に記載の撮影装置
5. 前記フィールドレンズは、前記複数のレンズ要素の内、前記光軸と交差する１つのレンズ要素を欠落させて構成されている請求項２乃至請求項４の何れかに記載の撮影装置。

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