JP7058271B2 - 試料観察装置及び試料観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料観察装置及び試料観察方法に関する。

細胞などの３次元立体構造を持つ試料の内部を観察する装置の一つとして、例えば特許文献１に記載の時間遅延積分（ＴＤＩ）型イメージセンサを用いたフローサイトメータがある。フローセルは、流体力学に基づいて設計され、試料を含むサンプル浮遊液の流れ（サンプル流）と、シース液の流れ（シース流）とによる層流がフローセルの中で形成される。サンプル流の圧力をシース流の圧力よりも僅かに低くすることにより、サンプル流に流体力学的絞り込みが発生する。これにより、シース流に囲まれたサンプル流の流径が非常に小さくなり、フローセル内に細かい試料を順番に流していくことが可能となる。

米国特許出願公開第２００２／００７１１２１号明細書

フローサイトメータを用いた細胞抗原測定などの定性的な測定では、サンプル流の圧力を高く設定し、サンプル流の流速を上げることで、試料の解析結果を得るまでのスループットを確保できる。しかしながら、スループットを向上させると、分解能が低下する、或いはフローセル内の流体から発生する自家蛍光に起因するバックグラウンドが上昇するおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、スループットを向上させた場合であっても試料の観察を適切に実施できる試料観察装置及び試料観察方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る試料観察装置は、試料を含む流体を流すフローセルと、フローセル内を流れる試料に面状光を照射する照射部と、面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有し、面状光の照射によって試料で発生した観察光を結像する結像部と、結像部によって結像された観察光による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を撮像し、画像データを出力する二次元撮像素子と、画像データに基づいて、流体の流れ方向についての試料の光強度プロファイルを解析する解析部と、を備える。

この試料観察装置では、フローセル内を流れる試料に面状光が照射され、試料からの観察光は、面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有する結像部によって結像する。また、結像部によって結像された観察光は、二次元撮像素子によって撮像され、少なくとも流体の断面を含む光像に基づく画像データが生成される。このため、流体の断面内に複数の試料が存在している場合でも、解析部においてそれぞれの試料からの観察光を分離して光強度プロファイルを解析することができる。したがって、スループットを向上させた場合であっても試料の観察を適切に実施できる。

また、照射部による面状光の光軸は、フローセルにおける面状光の入射面と直交していてもよい。この場合、二次元撮像素子で取得した画像データの位置補正などが不要となり、光強度プロファイルの解析処理を容易化できる。

また、照射部による面状光の光軸は、フローセルにおける流体の流れ方向と直交していてもよい。この場合、二次元撮像素子で取得した画像データの位置補正などが不要となり、光強度プロファイルの解析処理を容易化できる。

また、解析部は、画像データに基づいて、試料の流速を解析してもよい。フローセル内のサンプル流の流速は、サンプル流の中心側とその周囲とで異なる場合がある。この場合、試料毎の光強度プロファイルの差が試料の大きさの違いに基づくものであるか、或いは流速の違いに基づくものであるかの判別が困難となることが考えられる。したがって、試料の流速を解析する場合には、サンプル流の流速ムラを許容でき、フローサイトメトリーの制御が容易となる。

また、解析部は、試料の流速に基づいて光強度プロファイルを補正してもよい。この場合、光強度プロファイルの補正により、試料の解析精度を高めることが可能となる。

また、二次元撮像素子は、結像部によって結像された観察光による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像をサブアレイ読出によって撮像してもよい。この場合、二次元撮像素子のフレームレートを上げることができるため、更なるスループットの向上が図られる。

また、結像部は、対物レンズと、フローセルと対物レンズとの間に配置された第１の光学素子とを含み、第１の光学素子は、結像部の配置空間よりも大きい屈折率を有し、当該第１の光学素子が配置されない場合と比較して、試料から出射する観察光の面状光の照射面に対する傾斜角度を大きくする光学素子であってもよい。このような第１の光学素子の配置により、面状光の照射面に対して結像部の観察軸が傾斜する場合であっても、観察画像のＺ方向の解像度の向上が図られる。

また、第１の光学素子は、ウェッジプリズムであってもよい。この場合、観察光の非点収差の低減化も図られる。

また、第１の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであってもよい。この場合、観察光の色収差の低減化も図られる。

また、結像部は、対物レンズの後段側に配置された結像レンズと、結像レンズと二次元撮像素子との間に配置された第２の光学素子とを含み、第２の光学素子は、観察光の一方軸の光線を曲げる一方で、一方軸に直交する他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子であってもよい。このような第２の光学素子の配置により、観察光の非点収差の低減化が一層図られる。

また、第２の光学素子は、ウェッジプリズムであってもよい。観察光の非点収差の低減化が一層図られる。

また、第２の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであってもよい。この場合、観察光の色収差の低減化が一層図られる。

また、本発明の一側面に係る試料観察方法は、フローセル内に試料を含む流体を流す流体形成ステップと、フローセル内を流れる試料に面状光を照射する照射ステップと、面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有する結像部により、面状光の照射によって試料で発生した観察光を結像する結像ステップと、結像部によって結像された観察光による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を二次元撮像素子によって撮像し、画像データを出力する撮像ステップと、画像データに基づいて、流体の流れ方向についての試料の光強度プロファイルを解析する解析ステップと、を備える。

この試料観察方法では、フローセル内を流れる試料に面状光を照射し、面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有する結像部によって試料からの観察光を結像する。また、結像部によって結像された観察光を二次元撮像素子によって撮像し、少なくとも流体の断面を含む光像に基づく画像データを生成する。このため、流体の断面内に複数の試料が存在している場合でも、解析部においてそれぞれの試料からの観察光を分離して光強度プロファイルを解析することができる。したがって、スループットを向上させた場合であっても、試料の観察を適切に実施できる。

また、照射ステップでは、面状光の光軸をフローセルにおける面状光の入射面に対して直交させてもよい。この場合、二次元撮像素子で取得した画像データの位置補正などが不要となり、光強度プロファイルの解析処理を容易化できる。

また、照射ステップでは、面状光の光軸をフローセルにおける流体の流れ方向に対して直交させてもよい。この場合、二次元撮像素子で取得した画像データの位置補正などが不要となり、光強度プロファイルの解析処理を容易化できる。

また、解析ステップでは、画像データに基づいて試料の流速を解析してもよい。フローセル内のサンプル流の流速は、サンプル流の中心側とその周囲とで異なる場合がある。この場合、試料毎の光強度プロファイルの差が試料の大きさの違いに基づくものであるか、或いは流速の違いに基づくものであるかの判別が困難となることが考えられる。したがって、試料の流速を解析する場合には、サンプル流の流速ムラを許容でき、フローサイトメトリーの制御が容易となる。

また、解析ステップでは、試料の流速に基づいて光強度プロファイルを補正してもよい。この場合、光強度プロファイルの補正により、試料の解析精度を高めることが可能となる。

また、撮像ステップでは、結像ステップによって結像された観察光による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を二次元撮像素子のサブアレイ読出によって撮像してもよい。この場合、二次元撮像素子のフレームレートを上げることができるため、更なるスループットの向上が図られる。

また、結像ステップでは、対物レンズと、フローセルと対物レンズとの間に配置された第１の光学素子とを用い、第１の光学素子は、結像部の配置空間よりも大きい屈折率を有し、当該第１の光学素子が配置されない場合と比較して、試料から出射する観察光の面状光の照射面に対する傾斜角度を大きくする光学素子であってもよい。このような第１の光学素子の配置により、面状光の照射面に対して結像部の観察軸が傾斜する場合であっても、観察画像のＺ方向の解像度の向上が図られる。

また、第１の光学素子は、ウェッジプリズムであってもよい。この場合、観察光の非点収差の低減化も図られる。

また、第１の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであってもよい。この場合、観察光の色収差の低減化も図られる。

また、結像ステップでは、対物レンズの後段側に配置された結像レンズと、結像レンズと二次元撮像素子との間に配置された第２の光学素子とを用い、第２の光学素子は、観察光の一方軸の光線を曲げる一方で、一方軸に直交する他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子であってもよい。このような第２の光学素子の配置により、観察光の非点収差の低減化が一層図られる。

また、第２の光学素子は、ウェッジプリズムであってもよい。観察光の非点収差の低減化が一層図られる。

また、第２の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであってもよい。この場合、観察光の色収差の低減化が一層図られる。

本発明によれば、スループットを向上させた場合であっても試料の観察を適切に実施できる。

試料観察装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１に示した試料観察装置における照射部、フローセル、及び結像部の構成例を示す概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は、撮像部の構成例を示す図である。 試料観察装置を構成するコンピュータの機能的な構成要素の一例を示すブロック図である。 （ａ）及び（ｂ）は、画像処理部による観察画像の生成例を示す図である。 （ａ）は、ＸＺ画像に出現する試料のＸＺ像の一例を示す図であり、（ｂ）は、ＹＺ画像に出現する試料のＹＺ像の一例を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、試料に対する光強度プロファイルの取得の様子を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、大きさの異なる試料に対する光強度プロファイルの取得の様子を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、流速の異なる試料に対する光強度プロファイルの取得の様子を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、試料の流速の解析手法の一例を示す図である。 図１に示した試料観察装置を用いた試料観察方法の一例を示すフローチャートである。 試料観察装置における視野の算出例を示す図である。 観察軸の傾斜角度と解像度との関係を示す図である。 結像部における第１の光学素子の配置例を示す図である。 第１の光学素子が配置されない場合の観察光の光線を示す図である。 第１の光学素子が配置された場合の観察光の光線を示す図である。 結像部における第２の光学素子の配置例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る試料観察装置及び試料観察方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、試料観察装置の一実施形態を示すブロック図である。この試料観察装置１は、試料Ｓで発生した蛍光又は散乱光を結像面に結像させて試料Ｓの観察画像データを取得し、当該観察画像データに基づいて試料Ｓの解析及び評価を行う装置である。試料観察装置１は、試料Ｓを含む流体を流すフローセル２を備えたフローサイトメータとして構成されている。観察対象となる試料Ｓとしては、例えばヒト或いは動物の細胞、組織などが挙げられる。

試料Ｓを含む流体が流れるフローセル２は、流体力学に基づいて設計される。フローセル２の管５内には、試料Ｓを含むサンプル浮遊液の流れ（以下、サンプル流Ｆ１と称す）と、シース液の流れ（以下、シース流Ｆ２と称す）とによる層流が形成される。サンプル流Ｆ１及びシース流Ｆ２を形成する流体は、例えば水である。

サンプル流Ｆ１の圧力及びシース流Ｆ２の圧力は、コンプレッサ（不図示）によって制御される。サンプル流Ｆ１の圧力をシース流Ｆ２の圧力よりも僅かに低くすることにより、サンプル流Ｆ１に流体力学的絞り込みが発生する。これにより、シース流Ｆ２に囲まれたサンプル流Ｆ１の流径が非常に小さくなり、フローセル２内に細胞などの細かい試料Ｓを順次流すことができる。試料観察装置１では、面状光Ｌ２の照射面Ｒ（図２参照）に対して試料Ｓが一つずつ通過してもよく、流れ方向若しくはサンプル流Ｆ１の径方向に複数の試料Ｓが重なった状態で通過してもよい。また、これらの通過状態が混在していてもよい。

フローセル２を構成する管５は、後述する面状光Ｌ２に対する透明性を有する部材によって例えば断面円形に形成されている。透明性を有する部材としては、例えばガラス、石英、合成樹脂などが挙げられる。管５の側面部分は、面状光Ｌ２の入射面５ａとして機能する。

試料観察装置１は、図１に示すように、照射部１１と、撮像部１３と、コンピュータ１４とを備えて構成されている。照射部１１は、面状光Ｌ２を励起光として試料Ｓに向けて照射する。照射部１１は、図２に示すように、光源１５と、面状光形成部１６とによって構成されている。光源１５は、面状光Ｌ２の形成元となる光Ｌ１を出力する。光源１５としては、例えばレーザダイオード、固体レーザ光源といったレーザ光源などが挙げられる。また、光源１５は、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、ランプ系光源であってもよい。光源１５から出力された光Ｌ１は、面状光形成部１６に導光される。

面状光形成部１６は、光源１５から出力された光Ｌ１を面状光Ｌ２に整形し、整形された面状光Ｌ２を光軸Ｐ１に沿って試料Ｓに照射する。本実施形態では、面状光形成部１６の光軸が面状光Ｌ２の光軸Ｐ１となっている。面状光形成部１６は、例えばシリンドリカルレンズ、アキシコンレンズ、或いは空間光変調器などの光整形素子を含んで構成され、光源１５に対して光学的に結合されている。面状光形成部１６は、対物レンズ、光シャッタなどを含んで構成されていてもよい。

面状光形成部１６によって形成された面状光Ｌ２は、フローセル２を流れる試料Ｓに照射される。面状光Ｌ２の照射により、面状光Ｌ２の照射面Ｒでは、観察光Ｌ３が発生する。観察光Ｌ３には、例えば面状光Ｌ２によって試料Ｓで励起された蛍光、試料Ｓの表面で散乱した面状光Ｌ２の散乱光或いは拡散反射光、フローセル２内を流れるサンプル流Ｆ１及びシース流Ｆ２から発生する自家蛍光等が含まれ得る。以下の説明では、図２に示すように、面状光Ｌ２の光軸Ｐ１方向をＺ軸、フローセル２による試料Ｓの流れ方向をＹ軸、面状光Ｌ２の光軸Ｐ１と直交する平面内においてＹ軸に直交する方向をＸ軸と称する。試料Ｓに対する面状光Ｌ２の照射面Ｒは、ＸＺ平面内の面となる。

試料Ｓの厚さ方向に観察を行う場合、分解能を考慮して、面状光Ｌ２は、厚さ２ｍｍ以下の薄い面状光であることが好ましい。また、試料Ｓの厚さが非常に小さい場合、すなわち、Ｚ方向解像度以下の厚さの試料Ｓを観察する場合には、面状光Ｌ２の厚さは分解能に影響しない。この場合には、厚さ２ｍｍを超える面状光Ｌ２を用いてもよい。

本実施形態では、面状光Ｌ２の照射によって試料Ｓで発生した観察光を結像する結像部１７が設けられている。結像部１７は、図２に示すように、例えば対物レンズ１８及び不図示の結像レンズ等を含んで構成されている。結像部１７の光軸は、観察光Ｌ３の観察軸Ｐ２となっている。この結像部１７の観察軸Ｐ２は、試料Ｓにおける面状光Ｌ２の照射面Ｒに対して傾斜角度θをもって傾斜している。傾斜角度θは、試料Ｓに向かう面状光Ｌ２の光軸Ｐ１と観察軸Ｐ２とがなす角とも一致する。傾斜角度θは、１０°～８０°となっている。観察画像の解像度を向上させる観点から、傾斜角度θは、２０°～７０°であることが好ましい。また、観察画像の解像度の向上及び視野の安定性の観点から、傾斜角度θは、３０°～６５°であることが更に好ましい。

撮像部１３は、結像部１７によって結像された観察光Ｌ３による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を撮像する。撮像部１３は、二次元撮像素子２０を備えて構成されている。二次元撮像素子２０としては、例えばＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサといったエリアイメージセンサが挙げられる。これらのエリアイメージセンサは、結像部１７による結像面に配置され、例えばグローバルシャッタ或いはローリングシャッタによって光像を撮像し、二次元画像データ（画像データ）を生成する。

二次元撮像素子２０では、サブアレイ読出による部分画像データ（画像データ）の出力が行われてもよい。例えば図３（ａ）に示すように、サブアレイ読出では、エリアイメージセンサ２１の撮像面においてサブアレイを設定し、設定されたサブアレイに含まれる画素列２１ａのみを読み出すことができる。この場合、二次元撮像素子２０では、サブアレイ読出により、観察光Ｌ３による光像を部分的に撮像できる。また、図３（ｂ）に示すように、エリアイメージセンサ２１の全ての画素列を読み出しエリアとし、その後の画像処理によって二次元画像の一部を部分画像データ（画像データ）として抽出してもよい。

コンピュータ１４は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部、ディスプレイ等の表示部を備えて構成されている。かかるコンピュータ１４としては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。コンピュータ１４は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、光源１５及び撮像部１３の動作を制御するコントローラとして機能する。また、面状光形成部１６が空間光変調器によって構成されている場合、コンピュータ１４は、面状光形成部１６の空間光変調器の動作を制御するコントローラとして機能してもよい。

コントローラとしてのコンピュータ１４は、ユーザによる測定開始の操作の入力を受け、光源１５及び撮像部１３を同期させて駆動する。これにより、フローセル２内を流れる試料Ｓに対して面状光Ｌ２が照射され、照射面Ｒからの観察光Ｌ３のうち少なくとも流体の断面を含む光像が撮像部１３によって撮像される。そして、当該光像に基づく画像データがコンピュータ１４に出力される。コンピュータ１４は、光源１５が光Ｌ１を連続的に出力するように光源１５を制御してもよく、撮像部１３による撮像に合わせて光源１５による光Ｌ１の出力のＯＮ／ＯＦＦを制御してもよい。また、照射部１１が光シャッタを備えている場合、コンピュータ１４は、当該光シャッタの制御によって光Ｌ１の照射をＯＮ／ＯＦＦさせてもよい。

また、コンピュータ１４は、機能的な構成要素として、図４に示すように、撮像結果受信部３１と、画像処理部３２と、解析部３３とを備えている。撮像結果受信部３１は、撮像部１３から撮像データを受信する部分である。すなわち、撮像結果受信部３１は、観察光Ｌ３による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像に基づく画像データを受信し、画像処理部３２に出力する。

画像処理部３２は、撮像結果受信部３１から出力される画像データに基づいて観察画像を生成する。試料観察装置１では、上述したように、フローセル２内を試料ＳがＹ軸方向に流れ、面状光Ｌ２の照射面Ｒは、ＸＺ平面内に位置している。したがって、画像処理部３２には、図５（ａ）に示すように、画像データに基づくＸＺ画像Ｇ１がＹ軸方向について複数出力される。画像処理部３２は、各ＸＺ画像Ｇ１に対して試料ＳのＸＺ像（蛍光像などの観察像）Ｍ１を構成する画素を特定し、各ＸＺ画像Ｇ１における試料ＳのＸＺ像Ｍ１を構成しない画素の画素値を所定の値（例えばゼロ）にすることで、バックグラウンドを抑えたＸＺ画像Ｇ１を生成する。画像処理部３２は、生成した複数のＸＺ画像Ｇ１をＸＹＺデータとして解析部３３に出力する。なお、画像処理部３２は、図５（ｂ）に示すように、各ＸＺ画像Ｇ１の中から試料ＳのＸＺ像Ｍ１を含む部分に相当するＸＺ画像Ｇ２を抽出し、これらの複数のＸＺ画像Ｇ２をＸＹＺデータとして解析部３３に出力してもよい。

解析部３３は、画像処理部３２から受け取ったＸＹＺデータにおけるＸＺ画像Ｇ１，Ｇ２を解析対象とする。図６（ａ）は、ＸＺ画像Ｇ１に出現する試料ＳのＸＺ像Ｍ１の一例を示す図である。このＸＺ画像Ｇ１における試料Ｓの三次元方向の広がり成分として、Ｘ軸方向及びＺ軸方向には、結像部１７に含まれるレンズ等の光学収差に起因する光学収差が含まれる。このため、図６（ａ）に示すように、ＸＺ画像Ｇ１に出現する試料ＳのＸＺ像Ｍ１には、観察光Ｌ３による光像の実像Ｔ１と、実像Ｔ１の周囲に生じる実像のボケＴ２とが含まれ得る。

また、解析部３３は、画像処理部３２から受け取ったＸＹＺデータから複数のＹＺ画像Ｇ３を生成し、ＹＺ画像Ｇ３を解析対象としてもよい。図６（ｂ）は、ＹＺ画像Ｇ３に出現する試料ＳのＹＺ像Ｍ２の一例を示す図である。このＹＺ画像Ｇ３における試料Ｓの三次元方向の広がり成分として、Ｙ軸方向には、試料Ｓに照射される面状光Ｌ２のプロファイルに基づく虚像が含まれる。このため、図６（ｂ）に示すように、ＹＺ画像に出現する試料ＳのＹＺ像Ｍ２には、観察光Ｌ３による光像の実像Ｕ１と、面状光Ｌ２のプロファイルに基づく虚像Ｕ２と、当該虚像と実像とのボケＵ３とが含まれ得る。

解析部３３は、ＸＺ画像Ｇ１、Ｇ２或いはＹＺ画像Ｇ３を解析対象として、流体の流れ方向についての試料Ｓの光強度プロファイルを解析する。解析部３３は、ＸＹＺ画像におけるＸＺ画像Ｇ１，Ｇ２に基づいて試料Ｓの光強度プロファイルを生成する。図７（ａ）～（ｃ）は、試料に対する光強度プロファイルの取得の様子を示す図である。本実施形態では、試料Ｓの光強度プロファイルは、観察光Ｌ３の光強度の時間波形として表されている。同図に示すように、フローセル２内を流れる試料Ｓが面状光Ｌ２の照射面Ｒに差し掛かると、光強度が上昇し、試料Ｓが照射面Ｒの中央部分を通過する辺りで、光強度がピークとなる。試料Ｓが照射面Ｒの中央部分を通過すると、光強度が減少し、全体として略ガウシアン形状の光強度プロファイルが得られる。

図８（ａ）～（ｃ）は、大きさの異なる試料に対する光強度プロファイルの取得の様子を示す図である。ここでは、試料Ｓの大きさが図７の場合に比べて小さく、試料Ｓの流速及び光量が図７の場合と同一である場合を例示する。この場合、試料Ｓが照射面Ｒを通過するのに要する時間が短くなる一方で、試料Ｓの光強度の積算値が図７の場合と同じになる。このため、光強度の時間波形は、図７の場合と比べて半値全幅が小さく且つピークが高い急峻な波形となる。

ところで、フローセル２内を流れるサンプル流Ｆ１の流径が試料Ｓの大きさに比べて十分に大きいような場合では、サンプル流Ｆ１の中心部分の流速に比べて外側部分の流速が遅くなり、流速に差が生じることが考えられる。この場合、試料Ｓの大きさが図７の場合と同じであると仮定すると、図９（ａ）～（ｃ）に示すように、光強度の時間波形は、図７の場合と比べて半値全幅が小さく且つピークが高い急峻な波形となる。このため、図８の場合との間で光強度プロファイルの判別が難しくなることが考えられる。

解析部３３においては、処理の簡単化のため、サンプル流Ｆ１の流速が流径方向のいずれの位置においても等速であると仮定してもよい。一方、解析部３３においては、サンプル流Ｆ１の中心部分の流速と外側部分の流速との差を考慮し、流速の解析及び解析した流速に基づく光強度プロファイルの補正を実行してもよい。

流速の解析には、図６（ｂ）に示した試料ＳのＹＺ像Ｍ２における虚像Ｕ２のＹ軸方向に対する角度（以下、「虚像角度θ_{Ｖｉｒｔｕａｌ}」と称す）を用いることができる。図１０（ａ）に示すように、試料Ｓの移動速度（サンプル流Ｆ１の流速）をＳＲ、結像部１７の視野をＶ、照射面に対する観察軸の傾斜角度をθ、視野Ｖの傾斜角度θにおける流れ方向での距離をＹ_Ｒｅｓｏとした場合、以下の式が成り立つ。なお、試料Ｓの移動速度ＳＲは、露光期間における試料Ｓの移動量として計算してもよい。
（数１）

Ｙ_Ｒｅｓｏ＝Ｖ／ｃｏｓθ …（１）

また、ＹＺ像Ｍ２において、図１０（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の成分を１（規格化）、Ｚ軸方向の成分をｈとした場合、以下の式が成り立つ。視野Ｖ及び傾斜角度θは、試料観察装置１の構成に基づく既知の値である。したがって、式（１）及び式（２）に基づいて、虚像角度θ_{Ｖｉｒｔｕａｌ}を用いて試料Ｓの移動速度ＳＲを算出することができる。解析部３３は、算出した移動速度ＳＲに基づいて光強度の時間波形の時間軸を補正する。これにより、図８及び図９に示したような流速のみが互いに異なる試料Ｓについても、光強度プロファイルを精度良く判別することが可能となる。また、流速によるバックグラウンドの違いも補正することができる。
（数２）

ｈ＝ＳＲ／Ｙ_Ｒｅｓｏ＝（ＳＲ／Ｖ）ｃｏｓθ …（２）

なお、試料Ｓの移動速度ＳＲは、ＸＺ画像Ｇ１、Ｇ２を用いて求めてもよい。例えば解析部３３は、ＸＹＺデータを構成する複数のＸＺ画像Ｇ１、Ｇ２における面状光Ｌ２のプロファイルに基づく虚像Ｕ２、或いは当該虚像と実像とのボケＵ３の位置を特定して虚像角度θ_{Ｖｉｒｔｕａｌ}を求め、当該虚像角度θ_{Ｖｉｒｔｕａｌ}と式（１）及び式（２）とに基づいて試料Ｓの移動速度ＳＲを算出することができる。

次に、上述した試料観察装置１を用いた試料観察方法について説明する。図１１は、図１に示した試料観察装置１を用いた試料観察方法の一例を示すフローチャートである。

この試料観察方法は、図１１に示すように、流体形成ステップ（ステップＳ０１）と、照射ステップ（ステップＳ０２）と、結像ステップ（ステップＳ０３）、撮像ステップ（ステップＳ０４）と、解析ステップ（ステップＳ０５）とを備えて構成されている。

流体形成ステップでは、フローセル２内に試料Ｓを含む流体を流す。流体形成ステップでは、例えばコンプレッサによる圧力調整により、フローセル２の管５内に、サンプル流Ｆ１とシース流Ｆ２とによる層流を形成する。これにより、シース流Ｆ２に囲まれたサンプル流Ｆ１がフローセル２内に形成され、フローセル２内に試料Ｓが順次流れる。

照射ステップでは、試料Ｓに向けて面状光Ｌ２を照射する。照射ステップでは、ユーザによって測定開始の操作が入力されると、コンピュータ１４からの制御信号に基づいて光源１５が駆動し、光源１５から光Ｌ１が出力される。光源１５から出力された光Ｌ１は、面状光形成部１６によって整形されて面状光Ｌ２となり、フローセル２内を流れる試料Ｓに照射される。

結像ステップでは、面状光Ｌ２の照射によって試料Ｓで発生した観察光Ｌ３を結像部１７によって結像する。結像ステップでは、照射面Ｒに対して傾斜する観察軸Ｐ２により、観察光Ｌ３を二次元撮像素子２０の結像面に対して結像する。

撮像ステップでは、結像部１７によって結像された観察光Ｌ３の光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を撮像する。撮像ステップでは、当該光像を例えば二次元撮像素子２０のサブアレイ読出によって撮像する。二次元撮像素子２０から出力されたＹ軸方向についての複数のＸＺ画像Ｇ１は、画像処理部３２によって処理され、バックグラウンドが低減された複数のＸＺ画像Ｇ１が生成される。生成された複数のＸＺ画像Ｇ１は、ＸＹＺデータとして解析部３３に出力される。

解析ステップでは、流体の流れ方向についての試料Ｓの光強度プロファイルを解析する。解析ステップでは、ＸＹＺデータにより、観察光Ｌ３の光強度の時間波形を試料Ｓ毎に解析する。また、解析ステップでは、試料Ｓの虚像角度θ_{Ｖｉｒｔｕａｌ}を用いて試料Ｓの流速を算出し、算出した流速に基づいて光強度プロファイルを補正してもよい。算出した流速に基づく光強度プロファイルの補正は、上述したようなサンプル流Ｆ１の中心部分の流速と外側部分の流速とが異なる場合、或いは異なる観察で得られた光強度プロファイルの比較を行う場合などに有効である。

以上説明したように、試料観察装置１では、フローセル２内を流れる試料Ｓに面状光Ｌ２が照射され、試料Ｓからの観察光Ｌ３は、面状光Ｌ２の照射面Ｒに対して傾斜する観察軸Ｐ２を有する結像部１７によって結像する。また、結像部１７によって結像された観察光Ｌ３は、二次元撮像素子２０によって撮像され、少なくとも流体の断面を含む光像に基づく画像データが生成される。このため、流体の断面内に複数の試料Ｓが存在している場合でも、解析部３３においてそれぞれの試料Ｓからの観察光Ｌ３を分離して光強度プロファイルを解析することができる。したがって、スループットを向上させた場合であっても、試料Ｓの観察を適切に実施できる。

また、試料観察装置１では、照射部１１による面状光Ｌ２の光軸Ｐ１がフローセル２における面状光Ｌ２の入射面５ａと直交している。また、照射部１１による面状光Ｌ２の光軸Ｐ１がフローセル２における流体の流れ方向と直交している。これにより、二次元撮像素子２０で取得した画像データの位置補正などが不要となり、光強度プロファイルの解析処理を容易化できる。

また、試料観察装置１では、解析部３３が画像データに基づいて試料Ｓの流速を解析し、解析した流速に基づいて光強度プロファイルを補正する。フローセル２内のサンプル流Ｆ１の流速は、サンプル流Ｆ１の中心側とその周囲とで異なる場合がある。この場合、試料Ｓ毎の光強度プロファイルの差が試料Ｓの大きさの違いに基づくものであるか、或いは流速の違いに基づくものであるかの判別が困難となることが考えられる。したがって、試料Ｓの流速を解析する場合には、サンプル流Ｆ１の流速ムラを許容でき、フローサイトメトリーの制御が容易となる。また、光強度プロファイルの補正により、試料Ｓの解析精度を高めることが可能となる。

試料観察装置１では、結像部１７によって結像された観察光Ｌ３による光像のうち、少なくとも流体の断面を含む光像を二次元撮像素子２０のサブアレイ読出によって撮像することもできる。この場合、二次元撮像素子２０のフレームレートを上げることができるため、更なるスループットの向上が図られる。

本実施形態では、フローセル２内における試料Ｓが流れる位置及び流速の双方を補正できるため、フローサイトメトリーの制御をラフに行うことができる。したがって、本実施形態は、シース流Ｆ２を用いないフローサイトメトリーにも適用することができる。また、本実施形態では、試料Ｓから発生した観察光Ｌ３と、フローセル２内を流れるサンプル流Ｆ１及びシース流Ｆ２から発生する自家蛍光とを分離することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば面状光Ｌ２の光軸Ｐ１とフローセル２の入射面５ａとは、必ずしも直交していなくてもよく、面状光Ｌ２の光軸Ｐ１と試料Ｓの流れ方向とは、必ずしも直交していなくてもよい。

また、結像部１７及び二次元撮像素子２０を複数対配置してもよい。この場合、観察範囲を拡大できるほか、複数の異なる波長の観察光Ｌ３を観察することが可能となる。この場合、単一の結像部１７に対して複数の二次元撮像素子２０を配置してもよく、複数の結像部１７に対して単一の二次元撮像素子２０を配置してもよい。光源１５は、波長の異なる光を出力する複数の光源によって構成されてもよい。この場合、波長の異なる面状光Ｌ２を励起光として試料Ｓに照射することができる。

また、非点収差の緩和のため、結像部１７にプリズムを配置してもよい。この場合、例えば対物レンズ１８の後段側（対物レンズ１８と二次元撮像素子２０との間）にプリズムを配置してもよい。デフォーカス対策のため、観察軸Ｐ２に対して二次元撮像素子２０の撮像面を傾斜させてもよい。この他、例えば結像部１７と二次元撮像素子２０との間にダイクロイックミラー或いはプリズムを配置して観察光Ｌ３の波長分離を行う構成としてもよい。

結像部１７にプリズム等の光学素子を配置する場合、観察画像のＺ方向の解像度を向上し得る。以下、この点について更に説明する。図１２は、試料観察装置における視野の算出例を示す図である。同図に示す例では、結像部１７が屈折率ｎ１の媒質Ａ中に位置し、面状光の照射面が屈折率ｎ２の媒質Ｂ中に位置している場合を想定している。結像部１７における視野をＶ、照射面における視野をＶ’、照射面に対する観察軸の傾斜角度をθ、媒質Ａ，Ｂの境界面での屈折角をθ’、視野Ｖの傾斜角度θにおける媒質Ａと媒質Ｂの界面での距離をＬとした場合、以下の式（３）～（５）が成り立つ。
（数３）
Ｌ＝Ｖ／ｃｏｓθ …（３）
（数４）
ｓｉｎθ’＝（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎθ …（４）
（数５）
Ｖ’＝Ｌ／ｔａｎθ’ …（５）

また、図１３は、観察軸の傾斜角度と解像度との関係を示す図である。同図では、横軸を観察軸の傾斜角度θとし、縦軸を視野の相対値Ｖ’／Ｖとしている。そして、媒質Ａの屈折率ｎ１を１（空気）とし、媒質Ｂの屈折率ｎ２を１．０から２．０まで０．１刻みで変化させたときのＶ’／Ｖの値を傾斜角度θに対してプロットしている。Ｖ’／Ｖの値が小さいほど試料の深さ方向の解像度（以下、「Ｚ方向解像度」と称す）が高く、大きいほどＺ方向解像度が低いことを示している。

図１３に示す結果から、媒質Ａの屈折率ｎ１と媒質Ｂの屈折率ｎ２とが等しい場合には、傾斜角度θに対してＶ’／Ｖの値が反比例していることが分かる。また、媒質Ａの屈折率ｎ１と媒質Ｂの屈折率ｎ２とが異なる場合には、傾斜角度θに対してＶ’／Ｖの値が放物線を描くことが分かる。この結果から、試料Ｓの配置空間の屈折率、結像部１７の配置空間の屈折率、及び観察軸の傾斜角度θによってＺ方向解像度をコントロールできることが分かる。そして、傾斜角度θが１０°～８０°の範囲では、傾斜角度θが１０°未満及び８０°を超える範囲に比べて良好なＺ方向解像度が得られることが分かる。

また、図１３に示す結果から、Ｚ方向解像度が最大となる傾斜角度θは、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との差が大きくなるにつれて小さく傾向があることが分かる。屈折率ｎ２が１．１～２．０の範囲では、Ｚ方向解像度が最大となる傾斜角度θは、約４７°～約５７°の範囲となる。例えば屈折率ｎ２が１．３３（水）の場合、Ｚ方向解像度が最大となる傾斜角度θは、およそ５２°と見積もられる。また、例えば屈折率ｎ２が１．５３（ガラス）の場合、Ｚ方向解像度が最大となる傾斜角度θは、およそ４８°と見積もられる。

上記式（３）～（５）からも分かるように、Ｚ方向解像度を決定するパラメータは、Ｌ及びθ’であり、Ｌはθによって定まり、θ’はθ及び（ｎ１／ｎ２）によって定まる。したがって、Ｖが定まった状態においては、Ｚ方向解像度はθと（ｎ１／ｎ２）の２つのパラメータによって定まることとなる。（ｎ１／ｎ２）は、測定環境によって定まるため、Ｚ方向解像度を高めるにはθを調整することになるが、図１３に示したように、単純なθの調整では、Ｚ方向の解像度の向上に理論的な限界値が存在する。

これに対し、図１４の例では、結像部１７が対物レンズ１８及び結像レンズ１９を含んで構成され、当該結像部１７において、フローセル２と対物レンズ１８との間に第１の光学素子４１が配置されている。第１の光学素子４１は、結像部１７の配置空間よりも大きい屈折率を有する光学素子である。第１の光学素子４１は、当該第１の光学素子４１が配置されない場合と比較して、試料Ｓから出射する観察光Ｌ３の面状光Ｌ２の照射面Ｒに対する傾斜角度θｓ（図１５及び図１６参照）を大きくする光学素子である。結像部１７の配置空間は、例えば空気、水、オイルなどの媒質によって満たされている。図１４の例では、結像部１７は、空気中に配置されている。

第１の光学素子４１は、例えばウェッジプリズムによって構成されている。ウェッジプリズムは、一方の主面と他方の主面とが一方向において平行であるが、当該一方向と直交する他方向において他方の主面が一方の主面に対して一定の角度で傾斜しているプリズムである。すなわち、ウェッジプリズムは、一方向において厚さが一様に変化し、一方向に直交する他方向において厚さが変化しないプリズムである。このため、ウェッジプリズムは、観察光Ｌ３の一方軸の光線を入射位置によって所定の偏角で曲げる一方で、一方軸に直交する観察光Ｌ３の他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子として機能する。

図１４の例では、第１の光学素子４１は、一対のウェッジプリズムを組み合わせたダブレットプリズムとなっている。ダブレットプリズムは、一対のウェッジプリズムの傾斜面同士を当接することによって構成され、フローセル２と対物レンズ１８との間の観察光Ｌ３の光路上において、一方のウェッジプリズムの平坦面がフローセル２の管５の側面部分と平行になるように、フローセル２寄りの位置に配置されている。結像部１７の観察軸Ｐ２の傾斜角度θを４５°とした場合、結像部１７に第１の光学素子４１を配置しないときには、図１５に示すように、試料Ｓから出射する観察光Ｌ３の傾斜角度θｓは、約３２°となる。この場合、Ｚ方向解像度は、２．２程度と見積もられる。これに対し、結像部１７に第１の光学素子４１を配置したときには、図１６に示すように、試料Ｓから出射する観察光Ｌ３の傾斜角度θｓは、約３５°となる。この場合、Ｚ方向解像度は、１．９５程度に向上すると見積もられる。

したがって、第１の光学素子４１の配置により、面状光Ｌ２の照射面Ｒに対して結像部１７の観察軸Ｐ２が傾斜する場合であっても、観察画像のＺ方向の解像度の向上が図られる。また、第１の光学素子４１がウェッジプリズムであることによって観察光Ｌ３の非点収差の低減化も図られ、第１の光学素子４１が一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであることによって観察光Ｌ３の色収差の低減化も図られる。

なお、図１４の形態では、第１の光学素子４１の平坦面とフローセル２の管５の側面部分との間に僅かな間隔が設けられているが、第１の光学素子４１の平坦面とフローセル２の管５の側面部分とが密着する形態としてもよい。この場合、試料Ｓから出射する観察光Ｌ３の傾斜角度θｓを更に数度程度大きくすることが可能となり、Ｚ方向解像度の更なる向上が図られる。また、観察光Ｌ３の収差補正も容易なものとなる。

また、図１７に示すように、結像部１７において、結像レンズ１９と二次元撮像素子２０との間に第２の光学素子４２が配置されていてもよい。第２の光学素子４２は、観察光Ｌ３の一方軸の光線を曲げる一方で、一方軸に直交する他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子である。図１７の例では、第２の光学素子４２は、一対のウェッジプリズムを組み合わせたダブレットプリズムとなっている。ダブレットプリズムは、結像レンズ１９と二次元撮像素子２０との間の観察光Ｌ３の光路上において、一方側の平坦面が観察軸Ｐ２に直交し且つ他方側の傾斜面が観察軸Ｐ２に対して傾斜するように、結像レンズ１９寄りの位置に配置されている。このような第２の光学素子４２の配置により、観察光Ｌ３の非点収差の低減化が一層図られる。また、第２の光学素子４２がウェッジプリズムであることによって観察光Ｌ３の非点収差の低減化が一層図られ、第２の光学素子４２が一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムであることによって観察光Ｌ３の色収差の低減化も更に図られる。

１…試料観察装置、２…フローセル、５ａ…入射面、１１…照射部、１７…結像部、１８…対物レンズ、１９…結像レンズ、２０…二次元撮像素子、３３…解析部、４１…第１の光学素子、４２…第２の光学素子、Ｌ２…面状光、Ｌ３…観察光、Ｓ…試料、Ｒ…照射面、Ｐ１…面状光の光軸、Ｐ２…観察軸。

Claims (24)

1. 試料を含む流体を流すフローセルと、
   前記フローセル内を流れる前記試料に面状光を照射する照射部と、
   前記面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有し、前記面状光の照射によって前記試料で発生した観察光を結像する結像部と、
   前記結像部によって結像された前記観察光による光像のうち、少なくとも前記流体の断面を含む光像を撮像し、画像データを出力する二次元撮像素子と、
   前記画像データに基づいて、前記流体の流れ方向についての前記試料の光強度プロファイルを解析する解析部と、を備え、
   前記照射部による前記面状光は、前記フローセルにおける前記流体の流れ方向と直交するように形成されている試料観察装置。
2. 前記照射部による前記面状光の光軸は、前記フローセルにおける前記面状光の入射面と直交している請求項１記載の試料観察装置。
3. 前記フローセルにおける前記面状光の入射面と、前記フローセルにおける前記観察光の出射面とは、同一の面となっている請求項１又は２記載の試料観察装置。
4. 前記解析部は、前記画像データに基づいて、前記試料の流速を解析する請求項１～３のいずれか一項記載の試料観察装置。
5. 前記解析部は、前記試料の流速に基づいて前記光強度プロファイルを補正する請求項４記載の試料観察装置。
6. 前記二次元撮像素子は、前記結像部によって結像された前記観察光による光像のうち、少なくとも前記流体の断面を含む光像をサブアレイ読出によって撮像する請求項１～５のいずれか一項記載の試料観察装置。
7. 前記結像部は、対物レンズと、前記フローセルと前記対物レンズとの間に配置された第１の光学素子とを含み、
   前記第１の光学素子は、前記結像部の配置空間よりも大きい屈折率を有し、当該第１の光学素子が配置されない場合と比較して、前記試料から出射する前記観察光の前記面状光の照射面に対する傾斜角度を大きくする光学素子である請求項１～６のいずれか一項記載の試料観察装置。
8. 前記第１の光学素子は、ウェッジプリズムである請求項７記載の試料観察装置。
9. 前記第１の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムである請求項７又は８記載の試料観察装置。
10. 前記結像部は、前記対物レンズの後段側に配置された結像レンズと、前記結像レンズと前記二次元撮像素子との間に配置された第２の光学素子とを含み、
    前記第２の光学素子は、前記観察光の一方軸の光線を曲げる一方で、前記一方軸に直交する他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子である請求項７～９のいずれか一項記載の試料観察装置。
11. 前記第２の光学素子は、ウェッジプリズムである請求項１０記載の試料観察装置。
12. 前記第２の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムである請求項１０又は１１記載の試料観察装置。
13. フローセル内に試料を含む流体を流す流体形成ステップと、
    前記フローセル内を流れる前記試料に面状光を照射する照射ステップと、
    前記面状光の照射面に対して傾斜する観察軸を有する結像部により、前記面状光の照射によって前記試料で発生した観察光を結像する結像ステップと、
    前記結像部によって結像された前記観察光による光像のうち、少なくとも前記流体の断面を含む光像を二次元撮像素子によって撮像し、画像データを出力する撮像ステップと、
    前記画像データに基づいて、前記流体の流れ方向についての前記試料の光強度プロファイルを解析する解析ステップと、を備え、
    前記照射ステップでは、前記フローセルにおける前記流体の流れ方向と直交するように前記面状光を形成する試料観察方法。
14. 前記照射ステップでは、前記面状光の光軸を前記フローセルにおける前記面状光の入射面に対して直交させる請求項１３記載の試料観察方法。
15. 前記フローセルにおける前記面状光の入射面と、前記フローセルにおける前記観察光の出射面とを同一の面とする請求項１３又は１４記載の試料観察方法。
16. 前記解析ステップでは、前記画像データに基づいて前記試料の流速を解析する請求項１３～１５のいずれか一項記載の試料観察方法。
17. 前記解析ステップでは、前記試料の流速に基づいて前記光強度プロファイルを補正する請求項１６記載の試料観察方法。
18. 前記撮像ステップでは、前記結像ステップによって結像された前記観察光による光像のうち、少なくとも前記流体の断面を含む光像を前記二次元撮像素子のサブアレイ読出によって撮像する請求項１３～１７のいずれか一項記載の試料観察方法。
19. 前記結像ステップでは、対物レンズと、前記フローセルと前記対物レンズとの間に配置された第１の光学素子とを用い、
    前記第１の光学素子は、前記結像部の配置空間よりも大きい屈折率を有し、当該第１の光学素子が配置されない場合と比較して、前記試料から出射する前記観察光の前記面状光の照射面に対する傾斜角度を大きくする光学素子である請求項１３～１８のいずれか一項記載の試料観察方法。
20. 前記第１の光学素子は、ウェッジプリズムである請求項１９記載の試料観察方法。
21. 前記第１の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムである請求項１９又は２０記載の試料観察方法。
22. 前記結像ステップでは、前記対物レンズの後段側に配置された結像レンズと、前記結像レンズと前記二次元撮像素子との間に配置された第２の光学素子とを用い、
    前記第２の光学素子は、前記観察光の一方軸の光線を曲げる一方で、前記一方軸に直交する他方軸の光線を曲げない非軸対称の光学素子である請求項１９～２１のいずれか一項記載の試料観察方法。
23. 前記第２の光学素子は、ウェッジプリズムである請求項２２記載の試料観察方法。
24. 前記第２の光学素子は、一対のウェッジプリズムを組み合わせてなるダブレットプリズムである請求項２２又は２３記載の試料観察方法。

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