光学装置
【課題】雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことを可能とする光学装置を提供する。
【解決手段】観測者によって観測される対象物であり、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａに、蛍光試薬を励起する励起光を照射する光源１１、レンズ１２及びレンズ１３と、励起光を集光する励起光集光レンズ１５と、励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を除去する遮光板１６と、励起光がサンプル１４ａを介して透過してくる側に配置されており、励起光によってサンプル１４ａが発する蛍光を検出する撮像素子１８とを光学装置１０が備える。
【解決手段】観測者によって観測される対象物であり、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａに、蛍光試薬を励起する励起光を照射する光源１１、レンズ１２及びレンズ１３と、励起光を集光する励起光集光レンズ１５と、励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を除去する遮光板１６と、励起光がサンプル１４ａを介して透過してくる側に配置されており、励起光によってサンプル１４ａが発する蛍光を検出する撮像素子１８とを光学装置１０が備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測者によって観測される対象物であり、蛍光試薬で染められた観測対象物に、蛍光試薬を励起する励起光を照射する光源ユニットを備えた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞などの透明なサンプルを蛍光試薬で染めるとともに、蛍光試薬で染められたサンプルに励起光を照射することによって、サンプルを観察する方法が知られている。
【０００３】
具体的には、蛍光試薬で染められたサンプルは、図５に示す光学装置１００を用いて観察されていた。図５は、従来技術に係る光学装置１００の構成を示す図である。
【０００４】
図５に示すように、光学装置１００は、光源１１０と、蛍光キューブ１２０と、対物レンズ１３０と、透明容器１４０とを有する。
【０００５】
光源１１０は、白色光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やハロゲンランプなどである。
【０００６】
蛍光キューブ１２０は、励起フィルター１２１と、ダイクロイックミラー１２２と、ライトアブソーバ１２３と、吸収フィルター１２４とを有する。また、蛍光キューブ１２０は、サンプルや蛍光試薬の種類に応じて交換可能である。
【０００７】
励起フィルター１２１は、光源１１０が発する白色光の中から、蛍光試薬を発光させる励起光を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター１２１は、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４４０ｎｍ〜５１０ｎｍ）を透過する。
【０００８】
ダイクロイックミラー１２２は、励起フィルター１２１を透過した励起光を含む光を反射して、他の光を透過するミラーである。具体的には、ダイクロイックミラー１２２は、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍ）を反射して、他の光（例えば、紫色、緑色、赤色）に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ以下、又は、４８０ｎｍ以上）を透過する。
【０００９】
ライトアブソーバ１２３は、ダイクロイックミラー１２２を透過した光が反射しないように、ダイクロイックミラー１２２を透過した光を吸収する。
【００１０】
吸収フィルター１２４は、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４０ｂ）に励起光を照射することによって、蛍光試薬が発する蛍光を取り出すフィルターである。具体的には、吸収フィルター１２４は、蛍光（例えば、緑色）を含む光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ以上）を透過し、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ未満）を透過しない。
【００１１】
対物レンズ１３０は、１つのレンズ又は複数のレンズによって構成されており、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂの像を像面上に結像する。なお、像面上には、接眼レンズやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などが配置されており、観察者は、対物レンズ１３０によって結像された像を観察する。
【００１２】
透明容器１４０は、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂを収容する透明な容器である。また、透明容器１４０内には、サンプル１４０ｂを培養する培地１４０ａが充填されている。
【００１３】
ここで、屈折率が異なる２つの物質に対して光を照射すると、フレネル反射が起きる。上述した光学装置１００でも、透明容器１４０に励起光を照射すると、フレネル反射が起きる。図６は、従来技術に係るフレネル反射について説明するための図である。
【００１４】
なお、図６では、空気の屈折率が１であるものとして場合に、透明容器１４０の屈折率が約１．６であり、主成分が水である培地１４０ａの屈折率が１．３であるものとして説明する。
【００１５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、空気と透明容器１４０との界面に励起光（Ｉ０）が照射されると、空気の屈折率と透明容器１４０の屈折率とが異なるため、空気と透明容器１４０との界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’０）が生じる。
【００１６】
また、透明容器１４０を透過した励起光（Ｉ１）が透明容器１４０と培地１４０ａとの界面に照射されると、透明容器１４０の屈折率と培地１４０ａの屈折率とが異なるため、透明容器１４０と培地１４０ａとの界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’１）が生じる。
【００１７】
さらに、培地１４０ａを透過した励起光（Ｉ２）が培地１４０ａと空気との界面に照射されると、培地１４０ａの屈折率と空気の屈折率とが異なるため、培地１４０ａと空気との界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’２）が生じる。
【００１８】
従って、フレネル反射光（Ｉ’ｔｏｔａｌ）は、フレネル反射光（Ｉ’０）、フレネル反射光（Ｉ’１）及びフレネル反射光（Ｉ’２）の合計となる。
【００１９】
なお、一般に、２つの物質の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とした場合に、励起光に対するフレネル反射光の比率（Ｒ）は、以下の式（１）によって算出される。
【数１】
【００２０】
励起光（Ｉ０）に対するフレネル反射光（Ｉｔｏｔａｌ）の比率（Ｒｔｏｔａｌ）を式（１）に従って算出すると、比率（Ｒｔｏｔａｌ）は約８％となる。
【００２１】
一方で、上述した光学装置１００では、ダイクロイックミラー１２２及び吸収フィルター１２４は、励起フィルター１２１が透過する励起光をほとんど透過せずに、サンプル１４０ｂが発する蛍光を透過する。このように、光学装置１００は、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）と励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）との比率（Ｓ／Ｎ比）を低く抑えていた。
【００２２】
なお、蛍光を検出するための装置として、蛍光が入射する開口部（入射開口部）を有する積分球も知られている。具体的には、積分球は、入射開口部から入射した蛍光を積分球の内面で反射するとともに、積分球の内面で反射した蛍光を検出する。このような積分球によれば、入射開口部から入射した蛍光の輝度が低くても、蛍光を効率的に検出することができた（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３２６０５１号公報（請求項１、図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、励起フィルター１２１が透過する光の波長の一部と、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４が透過する光の波長の一部とは一般に重複する。具体的には、図７に示すように、励起フィルター１２１は、励起光に相当する波長（例えば、４４０ｎｍ〜５１０ｎｍ）の光を透過する。また、ダイクロイックミラー１２２は、励起光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍ）の光を反射して、蛍光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ以下、４８０ｎｍ以上）の光を透過する。さらに、吸収フィルター１２４は、励起光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ未満）の光を透過せずに、蛍光に相当する波長（４９５ｎｍ以上）の光を透過する。
【００２４】
このように、励起フィルター１２１が透過する波長の一部と、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４が透過する波長の一部とは、領域ａ（５００ｎｍ近傍）で重複する。
【００２５】
従って、励起フィルター１２１が透過する励起光の一部がダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４を透過してしまうため、光学装置１００は、雑音となる励起光を完全に取り除くことができない。
【００２６】
特に、サンプル１４０ｂが発する蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）の輝度が低い場合には、励起光0（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を低く抑えたとしても、Ｓ／Ｎ比が悪化してしまうため、サンプル１４０ｂの像を良好に観察することができない。
【００２７】
また、励起フィルター１２１が透過する励起光の全てを透過しないダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４を製造できるとしても、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４の製造コストが高くなってしまう。
【００２８】
なお、上述した従来技術では、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂについて例示したが、これらの課題は、蛍光試薬で染められていなくても、励起光によって蛍光を発する物質（例えば、プラスチックなどの高分子材料や細胞内のタンパク質など）についても共通する課題である。
【００２９】
そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、装置の製造コストの上昇を招くことなく、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことを可能とする光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の一の特徴は、観測者によって観測される対象物であり、蛍光を発する観測対象物（サンプル１４ａ）に、前記蛍光を励起する励起光を照射する光源ユニット（光源１１、レンズ１２及びレンズ１３）と、前記励起光を集光する励起光集光部材（励起光集光レンズ１５）と、前記励起光集光部材によって前記励起光が集光される位置に配置されており、前記励起光を除去する励起光除去部材（遮光板１６）と、前記励起光が前記観測対象物を介して透過されてくる側に配置されており、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を検出する蛍光検出部材（撮像素子１８）とを光学装置が備えることを要旨とする。
【００３１】
かかる特徴によれば、励起光除去部材が励起光集光部材によって励起光が集光される位置に配置されていることにより、励起光除去部材が効率的に励起光を除去することができる。
【００３２】
従って、光学装置は、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。また、透過しない波長が設計条件に合致するように厳密に製造された吸収フィルターやダイクロックミラーを用いる必要がないため、光学装置の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００３３】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光除去部材が、前記励起光を透過しない遮光板であることを要旨とする。
【００３４】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光除去部材が、前記励起光を反射する反射ミラーであることを要旨とする。
【００３５】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を集光して、前記観測対象物の像を像面上に結像する結像部材（蛍光集光レンズ１７）を光学装置がさらに備え、前記蛍光検出部材が、前記像面上に配置されており、前記観測対象物の像を撮像する撮像素子であることを要旨とする。
【００３６】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記蛍光検出部材が、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を電気に変換する光電変換素子（光電変換素子３８）であることを要旨とする。
【００３７】
本発明の一の特徴は、前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光及び前記蛍光が入射する開口部（開口部３７ｂ）を有する積分球（積分球３７）を光学装置がさらに備え、前記積分球の内面（内面３７ａ）が、前記蛍光を反射する反射面によって構成されており、前記光電変換素子が、前記積分球の内面で反射される前記蛍光を電気に変換し、前記励起光除去部材が、前記励起光集光部材によって集光される前記励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、装置の製造コストの上昇を招くことなく、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことを可能とする光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下において、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。
【００４０】
ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００４１】
［第１実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第１実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光学装置１０を示す図である。
【００４２】
図１に示すように、光学装置１０は、光源１１と、レンズ１２と、レンズ１３と、培養プレート１４と、励起光集光レンズ１５と、遮光板１６と、蛍光集光レンズ１７と、撮像素子１８とを有する。
【００４３】
光源１１は、励起光（例えば、青色光）を発するレーザ発光装置などであり、直線状の励起光を発する。
【００４４】
レンズ１２は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源１１が発する直線状の励起光を拡げる片面凹レンズである。
【００４５】
レンズ１３は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、レンズ１２によって拡げられた励起光を平行光化する片面凸レンズである。
【００４６】
なお、第１実施形態において、レンズ１２及びレンズ１３は、光源１１が発するレーザビーム（直線状の励起光）を拡げるビームエキスパンダとして機能する。また、光源１１、レンズ１２及びレンズ１３は、培養プレート１４（サンプル１４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。
【００４７】
培養プレート１４は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル１４ａを培養する透明なプレートである。なお、培養プレート１４は、所定の光透過率を有していればよく、培養プレート１４の光透過率は１００％である必要はない。
【００４８】
サンプル１４ａは、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル１４ａは、培養プレート１４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル１４ａの光透過率は１００％である必要はない。
【００４９】
励起光集光レンズ１５は、光源１１が発する励起光が培養プレート１４（サンプル１４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、レンズ１３によって平行光化された励起光を遮光板１６に集光する片面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ１５は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を遮光板１６に集光しないように、培養プレート１４（サンプル１４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００５０】
遮光板１６は、励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を取り除く励起光除去部材である。また、遮光板１６は、光を遮断する材料によって構成されており、励起光集光レンズ１５によって集光される励起光だけではなくて、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光も遮断する。
【００５１】
ここで、遮光板１６は、励起光集光レンズ１５によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を大きく遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００５２】
また、遮光板１６は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を遮断しないように、光源１１が発する励起光が培養プレート１４（サンプル１４ａ）を介して透過してくる側であって、培養プレート１４（サンプル１４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００５３】
蛍光集光レンズ１７は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を撮像素子１８に集光する両面凸レンズである。また、蛍光集光レンズ１７は、サンプル１４ａの像を像面上に結像する結像部材である。
【００５４】
撮像素子１８は、蛍光集光レンズ１７によってサンプル１４ａの像が結像される像面上に配置されており、サンプル１４ａの像を撮像する。なお、撮像素子１８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣ−ＭＯＳセンサなどである。
【００５５】
（作用及び効果）
本発明の第１実施形態に係る光学装置１０によれば、遮光板１６が励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されていることにより、遮光板１６が効率的に励起光を除去することができる。
【００５６】
また、遮光板１６が励起光集光レンズ１５によって集光された励起光を除去することにより、遮光板１６のサイズを小さく抑えることができる。従って、サンプル１４ａが発する蛍光が遮光板１６で除去されることを抑制して、撮像素子１８に到達する蛍光量の減少を抑えることができる。
【００５７】
従って、光学装置１０は、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。また、透過しない波長が設計条件に合致するように厳密に製造された吸収フィルターやダイクロックミラーを用いる必要がないため、光学装置１０の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第２実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る光学装置２０を示す図である。
【００５９】
図２に示すように、光学装置２０は、光源２１と、励起フィルター２２と、培養プレート２４と、励起光集光レンズ２５と、遮光板２６と、レンズ２７ａと、レンズ２７ｂと、撮像素子２８と、吸収フィルター２９とを有する。
【００６０】
光源２１は、白色光を発するハロゲンランプなどである。励起フィルター２２は、光源２１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源２１が発する白色光から励起光（例えば、青色）を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター２２は、励起光に相当する波長を透過する。
【００６１】
なお、第２実施形態において、光源２１及び励起フィルター２２は、培養プレート２４（サンプル２４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。
【００６２】
培養プレート２４は、上述した培養プレート１４と同様に、光源２１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル２４ａを培養する透明なプレートである。なお、培養プレート２４は、所定の光透過率を有していればよく、培養プレート２４の光透過率は１００％である必要はない。
【００６３】
サンプル２４ａは、上述したサンプル１４ａと同様に、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル２４ａは、培養プレート２４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル２４ａの光透過率は１００％である必要はない。
【００６４】
励起光集光レンズ２５は、光源２１が発する光の光軸に沿って培養プレート２４に対して光源２１と同じ側に配置されており、励起フィルター２２を透過する励起光を遮光板２６に集光する両面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ２５は、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａに励起光を照射するように、培養プレート２４（サンプル２４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００６５】
遮光板２６は、励起光集光レンズ２５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を取り除く励起光除去部材である。また、遮光板２６は、遮光板１６と同様に、光を遮断する材料によって構成されており、励起光集光レンズ２５によって集光される励起光だけではなくて、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光も遮断する。
【００６６】
ここで、遮光板２６は、励起光集光レンズ２５によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００６７】
また、遮光板２６は、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を遮断しないように、光源２１が発する励起光が培養プレート２４（サンプル２４ａ）を介して透過してくる側であって、培養プレート２４（サンプル２４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００６８】
レンズ２７ａは、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を平行光化する片面凸レンズである。レンズ２７ｂは、レンズ２７ａによって平行光化された蛍光を撮像素子２８に集光する片面凸レンズである。また、レンズ２７ｂは、サンプル２４ａの像を像面上に結像する結像部材である。
【００６９】
撮像素子２８は、レンズ２７ｂによってサンプル２４ａの像が結像される像面上に配置されており、サンプル２４ａの像を撮像する。なお、撮像素子２８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣ−ＭＯＳセンサなどである。
【００７０】
吸収フィルター２９は、レンズ２７ａによって平行光化された蛍光を透過して、励起フィルター２２を透過する励起光を透過しないフィルターである。具体的には、吸収フィルター２９は、蛍光に相当する波長を透過して、励起光に相当する波長を透過しない。
【００７１】
なお、吸収フィルター２９は、培養プレート２４の傷や傾きなどによって励起光が散乱、屈折されて、仮に励起光集光レンズ２５が励起光を遮光板２６に集光することができなかった場合であっても、励起光が撮像素子２８に到達することを抑制するために設けられている。従って、励起光集光レンズ２５が励起光を遮光板２６に集光することができれば、吸収フィルター２９が設けられていないくてもよいことは勿論である。
【００７２】
［第３実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第３実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係る光学装置３０を示す図である。
【００７３】
図３に示すように、光学装置３０は、光源３１と、レンズ３１ａと、レンズ３１ｂと、励起フィルター３２と、レンズ３３と、透明容器３４と、励起光集光レンズ３５と、ビームダンプ３６と、積分球３７と、光電変換素子３８と、吸収フィルター３９（吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂ）とを有する。
【００７４】
光源３１は、白色光を発する白色ＬＥＤなどである。レンズ３１ａは、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源３１が発する白色光を平行光化する片面凸レンズである。レンズ３１ｂは、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、平行光化された白色光をレンズ３３に集光する片面凸レンズである。
【００７５】
励起フィルター３２は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源３１が発する白色光から励起光（例えば、青色）を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター３２は、励起光に相当する波長を透過する。
【００７６】
レンズ３３は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、透明容器３４に照射される励起光の照度分布を均一化させる両面凸レンズである。
【００７７】
なお、第３実施形態において、光源３１、レンズ３１ａ、レンズ３１ｂ、励起フィルター３２及びレンズ３３は、透明容器３４（サンプル３４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。また、光源３１、レンズ３１ａ、レンズ３１ｂ及びレンズ３３は、透明容器３４（サンプル３４ａ）に照射される励起光の照度分布を均一化するケーラ照明ユニットとして機能する。
【００７８】
透明容器３４は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル３４ａを収容しており、サンプル３４ａを培養する透明な培地３４ｂで満たされている。なお、透明容器３４は、所定の光透過率を有していればよく、透明容器３４の光透過率は１００％である必要はない。
【００７９】
サンプル３４ａは、上述したサンプル１４ａと同様に、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル３４ａ及び培地３４ｂは、透明容器３４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル３４ａ及び培地３４ｂの光透過率は１００％である必要はない。
【００８０】
励起光集光レンズ３５は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、励起フィルター３２を透過する励起光をビームダンプ３６に集光する両面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ３５は、蛍光試薬で染められたサンプル３４ａが発する蛍光をビームダンプ３６に集光しないように、透明容器３４（サンプル３４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００８１】
ビームダンプ３６は、励起光集光レンズ３５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を除去する励起光除去部材である。具体的には、ビームダンプ３６は、積分球３７内に配置されており、励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材である。
【００８２】
積分球３７は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、励起光集光レンズ３５によって集光される励起光及び蛍光試薬で染められたサンプル３４ａが発する蛍光が入射する開口部３７ｂを有している。なお、開口部３７ｂのサイズは、積分球３７内に取り込まれる蛍光量を増やすために、少なくともサンプル３４ａの観察面以上のサイズであることが好ましい。
【００８３】
また、積分球３７は、光電変換素子３８が設けられる開口部３７ｃを有している。具体的には、積分球３７の内面３７ａで反射される蛍光は、開口部３７ｃを通じて光電変換素子３８に入射する。
【００８４】
また、積分球３７の内面３７ａは、開口部３７ｂから入射した蛍光を反射する反射面によって構成されている。例えば、積分球３７の内面３７ａには、白色の塗料などが塗布されており、蛍光が内面３７ａで反射される。
【００８５】
光電変換素子３８は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、積分球３７の内面３７ａで反射された蛍光を電気信号に変換するフォトダイオードなどである。具体的には、光電変換素子３８は、積分球３７の開口部３７ｃに設けられている。
【００８６】
吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、積分球３７の内面３７ａで反射された蛍光を透過して、励起フィルター３２を透過する励起光を透過しないフィルターである。具体的には、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、蛍光に相当する波長を透過して、励起光に相当する波長を透過しない。ここで、吸収フィルター３９ａが透過しない波長は、吸収フィルター３９ｂが透過しない波長と異なっているものとする。
【００８７】
なお、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、透明容器３４の傷や傾きなどによって励起光が散乱、屈折されて、仮に励起光集光レンズ３５が励起光をビームダンプ３６に集光することができなかった場合であっても、励起光が光電変換素子３８に到達することを抑制するために設けられている。従って、励起光集光レンズ３５が励起光をビームダンプ３６に集光することができれば、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂが設けられていないくてもよいことは勿論である。また、吸収フィルター３９は、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂのいずれか一方のみであってもよいことは勿論である。
【００８８】
［第４実施形態］
以下において、本発明の第４実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、上述した第３実施形態と第４実施形態との差異について主として説明する。
【００８９】
具体的には、上述した第３実施形態では、ビームダンプ３６は、積分球３７内に配置されているが、第４実施形態では、ビームダンプ３６は、積分球３７外に配置されている。
【００９０】
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第４実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第４実施形態に係る光学装置３０を示す図である。なお、図４では、上述した図３と同様の構成には同様の符号を付しているため、重複する説明については省略する。
【００９１】
図４に示すように、積分球３７は、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を積分球３７の外部に導く開口部３７ｄを有している。また、積分球３７の開口部３７ｄには、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を熱に変換するビームダンプ３６が設けられている。
【００９２】
なお、開口部３７ｄのサイズは、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を積分球３７の外部に導くことが可能なサイズであればよく、蛍光を反射する積分球３７の内面３７ａの面積を確保するために小さい方が好ましい。
【００９３】
［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９４】
例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態では、励起光除去部材は、光を遮断する遮光板（遮光板１６及び遮光板２６）であるが、これに限定されるものではない。具体的には、励起光除去部材は、撮像素子（撮像素子１８及び撮像素子２８）に励起光が到達しないように励起光を反射する反射ミラーであってもよい。
【００９５】
ここで、励起光除去部材は、蛍光を透過して励起光を反射するダイクロイックミラーであってもよいが、全ての光を反射する反射ミラーであることが好ましい。
【００９６】
また、反射ミラーは、励起光集光部材（励起光集光レンズ１５及び励起光集光レンズ２５）によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）が発する蛍光を遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００９７】
また、反射ミラーは、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）が発する蛍光を遮断しないように、光源（光源１１及び光源２１）が発する光がサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）を介して透過してくる側であって、サンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００９８】
上述した第４実施形態では、積分球３７の開口部３７ｄにビームダンプ３６が設けられているが、これに限定されるものではない。具体的には、励起光集光レンズ３５によって集光される励起光が積分球３７の開口部３７ｄを通じて積分球３７の外部に導かれる場合には、ビームダンプ３６が設けられていなくてもよい。
【００９９】
上述した第１実施形態〜第４実施形態に設けられた各種レンズの形状は、上述した例示に限定されるものではなく、本発明の目的を達するために必要な形状であればよいことは勿論である。
【０１００】
同様に、上述した第１実施形態〜第４実施形態に設けられた各種レンズの組合せは、上述した例示に限定されるものではなく、本発明の目的を達するために必要な組合せであればよいことは勿論である。
【０１０１】
また、上述した第１実施形態〜第４実施形態では、観測者によって観測される観測対象物は、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ、サンプル２４ａ及びサンプル３４ａ）であるが、これに限定されるものではない。例えば、観測対象物は、蛍光試薬で染められていなくても、プラスチックなどの高分子材料や細胞内のタンパク質などのように、励起光の照射によって微弱な蛍光を発する物質であってもよい。
【０１０２】
さらに、上述した蛍光検出部材（撮像素子１８、撮像素子２８及び光電変換素子３８）は、光学的に観測対象物（サンプル１４ａ、サンプル２４ａ及びサンプル３４ａ）から励起光が透過してくる側に配置されていればよい。
【０１０３】
具体的には、光源（光源１１、光源２１及び光源３１）が発する光の光軸や観測対象物が発する蛍光の光軸が必ずしも直線状になっている必要はなく、観測対象物が発する蛍光がミラーなどによって折り返されて蛍光検出部材に導かれるならば、蛍光検出部材が設けられる位置は光学装置内の任意の位置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学装置１０の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光学装置２０の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る光学装置３０の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る光学装置３０の構成を示す図である。
【図５】従来技術に係る光学装置１００の構成を示す図である。
【図６】従来技術に係るフレネル反射について説明するための図である。
【図７】従来技術に係る励起フィルター１２１、ダイクロイックミラー１２２及び吸収フィルター１２４の光透過率を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０・・・光学装置、１１・・・光源、１２・・・レンズ、１３・・・レンズ、１４・・・培養プレート、１４ａ・・・サンプル、１５・・・励起光集光レンズ、１６・・・遮光板、１７・・・蛍光集光レンズ、１８・・・撮像素子、２０・・・光学装置、２１・・・光源、２２・・・励起フィルター、２４・・・培養プレート、２４ａ・・・サンプル、２５・・・励起光集光レンズ、２６・・・遮光板、２７ａ・・・レンズ、１７ｂ・・・レンズ、２８・・・撮像素子、２９・・・吸収フィルター、３０・・・光学装置、３１・・・光源、３１ａ・・・レンズ、３１ｂ・・・レンズ、３２・・・励起フィルター、３３・・・レンズ、３４・・・透明容器、３４ａ・・・サンプル、３４ｂ・・・培地、３５・・・励起光集光レンズ、３６・・・ビームダンプ、３７・・・積分球、３７ａ・・・内面、３７ｂ・・・開口部、３７ｃ・・・開口部、３７ｄ・・・開口部、３８・・・光電変換素子、３９・・・吸収フィルター、１００・・・光学装置、１１０・・・光源、１２０・・・蛍光キューブ、１２１・・・励起フィルター、１２２・・・ダイクロイックミラー、１２３・・・ライトアブソーバ、１２４・・・吸収フィルター、１３０・・・対物レンズ、１４０・・・透明容器、１４０ａ・・・培地、１４０ｂ・・・サンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測者によって観測される対象物であり、蛍光試薬で染められた観測対象物に、蛍光試薬を励起する励起光を照射する光源ユニットを備えた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞などの透明なサンプルを蛍光試薬で染めるとともに、蛍光試薬で染められたサンプルに励起光を照射することによって、サンプルを観察する方法が知られている。
【０００３】
具体的には、蛍光試薬で染められたサンプルは、図５に示す光学装置１００を用いて観察されていた。図５は、従来技術に係る光学装置１００の構成を示す図である。
【０００４】
図５に示すように、光学装置１００は、光源１１０と、蛍光キューブ１２０と、対物レンズ１３０と、透明容器１４０とを有する。
【０００５】
光源１１０は、白色光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やハロゲンランプなどである。
【０００６】
蛍光キューブ１２０は、励起フィルター１２１と、ダイクロイックミラー１２２と、ライトアブソーバ１２３と、吸収フィルター１２４とを有する。また、蛍光キューブ１２０は、サンプルや蛍光試薬の種類に応じて交換可能である。
【０００７】
励起フィルター１２１は、光源１１０が発する白色光の中から、蛍光試薬を発光させる励起光を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター１２１は、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４４０ｎｍ〜５１０ｎｍ）を透過する。
【０００８】
ダイクロイックミラー１２２は、励起フィルター１２１を透過した励起光を含む光を反射して、他の光を透過するミラーである。具体的には、ダイクロイックミラー１２２は、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍ）を反射して、他の光（例えば、紫色、緑色、赤色）に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ以下、又は、４８０ｎｍ以上）を透過する。
【０００９】
ライトアブソーバ１２３は、ダイクロイックミラー１２２を透過した光が反射しないように、ダイクロイックミラー１２２を透過した光を吸収する。
【００１０】
吸収フィルター１２４は、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４０ｂ）に励起光を照射することによって、蛍光試薬が発する蛍光を取り出すフィルターである。具体的には、吸収フィルター１２４は、蛍光（例えば、緑色）を含む光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ以上）を透過し、励起光（例えば、青色）を含む光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ未満）を透過しない。
【００１１】
対物レンズ１３０は、１つのレンズ又は複数のレンズによって構成されており、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂの像を像面上に結像する。なお、像面上には、接眼レンズやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などが配置されており、観察者は、対物レンズ１３０によって結像された像を観察する。
【００１２】
透明容器１４０は、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂを収容する透明な容器である。また、透明容器１４０内には、サンプル１４０ｂを培養する培地１４０ａが充填されている。
【００１３】
ここで、屈折率が異なる２つの物質に対して光を照射すると、フレネル反射が起きる。上述した光学装置１００でも、透明容器１４０に励起光を照射すると、フレネル反射が起きる。図６は、従来技術に係るフレネル反射について説明するための図である。
【００１４】
なお、図６では、空気の屈折率が１であるものとして場合に、透明容器１４０の屈折率が約１．６であり、主成分が水である培地１４０ａの屈折率が１．３であるものとして説明する。
【００１５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、空気と透明容器１４０との界面に励起光（Ｉ０）が照射されると、空気の屈折率と透明容器１４０の屈折率とが異なるため、空気と透明容器１４０との界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’０）が生じる。
【００１６】
また、透明容器１４０を透過した励起光（Ｉ１）が透明容器１４０と培地１４０ａとの界面に照射されると、透明容器１４０の屈折率と培地１４０ａの屈折率とが異なるため、透明容器１４０と培地１４０ａとの界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’１）が生じる。
【００１７】
さらに、培地１４０ａを透過した励起光（Ｉ２）が培地１４０ａと空気との界面に照射されると、培地１４０ａの屈折率と空気の屈折率とが異なるため、培地１４０ａと空気との界面でフレネル反射が起きてフレネル反射光（Ｉ’２）が生じる。
【００１８】
従って、フレネル反射光（Ｉ’ｔｏｔａｌ）は、フレネル反射光（Ｉ’０）、フレネル反射光（Ｉ’１）及びフレネル反射光（Ｉ’２）の合計となる。
【００１９】
なお、一般に、２つの物質の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とした場合に、励起光に対するフレネル反射光の比率（Ｒ）は、以下の式（１）によって算出される。
【数１】
【００２０】
励起光（Ｉ０）に対するフレネル反射光（Ｉｔｏｔａｌ）の比率（Ｒｔｏｔａｌ）を式（１）に従って算出すると、比率（Ｒｔｏｔａｌ）は約８％となる。
【００２１】
一方で、上述した光学装置１００では、ダイクロイックミラー１２２及び吸収フィルター１２４は、励起フィルター１２１が透過する励起光をほとんど透過せずに、サンプル１４０ｂが発する蛍光を透過する。このように、光学装置１００は、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）と励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）との比率（Ｓ／Ｎ比）を低く抑えていた。
【００２２】
なお、蛍光を検出するための装置として、蛍光が入射する開口部（入射開口部）を有する積分球も知られている。具体的には、積分球は、入射開口部から入射した蛍光を積分球の内面で反射するとともに、積分球の内面で反射した蛍光を検出する。このような積分球によれば、入射開口部から入射した蛍光の輝度が低くても、蛍光を効率的に検出することができた（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３２６０５１号公報（請求項１、図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、励起フィルター１２１が透過する光の波長の一部と、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４が透過する光の波長の一部とは一般に重複する。具体的には、図７に示すように、励起フィルター１２１は、励起光に相当する波長（例えば、４４０ｎｍ〜５１０ｎｍ）の光を透過する。また、ダイクロイックミラー１２２は、励起光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍ）の光を反射して、蛍光に相当する波長（例えば、４５０ｎｍ以下、４８０ｎｍ以上）の光を透過する。さらに、吸収フィルター１２４は、励起光に相当する波長（例えば、４９５ｎｍ未満）の光を透過せずに、蛍光に相当する波長（４９５ｎｍ以上）の光を透過する。
【００２４】
このように、励起フィルター１２１が透過する波長の一部と、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４が透過する波長の一部とは、領域ａ（５００ｎｍ近傍）で重複する。
【００２５】
従って、励起フィルター１２１が透過する励起光の一部がダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４を透過してしまうため、光学装置１００は、雑音となる励起光を完全に取り除くことができない。
【００２６】
特に、サンプル１４０ｂが発する蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）の輝度が低い場合には、励起光0（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を低く抑えたとしても、Ｓ／Ｎ比が悪化してしまうため、サンプル１４０ｂの像を良好に観察することができない。
【００２７】
また、励起フィルター１２１が透過する励起光の全てを透過しないダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４を製造できるとしても、ダイクロイックミラー１２２や吸収フィルター１２４の製造コストが高くなってしまう。
【００２８】
なお、上述した従来技術では、蛍光試薬で染められたサンプル１４０ｂについて例示したが、これらの課題は、蛍光試薬で染められていなくても、励起光によって蛍光を発する物質（例えば、プラスチックなどの高分子材料や細胞内のタンパク質など）についても共通する課題である。
【００２９】
そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、装置の製造コストの上昇を招くことなく、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことを可能とする光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の一の特徴は、観測者によって観測される対象物であり、蛍光を発する観測対象物（サンプル１４ａ）に、前記蛍光を励起する励起光を照射する光源ユニット（光源１１、レンズ１２及びレンズ１３）と、前記励起光を集光する励起光集光部材（励起光集光レンズ１５）と、前記励起光集光部材によって前記励起光が集光される位置に配置されており、前記励起光を除去する励起光除去部材（遮光板１６）と、前記励起光が前記観測対象物を介して透過されてくる側に配置されており、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を検出する蛍光検出部材（撮像素子１８）とを光学装置が備えることを要旨とする。
【００３１】
かかる特徴によれば、励起光除去部材が励起光集光部材によって励起光が集光される位置に配置されていることにより、励起光除去部材が効率的に励起光を除去することができる。
【００３２】
従って、光学装置は、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。また、透過しない波長が設計条件に合致するように厳密に製造された吸収フィルターやダイクロックミラーを用いる必要がないため、光学装置の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００３３】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光除去部材が、前記励起光を透過しない遮光板であることを要旨とする。
【００３４】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光除去部材が、前記励起光を反射する反射ミラーであることを要旨とする。
【００３５】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を集光して、前記観測対象物の像を像面上に結像する結像部材（蛍光集光レンズ１７）を光学装置がさらに備え、前記蛍光検出部材が、前記像面上に配置されており、前記観測対象物の像を撮像する撮像素子であることを要旨とする。
【００３６】
本発明の一の特徴は、本発明の上述した特徴において、前記蛍光検出部材が、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を電気に変換する光電変換素子（光電変換素子３８）であることを要旨とする。
【００３７】
本発明の一の特徴は、前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光及び前記蛍光が入射する開口部（開口部３７ｂ）を有する積分球（積分球３７）を光学装置がさらに備え、前記積分球の内面（内面３７ａ）が、前記蛍光を反射する反射面によって構成されており、前記光電変換素子が、前記積分球の内面で反射される前記蛍光を電気に変換し、前記励起光除去部材が、前記励起光集光部材によって集光される前記励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、装置の製造コストの上昇を招くことなく、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことを可能とする光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下において、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。
【００４０】
ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００４１】
［第１実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第１実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光学装置１０を示す図である。
【００４２】
図１に示すように、光学装置１０は、光源１１と、レンズ１２と、レンズ１３と、培養プレート１４と、励起光集光レンズ１５と、遮光板１６と、蛍光集光レンズ１７と、撮像素子１８とを有する。
【００４３】
光源１１は、励起光（例えば、青色光）を発するレーザ発光装置などであり、直線状の励起光を発する。
【００４４】
レンズ１２は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源１１が発する直線状の励起光を拡げる片面凹レンズである。
【００４５】
レンズ１３は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、レンズ１２によって拡げられた励起光を平行光化する片面凸レンズである。
【００４６】
なお、第１実施形態において、レンズ１２及びレンズ１３は、光源１１が発するレーザビーム（直線状の励起光）を拡げるビームエキスパンダとして機能する。また、光源１１、レンズ１２及びレンズ１３は、培養プレート１４（サンプル１４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。
【００４７】
培養プレート１４は、光源１１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル１４ａを培養する透明なプレートである。なお、培養プレート１４は、所定の光透過率を有していればよく、培養プレート１４の光透過率は１００％である必要はない。
【００４８】
サンプル１４ａは、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル１４ａは、培養プレート１４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル１４ａの光透過率は１００％である必要はない。
【００４９】
励起光集光レンズ１５は、光源１１が発する励起光が培養プレート１４（サンプル１４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、レンズ１３によって平行光化された励起光を遮光板１６に集光する片面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ１５は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を遮光板１６に集光しないように、培養プレート１４（サンプル１４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００５０】
遮光板１６は、励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を取り除く励起光除去部材である。また、遮光板１６は、光を遮断する材料によって構成されており、励起光集光レンズ１５によって集光される励起光だけではなくて、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光も遮断する。
【００５１】
ここで、遮光板１６は、励起光集光レンズ１５によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を大きく遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００５２】
また、遮光板１６は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を遮断しないように、光源１１が発する励起光が培養プレート１４（サンプル１４ａ）を介して透過してくる側であって、培養プレート１４（サンプル１４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００５３】
蛍光集光レンズ１７は、蛍光試薬で染められたサンプル１４ａが発する蛍光を撮像素子１８に集光する両面凸レンズである。また、蛍光集光レンズ１７は、サンプル１４ａの像を像面上に結像する結像部材である。
【００５４】
撮像素子１８は、蛍光集光レンズ１７によってサンプル１４ａの像が結像される像面上に配置されており、サンプル１４ａの像を撮像する。なお、撮像素子１８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣ−ＭＯＳセンサなどである。
【００５５】
（作用及び効果）
本発明の第１実施形態に係る光学装置１０によれば、遮光板１６が励起光集光レンズ１５によって励起光が集光される位置に配置されていることにより、遮光板１６が効率的に励起光を除去することができる。
【００５６】
また、遮光板１６が励起光集光レンズ１５によって集光された励起光を除去することにより、遮光板１６のサイズを小さく抑えることができる。従って、サンプル１４ａが発する蛍光が遮光板１６で除去されることを抑制して、撮像素子１８に到達する蛍光量の減少を抑えることができる。
【００５７】
従って、光学装置１０は、雑音となる励起光（Ｎ；Ｎｏｉｓｅ）を効率的に取り除いて、蛍光（Ｓ；Ｓｉｇｎａｌ）を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。また、透過しない波長が設計条件に合致するように厳密に製造された吸収フィルターやダイクロックミラーを用いる必要がないため、光学装置１０の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第２実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る光学装置２０を示す図である。
【００５９】
図２に示すように、光学装置２０は、光源２１と、励起フィルター２２と、培養プレート２４と、励起光集光レンズ２５と、遮光板２６と、レンズ２７ａと、レンズ２７ｂと、撮像素子２８と、吸収フィルター２９とを有する。
【００６０】
光源２１は、白色光を発するハロゲンランプなどである。励起フィルター２２は、光源２１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源２１が発する白色光から励起光（例えば、青色）を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター２２は、励起光に相当する波長を透過する。
【００６１】
なお、第２実施形態において、光源２１及び励起フィルター２２は、培養プレート２４（サンプル２４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。
【００６２】
培養プレート２４は、上述した培養プレート１４と同様に、光源２１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル２４ａを培養する透明なプレートである。なお、培養プレート２４は、所定の光透過率を有していればよく、培養プレート２４の光透過率は１００％である必要はない。
【００６３】
サンプル２４ａは、上述したサンプル１４ａと同様に、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル２４ａは、培養プレート２４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル２４ａの光透過率は１００％である必要はない。
【００６４】
励起光集光レンズ２５は、光源２１が発する光の光軸に沿って培養プレート２４に対して光源２１と同じ側に配置されており、励起フィルター２２を透過する励起光を遮光板２６に集光する両面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ２５は、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａに励起光を照射するように、培養プレート２４（サンプル２４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００６５】
遮光板２６は、励起光集光レンズ２５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を取り除く励起光除去部材である。また、遮光板２６は、遮光板１６と同様に、光を遮断する材料によって構成されており、励起光集光レンズ２５によって集光される励起光だけではなくて、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光も遮断する。
【００６６】
ここで、遮光板２６は、励起光集光レンズ２５によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００６７】
また、遮光板２６は、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を遮断しないように、光源２１が発する励起光が培養プレート２４（サンプル２４ａ）を介して透過してくる側であって、培養プレート２４（サンプル２４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００６８】
レンズ２７ａは、蛍光試薬で染められたサンプル２４ａが発する蛍光を平行光化する片面凸レンズである。レンズ２７ｂは、レンズ２７ａによって平行光化された蛍光を撮像素子２８に集光する片面凸レンズである。また、レンズ２７ｂは、サンプル２４ａの像を像面上に結像する結像部材である。
【００６９】
撮像素子２８は、レンズ２７ｂによってサンプル２４ａの像が結像される像面上に配置されており、サンプル２４ａの像を撮像する。なお、撮像素子２８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣ−ＭＯＳセンサなどである。
【００７０】
吸収フィルター２９は、レンズ２７ａによって平行光化された蛍光を透過して、励起フィルター２２を透過する励起光を透過しないフィルターである。具体的には、吸収フィルター２９は、蛍光に相当する波長を透過して、励起光に相当する波長を透過しない。
【００７１】
なお、吸収フィルター２９は、培養プレート２４の傷や傾きなどによって励起光が散乱、屈折されて、仮に励起光集光レンズ２５が励起光を遮光板２６に集光することができなかった場合であっても、励起光が撮像素子２８に到達することを抑制するために設けられている。従って、励起光集光レンズ２５が励起光を遮光板２６に集光することができれば、吸収フィルター２９が設けられていないくてもよいことは勿論である。
【００７２】
［第３実施形態］
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第３実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係る光学装置３０を示す図である。
【００７３】
図３に示すように、光学装置３０は、光源３１と、レンズ３１ａと、レンズ３１ｂと、励起フィルター３２と、レンズ３３と、透明容器３４と、励起光集光レンズ３５と、ビームダンプ３６と、積分球３７と、光電変換素子３８と、吸収フィルター３９（吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂ）とを有する。
【００７４】
光源３１は、白色光を発する白色ＬＥＤなどである。レンズ３１ａは、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源３１が発する白色光を平行光化する片面凸レンズである。レンズ３１ｂは、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、平行光化された白色光をレンズ３３に集光する片面凸レンズである。
【００７５】
励起フィルター３２は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、光源３１が発する白色光から励起光（例えば、青色）を取り出すフィルターである。具体的には、励起フィルター３２は、励起光に相当する波長を透過する。
【００７６】
レンズ３３は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、透明容器３４に照射される励起光の照度分布を均一化させる両面凸レンズである。
【００７７】
なお、第３実施形態において、光源３１、レンズ３１ａ、レンズ３１ｂ、励起フィルター３２及びレンズ３３は、透明容器３４（サンプル３４ａ）に励起光を照射する光源ユニットとして機能する。また、光源３１、レンズ３１ａ、レンズ３１ｂ及びレンズ３３は、透明容器３４（サンプル３４ａ）に照射される励起光の照度分布を均一化するケーラ照明ユニットとして機能する。
【００７８】
透明容器３４は、光源３１が発する光の光軸に沿って配置されており、細胞などの透明なサンプル３４ａを収容しており、サンプル３４ａを培養する透明な培地３４ｂで満たされている。なお、透明容器３４は、所定の光透過率を有していればよく、透明容器３４の光透過率は１００％である必要はない。
【００７９】
サンプル３４ａは、上述したサンプル１４ａと同様に、観察者によって観察される対象物であり、蛍光試薬で染められている。また、蛍光試薬は、励起光（例えば、青色）が照射されると、蛍光（例えば、緑色光）を発する。なお、サンプル３４ａ及び培地３４ｂは、透明容器３４と同様に、所定の光透過率を有していればよく、サンプル３４ａ及び培地３４ｂの光透過率は１００％である必要はない。
【００８０】
励起光集光レンズ３５は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、励起フィルター３２を透過する励起光をビームダンプ３６に集光する両面凸レンズである。なお、励起光集光レンズ３５は、蛍光試薬で染められたサンプル３４ａが発する蛍光をビームダンプ３６に集光しないように、透明容器３４（サンプル３４ａ）に近接して配置されることが好ましい。
【００８１】
ビームダンプ３６は、励起光集光レンズ３５によって励起光が集光される位置に配置されており、励起光を除去する励起光除去部材である。具体的には、ビームダンプ３６は、積分球３７内に配置されており、励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材である。
【００８２】
積分球３７は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、励起光集光レンズ３５によって集光される励起光及び蛍光試薬で染められたサンプル３４ａが発する蛍光が入射する開口部３７ｂを有している。なお、開口部３７ｂのサイズは、積分球３７内に取り込まれる蛍光量を増やすために、少なくともサンプル３４ａの観察面以上のサイズであることが好ましい。
【００８３】
また、積分球３７は、光電変換素子３８が設けられる開口部３７ｃを有している。具体的には、積分球３７の内面３７ａで反射される蛍光は、開口部３７ｃを通じて光電変換素子３８に入射する。
【００８４】
また、積分球３７の内面３７ａは、開口部３７ｂから入射した蛍光を反射する反射面によって構成されている。例えば、積分球３７の内面３７ａには、白色の塗料などが塗布されており、蛍光が内面３７ａで反射される。
【００８５】
光電変換素子３８は、光源３１が発する励起光が透明容器３４（サンプル３４ａ）を介して透過してくる側に配置されており、積分球３７の内面３７ａで反射された蛍光を電気信号に変換するフォトダイオードなどである。具体的には、光電変換素子３８は、積分球３７の開口部３７ｃに設けられている。
【００８６】
吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、積分球３７の内面３７ａで反射された蛍光を透過して、励起フィルター３２を透過する励起光を透過しないフィルターである。具体的には、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、蛍光に相当する波長を透過して、励起光に相当する波長を透過しない。ここで、吸収フィルター３９ａが透過しない波長は、吸収フィルター３９ｂが透過しない波長と異なっているものとする。
【００８７】
なお、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂは、透明容器３４の傷や傾きなどによって励起光が散乱、屈折されて、仮に励起光集光レンズ３５が励起光をビームダンプ３６に集光することができなかった場合であっても、励起光が光電変換素子３８に到達することを抑制するために設けられている。従って、励起光集光レンズ３５が励起光をビームダンプ３６に集光することができれば、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂが設けられていないくてもよいことは勿論である。また、吸収フィルター３９は、吸収フィルター３９ａ及び吸収フィルター３９ｂのいずれか一方のみであってもよいことは勿論である。
【００８８】
［第４実施形態］
以下において、本発明の第４実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、上述した第３実施形態と第４実施形態との差異について主として説明する。
【００８９】
具体的には、上述した第３実施形態では、ビームダンプ３６は、積分球３７内に配置されているが、第４実施形態では、ビームダンプ３６は、積分球３７外に配置されている。
【００９０】
（光学装置の構成）
以下において、本発明の第４実施形態に係る光学装置の構成について、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第４実施形態に係る光学装置３０を示す図である。なお、図４では、上述した図３と同様の構成には同様の符号を付しているため、重複する説明については省略する。
【００９１】
図４に示すように、積分球３７は、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を積分球３７の外部に導く開口部３７ｄを有している。また、積分球３７の開口部３７ｄには、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を熱に変換するビームダンプ３６が設けられている。
【００９２】
なお、開口部３７ｄのサイズは、励起光集光レンズ３５によって集光された励起光を積分球３７の外部に導くことが可能なサイズであればよく、蛍光を反射する積分球３７の内面３７ａの面積を確保するために小さい方が好ましい。
【００９３】
［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９４】
例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態では、励起光除去部材は、光を遮断する遮光板（遮光板１６及び遮光板２６）であるが、これに限定されるものではない。具体的には、励起光除去部材は、撮像素子（撮像素子１８及び撮像素子２８）に励起光が到達しないように励起光を反射する反射ミラーであってもよい。
【００９５】
ここで、励起光除去部材は、蛍光を透過して励起光を反射するダイクロイックミラーであってもよいが、全ての光を反射する反射ミラーであることが好ましい。
【００９６】
また、反射ミラーは、励起光集光部材（励起光集光レンズ１５及び励起光集光レンズ２５）によって集光された励起光を遮断することが可能なサイズを有していればよく、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）が発する蛍光を遮断しないように小さいサイズを有していることが好ましい。
【００９７】
また、反射ミラーは、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）が発する蛍光を遮断しないように、光源（光源１１及び光源２１）が発する光がサンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）を介して透過してくる側であって、サンプル（サンプル１４ａ及びサンプル２４ａ）から光軸上で離れた位置に配置されていることが好ましい。
【００９８】
上述した第４実施形態では、積分球３７の開口部３７ｄにビームダンプ３６が設けられているが、これに限定されるものではない。具体的には、励起光集光レンズ３５によって集光される励起光が積分球３７の開口部３７ｄを通じて積分球３７の外部に導かれる場合には、ビームダンプ３６が設けられていなくてもよい。
【００９９】
上述した第１実施形態〜第４実施形態に設けられた各種レンズの形状は、上述した例示に限定されるものではなく、本発明の目的を達するために必要な形状であればよいことは勿論である。
【０１００】
同様に、上述した第１実施形態〜第４実施形態に設けられた各種レンズの組合せは、上述した例示に限定されるものではなく、本発明の目的を達するために必要な組合せであればよいことは勿論である。
【０１０１】
また、上述した第１実施形態〜第４実施形態では、観測者によって観測される観測対象物は、蛍光試薬で染められたサンプル（サンプル１４ａ、サンプル２４ａ及びサンプル３４ａ）であるが、これに限定されるものではない。例えば、観測対象物は、蛍光試薬で染められていなくても、プラスチックなどの高分子材料や細胞内のタンパク質などのように、励起光の照射によって微弱な蛍光を発する物質であってもよい。
【０１０２】
さらに、上述した蛍光検出部材（撮像素子１８、撮像素子２８及び光電変換素子３８）は、光学的に観測対象物（サンプル１４ａ、サンプル２４ａ及びサンプル３４ａ）から励起光が透過してくる側に配置されていればよい。
【０１０３】
具体的には、光源（光源１１、光源２１及び光源３１）が発する光の光軸や観測対象物が発する蛍光の光軸が必ずしも直線状になっている必要はなく、観測対象物が発する蛍光がミラーなどによって折り返されて蛍光検出部材に導かれるならば、蛍光検出部材が設けられる位置は光学装置内の任意の位置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学装置１０の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光学装置２０の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る光学装置３０の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る光学装置３０の構成を示す図である。
【図５】従来技術に係る光学装置１００の構成を示す図である。
【図６】従来技術に係るフレネル反射について説明するための図である。
【図７】従来技術に係る励起フィルター１２１、ダイクロイックミラー１２２及び吸収フィルター１２４の光透過率を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０・・・光学装置、１１・・・光源、１２・・・レンズ、１３・・・レンズ、１４・・・培養プレート、１４ａ・・・サンプル、１５・・・励起光集光レンズ、１６・・・遮光板、１７・・・蛍光集光レンズ、１８・・・撮像素子、２０・・・光学装置、２１・・・光源、２２・・・励起フィルター、２４・・・培養プレート、２４ａ・・・サンプル、２５・・・励起光集光レンズ、２６・・・遮光板、２７ａ・・・レンズ、１７ｂ・・・レンズ、２８・・・撮像素子、２９・・・吸収フィルター、３０・・・光学装置、３１・・・光源、３１ａ・・・レンズ、３１ｂ・・・レンズ、３２・・・励起フィルター、３３・・・レンズ、３４・・・透明容器、３４ａ・・・サンプル、３４ｂ・・・培地、３５・・・励起光集光レンズ、３６・・・ビームダンプ、３７・・・積分球、３７ａ・・・内面、３７ｂ・・・開口部、３７ｃ・・・開口部、３７ｄ・・・開口部、３８・・・光電変換素子、３９・・・吸収フィルター、１００・・・光学装置、１１０・・・光源、１２０・・・蛍光キューブ、１２１・・・励起フィルター、１２２・・・ダイクロイックミラー、１２３・・・ライトアブソーバ、１２４・・・吸収フィルター、１３０・・・対物レンズ、１４０・・・透明容器、１４０ａ・・・培地、１４０ｂ・・・サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測者によって観測される対象物であり、蛍光を発する観測対象物に、前記蛍光を励起する励起光を照射する光源ユニットと、
前記励起光を集光する励起光集光部材と、
前記励起光集光部材によって前記励起光が集光される位置に配置されており、前記励起光を除去する励起光除去部材と、
前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を検出する蛍光検出部材とを備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記励起光除去部材は、前記励起光を透過しない遮光板であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記励起光除去部材は、前記励起光を反射する反射ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を集光して、前記観測対象物の像を像面上に結像する結像部材をさらに備え、
前記蛍光検出部材は、前記像面上に配置されており、前記観測対象物の像を撮像する撮像素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記蛍光検出部材は、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を電気に変換する光電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光及び前記蛍光が入射する開口部を有する積分球をさらに備え、
前記積分球の内面は、前記蛍光を反射する反射面によって構成されており、
前記光電変換素子は、前記積分球の内面で反射される前記蛍光を電気に変換し、
前記励起光除去部材は、前記励起光集光部材によって集光される前記励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材であることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項１】
観測者によって観測される対象物であり、蛍光を発する観測対象物に、前記蛍光を励起する励起光を照射する光源ユニットと、
前記励起光を集光する励起光集光部材と、
前記励起光集光部材によって前記励起光が集光される位置に配置されており、前記励起光を除去する励起光除去部材と、
前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を検出する蛍光検出部材とを備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記励起光除去部材は、前記励起光を透過しない遮光板であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記励起光除去部材は、前記励起光を反射する反射ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を集光して、前記観測対象物の像を像面上に結像する結像部材をさらに備え、
前記蛍光検出部材は、前記像面上に配置されており、前記観測対象物の像を撮像する撮像素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記蛍光検出部材は、前記励起光によって前記観測対象物が発する前記蛍光を電気に変換する光電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記励起光が前記観測対象物を介して透過してくる側に配置されており、前記励起光及び前記蛍光が入射する開口部を有する積分球をさらに備え、
前記積分球の内面は、前記蛍光を反射する反射面によって構成されており、
前記光電変換素子は、前記積分球の内面で反射される前記蛍光を電気に変換し、
前記励起光除去部材は、前記励起光集光部材によって集光される前記励起光を吸収して熱に変換する熱変換部材であることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２９８３１０（Ｐ２００７−２９８３１０Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２４４４５（Ｐ２００６−１２４４４５）
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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