3. 明るい光学系と高速カメラシステム
ブレインビジョン株式会社 市川道教
光学系の明るさは、おもに対物レンズの開口数（NA）による。開口数が倍になると、受光系で4倍、照明系で4倍、合計で16倍明るい映像が撮影できる。つまり、明るさは開口数の4乗に比例する。開口数が高いレンズとは、大口径で焦点距離が短いということである。したがって、被写体から広がる光を広角に捉えるので明るい。市販の顕微鏡レンズの場合、40倍で0.7程度、20倍で0.3程度、10倍では0.1程度のものが一般的である。しかし、図2のように、最も用途の多い神経回路の観察などでは、1～3倍の低倍の光学系が必要になる。多くの顕微鏡メーカーの販売する2倍レンズの開口数は0.05程度で、きわめて暗い。そこで、われわれは図4に示したような特別な光学系を作製して使用している。対物レンズはニコン製の一眼レフレンズ（F1.2、50mm 標準レンズ）を解体して余分な部品（絞りや焦点調整機構）を取り除きケースに収め再組立てしたものを使用している。このレンズの開口数は約0.7である。市販の顕微鏡レンズに比べて、200倍明るい映像が得られる。
この自作の顕微鏡は、高い開口数のレンズを2つ用いて、いわゆる無限遠設計になっている。ダイクロイックミラーの置かれる本体部分はほぼ平行な光束が通り、投影レンズを経てCCDセンサーに結像される。投影レンズにはライカ製の80mmの実体顕微鏡レンズを用いている。総合倍率は約1.6倍である。590㎚以上の長波長のみを通す吸収フィルターを配置した。
照明系には市販の150Wハロゲン電球を用いたファイバー照明器具（モリテックス製、MHF-G150）を用いている。色素の波長特性に合わせるため、照明は干渉フィルターを通し、緑色光（530nm）にしている。ダイクロイックミラーは、530nmの光を90％以上反射し、試料に投下される。試料での蛍光のうち、590～650nmの光が電圧感受成分なので、これを効果的に切り出すため、ダイクロイックミラーは590～650nmの光を90％以上透過し、その後、迷走光を遮るため590nm以上の長波長のみを通す吸収フィルターを配置した。
カメラシステムは、われわれの研究室とブレインビジョン社で開発した高速CCD撮影システムである。このカメラに使用しているCCDセンサーはSONYのICX076という通常用途の白黒CCDイメージセンサーである。普通は、7MHz程度のクロックで動作させるべき部品であるが、強引に50MHzで動作させ、さらに、縦方向（V方向）のCCD転送クロックを4回連続で与え、縦の走査線数を60本にまとめることで高速に動作させている。結果として、約700μsecで全画面の読み出しが可能である。神経活動が1msec程度であることを考慮すると700μsec必ずしも十分な速度ではないが、おおむね要求を満たす速度である。このCCDセンサーは1/5インチサイズで、有効受光面はおおむね3mm×2mmほどである。小型なため、蓄積可能な電荷量が少ないのがやや不満な点であるが、ここまで高速動作が可能なのは、小さいためなので納得している。CCDセンサーで捉えられた映像は高速ADCを経て、デジタル処理によって加工・保存される。映像データは一時的にメモリーに貯え、計測直後にPCIバスを介してホストコンピュータに転送される。
(出典 共立出版 「光による医学診断」(2001年3月30日出版))
4. 計測結果 >