JP2004037725A - 顕微鏡照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】放電光源からの光線を均一化して標本面における照明ムラの発生を防止することを目的とする。
【解決手段】光源１と、該光源からの光線を集光し第１光源像を形成する第１照明レンズ群と、前記第１光源像からの光が入射する入射端面と該入射した光が射出する射出端面を備えた棒状の光学素子１０と、該光学素子からの光線を集光して第２光源像を形成させる第２照明レンズ群とを有し、前記光学素子が前記第１光源像の近傍に配置されている顕微鏡照明光学系により、第２照明レンズ群に入射する光線を光学素子１０のより均一化して、標本面における照明ムラの発生を防止する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡に使用される照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡の照明光学系においては、標本を鮮明に、かつ、詳細に観察するため明るい照明が不可欠である。この要件を満足するため、従来から、水銀アーク光源やキセノンアーク光源が多く用いられている。図５は、従来の顕微鏡照明光学系の構成を示した図であり、ケーラー照明を顕微鏡の落射蛍光照明に用いた場合を示している。図中、この顕微鏡照明光学系は、光源１と、光を集光するコレクターレンズ２と、光源像を形成する第１照明レンズ群３および第２照明レンズ群６と、照明の明るさや像の見えの調整をするための開口絞り４と、観察範囲以外の光を遮断して鮮明な像を得るための視野絞り５と、偏向素子であるダイクロックミラー７（あるいは、ハーフミラー）と、標本を拡大する対物レンズ８と、標本面９とから構成されている。
【０００３】
この照明光学系においては、光源１からの光がコレクターレンズ２により略平行な光束になり、第１照明レンズ群３により開口絞り４の位置に光源像が形成される。この光源像は、２次光源として第２照明レンズ群６により、対物レンズ８の後側焦点位置に投影され、これにより視野が均一でかつ明るく照明される。また、視野絞り５は第２照明レンズ群６と対物レンズ８とにより標本面９に投影される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示すような落射照明光学系に用いられる水銀ランプやキセノンランプ等の光源は、放電光源であるため、光源像自体に強度の分布が存在する。このため、落射照明光学系で投影される光源像を正確に対物レンズの後側焦点位置に配置しないと標本面に照明ムラが出るという問題があった。また、対物レンズの後側焦点位置は、対物レンズの種類によって異なる。そのため、異なる対物レンズを使用するたびに、例えば、光源を光軸に沿って動かして対物レンズの後側焦点位置に光源像を一致させるよう調整を行うことが必要である。ところが、この調整を怠ると、標本面に虚像が生ずるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、光線を均一化して標本面における照明ムラの発生を防止するとともに、光学素子を対物レンズの倍率によって、変更可能な顕微鏡照明光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、光源と、該光源からの光線を集光し第１光源像を形成する第１照明レンズ群と、前記第１光源像からの光が入射する入射端面と該入射した光が射出する射出端面を備えた棒状の光学素子と、該光学素子からの光線を集光して第２光源像を形成させる第２照明レンズ群とを有し、前記光学素子が前記第１光源像の近傍に配置されている顕微鏡照明光学系を提案している。
【０００７】
この発明によれば、第１光源像の近傍に、棒状の光学素子を配置したことから、光源に強度分布をもつ放電光源を用いた場合にも、光学素子内面での複数回の反射により、第２のレンズ群に入射する光線を均一化することができる。また、第１光源像を形成する第１照明レンズ群と第２光源像を形成させる第２照明レンズ群とにより、照明光学系を構成したことから、光を観察範囲にムラなく照明できるケーラー照明を構成することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載された顕微鏡照明光学系が以下の条件（１）を満足する顕微鏡照明光学系を提案している。
（１）　　７＜｜β２×（Ｗ／ｄ）｜＜２２
ここで、Ｗは、前記射出端面における最大長、β２は前記第２照明レンズ群の対物レンズの瞳に対する投影倍率、ｄは前記光源の発行点の最大長である。
【０００９】
この発明によれば、光学素子の射出端面における最大長Ｗと、第２照明レンズ群の対物レンズの瞳に対する投影倍率β２と、光源の発光点の最大長ｄとの関係を一定の範囲にしたことから、照明範囲が広く、しかも、明るい照明光学系を構成することができる。なお、この発明によれば、光学素子の射出端面を発光点（発光面）とみなすことができる。よって、β２は、この発光点（すなわち、光学素子の射出端面）を対物レンズの瞳位置に投影する時の投影倍率である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された顕微鏡照明光学系について、前記光学素子が、ガラス製のロッドである顕微鏡照明光学系を提案している。
この発明によれば、光学素子をガラス製のロッドとしたことから、入射光線が内部で全反射し、複数回の反射による光量のロスを抑制することができる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された顕微鏡照明光学系について、前記光学素子が、内面に反射面としてのミラーを有する顕微鏡照明光学系を提案している。
この発明によれば、光学素子を内面に反射面としてのミラーを有する素子したことから、落射蛍光顕微鏡に、この照明光学系を用いた場合であっても、ＵＶ光の損失を抑制した照明光学系を構成することができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載された顕微鏡照明光学系が以下の条件（２）を満足する顕微鏡照明光学系を提案している。
（２）　　―５＜β１＜−１
ここで、β１は前記第２照明レンズ群の第１光源像に対する倍率である。
【００１３】
この発明によれば、第１照明レンズ群の第１光源像に対する投影倍率を一定の範囲としたことから、光学素子の内部で、光源像からの光線をすべて全反射させ、かつ、光源像の収差を抑制した照明光学系を構成することができる。なお、β１をより詳しく説明すると、β１は光源１の発光点（発光面）を光学素子の入射端面に投影する時の投影倍率である。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載された顕微鏡照明光学系について、前記光源が放電ランプ光源である顕微鏡照明光学系を提案している。
この発明によれば、光源が放電ランプ光源であることから、極めて明るい照明光学系を構成することができる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１に記載された顕微鏡照明光学系が前記射出端面における最大長Ｗが異なる複数の光学素子を有し、対物レンズの倍率に対応して、前記光学素子を適宜切り替え可能な顕微鏡照明光学系を提案している。
【００１６】
この発明によれば、対物レンズの倍率に対応して、最大長Ｗが異なる複数の光学素子を適宜切り替えることができるため、使用する対物レンズに最適な照明光学系を構成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る顕微鏡照明光学系について図１から図４を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る顕微鏡照明光学系の構成を示す図である。
この図から、本発明の実施形態に係る顕微鏡照明光学系は、図５に示した従来の顕微鏡照明光学系の構成に対して、開口絞り４に代わって、第１の光源像からの光線を内面反射し、入射した光線を均一化する棒状の光学素子１０を備えた構成となっている。なお、視野絞りは図中に示されていないが、光学系中に配置しても構わない。また、図５と同一の符号を付した部分については、同一の要素を示すものであるため、これらについての詳細な説明は省略する。
【００１８】
光学素子１０は、図２に示すように、光が入射する入射端面と入射した光が射出する射出端面とを備えた棒状の部材である。本実施形態では、光学素子１０はガラス製のロッドである。入射端面から射出端面までの長さは、この間で反射が複数回生じるような長さになっている。この光学素子１０の入射端面（右側端面）近傍には、コレクターレンズ２および第１の照明レンズ群３により、第１の光源像が投影される。光学素子１０の内面では光線の入射角に応じた反射（全反射）が生じるが、入射角度によって内面での反射回数が異なる。そのため、入射端面において同じ位置（一点）から発散した光線は、射出端面では異なる位置から射出する。この結果、この内面で反射された光線は、均一化された光線となり、射出端面（左側端面）から射出されることになる。
【００１９】
また、この光学素子１０の入射端面は、第１照明レンズ群３により形成される第１の光源像の近傍に配置されている。これにより、できるだけ多くの光線を光学素子１０へ入射させることができる。その結果、照明効率の低下を防止することができる。光学素子１０の射出端面からは、均一化された光線（様々な方向に向う光線）が射出される。よって、この射出端面が新たな光源になる。第２の照明レンズ群６は、この射出端面を対物レンズ８の瞳に投影する。これにより、対物レンズ８の瞳位置に第２の光源像が形成される。そして、対物レンズ８により、標本面の照明が行われる。
【００２０】
なお、蛍光観察を行う場合は次のようにするのが良い。蛍光観察では、水銀ランプ等を光源とし、この光源からの光を励起フィルターに通して、特定波長域の光のみを取り出し、これを標本に照射して、標本から発せられた光を観察する。ここで、特定波長域の光としては可視域の光のほかに、紫外域の光（ＵＶ光）が用いられる。よって、ＵＶ光を用いる場合に、光学素子１０として、ガラス製のロッドを用いると、ガラスによるＵＶ光の損失が無視できなくなる。そのため、こうした蛍光観察においては、内面に反射面としてのミラーを有するような光学素子１０を用いるのが望ましい。
【００２１】
次に、第２照明レンズ群の対物レンズの瞳に対する投影倍率β２と、光学素子の射出端面における最大長Ｗおよび、光源の発光点の最大長ｄとの関係（条件（１））について説明する。
一般に、顕微鏡の照明光源１に水銀またはキセノン等のアーク光源を使用する場合、光源像を第２照明レンズ群等で拡大して、対物レンズ８の後側焦点位置に投影することが必要となる。しかし、この場合、顕微鏡照明光学系の投影倍率が低いと、対物レンズ８の開口数を満たした照明ができず、照明が暗くなるという問題がある。そのため、一定以上の投影倍率を確保することが必要である。本発明においては、第１照明レンズ群３で、光源１の発光点（発光面）を拡大して、第１の光源像を形成する。そして、この第１の光源像を光学素子１０によってさらに拡大する構成となっている。そして更に、光学素子１０の射出端面を第２照明レンズ群６で投影して、対物レンズ８の後側焦点位置に第２の光源像を形成している。よって、対物レンズ８の後側焦点位置に投影される第２の光源像の倍率は、β２×（Ｗ／ｄ）となる。
【００２２】
例えば、結像レンズの焦点距離が１８０ｍｍ、視野数２２の一般的な顕微鏡の場合を考えると、これを照明するには、対物レンズ８に入射する光線のＮＡが、１１／１８０＝０．０６１１程度である必要がある。一方、水銀光源やアーク光源の場合、光源からの光線の射出角度は、４０度程度であるため、光源側のＮＡ（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、０．６４となる。そこで、光学系の投影倍率が１０倍である照明光学系を想定すると、対物レンズ８の瞳に入射する光線のＮＡは、０．００６４になり、上記０．０６１１とほぼ同じになる。これから、顕微鏡で視野全体を観察するには、１０倍程度の投影倍率が最適であるといえる。なお、最近では、ＣＣＤ（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）を顕微鏡に用いて、標本を観察する場合が多いが、ＣＣＤの場合、観察視野は、目視視野の半分程度であるため、光源１を投影する時の投影倍率を２０倍程度まで拡大することが好ましい。
【００２３】
対物レンズ８の瞳に入射する光線のＮＡは、標本面９上での照明範囲を表している。照明光学系の投影倍率が大きくなると、対物レンズ８の後側焦点位置に投影される光源像は大きくなり、照明は明るくなる。しかしながら、照明範囲は狭くなって、標本の中央部しか見えなくなる。また、投影倍率が小さいと、照明範囲を広くとることができるが、明るい照明を実現することができなくなる。これらの事実と、照明光学系を構成する素子のバラツキ等を考慮すれば、照明範囲が広く、かつ、明るい照明を実現するためには、光学素子の射出端面における最大長Ｗと、第２照明レンズ群の対物レンズの瞳に対する投影倍率β２と、光源の発光点の最大長ｄとの関係が、７＜｜β２×（Ｗ／ｄ）｜＜２２の範囲内であることが望ましい。
【００２４】
次に、第１照明レンズ群の第１光源像に対する投影倍率β１の関係（条件（２））について説明する。光学素子１０としてガラスロットを使用する場合、光量ロスの少ないガラスロッドを使用するのが好ましい。一般に、透過率の良いガラスの屈折率は、１．５程度であるため、これから、ガラスロッドに入射する光線の入射角度が４２度前後であれば、これらの光線は、ガラスロット内面で全反射する。一方、水銀などのアーク光源の場合、光源の配光特性から、射出角度が４０度から５０度程度までが照明として有効に使用できる範囲である。そのため、光源像からの光線をすべて全反射させるためには、第１照明レンズ群３の投影倍率β１は、−１よりも小さいことが望ましい。投影倍率βが−１よりも大きい（例えば−０．５）と、ガラスロッドに入射する光線の入射角度が４２度よりも大きくなるので、全反射が生じなくなる。また、投影倍率β１が−５よりも小さくなる（例えば−８）と、第１の光源像の収差が大きくなり、光源１からの光線を有効に使用することができなくなる。そこで、これらのことから、照明レンズ群１の光源投影倍率は、―５＜β１＜−１であることが望ましい。
【００２５】
次に、本発明に係る顕微鏡照明光学系の実施形態を下記の実施例をもとに説明する。第１の実施例は、図３に示すように、光源像近傍にガラスロッドを配置し、光線を均一化して、光源像を対物レンズの後側焦点位置に投影するケーラー照明を構成している。さらに、ガラスロットは光路から挿脱可能になっており、ガラスロッドによる吸収が問題となるＵＶ光の照射時には、ガラスロッドを光路から外して用いる構成になっている。以下、第１の実施例についての各データ値を示す。なお、実施例中、ｒ１、ｒ２・・・は、照明光学系のレンズ各面の曲率半径を、ｄ１、ｄ２・・・は、照明光学系の各レンズの肉厚を、ｎ１、ｎ２・・・は、照明光学系の各レンズの屈折率を、ｖ１、ｖ２・・・は、照明光学系のレンズのアッベ数を示しており、本実施例においては、｜β２×（Ｗ／ｄ）｜＝７．９５となっている。
【００２６】

【００２７】
次に、図４を用いて、第２の実施例について説明する。第２の実施例は、図４に示すように、光源像近傍に内面がミラーとなっている光学素子を配置し、光線を均一化して、光源像を対物レンズの後側焦点位置に投影するケーラー照明を構成している。本光学素子は、使用する対物レンズの倍率によって交換可能になっており、例えば、瞳径の大きい低倍率の対物レンズの場合は、光軸と垂直な方向の光学素子の大きさが大きい光学素子を配置し、瞳径の小さい高倍率の対物レンズの場合は、光軸と垂直な方向の光学素子の大きさが小さい光学素子を配置することで、種々のレンズに対応できる構成となっている。以下、第２の実施例についての各データ値を示す。なお、実施例中の記号については、第１の実施例の場合と同様であり、本実施例においては、｜β２×（Ｗ／ｄ）｜＝２１．７５となっている。
【００２８】

【００２９】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施形態に係る光学素子１０はその形状が棒状であれば、その断面が円形であっても、四角形であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、第１光源像の近傍に、この光源像からの光線を内部で複数回反射して出力する光学素子を配し、光線を均一化することにより、照明ムラのない照明光学系を構成できるという利点がある。また、前記光学素子を対物レンズの倍率に応じて変更可能な構成としたことから、使用する対物レンズに最適な照明光学系を構成することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る照明光学系の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光学素子の概念図である。
【図３】本発明の実施形態に係る第１の実施例における照明光学系の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る第２の実施例における照明光学系の構成図である。
【図５】従来例に係る照明光学系の構成図である。
【符号の説明】
１・・・光源、１０・・・光学素子、

Claims (7)

1. 光源と、該光源からの光線を集光し第１光源像を形成する第１照明レンズ群と、前記第１光源像からの光が入射する入射端面と該入射した光が射出する射出端面とを備えた棒状の光学素子と、該光学素子からの光線を集光して第２光源像を形成させる第２照明レンズ群とを有し、前記光学素子が前記第１光源像の近傍に配置されている顕微鏡照明光学系。
2. 以下の条件（１）を満足する請求項１に記載された顕微鏡照明光学系。
   （１）　　７＜｜β２×（Ｗ／ｄ）｜＜２２
   ここで、Ｗは、前記射出端面における最大長、β２は前記第２照明レンズ群の対物レンズの瞳に対する投影倍率、ｄは前記光源の発光点の最大長である。
3. 前記光学素子が、ガラス製のロッドである請求項１または請求項２に記載された顕微鏡照明光学系。
4. 前記光学素子が、内面に反射面としてのミラーを有する請求項１または請求項２に記載された顕微鏡照明光学系。
5. 以下の条件（２）を満足する請求項１に記載された顕微鏡照明光学系。
   （２）　　―５＜β１＜−１
   ここで、β１は前記第２照明レンズ群の第１光源像に対する倍率である。
6. 前記光源が放電ランプ光源である請求項１に記載された顕微鏡照明光学系。
7. 前記射出端面における最大長Ｗが異なる複数の光学素子を有し、対物レンズの倍率に対応して、前記光学素子を適宜切り替え可能な請求項１に記載された顕微鏡照明光学系。

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