JP2005215522A - 蛍光顕微鏡光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の波長で光を合成しながら、効率の良い明るい照明が得られ、且つ、コンパクトな蛍光光源装置を提供する。
【解決手段】少なくとも２つの反射面１ａ₂，１ａ₃を有し反射面１ａ₃がダイクロイックミラー面で構成されているプリズム１ａ、少なくとも２つの反射面１ｃ₂，１ｃ₃を有し１つの反射面１ｃ₃がダイクロイックミラー面で構成されているプリズム１ｃを有し、異なる複数の方向から入射した光を同一光軸上に重なるようにして射出するように構成された合成プリズム１と、合成プリズム１の各入射面１ａ₁，１ｂ₁，１ｃ₁に向けてそれぞれ配置された、対応する合成プリズム１の入射面ごとに異なる波長の光を発する複数の発光ダイオード２ａ，２ｂ、２ｃと、各発光ダイオードと対応する合成プリズム１の入射面との間にそれぞれ配置された、複数のコリメート光学系３ａ，３ｂ，３ｃとを有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蛍光顕微鏡の光源装置に関する。

従来、蛍光顕微鏡の光源装置としては、例えば、次の特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
特開２００２−１３１６４８号公報（図１） 特開２００２−３５０７３２号公報（図１）

特許文献１に記載の光源装置は、標本を励起する光源と、励起光を標本に導く落射照明系と、対物レンズと、標本からの蛍光のみを透過して観察光学系へ導くフィルターにて構成された蛍光顕微鏡に用いられている。そして、前記光源が小型発光素子を用いて構成されている。

特許文献２に記載の光源装置は、光源と、対物レンズを備え、試料に照明光を照射して前記試料から発生する蛍光を観察する蛍光観察装置に用いられている。そして、前記光源が異なる波長の光を放出する複数の小型発光素子で構成されている。

しかし、これらの光源装置には、次のような問題点がある。
特許文献１に記載の光源装置は、１つの小型発光素子で構成されているが、１つの小型発光素子に単一波長を発光する素子で構成すると、蛍光観察できる用途が限定されたものとなってしまう。他方、１つの小型発光素子を、例えば、白色光源を発する発光素子を用いるとともに、発光素子から発光された白色光をフィルター等を用いて複数波長領域の光を抽出するように構成すれば、複数種類の波長での蛍光観察が可能となるが、発光素子から発した光の一部分のみを使用することになるため、光を照明できる光が弱くなり明るい照明ができず観察し難くなる。

また、特許文献２に記載の光源装置は、複数個の光源が、発光の広がりの中心が光軸に平行になるように配置されているが、複数の光源は発光の広がりの中心が光軸上に配置されてはいない。また、クリティカル照明を行う際、複数個の光源から発光された光はそれぞれ試料の対応部位を照明するようになっており、光を合成して１箇所を照明するように構成されてはいない。このため、試料の所定部位に対し、個々の光源からの光量を効率よく集めて明るい照明を行うことができない。また、ケーラー照明を行う際、複数個の光源から発光された光は、対物レンズの後側焦点位置に集光されるが、後側焦点位置に形成される瞳に対して効率よく入射させることができない。

しかも、特許文献１や特許文献２に記載の光源装置には、発光素子からの光の指向性に関する問題点が内在していた。
光源として用いる発光素子から出射される光の断面形状は２次元方向（光軸に垂直な面の２方向）でみたときに、いずれかの１つの方向に径が長い楕円形状になるという指向性を少なからず有している。指向性を有した楕円形状の光で試料を照明すると、円形の光に比べて照明効率が劣る。
対物レンズの瞳は円形であるため、楕円形であるビームの短径が対物レンズの瞳に接する状態であれば、楕円形ビームの長径側の光線が対物レンズでケラレてしまい、発光素子からの光が十分に対物レンズを通過することができない。
また、ビームの長径が対物レンズの瞳に接する状態であれば、短径側が対物レンズの瞳を満たさないので、ＮＡ不足となってしまう。
しかるに、特許文献１や特許文献２に記載の光源装置には、この指向性を解消する手段は用いられていないため、照明効率が劣っていた。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数の波長で光を合成しながら、効率の良い明るい照明が得られ、且つ、コンパクトな蛍光光源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による蛍光顕微鏡光源装置は、少なくとも２つの反射面を有しそのうちの１つの反射面がダイクロイックミラー面で構成されているプリズムを少なくとも２つ含む複数のプリズムを有し、異なる複数の方向から入射した光を同一光軸上に重なるようにして射出するように構成された合成プリズムと、前記合成プリズムの各入射面に向けてそれぞれ配置された、対応する前記合成プリズムの入射面ごとに所定波長の光を発する複数の小型発光素子と、前記各小型発光素子と対応する前記合成プリズムの入射面との間にそれぞれ配置された、該小型発光素子からの出射光を平行光にする複数のコリメート光学系とを有していることを特徴としている。

また、本発明による蛍光顕微鏡光源装置は、少なくとも２つの反射面を有しそのうちの１つの反射面がダイクロイックミラー面で構成されているプリズムを少なくとも２つ含む複数のプリズムを有し、異なる複数の方向から入射した光を同一光軸上に重なるようにして射出するように構成された合成プリズムと、前記合成プリズムの各入射面に向けてそれぞれ配置された、対応する前記合成プリズムの入射面ごとに異なる波長の光を発する複数の小型発光素子と、
前記各小型発光素子と対応する前記合成プリズムの入射面との間にそれぞれ配置された、該小型発光素子からの出射光を平行光にする複数のコリメート光学系とを有していることを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記合成プリズムを構成する各プリズムが互いに屈折率差を有することを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記合成プリズムからの射出光路上に、該合成プリズムから射出された光の断面形状における２次元方向の径のうち、一方向の径の倍率を変換する光学系を備えていることを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記合成プリズムからの射出光路上に、コンバージョンレンズを備えていることを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記コリメート光学系を、対応する前記小型発光素子の光軸方向に沿って移動させることによって、ケーラー照明とクリティカル照明とが切り替わるようにしたことを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記合成プリズムを構成する各プリズムが、交換可能に構成されていることを特徴としている。

また、本発明の蛍光顕微鏡光源装置においては、好ましくは、前記小型発光素子と、対応する前記合成プリズムの入射面との間に、励起フィルターを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、複数の波長の光を同一光軸上で合成することができ、効率の良い照明が得られ、且つ、コンパクトな蛍光光源装置が得られる。

実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。

本発明の蛍光顕微鏡光源装置のように構成すれば、複数の波長の光を同一光軸上で合成することができ、効率の良い照明が得られ、且つ、コンパクトな蛍光光源装置が得られる。

また、合成プリズムを構成する各プリズムに屈折率差を設けて構成する、あるいは、合成プリズムからの射出光路上に、該合成プリズムから射出された光の断面形状における２次元方向の径のうち、一方向の径の倍率を変換する光学系を備えて構成すれば、例えば、ＬＤやＬＥＤのような小型発光素子のように、Ｘ方向とＹ方向とで指向性に違いがある光源の光束の形状を、円形に近づけることができ、照明効率を向上させることができる。

また、合成プリズムからの射出光路上に、コンバージョンレンズを備えれば、合成プリズムをコンパクトにすることができる。

また、コリメート光学系を、対応する小型発光素子の光軸方向に沿って移動させれば、ケーラー照明とクリティカル照明とが切り替わるようにすれば、簡単な構成で観察の用途を増やすことができる。

前記合成プリズムを構成する各プリズムが、交換可能となるように構成すれば、簡単な構成、かつ操作で、多様な蛍光観察をすることができる。

なお、小型発光素子と、対応する合成プリズムの入射面との間に、励起フィルターを備えて構成してもよい。このように構成すれば、励起光として用いる波長を選択することができる。

図１は本発明の蛍光顕微鏡光源装置を用いた蛍光顕微鏡の概念図、図２は実施例１にかかる蛍光顕微鏡光源装置の概略構成を示す光軸に沿う断面図である。

本発明の光源装置を用いた蛍光顕微鏡は、光源装置１と、顕微鏡本体部１０に設けられた照明レンズ１１とハーフミラー，ダイクロイックミラー等の光路分岐部材１２と、対物レンズ１３と、接眼光学系又は撮像光学系等の観察光学系１４を有している。
そして、本発明の光源装置を用いた蛍光顕微鏡では、光源装置１から出射された光は、照明レンズ１１を経由しハーフミラー１２へ入射する。ハーフミラー１２で反射した光は、対物レンズ１３を介して試料１５を励起する。試料１５は励起光を照射されることにより、蛍光を発する。試料１５で発した蛍光は、対物レンズ１３を経由し光路分岐部材１２へ入射する。光路分岐部材１２を透過した光は、観察光学系１４を介して観察又は撮像される。

実施例１の蛍光顕微鏡光源装置は、合成プリズム１と、発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃと、コリメータレンズ３ａ，３ｂ，３ｃを有して構成されている。
合成プリズム１は、プリズム１ａと、プリズム１ｂと、プリズム１ｃを組み合わせて構成されている。
プリズム１ａは、入射面１ａ₁と、２つの反射面１ａ₂，１ａ₃と、射出面１ａ₄を有している。プリズム１ａの反射面１ａ₃は、緑色の波長領域の光を反射し、その他の波長領域の光を透過する特性を持つダイクロイックミラー面で構成されている。また、反射面１ａ₃は、緑色の波長領域の光を反射し、それよりも長い波長領域の光を透過する特性を持つダイクロイックミラー面で構成してもよい。また、反射面１ａ₂と射出面１ａ₄は、同一面上の異なる部位に設けられている。
プリズム１ｂは、入射面１ｂ₁と、射出面１ｂ₂を有している。
プリズム１ｃは、入射面１ｃ₁と、２つの反射面１ｃ₂，１ｃ₃と、射出面１ｃ₄を有している。プリズム１ｃの反射面１ｃ₃は、青色の波長領域の光を反射し、その他の波長領域の光を透過する特性を持つダイクロイックミラー面で構成されている。また、反射面１ｃ₃は、青色の波長領域の光を反射し、それよりも長い波長領域の光を透過する特性を持つダイクロイックミラー面で構成してもよい。また、反射面１ｃ₂と射出面１ｃ₄は、同一面上の異なる部位に設けられている。
さらに、各プリズムの入射面１ａ₁，１ｂ₁，１ｃ₁がそれぞれ合成プリズム１の入射面となり、プリズム１ｂの射出面１ｂ₄が合成プリズム１の射出面となっている。

発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃには、合成プリズム１の各入射面１ａ₁，１ｂ₁，１ｃ₁に向けて入射面ごとにそれぞれ異なる波長の光を発する発光ダイオードが用いられている。図２においては、発光ダイオード１ａは緑色、発光ダイオード１ｂは赤色、発光ダイオード１ｃは青色の光をそれぞれ発する。
コリメータレンズ３ａ，３ｂ，３ｃは、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ対応する合成プリズム１の各入射面１ａ₁，１ｂ₁，１ｃ₁との間において、該発光ダイオードからの出射光を平行光にする機能を備えている。
そして、実施例１にかかる蛍光顕微鏡光源装置では、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃから発した光が、合成プリズム１の射出面１ｃ₄を同一光軸上を通って射出されるように構成されている。

このように構成された実施例１の蛍光顕微鏡光源装置では、発光ダイオード２ａから発した緑色波長の光は、コリメータレンズ３ａを経て平行光となって合成プリズム１の入射面１ａ₁よりプリズム１ａの内部に入射する。プリズム１ａの内部に入射した光は、反射面１ａ₂，１ａ₃で反射し、射出面１ａ₄から射出され、プリズム１ｃの入射面１ｃ₂を透過してプリズム１ｃの内部に入射し、射出面１ｃ₄から射出される。

発光ダイオード２ｂから発した赤色波長の光は、コリメータレンズ３ｂを経て平行光となって合成プリズム１の入射面１ｂ₁よりプリズム１ｂの内部に入射する。プリズム１ｂの内部に入射した光は、射出面１ｂ₂から射出され、プリズム１ａの反射面１ａ₃を透過してプリズム１ａの内部に入射する。プリズム１ａの内部に入射した光は、射出面１ａ₄から射出され、プリズム１ｃの入射面１ｃ₂を透過してプリズム１ｃの内部に入射し、射出面１ｃ₄から射出される。

発光ダイオード２ｃから発した青色波長の光は、コリメータレンズ３ｃを経て平行光となって合成プリズム１の入射面１ｃ₁よりプリズム１ｃの内部に入射する。プリズム１ｃの内部に入射した光は、反射面１ｃ₂，１ｃ₃で反射し、射出面１ｃ₄から射出される。
そして、各光源から発し合成プリズム１の射出面１ｃ₄から射出される３つの波長の光は光軸上に重なった状態で試料（図示省略）を照射する。

本発明の実施例２にかかる蛍光顕微鏡光源装置は、図２に示した実施例１の蛍光顕微鏡観察装置の構成に加えて、合成プリズム１を構成する各プリズム１ａ，１ｂ，１ｃは互いに屈折率の異なる材料で作製されている。その他の構成は実施例１と同様である。
実施例２の蛍光顕微鏡光源装置によれば、発光ダイオード２ａから発した光は、合成プリズム１を構成するプリズム１ａとプリズム１ｃとの界面（射出面１ａ₄と入射面１ｃ₃の接合面）において所定方向に屈折する。また、発光ダイオード２ｂから発した光は、合成プリズム１を構成するプリズム１ｂとプリズム１ａとの界面（射出面１ｂ₂と反射面１ａ₃の接合面）において所定方向に屈折するとともに、プリズム１ａとプリズム１ｃとの界面（反射面１ａ₂及び射出面１ａ₄と入射面１ｃ₃の接合面）において所定方向に屈折する。

しかるに、上述のように、光源として用いる発光素子から出射される光の断面形状は２次元方向（光軸に垂直な面の２方向）でみたときに、いずれかの１つの方向に径が長い楕円形状になるという指向性を少なからず有している。このため、屈折方向をこの楕円形状の短い半径方向となるように構成すれば、発光ダイオード２ａ，２ｂから発する光は、合成プリズム１内における屈折作用によりこの楕円形状の短い半径方向に広がり、より円形に近づいた形状となる。
よって、実施例２の蛍光顕微鏡光源装置によれば、実施例１の蛍光顕微鏡光源装置に比べてより照明効率を向上させることができる。

図３(a)は本発明の実施例３にかかる蛍光顕微鏡光源装置の概略構成を示す光軸に沿う断面図、図３(b)は図３(a)の蛍光顕微鏡光源装置に用いるアナモルフィック光学系の斜視図である。
実施例３の蛍光顕微鏡光源装置は、図２に示した実施例１の構成に加えて、合成プリズム１からの射出光路上に、合成プリズム１から射出された光の断面形状における２次元方向の径のうち、一方向の径の倍率を変換する光学系としてアナモルフィック光学系４を備えて構成されている。
アナモルフィック光学系４は、合成プリズム１側の面が凹面で他方の面が平面の平凹アナモルフィックレンズ４ａと、顕微鏡本体部１０側が凸面で他方の面が平面の平凸アナモルフィックレンズ４ｂを有し、光を拡散する各発光ダイオードから出射される光の楕円形状の短い半径方向の倍率を拡大変換するように配置されている。

実施例３の蛍光顕微鏡光源装置によれば、合成プリズム１から出射した楕円形状の各波長の光は、アナモルフィック光学系４を介して円形状に近い形状に変換される。このため、実施例３の蛍光顕微鏡光源装置によれば、実施例１，２の蛍光顕微鏡光源装置に比べてより照明効率を向上させることができる。
その他の構成および作用効果は、実施例１の蛍光顕微鏡光源装置とほぼ同様である。
なお、図３では、アナモルフィック光学系４を２つのアナモルフィックレンズ４ａ，４ｂで構成したが、この構成に限定されるものではなく、光軸に対し垂直な平面内における２次元方向のうちのいずれか一方の方向のみの倍率を拡大変換するレンズ構成であればどのような構成でもよい。

図４は本発明の実施例４にかかる蛍光顕微鏡光源装置に用いる光学系を示す光軸に沿う断面図である。

実施例４の蛍光顕微鏡光源装置は、合成プリズム１から射出された光の断面形状における２次元方向の径のうち、一方向の径の倍率を変換する光学系として、合成プリズム１からの射出光路上に空気間隔をあけて配置した２つのプリズム５ａ，５ｂで構成されている。
実施例４の蛍光顕微鏡光源装置によれば、合成プリズム１から出射した楕円形状の各波長の光は、プリズム５ａ，５ｂを介して、実施例３の蛍光顕微鏡光源装置と同様に、円形状に近い形状に変換される。このため、実施例４の蛍光顕微鏡光源装置によれば、アナモルフィック光学系を用いることなく、実施例１，２の蛍光顕微鏡光源装置に比べてより照明効率を向上させることができる。
その他の構成および作用効果は、実施例１の蛍光顕微鏡光源装置とほぼ同様である。

図５は本発明の実施例５にかかる蛍光顕微鏡光源装置の要部概略構成を示す光軸に沿う断面図である。
実施例５の蛍光顕微鏡光源装置は、実施例１の構成に加えて、合成プリズム１からの射出光路上に、図５に示すようなコンバージョンレンズ６ａ，６ｂを備えており、合成プリズム１からの出射光を拡大するようになっている。

実施例５の蛍光顕微鏡光源装置によれば、合成プリズム１をコンパクトにすることができる。
その他の構成および作用効果は、実施例１の蛍光顕微鏡光源装置とほぼ同様である。

図６は本発明の実施例６にかかる蛍光顕微鏡光源装置を用いた蛍光顕微鏡の概略構成を示す概念図である。
実施例６の蛍光顕微鏡光源装置は、実施例２の構成に加えて、各コリメート光学系３ａ，３ｂ，３ｃが対応する各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの光軸方向に沿って移動させることによって、ケーラー照明（図６において実線で示す）とクリティカル照明（図６において破線で示す）とを切り替え可能に構成されている。

実施例６の蛍光顕微鏡光源装置によれば、用途に応じて顕微鏡本体の光学系を調整することなくケーラー照明とクリティカル照明とに切り替えることができる。
また、コリメート光学系ごとにケーラー照明とクリティカル照明とに分かれた位置して照明することができるため、観察手法の用途が広がる。
その他の構成および作用効果は、実施例２の蛍光顕微鏡光源装置とほぼ同様である。

実施例７の蛍光顕微鏡光源装置は、実施例１の構成に加えて、合成プリズム１を構成する各プリズム１ａ，１ｂ，１ｃが、交換可能となっている（図示省略）。
実施例７の蛍光顕微鏡光源装置によれば、発光ダイオードから発する光の波長に対応して、反射特性のダイクロイックミラー面を持つプリズムと交換することによって、多様な波長での蛍光観察をすることができる。
その他の構成および作用効果は実施例１の蛍光顕微鏡光源装置とほぼ同様である。

本発明の実施例８にかかる蛍光顕微鏡光源装置は、実施例１の構成に加えて、発光ダイオードと、対応する合成プリズムの入射面との間に、励起フィルターを備えて構成されている（図示省略）。

本発明の蛍光顕微鏡光源装置を用いた蛍光顕微鏡の概念図である。 実施例１にかかる蛍光顕微鏡光源装置の概略構成を示す光軸に沿う断面図である。 (a)は本発明の実施例３にかかる蛍光顕微鏡光源装置の概略構成を示す光軸に沿う断面図、(b)は(a)の蛍光顕微鏡光源装置に用いるアナモルフィック光学系の斜視図である。 本発明の実施例４にかかる蛍光顕微鏡光源装置に用いる光学系を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例５にかかる蛍光顕微鏡光源装置の要部概略構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例６にかかる蛍光顕微鏡光源装置を用いた蛍光顕微鏡の概略構成を示す概念図である。

符号の説明

１ 合成プリズム
１ａ，１ｂ，１ｃ プリズム
１ａ₁，１ｂ₁，１ｃ₁ 入射面
１ａ₂，１ａ₃，１ｃ₂，１ｃ₃ 反射面
１ａ₄，１ｃ₄ 射出面
２ａ，２ｂ，２ｃ 発光ダイオード
３ａ，３ｂ，３ｃ コリメートレンズ
４ アナモルフィック光学系
４ａ 平凹アナモルフィックレンズ
４ｂ 平凸アナモルフィックレンズ
５ａ，５ｂ プリズム
６ａ，６ｂ コンバージョンレンズ
１０ 顕微鏡本体部
１１ 照明レンズ
１２ 光路分岐部材
１３ 対物レンズ
１４ 観察光学系
１５ 試料

Claims (8)

1. 少なくとも２つの反射面を有しそのうちの１つの反射面がダイクロイックミラー面で構成されているプリズムを少なくとも２つ含む複数のプリズムを有し、異なる複数の方向から入射した光を同一光軸上に重なるようにして射出するように構成された合成プリズムと、
   前記合成プリズムの各入射面に向けてそれぞれ配置された、対応する前記合成プリズムの入射面ごとに所定波長の光を発する複数の小型発光素子と、
   前記各小型発光素子と対応する前記合成プリズムの入射面との間にそれぞれ配置された、該小型発光素子からの出射光を平行光にする複数のコリメート光学系とを有していることを特徴とする蛍光顕微鏡光源装置。
2. 少なくとも２つの反射面を有しそのうちの１つの反射面がダイクロイックミラー面で構成されているプリズムを少なくとも２つ含む複数のプリズムを有し、異なる複数の方向から入射した光を同一光軸上に重なるようにして射出するように構成された合成プリズムと、
   前記合成プリズムの各入射面に向けてそれぞれ配置された、対応する前記合成プリズムの入射面ごとに異なる波長の光を発する複数の小型発光素子と、
   前記各小型発光素子と対応する前記合成プリズムの入射面との間にそれぞれ配置された、該小型発光素子からの出射光を平行光にする複数のコリメート光学系とを有していることを特徴とする蛍光顕微鏡光源装置。
3. 前記合成プリズムを構成する各プリズムが互いに屈折率差を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光顕微鏡光源装置。
4. 前記合成プリズムからの射出光路上に、該合成プリズムから射出された光の断面形状における２次元方向の径のうち、一方向の径の倍率を変換する光学系を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光顕微鏡光源装置。
5. 前記合成プリズムからの射出光路上に、コンバージョンレンズを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光顕微鏡光源装置。
6. 前記コリメート光学系を、対応する前記小型発光素子の光軸方向に移動させることによって、ケーラー照明とクリティカル照明とを切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蛍光顕微鏡光源装置。
7. 前記合成プリズムを構成する各プリズムを、交換可能にしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蛍光顕微鏡光源装置。
8. 前記小型発光素子と、対応する前記合成プリズムの入射面との間に、励起フィルターを備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蛍光顕微鏡光源装置。