JP2005283879A - 落射蛍光照明装置、及びこれを備えた顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、照明ムラが生じにくい落射蛍光照明装置、及びこれを備えた顕微鏡を提供することにある。
【解決手段】落射蛍光照明光学系（Ｌ）であって、光源（１１）と、光源（１１）から射出される光をコリメートするコリメートレンズ１４と、対物レンズの入射瞳面又はその共役面上に後側焦点を有し、前記コリメートレンズ（１４）から射出した光に垂直に配置された集光レンズアレイ（１６）とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、落射蛍光顕微鏡の照明装置、及びこれを備えた顕微鏡に関する。

従来の落射蛍光照明装置は、光源、コレクタレンズ、リレーレンズを備えると共に、蛍光顕微鏡の対物レンズを照明用のコンデンサレンズに兼用し、その対物レンズを介して試料上をケーラー照明する。このケーラー照明により、試料上の照明ムラは緩和される（例えば、特許文献１，特許文献２など）。
特開平０８−６８７５６号公報 特開平０８−２３４１１０号公報

ところで、この種の蛍光落射照明装置においても、光源の射出光量に角度依存性がある場合、この角度依存性の影響をケーラー照明は取り除くことはできないので、照明ムラが残ってしまう。
そこで本発明は、照明ムラが生じにくい落射蛍光照明装置、及びこれを備えた顕微鏡を提供することを目的とする。

請求項１に記載の落射蛍光照明装置は、光源と、前記光源から射出される光をコリメートするコリメートレンズと、対物レンズの入射瞳面又はその共役面上に後側焦点を有し、前記コリメートレンズから射出した光に垂直に配置された集光レンズアレイとを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の落射蛍光照明装置は、請求項１に記載の落射蛍光照明装置において、前記光源は、光源からの光を光ファイバに導入した二次光源であることを特徴とする。

請求項３に記載の落射蛍光照明装置は、請求項１又は請求項２に記載の落射蛍光照明装置において、前記集光レンズアレイを構成する各単位集光レンズは、単レンズからなることを特徴とする。
請求項４に記載の落射蛍光照明装置は、請求項３に記載の落射蛍光照明装置において、前記単レンズは、平凸レンズであることを特徴とする。

請求項５に記載の顕微鏡は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の落射蛍光照明装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、照明ムラが生じにくい落射蛍光照明装置、及びこれを備えた顕微鏡が実現する。

以下、図１、図２、図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
本実施形態は、落射蛍光顕微鏡装置の実施形態である。
先ず、本顕微鏡装置の構成を説明する。
本顕微鏡装置には、図１に示すように、顕微鏡本体Ｍ、落射蛍光照明光学系Ｌ、撮像装置３１、画像処理装置３２、表示装置３３などが備えられる。本顕微鏡装置に、蛍光観察用の試料（予め蛍光物質で標識された生体試料など）１がセットされる。

顕微鏡本体Ｍには、試料１の側から順に、無限遠系の対物レンズ２、結像レンズ３が配置される。
落射蛍光照明光学系Ｌには、光源１１、リレーレンズ１２、光ファイバ１３、コリメートレンズ１４、集光レンズアレイ１６、リレーレンズ１７、視野絞り１８、波長選択フィルタ２０、ダイクロイックミラー２１が順に配置される。ダイクロイックミラー２１は、顕微鏡本体Ｍ内の対物レンズ２と結像レンズ３との間に挿入される。なお、図１中の符号１５は、偏向ミラー、符号２２は、バンドパスフィルタである。

次に、落射蛍光照明光学系Ｌの各要素を説明する。
光源１１は、紫外線（波長３４０ｎｍ〜４００ｎｍ），可視光線（波長約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）を含む波長帯の光束を出射する高圧キセノンランプなどである。
リレーレンズ１２は、光源１１から離れた位置に光源１１をリレーする。
光ファイバ１３は、リレーレンズ１２によるリレー位置にその入射端を配置し、二次光源を射出端に形成する。

光ファイバ１３の材料は、光源１１からの射出光束を透過する性質の合成石英などであり、光ファイバ１３の径のサイズは、例えば０．５ｍｍである。
コリメートレンズ１４は、光ファイバ１３の射出端の位置に前側焦点を配置し、その射出端に形成された二次光源からの射出光束をコリメートする。
集光レンズアレイ１６は、コリメートレンズ１４の射出光路中に挿入される。集光レンズアレイ１６は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１４の光軸ＡＸに直交する平面Ｂ上に２５個の集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・，１６₂₅をマトリクス状に配置している。これらの集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・，１６₂₅は、何れも一枚の平凸レンズからなり、その凸面をコリーメートレンズ１４の側に向けている。

集光レンズアレイ１６の材料は、光源１１からの射出光束を透過する性質の合成石英などである。このような材料を用いたレンズアレイの製造は一般に難しいとされているが、集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・，１６₂₅の各々状が１枚レンズ（単レンズ）であって、しかも集光レンズとしては極めてシンプルな形状の平凸レンズなので、製造を確実にしている。

なお、図１では、図の煩雑を避けるために、集光レンズの数が３であるかのごとく集光レンズアレイ１６を簡略化して示した。
各集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・，１６₂₅は、それぞれの後側焦点に二次光源の像を形成する。以下、これらの像の集合を「光源群Ｓ」とする。
リレーレンズ１７は、光源群Ｓを後側にリレーする（詳細は後述）。

波長選択フィルタ２０は、光源１１からの射出光束のうち、試料１に含まれる蛍光物質を励起する波長の光束のみ（例えば波長５００ｎｍ以下の光束のみ）を選択的に透過する波長選択特性を有している（以下、この光束を「励起光束」という。）。
ダイクロイックミラー２１は、この励起光束を反射して対物レンズ２の方向に導光する。

ここで、リレーレンズ１７による光源群Ｓのリレー位置は、対物レンズ２の後側焦点面上である。つまり、この後側焦点面に光源群Ｓの像（光源群Ｓ’）が形成される。
なお、対物レンズ２の後側焦点面は、対物レンズ２を落射蛍光照明光学系Ｌのコンデンサレンズとみなした場合の入射瞳面に相当する。以下、対物レンズ２の後側焦点面を「入射瞳面」という。

この入射瞳面に形成された光源群Ｓ’からの射出光束（励起光束）は、対物レンズ２によってコリメートされ、試料１上の領域Ｅを照明する（以下、領域Ｅを「照明領域Ｅ」という。）。
なお、図１では、集光レンズアレイ１６の中心部の集光レンズ１６₀を透過して照明領域Ｅに入射する励起光束Ｌ₀しか図示していないが、実際には、他の集光レンズを透過した励起光束も照明領域Ｅに入射している。

また、視野絞り８は、試料１と共役な位置に配置され、試料１上の照明領域Ｅを制限する役割を担う。
試料１上の照明領域Ｅでは、蛍光物質が励起され、蛍光が生起する。蛍光の波長は、励起光束の波長（５００ｎｍ以下）よりも長く、例えば５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ程度である。

この蛍光からなる光束（以下、「蛍光光束」という。）は、対物レンズ２にて試料１の蛍光像を無限遠方に結像するような光束に変換される。
この蛍光光束は、ダイクロイックミラー２１を透過し、バンドパスフィルタ２２、結像レンズ３に対し順に入射する。バンドパスフィルタ２２は、蛍光光束（ここでは、波長５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ）と異なる波長の余分な光をカットする。

撮像装置３１の撮像面４は、結像レンズ３の後側焦点面に配置される。撮像面４上に、蛍光光束による試料１の像（蛍光像）が形成される。
なお、図１中の点線は、試料１、撮像面４、及び視野絞り１８の間の共役関係を示している。
撮像装置３１は、撮像面４上に形成された蛍光像を撮像し、取得した画像データを画像処理装置３２を介して画像表示装置３３に送出する。画像表示装置３３に蛍光像が表示される。

次に、本落射蛍光照明光学系Ｌの効果を説明する。
本落射蛍光照明光学系Ｌにおいて、光ファイバ１３の射出端から射出する励起光束の光量は、射出角度（射出方向が光軸と成す角度）に依存している。具体的には、射出角度が小さい光線ほど光量が多い。因みに、この射出角度−光量の分布は、図３中に符号Ｃで示すとおり、ガウス分布で近似される。

よって、光ファイバ１３から射出する励起光束のうち、射出角度の小さい中心部の励起光束Ｌ₀（図１参照）と、射出角度の大きい周辺部の励起光束Ｌ_i（図３参照）との間では、光量差がある。
先ず、中心部の励起光束Ｌ₀は、図１に示したとおり、集光レンズアレイ１６の中心部に配置された集光レンズ１６₀を通過し、試料１上の照明領域Ｅに入射する。

一方、周辺部の励起光束Ｌ_iは、図３に示したとおり、集光レンズアレイ１６の周辺部に配置された集光レンズ１６_iを通過し、試料１上の照明領域Ｅに入射する。
ここで、視野絞り１８の径のサイズは、試料１上の照明領域Ｅが、励起光束Ｌ₀と励起光束Ｌ_iとが重畳して入射する領域のみに制限されるよう最適化される。
したがって、励起光束Ｌ₀と励起光束Ｌ_iとの間にたとえ光量差があっても、照明領域Ｅには照明ムラが生じない。

すなわち、本実施形態の落射蛍光照明光学系Ｌは、集光レンズアレイ１６の作用により、照明ムラが生じにくくなっている。
但し、励起光束Ｌ₀の光量ムラ、及び励起光束Ｌ_iの光量ムラは、それぞれ照明領域Ｅの照明ムラに直結するので、集光レンズアレイ１６の集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・は、コリメートレンズ１４の射出光路内になるべく密に配置されることが望ましい。因みに、集光レンズアレイ１６の材料（石英など）の加工精度や加工コストなどを考慮すると、集光レンズ１６₁，１６₂，１６₃，・・・の数は、一般的なサイズの落射蛍光顕微鏡装置に対し本実施形態のように２５個程度に設定されるのが適当と考えられる。

また、各集光レンズ１６₁，１６₂，・・・の外形（光軸ＡＸに垂直な面Ｂで切断した断面形状）は、図２に示すもの（四角形）に限らず、例えば６角形などの円に近い他の形状にしてもよい。集光レンズアレイ１６の外形（光軸ＡＸに垂直な面Ｂで切断した断面形状）も、四角形に限らず、例えば６角形など円に近い他の形状にしてもよい。
何れの場合にも、集光レンズ１６₁，１６₂，・・・同士の配置間隔は、なるべく小さい方が、光量ロスが抑えられるため好ましい。

なお、実施形態では、光源１１からの光を光ファイバ１３に通した後、照明光学系に導いている。光ファイバ１３を使用することによって、熱源である光源を顕微鏡から離すことができ、顕微鏡に対する熱の影響を低減することができる。
また、本実施形態では、光ファイバを用いているが、光ファイバを使用せずに、光源からの光を直接照明光学系に用いても構わない。

本実施形態の落射蛍光顕微鏡装置の全体構成図である。 （ａ）は、集光レンズアレイ１６を光軸ＡＸと垂直な面Ｂで切断した断面図、（ｂ）は、集光レンズアレイ１６を光軸ＡＸを含む面で切断した断面図である。 本実施形態の落射蛍光照明光学系Ｌにおいて、光ファイバ１３から射出される励起光束のうち周辺部の励起光束Ｌ_iを示す図である。

符号の説明

１１ 光源
１２ リレーレンズ
１３ 光ファイバ
１４ コリメートレンズ
１５ 偏向ミラー
１６ 集光レンズアレイ
１６₁，１６₂，・・・，１６₂₅
１７ リレーレンズ
１８ 視野絞り
２０ 波長選択フィルタ
２１ ダイクロイックミラー
２２ バンドパスフィルタ
Ｓ，Ｓ’ 光源群

Claims (5)

1. 落射蛍光照明装置であって、
   光源と、
   前記光源から射出される光をコリメートするコリメートレンズと、
   対物レンズの入射瞳面又はその共役面上に後側焦点を有し、前記コリメートレンズから射出した光に垂直に配置された集光レンズアレイと
   を備えたことを特徴とする落射蛍光照明装置。
2. 請求項１に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記光源は、
   光源からの光を光ファイバに導入した二次光源である
   ことを特徴とする落射蛍光照明装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記集光レンズアレイを構成する各単位集光レンズは、
   単レンズからなる
   ことを特徴とする落射蛍光照明装置。
4. 請求項３に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記単レンズは、
   平凸レンズである
   ことを特徴とする落射蛍光照明装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の落射蛍光照明装置
   を備えたことを特徴とする顕微鏡。

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