JP2007322579A - 顕微鏡用落射照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルで明るいケーラー照明系と照明ムラの少ない集光レンズアレイを用いたケーラー照明系との両方が簡単な構成で交換使用可能な顕微鏡落射照明光学系。
【解決手段】顕微鏡の対物レンズをコンデンサレンズと兼用させる顕微鏡用落射照明光学系において、顕微鏡の対物レンズの後側焦点位置５に光源の像を結像させるリレー光学系４の少なくとも一部を共通化させ、その入射側に、少なくとも光源１とコレクターレンズ２とからなる第１の照明光学系Ｂと、少なくとも光源１１とコリメートレンズ１２と集光レンズアレイ１３とからなる第２の照明光学系Ｃとを、それぞれの光学系による光源の像位置が相互に一致するように入れ換え可能に配置した顕微鏡落射照明光学系。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡用落射照明光学系に関し、特に、２つの異なる照明光学系を切り換えて使用可能な顕微鏡用落射照明光学系に関するものである。

通常、光学顕微鏡の落射照明に用いられる光源は、その明るさ、入手のしやすさから水銀、キセノンランプが使用されることが多い。また、照明光学系としては、特許文献１に記載のように、ケーラー照明を行う光学系が用いられる。特許文献１では、光源、コレクターレンズ及びリレーレンズで光学系を構成している。そして、この光学系によって、光源像を対物レンズの射出瞳位置に結像させるというシンプルな構成となっている。

一方、集光レンズアレイを用いて光源像アレイを結像させ、その光源像アレイの像を対物レンズの射出瞳位置に結像させる落射照明光学系が特許文献２で提案されている。
特開平６−２８９３０１号公報 特開２００５−２８３８７９号公報

特許文献１に記載のケーラー照明系では、上記のように、光源の配光特性による照明ムラが生じる。他方、特許文献２に記載の集光レンズアレイを用いたケーラー照明系では、照明の均一性は得られるものの、従来のシンプルなケーラー照明系に比べて明るさが暗くなる問題がある。

本発明は従来技術のこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、シンプルで明るい照明系と照明ムラの少ない照明系との両方が簡単な構成で実現できる顕微鏡落射照明光学系を提供することである。

上記目的を達成する本発明の顕微鏡落射照明光学系は、顕微鏡の対物レンズをコンデンサレンズと兼用させる顕微鏡用落射照明光学系において、
顕微鏡の対物レンズの後側焦点位置に光源の像を結像させるリレー光学系の少なくとも一部を共通化させ、その入射側に、少なくとも光源とコレクターレンズとからなる第１の照明光学系と、少なくとも光源とコリメートレンズと集光レンズアレイとからなる第２の照明光学系とを、それぞれの光学系による光源の像位置が相互に一致するように入れ換え可能に配置したことを特徴とするものである。

この場合に、顕微鏡の対物レンズの後側焦点位置に光源の像を結像させるリレー光学系と視野絞りとを共通化させることが望ましい。

また、前記第１の照明光学系が前記コレクターレンズの射出側に開口絞りを備えていることが望ましい。

また、前記第２の照明光学系が前記集光レンズアレイによって結像された光源の像アレイの位置に開口絞りを備えていることが望ましい。

また、前記第１の照明光学系において光源の実像が前記コレクターレンズによって結像されないようにしてもよい。

本発明の顕微鏡用落射照明光学系によれば、少ない部品数でかつ構成を簡素化してコストダウンを図りながら、明るさを重視する照明と照明ムラの少なさを重視する照明が実現できる。さらに、これら２つの照明を、選択的に使用できる。

以下に、実施例に基づいて本発明の顕微鏡用落射照明光学系を説明する。以下、顕微鏡用落射照明光学系を、単に落射照明光学系と称する。

図１は、第１の実施例の落射照明光学系を説明するための光路展開図である。ここで、図１（ａ）及び図１（ｂ）は、いずれもケーラー照明を行う構成となっている。図１（ａ）は単レンズで構成された落射照明光学系（以下、照明光学系Ｘと称する。）、図１（ｂ）は集光レンズアレイを用いた落射照明光学系（以下、照明光学系Ｙと称する。）である。落射照明光学系としては、さらに、コンデンサレンズを兼用する顕微鏡対物レンズを含んでいるが、何れの図にいても顕微鏡対物レンズの図示は省いてある。

図１（ａ）の照明光学系Ｘについて説明する。照明光学系Ｘは、光源１、コレクターレンズ２、開口絞り３、視野絞り６及びリレーレンズ４で構成されている。コレクターレンズ２及びリレーレンズ４には、単レンズあるいは、単レンズを接合した接合レンズが用いられている。この照明光学系Ｘでは、アレイ状のレンズ（レンズアレイ）は用いられていない。そのような意味で、照明光学系Ｘは単レンズで構成された光学系である。

照明光学系Ｘでは、光源１からの発散光はコレクターレンズ２により集光され、この集光位置に中間像（光源１の像）が形成される。開口絞り３は、この中間像の位置に配置されている。中間像の位置から発散された光は、リレーレンズ４で再び集光される。この集光位置は、顕微鏡対物レンズ（不図示）の後側焦点位置である射出瞳位置５に一致している。よって、顕微鏡対物レンズの射出瞳位置５に光源１の像が結像される。そして、開口絞り３とリレーレンズ４の間に、視野絞り６が配置されている。視野絞り６の位置は、標本面（不図示）と共役な位置である。

次に、図１（ｂ）の照明光学系Ｙについて説明する。照明光学系Ｙは、光源１１、コリメートレンズ１２、レンズアレイ１３、開口絞り１５、像位置調節光学系１４、視野絞り６及びリレーレンズ４で構成されている。コリメートレンズ１２、像位置調節光学系１４及びリレーレンズ４には、単レンズあるいは、単レンズを接合した接合レンズが用いられている。一方、レンズアレイ１３は、同一の正レンズ（微小レンズ）がアレイ状に配置された構成となっている。

照明光学系Ｙでは、光源１１からの発散光は、コリメートレンズ１２によりコリメートされる。そのコリメート光はレンズアレイ１３に入射する。レンズアレイ１３は、射出側のレンズ面が後側焦点位置と一致する構成となっている。よって、レンズアレイ１３に入射したコリメート光は、射出側のレンズ面上に集光される。すなわち、射出側のレンズ面に、中間像（光源１１の像）が形成される。このとき、中間像は、各正レンズ（微小レンズ）の配列と数とに対応した像（光源像アレイ）になる。像位置調節光学系１４は中間像の虚像を形成する。虚像の位置は、図１（ａ）の開口絞り３の位置に対応する位置９である。その虚像から発散された光は、視野絞り６とリレーレンズ４を介して、射出瞳位置５に集光される。なお、射出瞳位置５は、図１（ａ）の場合と同様に、顕微鏡対物レンズ（不図示）の後側焦点位置である。このようにして、射出瞳位置５に光源１１（あるいは中間像）の像が結像する。開口絞り１５は、レンズアレイ１３の射出側のレンズ面の位置、すなわち中間像が形成されている位置に配置されている。

図１（ａ）と図１（ｂ）からわかるように、リレーレンズ４は、照明光学系Ｘと照明光学系Ｙの両方において、同じ位置で用いられている。よって、リレーレンズ４は、照明光学系Ｘと照明光学系Ｙで、共通化されたレンズ系（共通光学系）ということになる。また、視野絞り６も、照明光学系Ｘと照明光学系Ｙの両方に、同じ位置で用いられている。よって、視野絞り６も、照明光学系Ｘと照明光学系Ｙで、共通化されているといえる。なお、リレーレンズ４と視野絞り６を一体とみなせば、共通化されたレンズ系が視野絞り６を含んでいることになる。

リレーレンズ４と視野絞り６を共通部分とすると、照明光学系Ｘでは、光源１、コレクターレンズ２及び開口絞り３が非共通部分となる。このうち、少なくとも光源１とコレクターレンズ２が非共通部分（第１の照明光学系）であればよい。一方、照明光学系Ｙでは、光源１１、コリメートレンズ１２、レンズアレイ１３、開口絞り１５及び像位置調節光学系１４が非共通部分となる。このうち、少なくとも光源１１、コリメートレンズ１２及びレンズアレイ１３が非共通部分（第２の照明光学系）であればよい。

また、照明光学系Ｙでは、像位置調節光学系１４とリレーレンズ４によって、中間像（光源１１の像）が射出瞳位置５に形成されている。すなわち、像位置調節光学系１４とリレーレンズ４でリレー光学系を構成していると見なすことができる。よって、リレーレンズ４はリレー光学系の一部ということができる。

このように、本実施例では、図１（ａ）の照明光学系Ｘと図１（ｂ）の照明光学系Ｙとでは、視野絞り６とリレーレンズ４からなる光学系Ａを共通にしている。そして、その入射側に、光源１とコレクターレンズ２と開口絞り３とからなる光学系Ｂ（図１（ａ））と、光源１１とコリメートレンズ１２とレンズアレイ１３と像位置調節光学系１４とからなる光学系Ｃ（図１（ｂ））とを入れ換えるようにしている。その際、光源像が位置９で一致するように、光学系Ｂと光学系Ｃを入れ換えるようにしている。このようにすることで、照明光学系Ｘではシンプルで明るいケーラー照明が行え、照明光学系Ｙでは照明ムラの少ないケーラー照明が行える。すなわち、２つの光学系を交換して使用することが可能な顕微鏡落射照明光学系となる。

なお、この実施例における照明光学系全体の構成を図２と図３の光路図に示す。図２は図１（ａ）の照明光学系Ｘを用いた場合の構成であり、図３は図１（ｂ）の照明光学系Ｙを用いた場合の構成である。落射照明光学系の場合、落射照明光学系のコンデンサレンズは顕微鏡対物レンズ２３が兼ねることになる。また、リレーレンズ４と視野絞り６も共通に用いられる。よって、バンドパスフィルター２１とダイクロイックミラー２２も、照明光学系Ｘと照明光学系Ｙとで共通に用いられることになる。

図２、図３何れの場合も、光源１の像あるいは光源１１（光源像アレイ）の像を形成する光線は、顕微鏡対物レンズ（コンデンサレンズ）２３の後側焦点位置である射出瞳位置５（図１）に集光する。一方、標本面２４は、顕微鏡対物レンズ（コンデンサレンズ）２３の前側焦点位置に位置している。よって、図２、図３何れの場合も、標本面２４をケーラー照明することができる。

図４は顕微鏡の光学系の一部を含めた光路図である。図４は、図１（ａ）、図２の照明光学系Ｘが光路中に配置されている場合を示す図である。照明光学系Ｙにした場合については、図示は省く。また、照明光学系Ｙを構成する光学系Ｃの構成も図示を省く。

図４において、２５は励起光カットフィルター、２６は反射鏡、２７は結像レンズである。３０は移動機構で、本実施例ではステージである。また、３１はステージ３０を制御する制御装置である。図４では、光学系Ｂと光学系Ｃが、ステージ３０上に並んで配置されている。ステージ３０は光軸と直交する方向に移動可能に構成されている。よって、ステージ３０を移動させることで、光路中に、光学系Ｂと光学系Ｃの何れか一方を配置させることができる。これにより、照明光学系Ｘによる照明と、照明光学系Ｙによる照明のいずれかを選択することができる。ステージ３０の代わりに、ターレットに光学系Ｂと光学系Ｃを保持し、ターレットを回転させることで、光路中に、光学系Ｂと光学系Ｃの何れか一方を配置させてもよい。

なお、図２〜図４の顕微鏡対物レンズ２３は、いずれも無限遠補正光学系である。よって、標本（試料）からの光は、顕微鏡対物レンズ２３でコリメートされる。コリメートされた光は、ダイクロイックミラー２２と励起光カットフィルター２５及び反射鏡２６を経て、結像レンズ２７に入射する。そして、結像レンズ２７により所定の位置に拡大結像される。この結像された像は、接眼レンズを介して拡大観察されたり、撮影光学系を経て撮像・測定される。なお、この実施例では、顕微鏡の光学系は、標本の蛍光像を観察する光学系になっている。

次に、第２の実施例の顕微鏡用落射照明光学系を説明する。この実施例は、第１の実施例の照明光学系Ｘにおいて中間像（実像）を形成しないようにした例である。よって、本実施例の照明光学系Ｘは、開口絞りを持たない。図５はこの実施例の顕微鏡用落射照明光学系を説明するための光路展開図である。ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、いずれもケーラー照明を行う構成となっている。図５（ａ）は、単レンズで構成された落射照明光学系（以下、照明光学系Ｘ’と称する。）、図５（ｂ）は、レンズアレイを用いた落射照明光学系（以下、照明光学系Ｙ’と称する。）である。落射照明光学系としては、さらに、コンデンサレンズを兼用する顕微鏡対物レンズを含んでいるが、何れの図においても顕微鏡対物レンズの図示は省いてある。

図５（ａ）の照明光学系Ｘ’について説明する。照明光学系Ｘ’は、光源１、コレクターレンズ２’、視野絞り６及びリレーレンズ４’で構成されている。コレクターレンズ２’及びリレーレンズ４’には、単レンズあるいは、単レンズを接合した接合レンズが用いられている。この照明光学系Ｘ’では、アレイ状のレンズ（レンズアレイ）は用いられていない。そのような意味で、照明光学系Ｘ’は単レンズで構成された光学系である。

照明光学系Ｘ’では、光源１からの発散光はコレクターレンズ２’により集められるが、若干発散光としてコレクターレンズ２’から射出する。そのため、照明光学系Ｘ’では、光源１の実像の中間像は形成されず、光源１側の遠方に虚像を形成する。その遠方の虚像から発散された光はリレーレンズ４’で集光される。この集光位置は、顕微鏡対物レンズ（不図示）の後側焦点位置である射出瞳位置５に一致している。よって、顕微鏡対物レンズ射出瞳位置５に光源１の像が結像されることになる。そして、コレクターレンズ２’とリレーレンズ４’の間に、視野絞り６が配置されている。視野絞り６の位置は、標本面（不図示）と共役な位置である。

次に、図５（ｂ）の照明光学系Ｙ’について説明する。照明光学系Ｙ’は、光源１１、コリメートレンズ１２、レンズアレイ１３、像位置調節光学系１４’、視野絞り６及びリレーレンズ４’で構成されている。コリメートレンズ１２、像位置調節光学系１４’及びリレーレンズ４’には、単レンズあるいは、単レンズを接合した接合レンズが用いられている。一方、レンズアレイ１３は、同一の正レンズ（微小レンズ）がアレイ状に配置された構成となっている。

照明光学系Ｙ’では、光源１１からの発散光は、コリメートレンズ１２によりコリメートされる。そのコリメート光はレンズアレイ１３に入射する。レンズアレイ１３は、射出側のレンズ面が後側焦点位置と一致する構成となっている。よって、レンズアレイ１３に入射したコリメート光は、射出側のレンズ面上に集光される。すなわち、射出側のレンズ面に、中間像（光源１１の像）が形成される。このとき、中間像は、各正レンズ（微小レンズ）の配列と数とに対応した像（光源像アレイ）になる。像位置調節光学系１４’は中間像の虚像を形成する。虚像の位置は、図５（ａ）の遠方の光源１の虚像の位置に対応する位置である。その虚像から発散された光は、視野絞り６とリレーレンズ４’を介して、射出瞳位置５に集光される。なお、射出瞳位置５は、図５（ａ）の場合と同様に、顕微鏡対物レンズ（不図示）の後側焦点位置である。このようにして、射出瞳位置５に光源１１（あるいは中間像）の像が結像する。

図５（ａ）と図５（ｂ）からわかるように、リレーレンズ４’は、照明光学系Ｘ’と照明光学系Ｙ’の両方において、同じ位置で用いられている。よって、リレーレンズ４’は、照明光学系Ｘ’と照明光学系Ｙ’で、共通化されたレンズ系（共通光学系）ということになる。また、視野絞り６も、照明光学系Ｘ’と照明光学系Ｙ’の両方に、同じ位置で用いられている。よって、視野絞り６も、照明光学系Ｘ’と照明光学系Ｙ’で、共通化されているといえる。なお、リレーレンズ４’と視野絞り６を一体とみなせば、共通化されたレンズ系が視野絞り６を含んでいることになる。

リレーレンズ４’と視野絞り６を共通部分とすると、照明光学系Ｘ’では、光源１とコレクターレンズ２’が非共通部分となる。よって、少なくとも光源１とコレクターレンズ２’が非共通部分（第１の照明光学系）であればよい。一方、照明光学系Ｙ’では、光源１１、コリメートレンズ１２、レンズアレイ１３及び像位置調節光学系１４’が非共通部分となる。このうち、少なくとも光源１１、コリメートレンズ１２及びレンズアレイ１３が非共通部分（第２の照明光学系）であればよい。

また、照明光学系Ｙ’では、像位置調節光学系１４’とリレーレンズ４’によって、中間像（光源１１の像）が射出瞳位置５に形成されている。すなわち、像位置調節光学系１４’とリレーレンズ４’でリレー光学系を構成していると見なすことができる。よって、リレーレンズ４’はリレー光学系の一部ということができる。

このように、本実施例でも、図５（ａ）の照明光学系Ｘ’と図５（ｂ）の照明光学系Ｙ’とでは、視野絞り６とリレーレンズ４’からなる光学系Ａ’を共通にしている。そして、その入射側に、光源１とコレクターレンズ２’とからなる光学系Ｂ’（図５（ａ））と、光源１１とコリメートレンズ１２と集光レンズアレイ１３と像位置調節光学系１４’とからなる光学系Ｃ’（図５（ｂ））とを入れ換えるようにしている。その際、遠方の光源１の虚像の位置で一致するように、光学系Ｂ’と光学系Ｃ’を入れ換えるようにしている。このようにすることで、照明光学系Ｘ’ではシンプルで明るいケーラー照明が行え、照明光学系Ｙ’では照明ムラの少ないケーラー照明が行える。すなわち、２つの光学系を交換して使用することが可能な顕微鏡落射照明光学系となる。

この実施例における照明光学系全体の構成を図６と図７の光路図に示す。図６は図５（ａ）の単照明光学系Ｘ’を用いた場合の構成であり、図７は図５（ｂ）の照明光学系Ｙ’を用いた場合の構成である。落射照明光学系の場合、落射照明光学系のコンデンサレンズは顕微鏡対物レンズ２３が兼ねることになる。また、リレーレンズ４’と視野絞り６も共通に用いられる。よって、バンドパスフィルター２１とダイクロイックミラー２２も、照明光学系Ｘ’と照明光学系Ｙ’とで共通に用いられることになる。

図６、図７何れの場合も、光源１の像あるいは光源１１（光源像アレイ）の像を形成する光線は、顕微鏡対物レンズ（コンデンサレンズ）２３の後側焦点位置である射出瞳位置５（図５）に集光する。一方、標本面２４は、顕微鏡対物レンズ（コンデンサレンズ）２３の前側焦点位置に位置している。よって、図６、図７何れの場合も、標本面２４をケーラー照明することができる。なお、この実施例の図４に対応する顕微鏡の光学系の一部を含めた光路図は省く。

以上のように、上記実施例の落射照明光学系は、顕微鏡対物レンズの射出瞳（後側焦点）位置に光源の像を結像させる光学系の少なくとも一部、すなわち、上記実施例における視野絞り６とリレーレンズ４，４’の全部を共通化させている。このようにすることで、落射照明光学系において、少ない部品数でかつ構成を簡素化してコストダウンを図ることができる。さらに、明るさを重視する照明系と照明ムラの少なさを重視する照明系とを切り換えて使用することができる。

以上、本発明の顕微鏡用落射照明光学系を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明の１実施例の顕微鏡用落射照明光学系を説明するための単純なケーラー照明系の光路展開図（ａ）と、集光レンズアレイを用いたケーラー照明系の光路展開図（ｂ）である。 図１の実施例における単純なケーラー照明系を用いる場合の照明光学系全体の構成を示す光路図である。 図１の実施例における集光レンズアレイを用いたケーラー照明系を用いる場合の照明光学系全体の構成を示す光路図である。 図１の実施例における顕微鏡の光学系の一部を含めた光路図である。 本発明の別の実施例の顕微鏡用落射照明光学系を説明するための単純なケーラー照明系の光路展開図（ａ）と、集光レンズアレイを用いたケーラー照明系の光路展開図（ｂ）である。 図５の実施例における単純なケーラー照明系を用いる場合の照明光学系全体の構成を示す光路図である。 図５の実施例における集光レンズアレイを用いたケーラー照明系を用いる場合の照明光学系全体の構成を示す光路図である。

符号の説明

１…光源
２、２’…コレクターレンズ
３…開口絞り
４、４’…リレーレンズ
５…顕微鏡対物レンズの後側焦点位置（射出瞳位置）
６…視野絞り
９…開口絞りの位置に対応する位置
１１…光源
１２…コリメートレンズ
１３…集光レンズアレイ
１４、１４’…像位置調節光学系
１５…開口絞り
２１…バンドパスフィルター
２２…ダイクロイックミラー
２３…顕微鏡対物レンズ
２４…標本面
２５…励起光カットフィルター
２６…反射鏡
２７…結像レンズ
３０…移動機構
３１…制御装置
Ａ、Ａ’…視野絞りとリレーレンズからなる光学系
Ｂ、Ｂ’…光源とコレクターレンズと（開口絞りと）からなる光学系
Ｃ、Ｃ’…光源とコリメートレンズと集光レンズアレイと像位置調節光学系とからなる光学系

Claims (10)

1. 顕微鏡の対物レンズをコンデンサレンズと兼用させる顕微鏡用落射照明光学系において、
   顕微鏡の対物レンズの後側焦点位置に光源の像を結像させるリレー光学系の少なくとも一部を共通化させ、その入射側に、少なくとも光源とコレクターレンズとからなる第１の照明光学系と、少なくとも光源とコリメートレンズとレンズアレイとからなる第２の照明光学系とを、それぞれの光学系による光源の像位置が相互に一致するように入れ換え可能に配置したことを特徴とする顕微鏡落射照明光学系。
2. 顕微鏡の対物レンズの後側焦点位置に光源の像を結像させるリレー光学系と視野絞りとを共通化させたことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡落射照明光学系。
3. 前記第１の照明光学系が前記コレクターレンズの射出側に開口絞りを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の顕微鏡落射照明光学系。
4. 前記第２の照明光学系が前記レンズアレイによって結像された光源の像アレイの位置に開口絞りを備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の顕微鏡落射照明光学系。
5. 前記第１の照明光学系において光源の実像が前記コレクターレンズによって結像されないことを特徴とする請求項１又は２記載の顕微鏡落射照明光学系。
6. 顕微鏡の対物レンズを介して照明を行う落射照明光学系において、
   前記落射照明光学系は、前記対物レンズの後側焦点位置に光源の像を結像させるリレー光学系を有し、
   前記リレー光学系は、共通光学系と第１の照明光学系、又は、前記共通光学系と第２の照明光学系で構成され、
   前記第１の照明光学系は少なくとも前記光源とコレクターレンズとからなり、前記第２の照明光学系は少なくとも前記光源とコリメートレンズとレンズアレイとからなり、
   前記第１の照明光学系と前記第２の照明光学系を、光路に挿脱させる移動機構を備えることを特徴とする落射照明光学系。
7. 前記共通光学系は視野絞りを含むことを特徴とする請求項６記載の落射照明光学系。
8. 前記第１の照明光学系が前記コレクターレンズの前記対物レンズ側に開口絞りを備えていることを特徴とする請求項６又は７記載の落射照明光学系。
9. 前記第２の照明光学系が前記レンズアレイによる集光位置に開口絞りを備えていることを特徴とする請求項６から８の何れか１項記載の落射照明光学系。
10. 前記第１の照明光学系は、前記光源の虚像を前記コレクターレンズによって形成する光学系であることを特徴とする請求項６又は７記載の落射照明光学系。

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