JP2008122553A

JP2008122553A - 光学ユニット

Info

Publication number: JP2008122553A
Application number: JP2006304817A
Authority: JP
Inventors: Kimio Komata; 公夫小俣
Original assignee: OP Cell Co Ltd
Current assignee: OP Cell Co Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: JP5219111B2

Abstract

【課題】
顕微鏡などの試料照明用光学系に波長変換フィルタのような中間物を装着し、変換した波長で試料を照明するとき、中間物の特性、特徴を生かした照明をする。
【解決手段】
光源部２に収容したハロゲンランプ１３からの光を光学ユニット３を経て顕微鏡などの光学系部４に向かわせ試料を照明する。光学ユニット３内では第１光ファイバ光学系１５から第１アフォーカル光学系１６に伝えてほぼ平行光束に変換する。この平行光束を中間物１９に向かわせ特定の単一波長を選択する。選択した単一波長の光は第２アフォーカル光学系２０を経てランダム配列の光ファイバで構成した第２光ファイバ光学系２３に向かい試料を照明する。中間物は平行光束によってその特性、特長が活かされて波長を選択し、第２光ファイバ光学系２３は入射光を分散して射出する。

【選択図】図２

Description

本発明は顕微鏡などの観察装置で試料を照明するための光学ユニットに関するもので、特に光源光束中に波長変換フィルタのような中間物を装着し、任意の特定波長で試料を照明して安定した品質の像を受光部に投影できるようにしたものである。

試料を拡大して形状や寸法を精密測定する観察装置は、非接触で高精度の測定が容易に行えるため各種の分野で広く利用されている。また近年は前記観察装置としての顕微鏡や投影機を用いて、採取した植物を一定波長で照明し、その観察結果から植物の生育状況などを把握するということが実施されている。また工業用の試料においても色々な光吸収の原理を用いて微小な変位部を鮮明画像として観察することが実施されている。

ところで顕微鏡や投影機などの観察装置を用いて各種の試料を観察する場合、光学系受光部全体での像品質を安定化するため、例えば濃度を均一にするための工夫や、波長を一定にするための工夫が求められる。このようなことに対処するため光調整用としての波長変換フィルタ、例えば干渉フィルタ（波長可変液晶フィルタなど）や色フィルタが中間物として照明光学系中に設置されることが行われている。
顕微鏡の光源として一般的なハロゲンランプを使用すると、その波長は連続的なスペクトルとなる。このスペクトルの中から特定の波長を選択するため波長変換フィルタなどを中間物として設置したとしても、平行光束で使用することが前提となっている中間物に対して斜光線が入射してしまえば、観察する画像中の中央部と周辺部とでは品質が変わってしまう恐れがある。具体的には光軸外からの斜光線が波長変換フィルタに入射してしまうと拡散が生じて波長の特性に差が生じ、波長変換フィルタの中心光軸に沿って進行してきた光と光軸外から斜光線として進行してきた光の間で色の違いが発生してしまう。このように平行光束で使用することが前提となっている中間物に対して斜光線が入射してしまうと、観察結果に差が生じ、特定波長で観察することの目的が失われてしまう。

一方、光源と試料間に光フアイバを使用した顕微鏡などの照明光学系は、これまで多くの例が提案されている。例えば特許文献１では入射端３２ａを結束し、出射端３２ｂをライン状に配列したファイバ束３２を介して光源３１からの光をスリット３３に向かわせる。このスリット３３の像を光学系を経て試料２２に投影し、その反射光をイメージセンサ２４に入射させるようにしている。それによって出射端３２ｂからの光はスリット３３の形状に対応してライン状となるから、スリット３３を通過する光量を均一に出来るという効果が得られる。
また、特許文献２では、ハロゲンランプ２１を内蔵した光源装置２０からの光をファイバーケーブル３０から集光レンズ１０に向かわせる。この集光レンズ１０は顕微鏡の接眼レンズの代わりに取り付けられるので、集光レンズ１０を通過した光は試料Ａに垂直に当てられる。それによって照明光量不足を解消できるという効果が得られる。
上記のようにこれまでの光ファイバを利用した顕微鏡などの照明光学系は、光源からの光を試料に導くためのライトガイドとして使用しているものが殆どとなっている。

前記特許文献に示されているようなライトガイドとしての光ファイバを用いて光を中間物に向かわせ、中間物で選択した特定波長で試料を照明するようにした光学系を推測することは可能である。この場合、中間物に向かわせる光源からの光束は光ファイバの利用によって比較的容易に中間物に近づけることができる。しかし光ファイバを設置しただけでは完全な平行光束を得ることは難しく、どうしても斜光線が残ってしまう。そして斜光線が残ると中間物の機能が損なわれ、前記したような波長ムラや顕微鏡受光部での濃度ムラが発生する。従がって光ファイバを設置しただけでは斜光線の問題は何も解決されず、特定波長での安定した照明光を得ることが出来ない。また設置する中間物の種類や材質、その厚みなどを変化させたものを使用するように場合にも、波長ムラなどの発生が予測される。結局、中間物と光ファイバを照明光学系中に設置しただけでは、それらの特長を活かした照明と観察を自由に行うことが出来ない。
特開平１０−１０４５２３号公報特開２０００−２９２７０６号公報

従って本発明の課題は、顕微鏡など観察装置の試料照明光学系中に各種の中間物、特に波長変換フィルタを装着自在とし、装着した中間物の特性、特定の単一波長光源という特徴を生かしたまま試料を照明出来る様にして、その像を受光部上で観察できるようにする事である。それによって観察装置としての機能を高め、汎用性を向上できるようにする事である。

上記課題を解決するため本発明は、連続スペクトルを発光する光源からの光束をほぼ平行光束として中間物に向かわせる第１光ファイバ光学系と、この第１光ファイバ光学系からの光束を受け光源光束中から任意特定波長を選択する中間物と、この中間物で選択された特定波長の光束を受け観察装置の試料に向かわせる第２光ファイバ光学系とから成り、前記第２光ファイバ光学系はランダム配列の光ファイバとし、中間物を通過して入射した光束を分散光として試料に向かわせて照明するようにした事を特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項1記載の光学ユニットにおいて、第１光ファイバ光学系をランダム配列の光ファイバとし中間物を分散光として照明するようにした事を特徴とする。
請求項３の発明によるものは請求項１記載の光学ユニットにおいて、第１光ファイバ光学系と中間物、中間物と第２光ファイバ光学系の間に倍率変換用のアフォーカル光学系を設置した事を特徴とする。

本発明では顕微鏡などの試料照明用光学系中に中間物を装着自在とし、しかもこの中間物が持つ平行光において最良な効果が出るという特性と、特定の単一波長光にするという特徴を生かしたまま試料を照明することができる。そして中間物に向かう光源からの光束は、ほぼ平行光束に変換するようにしたから斜光線の発生を少なくした光学ユニットとすることが出来る。さらに中間物に向かう光束をほぼ平行光束としたことによって、単位面積当たりの光エネルギー量を減少させ、中間物に与えるダメージを少なくすることが出来る。これらによって中間物を通過した光束に予測できない現象、例えば平行光束の精度不足や中間物の材質変換などによって悪影響が発生したとしても、それを救済して照明ムラを抑制し試料を照明することができる。そのため顕微鏡などの受光部にＣ−ＭＯＳやＣＣＤなどを設置したとしても、選択した波長による安定像を投影することが出来、観察装置としての機能を高め汎用性を向上することが出来る。

本願発明によるものはハロゲンランプなど連続的スペクトルを発する光源からの光を試料に向かわせる照明光学系中の光学ユニットについてなしたものである。具体的には光源からの光を第１光ファイバ光学系で装着自在とした中間物に向かわせ、この中間物で選択された特定波長の光束を第２光ファイバ光学系で試料に向かわせるようにしたものである。以下にこの発明による光学ユニットについて添付図面に基づいて説明する。

図１は観察装置１全体の構成について説明する概略図である。図においてハロゲンランプなど連続的スペクトルを発光する光源部２からの光は、光学ユニット３を経て観察光学系部４中に設置された試料５を照明する。照明された試料５の反射光、又は透過光は対物レンズ６によって受光部７に投影され、設置されたＣ−ＭＯＳやＣＣＤ８などに伝えられる。ＣＣＤ８に投影された像は制御部（パソコン）９を経由して表示部１０に送り出されて表示される。パソコン９にはキーボードやマウスなどの入力部１１と、ＣＤ−ＲやＭＯなど各種記憶装置やプリンタなどの出力部１２が接続される。
観察光学系部４やパソコン９、表示部１０の内部構成は一般のものを採用すればよく、特に観察光学系部４の構成は使用目的に応じて各種に変形したものを使用することが出来る。

図２は光学ユニット３の内部構造を示した説明図である。図において光源部２に収容されたハロゲンランプ１３からの光はレンズ１４を経て第１光ファイバ光学系１５の入力端１５ａに向かう。入力端１５ａに入射した光は第１光ファイバ光学系１５内を通って出力端１５ｂから倍率変換用の第１アフォーカル光学系１６に向かう。この光学系１６には２つのレンズ１７、１８が収容され、倍率を変換しながらほぼ平行な光束に変換し中間物１９に向かわせる。中間物１９をほぼ平行に変換された光束で通過した光束は倍率変換用の第２アフォーカル光学系２０に向かう。この光学系２０には２つのレンズ２１、２２が収容され、倍率を変換して第２光ファイバ光学系２３の入力端２３ａに送り出す。第１アフォーカル光学系１６と第２アフォーカル光学系２０は実質的にほぼ同じものであり、レンズ１７、１８の配置が逆になってレンズ２１、２２となり、第１アフォーカル光学系１６で拡大した倍率を第２アフォーカル光学系２０で縮小するようになっている。第２光ファイバ光学系２３はランダム配列の光ファイバで構成するが、その詳細については後に説明する。この第２光ファイバ光学系２３の入力端２３ａに入射した光は、光ファイバ光学系２３内を通って出力端２３ｂ（図１）から観察光学系部４内の試料５を照明する。
第１と第２の光ファイバ光学系１５、２３の長さは任意に定めることが出来、光源部２、観察光学系部４の配置も任意に定めることが出来る。中間物１９は前記したように各種のものを採用でき、図では省略してあるが２つのアフォーカル光学系１６、２０間で装着自在にできる機構が設置されていて、第１アフォーカル光学系１６からの光を受けて通過した光束を、第２アフォーカル光学系２０に伝えられるよう位置づけられている。

図３は第１アフォーカル光学系１６の説明図である。図において第１光ファイバ光学系１５の出力端１５ｂからレンズ１７に向かう光の射出角をθ１としたとき、レンズ１８の光軸２４上から射出されて中間物１９に向かう光の射出角度θ２は、
θ２＝θ１／Ｍ（Ｍ＝倍率）
で求められる。即ち、倍率Ｍを大きくするとθ２の値は小さくなり、中間物１９に向かう光は平行光束に近づく。従がって２つのレンズ１７、１８の設計値や位置関係を選択し、倍率Ｍを設定してやれば中間物１９は必要とする平行光束を得ることが出来る。それによって中間物１９は斜光線を排除し中間物の特性、特徴を生かして単一波長を選択することが出来る。またレンズ１７と１８とで光束径を大きくし倍率を変換することは、前記のように光束の平行性を高めることになるが、単位面積あたりの光エネルギー量も減少するので、中間物１９に与えるダメージを少なくすることができる。
第２アフォーカル光学系２０は前記したように第１アフォーカル光学系１６と同様なもので、第１アフォーカル光学系１６で拡大した倍率を縮小して第２光ファイバ２３の入力端２３ａに向かわせる。

図４は第２光ファイバ光学系２３の説明図である。図Ａは第２光ファイバ光学系２３の入力端２３ａを、図Ｂは出力端２３ｂを示している。そしてまた図Ａは中間物１９を通過した光束が第２アフォーカル光学系２０を経て入力端２３ａに入射したとき、その入力端２３ａ面中の任意領域２５、２６、２７を表したものとなっている。この入力端２３ａの任意領域中の１つの領域、例えば２５には、第２光ファイバ光学系２３を構成している全繊維中の繊維ａ１、ａ２、ａ３が含まれている。また２つ目の任意領域２６には繊維ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４が含まれている。３つ目の領域２７にはｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の繊維が含まれた例となっている。このように構成された入力端２３ａ全域を照射した光束は、第２光ファイバ光学系２３内を通って出力端２３ｂに向かう。このとき第２光ファイバ光学系２３は前記したようにランダム配列の光ファイバで構成してあるので、領域２５、２６、２７から出力端２３ｂに向かう光束は、入力端２３ａの繊維配列とは大きく変化した繊維配列となって射出される。例えば図Ｂに示したように出力端２３ｂの繊維配列は、入力端２３ａで特定した任意の領域２５、２６、２７の各領域が全て崩れ、内部の繊維ａ１乃至ａ３、ｂ１乃至ｂ４、ｃ１乃至ｃ４がランダムに分散配列された状態となる。そのため仮に１つの特定領域、例えば２５に斜光線による中間物１９通過光が入射したとしても、その光は出力端２３ｂ側では繊維ａ１、ａ２、ａ３によって出力端２３ｂ全域に分散配列され、斜光線による影響を平均化する。

また別の領域２６、２７に輝度の高い光が仮に集中して入射したとしても、その光は出力端２３ｂでは分散配列された繊維ｂ１乃至ｂ４、ｃ１乃至ｃ４によって出力端２３ｂ全域に分散され、平均化した輝度となって試料５を照明する。この出力端２３ｂでの分散配列は領域２５、２６、２７だけでなく、入力端２３ａ全域の配列が全て分散されて試料５を照明するから、中間物１９を通過した光束が平行性精度に不備あったとしても、つまり第１アフォーカル光学系１６で完全な平行光束に変換できなかった光束であったとしても、第２光ファイバ光学系２３はそれを救済するよう機能する。同様に中間物１９の品質や精度が高級でないような場合や他種のものに変換したような場合であったとしても、第２光ファイバ光学系２３はそれを救済して試料５を照明する。このことは中間物１９通過光束に予測できないような現象が生じたとしても、第２光ファイバ光学系２３の設置はそれをカバーするということになる。
このように本発明は、光学ユニット３の第２光ファイバ光学系２３をランダム配列の光ファイバで構成したことによって、安定した単一波長の照明を受けた像を受光部７で得ることが出来る。

図５は第１光ファイバ光学系１５と輝度の関係を示した説明図で、Ａ列は入力端１５ａとこの入力端１５ａが光源部２から受ける照射光の輝度を示している。Ｂ列は出力端１５ｂとこの出力端１５ｂが第１アフォーカル光学系１６を経て中間物１９に送り出す光の輝度を示している。
Ａ列において第１光ファイバ光学系１５の入力端１５ａには、光源部２からの光が照射されていて、図４Ａと同じように任意の特定領域２５、２６、２７を示してある（図では各領域の位置関係を明確化するため斜線を加えてある）。そしてこの入力端１５ａの全域に照射された光の平均輝度が曲線２８である。この曲線２８によればハロゲンランプ１３からの光は４００から８００μｍ付近の波長で、７５０μｍ付近が最大ピーク値（１００％）となっている。このような輝度の照射を受けた入力端１５ａからの光が出力端１５ｂに伝えられると、その明るさは図のＢ１列に示したように曲線２８ａとなる。この曲線２８ａは曲線２８と殆ど同じであるが、第１光ファイバ光学系１５の長さを通過した分だけ光が消失した状態となっていて、図では参考のため曲線２８も点線で示してある。またＢ１列に示した出力端１５ｂ上の任意の領域２５、２６、２７はＡ列の入力端１５ａのそれと同じ配列状態となっている。

しかし一般的に光ファイバ光学系入力端側の任意特定領域は、出力端側では領域単位でその配列を大きく変化するのが普通であり、例えば一方に偏ったり１箇所に集中してしまう割合が高い。図５のＢ２列はそのような場合を示したもので、出力端１５ｂには入力端１５ａからの領域２５、２６、２７が領域単位で配列されてはいるが、その配列位置は大きく変化していて、しかも一箇所に集中した例となっている。このような例でＡ列の各領域２５、２６、２７に、例えば赤系統の光（７００から８００μｍ）が強く照射されたと仮定すると、それが伝えられる図Ｂ２列の出力端１５ｂでは各領域２５、２６、２７が１箇所に集中配列されているため、中間物１９に向かう光の輝度が曲線２９のように７５０μｍ付近をピークとする赤系統の強い波長の光となってしまい、青から緑の４００から５００μｍ付近の波長が弱まった光となってしまっている。このように入力端１５ａと出力端１５ｂとでその任意領域の配列が領域単位で変化してしまうような光ファイバを使用している場合、上記したような仮定例の場合も含めて出力端１５ｂ側でどのように変化するか予測することが出来ない。従がって１つ１つテストし、その結果を見ることが必要となる。このような出力端１５ｂからの光を中間物１９に向かわせたとすれば、中間物１９の精度や品質が高級でない場合や、中間物の種類、厚さなどを変更したような場合も想定すると、中間物を通過する光束は一層予測不能となる。

図６は第２光ファイバ光学系２３と中間物を通過した光の輝度の関係を示した説明図で、Ａ列は入力端２３ａとこの入力端２３ａが受ける第２アフォーカル光学系２０からの射出光輝度を示している。Ｂ列は出力端２３ｂとこの出力端２３ｂが試料５に送り出す光の輝度を示している。
Ａ１列において第２光ファイバ光学系２３の入力端２３ａには、中間物１９、第２アフォーカル光学系２０からの光が照射されていて、図では図５Ｂ１列の任意特定領域２５、２６、２７からの光がそのまま同じ配列の領域２５、２６、２７として受けた状態となっている。そしてこの入射した光は輝度が曲線３０のようになる。この曲線３０によれば、図５Ｂ１列の曲線２８ａによる光束が中間物１９を通過することによって６００μｍ付近の波長が選択され、他の波長はカットされた波形となっている。
しかし実際には曲線３０によって表現される波長以外の光も入力端２３ａに入射してしまうことも予測される。つまり前記したように中間物１９に向かう第１光ファイバ光学系１５からの平行光束精度が低いような場合には、６００μｍ付近の波長以外の光束も中間物１９から入力端２３ａに入射してしまう。図Ａ２列はこのような場合の入射光の例を示したもので、４００から５００μｍ付近の波長と、７００から８００μｍ付近の波長が入射した状態となっていて、夫々曲線３１、曲線３２として示してある。この曲線３１、３２は図５の出力端１５ｂがＢ１列からＢ２列に変化したようなときや、或いは中間物１９の材質を変更するなどして予測できないような現象が生じたようなときにも発生する。このような光をそのまま照明光として試料５に供給すれば安定しない照明光となる。

図のＢ列は第２光ファイバ光学系２３の出力端２３ｂと、この出力端２３ｂから射出される光の輝度を示している。この出力端２３ｂは図４Ｂでも説明したように、その繊維配列が入力端２３ａの繊維配列と大きく変化するよう構成されるから、例えば領域２５、２６、２７もその領域が崩れ、内部の繊維ａ１乃至ａ３、ｂ１乃至ｂ４、ｃ１乃至ｃ４が全てランダムに分散して配列される。図ではこの分散した配列を図４Ｂの配列と合わせて同じにしてあるが、この分散配列によって出力端２３ｂから射出される光の明るさは図の曲線３３のようになる。この曲線３３によれば図６Ａ２列の曲線３１、３２を作り出していた波長は分散して曲線３３に吸収されて一体となり、６００μｍ付近をピーク値とする明るさとなっている。即ち、入力端２３ａに入射した第２アフォーカル光学系２０からの光束は、第２光ファイバ光学系２３を通って出力端２３ｂに向かうが、このとき第２光ファイバ光学系２３を構成している繊維のランダム配列によって出力端２３ｂ全域に分散して伝えられる。この分散化によって試料５に向かう光束は波長ムラのない平均化されたものとなる。従がって領域２５、２６、２７に輝度の高い光が入射したようなときや、或いは斜光線が中間物１９を通過したことによって曲線３１、３２のような光が入射したようなときも含めて、予め予測不能な変化をした光が入力端２３ａに入射したとしても、出力端２３ｂは常に平均化した光を試料５に供給することになる。

上記説明してきたことは、光学ユニット３内の第１光ファイバ光学系１５を通常の光ファイバで構成し、第２光ファイバ光学系２３をランダム配列の光ファイバで構成したものとなっている。しかし本願の趣旨からすれば、第１光ファイバ光学系１５もランダム配列の光ファイバとすることによって更なる効果を得ることが出来る。この場合、図４Ａの入力端２３ａを第１光ファイバ光学系１５の入力端１５ａ、図４Ｂの出力端２３ｂを第１光ファイバ光学系１５の出力端１５ｂと読み替えればよい。即ち、光源部２内のハロゲンランプ１４からの光を第１光ファイバ光学系１５の入力端１５ａが受けると、その入力端１５ａの全域中の任意領域２５、２６、２７（図４Ａ）に入射した光は出力端１５ｂに向かってａ１乃至ａ３、ｂ１乃至ｂ４、ｃ１乃至ｃ４（図４Ｂ）に分散される。この分散した光を第１アフォーカル光学系１６が平行光束にほぼ変換して中間物１９に向かわせる。それによって図５で説明したような問題が発生することなく、中間物１９は所定の波長を選択して第２アフォーカル光学系２０から第２光ファイバ光学系２３に向かわせ試料５を照明する。これで試料５は第１と第２の光ファイバ光学系１５、２３で分散された光で照明されるようになり、中間物１９通過後の光束を一層確かなものとする。このようにこの実施例では第１と第２の光ファイバ光学系１５、２３をランダム配列の光ファイバとすることを特徴としている。

以上、実施例１、２として本発明の光学ユニットについて説明してきた。これら実施例において第１、第２光ファイバ光学系１５、２３と第１、第２アフォーカル光学系１６、２０の連結方法、光源部２と光学ユニット３の連結方法などについては特に詳しく説明していない。同様に中間物１９と両アフォーカル光学系１６、２０の連結方法についても詳しく説明していない。しかしこれらは既存のものの組み合わせや許容範囲内での設計をすることで解決することが出来る。

観察装置全体の構成を説明する概略図。光学ユニットの内部構造を示した説明図。第１アフォーカル光学系の説明図。第２光ファイバ光学系の説明図。第１光ファイバ光学系と輝度の関係を示した説明図。第２光ファイバ光学系と中間物通過光の輝度関係を示した説明図。

符号の説明

１・・・観察装置２・・・光源部３・・・光学ユニット４・・・観察光学系部５・・・試料７・・・受光部８・・・ＣＣＤ９・・・制御部１０・・・表示部１３・・・ハロゲンランプ１５・・・第１光ファイバ光学系１６・・・第１アフォーカル光学系１９・・・中間物２０・・・第２アフォーカル光学系２３・・・第２光ファイバ光学系２５、２６、２７・・・特定領域

Claims

連続スペクトルを発光する光源からの光束をほぼ平行光束として中間物に向かわせる第１光ファイバ光学系と、この第１光ファイバ光学系からの光束を受け光源光束中から任意特定波長を選択する中間物と、この中間物で選択された特定波長の光束を受け観察装置の試料に向かわせる第２光ファイバ光学系とから成り、前記第２光ファイバ光学系はランダム配列の光ファイバとし、中間物を通過して入射した光束を分散光として試料に向かわせて照明するようにした事を特徴とする光学ユニット。
第１光ファイバ光学系をランダム配列の光ファイバとし中間物を分散光として照明するようにした事を特徴とする請求項1記載の光学ユニット。
第１光ファイバ光学系と中間物、中間物と第２光ファイバ光学系の間に倍率変換用のアフォーカル光学系を設置した事を特徴とする請求項１記載の光学ユニット。