JP2009069691A - 顕微鏡照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、光源からの照明光を無駄なく試料面に投影するためのフライアイ光学系を提供する。
【解決手段】本発明の上記課題は、光源から射出した発散光を平行光束に変換するコレクタレンズと、前記コレクタレンズの後側焦点位置近傍に配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズにより結像された複数光源像を対物レンズの入射瞳に投影する落射投光管を有する顕微鏡照明装置において、前記対物レンズの選択に応じて前記コレクタレンズと前記フライアイレンズの間の光束径を変化させる調節手段を有することを特徴とする顕微鏡照明装置によって解決される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、顕微鏡照明装置に関する。

従来の顕微鏡照明装置においては、ケーラー照明が備えられた顕微鏡照明装置が一般的に利用されている。このケーラー照明は光源の配光特性に対応する僅かなムラは見られるが、光源内の位置による輝度分布に対応するムラは見られない。そのため、照明ムラが発生しにくい最適な照明装置であるとして普及されてきた。

しかし、近年のCCDなどの光電変換素子の技術改良や普及により、顕微鏡分野においてもデジタル画像の撮影が一般化された結果、目視での観察では気にならない僅かな照明ムラでも、照明ムラが目立つ傾向にあり、これが問題となるようになった。

この照明ムラを軽減する技術としてフライアイレンズを利用したものが知られている。例えば、特許文献１や特許文献２では、コレクタレンズの後ろ側焦点位置にフライアイレンズが設けられ、このフライアイレンズのフライアイレンズ素子に形成された疑似面光源を開口絞り及び投光レンズに投影させ、角度による照明ムラを解消した顕微鏡照明装置が開示されている。

しかし、フライアイレンズを利用した照明光学系は通常の照明光学系と比べて複雑になってしまう。その結果、試料面に投影するまでの光路の途中で照明光の欠損が起きてしまうことがあった。つまり、本来の性能を発揮されないことも多く、光源に不必要な負担を掛けてしまっていた。
特開２００２−６２２５号公報 特開２００５−４３５１７号公報

そこで本発明では、光源からの照明光を無駄なく試料面に投影するためのフライアイ光学系を提供する。また、利用される対物レンズに応じて照明光の設定を最適化するための機構も提供する。

本発明の上記課題は、光源から射出した発散光を平行光束に変換するコレクタレンズと、前記コレクタレンズの後側焦点位置近傍に配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズにより結像された複数光源像を対物レンズの入射瞳に投影する落射投光管を有する顕微鏡照明装置において、前記対物レンズの選択に応じて前記コレクタレンズと前記フライアイレンズの間の光束径を変化させる調節手段を有することを特徴とする顕微鏡照明装置によって解決される。この構成により、フライアイレンズのエレメントや対物レンズの瞳によるケラレを防ぐことができる。

ここで、前記調節手段は前記コレクタレンズを選択的に挿脱することによって前記光束径を変化させることが考えられる。また、前記調節手段は前記コレクタレンズが複数枚のレンズで構成され、その一部のレンズが駆動することによって前記光束径を変化させることも考えられる。

前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズの焦点距離をｆ_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとしたとき、前記調節手段は以下の条件式
ａ×（ｆ_fly／ｆ_cl）≦ｐ
を満たすように前記コレクタレンズの焦点距離を調節することが望ましい。

また、前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記光束径をDとしたとき、前記調節手段は以下の条件式
D≧2a×f_fly×NA_cl／ｐ
を満たすように前記光束径を調節することとも言い換えられる。

また、前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズの瞳径をｑとしたとき、前記光束径をDとしたとき、前記調節手段は以下の条件式
D≦ｑ／γ
を満たすように前記光束径を調節することも望ましい。

さらに、前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズの瞳径をｑとし、前記光束径をDとしたとき、
前記調節手段は以下の条件式
2a×f_fly×NA_cl／ｐ≦D≦ｑ／γ
を満たすように前記光束径を調節することはさらに望ましい。

本発明の課題は、光源から射出した発散光を平行光束に変換するコレクタレンズと、前記コレクタレンズの後側焦点近傍位置に配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズにより結像された複数光源像を対物レンズの入射瞳に投影する落射投光管を有する顕微鏡照明装置において、前記コレクタレンズと前記フライアイレンズの間の光束径をDとし、前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズは複数の対物レンズから選択され、その瞳径をｑとしたとき、
以下の条件式
2a×f_fly×NA_cl／ｐ≦D≦ｑ／γ
を満たす最適化によって解決される。

本発明の簡略として、調整手段を持たずに、利用される対物レンズを幾つかに限定して、初めからそれらに最適化された照明光学系を構成するという方法も考えられる。このとき、これらの対物レンズの瞳径の中で最小のものに最適化をすることも可能であるし、平均値に最適化することも可能である。

本発明によれば、光源からの照明光を無駄なく試料面に投影するためのフライアイ光学系を提供する。また、使用する対物レンズに応じて最適な照明効率を達成した照明が得られる。つまり、同じ光源を用いた場合でも、より明るい照明が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明を行う。
図1はフライアイレンズの形状の一例を示した図である。図１(a)の上面図に示されるように、フライアイレンズ１は小型のエレメンタルレンズ２を規則正しく配置して作られた光学素子である。そしてこの形状により、フライアイレンズまたはレンズアレイと呼ばれる。

図１(b)はフライアイレンズ１の断面を示す略図である。同図に示されるように、フライアイレンズ１のエレメンタルレンズ２の曲率は表面と裏面で光軸が一致するように配置されている。また、図１(c)はフライアイレンズ１の変形例の断面を示す略図である。同図に示されるフライアイレンズ１は凸平フライアイレンズを2枚組み合わせたような構成をしている。この構成によるフライアイレンズ１は焦点距離が長いものに対し、製造が容易である。

図２はフライアイレンズが照明ムラを補正する仕組みを説明するための概略図である。同図では図面の見易さのために、光線を表す線を適宜省略して表している。また、一般的な対物レンズ６は瞳位置が対物レンズの中にあるので、瞳をリレーする光学系を備える（図５を参照）。

図２の構成例では、光源３から放射された照明光はコレクタレンズ４によって並行光束に変換され、フライアイレンズ１に照射される。このとき、フライアイレンズの焦点距離をフライアイレンズ１の表面と裏面の間の距離程度に設計しておけば、フライアイレンズ１の射出面付近に、光源３の像がエレメンタルレンズの数だけ結像する。つまり、フライアイレンズ１の射出面が多数の小光源（光源３の像５、５’、…）で構成された新しい光源と見做すことができる。

このとき、光源３の像５、５’、…は光源３から射出される照明光の射出角度に対応して輝度が決まる。つまり光源３の像５、５’、…は光源３の配光分布を分割した光源となっている。そこで、フライアイレンズ１の射出面を対物レンズ６の瞳面（あるいは瞳面の共役の位置）に設定することにより、光源３の配光特性を打ち消した照明が実現される。

以上のようにフライアイレンズを用いた照明は光源の配光特性によるムラを補正することが出来るが、照明光の欠損を考慮する必要がある場合がある。そこで、以下ではフライアイレンズを使った照明光学系の最適化に関して説明する。

図３は光源３からフライアイレンズ１の射出面までの光学系を抜き出したものである。さらに図３では光学系の最適化のために必要なパラメータを付している。
同図において、光源３の最大直径をａとする。また、コレクタレンズ４の焦点距離をf_clとし、開口数をNA_clとする。フライアイレンズ１の焦点距離はf_flyである。なお、ここでの光源３は、フライアイレンズの照明光学系の性能を議論するために、理想的に直径aの円形で輝度分布が一定なものを考える。例えばそのような光源としては、LEDのような面光源や、インテグレーターロッドの端面等の２次光源が考えられる。なお、添付の図中では記載の容易のために光源３はフィラメントを持つ光源のように描かれているが、本願発明の実施にはフィラメントを有する光源に限定されるものではない。

このとき、フライアイレンズ１の射出面における光源３の像の最大直径をｂとすると、b=a×f_fly/f_clで与えられる。また、コレクタレンズ４から射出される光束径をDとすると、D=2f_cl×NA_clで与えられる。

ここで一つの条件が与えられる。つまり、光源の像５の大きさがフライアイレンズ１のエレメンタルレンズ２の内接円の直径を上回った場合は、光源３の像がエレメンタルレンズ２の内径によってケラレてしまい好ましくない。つまり、本発明で利用される最適化の条件は
ｂ＝a×(f_fly/ f_cl )≦p ・・・（１）
である。ただし、エレメンタルレンズ２の内径をｐとする。図４はこの条件を図示したものである。

また、この条件は
D≧2a×f_fly×NA_cl／ｐ ・・・（２）
とも表現される。

なお特許文献２では、Ｗを光源の幅寸法、Ｄ１を光源の高さ寸法、ｆｃをコレクタレンズの焦点距離、ｆｅを前記フライアイレンズを構成する一素子の焦点距離、ｄを前記フライアイレンズを構成する一素子の内接円の半径としたとき、
ｄ／２＜（Ｗ^２＋Ｄ１^２）^１／２×（ｆｅ／ｆｃ）＜ｄ
を満たす構成について開示している。この条件を本発明における上記記法に書き改めると、
p/4≦ａ×(ｆ_fly／ｆ_cl)≦p/2
となり、本発明における上記最適化条件（１）は特許文献２よりも大きな光源を使うことが出来る。

次に、本発明の最適化における他の条件について説明する。図５はフライアイレンズを使った照明光学系におけるフライアイレンズ１の射出面から対物レンズ６まで光路を抜き出した模式図である。同図では図２では省略されていた落射投光管７に関しても図示されている。落射投光管７の役割は照明光を対物レンズ６に導くために利用されると共に、視野絞り８によって照野を制限する。

図５では、落射投光管７の光学系は第一の落射投光管レンズ９と第二の落射投光管レンズ１０によって模式的に表される。このとき第一の落射投光管レンズ９の焦点距離をf₁とし、第二の落射投光管レンズ１０の焦点距離をf₂とすると、フライアイレンズ１の射出面に映し出された光源３の像５たちによって構成された擬似面光源の径Ｄは、対物レンズ６の瞳位置にD×(f₂/f₁)の大きさで投影される。この瞳位置での光源像１１の大きさが対物レンズ６の瞳径qよりも大きくなってしまうと、その部分の照明光は欠損されてしまい好ましくない。つまり、
D×(f₂/f₁)≦q ・・・（３）
を満たすことが望ましい。なお、f₂/f₁は落射投光管の投影倍率となっている。

以上から、コレクタレンズ４から射出される光束径Dは小さすぎてもいけなく（式（２）を参照）、大きすぎてもいけない（式（３）を参照）。しかも最適な条件は対物レンズ（の瞳径）に依存している。

図６は２つの対物レンズ（１０倍の対物レンズと４０倍の対物レンズ）において光束径Dを変化させたときの照明効率をグラフ化したものである。同図に示されるグラフから読み取れるように、照明効率を最大化させる光束径Ｄは対物レンズによって異なる。

フライアイ端面上に形成される擬似平面光源像の輝度分布は光源の配光特性分布がそのまま反映されるので、その事を考慮して、対物瞳で欠損する照明効率を計算する必要があるが、ここでの照明効率計算は、光源の配光特性が等方的であるとみなし計算している。

光源の配光特性がある場合にも、同様な議論で、照明効率が最大となる光束径Dは対物レンズによって異なる。
そこで、本発明による光学系の最適化は利用する対物レンズによって適切に選択されることが望まれる。あるいは対物レンズの選択を制限して、それらの対物レンズに最適化された照明光学系を固定して利用する方法も考えられる。

図７は光束径Ｄを可変にするための調節手段の例として、コレクタレンズ４をリボルバ１２によって選択する構成を示している。本調節手段では光源３から射出された照明光はリボルバ１２の回転によって選択されたコレクタレンズ４によって光束径Ｄの平行光束に変換されフライアイレンズ１に入射される。このとき、本発明の最適化による上記条件式（２）と（３）を満たすようにコレクタレンズを選択することが望ましい。

この条件を満たしてフライアイレンズ１に入射された照明光は、フライアイレンズ１の射出面でも、対物レンズ６の瞳面でもケラレを起こすことなく、ステージ１５上の試料１４を照らすことが出来る。なお、同図において符号１３はダイクロイックミラーやハーフミラーなどの光線分離手段である。このとき、落射明視野観察においては光線分離手段１３としてハーフミラーを用いることが一般的であり、落射蛍光観察においては光線分離手段１３としてダイクロイックミラーを用いることが一般的である。また、ダイクロイックミラーを用いる場合は単独で用いることは少なく、励起フィルターと蛍光フィルターと共にユニット化したもの（蛍光キューブと呼ばれる）を利用することが一般的である。

光線分離手段１３によって照明光と分離された観察光は結像レンズ１６によってＣＣＤなどの撮像素子１７の受光面に結像される。もちろん、接眼レンズを通して裸眼観察する構成も考えられる。

図８はリボルバ１２の光軸横断面方向の概略図である。本例においてリボルバ１２は４枚のコレクタレンズ4a,4b,4c,4dが配置され、リボルバ１２の回転によってコレクタレンズを選択できる仕組みに構成されている。

図９は光束径Ｄを可変にするための他の調節手段の例として、コレクタレンズ４をバリエータとよばれる駆動式レンズを含む光学系とする構成を示している。本調整手段のコレクタレンズ４は複数枚のレンズによって構成され、その中の一部のレンズを駆動させることにより、コレクタレンズ４の光学系としての焦点距離f_clを変えることが出来る。このように焦点距離f_cl（および光源３との距離）が変化すると、光束径Ｄも変化することが、関係式D=2f_cl×NA_clから容易に理解される。つまり、コレクタレンズ４の光学系を駆動させて光束径Ｄを本発明の最適化の条件を満たすように適切に調節することによって、無駄の少ない最適な照明が実現される。

なお、本発明の変形例として、落射投光管７の光学系を可変とする構成も考えられる。例えば、落射投光管７の光学系を変倍光学系にすれば、対物レンズ６の瞳位置での光源像１１の大きさを変えることが出来る。この構成ではフライアイレンズの射出面でのケラレを防ぐことは出来ないが、対物レンズ６の瞳径によるケラレは防ぐことが出来る。

フライアイレンズの概観図である。 フライアイレンズ照明系の仕組みを説明するための概略図である。 光源からフライアイレンズの射出面までの光学系の光路図である。 フライアイレンズの射出面での条件を説明する図である。 フライアイレンズの射出面から対物レンズまでの光学系の光路図である。 光束径と照明光率の関係を表すグラフである。 本発明の実施による顕微鏡の構成例（その一）の模式図である。 構成例（その一）のレボルバの構成例を説明する図である。 本発明の実施による顕微鏡の構成例（その二）の模式図である。

符号の説明

１ フライアイレンズ
２ エレメンタルレンズ
３ 光源
４ コレクタレンズ
５ 光源の像
６ 対物レンズ
７ 落射投光管
８ 視野絞り
９ 第一の落射投光管レンズ
１０ 第二の落射投光管レンズ
１１ 瞳位置での光源像
１２ リボルバ
１３ 光線分離手段
１４ 試料
１５ ステージ
１６ 結像レンズ
１７ 撮像素子

Claims (8)

1. 光源から射出した発散光を平行光束に変換するコレクタレンズと、
   前記コレクタレンズの後側焦点位置近傍に配置されたフライアイレンズと、
   前記フライアイレンズにより結像された複数光源像を対物レンズの入射瞳に投影する落射投光管を有する顕微鏡照明装置において、
   前記対物レンズの選択に応じて前記コレクタレンズと前記フライアイレンズの間の光束径を変化させる調節手段を有する、
   ことを特徴とする顕微鏡照明装置。
2. 前記調節手段は光学特性の異なる複数のコレクタレンズを備え、前記コレクタレンズを光路中に選択的に挿脱可能とすることによって前記光束径を変化させることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡照明装置。
3. 前記調節手段は前記コレクタレンズが複数枚のレンズで構成され、その一部のレンズが駆動することによって前記光束径を変化させることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡照明装置。
4. 前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズの焦点距離をｆ_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとしたとき、
   前記調節手段は以下の条件式
   ａ×（ｆ_fly／ｆ_cl）≦ｐ
   を満たすように前記コレクタレンズの焦点距離を調節することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の顕微鏡照明装置。
5. 前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記光束径をDとしたとき、
   前記調節手段は以下の条件式
   D≧2a×f_fly×NA_cl／ｐ
   を満たすように前記光束径を調節することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の顕微鏡照明装置。
6. 前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズの瞳径をｑとし、前記光束径をDとしたとき、
   前記調節手段は以下の条件式
   D≦ｑ／γ
   を満たすように前記光束径を調節することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の顕微鏡照明装置。
7. 前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズの瞳径をｑとし、前記光束径をDとしたとき、
   前記調節手段は以下の条件式
   2a×f_fly×NA_cl／ｐ≦D≦ｑ／γ
   を満たすように前記光束径を調節することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の顕微鏡照明装置。
8. 光源から射出した発散光を平行光束に変換するコレクタレンズと、
   前記コレクタレンズの後側焦点位置近傍に配置されたフライアイレンズと、
   前記フライアイレンズにより結像された光源像を対物レンズの入射瞳に投影する落射投光管を有する顕微鏡照明装置において、
   前記コレクタレンズと前記フライアイレンズの間の光束径をDとし、前記光源の最大直径をａとし、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ_flyとし、前記コレクタレンズのＮＡをNA_clとし、前記フライアイレンズの素子の内接直径をｐとし、前記落射投光管の投影倍率をγとし、前記対物レンズは複数の対物レンズから選択され、その瞳径をｑとしたとき、
   以下の条件式
   2a×f_fly×NA_cl／ｐ≦D≦ｑ／γ
   を満たすことを特徴とする顕微鏡照明装置。