JP2009276544A - 顕微鏡照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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】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瞳に投影する落射投光管光学系と、前記対物レンズより射出された観察光を結像する結像レンズと、前記対物レンズと前記落射投光管光学系の間に配置された、少なくともーつのフィルターを有する蛍光キューブをそなえる顕微鏡照明装置において、以下の条件式
γ²・ｆ_fly・Ｄ ＜ γ・ｆ_fly・φ−ｈ・ｐ
を満たす。
【選択図】 図２

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。
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。

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瞳に投影する落射投光管光学系と、
前記対物レンズより射出された観察光を結像する結像レンズと、前記対物レンズと前記落射投光管光学系の間に配置された、少なくともーつのフィルターを有する蛍光キューブを備えた顕微鏡照明装置において、以下の条件式
γ²・ｆ_fly・Ｄ ＜ γ・ｆ_fly・φ−ｈ・ｐ ・・・（８）’
を満たすことによって解決される。

ただし、γは前記落射投光管光学系の投影倍率であり、ｆ_flyは前記フライアイレンズの焦点距離であり、Ｄは前記フライアイレンズの有効径であり、φは前記蛍光キューブ内の前記フィルターの有効径であり、ｈは前記フィルターと前記対物レンズの瞳位置の間の距離であり、ｐは前記フライアイレンズのピッチ間隔である。

上記条件式を満たすことにより、蛍光キューブ内のフィルター（典型的には励起フィルター）によるケラレが避けられ、視野周辺においても均質な照明が達成される。
上記構成に加えて、以下の条件式
18.0・γ・ｆ_fly＜ｐ・β・ｆ_OB＜26.5・γ・ｆ_fly ・・・（１１）’
を満たすことが好ましい。ただし、βは前記対物レンズの倍率であり、ｆ_OBは前記対物レンズの焦点距離である。

顕微鏡の対物レンズには視野数と呼ばれる見掛けの視野を定める性能があり、この値は人間の視野角に合わせて、１８．０から２６．５までの範囲で設計される。すなわち、この範囲を超えた照明範囲はオーバースペックであり、また、この範囲を下回っては目的を達していない。上記条件式を満たすような顕微鏡照明装置では、視野数の範囲を考慮した最適な照明が実現される。

上記条件式（１１）’を、以下の条件式
18.0・γ・ｆ_fly＜ｐ・ｆ_TL＜26.5・γ・ｆ_fly ・・・（１２）’
に置き換えても、同等の効果を持つ顕微鏡照明装置が実現される。ただし、ｆ_ＴＬは前記結像レンズの焦点距離である。

顕微鏡の対物レンズは無限遠補正型と呼ばれるものであり、結像レンズと共に利用される。そのとき、対物レンズの倍率βは対物レンズの焦点距離ｆ_OBと結像レンズの焦点距離ｆ_TLをつかってｆ_TL＝ｆ_OB・βと表現される。この関係式により、条件式（１２）’は条件式（１１）’と同等であることが解る。

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焦点距離をｆ_clとしたとき、以下の条件式
ａ・（ｆ_fly／ｆ_cl）≦ p ・・・（１）
を満たすことが好ましい。

上記条件を満たす顕微鏡照明装置ではフライアイレンズでの照明光の欠損を防ぐことができる。
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ピッチ間隔をpとし、以下の条件式
Ｄ≧２ａ・ｆ_fly・NA_cl／ｐ ・・・（２）
を満たすことも好ましい。

上記条件を満たす顕微鏡照明装置でもフライアイレンズでの照明光の欠損を防ぐことができる。
さらに、前記対物レンズの瞳径をｑとしたとき、以下の条件式
Ｄ≦ｑ／γ
を満たすことも好ましい。上記条件を満たすことによって、対物レンズの瞳径での欠損を防ぐことができる。

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。

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を顕微鏡の落射照明光学系に組み入れた場合の全体の概略図である。同図に示された顕微鏡の照明光学系は、照明光を放射する光源３と、照明光を平行光束化するコレクタレンズ４と、平行光束中に配置されたフライアイレンズ１と、フライアイレンズ１によって作られる光源３の像を対物レンズ６の瞳位置７に投影する投光管光学系８，９を備え、投光管光学系８、９の間には視野絞り１０が配置されている。

本構成の顕微鏡の観察光学系は、主に対物レンズ６と結像レンズによって構成され、いわゆる無限遠補正型の光学系をなしている。また、照明光学系と観察光学系は、対物レンズ６と結像レンズ１１の間に配置されたダイクロイックミラー１２によって分離され、そのダイクロイックミラー１２の付近にはより光線分離を確実にするために励起フィルター１３とバリアフィルター１４を備えている。

次に本構成における光線の流れを説明する。光源３から放射された照明光はコレクタレンズ４によって平行光束に変換され、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の射出面にが多数の小光源（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。

投光管光学系８、９はフライアイレンズ１の射出面に形成される面光源を対物レンズ６の瞳面にリレーする。本構成の投光管光学系は正パワーのレンズ８と正パワーのレンズ９によって構成され、正パワーのレンズ８と正パワーのレンズ９の間には標本面と共役な面ができる構成となっている。つまり、この標本面と共役な面に視野絞り１０を配置することによって、標本面での照明範囲を調節することができる。

本構成の観察光学系は無限遠補正型となっている。すなわち、対物レンズ６と結像レンズ１１の間では、標本から光線追跡を行った場合に平行光束となっている。このことによって、対物レンズ６と結像レンズ１１の間の光束中にダイクロイックミラー１２を配置した場合でも結像に影響が少ない。

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が、本発明がこれらの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。このとき、コレクタレンズ４の有効径を十分に大きくしておけば、コレクタレンズ４から射出される光束径D’は後段のフライアイレンズ１の有効径Ｄと見做しうる。

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（すなわちピッチ間隔）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のピッチ間隔をｐとする。図３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。

次に、図４を使ってフライアイレンズ１から対物レンズ６の瞳位置７までの光路で生じる照明光の欠損を説明する。同図は図２におけるフライアイレンズ１から標本面までの光線図を、便宜上ダイクロイックミラー１２で折り返さずに記載したものである。さらに必要な光学的パラメータを付している。

フライアイレンズ１の端面から射出した照明光のＮＡをNA_flyとし、これが投光管光学系８，９を通じて対物レンズ６の瞳位置７に入射するときのＮＡをNA_OBとすると、投光管光学系８、９の投影倍率γを使って以下のように表現される。

NA_fly＝γNA_OB ・・・（３）
ここで、投光管光学系８、９の焦点距離をそれぞれｆ_１、ｆ_２と置けば、γ＝ｆ_２／ｆ_１となる。

また、フライアイレンズ１の有効径をＤとし、対物レンズ６の瞳位置７での投影像の径をｑ’とすると、
ｑ’＝γＤ ・・・（４）
という関係が成り立つ。この値ｑ’が対物レンズ６の瞳径ｑよりも小さいことが好ましいので、
ｑ＞γＤ ・・・（５）
という条件ができる。

このとき、照明光が励起フィルター１３によってケラレが生じない条件は
φ_BP＞ｑ’＋２ｈ・ＮＡ_OB ・・・（６）
となる。

一方、フライアイレンズ１の端面から射出した照明光のＮＡは、
NA_fly＝ｐ／２ｆ_fly ・・・（７）
となる。

よって上記の（３）、（４）、（６）、（７）から、射出された照明光が励起フィルターによってけられずに対物レンズ６の瞳位置７まで到達するためのフライアイレンズ１の条件は、

となる。
次に対物レンズが持っている視野数Ｓと倍率βによる制限を考える。図５はこの視野数Ｓと倍率βによる制限について模式的に説明したものである。一般に対物レンズには視野数と呼ばれる見掛けの視野範囲を表す性能をもっている。そして実視野範囲はこの視野数Ｓと倍率βによって、Ｓ／βと表される。この視野数は実際的には接眼レンズに配置された視野絞りの大きさを表しているのだが、対物レンズの性能として考えると、瞳位置７での最大の照明光の入射ＮＡを意味する。このことは、条件式（６）との関係を考慮すると、本発明に関連が深い。

すなわち、ここに対物レンズの性能から生じる照明光の制限が存在する。たとえムラのない照明が実現されていても、それが必要な範囲を照らしていなければ役に立たないし、逆にあまりにも広い照明範囲を実現しようとしてもオーバースペックとなってしまう。

なお、この視野数は見掛けの視野範囲を表していることから、人間の視界の能力に合わせて略決まっており、１８．０から２６．５の範囲で設計される。
図５より読み取れるように、視野数Ｓ、倍率β、焦点距離ｆ_OBの対物レンズでは瞳位置７での最大のＮＡは以下のように表される。

すなわち、視野数が１８．０から２６．５の範囲であるときにＮＡ’_OBは以下のような範囲をとる。

そしてこのＮＡ’_OBが関係式（３）で与えられるNA_OBを制限する。
関係式（３）と関係式（７）を使うと条件式（１０）は以下のように書かれる。

また、対物レンズの倍率βは対物レンズの焦点距離ｆ_ＯＢと結像レンズの焦点距離ｆ_ＴＬを使って表現できるので、この条件式（１１）は以下の表現も可能である。

以下では、上述の条件式を満たした実施例の数値データを開示する。

以下に示される数値データは、正立型顕微鏡において水銀アーク光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１０倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、正立型顕微鏡において水銀アーク光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは４０倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、倒立型顕微鏡において水銀アーク光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１００倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、倒立型顕微鏡においてリキッドファイバーによる２次光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１００倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、倒立型顕微鏡においてＬＥＤ光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１０倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、倒立型顕微鏡においてＬＥＤ光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１００倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

以下に示される数値データは、倒立型顕微鏡においてＬＥＤ光源を使った落射照明を用いたものを想定している。なお、対物レンズのデータは１０倍のものを想定してある。

これらの数値を使った実施例では、上述の条件式（１）（５）（８）（１１）を満たすことが容易に確かめられる。

フライアイレンズの形状を説明する図 フライアイレンズを落射照明光学系に組み入れた概略図 光源からフライアイレンズの射出面までの光学系の概略図 フライアイレンズから対物レンズまでの光学系の概略図 対物レンズの視野数と瞳位置でのＮＡの関係を説明する図

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 対物レンズの瞳位置
８ 投光管光学系
９ 投光管光学系
１０ 視野絞り
１１ 結像レンズ
１２ ダイクロイックミラー
１３ 励起フィルター
１４ バリアフィルター

Claims (6)

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瞳に投影する落射投光管光学系と、
   前記対物レンズより射出された観察光を結像する結像レンズと、
   前記対物レンズと前記落射投光管光学系の間に配置された、少なくともーつのフィルターを有する蛍光キューブを有する顕微鏡照明装置において、
   以下の条件式
   γ²・ｆ_fly・Ｄ ＜ γ・ｆ_fly・φ−ｈ・ｐ
   を満たすことを特徴とする顕微鏡照明装置。
   ただし、γは前記落射投光管光学系の投影倍率であり、ｆ_flyは前記フライアイレンズの焦点距離であり、Ｄは前記フライアイレンズの有効径であり、φは前記蛍光キューブ内の前記フィルターの有効径であり、ｈは前記フィルターと前記対物レンズの瞳位置の間の距離であり、ｐは前記フライアイレンズのピッチ間隔である。
2. 請求項１に記載の顕微鏡照明装置において、以下の条件式
   18.0・γ・ｆ_fly＜ｐ・β・ｆ_OB＜26.5・γ・ｆ_fly
   を満たすことを特徴とする顕微鏡照明装置。
   ただし、βは前記対物レンズの倍率であり、ｆ_OBは前記対物レンズの焦点距離である。
3. 請求項１に記載の顕微鏡照明装置において、以下の条件式
   18.0・γ・ｆ_fly＜ｐ・ｆ_TL＜26.5・γ・ｆ_fly
   を満たすことを特徴とする顕微鏡照明装置。
   ただし、ｆ_ＴＬは前記結像レンズの焦点距離である。
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としたとき、
   以下の条件式
   ａ・（ｆ_fly／ｆ_cl）≦ p
   を満たす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、以下の条件式
   Ｄ≧２ａ・ｆ_fly・NA_cl／ｐ
   を満たすことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の顕微鏡照明装置。
6. 前記対物レンズの瞳径をｑとしたとき、以下の条件式
   Ｄ≦ｑ／γ
   を満たすことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の顕微鏡照明装置。