JP2010008646A - Microscope device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to a microscope apparatus.
顕微鏡装置の一例である平行系実体顕微鏡は、被検物体(標本)から出た光を一つの対物レンズで集光した後、2つの観察光学系に分割することにより、視差を持たせ、立体的な観察を可能としている。このような構成の実体顕微鏡は、アフォーカルズーム光学系と結像レンズとを組み合わせた結像光学系が用いられる。 A parallel stereomicroscope, which is an example of a microscope apparatus, collects light emitted from a test object (specimen) with a single objective lens and then divides the light into two observation optical systems, thereby providing parallax, Observation is possible. The stereomicroscope having such a configuration uses an imaging optical system in which an afocal zoom optical system and an imaging lens are combined.
このような実体顕微鏡において、被検物体を落射照明する場合には、一般的に観察光学系の途中(結像光学系の像側または対物レンズの像側)より照明光を導入するように構成されている。近年では、観察光学系とは別に、落射照明装置による照明光学系を設けて、共通の対物レンズを介して被検物体を照明する構成が提案されている(例えば、特許文献参照)。これは、高い結像性能を要求される観察光学系は、一般的にレンズ構成が複雑なので、観察光学系とは別の比較的単純な構成の照明光学系を用いることにより、ゴースト、フレア、また、蛍光観察の場合には、励起光による観察光学系内での自家蛍光によるコントラストの低下を防ぐためである。
しかしながら,観察光学系とは別の照明光学系を配置し、共通の対物レンズを介して被検物体を照明する落射照明装置では、一つの対物レンズを、観察光が透過する領域と照明光が透過する領域とに分割しなければならないため、観察光学系の光学性能を優先すると十分な照明光を被検物体に照射することができず、反対に、照明光の光量の確保を優先すると、観察光学系の結像性能が悪くなるという課題があった。 However, in an epi-illumination apparatus in which an illumination optical system different from the observation optical system is arranged and illuminates the object to be examined through a common objective lens, the area through which the observation light is transmitted and the illumination light are transmitted through one objective lens. Since it must be divided into areas that transmit, if the priority is given to the optical performance of the observation optical system, it is not possible to irradiate the test object with sufficient illumination light, on the contrary, if priority is given to securing the amount of illumination light, There was a problem that the imaging performance of the observation optical system deteriorated.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光学性能が従来と同等でありながら、コントラストが高く高解像な観察画像と十分な光量の落射照明を得ることができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and a microscope apparatus capable of obtaining an observation image with high contrast and high resolution and epi-illumination with a sufficient amount of light while having optical performance equivalent to that of the prior art. The purpose is to provide.
前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、被検物体からの光を集光する対物レンズを含む2つの観察光学系と、この対物レンズを介して被検物体を照明する落射照明装置と、を有して構成される。また、落射照明装置を構成する照明光学系は、各々に開口絞りを有し、当該照明光学系内に配置された光源からの照明光を対物レンズに導く2つの光路と、照明光学系内の、光源近傍又は光源と共役な位置に配置され、2つ光路内に照明光を導く光路分割素子と、を有する。そして、対物レンズの光軸を像側へ延長した方向から見たときに、2つの観察光学系は、対物レンズの光軸を中心に略対称に配置され、照明光学系の2つの光路は、2つの観察光学系の光軸に垂直な直線に対して略対称かつ前記2つの観察光学系の光軸に対して略平行に配置される。 In order to solve the above problems, a microscope apparatus according to the present invention includes two observation optical systems including an objective lens that collects light from a test object, and an epi-illumination that illuminates the test object via the objective lens. And a lighting device. Each of the illumination optical systems constituting the epi-illumination apparatus has an aperture stop, and includes two optical paths for guiding illumination light from a light source disposed in the illumination optical system to the objective lens, and the illumination optical system. And an optical path dividing element that is arranged in the vicinity of the light source or at a position conjugate with the light source and guides the illumination light into the two optical paths. When viewed from the direction in which the optical axis of the objective lens is extended to the image side, the two observation optical systems are arranged substantially symmetrically about the optical axis of the objective lens, and the two optical paths of the illumination optical system are: They are arranged substantially symmetrically with respect to a straight line perpendicular to the optical axes of the two observation optical systems and substantially parallel to the optical axes of the two observation optical systems.
このような顕微鏡装置は、照明光学系の光源側瞳径をφPIとし、照明光学系の光源側瞳位置近傍に形成される光源像径をφSIとしたとき、次式
1.5φPI < φSI
の条件を満足することが好ましい。
Such microscopes apparatus, the light source side pupil diameter of the illumination optical system and phi PI, when a light source image size to be formed in the vicinity of the light source side pupil position illumination optical system and a phi SI, the following equation 1.5φ PI < φ SI
It is preferable to satisfy the following conditions.
また、このような顕微鏡装置において、照明光学系は、当該照明光学系内の光路分割素子が配置される位置の近傍に光源像を形成するリレー光学系を有することが好ましい。 In such a microscope apparatus, the illumination optical system preferably includes a relay optical system that forms a light source image in the vicinity of the position where the optical path splitting element is disposed in the illumination optical system.
このとき、照明光学系内のリレー光学系は、フライアイレンズを有し、当該フライアイレンズを介して、当該照明光学系内の光源と共役な位置に光源像を形成することが好ましい。 At this time, it is preferable that the relay optical system in the illumination optical system has a fly-eye lens and forms a light source image at a position conjugate with the light source in the illumination optical system via the fly-eye lens.
またこのとき、照明光学系の光源側瞳径をφPIとし、フライアイレンズの射出側有効径をφFIとしたとき、次式
1.5φPI < φFI
の条件を満足することが好ましい。
At this time, when the light source side pupil diameter of the illumination optical system and phi PI, and the exit side effective diameter of the fly-eye lens and phi FI, the following equation 1.5φ PI <φ FI
It is preferable to satisfy the following conditions.
また、このような顕微鏡装置において、照明光学系の2つの光路中には、上述の開口絞り及び光路分割素子で分割された2つの光束の各々の光束径を変更する照明用変倍光学系が配置されていることが好ましい。 In such a microscope apparatus, an illumination variable magnification optical system for changing the light beam diameter of each of the two light beams divided by the aperture stop and the optical path dividing element is provided in the two optical paths of the illumination optical system. It is preferable that they are arranged.
また、このような顕微鏡装置において、光路分割素子は、開口絞りと略共役な位置に配置されていることが好ましい。 In such a microscope apparatus, the optical path splitting element is preferably disposed at a position substantially conjugate with the aperture stop.
さらに、このような顕微鏡装置において、光路分割素子は、複数の反射光学素子で構成されていることが好ましい。あるいは、光路分割素子は、照明光学系の光軸に対して傾けて配置された複数のガラスブロックで構成されていることが好ましい。 Furthermore, in such a microscope apparatus, the optical path splitting element is preferably composed of a plurality of reflective optical elements. Alternatively, the optical path splitting element is preferably composed of a plurality of glass blocks arranged to be inclined with respect to the optical axis of the illumination optical system.
本発明に係る顕微鏡装置を以上のように構成すると、コントラストが高く高解像な観察画像と十分な光量を持った落射照明を得ることができる顕微鏡装置を提供することができる。 When the microscope apparatus according to the present invention is configured as described above, it is possible to provide a microscope apparatus that can obtain an observation image with a high contrast and a high resolution and an epi-illumination with a sufficient amount of light.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図1を用いて本実施形態に係る顕微鏡装置の一例として、実体顕微鏡の構成について説明する。この実体顕微鏡1は、被検物体O(以下、「物体O」と呼ぶ)の像を観察するための対物レンズ11を含む観察光学系10と、物体Oに照明光を照射する照明光学系20を有する落射照明装置と、を有して構成される。観察光学系10は、物体O側より順に、対物レンズ11、図示しないズーム光学系(このズーム光学系は、対物レンズ11から出射した略平行光束の径を変倍して略平行光束として出射するように構成されているアフォーカルズーム系である)、及び、図示しない結像レンズを有し、同じく図示しない接眼レンズを介して観察者が肉眼で物体Oを観察することや、結像レンズの焦点面若しくはその共役位置に配置された撮像素子(CCD等)によりデジタル画像に変換することを可能としている。なお、この実体顕微鏡1は、平行系実体顕微鏡であるため、1つの対物レンズ11に対して、互いに平行に配置された2つのアフォーカルズーム系及び結像レンズからなる結像光学系が設けられている。また、それぞれのアフォーカルズーム系内には、開口絞りが設けられている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of a stereomicroscope will be described as an example of the microscope apparatus according to the present embodiment with reference to FIG. The
一方、照明光学系20は、光源側から順に、この光源Sと、コレクタレンズ21、第1視野絞りFS1及びリレーレンズ22から構成され光源Sと共役な位置に光源の像を形成するリレー光学系28と、光路分割素子23と、フィールドレンズ24と、第2視野絞りFS2と、照明用結像レンズ25と、照明用変倍光学系26と、を有して構成される。なお、この照明光学系20も、フィールドレンズ24、第2視野絞りFS2、照明用結像レンズ25及び照明用変倍光学系26を2つずつ有し、互いに平行に配置された2つの光路29を形成している。ここで、照明光学系20内に照明用変倍光学系26を配置しているが、これは観察光学系10内に配置されるズーム光学系によって観察倍率を変更する際、観察視野の変化に照明範囲を合わせるためのである。観察視野が広い場合、照明範囲を観察視野に合わせて広く均一な照明を行い、観察倍率が高く観察視野が狭い場合は、照明範囲を狭く、且つ照明光の開口数(NA)を大きくし、明るい照明を行うことが可能となる。
On the other hand, the illumination
このように構成された照明光学系20において、光源Sから放射された照明光は、コレクタレンズ21で略平行光束に変換された後、リレーレンズ22で集光され光路分割素子23の先端P若しくはその近傍に光源Sの像を結像する。光路分割素子23は、光軸上にある先端Pを中心に放射状に広がる第1の反射光学素子(例えばミラー)23aと、この第1の反射光学素子23aと対向するように配置された第2の反射光学素子23bとが組み合わされて構成され、先端P側から入射した光束(光源Sの像)を2つの光束に分割するように構成されたものである。そして、この光路分割素子23で2つの光路29に分割された光束は、それぞれがフィールドレンズ24、照明用結像レンズ25及び照明用変倍光学系26を介して略平行光束に変換されて観察光学系10に入射し、対物レンズ11を透過して物体Oに照射される。すなわち、この実体顕微鏡1は、照明光学系20から出射した照明光を観察光学系10の対物レンズ11を介して物体Oに対して落射照明するように構成されている。ここで、この光路分割素子23の先端Pは、光源Sと共役であると共に、さらに、照明用変倍光学系26内の開口絞りASと略共役な位置に配置されている。つまり、光路分割素子23の先端Pは瞳共役位置となる。
In the illumination
互いに平行に配置された2つの観察光学系10は、図2に示すように、対物レンズ11の光軸を像側へ延長した方向から見たときに、対物レンズ11の有効径OPを透過する光束VPが、この対物レンズ11の光軸(中心)に対して略対称に配置されている。すなわち、2つの光束VPの中心を結ぶ直線が、対物レンズ11の光軸若しくはその近傍を通るように配置されている。そして、照明光学系20を構成する2つの光路29(フィールドレンズ24、照明用結像レンズ25及び照明用変倍光学系26)により対物レンズ11を通過する光束IPは、2つの観察光学系10を通過する光束VPを挟み、この2つの観察光学系10を通過する光束VPの中心線(観察光学系10の光軸)に垂直な直線に対して略対称かつ、前記2つの観察光学系10の光軸に対して略平行に配置されている。そのため、2つの光束IPの中心線に垂直な直線が対物レンズ11の光軸若しくはその近傍を通り、かつ、2つの光束VPの中心線(観察光学系10の光軸)に垂直な直線と略直交するように配置される。
As shown in FIG. 2, the two observation
対物レンズ11に対して、観察光学系10及び照明光学系20を以上のように配置すると、対物レンズ11の有効径OP内を通過する2つの観察光学系10を通過する光束VPを、最も効率良く配置することができ、物体Oの明るい像を観察することができる。また、観察光学系10をこのように配置しても、対物レンズ11の有効径OP内のうち、観察光学系10を通過する光束が使用しない領域に2つの照明光学系20を通過する光束IPを通すことができるため、十分な照明光を物体Oに照射することができるとともに、観察光学系10と照明光学系20を通過する光束VP,IPが重ならないように配置することができるため、ゴースト、フレアの発生、また、蛍光観察の場合には、励起光による観察光学系10内での自家蛍光によるコントラストの低下を防ぐことができる。
When the observation
なお、図3(a)に示すように、照明光学系の光路を分割せず、1つの照明光路を通過する光束IPだけで照明すると、試料に対して十分な照明光を照射することができず、図3(b)に示すように、やはり照明光学系の光路を分割せずに観察光学系を通過する光束VPを対物レンズの有効径OPの中心からずらして照明光学系を通過する光束IPの径を大きくすると、試料に照射される照明光の光量を増やすことはできるが、対物レンズ11の非対称の収差が観察光学系の光学性能に影響を与えてしまい好ましくない。
As shown in FIG. 3A, if the illumination optical system is not divided and only the light beam IP passing through one illumination optical path is illuminated, sufficient illumination light can be irradiated to the sample. First, as shown in FIG. 3B, the light beam VP passing through the observation optical system without dividing the optical path of the illumination optical system is shifted from the center of the effective diameter OP of the objective lens to pass through the illumination optical system. Increasing the IP diameter can increase the amount of illumination light applied to the sample, but is not preferable because the asymmetric aberration of the
一般的に落射照明では、照明光の強度は物体側の開口数(NA)の2乗に比例する。これは、対物レンズ11の焦点距離が同じ場合、照明光の強度が瞳の面積に比例することになる。図4は、照明光学系20の光源側瞳像PIと、この光源側瞳位置近傍に形成される光源像SIを示している。上述のような構成の実体顕微鏡1においては、照明用変倍光学系26が高倍側になると、瞳共役位置P側から見た射出瞳径φPIは小さくなり、その結果、光源Sの像の径φSIより小さくなる。ここで、光源像SIの大きさ(直径φSI)が瞳径φPIの2倍以上ある場合、照明光学系20の瞳径φPIを制限することなく2つに分割することができる。そして、2つに分割した光源像を照明光学系20の瞳位置近傍に投影し、対物レンズ11を介して被検物体(物体O)を照明する場合、瞳の面積が2倍になり、より明るい照明を行うことが可能になる。特に上述のような構成の平行系実体顕微鏡1の場合、機構上観察光学系10が2つあるため、対物レンズ11の瞳面上、観察光が通過しない領域に、光源像を分割した照明光束を2つの照明光学系へ導入することが容易である。以上より、このような構成の実体顕微鏡1においては、光源像径φSIと照明光学系20の光源側瞳径φPIとが次の条件式(1)を満足することにより、光源像SIを有効に分割することができ、被検物体(物体O)をより明るく照明することが可能となる。
Generally, in the epi-illumination, the intensity of illumination light is proportional to the square of the numerical aperture (NA) on the object side. This means that when the focal length of the
1.5φPI < φSI (1) 1.5φ PI <φ SI (1)
なお、上述のように、光路分割素子23は、照明光学系20の照明用変倍光学系26の開口絞りASと略共役な位置にあるときに、照明光の利用効率が高くなるが、ズーミングによってこの照明用変倍光学系26の射出瞳位置は変化する。しかし、上記条件式(1)を満足すれば、光源像SIを有効に分割して物体Oに照射することができる。
As described above, when the optical
[変形例]
上述のように、射出瞳像PIの径φPIと光源像SIの径φSIとが条件式(1)を満足する場合、光源像SIを有効に分割することができるため、光源Sの径(光源像SIの径φSI)を大きくすると低倍端側でも光源像SIを有効に分割することができるようになる。しかしながら、光源Sの径を大きくすると、開口角が広がり、結果として光軸を中心とする中心部は明るくなるが、周辺部は暗くなり照度ムラが発生する。ここでは、この照度ムラを解消するために、図1におけるリレー光学系28において、リレーレンズ22の替わりにフライアイレンズ27を配置した構成の実態顕微鏡1′について図5を用いて説明する。この図5に示す実態顕微鏡1′は、観察光学系10と照明光学系20′を有する。なお、図1に示す実態顕微鏡1と同一の構成要素は同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
[Modification]
As described above, when the diameter phi SI diameter phi PI and the light source image SI of the exit pupil image PI satisfies the conditional expression (1), it is possible to effectively divide the source image SI, the diameter of the light source S it is possible to effectively divide the light source image SI in the a (diameter phi SI of the light source image SI) to increase the low power end side. However, when the diameter of the light source S is increased, the opening angle is widened, and as a result, the central portion with the optical axis as the center becomes bright, but the peripheral portion becomes dark and uneven illuminance occurs. Here, in order to eliminate this illuminance unevenness, an
照明光学系20′は、光源側から順に、この光源Sと、コレクタレンズ21及びフライアイレンズ27からなるリレー光学系28と、光路分割素子23′と、2つのフィールドレンズ24と、2つの第2視野絞りFS2と、2つの照明用結像レンズ25と、2つの照明用変倍光学系26と、を有して構成される。ここで、フライアイレンズ27は複数のマイクロレンズがアレイ状に配置されて構成されたレンズである。なお、この図5に示す実体顕微鏡1′において、光路分割素子23′は、2つのガラスブロック(例えば平行プリズム)を光軸に対して傾けて配置し、フライアイレンズ27から出射した光束を2つの光束に分割するとともに、各々の光路29を適当な距離にシフトさせるように構成されている。なお、図2で説明した対物レンズ11の有効径OPに対する観察光学系10を通過する光束VPと照明光学系20を通過する光束IPの配置については、この実体顕微鏡1′も同様である。
The illumination
この照明光学系20′において、光源Sから放射された照明光は、コレクタレンズ21で略平行光束に変換された後、フライアイレンズ27を構成する各々のマイクロレンズで集光されてこの照明光学系20′内の、光路分割素子23′が配置される位置(フライアイレンズ射出側端面)に光源像が形成される。そして、このフライアイレンズ27から出射した光束は、フライアイレンズ27の物体側の面の近傍に配置された光路分割素子23′で2つの光束に分割され、分割された光束のそれぞれがフィールドレンズ24、照明用結像レンズ25及び照明用変倍光学系26を介して略平行光束に変換されて観察光学系10に入射し、対物レンズ11を透過して物体Oに照射される。なお、図1に示す実体顕微鏡1における第1視野絞りFS1は、図5に示す実体顕微鏡1′においては、フライアイレンズ27光源S側の面に相当し、フライアイレンズ27の対物レンズ11側の面が瞳共役面Pとなる。すなわち、フライアイレンズ27の光源S側の面FS1は第2視野絞りFS2と共役であり、フライアイレンズ27の対物レンズ11側の面Pは光源S及び照明用変倍光学系26内の開口絞りASと共役である。
In this illumination
上述のようにフライアイレンズ27は複数のマイクロレンズがアレイ状に配置されて構成されているため、それぞれのマイクロレンズによる光源像が標本面(物体O上)で重なり合い、照度ムラが打ち消され均一な照明を行うことができる。そのため、光源Sの径を大きくしても、照度ムラを少なくすることができ、かつ、瞳共役面の有効系を大きくすることができるので、光源像の分割をより容易にすることができる。図6は、図5に示す実体顕微鏡1′における光源側瞳位置での光源像FIを示している。この実体顕微鏡1′においても、射出瞳径が光源像の径の1/2以下となった場合、光源像を有効に分割することができ、物体Oをより明るく照明することが可能になる。フライアイレンズ27を用いると、上述のように光源Sの径を大きくしても照度ムラが無いため、照明用変倍光学系26の低倍側においても、有効に瞳を分割することができる。具体的には、この実体顕微鏡1′は、光源像FIの径φFIと照明光学系20の光源側瞳径φPI(図2に示す)とが次の条件式(2)を満足することにより、光源像FIを有効に分割することができ、物体Oをより明るく照明することが可能となる。
As described above, since the fly-
1.5φPI < φFI (2) 1.5φ PI <φ FI (2)
以上の説明のように、この顕微鏡装置1,1′では、観察光学系10とは別に、この2つの観察光学系10を挟むように2つの照明光学系20,20′を配置し、この照明光学系20,20′の光源側瞳位置近傍に光源像を形成してこの光源像を空間的に分割し、各々の光束を2つの照明光学系20,20′と対物レンズ11とにより物体Oを照明するように構成されているため、照明光学系20,20′の瞳の面積が2倍になり、より明るい照明を行うことが可能となる。また、対物レンズ11の中心に対して観察光学系10を対称に配置することができるため、この観察光学系10の結像性能を損なうことがない。さらに、観察光学系10を通過する光束VPと照明光学系20,20′を通過する光束IPとが、対物レンズ11において重ならないように配置することができるため、ゴースト、フレアの発生、また、蛍光観察の場合には、励起光による観察光学系10内での自家蛍光によるコントラストの低下を防ぐことができる。
As described above, in this
1,1′ 実体顕微鏡(顕微鏡装置) 10 観察光学系 11 対物レンズ
20,20′ 照明光学系 23,23′ 光路分割素子
26 照明用変倍光学径 AS 開口絞り 27 フライアイレンズ
28 リレー光学系 29 光路 O 物体(被検物体)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記対物レンズを介して前記被検物体を照明する落射照明装置と、を有し、
前記落射照明装置を構成する照明光学系は、
各々に開口絞りを有し、当該照明光学系内に配置された光源からの照明光を前記対物レンズに導く2つの光路と、
前記照明光学系内の、前記光源近傍又は前記光源と共役な位置に配置され、前記2つ光路内に照明光を導く光路分割素子と、を有し、
前記対物レンズの光軸を像側へ延長した方向から見たときに、前記2つの観察光学系は、前記対物レンズの前記光軸を中心に略対称に配置され、前記照明光学系の前記2つの光路は、前記2つの観察光学系の光軸に垂直な直線に対して略対称かつ前記2つの観察光学系の光軸に対して略平行に配置されたことを特徴とする顕微鏡装置。 Two observation optical systems including an objective lens for condensing light from a test object;
An epi-illumination device that illuminates the object to be examined through the objective lens,
The illumination optical system constituting the epi-illumination device is
Two optical paths each having an aperture stop and guiding illumination light from a light source disposed in the illumination optical system to the objective lens;
An optical path dividing element that is disposed in the vicinity of the light source in the illumination optical system or at a position conjugate with the light source, and that guides the illumination light into the two optical paths;
When viewed from the direction in which the optical axis of the objective lens is extended to the image side, the two observation optical systems are arranged substantially symmetrically about the optical axis of the objective lens, and the 2 of the illumination optical system The microscope apparatus, wherein the two optical paths are arranged substantially symmetrically with respect to a straight line perpendicular to the optical axis of the two observation optical systems and substantially parallel to the optical axes of the two observation optical systems.
1.5φPI < φSI
の条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡装置。 A light source side pupil diameter phi PI of the illumination optical system, when a light source image size to be formed on the light source side pupil position near the illumination optical system and phi SI, the following equation 1.5φ PI <φ SI
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
1.5φPI < φFI
の条件を満足することを特徴とする請求項4に記載の顕微鏡装置。 The source-side pupil diameter of the illumination optical system and phi PI, when an exit side effective diameter of the fly-eye lens was set to phi FI, the following equation 1.5φ PI <φ FI
The microscope apparatus according to claim 4, wherein the following condition is satisfied.
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