JP2010060753A

JP2010060753A - 顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2010060753A
Application number: JP2008225363A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mizuta; 正宏水田; Yumiko Ouchi; 由美子大内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】薄型の照明部を有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る顕微鏡装置１は、面状の発光領域である発光面を有する面発光体（導光板２１）を含みこの導光板２１から放射された光を試料Ｓに照射する照明光学系２と、対物レンズ３１を含み試料Ｓからの光を集光して当該試料Ｓの像を形成する結像光学系３と、を有して構成され、導光板２１は、結像光学系の入射瞳共役の位置またはその近傍に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。

従来の顕微鏡装置では、ケーラー照明が採用されており、ハロゲンランプ等の光源とコレクタレンズと偏向ミラーと投影レンズとによって光源像を対物レンズの瞳共役位置近傍に形成している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１３３３０８号公報

しかしながら、従来の顕微鏡装置の場合、装置を小型化するためには光軸を折り曲げるために偏向ミラーを使わざるを得ないので、照明部を薄型化することが困難であり、この照明部が厚くなると観察位置の上昇につながり、顕微鏡装置の使い勝手が悪くなるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、薄型の照明部を有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、面状の発光領域である発光面を有する面発光体を含みこの面発光体から放射された光を試料に照射する照明光学系と、対物レンズを含み試料からの光を集光して当該試料の像を形成する結像光学系と、を有して構成され、面発光体は、結像光学系の入射瞳共役の位置またはその近傍に配置される。

このような顕微鏡装置は、面発光体と結像光学系の入射瞳共役位置との間隔をｄとし、観察波長をλとし、入射瞳共役像を形成する軸上光線の開口数をＮＡとしたとき、次式
ｄ ≦ λ／（２ＮＡ²）
の条件を満足することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、照明光学系は、面発光体から放射された光を集光して試料に照射する集光レンズを有することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、面発光体の発光面の試料側に、この発光面から放射された光束の一部を遮光する遮光手段を配置することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、結像光学系は、試料の像を変倍する変倍レンズ群を有することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、集光レンズは、非球面形状に形成された面を少なくとも１面有することが好ましい。あるいは、集光レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置されたレンズアレイで構成されることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、面発光体は、光源と、発光面を有し、光源から放射された光を発光面から放射する導光板と、から構成されることが好ましい。

このとき、光源は、複数の白色ＬＥＤからなることが好ましい。あるいは、光源は、異なるピーク波長を持つ複数のＬＥＤからなることが好ましい。

さらに、このような顕微鏡装置において、面発光体および集光レンズの少なくともいずれか一方は、光軸に沿って移動可能に構成されることが好ましい。

本発明に係る顕微鏡装置を以上のように構成すると、薄型の照明部を有する顕微鏡装置を提供することができる。

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。

［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態として、図１に示す物体側テレセントリックな一般の光学顕微鏡装置について説明する。この光学顕微鏡装置１は、標本（標本面Ｓ）を照射する透過照明光学系２と、この標本（標本面Ｓ）を観察する観察光学系３と、を備えている。透過照明光学系２は、複数の白色または複数の異なる波長にピークを持つＬＥＤを光源とし、面状の発光領域である発光面２１ａを有する面発光体である導光板２１と、面発光する導光板２１から射出された光束の一部を遮光する遮光板２２と、面発光する導光板２１から射出された光束を標本面Ｓに向けて集光するための集光レンズ２３とが、この順で並んで構成される。また、観察光学系３は、標本面Ｓを透過した光束を集光して平行光束に変換する対物レンズ３１と、この対物レンズ３１から射出する平行光束を集光し、一次像Ｉ１を形成する結像レンズ３２と、この一次像Ｉ１を拡大観察するための接眼レンズ３３と、を有して構成される。

ここで、導光板２１は、ＬＥＤ等の点光源や冷陰極管等の線光源等、各種光源を使って面発光させるものである。例えば、ある構造を持ったアクリル板の端面に光源を配置して光源からの光を入射させ、このアクリル板の中で反射を繰り返すことでムラがなくなり、全反射角以下になった光が表面（発光面）から射出されるようになっている。このような導光板２１は、非常に薄く作ることができ、かつ、ムラなく非常に明るい面発光を得ることができる。

このような導光板２１に対して、光源に白色ＬＥＤのうち、現在最も良く利用されている青色ＬＥＤと黄色蛍光体を組み合わせたタイプを用いると、緑色と赤色の成分が不足して演色性に乏しくなる。それに対し、ＲＧＢ３種類のＬＥＤを組み合わせたマルチチップタイプ、若しくは、異なる波長にピークを持つワンチップタイプのＬＥＤを複数使うと、各色ＬＥＤの発光強度を変化させる駆動回路を作成し、観察者自身が調整することで、色度調整可能な照明を実現することができる。また、近年、近紫外ＬＥＤとＲＧＢ蛍光体の組合せによってワンチップタイプでも演色性に優れたものが発明されているので、それを使用することもできる。

本光学系はテレセントリックであるので、導光板２１及び遮光板２２を集光レンズ２３の焦点位置若しくはその近傍に重ねて配置する（導光板２１の標本面Ｓ側に遮光板２２を配置する）ことで、導光板２１及び遮光板２２は、対物レンズ３１の瞳と共役になる。もし、対物レンズ３１がテレセントリック性を多少損なっていたとしても、集光レンズ２３若しくは導光板２１の少なくとも一方が、対物レンズ３１の光軸に沿って平行移動する機構を設けることで、対物レンズ３１の瞳との共役を保つことができる。あるいは、照野と集光レンズ２３の焦点距離から決定される対物レンズ３１の瞳共役像の開口数を用いて決定される焦点深度内に導光板２１を配置すれば、移動機構がなくとも、共役を保つことができる。

なお、遮光板２２を可変絞りの形状にすれば、透過照明光学系２の開口数を調整する開口絞りとなり、標本面Ｓの直下に別の可変絞りを配置すれば、視野絞りとなる。

この光学顕微鏡装置１において、明視野観察を行う場合は、遮光板２２を光路から完全に取り外せば良い。若しくは、図２に示す顕微鏡装置１′のように、照明光学系２′をより薄型にするために、集光レンズを外し、導光板２１を標本面Ｓの直下に配置したとしても、明視野観察においては、支障はない。その際、可変絞りを標本面Ｓと導光板２１との間に挿入することで、視野を調整することができる。但し、対物レンズ３１の焦点深度内に導光板２１を配置すると、この導光板２１内部の構造が見えてしまい、観察に支障をきたす虞があるため、対物レンズ３１として、特に焦点深度の深い低倍の対物レンズを使用する際は、標本面Ｓから離れた位置に配置する方が良い。その際も、導光板２１を対物レンズ３１の光軸に対して平行移動する機構が有用である。

一方、位相物体の観察をするためには、対物レンズ３１の瞳共役像を遮光板２２の開口形状により制限し、偏斜照明することが必要である。図３（ａ）は集光レンズ２３側から見た瞳共役像ＰＩと遮光板２２との関係を示しており、矩形の遮光板２２を片側から軸Ａに沿って光路上に挿入することにより瞳共役像ＰＩを制限した場合である。この遮光板２２の法線ベクトルは光軸と平行であり、光軸と略垂直な面内で遮光板２２を移動させることで、標本面Ｓを偏斜照明することができる。なお、遮光板２２は矩形形状に限定されることはなく、図３（ｂ）に示すように、対物レンズ瞳共役像ＰＩの有効径よりも半径の小さな円形開口２２ａを有する遮光板２２′を光路上に挿入しても良いし、図３（ｃ）に示すように、スリット開口２２ｂを有する遮光板２２″を光路上に挿入しても良い。また、上記の開口形状に限らず、瞳共役面において対物レンズ瞳像ＰＩの面積より小さな開口を有し、それを光軸に対して略垂直な面内で移動させることで偏斜照明する場合も含まれる。なお、偏斜照明をすることで位相物体の観察が可能となる原理については、既に多くの文献などに紹介されているので、ここでは詳細な説明は省略する。

このような遮光板２２について、図４を用いてより詳しく説明する。図４は、図３（ａ）に示す矩形の遮光板２２の挿入方向を横軸とし、この遮光板２２による遮光率を縦軸とした場合のグラフである。図４（ａ）は、全面でほぼ１００％遮光した場合を示し、図４（ｂ）は挿入方向先端側の遮光率が５０％で逆側が１００％の場合を示し、図４（ｃ）は遮光率が挿入方向先端側から逆側にかけて連続的に上昇する場合を示している。位相差の大きな標本を観察する際には、図４（ａ）の構成の遮光板２２に比べて、図４（ｂ）や図４（ｃ）の構成の遮光板２２′，２２"方が、コントラストが付きすぎることによるギラつきを抑えることができ、観察に有用である。図３（ｂ）に示すように、円形開口２２ａを備えた遮光板２２′、及び、図３（ｃ）に示すように、スリット開口２２ｂを備えた遮光板２２″についても、開口部と遮光部の境界部において遮光率差が１００％ではなく、連続的に遮光率が上昇し、最終的に遮光率１００％に至る構成の方が、位相差の大きな標本を観察する際、有用である。

以上のような構成の顕微鏡装置１において、透過照明光学系２の更なる薄型化を実現するためには、集光レンズ２３の焦点距離を短くすることが有効である。しかし、集光レンズ２３は、薄型化のためできる限り少ない枚数のレンズで構成する必要があるため、焦点距離を短くした場合、収差の補正が困難である。そのため、このような場合は、集光レンズ２３の少なくとも１面の面形状を非球面にすることで、収差の補正効果を持たせることができる。あるいは、図５に示すように、図１に示す集光レンズ２１の代わりに、複数のマイクロレンズ２４ａがアレイ上に配置されたレンズアレイ２４を使用することで、一つのマイクロレンズ２４ａの焦点距離を短くすることができ、透過照明光学系２の薄型化が可能となる。但し、偏斜照明をする場合には、図５に示すように、マイクロレンズ２４ａの数だけ存在する入射瞳共役像ＰＩａの各々を遮蔽するように構成された遮光板２５を用いて遮光する必要がある。なお、このような構成の場合も、可変絞りを標本面Ｓと遮光板２２との間に挿入することで、視野を調整することができる。

このように、集光レンズ２３を標本面Ｓの直下に配置し、対物レンズ３１の入射瞳共役像を標本面Ｓに近づけ、その近傍に導光板２１及び遮光板２２を配置することで、薄型で比較的低倍から高倍に至るまで良好な明視野照明及び偏斜照明を行うことができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態として、変倍機構を有する平行実体顕微鏡装置の場合について説明する。図６は、実体顕微鏡装置の一例である単対物双眼実体顕微鏡装置１００を示しており、透過照明装置を内蔵するベース部（照明部）１０１、対物レンズ及び接眼レンズ１０４が取り付けられ、内部に変倍レンズ群及び結像レンズ群を有する変倍レンズ鏡筒１０３、及び、焦点合わせ装置１０５を有している。また、ベース部１０１の上面には、透明部材を埋め込んだ標本載置台１０２が設けられている。なお、対物レンズは、変倍レンズ鏡筒１０３の下部に設けられた対物レンズ取り付け部１０６に取り付けられている。この対物レンズ取り付け部１０６は、予め定められた複数の低倍率の対物レンズ及び複数の高倍率の対物レンズのうちから一つを選択して取り付けることができるようになっている場合と、予め定められた複数の低倍率の対物レンズ及び複数の高倍率の対物レンズのうちから複数を選択して取り付けられるようになっている場合がある。

変倍レンズ鏡筒１０３の内部には、左眼用と右眼用の変倍レンズ群及び結像レンズ群がそれぞれ配置され、この変倍レンズ鏡筒１０３の外側には変倍ノブ１０７が配置されている。変倍レンズ群には変倍のための可動群が含まれており、変倍ノブ１０７の回転により、予め定められた移動量に則り光軸方向に移動する。また、変倍レンズ群には可変絞りが含まれており、変倍レンズ鏡筒１０３にはこの可変絞りの調節機構が設けられている。また、焦点合わせ装置１０５は、焦点合わせノブ１０８と、この焦点合わせノブ１０８の回転に伴い変倍レンズ鏡筒１０３を軸に沿って上下動させる機構部（図示せず）とを有している。

ベース部１０１に内蔵された透過照明装置は、上述の図１を用いて説明した顕微鏡装置１の透過照明光学系２と同様に、複数の白色ＬＥＤまたは複数の異なる波長にピークを持つＬＥＤを光源とする導光板と、面発光するこの導光板から射出された光束の一部を遮光する遮光板と、面発光する導光板から射出された光束を標本に向けて集光するための集光レンズとから構成されている。なお、白色ＬＥＤと複数の異なる波長にピークを持つＬＥＤを光源とする導光板の使い分けについては、上述のとおりである。また、この実体顕微鏡１００において、図３に示した遮光板を挿抜する方向（軸Ａ）を、図６にも示す。

この実体顕微鏡装置１００における観察光学系は、複数種類の対物レンズ及び変倍機構を有しており、図１に示す顕微鏡装置１のようなテレセントリック光学系ではない。よって、図７に示すように、標本面Ｓを境にして照明側に形成される結像光学系の入射瞳共役像ＰＩの位置は、変倍レンズ群１３４の倍率によって大きく異なる。ここで、変倍レンズ群１３４は、固定群１３４ａと、可動群１３４ｂと、開口絞り１３４ｃと、を有して構成されている。特に、対物レンズ１３１として低倍対物レンズを装着し、変倍レンズ群１３４の倍率が最低倍である場合に、対物レンズ１３１の入射瞳共役像ＰＩは、標本面Ｓより最も離れたところに形成されるか、若しくは、像の実虚が入れ替わり、照明側には形成されないことになる。

図８に示すように、集光レンズ１２３を入れれば、低倍対物レンズ及び変倍レンズ群１３４の低倍域から高倍域の広い変倍域において、結像光学系の入射瞳共役像ＰＩを標本面Ｓを境にして照明側の、標本面Ｓに近い場所に形成することができ、導光板及び遮光板をこの入射瞳共役像ＰＩの位置若しくはその近傍に配置した場合、薄型の照明系を実現できる。また、結像光学系の入射瞳共役像ＰＩに対する開口数は視野に比例するので、狭視野つまり高倍域においては、その開口数は小さく焦点深度は深くなる。よって、高倍域では、近軸光線追跡で決定される対物レンズ１３１の入射瞳共役像点と導光板及び遮光板が、低倍域に比べてずれていたとしても、略共役関係を保つことができる。なお、共役関係を保つ別の方法として、集光レンズ１２３と導光板の少なくとも一方を光軸に沿って平行移動させる機構を設けても良い。

なお、明視野照明及び偏斜照明における遮光板の役割や遮光率の関係については、上述の顕微鏡装置１の場合と同様である。

なお、集光レンズを省き、図７（ａ）のような変倍レンズ群１３４の低倍域では導光板及び遮光板を結像光学系の入射瞳共役像ＰＩの位置若しくはその近傍に置くことをせず、図７（ｂ）にある変倍レンズ群１３４の高倍域でのみ導光板及び遮光板を結像光学系の入射瞳共役像ＰＩの位置若しくはその近傍に置くこととした場合、照明系のさらなる薄型化が実現する。但し、その場合、図７（ａ）のような変倍レンズ群１３４の低倍域では、導光板及び遮光板が結像光学系の入射瞳共役像ＰＩの位置若しくはその近傍に置かれていないので、遮光板で導光板の一部を遮蔽した場合に、偏斜照明効果が小さくなってしまう。

この実体顕微鏡装置１００においても、ベース部１０１（透過照明光学系）の更なる薄型化を実現するためには、集光レンズ１２３の焦点距離を短くすることが有効である。しかし、集光レンズ１２３は、薄型化のためできる限り少ない枚数のレンズで構成されるため、焦点距離を短くした場合、収差の補正が困難である。そのため、このような場合は、集光レンズ１２３の少なくとも１面の面形状を非球面にすることで、収差の補正効果を持たせることができる。

また、通常の実体顕微鏡装置１００の視野数は２２程度であり、結像系の総合倍率が１倍のとき、必要な視野は２２φである。集光レンズ１２３の有効径を２２φ以上にすることで、対物レンズ１３１の倍率と変倍レンズ群１３４の倍率とを掛け合わせた総合倍率が１倍以上において、偏斜照明が可能となる。有効径が２２φ以上のレンズで、焦点距離を短くしながら薄型化と収差補正を両立するためには、面形状の非球面化が有効である。また、この集光レンズ１２１を構成するガラスの高屈折率化も有効であり、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率が１．８以上が望ましい。

あるいは、上述のように、集光レンズ１２１の代わりに、複数のマイクロレンズがアレイ上に配置されたレンズアレイを用いることも透過照明光学系の薄型化に有効である。

なお、以上の説明において、導光板の光源を、例えば冷陰極管など他の光源にしたとしても、面発光体の薄さを利用する本発明の範囲内である。また、導光板の代わりに、有機ＥＬや無機ＥＬなどの薄型面光源を使用する場合も同様である。

また、上記２つの実施形態において、面発光体と結合光学系の入射瞳共役位置との間隔をｄとし、観察波長をλとし、入射瞳共役像を形成する軸上光線の開口数をＮＡとしたとき、次の条件式（１）を満足することが望ましい。

ｄ ≦ λ／（２ＮＡ²）（１）

物体側テレセントリックな光学顕微鏡装置の構成を示す説明図である。上記光学顕微鏡装置において、集光レンズを省略した場合の構成を示す説明図である。対物レンズの瞳共役像と遮光板との関係を示す説明図であって、（ａ）は、矩形状の遮光板を用いた場合を示し、（ｂ）は円形開口を有する遮光板を用いた場合を示し、（ｃ）はスリット開口を有する遮光板を用いた場合を示す。遮光板の挿入方向と遮光率の関係を示すグラフであって、（ａ）は均一な遮光率を有する遮光板を用いた場合を示し、（ｂ）は、２段階の遮光率を有する遮光板を用いた場合を示し、（ｃ）は連続的に変化する遮光率を有する遮光板を用いた場合を示す。集光レンズの代わりにレンズアレイを用いた場合の説明図である。実体顕微鏡装置の外観を示す斜視図である。対物レンズと変倍レンズ群により形成される射出瞳共役像の位置を説明するための説明図であって、（ａ）は変倍レンズ群が低倍であるときを示し、（ｂ）は変倍レンズ群が高倍であるときを示す。上述の光学系に集光レンズを設けた場合に形成される射出瞳共役像の位置を説明するための説明図であって、（ａ）は変倍レンズ群が低倍であるときを示し、（ｂ）は変倍レンズ群が高倍であるときを示す。

符号の説明

１，１００顕微鏡装置２照明光学系３結像光学系
２１導光板（面発光体）２１ａ発光面
２２遮光板２３集光レンズ３１，１３１対物レンズ
１３４変倍レンズ群Ｓ試料ＰＩ対物レンズの入射瞳共役像

Claims

面状の発光領域である発光面を有する面発光体を含み前記面発光体から放射された光を試料に照射する照明光学系と、
対物レンズを含み試料からの光を集光して当該試料の像を形成する結像光学系と、を有し、
前記面発光体は、前記結像光学系の入射瞳共役の位置またはその近傍に配置される顕微鏡装置。
前記面発光体と前記結像光学系の入射瞳共役位置との間隔をｄとし、観察波長をλとし、入射瞳共役像を形成する軸上光線の開口数をＮＡとしたとき、次式
ｄ ≦ λ／（２ＮＡ²）
の条件を満足する請求項１に記載の顕微鏡装置
前記照明光学系は、前記面発光体から放射された光を集光して前記試料に照射する集光レンズを有する請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
前記面発光体の前記発光面の前記試料側に、前記発光面から放射された光束の一部を遮光する遮光手段を配置したことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記結像光学系は、前記試料の像を変倍する変倍レンズ群を有する請求項１〜４いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記集光レンズは、非球面形状に形成された面を少なくとも１面有する請求項３〜５いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記集光レンズは、複数のレンズがアレイ状に配置されたレンズアレイで構成される請求項３〜５いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記面発光体は、光源と、前記発光面を有し、前記光源から放射された光を前記発光面から放射する導光板と、から構成される請求項１〜７いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
前記光源は、複数の白色ＬＥＤからなる請求項８に記載の顕微鏡装置。
前記光源は、異なるピーク波長を持つ複数のＬＥＤからなる請求項８に記載の顕微鏡装置。
前記面発光体及び前記集光レンズの少なくともいずれか一方は、光軸に沿って移動可能に構成された請求項１〜１０いずれか一項に記載の顕微鏡装置。