JP2010134234A

JP2010134234A - 光学機器

Info

Publication number: JP2010134234A
Application number: JP2008310756A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suzuki; 康夫鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】照明ムラの発生を抑制する。
【解決手段】フライアイレンズ１４は、コリメータレンズ１３により平行な光束とされた照明光の光軸に直交する側面の少なくとも一方に配列された複数の凸曲面により複数の光源像を形成し、リレーレンズ１６および１８、並びにコンデンサレンズ２０を含むリレー光学系により、フライアイレンズ１４の複数の凸曲面それぞれを通過した照明光が伝達されて物体面２１に重畳される。そして、モータ２４により、照明光の光軸に対して相対的にフライアイレンズ１４の複数の凸曲面が移動するように、凸曲面が配列されている側面に沿ってフライアイレンズ１４が駆動される。本発明は、例えば、フライアイレンズを用いた光学系を有する顕微鏡に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器に関し、特に、照明ムラの発生を抑制することができるようにした光学機器に関する。

例えば、特許文献１には、顕微鏡における観察対象の照明方法として、フライアイレンズを使用した照明光学系を用いて照明ムラを低減することができる照明方法が開示されている。フライアイレンズは、例えば、透明な光学基板（樹脂やガラスなど）に複数の凸曲面が形成された光学素子であり、それらの凸曲面がそれぞれ独立したレンズとして機能する。

特開２００２−６２５５号公報

ところで、フライアイレンズは、一般的に、金型を用いた射出成形により製造され、フライアイレンズの成形に用いられる成形型には、フライアイレンズが有する複数の凸曲面に対応する凹曲面が形成されている。そして、この凹曲面の加工時に、加工ツールの加工方向に応じた加工痕（所謂、ツールマーク）が形成され、フライアイレンズを製造する際に、加工痕が凸曲面に転写されることがある。

ここで、凹曲面に形成される加工痕は、成形型の複数の凹曲面それぞれで共通している（各凹曲面で同一の位置、かつ同一の方向に形成される）ため、フライアイレンズが有する複数の凸曲面に共通する加工痕が転写されることになる。このように、複数の凸曲面に共通の加工痕が転写されると、そのフライアイレンズを使用した照明光学系では、それらの加工痕が物体面で重畳されてしまい、観察対象を一様に照明することができなくなる。即ち、観察像において微妙な照明ムラが発生してしまい、例えば、ツールマークが視認されることがある。

また、一般的に、フライアイレンズを使用した照明光学系において、観察対象が合焦位置から外れたときにも照明ムラが発生し、例えば、観察像にぎらつきが生じることがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、照明ムラの発生を抑制することができるようにするものである。

本発明の光学機器は、光源から射出される照明光を試料に照射する光学機器であって、前記光源の各所から射出される照明光を平行な光束に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に略直交する側面の少なくとも一方に配列された複数の軸対称曲面により、複数の光源像を形成するフライアイレンズと、前記フライアイレンズの前記複数の軸対称曲面それぞれを通過した照明光を伝達し、前記試料の物体面上に重畳させる光学系と、前記コリメータレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に対して相対的に前記フライアイレンズの複数の前記軸対称曲面が移動するように、前記軸対称曲面が配列されている側面に沿って前記フライアイレンズを駆動する駆動機構とを備えることを特徴とする。

本発明の光学機器においては、光源の各所から射出される照明光が平行な光束に変換され、その照明光の光軸に略直交する側面の少なくとも一方に配列されたフライアイレンズの複数の軸対称曲面により、複数の光源像が形成される。そして、フライアイレンズの複数の軸対称曲面それぞれを通過した照明光が伝達されて、試料の物体面上に重畳させる。さらに、平行な光束とされた照明光の光軸に対して相対的にフライアイレンズの複数の軸対称曲面が移動するように、軸対称曲面が配列されている側面に沿ってフライアイレンズが駆動される。

本発明の光学機器によれば、照明ムラの発生を抑制することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した光学機器の一実施の形態の構成例を示す図である。

光学機器１１は、例えば、試料を観察する顕微鏡装置に適用され、光源１２から放射状に放射される照明光が、コリメータレンズ１３により屈折され、ほぼ平行な光束となって、光軸Ｌ１に沿ってフライアイレンズ１４に入射する。

フライアイレンズ１４は、透明な光学基板（樹脂やガラスなど）により構成され、その光学基板の光軸Ｌ１に直交する側面の両側または片側に、複数の凸曲面が形成されている。コリメータレンズ１３を介してフライアイレンズ１４に入射する照明光は、フライアイレンズ１４に形成されている複数の凸曲面によりそれぞれ集光される。即ち、フライアイレンズ１４に形成されている複数の凸曲面は、それぞれ独立したレンズとして機能し、フライアイレンズ１４において１つのレンズとして機能する部分を、以下、適宜、単位レンズと称する。

このように、フライアイレンズ１４では、単位レンズごとに照明光が集光され、フライアイレンズ１４の射出端面（照明光が射出される側の側面）には、照明光が通過する通過領域（後述する図２を参照）にある単位レンズの数に応じた複数の光源像が結像された疑似点光源が複数形成される。

フライアイレンズ１４を通過した照明光は、拡散板１５により拡散された後、リレーレンズ１６、ハーフミラー１７、およびリレーレンズ１８を介して、開口絞り１９に伝搬される。開口絞り１９は、フライアイレンズ１４により形成される複数の疑似点光源と共役な位置に配置されており、複数の光源像が開口絞り１９に結像される。そして、開口絞り１９において結像された複数の各光源像から射出される光束は、コンデンサレンズ２０により平行にされて物体面２１に照射される。

このとき、照明光学系としてみたときの、コンデンサレンズ２０の物側の焦点距離ｆとなる位置に開口絞り１９が配置されるとともに、コンデンサレンズ２０の像側の焦点距離ｆとなる位置に物体面２１が配置されている。これにより、コンデンサレンズ２０は、開口絞り１９において結像された複数の光源像からの光束のそれぞれが物体面２１で重畳されるように照明光を集光する。即ち、コンデンサレンズ２０は、フライアイレンズ１４の複数の単位レンズそれぞれを通過した照明光が物体面２１で重なり合うように照明光を集光する。

また、フライアイレンズ１４により形成される複数の疑似点光源が、リレーレンズ１６の物側の焦点距離となるようにリレーレンズ１６が配置されており、リレーレンズ１６の像側の焦点距離となる位置に視野絞り面２２が配置されている。これにより、視野絞り面２２と物体面２１とが共役となっている。

即ち、図１に示すように、フライアイレンズ１４により形成される複数の疑似点光源の位置から、リレーレンズ１６の物側の主点までの距離ａと、リレーレンズ１６の像側の主点から、視野絞り面２２までの距離ｂとが略一致するように、光学機器１１は構成されている。従って、視野絞り面２２では、物体面２１と同様に、フライアイレンズ１４の複数の単位レンズそれぞれを通過した照明光が重畳される。

このように、フライアイレンズ１４の各単位レンズを通過した照明光が物体面２１上で重畳されるので、例えば、光源１２に配光特性があったとしても、物体面２１でムラのない均一な照明が可能になる。

また、物体面２１で反射または拡散した光（観察光）は、光軸Ｌ２に沿って、コンデンサレンズ２０、リレーレンズ１８、およびハーフミラー１７を介して撮像素子２３の受光面に結像され、撮像素子２３により物体面２１が撮像される。撮像光学系としてみたときのリレーレンズ１８は、撮像素子２３に物体面２１の像を結像させる結像レンズとして機能する。また、図１に示すように、視野絞り面２２からハーフミラー１７上の光軸Ｌ１およびＬ２の交点までの距離ｃと、この交点から撮像素子２３までの距離ｄとが略一致するように、光学機器１１は構成されている。

ここで、フライアイレンズ１４には、モータ２４が接続されており、モータ２４は、光軸Ｌ１と平行な回転軸を中心としてフライアイレンズ１４を回転駆動させる。

制御装置２７は、モータ駆動回路２５を介して、モータ２４によるフライアイレンズ１４の回転速度を制御するとともに、撮像素子駆動回路２６を介して、撮像素子２３の露光時間を制御する。

図２を参照して、フライアイレンズ１４について説明する。

図２Ａには、フライアイレンズ１４およびモータ２４の斜視図が示されており、図２Ｂには、光軸Ｌ１に沿って見たフライアイレンズ１４が示されている。

図２Ｂに示すように、円盤状のフライアイレンズ１４の側面には、図１の光軸Ｌ１の方向からみて六角形の複数の単位レンズ（凸曲面）がハニカム状に配列されている。また、図２において、図１のコリメータレンズ１３により平行な光束とされた光源１２からの照明光が通過する通過領域が破線で示されている。なお、この単位レンズは凸曲面でも凹曲面でもどちらでもよく、軸対称曲面を有し、光学的に複数の光源像が形成できる形状を持っていればよい。

また、モータ２４の回転軸は、円盤状のフライアイレンズ１４の中心に接続されており、フライアイレンズ１４の中心が、照明光の通過領域とは異なる位置に配置されており、フライアイレンズ１４は、照明光の通過領域以外にある回転中心を中心として回転する。

このように、光学機器１１では、照明光の通過領域以外に回転中心を持つようにフライアイレンズ１４を回転駆動させることにより、照明光の通過領域内において、複数の単位レンズがフライアイレンズ１４の回転方向に沿って移動する。このように複数の単位レンズが移動することで、フライアイレンズ１４に転写された加工痕による照明ムラが、ある所定の単位時間ごとに平均化され、物体面２１を一様に照明することができる。

これにより、例えば、図示しない接眼レンズを介して、使用者が目視による物体面２１の観察を行うとき、照明ムラとして加工痕が視認されることが抑制される。このように、照明ムラの発生を抑制することで、観察に悪影響が与えられることを回避することができる。また、照明ムラの発生を抑制することで、観察対象が合焦位置から外れたとしても、その観察像にぎらつきが生じることを抑制することができる。

ここで、フライアイレンズ１４が回転駆動されることで、フライアイレンズ１４における照明光の通過領域内において、フライアイレンズ１４の回転速度に応じた周期で、単位レンズの配置（パターン）が同一のものとなる。例えば、フライアイレンズ１４が１回転するたびに、照明光の通過領域内の単位レンズの配置は同一となる。また、図２Ｂに示されているフライアイレンズ１４では、回転軸を中心として６０度回転するごと、単位レンズの配列が同一となる。

そこで、制御装置２７は、撮像素子２３の露光時間が、照明光の通過領域内における単位レンズの配置が同一のものとなる周期の整数倍となるように、撮像素子駆動回路２６を介して撮像素子２３の露光時間を制御する。例えば、制御装置２７は、撮像素子２３の露光時間が、フライアイレンズ１４の１回転する時間の整数倍となるように制御を行う。また、例えば、図２Ｂに示すように、６０度回転するごとに同一の配列となるフライアイレンズ１４を使用する場合には、制御装置２７は、撮像素子２３の露光時間が、フライアイレンズ１４が６０度回転する時間の整数倍となるように制御を行う。

これにより、撮像素子２３が、照明光の通過領域内において単位レンズの配置が同一のものとなる周期の整数倍となる露光時間で物体面２１を撮像することになり、撮像素子２３が出力する画像に照明ムラによる影響が発生することを抑制することができる。また、円盤状のフライアイレンズ１４を回転させて使用することで、撮像素子２３の露光時間を、照明光の通過領域内で単位レンズの配置が同一のものとなる周期に容易に同期させることができる。

なお、フライアイレンズ１４の駆動方法としては、回転駆動に限られるものではなく、例えば、直線的に移動させるなど、照明系に対して相対的に単位レンズを移動させることができれば、照明ムラの発生を抑制することができる。

例えば、ベルト状に形成されたフライアイレンズを利用し、所定の一方向に、照明系に対して相対的に単位レンズを移動させるようにしてもよい。

また、板状に形成されたフライアイレンズを利用し、単位レンズが相対的に往復移動するように構成してもよい。このように、単位レンズを相対的に往復移動させる場合には、移動方向の両端でフライアイレンズが停止するので、例えば、撮像素子２３が、単位レンズが移動する間に露光するように、即ち、単位レンズが停止している間を除いて露光するように、撮像素子２３の露光時間を制御する必要がある。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した光学機器の一実施の形態の構成例を示す図である。フライアイレンズ１４について説明する図である。

符号の説明

１１光学機器，１２光源，１３コリメータレンズ，１４フライアイレンズ，１５拡散板，１６リレーレンズ，１７ハーフミラー，１８リレーレンズ，１９開口絞り，２０コンデンサレンズ，２１物体面，２２視野絞り面，２３撮像素子，２４モータ，２５モータ駆動回路，２６撮像素子駆動回路，２７制御装置

Claims

光源から射出される照明光を試料に照射する光学機器において、
前記光源の各所から射出される照明光を平行な光束に変換するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に略直交する側面の少なくとも一方に配列された複数の軸対称曲面により、複数の光源像を形成するフライアイレンズと、
前記フライアイレンズの前記複数の軸対称曲面それぞれを通過した照明光を伝達し、前記試料の物体面上に重畳させる光学系と、
前記コリメータレンズにより平行な光束とされた前記照明光の光軸に対して相対的に前記フライアイレンズの複数の前記軸対称曲面が移動するように、前記軸対称曲面が配列されている側面に沿って前記フライアイレンズを駆動する駆動機構と
を備えることを特徴とする光学機器。
前記駆動機構は、前記フライアイレンズの前記照明光が通過する通過領域とは異なる位置に回転中心を設け、前記フライアイレンズを回転駆動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
前記試料を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の露光時間が、前記フライアイレンズにおいて前記照明光が通過する通過領域内において複数の前記軸対称曲面の配置が同一のものとなる周期の整数倍となるように、前記駆動機構による前記フライアイレンズの駆動速度、および前記撮像手段の露光時間を制御する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。