JP2013246255A - コリメートレンズ、照明装置、及び、顕微鏡 - Google Patents

コリメートレンズ、照明装置、及び、顕微鏡 Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで明るい照明が可能な良好に収差が補正されたコリメートレンズ、照明装置、及び、顕微鏡の技術を提供することを課題とする。
【解決手段】コリメートレンズ１は、光源から発せられる光束をコリメートする、樹脂材料で形成された両凸単レンズＬ１からなり、少なくとも１面が非球面で形成されている。Ｒ１をコリメートレンズ１の光源側の第１面の曲率半径とし、Ｒ２をコリメートレンズの第１面とは反対の第２面の曲率半径とし、ＮＡをコリメートレンズ１の光源側の開口数とするとき、コリメートレンズ１は、以下の式を満たす。
２＜｜Ｒ１／Ｒ２｜＜１０
ＮＡ＞０．６
【選択図】図１

Description

本発明は、コリメートレンズ、コリメートレンズを備える照明装置、及び、照明装置を備える顕微鏡に関し、特に、単レンズからなるコリメートレンズ、そのコリメートレンズを備える照明装置、及び、その照明装置を備える顕微鏡に関する。
顕微鏡による蛍光観察では、蛍光物質を励起するために、高い出力が得られるキセノン光源や高圧水銀光源などを備えた照明装置が、従来から広く使用されている。キセノン光源や高圧水銀光源は高い出力が得られる一方で、放射する熱量も非常に大きい。このため、従来の照明装置に含まれる光学系は、耐熱性に優れたガラスレンズにより焦点距離が長くなるように設計されるのが通常である。
近年では、発熱が少なく、小型で長寿命という特徴を有する固体発光素子を備えた光源に対するニーズが増加していて、例えば、特許文献１に開示されるような、固体発光素子を備えた光源を用いた照明装置が開発されている。
特許文献１に開示される照明装置は、固体発光素子であるＬＥＤを備えた光源と、ＬＥＤ特有の配光パターンの照明光を高い照明効率で所定の方向へ導くコリメート光学系と、を備えている。
特開２００５−２０８５７１号公報
ところで、蛍光観察に用いられる照明装置は、蛍光物質の励起に必要な励起強度を確保する必要がある。このため、照明装置に含まれる光学系、特に、固体発光素子を備えた照明装置の光学系は、高い透過率を実現して、光源から出射された光を効率良く試料に照射することが重要である。また、固体発光素子を備えた照明装置は、従来の照明装置に対してコスト面でのメリットも期待されている。
しかしながら、特許文献１に開示される照明装置では、コリメータ光学系が複数枚のレンズにより構成されていることから、低コストでの製造には限界がある。また、レンズ面数の増加に伴って光学系で生じる光の反射と吸収の総量が増加するため、光学系全体の透過率が低くなってしまう。
以上のような実情を踏まえ、本発明は、低コストで明るい照明が可能な良好に収差が補正されたコリメートレンズ、照明装置、及び、顕微鏡の技術を提供することを課題とする。
本発明の第１の態様は、光源から発せられる光束をコリメートする、樹脂材料で形成された両凸単レンズからなるコリメートレンズであって、少なくとも１面が非球面で形成され、Ｒ１を前記コリメートレンズの前記光源側のレンズ面である第１面の曲率半径とし、Ｒ２を前記コリメートレンズの前記第１面とは反対側のレンズ面である第２面の曲率半径とし、ＮＡを前記コリメートレンズの光源側の開口数とするとき、以下の式を満たすコリメートレンズを提供する。
２＜｜Ｒ１／Ｒ２｜＜１０
ＮＡ＞０．６
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のコリメートレンズにおいて、前記第２面が非球面であるコリメートレンズを提供する。
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載のコリメートレンズにおいて、Ｚを光軸の方向の座標とし、Ｙを前記光軸と直交する方向の座標とし、Ｋを円錐係数とし、Ｒ０を前記非球面の近軸における曲率半径とし、Ａ２ｉを偶数次数の非球面係数とするとき、以下の式
で定義される前記非球面が以下の式を満たすコリメートレンズを提供する。
｜Ａ２ｉ｜＜０．１
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載のコリメートレンズにおいて、ｎＦを前記コリメートレンズのＦ線に対する屈折率とし、ｆを前記コリメートレンズの焦点距離とし、ＷＤを前記光源と前記第１面との前記光軸上の距離とするとき、以下の式を満たすコリメートレンズを提供する。
ｎＦ＜ｆ／ＷＤ
本発明の第５の態様は、第３の態様または第４の態様に記載のコリメートレンズにおいて、前記非球面は、Ａ２（ｉ−１）を前記Ａ２ｉよりも次数の低い偶数次数の非球面係数とするとき、２次以上の偶数次数の非球面係数で、以下の式を満たすコリメートレンズを提供する。
｜Ａ２ｉ｜＜｜Ａ２（ｉ−１）｜
本発明の第６の態様は、低発熱光源である前記光源と、第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載のコリメートレンズと、を備える照明装置を提供する。
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の照明装置において、さらに、前記コリメートレンズの前記第２面側に、第２のレンズを備え、ｆを前記コリメートレンズの焦点距離とし、ｆｓを前記第２のレンズの焦点距離とするとき、以下の式を満たす照明装置を提供する。
｜ｆ／ｆｓ｜＜０．１
本発明の第８の態様は、試料からの光を対物レンズを通して結像する結像光学系と、第６の態様または第７の態様に記載の照明装置と、を備える顕微鏡を提供する。
本発明によれば、低コストで明るい照明が可能な良好に収差が補正されたコリメートレンズ、照明装置、及び、顕微鏡の技術を提供することができる。
本発明の実施例１に係るコリメートレンズの断面図である。 本発明の実施例１に係るコリメートレンズの収差図である。 本発明の実施例２に係るコリメートレンズの断面図である。 本発明の実施例２に係るコリメートレンズの収差図である。 本発明の実施例２に係るコリメートレンズと平凸レンズの断面図である。 本発明の実施例３に係るコリメートレンズの断面図である。 本発明の実施例３に係るコリメートレンズの収差図である。 本発明の実施例４に係るコリメートレンズの断面図である。 本発明の実施例４に係るコリメートレンズの収差図である。 本発明の実施例１に係る顕微鏡の構成を例示した図である。
まず、本発明の各実施例に係るコリメートレンズの基本的構成について説明する。本発明の各実施例に係るコリメートレンズは、光源から発せられる光束をコリメートする樹脂材料で形成された両凸単レンズからなり、コリメートレンズの光源側のレンズ面を第１面とし、第１面とは反対側のレンズ面を第２面とするとき、第２面が非球面として構成されている。なお、各実施例では、第２面が非球面であるコリメートレンズが例示されているが、コリメートレンズは少なくとも１面が非球面で形成されていればよく、第２面に加えて第１面も非球面で形成されてもよい。
また、各実施例に係るコリメートレンズは、以下の式を満たすように構成されている。
２＜｜Ｒ１／Ｒ２｜＜１０ ・・・（１）
ＮＡ＞０．６ ・・・（２）
但し、Ｒ１はコリメートレンズの光源側のレンズ面である第１面の曲率半径であり、Ｒ２はコリメートレンズの第１面とは反対側のレンズ面である第２面の曲率半径であり、ＮＡはコリメートレンズの光源側の開口数である。
式（１）は、第１面と第２面の屈折力の配分を規定する式である。式（１）により、レンズ形状が、球面収差を良好に補正することができ、且つ、樹脂材料の射出成形に適した形状に規定される。
下限値を下回ると、第１面の曲率半径が小さくなって第１面の屈折力が強くなりすぎるため、光源から取り込める光束が細くなる。このため、第２面での非球面効果が十分に発揮されず、球面収差の補正が困難となってしまう。一方、上限値を超えると、第１面の曲率半径に対して第２面の曲率半径が小さくなりすぎる。このような形状は、第１面の屈折力に対して第２面の屈折力が強くなるため、収差を補正する上では好ましいが、樹脂材料による射出成形に要求される縁肉の厚さを十分に確保することが困難となる。このため、射出成形に適した形状から外れてしまう。または、第２面の有効径を小さくすることで、第２面の屈折力を維持しながら十分な縁肉の厚さを確保することができるが、この場合、照明光学系として最も重要視されるべき照明の明るさが低下してしまう。その結果、式（２）で示される開口数を得ることが困難となってしまう。
なお、一般に、樹脂材料による射出成形では、レンズの肉厚（光軸上における厚さ）に対して縁肉の厚さは、１／３から１／５程度必要である。この程度の厚さがない場合には、樹脂材料を流し込む縁肉部分から遠いレンズ面において樹脂材料に十分な圧力が加わらないため、十分な面精度のレンズ面が得られず、製造されるコリメータレンズ性能が安定しなくなってしまう。また、レンズ内での樹脂材料の冷却速度の違いが顕著に生じることになるため、内部ひずみが発生して光学性能が劣化してしまう。このような理由から、レンズ形状が縁肉の厚さが不足した射出成形に適さない形状である場合には、製造されるレンズの性能が安定しないため、歩留まりが低下し製造コストが上昇してしまう。
式（２）は、光源からの発散光を照明光学系に取り込むコリメートレンズに要求される開口数を規定する式である。式（２）の下限値を下回ると、照明光学系として最も重要視されるべき照明の明るさが確保されない。
式（１）及び式（２）を満たす形状を有する両凸レンズＬ１からなるコリメートレンズによれば、ガラス材料に比べて屈折力の弱い樹脂材料により形成されているにもかかわらず、明るい照明と良好な収差特性を実現することができる。また、必要な縁肉が確保されることで良好な製造性が得られるため、ガラスに比べて安価な樹脂材料の射出成形により低コストで安定した性能を確保することができる。つまり、良好且つ安定した光学性能を有するコリメータレンズを低コストで製造することができる。
また、コリメートレンズの非球面の形状は、下記の式（３）で定義されるが、コリメートレンズの非球面は、式（４）を満たすことが望ましく、さらに、式（５）を２次以上の偶数次数の非球面係数間で満たすことがより望ましい。
｜Ａ２ｉ｜＜０．１ ・・・（４）
｜Ａ２ｉ｜＜｜Ａ２（ｉ−１）｜ ・・・（５）
但し、Ｚは、非球面の光軸の方向の座標であり、Ｙは非球面の光軸と直交する方向の座標であり、Ｋは円錐係数であり、Ｒ０は非球面の近軸における曲率半径であり、Ａ２ｉは偶数次数の非球面係数であり、Ａ２（ｉ−１）はＡ２ｉよりも次数の低い偶数次数の非球面係数である。
式（４）は、近軸における曲率半径に対する非球面の変位量を規定する式である。コリメートレンズの非球面が式（４）を満さないような大きな非球面係数を有している場合には、その非球面形状は近軸における曲率半径Ｒ０の球面形状から大きく外れることになる。このため、式（１）を満たしている場合であっても、レンズ形状が縁肉の厚さを十分に確保することができない射出成形に適しない形状となり得る。
また、一般に、大きな非球面係数を有する非球面は、わずかな製造誤差で光学性能の大きく劣化してしまうため、製造誤差の影響を受けやすく、照明性能が安定しにくい。従って、許容できる製造誤差が小さく、高精度の成形が要求されることになるため、製造性が低く、低コストでの製造が困難となってしまう。
式（５）は、次数が高いほど非球面係数が小さいことを示す式である。一般に、係数の値が同じ場合には、次数が高いほど形状に大きく影響を及ぼすことになる。このため、射出成形に適した形状から外れないためには、高い次数の非球面係数ほど低い値であることが望ましい。
また、コリメートレンズは、式（６）を満たすことがより望ましい。
ｎＦ＜ｆ／ＷＤ ・・・（６）
但し、ｎＦは、コリメートレンズのＦ線に対する屈折率であり、ｆはコリメートレンズの焦点距離であり、ＷＤは光源とコリメートレンズの第１面との光軸上の距離である。
式（６）は、コリメートレンズの焦点距離とコリメートレンズの光源までの距離とのバランスを屈折率との関係で規定する式であり、樹脂材料のような屈折率の比較的小さな材料を使用しながら、レンズの縁肉を確保するための条件を規定している。焦点距離と光源までの距離とのバランスが式（６）を満たさない場合には、レンズ面の形状を規定する式（１）を満たしながらレンズの肉厚を確保しようとすると、開口数を規定する式（２）を満たすことが困難となってしまう。従って、式（６）を満たすことなく、式（１）及び式（２）を満たすためには、屈折率の高い材料を選択する必要があるため、材料の選択性の低下と製造コストの増加とを招いてしまう。
なお、式（１）及び式（２）を満たすコリメートレンズは、式（４）から式（６）を任意の組み合わせで満たしてもよい。
図１は、本実施例に係るコリメートレンズの断面図である。図１に例示されるコリメートレンズ１は、光源から発せられる光束をコリメートする樹脂材料で形成された両凸単レンズからなり、光源側のレンズ面を第１面とし、第１面とは反対側のレンズ面を第２面とするとき、第２面が非球面として形成されている。
以下、本実施例に係るコリメートレンズ１の各種データについて記載する。
算出波長ＷＬ１、光源とコリメートレンズ１の第１面との光軸上の距離ＷＤ、コリメートレンズ１の光源側の開口数ＮＡ、コリメートレンズ１の焦点距離ｆは、以下のとおりである。
WL1=486.13nm、WD=6.8976mm、NA=0.6732、f=12.02563mm
コリメートレンズ１のレンズデータは、以下のとおりである。
s r d nF vd
0 INF 6.8976 1.0
1 24.3105 9.2500 1.53170 56.00
2* -7.5300 INF 1.0
ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎＦは算出波長であるＦ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ０は光源の出射面を、面番号ｓ１はコリメートレンズ１の第１面を、面番号ｓ２は非球面であるコリメートレンズ１の第２面を示している。
コリメートレンズ１の非球面（第２面）は、上述した式（３）で表され、近軸における曲率半径Ｒ０、円錐定数Ｋ、２次の非球面係数Ａ２、４次の非球面係数Ａ４、６次の非球面係数Ａ６、８次の非球面係数Ａ８、１０次の非球面係数Ａ１０は、以下のとおりである。
R0=-7.5300、K=-1.0、A2=0.0、
A4=-6.1156*10-5、A6=-9.8913*10-7、A8=2.4417*10-8、A10=7.7095*10-12
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝３．２２８
従って、コリメートレンズ１は、式（１）から（６）をいずれも満たしている。
図２は、本実施例に係るコリメートレンズの収差図であり、標本側から光源側へ向かう平行光をコリメートレンズに入射させた逆光線追跡時の収差図である。図２（ａ）は球面収差を、図２（ｂ）は像面湾曲を、図２（ｃ）は像高３０％におけるコマ収差を、図２（ｄ）は像高１００％におけるコマ収差を、図２（ｅ）は正弦条件違反量を、図２（ｆ）はディストーションを示している。いずれも収差も良好に補正されていることが示されている。なお、図２（ｂ）中の実線はサジタル光線（Ｓ）における像面湾曲を、破線はメリディオナル光線（Ｍ）における像面湾曲を示している。
図３は、本実施例に係るコリメートレンズの断面図である。図３に例示されるコリメートレンズ３は、光源から発せられる光束をコリメートする樹脂材料で形成された両凸単レンズからなり、光源側のレンズ面を第１面とし、第１面とは反対側のレンズ面を第２面とするとき、第２面が非球面として形成されている。
以下、本実施例に係るコリメートレンズ３の各種データについて記載する。
算出波長ＷＬ１、光源とコリメートレンズ３の第１面との光軸上の距離ＷＤ、コリメートレンズ３の光源側の開口数ＮＡ、コリメートレンズ３の焦点距離ｆは、以下のとおりである。
WL1=486.13nm、WD=7.1074mm、NA=0.6258、f=11.95182mm
コリメートレンズ３のレンズデータは、以下のとおりである。
s r d nF vd
0 INF 7.1074 1.0
1 16.4500 9.2500 1.49832 57.86
2* -7.5900 INF 1.0
ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎＦは算出波長であるＦ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ０は光源の出射面を、面番号ｓ１はコリメートレンズ３の第１面を、面番号ｓ２は非球面であるコリメートレンズ３の第２面を示している。
コリメートレンズ３の非球面（第２面）は、上述した式（３）で表され、近軸における曲率半径Ｒ０、円錐定数Ｋ、２次の非球面係数Ａ２、４次の非球面係数Ａ４、６次の非球面係数Ａ６、８次の非球面係数Ａ８、１０次の非球面係数Ａ１０は、以下のとおりである。
R 0=-7.5900、K=-1.0、A2=0.0、
A4=-1.8400*10-5、A6=-1.4250*10-6、A8=9.6900*10-8、A10=-6.6872*10-10
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝２．１６７
従って、コリメートレンズ３は、式（１）から（６）をいずれも満たしている。
図４は、本実施例に係るコリメートレンズの収差図であり、標本側から光源側へ向かう平行光をコリメートレンズに入射させた逆光線追跡時の収差図である。図４（ａ）は球面収差を、図４（ｂ）は像面湾曲を、図４（ｃ）は像高３０％におけるコマ収差を、図４（ｄ）は像高１００％におけるコマ収差を、図４（ｅ）は正弦条件違反量を、図４（ｆ）はディストーションを示している。いずれも収差も良好に補正されていることが示されている。なお、図４（ｂ）中の実線はサジタル光線（Ｓ）における像面湾曲を、破線はメリディオナル光線（Ｍ）における像面湾曲を示している。
なお、コリメートレンズ３は、図５に示されるように、コリメートレンズ３の第２面側に配置されたコリメートレンズ３に比べて屈折力の弱いレンズ４（第２のレンズ）とともに用いられてもよく、コリメートレンズ３とレンズ４が全体としてコリメート光学系９として機能してもよい。レンズ４は、光源側に平面を向けた平凸レンズである。
コリメート光学系９は以下の式を満たすことが望ましい。
｜ｆ／ｆｓ｜＜０．１ ・・・（７）
但し、ｆはコリメートレンズ３の焦点距離であり、ｆｓはレンズ４の焦点距離である。
条件式（７）を満たすことで、コリメート光学系９の性能は、コリメートレンズ３により実質的に決定されることになる。なお、コリメート光学系９の｜ｆ／ｆｓ｜は０．０３である。
以下、コリメートレンズ３及びレンズ４からなるコリメート光学系９の各種データについて記載する。なお、コリメートレンズ３の非球面（第２面）の形状は、上述したとおりである。
算出波長ＷＬ１、光源とコリメート光学系９の第１面との光軸上の距離ＷＤ、コリメート光学系９の光源側の開口数ＮＡ、コリメート光学系９の焦点距離ｆは、以下のとおりである。
WL1=486.13nm、WD=6.7357mm、NA=0.6258、f=11.70098mm
コリメートレンズ３及びレンズ４からなるコリメート光学系９のレンズデータは、以下のとおりである。
s r d nF vd
0 INF 6.7357 1.0
1 16.4500 9.2500 1.49832 57.86
2* -7.5900 1.0000 1.0
3 INF 1.0000 1.53170 56.00
4 -200.0000 INF 1.0
ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎＦは算出波長であるＦ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ0は光源の出射面を、面番号ｓ1はコリメートレンズ３の第１面を、面番号ｓ2は非球面であるコリメートレンズ３の第２面、面番号ｓ３はレンズ４の第１面を、面番号ｓ4はレンズ４の第２面を示している。
図６は、本実施例に係るコリメートレンズの断面図である。図６に例示されるコリメートレンズ５は、光源から発せられる光束をコリメートする樹脂材料で形成された両凸単レンズからなり、光源側のレンズ面を第１面とし、第１面とは反対側のレンズ面を第２面とするとき、第２面が非球面として形成されている。
以下、本実施例に係るコリメートレンズ５の各種データについて記載する。
算出波長ＷＬ１、光源とコリメートレンズ５の第１面との光軸上の距離ＷＤ、コリメートレンズ５の光源側の開口数ＮＡ、コリメートレンズ５の焦点距離ｆは、以下のとおりである。
WL1=486.13nm、WD=6.6271mm、NA=0.6951、f=12.02363mm
コリメートレンズ５のレンズデータは、以下のとおりである。
s r d nF vd
0 INF 6.6271 1.0
1 33.1214 9.2500 1.53170 56.00
2* -7.1540 INF 1.0
ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎＦは算出波長であるＦ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ１は光源の出射面を、面番号ｓ２はコリメートレンズ５の第１面を、面番号ｓ３は非球面であるコリメートレンズ５の第２面を示している。
コリメートレンズ５の非球面（第２面）は、上述した式（３）で表され、近軸における曲率半径Ｒ０、円錐定数Ｋ、２次の非球面係数Ａ２、４次の非球面係数Ａ４、６次の非球面係数Ａ６、８次の非球面係数Ａ８、１０次の非球面係数Ａ１０は、以下のとおりである。
R0=-7.1540、K=-1.0、A2=0.0、
A4=-6.5090*10-5、A6=-2.0647*10-6、A8=1.6581*10-8、A10=1.2101*10-10
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝４．６３０
従って、コリメートレンズ５は、式（１）から（６）をいずれも満たしている。
図７は、本実施例に係るコリメートレンズの収差図であり、標本側から光源側へ向かう平行光をコリメートレンズに入射させた逆光線追跡時の収差図である。図７（ａ）は球面収差を、図７（ｂ）は像面湾曲を、図７（ｃ）は像高３０％におけるコマ収差を、図７（ｄ）は像高１００％におけるコマ収差を、図７（ｅ）は正弦条件違反量を、図７（ｆ）はディストーションを示している。いずれも収差も良好に補正されていることが示されている。なお、図７（ｂ）中の実線はサジタル光線（Ｓ）における像面湾曲を、破線はメリディオナル光線（Ｍ）における像面湾曲を示している。
図８は、本実施例に係るコリメートレンズの断面図である。図８に例示されるコリメートレンズ７は、光源から発せられる光束をコリメートする樹脂材料で形成された両凸単レンズからなり、光源側のレンズ面を第１面とし、第１面とは反対側のレンズ面を第２面とするとき、第２面が非球面として形成されている。
以下、本実施例に係るコリメートレンズ７の各種データについて記載する。
算出波長ＷＬ１、光源とコリメートレンズ７の第１面との光軸上の距離ＷＤ、コリメートレンズ７の光源側の開口数ＮＡ、コリメートレンズ７の焦点距離ｆは、以下のとおりである。
WL1=486.13nm、WD=6.2860mm、NA=0.6827、f=12.01945mm
コリメートレンズ７のレンズデータは、以下のとおりである。
s r d nF vd
0 INF 6.2860 1.0
1 60.0000 9.3000 1.53170 56.00
2* -6.7677 INF 1.0
ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎＦは算出波長であるＦ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ０は光源の出射面を、面番号ｓ１はコリメートレンズ７の第１面を、面番号ｓ２は非球面であるコリメートレンズ７の第２面を示している。
コリメートレンズ７の非球面（第２面）は、上述した式（３）で表され、近軸における曲率半径Ｒ０、円錐定数Ｋ、２次の非球面係数Ａ２、４次の非球面係数Ａ４、６次の非球面係数Ａ６、８次の非球面係数Ａ８、１０次の非球面係数Ａ１０は、以下のとおりである。
R0=-6.7677、K=-1.0、A2=0.0、
A4=-3.5544*10-4、A6=7.6909*10-6、A8=-1.5538*10-7、A10=1.0858*10-9
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝８．８６６
従って、コリメートレンズ７は、式（１）から（６）をいずれも満たしている。
図９は、本実施例に係るコリメートレンズの収差図であり、標本側から光源側へ向かう平行光をコリメートレンズに入射させた逆光線追跡時の収差図である。図９（ａ）は軸上球面収差を、図９（ｂ）は像面湾曲を、図９（ｃ）は像高３０％におけるコマ収差を、図９（ｄ）は像高１００％におけるコマ収差を、図９（ｅ）は正弦条件違反量を、図９（ｆ）はディストーションを示している。いずれも収差も良好に補正されていることが示されている。なお、図９（ｂ）中の実線はサジタル光線（Ｓ）における像面湾曲を、破線はメリディオナル光線（Ｍ）における像面湾曲を示している。
図１０は、本実施例に係る顕微鏡の構成を例示した図である。図１０に例示される顕微鏡１０は、蛍光観察に用いられる蛍光顕微鏡であり、ＬＥＤ光源１１及び実施例１に係るコリメートレンズ１を含む照明装置１８と、コリメートレンズ１でコリメートされた光束の径を拡大するビームエクスパンダ１２と、励起光を反射させ試料１５からの蛍光を透過させるダイクロイックミラー１３と、ＬＥＤ励起光を試料１５に照射する無限遠補正型の対物レンズ１４と、対物レンズ１４を介して入射する試料１５からの蛍光を結像する結像光学系１６と、試料１５を撮像するための撮像素子１７と、を備えている。
ＬＥＤ光源１１は、固体発光素子であるＬＥＤ素子１１ａと、ＬＥＤ素子１１ａを覆う封入樹脂１１ｂからなる、励起光を出射する出射面Ｐの形状が平面である面実装型のＬＥＤ光源である。
コリメートレンズ１は、少なくとも１面が非球面で形成された両凸単レンズからなる。また、コリメートレンズ１は、発熱が少ないＬＥＤ光源１１との組み合わせで使用されているため、ガラス材料に比べて耐熱性が劣るがより安価な樹脂材料によって形成されている。なお、コリメートレンズ１の構成の詳細は、実施例１で上述したとおりである。
顕微鏡１０では、ＬＥＤ光源１１及びコリメートレンズ１を含む照明装置１８からの出射した励起光は、ビームエクスパンダ１２により対物レンズ１４の瞳径に応じた光束径に調整された後に、ダイクロイックミラー１３を介して対物レンズ１４に入射し、試料１５に照射される。励起光が照射された試料１５からの蛍光は、対物レンズ１４、ダイクロイックミラー１３、結像光学系１６を介して撮像素子１７に入射し、撮像素子１７からの電気信号により試料１５の画像が生成される。
本実施例に係る照明装置１８及び顕微鏡１０によれば、実施例１に係るコリメートレンズ１を備えることで、低コストで良好に収差が補正された明るい照明を行うことができる。
なお、図１０では、実施例１に係るコリメートレンズ１を含む例が示されているが、照明装置１８及び顕微鏡１０は、他の実施例に係るコリメートレンズを含んでもよい。また、図１０では、光源として低発熱光源であるＬＥＤ光源１１を例示したが、照明装置１８及び顕微鏡１０は、ＬＥＤ光源１１の代わり、発熱が少ない他の低発熱光源を用いてもよく、例えば、光ファイバーを介して光源からの光を出射するように構成されたファイバー光源を用いてもよい。また、低発熱光源の多くは射出面の形状が平面である。
１、３、５、７ コリメートレンズ
４ レンズ
９ コリメート光学系
１０ 顕微鏡
１１ ＬＥＤ光源
１１ａ ＬＥＤ素子
１１ｂ 封入樹脂
１２ ビームエクスパンダ
１３ ダイクロイックミラー
１４ 対物レンズ
１５ 試料
１６ 結像光学系
１７ 撮像素子
１８ 照明装置
Ｌ１ 両凸レンズ
Ｌ２ 平凸レンズ
Ｐ 出射面

Claims (8)

  1. 光源から発せられる光束をコリメートする、樹脂材料で形成された両凸単レンズからなるコリメートレンズであって、
    少なくとも１面が非球面で形成され、
    Ｒ１を前記コリメートレンズの前記光源側のレンズ面である第１面の曲率半径とし、Ｒ２を前記コリメートレンズの前記第１面とは反対側のレンズ面である第２面の曲率半径とし、ＮＡを前記コリメートレンズの光源側の開口数とするとき、以下の式
    ２＜｜Ｒ１／Ｒ２｜＜１０
    ＮＡ＞０．６
    を満たすことを特徴とするコリメートレンズ。
  2. 請求項１に記載のコリメートレンズにおいて、
    前記第２面が非球面である
    ことを特徴とするコリメートレンズ。
  3. 請求項２に記載のコリメートレンズにおいて、
    Ｚを光軸の方向の座標とし、Ｙを前記光軸と直交する方向の座標とし、Ｋを円錐係数とし、Ｒ０を前記非球面の近軸における曲率半径とし、Ａ２ｉを偶数次数の非球面係数とするとき、以下の式
    で定義される前記非球面は、以下の式
    ｜Ａ２ｉ｜＜０．１
    を満たすことを特徴とするコリメートレンズ。
  4. 請求項３に記載のコリメートレンズにおいて、
    ｎＦを前記コリメートレンズのＦ線に対する屈折率とし、ｆを前記コリメートレンズの焦点距離とし、ＷＤを前記光源と前記第１面との前記光軸上の距離とするとき、以下の式
    ｎＦ＜ｆ／ＷＤ
    を満たすことを特徴とするコリメートレンズ。
  5. 請求項３または請求項４に記載のコリメートレンズにおいて、
    前記非球面は、Ａ２（ｉ−１）を前記Ａ２ｉよりも次数の低い偶数次数の非球面係数とするとき、２次以上の偶数次数の非球面係数で、以下の式
    ｜Ａ２ｉ｜＜｜Ａ２（ｉ−１）｜
    を満たすことを特徴とするコリメートレンズ。
  6. 低発熱光源である前記光源と、
    請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のコリメートレンズと、を備える
    ことを特徴とする照明装置。
  7. 請求項６に記載の照明装置において、さらに、
    前記コリメートレンズの前記第２面側に、第２のレンズを備え、
    ｆを前記コリメートレンズの焦点距離とし、ｆｓを前記第２のレンズの焦点距離とするとき、以下の式
    ｜ｆ／ｆｓ｜＜０．１
    を満たすことを特徴とする照明装置。
  8. 試料からの光を対物レンズを通して結像する結像光学系と、
    請求項６または請求項７に記載の照明装置と、を備える
    ことを特徴とする顕微鏡。
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