JP2014074801A - 光整形器、照明光学系および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体に対して光量損失が少ない輪帯照明を行う。
【解決手段】光整形器１２０は、光源１１０から入射した発散光のうち第１の角度から該第１の角度より大きい第２の角度までの射出角で射出する光の総光量増すように該発散光を集光する。光整形器は、反射面１２０ｒを有する。発散光のうち、基準軸に対して第１の角度より小さい入射角を有する光を第１の入射光とし、第１の角度より大きく、かつ第２の角度より小さい入射角を有する光を第２の入射光とし、第２の角度より大きい入射角を有する光を第３の入射光とするとき、光整形器は、第１の入射光を、反射面で反射することなく射出させ、第２および第３の入射光を、反射面で反射させて第１の角度から第２の角度までの射出角で射出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、瞳の中央部が光学的に欠落した撮像光学系を用いて標本（試料）等の撮像を行う撮像装置に関し、さらに詳しくは、撮像光学系により捉えられる標本を照明する照明光学系に関する。

病理検査等の分野では、標本全体を巨視的に観察したり標本の一部（細胞組織等）を詳細に観察したりするために、該標本の撮像により生成した画像をモニタに表示させることができる撮像装置（顕微鏡装置）が用いられている。例えば特許文献１には、解像度が高い高倍率での撮影画像を繋ぎ合わせ、標本全体の画像を生成する撮像装置が開示されている。

一方、特許文献２には、視野（画角）が大きく解像度が高い対物レンズを用いて標本を撮像する撮像装置が開示されている。この撮像装置では、繋ぎ合わせる画像の数を減らして、画像の繋ぎ合わせの処理に要する時間を短縮（もしくは不要とする）ことで、標本全体の細胞組織を短時間で撮像することができるようにしている。

一般に、解像度が同じ場合に画角を広くすると、光学系は大型化しやすい。例えば、φ０．１５ｍｍ程度が観察できる撮像光学系Ａに対して、φ１５ｍｍ程度が観察できる撮影光学系Ｂでは、画角が１００倍になっている。このため、物面から像面までの距離も１００倍になる。

画角が大きく、かつ光学系の全長を短縮することを目的に設計された光学系として、特許文献３には、光路の途中に反射光学系を導入した光学系が開示されている。この光学系は、光路中において物体面側に光路を折り曲げつつ、反射面が有する色分散を抑制する効果を利用して、収差を抑え、かつ全長を短くしている。ただし、特許文献３にて開示された光学系では、瞳の中央部が光学的に欠落しているため、結像に寄与する光の量が減少する。

また、画角が大きく、倍率も大きな光学系では、撮像面積が大きいため、照度が低下しやすい。このため、特許文献４には、導光途中でテーパーロッドや集光レンズを用いて、画角全体を均一かつ高照度で照明することができる光学系が開示されている。

特表２００８−５１０２０１号公報 特開２００９−０６３６５５号公報 特開平１０−１７７１３９号公報 特表２００９−５４４０６３号公報

ここで、画角が広い撮像光学系を用いた撮像装置としての顕微鏡装置の構成を図１０に示す。該顕微鏡装置１では、光源ユニット１１０から射出されてオプティカルロッド１３０および照明光学系１００を通った照明光により標本部２００に配置された標本２２５が照明される。そして、撮像光学系３００が標本２２５からの光に形成させた標本２２５の光学像が、撮像部４００により撮像されて、撮影画像が生成される。撮像光学系３００としては、例えば図３および図４（ａ），（ｂ）に示したものが用いられる。撮像光学系３００は、裏面反射鏡３１１，３１２を含む第１の結像光学系３１０と、レンズ群を含む第２の結像光学系３２０とにより構成され、物体面Ｂ上の物体（標本）の光学像を像面Ｃ上に形成する。

撮像光学系３００において、図４（ａ）に示すＮＡが大きな光は、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過し、裏面反射鏡３１２の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の周辺部で反射し、さらに裏面反射鏡３１２の中央部ＨＬ２を透過して、像面Ｃに至る。

一方、図４（ｂ）に示すＮＡが小さい光も、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過し、裏面反射鏡３１２の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過する。ただし、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過した光は、瞳面ＩＲ′に形成された遮光部ＳＨ′によって遮られ、像面Ｃには到達しない。この結果、この撮像光学系３００を用いた場合の像面Ｃ上における軸上での瞳透過率分布は図５に示すようになり、瞳の中央に光学的に欠落した部分（以下、中央欠落部ともいう）が生ずる。

このような中央欠落部を有する撮像光学系を用いて物体面Ｂに配置された物体を撮像する場合、物体の照明には、図６（ａ）に示す通常照明と、図６（ｂ）に示す輪帯照明とを用いることができる。ただし、図７に示すように、通常照明（中央遮光なし）を用いる場合と、瞳における中央欠落部に合わせた輪帯照明（中央遮光あり）を用いる場合とでは、物体の細かい部分を観察する場合、つまりは高い解像度が必要な場合での像のコントラストに差が生じる。特に、高い解像度が必要な場合は、輪帯照明の方が高いコントラストが得られる。

輪帯照明を形成するためには、図９（ａ）に示すように、照明光学系１００の照明面（物体面）Ｂに対する瞳面ＩＲに遮光部材ＳＨを配置して中央遮光を行う方法がある。しかしながら、この方法を用いると、光量が最も高い光軸ＡＸの近傍である中央部を遮光するため、照明光の光量損失が大きい。その結果、照明光により照明された物体から像面に配置された撮像部に到達する光の量が減少し、撮像に要する時間（撮像部での電荷蓄積時間）が長くなる。顕微鏡装置では、大量の標本の詳細画像を取得する必要がある場合があるため、光源からの光を効率的に利用して、画像の取得に要する時間を短縮することが求められる。

本発明は、物体に対して光量損失が少ない輪帯照明を行うことができるようにした光整形器およびこれを用いた照明光学系を提供し、さらに該照明光学系をを用いた撮像装置も提供する。

本発明の一側面としての光整形器は、基準軸上の光源から入射した発散光のうち、該基準軸に対して第１の角度から該第１の角度より大きい第２の角度までの射出角で射出する光の総光量が増すように発散光を集光する。該光整形器は、該発散光の一部を反射して該光整形器から射出させる反射面を有している。そして、該発散光のうち、基準軸に対して第１の角度より小さい入射角を有する光を第１の入射光とし、第１の角度より大きく、かつ第２の角度より小さい入射角を有する光を第２の入射光とし、第２の角度より大きい入射角を有する光を第３の入射光とするとき、第１の入射光を、該反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、第２の入射光の全てを該反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、または、第２の入射光の一部を該反射面で反射して該光整形器から射出させて残りの入射光を該反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、第３の入射光を、該反射面で反射させて第１の角度から第２の角度までの射出角で該光整形器から射出させることを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての照明光学系は、光源と、上記光整形器とを有する。そして、光整形器から第１の角度から第２の角度までの範囲の射出角で射出された光を用いて被照明面を照明することを特徴とする。

さらに、本発明の他の一側面としての撮像装置は、上記照明光学系と、被照明面に配置され、照明光学系からの光により照明された物体の光学像を形成する撮像光学系と、該光学像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする。

本発明の光整形器（および照明光学系）を用いれば、物体に対して光量損失が少ない輪帯照明を行うことができる。このため、光源からの光を効率良く利用して、高画質の画像を短時間で生成することが可能な撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例である撮像装置の構成を示す図。 実施例における標本に対する照明と撮像部に形成される光学像とを示す図。 実施例における撮像光学系の構成を示す図。 上記撮像光学系におけるＮＡが大きい光とＮＡが小さい光の光路を示す図。 上記撮像光学系による瞳透過率分布の例を示す図。 実施例における標本に対する照明方法を示す図。 図６に示した照明方法と標本の像のコントラストとの関係を示す図。 実施例におけるオプティカルロッドのインテグレート効果を説明する図。 実施例における照明光学系と撮像光学系との関係を示す図。 従来の撮像装置の構成を示す図。 実施例における面光源の放射角に対する相対照度の関係を示す図。 実施例における面光源の総光量に対する放射角内の光量の割合を示す図。 本発明の実施例１としての光整形器を示す図。 上記光整形器の形状を示す図。 実施例１における光源からの放射される光の放射角θ_１と上記光整形器の射出面から射出される光の射出角θ_２と被照明面に照射される光の照射角θ_３とを示す図。 実施例１における光源からの光の放射強度と上記光整形器の射出面からの光の射出強度と被照明面に照射される光の照射強度とを示す図。 実施例１に対する比較例における光源からの光の放射強度と上記光整形器の射出面からの光の射出強度と被照明面に照射される光の照射強度とを示す図。 本発明の実施例２としての光整形器の形状を示す図。 本発明の実施例３としての光整形器の形状を示す図。 本発明の実施例４としての光整形器の形状を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（撮像装置の全体構成）
図１には、本発明の実施例である撮像装置としての顕微鏡装置の構成を示している。顕微鏡装置１は、照明光学系１００と、標本部２００と、撮像光学系３００と、撮像部４００とにより構成されている。

照明光学系１００は、光源ユニット１１０からの光を被照射面（物体面）Ｂに導く。標本部２００では、物体面Ｂに観察対象物である標本（物体）２２５を配置している。撮像光学系３００は、標本２２５から光に、該標本２２５の光学像を像面（撮像面）Ｃに形成させる。撮像部４００は、撮像面Ｃに配置された複数の撮像素子４３０により構成され、撮像光学系３００により形成された光学像を光電変換する。図２（ａ）には、標本部２００において標本２２５が照明光により照明される様子を示す。２２７は照明光が照射される領域（照明領域）を示している。図２（ｂ）には、撮像部４００にて標本２２５の光学像２２５Ｃが複数の撮像素子４３０上に形成される様子を示している。

図１に示すように、標本部２００は、標本ステージ２１０と、標本保持部２２０とにより構成される。標本ステージ２１０は、標本保持部２２０の位置を、撮像光学系３００の光軸ＡＸが延びる方向（光軸方向）や光軸方向に直交する方向や光軸ＡＸに対して傾く方向に移動させることができる。標本保持部２２０は、例えば、図２（ａ）に示すように、標本２２５をスライドガラスと不図示のカバーガラスとで挟んだプレパラートを、標本２２５の位置が被照射面Ｂに一致するように保持する。撮像時には、標本保持部２２０を撮像光学系３００の光軸ＡＸに直交する方向に所定量移動させるごとに標本２２５の一部の撮像を行い、複数回の撮像により取得された撮影画像を繋ぎ合わせることで、標本２２５全体の撮影画像を生成する。なお、光軸ＡＸは、照明光学系１００の光軸でもある。

撮像部４００は、撮像ステージ４１０と、電気基板４２０と、複数の撮像素子４３０とにより構成されている。撮像素子４３０は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサ等の光電変換素子であり、図２（ｂ）で示すように、電気基板４２０上に所定の間隔で複数配置されている。撮像ステージ４１０は、電気基板４２０の位置を、複数の撮像素子４３０の位置が撮像光学系３００の像面Ｃに一致するように調節する。

撮像素子４３０からの出力信号は、コンピュータ５１０内に設けられた不図示の画像処理部にて処理され、これにより撮影画像が生成される。撮影画像は、モニタ５２０に表示されたり、メモリ５３０に記録されたりする。また、コンピュータ５１０内の不図示の制御部は、使用者の操作に応じて標本ステージ２１０や撮像ステージ４１０の動作を制御する。

撮像光学系３００は、先にも説明したが、図３および図４に示すように、裏面反射鏡３１１，３１２を含む第１の結像光学系３１０と、レンズ群を含む第２の結像光学系３２０とにより構成され、物体面Ｂ上の物体（標本）の光学像を像面Ｃ上に形成する。図４（ａ）には、光軸ＡＸに対してＮＡinからＮＡoutまでの大きな入射角（開口数）で撮像光学系３００に入射した光を示している。この光は、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過し、裏面反射鏡３１２の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１２の中央部ＨＬ２を透過して、第２の結像光学系３２０に入射する。そして、第２の結像光学系３２０を透過して像面Ｃに至る。

一方、図４（ｂ）に示す入射角がＮＡinより小さい光も、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過し、裏面反射鏡３１２の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の周辺部で反射し、裏面反射鏡３１１の中央部ＨＬ１を透過して第２の結像光学系３２０に入射する。ただし、第２の結像光学系３２０に入射した光は、該第２の結像光学系３２０内の瞳面ＩＲ′に形成された遮光部ＳＨ′によって遮られ、像面Ｃには到達しない。この結果、この撮像光学系３００を用いた場合の像面Ｃ上における軸上での瞳透過率分布は図５に示すようになり、瞳の中央に光学的に欠落した部分である中央欠落部が生ずる。言い換えれば、撮像光学系３００への入射角がＮＡin（特定入射角）より小さい光は、像面Ｃでの結像に寄与しない。
（照明光学系１００の構成）
図１において、照明光学系１００は、光源ユニット１１０と、光整形器１２０と、オプティカルロッド１３０と、共役光学系１４０とにより構成されている。

光源ユニット１１０は、１つ又は複数のハロゲンランプ、キセノンランプおよびＬＥＤ等の発光素子を光源として有する。光源ユニット１１０からの発散光は、光整形器１２０によって整形され、オプティカルロッド部１３０に導かれる。

光整形器１２０は、放物面を用いた集光光学素子（複合放物面集光器）であり、後述する共役光学系１４０とともに、光源ユニット１１０からの発散光を、撮像光学系３００の瞳の中央欠落部に対応した輪帯状の角度分布を有する照明光になるように整形する。

オプティカルロッド１３０は、光整形器１２０から射出した光を共役光学系１４０に導く導光素子であり、その射出面に均一な照明面を形成するロッド形状の光学素子である。共役光学系１４０は、オプティカルロッド１３０の射出面Ａの像を被照射面Ｂに形成する。これにより、被照射面Ｂにおける照明領域２２７（図２（ａ））が均一に照明される。

なお、共役光学系１４０は、被照明面Ｂにて撮像に必要な照明（照度）の均一性が得られるのであれば、被照明面Ｂと面Ａとが完全に共役な関係となるように構成されている必要はない。

以下、照明光学系１００のオプティカルロッド１３０、共役光学系１４０および光整形器１２０についてさらに詳しく説明する。
（オプティカルロッド１３０）
オプティカルロッド（以下、単にロッドともいう）１３０は、前述したように均一な照度の照明面を形成する。図８に示すように、ロッド１３０は、長さがＬで、一辺の長さが２ｒの正方形の両端面（以下、ロッド端面ともいう）を有する直方体形状を有し、ガラスにより形成されている。入射面である一方のロッド端面ａの法線（ロッド１３０の光軸）に対して傾き角度αを持った光線が該ロッド端面ａの中心Ｐ０に入射すると、ロッド１３０内で光軸に対してα′の角度で進行する。αとα′には、以下の関係がある。
ｓｉｎα＝ｎｓｉｎα′
ただし、空気の屈折率を１とし、ロッド１３０の材料（ここではガラス）の屈折率をｎとする。

ロッド１３０内を進行する光線の角度α′が、
０≦α′＜α１
の範囲であれば、該光線はロッド１３０の側面（以下、ロッド側面という）に当たることなく他方のロッド端面ｂに到達する。ロッド端面ｂから見ると、この光線は点Ｐ０からのみ発せられたように見える。

また、角度α′が、
α１≦α′
の範囲であれば、該光線はロッド側面に当たって全反射する。
このとき、角度α′が、
α１≦α′＜α２
の範囲であれば、該光線はロッド側面で１回だけ全反射するが、ロッド端面ｂから見た場合は、この光線は点Ｐ１から発せられたように見える。つまり中心Ｐ０と異なる点Ｐ１から光が発せられてロッド端面ｂに導かれているように見える。
角度α′が、
α２≦α′＜α３
の範囲であれば、該光線はロッド側面で２回全反射し、ロッド端面ｂから見た場合は、この光線は点Ｐ２から発せられたように見える。つまりＰ０およびＰ１とは異なる点Ｐ２から光が発せられてロッド端面ｂに導かれているように見える。

ロッド側面での反射回数が増すごとに、ロッド端面ｂを照明する虚像が増えることになり、ロッド端面ｂに到達する光線が、見かけ上、複数の点（光源）から射出されていることになる。このため、ロッド１３０内での反射回数が増すごとに、ロッド端面ｂでの照度が均一度を増すことになる。定性的には、α′が大きいほど、ｒが小さいほど、またＬが大きいほど、反射回数が増える。

ただし、導光素子としては、ガラスにより形成されたオプティカルロッド１３０でなくても、内面反射を利用して射出面にて照度を均一化できるものであればよい。例えば、矩形の空洞部を形成した金属性のロッドに光を入射させると、空洞部内ではその側内面でのミラーの作用によって複数回の反射が起こり、均一な照度の射出面を形成することができる。

また、ロッド１３０は、前述したように直方体形状を有するため、入射面（ロッド端面ａ）側での光の入射角と射出面（ロッド端面ｂ）からの光の射出角との関係は保存される。言い換えれば、入射面に入射する光の最大角度は、射出面から射出する光の最大角度と一致する。
（共役光学系１４０）
図９（ａ）に示すように、共役光学系１４０は、ロッド端面ｂである射出面にて形成された均一照度面を、標本部２００に転写する倍率βを有する結像光学系である。なお、図１において共役光学系１４０内に示したミラー１４５は、配置スペースや設計事情等に応じて配置してもよいし、配置しなくてもよい。図９ではミラー１４５を省略した共役光学系１４０を示している。

共役光学系１４０では、図９（ｂ）に示す撮像光学系３００の瞳の中央欠落部（遮光部ＳＨ′）の大きさに合わせて、瞳面ＩＲに遮光部材ＳＨが配置されている。遮光部材ＳＨは、例えばガラス平板の一部にクロム等の誘電体膜を付加したものや、数本の支持部が設けられた遮光板が用いられる。

ここで、図９（ａ）に示すように、瞳面ＩＲに配置された不図示の絞りを全開にした場合、被照明面Ｂを照明する光の該被照明面Ｂへの入射角（以下、照射角という）について、光軸ＡＸに対する最大照射角をＩＬoutとし、零ではない最小照射角をＩＬinとする。

前述したように、本実施例における撮像光学系３００は、光軸ＡＸに対してNA_inより小さい入射角をなす光が結像に寄与しないように構成されている。これに対応して、共役光学系１４０から被照明面Ｂへの最小照射角ＩＬinはNA_in以下（特定入射角以下）となるようにすればよい。
（光整形器１２０）
光整形器１２０は、光源ユニット１１０からの発散光を効率的に集光してロッド１３０に導くための光学素子である。ＬＥＤのような面光源やキセノンランプのような点光源は、１８０度や３６０度といった広い範囲に光を発するため、それらを効率良くロッド１３０に入射させることが望ましい。さらに、光整形器１２０は、前述したように、光源ユニット１１０からの光を、撮像光学系３００の瞳の中央欠落部に対応した輪帯状の角度分布を有する照明光になるように整形する。

光整形器１２０の作用を説明するために、まず、図１０に示した、光整形器１２０を設けていない従来構成における光源（面光源であるＬＥＤ）からの光の取り込み効率について説明する。

ＬＥＤの発光面に対して直交する方向（法線方向）に延びる軸を、光軸ＡＸに一致する基準軸とし、該基準軸に対するＬＥＤ（基準軸上の発光点）からの光の射出角（放射角）をθとする。このとき、ＬＥＤの放射強度は、図１１に示すようになる。つまり、基準軸に沿った方向（θ＝０）での光強度に対して、基準軸に対して角度θをなす方向においてはｃｏｓθの強度の光が放射される。

また、放射角θの光の光量（ＬＥＤからの全放射光量（総光量）に対する割合）を、図１２に示している。図１０に示すように、ＬＥＤ（光源ユニット１１０）からの光をそのままロッド１３０に入射させる場合において、共役光学系１４０の光学倍率が１倍で、最大ＮＡが０．５（つまりｓｉｎ^−１（０．５）＝３０度）とする。このとき、図１２より、共役光学系１４０が取り込める光の上記割合は、２５％となる。このうち、共役光学系１４０の瞳面でＮＡが０．２（つまりｓｉｎ^−１（０．２）＝１１．５度）までの光が遮光部材ＳＨによって遮られるとすると、その遮光量の割合は、図１２から４％となる。このため、標本２２５の照明に用いることができる光の上記割合は、２１％となる。

このことから、遮光部材（以下、中央遮光部ともいう）ＳＨを用いて中央遮光を行う場合は、中央遮光を行わない場合に対して、ＬＥＤからの全放射光量のうち（２５％−２１％）／２５％＝１６％の光量を損失していることになる。したがって、効率の良い照明を行うためには、光源からの光をただロッド１３０に入射させるだけでは足りない。つまり、共役光学系１４０によって被照明面Ｂでの照明ができる照明領域（照射角度）に合わせて、かつ中央遮光部（および絞り）にてなるべく光が遮られないように、ロッド１３０に入射させる前に光を整形しておくことが望ましい。

前述したように、ロッド１３０の射出面からの射出光の最大角度は、ロッド１３０の入射面への入射光の最大角度と一致する。そこで、本実施例では、共役光学系１４０で照明できる照明領域に到達させる光の総光量を増やすように、該光を光整形器１２０により整形する。言い換えれば、光整形器１２０は、基準軸に対して後述する第１の角度から該第１の角度より大きい第２の角度までの射出角で射出する光の総光量が増すように発散光を集光する。
以下、光整形器１２０の具体例を、実施例１〜実施例４として説明する。以下の説明において、光軸ＡＸと一致する基準軸を、基準軸ＡＸと記す。

図１３（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、実施例１の光整形器１２０を、側方からおよび斜め方向から見て示している。光整形器１２０は、ガラスにより形成されており、平面である入射面および射出面と、反射面としての複合放物面１２０ｒである側面とを有する複合放物面集光器である。複合放物面１２０ｒは、スプライン曲線やベジェ曲線等で表現できる曲線を、基準軸ＡＸの回りで回転させて形成される曲面である。基準軸ＡＸは、光整形器１２０の円形の入射面の中心と円形の射出面の中心とを結ぶ直線である。すなわち、光整形器１２０は、基準軸ＡＸに関して回転対称な形状を有する。

以下、光整形器１２０が満足すべき条件について説明する。βは、前述したように、共役光学系１４０がロッド１３０の射出面に形成された均一照度面を標本部２００に転写する倍率である。また、ＩＬin×｜β｜（第１の角度）は、共役光学系１４０の瞳に設けられた中央遮光部（遮光部材ＳＨ）で遮られずにロッド１３０に導かれる光の光整形器１２０の射出面からの最小射出角である。また、ＩＬout×｜β｜（第２の角度）は、共役光源系１４０の中央遮光部およびその外側の絞りで遮られずにロッド１３０に導かれる光の光整形器１２０の射出面からの最大射出角である。なお、ここにいう光の入射角および射出角はいずれも、該光が基準軸ＡＸに対してなす角度である。

光整形器１２０は、光源ユニット１１０のうち基準軸ＡＸ上の光源（発光点）から入射面に入射した発散光の射出面からの射出角θ′が、できるだけ多くＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲に入るように該射出角θ′を制御する。すなわち、
ＩＬin×｜β｜≦θ′≦ＩＬout×｜β｜ …（１）
を満足するように射出角θ′を制御する。これにより、光源ユニット１１０からの発散光を整形する。

この条件を満足するための光整形器１２０の形状の決め方について、図１４を用いて説明する。光源ユニット１１０からの光の光整形器１２０の入射面への入射角（光源ユニット１１０からの光の放射角）をθとする。

光整形器１２０は、入射角θがＩＬin×｜β｜である光を、図１４（ａ）に示すように、複合放物面１２０ｒで反射することなくそのまま射出面から入射角θと同じ射出角θ′（＝ＩＬin×｜β｜）で射出させる。なお、入射面および射出面を平面としている本実施例の光整形器１２０では、入射角θがＩＬin×｜β｜より小さい光（第１の入射光）も、複合放物面１２０ｒで反射することなくそのまま射出面から入射角θと同じ射出角θ′（＜ＩＬin×｜β｜）で射出する。

また、光整形器１２０は、入射角θがＩＬin×｜β｜より大きく、かつＩＬout×｜β｜より小さい光（第２の入射光）を、図１４（ｂ）に示すように、複合放物面１２０ｒで反射した後に射出面から射出させる。このとき、同図に示すように、射出面から射出する光の射出角θ′が、ＩＬin×｜β｜より大きく、かつＩＬout×｜β｜より小さくなるように、複合放物面１２０ｒの形状を設定する。

もしくは、光整形器１２０は、入射角θがＩＬout×｜β｜である光を、図１４（ｃ）に示すように、複合放物面１２０ｒで反射することなくそのまま射出面から入射角θと同じ射出角θ′（＝ＩＬout×｜β｜）で射出させてもよい。つまり、複合放物面１２０ｒで反射させない光の光整形器１２０への入射角θの範囲を、第２の入射光の範囲である、
ＩＬin×｜β｜≦θ≦ＩＬout×｜β｜
としてもよい。

そして、光整形器１２０は、入射角θがＩＬout×｜β｜よりも大きい光（第３の入射光）を、図１４（ｄ）に示すように、複合放物面１２０ｒで反射した後に射出面から射出させる。このとき、同図に示すように、射出面から射出する光の射出角θ′が、ＩＬin×｜β｜よりも大きく、かつＩＬout×｜β｜よりも小さくなるように、複合放物面１２０ｒの形状を設定する。

以上のことから、複合放物面１２０ｒで反射させない光の光整形器１２０への入射角θの範囲を、ＩＬin×｜β｜≦θ≦ＩＬout×｜β｜とすることで、複合放物面１２０ｒ（つまりは光整形器１２０）の光軸方向での長さを決定する。そして、その決定した長さにおいて、複合放物面１２０ｒで反射された光の射出面からの射出角θ′が、ＩＬin×｜β｜＜θ′＜ＩＬout×｜β｜を満足するように、複合放物面１２０ｒの最適な形状を決定する。ただし、光整形器１２０からの射出角ごとの光量の割合が、ＩＬin×｜β｜とＩＬout×｜β｜との間の範囲内で局所的に極端に大きくならないようにする必要がある。

このようにして決定された複合放物面１２０ｒを有する光整形器１２０の射出面から射出角θ_２で射出する光（図１５（ｂ））の強度である射出強度の例を、図１６に示す。また、図１６には、光源ユニット１１０から放射角θ_１で光整形器１２０の入射面に入射する光（図１５（ａ））の放射強度と、被照明面Ｂに対して照射角θ_３で照射される光（図１５（ｃ））の強度である照明強度も示している。射出強度および照明強度は、基準軸（光軸）ＡＸに沿った方向（θ＝０）での光源ユニット１１０からの光の放射強度を１としたときの相対強度を示す。

図１６に示す例では、前述した光源ユニット１１０からｃｏｓθで表される放射強度で放射される光が、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲に射出強度が集中した輪帯に近い角度分布を有する光整形器１２０からの射出光に変換されている。言い換えれば、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲の射出角を有する射出光の強度が、ＩＬin×｜β｜より小さい射出角を有する射出光およびＩＬout×｜β｜より大きい射出角を有する射出光の強度のそれぞれよりも高くなっている。

このとき、照射角θ_３がＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲にある光の光量（つまりは強度）が光源ユニット１１０からの全光束の光量に占める割合は、９３％となる。９３％は、前述した光整形器１２０を設けない場合の割合である２１％に対して、約４．４倍である。

このように、本実施例では、光源ユニット１１０から光整形器（複合放物面集光器）１２０に入射する光を、光整形器１２０の入射面から射出面までそのまま通過する光と、反射面としての複合放物面１２０ｒで反射される光に分けている。そして、複合放物面１２０ｒで反射した後に射出面から射出する光の射出角を、撮像光学系３００の中央欠落部の大きさに応じて、ＩＬin×｜β｜とＩＬout×｜β｜との間とするように複合放物面１２０ｒの形状を決定している。これにより、光源ユニット１１０からの光の利用効率を向上させることができる。

また、光整形器１２０を用いると、図９（ａ）に示す共役光学系１４０への入射角がＩＬinより小さい光の光量は、図１６に示す照明強度から分かるように、該入射角がＩＬinからＩＬoutまでの範囲の光の光量よりもかなり小さくなる。このため、共役光学系１４０に遮光部材ＳＨを設けなくても、撮像光学系３００の瞳の中央欠落による結像性能の低下（図７に示したコントラストの低下）を抑制することができる。このため、要求される結像性能によっては、共役光学系１４０から遮光部材ＳＨを削除することも可能である。

なお、光整形器１２０に代えて正のパワーを有する光学素子を用いた場合を、本実施例に対する比較例として、図１７を用いて説明する。図１７には、光整形器１２０に代えて用いられた１つの正レンズから射出角θ_２で射出する光の強度である射出強度の例を示している。また、図１７には、光源ユニット１１０から放射角θ_１で正レンズに入射する光の放射強度と、被照明面Ｂに対して照射角θ_３で照射される光の強度である照明強度も示している。図１６と同様に、射出強度および照明強度は、基準軸（光軸）ＡＸに沿った方向（θ＝０）での光源ユニット１１０からの光の放射強度を１としたときの相対強度を示す。

本比較例では、光源ユニット１１０からの光のうち放射角θ_１がＩＬout×｜β｜より大きな光の一部が、射出角θ_２がＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲の射出光になる。このため、この正レンズや実施例１の光整形器を用いない場合に比べて照明効率を高くすることは可能である。

しかし、光源ユニット１１０からの光のうち放射角θ_１がＩＬin×｜β｜よりも大きな光の一部が、正レンズを通過することで、射出角θ_２が０からＩＬin×｜β｜までの射出光になるため、共役光学系１４０の中央遮光部にて遮られる光量が増加する。図１７に示す例では、射出角θ_２がＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲である射出光の光量の光源ユニット１１０からの全光束の光量に占める割合は、３３％である。このため、この比較例に比べて、本実施例の光整形器１２０の方が高い照明効率が得られることが分かる。

ここで、本実施例における光整形器１２０からの光の射出角であるＩＬin×｜β｜およびＩＬout×｜β｜と、共役光学系１４０に遮光部材ＳＨが設けられている場合における最大照射角ＩＬoutおよび最小照射角ＩＬinとの関係について説明する。仮に共役光学系１４０の光学倍率βが１である場合において最も光の利用効率が高いのは、光整形器１２０からの光の射出角が最小照射角ＩＬinから最大照射角ＩＬoutまでの範囲に一致する場合である。また、光学倍率βが１ではない場合は、光整形器１２０からの光の射出角がＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲にあるのがよい。

ただし、実際には、図９（ａ）に示した瞳面ＩＲに配置した絞りと遮光部材ＳＨによって光を切り出して最小照射角ＩＬinから最大照射角ＩＬoutまでの範囲の光を作ることが望ましい。このため、瞳面ＩＲには、ＩＬin×｜β｜よりも若干小さな射出角（ＩＬin×｜β｜′）で光整形器１２０から射出する光から、ＩＬout×｜β｜を形成する光よりも若干大きい射出角（ＩＬout×｜β｜′）で光整形器１２０から射出する光まで入射することが好ましい。

したがって、先の説明において、ＩＬin×｜β｜′を第１の角度とし、ＩＬout×｜β｜′を第２の角度としてもよく、この場合、
ＩＬin×｜β｜′／ＩＬout×｜β｜′＞ＩＬin／ＩＬout
（ＩＬin×｜β｜／ＩＬout×｜β｜=ＩＬin／ＩＬout）
が成り立つ。

言い換えれば、第２の角度に対する第１の角度の割合が、光整形器１２０から射出されて被照明面Ｂを照明する光の最大照射角ＩＬoutに対する零ではない最小照射角ＩＬinの割合以下という関係がある。

実施例１の光整形器１２０の入射面および射出面はいずれも平面として形成されていたが、入射面および射出面のうち少なくとも一方の全部または一部を、光学パワーを有する屈折面（凹面または凸面）としてもよい。

図１８には、実施例２の光整形器１２０を示している。本実施例の光整形器１２０は、ガラスにより形成されており、平面である入射面と、中央近傍部が凹面部でそれよりも周辺部が平面部である射出面と、複合放物面１２０ｒである側面とを有する複合放物面集光器である。本実施例の光整形器１２０も、基準軸ＡＸに関して回転対称な形状を有する。

射出面に凹面部を設けることで、実施例１のように射出面が平面である場合に入射角θと射出角θ′がＩＬin×｜β｜より小さい光の少なくとも一部を、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲の射出角θ′の光となるように曲げる（屈折させる）ことができる。このため、実施例１の光整形器１２０に比べて、光源ユニット１１０からの光をより有効に利用することができる。なお、本実施例の光整形器１２０の複合放物面１２０ｒの形状（長さを含む）は、射出面の凹面形状（光学パワー）に応じて、実施例１の光整形器１２０とは異ならせる必要がある。

光源ユニット１１０から光整形器１２０に入射する光は、その入射角（放射角）によって以下の４種類に分類することができる。
（Ａ）射出面の凹面部に向かう光、
（Ｂ）射出面の平面部に向かう光、
（Ｃ）側面にて１回以上反射して射出面の平面部に向かう光、および
（Ｄ）側面にて１回以上反射して射出面の凹面部に向かう光。

本実施例の光整形器１２０の形状は、光源ユニット１１０からの入射角がＩＬin×｜β｜より小さい光を（Ａ）の光とし、かつ入射角がＩＬin×｜β｜より大きい光を（Ｂ）〜（Ｄ）の光として決定すればよい。

実施例１，２の光整形器１２０の入射面および射出面は平面や曲面として形成されていたが、入射面および射出面のうち少なくとも一方の全部または一部を円錐形状または多角錐形状を有する屈折面として形成してもよい。

図１９には、実施例３の光整形器１２０を示している。本実施例の光整形器１２０は、ガラスにより形成されており、平面である入射面と、中央近傍部が円錐凹面部でそれよりも周辺部が平面部である射出面と、反射面としての複合放物面１２０ｒである側面とを有する複合放物面集光器である。本実施例の光整形器１２０も、基準軸ＡＸに関して回転対称な形状を有する。

射出面に円錐凹面部を設けることで、実施例１のように射出面が平面である場合に入射角θと射出角θ′がＩＬin×｜β｜より小さい光の少なくとも一部を、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲の射出角θ′となるように曲げる（屈折させる）ことができる。このため、実施例１の光整形器１２０に比べて、光源ユニット１１０からの光をより有効に利用することができる。なお、本実施例の光整形器１２０の複合放物面１２０ｒの形状（長さを含む）は、射出面の円錐凹面形状に応じて、実施例１，２の光整形器１２０とは異ならせる必要がある。

実施例１〜３の光整形器１２０は、内部がガラスにより満たされた光学素子として形成されていたが、光整形器を中空ミラーとして形成してもよい。

図２０には、実施例４の光整形器１２０を示している。本実施例の光整形器１２０は、反射面としての複合放物面１２０ｒである側面を構成するミラーと、その内側空間にはめ込まれた内部光学部材１２５とにより構成されている。内部光学部材１２５は、その中心部が凹面部として形成されて光学的パワーを有し、それよりも周辺部が平面部として形成されている。なお、内部光学部材１２５の中心部を凸面としてもよい。本実施例の光整形器１２０も、基準軸ＡＸに関して回転対称な形状を有する。

また、図示はしないが、中心部が曲面または円錐面や多角錐面の形状を有して光学的パワーを有する光学部材を、光整形器１２０よりも光源ユニット１１０側やロッド１３０側に配置してもよい。

図２０（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、光源ユニット１１０から光整形器１２０への入射角θがＩＬin×｜β｜より小さい光（第１の入射光）と、ＩＬout×｜β｜より大きい光（第３の入射光）とを示している。そして、本実施例の光整形器１２０は、上記２つの光の射出角θ′が、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲になるように構成している。具体的には、入射角θがＩＬin×｜β｜より小さい光は、内部光学部材１２５の凹面部で屈折させ、中空ミラーで反射させることなく射出させる。また、入射角θがＩＬout×｜β｜より大きい光は、内部光学部材１２５の平面部を透過させた後に中空ミラーで反射して射出させる。

図示はしないが、光整形器１２０への入射角θがＩＬin×｜β｜またはＩＬout×｜β｜である光も、内部光学部材１２５を透過した後に、中空ミラーで反射することなく射出する。また、入射角θがＩＬin×｜β｜より大きく、かつＩＬout×｜β｜より小さい光（第２の入射光）については、内部光学部材１２５を透過した後に、中空ミラーで反射した後、射出する。これにより、光整形器１２０を射出する多くの光の射出角θ′を、ＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲に収めることができる。

なお、光整形器を中空ミラーとして構成した場合に、該中空ミラーの内側に光源を配置としてもよい。

各実施例で説明した光整形器を照明光学系に用いることで、瞳の中央欠落がある撮像光学系を用いた撮像装置においても、照明光を高効率で利用して高画質な画像を取得することができる。

なお、上記各実施例では、光整形器が基準軸に関して回転対称な形状を有する場合について説明した。しかし、光源からの光の光整形器からの射出角をＩＬin×｜β｜からＩＬout×｜β｜までの範囲に収めることができれば、必ずしも光整形器が回転対称な形状を有している必要はない。また、上記各実施例では、標本に照射する光の透過光を像面に結像させる透過型の照明光学系について示したが、本発明の実施例としては、標本に照射する光の反射光を像面に結像させる反射型の照明光学系およびこれを用いた撮像装置も含まれる。さらに、上記実施例では顕微鏡装置について説明したが、本発明の実施例としては、顕微鏡装置以外の撮像装置も含まれる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

光源からの光を高効率で利用できる照明光学系や高画質の画像を取得できる撮像装置を提供できる。

１ 撮像装置
１００ 照明光学系
１１０ 光源ユニット
１２０ 光整形器
１４０ 共役光学系
２２５ 標本
３００ 撮像光学系
４００ 撮像部

Claims (8)

1. 基準軸上の光源から入射した発散光のうち、前記基準軸に対して第１の角度から該第１の角度より大きい第２の角度までの射出角で射出する光の総光量が増すように前記発散光を集光する光整形器であって、
   前記発散光の一部を反射して該光整形器から射出させる反射面を有しており、
   前記発散光のうち、前記基準軸に対して前記第１の角度より小さい入射角を有する光を第１の入射光とし、前記第１の角度より大きく、かつ前記第２の角度より小さい入射角を有する光を第２の入射光とし、前記第２の角度より大きい入射角を有する光を第３の入射光とするとき、
   前記第１の入射光を、前記反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、
   前記第２の入射光の全てを前記反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、または、前記第２の入射光の一部を前記反射面で反射して該光整形器から射出させて残りの入射光を前記反射面で反射することなく該光整形器から射出させ、
   前記第３の入射光を、前記反射面で反射させて前記第１の角度から前記第２の角度までの射出角で該光整形器から射出させることを特徴とする光整形器。
2. 前記第１の入射光の少なくとも一部を、前記反射面で反射する前または反射した後に前記屈折面で屈折させることで、前記第１の角度から前記第２の角度までの射出角で該光整形器から射出させることを特徴とする請求項１に記載の光整形器。
3. 前記反射面を、中空ミラーにより形成し、
   前記中空ミラーの内側空間に、前記屈折面を有する光学部材が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光整形器。
4. 前記基準軸に関して回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光整形器。
5. 光源と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光整形器とを有し、
   前記光整形器から前記第１の角度から前記第２の角度までの範囲の射出角で射出された光を用いて被照明面を照明することを特徴とする照明光学系。
6. 前記第２の角度に対する前記第１の角度の割合は、前記光整形器から射出されて前記被照明面を照明する光の該被照明面への最大照射角に対する零ではない最小照射角の割合以下であることを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 請求項５または６に記載の照明光学系と、
   前記被照明面に配置され、前記照明光学系からの光により照明された物体の光学像を形成する撮像光学系と、
   前記光学像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
8. 前記撮像光学系は、光軸に対して特定入射角よりも小さい入射角で入射する光が結像に寄与しない光学系として構成されており、
   前記照明光学系から前記被照明面への光の前記最小照射角は、前記特定入射角以下であることを特徴する請求項７に記載の撮像装置。