JP2014211628A - 顕微鏡対物レンズ用リング照明装置と顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】顕微鏡対物レンズ用リング照明装置と顕微鏡対物レンズを提供する。【解決手段】リング照明装置は少なくとも２つのＬＥＤユニットを有し、これらは顕微鏡対物レンズに接続可能な照明リング１７に収容される。リング照明装置は、ＬＥＤユニットを冷却するための冷却空気２８用の少なくとも１つの下側入口開口部０８と少なくとも１つの上側出口開口部０９とを有する。顕微鏡対物レンズは、対物レンズ受容枠２９に電気的および機械的に連結されたリング照明装置を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、対物レンズ、特に顕微鏡対物レンズ用のリング照明装置と、このようなリング照明装置を備える顕微鏡対物レンズに関する。

顕微鏡用の各種の照明装置と照明技術が先行技術から知られている。リング照明装置は、主に暗視野反射光照明のために使用される。既知のシステムは、対物レンズの画像形成光学系の外側に配置される。光は、概してリング型ミラーまたはリング型レンズによって標本へと反射される。この構成はコスト高で、対物レンズの外側の大きなスペースを占める傾向があり、これは、たとえば対物レンズの搖動半径を実質的に制限する等の影響を有し得る。

たとえば特許文献１において、リング型の透明ディフューザ（ring-shaped transparent diffuser）とリング型コンデンサレンズ（ring-shaped condenser lens）が画像形成光学系の周囲に、光拡散方向に向かって配置される対物レンズが記載されている。

特許文献２では、多数の異なる暗視野照明システムが示されており、リング型レンズおよび／またはリング型ミラーの組み合わせが対物レンズの周囲で用いられている。
特許文献３は、光源としてＬＥＤが使用される顕微鏡用リング型照明装置を示している。異なる発光色、好ましくは赤、緑、青の２種類から３種類のＬＥＤが用いられており、これらは光軸の周囲の同じ遊び（play）の中に配置され、光軸に対して基本的に垂直に向けられる。色成分は、ダイクロイックミラー群により混合され、反射板により物面上へと偏向される。

特許文献４は、反射型顕微鏡用の照明リングを開示しており、この照明リングは少なくとも移動可能に取り付けられたＬＥＤを有し、光軸に関するその調節角度は照明の焦点合わせのために調節可能である。ＬＥＤは、その温度感受性により、最大でも許容電流の半分で動作させ、必要な光の強度は、焦点合わせまたはより多くのＬＥＤの使用によって実現する。ＬＥＤの導入（contacting）および電源供給は比較的コスト高である。

特許文献５は、暗視野照明装置を備える対物レンズを開示している。対物レンズの画像形成光学系が内側シリンダ内に配置され、ＬＥＤ照明装置が外側シリンダ内に配置される。ＬＥＤと物体との間にリング型光学素子が設置され、これがＬＥＤ光を平行光に変換する。この照明装置は、対応するアダプタを用いることにより、明視野対物レンズにも連結できる。

ＬＥＤは、明るさが増すと電力消費量も増大する。半導体の温度が一定であれば、この増大は略比例する。しかしながら、温度の上昇に伴って効率が低下するため、冷却の種類に応じて、電力制限における発光量が低下する。それゆえ、効率的な照明には有効な冷却が不可欠である。

米国特許第４１８６９９３ Ａ号明細書 米国特許第４６２６０７９ Ａ号明細書 独国特許第６０３０３０３２８ Ｔ２号明細書 独国実用新案第２０−２００５−００４６３５ Ｕ１号明細書 中国公告特許第１０１４１４０５６ Ｂ号明細書

したがって、本発明の根本的な課題は、発光量が大きく、効率的であり、セットアップが容易で保守をあまり必要としない暗視野照明を可能とする、顕微鏡対物レンズのための反射光照明用リング照明装置と、そのような照明装置のための顕微鏡対物レンズを考案することである。

上記の課題は、請求項１に記載のリング照明装置と、請求項１０に記載の、このような照明装置を備える顕微鏡対物レンズによって解決される。
有利な実施形態は従属項に記載されている。

本発明のリング照明装置は、照明リング内に配置された少なくとも２つの発光ダイオードユニットを有する。ＬＥＤユニットは少なくとも１つのＬＥＤと、「集光器の光学系」一式とを含み、好ましくは、これらは照明リングの周辺に均等に分散される。ＬＥＤユニットは照明リング内に、長方形のカメラチップが効率的に、特に問題となる輝点を発生させずに、物面から反射された画像形成ビームと整合することができるように配置される。

本発明によれば、リング照明装置は、冷却空気用の下側入口開口部と上側出口開口部を有する。この構成により、照明装置は自冷式である。自冷効果は照明リング内の「煙突効果」によって生じ、構成部品がさらに加熱されると強化される。構成部品の冷却は、加熱の対象となるすべての構成部品の付近を上昇する冷気が通過するという点で行われ、それによって、このような空気が加熱され、その後、入口開口部から冷気が吸引される。有利には、冷却空気用の第二の入口開口部と第二の出口開口部も照明リングに設けられる。

本発明の利点は、ＬＥＤを高い電力消費で動作させ、良好な明るさと効率の照明を提供できる点であることがわかるであろう。
有利には、照明装置の構成要素は高熱伝導率の材料で製造される。

本発明の顕微鏡対物レンズは、内側フレームチューブ内に配置された画像形成光学系からなる。既知の方法で、対物レンズの機能、たとえば電気制御ユニット、内部合焦手段、衝突防止手段、温度制御手段、動力化手段等が、少なくとも部分的にフレーム筒（frame tube）を取り囲む外側の「対物レンズ受容枠」内に収容される。対物レンズの、フロントレンズを支持する一方の端面では、照明装置が「対物レンズ受容枠」と電気的かつ機械的に連結される。これに関連して、照明リングは各ＬＥＤユニットとの電気的接続部を有し、これは好ましくは接触面の形態である。

この電気的接続部を介して照明装置を制御でき、好ましくは調整もできる。ＬＥＤユニットがソフトウェアツールと校正基準により相互に関して調整可能で、それによって照射野が確実に、たとえば個別に迅速に調整できるＬＥＤを使用して、常に均一に照明されるようにすることができれば特に有利である。

対物レンズと物面との間の動作距離が長いと、ＬＥＤからの光が物体から対物レンズに直接反射され、画像に不要な障害が生じる恐れがある。この状況は、照明ビーム経路を外側に、その後物面へと偏向させることによって緩和できる。そのために、顕微鏡対物レンズは、別の実施形態によれば、ＬＥＤの光を外側に、その後リング型ミラーへと反射させ、その結果、照明の入射角度が浅くなるような補正アタッチメントを有していてもよい。補正アタッチメントは対物レンズとともに中心を合せて整列され、有利には、対物レンズと照明装置とに磁気的手段によって連結できる。

ＬＥＤユニットは、好ましくは、回路基板上に配置されたＬＥＤと、物面に光源を結像する集光器の光学系と、さらに電気的接続部としての接触面とから構成される。このように、いわゆる「クリティカル照明」が構築され、そのための光学系は比較的単純な方法で実現できる。

好ましい実施形態において、ＬＥＤユニットは「集光器」内に配置され、これは特に容易な方法で予め調整できる。有効な冷却を行うために、「集光器」の各々が冷却用空気のための第三の入口開口部と第三出口開口部を有していれば有利である。

照明リングには「集光器」が収容され、これらは完全に事前調整されており、好ましくは、開口部からなる、それに対応する円（circle）の中に配置され、それによって入口開口部と出口開口部は、冷却空気流が照明リングを下から上方向に通過するように配置される。これに関連して、好ましくは、「集光器」の、そして照明リングの、入口開口部と出口開口部は重なる。

特に好ましい実施形態においては、８つの集光器が１つの照明リングに収容され、すなわち、照明リングの周辺に分散される。
「集光器」は集光器ハウジングを含み、集光器ハウジング内に集光器光学系と、ＬＥＤ回路基板と、冷却体と、電気的接続部を提供する１つ（または複数）の接触面を有する接触板（または接触回路基板）とが収容され、それによって、ＬＥＤ回路基板と接触板が、導体として機能するワイヤにより接続される。

他の実施形態において、ＬＥＤユニットは、別の「集光器」を使用せずに、照明リングの中に直接収容される。ここで、ＬＥＤの各々とその回路基板は、好ましくは照明リングにねじ止めされ、照明リング内で、物体の中心に関する調整も行われ、集光器光学系もまた、照明リング内に直接保持される。この構成では、故障したＬＥＤを容易に交換できず、調整を続けなければならない。

照明リングは対物レンズとともに、光軸に中心が合される。
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながらさらに詳しく説明する。

リング照明装置を備える顕微鏡対物レンズの好ましい実施形態を、長さ方向の断面図で示す。 リング照明装置を示す、図１の詳細図である。 図１に示される顕微鏡対物レンズの、対物レンズ面の方向から見た図である。 「集光器」の異なる図を示す。 図４の切断線Ａ−Ａに沿った、図４に示される「集光器」の長さ方向の断面図である。 図４の切断面Ｂ−Ｂに沿った、図４に示される「集光器」の長さ方向の断面図である。 補正アタッチメントの断面図である。

図１は、好ましい実施形態による本発明の顕微鏡対物レンズ０１を、光軸０２に沿った長さ方向の断面図で示している。図２は、図１のＡの詳細図を示す。図３は、図１に示される顕微鏡対物レンズ０１の、物面（object plane）０３の方向から見た図である。

顕微鏡対物レンズ０１は内側対物レンズ筒（inner objective tube）０６内に配置された画像形成光学アセンブリ０４からなる。
図に示された好ましい実施形態による本発明の顕微鏡対物レンズ０１について、図１〜３を参照しながらさらに詳しく説明する。

リング照明デバイス０７は、顕微鏡対物レンズ０１の、物面０３に対向する面に取り付けられる。
リング照明デバイス０７は、冷却空気用の下側入口開口部０８と上側出口開口部０９を有する。この実施形態において、入口開口部０８と出口開口部０９はリング型である。冷却空気は、リング照明デバイスの動作過程で加熱される構成部品の周囲に流れ、「煙突効果」を発生させる。

発光ダイオードユニット１１の各々は、ＬＥＤアセンブリ１２と集光器レンズ（collector lens）１３を含む。この実施形態において、ＬＥＤアセンブリ１２と集光器レンズ１３は、一緒に「集光器（collector）」１４内に保持される。「集光器」１４は、集光器ハウジング（collector housing）１６を有し、このハウジングと共に照明リング１７内に配置され、必要が生じると（たとえば、経年劣化または故障した場合）、これらは容易に交換できる。「集光器」１４の構成を、図４、５、６を参照しながら以下に詳細に説明する。

この実施形態における冷却のための「煙突効果」を実現するために、各照明リング１７は第二の入口開口部１８と第二の出口開口部１９とを有し、集光器ハウジング１６は第三の入口開口部２１と第三の出口開口部２２とを有する。

アダプタリング２３は、好ましくはねじ山（thread）２４によって照明リング１７に取り付けられる。ねじ山２４は、アダプタリング２３の軸方向セグメント２６に配置される。軸方向セグメント２６は照明リング１７の外径上の第二の出口開口部１９を、上側出口開口部０９内のギャップまでカバーする。これにより、オペレータが照明リング１７の高温部分と接触することを防止する。

アダプタリングの径方向セグメント２７は、照明リング１７の中で「集光器」１４を固定するための軸方向固定手段として機能する。
矢印２８は、下側入口開口部０８から上側出口開口部０９への冷却空気の流れを示している。明らかに、空気は、ここでは断面で示されている構成部品の周囲に流れる。当業者であれば、完全に冷却するために、これ以外にも部分的な流れが生じることがわかるであろう。

好ましくは、照明リング１７は、「集光器」１４間の周辺空間の中に設けられたねじ接続（screw connection）によって対物レンズ受容枠２９に接続される。対物レンズ受容枠２９は好ましくは、対物レンズの機能のためのその他の手段を有し、たとえば、顕微鏡対物レンズ０１のための制御ユニット１０とリング照明装置０７または、少なくともこのような制御ユニットのための接続用構成要素である。対物レンズ受容枠２９は有利には、冷却翼（cooling vanes）３０を有する。これに加えて、絶縁シェル４１が対物レンズ受容枠２９に取り付けられるか、または含められていれば有利となり得、それによって熱が機械的な接触面を通じて内部の光学アセンブリ０４に伝えられるのが防止される。これに加えて、対物レンズ受容枠２９を、光軸０２内の別のアダプタリング４０を覆うように配置してもよい。このようにすることによって、光学システムの調節による高さの変動を補償でき、物面０３において照明の焦点を常に合わせたままとすることができる。

「集光器」１４の各々は、対物レンズ受容枠２９に取り付けられた接触ばね３２に接触面３１によって電気的に接続される。これらの接触部３１、３２によって、対物レンズの制御ユニット０５とリング照明装置０７との間に電気的接続部が確立される。接触ばね３２は、有利にはリング型の平坦アセンブリ（FA:flat assembly）４５内に半田付けされる。平坦アセンブリ４５は、対物レンズの制御ユニット０５と接続される。対物レンズに制御ユニットを組み込むことで、顕微鏡内の制御ユニットへの必要な配線の数が少なくなるという利点が得られる。この場合、対物レンズの制御ユニット０５そのものが配線を介して顕微鏡対物レンズ０１の電気的主要インタフェース１０に接続される。すると、顕微鏡対物レンズ０１の電気的主要インタフェース１０は、顕微鏡対物レンズ０１からの信号の顕微鏡への移行点（transition point）となり、つまり制御センタ（control center）への移行点となる。

「集光器」１４は照明リング１７内で斜めに配置されて、ＬＥＤアセンブリ１２は、物面０３へと延びる照明ビーム経路３３を生成する。角度αは、顕微鏡対物レンズ０１の自由動作距離と、「集光器」１４の開口部が照明リング１７内に配置されるように選択された円（circle）とによって生じる。「集光器」１４に設けられる冷却体３４によって、集光器軸３５が好ましい程度に傾く。この方法では、接触面３１が物面と平行になるように傾きが選択される。これによって、顕微鏡対物レンズ０１が占めるスペースが小さくなり、それゆえ、外径がより小さくなるという、別の利点が得られる。

図１〜３に示される、好ましい実施形態による顕微鏡対物レンズ０１で用いられている「集光器」１４を、図４〜６に詳しく示す。
図４には、「集光器」１４の異なる図が示されている。図５は、図４の線Ａ−Ａに沿った断面を示し、図６は図４の線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す。上記の説明にしたがって、同じ要素には同様の参照番号が使用されている。

集光器ハウジング１６は、集光器レンズ１３を収容するための円筒セグメント３６を有する。集光器レンズ１３は、保持リング３７によって集光器ハウジング１６に固定される。

ＬＥＤアセンブリ１２は、ここではシリコーン樹脂とレンズを有するＳＭＤセラミックハウジングの形態で、ＬＥＤ３９を有する回路基板３８を含み、さらに冷却体３４と、接触面３１を有する接触板４２とを含む。接触板４２と回路基板３８との間の電気接続は、半田付けされた接続ワイヤ１５により行われる。当業者であれば、必要な特徴に基づいて正しいＬＥＤを選択でき、要求事項に基づいて冷却体の寸法を決定できる。

ＬＥＤアセンブリ１２は、集光器ハウジング１６の、集光器レンズ１３と対向する端側にねじ４３により取り付けられ、同時にねじ４３で中心が合わされる。照明軸３３上での「集光器」１４の調整は、このねじ接続によって行われる。ＬＥＤ３９と集光器レンズ１３との間の距離を、集光器ハウジング１６における機械的裕度（mechanical tolerance）によって正確なものとすることは有利である。あるいは、熱伝導性のディスタンスリング（heat-conducting distancing ring）を使用してもよい。有利には、回路基板３８とねじ接続を、熱伝達が良好に行われるような寸法とし、その結果、ＬＥＤ３９の熱を、冷却体３４の上方および、回路基板３８と集光器ハウジング１６とのねじ接続を超えて外へと向かわせ、その後照明リング１７へと分散させることができる。これに加えて、ＬＥＤアセンブリ１２と接触板４２との間に熱伝導性接着剤を提供することが有利である。その結果、熱の伝達が改善され、それと同時に不可逆的に固定できることから、調節された状態を確保する別の手段にもなる。

集光器ハウジング１６、照明リング１７、対物レンズ受容枠２９は、キャストアルミニウム等の熱伝導率の高い材料から作製される。
図７は、物面から対物レンズの動作距離が大きくなった場合に照明角度を浅くする補正アタッチメント４４を示す。この補正アタッチメントは、有利には、周辺にわたって分散され、照明リングに永久磁石４６によって取り付けられる。補正アタッチメント４４内の永久磁石４６は、ビーム開口部４７に対してずらして配置される。また磁石は、顕微鏡対物レンズ０１の照明リング内の対応する位置にも設置される。その結果、ビーム開口部４７が「集光器」１４と整列する。補正アタッチメント４４は、センタリングシリンダ（centering cylinder）４８を用いて中心に配置される（center）。フレーム要素４９と５０は、有利には、ここでは反射面を保護する役割を果たす。

このような偏向アタッチメントの機能は当業者の間で、たとえば独国特許出願公開第１０３２０５２９ Ａ１号明細書から知られている。

０１ 顕微鏡対物レンズ
０２ 光軸
０３ 物面
０４ 光学アセンブリ
０５ 制御ユニット
０６ 対物レンズ筒
０７ リング照明装置
０８ 下側入口開口部
０９ 上側出口開口部
１０ 電気的主要インタフェース
１１ ＬＥＤユニット
１２ ＬＥＤアセンブリ
１３ 集光器レンズ
１４ 「集光器」
１５ 導電ワイヤ
１６ 集光器ハウジング
１７ 照明リング
１８ 第二の入口開口部
１９ 第二の出口開口部
２０ −
２１ 第三の入口開口部
２２ 第三の出口開口部
２３ アダプタリング
２４ ねじ山
２５ −
２６ 軸方向セグメント
２７ 径方向セグメント
２８ 冷却空気流
２９ 対物レンズ受容枠
３０ 冷却翼
３１ 接触面
３２ 接触ばね
３３ 照明ビーム経路
３４ 冷却体
３５ 集光器の軸
３６ 円筒セグメント
３７ 保持リング
３８ 回路基板
３９ ＬＥＤ
４０ アダプタリング
４１ 絶縁リング
４２ 接触板
４３ ねじ
４４ 補正アタッチメント
４５ 平坦アセンブリ
４６ 永久磁石
４７ ビーム開口部
４８ センタリングシリンダ
４９ フレーム要素
５０ ビーム開口部を有するフレーム要素

Claims (10)

1. 照明リング（１７）に収容された少なくとも２つの発光ダイオードユニット（１１）を含む、顕微鏡対物レンズ（０１）のためのリング照明装置（０７）において、
   前記リング照明装置（０７）が、ＬＥＤユニット（１２）を冷却する冷却空気のための、少なくとも１つの下側入口開口部（０８）と少なくとも１つの上側出口開口部（０９）を有することを特徴とする、リング照明装置（０７）。
2. 前記照明リング（１７）が、第二の入口開口部（１８）と第二の出口開口部（１９）とを有することを特徴とする、請求項１に記載のリング照明装置（０７）。
3. 前記少なくとも２つのＬＥＤユニット（１１）の各々が、前記照明リング（１７）内に保持された「集光器ハウジング」（１６）内に配置され、
   前記「集光器ハウジング」（１６）が第三の入口開口部（２１）と第三の出口開口部（２２）とを有することを特徴とする、請求項２に記載のリング照明装置（０７）。
4. 前記「集光器ハウジング」（１６）が基本的に円筒形であり、
   円筒形構造の本体には「集光器レンズ」（１３）が配置されて、前記第三の入口開口部（２１）が前記円筒形構造の外郭表面に設けられ、前記第三の出口開口部（２２）が前記円筒形構造のカバーに設けられることを特徴とする、請求項３に記載のリング照明装置（０７）。
5. 前記ＬＥＤユニット（１１）が、冷却体（３４）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリング照明装置（０７）。
6. 前記リング照明装置が、前記ＬＥＤユニット（１１）を前記照明リング（１７）内に保持するためのカバーリング（アダプタリング）（２３）をさらに有し、
   前記カバーリング（２３）が、前記照明リング（１７）を少なくとも部分的に取り囲み、軸方向縁辺（２６）と径方向縁辺（２７）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリング照明装置（０７）。
7. 前記軸方向縁辺（２６）が前記対物レンズの延びる方向に、前記照明リング（１７）の第二の出口開口部（１９）を覆うように突出し、
   前記カバーリング（アダプタリング）（２３）と前記照明リング（１７）との間の、前記上側出口開口部（０９）の領域には、半径方向の分離部分が存在し、該分離部分が上側出口開口部（０９）を形成することを特徴とする、請求項６に記載のリング照明装置（０７）。
8. 前記ＬＥＤユニット（１１）が電気的接続部を含み、
   前記電気的接続部を介して、前記リング照明装置（０７）が前記顕微鏡対物レンズ（０１）に電気的に接続されることを特徴する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のリング照明装置（０７）。
9. 前記照明リング（１７）が熱伝導性材料で作製されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のリング照明装置（０７）。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のリング照明装置（０７）を有し、前記リング照明装置（０７）が対物レンズ受容枠（２９）に配置され、前記対物レンズ受容枠に電気的および機械的に連結されることを特徴とする、顕微鏡対物レンズ（０１）。