JP2015219261A - 照明装置および顕微鏡ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が少なく、光学系の位置決めにロバストな暗視野照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、リング状の光束断面を有する平行光を出射する照明装置であって、出射面から放射状に光を出射する面光源と、面光源に対向して配置され、その外側面に設けられた反射面により面光源からの光を、照明装置の出射光の光軸と交差する径方向に反射する第１反射鏡と、第１反射鏡を囲む鏡筒の内側面に設けられ、第１反射鏡による反射光をその反射面により光軸と平行な方向に反射する第２反射鏡とを備え、第２反射鏡により反射された光は、リング状の光束断面を有する平行光となることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、暗視野照明装置および当該暗視野照明装置を備える顕微鏡ユニットに関する。

通常、顕微鏡で試料表面を観察する場合には、対物レンズを通じて垂直落射照明を試料へ与え、試料表面からの反射光をそのまま観察する。この様な観察は明視野観察と呼ばれ、その際には明視野照明系（明視野照明装置）を使用する。

一方、照射角度が対物レンズへの最大入射角度より大きい照明光を、対物レンズの外側から試料へ照射し、試料面での散乱や回折による光、あるいは照射した光により励起された蛍光のみを観察する方法は暗視野観察と呼ばれる。暗視野観察を行う際には、暗視野照明系（暗視野照明装置）を使用する。暗視野観察では、試料面での正反射光は対物レンズへは入射せず、鏡面状の試料では暗黒の視野となるが、わずかな段差や疵等は、暗黒の中に高コントラストに観察できる。

暗視野観察を可能とする暗視野照明装置の一例として、光束の断面がリング状の平行光である輪帯光を出射するものがある。輪帯光はダイクロイックミラーやビームスプリッタにより反射されて対物レンズの外部を通って試料に到達する。輪帯光は、光源６１からの出射光をレンズ６２によって平行光束とし、この平行光束の中心部を遮蔽板６３で遮ることによって輪帯光とする方法（図６（ａ））、光源６１とレンズ６２によって得た平行光束を出射側の端部が輪帯光に配された複数の光ファイバ６４により輪帯光とする方法（図６（ｂ））、光源６１とレンズ６２によって得た平行光束を円錐形状または円錐台形状の側面に形成された第１反射鏡６５とこれに対向して設けられた円錐台形の内壁側面に形成された第２反射鏡６６とにより輪帯光とする方法（図６（ｃ））等がある（例えば特許文献１を参照）。

特開平９−４３１４７

しかし、特許文献１に記載された種々の方法では、いずれも光源から出射された光を平行光線とするためのコリメートレンズを必須としているため、少なくともコリメートレンズの焦点程度の長さが必要となって小型化が困難である、距離部品点数が多くなる、といった問題がある。

また、複数の光ファイバ７１を束ねた結束ファイバの端面を面光源として用いる場合、図７に示したように、端面における光ファイバの配置には粗密のばらつきがあるので、コリメートレンズの光学的な集光位置にファイバ間の隙間があると極端に照明の光量が低下する、あるいは、照明の均一性が著しく低下するといった問題が発生する。このため、ファイバのコアがレンズのフォーカス位置と一致するように、正確に位置決め（調心）する必要が生じる。

本発明は、上記の問題点を解消すべくなされたものであり、部品点数が少なく、光学系の位置決めにロバストな暗視野照明装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の照明装置は、リング状の光束断面を有する平行光を出射する照明装置であって、出射面から放射状に光を出射する面光源と、面光源に対向して配置され、その外側面に設けられた反射面により面光源からの光を、照明装置の出射光の光軸と交差する径方向に反射する第１反射鏡と、第１反射鏡を囲む鏡筒の内側面に設けられ、第１反射鏡による反射光をその反射面により光軸と略平行な方向に反射する第２反射鏡とを備え、第２反射鏡により反射された光は、リング状の光束断面を有する平行光となることを特徴とする。

このような構成により、光源から出射された光を平行光にするためのコリメートレンズが不要となり、暗視野観察に用いるリング状の光束断面を有する平行光（輪帯光）を少ない部品点数で実現することができる。また、面光源との位置決めにロバストとすることができる。

（２）本発明では、第１反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有し、第２反射鏡は、円錐台形状の反射面を有してもよい。（３）第１反射鏡は、円錐台形状または円錐形状の反射面を有し、第２反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有してもよい。（４）第１反射鏡は、楕円トロイダル形状の反射面を有し第２反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有してもよい。

上述の第１反射鏡と第２反射鏡の組み合わせにより、コリメートレンズを用いることなく輪帯光を得ることができる。

（５）本発明では、面光源は、複数の光ファイバを束ねて構成された結束ファイバの端面としてもよい。

本発明の構成によれば、結束ファイバを面光源として用いても、ファイバのコアと光学系との位置決めをロバストとすることができる。結束ファイバを用いた構成とすることで、外部光源の発光部を光学系から離した位置に配置することができ、発光部の発熱に伴う顕微鏡ユニットへの熱影響を防ぐことができる。

（６）本発明の顕微鏡ユニットは、対物レンズと、上記いずれかの照明装置と、照明装置から出射される照明光を、対物レンズの最大入射角度より大きい角度で試料に照射する照明光集束部とを備え、照明装置は、試料からの正反射光を観察像の結像に用いない照明光を出射する暗視照明部として用いられる。

このような構成により、明るく均一な暗視野照明装置を備えた顕微鏡ユニットを実現することができる。

（７）本発明では、試料からの正反射光を観察像の結像に用いる照明光を出射する明視野照明部と、暗視野照明部からの照明光の光路と明視野観察部からの照明光の光路とを合成するビームスプリッタと、暗視野照明部及び明視野照明部の一方のみから照明光を出射するよう制御する光源制御部とをさらに備えるとよい。

このような構成により、本発明の顕微鏡ユニットは明視野観察と暗視野観察を容易に切り替えることができる。

本発明の第１実施形態に係る顕微鏡ユニット１の構成を示す部分断面図である。 暗視野照明部１１の構成を光路とともに示す拡大断面図である。 暗視野観察時における対物レンズ１５先端部及び試料近傍での照明光の振る舞いを示す模式図である。 面光源から出射された光を反射して輪帯光を出射することができる第１反射鏡１１１及び第２反射鏡１１２の組み合わせの他の例を模式的に示す。 支持部材１１３の変形例を示す。す図である。 暗視野観察を可能とする暗視野照明装置における輪帯光の生成方法の例を示す。 複数の光ファイバを束ねた結束ファイバの端面の模式図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡ユニット１の構成を示す部分断面図である。

顕微鏡ユニット１は、明視野照明部１０、暗視野照明部１１、光源制御部１２、第１ビームスプリッタ１３、第２ビームスプリッタ１４、対物レンズ１５、対物レンズ鏡筒１６、及び結像光学系１７を備える。本実施形態の顕微鏡ユニット１は、明視野照明部１０と暗視野照明部１１を択一的に使用して試料Ｗに照明光を照射することにより、照明光を試料に照射したときの正反射光を観察像の結像に用いる明視野観察と、照明光を試料に照射したときの正反射光を観察像の結像に用いない暗視野観察の両方が可能なように構成されている。

明視野照明部１０は、明視野観察用の照明光を出射する照明部であり、結束ファイバ１００とレンズ１０１とを備える。結束ファイバ１００は、多数の光ファイバを束ねたもので、外部光源からの照明光を導光して端面から出射する。このような結束ファイバ１００の端面は面光源として扱うことができる。レンズ１０１は、結束ファイバの端面から出射された光を対物レンズへ導光するためのレンズである。結束ファイバ１００より出射した明視野観察用の照明光は、レンズ１０１を通過し、第１ビームスプリッタ１３に向けて照射される。

図２は、暗視野照明部１１の構成を光路とともに示す拡大断面図である。暗視野照明部１１は、暗視野観察用の照明光を出射する照明部であり、図２に示すように、結束ファイバ１１０、第１反射鏡１１１、第２反射鏡１１２、及び支持部材１１３を備える。結束ファイバ１１０は明視野照明部における結束ファイバ１００と同様のものである。第１反射鏡１１１は、外側面に放物線トロイダル形状の反射面を有する反射鏡であり、当該反射面は軸方向断面において放物線を成す。第１反射鏡１１１には、結束ファイバ１１０の端面における周縁部付近から出射した光が入射する。第１反射鏡１１１は、その反射面により入射光を光軸と交差する径方向に反射する。それとともに、反射面が放物線状であることにより、結束ファイバ１１０の端面から放射状に広がる光を略平行光とする。第２反射鏡１１２は、暗視野照明部１１の鏡筒内側面に設けられた円錐台形状の反射面であり、第１反射鏡からの光を光軸と平行な方向に向けて反射する。第２反射鏡１１２によって反射された光は、光束の断面がリング状の平行光である輪帯光となる。支持部材１１３は、ガラス等の透明な素材により形成された円環形状の部材であり、第１反射鏡１１１を、暗視野照明部１１の鏡筒内中心部に位置するよう支持する。支持部材１１３は、輪帯光の光路を遮る位置に配置されるが、透明な部材で形成されているため、第２反射鏡からの輪帯光は支持部材１１３を透過して、暗視野観察用の照明光として第１ビームスプリッタ１３に入射する。

このような構成により、暗視野照明部１１は光源から出射する光を平行光にするためのコリメートレンズを設けることなく、光束の断面がリング状の平行光である輪帯光を出射することができる。コリメートレンズの焦点距離による制約を受けないため、暗視野照明部の全長を短縮することが可能となる。また、本実施形態の暗視野照明部１１では、面光源として用いる結束ファイバ１１０の周縁部付近から出射した光を第１反射鏡１１１によって反射する。結束ファイバ１１０の端面における光ファイバの配置には粗密のばらつきが生じ得るが、第１反射鏡には周縁部の多数の光ファイバから光が入射することにより粗密のばらつきの影響が緩和され、照明光量の低下、照明の均一性の低下といった問題を抑制することができる。したがって、結束ファイバ１１０と第１反射鏡との位置決めをロバストにすることができる。

光源制御部１２は、内部に光源を備え、明視野照明部１０の結束ファイバ１００及び暗視野照明部１１の結束ファイバ１１０のいずれか一方にのみ光源からの光を入射させるよう制御する。すなわち、明視野観察を行う場合には、明視野照明部１０の結束ファイバ１００に光源からの光を入射させ、暗視野観察を行う場合には、暗視野照明部１１の結束ファイバ１１０に光源からの光を入射させる。結束ファイバ１００及び１１０から第１ビームスプリッタ１３の間にシャッタを設ける、第１ビームスプリッタ１３に代えて可動式の反射ミラーを設ける等、機構部品を設けて照明の切り替えを実現することも可能であるが、鏡筒内に機構部品を設けると鏡筒内部に塵埃が発生し、鏡筒内部を頻繁に清掃する必要が生じるため、本実施形態のように外部で光源からの光を択一的に入射させる方式の方が優れている。

第１ビームスプリッタ１３は、明視野照明部１０からの明視野観察用の照明光を反射するとともに、暗視野照明部１１からの暗視野観察用の照明光を透過し、これらの照明光を第２ビームスプリッタ１４に入射させる。

第２ビームスプリッタ１４は、第１ビームスプリッタ１３からの照明光を対物レンズ１５及び試料Ｗが配置された方向に反射するとともに、試料Ｗにより反射され対物レンズ１５を通過した光を透過して結像光学系１７に入射させる。

対物レンズ１５は、試料Ｗに対面するレンズである。明視野観察を行う際には、対物レンズ１５は、第２ビームスプリッタ１４によって反射された明視野照明部１０からの照明光を試料Ｗに向けて照射する。また、明視野観察及び暗視野観察のいずれを行う場合においても、対物レンズ１５は、試料Ｗにより反射されて入射する光を集光し、この集光した光を、第２ビームスプリッタ１４を介して結像光学系１７に入射させる。

対物レンズ鏡筒１６は、対物レンズ１５を内包する中空の筒状体である。対物レンズ鏡筒１６の内部において、対物レンズ１５は図示せぬ支持部材により、対物レンズ鏡筒１６との間に暗視野観察用の照明光（輪帯光）が通過するための間隙を設けた状態で支持される。対物レンズ鏡筒１６の先端部は、対物レンズ１５との間隙を保ちつつ滑らかに縮径された構造に形成され、平行光である輪帯光を試料Ｗに向けて集束させる。このとき、試料Ｗへの照射角度が対物レンズ１５の最大入射角度より大きくなるようリング状の暗視野観察用の照明光を集束させる。すなわち、対物レンズ鏡筒１６の先端部は、本発明の照明光集束部として機能する。

結像光学系１７は、対物レンズ１５側から第２ビームスプリッタ１４を透過した光を結像させる光学系である。例えば顕微鏡ユニット１がＣＣＤ等の撮像素子を備える場合には、結像光学系１７は、対物レンズ１５を介して入射する試料Ｗからの光を集光し、試料Ｗの像を撮像素子の受光面に結像させる。

以上のように構成される顕微鏡ユニット１では、試料Ｗを明視野観察および暗視野観察を相互に切り替えつつ観察することができる。

明視野観察を行う際には、光源制御部１２により、暗視野照明部１１の結束ファイバ１１０には照明光を入射せず、明視野照明部１０の結束ファイバ１００にのみ照明光を入射する。明視野照明部１０から出射される明視野観察用の照明光は、第１ビームスプリッタ１３及び第２ビームスプリッタ１４で反射され、対物レンズ１５を通って垂直落射照明として試料Ｗに照射される。そして試料Ｗの表面での反射光を対物レンズ１５により集光し、そのまま観察する。

一方、暗視野観察を行う際には、光源制御部１２により、明視野照明部１０の結束ファイバ１００には照明光を入射せず、暗視野照明部１１の結束ファイバ１１０にのみ照明光を入射する。暗視野照明部１１から出射される暗視野観察用の照明光（輪帯光）は、第１ビームスプリッタ１３を透過し、第２ビームスプリッタ１４で反射され、対物レンズ鏡筒１６と対物レンズ１５との間隙を通りつつ集束され、対物レンズ１５の最大入射角度より大きい照射角で試料Ｗに照射される。

図３（ａ）及び（ｂ）は、暗視野観察時における対物レンズ１５先端部及び試料近傍での照明光の振る舞いを示す模式図である。図３（ａ）に示したように、試料Ｗの表面で正反射した光は、対物レンズ１５に入射しないので観察には寄与しない。したがって、鏡面状の試料表面を暗視野観察した場合には、暗黒の視野となる。図３（ｂ）に示したように、試料Ｗの表面に段差や疵のような凹凸がある場合には、凹凸により散乱や回折が生じる。このようにして生じた散乱光や回折光を対物レンズ１５より集光するので、暗視野観察では、平坦な部分は暗黒として観察される一方、疵や段差がある部分のみを高コントラストで明るく観察することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

上記の実施形態の暗視野照明部１１では、放射状に広がる光を放物線トロイダル形状に形成された第１反射鏡１１１の反射面により平行光とし、円錐台形状に形成された第２反射鏡１１２の反射面にて平行光を維持したまま光束の方向を光軸と平行な方向とすることにより、光束の断面がリング状の平行光である出射したが、輪帯光を出射できれば第１反射鏡１１１及び第２反射鏡１１２の組み合わせは上記に限定されない。

図４は、面光源から出射された光を反射して輪帯光を出射することができる第１反射鏡１１１及び第２反射鏡１１２の組み合わせの他の例を模式的に示している。図４（ａ）に示したように、放射状に広がる光を円錐形に形成された第１反射鏡１１１の反射面により反射して光を集束させることなく光軸と交差する径方向に向け、放物線トロイダル形状に形成された第２反射鏡１１２の反射面にて光束の方向を光軸と平行な方向を向いた平行光としてもよい。或いは、図４（ｂ）に示したように、放射状に広がる光を楕円トロイダル形状に形成された第１反射鏡１１１の反射面により反射して光を集束させつつ光軸と交差する径方向に向け、放物線トロイダル形状に形成された第２反射鏡１１２の反射面にて光束の方向を光軸と平行な方向を向いた平行光としてもよい。

また、上記の実施形態では、透明な素材により形成された円関係上の部材を支持部材１１３として用いたが、図５に示したように、第１反射鏡１１１を固定するための孔を有する内環部１１３１と、内環部１１３１から光軸と直交する径方向に伸びる複数のスポーク１１３２と、内側面にスポークが連接され外側面に鏡筒の内面が当接して位置決めをする環状の外幹部１１３３とを備える部材を支持部材１１３として用いてもよい。このような支持部材１１３を採用する場合、対物レンズ１５についても、光軸と直交する径方向に伸びるスポークにて対物レンズ鏡筒１６に固定するとよく、第１反射鏡を指示するためのスポークと対物レンズを指示するためのスポークとは、光軸を中心として同じ角度に設けるとよい。

また、上記の実施形態では、暗視野照明部１１で面光源として結束ファイバ１１０を用いたが、第１反射鏡１１１の反射面と対向する領域から発光する面光源であれば、結束ファイバ１１０以外の光源を採用してもよい。例えば、面発光型の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを、結束ファイバ１１０に代えて面光源として暗視野照明部１１に配置してもよい。また、明視野照明部１０の結束ファイバ１００も同様に面発光型の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザに置き換えてもよい。

以上のように、本発明は、暗視野観察を行うことができる顕微鏡用の照明装置として好適に利用できる。

１ 顕微鏡ユニット
１０ 明視野照明部
１１ 暗視野照明部
１２ 光源制御部
１３ 第１ビームスプリッタ
１４ 第２ビームスプリッタ
１５ 対物レンズ
１６ 対物レンズ鏡筒
１７ 結像光学系

Claims (7)

1. リング状の光束断面を有する平行光を出射する照明装置であって、
   出射面から放射状に光を出射する面光源と、
   前記面光源に対向して配置され、その外側面に設けられた反射面により前記面光源からの光を、前記照明装置の出射光の光軸と交差する径方向に反射する第１反射鏡と、
   前記第１反射鏡を囲む鏡筒の内側面に設けられ、前記第１反射鏡による反射光をその反射面により前記光軸と略平行な方向に反射する第２反射鏡と
   を備え、
   前記第２反射鏡により反射された光は、リング状の光束断面を有する平行光となることを特徴とする照明装置。
2. 前記第１反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有し、
   前記第２反射鏡は、円錐台形状の反射面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１反射鏡は、円錐台形状または円錐形状の反射面を有し、
   前記第２反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記第１反射鏡は、楕円トロイダル形状の反射面を有し
   前記第２反射鏡は、放物線トロイダル形状の反射面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記面光源は、複数の光ファイバを束ねて構成された結束ファイバの端面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 対物レンズと、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から出射される照明光を、前記対物レンズの最大入射角度より大きい角度で試料に照射する照明光集束部と
   を備え、
   前記照明装置は、前記試料からの正反射光を観察像の結像に用いない照明光を出射する暗視照明部として用いられる顕微鏡ユニット。
7. 試料からの正反射光を観察像の結像に用いる照明光を出射する明視野照明部と、
   前記暗視野照明部からの照明光の光路と前記明視野観察部からの照明光の光路とを合成するビームスプリッタと、
   前記暗視野照明部及び前記明視野照明部の一方のみから照明光を出射するよう制御する光源制御部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡ユニット。

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