JP2017146496A - 照明用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】波長毎に広がり角の異なる光源を用いる場合であっても、後方の光学系によらず観察面において色むらの発生を回避する。
【解決手段】異なる波長の複数の光から成る光を出力する光源本体部１と、光源本体部１により出力された光を導光するライトガイド２と、ライトガイド２の出力端から光軸に沿って焦点距離離れた位置に配置されるレンズ３１を有する筐体であり、当該ライドガイド２に対して着脱可能に構成された変換機構３とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、波長毎に広がり角が異なる複数の光から成る照明であっても、色むらを抑制可能な照明用光源に関するものである。

従来から、複数の波長の光を用いた照明用光源が利用されている。白色照明は、複数の波長の光を用いた照明用光源の最も有用なものの１つであり、例えば赤、緑、青の３原色を広帯域に発光するランプ光源、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は蛍光体等を組み合わせることで構成される（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、赤、緑、青の３つの光源を直角プリズムにより同一のロッドインテグレータで合成する照明用光源が示されている。また、観察面を照明するためには、照明光を光源から観察面まで導く必要があり、この手段として光ファイバ又はレンズ系による像転送が用いられている。

特開２０１１−２４８３２７号公報

しかしながら、複数の波長の光を用いた照明用光源は、波長毎に広がり角（発散角）が異なることがある。そのため、そのような光を用いて照明すると、観察面において色むら（照明むら）が発生し、照明の均一性を悪くすることが考えられる。例えば特許文献１でも、赤、緑、青の３つの光源の各波長により集光角度が異なることから、ロッドインテグレータから出射される光は波長毎に異なる角度で広がることとなる。これを観察面に直接照射する照明に用いた場合、観察面では各波長の広がり角に依存した色むらが発生する。

これを解決するため、照明分布が均一となっている箇所（例えばロッドインテグレータに代表される均一光学系の出力端）での照明分布を観察面に転写する光学系を、後方に配置する方法がある。しかしながら、この方法では、後方の光学系に依らず色むらの発生しない照明用光源を単独で提供することは難しい。例えば、照明用光源と顕微鏡を組み合わせる場合、顕微鏡内部の光学系が転写光学系か否かは顕微鏡メーカ毎に異なるため、波長により発散角が異なる照明用光源を用いると、組み合わせにより色むらが発生するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、波長毎に広がり角の異なる複数の光を用いる場合であっても、後方の光学系に依らず観察面において色むらの発生を回避できる照明用光源を提供することを目的としている。

この発明に係る照明用光源は、異なる波長の複数の光から成る光を出力する光源本体部と、光源本体部により出力された光を導光する導光部と、導光部の出力端から光軸に沿って焦点距離離れた位置に配置されるレンズを有する筐体であり、当該導光部に対して着脱可能に構成された変換機構とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、波長毎に広がり角の異なる複数の光を用いる場合であっても、後方の光学系に依らず観察面において色むらの発生を回避できる。

この発明の実施の形態１に係る照明用光源の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１におけるレンズの配置例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る照明用光源と顕微鏡の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２におけるレンズの配置例を示す模式図である。 図５Ａ、図５Ｂは、この発明の実施の形態２に係る照明用光源の効果を説明する図であって、従来の場合を示す模式図と、本発明の場合を示す模式図である。 この発明の実施の形態３に係る照明用光源と顕微鏡の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態４に係る照明用光源と顕微鏡の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態４における空間変調フィルタの構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態４におけるレンズと空間変調フィルタの配置例を示す模式図である。 この発明の実施の形態５に係る照明用光源と顕微鏡の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態５におけるレンズの配置例を示す模式図である。

以下、この発明の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。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る照明用光源の構成例を示す模式図である。以下では、３原色のＬＥＤ１１から成る照明用光源を例に説明を行う。
照明用光源は、図１に示すように、光源本体部１、ライトガイド（導光部）２及び変換機構３を備えている。

光源本体部１は、異なる波長の複数の光から成る光を出力するものである。この光源本体部１は、図１に示すように、複数のＬＥＤ１１、複数のコリメートレンズ１２、集光レンズ１３、ライトガイド１４及びロッドインテグレータ１５を備えている。

複数のＬＥＤ１１は、それぞれ所定の波長の光を発光するものである。この複数のＬＥＤ１１により例えば赤、緑、青の３原色の光を発光することで、白色照明を構成することができる。なお、ＬＥＤ１１は、照明に必要な出力を確保している。また、用いる波長の組み合わせは上記３原色に限らず、例えば、赤と青だけとしてもよいし、近赤外又は紫外光を用いてもよく、本発明の効果は同様である。また、各波長の光を発光するＬＥＤ１１の使用個数は、必要な照明効果を確保可能な範囲で任意に設定可能である。

コリメートレンズ１２は、ＬＥＤ１１毎に設けられ、対応するＬＥＤ１１により発光された光を平行光にコリメートするレンズである。このコリメートレンズ１２としては、光学ガラスを用いたレンズの他、プラスチックレンズ又は透明樹脂でできた半球ドーム状のもの等が用いられる。また、コリメートレンズ１２には、屈折効果で光線を曲げるものだけでなく、反射により光線の方向を曲げるもの等も含まれる。

集光レンズ１３は、各コリメートレンズ１２により平行光にされた光を集光するものである。この集光レンズ１３により、光をライトガイド１４に光学的に結合可能とすることができる。なお、集光レンズ１３は、平行光を集光可能なレンズであればどのようなレンズでもよい。また、集光レンズ１３ではなく、ダイクロイックミラー又は回折格子等で結合してもよい。

ライトガイド１４は、集光レンズ１３により集光された光を導光するファイバである。

ロッドインテグレータ１５は、ライトガイド１４により導光された光に対し、内部で全反射を繰り返すことで照明分布を均一にするものである。

ライトガイド２は、光源本体部１と変換機構３との間の光軸上に設けられ、光源本体部１からの光（ロッドインテグレータ１５により照明分布が均一にされた光）を、変換機構３に導光するものである。

変換機構３は、一端面がライトガイド２に接続され、他端面に観察面１０が配置されて、ライトガイド２により導光された光を観察面１０に転写する筐体である。この変換機構３は、図２に示すように、ライトガイド２の出力端から光軸に沿って焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されるレンズ３１を有している。焦点距離ｆはレンズ３１が有する焦点距離である。なお、変換機構３はライトガイド２に対して着脱可能に構成されている。また図２において、φはライトガイド２の光を導光する開口の径を表し、θ_１はライトガイド２から出力された光の最大の広がり角を表している。また図２では、変換機構３の筐体部分の図示は省略している。

次に、上記のように構成された照明用光源の動作例について説明する。
照明用光源の動作例では、まず、各ＬＥＤ１１により発光された異なる波長の複数の光は、各コリメートレンズ１２で平行光にコリメートされ、集光レンズ１３で集光されて白色照明となり、ライトガイド１４により導光される。そして、ライトガイド１４中を伝搬した光は、集光レンズ１３とは反対側の端面から出射し、ロッドインテグレータ１５に入射される。ロッドインテグレータ１５に入射した光は、ロッドインテグレータ１５内で全反射を繰り返すことで、光軸に垂直な断面における照明分布が均一化される。ロッドインテグレータ１５から出射した光は、ライトガイド２に入射して導光される。そして、ライトガイド２から出射した光は、変換機構３内部に配置されたレンズ３１を通過し、観察面１０に導かれる。

次に、レンズ３１による照明分布の変換動作について説明する。
レンズ３１には、光を通すことで、レンズ面での照明分布のフーリエ変換像がレンズ３１の焦点面において得られるという特性がある。ここで、変換機構３を装着していない場合、ライトガイド２の出力端から出た光はそのまま広がって観察面１０に照射される。一方、変換機構３を装着した場合には、ライトガイド２の出力端の各点から出射し、レンズ３１に対して平行に入射する成分はレンズ３１の焦点面に結像する。これは、ライトガイド２の出力端での照明分布の空間周波数領域の像である。そして、図２に示すように、観察面１０をレンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置することで、上記照明分布の空間周波数領域の像を観察することが可能である。

より詳細に説明すると、ライトガイド２の出射端では、照明分布が均一な白色光となっているが、当該白色光を各波長に分解すると異なる広がり角を有する光となる。そのため、ライトガイド２からの出射光をそのまま観察面１０に当てると、観察面１０の外側は広がり角の大きな光が強く、観察面１０の中心部は広がり角の小さな光が強い、といった色むらが発生する。一方、ライトガイド２の出射端の実像を観察面１０に転写するようにライトガイド２と観察面１０との間にレンズ３１を置いた場合、観察面１０で照明分布が均一な白色光が得られる。この違いは、観察面１０に、「ライトガイド２から広がった光」を照射するのか、又は、「ライトガイド２自身の実像」を転写するのかという違いである。

この「広がった光」と「実像」の空間的な分布は、数学的に記述すると、フーリエ変換の関係にある。そのため、ライトガイド２と観察面１０との間で照明分布をフーリエ変換することで、「広がった光」が観察される位置で当該「広がった光」を「実像」に変換することが可能となる。
そして本発明では、レンズ３１が有する特性（物体側焦点面と像側焦点面の照明分布をフーリエ変換する特性）を用いる。すなわち、レンズ３１をライトガイド２から焦点距離離して配置した場合、ライトガイド２から同じ角度で出射した光線は焦点面の同じ位置に結像するので、焦点面での像は、ライトガイド２の照明分布を角度分布に変換したもの（空間周波数領域の像）となる。そして、レンズ３１の焦点面においてライトガイド２の出射端のフーリエ変換が得られるため、その焦点面に観察面１０を配置すると、当該観察面１０では「広がった光」から「実像」へと変換されて、色むらが解消される。

以上のように、この実施の形態１によれば、異なる波長の複数の光から成る光を出力する光源本体部１と、光源本体部１により出力された光を導光するライトガイド２と、ライトガイド２の出力端から光軸に沿って焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されるレンズ３１を有する筐体であり、当該ライトガイド２に対して着脱可能に構成された変換機構３とを備えたので、波長毎に広がり角の異なる複数の光を用いる場合であっても、後方の光学系に依らず観察面１０において色むらの発生を回避できる。すなわち、変換機構３の後方に転写光学系ではない光学系を配置しても、レンズ３１による照明分布の変換動作により、転写光学系の光学系に切替えることができる。よって、ライトガイド２の出力端での均一な照明分布を転写することができる。なお、後方の光学系が転写光学系の場合には、変換機構３をライトガイド２から取外せばよい。

実施の形態２．
実施の形態２では、照明用光源を顕微鏡４に接続し、顕微鏡用の照明として用いる場合の一例を説明する。
図３はこの発明の実施の形態２に係る照明用光源と顕微鏡４の構成例を示す模式図である。この図１に示す実施の形態１の構成との相違点は、変換機構３の後方に顕微鏡４を配置したことである。照明用光源自体の構成は図１に示す構成と同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。

図３に示す顕微鏡４では、顕微鏡本体部４１の光源接続部４２に変換機構３の出力端が接続されている。なお、光源接続部４２への挿入深さは一意に決まるものではなく、接続位置は前後することが可能である。また、顕微鏡本体部４１内には、光源接続部４２を介して照明用光源から入射された照明光を、対物レンズ４４に導光（図３のＬ１）するための光学系４３が配置されており、対物レンズ４４の先に観察面１０が配置されている。また、接眼レンズ４５は、使用者が目を当てて観察面１０の画像を観察する部位であり、対物レンズ４４及び光学系４３を通して観察面１０から出た光が接眼レンズ４５に導光（図３のＬ２）される。

なお、実施の形態２におけるレンズ３１は、ライトガイド２の径をφとし、ライトガイド２から出力された光の最大の広がり角をθ１とした場合に、下式（１）を満たす焦点距離ｆを有するものを用いる。そして、図４に示すように、このレンズ３１は、ライトガイド２の出力端から光軸上に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。

次に、実施の形態２に係る照明用光源の動作例について説明する。
実施の形態２に係る照明用光源の動作例では、各ＬＥＤ１１からの光がライトガイド２によって変換機構３に入射するところまでは、実施の形態１に係る照明用光源の動作例と同一である。一方、実施の形態２では、変換機構３内のレンズ３１の焦点距離ｆを、式（１）に基づき、ライトガイド２の径φとライトガイド２からの光の最大の広がり角θ１とから決めたことを特徴としている。

このときのレンズ３１による照明分布の変換動作について説明する。
実施の形態１と同様に、レンズ３１に光を通すことで、レンズ面での照明分布のフーリエ変換像がレンズ３１の焦点面において得られる。加えて、実施の形態２では、焦点距離ｆを式（１）のように決めることで、ライトガイド２からの出射Ｎ．Ａ．（開口数：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）とレンズ３１を通過後の集光Ｎ．Ａ．を等しくすることが可能である。これにより、顕微鏡４内部での照明光の損失を低減することが可能であり、また、迷光を抑制することも可能となる。

また、レンズ３１の有効開口径ｄ（図４参照）を下式（２）のように決めてもよい。これにより、レンズ３１による光損失も低減することが可能であり、高効率な照明が可能となる。

なお、変換機構３と顕微鏡４の配置に関しては、対物レンズ４４の後側焦点面の共役点となる位置にレンズ３１の焦点面（焦点距離ｆだけ離れた位置）を配置する。これにより、ライトガイド２の出力端における照明分布を観察面１０に転写することが可能となる。ここで、後側焦点面の共役点とは、例えば、変換機構３を装着しない状態でライトガイド２を顕微鏡４に接続した場合における当該ライトガイド２の出力端の位置である。そして、観察面１０からの光は、対物レンズ４４を通して、顕微鏡４内部に取り込まれ、光学系４３で分岐等行われて接眼レンズ４５に導かれる。

より詳細に説明すると、顕微鏡４の内部には様々な光学系４３が配置されているが、実施の形態１と同様に、観察面１０には、「ライトガイド２から広がった光」又は「ライトガイド２自身の実像」が映る。このどちらが映るかは顕微鏡４によって異なり、波長毎に広がり角が異なる複数の光から成る照明は、顕微鏡４との組み合わせによって、色むらの発生有無が変わる。

この「広がった光」と「実像」の空間的な分布は、数学的に記述すると、フーリエ変換の関係にある。そのため、「広がった光」で観察面１０を照明する（色むらが発生する）タイプの顕微鏡４と組み合わせる場合、光学系４３のどこかで照明分布をフーリエ変換する。これにより、後方の光学系４３の「広がった光」が観察される位置では当該「広がった光」を「実像」に変換し、「実像」が観察される位置では当該「実像」を「広がった光」に変換することが可能となる。

そして本発明では、レンズ３１が有する特性（物体側焦点面と像側焦点面の強度分布をフーリエ変換する特性）を用いる。すなわち、レンズ３１をライトガイド２から焦点距離離して配置した場合、ライトガイド２から同じ角度で出射した光線は焦点面の同じ位置に結像するので、焦点面での像は、ライトガイド２の照明分布を角度分布に変換したもの（空間周波数領域の像）となる。

そして、図５Ａに示すように、レンズ３１を装着しない状態で、ライトガイド２を色むらの発生する顕微鏡４と組み合わせた場合、ライトガイド２の出射端は対物レンズ４４の後側焦点の共役点（倍率を除き分布が同じとなる点）となる。よって、観察面１０では、「広がった光」となる。なお図５において、位置ａはライトガイド２の出射端の「実像」が映る位置を示し、位置ｂはライトガイド２からの「広がった光」が映る位置を示している。
一方、図５Ｂに示すように、レンズ３１を装着すると焦点面においてライトガイド２の出射端のフーリエ変換が得られる。そのため、その焦点面に上記共役点を配置すると、対物レンズ４４の後側焦点位置では「実像」から「広がった光」へ、観察面１０では「広がった光」から「実像」へとそれぞれ変換されて、色むらが解消される。

以上のように、この実施の形態２によれば、異なる波長の複数の光から成る光を出力する光源本体部１と、光源本体部１により出力された光を導光するライトガイド２と、ライトガイド２の出力端から光軸に沿って焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されるレンズ３１を有する筐体であり、当該ライトガイド２に対して着脱可能に構成された変換機構３とを備えたので、波長毎に広がり角の異なる複数の光を用いる場合に、顕微鏡４が転写光学系ではない場合であっても、観察面１０において色むらの発生を回避できる。また、式（１），（２）に従ってレンズ３１を決定することで、光損失を抑制することが可能となる。実際には、カタログ品のレンズ３１を用いる場合等、式（１）で求めた焦点距離と厳密には一致しない同程度の焦点距離のレンズ３１を適用することが考えられるが、厳密に一致していなくても十分に光損失の抑制効果が得られることは明らかである。
なお、本発明の照明用光源では、変換機構３を着脱可能に構成している。よって、顕微鏡４が転写光学系である場合には、照明用光源から変換機構３を取外せばよい。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る照明用光源と顕微鏡４の構成例を示す模式図である。図６に示す実施の形態３に係る照明用光源は、図３に示す実施の形態２に係る照明用光源のＬＥＤ１１をレーザ１１ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

複数のレーザ１１ｂは、それぞれ所定の波長のレーザ光を発光するものである。この複数のレーザ１１ｂにより例えば赤、緑、青の３原色のレーザ光を発光することで、白色照明を構成することができる。なお、レーザ１１ｂとしては例えば半導体レーザを用いることができ、照明に必要な出力を確保している。また、用いる波長の組み合わせは上記３原色に限らず、例えば近赤外を用いてもよく、本発明の効果は同様である。また、各波長のレーザ光を発光するレーザ１１ｂの使用個数は、必要な照明効果を確保可能な範囲で任意に設定可能である。
なお、実施の形態３に係る照明用光源の動作は、実施の形態２に係る照明用光源の動作において、ＬＥＤ１１をレーザ１１ｂに置き換えた以外に異なる点はないため、その説明を省略する。

ここで、レーザ１１ｂは、ＬＥＤ１１に比べてコヒーレンシーが高い。そのため、照明用光源にレーザ１１ｂを用いた場合、観察面１０においてスペックルノイズが発生することが考えられる。しかしながら、実施の形態３に係る照明用光源では、変換機構３によって、観察面１０に対してライトガイド２の出力端の像を転写するように照明分布を変換している。よって、観察面１０の各点において、ライトガイド２の出力端の１点から出射された光が複数の角度から入射するように変換され、角度多重効果によりスペックルノイズが平均化されて抑制されるという効果が得られる。

以上のように、この実施の形態３によれば、ＬＥＤ１１に代えてレーザ１１ｂを用いても、実施の形態２における効果に加え、照明用光源としてレーザを用いた場合に課題となるスペックルノイズを抑制することが可能な照明用光源を実現することが可能となる。

なお上記では、レーザ１１ｂとして半導体レーザを用いた例を示したが、レーザ１１ｂであれば例えば固体レーザ、ファイバレーザ又は気体レーザ等他のレーザを用いても同様の効果を得ることが可能である。また、３原色を得る方法も、第２高調波発生又は和周波発生、アップコンバージョンの利用等、直接発振に限るものではないことは明らかである。さらに、レーザ１１ｂの波長としては、３原色又は近赤外光を例に挙げたが、３原色である必要はないし、波長が短く画像の分解能がよい紫外光を加えてもよい。

また上記では、集光レンズ１３を用いて複数のレーザ光を集光するものとしたが、これに限るものではなく、例えば、回折格子等を用いる等他の手法も考えられる。

また上記では、均一な照明を得るために、ロッドインテグレータ１５を用いた構成を例に挙げたが、本構成に限定されるものではないことは明らかである。例えば、ロッドインテグレータ１５に拡散板を追加してレーザ光の角度分布を広げることで、スペックルの抑制効果はより強力になり、ロッドインテグレータ１５を小型化することが可能となる。また、フライアイレンズ等を用いた均一化法も組み合わせることが可能である。レーザ光そのものの広がり角及びライトガイド２，１４の材料によっては、ロッドインテグレータ１５を取り除いて、ライトガイド２，１４を１本にすることも可能と考えられる。

また、実施の形態２，３では、顕微鏡４は、双眼の接眼レンズ４５で覗き込むものを図示したが、これに限るものではなく、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の固体撮像素子で観察する等としてもよい。

また、実施の形態２，３では、ライトガイド２の出力端とレンズ３１との間の距離をレンズ３１の焦点距離ｆとし、対物レンズ４４の後側焦点の共役点がレンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置となるように配置するものとした。しかしながら、ライトガイド２の出力端とレンズ３１との間の距離と、レンズ３１と対物レンズ４４の後側焦点面の共役点との距離とを厳密に一致させる必要はなく、多少ずらした方が均一な照明が可能となる。これは、観察面１０ではライトガイド２の出力端の実像がそのまま転写されるため、厳密に一致させるとファイバの形状等が観察面１０にはっきりと写りこむからである。このため、レンズ３１を駆動させる機構によりレンズ３１の位置を光軸方向に調整可能なように構成すると、より均一な照明が得られる点を調整することが可能となる。

また、実施の形態２，３では、観察面１０からの光は対物レンズ４４を通り接眼レンズ４５まで導かれるとしたが、対物レンズ４４とは別の対物レンズにより接眼レンズ４５まで導かれるような顕微鏡４であっても問題がないことは明らかである。

なお上記では、実施の形態２の構成において、ＬＥＤ１１をレーザ１１ｂに変更した場合について示したが、これに限るものではなく、実施の形態１の構成において、ＬＥＤ１１をレーザ１１ｂに変更してもよく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係る照明用光源と顕微鏡４の構成例を示す模式図である。図７に示す実施の形態４に係る照明用光源は、図６に示す実施の形態３に係る照明用光源に空間変調フィルタ５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

空間変調フィルタ５は、変換機構３に対して着脱可能に構成され、レンズ３１を通過したレーザ光の光軸を中心（略中心の意味を含む）に配置されるリング状の開口５１を有するフィルタである。図８は、空間変調フィルタ５を光軸に垂直な面から見た模式図である。この空間変調フィルタ５は、理想的にはレンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。
なお、変換機構３の出力端面には、例えば四角い穴を開けることで構成され、空間変調フィルタ５を着脱可能とするフィルタ挿入部３２が設けられている。

次に、実施の形態４に係る照明用光源の動作例について説明する。
実施の形態４に係る照明用光源の動作例では、各レーザ１１ｂからのレーザ光がライトガイド２を介してレンズ３１を通過するまでは、実施の形態３と同様である。

ここで、レンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置では、レーザ光の空間分布はライトガイド２の出力端の照明分布の周波数領域における像となっている。それに対し、実施の形態４に係る照明用光源では、レンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置にフィルタ挿入部３２を設け、リング状の開口５１を有する空間変調フィルタ５を取付けている。そのため、レンズ３１を通過後のレーザ光は、空間変調フィルタ５によって空間変調される。空間変調フィルタ５は、光軸を中心としてリング状の開口５１を配置しているため、光軸に対して大きな角度で伝播する成分のみが透過する。そして、観察面１０に入射するレーザ光は、観察面１０に対して入射角度が大きい成分のみで構成されるので、暗視野照明が可能となる。ここで、暗視野照明とは、鏡面に近い表面を持つ構造の細かい傷又はクラックからの照明の波長以下の散乱光を観察する場合（暗視野観察）に有用な照明法である。

この暗視野観察は、照明光の大部分が観察時の視野範囲に入ってこない観察方法である。一方、明視野観察は、照明光の大部分が観察時の視野範囲に入ってくる観察方法である。

従来、明視野観察から暗視野観察に切替える場合、顕微鏡４内にリング状の遮光板をもつ光学部品を配置する、コンデンサレンズを暗視野用に交換したりする、光学系を分岐させて切替えること等で実現できるが、高価なレンズが追加で必要になったり、部品点数が増加して装置が複雑になり、また、駆動部が多くなる等の課題が存在する。

それに対し、実施の形態４に係る照明用光源では、リング状の開口５１を有する空間変調フィルタ５を変換機構３に着脱可能に設けている。これにより、空間変調フィルタ５を抜き差しするだけで明視野観察と暗視野観察を切替えることが可能な照明用光源を実現することが可能となる。

なお、このとき照明光のＮ．Ａ．は視野のＮ．Ａ．より大きい必要がある。一方、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳに代表される固体撮像素子では、撮像素子全面を最大限に活用するために、照明範囲＞撮像素子大きさ（視野範囲）となっている。そのため、特別な設計を要せずに、照明光のＮ．Ａ．を視野のＮ．Ａ．より大きくすることが可能である。なお、空間変調フィルタ５の挿入位置は、理想的にはレンズ３１から顕微鏡４側に焦点距離ｆだけ離れた位置であるが、図９に示すように、厳密に一致していなくても問題なく使用することが可能である。

なお、レンズ３１から焦点距離ｆだけ離れた位置が顕微鏡４の内部深くであり、空間変調フィルタ５の挿入位置が顕微鏡４の内部になってしまう場合もある。このような場合には、レンズ３１の後方にレンズを１枚追加し、対物レンズ４４の後側焦点面の共役点を顕微鏡４の外部に転写するようにしてもよい。これにより、レンズが１枚増加するが、暗視野観察への切替えが容易になるという利点を保持することができる。このとき、空間変調フィルタ５の挿入位置は、レンズ３１の後方に追加したレンズから当該レンズの焦点距離ｆだけ離れた位置とすればよい。

なお上記では、変換機構３に着脱可能に構成され、レンズ３１を通過したレーザ光の光軸を中心に配置されるリング状の開口５１を有する空間変調フィルタ５を設けた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、変換機構３に着脱可能に構成され、レンズ３１を通過したレーザ光の光軸上に配置されるその他のフィルタ（偏光解消フィルタ、半波長板、偏光板）を設けてもよく、様々な効果が得られる。

例えば、上記フィルタとして偏光解消フィルタを設けることで、レーザ光のスペックルノイズをさらに抑制することが可能になる。
また、逆にクラック等の欠陥の配向によっては、直線偏光で照明することで観察しやすくすることが期待できる。そこで、上記フィルタとして半波長板を設けることで、偏光方向を調整することが可能になる。

また、上記フィルタとして偏光板又は半波長板を設けることで、これらのフィルタ通過後の偏光を制御することが可能となる。偏光制御された光を観察面１０に当てると、観察面１０の表面状態によっては偏光の解消又は回転の挙動が異なることが考えられる。また、偏光方向により吸収率が異なる可能性が考えられる。そこで、偏光板又は半波長板を着脱可能とすることで、偏光を制御し、より付加価値の高い照明が可能になる。
なお、偏光解消フィルタ、半波長板、偏光板の取り付け位置は、レンズ３１を通過した光の光軸上であればどこであっても効果が変わらないことは明らかである。

なお上記では、実施の形態３の構成に上記の各種フィルタ（空間変調フィルタ５、偏光解消フィルタ、半波長板、偏光板）を着脱可能に設けた場合を示したが、これに限るものではなく、実施の形態２の構成に上記の各種フィルタを着脱可能に設けてもよい。

実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５に係る照明用光源と顕微鏡４の構成例を示す模式図である。この図１０に示す実施の形態５に係る照明用光源は、図６に示す実施の形態３に係る照明用光源のレンズ３１をレンズ３１ｂに変更し、このレンズ３１ｂを制御するレンズ制御部３３を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

レンズ３１ｂは、屈折力が可変であるレンズ状媒質である。ここで、屈折力とは光線の伝播方向を曲げる強さの度合いを表し、焦点距離の逆数である。また図１１はレンズ３１ｂの配置例を示しており、実施の形態１〜４におけるレンズ３１と同様の配置を行う。
レンズ制御部３３は、レンズ３１ｂの屈折力を調整するものである。このレンズ制御部３３は、使用者によって上記屈折力の調整量が調整される。

ここで、レンズ３１ｂとして、焦点位置を可変とする焦点可変レンズ（ＯＰＴＯＴＵＮＥ社製焦点可変レンズ等）を用いた場合には、レンズ制御部３３として、焦点可変レンズの焦点位置を電気的に調整することで屈折力を調整する電気制御機構、又は当該焦点位置を手動で調整することで屈折力を調整する手動制御機構を用いることができる。なお、電気制御機構では、例えば電気信号によって電圧を出力することで焦点可変レンズの焦点位置を調整する。

また、レンズ３１ｂとして、熱により屈折率が変化する誘電体を用いた場合には、レンズ制御部３３として、媒質の屈折率が温度に依存して変化する特徴を利用し、誘電体の熱を調整することで屈折力を調整する温調機構を用いることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４に温度分布を発生させ、典型的には数ｍｍ〜数１００ｍｍ程度の焦点距離をもった熱レンズを形成することで適用可能である。また、温調機構としてはヒータを用いることができる。
また、レンズ３１ｂとして、応力により屈折率が変化する誘電体を用いた場合には、レンズ制御部３３として、媒質の屈折率が応力に依存して変化する特徴を利用し、誘電体の応力を調整することで屈折力を調整する応力発生機構を用いることができる。

次に、実施の形態５に係る照明用光源の動作例について説明する。ここでは、レンズ３１ｂとして焦点可変レンズを用い、レンズ制御部３３として電気制御機構を用いた場合を例に説明する。
実施の形態５に係る照明用光源の動作例では、各レーザ１１ｂからのレーザ光から成るレーザ光がライトガイド２の出力端から出射するまでは、実施の形態３と同様である。一方、レンズ３１ｂは、レンズ制御部３３により、屈折力を０から次式（３）で決まるＤまで調整することが可能なものとする。

実施の形態２によれば好適な焦点距離は式（１）より求められるが、該当する焦点距離を満たすレンズがカタログ品にない場合も考えられる。この場合、組み合わせる顕微鏡４毎に特注品のレンズ３１を用いた変換機構３が必要となり高コストとなる。それに対して、本実施の形態のように焦点位置を可変とするレンズ３１ｂを適用することで、照明分布の変換を必要とする複数の顕微鏡４との組み合わせに対して、変換機構３に同一のレンズ３１ｂを適用することが可能となり、部品の調達コスト低減に役立つという利点がある。他の動作については実施の形態３と同様である。

なお上記では、実施の形態３の構成にレンズ３１ｂ及びレンズ制御部３３を適用した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなくその他の実施の形態にも同様に適用可能である。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 光源本体部、２ ライトガイド（導光部）、３ 変換機構、４ 顕微鏡、５ 空間変調フィルタ、１０ 観察面、１１ ＬＥＤ、１１ｂ レーザ、１２ コリメートレンズ、１３ 集光レンズ、１４ ライトガイド、１５ ロッドインテグレータ、３１，３１ｂ レンズ、３２ フィルタ挿入部、３３ レンズ制御部、４１ 顕微鏡本体部、４２ 光源接続部、４３ 光学系、４４ 対物レンズ、４５ 接眼レンズ。

Claims (13)

1. 異なる波長の複数の光から成る光を出力する光源本体部と、
   前記光源本体部により出力された光を導光する導光部と、
   前記導光部の出力端から光軸に沿って焦点距離離れた位置に配置されるレンズを有する筐体であり、当該導光部に対して着脱可能に構成された変換機構と
   を備えた照明用光源。
2. 前記レンズは、前記焦点距離をｆとし、前記導光部の光を導光する開口の径をφとし、当該導光部から出力された光の最大の広がり角をθ１としたとき、下式（１）を満たす
   ことを特徴とする請求項１記載の照明用光源。
   

   
3. 前記光源本体部が出力する光はレーザ光である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明用光源。
4. 前記変換機構に対して着脱可能に構成され、前記レンズを通過した光の光軸を中心に配置されるリング状の開口を有する空間変調フィルタを備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の照明用光源。
5. 前記空間変調フィルタは、前記レンズから前記焦点距離離れた位置に配置された
   ことを特徴とする請求項４記載の照明用光源。
6. 前記変換機構に対して着脱可能に構成され、前記レンズを通過した光の光軸上に配置される偏光解消フィルタを備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の照明用光源。
7. 前記変換機構に対して着脱可能に構成され、前記レンズを通過した光の光軸上に配置される偏光板を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の照明用光源。
8. 前記変換機構に対して着脱可能に構成され、前記レンズを通過した光の光軸上に配置される半波長板を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の照明用光源。
9. 前記レンズは、屈折力が可変に構成され、
   前記レンズの屈折力を調整するレンズ制御部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の照明用光源。
10. 前記レンズは、焦点位置を可変とする焦点可変レンズであり、
    前記レンズ制御部は、前記焦点可変レンズの焦点位置を電気的に調整することで前記屈折力を調整する電気制御機構である
    ことを特徴とする請求項９記載の照明用光源。
11. 前記レンズは、熱により屈折率が変化する誘電体であり、
    前記レンズ制御部は、前記誘電体の熱を調整することで前記屈折力を調整する温調機構である
    ことを特徴とする請求項９記載の照明用光源。
12. 前記レンズは、焦点位置を可変とする焦点可変レンズであり、
    前記レンズ制御部は、前記焦点可変レンズの焦点位置を手動で調整することで前記屈折力を調整する手動制御機構である
    ことを特徴とする請求項９記載の照明用光源。
13. 前記レンズは、応力により屈折率が変化する誘電体であり、
    前記レンズ制御部は、前記誘電体の応力を調整することで前記屈折力を調整する応力発生機構である
    ことを特徴とする請求項９記載の照明用光源。

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