JP2018106894A - 照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出射された光を顕微鏡などの観察領域に照射する際に前記観察領域での照度分布を均一に補正する。【解決手段】光源から出射されて前記観察領域に照射される際、前記観察領域の前方に仮想に設定した照射面での前記光の照度レベルが前記照射面内の領域によって異なっており、前記異なる照度レベルの照度分布が前記観察領域に反映されて不均一になるという知見を得た。この知見に基づいて、照明用の光を出力させる光源系に前記光源から出射された光の前記観察領域への透過率を設定する透過率設定部を有し、前記観察領域の前方に設定した仮想面での異なる照度レベルの照度分布に対応させて前記透過率設定部で前記透過率を局部的に設定することにより、前記観察領域での前記光の照度分布を均一に補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された光の照度分布に対応させて前記光源から顕微鏡などの観察領域側への透過率を局部的に設定することを可能にした照明システムに関する。

特許文献１に開示されているように、顕微鏡においては標本を観察あるいは写真撮影する場合、何らかの光源により標本を照明することが行われている。特許文献１によれば、拡大された標本像は倍率の２乗に反比例して暗くなるため、高倍率になるほど強力な照明装置を必要とするものである。

最近では、照明用の光源としてＬＥＤが多く用いられているが、高照度な光を得るためにはＬＥＤを駆動するために大容量の電源が必要となっている。大容量の電源を用いると、その電源から発する発熱量が過大となり、ＬＥＤによる照明装置を顕微鏡に組み込むことができなくなる。何故ならば、ＬＥＤの電源が発する熱が顕微鏡の光学系に悪影響を与えてしまうからである。そこで、ＬＥＤが出力する光を光ファイバーバンドルで顕微鏡に導光するシステムが開発されている。

上述した顕微鏡の応用例の一例として、特許文献２に開示されているように、ガラス等透明な基板上に形成されたパターンに光を照射して、顕微鏡を介して得られるパターン像を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：以下、ＣＣＤと表記する）等の撮像素子で撮像した画像を画像処理して寸法を測定する線幅測定装置に応用されている。

特許文献２では、ランプの光量が低下したときに測定に必要な光量が確保できないため、測定システム内にランプの光量低下量を測定するためのシステムを構築し、低下量に応じた光源の透過率を光軸付近及び周辺領域で照度ムラは定率（均一の割合）にコントロールすることで測定に必要な光量を確保し、測定を継続することを意図している。そのため、光路に反射鏡を装備し、ＣＣＴＶカメラの映像信号を利用して、ランプの光量低下量を測定し、画像処理ユニット内に照明装置の照度特性を記憶しておき、その情報を利用して、測定に必要な光量が得られるように照明装置の光量を光軸付近及び周辺領域で照度ムラはそのままで定率に制御している。

特開平０５−２９７２８０号 特開２０１０−１９０８４３号

特許文献２で開示されたように、ランプにＬＥＤを用いることにより、ＬＥＤによる光量低下を回避することは可能になっており、ＬＥＤを照明系の光源に用いることにより必要な光量を確保することができる。

特許文献１に示した線幅測定装置において、ＣＣＤ等の撮像素子で撮像した画像を画像処理して寸法を測定するが、光軸付近及び周辺領域で均一に制御しているため、撮像素子で撮像した画像を目視すると、被測定材の長さ方向で中央部と両端付近とで照度の差が生じており、寸法を測定するための画像処理に加えて、不均一な照度分布を均一に補正するための画像処理が実施されているのが実情である。

上述したように、現時点で開発されている照明装置では、不均一な照度分布を均一に補正するために画像処理を行う必要があり、被測定体に光を照射する段階において照度分布を均一に補正する技術が要求されている。

本発明の目的は、光源から出射された光の照度分布に対応させて前記光源から顕微鏡などの観察領域側への透過率を局部的に設定することを可能にした照明システムを提供することにある。

観察領域に光源からの光を出射する光学系は、光源からの光を結像レンズに透過させて前記観察領域に照射する構成として構築されている。前記光学系の構成からすると、光源からの光の照度分布が前記観察領域にそのまま反映される構成であるから、本発明者等は、顕微鏡などの観察領域上に照度分布の不均一性を生じさせている原因は、前記観察領域を照射している光源から放射される光の照度分布に不均一性が潜んでいることに着目した。

本発明者等は図１（ａ）に示すように、光源１から出射される光が進む光軸１ａに交差させて仮想面１ｂを光源１の前方であって観察領域２の手前の位置に設定し、その照射面１ｂ上での光の照度分布をシミュレーションによって解析した。そのシミュレーションの結果を図示すると、図１（ａ）に示すように、仮想面１ｂの中央領域１ｃの照度が高く、その周辺領域１ｄに向けて照度が低下するという凸型の照度分布Ａを呈しているとの知見を得た。
このシミュレーションの結果からすると、従来のように光源から出射される光の照度分布が均一であるとして観察領域２を照射した場合に上述した問題が生じるとの知見を得た。

そこで、本発明においては、透過率設定部３を用いることにより、仮想面１ｂでの照度分布に対応させて光源１から観察領域２側への光の透過率を局部的に低下させることにより、観察領域２上での照度分布Ｂを均一に補正している。
次に、透過率設定部３を用いて仮想面１ｂでの照度分布Ａに対応させて光源１から観察領域２側への光の透過率を局部的に設定したことによる観察領域２上の照度分布Ｂの特性について検証した。その検証では、透過率設定部３に遮光体を用い、その遮光体（３）で仮想面１ｂでの凸型の照度分布Ａの光軸１ａ及びその周辺（中央領域１ｃ）における光源１から観察領域２側への光を局部的に遮光（制御）した場合を検証した。その結果を図１（ａ）に示す。図１（ａ）に示す観察領域２の右側に本発明における補正後の照度分布Ｂを示している。
図１（ａ）から明らかなように、透過率設定部３により仮想面１ｂでの照度分布Ａに対応させて光源１から観察領域２側への光の透過率を局部的に低下させると、補正後の照度分布Ｂの中央領域１ｃの照度レベルが抑制されて中央領域１ｃの照度レベルが周辺領域１ｄの照度レベルに近似して補正され、観察領域２上での照度分布Ｂが均一に補正されていることが分かる。

本発明によれば、照明用の光を出射させる光源系と、光源系から出射された光を観察領域に照射する照射光学系とを有する光学系を構築し、光源から観察領域への透過率を設定する透過率設定部を光源系に備えており、観察領域の前方に設定した仮想面での異なる照度レベルの照度分布に対応させて光源から観察領域への透過率を透過率設定部で局部的に低下させて、観察領域上での照度分布を均一に補正することができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る照明システムの基本構成を示しており、図の縦方向及び横方向の２方向の位置で光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図、（ｂ）は光軸を中心として３６０°の位置で光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図である。 （ａ）（ｂ）は光源において照度分布に不均一性が生じる原因を考察した図である。 本発明の実施形態に係る照明システムにおいて透過制御部の出射面に対する距離を変更した例を示す図である。 本発明の実施形態に係る照明システムにおいて透過制御部の出射面に対する距離を変更した例を示す図である。 （ａ）は光源の出射面と透過率設定部とのサイズを示す図、（ｂ）（ｃ）は光源の出射面と透過率設定部との間の距離を検証した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る照明システムを１次元ラインセンサ撮像装置に適用した例を示す図である。 図６に示す１次元ラインセンサ撮像装置の照明システムを示しており、（ａ）は１次元ラインセンサを照明する場合で光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図、（ｂ）は透過率設定部の取付構造を示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）のI−I線に沿う断面図、（ｄ）は透過率設定部と１次元ラインセンサとの配置関係を示す図である。 図６に示す照明システムにおいて透過制御部の出射面に対する距離を変更した例であり、光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図である。 図６に示す照明システムにおいて透過制御部の出射面に対する距離を変更した例であり、光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図である。 （ａ）は１次元ラインセンサ撮像装置に適用して撮像した画像を示す図、（ｂ）は比較例を示す画像を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態において透過制御部を取り付ける別の構造を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のII−II線に沿う断面図である。 本発明の実施形態において結像レンズを配置した例を示す構成図である。 図１２に示す透過率設定部の具体例を示す斜視図である。 図７（ａ）に示す１次元ラインセンサを照明する場合の照明システムに結像レンズを適用した例を示しており、１次元ラインセンサ上で光源から観測領域へ進行する光が透過率設定部で遮光される度合いを示し、斜線部が遮光されている部分を示している図である。 本発明の実施形態において結像レンズを配置した例を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、光源１の前方位置に設定した仮想面１ｂ上での照度分布Ａの中央領域１ｃの照度レベルが高く、周辺領域１ｄに向けて照度レベルが漸次低くなるという原因を解析した。光源１として光ファイバーバンドルを用いた場合を例にとって説明する。

図２（ａ）に示すように、光ファイバーバンドル１のうち１本の光ファイバーに注目すると、光源であるＬＥＤ１０から入射した光の一部は光軸１ａに添ってコア１_２内を直進する光Ｌ_１と、光ファイバーのクラウド１_１の内壁で反射を繰り返して光軸方向に進行する光Ｌ_２とが存在する。そして、光Ｌ_１は光軸１ａに沿う方向に出射し、光Ｌ_２は出射角θの範囲で斜め方向に出射する。従って、光ファイバーの前方に設定した仮想面１ｂ上で照度を観察すると、中央領域（光軸１ａ及びその付近を含む）１ｃでの照度レベルが高く、周辺領域１ｄでの照度レベルが低い凸型の照度分布Ａを呈するという知見を得た。この知見に基づけば、１本の光ファイバーからの光が仮想面１ｂ上で凸型の照度分布Ａを呈するのであるから、複数本の光ファイバーを束ねた光ファイバーバンドル１の出射面から出射された光の仮想面１ｂ上での照度分布は同様に凸型の照度分布Ａを呈するという知見を得た。

図２（ｂ）は、円柱形状の透明なガラス体１_３の基部に点光源１_３を埋設し、その点光源L_３から光を出射した場合、ガラス体１_３の出射面の前方に設定した仮想面１ｂ上での照度分布を検証した例を示している。ガラス体１_３の外周面は遮光膜１_６で被覆している。
図２（ｂ）の例では、点光源L_３から出射面に直進する光Ｌ_４と、ガラス体１_３の遮光膜１_６の内壁で反射を繰り返して光軸方向に進行する光Ｌ_５とが存在する。これらの光Ｌ_４，Ｌ_５がガラス体１_３の出射面から出射された場合、仮想面１ｂの周辺領域１ｄ，１ｄでの照度レベルが高く、中央領域（光軸１ａ及びその付近を含む）１ｃでの照度レベルが低いというリング状の照度分布Ａを呈するという知見を得た。図２（ｂ）に示す照度分布Ａは、仮想面１ｂの周辺領域１ｄの照度レベルが高く、中央領域１ｃの照度レベルが低い凹リング状の曲線形状で示している。

以上の知見に基づいて、本発明では、光源１から出射された光の照度分布（図２（ａ）又は図２（ｂ））に対応させて光源１から観察領域２側への透過率を透過率設定部３で局部的に制御することにより、観察領域２上での照度分布Ｂを均一に補正している。ここで、均一に補正するとは、観察領域２での照度レベルをできるだけ平坦化（照度ムラを設定）することを意味している。
なお、図１（ａ）に示す透過率設定部３は遮光体に限られるものではなく、スリットガラス，磨りガラスなどの半透明体であってもよい。

次に、図１（ａ）に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに密着させた場合の補正後の照度分布Ｂ、図３に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに距離Ｓ_３離した場合の補正後の照度分布Ｂ、図４に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに距離Ｓ_４（Ｓ_３＜Ｓ_４）離した場合の補正後の照度分布Ｂをそれぞれシミュレーションした。
図１（ａ）及び図３並びに図４のいずれの場合でも、光源１から出射された光の照度分布（図２（ａ）又は図２（ｂ））に対応させて光源１から観察領域２側への透過率を透過率設定部３で局部的に制御することにより、観察領域２上での照度分布Ｂを均一に補正することができることが分かった。

次に、図１（ａ）及び図３並びに図４に示す透過率設定部３の材質、図１（ａ）及び図３並びに図４に示す光源１の出射面１ｅの直径と透過率設定部３の直径との関係、図１（ａ）及び図３並びに図４に示す光源１の出射面１ｅに対する透過率設定部３の距離との関係を図５（ａ）に基づいて検証した。
図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅの直径Ｄを図５（ｂ）に示すように８ｍｍ、透過率設定部３の直径Ｗを２．５ｍｍ、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを図５（ｂ）に示すように６．８ｍｍにそれぞれ設定し、且つ透過率設定部３として遮光体を用いた場合における補正後の照度分布Ｂについて考察した。その結果を図５（ｂ）の特性図に示している。
図５（ｂ）の特性図において、横軸は光源１の出射面１ｅからの光の照射角度を示しており、縦軸は照度分布を示している。図５（ｂ）において、補正前の照度分布Ａは、図１（ａ）の仮想面１ｂの照度分布Ａに対応しており、その中央付近１ｃ_１の照度レベルが高く、周辺領域１ｄ_１の照度レベルが低い傾向を示している。図５（ａ）の寸法を図５（ｂ）の寸法に設定して透過率を局部的に低下させた結果、中央付近１ｃ_２の照度レベルが周辺領域１ｄ_２の照度レベルに近似した補正後の照度分布Ｂに補正されている。

図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅの直径Ｄを図５（ｃ）に示すように８ｍｍ、透過率設定部３の直径Ｗを１．８ｍｍ、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを図５（ｃ）に示すように７ｍｍにそれぞれ設定し、且つ透過率設定部３として透過率が零の遮光体を用いた場合における補正後の照度分布Ｂについて検証した。その結果を図５（ｃ）の特性図に示している。
図５（ｃ）の特性図において、横軸は光源１の出射面１ｅからの光の照射角度を示しており、縦軸は照度分布を示している。図５（ｃ）において、補正前の照度分布Ａは、図１（ａ）の仮想面１ｂの照度分布Ａに対応しており、その中央付近１ｃ_１の照度レベルが高く、周辺領域１ｄ_１の照度レベルが低い傾向を示している。図５（ａ）の寸法を図５（ｃ）の寸法に設定して透過率を局部的に制御した結果、中央付近１ｃ_２の照度レベルが周辺領域１ｄ_２の照度レベルにより近似した補正後の照度分布Ｂに補正されている。

次に、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅの直径Ｄを８ｍｍ、透過率設定部３の直径Ｗを７．５ｍｍ、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを１１ｍｍにそれぞれ設定し、且つ透過率設定部３として透過効率４０％のすりガラスを用いた場合における補正後の照度分布Ｂについて検証した。
この検証結果によれば、透過率設定部３が透過効率を有する場合には、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅの直径より長く設定しても、図５（ｃ）に示すような補正後の照度分布Ｂに補正できることが分かった。その理由は、透過率設定部３が透過効率を有することにより、透過制御部３を透過した光で透過率設定部３を透過した光があたかも光源があるように図１（ａ）の観察領域２を照明しているからであると考えられる。

以上の結果からして、透過率設定部３に円形の遮光体を用いた場合、図５（ａ）に示す透過率設定部３の直径Ｗを光源１の出射面１ｅの直径Ｄよりも短くし、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅの直径Ｄよりも短く設定する必要がある。具体的には、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに対して距離（Ｓ_３，Ｓ_４）を保って配置する場合、透過率設定部３の面積を光源１の出射面１ｅより小さく設定し、且つ光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅの直径Ｄよりも短く設定する。さらに、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに接近して配置する場合、透過率設定部３の面積（直径Ｗ）を光源１の出射面１ｅの面積（直径Ｄ）よりもより小さく、さらに、透過率設定部３の面積を光源１の出射面１ｅよりより小さく設定することにより、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに密着させて配置することも可能である。

一方、透過率設定部３にすりガラスなどの半透明体を用いた場合、透過率設定部３の一部を透過する光を二次光源として利用して図１（ａ）の観察領域２を照明することから、図５（ａ）に示す光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを遮光体の場合と比較して光源１の出射面１ｅの直径より長く設定することができ、半透明体の場合、透過率設定部３の位置が制限される場合等に有効である。具体的には、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに対して距離（Ｓ_３，Ｓ_４）を保って配置する場合、透過率設定部３の面積を光源１の出射面１ｅより小さく設定し、且つ光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅの直径Ｄよりも長く設定する。さらに、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに接近して配置する場合、透過率設定部３の面積（直径Ｗ）を光源１の出射面１ｅの面積（直径Ｄ）よりもより短くし、さらに、透過率設定部３の面積を光源１の出射面１ｅよりより小さく設定することにより、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに密着させて配置することも可能である。

以上のように、透過率設定部３に遮光体或いは半透明体を用いること、及び透過率設定部３のサイズを光源１の出射面１ｅのサイズより小さく設定することにより、光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅのサイズに対応させて設定して、透過率設定部３の配置を適宜設定することができる。

以上の実施形態では、図１（ａ）に示すように、光源１で観察領域２の全体を広く照明する必要があるエリアセンサなどに用いる照明システムについて説明したが、本発明の照明システムはラインセンサ型撮像装置の照明にも適用できるものである。以下に、本発明に係る照明システムをラインセンサ型撮像装置に適用した例を図６に基づいて説明する。この場合、観察領域２は照射対象である観察試料５の光照射側に存在している。
ラインセンサ型撮像装置は図６に示すように、照射用の光を出射させる光源系４と、光源系４から出射された光を観察試料５の観察領域２を照射する照射光学系６とを有している。

ラインセンサ型撮像装置は図６に示すように、観察試料５を、直交するＸ−Ｙの座標面上で１次元移動するステージ７上に設置し、ステージ７を１次元ラインセンサ毎に矢印で示す１次元方向（Ｘ軸方向或いはＹ軸方向）に順次移動させ、１次元ラインセンサ８に対応させて観察試料５の観察領域２を照明光学系６で照射し、１次元ラインサンセー８で観察試料５の画像Ｇ_１，Ｇ_２・・・Ｇ_ｎを取込み、それらの取り込んだ画像Ｇ_１，Ｇ_２・・・Ｇ_ｎを１フレーム分の画像Ｇに合成し、その合成画像Ｇで観察試料５の観察領域２の全体を撮像している。

図７（ｂ）（ｃ）は、仮想面１ｂでの照度分布Ａが中央の照度が高い凸型の照度分布の形状をなしていることを前提とした支持構造である。図７（ｂ）（ｃ）に示すように、光ファイバーバンドル１の先端には筒状体９が装着され、筒状体９には直方形状の透過率設定部３（以下の説明では角形形状の透過率設定部と表記する）が光ファイバーバンドル１の光軸１ａと交差させて出射面1ｅに添って支持している。

図７（ａ）（ｄ）に基づいて、角形形状の透過率設定部３と１次元ラインセンサ８との関係について説明する。図７（ｄ）に示すように、１次元ラインセンサ８をＸ方向に添って配置した場合、角形形状の透過率設定部３は１次元ラインセンサ８と交差するＹ方向に沿って配置する。角形形状の透過率設定部３は、１次元ラインセンサ８の長さ方向（Ｘ方向）に添う寸法がα、１次元ラインセンサ８の幅方向（Ｙ方向）に添う寸法がβである斜線部３ａで光源１から観測領域２への光を局部的に制御する。

図７（ａ）に示す透過率設定部３は遮光体からなり、光ファイバーバンドル１の光軸１ａ上及びその近傍（中央領域１ｃ）での光を局部的に遮光している。すなわち、照度レベルが高い光軸１ａ上及びその付近の領域（中央領域１ｃ）で局部的に光ファイバーバンドル１から観察領域２への光の透過率を透過率設定部３で局部的に制御している。
なお、図７（ａ）に示す透過率設定部３は遮光体に限られるものではなく、スリットガラス，磨りガラスなどの半透明体であってもよい。

図７（ａ）において、光ファイバーバンドル１から出射した光は、図７（ａ）に楕円形で描いた範囲に制限されて照射光学系６に通して１次元ラインセンサ８に対応する細長い形状の観察領域２を照射する。なお、図７（ａ）では、１次元ラインセンサ８を用いて観察領域２の画像を撮像しているため、光ファイバーバンドル１から出射した光はスリット等に通して１次元ラインセンサ８に対応する細長い形状の観察領域２を照明するのに十分な範囲に絞られる。

図７（ａ）に示す例では、光ファイバーバンドル（光源）１から出射した光の仮想面１ｂ上での凸型形状をなす照度分布Ａに対応させて、光軸１ａ上及びその近傍（中央領域１ｃ）での光を透過率設定部３で局部的に遮光する。
図７（ａ）に、観察領域２側から光ファイバーバンドル１の出射面１ｅと角形形状の透過率設定部３との関係を示している。
観察領域２上に照射される光の形状を、角形形状の透過率設定部３による遮光率との関係で光軸１ａを交差する方向で観察すると、観察領域２の中央領域２ａの光束の形状は図７（ａ）に示すように円形であって、しかも光軸１ａ及びその付近（中央領域１ｃ）が角形形状の制御部３で遮光された形状となる。観察領域２の中央領域２ａから周辺領域２ｂに漸次離れた光束の形状は図７（ａ）に示すように、横長の度合いが漸次変化した楕円形状を呈し、且つ角形形状の透過率設定部３による遮光領域が小さくなる形状となる。
従って、観察領域２の中央領域２ａ側への透過率を短冊状の透過率設定部３で局部的に設定して、観察領域２上の中央領域２ａでの照度レベルを周辺領域２ｂの照度レベルに接近させて照度ムラを補正し、観察領域２上での照度分布Ｂを平坦（均一）に補正する。

図７の例において、筒状体９を光ファイバーバンドル１の周方向に回転させることが可能な構造、すなわち、透過率設定部３は光源１からの光が観察領域２側へ直進する光軸１ａに直交する面内で回転可能な構造に構成してもよいものである。従って、筒状体９を光ファイバーバンドル１の周方向に時計方向或いは反時計方向に角回転させることにより、透過率設定部３の光ファイバーバンドル１の出射面１ｅに対する姿勢が前記直交姿勢から周方向への姿勢が適宜変更することになり、これにより、透過率設定部３は直交姿勢から周方向への姿勢を変更した状態で光軸１ａ及びその周辺（中央領域１ｃ）で局部的に観察領域２の中央領域２ａ側への光の透過率を制御することができる。また、透過率設定部３とラインセンサの１ラインとの位置ズレがある場合などに、その位置ズレなどを補正することができる。

次に、図７（ａ）に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに密着させた場合での補正後の照度分布Ｂ、図８に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに距離Ｓ_３離した場合での補正後の照度分布Ｂ、図９に示すように、透過率設定部３を光源１の出射面１ｅに距離Ｓ_４（Ｓ_３＜Ｓ_４）離した場合での補正後の照度分布Ｂをそれぞれシミュレーションした。
図７（ａ）及び図８並びに図９のいずれの場合でも、光源１から出射された光の照度分布（図２（ａ）又は図２（ｂ））に対応させて光源１から観察領域２側への透過率を透過率設定部３で局部的に制御することにより、観察領域２上での照度分布Ｂを均一に補正することができることが分かった。

図７（ａ）の例においても、透過率設定部３にすりガラスなどの半透明体を用いた場合、透過率設定部３の一部を透過する光を二次光源として利用して図７（ａ）の観察領域２を照明することが可能となる。さらに、図７（ａ）に示す例において、図１（ａ）の例と同様に、透過率設定部３に遮光体或いは半透明体を用いること、及び透過率設定部３のサイズを光源１の出射面１ｅのサイズより小さく設定することにより、光源１の出射面１ｅと透過率設定部３との間の距離ｄを光源１の出射面１ｅのサイズに対応させて設定して、透過率設定部３の配置を適宜設定することができる。

図７（ａ）に示す照明システムの有効性を検証するために、本発明に係る照明システムで１次元ラインセンサが撮像する１ライン分の観察領域を照射した画像を図１１（ａ）に示し、比較例として本発明に係る照明システムを用いないで１次元ラインセンサが撮像する１ライン分の観察領域を照射した画像を図１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）（ｂ）において、横軸は１次元ラインセンサの１ライン分の位置（中央領域１ｃ，周辺領域１ｄ）を示しており、縦軸は１次元センサーが撮像した画像の輝度レベルを示している。

図１０（ｂ）から明らかなように、従来のように光源から出射される光の輝度分布が均一であるとして観察領域を照射し、観察領域上での輝度分布を観察すると、１次元ラインセンサ４の１ラインの中央領域４ａ（図７（ａ）の中央領域１ｃに対応している）での輝度レベルが高く、１次元ラインセンサ４の１ラインの両端付近４ｂ（図７（ａ）の周辺領域１ｄに対応している）での輝度レベルが中央領域４ａの輝度レベルより低く、１次元ラインセンサ４が撮像した画像の輝度分布に不均一性が生じていることが分かる。

これに対して、本発明に係る照明システムでは図１０（ａ）から明らかなように、１次元ラインセンサ４の１ラインの中央領域４ａ（図１の中央領域１ｃに対応している）及び両端付近４ｂ（図７（ａ）の周辺領域１ｄに対応している）で１次元ラインセンサが撮像した画像の輝度がほぼ均一（平坦）であり、１次元ラインセンサ４で撮像した画像の輝度分布が均一に補正されていることが分かる。従って、１次元ラインセンサ４で撮像した画像の輝度分布の不均一を解消するための画像処理を施す必要がないことが分かる。

図１１（ａ）（ｂ）は図７に示す透過率設定部３を支持する筒状体９を光ファイバーバンドル１に支持する構造の変形例を示している。図１１（ａ）（ｂ）に示すように、基台１１に設けた方形の貫通孔１１ａの中心を光ファーバーバンドル１の光軸１ａに一致して光ファイバーバンドル１の出射面１ｅの前方に固定する。図７（ａ）に示す短冊状の透過率設定部３を光ファイバーバンドル１の出射面１ｅに沿う方向に向けて筒状体９に支持し、筒状体９を方形の支持枠１２に取付け、支持枠１２を基台１１の方形の貫通孔１１ａ内に嵌合し、支持枠１２を基台１１に光ファイバーバンドル１の光軸１ａに添って摺動可能に支持する。
図１１（ａ）（ｂ）に示すように、基台１１の隣接する２辺に２本の設定ねじ１３，１４を支持枠１２の隣接する２辺に向けて進退可能に螺合する。支持枠１２には、設定ねじ１３，１４の先端を受け入れる凹部１５，１６を形成する。

２本の筒状のバネ受け１７，１８を２本の設定ねじ１３，１４に対向させて設け、バネ受け１７，１８内にバネ１９，２０及び固定駒２１，２２を内装し、固定駒２１，２２をバネ１９，２０で支持枠１２側に付勢し、固定駒２１，２２を支持枠１２に２箇所で当接し、設定ねじ１３，１４と固定駒２１，２２とで支持枠１２を基台１０の貫通孔１１ａ内に固定する。設定ねじ１３，１４と固定駒２１，２２との設定により、光軸１ａに直交する２軸方向及び光軸１ａに添う方向での支持枠１２の位置設定が行われる。

光ファイバーバンドル１の出射面１ａに対する透過率設定部３の距離を設定する際には、２本の設定ねじ１３，１４を緩めて支持枠１２の固定を解除する。次に、支持枠１２を基台１１の貫通孔１１ａ内で光ファイバーバンドル１の光軸１ａに添って前後に移動させることにより、透過率設定部３の設置位置を設定する。設定後、２本の設定ねじ１３，１４と固定駒２１，２２とで支持枠１２を基台１１の貫通孔１１ａ内に固定し、光ファイバーバンドル１の出射面１ａの中央領域１ｃを透過率設定部３で覆う。

上述した構成によれば、光軸１ａに直交する２軸方向で透過率設定部３の光軸１ａに対する位置決めを行うことができ、透過率設定部３により観察領域２側への光の透過率を的確にコントロールすることができる。さらには、透過率設定部３の出射面１ａに対する距離を設定することにより、照度分布Ｂの明るさ等を設定することができる。

次に、透過率設定部３の変更例を図１２及び図１３に基づいて説明する。図１２（ａ）に示す透過率設定部３は図１２（ｂ）に示すように円盤状の形状を呈しており、図１３に示すように光軸１ａ及びその周辺領域（中央領域１ｃ）に対応する円盤３ｂには口径の小さい透孔２４が複数開口され、円盤３ｂの半径の外方向に沿って口径が徐々に大きくなる透孔２５が複数開口されている。
従って、円盤３ｂの中央領域には口径の小さい透孔２４が存在するため、円盤３ｂの中央領域では、光源１から観察領域（図１（ａ）の観察領域２に対応する）への光の透過率が制限される。円盤３ｂの中央領域から半径外方向に向けては、透孔２５の口径が徐々に大きくなるように設定されているから、光源１から観察領域（図１（ａ）の観察領域２に対応する）への光を多く透過することになる。
これにより、図１（ａ）で説明したと同様に、光源１の前方に設定した仮想面１ｂ上での凸型形状の照度分布（図１（ａ）の照度分布Ａに対応する）に対応させて光源１から観察領域２側への透過率を透過率設定部３で局部的に制御することにより、観察領域（図１（ａ）の観察領域２に対応する）上での照度分布Ｂを均一に補正している。

図１４は、図７（ａ）の例に結像レンズ２８を適用した例におけるシミュレーションの結果を示している。図１４では、図７（ａ）の光学系に結像レンズ２８を適用した場合、光源１の前方に設定した仮想面１ｂ上での凸型照度分布Ａと、透過率設定部３で補正した観察領域２上での照度分布Ｂとに結像レンズ２８を用いたことによる影響が生じる否かをシミュレーションしている。
シミュレーションの結果、仮想面１ｂ上での凸型照度分布Ａの形状は図７（ａ）に示す初度分布Ａと同一であり、しかも透過率設定部３で光源１から観察領域２への光の透過率を局部的に設定して得られた補正後の照度分布Ｂの形状も図７（ａ）に示す初度分布Ｂと同一であった。
この結果からして、結像レンズ２８を用いたことによる照度分布Ａ，Ｂの変化は見られず、本発明は結像レンズ２８の有無に拘わらず所期の目的を達成することができることが分かった。但し、結像レンズ２８を用いているため、光源１から光の集光率が高まるため、補正後の照度分布Ｂにおける照度レベルが全体として向上したことが分かった。

図１５は、光源１からの光を集光するための結像レンズ２６と、その集光した光を観察領域２に向けて照射するための結像レンズ２７とを用いた例を示している。
図１５では、第１の仮想面１ｂ_３を出射面１ｅと第１の結像レンズ２６との間、第２の仮想面１ｂ_４共役像１ｅ_１が結像される共役位置と第２の結像レンズ２７との間、第３の仮想面１ｂ_５を共役像１ｅ_４結像される共役位置と第２の結像レンズ２７との間の少なくとも１箇所に設定している。点線で示す領域は観察領域２である。
そして、第１の透過率設定部３_１を出射面１ｅと第１の仮想面１ｂ_３第２の透過率設定部３_２を共役像１ｅ_１が結像される共役位置と第２の仮想面１ｂ_４の間、第３の透過率設定部３_３を共役像１ｅ_２が結像される共役位置と観察領域２との間の少なくとも１箇所に設定している。共役像１ｅ_１，１ｅ_２が結像される共役位置における出射面の寸法は光源１の出射面１ｅと同一である。したがって、図１５で示す共役像１ｅ_１，１ｅ_２が結像される位置での出射面は光源１の出射面１ｅと同一の寸法であり、出射面１ｅと透過率設定部３_１，
出射面１ｅと透過率設定部３_１，出射面１ｅ１と透過率設定部３２，出射面１ｅ_２と透過率設定部３_３の関係は図５で説明した寸法に規制される。

図１５のように結像レンズ２６，２７を配置することにより、観察領域２を照射する光の明るさ（照度）を明るくすることができるとともに、光軸１ａ及びその近傍（中央領域１ｃ）での照度レベルを周辺領域の照度レベルに接近させて照度ムラを補正することができる。

図１５に示す例では、結像レンズ２６，２８を２個配置する構成としたが、結像レンズ２６，２８を配置する個数は図示のものに限定されるものではなく、光源系４と照射光学系６との少なくとも一方に結像レンズを設ける構成としてもよいものである。さらには、結像レンズ２６，２８として凸レンズを用いて出射面１ｅからの光の明るさ（照度）を向上させるようにしたが、結像レンズに凹レンズを用いて照射範囲を拡大するようにしてもよいものである。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、照明用の光を出射させる光源系と、前記光源系から出射された光を観察領域に照射する照射光学系とを有する光学系を構築し、光源から観察領域への透過率を設定する透過率設定部を光源系に備えており、観察領域の前方に設定した仮想面での異なる照度レベルの照度分布に対応させて光源から観察領域への透過率を透過率設定部で局部的に設定して、観察領域上での照度分布を均一に補正することができる。

本発明の実施形態によれば、光源の前方に設定した仮想面内での異なる照度レベルの照度分布のうち他の領域より照度レベルが高い領域で局部的に光の透過率を設定して、観察領域上での照度分布を均一に補正することができる。

本発明の実施形態によれば、透過率設定部のサイズを光源の出射面のサイズより小さく設定して、透過率設定部を前記光源に対向して設置して、透過率設定部を前記光源に接近させて設置することができる。

本発明の実施形態によれば、遮光体からなる透過率設定部の直径を光源の出射面の直径よりも短く、光源の出射面と透過率設定部との間の距離を前記光源の出射面の直径よりも短く設定することができる。これにより、照明システムを組み込む専有面積を小さくすることができ、照明システムの小型化を図ることができる。

本発明の実施形態によれば、透過率設定部に半透明体を用い、透過率設定部に透過光による二次光源を生じさせて観察領域における照度レベルを上昇させることができる。これにより、新たな二次光源を用いることなく照度レベルの上昇に寄与することができるばかりでなく、照明システムの小型化を図ることができる。

本発明の実施形態によれば、透過率設定部に半透明体を用い、透過率設定部の直径を光源の出射面の直径よりも短く、光源の出射面と透過率設定部との間の距離を光源の出射面の直径より長く設定することができ、光源に対する透過率設定部の設置が制限される場合のも対応することができる。

本発明の実施形態によれば、光源から出射された光の観察領域への透過率を設定する口径の異なる複数の透過孔を有することにより、半透明体以外の構成であっても、透過率設定部に二次光源を生じさせることができる。

以上の説明では、光源としてＬＥＤと光ファイバーバンドルとの組合せによる構造のものを用いたが、これ以外の点光源などを用いてもよいものである。要は、光源の特性によって照度の異なる照度分布を呈する光源であれば、いずれのものであってもよいものである。

本発明によれば、光源から出射された光の照度分布に対応させて前記光源から顕微鏡などの観察領域側への透過率を局部的に設定して、観察領域での照度レベルが異なる照度分布を補正することに寄与するものである。

１ 光源（光ファイバーバンドル）
２ 観察領域
３ 透過率設定部

Claims (6)

1. 光で観察領域を照明する照明システムにおいて、
   照明用の光を出力させる光源系と、前記光源系から出力された光を前記観察領域に照射する照射光学系とを有し、
   前記光源系は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光の前記観察領域への透過率を設定する透過率設定部とを有し、
   前記透過率設定部は、前記観察領域の前方に設定した仮想面での異なる照度レベルの照度分布に対応させて前記透過率を局部的に低下させる構造であることを特徴とする照明システム。
2. 前記透過率設定部は、前記照射面内での前記異なる照度レベルの照度分布のうち他の領域より照度レベルが高い領域で局部的に前記透過率を低下させる構造であることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
3. 前記透過率設定部のサイズを前記光源の出射面のサイズより小さく設定して、前記透過率設定部を前記光源に対向して設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明システム。
4. 前記透過率設定部に半透明体を用い、前記透過率設定部に透過光による二次光源を生じさせて観察領域における照度レベルを上昇させたことを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
5. 前記透過率設定部に半透明体を用い、前記透過率設定部の直径を前記光源の出射面の直径よりも短く、前記光源の出射面と前記透過率設定部との間の距離を前記光源の出射面の直径より長く設定することを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
6. 前記透過率設定部は、前記光源から出射された光の前記観察領域への透過率を設定する口径の異なる複数の透過孔を有することを特徴とする請求項１に記載の照明システム。