JP2512876B2

JP2512876B2 - 実体顕微鏡の照明光学装置

Info

Publication number: JP2512876B2
Application number: JP63116725A
Authority: JP
Inventors: 秀男広瀬
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPH01285912A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特に実体顕微鏡のケーラー照明光学装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来におけるこの種の照明装置は、例えば特開昭60−
112011号公報等で開示されている。

そこで、この公報で開示された装置の概略構成図を示
す第５図を参照しながら、この照明装置の光学系を説明
する。

照明光学系は、光源１、コレクターレンズ２、コレク
ターレンズ２の光軸に左右対称に配置された一対の光源
像形成レンズ201、202、このコレクターレンズ２と共軸
となるように配置されたコンデンサーレンズ７とがそれ
ぞれ順に設けられた構成から成っている。

一方、観察光学系は、ステージガラス８、対物レンズ
９、この対物レンズ９に光軸に左右対称に配置された変
倍光学系Ｍ（101〜121、102〜122）、イメージローテー
タプリズム131、132、接眼レンズ141、142とが順に設け
られた構成から成っている。

そして、照明光学系及び観察光学系により実体顕微鏡
の光学系が構成されている。

このような構成を持つ従来の照明光学系においては、
この光源１から供給された光束がステージガラス上に結
像するように、コレクターレンズ２とコンデンサーレン
ズ７とを配置し、実体顕微鏡の一対の入射瞳Ｐの中心に
入射する適切な一対の光線を選択して、各々の光線上に
光源像形成レンズ201、202を配置している。すると、光
源像形成レンズ201、202とコンデンサーレンズ７との光
路間に一対の光源像I₁₁、I₁₂が形成される。

そして、この一対の光源像形成レンズ201、202の中心
を通過した各々の主光線をステージガラス10の試料面の
視野の中心で交差させて、コンデンサーレンズ７とステ
ージガラス８とに関して、この光源像I₁₁、I₁₂と実体顕
微鏡の一対の入射瞳Ｐとがそれぞれ共役となるように、
光源像形成レンズ201、202の位置を決定することによっ
て、実体顕微鏡の各々の入射瞳Ｐに光源像I₁₁、I₁₂を再
結像させることができる。

したがって、このような照明光学系の構成によって実
質的にケーラー照明が実現されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記で述べた従来の技術では必ずしも光源
光束の有効利用を図ったものではなかった。

つまり、第６図に示すように、コレクターレンズ２の
光軸に対称に一対の光源像形成レンズ201、202が配置さ
れており、この場合、光源１から供給された光束一部、
つまり各々の光源像形成レンズ201、202に入射した光束
のみが各々の観察光学系に導かれる。そのため、光源光
束を有効に利用することが基本的に不可能である。

しかも、光源像形成レンズ201、202の有効径は観察光
学系における低倍率状態の観察視野領域（以下観察領域
と略称する。）の径と比べると小さくならざるを得な
く、適切な照明を行うことが難しい。したがって、低倍
率状態における観察領域全体を照明光束が満たしなが
ら、照明光学系をある程度コンパクトにするには、光源
像形成レンズ201、202の結像倍率を小さくして、コンデ
ンサーレンズ７のＦナンバーを小さくする必要がある。
すると、収差が大きく発生して、照明ムラの原因とな
る。そして、特に、実体顕微鏡においては光源光束がコ
ンデンサーレンズ７に斜入射するために、収差が顕著に
発生するために、非対称な照明ムラの発生の原因とな
る。

したがって、従来の実体顕微鏡の照明では、原理的に
照明ムラが発生し易く、また光量損失が多いという問題
を包含している。

また、一対の光源像形成レンズ201、202により２分割
された光束の光軸を試料面の視野の中心に交差するよう
に構成されているが、光源像形成レンズ201、202により
２分割された光束の光軸と対物レンズ９の光軸とのなす
角θ（以下、交差角と略称する）はコレクターレンズ径
で決定される。

そこで、第４図（ａ）に示すように、対物レンズ91の
焦点距離をｆ、一対の観察光学系の光軸間距離をｌとす
ると、交差角はθ_１＝tan^-1（l/2f）と表すことがで
き、この交差角θ_１は、この式から明らかなように、対
物レンズ91の焦点距離に依存する。そして、一般に、実
体顕微鏡において必要とされる範囲内での交差角は対物
レンズの焦点距離に略反比例する。

例えば、第４図（ｂ）に示すように、観察倍率を２倍
にするために、焦点距離がf/2の対物レンズ92に交換し
て変倍を行うと、この交差角θ_２は、θ_２≒２θ_１とな
り、θ_１の交差角と比して約２倍と大きさとなる。その
ため、ケーラー照明を維持するには約２倍の交差角が必
要とされる。

ところで、上記に示した従来の技術における構成で
は、コレクターレンズ径で交差角が決定されるために、
対物レンズの交換に対応した所望の交差角を得ることが
基本的に不可能であった。

そのため、一対の光源像形成レンズ201、202と対物レ
ンズ９との光路間に、拡散フィルターを配置して照明を
行うか、あるいは光源像形成レンズ201、202を交換する
必要があった。

ところが、光を拡散させているために、照明光束の損
失が大きく、照明効率が著しく劣下するという問題があ
る。

したがって、本発明はこのような問題を全て解決し
て、光源光束の有効利用を図りながら、対物レンズの交
換による交差角の変化に対応でき、常にケーラー照明を
維持できる実体顕微鏡の照明光学装置を提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するために、試料面を所定
の角度を持つ２方向で照明するための光源光束の各々の
光源像を実体顕微鏡の各々の入射瞳位置またはその近傍
に再結像する実体顕微鏡の照明光学装置において、第1A図に示すように、光源光束を供給する光源手段１
と、この光源手段１からの光源光束を略平行光束に変換
するコレクターレンズ２と、このコレクターレンズ２を
介した光束により光源像を形成する光源像形成手段３
と、この光源像を形成した光束を前記試料面に照明する
コンデンサーレンズ７とを有し、光源像形成手段３とコンデンサーレンズ７との光路間
に、この光源像形成手段３を介した光束を透過光束と反
射光束との２つの光束に分割する光束分割手段４と、こ
の２つの光束の光軸を試料面上の視野の中心で交差させ
て実体顕微鏡の各々の入射瞳の中心に合致するように反
射転向させる機能を持つ２つの反射手段と、透過光束を
一方の反射手段に導くために透過光束を反射偏向させる
反射部材６とを配置し、前記光源像形成手段３と前記光
束分割手段４とにより形成される２つの光源像がコンデ
ンサーレンズ９に関して前記観察光学系の各々の入射瞳
と略共役となるように構成されたものである。

〔作用〕

本発明においては、光源像形成レンズ３を介し光束分
割手段４により２分割された各々の光束の光軸を試料面
上の視野の中心で交差させて実体顕微鏡の各々の入射瞳
18の中心に合致するように反射転向させる機能を持つ２
つの反射手段51、52を配置して、この光源像形成手段３
と光束分割手段４とにより形成される２つの光源像がコ
ンデンサーレンズに関して実体顕微鏡の各々の入射瞳Ｐ
とが略共役となるように構成することによって、光源光
束の有効利用を図ったケーラー照明を行うことができ
る。

そして、対物レンズの交換の際にも、光束分割手段を
介した各々の光束の光軸を試料面の視野の中心で交差す
るように、２つの反射手段を各々所定の位置へ配置する
ことにより、ケーラー照明を維持することができる。

また、コレクターレンズと光束分割手段との光路間
に、光源像を変倍可能な光源像変倍光学系21を着脱可能
に構成することにより、変倍光学系の変倍による入射瞳
の大きさの変化に対応できるように、適切な大きさに光
源像を変倍し、観察領域と照明領域とを略合致させるこ
とができる。そのため、ムラがなく効率良い照明を達成
できると同時に、フレアー、ゴースト等も軽減すること
ができる。

〔実施例〕

第1A図は本発明の第１実施例の概略構成図を示してお
り、以下この図を参照しながら本発明を詳述する。

第１実施例における照明光学系は、光源側から順に、
光源手段である光源１、コレクターレンズ２、光源像形
成手段である光源像形成レンズ３、光束分割手段である
ビームスプリッター４、このビームスプリッター４の反
射方向に反射手段である反射部材51、またビームスプリ
ッター４の透過方向に反射部材６、反射手段である反射
部材52、そして、２つの反射手段51、52の反射方向にコ
ンデンサーレンズ７とがそれぞれ配置された構成として
いる。

一方、観察光学系は、このコンデンサーレンズ７の後
方にそれぞれステージガラス８、対物レンズ91が配置さ
れ、この対物レンズ91の光軸に対称に、変倍光学系Ｍ
（101〜121、102〜122）、イメージローテータプリズム
131、132、接眼レンズ141、142とがそれぞれ配置された
構成としている。

この光源１から供給される光束は、コレクターレンズ
２により略平行光束に変換され、光源像形成レンズ３を
通過するとビームスプリッター４により、コレクターレ
ンズ３の光軸に垂直な平面方向へ90°反射転向する反射
光束と透過光束とに２分割される。

そして、この反射光束は、反射部材51によりこの反射
光束の光軸を進行する光線がステージガラス８の試料面
の視野の中心に導かれるようにαの反射角で反射転向さ
れる。

一方、透過光束は、反射部材６により約90°の適切な
角度で反射転向され、この反射光束は、反射手段52によ
りこの反射光束の光軸を進行する光線が反射手段52によ
りカバーガラス８の試料面の視野の中心に導かれるよう
にβの反射角で反射転向される。

ここで、光源１はコレクターレンズ２と光源像形成レ
ンズ３に関して、２つの光源像I₁₁、I₁₂と共役となって
おり、略光源像形成レンズ３の焦点位置でこの光源像I
₁₁、I₁₂が形成され実質的な２次光源となっている。

このように、２つの反射手段51、52により反射転向さ
れた２つの光束はコンデンサーレンズ７によってステー
ジガラス８に導かれ、ステージガラス上の試料面の観察
領域をそれぞれ所定の角度で均一に照明する。

所定の角度で試料面を照明した各々光束の光軸は実体
顕微鏡の入射瞳Ｐの中心と一致するように、所定の交差
角θ_１で対物レンズ91に入射する。そして、ステージガ
ラス８を通過した各々の光束は対物レンズ91を通過する
と各々の変倍光学系Ｍ（101〜121、102〜122）へ導か
れ、この変倍光学系中に２次光源像I₂₁、I₂₂を形成す
る。

ここで、光源像I₁₁、I₁₂はコンデンサーレンズ７とス
テージガラス８とに関して実体顕微鏡の一対の入射瞳Ｐ
と実質的に共役となっており、したがって、この２次光
源像I₂₁、I₂₂は実体顕微鏡の一対の入射瞳Ｐに形成され
る。

そして、この変倍光学系Ｍ（101〜121、102〜122）を
通過した光束は、イメージローテータプリズム131、13
2、接眼レンズ141、142を通過し、アイポイント（E.
P.）へ導かれるしたがって、このような構成により実質的にケーラー
照明を行うことができる。

また、観察領域の中心に位置する試料からの光束は、
ステージガラス８から焦点距離位置に配置された対物レ
ンズ91により平行光束に変換され、各々の変倍光学系
Ｍ、イメージローテータプリズム131、132を通過するこ
とによって、その後方に物体像I₀を形成する。そして、
この物体像I₀を形成した光束は、接眼レンズ141、142を
通過してアイポイント（E.P.）へ導かれ、このアイポイ
ント（E.P.）でこの物体像I₀の虚像を観察することがで
きる。ここで、各々の変倍光学系Ｍのレンズを各々の光
軸に沿って移動させることにより、低倍率域から光倍率
域まで連続的に、この物体像I₀を変倍することができ
る。

ところで、前述の如く、例えば、観察倍率を２倍にす
るために、焦点距離f/2の対物レンズに交換すると、ケ
ーラー照明を行うには約２倍の大きさの交差角が必要と
なる。

そこで、このような対応をとるために、先ず焦点距離
が小さい対物レンズ92に交換して、第1A図の点線で示す
ような対物レンズ92の位置まで観察光学系全体を対物レ
ンズ92の光軸に沿って光源側へ移動させる。そして、こ
の対物レンズ92の交換に連動して各々の反射手段51、52
を、それぞれ所定の変位量Δ_１、Δ_２だけ変位させ、点
線で示すような位置に各々の反射手段51、52を位置させ
る。その後に、ビームスプリッター４により２分割され
た光束の光軸がステージガラス８の試料面上の視野の中
心に交差して一対の入射瞳Ｐの中心に合致するように反
射角がそれぞれα−Δα、β−Δβとなるまで反射手段
51、52を揺動させれば良い。

すなわち、所望の交差角を得るためには、必要に応じ
て反射手段51、52をそれぞれ所定の変位量だけ変位さ
せ、その後にビームスプリッター４により２分割された
光束の光軸がステージガラス８の試料面上の視野の中心
に交差して一対の入射瞳Ｐの中心に合致するように反射
手段51、52を揺動させれば良い。

したがって、このように構成すれば、対物レンズの交
換による変倍を行っても、常にケーラー照明を実現する
ことができる。

そして、具体的にこの第１実施例における制御系を説
明すると、第1B図のブロック図に示すように、対物レン
ズの交換時に、この対物レンズに倍率を検出する検出手
段25と、この検出信号に基づいて反射手段の必要な移動
量と反射角とを演算する演算手段26と、この演算信号26
に基づいて各々の反射手段を各々の所定位置まで移動さ
せる駆動手段27と、またこの演算信号に基づいて各々の
反射手段を所定の反射角に揺動させる揺動手段28とを有
する構成にしている。

この検出手段25からの信号は、演算手段26に入力さ
れ、ここでビームスプリッター４により２分割された光
束の光軸がステージガラス８の試料面上の視野の中心に
交差して観察光学系の一対の入射瞳の中心に合致させる
ために必要な移動量及び反射角を演算し、この必要移動
量及び反射角に対応した出力信号を出力する。この演算
手段26は対物レンズ交換によって反射部材51、52に必要
な移動量及び反射角を予め記憶されたROM等の素子を持
つ構成とすることが望ましい。そして、各々の反射手段
51、52に設けられた２つの駆動モータを有する駆動手段
27は、演算手段23からの出力信号に基づいて、駆動モー
タを駆動させ、反射部材51、52を所定位置まで移動させ
る。その後、２つの駆動モータを有する揺動手段28は、
再び演算手段23からの出力信号に基づいてモーターを駆
動させ、所定の反射角となるまで反射部材51、52を揺動
させる。

したがって、このような構成により、対物レンズを交
換しても常に自動的にケーラー照明を行うことが可能で
ある。

尚、第１実施例における反射手段の移動にともなって
ビームスプリッター４とコンデンサーレンズ７との光路
長が若干変化するので、一対の２次光源像の位置は、観
察光学系における一対の瞳位置から僅かに移動するが実
用上殆ど問題はなく、略ケーラー照明を維持することが
できる。

しかしながら、この瞳変動は、反射手段の移動に連動
して、コレクターレンズ２あるいは光源像形成レンズ３
等を光軸に沿って移動させることにより、抑えることが
可能となる。

また、第２実施例においては、第2A図に示すように、
前述の第１実施例で述べた２つの反射手段の代わりに、
円板530、540上に、複数の反射部材531〜533、541〜543
が各々設けられた２つの回転反射手段53、54を有する構
成としている。この複数の反射部材は交換する対物レン
ズの数に対応するだけ設けられている。そして、この各
々の反射部材は、反射部材531、541のように所定の位置
にセットされた状態で、交換する対物レンズに必要とさ
れる交差角に反射転向できるように、円板の回転軸Ｏと
所定距離関係でこの円板の半径方向に対して斜設されて
いる。

そして、この各々の反射部材が、ビームスプリッター
により２分割された光束を所定の交差角で試料面に導く
ような位置にセットされる状態を確実に保持するため
に、不図示ではあるがクリックストップ等を設けてい
る。

そのため、この対物レンズの交換による変倍に応じ
て、円板530、540をそれぞれ回転軸Ｏを中心に矢印方向
へ回転させ、所望の反射部材を所定位置に確実にセット
することができる。

そして、この第２実施例の構成による制御系は対物レ
ンズの交換時に、この対物レンズの倍率を検出する検出
手段25と、この検出信号に基づいて所望の反射部材を所
定位置にセットされるまでの回転角を演算する演算手段
29と、この演算信号に基づいて円板530、540をそれぞれ
回転軸Ｏを中心に回転させ、所定位置に反射手段をセッ
トをさせる回転手段30とを有する構成にしている。

この検出手段25からの信号は、演算手段29に入力さ
れ、ここでビームスプリッター４により２分割された光
束の光軸がステージガラス８の試料面上の視野の中心に
交差して観察光学系の一対の入射瞳の中心に合致させる
ために必要な回転量を演算し、必要回転量に対応した出
力信号を出力する。この演算手段29は対物レンズ交換に
よって円板23、24に必要な回転量を、第１実施例と同様
に、予め記憶されたROM等の素子を持つ構成とすること
が望ましい。そして、２つの駆動モータを有する回転手
段27は、演算手段26からの出力信号に基づいてモータを
駆動させ、所望の反射部材が所定位置までセットされる
まで、円板530、540をそれぞれ回転軸Ｏを中心に回転さ
せる。

したがって、第２実施例においても第１実施例と同様
に、対物レンズを交換しても常に自動的にケーラー照明
を行うことが可能である。

尚、所望の反射部材を回転させて所定の位置にセット
させることにより、第１実施例と同様に、ビームスプリ
ッター４とコンデンサーレンズ７との光路長が若干変化
するので、一対の２次光源像の位置は、観察光学系にお
ける一対の瞳位置から僅かに移動するが、実用上におい
て殆ど問題はない。

しかし、各々の反射部材の反射面に適切な曲率を持た
せることにより、この瞳位置の変動を極めて良好に抑え
ることが可能である。

また、試料面上での交差角の微調整は、円板530、540
の回転を微動させれば良く、また所定の反射角になるよ
うに各反射部材を揺動させても良い。

また、各実施例における検出方法は対物レンズに検出
用マークを取り付けてこのマークを検出したり、対物レ
ンズに刻印されている倍率の数字を検出したり、また人
為的操作により交換すべき対物レンズの倍率を指定する
方法等がある。

また、高い観察倍率で試料を観察するために変倍光学
系の倍率を高くするにともなって、観察領域φが小さく
なる。そのため、この観察領域の変化に対応して照明領
域φも変化していなければ、観察領域の明るさが極端が
暗くなり、しかも、フレアー、ゴースト等が発生する。
そのため、高い観察倍率で試料を観察する時には、第3A
図に示すように、第１実施例の構成における光源像形成
レンズ３とビームスプリッター４との光路間に、各々の
光源像I₁₁、I₁₂位置が不変となるように、収斂性のレン
ズ群211と発散性のレンズ群212とを有する光源像変倍光
学系21を配置する。

以下、この光源像変倍光学系21の原理を、第3B図中の
（ａ）及び（ｂ）とを対比しながら説明する。

この像変倍光学系21により各々の光源像I₁₁、I₁₂は変
倍拡大され、それに伴って照明開口を大きくする。する
と、この光源像変倍光学系21を通過した最周淵の光線と
光軸とのなす角がθ_４＜θ_３となって小さくなるため
に、照明領域φを小さくすることができる。

したがって、変倍光学系Ｍにより高い観察倍率に変倍
して試料を観察する際にも、照明領域と観察領域とを略
合致させることが可能となるので、照明効率を向上さ
せ、しかもフレアー、ゴースト等も軽減することができ
る。

このように、光源像I₁₁、I₁₂位置が不変となるよう
に、光源像変倍光学系21を配置できる構成としているた
めに、光源像I₁₁、I₁₂を変倍しても、常にケーラー照明
を維持することができる。

尚、光源像変倍光学系21における群間隔を光軸に沿っ
て変化させて、光源像を連続的に変倍できる構成にし、
変倍による観察領域の変化に連動して照明領域も変化さ
せ、照明領域と観察領域とを常に合致させることも可能
である。

また、この変倍光学系21は第２実施例においても有効
である。

さらに、言うまでもなく、本発明はこのような実施例
に限るものではない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光源からの光束の有効利用を図りな
がら、対物レンズの交換による変倍の際にも常にケーラ
ー照明が実現でき、しかも変倍光学系により高倍率にし
た状態においても観察の際にも、ムダのない照明が実現
できる。また、十分な光量を確保できるため、早いシャ
ッター速度が必要とされる生物を試料とした場合にも十
分対応することができる。さらに、高倍率観察状態で
は、従来から観察領域の明るさが暗くなりがちであった
が、変倍光学系による変倍に応じて、照明領域を変化さ
せて、照明領域と観察領域とを合わせることが可能とな
るために、明るさの変動が少なくでき、しかもフレア
ー、ゴースト等を軽減することができる。また、コレク
ターレンズを通過した光源光束を全て有効に利用できる
ため、光源像の倍率を上げても、低倍率状態における視
野が確保し易くなる。さらに、従来の照明光学系のよう
に、コレクターレンズを通過した周辺部の光源光束を照
明光として利用せずに、コレクターレンズを通過した光
源光束をビームスプリッター等で２つの光束に分割し
て、この分割された光束全体を照明光として利用してい
るために、収差補正上有利であり、照明ムラの発生を抑
えることができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明の第１実施例における概略構成図、第1B
図は第１実施例におけるブロック図、第2A図は本発明の
第２実施例の反射手段における概略構成図、第2B図は第
２実施例におけるブロック図、第3A図は第１実施例に光
源像変倍光学系を配置した状態を示す図、第3B図（ａ）
及び（ｂ）は光源像変倍光学系の原理を示す図、第４図
は対物レンズの交換にともなって交差角が変化する原理
を示す図、第５図は従来の実体顕微鏡の概略構成図、第
６図は第５図における矢示図である。〔主要部分の説明〕１……光源手段（光源）、２……コレクターレンズ３……光源像形成手段（光源像形成手段）４……ビームスプリッター（光束分割手段） 51、52……反射部材（反射手段） 53、54……回転反射手段（反射手段）７……コレクターレンズ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面を所定の角度を持つ２方向で照明す
るための光源光束の各々の光源像を実体顕微鏡の各々の
入射瞳位置はたはその近傍に再結像する実体顕微鏡の照
明光学装置において、光源光束を供給する光源手段と、該光源手段からの光源
光束を略平行光束に変換するコレクターレンズと、該コ
レクターレンズを介した光束により前記光源像を形成す
る光源像形成手段と、前記光源像を形成した光束を前記
試料面照射するコンデンサーレンズとを有し、前記光源像形成手段とコンデンサーレンズとの光路間
に、前記光源像形成手段を介した光束を透過光束と反射
光束との２つの光束に分割する光束分割手段と、該２つ
の光束の光軸を前記試料面上の視野の中心で交差させて
前記実体顕微鏡の各々の入射瞳の中心に合致するように
反射転向させる機能を持つ２つの反射手段と、前記透過
光束を一方の前記反射手段に導くために前記透過光束を
反射偏向させる反射部材とを有し、前記光源像形成手段と前記光束分割手段とにより形成さ
れる２つの光源像が前記コンデンサーレンズに関して前
記実体顕微鏡の各々の入射瞳と略共役となるように構成
することを特徴とする実体顕微鏡の照明光学装置。