JP4487359B2

JP4487359B2 - 実体顕微鏡および暗視野照明装置

Info

Publication number: JP4487359B2
Application number: JP37444999A
Authority: JP
Inventors: 知彦山広
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001188177A; US20010005279A1; US6456431B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実体顕微鏡およびそれに使用される暗視野照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
実体顕微鏡装置を用いて落射照明や透過照明で被検体を観察する際に、被検体が透明な生物標本である場合や宝石の傷等微細構造である場合、背景とのコントラストが得にくかったり、微細構造を識別しにくいことがある。このような場合には、暗視野照明が用いられる。暗視野照明は、照明光束を観察光学系に直接入射させず、被検体による散乱光や回折光のみを観察光として用い、被検体周辺を暗背景となるようにすることにより、透明な被検体や微細構造を観察しやすい像を得ることができる。
【０００３】
従来の暗視野照明装置としては、バレル型トロイド鏡の中心に光源を配置し、バレル型トロイド鏡と光源との間に光散乱構造体を配置した装置が例えば特開昭６１−１０２６１８号公報に記載されている。また、特公平５−１６５６７号公報には、光源の周りに環状反射部材を配置し、この環状反射部材に光軸に平行な方向に無数のヘアラインを刻設した暗視野照明装置が開示されている。また、特開平１１−１５３７５５号公報には、光源の周りに環状反射部材を配置し、この環状反射部材に光軸に平行な方向に長手方向をもつ円筒状曲面部を多数形成した暗視野照明装置が開示されている。これらはいずれも、光散乱構造体やヘアラインや円筒状曲面部によって光源の出射した光を散乱させて試料に照射することにより、むらのない照明を実現しようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の暗視野照明装置は、散乱光で被検体を照明する構成であるため、照明むらを生じにくいという利点があるが、その反面、光源が出射した光の一部しか被検体に入射しないため、被検体に入射する照明光量はあまり大きくできない。そのため、被検体として、光の散乱効率や回折効率が小さいものを従来の散乱型の暗視野照明で観察しようとすると、生じる散乱光や回折光の光量が少ないために、暗い像しか得られず、観察しづらくなる。
【０００５】
本発明は、光源から出射された光を高効率で被検体に照射することができ、しかも照明むらの少ない暗視野照明装置を有する実体顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願によれば以下のような暗視野照明装置が提供される。
【０００７】
すなわち、対物レンズ(5)と、被検体を搭載するための被検体搭載面(4)と、前記被検体搭載面(4)を挟んで前記対物レンズ(5)と対向する位置に配置された暗視野照明装置とを有し、
前記暗視野照明装置は、前記対物レンズ(5)の光軸(101)上に配置された、光源(1)と、前記光源(1)からの光を内側面で反射するための環状反射部材(2)と、前記環状反射部材(2)で反射された光束の一部を遮る遮光板(3)とを備え、
前記環状反射部材(2)の内側面は、前記光軸(101)に垂直な面内において予め定められた曲率半径の凹形状を有する複数の反射面(2a〜2g)を、前記光軸(101)を中心に環状に配置した形状であり、前記光軸(101)は、前記複数の反射面(2a〜2g)とその曲率中心との間に位置することを特徴とする実体顕微鏡を提供する。
【０００８】
なお、上記記載において各構成要件の後に括弧書きで示した符号は、後述する実施の形態でその構成要件に対応する構成の符号であるが、その構成要件を実施の形態の符号の構成に限定するものではない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態の暗視野照明装置を備えた実体顕微鏡について説明する。
【００１０】
本実施の実体顕微鏡は、図５に示したように、暗視野照明装置を内蔵するベース５１、対物レンズ５、変倍レンズ鏡筒５３、接眼レンズ５４、焦点合わせ装置５５を有している。ベース５１の上面の一部には透明部材をはめ込んだ窓６０が設けられており、この窓６０の上面が被検体を搭載する被検面４になっている。
【００１１】
変倍レンズ鏡筒５３の内部には左眼用、右眼用の変倍レンズ群（不図示）および結像レンズ群（不図示）がそれぞれ配置され、鏡筒の外側には変倍ノブ５６が配置されている。変倍レンズ群には、ズーム用可動レンズが含まれており、変倍ノブ５６の回転によりこのズーム用可動レンズが光軸方向に沿って移動するように構成されている。また、変倍レンズ群には可変絞りが含まれており、変倍レンズ鏡筒５３には、この可変絞りを調節するスライダスイッチ５９が取り付けられている。
【００１２】
また、焦点合わせ装置５５は、焦点合わせノブ５７と、ノブ５７の回転に伴い変倍レンズ鏡筒５３を軸５８に沿って上下動させる機構部（不図示）とを有している。対物レンズ５および接眼レンズ５４は、変倍レンズ鏡筒５３に固定されており、変倍レンズ鏡筒５３と一体に上下動する。
【００１３】
ベース５１の内部に配置された暗視野照明装置は、図１および図２に示すように光源１と、環状反射部材２と、遮光部材３とを含んでいる。光源１は、対物レンズ５の光軸１０１上に配置されている。環状反射部材２は、内側面が、同じ形状の７つの反射面２ａ〜２ｇを環状に配置した多角形の反射面になっている（図２）。環状反射部材２の中心は、対物レンズ５の光軸１０１と一致するように配置されている。
【００１４】
環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇは、光軸１０１に垂直な面において曲率半径Ｒ_Hの凹面に形成されている。多角形の反射面２ａ〜２ｇに外接する円の半径をｒとした場合、反射面の曲率半径Ｒ_Hは、Ｒ_H≧ｒとなるように定められている（図２）。よって、光軸１０１（環状反射部材２の中心）は、反射面２ａの凹面の曲率中心位置Ｏ_aと反射面２ａとの間に位置する。他の反射面２ｂ〜２ｇについても、光軸１０１は、反射面２ｂ〜２ｇとその曲率中心位置よりも反射面２ｂ〜２ｇ側に位置する。
【００１５】
また、環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇは、光軸１０１を含む入射面方向については一定の形状であり（図１）、この方向については凹面ではない。
【００１６】
遮光部材３は、半径Ｒ_Sの円形の板状部材であり、中心が光軸１０１に一致するように環状反射部材２の内側に配置されている。遮光部材３は、光源１から出射された光束および環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇにより反射された光束のうち、対物レンズ５に直接入射する光束を遮るように、環状反射部材２の長さＬ、対物レンズ５の最小作動距離ＷＤ、および、対物レンズ５の最大開口角Ψを考慮してその半径Ｒ_Sが定められている。
【００１７】
このような暗視野照明装置において、光源１は電源装置５２に接続され、電流を供給される。これにより光源１から出射された照明光は、図１のように環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇにより正反射され、被検面４に入射する。このとき光軸１０１（環状反射部材２の中心）が反射面２ａの凹面の曲率中心位置Ｏ_aと反射面２ａとの間に位置するように配置されているため、被検面４の上方から見た場合、図２のように、反射面２ａにより正反射された光は幅φを有する光束となって被検面４に入射する。同様に反射面２ｂ〜２ｇで正反射された光も幅φを有する光束となってそれぞれ被検面４に入射する。よって、図６に示したように、被検面４上には、光軸１０１を中心に７つの光束が重なりあって照射され、重なり合う領域は７角形の領域ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫＩＭＮとなる。この７角形の領域Ａ〜Ｎの内部は、７つの光束が重なりあっているため、もっとも明るく、しかもほとんど照明むらがない。よって、必要とされる照明範囲、すなわち被検面４上での対物レンズ５の最大視野範囲が、この７角形の領域Ａ〜Ｎの内接円となるように、環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇの大きさおよび曲率Ｒ_H等を定めることにより、正反射光により、むらのない照明を実現することができる。
【００１８】
また、図１のように光軸１０１を含む面においては、環状反射部材２による正反射光は、遮光部材３に光束の一部が遮られることにより、斜め方向から被検面４に入射し、照明光が対物レンズ５に直接入射しない。これにより暗視野照明を実現することができる。また、反射面２ａによる反射光束の被検面４を横切る際の径Ｔが、上記７角形の領域Ａ〜Ｎの内接円の直径φと同じか、もしくはそれ以上の大きさになるように、環状反射部材２の半径ｒ、長さＬおよび遮光部材３の径Ｒ_Sを設計しておく。他の反射面２ｂ〜２ｇについても同様にする。これにより、正反射光により、むらのない照明を実現することができる。
【００１９】
よって、被検面４の上記７角形の領域Ａ〜Ｎの直径φの内接円の内部を照明範囲として、この照明範囲内に被検体を搭載することにより、被検体によって生じた散乱光および回折光のみを対物レンズ５に入射させることができる。これら散乱光、回折光は、変倍レンズ群および結像レンズ群により結像され、この像を接眼レンズ５４により観察することにより、暗視野照明像を観察することができる。また、焦点位置合わせは、ノブ５７の回転によって、変倍レンズ鏡筒５３を上下させることにより行われる。また、ノブ５６の回転により所望の倍率に変倍できる。
【００２０】
本実施の形態の暗視野照明装置は、正反射光で被検体をむらなく照明することを可能にしたため、散乱光で照明する場合と比較して、照明効率がよく、被検体に入射する光量を大きくすることができる。このため、被検体が散乱光および回折光の発生効率が小さいものであっても、生じる散乱光および回折光の光量を大きくでき、明るい暗視野像を得ることができる。これにより、微細な構造や透明な被検体を観察しやすいという効果が得られる。また、散乱光で照明する場合と比較して、対物レンズ５に入射する迷光が少ないため、暗視野効果が減じられることもない。
【００２１】
なお、図２、図６のように被検体４を上面からみた場合の各反射面２ａ〜２ｇの反射光束が、平行かもしくは広がりながら被検面４に入射するように環状反射部材２を構成すると、照明範囲の直径φを大きく確保することが容易になる。反射光束が平行かもしくは広がりながら入射するようにするには、反射面２ａ〜２ｇの曲率半径Ｒ_Hが下記（１）式を満たすように設計する。
【００２２】
Ｒ_H≧φ／（2tan（π／(2ｎ))）・・・（１）
ただし、ｎは環状反射部材２を構成する反射面の数であり、ここではｎ＝７である。
【００２３】
なお、本実施の形態では、対物レンズ５の最大視野、すなわち必要とされる最大照明範囲が被検面４上で直径３２ｍｍであるので、φ＝３２ｍｍとし、上記（１）式から計算したところ、Ｒ_H≧７０．１ｍｍとなる。光源１の取り付け誤差からくる環状反射部材２の光軸１０１からの偏心を考慮して、本実施の形態ではＲ_H＝７５ｍｍとした。これにより、図１，図２に示したように、照明光が対物レンズに直接入射しない暗視野照明の条件を確保しながら、必要とされる最大照明範囲φ全体を照明できる。
【００２４】
また、照明むらをよりいっそう少なくし、高効率で被検体に照射するためには、図２、図６のように被検体４を上面からみた場合の各反射面２ａ〜２ｇの反射光束がほぼ平行光束であることが望ましい。これは、凹面の反射面２ａ〜２ｇの焦点位置を光軸１０１が通るように、反射面２ａ〜２ｇの曲率半径Ｒ_Hおよび環状反射部材の半径ｒを設計することに実現することができる。
【００２５】
なお、本実施の形態では、環状反射部材２の反射面の数を７にしているが、反射面の数は７に限定されるわけではなく、３以上であればいくつに設定することも可能である。
【００２６】
また、上記実施の形態では、実体顕微鏡の照明装置として暗視野照明装置のみについて説明したが、落射照明装置や透過照明装置を暗視野照明装置と共に備える構成にすることももちろん可能である。
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態の暗視野照明装置を備えた実体顕微鏡について説明する。第２の実施の形態の実体顕微鏡は、暗視野照明装置の構成が第１の実施の形態とは異なっている。これ以外の全体の構成は第１の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態の暗視野照明装置は、図３に示すように、反射面２ａ〜２ｇが、光軸１０１を含む入射面方向においても曲率半径Ｒ_Vの凹面を有している。しかも、光軸１０１を含む入射面方向における凹面の曲率中心Ｏ_vの位置は、環状反射部材２の光源１側端面よりも光源１側に位置するように定められている。よって、環状反射部材２の内径は、光源１側端部の方が被検面４側端部よりも大きくなっている。
【００２８】
なお、環状反射部材２は、光軸１０１に垂直な面においては、第１の実施の形態と同様に曲率半径Ｒ_Hの凹面に形成されている。
【００２９】
このように、第２の実施の形態では、反射面２ａ〜２ｇが光軸１０１を含む入射面方向においても凹面の曲率を有するように構成していることにより、図３のように光軸１０１を含む面において、反射面２ａによる反射光束の発散角度が、図１の第１の実施の形態の場合の発散角度よりも小さくなる。また、凹面の曲率中心Ｏ_vの位置は、環状反射部材２の光源１側端面よりも光源１側に位置するため、反射光束と被検面４とのなす最大角度θも、図３のように、図１の第１の実施の形態の場合の最大角度θよりも小さくなる
したがって、第２の実施の形態の暗視野照明装置は、対物レンズ５の最小作動距離ＷＤが短い場合でも照明光が直接対物レンズ５に入射しない構成を、環状反射部材２の長さＬを短くすることなく実現できるため、高倍率な対物レンズ５の実体顕微鏡に、照明強度が大きな暗視野照明を提供することができる。
【００３０】
第２の実施の形態の暗視野照明装置において、照明光が直接対物レンズ５に入射しないようにするためには、最大角度θ、曲率半径Ｒ_Vは下記（２）式および（３）式を満足するように設計する。ただし、Ψは、対物レンズ５の最大開口角である。
【００３１】
【数１】

また、曲率半径Ｒ_Vが下記（４）式を満足するように設計すると、光源１からの出射された発散光束は、環状反射部材２により反射されることにより、光軸１０１を含む面において、ほぼ平行光束となって被検面４に入射する。これにより、光軸１０１を含む面においても、直径φの照明範囲における照明の均一性が高まり、よりいっそう照明むらを低減することが可能になる。
【００３２】
【数２】

また、第２の実施の形態の暗視野照明装置では、必要とされる最大照明範囲の直径φ＝３２ｍｍ、対物レンズ５の最小作動距離ＷＤ＝２４ｍｍ、対物レンズ５の最大開口角Ψ＝３３．４°であるので、上記（２）式より、θ≦３７°となる。この値及び条件式（１）により決定したＲ_H＝７５ｍｍを条件式（３）に代入すると、８２．４ｍｍ≦Ｒ_V≦５８８ｍｍを満足する必要があることがわかる。よって、本実施の形態では、光源１の取り付け誤差からくる光軸１０１からの環状反射部材２の偏心を考慮して、Ｒ_V＝１５０ｍｍとした。これにより、図３、図４に示したように、照明光が対物レンズに直接入射しない暗視野照明の条件を確保しながら、必要とされる最大照明範囲φ全体を照明できる。
【００３３】
また、第２の実施の形態の実体顕微鏡の暗視野照明装置は、環状反射部材２の光源１側端部の径が被検面４側端部の径よりも大きくなっているため、環状反射部材をモールド型を用いて製造する際に、型を抜くために必要な抜き勾配が確保できるという効果も得られる。よって、割型等を用いることなく、容易にかつ低コストに環状反射部材を製造することが可能である。
【００３４】
上述してきたように、第１及び第２の実施の形態の実体顕微鏡は、正反射光により照明むらの少ない暗視野照明を実現することができるため、照明光量を増加させることができ、散乱光量及び回折光量を増やして、明るい暗視野像を得ることができる。これにより、微細構造や透明な被検体を精度よく観察することが可能になる。
【００３５】
【発明の効果】
上述してきたように、本願の請求項１に記載の発明によれば、光源から出射された光を高効率で被検体に照射することができ、しかも照明むらの少ない暗視野照明装置を備えた実体顕微鏡を提供することができる。
【００３６】
また、本願の請求項２に記載の発明によれば、光束が重なり合う領域の径が、必要とされる照明範囲の径以上であるため、必要とされる照明範囲全体を少ない照明むらで照明することのできる実体顕微鏡を提供することができる。
【００３７】
また、本願の請求項３に記載の発明によれば、環状反射部材の各反射面からの反射光束が平行光束もしくは拡散光束であるため、照明範囲の径を大きく確保しやすい実体顕微鏡を提供することができる。
【００３８】
また、本願の請求項４に記載の発明によれば、対物レンズの最小作動距離が小さくても、環状反射部材の長さを維持でき、大きな光量で暗視野照明することのできる実体顕微鏡を提供することができる。
【００３９】
また、本願の請求項５に記載の発明によれば、光源から出射された光を高効率で被検体に照射することができ、しかも照明むらの少ない暗視野照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の実体顕微鏡の暗視野照明装置を、光軸１０１を含む面からみた構成および光束を示す説明図。
【図２】図１の暗視野照明装置をＡ方向からみた矢視図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の実体顕微鏡の暗視野照明装置を、光軸１０１を含む面からみた構成および光束を示す説明図。
【図４】図３の暗視野照明装置をＢ方向からみた矢視図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の実体顕微鏡の斜視図。
【図６】本発明の第１の実施の形態の実体顕微鏡の暗視野照明装置において、環状反射部材２の反射面２ａ〜２ｇで反射された光束の被検面上で重なり合いを、光軸１０１に垂直な方向からみた状態で説明する説明図。
【符号の説明】
１…光源、２…環状反射部材、２ａ〜２ｇ…反射面、３…遮光板、４…被検面、５…対物レンズ、５１…ベース、５２…照明電源、５３…変倍レンズ鏡筒、５４…接眼レンズ、５５…焦点合わせ装置、５６…変倍ノブ、５７…焦点合わせノブ、５８…軸、５９…可変絞り調節スライドスイッチ、６０…窓。

Claims

対物レンズと、被検体を搭載するための被検体搭載面と、前記被検体搭載面を挟んで前記対物レンズと対向する位置に配置された暗視野照明装置とを有し、
前記暗視野照明装置は、前記対物レンズの光軸上に配置された、光源と、前記光源からの光を内側面で反射するための環状反射部材と、前記環状反射部材で反射された光束の一部を遮る遮光板とを備え、
前記環状反射部材の内側面は、前記光軸に垂直な面内において予め定められた曲率半径の凹形状を有する複数の反射面を、前記光軸を中心に環状に配置した形状であり、前記光軸は、前記複数の反射面とその曲率中心との間に位置することを特徴とする実体顕微鏡。
請求項１に記載の実体顕微鏡において、前記複数の反射面により反射され、前記遮光板を通過した光束が重なり合う領域の径は、必要とされる照明範囲の径以上であることを特徴とする実体顕微鏡。
請求項１または２に記載の実体顕微鏡において、前記反射面の前記曲率半径は、前記光源からの光を反射した反射光束が、前記光軸に垂直な面から見た場合に、平行束もしくは拡散光束となるように定められていることを特徴とする実体顕微鏡。
請求項１、２または３に記載の実体顕微鏡において、前記複数の反射面はそれぞれ、前記光軸を含む面内においても予め定めた曲率半径の凹形状を有し、前記光源近傍の第一の端部に位置する前記環状反射部材の第一の内径は、前記被検体搭載面近傍の、前記光源から遠位の第二の端部に配置された前記環状反射部材の第二の内径よりも大きいことを特徴とする実体顕微鏡。
対物レンズの光軸上に配置された、光源と、前記光源からの光を内側面で反射するための環状反射部材と、前記環状反射部材で反射された光束の一部を遮る遮光板とを有し、
前記環状反射部材の内側面は、前記光軸に垂直な面内において予め定められた曲率半径の凹形状を有する複数の反射面を、前記光軸を中心に環状に配置した形状であり、前記光軸は、前記複数の反射面とその曲率中心との間に位置することを特徴とする暗視野照明装置。