JP5567911B2 - 照明光学系及びそれを用いた蛍光顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系及び蛍光顕微鏡に関する。

顕微鏡の代表的な照明方法として、クリティカル照明とケーラー照明が知られている。
クリティカル照明は、標本上に光源像を形成する照明方法である。クリティカル照明では、明るい照明を実現できるが、標本上での明るさの分布は、光源の物理的な広がりに対する輝度分布（以降、光源の輝度分布と記す。）に依存する。より具体的には、光源の輝度分布と投影倍率によって決まる光源像の輝度分布がそのまま標本上での明るさの分布となる。このため、標本を均一に照明することが難しい。

一方、ケーラー照明は、例えば蛍光顕微鏡等の照明では、対物レンズの瞳位置に光源像を形成する照明方法であり、標本上には視野絞りの像が形成される照明方法である。ケーラー照明では、得られる明るさはクリティカル照明に比べて劣る。しかしながら、標本上の明るさの分布は光源の輝度分布に依存しないため、標本をより均一に照明することができる。

このように、照明の均一性と明るさとの間にはトレードオフが存在するが、一般に顕微鏡の照明では照明の均一性がより重視されるため、ケーラー照明が広く用いられている。
ケーラー照明における照明の均一性をさらに改善する技術として、特許文献１及び特許文献２が開示されている。ケーラー照明では、光源の輝度分布に依存した照明の不均一は抑制されるが、光源に対する角度により光度が異なる特性（以降、配光特性と記す。）に依存した照明の不均一は抑制されない。特許文献１及び特許文献２の技術では、フライアイレンズを用いて複数の光源像を形成することにより、光源の配光特性に依存した照明の不均一が抑制される。これにより、標本をさらに均一に照明することができる。

特開２００５−２８３８７９号公報 特開２００４−００４１６９号公報

ところで、顕微鏡の照明光学系に求められる照明状態は常に一定ではない。照明の均一性を最大限維持したい場合もあれば、照明の均一性をある程度犠牲にしても明るさを向上させた場合もある。このように、顕微鏡の照明光学系には、基本的には照明の均一性を重視した上で、照明の均一性と明るさとのバランスを調整する機能が求められている。

しかしながら、特許文献１の技術では、一定の照明状態が実現されるのみであり、照明の均一性と明るさとのバランスは調整できない。
一方、特許文献２の技術では、対物レンズの瞳位置での各光源像の大きさを調整することにより、照明の明るさを調整することができる。しかしながら、特許文献２の技術では、ケーラー照明として最適な状態、つまり、対物レンズの瞳を光源像で満たした状態に調整できるだけである。従って、明るさの調整は、ケーラー照明として実現できる範囲内に制限される。

また、特許文献２の技術は、各光源像の大きさは調整できるが、各光源像の位置（より厳密には中心位置）は調整できない。従って、光源像の一部が対物レンズの瞳の外側に形成される場合には、ケーラー照明として実現できる範囲の明るさでさえも得ることができない。

以上のような実情を踏まえ、本発明では、照明の均一性を重視した上で、必要に応じて照明の均一性と明るさを調整することができる照明光学系を提供することを課題とする。

本発明の第１の観点は、照明レンズを通して標本面に光を照射する照明光学系であって、光源と、光源から射出された光が入射する集光光学系と、各々複数のレンズ要素から形成される第１レンズアレイ面及び第２レンズアレイ面を含むレンズアレイ光学系と、を含み、第１レンズアレイ面は、照明レンズの後側焦点位置と共役関係にあり、第２レンズアレイ面は、レンズアレイ光学系の後側焦点位置にあり、且つ、照明レンズの瞳位置と共役関係にあり、光源と集光光学系は、第２レンズアレイ面上に光源の像が複数形成される第１照明状態と、第１レンズアレイ面上に光源の像が形成される第２照明状態とに変更可能に配置され、光源と集光光学系の少なくとも一方は、第１照明状態と、第２照明状態とを、切替えるための切替え手段として機能する照明光学系を提供する。

本発明によれば、照明の均一性を重視した上で、必要に応じて照明の均一性と明るさを調整することができる照明光学系を提供することができる。

本発明の実施例１に係る第１照明状態での照明光学系の構成を例示した概略図である。 本発明の実施例１に係る第２照明状態での照明光学系の構成を例示した概略図である。 図２に例示される照明光学系の光源像の大きさが小さい場合のレンズアレイ光学系の作用を説明するための図である。 図２に例示される照明光学系の光源像の大きさが大きい場合のレンズアレイ光学系の作用を説明するための図である。 図２に例示される照明光学系の光源像の大きさと対物レンズの瞳径の関係について説明するための図である。 光源とコレクタレンズの距離を変化させることにより、照明光学系の第１照明状態と第２照明状態を切替える方法を例示した図である。 光源とコレクタレンズの距離を変化させることにより、照明光学系の第１照明状態と第２照明状態を切替える他の方法を例示した図である。 コレクタレンズの構成を変更することにより、照明光学系の第１照明状態と第２照明状態を切替える方法を例示した図である。 コレクタレンズの構成を変更することにより、照明光学系の第１照明状態と第２照明状態を切替える他の方法を例示した図である。 コレクタレンズの構成を変更することにより、照明光学系の第１照明状態と第２照明状態を切替える更に他の方法を例示した図である。 本発明の実施例１に係る照明光学系の構成の変形例を例示した概略図である。 図７Ａに例示される照明光学系に含まれるリキッドファイバーの断面図である。 本発明の実施例１に係る照明光学系の構成の他の変形例を例示した概略図である。 本発明の実施例２に係る第３照明状態での照明光学系の構成を例示した概略図である。 本発明の実施例２に係る第４照明状態での照明光学系の構成を例示した概略図である。 本発明の実施例３に係る蛍光顕微鏡の構成を例示した概略図である。 図１１に例示される蛍光顕微鏡における照明光と蛍光の関係を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

図１及び図２は、本実施例に係る照明光学系の構成を例示した概略図である。
図１及び図２に例示される照明光学系１００は、光源Ｓ側から標本面Ｏ側に向かって順に、光源Ｓと、光源Ｓから射出された照明光が入射するコレクタレンズＬ１と、光源Ｓ側から順にレンズアレイＬ２及びレンズアレイＬ３を含むレンズアレイ光学系と、リレーレンズＬ４ａ及びリレーレンズＬ４ｂを含むリレー光学系と、反射素子Ｍ１と、標本面Ｏに照明光を照射する照明レンズとして機能する対物レンズＬ６と、を含んで構成されている。また、リレーレンズＬ４ａとリレーレンズＬ４ｂの間には視野絞りＬ５が設けられている。

レンズアレイＬ２は、光源Ｓ側に第１レンズアレイ面ＬＳ１を、標本面Ｏ側に平面を有している。また、レンズアレイＬ３は、光源Ｓ側に平面を、標本面Ｏ側に第２レンズアレイ面ＬＳ２を有している。レンズアレイ面ＬＳ１及びレンズアレイ面ＬＳ２の各々は、複数のレンズ要素をレンズ要素の光軸に対して垂直な面内に敷き詰めることにより形成されている。

照明光学系１００の構成要素間の詳細な位置関係は、以下のとおりである。
まず、第１レンズアレイ面ＬＳ１は、対物レンズＬ６の後側焦点位置と共役関係にある。また、視野絞りＬ５も、対物レンズＬ６の後側焦点位置と共役関係にある。従って、第１レンズアレイ面ＬＳ１と対物レンズＬ６の後側焦点位置と視野絞りＬ５はそれぞれ共役関係にある。なお、図１及び図２では、対物レンズＬ６の後側焦点位置が標本面Ｏ上にある状態が例示されている。また、第２レンズアレイ面ＬＳ２は、対物レンズＬ６の瞳位置Ｅ１と共役関係にある。

以上のように構成された照明光学系１００は、集光光学系であるコレクタレンズＬ１により形成される光源像の位置を変化させることにより、図１に例示されるケーラー照明（以降、第１照明状態と記す。）と図２に例示されるクリティカル照明（以降、第２照明状態と記す。）を、選択的に実現することができる。

なお、詳細には後述するが、図１に例示される第１照明状態では、照明光学系１００は、光源の輝度分布に依存する照明の不均一と光源の配光特性に依存する照明の不均一の両方が抑制された均一性の高いケーラー照明を実現できる。一方、図２に例示される第２照明状態では、照明光学系１００は、従来のクリティカル照明に比べて照明の均一性が改善された照明を実現できる。従って、第２照明状態では、照明光学系１００は、ケーラー照明（第１照明状態）より明るく、且つ、従来のクリティカル照明より均一性の高いクリティカル照明を実現できる。

また、図１及び図２では、リレー光学系が例示されているが、リレー光学系は省略することも可能である。この場合、レンズアレイ面ＬＳ２と対物レンズＬ６の瞳位置Ｅ１が一致するように、照明光学系を構成すればよい。

また、図１及び図２では、レンズアレイ光学系が２つのレンズアレイから構成されているが、レンズアレイ光学系は１つのレンズアレイから構成されても良い。この場合、レンズアレイ光学系は、レンズアレイの両面をそれぞれレンズアレイ面として構成し、標本面Ｏ側のレンズアレイ面がレンズアレイ光学系の後側焦点位置上に配置されるように構成すればよい。

また、図１及び図２では、レンズアレイＬ２及びレンズアレイＬ３は、同一形状のレンズ要素からなる周期的な構造体として形成されているが、周期的な構造体でなくてもよい。レンズアレイＬ２及びレンズアレイＬ３は、光源の輝度分布や配光特性を分割できる構造を有していればよい。

また、図１及び図２では、照明光学系１００は対物レンズＬ６を介して標本面Ｏを照明する落射照明光学系として構成されているが、透過照明光学系として構成されてもよい。この場合、標本を照明するための照明レンズとして、対物レンズＬ６の代わりにコンデンサレンズが使用される。

また、本実施例の照明光学系１００は、光源として放電管を含む光源を用いた場合に特に効果的であるが、照明光学系１００で使用される光源は放電管を有する光源に限定されない。

以下、第１照明状態及び第２照明状態のそれぞれについて詳細に説明する。
まず、図１を参照しながら、照明光学系１００の第１照明状態について説明する。
第１照明状態では、光源Ｓから射出された照明光は、コレクタレンズＬ１により略平行光に変換されて、レンズアレイ光学系に入射する。レンズアレイ光学系に入射した照明光は、レンズアレイ面ＬＳ１で分割されて、分割された照明光の各々が第２レンズアレイ面ＬＳ２上に集光する。このため、第２レンズアレイ面ＬＳ２上には、照明光が入射するレンズ要素と同じ数だけ、光源像Ｓ１が形成される。

なお、光源像Ｓ１の各々は、光源Ｓから射出される照明光の一部で、且つ、光源Ｓからの射出角度がある範囲内にある照明光により形成されている。また、光源像Ｓ１の各々で上記の射出角度の範囲は異なっている。例えば、光軸ＯＡ上に形成される光源像Ｓ１は、光軸ＯＡに対して小さな射出角度の照明光から形成されている。これに対して、光軸ＯＡからずれた位置に形成される光源像Ｓ１は、光軸ＯＡに対して大きな射出角度の照明光から形成されている。従って、光源Ｓの配光特性は分割されて、分割された配光特性が光源像Ｓ１の各々に引き継がれることになる。

このようにして形成された光源像Ｓ１の各々は、リレー光学系により光源像Ｓ２として対物レンズＬ６の瞳位置Ｅ１にリレーされる。そして、光源像Ｓ２の各々が標本面Ｏを照明する。従って、分割された配光特性を有する各光源像Ｓ２からの照明光が標本面Ｏに照射され、標本面Ｏで重なり合うことになる。その結果、光源Ｓの配光特性に依存した照明の不均一は抑制される。

以上、第２レンズアレイ面ＬＳ２上に光源像Ｓ１が形成される第１照明状態（ケーラー照明）では、照明光学系１００は、光源の輝度分布に依存する照明の不均一に加えて、光源の配光特性に依存する照明の不均一も抑制することができる。従って、均一性の高い照明を実現することができる。

次に、図２を参照しながら、照明光学系１００の第２照明状態について説明する。
第２照明状態では、光源Ｓから射出された照明光は、コレクタレンズＬ１によりレンズアレイ光学系の入射面（第１レンズアレイ面ＬＳ１）に集光され、第１レンズアレイ面ＬＳ１上に光源像Ｓａが形成される。そして、光源像Ｓａは、レンズアレイ光学系及びリレー光学系のリレーレンズＬ４ａにより、視野絞りＬ５上に光源像Ｓｂとしてリレーされる。さらに、光源像Ｓｂは、リレー光学系のリレーレンズＬ４ｂ及び対物レンズＬ６により、光源像Ｓｃとして標本面Ｏにリレーされる。そして、光源像Ｓｃが標本面Ｏを照明する。このように、第２照明状態の照明光学系１００は、標本面Ｏ上に光源像が形成されるクリティカル照明を実現している。第１の照明状態の光源像Ｓ1の大きさと第２の照明状態の光源像Ｓａの大きさは光源像Ｓａのほうが小さいので、第２のフライアイレンズ面では、第２の照明状態の光束径が細い。つまりリレー光学系を介して入射する対物レンズＬ６の瞳位置での光線高を比較すると、第１の照明状態では光源像が投影されているので光束径は太く、第２の照明状態は第１の照明状態よりも光束径が細くなる。つまり第１の照明状態のケーラー照明の場合よりも第２の照明状態のほうが光束径を細くできる。このため、対物レンズＬ６やリレー光学系で生じるビネッティングなどにより無駄になってしまう照明光を抑えて標本面Ｏまで到達させることができるため、第２の照明状態のほうがより明るい照明が実現できる。

また対物レンズＬ６の瞳位置での光束径が細いため、瞳径の大きさが異なる対物レンズで、例えば瞳径が大きい低倍対物レンズから瞳径が小さい高倍対物レンズで、照明、観察する際にも第２の照明状態では明るく観察が可能となる。

次に、第２照明状態での照明光学系１００のレンズアレイ光学系の作用について説明する。図３Ａは、光源像Ｓａの大きさがレンズアレイ光学系のレンズ要素の大きさより小さい場合のレンズアレイ光学系の作用を説明するための図である。図３Ｂは光源像Ｓａの大きさがレンズアレイ光学系のレンズ要素の大きさより大きい場合のレンズアレイ光学系の作用を説明するための図である。図４は、光源像Ｓａの大きさと対物レンズＬ６の瞳径の関係について説明するための図である。

まず、レンズアレイ面ＬＳ１上に形成される光源像Ｓａの大きさがレンズ要素の大きさに比べて小さい場合、より厳密には、光源像Ｓａが１つのレンズ要素内に投影されている場合について説明する。

図３Ａ（ａ）に例示されるように、光源像Ｓａが１つのレンズ要素内に投影されている場合、光源像Ｓａから射出される照明光は１つのレンズ要素内に入射する。そして、照明光はレンズアレイＬ２により分割されることなく標本面Ｏまで到達する。このため、図３Ａ（ｂ）に例示されるように、標本面Ｏ上の照明範囲Ａ１の輝度分布は、光源像Ｓａの輝度分布と同等であり、照明の均一性は良好でない。また、この場合、照明範囲Ａ１は視野範囲Ａ２を満たしていないため、視野の周辺部分には照明光は照射されない。従って、視野の周辺部分は非常に暗くなってしまう。なお、これは、従来のクリティカル照明でも同様である。

一方、図３Ｂ（ａ）に例示されるように、レンズアレイ面ＬＳ１上に形成される光源像Ｓａの大きさがレンズ要素の大きさに比べて大きい場合、光源像Ｓａから射出される照明光は複数のレンズ要素に入射する。このため、照明光はレンズアレイＬ２により分割されて、分割された照明光の各々が標本面Ｏに到達する。なお、照明光が分割されるとき、光源Ｓの輝度分布も分割され、分割された輝度分布が照明光の各々に引き継がれることになる。このため、図３Ｂ（ｂ）に例示されるように、標本面Ｏ上の照明範囲Ａ１の輝度分布は、分割された輝度分布を重ねた輝度分布となり、従来のクリティカル照明に比べて照明の均一性が改善される。また、この場合、照明範囲Ａ１は視野範囲Ａ２を満たしているため、視野全体に照明光が照射されることになる。

以上、第１レンズアレイ面Ｌ１上に光源像Ｓａが形成される第２照明状態（クリティカル照明）では、照明光学系１００は、光源像Ｓａの大きさをレンズアレイ光学系のレンズ要素の大きさより大きくすることで、従来のクリティカル照明より均一性の高い照明を実現できる。

なお、第２照明状態では照明光学系１００は、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
０．１≦Ｈ_Ｌ・β_ＣＬ・β_ＲＬ／Φ≦１．３ ・・・（１）
ただし、Ｈ_Ｌは、光源Ｓの光源高さであり、β_ＣＬは、第２照明状態でのコレクタレンズＬ１の倍率であり、β_ＲＬは、リレー光学系の倍率であり、Φは、対物レンズＬ６の瞳径である。

図４に例示されるように、第２照明状態では、第１レンズアレイ面ＬＳ１上の光源像Ｓａの大きさは、光源Ｓの光源高さＨ_ＬとコレクタレンズＬ１の倍率β_ＣＬから算出され、Ｈ_Ｌ・β_ＣＬとなる。また、対物レンズＬ６の瞳位置Ｅ１と第２レンズアレイ面ＬＳ２は共役関係にある。このため、対物レンズＬ６の瞳を第２レンズアレイ面ＬＳ２上に投影すると、その大きさ（以降、逆投影瞳径と記す。）は、対物レンズＬ６の瞳径Φとリレー光学系の倍率β_ＲＬから算出され、Φ／β_ＲＬとなる。

つまり、条件式（１）は、光源像Ｓａの大きさ（Ｈ_Ｌ・β_ＣＬ）と逆投影瞳径（Φ／β_ＲＬ）の関係を規定している。条件式（１）を満たすことで、標本面Ｏに到達するまでに生じる照明光の光量の損失を抑えた上で、従来のクリティカル照明に比べて均一性の高い照明を実現することができる。

条件式（１）の上限値（１．３）を上回ると、光源像Ｓａの大きさが逆投影瞳径に対して大きくなりすぎてしまう。この場合、光源像Ｓａの大きさはレンズアレイＬ２のレンズ要素の大きさに対して十分に大きくなるため、照明の均一性は改善される。しかしながら、対物レンズＬ６の瞳の外側を通過する照明光が多くなり、その結果、標本面Ｏまで到達できる照明光の光量が低下する。

一方、条件式（１）の下限値（０．１）を下回ると、逆投影瞳径が光源像Ｓａの大きさに対して大きくなりすぎてしまう。この場合、リレー光学系や対物レンズ内でケラレが生じる。このため、標本面Ｏまで到達できる照明光の光量が低下する。また、この場合、光源像Ｓａの大きさが小さいため、照明の均一性も十分に改善されない。ただし、照明の均一性については、レンズアレイＬ２のレンズ要素の大きさを調整することで改善することができる。

なお、リレー光学系が省略され、レンズアレイ面ＬＳ２と対物レンズＬ６の瞳位置Ｅ１が一致するように構成された照明光学系の場合、条件式（１）の代わりに条件式（２）を満たすことが望ましい。

０．１≦Ｈ_Ｌ・β_ＣＬ／Φ≦１．３ ・・・（２）
次に、コレクタレンズＬ１により形成される光源像の位置を変化させて、照明光学系１００の第１照明状態と第２照明状態を切替える方法について説明する。照明光学系１００の第１照明状態と第２照明状態の切替えは、光源ＳとコレクタレンズＬ１の少なくとも一方が切り替え手段として機能することにより実現される。

図５Ａ及び図５Ｂは、光源ＳとコレクタレンズＬ１との距離を変化させることにより、照明光学系１００の第１照明状態と第２照明状態を切替える方法を例示した図である。
図５Ａに例示されるように、照明光学系１００は、コレクタレンズＬ１を光軸方向に移動させることにより、光源ＳとコレクタレンズＬ１の間の距離を変化させ、それによって、第１照明状態と第２照明状態とを選択的に切替えてもよい。

図５Ｂに例示されるように、照明光学系１００は、光源Ｓを光軸方向に移動させることにより、光源ＳとコレクタレンズＬ１の間の距離を変化させ、それによって、第１照明状態と第２照明状態とを選択的に切替えてもよい。

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、コレクタレンズＬ１の構成を変更することにより、照明光学系１００の第１照明状態と第２照明状態を切替える方法を例示した図である。
図６Ａに例示されるように、コレクタレンズＬ１を凸レンズＬ１ａと光軸に対して挿脱可能な凸レンズＬ１ｂとから構成する。その上で、照明光学系１００は、凸レンズＬ１ｂを光軸に対して挿脱させることにより、コレクタレンズＬ１の焦点距離を変化させて、それによって、第１照明状態と第２照明状態とを選択的に切替えてもよい。

図６Ｂに例示されるように、コレクタレンズＬ１を凸レンズＬ１ｃと光軸に対して挿脱可能な凹レンズＬ１ｄとから構成する。その上で、照明光学系１００は、凹レンズＬ１ｄを光軸に対して挿脱させることにより、コレクタレンズＬ１の焦点距離を変化させて、それによって、第１照明状態と第２照明状態とを選択的に切替えてもよい。

図６Ｃに例示されるように、コレクタレンズＬ１を凸レンズＬ１ｅと光軸方向に移動可能な凹レンズＬ１ｆとから構成する。その上で、照明光学系１００は、凹レンズＬ１ｆを光軸方向に移動させることにより、コレクタレンズＬ１の焦点距離を変化させて、それによって、第１照明状態と第２照明状態とを選択的に切替えてもよい。

なお、ここで、コレクタレンズＬ１は、略コリメータ光学系として構成されている。
以上、本実施例の照明光学系１００は、光源Ｓの輝度分布に依存する照明の不均一と光源Ｓの配光特性に依存した照明の不均一の両方が抑制された均一性の高い第１照明状態と、第１照明状態より明るく、且つ、従来のクリティカル照明より均一性の高い第２照明状態を、選択的に実現することができる。

また、照明光学系１００は、コレクタレンズＬ１により形成される光源像の位置を変化させるだけで、第１照明状態と第２照明状態を切り替えることができる。光源像の位置の変更は、上述したように、光源ＳまたはコレクタレンズＬ１が切替え手段として機能することで実現されるため、照明光学系１００の構成が過度に複雑化することはない。

なお、顕微鏡に求められる照明状態は対物レンズの光学的な仕様によっても変化する。従って、本実施例の照明光学系１００は、倍率等の光学的な仕様が異なるさまざまな対物レンズを切替えて使用する顕微鏡での使用に好適である。

図７Ａは、本実施例に係る照明光学系の構成の変形例を例示した概略図である。図７Ａに例示される照明光学系１０１は、リキッドファイバーＬＧから射出される照明光を用いる点が、図１及び図２に例示される照明光学系１００と異なっている。他の構成は、図１及び図２に例示される照明光学系１００と同様である。

図７Ｂは、図７Ａに例示される照明光学系に含まれるリキッドファイバーの断面図である。リキッドファイバーＬＧは、図７Ｂに例示されるように、ファイバーのコア部分に液体が充填された光ファイバーである。光源から射出される照明光を直接用いる代わりに、リキッドファイバーＬＧから射出される照明光を用いても、図１及び図２に例示される照明光学系１００と同様の効果を得ることができる。

図８は、本実施例に係る照明光学系の構成の他の変形例を例示した概略図である。図８に例示される照明光学系１０２は、コレクタレンズが省略されている点が、図１及び図２に例示される本実施例に係る照明光学系１００と異なっている。他の構成は、図１及び図２に例示される照明光学系１００と同様である。

図８に例示される照明光学系１０２は、光源ＳとリフレクタＲを同時に移動させることによって、図１及び図２に例示される照明光学系１００と同様に、第１照明状態と第２照明状態を、選択的に実現することができる。

図９及び図１０は、本実施例に係る照明光学系の構成を例示した概略図である。
図９及び図１０に例示される照明光学系２００の構成は、光源Ｓから射出された照明光をコレクタレンズＬ１に向けて反射するリフレクタＲ１を含む点を除き、図１及び図２に例示される照明光学系１００の構成と同様である。

照明光学系２００では、光源Ｓから直接コレクタレンズＬ１に入射する照明光（以降、直接光と記す。）に加え、光源Ｓから射出され、リフレクタＲ１を介してコレクタレンズＬ２に入射する照明光（以降、間接光と記す。）も標本面Ｏ(不図示)に照射される。

照明光学系２００は、リフレクタＲ１が形成する光源像の位置を変化させることにより、図９に例示される照明状態（以降、第３照明状態と記す。）と、図１０に例示される照明状態（以降、第４照明状態と記す。）を選択的に実現することができる。

なお、照明光学系２００の第３照明状態と第４照明状態を切替えるは、リフレクタＲ１が切り替え手段として機能することにより実現される。具体的には、リフレクタＲ１が光軸方向に移動することにより、第３照明状態と第４照明状態を切替えが可能である。

以下、第３照明状態と第４照明状態のそれぞれについて説明する。
図９に例示される第３照明状態では、リフレクタＲ１により形成される光源像ＳＳの位置が光源Ｓの位置と一致している。このため、直接光と間接光は、同じ経路を通って標本面Ｏ（不図示）に到達する。

具体的には、照明光（直接光及び間接光）は、コレクタレンズＬ１により略平行光に変換されて、レンズアレイ光学系に入射する。レンズアレイ光学系に入射した照明光は、レンズアレイ面ＬＳ１で分割されて、分割された照明光の各々が第２レンズアレイ面ＬＳ２上に集光する。このため、第２レンズアレイ面ＬＳ２上には、照明光が入射するレンズ要素と同じ数だけ、光源像Ｓ１が形成される。これは、図１に例示される照明光学系１００の第１照明状態と同様である。

従って、第３照明状態では、照明光学系２００は、光源の輝度分布に依存する照明の不均一と光源の配光特性に依存する照明の不均一とが抑制された、均一性の高いケーラー照明を実現することができる。また、第３照明状態では、間接光も標本面Ｏ（不図示）に照射される。このため、第３照明状態では、照明光学系２００は、第１照明状態と同等の照明の均一性を確保しながら、より明るい照明を実現することができる。

図１０に例示される第４照明状態では、リフレクタＲ１により形成される光源像ＳＳの位置が光源Ｓの位置は一致していない。このため、直接光と間接光は、異なる経路を通って標本面Ｏ（不図示）に到達する。

具体的には、直接光は、第２レンズアレイ面ＬＳ２上に集光し、第２レンズアレイ面ＬＳ２上に光源像Ｓ１が形成される。一方、間接光は、コレクタレンズＬ１によりレンズアレイ光学系の入射面（第１レンズアレイ面ＬＳ１）に集光され、第１レンズアレイ面ＬＳ１上に光源像Ｓａが形成される。

従って、第４照明状態では、照明光学系２００は、直接光による第１照明状態と同等のケーラー照明と、間接光による第２照明状態と同等のクリティカル照明とを同時に実現している。

このような構成では、ケーラー照明である第３照明状態の場合には、光路中の光学素子（例えば、対物レンズや蛍光キューブなど）でケラレ等が生じて標本面Ｏ（不図示）まで到達することのできない照明光の一部を、クリティカル照明として利用することができる。このため、第３照明状態よりも明るい照明が実現される。

以上、本実施例の照明光学系２００は、第１照明状態より明るく、且つ、第１照明状態と同様に均一性の高い第３照明状態と、第１照明状態と第２照明状態を同時に実現した第４照明状態を、選択的に実現することができる。

なお、顕微鏡の照明では一般に照明の均一性が重視されるため、光源Ｓと間接光による光源像ＳＳが一致するときに、ケーラー照明が実現される構成を例示したが、特にこれに限られない。光源Ｓと間接光による光源像ＳＳが一致するときに、クリティカル照明が実現される構成としてよい。

図１１は、本実施例に係る蛍光顕微鏡の構成を例示した概略図である。図１１に例示される蛍光顕微鏡３００は、図１及び図２に例示される実施例１に係る照明光学系１００と同等の照明光学系３０１を含む蛍光顕微鏡である。

図１１に例示される蛍光顕微鏡３００は、ステージＳＴ上の標本面Ｏを照明する照明光学系３０１と、開口絞りＡＳと、蛍光キューブＦＣと、結像レンズＴＬと、撮像素子３０２と、撮像素子３０２を制御する制御装置３０３と、標本面Ｏの画像を表示するモニタ３０４と、を含んでいる。蛍光キューブＦＣは、励起フィルターＥＦ、ダイクロイックミラーＤＭ、及びバリアフィルターＢＦを含んでいる。また、開口絞りＡＳは、第２レンズアレイ面ＬＳ２近傍に設けられている。

光源Ｓから射出された照明光は、照明光学系３０１内を進行し、励起フィルターＥＦに入射する。励起に適した波長の照明光は励起フィルターＥＦを透過する。励起フィルターＥＦを透過した照明光は、ダイクロイックミラーＤＭを反射し、対物レンズＬ６を介して標本面Ｏを照明する。

照明光が照射された標本面Ｏでは、蛍光物質が励起されて、蛍光が射出される。蛍光は、対物レンズＬ６を介して入射するダイクロイックミラーＤＭを透過する。不要な波長の光は、バリアフィルターＢＦにより遮断されるため、所望の波長の蛍光のみが結像レンズＴＬにより撮像素子３０２に導かれる。撮像素子３０２では、蛍光は光電変換により電気信号に変換される。電気信号は制御装置３０３へ送信され画像を生成する。制御装置３０３は、表示装置３０４に標本面Ｏの蛍光画像を表示させる。

本実施例に係る蛍光顕微鏡３００によれば、実施例１に係る照明光学系１００と同等の照明光学系３０１を含んでいるため、光源Ｓの輝度分布に依存する照明の不均一と光源Ｓの配光特性に依存した照明の不均一の両方が抑制された均一性の高い第１照明状態と、第１照明状態より明るく、且つ、従来のクリティカル照明より均一性の高い第２照明状態を、選択的に実現することができる。

なお、図１１では、蛍光顕微鏡３００に含まれる照明光学系が、実施例１に係る照明光学系１００と同等である例を示したが、特にこれに限られない。本実施例に係る蛍光顕微鏡３００は、実施例２に係る照明光学系２００を含んでもよい。この場合、本実施例に係る蛍光顕微鏡３００は、第１照明状態より明るく、且つ、第１照明状態と同様に均一性の高い第３照明状態と、第１照明状態と第２照明状態を同時に実現した第４照明状態を、選択的に実現することができる。

図１２は、本実施例に係る蛍光顕微鏡における照明光と蛍光の関係を説明するための図である。図１２を参照しながら、実施例１及び実施例２に係る照明光学系は、蛍光顕微鏡へ適用される光学系として特に好適であることについて説明する。

照明光学系３０１を含む蛍光顕微鏡３００は、標本面Ｏで反射された反射光を観察するのではなく、標本面Ｏに存在する蛍光物質から生じる蛍光ＬＵを検出して標本面Ｏを観察する顕微鏡である。蛍光は、照明光の入射角（照明の開口数）によらず、さまざまな方向に放出されるため、蛍光顕微鏡３００では、反射光を検出する顕微鏡とは異なり、対物レンズＬ６に取り込まれる観察光の開口数は、照明の開口数に依存しない。

このため、蛍光顕微鏡３００では、照明光の開口数が観察画像へ及ぼす影響は比較的小さい。例えば、前述したように第２の照明状態の対物レンズＬ６の瞳での光束径が細く比較的小さな照明の開口数で照明した場合であっても、明るく良好に蛍光画像を観察することができる。従って、実施例１及び実施例２に係る照明光学系は、蛍光顕微鏡への適用が好適である。

１００、１０１、１０２、２００、３０１・・・照明光学系
３００ ・・・蛍光顕微鏡
３０２ ・・・撮像素子
３０３ ・・・制御装置
３０４ ・・・表示装置
Ｓ ・・・光源
ＳＳ、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓ１、Ｓ２ ・・・光源像
Ｌ１ ・・・コレクタレンズ
Ｌ２、Ｌ２ ・・・レンズアレイ
Ｌ４ａ、Ｌ４ｂ ・・・リレーレンズ
Ｌ５ ・・・視野絞り
Ｌ６ ・・・対物レンズ
Ｍ１ ・・・反射素子
Ｅ１ ・・・対物レンズの瞳位置
Ｒ１ ・・・リフレクタ
Ｏ ・・・標本面
ＬＧ ・・・リキッドファイバー
ＡＳ ・・・開口絞り
ＳＴ ・・・ステージ
ＦＣ ・・・蛍光キューブ
ＥＦ ・・・励起フィルター
ＢＦ ・・・バリアフィルター
ＤＭ ・・・ダイクロイックミラー
ＴＬ ・・・結像レンズ
ＩＬ ・・・照明光
ＬＵ ・・・蛍光
ＯＡ ・・・光軸

Claims (14)

1. 照明レンズを通して標本面に光を照射する照明光学系であって、
   光源と、
   前記光源から射出された光が入射する集光光学系と、
   各々複数のレンズ要素から形成される第１レンズアレイ面及び第２レンズアレイ面を含むレンズアレイ光学系と、を含み、
   前記第１レンズアレイ面は、前記照明レンズの後側焦点位置と共役関係にあり、
   前記第２レンズアレイ面は、前記レンズアレイ光学系の後側焦点位置にあり、且つ、前記照明レンズの瞳位置と共役関係にあり、
   前記光源と前記集光光学系は、前記第２レンズアレイ面上に前記光源の像が複数形成される第１照明状態と、前記第１レンズアレイ面上に前記光源の像が形成される第２照明状態とに変更可能に配置され、
   前記光源と前記集光光学系の少なくとも一方は、前記第１照明状態と、前記第２照明状態とを、切替えるための切替え手段として機能することを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記集光光学系はコレクタレンズであることを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記切替え手段は、前記光源と前記コレクタレンズとの距離を変化させることを特徴とする照明光学系。
4. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記コレクタレンズは、複数のレンズを含み、
   前記切替え手段は、前記複数のレンズの一部を光軸方向に移動させることを特徴とする照明光学系。
5. 請求項２に記載の照明光学系において、
   前記コレクタレンズは、挿脱可能なレンズを含み、
   前記切替え手段は、前記レンズを光軸に対して挿脱させることを特徴とする照明光学系。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系において、さらに、
   前記レンズアレイ光学系と前記照明レンズの間に、リレー光学系を含み、
   Ｈ_Lを前記光源の光源高さとし、Φを前記照明レンズの瞳径とし、β_CLを前記第２照明状態での前記コレクタレンズの倍率とし、β_RLを前記リレー光学系の倍率とするとき、以下の条件式
   ０．１≦Ｈ_L・β_CL・β_RL／Φ≦１．３ ・・・（１）
   を満たすことを特徴とする照明光学系。
7. 請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記第２レンズアレイ面と前記瞳位置が一致するとき、
   Ｈ_Lを前記光源の光源高さとし、Φを前記照明レンズの瞳径とし、β_CLを前記第２照明状態での前記コレクタレンズの倍率とするとき、以下の条件式
   ０．１≦Ｈ_L・β_CL／Φ≦１．３ ・・・（２）
   を満たすことを特徴とする照明光学系。
8. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記集光光学系は、
   コレクタレンズと
   前記光源から射出された光を前記コレクタレンズに向けて反射するリフレクタと、を含むことを特徴とする照明光学系。
9. 請求項８に記載の照明光学系において、
   前記リフレクタは、前記コレクタレンズにより前記第２レンズアレイ面上に前記光源の像が複数形成される第３照明状態と、前記コレクタレンズにより前記第１レンズアレイ面上に前記光源の像が形成され、且つ、前記第２レンズアレイ面上に前記光源の像が複数形成される第４照明状態とを、切替える前記切替え手段として機能することを特徴とする照明光学系。
10. 請求項９に記載の照明光学系において、
    前記第４照明状態では、前記コレクタレンズは、
    前記光源から射出され、直接に前記コレクタレンズに入射する照明光である直接光を前記第２レンズアレイ面上に集光させ、
    前記光源から射出され、前記リフレクタを反射して前記コレクタレンズに入射する照明光である間接光を前記第１レンズアレイ面上に集光させることを特徴とする照明光学系。
11. 請求項９または請求項１０に記載の照明光学系において、
    前記切替え手段は、前記リフレクタにより形成される前記光源の像の位置を変化させることを特徴とする照明光学系。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の照明光学系において、
    前記照明レンズは、光学的な仕様の異なる複数の前記照明レンズを含み、
    前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸上にいずれか１つが選択的に挿入される前記複数の前記照明レンズとともに使用されることを特徴とする照明光学系。
13. 請求項１に記載の照明光学系において、
    前記集光光学系は、リフレクタのみからなることを特徴とする照明光学系。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明光学系を含むことを特徴とする蛍光顕微鏡。