JPH03177807A - 実体顕微鏡の照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は実体顕微鏡の照明光学系に関するものであり、
特に双眼実体顕微鏡の透過照明に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、実体顕微鏡で多く実用に供されているのは例えば
第６図に示す如き構成を有するものである。

図示の如く、試料面を有するステージガラス５より光源
側には、照明光学系が配置されており、光源１１コレク
ターレンズ（集光レンズ）２、拡散板４が順に設けられ
ている。

一方、試料面を有するステージガラス５より観察側には
、双眼観察光学系が配置されており、右眼観察用の第１
観察光学系は、対物レンズ６、変倍レンズ系Ｍ＋（７１
，８１，９１）　、イメージローチータープリズム１０
１．接眼レンズ１１１が順に設けられている。そして、
左眼観察用の第２観察光学系は、第１観察光学系と対物
レンズ６を共用して、変倍レンズ系Ｍ１（７２，８２，
９２）、イメージローチータープリズム１θ２、接眼レ
ンズ１１２が順に設けられている。

さて、光源１からの光束は、コレクタレンズ２（集光レ
ンズ）により、集光作用を受けて、拡散板４上で適当な
大きさの光束径となる。そして、この拡散板４により実
質的に大きな面光源としての２次光源が形成されて、こ
の２次光源から発する拡散光がステージガラス５上の試
料面を照明する。

そして、試料面より後方の対物レンズ６、変倍レンズ系
Ｍ、、Ｍ２によって、イメージローチータープリズム１
０１，１０２と接眼レンズ１１１゜１１２との間に、拡
散光により照明された試料の中間像１．、！、が形成さ
れ、接眼レンズ１１１゜１１２を通してこの中間像Ｔ、
、Ｌを両眼で拡大観察される。

以上にて述べた従来の光学系は、構造が簡単でコストの
点に於いても有利であるのみならず、適用範囲が広いと
いう利点を有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

第６図の従来の照明光学系において、第２観察光学系の
入射瞳中心Ｐ２へ向けて進行する主光線（照明光）の内
、観察視野領域ＦＥの両端及び中心を照明する主光線は
、拡散板４上の微小な各点（Ａ、、ＡＩ＋　Ａりから拡
散する拡散光（１１、，１，）である。

尚、第２観察光学系とこれと同一な構成を有する第１観
察光学系とはコレクタレンズ２の光軸に対して対称に配
置されているので、この第２観察光学系の入射瞳中心Ｐ
、に向けて進行する主光線（１，、ｉ２．ｉｓ　）に代
表させて説明する。

この拡散板４上の微小な各点（Ａ、、Ａ、、Ａ３）での
楕円は拡散の特性を示すものであり、この各点（Ａ１．
Ａ！　、　Ａ、）を中心にして楕円内を放射状に光線が
拡散（散乱）しており、矢印の長さが光強度に対応して
いる。

この拡散板４により最も強い強度の拡散光は、コレクタ
レンズ２により集光作用を受けた光線が、この拡散板４
を通過する方向（入射方向あるいは射出方向）、すなわ
ち点線方向に発生する。

ここで、拡散板４上の位置Ａ１で拡散する拡散光中にお
いて、観察視野領域ＦＥの端Ｂ１を照明する主光線１１
は、最も強い光強度の拡散光に対して角度α１だけズし
ており、拡散板４上の位置Ａ２で拡散する拡散光中にお
いて、観察視野領域ＦＥの中心Ｂ、を照明する主光線１
２は、最も強い光強度の散乱光に対して角度α、だけズ
レる。

そして、拡散板４上の位置Ａ、で拡散する拡散光中にお
いて、観察視野領域ＦＥの端Ｂ、を照明する主光線ｌ、
は最も強い光強度の散乱光に対して角度α、だけズレる
ことになる。

したがって、拡散板４上の各位置（Ａ１．Ａ２、Ａ３）
において、最も光強度の強い拡散光と主光線との発生す
る方向のズレ角の関係は、α、〉α、〉α、となる。

このとき、実線で示す主光線ＣＩ＋、ｉｔ、１、）の光
強度は、矢印の長さに対応しているため、１ｇ、　　１
．、ｆ、の順に弱くなる。

したがって、観察視野領域ＦＥはＢ　Ｓ　＋　Ｌ　＋Ｂ
、の順に暗くなって、照明ムラが発生する問題がある。

また、拡散板４上での光束径は観察視野領域ＦＥよりも
大きくなけれはならないので、観察視野の大きい低倍率
の状態ではコレクタレンズ２を通過した光束は強い発散
状態とすることが必要となる。そして、この強い発散状
態の光束が拡散板４を通過すると、αＩ、α２．α、の
ズレ角の差がさらに大きくなって観察視野領域ＦＥの各
位置での照明効率の変化が著しくなり、これがより大き
な照明ムラとなって発生する。

すなわち、観察視野が大きくなる低倍率状態になるほど
、この照明ムラが大きくなる問題がある。

このため、拡散板４の拡散度を強くすれば、この照明ム
ラを若干軽減できるものの、逆に照明効率が著しく低下
しまう問題がある。

そこで、本発明は上記の問題を解決し、簡素な構成にも
かかわらず、均一かつ効率良い照明状態を維持でき得る
高性能な実体顕微鏡の照明光学系を提供することにある
。

また、観察倍率を変更すると、変更した観察倍率に応じ
て観察視野領域ＦＥが変化する。このため、効率の良い
照明を達成するには、この変倍に伴って照明領域を変化
させなければならない。特に、観察倍率が低倍率状態の
際には観察視野領域ＦＥが大きくなるが、これに見合う
大きな照明領域を確保することが必要である。

さらに、一般に実体顕微鏡の対物レンズは、対物レンズ
を交換して観察倍率を変更する際には、観察倍率に応じ
て入射瞳の位置が大きく変化する問題がある。

この入射瞳変動は、光源像を光学系でそれぞれ左右の第
１．第２観察光学系の入射瞳近傍に形成する、所謂ケー
ラー照明を行うものでは、特に問題となる。すなわち、
対物レンズを交換して観察倍率を変更すると、入射瞳の
変動に対してケーラー照明状態を維持できず、返って照
明光学系の適用範囲が制限される問題がある。

したがって、実体顕微鏡の照明光学系に要求されるのは
、低倍率状態において大きな視野領域に見合う照明領域
を確保する事と、対物レンズが交換可能なものでは交換
した対物レンズによる入射瞳の変動にも十分に対応でき
て均一でムラのない照明が維持できる事である。

本発明は先に述べた目的を達成できるだけでなく、低倍
から高倍にわたる各観察倍率において入射瞳が変動して
も、常に均一かつ効率の良い照明が達成できるものであ
る。

〔課題を解決する為の手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は第１図に示す如
く、光源１と、この光源ｌからの光束を集光する集光レ
ンズ２と、この集光レンズ２により集光した光束を拡散
させる拡散手段４とを有し、この拡散手段４からの拡散
光によって試料面を照明するための実体顕微鏡の照明光
学系において、拡散手段４と試料面との間に、試料面を
照明する拡散光を集光するための拡散光集光手段３を配
置したものである。

そして、この基本構成に基づいて、光源１と集光レンズ
２との相対位置が可変となるように構成することにより
、観察倍率の変倍に応じて必要とされる前記試料面での
照明領域を変化させるようにしたものである。

この拡散光集光手段３は、拡散手段４に近接した位置に
設けられることが好ましく、このとき、拡散光集光手段
をフレネルレンズで構成し、このフレネルレンズを拡散
手段の光源側に配置することがより望ましい。

また、前記光束拡散手段を拡散板で構成し、この拡散板
をフレネルレンズと一体的に構成しても良い。

〔作　用〕

本発明は、第１図に示す如く、拡散板４により拡散する
拡散光に集光作用を加えることにより、この拡散板４上
の各位置で発生する強い光強度の拡散光の集光方向に対
し、これと同じ位置で発生する拡散光中の各観察光学系
の瞳中心（Ｐ、、Ｐ、）へ向けて進行する主光線の方向
のズレ角をほぼ等しくしたものである。

これにより、互に強く等しい光強度の拡散光を照明光と
して得られるため、照明の均一性と照明効率の向上とを
同時に実現することができる。

また、光源ｌとコレクタレンズ２との相対位置を可変に
設けているため、このコレクタレンズ２より射出する光
束の発散の度合を変えて、最も強い光強度の拡散光が集
光する状態を変化させることにより、各観察倍率に応じ
て必要とされる観察視野領域を確保しながら、常に均一
照明を維持しながら照明光束の有効利用が図れる。

しかも、本発明は、観察倍率の変倍ににより各観察光学
系の入射瞳が変動する際にも、均一かつ効率の良い照明
状態が常に確保できものである。

〔実施例〕

第１図は本発明による低倍率状態での実施例を示すもの
であり、以下、この図を参照しながら本実施例を説明す
る。

第１図は第６図と同一の部材については同じ符号を付し
てあり、この第６図で述べたものと異なる所は、拡散板
４と近接して光源側に拡散光集光手段としてのフレネル
レンズ３が設けられている。

光源ｌからの光束がコレクタレンズ２で適当な発散光束
となるように、光源１はこのコレクタレンズ２の前側焦
点位置よりも試料面側（図中では右側）に位置している
。そして、コレクタレンズ２を通過した発散光束は、正
の屈折力を持つフレネルレンズ３に入射する。

この発散光束は、第２図に示す如く、フレネルレンズ３
により集光作用を受けて、このフレネルレンズ３の直後
の近接して設けられた拡散板４によって拡散する。

このとき、図示の如く、拡散板４の点（Ｃ，。

Ｃ，、Ｃ，）を中心にして楕円内を放射状に拡散する拡
散光中で最も光強度の強い拡散光は、フレネルレンズ３
により集光作用を受けた方向に発生し、Ｓ１位置で集光
する。

ここで、第１図に示す如く、拡散板４上の各点（Ｃ，、
Ｃ２，Ｃ，）で拡散する拡散光の中で第２観察光学系の
瞳中心Ｐ、へ向けて進行する主光線の内、観察視野領域
ＦＥの両端及び中心を照明する主光線は、実線で示す拡
散光（ｍ＋　、ｍ２　。

ｍｓ）である。

そして、拡散板４上のＣ１点から拡散した主光線ｍ、は
観察視野領域ＦＥの最も周辺部Ｄ１を、拡散板４上のＣ
２点から拡散した主光線ｍ、は観察視野領域ＦＥの中心
部り、を、拡散板４上のＣ８点から拡散した主光線ｍ、
は観察視野領域ＦＥの最も周辺部り、をそれぞれ照明す
る。

このとき、拡散板４上での位置Ｃ１で拡散する拡散光中
において、主光線ｍ１は点線で示す最も強い光強度の拡
散光に対して角度β１だけズしており、拡散板４上での
位置Ｃ２で拡散する拡散光中において、主光線ｍ、は点
線で示す最も強い光強度の拡散光に対して角度β２だけ
ズレる。そして、拡散板４上での位置Ｃｓで拡散する拡
散光中において、主光線ｍ、は点線で示す最も強い光強
度の拡散光に対して角度β、だけズレることになる。

しかしながら、拡散板４上の微小な各位置（Ｃ、Ｃ２，
Ｃ，）において、最も光強度の強い拡散光と主光線との
ズレ角（β、β２．β８）はほぼ等しくなり、照明用の
主光線（ｍ、、ｍｌ　。

ｍｓ）の光強度は、矢印の長さで示す如く、はぼ等しく
なる。

したがって、ステージガラス５上の試料面の全体を均一
に照明できることが理解できる。

しかも、このズレ角（β１．β２．β、）はフレネルレ
ンズ３の集光効果によって小さくできるため、照明用の
主光線（ｍ１１　ｍ２９ｍ３　）の光強度を、点線で示
す最も強い光強度の拡散光の光強度に近づけることがで
きる。よって、上述の均一な照明ができるたけでなく、
照明光束の有効利用も同時に実現することができる。

尚、拡散板４の拡散度を弱くしてもフレネルレンズ３の
集光効果によって均一な照明ができるので照明効率を向
上させる上で極めて有利となる。

以上においては、観察視野領域ＦＥの両端及び中心を照
明して第２観察光学系の入射瞳中心Ｐ。

へ進行する主光線（ｍ＋　＋　ｍｔ　＋　ｍｓ　）に代
表して説明したが、同一の構成を有する第１観察光学系
についても同様なことが言えるため説明を省略する。そ
して、以降についての説明も観察視野領域ＦＥの両端及
び中心を照明して第２観察光学系の入射瞳中心Ｐ２へ進
行する主光線に代表させて説明する。

さて、観察視野領域ＦＥの均一な照明状態を維持しなが
ら、最大限の強い光強度の照明用の拡散光を得るには、
今述べた如く、拡散面の各点（Ｃ、Ｃ２、Ｃ−）で拡散
する拡散光において、点線テ示す如く、フレネルレンズ
の集光位置Ｓ、へ集光する強い強度の拡散光と主光線（
ｍｌ　Ｈｍｔ、ｍ、）とのなす角度（β１．β８．β、
）が共にほぼ等しくなるように、フレネルレンズ３の集
光位置Ｓ１を決定した後、フレネルレンズの焦点距離を
決定することが必要である。

具体的には、まず第１図に示す如く、観察視野領域ＦＥ
の端Ｄ１を通過する主光線ｍ１のズレ角βヨと、観察視
野領域ＦＥの端り、を通過する主光線ｍ、のズレ角β、
との方向及び角度がほぼ同じとなるようなコレクタレン
ズ２の光軸Ａｘ上の適切な位置Ｓ、を決定する。

次に、第３図に示す如く、コレクタレンズ２とフレネル
レンズ３についての結像関係を考える。

まず、コレクタレンズ２は、光源を物点Ｏ０として、像
点Ｉ０に結像する。このとき、コレクタレンズ２の焦点
距離をｆｃｓコレクタレンズ２の主点から光源までの距
離をａ、コレクタレンズ２により形成される像点■。か
らコレクタレンズ２の主点までの距離をｂとし、 ａ　　　　ｂ　　　　　ｆｃ の結像関係が成立する。

そして、フレネルレンズ３はコレクタレンズ２の像点■
。を物点としてＳ５位置に結像する。

このとき、フレネルレンズ３の焦点距離をｆｌ、コレク
タレンズ２とフレネルレンズ３との主点間隔をｅ１フレ
ネルレンズ３により形成される結像位置Ｓ、からフレネ
ルレンズ３の主点までの距離をＳとすると、 ｂ十ｅ　　　　ｓ　　　　ｆｒ の結像関係が成立する。

よって、この（１１式及び（２）式より、が得られ、こ
の（３）式を満足するようにフレネルレンズ３の焦点距
離ｆｖを決定すれば良い。

ところで、実体顕微鏡は一般に変倍レンズ系７あるいは
対物レンズ６の交換により変倍が可能となっている。そ
して、低倍率側では、第１図に示した如く、拡散板上で
の光束径を大きくして、大きくなる観察視野領域ＦＥを
照明することが必要となるが、高倍率側では、観察視野
領域ＦＥが小さくなるため低倍率側はどの拡散板上での
光束径は必要としない。

今、各観察光学系中の変倍レンズ系（Ｍ、、Ｍり中のレ
ンズを移動させて高光倍率側へ変倍すると、第４図に示
す如く、観察視野領域ＦＥが小さくなる。これに伴い光
源ｌに対してコレクタレンズ２を対物レンズ６の光軸方
向に沿って試料面側（図中では右側）へ移動、すなわち
光源１をコレクタレンズ２の前側焦点位置に近づけるよ
うに移動させて、拡散板４に入射する光束径が小さくな
るようにコレクタレンズ２を射出する照明光束の発散状
態を弱する。すると、フレネルレンズ３の集光作用が強
くなり、これにより集光される位置は光源側（図中では
左側）へ移動してＳ、となるため、観察視野領域ＦＥに
見合った適切な照明状態となる。

このとき、拡散板４上の各点（Ｅ、、Ｅ２．Ｅ、）で拡
散する拡散光において、フレネルレンズ３の集光位置Ｓ
、へ向かう最も強度の強い拡散光と主光線（ｎ１＋　　
ｎｔ＋　　ｎｓ）とのなす角度（γγ２．γ、）はほぼ
等しくなり、観察視野領域ＦＥの端Ｆ、中心Ｆ２＋端Ｆ
、をそれぞれ照明する主光線ｎ＋　＋　ｎ２　ｒ　　ｎ
ｉの強度は、矢印の長さで示す如く、はぼ等しくなる。

したがって、変倍に伴いコレクタレンズ２を適切に光軸
方向Ａｘへ移動させることにより、高倍率状態に小さく
なる観察視野領域ＦＥに見合った最適な均一かつ効率の
良い照明が達成できる。

尚、第４図においては、コレクタレンズ２を通過した光
束を高倍率側において弱い集光状態としているが、平行
光束状態（コレクタレンズ２の前側焦点位置に光源が位
置する状態）、あるいはやや集光状態（コレクタレンズ
２の前側焦点位置よりやや離れた状態）にしても良い。

また、実体顕微鏡では、変倍のために対物レンズ７を交
換できるようになっているものが多いが、対物レンズの
交換によって各観察光学系の入射瞳の位置が大きく変化
する。

今、第１図に示した対物レンズ６を異なる焦点距離を有
する対物レンズ６０に交換すると、これに伴い観察視野
領域ＦＥが変化することは勿論のこと、入射瞳位置も大
きく変化する。

本実施例においては、第５図に示す如く、対物レンズの
交換に応じて変化する観察視野領域ＦＥに見合った照明
を行うために、コレクタレンズ２を光軸方向Ａｘへ移動
させると、フレネルレンズ３の集光位置をＳ、に移動す
る。すると、この場合でも、観察視野領域ＦＥの両端及
び中心を照明する拡散光（ｈｌ　、ｈｇ　、ｈ＝　）は
、第２観察光学系の入射瞳中心Ｐ、へ進行する。しかも
、この入射瞳中心Ｐ２へ進行する拡散光、すなわち主光
線（ｈＩ、ｈ２．ｈ、）とフレネルレンズ３の集光位置
Ｓ、へ向かう最も強度の強い拡散光とのなす角度（δ１
．δ８．δ、）はほぼ等しくなり、各主光線（ｈｌ、ｈ
ｔ　、ｈｌ　）の強度は矢印の長さで示す如くほぼ等し
くなる。

したがって、入射瞳が変動した際にも、均一で効率の良
い照明状態が常に確保されていることが分かる。このた
め、照明光学系としての適用範囲を著しく拡大できるた
め極めて有効である。

以上においては、観察倍率の変更に対応させて適切な照
明状態とするために、光源を固定して、コレクタレンズ
２を光軸方向へ移動させたが、逆にコレクタレンズ２を
固定して、光源ｌを光軸方向へ移動させも良く、さらに
はフレネルレンズ３と拡散板を一体的に移動させても良
い。

また、フレネルレンズ３にはデッドスベイスと呼ばれる
輪帯状の影が生じるため、これを目立たなくするには、
本実施例の如く、このフレネルレンズ３を拡散板の物体
側よりは光源側に配置する方が望ましい。また、実体顕
微鏡の低倍率状態では、対物レンズのＮＡが小さいので
焦点深度が深く、かつムラも生じやすいと言う点からも
フレネルレンズ３を拡散板の物体側に配置することが好
ましい。

また、フレネルレンズ３と拡散板４を一体的に設けても
良い。

以上の本実施例においては、拡散光に集光作用を与える
手段としてフレネルレンズ３を適用したのは拡散面に近
接して配置できるため照明光学系のコンパクト化が図れ
ると同時にコストの軽減が図れるからである。しかしな
がら、フレネルレンズ３の代わりにレンズ等を配置して
も同様な効果が期待できる。

また、本実施例では拡散光を集光させるためのフレネル
レンズ３を拡散板に近接して配置したが、これがコレク
タレンズ２と試料面との間に配置されていれば本発明の
目的が達成できることは言うまでもない。

尚、コレクタレンズ２の前側焦点位置より離れた位置に
光源が位置している場合、コレクタレンズ２を介した光
束は強い集光状態となるが、このとき集光作用を有する
フレネルレンズ３の代わりに発散作用を有するレンズを
適用しても同様な効果を期待できる。

また、例えば物体と拡散板の間に反射ミラー９を配置し
て照明光路を９０’曲げて、照明光学系の小型化を図る
ことも可能である。

さらに、観察倍率を変倍するに伴い自動的に光源ｌとコ
レクタレンズ２の空気間隔を変化させて適切な照明状態
にでき得る機構を備えることも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、簡素な構成でありながら
、拡散板上の拡散光中の拡散強度の強い部分を照明光と
して利用できるのみならず、ともに等しい光強度の照明
光が得られるため照明光束の有効利用を図りながら、均
一照明を達成できる。

このため、拡散板の拡散度を最小限にすることができる
ため、光束の有効利用が達成できる極めて有利な構成で
ある。

また、本発明では光源とコレクタレンズとの間隔を変え
ることにより、このコレクタレンズを射出する光束の発
散状態を変化させ、これに伴いフレネルレンズを射出す
る光束の集光状態も可変にできる。これにより、低倍か
ら高倍の状態まで均一にかつ効率良く照明することが可
能であるのみならず、対物レンズを交換することにより
入射瞳の位置が変動した場合にも、均一かつ効率の良い
照明状態を常に確保できる。

したがって、照明光学系の適用範囲を著しく拡大できる
ため極めて有効である。

また、本発明は、従来の照明光学系にも流用できるので
極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は低倍率状態における本実施例の構成及び照明の
様子を示す図である。第２図は本実施例の構成により集
光作用を受けた拡散光が発生する様子を示す図である。 第３図は本発明による照明光学系の結像関係の様子を示
す図である。第４図は高倍率状態における本実施例の構
成及び照明の様子を示す図である。第５図は対物レンズ
を交換することにより入射瞳が変動した際にも均一な照
明が達成されている様子を示す図である。第６図は従来
の光学系の構成及び照明の様子を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ｌ・・・光源 ２・・・コレクタレンズ（集光レンズ）３・・・フレネ
ルレンズ（拡散光集光手段）４・・・拡散板（拡散手段
）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光源と、該光源からの光束を集光する集光レンズと
   、該集光レンズによる集光光束を拡散させる拡散手段と
   を有し、該拡散手段からの拡散光束によって試料面を照
   明するための実体顕微鏡の照明光学系において、 前記拡散手段と前記試料面との間に、前記拡散光を集光
   するための拡散光集光手段を配置することを特徴とする
   実体顕微鏡の照明光学系。 ２）観察倍率の変倍に応じて前記試料面での照明領域を
   変化させるために、前記光源と前記集光レンズとの相対
   位置が可変となるように構成することを特徴とする特許
   請求の範囲の第１項記載の実体顕微鏡の照明光学系。 ３）前記拡散光集光手段は、前記拡散手段に近接した位
   置に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の実体顕微鏡の照明光学系。 ４）前記拡散光集光手段をフレネルレンズで構成し、該
   フレネルレンズを前記拡散手段の光源側に配置すること
   を特徴とする特許請求の範囲の第１項乃至第３項記載の
   実体顕微鏡の照明光学系。 ５）前記拡散手段を拡散板で構成し、該拡散板を前記フ
   レネルレンズと一体的に構成することを特徴とする特許
   請求の範囲の第４項記載の実体顕微鏡の照明光学系。