(57)【要約】【課題】照明装置の光源装置から射出される照明光を無駄なく使用することを可能にする照明装置と、これを有する顕微鏡装置を提供すること。【解決手段】標本を照明するための照明光を射出する光源装置１０と、前記照明光を前記標本に集光するコンデンサレンズ２４と、前記標本からの光を集光し、前記標本の像を形成する対物レンズ２８とを有し、前記光源装置は、前記対物レンズの瞳位置において、光軸からの位置に応じて配光特性が異なる照明光を射出するための光学部材１０を有することを特徴とする照明装置１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本を照明するための照明光を射出する光源装置と、
前記照明光を前記標本に集光するコンデンサレンズと、
前記標本からの光を集光し、前記標本の像を形成する対物レンズとを有し、
前記光源装置は、前記対物レンズの瞳位置において、光軸からの位置に応じて配光特性が異なる照明光を射出するための光学部材を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光学部材は、対物レンズの瞳位置またはそれと共役な位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記光学部材は、複数個の光源からなり、
前記配光特性は、前記光軸から径方向に当該複数個の光源の発光特性の半値全角が小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光学部材は、拡散板からなり、
前記配光特性は、前記光軸を中心軸として輪帯状に当該拡散板の拡散度が小さくなることを特徴とする請求項１また２に記載の照明装置。
【請求項６】
前記光学部材は、フライアイレンズからなり、
前記配光特性は、前記光軸を中心軸として輪帯状に当該フライアイレンズを構成する微小レンズの開口数ＮＡが小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項７】
前記開口数ＮＡの変更は、前記フライアイレンズを構成する微小レンズの媒質の屈折率、前記フライアイレンズを構成する微小レンズ各レンズの曲率半径、および前記各微小レンズの直径の少なくとも一つを変えることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の照明装置を有することを特徴とする顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置とこれを有する顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、顕微鏡の透過照明装置では、落射照明装置とは異なりコンデンサレンズを介して標本に照明光を照射する。このためコンデンサレンズは低倍から高倍までの複数の対物レンズに対応している。そして、照明装置の光源は、低倍から高倍までの対物レンズによる観察に対して標本を均一、かつ明るく照明することが求められ、ハロゲン光源等が使用されている。一方、消費パワーの低減、発熱の低減等から近年ＬＥＤを用いた照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１４８２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＬＥＤを用いた照明装置はハロゲン光源に比べて明るさが不十分であると言う問題がある。これは、低倍から高倍の対物レンズ対してＬＥＤから射出される照明光のコンデンサレンズの瞳面における入射角が考慮されておらず、対物レンズによっては使用できない入射角の照明光も射出されるため、光源からの照明光が無駄になることに起因している。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、照明装置の光源装置から射出される照明光を無駄なく使用することを可能にする照明装置と、これを有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は、標本を照明するための照明光を射出する光源装置と、前記照明光を前記標本に集光するコンデンサレンズと、前記標本からの光を集光し、前記標本の像を形成する対物レンズとを有し、前記光源装置は、前記対物レンズの瞳位置において、光軸からの位置に応じて配光特性が異なる照明光を射出するための光学部材を有することを特徴とする照明装置を提供する。
【０００６】
また、前記照明装置を有することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、照明装置の光源装置から射出される照明光を無駄なく使用することを可能にする照明装置と、これを有する顕微鏡装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解を容易にするためのものに過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。
【０００９】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態にかかる照明装置を有する顕微鏡装置の光学系の概略を示す。
【００１０】
図１において、複数のＬＥＤからなるＬＥＤ光源１０から放射された照明光は、拡散板１２を通り、コレクタレンズ１４で集光され、視野絞り１６を通り、ミラー１８で光路を略９０度偏向され、リレーレンズ２０で開口絞り２２（コンデンサレンズ２４の瞳の位置）へ結像する。その後、コンデンサレンズ２４で略平行にされた照明光は、標本面２６に照射される。標本面２６からの光は、対物レンズ２８で集光され、第２対物レンズ（結像レンズ）３０とプリズム３２を通り一次像面３４に結像し、不図示の接眼レンズを介して標本像が観察者に観察される。ここで、ＬＥＤ光源１０からコンデンサレンズ２４で照明装置１が構成される。
【００１１】
また、本第１実施の形態では、照明装置１は、ケーラー照明であり、ＬＥＤ光源１０と開口絞り２２の開口位置（コンデンサレンズ２４の瞳の位置）とが、また視野絞り１６と標本の標本面２６とが、それぞれ共役関係にある。このためＬＥＤ光源１０の光源像が、開口絞り２２の位置に結像される。このようにして第１実施の形態にかかる照明装置１と、この照明装置１を有する顕微鏡装置１００が構成されている。
【００１２】
図２は、コンデンサレンズ２４近傍の拡大図を示し、高倍対物レンズの代表として倍率１００倍、開口数ＮＡ＝０．９の対物レンズの場合の必要な光束を示している。図３は、コンデンサレンズ２４近傍の拡大図を示し、低倍対物レンズの代表として倍率４倍、開口数ＮＡ＝０．１３の対物レンズの場合の必要な光束を示している。
【００１３】
また、以下の表１には、顕微鏡装置１００で使用される各倍率の対物レンズ２８の開口数ＮＡ、焦点距離（ｍｍ）、照野（ｍｍ）、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φ（ｍｍ）、およびコンデンサレンズ２４の瞳への入射開口数（入射ＮＡ）の一覧表の例である。但し、コンデンサレンズ２４の焦点距離は１７ｍｍとし、顕微鏡１００の視野数は２２とする。なお、表１に示す対物レンズ１８の諸条件は表１の値に限られ無いことは言うまでもない。
【００１４】
（表１）
倍率      ＮＡ      焦点距離      照野          φ        入射ＮＡ
４Ｘ    ０．１３      ５０        ５．５      ４．４２    ０．１６０
１０Ｘ    ０．３        ２０        ２．２    １０．２      ０．０６５
２０Ｘ    ０．５        １０        １．１    １７          ０．０３２
４０Ｘ    ０．７５        ５        ０．５５  ２５．５      ０．０１６
１００Ｘ    ０．９          ２        ０．２２  ３０．６      ０．００６５
【００１５】
ここで、入射ＮＡは、以下の関係式から求められる。
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｔａｎ−１（（照野／２）／焦点距離））
【００１６】
表１、図２、及び図３を参照しつつコンデンサレンズ２４の瞳への入射角を計算すると、４倍の対物レンズでは、有効径φ＝４．４２ｍｍ、入射角＝９．２°（入射角＝ｓｉｎ−１（０．１６））、１００倍の対物レンズでは、有効径＝３０．６ｍｍ、入射角＝０．３７°（入射角＝ｓｉｎ−１（０．００６５））となる。これから、低倍（４倍）の対物レンズ２８では、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φが小さいのでコンデンサレンズ２４の瞳への照明光の入射角（入射ＮＡ）の大きい照明光を使用できる。一方、高倍（１００倍）の対物レンズ２８では、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φを照明光が充足する必要があるが、コンデンサレンズ２４の瞳への照明光の入射角（入射ＮＡ）は小さくてよい事がわかる。
【００１７】
従来の照明装置は、コンデンサレンズ２４の瞳への照明光の入射ＮＡと瞳径は大きいほうに合わせるため、瞳への照明光はＮＡ０．１６（４Ｘ対物）、瞳径φ３０．６ｍｍ（１００Ｘ対物）となっていた。しかしφ＝３０．６ｍｍ近傍入射する光で、入射ＮＡが０．１６０の光はどの対物レンズも必要とせず無駄な光となってしまう。
【００１８】
本第１実施の形態にかかる照明装置１では、光源であるＬＥＤ光源１０の個々のＬＥＤの配光特性を変えることで、コンデンサレンズ２４の瞳の中心付近に入射する光は入射ＮＡの大きな成分の光を多く有するようにし、コンデンサレンズ２４の瞳の最大有効径φの端部近傍に入射する光は入射ＮＡの小さい成分の光を多く有するように構成し、照明光の無駄を少なくしている。
【００１９】
図４は、第１実施の形態にかかる照明装置１のＬＥＤ光源１０が持つ配光特性の一例を示し、（ａ）は側面図を、（ｂ）は正面図をそれぞれ示す。
【００２０】
図４において、光源装置であるＬＥＤ光源１０は、二種類の配光特性を有するＬＥＤを使用した場合を示している。図４（ｂ）の正面図において、ＬＥＤ光源１０は、中央のＬＥＤ１０ａには半値全角が４５度のＬＥＤを配置し、ＬＥＤ１０ａの周囲には半値全角が１５度のＬＥＤ１０ｂを複数個（本例では６個）配置して構成している。各ＬＥＤ１０ａ，１０ｂは直径５ｍｍの砲弾型のＬＥＤを使用し、全体として直径が約２０ｍｍのＬＥＤ光源１０を構成している。なお、ＬＥＤの直径は５ｍｍに限られるわけではなく、ＬＥＤの直径に応じてＬＥＤの配置、並べ方は適宜変更可能である。
【００２１】
また、図１に示す照明装置１では、ＬＥＤ光源１０から開口絞り２２（コンデンサレンズ２４の瞳）までの倍率を１．５倍に設計することで、開口絞り２２位置では、１．５×２０＝３０ｍｍとなり、表１に示す１００倍の対物レンズの有効径３０．６ｍｍをほぼ満足することができる。このときＬＥＤ光源１０の周辺部のＬＥＤ１０ｂの半値全角は１５度から約１０度となる。一方、中心のＬＥＤ１０ａは直径が５ｍｍであるから、倍率１．５倍を掛けると開口絞り２２位置ではφ７．５ｍｍとなり、ＬＥＤ１０ａの半値全角は４５度から約３０度となる。なお、有効径の不足分（０．６ｍｍ）は、ＬＥＤ光源１０とコンデンサレンズ１４の間に拡散板１２を配置することで解消することができる。
【００２２】
また、拡散板１２の拡散度は、ＬＥＤ光源１０の配光特性を損なわないような拡散度に設定することが好ましく、拡散度として３０％から８０％が好ましい。拡散度が３０％未満では有効径３０．６ｍｍを満たすことが困難となり、拡散度８０％を越えると配光特性が悪化する。なお、リレー倍率は１．５倍に限るものではなく、設計によって適宜変更可能である。
【００２３】
このように本第１実施の形態にかかる照明装置１では、図４に示すように、ＬＥＤ光源１０は中央付近（光軸付近）に半値全角が大きい配光特性をもつＬＥＤ１０ａを、ＬＥＤ１０ａの周囲に半値全角が小さいＬＥＤ１０ｂを組み合わせ配置することで、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φ近傍に対物レンズ２８に必要な入射角成分を多く有する照明光を射出することができる。これにより、光源の配光特性を考慮していない従来の照明装置に比べ、対物レンズ２８が使用する照明光の無駄を少なくすることができる。
【００２４】
例えば、配光特性（半値全角）が小さいＬＥＤのみでＬＥＤ光源１０を構成した場合では低倍対物レンズ２８では周辺減光が発生しやすい、あるいは配光特性（半値全角）が大きいＬＥＤのみでＬＥＤ光源１０を構成した場合では高倍対物レンズ２８での光量が少なくなる、と言う従来の問題を解決することが出来る。
【００２５】
（第２実施の形態）
次に、第２実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置について図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図５は、第２実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置の概略構成図である。また、低倍から高倍の対物レンズの諸条件は、第１実施の形態と同様であり、前述の表１と同様である。
【００２７】
図５において、光源装置はＬＥＤ５０と後述する輪帯状にＮＡが異なるフライアイレンズ５２とから構成されている。ＬＥＤ光源５０からの光はフライアイレンズ５２のそれぞれの微小レンズを介して、コンデンサレンズ１４で集光される。コンデンサレンズ１４以降の照明光の進路は、第１実施の形態と同様であり説明を省略する。照明装置５１は、フライアイレンズ５２の射出面が二次光源となり、この二次光源像が開口絞り２２の位置（コンデンサレンズ２４の瞳の位置）に結像するケーラー照明である。ここで、ＬＥＤ５０からコンデンサレンズ２４で第２実施の形態にかかる照明装置５１が構成されている。なお、光源は、ＬＥＤ５０に限らず一般の光源を使用することも可能である。
【００２８】
照明装置５１で照明された標本面２６からの光は、第１実施の形態と同様に対物レンズ２８、第２対物レンズ３０、およびプリズム３２を介して一次像面３４に結像する。このようにして第２実施の形態にかかる照明装置５１と、この照明装置５１を有する顕微鏡装置２００が構成されている。
【００２９】
本第２実施の形態では、フライアイレンズ５２の射出面からコンデンサレンズ２４の瞳を１倍でリレーする構成としている。なお、このリレー倍率は１倍に限るものではなく、設計によって適宜変更することができる。
【００３０】
このように１倍でリレーした場合、フライアイレンズ５２の開口数ＮＡがそのままコンデンサレンズ２４への入射ＮＡとなるので、表１の入射ＮＡを満たすようにフライアイレンズ５２を配置する。
【００３１】
そこで、フライアイレンズ５２は、表１に示す「コンデンサレンズの瞳の有効径φ」の各領域に対応した輪帯状にし、それぞれの輪帯状領域のＮＡは表１に示す入射ＮＡとなるようにフライアイレンズ５２を形成する。
【００３２】
図６は、第２実施の形態にかかる照明装置に用いられるフライアイレンズを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図をそれぞれ示す。
【００３３】
図６（ａ）において、フライアイレンズ５２は、中心Ｏから有効径φ＝４．４２ｍｍまでの領域５２ａがＮＡ＝０．１６、φ＝４．４２ｍｍからφ＝１０．２ｍｍまでの領域５２ｂがＮＡ＝０．０６５、φ＝１０．２ｍｍからφ＝１７ｍｍまでの領域５２ｃがＮＡ＝０．０３２、φ＝１７ｍｍからφ＝２５．５ｍｍまでの領域５２ｄがＮＡ＝０．０１６、およびφ＝２５．５ｍｍからφ＝３０．６ｍｍまでの領域５２ｅがＮＡ＝０．００６となる輪帯状に形成されている。なお、図６（ａ）では、輪帯状領域５２ａ〜５２ｅのそれぞれの境界を実線で模式的に示したが、各境界線はフライアイレンズ５２のレンズ境界に沿って形成されることは言うまでもない。
【００３４】
また、図６（ｃ）に示すように、フライアイレンズ５２では、各微小レンズの焦点距離ｆは、以下の条件式（１）で与えられる。
ｆ＝Ｌ＝ｒ／（ｎ−１）      （１）
【００３５】
ここで、ｒは各微小レンズの入射面と射出面それぞれの曲率半径、Ｌは両面間の距離、ｎはフライアイレンズ５２の媒質の屈折率である。
【００３６】
また、フライアイレンズ５２のＮＡは各微小レンズ個々のレンズの直径（有効径）をψとすると、以下の条件式（２）で与えられる。
ＮＡ＝ψ／２ｆ＝（（ｎ−１）×ψ）／２ｒ    （２）
【００３７】
条件式（２）より、フライアイレンズ５２のＮＡは、各微小レンズの媒質の屈折率ｎ、曲率半径ｒ、直径ψの少なくとも一つを変えることにより決めることが出来る。
【００３８】
このように、第２実施の形態にかかる照明装置５１では、フライアイレンズ５２は中央付近（光軸付近）から径方向外側に向かってコンデンサレンズ２４の瞳への入射ＮＡを大きい値から小さい値の輪帯状に形成することで、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φの近傍で対物レンズ２８が必要な入射角成分を多く有する照明光を射出することができる。これにより、光源の配光特性を考慮していない従来の照明装置に比べ、対物レンズが使用する照明光の無駄を少なくすることができる。
【００３９】
（第３実施の形態）
次に、第３実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置について図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００４０】
図７は、第３実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置の概略構成図である。また、低倍から高倍の対物レンズの諸条件は、第１実施の形態と同様であり、前述の表１と同様である。
【００４１】
図７において、光源装置はＬＥＤ５０と後述する輪帯状に拡散度が異なる拡散板５４とから構成されている。ＬＥＤ５０からの光は拡散板５４を通してコンデンサレンズ１４で集光される。コンデンサレンズ１４以降の照明光の進路は、第１実施の形態と同様であり説明を省略する。ここで、ＬＥＤ５０からコンデンサレンズ２４で照明装置６１が構成されている。
【００４２】
照明装置６１は、拡散板５４で拡散された光源像が、開口絞り２２の位置（コンデンサレンズ２４の瞳の位置）に結像するケーラー照明である。なお、光源は、ＬＥＤ５０に限らず一般の光源を使用することも可能である。
【００４３】
照明装置６１で照明された標本面２６からの光は、第１実施の形態と同様に対物レンズ２８、第２対物レンズ３０、およびプリズム３２を介して一時像面３４に結像する。このようにして第３実施の形態にかかる照明装置６１と、この照明装置６１を有する顕微鏡装置３００が構成されている。
【００４４】
本第３実施の形態では、ＬＥＤ５０からコンデンサレンズ２４の瞳を１倍でリレーする構成としている。なお、このリレー倍率は１倍に限るものではなく、設計によって適宜変更することができる。
【００４５】
このように１倍でリレーした場合、拡散板５４の拡散度で形成される配光特性がそのままコンデンサレンズ２２への配光特性（入射ＮＡ）となる。
【００４６】
そこで、拡散板５４の拡散度は、表１に示す「コンデンサレンズの瞳の有効径φ」の領域で輪帯状にし、それぞれの輪帯状領域の拡散度をほぼ入射ＮＡ相当となるように形成する。
【００４７】
図８は、第３実施の形態にかかる照明装置に用いられる輪帯状の拡散板の一例を示す。
【００４８】
図８において、拡散板５４は、中心Ｏから有効径φ＝４．４２ｍｍまでの領域５４ａがＮＡ＝０．１６相当の拡散度、φ＝４．４２ｍｍからφ＝１０．２ｍｍまでの領域５４ｂがＮＡ＝０．０６５相当の拡散度、φ＝１０．２ｍｍからφ＝１７ｍｍまでの領域５４ｃがＮＡ＝０．０３２相当の拡散度、φ＝１７ｍｍからφ＝２５．５ｍｍまでの領域５４ｄがＮＡ＝０．０１６相当の拡散度、およびφ＝２５．５ｍｍからφ＝３０．６ｍｍまでの領域５４ｅがＮＡ＝０．００６相当の拡散度の輪帯状に形成されている。
【００４９】
このように、第３実施の形態にかかる照明装置６１では、拡散板５４は中央付近（光軸付近）から径方向外側に向かってコンデンサレンズ２４の瞳への入射ＮＡに相当する拡散度を大きい値から小さい値の輪帯状に形成することで、コンデンサレンズ２４の瞳の有効径φの近傍で対物レンズ２０が必要な入射角成分を多く有する照明光を射出することができる。これにより、光源の配光特性を考慮していない従来の照明装置に比べ、対物レンズが使用する照明光の無駄を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施の形態にかかる照明装置１を有する顕微鏡装置の光学系の概略を示す。
【図２】コンデンサレンズ近傍の拡大図を示し、高倍対物レンズの代表として倍率１００倍、開口数ＮＡ＝０．９の対物レンズの場合の必要な光束を示している。
【図３】コンデンサレンズ近傍の拡大図を示し、低倍対物レンズの代表として倍率４倍、開口数ＮＡ＝０．１３の対物レンズの場合の必要な光束を示している。
【図４】第１実施の形態にかかる照明装置１のＬＥＤ光源の配光特性の一例を示し、（ａ）は側面図を、（ｂ）は正面図をそれぞれ示す。
【図５】第２実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置の概略構成図である。
【図６】第２実施の形態にかかる照明装置に用いられるフライアイレンズを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図をそれぞれ示す。
【図７】第３実施の形態にかかる照明装置と顕微鏡装置の概略構成図である。
【図８】第３実施の形態にかかる照明装置に用いられる輪帯状の拡散板の一例を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１、５１、６１  照明装置
１０    ＬＥＤ光源
１２、５４    拡散板
１４    コレクタレンズ
１６    視野絞り
１８    ミラー
２０    リレーレンズ
２２    開口絞り
２４    コンデンサレンズ
２６    標本面
２８    対物レンズ
３０    第２対物レンズ
３２    プリズム
３４    一次像面
５０    ＬＥＤ
５２    フライアイレンズ
１００、２００、３００  顕微鏡装置
【図１】
2010134191.tif 000003
【図２】
2010134191.tif 000004
【図３】
2010134191.tif 000005
【図４】
2010134191.tif 000006
【図５】
2010134191.tif 000007
【図６】
2010134191.tif 000008
【図７】
2010134191.tif 000009
【図８】
2010134191.tif 000010