(57)【要約】【課題】安価で且つ小型に構成された高い照明性能を有する顕微鏡用の落射照明光学系、及び、その落射照明光学系を備えた顕微鏡を提供する。【解決手段】照明光学系３０は、顕微鏡用の落射照明光学系である。照明光学系３０は、ＬＥＤ光源３１と、ＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に直接的に投影するコレクタレンズ３２と、ＬＥＤ光源３１と対物レンズ２０の瞳の間に配置された視野絞り３３と、を備える。【選択図】図２
2018084602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡用の落射照明光学系であって、
光源と、
前記光源の像を対物レンズの瞳に直接的に投影するコレクタレンズと、
前記光源と前記対物レンズの瞳の間に配置された視野絞りと、を備える
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の落射照明光学系において、
前記光源は、単色光を出射するＬＥＤ光源である
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の落射照明光学系において、
前記視野絞りは、前記光源と前記コレクタレンズの間に配置された
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記コレクタレンズは、単一のレンズ成分からなる
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記コレクタレンズは、単レンズからなる
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記コレクタレンズは、非球面形状のレンズ面を有する
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記コレクタレンズの焦点距離は、２０ｍｍから２８ｍｍの間である
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記光源の像を前記対物レンズの瞳に５倍から１０倍の間の倍率で投影するように、前記コレクタレンズが配置された
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記光源は、
単色光を出射するＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップを覆うドーム型のレンズと、を備え、
前記ＬＥＤチップの像を前記対物レンズの瞳に５倍から１０倍の間の倍率で投影するように、前記ドーム型のレンズと前記コレクタレンズが配置された
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、
前記視野絞りは、前記光源からの光から励起光を選択的に透過させる励起フィルタを備え、
前記励起フィルタは、前記視野絞りの開口部である
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の落射照明光学系において、さらに、
前記光源から出射した光から励起光を選択的に透過させる励起フィルタと、
前記励起光の照射により生じる蛍光を透過させる吸収フィルタと、
前記励起光又は前記蛍光の一方を透過させ他方を反射させるダイクロイックミラーと、を備える
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項１２】
請求項１１に記載の落射照明光学系において、
前記視野絞りは、前記励起フィルタを備え、
前記励起フィルタは、前記視野絞りの開口部である
ことを特徴とする落射照明光学系。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の落射照明光学系と、
前記対物レンズと、を備え、
前記対物レンズの瞳径をΦＤとし、前記コレクタレンズの焦点距離をＦＣＬとし、前記光源と前記視野絞りとの間の距離をＬとし、前記光源の発光面の長さをＨとするとき、以下の条件
０  ＜  （Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）≦  Ｈ／２      ・・・（１）
を満たすことを特徴とする顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の落射照明光学系と、
標本に前記落射照明光学系のからの光を照射する前記対物レンズと、
前記対物レンズを介して入射する前記標本からの光を集光させる結像レンズと、を備え、
前記コレクタレンズの焦点距離をＦＣＬとし、前記結像レンズの焦点距離をＦＴＬとし、前記視野絞りの開口部の大きさをΦＦＳとするとき、以下の条件
（ＦＣＬ／ＦＴＬ）×１８ｍｍ  ≦  ΦＦＳ  ≦  （ＦＣＬ／ＦＴＬ）×３０ｍｍ  ・・・（２）
を満たすことを特徴とする顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡用の落射照明光学系、及び、顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光源の像を対物レンズの瞳に投影することで標本面での高い照明の均一性を実現する顕微鏡用の落射照明光学系が知られている。例えば、特許文献１には、光源を光軸に沿って移動させることでケーラー照明とクリティカル照明を連続的に切り替えることが可能な顕微鏡用の落射照明光学系が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６５５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、顕微鏡用の落射照明光学系には、照明性能を確保するため、多数のレンズが含まれている。このため、安価に構成することが難しく、光学系の全長も長くなってしまう。特に、特許文献１に記載の照明光学系のように開口絞りを備えた構成では、光源の像は、対物レンズの瞳に直接的に投影されるのではなく、中間像を形成しその中間像をリレーすることで対物レンズの瞳に間接的に投影される。このため、光学系をコンパクトに構成することが難しい。
【０００５】
以上の実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、安価で且つ小型に構成された高い照明性能を有する顕微鏡用の落射照明光学系、及び、その落射照明光学系を備えた顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る顕微鏡用の落射照明光学系は、光源と、前記光源の像を対物レンズの瞳に直接的に投影するコレクタレンズと、前記光源と前記対物レンズの瞳の間に配置された視野絞りと、を備える。
【０００７】
本発明の一態様に係る顕微鏡は、上記の態様の落射照明光学系と、前記対物レンズと、を備え、前記対物レンズの瞳径をΦＤとし、前記コレクタレンズの焦点距離をＦＣＬとし、前記光源と前記視野絞りとの間の距離をＬとし、前記光源の発光面の長さをＨとするとき、以下の条件を満たす。
０  ＜  （Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）≦  Ｈ／２      ・・・（１）
【０００８】
本発明の別の態様に係る顕微鏡は、上記の態様の落射照明光学系と、標本に前記落射照明光学系のからの光を照射する前記対物レンズと、前記対物レンズを介して入射する前記標本からの光を集光させる結像レンズと、を備え、前記コレクタレンズの焦点距離をＦＣＬとし、前記結像レンズの焦点距離をＦＴＬとし、前記視野絞りの開口部の大きさをΦＦＳとするとき、以下の条件を満たす。
（ＦＣＬ／ＦＴＬ）×１８ｍｍ  ≦  ΦＦＳ  ≦  （ＦＣＬ／ＦＴＬ）×３０ｍｍ  ・・・（２）
【発明の効果】
【０００９】
上記の態様によれば、安価で且つ小型に構成された高い照明性能を有する顕微鏡用の落射照明光学系、及び、その落射照明光学系を備えた顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】蛍光顕微鏡１００の構成を例示した図である。
【図２】照明光学系３０の構成を例示した図である。
【図３】視野絞り３３の配置について説明するための図である。
【図４】変形例に係る視野絞り３７の構成を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、一実施形態に係る蛍光顕微鏡１００の構成を例示した図である。蛍光顕微鏡１００は、図１に示すように、ステージ１０と、対物レンズ２０と、照明光学系３０と、結像レンズ４０と、接眼レンズ５０とを備える顕微鏡である。
【００１２】
対物レンズ２０は、無限遠補正型の顕微鏡用対物レンズである。照明光学系３０は、同軸落射照明を行う蛍光顕微鏡用の落射照明光学系である。蛍光顕微鏡１００は、対物レンズ２０が照明光学系３０からの励起光をステージ１０に載置された標本Ｓに照射するとともに、励起光の照射により標本Ｓから生じた蛍光を取り込んで結像レンズ４０へ導くように、構成されている。結像レンズ４０は、対物レンズ２０を介して入射する蛍光を集光させて標本Ｓの像を形成する。接眼レンズ５０は、結像レンズ４０により形成された標本Ｓの像を観察するために用いられる。
【００１３】
図２は、照明光学系３０の構成を例示した図である。照明光学系３０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源３１と、コレクタレンズ３２と、視野絞り３３と、励起フィルタ３４と、吸収フィルタ３５と、ダイクロイックミラー３６を備えている。照明光学系３０は、対物レンズ２０の瞳面ＰＰにＬＥＤ光源３１の像を形成するように構成されている。
【００１４】
ＬＥＤ光源３１は、所定の波長を中心とする狭い波長域を有する光（以降、単色光と記す）を出射する単色ＬＥＤ光源である。ＬＥＤ光源３１は、単色光を出射するＬＥＤチップ３１ａと、ＬＥＤ光源３１を覆うドーム型のレンズ３１ｂとを備える。この例では、ＬＥＤチップ３１ａの発光面は、１ｍｍ角で対角長１．４ｍｍの矩形形状を有する。また、レンズ３１ｂの焦点距離は、２．５ｍｍである。
【００１５】
コレクタレンズ３２は、ＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に直接的に投影するように構成されている。コレクタレンズ３２は、照明光学系３０をコンパクト且つ安価に構成するために、単一のレンズ成分からなる。この例では、コレクタレンズ３２は、この例では、焦点距離２４ｍｍの単レンズであり、収差を良好に補正するため、平面からなるレンズ面ＬＳ１と、非球面形状のレンズ面ＬＳ２を有している。
【００１６】
なお、“ＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に直接的に投影する”とは、ＬＥＤ光源３１と対物レンズ２０の瞳面ＰＰとの間に中間像を形成することなく、対物レンズ２０の瞳面ＰＰ上にＬＥＤ光源３１の像を形成することをいう。また、レンズ成分とは、単レンズ、接合レンズを問わず、物点からの光線が通るレンズ面のうち物体側の面と像側の面の２つの面のみが空気と接する一塊のレンズブロックのことである。
【００１７】
視野絞り３３は、対物レンズ２０の前側焦点面（つまり、ステージ１０に近い方の焦点面）と光学的に共役な面に配置された、光を透過させる開口部３３ａを備える遮光部材であり、ＬＥＤ光源３１と対物レンズ２０の瞳との間に配置されている。この例では、視野絞り３３は、ＬＥＤ光源３１とコレクタレンズ３２の間であって、ＬＥＤ光源３１から３ｍｍの位置に配置されていて、開口部３３ａは、直径４ｍｍの円形である。
【００１８】
励起フィルタ３４は、ＬＥＤ光源３１から出射した単色光から励起波長を有する励起光を選択的に透過させる光学フィルタである。吸収フィルタ３５は、励起フィルタ３４で選択された励起光の照射により標本Ｓから生じる蛍光を透過させる光学フィルタである。また、ダイクロイックミラー３６は、励起光又は蛍光の一方を透過させ他方を反射させる光学素子であり、この例では、励起光を反射させて蛍光を透過させる光学特性を有している。
【００１９】
照明光学系３０は、コレクタレンズ３２がＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に直接投影するように構成されているため、標本面での高い照明の均一性を確保しながら、照明光学系３０の全長を短くすることができる。また、この構成では、照明光学系３０に含まれるレンズの枚数も少なく抑えることが可能であり、照明光学系３０を安価に構成することが可能となる。さらに、照明光学系３０は、視野絞り３３を有しているため、フレアの抑制と照明領域の大きさの適正化を図り、照明性能を高めることができる。従って、安価で且つ小型に構成された高い照明性能を有する照明光学系３０及び照明光学系３０を備えた蛍光顕微鏡１００を提供することができる。
【００２０】
なお、単レンズ成分からなるコレクタレンズ３２により対物レンズ２０の瞳にＬＥＤ光源３１の像を直接投影する場合、ＬＥＤ光源３１とコレクタレンズ３２の間に対物レンズ２０の前側焦点面と光学的に共役な面が存在することになる。従来の蛍光顕微鏡用の照明光学系では、蛍光物質を励起するために水銀ランプなどがしばしば用いられるが、ランプ光源は発熱しやすく、光源とコレクタレンズの間に絞りを配置すると絞りが高温に加熱されてしまう。このため、光源像を対物レンズの瞳に直接投影する構成で、対物レンズの前側焦点面と光学的に共役な面に絞りを配置して視野絞りとして機能させることは難しかった。これに対して、照明光学系３０は、光源に発熱の少ないＬＥＤ光源３１を採用することで、光源像を対物レンズ２０の瞳に直接投影しながら、対物レンズ２０の前側焦点面と光学的に共役な面に視野絞り３３を配置する構成を実現している。
【００２１】
また、照明光学系３０では、単色光を出射するＬＥＤ光源３１が採用されている。このたため、色収差を補正するための色消しレンズなどが必要なく、単レンズからなるコレクタレンズ３２で高い照明性能を実現することができる。さらに、コレクタレンズ３２に非球面を設けることで球面収差等も良好に補正することが可能となり、より高い照明性能を実現することができる。
【００２２】
また、視野絞り３３は、開口部３３ａの大きさが変化しない絞りであっても、開口部３３ａの大きさが変化する可変絞りであってもよい。視野絞り３３を開口部３３ａの大きさが変化しない絞りとして構成することで、照明光学系３０の構造を簡素化することができるため、照明光学系３０をさらに小型化することができる。
【００２３】
以下、照明光学系３０の更に望ましい構成について説明する。
コレクタレンズ３２の焦点距離が長すぎると照明光学系３０の全長が長くなってしまう。一方、コレクタレンズ３２の焦点距離が短すぎると、ＬＥＤ光源３１とコレクタレンズ３２の間の距離が短くなり、ＬＥＤ光源３１及びコレクタレンズ３２が視野絞り３３に近づきすぎてしまう。その結果、ＬＥＤ光源３１の構造や輝度分布によって生じるパターン、ＬＥＤ光源３１及びコレクタレンズ３２に付着した塵、コレクタレンズ３２の傷などが標本面に投影されてしまい、照明品質が低下してしまう。従って、コレクタレンズ３２の焦点距離は、短い全長と高い照明品質が両立されるように設計されることが望ましく、具体的には、２０ｍｍから２８ｍｍの間であることが望ましい。
【００２４】
ＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に投影する倍率（以降、単に投影倍率と記す。）が小さすぎると、対物レンズ２０の瞳が光源像によって十分に満たされた状態にならない。このため、標本面を明るく照明することができない。一方で、投影倍率が大きすぎると、光源像が対物レンズ２０の瞳からはみ出してしまい、標本面に到達する励起光の光量が減少してしまう。このため、標本面を明るく照明することができない。従って、投影倍率は、対物レンズ２０の瞳径に対して光源像が適切な大きさで投影される倍率に設計されることが望ましく、具体的には、５倍から１０倍の間の値とすることが望ましい。換言すると、コレクタレンズ３２は、ＬＥＤ光源３１の像を対物レンズ２０の瞳に５倍から１０倍の間の倍率で投影するように配置されることが望ましい。より詳細には、ドーム型のレンズ３１ｂ及びコレクタレンズ３２は、ＬＥＤチップ３１ａの像を対物レンズ２０の瞳に５倍から１０倍の間の倍率で投影するように配置されることが望ましい。なお、この例では、投影倍率は、８倍である。
【００２５】
以下、蛍光顕微鏡１００の更に望ましい構成について説明する。
蛍光顕微鏡１００は、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
０  ＜  （Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）≦  Ｈ／２      ・・・（１）
【００２６】
ここで、ΦＤは対物レンズ２０の瞳径である。ＦＣＬはコレクタレンズ３２の焦点距離である。Ｌは光源３１と視野絞り３３との間の距離である。ＨはＬＥＤ光源３１（ＬＥＤチップ３１ａ）の発光面の長さである。なお、発光面の長さはＬＥＤ光源３１が矩形であれば対角長である。
【００２７】
図３は、視野絞り３３の配置について説明するための図である。図３に示すように、ＬＥＤ光源３１から出射した光を逆方向（対物レンズ２０からＬＥＤ光源３１に向かう方向）に追跡し、対物レンズ２０の瞳面ＰＰにおいて瞳の端を通過する最軸外の光線が視野絞り３３に入射する際の入射角をθとする。この場合、tanθ＝ΦＤ／（２×ＦＣＬ）で表される。従って、ＬＥＤ光源３１に入射する光線の高さは、（Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）で表される。
【００２８】
（Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）が条件式（１）の上限であるＨ／２を上回ると、光線がＬＥＤ光源３１に入射できなくなる。つまり、ＬＥＤ光源３１から出射した光が対物レンズ２０の瞳内に入射しなくなってしまう。このため、ＬＥＤ光源３１から出射した光を効率よく照明に利用することができなくなる。
【００２９】
蛍光顕微鏡１００が条件式（１）を満たすことで、ＬＥＤ光源３１からの光を効率的に照明に利用することが可能となる。なお、（Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）が小さすぎると、視野絞り３３がＬＥＤ光源３１に近づきすぎることになるため、下記の条件式（１−１）を満たすことがさらに望ましい。
０．０５×Ｈ／２  ≦  （Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）≦  Ｈ／２      ・・・（１−１）
【００３０】
この例では、各パラメータは、以下のとおりである。
Ｌ＝３ｍｍ、ΦＤ＝９ｍｍ、ＦＣＬ＝２４ｍｍ、Ｈ／２＝０．７ｍｍ
【００３１】
従って、（Ｌ×ΦＤ）／（２×ＦＣＬ）は０．５６２５ｍｍであり、蛍光顕微鏡１００は、条件式（１）及び（１−１）を満たしている。
【００３２】
また、蛍光顕微鏡１００は、以下の条件式（２）を満たすことが望ましい。
（ＦＣＬ／ＦＴＬ）×１８ｍｍ  ≦  ΦＦＳ  ≦  （ＦＣＬ／ＦＴＬ）×３０ｍｍ・・・（２）
【００３３】
ここで、ＦＴＬは結像レンズ４０の焦点距離である。ΦＦＳは視野絞り３３の開口部３３ａの大きさである。開口部３３ａの大きさは、開口部３３ａが矩形であれば対角長であり、円形であれば直径である。
【００３４】
対物レンズ２０の焦点距離をＦＯＢとし、実視野をＦＯＶとし、視野数をＦＮとすると、実視野は、ＦＯＶ＝（ＦＯＢ／ＦＴＬ）×ＦＮで表される。また、照明領域の大きさをＬＦとすると、ＬＦ＝（ＦＯＢ／ＦＣＬ）×ΦＦＳで表される。このため、蛍光顕微鏡１００は、条件式（２）を満たすことで、視野数１８から３０に対応する実視野を照明することができる。
【００３５】
この例では、各パラメータは、以下のとおりである。
ＦＣＬ＝２４ｍｍ、ＦＴＬ＝１８０ｍｍ、ΦＦＳ＝４ｍｍ
【００３６】
従って、ΦＦＳ／（ＦＣＬ／ＦＴＬ）は３０ｍｍであり、蛍光顕微鏡１００は、条件式（２）を満たしている。
【００３７】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の照明光学系及び顕微鏡は、特許請求の範囲に記載した範囲内で、さまざまな変形、変更が可能である。
【００３８】
上述した実施形態では、ダイクロイックミラー３６が配置される照明光路と検出光路が交わる位置の近傍に、励起フィルタ３４及び吸収フィルタ３５が配置される例を示したが、励起フィルタ３４は、ＬＥＤ光源３１とダイクロイックミラー３６の間に配置されれば良く、例えば、視野絞り３３が配置される位置に配置されても良い。
【００３９】
図４は、変形例に係る視野絞り３７の構成を例示した図である。照明光学系３０は、視野絞り３３及び励起フィルタ３４の代わりに、対物レンズ２０の前側焦点面と光学的に共役な面に視野絞り３７を備えても良い。視野絞り３７は、図４に示すように、遮光部３７ａと、開口部である励起フィルタ３７ｂを備えている。
【００４０】
また、上述した実施形態では、コレクタレンズ３２が単レンズ成分からなる例を示したが、コレクタレンズ３２は複数のレンズ成分から構成されてもよい。その場合、レンズ成分間に視野絞り３３を設けてもよい。
【００４１】
また、上述した実施形態では、蛍光顕微鏡１００と蛍光顕微鏡用の照明光学系３０を例示したが、照明光学系３０は、フィルタユニットを交換することで蛍光顕微鏡以外の顕微鏡にも使用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・ステージ、２０・・・対物レンズ、３０・・・照明光学系、３１・・・ＬＥＤ光源、３１ａ・・・ＬＥＤチップ、３１ｂ・・・レンズ、３２・・・コレクタレンズ、３３・・・視野絞り、３３ａ・・・開口部、３４・・・励起フィルタ、３５・・・吸収フィルタ、３６・・・ダイクロイックミラー、３７・・・視野絞り、３７ａ・・・遮光部、３７ｂ・・・励起フィルタ、４０・・・結像レンズ、５０・・・接眼レンズ、１００・・・蛍光顕微鏡、ＰＰ・・・瞳面、Ｓ・・・標本、ＬＳ１、ＬＳ２・・・レンズ面
【図１】
2018084602.tif 000003
【図２】
2018084602.tif 000004
【図３】
2018084602.tif 000005
【図４】
2018084602.tif 000006