JP5603761B2 - 蛍光顕微鏡用照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光顕微鏡用照明光学系に関し、特にオプティカルインテグレータを備える蛍光顕微鏡用照明光学系する。

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、試料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、光源像の照度分布がそのまま試料上での照度分布となるため、試料を均一に照明することが難しい。一方、ケーラー照明は、対物レンズの瞳位置に光源像を形成する照明方法である。ケーラー照明では、光源像が試料面に投影されることがなく、試料上の照度分布が光源の輝度分布に依存しないため、試料をより均一に照明することができる。

顕微鏡では、一般に照明の均一性がより重視されるため、ケーラー照明を実現する照明光学系、または、ケーラー照明とクリティカル照明とを任意に切り換えて実現する照明光学系が広く採用されている。

ケーラー照明を実現する照明光学系は、試料面と共役な位置に設けられた視野絞りで、照明領域の範囲（以降、照明範囲と記す。）を調整し、対物レンズの瞳と共役な位置に設けられた開口絞りで、照明領域での単位面積当たりの照明強度（以降、単に、照明強度と記す。）を、照明範囲を変更することなく調整することができる。しかしながら、視野絞りや開口絞りによる照明範囲や照明強度の調整は、照明光の光束の一部を遮断することになるため、光量の損失は避けられない。

このような課題に対して有効な技術として、例えば、特許文献１に開示されているような、光源ユニットと投光管の間の光束径を可変する技術、即ち、光源を対物レンズの瞳へ投影する倍率を可変する技術が知られている。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、光源ユニットと投光管の間の光束径を可変する従来技術について説明するための図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）に例示される照明光学系１００は、光源１１１とコレクタレンズ１１２を含む光源ユニット１１０と、投光管ユニット１２０と、対物レンズ１３０と、を含み、さらに、必要に応じて、光源ユニット１１０と投光管ユニット１２０の間の光路中に挿入されて光束径を可変する変倍レンズユニット１４０を含んでいる。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、変倍レンズユニット１４０を挿入した状態での光線が破線で表されて、変倍レンズユニット１４０を外した状態での光線が実線で表されている。

照明光学系１００は、開口絞りＡＳと対物レンズ１３０の瞳ＰＬが共役となり、視野絞りＦＳと対物レンズ１３０の前側焦点位置が共役となるように構成されている。照明光学系１００は、コレクタレンズ１１２が光源ユニット１１０内で移動することで、光源１１１の像が形成される位置を変更することができる。図７（ａ）は、光源１１１の像が開口絞りＡＳに形成されて、ケーラー照明が実現されている状態を示した図である。また、図７（ｂ）は、光源１１１の像が視野絞りＦＳに形成されて、クリティカル照明が実現されている状態を示した図である。

照明光学系１００では、変倍レンズユニット１４０がアフォーカル光学系として構成されている。このため、図７（ａ）に例示されるように、光源ユニット１１０から平行光束が射出されるケーラー照明では、変倍レンズユニット１４０の有無によらず、光源１１１と開口絞りＡＳの共役関係は維持される。このため、変倍レンズユニット１４０の挿入により、光束径が変化して照明範囲とそれに付随する照明強度が変化するが、光量の損失はほとんど生じない。

また、照明光学系１００では、図７（ｂ）に例示されるように、クリティカル状態でも、光源ユニット１１０から射出される照明光は略平行光束であるため、変倍レンズユニット１４０の有無によらず、光源１１１と視野絞りＦＳの共役関係はほぼ維持される。このため、変倍レンズユニット１４０の挿入により、光束径が変化して照明範囲とそれに付随する照明強度が変化するが、光量の損失はほとんど生じない。

以上のように、特許文献１で開示されるような、光源ユニットと投光管ユニットの間の光束径を可変する技術によれば、照明範囲とそれに付随する照明強度を調整することで、光量の損失が抑制された効率の良い照明を実現することができる。

特開２００２−２５０８６７号公報

ところで、顕微鏡の分野では、さらなる照明の均一性の向上が求められており、近年では、オプティカルインテグレータを用いてケーラー照明における照明の均一性を更に改善した照明光学系が実用化されている。

しかしながら、オプティカルインテグレータを用いた照明光学系に対しては、光源ユニットと投光管ユニットの間の光束径を可変する技術は有効ではなく、照明範囲とそれに付随する照明強度を調整することができない。

オプティカルインテグレータとして例えばフライアイレンズを用いた照明光学系に上記技術を適用すると、変倍レンズによりフライアイレンズに入射する光束径が変化するため、フライアイレンズにより形成される光源像の個数が変化することになる。しかしながら、これらの光源像の各々から射出された照明光は、試料面では互いに重なり合うことになるため、照明範囲自体は光源像の個数によって変化しない。

従って、光源ユニットと投光管ユニットの間の光束径を可変する技術では、照明範囲及びそれに付随する単位面積当たりの照明強度の調整と、オプティカルインテグレータによる照明の高い均一性とを、同時に実現することはできない。

以上のような実情を踏まえ、本発明では、照明の高い均一性を実現しながら、照明範囲とそれに付随する照明強度を調整することで、光量の損失が抑制された効率の良い照明を実現し得る、照明光学系の技術を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、蛍光顕微鏡用照明光学系であって、光源側から順に、光源と、照明の均一性を向上させるためのオプティカルインテグレータと、リレーレンズと、変倍レンズと、対物レンズと、リレーレンズと対物レンズの間に、ダイクロイックミラーと、を含み、変倍レンズは、可変倍率を有するレンズ、または、異なる倍率を有するレンズと切り換え可能なレンズであり、リレーレンズとダイクロイックミラーの間に配置される、蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、リレーレンズは、変倍レンズがない状態で、オプティカルインテグレータの射出面と前記対物レンズの瞳面とを共役とする蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、変倍レンズは、アフォーカル光学系である蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つに記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、対物レンズの前側焦点位置と共役である視野絞りを含む蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の様態乃至第４の様態のいずれか１つに記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、光源とオプティカルインテグレータの間にコレクタレンズを含み、コレクタレンズの位置によりオプティカルインテグレータは、射出面に複数の光源の像を形成、または射出面から平行光を射出する蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。
本発明の第６の態様は、第１の様態乃至第４の様態のいずれか１つに記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、光源とオプティカルインテグレータの間に移動可能なコレクタレンズを含み、コレクタレンズの移動によりケーラー照明とクリティカル照明との間に変更可能である蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。
本発明の第７の態様は、第１の様態乃至第６の様態のいずれか１つに記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、前記オプティカルインテグレータは、フライアイレンズである蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。
本発明の第８の態様は、第１の様態乃至第７の様態のいずれか１つに記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、変倍レンズは、試料面への投影変倍の選択により照明範囲を任意に調整する蛍光顕微鏡用照明光学系を提供する。

本発明によれば、照明の高い均一性を実現しながら、照明範囲とそれに付随する照明強度を調整することで、光量の損失が抑制された効率の良い照明を実現し得る、照明光学系の技術を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る照明光学系の構成を例示した図である。 図１に例示される照明光学系を含む蛍光顕微鏡の構成を例示した図である。 変倍レンズユニットの挿入位置を説明するため図である。 変倍レンズユニットが光路上に挿入されていない照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。 光源ユニットと投光管ユニットの間に変倍レンズユニットが挿入された照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。 投光管ユニットと対物レンズの間に変倍レンズユニットが挿入された照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。 光源ユニットと投光管の間の光束径を可変する従来技術について説明するための図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る照明光学系の構成を例示した図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に例示される照明光学系１は、蛍光顕微鏡用照明光学系であって、光源側から順に、照明光を射出する光源１１と光軸ＡＸに沿って移動可能なコレクタレンズ１２とを含む光源ユニット１０と、投光管ユニット２０と、変倍レンズ４３を含む変倍レンズユニット４０と、対物レンズ３０と、を含んでいる。

照明光学系１は、変倍レンズ４３が光路上にない状態で、開口絞りＡＳと対物レンズ３０の瞳ＰＬとが共役となり、視野絞りＦＳと対物レンズ３０の前側焦点位置とが共役となるように構成されている。照明光学系１では、コレクタレンズ１２が光源ユニット１０内で移動することで、光源１１の像が形成される位置が変化する。図１（ａ）は、光源１１の像が開口絞りＡＳに形成されて、ケーラー照明が実現されている状態を示した図である。また、図１（ｂ）は、光源１１の像が視野絞りＦＳに形成されて、クリティカル照明が実現されている状態を示した図である。

投光管ユニット２０は、光源側から順に、複数の光源１１の像を形成するオプティカルインテグレータ２１と、レンズ２２及びレンズ２３からなるリレーレンズ２４と、含んでいる。さらに、投光管ユニット２０は、開口絞りＡＳと視野絞りＦＳを備えている。

リレーレンズ２４は、変倍レンズ４３が光路上にない状態で、オプティカルインテグレータ２１により形成された複数の光源１１の像を対物レンズ３０の瞳ＰＬと共役にするように構成されている。より具体的には、図１（ａ）で例示されるように、リレーレンズ２４を構成するレンズ２２は、オプティカルインテグレータ２１により形成された複数の光源１１の像と開口絞りＡＳとが共役となるように、また、リレーレンズ２４を構成するレンズ２３は、開口絞りＡＳと対物レンズ３０の瞳ＰＬとが共役になるように、構成されている。さらに、図１（ｂ）で例示されるように、リレーレンズ２４を構成するレンズ２３は、視野絞りＦＳに集光した光を平行光に変換して、レンズ２３と対物レンズ３０とで視野絞りＦＳを対物レンズ３０の前側焦点位置と共役にするように構成されている。

オプティカルインテグレータ２１は、試料面上での照明の均一性を向上させるための光学素子であり、例えば、フライアイレンズやロッドレンズなどが挙げられる。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）では、光源１１の像を射出面に形成するフライアイレンズが例示されている。このため、リレーレンズ２４は、変倍レンズ４３がない状態で、フライアイレンズ（オプティカルインテグレータ２１）の射出面を対物レンズ３０の瞳ＰＬと共役とする。

変倍レンズユニット４０は、レンズ４１とレンズ４２からなる変倍レンズ４３を含んでいる。変倍レンズ４３は、可変倍率を有するレンズ、例えば、ズームレンズとして構成されても良い。また、変倍レンズ４３は、変倍レンズユニット４０の交換により、異なる倍率を有するレンズと切り換え可能なレンズであってもよい。レンズの切り換えは、不図示の切り換え機構、例えば、スライダ、ドラム、ターレットなどにより行われても良い。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）では、変倍レンズ４３（変倍レンズユニット４０）を挿入した状態での光線が破線で表されて、変倍レンズ４３（変倍レンズユニット４０）を外した状態での光線が実線で表されている。

以上のように構成された照明光学系１によれば、図１（ａ）に例示されるように、オプティカルインテグレータ２１により形成された複数の光源１１の像の各々を対物レンズ３０の瞳ＰＬへ投影する倍率を、変倍レンズ４３により可変することができる。また、図１（ｂ）に例示されるように、光源１１を対物レンズ３０の前側焦点位置に投影する倍率を、変倍レンズ４３により可変することができる。このため、照明光学系１は、オプティカルインテグレータ２１により照明の高い均一性を実現しながら、照明範囲とそれに付随する単位面積当たりの照明強度を調整することが可能である。その結果、照明光学系１は、光量の損失を抑制して、必要な領域を効率良く照明することができる。

ただし、照明光学系１では、変倍レンズ４３が追加された状態では、開口絞りＡＳと対物レンズ３０の瞳ＰＬの共役関係は、厳密には維持されない。その結果、図１（ａ）に例示されるように、光源１１の像が対物レンズ３０の瞳ＰＬからずれた位置に形成されることになる。このため、厳密なケーラー照明を実現することはできない。このことは、光源から射出された照明光が試料面で反射した光や透過した光を検出する明視野観察では、観察性能を劣化させる原因となる。

しかしながら、蛍光観察では、必ずしも厳密なケーラー照明は必要とされない。これは、第１に、蛍光観察では、励起光である照明光自体は検出対象ではなく、試料に導入されている蛍光色素や蛍光蛋白質（以降、蛍光物質と記す。）から射出される蛍光が検出対象であること、第２に、蛍光は、照明光の照射により新たな光源として機能する蛍光物質から、等方的に発せられること、が主な理由である。このため、照明光学系１は、蛍光顕微鏡用の照明光光学系として、特に好適である。

また、照明光学系１では、変倍レンズ４３が追加された状態では、開口絞りＡＳと対物レンズ３０の瞳ＰＬの共役関係だけではなく、視野絞りＦＳと対物レンズ３０の前側焦点位置の共役関係も維持されない可能性がある。視野絞りＦＳと対物レンズ３０の前側焦点位置の共役関係が崩れると、対物レンズ３０の前側焦点位置、即ち、試料面に投影される視野絞りＦＳの像がボケてしまう。このため、観察者は、視野絞りＦＳを明瞭に観察することができず、視野絞りＦＳにより視野を絞っている範囲を正確に認識することができない。

従って、変倍レンズ４３は、アフォーカル光学系として構成されることが望ましい。変倍レンズ４３がアフォーカル光学系として構成されることで、視野絞りＦＳと対物レンズ３０の前側焦点位置の共役関係を維持することができるため、観察者は、視野絞りＦＳを明瞭に観察することができる。また、照明光学系１が用いられる蛍光顕微鏡では、試料面と共役な関係にある視野絞りＦＳの位置にさまざまな光学素子、例えば、共焦点効果を得るための共焦点絞りなど、が配置されることがある。変倍レンズ４３をアフォーカル光学系として構成することで、照明光学系１は、変倍レンズ４３が光路上に挿入された状態にあっても、視野絞りＦＳの位置に配置される光学素子によって得られる効果を維持することができる。

図２は、図１に例示される照明光学系を含む蛍光顕微鏡の構成を例示した図である。図２に例示されるように、蛍光顕微鏡５０に含まれる照明光学系２は、励起光である照明光と検出光である蛍光とを分離するために、投光管ユニット２０（リレーレンズ２４）と対物レンズ３０の間に、ダイクロイックミラー５１を含んでいる点が、図１に例示される照明光学系１と異なっている。

ダイクロイックミラー５１を含む照明光学系２では、変倍レンズ４３は、リレーレンズ２４とダイクロイックミラー５１の間に配置されることが望ましい。変倍レンズ４３をリレーレンズ２４とダイクロイックミラー５１の間に配置することで、変倍レンズ４３は励起光である照明光のみに作用し、蛍光には作用しないからである。これにより、観察倍率を変更することなく、照明範囲とそれに付随する照明強度のみを調整することが可能となる。

以下、オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズを用いた照明光学系を例として、変倍レンズユニット（変倍レンズ）の挿入位置による作用の違いについて具体的に説明する。

図３は、変倍レンズユニットの挿入位置を説明するため図である。図３に例示される照明光学系３は、光源ユニット６０と、フライアイレンズ７１を含む投光管ユニット７０と、対物レンズ８０と、を含んでいる。なお、光源ユニット６０、投光管ユニット７０、対物レンズ８０は、それぞれ、図１に例示される照明光学系１の光源ユニット１０、投光管ユニット２０、対物レンズ３０と同様の構成要素により構成されていて、光学的な位置関係についても同様である。このため、同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。ただし、投光管ユニット７０は、オプティカルインテグレータ２１の代わりにフライアイレンズ７１を含んでいる。

また、照明光学系３は、変倍レンズユニット９０を光路上に挿入することができる。変倍レンズユニット９０は、図１に例示される照明光学系１の変倍レンズユニット４０と同様の構成要素からなり、光源ユニット６０と投光管ユニット７０の間、または、投光管ユニット７０と対物レンズ８０の間に挿入され得る。

なお、光源ユニット６０と投光管ユニット７０の間に変倍レンズユニット９０を挿入した構成は、投光管ユニット７０にフライアイレンズ７１が含まれる点を除くと、上述した特許文献１に開示される構成に近い構成である。また、投光管ユニット７０と対物レンズ８０の間に変倍レンズユニット９０を挿入した構成は、図１に例示される照明光学系１と同様の構成である。

図４は、変倍レンズユニットが光路上に挿入されていない照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。図５は、光源ユニットと投光管ユニットの間に変倍レンズユニットが挿入された照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。図６は、投光管ユニットと対物レンズの間に変倍レンズユニットが挿入された照明光学系における、フライアイレンズの入射面及び射出面、対物レンズの瞳面、試料面の各々の状態を示した図である。

なお、図４、図５、及び図６では、光源１１の像ＩＭは黒丸で、照明光束が通過する領域の範囲Ｒはハッチング線で示されている。また、図４（ｃ）、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示される径Ｄ１は、対物レンズ８０の瞳径を示している。

図４（ａ）から図４（ｄ）を参照しながら、変倍レンズユニット９０が光路上に挿入されていない状態でのケーラー照明における各面の状態について説明する。
図４（ａ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、フライアイレンズ７１の外径に略等しい光束径を有する照明光が平行光として入射する。

図４（ｂ）に例示されるように、フライアイレンズ７１に入射した光は、フライアイレンズ７１の各要素Ｅにより集光されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂに要素Ｅ毎に光源１１の像ＩＭを形成する。

フライアイレンズ７１の射出面７１ｂは、共役関係にある対物レンズ８０の瞳面にリレーレンズ２４によって定まる所定の倍率で投影される。ここでは、投影倍率が１．１８倍の例が示されているため、図４（ｃ）に例示されるように、対物レンズ８０の瞳面での光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさは、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂでの光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさの１．１８倍になっている。

図４（ｃ）に例示されるように、複数の光源１１の像ＩＭは、対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域をはみ出すことなく適度に満している。このため、図４（ａ）から図４（ｄ）で示されるケーラー照明では、光量を損失することなく効率的に試料面を照明することが可能であり、明るい照明が実現されている。

なお、対物レンズ８０の瞳面に形成された各光源像から射出された照明光は、試料面上に互いに重なり合って照射されるため、図４（ｄ）に例示されるように、それぞれ試料面上の同一の領域を照明する。このため、均一な照明が実現される。

図４（ｅ）から図４（ｆ）を参照しながら、変倍レンズユニット９０が光路上に挿入されていない状態でのクリティカル照明における各面の状態について説明する。
図４（ｅ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、単一の光源１１の像ＩＭが形成される。複数の要素Ｅに跨って光源１１の像ＩＭが形成されているため、単一の光源１１の像ＩＭは、それらの複数の要素Ｅにより分割される。

図４（ｆ）に例示されるように、分割された光源１１の像ＩＭからの光は、各要素Ｅにより平行光に変換されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂから射出される。
フライアイレンズ７１の射出面７１ｂは、上述したように、共役関係にある対物レンズ８０の瞳面に１．１８倍で投影される。このため、図４（ｇ）に例示されるように、照明光は、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂの領域Ｒの１．１８倍の大きさを有する、対物レンズ８０の瞳面上の領域Ｒに入射する。対物レンズ８０の瞳面上の領域Ｒは、対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域内に収まっている。このため、図４（ｅ）から図４（ｈ）で示されるクリティカル照明でも、光量を損失することなく効率的に試料面を照明することが可能であり、明るい照明が実現されている。

なお、対物レンズ８０の瞳面に入射した照明光は、試料面上に集光し、試料面上に光源１１の像を形成する。照明範囲は、フライアイレンズの要素Ｅの大きさと、要素Ｅの試料面への投影倍率によって定まる。この点については、ケーラー照明とクリティカル照明との間で違いはない。このため、図４（ｈ）に示される照明範囲は、図４（ｄ）に示される照明範囲と同様である。

変倍レンズユニット９０を含まない照明光学系は、ケーラー照明とクリティカル照明のいずれの状態においても、要素Ｅの試料面への投影倍率が固定されているため、照明範囲を任意に調整することができず、それに付随する単位面積当たりの照明強度を調整することもできない。従って、照明光学系３による照明範囲と実際に照明が必要な領域の範囲が一致しない場合には、必要な領域のみを効率を良く照明することができない。

図５（ａ）から図５（ｄ）を参照しながら、光源ユニット６０と投光管ユニット７０の間の光路上に変倍レンズユニット９０が挿入された状態でのケーラー照明における各面の状態について説明する。

図５（ａ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、変倍レンズ４３により光束径が可変された照明光が平行光として入射する。なお、図５（ａ）では、図４（ａ）に比べて光束径が細くなった場合が例示されている。

図５（ｂ）に例示されるように、フライアイレンズ７１に入射した照明光は、照明光が入射した各要素Ｅにより集光されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂに要素Ｅ毎に光源１１の像ＩＭを形成する。即ち、変倍レンズユニット９０の挿入により、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂに形成される光源１１の像の個数が変化する。

フライアイレンズ７１の射出面７１ｂは、共役関係にある対物レンズ８０の瞳面に１．１８倍で投影される。このため、図５（ｃ）に例示されるように、対物レンズ８０の瞳面での光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさは、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂでの光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさの１．１８倍になっている。

図５（ｃ）に例示されるように、複数の光源１１の像ＩＭは、対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域内に収まっている。このため、図５（ａ）から図５（ｄ）で示されるケーラー照明では、光量を損失することなく効率的に試料面を照明することが可能であり、明るい照明が実現されている。

なお、対物レンズ８０の瞳面に形成された各光源像ＩＭから射出された照明光は、試料面上に互いに重なり合って照射されるため、図５（ｄ）に例示されるように、それぞれ試料面上の同一の領域を照明する。このため、均一な照明が実現される。
また、照明範囲は、フライアイレンズの要素Ｅの大きさと、要素Ｅの試料面への投影倍率によって定まるため、図５（ｄ）で示される照明範囲は、図４（ｄ）及び図４（ｈ）で示される照明範囲と同様である。

図５（ｅ）から図５（ｆ）を参照しながら、変倍レンズユニット９０が光路上に挿入されていない状態でのクリティカル照明における各面の状態について説明する。
図５（ｅ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、単一の光源１１の像ＩＭが形成される。なお、変倍レンズ４３の存在により、光源１１がフライアイレンズ７１の入射面に投影される倍率は、図４（ｅ）と異なるため、光源１１の像ＩＭの大きさも図４（ｅ）とは異なっている。複数の要素Ｅに跨って光源１１の像ＩＭが形成されているため、単一の光源１１の像ＩＭは、それらの複数の要素Ｅにより分割される。

図５（ｆ）に例示されるように、分割された光源１１の像ＩＭからの光は、各要素Ｅにより平行光に変換されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂから射出される。即ち、変倍レンズユニット９０の挿入により、平行光として照明光が射出される射出面７１ｂ上の要素数が変化する。

フライアイレンズ７１の射出面７１ｂは、上述したように、共役関係にある対物レンズ８０の瞳面に１．１８倍で投影される。このため、図５（ｇ）に例示されるように、照明光は、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂの領域Ｒの１．１８倍の大きさを有する、対物レンズ８０の瞳面上の領域Ｒに入射する。

図５（ｇ）に例示されるように、対物レンズ８０の瞳面上の領域Ｒは、対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域内に収まっている。このため、図５（ｅ）から図５（ｈ）で示されるクリティカル照明でも、光量を損失することなく効率的に試料面を照明することが可能であり、明るい照明が実現されている。

なお、対物レンズ８０の瞳面に入射した照明光は、試料面上に集光し、試料面上に光源１１の像を形成する。また、照明範囲は、フライアイレンズの要素Ｅの大きさと、要素Ｅの試料面への投影倍率によって定まるため、図５（ｈ）で示される照明範囲は、図４（ｄ）、図４（ｈ）及び図５（ｄ）で示される照明範囲と同様である。

光源ユニット６０と投光管ユニット７０の間の光路上に変倍レンズユニット９０を含む照明光学系では、変倍レンズ４３の倍率を変更しても、要素Ｅの試料面への投影倍率は変化しない。つまり、ケーラー照明とクリティカル照明のいずれの状態においても、要素Ｅの試料面への投影倍率は固定されている。このため、照明範囲を任意に調整することができず、それに付随する単位面積当たりの照明強度を調整することもできない。従って、図４に例示される照明光学系と同様に、照明光学系３による照明範囲と実際に照明が必要な領域の範囲が一致しない場合には、必要な領域のみを効率を良く照明することができない。また、対物レンズの瞳径に合わせて投影倍率を変更することができないため、瞳径が小さな対物レンズを使用する場合には、光束の一部が試料面に到達できず、照明効率が悪化してしまう。

図６（ａ）から図６（ｄ）を参照しながら、投光管ユニット７０と対物レンズ８０の間の光路上に変倍レンズユニット９０が挿入された状態でのケーラー照明における各面の状態について説明する。

図６（ａ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、フライアイレンズ７１の外径に略等しい光束径を有する照明光が平行光として入射する。
図６（ｂ）に例示されるように、フライアイレンズ７１に入射した光は、フライアイレンズ７１の各要素Ｅにより集光されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂに要素Ｅ毎に光源１１の像ＩＭを形成する。

フライアイレンズ７１の射出面は、変倍レンズ４３の倍率に応じて、およそ共役関係にある対物レンズ８０の瞳面に任意の倍率で投影される。ここでは、図４と同様に、１．１８倍で投影する例が示されている。このため、図６（ｃ）に例示されるように、対物レンズ８０の瞳面での光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさは、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂでの光源１１の像ＩＭ及び要素Ｅの大きさの１．１８倍になっている。

図６（ｃ）に例示されるように、複数の光源１１の像ＩＭは、対物レンズ８０の瞳面上の径Ｄ１で示される領域をはみ出すことなく適度に満している。このため、図６（ａ）から図６（ｄ）で示されるケーラー照明では、光量の損失がなく、且つ、明るい照明が実現されている。

なお、対物レンズ８０の瞳面に形成された各光源像から射出された照明光は、試料面上に互いに重なり合って照射されるため、図６（ｄ）に例示されるように、それぞれ試料面上の同一の領域を照明する。このため、均一な照明が実現される。

図６（ｅ）から図６（ｆ）を参照しながら、投光管ユニット７０と対物レンズ８０の間の光路上に変倍レンズユニット９０が挿入された状態でのクリティカル照明における各面の状態について説明する。

図６（ｅ）に例示されるように、フライアイレンズ７１の入射面７１ａには、単一の光源１１の像ＩＭが形成される。複数の要素Ｅに跨って光源１１の像ＩＭが形成されているため、単一の光源１１の像ＩＭは、それらの複数の要素Ｅにより分割される。

図６（ｆ）に例示されるように、分割された光源１１の像ＩＭからの光は、各要素Ｅにより平行光に変換されて、フライアイレンズ７１の射出面７１ｂから射出される。
フライアイレンズ７１の射出面７１ｂは、変倍レンズ４３の倍率に応じて、およそ共役関係にある対物レンズ８０の瞳面に任意の倍率で投影される。

対物レンズ８０の瞳面に入射した照明光は、試料面上に集光し、試料面上に光源１１の像を形成する。なお、照明範囲は、フライアイレンズの要素Ｅの大きさと、要素Ｅの試料面への投影倍率によって定まる。このため、変倍レンズ４３の倍率を調整することで、照明範囲とそれに付随する照明強度を任意に調整することができる。図６では、ケーラー照明とクリティカル照明で変倍レンズ４３の倍率を異ならせているため、図６（ｈ）に示される照明範囲と図６（ｄ）に示される照明範囲が異なっている。

このように、投光管ユニット７０と対物レンズ８０の間の光路上に変倍レンズユニット９０を含む照明光学系は、変倍レンズ４３の倍率を変更することにより、要素Ｅの試料面への投影倍率を変更することができるため、照明範囲を任意に調整し、それに付随する照明強度を調整することができる。

また、照明光が対物レンズ８０の瞳面を通過する領域Ｒが対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域より大きくなると光量の損失が生じる。このため、変倍レンズ４３の倍率は、照明光が対物レンズ８０の瞳面を通過する領域Ｒが対物レンズ８０の瞳径Ｄ１で示される領域より大きくならない範囲で調整することが望ましい。これにより、光量の損失が抑制された効率の良い照明を実現することができる。

なお、図６では、クリティカル照明で変倍レンズ４３の倍率を変更して、照明範囲を調整する例を示したが、特にこれに限られない。ケーラー照明においても同様に変倍レンズ４３の倍率を変更することで、照明範囲を調整することができる。

このような照明範囲の調整は、変倍レンズユニット９０を外した状態の照明光学系が有する視野数と、観察で必要とされる視野数が異なる場合に特に好適である。例えば、変倍レンズユニット９０を外した状態で視野数２２を有する照明光学系を視野数１１に対応するカメラとともに使用する場合であれば、照明光学系による照明範囲を半分に調整すればよい。これにより、単位面積当たりの光量を４倍に増加させることが可能であり、より明るい照明を実現することができる。

１、２、１００・・・照明光学系、１０、６０、１１０・・・光源ユニット、１１、１１１・・・光源、１２、１１２・・・コレクタレンズ、２０、７０、１２０・・・投光管ユニット、２１・・・オプティカルインテグレータ、２２、２３、４１、４２・・・レンズ、２４・・・リレーレンズ、７１・・・フライアイレンズ、７１ａ・・・入射面、７１ｂ・・・射出面、３０、８０、１３０・・・対物レンズ、４０、９０、１４０・・・変倍レンズユニット、４３・・・変倍レンズ、５０・・・蛍光顕微鏡、５１・・・ダイクロイックミラー、ＡＳ・・・開口絞り、ＦＳ・・・視野絞り、ＰＬ・・・瞳、ＡＸ・・・光軸、Ｅ・・・要素、Ｒ・・・範囲、Ｄ１・・・径、ＩＭ・・・像、Ｓ・・・試料面

Claims (8)

1. 蛍光顕微鏡用照明光学系であって、光源側から順に、
   前記光源と、
   照明の均一性を向上させるためのオプティカルインテグレータと、
   リレーレンズと、
   変倍レンズと、
   対物レンズと、
   前記リレーレンズと前記対物レンズの間に、ダイクロイックミラーと、を含み、
   前記変倍レンズは、可変倍率を有するレンズ、または、異なる倍率を有するレンズと切り換え可能なレンズであり、前記リレーレンズと前記ダイクロイックミラーの間に配置される
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
2. 請求項１に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、
   前記リレーレンズは、前記変倍レンズがない状態で、前記オプティカルインテグレータの射出面と前記対物レンズの瞳面とを共役とする
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
3. 請求項１または２に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、
   前記変倍レンズは、アフォーカル光学系である
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
4. 請求項１乃至３のいずれか1項に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、
   前記対物レンズの前側焦点位置と共役である視野絞りを含む
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、
   前記光源と前記オプティカルインテグレータの間にコレクタレンズを含み、
   前記コレクタレンズの位置により前記オプティカルインテグレータは、射出面に複数の前記光源の像を形成、または射出面から平行光を射出する
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、さらに、
   前記光源と前記オプティカルインテグレータの間に移動可能なコレクタレンズを含み、
   前記コレクタレンズの移動によりケーラー照明とクリティカル照明との間に変更可能である
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、
   前記オプティカルインテグレータは、フライアイレンズである
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の蛍光顕微鏡用照明光学系において、
   前記変倍レンズは、試料面への投影変倍の選択により照明範囲を任意に調整する
   ことを特徴とする蛍光顕微鏡用照明光学系。