JP5338972B2 - 顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。

従来、顕微鏡装置や画像測定機のリング照明、スチルカメラのマクロレンズ用ストロボ等、輪帯状の照明光を射出するための輪帯照明装置が知られており、このような輪帯照明装置として、多数のＬＥＤを同心円状に配列して備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２８０９４号公報

しかしながら、上述のような従来の輪帯照明装置は、多数のＬＥＤを備えることで装置が大型化するとともに、顕微鏡装置等への取り付け（位置決め）が難しく、また、構造が複雑であり、製造コストが増大してしまうという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、優れた光学性能を保持しながら、小型化と低コスト化とを図ることが可能な顕微鏡装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る顕微鏡装置は、試料からの光を集光して試料の像を結像する結像光学系と、光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、光源から放射された光及び第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、集光部材は、光を透過する部材で構成され、光源から放射された光が入射する入射面と、部材の表面に形成された第１の光学面、第２の光学面、及び、第３の光学面と、第３の光学面で反射された光が射出する射出面と、を有し、入射面は、光源を中心とする略球面の一部であることを特徴とする。

このような顕微鏡装置において、第１の光学面、第２の光学面、及び、第３の光学面の少なくとも１つは、部材の表面に設けられた反射部材で構成されていることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、第１の光学面、第２の光学面、及び、第３の光学面の少なくとも１つは、部材の空気との境界面において光源からの光が全反射する角度で入射するように配置されていることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、第２の光学面と射出面とは、部材の連続する面上に形成されていることが好ましい。

また、本発明に係る顕微鏡装置は、試料からの光を集光して試料の像を結像する結像光学系と、光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、光源から放射された光及び第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、記第１の光学面は、回転対称な曲面であり、該回転対称な曲面の回転対称軸は、結像光学系の光軸に略平行であり、照明発散角が異なる２種類以上の集光部材を有することを特徴とする。

このような顕微鏡装置は、照明発散角が異なる２種類以上の集光部材を交互に配置することが好ましい。

また、本発明に係る顕微鏡装置は、試料からの光を集光して試料の像を結像する結像光学系と、光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、光源から放射された光及び第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、第１の光学面は、回転対称な曲面であり、該回転対称な曲面の回転対称軸は、結像光学系の光軸に略平行であり、回転対称な曲面の回転対称軸は結像光学系の光軸と略平行になるように配置され、回転対称軸と光軸との距離をＲとし、結像光学系の作動距離をＷＤとし、回転対称軸と第２の光学面の法線とのなす角度をα［°］とし、回転対称軸と第３の光学面の法線とのなす角度をδ［°］としたとき、次式
｜α−ｓｉｎ ^-1 ｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝−ｔａｎ ^-1 （Ｒ／ＷＤ）｜≦１°
の条件を満足することを特徴とする。

このような顕微鏡装置は、結像光学系の焦点面において照明装置により照明される被照射領域の直径をφとし、集光部材から放射された光の照明発散角をηとしたとき、次式
η ＝ ｔａｎ^-1｛（Ｒ−φ／２）／ＷＤ｝−ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ）
の条件を満足することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、光源は、光を放射する発光部と、樹脂により発光部を封止する封止部と、を有し、光源の封止部は、集光部材の入射面に接着されていることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、光源は、光を放射する発光部と、樹脂により発光部を封止する封止部と、を有し、集光部材は、樹脂により形成されてなることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、光源は、光を放射する発光部を有し、光源の発光部は、集光部材によって封止されてなることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、集光部材は、第３の光学面が中心を向くように配置されていることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、前記第１の光学面は、光源を焦点の１つとする略コーニック面であることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、隣接する集光部材同士を結合部で結合して一体に構成することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、２以上の集光部材の各々に取り付けられた光源を有することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、集光部材の各々から射出した光を拡散する拡散板を有することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、集光部材の各々から射出した光を集光する集光レンズを有することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、集光レンズは、環状に形成された１つの中空レンズであることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、集光レンズは、非球面レンズであることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、２以上の集光部材は、一体化された成型品であることが好ましい。

このような顕微鏡装置において、成型品は、モールドによって形成されたことが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、成型品は、樹脂からなることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、集光部材は、曲率を有する面を少なくとも一つ備えることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置において、曲率を有する面は、全反射面であることが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、２以上の集光部材の各々に取り付けられた光源を有することが好ましい。

本発明に係る顕微鏡装置を以上のように構成すると、優れた光学性能を保持しながらも、小型化と低コスト化とを図ることができる。

第１の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置の構成を示す概略図であって、（ａ）は照明装置付近の断面図を示し、（ｂ）は斜視図を示す。 第１の実施形態に係る照明ユニットにおける光路を示す断面図である。 第１の実施形態に係る照明ユニットを説明するための断面図であって、（ａ）は集光部材を設けないときとの光源の位置の違いを示し、（ｂ）は第１の実施形態の変形例を示す。 第２の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置の構成を示す概略図であって、（ａ）は照明装置付近の断面図を示し、（ｂ）は斜視図を示す。 第２の実施形態に係る照明装置に用いられる集光ブロックを示す図面であって、（ａ）は背面図を示し、（ｂ）は側面図を示し、（ｃ）は正面図を示し、（ｄ）は斜視図を示す。 第３の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置の構成を示す概略図であって、（ａ）は照明装置付近の断面図を示し、（ｂ）は斜視図を示す。 第４の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置の構成を示す概略図であって、（ａ）は照明装置付近の断面図を示し、（ｂ）は斜視図を示す。 第５及び第６の実施形態において、照明ユニット内の光線の状態を示す説明図である。 第５及び第６の実施形態において、照明ユニットと照明エリアとの関係を示す説明図である。 第５及び第６の実施形態において、光源と集光部材との関係を示す説明図である。 第５及び第６の実施形態において、集光部材の外形寸法を説明するための説明図である。 第１の実施例における照明エリアの状態を示す説明図である。 第２の実施例における照明エリアの状態を示す説明図である。 第３の実施例における照明エリアの状態を示す説明図である。 第４の実施例における照明エリアの状態を示す説明図である。 第４の実施例において第１の光学面のコーニック係数と照明発散角との関係を示すグラフである。 第６の実施形態に係る照明装置を示す図面であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）は背面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示す。 第７の実施形態に係る照明ユニットの側面図であって、（ａ）は集光部材に光源を接着させた場合を示し、（ｂ）は光源の封止部材を集光部材と一体に形成した場合を示す。

（第１の実施形態）
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、第１の実施形態に係る輪帯照明装置（以下、単に「照明装置」と呼ぶ）を備えた顕微鏡装置の構成について説明する。この図１に示すように、第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００は、標本（試料面Ｏ）からの光を集光して、この試料面Ｏの像を像面Ｉに結像させる結像光学系１０と、像面Ｉ上に配置され、試料面Ｏの像を検出するＣＣＤ等で構成された撮像素子３０と、この結像光学系１０の外周を囲むように環状に配置され、試料面Ｏに照明光を照射するための照明装置２０と、を有して構成される。ここで、顕微鏡装置１００は、結像光学系１０により標本の縮小像（例えば、０．４倍）を形成する観察装置と、結像光学系１０により標本の拡大像（例えば、４０倍）を形成する観察装置と、を含む概念である。

結像光学系１０は、試料面Ｏ側から順に、この試料面Ｏからの光を集光する第１対物レンズ１１と、ＮＡを規定するための開口絞り１２と、第１対物レンズ１１より出射した光を像面Ｉに結像する第２対物レンズ１３と、から構成されている。また、照明装置２０は、第１対物レンズ１１の外周に配置されている。なお、試料面Ｏは、第１対物レンズ１１、開口絞り１２、及び、第２対物レンズ１３を介して、撮像素子３０の像面Ｉと共役に配置されている。

照明装置２０は、第１対物レンズ１１の外周に、等間隔で環状に配置された８つの照明ユニット２１を有して構成される。これら８つの照明ユニット２１は、それぞれが試料面Ｏの被観察領域に対して略均一に照明光を射出するものであり、いずれも同じ構成を有している。

以下、照明ユニット２１の詳細な構成について、図２及び図３を参照して説明する。照明ユニット２１は、ＬＥＤ等の光源２２と、この光源２２からの光を集光する集光部材２３と、から構成されている。また、各々の集光部材２３は、光を透過する１つの部材で構成され、光源２２から放射された光が内部に入射する入射面２３ａと、この部材の内部で入射面２３ａから入射した光を反射する第１の光学面２３ｂ、第２の光学面２３ｃ、及び、第３の光学面２３ｄと、この部材から外部に光を射出させる射出面２３ｅと、が形成されている。ここで、入射面２３ａは略球面の一部を構成する凹面として形成され、その球心に光源２２が配置される。また、第１の光学面２３ｂは、入射面２３ａを囲んだ、光源２２と図２に示す点Ｆとを焦点とする略コーニック面（例えば、楕円面）として形成される。なお、第１の光学面２３ｂは略コーニック面に限らず、回転対称な曲面であればよい。また、第２の光学面２３ｃ、第３の光学面２３ｄ及び射出面２３ｅは略平面で形成されており、さらに、第２の光学面２３ｃ及び射出面２３ｅは、この集光部材２３の同一面上に形成されている。また、第３の光学面２３ｄは、回転対称な曲面の回転対称軸に略平行に形成されている。なお、第２の光学面２３ｃ、第３の光学面２３ｄ及び射出面２３ｅは略平面に限らず、所定の屈折力を有する曲面であってもよい。

このような構成の顕微鏡装置１００において、光源２２より放射された光は、この光源２２を概ね球心とする入射面２３ａより集光部材２３内に入射し、さらに、その光の一部は第１の光学面２３ｂにより反射される。ここで、第１の光学面２３ｂは、上述のように光源２２及び点Ｆを焦点とする略コーニック面として形成されているため、この第１の光学面２３ｂに入射した光は点Ｆに集光するように反射する。また、入射面２３ａを略球面とすることにより、光源２２からの光が入射面２３ａに垂直に入射するため、この面で反射する光を少なくすることができる。そして、入射面２３ａから入射した光の残りの一部及び第１の光学面２３ｂにより反射された光は、第２の光学面２３ｃ及び第３の光学面２３ｄで全反射した後、射出面２３ｅから集光部材２３の外に射出される。そして、集光部材２３より射出された光は、焦点Ｆに集光した後、試料面Ｏ上に照射される。図１に示すように、照明装置２０を構成する８つの照明ユニット２１は、第１対物レンズ１１の周りに照明ユニット２１の光軸（光源２２の法線、第１の光学面（略コーニック面）２３ｂの回転対称軸）Ｘ′が結像光学系１０の光軸Ｘと略平行になるように環状に配置されている。また、第３の光学面２３ｄ及び射出面２３ｅがこの環の中心に向くように配置されているため、試料面Ｏの第１対物レンズ１１を含む結像光学系１０の光軸上を中心に、この試料面Ｏを周囲から照明することができる。また、照明ユニット２１は略等間隔で配置されているため、試料面Ｏを均一に照明することができる。ここで、８つの集光部材２３は、図示しない部材により固定されて集光ブロックを形成し、照明装置２０として顕微鏡装置１００に取り付けられる。

なお、本実施形態において、集光部材２３は、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂によるモールド成型品とし、さらに、上述の第１〜第３の光学面２３ｂ〜２３ｄにクロムやアルミを蒸着した反射部材を用いることが好ましい。あるいは、この集光部材２３は、第１〜第３の光学面２３ｂ〜２３ｄ及び射出面２３ｅが、以下の条件（ｉ）〜（ｉｖ）を満足するように形成されていることが好ましい。すなわち、（ｉ）第１の光学面２３ｂで反射した光が、第２の光学面２３ｃに対してこの第２の光学面２３ｃで全反射する角度で入射する。（ｉｉ）第３の光学面２３ｄで反射された光が、射出面２３ｅ（第２の反射面２３ｃと連続する面）を透過する角度で入射する。また、（ｉｉｉ）入射面２３ａから入射した光が、第１の光学面２３ｂに対してこの第１の光学面２３ｂで全反射する角度で入射する。（ｉｖ）第２の光学面２３ｃで反射した光が、第３の光学面２３ｄに対してこの第３の光学面２３ｄで全反射する角度で入射する。このように構成することで、集光部材２３の表面にアルミ蒸着膜などの加工を施すことなく、この集光部材２３の空気との境界面で光を全反射させることにより上記反射面（第１〜第３の光学面２３ｂ〜２３ｄ）を構成することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００においては、照明装置２０により、試料面Ｏを均一に照明することができ、この試料面Ｏの観察に好適で優れた光学性能を得ることができる。また、本実施形態に係る集光部材２３を用いずに、光源２２からの光を直接試料面Ｏに照射する場合、図３（ａ）に点線で示すような位置に光源２２を配置する必要があるため、照明装置が大径となって顕微鏡装置１００も大型化する。しかし、本実施形態では、集光部材２３により、上述したような光路を形成することにより、光源２２の法線（照明ユニット２１の光軸Ｘ′）を結像光学系１０の光軸Ｘに略平行に配置できる。しかも簡易な構造で廉価な材料製の照明ユニット２１を用いているので、優れた光学性能を保持しながら、照明装置２０及び顕微鏡装置１００の小型化と低コスト化とを図ることができる。

なお、以上の説明では、照明ユニット２１を構成する集光部材２３を、樹脂によるモールド成形品で構成した場合について説明したが、上述の第１の光学面２３ｂ、第２の光学面２３ｃ及び第３の光学面２３ｄを有していれば、上記効果を得ることができる。そのため、図３（ｂ）に示す集光部材２３′のように、内側が鏡面である板状の部材を組み合わせることにより、第１の光学面２３ｂ′、第２の光学面２３ｃ′及び第３の光学面２３ｄ′を形成し、この集光部材２３′と光源２２とを組み合わせて照明ユニット２１′を構成しても良い。この場合、上述の入射面及び射出面はなくても良い。また、以上の説明では、８個の集光部材２３を用いて照明装置２０を構成した場合について説明したが、本発明がその個数に限定されることはない。

（第２の実施形態）
次に、図４及び図５を用いて、第２の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置について説明する。図４に示すように、この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成であって、結像光学系１０と、撮像素子３０と、結像光学系１０を外周から囲むように環状に配置された照明装置２２０と、を有して構成される。なお、この第２の実施形態及び後述する各実施形態において、上記第１の実施形態と同一の構成部材については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態に係る照明装置２２０は、第１の実施形態で説明した集光部材２３と同一の構成の集光部材２２３を有し、各々の集光部材２２３に光源２２を取り付けて照明ユニット２２１を構成しているが、隣接する集光部材２２３同士が連結部２２４で結合され、これらの集光部材２２３を第１対物レンズ１１の周りに照明ユニット２２１の光軸Ｘ′が結像光学系１０の光軸Ｘと略平行になるように環状に配置可能な集光ブロック２２５として構成されている。すなわち、この照明装置２２０は、複数の集光部材２２３が結合部２２４で結合されて輪帯状に配置された集光ブロック２２５と、この集光ブロック２２５が有する各々の集光部材２２３に取り付けられた光源２２とからなる照明ユニット２２１として構成されている。このように、複数の集光部材２２３を一体化した集光ブロック２２５としても、熱可塑性樹脂によるモールド成型品として構成することが可能であり、また、第１の実施形態と比較して、複数部品の組み立ての手間が省けるとともに、部品点数の削減によるコストダウンが可能となる。同様に、顕微鏡装置２００にこの照明装置２２０を取り付けたときの各集光部材２２３の位置決めが容易になる。

（第３の実施形態）
次に、図６を参照して、第３の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置について説明する。図６に示すように、この第３の実施形態に係る顕微鏡装置３００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成であって、結像光学系１０と、撮像素子３０と、結像光学系１０の外周を囲むように環状に配置された照明装置３２０と、を有して構成される。

この第３の実施形態に係る照明装置３２０は、第１の実施形態と同様の８つの照明ユニット２１に加えて、この照明ユニット２１と試料面Ｏとの間に拡散板３２６が配置されている。そのため、このような照明装置３２０では、各々の照明ユニット２１より射出した光が、拡散板３２６により拡散された後、試料面Ｏ上に照射される。このように、照明装置３２０に拡散板３２６をさらに設けることにより、小型化、低コスト化を達成しながら、さらに試料面Ｏ上の被照射領域の照度の均一性を向上させることが可能となる。なお、拡散板３２６は、各々の照明ユニット２１に対応させて設けても良いが、図６（ｂ）に示すように、第１対物レンズ１１と干渉しないための内円が形成された環状の部材で構成することにより、部品点数を減らし、また、配置も容易になる。

（第４の実施形態）
次に、図７を参照して、第４の実施形態に係る照明装置を備えた顕微鏡装置について説明する。図７に示すように、この第４の実施形態に係る顕微鏡装置４００の基本構成は、第１の実施形態と同様の構成であって、結像光学系１０と、撮像素子３０と、結像光学系１０の外周を囲むように環状に配置された照明装置４２０と、を有して構成される。

この第４の実施形態に係る照明装置４２０は、第１の実施形態と同様の８つの照明ユニット２１に加えて、この照明ユニット２１と試料面Ｏとの間に集光レンズ４２７が配置されている。そのため、このような照明装置４２０では、各々の照明ユニット２１より射出した光が、集光レンズ４２７により集光された後、試料面Ｏ上に照射される。このように、照明装置４２０に集光レンズ４２７をさらに設けることにより、小型化、低コスト化を達成しながら、さらに試料面Ｏ上のより狭い被照射領域に照明光を集光することが可能となり、特に、高倍率の観察において照明強度の向上が可能となる。なお、集光レンズ４２７は、各々の照明ユニット２１に対応させて設けても良いが、図７（ｂ）に示すように、第１対物レンズ１１と干渉しないための内円が形成された中空レンズとして構成することにより、部品点数を減らし、また、配置も容易になる。さらに、この集光レンズ４２７は、照明範囲及び位置の自由度を向上させるために、非球面レンズを用いるのが望ましい。さらに、この第４の実施形態で示した集光レンズ４２７と第３の実施形態で示した拡散板３２６とを組み合わせて構成することも可能であるし、第２の実施形態で示した集光ブロック２２５を用いることも可能である。

（第５の実施形態）
次に、第１の実施形態で示した顕微鏡装置１００を例に、照明装置２０から放射された光の照度ピークを、試料面Ｏ上の第１対物レンズ１１の視野の略中心とするための条件、すなわち、光源２２から出射して照明ユニット２１の光軸（光源２２の法線、第１の光学面（略コーニック面）２３ｂの回転対称軸）Ｘ′上を進む主光線が、結像光学系１０の光軸Ｘと試料面Ｏとが交差する点に入射するための条件について、図８〜図１４を用いて説明する。なお、ここで、主光線とは、光源２２から放射され集光部材２３で集光される光束の中心を通る光線のことを言う。

まず、図８に示すように、光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′と第２の光学面２３ｃの法線とのなす角度をα［°］とし、この法線（回転対称軸）Ｘ′と第３の光学面２３ｄの法線とのなす角度をδ［°］とし、第２の光学面２３ｃで反射された主光線と第３の光学面２３ｄの法線とのなす角度をβ［°］とし、第３の光学面２３ｄで反射された主光線と射出面２３ｅ（第２の光学面２３ｃ）の法線とのなす角度をγ［°］とし、射出面２３ｅで屈折された主光線とこの射出面２３ｅの法線とのなす角度をγ′［°］とし、光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′と射出面２３ｅを出射した主光線とのなす角度をθ［°］とする。また、光源２２から主光線が出射する点をＨ、第２の光学面２３ｃに入射する点をＡ、第３の光学面２３ｄに入射する点をＢ、射出面２３ｅに入射する点をＣとし、第３の光学面２３ｄの法線と光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′とが交差する点をＤとし、射出面２３ｅの法線と光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′とが交差する点をＥとし、第２の光学面２３ｃの法線と第３の光学面２３ｄとが交差する点をＧとする。さらに、集光部材２３の媒質の屈折率をｎとする。

図８において、反射の法則から∠ＧＡＢ＝αとなるため、∠ＨＡＢは次式（１）で表され、さらに、△ＡＢＣに対する外角の定理から∠ＨＡＢは次式（２）で表されるため、これらの式（１），（２）より、βはαとδを用いて次式（３）のように表される。

∠ＨＡＢ ＝ ２α （１）
∠ＨＡＢ ＝ β＋δ （２）
β ＝ ２α−δ （３）

ここで、内角の定理より△ＡＢＣの内角の和は１８０°となるため次式（４）のように表される。

∠ＡＢＣ＋∠ＢＣＡ＋∠ＣＡＢ ＝ １８０° （４）

また、線ＧＡは第２の光学面２３ｃ（線ＡＣ）の法線であり、且つ、∠ＧＡＣ＝∠ＧＡＢ＋∠ＢＡＣであることから、∠ＣＡＢは次式（５）に示すようにαを用いて表すことができる。

∠ＣＡＢ ＝ ９０°−α （５）

そして、反射の法則から∠ＤＢＣ＝βとなり、また、線ＣＥは射出面２３ｅ（線ＡＣ）の法線であることから、∠ＢＣＡはγを用いて次式（７）のように表すことができる。

∠ＡＢＣ ＝ ２β （６）
∠ＢＣＡ ＝ ９０°−γ （７）

以上に示した式（４）〜（７）より次式（８）が導き出され、この式（８）を式（３）に代入することにより、式（９）が導き出される。

γ ＝ ２β−α （８）
γ ＝ ３α−２δ （９）

そして、射出面２３ｅを透過する主光線に対してスネルの法則を適用すると、ｎ・ｓｉｎγ＝ｓｉｎγ′が成り立つため、この関係から次式（１０）を導き出すことができ、さらに、この式（１０）を上述の式（９）に代入すると次式（１１）が導き出される。

γ′ ＝ ｓｉｎ^-1（ｎ・ｓｉｎγ） （１０）
γ′ ＝ ｓｉｎ^-1｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝ （１１）

また、△ＣＥＦに対する外角の定理より、∠ＥＣＦ＋∠ＣＦＥ＝γ′＋θ＝αとなるため、次式（１２）が導き出され、この式（１２）を上述の式（１１）に代入することにより、次式（１３）が導き出される。すなわち、光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′と集光部材２３から射出した主光線とのなす角度θは、条件式（１３）を満たすこととなる。

θ ＝ α−γ′ （１２）
θ ＝ α−ｓｉｎ^-1｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝ （１３）

図９に示すように、結像光学系１０の光軸Ｘに対して、照明ユニット２１の光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′が、距離Ｒだけ離れて略平行に配置されており、第１対物レンズ１１の作動距離（第１対物レンズ１１の最も物体側の面から試料面Ｏまでの光軸上の距離）がＷＤであるとき、集光部材２３から射出した主光線が、結像光学系１０の光軸Ｘと試料面Ｏとが交差する点Ｋに入射するためには、条件式（１４）を満たすことが必要となる。

θ ＝ ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ） （１４）

以上より、顕微鏡装置１００において、照明ユニット２１から放射された光の被照射領域における照度ピークを、試料面Ｏ上の第１対物レンズ１１の視野の略中心とするためには、次式（１５）の関係を満足することが望ましい。すなわち、図１０に示すように、集光部材２３の形状のうち、第２の光学面２３ｃ（射出面２３ｅ）、及び、第３の光学面２３ｄの光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′とのなす角度α，βが次式（１５）を満足するように設計すれば良い。

α−ｓｉｎ^-1｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝＝ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ） （１５）

［第１の実施例］
このような顕微鏡装置１００の構成として、第１対物レンズ１１の作動距離を２０ｍｍとしたときの諸元値を、以下の表１に示す。この表１において、集光部材２３の外形寸法は、図１１に示すように、幅をＷとし、高さをＨとし、奥行きをＤとして定義している。また、第１の光学面２３ｂを構成するコーニック面の形状は、次式（１６）で表されるものとし、表１には、この式（１６）における基準球面の曲率半径ｒ、及び、コーニック定数Ｋを示している。なお、式（１６）において、ｙは光軸からの垂直方向の高さ（入射高）を示し、Ｓ（ｙ）はコーニック面の頂点における接平面から高さｙにおけるコーニック面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）を示している。

Ｓ（ｙ）＝（ｙ²／ｒ／｛１＋（１−（１＋Ｋ）／ｙ²／ｒ²）^1/2｝ （１６）

また、表１において、Ｒは結像光学系１０の光軸Ｘと光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′との距離を示し、ＷＤは第１対物レンズ１１の作動距離を示し、ｎは集光部材２３の媒質の屈折率を示し、Δｚは第１の光学面２３ｂの曲面頂点と光源２２との距離（図１０参照）を示し、αは光源２２の法線（回転対称軸）と第２の光学面２３ｃの法線とのなす角度を示し、δは光源２２の法線（回転対称軸）と第３の光学面２３ｄの法線とのなす角度を示す。ここで、角度αは、上述の条件式（１５）から導かれる値である。

なお、この表１に示す集光部材２３の外形寸法等の長さの単位は、特記のない場合一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大・比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることはなく、他の適当な長さの単位を用いることができる。また、これらの諸元値の説明は、以降の実施形態においても同様である。

（表１）
Ｄ ＝30
Ｗ ＝ 9
Ｈ ＝ 7
Ｒ ＝18
ＷＤ＝20
ｎ ＝ 1.585
δ ＝90°
α ＝64°42′
ｒ ＝ 1.6
Ｋ ＝-0.95
Δｚ＝ 0.8

図１２に、上記表１に示す諸元の照明ユニット２１を１つだけ点灯させたときの被照射領域（試料面Ｏ）での照度の状態（シミュレーション結果）を示す。なお、この図１２は、上記角度αをΔα（−２，−１，０，１，２）だけ変化させたときの状態を示しており、座標（０ｍｍ，０ｍｍ）の位置が、結像光学系１０の光軸Ｘ上の位置である（以降の実施例においても同様である）。この図１２から明らかなように、Δαが−１から１までの範囲では、概ね照度のピークを照明領域（第１対物レンズ１１の視野）の中心に位置させることができる。

［第２の実施例］
また、次の表２に、第１対物レンズ１１の作動距離を４０ｍｍにしたときの諸元値を示す。

（表２）
Ｄ ＝30
Ｗ ＝ 9
Ｈ ＝ 7
Ｒ ＝18
ＷＤ＝40
ｎ ＝ 1.585
δ ＝90°
α ＝66°45′
ｒ ＝ 1.6
Ｋ ＝-0.95
Δｚ＝ 0.8

また、図１３に、上記表２に示す諸元の照明ユニット２１を１つだけ点灯させたときの被照射領域（試料面Ｏ）での照度の状態（シミュレーション結果）を示す。この図１３から明らかなように、Δαが−１から１までの範囲では、概ね照度のピークを照明領域（第１対物レンズ１１の視野）の中心に位置させることができる。

［第３の実施例］
また、次の表３に、第１対物レンズ１１の作動距離を６０ｍｍにしたときの諸元値を示す。

（表３）
Ｄ ＝30
Ｗ ＝ 9
Ｈ ＝ 7
Ｒ ＝18
ＷＤ＝60
ｎ ＝ 1.585
δ ＝90°
α ＝70°09′
ｒ ＝ 1.6
Ｋ ＝-0.95
Δｚ＝ 0.8

また、図１４に、上記表３に示す諸元の照明ユニット２１を１つだけ点灯させたときの被照射領域（試料面Ｏ）での照度の状態（シミュレーション結果）を示す。この図１４から明らかなように、Δαが−１から１までの範囲では、概ね照度のピークを照明領域（第１対物レンズ１１の視野）の中心に位置させることができる。

以上に示した第１〜第３の実施例より、顕微鏡装置１００における集光部材２３は、次式（１７）に示す条件を満足するように設計されることが望ましい。

｜α−ｓｉｎ^-1｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝−ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ）｜≦１°
（１７）

（第６の実施形態）
次に、第１の実施形態で示した顕微鏡装置１００を例に、照明装置２０から放射された光が、試料面Ｏにおいて、結像光学系１０の光軸Ｘを中心とする直径φの被照射領域（結像光学系１０の焦点面である試料面Ｏにおいて照明装置２０からの照明が照射される領域）を照明するための条件について、上述の図８〜図１１に加えて図１５及び図１６を用いて説明する。

まず、図９において、光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′と試料面Ｏを延長した直線との交点をＩとし、試料面Ｏと結像光学系１０の光軸Ｘとが交差する点をＫとし、点Ｉと点Ｋとの間の試料面Ｏ上であって点Ｋからφ／２離れた点をＪとし、主光線（点Ｋに入射する光線）と点Ｊに入射する光線（直径φの領域を照明するための最も外側の光線）とのなす角度（以下、「照明発散角」と呼ぶ）をη［°］とする。

この図９の構成において、第５の実施形態で説明したように、結像光学系１０の光軸Ｘに対して、照明ユニット２１の光源２２の法線（回転対称軸）Ｘ′が、距離Ｒだけ離れて略平行に配置されており、第１対物レンズ１１の作動距離（第１対物レンズ１１の最も物体側の面から試料面Ｏまでの光軸上の距離）がＷＤであるとき、集光部材２３から射出した主光線が、結像光学系１０の光軸Ｘと試料面Ｏとが交差する点Ｋに入射するためには、条件式（１４）を満たすことが必要となる。また、∠ＪＦＩは次式（１８）の関係を有する。従って、式（１４）及び式（１８）から、試料面Ｏ上の直径φの被照射領域を照明するためには、集光部材２３から射出する光の照明発散角ηが次式（１９）の条件を満たすように集光部材２３を設計することが望ましい。

∠ＪＦＩ ＝ θ−η ＝ ｔａｎ^-1（ＧＨ／ＦＧ）
＝ ｔａｎ^-1｛（Ｒ−φ／２）／ＷＤ｝ （１８）
η ＝ｔａｎ^-1｛（Ｒ−φ／２）／ＷＤ｝−ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ） （１９）

本実施形態に係る集光部材２３において、照明発散角ηは、第１の光学面（コーニック面）２３ｂの形状によって決定される。そこで、以下の表４に示す諸元値の顕微鏡装置１００において、等間隔で輪帯上に配置された８つの照明ユニット２１からの光を試料面Ｏに照射したときの照度の状態（シミュレーション結果）を図１５に示す。なお、この図１５は、第１の光学面２３ｂのコーニック定数を−０．９，−０．９５，−１．０と変化させたときの状態を示しており、座標（０ｍｍ，０ｍｍ）の位置が、結像光学系１０の光軸Ｘ上の位置である。また、図１６に、コーニック定数Ｋと照明発散角ηとの関係を示す。このように、第１の光学面（コーニック面）２３ｂの形状を変化させることにより、照明発散角ηを変化させることができる。

（表４）
Ｄ ＝30
Ｗ ＝ 9
Ｈ ＝ 7
Ｒ ＝27
ＷＤ＝60
ｎ ＝ 1.585
δ ＝90°
α ＝68°45′
ｒ ＝ 1.6
Ｋ ＝-0.95，-0.9，-1.0
Δｚ＝ 0.8

（第７の実施形態）
第５及び６の実施形態で説明したように、顕微鏡装置１００においては、第１対物レンズ１１の作動距離ＷＤに応じて、照明ユニット２１を配置する位置（結像光学系１０の光軸Ｘから距離Ｒ）や、集光部材２３の形状（α，δ，η）を上述の式（１７）及び式（１９）を満足するように設計すると、第１対物レンズ１１の視野の中心に照度ピークを位置させ、所望の被照射領域のサイズ（照明エリアサイズ）φを実現することができる。図１７に示す照明装置５２０は、照明発散角ηが異なる２種類の照明ユニット５２１ａ，５２１ｂをそれぞれ８個ずつ用意し、これらを輪帯状に交互に等間隔となるように配置したものである。例えば、照明ユニット５２１ａの集光部材５２３ａは照明発散角ηを大きくして広い照明エリアを有し、照明ユニット５２１ｂの集光部材５２３ｂは照明発散角ηを小さくして狭い照明エリアを有するようにすることにより、照明ユニット５２１ａか照明ユニット５２１ｂのいずれか一方の光源２２を点灯させることにより、照明エリアの大きさを切り換えることができる。そのため、結像光学系１０のズーム倍率に応じて照明エリアを切り換えることで、適切な配光とすることができる。

なお、本実施形態では、照明発散角ηが異なる２種類の照明ユニット５２１ａ，５２１ｂをそれぞれ８個ずつ、交互に配置しているが、照明ユニットの個数の比は必ずしも１：１である必要は無い。それぞれの照明条件において必要となる照度の比に応じて照明ユニットの個数の比を適宜設定すればよく、例えば２：１や３：１であってもよい。

また、照明発散角の異なる集光部材は、２種類に限定されず、３種類以上設け、それらを交互に配置しても良い。

（第８の実施形態）
以上の説明の照明ユニット２１では、図２に示すように、集光部材２３の入射面２３ａと光源２２との間に空気間隔を設けて配置した場合について説明したが、図１８（ａ）に示すように、集光部材２３の入射面２３ａに光源２２を接着しても良い。また、図１８（ｂ）に示すように、光源２２のＬＥＤを封止する樹脂により集光部材２３を形成しても良い。このように、光源２２と集光部材２３とを一体に構成することによりこの照明ユニット２１の製造が容易になるとともに、照明装置２０における照明ユニット２１の配置も容易になる。

なお、本願では、照明光学系及びこれを備えた顕微鏡装置の小型化と低コスト化が可能であれば、上述した実施の形態に限定されず、本願の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

１０ 結像光学系 ２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 照明装置
２１，２１′，２２１，５２１ａ，５２１ｂ 照明ユニット
２２ 光源 ２３，２３′，２２３，５２３ａ，５２３ｂ 集光部材
２３ａ 入射面 ２３ｂ，２３ｂ′ 第１の光学面
２３ｃ，２３ｃ′ 第２の光学面 ２３ｄ，２３ｄ′ 第３の光学面
２３ｅ 射出面 ２２４ 結合部
２２５ 集光ブロック ３２６ 拡散板 ４２７ 集光レンズ Ｏ 試料面
１００，２００，３００，４００ 顕微鏡装置

Claims (25)

1. 試料からの光を集光して前記試料の像を結像する結像光学系と、
   光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、前記光源から放射された光及び前記第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、前記第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、前記結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、
   前記集光部材は、前記光を透過する部材で構成され、
   前記光源から放射された光が入射する入射面と、
   前記部材の表面に形成された前記第１の光学面、前記第２の光学面、及び、前記第３の光学面と、
   前記第３の光学面で反射された光が射出する射出面と、を有し、
   前記入射面は、前記光源を中心とする略球面の一部であることを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記第１の光学面、前記第２の光学面、及び、前記第３の光学面の少なくとも１つは、前記部材の表面に設けられた反射部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記第１の光学面、前記第２の光学面、及び、前記第３の光学面の少なくとも１つは、前記部材の空気との境界面において前記光源からの光が全反射する角度で入射するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記第２の光学面と前記射出面とは、前記部材の連続する面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
5. 試料からの光を集光して前記試料の像を結像する結像光学系と、
   光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、前記光源から放射された光及び前記第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、前記第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、前記結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、
   前記第１の光学面は、回転対称な曲面であり、該回転対称な曲面の回転対称軸は、前記結像光学系の光軸に略平行であり、
   照明発散角が異なる２種類以上の前記集光部材を有することを特徴とする顕微鏡装置。
6. 前記照明発散角が異なる２種類以上の前記集光部材を交互に配置したことを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡装置。
7. 試料からの光を集光して前記試料の像を結像する結像光学系と、
   光源から放射された光の少なくとも一部を反射する第１の光学面、前記光源から放射された光及び前記第１の光学面で反射された光を反射する第２の光学面、並びに、前記第２の光学面で反射された光を反射する第３の光学面を有する集光部材が、前記結像光学系の外周に離散的に２以上配置された照明装置と、を有し、
   前記第１の光学面は、回転対称な曲面であり、該回転対称な曲面の回転対称軸は、前記結像光学系の光軸に略平行であり、
   前記回転対称な曲面の回転対称軸は前記結像光学系の光軸と略平行になるように配置され、
   前記回転対称軸と前記光軸との距離をＲとし、前記結像光学系の作動距離をＷＤとし、前記回転対称軸と前記第２の光学面の法線とのなす角度をα［°］とし、前記回転対称軸と前記第３の光学面の法線とのなす角度をδ［°］としたとき、次式
   ｜α−ｓｉｎ ^-1 ｛ｎ・ｓｉｎ（３α−２δ）｝−ｔａｎ ^-1 （Ｒ／ＷＤ）｜≦１°
   の条件を満足することを特徴とする顕微鏡装置。
8. 前記結像光学系の焦点面において前記照明装置により照明される被照射領域の直径をφとし、前記集光部材から放射された光の照明発散角をηとしたとき、次式
   η ＝ ｔａｎ^-1｛（Ｒ−φ／２）／ＷＤ｝−ｔａｎ^-1（Ｒ／ＷＤ）
   の条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の顕微鏡装置。
9. 前記光源は、光を放射する発光部と、樹脂により前記発光部を封止する封止部と、を有し、
   前記光源の前記封止部は、前記集光部材の前記入射面に接着されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
10. 前記光源は、光を放射する発光部と、樹脂により前記発光部を封止する封止部と、を有し、
    前記集光部材は、前記樹脂により形成されてなることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
11. 前記光源は、光を放射する発光部を有し、
    前記光源の前記発光部は、前記集光部材によって封止されてなることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
12. 前記集光部材は、前記第３の光学面が中心を向くように配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
13. 前記第１の光学面は、前記光源を焦点の１つとする略コーニック面であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
14. 隣接する前記集光部材同士を結合部で結合して一体に構成することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
15. ２以上の前記集光部材の各々に取り付けられた光源を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
16. 前記集光部材の各々から射出した前記光を拡散する拡散板を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
17. 前記集光部材の各々から射出した前記光を集光する集光レンズを有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
18. 前記集光レンズは、環状に形成された１つの中空レンズであることを特徴とする請求項１７に記載の顕微鏡装置。
19. 前記集光レンズは、非球面レンズであることを特徴とする請求項１７に記載の顕微鏡装置。
20. ２以上の前記集光部材は、一体化された成型品であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
21. 前記成型品は、モールドによって形成されたことを特徴とする請求項２０に記載の顕微鏡装置。
22. 前記成型品は、樹脂からなることを特徴とする請求項２１に記載の顕微鏡装置。
23. 前記集光部材は、曲率を有する面を少なくとも一つ備えることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
24. 前記曲率を有する面は、全反射面であることを特徴とする請求項２３に記載の顕微鏡装置。
25. ２以上の前記集光部材の各々に取り付けられた光源を有することを特徴とする請求項２０〜２４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。

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