JP5558162B2 - 落射蛍光照明装置、及び、それを用いた蛍光顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、落射蛍光照明装置、及び、それを用いた蛍光顕微鏡に関する。

近年、顕微鏡の照明装置の分野では、従来から用いられているケーラー照明の構成に、フライアイレンズを取り入れた照明装置が提案されている。

フライアイレンズは、従来のケーラー照明では抑制することが困難であった、光源から射出される光量の角度依存性（以降、配光角特性と記す。）に起因した照明の不均一を抑制することができるため、照明の均一性の向上に寄与する。

フライアイレンズを用いた顕微鏡の照明装置は、例えば、特許文献１で開示されている。特許文献１に開示される照明装置は、落射蛍光照明装置であり、フライアイレンズ（集光レンズアレイ）により形成される複数の光源像を対物レンズの瞳位置にリレーしている。つまり、光源像の位置と対物レンズの瞳位置は光学的に共役な関係にあり、ケーラー照明が実現されている。これにより、テレセントリックな照明の実現とともに、フライアイレンズに用いた照明の均一性の向上が図られている。

特開２００５−２８３８７９号公報

ところで、顕微鏡では、対物レンズの瞳位置は、対物レンズの交換などのさまざまな要因により変化する。従来の照明装置の場合、瞳位置の変化に伴って光源を移動させることで、光源像の位置と瞳位置の共役関係を維持することができる。

一方、特許文献１に開示される照明装置の場合、光源とフライアイレンズの光学的な位置関係は変更することができないため、光源だけを移動させることはできず、光源からフライアイレンズまでの光学系全体を移動させる必要がある。また、フライアイレンズにより形成される光源像が対物レンズの瞳位置に投影される倍率は、フライアイレンズを用いない従来の落射蛍光照明系により光源が対物レンズの瞳位置に投影される倍率に比べて低いことを考慮すると、共役関係を維持するために必要な光学系の移動量は、従来の光源の移動量に比べて大きくなる。
このため、特許文献１で開示される照明装置では、光源像の位置の調整は非常に困難であり、光源像の位置と瞳位置の共役関係を維持することは容易ではない。

さらに、対物レンズの瞳位置は、対物レンズの交換の他に、照明装置が用いられる顕微鏡の構成によっても変化する。顕微鏡の構成の違いによって生じる瞳位置の変化は、通常、対物レンズの交換によって生じる変化に比べて大きい。

例えば、光軸方向にレボルバーが移動する顕微鏡（以降、レボルバー移動型顕微鏡と記す。）とステージが移動する顕微鏡（以降、ステージ移動型顕微鏡と記す。）とを比較すると、レボルバー移動型顕微鏡の方が、光源から対物レンズの瞳位置までの距離は長くなる。レボルバー移動型顕微鏡の場合、標本をステージに配置する際にレボルバーの移動によりステージと対物レンズとの間隔を十分に確保する必要があるため、レボルバーの光源
側にレボルバーを退避させる空間が必要となるからである。この空間の光軸方向の長さは、通常、同焦点距離の１倍から１．５倍程度必要であるので、レボルバー移動型顕微鏡とステージ移動型顕微鏡では、対物レンズの瞳位置が同焦点距離の１倍から１．５倍程度離れることになる。つまり、顕微鏡の構成の違いにより、同焦点距離の１倍から１．５倍程度の対物レンズの瞳位置の変化が生じうる。

このため、光源像の位置の調整が困難である特許文献１で開示される照明装置は、一方の構成の顕微鏡で共役関係を維持すると、他方の構成の顕微鏡では光源像の位置と瞳位置が大きく離れてしまい、照明の均一性が維持できない。

このように、フライアイレンズを用いた顕微鏡の照明装置は、光源像の位置と瞳位置との共役関係を維持することが困難であるため、共役関係を維持することにより照明の均一性を維持する構成では、対物レンズの瞳位置の変化に十分に対応することが難しい。

以上のような実情を踏まえ、本発明では、対物レンズの瞳位置が変化しても高い照明の均一性を実現する落射蛍光照明装置、及び、それを備えた蛍光顕微鏡を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、レボルバー移動型顕微鏡とステージ移動型顕微鏡とに対応可能な落射蛍光照明装置であって、照明光を射出する光源と、光源からの照明光が入射するコレクタレンズと、コレクタレンズからの照明光が入射するフライアイレンズ光学系と、照明光を標本面に照射する対物レンズと、フライアイレンズ光学系と対物レンズの間に配置されるリレー光学系と、視野絞りと、を含み、フライアイレンズ光学系は、各々複数のレンズ要素からなる第１のフライアイレンズ面及び第２のフライアイレンズ面を含み、リレー光学系は、光源側から順に、少なくとも１つのメニスカスレンズを含み、全体として正のパワーを有する第１レンズ群と、負のパワーを有するレンズを含み全体として正のパワーを有する第２レンズ群と、を含み、視野絞りは、第１レンズ群と第２レンズ群の間であって、標本面と共役な位置に配置され、第１レンズ群は、最も視野絞り側に、負のパワーを有するレンズを備え、リレー光学系を介して第２のフライアイレンズ面と共役な位置と対物レンズの瞳位置との距離をＤ０とし、対物レンズの同焦点距離をＬｏｂとするとき、第２のフライアイレンズ面と共役な位置は、標本観察時において、対物レンズの瞳位置に対してステージ移動型顕微鏡で標本側に、レボルバー移動型顕微鏡で光源側にあり、以下の条件式
０．３≦Ｄ０／Ｌｏｂ≦０．７５ ・・・（１）
を満たす落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の落射蛍光照明装置において、第１のフライアイレンズ面は、対物レンズの前側焦点位置と共役であり、第２のフライアイレンズ面はフライアイレンズ光学系の後側焦点位置にある落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の落射蛍光照明装置において、コレクタレンズは、照明光を略平行光に変換し、リレー光学系は、第２のフライアイレンズ面近傍に形成される光源の像を、第２のフライアイレンズ面と共役な位置近傍にリレーする落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の落射蛍光照明装置において、対物レンズは、最大の瞳径を有する第１の対物レンズと、最小の瞳径を有する第２の対物レンズを含む、複数の対物レンズから選択され、第１の対物レンズの瞳径をＤＬとし、第２の対物レンズの瞳径をＤＳとし、第２のフライアイレンズ面のレンズ要素のピッチをＰとし、第２のフライアイレンズの有効径をＥとするとき、以下の条件式
０．６＜Ｅ×β／ＤＬ＜１．２ ・・・（２）
１＜ＤＳ／（β×Ｐ）＜３ ・・・（３）
２≦ＤＬ／ＤＳ≦５ ・・・（４）
を満たす落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の落射蛍光照明装置において、さらに、第２のフライアイレンズ面近傍に光源の像が複数形成される第１の状態と、第１のフライアイレンズ面近傍に光源の像が形成される第２の状態とを、切替えるための切替え手段を含む落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第５の態様に記載の落射蛍光照明装置において、切替え手段は、光源とコレクタレンズとの距離を変化させる落射蛍光照明装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第５の態様に記載の落射蛍光照明装置において、フライアイレンズ光学系は、光源側から順に、第１のフライアイレンズ面を含み、正のパワーを有する第１のフライアイレンズと、第２のフライアイレンズ面を含み、正のパワーを有する第２のフライアイレンズと、を含み、第２の状態における第１のフライアイレンズ面近傍に形成される光源の像の大きさをＨとし、第１のフライアイレンズ面のレンズ要素のピッチをＰとし、第１のフライアイレンズ面に入射する照明光の開口数をＮＡ０とし、第２のフライアイレンズの焦点距離をＦ２とするとき、以下の条件式
１．５≦Ｈ／Ｐ≦５ ・・・（５）
０．５≦２×Ｆ２×ＮＡ０／Ｐ≦１ ・・・（６）
を満たす落射蛍光照明装置を提供する。
本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の落射蛍光照明装置を含む蛍光顕微鏡を提供する。

本発明によれば、対物レンズの瞳位置が変化しても高い照明の均一性を実現する落射蛍光照明装置、及び、それを備えた蛍光顕微鏡を提供することができる。

実施例１に係る落射蛍光照明装置を含む、蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。 実施例１に係る落射蛍光照明装置を含む、他の蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。 従来の落射明視野照明装置による標本面の照明状態の一例を説明する図である。 従来の落射明視野照明装置による標本面の照明状態の他の一例を説明する図である。 従来の落射明視野照明装置による標本面の照明状態のさらに他の一例を説明する図である。 実施例１に係る落射蛍光照明装置による標本面の照明状態の一例を説明する図である。 実施例１に係る落射蛍光照明装置による標本面の照明状態の他の一例を説明する図である。 実施例１に係る落射蛍光照明装置に含まれるフライアイレンズ面の投影像と対物レンズの瞳の関係を例示した図である。 実施例２に係る落射蛍光照明装置を含む、蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。 光源像がフライアイレンズのピッチに対して小さい場合の実施例２に係る落射蛍光照明装置に含まれるフライアイレンズ光学系の作用を説明するための図である。 光源像がフライアイレンズのピッチに対して大きい場合の実施例２に係る落射蛍光照明装置に含まれるフライアイレンズ光学系の作用を説明するための図である。 実施例２に係る落射蛍光照明装置に含まれるフライアイレンズ光学系ＦＬに入射する照明光の開口数とレンズ要素のピッチＰとの関係について説明するための図である。 実施例２に係る落射蛍光照明装置の変形例の構成を例示する図である。

以下、図面を参照しながら、各実施例について説明する。

図１Ａは、本実施例に係る落射蛍光照明装置を含む、蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。図１Ｂは、本実施例に係る落射蛍光照明装置を含む、他の蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。

まず、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、図１Ａに例示される蛍光顕微鏡１００、図１Ｂに例示される蛍光顕微鏡２００、及び本実施例に係る落射蛍光照明装置１の構成について説明する。

蛍光顕微鏡１００及び蛍光顕微鏡２００の各々は、標本面ＳＰを照明光で照明する落射蛍光照明装置１と、標本面ＳＰで生じた蛍光を結像する結像レンズＴＬと、を含んでいる。蛍光顕微鏡１００と蛍光顕微鏡２００は、いずれも同一の落射蛍光照明装置１を含んでいるが、落射蛍光照明装置１に含まれる対物レンズＯＢの取り付け位置が異なっている。

具体的には、蛍光顕微鏡１００は、例えば、ステージ移動型顕微鏡であり、落射蛍光照明装置１に含まれる対物レンズＯＢは、同じく落射蛍光照明装置１に含まれるダイクロイックミラーＤＭから比較的近い位置に配置されている。一方、蛍光顕微鏡２００は、例えば、レボルバー移動型顕微鏡であり、対物レンズＯＢは、ダイクロイックミラーＤＭから比較的離れた位置に配置されている。

本実施例に係る落射蛍光照明装置１は、照明光を射出する光源Ｓと、光源Ｓからの照明光が入射するコレクタレンズＣＬと、レンズＬ１及びレンズＬ２と、コレクタレンズＣＬからの照明光が入射するフライアイレンズ光学系ＦＬと、リレー光学系ＲＬと、視野絞りＦＳと、蛍光物質の励起に必要な波長の照明光を透過させる励起フィルタＥＦと、励起光として機能する照明光を反射し蛍光を透過させるダイクロイックミラーＤＭと、蛍光を透過させるバリアフィルタＢＦと、照明光を標本面ＳＰに照射する対物レンズＯＢと、を含んでいる。
光源Ｓは、例えば、ＬＥＤ光源である。また、光源Ｓとして、光ファイバ光源が用いられてもよい。
フライアイレンズ光学系ＦＬは、各々複数のレンズ要素からなる第１のフライアイレンズ面ＬＳ１と第２のフライアイレンズ面ＬＳ２を含んでいる。

より具体的には、フライアイレンズ光学系ＦＬは、光源Ｓ側から順に、光源Ｓ側に第１のフライアイレンズ面ＬＳ１を、標本面ＳＰ側に平面を有し、正のパワーを有する第１のフライアイレンズＬ３と、光源Ｓ側に平面を、標本面ＳＰ側に第２のフライアイレンズ面ＬＳ２を有し、正のパワーを有する第２のフライアイレンズＬ４を含んでいる。

なお、第１のフライアイレンズＬ３と第２のフライアイレンズＬ４は同一形状であり、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１に含まれるレンズ要素と第２のフライアイレンズ面ＬＳ２に含まれるレンズ要素のピッチは等しいことが望ましい。

リレー光学系ＲＬは、フライアイレンズ光学系ＦＬと対物レンズＯＢとの間に配置されている。また、リレー光学系ＲＬは、光源Ｓ側から順に、レンズＬ５及びレンズＬ６からなる第１レンズ群と、レンズＬ７及びレンズＬ８からなる第２レンズ群を含んでいる。視野絞りＦＳは、第１レンズ群ＬＧ１と第２レンズ群ＬＧ２の間に配置されている。

なお、第１レンズ群ＬＧ１及び第２レンズ群ＬＧ２は、ここでは、それぞれ２つのレンズから構成されているが、特にこれに限られない。第１レンズ群ＬＧ１は、少なくとも１つのメニスカスレンズを含み、全体として正のパワーを有し、且つ、最も視野絞りＦＳ側のレンズが、負のパワーを有していることが望ましい。また、第２レンズ群ＬＧ２は、負のパワーを有するレンズを含み、全体として正のパワーを有していることが望ましい。

上記構成を有するリレー光学系ＲＬは、光源共役位置における軸外収差性能を示す非点収差、コマ収差を良好に補正することができる。このため、フライアイレンズの各要素により形成される複数の光源像は、共役位置に均等な明るさと大きさの光源共役像として、リレー光学系によりリレーされることになり、その結果、均一な照明性能を得ることが可能となる。より詳細には、第２レンズ群ＬＧ２に負のパワーを有するレンズを含むことで、標本面に投影される視野絞り像の球面収差、色収差を良好に補正することが可能となる。
また、第１レンズ群、第２レンズ群は、接合レンズを用いることなく構成されることが好ましい。これにより、接合レンズに使用する接着剤が光源からの紫外線によって劣化し、それによって、リレー光学系ＲＬの透過率が低下することを防止するためである。
ダイクロイックミラーＤＭは、リレー光学系ＲＬと対物レンズＯＢの間に配置されている。

第１のフライアイレンズ面ＬＳ１は、対物レンズＯＢの前側（物体側）焦点位置、すなわち、標本面ＳＰと共役である。また、視野絞りＦＳも、標本面ＳＰと共役である。第２のフライアイレンズ面ＬＳ２は、フライアイレンズ光学系ＦＬの後側（物体側）焦点位置にある。
次に、蛍光顕微鏡１００、蛍光顕微鏡２００、及び、落射蛍光照明装置１の作用について説明する。

ＬＥＤ光源などの光源Ｓから射出された照明光は、コレクタレンズＣＬにより略平行光に変換され、レンズＬ１及びレンズＬ２より光束径を調整された後、略平行光としてフライアイレンズ光学系ＦＬに入射する。

略平行光として入射した照明光は、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（第１のフライアイレンズＬ３）により入射したレンズ要素毎に分割され、分割された照明光の各々は、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２近傍に集光する。従って、複数の光源像Ｓ１が、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２近傍に形成される。

なお、以降では、説明を簡略化するため、光源像Ｓ１が第２のフライアイレンズ面ＬＳ２上に形成される場合を例に説明するが、特にこれに限られない。光源像Ｓ１は、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２近傍に形成されればよい。

光源像Ｓ１の各々は、光源Ｓから射出される照明光の一部で、且つ、光源Ｓからの射出角度がそれぞれ異なる範囲内にある照明光により形成されている。例えば、光軸ＡＸ上に形成される光源像Ｓ１は、光軸ＡＸに対して小さな射出角度の照明光から形成されている。これに対して、光軸ＡＸからずれた位置に形成される光源像Ｓ１は、光軸ＡＸに対して大きな射出角度の照明光から形成されている。従って、光源Ｓの配光角特性は分割されて
、分割された配光角特性が光源像Ｓ１の各々に引き継がれることになる。

このようにして形成された光源像Ｓ１の各々は、リレー光学系ＲＬにより、光源像Ｓ２として第２のフライアイレンズ面ＬＳ２と共役な位置（以降、単に、共役位置と記す。）ＣＰにリレーされる。そして、光源像Ｓ２の各々が標本面ＳＰを照明する。つまり、分割された配光角特性を有する光源像Ｓ２の各々からの照明光が、対物レンズＯＢにより標本面ＳＰに照射され、標本面ＳＰで重なり合うことになる。その結果、光源Ｓの配光角特性に依存した照明の不均一は抑制される。

なお、図１Ａに例示される蛍光顕微鏡１００では、ダイクロイックミラーＤＭから対物レンズＯＢまでの距離が比較的近いため、共役位置ＣＰは、対物レンズの瞳位置ＰＰに対して標本面ＳＰ側に位置している。一方、図１Ｂに例示される蛍光顕微鏡２００では、ダイクロイックミラーＤＭから対物レンズＯＢまでの距離が比較的離れているため、共役位置ＣＰは、対物レンズの瞳位置ＰＰに対して光源Ｓ側に位置している。このように瞳位置ＰＰと共役位置ＣＰの間隔を予め所定距離だけ離して配置することにより、蛍光顕微鏡１００及び蛍光顕微鏡２００のいずれでも、高い照明の均一性を実現することができる。

以降では、このように瞳位置ＰＰと共役位置ＣＰを所定距離だけ離して配置することにより、対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰによらず、落射蛍光照明装置１、及び、落射蛍光照明装置１を備えた蛍光顕微鏡が、高い照明均一性を実現することができることについて説明する。
まず、本落射蛍光照明装置１の特徴を明確にするために、落射照明装置の一種である、従来の落射明視野照明装置による照明について簡単に説明する。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、従来の落射明視野照明装置による標本面の照明状態の例を説明する図である。図２Ａは、ケーラー照明が実現されている落射照明状態を例示し、図２Ｂ及び図２Ｃは、ケーラー照明が実現されていない照明状態を例示している。なお、落射明視野照明装置は、標本面で正反射された反射光により標本面を観察する明視野顕微鏡に用いられる照明装置である。

図２Ａで例示されるように、共役位置ＣＰと対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰとが一致している状態では、瞳位置ＰＰを通過する照明光の主光線は、それぞれ対物レンズＯＢで屈折し、標本面ＳＰに光軸ＡＸと平行に入射する。このため、標本面ＳＰを正反射した反射光は、照明光と同じ光路を通って不図示の観察光学系へ導かれる。これは、照明範囲を規定する最軸外の主光線ＬＢ１及びＬＢ２でも同様であるため、図２Ａのように構成された明視野照明装置では、照明範囲を良好に観察することができる。

一方、図２Ｂ及び図２Ｃで例示されるように、共役位置ＣＰと対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰが一致しない場合には、標本面ＳＰ上の十分な範囲を観察することができない状態が生じえる。

図２Ｂで例示されるように、共役位置ＣＰが瞳位置ＰＰよりも標本面ＳＰ側にある場合には、最軸外の主光線ＬＢ１及びＬＢ２は、対物レンズＯＢで光軸ＡＸに対して外向きに屈折される。この場合、十分な照明範囲が確保できた場合であっても、反射光が対物レンズＯＢの有効径の外側に逸れてしまうことが原因で、照明範囲が十分に観察できない状態が生じえる。

また、図２Ｃで例示されるように、共役位置ＣＰが瞳位置ＰＰよりも光源側にある場合には、最軸外の主光線ＬＢ１及びＬＢ２は、図２Ｂとは反対に、対物レンズＯＢで光軸ＡＸに対して内向きに屈折される。このため、照明範囲自体が狭くなり、標本面ＳＰ上の十
分な範囲が観察できない状態が生じえる。また、反射光の光路が照明光の光路とは異なるため、反射光に対するビネッティングが原因で、照明範囲が十分に観察できない状態も生じえる。

このように、落射明視野照明装置では、標本面ＳＰで正反射された反射光により標本面ＳＰを観察することを前提としているため、標本面ＳＰを光軸ＡＸと平行に照明するケーラー照明が望ましい。

一方、本実施例に係る落射蛍光照明装置１の場合には、明視野照明装置とは異なり、必ずしもケーラー照明を必要としない。落射蛍光照明装置が用いられる蛍光顕微鏡は、標本面ＳＰで反射された反射光ではなく、標本面ＳＰ上に存在する蛍光物質から生じる蛍光が観察されるからである。

図３Ａ及び図３Ｂは、本実施例に係る落射蛍光照明装置１による標本面の照明状態の例を説明する図であり、それぞれケーラー照明が実現されていない照明状態を例示している。

図３Ａで例示されるように、共役位置ＣＰが瞳位置ＰＰよりも標本面ＳＰ側にある場合には、最軸外の主光線ＬＢ１及びＬＢ２は、対物レンズＯＢで光軸ＡＸに対して外向きに屈折される。標本面ＳＰでは、照明光により蛍光物質が励起されて蛍光が生じるが、蛍光は照明光の入射角によらず、さまざまな方向に放出される。このため、入射角によらず、発生した蛍光のうち一定の割合の蛍光が、対物レンズＯＢの有効径内に入射する。その結果、照明範囲Ｒ０を良好に観察することができる。

また、図３Ｂで例示されるように、共役位置ＣＰが瞳位置ＰＰよりも光源Ｓ側にある場合には、最軸外の主光線ＬＢ１及びＬＢ２は、対物レンズＯＢで光軸ＡＸに対して内向きに屈折される。このため、照明範囲自体が狭くなり、標本面ＳＰ上の十分な範囲が観察できない状態が生じえる。そこで、本実施例に係る落射蛍光照明装置１では、予め照明光が共役位置ＣＰに入射する際の開口数（以降、入射開口数と記す。）を所望の大きさの照明範囲Ｒ０に応じて設計する。より具体的には、落射蛍光照明装置１は、共役位置ＣＰと瞳位置ＰＰとが一致する場合（つまり、ケーラー照明状態）の入射開口数ＮＡ１よりも大きな入射開口数ＮＡ２を有するように設計される。これにより、照明範囲Ｒ０を良好に観察することができる。

このように、落射蛍光照明装置では、明視野照明装置などの他の落射照明装置に比べて、ケーラー照明を実現しない場合に生じる照明性能の劣化は小さい。このため、必ずしも瞳位置ＰＰと共役位置ＣＰを一致させる必要性はない。

しかしながら、瞳位置ＰＰから共役位置ＣＰがあまりにも離れすぎると、照明光に対してビネッティングが生じてしまうことが原因で、照明性能が劣化してしまう。

このため、図１Ａ及び図１Ｂに例示される落射蛍光照明装置１では、共役位置ＣＰを、予め想定される瞳位置ＰＰの変化に対して最適な位置に設定することで、対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰによらず、高い照明の均一性を実現する。

なお、想定される瞳位置ＰＰの変化のうち、最も大きな変化は、落射蛍光照明装置１が使用される顕微鏡が、ステージ移動型顕微鏡からレボルバー移動型顕微鏡に（またはその反対に）変わった場合に生じうる。このため、落射蛍光照明装置１の共役位置ＣＰは、ステージ移動型顕微鏡での瞳位置とレボルバー移動型顕微鏡での瞳位置のおよそ中間の位置に配置する。上記の顕微鏡の構成間で生じうる対物レンズの変動量は対物レンズの同焦点
距離の１倍から１．５倍程度であるので、落射蛍光照明装置１の共役位置ＣＰは、任意の蛍光顕微鏡において、以下の条件式を満すように構成される。
０．３≦Ｄ０／Ｌｏｂ≦０．７５ ・・・（１）

ここで、Ｄ０は、リレー光学系ＲＬを介して第２のフライアイレンズ面ＬＳ２と共役な位置ＣＰと対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰとの距離であり、Ｌｏｂは、対物レンズＯＢの同焦点距離である。距離Ｄ０は、ダイクロイックミラーＤＭから共役位置ＣＰまでの距離をＤ２とし、ダイクロイックミラーＤＭから瞳位置ＰＰまでの距離をＤ３とすると、Ｄ０＝｜Ｄ２−Ｄ３｜で表される。なお、Ｄ２−Ｄ３は、ステージ移動型顕微鏡で正の値を示し、レボルバー移動型顕微鏡で負の値を示す。

条件式（１）は、共役位置ＣＰと瞳位置ＰＰとの距離を規定した式であり、共役位置ＣＰ近傍に光源像Ｓ２がリレーされることを考慮すると、瞳位置ＰＰと光源像Ｓ２との距離を規定した式でもある。条件式（１）を満たすことで、対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰによらず、特に、顕微鏡がステージ移動型顕微鏡であるかレボルバー移動型顕微鏡であるかによらず、高い蛍光照明の均一性を実現することができる。

条件式（１）の上限値を上回ると、瞳位置ＰＰと共役位置ＣＰが離れすぎてしまうため、対物レンズＯＢでビネッティングが生じ、観察に必要な照明範囲が保てなくなり照明の均一性が劣化する。一方、条件式（１）の下限値を下回ると、現在使用されている顕微鏡（例えば、ステージ移動型顕微鏡）では、高い照明の均一性を実現できるが、異なる構成の顕微鏡（例えば、レボルバー移動型顕微鏡）では、瞳位置ＰＰと共役位置ＣＰが離れすぎてしまうため、ビネッティングが生じ照明の均一性を維持できない。

このように、本実施例に係る落射蛍光照明装置１では、検出対象である蛍光が励起光の入射角度によらず全方向に放射されるという落射蛍光照明装置固有の特性を利用し、落射蛍光照明装置に特化した設計が行われている。これにより、対物レンズの瞳位置の変動に強く、且つ、照明の均一性に優れた照明装置を実現することができる。

また、照明装置に用いられる対物レンズＯＢは、通常、必要な観察倍率に応じて複数の対物レンズから選択して使用されるが、落射蛍光照明装置１は、以下の条件式を満たすことが望ましい。
０．６＜Ｅ×β／ＤＬ＜１．２ ・・・（２）
１＜ＤＳ／（β×Ｐ）＜３ ・・・（３）
２≦ＤＬ／ＤＳ≦５ ・・・（４）

ここで、ＤＬは、使用される複数の対物レンズのうち最大の瞳径を有する第１の対物レンズＯＢ１の瞳径であり、ＤＳは、複数の対物レンズのうち最小の瞳径を有する第２の対物レンズＯＢ２の瞳径である。また、Ｐは、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチであり、Ｅは、第２のフライアイレンズＬ４（フライアイレンズ光学系ＦＬ）の有効径である。

なお、図４では、共役位置ＣＰに投影された第２のフライアイレンズ面が例示されている。第２のフライアイレンズ面ＬＳ２は共役位置ＣＰにβ倍で投影されるため、共役位置ＣＰに投影された第２のフライアイレンズ面ＬＳ２の有効径はＥ×βであり、また、共役位置ＣＰに投影された第２のフライアイレンズ面ＬＳ２のレンズ要素のピッチはＰ×βとなる。

条件式（２）は、対物レンズＯＢの最大瞳径ＤＬに対する光源像Ｓ２全体の大きさの比率を規定した式である。なお、光源像Ｓ２全体の大きさは、共役位置ＣＰに投影された第
２のフライアイレンズ面ＬＳ２の有効径として近似される。条件式（２）の上限値を上回ると、対物レンズＯＢの瞳の外側を励起光が通過することになるため、照明効率が低下する。一方、条件式（２）の下限値を下回ると、明るさが不足する。

条件式（３）は、対物レンズＯＢの最小瞳径ＤＳ内に形成される第２のフライアイレンズ面ＬＳ２のレンズ要素の数を規定した式である。条件式（３）の上限値を上回ると、励起光に作用するレンズ要素の数が多いため、境界で生じる励起光の損失が大きくなり、照明の明るさが低下する。一方、条件式（３）の下限値を下回ると、フライアイレンズ光学系ＦＬでの分割数が少ないため、光源Ｓの配光角特性に依存した照明の不均一が十分に抑制されない。

条件式（４）は、対物レンズＯＢの最小瞳径ＤＳに対する最大瞳径ＤＬの比を規定した式である。条件式（４）の上限値を上回ると、高倍率の対物レンズの瞳径が相対的に小さくなり、倍率に対して開口数が小さくなる。このため、照明の明るさが低下する。また、十分な量の蛍光を取り込めないため、蛍光画像の明るさも低下する。一方、条件式（４）の下限値を下回ると、低倍率の対物レンズの瞳径が相対的に小さくなり、倍率に対して開口数が小さくなる。上限値および下限値を逸脱すると低倍から高倍での蛍光観察において効率良く蛍光観察することができなくなり好ましくない。
条件式（２）から条件式（４）を満たすことで、複数の対物レンズの倍率によらず、さらに、良好な照明性能を実現することができる。

以上、本実施例によれば、対物レンズの瞳位置が変化しても高い照明の均一性を実現する、フライアイレンズ光学系を用いた落射蛍光照明装置、及び、それを備えた蛍光顕微鏡を提供することができる。

なお、以上では、共役位置ＣＰが固定され、対物レンズＯＢの瞳位置ＰＰが変化する例を示したが、特にこれに限られない。落射蛍光照明装置は、例えば、複数の光源の各々から同一の対物レンズへ至る複数の照明経路を有し、且つ、その照明経路の各々にフライアイレンズ光学系を含んでもよい。この場合、各フライアイレンズ光学系の共役位置はそれぞれ異なるが、対物レンズの瞳位置に対して条件式（１）を満たすことで、落射蛍光照明装置１と同様に高い照明の均一性を実現し得る。
また、図４では、フライアイレンズ面のレンズ要素の形状が六角形である例を示したが、特にこれに限られない。レンズ要素は、その他の形状でもよく、例えば、矩形形状やその他の多角形形状として構成されてもよい。

図５は、本実施例に係る落射蛍光照明装置を含む、蛍光顕微鏡の構成を例示する図である。図５に例示される蛍光顕微鏡３００は、標本面ＳＰを照明光で照明する落射蛍光照明装置２と、標本面ＳＰで生じ、対物レンズＯＢで取り込まれた蛍光を結像する結像レンズＴＬと、を含んでいる。なお、ここでは、蛍光顕微鏡３００は、共役位置ＣＰに対して瞳位置ＰＰが光源Ｓ側に配置された構成が例示されているが、特にこれに限られない。共役位置ＣＰに対して瞳位置ＰＰが標本面ＳＰ側に配置されてもよい。

本実施例に係る落射蛍光照明装置２は、コレクタレンズＣＬが光軸方向に移動することにより、光源ＳとコレクタレンズＣＬとの距離が変化する点を除き、実施例１に係る落射蛍光照明装置１と同様である。このため、落射蛍光照明装置１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

落射蛍光照明装置２は、光源ＳとコレクタレンズＣＬとの距離を変化させる手段であるコレクタレンズＣＬが移動することで、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２近傍に光源像Ｓ
１が複数形成される第１の状態と、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に光源像Ｓａが形成される第２の状態とを、切替えることができる。第１の状態では、落射蛍光照明装置２は、実施例１に係る落射蛍光照明装置１と同様に、高い照明の均一性を実現することができる。一方、第２の状態では、落射蛍光照明装置２は、第１の状態に比べて照明の均一性で劣るが、フライアイレンズ光学系を含まない従来のケーラー照明装置に比べて高い照明の均一性を実現しながら、第１の状態に比べて明るい照明を実現することができる。

次に、図５を参照しながら、本実施例に係る落射蛍光照明装置２の第２の状態について説明する。なお、第１の状態は、実施例１に係る落射蛍光照明装置１が実現する状態と同様であるので、説明を省略する。

第２の状態では、光源Ｓから射出された照明光は、コレクタレンズＣＬにより収束光に変換され、レンズＬ１及びレンズＬ２を介して、第１のフライアイレンズＬ３の第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に集光する。これにより、照明光が集光した第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍には、単一の光源像Ｓａが形成される。

なお、以降では、説明を簡略化するため、光源像Ｓａが第１のフライアイレンズ面ＬＳ１上に形成される場合を例に説明するが、特にこれに限られない。光源像Ｓａは、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に形成されればよい。

光源像Ｓａは、フライアイレンズ光学系ＦＬ及びリレー光学系ＲＬの第１レンズ群ＬＧ１（レンズＬ３、レンズＬ４）により、視野絞りＦＳ上に光源像Ｓｂとしてリレーされる。さらに、光源像Ｓｂは、リレー光学系の第２レンズ群ＬＧ２（レンズＬ５、レンズＬ６）及び対物レンズＯＢにより、光源像Ｓｃとして標本面ＳＰにリレーされる。そして、光源像Ｓｃが標本面ＳＰを照明する。このように、落射蛍光照明装置２の第２の状態は、標本面ＳＰ上に光源像が形成されるクリティカル照明状態であるため、第１の状態の落射蛍光照明装置２に比べて、明るい照明を実現できる。

次に、第２の状態でのフライアイレンズ光学系ＦＬの作用について説明する。図６は、光源像Ｓａの大きさが第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチＰより小さい場合のフライアイレンズ光学系ＦＬの作用を説明するための図である。図７は光源像Ｓａの大きさが第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチＰより大きい場合のフライアイレンズ光学系ＦＬの作用を説明するための図である。図８は、フライアイレンズ光学系ＦＬに入射する照明光の開口数とレンズ要素のピッチＰの関係について説明するための図である。

図６（ａ）に例示されるように、光源像Ｓａが小さく、１つのレンズ要素内に投影されている場合、光源像Ｓａから射出される照明光は１つのレンズ要素内に入射する。そして、照明光はフライアイレンズ光学系ＦＬにより分割されることなく標本面ＳＰまで到達する。このため、図６（ｂ）に例示されるように、光源像Ｓａの輝度分布がそのまま標本面ＳＰ上の投影されるため、照明の均一性は良好でない。また、この場合、照明範囲Ａ１は視野範囲Ａ２を満たしていないため、視野の周辺部分には照明光は照射されず、視野の周辺部分が暗くなる。

一方、図７（ａ）に例示されるように、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１上に形成される光源像Ｓａの大きさがレンズ要素のピッチＰに比べて大きい場合、光源像Ｓａから射出される照明光は複数のレンズ要素に入射する。このため、照明光はフライアイレンズ光学系ＦＬにより分割されて、分割された照明光の各々が標本面ＳＰに到達する。なお、照明光が分割されるとき、光源Ｓの輝度分布も分割され、分割された輝度分布が照明光の各々に引き継がれることになる。このため、図７（ｂ）に例示されるように、標本面ＳＰ上の
照明範囲Ａ１の輝度分布は、分割された輝度分布を重ねた輝度分布となり、従来のクリティカル照明に比べて照明の均一性が改善される。また、この場合、照明範囲Ａ１は視野範囲Ａ２を満たしているため、視野全体に照明光が照射されることになる。

以上、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１上に光源像Ｓａが形成される第２の状態では、落射蛍光照明装置２は、光源像Ｓａの大きさを第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチＰより大きくすることで、従来のクリティカル照明より均一性の高い照明を実現できる。
従って、落射蛍光照明装置２は、第２の状態において、以下の条件式を満たすことが望ましい。
１．５≦Ｈ／Ｐ≦５ ・・・（５）
０．５≦２×Ｆ２×ＮＡ０／Ｐ≦１ ・・・（６）

ここで、Ｈは、第２の状態における第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に形成される光源像Ｓａの大きさであり、Ｐは、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチであり、ＮＡ０は、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１に入射する照明光の開口数であり、Ｆ２は、第２のフライアイレンズの焦点距離をＦ２である。

条件式（５）は、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１（フライアイレンズ光学系ＦＬ）のレンズ要素のピッチＰに対する第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に形成される光源像Ｓａの大きさＨの比を規定した式である。条件式（５）の上限値を上回ると、ピッチＰが小さくなるため、フライアイレンズの境界での損失が大きくなる。その結果、明るさが低下する。一方、条件式（５）の下限値を下回ると、フライアイレンズ光学系ＦＬでの照明光の分割数が小さいため、光源の輝度分布が十分に分割されず、照明の均一性が十分に改善されない。

条件式（６）は、フライアイレンズ光学系ＦＬのレンズ要素のピッチＰに対する各レンズ要素から射出される照明光の光束径の比を規定した式である。なお、図８を参照して理解されるように、条件式（６）の上限値を上回ると、第１のフライアイレンズＬ３のレンズ要素から射出された照明光の一部が第２のフライアイレンズＬ４の対応するレンズ要素に入射できず、光量の損失が生じるため、照明強度が低下する。一方、図８を参照して理解されるように、条件式（６）の下限値を下回ると、第２のフライアイレンズＬ４の各レンズ要素から射出される照明光の光束径がピッチＰに対して小さくなる。このため、レンズ要素内の領域を十分に利用できず、照明性能が低下する。

条件式（５）及び条件式（６）を満たすことで、第２の状態において、第１の状態に比べた照明の均一性の低下を最小限に抑え、且つ、第１の状態に比べて明るい照明を実現することができる。

以上、本実施例によれば、実施例１と同様に、対物レンズの瞳位置が変化しても高い照明の均一性を実現する、フライアイレンズ光学系を用いた落射蛍光照明装置、及び、それを備えた蛍光顕微鏡を提供することができる。また、本実施例では、コレクタレンズＣＬの移動により第１の状態と第２の状態を切り換えることで、必要とされる照明性能に応じて、照明の均一性と照明の明るさのバランスを調整することができる。
なお、本実施例においても、フライアイレンズのレンズ要素の形状は、特に限定されない。図６及び図７で例示される六角形形状の他に、例えば、矩形形状やその他の多角形形状で構成されてもよい。

図９は、本実施例に係る落射蛍光照明装置の変形例の構成を例示する図である。図９に
例示される落射蛍光照明装置３は、光源Ｓが光軸方向に移動することにより、光源ＳとコレクタレンズＣＬとの距離が変化する点を除き、実施例２に係る落射蛍光照明装置２と同様である。

落射蛍光照明装置３は、光源ＳとコレクタレンズＣＬとの距離を変化させる手段である光源Ｓが移動することで、第２のフライアイレンズ面ＬＳ２近傍に光源像Ｓ１が複数形成される第１の状態と、第１のフライアイレンズ面ＬＳ１近傍に光源像Ｓａが形成される第２の状態とを、切替えることができる。

以上、本変形例によっても、実施例２と同様の効果を得ることができる。つまり、対物レンズの瞳位置が変化しても高い照明の均一性を実現する、フライアイレンズ光学系を用いた落射蛍光照明装置、及び、それを備えた蛍光顕微鏡を提供することができる。また、光源Ｓの移動により第１の状態と第２の状態を切り換えることで、必要とされる照明性能に応じて、照明の均一性と照明の明るさのバランスを調整することができる。

１、２、３・・・落射蛍光照明装置、１００、２００、３００・・・蛍光顕微鏡、Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓａ、Ｓｂ・・・光源、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８・・・レンズ、Ｌ３・・・第１のフライアイレンズ、Ｌ４・・・第２のフライアイレンズ、ＣＬ・・・コレクタレンズ、ＦＬ・・・フライアイレンズ光学系、ＲＬ・・・リレー光学系、ＯＢ、ＯＢ１、ＯＢ２・・・対物レンズ、ＴＬ・・・結像レンズ、ＡＸ・・・光軸、ＬＳ１・・・第１のフライアイレンズ面、ＬＳ２・・・第２のフライアイレンズ面、ＦＳ・・・視野絞り、ＥＦ・・・励起フィルタ、ＢＦ・・・バリアフィルタ、ＤＭ・・・ダイクロイックミラー、ＰＰ・・・瞳位置、ＣＰ・・・共役位置、ＳＰ・・・標本面、ＬＢ１、ＬＢ２・・・光線、ＬＧ１・・・第１レンズ群、ＬＧ２・・・第２レンズ群

Claims (8)

1. レボルバー移動型顕微鏡とステージ移動型顕微鏡とに対応可能な落射蛍光照明装置であって、
   照明光を射出する光源と、
   前記光源からの前記照明光が入射するコレクタレンズと、
   前記コレクタレンズからの前記照明光が入射するフライアイレンズ光学系と、
   前記照明光を標本面に照射する対物レンズと、
   前記フライアイレンズ光学系と前記対物レンズの間に配置されるリレー光学系と、
   視野絞りと、を含み、
   前記フライアイレンズ光学系は、各々複数のレンズ要素からなる第１のフライアイレンズ面及び第２のフライアイレンズ面を含み、
   前記リレー光学系は、前記光源側から順に、
   少なくとも１つのメニスカスレンズを含み、全体として正のパワーを有する、第１レンズ群と、
   負のパワーを有するレンズを含み、全体として正のパワーを有する第２レンズ群と、を含み、
   前記視野絞りは、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間であって、前記標本面と共役な位置に配置され、
   前記第１レンズ群は、最も前記視野絞り側に、負のパワーを有するレンズを備え、
   前記リレー光学系を介して前記第２のフライアイレンズ面と共役な位置と前記対物レンズの瞳位置との距離をＤ０とし、前記対物レンズの同焦点距離をＬｏｂとするとき、前記第２のフライアイレンズ面と共役な位置は、標本観察時において、前記対物レンズの瞳位置に対して前記ステージ移動型顕微鏡で標本側に、前記レボルバー移動型顕微鏡で前記光源側にあり、以下の条件式
   ０．３≦Ｄ０／Ｌｏｂ≦０．７５
   を満たすことを特徴とする落射蛍光照明装置。
2. 請求項１に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記第１のフライアイレンズ面は、前記対物レンズの前側焦点位置と共役であり、
   前記第２のフライアイレンズ面は、前記フライアイレンズ光学系の後側焦点位置にあることを特徴とする落射蛍光照明装置。
3. 請求項２に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記コレクタレンズは、前記照明光を略平行光に変換し、
   前記リレー光学系は、前記第２のフライアイレンズ面近傍に形成される前記光源の像を、前記第２のフライアイレンズ面と共役な位置近傍にリレーすることを特徴とする落射蛍光照明装置。
4. 請求項１に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記対物レンズは、最大の瞳径を有する第１の対物レンズと、最小の瞳径を有する第２の対物レンズを含む、複数の対物レンズから選択され、
   前記第１の対物レンズの瞳径をＤＬとし、前記第２の対物レンズの瞳径をＤＳとし、前記第２のフライアイレンズ面の前記レンズ要素のピッチをＰとし、前記第２のフライアイレンズの有効径をＥとするとき、以下の条件式
   ０．６＜Ｅ×β／ＤＬ＜１．２
   １＜ＤＳ／（β×Ｐ）＜３
   ２≦ＤＬ／ＤＳ≦５
   を満たすことを特徴とする落射蛍光照明装置。
5. 請求項１に記載の落射蛍光照明装置において、さらに、
   前記第２のフライアイレンズ面近傍に前記光源の像が複数形成される第１の状態と、前記第１のフライアイレンズ面近傍に前記光源の像が形成される第２の状態とを、切替えるための切替え手段を含むことを特徴とする落射蛍光照明装置。
6. 請求項５に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記切替え手段は、前記光源と前記コレクタレンズとの距離を変化させることを特徴とする落射蛍光照明装置。
7. 請求項５に記載の落射蛍光照明装置において、
   前記フライアイレンズ光学系は、前記光源側から順に、
   前記第１のフライアイレンズ面を含み、正のパワーを有する第１のフライアイレンズと、
   前記第２のフライアイレンズ面を含み、正のパワーを有する第２のフライアイレンズと、を含み、
   前記第２の状態における前記第１のフライアイレンズ面近傍に形成される前記光源の像の大きさをＨとし、前記第１のフライアイレンズ面の前記レンズ要素のピッチをＰとし、前記第１のフライアイレンズ面に入射する前記照明光の開口数をＮＡ０とし、前記第２のフライアイレンズの焦点距離をＦ２とするとき、以下の条件式
   １．５≦Ｈ／Ｐ≦５
   ０．５≦２×Ｆ２×ＮＡ０／Ｐ≦１を満たすことを特徴とする落射蛍光照明装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の落射蛍光照明装置を含むことを特徴とする蛍光顕微鏡。