照明装置
【課題】ＬＥＤ光源を用いた照明装置であって、小型で光束のロスの少なく、照明均一性の高いものを提供する。
【解決手段】照明装置は、ＬＥＤ１１と、コリメータ１５、フライアイインテグレータ（オプティカルインテグレータ）３０により構成される光源部Ａ、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いている。平行化素子であるコリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねており、ＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子である。このように、ＬＥＤ１１を保護する封止材に平行化素子の役割を兼用させることにより、平行化素子を大型化することなく、ＬＥＤ１１からの光束を有効に利用することができる。
【解決手段】照明装置は、ＬＥＤ１１と、コリメータ１５、フライアイインテグレータ（オプティカルインテグレータ）３０により構成される光源部Ａ、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いている。平行化素子であるコリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねており、ＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子である。このように、ＬＥＤ１１を保護する封止材に平行化素子の役割を兼用させることにより、平行化素子を大型化することなく、ＬＥＤ１１からの光束を有効に利用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、顕微鏡照明光学系において照度ムラを低減した照明方法として、ケーラー照明と称される照明方法が広く知られている。図１１にケーラー照明法による顕微鏡透過照明の構成図を示す。なお、以下の各図において互いに同一あるいは相当する構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略することがある。
【０００３】
ケーラー照明は、光源１０と、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いる。
【０００４】
コレクタレンズ２０は、前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光束を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置には視野絞り５０が配置される。この視野絞り５０が配置される面は、光源１０から発せられた光が均一に拡散されることにより照度ムラが最も少なくなる位置となる。
【０００５】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。この開口絞り６０の配置される面においては拡大された光源像が結像する。
【０００６】
また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【０００７】
上述したリレーレンズ４０とコンデンサレンズ７０とにより、視野絞り５０の像は、視野面８０上に結像する。即ち、視野絞り５０と視野面８０とは共役の関係にあり、視野絞り５０を小さくしたときには、視野面８０における照明領域を定めることができる。
【０００８】
また、光源１０はコレクタレンズ２０とリレーレンズ４０とにより、開口絞り６０の面において結像する。これにより開口絞り６０は視野面８０に照射される光の角度、即ち照明開口数（ＮＡ）を定めることができる。
【０００９】
しかしながら、上述のケーラー照明を用いた場合であっても光源の発光角度特性の影響により照射領域の中央部は明るく照射され、照射領域の端部は暗く照射される傾向が残り、均一な明るさで照射することが困難であった。
【００１０】
特に近年、小型化、長寿命化の観点から光源に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることが提案されているが、従来のハロゲンランプに比べ発光面積の小さいＬＥＤを光源に用いてハロゲンランプと同等の照明ＮＡを実現するために開口絞り上の光源像倍率を大きくすると、光源からコレクタレンズによって取り込まれる光束の取り込み角が増大し、照射領域の不均一がより顕著に現れるようになる。
【００１１】
このような光源の発光角度特性の影響による照明ムラを改善するために例えば特開２００２−４０３２７号公報（特許文献１）のようにオプティカルインテグレータ（フライアイインテグレータ）を用いた照明用装置が提案されている。
【００１２】
図１２に従来技術におけるフライアイ照明光学系の構成図を示す。フライアイ照明光学系は、光源１０と、コレクタレンズ２０、フライアイインテグレータ３０、リレーレンズ４１、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いる。
【００１３】
コレクタレンズ２０は、前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光束を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。
【００１４】
更に、フライアイインテグレータの射出面が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４１を配置し、このリレーレンズ４１の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００１５】
更に、リレーレンズ４１の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。
【００１６】
また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【００１７】
図１１と図１２の対比から明らかなように、フライアイ照明光学系はケーラー照明光学系のコレクタレンズ２０と視野絞り５０との間にフライアイインテグレータ３０とリレーレンズ４１とが追加された構成となっている。
【００１８】
フライアイインテグレータ３０を構成する単位レンズは両面の曲率半径│r│が等しく、左右の頂点がそれぞれ反対側から平行光を入れたときの焦点になっている。フライアイインテグレータ３０はこの単位レンズを数十個各頂点が同一平面上に乗るように束ねて配置されている。各単位レンズの入射面は照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係にリレーレンズ４１の後側焦点（視野絞り５０の配置される面）に生じ、視野絞り５０を重畳的に照明する。フライアイインテグレータ３０の入射面上の照度は光源の放射角度特性によって中心が明るく、周辺が暗く照明されるが各単位レンズの入射面が重畳的に視野絞り５０上に投影されるため、視野絞り面全体での照度の均一性が向上する。一方でフライアイインテグレータ３０の後側頂点面には各単位レンズに小さな光源像が規則正しく並び、二次光源を形成する。
【００１９】
更にフライアイ照明光学系では、ケーラー照明光学系と同様に視野絞り５０と視野面８０、及び二次光源と開口絞り６０がそれぞれ共役に配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで照明領域と照明開口数を定めることができる。
【００２０】
更に、フライアイインテグレータ３０により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。
【００２１】
このように顕微鏡照明光学系においてフライアイ照明光学系を用いたものとして、例えば特許文献１から特許文献３に示すようなものが提案されている。特許文献１には、光源としてハロゲンランプを用いた顕微鏡照明光学系の例が開示されている。また、特許文献２及び特許文献３には、光源にＬＥＤを用いた顕微鏡照明光学系の例が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−４０３２７号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７２８６号公報
【特許文献３】特開２００３−５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献２及び特許文献３に記載される発明は、いずれもＬＥＤを拡散光源として取り扱い、コレクタレンズの前側焦点位置に配置することでＬＥＤからの光束をコレクタレンズにより略平行に変換した後、フライアイインテグレータに入射させている。このような構成においては、コレクタレンズの取り込み角度以上の角度でＬＥＤから放出される光束は光学系に入射せず、照射に到達しないためＬＥＤからの光束を有効に利用することができない。
【００２３】
また、照明光源にＬＥＤを用いる利点の一つとして装置の小型化が上げられるが、上述の通りフライアイ照明光学系はケーラー照明光学系にフライアイインテグレータとリレーレンズとが追加された構成となっていることから、ケーラー照明光学系に比べ装置が大型化してしまう。更に、特許文献２及び特許文献３に記載の発明のように、コレクタレンズで略平行光に変換したのちフライアイインテグレータに入射させる光学系の構成は（例えば特許文献１に記載された）光源にハロゲンランプを用いたものと変わらず、小型の光源であるＬＥＤに見合うような光学系の小型化がなされているとは言い難い。
【００２４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＬＥＤ光源を用いた照明装置であって、小型で光束のロスの少なく、照明均一性の高いものを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
前記課題を解決するための第１の手段は、固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子と、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部と、前記オプティカルインテグレータからの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系とを有することを特徴とする照明装置である。
【００２６】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段の光源部を、固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子とを複数個二次元的に配列したものと、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部に変えた照明装置である。
【００２７】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記平行化素子の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とするものである。
【数１】
【数２】
【００２８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第２の手段であって、前記二次元的に配置された平行化素子全体の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とするものである。
【数３】
【数４】
【００２９】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段又は第４の手段であって、次の式３を更に満足することを特徴とするものである。
【数５】
【００３０】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記微小レンズの入射面と前記微小レンズの射出面の面積が等しく、形状が異なることを特徴とするものである。
【００３１】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、前記微小レンズの射出面が正六角形又は、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形であり、前記オプティカルインテグレータの射出面においては、各六角形は、隙間や重なりが無く敷き詰められていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ＬＥＤ光源を用いた照明装置であって、小型で光束のロスの少なく、照明均一性の高いもの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】
【００３３】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である照明装置を示す図であり、顕微鏡の透過照明光学系に適用した例を示すものである。ここで、最大照射領域の大きさを直径ｄ５＝５ｍｍの円形領域、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘ＝0.15とする。
【００３４】
この実施の形態の照明装置は、ＬＥＤ１１と、コリメータ１５、フライアイインテグレータ（オプティカルインテグレータ）３０により構成される光源部Ａ、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いている。コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系は、オプティカルインテグレータ３０からの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系である。
【００３５】
平行化素子であるコリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねており、ＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子である。このように、ＬＥＤ１１を保護する封止材に平行化素子の役割を兼用させることにより、ＬＥＤ１１からの光の発散角が大きな場合でも、平行化素子（従来はコレクタレンズ２０を用いていた）を大型化することなく、ＬＥＤ１１からの光束を有効に利用することができる。
【００３６】
コリメータ１５の射出面近傍にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。フライアイインテグレータ３０の射出面には、各単位レンズ毎に小さな光源像が規則正しく並び、二次光源を形成する。フライアイインテグレータ３０は熱可塑樹脂の射出成型品とすることで安価に構成することが可能であり望ましい。
【００３７】
更に、フライアイインテグレータ３０の射出面が、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００３８】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。この開口絞り６０の配置される面においては拡大された光源像が結像する。また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【００３９】
図１１と図１の比較から明らかなとおり、本実施の形態における照明装置の構成は、ちょうど、ケーラー照明光学系の光源１０の位置にフライアイインテグレータ３０の射出端面に形成された２次光源を配置したものとなっている。このように構成することにより、ケーラー照明光学系と同様に、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで、照明領域と照明開口数を定めることができる。
【００４０】
また従来のフライアイ照明系と同様に、フライアイインテグレータ３０により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。
【００４１】
また、前述のように、コリメータ１５を封止樹脂と兼ねてＬＥＤ１１近傍に配置し、且つコリメータ１５射出面近傍にフライアイインテグレータ３０を配置して光源部Ａを構成しているので、光学系全体を小型化することが可能である。このように合成樹脂により構成されたコリメータ１５、フライアイインテグレータ３０を光源近傍に配置する構成は、小型で発熱の少ない固体光源であるＬＥＤを用いることで実現可能である。
【００４２】
図２は、ＬＥＤ１１及びコリメータ１５の例を説明したものである。コリメータ１５の反射面１５ｂは焦点距離ｆ＝0.425の回転放物面であり、放物面の焦点位置にＬＥＤ１１が配置されている。ＬＥＤ１１から放出された光束はコリメータレンズの反射面１５ｂにて全反射し、略平行光束に変換され、射出端面１５ｄから射出される。ここで射出端面１５ｄの形状は直径ｄ１＝6ｍｍの円形状である。
【００４３】
コリメータ１５から射出される光束の放射角度特性についてのシミュレーション結果を図３に示す。ここでＬＥＤ１１は３００μｍ四方、屈折率はｎ＝2.5、コリメータ１５の屈折率は1.53とした。図３からコリメータ１５から射出される光束の発散角は半値角（半角）でおよそθ＝４°であることがわかる。
【００４４】
コリメータ１５から射出した光束はフライアイインテグレータ３０に入射する。このときフライアイインテグレータ３０の入射面全面を照らすために式１を満足することが求められる。ここでｄ２はフライアイインテグレータ３０の有効直径である。
【数６】
【００４５】
フライアイインテグレータ３０の単位レンズの入射端面形状は照射領域と共役であることから、必要とされる照射領域と相似もしくは相似に近い形状とすることが望ましい。本実施の形態を顕微鏡の照明装置として使用する場合には、顕微鏡の目視観察領域である円形に近い正六角形とすることが望ましい。本実施の形態においてはフライアイインテグレータ３０の大きさは有効直径（光学的に有効な部分の直径）ｄ２＝６ｍｍの円形、各単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形であり一辺の長さは0.25ｍｍ（入射面の対角長ｄ３＝0.5ｍｍ）とする。
【００４６】
またLagrange不変則から光束の直径と開口数（ＮＡ）の積が光学系を通じて一定であることが知られている。被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとすると、光束の直径と開口数（ＮＡ）の積は、ＮＡＭＡＸ×ｄ５となる。一方、フライアイインテグレータ３０から放出される光のＮＡは、微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、微小レンズの焦点距離をｆｅとすると、ｄ３／（２ｆｅ）となり、光束の直径は、オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）ｄ２、となる。よって、被照明領域が有効に照明されるためには、
【数７】
であることが必要である。
【００４７】
前述の条件の下で、視野面８０における最大照射領域の大きさｄ５＝５ｍｍ、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘ＝0.15を実現するためには、ｆｅ＝1.6ｍｍとすることで条件を満足することができる。
【００４８】
またこのときフライアイインテグレータ３０の射出面に形成される光源像の大きさφは式４で与えられる。
【数８】
【００４９】
ここでθは、平行化素子であるコリメータ１５の射出面より放出される光束の発散角である。光源像の大きさφがフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４と比べ大きい場合、射出端面で光束のケラレが生じロスが生じる。
【００５０】
また、光源像の大きさφがフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４と比べ１／２以下であると各単位レンズの射出端面を光源像が満たす率（充足率）が小さくなりすぎ、所望の光量が得られなくなるため好ましくない。そのため本発明の好ましい形態としては、ＬＥＤ１１より発せられる光束を効率よく視野面８０に照射する条件として式３を満足することが望ましい。
【数９】
【００５１】
本実施の形態においては単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４＝0.433、コ＝リメータの発散角θ＝４°、単位レンズの焦点距離ｆｅ＝1.6ｍｍとしてφ＝0.11ｍｍであり式３を満足している。
【００５２】
本実施の形態においては、フライアイインテグレータ３０の単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形とした。これは顕微鏡の目視観察領域である円形に近い形状とするためであるが、例えば固体撮像素子での観察を目的として長方形の照明領域を照明する場合には入射面の形状は長方形とすることが望ましい。
【００５３】
撮像素子の形状に合わせ入射面の形状は長方形とする場合においても、単位レンズ射出面形状は内接円の直径ｄ４を極力大きくすることで光源像のケラレを防ぐことができるため、入射面と面積が等しくできるだけ円形に近い形状、特に正六角形とすることが望ましい。その場合フライアイインテグレータ３０の入射面と射出面の面積が等しく形状が異なるモザイク型フライアイとすることが望ましい（このような形状のフライアイインテグレータについては特許文献１に詳細に記載されている）。
【００５４】
フライアイインテグレータ３０の入射面と射出面の面積を等しくするのは、入射した光を効率良く出射させるためである。又、単位レンズの射出面の形状を正六角形とできるのは、単位レンズの光軸が正六角形に配列されている場合に限られる。単位レンズの光軸が正六角形に配列されておらず、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形に配列されている場合は、出射面の形状も、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形とし、かつ六角形が隙間や重なりが無く敷き詰められたものとすることが好ましい。
【００５５】
本実施の形態において、コリメータ１５は封止材を兼ねた均質の媒質により構成されているとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図４のように、コリメータ１５にかえてＬＥＤ１１近傍を媒質１４で満たし、更にコリメータ１６で２重に封止する構成としてもよい。図において、１６ａは媒質１４を封入した界面であり球形である。球の中心にＬＥＤ１１が位置しているので、ＬＥＤ１１からの光は、界面１６ａで屈折されることなく直進する。１６ｂは、ＬＥＤ１１を焦点位置とする回転放物面からなる反射面、１６ｄは射出端面である。
【００５６】
図４のような例は、特に、コリメータ１５のように外周面が全反射面を構成する封止材の屈折率が低い場合に、ＬＥＤ１１との間で全反射が発生して、光束がＬＥＤ１１の内部に閉じ込められるような場合に有効である。すなわち、ＬＥＤ１１とコリメータ１６の間を満たす媒質１４は屈折率ｎが式５を満足するようにすると、ＬＥＤ１１と媒質１４、媒質１４とコリメータ１６の間のいずれにおいても全反射が発生することを防止できる可能性があり望ましい。
【００５７】
ｎ１≧ｎ２≧ｎ３ … (５)
本実施の形態においてｎ１はＬＥＤ１１の屈折率＝2.5、ｎ３はコリメータ１６の屈折率＝1.53であるので、例えば媒質１４は屈折率ｎ２＝1.7の封止材とすればよい。
【００５８】
また本実施の形態においてコリメータ１５は放物面の反射面１５ｂによりＬＥＤ１１から放出される光束を平行化するとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図５のように、コリメータ１５にかえて、コリメータ１７のように反射と屈折を組み合わせた構成としてもよい。図５において、１７ｂは反射面、１７ｃは第１射出端面、１７ｄは第２射出端面である。ＬＥＤ１１から放出される中心部の光は、第１の射出端面１７ｃで屈折されて略平行光となって射出される。ＬＥＤ１１から放出される周縁部の光は、反射面１７ｂで全反射され、第２の射出端面１７ｄで屈折されて、略平行光となって射出される。このように構成することで、ＬＥＤ１１から光軸方向に放出される光束も平行化され、ＬＥＤ１１から放出される光束を効率的に平行化することが可能である。またさらに、図６のように２重に封止する構成としてもよい。図６において、１８はコリメータ、１８ａは媒質を封入した界面であり球形である。球の中心にＬＥＤ１１が位置しているので、ＬＥＤ１１からの光は、界面で屈折されることなく直進する。１８ｂは、反射面、１８ｃは第１射出端面、１８ｄは第２射出端面である。ＬＥＤ１１から放出される中心部の光は、第１の射出端面１８ｃで屈折されて略平行光となって射出される。ＬＥＤ１１から放出される周縁部の光は、反射面１８ｂで全反射され、第２の射出端面１８ｄで屈折されて、略平行光となって射出される。
【００５９】
本実施の形態における照明光学系は既存のケーラー照明光学系にレトロフィットとすることも可能である。前述のとおり本実施の形態における照明光学系の構成は、ケーラー照明光学系の光源１０の位置にフライアイインテグレータ３０の射出端面に形成られた２次光源を配置したものとなっている。すなわち、フライアイインテグレータ３０の径ｄ２をケーラー照明光学系のハロゲンランプのフィラメントサイズと同等の直径とし、フライアイインテグレータ３０から射出される光束の発散角θ２をケーラー照明光学系の光束取り込み角以上とすることで既存のケーラー照明光学系のハロゲンランプに換えて光源部Ａを配置することができる。
【００６０】
次に図７を参照して、本発明の第２の実施の形態である照明装置について説明する。この実施の形態は、顕微鏡の透過照明光学系に適用した例を示すものであり、第１の実施の形態との相違は光源部Ａを、ＬＥＤ１１とコリメータ１５を有する光源ユニットを複数個アレイ状に配列してなる光源部Ｂに置き換えた点である。ここで、最大照射領域の大きさを直径ｄ５＝１０ｍｍの円形領域、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘ＝0.3とする。
【００６１】
アレイ状に配置されたコリメータ１５から射出した光束はフライアイインテグレータ３０に入射する。本実施の形態においてはフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形であり一辺の長さは0.25ｍｍ（入射面の対角長ｄ３＝0.5ｍｍ）とする。
【００６２】
このときフライアイインテグレータ３０の入射面全面を照らすために式１を満足することが求められる。ここでｄ１はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の大きさ、ｄ２はフライアイインテグレータ３０の有効直径（光学的に有効な部分の直径）である。
【数１０】
【００６３】
また、またLagrange不変則から、前述のように、視野面８０における最大照射領域の大きさをｄ５、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘを実現するためにフライアイインテグレータ３０の微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、焦点距離をｆｅとして式２を満足することが求められる。
【数１１】
【００６４】
即ち、本実施の形態において視野面８０における最大照射領域の大きさｄ５＝１０、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘ＝0.3を満足する為には式６を満足しなければならない。
【数１２】
【００６５】
また本実施の形態において、ＬＥＤ１１より発せられる光束を効率よく視野面８０に照射する条件として、前述のように式３を満足することが望ましい。
【数１３】
【００６６】
即ち本実施の形態においては単位レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４＝0.433、コ＝リメータの発散角θ＝４°として式７を満足することが望ましい。
【００６７】
1.55≦ｆｅ≦3.10 …(７)
本実施の形態においてはｆｅ＝3.0ｍｍとすることで条件を満足することができる。このとき式１および式６よりｄ１はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の大きさｄ１は式８を満足しなければならない。
【００６８】
ｄ１≧36 …(８)
図８はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の例を示している。図８上、点線で表されるのが直径３６ｍｍの円である。図８に示すように射出端面の直径６ｍｍであるコリメータ１５を六方最密に３７個アレイ状に配置することで式８を満足することができる。
【００６９】
本実施の形態においては射出端面の形状が円形であるコリメータ１５をアレイ状に配置したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図９のように、射出端面の形状が正六角形であるコリメータ１９を用いて、隙間無く配置しても良い。このように構成することで、光源像の充足率を高め、より明るい照明とすることが可能である。
【００７０】
次に図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態である照明装置について説明する。この実施の形態は、顕微鏡の落射照明光学系に適用した例である。
【００７１】
コリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねておりＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する。コリメータ１５の射出端面近傍にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。フライアイインテグレータ３０の射出面には各単位レンズに小さな光源像が規則正しく並び、２次光源を形成する。フライアイインテグレータ射出面近傍には開口絞り６０が配置される。
【００７２】
更に、フライアイインテグレータ３０の射出面が、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００７３】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、ハーフミラー９０を介してこのリレーレンズ４０の後側焦点位置と対物レンズ７１の瞳が一致するよう配置する。対物レンズ７１はコンデンサレンズを兼ねており、後側焦点位置を視野面８０とする。
【００７４】
均一な明るさで照明された視野面８０上に不図示の被観察試料を配置する。像面１００は対物レンズ７１、第二対物レンズ７２により視野面８０と共役となっており、像面１００上に被観察試料の拡大像が結像する。観察者は不図示の接眼レンズにより被観察試料の拡大像を観察する。
【００７５】
視野絞り５０と視野面８０が共役に配置され、2次光源近傍に開口絞り６０が配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで照明領域と照明開口数を定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図２】ＬＥＤとコリメータの関係を示す図である。
【図３】コリメータから射出される光束の放射角度特性についてのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】コリメータの例を示す図である。
【図５】コリメータの例を示す図である。
【図６】コリメータの例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図８】アレイ状に配置されたコリメータの射出面の例を示す図である。
【図９】アレイ状に配置されたコリメータの射出面の例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図１１】ケーラー照明法による顕微鏡透過照明の構成図である。
【図１２】従来技術におけるフライアイ照明光学系の構成図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１…ＬＥＤ、１４…媒質、１５…コリメータ、１５ｂ…反射面、１５ｄ…射出端面、１６…コリメータ、１６ａ…界面、１６ｂ…反射面、１６ｄ…射出端面、１７…コリメータ、１７ｂ…反射面、１７ｃ…第１射出端面、１７ｄ…第２射出端面、１８…コリメータ、１８ａ…界面、１８ｂ…反射面、１８ｃ…第１射出端面、１８ｄ…第２射出端面、１９…コリメータ、２０…コレクタレンズ、３０…フライアイインテグレータ、４０…リレーレンズ、５０…視野絞り、６０…開口絞り、７０…コンデンサレンズ、７１…対物レンズ、７２…第二対物レンズ、８０…視野面、９０…ハーフミラー、１００…像面
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、顕微鏡照明光学系において照度ムラを低減した照明方法として、ケーラー照明と称される照明方法が広く知られている。図１１にケーラー照明法による顕微鏡透過照明の構成図を示す。なお、以下の各図において互いに同一あるいは相当する構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略することがある。
【０００３】
ケーラー照明は、光源１０と、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いる。
【０００４】
コレクタレンズ２０は、前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光束を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置には視野絞り５０が配置される。この視野絞り５０が配置される面は、光源１０から発せられた光が均一に拡散されることにより照度ムラが最も少なくなる位置となる。
【０００５】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。この開口絞り６０の配置される面においては拡大された光源像が結像する。
【０００６】
また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【０００７】
上述したリレーレンズ４０とコンデンサレンズ７０とにより、視野絞り５０の像は、視野面８０上に結像する。即ち、視野絞り５０と視野面８０とは共役の関係にあり、視野絞り５０を小さくしたときには、視野面８０における照明領域を定めることができる。
【０００８】
また、光源１０はコレクタレンズ２０とリレーレンズ４０とにより、開口絞り６０の面において結像する。これにより開口絞り６０は視野面８０に照射される光の角度、即ち照明開口数（ＮＡ）を定めることができる。
【０００９】
しかしながら、上述のケーラー照明を用いた場合であっても光源の発光角度特性の影響により照射領域の中央部は明るく照射され、照射領域の端部は暗く照射される傾向が残り、均一な明るさで照射することが困難であった。
【００１０】
特に近年、小型化、長寿命化の観点から光源に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることが提案されているが、従来のハロゲンランプに比べ発光面積の小さいＬＥＤを光源に用いてハロゲンランプと同等の照明ＮＡを実現するために開口絞り上の光源像倍率を大きくすると、光源からコレクタレンズによって取り込まれる光束の取り込み角が増大し、照射領域の不均一がより顕著に現れるようになる。
【００１１】
このような光源の発光角度特性の影響による照明ムラを改善するために例えば特開２００２−４０３２７号公報（特許文献１）のようにオプティカルインテグレータ（フライアイインテグレータ）を用いた照明用装置が提案されている。
【００１２】
図１２に従来技術におけるフライアイ照明光学系の構成図を示す。フライアイ照明光学系は、光源１０と、コレクタレンズ２０、フライアイインテグレータ３０、リレーレンズ４１、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いる。
【００１３】
コレクタレンズ２０は、前側焦点位置に光源１０を配置し、光源１０から発せられた光束を略平行光に変換する。コレクタレンズ２０の後側焦点位置にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。
【００１４】
更に、フライアイインテグレータの射出面が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４１を配置し、このリレーレンズ４１の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００１５】
更に、リレーレンズ４１の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。
【００１６】
また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【００１７】
図１１と図１２の対比から明らかなように、フライアイ照明光学系はケーラー照明光学系のコレクタレンズ２０と視野絞り５０との間にフライアイインテグレータ３０とリレーレンズ４１とが追加された構成となっている。
【００１８】
フライアイインテグレータ３０を構成する単位レンズは両面の曲率半径│r│が等しく、左右の頂点がそれぞれ反対側から平行光を入れたときの焦点になっている。フライアイインテグレータ３０はこの単位レンズを数十個各頂点が同一平面上に乗るように束ねて配置されている。各単位レンズの入射面は照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係にリレーレンズ４１の後側焦点（視野絞り５０の配置される面）に生じ、視野絞り５０を重畳的に照明する。フライアイインテグレータ３０の入射面上の照度は光源の放射角度特性によって中心が明るく、周辺が暗く照明されるが各単位レンズの入射面が重畳的に視野絞り５０上に投影されるため、視野絞り面全体での照度の均一性が向上する。一方でフライアイインテグレータ３０の後側頂点面には各単位レンズに小さな光源像が規則正しく並び、二次光源を形成する。
【００１９】
更にフライアイ照明光学系では、ケーラー照明光学系と同様に視野絞り５０と視野面８０、及び二次光源と開口絞り６０がそれぞれ共役に配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで照明領域と照明開口数を定めることができる。
【００２０】
更に、フライアイインテグレータ３０により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。
【００２１】
このように顕微鏡照明光学系においてフライアイ照明光学系を用いたものとして、例えば特許文献１から特許文献３に示すようなものが提案されている。特許文献１には、光源としてハロゲンランプを用いた顕微鏡照明光学系の例が開示されている。また、特許文献２及び特許文献３には、光源にＬＥＤを用いた顕微鏡照明光学系の例が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−４０３２７号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７２８６号公報
【特許文献３】特開２００３−５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献２及び特許文献３に記載される発明は、いずれもＬＥＤを拡散光源として取り扱い、コレクタレンズの前側焦点位置に配置することでＬＥＤからの光束をコレクタレンズにより略平行に変換した後、フライアイインテグレータに入射させている。このような構成においては、コレクタレンズの取り込み角度以上の角度でＬＥＤから放出される光束は光学系に入射せず、照射に到達しないためＬＥＤからの光束を有効に利用することができない。
【００２３】
また、照明光源にＬＥＤを用いる利点の一つとして装置の小型化が上げられるが、上述の通りフライアイ照明光学系はケーラー照明光学系にフライアイインテグレータとリレーレンズとが追加された構成となっていることから、ケーラー照明光学系に比べ装置が大型化してしまう。更に、特許文献２及び特許文献３に記載の発明のように、コレクタレンズで略平行光に変換したのちフライアイインテグレータに入射させる光学系の構成は（例えば特許文献１に記載された）光源にハロゲンランプを用いたものと変わらず、小型の光源であるＬＥＤに見合うような光学系の小型化がなされているとは言い難い。
【００２４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＬＥＤ光源を用いた照明装置であって、小型で光束のロスの少なく、照明均一性の高いものを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
前記課題を解決するための第１の手段は、固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子と、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部と、前記オプティカルインテグレータからの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系とを有することを特徴とする照明装置である。
【００２６】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段の光源部を、固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子とを複数個二次元的に配列したものと、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部に変えた照明装置である。
【００２７】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記平行化素子の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とするものである。
【数１】
【数２】
【００２８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第２の手段であって、前記二次元的に配置された平行化素子全体の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とするものである。
【数３】
【数４】
【００２９】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段又は第４の手段であって、次の式３を更に満足することを特徴とするものである。
【数５】
【００３０】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記微小レンズの入射面と前記微小レンズの射出面の面積が等しく、形状が異なることを特徴とするものである。
【００３１】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、前記微小レンズの射出面が正六角形又は、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形であり、前記オプティカルインテグレータの射出面においては、各六角形は、隙間や重なりが無く敷き詰められていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ＬＥＤ光源を用いた照明装置であって、小型で光束のロスの少なく、照明均一性の高いもの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】
【００３３】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である照明装置を示す図であり、顕微鏡の透過照明光学系に適用した例を示すものである。ここで、最大照射領域の大きさを直径ｄ５＝５ｍｍの円形領域、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘ＝0.15とする。
【００３４】
この実施の形態の照明装置は、ＬＥＤ１１と、コリメータ１５、フライアイインテグレータ（オプティカルインテグレータ）３０により構成される光源部Ａ、コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系を用いている。コレクタレンズ２０、視野絞り５０、リレーレンズ４０、開口絞り６０、コンデンサレンズ７０からなる光学系は、オプティカルインテグレータ３０からの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系である。
【００３５】
平行化素子であるコリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねており、ＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子である。このように、ＬＥＤ１１を保護する封止材に平行化素子の役割を兼用させることにより、ＬＥＤ１１からの光の発散角が大きな場合でも、平行化素子（従来はコレクタレンズ２０を用いていた）を大型化することなく、ＬＥＤ１１からの光束を有効に利用することができる。
【００３６】
コリメータ１５の射出面近傍にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。フライアイインテグレータ３０の射出面には、各単位レンズ毎に小さな光源像が規則正しく並び、二次光源を形成する。フライアイインテグレータ３０は熱可塑樹脂の射出成型品とすることで安価に構成することが可能であり望ましい。
【００３７】
更に、フライアイインテグレータ３０の射出面が、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００３８】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、このリレーレンズ４０の後側焦点位置に開口絞り６０を配置する。この開口絞り６０の配置される面においては拡大された光源像が結像する。また、リレーレンズ４０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにコンデンサレンズ７０を配置し、このコンデンサレンズ７０の後側焦点位置を視野面８０とする。
【００３９】
図１１と図１の比較から明らかなとおり、本実施の形態における照明装置の構成は、ちょうど、ケーラー照明光学系の光源１０の位置にフライアイインテグレータ３０の射出端面に形成された２次光源を配置したものとなっている。このように構成することにより、ケーラー照明光学系と同様に、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで、照明領域と照明開口数を定めることができる。
【００４０】
また従来のフライアイ照明系と同様に、フライアイインテグレータ３０により視野絞り５０上に重畳的に投影され、均一に照明された光束は、更にリレーレンズ４０及びコンデンサレンズ７０により視野面８０に投影され、視野面８０を均一に照明する。
【００４１】
また、前述のように、コリメータ１５を封止樹脂と兼ねてＬＥＤ１１近傍に配置し、且つコリメータ１５射出面近傍にフライアイインテグレータ３０を配置して光源部Ａを構成しているので、光学系全体を小型化することが可能である。このように合成樹脂により構成されたコリメータ１５、フライアイインテグレータ３０を光源近傍に配置する構成は、小型で発熱の少ない固体光源であるＬＥＤを用いることで実現可能である。
【００４２】
図２は、ＬＥＤ１１及びコリメータ１５の例を説明したものである。コリメータ１５の反射面１５ｂは焦点距離ｆ＝0.425の回転放物面であり、放物面の焦点位置にＬＥＤ１１が配置されている。ＬＥＤ１１から放出された光束はコリメータレンズの反射面１５ｂにて全反射し、略平行光束に変換され、射出端面１５ｄから射出される。ここで射出端面１５ｄの形状は直径ｄ１＝6ｍｍの円形状である。
【００４３】
コリメータ１５から射出される光束の放射角度特性についてのシミュレーション結果を図３に示す。ここでＬＥＤ１１は３００μｍ四方、屈折率はｎ＝2.5、コリメータ１５の屈折率は1.53とした。図３からコリメータ１５から射出される光束の発散角は半値角（半角）でおよそθ＝４°であることがわかる。
【００４４】
コリメータ１５から射出した光束はフライアイインテグレータ３０に入射する。このときフライアイインテグレータ３０の入射面全面を照らすために式１を満足することが求められる。ここでｄ２はフライアイインテグレータ３０の有効直径である。
【数６】
【００４５】
フライアイインテグレータ３０の単位レンズの入射端面形状は照射領域と共役であることから、必要とされる照射領域と相似もしくは相似に近い形状とすることが望ましい。本実施の形態を顕微鏡の照明装置として使用する場合には、顕微鏡の目視観察領域である円形に近い正六角形とすることが望ましい。本実施の形態においてはフライアイインテグレータ３０の大きさは有効直径（光学的に有効な部分の直径）ｄ２＝６ｍｍの円形、各単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形であり一辺の長さは0.25ｍｍ（入射面の対角長ｄ３＝0.5ｍｍ）とする。
【００４６】
またLagrange不変則から光束の直径と開口数（ＮＡ）の積が光学系を通じて一定であることが知られている。被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとすると、光束の直径と開口数（ＮＡ）の積は、ＮＡＭＡＸ×ｄ５となる。一方、フライアイインテグレータ３０から放出される光のＮＡは、微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、微小レンズの焦点距離をｆｅとすると、ｄ３／（２ｆｅ）となり、光束の直径は、オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）ｄ２、となる。よって、被照明領域が有効に照明されるためには、
【数７】
であることが必要である。
【００４７】
前述の条件の下で、視野面８０における最大照射領域の大きさｄ５＝５ｍｍ、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘ＝0.15を実現するためには、ｆｅ＝1.6ｍｍとすることで条件を満足することができる。
【００４８】
またこのときフライアイインテグレータ３０の射出面に形成される光源像の大きさφは式４で与えられる。
【数８】
【００４９】
ここでθは、平行化素子であるコリメータ１５の射出面より放出される光束の発散角である。光源像の大きさφがフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４と比べ大きい場合、射出端面で光束のケラレが生じロスが生じる。
【００５０】
また、光源像の大きさφがフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４と比べ１／２以下であると各単位レンズの射出端面を光源像が満たす率（充足率）が小さくなりすぎ、所望の光量が得られなくなるため好ましくない。そのため本発明の好ましい形態としては、ＬＥＤ１１より発せられる光束を効率よく視野面８０に照射する条件として式３を満足することが望ましい。
【数９】
【００５１】
本実施の形態においては単位レンズの射出端面に対する内接円の直径ｄ４＝0.433、コ＝リメータの発散角θ＝４°、単位レンズの焦点距離ｆｅ＝1.6ｍｍとしてφ＝0.11ｍｍであり式３を満足している。
【００５２】
本実施の形態においては、フライアイインテグレータ３０の単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形とした。これは顕微鏡の目視観察領域である円形に近い形状とするためであるが、例えば固体撮像素子での観察を目的として長方形の照明領域を照明する場合には入射面の形状は長方形とすることが望ましい。
【００５３】
撮像素子の形状に合わせ入射面の形状は長方形とする場合においても、単位レンズ射出面形状は内接円の直径ｄ４を極力大きくすることで光源像のケラレを防ぐことができるため、入射面と面積が等しくできるだけ円形に近い形状、特に正六角形とすることが望ましい。その場合フライアイインテグレータ３０の入射面と射出面の面積が等しく形状が異なるモザイク型フライアイとすることが望ましい（このような形状のフライアイインテグレータについては特許文献１に詳細に記載されている）。
【００５４】
フライアイインテグレータ３０の入射面と射出面の面積を等しくするのは、入射した光を効率良く出射させるためである。又、単位レンズの射出面の形状を正六角形とできるのは、単位レンズの光軸が正六角形に配列されている場合に限られる。単位レンズの光軸が正六角形に配列されておらず、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形に配列されている場合は、出射面の形状も、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形とし、かつ六角形が隙間や重なりが無く敷き詰められたものとすることが好ましい。
【００５５】
本実施の形態において、コリメータ１５は封止材を兼ねた均質の媒質により構成されているとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図４のように、コリメータ１５にかえてＬＥＤ１１近傍を媒質１４で満たし、更にコリメータ１６で２重に封止する構成としてもよい。図において、１６ａは媒質１４を封入した界面であり球形である。球の中心にＬＥＤ１１が位置しているので、ＬＥＤ１１からの光は、界面１６ａで屈折されることなく直進する。１６ｂは、ＬＥＤ１１を焦点位置とする回転放物面からなる反射面、１６ｄは射出端面である。
【００５６】
図４のような例は、特に、コリメータ１５のように外周面が全反射面を構成する封止材の屈折率が低い場合に、ＬＥＤ１１との間で全反射が発生して、光束がＬＥＤ１１の内部に閉じ込められるような場合に有効である。すなわち、ＬＥＤ１１とコリメータ１６の間を満たす媒質１４は屈折率ｎが式５を満足するようにすると、ＬＥＤ１１と媒質１４、媒質１４とコリメータ１６の間のいずれにおいても全反射が発生することを防止できる可能性があり望ましい。
【００５７】
ｎ１≧ｎ２≧ｎ３ … (５)
本実施の形態においてｎ１はＬＥＤ１１の屈折率＝2.5、ｎ３はコリメータ１６の屈折率＝1.53であるので、例えば媒質１４は屈折率ｎ２＝1.7の封止材とすればよい。
【００５８】
また本実施の形態においてコリメータ１５は放物面の反射面１５ｂによりＬＥＤ１１から放出される光束を平行化するとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図５のように、コリメータ１５にかえて、コリメータ１７のように反射と屈折を組み合わせた構成としてもよい。図５において、１７ｂは反射面、１７ｃは第１射出端面、１７ｄは第２射出端面である。ＬＥＤ１１から放出される中心部の光は、第１の射出端面１７ｃで屈折されて略平行光となって射出される。ＬＥＤ１１から放出される周縁部の光は、反射面１７ｂで全反射され、第２の射出端面１７ｄで屈折されて、略平行光となって射出される。このように構成することで、ＬＥＤ１１から光軸方向に放出される光束も平行化され、ＬＥＤ１１から放出される光束を効率的に平行化することが可能である。またさらに、図６のように２重に封止する構成としてもよい。図６において、１８はコリメータ、１８ａは媒質を封入した界面であり球形である。球の中心にＬＥＤ１１が位置しているので、ＬＥＤ１１からの光は、界面で屈折されることなく直進する。１８ｂは、反射面、１８ｃは第１射出端面、１８ｄは第２射出端面である。ＬＥＤ１１から放出される中心部の光は、第１の射出端面１８ｃで屈折されて略平行光となって射出される。ＬＥＤ１１から放出される周縁部の光は、反射面１８ｂで全反射され、第２の射出端面１８ｄで屈折されて、略平行光となって射出される。
【００５９】
本実施の形態における照明光学系は既存のケーラー照明光学系にレトロフィットとすることも可能である。前述のとおり本実施の形態における照明光学系の構成は、ケーラー照明光学系の光源１０の位置にフライアイインテグレータ３０の射出端面に形成られた２次光源を配置したものとなっている。すなわち、フライアイインテグレータ３０の径ｄ２をケーラー照明光学系のハロゲンランプのフィラメントサイズと同等の直径とし、フライアイインテグレータ３０から射出される光束の発散角θ２をケーラー照明光学系の光束取り込み角以上とすることで既存のケーラー照明光学系のハロゲンランプに換えて光源部Ａを配置することができる。
【００６０】
次に図７を参照して、本発明の第２の実施の形態である照明装置について説明する。この実施の形態は、顕微鏡の透過照明光学系に適用した例を示すものであり、第１の実施の形態との相違は光源部Ａを、ＬＥＤ１１とコリメータ１５を有する光源ユニットを複数個アレイ状に配列してなる光源部Ｂに置き換えた点である。ここで、最大照射領域の大きさを直径ｄ５＝１０ｍｍの円形領域、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘ＝0.3とする。
【００６１】
アレイ状に配置されたコリメータ１５から射出した光束はフライアイインテグレータ３０に入射する。本実施の形態においてはフライアイインテグレータ３０の各単位レンズの入射面、射出面はともに同じ大きさの正六角形であり一辺の長さは0.25ｍｍ（入射面の対角長ｄ３＝0.5ｍｍ）とする。
【００６２】
このときフライアイインテグレータ３０の入射面全面を照らすために式１を満足することが求められる。ここでｄ１はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の大きさ、ｄ２はフライアイインテグレータ３０の有効直径（光学的に有効な部分の直径）である。
【数１０】
【００６３】
また、またLagrange不変則から、前述のように、視野面８０における最大照射領域の大きさをｄ５、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘを実現するためにフライアイインテグレータ３０の微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、焦点距離をｆｅとして式２を満足することが求められる。
【数１１】
【００６４】
即ち、本実施の形態において視野面８０における最大照射領域の大きさｄ５＝１０、照明光の最大開口数ＮＡｍａｘ＝0.3を満足する為には式６を満足しなければならない。
【数１２】
【００６５】
また本実施の形態において、ＬＥＤ１１より発せられる光束を効率よく視野面８０に照射する条件として、前述のように式３を満足することが望ましい。
【数１３】
【００６６】
即ち本実施の形態においては単位レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４＝0.433、コ＝リメータの発散角θ＝４°として式７を満足することが望ましい。
【００６７】
1.55≦ｆｅ≦3.10 …(７)
本実施の形態においてはｆｅ＝3.0ｍｍとすることで条件を満足することができる。このとき式１および式６よりｄ１はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の大きさｄ１は式８を満足しなければならない。
【００６８】
ｄ１≧36 …(８)
図８はアレイ状に配置されたコリメータ１５の射出面の例を示している。図８上、点線で表されるのが直径３６ｍｍの円である。図８に示すように射出端面の直径６ｍｍであるコリメータ１５を六方最密に３７個アレイ状に配置することで式８を満足することができる。
【００６９】
本実施の形態においては射出端面の形状が円形であるコリメータ１５をアレイ状に配置したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば図９のように、射出端面の形状が正六角形であるコリメータ１９を用いて、隙間無く配置しても良い。このように構成することで、光源像の充足率を高め、より明るい照明とすることが可能である。
【００７０】
次に図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態である照明装置について説明する。この実施の形態は、顕微鏡の落射照明光学系に適用した例である。
【００７１】
コリメータ１５は、ＬＥＤ１１を保護する封止材を兼ねておりＬＥＤ１１から放出される光束を略平行光束に変換する。コリメータ１５の射出端面近傍にはフライアイインテグレータ３０の入射面が配置される。フライアイインテグレータ３０の射出面には各単位レンズに小さな光源像が規則正しく並び、２次光源を形成する。フライアイインテグレータ射出面近傍には開口絞り６０が配置される。
【００７２】
更に、フライアイインテグレータ３０の射出面が、前側焦点位置となるようにコレクタレンズ２０を配置し、コレクタレンズ２０の後側焦点位置に視野絞り５０を配置する。
【００７３】
更に、コレクタレンズ２０の後側焦点位置が、前側焦点位置となるようにリレーレンズ４０を配置し、ハーフミラー９０を介してこのリレーレンズ４０の後側焦点位置と対物レンズ７１の瞳が一致するよう配置する。対物レンズ７１はコンデンサレンズを兼ねており、後側焦点位置を視野面８０とする。
【００７４】
均一な明るさで照明された視野面８０上に不図示の被観察試料を配置する。像面１００は対物レンズ７１、第二対物レンズ７２により視野面８０と共役となっており、像面１００上に被観察試料の拡大像が結像する。観察者は不図示の接眼レンズにより被観察試料の拡大像を観察する。
【００７５】
視野絞り５０と視野面８０が共役に配置され、2次光源近傍に開口絞り６０が配置されており、視野絞り５０と開口絞り６０の径を調整することで照明領域と照明開口数を定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図２】ＬＥＤとコリメータの関係を示す図である。
【図３】コリメータから射出される光束の放射角度特性についてのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】コリメータの例を示す図である。
【図５】コリメータの例を示す図である。
【図６】コリメータの例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図８】アレイ状に配置されたコリメータの射出面の例を示す図である。
【図９】アレイ状に配置されたコリメータの射出面の例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態である照明装置を示す図である。
【図１１】ケーラー照明法による顕微鏡透過照明の構成図である。
【図１２】従来技術におけるフライアイ照明光学系の構成図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１…ＬＥＤ、１４…媒質、１５…コリメータ、１５ｂ…反射面、１５ｄ…射出端面、１６…コリメータ、１６ａ…界面、１６ｂ…反射面、１６ｄ…射出端面、１７…コリメータ、１７ｂ…反射面、１７ｃ…第１射出端面、１７ｄ…第２射出端面、１８…コリメータ、１８ａ…界面、１８ｂ…反射面、１８ｃ…第１射出端面、１８ｄ…第２射出端面、１９…コリメータ、２０…コレクタレンズ、３０…フライアイインテグレータ、４０…リレーレンズ、５０…視野絞り、６０…開口絞り、７０…コンデンサレンズ、７１…対物レンズ、７２…第二対物レンズ、８０…視野面、９０…ハーフミラー、１００…像面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子と、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部と、
前記オプティカルインテグレータからの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系
とを有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置の光源部を、
固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子とを複数個二次元的に配列したものと、
前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する
光源部に変えた照明装置。
【請求項３】
前記平行化素子の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【数１】
【数２】
【請求項４】
前記二次元的に配置された平行化素子全体の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【数３】
【数４】
【請求項５】
次の式３を更に満足することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の照明装置。
【数５】
【請求項６】
前記微小レンズの入射面と前記微小レンズの射出面の面積が等しく、形状が異なることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記微小レンズの射出面が正六角形又は、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形であり、前記オプティカルインテグレータの射出面においては、各六角形は、隙間や重なりが無く敷き詰められていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
【請求項１】
固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子と、前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する光源部と、
前記オプティカルインテグレータからの光束を集光して被照射面を重畳的に照明する光学系
とを有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置の光源部を、
固体光源と、前記固体光源を保護する封止材により構成され前記固体光源から放出される光束を略平行光束に変換する平行化素子とを複数個二次元的に配列したものと、
前記平行化素子の射出面近傍に配置され、二次元的に配列された多数の微小レンズにより構成されて、前記平行化素子からの略平行光束を波面分割して複数の二次光源を形成するオプティカルインテグレータとを有する
光源部に変えた照明装置。
【請求項３】
前記平行化素子の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【数１】
【数２】
【請求項４】
前記二次元的に配置された平行化素子全体の外接円の直径をｄ１、前記平行化素子の射出面より放出される光束の発散角をθ、前記オプティカルインテグレータの有効直径（光学的に有効な部分の内接円の直径）をｄ２、前記微小レンズの焦点距離をｆｅ、前記微小レンズの入射端面の外接円の直径をｄ３、前記微小レンズの射出端面に対する内接円の直径をｄ４、前記被照射面における最大照射領域の内接円の直径をｄ５、照明光の最大開口数をＮＡｍａｘとしたとき、次の式１及び式２を満足することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【数３】
【数４】
【請求項５】
次の式３を更に満足することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の照明装置。
【数５】
【請求項６】
前記微小レンズの入射面と前記微小レンズの射出面の面積が等しく、形状が異なることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記微小レンズの射出面が正六角形又は、正六角形を１つの辺の方向に伸縮した形状の六角形であり、前記オプティカルインテグレータの射出面においては、各六角形は、隙間や重なりが無く敷き詰められていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２５７０１５（Ｐ２００８−２５７０１５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１００２６１（Ｐ２００７−１００２６１）
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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