輪帯光源装置、顕微鏡
【課題】小型化と低コスト化を図った輪帯光源装置等を提供する。
【解決手段】環状の集光レンズ８と、集光レンズ８の入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を集光レンズ８の入射面に射出する複数の線状光源装置１００と、を有することを特徴とする。
【解決手段】環状の集光レンズ８と、集光レンズ８の入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を集光レンズ８の入射面に射出する複数の線状光源装置１００と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輪帯光源装置、顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、顕微鏡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光源装置が知られており、斯かる輪帯光源装置として多数の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を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２８０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような従来の輪帯光源装置は、多数のＬＥＤを備えることで大型化するとともに、構造が複雑であり製造コストが大きくなってしまうという問題があった。
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化と低コスト化を図った輪帯光源装置、顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明は、
環状の集光レンズと、
前記集光レンズの入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を前記集光レンズの入射面に射出する複数の線状光源装置と、
を有することを特徴とする輪帯光源装置を提供する。
また本発明は、
上記輪帯光源装置を備えた顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、小型化と低コスト化を図った輪帯光源装置、顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る輪帯光源装置を備えた顕微鏡の構成を示す断面図、（ｂ）は輪帯光源装置の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は第１変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図３】第１変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図４】（ａ）は第２変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図５】第２変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図６】（ａ）は第３変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図７】第３変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図８】（ａ）は第４変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図９】第４変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図１０】（ａ）は第５変形例の線状光源装置における反射光学素子の正面図、（ｂ）は線状光源装置をＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）は線状光源装置をＹ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ａ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｅ）は線状光源装置の斜視図である。
【図１１】第５変形例の線状光源装置における反射光学素子の射出面を傾斜面とした様子を示す図である。
【図１２】（ａ）は第１変形例の線状光源装置をフライアイインテグレータと組み合わせた様子を示す斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図１３】フライアイインテグレータの構成を示す図である。
【図１４】（ａ）は第１変形例の線状光源装置をフライアイインテグレータと組み合わせて使用する場合のフライアイインテグレータの入射面における角度特性を示す図、（ｂ）は同様にフライアイインテグレータの射出面における角度特性を示す図である。
【図１５】第１変形例の線状光源装置を撮像装置に適用した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態に係る輪帯光源装置を備えた顕微鏡を添付図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る輪帯光源装置１を備えた顕微鏡２は、試料３側から順に、第１対物レンズ４と、第１対物レンズ４の外周に配置されており、輪帯状の照明光を射出する輪帯光源装置１と、開口絞り５と、第２対物レンズ６と、撮像素子７とを有している。なお、試料３は、第１対物レンズ４、開口絞り５、及び第２対物レンズ６を介して撮像素子７と共役に配置されている。
輪帯光源装置１は、図１（ｂ）に示すように第１対物レンズ４よりも大径で環状の集光レンズ８と、集光レンズ８の入射面に沿って環状に配置された８つの線状光源装置１００と、集光レンズ８と各線状光源装置１００との間に配置されており、集光レンズ８と略同径で環状のフライアイインテグレータ９とからなる。
【０００９】
フライアイインテグレータ９は、入射面及び射出面が正六角形状の多数の要素レンズが環状に配置されることによって構成されており、各要素レンズの入射面が集光レンズ８を介して試料３と共役となるように配置されている。なお、フライアイインテグレータ９はこれに限られず、例えば入射面及び射出面が長方形状の要素レンズで構成されたものを用いることもできる。
８つの線状光源装置１００は、それぞれが線状の照明光をフライアイインテグレータ９を介して集光レンズ８へ向かって射出するものであり、いずれも同じ構成をしている。
ここで、線状光源装置１００の詳細な構成を説明するにあたり、当該線状光源装置１００と同様に本実施形態に係る輪帯光源装置１に適用可能なその他の線状光源装置を第１変形例〜第５変形例として予め説明する。
【００１０】
（第１変形例）
図２（ａ）に示すように第１変形例の線状光源装置１０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面１５ａを備えた反射光学素子１５とからなる。
反射光学素子１５の反射面１５ａは、光軸ＡＸと反射面１５ａとの交点を原点Ｏとし、原点Ｏにおける反射面１５ａの法線をＺ軸、Ｚ軸に垂直で原点Ｏを通る直線をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直で原点Ｏを通る直線をＹ軸としたとき、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した長軸を有する楕円であって、次の定義式（１）〜（４）で表されるアナモルフィック非球面である（前記放物線を放物線１６、前記楕円を楕円１７と称する。）。なお、原点Ｏ、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の定義は、後述する全ての線状光源装置において同様である。
【００１１】
（１） ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
（２） ｒｐ＝２ｆ１
（３） Ｋｅ＝−｛(ｆ１−ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)｝２
（４） ｒｅ＝(２ｆ１ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)
ただし、
ｆ１：反射面１５ａと光源１１との距離（原点Ｏと光源１１との距離）
ｆ２：反射面１５ａと反射面１５ａの集光位置１８との距離
ｒｐ：放物線１６の曲率半径
Ｋｅ：楕円１７のコーニック定数
ｒｅ：楕円１７の曲率半径
【００１２】
上記各定義式より、反射光学素子１５における反射面１５ａの放物線１６の焦点位置と、楕円１７の第１焦点位置とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置１０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面１５ａの集光位置１８は楕円１７の第２焦点位置に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子１５は、光源１１から発せられた光束を反射面１５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では楕円１７の第２焦点位置（集光位置１８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで光量ロスすることなく効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００１３】
具体的には、反射光学素子１５の反射面１５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０としたとき、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．１１１、ｒｅ＝１３．３３３となり、図３に示すように反射面１５ａの集光位置１８を含む平面（Ｚ軸に垂直な平面１８ａ）内において光束が線状に集光されていることがわかる。なお、本明細書に掲載されている長さの単位は「ｍｍ」であるが、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるため単位はこれに限られるものではない。
【００１４】
以上の構成の下、線状光源装置１０において光源１１から発せられた光束は、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射されることにより、集光位置１８に効率良く線状に集光されることとなり、このようにして線状光源装置１０は線状の照明光を射出することが可能となる。
なお、反射光学素子１５には、ガラス表面にクロムやアルミを蒸着したもの、熱可塑性樹脂によるモールド成型品にクロムやアルミを蒸着したもの、或いは金属の板金加工や切削加工等によって反射鏡形状を形成したもの等を用いることが好ましい。また、線状光源装置１０における光源１１の支持は、反射光学素子１５の反射面１５ａの原点Ｏ部分に開口を形成して支持部材を挿通し、この支持部材によって行う構成とすることが好ましい。なお、これらのことは後述する第２変形例〜第４変形例においても同様である。
【００１５】
（第２変形例）
第２変形例及び後述する各変形例において、上記第１変形例と同様の構成である部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
図４（ａ）に示すように第２変形例の線状光源装置２０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面２５ａを備えた反射光学素子２５とからなる。
反射光学素子２５の反射面２５ａは、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した短軸を有する楕円であって、次の定義式（１），（５）〜（８）で表されるアナモルフィック非球面である（前記放物線を放物線２６、前記楕円を楕円２７と称する。）。
【００１６】
（１） ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
（５） ａ＝√(ｂ２＋ｄ２)
（６） ｒｐ＝２ｆ１
（７） Ｋｅ＝(ａ２−ｆ１２)／(ｆ１２)
（８） ｒｅ＝ａ２／ｆ１
ただし、
ｆ１：反射面２５ａの集光位置２８と光源１１の中点２９（楕円２２７の中心）と反射面２５ａとの距離
ａ ：楕円２７の長半径
ｂ ：楕円２７の短半径
ｄ ：反射面２５ａの集光位置２８と光源１１の中点２９と光源１１との距離（Ｚ軸と光源１１との距離）
ｒｐ：放物線２６の曲率半径
Ｋｅ：楕円２７のコーニック定数
ｒｅ：楕円２７の曲率半径
【００１７】
上記各定義式より、反射光学素子２５における反射面２５ａの放物線２６の焦点位置と、楕円２７の第１焦点位置とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置２０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面２５ａの集光位置２８は楕円２７の第２焦点位置に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子２５は、光源１１から発せられた光束を反射面２５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では楕円２７の第２焦点位置（集光位置２８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００１８】
具体的には、反射光学素子２５の反射面２５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｄ＝５としたとき、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．２５、ｒｅ＝１２．５となり、図５に示すように反射面２５ａの集光位置２８を含む平面２８ａ内において光束が線状に集光されていることがわかる。また、図５に示すように集光された線状の光束には光源１１の影ができてしまうことがない。これは、光源１１と反射面２５ａの集光位置２８とが原点Ｏから見て異なる方向にあり、反射面２５ａで反射された光束が光源１１でケラれてしまうことがないためである。
以上の構成によって線状光源装置２０は、上記第１変形例の線状光源装置１０と同様の効果を奏することが可能となる。
【００１９】
（第３変形例）
図６（ａ）に示すように第３変形例の線状光源装置３０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面３５ａを備えた反射光学素子３５とからなる。
反射光学素子３５の反射面３５ａは、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状が円であって、次の定義式（９）で表される曲面である（前記放物線を放物線３６、前記円を円３４と称する。）。
（９） ｚ＝ｆ１−√｛(ｆ１−ｘ２／４ｆ１)２−ｙ２｝
ただし、
ｆ１：反射面３５ａと光源１１との距離（円３４の中心と反射面３５ａとの距離）
【００２０】
上記各定義式より、反射光学素子３５における反射面３５ａの放物線３６の焦点位置と、円３４の中心とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置３０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面３５ａの集光位置３８は円３４の中心に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子３５は、光源１１から発せられた光束を反射面３５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では円３４の中心（集光位置３８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００２１】
具体的には、反射光学素子３５の反射面３５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０としたとき、図７に示すように反射面３５ａの集光位置３８を含む平面３８ａ内において光束が線状に精度良く集光されていることがわかる。なお、反射面３５ａが回転対称な形状であるため、反射光学素子３５は製造が容易であるという利点も備えている。
以上の構成によって線状光源装置３０は、上記第１変形例の線状光源装置２０と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２２】
（第４変形例）
図８（ａ）に示すように第４変形例の線状光源装置４０は、上記第１変形例における反射光学素子１５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分（図２（ａ）紙面上側の半分）のみを反射光学素子４５として備えており、その他の構成については第１変形例と同様である。なお、本変形例の反射光学素子４５は、図８（ｂ）に示すように正面から見て外形が正方形となるように作製されている。
【００２３】
斯かる構成の線状光源装置４０において、反射光学素子４５の反射面４５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０としたとき、図９に示すように反射面４５ａの集光位置４８を含む平面４８ａ内において光束が線状に集光されていることがわかる。また、図９に示すように集光された線状の光束の中心部分に光源１１の影ができてしまうことがない。これは、反射面４５ａで反射された光束のうち光源１１によってケラれやすい光、即ち光軸ＡＸ上を進行する光を、線状の集光位置４８の端部に集光させることができるためである。
【００２４】
以上の構成によって線状光源装置４０は、上記第１変形例の線状光源装置１０と同様の効果を奏することが可能となる。
なお、本変形例においては、上述のように第１変形例の反射光学素子１５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分を反射光学素子４５として用いているが、これに限られず反射光学素子１５の下半分、或いは第３変形例における反射光学素子３５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分或いは下半分を用いることも可能である。
【００２５】
（第５変形例）
図１０に示すように第５変形例の線状光源装置５０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面５５ａを備えた反射光学素子５５とからなる。
本変形例における反射光学素子５５は、断面形状が正方形のＺ軸方向へ延在した角柱プリズム部材であって、光源１１の光の波長に応じて選択された屈折率が１より大きな透明媒質（例えば、ガラスや樹脂等）によって作製されている。反射光学素子５５の一方の端部には、光を内部反射するための前記反射面５５ａが設けられており、もう一方の端部は光を射出するための射出面５５ｂとなっている。なお、射出面５５ｂはＺ軸に対して垂直であって、反射面５５ａの集光位置５８を含んでいる。
【００２６】
反射光学素子５５の反射面５５ａは、上記第１変形例の反射光学素子１５の反射面１５ａと同じ形状の反射面（ＸＺ平面による断面形状が放物線１６で、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した長軸を有する楕円１７となるアナモルフィック非球面）であり、その中心部には図１０（ｄ）に示すように半球形状の凹み部５１が設けられている。
光源１１は、反射光学素子５５の凹み部５１内に反射光学素子５５と略同じ屈折率を持つ媒質によって封止或いは接着されており、これによって光源１１は反射面５５ａの楕円１７の第１焦点位置であって放物線１６の焦点位置に配置されている。
なお、光源１１には半導体レーザや発光ダイオード等の固体光源を採用することが好ましく、これによって光源１１及び反射光学素子５５、ひいては線状光源装置５０の小型化を図ることが可能となる。なお、このことは上記各変形例においても同様である。
【００２７】
以上の構成により、線状光源装置５０において光源１１より発せられた光束は、反射光学素子５５に入射し、反射面５５ａで内部反射された後、射出面５５ｂ上の集光位置５８に線状に集光されることとなる。このようにして線状光源装置５０は、反射光学素子５５の射出面５５ｂより線状の照明光を射出することが可能となる。
なお、上述のように本変形例では、反射光学素子５５の反射面５５ａを上記第１変形例の反射光学素子１５の反射面１５ａと同じ形状にしているが、これに限られず第２変形例〜第４変形例の反射光学素子の反射面と同じ形状にすることも勿論可能である。
【００２８】
また、本変形例の反射光学素子５５は、上記構成により製造が容易であり低コスト化を図ることができるという利点を備えているが、これに限られず、射出面５５ｂに拡散面や回折格子等を設けることで光学的機能を付加することが可能であるという利点も備えている。例えば、図１１に示すように射出面５５ｂをＺ軸に対して傾斜した傾斜面として偏角プリズムの効果を付加することで、射出面５５ｂより射出される線状の照明光の射出方向を任意に設定することが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る輪帯光源装置１に備えられた線状光源装置１００について説明する。
図１に示すように線状光源装置１００は、上記第５変形例の線状光源装置５０と同様の構成であって、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面５５ａを備えた反射光学素子５５とからなる。
詳細には、反射光学素子６５は、第５変形例の反射光学素子５５を射出面５５ｂへ向かって先端を細く（光軸に対して放射方向における厚みを小さく）しており、これによって反射面５５ａで反射された光束の進行に寄与しないプリズム部分を排除し小型化を図っている。また、射出面５５ｂを光軸に対して傾斜した傾斜面としており、これによって射出面５５ｂから射出される照明光の射出方向を偏向し、フライアイインテグレータ９へ適切に導くことが可能となる。そして、斯かる構成の反射光学素子５５を第１対物レンズ４の光軸に対して傾けて配置したことでさらに輪帯光源装置１全体の小型化を図り、これによって顕微鏡２の使用者が試料３を輪帯光源装置１の側方から目視する際に輪帯光源装置１が邪魔になることを解消できるという効果を奏している。
【００３０】
上記構成の本実施形態に係る輪帯光源装置１を備えた顕微鏡２において、線状光源装置１００の光源１１から発せられた光は、反射光学素子５５に入射し反射面５５ａで内部反射された後、射出面５５ｂ上の集光位置に線状に集光され、当該射出面５５ｂから線状の照明光が射出される。ここで、上述のように線状光源装置１００は第１対物レンズ４を取り囲むように計８個環状に配置されているため、それぞれの線状光源装置１００から射出された線状の照明光によって略輪帯状の照明光が形成されることとなる。
このようにして形成された略輪帯状の照明光は、フライアイインテグレータ９の各要素レンズに入射し、各要素レンズによって集光されてそれぞれの射出面（試料３側）に光源像（二次光源）を形成した後、均一な放射角度特性をもって射出される。このようにして各要素レンズから射出された照明光は、それぞれ集光レンズ８で集光されて試料３上に重畳的に照射されることとなり、照度ムラのないリング照明を実現することができる。
このようにしてリング照明された試料３からの光は、第１対物レンズ４、開口絞り５、及び第２対物レンズ６を順に介して撮像素子７の撮像面上に結像される。これにより撮像素子７では試料３の像が撮像され、顕微鏡２に別途設けられた不図示のモニタに表示されることとなる。以上のようにして使用者は、本顕微鏡２によって試料３をリング照明観察することが可能となる。
【００３１】
以上、本実施形態によれば、上述のように環状に配置した８つの線状光源装置１００を用いて輪帯光源装置１を構成することにより、多数のＬＥＤを同心円状に配列してなる従来の輪帯光源装置に比して光源の数を大幅に削減することができ、小型化（特に第１対物レンズ４の径方向における小型化）と低コスト化とを実現することができる。また、本実施形態に係る輪帯光源装置１は、フライアイインテグレータ９によって多数の擬似光源を形成することができるため、照度ムラのないリング照明を実現することができる。
【００３２】
なお、上記第１変形例〜第５変形例の線状光源装置１０，２０，３０，４０，５０や線状光源装置１００は、本実施形態に係る輪帯光源装置１に適用可能なだけでなく、次に述べるようにフライアイインテグレータと組み合わせて使用したり、撮像装置に適用することも可能である。
【００３３】
図１２に示すように、上記第１変形例の線状光源装置１０をフライアイインテグレータ６０と組み合わせて使用する場合について説明する。
フライアイインテグレータ６０は、反射光学素子１５の反射面１５ａの集光位置１８に配置されており、図１３に示すように四角柱形状の要素レンズを５×２１個（計１０５個）積み重ねてなる。各要素レンズは入射面及び射出面が正方形状であり、フライアイインテグレータ６０の外形は光源１１側から見てＸ軸方向へ延びた長方形をなしている。なお、フライアイインテグレータ６０は、四角柱形状のガラスレンズどうしの接合やプラスチックモールド等の加工によって作製されることが好ましい。
【００３４】
具体的には、各要素レンズはポリカーボネート（屈折率ｎ＝１．５８５）からなり、焦点距離を０．８３３、入射面及び射出面の寸法を０．５×０．５とする。また、各要素レンズの入射面及び射出面は、互いの焦点位置に配置されており、厚さが１．３２、それぞれの曲率半径を０．４８７５とする。なお、上記第１変形例と同様、反射光学素子１５の反射面１５ａの外形寸法は１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．１１１、ｒｅ＝１３．３３３である。また光源１１は、外形寸法１×１の正方形状の面発光光源とする。
【００３５】
以上の構成により、線状光源装置１０の光源１１から発せられた光束は、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射され集光位置１８に効率良く線状に集光される。これにより線状の照明光がフライアイインテグレータ６０に照射され、各要素レンズに照明光が入射することとなる。各要素レンズに入射したそれぞれの光は、各要素レンズによって集光されて各々の射出面に光源像（二次光源）を形成した後、均一な放射角度特性をもって射出されることとなる。
【００３６】
なお、図１４（ａ）より、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射された光束のうち、反射面１５ａの楕円１７部分で反射された光束（点線）は広い角度特性を有しており、放物線１６部分で反射された光束（実線）は狭い角度特性を有していることがわかる。一方、図１４（ｂ）より、フライアイインテグレータ６０を経たこれらの光束が、ともに均一な広い角度特性を有していることがわかる。したがってこれらより、線状光源装置１０から射出された線状の照明光が、フライアイインテグレータ６０によって均一な放射角度特性を有し、略正方形状の照明領域を重畳的に照明する照明光に変換されていることがわかる。
【００３７】
また、フライアイインテグレータ６０は、入射面及び射出面が正方形状の要素レンズで構成されたものに限られず、入射面及び射出面が正六角形状の要素レンズで構成されたものを用いることもでき、特に顕微鏡等の円形の照明領域が必要とされる装置に好適である。また、入射面と射出面の形状が異なる要素レンズで構成されたモザイク型のフライアイレンズを用いることもできる。この場合、射出面の形状は図１４（ａ）に示される角度特性を考慮し、Ｘ軸方向に短手、Ｙ軸方向に長手を有する長方形状とすることが好ましい。
【００３８】
また図１５に示すように、上記第１変形例の線状光源装置１０を撮像装置７０に適用する場合について説明する。
撮像装置７０は、試料３を載置したステージ７１側から上方へ向かって順に配置された結像レンズ７２と撮像素子７３とを有し、ステージ７１側から斜め上方へ向かって順に配置された集光レンズ７４とスリット７５と線状光源装置１０とを有してなる。
スリット７５は、図１５紙面の垂直方向に延在する開口を有しており、線状光源装置１０の集光位置１８に配置されている。撮像素子７３は、図１５紙面の垂直方向に延在するように配置された一次元撮像素子からなる。なお、スリット７５は集光レンズ７４を介して試料３と共役に配置されており、試料３は結像レンズ７２を介して撮像素子７３と共役に配置されている。
【００３９】
斯かる構成の下、線状光源装置１０から射出された線状の照明光（図１５紙面の垂直方向に延在する線状の照明光）はスリット７５に照射される。スリット７５を通過した照明光は集光レンズ７４で集光されて、ステージ７１上の試料３にスリット７５の像が投影されることとなる。このようにして照明された試料３から発せられた光は、結像レンズ７２を介して撮像素子７３の撮像面に結像される。ここで、ステージ７１を駆動して試料３を前述のスリット７５の像と直交する方向（図１５紙面の左右方向）へ移動させることにより、試料３の二次元画像を取得することが可能となる。
【００４０】
なお、以上に述べた撮像装置７０は試料３を斜め上方から反射照明するものであるが、これに限られず線状光源装置１０を用いて同軸落射照明や透過照明等を行う撮像装置を構成することもできる。また撮像装置７０には、第１変形例の線状光源装置１０に限られず、その他の変形例の線状光源装置を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 輪帯光源装置
２ 顕微鏡
８ 集光レンズ
９ フライアイインテグレータ
１０，２０，３０，４０，５０，１００ 線状光源装置
１１ 光源
１５，２５，３５，４５，５５ 反射光学素子
１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ，５５ａ 反射面
１６，２６，３６ 放物線
１７，２７ 楕円
３４ 円
１８，２８，３８，４８，５８ 集光位置
ＡＸ 光軸
Ｏ 原点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輪帯光源装置、顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、顕微鏡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光源装置が知られており、斯かる輪帯光源装置として多数の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を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２８０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような従来の輪帯光源装置は、多数のＬＥＤを備えることで大型化するとともに、構造が複雑であり製造コストが大きくなってしまうという問題があった。
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化と低コスト化を図った輪帯光源装置、顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明は、
環状の集光レンズと、
前記集光レンズの入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を前記集光レンズの入射面に射出する複数の線状光源装置と、
を有することを特徴とする輪帯光源装置を提供する。
また本発明は、
上記輪帯光源装置を備えた顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、小型化と低コスト化を図った輪帯光源装置、顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る輪帯光源装置を備えた顕微鏡の構成を示す断面図、（ｂ）は輪帯光源装置の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は第１変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図３】第１変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図４】（ａ）は第２変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図５】第２変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図６】（ａ）は第３変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図７】第３変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図８】（ａ）は第４変形例の線状光源装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は線状光源装置に用いられる反射光学素子の正面図、（ｃ）は反射光学素子をＸ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＹＺ断面図（（ｂ）のＪ−Ｊ’断面図）、（ｅ）は反射光学素子をＹ軸方向から見た側面図、（ｆ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ｂ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｇ）は反射光学素子の斜視図である。
【図９】第４変形例の線状光源装置から射出される照明光の、反射光学素子の反射面の集光位置における照度分布を示す図である。
【図１０】（ａ）は第５変形例の線状光源装置における反射光学素子の正面図、（ｂ）は線状光源装置をＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）は線状光源装置をＹ軸方向から見た側面図、（ｄ）は線状光源装置のＸＺ断面図（（ａ）のＩ−Ｉ’断面図）、（ｅ）は線状光源装置の斜視図である。
【図１１】第５変形例の線状光源装置における反射光学素子の射出面を傾斜面とした様子を示す図である。
【図１２】（ａ）は第１変形例の線状光源装置をフライアイインテグレータと組み合わせた様子を示す斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図１３】フライアイインテグレータの構成を示す図である。
【図１４】（ａ）は第１変形例の線状光源装置をフライアイインテグレータと組み合わせて使用する場合のフライアイインテグレータの入射面における角度特性を示す図、（ｂ）は同様にフライアイインテグレータの射出面における角度特性を示す図である。
【図１５】第１変形例の線状光源装置を撮像装置に適用した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態に係る輪帯光源装置を備えた顕微鏡を添付図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る輪帯光源装置１を備えた顕微鏡２は、試料３側から順に、第１対物レンズ４と、第１対物レンズ４の外周に配置されており、輪帯状の照明光を射出する輪帯光源装置１と、開口絞り５と、第２対物レンズ６と、撮像素子７とを有している。なお、試料３は、第１対物レンズ４、開口絞り５、及び第２対物レンズ６を介して撮像素子７と共役に配置されている。
輪帯光源装置１は、図１（ｂ）に示すように第１対物レンズ４よりも大径で環状の集光レンズ８と、集光レンズ８の入射面に沿って環状に配置された８つの線状光源装置１００と、集光レンズ８と各線状光源装置１００との間に配置されており、集光レンズ８と略同径で環状のフライアイインテグレータ９とからなる。
【０００９】
フライアイインテグレータ９は、入射面及び射出面が正六角形状の多数の要素レンズが環状に配置されることによって構成されており、各要素レンズの入射面が集光レンズ８を介して試料３と共役となるように配置されている。なお、フライアイインテグレータ９はこれに限られず、例えば入射面及び射出面が長方形状の要素レンズで構成されたものを用いることもできる。
８つの線状光源装置１００は、それぞれが線状の照明光をフライアイインテグレータ９を介して集光レンズ８へ向かって射出するものであり、いずれも同じ構成をしている。
ここで、線状光源装置１００の詳細な構成を説明するにあたり、当該線状光源装置１００と同様に本実施形態に係る輪帯光源装置１に適用可能なその他の線状光源装置を第１変形例〜第５変形例として予め説明する。
【００１０】
（第１変形例）
図２（ａ）に示すように第１変形例の線状光源装置１０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面１５ａを備えた反射光学素子１５とからなる。
反射光学素子１５の反射面１５ａは、光軸ＡＸと反射面１５ａとの交点を原点Ｏとし、原点Ｏにおける反射面１５ａの法線をＺ軸、Ｚ軸に垂直で原点Ｏを通る直線をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直で原点Ｏを通る直線をＹ軸としたとき、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した長軸を有する楕円であって、次の定義式（１）〜（４）で表されるアナモルフィック非球面である（前記放物線を放物線１６、前記楕円を楕円１７と称する。）。なお、原点Ｏ、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の定義は、後述する全ての線状光源装置において同様である。
【００１１】
（１） ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
（２） ｒｐ＝２ｆ１
（３） Ｋｅ＝−｛(ｆ１−ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)｝２
（４） ｒｅ＝(２ｆ１ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)
ただし、
ｆ１：反射面１５ａと光源１１との距離（原点Ｏと光源１１との距離）
ｆ２：反射面１５ａと反射面１５ａの集光位置１８との距離
ｒｐ：放物線１６の曲率半径
Ｋｅ：楕円１７のコーニック定数
ｒｅ：楕円１７の曲率半径
【００１２】
上記各定義式より、反射光学素子１５における反射面１５ａの放物線１６の焦点位置と、楕円１７の第１焦点位置とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置１０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面１５ａの集光位置１８は楕円１７の第２焦点位置に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子１５は、光源１１から発せられた光束を反射面１５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では楕円１７の第２焦点位置（集光位置１８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで光量ロスすることなく効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００１３】
具体的には、反射光学素子１５の反射面１５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０としたとき、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．１１１、ｒｅ＝１３．３３３となり、図３に示すように反射面１５ａの集光位置１８を含む平面（Ｚ軸に垂直な平面１８ａ）内において光束が線状に集光されていることがわかる。なお、本明細書に掲載されている長さの単位は「ｍｍ」であるが、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるため単位はこれに限られるものではない。
【００１４】
以上の構成の下、線状光源装置１０において光源１１から発せられた光束は、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射されることにより、集光位置１８に効率良く線状に集光されることとなり、このようにして線状光源装置１０は線状の照明光を射出することが可能となる。
なお、反射光学素子１５には、ガラス表面にクロムやアルミを蒸着したもの、熱可塑性樹脂によるモールド成型品にクロムやアルミを蒸着したもの、或いは金属の板金加工や切削加工等によって反射鏡形状を形成したもの等を用いることが好ましい。また、線状光源装置１０における光源１１の支持は、反射光学素子１５の反射面１５ａの原点Ｏ部分に開口を形成して支持部材を挿通し、この支持部材によって行う構成とすることが好ましい。なお、これらのことは後述する第２変形例〜第４変形例においても同様である。
【００１５】
（第２変形例）
第２変形例及び後述する各変形例において、上記第１変形例と同様の構成である部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
図４（ａ）に示すように第２変形例の線状光源装置２０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面２５ａを備えた反射光学素子２５とからなる。
反射光学素子２５の反射面２５ａは、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した短軸を有する楕円であって、次の定義式（１），（５）〜（８）で表されるアナモルフィック非球面である（前記放物線を放物線２６、前記楕円を楕円２７と称する。）。
【００１６】
（１） ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
（５） ａ＝√(ｂ２＋ｄ２)
（６） ｒｐ＝２ｆ１
（７） Ｋｅ＝(ａ２−ｆ１２)／(ｆ１２)
（８） ｒｅ＝ａ２／ｆ１
ただし、
ｆ１：反射面２５ａの集光位置２８と光源１１の中点２９（楕円２２７の中心）と反射面２５ａとの距離
ａ ：楕円２７の長半径
ｂ ：楕円２７の短半径
ｄ ：反射面２５ａの集光位置２８と光源１１の中点２９と光源１１との距離（Ｚ軸と光源１１との距離）
ｒｐ：放物線２６の曲率半径
Ｋｅ：楕円２７のコーニック定数
ｒｅ：楕円２７の曲率半径
【００１７】
上記各定義式より、反射光学素子２５における反射面２５ａの放物線２６の焦点位置と、楕円２７の第１焦点位置とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置２０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面２５ａの集光位置２８は楕円２７の第２焦点位置に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子２５は、光源１１から発せられた光束を反射面２５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では楕円２７の第２焦点位置（集光位置２８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００１８】
具体的には、反射光学素子２５の反射面２５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｄ＝５としたとき、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．２５、ｒｅ＝１２．５となり、図５に示すように反射面２５ａの集光位置２８を含む平面２８ａ内において光束が線状に集光されていることがわかる。また、図５に示すように集光された線状の光束には光源１１の影ができてしまうことがない。これは、光源１１と反射面２５ａの集光位置２８とが原点Ｏから見て異なる方向にあり、反射面２５ａで反射された光束が光源１１でケラれてしまうことがないためである。
以上の構成によって線状光源装置２０は、上記第１変形例の線状光源装置１０と同様の効果を奏することが可能となる。
【００１９】
（第３変形例）
図６（ａ）に示すように第３変形例の線状光源装置３０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面３５ａを備えた反射光学素子３５とからなる。
反射光学素子３５の反射面３５ａは、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状が円であって、次の定義式（９）で表される曲面である（前記放物線を放物線３６、前記円を円３４と称する。）。
（９） ｚ＝ｆ１−√｛(ｆ１−ｘ２／４ｆ１)２−ｙ２｝
ただし、
ｆ１：反射面３５ａと光源１１との距離（円３４の中心と反射面３５ａとの距離）
【００２０】
上記各定義式より、反射光学素子３５における反射面３５ａの放物線３６の焦点位置と、円３４の中心とが一致することとなる。そして本変形例の線状光源装置３０ではこの位置に光源１１が配置されており、これによって反射面３５ａの集光位置３８は円３４の中心に一致することとなる。斯かる構成により反射光学素子３５は、光源１１から発せられた光束を反射面３５ａで反射することで、ＸＺ平面内では平行光束に変換し、かつＹＺ平面内では円３４の中心（集光位置３８）に集光する光束に変換する、したがって光源１１からの光束を狭いスペースで効率的に線状の光束に変換することが可能となる。
【００２１】
具体的には、反射光学素子３５の反射面３５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０としたとき、図７に示すように反射面３５ａの集光位置３８を含む平面３８ａ内において光束が線状に精度良く集光されていることがわかる。なお、反射面３５ａが回転対称な形状であるため、反射光学素子３５は製造が容易であるという利点も備えている。
以上の構成によって線状光源装置３０は、上記第１変形例の線状光源装置２０と同様の効果を奏することが可能となる。
【００２２】
（第４変形例）
図８（ａ）に示すように第４変形例の線状光源装置４０は、上記第１変形例における反射光学素子１５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分（図２（ａ）紙面上側の半分）のみを反射光学素子４５として備えており、その他の構成については第１変形例と同様である。なお、本変形例の反射光学素子４５は、図８（ｂ）に示すように正面から見て外形が正方形となるように作製されている。
【００２３】
斯かる構成の線状光源装置４０において、反射光学素子４５の反射面４５ａの外形寸法を１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０としたとき、図９に示すように反射面４５ａの集光位置４８を含む平面４８ａ内において光束が線状に集光されていることがわかる。また、図９に示すように集光された線状の光束の中心部分に光源１１の影ができてしまうことがない。これは、反射面４５ａで反射された光束のうち光源１１によってケラれやすい光、即ち光軸ＡＸ上を進行する光を、線状の集光位置４８の端部に集光させることができるためである。
【００２４】
以上の構成によって線状光源装置４０は、上記第１変形例の線状光源装置１０と同様の効果を奏することが可能となる。
なお、本変形例においては、上述のように第１変形例の反射光学素子１５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分を反射光学素子４５として用いているが、これに限られず反射光学素子１５の下半分、或いは第３変形例における反射光学素子３５をＹＺ平面で二分割し、そのうちの上半分或いは下半分を用いることも可能である。
【００２５】
（第５変形例）
図１０に示すように第５変形例の線状光源装置５０は、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面５５ａを備えた反射光学素子５５とからなる。
本変形例における反射光学素子５５は、断面形状が正方形のＺ軸方向へ延在した角柱プリズム部材であって、光源１１の光の波長に応じて選択された屈折率が１より大きな透明媒質（例えば、ガラスや樹脂等）によって作製されている。反射光学素子５５の一方の端部には、光を内部反射するための前記反射面５５ａが設けられており、もう一方の端部は光を射出するための射出面５５ｂとなっている。なお、射出面５５ｂはＺ軸に対して垂直であって、反射面５５ａの集光位置５８を含んでいる。
【００２６】
反射光学素子５５の反射面５５ａは、上記第１変形例の反射光学素子１５の反射面１５ａと同じ形状の反射面（ＸＺ平面による断面形状が放物線１６で、ＹＺ平面による断面形状がＺ軸に一致した長軸を有する楕円１７となるアナモルフィック非球面）であり、その中心部には図１０（ｄ）に示すように半球形状の凹み部５１が設けられている。
光源１１は、反射光学素子５５の凹み部５１内に反射光学素子５５と略同じ屈折率を持つ媒質によって封止或いは接着されており、これによって光源１１は反射面５５ａの楕円１７の第１焦点位置であって放物線１６の焦点位置に配置されている。
なお、光源１１には半導体レーザや発光ダイオード等の固体光源を採用することが好ましく、これによって光源１１及び反射光学素子５５、ひいては線状光源装置５０の小型化を図ることが可能となる。なお、このことは上記各変形例においても同様である。
【００２７】
以上の構成により、線状光源装置５０において光源１１より発せられた光束は、反射光学素子５５に入射し、反射面５５ａで内部反射された後、射出面５５ｂ上の集光位置５８に線状に集光されることとなる。このようにして線状光源装置５０は、反射光学素子５５の射出面５５ｂより線状の照明光を射出することが可能となる。
なお、上述のように本変形例では、反射光学素子５５の反射面５５ａを上記第１変形例の反射光学素子１５の反射面１５ａと同じ形状にしているが、これに限られず第２変形例〜第４変形例の反射光学素子の反射面と同じ形状にすることも勿論可能である。
【００２８】
また、本変形例の反射光学素子５５は、上記構成により製造が容易であり低コスト化を図ることができるという利点を備えているが、これに限られず、射出面５５ｂに拡散面や回折格子等を設けることで光学的機能を付加することが可能であるという利点も備えている。例えば、図１１に示すように射出面５５ｂをＺ軸に対して傾斜した傾斜面として偏角プリズムの効果を付加することで、射出面５５ｂより射出される線状の照明光の射出方向を任意に設定することが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る輪帯光源装置１に備えられた線状光源装置１００について説明する。
図１に示すように線状光源装置１００は、上記第５変形例の線状光源装置５０と同様の構成であって、光源１１と、光源１１からの光を反射して線状に集光する反射面５５ａを備えた反射光学素子５５とからなる。
詳細には、反射光学素子６５は、第５変形例の反射光学素子５５を射出面５５ｂへ向かって先端を細く（光軸に対して放射方向における厚みを小さく）しており、これによって反射面５５ａで反射された光束の進行に寄与しないプリズム部分を排除し小型化を図っている。また、射出面５５ｂを光軸に対して傾斜した傾斜面としており、これによって射出面５５ｂから射出される照明光の射出方向を偏向し、フライアイインテグレータ９へ適切に導くことが可能となる。そして、斯かる構成の反射光学素子５５を第１対物レンズ４の光軸に対して傾けて配置したことでさらに輪帯光源装置１全体の小型化を図り、これによって顕微鏡２の使用者が試料３を輪帯光源装置１の側方から目視する際に輪帯光源装置１が邪魔になることを解消できるという効果を奏している。
【００３０】
上記構成の本実施形態に係る輪帯光源装置１を備えた顕微鏡２において、線状光源装置１００の光源１１から発せられた光は、反射光学素子５５に入射し反射面５５ａで内部反射された後、射出面５５ｂ上の集光位置に線状に集光され、当該射出面５５ｂから線状の照明光が射出される。ここで、上述のように線状光源装置１００は第１対物レンズ４を取り囲むように計８個環状に配置されているため、それぞれの線状光源装置１００から射出された線状の照明光によって略輪帯状の照明光が形成されることとなる。
このようにして形成された略輪帯状の照明光は、フライアイインテグレータ９の各要素レンズに入射し、各要素レンズによって集光されてそれぞれの射出面（試料３側）に光源像（二次光源）を形成した後、均一な放射角度特性をもって射出される。このようにして各要素レンズから射出された照明光は、それぞれ集光レンズ８で集光されて試料３上に重畳的に照射されることとなり、照度ムラのないリング照明を実現することができる。
このようにしてリング照明された試料３からの光は、第１対物レンズ４、開口絞り５、及び第２対物レンズ６を順に介して撮像素子７の撮像面上に結像される。これにより撮像素子７では試料３の像が撮像され、顕微鏡２に別途設けられた不図示のモニタに表示されることとなる。以上のようにして使用者は、本顕微鏡２によって試料３をリング照明観察することが可能となる。
【００３１】
以上、本実施形態によれば、上述のように環状に配置した８つの線状光源装置１００を用いて輪帯光源装置１を構成することにより、多数のＬＥＤを同心円状に配列してなる従来の輪帯光源装置に比して光源の数を大幅に削減することができ、小型化（特に第１対物レンズ４の径方向における小型化）と低コスト化とを実現することができる。また、本実施形態に係る輪帯光源装置１は、フライアイインテグレータ９によって多数の擬似光源を形成することができるため、照度ムラのないリング照明を実現することができる。
【００３２】
なお、上記第１変形例〜第５変形例の線状光源装置１０，２０，３０，４０，５０や線状光源装置１００は、本実施形態に係る輪帯光源装置１に適用可能なだけでなく、次に述べるようにフライアイインテグレータと組み合わせて使用したり、撮像装置に適用することも可能である。
【００３３】
図１２に示すように、上記第１変形例の線状光源装置１０をフライアイインテグレータ６０と組み合わせて使用する場合について説明する。
フライアイインテグレータ６０は、反射光学素子１５の反射面１５ａの集光位置１８に配置されており、図１３に示すように四角柱形状の要素レンズを５×２１個（計１０５個）積み重ねてなる。各要素レンズは入射面及び射出面が正方形状であり、フライアイインテグレータ６０の外形は光源１１側から見てＸ軸方向へ延びた長方形をなしている。なお、フライアイインテグレータ６０は、四角柱形状のガラスレンズどうしの接合やプラスチックモールド等の加工によって作製されることが好ましい。
【００３４】
具体的には、各要素レンズはポリカーボネート（屈折率ｎ＝１．５８５）からなり、焦点距離を０．８３３、入射面及び射出面の寸法を０．５×０．５とする。また、各要素レンズの入射面及び射出面は、互いの焦点位置に配置されており、厚さが１．３２、それぞれの曲率半径を０．４８７５とする。なお、上記第１変形例と同様、反射光学素子１５の反射面１５ａの外形寸法は１０×１０、ｆ１＝１０、ｆ２＝２０、ｒｐ＝２０、Ｋｅ＝０．１１１、ｒｅ＝１３．３３３である。また光源１１は、外形寸法１×１の正方形状の面発光光源とする。
【００３５】
以上の構成により、線状光源装置１０の光源１１から発せられた光束は、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射され集光位置１８に効率良く線状に集光される。これにより線状の照明光がフライアイインテグレータ６０に照射され、各要素レンズに照明光が入射することとなる。各要素レンズに入射したそれぞれの光は、各要素レンズによって集光されて各々の射出面に光源像（二次光源）を形成した後、均一な放射角度特性をもって射出されることとなる。
【００３６】
なお、図１４（ａ）より、反射光学素子１５の反射面１５ａで反射された光束のうち、反射面１５ａの楕円１７部分で反射された光束（点線）は広い角度特性を有しており、放物線１６部分で反射された光束（実線）は狭い角度特性を有していることがわかる。一方、図１４（ｂ）より、フライアイインテグレータ６０を経たこれらの光束が、ともに均一な広い角度特性を有していることがわかる。したがってこれらより、線状光源装置１０から射出された線状の照明光が、フライアイインテグレータ６０によって均一な放射角度特性を有し、略正方形状の照明領域を重畳的に照明する照明光に変換されていることがわかる。
【００３７】
また、フライアイインテグレータ６０は、入射面及び射出面が正方形状の要素レンズで構成されたものに限られず、入射面及び射出面が正六角形状の要素レンズで構成されたものを用いることもでき、特に顕微鏡等の円形の照明領域が必要とされる装置に好適である。また、入射面と射出面の形状が異なる要素レンズで構成されたモザイク型のフライアイレンズを用いることもできる。この場合、射出面の形状は図１４（ａ）に示される角度特性を考慮し、Ｘ軸方向に短手、Ｙ軸方向に長手を有する長方形状とすることが好ましい。
【００３８】
また図１５に示すように、上記第１変形例の線状光源装置１０を撮像装置７０に適用する場合について説明する。
撮像装置７０は、試料３を載置したステージ７１側から上方へ向かって順に配置された結像レンズ７２と撮像素子７３とを有し、ステージ７１側から斜め上方へ向かって順に配置された集光レンズ７４とスリット７５と線状光源装置１０とを有してなる。
スリット７５は、図１５紙面の垂直方向に延在する開口を有しており、線状光源装置１０の集光位置１８に配置されている。撮像素子７３は、図１５紙面の垂直方向に延在するように配置された一次元撮像素子からなる。なお、スリット７５は集光レンズ７４を介して試料３と共役に配置されており、試料３は結像レンズ７２を介して撮像素子７３と共役に配置されている。
【００３９】
斯かる構成の下、線状光源装置１０から射出された線状の照明光（図１５紙面の垂直方向に延在する線状の照明光）はスリット７５に照射される。スリット７５を通過した照明光は集光レンズ７４で集光されて、ステージ７１上の試料３にスリット７５の像が投影されることとなる。このようにして照明された試料３から発せられた光は、結像レンズ７２を介して撮像素子７３の撮像面に結像される。ここで、ステージ７１を駆動して試料３を前述のスリット７５の像と直交する方向（図１５紙面の左右方向）へ移動させることにより、試料３の二次元画像を取得することが可能となる。
【００４０】
なお、以上に述べた撮像装置７０は試料３を斜め上方から反射照明するものであるが、これに限られず線状光源装置１０を用いて同軸落射照明や透過照明等を行う撮像装置を構成することもできる。また撮像装置７０には、第１変形例の線状光源装置１０に限られず、その他の変形例の線状光源装置を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 輪帯光源装置
２ 顕微鏡
８ 集光レンズ
９ フライアイインテグレータ
１０，２０，３０，４０，５０，１００ 線状光源装置
１１ 光源
１５，２５，３５，４５，５５ 反射光学素子
１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ，５５ａ 反射面
１６，２６，３６ 放物線
１７，２７ 楕円
３４ 円
１８，２８，３８，４８，５８ 集光位置
ＡＸ 光軸
Ｏ 原点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の集光レンズと、
前記集光レンズの入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を前記集光レンズの入射面に射出する複数の線状光源装置と、
を有することを特徴とする輪帯光源装置。
【請求項２】
前記集光レンズと前記複数の線状光源装置との間に、前記集光レンズと略同径で環状に配置された複数のレンズ要素からなるオプティカルインテグレータを有することを特徴とする請求項１に記載の輪帯光源装置。
【請求項３】
前記線状光源装置は、光源と、前記光源からの光を反射して線状に集光する反射面を備えた反射光学素子とを含み、
前記反射光学素子の前記反射面は、光軸と前記反射面との交点を原点とし、前記原点における前記反射面の法線をＺ軸、前記Ｚ軸に垂直で前記原点を通る直線をＸ軸、前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸に垂直で前記原点を通る直線をＹ軸とするとき、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状が楕円又は円であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の輪帯光源装置。
【請求項４】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が前記Ｚ軸に一致した長軸を有する楕円の少なくとも一部の形状を有し、前記楕円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記楕円の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
ｒｐ＝２ｆ１
Ｋｅ＝−｛(ｆ１−ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)｝２
ｒｅ＝(２ｆ１ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)
ただし、
ｆ１：前記反射面と前記光源との距離
ｆ２：前記反射面と前記反射面の集光位置との距離
ｒｐ：前記反射面の前記放物線の曲率半径
Ｋｅ：前記反射面の前記楕円のコーニック定数
ｒｅ：前記反射面の前記楕円の曲率半径
【請求項５】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が前記Ｚ軸に一致した短軸を有する楕円の少なくとも一部の形状を有し、前記楕円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記楕円の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
ａ＝√(ｂ２＋ｄ２)
ｒｐ＝２ｆ１
Ｋｅ＝(ａ２−ｆ１２)／(ｆ１２)
ｒｅ＝ａ２／ｆ１
ただし、
ｆ１：前記反射面の集光位置と前記光源の中点と前記反射面との距離
ａ ：前記反射面の前記楕円の長半径
ｂ ：前記反射面の前記楕円の短半径
ｄ ：前記反射面の集光位置と前記光源の中点と前記光源との距離
ｒｐ：前記反射面の前記放物線の曲率半径
Ｋｅ：前記反射面の前記楕円のコーニック定数
ｒｅ：前記反射面の前記楕円の曲率半径
【請求項６】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が円の少なくとも一部の形状を有し、前記円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記円の中心に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝ｆ１−√｛(ｆ１−ｘ２／４ｆ１)２−ｙ２｝
ただし、
ｆ１：前記反射面と前記光源との距離
【請求項７】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、ＹＺ平面で分割された前記反射面の一方のみを備えていることを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の輪帯光源装置。
【請求項８】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、屈折率が１より大きな媒質で構成されたプリズム部材からなり、前記光源からの光を前記反射面で内部反射して射出面上に線状に集光することを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の輪帯光源装置。
【請求項９】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記射出面が、前記Ｚ軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項８に記載の輪帯光源装置。
【請求項１０】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、前記Ｙ軸方向における厚みが前記射出面へ向かって小さく、
前記線状光源装置は、前記集光レンズの光軸に対して傾けて配置されていることを特徴とする請求項９に記載の輪帯光源装置。
【請求項１１】
前記線状光源装置における前記光源が固体光源であることを特徴とする請求項３から請求項１０のいずれか一項に記載の輪帯光源装置。
【請求項１２】
前記固体光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１１に記載の輪帯光源装置。
【請求項１３】
前記固体光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項１１に記載の輪帯光源装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の輪帯光源装置を備えたことを特徴とする顕微鏡。
【請求項１】
環状の集光レンズと、
前記集光レンズの入射面に沿って環状に配置された、線状の照明光を前記集光レンズの入射面に射出する複数の線状光源装置と、
を有することを特徴とする輪帯光源装置。
【請求項２】
前記集光レンズと前記複数の線状光源装置との間に、前記集光レンズと略同径で環状に配置された複数のレンズ要素からなるオプティカルインテグレータを有することを特徴とする請求項１に記載の輪帯光源装置。
【請求項３】
前記線状光源装置は、光源と、前記光源からの光を反射して線状に集光する反射面を備えた反射光学素子とを含み、
前記反射光学素子の前記反射面は、光軸と前記反射面との交点を原点とし、前記原点における前記反射面の法線をＺ軸、前記Ｚ軸に垂直で前記原点を通る直線をＸ軸、前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸に垂直で前記原点を通る直線をＹ軸とするとき、ＸＺ平面による断面形状が放物線であり、ＹＺ平面による断面形状が楕円又は円であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の輪帯光源装置。
【請求項４】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が前記Ｚ軸に一致した長軸を有する楕円の少なくとも一部の形状を有し、前記楕円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記楕円の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
ｒｐ＝２ｆ１
Ｋｅ＝−｛(ｆ１−ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)｝２
ｒｅ＝(２ｆ１ｆ２)／(ｆ１＋ｆ２)
ただし、
ｆ１：前記反射面と前記光源との距離
ｆ２：前記反射面と前記反射面の集光位置との距離
ｒｐ：前記反射面の前記放物線の曲率半径
Ｋｅ：前記反射面の前記楕円のコーニック定数
ｒｅ：前記反射面の前記楕円の曲率半径
【請求項５】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が前記Ｚ軸に一致した短軸を有する楕円の少なくとも一部の形状を有し、前記楕円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記楕円の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝｛(ｘ２／ｒｐ)＋(ｙ２／ｒｅ)｝／［１＋√｛１−(１＋Ｋｅ)(ｙ／ｒｅ)２｝］
ａ＝√(ｂ２＋ｄ２)
ｒｐ＝２ｆ１
Ｋｅ＝(ａ２−ｆ１２)／(ｆ１２)
ｒｅ＝ａ２／ｆ１
ただし、
ｆ１：前記反射面の集光位置と前記光源の中点と前記反射面との距離
ａ ：前記反射面の前記楕円の長半径
ｂ ：前記反射面の前記楕円の短半径
ｄ ：前記反射面の集光位置と前記光源の中点と前記光源との距離
ｒｐ：前記反射面の前記放物線の曲率半径
Ｋｅ：前記反射面の前記楕円のコーニック定数
ｒｅ：前記反射面の前記楕円の曲率半径
【請求項６】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記反射面は、ＹＺ平面による断面形状が円の少なくとも一部の形状を有し、前記円は以下の式で定義され、
前記光源は、前記円の中心に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の輪帯光源装置。
ｚ＝ｆ１−√｛(ｆ１−ｘ２／４ｆ１)２−ｙ２｝
ただし、
ｆ１：前記反射面と前記光源との距離
【請求項７】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、ＹＺ平面で分割された前記反射面の一方のみを備えていることを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の輪帯光源装置。
【請求項８】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、屈折率が１より大きな媒質で構成されたプリズム部材からなり、前記光源からの光を前記反射面で内部反射して射出面上に線状に集光することを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の輪帯光源装置。
【請求項９】
前記線状光源装置における前記反射光学素子の前記射出面が、前記Ｚ軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項８に記載の輪帯光源装置。
【請求項１０】
前記線状光源装置における前記反射光学素子は、前記Ｙ軸方向における厚みが前記射出面へ向かって小さく、
前記線状光源装置は、前記集光レンズの光軸に対して傾けて配置されていることを特徴とする請求項９に記載の輪帯光源装置。
【請求項１１】
前記線状光源装置における前記光源が固体光源であることを特徴とする請求項３から請求項１０のいずれか一項に記載の輪帯光源装置。
【請求項１２】
前記固体光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１１に記載の輪帯光源装置。
【請求項１３】
前記固体光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項１１に記載の輪帯光源装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の輪帯光源装置を備えたことを特徴とする顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図４】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２５０１８２（Ｐ２０１０−２５０１８２Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０１２７４（Ｐ２００９−１０１２７４）
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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