JP2023006187A - Illumination device, microscope and illumination method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、顕微鏡や露光装置等で対象物に光を照射するのに利用できる照明技術に関する。 The present invention relates to illumination technology that can be used to illuminate an object with a microscope, an exposure device, or the like.
特許文献1、2に示されるように、発光素子からの光を対象物に照射する照明技術においては、インテグレータ等の光伝搬部材を使用できる。この光伝搬部材は入射面および射出面を有し、入射面から入射した光は光伝搬部材の内部を伝搬した後に、射出面から射出される。こうして射出面から射出された光が対象物に照射される。
As disclosed in
ところで、複数の発光素子を互いの干渉を避けて配置する場合や、他の部材との干渉を避けて発光素子を配置する場合に、光伝搬部材の入射面に対して発光素子を対向させて配置することができないと、入射面に入射する光の角度が入射面に対して傾くこととなる。その結果、後に例示するように、射出面から射出される光の分布が不均一になって、均一な光を対象物に照射できないとった問題があった。 By the way, when arranging a plurality of light emitting elements to avoid interference with each other or when arranging the light emitting elements by avoiding interference with other members, the light emitting elements are opposed to the incident surface of the light propagation member. If it cannot be arranged, the angle of light incident on the incident surface will be inclined with respect to the incident surface. As a result, as will be exemplified later, the distribution of the light emitted from the exit surface becomes non-uniform, and there is a problem that the object cannot be irradiated with uniform light.
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光伝搬部材から射出される光の不均一性を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress non-uniformity of light emitted from a light propagating member.
本発明に係る照明装置は、光を射出する発光素子と、発光素子から射出された光を集光しつつ射出する集光光学系と、集光光学系から射出された光を拡散させる光拡散部と、光拡散部で拡散された光を伝搬させる光伝搬部材とを備える。 A lighting device according to the present invention includes a light-emitting element that emits light, a light-collecting optical system that collects and emits the light emitted from the light-emitting element, and a light diffusion that diffuses the light emitted from the light-collecting optical system. and a light propagation member that propagates the light diffused by the light diffusion part.
本発明に係る照明方法は、発光素子から射出された光を集光光学系により集光しつつ射出する工程と、集光光学系から射出された光を光拡散部により拡散させる工程と、光拡散部により拡散された光を光伝搬部材により伝搬させる工程とを備える照明方法。 An illumination method according to the present invention comprises a step of emitting light emitted from a light emitting element while condensing it with a condensing optical system, a step of diffusing the light emitted from the condensing optical system with a light diffusion part, and a step of propagating the light diffused by the diffusing part with a light propagating member.
このように構成された本発明(照明装置および照明方法)では、光拡散部で拡散された後の光が光伝搬部材の内部を伝搬する。したがって、光拡散部によって光を広げてから、光伝搬部材によって光を伝搬させることができる。そのため、光伝搬部材の射出面から射出される光の不均一性を抑制することができる。 In the present invention (illumination device and illumination method) configured as described above, the light diffused by the light diffusion portion propagates inside the light propagation member. Therefore, the light can be propagated by the light propagation member after the light is spread by the light diffusing portion. Therefore, non-uniformity of the light emitted from the exit surface of the light propagation member can be suppressed.
また、光伝搬部材は、入射面および射出面を有して入射面から入射した光を射出面から射出し、光拡散部は、集光光学系と入射面との間で光を拡散させ、集光光学系により射出された光は、光拡散部によって拡散された後に、入射面に入射するように、照明装置を構成してもよい。かかる構成では、光拡散部で拡散された後の光が光伝搬部材の入射面に入射する。したがって、光拡散部によって光の発散角を広げてから、光伝搬部材の入射面に光を入射させて、この光を光伝搬部材により伝搬させることができる。そのため、光伝搬部材の射出面から射出される光の不均一性を抑制することができる。 Further, the light propagation member has an incident surface and an exit surface, and emits light incident from the incident surface from the exit surface, and the light diffusion unit diffuses the light between the condensing optical system and the incident surface, The illumination device may be configured such that the light emitted by the condensing optical system is diffused by the light diffusing section and then incident on the incident surface. In such a configuration, the light after being diffused by the light diffusing section enters the incident surface of the light propagating member. Therefore, after widening the divergence angle of light by the light diffusing part, the light can be made incident on the incident surface of the light propagation member and propagated by the light propagation member. Therefore, non-uniformity of the light emitted from the exit surface of the light propagation member can be suppressed.
また、入射面は平面であり、発光素子から射出されてから集光光学系によって射出される光の主光線は、入射面に垂直な法線に対して傾斜するように、照明装置を構成してもよい。このように入射面に入射する光の主光線が入射面に対して傾いた照明装置では、射出面から射出される光が不均一となる傾向がある。これに対して、入射面に入射する前の光を拡散する拡散部材が設けられているため、光の主光線の入射面に対する傾きの影響を緩和して、光伝搬部材の射出面から射出される光の不均一性を抑制することができる。 The illumination device is configured such that the plane of incidence is flat, and the principal ray of light emitted from the light emitting element and then emitted by the condensing optical system is inclined with respect to a normal line perpendicular to the plane of incidence. may In such a lighting device in which the principal ray of light incident on the incident surface is tilted with respect to the incident surface, the light emitted from the exit surface tends to be non-uniform. On the other hand, since the diffusion member is provided to diffuse the light before it enters the incident surface, the principal ray of light is emitted from the exit surface of the light propagation member by alleviating the influence of the inclination of the principal ray with respect to the incident surface. It is possible to suppress non-uniformity of light caused by
また、集光光学系から射出される光の主光線と法線との間の角度θと、光拡散部により拡散された光の発散角θNAと、光伝搬部材の屈折率nと、入射面から射出面へ向けて光伝搬部材の内部を伝搬する光の臨界角θCとが、次の式
sin(θNA+θ)≦n×sin(90°-θC)
θNA-θ≧0
を満たすように、照明装置を構成してもよい。かかる構成では、光伝搬部材の入射面の法線に平行な角度(すなわち、法線に対してゼロ度)を含む角度範囲に渡って、入射面に入射する光を確保できる。その結果、光伝搬部材の射出面から射出される光の不均一性を効果的に抑制することができる。
Further, the angle θ between the principal ray of light emitted from the condensing optical system and the normal line, the divergence angle θ NA of the light diffused by the light diffusion unit, the refractive index n of the light propagation member, and the incident The critical angle θ C of light propagating inside the light propagation member from the surface toward the exit surface is defined by the following formula: sin(θ NA +θ)≦n×sin(90°−θ C )
θ NA −θ≧0
The lighting device may be configured so as to satisfy With such a configuration, it is possible to secure light incident on the incident surface over an angular range including an angle parallel to the normal to the incident surface of the light propagation member (that is, zero degrees with respect to the normal). As a result, it is possible to effectively suppress non-uniformity of the light emitted from the exit surface of the light propagation member.
また、発光素子から射出される光は、短軸方向において第1の幅を有し、短軸方向と異なる長軸方向において第1の幅より長い第2の幅を有し、短軸方向は、入射面に入射する光の主光線と法線とを含む平面に含まれるように、照明装置を構成してもよい。かかる構成では、光伝搬部材の射出面から等方的に光を射出することができる。 Further, the light emitted from the light emitting element has a first width in the minor axis direction, a second width longer than the first width in the major axis direction different from the minor axis direction, and the minor axis direction is , the illumination device may be configured to be included in a plane containing the principal ray and the normal of the light incident on the incident surface. With such a configuration, light can be emitted isotropically from the exit surface of the light propagation member.
また、射出面から射出された光を、対象物が配置される配置面に投影させる投影光学系をさらに備えるように、照明装置を構成してもよい。かかる構成では、不均一性が抑制された光を配置面に投影することができる。 Moreover, the illumination device may be configured to further include a projection optical system that projects the light emitted from the exit surface onto the placement surface on which the object is placed. With such a configuration, it is possible to project light with suppressed non-uniformity onto the arrangement surface.
なお、光伝搬部材の具体例としては種々想定される。例えば、光伝搬部材はロッドインテグレータあるいは光ファイバであってもよい。 Various specific examples of the light propagation member are conceivable. For example, the light propagating member may be a rod integrator or an optical fiber.
また、発光素子の具体例は種々想定される。例えば、発光素子はレーザダイオードであってもよい。 Moreover, various specific examples of the light-emitting element are assumed. For example, the light emitting device may be a laser diode.
また、複数の発光素子のそれぞれが、発光素子として配置され、複数の発光素子それぞれから射出された光は、互いに異なる角度で集光光学系から射出されるように、照明装置を構成してもよい。このように複数の発光素子を配置した構成では、各発光素子からの光が傾いて光伝搬部材に入射することで、光伝搬部材から射出される光が不均一となる傾向がある。これに対して、光を拡散する拡散部材が設けられているため、光の傾きの影響を緩和して、光伝搬部材から射出される光の不均一性を抑制することができる。 Further, each of the plurality of light-emitting elements may be arranged as a light-emitting element, and the lighting device may be configured such that the light emitted from each of the plurality of light-emitting elements is emitted from the condensing optical system at different angles. good. In such a configuration in which a plurality of light emitting elements are arranged, the light emitted from each light emitting element is incident on the light propagating member at an angle, which tends to make the light emitted from the light propagating member non-uniform. On the other hand, since the diffusion member that diffuses the light is provided, the influence of the inclination of the light can be mitigated, and the non-uniformity of the light emitted from the light propagation member can be suppressed.
また、複数の発光素子からの光の射出を制御する制御部をさらに備え、複数の発光素子は、互いに異なる波長の光を射出し、制御部は、複数の発光素子のうちから選択した一の発光素子に光を射出させるように、照明装置を構成してもよい。かかる構成では、対象物の特性に応じた適切な波長の光を当該対象物に照射できる。 Further, a control unit for controlling emission of light from the plurality of light emitting elements is further provided, the plurality of light emitting elements emit light of different wavelengths, and the control unit controls one selected from the plurality of light emitting elements. The lighting device may be configured to cause the light emitting element to emit light. With such a configuration, the object can be irradiated with light having an appropriate wavelength according to the characteristics of the object.
なお、光拡散部の具体例としては、種々想定される。例えば、光拡散部は、集光光学系と光伝搬部材との間において、光伝搬部材から離間して設けられた拡散板であってもよい。あるいは、光拡散部は、光伝搬部材の端面に設けられていてもよい。 Various specific examples of the light diffusing portion are assumed. For example, the light diffusing part may be a diffusion plate provided between the condensing optical system and the light propagating member and spaced apart from the light propagating member. Alternatively, the light diffusing portion may be provided on the end face of the light propagating member.
本発明に係る顕微鏡は、上記の照明装置と、光を検出するセンサと、照明装置からの光の照射に応じて対象物から射出される光をセンサに照射する観察光学系とを備える。したがって、光伝搬部材から射出される光の不均一性を抑制することができる。 A microscope according to the present invention includes the illumination device described above, a sensor that detects light, and an observation optical system that irradiates the sensor with light emitted from an object in response to the illumination of the light from the illumination device. Therefore, non-uniformity of light emitted from the light propagation member can be suppressed.
以上のように、本発明によれば、光伝搬部材から射出される光の不均一性を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the non-uniformity of the light emitted from the light propagation member.
図1は本発明を適用した蛍光顕微鏡の第1例の構成を模式的に示す図である。同図および以下の図では、互いに直交するX方向、Y方向およびZ方向からなるXYZ直交座標を適宜示す。図1の蛍光顕微鏡1は、特定波長の光Lの照射により蛍光するサンプルに光Lを照射することでサンプルから射出される蛍光を観察する。この蛍光顕微鏡1は、サンプル台11、照明光学系13、観察光学系15および制御部19を備える。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a first example of a fluorescence microscope to which the present invention is applied. In this figure and the following figures, XYZ orthogonal coordinates, which are composed of X, Y and Z directions which are orthogonal to each other, are shown as appropriate. A
サンプル台11は、サンプルが載置されるサンプル面111を有し、照明光学系13は、サンプル面111上のサンプルへ光Lを照射し、観察光学系15は、サンプル面111上で蛍光するサンプルの画像を取得する。制御部19は、プロセッサあるいはFPGA(Field Programmable Gate Array)等で構成された演算部191と、SSD(Solid State Drive)あるいはHDD(Hard Disk Drive)等で構成された記憶部192とを有し、照明光学系13からの光Lの照射を演算部191により制御し、観察光学系15により取得したサンプルの画像を記憶部192に保存する。
The sample table 11 has a
蛍光顕微鏡1は、それぞれ光Lを射出する複数の発光素子2を備える。具体的には、X方向に所定間隔を空けて配列された2個の発光素子2と、Y方向に当該所定間隔を空けて配列された2個の発光素子2とを含む4個の発光素子2が具備されている。これら4個の発光素子2は、Z方向に平行な仮想直線を中心として(換言すれば、Z方向から見て)、等角度間隔で円周状に配列されている。つまり、N個の発光素子2が仮想直線を中心とする回転操作に対してN回対称に配列されている(Nは2以上の整数であり、ここの例では4である)。各発光素子2は例えばレーザダイオードであり、制御部19から供給される駆動信号によって発光することで、互いに異なる波長のレーザ光(光L)を射出する。
A
また、蛍光顕微鏡1は、複数の発光素子2にそれぞれ対応して配置された複数の集光光学系3を備える。各集光光学系3は、単一あるいは複数のレンズ31を有し、対応する発光素子2から射出された光Lを集光する。上述の複数の発光素子2の配列に対応して、複数の集光光学系3は、等角度間隔で円周状(すなわち、N回対称)に配列されている。したがって、複数の集光光学系3のそれぞれから射出される複数の光Lは、図2に示すように集光される。
The
図2は集光光学系が発光素子からの光を集光する状況を模式的に示す図である。図2では、複数の集光光学系3からそれぞれ射出された複数の光L(光束)が示されている。複数の集光光学系3のそれぞれは、所定の集光位置Pに光Lを集光する。また、各集光光学系3の光軸はZ方向に対して傾斜しているため、各集光光学系3から射出された光Lは、Z方向に対して傾斜しつつ集光位置Pに入射する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing how the condensing optical system condenses the light from the light emitting element. FIG. 2 shows a plurality of lights L (luminous fluxes) respectively emitted from a plurality of condensing
また、蛍光顕微鏡1は、集光光学系3の集光位置Pに対して配置された拡散板4を備える。拡散板4は、Z方向に垂直な表面を有する平板であり、例えばガラス基板やアクリル基板等の光透過性部材の表面に微細な凹凸形状を設けたり、微細なレンズアレイを設けたりすることで構成できる。この拡散板4は、Z方向に垂直(換言すれば、X方向およびY方向に平行)に配置され、集光光学系3によって集光位置Pに集光された光Lは、拡散板4を透過しつつ、拡散板4によって拡散される。
The
さらに、蛍光顕微鏡1は、拡散板4によって拡散された光Lを伝搬させるロッドインテグレータ5を備える。ロッドインテグレータ5は、Z方向に延設された直方体形状あるいは円柱形状を有し、Z方向の両端に入射面51と射出面52とを有する。これら入射面51および射出面52はZ方向に垂直な平面である。さらに、ロッドインテグレータ5は、入射面51と射出面52との間で延設されてZ方向に平行な側面53を有する。ロッドインテグレータ5の入射面51は、集光光学系3の反対側から拡散板4に対向し、拡散板4を透過した光Lは、当該入射面51に入射する。入射面51に入射した光Lは、入射面51から射出面52へ向けてロッドインテグレータ5の内部を伝搬して、射出面52から射出される。この際、ロッドインテグレータ5の側面53に入射した光Lは、側面53で全反射されつつ射出面52へ向かって伝搬する。
Furthermore, the
また、蛍光顕微鏡1は、Z方向においてロッドインテグレータ5の射出面52側に配置されたコンデンサレンズ61と対物レンズ62とを備える。コンデンサレンズ61は、ロッドインテグレータ5の射出面52に対向し、対物レンズ62は、サンプル台11のサンプル面111に対向する。したがって、ロッドインテグレータ5の射出面52から射出された光Lは、コンデンサレンズ61によって集光されてから対物レンズ62によってサンプル面111に投影される。また、蛍光顕微鏡1は、コンデンサレンズ61と対物レンズ62との間に配置されたダイクロイックミラー63が配置され、コンデンサレンズ61から対物レンズ62へ向かう光Lは、ダイクロイックミラー63を透過する。
The
光Lがサンプル面111上のサンプルに照射されると、サンプルが光Lによって励起されて蛍光する。こうしてサンプルから射出された光Lは、対物レンズ62を透過してから、ダイクロイックミラー63によって反射される。蛍光顕微鏡1は、ダイクロイックミラー63の反射側に配置された結像レンズ64と、イメージセンサ7とを備える。イメージセンサ7としては、CCD(Charge Coupled Device)あるいはCMOS等の固体撮像素子を使用できる。ダイクロイックミラー63で反射された光Lは、結像レンズ64によってイメージセンサ7に結像される。こうして、イメージセンサ7は、サンプルの画像を撮像して、当該画像を制御部19に送信する。
When the sample on the
このように図1の例では、集光光学系3、拡散板4、ロッドインテグレータ5、コンデンサレンズ61および対物レンズ62によって照明光学系13が構成され、対物レンズ62、ダイクロイックミラー63および結像レンズ64によって観察光学系15が構成される。
Thus, in the example of FIG. 1, the illumination
ちなみに、サンプルによって励起する光の波長が異なる。そこで、制御部19は、複数の発光素子2のうち、サンプルに応じた波長の光を射出する一の発光素子2に駆動信号を選択的に与えて、当該一の発光素子2を発光させる。これによって、サンプルを的確に励起させることができる。
Incidentally, the wavelength of the excited light differs depending on the sample. Therefore, the
図3は拡散板による光拡散機能の詳細を模式的に示す図である。ここでは、図3を用いて光L、拡散板4およびロッドインテグレータ5の角度関係を適宜示しつつ、拡散板4の機能を説明する。また、ここの説明で用いる角度は特に断らない限り鋭角とする。なお、図3に示す機能は、複数の発光素子2および複数の集光光学系3で共通するため、一の発光素子2と当該一の発光素子2からの光Lを集光する一の集光光学系3とを用いて説明を行う。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the details of the light diffusion function of the diffusion plate. Here, the function of the diffusing
図3では、拡散板4に入射する入射光Liの上限光線Liuおよび下限光線Lidと、拡散板4から射出された射出光Loの上限光線Louおよび下限光線Lodとが示されている。図3に示すように、入射光Liの上限光線Liuと下限光線Lidとの成す角度よりも、射出光Loの上限光線Louと下限光線Lodとの成す角度は広く、拡散板4は、通過する光Lを広げる機能を果たす。
FIG. 3 shows the upper limit ray Liu and the lower limit ray Lid of the incident light Li entering the
また、図3では、ロッドインテグレータ5の入射面51に垂直であって集光位置Pを通る法線NLが示されている。ロッドインテグレータ5の入射面51はZ方向に垂直な平面であるため、法線NLはZ方向に平行となる。かかる法線NLに対して、入射光Liの主光線Lmは角度θだけ傾いている。さらに言えば、入射光Liの上限光線Liuおよび下限光線Lidはいずれも法線NLに対して同じ側(図3では下側)に傾いており、上限光線Liuと下限光線Lidとの間には、法線NLに対する角度がゼロ度およびその近傍となる光線が含まれない。
3 also shows a normal line NL that is perpendicular to the
したがって、仮に拡散板4が設けられず、光Lがロッドインテグレータ5の入射面51に直接入射する構成であると、当該入射面51に入射する光Lには近軸光線が含まれないことになる。その結果、射出面52から射出される光Lの光量分布が中央で成分を有さずに不均一となる。これに対応するために、拡散板4が設けられている。
Therefore, if the
図3に示すように、射出光Loの発散角θNA(換言すれば、下限光線Lodと主光線Lmとの成す角度)は、法線NLを含む範囲(換言すれば、法線NLに対する角度がゼロを含む範囲)に渡る。すなわち、次式
θNA-θ≧0 …中央充填条件
が満たされる。これによって、入射面51に入射する光Lに近軸光線が含まれ、射出面52から射出される光Lの光量分布において中央の成分を確保することができる。ちなみに、上限光線Louと主光線Lmとの成す角度も発散角θNAに相当し、射出光Loは発散角θNAの2倍の広がりを有する。
As shown in FIG. 3, the divergence angle θ NA of the emitted light Lo (in other words, the angle between the lower limit ray Lod and the principal ray Lm) is the range including the normal NL (in other words, the angle with respect to the normal NL range including zero). That is, the following formula θ NA −θ≧0 . . . central filling condition is satisfied. As a result, paraxial rays are included in the light L incident on the
さらに、射出光Loの発散角θNAと、ロッドインテグレータ5の側面53で光Lが全反射される角度の境界を与える臨界角θCと、ロッドインテグレータ5の屈折率nと、角度θとは、次式
sin(θNA+θ)≦n×sin(90°-θC) …全反射条件
を満たす。これによって、側面53における上限光線Louの全反射が担保され、射出光Loを入射面51から射出面52へ確実に伝搬させることができる。
Furthermore, the divergence angle θ NA of the emitted light Lo, the critical angle θ C that gives the boundary of the angle at which the light L is totally reflected by the
以上に示す蛍光顕微鏡1では、拡散板4(光拡散部)で拡散された後の光L(射出光Lo)がロッドインテグレータ5(光伝搬部材)の内部を伝搬する。したがって、拡散板4によって光Lを広げてから、ロッドインテグレータ5によって光Lを伝搬させることができる。そのため、ロッドインテグレータ5から射出される光Lの不均一性を抑制することができる。
In the
また、ロッドインテグレータ5は、入射面51および射出面52を有して入射面51から入射した光Lを射出面52から射出する。これに対して、拡散板4は、集光光学系3と入射面51との間で光Lを拡散させる。つまり、集光光学系3により射出された光Lは、拡散板4によって拡散された後に、入射面51に入射する。かかる構成では、拡散板4によって光Lの発散角を広げてから、拡散板4の入射面51に光Lを入射させて、この光Lをロッドインテグレータ5により伝搬させることができる。そのため、ロッドインテグレータ5の射出面52から射出される光Lの不均一性を抑制することができる。
Moreover, the
また、入射面51は平面であり、発光素子2からの光Lを集光する集光光学系3によって射出される光Lの主光線Lmは、入射面51に垂直な法線NLに対して傾斜する。このように入射面51に入射する光Lの主光線Lmが入射面51に対して傾いた蛍光顕微鏡1では、射出面52から射出される光Lが不均一となる傾向がある。これに対して、入射面51に入射する前の光Lを拡散する拡散板4が設けられているため、光Lの主光線Lmの入射面51に対する傾きの影響を緩和して、ロッドインテグレータ5の射出面52から射出される光Lの不均一性を抑制することができる。
The
また、上述の通り、次式
sin(θNA+θ)≦n×sin(90°-θC) …全反射条件
θNA-θ≧0 …中央充填条件
が満たされる。かかる構成では、ロッドインテグレータ5の入射面51の法線NLに平行な角度(すなわち、法線NLに対してゼロ度)を含む角度範囲に渡って、入射面51に入射する光Lを確保できる(図3)。その結果、ロッドインテグレータ5の射出面52から射出される光Lの不均一性を効果的に抑制することができる。
In addition, as described above, the following equations sin(θ NA +θ)≦n×sin(90°−θ C ): total reflection condition θ NA −θ≧0: center filling condition are satisfied. With such a configuration, the light L incident on the
また、ロッドインテグレータ5の射出面52から射出された光Lを、サンプル(対象物)が配置されるサンプル面111(配置面)に投影させるコンデンサレンズ61および対物レンズ62(投影光学系)が設けられている。かかる構成では、不均一性が抑制された光Lをサンプル面111に投影することができる。
A
また、蛍光顕微鏡1は複数の発光素子2を備え、複数の発光素子2それぞれから射出された光Lは、互いに異なる角度で集光光学系3から射出される。このように複数の発光素子2を配置した構成では、各発光素子2からの光Lが傾いてロッドインテグレータ5に入射することで、ロッドインテグレータ5から射出される光Lが不均一となる傾向がある。これに対して、光Lを拡散する拡散板4が設けられているため、光Lの傾きの影響を緩和して、ロッドインテグレータ5から射出される光Lの不均一性を抑制することができる。
The
また、複数の発光素子は、互いに異なる波長の光Lを射出する。これに対して、制御部19は、複数の発光素子2のうちから選択した一の発光素子2に光Lを射出させる。かかる構成では、サンプルを励起・蛍光させる適切な波長の光Lを当該サンプルに照射できる。
In addition, the plurality of light emitting elements emit light L with wavelengths different from each other. On the other hand, the
図4は本発明を適用した蛍光顕微鏡の第2例の構成を模式的に示す図である。以下では、図1の第1例との差異部分を中心に説明することとし、共通部分については相当符号を付して適宜説明を省略する。 FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of a second example of a fluorescence microscope to which the present invention is applied. In the following, the description will focus on the parts that differ from the first example in FIG. 1, and the common parts will be denoted by corresponding reference numerals and the description thereof will be omitted as appropriate.
第2例が第1例と異なるのは、コンデンサレンズ61と対物レンズ62との間にリレー光学系67が配置されている点である。リレー光学系67は、コンデンサレンズ61から射出された光Lを絞る開口絞り671と、開口絞り671を通過した光Lを結像することで中間像を形成するレンズ672と、ダイクロイックミラー63および対物レンズ62を介して中間像をサンプル面111に投影するレンズ673とを有する。また、開口絞り671は、レンズ672の前側焦点に配置され、レンズ672の像側がテレセントリックとなっている。このようにリレー光学系67を設けることで、照明視野や開口数を確保しつつ、ダイクロイックミラー63の配置スペースを確保できる。
The second example differs from the first example in that a relay
ところで、上記の第1例および第2例では、光Lは入射面51に対して傾斜して入射する。このような入射面51に対する光Lの傾斜は、射出面52から射出される光Lの形状を歪ませる場合がある。
By the way, in the above-described first and second examples, the light L is incident on the
図5Aは入射面に対する光の傾斜とビーム形状との関係を模式的に示す図である。図5Aでは、発光素子2および集光光学系3に対して設けられた互いに直交するXe方向、Ye方向およびZe方向が示されている。Xe方向はX方向に平行であり、Ye方向はY方向に対して傾斜し、Ze方向はZ方向に対して傾斜する。このZe方向は、発光素子2および集光光学系3の光軸に平行である。
FIG. 5A is a diagram schematically showing the relationship between the inclination of light with respect to the plane of incidence and the beam shape. FIG. 5A shows Xe, Ye, and Ze directions that are orthogonal to each other provided for the light-emitting
図5Aにおいて、「入射前ビーム形状」の欄は「照明装置」の欄における入射前断面Cbにおける光Lのビーム形状を示し、「射出後ビーム形状」の欄は「照明装置」の欄における射出後断面Caにおける光Lのビーム形状を示す。入射前断面Cbは、入射面51への入射前に設けられたZe方向に垂直な断面であり、射出後断面Caは射出面52からの射出後に設けられたZ方向に垂直な断面である。「入射前ビーム形状」の欄に示すように、入射前断面Cbでの光Lは、等方的な円形を有する一方、「射出後ビーム形状」の欄に示すように、射出後断面Caでの光Lは、X方向に短くてY方向に長く歪んでいる。そこで、発光素子2から射出する光Lの形状を、図5Bに示すように構成してもよい。
In FIG. 5A, the column of "beam shape before incidence" indicates the beam shape of the light L in the cross section before incidence Cb in the column of "illumination device", and the column of "beam shape after emission" indicates the shape of the light emitted from the column of "illumination device". The beam shape of the light L in the rear section Ca is shown. The pre-incidence cross section Cb is a cross section perpendicular to the Ze direction provided before incidence on the
図5Bは発光素子の変形例を模式的に示す図である。図5Bにおいても、Xe方向、Ye方向およびZe方向が示されている。この変形例では、発光素子2は、Xe方向とYe方向とで異なる発散角を有し、Xe方向への発散角がYe方向への発散角より大きい。そため、「入射前ビーム形状」の欄に示すように、入射前断面Cbでの光Lは、Xe方向において幅Wxを有し、Ye方向において幅Wxより短い幅Wyを有する。その結果、「射出後ビーム形状」の欄に示すように、射出後断面Caでの光Lの歪みが抑制されている。
FIG. 5B is a diagram schematically showing a modification of the light emitting element. FIG. 5B also shows the Xe, Ye, and Ze directions. In this modification, the
このように、発光素子2から射出される光Lは、Ye方向(短軸方向)において幅Wy(第1の幅)を有し、Ye方向に直交するXe方向(長軸方向)において幅Wyより長い幅Wx(第2の幅)を有する。この際、Ye方向は、入射面51に入射する光Lの主光線Lmと入射面51の法線NLとを含む平面(Y方向とZ方向で構成されるYZ平面)に含まれる。かかる構成では、ロッドインテグレータ5の射出面52から等方的に光Lを射出することができる。
Thus, the light L emitted from the
以上に説明した実施形態では、蛍光顕微鏡1が本発明の「顕微鏡」の一例に相当し、発光素子2および照明光学系13によって本発明の「照明装置」の一例が構成され、観察光学系15が本発明の「観察光学系」の一例に相当し、制御部19が本発明の「制御部」の一例に相当し、発光素子2が本発明の「発光素子」の一例に相当し、集光光学系3が本発明の「集光光学系」の一例に相当し、拡散板4が本発明の「光拡散部」あるいは「拡散板」の一例に相当し、ロッドインテグレータ5が本発明の「光伝搬部材」の一例に相当し、入射面51が本発明の「入射面」の一例に相当し、射出面52が本発明の「射出面」の一例に相当し、イメージセンサ7が本発明の「センサ」の一例に相当し、蛍光顕微鏡1の第1例では、コンデンサレンズ61、対物レンズ62およびダイクロイックミラー63が本発明の「投影光学系」の一例を構成し、蛍光顕微鏡1の第2例では、コンデンサレンズ61、対物レンズ62、ダイクロイックミラー63およびリレー光学系67が本発明の「投影光学系」の一例を構成し、光Lが本発明の「光」の一例に相当し、主光線Lmが本発明の「主光線」の一例に相当し、法線NLが本発明の「法線」の一例に相当し、Xe方向が本発明の「長軸方向」の一例に相当し、Ye方向が本発明の「短軸方向」の一例に相当し、幅Wxが本発明の「第2の幅」の一例に相当し、幅Wyが本発明の「第1の幅」の一例に相当する。
In the embodiment described above, the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、拡散板4の構成や配置は上記の例に限られず、適宜の変更が可能である。そこで、次の図6に示すように蛍光顕微鏡1を構成してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the configuration and arrangement of the
図6は本発明を適用した蛍光顕微鏡の第3例の構成を模式的に示す図である。以下では、上記の例との差異部分を中心に説明することとし、共通部分については相当符号を付して適宜説明を省略する。図6の第3例では、ロッドインテグレータ5の集光光学系3側の端面に拡散層41が形成されている。この拡散層41は、例えば微細な凹凸形状を設けたり、微細なレンズアレイを設けたりすることで構成できる。かかる拡散層41は、上述の拡散板4と同様に光拡散機能を発揮する。そして、ロッドインテグレータ5のうち、拡散層41の界面が入射面51として機能し、拡散層41で拡散された光Lは入射面51に入射してから、ロッドインテグレータ5の内部を伝搬する。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of a third example of a fluorescence microscope to which the present invention is applied. In the following, the explanation will focus on the parts that are different from the above example, and the common parts will be given corresponding reference numerals and their explanation will be omitted as appropriate. In the third example of FIG. 6, a diffusion layer 41 is formed on the end surface of the
図6の蛍光顕微鏡1では、拡散層41(光拡散部)で拡散された後の光L(射出光Lo)がロッドインテグレータ5(光伝搬部材)の内部を伝搬する。したがって、拡散層41によって光Lを広げてから、ロッドインテグレータ5によって光Lを伝搬させることができる。そのため、ロッドインテグレータ5から射出される光Lの不均一性を抑制することができる。
In the
また、発光素子2の配置や個数を適宜変更してもよい。例えば、複数の発光素子2の配置は上記の例に限られず、回転対称性を具備する必要はない。あるいは、発光素子2の個数は、4個に限られず、1~3個あるいは5以上でもよい。この際、発光素子2の配置や個数の変更に応じて、集光光学系3の配置や個数を変更するとよい。
Also, the arrangement and the number of the
また、集光光学系3の構成を変形してもよい。つまり、上記の例では、複数の発光素子2のそれぞれに個別に集光光学系3が設けられている。しかしながら、複数の発光素子2に対して共通の集光光学系3を配置して、各発光素子2からの光Lを集光光学系3によって集光位置Pに集光させるように構成してもよい。
Also, the configuration of the condensing
また、集光位置Pに対して変更を加えてもよい。例えば複数の集光光学系3それぞれの集光位置Pは、一致している必要はなく、僅かにずれていても構わない。また、集光位置Pが拡散板4から僅かにずれていても構わない。
Also, the condensing position P may be changed. For example, the condensing positions P of the plurality of condensing
また、上記の中央充填条件あるいは全反射条件を満たすことは必須ではない。いずれかの条件を満たさない場合であっても、拡散板4あるいは拡散層41によって光Lを拡散することで、ロッドインテグレータ5から射出される光Lの不均一性を抑制するといった効果を奏することはできる。
Also, it is not essential to satisfy the center filling condition or the total reflection condition described above. Even if any of the conditions are not satisfied, the light L is diffused by the
また、「光伝搬部材」の例は、ロッドインテグレータ5に限られない。したがって、ロッドインテグレータ5に代えて光ファイバを用いてもよい。
Also, an example of the “light propagation member” is not limited to the
また、蛍光顕微鏡1は、サンプルに白色光を照射してサンプルを観察する機能を併せ持ってもよい。
The
また、上記の照明装置の適用対象は、蛍光顕微鏡1に限られず、露光対象物を露光する露光装置に適用することもできる。
Further, the application target of the illumination device described above is not limited to the
本発明は、対象物に光を照射する照明技術の全般に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to general illumination techniques for irradiating light on an object.
1…蛍光顕微鏡(顕微鏡)
13…照明光学系(照明装置)
15…観察光学系
19…制御部
2…発光素子(照明装置)
3…集光光学系
4…拡散板(光拡散部)
5…ロッドインテグレータ(光伝搬部材)
51…入射面
52…射出面
61…コンデンサレンズ(投影光学系)
62…対物レンズ(投影光学系)
63…ダイクロイックミラー(投影光学系)
67…リレー光学系(投影光学系)
7…イメージセンサ(センサ)
L…光
Lm…主光線
NL…法線
Xe…Xe方向(長軸方向)
Ye…Ye方向(短軸方向)
Wx…幅(第2の幅)
Wy…幅(第1の幅)
1... Fluorescence microscope (microscope)
13... Illumination optical system (illumination device)
DESCRIPTION OF
3... Condensing
5... Rod integrator (light propagation member)
51...
62 ... objective lens (projection optical system)
63... Dichroic mirror (projection optical system)
67... Relay optical system (projection optical system)
7 ... Image sensor (sensor)
L... light Lm... chief ray NL... normal line Xe... Xe direction (long axis direction)
Ye...Ye direction (minor axis direction)
Wx ... width (second width)
Wy: width (first width)
Claims (14)
前記発光素子から射出された光を集光しつつ射出する集光光学系と、
前記集光光学系から射出された光を拡散させる光拡散部と、
前記光拡散部で拡散された光を伝搬させる光伝搬部材と
を備える照明装置。 a light-emitting element that emits light;
a condensing optical system that collects and emits the light emitted from the light emitting element;
a light diffusing section that diffuses the light emitted from the condensing optical system;
and a light propagating member that propagates the light diffused by the light diffusing section.
前記光拡散部は、前記集光光学系と前記入射面との間で光を拡散させ、
前記集光光学系により射出された光は、前記光拡散部によって拡散された後に、前記入射面に入射する請求項1に記載の照明装置。 The light propagation member has an incident surface and an exit surface, and emits light incident from the incident surface from the exit surface,
The light diffusion unit diffuses light between the condensing optical system and the incident surface,
2. The lighting device according to claim 1, wherein the light emitted by the condensing optical system is incident on the incident surface after being diffused by the light diffusing section.
前記発光素子から射出されてから前記集光光学系によって射出される光の主光線は、前記入射面に垂直な法線に対して傾斜する請求項2に記載の照明装置。 the plane of incidence is a plane,
3. The illumination device according to claim 2, wherein a principal ray of light emitted from said light emitting element and then emitted by said condensing optical system is inclined with respect to a normal line perpendicular to said incident surface.
sin(θNA+θ)≦n×sin(90°-θC)
θNA-θ≧0
を満たす請求項3に記載の照明装置。 an angle θ between a principal ray of light emitted from the condensing optical system and the normal line, a divergence angle θ NA of the light diffused by the light diffusion section, and a refractive index n of the light propagation member; , and the critical angle θ C of light propagating inside the light propagating member from the incident surface toward the exit surface is defined by the following formula: sin(θ NA +θ)≦n×sin(90°−θ C )
θ NA −θ≧0
4. The lighting device according to claim 3, wherein:
前記短軸方向は、前記入射面に入射する光の主光線と前記法線とを含む平面に含まれる請求項3または4に記載の照明装置。 The light emitted from the light emitting element has a first width in a minor axis direction and a second width longer than the first width in a major axis direction different from the minor axis direction,
5. The illumination device according to claim 3, wherein the minor axis direction is included in a plane including the principal ray of light incident on the incident surface and the normal line.
前記複数の発光素子それぞれから射出された光は、互いに異なる角度で前記集光光学系から射出される請求項1ないし8のいずれか一項に記載の照明装置。 Each of a plurality of light emitting elements is arranged as the light emitting element,
The lighting device according to any one of claims 1 to 8, wherein the light emitted from each of the plurality of light emitting elements is emitted from the condensing optical system at different angles.
前記複数の発光素子は、互いに異なる波長の光を射出し、
前記制御部は、複数の発光素子のうちから選択した一の発光素子に光を射出させる請求項9に記載の照明装置。 further comprising a control unit that controls emission of light from the plurality of light emitting elements,
the plurality of light emitting elements emit light of different wavelengths;
10. The lighting device according to claim 9, wherein the control unit causes one light emitting element selected from among the plurality of light emitting elements to emit light.
光を検出するセンサと、
前記照明装置からの光の照射に応じて対象物から射出される光を前記センサに照射する観察光学系と
を備えた顕微鏡。 a lighting device according to any one of claims 1 to 12;
a sensor that detects light;
and an observation optical system for irradiating the sensor with light emitted from an object in response to irradiation of light from the illumination device.
前記集光光学系から射出された光を光拡散部により拡散させる工程と、
光拡散部により拡散された光を光伝搬部材により伝搬させる工程と
を備える照明方法。
a step of emitting light emitted from the light emitting element while concentrating it with a condensing optical system;
a step of diffusing the light emitted from the condensing optical system with a light diffusing section;
and a step of propagating the light diffused by the light diffusing part with a light propagating member.
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