JP6567104B2 - 顕微鏡用の透過光照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡用の透過光照明装置、特に立体顕微鏡またはマクロスコープ用の透過光照明装置に関するものである。

透過光顕微鏡検査において、顕微鏡によってイメージングされる試料の照明を特定の観察状況に適応させることは、特に低コントラストの試料の場合、非常に重要である。周知の複合顕微鏡は、しばしば、交換可能な対物レンズを特徴とし、倍率の調整が可能である。この種の複合顕微鏡はまた、高度な照明セットアップ、例えば位相コントラストが可能である。いわゆるケーラー照明により、複合顕微鏡において照明を観察に適応させることができる。なぜなら、対物レンズの瞳の位置は、互いにほとんど異ならないからである。ケーラー照明は、対象物面への照明視野絞りのイメージングおよび対物レンズの射出瞳への開口絞りのイメージングに特徴付けられる。しかしながら、ズームシステムを有する顕微鏡では、対物レンズ瞳の共役面の軸位置は、ズーム倍率に応じて光軸に沿って移動する。照明をズームシステムの倍率の変化に適切に適応させるために、顕微鏡のズームシステムの光学構成を動的に追跡する照明ズームが必要とされる。しかしながら、この種の照明装置は、扱いにくく、使用が複雑である。

ズーム顕微鏡用の、特に立体顕微鏡用の透過光照明装置（「透過光ベース」とも呼ばれる）における典型的な要件は、以下の通りである。
ａ）明視野照明モードにおける高コントラスト
ｂ）視野全体およびズーム範囲全体にわたり可能な、傾斜した光入射によるレリーフコントラスト
ｃ）異なる種類のズームシステム、対物レンズおよび他のアクセサリ部分を用いた動作可能性
ｄ）低い高さの人間工学的設計

米国特許第７，５５４，７２７号明細書（ＵＳ７，５５４，７２７Ｂ２）には、顕微鏡用の透過光照明装置が記載され、透過光照明装置は、試料が載置される光学的に透明な試料載置板と、実質的に均一な照明光を試料載置板の方に投影する面光源と、照明光の拡散を少なくとも１つの方向に関して制限する光方向付け部材と、を有する。一実施形態では、光方向付け部材は、東西方向に平行なマイクロルーバを備えるルーバフィルムであり、東西方向は、双眼立体顕微鏡の２つの光軸を含む面に平行である。照明角度をこの面に垂直な方向に関して減少することによって、明視野照明のコントラストは改良される。マイクロルーバをさらに傾斜した結果、コントラストが高くなり、斜照明まで試料を非対称に照明し、レリーフ効果を達成する。光方向付け部材が試料の近くに配置されるので、対象物視野における輝度減少を回避することができない。この結果、観察瞳および照明瞳の不整合が生ずる。

独国特許出願公開第１０２０１１００３６０３号明細書（ＤＥ１０２０１１００３６０３Ａ１）には、顕微鏡用の、特にズーム顕微鏡および立体顕微鏡用の、組み込まれた面光源を有する透過光照明装置が開示され、透過光照明装置の絞り構成は、互いに対して南北方向に移動可能な２つの絞り要素を含み、南北方向は、立体顕微鏡の２つの光軸を含む面に垂直であり、２つの絞り要素の各々は、半円形状の切り抜きを備える。絞り要素を互いの方に向かって移動すると、絞り要素の位置に応じて、円形または実質的に楕円形の絞り開口を結果として定義する。倍率および照明モードに応じて、特定の絞り設定を選択することができる。明視野モードでは、絞り要素は、照明角度を減少しないので、比較的広い角度範囲での、それゆえ、比較的低コントラストの照明が達成される。斜照明の場合、一方の絞り要素は、他方より変位しているので、結果として、絞り開口は、東西方向に関して非対称に配置される。これにより、観察瞳の操作が可能になる。しかしながら、この種の操作は、絞り要素が観察瞳（対物レンズ瞳）の共役面に配置される場合にのみ有効になる。この面の位置は、ズーム位置に応じて変化するので、観察瞳の操作は、ズーム範囲全体にわたり効果的というわけではない。

さらに、立体顕微鏡用または組み込まれたハロゲンランプを光源として用いるマクロスコープ用の周知の透過光ベースが存在する。方向性照明光は、集光レンズと、拡散素子およびフレネルレンズの組み合わせと、によって生成される。照明光は、回転可能／シフト可能なミラーを介して対象物面上に向けられる。試料が小さい角度範囲の照明光で照明されるので、明視野コントラストは十分に高い。この種の透過光ベースに用いられる光学部品の種類のため、その高さを減少することは制限される。絞り要素を照明光ビーム経路内に配置することによって、斜照明は実現可能である。しかしながら、ここでもまた、瞳の操作は、制限されたズーム範囲内においてのみ効果的である。なぜなら、ズーム範囲外では、観察瞳および照明瞳が整合しないからである。

本発明の目的は、顕微鏡用の透過光照明装置およびこの種の透過光照明装置を含む顕微鏡を提供することにあり、透過光照明装置は、上述した透過光ベースに対する典型的な要件、特に前記要件の各々をできるだけ実質的に満足する。

この背景に対して、本発明は、請求項１の特徴を有する透過光照明装置およびこの種の透過光照明装置を有する顕微鏡を提案する。有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明の特徴事項である。

本発明に従う透過光照明装置は、面光源（フラットパネル光源）と、面光源から放射される光の方向に配置される凹ミラー面（光反射面）を有するミラーと、少なくとも１つの絞り要素（遮蔽要素またはコントラスト要素）と、を備え、少なくとも１つの絞り要素は、少なくとも部分的に不透明であり、面光源と凹ミラー面との間に配置される。少なくとも１つの絞り要素は、面光源によって定義される面に平行な少なくとも１つの方向に移動可能である。この面は、好ましくは、フラットパネル光源が延在する主面に平行な面であり、光源の近くの面である。少なくとも１つの絞り要素を少なくとも１つの方向に移動することによって、面光源は、絞り要素によって少なくとも部分的にカバーされる。

有利には、放物面形状または自由形状の面の形状の凹ミラー面を用いることにより、顕微鏡の対象物面上の試料が照明される照明の角度範囲を制限することができる。この結果、明視野観察モードにおける高コントラストが生ずる。面光源の部分を少なくとも１つの絞り要素でカバーすることによって、コントラスト照明モードが実現可能である。凹ミラー面、特に放物面ミラー面のため、コントラスト方向の均一なコントラスト効果が達成可能である。コントラストの方向は、通常および有利には、南北方向として定義可能であり、南北方向は、立体顕微鏡の２つの光軸を含む面に垂直である。本発明により、コントラストの方向の輝度勾配は、コントラスト要素（絞り要素）によって生じない。コントラストの方向が絞り要素の移動方向に必ずしも一致するというわけではないことに留意されたい。

後述するように、少なくとも１つの絞り要素の形状および凹ミラー面の形状を適応させることによって、視野全体およびズーム範囲全体にわたり、異なる顕微鏡セットアップの異なるコントラスト照明モードを容易に実現することができる。

本発明に従う透過光照明装置を、既存の顕微鏡に容易に組み込むことができ、低い高さの設計で構成することができる。

このように、本発明に従う透過光照明装置によって、明細書の導入部において上述した透過光ベースに対する典型的な要件を満足することができる。

有利には、特に放物面ミラー面の場合、面光源は、凹ミラー面の焦点に配置される。これにより、照明角度の範囲を小さい所定の照明角度範囲にさらに制限し、高コントラストを生ずることができる。

有利には、１つの絞り要素または２つの絞り要素が存在する。２つの絞り要素の場合、絞り要素の一方は、他方に対して、同一方向に沿って、特に上述した南北方向に沿って移動可能である。有利には、２つの絞り要素は、互いの方に向かっておよび互いから離れて移動することができる。２つの絞り要素間に結果として生ずる自由空間は、絞り開口を定義する。単一の絞り要素の場合、絞り開口は、絞り要素によってカバーされない面光源の空間に対応する。

２つの観察チャネルを有する立体顕微鏡の場合、コントラストの方向は、両方のチャネルのために南北方向でなければならず、東西方向には、わずかな変更しか生じず、その結果、東西方向には、すなわち左右の観察チャネルにおいてほぼ均一なコントラストになる。これは、高品質３次元イメージを提供する。

有利には、少なくとも１つの絞り要素は、面要素である。これにより、容易な取扱いが可能になり、少なくとも１つの絞り要素のための狭い空間の要件を満足する。さらに、少なくとも１つの特に面状の絞り要素が輪郭を有するエッジを備えると有利である。この種の輪郭によって、コントラストの好適な方向を、特に南北方向として適切に定義することができ、東西方向における均一なコントラスト効果を達成することができる。立体顕微鏡の場合、（少なくとも部分的に）曲線状またはＶ形状の輪郭が有利であると判明した。曲線状の輪郭は、好ましくは放物線形状であり、一方、Ｖ形状の輪郭は、好ましくは下降側面および上昇側面を有するＶ形状である。これにより、立体顕微鏡の左右のチャネルを同時に同じようなコントラストにすることができ、より正確には、左右のチャネルに対応する面光源の部分を同時に同じように遮蔽することができる。Ｖまたは放物線の輪郭の対称性は、放物面ミラー面に起因する。それゆえ、この種の輪郭は、単一チャネルの顕微鏡にも適している。

有利には、少なくとも１つの面要素のエッジは、その光透過率の勾配を有する。図面を参照して後述するように、この実施形態は、異なる顕微鏡セットアップを考慮に入れ、異なる顕微鏡構成の場合、均一なコントラストを可能にする。

第２の態様では、本発明は、上述したように本発明の第１の態様に従う透過光照明装置を有する顕微鏡、特に立体顕微鏡またはマクロスコープを提供する。少なくとも１つの絞り要素の第１の位置では、面光源が絞り要素によってカバーされない、または、少なくとも実質的にカバーされない場合、明視野照明モードが実施可能である。コントラスト照明モードを実施するために、少なくとも１つの絞り要素は、第２の位置内に移動し、面光源を少なくとも部分的にカバーする。

有利には、顕微鏡の対象物面は、透過光照明装置のミラーから反射される光の方向に配置される。

輪郭のエッジを有する絞り要素を用いるとき、輪郭の形状が可変であると有利である。さらに、光透過率の勾配を有するエッジを有する絞り要素を用いるとき、勾配の長さが可変であると有利である。前記手段の各々、特に両方の手段により、異なる顕微鏡セットアップ、すなわち高倍率のシステムおよび低倍率のシステムを考慮に入れることができる。適切な勾配の長さおよび／または特定の曲線状／放物線の輪郭を選択することによって、関連した顕微鏡システムに関する最適な妥協点を見出すことができる。

本発明のさらなる利点および実施形態は、説明および添付の図面から明白である。

上述した特徴および以下に説明する特徴は、示されている組み合わせだけでなく、本発明の内容を逸脱することなく、他の組み合わせでも、または、単独でも用いることができることを理解されたい。

本発明は、例示的実施形態に基づいて図面において概略的に表され、図面を参照して以下に詳細に記載されている。

本発明の一実施形態に従う透過光照明装置を有する顕微鏡を概略的に示す。 照明セットアップの一例を含む図１の透過光照明装置の実施形態を示す。 図２の透過光照明装置および図１の顕微鏡の対物レンズによる観察セットアップを示す。 本発明に従う透過光照明装置において用いられる絞り要素の一実施形態を示し、異なる対象物視野点の照明領域は、低い顕微鏡倍率（図４Ａ）および高い顕微鏡倍率（図４Ｂ）で示される。 ３つの異なる顕微鏡構成のための図４と同じ状況を示す。

図１は、透過光照明装置２（透過光ベースとも呼ばれる）を有する顕微鏡１を概略的に示し、透過光照明装置２は、面光源２０と、凹ミラー面２４を有するミラー２３と、を備え、本実施形態では、凹ミラー面２４は、放物面形状であり、面光源２０から放射される光の方向に配置されているので、面光源２０は、放物面２４の焦点に配置されている。少なくとも部分的に不透明または全体的に不透明な単一の絞り要素２２は、面光源２０と放物面ミラー面２４との間に面光源２０のより近傍に配置される。絞り要素２２（遮蔽要素とも呼ばれる）は、矢印で示す方向Ｄに移動可能である。絞り要素２２は、照明開口２１を能動的に制限し、照明ビーム内に移動することによって、照明開口２１を減少する。本実施形態では面要素である絞り要素２２は、面光源２０によって定義される主要面に平行に移動することができ（矢印方向Ｄ参照）、その結果、面光源２０を部分的にカバーする。

図１から分かるように、顕微鏡１は、試料３をさらに備え、試料３は、透過光ベース２によって照明され、顕微鏡１によって観察される。試料３は、対象物視野面３０を定義する対象物面上に載置される。試料３は、顕微鏡１の対物レンズ４の焦点面に位置する。対応する観察開口は、４０と符号付けされる。顕微鏡１は、倍率を変化させるズームシステム５をさらに含む。２つの接眼レンズ６は、図面内に延在する東西（Ｅ−Ｗ）方向（図面に垂直な方向）に隣り合う観察チャネルに対応して配置される。南北（Ｓ−Ｎ）方向は、図１に示す図面の面内（図面に平行な方向）に延在する。顕微鏡１の観察用光学素子は、顕微鏡スタンド７に取り付けられる。

図２を参照して、透過光ベース２の動作モードがさらに説明される。図２は、図１の透過光照明装置２を概略的に表し、照明セットアップをさらに詳細に示す。面光源２０は、ミラー２３の放物面ミラー面２４の焦点に配置される。この配置により、図２から分かるように、小さい範囲の照明角度の照明光が、対象物視野３０に向けられる。この結果、明視野照明モードの高コントラストが生ずる。図２は、低い顕微鏡倍率に有効な照明セットアップを示す。点Ｐ_Ｓ、Ｐ_ＣおよびＰ_Ｎは、対象物視野３０の南、中央および北の照明点を表す。各照明角度は、面光源２０上の異なる光放射点Ｐに対応する。図２に示されるように、絞り要素２２を方向Ｄに照明光ビーム内に移動することによって、照明光ビームの一部は遮蔽され、その結果、輝度が低下し、照明点Ｐ_Ｓ、Ｐ_ＣおよびＰ_Ｎの全体にわたり、照明角度は、さらに減少し、非対称の範囲になる。これは、Ｎ−Ｓ方向（コントラスト方向）に沿う均一のコントラストを生じ、いかなる輝度勾配もなくなる。さらに、Ｗ−Ｅ方向のコントラスト効果も同じであり、これは、Ｗ−Ｅ方向に配置される観察チャネルを有する立体顕微鏡を用いるときに重要である。

図３は、観察セットアップを高倍率で示す。顕微鏡対物レンズは、４と符号付けされ、図３には、対物レンズ４のさまざまなレンズが表されている。高倍率の場合、対象物視野３０上の照明点は、面光源２０の大きい領域によって効果的に照明される。絞り要素２２を照明光ビーム内に移動することによって、コントラスト照明が達成可能である。照明光ビーム経路が観察開口４０（図１参照）内にもはや存在しないという状況が発生するまで、絞り要素２２を照明光ビーム内にさらに移動することによって、暗視野照明が実現可能である。

図２および図３が１チャネルの顕微鏡を通る断面を示すことに留意されたい。図４および図５は、２チャネルの顕微鏡の状況を示すが、明確化の理由のために１チャネルのみが示される。

図４は、面光源２０の面内の選択された対象物視野点の位置およびサイズを示し、対応する照明ビームは、選択された対象物視野点を照明する。例示的な顕微鏡構成のための状況は、低倍率（図４Ａ）および高倍率（図４Ｂ）に関して表される。観察者によって認められるように、対象物視野点３１は、北のためにＮ、東のためにＥ、中央のためにＣ、西のためにＷ、南のためにＳと符号付けされる。

図４は、透過光ベース２の不透明な絞り要素２２上の平面図を示し、絞り要素２２は、絞り要素２２の下に位置する面光源２０を部分的に遮蔽する。コントラスト法を立体顕微鏡に適用するとき、左チャネルおよび右チャネルが均一なコントラストになるように注意を払うべきである。これは、コントラスト要素を好ましくは南北方向に移動することに対応する南北方向のコントラストによってのみ達成可能である。換言すれば、コントラスト条件が立体顕微鏡の両方の観察チャネルのために東西方向に実質的に同じであることに注意を払わなければならない。

放物面ミラー面を適用することにより、異なる対象物視野点の光ビームは、異なる方法で観察チャネルごとに偏向され、光源２０の面上に向けられる。低倍率の場合（図４Ａ）、異なる対象物視野点３１（Ｎは、対象物視野３０の北部の対象物視野点を表し、Ｅは、対象物視野３０の東部の対象物視野点を表し、などであり、Ｃは、対象物視野３０の中央の対象物視野点を表す）は、互いに別々に光源面２０に影響を与え、例えば、Ｎは、光源２０上の円形領域を示し、円形領域は、対象物視野３０の北の対象物視野点を照明する。図４Ｂから分かるように、高倍率の場合、対応する領域は、ほとんど全体的に重複する。東西方向に対称であるコントラストモードを実現するために、光ビームの遮蔽は、理想的には瞳の遮蔽は、東西方向に対称でなければならない。図４Ａは、東、中央および西の対象物視野点３１の対称的かつ部分的な遮蔽を示す。この種の対称的な（部分的な）遮蔽は、放物線形状のエッジ２２０を有する絞り要素によって達成可能である（破線参照）。絞り要素２２をＤの方向に図４Ａおよび図４Ｂに示される破線まで移動することによって、この種の対称的な遮蔽は、絞り要素２２の放物線のエッジ２２０によって達成可能である。立体顕微鏡の第２のチャネルのための状況は、放物線の対称軸でミラーリングする（鏡面対称の構成にする）ことによって取得可能である。

図５は、図４と同じ状況であるが、３つの異なる顕微鏡構成を示す。各顕微鏡構成は、例えば異なる倍率および／または対物レンズの顕微鏡セットアップを表す。第１の構成の北、東、西および中央の対象物視野点３１は、Ｎ_１、Ｅ_１、Ｗ_１およびＣ_１と符号付けされ、第２の構成の対応する点３１は、Ｎ_２、Ｅ_２、Ｗ_２およびＣ_２と符号付けされる。第３の構成の対応する点３１は、明確化の理由のため符号付けされない。図５Ａから分かるように、北の対象物視野点は、顕微鏡構成に応じて、光源面２０の異なる位置に影響を与え、同じことは、西、東および中央の点にも当てはまる。同じことは、図５Ｂに示される高倍率の場合にも当てはまる。図５に示すように３つの異なる顕微鏡構成のための同じ透過光ベース２を用いることを可能にするために、絞り要素２２のエッジを用いることができ、そのエッジは、その光透過率の勾配２２１を有する。この種の勾配は、異なる顕微鏡構成を考慮に入れる際の妥協点を表す。勾配において、光透過率は、０％から１００％まで増加する。勾配の長さは調整され、例えば、高倍率のシステムから低倍率のシステムまで瞳（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の焦点をシフトすることができる。エッジ２２０の放物線形状および勾配２２１の微調整により、異なる関連した顕微鏡システムを考慮に入れることができる。

１ 顕微鏡
２ 透過光照明装置
３ 試料
４ 対物レンズ
５ システム
６ 接眼レンズ
７ スタンド
２０ 面光源
２１ 照明開口
２２ 絞り要素
２２０ エッジ
２２１ 勾配
２３ ミラー
２４ 凹ミラー面
３０ 対象物視野
３１ 対象物視野点
４０ 観察開口
Ｄ 移動方向
Ｓ 南
Ｗ 西
Ｃ 中央
Ｎ 北
Ｅ 東
Ｐ 光放射点
Ｐ_Ｓ 照明点（南）
Ｐ_Ｃ 照明点（中央）
Ｐ_Ｎ 照明点（北）

Claims (14)

1. 顕微鏡（１）用の透過光照明装置（２）であって、前記透過光照明装置（２）は、
   −面光源（２０）と、
   −前記面光源（２０）から放射される光の方向に配置される凹ミラー面（２４）を有するミラー（２３）と、
   −少なくとも１つの絞り要素（２２）と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの絞り要素（２２）は、少なくとも部分的に不透明であり、前記面光源（２０）と前記凹ミラー面（２４）との間の前記面光源（２０）のより近傍に配置され、前記少なくとも１つの絞り要素（２２）を、前記面光源（２０）によって定義される面に平行な少なくとも１つの方向に移動することによって、前記面光源（２０）は、前記少なくとも１つの絞り要素（２２）によって少なくとも部分的にカバーされ、
   前記面光源（２０）は、前記凹ミラー面（２４）の焦点に配置される、
   透過光照明装置（２）。
2. 前記凹ミラー面（２４）は、放物面形状または自由形状の面である、
   請求項１に記載の透過光照明装置（２）。
3. １つの絞り要素（２２）が存在する、または、２つの絞り要素（２２）が存在し、前記２つの絞り要素（２２）の一方は、他方に対して、同一方向（Ｄ）に沿って移動可能である、
   請求項１または２に記載の透過光照明装置（２）。
4. 前記少なくとも１つの絞り要素（２２）は、面要素である、
   請求項１から３のいずれかに記載の透過光照明装置（２）。
5. 前記少なくとも１つの絞り要素（２２）は、エッジ（２２０）を備え、前記エッジは、輪郭を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載の透過光照明装置（２）。
6. 前記エッジ（２２０）は、少なくとも部分的に曲線状の輪郭、または、少なくとも部分的にＶ形状の輪郭を有する、
   請求項５に記載の透過光照明装置（２）。
7. 前記曲線状の輪郭は、放物線形状である、
   請求項６に記載の透過光照明装置（２）。
8. 前記少なくとも１つの絞り要素（２２）の前記エッジ（２２０）は、その光透過率の勾配（２２１）を有する、
   請求項５から７のいずれかに記載の透過光照明装置（２）。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の透過光照明装置（２）を有する顕微鏡（１）。
10. 前記顕微鏡（１）は、立体顕微鏡またはマクロスコープである、
    請求項９に記載の顕微鏡（１）。
11. 前記少なくとも１つの絞り要素（２２）の第１の位置では前記面光源（２０）は、前記絞り要素（２２）によってカバーされず、前記絞り要素（２２）を第２の位置内に移動することによって、前記面光源（２０）は、前記絞り要素（２２）によって少なくとも部分的にカバーされる、
    請求項９または１０に記載の顕微鏡（１）。
12. 前記顕微鏡（１）の対象物面は、前記ミラー（２３）から反射される光の方向に配置される、
    請求項９から１１のいずれかに記載の顕微鏡（１）。
13. 前記顕微鏡（１）は、請求項５に記載の透過光照明装置（２）を有し、前記少なくとも１つの絞り要素（２２）の前記輪郭の形状は、可変である、
    請求項９から１２のいずれかに記載の顕微鏡（１）。
14. 前記顕微鏡（１）は、請求項８に記載の透過光照明装置（２）を有し、前記勾配（２２１）の長さは、可変である、
    請求項９から１３のいずれかに記載の顕微鏡（１）。

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