JP5087386B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は顕微鏡の技術分野に係り、特にその照明光学系に関する。

顕微鏡の利用者には背の高い人もいれば背の低い人もいる。しかも、顕微鏡利用者には長時間の利用者も多く、そのような人たちにとっては、自分の体格に合った高さの接眼部で顕微鏡作業をすることが非常に重要である。

従来の顕微鏡では、体格の個人差による最適な接眼部の高さを、対物レンズと結像レンズの間に中間鏡筒を挿入することによって調節してきた。このように対物レンズと結像レンズの間隔を広げることができるのは、現在の通常の顕微鏡は無限遠補正システムを使っており、対物レンズと結像レンズの間は平行光束となっているからである。

しかしながら、対物レンズが無限遠補正型だとしても結像レンズとの間隔をいくらでも広げることはできない。とくに軸外光線は対物レンズからある程度の角度を持って射出されるので、結像レンズとの距離が開き過ぎるとケラレを生じたり、結像レンズに入射する光線高が変化したりするため結像性能に悪影響をもたらしてしまう。

そこで、結像性能に影響を与えない方法で顕微鏡の光学系を伸縮させて、接眼部の高さを変えられる方法が望まれている。
特開平５−１１３５４０号公報

以上の技術的問題に鑑み、結像性能に影響を与えない方法で顕微鏡の光学系を伸縮させて、接眼部の高さを変えられる顕微鏡照明装置を提供することを課題とする。

上記課題は、光源と前記光源からの光を略平行光束にするコレクタレンズと、前記コレクタレンズからの略平行光束中に備えられた視野絞りと、前記視野絞りからの光線を略平行光線に変換するフィールドレンズと、前記フィールドレンズからの略平行光線を試料面に集光するコンデンサレンズを備えた顕微鏡において、前記フィールドレンズは焦点距離変更手段を備え、前記コンデンサレンズと前記フィールドレンズの間の距離が可変であり、前記距離の変更に伴い、前記試料面と前記コンデンサレンズの高さを光軸方向に変化させることによって解決される。

前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズに変倍機構を備える構成が考えられる。

このとき、前記変倍機構は、前記フィールドレンズを光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成し、前記負レンズと前記正レンズの間隔を広げることによって前記フィールドレンズの焦点距離を変更する構成が考えられる。

さらに、前記変倍機構は、前記フィールドレンズを光源から順に第一の正レンズと負レンズと第二の正レンズの３群で構成し、前記第一の正レンズと前記負レンズと前記第二の正レンズの何れかの間隔を広げることによって前記フィールドレンズの焦点距離を変更する構成も考えられる。

あるいは、前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズにアタッチメントレンズを追加する構成も望ましい。
このとき、前記アタッチメントレンズは、光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成され、前記アタッチメントレンズを、前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入する構成が考えられる。

あるいは、前記アタッチメントレンズは、光源から順に正レンズと負レンズの２群で構成され、前記アタッチメントレンズを、前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入する構成も考えられる。

前記アタッチメントレンズは、上下反転可能に前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入することも望ましい。
あるいは、前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズが交換用フィールドレンズと交換可能とする構成も望ましい。

このとき、前記交換用フィールドレンズは、光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成される構成が考えられる。
なお、前記フィールドレンズの前側焦点位置は、前記視野絞りの位置に固定されながら焦点距離が変更されることが望ましい。

本発明によれば、結像性能に影響を与えない方法で顕微鏡の光学系を伸縮させて、接眼部の高さを変えられる顕微鏡照明装置が得られる。

以下では、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
まず、比較のために従来技術における接眼部の高さの変更方法を説明する。従来技術では対物レンズ、ステージ、コンデンサレンズや顕微鏡本体、アーム部などには変化がなく、接眼部が上方に移動する。

このようなことが可能である理由は、今日の対物レンズは無限遠補正型であり、結像レンズの位置は鏡筒の内部にあるからである。それゆえに接眼ユニットと対物レンズまでの距離は比較的自由度が高い。

図１の（ａ）と（ｂ）は従来の正立顕微鏡における接眼部の高さ方向の調節方法を図示したものである。この例では特に透過照明による構成を説明する。まずは（ａ）と（ｂ）の顕微鏡に共通した構成から説明する。

接眼レンズ１を備えた鏡筒２は、内部に結像レンズを備え、対物レンズ３からの光を結像させる。このとき顕微鏡利用者は結像レンズによって作られる像を接眼レンズ１によって観察する。対物レンズ３はステージ４の上の標本をコンデンサレンズ５によって照明した際の透過光を拡大する。ここで、標本を照明する照明光は、ランプハウス６内の光源から不図示のコレクタレンズを経由してフィールドレンズ７によってコンデンサレンズ５に導かれる。このとき、一般的な顕微鏡照明方法であるケーラー照明では、ランプハウス６内の光源はコレクタレンズとフィールドレンズ７によって、コンデンサレンズ５の後焦点位置に結像される。なお、対物レンズ３はアーム部８を通じて顕微鏡本体９に固定されているので、対物レンズ３の高さは不変となっている。なお、対物レンズ３の高さが不変であるのでその周辺のステージ４やコンデンサレンズ５の高さも基本的には変わらない。

従来の顕微鏡での鏡筒２の高さを変えるために、鏡筒２と対物レンズ３の間に中間鏡筒１０を挿入する。図１において（ａ）は通常状態の構成を表し、（ｂ）は中間鏡筒１０を挿入した構成を表している。同図から読み取れるように、従来の方法では鏡筒２のみが上方へ移動する構成となっている。

一方、本発明の実施による顕微鏡では、鏡筒だけではなく対物レンズ、ステージ、コンデンサレンズ、更にアーム部が一体となって上下に移動する。特に本実施例では、アーム部と顕微鏡本体の間に中間ユニットを挿入する方法を採用している。このほかにも、顕微鏡本体部に伸縮機構を備えるなど方法も考えられる。

図２の（ａ）と（ｂ）は本発明の実施による正立型顕微鏡の接眼部の調節方法を図示したものである。まずは（ａ）と（ｂ）の顕微鏡に共通した構成から説明する。
接眼レンズ１を備えた接眼ユニット２は、内部に結像レンズを備え、対物レンズ３からの光を結像させる。このとき顕微鏡利用者は結像レンズによって作られる像を接眼レンズ１によって観察する。対物レンズ３はステージ４の上の標本をコンデンサレンズ５によって照明した際の透過光を集める。ここで、標本を照明する照明光は、ランプハウス６内の光源から不図示のコレクタレンズを経由してフィールドレンズ７によってコンデンサレンズ５に導かれる。このとき、一般的な顕微鏡照明方法であるケーラー照明では、ランプハウス６内の光源はコレクタレンズとフィールドレンズ７によって、コンデンサレンズ５の後焦点位置に結像される。

本発明実施の一形態では、接眼ユニット２の高さを変えるために、アーム部８と顕微鏡本体９の間にスペーサ１１を挿入する。図１において（ａ）は通常状態の構成を表し、（ｂ）はスペーサ１１を挿入した構成を表している。同図から読み取れるように、本実施の形態では接眼ユニット２のみならず、対物レンズ３の高さも同時に変化している。

また、それに伴い、ステージ４とコンデンサレンズ５も高さを変化させる。ただし、通常の顕微鏡ではステージ４とコンデンサレンズ５は高さを調節する機能を元々備えているので、本発明の実施にあたり新たな構成要素を付け加える必要はない。

このようなことが可能な理由は、視野絞りから光線追跡をした場合にコンデンサレンズ５とフィールドレンズ７の間は平行光線となるからである。
しかしながら、コンデンサレンズ５とフィールドレンズ７の間が平行光線だからといって、ただ単に間隔を変えてしまうのは好ましくない。その理由は光源から光線追跡をした場合にはコンデンサレンズ５とフィールドレンズ７の間は収斂光線であるからである。ケーラー照明は光源像がコンデンサレンズの前側焦点位置に投影されることでムラのない照明が達成できるのだが、コンデンサレンズとフィールドレンズの間を変えるとケーラー照明ではなくなってしまう。

図３はケーラー照明光学系の模式的光線図であり、（ａ）は視野絞りからの光線追跡に関する光線図、（ｂ）は光源からの光線追跡に関する光線図を表す。
図３の（ａ）の視野絞りからの光線追跡で見た場合、標本面１２から出発した光線はコンデンサレンズ５によってほぼ平行光線に変換され、フィールドレンズ７によって視野絞り１３の平面に結像される。その後、コレクタレンズ１４を経由して光源１５に到達する。なお、一般的な顕微鏡では装置をコンパクトにするために、照明光学系をミラー１６によって視野絞り１３とフィールドレンズ７の間で折り曲げる構成を取っている。

図３の（ｂ）の光源からの追跡で見た場合、光源１５から出発した光線はコレクタレンズ１４によってほぼ平行光束に変換されて、視野絞り１３を通過する。その後、フィールドレンズ７によって収斂光束に変換され、コンデンサレンズの瞳面１７に光源１６の像が結像される。そして瞳面１７を通過した後に、コンデンサレンズ５によって平行光束に変換され標本面１２に照射される。光源がコンデンサレンズの瞳面１７に結像するため、標本面１２では均一な照明が実現される。

図３の（ａ）と（ｂ）を比較するとよく解るように、ケーラー照明系ではコンデンサレンズ５とフィールドレンズ７は、像追跡では平行光束であるが、瞳追跡では平行光束ではない。

このことは、コンデンサレンズ５とフィールドレンズ７を間の距離を変えた場合、標本面１２と視野絞り１３の共役関係は保たれるが、光源１５と瞳面１７の共役関係が崩れてしまうことを意味する。

以下ではこの問題を解決するための本発明の実施の形態について例示する。

図４は本発明の実施の第１形態を示す模式図である。本実施の形態ではフィールドレンズ７を異なる焦点距離のフィールドレンズ７’に交換することによって、光源１５と共役の位置を変化させる。さらに、光源１５と共役の位置とコンデンサレンズの瞳面１７を合わせることによって、ケーラー照明を維持しながらコンデンサレンズ５より上の光学系の高さ調節することができる。このとき、交換に使われるフィールドレンズ７’は前側焦点位置を変えないようにしながら焦点距離を変えるようにする。具体的にはコンデンサとフィールドレンズの間隔を広げる場合に交換に使われるフィールドレンズは標本から順に凸レンズ−凹レンズの順となっているレンズタイプが好ましい。これによって標本面１２と視野絞り１３の共役関係も維持しながら焦点距離を伸ばすことができる。

図５は本発明の実施の第２形態を示す模式図である。本実施の形態ではフィールドレンズ７にアタッチメントレンズ７”を付け加えることによって合成焦点距離を変える。この形態でも同様に、光源１５と共役の位置とコンデンサレンズの瞳面１７を合わせることによって、ケーラー照明を維持しながらコンデンサレンズ５より上の光学系の高さ調節することができる。

このとき、アタッチメントレンズ７”を付け加えることによって、フィールドレンズ７全体の焦点距離を伸ばす構成と、焦点距離を短くする構成が考えられる。例えば、標本から順に凸レンズ−凹レンズの順となっているアタッチメントレンズ７”を付け加えれば、全体の焦点距離を伸ばすことができ、逆に、標本から順に凹レンズ−凸レンズの順となっているアタッチメントレンズ７”を付け加えれば、全体の焦点距離を伸ばすことができる。さらに、標本から順に凸レンズ−凹レンズの順となっているアタッチメントレンズ７”の向きを変えることによって、標本から順に凹レンズ−凸レンズの順となっているアタッチメントレンズ７”として利用する構成も考えられる。このような構成を取れば、部品の共通化が図れて好ましい。

以下に、上述のフィールドレンズ７とアタッチメントレンズ７”の具体的なレンズデータの例を示す。
表１はフィールドレンズ７のみの構成であり、視野絞り１３を面番号１とし開口絞り１７を面番号５としたレンズデータである。
（表１） f=108.05
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 98.5800
2 134.9399 4.6000 1.67270 32.10
3 46.1426 14.3750 1.51633 64.14
4 -65.8398 108.0500
5 inf
表２はフィールドレンズ７にアタッチメントレンズ７”を加えて焦点距離を長くした構成であり、視野絞り１３を面番号１とし開口絞り１７を面番号９としたレンズデータである。ここで面番号５から面番号８までのデータがアタッチメントレンズ７”となっている。
（表２） f=149.02
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 98.5800
2 134.9399 4.6000 1.67270 32.10
3 46.1426 14.3750 1.51633 64.14
4 -65.8398 5.0000
5 -60.0000 5.0000 1.67270 32.10
6 60.0000 10.3742
7 60.0000 14.0000 1.51633 64.14
8 -60.0000 149.0200
9 inf
表３はフィールドレンズ７にアタッチメントレンズ７”を加えて焦点距離を短くした構成であり、視野絞り１３を面番号１とし開口絞り１７を面番号９としたレンズデータである。ここで面番号５から面番号８までのデータがアタッチメントレンズ７”となっている。
（表３） f=78.3
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 98.5800
2 134.9399 4.6000 1.67270 32.10
3 46.1426 14.3750 1.51633 64.14
4 -65.8398 5.0000
7 60.0000 14.0000 1.51633 64.14
6 -60.0000 10.3742
5 -60.0000 5.0000 1.67270 32.10
8 60.0000 78.3000
9 inf
上記の表１から表３に示されるレンズデータから読み取れるように、本実施例ではアタッチメントレンズ７”の挿脱によって、焦点距離が78.3mmと108.05mmと149.02mmの３段階に変化させることができ、しかもアタッチメントレンズ７”は表裏に使い分けることによって部品の共通化を達成している。

図６では、上記のレンズデータによるフィールドレンズのレンズ断面図を示す。同図において、（ａ）はアタッチメントレンズ７”なしの構成でありであり、（ｂ）はアタッチメントレンズ７”を使って焦点距離を伸ばした構成であり、（ｃ）はアタッチメントレンズ７”を使って焦点距離を縮めた構成である。なお、これらの図では表現の解り易さのためにコンデンサレンズ５の部分まで記載されているが、コンデンサレンズ５は適宜選択して用いてよいものなので、レンズデータとの対応はしていない。

なお、この実施例においても、フィールドレンズ７の前側焦点位置は変わらない。これによって標本面１２と視野絞り１３の共役関係も維持できる。

図７は本発明の実施の第３形態を示す模式図である。本実施の形態ではフィールドレンズ７に移動群を組み込み、この移動群を移動させることによってフィールドレンズ７の合成焦点距離を変化させる。すなわち、フィールドレンズ７に変倍機構を備えるのである。この形態でも同様に、光源１５と共役の位置とコンデンサレンズの瞳面１７を合わせることによって、ケーラー照明を維持しながらコンデンサレンズ５より上の光学系の高さ調節することができる。

以下に、上述の変倍機構付フィールドレンズ７の具体的なレンズデータの例を示す。ここでは、最も簡単な２群構成を例に挙げるが、３群構成や４群構成なども同様に考えることができる。以下に示す表４から表６は２群構成において、焦点距離を最長にしたもの（表４）、焦点距離を中間的にしたもの（表５）、焦点距離を最短にしたもの（表６）である。面番号１は視野絞りを表し、面番号６は開口絞りである。
（表４）最長 f=109.92
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 100.2896
2 137.2866 4.6800 1.67270 32.10
3 46.9451 0.0
4 46.9451 14.6250 1.51633 64.14
5 -66.9848 109.9245
6 inf
（表５）中間 f=90.66
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 100.2896
2 137.2866 4.6800 1.67270 32.10
3 46.9451 11.7000
4 46.9451 14.6250 1.51633 64.14
5 -66.9848 90.6650
6 inf
（表６）最短 f=77.15
面s 曲率r 間隔d 屈折率n アッベ数ν
1 inf 100.2896
2 137.2866 4.6800 1.67270 32.10
3 46.9451 23.4000
4 46.9451 14.6250 1.51633 64.14
5 -66.9848 77.1480
6 inf
上記のレンズデータから読み取れるように、本実施例では焦点距離を77.15mmから109.92mmまで変化させることができる。

図８は上記のレンズデータによるフィールドレンズのレンズ断面図である。同図において、（ａ）は焦点距離が最長の状態（表４に対応）であり、（ｂ）は焦点距離が中間の状態（表５に対応）であり、（ｃ）は焦点距離が最短の状態（表６に対応）である。

なお、フィールドレンズ７の変倍は前側焦点位置が変わらないようにしながら焦点距離を変えるよう構成している。これによって標本面１２と視野絞り１３の共役関係も維持できる。本実施の形態ではフィールドレンズ７の焦点距離を連続的に変化させることができ、すなわち、接眼部の高さも連続的に変えることが可能になる。

また、フィールドレンズの焦点距離の違いにより、コンデンサ瞳位置への光源像の大きさが変わってくるため、視野の照明範囲に影響がでる場合がある。このため、フィールドレンズの焦点距離を変更するときに光源と視野絞りの間に位置する拡散板またはフライアイレンズなどの照明ムラを低減する光学素子を配置することはより効果的である。

従来の正立顕微鏡における接眼部の高さ方向の調節方法を図示した外観図である。 本発明の正立顕微鏡における接眼部の高さ方向の調節方法を図示した外観図である。 ケーラー照明光学系の模式的光線図である。 実施例１を説明する照明光学系の模式図である。 実施例２を説明する照明光学系の模式図である。 実施例２のレンズ構成例を示す断面図である。 実施例３を説明する照明光学系の模式図である。 実施例３のレンズ構成例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・接眼レンズ
２・・・接眼ユニット
３・・・対物レンズ
４・・・ステージ
５・・・コンデンサレンズ
６・・・ランプユニット
７，７’・・・フィールドレンズ
７”・・・アタッチメントレンズ
８・・・アーム部
９・・・顕微鏡本体
１０・・・中間鏡筒
１１・・・スペーサ
１２・・・標本面
１３・・・視野絞り
１４・・・コレクタレンズ
１５・・・光源
１６・・・ミラー
１７・・・コンデンサレンズの瞳面（開口絞り）

Claims (11)

1. 光源と前記光源からの光を略平行光束にするコレクタレンズと、
   前記コレクタレンズからの略平行光束中に備えられた視野絞りと、
   前記視野絞りからの光線を略平行光線に変換するフィールドレンズと、
   前記フィールドレンズからの略平行光線を試料面に集光するコンデンサレンズを備えた顕微鏡において、
   前記フィールドレンズは焦点距離変更手段を備え、
   前記コンデンサレンズと前記フィールドレンズの間の距離が可変であり、
   前記距離の変更に伴い、前記試料面と前記コンデンサレンズの高さを光軸方向に変化させることを特徴とする顕微鏡。
2. 前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズに変倍機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記変倍機構は、前記フィールドレンズを光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成し、前記負レンズと前記正レンズの間隔を広げることによって前記フィールドレンズの焦点距離を変更することを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。
4. 前記変倍機構は、前記フィールドレンズを光源から順に第一の正レンズと負レンズと第二の正レンズの３群で構成し、前記第一の正レンズと前記負レンズと前記第二の正レンズの何れかの間隔を広げることによって前記フィールドレンズの焦点距離を変更することを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。
5. 前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズにアタッチメントレンズを追加することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
6. 前記アタッチメントレンズは、光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成され、
   前記アタッチメントレンズを、前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入することを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡。
7. 前記アタッチメントレンズは、光源から順に正レンズと負レンズの２群で構成され、
   前記アタッチメントレンズを、前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入することを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡。
8. 前記アタッチメントレンズは、上下反転可能に前記フィールドレンズと前記コンデンサレンズの間に挿入することを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載の顕微鏡。
9. 前記焦点距離変更手段は、前記フィールドレンズが交換用フィールドレンズと交換可能とすることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
10. 前記交換用フィールドレンズは、光源から順に負レンズと正レンズの２群で構成されることを特徴とする請求項９に記載の顕微鏡。
11. 前記フィールドレンズの前側焦点位置は、前記視野絞りの位置に固定されながら焦点距離が変更されることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の顕微鏡。