CN102692699B - 显微镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种显微镜光学系统，其以较短、较轻且成本低廉的方式构成目镜光学系统以及双镜筒，并能够进行超大视场的观察。作为解决手段，提供一种显微镜光学系统(1)，其具有：会聚来自样本(A)的光的物镜光学系统(2)；使由该物镜光学系统(2)会聚的来自样本(A)的光成像的倍率为1倍的基准成像光学系统(3)；以及放大由该基准成像光学系统(3)形成的样本(A)的像并作为虚像形成于观察者眼睛(E)的目镜光学系统(4)，该显微镜光学系统(1)满足如下条件式。M＝Fntl/Fob×250/Fne (1)；Fntl＝Ftl×Kt (2)；Fne＝Fe×Kt (3)；0.4＜Kt＜0.95 (4)。

Description

显微镜光学系统

技术领域

本发明涉及显微镜光学系统。

背景技术

以往公知有显微镜的超大视场目镜(例如参见专利文献1)。

该目镜的倍率为10倍，是视场数为26.5级的超大视场目镜。

【专利文献1】日本专利第3250739号公报

然而，在专利文献1的目镜中，透镜直径大，全长长，透镜数量变得多，因此存在目镜本身变得大型的不良情况。另外，为了达成视场数26.5，作为与目镜连接的双镜筒内的棱镜，与光轴正交的剖面的有效范围直径必须在26.5mm以上，所使用的棱镜不得不采取外形为30度角的形态，存在双镜筒变大变重、价格变得昂贵的不良情况。

发明内容

本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种以较短、较轻且成本低廉的方式构成目镜光学系统以及双镜筒，并能够进行超大视场的观察的显微镜光学系统。

为达成上述目的，本发明提供如下手段。

本发明提供一种显微镜光学系统，其具有：物镜光学系统，其会聚来自样本的光；成像光学系统，其使由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光成像；以及目镜光学系统，其放大由该成像光学系统形成的样本的像，使其作为虚像成像于观察者眼中，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Fntl/Fob×250/Fne(1)

Fntl＝Ftl×Kt(2)

Fne＝Fe×Kt(3)

0.4＜Kt＜0.95(4)

其中，M是总倍率，Fntl是上述成像光学系统的焦距，Fob是上述物镜光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统的焦距，Fe是具备上述基准成像光学系统和上述物镜光学系统的显微镜光学系统中的基准目镜光学系统的焦距，Kt是系数。

根据本发明，相比于具备倍率为1倍的基准成像光学系统和基准目镜光学系统的显微镜光学系统而言，通过以相同比例缩短目镜光学系统的焦距和成像光学系统的焦距，能够在不改变总倍率M的情况下，增大目镜光学系统的倍率，使得视场数实质地变得相同。使得视场数实质地变得相同指的是即使目镜光学系统的倍率不同，也与通过基准目镜光学系统观察到的视场角为相同视场角的情况。此时，成像光学系统的倍率会变小，因此成像光学系统形成的一次像会缩小，从而使得在双镜筒内的棱镜中通过的光束直径变细，能使得棱镜变小，使得双镜筒变小。Kt≤0.4时，成像光学系统的焦距变得过短，因此无法充分确保双镜筒的左右分支前的空气换算光路长度，难以进行设计。而Kt≥0.95时无法实现棱镜实质的小型化。

另外，本发明提供一种显微镜光学系统，其具有：物镜光学系统，其会聚来自样本的光；成像光学系统，其使由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光成像；以及目镜光学系统，其放大由该成像光学系统形成的样本的像，使其作为虚像形成于观察者眼中，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Ftl/Fnob×250/Fne(5)

Fnob＝Fob×Ko(6)

Fne＝Fe/Ko(7)

1.1＜Ko＜2.6(8)

其中，M是总倍率，Ftl是上述成像光学系统的焦距，Fnob是上述物镜光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Fob是具备倍率为1倍的基准成像光学系统和倍率为10倍的基准目镜光学系统的显微镜光学系统中的基准物镜光学系统的焦距，Fe是上述基准目镜光学系统的焦距，Ko是系数。

根据本发明，相比于具备倍率为1倍的基准成像光学系统和倍率为10倍的基准目镜光学系统的显微镜光学系统而言，增长了物镜光学系统的焦距，缩短了目镜光学系统的焦距。此时，通过使两个焦距的变化比例相同，能够在不改变总倍率的情况下，增大目镜光学系统的倍率，实质地增大视场数。实质地增大视场数指的是大于通过基准目镜光学系统观察到的视场角的情况。

而且，通过减小物镜光学系统的倍率，使得在一次像的视场数相同的情况下大的范围被缩小进行投影，能够使用倍率变大的目镜光学系统对由物镜光学系统中缩小的量进行放大并观察。即，能够在不改变一次像的视场数、即在不增大双镜筒的棱镜大小的情况下实质地增加视场数。

另外，本发明提供一种显微镜光学系统，其具有：物镜光学系统，其会聚来自样本的光；成像光学系统，其使由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光成像；以及目镜光学系统，其放大由该成像光学系统形成的样本的像，使其作为虚像形成于观察者眼中，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Fntl/Fnob×250/Fne(9)

Fntl＝Ftl×Kt(10)

Fnob＝Fob×Ko(11)

Fne＝Fe×(Kt/Ko)(12)

0.4＜Kt＜0.95(13)

1.1＜Ko＜2.6(14)

其中，M是总倍率，Fntl是上述成像光学系统的焦距，Fnob是上述物镜光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统的焦距，Fob是具备倍率为1倍的基准成像光学系统和倍率为10倍的基准目镜光学系统的显微镜光学系统中的基准物镜光学系统的焦距，Fe是上述基准目镜光学系统的焦距，Kt、Ko是系数。

在上述发明中，优选满足如下的条件式。

10＜FN＜23(15)

0.65＜Kt＜0.85(16)

其中，FN是上述目镜光学系统的视场数。

另外，在上述发明中，优选满足如下的条件式。

0.45＜FN/(2×Fne)＜1.4(17)

1.5＜Ko＜2.2(18)

其中，FN是上述目镜光学系统的视场数。

另外，本发明提供一种显微镜光学系统，其具有：物镜光学系统，其会聚来自样本的光；基准成像光学系统，其会聚由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光而形成一次像的倍率为1倍；目镜光学系统，其放大由该基准成像光学系统形成的样本的上述一次像而使其作为虚像形成于观察者眼中；以及中间透镜系统，其配置于上述物镜光学系统与上述一次像之间，从该物镜光学系统侧起按顺序由负光焦度的第1组和正光焦度的第2组构成，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Ftl/Fob×q×250/Fne(19)

Fne＝Fe×q(20)

0.55＜q＜0.95(21)

其中，M是总倍率，Ftl是上述基准成像光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Fob是具备上述基准成像光学系统和倍率为10倍的基准目镜光学系统的显微镜光学系统中的物镜光学系统的焦距，Fe是上述基准目镜光学系统的焦距，q是镜筒倍率系数中的由上述中间透镜系统转换的上述一次像的倍率的转换系数。

如上，夹入有具备倍率转换功能的中间透镜系统，因此物镜的实质倍率会变小而一次像缩小。其结果，能够减小双镜筒的棱镜的大小。这种情况下，当q在0.55以下的情况下，从中间镜筒输出的光线高度变高，会超过基准成像光学系统的有效直径，因此易于出现光线的光晕。另外，q在0.95以上时没有实质地缩小一次像的效果。

根据本发明，能够获得以较短、较轻且成本低廉的方式构成目镜光学系统以及双镜筒，并能够进行超大视场的观察的效果。

附图说明

图1(a)是表示本发明第1实施方式涉及的显微镜光学系统的图，(b)是表示现有的显微镜光学系统的图。

图2(a)是表示本发明第2实施方式涉及的显微镜光学系统的图，(b)是表示现有的显微镜光学系统的图。

图3是表示图1的显微镜光学系统的实施例涉及的透镜构成的图。

图4是表示图3的显微镜光学系统的像差图。

图5是表示图2的显微镜光学系统的实施例涉及的透镜构成的图。

图6是表示图5的显微镜光学系统的像差图。

图7是表示本发明第3实施方式涉及的显微镜光学系统的图。

图8是表示图7的显微镜光学系统的实施例涉及的透镜构成的图。

图9是表示图8的显微镜光学系统的像差图。

符号说明

A样本；B虚像；C一次像；E眼睛；ω目镜光学系统的视场角的单侧角度；1、1’、10、10’、20显微镜光学系统；2物镜光学系统；2’基准物镜光学系统；3成像光学系统；3’基准成像光学系统；4目镜光学系统；4’基准目镜光学系统；21中间透镜系统；21a第1组；21b第2组

具体实施方式

参照附图，以下说明本发明第1实施方式涉及的显微镜光学系统1。

如图1(a)所示，本实施方式涉及的显微镜光学系统1具有会聚来自样本A的光的物镜光学系统2、使由该物镜光学系统2会聚到的来自样本A的光成像的成像光学系统3、放大由该成像光学系统3形成的样本A的像并以视场角2ω使其作为虚像B形成于观察者眼睛E的目镜光学系统4。

图1(b)作为参考例示出了具备倍率为1倍的基准成像光学系统3’的显微镜光学系统1’。

图中的符号5是将由成像光学系统3会聚到的光分为2部分而使其入射到目镜光学系统4的双镜筒。图1中，将物镜光学系统2、成像光学系统3和目镜光学系统4分别作为单一透镜示出，然而实际分别由多个透镜构成。

M＝Fntl/Fob×250/Fne(1)

Fntl＝Ftl×Kt(2)

Fne＝Fe×Kt(3)

0.4＜Kt＜0.95(4)

其中，M是总倍率，Fntl是成像光学系统3的焦距，Fob是物镜光学系统2的焦距，Fne是目镜光学系统4的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统3’的焦距，Fe是具备基准成像光学系统3’和物镜光学系统2的显微镜光学系统1’的基准目镜光学系统4’的焦距，Kt是系数。

根据如上构成的本实施方式涉及的显微镜光学系统1，来自样本A的光通过物镜光学系统2会聚而作为大致平行光入射到成像光学系统3后，通过成像光学系统3会聚而形成中间像C，然后入射到目镜光学系统4。

在这种情况下，本实施方式涉及的显微镜光学系统1相比于具备倍率为1倍的基准成像光学系统3’的显微镜光学系统1’，缩短了目镜光学系统4的焦距Fne。其结果，目镜光学系统4的倍率变大，因此能在缩短目镜光学系统4的全长的同时实质地增大视场数。

另外，同时，本实施方式涉及的显微镜光学系统1相比于基准成像光学系统3’，缩短了成像光学系统3的焦距Fntl。由此，成像光学系统3的倍率变小，成像光学系统3得到的一次像缩小，从而能使得通过双镜筒5时的光束直径变细。其结果，能使得双镜筒5内的棱镜尺寸变小，具有能使得双镜筒5变小的优点。

进而，根据本实施方式涉及的显微镜光学系统1，以相同比例缩短了目镜光学系统4的焦距Fne和成像光学系统3的焦距Fntl。由此，总倍率不发生变化。中间像C的像高为中间像C’的像高的Kt倍，而眼睛(E)所观察到的虚像B与B’的高度相等，能够使得视场数实质地相同。使得视场数实质地相同指的是基准目镜光学系统4’的视场角2ω’与目镜光学系统4的视场角2ω相同。

其中，还优选满足如下的条件式。

10＜FN＜23(15)

0.65＜Kt＜0.85(16)

其中，FN是目镜光学系统4的视场数，与中间像C的直径相等。

另外，最为优选例如Kt＝0.8。

当Kt≤0.4时，成像光学系统3的焦距Fntl过短，因此无法充分确保双镜筒5的左右分支前的空气换算光路长度，难以进行设计。另外，Kt≥0.95时，无法实现双镜筒5内的棱镜的实质的小型化。因此，优选满足条件式(4)。

其中，设Kt＝0.8，表1分别示出了应用到各种显微镜光学系统1的情况下物镜光学系统2的显示倍率和焦距Fob、基准成像光学系统3’的焦距Ftl、成像光学系统3的焦距Fntl和物镜光学系统2的实质倍率、目镜光学系统4的倍率和焦距Fne以及总倍率M。

【表1】

下面参照附图，以下说明本发明第2实施方式涉及的显微镜光学系统10。

对于本实施方式涉及的显微镜光学系统10，对于与第1实施方式涉及的显微镜光学系统1采取相同构成的部位赋予同一符号并省略说明。

如图2(a)所示，本实施方式涉及的显微镜光学系统10也具有物镜光学系统2、成像光学系统3和目镜光学系统4。

图2(b)作为参考例示出了具备倍率为1倍的基准成像光学系统3’和倍率为10倍的基准目镜光学系统4’的显微镜光学系统10’。

本实施方式涉及的显微镜光学系统10满足如下条件式。

M＝Ftl/Fnob×250/Fne(5)

Fnob＝Fob×Ko(6)

Fne＝Fe/Ko(7)

1.1＜Ko＜2.6(8)

其中，M是总倍率，Fnob是物镜光学系统2的焦距，Fob是具备倍率为1倍的基准成像光学系统3’和倍率为10倍的基准目镜光学系统4’的显微镜光学系统10’中的物镜光学系统2的焦距，Fe是基准目镜光学系统4’的焦距，Ko是系数。

根据如上构成的本实施方式涉及的显微镜光学系统10，相比于基准目镜光学系统4’而言，缩短了目镜光学系统4的焦距Fne。其结果，目镜光学系统4的倍率变大，能在缩短了目镜光学系统4的全长的同时实质地增大视场数。实质地增大视场数指的是比通过基准目镜光学系统能观察到的视场角大的情况。

另外，同时，本实施方式涉及的显微镜光学系统10相比于具有基准成像光学系统3’和基准目镜光学系统4’的显微镜光学系统10’的情况，使得物镜光学系统2的焦距Fnob加长至物镜光学系统2’的Ko倍。由此，使得物镜光学系统2的倍率变小，能够在一次像C的视场数相同的情况下缩小大的范围而进行投影。然后，可以使用倍率变大的目镜光学系统4放大由物镜光学系统2缩小的量而进行观察。

此时，通过使2个焦距的变化比例相同，能够在不改变总倍率的情况下增大目镜光学系统4的倍率，实质地增大视场数。即，能够在不改变一次像的视场数、即在不增大双镜筒5的棱镜大小的情况下实质地增大视场数。实质地增大视场数指的是目镜光学系统4的视场角2ω比基准目镜光学系统4’的视场角2ω’大的情况。

其中，设Ko＝2，表2分别示出了应用到各种显微镜光学系统10的情况下基准物镜光学系统2’的显示倍率和焦距Fob、物镜光学系统2的焦距Fnob、基准成像光学系统3’的焦距Ftl和物镜光学系统2的实质倍率、目镜光学系统4的倍率和焦距Fne以及总倍率M。

【表2】

其中，本实施方式更优选满足如下条件式。

0.45＜FN/(2×Fne)＜1.4(17)

1.5＜Ko＜2.2(18)

并且，在上述各实施方式中，是以相同比例改变成像光学系统3和目镜光学系统4或物镜光学系统2和目镜光学系统4的焦距的，但也可以取代之，使物镜光学系统2、成像光学系统3和目镜光学系统4的焦距满足如下条件式。

M＝Fntl/Fnob×250/Fne(9)

Fntl＝Ftl×Kt(10)

Fnob＝Fob×Ko(11)

Fne＝Fe×(Kt/Ko)(12)

0.4＜Kt＜0.95(13)

1.1＜Ko＜2.6(14)

其中，M是总倍率，Fntl是成像光学系统3的焦距，Fnob是物镜光学系统2的焦距，Fne是目镜光学系统4的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统3’的焦距，Fob是具备倍率为1倍的基准成像光学系统3’和倍率为10倍的基准目镜光学系统4’的显微镜光学系统1’的基准物镜光学系统2’的焦距，Fe是基准目镜光学系统4’的焦距，Kt、Ko是系数。

并且，在用于降低倾斜角可变镜筒和目镜的视点的镜筒等中，为了内置机构而需要伸长光路，因而有时在成像光学系统中包括中继系统，而将处于物镜光学系统与目镜光学系统之间的光学系统看作成像光学系统就能应用本发明。

下面参照附图，以下说明本发明第3实施方式涉及的显微镜光学系统20。

在本实施方式涉及的显微镜光学系统20，对于与第1实施方式涉及的显微镜光学系统1采取相同构成的部位赋予同一符号并省略说明。

如图7所示，本实施方式涉及的显微镜光学系统20具有物镜光学系统2、基准成像光学系统3’、目镜光学系统4、配置于物镜光学系统与基准成像光学系统3’的一次像C之间的中间透镜系统21。

中间透镜系统21从物镜光学系统2侧起按顺序由负光焦度的第1组21a和正光焦度的第2组21b构成。

另外，本实施方式涉及的显微镜光学系统20满足如下条件式。

M＝Ftl/Fob×q×250/Fne(19)

Fne＝Fe×q(20)

0.55＜q＜0.95(21)

其中，M是总倍率，Ftl是基准成像光学系统3’的焦距，Fne是目镜光学系统4的焦距，Fob是具备基准成像光学系统3’和倍率为10倍的基准目镜光学系统4’的显微镜光学系统中的物镜光学系统2的焦距，Fe是基准目镜光学系统4’的焦距，q是镜筒倍率系数的由中间透镜系统21转换的一次像C的倍率的转换系数。

其中，镜筒倍率系数指的是由插入到物镜光学系统2与一次像C之间的中间透镜系统21对一次像C的横向倍率进行转换的系数。

根据如上构成的本实施方式涉及的显微镜光学系统20，相比于基准目镜光学系统4’，缩短了目镜光学系统4的焦距Fne。其结果，能够与第1实施方式涉及的显微镜光学系统1相同地使得目镜光学系统4的倍率变大，在缩短目镜光学系统4的全长的同时实质地增大视场数。

在这种情况下，本实施方式涉及的显微镜光学系统20使用倍率为1倍的基准成像光学系统3’，并且将中间透镜系统21的转换系数q设定为小于1。由此，使得中间透镜系统21和基准成像光学系统3’形成的一次像C缩小。其结果，能使通过双镜筒5时的光束直径变细。并且，能够使得双镜筒5内的棱镜尺寸变小，具有使得双镜筒5变小的优点。

进而，根据本实施方式涉及的显微镜光学系统20，以相同比例缩短目镜光学系统4的焦距Fne、中间透镜系统21和基准成像光学系统3’的合成焦距。由此，总倍率不发生变化。一次像C的像高为图2(b)的中间像C’的像高的q倍，而眼睛(E)观看到的虚像B、B’的高度相等，能够使视场数实质地相同。

其中，设q＝0.63，表3分别示出了应用到各种显微镜光学系统20的情况下物镜光学系统2的显示倍率和焦距Fob、基准成像光学系统3’的焦距Ftl、转换系数q、成像光学系统3的实质倍率、目镜光学系统4的倍率和焦距Fne以及总倍率M。

【表3】

【实施例】

(第1实施例)

接着，以下说明本发明第1实施方式涉及的显微镜光学系统1的实施例。

图3示出了本实施方式涉及的显微镜光学系统1的透镜排列，表4表示透镜数据，图4表示像差图。在图3中仅示出了一部分面编号，省略了其他内容。

图4(a)表示像面弯曲(像散)，(b)表示失真，(c)表示轴外横向像差(帧像差、倍率色差)，(d)表示球面像差。各像差分别表示出逆向追踪所致的物体面上的像差。

【表4】

Kt＝0.8

Fob＝18

Fntl＝144

Fne＝20

FN＝20

ω＝26.5°

M＝100

(第2实施例)

接着，以下说明本发明第2实施方式涉及的显微镜光学系统10的实施例。

图5示出了本实施方式涉及的显微镜光学系统10的透镜排列，表5表示透镜数据，图6表示像差图。图5中仅示出了一部分面编号，省略了其他内容。

图6(a)表示像面弯曲(像散)，(b)表示失真，(c)表示轴外横向像差(帧像差、倍率色差)，(d)表示球面像差。各像差分别表示出逆向追踪所致的物体面上的像差。

【表5】

Ko＝2

Fnob＝36

Ftl＝180

Fne＝12.5

FN＝20

ω＝39°

FN/2Fne＝0.8

M＝100

(第3实施例)

接着，以下说明本发明第3实施方式涉及的显微镜光学系统20的实施例。

图8示出了本实施方式涉及的显微镜光学系统20的透镜排列，表6表示透镜数据，图9表示像差图。图4中仅示出了一部分面编号，省略了其他内容。

图9(a)表示像面弯曲(像散)，(b)表示失真，(c)表示轴外横向像差(帧像差、倍率色差)，(d)表示球面像差。各像差分别表示出逆向追踪所致的物体面上的像差。

【表6】

q＝0.63

Fob＝18

Ftl＝180

Fne＝15.75

FN＝20

ω＝32.5°

M＝100

NA’＝0.25

Claims (3)

1.一种显微镜光学系统，其具有：

物镜光学系统，其会聚来自样本的光；

成像光学系统，其使由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光成像；以及

目镜光学系统，其放大由该成像光学系统形成的样本的像，使其作为虚像形成于观察者眼中，

其特征在于，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Fntl/Fob×250/Fne(1)

Fntl＝Ftl×Kt(2)

Fne＝Fe×Kt(3)

0.4＜Kt＜0.95(4)

其中，M是总倍率，Fnt1是上述成像光学系统的焦距，Fob是上述物镜光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统的焦距，Fe是具备上述基准成像光学系统和上述物镜光学系统的显微镜光学系统中的目镜光学系统的焦距，Kt是系数。

2.根据权利要求1所述的显微镜光学系统，其中，该显微镜光学系统满足如下的条件式，

10＜FN＜23(15)

0.65＜Kt＜0.85(16)

其中，FN是上述目镜光学系统的视场数。

3.一种显微镜光学系统，其具有：

物镜光学系统，其会聚来自样本的光；

成像光学系统，其使由该物镜光学系统会聚到的来自样本的光成像；以及

目镜光学系统，其放大由该成像光学系统形成的样本的像，使其作为虚像形成于观察者眼中，

其特征在于，该显微镜光学系统满足如下条件式，

M＝Fntl/Fnob×250/Fne(9)

Fntl＝Ftl×Kt(10)

Fnob＝Fob×Ko(11)

Fne＝Fe×(Kt/Ko)(12)

0.4＜Kt＜0.95(13)

1.1＜Ko＜2.6(14)

其中，M是总倍率，Fntl是上述成像光学系统的焦距，Fnob是上述物镜光学系统的焦距，Fob是具备倍率为1倍的基准成像光学系统的显微镜光学系统中的物镜光学系统的焦距，Fne是上述目镜光学系统的焦距，Ftl是倍率为1倍的基准成像光学系统的焦距，Fe是具备上述基准成像光学系统和上述物镜光学系统的显微镜光学系统中的目镜光学系统的焦距，Kt、Ko是系数。