JP2007292935A

JP2007292935A - 実体顕微鏡

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Publication number: JP2007292935A
Application number: JP2006119287A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kusaka; 健一日下
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-24
Also published as: JP4939831B2

Abstract

【課題】2つ以上の対物レンズを切り替え可能な実体顕微鏡において、作業性を保ちつつ、高いNAで低倍率観察から高倍率観察を実現する
【解決手段】以下の条件を満たす実体顕微鏡。
（１）ｆａ／ｆｂ≧２
（２）１．１＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜１．９
（３）Ｄ／ｆｂ≧０．６
ここでｆａは該同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が長い対物レンズの焦点距離、ｆｂは該同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が短い対物レンズの焦点距離を示す。Lは同焦距離、ｆａｖはｆａとｆｂの平均焦点距離、Ｄは該ズーム観察光学系の最も対物レンズ側のレンズの有効径を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は、標本を立体的に観察することができる実体顕微鏡において、対応する倍率範囲が低倍から高倍まで幅広く、作業性が良い実体顕微鏡に関する。

従来、製造業や生物実験などの現場で実体顕微鏡が広く利用されている。図１２は、単対物型双眼実体顕微鏡が備える光学系の一般的な構成を示す図である。この図に示すように、実体顕微鏡は、ガラスプレート２１上に載置された標本ＳＰ’の上部に対物レンズ２２、ズーム鏡体２３、鏡筒２４を備える。ズーム鏡体２３は、ズーム変倍可能な２つの変倍光学系２３Ｌ，２３Ｒを有し、鏡筒２４は、変倍光学系２３Ｌ，２３Ｒの各々に対応して、標本ＳＰ’の標本像を結像する結像光学系２４Ｌ，２４Ｒを有する。結像光学系２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ結像レンズ２４Ｌａ，２４Ｒａ、プリズム２４Ｌｂ，２４Ｒｂおよび接眼レンズ２４Ｌｃ，２４Ｒｃを用いて構成されている。

変倍光学系２３Ｌ，２３Ｒは、標本ＳＰ’が異なる方向に発した光を、対物レンズ２２を介して各々受光する。結像レンズ２４Ｌａ，２４Ｒａは、それぞれ変倍光学系２３Ｌ，２３Ｒが射出した光を受光して標本像を結像する。プリズム２４Ｌｂ，２４Ｒｂは、結像レンズ２４Ｌａ，２４Ｒａが結像する倒立像としての標本像を各々正立像に変換する。正立像に変換された各標本像は、接眼レンズ２４Ｌｃ，２４Ｒｃを介して観察される。
特開平１０−２６７２９特開２００４−５４２５９

ところで、近年マウスや線虫やゼブラフィッシュ、メダカ、ショウジョウバエなどの実験動物を観察する場合が非常に多くなっている。これらの実験動物においてＧＦＰ等の蛍光タンパクを発現させて観察する場合も多くなっている。この場合は、実験動物の全体をチェックや多くの固体から蛍光で光る固体をピックアップする低倍率の観察と実験動物の細胞レベルでの蛍光チェックを行うための高倍率の観察の両方が必要となる。
またこれら実験生物は生きたまま観察する場合が多く、実験生物が動くため低倍率から高倍率の切替は瞬時に行わないと観察していた個体を見失う場合がある。

実体顕微鏡の蛍光観察は目視観察により実験動物の蛍光をチェックするため、明るい蛍光像が得られた方が効率良く標本を選別することが可能となる。このため、例えば図２に示した実体顕微鏡において、より明るく標本を観察できるように、対物レンズ２および変倍光学系３ａのレンズ径で決まる開口数（ＮＡ）を大きくする必要がある。焦点距離の短い対物レンズを使用すればＮＡを大きくすることができるため、複数の倍率の対物レンズを用意すれば、低倍率から高倍率まで高いＮＡで観察することが可能となる。

特開平１０−２６７２９には同焦の等しい倍率の異なった対物レンズが開示されている。異なった倍率の対物レンズにて同焦距離が同じならば、レボルバ等で対物レンズを切り替えたときに焦点を合わせなおすことが不要となり作業性が格段に向上する。しかし、特開平１０−２６７２９に開示されている同焦距離の等しい対物レンズの倍率は１×対物レンズと０．５×対物レンズであり、細胞レベルでの蛍光チェックで必要な１×を超える倍率の対物レンズの同焦距離対物レンズについてはなんら開示されていない。

特開２００４−５４２５９では高倍率をもち、口径食なしで観察される実体顕微鏡対物レンズが開示されている。しかし、特開２００４−５４２５９では対物レンズ間の同焦距離には何も触れられていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低倍から高倍までを複数の対物レンズで同焦距離が同じで作業性がよく明るい像観察が可能な実体顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、物体からの光をアフォーカル光束に変換する対物レンズと、その対物レンズを射出した光を受けて左右の像を形成する２つのズーム観察光学系を備えた単対物型双眼実体顕微鏡において、少なくとも２本の対物レンズを装着できる対物レンズ切替機構を備え、
少なくとも２本の対物レンズの同焦距離が一定であり、以下の条件を満たす実体顕微鏡。
（１）ｆａ／ｆｂ≧２
（２）１．１＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜１．９
（３）Ｄ／ｆｂ≧０．６
ここでｆａは同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が長い対物レンズの焦点距離、ｆｂは同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が短い対物レンズの焦点距離を示す。Lは同焦距離、ｆａｖはｆａとｆｂの平均焦点距離、Ｄは該ズーム観察光学系の最も対物レンズ側のレンズの有効径を示す。

また、請求項２にかかる実体顕微鏡は、上記の発明において、請求項１記載の実体顕微鏡において以下の条件式を満たすことを特徴とする実体顕微鏡
（４）ｆａ／ｆｂ≧２．５

また、請求項３にかかる実体顕微鏡は、請求項１記載の実体顕微鏡において、同焦距離が一定で最も焦点距離が短い対物レンズの最先端部のレンズの径が以下の条件を満たすことを特徴とする実体顕微鏡。
（５）Ｒ＜１．９×ｓｉｎ（α＋θ）×ＷＤ
ここでＲは該最先端部のレンズ半径、ＷＤは該対物レンズの作動距離である。
θ、αは以下の式で表される。
（６） θ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／ｎ）
（７） α＝ｓｉｎ-1（Ｌ／（２×ｆｂ））
Ｌは該変倍光学系の光軸間距離であり、ＮＡは該最も焦点距離の短い対物レンズのＮＡである。ｎは対物レンズと標本の間の媒質の屈折率を示す

本発明にかかる実体顕微鏡によれば、低倍率から高倍率まで幅広い倍率領域で対物レンズの同焦距離が一定で、作業性の良い観察が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる実体顕微鏡の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらに、参照する図面には、本発明にかかる実体顕微鏡に対して便宜的に設定したＸＹ座標系を適宜付して示している。

（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態にかかる実体顕微鏡について説明する。図１は、本実施の形態にかかる実体顕微鏡の要部構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の実体顕微鏡は、内部に照明光学系を有する照明架台１上に、２本の低倍対物レンズ２、高倍対物レンズ11と、２本の対物レンズを切替可能なレボルバ9と、変倍ユニットとしてのズーム鏡体３と、焦準機構４と、鏡筒ユニットとしての双眼実体鏡筒５と、双眼の接眼レンズ６とを備える。

ズーム鏡体３は、焦準機構４を介して照明架台１上に設けられ、底部に対物レンズ２が取り付けられるとともに、上部に双眼実体鏡筒５および接眼レンズ６が搭載されている。また、ズーム鏡体３は、内部に２つの変倍光学系が設けられており、この変倍光学系は、ズーム鏡体３の側面部に突設されたズームハンドル３ｈの回動操作に連動し、ズーム変倍される。

焦準機構４は、照明架台１上に突設された支持部７に固定される固定部４ａと、固定部４ａに対して上下動自在に取り付けられる可動部４ｂとを用いて構成されている。固定部４ａと可動部４ｂとは図示しないラック・ピニオンによって係合され、可動部４ｂは、その側面部に突設された焦準ハンドル４ｃの回動操作に連動し、固定部４ａに対して上下動する。これによって、焦準機構４は、可動部４ｂに取り付けられたズーム鏡体３とともに対物レンズ２、双眼実体鏡筒５および接眼レンズ６を昇降移動させ、標本ＳＰに対する焦点合わせを行う。

標本ＳＰは、照明架台１の上面部に嵌設されたガラスプレート８上に載置され、対物レンズ２の光軸ＯＡ近傍に配置されるとともに、照明架台１の内部に設けられた図示しない照明光学系を用いて透過照明される。照明された標本ＳＰは、対物レンズ２、ズーム鏡体３、双眼実体鏡筒５および接眼レンズ６を介して観察される。

つづいて、本実施の形態の実体顕微鏡が内部に備える光学系について説明する。図２は、ズーム鏡体３および双眼実体鏡筒５が内部に備える光学系の要部構成を示す図である。

ズーム鏡体３は、図２に示すように、ズーム変倍可能な２つのアフォーカル変倍光学系３Ｌ，３Ｒを備える。変倍光学系３Ｌ，３Ｒは、ともにレンズ３ａ〜３ｃを用いて構成されており、それぞれ入射された平行光束を異なる光束径の平行光束に変換して射出する。変倍光学系３Ｌ，３Ｒは、対物レンズ２の光軸ＯＡに対して対称にＸ軸方向に並設されており、各光軸ＯＬ１，ＯＲ１間の光軸間距離Ｌ１は、標本ＳＰの観察に適した立体視が可能な値として、例えば３２ｍｍに設定される。

実体顕微鏡では変倍光学系の倍率が最大時時にＮＡが最大となり、そのときのＮＡは以下の式で表される。
（８）ＮＡ＝Ｄ／（２×ｆ）
ここでＤは該ズーム変倍の最も対物レンズ側のレンズの有効径で、図２では３ａの有効径に相当する。ｆは対物レンズの焦点距離を示す。（６）式の通り、明るい像観察をするために大きなＮＡを確保する場合は、ズーム変倍光学系のレンズ径を大きくするか対物レンズの焦点距離を短くする必要がある。しかし、ズーム変倍光学系のレンズ径を大きくしすぎると対物レンズの径も大きくなり標本への作業性が悪くなるため、Ｄを大きくするのは制限がある。このため、変倍範囲を広くして、作業性がよく明るい像観察を行うためにはＤをある程度大きくしつつ、複数の焦点距離の対物レンズを切り替えるのが望ましい。

本実施の形態では以下の倍率の対物レンズが使用可能であり、それぞれ同焦が同じとなっているので、レボルバに取り付けて倍率変換したときにピントを合わせなおす必要がない。高倍率の対物レンズは作動距離が短いため、標本の操作性が悪くなる傾向がある。このため、高倍対物レンズ11は先端部がテーパ状になっており、標本の作業性を向上させている。実施の形態では１×対物レンズの焦点距離を１００ｍｍとしている。各対物レンズの同焦距離は１８０ｍｍであり、変倍レンズの先玉のレンズ径はΦ31.25で設計を行っている。

表１．実施の形態の対物レンズ

本実施の形態の対物レンズのレンズデータを以下に示す。それぞれ標本面からの追跡データである。またレンズの外観図を図３〜６に、それぞれのズーム最高倍率時の横球面収差図を図７〜１０に示す。収差図中の実線は587.56nm、点線は656.27ｎｍ、1点鎖線は486.13ｎｍ、破線は435.84ｎｍの波長の収差を表す。

表２．０．５×対物レンズのレンズデータ

表３．１×対物レンズのレンズデータ

表４．１．６×対物レンズのレンズデータ

表５．２×対物レンズのデータ

本実施の形態では０．５×対物レンズと１×対物レンズ、１．６×対物レンズと２×対物レンズの同焦がすべて揃っているため、標本全体の観察から細胞レベルまでの高倍率観察まで対物レンズの倍率を切替えたときのピント合わせが必要なく、作業性の良い観察が可能となる。

本実施の形態の対物レンズは以下の条件式を満たす。
（１）ｆａ／ｆｂ≧２
（２）１．１＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜１．９
（３）Ｄ／ｆｂ≧０．６
（１）式は、例えば０．５×対物レンズと１×対物レンズを使用した場合は２となり、０．５×対物レンズと２×対物レンズを使用した場合は４となる。この条件式を下回ると対物レンズの切替時の倍率の差が少なくなり、低倍から高倍までの広い範囲への対応ができなくなる。
（１）式は範囲が広いと対物レンズの切替時の変換倍率差が大きくなるため、以下の（４）式を満たすのが望ましい。
（４）ｆａ／ｆｂ≧２．５

（２）式は、Ｌ＝１８０、ｆａｖは０．５×対物レンズと２×対物レンズの平均焦点距離なので１２５となり、１．４４となる。この条件式の下限を下回ると焦点距離に対して同焦が短くなり、焦点距離が長い低倍率対物レンズにおいて同焦を合わせるのが困難になる。上限を上回ると対物レンズの作動距離の確保や低倍対物レンズ設計では有利だが、対物レンズ自体が長くなることによる接眼レンズの位置が机上面よりも高くなりすぎて作業性が悪くなる。
また、同様な理由で以下の条件式を満たすことが望ましい。
（２’）１．３＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜１．７
（３）式は明るい観察ができる条件であり、本実施の形態ではＤ＝３１．２５ｍｍ、ｆｂは２×対物レンズの焦点距離５０ｍｍとなり０．６２５となる。これの下限を下回ると対物レンズのＮＡを大きくできなくなり、対物レンズの倍率を切替る効果が少なくなってしまう。

また、本実施の形態の２×対物レンズは以下の条件式を満たす。
（５）Ｒ＜１．９×ｓｉｎ（α＋θ）×ＷＤ
ここでＲは該最先端部のレンズ半径、αは対物レンズの内向角、θは対物レンズのＮＡで決まる光線取り込み角度で以下の式で表される。
（６） θ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／ｎ）
ＮＡは対物レンズのＮＡであり、ｎは対物レンズと標本面の間の媒質の屈折率であり、実体顕微鏡では通常１である。本実施の形態ではＮＡが０．３であるため、θは１７．４６度となる。
内向角αは以下の式で表される。
（９） α＝ｓｉｎ-1（Ｌ／（２×ｆｏｂ））
Ｌは光軸間距離であり、本実施の形態では３２、ｆｏｂは対物レンズの焦点距離であり、本実施の形態では２×対物レンズの焦点距離で５０であり、αは１８．６６度となる。このため、本実施の形態では（５）式の左辺は２１．４３となり、Ｒは２５．５ｍｍとなっている。

表６．本実施の形態の２×対物レンズのデータ

（５）式は同焦距離が等しい対物レンズのうち最も高倍率の対物レンズの先端部を細くして作業性を向上させるための条件である。高倍率の対物レンズは作動距離が短くなるため、標本の作業性や標本の視認性が悪くなる。実体顕微鏡では最も標本側のレンズの径はズーム変倍光学系を最低倍率にしたときの光線径にて決まる。（５）式の範囲に入ると、ズームレンズの最低倍率の光線径よりも先端部のレンズの径が小さくなり、ズーム最低倍率で視野がけられることとなる。しかし、本実施の形態は同焦距離が一致した低倍率の対物レンズを切替可能なため、低倍率観察は例えば０．５×対物レンズで観察し、高倍率での観察は２×対物レンズで観察するようにすれば問題ない。
２×対物レンズの先端部の断面図を図１１に示す。図１１の先端部の接合レンズ25はそれより像側の単レンズ26に比べ外径を小さくして先端部が細くなるようにしている。また対物レンズ先端部にはテーパー状のカバー27が取り付けられており、カバー27により先端部の凹凸がなく標本面への作業性を向上させる。

（付記１）
付記１記載の実体顕微鏡において、同焦距離が一定な対物レンズが３種類以上あることを特徴とする実体顕微鏡
（付記２）
付記１記載の実体顕微鏡において、以下の条件を満たすことを特徴とする実体顕微鏡
（２’’）１．３＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜１．７
（付記３）
付記３記載の実体顕微鏡において、該最も焦点距離が短い対物レンズの先端部が標本側が細く像側が太いテーパ−部が設けられていることを特徴とする実体顕微鏡。

本発明の実施の形態にかかる実体顕微鏡の構成を示す図である。図１に示した実体顕微鏡が備える光学系の構成を示す図である。本発明の実施の形態の０．５×対物レンズの断面図である。本発明の実施の形態の１×対物レンズの断面図である。本発明の実施の形態の１．６×対物レンズの断面図である。本発明の実施の形態の２×対物レンズの断面図である。０．５×対物レンズのズーム最高倍率時の縦球面収差図である。１×対物レンズのズーム最高倍率時の縦球面収差図である。１．６×対物レンズのズーム最高倍率時の縦球面収差図である。２×対物レンズのズーム最高倍率時の縦球面収差図である。２×対物レンズの先端部の断面図である。実体顕微鏡の構成を示す図である。

符号の説明

１照明架台
２，１１対物レンズ
３ズーム鏡体
３Ｌ，３Ｒ変倍光学系
３ａ〜３ｃレンズ
３ｈズームハンドル
４焦準機構
４ａ固定部
４ｂ可動部４ｃ焦準ハンドル
５双眼実体鏡筒
５Ｌａ，５Ｒａ結像レンズ
６接眼レンズ
７支持部
８ガラスプレート
２１ガラスプレート
２３ズーム鏡体
２４鏡筒
２４Ｌ，２４Ｒ結像光学系
２４Ｌａ，２４Ｒａ結像レンズ
２４Ｌｂ，２４Ｒｂプリズム
２４Ｌｃ，２４Ｒｃ接眼レンズ
Ｌ光軸間距離
ＯＡ，ＯＬ１，ＯＬ２，ＯＲ１，光軸
ＳＰ，ＳＰ’ 標本
２５２×対物レンズ先端部レンズ
２６２×対物レンズの単レンズ
２７２×対物レンズのカバー

Claims

物体からの光をアフォーカル光束に変換する対物レンズと、その対物レンズを射出した光を受けて左右の像を形成する２つのズーム観察光学系を備えた単対物型双眼実体顕微鏡において、少なくとも２本の対物レンズを装着できる対物レンズ切替機構を備え、
少なくとも２本の対物レンズの同焦距離が一定であり、以下の条件を満たす実体顕微鏡。
（１）ｆａ／ｆｂ≧２
（２）１．４＜｜Ｌ／ｆａｖ｜＜２．２
（３）Ｄ／ｆｂ≧０．６
ここでｆａは同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が長い対物レンズの焦点距離、ｆｂは同焦距離が一定の対物レンズのうち最も焦点距離が短い対物レンズの焦点距離を示す。Lは同焦距離、ｆａｖはｆａとｆｂの平均焦点距離、Ｄは該ズーム観察光学系の最も対物レンズ側のレンズの有効径を示す。
請求項１記載の実体顕微鏡において以下の条件式を満たすことを特徴とする実体顕微鏡
・ｆａ／ｆｂ≧２．５
請求項１記載の実体顕微鏡において、同焦距離が一定で最も焦点距離が短い対物レンズの最先端部のレンズの径が以下の条件を満たすことを特徴とする実体顕微鏡。
（５）Ｒ＜１．９×ｓｉｎ（α＋θ）×ＷＤ
ここでＲは該最先端部のレンズ半径、ＷＤは該対物レンズの作動距離である。
θ、αは以下の式で表される。
（６） θ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／ｎ）
（７） α＝ｓｉｎ-1（Ｌ／（２×ｆｂ））
Ｌは該変倍光学系の光軸間距離であり、ＮＡは該最も焦点距離の短い対物レンズのＮＡである。ｎは対物レンズと標本の間の媒質の屈折率を示す。