JP2009109786A - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、試料に凹凸がある場合でも、試料の移動とレボルバの回転を行う際に対物レンズと試料の衝突が起きない顕微鏡対物レンズを提供することを課題とする。
【解決手段】上記課題は、光学素子を保持する中枠と前記中枠を内部に嵌め合わせて保持する外枠を有する顕微鏡対物レンズにおいて、前記内枠は前記外枠の内部で光軸方向に摺動可能に設置され、前記顕微鏡対物レンズの全長は、観察時の通常状態と収縮状態の、それぞれの状態で保持されることを特徴とする顕微鏡対物レンズによって解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は顕微鏡の対物レンズに関する。

顕微鏡の対物レンズは高解像を求めると作動距離が短くなってしまう。その理由は、高解像を達成するには高開口数でなくてはいけなく、そのためにはレンズの最先端面が試料に近づいてしまうからである。よって、顕微鏡において高解像と長作動距離を両立することは非常に難しい。

そして、作動距離が短いことは作業性の悪さに直結する。観察をしながら試料を操作するような時はもちろんのこと、ステージ上の試料を交換するときやレボルバを回して対物レンズの倍率を交換するときにも大きく影響する。試料がほぼ完全に平面である場合には、一般的な顕微鏡の構成は単純にレボルバを回しても試料と対物レンズが衝突することはないし、また焦点を合わせ直す必要はほとんどない。しかし、試料がシャーレなどに入っている場合や試料自身に凹凸がある場合は、対物レンズを交換するためにステージを一旦下げる必要がある。このとき、ステージを上下させたために合焦作業を初めからやり直す必要があり、非常に作業効率が悪い。なお、このことは試料を交換する場合にも当てはまり、数多くの試料を連続して扱うような場合には非常に不便となる。

上記のこのような課題に対して従来は特許文献１のような方式が提案されていたが、顕微鏡装置に変更を加えなければいけなかった点で、汎用性が小さかった。
実開平０６−００４７２０号公報

上記の技術的問題に鑑み、試料に凹凸がある場合でも、試料の移動とレボルバの回転を行う際に対物レンズと試料の衝突が起きない顕微鏡対物レンズを提供することを課題とする。

本発明の上記の課題は、光学素子を保持する中枠と前記中枠を内部に嵌め合わせて保持する外枠を有する顕微鏡対物レンズにおいて、前記内枠は前記外枠の内部で光軸方向に摺動可能に設置され、前記顕微鏡対物レンズの全長は、観察時の通常状態と収縮状態の、それぞれの状態で保持されることを特徴とする顕微鏡対物レンズによって解決される。本構成の顕微鏡によれば、収縮状態で保持できるので、試料の移動とレボルバの回転を行う際に対物レンズと試料の衝突が起きない。

上記構成において、前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、前記収縮状態は、前記外枠に設置されたネジによって、前記中枠をネジ止めることによって保持される構成が考えられる。

あるいは、前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、前記収縮状態は、前記中枠に設置されたネジによって、前記外枠をネジ止めることによって保持される構成も考えられる。

さらに、前記中枠と前記外枠の接触面はネジ山を設けられ（螺刻）、螺旋状に摺動しながら前記通常状態と前記収縮状態を往復する構成も考えられ、このとき、前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定される構成も考えられる。

または、前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、前記収縮状態は、前記中枠に設置された凹部に前記外枠に設置されたプランジャーが嵌め入ることによって固定される構成も考えられる。

あるいは、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって引圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の間の当接面はそれぞれ凹凸を持ち、前記凹凸の噛み合わせによって、前記通常状態と前記収縮状態が保持される構成も好ましい。

さらに、前記外枠はカム溝を刻んだ可動環を設置し、前記カム溝に係合されたカムピンは、前記外枠を貫き、前記中枠に固設され、前記可動環の回転によって、前記中枠が摺動する構成も考えられる。

本発明の課題は、光学素子を保持する中枠と前記中枠を内部に保持する外枠を有する顕微鏡対物レンズにおいて、前記中枠は、光軸と垂直方向な回転軸で回転可能に保持されることを特徴とする顕微鏡対物レンズによっても解決される。

本発明によれば、試料に凹凸がある場合でも、試料の移動とレボルバの回転を行う際に対物レンズと試料の衝突が起きない顕微鏡対物レンズを提供される。
すなわち、ステージを動かすことなく試料の移動とレボルバの回転を行えるので、合焦状態を維持したまま試料の移動とレボルバの回転を行える。

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。
図１は本願発明による対物レンズを利用する一般的な顕微鏡の構成を説明する図である。本願発明の実施には図１に示される構成の顕微鏡に限定されるものではないが、説明のし易さのために特定の構成に基づいて説明する。

顕微鏡１はステージ２の上に試料を載せて、対物レンズ３と接眼レンズ４を通して観察する。このとき、不図示の結像レンズやプリズムなどが顕微鏡内部に備えられていることは言うまでもない。本構成の顕微鏡は正立型の透過照明を利用する構成となっているので、顕微鏡１の後部には光源５が配置され、光源５からの照明光はフィールドレンズ６とコンデンサレンズ７を通してステージ２の上の試料を照射する。

本構成の顕微鏡１では焦準ハンドル８を回し、ステージ２を上下させることによって焦点を合わせる。すなわち、試料と対物レンズ３の距離をステージの上下移動で調節するのである。

また、対物レンズ３はレボルバ９につけられ、レボルバ９を回転させることによって適宜倍率を変えながら観察できるようになっている。このときすべての対物レンズ３はレボルバ９から焦点位置までの距離（同焦距離という）が一定となるように設計されている。そのおかげで、倍率を変更したときに改めて焦点を合わせなおす必要がない。

通常ならば対物レンズと試料は衝突しないように設計されているのであるが、試料に凹凸がある場合にはこの限りでない。この場合、レボルバを回転させる時にステージを一度下げなければいけない。

図２は試料に凹凸がある典型的な場合を図示している。図２の（ａ）はシャーレ１０の中に入った生物標本を観察している生物顕微鏡の場合を示している。この場合、シャーレ１０の縁が対物レンズ３の作動距離よりも高い場所にあるので、レボルバ９を回転させた場合に衝突してしまうことがある。また、図２の（ｂ）は基板１１上の半導体を検査している工業用顕微鏡の場合を示している。基板上には抵抗などの素子が配置されていることがあり、その場合はレボルバ９を回転させたときに対物レンズ３が衝突してしまうことがある。

本願発明では上記のような衝突を避けるために対物レンズに伸縮機能を持たせる。以下では本願発明の実施の形態について例示する。

図３から図５は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第１形態例を示す図である。図３ではこの顕微鏡対物レンズの断面図を概略的に示し、図４は観察時の外観を示し、図５は収縮時の外観を示している。

図３の断面図から読み取れるように、本願発明の実施による顕微鏡対物レンズは、通常の顕微鏡対物レンズと同様に、光学素子１２は保持枠１３によって支えられ、その保持枠１３は中枠１４の内部に配置することによって、複数の光学素子１２を適切に配置している。そして中枠１４は外枠１５の内部に嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。このとき、レボルバと接する胴付面１６と焦点面１７の距離は同焦距離と呼ばれ、顕微鏡メーカー毎に同じ距離となっている。

本実施の形態による顕微鏡対物レンズでは、更に中枠１４に固定されたカバー１８を備え、カバー１８と外枠１５の間を押しバネ１９を渡している。また、中枠１４と外枠１５は摺動可能に嵌め合わせておき、カバー１８と中枠１４と保持枠１３と光学素子１２は一体として光軸方向に移動が可能にする。すなわち本実施の構成ではカバー１８は中枠１４の一部と見做せる作用をする。このとき、外枠１５に固定されたピン２０をカバー１８に彫られた長溝２１に嵌め合わせることによって可動範囲を規定する。つまり、ピン２０と長溝２１がバネ１９の力によって当て付けられる位置により、同焦距離が規定される。

このとき、バネ１９の力はピン２０に対して垂直には掛かっていない。すなわち、長溝２１の端面にピン２０が当て付いた状態では、そこを軸に中枠１４を回転させる力が働く。中枠１４と外枠１５の間は摺動可能にするために多少のクリアランスを持っていて、このクリアランスによるガタが摺動時に光学系を偏心させてしまうことがある。本構成では、中枠１４を回転させる力が働いているので、クリアランスによるガタを抑えることができる。

押しバネ１９はカバー１８と外枠１５の間でカバーを前方に押す方向に力を掛けておき、通常状態（観察時）は対物レンズの全長が通常状態となる。一方で、収縮時の状態を保持するために本実施例では留めネジ２２を外枠１５に固定し、カバー１８をネジ締めて収縮状態を保持する。このとき、カバー１８に長溝を彫り、その長溝を貫く形態で留めネジ２２を配置することによって効率よく収縮状態を保持することができる。

図４の外観図は観察時の通常状態の外観図を示している。本実施例ではカバー１８には長溝が彫られ、その長溝に留めネジ２２が貫き、この留めネジ２２自体は不図示部分で外枠１５に固定されている。同図から読み取れるように、この留めネジ２２を締めることによって、カバー１８と外枠１５は押し付け合い、その位置で固定される構成を取っている。

図５の外観図は収縮時の外観を示している。同図から読み取れるように、胴付面１６からカバー１８までの距離が図４の観察時よりも短くなり、焦点面１７と対物レンズの先端部分の距離が開いている。この状態で留めネジ２２を締めることによって収縮状態を保持する。

本実施の形態では、ネジ２２によって固定されるので、完全に収縮した状態に限らず、任意の状態で保持することができる。例えば倒立顕微鏡に本実施形態の対物レンズを利用した場合、観察時の通常状態でも固定できるので、対物レンズ自身の重さにより収縮してしまうのを防ぐことができる。

図６から図８は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第２形態例を示す図である。図６ではこの顕微鏡対物レンズの断面図を概略的に示し、図７は観察時の外観を示し、図８は収縮時の外観を示している。

図６の断面図から読み取れるように、本実施例の顕微鏡対物レンズは、通常の顕微鏡対物レンズと同様に、光学素子１２は保持枠１３によって支えられ、その保持枠１３は中枠１４の内部に配置することによって、複数の光学素子１２を適切に配置している。そして中枠１４は外枠１５の内部に嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。

また、実施例１と同様に、更に中枠１４に固定されたカバー１８を備え、カバー１８と外枠１５の間を押しバネ１９を渡している。また、中枠１４と外枠１５は摺動可能に嵌め合わせておき、カバー１８と中枠１４と保持枠１３と光学素子１２は一体として光軸方向に移動が可能にする。すなわち本実施の構成ではカバー１８は中枠１４の一部と見做せる作用をする。

本実施例ではカバー１８と外枠１５にネジ山２４を切り、螺合させながら摺動可能とする。この構成によって、適度に摩擦抵抗が加わり、中枠１４と外枠１５がどの位置でも適切に保持される。さらに、カバー１８と外枠１５の間に押しバネ１９を配置することによりバックラッシュが抑えられ、より精度の高い操作が行える。

本実施例では一定した同焦距離を確保するためにストッパー２３を備える。本実施例ではストッパー２３はカバー１８の延長のような形態を採っており、外枠１５と当て付くことによって可動範囲を規定する。

図７の外観図は観察時の通常状態の外観図を示している。本実施例ではカバー１８にストッパー２３が接続され、一つのカバーのような形態をしている。
図８の外観図は収縮時の外観を示している。同図から読み取れるように、胴付面１６からストッパー２３までの距離が図７の観察時よりも短くなり、焦点面１７と対物レンズの先端部分の距離が開いている。

本実施の形態では、ネジ山の摩擦によって固定されるので、完全に収縮した状態に限らず、任意の状態で保持することができる。さらに、構成が簡単であるので、対物レンズの周辺に作業スペースが少ない場合でも容易に操作が可能である。

図９と図１０は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第３形態例を示す図である。図９ではこの顕微鏡対物レンズの通常状態の断面図と外観図を概略的に示し、図９ではこの顕微鏡対物レンズの収縮状態の断面図と外観図を概略的に示している。

図９と図１０から読み取れるように、本実施例の顕微鏡対物レンズは、通常の顕微鏡対物レンズと同様に、光学素子１２は保持枠１３によって支えられ、その保持枠１３は中枠１４の内部に配置することによって、複数の光学素子１２を適切に配置している。そして中枠１４は外枠１５の内部に嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。

また、実施例１と同様に、更に中枠１４に固定されたカバー１８を備え、カバー１８と外枠１５の間を押しバネ１９を渡している。また、中枠１４と外枠１５は摺動可能に嵌め合わせておき、カバー１８と中枠１４と保持枠１３と光学素子１２は一体として光軸方向に移動が可能にする。すなわち本実施の構成ではカバー１８は中枠１４の一部と見做せる作用をする。

本実施の形態では、ストッパー２３の一部にプランジャー（バネ２５、ボール２６）を備え、外枠１５に彫られた溝２７にプランジャーを嵌め入れることによって収縮状態を保持する。この状態は図１０より読み取れる。また、ストッパー２３の一部と外枠１５の一部を押しバネ１９の力によって当て付けることによって通常状態を規定する。この状態は図９より読み取れる。

本実施の形態では、光軸方向に移動させるだけで通常状態と収縮状態を切り換えることができるので、操作が簡単である。また、合焦動作中に誤って対物レンズの先端と試料が衝突してしまった場合にも、バネ１９が緩衝作用を働き、対物レンズや試料の破損を防ぐことができる。

さらに、プランジャー（バネ２５、ボール２６）によって中枠１４は外枠１５に押し付けられて摺動するので、中枠１４と外枠１５の間のクリアランスによるガタ付を抑えられる。

図１１と図１２は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第４形態例を示す図である。図１１ではこの顕微鏡対物レンズの断面図と外観図を概略的に示し、図１２ではこの顕微鏡対物レンズの当接面を概略的に示している。

図１１から読み取れるように、本実施例の顕微鏡対物レンズは、通常の顕微鏡対物レンズと同様に、光学素子１２は保持枠１３によって支えられ、その保持枠１３は中枠１４の内部に配置することによって、複数の光学素子１２を適切に配置している。そして中枠１４は外枠１５の内部に嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。

また、実施例１と同様に、更に中枠１４に固定されたカバー１８を備え、カバー１８と外枠１５の間を引きバネ２８を渡している。また、中枠１４と外枠１５は摺動可能に嵌め合わせておき、カバー１８と中枠１４と保持枠１３と光学素子１２は一体として光軸方向に移動が可能にする。すなわち本実施の構成ではカバー１８は中枠１４の一部と見做せる作用をする。

本実施の形態ではカバー１８と外枠１５の間を引きバネ２８によって張力を掛けているので、両者の間は当接面２９によって当て付く。そして、本実施の形態ではこの当接面２９の形状を工夫することによって通常状態と収縮状態を作り出す。

図１２は本実施の形態における当接面２９の形態を図示している。同図から読み取れるように、本実施の形態では当接面２９に凹部と凸部が作られている。同図では外枠側１５の当接面しか図示しないが、カバー側１８にも同様の凹部と凸部を作る。そして、両者の凹部と凸部の組み合わせによって、通常状態と収縮状態を作り出す。具体的には外枠側１５とカバー側の凸部を互いに当て付けることによって通常状態を作り出す、外枠側１５とカバー側の凹部と凸部を互い違いに当て付けることによって収縮状態を作り出す。

本実施の形態では、バネの縮む力によって状態が保持されるので、倒立顕微鏡で利用した場合は自身の重さによる伸張を防ぐことができる。

図１３と図１４は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第５形態例を示す図である。図１３ではこの顕微鏡対物レンズの断面図と外観図を概略的に示し、図１４ではこの顕微鏡対物レンズの可動環の構造を概略的に示している。

図１３から読み取れるように、本実施例の顕微鏡対物レンズは、通常の顕微鏡対物レンズと同様に、光学素子１２は保持枠１３によって支えられ、その保持枠１３は中枠１４の内部に配置することによって、複数の光学素子１２を適切に配置している。そして中枠１４は外枠１５の内部に嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。

本実施の形態では、補正環付き対物レンズのように、可動環３０を備えて、この可動環３０を回すことによって、中枠１４に固定された係合ピン３１を押し動かし、その結果として中枠１４を光軸方向に摺動させる。このとき、レンズ保持枠１３はすべて中枠１４内に固定されているので、可動環３０の回転は対物レンズの全光学系が移動する。

図１４から読み取れるように、可動環３０の内径面にはカム溝３２が彫られ、このカム溝３２と係合ピン３１を係合させて用いる。本構成例ではカム溝３２は斜めに彫られているが、この形状を正弦曲線のように彫ることも考えられる。また、可動環３０の外径面にはローレット加工をすることが操作性向上のために好ましい。

図１５から図１８は本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第６形態例を示す図である。図１５と図１６ではこの顕微鏡対物レンズの外観を概略的に示し、図１７ではこの顕微鏡対物レンズの回転構造を概略的に示している。

図１５は回転軸方向からこの顕微鏡対物レンズを眺めた時の外観を示し、図１６は回転軸と垂直方向からこの顕微鏡対物レンズを眺めた時の外観を示している。両図から読み取れるように、本実施の形態では外枠１５の内部に中枠１４が嵌め込まれ、外枠１５がレボルバに固定されることによって対物レンズ全体が顕微鏡に備え付けられる。このとき、他の実施例と同様に、中枠１４の内部にはレンズ保持枠が配置され、それぞれが光学素子を保持して光学系を形作っている。

本実施の形態では回転軸に合わせて、回転シャフト３３を備える。この回転シャフト３３は外枠１５を貫き、中枠１４に到達している。また、回転シャフト３３を中心として中枠１４を回転させるために、外枠１５には切り欠きを作っている。さらに、回転時に外枠１５内で干渉を起こさないように中枠１４の像側端面に適切に面取りを行っている。

図１７は本実施の形態における回転機構を別の側面から説明するための図である。図１７の（ａ）は外枠１５と中枠１４を分離した状態を示している。同図から読み取れるように、外枠１５には切り欠きが形成され、中枠１４の像側端面は面取りされ曲線となっている。図１７（ｂ）は回転の駆動部分を拡大して示した図である。回転シャフト３３はベアリング３４に差し込まれて抵抗が少なく回転できるように構成する。このとき、回転シャフト３３は半月状の断面を持ったシャフトとすれば回転時の空回りを防ぐことができて好適である。

本実施の形態では、衝突回避機能だけではなく、レンズ先端の清掃やオイルの塗布が容易である。

本願発明による対物レンズを利用する一般的な顕微鏡の構成を説明する図である。 試料に凹凸がある典型的な場合を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第１形態例を示す図である。 第１実施形態における観察時の外観を示す図である。 第１実施形態における収縮時の外観を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第２形態例を示す図である。 第２実施形態における観察時の外観を示す図である。 第２実施形態における収縮時の外観を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第３形態例の観察時を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第３形態例の収縮時を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第４形態例の観察時を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第４形態例の収縮時を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第５形態例を示す図である。 第３形態例の可動環を示す図である。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第６形態例を示す図である（その１）。 本願発明の実施による顕微鏡対物レンズの第６形態例を示す図である（その２）。 第６形態例の回転構造を示す図である。

符号の説明

１・・・顕微鏡
２・・・ステージ
３・・・対物レンズ
４・・・接眼レンズ
５・・・光源
６・・・フィールドレンズ
７・・・コンデンサレンズ
８・・・焦準ハンドル
９・・・レボルバ
１０・・・シャーレ
１１・・・基板
１２・・・光学素子
１３・・・保持枠
１４・・・中枠
１５・・・外枠
１６・・・胴付面
１７・・・焦点面
１８・・・カバー
１９・・・押しバネ
２０・・・ピン
２１・・・長溝
２２・・・留めネジ
２３・・・ストッパー
２４・・・ネジ山
２５・・・バネ
２６・・・ボール
２７・・・溝
２８・・・引きバネ
２９・・・当接面
３０・・・可動環
３１・・・係合ピン
３２・・・カム溝
３３・・・回転シャフト
３４・・・ベアリング

Claims (9)

1. 光学素子を保持する中枠と前記中枠を内部に嵌め合わせて保持する外枠を有する顕微鏡対物レンズにおいて、
   前記内枠は前記外枠の内部で光軸方向に摺動可能に設置され、
   前記顕微鏡対物レンズの全長は、観察時の通常状態と収縮状態の、それぞれの状態で保持されることを特徴とする顕微鏡対物レンズ。
2. 前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、
   前記収縮状態は、前記外枠に設置されたネジによって、前記中枠をネジ止めることによって保持されることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
3. 前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、
   前記収縮状態は、前記中枠に設置されたネジによって、前記外枠をネジ止めることによって保持されることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
4. 前記中枠と前記外枠の接触面はネジ山を設けられ、螺旋状に摺動しながら前記通常状態と前記収縮状態を往復することと特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
5. 前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定されることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡対物レンズ。
6. 前記通常状態は、前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって押圧を掛けられ、前記中枠と前記外枠の一部が互いに当て付けられる事によって固定され、
   前記収縮状態は、前記中枠に設置された凹部に前記外枠に設置されたプランジャが嵌め入ることによって固定されることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
7. 前記中枠と前記外枠の間に架設されたバネによって引圧を掛けられ、
   前記中枠と前記外枠の間の当接面はそれぞれ凹凸を持ち、
   前記凹凸のかみ合わせによって、前記通常状態と前記収縮状態が保持されることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
8. 前記外枠はカム溝を刻んだ可動環を設置し、
   前記カム溝に咬みあわされたカムピンは、前記外枠を貫き、前記中枠に固定され、
   前記可動環の回転によって、前記中枠が摺動することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
9. 光学素子を保持する中枠と前記中枠を内部に保持する外枠を有する顕微鏡対物レンズにおいて、
   前記中枠は、光軸と垂直方向な回転軸で回転可能に保持されることを特徴とする顕微鏡対物レンズ。