JP2009122624A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対物レンズの瞳をリレーして、瞳共役面に瞳変調素子を配置して位相物体を観察する際に、コントラストの良好な像を容易に得ることのできる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】無限遠設計の顕微鏡対物レンズ１０と、この顕微鏡対物レンズ１０からの平行光束を結像させる結像レンズ２０と、この結像レンズ２０によって結像された標本８の一次像２４からの光をリレーして二次像３６を結像するリレー光学系４０とを備える顕微鏡装置において、リレー光学系４０は、一次像２４側から順に、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２とを有し、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間が平行光束となり、かつ、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間に対物レンズの射出瞳１１の像２９が形成され、結像レンズ２０及び第１リレーレンズ４１の組み合わせで、標本像の収差と同時に、射出瞳１１の像２９の収差を補正するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。

培養細胞を観察する際、固定、抗体染色といった処理を行うことなく、生きたまま観察する手法として、位相差観察等の瞳変調素子を用いた観察方法が知られている。このような観察手法においては、対物レンズの内部に存在する瞳に位相膜等の瞳変調素子が配置された、専用の対物レンズを用いる必要があり、コストがかかる、若しくは対物レンズの交換に手間がかかるという問題がある。このような問題を解決するための顕微鏡装置として、特許文献１に記載されているような顕微鏡装置が知られている。この顕微鏡装置においては、結像レンズによって結像された一次像をリレー光学系でリレーし、対物レンズの射出瞳の像をリレー光学系の間に配置している。そして、その瞳像の位置に瞳変調素子を配置することで、瞳変調素子を備えた専用の対物レンズを用いることなく、位相差観察が行うことが可能となっている。
特許第３５４４５６４号公報

このような顕微鏡装置においては、対物レンズの射出瞳は結像レンズとリレーレンズによって共役な位置に結像される。したがって、対物レンズの射出瞳を物体として、結像レンズとリレーレンズを組み合わせた光学系における収差を補正する必要がある。しかしながら、上述の顕微鏡においては、リレーレンズ単独の収差のみを補正しているため、結像レンズと組み合わせた際には、結像レンズで発生した収差が残存してしまう。その結果、例えば、瞳共役面にリング状の位相膜を配置する位相差観察を行う際に、収差の影響で、位相差観察のために用いるリングスリット像と位相膜が重ならず、直接光が位相膜から漏れ、観察したい標本の像のコントラストが落ちてしまう。また、直接光の漏れを無くすために位相膜の幅を広げると、標本の像が暗くなってしまうという課題があった。

また、上述の顕微鏡においては、瞳像を形成するリレーレンズが像側テレセントリックになっていない。そのため、対物レンズの瞳位置の光軸方向のずれに対して瞳像の大きさが変化しやすく、例えば、瞳共役面にリング状の位相膜を配置する位相差観察を行う際に、位相膜の位置が瞳共役面から少しでもずれると、位相膜の周辺から直接光が漏れ、観察したい標本の像のコントラストが落ちてしまう。

さらに、無限遠設計の対物レンズを用いる顕微鏡装置においては、対物レンズから結像レンズまでの距離を基準よりも広げて、そこに落射蛍光装置等を導入することが可能となっているものが主流となっている。このような操作を一般にステージアップと呼ぶ。ステージアップの際には、対物レンズの射出瞳から結像レンズまでの距離が広がるため、瞳像の位置及び倍率が変化する。したがって、瞳変調素子の位置と形状を変更することが必要であった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、専用の対物レンズを用いることなく、対物レンズの瞳をリレーして、瞳共役面に瞳変調素子を配置して位相物体を観察する際に、コントラストの良好な像を容易に得ることのできる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、無限遠設計の顕微鏡対物レンズと、標本から発せられてこの顕微鏡対物レンズから射出される平行光束を受けて標本の像を結像させる結像レンズと、この結像レンズによって結像された一次像からの光をリレーして二次像を結像するリレー光学系とを備える。また、リレー光学系は、一次像側から順に、第１リレーレンズと第２リレーレンズとを有し、当該第１リレーレンズと当該第２リレーレンズとの間が平行光束となり、かつ、当該第１リレーレンズと当該第２リレーレンズとの間に対物レンズの射出瞳の像が形成され、結像レンズ及び第１リレーレンズの組み合わせで、標本の像の収差と同時に射出瞳の像の収差を補正するように構成される。そして、この顕微鏡装置は、結像レンズの焦点距離をｆ０とし、第１リレーレンズの焦点距離をｆ１としたとき、次式
０．９ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ １．１
の条件を満足するように構成される。

このような本発明に係る顕微鏡装置において、第１リレーレンズは、一次像側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群とから構成され、第１リレーレンズの焦点距離をｆ１とし、第１レンズ群の焦点距離をｆ１１とし、第３レンズ群の焦点距離をｆ１３としたとき、次式
０．４ ＜ ｆ１１／ｆ１ ＜ ０．８
０．４ ＜ ｆ１３／ｆ１ ＜ ０．８
の条件を満足することが好ましい。

このとき、第１リレーレンズを構成する第３レンズ群は、負レンズと正レンズとを接合した接合レンズであり、これらのレンズの硝材のｄ線（λ＝５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率をｎｄとし、ｇ線（λ＝４３５．８３ｍｍ）に対する屈折率をｎｇとし、Ｃ線（λ＝６５６．２７ｎｍ）に対する屈折率をｎＣとし、Ｆ線（λ＝４８６．１３ｎｍ）に対する屈折率をｎＦとし、アッベ数をνｄとして、部分分散比Ｐを次式
Ｐ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
で定義し、当該負レンズ及び当該正レンズのいずれか一方のνｄをνｄ１３１、ＰをＰ１３１とし、他方のνｄをνｄ１３２、ＰをＰ１３２としたとき、次式
｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／｜νｄ１３１−νｄ１３２｜ ＜ ０．００１
の条件を満足することが好ましい。

また、第１リレーレンズを構成する第１レンズ群は、一次像側から順に、正レンズと負レンズとをこの順で接合した接合レンズであり、この接合レンズの最も一次像側の面の曲率半径をｒ１とし、最も二次像側の面の曲率半径をｒ２として、当該接合レンズの形状因子Ｑ１１を次式
Ｑ１１ ＝ （ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）
で定義したとき、当該形状因子Ｑ１１が、次式
−１．５ ＜ Ｑ１１ ＜ −０．５
の条件を満足することが好ましい。

また、このような本発明に係る顕微鏡装置は、対物レンズの射出瞳から結像レンズまでの距離が変化したときに、第１リレーレンズの第１レンズ群を交換することにより、当該第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間に形成される射出瞳の像の位置及び倍率をほぼ一定に保つように構成することが好ましい。

また、このような本発明に係る顕微鏡装置において、第２リレーレンズは、一次像側から順に、前レンズ群と後レンズ群とから構成され、当該前レンズ群と当該後レンズ群との間が平行光束であることが好ましい。

さらに、このような本発明に係る顕微鏡装置は、第１リレーレンズと第２リレーレンズとの間に形成される射出瞳の像の位置若しくは当該位置の近傍に瞳変調素子が配置されることが好ましい。

このとき、瞳変調素子は位相膜で構成され、位相差観察を可能とすることが好ましい。

本発明に係る顕微鏡装置を以上のように構成すると、対物レンズの瞳をリレーして、瞳共役面に瞳変調素子を配置して位相物体を観察する際に、位相差観察用の専用の対物レンズを用いなくても、コントラストの良好な像を容易に得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本実施例に係る顕微鏡装置の構成について説明する。透過照明用光源１から射出された光はコレクタレンズ２によって平行光束となって視野絞り３を通過する。この平行光束はミラー４によって下方へ偏向され、レンズ５によって開口絞り６に集光する。開口絞り６からの光はコンデンサレンズ７によって平行光束となり、ステージ９の上に置かれた標本８を照明する。標本８からの光は対物レンズ１０に入射して平行光束となり、対物レンズの内部に存在するこの対物レンズの瞳（射出瞳）１１を通過し、結像レンズ２０によって一次像２４を形成する。また結像レンズ２０の後方にプリズム２１を挿入することで、撮像装置２２の上に一次像を形成させ、標本８の画像を取得することが可能となる。対物レンズ１０と結像レンズ２０との間は、所定の間隔が設けられ、そこにダイクロイックミラー１２、励起フィルタ１３、蛍光フィルタ１４からなるフィルタブロックを配置し、落射照明用光源１５からの光を標本８へ照射させることが可能となっている。対物レンズ１０と結像レンズ２０との間は平行光束となっているため、この間隔をさらに広げてフィルタブロックをもう一つ挿入し、そこから落射照明用光源１５とは波長の異なる別の落射照明光源の光を導入し、標本８を照明することも可能である。なお、本実施例では、結像レンズ２０の一次像２４は、フィルタブロックを通過後、ミラー２３で側方に偏向されてから形成されるように構成されている。

一次像２４からの光はリレー光学系４０によってリレーされ、ミラー３５で偏向された後、二次像３６として形成される。この二次像３６は、接眼レンズ３７を介して観察者（観察眼）３８により標本８の像として観察される。リレー光学系４０は第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２とから構成されており、その間に対物レンズの瞳１１の像（瞳共役面）２９が形成される。したがって、対物レンズ１０の内部に存在する対物レンズの瞳１１に瞳変調素子を配置しなくても、瞳共役面２９に瞳変調素子を配置すれば、瞳変調された像を観察することが可能となる。また、瞳共役面２９の後方にミラー３０を挿入し、レンズ３３によって撮像素子３４の上に像を形成させることで、瞳変調された像を画像取得することが可能となる。

このように構成された顕微鏡装置の作用について、位相差観察を例として説明する。位相差観察においては、開口絞り６にリング絞りを配置して、標本８を斜めから照明する。リング絞りからの光は標本８を通過してそのまま直進する直接光と、標本８によって回折され、回折角の方向に進む回折光に分かれる。このとき、直接光と回折光の間に１／４波長分の位相差が生じる。従来、対物レンズの瞳１１に投影されるリング絞りの像の位置に位相膜と吸収膜（これらをまとめて「瞳変調素子」と呼ぶ）を配置することで、直接光のみ位相を１／４波長分ずらし、かつその強度を弱める。そして、この直接光を一次像面２４で回折光と干渉させることで、回折光を生じさせる位相物体が存在する場所のみ明るく見える。一方、この顕微鏡装置のような外部位相差観察においては、対物レンズの瞳１１を結像レンズ２０と第１リレーレンズ４１によって瞳共役面２９にリレーし、そこに投影されるリング絞りの像の位置に位相膜と吸収膜（瞳変調素子）を配置することで、それらを対物レンズの瞳１１に配置した際と同様の効果を得ることが可能である。

例えば、上述の対物レンズ１０を用いて外部位相差観察を行う場合、直接光は対物レンズの射出瞳１１において開口絞り６として配置されたリング絞りのリング状の領域を通過する。そして、この直接光は瞳共役面２９において、対物レンズの射出瞳１１から瞳共役面２９までの倍率に対応したリング状の領域を通過するので、少なくともこの領域には位相膜が存在しなくてはならない。実際に利用されている装置においては、直接光がこの領域から漏れることを防ぐために、この領域を中心に、両側に所定幅だけ広げた領域に位相膜が存在している。しかし、結像レンズ２０、第1リレーレンズ４１を組み合わせた際の収差が大きい場合、直接光が位相膜の周辺から漏れてしまい、この直接光の漏れによって像のコントラストが下がる、もしくは色収差の場合には標本が色付いて見えるといった悪影響が生じる。この場合、位相膜の幅をさらに広げることで直接光の漏れを防ぐことは可能であるが、そうすると、位相差を付けたくない回折光まで位相膜を通過することになり、やはり像のコントラストが下がってしまう。位相膜が瞳全体の中で占める領域の割合を遮蔽率と呼び、一般的に遮蔽率は１０%以内が望ましいとされる。また、観察者は像を観察する前に瞳面調整用のアタッチメントレンズであるベルトランレンズ等を用いて瞳面を観察し、リング絞りの位置と位相膜の位置を調整しなくてはならない。その際に、収差補正が十分でないと、リング絞りと位相膜を互いに共役な位置に調整することが困難になる。以上より、本実施例においては、結像レンズ２０と第１リレーレンズ４１との組み合わせで、標本８の像の収差と同時に射出瞳１１の像２９の収差を補正するように構成されている。

瞳像２９を形成する光学系、すなわち、結像レンズ２０及び第１リレーレンズ４１は像側テレセントリックであることが望ましい。例えば、瞳像２９を形成する光学系が画角０．１ラジアン、像側開口数０．１の光学系である場合、リング絞りと位相膜のピント合わせが１ｍｍずれると、瞳共役面２９において光束はピントが合っている場合と比較して０．２ｍｍ広がってしまい、直接光が位相膜の周囲から漏れる可能性がある。一方、この光学系が像側テレセントリックであれば、同様の条件下でも光束の広がりを０．１ｍｍに抑えることが可能であり、直接光が位相膜から漏れることは無いので、コントラストの高い良好な標本の像が得られる。また、瞳像２９を形成する光学系は像側テレセントリックであれば、ミラー３０を挿入してレンズ３３で撮像素子３４上に標本の像を結像させる光学系を挿入ことも可能となる。以上より、本実施例においては、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間が平行光束になるように構成されている。

ステージアップを行うと、対物レンズの射出瞳１１から結像レンズ２０までの距離が伸び、瞳像２９の位置及び倍率が変化する。瞳像２９の位置の変動が１０ｍｍ程度であれば、瞳変調素子の光軸方向の位置を調節する機構を設けることで、ステージアップの際にも瞳変調素子を瞳像面２９に配置することが可能である。しかし、それ以上瞳像２９の位置が変動すると、瞳変調素子の位置の調節機構が大型化する、もしくは瞳変調素子を挿入できる場所を複数設けなくてはならなくなり、コストがかかる。したがって、瞳像２９の位置が一定となるように第1リレーレンズ４１の一部を交換することが望ましい。本実施例において、第１リレーレンズ４１は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群２５、ミラー２６、負の屈折力を有する第２レンズ群２７及び正の屈折力を有する第３レンズ群２８で構成されている。このような構成の第１リレーレンズ４１においては、特に、一次像２４の近くにあり、二次像３６の結像にはそれほど寄与しないが瞳像２９の結像には寄与する第１レンズ群２５を交換することが望ましい。そのため、本実施例ではまた、第１レンズ群２５を交換した際の瞳像２９の倍率が一定となるようにし、ステージアップを行った際にも同じ位置に同じ形状の瞳変調素子を配置して観察することが可能としている。このとき、第１レンズ群２５を交換した際にも、結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１を組み合わせた際の収差が補正されるように構成されている。

第２リレーレンズ４２は二つのレンズ群、前レンズ群３１及び後レンズ群３２から構成されており、その間は平行系となっている。これにより、例えば傾角鏡筒のようにプリズムで光束を偏向させることが必要な場合にも、前レンズ群３１と後レンズ群３２との間にプリズムを挿入することで、収差の発生を抑えることができる。

それでは、このような本発明に係る顕微鏡装置を構成するための条件について以下に説明する。まず、この顕微鏡装置は、結像レンズ２０の焦点距離をｆ０とし、第１リレーレンズ４１の焦点距離をｆ１としたとき、次の条件式（１）を満足するように構成される。

０．９ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ １．１ （１）

条件式（１）は、瞳像２９の倍率を規定するための条件である。瞳像２９の大きさが大きすぎると、そこに配置するべき瞳変調素子も大型化してしまう。一方、瞳像が小さすぎると、そこに配置される瞳変調素子も小さくなり、精度の良いものを作成するのが困難になる。したがって、瞳の倍率は等倍付近であることが望ましい。一般に、結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１との間は完全な平行系ではないが、ほぼそれに近い。したがって、瞳像２９の倍率を等倍付近にするには、結像レンズ２０の焦点距離ｆ０と第1リレーレンズ４１の焦点距離ｆ１とが近い値であることが望ましい。この条件式（１）の下限値を下回ると、瞳像２９の倍率が等倍より小さくなってしまう。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、瞳像２９の倍率が等倍より大きくなってしまう。

また、この顕微鏡装置は、第１リレーレンズ４１の焦点距離をｆ１とし、この第１リレーレンズ４１を構成する第１レンズ群２５の焦点距離をｆ１１とし、第３レンズ群２８の焦点距離をｆ１３としたとき、次の条件式（２）及び（３）を満足するように構成されることが望ましい。

０．４ ＜ ｆ１１／ｆ１ ＜ ０．８ （２）
０．４ ＜ ｆ１３／ｆ１ ＜ ０．８ （３）

条件式（２）及び（３）は、一次像２４から瞳像面２９までの距離及び瞳像面２９に結像する光のテレセントリック性を規定するための条件である。一次像２４から瞳像面２９までの距離を第1リレーレンズ４１の焦点距離程度に抑えるためには、第1リレーレンズ２４を上述のように３群構成にして厚肉化する、すなわち、前側主点と後側主点の間隔を広げることが望ましい。また、一次像２４に結像する光線は像側テレセントリックに近く、さらに瞳像面２９に結像する光線も像側テレセントリックにするためには、第1リレーレンズ４１は対称形に近い正・負・正の構成にして、主点の位置を第1リレーレンズ４１の中心に対して対称に近くすることが望ましい。実際には、反射部材の配置等との兼ね合いで、負レンズ（第２レンズ群２７）が中心に配置できない場合がある。その際には、この負レンズ（第２レンズ群２７）をどちらかの正レンズ（第１レンズ群２５若しくは第３レンズ群２８）の側に若干移動させ、その正レンズの屈折力を若干強くすれば良い。

この条件式（２）の下限値を下回ると、主点が前方に偏り、瞳像面２９に結像する光線のテレセントリック性が崩れる。一方、条件式（２）の上限値を上回ると、主点が後方に偏り、瞳像面２９までの距離が伸びる。また、条件式（３）の下限値を下回ると、主点が後方に偏り、瞳像面２９までの距離が伸びる。一方、条件式（３）の上限値を上回ると、主点が前方に偏り、瞳像面２９に結像する光線のテレセントリック性が崩れる。

また、この顕微鏡装置は、第１リレーレンズ４１を構成する第３レンズ群２８を負レンズと正レンズとを接合した接合レンズ（例えば、後述する第１実施例における負メニスカスレンズＬ９と両凸レンズＬ１０との接合レンズ）で構成し、これらのレンズの硝材のｄ線に対する屈折率をｎｄとし、ｇ線に対する屈折率をｎｇとし、Ｃ線に対する屈折率をｎＣとし、Ｆ線に対する屈折率をｎＦとし、アッベ数をνｄとして、次式（ａ）で部分分散比Ｐを定義したとき、この第３レンズ群２８を構成する負レンズ及び正レンズのいずれか一方のνｄをνｄ１３１、ＰをＰ１３１とし、他方のνｄをνｄ１３２、ＰをＰ１３２として、これらの値が次の条件式（４）を満足するように構成されることが望ましい。

｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／｜νｄ１３１−νｄ１３２｜ ＜ ０．００１ （４）
但し、Ｐ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ） （ａ）

条件式（４）は、二次像面３６における軸上色収差の二次スペクトルを小さくするための条件である。一次像２４から二次像３６への結像に関して、近軸光線のレンズへの入射高は第１リレーレンズ４１の第３レンズ群２８において最も高くなり、そこで大きな軸上収差が発生する。したがって、第３レンズ群２８には、上述の条件式（４）を満足するような二次スペクトルが小さくなるガラスの組み合わせを用いる必要がある。

また、この顕微鏡装置は、第１リレーレンズ４１を構成する第１レンズ群２５を、一次像２４側から順に正レンズと負レンズとをこの順で接合した接合レンズ（例えば、後述する第１実施例における両凸レンズＬ５と負メニスカスレンズＬ６との接合レンズ）で構成し、この接合レンズの最も一次像２４側の面（第１実施例における第１１面）の曲率半径をｒ１とし、最も二次像３６側の面（第１実施例における第１３面）の曲率半径をｒ２として、当該接合レンズの形状因子Ｑ１１を次式（ｂ）で定義したとき、この形状因子Ｑ１１が次の条件式（５）を満足するように構成されることが望ましい。

−１．５ ＜ Ｑ１１ ＜ −０．５ （５）
但し、Ｑ１１ ＝ （ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２） （ｂ）

条件式（５）は、瞳像２９の収差を補正するための条件である。対物レンズの射出瞳１１から瞳像２９への結像に関して、近軸光線のレンズへの入射高は第１リレーレンズ４１の第１レンズ群２５において最も高くなり、そこで大きな収差が発生する。したがって、第１レンズ群２５には球面収差が小さくなる形状のレンズを用いる必要がある。一方、第２レンズ群２７の第1面（最も一次像２４側の面）における軸外光線の下コマの入射角は大きく、そこで強く下げられる。これを補償するために、第１レンズ群２５の第1面（最も一次像２４側の面）の曲率を強くして下コマを上げなくてはならない。この条件式（５）の下限値を下回ると軸外光線の下コマが下がり、反対に条件式（５）の上限値を上回ると球面収差はアンダーになる。

以下に、本発明に係る顕微鏡装置の２つの実施例を示す。

［第１実施例］
図２は、第１実施例の顕微鏡装置に用いられる結像レンズ２０及びリレー光学系４０の構成である。なお、この光学系の全長が長いため、図２（ａ）及び（ｂ）に分割して表示しており、いくつかの構成部材は重複して表示されている。この光学系の表示方法は以降の実施例においても同様である。この第１実施例に係る光学系は、物体側から順に、結像レンズ２０、プリズム２１、ミラー２３、リレー光学系４０、及び、ミラー３５から構成されており、さらに、リレー光学系４０は、第１リレーレンズ４１、ミラー３０、及び、第２リレーレンズ４２から構成されており、この第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間は平行系となっている。また、標本８の一次像２４は、ミラー２３とリレー光学系４０との間に形成され、さらに、第２リレーレンズ４２、及び、ミラー３５を介して二次像３６が形成される。また、対物レンズの射出瞳１１の像２９は、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間（ミラー３０の物体側）に形成される。なお、結像レンズ２０の入射瞳は、この図２には図示しない対物レンズの射出瞳１１と一致するかその近傍に位置するように配置されている。

結像レンズ２０は、物体側から順に、両凸レンズＬ１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２とを接合した接合レンズ、及び、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４とを接合した接合レンズから構成される。また、第１リレーレンズ４１は、一次像２４側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群２５、ミラー２６、負の屈折力を有する第２レンズ群２７、及び、正の屈折力を有する第３レンズ群２８から構成される。そして、第１レンズ群２５は、一次像２４側から順に、両凸レンズＬ５と一次像２４側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ６とを接合した接合レンズで構成され、第２レンズ群２７は、一次像２４側から順に、両凹レンズＬ７と両凸レンズＬ８とを接合した接合レンズで構成され、第３レンズ群２８は、一次像２４側から順に、一次像２４側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ９と両凸レンズＬ１０とを接合した接合レンズから構成される。さらに、第２リレーレンズ４２は、一次像２４側から順に、前レンズ群３１、及び、後レンズ群３２から構成され、前レンズ群３１は、一次像２４側から順に、両凸レンズＬ１１、及び、負メニスカスレンズＬ１２から構成され、後レンズ群３２は、一次像２４側から順に、一次像２４側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と両凸レンズＬ１４とを接合した接合レンズから構成される。この第２リレーレンズ４２において、前レンズ群３１と後レンズ群３２との間は平行系となっている。

次の表１に、第１実施例の諸元の値を掲げる。この表１において、第１欄は物体側から光線の進行する方向に沿ったレンズ面の面番号を、第２欄は各レンズ面の曲率半径を、第３欄は各光学面から次の光学面までの光軸上の距離である面間隔を、第４欄はアッベ数（νｄ）を、第５欄はｄ線に対する屈折率（ｎｄ）をそれぞれ表している。なお、この表１に示す面番号１は図２には図示しない対物レンズの射出瞳１１に対応し、面番号２〜２７は図２に示す面番号２〜２７に対応している。また、曲率半径0.000は平面を示し、空気の屈折率1.000000は省略してある。さらに、この表１には上記条件式（１）〜（５）に対応する値、すなわち条件対応値も合わせて示している。ここで、以下のすべての諸元値において掲載されている焦点距離、面間隔その他の長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。なお、これらの符号の説明及び諸元表の説明は以降の実施例においても同様である。

（表１）
面番号 曲率半径 面間隔 νｄ ｎｄ
1 0.000 155.000
2 128.670 5.000 82.56 1.497820
3 -65.000 3.000 57.03 1.622800
4 -154.320 0.500
5 84.000 3.000 44.27 1.613397
6 49.165 3.000 57.03 1.622800
7 70.000 6.000
8 0.000 32.000 60.69 1.563840
9 0.000 160.059
10 0.000 26.141
11 71.000 5.000 57.03 1.622800
12 -62.000 3.000 34.71 1.720467
13 -1836.500 112.800
14 -28.100 2.000 56.32 1.568830
15 84.550 3.000 31.06 1.688930
16 -131.500 30.000
17 125.500 2.000 44.27 1.613397
18 36.000 5.000 82.56 1.497820
19 -51.000 28.527
20 0.000 70.473
21 430.000 3.000 52.29 1.755000
22 -430.000 11.000
23 -95.000 2.000 44.27 1.613397
24 -220.000 36.000
25 243.000 2.000 47.93 1.717000
26 86.210 4.000 82.56 1.497820
27 -110.000 202.220

条件対応値
（１）ｆ１／ｆ０＝1.05
（２）ｆ１１／ｆ１＝0.624
（３）ｆ１３／ｆ１＝0.419
（４）｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／|νｄ１３１−νｄ１３２|＝0.00063
（５）Ｑ１１＝-1.08

このように、第１実施例では上記条件式（１）〜（５）を全て満たしていることが分かる。図３にこの第１実施例における結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１を組み合わせた光学系の瞳像２９でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。なお、球面収差図では縦軸に開口数ＮＡの値を示し、非点収差図、歪曲収差図及び倍率色収差図では像高Ｙの値を示し、コマ収差図では物高Ｈ０の値を示している。また、非点収差図では、各波長とも破線はメリジオナル像面を示し、実線はサジタル像面を示している。以上の瞳像２９での諸収差図の説明は以降の実施例においても同様である。この図３に示す各収差図から明らかなように、瞳像面での横収差は０．０５０ｍｍ以内に抑えられている。したがって、例えばこの顕微鏡を用いて外部位相差観察を行う場合には、瞳共役面に配置するリング状の位相膜は、内外径それぞれで少なくとも０．０５０ｍｍ以上幅が広いものを用いれば良い。

図１０に、第１実施例における結像レンズ２０とリレーレンズ４０を組み合わせた光学系の二次像３６でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。なお、球面収差図では縦軸にＦナンバーＦＮｏの値を示し、非点収差図、歪曲収差図、倍率色収差図及びコマ収差図では像高Ｙの値を示している。また、非点収差図では、各波長とも破線はメリジオナル像面を示し、実線はサジタル像面を示している。以上の二次像３６での諸収差図の説明は以降の実施例においても同様である。この図１０に示すとおり、二次像３６の諸収差も良好に補正されている。

図４にこの第１実施例の顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップを行う際の結像レンズ２０及びリレー光学系４０の構成を示す。ステージアップを行う際には、第1リレーレンズ４１のうちで最も一次像２４に近い第１レンズ群２５を交換し、瞳像２９の位置を一定にする。また、このとき第１リレーレンズ４１の合成焦点距離を一定にすることで、瞳像２９の倍率及び二次像３６の倍率を一定にする。これらの条件を同時に満たすためには、ステージアップの際に第１レンズ群２５をより屈折力の弱いレンズに変更し、かつ、それを一次像２４のより近くに配置することが望ましい。この第１実施例の顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップを行う際の、結像レンズ及びリレー光学系の緒元を表２に示す。

（表２）
面番号 曲率半径 面間隔 νｄ ｎｄ
1 0.000 225.000
2 128.670 5.000 82.56 1.497820
3 -65.000 3.000 57.03 1.622800
4 -154.320 0.500
5 84.000 3.000 44.27 1.613397
6 49.165 3.000 57.03 1.622800
7 70.000 6.000
8 0.000 32.000 60.69 1.563840
9 0.000 160.059
10 0.000 35.741
11 60.000 7.000 57.03 1.622800
12 -79.500 4.000 37.94 1.723420
13 228.000 100.200
14 -28.100 2.000 56.32 1.568830
15 84.550 3.000 31.06 1.688930
16 -131.500 30.000
17 125.500 2.000 44.27 1.613397
18 36.000 5.000 82.56 1.497820
19 -51.000 28.582
20 0.000 70.418
21 430.000 3.000 52.29 1.755000
22 -430.000 11.000
23 -95.000 2.000 44.27 1.613397
24 -220.000 36.000
25 243.000 2.000 47.93 1.717000
26 86.210 4.000 82.56 1.497820
27 -110.000 202.280

条件対応値
（１）ｆ１／ｆ０＝1.05
（２）ｆ１１／ｆ１＝0.766
（３）ｆ１３／ｆ１＝0.419
（４）｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／|νｄ１３１−νｄ１３２|＝0.00063
（５）Ｑ１１＝-0.583

このように７０ｍｍのステージアップを行う際も上記条件式（１）〜（５）を全て満たしていることが分かる。この第１実施例の顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップを行う際の、結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１を組み合わせた光学系の瞳像２９での諸収差図を図５に示す。この場合も、瞳像面２９での横収差は０．０５０ｍｍ以内に抑えられている。

図１１に、第１実施例において、７０ｍｍのステージアップを行う際の、結像レンズ２０とリレーレンズ４０を組み合わせた光学系の二次像３６でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。この図１１に示すとおり、二次像３６の諸収差も良好に補正されている。

［第２実施例］
図６は、第２実施例の顕微鏡装置に用いられる結像レンズ２０及びリレー光学系４０の構成である。この第２実施例に係る光学系は、物体側から順に、結像レンズ２０、プリズム２１、ミラー２３、リレー光学系４０、及び、ミラー３５から構成されており、さらに、リレー光学系４０は、第１リレーレンズ４１、ミラー３０、及び、第２リレーレンズ４２から構成されており、この第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間は平行系となっている。また、標本８の一次像２４は、ミラー２３とリレー光学系４０との間に形成され、さらに、第２リレーレンズ４２、及び、ミラー３５を介して二次像３６が形成される。また、対物レンズの射出瞳１１の像２９は、第１リレーレンズ４１と第２リレーレンズ４２との間（ミラー３０の物体側）に形成される。なお、結像レンズ２０の入射瞳は、この図２には図示しない対物レンズの射出瞳１１と一致するかその近傍に位置するように配置されている。

結像レンズ２０は、物体側から順に、両凸レンズＬ１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２とを接合した接合レンズ、及び、両凸レンズＬ３と両凹レンズＬ４とを接合した接合レンズから構成される。また、第１リレーレンズ４１は、一次像２４側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群２５、ミラー２６、負の屈折力を有する第２レンズ群２７、及び、正の屈折力を有する第３レンズ群２８から構成される。そして、第１レンズ群２５は、一次像２４側から順に、両凸レンズＬ５と一次像２４側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ６とを接合した接合レンズで構成され、第２レンズ群２７は、一次像２４側から順に、両凹レンズＬ７と両凸レンズＬ８とを接合した接合レンズで構成され、第３レンズ群２８は、一次像２４側から順に、一次像２４側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ９と両凸レンズＬ１０とを接合した接合レンズから構成される。さらに、第２リレーレンズ４２は、一次像２４側から順に、前レンズ群３１、及び、後レンズ群３２から構成され、前レンズ群３１は、一次像２４側から順に、両凸レンズＬ１１、及び、負メニスカスレンズＬ１２から構成され、後レンズ群３２は、一次像２４側から順に、一次像２４側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と両凸レンズＬ１４とを接合した接合レンズから構成される。この第２リレーレンズ４２において、前レンズ群３１と後レンズ群３２との間は平行系となっている。

次の表３に、第２実施例の諸元の値を掲げる。なお、この表３に示す面番号１は図６には図示しない対物レンズの射出瞳１１に対応し、面番号２〜２７は図６に示す面番号２〜２７に対応している。

（表３）
面番号 曲率半径 面間隔 νｄ ｎｄ
1 0.000 155.000
2 128.670 5.000 82.56 1.497820
3 -56.000 3.000 56.05 1.568829
4 -149.124 0.500
5 97.408 3.000 64.10 1.516800
6 -150.000 3.000 56.05 1.568829
7 83.883 6.000
8 0.000 32.000 60.69 1.563840
9 0.000 164.743
10 0.000 27.000
11 75.000 5.000 58.54 1.651600
12 -75.000 3.000 33.89 1.803840
13 -805.000 112.000
14 -30.575 2.000 47.25 1.670030
15 100.000 3.000 25.43 1.805180
16 -133.032 30.000
17 77.774 2.000 39.57 1.804400
18 39.000 5.000 82.56 1.497820
19 -53.200 31.542
20 0.000 67.458
21 1000.000 4.000 51.51 1.734000
22 -249.756 12.000
23 -80.000 3.000 39.57 1.804400
24 -130.821 26.000
25 400.000 3.000 51.51 1.734000
26 95.000 4.000 82.56 1.497820
27 -89.000 202.030

条件対応値
（１）ｆ１／ｆ０＝1.03
（２）ｆ１１／ｆ１＝0.620
（３）ｆ１３／ｆ１＝0.405
（４）｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／|νｄ１３１−νｄ１３２|＝0.00078
（５）Ｑ１１＝-1.205

このように、第２実施例でも上記条件式（１）〜（５）を全て満たしていることが分かる。図７にこの第２実施例における結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１を組み合わせた光学系の瞳像２９でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。この図７からも明らかなように、この第２実施例においても諸収差は良好に補正されている。

図１２に、第２実施例における結像レンズ２０とリレーレンズ４０を組み合わせた光学系の二次像３６でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。この図１２に示すとおり、二次像３６の諸収差も良好に補正されている。

図８にこの第２実施例の顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップを行う際の結像レンズ２０及びリレー光学系４０の構成を示し、表４にそのときの諸元の値を掲げる。

（表４）
面番号 曲率半径 面間隔 νｄ ｎｄ
1 0.000 225.000
2 128.670 5.000 82.56 1.497820
3 -56.000 3.000 56.05 1.568829
4 -149.124 0.500
5 97.408 3.000 64.10 1.516800
6 -150.000 3.000 56.05 1.568829
7 83.883 6.000
8 0.000 32.000 60.69 1.563840
9 0.000 164.743
10 0.000 36.000
11 65.600 8.000 57.03 1.622800
12 -110.000 3.000 33.89 1.803840
13 459.000 100.000
14 -30.575 2.000 47.25 1.670030
15 100.000 3.000 25.43 1.805180
16 -133.032 30.000
17 77.774 2.000 39.57 1.804400
18 39.000 5.000 82.56 1.497820
19 -53.200 34.868
20 0.000 64.132
21 1000.000 4.000 51.51 1.734000
22 -249.756 12.000
23 -80.000 3.000 39.57 1.804400
24 -130.821 26.000
25 400.000 3.000 51.51 1.734000
26 95.000 4.000 82.56 1.497820
27 -89.000 201.830

条件対応値
（１）ｆ１／ｆ０＝1.03
（２）ｆ１１／ｆ１＝0.757
（３）ｆ１３／ｆ１＝0.405
（４）｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／|νｄ１３１−νｄ１３２|＝0.00078
（５）Ｑ１１＝-0.750

このように７０ｍｍのステージアップを行う際も上記条件式（１）〜（５）を全て満たしていることが分かる。この第２実施例の顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップを行う際の、結像レンズ２０と第1リレーレンズ４１を組み合わせた光学系の瞳像２９での諸収差図を図９に示す。この場合も、諸収差は良好に補正されている。

図１３に、第２実施例において、７０ｍｍのステージアップを行う際の、結像レンズ２０とリレーレンズ４０を組み合わせた光学系の二次像３６でのｄ線、ｇ線、Ｃ線及びＦ線の光線に対する球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差、及び、コマ収差の諸収差図を示す。この図１３に示すとおり、二次像３６の諸収差も良好に補正されている。

本発明に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズ及びリレー光学系の構成図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の瞳像での収差図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズ及びリレー光学系の構成図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の瞳像での収差図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズ及びリレー光学系の構成図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の瞳像での収差図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズ及びリレー光学系の構成図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の瞳像での収差図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の二次像での収差図である。 第１実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の二次像での収差図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の二次像での収差図である。 第２実施例に係る顕微鏡装置において、７０ｍｍのステージアップ時の結像レンズと第１リレーレンズを組み合わせた光学系の二次像での収差図である。

符号の説明

１０ 対物レンズ １１ 射出瞳 ２９ 射出瞳の像 ２０ 結像レンズ
２４ 一次像 ３６ 二次像 ４０ リレー光学系 ４１ 第１リレーレンズ
２５ 第１レンズ群 ２７ 第２レンズ群 ２８ 第３レンズ群
４２ 第２リレーレンズ ３１ 前レンズ群 ３２ 後レンズ群

Claims (8)

1. 無限遠設計の顕微鏡対物レンズと、
   標本から発せられて前記顕微鏡対物レンズから射出される平行光束を受けて前記標本の像を結像させる結像レンズと、
   前記結像レンズによって結像された一次像からの光をリレーして二次像を結像するリレー光学系とを備え、
   前記リレー光学系は、
   前記一次像側から順に、第１リレーレンズと第２リレーレンズとを有し、
   当該第１リレーレンズと当該第２リレーレンズとの間が平行光束となり、かつ、当該第１リレーレンズと当該第２リレーレンズとの間に前記対物レンズの射出瞳の像が形成され、
   前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズの組み合わせで、前記標本の像の収差と同時に前記射出瞳の像の収差を補正するように構成され、
   前記結像レンズの焦点距離をｆ０とし、前記第１リレーレンズの焦点距離をｆ１としたとき、次式
   ０．９ ＜ ｆ１／ｆ０ ＜ １．１
   の条件を満足する顕微鏡装置。
2. 前記第１リレーレンズは、前記一次像側から順に、
   正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   負の屈折力を有する第２レンズ群と、
   正の屈折力を有する第３レンズ群とから構成され、
   前記第１リレーレンズの焦点距離をｆ１とし、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１１とし、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ１３としたとき、次式
   ０．４ ＜ ｆ１１／ｆ１ ＜ ０．８
   ０．４ ＜ ｆ１３／ｆ１ ＜ ０．８
   の条件を満足する請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記第１リレーレンズを構成する前記第３レンズ群は、負レンズと正レンズとを接合した接合レンズであり、
   当該レンズの硝材のｄ線に対する屈折率をｎｄとし、ｇ線に対する屈折率をｎｇとし、Ｃ線に対する屈折率をｎＣとし、Ｆ線に対する屈折率をｎＦとし、アッベ数をνｄとして、部分分散比Ｐを次式
   Ｐ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
   で定義し、
   当該負レンズ及び当該正レンズのいずれか一方の前記νｄをνｄ１３１、前記ＰをＰ１３１とし、他方の前記νｄをνｄ１３２、前記ＰをＰ１３２としたとき、次式
   ｜Ｐ１３１−Ｐ１３２｜／｜νｄ１３１−νｄ１３２｜ ＜ ０．００１
   の条件を満足する請求項２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記第１リレーレンズを構成する前記第１レンズ群は、前記一次像側から順に、正レンズと負レンズとをこの順で接合した接合レンズであり、
   前記接合レンズの最も前記一次像側の面の曲率半径をｒ１とし、最も前記二次像側の面の曲率半径をｒ２として、当該接合レンズの形状因子Ｑ１１を次式
   Ｑ１１ ＝ （ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）
   で定義したとき、当該形状因子Ｑ１１が、次式
   −１．５ ＜ Ｑ１１ ＜ −０．５
   の条件を満足する請求項２または３に記載の顕微鏡装置。
5. 前記対物レンズの前記射出瞳から前記結像レンズまでの距離が変化したときに、
   前記第１リレーレンズの前記第１レンズ群を交換することにより、当該第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間に形成される前記射出瞳の像の位置及び倍率をほぼ一定に保つように構成された請求項１〜４いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
6. 前記第２リレーレンズは、前記一次像側から順に、前レンズ群と後レンズ群とから構成され、当該前レンズ群と当該後レンズ群との間が平行光束である請求項１〜５いずれか一項に記載の顕微鏡装置。
7. 前記第１リレーレンズと前記第２リレーレンズとの間に形成される前記射出瞳の像の位置若しくは当該位置の近傍に瞳変調素子が配置された請求項１〜６いずれか一項に記載に顕微鏡装置。
8. 前記瞳変調素子は位相膜で構成され、位相差観察を可能とした請求項７に記載の顕微鏡装置。

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