JP2010139909A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全視野内で焦点位置の差を生じることなく撮像ができ、且つ、観察用光路及び撮像用光路において同じ倍率の像を観察することが容易に可能となる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】顕微鏡装置１００は、変倍に際して倍率が変化しない第１レンズ群１、及び、倍率が変化し、複数のレンズ群からなる第２レンズ群２を有し、物体面の法線に対して所定の角度だけ傾いた光軸を有するズーム光学系１０と、ズーム光学系１０を含み物体の像を形成する観察光学系２０と、ズーム光学系１０を含み物体の像を撮像する撮像光学系３０と、ズーム光学系２０に対して、観察光学系２０及び撮像光学系３０を切り換える光路切り換え部（第１のミラー３）と、を有し、第１レンズ群１の光軸が、第２レンズ群２の光軸に対して傾いて配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。

小さな昆虫や植物、鉱物の標本を観察する場合、あるいは、時計や電子機器などの微小部品の欠陥等を検査する場合などで、２０倍から４０倍程度の比較的低位倍率で観察しようとする場合、主として、実体顕微鏡が用いられている。また、観察物体を撮影する場合、これらの顕微鏡に付随している撮影装置を用いて行われている。

実体顕微鏡は、物体を、立体的に観察するため、左右独立した観察光学系を備えており、この観察光学系の配置から、平行系実体顕微鏡と内斜系実体顕微鏡とに大別される。平行系実体顕微鏡は、左右の観察光学系が互いに平行なので、観察光学系とは別に撮影用の撮像光学系等の配置が容易であり、システムの拡張性に優れ、観察と同時に撮影することが可能である反面、対物レンズの構成が複雑で、装置が大型になり高価なものになってしまう。一方、内斜系実体顕微鏡は、２つの顕微鏡を互いに所定の角度をもたせて並べた構造であり、小型化には有利である。しかし、内斜系実体顕微鏡では、基本的に、観察光学系が観察対象物体に対して斜めに配置されている。そのため、物体に対し、垂直方向から撮影すべく撮影光学系を配置するときなど、レンズ同士の干渉をさけるために、左右眼用の観察光学系の物体に対する角度（内斜角）を大きく取ると、平面物体等の観察時に、視野中心以外はピントが合わないという現象が生じてしまう。この現象を解決する手法として、結像レンズ群を構成する少なくとも一部のレンズ群の光軸を、物体に向かって接眼レンズ群の光軸を延長した軸に対して傾いて配置することにより、平面物体を斜めから観察しても、全視野内で焦点位置の差を生じることのない観察を可能とした顕微鏡装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−０２５４２４号公報

しかしながら、従来の顕微鏡装置においては、観察用光路と撮像用光路とが完全に独立した光路となっている。従って、例えば、内斜系実体顕微鏡のように、ズームレンズ系で倍率を変えながら観察する場合、観察用光路と撮像用光路とで同じ倍率の像を観察することが困難であるという課題があった。観察用光路及び撮像用光路のそれぞれにズームレンズ系を配置し、各光路での像が同じ倍率となるようにズームレンズ系の各レンズ群の移動を連動させることは可能であるが、そのような機構を設けるにはコストがかかる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、全視野内で焦点位置の差を生じることなく撮像ができ、且つ、観察用光路及び撮像用光路において同じ倍率の像を観察することが容易に可能とな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、第１の本発明に係る顕微鏡装置は、変倍に際して倍率が変化しない第１レンズ群、及び、倍率が変化し、複数のレンズ群からなる第２レンズ群を有し、物体面の法線に対して所定の角度だけ傾いた光軸を有するズーム光学系と、ズーム光学系を含み物体の像を形成する観察光学系と、ズーム光学系を含み物体の像を撮像する撮像光学系と、ズーム光学系に対して、観察光学系及び撮像光学系を切り換える光路切り換え部と、を有し、第１レンズ群の光軸が、第２レンズ群の光軸に対して傾いて配置される。

このような顕微鏡装置は、第２レンズ群の光軸に対する第１レンズ群の光軸の傾き角度をθ１とし、物体面の法線に対する第２レンズ群の光軸の傾き角度をθ２とし、第１レンズ群の担う倍率をβとし、実視野の大きさをｙとし、物体側焦点深度をΔとしたとき、次式

の条件を満足することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、第１レンズ群を偏芯させることにより生じる像の周辺部での倍率のずれを、画像処理により補正することが好まし。

また、前記課題を解決するために、第２の本発明に係る顕微鏡装置は、物体面の法線に対して所定の角度だけ傾いた光軸を有するズーム光学系と、ズーム光学系を含み物体の像を形成する観察光学系と、ズーム光学系を含み、撮像レンズ群を有して物体の像を撮像する撮像光学系と、ズーム光学系に対して、観察光学系及び撮像光学系を切り換える光路切り換え部と、を有し、撮像レンズ群の光軸が、ズーム光学系の光軸に対して傾いて配置される。

このような顕微鏡装置は、物体面の法線に対するズーム光学系の光軸の傾き角度をθ３とし、ズーム光学系の光軸に対する撮像レンズ群の光軸の傾き角度をθ４とし、ズーム光学系の担う倍率をβ１とし、撮像レンズ群の担う倍率をβ２とし、実視野の大きさをｙとし、物体側焦点深度をΔとしたとき、次式

の条件を満足することが好ましい。

また、このような顕微鏡装置は、ズーム光学系の光軸に対する撮像レンズ群の光軸の傾き角度が、ズーム光学系の変倍動作に連動して変化することが好ましい。

さらに、このような顕微鏡装置は、撮像レンズ群を偏芯させることにより生じる像の周辺部での倍率のずれを、画像処理により補正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、全視野内で焦点位置の差を生じることなく撮像ができ、且つ、観察用光路及び撮像用光路において同じ倍率の像を観察することが容易に可能となる。

（第１の実施形態）
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、第１の実施形態に係る顕微鏡装置の構成について説明する。この図１に示す顕微鏡装置１００は、内斜系実体顕微鏡であって、目視観察のために、２つの観察光学系２０（左眼用観察光学系Ｌ及び右眼用観察光学系Ｒ）を有して構成される。左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒとも、物体Ｏ側から順に、第１レンズ群１及び第２レンズ群２から構成されるズーム光学系１０と、接眼レンズ５とを有して構成され、さらに、第２レンズ群２は、３つのレンズ群２１，２２，２３から構成される。この図１に示す内斜系実体顕微鏡において、物体Ｏから出た光は，第１レンズ群１及び第２レンズ群２からなるズーム光学系１０によって像４が結像され、観察者は、この像４を、接眼レンズ５を介して観察する。なお、変倍に際しては、第１レンズ群１は固定され、第２レンズ群２を構成するレンズ群２１〜２３は光軸方向に移動される。すなわち、変倍に際しては、第１レンズ群１がこのズーム光学系１０の中で担う倍率は変化せず、第２レンズ群２がこのズーム光学系１０の中で担う倍率は変化する。

また、この内斜系実体顕微鏡は、右眼用観察光学系Ｒの第２レンズ群２と接眼レンズ５（像４）との間の光路上に、第１のミラー３を挿抜自在に有し、さらに、第２のミラー６と撮像素子８とを有している（これらを「撮像光学系３０」と呼ぶ）。第１のミラー３が光路上に挿入されると、第２レンズ群２を出射した光は第１及び第２のミラー３，６で反射され、撮像素子８の撮像面上に、物体Ｏの像７が結像される。これにより物体Ｏの像７の画像取得を行うことができる。もちろん、目視観察を行うときは、第１のミラー３は光路上から抜脱され、左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒを用いて目視による観察が行われる。このように、この第１のミラー３は、ズーム光学系１０に対して観察光学系２０と撮像光学系３０とを切り換える光路切り換え部として機能する。また、この第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００は、目視観察を行うときも画像取得を行うときも、第１及び第２レンズ群１，２からなるズーム光学系１０を共通して利用しているため、同じ倍率で標本（物体Ｏ）の観察及び撮像を行うことができる。

以上のように、このような第１の実施形態に係る内斜系実体顕微鏡においては、左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒの光軸は、物体Ｏの観察面の法線に対して所定の角度を有して傾いて配置されている。そのため、像周辺での焦点のずれを補正する方法について、図２を用いて説明する。なお、この図２は、内斜系実体顕微鏡の片側の光路（観察光学系）の構成を示しており、図１と同様の構成は同一の符号を付し詳細な説明は省略する。また、この観察光学系２０の光軸（第２レンズ群２の光軸と一致する）は物体Ｏに対して傾いて配置されており、物体Ｏの観察面の法線に対するこの光軸の傾き角度を、θ２とする

物体Ｏから出た光は、第１レンズ群１により一次像Ｉ１が結像され、さらに、一次像Ｉ１からの光は第２レンズ群２に入射して二次像Ｉ２が結像される。ここで、このズーム光学系１０においては、目視観察においても、画像取得の際においても、像周辺での焦点のずれを補正するために、第２レンズ群２の光軸に対して第１レンズ群１の光軸が角度θ１だけ傾けて配置されている。

このように、物体Ｏの観察面に対して光軸が傾いて配置されているズーム光学系１０は、次の条件式（１）及び（２）を満足するように構成される。なお、この条件式（１）において、Δは物体側焦点深度を示し、ｙは実視野の大きさを示し、βは第１レンズ群１の担う倍率を示す。

条件式（１）は内斜系実体顕微鏡装置の観察光学系２０において、視野内での焦点ずれを抑えるための条件である。上述のように、第２レンズ群２の光軸は、物体Ｏの観察面の法線に対してθ２だけ傾いており、また、第１レンズ群１の光軸は第２レンズ群２の光軸に対してθ１だけ傾いている。ここで、一次像Ｉ１が、倍率が変化する第２レンズ群２に対して傾いていると、第２レンズ群２によって形成される二次像Ｉ２の傾きがこの第２レンズ群２の変倍時に変化してしまう。したがって、周辺部でのピントずれを補正するためには、一次像Ｉ１の第２レンズ群２の主面に対する傾きが０、すなわち、物体Ｏの物体面に対する一次像Ｉ１の傾きが−θ１となる必要がある。そのため、第２レンズ群２の物体Ｏの観察面の法線に対する傾き角度θ２と、第２レンズ群２の光軸に対する第１レンズ群１の光軸の傾き角度θ１とは、シャインプルーフの条件により、次の条件式（３）を満足する必要がある。

そして、ｔａｎθをθと近似して、条件式（３）をθ１について解くと、次式（４）のようになり、第１レンズ群１の光軸の偏芯量がこの条件式（４）を満足するように、この第１レンズ群１を傾けると、像の焦点ずれが抑えられる。

また、第２レンズ群２の光軸に対する第１レンズ群１の光軸の傾き角度θ１が、条件式（４）の右辺から若干ずれていても、それによる視野内での焦点ずれが観察光学系２０及び撮像光学系３０の焦点深度内に入る程度であれば問題ない。すなわち、実視野の大きさｙと、物体側焦点深度Δと、第１レンズ群１の担う倍率βとに対して、第１レンズ群１の偏芯量（光軸の傾き角度θ１）を条件式（１）の範囲に抑えれば、視野全体を焦点深度内に収めることが可能となる。

また、条件式（２）は、物体を立体視するのに適した観察光学系２０の条件式である。内斜系実体顕微鏡などの物体を立体視する顕微鏡においては、物体Ｏの観察面（物体面）の法線に対する光軸の角度を、観察者が明視の距離に配置された物体を見るときの、両眼の物体に対してなす角度の半分程度とすることが望ましい。眼幅５０〜７５ｍｍ、明視の距離を２５０〜３００ｍｍとすると、その角度は４°〜９°となる。

このようにズーム光学系１０を構成する一部のレンズ群（この第１の実施形態においては、変倍に際して固定される第１レンズ群１）を、所定の条件を満たすようにその光軸を偏芯させて配置することにより、像周辺での焦点のずれを補正することができる。なお、このように第１レンズ群１を偏芯させた場合、像の中心部と周辺部とで倍率がずれてしまう。従って、撮像素子８で取得した画像に対して画像処理を行い、倍率のずれを補正することが望ましい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る顕微鏡装置の構成について図３を用いて説明する。この図３に示す顕微鏡装置２００も、内斜系実体顕微鏡であって、目視観察のために、左眼用観察光学系Ｌと、右眼用観察光学系Ｒとからなる２つの観察光学系２０を有して構成される。左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒとも、物体Ｏ側から順に、ズーム光学系１０と、接眼レンズ５とを有して構成される。ここで、第１の実施形態においては、ズーム光学系１０を、変倍に際して固定される第１レンズ群１と、光軸に沿って移動する第２レンズ群２とから構成した場合について説明したが、この第２の実施形態においては、ズーム光学系１０は、変倍に際して光軸に沿って移動する４枚のレンズ群２０〜２３を有して構成される。この第２の実施形態に係る内斜系実体顕微鏡において、物体Ｏから出た光は，ズーム光学系１０によって像４が結像され、観察者は、この像４を、接眼レンズ５を介して観察する。

また、この内斜系実体顕微鏡の撮像光学系３０は、右眼用観察光学系Ｒのズーム光学系１０と接眼レンズ５（像４）との間の光路上に、第１のミラー３を挿抜自在に有し、さらに、第２のミラー６と、撮像レンズ群９と、撮像素子８とが光軸上にこの順で並んで配置されている。この第１のミラー３が光路上に挿入されると、第２レンズ群２を出射した光は第１及び第２のミラー３，６で反射され、撮像レンズ群９により撮像素子８の撮像面上に、物体Ｏの像７を結像する。これにより物体Ｏの像７の画像取得を行うことができる。もちろん、目視観察を行うときは、第１のミラー３は光路上から抜脱され、左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒを用いて目視による観察が行われる。このように、この第１のミラー３は、ズーム光学系１０に対して観察光学系２０と撮像光学系３０とを切り換える光路切り換え部として機能する。また、この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２００は、目視観察を行うときも画像取得を行うときも、ズーム光学系１０を共通して利用しているため、同じ倍率で観察及び撮像を行うことができる。

以上のように、このような第２の実施形態に係る内斜系実体顕微鏡においても、左右眼用観察光学系Ｌ，Ｒの光軸は、物体Ｏの観察面の法線に対して所定の角度を有して（傾いて）配置されている。そのため、像周辺での焦点のずれを補正する方法について、図４を用いて説明する。なお、この図４は、内斜系実体顕微鏡の片側の光路（観察光学系）の構成を示しており、図３と同様の構成は同一の符号を付し詳細な説明は省略する。また、この観察光学系２０（ズーム光学系１０）の光軸は物体Ｏに対して傾いて配置されており、物体Ｏの観察面の法線に対するこの光軸の傾き角度を、θ３とする

第１の実施形態に係る顕微鏡装置１００においては、像周辺での焦点ずれを補正するために、ズーム光学系１０の一部のレンズ群（第１レンズ群１）を偏芯させていたのに対し、この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２００においては、撮像光学系３０に配置されている撮像レンズ群９を偏芯させる。一般的にレンズが偏芯すると像は劣化する。しかし、像の近くに配置された撮像レンズ９の偏芯は、物体の近くに配置されたズーム光学系１０（第１の実施形態の場合は第１レンズ群１）の偏芯に比べて、像への影響が少ない。従って、この第２の実施形態においては、像の劣化を抑えることができる。

この第２の実施形態において、撮像レンズ群９の光軸は、ズーム光学系１０の光軸に対して角度θ４だけ傾いて配置されている。この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２００のように、物体Ｏの観察面に対して光軸が傾いて配置されているズーム光学系１０は、次の条件式（５）及び（６）を満足する必要がある。なお、この条件式（６）において、Δは物体側焦点深度を示し、ｙは実視野の大きさを示し、β１はズーム光学系２の担う倍率を示し、β２は撮像レンズ群９の担う倍率を示す。

条件式（５）は、第１の実施形態の条件式（２）と同様に、物体を立体視するのに適した観察光学系の条件である（詳細な説明は省略する）。

一方、条件式（６）は内斜系実体顕微鏡において、視野内での焦点ずれを抑えるための条件である。上述のように、物体Ｏからの光は、ズーム光学系１０によって一次像Ｉ１として結像し、さらに、この一次像Ｉ１からの光は撮像レンズ群９に入射して二次像Ｉ２（図３における像７）を結像する。ズーム光学系１０の光軸は、物体Ｏの観察面の法線に対してθ１だけ傾いていており、撮像レンズ群９の光軸はズーム光学系１０の光軸に対してθ２だけ傾いている。このとき、一次像Ｉ１は、ズーム光学系１０の主面に対してθＩ１だけ傾いているとすると、次の条件式（７）が成り立つ。

ここで、周辺部でのピントずれを補正するためには、二次像Ｉ２の法線のズーム光学系１０に対する傾きが０、すなわち、撮像レンズ群９の光軸に対する二次像Ｉ２の法線の傾きが−θ２となる必要がある。そのため、ズーム光学系１０の光軸に対する撮像レンズ群９の光軸の傾き角度θ２と、一次像Ｉ１の傾き角度θＩ１とは、シャインプルーフの条件により、次の条件式（８）を満足する必要がある。

そして、ｔａｎθをθと近似して、条件式（７），（８）をθ２について解くと、次式（９）のようになり、撮像レンズ群９の偏芯量がこの条件式（９）を満足するように、撮像レンズ群９を傾けると、像の焦点ずれが抑えられる。

また、ズーム光学系１０の光軸に対する撮像レンズ群９の光軸の傾き角度θ４が、条件式（９）の右辺から若干ずれていても、それによる視野内での焦点ずれが撮像光学系の焦点深度内に入る程度であれば問題ない。すなわち、実視野の大きさｙと、物体側焦点深度Δと、ズーム光学系１０の担う倍率β１と、撮像レンズ群９の担う倍率β２とに対して、撮像レンズ群９の偏芯量（ズーム光学系１０の光軸に対する撮像レンズ群９の光軸の傾き角度θ４）を条件式（６）の範囲に抑えれば、視野全体を焦点深度内に収めることが可能となる。

このように撮像レンズ群９を、所定の条件を満たすように偏芯させて配置することにより、像周辺での焦点のずれを補正することができる。

なお、この第２の実施形態においては、偏芯させるレンズ群（撮像レンズ群９）がズーム光学系１０の像側にあるため、ズーム光学系１０の倍率に応じて、シャインプルーフの条件を満たすために必要な撮像レンズ群９の偏芯量（傾き角度）が変化する。従って、ズーム光学系１０の変倍動作と連動して撮像レンズ群９の偏芯量を所定の量に変化させる機構を備えることで、常に像周辺での焦点ずれをなくすことが可能である。例えば、図５に示すように、この顕微鏡装置の全体の作動を制御する制御装置４０と、ズーム光学系１０のレンズ群を光軸に沿って移動させるズームアクチュエータ４１と、撮像レンズ群９を偏芯させる偏芯アクチュエータ４２と、を備え、制御装置４０によりズームアクチュエータ４１の作動を制御して変倍させるときに、合わせて、偏芯アクチュエータ４２の作動を制御して偏芯量を調整するように構成する。また、この第２の実施形態においても、撮像レンズ群９を偏芯させることにより、像の中心部と周辺部とで倍率がずれてしまう。従って、撮像素子８で取得した画像に対して、制御装置４０において画像処理を行い、倍率のずれを補正することが望ましい。なお、この画像処理については第１の実施形態においても同様の構成で実現することができる。

第１の実施形態に係る顕微鏡装置の光学系の構成を示す説明図である。 第１の実施形態における各レンズ群の配置を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係る顕微鏡装置の光学系の構成を示す説明図である。 第２の実施形態における各レンズ群の配置を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係る顕微鏡装置の作動を制御する制御装置のブロック図である。

符号の説明

１ 第１レンズ群 ２ 第２レンズ群 ３ 第１のミラー（光路切り換え部）
９ 撮像レンズ群 １０ ズーム光学系 ２０ 観察光学系
３０ 撮像光学系 １００，２００ 顕微鏡装置（内斜系実体顕微鏡）

Claims (7)

1. 変倍に際して倍率が変化しない第１レンズ群、及び、倍率が変化し、複数のレンズ群からなる第２レンズ群を有し、物体面の法線に対して所定の角度だけ傾いた光軸を有するズーム光学系と、
   前記ズーム光学系を含み前記物体の像を形成する観察光学系と、
   前記ズーム光学系を含み前記物体の像を撮像する撮像光学系と、
   前記ズーム光学系に対して、前記観察光学系及び前記撮像光学系を切り換える光路切り換え部と、を有し、
   前記第１レンズ群の光軸が、前記第２レンズ群の光軸に対して傾いて配置された顕微鏡装置。
2. 前記第２レンズ群の光軸に対する前記第１レンズ群の光軸の傾き角度をθ１とし、物体面の法線に対する前記第２レンズ群の光軸の傾き角度をθ２とし、前記第１レンズ群の担う倍率をβとし、実視野の大きさをｙとし、物体側焦点深度をΔとしたとき、次式
   

   

   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レンズ群を偏芯させることにより生じる像の周辺部での倍率のずれを、画像処理により補正する請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
4. 物体面の法線に対して所定の角度だけ傾いた光軸を有するズーム光学系と、
   前記ズーム光学系を含み前記物体の像を形成する観察光学系と、
   前記ズーム光学系を含み、撮像レンズ群を有して前記物体の像を撮像する撮像光学系と、
   前記ズーム光学系に対して、前記観察光学系及び前記撮像光学系を切り換える光路切り換え部と、を有し、
   前記撮像レンズ群の光軸が、前記ズーム光学系の光軸に対して傾いて配置された顕微鏡装置。
5. 物体面の法線に対する前記ズーム光学系の光軸の傾き角度をθ３とし、前記ズーム光学系の光軸に対する前記撮像レンズ群の光軸の傾き角度をθ４とし、前記ズーム光学系の担う倍率をβ１とし、前記撮像レンズ群の担う倍率をβ２とし、実視野の大きさをｙとし、物体側焦点深度をΔとしたとき、次式
   

   

   の条件を満足する請求項４に記載の顕微鏡装置。
6. 前記ズーム光学系の光軸に対する前記撮像レンズ群の光軸の傾き角度が、前記ズーム光学系の変倍動作に連動して変化する請求項４または５に記載の顕微鏡装置。
7. 前記撮像レンズ群を偏芯させることにより生じる像の周辺部での倍率のずれを、画像処理により補正する請求項４〜６いずれか一項に記載の顕微鏡装置。

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