JP2011059205A - Microscope device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microscope device capable of obtaining a good image with less aberration, even when the position of a pupil conjugate surface is fluctuated in the case of observing a phase object by relaying a pupil of an object lens and arranging a pupil modulation element on the pupil conjugate surface. <P>SOLUTION: The microscope device includes: the objective lens 10 for emitting parallel luminous flux based on light from a sample 8; an imaging lens 20 for forming the image of the sample 8 based on the parallel luminous flux from the objective lens 10; and a relay optical system 40 for relaying the image. The relay optical system 40 includes a first relay lens group 41 and the second relay lens group 42, and the pupil conjugate surface 29 which is conjugate to the pupil 11 of the objective lens 10 is disposed between the first relay lens group 41 and the second relay lens group 42. When an angle formed by a principal light incident on the imaging lens 20 and the optical axis is denoted as θ, a composite focal length is denoted as f, and a distance of an image formed on the position conjugate to the pupil position of the objective lens, from the optical axis is denoted as y, the microscope device satisfies a conditional expression of f×tanθ>y>f×θ. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a microscope apparatus.

培養細胞を観察する際、固体、抗体染色等といった処理を行うことなく、生きたままこれを観察する方法として、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。このような観察方法においては、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対物レンズを用いる必要があった。しかし、この種の対物レンズを用いることなく位相差観察をすることが可能な顕微鏡装置も周知となっており、結像レンズにより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、その瞳像の位置に瞳変調素子を配置することにより、上記のような対物レンズが不要となる顕微鏡装置がある(例えば、特許文献1を参照)。   An observation method using a pupil modulation element, such as phase difference observation, is known as a method for observing cultured cells alive without performing treatments such as solid and antibody staining when observing cultured cells. In such an observation method, it is necessary to use an objective lens in which a pupil modulation element such as a phase film is arranged in an internal pupil. However, a microscope apparatus capable of observing a phase difference without using this type of objective lens is also well known. A primary image formed by an imaging lens is relayed by a relay optical system, and the objective lens There is a microscope apparatus in which an exit pupil image is disposed between relay optical systems and a pupil modulation element is disposed at the position of the pupil image, thereby eliminating the need for the objective lens as described above (for example, see Patent Document 1). reference).

特開平08−15612号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-15612

しかしながら、上記のような顕微鏡装置においては、対物レンズの切替、移動等により瞳の位置が変動する場合、瞳共役面に位相膜を配置するために瞳共役面との間に配置されるレンズにより、瞳面毎に異なった収差が発生する。瞳面毎に異なる収差が発生すると、その収差の表れ方によっては、コンデンサレンズの瞳位置に配置されるリング絞りの像と位相膜にズレを生じ、位相差像を良好に観察できないという問題があった。   However, in the microscope apparatus as described above, when the position of the pupil fluctuates due to switching or movement of the objective lens, a lens disposed between the pupil conjugate plane and the pupil conjugate plane in order to arrange the phase film on the pupil conjugate plane. A different aberration occurs for each pupil plane. When different aberrations occur for each pupil plane, depending on how the aberrations appear, there is a problem that the image of the ring diaphragm arranged at the pupil position of the condenser lens and the phase film may be misaligned, and the phase difference image cannot be observed well. there were.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、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、瞳共役面の位置が変動しても、収差の発生が少ない良好な像を得られる顕微鏡装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and the position of a pupil conjugate plane is observed when a phase object is observed by relaying the pupil of an objective lens and arranging a pupil modulation element on the pupil conjugate plane. An object of the present invention is to provide a microscope apparatus capable of obtaining a good image with little occurrence of aberrations even when fluctuates.

このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡装置は、標本へ照明光を照明する照明部と、照明部の照明により標本から射出される光を集光する対物レンズと、対物レンズとともに使用して標本の像を結像させる結像レンズと、結像レンズにより結像された像をリレーするリレーレンズ群とを備え、リレーレンズ群は、第1リレーレンズ群と第2リレーレンズ群とから構成され、第1リレーレンズ群と第2リレーレンズ群の間に、結像レンズ及び第1リレーレンズ群に関して対物レンズの瞳位置と共役な位置が設けられる顕微鏡装置において、θを結像レンズに入射される主光線と結像レンズ及び第1リレーレンズ群の光軸とのなす角度とし、fを結像レンズ及び第1リレーレンズ群の合成焦点距離とし、yを対物レンズの瞳位置と共役な位置に形成される像の光軸からの高さとしたとき、条件式

Figure 2011059205
を満足することを特徴とする。 In order to achieve such an object, a microscope apparatus according to the present invention includes an illumination unit that illuminates a specimen with illumination light, an objective lens that collects light emitted from the specimen by illumination of the illumination unit, and an objective lens. An image forming lens that forms an image of the sample by using and a relay lens group that relays the image formed by the image forming lens are provided. The relay lens group includes a first relay lens group and a second relay lens group. In a microscope apparatus in which a position conjugate with the pupil position of the objective lens with respect to the imaging lens and the first relay lens group is provided between the first relay lens group and the second relay lens group, θ is imaged The angle between the principal ray incident on the lens and the optical axis of the imaging lens and the first relay lens group, f the combined focal length of the imaging lens and the first relay lens group, and y the pupil position of the objective lens Together with When the height from the optical axis of the image formed on the Do position, condition
Figure 2011059205
It is characterized by satisfying.

なお、上述の顕微鏡装置において、結像レンズ及び第1リレーレンズ群は、以下の条件式を満足することが好ましい。

Figure 2011059205
In the above-described microscope apparatus, it is preferable that the imaging lens and the first relay lens group satisfy the following conditional expressions.
Figure 2011059205

また、結像レンズ及び第1リレーレンズ群が、像側テレセントリックであり、対物レンズの瞳位置と共役な位置に、第1リレーレンズ群を通過した光を変調させる光変調素子が設けられることが好ましく、更に、結像レンズ若しくは第1リレーレンズ群を構成する一部のレンズ、または上記光変調素子が、結像レンズ及び第1リレーレンズ群の光軸方向に移動可能に構成され、光変調素子が、光を位相変調させる位相変調素子であることが好適である。   Further, the imaging lens and the first relay lens group are image-side telecentric, and a light modulation element that modulates the light that has passed through the first relay lens group is provided at a position conjugate with the pupil position of the objective lens. Preferably, the imaging lens or a part of the lenses constituting the first relay lens group, or the light modulation element is configured to be movable in the optical axis direction of the imaging lens and the first relay lens group. It is preferable that the element is a phase modulation element that phase modulates light.

本発明によれば、位相物体等の標本を観察する際に、対物レンズの瞳位置と共役な位置に設けられる瞳共役面の位置が、対物レンズの切替等により変動しても、収差の発生が少ない良好な像を得ることができる。   According to the present invention, when observing a sample such as a phase object, even if the position of the pupil conjugate plane provided at a position conjugate with the pupil position of the objective lens fluctuates due to switching of the objective lens, etc., aberration is generated. A good image with less can be obtained.

本発明に係る顕微鏡装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the microscope apparatus which concerns on this invention. 本発明の基本構成であるレンズ群の射影方式を説明するための光路図である。It is an optical path diagram for demonstrating the projection system of the lens group which is the basic composition of this invention.

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, although this embodiment is described, referring to drawings, the following embodiment does not limit the invention concerning a claim. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

本実施形態における顕微鏡装置は、培養細胞を観察する際に、その細胞の固定、抗体染色等の処理を行うことなく生きたまま観察することができる位相差観察が可能な顕微鏡装置である。この顕微鏡装置は、図1に示すように、透過用光源装置1、コレクタレンズ2、視野絞り3、ミラー4、レンズ群5、開口絞り6、コンデンサレンズ7、及び標本8を載置させるステージ9を備えて構成される。透過用照明光源1から射出された光は、コレクタレンズ2により平行光束に変換されて視野絞り3を通過した後、ミラー4により下方へ偏向され、レンズ群5により開口絞り6に集光される。そして、開口絞り6により集光された光は、コンデンサレンズ7により平行光束に変換された後、ステージ9に載置された標本8を照明するようになっている。位相差観察を行う際には、開口絞り6に相当する位置に、リング絞りを配置して、予め決められた光束のみで標本を照明する構成とされる。後述する瞳共役面には、該リング絞りの像が形成され、リング絞りの開口に相当する領域に位相膜を施した瞳変調素子(位相変調素子)によって照明光の強度や位相を変調する。リング絞りは、対物レンズのNAにより3乃至4種類のリング径に大別されることが多いため、リング径の異なるリング絞りをターレット(不図示)に納め、選択的に光路に挿入することが可能である。   The microscope apparatus according to the present embodiment is a microscope apparatus capable of phase difference observation that can be observed alive without performing processing such as cell fixation and antibody staining when observing cultured cells. As shown in FIG. 1, this microscope apparatus includes a light source device 1 for transmission, a collector lens 2, a field stop 3, a mirror 4, a lens group 5, an aperture stop 6, a condenser lens 7, and a stage 9 on which a specimen 8 is placed. It is configured with. The light emitted from the transmission illumination light source 1 is converted into a parallel light beam by the collector lens 2, passes through the field stop 3, is deflected downward by the mirror 4, and is condensed on the aperture stop 6 by the lens group 5. . The light collected by the aperture stop 6 is converted into a parallel light beam by the condenser lens 7 and then illuminates the specimen 8 placed on the stage 9. When performing phase difference observation, a ring stop is disposed at a position corresponding to the aperture stop 6 so that the sample is illuminated only with a predetermined light beam. An image of the ring diaphragm is formed on a pupil conjugate plane, which will be described later, and the intensity and phase of illumination light are modulated by a pupil modulation element (phase modulation element) in which a phase film is provided in a region corresponding to the aperture of the ring diaphragm. Since ring diaphragms are often roughly classified into 3 to 4 ring diameters depending on the NA of the objective lens, ring diaphragms with different ring diameters can be placed in a turret (not shown) and selectively inserted into the optical path. Is possible.

また、標本8の下側には、対物レンズ10、結像レンズ20、プリズム21、撮像素子22及びミラー23が設けられ、対物レンズ10の内部には射出瞳である瞳11が設けられている。透過用光源装置1〜対物レンズ10までの各部材は、光軸方向に移動(標本ステージの高さをハイポジションに設定することから、ステージアップとも称する)できるように構成されており、対物レンズ10と結像レンズ20の間隔を調整できるようになっている(後に詳述)。また、対物レンズ10は、図示省略するレボルバに取り付けられており、このレボルバを回転させることにより異なる対物レンズに切り替えることが可能になっている。   An objective lens 10, an imaging lens 20, a prism 21, an imaging element 22 and a mirror 23 are provided below the sample 8, and a pupil 11 that is an exit pupil is provided inside the objective lens 10. . Each member from the light source device for transmission 1 to the objective lens 10 is configured to be movable in the direction of the optical axis (also referred to as stage up since the height of the specimen stage is set to a high position). 10 and the imaging lens 20 can be adjusted (detailed later). The objective lens 10 is attached to a revolver (not shown) and can be switched to a different objective lens by rotating the revolver.

上記標本8を透過した光は、対物レンズ10に入射され、対物レンズ10の内部の瞳11を通過し、結像レンズ20により一次像24が形成されるようになっている。プリズム21は、結像レンズ20の後方に設けられ、このプリズム21により、撮像素子22の上部に一次像が形成され、標本8の画像が得られるようになっている。   The light transmitted through the specimen 8 enters the objective lens 10, passes through the pupil 11 inside the objective lens 10, and a primary image 24 is formed by the imaging lens 20. The prism 21 is provided behind the imaging lens 20, and the prism 21 forms a primary image on the upper part of the image sensor 22 so that an image of the specimen 8 can be obtained.

そして、顕微鏡装置には、ダイクロイックミラー12、励起フィルタ13、及び蛍光フィルタ14により構成されるフィルタブロックと落射照明用光源15とが設けられている。対物レンズ10と結像レンズ20との間には、所定長さの間隔が設けられ、この間隔にフィルタブロックが設けられており、落射照明用光源15から射出される光がこのフィルタブロックを介して下側から標本8に照射されるようになっている。図1では、このフィルタブロックが一つだけ設けられている例を示しているが、対物レンズ10と結像レンズ20の間は平行系になっているため、ステージアップにより対物レンズ10と結像レンズ20の間隔を拡げて二つのフィルタブロックを挿入することもできる。これらのフィルタブロックを介して、互いに波長が異なる光を励起光として入射させて標本8を照明することも可能である。なお、本実施形態に使用される顕微鏡装置においては、一次像24は、対物レンズ10及び結像レンズ20に関して標本8と共役な位置に形成されるが、フィルタブロックが光路に挿入されている際には、該フィルタブロック及び結像レンズ20を通過して、ミラー23により側方に偏向されて形成されるようになっている。また、フィルタブロックはターレットに納められて、ターレットの回転により光路への挿脱が行われるが、ターレットのポジションには空穴が設けられており、空穴ポジションの時にはフィルタブロックは光路外にあり、透過照明による結像光のみが通過できる構成になっている。   The microscope apparatus is provided with a filter block composed of a dichroic mirror 12, an excitation filter 13, and a fluorescent filter 14, and an epi-illumination light source 15. An interval of a predetermined length is provided between the objective lens 10 and the imaging lens 20, and a filter block is provided at this interval, and light emitted from the epi-illumination light source 15 passes through this filter block. The sample 8 is irradiated from below. Although FIG. 1 shows an example in which only one filter block is provided, since the objective lens 10 and the imaging lens 20 are in a parallel system, imaging with the objective lens 10 is performed by stage-up. Two filter blocks can be inserted with the distance between the lenses 20 widened. It is also possible to illuminate the specimen 8 by making light having different wavelengths incident as excitation light via these filter blocks. In the microscope apparatus used in this embodiment, the primary image 24 is formed at a position conjugate with the sample 8 with respect to the objective lens 10 and the imaging lens 20, but when the filter block is inserted in the optical path. Is formed so as to pass through the filter block and the imaging lens 20 and be deflected laterally by the mirror 23. Also, the filter block is housed in the turret, and insertion / removal to the optical path is performed by rotation of the turret, but there is a hole in the turret position, and the filter block is out of the optical path at the hole position, Only the imaging light by transmitted illumination can pass through.

また、本実施形態における顕微鏡装置は、リレー光学系40を備え、リレー光学系40は、第1リレーレンズ群41と第2リレーレンズ群42とから構成されている。第1リレーレンズ群41は、第1レンズ群25、ミラー26、第2レンズ群27、及び第3レンズ群28を備えて構成され、第2リレーレンズ群42は、第4レンズ群31と第5レンズ群32とから構成されている。それぞれのレンズ群は、凸レンズと凹レンズとを組み合わせて構成されている。一次像24を形成した光は、第1レンズ群25、ミラー26、第2レンズ群27、及び第3レンズ群28を透過するように、第1リレーレンズ群41によりリレーされる。なお、リレー光学系40の各レンズ群の構成は上記に限定されることはない。すなわち、構成を適宜変更することができるようになっており、例えば、第1レンズ群25をミラー26の後段に位置させるようなことが可能である。   Further, the microscope apparatus according to the present embodiment includes a relay optical system 40, and the relay optical system 40 includes a first relay lens group 41 and a second relay lens group 42. The first relay lens group 41 includes a first lens group 25, a mirror 26, a second lens group 27, and a third lens group 28, and the second relay lens group 42 includes the fourth lens group 31 and the third lens group 28. And 5 lens groups 32. Each lens group is configured by combining a convex lens and a concave lens. The light forming the primary image 24 is relayed by the first relay lens group 41 so as to pass through the first lens group 25, the mirror 26, the second lens group 27, and the third lens group 28. The configuration of each lens group of the relay optical system 40 is not limited to the above. That is, the configuration can be appropriately changed. For example, the first lens group 25 can be positioned at the rear stage of the mirror 26.

また、第1リレーレンズ群41と第2リレーレンズ群42の間は平行系になっており、図1に示すように、第1リレーレンズ群41と第2リレーレンズ群42の間に、結像レンズ20及び第1リレーレンズ群41に関して瞳11と共役な位置である瞳共役面29が形成される。従って、対物レンズ10の内部の瞳11に瞳変調素子を配置しなくても、この瞳共役面29に瞳変調素子(位相変調素子)を配置して、瞳変調された像を観察することができるようになっている。本実施形態では、例えば、瞳共役面29の後方にミラー30、レンズ33、及び撮像素子34を備え、ミラー30により反射された光を用いて、レンズ33に撮像素子34の上に像を形成させることで、瞳変調された像の画像を得ることが可能となっている。なお、リレー光学系40の後段には、ミラー35、接眼レンズ37が設けられ、リレー光学系40によりリレーされた光は、ミラー35で偏向された後、二次像36を形成するようになっている。二次像36は、リレー光学系40に関して一次像24と共役な位置に形成されるが、これが接眼レンズ37を介して観察者の観察眼38により標本8の像として観察されるようになっている。   The first relay lens group 41 and the second relay lens group 42 are in a parallel system. As shown in FIG. 1, no connection is made between the first relay lens group 41 and the second relay lens group 42. A pupil conjugate plane 29 that is conjugate with the pupil 11 with respect to the image lens 20 and the first relay lens group 41 is formed. Therefore, even if no pupil modulation element is arranged on the pupil 11 inside the objective lens 10, a pupil modulation element (phase modulation element) is arranged on the pupil conjugate plane 29 and a pupil-modulated image can be observed. It can be done. In the present embodiment, for example, a mirror 30, a lens 33, and an image sensor 34 are provided behind the pupil conjugate plane 29, and an image is formed on the image sensor 34 on the lens 33 using light reflected by the mirror 30. By doing so, it is possible to obtain a pupil-modulated image. A mirror 35 and an eyepiece lens 37 are provided at the subsequent stage of the relay optical system 40, and the light relayed by the relay optical system 40 is deflected by the mirror 35 and then forms a secondary image 36. ing. The secondary image 36 is formed at a position conjugate with the primary image 24 with respect to the relay optical system 40, and this is observed as an image of the specimen 8 by the observer's observation eye 38 through the eyepiece 37. Yes.

以上、本実施形態の顕微鏡装置においては、結像レンズ20により結像された一次像24をリレー光学系40によりリレーさせ、瞳11の瞳共役面29をリレー光学系40の間に配置し、その瞳共役面29の位置に瞳変調素子を配置した構成を採ることが可能である。ところで、この種の顕微鏡装置においては、例えばある対物レンズを想定してリレーレンズ群を設計したときの瞳共役面が無収差であったとしても、異なる対物レンズに交換したりステージアップ等させたりして、物体距離(ここでは対物レンズの瞳と結像レンズとの間の距離)が変動すると瞳共役面にできる像に収差が発生する。そして、この収差の表れ方によっては、瞳変調素子における位相膜と、コンデンサレンズの瞳面に配置されているリング絞りの像の位置や大きさがずれ、モレ光を生じてコントラストが下がったり、色ムラが発生したりして位相差像を良好に観察できなくなる。また、顕微鏡装置のリレー光学系は、一般的にレンズのFナンバーが大きい(暗い)ため、この収差は主に像面湾曲である。従って、この像面湾曲の影響を小さくする必要がある。更に、瞳共役面29の位置が変動してもその後のレンズの口径が大きくなりすぎず、ピント合わせの際に瞳変調素子が移動しても瞳像の大きさが変動しないように、瞳共役面29の前後では主光線が光軸と平行であるテレセントリックであることが望ましい。   As described above, in the microscope apparatus of the present embodiment, the primary image 24 imaged by the imaging lens 20 is relayed by the relay optical system 40, the pupil conjugate plane 29 of the pupil 11 is disposed between the relay optical system 40, It is possible to adopt a configuration in which a pupil modulation element is arranged at the position of the pupil conjugate plane 29. By the way, in this type of microscope apparatus, for example, even if the pupil conjugate plane has no aberration when a relay lens group is designed assuming a certain objective lens, it can be replaced with a different objective lens or staged up. When the object distance (here, the distance between the pupil of the objective lens and the imaging lens) changes, aberration occurs in the image formed on the pupil conjugate plane. And depending on how this aberration appears, the position and size of the phase diaphragm in the pupil modulation element and the image of the ring diaphragm arranged on the pupil plane of the condenser lens are shifted, resulting in more light and lowering the contrast, Color unevenness occurs and the phase difference image cannot be observed well. Further, since the relay optical system of the microscope apparatus generally has a large F-number (dark) of the lens, this aberration is mainly a field curvature. Therefore, it is necessary to reduce the influence of this field curvature. Further, even if the position of the pupil conjugate plane 29 changes, the aperture of the subsequent lens does not become too large, and the pupil image size does not change even if the pupil modulation element moves during focusing. It is desirable that the principal ray is telecentric before and after the surface 29 and is parallel to the optical axis.

そこで、本実施形態の顕微鏡装置におけるリレーレンズ群は、以下の射影方式を用いて像面湾曲の影響を小さくすることが可能となっている。その射影方式について、図2を参照しながら説明する。図2では、主平面100、前側焦点面101、後側焦点面102、物体面103、及び像面104が示されている。ここで、物体面103は、図1における対物レンズ10の瞳11、主平面100におけるレンズ群Lは、図1における結像レンズ20〜第2凸レンズ28(第1リレーレンズ群41)、また、像面104は、図1における瞳共役面29、すなわち、瞳変調素子(位相変調素子)を挿入する面に相当する。また、図2においては、通常の光学設計の通り、左側(設計上の物体側)から、右側(設計上の像側)に光が進行するものとする。   Therefore, the relay lens group in the microscope apparatus of the present embodiment can reduce the influence of field curvature using the following projection method. The projection method will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a main plane 100, a front focal plane 101, a rear focal plane 102, an object plane 103, and an image plane 104 are shown. Here, the object plane 103 is the pupil 11 of the objective lens 10 in FIG. 1, the lens group L in the main plane 100 is the imaging lens 20 to the second convex lens 28 (first relay lens group 41) in FIG. The image plane 104 corresponds to the pupil conjugate plane 29 in FIG. 1, that is, the plane into which the pupil modulation element (phase modulation element) is inserted. In FIG. 2, it is assumed that light travels from the left side (designed object side) to the right side (designed image side) as in a normal optical design.

ここで、レンズ群Lの焦点距離をfとすると、主平面100に対して物体側にfだけ離れた位置に前側焦点面101、像側にfだけ離れた位置に後側焦点面102が存在する。本実施形態では、テレセントリックな場合を考える。すなわち、前側焦点面101に絞り105を仮想的に設ける(実際の顕微鏡装置では1次像24がこの位置に相当する)。そうすることによりレンズ群Lの右側で結像主光線が光軸に対して平行になり、いわゆる像側テレセントリックな光学系に構成されている。また、後側焦点面102は、無限遠方と共役関係にあり、無限遠方の像が後側焦点面102に形成される。そして、物体面103は、前側焦点面101からL0だけ前側に位置している。なお、物体面103と像面104は共役関係にあり、例えば、物体面103上における光軸Axから光軸Axに対して垂直な方向に延びる場所に位置する物点110は、像面104上における光軸Axから上記方向に対して反対方向に延びる場所に位置する像点111に結像する。また、物体面103上における光軸Ax上の物点120は、像面104上における光軸Ax上の像点121に結像する。このときの後側焦点面102と像面104の距離をx′とする。 Here, when the focal length of the lens unit L is f, the front focal plane 101 exists at a position separated by f on the object side with respect to the main plane 100, and the rear focal plane 102 exists at a position separated by f on the image side. To do. In this embodiment, a telecentric case is considered. That is, the stop 105 is virtually provided on the front focal plane 101 (in an actual microscope apparatus, the primary image 24 corresponds to this position). By doing so, the imaging principal ray becomes parallel to the optical axis on the right side of the lens unit L, and a so-called image-side telecentric optical system is configured. Further, the rear focal plane 102 has a conjugate relationship with the infinity distance, and an image at infinity is formed on the rear focal plane 102. The object plane 103 is located on the front side by L 0 from the front focal plane 101. Note that the object plane 103 and the image plane 104 have a conjugate relationship. For example, the object point 110 located on the object plane 103 in a direction extending in a direction perpendicular to the optical axis Ax from the optical axis Ax is on the image plane 104. An image is formed at an image point 111 located at a location extending from the optical axis Ax in the direction opposite to the above direction. Further, the object point 120 on the optical axis Ax on the object plane 103 forms an image on the image point 121 on the optical axis Ax on the image plane 104. At this time, the distance between the rear focal plane 102 and the image plane 104 is x ′.

以下で、上述した像面湾曲の影響を小さくする方法について検討する。まず、物体が光軸方向に移動してもレンズ群Lの固有の値であるベッツバール和は不変であるので、メリジョナル像面湾曲の発生を抑えられれば、サジタル像面湾曲を低減できる。そこで、レンズ群Lの射影関係を、式(1)のようにする。

Figure 2011059205
Hereinafter, a method for reducing the influence of the above-described field curvature will be considered. First, even if the object moves in the optical axis direction, the Betzval sum, which is a unique value of the lens group L, does not change. Therefore, sagittal field curvature can be reduced if the occurrence of meridional field curvature is suppressed. Therefore, the projection relationship of the lens group L is expressed by the equation (1).
Figure 2011059205

式(1)の両辺を微分すると、式(2)のようになる。

Figure 2011059205
Differentiating both sides of Equation (1) gives Equation (2).
Figure 2011059205

また、図2における幾何関係から、式(3)が導かれる。なお、式(3)のaは絞り105の半径である。

Figure 2011059205
Moreover, Formula (3) is guide | induced from the geometric relationship in FIG. In Expression (3), “a” is the radius of the diaphragm 105.
Figure 2011059205

また、物体が光軸方向に移動しても像面湾曲が発生しないようにするためには、物体移動による近軸像点位置の移動と軸外でのメリジョナル像点の移動が一致すれば良い。具体的には、物体面103の光軸Ax上の物点120に対する像点121が存在する平面である像面104に存在すれば良い。一般に、光軸Ax上における像面移動x′は、ニュートンの公式から式(4)が得られる。

Figure 2011059205
In order to prevent curvature of field from occurring even when the object moves in the optical axis direction, the movement of the paraxial image point position due to the object movement and the movement of the memorial image point off the axis need only coincide. . Specifically, it may be present on the image plane 104 that is a plane on which the image point 121 with respect to the object point 120 on the optical axis Ax of the object plane 103 exists. In general, the image plane movement x ′ on the optical axis Ax can be obtained from Equation (4) from Newton's formula.
Figure 2011059205

一方、像点111が像面104上に存在すると仮定すれば、像面での開き角をα、主光線がΔθだけ傾いたときの像高の変化をΔyとすると、式(5)が成り立つ。

Figure 2011059205
On the other hand, if it is assumed that the image point 111 exists on the image plane 104, when the opening angle on the image plane is α and the change in image height when the chief ray is inclined by Δθ is Δy, Equation (5) is established. .
Figure 2011059205

ここで、メリジョナル像点としては、非常に細い光束を考えているので、tanα≒sinαとし、これに従って式(5)を変形すると、式(6)が得られる。

Figure 2011059205
Here, since a very thin light beam is considered as the memorial image point, tan α≈sin α is set, and when equation (5) is modified in accordance with this, equation (6) is obtained.
Figure 2011059205

また、ヘルムホルツ・ラグランジュに対応する関係から、ストローベルの定理をメリジョナル面内に適用すると、式(7)が導かれる。

Figure 2011059205
Further, from the relation corresponding to Helmholtz-Lagrange, when the Strobel's theorem is applied in the meridional plane, Equation (7) is derived.
Figure 2011059205

以上、式(2)から式(7)を用いて、関数gを求めることができる。まず、式(7)より、式(8)が得られる。

Figure 2011059205
As described above, the function g can be obtained using the equations (2) to (7). First, equation (8) is obtained from equation (7).
Figure 2011059205

式(8)を式(6)に代入して、式(9)が得られる。

Figure 2011059205
By substituting equation (8) into equation (6), equation (9) is obtained.
Figure 2011059205

更に、式(2)及び式(4)を式(9)に代入すると、式(10)が導かれる。

Figure 2011059205
Further, when Expression (2) and Expression (4) are substituted into Expression (9), Expression (10) is derived.
Figure 2011059205

また、式(10)に式(3)を代入すると、式(11)が得られる。

Figure 2011059205
Further, when Expression (3) is substituted into Expression (10), Expression (11) is obtained.

Figure 2011059205

式(11)を積分すると、式(12)が得られる。なお、式(12)中のFは第一種楕円積分である。

Figure 2011059205
When equation (11) is integrated, equation (12) is obtained. In addition, F in Formula (12) is 1st type elliptic integral.
Figure 2011059205

式(12)の解を容易にするため、式(11)に近似式を代入して解くと、式(13)が得られる。

Figure 2011059205
In order to facilitate the solution of Equation (12), Equation (13) is obtained by substituting an approximate equation into Equation (11) and solving.
Figure 2011059205

従って、式(13)を積分することにより、式(14)が得られる。

Figure 2011059205
Therefore, the equation (14) is obtained by integrating the equation (13).
Figure 2011059205

以上より、関数gは、式(12)として求められ、近似的には式(14)で表される結果が得られた。つまり、関数gを式(1)に代入して求められる射影関係を有するように、レンズ群Lを設計すれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲の無い光学系を実現することができる。   From the above, the function g was obtained as the equation (12), and the result expressed approximately by the equation (14) was obtained. In other words, if the lens group L is designed so as to have a projection relationship obtained by substituting the function g into the expression (1), an optical system free from curvature of field in any plane on the image side can be realized. it can.

次に、上記のような射影関係を有する光学系が、具体的にどのような関係にあるかについて考察する。一般的なftanθレンズでは、関数gは、式(15)のようになる。

Figure 2011059205
Next, the relationship between the optical system having the above projection relationship will be considered. In a general ftan θ lens, the function g is as shown in Expression (15).
Figure 2011059205

また、一般的なフーリエ変換レンズ(fsinθレンズ)では、関数gは、式(16)のように表現される。

Figure 2011059205
Further, in a general Fourier transform lens (fsin θ lens), the function g is expressed as in Expression (16).
Figure 2011059205

更に、一般的なfθレンズでは、関数gは式(17)のように示される。

Figure 2011059205
Furthermore, in a general fθ lens, the function g is expressed as in Expression (17).
Figure 2011059205

式(15)、式(16)と式(14)を比較すると、本実施形態におけるレンズ群Lの射影関係は、ftanθレンズの射影関係と、fθレンズの射影関係の間の射影関係であるといえる。およそこの範囲であれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲が極めて少ない光学系を実現することができる。   Comparing Expression (15), Expression (16), and Expression (14), the projection relationship of the lens unit L in this embodiment is a projection relationship between the projection relationship of the ftan θ lens and the projection relationship of the fθ lens. I can say that. Within this range, it is possible to realize an optical system with extremely little curvature of field in any plane on the image side.

以上のように構成された光学系を備えた本実施形態の顕微鏡装置は、例えばコンデンサレンズのリング絞りと、結像系に挿入する瞳変調素子の一方あるいは双方をSLM(Spatial Light Modulator、空間光変調器)等電気的にリング径や位相変調する領域を変更できる光学素子とを用いて構成したとき、像面湾曲が少ないため上記リング径を変更しても像面(瞳共役面)がずれないという効果が得られる。   The microscope apparatus according to the present embodiment including the optical system configured as described above includes, for example, one or both of a ring stop of a condenser lens and a pupil modulation element to be inserted into an imaging system as an SLM (Spatial Light Modulator, spatial light). When configured with an optical element that can electrically change the ring diameter and phase modulation area, such as a modulator, the image plane (pupil conjugate plane) will shift even if the ring diameter is changed because the curvature of field is small. There is no effect.

また、対物レンズを切り替えたりステージアップをしたりすることにより瞳の位置が異なることは、図2におけるL0が変化することに相当する。このようにL0が変化したときは、対応する位置に瞳変調素子またはレンズ群Lを移動させる必要があるが、像面湾曲が少ないため、この移動の量を瞳変調素子のリング径に依らず容易に決定することができ、更に、像面湾曲を考慮した位置の微調整も不要になるという効果が得られる。 Further, the fact that the position of the pupil differs by switching the objective lens or raising the stage corresponds to a change in L 0 in FIG. When L 0 changes in this way, it is necessary to move the pupil modulation element or lens group L to the corresponding position. However, since the field curvature is small, the amount of movement depends on the ring diameter of the pupil modulation element. Therefore, it is possible to easily determine the position, and further, it is possible to obtain an effect that fine adjustment of the position in consideration of the curvature of field is unnecessary.

1 透過用光源装置(照明部) 8 標本
10 対物レンズ 20 結像レンズ
24 一次像(像)
29 瞳共役像(光変調素子、位相変調素子)
40 リレー光学系(リレーレンズ群)
41 第1リレーレンズ群 42 第2リレーレンズ群
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission light source device (illumination part) 8 Sample 10 Objective lens 20 Imaging lens 24 Primary image (image)
29 Pupil conjugate image (light modulation element, phase modulation element)
40 Relay optical system (relay lens group)
41 First relay lens group 42 Second relay lens group

Claims (6)

標本へ照明光を照明する照明部と、
前記照明部の照明により前記標本から射出される光を集光し平行光束を射出する対物レンズと、
前記対物レンズから射出された平行光束を入射させ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り結像された像をリレーするリレーレンズ群とを備え、
前記リレーレンズ群は、第1リレーレンズ群と第2リレーレンズ群とから構成され、前記第1リレーレンズ群と前記第2リレーレンズ群の間に、前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群に関して前記対物レンズの瞳位置と共役な位置が設けられる顕微鏡装置において、
θを前記結像レンズに入射される主光線と前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群の光軸とのなす角度とし、fを前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群の合成焦点距離とし、yを前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に形成される像の前記光軸からの距離としたとき、次式
Figure 2011059205
の条件を満足することを特徴とする顕微鏡装置。
An illumination unit that illuminates the specimen with illumination light;
An objective lens that collects the light emitted from the specimen by illumination of the illumination unit and emits a parallel light beam;
An imaging lens that forms an image of the sample by injecting a parallel light beam emitted from the objective lens;
A relay lens group that relays an image formed by the imaging lens;
The relay lens group includes a first relay lens group and a second relay lens group, and the imaging lens and the first relay lens group are disposed between the first relay lens group and the second relay lens group. In a microscope apparatus in which a position conjugate with the pupil position of the objective lens is provided,
θ is an angle between the principal ray incident on the imaging lens and the optical axis of the imaging lens and the first relay lens group, and f is a combined focal length of the imaging lens and the first relay lens group. And y is the distance from the optical axis of the image formed at a position conjugate with the pupil position of the objective lens,
Figure 2011059205
A microscope apparatus satisfying the following conditions.
前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群は、
Figure 2011059205
の条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の顕微鏡装置。
The imaging lens and the first relay lens group are:
Figure 2011059205
The microscope apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群が、像側テレセントリックであることを特徴とする請求項1または2に記載の顕微鏡装置。   The microscope apparatus according to claim 1, wherein the imaging lens and the first relay lens group are image side telecentric. 前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に、前記第1リレーレンズ群を通過した光を変調させる光変調素子が設けられることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の顕微鏡装置。   The microscope apparatus according to claim 1, wherein a light modulation element that modulates light that has passed through the first relay lens group is provided at a position conjugate with a pupil position of the objective lens. 前記結像レンズ若しくは前記第1リレーレンズ群を構成する一部のレンズ、または前記光変調素子は、前記結像レンズ及び前記第1リレーレンズ群の光軸方向に移動可能に構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の顕微鏡装置。   The imaging lens or a part of the lenses constituting the first relay lens group, or the light modulation element is configured to be movable in the optical axis direction of the imaging lens and the first relay lens group. The microscope apparatus according to claim 1, wherein the microscope apparatus is characterized. 前記光変調素子は、光を位相変調させる位相変調素子であることを特徴とする請求項4または5に記載の顕微鏡装置。   The microscope apparatus according to claim 4, wherein the light modulation element is a phase modulation element that performs phase modulation of light.
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