JP2012042774A - 結像光学系、顕微鏡装置及び実体顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の疲労感を抑制し、被検物を立体的に良好に観察できるようにした結像光学系、顕微鏡装置及び実体顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】実体顕微鏡装置に用いられ、対物レンズ１、及び、観察光学系を介して像を形成する結像光学系において、観察光学系に含まれる変倍光学系の複数のレンズ群Ｇ１〜Ｇ４のうち少なくとも２つのレンズ群は、それぞれ対物レンズ１の光軸と直交方向の成分を持って移動するように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、結像光学系、顕微鏡装置及び実体顕微鏡装置に関する。

顕微鏡装置の一例である実体顕微鏡装置は、凹凸のある物体を観察した場合、両目で見たときと同じように立体感を持って観察できる。このため、顕微鏡下で作業する場合にピンセット等の工具と物体との距離関係を容易に把握することができる。従って、精密機械工業、生物の解剖又は手術等の細かい処置が必要な分野で特に有効である。このような実体顕微鏡装置では、物体の立体感のための視差を得るため、左右２つの眼に入射する光束の光学系を少なくとも部分的には独立させ、その光軸が物体面上で交わるようにする。そして、異なった方向より見た物体の拡大像を作り、接眼レンズを通して観察することで微小物体の立体視を行っている。即ち、両目の視差（左右像の違い）などの生理的要因により、人間は、左右像の違いを脳内で処理して両目の像を融合することができ、これにより、物体を立体的に認識することができる（例えば、特許文献１参照）。

一般的な実体顕微鏡装置では、物体を異なる角度から観察する一つの光学系どうしの角度は、１２度前後に設定されている。これは、眼幅が６５ｍｍである人が、明視の距離とされる３００ｍｍ先の物体を両眼視したときの左右の眼の光軸の角度であり、多数の人にとって左右像を融合することが比較的容易に達成される角度であるためである。

特開２００１−４６３９９号公報

ところで、両眼の像を融合して物体を立体的に認識するための生理的要因には個人差があり、立体的な認識が得意な人や不得意な人が存在するだけでなく、立体的な認識が全くできない人も存在する。また、このような個人差以外にも、観察対象の物体の形状によっては、立体的な認識が困難となる場合もある。そのため、物体を立体的に認識することができない場合には、左右像の違いが二重像として観察者に認識されてしまい、この観察者が疲労感を覚え、観察に集中することが困難となる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、観察者の疲労感を抑制し、物体を立体的に良好に観察できるようにした結像光学系、顕微鏡装置及び実体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、本発明に係る結像光学系は、対物レンズ、及び、観察光学系を介して像を形成する結像光学系であって、観察光学系は複数のレンズ群を有し、当該複数のレンズ群のうち少なくとも２つのレンズ群は、それぞれ対物レンズの光軸と直交方向の成分を持つように移動することを特徴とする。

このような結像光学系において、少なくとも２つのレンズ群のうちの少なくとも１つのレンズ群は、対物レンズを介して物体を見込む角度を変化させる第１の調整レンズ群であり、少なくとも２つのレンズ群の残りのレンズ群は、第１の調整レンズ群により変化する光路を調整して、複数のレンズ群をその光軸が一致するように配置したときに形成されるであろう像形成位置に像が結像するように射出させる第２の調整レンズ群であることが好ましい。

また、このような結像光学系において、観察光学系は複数の光路を有し、対物レンズからの光を複数の光路のそれぞれから射出し、複数の光路にはそれぞれ複数のレンズ群を有し、少なくとも２つのレンズ群のそれぞれは、複数の光路における当該レンズ群の光軸間距離が変化するように移動することが好ましい。

また、このような結像光学系において、観察光学系は、アフォーカル変倍光学系を含み、少なくとも２つのレンズ群は、アフォーカル変倍光学系を構成するレンズ群であることが好ましい。

また、このような結像光学系は、右眼用及び左眼用の２つの光路を有することが好ましい。

また、本発明に係る顕微鏡装置は、上述の結像光学系のいずれかを有することを特徴とする。

また、本発明に係る実体顕微鏡装置は、対物レンズと、この対物レンズからその光軸に対して略平行に射出される光束を、複数の略平行光束としてそれぞれ射出する複数のアフォーカル変倍光学系と、複数のアフォーカル変倍光学系のそれぞれから射出される略平行光束を集光する複数の結像レンズと、を有し、複数のアフォーカル変倍光学系のうち少なくとも１つは、対物レンズの光軸と直交方向の成分を持つように移動する少なくとも２つのレンズ群を有することを特徴とする。

本発明に係る結像光学系、顕微鏡装置及び実体顕微鏡装置を以上のように構成すると、物体を見込む角度を変化させることにより、観察者の疲労感を抑制し、被検物を立体的に良好に観察することができる。

平行型実体顕微鏡装置の外観を示す斜視図である。 上記実体顕微鏡装置の光学系の構成を示す説明図である。 上記光学系のうち、対物レンズと変倍レンズ群との関係を示す説明図である。 変倍光学系を構成するレンズ群の偏芯と物体を見込む角度との関係を説明する説明図であって、（ａ）は見込み角度を小さくした場合を示し、（ｂ）は見込み角度を大きくした場合を示す。

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及び図２を用いて、顕微鏡装置の一例である平行系実体顕微鏡装置１００の構成について説明する。この実体顕微鏡装置１００は、単対物双眼構成の顕微鏡装置であり、その光学系は、図示しない透過照明装置により照明されて物体Ｏを透過した光を集光してこの物体Ｏの一次像ＩＭを形成する結像光学系５と、この結像光学系５で結像された一次像ＩＭを拡大観察するための接眼レンズ６と、を備えている。また、結像光学系５は、物体Ｏからの光を集光して光軸に対して略平行な光束に変換する対物レンズ１と、物体Ｏの像の観察倍率を変化させる（変倍する）変倍光学系３と、この変倍光学系３から射出した光を集光して上述の一次像ＩＭを形成する結像レンズ４と、を有して構成される。なお、この変倍光学系３と結像レンズ４とから構成される光学系を観察光学系２と呼ぶ。

この実体顕微鏡装置１００は、透過照明装置を内蔵するベース部（照明部）１０１、対物レンズ１及び接眼レンズ６が取り付けられ、内部に変倍光学系３を有する変倍レンズ鏡筒１０３、及び、焦点合わせ装置１０５を有している。また、ベース部１０１の上面には、透明部材を埋め込んだ標本載置台１０２が設けられている。なお、対物レンズ１は、変倍レンズ鏡筒１０３の下部に設けられた対物レンズ取り付け部１０６に取り付けられている。この対物レンズ取り付け部１０６は、予め定められた複数の低倍率の対物レンズ及び複数の高倍率の対物レンズのうちから一つを選択して取り付けることができるようになっている場合と、予め定められた複数の低倍率の対物レンズ及び複数の高倍率の対物レンズのうちから複数を選択して取り付けられるようになっている場合と、がある。

変倍レンズ鏡筒１０３の内部には、左眼用と右眼用の変倍光学系３が配置され、この変倍レンズ鏡筒１０３の外側には変倍ノブ１０７が配置されている。変倍光学系３には可動レンズ群が含まれており、変倍ノブ１０７の回転により、予め定められた移動量に則り光軸方向に移動する。また、変倍光学系３には可変絞りが含まれており、変倍レンズ鏡筒１０３にはこの可変絞りの調節機構が設けられている。また、焦点合わせ装置１０５は、焦点合わせノブ１０８と、この焦点合わせノブ１０８の回転に伴い変倍レンズ鏡筒１０３を光軸に沿って上下動させる機構部（図示せず）とを有している。さらに、この変倍レンズ鏡筒１０３の上部には結像レンズ４及び接眼レンズ６を有する双眼鏡筒１０４が取り付けられている。左右両眼用の変倍光学系３のそれぞれから射出した平行光を、左右それぞれに配置された結像レンズ４が集光して物体の一次像ＩＭを一旦結像し、双眼鏡筒１０４の上端部に取り付けられた接眼レンズ６を用いることにより結像された一次像ＩＭを肉眼で観察することができる。

このような構成の実体顕微鏡装置１００を用いると、観察者は、対物レンズ１及び左右の観察光学系２で結像された物体Ｏの像を左右の接眼レンズ６を介して左右の眼で観察することにより、それぞれの角度から物体Ｏを見込み、この物体Ｏを立体視することができる。あるいは、左右の観察光学系２で結像された像のそれぞれをＣＣＤ等の撮像素子で検出することにより、これからの画像から物体Ｏを三次元表示することも可能である。

図３は、このような実体顕微鏡装置１００に用いられる変倍光学系３の一例であって、物体Ｏ側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３、及び、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４の合計４つのレンズ群から構成される場合を示している。この変倍光学系３は、低倍端状態から高倍端状態に変倍する際に、第２レンズ群Ｇ２が物体側から像側に一定方向に、また、第３レンズ群Ｇ３が像側から物体側へ一定方向に移動する。すなわち、第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３は常に一定方向にのみ移動し、変倍の途中で逆戻りするような方向には移動しないように構成されている。

ここで、図３に示すように、上記変倍光学系３の各レンズ群Ｇ１〜Ｇ４の各々の光軸が、観察光学系２の光軸Ａに一致している状態を「標準状態」と呼び、この場合の、物体Ｏを見込む角度（対物レンズ１の光軸といずれか一方の観察光学系２の光軸とのなす角度）をθ０とする。このような変倍光学系３に対して、図４（ａ）に示すように、この変倍光学系３の負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２を観察光学系２の光軸Ａに対して直交方向の成分を持つように対物レンズ１の光軸に近づける、すなわち、左右の第２レンズ群Ｇ２をその光軸間距離が短くなるように移動させる（偏芯させる）と、物体Ｏに対して見込む角度θ１は、標準状態のときの角度θ０より小さくなる。反対に、図４（ｂ）に示すように、第２レンズ群Ｇ２を観察光学系２の光軸Ａに対して直交方向の成分を持つように対物レンズ１の光軸から離す、すなわち、左右の第２レンズ群Ｇ２をその光軸間距離が長くなるように移動させる（偏芯させる）と、物体Ｏに対して見込む角度θ２は、標準状態の時の角度θ０より大きくなる。また、図示はしないが、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３を光軸間距離が短くなるように偏芯させると物体Ｏを見込む角度は大きくなり、光軸間距離が長くなるように偏芯させると物体Ｏを見込む角度は小さくなる。

このように、変倍光学系３を構成するレンズ群Ｇ１〜Ｇ４の少なくとも何れか（以下、このレンズ群を「第１の調整レンズ群ＣＬ１」と呼ぶ）を偏芯させることにより、物体Ｏを見込む角度を変化させることができるので、立体感を抑えたり強調させたりすることにより、観察者は、自身が立体的に認識し易くなるように立体感を調整することができる。

ところで、この変倍光学系３は、入射した略平行光束の径を変倍して略平行光束（アフォーカル光束）として射出するアフォーカル変倍光学系である。従って、最終的にアフォーカル光束として変倍光学系３を射出させるためには、図４に示すように、第２レンズ群Ｇ２（第１の調整レンズ群ＣＬ１）を偏芯したことにより、この変倍光学系３内における光路が変化し、射出する光束が平行光束からずれるのを他のレンズ群の少なくとも１つを光軸と直交方向の成分を持つように移動させて調整する必要がある（このレンズ群を「第２の調整レンズ群ＣＬ２」と呼ぶ）。すなわち、第２の調整レンズ群ＣＬ２を偏芯させて、第１の調整レンズ群ＣＬ１により変化する光路を調整して、この変倍光学系３を構成するレンズ群をその光軸が一致するように配置したときに形成されるであろう像形成位置に像が結像するように射出させる必要がある。図４に示す変倍光学系３においては、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３を第２の調整レンズ群ＣＬ２として使用し、第２レンズ群Ｇ２の偏芯に応じて同じ方向に第３レンズ群Ｇ３を偏芯させるように構成されている。このときの第３レンズ群Ｇ３の偏芯量は、第２レンズ群Ｇ２の偏芯量から一意に決定することができる。なお、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４を第２の調整レンズ群ＣＬ２とする場合は、第２レンズ群Ｇ２と逆方向に偏芯させることが必要である。

なお、偏芯させるレンズ群（第１及び第２の調整レンズ群ＣＬ１，ＣＬ２）は、変倍時に光軸に沿って移動することにより倍率を変化させるレンズ群の少なくとも１つであっても良いし、両方であっても良いが、図３及び図４においては、変倍時に光軸沿って移動することにより倍率を変化させる第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３を偏芯させている。

なお、変倍光学系３の変倍状態（倍率）に寄らず、第１及び第２の調整レンズ群ＣＬ１，ＣＬ２を偏芯させることにより、物体Ｏを見込む角度を変化させて立体感を抑えたり強調させたりすることができるが、この偏芯量に対する見込む角度の変化量は、変倍光学系３の倍率により変化する。そのため、本実施の形態に係る実体顕微鏡装置１００においては、標準状態で倍率を決めてから、第１及び第２の調整レンズ群ＣＬ１，ＣＬ２を偏芯させて立体感を調整する使い方が望ましい。

また、変倍光学系３に入射する光の最大径は、低倍端状態のときに最も小さくなり、高倍端状態のときに最も大きくなる。そのため、対物レンズ１や変倍光学系３の有効径により、第１及び第２の調整レンズ群ＣＬ１，ＣＬ２の偏芯によりビグネッティングが生じる場合がある。

また、以上の説明では対物レンズ１に対して２つの光路を設けた場合について説明したが、３以上の光路を設けた場合も同様である（例えば、２つの観察光学系と、１つの照明光学系の構成）。

さらに、結像光学系５を対物レンズ１、アフォーカル変倍光学系３、結像レンズ４という３つ光学系に分けて説明しているが、アフォーカル変倍光学系３の最も像側のレンズ群と結像レンズ４をまとめて１つのレンズ群として設計することもできる。さらに対物レンズ射出後の光が、平行光束ではなく、多少収束あるいは発散光束であったとしても、その後の光学系で調整すれば、平行光束を射出する対物レンズと同様の結像光学系を構成することができる。つまり、本発明は変倍光学系３がアフォーカル系をなすことが必須ではない。

本実施形態に係る実体顕微鏡装置１００を以上のように構成すると、目視観察の場合で立体視が苦手な観察者に対しては、物体Ｏを見込む左右の光軸角を小さくして、違和感の無い像形成とし、無理の無い観察を可能にする。また、目視観察もしくは左右それぞれの画像から三次元表示をする場合に、物体Ｏの段差の度合いによって、立体感を強調したり、逆に抑えたりすることが可能となり、のっぺりした像になったり、二重像になったりする現象を回避することができる。

１ 対物レンズ ２ 観察光学系 ３ 変倍光学系（アフォーカル変倍光学系）
４ 結像レンズ ５ 結像光学系
ＣＬ１ 第１の調整レンズ群（第２レンズ群Ｇ２）
ＣＬ２ 第２の調整レンズ群（第３レンズ群Ｇ３）
１００ 実体顕微鏡装置（顕微鏡装置）

Claims (7)

1. 対物レンズ、及び、観察光学系を介して像を形成する結像光学系であって、
   前記観察光学系は複数のレンズ群を有し、当該複数のレンズ群のうち少なくとも２つのレンズ群は、それぞれ前記対物レンズの光軸と直交方向の成分を持つように移動することを特徴とする結像光学系。
2. 前記少なくとも２つのレンズ群のうちの少なくとも１つのレンズ群は、前記対物レンズを介して物体を見込む角度を変化させる第１の調整レンズ群であり、
   前記少なくとも２つのレンズ群の残りのレンズ群は、前記第１の調整レンズ群により変化する光路を調整して、前記複数のレンズ群をその光軸が一致するように配置したときに形成されるであろう像形成位置に前記像が結像するように射出させる第２の調整レンズ群であることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記観察光学系は複数の光路を有し、前記対物レンズからの光を前記複数の光路のそれぞれから射出し、前記複数の光路にはそれぞれ前記複数のレンズ群を有し、前記少なくとも２つのレンズ群のそれぞれは、前記複数の光路における当該レンズ群の光軸間距離が変化するように移動することを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 前記観察光学系は、アフォーカル変倍光学系を含み、前記少なくとも２つのレンズ群は、前記アフォーカル変倍光学系を構成するレンズ群であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の結像光学系。
5. 右眼用及び左眼用の２つの前記光路を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の結像光学系。
6. 請求項１〜５いずれか一項に記載の結像光学系を有することを特徴とする顕微鏡装置。
7. 対物レンズと、
   前記対物レンズからその光軸に対して略平行に射出される光束を、複数の略平行光束としてそれぞれ射出する複数のアフォーカル変倍光学系と、
   前記複数のアフォーカル変倍光学系のそれぞれから射出される前記略平行光束を集光する複数の結像レンズと、を有し、
   前記複数のアフォーカル変倍光学系のうち少なくとも１つは、前記対物レンズの光軸と直交方向の成分を持つように移動する少なくとも２つのレンズ群を有することを特徴とする実体顕微鏡装置。

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