JP2012141470A

JP2012141470A - 結像光学系、及び、顕微鏡装置

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Publication number: JP2012141470A
Application number: JP2011000015A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mizuta; 正宏水田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-26

Abstract

【課題】任意の角度から物体を観察することができる結像光学系、及び、この結像光学系を有する顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】顕微鏡装置１００に用いられ、対物レンズ１、及び、観察光学系２により物体の像を形成する結像光学系５であって、観察光学系２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１の光軸と直交方向に連続的に移動可能に構成され、少なくとも２つのレンズ群の直交方向の移動量に応じて、対物レンズ１の射出瞳を含む面内で、観察光学系２を通過する光束の領域は当該射出瞳に対して相対的に所定量移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系、及び、顕微鏡装置に関する。

通常の平行系実体顕微鏡装置では、物体を立体視するために、一つの対物レンズに対して、左右２つの眼に入射する光束の光学系（例えば、変倍光学系等の観察光学系）を少なくとも部分的に独立させ、その光軸が物体面で交わるように配置することで、異なった方向より見た物体の拡大像を形成するように構成されている。また、このような実体顕微鏡装置では、対物レンズと変倍光学系とを相対的に移動させることで、対物レンズと変倍光学系のいずれか一方との光軸を一致させてズーム変倍域全体で垂直視が可能となるように構成することもできる。

特開２００７−０６５６５２号公報

しかしながら、このような従来の実体顕微鏡装置では、立体視と垂直視の不連続な２ポジションでの観察に限られてしまい、任意の角度から物体を観察することができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、対物レンズからの光を集光して物体の像を結像する観察光学系を通る光束の対物レンズの瞳面における位置を、この対物レンズの瞳面を含む平面内で相対的に移動可能にすることにより、任意の角度から物体を観察することができる結像光学系、及び、この結像光学系を有す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、本発明に係る結像光学系は、対物レンズ、及び、観察光学系により物体の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に連続的に移動可能に構成され、少なくとも２つのレンズ群の直交方向の移動量に応じて、対物レンズの射出瞳を含む面内で、観察光学系を通過する光束の領域は当該射出瞳に対して相対的に所定量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、対物レンズの射出瞳を含む面内で観察光学系を通過する光束の領域を移動させる第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、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、この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において、複数のレンズ群は、互いの位置関係を維持した状態で、対物レンズに対して、この対物レンズの光軸と直交する方向に相対的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、観察光学系を通過する光束の領域の少なくとも一部は、対物レンズの射出瞳内にあることが好ましい。

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。

本発明に係る結像光学系、及び、この結像光学系を有する顕微鏡装置を以上のように構成すると、任意の角度から物体を観察することができる。

顕微鏡装置の光学系を示す説明図である。射出瞳を含む平面において、この射出瞳と、観察光学系を通過する光束との関係を示す説明図である。変倍光学系のレンズ群の一部と偏芯させたときを示す説明図であって、（ａ）は変倍光学系の全てのレンズ群が対物レンズの光軸上に揃っているときを示し、（ｂ）は一部のレンズ群を偏芯させたときを示す。図３の構成において、射出瞳を含む平面において、この射出瞳と、観察光学系を通過する光束との関係を示す説明図であって、（ａ）は図３（ａ）の場合を示し、（ｂ）は図３（ｂ）の場合を示す。実体顕微鏡を構成する変倍光学系の一部を偏芯させたときを説明するものである。上記図５の変形例であって、（ａ）は２つの変倍光学系のうち、一方の変倍光学系のレンズ群だけ移動させた場合であり、（ｂ）同じ方向に変倍した場合を示す。対物レンズに対して変倍光学系３を移動させた場合を示す。２つの観察光学系のうち、一方の観察光学系の光軸を対物レンズの光軸に一致させた場合を示す。射出瞳を含む平面において、この射出瞳と、観察光学系を通過する光束との関係を示す説明図である。

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を用いて顕微鏡装置の一例である実体顕微鏡装置１００の光学系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、物体Ｏからの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。また、観察光学系２は、左右の眼で上記一次像ＩＭを観察することができるように、左右一対の変倍光学系３と左右一対の接眼レンズ４とから構成されている。また、これら左右一対の観察光学系２の光軸の少なくとも一部は、対物レンズ１の光軸に略平行に配置されている。

図２は、上述の顕微鏡装置１００の光学系における対物レンズ１の射出瞳Ｐ０と、その射出瞳Ｐ０を通過する左右の観察光学系２の光束Ｐ１を示している。これらの図１及び図２から分かるように、対物レンズ１の射出瞳Ｐ０を含む面内（以下、「瞳面Ｐ０」とも呼ぶ）で観察光学系２の光束が通過する領域Ｐ１を射出瞳Ｐ０に対して相対的に移動させることにより、物体面Ｏを観察する角度（物体面Ｏの法線に対して観察光学系２の光軸がなす角度）θを変化させることができる。言い換えると、瞳面Ｐ０内で、観察光学系２の光束が通過する領域Ｐ１を相対移動させることにより、対物レンズ１の開口角の範囲内の任意の角度で物体Ｏを観察することができる。

［第１の実施形態］
それでは、対物レンズ１の瞳面Ｐ０に対して観察光学系２の光束が通過する領域Ｐ１を相対的に移動させる方法として、２つの方法を説明する。まず、第１の実施形態として、観察光学系２を構成する変倍光学系３のレンズ群の一部を光軸に対して直交する方向の成分を持つように移動させることにより、領域Ｐ１を移動させる方法について説明する。

図３は、結像光学系５のうち、対物レンズ１と変倍光学系３のみを示している図であり、また、この結像光学系５は、１つの対物レンズ１に対して１つの観察光学系２（変倍光学系３）を有する単眼の顕微鏡装置の光学系である。なお、図３に示す変倍光学系３は、一例として、物体面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。なお、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のみ移動し、変倍の途中で逆戻りする方向には移動しないように構成されている。

ここで、図３（ａ）に示すように、対物レンズ１の光軸Ｘ上に、変倍光学系３の全てのレンズ群Ｇ１〜Ｇ４の光軸が一致するように配置されているときは、物体面Ｏを垂直視する状態である。すなわち、図４（ａ）に示すように、対物レンズＯの射出瞳Ｐ０と、瞳面を通る変倍光学系２の光束の領域Ｐ１の中心が光軸Ｘ上に一致している状態である。

一方、図３（ｂ）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を光軸Ｘに対して偏芯させると、図４（ｂ）に示すように偏芯させた方向に観察光学系２の領域Ｐ１が移動し、観察光学系２の光軸は、物体面Ｏの法線に対して所定の角度を有する。すなわち、物体面Ｏを斜めの方向から観察することができる。射出瞳Ｐ０に対する観察光学系２の領域Ｐ１の移動量により、物体面Ｏを観察する角度θは変化する（対物レンズ１の光軸Ｘから離れるほど、角度θは大きくなる）。

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ＣＧ１」と呼ぶ）を偏芯させることにより、対物レンズ１の射出瞳Ｐ０に対して観察光学系２を通る光束の領域Ｐ１を移動させることができ、物体面Ｏを観察する角度θを変化させることができるので、この物体面Ｏを任意の方向から観察することができる。

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３（ｂ）に示すように、第２レンズ群Ｇ２（第１の調整レンズ群ＣＧ１）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ＣＧ２」と呼ぶ）。すなわち、第２の調整レンズ群ＣＧ２を偏芯させて、第１の調整レンズ群ＣＧ１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３（ｂ）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ＣＧ２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ＣＧ２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ＣＧ１，ＣＧ２）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（ｂ）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。

また、変倍光学系３のレンズ群のいずれかを偏芯させる方法は、対物レンズ１に対して観察光学系２が１つ設けられた単眼の顕微鏡装置だけでなく、観察光学系２が２つ設けられた双眼の実体顕微鏡装置にも用いることができる。例えば、図５は、２つの観察光学系２の各々を構成する変倍光学系３の第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２を、左右対称に移動させた場合を示している。対物レンズ１の光軸に対して第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２が互いに近づくように移動させると左右の眼により物体面Ｏを見込む角度が小さくなり、反対に離れるように移動させると見込む角度が大きくなる。また、図５の紙面に直交する方向にこれらのレンズ群ＣＧ１，ＣＧ２を移動させると、物体面Ｏを前方や後方から斜めに観察することができる。

また、図６に示すように、左右の変倍光学系３の第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２は、非対称に移動させることもできる。図６（ａ）は左側の変倍光学系３の第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２だけを偏芯させた場合を示し、図６（ｂ）は左右の変倍光学系３の第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２を同じ方向に偏芯させた場合を示している。このように、対物レンズ１の射出瞳Ｐ０に対して観察光学系２を通る光束の領域Ｐ１を相対的に移動させることにより、観察する物体（物体面Ｏ）の状況により、任意の方向からこの物体面Ｏを観察することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、対物レンズ１に対して観察光学系２全体を相対的に移動させることにより、対物レンズ１の瞳面Ｐ０に対して観察光学系２の光束が通過する領域Ｐ１を相対的に移動させる方法である。上述の実体顕微鏡装置１００の光学系で説明したが、図７に示すように、変倍光学系３を構成する第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３及び第４レンズ群Ｇ４の互いの位置関係を維持した状態で、対物レンズ１に対して変倍光学系３（観察光学系２）を対物レンズ１の光軸に直交する方向に移動させることにより、対物レンズ１の射出瞳Ｐ０に対して観察光学系２の光束がこの射出瞳Ｐ０を通る領域Ｐ１を相対的に移動させることができ、物体面Ｏを観察する角度θを変化させることができる。また、１つの対物レンズ１に対して２つの観察光学系２を有する実体顕微鏡装置でも、図８に示すように、変倍光学系３を構成する第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３及び第４レンズ群Ｇ４の互いの位置関係を維持した状態で、対物レンズ１に対して変倍光学系３（観察光学系２）を相対的に移動させることにより、物体面Ｏを観察する角度θを変化させることができる。

このとき、上述の第１の実施形態で示したように、変倍光学系３を構成するレンズ群の一部を偏芯させる方法を組み合わせることもできる。このように構成すると、観察光学系２を移動させて物体面Ｏを観察する角度を大きく変化させた後、変倍光学系３の第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２を偏芯させて観察する角度を調整するという使い方ができる。

なお、図８に示すように、２つの観察光学系２のいずれか一方の光軸を対物レンズ１の光軸に一致させる場合、その観察光学系２で物体面Ｏを垂直視する場合であるため、この観察光学系２の移動前に、例えば、上述の図５に示すように第１及び第２の調整レンズ群ＣＧ１，ＣＧ２を偏芯させていたときは、対物レンズ１の光軸に一致させる方の変倍光学系３の全てのレンズ群を同一の光軸上（対物レンズ１の光軸上）に位置するように戻す構成とすることもできる。また、上記第１及び第２の実施形態において物体面Ｏの像を観察するためには、図９に示すように、観察光学系２を通過する光束の領域Ｐ１の少なくとも一部が、対物レンズ１の射出瞳Ｐ０内にあることが必要である。

１対物レンズ２観察光学系３変倍光学系
ＣＧ１第１の調整レンズ群ＣＧ２第２の調整レンズ群
５結像光学系１００顕微鏡装置
Ｐ０射出瞳Ｐ１観察光学系を通過する光束の領域

Claims

対物レンズ、及び、観察光学系により物体の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に連続的に移動可能に構成され、前記少なくとも２つのレンズ群の前記直交方向の移動量に応じて、前記対物レンズの射出瞳を含む面内で、前記観察光学系を通過する光束の領域は当該射出瞳に対して相対的に所定量移動することを特徴とする結像光学系。
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、前記対物レンズの射出瞳を含む面内で前記観察光学系を通過する光束の領域を移動させる第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。
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または２に記載の結像光学系。
前記複数のレンズ群は、互いの位置関係を維持した状態で、前記対物レンズに対して、当該対物レンズの光軸と直交する方向に相対的に移動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記観察光学系を通過する光束の領域の少なくとも一部は、前記対物レンズの射出瞳内にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の結像光学系。
請求項１〜５の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。