JP2015084041A - 反射屈折光学系および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】収差補正用の光学素子を用いながらもコンパクトな反射屈折光学系を提供する。【解決手段】反射屈折光学系１０４Ａは、２つの反射面Ｍ１，Ｍ２と屈折部ＤＩＯとを含む。該光学系は、該２つの反射面の間に配置され、光を透過させる光学素子ＰＬと、該光学素子を、該反射屈折光学系の光軸に対して傾けることが可能であり、かつその傾き量の変更を可能とするように支持する支持手段５０とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、物体の光学像を形成するための光学系として好適な反射屈折光学系およびこれを用いた撮像装置等の光学機器に関する。

病理診断において病理標本（試料）を撮像してその画像データを取得し、その画像データをディスプレイに表示することで病理標本の画像を観察可能とするバーチャル顕微鏡等と称される撮像装置が注目されている。この撮像装置を用いれば、試料の画像データを複数人で同時に観察したり遠方の病理医と共有したりすること等が可能となる。

このような撮像装置において、対物光学系の視野内に収まらない大きな試料を観察する場合には、試料と対物光学系とを相対移動させながら複数回撮像し、取得された複数の画像データをつなぎ合わせることで試料全体の画像データを取得する必要がある。この場合、できるだけ撮像回数を減らして画像データを取得する時間を短縮するために、広い視野（撮像領域）を有する対物光学系が求められる。さらに、試料を観察する上では、広い撮像領域を有するだけでなく、可視光域において高い解像力を有する対物光学系が必要となる。

可視光域の全域において収差を良好に低減するのに有効な光学系として、反射光学系と屈折光学系とを組み合わせた反射屈折光学系（カタディオプトリック光学系）が用いられる場合がある。この反射屈折光学系は、面形状に対するペッツバール和の効き方が反射面と屈折面とで反対となることを利用し、それぞれ集光作用を持つ凹反射面と凸レンズとを組み合わせることにより、コンパクトかつ可視光域の全域で収差を良好に低減することを可能とする。

ただし、反射屈折光学系を構成する反射面やレンズの製造誤差や組立て誤差があるため、目標とする性能を達成するためには、該誤差によって生じた収差を補正する必要がある。誤差によって生じる主な収差であるコマ収差や非点収差を補正するために、特許文献１〜３には、平行平板を利用した光学系を開示している。具体的には、この光学系の物面側もしくは像面側をテレセントリックとし、該光学系と物面もしくは像面の間に収差補正用の平行平板を挿入する。

特開平１１−１２１３２２号公報 特開２００４−０２０８６８号公報 特開２００５−２９２６４１号公報

しかしながら、光学系の物面もしくは像面側をテレセントリックとして該光学系と物面との間または像面との間に収差補正用の平行平板を挿入するためには、光学系の全長を伸ばしてスペースを確保する必要がある。このため、コンパクトな光学系を構成することが難しい。

本発明は、収差補正用の光学素子を用いながらもコンパクトな反射屈折光学系およびこれを用いた撮像装置等の光学機器を提供する。

本発明の一側面としての反射屈折光学系は、２つの反射面と屈折部とを含む。該光学系は、該２つの反射面の間に配置され、光を透過させる光学素子と、該光学素子を、該反射屈折光学系の光軸に対して傾けることが可能であり、かつその傾き量の変更を可能とするように支持する支持手段とを有することを特徴とする。

なお、上記反射屈折光学系を用いた光学機器や、該反射屈折光学系により形成された物体像を撮像する撮像素子を有する撮像装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、収差補正用の光学素子を２つの反射面の間に配置することによりコンパクトさを失わず、該光学素子の傾き量を変更（調整）することにより良好な収差補正を行うことができる反射屈折光学系を実現することができる。したがって、この反射屈折光学系を用いた撮像装置では、高画質の画像を取得することができる。

本発明の実施例である撮像装置の概略構成を示す図。 本発明の実施例１である結像光学系の概略図。 本発明の実施例２である結像光学系の概略図。 本発明の実施例３である結像光学系の概略図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

以下に説明する本発明の実施例である屈折反射光学系は、２つの反射面と屈折部とを有する。そして、以下の第１の特徴を必ず有するとともに、第２〜第４の特徴を選択的に有する。

第１に、２つの反射面の間に収差補正用光学素子が配置されている。該光学素子は、２つの反射面のうち少なくとも一方の反射面に向かう又は少なくとも一方の反射面で反射した光もしくはいずれの反射面で反射せずに屈折部に向かう光を透過させる。そして、該光学素子を、反射屈折光学系の光軸（以下、結像光軸という）に対して任意の方向に傾けることが可能であり、かつその傾き量の変更を可能とするように支持する支持機構を有する。

第２に、収差補正用光学素子において、少なくとも上記光が透過する部分が平行平板形状を有する。

第３に、２つの反射面の間に収差補正用光学素子が結像光軸が延びる方向（以下、結像光軸方向という）に並んで複数配置される場合は、支持機構により、少なくとも１つの光学素子を他の光学素子とは反対側に結像光軸に対して傾けることを可能に支持する。また、該複数の光学素子は、光学特性が同じ光学材料（例えば、硝材）により形成されている。

第４に、上記各反射面は、その中央に透過部（中央透過部）を有する。

図１には、実施例１である屈折反射光学系を、対物光学系（結像光学系）１０４として用いたバーチャル顕微鏡（撮像装置）１０００の構成を示している。光源１０１からの光（照明光）は、照明光学系１０２を通って試料１０３を均一に照明する。照明光としては、可視光（例えば波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）が用いられる。対物光学系１０４によって試料１０３の光学像（物体像）が形成され、その光学像は撮像素子１０５により撮像される。

撮像素子１０５からの電気信号（撮像信号）は画像処理系１０６に入力され、ここで撮像信号に対する各種画像処理が行われることで画像データが生成される。画像データは、撮像装置１０００に設けられた不図示のモニタに表示されたり、記録媒体に記録保存されたりする。また、画像処理系１０６は、対物光学系１０４によっては光学的に補正しきれなかった収差を画像処理によって補正したり、異なる位置での撮像により取得された複数の画像データを繋ぎ合わせて１つの画像データを生成したりする。

図２には、図１中の対物光学系１０４として用いられる屈折反射光学系１０４Ａの構成を示している。図２において、１０３は物体としての試料であり、１０５は図１にも示した撮像素子である。試料１０３側（物体側）から、ＣＡＴは反射屈折部であり、ＤＩＯは屈折部である。反射屈折部ＣＡＴは、ミラーＭ１と、マンジンミラーＭ２と、収差補正用光学素子としての平行平板ＰＬとを含む。ＡＳは屈折部ＤＩＯ内に設けられた開口絞りである。

照明光によって照明された試料１０３からの光は、ミラーＭ１の中央透過部と平行平板ＰＬとを透過した後、マンジンミラーＭ２の裏面で反射し、再び平行平板ＰＬを透過する。その後、光はミラーＭ１で反射し、平行平板ＰＬを透過し、マンジンミラーＭ２の中央透過部を透過して中間像ＩＭを形成する。ミラーＭ１およびマンジンミラーＭ２で反射することなく、それらの中央透過部を透過する光は、開口絞りＡＳの近傍に配置された遮光部ＳＨによって遮光されることで、撮像素子１０５への到達が阻止される。中間像ＩＭは、屈折部ＤＩＯによって拡大されて撮像素子１０５上に再結像される。

物面に相当する試料１０３とミラーＭ１との間に平行平板ＰＬを配置するためには、試料１０３とミラーＭ１との間の間隔（距離）を広げるとともに、ミラーＭ１の中央透過部の径を大きくする必要がある。このことは、屈折反射光学系１０４Ａの全長の増加と結像性能の低下を招く。

一方、像面に相当する撮像素子１０５と屈折部ＤＩＯの最も像面側のレンズ（最終レンズ）との間に平行平板ＰＬを配置するためには、撮像素子１０５と屈折部ＤＩＯの最終レンズとの間の間隔（距離）を広げる必要がある。このことは、屈折反射光学系１０４Ａの全長の増加につながる。このように、試料１０３とミラーＭ１との間や撮像素子１０５と屈折部ＤＩＯの最終レンズとの間の平行平板ＰＬを配置することで、屈折反射光学系１０４Ａをコンパクトに構成することが難しくなり、また結像性能上もデメリットが生ずる。

一方、本実施例では、平行平板ＰＬを反射屈折部ＣＡＴを構成するミラーＭ１とマンジンミラーＭ２との間（２つの反射面間）に配置している。ここで、反射面間に収差補正用のレンズを配置すると、該レンズにおける同一レンズ面を３回光が透過することになるため、収差補正に最適なレンズ面の形状を得ることは難しい。このため、収差補正を考えると、一般には反射面間にレンズが配置されることはない。逆に言えば、反射面間において空間的な余裕を得やすい。本実施例では、このように空間的に余裕のあるミラーＭ１とマンジンミラーＭ２との間に収差補正用の平行平板ＰＬを配置することで、ミラーＭ１の中央透過部の径を大きくする必要なく、コンパクトな屈折反射光学系１０４Ａを実現している。

そして、本実施例では、平行平板ＰＬは図２に示す支持機構５０によって支持されている。５１は固定受け部材であり、その外周部が屈折反射光学系１０４Ａを収容する不図示の鏡筒や顕微鏡の本体等の筐体に相当する部材に固定される。該固定受け部材５１の内周面は、凹球面形状を有する。５２は平行平板ＰＬの外周３箇所に取り付けられた可動保持部材であり、その外周面は凸球面形状を有する。可動保持部材５２の外周面（凸球面）が、固定受け部材５１の内周面（凹球面）に当接することで、平行平板ＰＬがミラーＭ１とマンジンミラーＭ２との間の結像光軸方向での所定位置に支持される。

さらに、可動保持部材５２の外周面は固定受け部材５１の内周面に対してスライド可能であるので、平行平板ＰＬを結像光軸に対して任意の方向（図２中の矢印方向）に傾けることが可能である。しかも、平行平板ＰＬの結像光軸に対する傾き量を調整可能（変更可能）である。平行平板ＰＬを結像光軸に対して傾けるとともに、その傾き量を調整することで、反射屈折光学系１０４Ａを構成するレンズやミラーの製造誤差や組立て誤差に起因するコマ収差を補正（低減）することができる。

なお、平行平板ＰＬの傾き調整が終了した後は、その傾きが維持されるように、可動保持部材５２を固定受け部材５１に固定してもよい。

また、本実施例のように、ミラーＭ１とマンジンミラーＭ２に中央透過部を形成することによって、これらの間に配置した平行平板ＰＬの有効径を大きくすることができる。また、これとともに瞳面に近い位置に平行平板ＰＬを配置することによって、平行平板ＰＬを傾けて調整する際の各画角での調整量のばらつきを抑えることができる。

図３を用いて本発明の実施例２について説明する。図３には、図１中の対物光学系１０４として用いられる屈折反射光学系１０４Ｂの構成を示している。本実施例において、実施例１（図２）と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。本実施例では、反射屈折部ＣＡＴにおける２つの反射面であるマンジンミラーＭ１１とマンジンミラーＭ２との間に、複数（２つ）の収差補正用光学素子としての第１の平行平板ＰＬ１と第２の平行平板ＰＬ２が結像光軸方向に並ぶように配置されている。

照明光によって照明された試料１０３からの光は、マンジンミラーＭ１１の中央透過部と第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２を透過した後、マンジンミラーＭ２の裏面で反射し、再び第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２を透過する。その後、光はマンジンミラーＭ１１で反射し、第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２を透過し、マンジンミラーＭ２の中央透過部を透過して中間像ＩＭを形成する。マンジンミラーＭ１１，Ｍ２で反射することなく、それらの中央透過部を透過する光は、開口絞りＡＳの近傍に配置された遮光部ＳＨによって遮光されることで、撮像素子１０５への到達が阻止される。中間像ＩＭは、屈折部ＤＩＯによって拡大されて撮像素子１０５上に再結像される。

第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２は、実施例１において図２に示した支持機構５０と同様の支持機構によってそれぞれ支持されている。本実施例では、第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２を、結像光軸に対して、互いに同じ傾き量で互いに反対側に傾けることによって、レンズの製造誤差により発生する非点収差を補正（低減）することができる。なお、第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２の傾き量を互いに異ならせることで、コマ収差も同時に補正することができる。さらに、第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２を互いに同じ側に傾けてもよい。

また、第１および第２の平行平板ＰＬ１，ＰＬ２は、屈折率等の光学特性が同じ光学材料（例えば、硝材）により、互いに同じ寸法（特に同じ厚さ）を有するように形成することが望ましい。

図４を用いて本発明の実施例３について説明する。図４には、図１中の対物光学系１０４として用いられる屈折反射光学系１０４Ｃの構成を示している。本実施例において、実施例１（図２）と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付して説明に代える。本実施例では、実施例１に示した試料１０３と反射屈折部ＣＡＴとの間に、第１の屈折部ＤＩＯ１が配置されている。撮像素子１０５と反射屈折部ＣＡＴとの間には、実施例１の屈折部ＤＩＯと同様の第２の屈折部ＤＩＯ１が配置されている。

試料１０３からの光は、屈折部ＤＩＯ１によって集光され、第１の中間像ＩＭ１を形成する。第１の中間像ＩＭ１は、反射屈折部ＣＡＴによってほぼ等倍で第２の中間像ＩＭ２として再結像される。さらに、第２の中間像ＩＭ２は、屈折部ＤＩＯ２によって拡大されて撮像素子１０５上に再結像される。

本実施例では、反射屈折部ＣＡＴ内のマンジンミラーＭ１１とマンジンミラーＭ２との間に、収差補正用光学素子としての平行平板ＰＬを配置している。そして、実施例１と同様の支持機構（図示せず）によって支持された平行平板ＰＬを結像光軸に対して傾けるとともに、その傾き量を調整することで、レンズやミラーの製造誤差や組立て誤差に起因するコマ収差を補正することができる。

なお、上記各実施例では、反射屈折部と屈折部とにより構成され、物体からの光を２回結像または３回結像させる反射屈折光学系の構成例について説明したが、１回結像や４回結像させる反射屈折光学系の構成であってもよい。

また、上記各実施例では、反射屈折光学系を対物光学系として用いた撮像装置について説明した。しかし、同様に構成された反射対物光学系を、表示画像を観察するための観察装置の光学系として用いたり、画像を投射するための画像投射装置の光学系として用いたりしてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

良好に収差補正が可能な反射屈折光学系やこれを用いた光学機器を提供できる。

１０３ 試料
１０４ 結像光学系
１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ 反射屈折光学系
ＣＡＴ 反射屈折部
ＤＩＯ 屈折部
Ｍ１ミラー
Ｍ２，Ｍ１１ マンジンミラー
ＰＬ 平行平板

Claims (7)

1. ２つの反射面と屈折部とを含む反射屈折光学系であって、
   前記２つの反射面の間に配置され、光を透過させる光学素子と、
   前記光学素子を、前記反射屈折光学系の光軸に対して傾けることが可能であり、かつその傾き量の変更を可能とするように支持する支持手段と、を有することを特徴とする反射屈折光学系。
2. 前記光学素子のうち少なくとも前記光が透過する部分が平行平板形状を有することを特徴とする請求項１に記載の反射屈折光学系。
3. 前記光軸が延びる方向に配置された複数の前記光学素子を有し、
   前記支持手段は、前記複数の光学素子を、少なくとも１つの前記光学素子と他の前記光学素子とを前記光軸に対して互いに反対側に傾けることを可能とするように支持することを特徴とする請求項１または２に記載の反射屈折光学系。
4. 前記光軸が延びる方向に配置された複数の前記光学素子を有し、
   前記支持手段は、前記複数の光学素子を、少なくとも１つの前記光学素子の前記傾き量と他の前記光学素子の前記傾き量とを互いに異ならせることを可能とするように支持することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の反射屈折光学系。
5. 前記複数の光学素子は、光学特性が同じ光学材料により形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の反射屈折光学系。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の反射屈折光学系を有することを特徴とする光学機器。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の反射屈折光学系と、
   該反射屈折光学系により形成された物体像を撮像する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。