JP3783888B2

JP3783888B2 - コンデンサレンズおよびこれを用いた顕微鏡照明光学系

Info

Publication number: JP3783888B2
Application number: JP29862896A
Authority: JP
Inventors: 俊明二星
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: EP0841584A2; JPH10142514A; EP0841584A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡による標本等の観察に際して、観察標本等を照明するための照明光学系に関し、さらに詳しくは、この照明光学系に用いられるコンデンサレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡の観察対象、観察態様は多岐にわたっており、これに応じて対物レンズの種類も低倍から高倍まで幅広く使用されている。顕微鏡による標本等の観察に際しては、通常、標本等を照明する照明光学系が用いられるのであるが、このように幅広い倍率の全てに同一の照明光学系で対応するのは難しく、一般的に一種類の光学レンズ系（コンデンサレンズ系）で対応できる範囲は、対物レンズの倍率幅で略１０倍程度でしかない。これは、開口数（Ｎ．Ａ．）と照野とに対する要求は倍率変化に応じて相反する要求であり、広い範囲の倍率に対してこれら両者を同時に満足するには限度があるためである。すなわち、高倍になるほど大きな開口数が必要となるのに対して、低倍になるほど大きな照野が必要となるという背景があるためである。
【０００３】
したがって対物レンズの倍率幅が１０倍程度を越える場合には、何らかの切換手段によって照明光学系の開口数および照野を切り換える必要がある。このような切換は、一般的にコンデンサレンズの焦点距離を切り換えて行われている。
【０００４】
従来から行われている切換方法としては、図４に示すように、コンデンサレンズを二個のレンズＬ８１，Ｌ８２から構成するとともに一方のレンズＬ８２をハネノケ可能としたものがある。このコンデンサレンズの場合には、対物レンズを高倍で使用するときには両レンズを光軸上の位置（使用位置）に位置させ、低倍で使用するときにはレンズＬ８２をハネノケ位置に位置させる。
【０００５】
さらに、図５に示すように、光軸上に固定されたレンズＬ８３と、ハネノケ可能な高倍用レンズＬ８４と、ハネノケ可能な二個の低倍用レンズＬ８５，Ｌ８６とからコンデンサレンズを構成するものもある。このコンデンサレンズでは、高倍の対物レンズを使用するときには低倍用レンズＬ８５，Ｌ８６をハネノケるとともに高倍用レンズＬ８４を光軸上の使用位置に位置させ、一方低倍用の対物レンズを使用するときには高倍用レンズＬ８４をハネノケ、低倍用レンズＬ８５，８６をともに光軸上の使用位置に位置させる。この例としては、例えば、特開昭５２−１５５５５２号公報、特表平７−５０１６３５号公報に開示のコンデンサレンズがある。
【０００６】
また、図６に示すように、光軸上に固定されたレンズＬ８７と、それぞれ独立してハネノケ可能な高倍用レンズＬ８８および低倍用レンズＬ８９とからコンデンサレンズを構成するものもある。このコンデンサレンズでは、高倍対物レンズを用いるときには高倍用レンズＬ８８を使用位置に位置させるとともに低倍用レンズＬ８９をハネノケ、低倍用対物レンズを用いるときには両レンズＬ８８，Ｌ８９をハネノケ、極低倍用対物レンズを用いるときには低倍用レンズＬ８９を使用位置に位置させる。この例としては、例えば、特開昭６３−１８３４１４号公報に開示のものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
まず、図４に示す方法は従来から一般的に使用されており簡単な構成ではあるが、適用可能な対物レンズの倍率範囲が狭い範囲に限られるという問題がある。図５に示す方法の場合は、低倍対物レンズへの対応が難しく上記公報に開示のように２倍程度までの対物レンズまでしか対応ができないという問題がある。また、図６に示す方法の場合は、三段階のレンズ切換が必要であり、使用上で不便という問題に加えて、構造が複雑化しやすく寸法も大きくなりやすいという問題がある。なお、図６の方法を用いた上記公報（特開昭６３−１８３４１４号）のコンデンサレンズの場合には、１．２５倍までの低倍対物レンズにしか対応できず、例えば、１．０倍程度の対物レンズには対応できないという問題もある。
【０００８】
本発明はこのような問題に鑑みたもので、簡単な構成で且つ容易な操作で、１倍から１００倍程度の範囲の対物レンズの超広視野（視野数２５以上）の照明条件に対応可能なコンデンサレンズを提供し、さらに、このコンデンサレンズを用いた顕微鏡照明光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
このような目的達成のため、本発明に係るコンデンサレンズは、光源から照明対象面に至る光軸上において、最も光源側に負屈折力の第１レンズ群を配設し、最も照明対象面側に正屈折力の第３レンズ群を配設し、第１レンズ群および第３レンズ群の間に正屈折力の第２レンズ群を配置して構成され、第１レンズ群および第３レンズ群はそれぞれ、光軸上に位置する使用位置と光軸外に位置するハネノケ位置とに移動可能である。第１の使用状態では、第１レンズ群をハネノケ位置に位置させるとともに第３レンズ群を使用位置に位置せしめてコンデンサレンズ全体として正の屈折力を有するようになっており、第２の使用状態では、第１レンズ群を使用位置に位置させるとともに第３レンズ群をハネノケ位置に位置させてコンデンサレンズ全体を実質的にアフォーカル系となり、また、第２レンズ群の有効径が２６ｍｍ以上である。これにより１倍の対物レンズに要求される２５ｍｍという広視野を照明可能となる。
【００１０】
このような構成のコンデンサレンズの場合には、第１の使用状態および第２の使用状態という２段階の切換のみにより、１倍から１００倍程度という広範囲にわたる対物レンズの照明条件に対応可能となる。
【００１１】
さらに、第２の使用状態におけるコンデンサレンズの倍率βが、
１．１＜ β ＜１．５
なる条件を満足することが望ましく、これにより視野が不足することなく、且つ開口数も不足することがないコンデンサレンズを得ることができる。
【００１２】
また、本発明の顕微鏡照明光学系は、上記のコンデンサレンズと、このコンデンサレンズおよび光源の間の光路中に配設されて光源の像を形成するリレー光学系とにより構成することができる。こ照明光学系においては、第１の使用状態は顕微鏡の高倍使用状態であり、第２の使用状態は前記顕微鏡の低倍使用状態であり、第１の使用状態では、光源から照明対象面に至る光学系がケーラー照明系を構成し、第２の使用状態では、光源から照明対象面に至る光学系がクリティカル照明系を構成する。
【００１３】
なお、第１の使用状態での照明対象面と共役な位置に視野絞りを配置し、リレー光学系による光源の像が形成される位置は開口絞りを配置し、第１の使用状態でのコンデンサレンズの光源側の焦点位置と開口絞りの位置とが一致するように構成するのが好ましい。この場合に、使用位置に位置した第１レンズ群と第２レンズ群との間に開口絞りを位置させるのが望ましい。
また、第２の使用状態における視野絞りは、照明対象面における開口数を決定するように位置決めされる。
【００１４】
以上の構成の顕微鏡照明光学系では、顕微鏡の対物レンズを高倍（例えば、１０〜１００倍）で使用するときにはコンデンサレンズを第１の使用状態にし、低倍（例えば、１〜４倍）で使用するときには第２の使用状態にするだけで高倍から低倍まで全範囲の照明が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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、本発明に係るコンデンサレンズを用いた顕微鏡照明光学系を模式的に図１に示している。この光学系では、光源１から照明対象面２に至る光軸上に、正の屈折力を有するコレクタレンズ３、同じく正の屈折力を有するフィールドレンズ４およびコンデンサレンズ１０がこの順で配設されている。なお、コレクタレンズ３およびフィールドレンズ４によりリレー光学系が構成される。
【００１６】
コレクタレンズ３の前側焦点位置に光源１が配設されており、図１において実線で示すように、光源１を出た光はコレクタレンズ３を通った後、平行光束となってフィールドレンズ４に入射する。コレクタレンズ３の後側焦点位置に視野絞り５が配設されており、この平行光束の大きさを視野絞り５により可変調節可能である。なお、視野絞り５がフィールドレンズ４の前側焦点位置となるようにフィールドレンズ４が配設されている。
【００１７】
フィールドレンズ４に入射した平行光束はフィールドレンズにより収れんされてその後側焦点位置に集まった後、発散光となってコンデンサレンズ１０に入射する。フィールドレンズ４の後側焦点位置に開口絞り６が配設されており、このことから分かるように、光源１と開口絞り６とはリレー光学系（コレクタレンズ３およびフィールドレンズ４）に対して共役な位置にある。
【００１８】
一方、図において破線で示すように、光源１からコレクタレンズ３に入射する平行光束はコレクタレンズ３により収れんされてコレクタレンズ３の後側焦点位置に集まる。この位置には視野絞り５が配設されているが、このように一点に集まるために、破線で示す光は視野絞り５の影響を受けることがない。このように収れんした光は再び発散光となるが、コレクタレンズ３の後側焦点位置にフィールドレンズ４の前側焦点位置が重なって位置するため、この発散光はフィールドレンズ４を通過して平行光束となる。この平行光束の大きさは開口絞り６により可変調節可能である。なお、開口絞り６の位置において実線で示す光が一点に収れんしているため、この実線で示す光は開口絞り６の影響を受けることがない。
【００１９】
以上の構成の照明光学系を構成するコンデンサレンズ１０の具体的な構成を図２に示している。コンデンサレンズ１０は、光軸上に固定配置された固定凸レンズ１１（第２レンズ群）と、光軸上からハネノケ可能な高倍用凸レンズ１２（第３レンズ群）と、同じく光軸上からハネノケ可能な低倍用凹レンズ１３（第１レンズ群）とから構成される。高倍用対物レンズを用いるときには、図２（ａ）に示すように、高倍用凸レンズ１２を光軸上の位置（使用位置）に位置させ、低倍用凹レンズ１３は光軸上からハネノケる。一方、低倍用対物レンズを用いるときには、図２（ｂ）に示すように、低倍用凹レンズ１３を光軸上の使用位置に位置させ、高倍用凸レンズ１２は光軸上からハネノケるようになっている。
【００２０】
【実施例】
このようにして高倍用対物レンズと低倍用対物レンズとでコンデンサレンズを切換使用する場合の照明光学系の構成を図３に示している。まず、高倍用対物レンズを用いる場合について、図３（ａ）を参照して説明する。
【００２１】
前述のように、実線で示す光源１からの発散光はコレクタレンズ３を通過して平行光束となってフィールドレンズ４に入射し、フィールドレンズ４を通過して収れん光となって開口絞り６の配設位置Ｂに集まった後、発散光となってコンデンサレンズ１０（固定凸レンズ１１）に入射する。ここで、位置Ｂはこの状態のコンデンサレンズ１０（固定凸レンズ１１と高倍用凸レンズ１２とからなるレンズ群）の前側焦点位置に位置しており、コンデンサレンズ１０を通過して光は平行光束となって照明対象面２を照明する。この構成から分かるように、この光学系はケーラー照明系を構成する。このときコンデンサレンズ１０を通過した平行光束が当たる照明対象面２の大きさ、すなわち照野ｈは視野絞り５により調節可能である。
【００２２】
このようにケーラー照明系を構成する図３（ａ）の照明光学系では、図において破線で示す光源１からの平行光束は、コレクタレンズ３により視野絞りの配設位置Ａに収れんされた後、発散光となってフィールドレンズ４を通過して平行光束となる。この平行光束の大きさは開口絞り６により調節可能であり、開口絞り６により調節された平行光束は、コンデンサレンズ１０に入射する。
【００２３】
このコンデンサレンズ１０（固定凸レンズ１１と高倍用凸レンズ１２とからなるレンズ群）の後側焦点位置に照明対象面２が位置しており、コンデンサレンズ１０に入射した平行光束は照明対象面２上の一点に収れんされる。このときの収れん光１０のなす角θにより開口数Ｎ．Ａ．＝ｓｉｎθが決まる。このことから分かるように、開口絞り６により開口数Ｎ．Ａ．を可変調整可能である。また、この照明系では視野絞り５と照明対象面２とが共役な位置関係となる。
【００２４】
このようにケーラー照明を構成する図３（ａ）の照明系は、１０倍〜１００倍の対物レンズの照明用に用いられ、本実施例では具体的には次のように設定されている。まず、コンデンサレンズ１０の焦点距離ｆcon ＝１２、フィールドレンズの焦点距離ｆfl＝１００、視野絞り最大径Ｄ１＝３６φ、開口絞り最大径Ｄ２＝２１．６φと設定されている。この結果、最大照野ｈ(max) ＝３６×（１２／１００）＝４．３φが得られる。また、最大開口数Ｎ．Ａ．＝０．９（＝１０．８／１２）が得られる。ここで、視野絞りのフィールドレンズ４に張る角度（α）が開口絞り６の最大径を与える。この角度の最大値αmax ＝１０．８／１００＝０．１０８である。
【００２５】
次に、低倍用対物レンズを用いる場合について、図３（ｂ）を参照して説明する。この図において、実線で示す光源１からの平行光束はコレクタレンズ３を通過して視野絞りの配設位置Ａに収れんした後、発散しながらフィールドレンズ４を通過して平行光束となる。この平行光束はコンデンサレンズ１０を構成する低倍用凹レンズ１３を通過して若干発散される光となって拡大されて固定凸レンズ１１に入射する。低倍用凹レンズ１３と固定凸レンズ１１とは略アフォーカル系を構成しており、固定凸レンズ１１に入射した光は再び平行光束となって照明対象面２を照射する。
【００２６】
一方、図において破線で示す発散光はコレクタレンズ３を通過して平行光束となり、その大きさが視野絞りで可変調整された後、フィールドレンズ４に入射する。そして、フィールドレンズ４により収れんされてコンデンサレンズ１０に入射し、このコンデンサレンズ１０を通過して照明対象面２の一点に集まる。このことから分かるように、光源１の像が照明対象面２に結像するようになっており、この照明系全体としてクリティカル照明となる。
【００２７】
このようにクリティカル照明を構成する本実施例は、１倍〜４倍程度の対物レンズの照明用に用いられ、本実施例では上述のように略アフォーカル系を構成する低倍用凹レンズ１３と固定凸レンズ１１とは横倍率β＝１．２に設定された。この結果、フィールドレンズ４とコンデンサレンズ１０との合成焦点距離ｆfc＝ｆfl×１．２＝１２０となる。従って、この照明系の最大照野ｈ(max) ＝１２０×αmax ×２＝２６となり、１倍の対物レンズに必要な照野ｈ＝２５を満足する。なお、このとき、開口絞り６は照野ｈの大きさを調整する役割、すなわち、照野絞りとしての役割を果たす。
【００２８】
一方、このように略クリティカル照明であるため、視野絞り５が開口絞りの役割を果たす。従って、開口数Ｎ．Ａ．＝（視野絞り半径）／（合成焦点距離）＝１８／１２０＝０．１５となり、一般的な４倍対物レンズの開口数の照明条件を十分満足することができる。
【００２９】
ここで、１倍の対物レンズに必要な照野ｈ＝２５を満足するには、固定凸レンズ１１は少なくとも２５φの有効径が必要で若干の余裕をみて２６φの有効径を有することが必要である。また、この２６φの有効径を上記実施例では低倍用凹レンズ１３と固定凸レンズ１１とは横倍率β＝１．２を有するアフォーカル系に設定されているが、この横倍率βは、１．１＜β＜１．５の範囲で設定するのが好ましい。横倍率が下限値を下回ると照野が不足し、上限値を上回ると開口数が不足するためである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるコンデンサレンズは、光源と照明対象面との間に、ハネノケ可能な負屈折力の第１レンズ群と、固定配設される正屈折力の第２レンズと、ハネノケ可能な正屈折力の第３レンズ群とを配設して構成され、第１の使用状態では、第１レンズ群をハネノケ位置に位置させるとともに第３レンズ群を使用位置に位置せしめてコンデンサレンズ全体として正の屈折力を有するようになっており、第２の使用状態では、第１レンズ群を使用位置に位置させるとともに第３レンズ群をハネノケ位置に位置させてコンデンサレンズ全体を実質的にアフォーカル系とするようになっていので、このような構成のコンデンサレンズの場合には、第１の使用状態および第２の使用状態という２段階の切換のみにより、１倍から１００倍程度という広範囲にわたる対物レンズの照明条件に対応可能である。
【００３１】
さらに、第２レンズ群の有効径は２６ｍｍ以上であるので、１倍の対物レンズに要求される２５ｍｍという広視野を照明可能である。
【００３２】
さらに、第２の使用状態におけるコンデンサレンズの倍率βが、１．１＜β ＜１．５なる条件を満足することが望ましく、これにより視野が不足することなく、且つ開口数も不足することがないコンデンサレンズを得ることができる。
【００３３】
また、本発明の顕微鏡照明光学系は、上記のコンデンサレンズと、このコンデンサレンズおよび光源の間の光路中に配設されて光源の像を形成するリレー光学系とにより構成され、顕微鏡の高倍対物レンズ使用時には第１の使用状態のコンデンサレンズが用いられ、低倍対物レンズ使用時には第２の使用状態のコンデンサレンズが使用される。その上で、第１の使用状態では、光源から照明対象面に至る光学系がケーラー照明系を構成し、第２の使用状態では、光源から照明対象面に至る光学系がクリティカル照明系を構成するので、顕微鏡の対物レンズを高倍（例えば、１０〜１００倍）で使用するときにはコンデンサレンズを第１の使用状態にし、低倍（例えば、１〜４倍）で使用するときには第２の使用状態にするだけで高倍（１００倍）から低倍（１倍）まで全範囲の照明が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る顕微鏡照明光学系の構成を示す概略図である。
【図２】上記光学系に用いられる本発明に係るコンデンサレンズ構成を示す図である。
【図３】高倍対物レンズを使用する場合の本発明に係る顕微鏡照明光学系と、低倍対物レンズを使用する場合の本発明に係る顕微鏡照明光学系とをそれぞれ示す構成図である。
【図４】従来のコンデンサレンズの構成図である。
【図５】従来のコンデンサレンズの構成図である。
【図６】従来のコンデンサレンズの構成図である。
【符号の説明】
１光源
２照明対象面
３コレクタレンズ
４フィールドレンズ
５視野絞り
６開口絞り
１０コンデンサレンズ

Claims

光源から照明対象面に至る光軸上に配置される照明光学系用のコンデンサレンズであって、
最も光源側に配置される負屈折力の第１レンズ群と、
最も前記照明対象面側に配置される正屈折力の第３レンズ群と、
前記第１レンズ群および前記第３レンズ群の間に配置される正屈折力の第２レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群および第３レンズ群はそれぞれ、前記光軸上に位置する使用位置と、前記光軸外に位置するハネノケ位置とに移動可能であり、
第１の使用状態では、前記第１レンズ群をハネノケ位置に位置させるとともに前記第３レンズ群を使用位置に位置せしめ、前記コンデンサレンズ全体として正の屈折力を有し、
第２の使用状態では、前記第１レンズ群を使用位置に位置させるとともに前記第３レンズ群をハネノケ位置に位置させ、前記コンデンサレンズ全体が実質的にアフォーカル系となり、
前記第２レンズ群の有効径が２６ｍｍ以上であることを特徴とするコンデンサレンズ。
前記第２の使用状態における前記コンデンサレンズの倍率βが、
１．１＜ β ＜１．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサレンズ。
請求項１もしくは２に記載のコンデンサレンズと、このコンデンサレンズおよび前記光源との間の光路中に配設されて前記光源の像を形成するリレー光学系とを備えた顕微鏡照明光学系であって、
前記第１の使用状態は前記顕微鏡の高倍使用状態であり、前記第２の使用状態は前記顕微鏡の低倍使用状態であり、
前記第１の使用状態では、前記光源から前記照明対象面に至る光学系がケーラー照明系を構成し、
前記第２の使用状態では、前記光源から前記照明対象面に至る光学系がクリティカル照明系を構成することを特徴とする顕微鏡照明光学系。
前記第１の使用状態での前記照明対象面と共役な位置には視野絞りが配置され、
前記リレー光学系による前記光源の像が形成される位置には開口絞りが配置され、
前記第１の使用状態での前記コンデンサレンズの前記光源側の焦点位置と、前記開口絞りの位置とが一致するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡照明光学系。
使用位置に位置した前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記開口絞りが位置することを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡照明光学系。
前記第２の使用状態における前記視野絞りは、前記照明対象面における開口数を決定するように位置決めされることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡照明光学系。