JP4615815B2

JP4615815B2 - 実体顕微鏡

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Publication number: JP4615815B2
Application number: JP2002316219A
Authority: JP
Inventors: 一博林
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004151351A; US20040085638A1; US7133199B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実体顕微鏡に関する。特に、顕微鏡正面に向かって左右一対の変倍光学系を含む観察光学系、あるいは、左右一対の変倍光学系と共通の対物レンズを有する観察光学系によって、立体的な像を観察可能な実体顕微鏡の透過照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの実体顕微鏡用透過照明装置において、照明ムラ及び照明効率の改善を目的として、１次元方向に周期的な構造を持つ光学素子（以下、プリズムシートと称す。）や、それに類する部材を配置した照明装置として、特許文献１や特許文献２に示されるものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５１−８２４６６号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平５−４０２２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、実体顕微鏡では、観察倍率をより広い範囲で変化させたいという要望が強まっている。図５（ａ）〜（ｃ）は、ズームレンズ（不図示）にて倍率を変化させた場合の様子を示している。ここでは、全視野を照明するのに必要な光束が対物レンズ６から照明系中の拡散板３に至るまでの逆光線追跡の光路を示している。図中、１は光源、２はコレクターレンズ、３は拡散板、４ａは拡散板３の近傍に配置された凸レンズ、４ｂは観察面５近傍に配置された凸レンズ、５は観察面（又は、観察位置）、６は対物レンズであり、ｐは観察系の瞳、ｐ’はｐと共役位置である。
【０００６】
図５に示すように、観察光学系中に配置されたズームレンズにて倍率を変化させると、観察系の瞳ｐと共役な位置ｐ’の位置とその大きさは大きく変化することがわかる。また、視野の各点に至る光束が拡散板３に入射する角度も様々であることが分かる（各倍率により、瞳ｐとｐ’の大きさが異なるのは、一般的に観察系の倍率が高くなるにつれて、その開口角が大となるためである。）。
【０００７】
また、このズームレンズに焦点距離の異なる対物レンズ６を用いて、観察可能な倍率範囲を広げる場合には、上記の現象はさらに顕著になる。このような広い倍率範囲に渡って瞳ｐとｐ’を光束が満たしつつ、視野ムラの少ない照明を単一の構成で実現することは従来の照明では困難であった。
【０００８】
また、図６（ａ）に、焦点距離の長い（ｆ＝１００ｍｍ）対物レンズ６−１００を装着した実体顕微鏡の光源１から対物レンズ６−１００に至る光路を示す。光源１からの光を概ね平行光束とするコレクタレンズ２と、コレクターレンズ２から射出した光束を受けて面状の２次光源を形成する拡散板３と、拡散板３より発散する光束を収斂光束へと変換し、観察面５の観察物に照射する拡散板３近傍に配置された凸レンズ４ａと観察面５近傍に配置された凸レンズ４ｂとからなる凸レンズ系とが配置されている。
【０００９】
図６（ａ）のように、対物レンズ６−１００の焦点距離が長い（ｆ＝１００ｍｍ）場合には、観察面５の視野の周辺に至る光束は逆光線追跡で拡散板３へと導かれるので、ケラレは生じない。しかし、図６（ｃ）のように、焦点距離が短い（ｆ＝５０ｍｍ）対物レンズ６−５０が装着される場合には、観察面５の視野の周辺に至る光束は逆光線追跡で照明光学系を外れてしまうので、ケラレが生じる。なお、図６（ｂ）は、対物レンズ６−７５の焦点距離が中間（ｆ＝７５ｍｍ）の場合で、観察面５の視野の周辺に至る光束は逆光線追跡で拡散板３へと導かれるので、ケラレは生じない。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みたものであり、その目的は、広い倍率範囲で観察する場合においても、視野ムラが少ない照明を実現することである。また、そのような照明を備えた実体顕微鏡を実現することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の実体顕微鏡は、光源より順に、光源から発した光を概略平行光束とするコレクタレンズと、概略平行光束により面光源を形成する拡散板と、前記拡散板よりに配置した凸レンズと、該凸レンズとは異なる最も観察面側に配置された別の凸レンズと、前記別の凸レンズの近傍に配置された入射した光束を左右に分割する作用を有する１次元方向に周期的な構造を持つプリズムシートと、を含む透過照明装置を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合に、１次元方向に周期的な構造を持つ光学素子が入射した光束を分割する角度αは、以下の範囲にあることが望ましい。
【００１３】
０．５Ｄ／Ｌ＜ｔａｎα＜０．９Ｄ／Ｌ・・・（１）
ただし、Ｄ：２次光源の有効径、
Ｌ：１次元方向に周期的な構造を持つ光学素子から２次光源までの距離、
である。
【００１４】
また、本発明の実体顕微鏡は、光源より順に、少なくとも、コレクタレンズと、拡散板とを有する透過照明系において、観察物を照明する開口角が観察光学系の瞳を充分に満たし、さらに、１：１．２〜２の縦横比である透過照明装置を有することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実体顕微鏡用透過照明装置とその透過照明装置を用いた実体顕微鏡の基本原理とその実施形態について説明する。
【００１６】
上記のように、観察する倍率範囲が広い場合には、瞳の共役位置ｐ’の位置とその大きさが大きく変化するので、全ての状態において均一な照明を得るためには、相当に大きな面光源が必要になる。
【００１７】
そこで本発明では、図６に示した構成に加えて、観察面５に最も近い凸レンズ４ｂ付近に図１に示すようにプリズムシート７を配置している。このプリズムシート７は、入射した光束を左右に分割する作用を有しており、照明光束は図１のように２方向に分割される。これを、観察面５側から眺めた場合には、図２に示すように、点線で示された２つの面光源９、９’があることと同一と見なせる。
【００１８】
そのため、以上の構成により、対物レンズ６の焦点距離が、例えば１００ｍｍから５０ｍｍ程度の範囲で、ケラレのない照明系が実現できる。その様子を図３（ａ）〜（ｃ）に示している。それぞれ図６（ａ）〜（ｃ）に対応しているが、図６（ｃ）のように、焦点距離が短い（ｆ＝５０ｍｍ）対物レンズ６−５０が装着される場合にも、観察面５の視野の周辺に至る光束は分割された２つの面光源９、９’へと導かれており、ケラレが生じない。
【００１９】
本発明の実体顕微鏡用透過照明装置の１実施形態を図４に示す。本発明の照明光学系では、光源１より発した光をコレクターレンズ２によって概略平行光束として拡散板３へと導く。拡散板３には概ね均一な光が当たり、大きく均一な面光源が形成される。次に、拡散板３より発散する光束を収斂光束へと変換し、観察面５上の観察物を照明するための凸レンズ４ａと４ｂが配置されており、観察物に近い側の凸レンズ４ｂの近傍にプリズムシート７が配置されている。光源１からの光は偏向ミラー８により上方に偏向され、このプリズムシート７に到る。
【００２０】
なお、図４では、対物レンズ６より上側の変倍光学系１１から接眼レンズ１２に至るまでの光学系の図示は省いてある。また、この図で示す方向（面内）に対して、プリズムシート７は光束を分割する作用を持たないため、光束が分割されている様子は示されていない。
【００２１】
図３（ａ）のように仮想的な２つの面光源９と９’が左右方向に対して広がりを持つようにするためには、拡散板３とプリズムシート７との間隔Ｌがある程度以上離れている必要がある。また、図６（ｃ）より対物レンズ６−５０の焦点距離が短い場合には、ある点を境に必要な光束径が急激に大きくなることは明白である。よって、プリズムシート７はこれより観察面５に近い位置にあることが望ましい。また、より焦点距離の短い対物レンズ６にも対応するためには、極力観察面５の近くに配置されることが望ましい。
【００２２】
しかし、プリズムシート７を観察面５に近づけすぎたり、プリズムシート７のピッチが粗い場合には、観察物にプリズムシート７のパターンが重なって見える不具合が生じる。そのため、本実施例では、プリズムシート７を観察面５より１０ｍｍから２５ｍｍ離れた位置（観察面５に最も近い凸レンズ４ｂ付近）に配置している。また、プリズムシート７のピッチが細かくなりすぎると、回折格子としての作用を持つことになるため、そのピッチの適当な範囲は０．１〜０．０１ｍｍとしている。なお、観察面５に最も近い位置に配置された凸レンズ４ｂも、図６（ａ）に示すように焦点距離が長い対物レンズ６−１００を用いた場合に、照明に必要な光束径が広がるのを抑える目的から、同様に観察面５に近い位置に配置されている。
【００２３】
また、プリズムシート７により得られる仮想的な２つの面光源９、９’は、顕微鏡正面に向かって左右方向にある程度以上離れていないと、大きな面光源としての効果が得られなくなる。そのため、焦点距離の短い対物レンズ６−５０を組み合わせた際に生じるケラレをなくすことができない。また、２つの面光源９、９’が完全に離れてしまうと、中抜けがある不自然な照明角で観察物を照明することになる。よって、プリズムシート７により分割される光線の角度αは、以下の範囲内であることが望ましい。
【００２４】
０．５Ｄ／Ｌ＜ｔａｎα＜０．９Ｄ／Ｌ・・・（１）
ただし、Ｄ：面光源３の有効径、
Ｌ：プリズムシート７から面光源３までの距離、
である。
【００２５】
ところで、一般的に、焦点距離の短い対物レンズ（約７０ｍｍ以下）を使用する際には、図６（ｃ）のように、視野の周辺を照らすのに必要な光束は、照明光学系の外にはみ出してケラレが生じ易い。そのため、観察面５に最も近い凸レンズ４ｂの近傍に別の凸レンズ４ａを追加するか、凸レンズ４ｂより焦点距離の短い凸レンズに交換する等してケラレの発生を防止することになる。
【００２６】
この場合、実体顕微鏡の使用者は、焦点距離の異なる対物レンズに交換する都度、照明光学系の光路切替えを行う必要がある。これに対して、本発明の上記の照明装置を用いれば、対物レンズ６を交換する都度、照明装置の切替えを行う必要がないので、操作性が格段に向上し、効率的な観察ができる。
【００２７】
また、本発明の副次的な効果として、観察物の見え方にも特徴がある。実体顕微鏡では、観察物を左右の異なる角度から観察し、その視差によって生じる２つの映像から観察者は立体感を認識いている。しかしながら、立体的な構造を持つ観察物に生じる影等により、左右の映像が余りに大きく異なることがある。このような場合には、長時間それぞれの映像を観察し続けると、眼に疲労を感じることがある。適度な立体感を残しながら、より疲労が少ない見え方を実現するためには、左右方向に付く影を減じ、上下方向に対してより影が付くような照明が好ましい。
【００２８】
本発明の構成では、面光源３より発する光束は、観察系の瞳ｐを満たすのに必要な光束径よりもさらに大きな面光源を形成している。つまり、照明光は観察系の開口角よりも大きな開口角を持って観察物を照明していることになる。さらに、プリズムシート７を配置し、面光源３を仮想的に２分割したことにより、左右方向に対してはさらに大きな角度で観察物を照明している。このような構成とすることで、観察物の左右方向には影が付き難くなり、上下方向に付く影の方が強くなる。その結果、適度な立体感は残しながら、長時間の観察において、より眼の疲労を少なくすることができる。
【００２９】
このような照明となる条件は、何れの方向においても観察系の瞳を充分に満たし、さらに、顕微鏡に向かって左右方向に対して照明の開口角が大となるよう、照明の開口角の縦横比が１：１．２以上であるとよい。ただし、照明の開口角の縦横比が１：２を越えるような照明の場合には、立体感が強調され過ぎた不自然な見えとなるため、縦横比は１：１．２〜２の範囲にあることが好ましい。本発明の照明光学系は、プリズムシート７により分割される光線の角度αを、
０．５Ｄ／Ｌ＜ｔａｎα＜０．９Ｄ／Ｌ・・・（１）
としており、この条件内に含まれている。
【００３０】
本発明に使用されるプリズムシート７は特許文献２の図２に示されたものと同様の形状をしている。本発明は、プリズムシート７と拡散板３を併用することにより、単一の構成のまま、複数の対物レンズに適した照明光学系を構成し、使用者にとってより使いやすい実体顕微鏡を提供し得るものである。
【００３１】
なお、本発明の実施例及び図は、ガリレオタイプの実体顕微鏡にて描かれているが、グリノータイプの実体顕微鏡においても、同様の効果が得られるものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の実体顕微鏡用透過照明装置及び実体顕微鏡によると、面光源となる拡散板と１次元方向に周期的な構造を持つ光学素子とを併用することにより、単一の構成で、ズーム倍率を変化させた場合や、対物レンズの焦点距離が約１００ｍｍから５０ｍｍの範囲に渡って変化した場合でも、照明ムラが極めて少ない照明が得られる。また、対物レンズを交換あるいは追加することにより、より広い倍率範囲で使用可能な実体顕微鏡において、如何なる倍率で使用する際においても、照明光学系の一部光路を切替えたり、エレメントを追加することなく、ムラの少ない照明が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実体顕微鏡用透過照明装置の要部の拡散板とプリズムシートの位置関係を示す断面図である。
【図２】図１のプリズムシートにより拡散板が２個有ると見なせる様子を示す図である。
【図３】本発明の実体顕微鏡用透過照明装置によりケラレのない照明系が実現できる様子を示す光路図である。
【図４】本発明の実体顕微鏡用透過照明装置の１実施形態の構成を示す光路図である。
【図５】ズームレンズにて倍率を変化させた場合に、観察光学系の瞳Ｐとその共役な位置Ｐ’の位置と光束径が、様々に変化する様子を示す逆追跡の光路図である。
【図６】焦点距離の長い対物レンズから短い対物レンズに変換したときに観察面の視野の周辺に至る光束が逆光線追跡で照明光学系を外れてしまう様子を示す光路図である。
【符号の説明】
ｐ…観察系の瞳
ｐ’…観察系の瞳ｐと共役位置
１…光源
２…コレクターレンズ
３…拡散板
４ａ…拡散板の近傍に配置された凸レンズ
４ｂ…観察面近傍に配置された凸レンズ
５…観察面（観察位置）
６…対物レンズ
６−１００…焦点距離１００ｍｍの対物レンズ
６−７５…焦点距離７５ｍｍの対物レンズ
６−５０…焦点距離５０ｍｍの対物レンズ
７…プリズムシート
８…偏向ミラー
９、９’…見掛けの拡散板（２次光源）
１０、１０’…見掛けの凸レンズ（４ａ）
１１…変倍光学系
１２…接眼レンズ

Claims

光源より順に、光源から発した光を概略平行光束とするコレクタレンズと、概略平行光束により面光源を形成する拡散板と、前記拡散板よりに配置した凸レンズと、該凸レンズとは異なる最も観察面側に配置された別の凸レンズと、前記別の凸レンズの近傍に配置された入射した光束を左右に分割する作用を有する１次元方向に周期的な構造を持つプリズムシートと、を含む透過照明装置を備えることを特徴とする実体顕微鏡。
焦点距離が５０ｍｍから１００ｍｍの範囲の交換式の対物レンズを備えることを特徴とする請求項１記載の実体顕微鏡。
前記プリズムシートは、前記観察面より１０ｍｍから２５ｍｍ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の実体顕微鏡。
前記プリズムシートは、前記周期的な構造が０．１ｍｍから０．０１ｍｍのプリズムシートであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の実体顕微鏡。
前記プリズムシートが入射した光束を分割する角度αは、以下の範囲にあることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の実体顕微鏡。
０．５Ｄ／Ｌ＜ｔａｎα＜０．９Ｄ／Ｌ・・・（１）
ただし、Ｄは前記拡散板の有効径、Ｌは前記プリズムシートから前記拡散板までの距離である。
前記対物レンズの前記焦点距離の範囲において観察物を照明する照明光の開口角が観察光学系の瞳を充分に満たすことを特徴とする請求項２から５の何れか１項記載の実体顕微鏡。
観察物を照明する照明光の開口角の縦横比が１：１．２〜２であることを特徴とする請求項６記載の実体顕微鏡。
前記拡散板よりに配置した凸レンズと前記プリズムシートとの間に偏向ミラーを備えることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の実体顕微鏡。