JP4706249B2 - 顕微鏡用コンデンサレンズ - Google Patents

Description

本発明は、透過照明による生体試料の観察、特に、マニピュレーションを伴う観察、さらには、微分干渉観察や位相差観察などの透明試料の観察に適した顕微鏡用コンデンサレンズに関する。

この種のコンデンサレンズ（特許文献１など）の作動距離は、なるべく長く確保されることが望ましい（なお、本明細書において、「作動距離」とは、コンデンサレンズと試料の被観察面との間の幾何学的距離を指す。）。なぜなら、生体試料は透明な容器に収められており、その容器を介して照明されるので、コンデンサレンズの作動距離が長く確保されていないと、その容器が厚いときなどに視野絞り像を試料の被観察面にまで投影することができず、像のコントラストを落とす可能性があるからである。

また、この種のコンデンサレンズの開口数ＮＡは、それと共に使用される対物レンズの開口数ＮＡ（例えば０．８）と同程度（例えば０．７５以上）に高く確保されることが望ましい。なぜなら、コンデンサレンズの開口数ＮＡが不足すると、対物レンズの性能（解像力）が十分に発揮されないからである。
さらに、このコンデンサレンズが光源像を対物レンズの瞳面に投影するときの収差（以下、「瞳の収差」という。）は、コンデンサレンズが視野絞り像を被観察面に投影するときの収差（以下、「視野の収差」という。）と共に、十分に抑えられていることが望ましい。なぜなら、透明な生体試料の観察には、微分干渉観察法や位相差観察法が適用されることが多く、そのときの観察像の形成に瞳面操作が伴うため、瞳面同士の共役関係が像に直接影響を与えるからである。
特開２００３−１５６６９１号公報

しかしながら、以上の要求の全てを１つのコンデンサレンズが満足することは難しいので、現状では、高い開口数が必要なときには作動距離が短いことを許容し、長い作動距離が必要なときには開口数が低いことを許容せざるを得ない。
図３（ａ）には、高開口数かつ短作動距離の従来のコンデンサレンズの構成の一例を示した。図３において、符号Ｏで示すのが試料である。この構成のコンデンサレンズの仕様は、例えば、焦点距離ｆ＝１７ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．８、作動距離ＯＤ＝０．３ｆ＝５．１ｍｍである。

図３（ｂ）には、低開口数かつ長作動距離の従来のコンデンサレンズの構成の一例を示した。この構成のコンデンサレンズの仕様は、例えば、焦点距離ｆ＝１７ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．５５、作動距離ＯＤ＝ｆ＝１７ｍｍである。因みに、この構成では、仮に諸収差を犠牲にしたとしても、開口数ＮＡは０．６程度までしか高めることはできない。
そこで本発明の目的は、視野の収差と瞳の収差とをそれぞれ従来と同等に抑えつつ、高開口数（０．７５以上）かつ比較的長い作動距離（０．４ｆ以上）を確保することの可能な顕微鏡用コンデンサレンズを提供することにある。

本発明の顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズは、光源側から被観察物側へ向かって順に、光源側に凹面を向けた接合負メニスカスレンズと、３枚の単体正レンズとを配置してなる顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズであって、最も被観察物側に配置された前記単体正レンズの光源側のレンズ面の曲率半径ｒ４、前記顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ全体の焦点距離ｆは、０．７ｆ＜ｒ４＜ｆの式を満たすことを特徴とする。
なお、前記３枚の単体正レンズは、光源側から被観察物側へ向かって順に、両凸レンズと、光源側に凸面を向けた２枚の正メニスカスレンズとを配置してもよい。

また、最も被観察物側に平行平板状の保護ガラスを配置してもよい。
また、全てのレンズのレンズ面が球面から構成されてもよい。

また、開口数ＮＡ、作動距離ＯＤ、前記顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ全体の焦点距離ｆは、ＮＡ＞０．７５，ＯＤ＞０．４ｆの式を満たしてもよい。

本発明によれば、視野の収差と瞳の収差とをそれぞれ従来と同等に抑えつつ、高開口数（０．７以上）かつ比較的長い作動距離（７ｍｍ以上）を確保することの可能な顕微鏡用コンデンサレンズが実現する。

以下、本発明の実施形態を説明する。
本実施形態は、コンデンサレンズの実施形態である。
図１は、本コンデンサレンズが搭載される顕微鏡の概念図である。
図１の符号１６が本コンデンサレンズ（概念）である。被観察物は、透明な容器Ｏ”（シャーレなど）に収められた溶液Ｏ’（生理食塩水、培養液など）中の生体細胞などの試料Ｏである。

容器Ｏ”は、マニピュレーションのために固定され、その代わりに対物レンズ１７が光軸方向に移動可能となっている。その移動により、対物レンズ１７の焦点は、試料Ｏの被観察面に合わせられる。
ここで、この顕微鏡には、透明な試料Ｏを観察するために微分干渉観察法が適用されている。すなわち、光源１１から射出した照明光は、コリメータレンズ１２、視野絞り１３、検光子１４Ａ、ＤＩＣプリズム１４、開口絞り１５、コンデンサレンズ１６を介して試料Ｏを照明する。試料Ｏから射出した光は、対物レンズ１７、ＤＩＣプリズム１９、検光子２０、接眼レンズ２１を介して観察眼２２に入射する。

照明光は、検光子１４Ａを通過後、ＤＩＣプリズム１４にて１対の光に分岐され、試料Ｏを別々に透過した後にＤＩＣプリズム１９によって再統合され、検格子２０を共に通過することによって互いに干渉可能な光となる。それによって生じた干渉光が、観察眼２２の網膜上に、試料Ｏの観察像（微分干渉像）を形成する。
この顕微鏡には、対物レンズ１７として、倍率１０倍のファインダ用対物レンズ又は倍率４倍のファインダ用対物レンズと、倍率４０〜６０倍の液浸対物レンズとが装着される。

観察時、このうち何れかの対物レンズが顕微鏡の光路に選択的に挿入される。特に、液浸対物レンズは、焦点合わせされた状態でその先端が溶液Ｏ’に浸される。
液浸対物レンズの開口数ＮＡは、それぞれマニピュレーションが可能な範囲の値に設定される。ここでは、なるべく高い解像力を得るために、液浸対物レンズの開口数ＮＡは、マニピュレーションが可能な範囲内の最大値とする。すなわち、液浸対物レンズの開口数ＮＡ＝０．８とする。

一方、ファインダ用対物レンズには高い解像力が必要とされないので、ファインダ用対物レンズの開口数ＮＡは、液浸対物レンズのそれよりも低いとする。
以下、これらの対物レンズのうち、顕微鏡の光路に挿入中の対物レンズを、単に「対物レンズ１７」という。
次に、本コンデンサレンズ１６の仕様を説明する。

本コンデンサレンズ１６の照野サイズは、対物レンズ１７の視野の最大値に対応した値に設定される。つまり、４倍のファインダ用対物レンズの視野に対応した値に設定される。
また、本コンデンサレンズ１６の開口数ＮＡは、対物レンズ１７の開口数ＮＡの最大値に対応した値に設定される。つまり、液浸対物レンズの開口数ＮＡ（＝０．８）に対応した値（０．７以上）に設定される。

また、本コンデンサレンズ１６の作動距離ＯＤは、なるべく大きな値に設定される。ここでは、本コンデンサレンズ１６の作動距離ＯＤを、７ｍｍ以上とする。
以下、コンデンサレンズ１６の開口数ＮＡ、作動距離ＯＤを、それぞれ「照明側の開口数ＮＡ」、「照明側の作動距離ＯＤ」という。
また、本コンデンサレンズ１６の瞳の収差及び視野の収差は、それぞれ従来と同等に抑えられる。

次に、本コンデンサレンズ１６を設計するときの前提を説明する。
コンデンサレンズ１６を長作動距離化する方法の１つに、コンデンサレンズ１６の焦点距離ｆを長くする方法があるが、本コンデンサレンズ１６には長作動距離化だけでなく高開口数化の必要があるので、この方法だと瞳面の巨大化、ひいては照明光学系（図１符号１１〜１６）の巨大化を招く。当然ながら、ＤＩＣプリズム１４も巨大化するので、不都合である。そこで、本コンデンサレンズ１６では、その焦点距離ｆを従来のコンデンサレンズのそれと同等（１７ｍｍ）に抑えることを前提とする。

また、本コンデンサレンズ１６の長作動距離化や収差補正の方法の１つに、レンズ面を非球面化する方法があるが、その方法だと微分干渉像を形成するための１対の光の偏光状態が乱れるので、干渉条件の悪化、ひいては微分干渉像の悪化を招く。そこで、本コンデンサレンズ１６では、非球面レンズを使用しないことを前提とする。
次に、本コンデンサレンズ１６の構成を詳細に説明する。

図２は、本コンデンサレンズ１６の構成図である。なお、図２では、試料Ｏを概念的に示した。
図２に示すとおり、本コンデンサレンズ１６は、光源側から試料Ｏの側へ向かって順に、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、保護ガラスＣＧを配置してなる。
第１レンズ群Ｇ１は、光源側に凹面を向けた接合負メニスカスレンズＬ１からなり、第２レンズ群Ｇ２は、３枚の単体正レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ４からなり、保護ガラスＣＧは、平行平板からなる。保護ガラスＣＧは、本コンデンサレンズ１６の先端部（試料Ｏの側）をシールしている。

単体正レンズＬ２は、両凸レンズであり、単体正レンズＬ３，Ｌ４は、それぞれ光源側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。
次に、本コンデンサレンズ１６の各要素の働きを説明する。
（保護ガラスＣＧ）
保護ガラスＣＧには、本コンデンサレンズ１６を保護する役割がある。

具体的に、図１の顕微鏡の対物レンズ１７が液浸対物レンズであるときには、その先端部に溶液Ｏ’（生理食塩水、培養液など）が付着する。このため、対物レンズ１７の切り替え時に、その付着した溶液Ｏ’が滴下してコンデンサレンズ１６に到達する可能性がある。また、容器Ｏ”から溶液Ｏ’が溢れて直接コンデンサレンズ１６に到達する可能性もある。

仮に、保護ガラスＣＧが無いと、本コンデンサレンズ１６の最終面は、試料Ｏ側に凹面を向けた凹面なので、液体が留まり易く、清掃が困難である。しかし、保護ガラスＣＧがあれば、その最終面が平面になるので、液体が溜まりにくく、清掃が容易になる。よって、保護ガラスＣＧは、溶液Ｏ’などの液体から本コンデンサレンズ１６を保護する。
また、保護ガラスＣＧには、収差補正の役割もある。

具体的に、保護ガラスＣＧは、視野の収差の球面収差成分をプラス側に発生させる働きがある。この働きによって、単体正レンズＬ３，Ｌ４（何れも正メニスカスレンズ）のレンズ面の湾曲を低減することができる。これらのレンズ面の湾曲を低減することによって、照明側の作動距離ＯＤを長く確保することと、瞳の収差補正との双方が図られる。また、湾曲の低減は、これらの単体正レンズＬ３，Ｌ４の製造が容易化されるという効果もある。

（接合負メニスカスレンズＬ１）
接合負メニスカスレンズＬ１は、光源側からの入射光線を高い位置（光軸から離れた位置）にまで持ち上げて、作動距離を稼ぐ働きをする。
また、接合負メニスカスレンズＬ１には、コンデンサレンズ１６の全体の色収差を補正する役割と、３枚の単体正レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ４と共に、視野の収差の球面収差成分を補正する役割とがある。

（単体正レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ４）
単体正レンズＬ２，Ｌ３，Ｌ４には、照明側の開口数ＮＡを高くするための光線（光軸と成す角度が大きい光線）に関係する収差を補正する働き、特に、視野の収差の球面収差成分を補正する働きがある。
ここで、視野の収差補正だけを考えたならば、単体正レンズＬ３，Ｌ４（何れも正メニスカスレンズ）のレンズ面の湾曲は大きい方が望ましいが、湾曲の増大は、上述したとおり、瞳の収差を悪化させ、照明側の作動距離ＯＤの確保を困難にするという相反する効果をもたらす。

具体的には、単体正レンズＬ４の光源側の面の曲率半径ｒ４が、０．７ｆよりも小さくなると、瞳の収差が悪化すると共に照明側の作動距離ＯＤの確保が困難になる。一方、その曲率半径ｒ４がコンデンサレンズ１６の焦点距離ｆよりも大きくなると、視野の収差補正が不十分になる。
このため、曲率半径ｒ４は、次式（１）を満たすことが望ましい。

０．７ｆ＜ｒ４＜ｆ ・・・（１）
次に、本コンデンサレンズ１６の効果を説明する。
以上の構成によると、瞳の収差と視野の収差とを従来例と同程度に抑えながら、次式（２），（３）を満足するようなコンデンサレンズ１６が実現する。
ＮＡ＞０．７５ ・・・（２）
ＯＤ＞０．４ｆ ・・・（３）
式（２）が満たされれば、マニピュレーションが可能な範囲内の最大の解像力で、観察を行うことができる。

式（３）が満たされれば、容器Ｏ”の種類（シャーレの種類）に依らず、良好な微分干渉像を得ることができる。つまり、式（３）が満たされれば、様々な底厚の様々な容器Ｏ”を使用したときのそれぞれにおいて、試料Ｏにまで視野絞り像を確実に投影することができる。
さらに、以上の構成において、各レンズ面の曲率半径、各面の間隔、各部材の屈折率を最適化すると、瞳の収差と視野の収差とが従来例と同程度に抑えられ、かつ焦点距離ｆ＝１７，照明側の開口数ＮＡ＝０．８，照明側の作動距離ＯＤ＝０．４８ｆ＝８．２ｍｍとなったコンデンサレンズ１６が実現する。

なお、以上説明したコンデンサレンズの実施例を表１，表２に示した。表１はレンズデータを、表２は仕様を示す。表１において「Ｒ」は曲率半径、「ｄ」は面間隔、「ｎｄ」はｄ線に対する屈折率である。

なお、本実施形態の顕微鏡には、微分干渉観察法が適用されているが、位相差観察法が適用されていてもよい。位相差観察も微分干渉観察と同様に、瞳の収差補正の必要性が高いので、本コンデンサレンズ１６は、好適である。

また、本実施形態のコンデンサレンズ１６においては、保護ガラスＣＧが省略されてもよい。但し、保護ガラスＣＧを備えた方が、収差補正と保護との２点において有利である。

本コンデンサレンズが搭載される顕微鏡の概略構成図である。 本コンデンサレンズの構成図である。 従来のコンデンサレンズの構成図である。

符号の説明

１１ 光源
１２ コリメータレンズ
１３ 視野絞り
１４，１９ ＤＩＣプリズム
１４Ａ 検光子
１５ 開口絞り
１６ コンデンサレンズ
Ｏ 試料
Ｏ’ 溶液
Ｏ” 容器
１７ 対物レンズ
２０ 検光子
２１ 接眼レンズ
２２ 観察眼
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
ＣＧ 保護ガラス
Ｌ１ 接合負メニスカスレンズ
Ｌ２ 両凸レンズ
Ｌ３，Ｌ４ 正メニスカスレンズ

Claims (5)

1. 光源側から被観察物側へ向かって順に、
   光源側に凹面を向けた接合負メニスカスレンズと、
   ３枚の単体正レンズと
   を配置してなる顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズであって、
   最も被観察物側に配置された前記単体正レンズの光源側のレンズ面の曲率半径ｒ４、前記顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ全体の焦点距離ｆは、
   ０．７ｆ＜ｒ４＜ｆの式を満たす
   ことを特徴とする顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ。
2. 請求項１に記載の顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズにおいて、
   前記３枚の単体正レンズは、
   光源側から被観察物側へ向かって順に、両凸レンズと、光源側に凸面を向けた２枚の正メニスカスレンズとを配置してなる
   ことを特徴とする顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズにおいて、
   最も被観察物側に平行平板状の保護ガラスを配置した
   ことを特徴とする顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズにおいて、
   全てのレンズのレンズ面が球面からなる
   ことを特徴とする顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズにおいて、
   開口数ＮＡ、作動距離ＯＤ、前記顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ全体の焦点距離ｆは、
   ＮＡ＞０．７５，ＯＤ＞０．４ｆ
   の式を満たすことを特徴とする顕微鏡用乾燥系コンデンサレンズ。

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