JP4912610B2

JP4912610B2 - 顕微鏡

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Publication number: JP4912610B2
Application number: JP2005126593A
Authority: JP
Inventors: 一博林; 敬之清水
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006301514A; US20060245048A1; US7821705B2

Description

本発明は、光学顕微鏡に関し、特に、像の目視観察のための観察光路と、像を記録するための撮像光路とを備える顕微鏡に関するものである。

従来、顕微鏡は目視による観察が主用途であったため、その光学的な仕様は目視観察のために適切な範囲内に設定されていた（例えば、非特許文献１参照。）。
この非特許文献１によれば、顕微鏡の総合有効倍率の範囲を示す式として下記の式が紹介されている。
４００ＮＡ＜Ｍ＜１０００ＮＡ
ここで、ＮＡ：開口数、Ｍ：総合倍率である。
上記の範囲は目視観察において適切な分解能が得られる範囲を示しており、個々の用途によってはこれを外れるものもあるが、ほぼこの範囲内に収まる製品が一般的である。
「生物顕微鏡の基礎八鹿寛ニ著培風館昭和４８年６月２０日初版発行３．対物レンズ」

しかしながら、近年の顕微鏡は目視による観察のみでは無く、撮像光学系としての位置付けも強くなり、撮像のための光学系には、従来から知られていた有効倍率や無効倍率の考え方が必ずしも当てはまらないケースがある。例えば、上記の条件式から外れ、Ｍ＜２００ＮＡとなるような場合には、眼の分解能に対して光学系の分解能が上回り、顕微鏡の解像力が十分に活かされないことになる。

撮像光学系では、総合有効倍率を一定とした場合に、像の明るさが開口数の自乗に比例するので、相当に明るい像が得られることとなり、露光時間が短縮される。これは微小な生き物のような動き回り、短時間の内に露光を終了せねばならない試料を撮影する上では特に大きなメリットとなり得る。

一方、上記総合有効倍率の範囲を超えて低い倍率を設定した場合には、眼の分解能が光学系の分解能を下回り顕微鏡の解像力が十分に活かされないばかりでなく、比較的厚みのある試料を顕微鏡で観察した際に眼が振れると像がユラユラ揺れて見辛くなる不都合もある。

観察者により捉え方に違いはあるが、不安定な見え方であり、長時間にわたる観察においては、場合により船酔いの様な状態を引き起こすこともある。したがって、像の目視のための光学系は、非特許文献１に示されている総合有効倍率の範囲に収まる仕様であることがより望ましい。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、撮像光学系においては明るい像を得て露光時間を短縮することができ、目視による観察光学系においては像の揺れを防止して安定した観察を可能とする顕微鏡を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、対物レンズにより集光した像を記録するための撮像光路と、該撮像光路から分岐された像を目視で観察するための観察光路とを備え、該観察光路は、前記対物レンズの瞳をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によりリレーされた前記対物レンズの瞳共役位置近傍に配置され、その開口数を撮像光路の開口数より小さく絞り込むことが可能な開口絞りと、該開口絞りより前段に配置され、光路を左右両眼に導かれる２つの光路に分割する光路分割部材とを備え、記号Ｍを対物レンズから観察光路までの総合有効倍率、記号ＮＡを対物レンズの入射開口数として、Ｍ＜２００ＮＡを満たす顕微鏡を提供する。

本発明によれば、対物レンズにより集光した像が撮像光路を通過して記録される一方、撮像光路から分岐された観察光路を通過して目視により観察される。この場合に、観察光路に設けられた開口絞りの作動により、観察光路の開口数が撮像光路の開口数よりも小さく絞り込まれるので、開口絞りにより絞られた像を眼の瞳に入射させることが可能となり、厚みのある試料の観察時に眼が振れても像が揺れたり、観察方向が変化したりする不都合の発生を防止しつつ目視観察を行うことができる。その一方で、撮像光学系においては、観察光学系における開口数を越える十分に大きな開口数で像を記録することができ、明るく、かつ分解能の高い画像を取得することができる。

この場合において、Ｍ＜２００ＮＡを満たすことにより、撮像光学系においては十分に明るくかつ分解能の高い画像を取得できる。その一方、観察光学系においては、開口絞りで開口数を制限することができる、像の揺れを発生させることなく安定した観察を行うことが可能となる。

また、上記発明においては、前記観察光路に、対物レンズの瞳をリレーするリレー光学系を備え、前記開口絞りが、前記リレー光学系によりリレーされた対物レンズの瞳共役位置近傍に配置されていることが好ましい。
このように構成することで、正立プリズム等を必要とせずに、リレー光学系を介して正立像を目視観察することができる。比較的低い倍率（３０倍以下程度）で資料を観察しながら操作を行うような操作用顕微鏡では、特に正立像であることが重要である。この場合に、対物レンズの瞳共役位置近傍に配置された開口絞りによって、像のケラレを生ずることなく開口数を絞り込むことができる。その結果、明るさにムラのない像を目視観察することが可能となる。

また、上記発明においては、前記光路分割部材により分割された２つの光路の各瞳共役位置近傍に、それぞれ前記開口絞りが互いに観察光路に対して偏心して配置されていることとしてもよい。

このように構成することで、光路分割部材により、観察光路が２つに分割される。したがって、分割された２つの観察光路それぞれを介した像を左右両眼で観察することが可能となる。この場合に、２つの瞳共役位置に配置した開口絞りを偏心させて配置することにより、左右両眼により観察される像に視差を生じさせて、立体観察することが可能となる。
また、上記発明においては、前記光路分割部材が、ミラーとプリズムにより構成されていることとしてもよい。

本発明によれば、撮像光路と観察光路の開口数をそれぞれ適切に設定することが可能となり、従来に無い幅広い用途に適した顕微鏡を提供できる。すなわち、撮像光路の開口数と倍率を観察光路とは関係なく設定し、迅速な露光時間で像を捉えることが可能となる。微小な生き物など、例えば、線虫類や魚類の胚などの試料を生かしたままの状態でも、被写体をブレずに捉えられ、特に、十分な明るさを得難い極低倍率域での蛍光観察などで有効である。

また、観察光路に配置された開口絞りの作動により、明視野観察など明るさが十分な観察状態においては、開口絞りを閉じることにより、像の揺れが少なく観察しやすい状態を得ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る顕微鏡１について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１は、図１に示されるように、試料Ａ側から順に、試料Ａからの光を集光する対物光学系２と、像の倍率を変更可能な変倍光学系３と、変倍光学系３を通過した光を結像させる結像レンズ４と、結像レンズ４後に配置され光路を分割する第１の光路分割部材５と、該第１の光路分割部材５によって分岐された撮像光路６と、観察光路７とを備えている。また、変倍光学系３と結像レンズ４との間には、照明光Ｌを入射させるフィルタセット８が配置されている。なお、図１においては、フィルタセット８に入射する照明のための光学系は省略している。

前記対物光学系２は、光軸方向に配列された複数のレンズを備え、例えば、焦点距離９０ｍｍ、最大レンズ径５０ｍｍ程度のものが用いられている。作動距離は６５ｍｍあり、試料を観察しながら操作を行うために十分な距離を確保している。
前記変倍光学系４は、光軸方向に配列された複数のレンズのいくつかを光軸方向に移動させることで、例えば、０．３１倍〜３．１倍まで倍率を変化させることができるようになっている。なお、変倍光学系はアフォーカル光学系であり、その倍率は入射光束径／射出光束径で表されるものである。
前記結像レンズ４は、例えば、焦点距離１８０ｍｍである。

フィルタセット８は、例えば、励起用フィルタ９と、ダイクロイックミラー１０と、バリアフィルタ１１を備えている。光源から入射される照明光Ｌを励起用フィルタ９に入射させることで、励起光を通過させ、ダイクロイックミラー１０によって試料Ａ側に向けて反射させる一方、試料Ａから戻る蛍光Ｆをダイクロイックミラー１０に透過させて結像レンズ４に向かわせるようになっている。また、ダイクロイックミラー１０の後段に配置したバリアフィルタ１１によって、ダイクロイックミラー１０を透過した一部の励起光が結像レンズ４以降に入射されるのを防止できるようになっている。

前記第１の光路分割部材５は、例えば、図１に示す例では、結像レンズ４から出射された光を反射する２枚のミラー５ａ，５ｂを備えている。一方のミラー５ａは、結像レンズ４からの光路に対して挿脱可能に設けられている。これにより、ミラー５ａを光路上に挿入したときには、結像レンズ４からの蛍光Ｆを反射して、観察光路に指向させることができるようになっている。また、ミラー５ａを光路上から抜き出したときには、結像レンズ４からの蛍光Ｆをそのまま撮像光路６に指向させることができるようになっている。

前記撮像光路６には、前記結像レンズ４の焦点位置に、例えば、ＣＣＤカメラ等の撮像装置の撮像面１２が配置されている。第１の光路分割部材５の作動により、ミラー５ａが光路上から抜き出されることで、結像レンズ４を通過した蛍光Ｆをそのまま撮像面１２に導くことができるようになっている。

前記観察光路７は、結像レンズ４により集光され、第１の光路分割部材５によって反射された後に結像した像をリレーして再結像させるリレー光学系と１３、リレー光学系１３の途中位置に配置され、観察光路７を２つに分岐する第２の光路分割部材１４と、リレー光学系１３によってリレーされた対物レンズ２の瞳共役位置Ｂに配置される開口絞り１５と、接眼レンズ１６とを備えている。

前記リレー光学系１３は、２つの結像位置Ｃ，Ｄの中間に形成される瞳共役位置Ｂを挟んで配置された２つのレンズ群Ｇ１，Ｇ２を備えている。
また、前記第２の光路分割部材１４は、図２に示されるように、例えば、複数のプリズム１４ａ〜１４ｄとミラー１４ｅとにより構成されている。第２の光路分割部材１４は、前記リレー光学系１３によりリレーされた瞳共役位置Ｂとレンズ群Ｇ１との間に配置されている。したがって、該第２の光路分割部材１４の後段に配される観察光学系７、すなわち、開口絞り１５、第２レンズ群Ｇ２および接眼レンズ１６が、両眼用に左右それぞれ２個ずつ備えられている。リレー光学系１３の倍率は、例えば、１倍、接眼レンズ１６の倍率は、例えば、１０倍である。図１中、符号１７，１８，１９は観察光路７を形成するためのミラーおよびプリズムである。

前記開口絞り１５は、例えば、図３に示されるように、左右両眼用の一対の開口１５Ｌ，１５Ｒを有するプレート１５ａにより構成されている。符号１５ｂはプレート１５ａを抜き差しする際に操作する把持部である。

開口１５Ｌ，１５Ｒとしては、種々の形状のものが使用される。例えば、図４（ａ）光束を絞ることなく開放するもの、同図（ｂ）所定の開口数となるまで絞り込むもの、同図（ｃ）絞り込むとともに偏心させたもの、同図（ｄ）開口形状を変えることで偏心させたもの等を使用することができる。図中、破線は開口絞り前の光束径である。したがって、プレート１５ａを抜き差しすることで、絞り方を変更することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１を用いて試料Ａを撮像するには、第１の光路分割部材５を構成するミラー５ａを光路上から離脱させておき、照明光路から照明光Ｌを入射させる。フィルタセット８に照明光が入射されると、励起フィルタ９によって励起光とされた後に、ダイクロイックミラー１０によって反射され、変倍光学系３および対物光学系２を介して試料Ａに照射される。試料Ａにおいて蛍光物質が励起されることにより発生した蛍光Ｆは、対物光学系２によって集められ、変倍光学系３、ダイクロックミラー１０、バリアフィルタ１１を介して結像レンズ４に入射され、そのまま撮像光路６に入射されて、開口数を絞り込まれることなく、撮像面１２に結像させられる。

したがって、対物レンズ２の入射開口数を大きく確保しておけば、例えば、顕微鏡１の総合観察倍率をＭ、対物レンズ２の入射開口数をＮＡとして、Ｍ＜２００ＮＡの関係を満たすような場合には、蛍光を大きな開口数のまま撮像面１２に入射させることができ、明るい蛍光画像を取得することができる。その結果、迅速な露光時間で像をとらえることができ、微小な生き物など、例えば、線虫類や魚類の胚などの試料が生きたままの状態でも、試料をブレずにとらえることができる。特に、十分な明るさを得難い極低倍率域での蛍光観察などで有効である。

次に、本実施形態に係る顕微鏡１を用いて試料を目視観察するには、第１の光路分割部材５を構成するミラー５ａを光路上に挿入配置させておき、照明光路から照明光Ｌを入射させる。
試料Ａにおいて発生し上記と同様の経路を辿って、結像レンズ４により集光された蛍光Ｆは、第１の光路分岐部材５のミラー５ａ，５ｂによって反射され、観察光路７に入射される。

観察光路７に入射された蛍光Ｆは、リレー光学系１３の第１のレンズ群Ｇ１を通過し、第２の光路分割部材１４によって左右２つの光路に分岐された後、開口絞り１５によって絞り込まれ、第２のレンズ群Ｇ２を通過し接眼レンズ１６に入射させられる。この間、蛍光Ｆはリレー光学系１３によって、２カ所の結像位置Ｃ，Ｄにおいて像を結像する。これにより、接眼レンズ１６を介した目視観察においては正立像が得られ、顕微鏡１で観察しながらの試料Ａ操作を容易にすることができる。

この場合において、本実施形態によれば、観察光路７中に設けた開口絞り１５によって、撮像光路６の開口数よりも十分に小さい開口数まで絞り込むことができる。
観察光路７の開口数が、撮像光路６の比較的大きな開口数と同等である場合、以下の不都合が生ずる。

すなわち、図５および図６に示されるように、光学系の射出瞳に対して、眼Ｅの瞳が比較的小さい場合には、眼Ｅの瞳が実質的な開口絞りとなる（図５（ａ）中、斜線部の光束のみが眼Ｅの瞳に入射される。）。このため、観察光路７に対して眼Ｅの位置が振れることにより顕微鏡１は偏心光学系となり、主光線の角度が様々に変化する。

図５は、眼Ｅの瞳位置が光軸上に配置されている場合であり、図６は、眼Ｅの瞳位置が光軸に交差する方向に振れた場合をそれぞれ示している。図５（ｂ）および図６（ｂ）はそれぞれ、目視観察される試料Ａの像を示している。これらの図５および図６から明らかなように、眼Ｅが振れると様々な方位から試料Ａを眺めることとなり、像がユラユラ揺れて不安定に見える現象が生じる。また、厚みのある試料Ａを観察する場合には、眼Ｅの瞳の位置によっては、図６（ｂ）に示されるように、試料Ａの形態が異なって見えてしまう不都合もある。

これに対して、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、観察光路７に挿入した開口絞り１５によって、開口数を必要十分な倍率が得られる大きさまで絞り込むことができる。必要十分な倍率が得られる開口数の大きさとしては、個人差、明るさによる眼Ｅの瞳の大きさ変化にもよるが、２００ＮＡ＜Ｍ＜１０００ＮＡを満足する範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、４００ＮＡ＜Ｍを満足する範囲である。
このように設定することで、図７に示されるように、眼Ｅの瞳が開口絞り１５として機能することが回避され、像の揺れが少なく観察しやすい状態を達成することができる。

また、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、観察光路７に挿入される開口絞り１５が、リレー光学系１３によってリレーされた対物レンズ２のほぼ瞳共役位置Ｂに配置されているので、開口絞り１５を絞りこんだ際に生じる視野のカゲリなどを最小限に抑えることができる。

さらに、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、第２の光路分割部材１４によって、左右両眼Ｅのそれぞれに対して瞳共役位置Ｂを形成し、各瞳共役位置Ｂ近傍に開口絞り１５を配置しているので、偏心した開口１５Ｌ，１５Ｒ形状の開口絞り１５を挿入することにより、図８に示されるように、左右両眼Ｅに導かれる光束に適当な視差を与えることができる。これにより、厚みのある試料Ａを観察する場合には、試料Ａの立体的な観察が可能となり、顕微鏡１で観察しながらの試料Ａ操作をより容易にすることができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、撮像光路６と観察光路７の開口数をそれぞれ適切に設定することが可能となり、従来に無い幅広い用途に適した顕微鏡１を提供することができる。

なお、本実施形態においては、変倍光学系３を配置した例を示したが、これに代えて、変倍光学系３を省略してもよい。また、第１の光路分割手段５を結像レンズ４の後段に配置したが、これに代えて、結像レンズ４の前段に配置し、分割後の各光路に結像レンズ４を配置してもよい。

また、ミラー５ａを挿脱する形式の第１の光路分割手段５を例示したが、これに代えて、ハーフミラーによって構成してもよい。また、ミラー５ａ，５ｂ，１７，１８の角度を変えることにより、接眼レンズ１６の角度を変更することとしてもよい。

さらに、本実施形態においては、蛍光観察用の顕微鏡１を例示したが、これに限定されるものではなく、可視光を入射させ反射光または透過光を観察する方式の顕微鏡１に適用することもできる。この場合、フィルタセット８はハーフミラーに置き換えればよい。

また、本実施形態に係る顕微鏡１においては、第２の光路分割部材１４をリレー光学系１３によりリレーされる瞳共役位置Ｂの直前に配置したが、これに限定されるものではなく、立体観察を可能とするためには、瞳共役位置Ｂよりも前段側のいずれの位置でもよく、また、立体観察をしない場合には、接眼レンズ１６までの任意の位置に配置することとしてもよい。第２の光路分割部材１４を設けることなく、単一の接眼レンズ１６を有する顕微鏡１に適用することにしてもよい。

また、開口絞り１５としては、左右両眼Ｅ用の一対の開口１５Ｌ，１５Ｒを有するプレート１５ａを抜き差しすることにより変更可能なものを例示したが、これに代えて、開口径を変化させる形式のものや、同一プレート１５ａ中に複数対の開口１５Ｌ．１５Ｒを有し、その位置を変更することで切り替える形式のものを採用してもよい。

また、本実施形態の顕微鏡１では、観察光路７内に設けた開口絞り１５を開放して光束を制限しないこともできる。このようにすることで、特に、暗い像の観察を容易にすることができる。観察像が暗い場合には、眼Ｅの瞳孔は観察像が明るい場合より開いており、眼Ｅが振れても像がユラユラ揺れて見える現象は起こり難い。さらに、眼Ｅにより大きな光束を取り込めるので、たとえ像を分解できない程大きな開口数であったとしても、Ｓ／Ｎの差として像をとらえ易くなる。特に、総合有効倍率が２０倍を下回るような極低倍率域での蛍光観察など、観察範囲が広く十分な明るさが得難い場合において有効である。

本発明の一実施形態に係る顕微鏡をレンズ配列によって示す全体構成図である。図１の顕微鏡の観察光路に配置される光路分割部材の一例を示す図である。図１の顕微鏡の観察光路に配置される開口絞りの一例を示す図である。図３の開口絞りの開口形状を示す図である。図１の顕微鏡の観察光路に開口絞りを設けない場合を説明する説明図である。図５において眼の位置が振れた場合を説明する説明図である。図１の顕微鏡の観察光路に開口絞りを設けた場合を説明する説明図である。図１の顕微鏡において開口絞りを偏心させた場合を説明する説明図である。

符号の説明

Ｂ瞳共役位置
１顕微鏡
２対物レンズ
６撮像光路
７観察光路
１３リレー光学系
１４第２の光路分割部材（光路分割部材）
１５開口絞り

Claims

対物レンズにより集光した像を記録するための撮像光路と、
該撮像光路から分岐された像を目視で観察するための観察光路とを備え、
該観察光路は、前記対物レンズの瞳をリレーするリレー光学系と、
該リレー光学系によりリレーされた前記対物レンズの瞳共役位置近傍に配置され、その開口数を撮像光路の開口数より小さく絞り込むことが可能な開口絞りと、
該開口絞りより前段に配置され、光路を左右両眼に導かれる２つの光路に分割する光路分割部材とを備え、
下記条件式を満たす顕微鏡。
Ｍ＜２００ＮＡ
ここで、記号Ｍは対物レンズから観察光路までの総合有効倍率、記号ＮＡは対物レンズの入射開口数を示している。
前記光路分割部材により分割された２つの光路の各瞳共役位置近傍に、それぞれ前記開口絞りが互いに観察光路に対して偏心して配置されている請求項１に記載の顕微鏡。
前記光路分割部材が、ミラーとプリズムにより構成されている請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。