JP5023934B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡に関し、特に、小型で高性能な顕微鏡を提供することができるようにする顕微鏡に関する。

顕微鏡においては、照明用の光源が設けられており、光源からの照明用光が照明用光学系に案内されて対物レンズを介して試料を照明する。試料からの反射光は対物レンズで集光され、観察用光学系を介して接眼レンズまで導かれる。そして観察者は、接眼レンズを介して試料の像を観察することができる（例えば、特許文献１）。

照明用の光学系の途中には絞りが配置されており、観察者は、その絞りを調節することで、試料が適切に照明されるように照明状態を調節する。

特開２００５−２３４２７９号公報

ところで、従来の顕微鏡においては、照明用の光源からの照明用光が対物レンズに向かう光路は、観察者の方向を手前として顕微鏡を上面から見た場合、奥行き方向（すなわち、前後方向）に配置されていた。その結果、照明用光学系から接眼レンズの位置（顕微鏡を上面から見た場合の位置）までの距離が長くなり、小型化することが難しかった。

例えば、照明用光源の直後に配置されるコレクタレンズのために４０乃至５０ｍｍ、その後のリレー光学系のために１００乃至２５０ｍｍ、さらにその後のフィールドレンズ群のために８０乃至１２０ｍｍの光路長が必要となる。ここまでの長さの光路を水平に配置し、その後の光路を垂直に偏向して対物レンズに案内するようにした場合、水平な光路の長さは約２２０ｍｍ乃至４２０ｍｍとなる。実際にはそれに加えて、さらに観察用光の光路が必要となる。

このように、上面から見た場合の照明用光学系の光路を奥行き方向に配置すると、顕微鏡の寸法が大きくなり、机上に配置することなどが困難になる。また、絞りを調節する部材の位置が観察者から遠くなり、観察者が接眼レンズを介して試料を観察しながら絞りを調節する場合の操作性が必ずしも良好ではなかった。

一方、顕微鏡を小型化するためには、光源からの照明用光が試料を照明し、試料からの反射光を接眼レンズまで導く全体の光路を短くする必要があり、そのためには例えば、内部の光学系に特殊なレンズなどを用いなければならず、低コストでの実現は困難であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、小型で高性能な顕微鏡を提供することができるようにするものである。

本発明の顕微鏡は、試料を載置するステージと、前記光源からの光束を前記ステージに載置された試料に導く照明光学系と、前記ステージに載置された試料からの光束を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された光束を接眼レンズに導く結像光学系とを備えた顕微鏡において、当該顕微鏡を上方から見て、当該顕微鏡に対して前記接眼レンズの接眼位置に向かう方向を前後方向とした場合、前記ステージ上の前記試料が載置される位置は、前記接眼レンズに対して左右の一方に配置され、前記対物レンズの光軸上に、前記照明光学系の光路と前記結像光学系の光路と分岐する光路分岐統合部材を配置し、前記光路分岐統合部材と前記光源の間の前記照明光学系の光路と、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の前記結像光学系の光路とが、空間的に互いに直交関係を形成するように光路を偏向する光路偏向手段を有していることを特徴とする。

前記光路偏向手段は、前記光路分岐統合部材と前記光源の間の前記照明光学系の光路と、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の前記結像光学系の光路とが、交差するように光路を偏向するようにすることができる。

前記光路偏向手段は、前記結像光学系の光路のうち、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の光路を偏向するようにすることができる。

前記光路偏向手段は、複数の光路偏向部からなり、前記結像光学系の光路において、前記光路分岐統合部材から前記複数の光路偏向部のうちの一つである第１の光路偏向部までは、前記対物レンズの光軸方向に光路が形成され、前記第１の光路偏向部から前記複数の光路偏向部のうちの一つである第２の光路偏向部までは、前記対物レンズの光軸に対して直交し、かつ前記照明光学系の前記光路分岐統合部材から前記光源側までの光路の方向と同一方向に光路が形成され、前記第２の光路偏向部から前記接眼光学系までは、前記対物レンズの光軸方向と平行に光路が形成されており、かつ当該前記第２の光路偏向部から前記接眼光学系までの光路の間で、前記結像光学系の光路が前記照明光学系の光路と交差しているようにすることができる。
前記照明光学系は、前記光源の像を形成するリレーレンズ群と、前記光源の像を前記対物レンズに導くフィールドレンズ群を有し、前記照明光学系の光路上において、前記リレーレンズ群の一部が前記光源の１次像が形成される位置と、前記フィールドレンズ群との間に配置されるようにすることができる。

本発明の顕微鏡においては、当該顕微鏡を上方から見て、当該顕微鏡に対して前記接眼レンズの接眼位置に向かう方向を前後方向とした場合、前記接眼レンズ及び前記光源は前記ステージ上の前記試料の載置される位置に対して左右の一方に配置される。また、前記対物レンズの光軸上に、前記照明光学系の光路と前記結像光学系の光路と分岐する光路分岐統合部材が配置され、前記光路分岐統合部材と前記光源の間の前記照明光学系の光路と、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の前記結像光学系の光路とが、空間的に互いに直交関係を形成するように光路が偏向される。

本発明によれば、小型で高性能な顕微鏡を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した顕微鏡の一実施の形態に係る構成例を示す図である。同図は、顕微鏡５１を上から見た図であり、この顕微鏡５１は、いわゆる倒立型顕微鏡として構成されている。

図１に示される顕微鏡５１は、ステージ６４および６５が、固定板に対して、それぞれX軸方向（図中左右方向）とY軸方向（図中上下方向）に沿って移動自在に配置されており、ステージ６４には試料ホルダ６６が着脱自在に配置されている。観察者は、例えば、観察する試料９０に応じて複数の試料ホルダ６６の中から所定のものを選択し、ステージ６４上に装着し、その上に試料９０を載置する。

試料ホルダ６６の中央には孔６７が形成されており、ステージ６４および６５の下側に位置する図示せぬ対物レンズからの光束が、この孔６７を介して試料９０に照射される。そして、試料９０で反射または散乱した光の像が観察されることになる。

接眼レンズ７６の右斜め下方には、開口絞り調節用の調節部材７３と視野絞り調節用の調節部材７４とからなる調節部材７５が回転自在に取り付けられている。観察者は、調節部材７５（開口絞り調節用の調節部材７３または視野絞り調節用の調節部材７４）を回転調節することで、後述する絞り部材（開口絞り１１５または視野絞り１１６）を調節することができるようになされている。

観察者は、接眼レンズ７６を介して試料９０の画像を観察することができる。

図中左上側であって、顕微鏡５１の背面の左後方には収容部８１が配置されている。収容部８１には、後述する照明用の光源が内部に収容されている。収容部８１の上面には、光源１１１で発生された熱を逃がすための放熱用のフィン８１Ａが形成されている。収容部８１は光源１１１が発生する熱が試料９０に影響しないように、また接眼レンズ７６を覗く観察者に不快感を与えないように、ステージ６４の試料ホルダ６６の取り付け位置、並びに接眼レンズ７６からの距離が長くなる位置に配置されている。

図１に示されるように、顕微鏡５１においては、接眼レンズ７６と光源を収容する収容部８１が、ほぼ図中縦方向の直線上に配置されている。すなわち、光源は顕微鏡５１の奥行方向に配置されている。これに対して試料が載置されるステージ６４および６５、並びにその下側に位置する対物レンズは、接眼レンズ７６と収容部８１とを結ぶ図中縦方向の直線上には位置しておらず、図中右側に配置されている。

従来の倒立型顕微鏡は、光源、試料（対物レンズ）、および接眼レンズがそれぞれ顕微鏡の奥行方向の一直線上に配置されており、その結果、顕微鏡の寸法、特に奥行方向の寸法が大きくなっていた。本発明の顕微鏡５１は、従来の顕微鏡と比較して奥行方向の寸法を小さく構成することが可能である。

図２は顕微鏡５１の内部の光学系の構成を表している。

例えば、ハロゲンランプなどよりなる光源１１１は、照明用の光束を射出する。コレクタレンズ１１２は光源１１１からの発散光をほぼ平行光に変換する。リレー光学系１１３は光源１１１の像である光源像を形成する。ミラー１１４は、この光源像とリレー光学系１１３の間に配置され、光源１１１から観察者の方向（上面から見て接眼レンズ７６の方向）に向かう光軸ｘ１の光束を、右方向に偏向し、光軸ｘ２の光束とする。

すなわち、顕微鏡５１を上面から見た場合の図１において、収容部８１に収容された光源１１１の直近の光軸であって、紙面と平行に下方向に向かう光軸ｘ１と平行な方向を縦方向とするとき、ミラー１１４によりその光軸が、紙面と平行に右方向へ向かう光軸であって、横方向の光軸ｘ２に偏向される。

図２の開口絞り１１５は、光軸ｘ２内の所定の位置であって、コレクタレンズ１１２およびリレー光学系１１３による光源１１１の像の近傍に配置される。視野絞り１１６は光軸ｘ２内の所定の位置であって、コレクタレンズ１１２の後ろ側焦点のリレー光学系１１３による像の近傍に配置される。フィールドレンズ群１１７は、視野絞り１１６の像を試料９０の観察面上に投影するために、光軸ｘ２内の、その前側焦点面が視野絞り１１６に重なるように配置される。

ハーフミラー１１８は、フィールドレンズ群１１７からの照明用の光束の光軸ｘ２を、垂直方向（図１の紙面と垂直方向）に偏向し、対物レンズ１１９に向かう光軸ｘ３とする。これにより、照明用の光束は、対物レンズ１１９により集光されて試料９０の下面から照射されることになる。

試料９０からの光としての観察用の光束は、再び対物レンズ１１９により集光され、図２の垂直下方向を指向する光軸ｘ４の平行光束となる。この平行光束はハーフミラー１１８を透過することで照明用の光束と分離される。第２対物レンズ１３１はハーフミラー１１８を透過した平行光束を結像し、試料９０の１次像９０Ｉを形成する。なお、像９０Ｉが形成される位置に、試料の大きさなどを測定するためのスケールなどが挿入され、スケールに像９０Ｉが重畳されるようにすることも可能である。

ミラー１３２は、ほぼ垂直な光軸ｘ４をほぼ水平（図１の図中左方向）に偏向し、光軸ｘ５とする。従って、光軸ｘ５は光軸ｘ２とほぼ平行な光軸となる。

光軸ｘ５の光束はリレーレンズ前群１３３を介してミラー１３４に入射され、ミラー１３４によりほぼ垂直上方向に偏向され、光軸ｘ６とされる。リレーレンズ前群１３３とリレーレンズ後群１３５は、試料の１次像を接眼レンズ７６へ導くために結像光をリレーする。試料９０の１次像９０Ｉを形成した光は、光軸ｘ５内に配置されたリレーレンズ前群１３３とともにリレー光学系を構成する光軸ｘ６内に配置されたリレーレンズ後群１３５により平行光束とされた後、結像レンズ１３６により結像作用を受け、プリズム１３７を介して接眼レンズ７６のそれぞれの前側焦点面近傍に結像される。このとき、結像光はプリズム１３７により光軸ｘ７の光束として矢印１５０で示される方向に向かい、接眼レンズ７６に入射される。従って、観察者は接眼レンズ７６を介して試料９０の拡大された画像を観察することができる。

図２に示されるように、本発明の顕微鏡５１においては、観察用の光束の光軸ｘ６が、照明用の光束の光軸ｘ２と点Ｐにおいて交差している。

図３は、顕微鏡５１の上面から見た場合の光路の関係を表している。すなわち、図３は、図２に示される光路を、図１において紙面と垂直で上方向となる方向から見た図である。

照明用の光軸ｘ１と光軸ｘ７において接眼レンズ７６に向かう光路は、顕微鏡５１の奥行き方向（図１の図中上下方向）とほぼ平行な光路であり、光源１１１から接眼レンズ７６（観察者の眼）に向かう方向の光路である。光軸ｘ２と光軸ｘ５は、光軸ｘ１とほぼ垂直である。上述したように、光軸ｘ２と光軸ｘ５は、ほぼ平行であるため、図３においては、光軸ｘ２の紙面と垂直下側に光軸ｘ５が存在することになり、光軸ｘ５は図示されていない。

また、光軸ｘ３と光軸ｘ４は、図３においては紙面と垂直下側に向かう光軸となるため、対物レンズ１１９の中央の点として示されている。

図３に示されるように、顕微鏡５１を上から見た場合、ミラー１１４により光源１１１から照射された光束が横方向に偏向されて光軸ｘ２となり、試料９０で反射した光の光束は、同図には図示されていないミラー１３４によって鉛直方向に偏向されて光軸ｘ６となり、光軸ｘ２と光軸ｘ６とが点Ｐで交わっていることになる。

また、この光学系において、光源１１１と開口絞り１１５が共役であり、さらに対物レンズ１１９の後ろ側焦点面が共役である。すなわち、光源１１１から出射された光束がコレクタレンズ１１２により集光されてほぼ平行になり、リレー光学系１１３により、開口絞り１１５の位置に結像させられて１次像となる。そして、開口絞り１１５の位置で一旦結像した光は、その後視野絞り１１６を通過してフィールドレンズ群１１７により、対物レンズ１１９の後ろ側焦点面で再度結像させられ、光源１１１の２次像となる。

なお、この例では、リレー光学系１１３は、レンズ群１１３−１とレンズ群１１３−２により構成されている。

顕微鏡５１を使用する観察者は、図３の矢印Ｓ１で示される位置において、例えば、光量を変化させるフィルタ１７１などの着脱操作を行い、矢印Ｓ２および矢印Ｓ３で示される位置において、それぞれ開口絞り１１５および視野絞り１１６を操作する。また、観察者は、矢印Ｓ４で示される位置において、ステージ６４および６５を移動させるためのステージハンドルなどを操作し、矢印Ｓ５で示される位置において、対物レンズ１１９によるフォーカス状態を調整するための焦点ダイヤルなどを操作する。

このように本発明の顕微鏡５１においては、観察用の光束の光路と、照明用の光束の光路とが交差するようになされているので、光源１１１から試料９０に照射し、試料９０からの光を接眼レンズ７６に導くまでの光路の長さを短くすることなく、顕微鏡の寸法を小さくすることが可能となり、例えば、図３の矢印１５０の方向から試料の画像を観察する観察者にとって操作しやすい位置となる、矢印Ｓ１乃至Ｓ５で示される位置に、それぞれ操作用の部材を設けることが可能となる。

ところで、顕微鏡５１の内部の光学系を、図４に示されるように配置することもできる。図４は、図３と同様に、顕微鏡５１の上面から見た場合の光路の関係を表しており、図３とは異なる位置に光学系を配置させた場合の例を示す図である。図４において、図３に対応する各部には、それぞれ同一の符号が付されている。

図４においては、図３の場合と異なり、開口絞り１１５が光軸ｘ１上に配置されている。また、図４においては、図３の場合と異なり、リレー光学系１１３を構成するレンズ群の1つであるレンズ群１１３−２が、開口絞り１１５と視野絞り１１６との中間に配置されている。図４のそれ以外の構成は、図３の場合と同様なので詳細な説明は省略する。

図４のように構成されることで、開口絞り１１５と共役関係である、対物レンズ１１９の後ろ側焦点面との間の距離をより長くすることができる。

すなわち、図４の場合、光源１１１から出射された光束がコレクタレンズ１１２により集光されて平行になり、リレー光学系１１３のレンズ群１１３−１により、開口絞り１１５の位置に結像させられて１次像となる。そして、開口絞り１１５の位置で一旦結像した光は、その後、リレー光学系１１３のレンズ群１１３−２により集光されて平行光となり、視野絞り１１６を通過してフィールドレンズ群１１７により、対物レンズ１１９の後ろ側焦点面で再度結像させられ、光源１１１の２次像となる。

図３の例では、フィールドレンズ群１１７は、視野絞り１１６の位置に前側焦点面を合わせた上で、さらに、開口絞り１１５と対物レンズ１１９の後ろ側焦点面とが共役となるように、設計する必要があるので、フィールドレンズ群１１７において必要となる収差補正等が複雑になる。これに対して、図４の場合、フィールドレンズ群１１７は、リレー光学系１１３のレンズ群１１３−２により集光されて平行光となった光を対物レンズ１１９の後ろ側焦点面で結像させるように設計すればよいので、フィールドレンズ群１１７をより簡単に設計することが可能となる。

このように本発明の顕微鏡５１においては、観察用の光束の光路と、照明用の光束の光路とが交差するようになされているので、顕微鏡の寸法を大きくすることなく、光源１１１から試料９０に照射された光を反射させて接眼レンズ７６に導くまでの光路の長さを充分に長くすることができ、例えば、図４のフィールドレンズ群１１７の構成を簡素化することができる。

また、本発明によれば、顕微鏡を小型化しても、光路は従来通り長く設定することができるので、例えば、他の光学系を配置する位置などについても、選択の幅がより広くなり、顕微鏡の設計の自動度が向上する。その結果、例えば、高性能な顕微鏡を低コストで製造することが可能となる。

以上においては、観察用の光束の光路と、照明用の光束の光路とが直角に交差する例について説明したが、必ずしも直角に交差させる必要はない。

本発明を適用した顕微鏡の一実施の形態に係る構成例を示す図である。 図１の顕微鏡の内部の光路の構成を表す図である。 図２に示される光路を、図１において紙面と垂直上方向から見た図である。 図３とは異なる位置に光学系を配置させた場合の例を示す図である。

符号の説明

５１ 顕微鏡，
６４ ステージ，
６５ ステージ，
７６ 接眼レンズ，
８１ 収容部，
９０ 試料，
１１１ 光源，
１１２ コレクタレンズ，
１１３ リレー光学系，
１１３−１ レンズ，
１１３−２ レンズ，
１１４ ミラー，
１１５ 開口絞り，
１１６ 視野絞り，
１１７ フィールドレンズ群，
１１８ ハーフミラー，
１１９ 対物レンズ，
１３１ 対物レンズ，
１３２ ミラー，
１３３ リレーレンズ前群，
１３４ ミラー，
１３５ リレーレンズ後群

Claims (5)

1. 試料を載置するステージと、
   前記光源からの光束を前記ステージに載置された試料に導く照明光学系と、
   前記ステージに載置された試料からの光束を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズで集光された光束を接眼レンズに導く結像光学系とを備えた顕微鏡において、
   当該顕微鏡を上方から見て、当該顕微鏡に対して前記接眼レンズの接眼位置に向かう方向を前後方向とした場合、前記ステージ上の前記試料が載置される位置は、前記接眼レンズに対して左右の一方に配置され、
   前記対物レンズの光軸上に、前記照明光学系の光路と前記結像光学系の光路と分岐統合する光路分岐統合部材を配置し、
   前記光路分岐統合部材と前記光源の間の前記照明光学系の光路と、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の前記結像光学系の光路とが、空間的に互いに直交関係を形成するように光路を偏向する光路偏向手段を有している
   ことを特徴とする顕微鏡。
2. 前記光路偏向手段は、前記光路分岐統合部材と前記光源の間の前記照明光学系の光路と、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の前記結像光学系の光路とが、交差するように光路を偏向する
   ことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記光路偏向手段は、前記結像光学系の光路のうち、前記光路分岐統合部材と前記接眼レンズの間の光路を偏向する
   ことを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。
4. 前記光路偏向手段は、複数の光路偏向部からなり、
   前記結像光学系の光路において、前記光路分岐統合部材から前記複数の光路偏向部のうちの一つである第１の光路偏向部までは、前記対物レンズの光軸方向に光路が形成され、
   前記第１の光路偏向部から前記複数の光路偏向部のうちの一つである第２の光路偏向部までは、前記対物レンズの光軸に対して直交し、かつ前記照明光学系の前記光路分岐統合部材から前記光源側までの光路の方向と同一方向に光路が形成され、
   前記第２の光路偏向部から前記接眼光学系までは、前記対物レンズの光軸方向と平行に光路が形成されており、かつ当該前記第２の光路偏向部から前記接眼光学系までの光路の間で、前記結像光学系の光路が前記照明光学系の光路と交差している
   ことを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡。
5. 前記照明光学系は、前記光源の像を形成するリレーレンズ群と、前記光源の像を前記対物レンズに導くフィールドレンズ群を有し、
   前記照明光学系の光路上において、前記リレーレンズ群の一部が前記光源の１次像が形成される位置と、前記フィールドレンズ群との間に配置される
   ことを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡。

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