JP5386940B2 - 顕微鏡 - Google Patents
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Description
本発明は、顕微鏡に関する。
従来、蛍光色素で標識した標本に励起光を照射し、標本より生じた蛍光を観察する顕微鏡が知られている。斯かる顕微鏡において近年では、全反射を利用した照明（以下、「エバネッセント照明」という。）によって標本を励起することも行われている。この理由は、エバネッセント照明によれば標本の深さ方向における励起光の照明範囲を極めて浅くでき、標本のカバーガラスとの界面付近の情報をバックグラウンドの影響を受けることなく高感度に取得することが可能となるためである。
エバネッセント照明においては、照明光（レーザ光）を集光光学系によって対物レンズの後側焦点位置（瞳面）上であって光軸中心からずれた所定の位置に集光し、標本とカバーガラスとの境界面で全反射が生じる入射角度（臨界角）以上で照射することで、標本の媒質とカバーガラスの界面に生じたエバネッセント光によって標本が照明される。なお、照明光の標本への入射角度は、大き過ぎるとエバネッセント光の強度が低下してしまうため、臨界角程度に設定することが好ましい。
ここで、一般に対物レンズの瞳面の光軸方向位置は、照明光の波長に応じて変動する。このため、エバネッセント照明においてある波長の照明光が集光光学系によって対物レンズの瞳面に集光していた場合でも、照明光の波長を切り換えることで照明光の集光位置と対物レンズの瞳面とに大きなずれが生じることとなってしまう。したがって、特に照明光の標本への入射角度が臨界角に近過ぎる場合には、臨界角以上の入射角度の照明光だけでなく、臨界角よりも小さな入射角度の照明光も標本へ入射することとなり、この結果、標本のバックグラウンドが明るくなるため、標本像を観察することが困難になってしまう。
斯かる背景の下、照明光の波長の切り換えに際して、分散の異なるレンズどうしを接合してなる屈折力を持たない補正光学素子を光路内へ適宜挿脱することで、照明光の集光位置と対物レンズの瞳面とのずれを補正してエバネッセント照明を行う構成の顕微鏡が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００６−１３３６３８号
斯かる背景の下、照明光の波長の切り換えに際して、分散の異なるレンズどうしを接合してなる屈折力を持たない補正光学素子を光路内へ適宜挿脱することで、照明光の集光位置と対物レンズの瞳面とのずれを補正してエバネッセント照明を行う構成の顕微鏡が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
しかしながら上述のような従来の顕微鏡においては、使用する照明光の波長毎に複数種の補正光学素子を予め用意する必要があるため、低コスト化を図ることができない。また、照明光の波長の切り換えに際して使用者が補正光学素子の挿脱を行う必要があるため、作業が煩雑であった。
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、照明光の波長の切り換えに際して、光学系の調整を必要とすることなく対物レンズの瞳面と照明光の集光位置とのずれを補償してエバネッセント照明を行うことが可能な低コストの顕微鏡を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、
対物レンズと、
標本をエバネッセント照明するために、光源からの照明光を前記対物レンズの瞳面の所定の領域に集光する集光光学系と、
を有しており、
前記集光光学系は、正レンズと負レンズとからなり全体として正の屈折力を有する接合正レンズを少なくとも１つ有し、
前記接合正レンズが、以下の条件式を満足し、
前記集光光学系が、前記光源の波長の切り換えによる前記対物レンズの瞳面の位置の変動を補償することを特徴とする顕微鏡を提供する。
νｄｈ１ ＞ ３０
νｄｈ１−νｄｈ２ ＞ １０
|（ＰｈＣ１−ＰｈＣ２）／（νｄｈ１−νｄｈ２）| ＜ ０．０３０
ただし、
ｎｄを硝材のｄ線に対する屈折率、ｎｈを硝材のｈ線に対する屈折率、ｎＣを硝材のＣ線に対する屈折率とし、νｄｈ ＝ （ｎｄ−１）／（ｎｈ−ｎＣ）、ＰｈＣ ＝ （ｎｈ−ｎｄ）／（ｎｄ−ｎＣ）と定義したとき、
νｄｈ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のＰｈＣの値
対物レンズと、
標本をエバネッセント照明するために、光源からの照明光を前記対物レンズの瞳面の所定の領域に集光する集光光学系と、
を有しており、
前記集光光学系は、正レンズと負レンズとからなり全体として正の屈折力を有する接合正レンズを少なくとも１つ有し、
前記接合正レンズが、以下の条件式を満足し、
前記集光光学系が、前記光源の波長の切り換えによる前記対物レンズの瞳面の位置の変動を補償することを特徴とする顕微鏡を提供する。
νｄｈ１ ＞ ３０
νｄｈ１−νｄｈ２ ＞ １０
|（ＰｈＣ１−ＰｈＣ２）／（νｄｈ１−νｄｈ２）| ＜ ０．０３０
ただし、
ｎｄを硝材のｄ線に対する屈折率、ｎｈを硝材のｈ線に対する屈折率、ｎＣを硝材のＣ線に対する屈折率とし、νｄｈ ＝ （ｎｄ−１）／（ｎｈ−ｎＣ）、ＰｈＣ ＝ （ｎｈ−ｎｄ）／（ｎｄ−ｎＣ）と定義したとき、
νｄｈ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のＰｈＣの値
本発明によれば、照明光の波長の切り換えに際して、光学系の調整を必要とすることなく対物レンズの瞳面と照明光の集光位置とのずれを補償してエバネッセント照明を行うことが可能な低コストの顕微鏡を提供することができる。
以下、本発明の各実施形態に係る顕微鏡を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
図１に示すように本実施形態に係る顕微鏡１は、顕微鏡本体２と、制御装置３とから構成されている。
顕微鏡本体２は、標本４を載置するステージ５と、該ステージ５側から順に、対物レンズ６、蛍光キューブ７、結像光学系８、及び接眼鏡筒９を備えている。
蛍光キューブ７は、ダイクロイックミラー７ａ、エミッションフィルタ７ｂ、及び波長選択フィルタ７ｃからなる。
結像光学系８は、蛍光キューブ７側から順に、結像レンズ１０、ハーフプリズム１１、ミラー１２ａ、リレーレンズ１３ａ、ミラー１２ｂ、及びリレーレンズ１３ｂからなる。
接眼鏡筒９は、ミラー１４、及び接眼レンズ１５からなる。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
図１に示すように本実施形態に係る顕微鏡１は、顕微鏡本体２と、制御装置３とから構成されている。
顕微鏡本体２は、標本４を載置するステージ５と、該ステージ５側から順に、対物レンズ６、蛍光キューブ７、結像光学系８、及び接眼鏡筒９を備えている。
蛍光キューブ７は、ダイクロイックミラー７ａ、エミッションフィルタ７ｂ、及び波長選択フィルタ７ｃからなる。
結像光学系８は、蛍光キューブ７側から順に、結像レンズ１０、ハーフプリズム１１、ミラー１２ａ、リレーレンズ１３ａ、ミラー１２ｂ、及びリレーレンズ１３ｂからなる。
接眼鏡筒９は、ミラー１４、及び接眼レンズ１５からなる。
顕微鏡本体２の側方には、標本４を照明するための照明装置１６、並びに撮像素子（ＣＣＤ）１７が備えられている。
照明装置１６は、複数の波長のレーザ光を出力可能なレーザ光源である光源１８と、光源１８からの光を対物レンズ６の瞳面Ｐに集光可能な集光光学系２０とからなる。ここで、光源１８には、該光源１８から出力されたレーザ光を集光光学系２０へ導く光ファイバ２１が接続されている。そして光ファイバ２１の射出端２１ａの光軸に垂直な方向における位置は、公知の調整機構によって使用者が調整することができる。この構成により、集光光学系２０によるレーザ光の集光位置を光軸に垂直な方向へ調整することができる。
照明装置１６は、複数の波長のレーザ光を出力可能なレーザ光源である光源１８と、光源１８からの光を対物レンズ６の瞳面Ｐに集光可能な集光光学系２０とからなる。ここで、光源１８には、該光源１８から出力されたレーザ光を集光光学系２０へ導く光ファイバ２１が接続されている。そして光ファイバ２１の射出端２１ａの光軸に垂直な方向における位置は、公知の調整機構によって使用者が調整することができる。この構成により、集光光学系２０によるレーザ光の集光位置を光軸に垂直な方向へ調整することができる。
集光光学系２０は、光源１８側から順に、光源１８からのレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ群ＧＣと、コリメータレンズ群ＧＣからの平行光を対物レンズ６の瞳面Ｐと共役な面（瞳共役面）に集光する第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１からの光を反射するミラー２２と、ミラー２２で反射され前記瞳共役面に集光された光を平行光に変換する第２レンズ群Ｇ２と、第２レンズ群Ｇ２からの平行光を対物レンズ６の瞳面Ｐに集光する第３レンズ群Ｇ３とから構成されている。
制御装置３は、顕微鏡本体２に搭載された種々の電動要素を制御するパーソナルコンピュータ３ａと、モニタ３ｂ等からなる。
制御装置３は、顕微鏡本体２に搭載された種々の電動要素を制御するパーソナルコンピュータ３ａと、モニタ３ｂ等からなる。
斯かる構成の本実施形態に係る顕微鏡１において、照明装置１６の光源１８から出力されたレーザ光は、光ファイバ２１で導かれその射出端２１ａより射出された後、集光光学系２０を介して蛍光キューブ７へ導かれる。ここで、光ファイバ２１の射出端２１ａの光軸に垂直な方向における位置は、レーザ光が対物レンズ６の瞳面Ｐ内の全反射条件領域へ入射するように使用者によって予め調整されている。なお、全反射条件領域とは、対物レンズ６の瞳面Ｐにレーザ光を入射させた際に、このレーザ光を標本４に対して臨界角以上の入射角度で入射させることが可能な瞳面Ｐ上の輪帯形の範囲をいう。
蛍光キューブ７へ導かれたレーザ光は、蛍光キューブ７の波長選択フィルタ７ｃを透過しダイクロイックミラー７ａで反射されることで、所定の励起波長の光が選択された後、対物レンズ６の瞳面Ｐにおける全反射条件領域の一点に集光される。
蛍光キューブ７へ導かれたレーザ光は、蛍光キューブ７の波長選択フィルタ７ｃを透過しダイクロイックミラー７ａで反射されることで、所定の励起波長の光が選択された後、対物レンズ６の瞳面Ｐにおける全反射条件領域の一点に集光される。
対物レンズ６の瞳面Ｐ上の全反射条件領域に集光されたレーザ光は、対物レンズ６を介して平行光となって標本４へ臨界角以上の入射角度で入射し、これにより標本４の媒質と標本４を保持する不図示のガラス基板との境界面において標本側へエバネッセント光が発生する。そしてこのエバネッセント光によって標本４の境界面近傍部分が照明され蛍光が発現し、当該蛍光が対物レンズ６で集光されて平行光となり、蛍光キューブ７のダイクロイックミラー７ａとエミッションフィルタ７ｂを透過することで不要波長の光がカットされる。この蛍光は、結像光学系８の結像レンズ１０を経た後、ハーフプリズム１１によって反射光と透過光とに分離される。
ハーフプリズム１１からの反射光は、撮像素子１７の撮像面上に結像される（蛍光像Ｉ１）。これにより撮像素子１７では標本４の蛍光像Ｉ１が撮像され、これをＰＣ３ａが画像処理してモニタ３ｂに表示させる。このようにして観察者は、エバネッセント照明による標本４の蛍光像Ｉ１をモニタ３ｂ上で観察することが可能となる。
一方、ハーフプリズム１１からの透過光は、ミラー１２ａで反射された後、一次像Ｉ２を形成し、さらにレンズ１３ａによって平行光に変換される。この平行光は、ミラー１２ｂで反射された後、レンズ１３ｂによって集光され接眼鏡筒９へ入射する。接眼鏡筒９へ入射した光は、ミラー１４で反射された後に二次像Ｉ３を形成し、接眼レンズ１５へ導かれる。これにより観察者は、エバネッセント照明による標本４の蛍光像（二次像Ｉ３）を接眼レンズ１５を覗いて観察することが可能となる。
一方、ハーフプリズム１１からの透過光は、ミラー１２ａで反射された後、一次像Ｉ２を形成し、さらにレンズ１３ａによって平行光に変換される。この平行光は、ミラー１２ｂで反射された後、レンズ１３ｂによって集光され接眼鏡筒９へ入射する。接眼鏡筒９へ入射した光は、ミラー１４で反射された後に二次像Ｉ３を形成し、接眼レンズ１５へ導かれる。これにより観察者は、エバネッセント照明による標本４の蛍光像（二次像Ｉ３）を接眼レンズ１５を覗いて観察することが可能となる。
次に、本実施形態において最も特徴的な照明装置１６の集光光学系２０について説明する。
上述のように、一般に対物レンズの瞳面の光軸方向位置は、使用する照明光の波長に応じて変動するため、エバネッセント照明においてある波長の照明光が集光光学系によって対物レンズの瞳面の全反射条件領域に集光していた場合でも、照明光の波長を切り換えることで照明光の集光位置と対物レンズの瞳面とに大きなずれが生じることとなってしまう。
上述のように、一般に対物レンズの瞳面の光軸方向位置は、使用する照明光の波長に応じて変動するため、エバネッセント照明においてある波長の照明光が集光光学系によって対物レンズの瞳面の全反射条件領域に集光していた場合でも、照明光の波長を切り換えることで照明光の集光位置と対物レンズの瞳面とに大きなずれが生じることとなってしまう。
そこで本実施形態に係る顕微鏡１では、光源１８から出力されるレーザ光の波長の切り換えに伴う対物レンズ６の瞳面Ｐの変動を、照明装置１６の集光光学系２０によって補償している。具体的には、集光光学系２０によるレーザ光の集光位置と対物レンズ６の瞳面Ｐとのずれを所定の波長域にわたって小さく維持している。
本実施形態に係る顕微鏡１では、対物レンズ６として色収差の小さなアポクロマートの対物レンズ（倍率１００倍、開口数１．４９）を採用しており、その瞳面Ｐは後述する図３に示すようにレーザ光の波長４００〜６５０ｎｍの間で１〜２ｍｍ程度変動する。この瞳面Ｐの変動を補償するためには、集光光学系２０の色収差を制御してレーザ光の集光位置と対物レンズの瞳面の位置とのずれを小さく維持する必要がある。
このため本実施形態における集光光学系２０は、正レンズと負レンズとからなる接合正レンズを少なくとも１つ有するように構成されており、これによって色収差を良好に制御することができる。
本実施形態に係る顕微鏡１では、対物レンズ６として色収差の小さなアポクロマートの対物レンズ（倍率１００倍、開口数１．４９）を採用しており、その瞳面Ｐは後述する図３に示すようにレーザ光の波長４００〜６５０ｎｍの間で１〜２ｍｍ程度変動する。この瞳面Ｐの変動を補償するためには、集光光学系２０の色収差を制御してレーザ光の集光位置と対物レンズの瞳面の位置とのずれを小さく維持する必要がある。
このため本実施形態における集光光学系２０は、正レンズと負レンズとからなる接合正レンズを少なくとも１つ有するように構成されており、これによって色収差を良好に制御することができる。
また本実施形態に係る顕微鏡１において、集光光学系２０の色収差をより良く制御するためには、接合正レンズが以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されることが望ましい。これによって集光光学系の色収差を良好に制御することができる。
（１） νｄｈ１ ＞ ３０
（２） νｄｈ１−νｄｈ２ ＞ １０
（３） |（ＰｈＣ１−ＰｈＣ２）／（νｄｈ１−νｄｈ２）| ＜ ０．０３０
ただし、
νｄｈ１：接合正レンズにおける正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ２：接合正レンズにおける負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ１：接合正レンズにおける正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ２：接合正レンズにおける負レンズの硝材のＰｈＣの値
（１） νｄｈ１ ＞ ３０
（２） νｄｈ１−νｄｈ２ ＞ １０
（３） |（ＰｈＣ１−ＰｈＣ２）／（νｄｈ１−νｄｈ２）| ＜ ０．０３０
ただし、
νｄｈ１：接合正レンズにおける正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ２：接合正レンズにおける負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ１：接合正レンズにおける正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ２：接合正レンズにおける負レンズの硝材のＰｈＣの値
なお、条件式（１）〜（３）においてνｄｈ（アッベ数に相当）及び部分分散比ＰｈＣは、硝材のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率をｎｄ、ｈ線（波長４０４．７ｎｍ）に対する屈折率をｎｈ、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に対する屈折率をｎＣとしたとき、以下の式で定義される値とする。またこのことは後記第２実施形態において述べる条件式（４）においても同様である。
νｄｈ ＝ （ｎｄ−１）／（ｎｈ−ｎＣ）
ＰｈＣ ＝ （ｎｈ−ｎｄ）／（ｎｄ−ｎＣ）
νｄｈ ＝ （ｎｄ−１）／（ｎｈ−ｎＣ）
ＰｈＣ ＝ （ｎｈ−ｎｄ）／（ｎｄ−ｎＣ）
上記条件式（１）は、集光光学系２０の接合正レンズで生じる色収差を良好に制御するための条件式である。接合正レンズの色収差を制御するためには、正の単レンズの硝材として低分散ガラスを用いることが望ましい。条件式（１）の下限値を下回ると、接合正レンズの色収差を良好に制御することができなくなってしまう。
上記条件式（２）は、条件式（１）と同様に接合正レンズで生じる色収差を良好に制御するために、接合正レンズを構成する正の単レンズと負の単レンズの分散を規定する条件式である。接合正レンズにおいて、正の単レンズで生じた色収差を負の単レンズで補正するためには、負の単レンズの硝材として正の単レンズよりも分散の大きなガラスを用いることが望ましい。条件式（２）の下限値を下回ると、正の単レンズで生じた色収差を負の単レンズで補正することができなくなり、接合正レンズの色収差を良好に制御することができなくなってしまう。
上記条件式（３）は、接合正レンズで生じる色収差の二次スペクトルを小さくするための条件式である。当該二次スペクトルを小さくするためには、条件式（３）の左辺の値が小さいことが望ましい。条件式（３）の上限値を上回ると、接合正レンズで生じる色収差の二次スペクトルが大きくなり、広波長域で色収差を制御することが困難になってしまう。
上記条件式（２）は、条件式（１）と同様に接合正レンズで生じる色収差を良好に制御するために、接合正レンズを構成する正の単レンズと負の単レンズの分散を規定する条件式である。接合正レンズにおいて、正の単レンズで生じた色収差を負の単レンズで補正するためには、負の単レンズの硝材として正の単レンズよりも分散の大きなガラスを用いることが望ましい。条件式（２）の下限値を下回ると、正の単レンズで生じた色収差を負の単レンズで補正することができなくなり、接合正レンズの色収差を良好に制御することができなくなってしまう。
上記条件式（３）は、接合正レンズで生じる色収差の二次スペクトルを小さくするための条件式である。当該二次スペクトルを小さくするためには、条件式（３）の左辺の値が小さいことが望ましい。条件式（３）の上限値を上回ると、接合正レンズで生じる色収差の二次スペクトルが大きくなり、広波長域で色収差を制御することが困難になってしまう。
また、本実施形態に係る顕微鏡１において集光光学系２０は、上述のように光源１８側から順に、光源１８からのレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ群ＧＣと、コリメータレンズ群ＧＣからの平行光を対物レンズ６の瞳共役面に集光する第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１からの光を反射するミラー２２と、該ミラー２２で反射され前記瞳共役面に集光された光を平行光に変換する第２レンズ群Ｇ２と、第２レンズ群Ｇ２からの平行光を対物レンズ６の瞳面Ｐに集光する第３レンズ群Ｇ３とから構成されている。このように、集光光学系２０が第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とからなるリレー光学系を備えることで、集光光学系２０を照明装置１６の筐体内に配置する際の自由度を向上させることができる。
また本実施形態に係る顕微鏡１において、広波長域の光に対して高い透過率を備えた集光光学系２０を実現するために、近紫外域の波長（３５０〜４００ｎｍ）の光の透過率が高い硝材を集光光学系２０を構成するレンズの硝材として用いることが望ましい。
このため本実施形態では、集光光学系２０を構成する全てのレンズの硝材について、波長３８０ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり５０％以上であって、波長４００ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり８５％以上であることを満足するように構成されている。この構成により、広波長域の光に対して高い透過率を備え、十分な光量を確保した集光光学系２０を実現することができる。
このため本実施形態では、集光光学系２０を構成する全てのレンズの硝材について、波長３８０ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり５０％以上であって、波長４００ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり８５％以上であることを満足するように構成されている。この構成により、広波長域の光に対して高い透過率を備え、十分な光量を確保した集光光学系２０を実現することができる。
以下、本実施形態に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０のより詳細な構成を数値例とともに説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０のレンズ構成を示す断面図である。
図２に示すように、集光光学系２０におけるコリメータレンズ群ＧＣは、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ１と、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ２とからなる。
図２は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０のレンズ構成を示す断面図である。
図２に示すように、集光光学系２０におけるコリメータレンズ群ＧＣは、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ１と、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ２とからなる。
第１レンズ群Ｇ１は、光源１８側から順に、両凸形状の正レンズと像側に凸の負メニスカスレンズとの接合正レンズＬ３からなる。
第２レンズ群Ｇ２は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ４からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ５からなる。
第２レンズ群Ｇ２は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ４からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ５からなる。
次の表１に、本実施形態に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０の諸元の値を掲げる。
表１の[面データ]において、面番号は光源１８側から数えたレンズ面の順番、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面どうしの光軸上の間隔、ｎｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率、νｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数をそれぞれ示している。なお、面番号「0」は光ファイバ２１の射出端２１ａを示し、「ＮＡ」は集光光学系２０の開口数を示している。
表１の[面データ]において、面番号は光源１８側から数えたレンズ面の順番、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面どうしの光軸上の間隔、ｎｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率、νｄはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数をそれぞれ示している。なお、面番号「0」は光ファイバ２１の射出端２１ａを示し、「ＮＡ」は集光光学系２０の開口数を示している。
ここで、表１に掲載されている曲率半径ｒやその他長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われる。しかしながら光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるため、これに限られるものではない。なお、以上に述べた表１の符号は、後記第２実施形態の表２においても同様に用いるものとする。
（表１）第１実施例
[面データ]
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
0) 0.00000 35.50000 1.0000000
1) 106.00000 2.00000 1.6133970 44.266
2) 27.00000 3.00000 1.4978200 82.557
3) -42.00000 0.50000 1.0000000
4) 230.00000 1.50000 1.5182300 58.890
5) 20.00000 3.50000 1.4978200 82.557
6) -44.44000 97.50000 1.0000000
7) 40.00000 4.00000 1.4978200 82.557
8) -21.00000 2.00000 1.6476900 33.787
9) -59.66492 164.00000 1.0000000
10) 97.50000 2.00000 1.6133970 44.266
11) 29.50000 5.00000 1.5690700 71.312
12) -118.75000 236.00000 1.0000000
13) 91.10000 2.00000 1.6133970 44.266
14) 42.20000 5.00000 1.4978200 82.557
15) -143.20000 131.03871 1.0000000
ＮＡ 0.14885
［条件式対応値］
（１）νｄｈ１＝ 41.6 （接合正レンズＬ１）
41.6 （接合正レンズＬ２）
41.6 （接合正レンズＬ３）
35.7 （接合正レンズＬ４）
41.6 （接合正レンズＬ５）
（２）νｄｈ１−νｄｈ２＝ 20.0 （接合正レンズＬ１）
12.2 （接合正レンズＬ２）
25.7 （接合正レンズＬ３）
14.1 （接合正レンズＬ４）
20.0 （接合正レンズＬ５）
（３）|(ＰｈＣ１−ＰｈＣ２)／(νｄｈ１−νｄｈ２)|＝ 0.016 （接合正レンズＬ１）
0.006 （接合正レンズＬ２）
0.029 （接合正レンズＬ３）
0.015 （接合正レンズＬ４）
0.016 （接合正レンズＬ５）
[面データ]
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
0) 0.00000 35.50000 1.0000000
1) 106.00000 2.00000 1.6133970 44.266
2) 27.00000 3.00000 1.4978200 82.557
3) -42.00000 0.50000 1.0000000
4) 230.00000 1.50000 1.5182300 58.890
5) 20.00000 3.50000 1.4978200 82.557
6) -44.44000 97.50000 1.0000000
7) 40.00000 4.00000 1.4978200 82.557
8) -21.00000 2.00000 1.6476900 33.787
9) -59.66492 164.00000 1.0000000
10) 97.50000 2.00000 1.6133970 44.266
11) 29.50000 5.00000 1.5690700 71.312
12) -118.75000 236.00000 1.0000000
13) 91.10000 2.00000 1.6133970 44.266
14) 42.20000 5.00000 1.4978200 82.557
15) -143.20000 131.03871 1.0000000
ＮＡ 0.14885
［条件式対応値］
（１）νｄｈ１＝ 41.6 （接合正レンズＬ１）
41.6 （接合正レンズＬ２）
41.6 （接合正レンズＬ３）
35.7 （接合正レンズＬ４）
41.6 （接合正レンズＬ５）
（２）νｄｈ１−νｄｈ２＝ 20.0 （接合正レンズＬ１）
12.2 （接合正レンズＬ２）
25.7 （接合正レンズＬ３）
14.1 （接合正レンズＬ４）
20.0 （接合正レンズＬ５）
（３）|(ＰｈＣ１−ＰｈＣ２)／(νｄｈ１−νｄｈ２)|＝ 0.016 （接合正レンズＬ１）
0.006 （接合正レンズＬ２）
0.029 （接合正レンズＬ３）
0.015 （接合正レンズＬ４）
0.016 （接合正レンズＬ５）
図３は、本発明の第１実施例に係る顕微鏡１の波長４００〜６５０ｎｍにおける対物レンズ６の瞳面Ｐの光軸方向位置の変動（点線）と集光光学系２０によるレーザ光の集光位置の変動（実線）を示すグラフである。
図４は、本発明の第１実施例に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０の分光透過率を示すグラフである。
図４は、本発明の第１実施例に係る顕微鏡１における照明装置１６の集光光学系２０の分光透過率を示すグラフである。
図３より、本実施形態に係る顕微鏡１において上記レンズデータに基づく集光光学系２０は、４００〜６５０ｎｍの波長域にわたって色収差を良好に制御し、レーザ光の集光位置と対物レンズの瞳面の位置とのずれを小さく維持できていることがわかる。そしてこれにより、レーザ光の集光位置と対物レンズ６の瞳面Ｐとのずれを０．７ｍｍ以内と小さく抑えることができていることがわかる。このため本実施形態に係る顕微鏡１では、光源１８のレーザ光の波長を切り換えても、対物レンズ６の瞳面Ｐの変動を集光光学系２０によって十分に補償することができる、したがってエバネッセント照明を維持することができ標本のバックグラウンドが明るくなってしまうことを防ぐことができる。
また図３より、特に４５０〜６５０ｎｍの波長域においては、集光光学系２０によるレーザ光の集光位置が対物レンズ６の瞳面Ｐと略同様の振る舞いで変動していることがわかる。このため本実施形態に係る顕微鏡１では、集光光学系２０によって対物レンズ６の瞳面Ｐの変動をより効果的に補償することができる。
また図４より、本実施形態における集光光学系２０は、広波長域の光に対して９０％以上の高い透過率を備えており、波長４００ｎｍの光に対しても８０％以上の透過率を実現できていることがわかる。
また図４より、本実施形態における集光光学系２０は、広波長域の光に対して９０％以上の高い透過率を備えており、波長４００ｎｍの光に対しても８０％以上の透過率を実現できていることがわかる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
図５に示すように、本実施形態に係る顕微鏡３０の全体的な構成は、上記第１実施形態と同様であるため同じ符号を付して説明を省略し、特徴的な構成を有する集光光学系４０について以下に詳述する。
図５は、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。
図５に示すように、本実施形態に係る顕微鏡３０の全体的な構成は、上記第１実施形態と同様であるため同じ符号を付して説明を省略し、特徴的な構成を有する集光光学系４０について以下に詳述する。
上記第１実施形態の集光光学系４０において、広い波長域で色収差をさらに良好に制御するためには、負の屈折力を有する接合負レンズを導入しその色収差を大きくすることで、接合正レンズで生じる色収差を打ち消すことが好ましい。
そこで本実施形態における照明装置１６の集光光学系４０は、上記第１実施形態と同様の構成に加えて、正の単レンズと負の単レンズとからなり負の屈折力を有する接合負レンズを有し、当該接合負レンズが以下の条件式（４）を満足するように構成されている。
（４） |（ＰｈＣ３−ＰｈＣ４）／（νｄｈ３−νｄｈ４）| ＞ ０．０８０
ただし、
νｄｈ３：接合負レンズにおける正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ４：接合負レンズにおける負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ３：接合負レンズにおける正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ４：接合負レンズにおける負レンズの硝材のＰｈＣの値
そこで本実施形態における照明装置１６の集光光学系４０は、上記第１実施形態と同様の構成に加えて、正の単レンズと負の単レンズとからなり負の屈折力を有する接合負レンズを有し、当該接合負レンズが以下の条件式（４）を満足するように構成されている。
（４） |（ＰｈＣ３−ＰｈＣ４）／（νｄｈ３−νｄｈ４）| ＞ ０．０８０
ただし、
νｄｈ３：接合負レンズにおける正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ４：接合負レンズにおける負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ３：接合負レンズにおける正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ４：接合負レンズにおける負レンズの硝材のＰｈＣの値
上記条件式（４）は、集光光学系４０の接合負レンズで生じる色収差の二次スペクトルを大きくするための条件式である。当該二次スペクトルを大きくするためには、条件式（４）の左辺の値が大きいことが望ましい。条件式（４）の下限値を下回ると、接合負レンズで生じる色収差の二次スペクトルが小さくなり、広波長域で集光光学系の色収差を制御することが困難になってしまう。この構成によって本実施形態における集光光学系４０は、対物レンズ６の瞳面Ｐの変動を集光光学系４０でさらに良好に補償する、即ちレーザ光の集光位置と対物レンズ６の瞳面Ｐとのずれをさらに小さくすることができる。
以下、本実施形態に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０のより詳細な構成を数値例とともに説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０のレンズ構成を示す断面図である。
図６に示すように、集光光学系４０におけるコリメータレンズ群ＧＣは、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ１と、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ２とからなる。
図６は、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０のレンズ構成を示す断面図である。
図６に示すように、集光光学系４０におけるコリメータレンズ群ＧＣは、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ１と、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ２とからなる。
第１レンズ群Ｇ１は、光源１８側から順に、両凸形状の正レンズと像側に凸の負メニスカスレンズとの接合正レンズＬ３と、両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズとの接合負レンズＬ４と、両凸形状の正レンズと像側に凸の負メニスカスレンズとの接合正レンズＬ５とからなる。
第２レンズ群Ｇ２は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ６からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ７からなる。
次の表２に、本実施形態に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０の諸元の値を掲げる。
第２レンズ群Ｇ２は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ６からなる。
第３レンズ群Ｇ３は、光源１８側から順に、光源１８側に凸の負メニスカスレンズと両凸形状の正レンズとの接合正レンズＬ７からなる。
次の表２に、本実施形態に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０の諸元の値を掲げる。
（表２）第２実施例
[面データ]
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
0) 0.00000 35.50000 1.0000000
1) 106.00000 2.00000 1.6133970 44.266
2) 27.00000 3.00000 1.4978200 82.557
3) -42.00000 0.50000 1.0000000
4) 230.00000 1.50000 1.5182300 58.890
5) 20.00000 3.50000 1.4978200 82.557
6) -44.44000 96.00000 1.0000000
7) 20.35000 4.50000 1.4978200 82.557
8) -20.35000 1.50000 1.6133970 44.266
9) -607.57600 2.00000 1.0000000
10) 45.00000 5.00000 1.7173600 29.521
11) -12.50000 1.50000 1.7204670 34.708
12) 19.83600 7.00000 1.0000000
13) 68.64000 4.00000 1.4978200 82.557
14) -14.60000 1.50000 1.6133970 44.266
15) -43.10000 144.50000 1.0000000
16) 97.50000 2.00000 1.6133970 44.266
17) 29.50000 5.00000 1.5690700 71.312
18) -118.75000 236.00000 1.0000000
19) 91.10000 2.00000 1.6133970 44.266
20) 42.20000 5.00000 1.4978200 82.557
21) -143.20000 131.48597
ＮＡ 0.14885
［条件式対応値］
（１）νｄｈ１＝ 41.6 （接合正レンズＬ１）
41.6 （接合正レンズＬ２）
41.6 （接合正レンズＬ３）
41.6 （接合正レンズＬ５）
35.7 （接合正レンズＬ６）
41.6 （接合正レンズＬ７）
（２）νｄｈ１−νｄｈ２＝ 20.0 （接合正レンズＬ１）
12.2 （接合正レンズＬ２）
20.0 （接合正レンズＬ３）
20.0 （接合正レンズＬ５）
14.1 （接合正レンズＬ６）
20.0 （接合正レンズＬ７）
（３）|(ＰｈＣ１−ＰｈＣ２)／(νｄｈ１−νｄｈ２)|＝ 0.016 （接合正レンズＬ１）
0.006 （接合正レンズＬ２）
0.016 （接合正レンズＬ３）
0.016 （接合正レンズＬ５）
0.015 （接合正レンズＬ６）
0.016 （接合正レンズＬ７）
（４）|(ＰｈＣ３−ＰｈＣ４)／(νｄｈ３−νｄｈ４)|＝ 0.107 （接合正レンズＬ４）
[面データ]
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ
0) 0.00000 35.50000 1.0000000
1) 106.00000 2.00000 1.6133970 44.266
2) 27.00000 3.00000 1.4978200 82.557
3) -42.00000 0.50000 1.0000000
4) 230.00000 1.50000 1.5182300 58.890
5) 20.00000 3.50000 1.4978200 82.557
6) -44.44000 96.00000 1.0000000
7) 20.35000 4.50000 1.4978200 82.557
8) -20.35000 1.50000 1.6133970 44.266
9) -607.57600 2.00000 1.0000000
10) 45.00000 5.00000 1.7173600 29.521
11) -12.50000 1.50000 1.7204670 34.708
12) 19.83600 7.00000 1.0000000
13) 68.64000 4.00000 1.4978200 82.557
14) -14.60000 1.50000 1.6133970 44.266
15) -43.10000 144.50000 1.0000000
16) 97.50000 2.00000 1.6133970 44.266
17) 29.50000 5.00000 1.5690700 71.312
18) -118.75000 236.00000 1.0000000
19) 91.10000 2.00000 1.6133970 44.266
20) 42.20000 5.00000 1.4978200 82.557
21) -143.20000 131.48597
ＮＡ 0.14885
［条件式対応値］
（１）νｄｈ１＝ 41.6 （接合正レンズＬ１）
41.6 （接合正レンズＬ２）
41.6 （接合正レンズＬ３）
41.6 （接合正レンズＬ５）
35.7 （接合正レンズＬ６）
41.6 （接合正レンズＬ７）
（２）νｄｈ１−νｄｈ２＝ 20.0 （接合正レンズＬ１）
12.2 （接合正レンズＬ２）
20.0 （接合正レンズＬ３）
20.0 （接合正レンズＬ５）
14.1 （接合正レンズＬ６）
20.0 （接合正レンズＬ７）
（３）|(ＰｈＣ１−ＰｈＣ２)／(νｄｈ１−νｄｈ２)|＝ 0.016 （接合正レンズＬ１）
0.006 （接合正レンズＬ２）
0.016 （接合正レンズＬ３）
0.016 （接合正レンズＬ５）
0.015 （接合正レンズＬ６）
0.016 （接合正レンズＬ７）
（４）|(ＰｈＣ３−ＰｈＣ４)／(νｄｈ３−νｄｈ４)|＝ 0.107 （接合正レンズＬ４）
図７は、本発明の第２実施例に係る顕微鏡３０の波長４００〜６５０ｎｍにおける対物レンズ６の瞳面Ｐの光軸方向位置の変動（点線）と集光光学系４０によるレーザ光の集光位置の変動（実線）を示すグラフである。
図８は、本発明の第２実施例に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０の分光透過率を示すグラフである。
図８は、本発明の第２実施例に係る顕微鏡３０における照明装置１６の集光光学系４０の分光透過率を示すグラフである。
図７より、本実施形態に係る顕微鏡３０において上記レンズデータに基づく集光光学系４０は、上記第１実施形態と同様の効果を奏しており、４００〜６５０ｎｍの波長域にわたってレーザ光の集光位置と対物レンズ６の瞳面Ｐとのずれを０．１５ｍｍ以内とさらに小さく抑えることができていることがわかる。そして当該波長域にわたってレーザ光の集光位置が対物レンズ６の瞳面Ｐと略同様の振る舞いで変動していることがわかる。このため本実施形態に係る顕微鏡３０では、集光光学系４０によって対物レンズ６の瞳面Ｐの変動をより好ましく効果的に補償することができる。
また図８より、本実施形態における集光光学系４０は、広波長域の光に対して９０％以上の高い透過率を備えており、波長４００ｎｍの光に対しても７０％以上の透過率を実現できていることがわかる。
また図８より、本実施形態における集光光学系４０は、広波長域の光に対して９０％以上の高い透過率を備えており、波長４００ｎｍの光に対しても７０％以上の透過率を実現できていることがわかる。
以上、上記各実施形態によれば、照明光の波長の切り換えに際して、対物レンズの瞳面と集光光学系による照明光の集光位置とのずれを、集光光学系によって補償してエバネッセント照明を行うことが可能な顕微鏡を実現することができる。そしてこの顕微鏡は、従来の顕微鏡のように補正光学素子等を別途必要としないため、低コスト化を図ることができる。また、従来の顕微鏡のような補正光学素子の光路内への挿脱作業や、その他の光学系の調整作業を必要とせず、作業の煩雑さを解消することができる。またこれにより、照明光の波長の切り換えを短時間で行うことができるため、生細胞等の標本を手早く観察することも可能となる。
１，３０ 顕微鏡
２ 顕微鏡本体
３ 制御装置
４ 標本
６ 対物レンズ
８ 結像光学系
１８ 光源
２０，４０ 集光光学系
ＧＣ コリメータレンズ群
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｐ 瞳面
２ 顕微鏡本体
３ 制御装置
４ 標本
６ 対物レンズ
８ 結像光学系
１８ 光源
２０，４０ 集光光学系
ＧＣ コリメータレンズ群
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｐ 瞳面
Claims (4)
- 対物レンズと、
標本をエバネッセント照明するために、光源からの照明光を前記対物レンズの瞳面の所定の領域に集光する集光光学系と、
を有しており、
前記集光光学系は、正レンズと負レンズとからなり全体として正の屈折力を有する接合正レンズを少なくとも１つ有し、
前記接合正レンズが、以下の条件式を満足し、
前記集光光学系が、前記光源の波長の切り換えによる前記対物レンズの瞳面の位置の変動を補償することを特徴とする顕微鏡。
νｄｈ１ ＞ ３０
νｄｈ１−νｄｈ２ ＞ １０
|（ＰｈＣ１−ＰｈＣ２）／（νｄｈ１−νｄｈ２）| ＜ ０．０３０
ただし、
ｎｄを硝材のｄ線に対する屈折率、ｎｈを硝材のｈ線に対する屈折率、ｎＣを硝材のＣ線に対する屈折率とし、νｄｈ ＝ （ｎｄ−１）／（ｎｈ−ｎＣ）、ＰｈＣ ＝ （ｎｈ−ｎｄ）／（ｎｄ−ｎＣ）と定義したとき、
νｄｈ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ１：前記接合正レンズにおける前記正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ２：前記接合正レンズにおける前記負レンズの硝材のＰｈＣの値 - 前記集光光学系は、正レンズと負レンズとからなり全体として負の屈折力を有する接合負レンズをさらに有し、
前記接合負レンズが、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
|（ＰｈＣ３−ＰｈＣ４）／（νｄｈ３−νｄｈ４）| ＞ ０．０８０
ただし、
νｄｈ３：前記接合負レンズにおける前記正レンズの硝材のνｄｈの値
νｄｈ４：前記接合負レンズにおける前記負レンズの硝材のνｄｈの値
ＰｈＣ３：前記接合負レンズにおける前記正レンズの硝材のＰｈＣの値
ＰｈＣ４：前記接合負レンズにおける前記負レンズの硝材のＰｈＣの値 - 前記集光光学系は、前記光源側から順に、
前記照明光を平行光に変換するコリメータレンズ群と、
前記コリメータレンズ群からの前記平行光を前記対物レンズの瞳共役面に集光する第１レンズ群と、
前記第１レンズ群によって前記瞳共役面に集光された前記照明光を平行光に変換する第２レンズ群と、
前記第２レンズ群からの前記平行光を前記対物レンズの瞳面に集光する第３レンズ群とから構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡。 - 前記集光光学系を構成する全てのレンズの硝材は、波長３８０ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり５０％以上で、かつ波長４００ｎｍの光の透過率が硝材厚１０ｍｍ当たり８５％以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡。
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