JP5387409B2 - リレー変倍光学系と、これを有する顕微鏡 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡用ズームチューブレンズ等の入射瞳の位置がレンズの第１面より物体側にあり、かつ変倍による射出瞳の位置の変動が極めて小さいリレー変倍光学系及び該光学系を備えた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一次像と二次像の位置関係を崩すことなく一定に保ち、リレー光学系の射出瞳と入射瞳との位置関係をほぼ一定に保ちながら、リレー光学系をズームレンズ化したリレー変倍光学系を顕微鏡等の光学系に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７２６２７５号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のリレー変倍光学系は、変倍光学系の射出瞳（以後、本明細書中では変倍光学系の瞳と記す）が変倍光学系の内部にあるため、変倍光学系の瞳の位置に位相膜等の光変調素子を配置すると、変倍時に光変調素子がレンズと物理的に干渉してしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、変倍光学系の最終レンズ面より像側に変倍光学系の瞳の位置があり、かつ変倍による変倍光学系の瞳の位置の変動が極めて小さいリレー変倍光学系と、これを有する顕微鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１態様は、一次像からの光に基づいて二次像を形成するリレー変倍光学系において、前記一次像からの光を受けて前記二次像を変倍するための変倍光学系と、前記変倍光学系を通過した光を受けて前記二次像を形成するための後方レンズ群とを備え、前記変倍光学系は、前記一次像側から順に、正屈折力の第１レンズ群と、負屈折力の第２レンズ群と、正屈折力の第３レンズ群と、正屈折力の第４レンズ群とからなり、高倍端状態から低倍端状態への変倍の際、前記第４レンズ群が前記二次像側へ移動し、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が増大し、前記変倍光学系の変倍の際、前記一次像と前記二次像の位置と、前記リレー変倍光学系の入射瞳、前記変倍光学系の瞳、および前記リレー変倍光学系の射出瞳の位置が一定に保たれ、前記変倍光学系の瞳が前記変倍光学系の最終面より前記二次像側にあることを特徴とするリレー変倍光学系を提供する。
【０００７】
また、本発明の第１態様によれば、高倍端状態から低倍端状態への変倍に際し、前記第３レンズ群は前記二次像側へ光軸に沿って移動することが望ましい。
【０００８】
また、本発明の第１態様によれば、前記リレー変倍光学系は、前記リレー変倍光学系の入射瞳と射出瞳で光軸と交わる光線に対する高倍端状態での前記第２レンズ群の倍率をβ’２Ｈ、前記光線に対する低倍端状態での前記第２レンズ群の倍率をβ’２Ｌとしたとき、以下の条件を満足することが望ましい。
β’２Ｌ ＜−１ かつ β’２Ｈ ＞−１
０．８ ＜ β’２Ｌ×β’２Ｈ ＜ １．２５
【０００９】
また、本発明の第１態様によれば、前記リレー変倍光学系は、低倍端状態における前記変倍光学系の焦点距離をｆＬ、前記第１レンズ群の前側頂点から前記第４レンズ群の後側頂点までの距離をＶＶ’Ｌ、前記第１レンズ群の前側頂点位置から前記変倍光学系の後側主点までの距離をＶＨ’Ｌとしたとき、以下の条件を満足することが望ましい。
ＶＨ’Ｌ ＞ ＶＶ’Ｌ − ｆＬ
【００１１】
また、本発明の第１態様によれば、前記リレー変倍光学系は、高倍端状態における前記変倍光学系の瞳の位置をＰＨ、低倍端状態における前記変倍光学系の瞳の位置をＰＬとしたとき、以下の条件を満足することが望ましい。
｜ＰＨ−ＰＬ｜＜１
【００１２】
また、本発明の第２態様によれば、標本からの光を集光する第１対物レンズと、前記第１対物レンズからの光より一次像を形成する第２対物レンズと、前記一次像を変倍して二次像を形成する請求項１から６のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系と、前記リレー変倍光学系中の変倍光学系の瞳の位置に配置された光変調素子と、を具備してなることを特徴とする顕微鏡を提供する。
【００１３】
また、本発明の第２態様によれば、前記光変調素子は位相膜であることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の第３態様によれば、標本に照明光を照射する照明光学系と、前記標本からの光を集光して標本像を形成する結像光学系とを有し、前記照明光学系は、請求項１から６のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系を含み、前記リレー変倍光学系の前側焦点の位置に回折格子を配置し、前記リレー変倍光学系中の変倍光学系の瞳の位置に光変調素子を配置してなることを特徴とする顕微鏡を提供する。
【００１５】
また、本発明の第３態様によれば、前記光変調素子は位相膜であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、変倍光学系の瞳の位置が変倍光学系の最終レンズ面より像側にあり、かつ変倍による変倍光学系の瞳の位置変動が極めて小さいリレー変倍光学系と、これを有する顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系の基本構成を説明する図である。
【図２Ａ】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図２Ｂ】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図２Ｃ】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図３】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図４】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図５】第１実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図６Ａ】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図６Ｂ】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図６Ｃ】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【図７】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図８】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図９】第２実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【図１０Ａ】本発明の第２実施の形態にかかる顕微鏡の高倍端状態における構成を概略的に示す。
【図１０Ｂ】本発明の第２実施の形態にかかる顕微鏡の低倍端状態における構成を概略的に示す。
【図１１Ａ】本発明の第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡の高倍端状態における構成を概略的に示す。
【図１１Ｂ】本発明の第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡の低倍端状態における構成を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態にかかるリレー変倍光学系について図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系の基本構成を説明する図である。
図１のリレー変倍光学系は、例えば顕微鏡の対物レンズにより形成された一次像からの光に基づいて接眼レンズの焦点面に二次像を形成するための光学系等が挙げられる。
【００２０】
このリレー変倍光学系は、一次像側から順に、正屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４と、正屈折力の結像レンズ群Ｇ５とから構成されている。
【００２１】
ここで、第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４は、一次像からの光を受けて二次像を変倍するための変倍光学系を構成し、高倍端状態から低倍端状態への変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔および第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間隔が変化する。
【００２２】
また、結像レンズＧ５は、第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４よりなる変倍光学系の光を集光して二次像を形成するための後方レンズ群を構成している。
【００２３】
変倍光学系の射出瞳（変倍光学系の瞳）を変倍光学系の後方に配置するためには、前側主点、後側主点が比較的後方になるような構成をとらなければならないが、本リレー変倍光学系では、変倍光学系において、負屈折力の第２レンズ群が変倍光学系内の前方に配置されるため、変倍光学系の前側主点と後側主点とを変倍光学系の後方に出すことが可能になる。
【００２４】
このような構成にすることによって、変倍光学系の瞳の位置が変倍光学系の最終レンズ面より像側（二次像側）にあり、かつ変倍による変倍光学系の瞳の位置変動が極めて小さいリレー変倍光学系を達成することができる。
【００２５】
また、本リレー変倍光学系は、倍率変化による一次像位置と二次像位置の相対位置変化を抑制するために、第４レンズ群Ｇ４を光軸に沿って移動する構成としている。これにより、本リレー変倍光学系は、一次像の各点の主光線が第２レンズ群Ｇ２の倍率設定と第３レンズ群Ｇ３の微調整により常に同じ位置に集光できる状態で第４レンズ群Ｇ４を光軸に沿って移動することで、一次像の各点の主光線と同じ点から出るマージナルな光線とのなす角度を一定にすることが可能になる。この結果、本リレー変倍光学系は、倍率変化による一次像位置と二次像位置の相対位置変化を抑制することが可能となる。
【００２６】
また、本リレー変倍光学系は、高倍端状態から低倍端状態への変倍に際し、前記第３レンズ群は、前記二次像側へ光軸に沿って移動するように構成することが望ましい。このような構成にすることで、本リレー変倍光学系は、変倍に際してリレー変倍光学系の入射瞳と変倍光学系の瞳の位置関係の変化を第３レンズ群Ｇ３および第４レンズ群Ｇ４を微調することで小さくすることができる。
【００２７】
また、実施の形態にかかるリレー変倍光学系では、リレー変倍光学系の入射瞳と射出瞳で光軸と交わる光線に対する高倍端状態での第２レンズ群の倍率をβ’２Ｈ、同光線に対する低倍端状態での第２レンズ群の倍率をβ’２Ｌとしたとき、以下の条件式（１）および（２）を満足することが望ましい。
（１） β’２Ｌ ＜−１ かつ β’２Ｈ ＞−１
（２） ０．８ ＜ β’２Ｌ×β’２Ｈ ＜ １．２５
【００２８】
条件式（１）は、変倍における瞳の共役関係の変化を抑えるための条件を規定している。
条件式（１）において、β’２Ｌ ＜−１の条件を満足しない場合、第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率が変倍領域の全体に亘って−１より大きくなり、変倍における瞳の共役関係の変化が大きくなってしまう。
【００２９】
また、条件式（１）において、β’２Ｈ ＞−１の条件を満足しない場合、第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率が変倍領域の全体に亘って−１よりも小さくなり、変倍における瞳の共役関係の変化が大きくなってしまう。
【００３０】
条件式（２）は、変倍における瞳の共役関係の変化を抑えるための条件を規定している。
条件式（２）を満足することによって、低倍端状態での第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率β’２Ｌと高倍端状態での第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率β’２Ｈとのバランスをとって、変倍における瞳の共役関係の変化をさらに小さく抑えることができる。
【００３１】
条件式（２）の下限値を下回ると、低倍端状態での第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率が小さくなりすぎ、変倍における瞳の共役関係の変化が大きくなり好ましくない。
【００３２】
条件式（２）の上限値を上回ると、高倍端状態での第２レンズ群Ｇ２の瞳共役における倍率が大きくなりすぎ、変倍における瞳の共役関係の変化が大きくなり好ましくない。
【００３３】
ここで、本リレー変倍光学系が、条件式（１）および条件式（２）を満足することにより、変倍における瞳の共役関係の変化を小さく抑えられる理由について図１を参照しつつ説明する。なお、図１において破線は、リレー変倍光学系の入射瞳の中心から射出した光線を示している。
【００３４】
図１の破線で示すように、本リレー変倍光学系は、入射瞳を物点としたときの第１レンズ群Ｇ１による像点の位置をＡ、第２レンズ群Ｇ２による像点の位置をＡ’とする。
【００３５】
本リレー変倍光学系は、第２レンズ群Ｇ２による像点の位置Ａ’を後群の第３レンズ群Ｇ３および第４レンズ群Ｇ４を介して結像する構成である。このため、本リレー変倍光学系は、変倍により第２レンズ群Ｇ２の位置が変わっても像点の位置Ａ’の変化が小さければ、第３レンズ群Ｇ３および第４レンズ群Ｇ４を介して結像する変倍光学系の瞳の位置の変化を小さくすることができる。
【００３６】
ここで、本リレー変倍光学系は、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ２、図１に示すように、第２レンズ群Ｇ２から像点の位置Ａまでの距離をＳ２、第２レンズ群Ｇ２から像点の位置Ａ’までの距離をＳ’２とすると以下の（ａ）式が成立する。なお、距離の符号は、図１における本リレー変倍光学系の入射瞳から射出瞳に向かう方向を正とする。
（ａ） （１／Ｓ’２）＝（１／Ｓ２）＋（１／ｆ２）
【００３７】
一方、（Ｓ’２／Ｓ２）は、第２レンズ群Ｇ２における入射瞳と射出瞳で光軸と交わる光線に対する倍率に等しいので、この値をβ’２とすると以下の（ｂ）式および（ｃ）式が得られる。
（ｂ） Ｓ’２＝ｆ２（１−β’２）
（ｃ） Ｓ２＝−ｆ２（１−（１／β’２））
【００３８】
ここで、像点の位置Ａと像点の位置Ａ’の距離Ｌは、（ｂ）式および（ｃ）式から、（ｄ）式となる。
（ｄ） Ｌ＝Ｓ’２−Ｓ２＝２ｆ２−ｆ２（β’２＋（１／β’２））
【００３９】
（ｄ）式をβ’２に関して微分すると（ｅ）式が得られる。
（ｅ） （ｄＬ／ｄβ’２）＝−ｆ２（１−（１／（β’２）^２））
（ｅ）式は、倍率β’２＝−１のとき、（ｄＬ／ｄβ’２）＝０となり、変倍による距離Ｌの変化率を極小にすることができる。
【００４０】
よって、本リレー変倍光学系は、条件式（１）に示すように、低倍率β’２Ｌと高倍率β’２Ｈがβ’２＝−１を跨ぐように設定することで、変倍に伴う距離Ｌの変化率を極小にすることができる。これにより、本リレー変倍光学系は変倍による変倍光学系の瞳の位置の変化をほぼ不変に保つことができる。
【００４１】
また、本リレー変倍光学系は、条件式（２）に示すように、β’２Ｈ×β’２Ｌを所定の範囲に収めることで、倍率β’２Ｈおよび倍率β’２Ｌの少なくとも一方が極値であるβ’２＝−１から遠ざかりすぎて変倍による距離Ｌの変化率が大きくなり過ぎないようにしている。これにより、本リレー変倍光学系は変倍による変倍光学系の瞳の位置の変化をほぼ不変に保つことができる。
【００４２】
また、実施の形態にかかるリレー変倍光学系は、低倍端状態における変倍光学系の焦点距離をｆＬ、第１レンズ群の前側頂点から第４レンズ群の後側頂点までの距離をＶＶ’Ｌ、第１レンズ群の前側頂点位置から変倍光学系の後側主点までの距離をＶＨ’Ｌとしたとき、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
（３） ＶＨ’Ｌ ＞ ＶＶ’Ｌ − ｆＬ
【００４３】
条件式（３）は、変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に設定するための条件を規定している。
【００４４】
条件式（３）を満たさない場合、本リレー変倍光学系は、前側主点、および後側主点が変倍光学系の前方あるいは内側に来るため、変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に設定することが困難となる。なお、本リレー変倍光学系は、変倍光学系の全長が最も長くなる低倍端状態において、条件式（３）を満たせば、全ての変倍領域に亘って変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に出すことが可能である。
【００４５】
ここで、本リレー変倍光学系が、条件式（３）を満足することにより、変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に出すことができる理由について図１を参照しつつ説明する。
【００４６】
図１において、本リレー変倍光学系は、第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４で構成される変倍光学系の低倍端における後側主点をＨ’とし、Ｈ’から瞳までの距離をＨ’ＰＬとする。また、本リレー変倍光学系は、入射瞳の中心から射出した光線を破線で、一次像の中心から射出した光線を実線でそれぞれ示す。
【００４７】
変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に出すためには、本リレー変倍光学系は、変倍光学系の全長が最も長い低倍端状態において、変倍光学系の全長ＶＶ’Ｌを第１レンズ群Ｇ１の前側頂点から変倍光学系の瞳までの距離ＶＰＬより短くしなくてはならず、以下の式（ｆ）を満たす必要がある。
（ｆ） ＶＶ’Ｌ＜ＶＰＬ＝ＶＨ’Ｌ＋Ｈ’ＰＬ
【００４８】
また、Ｈ’ＰＬは入射瞳が無限遠にあるときに最小となり、変倍光学系の焦点距離ｆＬとなる。従って、式（ｆ）を満たすためには、式 ＶＶ’Ｌ＜ＶＨ’Ｌ＋ｆＬを満たせば良い。この式は、条件式（３）と等価である。これにより、本リレー変倍光学系は、変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方に出すことを可能にしている。
【００４９】
また、実施の形態にかかるリレー変倍光学系は、高倍端状態における変倍光学系の瞳の位置をＰＨ、低倍端状態における変倍光学系の瞳の位置をＰＬとしたとき、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
（４） ｜ＰＨ−ＰＬ｜＜１
【００５０】
条件式（４）は、変倍によるアイポイント位置の変動を小さく抑えるための条件式である。
【００５１】
変倍光学系の瞳の接眼レンズに関する像がアイポイントであるが、本リレー変倍光学系は、条件式（４）を満足することで、このアイポイント位置の変動を小さくし、観察者が眼をアイポイントに合わせることが容易になる。また、後述する変倍光学系の瞳の位置に位相膜などを配置して位相差顕微鏡観察を行う場合、本リレー変倍光学系は、位相膜の配置位置と瞳の位置の差を小さくして位相膜の周囲からの漏れ光を低減することで、像のコントラストを大きくすることができる。
【００５２】
なお、実施の形態の効果を確実にするために、本リレー変倍光学系は、条件式（４）の上限値を０．７にすることが好ましい。これにより、後述する変倍光学系の瞳の位置に位相膜を配置した位相差顕微鏡において、本リレー変倍光学系は、観察像のコントラスト低下を防止することができる。また、実施の形態の効果をさらに確実にするために、本リレー変倍光学系は、条件式（４）上限値を０．３にすることがさらに好ましい。また、実施の形態の効果をより確実にするために、本リレー変倍光学系は、条件式（４）の上限値を０．１にすることがより好ましい。これにより、後述する変倍光学系の前側焦点の位置に回折格子を配置した構造化照明顕微鏡において、本リレー変倍光学系は、回折格子で生じる回折光の波面の標本上でのずれを低減することができ、標本上に形成される干渉縞のコントラストを向上させ、取得画像に生じるアーティファクトを低減させることができる。
【００５３】
実施の形態にかかるリレー変倍光学系は、例えば、高倍端状態と低倍端状態とでＰＨ−ＰＬ＝１ｍｍとすることで、上記効果が発揮できる。例えば、位相差顕微鏡観察用の位相膜は、その周辺から光が漏れないように位相膜の幅がリング絞りの幅に対して僅かに大きく形成されている。仮にリング絞りから位相膜に結像する光の後側ＮＡが０．０５である場合に、瞳の位置が１ｍｍずれても、位相膜の幅が両端でそれぞれ０．０５×１ｍｍ＝０．０５ｍｍ程度大きくしてあれば、光が漏れることはなく像のコントラストを大きくすることができる。
【００５４】
以下、第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系の各実施例について図面を参照しつつ説明する。
【００５５】
（第１実施例）
図２Ａは、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。図２Ｂは、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるレンズ構成を概略的に示す。図２Ｃは、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す。
【００５６】
図２Ａから図２Ｃに示すリレー変倍光学系は、例えば顕微鏡の対物レンズにより形成された一次像Ｉ１からの光に基づいて接眼レンズの焦点面に二次像Ｉ２を形成するための光学系である。
【００５７】
図２Ａにおいて、リレー変倍光学系は、一次像Ｉ１側から順に、正屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４と、正屈折力の結像レンズ群Ｇ５とから構成されている。なお、符号は図２Ａのみに記載するが他も同様である。
【００５８】
第１レンズ群Ｇ１は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００５９】
第２レンズ群Ｇ２は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと両凹形状の負レンズとの接合レンズから構成されている。
【００６０】
第３レンズ群Ｇ３は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００６１】
第４レンズ群Ｇ４は、両凸形状の正レンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００６２】
結像レンズＧ５は、両凸形状の正レンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００６３】
第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４は変倍光学系を構成し、変倍に際して第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３および第４レンズ群Ｇ４が光軸に沿って移動する。
【００６４】
また、結像レンズＧ５は、一次像Ｉ１からの光束であって、変倍光学系である第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４を介した光束に基づいて、二次像Ｉ２を形成する。なお、図２Ａから図２Ｃのリレー変倍光学系は各レンズ群の屈折力を調整して物体側にテレセントリックな光学系とした。それゆえ、その入射瞳の位置は無限遠にある。
【００６５】
以下の表１は、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の諸元値である。
表中の（面データ）において、面番号０は一次像面、その他の面番号は一次像側からの面の番号、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線（波長λ＝５８７．６ｎｍ）における屈折率、νｄはｄ線（波長λ＝５８７．６ｎｍ）におけるアッベ数、（可変）は可変面間隔、Ｂ．Ｆ．はバックフォーカスをそれぞれ表している。なお、空気の屈折率ｎｄ＝１．００００００は記載を省略している。また、曲率半径ｒ欄の「∞」は平面を示している。
【００６６】
（面間距離）には、高倍端状態、中倍状態、および低倍端状態における、倍率、ｄｉは面番号ｉでの可変面間隔値、Ｂ.Ｆ.はバックフォーカス、及び一次像面から瞳までの距離をそれぞれ表している。
【００６７】
（一次像から二次像間の各群の倍率）には、高倍端状態、中倍状態、および低倍端状態における、総合倍率、および各群の倍率をそれぞれ示す。
【００６８】
（入射瞳から射出瞳間の各群の倍率）には、高倍端状態、中倍状態、および低倍端状態における、総合倍率、および各群の倍率をそれぞれ示す。
【００６９】
（変倍光学系の主点位置）には、高倍端状態、中倍状態、および低倍端状態における各主点位置をそれぞれ示す。
【００７０】
（条件式対応値）には、各条件式対応値を示す。
【００７１】
なお、以下の全ての諸元値において、掲載されている焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄその他の長さ等は、特記の無い場合一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。また、単位は「ｍｍ」に限定されること無く他の適当な単位を用いることもできる。さらに、これらの記号の説明は、以降の他の実施例においても同様とし説明を省略する。
【００７２】
（表１）
（面データ）
面番号 r d nd νd
0 ∞ 20.00 （一次像）
1 -40.45250 4.00 1.7859000 44.18
2 -29.11360 3.00 1.8038400 33.89
3 -29.95690 （可変）
4 -43.57070 3.00 1.7552000 27.51
5 -22.02220 2.00 1.7668400 46.79
6 102.94060 （可変）
7 -601.88160 5.00 1.7880000 47.38
8 -31.76440 2.00 1.7173600 28.55
9 -67.53210 （可変）
10 243.96810 5.00 1.7880000 47.38
11 -43.85240 2.00 1.7950400 28.55
12 -175.62640 （可変）
13 ∞ 61.80
14 71.44500 5.80 1.5168000 64.10
15 -52.46100 3.00 1.6476900 33.88
16 -176.75800 B.F．
二次像 ∞

（面間距離）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
倍率 -1.500 -1.000 -0.857
ｄ３ 1.00 47.03 63.09
ｄ６ 24.29 19.16 16.63
ｄ９ 14.82 1.00 7.61
Ｄ１２ 127.47 100.39 80.26
B.F. 115.82 115.82 115.82
一次像面〜瞳 213.58 213.58 213.58

（一次像から二次像間の各群の倍率）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群 1.389 1.389 1.389
第２群 0.511 0.319 0.282
第３群 2.336 2.495 2.419
第４群 426.334 421.440 421.912
第５群 -0.002 -0.002 -0.002

（入射瞳から射出瞳間の各群の倍率）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群 0.000 0.000 0.000
第２群 -0.479 -1.105 -2.031
第３群 -56.176 -4.160 -1.592
第４群 0.026 0.230 0.382
第５群 2.112 2.112 2.112

（変倍光学系の主点位置）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群の前側頂点〜前側主点 59.839 99.768 119.699
第１群の前側頂点〜後側主点 113.631 73.556 53.531
第１群の前側頂点〜第４群の後側頂点 66.110 93.189 113.320

（条件式対応値）
（１）β’２Ｌ= −２．０３１ ； β’２Ｈ ＝−０．４７９
（２）β’２Ｌ×β’２Ｈ = ０．９７３
（３）ＶＶ’Ｌ−ｆＬ＝ −２６．６８
（４）｜ＰＨ−ＰＬ｜＝ ０

【００７３】
図３は、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。図４は、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。図５は、第１実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【００７４】
非点収差図、およびコマ収差図には、正弦条件における収差量も示し、コマ収差図には、各像高（単位：ｍｍ）の値における収差を示し、非点収差図のＳはサジタル像面、Ｍはメリディオナル像面をそれぞれ示している。なお、以降の実施例においても同様の記号を使用し、以降の説明を省略する。
【００７５】
各収差図から第１実施例にかかるリレー変倍光学系は諸収差が良好に補正され、優れた光学性能を有していることは明らかである。また、上記面間距離を参照すると、一次像面から瞳までの距離は常に２１３．５８となっている。すなわち、第１実施例では、入射瞳に対して、変倍に伴う変倍光学系の瞳の位置変化が抑えられていることがわかる。また同時に、変倍光学系の瞳は変倍レンズ群より後方に位置していることがわかる。
【００７６】
（第２実施例）
図６Ａは、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す図である。図６Ｂは、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるレンズ構成を概略的に示す図である。図６Ｃは、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるレンズ構成を概略的に示す図である。
【００７７】
図６Ａから図６Ｃのリレー変倍光学系は、例えば顕微鏡の対物レンズにより形成された一次像Ｉ１からの光に基づいて接眼レンズの焦点面に二次像Ｉ２を形成するための光学系である。
【００７８】
図６Ａにおいて、リレー変倍光学系は、一次像Ｉ１側から順に、正屈折力の第１レンズ群Ｇ１と、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４と、正屈折力の結像レンズ群Ｇ５とから構成されている。なお、符号は図６Ａのみに記載するが他も同様である。
【００７９】
第１レンズ群Ｇ１は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００８０】
第２レンズ群Ｇ２は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと両凹形状の負レンズとの接合レンズから構成されている。
【００８１】
第３レンズ群Ｇ３は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００８２】
第４レンズ群Ｇ４は、一次像Ｉ１側に凹面を向けた正メニスカスレンズト負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００８３】
結像レンズＧ５は、両凸形状の正レンズと負メニスカスレンズとの接合レンズから構成されている。
【００８４】
第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４は変倍光学系を構成し、変倍に際して第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３および第４レンズ群Ｇ４が光軸に沿って移動する。
【００８５】
また、結像レンズＧ５は、変倍光学系である第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４を介して変倍された平行光束に基づいて、二次像Ｉ２を形成する。なお、図６Ａから図６Ｃのリレー変倍光学系も物体側にテレセントリックな光学系であって、その入射瞳位置は無限遠にある。
【００８６】
以下の表２は、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の諸元値である。
【００８７】
（表２）
（面データ）
面番号 r d nd νd
0 ∞ 18.06 （一次像）
1 -41.10414 4.00 1.7859000 44.18
2 -27.57384 3.00 1.8038400 33.89
3 -29.09286 （可変）
4 -42.66255 3.00 1.7552000 27.51
5 -23.02371 2.00 1.7668400 46.79
6 96.55612 （可変）
7 -264.10341 5.00 1.7880000 47.38
8 -29.63222 2.00 1.7173600 29.52
9 -60.22013 （可変）
10 -1228.31671 5.00 1.7880000 47.38
11 -35.77040 2.00 1.7950400 28.55
12 -94.06200 （可変）
13 ∞ 61.80000
14 71.44500 5.80000 1.5168000 64.12
15 -52.46100 3.00000 1.6476900 33.79
16 -176.75800 B.F.
二次像 ∞

（面間距離）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
倍率 -1.50000 -1.00000 -0.85710
ｄ３ 1.93 40.83 53.14
ｄ６ 24.06 18.10 14.83
ｄ９ 15.93 11.91 22.20
ｄ１２ 127.59 98.67 79.34
B.F. 115.82 115.82 115.82
一次像面〜瞳 213.52 213.52 213.52

（一次像から二次像間の各群の倍率）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群 1.400 1.400 1.400
第２群 0.515 0.336 0.303
第３群 2.272 2.318 2.201
第４群 411.168 419.772 421.714
第５群 -0.002 -0.002 -0.002

（入射瞳から射出瞳間の各群の倍率）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群 0.000 0.000 0.000
第２群 -0.554 -1.296 -2.250
第３群 -49.648 -3.683 -1.550
第４群 0.029 0.249 0.399
第５群 2.112 2.112 2.112

（変倍光学系の主点位置）
高倍端状態 中倍状態 低倍端状態
総合倍率 -1.500 -1.000 -0.857
第１群の前側頂点〜前側主点 61.779 101.680 121.838
第１群の前側頂点〜後側主点 115.502 75.487 54.984
第１群の前側頂点〜第４群の後側頂点 67.933 96.853 116.176

（条件式対応値）
（１）β’２Ｌ= −２．２５０ ； β’２Ｈ ＝−０．５５４
（２）β’２Ｌ×β’２Ｈ = １．２４７
（３）ＶＶ’Ｌ−ｆＬ＝ −２３．８２
（４）｜ＰＨ−ＰＬ｜＝ ０

【００８８】
図７は、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の高倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。図８は、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の中倍状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。図９、第２実施例にかかるリレー変倍光学系の低倍端状態におけるｄ線に対する諸収差図を示す。
【００８９】
各収差図から第２実施例にかかるリレー変倍光学系は、諸収差が良好に補正され、優れた光学性能を有していることは明らかである。また、上記面間距離を参照すると、一次像面から瞳までの距離は常に２１３．５２となっている。すなわち、第２実施例では、入射瞳に対して、変倍に伴う変倍光学系の瞳の位置変化が抑えられていることがわかる。また同時に、変倍光学系の瞳は変倍レンズ群より後方に位置していることがわかる。
【００９０】
次に、上記第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系を有する顕微鏡について図面を参照しつつ説明する。
【００９１】
（第２実施の形態）
図１０Ａは、第２実施の形態にかかる顕微鏡の高倍端状態における構成を概略的に示す。図１０Ｂは、第２実施の形態にかかる顕微鏡の低倍端状態における構成を概略的に示す。
第２実施の形態にかかる顕微鏡は、第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系を備えた外部位相差顕微鏡１０である。図１０Ａ、Ｂ中の実線は標本Ｓと一次像Ｉ１、二次像Ｉ２との像共役に関する光線を、破線は第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂと第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４で構成される変倍光学系の瞳Ｐとの共役に関する光線をそれぞれ示している。
【００９２】
図１０Ａ、Ｂにおいて、実線で示すように標本Ｓからの光は第１対物レンズＧｏｂによって平行光となり、第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂを通過し、第２対物レンズＧｔによって一次像Ｉ１を結像する。この一次像Ｉ１の各位置から発する光束は変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４を通過して平行光となって変倍光学系の瞳Ｐを通過し、その後方にある結像レンズである第５レンズ群Ｇ５によって二次像Ｉ２を結像する。
【００９３】
外部位相差顕微鏡１０は、第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂを第２対物レンズＧｔと変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４によってリレーして変倍光学系の第４レンズ群Ｇ４の二次像側に瞳像Ｐを形成し、この瞳像Ｐの位置に配置された位相膜により、像のコントラストを変調する。このようにして外部位相差顕微鏡１０が構成されている。
【００９４】
従来の外部位相差顕微鏡は次のような欠点があった。顕微鏡は通常、第１対物レンズからの平行光を結像する第２対物レンズを焦点距離の異なるものに切り替えることで、倍率を容易に変更することができる。しかし、外部位相差顕微鏡は、第２対物レンズの焦点距離を変更すると、対物レンズの瞳像の位置が変化してしまい位相膜をその都度場所を変えて保持する機構を必要としてしまうため、倍率を変えながら位相差観察ができないという欠点があった。
【００９５】
第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系を用いれば、変倍の際に第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂと共役な変倍光学系の瞳Ｐの位置が変化しない。また、変倍光学系の瞳Ｐは変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４の後方（二次像側）にあるので、そこに位相膜を配置すれば、変倍光学系で容易に倍率を変更して位相差観察を行うことが可能となる。
【００９６】
このように第２実施の形態にかかる外部位相差顕微鏡１０によれば、図１０Ａに示す高倍端状態から図１０Ｂに示す低倍端状態まで変倍しても、第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂと共役な変倍光学系の瞳Ｐの位置はほとんど変化しない。よって変倍光学系の瞳Ｐの位置に位相膜を配置することによって、高倍端状態から低倍端状態に亘って良好なコントラストを得ることが可能になる。また、変倍光学系の瞳Ｐが変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４の後方に形成することができるため、変倍の際にレンズと干渉することがない。なお、顕微鏡１０は、正立型顕微鏡あるいは倒立型顕微鏡のいずれでもよい。また、標本への照明は透過照明あるいは落射照明のいずれでもよい。
【００９７】
（第３実施の形態）
図１１Ａは、第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡の高倍端状態における構成を概略的に示す。図１１は、第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡の低倍端状態における構成を概略的に示す。
【００９８】
第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡２０では、第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系を照明光学系として用いている。図１１Ａ、Ｂ中の実線は回折格子Ｇｒと標本Ｓとの共役に関する光線を、破線は光源Ｌと対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂとの共役に関する光線をそれぞれ示している。
【００９９】
図１１Ａ、Ｂにおいて、第１レンズ群Ｇ１から第５レンズ群Ｇ５でリレー変倍光学系が構成され、実線で示すように光源Ｌからの光線は、コレクタレンズＧｃによって平行光束となってリレー変倍光学系の前側焦点の位置に配置された回折格子Ｇｒを照明する。回折格子Ｇｒからの光線は変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４によって変倍され、その後方にある結像レンズである第５レンズ群Ｇ５によって視野絞りＦ．Ｓ．の位置に結像する。結像からの光は第２対物レンズＧｔによって再度平行光となり、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて第１対物レンズＧｏｂの瞳Ｐｏｂを通過し、第１対物レンズＧｏｂによって標本Ｓに結像する。
【０１００】
標本Ｓからの光は、第１対物レンズＧｏｂで集光され瞳Ｐｏｂを通過し、ダイクロイックミラーＤＭを透過して結像レンズＧｉで撮像素子ＣＣＤ上に結像される。ＣＣＤで得られた画像は不図示のモニター等で観察される。このようにして構造化照明顕微鏡２０が構成されている。
【０１０１】
構造化照明顕微鏡２０は、照明光を空間変調させて、生物標本などの被観察物を超解像観察するための公知の顕微鏡である（例えば、特開平１１−２４２１８９号公報参照）。この顕微鏡は、回折格子などの空間変調素子で空間変調された照明光によって被観察物の構造の空間周波数を変調し、解像限界を超える高い空間周波数の情報を顕微鏡光学系の結像に寄与させる。このとき対物レンズの倍率、ＮＡに合わせて、適切な変調周波数で空間変調された照明光で照明するためには、空間変調素子を適切な倍率で標本面に投影する必要がある。
【０１０２】
例えば、高倍の対物レンズＧｏｂを用いる場合には、視野絞りＦ．Ｓと標本Ｓの間での倍率が小さくなり、標本上に投影される格子像の周波数（変調周波数）が高くなる。変調周波数が対物レンズの分解能を超えてしまうと、超解像画像を復元することができなくなるため、リレー変倍光学系の倍率を上げて変調周波数を下げなくてはならない。
【０１０３】
一方、低倍の対物レンズＧｏｂを用いた場合には、視野絞りＦ．Ｓと標本Ｓの間での倍率が大きくなり、変調周波数が低くなる。変調周波数が対物レンズの分解能に対して小さすぎると、十分な超解像効果が得られなくなってしまうため、リレー変倍光学系の倍率を下げて変調周波数を上げなくてはならない。
【０１０４】
従来の構造化照明顕微鏡は、変倍光学系の代わりに、変倍不可能な投影レンズを置き、対物レンズを交換する際には焦点距離の異なる投影レンズに交換することで投影倍率を調節していた。この場合は、対物レンズを交換する度に照明光学系を再度調整し直さなければならないという欠点があった。
【０１０５】
第３実施の形態にかかる構造化照明顕微鏡２０は、第１実施の形態にかかるリレー変倍光学系を照明光学系に用いることで、第１対物レンズＧｏｂを交換した際に照明光学系の投影倍率を変更することが可能となる。
【０１０６】
また、構造化照明顕微鏡２０は変倍に際して、リレー変倍光学系の射出瞳位置がほとんど変動しないので、テレセン性もほとんど変化しない。
【０１０７】
また、構造化照明顕微鏡２０は、第１レンズ群Ｇ１から第４レンズ群Ｇ４で構成される変倍光学系の瞳Ｐが変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４の後方にあるため、そこに光変調素子を配置し、回折格子によって生じた回折光および直接光の位相や強度を変調し、標本面に形成される干渉縞の形状を自在に操作することも可能である。このような場合でも本実施の形態を使用することが可能である。例えば、変倍光学系の瞳Ｐに回折格子Ｇｒで発生した回折光のうち±１次光以外をカットする空間フィルターを配置すれば、標本面に２光束干渉縞を形成することができる。また、その際、変倍光学系の瞳Ｐの中の１次光が通過する領域に位相膜を配置し、１次光の位相をずらすことにより、標本面に形成される干渉縞の位相を所望の量だけずらすことができる。
【０１０８】
以上述べたように、実施の形態にかかるリレー変倍光学系によれば、変倍に際して、一次像と二次像との位置関係を崩すことなく、変倍光学系の瞳を変倍光学系の後方の所定の位置に固定することが可能となる。
【０１０９】
また、このリレー変倍光学系を顕微鏡に適用することで、外部位相差顕微鏡などの瞳に光変調素子を配置することが必要な顕微鏡においても容易に変倍を行うことが可能となる。
【０１１０】
また、このリレー変倍光学系を照明光学系に適用した構造化照明顕微鏡において、対物レンズの交換に対応した回折格子の最適な投影倍率を得ることが光学部材の交換なしに容易に達成することが可能になる。ところで、上述の実施の形態では、複数のレンズより各レンズ群を構成しているが、各レンズ群を単一レンズで構成しても良い。なお、単一レンズは、複数のレンズを接合した接合レンズでも良いことは言うまでもない。
【０１１１】
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

Claims (9)

1. 一次像からの光に基づいて二次像を形成するリレー変倍光学系において、
   前記一次像からの光を受けて前記二次像を変倍するための変倍光学系と、
   前記変倍光学系を通過した光を受けて前記二次像を形成するための後方レンズ群とを備え、
   前記変倍光学系は、前記一次像側から順に、正屈折力の第１レンズ群と、負屈折力の第２レンズ群と、正屈折力の第３レンズ群と、正屈折力の第４レンズ群とからなり、
   高倍端状態から低倍端状態への変倍の際、前記第４レンズ群が前記二次像側へ移動し、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が増大し、
   前記変倍光学系の変倍の際、前記一次像と前記二次像の位置と、前記リレー変倍光学系の入射瞳、前記変倍光学系の瞳、および前記リレー変倍光学系の射出瞳の位置が一定に保たれ、
   前記変倍光学系の瞳が前記変倍光学系の最終面より前記二次像側にあることを特徴とするリレー変倍光学系。
2. 高倍端状態から低倍端状態への変倍に際し、前記第３レンズ群は前記二次像側へ光軸に沿って移動することを特徴とする請求項１に記載のリレー変倍光学系。
3. 前記リレー変倍光学系の入射瞳と射出瞳で光軸と交わる光線に対する高倍端状態での前記第２レンズ群の倍率をβ’２Ｈ、前記光線に対する低倍端状態での前記第２レンズ群の倍率をβ’２Ｌとしたとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のリレー変倍光学系。
   β’２Ｌ ＜−１ かつ β’２Ｈ ＞−１
   ０．８ ＜ β’２Ｌ×β’２Ｈ ＜ １．２５
4. 低倍端状態における前記変倍光学系の焦点距離をｆＬ、前記第１レンズ群の前側頂点から前記第４レンズ群の後側頂点までの距離をＶＶ’Ｌ、前記第１レンズ群の前側頂点位置から前記変倍光学系の後側主点までの距離をＶＨ’Ｌとしたとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系。
   ＶＨ’Ｌ ＞ ＶＶ’Ｌ − ｆＬ
5. 高倍端状態における前記変倍光学系の瞳の位置をＰＨ、低倍端状態における前記変倍光学系の瞳の位置をＰＬとしたとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系。
   ｜ＰＨ−ＰＬ｜＜１
6. 標本からの光を集光する第１対物レンズと、
   前記第１対物レンズからの光より一次像を形成する第２対物レンズと、
   前記一次像を変倍して二次像を形成する請求項１から５のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系と、
   前記リレー変倍光学系中の変倍光学系の瞳の位置に配置された光変調素子と、
   を具備してなることを特徴とする顕微鏡。
7. 前記光変調素子は、位相膜であることを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡。
8. 標本に照明光を照射する照明光学系と、
   前記標本からの光を集光して標本像を形成する結像光学系とを有し、
   前記照明光学系は、請求項１から５のいずれか１項に記載のリレー変倍光学系を含み、前記リレー変倍光学系の前側焦点の位置に回折格子を配置し、前記リレー変倍光学系中の変倍光学系の瞳の位置に光変調素子を配置してなることを特徴とする顕微鏡。
9. 前記光変調素子は、位相膜であることを特徴とする請求項８に記載の顕微鏡。

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