JP5734713B2

JP5734713B2 - 観察光学系

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Publication number: JP5734713B2
Application number: JP2011064991A
Authority: JP
Inventors: 平田　唯史; 唯史平田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP2012203047A

Description

本発明は、観察光学系に関し、特に、実験小動物等の体内を生きたまま観察するための観察光学系に関するものである。

従来、実験小動物等の体内を生きたまま観察するために、対物レンズを切り替えることなく広視野観察と高倍率観察とを切り替えて行う光学系が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−３９９１８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている光学系を用いた場合には、高倍率観察時と比較して広視野観察時における像面側の開口数が小さくなるため、観察画像が暗くなってしまうという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、高倍率観察時と広視野観察時における画像の明るさの差を低減し、観察し易い観察光学系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、観察対象からの光を集光するアフォーカルな光学系からなる対物光学系と、該対物光学系により集光された光を結像させる正パワーの結像光学系と、これら対物光学系と結像光学系との間の光路に択一的に挿脱可能に設けられた第１光学系と第２光学系とを備える中間光学系とを備え、前記第１光学系が、正パワーのコリメート光学系であり、前記第２光学系が、略アフォーカルな光学系である観察光学系を提供する。

本発明によれば、中間光学系を構成する第１光学系を光路に挿入すると、アフォーカル光学系からなる対物光学系により集光された、短い作動距離の位置に配置される観察対象からの光が、コリメート光学系からなる第１光学系によってコリメートされた後、結像光学系によって結像される。この結像された光を検出することにより、観察対象の高倍率の観察を行うことができる。

一方、中間光学系を構成する第２光学系を光路に挿入すると、アフォーカル光学系からなる対物光学系により集光された、長い作動距離の位置に配置される観察対象からの光が、アフォーカル光学系からなる第２光学系によって拡大された後、結像光学系によって結像される。この結像された光を検出することにより、観察対象の広視野の観察を行うことができる。

この場合において、第１光学系と第２光学系とのいずれを光路に配置しても、像面側の開口数がほぼ同一に設定することができる。その結果、高倍率観察時と広視野観察時における画像の明るさをほぼ等しくすることができ、高倍率観察と広視野観察とを切り替えて行う観察を容易にすることができる。

本発明は、以下の条件式を満たしている。
１＜｜ＦＯＶ_ｍｉｃ・β_ｍａｃ・β_ｏｂ ^２／（ＮＡ・Ｆ_ｃｏｌ）｜＜３
ここで、ＦＯＶ_ｍｉｃは、前記第１光学系が光路に挿入されたときの実視野、β_ｍａｃは、前記第２光学系のアフォーカル倍率、β_ｏｂは、前記対物光学系の倍率、ＮＡは、前記第１光学系が前記光路に挿入されたときの前記対物光学系の物体側開口数、Ｆ_ｃｏｌは、前記第１光学系の焦点距離である。

このようにすることで、高倍率観察時と広視野観察時における像面側の開口数をほぼ同一となる範囲に設定することができ、画像の明るさをほぼ等しくして、高倍率観察と広視野観察とを切り替えて行う観察を容易にすることができる。

また、上記発明においては、以下の条件式を満たすことが好ましい。
｜ＦＯＶ_ｍｉｃ・β_ｍａｃ・β_ｏｂ ^２／（ＮＡ・Ｆ_ｃｏｌ）｜＝２
このようにすることで、高倍率観察時と広視野観察時における像面側の開口数を同一に設定することができる。

また、上記発明においては、前記第１光学系を構成する１以上のレンズが光軸方向に移動可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、高倍率観察時の作動距離を実際の観察状態に合わせて調節することができる。

また、上記発明においては、前記第２光学系を構成する１以上のレンズが光軸方向に移動可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、広視野観察時の作動距離を実際の観察状態に合わせて調節することができる。

本発明によれば、高倍率観察時と広視野観察時における画像の明るさの差を低減し、観察し易さを向上することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る観察光学系を示す模式図である。図１の観察光学系において中間光学系を切り替えた状態を示す模式図である。図１の観察光学系に備えられる対物光学系の（ａ）結像系、（ｂ）望遠鏡系の主光線をそれぞれ示す図である。図１の観察光学系に備えられる第２光学系の主光線を示す図である。図１の観察光学系の第１の実施例において、高倍率観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１の観察光学系の第１の実施例において、広視野観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図５の観察光学系のレンズデータを示す図である。図１の観察光学系の第２の実施例において、高倍率観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１の観察光学系の第２の実施例において、広視野観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図８の観察光学系のレンズデータを示す図である。図１の観察光学系の第３の実施例において、高倍率観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１の観察光学系の第３の実施例において、広視野観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１１の観察光学系のレンズデータを示す図である。図１の観察光学系の第４の実施例において、高倍率観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１の観察光学系の第４の実施例において、広視野観察時における（ａ）観察光学系全体、（ｂ）対物光学系の主光線をそれぞれ示す図である。図１４の観察光学系のレンズデータを示す図である。

本発明の一実施形態に係る観察光学系１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察光学系１は、図１に示されるように、対物光学系２と、中間光学系３と、正パワーを有する結像光学系４とを備えている。図１〜図３において、光束は、マージナル線を実線で、軸外主光線を破線でそれぞれ示している。図中符号５は光検出器である。

対物光学系２は、２つのレンズ群Ｇ_１，Ｇ_２を備えている。各レンズ群Ｇ_１，Ｇ_２は、図３に示されるように、それぞれ焦点距離Ｆ_１，Ｆ_２を備え、前側に配置されるレンズ群Ｇ_１の後側焦点位置と、後側に配置されるレンズ群Ｇ_２の前側焦点位置とが一致させられており、全体としてアフォーカル光学系を構成している。

このように構成された対物光学系２は、図３に示されるように、後段に配される中間光学系３の種類に応じて２種類の機能を果たすようになっている。すなわち、図３（ａ）に示されるように、レンズ群Ｇ_１の前側焦点位置からの光を集光して略平行光束とした後に、レンズ群Ｇ_２の後側焦点位置に集光させる結像系と、図３（ｂ）に示されるように、無限遠方からレンズ群Ｇ_１に入射した光を集光し、レンズ群Ｇ_２から略平行光束として中間光学系３に入射させる望遠鏡系である。この場合のレンズ群Ｇ_１の前側焦点位置は入射瞳位置、レンズ群Ｇ_２の後側焦点位置は射出瞳位置に相当する。

結像系の場合、横倍率β_ｏｂ＝ｙ_２／ｙ_１＝−Ｆ_２／Ｆ_１である。
また、望遠鏡系の場合には、角倍率γ_ｏｂ＝α_２／α_１＝−Ｆ_１／Ｆ_２である。
なお、対物光学系２は、完全なアフォーカル光学系ではなくてもよい。この場合、例えば、後述する第１項が矩形３ａである正パワーを有するコリメート光学系の焦点距離をＦ_ｃｏｌ、対物光学系２全体の焦点距離をＦ_ｏｂとして、
０≦｜Ｆ_ｃｏｌ／Ｆ_ｏｂ｜≦０．００５
を満たしていればよい。

中間光学系３は、対物光学系２と結像光学系４との間の光路に挿脱可能な２つの光学系、第１光学系３ａおよび第２光学系３ｂを備えている。これら第１，第２光学系３ａ，３ｂは、択一的に光路に挿入することができるようになっている。
第１光学系３ａは、正パワーを有するコリメート光学系であり、対物光学系２により集光され、レンズ群Ｇ_２の後側焦点位置を通過した光を略平行光束として結像光学系４に入射させるようになっている。すなわち、第１光学系３ａの前側焦点位置は、対物光学系２のレンズ群Ｇ_２の後側焦点位置と一致させられ、第１光学系３ａの後側焦点位置は、結像光学系４の前側焦点位置と略一致させられている。

第１光学系３ａは、光軸方向に移動可能に設けられている。これにより、対物光学系２の先端の作動距離を実際の観察状態に合わせて適切な値に調節することができるようになっている。

第１光学系３ａと対物光学系２との間隔は、
Δｃｏｌ＝（Ｆ２／Ｆ１）^２／ｎ・Δｍｉｃ
により示される移動量だけ調節することができる。
ここで、ｎ：対物光学系の物体側に存在する媒質の屈折率、Δｃｏｌ：第１光学系３ａの移動量、Δｍｉｃ：高倍率観察時のピント位置の移動量である。
第１光学系３ａは、対物光学系２が結像系として使用される場合に光路に挿入されるようになっている。

このときの光学系全体の横倍率β_{ｔｏｔａｌ}は、
β_{ｔｏｔａｌ}＝β_ｏｂ・Ｆ_ｔｌ／Ｆ_ｃｏｌ＝（Ｆ_２／Ｆ_ｔｌ）／（Ｆ_１／Ｆ_ｃｏｌ）
となる。ここで、
Ｆ_ｃｏｌ：第１光学系３ａ（正パワーを有するコリメート光学系）の焦点距離、
Ｆ_ｔｌ：結像光学系４の焦点距離
である。
この式から、
（Ｆ_２／Ｆ_ｔｌ）＞（Ｆ_１／Ｆ_ｃｏｌ）
の場合には拡大観察が可能となる。

また、第２光学系３ｂは、図４に示されるように、２つのレンズ群Ｇ_３，Ｇ_４を備えている。各レンズ群Ｇ_３，Ｇ_４は、それぞれ焦点距離Ｆ_３，Ｆ_４を備え、前側に配置されるレンズ群Ｇ_３の後側焦点位置と、後側に配置されるレンズ群Ｇ_４の前側焦点位置とが一致させられており、全体としてアフォーカル光学系を構成している。

第２光学系３ｂは、対物光学系２が望遠鏡系として使用される場合に光路に挿入されるようになっている。そして、第２光学系３ａのレンズ群Ｇ_３の前側焦点位置と、対物光学系２のレンズ群Ｇ_２の後側焦点位置と一致させられ、レンズ群Ｇ_４の後側焦点位置と、結像光学系４の前側焦点位置とが一致させられている。
これにより、対物光学系２から平行光束として入射されてきた光をレンズ群Ｇ_３によって中間結像させた後、レンズ群Ｇ_４によって略平行光として結像光学系４に入射させるようになっている。

このとき、物体側の半画角α_１は撮像素子５の有効撮像エリアの大きさＤ_ｉｍによって決まり、
α_１＝｜β_ｏｂ・β_ｍａｃ・Ｄ_ｉｍ／Ｆ_ｔｌ｜
となる。ここで、
β_ｍａｃ＝−Ｆ_４／Ｆ_３＝１／γ_ｍａｃ、
β_ｍａｃ：第２光学系３ｂのアフォーカル倍率、
γ_ｍａｃ：第２光学系３ｂの角倍率
である。

第２光学系３ｂのレンズ群Ｇ_４は、光軸方向に移動可能に設けられている。これにより、対物光学系２の前側焦点距離を無限遠から有限な位置まで、実際の観察状態に合わせて適切な値に調節することができるようになっている。

第２光学系３ｂと対物光学系２との間隔は、
ΔＧ_３＝ｎ・（Ｆ_３・Ｆ_１／Ｆ_２）^２／Δ_ｍａｃ
により示される移動量だけ調節することができる。
ここで、ΔＧ_３：レンズ群Ｇ_３の移動量、Δ_ｍａｃ：広視野観察時のピント位置の移動量（レンズ群Ｇ_１の前側焦点位置を原点とする。）である。

また、本実施形態においては、以下の式（１）を満たしている。
１＜｜ＦＯＶ_ｍｉｃ・β_ｍａｃ・β_ｏｂ ^２／（ＮＡ・Ｆ_ｃｏｌ）｜＜３（１）
なお、理想的には、
｜ＦＯＶ_ｍｉｃ・β_ｍａｃ・β_ｏｂ ^２／（ＮＡ・Ｆ_ｃｏｌ）｜＝２（２）
である。

ここで、ＦＯＶ_ｍｉｃは、第１光学系３ａが光路に挿入されたときの実視野、β_ｍａｃは、第２光学系３ｂのアフォーカル倍率、β_ｏｂは、対物光学系２の横倍率、ＮＡは、第１光学系３ａが光路に挿入されたときの対物光学系２の物体側開口数、Ｆ_ｃｏｌは、第１光学系３ａの焦点距離である。

このように構成された本実施形態に係る観察光学系１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察光学系１を用いて観察対象の高倍率観察を行うには、図１に示されるように、中間光学系３に備えられた第１光学系３ａを光路上に挿入する。

対物光学系２を構成するレンズ群Ｇ_１の前側焦点位置に配置されている観察対象Ａからの光は、対物光学系２によって集光された後に、中間光学系３の第１光学系３ａに入射する。対物光学系２はアフォーカル光学系あるいは略アフォーカル光学系により構成されているので、レンズ群Ｇ_１の前側焦点位置から発せられレンズ群Ｇ_１，Ｇ_２によって集光された光は、レンズ群Ｇ_２の後側焦点位置において中間結像させられた後に第１光学系３ａに入射し、略平行光に変換されて結像光学系４により光検出器５の受光面に結像させられる。

このとき、実視野ＦＯＶ_ｍｉｃは撮像素子５の有効撮像エリアの大きさＤ_ｉｍによって決まり、
ＦＯＶ_ｍｉｃ＝｜（Ｄ_ｉｍ・Ｆ_ｃｏｌ）／（Ｆ_ｔｌ・β_ｏｂ）｜
である。

一方、本実施形態に係る観察光学系１を用いて観察対象の広視野観察を行うには、図２に示されるように、中間光学系３に備えられた第２光学系３ｂを光路上に挿入する。
対物光学系２を構成するレンズ群Ｇ_１の前側焦点位置より十分に離れた位置に配置されている観察対象Ａからの光は、対物光学系２によって集光された後に、中間光学系３の第２光学系３ｂに入射する。

対物光学系２はアフォーカル光学系あるいは略アフォーカル光学系により構成されているので、レンズ群Ｇ_１の無限遠前方から発せられレンズ群Ｇ_１，Ｇ_２によって集光された光は、略平行光として中間光学系３の第２光学系３ｂに入射させられる。そして、中間光学系３に入射した光は第２光学系３ｂのレンズ群Ｇ_３の後側焦点位置において中間結像させられた後にレンズ群Ｇ_４によって略平行光に変換されて結像光学系４により光検出器５の受光面に結像させられる。

この場合において、本実施形態に係る観察光学系１によれば、条件式（２）を満たすように設定されていれば、図１の高倍率観察時における軸外主光線は、図２の広視野観察時には軸上マージナル光線となり、広視野観察時の軸上マージナル光線は、高倍率観察時の観察範囲と一致する。

このことから、上記条件式（２）が満たされる場合には、高倍率観察時と広視野観察時とで像面側開口数が一致する。また、条件式（２）が満たされるときには、高倍率観察時と広視野観察時とにおいて視野数も一致する。
また、実際の観察においては、高倍率観察時と広視野観察時とで像面側開口数が厳密に一致している必要はなく、上記条件式（１）が満たされていればよい。

したがって、本実施形態に係る観察光学系１によれば、高倍率観察時と広視野観察時とで像面側開口数が略一致するので、広視野観察時に、高倍率観察時と比較して、画像の明るさが大幅に低下することを防止することができるという利点がある。これにより、観察方法を切り替えても画像の明るさが大きく変動しないので、観察し易さを向上することができる。

次に、本実施形態に係る観察光学系の第１の実施例について、図面を参照して以下に説明する。
図５（ａ）は高倍率観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。
また、図６（ａ）広視野観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。

図７（ａ）は、本実施例における各光学系の焦点距離および開口数等を示し、図７（ｂ）は、高倍率観察（ミクロ観察）時におけるレンズデータ、図７（ｃ）は広視野観察（マクロ観察）時におけるレンズデータを示す。
本実施例においては、以下のような条件Ａ）および条件Ｂ）の下でのレンズデータを示している。

条件Ａ）高倍率観察時の実視野ＦＯＶ_ｍｉｃと広視野観察時の入射瞳径（直径）ＥｎｐＤとを一致させる。
条件Ｂ）高倍率観察時の開口数ＮＡと広視野観察時の半画角α_１とを以下のように設定する。
ＮＡ＝ｓｉｎα_１

条件Ａ），Ｂ）は、高倍率観察と広視野観察では像位置と瞳位置が入れ替わるという条件である。前述したとおり、対物光学系２のレンズ群Ｇ_１の前側焦点面は、高倍率観察時では物体面であり、広視野観察時は入射瞳面となる。

条件Ａ）では、高倍率観察時の最大の軸外主光線だったものが、広視野観察時には軸上観察時のマージナル光線に置き換わる。レンズ群Ｇ_１の前側焦点面において、高倍率観察時の最大の軸外主光線の光線高は高倍率観察時の実視野の半分の値と一致し、広視野観察時の軸上観察時のマージナル光線の光線高は、広視野観察時の入射瞳径（直径）の半分（入射瞳半径）であるとすれば、両方のとも対物光学系２内を蹴られることなく通過できる。

一方、条件Ｂ）では、高倍率観察時の軸上観察時のマージナル光線であったものが、広視野観察時には最大の軸外主光線に置き換わる。レンズ群Ｇ_１の前側焦点面において、高倍率観察時の軸上観察時のマージナル光線の光軸に対する角度α_ｏｂは、高倍率観察時の物体側開口数ＮＡ＝ｓｉｎα_ｏｂで決まるが、広視野観察時の半画角α１もこの角度に一致させておけば、対物光学系２内を蹴られることなく通過できる。

本実施例によれば、図７（ａ）に示されるように、条件式（１）の値は理想の条件式（２）を満たしており、像面側開口数はほぼ同一となって高倍率観察時でも広視野観察時でも同程度の明るさの画像を取得して、観察を容易にすることができる。

また、本実施形態に係る観察光学系の第２の実施例について、図面を参照して以下に説明する。
図８（ａ）は高倍率観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。
また、図９（ａ）広視野観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。

図１０（ａ）は、本実施例における各光学系の焦点距離および開口数等を示し、図１０（ｂ）は、高倍率観察時におけるレンズデータ、図１０（ｃ）は広視野観察時におけるレンズデータを示す。
本実施例においても、第１の実施例と同様に条件Ａ），Ｂ）の下でのレンズデータを示している。
本実施例においては、図１０（ａ）に示されるように、第２光学系３ｂのレンズＧ_３として、負パワーを有するレンズが使用されている点において第１の実施例と相違している。

本実施例によれば、図１０（ａ）に示されるように、条件式（１）の値は理想の条件式（２）を満たしており、像面側開口数はほぼ同一となって高倍率観察時でも広視野観察時でも同程度の明るさの画像を取得して、観察を容易にすることができる。
また、本実施例によれば、負パワーを有するレンズＧ_３により、高倍率観察時と広視野観察時の両方において像が反転せず、また全長を短縮することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る観察光学系の第３の実施例について、図面を参照して以下に説明する。
図１１（ａ）は高倍率観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。
また、図１２（ａ）広視野観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。

図１３（ａ）は、本実施例における各光学系の焦点距離および開口数等を示し、図１３（ｂ）は、高倍率観察時におけるレンズデータ、図１３（ｃ）は広視野観察時におけるレンズデータを示す。
本実施例においても、第１、第２の実施例と同様に条件Ａ），Ｂ）の下でのレンズデータを示している。
本実施例によれば、図１３（ａ）に示されるように、理想の条件式（２）を満たしてはいないが、条件式（１）を満たしており、像面側開口数の差は大きくなっているが、広視野観察時においても従来よりも明るい画像を取得して、観察を容易にすることができる。

次に、本実施形態に係る観察光学系の第４の実施例について、図面を参照して以下に説明する。
図１４（ａ）は高倍率観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。
また、図１５（ａ）広視野観察時の観察光学系１の各光学系２〜４および主光線を示す図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の対物光学系２を拡大して示す図である。

図１６（ａ）は、本実施例における各光学系の焦点距離および開口数等を示し、図１６（ｂ）は、高倍率観察時におけるレンズデータ、図１６（ｃ）は広視野観察時におけるレンズデータを示す。
本実施例においても、第１、第２、第３の実施例と同様に条件Ａ），Ｂ）の下でのレンズデータを示している。
本実施例によれば、図１６（ａ）に示されるように、理想の条件式（２）を満たしてはいないが、条件式（１）を満たしており、広視野観察より高倍率観察を少し明るく観察したい場合に有利である。

Ａ観察対象
１観察光学系
２対物光学系
３中間光学系
３ａ第１光学系
３ｂ第２光学系
４結像光学系

Claims

観察対象からの光を集光するアフォーカルな光学系からなる対物光学系と、
該対物光学系により集光された光を結像させる正パワーの結像光学系と、
これら対物光学系と結像光学系との間の光路に択一的に挿脱可能に設けられた第１光学系と第２光学系とを備える中間光学系とを備え、
前記第１光学系が、正パワーのコリメート光学系であり、
前記第２光学系が、略アフォーカルな光学系であり、
以下の条件式を満たす観察光学系。
１＜｜ＦＯＶｍｉｃ・βｍａｃ・βｏｂ ^２／（ＮＡ・Ｆｃｏｌ）｜＜３
ここで、
ＦＯＶｍｉｃは、前記第１光学系が光路に挿入されたときの実視野
βｍａｃは、前記第２光学系のアフォーカル倍率
βｏｂは、前記対物光学系の倍率
ＮＡは、前記第１光学系が前記光路に挿入されたときの前記対物光学系の物体側開口数Ｆｃｏｌは、前記第１光学系の焦点距離
である。
以下の条件式を満たす請求項１に記載の観察光学系。
｜ＦＯＶｍｉｃ・βｍａｃ・βｏｂ^２／（ＮＡ・Ｆｃｏｌ）｜＝２
前記第１光学系を構成する１以上のレンズが光軸方向に移動可能に設けられている請求項１または請求項２に記載の観察光学系。
前記第２光学系を構成する１以上のレンズが光軸方向に移動可能に設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の観察光学系。