JPH05323437A - 高圧の水中で使用する光学機械 - Google Patents
高圧の水中で使用する光学機械Info
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- JPH05323437A JPH05323437A JP4079424A JP7942492A JPH05323437A JP H05323437 A JPH05323437 A JP H05323437A JP 4079424 A JP4079424 A JP 4079424A JP 7942492 A JP7942492 A JP 7942492A JP H05323437 A JPH05323437 A JP H05323437A
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- Japan
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- objective
- face
- objective lens
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- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Lenses (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は高圧の水中で使用する光学機械を提
供することを目的とする。 【構成】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面と後
面に小鏡Ｍ１と大鏡Ｍ２を設けてシュワルシルド型反射
対物鏡を構成し、その対物鏡ブロック１１の後部に受座
ブロック１３を合わせ、両ブロック１１，１３を固定鏡
筒１５により鏡筒１４に固定する。
供することを目的とする。 【構成】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面と後
面に小鏡Ｍ１と大鏡Ｍ２を設けてシュワルシルド型反射
対物鏡を構成し、その対物鏡ブロック１１の後部に受座
ブロック１３を合わせ、両ブロック１１，１３を固定鏡
筒１５により鏡筒１４に固定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高圧の水中で使用する
光学機械に関するものである。
光学機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】カメラ、顕微鏡等の光学機械は、水中で
使用する場合は防水処置を施した水密ケースに納めて使
用する。従って、物体からの光は図１に示すように水密
ケースに設けた窓１を通って対物レンズ２に入り、フイ
ルム或はＴＶカメラの撮像面に達する。水中では１０ｍ
毎に１気圧づつ圧力が増すから、水深が深くなるほどケ
ースを頑丈に窓を厚くしなければならない。また周りの
水の屈折率が１．３３３であることは対物レンズによる
像に色収差、歪曲収差等像の悪化を生ずる。これを解決
するために、窓を光学的要素として収差を除く方法が考
えられているが、深海用で窓が厚くなるほど対応が難し
くなり、特に顕微鏡としては開口数（ＮＡ）を大きくす
ることが困難で、分解能が制限される。
使用する場合は防水処置を施した水密ケースに納めて使
用する。従って、物体からの光は図１に示すように水密
ケースに設けた窓１を通って対物レンズ２に入り、フイ
ルム或はＴＶカメラの撮像面に達する。水中では１０ｍ
毎に１気圧づつ圧力が増すから、水深が深くなるほどケ
ースを頑丈に窓を厚くしなければならない。また周りの
水の屈折率が１．３３３であることは対物レンズによる
像に色収差、歪曲収差等像の悪化を生ずる。これを解決
するために、窓を光学的要素として収差を除く方法が考
えられているが、深海用で窓が厚くなるほど対応が難し
くなり、特に顕微鏡としては開口数（ＮＡ）を大きくす
ることが困難で、分解能が制限される。
【０００３】その理由を次に説明する。今、図２におい
て、物点のある媒質の屈折率をｎ、軸上物点から出る光
線の内、最大の開きをもつ光線の光軸と成す角をθ，物
点と対物レンズ枠の端面の距離を作動距離ＷＤとする
と、開口数ＮＡは次式で表わされる。 ＮＡ＝ｎ ｓｉｎ θ またこの対物レンズによる分解能（δ）は次式で表わさ
れる。 δ＝０．６１λ／（ｎ・ＮＡ） ここにλは光の波長である。耐圧力を高くするため、窓
を厚くするには作動距離ＷＤを大きくしなければならな
いが、これはＮＡの低下を伴う、対物レンズの口径を大
きくするには限度があるからである。ＮＡの低下は分解
能の低下を来す。
て、物点のある媒質の屈折率をｎ、軸上物点から出る光
線の内、最大の開きをもつ光線の光軸と成す角をθ，物
点と対物レンズ枠の端面の距離を作動距離ＷＤとする
と、開口数ＮＡは次式で表わされる。 ＮＡ＝ｎ ｓｉｎ θ またこの対物レンズによる分解能（δ）は次式で表わさ
れる。 δ＝０．６１λ／（ｎ・ＮＡ） ここにλは光の波長である。耐圧力を高くするため、窓
を厚くするには作動距離ＷＤを大きくしなければならな
いが、これはＮＡの低下を伴う、対物レンズの口径を大
きくするには限度があるからである。ＮＡの低下は分解
能の低下を来す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらを解決
して、深海でも使用可能の、高水圧に耐える高分解能の
光学機械を作ろうとするものである。
して、深海でも使用可能の、高水圧に耐える高分解能の
光学機械を作ろうとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、種々検討した結果、（１）光学機械の対物
鏡を耐高圧水構造とし、それを窓とすることにより或は
（２）対物鏡を直接高圧水に曝しても機能するような構
造とすることにより、上記の課題を解決することに成功
したものである。従来、顕微鏡対物レンズとして、図３
に示すような２面の反射鏡Ｍ１，Ｍ２で構成されるシュ
ワルツシルド（Ｓｃｈｗａｒｔｚｓｃｈｉｌｄ）型の反
対物鏡が知られている（例えば、早水良定：光機器の光
学Ｉ）。これは小鏡Ｍ１（曲率半径ｒ１）および大鏡Ｍ
２（曲率半径ｒ２）を間隔ｄで配置したもので、Ｐを物
点とすると光は図のように進み、小鏡Ｍ１で反射した光
はほぼ平行で、小鏡から遠い位置に拡大像が結ばれる。
決するため、種々検討した結果、（１）光学機械の対物
鏡を耐高圧水構造とし、それを窓とすることにより或は
（２）対物鏡を直接高圧水に曝しても機能するような構
造とすることにより、上記の課題を解決することに成功
したものである。従来、顕微鏡対物レンズとして、図３
に示すような２面の反射鏡Ｍ１，Ｍ２で構成されるシュ
ワルツシルド（Ｓｃｈｗａｒｔｚｓｃｈｉｌｄ）型の反
対物鏡が知られている（例えば、早水良定：光機器の光
学Ｉ）。これは小鏡Ｍ１（曲率半径ｒ１）および大鏡Ｍ
２（曲率半径ｒ２）を間隔ｄで配置したもので、Ｐを物
点とすると光は図のように進み、小鏡Ｍ１で反射した光
はほぼ平行で、小鏡から遠い位置に拡大像が結ばれる。
【０００６】本発明は小鏡Ｍ１および大鏡Ｍ２を同一部
材あるいはブロックで構成し、顕微鏡の対物鏡にすると
共に、耐高水圧の窓の役割を兼ねさせようとするもので
ある。すなわち、図４に示すように、光学ガラス或はア
クリル等光の透過度或は均一性等光学的に適当で、材料
力学的に高圧に耐える材料で対物鏡１１を構成し、物体
に向い高圧の水に接する第１面Ａは平面、その中央部に
曲率半径ｒ１の球面で凸面の小鏡Ｍ１を形成する。第２
面は曲率半径ｒ２の球面で、凹面の大鏡Ｍ２を形成し、
両鏡面の間隔をｄとする。対物鏡を作るには第１面の平
面ＡおよびＭ１球面、第２面のＭ２球面を研磨し更に蒸
着によってミラーにする。第２面Ｂの中央ｂは平面で透
明にしておき、またＭ１鏡には保護片１２を貼付する。
材あるいはブロックで構成し、顕微鏡の対物鏡にすると
共に、耐高水圧の窓の役割を兼ねさせようとするもので
ある。すなわち、図４に示すように、光学ガラス或はア
クリル等光の透過度或は均一性等光学的に適当で、材料
力学的に高圧に耐える材料で対物鏡１１を構成し、物体
に向い高圧の水に接する第１面Ａは平面、その中央部に
曲率半径ｒ１の球面で凸面の小鏡Ｍ１を形成する。第２
面は曲率半径ｒ２の球面で、凹面の大鏡Ｍ２を形成し、
両鏡面の間隔をｄとする。対物鏡を作るには第１面の平
面ＡおよびＭ１球面、第２面のＭ２球面を研磨し更に蒸
着によってミラーにする。第２面Ｂの中央ｂは平面で透
明にしておき、またＭ１鏡には保護片１２を貼付する。
【０００７】軸上光線の最大、最小開口数ＮＡ１，ＮＡ
２とすれば、これらは図３においてつぎのようになる。 ＮＡ１＝ｎ ｓｉｎ θ１ （１） ＮＡ２＝ｎ ｓｉｎ θ２ （２） また ｄ＝ｒ２−ｒ１−Ｃ （３） ここで、Ｍ１，Ｍ２の焦点距離をｆ１，ｆ２とすると ｆ１＝−ｒ１／２， ｆ２＝ｒ２／２ ｒ１／ｒ２＝ａ，ｃ／ｒ１＝ｂとおくと、全系の焦点距
離ｆおよび図３のＳＦ’は ｆ＝ｒ１・ｒ２／（ｒ２−ｒ１−２ｃ） ＝ｒ１／２・１／｛１−ａ（１＋２ｂ）｝（４） ＳＦ＝ｆ｛２−ａ（１＋２ｂ）｝／ａ （５） で表わされる。
２とすれば、これらは図３においてつぎのようになる。 ＮＡ１＝ｎ ｓｉｎ θ１ （１） ＮＡ２＝ｎ ｓｉｎ θ２ （２） また ｄ＝ｒ２−ｒ１−Ｃ （３） ここで、Ｍ１，Ｍ２の焦点距離をｆ１，ｆ２とすると ｆ１＝−ｒ１／２， ｆ２＝ｒ２／２ ｒ１／ｒ２＝ａ，ｃ／ｒ１＝ｂとおくと、全系の焦点距
離ｆおよび図３のＳＦ’は ｆ＝ｒ１・ｒ２／（ｒ２−ｒ１−２ｃ） ＝ｒ１／２・１／｛１−ａ（１＋２ｂ）｝（４） ＳＦ＝ｆ｛２−ａ（１＋２ｂ）｝／ａ （５） で表わされる。
【０００８】大鏡Ｍ２の口径を大きく、すなわち最大開
口数ＮＡを大きくする限界は収差であるが、計算の結果
は相当に大きな値が得られた。だだし小鏡Ｍ１による光
線の遮蔽を考慮しなければならない。物体Ｐは、小鏡Ｍ
１から出射される光がほぼ平行になる位置におかれる。
ｒ２は対物鏡の厚さｄと作動距離ＷＤ（ワーキングディ
スタンス）の和にほぼ等しくなる。従ってｒ２の値はか
なり大きく選ぶ必要がある。また、顕微鏡の総合倍率を
数十ないし数百倍にするには、ｆが過大になることは好
ましくないが、（４）式から仮にｒ２が大きくてもｆを
適当に選ぶことができる。
口数ＮＡを大きくする限界は収差であるが、計算の結果
は相当に大きな値が得られた。だだし小鏡Ｍ１による光
線の遮蔽を考慮しなければならない。物体Ｐは、小鏡Ｍ
１から出射される光がほぼ平行になる位置におかれる。
ｒ２は対物鏡の厚さｄと作動距離ＷＤ（ワーキングディ
スタンス）の和にほぼ等しくなる。従ってｒ２の値はか
なり大きく選ぶ必要がある。また、顕微鏡の総合倍率を
数十ないし数百倍にするには、ｆが過大になることは好
ましくないが、（４）式から仮にｒ２が大きくてもｆを
適当に選ぶことができる。
【０００９】以上説明した図４の形状の対物鏡を高圧の
水中で使用する光学機械の窓として使用する場合、予め
鏡筒に大鏡Ｍ２の曲率半径ｒ２の球面加工をしておき、
それに大鏡Ｍ２を載せるのであるが、鏡筒の球面と大鏡
Ｍ２の球面を全く等しく加工するのは実際上困難で、通
常この両者に相違が生じ、高圧がかかる対物鏡が鏡筒の
曲面にならって変形する恐れがある。その対策としては
併せて耐高圧窓として更に強度を増す目的で次に説明す
る図５のしくは図６に示す実施例のような構造とする。
水中で使用する光学機械の窓として使用する場合、予め
鏡筒に大鏡Ｍ２の曲率半径ｒ２の球面加工をしておき、
それに大鏡Ｍ２を載せるのであるが、鏡筒の球面と大鏡
Ｍ２の球面を全く等しく加工するのは実際上困難で、通
常この両者に相違が生じ、高圧がかかる対物鏡が鏡筒の
曲面にならって変形する恐れがある。その対策としては
併せて耐高圧窓として更に強度を増す目的で次に説明す
る図５のしくは図６に示す実施例のような構造とする。
【００１０】
【実施例】図５は本発明の第１の実施例を示すもので、
対物鏡ブック１１に同じ材質の平凹円錐形の受座ブロッ
ク１３を接合合体させ、その球面部は対物鏡の球面Ｍ２
に等しいものを接合する。球面Ｍ２は中央部ｂを除いて
蒸着によりミラーを形成する。この合体したブロック１
１，１３を鏡筒１４の円錐面１４ａに合わせて取り付
け、固定鏡筒１５によって固定する。図６は本発明の第
２の実施例を示すもので、平凹筒形の受座ブロック１６
で置替え、平面１４ｂで受けるようにしたものである。
これら鏡筒の座の加工は円錐面１４ａもしくは平面１４
ｂが球面より正確に加工できるのでこの構造は光学的に
優れている。
対物鏡ブック１１に同じ材質の平凹円錐形の受座ブロッ
ク１３を接合合体させ、その球面部は対物鏡の球面Ｍ２
に等しいものを接合する。球面Ｍ２は中央部ｂを除いて
蒸着によりミラーを形成する。この合体したブロック１
１，１３を鏡筒１４の円錐面１４ａに合わせて取り付
け、固定鏡筒１５によって固定する。図６は本発明の第
２の実施例を示すもので、平凹筒形の受座ブロック１６
で置替え、平面１４ｂで受けるようにしたものである。
これら鏡筒の座の加工は円錐面１４ａもしくは平面１４
ｂが球面より正確に加工できるのでこの構造は光学的に
優れている。
【００１１】図７は本発明の第３の実施例を示すもの
で、大鏡Ｍ２およびＭ１を直接高圧液体に曝する構造と
したものである。すなわち、図７に示すように大鏡Ｍ２
（１７）および保持用の透明部材１８に保持された小鏡
Ｍ１（１２）を所定の位置に固定、中間には透明液体１
９で満たし、鏡筒の一部に可動弁２０をつけ、外部の水
圧と等しくなる構造とする。この実施例では可動弁２０
としてダイアフラムを使用したが、ベローズを取付ける
ようにしてもよい。透明液体は反射鏡面の保護が主目的
である。この場合の構造は通常圧力下と同等でよいから
耐圧強度に特別の配慮を必要としない。対物鏡は元来全
光学系の容積の中で大きな部分を占めるから、これを耐
圧構造部分から除くことは、全体の水中重量を軽減する
のに有効である。また、上述の構造により対物鏡部はじ
めそれに続く光学系の大部分もしくは全部を液体中に納
め、高圧環境と同じ圧力（均圧という）に曝し耐圧構造
から解放し、水中重量を極めて軽くするまでに発展する
ことができる。
で、大鏡Ｍ２およびＭ１を直接高圧液体に曝する構造と
したものである。すなわち、図７に示すように大鏡Ｍ２
（１７）および保持用の透明部材１８に保持された小鏡
Ｍ１（１２）を所定の位置に固定、中間には透明液体１
９で満たし、鏡筒の一部に可動弁２０をつけ、外部の水
圧と等しくなる構造とする。この実施例では可動弁２０
としてダイアフラムを使用したが、ベローズを取付ける
ようにしてもよい。透明液体は反射鏡面の保護が主目的
である。この場合の構造は通常圧力下と同等でよいから
耐圧強度に特別の配慮を必要としない。対物鏡は元来全
光学系の容積の中で大きな部分を占めるから、これを耐
圧構造部分から除くことは、全体の水中重量を軽減する
のに有効である。また、上述の構造により対物鏡部はじ
めそれに続く光学系の大部分もしくは全部を液体中に納
め、高圧環境と同じ圧力（均圧という）に曝し耐圧構造
から解放し、水中重量を極めて軽くするまでに発展する
ことができる。
【００１２】図８は本発明を顕微鏡に適用した場合の第
４の実施例を示すもので、２１は本発明による対物鏡、
２２は変倍光学系、２３はリレーレンズ、２４はＴＶカ
メラ、２５は照明系である。対物鏡２１は、例えば深海
調査用として耐圧顕微鏡の対物鏡として取付ける。
４の実施例を示すもので、２１は本発明による対物鏡、
２２は変倍光学系、２３はリレーレンズ、２４はＴＶカ
メラ、２５は照明系である。対物鏡２１は、例えば深海
調査用として耐圧顕微鏡の対物鏡として取付ける。
【００１３】
【発明の効果】本発明にかゝる対物鏡２１は、耐高圧水
のブロックで構成されるので、窓の役割を兼ねさせるこ
とができるばかりでなく、反射型対物鏡であるため、作
動距離が大きく、且つ開口数ＮＡを大きくすることがで
きるため、高分解能の対物鏡が得られる。構造が簡単で
あるから安価に提供することができ、しかも観察物体
側、すなわち光の入射側の開口部は大きく、出射側は小
さいので、高圧水中でしかも暗い環境で使用する対物鏡
として優れている。更に、対物鏡は高圧に耐えるのみな
らず、鏡筒に保持した場合圧力による変形の軽微な構造
にすることができ、変形による精度低下の恐れが少な
い。また、対物鏡を耐圧容器に納めることなく、直接高
圧に曝することにより全光学系の水中重量を軽減する構
造とすることができる。
のブロックで構成されるので、窓の役割を兼ねさせるこ
とができるばかりでなく、反射型対物鏡であるため、作
動距離が大きく、且つ開口数ＮＡを大きくすることがで
きるため、高分解能の対物鏡が得られる。構造が簡単で
あるから安価に提供することができ、しかも観察物体
側、すなわち光の入射側の開口部は大きく、出射側は小
さいので、高圧水中でしかも暗い環境で使用する対物鏡
として優れている。更に、対物鏡は高圧に耐えるのみな
らず、鏡筒に保持した場合圧力による変形の軽微な構造
にすることができ、変形による精度低下の恐れが少な
い。また、対物鏡を耐圧容器に納めることなく、直接高
圧に曝することにより全光学系の水中重量を軽減する構
造とすることができる。
【図１】従来の水中で使用する光学機械の光学系を示す
図である。
図である。
【図２】開口数ＮＡに関する説明図である。
【図３】シュワルツシルド型反射対物鏡の原理図であ
る。
る。
【図４】シュワルツシルド型反射対物鏡の小鏡と大鏡を
設けた光学ブロックの構成を示す図である。
設けた光学ブロックの構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例の断面図である。
【図８】本発明を顕微鏡に適用した場合の第４の実施例
の光学系を示す図である。
の光学系を示す図である。
１ 窓 ２ 対物レンズ １１ 対物鏡ブロック １２ 保護片 １３ 受座ブロック １４ 鏡筒 １５ 固定鏡筒 １６ 平凹円筒型受座 １７ 大鏡Ｍ２ １８ 小鏡ホルダ １９ 透明液体 ２０ 可動弁 ２１ 対物鏡 ２２ 変倍光学系 ２３ リレーレンズ ２４ ＴＶカメラ
Claims (3)
- 【請求項１】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面
と後面をそれぞれ小鏡Ｍ１および大鏡Ｍ２とするシュワ
ルツシルド型反射対物鏡を構成し、この対物鏡ブロック
の後部に受座ブロックを設け、両ブロックを窓兼用対物
鏡としたことを特徴とする高圧の水中で使用する光学機
械 - 【請求項２】 前面と後面をそれぞれ小鏡Ｍ１および大
鏡Ｍ２としてシュワルツシルド型反射対物鏡を構成した
光学材料より成る対物鏡ブロックを直接高圧液体に曝す
構造を特徴とする、高圧の水中で使用する光学機械 - 【請求項３】 光学系を耐圧容器に納めることなく、直
接高圧液体に曝する構造を特徴とする、高圧の水中で使
用する光学機械
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4079424A JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4079424A JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05323437A true JPH05323437A (ja) | 1993-12-07 |
Family
ID=13689489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4079424A Pending JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05323437A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6404560B1 (en) | 1999-07-28 | 2002-06-11 | Nikon Corporation | Pressure proof optical apparatus |
| DE102005061984B4 (de) * | 2005-12-23 | 2011-08-18 | Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
| US11467388B2 (en) | 2017-12-18 | 2022-10-11 | Yokogawa Electric Corporation | Objective optical system and microscope system with liquid interposed between liquid contact surface and sample |
-
1992
- 1992-02-18 JP JP4079424A patent/JPH05323437A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6404560B1 (en) | 1999-07-28 | 2002-06-11 | Nikon Corporation | Pressure proof optical apparatus |
| DE102005061984B4 (de) * | 2005-12-23 | 2011-08-18 | Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
| DE102005061984B9 (de) * | 2005-12-23 | 2012-05-10 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
| US11467388B2 (en) | 2017-12-18 | 2022-10-11 | Yokogawa Electric Corporation | Objective optical system and microscope system with liquid interposed between liquid contact surface and sample |
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