JPH0695003A

JPH0695003A - 立体タンデム型走査反射光共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JPH0695003A
Application number: JP25374492A
Authority: JP
Inventors: James D Hill; ジェームズ・ディー・ヒル
Original assignee: Tandem Scanning Corp
Current assignee: Tandem Scanning Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】双眼接眼レンズ組立体において色分散ブリズ
ムと関連させて縦方向色収差及び横方向色収差を用い
て、試料を通して３次元垂直視野を可能とする立体鏡タ
ンデム走査反射光共焦点顕微鏡を提供する。【構成】結像装置においていろいろな波長の光を分離
するために反射された光の軸に沿って該走査装置と該結
像装置との間に１対の直視分散プリズム６，７が配置さ
れており、反射された光を異なる経路に沿って各々の前
記分散プリズムへ向けるビームスプリッター１４が設け
られており、試料の異なる深度から反射された試料の各
色について該観察ステーションから前記分散プリズムの
異なる距離について該観察ステーションにおいて鮮明な
像を生じさせる焦点深度を提供する相当の一次縦方向色
収差を有する対物レンズ３が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は立体共焦点タンデム型走
査顕微鏡に関し、特に縦方向比色収差及び横方向比色収
差の両方を有する立体共焦点走査顕微鏡に対物レンズを
用いて、立体効果だけでなくて３次元の全てに適切なサ
イズ比をもたらすことに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡の倍率は、顕微鏡で見た物
体の見掛けの大きさの、２５０ｍｍの距離を置いて裸眼
で見た同じ物体の見掛けの大きさに対する比として定義
されている。もっと詳しく言うと、その比較は、顕微鏡
で見た物体までの見掛けの距離が、目の所要の焦点によ
り決定される２５０ｍｍである様に焦点合わせされた顕
微鏡で行われる。

【０００３】２５０ｍｍの距離で物体を見るとき、観察
者の両目からの視線の収斂角度は約１５°である。従っ
て、在来の３次元立体顕微鏡は、１５°離れた２方向か
ら点を見るように配置された２個の対物レンズと２個の
接眼レンズとを有する。

【０００４】対物レンズのこの様な配置は、その開口数
を７−１／２°のサイン、即ち０．１３、に制限する。
より大きな開口数を有する対物レンズは、互いに１５°
の角度でセットされたときには互いに干渉するだけであ
る。顕微鏡の分解能、従ってその最大利用可能倍率、は
対物レンズの開口数に比例する。０．９５の大きさの開
口数を有する在来の対物レンズは高倍率顕微鏡に広く使
われており、１．３０の大きさの開口数を有する油浸対
物レンズも利用可能である。その結果、在来のデザイン
の最も強力で有用な立体顕微鏡の１０倍も強力な顕微鏡
が広く使われている。

【０００５】立体顕微鏡の開口数特性の限定に加えて、
高倍率顕微鏡の大開口数対物レンズの焦点深度は余りに
も限定されているので３次元立体効果は役に立たなくな
る。

【０００６】多くの良好な高倍率顕微鏡が双眼観察に適
合する。これらの顕微鏡は両方の目を使って物体を観察
できる様に構成されたビームスプリッター、種々の鏡、
及び２個の接眼レンズを有する。しかし、これらの顕微
鏡では、両方の目が同一のイメージを見るので、３次元
立体効果は無い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、対物
レンズの開口数又は該顕微鏡の倍率や分解能を制限する
ことなく大きな焦点深度を持つことの出来る顕微鏡を提
供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、その設計を更に制限
することなく、その様な顕微鏡に用いる３次元立体観察
機能を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一般にはレンズにおける
短所である縦方向色収差を使って大きな焦点深度を達成
することが出来る。通常は、青色の光は赤色の光よりは
近い点に収束する。焦点深度を大きくするこの方法は、
青色の光の点焦点に位置する物体が鋭い青色イメージを
生じさせると共に他の色の滲んだイメージも生じさせる
という結果となる。その結果として得られるイメージは
見にくいので、レンズは一般に縦方向色収差が出来るだ
け小さくなるように設計される。

【００１０】米国特許第３、５１７、９８０号にペトラ
ン等が開示しているタンデム走査共焦点反射光顕微鏡
は、焦点の合っている観察されている物体の一部分だけ
が見えて、焦点の合っていない部分からの光が排除され
るという性質を持っている。共焦点顕微鏡のこの性質
は、使用される光の各波長について別々に有効である。

【００１１】縦方向色収差のある対物レンズをタンデム
走査反射光顕微鏡と組み合わせると、焦点深度がより大
きくて、各々の深度値が特定の波長又は色の光に付随す
る様な顕微鏡となる。共焦点原理は、各々の特定の深度
での、焦点の合っていない色を除去する。上記した様に
彩色的に増大した被写界深度を有するタンデム走査共焦
点反射光顕微鏡に、双眼接眼レンズを通常の方法で取り
つけることも出来る。その様な構成は、観察者の各々の
目に同じイメージをもたらすけれども、３次元立体効果
は無い。

【００１２】本発明では、各接眼レンズの前に色分散プ
リズムを使用するので、波長の関数として、従って深度
の関数として２個のイメージが横に反対向きにオフセッ
トする。要素のこの様な組み合わせの結果は、焦点深度
が大きくて３次元立体深度知覚を与える顕微鏡となる。
縦方向色収差についての要件は、対物レンズの開口数や
システムの倍率に何らの制限も課さない。

【００１３】横方向色収差は、異なる色の光が異なる大
きさのイメージを生じさせるというレンズの性質であ
る。通常は縦方向色収差及び横方向色収差は適切なレン
ズ設計により別々にレンズから除去される。本発明は、
物体のいろいろな部分の見掛けの大きさが、その見掛け
の深度と矛盾せず、従って３次元の全てにおいて適当な
大きさの比が得られることとなる様に縦方向色収差及び
横方向色収差を別々に制御する方法を説明するものであ
る。

【００１４】

【実施例】図１及び図２は、本発明による立体顕微鏡の
略図を示す。以下の記述は、特別の波長での顕微鏡の特
徴に基づいているけれども、この顕微鏡は連続的な波長
スペクトルを使って作用することが理解されなければな
らない。図１において、青色焦点の平面は矢印１として
示されており、赤色焦点の平面は矢印２として示されて
いる。その中間の色は中間の平面で収束するので、焦点
平面の位置は色又は波長の連続関数である。いろいろな
焦点平面は、対物レンズの縦方向色収差の故に分離して
いる。

【００１５】この立体顕微鏡の光路は双眼接眼レンズを
装着した他のタンデム走査共焦点顕微鏡と大部分は同じ
であり、主な差異は、対物レンズ３と色分散プリズム６
及び７の色収差を用いることである。光源５Ａは、この
システムが必要とする光の連続スペクトルを提供する。
青色光は対物レンズ３によって平面１内の点１２に収束
する。無限大補正された対物レンズを使うときには、チ
ューブ・レンズが必要である。チューブ・レンズは、図
１及びず２に単一の要素４として略図示されている（レ
ンズ３及び４については図５に関連して詳しく説明をす
る）。赤色光は、平面２即ち赤色焦点平面上の点１３に
収束する。点１２からの青色の光と点１３からの赤色の
光とは共に共焦点タンデム走査顕微鏡のディスク２０の
面に収束する。使用されるディスク２０は以下に定義さ
れるものである。収束した光は、共焦点顕微鏡で普通に
行われている様に、ディスク２０の穴を通過する。点１
２からの赤色光と点１３からの青色光とは該ディスクの
平面では収束していないので該ディスクの穴を通過しな
い。

【００１６】視野レンズ６Ａは対物レンズ３の開口をリ
レーレンズ５の開口上に結像させる。リレーレンズ５
は、双眼接眼レンズの使用を容易にするために種々の鏡
及びビームスプリッターが必要とする光路長さを得るた
めに実用上必要なものである。リレーレンズ５は、ディ
スクの平面を双眼組立体の接眼レンズ１８及び１９にお
ける平面に収束させる。リレーレンズ５は単一要素レン
ズとして略図示されているけれども、これは色消しであ
るべきであり、後に詳しく説明する。本来は点１２から
の青色光はリレーレンズ５により点９に集束され、前記
の光は、ビームスプリッター１４を通過し、鏡１６及び
１７から反射し、色分散プリズム６を通過する。同じく
本来は点１３からの赤色光は点８に収束する。また、点
１２からの青色光は点１０に収束し、点１３からの赤色
光は点１１に収束し、前記の光はビームスプリッター１
４及び鏡１５から反射して色分散プリズム７を通過す
る。実際、焦点１及び２の全平面は、点８及び９及び点
１０及び１１の分離により示されている色に依存するオ
フセットを伴って接眼レンズの焦点平面に集束される。
後述する目的のために接眼レンズ１８及び１９に対して
プリズム６及び７を相対的に移動させるためにラック・
アンド・ピニオン駆動装置７Ａが設けられている。単一
の接眼レンズと共に唯一のプリズムが使われる場合に
は、模擬３次元効果をもたらすために該プリズムはその
光路軸の周囲に回転可能であることが出来る。

【００１７】点８及び９の分離と点１０及び１１の分離
とは、色分散プリズム６及び７の色分離特性に起因す
る。該色分散プリズムは直視色分散プリズムのための在
来の設計のプリズムである。一般的には、これらのプリ
ズムはスペクトルの中央の色は偏向無しに該プリズムを
通過し、他の色は波長の関数としていずれかの方向に偏
向することとなる様に設計されている。

【００１８】一般に、双眼接眼レンズ及び付随のビーム
スプリッター及び鏡の設計は、在来の顕微鏡についての
双眼装置の設計と同様であり、熟練した光学設計者の能
力の範囲内にある。色分散プリズム６及び７の位置の範
囲は、第１に、以下に明らかにする手順により決定され
るべきである。

【００１９】リレーレンズ５は、該双眼組立体の光路長
及び所望の影像比と矛盾しない焦点距離を持つべきであ
る。クック・トリプレット（Ｃｏｏｋｅｔｒｉｐｌｅ
ｔ）は該リレーレンズについての良好な選択肢である
が、使われる適切な影像比の合う様に該リレーレンズを
設計するのに注意が必要である。その様なレンズは市販
されていて、所望ならば割合に設計しやすい。

【００２０】視野レンズは両凸レンズ又は単純なクラウ
ンガラス平凸レンズであることが出来る。対称でない場
合には、該視野レンズの、より平坦な側をディスク２０
に対面させるべきであると共に、該ディスクから約３ｍ
ｍ離間させるべきである。該視野レンズの焦点距離は１／Ｆ＝１／Ｄ１＋１／Ｄ２により与えられる。ここでＦは該視野レンズの焦点
距離であり、Ｄ１は該視野レンズから対物レンズ３の
開口までの実効距離であり、Ｄ２は該視野レンズから
該リレーレンズ開口までのおおよその距離である。Ｄ１
は、若し使用されるならばチューブレンズの影響を受
け、下記の対物レンズ及びチューブレンズの組み合わせ
については約４００ｍｍである。

【００２１】本発明に従って立体顕微鏡を設計するため
に、適正パースペクティブという概念を理解するべきで
ある。適正パースペクティブは、３次元全部が同じ倍率
で拡大されることを要求する。深さは、横方向の２次元
と同じ程度に拡大されなければならない。在来の顕微鏡
の倍率は横方向倍率である。適正パースペクティブは、
近くの物体は遠くの物体より大きく見えるので横方向倍
率は深さと共に僅かに変化しなければならないことを要
求する。

【００２２】上記した様に、顕微鏡の倍率は、顕微鏡で
見た物体の見掛けの大きさの、２５０ｍｍの距離を置い
て裸眼で見た同じ物体の見掛けの大きさに対する比とし
て定義される。接眼レンズの倍率は、その接眼レンズを
拡大鏡として使って見た物体の見掛けの大きさの、２５
０ｍｍの距離を置いて裸眼で見たその物体の大きさに対
する比である。接眼レンズの倍率は、概ね、ミリメート
ルを単位として表した該接眼レンズの焦点距離で２５０
ｍｍを除して得られる値である。この倍率定義は、複合
顕微鏡で行われているように接眼レンズで像を見るとき
にも有効である（複合顕微鏡は、単純な拡大鏡とは区別
される対物レンズ及び接眼レンズの両方を備えた顕微鏡
である）。顕微鏡対物レンズの倍率は、対物レンズによ
り作られる物体の像の大きさの、その物体自体の大きさ
に対する比として定義される。複合顕微鏡の倍率は、対
物レンズの倍率と接眼レンズの倍率との積である。ここ
に記載する顕微鏡においては、この計算はリレーレンズ
の倍率比を包含するべきである。Ｍ＝Ｏ×Ｒ×Ｅ・・・・・・・・・・・・（１）

【００２３】ここで、Ｍは顕微鏡の倍率、Ｏは対物
レンズの倍率、Ｒはリレーレンズの倍率比、Ｅは接
眼レンズの倍率である。

【００２４】図３は観察者の目３０及び３１と、観察さ
れる物体上の２点３２及び３３との所望の見かけ上の関
係を示す。点３２（図３）は点１２（図１及び図２）と
類似し、点３３（図３）は点１３（図１及び図２）に類
似している。図３に示されている関係は実際には存在し
ないけれども、図１及び図２の点１２及び１３が観察者
にどの様に見えるかを表す。

【００２５】Ｄが図１において点１２と点１３との間の
距離である場合には、点３２と３３との間の見掛けの縦
方向距離はＭ×Ｄであるべきである。両方の目で見られ
る点３２と３３との間の大凡の見かけ上の横方向距離は
Ｍ×Ｄ×ｓｉｎ７．５°である。

【００２６】図４は、図３に示されている状態が存在す
るように見えるために必要とされる関係を示す。点８及
び９は、接眼レンズ１８を通して観察され、図３の点３
３及び３２として見えるべきである。点９は点３２及び
点１２と類似していて、青色光で見られる。点８は点３
３及び点１３と類似していて、赤色光で見られる。色分
散プリズム６は赤色と青色の光を異なる角度で屈折さ
せ、点８及び９の間の横方向距離は次の通りにして決定
される：

【００２７】ここでＡは、プリズム６により屈折させら
れる赤色光及び青色光の間の角度差であり、Ｌは、プリ
ズム６及び点８又は９の間の距離である。

【００２８】点８及び点９の間の横方向距離はＬ×ｓｉｎＡ・・・・・・・・・・・・（２）である。

【００２９】点８及び９の間の見かけ上の横方向距離はＥ×Ｌ×ｓｉｎＡである。

【００３０】従ってＭ×Ｄ×ｓｉｎ７．５＝Ｅ×Ｌ×ｓｉｎＡである。

【００３１】上の様にＭ＝Ｅ×Ｏ×Ｒ

【００３２】従ってｓｉｎＡ＝（Ｏ×Ｒ×Ｄ×ｓｉｎ７．５）／Ｌ・・・・（３）である。

【００３３】角度Ａの値が、色分散プリズムの設計を決
定することに注意しなければならない。角度Ａは接眼レ
ンズの倍率には依存しない。しかし、それはリレーレン
ズ倍率比Ｒの値に依存する。リレーレンズ比を顕微鏡の
倍率を変化させるのに使う場合には、比Ｒ／Ｌが一定に
保たれるように距離Ｌも変化させることが出来る。対物
レンズを交換することが望ましい場合には、積Ｏ×Ｄが
一定となるように対物レンズを設計することが出来る。
Ｒ／Ｌ及びＯ×Ｄを一定に保てば、２組以上の色補正プ
リズムを必要とすることなく汎用顕微鏡の設計を行うこ
とが出来る。対物レンズの設計がシステムの要件に正確
には合致しない場合、距離Ｌを調整することによって所
望の結果を達成することが可能である。

【００３４】図３を再び参照すると、点３２に見かけ上
位置する物体の見かけ上の大きさは、点３３に見かけ上
位置する同一の物体の見かけ上の大きさよりは大きくな
るべきである。これは、単に、近くの物体は遠くの物体
より大きく見えるべきであるということを意味する。点
３２の物体は青色光で見られ、点３３の物体は赤色光で
見られるので、対物レンズ倍率Ｏが色の波長の関数とし
て変化するならば所望の大きさの差を達成することが出
来る。波長Ｔに伴うこの倍率の変化は伝統的に「横色収
差」と呼ばれており、ここでＴは、Ｔ＝ＯＢ／ＯＲで定
義され、ＯＢは、青色光についての対物レンズの倍率で
あり、ＯＲは、赤色光についての対物レンズの倍率であ
る。

【００３５】適正パースペクティブのために、ＯＢは点
３２から目３０及び３１までの距離に反比例するべきで
あり、ＯＲは点３３から目までの距離に比例するべきで
ある。従って、Ｔは、これら二つの距離の比に等しくな
ければならない。２５０ｍｍが点３２及び３３の近傍か
ら目３０及び３１までの大凡の距離である場合には、Ｔ＝（２５０＋（Ｍ×Ｄ））／２５０＝１＋（Ｏ×Ｒ×Ｅ×Ｄ）／２５０である。

【００３６】Ｔは対物レンズ設計の関数である。対物レ
ンズが設計され終わると、異なる倍率の接眼レンズを使
ったりリレーレンズ比Ｒが変更されたりすれば、適正パ
ースペクティブは維持されなくなる。

【００３７】適正パースペクティブは、立体顕微鏡で観
察される物体又は物体のグループが歪まないで見えるた
めに、即ち、観察される物の近い部分及び遠い部分が正
しい大きさに見えるために要求されるものであることに
注意しなければならない。しかし、適正パースペクティ
ブは立体効果の利益を得るためには不要である。適正パ
ースペクティブに注意を払わなくても、立体顕微鏡は３
次元の関係を明らかにするのに有効である。

【００３８】図５の対物レンズ及びチューブレンズを詳
しく説明する前に、色分散プリズムの設計を考察するの
が好ましい。

【００３９】いろいろな図に示されている色分散プリズ
ムは３個の要素を有する。より少数の要素を有するプリ
ズムも使用出来るけれども、３要素設計では波面の歪み
は一般に少ない。以下に説明する設計は、２個のクラウ
ンガラス要素の間に挟まれた１個のフリントガラス要素
を有する。適当なガラスの種類を選択した後、光線追跡
によって要素の楔角が決定される。機械設計を単純に
し、既存の双眼ハードウェアとの両立性を得るために、
プリズムは緑色光が顕著に偏向しないように設計され
る。

【００４０】典型的な１０００倍の顕微鏡は１００倍の
対物レンズ、１０倍の接眼レンズ、及び比が１のリレー
レンズを使用する。よってＯ＝１００であり、Ｒ＝１で
ある。Ｄ及びＬの程よい値はＤ＝０．０２５ｍｍ、Ｌ＝
５０ｍｍである。

【００４１】ｓｉｎＡ＝（Ｏ×Ｒ×Ｄ×ｓｉｎ７．５）／Ｌという公式からｓｉｎＡ＝０．００６５３となる。

【００４２】青色光に５００ｎｍの波長を、赤色光に６
２０ｎｍの波長を使うと、フリントガラス要素は２７．
０４°の角度を、クラウンガラス要素は２０．７９°の
角度を有する。厚みがクラウンガラス要素については
４．８ｍｍでフリントガラス要素については６．２ｍｍ
であれば、２０ｍｍより大きい色分散プリズムのクリア
開口（ｃｌｅａｒａｐｅｒｔｕｒｅ）を使用出来る。
これらの厚みはプリズムの中心を通る線に沿って、又は
プリズムの軸に沿って測られる。このクリア開口は本発
明による立体顕微鏡の最も普通の設計のために充分であ
るべきである。そこから距離Ｌを測るところの色分散プ
リズム内の実効中心又は実効点は光線追跡により決定さ
れる。この点２５（図４）は、フリントガラス要素と、
接眼レンズに最も近いクラウンガラス要素との間の境界
における該プリズムの軸の上にある。この点が２要素間
の境界上にあるという事実は偶然のことであり、他のプ
リズム設計では、何処にあってもよい。他の色分散プリ
ズムの設計と、その様なプリズムの実効中心の決定と
は、熟練したレンズ設計者の能力の範囲内にある。

【００４３】ここで図５を参照すると、本発明に使うこ
との出来る対物レンズ及びチューブ・レンズの両方が示
されている。対物レンズ３はアプラナート５０と２個の
鏡５１及び５２とから成る。チューブ・レンズはレンズ
要素５３、５４、５５及び５６から成る。前述した本発
明が必要とする対物レンズの性質は、対物レンズ及びチ
ューブ・レンズの両方の組み合わせの性質である。実際
上、Ｄについての所望の値は、対物レンズの適切な設計
によって最も容易に達成出来るのに対して、Ｔの所望の
値はチューブ・レンズの適切な設計によって最も容易に
達成出来る。Ｔ又はＤは対物レンズ又はチューブ・レン
ズにより制御されることが出来るけれども、チューブ・
レンズの要素の低倍率はＤの大きな値の達成を困難にす
る。同じく、対物レンズのレンズ要素特性の間隔が小さ
いのでＴの大きな値を達成するのは困難である。

【００４４】図５に示されている対物レンズの基本設計
原理は、縦方向色収差のある要素を既存の対物レンズ設
計に（この場合にはシュバルツシルトのデザインの）付
加することである。控えめの量の縦方向色収差のある他
の種類の対物レンズの設計は、熟練したレンズ設計者の
能力の範囲内にある。

【００４５】図５に示されている対物レンズは、シュバ
ルツシルト対物レンズと、在来の設計のアプラナート５
０との組み合わせである。このシュバルツシルト対物レ
ンズは２個の球面鏡５１及び５２から成る。

【００４６】アプラナート：半径：２ｍｍ及び２．２３８８８ｍｍ中心厚み１．７４５ｍｍガラスの種類ＦＫ１屈折率Ｎｄ＝１．４８６６アッベ数Ｖｄ＝８４．４７鏡５１半径：３．７０５ｍｍ鏡５２半径：１０．０８８ｍｍ間隔：アプラナートから鏡５１まで１．２５５ｍｍ鏡５１から鏡５２まで６．３２６ｍｍ

【００４７】間隔は、指定された球面同士の間の光軸に
沿う距離として定義される。鏡５１の中心部分は使われ
ない。照明光線が鏡５１からディスクの方へ直接反射さ
れるのを防止するために、非反射スポット５８を鏡５１
の中心に付加するべきである。タンデム走査反射光顕微
鏡（たとえそれが立体顕微鏡ではなくても）にシュバル
ツシルト対物レンズを用いるときには、必ずこれを行う
べきである。

【００４８】チューブ・レンズ設計の原理は、２グルー
プのレンズ要素を使うことであり、その第１グループは
要素５３及び５４から成り、第２グループは要素５５及
び５６から成る。この第１グループは、高度の縦方向色
収差を有し、球面収差を持たない様に設計される。第２
グループは、第１グループから或る距離だけ離され、こ
の２グループが組み合わされたときに縦方向色収差を持
たなくなるように、球面収差を持たず、且つ第１グルー
プの縦方向色収差を補償する様に設計される。１グルー
プに縦方向色収差を導入し、この第１グループから或る
距離だけ離れた他方のグループで補償する方式は、相当
の横方向色収差を生じさせる結果となる。２グループ間
でコマ収差及び非点収差が補正される。

【００４９】要素５３、５４、５５及び５６から成るチ
ューブ・レンズは、全て、対物レンズからビームスプリ
ッターに向かう光軸に沿って順に半径Ｒ１〜Ｒ８の球面
を有する。これらの半径の値、その間の距離、及びそれ
らの間の材料は、以下に列挙した通りである：

【００５０】Ｒ１３２．０３９ｍｍ４ｍｍガラスの種類Ｆ２Ｒ２ −４２．４９９ｍｍ２ｍｍ空気Ｒ３ −３１．６３６ｍｍ２ｍｍガラスの種類ＢＫ７Ｒ４４２．２２２ｍｍ４２ｍｍ空気Ｒ５ −１８．４５７ｍｍ２ｍｍガラスの種類ＳＦ１１Ｒ６１３．３５４ｍｍ２ｍｍ空気Ｒ７２０．６８３ｍｍ４ｍｍガラスの種類ＰＳＫ５３Ｒ８ −１２．８３７ｍｍＲ８からチューブ・レンズの焦点面までの光学距離は１
００ｍｍである。Ｒ１と対物レンズとの間の距離は重大
なものではないが、４０ｍｍの距離は実用的な値であ
る。

【００５１】ガラスの種類、屈折率及びアッベ数は次の
通りである：５３Ｆ２Ｎｄ１．６２００Ｖｄ３６．３７５４ＢＫ７Ｎｄ１．５１６８Ｖｄ６４．１７５５ＳＦ１１Ｎｄ１．７８４７Ｖｄ２５．７６５６ＰＳＫ５３Ｎｄ１．５５２３Ｖｄ６３．４５

【００５２】色分散プリズムの設計に行われた様に青色
光に５００ｎｍを、赤色光に６２０ｎｍを使うと、対物
レンズ及びチューブ・レンズの組み合わせの特性を光線
追跡により決定することが出来る。

【００５３】Ｏ＝７５Ｄ＝０．０１ｍｍＴ＝１．０４３

【００５４】上記の色分散プリズムの設計に使われた様
に接眼レンズの倍率Ｅを１０とし、ｓｉｎＡの値に０．
００６５３を用いると、適正パースペクティブの立体顕
微鏡についての要件を満たすためにＬ及びＲの値を選択
することが出来る。適正パースペクティブは、下記の二
つの等式が満たされれば達成される。

【００５５】Ｔ＝１＋（Ｏ×Ｒ×Ｅ×Ｄ）／２５０ｓｉｎＡ＝（Ｏ×Ｒ×Ｄ×ｓｉｎ７．５）／Ｌ

【００５６】第１の等式に既知の値を代入すると、次の
ようになる。１．０４３＝１＋Ｒ×７．５／２５０又はＲ＝０．０４３×２５０／７．５＝１．４３３

【００５７】既知の値を第２の等式に代入すると、次の
通りになる。０．００６５３＝０．１４０／Ｌ又はＬ＝０．１４３／０．００６５３＝２１．５ｍｍ該顕微鏡の倍率は１０６０である。

【００５８】上記した対物レンズ及びチューブ・レンズ
から得られる顕微鏡のために色分散プリズムが設計され
ていなくても、Ｌ及びＲの値を調整して良好な結果を得
ることが出来ることは明らかである。従って、顕微鏡組
立体がリレーレンズ倍率比と色分散プリズムの位置との
調整を考慮したものであることが有益である。

【００５９】チューブ・レンズの他の設計も熟練したレ
ンズ設計者の能力の範囲内にある。Ｄの所望の値は対物
レンズ・チューブ・レンズの組み合わせにおける縦方向
色収差により達成されなければならないけれども、Ｔの
所望の値をリレーレンズ５における横方向色収差により
全部又は一部達成することが出来る。この様な収差をチ
ューブ・レンズに導入するのに使われる原理を使うこと
によって顕著な横方向色収差を伴うリレーレンズを設計
することは熟練したレンズ設計者の能力の範囲内に充分
にある。

【００６０】フィルム・カメラやビデオ・カメラなどの
他の結像装置を、ここに記載した立体顕微鏡に用いるこ
とが出来る。これらの結像装置についての像面は、点
８、９、１０及び１１（図１）がその中に存在するとこ
ろの接眼レンズの焦点面に位置するべきである。フィル
ム・カメラは、後に立体観察装置に用いるために立体画
像対を同時に撮ることを可能にする。同一又は同様の目
的のためにビデオ・カメラから単一のこまフレーム）を
撮るためにフレーム・グラッバー（Ｆｒａｍｅｇｒａｂ
ｂｅｒｓ）を利用することが出来る。

【００６１】上記したのは適正パースペクティブを有す
る立体顕微鏡を作るのに必要な特別の構成要素である。
記載した特徴を完全には備えていない顕微鏡にも価値は
ある。視野内の物体が横方向に動くとき、その物体の近
い部分は、遠い部分よりは大きく横方向に又は固有運動
をするように見える。

【００６２】固有運動におけるこの差異は、接眼レンズ
を１個だけ使い、色分散プリズムを全く使わないときで
も３次元効果を生じさせる結果をもたらす。実際、ビデ
オ・カメラ又は単接眼レンズを使う場合、双眼ヘッドや
色分散プリズムが無くても、この固有運動におけるこの
差異は、片目の人が頭を左右に動かすことによって得る
ことの出来る３次元効果をもたらす。

【００６３】適正パースペクティブを得るために横方向
色収差を使わない場合、この単接眼レンズ３次元効果は
存在しないけれども、上記した対物レンズのそれの様に
大きな開口数で達成することの出来る焦点深度よりか
に大きな焦点深度を縦方向色収差がもたらす結果とな
る。この様な単純なシステムでも、大きな焦点深度は、
観察される物体がその物体を通る横方向軸上で回転する
ときに３次元効果の認識を許すので、有益である。

【００６４】物体を回転させなくても、観察される物体
のいろいろな特徴物の見掛けの色は深さに関する情報を
もたらす。

【００６５】立体顕微鏡は、上記したように、適度の横
方向色収差を用いずに、縦方向色収差のある対物レン
ズ、双眼接眼レンズ装置、及び色分散プリズムから成る
ものとして設計されることが出来る。この様な顕微鏡は
適正パースペクティブを持たないけれども、３次元立体
効果をもたらす。リレーレンズ５が横方向色収差をもた
らすことが出来るということにも注意するべきである。

【００６６】２個の接眼レンズのうちの一方の光路にだ
け色分散プリズムを用いる場合でも３次元立体効果は存
在する。

【００６７】接眼レンズ１個だけと色分散プリズム１個
だけで上記のように設計された顕微鏡は、その一つの色
分散プリズムが距離Ｌの値を帰るために光軸に沿って動
かされるならば３次元効果をもたらすことが出来るが、
これはラックアンドピニオン装置７Ａを用いることで達
成される。このＬの変化には、横方向軸上で物体を回転
させるのと同様の効果がある。色分散プリズムをその軸
上で回転させると、物体が見かけ上章動することにな
り、その結果として３次元効果が得られる。カメラなど
の結像装置を使うとき、２こまの写真の記録の間に色分
散プリズムを１８０°回転させることによって立体的な
像の対を作ることが出来る。

【００６８】図１、図２及び図６のタンデム走査共焦点
顕微鏡は、正確にはペトラン等の特許に説明されている
通りではないけれども、私の同時係属の米国特許出願第
０７／６２３、１０２号に説明されている通りであり、
この出願は、１９９０年１２月６日に出願されたもの
で、「共焦点タンデム走査反射光顕微鏡」という名称が
付されており、その内容全部を参照により本書に組み込
むものとする。しかし、本発明の作用の基礎をなす原理
は、ペトラン等のものや私の同時係属出願の両方に等し
く当てはまるものであると共に、例えば米国特許第４、
９２７、２５４号にキノ等により開示されている「走査
共焦点光学顕微鏡」などの他のものにも適用可能であ
る。ここに示されているディスク２０は、その様な出願
に記載され図解されている通りである。しかし、このデ
ィスクは、タンデム走査反射光共焦点顕微鏡に用いるの
に適したディスクであることが出来、「ディスク」とい
う用語をここで使うときは、それはその様なディスクを
指す。

【００６９】ここで、添付図面の図６を特に参照する
と、立体システムの全体が斜視図で示されている。図示
の基本タンデム走査顕微鏡は、前述の同時係属出願第０
７／６２３、１０２号に開示されているものである。光
源５Ａは、複数要素集光レンズ６２を通して、赤外線及
び紫外線フィルター６４を介して、ディスク２０の第１
領域６６を通して、微調整傾斜可能窓６８へ光を送る。
光源５Ａからの、濾過された光は、内部鏡７０及び７２
を介してビームスプリッター７４に進むが、このビーム
スプリッターは、四分の一波長リターダ７６と対物レン
ズシステム３とを介して試料（図示せず）に光を送る。
この図６の対物レンズシステム３は、図５に示されてい
る種類のものでよく、チューブ・レンズを必要とし、或
いはチューブ・レンズを必要としない他の適当な種類の
ものでもよい。図５の対物レンズ及びチューブ・レンズ
は、適正パースペクティブが希望される場合には好都合
である。

【００７０】試料から反射された光は、リターダ７６を
通してビームスプリッター７４へ逆向きに反射される。

【００７１】最大の光分離と、従って最大の効率とを得
るために、偏光をビームスプリッター７４へ本来の偏極
に対して直角に提供するためにリターダ・レンズ７６が
使用される。

【００７２】該ビームスプリッターからの光は、他の内
部鏡７８へ向けられ、そこからディスクの第１領域６６
に対して１８０°に配置されたディスクの第２領域８０
を通して送られる。光は、視野レンズ６Ａを通してリレ
ーレンズ５に進み、そこから要素６、７及び１４〜１９
を含む前述の双眼システムを通して進む。

【００７３】ここで言及した両方の色収差が１次色収差
である。もっと高次の色収差は立体鏡効果をもたらさな
い。

【００７４】以上の開示内容が与えられたならば、他の
多くの特徴事項、修正事項及び改良事項は当業者には自
明であろう。従って、その様な特徴事項、修正事項及び
改良事項はこの発明の一部であると見なされるべきであ
り、その範囲は特許請求の範囲の欄の記載内容によって
決定されるべきである。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
物レンズの開口数又は顕微鏡の倍率や分解能を制限する
ことなく、大きな焦点深度を持つことができる。

【００７６】また、立体共焦点走査顕微鏡に対物レンズ
を用いて、立体効果だけでなく、３次元の全てに適切な
サイズ比をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】立体観察に必要な双眼接眼レンズ及び色分散プ
リズム及び対物レンズを装着したタンデム走査共焦点顕
微鏡の全体図である。

【図２】図１を横から見た状態の全体図である。

【図３】異なる距離での２点の立体観察に関係する２個
の目といろいろな角度及び距離とを示す略図である。

【図４】図２と同等の観察のための接眼レンズ及び色分
散プリズムとの関係を示す。

【図５】本発明に用いるのに適した対物レンズのための
一つの設計を示す。

【図６】立体顕微鏡システム全体の斜視図である。

【符号の説明】

３対物レンズ５Ａ光源６分散プリズム７分散プリズム１４ビームスプリッター１８接眼レンズ１９接眼レンズ２０ディスク５０アプラナート５１鏡５２鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査ディスクと、光源と、前記光源から
の光を前記走査装置を通して試料に向けると共に、試料
から反射した光を、それを通して光が該試料に向けられ
たところの領域とは反対側の前記走査ディスク上の共役
領域を通して観察ステーションへ焦点を合わせて通過さ
せる光学装置とを有し、該観察ステーションに結像装置
がある立体走査反射光共焦点顕微鏡であって、前記結像装置は双眼結像装置であり、該結像装置においていろいろな波長の光を分離するため
に反射された光の軸に沿って該走査装置と該結像装置と
の間に１対の直視分散プリズムが配置されており、反射された光を異なる経路に沿って各々の前記分散プリ
ズムへ向けるビームスプリッターが設けられており、試料の異なる深度から反射された試料の各色について該
観察ステーションから前記分散プリズムの異なる距離に
ついて該観察ステーションにおいて鮮明な像を生じさせ
る焦点深度を提供する相当の一次縦方向色収差を有する
対物レンズが設けられていることを特徴とする立体走査
反射光共焦点顕微鏡。
【請求項２】前記プリズムは反射光の軸に沿って移動
可能であることを特徴とする請求項１に記載のタンデム
走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項３】前記プリズムは前記軸の周囲に回転可能
であることを特徴とする請求項２に記載のタンデム走査
反射光共焦点顕微鏡。
【請求項４】光を通し且つ反射する試料を観察するた
めの走査反射光共焦点顕微鏡との組み合わせにおいて、走査ディスクと、試料のいろいろな深度において白色光のいろいろな波長
を収束させるのに充分な相当の一次縦方向色収差を焦点
において有する対物レンズ・システムと、立体鏡結像装置と、試料から前記走査ディスクへの光路と、前記光路は、前記走査ディスクにおいて収束する光を前
記走査ディスクを通して前記立体鏡結像装置へ向けるこ
とと、前記走査ディスクを通過する反射された光を、前記立体
鏡結像装置への二つのほぼ平行な光路に分割する手段
と、いろいろな波長の光を前記結像装置に対して相対的にい
ろいろな場所に収束させるために該立体鏡結像装置の該
結像装置のうちの少なくとも一つと前記手段との間に配
置された色分散プリズムと、を組合わせてなることを特
徴とするタンデム走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項５】前記手段と、前記立体鏡結像装置の各々
の異なる一つとの間に異なる直視分散プリズムが配置さ
れていることを特徴とする請求項４に記載のタンデム走
査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項６】試料から前記立体鏡結像装置への光路に
沿って相当の横方向色収差を導入するための手段が設け
られており、これにより、試料から反射された像の倍率
を、その光を反射させた試料の深度の逆関数として変化
させることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４に
記載のタンデム走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項７】横方向色収差をもたらすための前記手段
は前記対物レンズ・システムと前記走査装置との間に配
置されたチューブ・レンズから成ることを特徴とする請
求項６に記載のタンデム走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項８】前記チューブ・レンズは、縦方向色収差
を導入するための第１グループのレンズと、縦方向色収
差を補正する第２グループのレンズとを有し、これによ
り横方向色収差を生じさせることを特徴とする請求項７
に記載のタンデム走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項９】走査装置を有するタンデム走査反射光共
焦点顕微鏡において、試料から該走査装置への光路に対して相対的に試料のい
ろいろな深度について該走査装置に集束されたいろいろ
な色の像を生じさせる対物レンズ・システムと、結像装置と、該走査装置及び結像装置の間に配置された少なくとも一
つの直視分散プリズムとから成るタンデム走査反射光共
焦点顕微鏡。
【請求項１０】走査装置と、該走査装置において収束
する対物レンズ・システムからの光像だけを該走査装置
を介して立体鏡結像装置へ通過させる光学装置とを有す
る顕微鏡であって、いろいろな波長の光を光反射性試料のいろいろな深度に
収束させる充分な一次縦方向色収差のある対物レンズ・
システムと、該走査装置及び該接眼レンズの間の反射光の経路に配置
された色分散プリズムとを更に備えることを特徴とする
顕微鏡。
【請求項１１】前記立体鏡結像装置は２個の接眼レン
ズを有する双眼鏡であり、該走査装置を介して該双眼接眼レンズに進む光を二つの
光路に分割する手段が設けられており、その二つの光路の各々に配置された異なる色分散プリズ
ムが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載
の顕微鏡。
【請求項１２】試料から反射された像を、その光を反
射させた試料における深度の逆関数として拡大するため
に、光を分割する該手段の前に該光路に相当の横方向色
収差を導入する手段を更に備えることを特徴とする請求
項１１に記載の顕微鏡。
【請求項１３】前記対物レンズ・システムはアプラナ
ートと第１及び第２の鏡とから成り、前記鏡のうちの第１のものは中央開口及び曲率を有して
いて、前記アプラナートを通過する光を受け取って、そ
れを前記第２の鏡へ反射させ、前記第２の鏡は、前記第１の鏡から反射された光を平行
にして、それを前記中央開口を通して向けることを特徴
とする請求項１０に記載の顕微鏡。
【請求項１４】前記対物レンズと前記走査装置との間
に位置するチューブ・レンズを備えており、前記チューブ・レンズは横方向色収差をもたらすことを
特徴とする請求項１３に記載の顕微鏡。
【請求項１５】走査装置と、光を試料に向けると共に試料から走査装置へ向ける対物
レンズと、２個の別々の接眼レンズを有する双眼観察装置と、該走査装置で収束する光だけを該走査装置を通過させる
と共に、前記走査装置を通過する光を別々の経路に沿っ
て前記接眼レンズへ向ける光学システムと、各前記接眼レンズへの光路の各々に位置する異なる色分
散プリズムと、試料から前記プリズムへの光路に相当の一次縦方向色収
差と相当の横方向色収差とを導入するための光学部材と
から成ることを特徴とする立体鏡走査反射光共焦点顕微
鏡。
【請求項１６】３次元観察能力を走査反射光共焦点顕
微鏡に導入する方法であって、光を試料へ送り、この光に相当の一次縦方向色収差を生
じさせていろいろな波長の光を該走査装置を通して光反
射性物体のいろいろな深度から焦点を合わせて反射さ
せ、該試料から反射された光を、その顕微鏡の走査装置を通
過させ、その反射された光を色分散プリズム手段を通して該顕微
鏡の双眼結像装置の各レンズへ送ることから成ることを
特徴とする方法。
【請求項１７】相当の一次縦方向色収差を生じさせら
れた光に、各波長の光を反射させた該物体における深度
の逆関数として反射像を拡大させるのに充分な相当の横
方向色収差を生じさせるステップを更に備えることを特
徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】回転可能な走査ディスクと、光スペク
トルの実質的に全ての色を提供する光源と、該光源から
該走査ディスクを通して試料へ光を向ける光学装置と、
それを通して光が該試料へ向けられたところの領域と共
役となっている該ディスク上の領域を通して、試料から
反射された光を観察ステーションへ向ける光学装置と、
該観察ステーションにおける結像装置とを有するタンデ
ム走査反射光共焦点顕微鏡であって、該走査装置と該観察ステーション結像手段との間に反射
光の軸に沿って直視分散プリズムが配置されており、こ
れにより該結像装置において反射された光の色を分離
し、光スペクトルの各色について、光を通す試料における識
別可能な異なる焦点深度を提供するのに充分な相当の一
次縦方向色収差を生じさせる対物レンズが設けられてい
て、これによりいろいろな波長の光が該試料のいろいろ
な深度から反射されることを特徴とするタンデム走査反
射光共焦点顕微鏡。
【請求項１９】前記観察ステーションに対する該プリ
ズムの方位は可変であり、これによりいろいろな色を該
観察ステーションに与えることを特徴とする請求項１８
に記載のタンデム走査反射光共焦点顕微鏡。
【請求項２０】白色光を可変深度光反射性物体上に収
束させると共に、該試料から反射された光を受け取って
それを更なる光学システムへ向ける光路内に位置するレ
ンズを有する光像観察装置であって、前記レンズは、い
ろいろな波長の光について該物体においていろいろな検
出可能な焦点深度を提供するのに充分な一次縦方向色収
差を有し、前記光学システムは結像手段と、前記レンズ及び前記結像手段の間の反射光の経路に沿っ
て位置し、いろいろな波長の光を前記結像手段に対して
相対的にいろいろな位置に置く直視分散プリズムと、
前記プリズムの各位置について実質的に唯一の波長の
光だけが該結像手段に与えられることとなる様に前記結
像手段に対して相対的に前記プリズムを位置決めする手
段と、前記手段において収束する波長だけを通過させるために
前記プリズムの前に前記光路に沿って位置する手段とか
ら成ることを特徴とする光像観察装置。