JP2011059205A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対物レンズの瞳をリレーして、瞳共役面に瞳変調素子を配置して位相物体を観察する際に、瞳共役面の位置が変動しても、収差の発生が少ない良好な像が得られる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】標本８からの光を基に平行光束を射出する対物レンズ１０と、対物レンズ１０からの平行光束を基に標本８の像を結像させる結像レンズ２０と、像をリレーするリレー光学系４０とを備え、リレー光学系４０は、第１リレーレンズ群４１と第２リレーレンズ群４２とから構成され、第１リレーレンズ群４１と第２リレーレンズ群４２の間に、対物レンズ１０の瞳１１と共役な瞳共役面２９が設けられ、θを結像レンズ２０に入射される主光線と光軸とのなす角度、ｆを合成焦点距離、ｙを対物レンズの瞳位置と共役な位置に形成される像の光軸からの距離とするとき、

の条件を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡装置に関する。

培養細胞を観察する際、固体、抗体染色等といった処理を行うことなく、生きたままこれを観察する方法として、位相差観察等の瞳変調素子を用いた観察方法が知られている。このような観察方法においては、内部に存在する瞳に位相膜等の瞳変調素子が配置された対物レンズを用いる必要があった。しかし、この種の対物レンズを用いることなく位相差観察をすることが可能な顕微鏡装置も周知となっており、結像レンズにより結像された一次像をリレー光学系でリレーし、対物レンズの射出瞳の像をリレー光学系の間に配置し、その瞳像の位置に瞳変調素子を配置することにより、上記のような対物レンズが不要となる顕微鏡装置がある（例えば、特許文献１を参照）。

特開平０８−１５６１２号公報

しかしながら、上記のような顕微鏡装置においては、対物レンズの切替、移動等により瞳の位置が変動する場合、瞳共役面に位相膜を配置するために瞳共役面との間に配置されるレンズにより、瞳面毎に異なった収差が発生する。瞳面毎に異なる収差が発生すると、その収差の表れ方によっては、コンデンサレンズの瞳位置に配置されるリング絞りの像と位相膜にズレを生じ、位相差像を良好に観察できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、対物レンズの瞳をリレーして、瞳共役面に瞳変調素子を配置して位相物体を観察する際に、瞳共役面の位置が変動しても、収差の発生が少ない良好な像を得られる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る顕微鏡装置は、標本へ照明光を照明する照明部と、照明部の照明により標本から射出される光を集光する対物レンズと、対物レンズとともに使用して標本の像を結像させる結像レンズと、結像レンズにより結像された像をリレーするリレーレンズ群とを備え、リレーレンズ群は、第１リレーレンズ群と第２リレーレンズ群とから構成され、第１リレーレンズ群と第２リレーレンズ群の間に、結像レンズ及び第１リレーレンズ群に関して対物レンズの瞳位置と共役な位置が設けられる顕微鏡装置において、θを結像レンズに入射される主光線と結像レンズ及び第１リレーレンズ群の光軸とのなす角度とし、ｆを結像レンズ及び第１リレーレンズ群の合成焦点距離とし、ｙを対物レンズの瞳位置と共役な位置に形成される像の光軸からの高さとしたとき、条件式

を満足することを特徴とする。

なお、上述の顕微鏡装置において、結像レンズ及び第１リレーレンズ群は、以下の条件式を満足することが好ましい。

また、結像レンズ及び第１リレーレンズ群が、像側テレセントリックであり、対物レンズの瞳位置と共役な位置に、第１リレーレンズ群を通過した光を変調させる光変調素子が設けられることが好ましく、更に、結像レンズ若しくは第１リレーレンズ群を構成する一部のレンズ、または上記光変調素子が、結像レンズ及び第１リレーレンズ群の光軸方向に移動可能に構成され、光変調素子が、光を位相変調させる位相変調素子であることが好適である。

本発明によれば、位相物体等の標本を観察する際に、対物レンズの瞳位置と共役な位置に設けられる瞳共役面の位置が、対物レンズの切替等により変動しても、収差の発生が少ない良好な像を得ることができる。

本発明に係る顕微鏡装置の一例を示す概略図である。 本発明の基本構成であるレンズ群の射影方式を説明するための光路図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本実施形態における顕微鏡装置は、培養細胞を観察する際に、その細胞の固定、抗体染色等の処理を行うことなく生きたまま観察することができる位相差観察が可能な顕微鏡装置である。この顕微鏡装置は、図１に示すように、透過用光源装置１、コレクタレンズ２、視野絞り３、ミラー４、レンズ群５、開口絞り６、コンデンサレンズ７、及び標本８を載置させるステージ９を備えて構成される。透過用照明光源１から射出された光は、コレクタレンズ２により平行光束に変換されて視野絞り３を通過した後、ミラー４により下方へ偏向され、レンズ群５により開口絞り６に集光される。そして、開口絞り６により集光された光は、コンデンサレンズ７により平行光束に変換された後、ステージ９に載置された標本８を照明するようになっている。位相差観察を行う際には、開口絞り６に相当する位置に、リング絞りを配置して、予め決められた光束のみで標本を照明する構成とされる。後述する瞳共役面には、該リング絞りの像が形成され、リング絞りの開口に相当する領域に位相膜を施した瞳変調素子（位相変調素子）によって照明光の強度や位相を変調する。リング絞りは、対物レンズのNAにより３乃至４種類のリング径に大別されることが多いため、リング径の異なるリング絞りをターレット（不図示）に納め、選択的に光路に挿入することが可能である。

また、標本８の下側には、対物レンズ１０、結像レンズ２０、プリズム２１、撮像素子２２及びミラー２３が設けられ、対物レンズ１０の内部には射出瞳である瞳１１が設けられている。透過用光源装置１〜対物レンズ１０までの各部材は、光軸方向に移動（標本ステージの高さをハイポジションに設定することから、ステージアップとも称する）できるように構成されており、対物レンズ１０と結像レンズ２０の間隔を調整できるようになっている（後に詳述）。また、対物レンズ１０は、図示省略するレボルバに取り付けられており、このレボルバを回転させることにより異なる対物レンズに切り替えることが可能になっている。

上記標本８を透過した光は、対物レンズ１０に入射され、対物レンズ１０の内部の瞳１１を通過し、結像レンズ２０により一次像２４が形成されるようになっている。プリズム２１は、結像レンズ２０の後方に設けられ、このプリズム２１により、撮像素子２２の上部に一次像が形成され、標本８の画像が得られるようになっている。

そして、顕微鏡装置には、ダイクロイックミラー１２、励起フィルタ１３、及び蛍光フィルタ１４により構成されるフィルタブロックと落射照明用光源１５とが設けられている。対物レンズ１０と結像レンズ２０との間には、所定長さの間隔が設けられ、この間隔にフィルタブロックが設けられており、落射照明用光源１５から射出される光がこのフィルタブロックを介して下側から標本８に照射されるようになっている。図１では、このフィルタブロックが一つだけ設けられている例を示しているが、対物レンズ１０と結像レンズ２０の間は平行系になっているため、ステージアップにより対物レンズ１０と結像レンズ２０の間隔を拡げて二つのフィルタブロックを挿入することもできる。これらのフィルタブロックを介して、互いに波長が異なる光を励起光として入射させて標本８を照明することも可能である。なお、本実施形態に使用される顕微鏡装置においては、一次像２４は、対物レンズ１０及び結像レンズ２０に関して標本８と共役な位置に形成されるが、フィルタブロックが光路に挿入されている際には、該フィルタブロック及び結像レンズ２０を通過して、ミラー２３により側方に偏向されて形成されるようになっている。また、フィルタブロックはターレットに納められて、ターレットの回転により光路への挿脱が行われるが、ターレットのポジションには空穴が設けられており、空穴ポジションの時にはフィルタブロックは光路外にあり、透過照明による結像光のみが通過できる構成になっている。

また、本実施形態における顕微鏡装置は、リレー光学系４０を備え、リレー光学系４０は、第１リレーレンズ群４１と第２リレーレンズ群４２とから構成されている。第１リレーレンズ群４１は、第１レンズ群２５、ミラー２６、第２レンズ群２７、及び第３レンズ群２８を備えて構成され、第２リレーレンズ群４２は、第４レンズ群３１と第５レンズ群３２とから構成されている。それぞれのレンズ群は、凸レンズと凹レンズとを組み合わせて構成されている。一次像２４を形成した光は、第１レンズ群２５、ミラー２６、第２レンズ群２７、及び第３レンズ群２８を透過するように、第１リレーレンズ群４１によりリレーされる。なお、リレー光学系４０の各レンズ群の構成は上記に限定されることはない。すなわち、構成を適宜変更することができるようになっており、例えば、第１レンズ群２５をミラー２６の後段に位置させるようなことが可能である。

また、第１リレーレンズ群４１と第２リレーレンズ群４２の間は平行系になっており、図１に示すように、第１リレーレンズ群４１と第２リレーレンズ群４２の間に、結像レンズ２０及び第１リレーレンズ群４１に関して瞳１１と共役な位置である瞳共役面２９が形成される。従って、対物レンズ１０の内部の瞳１１に瞳変調素子を配置しなくても、この瞳共役面２９に瞳変調素子（位相変調素子）を配置して、瞳変調された像を観察することができるようになっている。本実施形態では、例えば、瞳共役面２９の後方にミラー３０、レンズ３３、及び撮像素子３４を備え、ミラー３０により反射された光を用いて、レンズ３３に撮像素子３４の上に像を形成させることで、瞳変調された像の画像を得ることが可能となっている。なお、リレー光学系４０の後段には、ミラー３５、接眼レンズ３７が設けられ、リレー光学系４０によりリレーされた光は、ミラー３５で偏向された後、二次像３６を形成するようになっている。二次像３６は、リレー光学系４０に関して一次像２４と共役な位置に形成されるが、これが接眼レンズ３７を介して観察者の観察眼３８により標本８の像として観察されるようになっている。

以上、本実施形態の顕微鏡装置においては、結像レンズ２０により結像された一次像２４をリレー光学系４０によりリレーさせ、瞳１１の瞳共役面２９をリレー光学系４０の間に配置し、その瞳共役面２９の位置に瞳変調素子を配置した構成を採ることが可能である。ところで、この種の顕微鏡装置においては、例えばある対物レンズを想定してリレーレンズ群を設計したときの瞳共役面が無収差であったとしても、異なる対物レンズに交換したりステージアップ等させたりして、物体距離（ここでは対物レンズの瞳と結像レンズとの間の距離）が変動すると瞳共役面にできる像に収差が発生する。そして、この収差の表れ方によっては、瞳変調素子における位相膜と、コンデンサレンズの瞳面に配置されているリング絞りの像の位置や大きさがずれ、モレ光を生じてコントラストが下がったり、色ムラが発生したりして位相差像を良好に観察できなくなる。また、顕微鏡装置のリレー光学系は、一般的にレンズのＦナンバーが大きい（暗い）ため、この収差は主に像面湾曲である。従って、この像面湾曲の影響を小さくする必要がある。更に、瞳共役面２９の位置が変動してもその後のレンズの口径が大きくなりすぎず、ピント合わせの際に瞳変調素子が移動しても瞳像の大きさが変動しないように、瞳共役面２９の前後では主光線が光軸と平行であるテレセントリックであることが望ましい。

そこで、本実施形態の顕微鏡装置におけるリレーレンズ群は、以下の射影方式を用いて像面湾曲の影響を小さくすることが可能となっている。その射影方式について、図２を参照しながら説明する。図２では、主平面１００、前側焦点面１０１、後側焦点面１０２、物体面１０３、及び像面１０４が示されている。ここで、物体面１０３は、図１における対物レンズ１０の瞳１１、主平面１００におけるレンズ群Ｌは、図１における結像レンズ２０〜第２凸レンズ２８（第１リレーレンズ群４１）、また、像面１０４は、図１における瞳共役面２９、すなわち、瞳変調素子（位相変調素子）を挿入する面に相当する。また、図２においては、通常の光学設計の通り、左側（設計上の物体側）から、右側（設計上の像側）に光が進行するものとする。

ここで、レンズ群Ｌの焦点距離をｆとすると、主平面１００に対して物体側にｆだけ離れた位置に前側焦点面１０１、像側にｆだけ離れた位置に後側焦点面１０２が存在する。本実施形態では、テレセントリックな場合を考える。すなわち、前側焦点面１０１に絞り１０５を仮想的に設ける（実際の顕微鏡装置では１次像２４がこの位置に相当する）。そうすることによりレンズ群Ｌの右側で結像主光線が光軸に対して平行になり、いわゆる像側テレセントリックな光学系に構成されている。また、後側焦点面１０２は、無限遠方と共役関係にあり、無限遠方の像が後側焦点面１０２に形成される。そして、物体面１０３は、前側焦点面１０１からＬ₀だけ前側に位置している。なお、物体面１０３と像面１０４は共役関係にあり、例えば、物体面１０３上における光軸Ａｘから光軸Ａｘに対して垂直な方向に延びる場所に位置する物点１１０は、像面１０４上における光軸Ａｘから上記方向に対して反対方向に延びる場所に位置する像点１１１に結像する。また、物体面１０３上における光軸Ａｘ上の物点１２０は、像面１０４上における光軸Ａｘ上の像点１２１に結像する。このときの後側焦点面１０２と像面１０４の距離をｘ′とする。

以下で、上述した像面湾曲の影響を小さくする方法について検討する。まず、物体が光軸方向に移動してもレンズ群Ｌの固有の値であるベッツバール和は不変であるので、メリジョナル像面湾曲の発生を抑えられれば、サジタル像面湾曲を低減できる。そこで、レンズ群Ｌの射影関係を、式（１）のようにする。

式（１）の両辺を微分すると、式（２）のようになる。

また、図２における幾何関係から、式（３）が導かれる。なお、式（３）のａは絞り１０５の半径である。

また、物体が光軸方向に移動しても像面湾曲が発生しないようにするためには、物体移動による近軸像点位置の移動と軸外でのメリジョナル像点の移動が一致すれば良い。具体的には、物体面１０３の光軸Ａｘ上の物点１２０に対する像点１２１が存在する平面である像面１０４に存在すれば良い。一般に、光軸Ａｘ上における像面移動ｘ′は、ニュートンの公式から式（４）が得られる。

一方、像点１１１が像面１０４上に存在すると仮定すれば、像面での開き角をα、主光線がΔθだけ傾いたときの像高の変化をΔｙとすると、式（５）が成り立つ。

ここで、メリジョナル像点としては、非常に細い光束を考えているので、ｔａｎα≒ｓｉｎαとし、これに従って式（５）を変形すると、式（６）が得られる。

また、ヘルムホルツ・ラグランジュに対応する関係から、ストローベルの定理をメリジョナル面内に適用すると、式（７）が導かれる。

以上、式（２）から式（７）を用いて、関数ｇを求めることができる。まず、式（７）より、式（８）が得られる。

式（８）を式（６）に代入して、式（９）が得られる。

更に、式（２）及び式（４）を式（９）に代入すると、式（１０）が導かれる。

また、式（１０）に式（３）を代入すると、式（１１）が得られる。

式（１１）を積分すると、式（１２）が得られる。なお、式（１２）中のＦは第一種楕円積分である。

式（１２）の解を容易にするため、式（１１）に近似式を代入して解くと、式（１３）が得られる。

従って、式（１３）を積分することにより、式（１４）が得られる。

以上より、関数ｇは、式（１２）として求められ、近似的には式（１４）で表される結果が得られた。つまり、関数ｇを式（１）に代入して求められる射影関係を有するように、レンズ群Ｌを設計すれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲の無い光学系を実現することができる。

次に、上記のような射影関係を有する光学系が、具体的にどのような関係にあるかについて考察する。一般的なｆｔａｎθレンズでは、関数ｇは、式（１５）のようになる。

また、一般的なフーリエ変換レンズ（ｆｓｉｎθレンズ）では、関数ｇは、式（１６）のように表現される。

更に、一般的なｆθレンズでは、関数ｇは式（１７）のように示される。

式（１５）、式（１６）と式（１４）を比較すると、本実施形態におけるレンズ群Ｌの射影関係は、ｆｔａｎθレンズの射影関係と、ｆθレンズの射影関係の間の射影関係であるといえる。およそこの範囲であれば、像側のいずれの平面においても像面湾曲が極めて少ない光学系を実現することができる。

以上のように構成された光学系を備えた本実施形態の顕微鏡装置は、例えばコンデンサレンズのリング絞りと、結像系に挿入する瞳変調素子の一方あるいは双方をＳＬＭ（Spatial Light Modulator、空間光変調器）等電気的にリング径や位相変調する領域を変更できる光学素子とを用いて構成したとき、像面湾曲が少ないため上記リング径を変更しても像面（瞳共役面）がずれないという効果が得られる。

また、対物レンズを切り替えたりステージアップをしたりすることにより瞳の位置が異なることは、図２におけるＬ₀が変化することに相当する。このようにＬ₀が変化したときは、対応する位置に瞳変調素子またはレンズ群Ｌを移動させる必要があるが、像面湾曲が少ないため、この移動の量を瞳変調素子のリング径に依らず容易に決定することができ、更に、像面湾曲を考慮した位置の微調整も不要になるという効果が得られる。

１ 透過用光源装置（照明部） ８ 標本
１０ 対物レンズ ２０ 結像レンズ
２４ 一次像（像）
２９ 瞳共役像（光変調素子、位相変調素子）
４０ リレー光学系（リレーレンズ群）
４１ 第１リレーレンズ群 ４２ 第２リレーレンズ群

Claims (6)

1. 標本へ照明光を照明する照明部と、
   前記照明部の照明により前記標本から射出される光を集光し平行光束を射出する対物レンズと、
   前記対物レンズから射出された平行光束を入射させて前記標本の像を結像させる結像レンズと、
   前記結像レンズにより結像された像をリレーするリレーレンズ群とを備え、
   前記リレーレンズ群は、第１リレーレンズ群と第２リレーレンズ群とから構成され、前記第１リレーレンズ群と前記第２リレーレンズ群の間に、前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群に関して前記対物レンズの瞳位置と共役な位置が設けられる顕微鏡装置において、
   θを前記結像レンズに入射される主光線と前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群の光軸とのなす角度とし、ｆを前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群の合成焦点距離とし、ｙを前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に形成される像の前記光軸からの距離としたとき、次式
   

   

   の条件を満足することを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群は、
   

   

   の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群が、像側テレセントリックであることを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に、前記第１リレーレンズ群を通過した光を変調させる光変調素子が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の顕微鏡装置。
5. 前記結像レンズ若しくは前記第１リレーレンズ群を構成する一部のレンズ、または前記光変調素子は、前記結像レンズ及び前記第１リレーレンズ群の光軸方向に移動可能に構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
6. 前記光変調素子は、光を位相変調させる位相変調素子であることを特徴とする請求項４または５に記載の顕微鏡装置。

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