JP4228125B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、倍率可変顕微鏡に関し、特に倍率を変更しても観察位置がすれにくい倍率可変顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡装置における変倍機構は、図４に示したように焦点距離の異なる対物レンズ１０２、１０２ａをレボルバー１１３にとりつけ、レボルバー１１３を回転させることによって対物レンズの焦点距離を変え結像倍率を切り替えていた。対物レンズ１０２、１０２ａの取り付け位置や射出瞳の位置を規格化し、レボルバー１１３に取り付ける対物レンズを交換できるように構成することにより、変更可能な倍率をさらに多くすることも可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら以上のような従来の顕微鏡によれば、レボルバー１１３の回転停止位置に誤差があると、試料１の観察位置がずれてしまうという問題点があった。特に、有限系の対物レンズを使った顕微鏡では、レボルバー１１３の回転停止位置に誤差があると、対物レンズ１０２あるいは１０２ａの光軸と接眼レンズ１０８の光軸がずれてしまい、さらに倍率がかけられて試料１の像位置が動いて結像されてしまう。無限遠系の対物レンズを使った顕微鏡では、図５に示すように対物レンズ１０２と接眼レンズ１０８の間に像を形成するための結像レンズ１０６が配置されていて、対物レンズ１０２と結像レンズ１０６の間では試料面１の上の一点から発した光束は平行になって進むため、対物レンズ１０２と結像光学系であうる結像レンズ１０６の光軸のずれによる像のずれはない。
【０００４】
ここで、レボルバー１１３を回転して対物レンズを１０２から倍率の異なる対物レンズ１０２ａに交換する際には、接眼レンズ１０８を含む顕微鏡本体及び試料１は動かさない。対物レンズ１０２ａの光軸と試料面１の交わる位置すなわち観察位置が、本来ならば結像レンズ１０６の光軸と試料面の交点１０１Ａとならなければならないのに対し、レボルバー１１３による回転停止位置に誤差があると対物レンズ１０２ａの光軸と試料面の交点１０１Ｂにずれてしまうことになり、やはり像がずれてしまうことになる。
【０００５】
このため、従来の顕微鏡では有限系にしろ無限系にしろ、レボルバー１１３の回転停止位置精度を非常に厳密に抑えておく必要があった。ところが、頻繁に倍率を変えるのにも拘わらず、複数の対物レンズの取り付けられるレボルバー１１３は構造上大きさに制約があり、片軸でその重さを支えなくてはならないため回転停止位置精度を厳密に抑えるのは難しく、加工コストを増やす原因となっていた。
そこで本発明は、倍率を変更しても観察位置がずれにくい倍率可変顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による顕微鏡は、図１に示すように、
試料面１からの光を集光する対物レンズ系２と；
対物レンズ系２で集光された光束を結像させる、対物レンズ系２に対し光軸を一致させて相対的に固定された結像レンズ系６と；
対物レンズ系２で集光された光束を前記結像レンズ系６にリレーする、互いに倍率の異なる複数のリレー光学系４１，４１ａと；
複数のリレー光学系４１、４１ａを相互に切替える切替機構１１，１２とを備え；
対物レンズ系６は、試料面１からの光を集光して平行な光束として射出する無限遠系の対物レンズ系であり、かつ、当該対物レンズ系６は、リレー光学系４１、４１ａを切り替えても共通であり、
複数のリレー光学系４１、４１ａは、それぞれ第１のレンズ群３、３ａと第２のレンズ群５、５ａとを含んで構成され、第１のレンズ群３、３ａの前側焦点は対物レンズ系２の瞳共役面にほぼ一致し、第２のレンズ群５，５ａの前側焦点は第１のレンズ群３，３ａの後側焦点にほぼ一致するように配置され、
第１のレンズ群３、３ａよりも試料面側にある対物レンズ系６の瞳共役面に開口制限絞りを配置することを特徴とする。ここで、対物レンズ系２の瞳共役面は、勿論対物レンズ系２の射出瞳そのものであってもよい。
また、第１のレンズ群３、３ａよりも試料面側にある瞳共役面に開口制限絞りを配置してもよい。ここでいう瞳共役面は、瞳そのものであってもよいし、第１のレンズ群の前側焦点の一致する瞳共役面に限らず、どの瞳共役面であってもよい。
【０００７】
このように構成すると、対物レンズ系２に対して結像レンズ系６が相対的に固定されているので、顕微鏡の観察位置がずれにくく、また、互いに倍率の異なる複数のリレー光学系を備え、それらを切り替える切替機構を備えるので、顕微鏡の倍率を変更することができる。
【０００８】
このように構成すると、複数のリレー光学系４１、４１ａを入れ換えたときに、入れ換えられたリレー光学系の光軸の位置が入れ換える前のリレー光学系の光軸の位置からたとえずれたとしても、試料面の観察位置からの光束が開口制限絞りを通過する位置がずれることがない。
【０００９】
さらに以上の顕微鏡では、請求項２に記載のように、また図３に示すように、試料面１とリレー光学系４１、４１ａとの間の光路中に、試料面１からの光を分岐する分岐系１５と、分岐系１５を介して試料面１と対物レンズ系２の物体面１との整合状態を検出するオートフォーカス光学系１８とを有するようにしてもよい。ここで、分岐系１５は例えばダイクロイックミラーやハーフミラー等のビームスプリッターである。
このように構成すると、分岐系をリレー光学系と試料面との間に取り付けることにより、観察倍率によらずオートフォーカス機能を働かせることができるため、常に高精度なフォーカスをかけながら観察することができる。したがって、変倍しても焦点位置調整をやり直すことがないので、効率的に観察をすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明による第１の実施の形態である顕微鏡の模式的断面図である。図中、試料１を載置する基台４０には、試料１を透過または落射により照明する不図示の照明光学系が備えられている。基台４０の図中で上方には、試料面１からの光を集光して平行な光束とする対物光学系である対物レンズ２が備えられており、さらに上方には後述の変倍リレー光学系４１ａを挟んで、結像光学系である結像レンズ６が、その光軸を対物レンズ２の光軸とほぼ一致させて備えられ、さらに上方には結像レンズ６の結像面７を挟んで、接眼光学系である接眼レンズ８が備えられている。接眼レンズ８のさらに上方から人間の目９で、試料１の拡大像を観察できるように構成されている。
【００１２】
対物レンズ２と結像レンズ６との間には、複数の変倍リレー光学系であるリレーレンズ系４１、４１ａが備えられている。図１には、２つのリレーレンズ系４１、４１ａしか図示されていないが、実際には２つ以上いくつ用意してもよい。例えば３〜５が典型的な数である。
【００１３】
図中、リレー光学系４１は、第１群のレンズ群３と第２のレンズ群５とを含んで構成されている。第１のレンズ群３の前側焦点は、対物レンズ系２の瞳面Ｐ１にほぼ一致し、第２のレンズ群５の前側焦点は第１のレンズ群３の後側焦点にほぼ一致するように配置されている。ここで、第１のレンズ群３の前側焦点は、対物レンズ系２の瞳面Ｐ１に限らず、その瞳共役面にほぼ一致していればよい。また、第２のレンズ群５の後ろ側焦点は結像レンズ６の前側焦点に一致するように配置されている。
図中、リレー光学系４１ａについても、リレー光学系４１と同様に構成されている。ここで、リレー光学系４１ａのそれぞれ第１のレンズ群３ａが第１のレンズ群３に、第２のレンズ群５ａが第２のレンズ群５に、対応する。
【００１４】
変倍リレー光学系４１、４１ａの第１のレンズ群３、３ａと第２のレンズ群５、５ａとは、観察する倍率に応じて、また変倍リレー光学系４１、４１ａの全長が一定になるように、それぞれ組み合わされる焦点距離が決められている。また、変倍リレー光学系４１、４１ａは、それぞれ変倍リレーレンズ鏡筒１０、１０ａに固定的に収納されている。そして複数の例えば３〜５群の変倍リレーレンズ系を収納した鏡筒１０、１０ａに代表される複数の鏡筒は、互いにターレット１１に固定的に取り付けられている。ターレット１１は、対物レンズ２と結像レンズ６の共通光軸に平行な回転軸線回りに、駆動装置であるモータ１２などにより回転して、変倍リレー光学系を切り換えることにより観察倍率を変えることができるように構成されている。ここで、ターレット１１とモータ１２とを含んで、本発明の切替機構が構成されている。
【００１５】
図１を参照して、第１の実施の形態である顕微鏡の作用を説明する。不図示の照明装置により照明された試料面１からの光束は、対物レンズ２で集光され平行な光束となって、対物レンズ２の射出瞳Ｐ１に前側焦点位置を一致させて配置された第１のレンズ群３により、鏡筒１０内に位置する第１のレンズ群３の後側焦点位置にある中間結像面４で結像する。中間結像面４を通過した光束は再び広がり、中間結像面４に前側焦点位置を一致させた第２のレンズ群５により平行な光束となる。第２レンズ群５を出射した平行光束は、結像レンズ６により結像面７に集光され、試料１の像を形成する。結像面７に形成された試料像は、接眼レンズ８で拡大して観察してもよいし、結像面７にＣＣＤ等の撮像素子を配置し像を光電変換して電気信号に変えてモニターで観察してもよい。
【００１６】
異なる倍率で試料１を観察したいときは、モータ１２を回転させてターレット１１を回転させ、変倍リレーレンズ系４１の代わりに変倍リレーレンズ系４１ａを、対物レンズ２と結像レンズ６との間にセットして、観察すればよい。
【００１７】
図２を参照して、ターレット１１による停止位置誤差が生じた時の結像状態を説明する。
仮にターレット１１を回転して、変倍リレー系４１ａから変倍リレー光学系４１に入れ換えたとする。本来ならば光学系の光軸、特に対物レンズ２と結像レンズ６の共通の光軸ＡＸの位置に変倍リレー光学系４１（３〜５）の光軸が停止しなくてはならないのに対し、ずれてしまい光軸ＡＸから僅かに平行移動した、図中ＢＸで示す位置に変倍リレー光学系３〜５の光軸が停止した場合を考える。
【００１８】
試料面１と対物レンズ２の光軸ＡＸの交点から発した光束は、第１のレンズ群３による中間結像面４での結像位置は光軸ＡＸに対して平行な光束なので変倍リレー光学系３〜５の光軸ＢＸとの交点を通過することになる。変倍リレー光学系３〜５の光軸が図中ＢＸで示す位置にずれていると中間結像面４での通過位置は対物レンズ２の光軸ＡＸとの交点とは異なるが、第２のレンズ群５の前側焦点位置である中間結像面４では第２のレンズ群５の光軸ＢＸ上を通過するため、前記光束が第２のレンズ群５を通過すると再び対物レンズ２の光軸ＡＸに平行な光束となる。このため、結像レンズ６は焦点面である結像面７では光軸ＡＸとの交点に像を形成するので、像のずれは観察されない。
【００１９】
必要に応じて、対物レンズ２の瞳面Ｐ１または瞳共役面Ｐ２に開口絞りを設けて観察する開口数を制限するようにしてもよい。しかし図２からわかるように、瞳共役面Ｐ２では変倍リレー光学系４１の光軸のずれがあると光束の通過する位置がずれるので、変倍リレー光学系４１より、具体的には第１のレンズ群３より物体側の瞳面Ｐ１に開口絞りを設けることが望ましい。
【００２０】
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態を説明する。以上説明した顕微鏡では、特に、観察だけでなく線幅計測などをするための測定機用の光学系では、結像に寄与する光束の中心が試料１の面に対して垂直になっているいわばテレセントリックである必要があるために、変倍リレー光学系４１の光軸のずれの影響を受けないようにしなくてはならない。ところが、対物レンズ２の瞳は多くの場合対物レンズ２の内側に存在するように作られているので、瞳面に直接開口絞りを設けることはできない。そこで図３のように、対物レンズ２と変倍リレー光学系３〜５の間にテレセントリックなリレー光学系１６、１７を挿入し、変倍リレー光学系３〜５の物体側の瞳共役面に、変倍リレー光学系３〜５と独立に、開口絞り１４を設けるようにするのが望ましい。また開口絞り１４の開口数を必要に応じて変えることができるように、偏心のおきにくい虹彩絞りなどの絞り機構や高精度の位置再現性のあるターレット式の絞り機構を配置してもよい。
【００２１】
さらに図３ではオートフォーカス機能を加えるため、対物レンズ２の出射側に分岐系であるダイクロイックミラー１５を設け、オートフォーカス光学系１８に光束を分岐する。オートフォーカス光学系１８では、観察に影響のない赤外光などを使って試料１の被検面のフォーカスずれを検知するので、可視光を透過し赤外光を反射するようなダイクロイックミラー１５を用いて分岐する。
一般的にオートフォーカス光学系１８は対物レンズ２の開口数が大きいほど試料面のデフォーカスに対して感度が高い。図３のように、対物レンズ２とテレセントリックなリレー光学系１６、１７との間に分岐系１５を配置すると、観察倍率に関係なく常に対物レンズ２の最大の開口数を使った状態で試料面のデフォーカスを検出することができるので、常に高精度にフォーカスを合わせながら観察することができる。
【００２２】
図６を参照して、オートフォーカス光学系１８の一例を説明する。ダイクロイックミラー１５は、光軸ＡＸに対してほぼ４５度の角度をもって配置されており、その偏向方向にはハーフミラー５１が、偏向した光軸に対してほぼ４５度の角度をもって配置されている。ハーフミラー５１の偏向方向には、コンデンサレンズ５２が配置されており、その先には点光源５３が配置されている。点光源５３は、ピンホールの明けられた遮光板５４と、遮光板５４に対してコンデンサレンズ５２の反対側に置かれた赤外線ランプ等の光源５５とを含んで構成されている。そしてコンデンサレンズ５２とハーフミラー５１との間には、光軸に対して半分を遮光するナイフエッジ５６が設けられている。点光源（ピンホール）５３の位置は、試料面１が顕微鏡に対して合焦しているときに、試料面と共役になるような位置に設定されている。
【００２３】
ダイクロイックミラー１５からハーフミラー５１を透過して直進する方向には、結像レンズ５７が設けられており、その先の結像レンズ５７の結像面には、スクリーン５８が設けられている。
【００２４】
さらに図６を参照して、オートフォーカス光学系１８の作用を説明する。ランプ５５からの光はピンホール５３により点光源として発せられ、その点光源からの合焦用の光は、コンデンサレンズ５２を介して平行光線となる。このとき、ナイフエッジ５６で平行光束の円形断面の半円分が遮光される。透光した半円分の光束は、ハーフミラー５１で反射され、ダイクロイックミラー１５に向かう。ダイクロイックミラー１５で反射された光は、対物レンズ２を介して試料面１上に入射し点光源５３の像を結像し、反射される。反射された半円分の光束は、入射の際に通過したのと反対の半円領域を通って、対物レンズ２を通過し、ダイクロイックミラー１５に到り、ダイクロイックミラー１５で反射され、ハーフミラー５１、結像レンズ５７をこの順番に通過して、スクリーン５８上に結像する。
【００２５】
以上において、試料１が合焦位置にあるときは、スクリーン５８上で、スクリーンと結像レンズ５７を含む光学系の光軸との交点上に、試料１からの反射光は結像するので、スクリーン５８上の受光の強度分布は、強度分布５８−ａとして示すように、光軸交点を中心にしてほぼ対称に分布する。
しかしながら試料１が、例えば合焦位置よりも対物レンズ２から離れた位置１−ａにあるとすると、試料１からの反射光のスクリーン５８上の像は、強度分布５８−ｂとして示すように、光軸交点から図中下半分に偏心した分布となる。この偏心量を測定することにより、合焦位置からのずれを検出することができ、このずれを最小にするように制御することにより、試料１の面を合焦位置に設定することができる。この操作は、スクリーン５８上の受光の強度分布を検出して、その検出信号を受信して制御する不図示の制御器により、基台４０を図中上下方向に駆動する駆動装置（不図示）を駆動して、自動的に行うようにしてもよい。即ちオートフォーカスである。このようにオートフォーカス光学系１８を備えると、切り換えた変倍リレー光学系の製造公差により焦点位置が僅かずつ異ったとしても、自動的に調整できるので、倍率を変えるたびに手動で焦点位置を調整する必要がない。
【００２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、対物レンズを共通化して対物レンズの次にリレー光学系を設けて、このリレー光学系で変倍するようにした。リレー光学系では、像に対しては倍率がかかった状態でありリレー光学系での光軸の偏心の影響はほとんど倍率のかからない状態で観察されるので、レボルバーに比べて製造は容易になる。
【００２７】
さらに、リレー光学系は第１と第２の２つのレンズ群からなっており、第１のレンズ群の前側焦点は前記対物レンズの射出瞳に一致するように配置され、第２のレンズ群の前側焦点は前記第１のリレーレンズ群の後側焦点に一致するようにしたリレー光学系を用いて、対物レンズの瞳から瞳共役面までのリレー光学系の間で変倍するようにすると、このリレー光学系での偏心は瞳面上だけで発生するため、像の位置ずれを生じることがない。即ち、試料面上の一点からでた光束は対物レンズで集光され平行な光束となって、リレー光学系の第１のレンズ群に入り、中間結像面で結像する。中間結像面で結像した光束は再び広がり、リレー光学系の第２のレンズ群で集光され平行な光束となり、結像レンズを介して像面に像を形成する。変倍させるリレー光学系は平行な光束が入射する面と平行な光束が出射する面との間に入れられており、結像レンズにより像を形成するため平行な光束を一点に集める場合には平行な光束が横にずれても集光する位置に変化はない。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、倍率を変えた場合でも像のずれが生じないため、倍率を変えて観察する際、観察したい対象を視野の中心に移動させる必要がなく、効率的に観察を行うことができる。また、対物レンズを切り換えないのでフォーカスもずれることがない。特に、オートフォーカス機構を取り付ける場合にも、変倍リレー光学系より試料側に取り付けることにより観察倍率によらずオートフォーカス機能を働かせることができるため、常に高精度なフォーカスをかけながら観察することができる。このため、変倍しても焦点位置調整をやり直すことがないので、効率的に観察をすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、対物レンズ系に対して結像レンズ系が相対的に固定されているので、顕微鏡の観察位置がずれにくく、また、互いに倍率の異なる複数のリレー光学系を備え、それらを切り替える切替機構を備えるので、顕微鏡の倍率を変更することができ、倍率を変更しても観察位置がずれにくい倍率可変顕微鏡を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による顕微鏡を示す模式的断面図である。
【図２】図１の実施の形態における像のずれの補償機構を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による顕微鏡を示す模式的断面図である。
【図４】従来の有限系の顕微鏡の変倍機構を示した模式的側面図である。
【図５】従来の無限遠系の顕微鏡の変倍による像のずれを説明する模式的説明図である。
【図６】オートフォーカス光学系の例を示す模式的説明図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 対物レンズ
３ 第１のレンズ群
４ 中間像面
５ 第２のレンズ群
６ 結像レンズ
７ 結像面
８ 接眼レンズ
９ 観察者の肉眼
１０、１０ａ 鏡筒
１１ ターレット
１２ モータ
１４ 開口絞り
１５ ダイクロイックミラー
１６、１７ テレセントリックなリレー光学系
１８ オートフォーカス光学系
２３、２３ａ 第１のレンズ群
２４、２４ａ 中間像面
２５、２５ａ 第２のレンズ群
４１、４１ａ 変倍リレー光学系
４２、４２ａ 変倍リレー光学系

Claims (2)

1. 試料面からの光を集光する対物レンズ系と；
   前記対物レンズ系で集光された光束を結像させる、前記対物レンズ系に対し光軸を一致させて相対的に固定された結像レンズ系と；
   前記対物レンズ系で集光された光束を前記結像レンズ系にリレーする、互いに倍率の異なる複数のリレー光学系と；
   前記複数のリレー光学系を相互に切替える切替機構とを備え；
   前記対物レンズ系は、試料面からの光を集光して平行な光束として射出する無限遠系の対物レンズ系であり、かつ、当該対物レンズ系は、前記リレー光学系を切り替えても共通であり、
   前記複数のリレー光学系は、それぞれ第１のレンズ群と第２のレンズ群とを含んで構成され、前記第１のレンズ群の前側焦点は前記対物レンズ系の瞳共役面にほぼ一致し、前記第２のレンズ群の前側焦点は前記第１のレンズ群の後側焦点にほぼ一致するように配置され、
   前記第１のレンズ群よりも試料面側にある前記対物レンズ系の瞳共役面に開口制限絞りを配置することを特徴とする；
   顕微鏡。
2. 前記試料面と前記リレー光学系との間の光路中に、前記試料面からの光を分岐する分岐系と、前記分岐系を介して前記試料面と前記対物レンズ系の物体面との整合状態を検出するオートフォーカス光学系とを有する
   請求項１に記載の顕微鏡。

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