(57)【要約】【課題】倍率を切り替えた観察を簡易かつ迅速に行う。【解決手段】標本Ａからの光を集光する対物光学系２と、該対物光学系２により集光された光を結像する結像光学系３ａ，３ｂと、該結像光学系３ａ，３ｂにより結像された光を撮影する撮像素子４とを備え、結像光学系３ａ，３ｂが、異なる複数の倍率に設定可能であり、撮像素子４は、結像光学系３ａ，３ｂによって結像された光を結像光学系３ａ，３ｂの倍率に応じた異なるサイズの範囲に結像させる顕微鏡１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された光を撮影する撮像素子とを備え、
前記結像光学系が、異なる複数の倍率に設定可能であり、
前記撮像素子は、前記結像光学系によって結像された光を前記結像光学系の倍率に応じた異なるサイズの範囲に結像させる顕微鏡。
【請求項２】
前記撮像素子の画素数が４００万画素以上である請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記撮像素子が、前記結像光学系の最も長い焦点距離となる倍率におけるイメージサークルに内接する有効撮像範囲を有する請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記結像光学系が、交換可能に配置された倍率の異なる複数の光学系または倍率を連続的に変更可能なズーム光学系を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記結像光学系が、中間像を形成し、該中間像に外接する視野絞りを備える請求項４に記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、標本からの光を対物レンズにより集光し、観察光学系を交換し、あるいは、変倍光学系によって倍率を切り替えるとともに、倍率の変更によって変化するイメージサークルの大きさに合わせて、撮像素子を交換する顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００６／０８８１０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の顕微鏡は、観察光学系における倍率の変更に伴って、ケラレが発生しないように、イメージサークルに内接する矩形範囲を撮影する撮像素子に交換するものであるため、倍率を変更した観察を行うために、撮像素子の交換作業が必要であり、手間がかかるとともに、交換作業に時間がかかり、迅速な観察を行うことができないという不都合がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、倍率を切り替えた観察を簡易かつ迅速に行うことができる顕微鏡を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
本発明の一態様は、標本からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光を結像する結像光学系と、該結像光学系により結像された光を撮影する撮像素子とを備え、前記結像光学系が、異なる複数の倍率に設定可能であり、前記撮像素子は、前記結像光学系によって結像された光を前記結像光学系の倍率に応じた異なるサイズの範囲に結像させる顕微鏡を提供する。
【０００７】
本態様によれば、標本から発せられた光は対物光学系により集光された後に、結像光学系により撮像素子に結像されて、撮像素子によって撮影される。結像光学系の倍率を異なる倍率に設定することにより、収差の保証されたイメージサークルの大きさが変化するが、撮像素子が、結像光学系の倍率に応じた異なるサイズの範囲に光を結像させるので、撮像素子を交換する必要がない。すなわち、撮像素子の交換作業にかかる手間をなくし、迅速な観察を行うことができる。
【０００８】
特に、蛍光顕微鏡や発光顕微鏡のように、標本から発せられる光の強度が極めて低い場合には、撮像素子における光の結像範囲を狭めることにより、より明るい画像を取得することができる。これにより、蛍光顕微鏡の場合には、標本に照射する励起光の強度を低減することができて、標本の褪色を防止できるとともに、光源として励起光強度の低いものを使用して、顕微鏡全体の小型軽量化およびコスト低減を図ることができる。
【０００９】
上記態様においては、前記撮像素子の画素数が４００万画素以上であってもよい。
このようにすることで、結像光学系の倍率を０．５倍に変更しても、撮像範囲の画素数を１００万画素以上確保することができ、高解像度による高倍率観察を行うことができる。
【００１０】
また、上記態様においては、前記撮像素子が、前記結像光学系の最も長い焦点距離となる倍率におけるイメージサークルに内接する有効撮像範囲を有していてもよい。
このようにすることで、結像光学系の焦点距離が最も長い状態で、イメージサークルが最も大きくなるので、撮像素子の有効撮像範囲をイメージサークルに内接させて、収差の保証された最大限の画像を取得することができ、結像光学系の倍率が低くなった場合には、イメージサークルが縮小するので、撮像素子を交換することなく、有効撮像範囲より狭い範囲に結像された光を撮影することができる。
【００１１】
また、上記態様においては、前記結像光学系が、交換可能に配置された倍率の異なる複数の光学系または倍率を連続的に変更可能なズーム光学系を有していてもよい。
このようにすることで、このようにすることで、ズーム光学系の作動により結像光学系の倍率を連続的に変化させ、撮像素子を交換することなく、撮像素子の有効撮像範囲内に結像された画像を取得することができる。
【００１２】
また、上記態様においては、前記結像光学系が、中間像を形成し、該中間像の位置に該中間像に外接する視野絞りを備えていてもよい。
このようにすることで、視野絞りによってイメージサークル外の光が遮蔽されるので、イメージサークルが小さくなって撮像素子の有効撮像範囲内に入っても、収差の保証されていないイメージサークル外の画像が取得されることを防止できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、倍率を切り替えた観察を簡易かつ迅速に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る顕微鏡のレンズ配列を示す図であり、（ａ）１倍の倍率の結像光学系が挿入された場合、（ｂ）０．５倍の倍率の結像光学系が挿入された場合をそれぞれ示す図である。
【図２】図１の顕微鏡によるイメージサークルと撮像素子との関係であって、（ａ）１倍の倍率の結像光学系が挿入された場合、（ｂ）０．５倍の倍率の結像光学系が挿入された場合をそれぞれ示す図である。
【図３】図１の顕微鏡の変形例のレンズ配列を示す図であり、（ａ）ズーム光学系の倍率が１倍、（ｂ）ズーム光学系の倍率が０．７７倍、（ｃ）ズーム光学系の倍率が０．５倍の場合をそれぞれ示す図である。
【図４】図３の顕微鏡によるイメージサークルと撮像素子との関係であって、（ａ）ズーム光学系の倍率が１倍、（ｂ）ズーム光学系の倍率が０．７７倍、（ｃ）ズーム光学系の倍率が０．５倍の場合をそれぞれ示す図である。
【図５】図１の顕微鏡の一実施例におけるレンズ配列を示す図であり、（ａ）１倍の倍率の結像光学系が挿入された場合、（ｂ）０．５倍の倍率の結像光学系が挿入された場合をそれぞれ示す図である。
【図６】図５の顕微鏡に１倍の倍率の結像光学系が挿入された場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【図７】図５の顕微鏡に０．５倍の倍率の結像光学系が挿入された場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【図８】図３の顕微鏡の一実施例におけるレンズ配列を示す図である。
【図９】図８の顕微鏡のズーム光学系の倍率を１倍とした場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【図１０】図８の顕微鏡のズーム光学系の倍率を０．７７倍とした場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【図１１】図８の顕微鏡のズーム光学系の倍率を０．５倍とした場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る顕微鏡１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１は、図１（ａ）に示されるように、標本Ａを載置するステージ（図示略）と、該ステージ上に載置された標本Ａからの光を集光する対物光学系２と、該対物光学系２により集光された光を結像する結像光学系３ａ，３ｂと、該結像光学系３ａ，３ｂにより結像された光を撮影する撮像素子４とを備えている。
【００１６】
対物光学系２および撮像素子４は、図１（ａ）に示されるように、一定の間隔をあけた位置に固定されている。対物光学系２は、例えば、４倍の倍率を有している。
結像光学系３ａ，３ｂは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、対物光学系２と撮像素子４との間の光軸上に、異なる倍率のものを挿脱することにより、倍率を変更することができるようになっている。結像光学系３ａ，３ｂの挿脱は、ターレット、スライダ等任意の方法を採用してよい。
【００１７】
図１に示される例では、図１（ａ）は１倍の倍率の結像光学系３ａ、図１（ｂ）は０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを光軸上に挿入した状態をそれぞれ示している。
撮像素子４は、図２（ａ）に示されるように、図１（ａ）の１倍の倍率の結像光学系３ａを光軸上に挿入した状態では、撮像面における収差が所定値以下に抑えられた範囲であるイメージサークルＢが外接する大きさの有効撮像範囲４ａを有している。
【００１８】
また、図２（ｂ）に示されるように、図１（ｂ）の０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを光軸上に挿入した状態では、イメージサークルＢは撮像素子４の有効撮像範囲４ａ内に配置されるようになっている。
また、本実施形態においては、撮像素子４の画素数は１２００万画素である。
【００１９】
このように構成された本実施形態に係る顕微鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１を用いて標本Ａの蛍光観察を行うには、ステージ上に標本Ａを載置し、標本Ａに励起光を照射すると、標本Ａに含まれる蛍光物質が励起されて蛍光が発せられ、発せられた蛍光が対物光学系２により集光された後に、結像光学系３ａ，３ｂによって撮像素子４の撮像面に結像させられ、撮像素子４により撮影される。
【００２０】
この場合において、図１（ａ）に示されるように、１倍の倍率を有する結像光学系３ａを光軸上に挿入しておくと、標本Ａからの蛍光は、図２（ａ）に示されるイメージサークルＢ内に収差の保証された像として結像される。このとき、このイメージサークルＢは撮像素子４の有効撮像範囲４ａに外接しているので、取得された画像は、全ての画素において、収差が抑えられた鮮明な画像となっている。
【００２１】
次に、図１（ｂ）に示されるように、結像光学系３ｂを０．５倍の倍率を有するものに交換すると、標本Ａからの蛍光は、図２（ｂ）に示されるように、収差の保証されたイメージサークルＢは撮像素子４の有効撮像範囲４ａ内に配置されるようになる。その結果、イメージサークルＢの外側に配される画素においては、収差が保証されず、鮮明さは低下するが、イメージサークルＢ内においては収差が抑えられた鮮明な画像が取得される。
【００２２】
すなわち、撮像素子４により取得された画像から、イメージサークルＢ内の画像のみを切り出せば、鮮明な画像を取得することができる。あるいは、撮像素子４の有効撮像範囲４ａ内に配されるイメージサークルＢ内の画像から図２（ｂ）に示されるように、イメージサークルＢに内接する矩形領域Ｃを切り出すことによっても、全ての画素において収差の保証された鮮明な画像を取得することができる。
【００２３】
この場合において、図１（ｂ）に示されるように倍率の低い結像光学系３ｂを使用すると、標本Ａからの蛍光は、撮像素子４のより狭い範囲に結像されることになる。その結果、強度の弱い蛍光の場合には、より狭い範囲に集められることにより、単位面積当たりの強度を向上することができる。すなわち、蛍光のように強度の弱い光が標本Ａから発せられる場合であっても結像光学系３ｂの倍率を下げることにより、明るい蛍光画像を得ることができるという利点がある。
【００２４】
そして、本実施形態においては、撮像素子４として１２００万画素の撮像素子４を使用しているので、結像光学系３ｂの倍率が０．５倍に下がっても、イメージサークルＢに内接する矩形領域Ｃを切り出す場合には、３００万画素の蛍光画像を得ることができる。すなわち、高解像度の明るい蛍光画像による観察を行うことができる。
【００２５】
また、結像光学系３ｂの倍率を下げることにより、十分に明るい画像が得られる場合には、シャッタスピードを上げて露出時間を下げることができる。その結果、速い速度で移動する標本Ａの動作も撮影することができる。逆に、シャッタスピードを上げない場合、標本Ａに照射する励起光の強度を下げることができる。その結果、光源として小型、軽量かつ低コストのものを採用することができるという利点がある。
【００２６】
なお、本実施形態においては、撮像素子４として、１２００万画素のものを採用したが、これに代えて、４００万画素以上の撮像素子４を採用してもよい。４００万画素であれば、０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを使用しても１００万画素の画像を取得することができる。
【００２７】
また、本実施形態においては、倍率の異なる２種類の結像光学系３ａ，３ｂを交換する場合について説明したが、２種類に限られることなく、複数種類の結像光学系３ａ，３ｂを交換することにしてもよい。また、図３および図４に示されるように、交換可能な結像光学系３ａ，３ｂに代えて、ズーム光学系５を有する結像光学系６を採用してもよい。図４は、ズーム光学系５の各ズーム倍率におけるイメージサークルと撮像可能範囲との関係を示している。ズーム光学系５によれば、倍率を連続的に切り替えることができる。
【００２８】
また、図３に示されるように、結像光学系６が、中間像を結像する場合に、その中間像の結像位置に中間像に外接する視野絞り７を設けることにしてもよい。
このようにすることで、撮像素子４の撮像面に形成されるイメージサークルＢの外側（図４に示される斜線の領域）には、視野絞り７によって遮蔽されることにより光が到達しないので、収差の保証されていない画像が生成されるのを防止することができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
次に、上述した図１の実施形態に係る顕微鏡１の実施例について説明する。
図５は、本実施例に係る顕微鏡１の光学系の配列を示す図であり、図５（ａ）は１倍の倍率の結像光学系３ａを挿入した場合、図５（ｂ）は０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを挿入した場合をそれぞれ示している。表１は１倍の倍率の結像光学系３ａを挿入した場合のレンズデータ、表２は０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを挿入した場合のレンズデータである。
【００３０】
また、図６は１倍の倍率の結像光学系３ａを挿入した場合の収差図、図７は０．５倍の倍率の結像光学系３ｂを挿入した場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。図中ＮＡは開口数である。
【００３１】
（表１）
面番号        曲率半径ｒ      面間隔ｄ      屈折率Ｎｅ      アッベ数νｄ
１          ∞              ８．３３
２          ７２．４７      ２．８        １．８３４８    ４２．７
３        −１１．３４      ５．９９
４          −７．０６      ３．４２      １．６４７７    ３３．８
５          ３４．８２      １０．１３
６        −１７．４７      ３．４２      １．８３４      ３７．２
７          ３９．４２      ３．８４      １．４８７５    ７０．２
８        −１５．３２      ０．４２
９          ９２．３７      ３．７３      １．６０３１    ６０．６
１０        −１８．３６      ５５
１１          ６８．６２      ８．２６      １．４８７５    ７０．２
１２        −３７．４        ３．４４      １．８０６１    ４０．９
１３      −１０２．５６      ０．７４
１４          ８４．３８      ５．５６      １．８３４      ３７．２
１５        −５０．６２      ３．３        １．６４４５    ４０．８
１６          ４０．６５      １５６．７
１７          ∞
【００３２】
（表２）
面番号        曲率半径ｒ      面間隔ｄ      屈折率Ｎｅ      アッベ数νｄ
１          ∞              ８．３３
２          ７２．４７      ２．８        １．８３４８    ４２．７
３        −１１．３４      ５．９９
４          −７．０６      ３．４２      １．６４７７    ３３．８
５          ３４．８２      １０．１３
６        −１７．４７      ３．４２      １．８３４      ３７．２
７          ３９．４２      ３．８４      １．４８７５    ７０．２
８        −１５．３２      ０．４２
９          ９２．３７      ３．７３      １．６０３１    ６０．６
１０        −１８．３６      １０９．５
１１        −２５．３２      ３．７５      １．５１６３    ６４．１
１２        １４６．１５      ８．７１      １．６７７９    ５５．３
１３        −３２．６５      ２．４８
１４          ９２．３３      ８．８９      １．４９７      ８１．５
１５        −３０．９５      ３．７５      １．６７３      ３８．１
１６      −１１１．３９      ９５．７５
１７          ∞
【００３３】
（実施例２）
次に、上述した図３の実施形態に係る顕微鏡１の実施例について説明する。
図８は、本実施例に係る顕微鏡１の光学系の配列を示す図であり、表３はズーム光学系５を有する光学系のレンズデータ、表４はズーム光学系５の倍率とレンズ間距離ｄ１８，ｄｄ２１，ｄ２３との関係を示すデータである。
【００３４】
図９はズーム光学系５の倍率を１倍とした場合の収差図、図１０はズーム光学系５の倍率を０．７７倍とした場合の収差図、図１１はズーム光学系５の倍率を０．５倍とした場合の収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は像面湾曲、（ｃ）は歪曲収差をそれぞれ示している。
【００３５】
（表３）
面番号        曲率半径ｒ      面間隔ｄ      屈折率Ｎｅ      アッベ数νｄ
１          ∞              ８．３３
２          ７２．４７      ２．８        １．８３４８    ４２．７
３        −１１．３４      ５．９９
４          −７．０６      ３．４２      １．６４７７    ３３．８
５          ３４．８２      １０．１３
６        −１７．４７      ３．４２      １．８３４      ３７．２
７          ３９．４２      ３．８４      １．４８７５    ７０．２
８        −１５．３２      ０．４２
９          ９２．３７      ３．７３      １．６０３１    ６０．６
１０        −１８．３６      ５５
１１        １７６．５２      ６．１        １．４８７５    ７０．２
１２        −６４．２２      ４            １．７１８５    ３３．５
１３      −１１２．１３      ８５．６
１４          ２２．２４      ９．０９      １．４８７５    ７０．２
１５        −６８．６２      ０．７
１６        −４４．３８      ３            １．６５８４    ５０．９
１７          ８９．１１      ３３．６
１８          ∞              ｄ１８
１９          ４５．５        １．８        １．７４        ２８．３
２０          １９．７４      ４            １．５５９６    ６１．２
２１        −３６．０１      ｄ２１
２２          ３６．０１      ４            １．５５９６    ６１．２
２３        −１９．７４      １．８        １．７４        ２８．３
２４        −４５．５        ｄ２４
２５          ∞
【００３６】
（表４）
結像光学系の倍率      面間隔ｄ１８    面間隔ｄ２１    面間隔ｄ２３
１倍          ２４．３      ２７．４      ４２．８
０．７７倍          ３２．１      ４０．５      ４８．８
０．５倍          ７９．７      ６６．５      ４２．８
【符号の説明】
【００３７】
Ａ  標本
Ｂ  イメージサークル
１  顕微鏡
２  対物光学系
３ａ，３ｂ，６  結像光学系
４  撮像素子
４ａ  有効撮像範囲
５  ズーム光学系
７  視野絞り
【図１】
2013148651.tif 000003
【図２】
2013148651.tif 000004
【図３】
2013148651.tif 000005
【図４】
2013148651.tif 000006
【図５】
2013148651.tif 000007
【図６】
2013148651.tif 000008
【図７】
2013148651.tif 000009
【図８】
2013148651.tif 000010
【図９】
2013148651.tif 000011
【図１０】
2013148651.tif 000012
【図１１】
2013148651.tif 000013