(57)【要約】【課題】対物レンズの作動距離を変化させても、観察倍率をさほど変化させず、対物レンズの倍率をそのまま適用することを可能にする。【解決手段】試料Ａからの光を集光する対物光学系１２と、該対物光学系１２により集光された光を所定の位置に結像させる結像光学系１１との間の光軸上に配置され、対物光学系１２側を前側、結像光学系１１側を後側として、前側から光軸方向に沿って順に前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２とを備えるとともに、これら光学系Ｇ１，Ｇ２を光軸方向に相対的に移動させるレンズ駆動手段２３を備え、前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２は、それらの屈折力の符号が異なり、かつ、焦点距離の絶対値がほぼ等しいフォーカス調整ユニット１を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料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所定の位置に結像させる結像光学系との間の光軸上に配置され、
前記対物光学系側を前側、結像光学系側を後側として、前側から光軸方向に沿って順に前群光学系と後群光学系とを備えるとともに、これら光学系を光軸方向に相対的に移動させるレンズ駆動手段を備え、
前記前群光学系および前記後群光学系は、それらの焦点距離の符号が異なり、かつ、焦点距離の絶対値がほぼ等しいフォーカス調整ユニット。
【請求項２】
以下の条件式を満たす請求項１に記載のフォーカス調整ユニット。
Ｈｂ１−Ｈｆ２＞０            （１）
ここで、Ｈｂ１は前記前群光学系の後側主点位置、Ｈｆ２は前記後群光学系の前側主点位置である。
【請求項３】
前記前群光学系が正の焦点距離、前記後群光学系が負の焦点距離をそれぞれ有し、
前記後群光学系が、前側から光軸方向に沿って順に負の屈折力を有する負レンズ群と正の屈折力を有する正レンズ群とを備える請求項１または請求項２に記載のフォーカス調整ユニット。
【請求項４】
前記前群光学系または前記正レンズ群の内、少なくとも一方が、正の屈折力を有する正レンズとメニスカスレンズとを接合した接合レンズである請求項３に記載のフォーカス調整ユニット。
【請求項５】
前記前群光学系が両凸レンズであり、
前記負レンズ群が両凹レンズであり、
前記正レンズ群が両凸レンズとメニスカスレンズとの接合レンズであり、
以下の条件式を満たす請求項４に記載のフォーカス調整ユニット。
ν３−ν４＞２０          （２）
０．０２＜ｎ３−ｎ４＜０．１      （３）
ここで、ν３，ν４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのアッベ数、ｎ３，ｎ４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのｄ線の屈折率である。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のフォーカス調整ユニットを備える顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォーカス調整ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源と対物レンズの間に正屈折力と負屈折力の光学素子を配置し、物理的距離を変化させて、対物レンズの作動距離を変化させる顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、有限遠型の対物レンズに、アダプタレンズが着脱可能となっている顕微鏡も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。これによれば、細径の有限遠対物とアダプタレンズとを組み合わせ、アダプタレンズを光軸方向に移動させることにより、対物レンズの作動距離を変化させるようになっている。
【０００３】
また、有限遠型の対物レンズが着脱可能となっている顕微鏡も知られている（例えば、特許文献３参照。）。これによれば、有限遠対物と結像レンズとを組み合わせ、結像レンズを光軸方向に移動させることにより、対物レンズの作動距離を変化させるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７０４７７号公報
【特許文献２】特開２００６−７９０００号公報
【特許文献３】特開２００６−１３９１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの特許文献１〜３に開示されている顕微鏡においては、対物レンズおよび結像レンズと、フォーカスを変化させる光学系との位置関連については何も述べられておらず、光学系の位置関係を考慮しない場合には、光学系を構成するレンズを光軸方向に動かして対物レンズの作動距離を変化させると、観察倍率が大きく変化してしまう不都合が考えられる。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、対物レンズの作動距離を変化させても、観察倍率をさほど変化させず、対物レンズの倍率をそのまま適用することができるフォーカス調整ユニットおよび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】
【０００７】
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。
本発明は、試料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所定の位置に結像させる結像光学系との間の光軸上に配置され、前記対物光学系側を前側、結像光学系側を後側として、前側から光軸方向に沿って順に前群光学系および後群光学系とを備えるとともに、これら光学系を光軸方向に相対的に移動させるレンズ駆動手段を備え、前記前群光学系および前記後群光学系は、それらの焦点距離の符号が異なり、かつ、焦点距離の絶対値がほぼ等しいフォーカス調整ユニットを提供する。
【０００８】
本発明によれば、レンズ駆動手段により前群光学系と後群光学系の距離が変化すると、作動距離を変化させることができる。この場合に、前群光学系および後群光学系の焦点距離の符号が異なり、かつ、焦点距離の絶対値がほぼ等しいので、フォーカス調整ユニットが存在しない場合と同等の観察倍率を得ることができる。
【０００９】
上記発明においては、以下の条件式を満たすことが好ましい。
Ｈｂ１−Ｈｆ２＞０            （１）
ここで、Ｈｂ１は前記前群光学系の後側主点位置、Ｈｆ２は前記後群光学系の前側主点位置である。
このようにすることで、レンズ駆動手段を作動させて前群光学系および後群光学系を相対的に移動させても両光学系が干渉しないようにすることができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記前群光学系が正の焦点距離、前記後群光学系が負の焦点距離をそれぞれ有し、前記後群光学系が、前側から光軸方向に沿って順に負の屈折力を有する負レンズ群と正の屈折力を有する正レンズ群とを備えていてもよい。
このようにすることで、後群光学系の前側主点の位置を負の値とすることができ、上記色（１）を簡易に満足することができる。また、前群光学系の焦点距離を正とすることで、前群光学系の前側焦点が前群光学系より前側に配置されるので、前群光学系の前側焦点と、対物光学系の後側焦点との間隔を小さくすることができ、作動距離を変更しても倍率の変化を少なくすることができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記前群光学系または前記正レンズ群の内、少なくとも一方が、正の屈折力を有する正レンズとメニスカスレンズとを接合した接合レンズであってもよい。
このようにすることで、接合レンズを使用して色収差を補正することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記前群光学系が両凸レンズであり、前記負レンズ群が両凹レンズであり、前記正レンズ群が両凸レンズとメニスカスレンズとの接合レンズであり、以下の条件式を満たすことが好ましい。
ν３−ν４＞２０                  （２）
０．０２＜ｎ３−ｎ４＜０．１      （３）
ここで、ν３，ν４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのアッベ数、ｎ３，ｎ４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのｄ線の屈折率である。
【００１３】
このようにすることで、両凹レンズによって球面収差およびコマ収差を補正し、接合レンズによって色収差を補正することができる。
また、本発明は上記いずれかのフォーカス調整ユニットを備える顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、対物レンズの作動距離を変化させても、観察倍率をさほど変化させず、対物レンズの倍率をそのまま適用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態に係るフォーカス調整ユニット１について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１は、図１に示される顕微鏡２に備えられている。この顕微鏡２は、レーザ走査型顕微鏡であって、レーザ光を出射するレーザ光源３と、該レーザ光源３からのレーザ光を集光するカップリング光学系４と、該カップリング光学系４により集光されたレーザ光を導光する光ファイバ５と、該光ファイバ５によってレーザ光源３と接続された顕微鏡本体６とを備えている。
【００１６】
レーザ光源３は、波長の異なるレーザ光を出射する複数の光源３ａ，３ｂと、ミラー３ｃ、ダイクロイックミラー３ｄを備えている。
【００１７】
顕微鏡本体６は、光ファイバ５から出射されたレーザ光を略平行光に変換するコリメート光学系７と、該コリメート光学系７により略平行光にされたレーザ光を偏向するダイクロイックミラー８と、該ダイクロイックミラー８により偏向されたレーザ光を２次元的に走査する近接ガルバノミラー９と、該近接ガルバノミラー９により走査されたレーザ光を集光する瞳投影光学系１０、結像光学系１１および対物光学系１２と、該対物光学系１２と結像光学系１１との間に配置される本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１とを備えている。
【００１８】
また、顕微鏡本体６は、対物光学系１２により集光され、結像光学系１１、瞳投影光学系１０および近接ガルバノミラー９を介して戻り、ダイクロイックミラー８を透過した試料Ａからの蛍光または反射光を集光するカップリング光学系１３と、該カップリング光学系１３により集光された試料Ａからの蛍光または反射光を導光する光ファイバ１４と、該光ファイバ１４により導光された蛍光または反射光を検出する検出光学系１５と、これらを制御する制御部１６と、検出光学系１５により検出された蛍光または反射光の画像を表示する表示部（図示略）とを備えている。顕微鏡本体６は、相互に直交する３軸（ＸＹＺ）方向に移動可能に設けられるとともに、各軸回りに回転可能に設けられており、対物光学系１２の先端の位置および角度を任意に調節することができるようになっている。
【００１９】
近接ガルバノミラー９は、観察位置を対物光学系１２の光軸に対して略垂直方向で走査するようになっている。
対物光学系１２は、その先端を試料Ａに密着させることにより、試料Ａの呼吸や拍動による観察像のブレを抑えるようになっている。
【００２０】
検出光学系１５は、光ファイバ１４により導光されてきた蛍光または反射光を略平行光にするコリメート光学系１７と、波長ごとに分岐する複数のダイクロイックミラー１８およびミラー１９と、バリアフィルタ２０と、集光レンズ２１と、光検出器２２とを備えている。
【００２１】
本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１は、図２に示されるように前記対物光学系１２側を前側、結像光学系１１側を後側として、前側から光軸方向に沿って順に前群光学系Ｇ１と後群光学系Ｇ２とを備えるとともに、これら光学系Ｇ１，Ｇ２を光軸方向に相対的に移動させるレンズ駆動手段２３を備えている。
前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２は、それらの焦点距離の符号が異なり、かつ、焦点距離の絶対値がほぼ等しくなるように構成されている。
【００２２】
図２に示す例では、前群光学系Ｇ１は両凸レンズＬ１であり、後側光学系Ｇ２は、両凹レンズＬ２１と、接合レンズＬ２２とから構成されている。接合レンズＬ２２は、両凸レンズＬ２２１とメニスカスレンズＬ２２２とを接合することにより構成されている。
【００２３】
本実施形態においては、以下の条件式が満たされている。
Ｈｂ１−Ｈｆ２＞０            （１）
ここで、Ｈｂ１は前記前群光学系Ｇ１の後側主点位置、Ｈｆ２は前記後群光学系Ｇ２の前側主点位置である。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１の作用について以下に説明する。
上記顕微鏡２を使用して試料Ａの観察を行うには、対物光学系１２の先端を試料Ａに密着させた状態で、レーザ光源３からレーザ光を出射させ、光ファイバ５を介して顕微鏡本体６に導かれたレーザ光をダイクロイックミラー８により偏向し、近接ガルバノミラー９によって２次元的に走査し、瞳投影光学系１０、結像光学系１１、フォーカス調整ユニット１および対物光学系１２を介して試料Ａに照射する。
【００２５】
レーザ光が照射された試料Ａにおいては、蛍光物質が励起されることにより蛍光が発生し、発生した蛍光は、対物光学系１２によって集光され、フォーカス調整ユニット１、結像光学系１１、瞳投影光学系１０および近接ガルバノミラー９を介して戻り、ダイクロイックミラー８を透過してカップリング光学系１３によって光ファイバ１４の端部に集光され、光ファイバ１４によって導光された後に検出光学系１５により検出される。
【００２６】
この場合において、例えば、レンズ駆動手段２３によって後群光学系Ｇ２を光軸方向に移動すると、対物光学系１２の作動距離（対物光学系先端を基準として焦点が合う距離）が変化する。
したがって、対物光学系１２を動かすことなく、試料Ａ内の任意の深さの画像を観察することができる。さらに、後群光学系Ｇ２を動かしながら複数の画像を取得すれば、試料Ａの３次元画像を取得することができる。
【００２７】
この場合において、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１によれば、前群光学系Ｇ１と後群光学系Ｇ２の焦点距離が、逆の符号で等しい絶対値を有するように設定されているので、レンズ駆動手段２３の作動により両光学系Ｇ１，Ｇ２の距離が変化することによって対物光学系１２の作動距離が変化してもその観察倍率は変化しない。
また、上記式（１）を満たしているので、相対距離を移動させても両光学系Ｇ１，Ｇ２が干渉せずに済むという利点がある。
【００２８】
また、本実施形態によれば、前群光学系Ｇ１を正の焦点距離を有する両凸レンズＬ１、後群光学系Ｇ２を負の焦点距離を有する両凹レンズＬ２１および接合レンズＬ２２により構成したので、前群光学系Ｇ１の前側焦点と、対物光学系１２の後側焦点との間隔を小さくすることができ、フォーカス調整の際の倍率変化を抑えることができる。
また、後群光学系Ｇ２が両凸レンズＬ２２１とメニスカスレンズＬ２２２との接合レンズＬ２２を含むので接合レンズＬ２２によって色収差を抑えることができるという利点がある。
【００２９】
なお、本実施形態においては、前群光学系Ｇ１として両凸レンズＬ１を採用したが、これに限定されるものではなく、例えば、図１０に示されるように、両凸レンズＬ１１とメニスカスレンズＬ１２との接合レンズＬ１′により構成してもよい。
また、レンズ駆動手段２３によって後群光学系Ｇ２を前群光学系Ｇ１に対して移動させることとしたが、図１０に示されるように、前群光学系Ｇ１を後群光学系Ｇ２に対して移動させ、あるいは、両光学系Ｇ１，Ｇ２を相対的に移動させることにしてもよい。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
以下、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１の第１の実施例について、図２〜図９を参照して説明する。
本実施例に係るフォーカス調整ユニット１は、図２に示されるように、両凸レンズＬ１からなる前群光学系Ｇ１と、両凹レンズＬ２１および接合レンズＬ２２からなる後群光学系Ｇ２とを備えている。各レンズのレンズデータを表１に示す。表１中に＊印で示したレンズ間距離Ｄ３，Ｄ５を変化させることで作動距離を変化させるようになっている。
【００３１】
【表１】
2009205008.tif 000003
表１において（以下、各表において同様。）、Ｓは面番号、Ｒは曲率半径、Ｄは面間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νはアッベ数である。
【００３２】
また、本実施例に係るフォーカス調整ユニット１を装着する対物光学系１２および結像光学系１１を図３および図４に示し、各光学系１１，１２のレンズデータを表２および表３に示す。また、対物光学系１２と結像光学系１１との間にフォーカス調整ユニット１を配置した状態を図５に示す。
【００３３】
【表２】
2009205008.tif 000004
【表３】
2009205008.tif 000005
【００３４】
ここで、対物光学系１２の作動距離の変化量ＺＷＤおよび横倍率Ｍは、以下に示す近似式により算出することができる。
【００３５】
ＺＷＤ＝−ｎ・δ・（Ｆｏｂ／Ｆｇ１）２
Ｍ＝（Ｆｔｌ／Ｆｏｂ）・（Ｆｇ１／Ｆｇ２）
ここで、ｎ：観察面と対物光学系１２先端との間の屈折率、Ｆｏｂ：対物光学系１２の焦点距離、Ｆｔｌ：結像光学系１１の焦点距離、Ｆｇ１：前群光学系Ｇ１の焦点距離、Ｆｇ２：後群光学系Ｇ２の焦点距離、δ：前群光学系Ｇ１に対する後群光学系Ｇ２の位置の相対的な変位量である。
【００３６】
また、本実施例におけるフォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２の焦点距離および主点位置と、条件式（１）の値を表４に示す。また、後群光学系Ｇ２の移動量と作動距離との関係を図６に示し、作動距離と横倍率との関係をそれぞれ図７および表５に示す。
【００３７】
【表４】
2009205008.tif 000006
【表５】
2009205008.tif 000007
【００３８】
本実施例によれば、表４に示されるように数１の条件式を満足し、前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２を相対的に移動させても両光学系Ｇ１，Ｇ２が干渉しない。また、図６に示されるように、後群光学系Ｇ２を移動させて作動距離を変化させても、横倍率を変化させないようにすることができる。さらに、図７および表５に示されるように、後群光学系Ｇ２を移動させて作動距離を変化させてもその横倍率Ｍは、フォーカス調整ユニット１を用いない場合、すなわち、対物光学系１２を結像光学系１１に直結した場合の横倍率を達成することができることがわかる。
【００３９】
また、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１によれば、両凸レンズＬ１の凸面により正の屈折力を与え、Ｌ２１の凹面により両凸レンズＬ１で発生する球面収差およびコマ収差を補正し、接合レンズＬ２２でさらに、色収差および球面収差をバランスよく補正することができる。図８および図９に示されるように、後群光学系Ｇ２に接合レンズＬ２２を含むことで色収差が補正され、また、後群光学系Ｇ２が両凹レンズＬ２１を備えることで、球面収差およびコマ収差が補正されている。
【００４０】
本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１によれば、以下の条件式（２）、（３）が満たされている。
ν３−ν４＞２０                  （２）
０．０２＜ｎ３−ｎ４＜０．１      （３）
ここで、ν３，ν４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのアッベ数、ｎ３，ｎ４は前記正レンズ群の両凸レンズおよびメニスカスレンズのｄ線の屈折率である。
【００４１】
条件式（２）が満たされることにより、色収差が十分に補正されている。２０以下の場合には色収差が十分補正できなくなる。
条件式（３）が満たされることにより、色収差および球面収差のバランスが図られる。０．０２以下の場合には色収差を適正に補正した場合に球面収差が補正不足となる。また、０．１以上の場合には、色収差を適正に補正した場合に球面収差が補正過剰となる。
【００４２】
（実施例２）
次に、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１の第２の実施例について、図面を参照して説明する。
本実施例に係るフォーカス調整ユニット１は、図１０に示されるように、両凸レンズＬ１１とメニスカスレンズＬ１２との接合レンズＬ１′からなる前群光学系Ｇ１と、両凹レンズＬ２１および接合レンズＬ２２からなる後群光学系Ｇ２とを備えている。各レンズのレンズデータを表６に示す。表１中に＊印で示したレンズ間距離Ｄ１，Ｄ４を変化させることで作動距離を変化させるようになっている。
【００４３】
【表６】
2009205008.tif 000008
【００４４】
また、本実施例におけるフォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２の焦点距離および主点位置と、数１の条件式の値を表７に示す。また、図３および図４の対物光学系および結像光学系と組み合わせた場合の前群光学系Ｇ１の移動量と作動距離との関係を図１１に示し、作動距離と横倍率との関係をそれぞれ図１２および表８に示す。
【００４５】
【表７】
2009205008.tif 000009
【表８】
2009205008.tif 000010
【００４６】
本実施例によれば、表７に示されるように、数１の条件式を満足し、前群光学系Ｇ１および後群光学系Ｇ２を相対的に移動させても両光学系Ｇ１，Ｇ２が干渉しない。また、図１１に示されるように、前群光学系Ｇ１を移動させて作動距離を変化させても、横倍率を変化させないようにすることができる。また、図１２および表８に示されるように、前群光学系Ｇ１を移動させて作動距離を変化させてもその横倍率Ｍは、フォーカス調整ユニット１を用いない場合、すなわち、対物光学系１２を結像光学系１１に直結した場合の横倍率を達成することができることがわかる。
【００４７】
また、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１によれば、図１３および図１４に示されるように、後群光学系Ｇ２に接合レンズＬ２２を含むことで色収差を補正している。また、後群光学系Ｇ２が両凹レンズＬ２１を備えることで、球面収差およびコマ収差が補正されている。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォーカス調整ユニットを備える顕微鏡を示す全体構成図である。
【図２】本実施形態の実施例１に係るフォーカス調整ユニットを示す図である。
【図３】図１の顕微鏡に備えられる対物光学系の一例のレンズ配列を示す図である。
【図４】図１の顕微鏡に備えられる結像光学系の一例のレンズ配列を示す図である。
【図５】図２のフォーカス調整ユニット、図３の対物光学系および図４の結像光学系を組み合わせたレンズ配列を示す図である。
【図６】図２のフォーカス調整ユニットの後群光学系の位置と作動距離との関係を示すグラフである。
【図７】図２のフォーカス調整ユニットの作動距離と横倍率との関係を示すグラフである。
【図８】図５のレンズ配列による（ａ）球面収差、（ｂ）非点収差、（ｃ）歪曲収差、（ｄ）倍率色収差を示す図である。
【図９】図５のレンズ配列によるコマ収差を示す図である。
【図１０】本実施形態の実施例２に係るフォーカス調整ユニットを示す図である。
【図１１】図１０のフォーカス調整ユニットの前群光学系の位置と作動距離との関係を示すグラフである。
【図１２】図１０のフォーカス調整ユニットの作動距離と横倍率との関係を示すグラフである。
【図１３】図５のレンズ配列による（ａ）球面収差、（ｂ）非点収差、（ｃ）歪曲収差、（ｄ）倍率色収差を示す図である。
【図１４】図５のレンズ配列によるコマ収差を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ａ  試料
Ｇ１  前群光学系
Ｇ２  後群光学系
１  フォーカス調整ユニット
２  顕微鏡
１１  結像光学系
１２  対物光学系
２３  レンズ駆動手段
Ｌ１  両凸レンズ
Ｌ１′  接合レンズ
Ｌ２２  接合レンズ（正レンズ群）
Ｌ１１，Ｌ２２１  両凸レンズ（正レンズ）
Ｌ１２，Ｌ２２２  メニスカスレンズ
Ｌ２１  両凹レンズ（負レンズ群）
【図１】
2009205008.tif 000011
【図２】
2009205008.tif 000012
【図３】
2009205008.tif 000013
【図４】
2009205008.tif 000014
【図５】
2009205008.tif 000015
【図６】
2009205008.tif 000016
【図７】
2009205008.tif 000017
【図８】
2009205008.tif 000018
【図９】
2009205008.tif 000019
【図１０】
2009205008.tif 000020
【図１１】
2009205008.tif 000021
【図１２】
2009205008.tif 000022
【図１３】
2009205008.tif 000023
【図１４】
2009205008.tif 000024