(57)【要約】【課題】像面に届く迷光を減少させるズーム光学系、及び、このズーム光学系を備える顕微鏡装置を提供する。【解決手段】顕微鏡装置１に設けられるズーム光学系８を、略平行で入射する光束の径を変倍して略平行の光束として出射させる複数のレンズ群で構成され、変倍に応じて少なくとも２つのレンズ群が光軸に沿って移動するズームレンズ８ａと、このズームレンズ８ａの最終レンズ群近傍に配置され、変倍に応じて開口径を変化させる可変絞り８ｂとから構成する。【選択図】図１
2009271437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行で入射する光束の径を変倍して略平行の光束として出射させる複数のレンズ群で構成され、前記変倍に応じて少なくとも２つのレンズ群が光軸に沿って移動するズームレンズと、
前記ズームレンズの最終レンズ群近傍に配置され、前記変倍に応じて開口径を変化させる可変絞りと、を有するズーム光学系。
【請求項２】
前記可変絞りの開口径をφとし、前記ズームレンズの射出側に配置された結像レンズにより、当該ズームレンズから出射した前記平行光束を結像させたときの最大像高をＹとし、前記結像レンズの焦点距離をｆとし、前記ズームレンズの射出瞳面と前記可変絞りとの光軸上の距離をｄとし、前記結像レンズの像側開口数をＮＡ′としたとき、全ての変倍域において次式
（Ｙ／ｆ）・ｄ＋０．５・ＮＡ′・ｆ  ≦  φ／２  ≦  （Ｙ／ｆ）・ｄ＋ＮＡ′・ｆ
の条件を満足する請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載のズーム光学系を備えた顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズーム光学系、及び、このズーム光学系を備える顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系に入射する光線の角度θは、像高をｙとし、焦点距離をｆとした場合、通常ｙ＝ｆ・ｔａｎθに従う。この式から、同じ大きさの撮像領域であるなら焦点距離が長くなると入射する光線の角度は小さくなり、反対に焦点距離が短くなると入射する光線の角度は大きくなることが分かる。近年、ズームレンズのズーム比の上昇が著しく、低倍側と高倍側とでは、焦点距離が十倍以上異なるものも存在する。それに伴って結像に関与する光線の入射角度も大きく異なる。しかし、実際のズーム光学系には、このズーム光学系がどの倍率であったとしても様々な方向から結像に関与しない光線が入射している。
【０００３】
ズーム光学系では、レンズの有効径や絞りによって、低倍側でも高倍側でも十分に収差の補正された光線のみが結像するように設計されているのが現状である。しかし、従来のレンズの有効径を決めるレンズ枠及び絞りでは、光学素子の有効径外縁及びそれを支持するメカ機構などで反射した光を全て制限することはできない。そのため、それらの光は迷光となり、その一部は像面に到達し、結像性能を悪化させることになる。特に、実体顕微鏡光学系においては、高倍率で像が暗くなるために、その悪影響は非常に大きい。そこで、従来、レンズの有効径外縁に低反射塗料を塗布し、メカ機構に凹凸をつけることで、迷光の減少が図られてきた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−０２７９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の迷光対策を施したとしても、未だ迷光の低減は十分でなく、例えば、昨今の顕微鏡装置による重要な観察方法の一つである蛍光観察などでは、微弱な蛍光を観察する必要があるため、さらに迷光を減少させなければならないという課題がある。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ズームレンズ群の変倍動作に連動してその開口径を変化させる可変絞りを設けることにより、像面に届く迷光を減少させるズーム光学系、及び、このズーム光学系を備える顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係るズーム光学系は、略平行で入射する光束の径を変倍して略平行の光束として出射させる複数のレンズ群で構成され、変倍に応じて少なくとも２つのレンズ群が光軸に沿って移動するズームレンズと、このズームレンズの最終レンズ群近傍に配置され、変倍に応じて開口径を変化させる可変絞りと、を有する。
【０００７】
このようなズーム光学系は、可変絞りの開口径をφとし、ズームレンズの射出側に配置された結像レンズにより、当該ズームレンズから出射した平行光束を結像させたときの最大像高をＹとし、この結像レンズの焦点距離をｆとし、ズームレンズの射出瞳面と可変絞りとの光軸上の距離をｄとし、結像レンズの像側開口数をＮＡ′としたとき、全ての変倍域において次式
（Ｙ／ｆ）・ｄ＋０．５・ＮＡ′・ｆ  ≦  φ／２  ≦  （Ｙ／ｆ）・ｄ＋ＮＡ′・ｆ
の条件を満足することが好ましい。
【０００８】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、上述のズーム光学系のいずれかを備えて構成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るズーム光学系、及び、このズーム光学系を備えた顕微鏡装置を以上のように構成すると、物体から出射して結像レンズにより一次像面に結像する光線を通し、結像に関与しない光線の多くをこの可変絞りで遮蔽することができるため、一次像面に届く迷光を減少させ、標本のクリアな像を観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係るズーム光学系を備える顕微鏡装置の構成について図１を用いて説明する。顕微鏡装置１は、下部に設けられたステージ２と、このステージ２の後部から上方に延びる本体部３とから構成されており、この本体部３に顕微鏡光学系４が配設されている。顕微鏡光学系４は、ステージ２上に載置された標本５側から順に、対物レンズ６と、ズーム光学系８と、結像レンズ９と、プリズム１０と、接眼レンズ１１とから構成されている。なお、この顕微鏡装置１においては、標本５から出射した光束は対物レンズ６で集光されて略平行の光束に変換された後、２つの光路に分割されるように構成されている。そのため、ズーム光学系８、結像レンズ９、プリズム１０及び接眼レンズ１１はそれぞれ２組設けられている。このように、２つの光路に分割することにより、左右の目で標本５を観察することができ、視差のある立体的な観察を行うことができる。
【００１１】
このように、分割された略平行の光束は、ズーム光学系８で変倍されて略平行の光束として出射し、結像レンズ９で標本５の一次像が結像されるとともに、プリズム１０により正立像に変換された後、この一次像を接眼レンズ１１により観察するように構成されている。なお、この顕微鏡装置１を構成する本体部２の上下方向略中央部の左右両側部には、顕微鏡光学系４を標本５に対して光軸方向に移動させることにより、標本５に対して対物レンズ６の焦点面を移動させるフォーカスノブ１２が設けられ、また、このフォーカスノブ１２の近傍の左右両側部には、ズーム光学系８のレンズ群の少なくとも２つを光軸方向に移動させて変倍動作を行うズーミングノブ１３が設けられている。なお、言うまでもないが、プリズム１０により構成された部分光学系は、ミラーを用いて構成することも可能である。
【００１２】
それでは、以上のような構成の顕微鏡装置１に設けられるズーム光学系８の構成について図２を合わせて用いて説明する。この図２は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４とからなるズームレンズ８ａを有する、４群構成の代表的なアフォーカルズーム光学系の１つであり、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に開口絞りＳが設けられている。このズーム光学系８に入射した略平行の光束は、ズームレンズ８ａで変倍された後、略平行の光束として出射して、結像レンズ９により一次像面Ｉに結像されるように構成されている。
【００１３】
ここで、このズーム光学系８は、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第２レンズ群Ｇ２が物体（標本）側から像側へ移動し、第３レンズ群Ｇ３が像側から物体側へ移動するように構成されている。また、この図２から明らかなように、このような構成のズーム光学系８においては、最も像側のレンズ群である最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の有効径は低倍端と高倍端とで大きく異なる。すなわち、低倍端の有効径は大きく、高倍端の有効径は小さくなる。なお、第３レンズ群Ｇ３は、高倍端側に移動する際に、開口絞りＳ側に移動するが、この第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有しているため、ズーム光学系８の射出瞳面Ｐは、像側に移動することになる。
【００１４】
以上のように、この図２に示すズーム光学系８においては、高倍になるに従い、主光線が射出瞳面Ｐを出る角度が小さくなる。すなわち、射出瞳面Ｐの位置が像側にあると、高倍側での最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の有効径が小さくなるので、低倍側での最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）との有効径の差がより大きくなる。高倍で観察する場合には、この低倍の有効径内にあり、高倍の射出光束が通らない領域を通って一次像面Ｉに到達する光線は、観察に不要な光線（迷光）であり、本実施形態においては、この最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の近傍に可変絞り８ｂを設けて、このような迷光を遮蔽するように構成されている（図２に示す例では、第４レンズ群Ｇ４の像側に可変絞り８ｂを配置した場合を示している）。
【００１５】
可変絞り８ｂは、ズーム光学系８の倍率に応じてその開口部の開口径を変化させるように構成されている。ここで、この可変絞り８ｂの開口径をφとし、ズーム光学系８から出射して結像レンズ９で結像される光束の一次像面Ｉにおける最大像高をＹとし、結像レンズ９の焦点距離をｆとし、ズーム光学系８の射出瞳面Ｐと可変絞り８ｂとの光軸上の距離をｄとし、像側の開口数をＮＡ′とし、開口効率をηとしたとき、物体（標本５）の像を形成するための光線を通過させ、且つ、迷光を遮蔽する可変絞りの開口径は次式（１）のように表される。
【００１６】
φ／２  ＝  （Ｙ／ｆ）・ｄ＋ＮＡ′・ｆ・η                                （１）
【００１７】
ここで、像側の開口数ＮＡ′は、一次像面Ｉの光軸上に集光する光線の光軸に対する最大角度をαとすると、ＮＡ′＝ｓｉｎαで定義される。また、図２（ｂ）に示すように、低倍側において、軸外から入射する光束の一部は、例えば第３レンズ群Ｇ３の周縁部Ｋでケラれて一次像面Ｉには届かない。このとき、軸外から入射する光束の断面積をＡとし、中心光束の断面積に対しケラれる領域の断面積をＢとすると、開口効率ηはη＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）のように表される。
【００１８】
以上より、このズーム光学系８は、次の条件式（２）を満足するように、可変絞り８の開口部を開閉して開口径を調節することにより、像面に届く迷光を減少させることができる。なお、この条件式（２）において、下限は、上述の式（１）においてη＝０．５とし、上限はη＝１．０として決めたものである。
【００１９】
（Ｙ／ｆ）・ｄ＋０．５・ＮＡ′・ｆ≦φ／２≦（Ｙ／ｆ）・ｄ  ＋  ＮＡ′・ｆ
（２）
【００２０】
以上のように、ズーム光学系８の変倍比に応じて、上述の式（２）の上限値を超えないように可変絞り８ｂの開口部の開口径を調節することにより、物体（標本５）から出射して一次像面Ｉに結像する光線を通し、その他の光線（例えば、光学素子の有効径外縁やそれを支持するメカ機構で反射した光線など）をこの可変絞り８ｂで遮蔽することができるため、一次像面Ｉに届く迷光を減少させ、標本５のクリアな像を観察することができる。一方、式（２）の下限を超えないように可変絞り８ｂの開口部の開口径を調節することにより、視野周辺部の光量を極端に減らすことなく、一次像面Ｉに届く迷光を減少させることができる。
【００２１】
なお、上述のズーミングノブ１３に連動してズームレンズ８ａの所定のレンズ群（図２の場合は第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３）を光軸に沿って移動させるレンズ群移動機構８ｃ（例えばカム機構等で構成される）により可変絞り８ｂの開口を開閉作動させるように構成することにより、このズーム光学系８は容易に実現することができる。
【００２２】
また、以上の説明においては、最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の像側に可変絞り８ｂを配置した場合について説明したが、この最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の物体側に配置することも可能である。あるいは、低倍端と高倍端とでその有効径が異なる部分であれば、この可変絞り８ｂを配置する位置は最終レンズ群の近傍に限定されない。
【００２３】
また、ズーム光学系８として、図２に示すような屈折力配置の４群で構成し、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３とが光軸に沿って互いに近づくように移動する場合のズーム光学系を例にして説明したが、本発明がこの構成に限定されることはない。
【００２４】
例えば、図３（ａ）に示すように、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４とを有する４群構成のズーム光学系について検討する。このような構成のズーム光学系の場合、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側へ一定方向に動くが、第３レンズ群Ｇ３は、ズーム光学系の屈折力配置によって、物体側から像側へ一定方向に動く場合と、変倍動作の途中で逆戻りし、最終的に像側へ動く場合とがある。しかしながら、このいずれの場合も、図３（ａ）から明らかなように、最終レンズ群（第４レンズ群Ｇ４）の有効径は、低倍端と高倍端とで大きく異なる。また、負の屈折力を持った第３レンズ群Ｇ３は、変倍動作の途中で逆戻りする動きをしたとしても、高倍端では、第４レンズ群Ｇ４に近づくため、射出瞳面は像側へと移動する。そのため、このような構成のズーム光学系に対しても、上述の可変絞りを適用して、高倍時に一次像面に届く迷光を遮蔽して、標本５のクリアな像を観察することができる。
【００２５】
また、図３（ｂ）に示すように、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、負の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とを有する５群構成のズーム光学系について検討する。このようなズーム光学系の場合、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第２レンズ群Ｇ２は物体側から像側へ一定方向に動き、第３レンズ群Ｇ３は像側から物体側へ一定方向に動くが、これは、上述の図２に示した４群構成のズーム光学系と同じ動きであり、そのため、このような構成のズーム光学系に対しても、上述の可変絞りを適用して、高倍時に一次像面に届く迷光を遮蔽して、標本５のクリアな像を観察することができる。
【００２６】
さらに、図３（ｃ）に示すように、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、正の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とを有する５群構成のズーム光学系について検討する。このようなズーム光学系の場合、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４とが光軸に沿って移動するが、その動きは図３（ａ）に示したズーム光学系と同じである。そのため、このような構成のズーム光学系に対しても、上述の可変絞りを適用して、高倍時に一次像面に届く迷光を遮蔽して、標本５のクリアな像を観察することができる。
【実施例】
【００２７】
図４は、本実施の形態に係るズーム光学系の実施例を示しており、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４とを有する、４群構成のアフォーカルズーム光学系である。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と両凸レンズＬ２とを接合した接合レンズ、及び、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３から構成される。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凸レンズＬ４と両凹レンズＬ５とを接合した接合レンズ、及び、両凹レンズＬ６から構成される。第３レンズ群Ｇ３は、両凸レンズＬ７、及び、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８と両凸レンズＬ９とを接合した接合レンズで構成される。さらに、第４レンズ群Ｇ４は、両凹レンズＬ１０、及び、両凸レンズＬ１１と両凹レンズＬ１２とを接合した接合レンズで構成される。なお、この図４においては、可変絞りは図示していないが、第４レンズ群Ｇ４の像側近傍に配置されている。
【００２８】
この図４に示すズーム光学系は、低倍端状態から高倍端状態にレンズ群配置が変化する際に、第１レンズ群Ｇ１及び第４レンズ群Ｇ４は固定され、第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３が光軸に沿って互いに近づくように移動するように構成されている。そのため、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との光軸上のレンズ間隔ｄ１、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との光軸上のレンズ間隔ｄ２、及び、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４の光軸上のレンズ間隔ｄ３は、変倍に際して変化する。なお、本実施例においては、ｄ１及びｄ３は低倍端から高倍端までレンズ群配置が変化する際に線形増加し、ｄ２は線形減少するように構成されている。
【００２９】
このように図４に示した本実施例に係るズーム光学系の諸元を表１に示す。この表示１において、全体諸元に示すｆａはこのズーム光学系の焦点距離を示し、ｚはズーム比を示す。また、レンズデータにおける、第１欄ｍは物体側からからの各光学面の番号を、第２欄ｒは各光学面の曲率半径を、第３欄ｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離（面間隔）を、第４欄νｄはアッベ数を、そして、第５欄ｎｄはｄ線に対する屈折率をそれぞれ示している。ここで、空気の屈折率1.000000は省略してある。また、可変間隔データにおけるｄ１〜ｄ３は、低倍端及び高倍端における上述の第１〜第４レンズ群Ｇ１〜Ｇ４の光軸上のレンズ間隔である。
【００３０】
なお、以下の全ての諸元において掲載される曲率半径ｒ、面間隔ｄ、焦点距離ｆａその他長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなはく、他の適当な単位を用いることもできる。
【００３１】
（表１）
［全体諸元］
ｆａ＝1mm〜15mm
ｚ＝15倍
［レンズデータ］
ｍ      ｒ        ｄ        νｄ      ｎｄ
1     2.0446    0.0317    31.62    1.756920
2     0.8647    0.0433    82.52    1.497820
3    -4.4054    0.0033
4     0.7334    0.0417    82.52    1.497820
5     4.4990    ｄ１
6     0.5963    0.0417    23.82    1.846660
7    -0.6547    0.0167    57.36    1.670000
8     0.2896    0.0333
9    -0.4185    0.0233    35.72    1.902650
10     2.3083    ｄ２
11     2.7586    0.0333    60.68    1.603110
12    -1.2341    0.0033
13     0.8722    0.0250    27.51    1.755200
14     0.3979    0.0500    68.33    1.592400
15    -1.6659    ｄ３
16    -0.7883    0.0250    35.29    1.749500
17    18.8294    0.0500
18     7.6728    0.0417    23.82    1.846660
19    -0.4489    0.0250    36.26    1.620040
20     0.8832
［可変間隔データ］
低倍端      高倍端
ｄ１    0.03784    0.70045
ｄ２    1.46377    0.07871
ｄ３    0.03141    0.75386
【００３２】
このような本実施例に係るズーム光学系の、低倍端及び高倍端における開口効率η、像側の開口数ＮＡ′、ズーム光学系の射出瞳面と可変絞りとの光軸上の距離ｄ、及び、可変絞りの開口径φ（半径φ／２として表す）を以下の表２に示す。なお、この表２において開口径φは、結像レンズの焦点距離ｆを２００ｍｍとし、この結像レンズで結像される一次像面における最大像高Ｙを１１ｍｍとして、上述の式（１）により算出した。
【００３３】
（表２）
低倍端      高倍端
η[％]        63.2        94.4
ＮＡ′         0.029       0.01
ｄ[ｍｍ]      80.1        32.6
φ／２[ｍｍ]   8.07        3.68
【００３４】
この実施例により、本発明は、厚肉化された実際のズーム光学系に十分適用できるものであることが解る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】顕微鏡装置の構成を示す説明図である。
【図２】ズーム光学系を説明するための説明図であって、（ａ）は高倍側の説明図であり、（ｂ）は低倍側の説明図である。
【図３】上記ズーム光学系と異なる構成を示す説明図である。
【図４】上記ズーム光学系の実施例を示すレンズ構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  顕微鏡装置
８  ズーム光学系    ８ａ  ズームレンズ    ８ｂ  可変絞り
９  結像レンズ
【図１】
2009271437.tif 000003
【図２】
2009271437.tif 000004
【図３】
2009271437.tif 000005
【図４】
2009271437.tif 000006