JP2008225095A - 光走査型観察装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】生きた動物観察に適し、内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供する。
【解決手段】標本Aを照明するための光源2と、照明光を標本Aに集光する対物光学系10と、集光された検出光を照明光から分離する検出光分離手段12と、分離された検出光を集光する検出光集光光学系13と、集光された検出光を検出する検出器20と、光検出光分離手段12と対物光学系10との間に配置されたフォーカス走査手段と、フォーカス走査手段と対物光学系10との間に配置され、光源2からの照明光を標本A上で光軸に対して略垂直方向に走査する横方向走査手段7とを備え、フォーカス走査手段が、少なくとも正レンズ群G1と負レンズ群G2とで構成されるフォーカス光学系6と、該フォーカス光学系6に含まれる少なくとも1群のレンズ群を光軸方向に動かして対物光学系10の作動距離WDを変化させるレンズ駆動手段6aとを備える光走査型観察装置1を提供する。
【選択図】 図1
【解決手段】標本Aを照明するための光源2と、照明光を標本Aに集光する対物光学系10と、集光された検出光を照明光から分離する検出光分離手段12と、分離された検出光を集光する検出光集光光学系13と、集光された検出光を検出する検出器20と、光検出光分離手段12と対物光学系10との間に配置されたフォーカス走査手段と、フォーカス走査手段と対物光学系10との間に配置され、光源2からの照明光を標本A上で光軸に対して略垂直方向に走査する横方向走査手段7とを備え、フォーカス走査手段が、少なくとも正レンズ群G1と負レンズ群G2とで構成されるフォーカス光学系6と、該フォーカス光学系6に含まれる少なくとも1群のレンズ群を光軸方向に動かして対物光学系10の作動距離WDを変化させるレンズ駆動手段6aとを備える光走査型観察装置1を提供する。
【選択図】 図1
Description
本発明は光走査型観察装置に関するものである。
従来、生きた動物などの観察用に励起光および検出光を1つの光ファイバで伝送するレーザ走査型顕微鏡が知られている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。このレーザ走査型顕微鏡は、対物レンズと標本の相対的な距離を変えずに、ファイバとスキャンミラーとの間にあるコリメート光学系を駆動して作動距離を変える方式(内部フォーカス機構)を採用している。このレーザ走査型顕微鏡は、対物レンズ先端部を標本に密着させて動物の呼吸や拍動による影響を少なくすることができ、動物観察に向いた光走査型の顕微鏡システムである。
一方、SN比向上のため励起用光路(励起用ファイバ)と検出用光路(検出用ファイバ)を分ける構成も開示されている(例えば、特許文献3参照)。
また、内部フォーカス機構を用いた顕微鏡も知られている(例えば、特許文献4参照。)。レーザ光を正レンズで集光し、さらに正レンズで略平行に戻し、偏向ミラー、ビームエキスパンダーおよび対物レンズを介して標本に照射する。標本からの蛍光は逆光路を通り、ダイクロイックミラーでレーザ光から分離され、集光レンズおよびピンホールを通過した後、検出器により検出される。正レンズを動かすことで作動距離(WD)を変化させている。この場合、フォーカス位置を変化させる光学系はケプラー型である。そして、特許文献3および特許文献4を組み合わせることにより、高SN比で内部フォーカス機構を備える顕微鏡を実現することができる。
また、内部フォーカス機構を用いた顕微鏡も知られている(例えば、特許文献4参照。)。レーザ光を正レンズで集光し、さらに正レンズで略平行に戻し、偏向ミラー、ビームエキスパンダーおよび対物レンズを介して標本に照射する。標本からの蛍光は逆光路を通り、ダイクロイックミラーでレーザ光から分離され、集光レンズおよびピンホールを通過した後、検出器により検出される。正レンズを動かすことで作動距離(WD)を変化させている。この場合、フォーカス位置を変化させる光学系はケプラー型である。そして、特許文献3および特許文献4を組み合わせることにより、高SN比で内部フォーカス機構を備える顕微鏡を実現することができる。
しかしながら、特許文献4の構成では、2つのレンズ間で光を一旦集光させる必要がある。理論的には、正レンズの焦点距離を短くして長さを短くすることは可能だが、焦点距離を短くすると標本側の焦点位置の変化に対して、レンズの位置の変化が小さくなってしまうため、位置制御が難しくなる。さらに2組の正レンズの間でNAが大きくなるため、収差補正が難しくなる。
このような理由から正レンズの焦点距離は長くせざるを得ない。その結果、特許文献3と特許文献4の技術を組み合わせるとフォーカス光学系全体が長くなってしまい、観察装置(顕微鏡)が大型化し、生きた動物を観察に適さなくなってしまうという不具合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、生きた動物観察に適し、内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供することを目的としている。
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、少なくとも、標本を照明するため照明光を出射する光源と、該光源からの照明光を標本に集光する対物光学系と、前記標本から発せられ、前記対物光学系により集光された検出光を照明光から分離する検出光分離手段と、該検出光分離手段により分離された検出光を集光する検出光集光光学系と、該検出光集光光学系により集光された検出光を検出する検出器と、前記光検出光分離手段と前記対物光学系との間に配置されたフォーカス走査手段と、前記フォーカス走査手段と前記対物光学系との間に配置され、前記光源からの照明光を標本上で光軸に対して略垂直方向に走査する横方向走査手段とを備え、前記フォーカス走査手段が、少なくとも正レンズ群と負レンズ群とで構成されるフォーカス光学系と、該フォーカス光学系に含まれる少なくとも1群のレンズ群を動かして前記対物光学系の作動距離を変化させるためのレンズ駆動手段とを備える光走査型観察装置を提供する。
本発明は、少なくとも、標本を照明するため照明光を出射する光源と、該光源からの照明光を標本に集光する対物光学系と、前記標本から発せられ、前記対物光学系により集光された検出光を照明光から分離する検出光分離手段と、該検出光分離手段により分離された検出光を集光する検出光集光光学系と、該検出光集光光学系により集光された検出光を検出する検出器と、前記光検出光分離手段と前記対物光学系との間に配置されたフォーカス走査手段と、前記フォーカス走査手段と前記対物光学系との間に配置され、前記光源からの照明光を標本上で光軸に対して略垂直方向に走査する横方向走査手段とを備え、前記フォーカス走査手段が、少なくとも正レンズ群と負レンズ群とで構成されるフォーカス光学系と、該フォーカス光学系に含まれる少なくとも1群のレンズ群を動かして前記対物光学系の作動距離を変化させるためのレンズ駆動手段とを備える光走査型観察装置を提供する。
本発明によれば、フォーカス光学系内で光を一旦集光させる必要がなくなるので、フォーカス光学系の長さを短くすることができ、生きた動物観察に適し内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供することできる。
上記発明においては、前記正レンズ群および負レンズ群は、前記フォーカス光学系全体がアフォーカル光学系として成立する位置関係の近傍でレンズ群を駆動させることとしてもよい。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
また、上記発明においては、前記フォーカス光学系の横方向走査手段に近い側を前側とし、該前側のレンズ群の前側焦点が前記横方向走査手段近傍に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
また、上記発明においては、前記正レンズ群が、前記負レンズ群よりも前記前側に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、正レンズ群の前側焦点を正レンズ群より前側に配置して、横方向走査手段に合わせることができる。
このようにすることで、正レンズ群の前側焦点を正レンズ群より前側に配置して、横方向走査手段に合わせることができる。
また、上記発明においては、前記負レンズ群が駆動されることとしてもよい。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
このようにすることで、フォーカスレンズの移動量と観察位置の線形性を向上することができる。
また、上記発明においては、前記正レンズ群の焦点距離の絶対値が、前記負レンズ群の焦点距離の絶対値より大きいこととしてもよい。
このようにすることで、検出光集光光学系を小型化することができる。これにより、生きた動物観察に適し内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供することができる。
このようにすることで、検出光集光光学系を小型化することができる。これにより、生きた動物観察に適し内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供することができる。
また、上記発明においては、前記正レンズ群と前記負レンズ群の焦点距離の絶対値がほぼ同じであることとしてもよい。
このようにすることで、フォーカス光学系へ出入りする光の径がほぼ同じになるので、フォーカス走査手段が着脱自在にでき、内部フォーカス機構がついていない光走査型観察装置を容易に内部フォーカス機構つきの装置に改造することができる。
このようにすることで、フォーカス光学系へ出入りする光の径がほぼ同じになるので、フォーカス走査手段が着脱自在にでき、内部フォーカス機構がついていない光走査型観察装置を容易に内部フォーカス機構つきの装置に改造することができる。
また、上記発明においては、前記負レンズ群が、前記正レンズ群に近い側から負レンズ小群とそれよりもパワーの弱い正レンズ小群とからなることとしてもよい。
このようにすることで、負レンズ群の前側の主点が負レンズ小群より外側に出るので、負レンズ群の前側主点と正レンズ小群の後側主点とを一致させることが可能となり、アフォーカル光学系が成立する。これにより、アフォーカル光学系が成立する位置の近傍でレンズを互いに干渉させることなく駆動できるようになる。
このようにすることで、負レンズ群の前側の主点が負レンズ小群より外側に出るので、負レンズ群の前側主点と正レンズ小群の後側主点とを一致させることが可能となり、アフォーカル光学系が成立する。これにより、アフォーカル光学系が成立する位置の近傍でレンズを互いに干渉させることなく駆動できるようになる。
また、上記発明においては、前記フォーカス光学系の横方向走査手段側を前側とし、前記正レンズ群が、前記前側に凸面を有するメニスカスレンズと両凸レンズとを接合したレンズであり、前記負レンズ群の最も前記前側のレンズが、前記前側に凹面を向けた負レンズであり、以下の条件式(1)〜(3)を満足することとしてもよい。
(1)Np2<Np1
(2)νp2−νp1>20
(3)1<|(F−D)/Rn|<5
ここで、Np1:メニスカスレンズのd線に対する屈折率、Np2:両凸レンズのd線に対する屈折率、νp1:メニスカスレンズのアッベ数、νp2:両凸レンズのアッベ数、F:フォーカス光学系の正レンズ群の焦点距離、D:両凸レンズと負レンズとの間隔、Rn:負レンズの前側面の曲率半径である。
(1)Np2<Np1
(2)νp2−νp1>20
(3)1<|(F−D)/Rn|<5
ここで、Np1:メニスカスレンズのd線に対する屈折率、Np2:両凸レンズのd線に対する屈折率、νp1:メニスカスレンズのアッベ数、νp2:両凸レンズのアッベ数、F:フォーカス光学系の正レンズ群の焦点距離、D:両凸レンズと負レンズとの間隔、Rn:負レンズの前側面の曲率半径である。
本発明によれば、生きた動物観察に適し、内部フォーカス機構を有するコンパクトな光走査型観察装置を提供することができるという効果を奏する。
以下、本発明の一実施形態に係る光走査型観察装置1について、図1〜図4を参照して説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置1は、図1に示されるように、レーザ光(照明光)を発生する光源部(光源)2と、該光源部2から発せられたレーザ光を伝播する光ファイバ3と、該光ファイバ3により伝播されてきたレーザ光を標本Aに照射し、標本Aから発生する蛍光を集光する観察装置本体4とを備えている。
本実施形態に係る光走査型観察装置1は、図1に示されるように、レーザ光(照明光)を発生する光源部(光源)2と、該光源部2から発せられたレーザ光を伝播する光ファイバ3と、該光ファイバ3により伝播されてきたレーザ光を標本Aに照射し、標本Aから発生する蛍光を集光する観察装置本体4とを備えている。
観察装置本体4には、光ファイバ3により伝播されてきたレーザ光を略平行光に変換するコリメート光学系5と、該コリメート光学系5により略平行光にされたレーザ光のフォーカス位置を調節するフォーカス光学系6と、レーザ光を2次元的に走査するスキャナ(横方向走査手段)7と、該スキャナ7により走査されたレーザ光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系8と、中間像を結像したレーザ光を集光して略平行光にする結像光学系9と、略平行光にされたレーザ光を集光して標本Aに照射する一方、標本Aから戻る蛍光を集光する対物レンズ10と、該対物レンズ10により集光された蛍光を検出する検出光学系11とが備えられている。図中、符号21は、光源部2、フォーカス光学系6、スキャナ7および観察装置本体4の姿勢を制御する制御部および検出光学系11により取得された画像を表示するモニタである。
前記光源部2は、例えば、複数種類のレーザ光を発生する複数のレーザ光源2a,2bと、これらのレーザ光源2a,2bから発せられたレーザ光を同一光路に合流させるミラー2cおよびダイクロイックミラー2dと、レーザ光を光ファイバ3の端面に集光するカップリング光学系2eとを備えている。
前記フォーカス光学系6は、図2に示されるように、正レンズ群G1と負レンズ群G2とで構成されるとともに、負レンズ群G2を光軸方向に駆動するレンズ駆動手段6aを備えている。レンズ駆動手段6aは、任意の直線移動機構により構成されている。レンズ駆動手段6aを作動させて、負レンズ群G2を光軸方向に移動させることにより、作動距離WDが変化し、それによって、標本A内の任意の深さ位置に対物レンズ10の焦点面を一致させることができるようになっている。
前記スキャナ7は、例えば、相互に直交する2方向にそれぞれ揺動可能に支持された2つのガルバノミラーを近接配置してなる、いわゆる近接ガルバノミラーにより構成されている。
前記スキャナ7は、例えば、相互に直交する2方向にそれぞれ揺動可能に支持された2つのガルバノミラーを近接配置してなる、いわゆる近接ガルバノミラーにより構成されている。
前記検出光学系11は、標本Aにおいて発生し、対物レンズ10、結像光学系9、瞳投影光学系8、スキャナ7およびフォーカス光学系6を介して戻る蛍光をレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー12と、該ダイクロイックミラー12により分岐された蛍光を集光するカップリング光学系(検出光集光光学系)13と、該カップリング光学系13により集光された蛍光を伝播する光ファイバ14と、該光ファイバ14を介して伝播されてきた蛍光を略平行光にするコリメート光学系15と、略平行光にされた蛍光を波長毎に分岐するダイクロイックミラー16およびミラー17と、蛍光に混入してきたレーザ光を遮断するバリアフィルタ18と、バリアフィルタ18を通過した蛍光を集光する集光レンズ19と、集光された蛍光を波長毎に検出する複数の光検出器20とを備えている。
前記コリメート光学系5およびカップリング光学系13は、例えば、図3に示されるようなレンズ群により構成されている。
前記コリメート光学系5およびカップリング光学系13は、例えば、図3に示されるようなレンズ群により構成されている。
ここで、前記フォーカス光学系6について、図2を参照して、さらに詳細に説明する。
フォーカス光学系6において、標本A側を前側、光源部2側を後側と定義する。
フォーカス光学系6は、上述したように正レンズ群G1と負レンズ群G2とで構成されている。正レンズ群G1は、図2に示されるように、メニスカスレンズLp1と両凸レンズLp2とを接合して構成されている。負レンズ群G2は、両凹レンズLn1とメニスカスレンズLn2とを接合して構成されている。
フォーカス光学系6において、標本A側を前側、光源部2側を後側と定義する。
フォーカス光学系6は、上述したように正レンズ群G1と負レンズ群G2とで構成されている。正レンズ群G1は、図2に示されるように、メニスカスレンズLp1と両凸レンズLp2とを接合して構成されている。負レンズ群G2は、両凹レンズLn1とメニスカスレンズLn2とを接合して構成されている。
正レンズ群G1は、負レンズ群G2よりも前側に配置されている。
また、正レンズ群G1は、その前側焦点位置がスキャナ7の位置とほぼ一致するように配置されている。
負レンズ群G2はフォーカス光学系6全体としてアフォーカル光学系が成立する(すなわち、正レンズ群G1の後側焦点位置と負レンズ群G2の前側焦点位置とが一致する)位置の近傍で、レンズ駆動手段6aによって光軸方向に駆動されるようになっている。
また、正レンズ群G1は、その前側焦点位置がスキャナ7の位置とほぼ一致するように配置されている。
負レンズ群G2はフォーカス光学系6全体としてアフォーカル光学系が成立する(すなわち、正レンズ群G1の後側焦点位置と負レンズ群G2の前側焦点位置とが一致する)位置の近傍で、レンズ駆動手段6aによって光軸方向に駆動されるようになっている。
このように構成されることにより、コリメート光学系5で略平行にされたレーザ光が負レンズ群G2の後側から入射して発散光として射出される。負レンズ群G2からの射出光は正レンズ群G1により屈折させられる。
正レンズ群G1から射出されるレーザ光の発散角(または、収斂角)は、正レンズ群G1と負レンズ群G2との距離によって変化する。正レンズ群G1の後側焦点位置と負レンズ群G2の前側焦点位置とが一致しているとき、フォーカス光学系6はアフォーカル光学系となり、正レンズ群G1から射出されるレーザ光は略平行光となる。
正レンズ群G1と負レンズ群G2との距離がアフォーカル光学系6となる位置よりも近いと、正レンズ群G1から射出されるレーザ光は発散光となり、標本Aにおいてはより深い位置に対物レンズ10の焦点位置を配置するようになる。
また、正レンズ群G1と負レンズ群G2との距離がアフォーカル光学系となる位置よりも遠いと、正レンズ群G1から射出されるレーザ光は収斂光となり、標本Aにおいてはより浅い位置で集光するようになる。したがって、負レンズ群G2の光軸方向位置を変えるだけで、標本Aの深い位置から浅い位置までの任意の位置における観察を行うことができる。
また、正レンズ群G1と負レンズ群G2との距離がアフォーカル光学系となる位置よりも遠いと、正レンズ群G1から射出されるレーザ光は収斂光となり、標本Aにおいてはより浅い位置で集光するようになる。したがって、負レンズ群G2の光軸方向位置を変えるだけで、標本Aの深い位置から浅い位置までの任意の位置における観察を行うことができる。
従来のフォーカス光学系では2組の正レンズ群を配置し、フォーカス光学系内で光を一旦集光させていたが、本実施形態においては、フォーカス光学系6内において光を集光させる必要がない。その結果、フォーカス光学系6の長さを従来の半分程度まで短くすることができる。
フォーカス光学系6の負レンズ群G2がレンズ駆動手段6aによって光軸方向に移動させられることにより、対物レンズ10先端での作動距離が変化する。フォーカス光学系6の各レンズ群G1,G2の位置と標本Aにおける観察位置との関係は式(1)に示される通りとなる(後側が正の方向。Zob、Δ、δ、dは、フォーカス光学系6がアフォーカル光学系として成立しているときの位置を基準としている。)。
上記式(1)の分母の第2項がFfc1と比較してあまり大きな値をとらない場合には、式(1)は式(2)のように近似でき、負レンズ群G2の駆動量と作動距離WDの変化量との関係はほぼ線形となる。
本実施形態においては、標本Aからスキャナ7までの間に対物レンズ10、結像光学系9および瞳投影光学系8が存在しているので、Faは式(3)で表され、式(2)は式(4)のように変形することができる。
一例として、Fob=18mm、Ftl=50mm、Ffc1=15mm、n=1.33で、負レンズ群G2のみを駆動させたときのZobを図4に示す。
ここで、線形性を高める条件としては、以下の条件A〜Dを挙げることができる。
すなわち、
A:フォーカス光学系6はアフォーカル光学系の近傍で使用するが望ましい。アフォーカル光学系近傍では式(1)の分母の第2項の(δーΔ)がFfc1と比較してあまり大きな値をとらないので、式(1)の分母の第2項が小さくなり、負レンズ群G2の駆動量と作動距離WDの変化量の線形性が高くなる。
すなわち、
A:フォーカス光学系6はアフォーカル光学系の近傍で使用するが望ましい。アフォーカル光学系近傍では式(1)の分母の第2項の(δーΔ)がFfc1と比較してあまり大きな値をとらないので、式(1)の分母の第2項が小さくなり、負レンズ群G2の駆動量と作動距離WDの変化量の線形性が高くなる。
B:さらに、フォーカス光学系6の前側(スキャナ7側)のレンズ群の前側焦点はスキャナ7の近傍にあることが望ましい。
顕微鏡では用途に合わせて対物レンズ10が交換されるが、通常、標本Aからスキャナ7までの間にある光学系全体(本実施形態では、対物レンズ10、結像光学系9および瞳投影光学系8をあわせた光学系)の後側焦点はスキャナ7の近傍になるようにしている(この配置はフォーカス位置を変えても倍率変化が小さい)。したがって、フォーカス光学系6の前側のレンズ群(本実施例では正レンズ群G1)の前側焦点がスキャナ7の近傍にあると多くの対物レンズ10で式(1)のdが小さくなり、負レンズ群G2の駆動量と作動距離WDの変化量の線形性が高くなる。
顕微鏡では用途に合わせて対物レンズ10が交換されるが、通常、標本Aからスキャナ7までの間にある光学系全体(本実施形態では、対物レンズ10、結像光学系9および瞳投影光学系8をあわせた光学系)の後側焦点はスキャナ7の近傍になるようにしている(この配置はフォーカス位置を変えても倍率変化が小さい)。したがって、フォーカス光学系6の前側のレンズ群(本実施例では正レンズ群G1)の前側焦点がスキャナ7の近傍にあると多くの対物レンズ10で式(1)のdが小さくなり、負レンズ群G2の駆動量と作動距離WDの変化量の線形性が高くなる。
C:条件Bを実現するために、フォーカス光学系6の前側(スキャナに近い側)に正レンズ群G1、後側(スキャナ7から遠い側)に負レンズ群G2という順番で配置することが望ましい。
特別な場合を除き、正レンズ群G1の前側焦点は実際の正レンズ群G1よりスキャナ7側にあり、負レンズ群G2の前側焦点は実際の負レンズ群G2より光ファイバ3側にあるので、このような配置にすると式(1)のdを小さくすることができる。
特別な場合を除き、正レンズ群G1の前側焦点は実際の正レンズ群G1よりスキャナ7側にあり、負レンズ群G2の前側焦点は実際の負レンズ群G2より光ファイバ3側にあるので、このような配置にすると式(1)のdを小さくすることができる。
D:通常は条件A〜Cで十分な線形性が得られるが、さらに高い線形性が必要な場合は、上記に加えて、前側レンズ群(正レンズ群G1)を駆動せず、後側のレンズ群(負レンズ群G2)だけにするとよい。これにより、式(1)でdおよびΔが0となるので、後側のレンズ群(負レンズ群G2)の駆動量と作動距離WDの変化量とが完全に線形な関係となる。
次に、観察装置1全体をさらに小型化する条件について説明する。
正レンズ群G1は焦点距離の絶対値が負レンズ群G2の焦点距離の絶対値より大きいことが望ましい。これにより、フォーカス光学系6より後側の光束径が小さくなるので、カップリング光学系13やコリメート光学系5の焦点距離を小さくすることができ、観察装置本体4の小型化が実現できる。
正レンズ群G1は焦点距離の絶対値が負レンズ群G2の焦点距離の絶対値より大きいことが望ましい。これにより、フォーカス光学系6より後側の光束径が小さくなるので、カップリング光学系13やコリメート光学系5の焦点距離を小さくすることができ、観察装置本体4の小型化が実現できる。
また、フォーカス光学系6が性能(収差補正がされた)を出すための条件は以下の通りである。
フォーカス光学系6は、スキャナ7側を前側とすると、正レンズ群G1は前側に凸面をもったメニスカスレンズLp1と両凸レンズを接合したレンズLp2であり、前記負レンズ群G2の最も前側のレンズは前側に凹面を向けた負レンズLn1で、以下の条件式(5)〜(7)を満たすことが望ましい。
Np2<Np1 ・・・・・・(5)
νp2−νp1>20 ・・・・・・・(6)
1<|(F−D)/Rn|<5 ・・・・・・・(7)
フォーカス光学系6は、スキャナ7側を前側とすると、正レンズ群G1は前側に凸面をもったメニスカスレンズLp1と両凸レンズを接合したレンズLp2であり、前記負レンズ群G2の最も前側のレンズは前側に凹面を向けた負レンズLn1で、以下の条件式(5)〜(7)を満たすことが望ましい。
Np2<Np1 ・・・・・・(5)
νp2−νp1>20 ・・・・・・・(6)
1<|(F−D)/Rn|<5 ・・・・・・・(7)
ここで、
Np1:メニスカスレンズLp1のd線に対する屈折率、
Np2:両凸レンズLp2のd線に対する屈折率、
νp1:メニスカスレンズLp1のアッベ数、
νp2:両凸レンズLp2のアッベ数、
F:フォーカス光学系の正レンズ群の焦点距離、
D:両凸レンズLp2と負レンズLn1の間隔、
Rn:負レンズLn1の前側面の曲率半径
である。
正レンズ群G1のレンズ形状および式(5)、(6)は、色収差を小さくする条件であり、Ln1の面形状および式(6)は球面収差を小さくする条件である。
Np1:メニスカスレンズLp1のd線に対する屈折率、
Np2:両凸レンズLp2のd線に対する屈折率、
νp1:メニスカスレンズLp1のアッベ数、
νp2:両凸レンズLp2のアッベ数、
F:フォーカス光学系の正レンズ群の焦点距離、
D:両凸レンズLp2と負レンズLn1の間隔、
Rn:負レンズLn1の前側面の曲率半径
である。
正レンズ群G1のレンズ形状および式(5)、(6)は、色収差を小さくする条件であり、Ln1の面形状および式(6)は球面収差を小さくする条件である。
次に、本実施形態に係る光走査型観察装置1の実施例について説明する。
正レンズ群G1の焦点距離:15mm、負レンズ群G2の焦点距離:−5mm、正レンズ群G1の前側焦点位置:−13.4mm(すなわち、スキャナ7との最適な距離は13.4mmである。)、全長(アフォーカル光学系成立時):15.9mmである。
正レンズ群G1の焦点距離:15mm、負レンズ群G2の焦点距離:−5mm、正レンズ群G1の前側焦点位置:−13.4mm(すなわち、スキャナ7との最適な距離は13.4mmである。)、全長(アフォーカル光学系成立時):15.9mmである。
表1においては、図2の左側(スキャナ7側)から面番号を付した。表1において、Rは面の曲率半径(mm)、Dは面間隔(mm)、ndはd線に対する屈折率、νdはd線に対するアッベ数である。
面番号3の面間隔が変化することで標本側の作動距離が変化する。
面番号3の面間隔が変化することで標本側の作動距離が変化する。
コリメート光学系5および検出光学系11のカップリング光学系13の一例を図3に示す。これらの光学系の焦点距離:5mmおよび開口数:0.15としたときのカップリング光学系13およびコリメート光学系5のレンズデータを表2に示す。
図2および表1のフォーカス光学系6と、図3および表2のカップリング光学系13とを組み合わせたときの性能を表3に示す。表3はフォーカス光学系6がアフォーカル光学系として成立したときの値を示している。
これによれば、本実施形態に係る光走査型観察装置1は、非常に高い光学性能を有していることがわかる。
これによれば、本実施形態に係る光走査型観察装置1は、非常に高い光学性能を有していることがわかる。
なお、本実施形態においては、正レンズ群G1にレンズ駆動手段6aが取り付けられていて、正レンズ群G1を駆動するようにしてもよいし、レンズ駆動手段6aを正レンズ群G1と負レンズ群G2の両方に取り付けて、両レンズ群G1,G2の相対距離を変更するようにしてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る光走査型観察装置1′について、図5を参照して説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置1′の説明において、上述した第1の実施形態に係る光走査型観察装置1と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光走査型観察装置1′の説明において、上述した第1の実施形態に係る光走査型観察装置1と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光走査型観察装置1′の観察装置本体4′は、図5〜図8に示されるように、フォーカス光学系6′、コリメート光学系5′およびカップリング光学系13′において、第1の実施形態と相違している。
本実施形態において、フォーカス光学系6′は光路に対し着脱可能に設けられているとともに、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′とで構成されている。負レンズ群G2′は、正レンズ群G1′に近い方からパワーの強い負レンズLnnとパワーの弱い正レンズLnpとで構成されている。
本実施形態において、フォーカス光学系6′は光路に対し着脱可能に設けられているとともに、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′とで構成されている。負レンズ群G2′は、正レンズ群G1′に近い方からパワーの強い負レンズLnnとパワーの弱い正レンズLnpとで構成されている。
正レンズ群G1′は、負レンズ群G2′よりも前側に配置されている。
正レンズ群G1′は、その前側焦点位置がスキャナ7の位置とほぼ一致するように配置されている。
正レンズ群G1′は、レンズ駆動手段6aにより光軸方向に移動させられるようになっており、これにより、対物レンズ10の先端側の作動距離が変化するようになっている。
また、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′の焦点位置の絶対値がほぼ同じである。
正レンズ群G1′は、その前側焦点位置がスキャナ7の位置とほぼ一致するように配置されている。
正レンズ群G1′は、レンズ駆動手段6aにより光軸方向に移動させられるようになっており、これにより、対物レンズ10の先端側の作動距離が変化するようになっている。
また、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′の焦点位置の絶対値がほぼ同じである。
このように構成された本実施形態に係る光走査型観察装置1′によれば、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′の焦点距離の絶対値がほぼ同じなので、アフォーカル光学系が成立するレンズ配置では倍率はほぼ1倍となる。これは、フォーカス光学系6′の前後で光束径がほぼ同じになることを示す。すなわち、フォーカス光学系6′を着脱しても光束径の変化が少ないので、フォーカス光学系6′の着脱に際してレーザ光や蛍光の光量変化を少なくすることができる。
また、本実施形態におけるフォーカス光学系6′(1倍アフォーカル光学系)を用いれば、内部フォーカス調整機構が備わっていないレーザ走査顕微鏡を作動距離を変えることができる顕微鏡に簡単に改造するできるメリットもある。改造は内部フォーカス調整機構が備わっていないレーザ走査顕微鏡のスキャナ7とダイクロイックミラー12との間に本実施形態におけるフォーカス光学系6′のユニットを入れることでだけで行える。
フォーカス光学系6′の前後で光束径がほぼ同じになるので、カップリング光学系13′やコリメート光学系5′やそのほかの光学系は変更することなく使用できるためである。
逆に、正レンズ群と負レンズ群の焦点距離の絶対値が異なっているとフォーカス光学系6′の前後で光束径が変わってしまい、カップリング光学系13′やコリメート光学系5′やそのほかの光学系の設計を変更する必要があるので、改造が大変になる。
逆に、正レンズ群と負レンズ群の焦点距離の絶対値が異なっているとフォーカス光学系6′の前後で光束径が変わってしまい、カップリング光学系13′やコリメート光学系5′やそのほかの光学系の設計を変更する必要があるので、改造が大変になる。
ここで、正レンズ群G1′と負レンズ群G2′の焦点距離の絶対値がほぼ同じで、かつ、アフォーカル光学系が成立する位置の近傍でレンズが互いに干渉しないで駆動できるように配置する方法について説明する。
フォーカス光学系6′のうち、負レンズ群G2′を前側(正レンズ群G1′に近い方)からパワーの強い負レンズLnnとパワーの弱い正レンズLnpとで構成する。このようにすると、負レンズ群G2′の前側の主点が負レンズLnnより外側に出るので、負レンズ群G2′の前側主点と正レンズLnpの後側主点とを一致させることが可能となり、アフォーカル光学系が成立する。このため、互いのレンズが干渉しないで駆動できる。
フォーカス光学系6′のうち、負レンズ群G2′を前側(正レンズ群G1′に近い方)からパワーの強い負レンズLnnとパワーの弱い正レンズLnpとで構成する。このようにすると、負レンズ群G2′の前側の主点が負レンズLnnより外側に出るので、負レンズ群G2′の前側主点と正レンズLnpの後側主点とを一致させることが可能となり、アフォーカル光学系が成立する。このため、互いのレンズが干渉しないで駆動できる。
次に、本実施形態に係る光走査型観察装置1′の実施例について説明する。
正レンズ群G1′の焦点距離:24mm、負レンズ群G2′の焦点距離:−24mm、正レンズ群G1′の前側焦点位置:−22.4mm(すなわち、スキャナ7との最適な距離は22.4mmである。)、全長(アフォーカル光学系成立時):23.5mm、負レンズ群G2′を構成する負レンズLnnの焦点距離:−3.84mm、正レンズLnpの焦点距離11.32mmである。
正レンズ群G1′の焦点距離:24mm、負レンズ群G2′の焦点距離:−24mm、正レンズ群G1′の前側焦点位置:−22.4mm(すなわち、スキャナ7との最適な距離は22.4mmである。)、全長(アフォーカル光学系成立時):23.5mm、負レンズ群G2′を構成する負レンズLnnの焦点距離:−3.84mm、正レンズLnpの焦点距離11.32mmである。
コリメート光学系5′および検出光学系11のカップリング光学系13′の一例を図7に示す。これらの光学系の焦点距離:15mmおよび開口数:0.16としたときのカップリング光学系13′およびコリメート光学系5′のレンズデータを表5に示す。
図6および表4のフォーカス光学系6′と、図7および表5のコリメート光学系5′およびカップリング光学系13′とを組み合わせたときの性能を表6に示す。表6はフォーカス光学系6′がアフォーカル光学系として成立したときの値を示している。
これによれば、本実施形態に係る光走査型観察装置1′は、非常に高い光学性能(波面収差RMS値と軸上色収差)を有していることがわかる。
これによれば、本実施形態に係る光走査型観察装置1′は、非常に高い光学性能(波面収差RMS値と軸上色収差)を有していることがわかる。
なお、本実施形態においては、図8に示されるようにレンズ駆動手段6aが負レンズ群G2′全体に取り付けられていて、これを動かしてもよいし、両レンズ群G1′,G2′を別々に駆動させてもよい。
1,1′ 光走査型観察装置
2 光源部(光源)
6,6′ フォーカス光学系(フォーカス走査手段)
6a レンズ駆動手段
7 スキャナ(横方向走査手段)
10 対物レンズ(対物光学系)
12 ダイクロイックミラー(検出光分離手段)
13,13′ カップリングレンズ(検出光集光光学系)
20 光検出器(検出器)
A 標本
G1,G1′ 正レンズ群
G2,G2′ 負レンズ群
Ln1 両凹レンズ(負レンズ)
Ln2 メニスカスレンズ(負レンズ)
Lnn 負レンズ(負レンズ小群)
Lnp 正レンズ(正レンズ小群)
Lp1 メニスカスレンズ
Lp2 両凸レンズ
WD 作動距離
2 光源部(光源)
6,6′ フォーカス光学系(フォーカス走査手段)
6a レンズ駆動手段
7 スキャナ(横方向走査手段)
10 対物レンズ(対物光学系)
12 ダイクロイックミラー(検出光分離手段)
13,13′ カップリングレンズ(検出光集光光学系)
20 光検出器(検出器)
A 標本
G1,G1′ 正レンズ群
G2,G2′ 負レンズ群
Ln1 両凹レンズ(負レンズ)
Ln2 メニスカスレンズ(負レンズ)
Lnn 負レンズ(負レンズ小群)
Lnp 正レンズ(正レンズ小群)
Lp1 メニスカスレンズ
Lp2 両凸レンズ
WD 作動距離
Claims (9)
- 標本を照明する照明光を出射する光源と、
該光源からの照明光を標本に集光する対物光学系と、
前記標本から発せられ、前記対物光学系により集光された検出光を照明光から分離する検出光分離手段と、
該検出光分離手段により分離された検出光を集光する検出光集光光学系と、
該検出光集光光学系により集光された検出光を検出する検出器と、
前記光検出光分離手段と前記対物光学系との間に配置されたフォーカス走査手段と、
前記フォーカス走査手段と前記対物光学系との間に配置され、前記光源からの照明光を標本上で光軸に対して略垂直方向に走査する横方向走査手段とを備え、
前記フォーカス走査手段が、少なくとも正レンズ群と負レンズ群とで構成されるフォーカス光学系と、該フォーカス光学系に含まれる少なくとも1群のレンズ群を光軸方向に移動させて前記対物光学系の作動距離を変化させるためのレンズ駆動手段とを備える光走査型観察装置。 - 前記正レンズ群および負レンズ群は、前記フォーカス光学系全体がアフォーカル光学系として成立する位置関係の近傍で前記レンズ群を駆動させる請求項1に記載の光走査型観察装置。
- 前記フォーカス光学系の横方向走査手段に近い側を前側とし、該前側のレンズ群の前側焦点が前記横方向走査手段近傍に配置されている請求項2に記載の光走査型観察装置。
- 前記正レンズ群が、前記負レンズ群よりも前記前側に配置されている請求項3に記載の光走査型観察装置。
- 前記負レンズ群が駆動される請求項2から請求項4のいずれかに記載の光走査型観察装置。
- 前記正レンズ群の焦点距離の絶対値が、前記負レンズ群の焦点距離の絶対値より大きい請求項2から請求項5のいずれかに記載の光走査型観察装置。
- 前記正レンズ群と前記負レンズ群の焦点距離の絶対値がほぼ同じである請求項2から請求項5のいずれかに記載の光走査型観察装置。
- 前記負レンズ群が、前記正レンズ群に近い側から負レンズ小群とそれよりもパワーの弱い正レンズ小群とからなる請求項7に記載の光走査型観察装置。
- 前記フォーカス光学系の横方向走査手段側を前側とし、
前記正レンズ群が、前記前側に凸面を有するメニスカスレンズと両凸レンズとを接合したレンズであり、
前記負レンズ群の最も前記前側のレンズが、前記前側に凹面を向けた負レンズであり、
以下の条件式(1)〜(3)を満足する請求項2から請求項8のいずれかに記載の光走査型観察装置。
Np2<Np1 (1)
νp2−νp1>20 (2)
1<|(F−D)/Rn|<5 (3)
ここで、
Np1:メニスカスレンズのd線に対する屈折率、
Np2:両凸レンズのd線に対する屈折率、
νp1:メニスカスレンズのアッベ数、
νp2:両凸レンズのアッベ数、
F:フォーカス光学系の正レンズ群の焦点距離、
D:両凸レンズと負レンズとの間隔、
Rn:負レンズの前側面の曲率半径
である。
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2007
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