JP2010210999A - 対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極低倍の観察に必要な偏光子や１／４波長板などの各素子を予め組み込んで構成することで、レボルバの回転作業のみで、極低倍から高倍までの観察を切り替えることが可能な対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】 対物レンズ１０は、光源側から順に並んだ、デポラライザ１１と、偏光子１２と、複数のレンズ群１３と、λ／４板１４とを有する。そして、偏光子１２は、複数の領域に分割され、隣り合う前記領域の偏光方向が互いに直交するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置に関する。

一般に、反射型の照明装置を備えた顕微鏡装置では、焦点距離の長い対物レンズ、言い換えれば結像倍率の低い対物レンズを使用する場合、反射型照明装置内と結像光学系内に一対のクロスニコル状態の偏光子を配置し、対物レンズと標本との間に１／４波長板を配置することで、対物レンズ面からの反射ノイズ光を除去し、標本からの信号光のみを検出できるような構成をとっている（例えば、特許文献１参照）。この構成によれば、標本からの信号光に対するノイズ光の強度を１０^-4程度まで減衰させることができる。

特開１１−２７１６２２号公報

一方で、従来の顕微鏡装置では、焦点距離の短い、言い換えれば結像倍率の高い対物レンズを使用する場合、対物レンズを構成する各レンズの曲率半径を小さくするなどして、該レンズ面での反射光が像面に集光しないように設計することが可能であるため、必ずしも上記のように偏光子と１／４波長板を使用する必要がなかった。

したがって、レボルバに倍率の異なる複数の対物レンズが装着されている状態で、極低倍（２．５倍以下）の対物レンズを使用する場合には、顕微鏡装置に挿脱可能に構成された一対の偏光子をクロスニコル状態で光路内に挿入し、さらに対物レンズの先端に予め装着された１／４波長板を回転させ、標本からの信号強度が最も高くなる位置に設定して観察するが、続けて中倍から高倍の対物レンズに切り替える場合には、極低倍での観察時に使用した一対の偏光子を光路外に出す必要があった。

すなわち、対物レンズを切り替える際には、レボルバの回転作業のみならず、偏光子の挿脱や１／４波長板の調整といった操作が必要となり、煩わしいという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、極低倍の観察に必要な偏光子や１／４波長板などの各素子を予め組み込んで構成することで、レボルバの回転作業のみで、極低倍から高倍までの観察を切り替えることが可能な対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明の対物レンズは、複数のレンズ群と、前記複数のレンズ群の像側に配置された偏光子と、前記偏光子より標本側に配置された１／４波長板とを有し、前記偏光子は、複数の領域に分割され、隣り合う前記領域の偏光方向が互いに直交するように構成されている。

なお、前記１／４波長板は、前記対物レンズの最も標本側に配置されることが好ましい。

または、前記１／４波長板は、前記偏光子と前記複数のレンズ群との間に配置されることが好ましい。

また、前記偏光子の像側に、偏光解消素子（例えば、本実施形態におけるデポラライザ１１）を配置することが好ましい。

また、前記偏光子、前記１／４波長板及び前記偏光解消素子の軸はそれぞれ前記対物レンズの光軸に対して２度以上６度未満傾いていることが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置は、上記いずれかの対物レンズを有する。

本発明によれば、極低倍の観察に必要な偏光子や１／４波長板などの各素子を予め組み込んで構成することで、レボルバの回転作業のみで、極低倍から高倍までの観察を切り替えることが可能な対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置を提供することができる。

本実施形態に係る対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置の概略断面図である。 本実施形態に係る偏光子の偏光状態を模式的に表した図である。 各光学素子（デポラライザ，偏光子のＰ領域及びＱ領域、１／４波長板）の軸方向を、顕微鏡装置の上部から見た図である。 第１実施例に係る対物レンズの断面構成図及び該レンズ内を通過する光束の偏光状態を模式的に表した図である。 第２実施例に係る対物レンズの断面構成図及び該レンズ内を通過する光束の偏光状態を模式的に表した図である。 広帯域対応の１／４波長板の波長特性の一例を示す図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本実施形態に係る対物レンズを有する顕微鏡装置の構成断面図を示す。

本実施形態に係る顕微鏡装置は、図１に示すように、光源１と、光源１からの光を平行光に変換するコレクタレンズ２と、コレクタレンズ２によって変換された平行光を集光して開口絞り４の位置に光源像を形成するリレーレンズ群３と、コレクタレンズ２の後側（すなわちリレーレンズ群３側）の焦点位置と共役な位置に配置されている視野絞り５と、視野絞り５の中心を通る光束を光軸と平行な光束に変換するフィールドレンズ６と、フィールドレンズ６により変換された平行光束を図面下向きに偏向するハーフミラー７と、ハーフミラー７の下側に設けられ複数の対物レンズを装着可能なレボルバ８と、レボルバ８に装着されている対物レンズ９，１０とを有する。なお、図１では、極低倍（２．５倍以下）の対物レンズ１０が選択されている。さらに、顕微鏡装置は、結像光学系、具体的には標本１６の一次像を形成する第２対物レンズ１８と、俯角を適当に決定する第１プリズム１９と、双眼観察に適した光路に分割する第２プリズム２０と、第２対物レンズ１８により形成された標本１６の一次像を拡大観察するための接眼レンズ２２とを有する。

上記構成の顕微鏡装置によれば、光源１から射出された光（照明光）は、コレクタレンズ２、リレーレンズ群３、開口絞り４、視野絞り５及びフィールドレンズ６を経て、ハーフミラー７で偏向され、選択された対物レンズ１０を介して、ステージ１７上の標本１６を照明する。これにより、反射型の明視野照明が達成される。

また、標本１６で反射された照明光は、標本１６を観察するために必要な光（信号光）として、前記選択された対物レンズ１０を経て、ハーフミラー７を透過し、第２対物レンズ１８、第１プリズム１９及び第２プリズム２０を順に通り、接眼レンズ２２へと導かれる。顕微鏡装置の使用者は、この接眼レンズ２２により、標本１６の一次像２１を拡大観察することができる。

以下、選択されている、極低倍の対物レンズ１０の内部構成について詳しく説明する。

（第１実施例）
第１実施例に係る対物レンズ１０について、図１〜図４を用いて説明する。この第１実施例に係る対物レンズ１０は、２．５倍以下の極低倍の対物レンズであり、図１に示すように、光源側から順に並んだ、デポラライザ１１と、偏光子１２と、複数のレンズ群１３と、１／４波長板１４（以下、λ／４板１４と記す）とを有する。

なお、デポラライザ１１は、入射光の偏光状態を解消（非偏光状態）する機能を持つ光学素子である。また、偏光子１２は、所定の偏光成分を選択的に透過させる機能を持つ光学素子である。なお、本実施形態に係る偏光子１２は、図２に示すように、複数の領域Ｐ，Ｑに分割され、隣り合う前記領域の偏光方向が互いに直交するように構成されている。また、λ／４板１４は、その速い軸の方向に振動する光と、直交する方向に振動する光との間に、１／４波長の位相差を生じさせる機能を持つ光学素子である。

また、デポラライザ１１，偏光子１２及びλ／４板１４は、図３に示すように顕微鏡装置の上から見ると、偏光子１２の領域Ｐの軸に対してデポラライザ１１の軸が４５度をなすように、また同じく偏光子１２の領域Ｐの軸に対して（デポラライザ１１とは反対側に）λ／４板１４の速い軸（位相が１／４波長進む振動方向）が４５度をなすように配置されている。また、上記したが、偏光子１２においては、領域Ｐの軸に対して領域Ｑの軸が直交するように構成されている。

また、本実施例の対物レンズ１０では、偏光子１２において、照明光及び複数のレンズ群１３を構成するレンズ面からの反射光であるノイズ光が領域Ｐを通り、標本１６からの反射光である信号光が領域Ｑを通るように、複数のレンズ群１３を構成するレンズの曲率半径や、対物レンズ１０を構成する各素子間での位置関係を調整する。

この構成の対物レンズ１０によれば、光源１からの照明光は、まずデポラライザ１１を通り（但し、ここでは特に偏光状態は変換されない）、偏光子１２の領域Ｐに入射する。偏光子１２の領域Ｐに入射した照明光は、該素子１２の領域Ｐの軸方向に偏光する光のみが選択され透過する。続いて、照明光は複数のレンズ群１３によって結像作用を受け、λ／４板１４を通過して円偏光となって、標本１６に照射される。

図４は、対物レンズ１０内を通過する光束の偏光状態を模式的に示したものであり、実線の円は各光学素子における軸方向を示し、破線の円Ｐ１１〜Ｐ１９はいずれも光を受け取る側から見た偏光状態を示す。図４に示すように、非偏光光である光源１からの照明光（偏光状態Ｐ１１）が対物レンズ１０に入射すると、矢印Ａ１が示す方向に進み、まずデポラライザ１１を透過する。但し、ここでは光の偏光方向は特に変換されず、照明光は非偏光のままである（偏光状態Ｐ１２）。次に、照明光は偏光子１２の領域Ｐによって偏光方向を選択され（偏光状態Ｐ１３）、この偏光状態で複数のレンズ群１３に入射する。

しかしながら、複数のレンズ群１３を構成するいずれかのレンズ面で反射した光が像面に到達すると、ノイズ光となって標本像のコントラストを下げてしまうため、ノイズ光の発生を抑える必要がある。ここで、ノイズ光の振る舞いについて説明すると、複数のレンズ群１３のいずれかのレンズ面で反射したノイズ光は、矢印Ａ２が示す方向に進むが、偏光状態は不変である（偏光状態Ｐ１４）である。この光束の状態は、偏光子１２の領域Ｑの偏光方向と直交する関係にある。したがって、ノイズ光は偏光子１２でブロックされ、光強度が偏光子１２の消光比のほぼ１０^-4以下まで減衰されるため、像面に到達しても問題ないレベルとなる。このようにして対物レンズ１０では、ノイズ光が回避される。

続いて、矢印Ａ１に沿って偏光状態Ｐ１３となった照明光は、複数のレンズ群１３により結像作用を受け、λ／４板１４により左回りの円偏光に（光を受け取る側から見て左回りに偏光面が回転するように）変換された後（偏光状態Ｐ１５）、標本１６を照明する。

そして、標本１６で反射した光（信号光）は、矢印Ａ３が示す方向に進み、偏光状態は変わらないまま（偏光状態１６。すなわち偏光状態１５と同じ）、再びλ／４板１４を透過すると、直線偏光に変換される（偏光状態Ｐ１７）。さらに、信号光は、矢印Ａ４が示す方向に進み、複数のレンズ群１３によって結像作用を受け、偏光状態はそのままで偏光子１２の領域Ｑに到達する。この時の光束の偏光状態は領域Ｑの偏光方向と同じ（平行）であるため、信号光は偏光子１２の領域Ｑを透過することができる（偏光状態Ｐ１８）。そして、信号光は、再びデポラライザ１１を通って非偏光に変換され（偏光状態Ｐ１９）、顕微鏡装置を構成する結像光学系（図１参照）へと進む。

ここで、本実施例において、デポラライザ１１を（対物レンズ１０内の）最も結像光学系側（光源側）に配置した理由について説明する。この位置にデポラライザ１１がないと、標本１６からの信号光は偏光子１２の領域Ｑで選択された直線偏光のまま（偏光状態Ｐ１８）で結像光学系へと進むことになり、顕微鏡装置内に配置されているハーフミラー７の偏光特性や、第１プリズム１９及び第２プリズム２０の反射膜の偏光特性などにより、明るさや色合いに影響を受けるおそれがある。ゆえに、デポラライザ１１を対物レンズ１０内の最も結像光学系側に配置して、結像光学系に入る信号光を非偏光に変換することによって（偏光状態Ｐ１９）、先のハーフミラー７やプリズム１９，２０の偏光特性に依存しない観察が可能となるからである。

以上のような構成の対物レンズ１０において、信号光の強度は、偏光子１２を照明光が１回通る際にほぼ半減する。言い換えれば、信号光の強度は、入射光の約１／２の強度に減衰するだけで済むため、十分な明るさを持って観察に臨むことができる。

なお、本実施例において、デポラライザ１１，偏光子１２及びλ／４板１４など、対物レンズ１０内に挿入される各光学素子は、対物レンズ１０の光軸に対して２度以上６度未満の傾きを有して配置されていることが望ましい。これまで説明してきた方法を用いれば、複数のレンズ群１３を構成するレンズ面での反射により生じたノイズ光は除去できる。しかしながら、上記のような（レンズ群１３以外の）挿入する各光学素子は一般に平行平板形状であり、それらの表面からの反射光は除去することができない。そこで、各光学素子を対物レンズ１０の光軸に対して傾けて配置することで、各光学素子の入射面や射出面で反射する光がノイズ光となって、観察視野内に入るのを避けている。

まず、複数のレンズ群１３と標本１６との間に配置される素子について考察する。顕微鏡装置の対物レンズは一般に、標本側テレセントリックになっている。そのため、素子に入射する光束は主光線が光軸に平行で、対物レンズの開口数相当の頂角を持った円錐状の光束である。したがって、素子の表面で反射した光束が、光軸に対して頂角以上になるように傾けることができれば、その光束は対物レンズの瞳径を通過することができないため、像面まで到達しない。

また、極低倍対物レンズの開口数は０．０３程度であり、その頂角は約１．７度であるから、光軸に対して−１．７度から＋１．７度までの円錐状の光束が像面まで導かれる。すなわち、素子の表面での反射光がこの円錐の外側に出るように、素子の光軸に対する傾きを決めれば良い。素子を＋１．７度以上傾ければ、光軸に対して−１．７度で入射する光線の反射光でも光軸に対して＋１．７度以上になるので、例えば２度以上にするとよい。

続いて、複数のレンズ群１３よりレボルバ８側に配置される素子について考察する。例えば、接眼レンズ２２の視野数を２５とし、結像光学系を構成する第２対物レンズ１８の焦点距離を２００ｍｍとした場合、対物レンズ１０と第２対物レンズ１８の間の光束の最大の画角は約３．６度である。すなわち、素子の表面で反射した光束が３．６度以上になるように傾ければ、その光束を観察視野外に出すことができる。したがって、前記素子の光軸に対する傾斜角は３．６度以上であると、広視野での観察が可能となるため、より好ましい。

また、傾斜角の上限について考察すると、例えば、挿入する素子が偏光板や樹脂製の広帯域の波長板の場合、角度特性は比較的良くできているので、傾きを大きくしても性能への影響が少ない。しかしながら、同焦点距離が限られた対物レンズで、しかも焦点距離の長い（すなわち、低倍である）場合、レンズの全長はできるだけ長い方が収差補正上都合が良い。したがって、ノイズ除去のために挿入する素子の総厚は、可能な限り薄くすることが好ましい。対物レンズ１０の光軸に垂直に配置したときの素子群の総厚をｔとし、直径をＤとし、傾斜角をθとしたとき、傾けたときの素子群の総厚t’は、次式（１）で表される。

ｔ’＝Ｄ×ｓｉｎθ＋ｔ×ｃｏｓθ …（１）

例えば、対物レンズ１０において、レボルバ８側に３種類の素子を挿入し、それぞれが基板ガラスを含め２ｍｍの厚みで、１ｍｍの空気間隔をとって配置すると、光軸に垂直に配置した場合の総厚は８ｍｍである。このような素子群を傾斜角６度で配置すると、総厚ｔ’は次式（２）で表される。

ｔ’＝２５×ｓｉｎ６°＋８×ｃｏｓ６°＝ １０．６［ｍｍ］ …（２）

例えば、同焦点距離を６０ｍｍと想定すると、上記の式（２）から分かるように、素子群の総厚ｔ’は対物レンズ１０の同焦点距離の２割近くを占めて、レンズ設計の自由度が減ってしまうため、傾きの上限は６度程度にするのが好ましい。

ゆえに、本実施例においては、対物レンズ１０に挿入される光学素子は、ノイズ光を除去するため、対物レンズ１０の光軸に対して２度以上６度未満の傾きを有して配置されることが望ましい。

（第２実施例）
次に、第２実施例に係る対物レンズ１０´について説明する。第２実施例において、上記の第１実施例と同じ構成、機能を有するものについては、同じ符号を用いて説明を省略する。第２実施例の対物レンズ１０´は、図５に示すように、偏光子１２と複数のレンズ群１３との間にλ／４板１４´が配置されている点が、第１実施例の対物レンズ１０とは異なる。この構成は、複数のレンズ群１３において、よりレボルバ８側（光源側）のレンズ面での反射の影響が大きい場合に有効である。

なお、本実施例の対物レンズ１０´も第１実施例と同様に、偏光子１２において、照明光及び複数のレンズ群１３を構成するレンズ面からの反射光であるノイズ光が領域Ｐを通り、標本１６からの反射光である信号光が領域Ｑを通るように、複数のレンズ群１３を構成するレンズの曲率半径や、対物レンズ１０を構成する各素子間での位置関係を調整している。

第２実施例に係る対物レンズ１０´においては、図５に示すように、非偏光光である光源１からの照明光（偏光状態Ｐ１１）が入射すると、矢印Ａ１が示す方向に進み、まずデポラライザ１１を透過する。但し、ここでは光の向きは特に変換されず、照明光は非偏光のままである（偏光状態Ｐ１２）。次に、照明光は偏光子１２の領域Ｐによって偏光方向を選択された（偏光状態Ｐ１３）後に、λ／４板１４´を通過して左回りの円偏光に変換され（偏光状態Ｐ１５）、複数のレンズ群１３に到達する。

そして、複数のレンズ群１３に到達した照明光のうち、該レンズ群１３を構成するいずれかのレンズ面で反射した光、すなわちノイズ光は、矢印Ａ５が示す方向に進む。この時の偏光状態は変わらず、円偏光のままである（偏光状態Ｐ１５ｂ）。続いて、ノイズ光は、再びλ／４板１４´を通過して直線偏光に変換される（偏光状態１４ｂ）。この時の偏光状態は、偏光子１２の領域Ｐの偏光方向と直交する関係にある。したがって、ノイズ光は偏光子１２でブロックされ、ノイズ光が結像光学系（図１参照）に入り込むことを回避できる。

続いて、複数のレンズ群１３を透過した照明光（偏光状態Ｐ１５）は、該レンズ群１３により結像作用を受けた後、標本１６を照明する。標本１６で反射した光（信号光）は、偏光状態には何ら影響を受けずに、矢印Ａ３´が示す方向に進み（偏光状態Ｐ１６）、複数のレンズ群１３を通って結像作用を受ける。さらに、信号光は、矢印Ａ４´が示す方向に進み、再びλ／４板１４´を透過して直線偏光に変換されて（偏光状態Ｐ１７）、偏光子１２の領域Ｑに到達する。この時の光束の偏光状態は領域Ｑの偏光方向と同じ（平行）であるため、信号光はそのまま偏光子１２の領域Ｑを透過することができる（偏光状態Ｐ１８）。そして、信号光は、デポラライザ１１を通って非偏光に変換された後（偏光状態Ｐ１９）、顕微鏡装置を構成する結像光学系（図１参照）へと進む。

以上のような構成の対物レンズ１０´において、信号光の強度は、偏光子１２を照明光が１回通る際にほぼ半減する。言い換えれば、信号光の強度は、入射光の約１／２の強度に減衰するだけで済むため、十分な明るさを持って観察に臨むことができる。

このように第２実施例に係る対物レンズ１０´は、第１実施例と同様に、偏光状態を光量ロスなく変換できる上に、標本１６には円偏光が照射されるため、標本１６に偏光特性があってもこれに依存せず良好な観察が可能である。

以上のように、本発明によれば、極低倍の観察時に必要な偏光子や１／４波長板などの各光学素子を予め組み込んで対物レンズを構成することにより、従来のように顕微鏡装置に前記光学素子を付帯させる必要がなく、使用者はレボルバの回転作業のみで、極低倍から高倍まで観察することが可能である。

なお、本発明を分かりやすくするために、実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

例えば、本発明で使用する１／４波長板は、なるべく広帯域対応のものが好ましい。具体的には、波長４００〜６００ｎｍにおいて、リタデーション（位相差）が８０度〜１００度程度のものを用いると、標本の色味が変化することもなく、良好な観察が可能である。

図６は、広帯域対応の１／４波長板の波長特性の一例を示すものであり、横軸が波長で、縦軸が発生するリタデーション（位相差）を角度で示したグラフである。一般に、１／４波長板等の位相板は、ある方向の偏光に対してそれと垂直な方向の偏光の位相を遅らせる素子であるが、通常は複屈折を利用しているため、光の波長によってその位相差が変わってしまうという特徴がある。したがって、上記で用いたようなλ／４板１４，１４´のように、ノイズ光を２度通すことでクロスニコルによる減衰の目的で使用する場合には、波長によっては２度通過しても直線偏光に戻らないため、色づいたノイズ光が観察される場合があった。ここで、複屈折性と屈折率分布の異なる二つの物質を貼り合わせて１／４波長板を作製すると、特定の２波長において、所望の位相差を持った波長板を作ることができる。これを広帯域波長板や色消し波長板などと呼んでいる。このような特性を持つ波長板を利用すれば、白色光で反射照明観察した場合でも、殆ど全ての波長でノイズを除去することができる。

また、各実施例に係る対物レンズ１０，１０´において、デポラライザ１１に換えて、１／４波長板を用いてもよい。１／４波長板は薄いシート状であるため、厚みのあるデポラライザと比べ、長さに制限がある対物レンズ１０内のスペースを有効に活用することができる。

１０，１０´ 対物レンズ
１１ デポラライザ（偏光解消素子）
１２ 偏光子
１３ 複数のレンズ群
１４，１４´ λ／４板（１／４波長板）

Claims (6)

1. 複数のレンズ群と、
   前記複数のレンズ群の像側に配置された偏光子と、
   前記偏光子より標本側に配置された１／４波長板とを有し、
   前記偏光子は、複数の領域に分割され、隣り合う前記領域の偏光方向が互いに直交するように構成されていることを特徴とする対物レンズ。
2. 前記１／４波長板は、前記対物レンズの最も標本側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
3. 前記１／４波長板は、前記偏光子と前記複数のレンズ群との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
4. 前記偏光子の像側に、偏光解消素子を配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の対物レンズ。
5. 前記偏光子、前記１／４波長板及び前記偏光解消素子の軸はそれぞれ前記対物レンズの光軸に対して２度以上６度未満傾いていることを特徴とする請求項４に記載の対物レンズ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の対物レンズを有する顕微鏡装置。
   

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