JP4862368B2 - ズーム顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、標本の垂直観察や画像取得に用いられるズーム顕微鏡に関する。

ズーム顕微鏡としては、無限遠補正型の対物レンズにズーム結像レンズを組み合わせた構成が知られている（例えば特許文献１参照）。この構成では、ズーム結像レンズの中の変倍用のレンズ群を光軸方向に沿って移動させることにより、標本の像の観察倍率を任意に変更できる。
また、無限遠補正型のズーム対物レンズを通常の顕微鏡のレボルバに取り付け、ズーム対物レンズと顕微鏡の結像レンズとの組み合わせにより、ズーム顕微鏡を構築することも提案されている（例えば特許文献２参照）。このような構成では、ズーム対物レンズの中の変倍用のレンズ群を光軸方向に沿って移動させることにより、標本の像の観察倍率を任意に変更できる。
特開平６−１８７８４号公報 特開２００４−１３３３４１号公報

しかしながら、上記のズーム顕微鏡は何れも想定している変倍域が狭く、例えば低倍域(０.５倍〜２倍程度)における変倍を想定していない。そこで、変倍域を拡大する(例えば低倍側に拡大する)ことが望まれるが、前者の構成では、対物レンズの瞳がズーム結像レンズの中にあり、変倍によりズーム結像レンズの瞳位置が動くため、対物レンズの入射瞳位置を変倍域全域にわたり、無限遠方に配置することが困難であった。一方、後者の構成では、ズーム対物レンズのうち対物レンズ部とズーム部(変倍用のレンズ群を含む)との間に瞳があるため、変倍域の異なる複数のズーム対物レンズを用意することができ、これらをレボルバに付け替えることによって変倍域を拡大できる。しかし、各々のズーム対物レンズごとにズーム部を設けなければならず、装置が大掛かりになってしまう。

本発明の目的は、簡素な構成で変倍域を拡大することができるズーム顕微鏡を提供することにある。

請求項１に記載のズーム顕微鏡は、標本側から順に、交換可能な無限遠補正型の対物レンズと、開口絞りと、アフォーカルズーム系と、結像光学系とが配置され、前記開口絞りは、前記対物レンズの後側焦点面またはその近傍に配置され、低倍端状態における前記結像光学系と組み合わせた前記アフォーカルズーム系の焦点距離をｆＬ、最大像高をＹmaxとして、次の条件式０.０５＜Ｙmax／ｆＬ＜０.１６を満足する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のズーム顕微鏡において、前記アフォーカルズーム系は標本側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、弱い正の屈折力を有する第４レンズ群とで構成され、前記第２レンズ群及び前記第３レンズ群を光軸方向に移動させる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のズーム顕微鏡において、前記アフォーカルズーム系は、低倍端状態における前記第２レンズ群の倍率をβ２Ｌとして以下の条件式−０．１＜β２Ｌ＜−０．３を満足する。
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載のズーム顕微鏡において、前記アフォーカルズーム系は、低倍端状態における前記第３レンズ群の倍率をβ３Ｌとして以下の条件式−０．０１＜１／β３Ｌ＜０．０４を満足する。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、前記アフォーカルズーム系は、光軸方向に沿って移動可能な変倍用のレンズ群を有し、前記開口絞りは、前記変倍用のレンズ群の移動に応じて絞り径が可変であるものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、前記アフォーカルズーム系と前記結像光学系との間に、光源像を前記開口絞りまたはその近傍に形成する同軸落射照明手段が配置されるものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、前記対物レンズを交換可能に保持する保持部材を備え、前記開口絞りは、前記保持部材の像側に配置されるものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、前記対物レンズは、物体側より順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群と、全体として負の屈折力を有する第２レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第３レンズ群とより構成され、前記第１レンズ群は、正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の単レンズまたは正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の接合レンズを含み、前記第２レンズ群は，少なくとも１つの接合レンズを含み、物体側に略テレセントリックであり、前記対物レンズは、物体上任意の位置における主光線が光軸となす角度をα(単位は度)として、以下の条件式を満たす。

−０．３ ＜ α ＜ ０．３

本発明によれば、簡素な構成で変倍域を拡大することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態のズーム顕微鏡１０は、図１に示す通り、標本１０Ａの側から順に、対物レンズ１１と、開口絞り１２と、アフォーカルズーム系１３と、結像光学系１４とが配置されたものである。標本１０Ａの各点から発生した光束は、対物レンズ１１を介して平行光束に変換され、アフォーカルズーム系１３を介して変倍され、結像光学系１４を介して集光されて、像面１０Ｂに到達する。

像面１０Ｂに形成された標本１０Ａの像を観察するため、像面１０Ｂには例えばＣＣＤなどの撮像素子を配置する。または、結像光学系１４に代えて、同等の結像光学系を含む観察用双眼鏡筒（接眼鏡筒）や、写真直筒、観察・撮影用三眼鏡筒などを、用途に応じて配置することもできる。第１実施形態のズーム顕微鏡１０を用いることにより、標本１０Ａの垂直観察や画像取得が可能となる。

また、第１実施形態のズーム顕微鏡１０において、アフォーカルズーム系１３は、標本１０Ａの側から順に、正の屈折力を持つ第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を持つ第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を持つ第３レンズ群Ｇ３と、弱い正の屈折力を持つ第４レンズ群Ｇ４とで構成され、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３が変倍用のレンズ群である。このため、第１レンズ群Ｇ１と第４レンズ群Ｇ４を固定し、変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を光軸方向に沿って移動させることにより、標本１０Ａの像の観察倍率を任意に変更することができる。観察倍率は、対物レンズ１１の焦点距離と（結像光学系１４と組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離との比によって決まる。

さらに、対物レンズ１１は無限遠補正型であり、対物レンズ１１の後側焦点面は最も像側のレンズ面より像側（対物レンズ１１とアフォーカルズーム系１３との間）にある。そして、対物レンズ１１の後側焦点面（またはその近傍）に、開口絞り１２が配置される。このため、対物レンズ１１の物体側の入射瞳位置は無限遠方（テレセントリック）となり、標本１０Ａの各点から射出した光束の主光線は光軸方向に平行となるように、対物レンズ１１に入射する。

また、開口絞り１２の位置をアフォーカルズーム系１３の入射瞳位置とすることで、上記の変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を移動させて変倍しても、その変倍域の全体にわたって対物レンズ１１の入射瞳位置を無限遠方に配置することができる。つまり、アフォーカルズーム系１３による変倍状態に拘わらず、対物レンズ１１の物体側のテレセントリック性を保つことができる。

さらに、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、対物レンズ１１が不図示のターレット（レボルバ）に取り付けられて交換可能となっている。つまり、ターレットには数種類の対物レンズ１１（例えば図２に示す低倍の対物レンズ１１(1)や高倍の対物レンズ１１(2)など）が取り付けられ、ターレットの回転（またはスライド）によって対物レンズ１１の種類を交換可能となっている。

また、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、各々の対物レンズ１１の胴付面（ターレットへの取り付け面）から後側焦点面までの距離が同一である。このため、対物レンズ１１を交換しても、開口絞り１２を固定したままで、対物レンズ１１の後側焦点面（またはその近傍）と開口絞り１２の配置面とを一致させることができる。さらに、開口絞り１２の配置面とアフォーカルズーム系１３の入射瞳位置が一致した状態も維持できる。

したがって、対物レンズ１１を交換しても、アフォーカルズーム系１３による変倍状態(つまり変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)の位置)に拘わらず、対物レンズ１１の物体側のテレセントリック性を保つことができる。
そして、低倍の対物レンズ１１(1)を光軸上に配置したときには、対物レンズ１１(1)の物体側のテレセントリック性を保ちながら、対物レンズ１１(1)の焦点距離と（結像光学系１４を組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離との比に応じて、標本１０Ａの像の観察倍率を変更できる。同様に、高倍の対物レンズ１１(2)を光軸上に配置したときには、対物レンズ１１(2)の物体側のテレセントリック性を保ちながら、対物レンズ１１(2)の焦点距離と（結像光学系１４を組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離との比に応じて、標本１０Ａの像の観察倍率を変更できる。

例えば、低倍（１倍）の対物レンズ１１(1)の焦点距離を１００ｍｍ、高倍（４倍）の対物レンズ１１(2)の焦点距離を２５ｍｍ、極低倍（０.５倍）の対物レンズ(不図示)の焦点距離を２００ｍｍ、（結像光学系１４と組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離を１００ｍｍ〜７５０ｍｍとし、観察倍率の範囲（変倍域）について説明する。極低倍の対物レンズを用いたときの変倍域は０.５倍〜３.７５倍となる。低倍の対物レンズ１１(1)を用いたときの変倍域は１倍〜７.５倍となる。高倍の対物レンズ１１(2)を用いたときの変倍域は４倍〜３０倍となる。そして全体の変倍域は０.５倍〜３０倍となる。

このように、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、交換可能な対物レンズ１１（図２の対物レンズ１１(1),１１(2)参照）によってアフォーカルズーム系１３を共有し、対物レンズ１１の交換によって変倍域をシフトさせるため、簡素な構成（つまり１つのアフォーカルズーム系１３）で、変倍域を拡大することができる。
そして、交換可能な対物レンズ１１の１つとして極低倍の対物レンズ（例えば０.５倍の対物レンズ)）を用いることにより、簡素な構成で、変倍域を極低倍域(０.５倍〜２倍程度)まで拡大することができる。この場合、ズーム顕微鏡１０は“マクロズーム顕微鏡”として機能し、標本１０Ａのマクロ観察も可能となる。マクロ観察では、例えば金属の標本や機械部品(歯車など)のように比較的大きな標本１０Ａの観察が行われる。標本１０Ａの厚さ変化に対応するには、対物レンズ１１から結像光学系１４までの観察光学系を全体的に上下動させればよい。

また、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、既に説明した通り、対物レンズ１１を交換してもアフォーカルズーム系１３の変倍状態(つまり変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)の位置)に拘わらず物体側のテレセントリック性を確保することができる。このため、低倍の対物レンズに交換して変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を移動させながら標本１０Ａのマクロ観察を行う場合であっても、同様に、物体側のテレセントリック性を確保できる。

さらに、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、広い変倍域の全体（例えば０.５倍〜３０倍の範囲）で、対物レンズ１１の物体側のテレセントリック性を確保できるため、ケラレの無い同軸落射照明が可能となる。
また、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、アフォーカルズーム系１３の前後（つまり対物レンズ１１とアフォーカルズーム系１３との間やアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４との間）に、同軸落射照明装置や蛍光落射照明装置や写真鏡筒などを組み込むことにより、広い変倍域で（低倍域でも）多彩な観察方法を実現できる。なお、透明な標本１０Ａを観察する場合には、標本１０Ａの下方（対物レンズ１１とは反対側）に透過照明装置を配置すればよい。

さらに、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、開口絞り１２として可変開口絞りを用い、その絞り径をアフォーカルズーム系１３の変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)の移動に応じて可変とすることが望ましい（図３(ａ),(ｂ)参照）。図３(ａ),(ｂ)では、標本１０Ａの各点から発生する光束のうち、中心光束を破線で示し、像最周辺の主光線を二点鎖線で示した。なお、図示した主光線だけでなく不図示の主光線も光軸方向に平行であり、対物レンズ１１の物体側のテレセントリック性が確保されていることが分かる。

図３(ａ)はレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を低倍側に移動させた状態を示し、この移動に連動して開口絞り１２の絞り径を小さくすることで、中心光束の開き角を小さく制限することができる。この場合、低ＮＡで焦点深度の深い広視野の観察が可能となる。図３(ｂ)はレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を高倍側に移動させた状態を示し、この移動に連動して開口絞り１２の絞り径を大きくすることにより、中心光束の開き角を大きく広げることができる。この場合、高ＮＡで高解像の観察が可能となる。

また、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、アフォーカルズーム系１３の第２レンズ群Ｇ２が次の条件式(１)を満足することが望ましい。条件式(１)は、低倍端状態における第２レンズ群Ｇ２（例えば図３(ａ)参照）の倍率β２Ｌの望ましい範囲を示している。
−０.１＜β２Ｌ＜−０.３ …(１)
条件式(１)の下限値を下回ると、第２レンズ群Ｇ２の移動量が大きくなり、変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を移動させるための機構が大型化・複雑化するため、好ましくない。なお、同じ条件下で第２レンズ群Ｇ２の移動量を小さくするには、第２レンズ群Ｇ２の屈折力を強くしなければならず、この場合、画面周辺部の収差補正が困難となる。一方、条件式(１)の上限値を上回ると、低倍率側での第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔が大きくなる。このため、第３レンズ群Ｇ３に入射する周辺光束の入射高が高くなり、第３レンズ群Ｇ３が大型化し、好ましくない。したがって、条件式(１)を満足することにより、アフォーカルズーム系１３の小型化、特に第２レンズ群Ｇ２の移動量を適切な値とし、第３レンズ群Ｇ３の小型化を達成することができる。

さらに、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、アフォーカルズーム系１３の第３レンズ群Ｇ３が次の条件式(２)を満足することが望ましい。条件式(２)は、低倍端状態における第３レンズ群Ｇ３（例えば図３(ａ)参照）の倍率β３Ｌの望ましい範囲を示している。
−０.０１＜１／β３Ｌ＜０.０４ …(２)
条件式(２)の下限値を下回ると、第３レンズ群Ｇ３の屈折力が強くなり、低倍率側での画面周辺部の収差補正が困難となる。一方、条件式(２)の上限値を上回ると、第３レンズ群Ｇ３の屈折力が弱くなり、第４レンズ群Ｇ４に入射する周辺光束の入射高が高くなるため、第４レンズ群Ｇ４が大型化し、好ましくない。したがって、条件式(２)を満足することにより、アフォーカルズーム系１３の小型化、特に第４レンズ群Ｇ４の小型化と、低倍率側での画面周辺部において良好な光学性能を達成することができる。

さらに、第１実施形態のズーム顕微鏡１０では、（結像光学系１４と組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離と最大像高が次の条件式(３)を満足することが好ましい。条件式(３)は、低倍端状態における（結像光学系１４と組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離ｆＬと、最大像高Ｙmaxとの比の望ましい範囲を示している。
０.０５＜Ｙmax／ｆＬ＜０.１６ …(３)
条件式(３)の下限値を下回ると、最大像高に対して低倍端状態における（結像光学系１４と組み合わせた）アフォーカルズーム系１３の焦点距離が長くなる。このため、極低倍（０.５倍）の対物レンズの焦点距離も長くなり、極低倍観察を行う際のズーム顕微鏡システムが大型化し、好ましくない。一方、条件式(３)の上限値を上回ると、低倍率側での像最周辺の光束がアフォーカルズーム系１３へ入射する角度が大きくなり、第３レンズ群Ｇ３,第４レンズ群Ｇ４が大型化すると共に、画面周辺部の収差補正が困難となり、好ましくない。したがって、条件式(３)を満足することにより、極低倍観察を行う際のズーム顕微鏡システムの小型化と、低倍率側での画面周辺部において良好な光学性能を達成することができる。

次に、上記した第１実施形態のズーム顕微鏡１０のうち、対物レンズ１１とアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４の具体的な構成について説明する。
対物レンズ１１は、図４に示す通り、物体側（図の左方）から順に、平板ガラス２１、両凸レンズ２２、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ２３、両凸レンズ２４と両凹レンズ２５との接合レンズ、両凹レンズ２６と両凸レンズ２７との接合レンズ、および、両凸レンズ２８が配置されたものである。この対物レンズ１１の倍率は１倍である。平板ガラス２１には、同軸落射照明を想定する場合、１/４波長板が用いられる。同軸落射照明を想定しない場合には、平板ガラス２１としてダミーガラス（保護ガラス）を用いることが好ましい。

図４に示す対物レンズ１１の諸元値を表１に例示する。

表１において、面番号０は物体面に対応し、面番号１〜１４は物体側から順に付したレンズ面の番号であり、面番号１５は開口絞り１２に対応する。レンズ面の曲率半径(ｒ)のマイナス(−)は、レンズ面が像側に向けて凸状であることを表す。面間隔(ｄ)は、光軸上でのレンズ厚または空気間隔である。その他、νはｄ線（587ｎｍ）に対するアッベ数、ｎはｄ線に対する屈折率である。作動距離ｄｏは物体面(０)から最も物体側のレンズ面(１)までの間隔（＝36.0131）に相当する。最も像側のレンズ面(１４)から開口絞り１２までの距離は１０ｍｍである。ｆは対物レンズ１１の焦点距離を示す。

また、アフォーカルズーム系１３は、図５に示す通り、既に説明した４つのレンズ群Ｇ１,Ｇ２,Ｇ３,Ｇ４からなる（図３(ｂ)も参照）。さらに、第１レンズ群Ｇは、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ３１と両凸レンズ３２との接合レンズ、および、物体に凸面を向けた正メニスカスレンズ３３からなる。第２レンズ群Ｇ２は、両凹レンズ３４、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ３５と両凹レンズ３６との接合レンズ、および、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ３７からなる。第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ３８、および、両凸レンズ３９と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ４０との接合レンズからなる。第４レンズ群Ｇ４は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ４１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ４２との接合レンズからなる。

図５のアフォーカルズーム系１３において、低倍端から高倍端に変倍する際には、第１レンズ群Ｇ１および第４レンズ群Ｇ４を固定して、第２レンズ群Ｇ２を像側に移動させると共に、第２レンズ群Ｇ２の移動による焦点移動を補正する方向に第３レンズ群Ｇ３を移動させることになる（図３(ａ)→(ｂ)参照）。なお、アフォーカルズーム系１３の低倍端から高倍端への変倍に連動して、開口絞り１２の絞り径を大きくすることが好ましい。

図５に示すアフォーカルズーム系１３と開口絞り１２の諸元値を表２に例示する。

表２において、面番号１は開口絞り１２に対応し、面番号２〜２１は物体側から順に付したレンズ面の番号であり、面番号２２は鏡筒胴付面に対応する。最も物体側のレンズ面(２)から開口絞り１２までの距離は１５ｍｍである。ｆは物体面から開口絞り１２までの距離ｄｏ'＝∞としたときのレンズ全系の焦点距離を示す。ＦｎｏはＦナンバー、ｆａｉは開口絞り１２の絞り径を示す。

また、上記した条件式(１)〜(３)に対応する値は次の通りである。
（１） β２Ｌ ＝−０.２１７
（２） １／β３Ｌ＝ ０.００８
(３) Ｙmax／ｆＬ＝ ０.１１０
結像光学系１４は、図６に示す通り、４枚のレンズ６１〜６４により構成される。また、図６に示す結像光学系１４の諸元値を表３に例示する。表３において、面番号１は鏡筒胴付面（ＰＬ）に対応し、面番号２〜７は物体側から順に付したレンズ面の番号である。最も物体側の面から鏡筒胴付面（ＰＬ）までの距離は１ｍｍである。ｆは結像光学系１４の焦点距離、Ｂｆは最も像側の面から像面までの距離を示す。

さらに、表２の諸元値に基づくアフォーカルズーム系１３および開口絞り１２と、表３の諸元値に基づく結像光学系１４とを備えたズーム顕微鏡１０について、その諸収差（球面収差,非点収差,歪曲収差,倍率色収差,コマ収差）を図７〜図９に示す。図７は低倍端状態（ｆ＝１００）、図８は中間状態（ｆ＝２５０）、図９は高倍端状態（ｆ＝７５０）に対応している。図７〜図９において、ＦｎｏはＦナンバー、Ｙは像高、ｄはｄ線（λ＝５８７ｎｍ）、ｇはｇ線（λ＝４３６ｎｍ）を表す。図からも明らかなように、第１実施形態のズーム顕微鏡１０は諸収差が良好に補正されている。

（第２実施形態）
第２実施形態のズーム顕微鏡４０は、図１０に示す通り、第１実施形態のズーム顕微鏡１０（図１）のアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４との間に、同軸落射照明装置(４３〜４６)を設けたものである。このズーム顕微鏡４０は、工業用途での不透明な標本１０Ａの垂直観察（画像取得）に用いられる。

同軸落射照明装置(４３〜４６)において、ファイバ光源４３から出射した光束は、コレクタレンズ４４とリレーレンズ４５とビームスプリッタ４６とを介してアフォーカルズーム系１３に導かれ、アフォーカルズーム系１３を介して開口絞り１２に到達する。このとき、開口絞り１２（またはその近傍）には、同軸落射照明装置(４３〜４６)によって光源像（ファイバ光源４３の端面像）が形成される。

その後、開口絞り１２を通過した光束は、対物レンズ１１を介して標本１０Ａに入射する。上記のように、対物レンズ１１の後側焦点面が開口絞り１２の近傍にあり、広い変倍域の全体（例えば０.５倍〜３０倍の範囲）で、対物レンズ１１の物体側のテレセントリック性を確保できるため、対物レンズ１１から標本１０Ａに向かう光束の主光線は光軸方向に平行となる。すなわち、標本１０Ａに対する照明は、ケラレの無い同軸落射照明（いわゆるテレセトリック照明）となる。

したがって、不透明な標本１０Ａの明視野観察を良好に行うことができる。特に低倍域(０.５倍〜２倍程度)でのマクロ観察を行う場合、物体側のテレセントリック性が悪いと、画面周辺部の主光線（瞳の中心を通る光線）が瞳面を通過する際の角度が大きくなるため、視野内の照明にケラレが生じ、好ましくない。本実施形態のズーム顕微鏡４０では、低倍域でも物体側のテレセントリック性を確保できるため、ケラレの無い同軸落射照明によって良好にマクロ観察を行える。

さらに、本実施形態のズーム顕微鏡４０では、同軸落射照明装置(４３〜４６)をアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４との間に配置し、アフォーカルズーム系１３を介して標本１０Ａを照明する（つまりアフォーカルズーム系１３を照明系と観察系とで共有する）ため、変倍時に、標本１０Ａの観察範囲の変化に連動して照明範囲も変化させることができる。したがって、効率の良い同軸落射照明が可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態のズーム顕微鏡５０は、図１１に示す通り、第１実施形態のズーム顕微鏡１０（図１）の対物レンズ１１と開口絞り１２との間に、蛍光落射照明装置(５１〜５６)を設けたものである。このズーム顕微鏡５０は、生体標本のように蛍光物質で標識された標本１０Ａからの微弱光に基づく垂直観察（画像取得）に用いられる。

蛍光落射照明装置(５１〜５６)において、ファイバ光源５１から出射した光束は、コレクタレンズ５２とリレーレンズ５３と不図示の開口絞りとを介して励起フィルタ５４に入射する。励起フィルタ５４は、標本１０Ａの励起に必要な波長帯域の光束（励起光）のみを透過する。励起フィルタ５４からの励起光は、ダイクロイックミラー５５を介して対物レンズ１１に導かれ、対物レンズ１１を介して標本１０Ａに入射する。

そして、標本１０Ａから発生する蛍光は、対物レンズ１１とダイクロイックミラー５５とバリアフィルタ５６とを介して開口絞り１２に入射した後、開口絞り１２とアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４とを介して像面１０Ｂに到達する。標本１０Ａからの蛍光は微弱であり、標本１０Ａで反射した不要な励起光と共にダイクロイックミラー５５に入射するが、ダイクロイックミラー５５とバリアフィルタ５６とを通過する際に不要な励起光が遮断されるため、微弱な蛍光のみ像面１０Ｂに導くことができる。したがって、広い変倍域の全体（例えば０.５倍〜３０倍の範囲）で、標本１０Ａの蛍光観察を行える。

さらに、本実施形態のズーム顕微鏡５０において、蛍光落射照明装置(５１〜５６)からの励起光は、観察光学系（対物レンズ１１から結像光学系１４まで）のうち、対物レンズ１１のみを透過して、アフォーカルズーム系１３や結像光学系１４は透過しない。このため、励起光によって観察光学系の各レンズ素子で発生する自家蛍光を最小限に抑えることができる。その結果、コントラストの良い蛍光観察が可能となる。

また、蛍光落射照明装置(３１〜３６)をズーム光学系としてもよい。この場合、励起光の照明範囲と照明光のＮＡを変えることが可能となり、観察光学系の変倍域に合わせた効率のよい蛍光照明を行うことが可能となる。さらには上記落射照明装置のズーム光学系の変倍機構を、アフォーカルズーム系１３の変倍機構と機械的に連動させれば、１つの変倍操作で、観察光学系の変倍域に合わせた効率の良い蛍光照明を行うことが可能となる。

なお、本実施形態のズーム顕微鏡５０では、励起光が照射された標本１０Ａの中の蛍光物質から発する蛍光を観察するため、照明光のテレセントリック性は必要ない。
（第４実施形態）
ここでは、３群構成のアフォーカルズーム系７０について説明する。
アフォーカルズーム系７０は、図１２に示す通り、３つのレンズ群Ｇ１,Ｇ２,Ｇ３からなる。さらに、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ７１と両凸レンズ７２との接合レンズ、および、物体に凸面を向けた正メニスカスレンズ７３からなる。第２レンズ群Ｇ２は、両凹レンズ７４、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ７５と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ７６との接合レンズ、および、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる。第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ７８、両凸レンズ７９と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ８０との接合レンズからなる。

図１２のアフォーカルズーム系７０において、低倍端から高倍端に変倍する際には、第１レンズ群Ｇ１を固定して、第２レンズ群Ｇ２を像側に移動させると共に、第２レンズ群Ｇ２の移動による焦点移動を補正する方向に第３レンズ群Ｇ３を移動させることになる。なお、アフォーカルズーム系７０の低倍端から高倍端への変倍に連動して、開口絞り１２の絞り径を大きくすることが好ましい。

図１２に示すアフォーカルズーム系７０と開口絞り１２の諸元値を表４に例示する。

表４において、面番号１は開口絞り１２（ＳＰ）に対応し、面番号２〜１８は物体側から順に付したレンズ面の番号であり、面番号１９は鏡筒胴付面（ＰＬ）に対応する。最も物体側のレンズ面（２）から開口絞り（ＳＰ）までの距離は５ｍｍである。ｆは物体面から開口絞り１２までの距離ｄ₀＝∞とし、結像光学系１４の焦点距離ｆ＝２５０ｍｍとしたときのレンズ全系の焦点距離を示す。ＦｎｏはＦナンバー、ｆａｉは開口絞り１２の絞り径を示す。

また、上記した条件式(１)〜(３)に対応する値は次の通りである。
（１）β２Ｌ ＝−０．２２１
（２）１／β３Ｌ＝ ０．０００
(３) Ｙmax／ｆＬ＝ ０.１１０
さらに、表４の諸元値に基づくアフォーカルズーム系７０および開口絞り１２と、表３の諸元値に基づく結像光学系１４とを備えたズーム顕微鏡において、その諸収差（球面収差,非点収差,歪曲収差,倍率色収差,コマ収差）を図１３〜図１５に示す。図１３は低倍端状態（ｆ＝１００）、図１４は中間状態（ｆ＝２５０）、図１５は高倍端状態（ｆ＝７５０）に対応している。図からも明らかなように、３群構成のアフォーカルズーム系７０を備えたズーム顕微鏡は諸収差が良好に補正されている。

（第５実施形態）
ここでは、上記の構成において瞳を像側に出した無限遠系の対物レンズ９０（図１６）について説明する。対物レンズ９０は、上記した対物レンズ１１の代わりに用いることができる。
低倍で観察を行う場合、実視野が大きくなる。即ち、物体高が大きくなり、レンズを通過する光軸上の光束と周辺光束の高さの差が大きくなるため、結像に係わる通常の収差に加え、瞳の収差、色収差の補正は格段に困難となってくる。そして、既に述べた如く、落射照明観察を行う場合等、視野周辺まで均一な明るさで、パースペクティブが無く、物体の位置変化に対する像の倍率変動を小さく抑えるためには、物体側に略テレセントリックに照明される必要がある。

このため、対物レンズの基本的な構成は、次のようにすることが好ましい。すなわち、物体側より順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、全体として負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、全体として正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３とで構成すると共に、第１レンズ群Ｇ１は、正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の単レンズまたは正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の接合レンズを含み、さらに、第２レンズ群Ｇ２は，少なくとも１つの接合レンズを含み、物体側に略テレセントリックとなるように構成することが好ましい。

また、完全テレセンからのズレをどの程度までに抑えるのが好ましいかを規定するため、対物レンズの基本的な構成としては、以下の条件式(４)を満たすことが好ましい。
−０．３ ＜ α ＜ ０．３ …(４)
但し、αは、物体上任意の位置における主光線が光軸となす角度（単位は度）である。
この条件式(４)の範囲外では、落射照明時に照明ムラが発生してしまい均一な明るさの像を得ることが出来ない。また条件式(４)の上限を外れると、レンズ径が大きくなり過ぎ、システム構成上問題となる。

図１６は、第５実施形態の対物レンズ９０の構成図（光路図）である。図１６には、物体上、物体の中心から最周辺に至る4点から発する光線の光路を併せて記載している。
対物レンズ９０は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３で構成される。第１レンズ群Ｇ１は、両凸レンズである第１レンズ成分Ｌ１１と、物体側に凸面を向けた正屈折力の接合メニスカスレンズである、レンズＬ１２とレンズＬ１３とから成る第２レンズ成分ＭＬ１とで構成される。第２レンズ群Ｇ２は、像側に凹面を向けたメニスカスレンズである第３レンズ成分Ｌ２１および、レンズＬ２２とレンズＬ２３とより成る第４レンズ成分ＭＬ２、レンズＬ２４とレンズＬ２５とより成る第５レンズ成分ＭＬ３の、２つのメニスカス形状接合レンズより構成される。ＭＬ２およびＭＬ３は、互いに凹面が向かい合うように配置されている。第３レンズ群Ｇ３は、像側により屈折力の大きな面を有する両凸レンズである第６レンズ成分Ｌ３１で構成されている。

第５実施形態の対物レンズ９０は、後続するズームレンズ系の最短焦点距離が１００ｍｍのときに総合倍率β＝−０.５でＮＡ＝０.０１５となり、ズーム比が最大で８倍程度かつＮＡが最大で０.０５まで拡大可能となるように設計された無限系対物レンズである。
以下、表５に対物レンズ９０の諸元値を示す。表５において、βは対応倍率、ＮＡは物体側開口数、Ｆは対物レンズ全系の合成焦点距離（単位ｍｍ）、Ｄ０は物体から第１レンズ面までの距離（単位ｍｍ）である。左端の数字は物体側からの順序を表し、Ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、Ｄはレンズ厚および各レンズ面間隔（単位ｍｍ）、ｎdはｄ線（λ＝５８７．５６２ｎｍ）に対する屈折率、νdは各レンズ硝材のアッベ数である。

第５実施形態についての諸収差図を図１７から図１９に示す。
図１７は、対物レンズ９０に後続するズーム光学系(結像レンズを含む)の焦点距離が１００ｍｍの理想レンズとして計算された、球面収差、非点収差、歪曲収差およびコマ収差の収差図である。図１７に示すように、第５実施形態の対物レンズ９０では、ｄ線(587.562nm)、Ｃ線(656.273nm)、Ｆ線(486.133nm)、ｇ線(435.835nm)の各波長においてＮＡ＝０.０１５、視野数２２まで良好に補正されている。

図１８は、対物レンズ９０に後続するズーム光学系(結像レンズを含む)の焦点距離が４００ｍｍの理想レンズとして計算された諸収差図である。図１８に示すように第５実施形態の対物レンズ９０では、ｄ線、Ｃ線、Ｆ線、ｇ線の各波長においてＮＡ＝０.０３、視野数２２まで良好に補正されている。
図１９は、対物レンズ９０に後続するズーム光学系(結像レンズを含む)の焦点距離が７５０ｍｍの理想レンズとして計算された諸収差図である。図１９に示すように第５実施形態の対物レンズ９０では、ｄ線、Ｃ線、Ｆ線、ｇ線の各波長においてＮＡ＝０.０５、視野数２２まで良好に補正されている。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、開口絞り１２の絞り径が変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)の移動に応じて可変である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。絞り径を一定にした状態で変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を移動させる場合にも、本発明を適用できる。

また、上記した実施形態では、各々の対物レンズ１１の胴付面から後側焦点面までの距離が同一である場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。各々の対物レンズ１１ごとに胴付面から後側焦点面までの距離が異なる場合にも、本発明を適用できる。この場合には、対物レンズ１１を交換する際に開口絞り１２を光軸方向に沿って移動させて、物体側のテレセントリック性を保つようにすればよい。

さらに、上記した第２実施形態では、同軸落射照明装置(４３〜４６)をアフォーカルズーム系１３と結像光学系１４との間に設けたが、本発明はこれに限定されない。同軸落射照明装置(４３〜４６)は、対物レンズ１１とアフォーカルズーム系１３との間に設けてもよい。この場合、観察光学系のレンズ面でのフレアや自家蛍光によるコントラスト低下を抑えることができる。

また、上記した第３実施形態では、蛍光落射照明装置(５１〜５６)を対物レンズ１１と開口絞り１２との間に設けたが、本発明はこれに限定されない。蛍光落射照明装置(５１〜５６)は、開口絞り１２とアフォーカルズーム系１３との間に設けてもよいし、アフォーカルズーム系１３と結像光学系１４との間に設けてもよい。ただし、蛍光観察の場合には、レンズ面での自家蛍光に起因するノイズ成分を低減する必要があるため、対物レンズ１１とアフォーカルズーム系１３との間に設けることが好ましい。

第１実施形態のズーム顕微鏡１０の全体構成を示す図である。 対物レンズ１１の交換について説明する図である。 アフォーカルズーム系１３による低倍時(ａ)と高倍時(ｂ)とを比較して開口絞り１２の絞り径の変化を説明する図である。 対物レンズ１１の具体的な構成の一例を示す図である。 アフォーカルズーム系１３の具体的な構成の一例を示す図である。 結像光学系１４の具体的な構成の一例を示す図である。 ズーム顕微鏡１０の低倍端状態における諸収差を示す図である。 ズーム顕微鏡１０の中間状態における諸収差を示す図である。 ズーム顕微鏡１０の高倍端状態における諸収差を示す図である。 第２実施形態のズーム顕微鏡４０の全体構成を示す図である。 第３実施形態のズーム顕微鏡５０の全体構成を示す図である。 第４実施形態のアフォーカルズーム系７０の具体的な構成の一例を示す図である。 アフォーカルズーム系７０を備えたズーム顕微鏡の低倍端状態における諸収差を示す図である。 アフォーカルズーム系７０を備えたズーム顕微鏡の中間状態における諸収差を示す図である。 アフォーカルズーム系７０を備えたズーム顕微鏡の高倍端状態における諸収差を示す図である。 第５実施形態の対物レンズ９０の構成図（光路図）である。 対物レンズ９０で、後続するズーム光学系の焦点距離が１００ｍｍの時の諸収差図である。 対物レンズ９０で、後続するズーム光学系の焦点距離が４００ｍｍの時の諸収差図である。 対物レンズ９０で、後続するズーム光学系の焦点距離が７５０ｍｍの時の諸収差図である。

符号の説明

１０，４０，５０ ズーム顕微鏡
１０Ａ 標本
１０Ｂ 像面
１１ 対物レンズ
１２ 開口絞り
１３，７０ アフォーカルズーム系
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
１４ 結像光学系
４３，５１ ファイバ光源
４４，５２ コレクタレンズ
４５，５３ リレーレンズ
４６ ビームスプリッタ
５４ 励起フィルタ
５５ ダイクロイックミラー
５６ バリアフィルタ

Claims (8)

1. 標本側から順に、交換可能な無限遠補正型の対物レンズと、開口絞りと、アフォーカルズーム系と、結像光学系とが配置され、
   前記開口絞りは、前記対物レンズの後側焦点面またはその近傍に配置され、
   低倍端状態における前記結像光学系と組み合わせた前記アフォーカルズーム系の焦点距離をｆＬ、最大像高をＹmaxとして、次の条件式を満足することを特徴とするズーム顕微鏡。
   ０.０５＜Ｙmax／ｆＬ＜０.１６
2. 請求項１に記載のズーム顕微鏡において、
   前記アフォーカルズーム系は標本側から順に、
   正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、弱い正の屈折力を有する第４レンズ群とで構成され、
   前記第２レンズ群及び前記第３レンズ群を光軸方向に移動させることを特徴とするズーム顕微鏡。
3. 請求項２に記載のズーム顕微鏡において、
   前記アフォーカルズーム系は、
   低倍端状態における前記第２レンズ群の倍率をβ２Ｌとして以下の条件式を満足することを特徴とするズーム顕微鏡。
   −０．１＜β２Ｌ＜−０．３
4. 請求項２または請求項３に記載のズーム顕微鏡において、
   前記アフォーカルズーム系は、
   低倍端状態における前記第３レンズ群の倍率をβ３Ｌとして以下の条件式を満足することを特徴とするズーム顕微鏡。
   −０．０１＜１／β３Ｌ＜０．０４
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、
   前記アフォーカルズーム系は、光軸方向に沿って移動可能な変倍用のレンズ群を有し、
   前記開口絞りは、前記変倍用のレンズ群の移動に応じて絞り径が可変である
   ことを特徴とするズーム顕微鏡。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、
   前記アフォーカルズーム系と前記結像光学系との間に、光源像を前記開口絞りまたはその近傍に形成する同軸落射照明手段が配置される
   ことを特徴とするズーム顕微鏡。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、
   前記対物レンズを交換可能に保持する保持部材を備え、
   前記開口絞りは、前記保持部材の像側に配置される
   ことを特徴とするズーム顕微鏡。
8. 請求項１から請求項７の何れか１項に記載のズーム顕微鏡において、
   前記対物レンズは、物体側より順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群と、全体として負の屈折力を有する第２レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第３レンズ群とより構成され、
   前記第１レンズ群は、正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の単レンズまたは正屈折力を有する物体側に凸面を向けたメニスカス形状の接合レンズを含み、
   前記第２レンズ群は，少なくとも１つの接合レンズを含み、物体側に略テレセントリックであり、
   前記対物レンズは、物体上任意の位置における主光線が光軸となす角度をα(単位は度)として、以下の条件式を満たすことを特徴とするズーム顕微鏡。
   −０．３＜α＜０．３

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