JPH05323437A - 高圧の水中で使用する光学機械 - Google Patents
高圧の水中で使用する光学機械Info
- Publication number
- JPH05323437A JPH05323437A JP4079424A JP7942492A JPH05323437A JP H05323437 A JPH05323437 A JP H05323437A JP 4079424 A JP4079424 A JP 4079424A JP 7942492 A JP7942492 A JP 7942492A JP H05323437 A JPH05323437 A JP H05323437A
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- JP
- Japan
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- mirror
- objective
- face
- objective lens
- block
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- Pending
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- Structure And Mechanism Of Cameras (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は高圧の水中で使用する光学機械を提
供することを目的とする。 【構成】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面と後
面に小鏡M1と大鏡M2を設けてシュワルシルド型反射
対物鏡を構成し、その対物鏡ブロック11の後部に受座
ブロック13を合わせ、両ブロック11,13を固定鏡
筒15により鏡筒14に固定する。
供することを目的とする。 【構成】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面と後
面に小鏡M1と大鏡M2を設けてシュワルシルド型反射
対物鏡を構成し、その対物鏡ブロック11の後部に受座
ブロック13を合わせ、両ブロック11,13を固定鏡
筒15により鏡筒14に固定する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高圧の水中で使用する
光学機械に関するものである。
光学機械に関するものである。
【0002】
【従来の技術】カメラ、顕微鏡等の光学機械は、水中で
使用する場合は防水処置を施した水密ケースに納めて使
用する。従って、物体からの光は図1に示すように水密
ケースに設けた窓1を通って対物レンズ2に入り、フイ
ルム或はTVカメラの撮像面に達する。水中では10m
毎に1気圧づつ圧力が増すから、水深が深くなるほどケ
ースを頑丈に窓を厚くしなければならない。また周りの
水の屈折率が1.333であることは対物レンズによる
像に色収差、歪曲収差等像の悪化を生ずる。これを解決
するために、窓を光学的要素として収差を除く方法が考
えられているが、深海用で窓が厚くなるほど対応が難し
くなり、特に顕微鏡としては開口数(NA)を大きくす
ることが困難で、分解能が制限される。
使用する場合は防水処置を施した水密ケースに納めて使
用する。従って、物体からの光は図1に示すように水密
ケースに設けた窓1を通って対物レンズ2に入り、フイ
ルム或はTVカメラの撮像面に達する。水中では10m
毎に1気圧づつ圧力が増すから、水深が深くなるほどケ
ースを頑丈に窓を厚くしなければならない。また周りの
水の屈折率が1.333であることは対物レンズによる
像に色収差、歪曲収差等像の悪化を生ずる。これを解決
するために、窓を光学的要素として収差を除く方法が考
えられているが、深海用で窓が厚くなるほど対応が難し
くなり、特に顕微鏡としては開口数(NA)を大きくす
ることが困難で、分解能が制限される。
【0003】その理由を次に説明する。今、図2におい
て、物点のある媒質の屈折率をn、軸上物点から出る光
線の内、最大の開きをもつ光線の光軸と成す角をθ,物
点と対物レンズ枠の端面の距離を作動距離WDとする
と、開口数NAは次式で表わされる。 NA=n sin θ またこの対物レンズによる分解能(δ)は次式で表わさ
れる。 δ=0.61λ/(n・NA) ここにλは光の波長である。耐圧力を高くするため、窓
を厚くするには作動距離WDを大きくしなければならな
いが、これはNAの低下を伴う、対物レンズの口径を大
きくするには限度があるからである。NAの低下は分解
能の低下を来す。
て、物点のある媒質の屈折率をn、軸上物点から出る光
線の内、最大の開きをもつ光線の光軸と成す角をθ,物
点と対物レンズ枠の端面の距離を作動距離WDとする
と、開口数NAは次式で表わされる。 NA=n sin θ またこの対物レンズによる分解能(δ)は次式で表わさ
れる。 δ=0.61λ/(n・NA) ここにλは光の波長である。耐圧力を高くするため、窓
を厚くするには作動距離WDを大きくしなければならな
いが、これはNAの低下を伴う、対物レンズの口径を大
きくするには限度があるからである。NAの低下は分解
能の低下を来す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらを解決
して、深海でも使用可能の、高水圧に耐える高分解能の
光学機械を作ろうとするものである。
して、深海でも使用可能の、高水圧に耐える高分解能の
光学機械を作ろうとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、種々検討した結果、(1)光学機械の対物
鏡を耐高圧水構造とし、それを窓とすることにより或は
(2)対物鏡を直接高圧水に曝しても機能するような構
造とすることにより、上記の課題を解決することに成功
したものである。従来、顕微鏡対物レンズとして、図3
に示すような2面の反射鏡M1,M2で構成されるシュ
ワルツシルド(Schwartzschild)型の反
対物鏡が知られている(例えば、早水良定:光機器の光
学I)。これは小鏡M1(曲率半径r1)および大鏡M
2(曲率半径r2)を間隔dで配置したもので、Pを物
点とすると光は図のように進み、小鏡M1で反射した光
はほぼ平行で、小鏡から遠い位置に拡大像が結ばれる。
決するため、種々検討した結果、(1)光学機械の対物
鏡を耐高圧水構造とし、それを窓とすることにより或は
(2)対物鏡を直接高圧水に曝しても機能するような構
造とすることにより、上記の課題を解決することに成功
したものである。従来、顕微鏡対物レンズとして、図3
に示すような2面の反射鏡M1,M2で構成されるシュ
ワルツシルド(Schwartzschild)型の反
対物鏡が知られている(例えば、早水良定:光機器の光
学I)。これは小鏡M1(曲率半径r1)および大鏡M
2(曲率半径r2)を間隔dで配置したもので、Pを物
点とすると光は図のように進み、小鏡M1で反射した光
はほぼ平行で、小鏡から遠い位置に拡大像が結ばれる。
【0006】本発明は小鏡M1および大鏡M2を同一部
材あるいはブロックで構成し、顕微鏡の対物鏡にすると
共に、耐高水圧の窓の役割を兼ねさせようとするもので
ある。すなわち、図4に示すように、光学ガラス或はア
クリル等光の透過度或は均一性等光学的に適当で、材料
力学的に高圧に耐える材料で対物鏡11を構成し、物体
に向い高圧の水に接する第1面Aは平面、その中央部に
曲率半径r1の球面で凸面の小鏡M1を形成する。第2
面は曲率半径r2の球面で、凹面の大鏡M2を形成し、
両鏡面の間隔をdとする。対物鏡を作るには第1面の平
面AおよびM1球面、第2面のM2球面を研磨し更に蒸
着によってミラーにする。第2面Bの中央bは平面で透
明にしておき、またM1鏡には保護片12を貼付する。
材あるいはブロックで構成し、顕微鏡の対物鏡にすると
共に、耐高水圧の窓の役割を兼ねさせようとするもので
ある。すなわち、図4に示すように、光学ガラス或はア
クリル等光の透過度或は均一性等光学的に適当で、材料
力学的に高圧に耐える材料で対物鏡11を構成し、物体
に向い高圧の水に接する第1面Aは平面、その中央部に
曲率半径r1の球面で凸面の小鏡M1を形成する。第2
面は曲率半径r2の球面で、凹面の大鏡M2を形成し、
両鏡面の間隔をdとする。対物鏡を作るには第1面の平
面AおよびM1球面、第2面のM2球面を研磨し更に蒸
着によってミラーにする。第2面Bの中央bは平面で透
明にしておき、またM1鏡には保護片12を貼付する。
【0007】軸上光線の最大、最小開口数NA1,NA
2とすれば、これらは図3においてつぎのようになる。 NA1=n sin θ1 (1) NA2=n sin θ2 (2) また d=r2−r1−C (3) ここで、M1,M2の焦点距離をf1,f2とすると f1=−r1/2, f2=r2/2 r1/r2=a,c/r1=bとおくと、全系の焦点距
離fおよび図3のSF’は f=r1・r2/(r2−r1−2c) =r1/2・1/{1−a(1+2b)}(4) SF=f{2−a(1+2b)}/a (5) で表わされる。
2とすれば、これらは図3においてつぎのようになる。 NA1=n sin θ1 (1) NA2=n sin θ2 (2) また d=r2−r1−C (3) ここで、M1,M2の焦点距離をf1,f2とすると f1=−r1/2, f2=r2/2 r1/r2=a,c/r1=bとおくと、全系の焦点距
離fおよび図3のSF’は f=r1・r2/(r2−r1−2c) =r1/2・1/{1−a(1+2b)}(4) SF=f{2−a(1+2b)}/a (5) で表わされる。
【0008】大鏡M2の口径を大きく、すなわち最大開
口数NAを大きくする限界は収差であるが、計算の結果
は相当に大きな値が得られた。だだし小鏡M1による光
線の遮蔽を考慮しなければならない。物体Pは、小鏡M
1から出射される光がほぼ平行になる位置におかれる。
r2は対物鏡の厚さdと作動距離WD(ワーキングディ
スタンス)の和にほぼ等しくなる。従ってr2の値はか
なり大きく選ぶ必要がある。また、顕微鏡の総合倍率を
数十ないし数百倍にするには、fが過大になることは好
ましくないが、(4)式から仮にr2が大きくてもfを
適当に選ぶことができる。
口数NAを大きくする限界は収差であるが、計算の結果
は相当に大きな値が得られた。だだし小鏡M1による光
線の遮蔽を考慮しなければならない。物体Pは、小鏡M
1から出射される光がほぼ平行になる位置におかれる。
r2は対物鏡の厚さdと作動距離WD(ワーキングディ
スタンス)の和にほぼ等しくなる。従ってr2の値はか
なり大きく選ぶ必要がある。また、顕微鏡の総合倍率を
数十ないし数百倍にするには、fが過大になることは好
ましくないが、(4)式から仮にr2が大きくてもfを
適当に選ぶことができる。
【0009】以上説明した図4の形状の対物鏡を高圧の
水中で使用する光学機械の窓として使用する場合、予め
鏡筒に大鏡M2の曲率半径r2の球面加工をしておき、
それに大鏡M2を載せるのであるが、鏡筒の球面と大鏡
M2の球面を全く等しく加工するのは実際上困難で、通
常この両者に相違が生じ、高圧がかかる対物鏡が鏡筒の
曲面にならって変形する恐れがある。その対策としては
併せて耐高圧窓として更に強度を増す目的で次に説明す
る図5のしくは図6に示す実施例のような構造とする。
水中で使用する光学機械の窓として使用する場合、予め
鏡筒に大鏡M2の曲率半径r2の球面加工をしておき、
それに大鏡M2を載せるのであるが、鏡筒の球面と大鏡
M2の球面を全く等しく加工するのは実際上困難で、通
常この両者に相違が生じ、高圧がかかる対物鏡が鏡筒の
曲面にならって変形する恐れがある。その対策としては
併せて耐高圧窓として更に強度を増す目的で次に説明す
る図5のしくは図6に示す実施例のような構造とする。
【0010】
【実施例】図5は本発明の第1の実施例を示すもので、
対物鏡ブック11に同じ材質の平凹円錐形の受座ブロッ
ク13を接合合体させ、その球面部は対物鏡の球面M2
に等しいものを接合する。球面M2は中央部bを除いて
蒸着によりミラーを形成する。この合体したブロック1
1,13を鏡筒14の円錐面14aに合わせて取り付
け、固定鏡筒15によって固定する。図6は本発明の第
2の実施例を示すもので、平凹筒形の受座ブロック16
で置替え、平面14bで受けるようにしたものである。
これら鏡筒の座の加工は円錐面14aもしくは平面14
bが球面より正確に加工できるのでこの構造は光学的に
優れている。
対物鏡ブック11に同じ材質の平凹円錐形の受座ブロッ
ク13を接合合体させ、その球面部は対物鏡の球面M2
に等しいものを接合する。球面M2は中央部bを除いて
蒸着によりミラーを形成する。この合体したブロック1
1,13を鏡筒14の円錐面14aに合わせて取り付
け、固定鏡筒15によって固定する。図6は本発明の第
2の実施例を示すもので、平凹筒形の受座ブロック16
で置替え、平面14bで受けるようにしたものである。
これら鏡筒の座の加工は円錐面14aもしくは平面14
bが球面より正確に加工できるのでこの構造は光学的に
優れている。
【0011】図7は本発明の第3の実施例を示すもの
で、大鏡M2およびM1を直接高圧液体に曝する構造と
したものである。すなわち、図7に示すように大鏡M2
(17)および保持用の透明部材18に保持された小鏡
M1(12)を所定の位置に固定、中間には透明液体1
9で満たし、鏡筒の一部に可動弁20をつけ、外部の水
圧と等しくなる構造とする。この実施例では可動弁20
としてダイアフラムを使用したが、ベローズを取付ける
ようにしてもよい。透明液体は反射鏡面の保護が主目的
である。この場合の構造は通常圧力下と同等でよいから
耐圧強度に特別の配慮を必要としない。対物鏡は元来全
光学系の容積の中で大きな部分を占めるから、これを耐
圧構造部分から除くことは、全体の水中重量を軽減する
のに有効である。また、上述の構造により対物鏡部はじ
めそれに続く光学系の大部分もしくは全部を液体中に納
め、高圧環境と同じ圧力(均圧という)に曝し耐圧構造
から解放し、水中重量を極めて軽くするまでに発展する
ことができる。
で、大鏡M2およびM1を直接高圧液体に曝する構造と
したものである。すなわち、図7に示すように大鏡M2
(17)および保持用の透明部材18に保持された小鏡
M1(12)を所定の位置に固定、中間には透明液体1
9で満たし、鏡筒の一部に可動弁20をつけ、外部の水
圧と等しくなる構造とする。この実施例では可動弁20
としてダイアフラムを使用したが、ベローズを取付ける
ようにしてもよい。透明液体は反射鏡面の保護が主目的
である。この場合の構造は通常圧力下と同等でよいから
耐圧強度に特別の配慮を必要としない。対物鏡は元来全
光学系の容積の中で大きな部分を占めるから、これを耐
圧構造部分から除くことは、全体の水中重量を軽減する
のに有効である。また、上述の構造により対物鏡部はじ
めそれに続く光学系の大部分もしくは全部を液体中に納
め、高圧環境と同じ圧力(均圧という)に曝し耐圧構造
から解放し、水中重量を極めて軽くするまでに発展する
ことができる。
【0012】図8は本発明を顕微鏡に適用した場合の第
4の実施例を示すもので、21は本発明による対物鏡、
22は変倍光学系、23はリレーレンズ、24はTVカ
メラ、25は照明系である。対物鏡21は、例えば深海
調査用として耐圧顕微鏡の対物鏡として取付ける。
4の実施例を示すもので、21は本発明による対物鏡、
22は変倍光学系、23はリレーレンズ、24はTVカ
メラ、25は照明系である。対物鏡21は、例えば深海
調査用として耐圧顕微鏡の対物鏡として取付ける。
【0013】
【発明の効果】本発明にかゝる対物鏡21は、耐高圧水
のブロックで構成されるので、窓の役割を兼ねさせるこ
とができるばかりでなく、反射型対物鏡であるため、作
動距離が大きく、且つ開口数NAを大きくすることがで
きるため、高分解能の対物鏡が得られる。構造が簡単で
あるから安価に提供することができ、しかも観察物体
側、すなわち光の入射側の開口部は大きく、出射側は小
さいので、高圧水中でしかも暗い環境で使用する対物鏡
として優れている。更に、対物鏡は高圧に耐えるのみな
らず、鏡筒に保持した場合圧力による変形の軽微な構造
にすることができ、変形による精度低下の恐れが少な
い。また、対物鏡を耐圧容器に納めることなく、直接高
圧に曝することにより全光学系の水中重量を軽減する構
造とすることができる。
のブロックで構成されるので、窓の役割を兼ねさせるこ
とができるばかりでなく、反射型対物鏡であるため、作
動距離が大きく、且つ開口数NAを大きくすることがで
きるため、高分解能の対物鏡が得られる。構造が簡単で
あるから安価に提供することができ、しかも観察物体
側、すなわち光の入射側の開口部は大きく、出射側は小
さいので、高圧水中でしかも暗い環境で使用する対物鏡
として優れている。更に、対物鏡は高圧に耐えるのみな
らず、鏡筒に保持した場合圧力による変形の軽微な構造
にすることができ、変形による精度低下の恐れが少な
い。また、対物鏡を耐圧容器に納めることなく、直接高
圧に曝することにより全光学系の水中重量を軽減する構
造とすることができる。
【図1】従来の水中で使用する光学機械の光学系を示す
図である。
図である。
【図2】開口数NAに関する説明図である。
【図3】シュワルツシルド型反射対物鏡の原理図であ
る。
る。
【図4】シュワルツシルド型反射対物鏡の小鏡と大鏡を
設けた光学ブロックの構成を示す図である。
設けた光学ブロックの構成を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施例の断面図である。
【図6】本発明の第2の実施例の断面図である。
【図7】本発明の第3の実施例の断面図である。
【図8】本発明を顕微鏡に適用した場合の第4の実施例
の光学系を示す図である。
の光学系を示す図である。
1 窓 2 対物レンズ 11 対物鏡ブロック 12 保護片 13 受座ブロック 14 鏡筒 15 固定鏡筒 16 平凹円筒型受座 17 大鏡M2 18 小鏡ホルダ 19 透明液体 20 可動弁 21 対物鏡 22 変倍光学系 23 リレーレンズ 24 TVカメラ
Claims (3)
- 【請求項1】 光学材料より成る対物鏡ブロックの前面
と後面をそれぞれ小鏡M1および大鏡M2とするシュワ
ルツシルド型反射対物鏡を構成し、この対物鏡ブロック
の後部に受座ブロックを設け、両ブロックを窓兼用対物
鏡としたことを特徴とする高圧の水中で使用する光学機
械 - 【請求項2】 前面と後面をそれぞれ小鏡M1および大
鏡M2としてシュワルツシルド型反射対物鏡を構成した
光学材料より成る対物鏡ブロックを直接高圧液体に曝す
構造を特徴とする、高圧の水中で使用する光学機械 - 【請求項3】 光学系を耐圧容器に納めることなく、直
接高圧液体に曝する構造を特徴とする、高圧の水中で使
用する光学機械
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4079424A JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4079424A JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05323437A true JPH05323437A (ja) | 1993-12-07 |
Family
ID=13689489
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4079424A Pending JPH05323437A (ja) | 1992-02-18 | 1992-02-18 | 高圧の水中で使用する光学機械 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05323437A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6404560B1 (en) | 1999-07-28 | 2002-06-11 | Nikon Corporation | Pressure proof optical apparatus |
DE102005061984B4 (de) * | 2005-12-23 | 2011-08-18 | Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
US11467388B2 (en) | 2017-12-18 | 2022-10-11 | Yokogawa Electric Corporation | Objective optical system and microscope system with liquid interposed between liquid contact surface and sample |
-
1992
- 1992-02-18 JP JP4079424A patent/JPH05323437A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6404560B1 (en) | 1999-07-28 | 2002-06-11 | Nikon Corporation | Pressure proof optical apparatus |
DE102005061984B4 (de) * | 2005-12-23 | 2011-08-18 | Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
DE102005061984B9 (de) * | 2005-12-23 | 2012-05-10 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Druckzelle zur optischen Beobachtung unter Druck |
US11467388B2 (en) | 2017-12-18 | 2022-10-11 | Yokogawa Electric Corporation | Objective optical system and microscope system with liquid interposed between liquid contact surface and sample |
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