実体顕微鏡
【課題】試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行う。
【解決手段】対物レンズ１４を介して、それぞれ異なる方向から標本１２を観察する一対の観察光学系１３−１および１３−２と、観察光学系１３−１および１３−２の光軸Ｌ１およびＬ２上にそれぞれ配置され、光軸Ｌ１およびＬ２を直交方向に移動させる円筒プリズム１５−１および１５−２と、円筒プリズム１５−１および１５−２による光軸Ｌ１およびＬ２の移動方向が同一の方向となるように、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度を変更する傾斜機構とを備える。本発明は、例えば、実体顕微鏡に適用できる。
【解決手段】対物レンズ１４を介して、それぞれ異なる方向から標本１２を観察する一対の観察光学系１３−１および１３−２と、観察光学系１３−１および１３−２の光軸Ｌ１およびＬ２上にそれぞれ配置され、光軸Ｌ１およびＬ２を直交方向に移動させる円筒プリズム１５−１および１５−２と、円筒プリズム１５−１および１５−２による光軸Ｌ１およびＬ２の移動方向が同一の方向となるように、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度を変更する傾斜機構とを備える。本発明は、例えば、実体顕微鏡に適用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実体顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、対物レンズを介して、被検物をそのままの状態で観察する実体顕微鏡が知られている。実体顕微鏡は、比較的に低倍率での観察に用いられ、左右一対の光学系を介して被検物を異なる角度から観察し、それぞれの光学系の像を左右の眼で観察することにより、被検物を立体的に観察することができる。
【０００３】
このように被検物を立体視することができるという特徴から、実体顕微鏡は、例えば、プリント基板などの高さがあるサンプルの観察に適している。特に、プリント基板の中でもハンダの剥れや量などの状態の観察に実体顕微鏡が用いられ、検鏡者は、試料を手で持って傾けながら様々な角度から観察することを行っている。また、実体顕微鏡では、水平面に対して左右どちら側にも２０度程度の傾斜をすることができるティルティングステージと呼ばれるステージが利用され、小さなサンプルなどはティルティングステージに載置されて観察が行われる。
【０００４】
このように、実体顕微鏡では試料を傾斜させて観察が行われるが、例えば、ティルティングステージに載置できないような大きな基板などを観察するときには、検鏡者が手に持って観察することが行われるが、そのような観察は困難であった。そこで、試料を傾けることなく様々な方向から試料を観察する方法が求められている。
【０００５】
例えば、いわゆるロータリーヘッドを備えて構成される顕微鏡では、対物レンズの先端に設けられたプリズムを回転させることにより観察方向を回転させることができる。しかしながら、このような構成の顕微鏡では、試料を立体視するための複数の光学系に対応することができず、実体顕微鏡に適用させることは困難であった。
【０００６】
また、例えば、特許文献１に開示されているように、観察方向を調整することができる実体顕微鏡が提案されている。しかしながら、特許文献１に開示されている実体顕微鏡では、観察する方向を変更した場合には立体視することができず、また、観察視点が移動するため、高倍率観察において観察視点を見失い易くなるということがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の実体顕微鏡では観察方向を変更した場合には立体視することができず、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができる実体顕微鏡が求められている。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実体顕微鏡は、それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系と、前記一対の観察光学系の光軸上に配置され、それぞれの前記光軸を偏心させる光学部材と、前記光学部材によるそれぞれの前記光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、前記光軸の移動量を変更する変更手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の実体顕微鏡においては、それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系の光軸上に、それぞれの光軸を偏心させる光学部材が配置され、その光学部材によるそれぞれの光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、光軸の移動量が変更される。なお、ここで、偏心とは、光軸の角度は変えずに、観察者に向かって左右方向に光軸をシフトさせることを意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実体顕微鏡によれば、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した実体顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡を示す図である。
【図３】観察方向の傾斜角度について説明する図である。
【図４】傾斜機構の構成例を示す図である。
【図５】本発明を適用した顕微鏡システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明を適用した実体顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００１６】
実体顕微鏡１１は、標本１２を異なる角度から観察するための一対の観察光学系１３−１および１３−２を有している。実体顕微鏡１１では、観察光学系１３−１および１３−２で共通の対物レンズ１４が使用され、観察光学系１３−１の光軸Ｌ１と観察光学系１３−２の光軸Ｌ２とが、対物レンズ１４よりも上側において平行に構成されている。
【００１７】
対物レンズ１４は、実体顕微鏡１１に対して着脱可能とされており、検鏡者は、観察の対象となる標本１２に応じた倍率の対物レンズ１４を選択して装着することができる。
【００１８】
観察光学系１３−１および１３−２の光軸Ｌ１およびＬ２上には、対物レンズ１４側から順に、円筒プリズム１５−１および１５−２、アフォーカルズーム系１６−１および１６−２、結像レンズ１７−１および１７−２、並びに、接眼レンズ１８−１および１８−２がそれぞれ配置されている。
【００１９】
円筒プリズム１５−１および１５−２は、その上面および下面が平行な平面で形成された円筒形状の透明な光学部材である。円筒プリズム１５−１および１５−２は、ユニット２２により保持されており、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に、ユニット２２ごと挿脱自在となるように構成されている。
【００２０】
アフォーカルズーム系１６−１は、アフォーカル光学系を構成するレンズ１９−１および２０−１と、レンズ１９−１および２０−１の間に配置される開口絞り２１−１とを有して構成される。アフォーカルズーム系１６−１は、結像面での結像倍率のみを変化させ、結像位置を変化させないような光学系であり、その上側および下側で観察光学系１３−１および１３−２が平行系となっている。また、アフォーカルズーム系１６−２は、アフォーカルズーム系１６−１と同様に、レンズ１９−２および２０−２と開口絞り２１−２とを有して構成される。
【００２１】
アフォーカルズーム系１６−１および１６−２では、レンズ１９−１と２０−１およびレンズ１９−２と２０−２の間隔を調整することで、実体顕微鏡１１による観察倍率が連続的に変更され、開口絞り２１−１および２１−２の開口径を調整することで、標本１２を観察する際の光量が調整される。
【００２２】
結像レンズ１７−１および１７−２は、標本１２からの観察光を集光して像を形成し、接眼レンズ１８−１および１８−２は、その像を拡大して、実体顕微鏡１１を覗き込む検鏡者の両目による観察を行わせる。
【００２３】
このように実体顕微鏡１１は構成されており、検鏡者は、観察光学系１３−１および１３−２それぞれから接眼レンズ１８−１および１８−２を介して左右の眼で、それぞれの角度から標本１２を見込み、標本１２を立体視することができる。
【００２４】
ここで、図１に示すように、光軸Ｌ１およびＬ２の間隔である光軸間距離をＤとし、対物レンズ１４の焦点距離をｆ０とし、観察光学系１３−１および１３−２を介して標本１２を見込む角度を２αとすると、光軸間距離Ｄ、焦点距離ｆ０、および角度αの関係は次の式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
・・・（１）
【００２６】
この式（１）より、角度αは、次の式（２）で求めることができる。
【００２７】
【数２】
・・・（２）
【００２８】
例えば、光軸間距離Ｄを２２ｍｍとし、焦点距離ｆ０を１００ｍｍとすると、標本１２を見込む角度２αは、次の式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
・・・（３）
【００３０】
このような角度２αの視差により、実体顕微鏡１１では標本１２を立体視することができる。ここで、以下、適宜、対物レンズ１４から標本１２に向かう観察光学系１３−１および１３−２の成す角度を２等分する軸を仮想光軸と称し、この仮想光軸に沿って標本１２に向かう方向（図１に示されている矢印の方向）を、観察方向と称する。
【００３１】
実体顕微鏡１１では、対物レンズ１４より上側の光軸Ｌ１およびＬ２が、標本１２に対して（標本１２が載置されるステージに対して）垂直となるように構成されており、図１に示すように、円筒プリズム１５−１および１５−２の上面および下面が、光軸Ｌ１およびＬ２に対してそれぞれ垂直である場合、仮想光軸は標本１２に対して垂直となる。即ち、この場合の観察方向を垂直方向とする。そして、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させることにより、垂直方向に対して傾斜した方向から標本１２を観察することができる。
【００３２】
図２を参照して、観察方向の傾斜について説明する。図２Ａには、垂直方向に対して左側に観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡１１が示されており、図２Ｂには、垂直方向に対して右側に観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡１１が示されている。
【００３３】
例えば、円筒プリズム１５−１を、図２Ａに示すように時計方向に傾斜させると、円筒プリズム１５−１の上面および下面でそれぞれ光線が屈折するため、円筒プリズム１５−１の下側の光軸Ｌ１は、その上側の光軸Ｌ１に対して水平方向（光軸に対して直交する方向）の左側にシフトする。同様に、円筒プリズム１５−２を時計回りに傾斜させると、円筒プリズム１５−２の下側の光軸Ｌ２は上側の光軸Ｌ２に対して水平方向の左側にシフトする。このとき、円筒プリズム１５−１の傾斜角度および傾斜方向と、円筒プリズム１５−２の傾斜角度および傾斜方向とが同一である場合、光軸Ｌ１およびＬ２の間隔が維持されたまま、同一のシフト量で光軸Ｌ１およびＬ２がシフトする。
【００３４】
このように、光軸Ｌ１およびＬ２が左側にシフトした場合には、観察光学系１３−１および１３−２を２等分する仮想光軸は垂直方向に対して左側に傾斜するため、図２Ａに示されていように、矢印Ａの観察方向から標本１２が観察される。
【００３５】
一方、例えば、円筒プリズム１５−１および１５−２を、図２Ｂに示すように反時計方向に、同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させると、円筒プリズム１５−１および１５−２の下側の光軸Ｌ１およびＬ２が水平方向の右側にシフトする。これにより、観察光学系１３−１および１３−２を２等分する仮想光軸は垂直方向に対して右側に傾斜するため、図２Ｂに示されていように、矢印Ｂの観察方向から標本１２が観察される。
【００３６】
このように、実体顕微鏡１１は、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させることで観察方向を傾斜させることができ、標本１２を固定した状態で、様々な角度から標本１２を観察することができる。
【００３７】
図３を参照して、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度と、仮想光軸の傾斜角度との関係について説明する。
【００３８】
図３に示すように、円筒プリズム１５−１および１５−２の厚みをｔとし、光軸Ｌ１およびＬ２それぞれに対する円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度をθとし、円筒プリズム１５−１および１５−２の屈折率をｎとする。このとき、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜に従って光軸Ｌ１およびＬ２がシフトする距離を示す光軸シフト量ｄは、次の式（４）により求めることができる。
【００３９】
【数４】
・・・（４）
【００４０】
また、この光軸シフト量ｄと、対物レンズ１４の焦点距離ｆ０とに基づいて、垂直方向に対する仮想光軸の傾斜角度δは、次の式（５）で表される。
【００４１】
【数５】
・・・（５）
【００４２】
従って、例えば、屈折率ｎを1.5168とし、厚みｔが２０ｍｍである円筒プリズム１５−１および１５−２を使用し、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度θの範囲を±３０度とすると、式（４）より、傾斜角度θが−３０度のとき光軸シフト量ｄは-3.95ｍｍとなり、傾斜角度θが３０度のとき光軸シフト量ｄは3.95ｍｍとなる。また、このとき、焦点距離ｆ０を１００ｍｍとすると、式（５）より、仮想光軸の傾斜角度δの範囲は2.2度（0.0395rad）となる。
【００４３】
また、上述したように、実体顕微鏡１１では、対物レンズ１４を交換して倍率を変更することができ、例えば、焦点距離ｆ０が５０ｍｍである対物レンズ１４を使用する場合、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度θの範囲が±３０度であれば、仮想光軸の傾斜角度δの範囲は4.5度となる。また、この場合、観察光学系１３−１および１３−２を介して標本１２を見込む角度２αは6.3度となる。
【００４４】
このように、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を利用して、円筒プリズム１５−１および１５−２を回転させるだけで観察方向を簡単に変更することができる。また、上述したように、円筒プリズム１５−１および１５−２は、ユニット２２ごと挿脱自在となるように構成されているので、ユニット２２を着脱するだけで、任意の観察方向と、垂直方向の観察方向を容易に切り替えることができる。
【００４５】
また、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させることで、即ち、光軸Ｌ１およびＬ２の光軸シフト量ｄが同一方向に同一量となるようにすることで、一定の視差を維持したまま観察方向だけを変更することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、観察光学系１３−１および１３−２に対して、円筒プリズム１５−１および１５−２は同角度で傾斜するとしたが、例えば、観察光学系１３−１に対する円筒プリズム１５−１の傾斜角度と、観察光学系１３−２に対する円筒プリズム１５−２の傾斜角度とが異なる角度であってもよい。このように傾斜角度が異なる場合には、標本１２を立体視する視差量が変化し、観察光学系１３−１に対する円筒プリズム１５−１の傾斜角度と、観察光学系１３−２に対する円筒プリズム１５−２の傾斜角度とが異なるように制御することで、標本１２の観察方向を変更するとともに、視差量（即ち、立体感）を変更することができる。
【００４７】
次に、図４を参照して、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させる傾斜機構について説明する。図４Ａには、歯車を利用した傾斜機構の構成例が示されており、図４Ｂには、リンク機構を利用した傾斜機構の構成例が示されている。
【００４８】
歯車を利用した傾斜機構では、円筒プリズム１５−１および１５−２は、プリズムホルダ３１−１および３１−２にそれぞれ固定されており、プリズムホルダ３１−１および３１−２は、ユニット２２に対してそれぞれ回転可能に装着されている。また、図４Ａの右側には、右側面から見たプリズムホルダ３１−１および円筒プリズム１５−１の側面図が示されている。
【００４９】
プリズムホルダ３１−１および３１−２は、回転軸を中心とした略円盤形状の円弧部を有しており、その円弧部の外周面の一部に、歯車が形成されている。そして、プリズムホルダ３１−１および３１−２の間には、それぞれの歯車に噛み合うように、駆動用歯車３２が装着されている。
【００５０】
例えば、駆動用歯車３２には、図示しないハンドルが接続されており、そのハンドルを検鏡者が操作することができる。例えば、検鏡者が、ハンドルを反時計方向に回転させると、ハンドルに連動して駆動用歯車３２が反時計方向に回転し、歯車を介して回転が伝達されて、プリズムホルダ３１−１および３１−２が時計方向に回転する。これにより、図４Ａで矢印Ａに示すように、垂直方向に対して左側に傾斜した観察方向から標本１２を観察することができる。
【００５１】
また、リンク機構を利用した傾斜機構では、円筒プリズム１５−１および１５−２は、プリズムホルダ４１−１および４１−２にそれぞれ固定されており、プリズムホルダ４１−１および４１−２の上端は、ユニット２２に対してそれぞれ回転可能に装着されている。プリズムホルダ４１−１および４１−２は、下方に延びるような回転軸を有しており、その回転軸の先端が、操作棒４２に回転可能に連結されている。即ち、ユニット２２、プリズムホルダ４１−１および４１−２、並びに、操作棒４２により、いわゆる平行クランク機構が構成されている。
【００５２】
例えば、操作棒４２の一端はユニット２２の外部に突出しており、検鏡者が、その操作棒４２の一端を水平方向に操作（押し引き）することにより、円筒プリズム１５−１および１５−２が同一の傾斜角度および傾斜方向に傾斜される。例えば、操作棒４２が右方向に押されると、図４Ｂで矢印Ｂに示すように、垂直線に対して右側に傾斜した観察方向から標本１２を観察することができる。
【００５３】
なお、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜機構としては、上述のような構成の機構に限られるものではなく、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させることができるように構成されていれば、どのような傾斜機構でもよい。
【００５４】
また、本発明は、接眼レンズ１８−１および１８−２を介して検鏡者が直接的に観察するような実体顕微鏡１１の他、例えば、接眼レンズを使用せずに、三次元表示の可能なディルプレイ装置を利用した顕微鏡システムに適用することができる。なお、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【００５５】
次に、図５は、本発明を適用した顕微鏡システムの構成例を示す図である。
【００５６】
図５において、顕微鏡システム５１を構成する実体顕微鏡１１’は、図１の実体顕微鏡１１と同様に構成されており、接眼レンズ１８−１および１８−２に替えて、撮像素子５２−１および５２−２を有するとともに、円筒プリズム１５−１および１５−２に替えて、平行平板５３を有している。
【００５７】
撮像素子５２−１および５２−２は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの撮像素子であり、観察光学系１３−１および１３−２それぞれの像面位置に配置され、それぞれ視差の異なる画像を撮像する。
【００５８】
平行平板５３は、円筒プリズム１５−１および１５−２と同一の厚みで、その上面および下面が平行な平面で形成された板状の透明な光学部材であり、観察光学系１３−１および１３−２の両方に掛かるようにに配置される。光軸Ｌ１およびＬ２を同一の光軸シフト量でシフトさせるには、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させる必要があるため、上述したような歯車やリンク機構を利用した傾斜機構が必要となる。これに対し、実体顕微鏡１１’では、１枚の平行平板５３を採用することで、複雑な傾斜機構を必要とすることなく光軸Ｌ１およびＬ２を同一の光軸シフト量でシフトさせることができ、観察方向を傾斜させることができる。
【００５９】
撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像は、パーソナルコンピュータなどにより構成される制御装置５４において画像処理され、ディスプレイ装置５５に表示される。ディスプレイ装置５５は、三次元表示が可能な表示装置であり、例えば、偏光板や液晶シャッタなどを利用した眼鏡方式や、レンチキュラーやパララックスバリアなどを利用した裸眼立体視方式（眼鏡を使用しない方式）などの表示方式で、撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像を表示する。
【００６０】
また、顕微鏡システム５１では、マウスなどの入力装置５６を操作し、検鏡者が制御装置５４に対して各種の操作信号を入力することができる。例えば、観察方向を調整する操作信号が制御装置５４に入力されると、制御装置５４は、その操作信号に従って駆動装置５７を制御し、駆動装置５７が平行平板５３を駆動して、観察方向が調整される。
【００６１】
以上のように顕微鏡システム５１は構成されており、撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像がディスプレイ装置５５に三次元的に表示されるので、検鏡者は、実体顕微鏡１１を覗きこむよりも大きな画面で、標本１２を詳細に観察することができる。また、複数の検鏡者により標本１２を同時に観察することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、実体顕微鏡１１（図１）では、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に、円筒プリズム１５−１および１５−２が挿入されているが、円筒プリズム１５−１および１５−２の挿入箇所は光路が平行系であればよく、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に限定されるものではない。例えば、アフォーカルズーム系１６−１および１６−２と結像レンズ１７−１および１７−２との間の平行系である箇所に円筒プリズム１５−１および１５−２を挿入してもよい。
【００６３】
また、本発明は、観察光学系１３−１および１３−２が平行部分を有する平行系の顕微鏡の他、一対の観察光学系が内向角をもって配置される内斜系の顕微鏡にも適用することができる。
【００６４】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１１ 実体顕微鏡， １２ 標本， １３−１および１３−２ 観察光学系， １４ 対物レンズ， １５−１および１５−２ 円筒プリズム， １６−１および１６−２ アフォーカルズーム系， １７−１および１７−２ 結像レンズ， １８−１および１８−２ 接眼レンズ， １９−１および１９−２ レンズ， ２０−１および２０−２ レンズ， ２１−１および２１−２ 開口絞り， ２２ ユニット， ３１−１および３１−２ プリズムホルダ， ３２ 駆動用歯車， ４１−１および４１−２ プリズムホルダ， ４２ 操作棒， ５１ 顕微鏡システム， ５２−１および５２−２ 撮像素子， ５３ 平行平板， ５４ 制御装置， ５５ ディスプレイ装置， ５６ 入力装置， ５７ 駆動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実体顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、対物レンズを介して、被検物をそのままの状態で観察する実体顕微鏡が知られている。実体顕微鏡は、比較的に低倍率での観察に用いられ、左右一対の光学系を介して被検物を異なる角度から観察し、それぞれの光学系の像を左右の眼で観察することにより、被検物を立体的に観察することができる。
【０００３】
このように被検物を立体視することができるという特徴から、実体顕微鏡は、例えば、プリント基板などの高さがあるサンプルの観察に適している。特に、プリント基板の中でもハンダの剥れや量などの状態の観察に実体顕微鏡が用いられ、検鏡者は、試料を手で持って傾けながら様々な角度から観察することを行っている。また、実体顕微鏡では、水平面に対して左右どちら側にも２０度程度の傾斜をすることができるティルティングステージと呼ばれるステージが利用され、小さなサンプルなどはティルティングステージに載置されて観察が行われる。
【０００４】
このように、実体顕微鏡では試料を傾斜させて観察が行われるが、例えば、ティルティングステージに載置できないような大きな基板などを観察するときには、検鏡者が手に持って観察することが行われるが、そのような観察は困難であった。そこで、試料を傾けることなく様々な方向から試料を観察する方法が求められている。
【０００５】
例えば、いわゆるロータリーヘッドを備えて構成される顕微鏡では、対物レンズの先端に設けられたプリズムを回転させることにより観察方向を回転させることができる。しかしながら、このような構成の顕微鏡では、試料を立体視するための複数の光学系に対応することができず、実体顕微鏡に適用させることは困難であった。
【０００６】
また、例えば、特許文献１に開示されているように、観察方向を調整することができる実体顕微鏡が提案されている。しかしながら、特許文献１に開示されている実体顕微鏡では、観察する方向を変更した場合には立体視することができず、また、観察視点が移動するため、高倍率観察において観察視点を見失い易くなるということがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の実体顕微鏡では観察方向を変更した場合には立体視することができず、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができる実体顕微鏡が求められている。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実体顕微鏡は、それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系と、前記一対の観察光学系の光軸上に配置され、それぞれの前記光軸を偏心させる光学部材と、前記光学部材によるそれぞれの前記光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、前記光軸の移動量を変更する変更手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の実体顕微鏡においては、それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系の光軸上に、それぞれの光軸を偏心させる光学部材が配置され、その光学部材によるそれぞれの光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、光軸の移動量が変更される。なお、ここで、偏心とは、光軸の角度は変えずに、観察者に向かって左右方向に光軸をシフトさせることを意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実体顕微鏡によれば、試料を傾けることなく観察方向を様々な方向に変更して立体的な観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した実体顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡を示す図である。
【図３】観察方向の傾斜角度について説明する図である。
【図４】傾斜機構の構成例を示す図である。
【図５】本発明を適用した顕微鏡システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明を適用した実体顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００１６】
実体顕微鏡１１は、標本１２を異なる角度から観察するための一対の観察光学系１３−１および１３−２を有している。実体顕微鏡１１では、観察光学系１３−１および１３−２で共通の対物レンズ１４が使用され、観察光学系１３−１の光軸Ｌ１と観察光学系１３−２の光軸Ｌ２とが、対物レンズ１４よりも上側において平行に構成されている。
【００１７】
対物レンズ１４は、実体顕微鏡１１に対して着脱可能とされており、検鏡者は、観察の対象となる標本１２に応じた倍率の対物レンズ１４を選択して装着することができる。
【００１８】
観察光学系１３−１および１３−２の光軸Ｌ１およびＬ２上には、対物レンズ１４側から順に、円筒プリズム１５−１および１５−２、アフォーカルズーム系１６−１および１６−２、結像レンズ１７−１および１７−２、並びに、接眼レンズ１８−１および１８−２がそれぞれ配置されている。
【００１９】
円筒プリズム１５−１および１５−２は、その上面および下面が平行な平面で形成された円筒形状の透明な光学部材である。円筒プリズム１５−１および１５−２は、ユニット２２により保持されており、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に、ユニット２２ごと挿脱自在となるように構成されている。
【００２０】
アフォーカルズーム系１６−１は、アフォーカル光学系を構成するレンズ１９−１および２０−１と、レンズ１９−１および２０−１の間に配置される開口絞り２１−１とを有して構成される。アフォーカルズーム系１６−１は、結像面での結像倍率のみを変化させ、結像位置を変化させないような光学系であり、その上側および下側で観察光学系１３−１および１３−２が平行系となっている。また、アフォーカルズーム系１６−２は、アフォーカルズーム系１６−１と同様に、レンズ１９−２および２０−２と開口絞り２１−２とを有して構成される。
【００２１】
アフォーカルズーム系１６−１および１６−２では、レンズ１９−１と２０−１およびレンズ１９−２と２０−２の間隔を調整することで、実体顕微鏡１１による観察倍率が連続的に変更され、開口絞り２１−１および２１−２の開口径を調整することで、標本１２を観察する際の光量が調整される。
【００２２】
結像レンズ１７−１および１７−２は、標本１２からの観察光を集光して像を形成し、接眼レンズ１８−１および１８−２は、その像を拡大して、実体顕微鏡１１を覗き込む検鏡者の両目による観察を行わせる。
【００２３】
このように実体顕微鏡１１は構成されており、検鏡者は、観察光学系１３−１および１３−２それぞれから接眼レンズ１８−１および１８−２を介して左右の眼で、それぞれの角度から標本１２を見込み、標本１２を立体視することができる。
【００２４】
ここで、図１に示すように、光軸Ｌ１およびＬ２の間隔である光軸間距離をＤとし、対物レンズ１４の焦点距離をｆ０とし、観察光学系１３−１および１３−２を介して標本１２を見込む角度を２αとすると、光軸間距離Ｄ、焦点距離ｆ０、および角度αの関係は次の式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
・・・（１）
【００２６】
この式（１）より、角度αは、次の式（２）で求めることができる。
【００２７】
【数２】
・・・（２）
【００２８】
例えば、光軸間距離Ｄを２２ｍｍとし、焦点距離ｆ０を１００ｍｍとすると、標本１２を見込む角度２αは、次の式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
・・・（３）
【００３０】
このような角度２αの視差により、実体顕微鏡１１では標本１２を立体視することができる。ここで、以下、適宜、対物レンズ１４から標本１２に向かう観察光学系１３−１および１３−２の成す角度を２等分する軸を仮想光軸と称し、この仮想光軸に沿って標本１２に向かう方向（図１に示されている矢印の方向）を、観察方向と称する。
【００３１】
実体顕微鏡１１では、対物レンズ１４より上側の光軸Ｌ１およびＬ２が、標本１２に対して（標本１２が載置されるステージに対して）垂直となるように構成されており、図１に示すように、円筒プリズム１５−１および１５−２の上面および下面が、光軸Ｌ１およびＬ２に対してそれぞれ垂直である場合、仮想光軸は標本１２に対して垂直となる。即ち、この場合の観察方向を垂直方向とする。そして、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させることにより、垂直方向に対して傾斜した方向から標本１２を観察することができる。
【００３２】
図２を参照して、観察方向の傾斜について説明する。図２Ａには、垂直方向に対して左側に観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡１１が示されており、図２Ｂには、垂直方向に対して右側に観察方向を傾斜させた状態の実体顕微鏡１１が示されている。
【００３３】
例えば、円筒プリズム１５−１を、図２Ａに示すように時計方向に傾斜させると、円筒プリズム１５−１の上面および下面でそれぞれ光線が屈折するため、円筒プリズム１５−１の下側の光軸Ｌ１は、その上側の光軸Ｌ１に対して水平方向（光軸に対して直交する方向）の左側にシフトする。同様に、円筒プリズム１５−２を時計回りに傾斜させると、円筒プリズム１５−２の下側の光軸Ｌ２は上側の光軸Ｌ２に対して水平方向の左側にシフトする。このとき、円筒プリズム１５−１の傾斜角度および傾斜方向と、円筒プリズム１５−２の傾斜角度および傾斜方向とが同一である場合、光軸Ｌ１およびＬ２の間隔が維持されたまま、同一のシフト量で光軸Ｌ１およびＬ２がシフトする。
【００３４】
このように、光軸Ｌ１およびＬ２が左側にシフトした場合には、観察光学系１３−１および１３−２を２等分する仮想光軸は垂直方向に対して左側に傾斜するため、図２Ａに示されていように、矢印Ａの観察方向から標本１２が観察される。
【００３５】
一方、例えば、円筒プリズム１５−１および１５−２を、図２Ｂに示すように反時計方向に、同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させると、円筒プリズム１５−１および１５−２の下側の光軸Ｌ１およびＬ２が水平方向の右側にシフトする。これにより、観察光学系１３−１および１３−２を２等分する仮想光軸は垂直方向に対して右側に傾斜するため、図２Ｂに示されていように、矢印Ｂの観察方向から標本１２が観察される。
【００３６】
このように、実体顕微鏡１１は、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させることで観察方向を傾斜させることができ、標本１２を固定した状態で、様々な角度から標本１２を観察することができる。
【００３７】
図３を参照して、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度と、仮想光軸の傾斜角度との関係について説明する。
【００３８】
図３に示すように、円筒プリズム１５−１および１５−２の厚みをｔとし、光軸Ｌ１およびＬ２それぞれに対する円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度をθとし、円筒プリズム１５−１および１５−２の屈折率をｎとする。このとき、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜に従って光軸Ｌ１およびＬ２がシフトする距離を示す光軸シフト量ｄは、次の式（４）により求めることができる。
【００３９】
【数４】
・・・（４）
【００４０】
また、この光軸シフト量ｄと、対物レンズ１４の焦点距離ｆ０とに基づいて、垂直方向に対する仮想光軸の傾斜角度δは、次の式（５）で表される。
【００４１】
【数５】
・・・（５）
【００４２】
従って、例えば、屈折率ｎを1.5168とし、厚みｔが２０ｍｍである円筒プリズム１５−１および１５−２を使用し、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度θの範囲を±３０度とすると、式（４）より、傾斜角度θが−３０度のとき光軸シフト量ｄは-3.95ｍｍとなり、傾斜角度θが３０度のとき光軸シフト量ｄは3.95ｍｍとなる。また、このとき、焦点距離ｆ０を１００ｍｍとすると、式（５）より、仮想光軸の傾斜角度δの範囲は2.2度（0.0395rad）となる。
【００４３】
また、上述したように、実体顕微鏡１１では、対物レンズ１４を交換して倍率を変更することができ、例えば、焦点距離ｆ０が５０ｍｍである対物レンズ１４を使用する場合、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜角度θの範囲が±３０度であれば、仮想光軸の傾斜角度δの範囲は4.5度となる。また、この場合、観察光学系１３−１および１３−２を介して標本１２を見込む角度２αは6.3度となる。
【００４４】
このように、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を利用して、円筒プリズム１５−１および１５−２を回転させるだけで観察方向を簡単に変更することができる。また、上述したように、円筒プリズム１５−１および１５−２は、ユニット２２ごと挿脱自在となるように構成されているので、ユニット２２を着脱するだけで、任意の観察方向と、垂直方向の観察方向を容易に切り替えることができる。
【００４５】
また、実体顕微鏡１１では、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させることで、即ち、光軸Ｌ１およびＬ２の光軸シフト量ｄが同一方向に同一量となるようにすることで、一定の視差を維持したまま観察方向だけを変更することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、観察光学系１３−１および１３−２に対して、円筒プリズム１５−１および１５−２は同角度で傾斜するとしたが、例えば、観察光学系１３−１に対する円筒プリズム１５−１の傾斜角度と、観察光学系１３−２に対する円筒プリズム１５−２の傾斜角度とが異なる角度であってもよい。このように傾斜角度が異なる場合には、標本１２を立体視する視差量が変化し、観察光学系１３−１に対する円筒プリズム１５−１の傾斜角度と、観察光学系１３−２に対する円筒プリズム１５−２の傾斜角度とが異なるように制御することで、標本１２の観察方向を変更するとともに、視差量（即ち、立体感）を変更することができる。
【００４７】
次に、図４を参照して、円筒プリズム１５−１および１５−２を傾斜させる傾斜機構について説明する。図４Ａには、歯車を利用した傾斜機構の構成例が示されており、図４Ｂには、リンク機構を利用した傾斜機構の構成例が示されている。
【００４８】
歯車を利用した傾斜機構では、円筒プリズム１５−１および１５−２は、プリズムホルダ３１−１および３１−２にそれぞれ固定されており、プリズムホルダ３１−１および３１−２は、ユニット２２に対してそれぞれ回転可能に装着されている。また、図４Ａの右側には、右側面から見たプリズムホルダ３１−１および円筒プリズム１５−１の側面図が示されている。
【００４９】
プリズムホルダ３１−１および３１−２は、回転軸を中心とした略円盤形状の円弧部を有しており、その円弧部の外周面の一部に、歯車が形成されている。そして、プリズムホルダ３１−１および３１−２の間には、それぞれの歯車に噛み合うように、駆動用歯車３２が装着されている。
【００５０】
例えば、駆動用歯車３２には、図示しないハンドルが接続されており、そのハンドルを検鏡者が操作することができる。例えば、検鏡者が、ハンドルを反時計方向に回転させると、ハンドルに連動して駆動用歯車３２が反時計方向に回転し、歯車を介して回転が伝達されて、プリズムホルダ３１−１および３１−２が時計方向に回転する。これにより、図４Ａで矢印Ａに示すように、垂直方向に対して左側に傾斜した観察方向から標本１２を観察することができる。
【００５１】
また、リンク機構を利用した傾斜機構では、円筒プリズム１５−１および１５−２は、プリズムホルダ４１−１および４１−２にそれぞれ固定されており、プリズムホルダ４１−１および４１−２の上端は、ユニット２２に対してそれぞれ回転可能に装着されている。プリズムホルダ４１−１および４１−２は、下方に延びるような回転軸を有しており、その回転軸の先端が、操作棒４２に回転可能に連結されている。即ち、ユニット２２、プリズムホルダ４１−１および４１−２、並びに、操作棒４２により、いわゆる平行クランク機構が構成されている。
【００５２】
例えば、操作棒４２の一端はユニット２２の外部に突出しており、検鏡者が、その操作棒４２の一端を水平方向に操作（押し引き）することにより、円筒プリズム１５−１および１５−２が同一の傾斜角度および傾斜方向に傾斜される。例えば、操作棒４２が右方向に押されると、図４Ｂで矢印Ｂに示すように、垂直線に対して右側に傾斜した観察方向から標本１２を観察することができる。
【００５３】
なお、円筒プリズム１５−１および１５−２の傾斜機構としては、上述のような構成の機構に限られるものではなく、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させることができるように構成されていれば、どのような傾斜機構でもよい。
【００５４】
また、本発明は、接眼レンズ１８−１および１８−２を介して検鏡者が直接的に観察するような実体顕微鏡１１の他、例えば、接眼レンズを使用せずに、三次元表示の可能なディルプレイ装置を利用した顕微鏡システムに適用することができる。なお、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【００５５】
次に、図５は、本発明を適用した顕微鏡システムの構成例を示す図である。
【００５６】
図５において、顕微鏡システム５１を構成する実体顕微鏡１１’は、図１の実体顕微鏡１１と同様に構成されており、接眼レンズ１８−１および１８−２に替えて、撮像素子５２−１および５２−２を有するとともに、円筒プリズム１５−１および１５−２に替えて、平行平板５３を有している。
【００５７】
撮像素子５２−１および５２−２は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの撮像素子であり、観察光学系１３−１および１３−２それぞれの像面位置に配置され、それぞれ視差の異なる画像を撮像する。
【００５８】
平行平板５３は、円筒プリズム１５−１および１５−２と同一の厚みで、その上面および下面が平行な平面で形成された板状の透明な光学部材であり、観察光学系１３−１および１３−２の両方に掛かるようにに配置される。光軸Ｌ１およびＬ２を同一の光軸シフト量でシフトさせるには、円筒プリズム１５−１および１５−２を同一の傾斜角度および傾斜方向で傾斜させる必要があるため、上述したような歯車やリンク機構を利用した傾斜機構が必要となる。これに対し、実体顕微鏡１１’では、１枚の平行平板５３を採用することで、複雑な傾斜機構を必要とすることなく光軸Ｌ１およびＬ２を同一の光軸シフト量でシフトさせることができ、観察方向を傾斜させることができる。
【００５９】
撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像は、パーソナルコンピュータなどにより構成される制御装置５４において画像処理され、ディスプレイ装置５５に表示される。ディスプレイ装置５５は、三次元表示が可能な表示装置であり、例えば、偏光板や液晶シャッタなどを利用した眼鏡方式や、レンチキュラーやパララックスバリアなどを利用した裸眼立体視方式（眼鏡を使用しない方式）などの表示方式で、撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像を表示する。
【００６０】
また、顕微鏡システム５１では、マウスなどの入力装置５６を操作し、検鏡者が制御装置５４に対して各種の操作信号を入力することができる。例えば、観察方向を調整する操作信号が制御装置５４に入力されると、制御装置５４は、その操作信号に従って駆動装置５７を制御し、駆動装置５７が平行平板５３を駆動して、観察方向が調整される。
【００６１】
以上のように顕微鏡システム５１は構成されており、撮像素子５２−１および５２−２により撮像された画像がディスプレイ装置５５に三次元的に表示されるので、検鏡者は、実体顕微鏡１１を覗きこむよりも大きな画面で、標本１２を詳細に観察することができる。また、複数の検鏡者により標本１２を同時に観察することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、実体顕微鏡１１（図１）では、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に、円筒プリズム１５−１および１５−２が挿入されているが、円筒プリズム１５−１および１５−２の挿入箇所は光路が平行系であればよく、対物レンズ１４とアフォーカルズーム系１６−１および１６−２との間に限定されるものではない。例えば、アフォーカルズーム系１６−１および１６−２と結像レンズ１７−１および１７−２との間の平行系である箇所に円筒プリズム１５−１および１５−２を挿入してもよい。
【００６３】
また、本発明は、観察光学系１３−１および１３−２が平行部分を有する平行系の顕微鏡の他、一対の観察光学系が内向角をもって配置される内斜系の顕微鏡にも適用することができる。
【００６４】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１１ 実体顕微鏡， １２ 標本， １３−１および１３−２ 観察光学系， １４ 対物レンズ， １５−１および１５−２ 円筒プリズム， １６−１および１６−２ アフォーカルズーム系， １７−１および１７−２ 結像レンズ， １８−１および１８−２ 接眼レンズ， １９−１および１９−２ レンズ， ２０−１および２０−２ レンズ， ２１−１および２１−２ 開口絞り， ２２ ユニット， ３１−１および３１−２ プリズムホルダ， ３２ 駆動用歯車， ４１−１および４１−２ プリズムホルダ， ４２ 操作棒， ５１ 顕微鏡システム， ５２−１および５２−２ 撮像素子， ５３ 平行平板， ５４ 制御装置， ５５ ディスプレイ装置， ５６ 入力装置， ５７ 駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系と、
前記一対の観察光学系の光軸上に配置され、それぞれの前記光軸を偏心させる光学部材と、
前記光学部材によるそれぞれの前記光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、前記光軸の移動量を変更する変更手段と
を備えることを特徴とする実体顕微鏡。
【請求項２】
前記光学部材は、透明な平行平面板であり、
前記変更手段は、前記光学部材の平面を前記光軸に対して傾斜させる傾斜角度を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の実体顕微鏡。
【請求項３】
前記光学部材は、前記観察光学系の光軸上に挿脱自在である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の実体顕微鏡。
【請求項４】
前記観察光学系の像面にそれぞれ配置される撮像素子と、
前記撮像素子により撮像された画像を、検鏡者により立体視可能となるように表示する表示手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【請求項５】
前記光学部材は、前記一対の観察光学系における各光軸の移動量が同一となるように前記光軸を移動させる
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【請求項６】
結像面での結像倍率のみを変化させ、結像位置を変化させないように構成されたアフォーカルズーム光学系
をさらに備え、
前記光学部材は、前記アフォーカル光学系の上側または下側に形成される前記観察光学系の光路が平行系となる箇所に挿入される
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【請求項１】
それぞれ異なる方向から標本を観察する一対の観察光学系と、
前記一対の観察光学系の光軸上に配置され、それぞれの前記光軸を偏心させる光学部材と、
前記光学部材によるそれぞれの前記光軸偏心の移動方向が同一の方向となるように、前記光軸の移動量を変更する変更手段と
を備えることを特徴とする実体顕微鏡。
【請求項２】
前記光学部材は、透明な平行平面板であり、
前記変更手段は、前記光学部材の平面を前記光軸に対して傾斜させる傾斜角度を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の実体顕微鏡。
【請求項３】
前記光学部材は、前記観察光学系の光軸上に挿脱自在である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の実体顕微鏡。
【請求項４】
前記観察光学系の像面にそれぞれ配置される撮像素子と、
前記撮像素子により撮像された画像を、検鏡者により立体視可能となるように表示する表示手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【請求項５】
前記光学部材は、前記一対の観察光学系における各光軸の移動量が同一となるように前記光軸を移動させる
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【請求項６】
結像面での結像倍率のみを変化させ、結像位置を変化させないように構成されたアフォーカルズーム光学系
をさらに備え、
前記光学部材は、前記アフォーカル光学系の上側または下側に形成される前記観察光学系の光路が平行系となる箇所に挿入される
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の実体顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４７７９６（Ｐ２０１２−４７７９６Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８７１１１（Ｐ２０１０−１８７１１１）
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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