JP2007133071A - 液浸系の顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低倍率（２０倍程度）で、高い開口数（０．９５程度）を有し、焦点距離が６０ｍｍに設定された、液浸系の顕微鏡対物レンズの提供。
【解決手段】物体側から順に、平凸接合レンズ（レンズＬ１及びＬ２）と、物体側に凹面を向けた接合面（面番号１０）を有する接合正レンズ（レンズＬ６，Ｌ７及びＬ８）とを含み、物点からの発散光束を収斂光束に変えて正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１からの収斂光束を発散光束に変えて負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、第２レンズ群Ｇ２からの発散光束を平行光束に変えて正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３とが配置され、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ２とし、レンズ全系の焦点距離をＦとし、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との光軸上のレンズ間隔をＤａとしたとき、次式１．０＜｜ｆ２｜／Ｆ＜２．５及び０．５＜Ｄａ／Ｆ＜１．２を満足する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、倍率が２０倍程度で大きな開口数を有する、液浸系の顕微鏡対物レンズに関する。

従来、顕微鏡の対物レンズには、解像力や蛍光観察時の明るさを向上させるため、常に高開口数化が求められてきたが、その要求はレンズの倍率が高くなるほど顕著になるというのが一般的であった。

ところが、近年では、中間変倍光学系や高解像度化の進んだ撮像素子との組み合わせにより、広い視野を取り込み、取り込んだ視野における任意の部分を拡大して観察することも可能となっている。このような対物レンズの用途の拡がりから、比較的倍率が低く、広視野で、且つ高開口数を有する対物レンズが次第に要求されている。

比較的倍率の低い２０倍程度で広い実視野と高開口数を兼ね備えた対物レンズとして、最大開口数が水浸系で０．９４、乾燥系で０．８という非常に高い開口数の対物レンズが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−３１７６０号公報

ところで、通常の顕微鏡では、顕微鏡の胴付面から試料面（合焦面）までの距離（いわゆる同焦点距離）が、対物レンズによらず等しくなるように作られている。このため、レボルバーに複数の対物レンズを装着している場合、一つの対物レンズでピント調整を行えば、レボルバーを回転して別の対物レンズを切り替えても、ピントはほぼあっており、いちいちピント位置を探す必要がない。

対物レンズにおいて、同焦点距離は、一般に４５ｍｍに設定されているものが多いが、一部には６０ｍｍにサイズアップして、長い作動距離を確保したり、レンズ構成の自由度を上げたりして、さらなる光学性能や操作性を向上させたものが実用化されている。

しかしながら、特許文献１に記載の対物レンズは、全長が約８０ｍｍあり、上記の現行システムとは共用が図れず、使用条件に大きな制約が加わり、利用し難いという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、比較的低倍率でありながら、高い開口数を有する、同焦点距離が６０ｍｍの顕微鏡システムに使用可能な液浸系の顕微鏡対物レンズを提供することができる。

このような目的を達成するため、本発明の液浸系の顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、平凸接合レンズと物体側に凹面を向けた接合面を有する接合正レンズとを含み、物点からの発散光束を収斂光束に変えて、正の屈折力を有する第１レンズ群と、前記第１レンズ群からの収斂光束を発散光束に変えて、負の屈折力を有する第２レンズ群と、前記第２レンズ群からの発散光束を平行光束に変えて、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配置され、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、レンズ全系の焦点距離をＦとし、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との光軸上のレンズ間隔をＤａとしたとき、次式１．０＜｜ｆ２｜／Ｆ＜２．５及び０．５＜Ｄａ／Ｆ＜１．２を満足して構成される。

以上説明したように、本発明によれば、２０倍という比較的低倍率でありながら、０．９５という高い開口数を有する、同焦点距離が６０ｍｍに設定された液浸系の顕微鏡対物レンズを提供することができる。

以下、本発明に係る好ましい実施形態について説明する。本発明に係る顕微鏡対物レンズは、液浸系であり、物体側から順に、平凸接合レンズと物体側に凹面を向けた接合面を有する接合正レンズとを含み、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レンズ群とが配置されている。そして、物点からの発散光束は第１レンズ群により収斂光束に変換され、第１レンズ群からの収斂光束は第２レンズ群により発散光束に変換され、第２レンズ群からの発散光束は第３レンズ群により平行光束に変換され、結像レンズへと導かれるようになっている。

このような構成の本発明に係る液浸系の顕微鏡対物レンズは、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、レンズ全系の焦点距離をＦとし、第２レンズ群と第３レンズ群との光軸上のレンズ間隔をＤａとしたとき、次式を満足するように構成される。

１．０ ＜ ｜ｆ２｜／Ｆ ＜ ２．５ …（１）
０．５ ＜ Ｄａ／Ｆ ＜ １．２ …（２）

上記の条件式（１）は、第２レンズ群の適切な焦点距離を定めたものである。この条件式（１）の上限を上回ると、第２レンズ群の焦点距離が長くなり、これに伴い相対的に第１レンズ群の焦点距離も長くなり、物体からの発散光束を絞り込むことができず、第１レンズ群の有効径が大きくなり過ぎ、球面収差やコマ収差の補正を困難にする。また、第２レンズ群の焦点距離が長いと、対物レンズ全系でのペッツバール和が大きくなり、像面の平坦性が悪化する。逆に、この条件式（１）の下限を下回ると、第２レンズ群の負の屈折力が強くなり過ぎ、サジタル方向のコマ収差が増大する原因となる。

上記の条件式（２）は、第２レンズ群と第３レンズ群との適切な空気間隔を定めたものである。しかしながら、条件式（２）の設定範囲を超えて、第２レンズ群と第３レンズ群との間隔を狭めようとすると、レンズ全系の焦点距離を短くしなければならず、また、上記のように、正の屈折力を有して第２レンズ群からの発散光束を平行光束にするために配置されている第３レンズ群のような射出瞳径が大きいレンズでは、ｆナンバーが小さくなり、収差補正には不利になってしまう。逆に、条件式（２）の設定範囲を超えて、第２レンズ群と第３レンズ群との間隔が十分確保できると収差補正上は有利になるものの、対物レンズ全長が長くなり過ぎてしまうという問題がある。

本発明に係る液浸系の顕微鏡対物レンズは、第１レンズ群において最も像側に配置された接合正レンズの負レンズ成分のアッベ数をνｄａとし、第２レンズ群において負レンズ成分のアッベ数をνｄｂとしたとき、次式を満足することが望ましい。

νｄａ ＞ ６０ …（３）
νｄｂ ＜ ４０ …（４）

上記の条件式（３）及び（４）は、本発明の対物レンズにおいて、色収差を補正するための硝材の選択条件を定めたものである。物体からの発散光束が第１レンズ群で収斂光束に変換される際に有効径は極大となるが、その極大付近での色消しパワーが強過ぎると基準波長の球面収差に対して、短波長の球面収差がオーバーに行き過ぎてしまう。これを補正するために、第１レンズ群において最も像側に配置された接合正レンズの負レンズ成分に、条件式（３）のようなアッベ数の比較的大きい硝材を使用することが望ましい。

しかしながら、第１レンズ群での色消しパワーが弱くなると、軸上色収差が補正不足となってしまう。この補正不足分を補う役目を担うのが第２レンズ群であり、条件式（４）はこの第２レンズ群の硝材の選択条件を定めたものである。なお、第２レンズ群は、比較的有効径が小さいため、色消しパワーを強めても高次球面収差の色による差が少なく、球面収差の色の乱れを抑えることができる。

本発明に係る顕微鏡対物レンズは、第１レンズ群において、最も物体側に配置された平凸レンズの光軸上の厚みをＴａとし、その凸面側の曲率半径をＲａとしたとき、次式を満足することが望ましい。

２．０ ＜ ｜Ｒａ／Ｔａ｜ ＜ ３．０ …（５）

上記条件式（５）は、本発明に係る顕微鏡対物レンズの光学性能をより向上させるための条件を定めたものである。具体的には、本対物レンズの第１レンズ群を構成する、最も物体側に配置された平凸レンズに関するものである。条件式（５）の上限を上回ると、本来の目的であった、平凸レンズを用いてペッツバール和を減少させる効果が薄らいでしまい、像面湾曲の補正が不利になる。逆に、条件式（５）の下限を下回ると、平凸レンズとこのレンズの像側に配置されたレンズとの接合面において軸外光束に対する入射角が大きくなり、コマ収差の補正が困難になる。さらに、製造上の難易度も高まり、製造コスト上昇に繋がる。

以下に図面を参照して本発明に係る各実施例について説明する。

本実施例に係る顕微鏡対物レンズは油浸タイプの設計となっており、浸液（オイル）として屈折率及びアッベ数がそれぞれｎｄ＝１．５１５４及びνｄ＝４１．４のものを、カバーガラスＣとして屈折率，アッベ数及び厚さがそれぞれｎｄ＝１．５２２２，νｄ＝５８．８及びｔ＝０．１７のものを使用することを前提としている。

（第１実施例）
図１及び図２を用いて、本発明に係る第１実施例の顕微鏡対物レンズについて説明する。図１は、第１実施例に係る顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す断面図である。図１に示すように、第１実施例に係る顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配置されている。なお、第１レンズ群Ｇ１の物体側には、カバーガラスＣが配置されており、カバーガラスＣと第１レンズ群の最も物体側に配置されたレンズ（後述の平凸レンズＬ１）との間は浸液（オイル）で満たされている。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凸レンズＬ１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２とからなる平凸接合レンズと、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凸形状の正レンズＬ４と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ５とからなる２枚接合レンズと、両凸形状の正レンズＬ６と両凹形状の負レンズＬ７と両凸形状の正レンズＬ８とからなり、物体側に凹面を向けた接合面（後述の面番号１０が該当）を有する３枚の接合正レンズとが配置されている。

第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凸形状の正レンズＬ９と両凹形状の負レンズＬ１０とからなる２枚接合レンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１１と物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１２とからなる２枚接合レンズとが配置されている。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１３が配置されている。

表１は、第１実施例に係る顕微鏡対物レンズを構成する各レンズの諸元値を示している。表１に示す諸元の表において、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（以下、面番号と称する）、第２欄ｒは各光学面の曲率半径、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（又は像面）までの光軸上の距離（以下、面間隔と称する）、第４欄ｎｄはｄ線（波長ｎｍ）に対する屈折率、第５欄νｄはアッベ数をそれぞれ表している。

表中では、曲率半径∞は平面を示し、空気の屈折率１．００００はその記載を省略している。また、他の略号として、Ｆは対物レンズ全系の焦点距離、Ｎ．Ａ．は開口数、βは倍率、ｄ０は物体面から第１面までの光軸上の距離を表している。さらに、上記の条件式（１）〜（５）に対応した値も示す。

なお、長さの単位は特記の無い場合は「ｍｍ」が使われている。但し、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることが可能である。

以上の表の説明は、他の実施例においても同様である。

表１に示す諸元の表から分かるように、本実施例に係る顕微鏡対物レンズでは、上記条件式（１）〜（５）を全て満たすことが分かる。

図２は、本発明の第１実施例に係る顕微鏡対物レンズの諸収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は倍率色収差、（ｄ）はコマ収差、（ｅ）は歪曲収差をそれぞれ示している。また、図２において、ＮＡは開口数を、ｙは像高（ｍｍ）を、実線はｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）を、破線はＣ線（λ＝６５６．３ｎｍ）を、一点鎖線はＦ線（λ＝４８６．１ｎｍ）を、二点鎖線はｇ線（λ＝４３５．８ｎｍ）をそれぞれ示している。さらに、非点収差図において、実線はサジタル像面、破線はメリディオナル像面をそれぞれ示している。また、歪曲収差図は、基準波長としてのｄ線に対する収差を示している。以上、収差図の説明は他の実施例においても同様である。

図２に示す各収差図から明らかであるように、第１実施例に係る顕微鏡対物レンズは、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

（第２実施例）
図３及び図４を用いて、本発明に係る第２実施例の顕微鏡対物レンズについて説明する。図３は、第２実施例に係る顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す断面図である。図３に示すように、第２実施例に係る顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配置されている。なお、第１レンズ群Ｇ１の物体側には、カバーガラスＣが配置されており、カバーガラスＣと第１レンズ群の最も物体側に配置されたレンズ（後述の平凸レンズＬ１）との間は浸液（オイル）で満たされている。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凸レンズＬ１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２とからなる平凸接合レンズと、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凸形状の正レンズＬ４と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ５とからなる２枚接合レンズと、両凸形状の正レンズＬ６と両凹形状の負レンズＬ７と両凸形状の正レンズＬ８とからなり、物体側に凹面を向けた接合面（後述の面番号１０が該当）を有する３枚の接合正レンズとが配置されている。

第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ９と両凸形状の正レンズＬ１０と両凹形状の負レンズＬ１１とからなる３枚接合レンズが配置されている。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１２と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１３とからなる２枚接合レンズが配置されている。

表２は、第２実施例に係る顕微鏡対物レンズを構成する各レンズの諸元値を示している。

表２に示す諸元の表から分かるように、本実施例に係る顕微鏡対物レンズでは、上記条件式（１）〜（５）を全て満たすことが分かる。

図４は、本発明の第２実施例に係る顕微鏡対物レンズの諸収差図であり、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は倍率色収差、（ｄ）はコマ収差、（ｅ）は歪曲収差をそれぞれ示している。図４に示す各収差図から明らかであるように、第２実施例に係る顕微鏡対物レンズは、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

なお、各実施例に係る顕微鏡対物レンズは、いずれも無限遠系補正型のレンズであるため、顕微鏡対物レンズの像側に結像レンズを配置し、顕微鏡対物レンズと結像レンズとの組み合わせにより有限光学系を形成している。ここで、図５及び表３を用いて、各実施例で使用される結像レンズについて説明する。

図５は、各実施例で使用される結像レンズのレンズ構成の断面図を示している。図５に示すように、結像レンズは、物体側から順に、両凸レンズＬ１と両凹レンズＬ２との接合正レンズと、両凸レンズＬ３と両凹レンズＬ４との接合正レンズとから構成されている。表３は、結像レンズの諸元値を示している。なお、表中のＦ´は結像レンズ全系の焦点距離を示している。

以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。

本発明の第１実施例に係る顕微鏡対物レンズのレンズ断面図を示す図である。 本発明の第１実施例に係る顕微鏡対物レンズの諸収差図であり、図２（ａ）は球面収差、図２（ｂ）は非点収差、図２（ｃ）は倍率色収差、図２（ｄ）はコマ収差、図２（ｅ）は歪曲収差をそれぞれ示している。 本発明の第２実施例に係る顕微鏡対物レンズのレンズ断面図を示す図である。 本発明の第２実施例に係る顕微鏡対物レンズの諸収差図であり、図４（ａ）は球面収差、図４（ｂ）は非点収差、図４（ｃ）は倍率色収差、図４（ｄ）はコマ収差、図４（ｅ）は歪曲収差をそれぞれ示している。 本発明の各実施例に係る顕微鏡対物レンズと組み合わせて用いられる結像レンズの一例を示す断面図である。

符号の説明

Ｇ１ 第１レンズ群 Ｇ２ 第２レンズ群 Ｇ３ 第３レンズ群

Claims (4)

1. 物体側から順に、
   平凸接合レンズと物体側に凹面を向けた接合面を有する接合正レンズとを含み、物点からの発散光束を収斂光束に変えて、正の屈折力を有する第１レンズ群と、
   前記第１レンズ群からの収斂光束を発散光束に変えて、負の屈折力を有する第２レンズ群と、
   前記第２レンズ群からの発散光束を平行光束に変えて、正の屈折力を有する第３レンズ群とが配置され、
   前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、レンズ全系の焦点距離をＦとし、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との光軸上のレンズ間隔をＤａとしたとき、次式
   １．０ ＜ ｜ｆ２｜／ Ｆ ＜ ２．５
   ０．５ ＜ Ｄａ ／ Ｆ ＜ １．２
   を満足することを特徴とする液浸系の顕微鏡対物レンズ。
2. 前記第１レンズ群の最も像側に配置された接合正レンズの負レンズ成分のアッベ数をνｄａとし、前記第２レンズ群に配置された負レンズ成分のアッベ数をνｄｂとしたとき、次式
   νｄａ ＞ ６０
   νｄｂ ＜ ４０
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の液浸系の顕微鏡対物レンズ。
3. 前記第１レンズ群において、最も物体側に配置された平凸レンズの光軸上の厚みをＴａとし、その凸面側の曲率半径をＲａとしたとき、次式
   ２．０ ＜ ｜Ｒａ／Ｔａ｜ ＜ ３．０
   を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の液浸系の顕微鏡対物レンズ。
4. 前記第１レンズ群は、前記平凸接合レンズよりも像側に３枚接合レンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液浸系の顕微鏡対物レンズ。

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