JP2015079222A - 液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡を提供する。【解決手段】液浸顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力の第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、第１レンズ群は、物体からの光束を収斂光束にし、第２レンズ群は、第１レンズ群よりも小さい屈折力を有し、第１レンズ群は、物体側から順に接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含み、接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有し、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。７．５ｍｍ≰ＮＡo?ｄ0≰１８ｍｍ （１）ここで、ＮＡoは、液浸顕微鏡対物レンズの物体側開口数、ｄ0は、液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、である。【選択図】図１

Description

本発明は、液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡に関するものである。

顕微鏡における蛍光観察の手段として、多光子励起による蛍光観察法が知られている。多光子励起では、蛍光体の吸収波長のほぼ整数倍の波長の光を励起光として蛍光体（試料）に照射する。ここで、多光子励起における励起光の波長は吸収波長のほぼ整数倍なので、励起光の１つの光子が持つエネルギーは、多光子励起の方が１光子励起に比べてほぼ整数分の１になる。そのため、多光子励起では、一つの蛍光体に複数の光子を同時に衝突させる必要がある。

顕微鏡対物レンズで励起光を集光すると、焦点位置で光密度が最も高くなる。よって、複数の光子が同時に蛍光体に衝突する確率は、焦点位置で最も高くなる。多光子励起では、実際、焦点位置（あるいは焦点位置のごく近傍）のみで蛍光が生じる。焦点位置での光密度を高めるためには、焦点位置に形成される光スポットの径をできるだけ小さくする必要がある。このようなことから、顕微鏡対物レンズには、大きな開口数と優れた結像性能が求められる。結像性能が優れていると、諸収差が良好に補正された光スポットが焦点位置に形成される。

また、多光子励起で用いられる励起光は赤外光である。光は、波長が長いほど散乱しにくいという性質（レイリー散乱）を有する。そのため、生体試料のような散乱性を持つ試料では、波長が長い赤外光の方がより深い位置まで励起光として到達することができる。この性質を利用して試料の深部を観察するために、顕微鏡対物レンズには長い作動距離が求められる。

更に、赤外光の中でもより波長が長い光の方が、レイリー散乱がより小さい。そのため、より波長が長い光の方がより深い位置まで励起光が到達することができる。よって、多光子励起に用いる顕微鏡対物レンズは、より長い波長で優れた結像性能を持つことが好ましい。また、より広い範囲を観察できることが好ましい。

また、試料の深い位置の観察では、試料自身の屈折率による収差が無視できなくなる。よって、顕微鏡対物レンズは、このような収差の変動を補正する手段を持つことが好ましい。

物体側開口数が大きく、収差が良好に補正された顕微鏡対物レンズとして、特許文献１や特許文献２に開示された液浸顕微鏡対物レンズがある。

特開２０１１−０７５９８２号公報 米国特許出願公開第２０１３／０１００５３７号明細書

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された液浸顕微鏡対物レンズでは、作動距離が十分に長いとはいえない。また、屈折率が大きい浸液を使った観察では、広い波長域、特に、赤外波長域の広い範囲で収差が良好に補正されているとはいえない。

本発明は、上述に鑑みてなされたものであって、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の液浸顕微鏡対物レンズは、
物体側から順に、正の屈折力の第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、
第１レンズ群は、物体からの光束を収斂光束にし、
第２レンズ群は、第１レンズ群よりも小さい屈折力を有し、
第１レンズ群は、物体側から順に、接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含み、
接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有し、
以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
７．５ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀≦１８ｍｍ （１）
ここで、
ＮＡ_oは、液浸顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
ｄ₀は、液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
である。

また、本発明の顕微鏡は、スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、顕微鏡対物レンズに上述の液浸顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする。

本発明によれば、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡を提供できる。

本発明の実施例１にかかる液浸顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例２にかかる液浸顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 本発明の実施例３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。 実施例１にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図である。 実施例２にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態１のときの図である。 実施例２にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態２のときの図である。 実施例２にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態３のときの図である。 実施例３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態１のときの図である。 実施例３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態２のときの図である。 実施例３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態３のときの図である。 実施例３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態４のときの図である。 結像レンズの断面図である。 本発明の液浸顕微鏡対物レンズを用いた顕微鏡の図である。

以下の説明において、波長によって値が変化する変数（例えば、焦点距離、結像倍率、開口数等）は、特に断りがない限り９００ｎｍを基準としている。また、作動距離とは焦点位置から対物レンズの最も物体側の面までの距離である。

本実施形態の液浸顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、正の屈折力の第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、第１レンズ群は、物体からの光束を収斂光束にし、第２レンズ群は、第１レンズ群よりも小さい屈折力を有し、第１レンズ群は、物体側から順に、接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含み、接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有し、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
７．５ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀≦１８ｍｍ （１）
ここで、
ＮＡ_oは、液顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
ｄ₀は、液顕微鏡対物レンズの作動距離、
である。

本実施形態の液浸顕微鏡対物レンズ（以下、適宜、「対物レンズ」という）は、物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、を備えている。そして、第１レンズ群は、全体として正の屈折力を有し、接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含む。また、接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有する。なお、物体側とは試料側を意味する。

対物レンズの物体側開口数（以下、単に「開口数」という）を大きくすると、より大きな発散角（回折角）の光を、試料から対物レンズに入射させることができる。その結果、試料の微細構造を、より細かく観察することができる。しかしながら、発散角が大きい光は、第１レンズ群における光線高が高い。このような光線を第１レンズ群で急激に曲げると、第１レンズ群において高次収差が発生しやすくなる。

そこで、本実施形態の対物レンズでは、第１レンズ群が、接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含むことで、発散角が大きい光線を、これらのレンズで徐々に曲げるようにしている。このようにすることで、高次収差が大きく発生することを抑えつつ、物体からの光束を収斂光束にしている。

また、第２レンズ群が、第１レンズ群よりも小さい屈折力を有するようにしている。第１レンズ群から出射する光束は、既に収斂光束になっている。そこで、第２レンズ群には大きな屈折力を持たせず、第２レンズ群自身で収差が発生することを極力抑えるようにしておく。このようにすることで、例えば、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることがあったとしても、第２レンズ群の移動による収差の変動（悪化）を最小限に抑えられる。

そして、本実施形態の対物レンズは、以下の条件式（１）を満足する。
７．５ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀≦１８ｍｍ （１）
ここで、
ＮＡ_oは、液浸顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
ｄ₀は、液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
である。

条件式（１）を満足することで、十分な大きさの開口数と十分な長さの作動距離が得られるので、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる。また、様々な種類の浸液を使用できる。このような効果は、特に２光子励起による蛍光観察において顕著に得られる。

条件式（１）の上限値を上回ると、開口数が大きくなりすぎるため、収差を良好に補正することが難しくなる。顕微鏡対物レンズでは、例えば、同焦点距離は離散的な長さに限られている。そのため、条件式（１）の上限値を上回ると、このような制約の中で、高い分解能で明るい蛍光観察が行えるように収差を補正することが難しくなる。

条件式（１）の下限値を下回ると、作動距離を十分に確保することが難しくなるため、試料の深部をより深く観察することが困難になる。或いは、開口数が小さくなりすぎるため、高い分解能で明るい蛍光観察を行うことが難しくなる。

なお、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１’）を満足するのが好ましい。
８ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀≦１８ｍｍ （１’）

以上のように、本実施形態の対物レンズでは、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる。

また、本実施形態の対物レンズは、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
１０．６ｍｍ≦ｄ₀×ｎｄ₀≦２５ｍｍ （２）
ここで、
ｄ₀は、液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｎｄ₀は、浸液のｄ線における屈折率、
である。

条件式（２）を満足することで、開口数が大きい対物レンズにおいて、試料の深部を容易に観察できる。

条件式（２）の上限値を上回ると、作動距離が長くなりすぎため、開口数が小さくなる。そのため、高い分解能で明るい蛍光観察を行うことが困難になる。あるいは、浸液の屈折率が大きくなりすぎることから、浸液の屈折率と標本の屈折率との不一致により発生する収差が大きくなる。そのため、試料の深部をより深く観察することが困難になる。

条件式（２）の下限値を下回ると、作動距離が短くなりすぎるので、試料の深部を観察することが困難になる。

なお、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２’）を満足するのが好ましい。
１１．６ｍｍ≦ｄ₀×ｎｄ₀≦２５ｍｍ （２’）

また、本実施形態の対物レンズでは、第３レンズ群は、物体側から順に、物体側レンズ群と、像側レンズ群と、を有し、物体側レンズ群は、最も像側の面が像側に凹面を向けたレンズを有し、像側レンズ群は、最も物体側の面が物体側に凹面を向けたレンズを有し、以下の条件式（３）、（４）を満足することが好ましい。
０．０２≦（ｄ₁／ｄ₀）×（ｎｄ_m−ｎｄ₀）≦０．１９ （３）
０．０１≦｜ｄ₁／Ｒ₁｜≦０.１８５ （４）
ここで、
ｄ₀は、液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｄ₁は、最も物体側に位置するレンズの光軸上の厚み、
ｎｄ₀は、浸液のｄ線における屈折率、
ｎｄ_mは、最も物体側に位置するメニスカスレンズのｄ線における屈折率、
Ｒ₁は、所定のメニスカスレンズの物体側面の曲率半径、
所定のメニスカスレンズは、像側面が空気接触面になっているメニスカスレンズのうち、最も物体側に位置するレンズ、
である。

第３レンズ群において、物体側レンズ群と像側レンズ群とを、例えば、１つの空気間隔を挟んで各々の凹面が向かい合うように配置することで、第３レンズ群のレンズ構成をガウスタイプに近づけることができる。ここで、物体側レンズ群と像側レンズ群の位置では、光線の高さが低くなっている。よって、物体側レンズ群の凹面と像側レンズ群の凹面とによって、ペッツバール和を小さくすることができる。なお、第３レンズ群では、第２レンズ群からの光束を略平行光束に変えている。

また、作動距離が長くなると、最も物体側に位置するレンズ面における光線高が高くなるので、最も物体側に配置されたレンズ群では収差が発生しやすくなる。条件式（３）を満足することで、最も物体側に位置するレンズの光軸上の厚さと第１レンズ群のメニスカスレンズの屈折率を、作動距離と浸液の屈折率に対して最適にすることができる。これにより、最も物体側に配置されたレンズ群で発生する発生を、最小限に抑えることが可能となる。

条件式（３）の上限値を上回ると、作動距離に対して、最も物体側に位置するレンズの厚みが厚くなるため、試料からメニスカスレンズの物体側面までの距離が長くなる。すると、メニスカスレンズの物体側面でより多くの収差補正を行わなくてはならなくなるので、長い作動距離を得ることが難しくなる。

条件式（３）の下限値を下回ると、最も物体側に位置するレンズの厚みが薄くなるため、メニスカスレンズの物体側面での屈折力が小さくなる。すると、メニスカスレンズの物体側面での収差補正が十分にできなくなるので、対物レンズの開口数を大きくすることが難しくなる。

条件式（４）を満足することで、十分な長さの作動距離を確保しながら、接合レンズの接合面での収差の発生を抑えることができる。その結果、大きな開口数と長い作動距離の両立を実現することが可能になる。

なお、所定のメニスカスレンズは、像側面が空気接触面になっているメニスカスレンズのうち、最も物体側に位置するレンズである。例えば、最も物体側に配置された接合レンズが、物体側のメニスカスレンズと像側のメニスカスレンズとで構成されているとする。この場合、物体側のメニスカスレンズでは、像側面が接合面になっている。よって、物体側のメニスカスレンズは所定のメニスカスレンズに該当しない。一方、像側のメニスカスレンズでは、像側面が空気接触面になっている。よって、像側のメニスカスレンズが所定のメニスカスレンズに該当する。

条件式（４）の上限値を上回ると、接合レンズの像側面での光線高が高くなるので、接合レンズの像側面で収差が発生しやすくなる。

条件式（４）の下限値を下回ると、接合レンズの接合面での収差が発生しやすくなるので、大きな開口数と長い作動距離の両立を実現することが困難になる。

なお、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３’）を満足するのが好ましい。
０．０２≦（ｄ₁／ｄ₀）×（ｎｄ_m−ｎｄ₀）≦０．１６ （３’）
さらに、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３’’）を満足するとなお良い。
０．０２≦（ｄ₁／ｄ₀）×（ｎｄ_m−ｎｄ₀）≦０．１５ （３’’）

また、本実施形態の対物レンズでは、第２レンズ群は接合レンズを含むと共に、光軸に沿って移動し、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
０．２０５≦（ＯＰＬ_max−ＯＰＬ_min）／ｆ≦０．３５ （５）
ここで、
ＯＰＬ_maxは、所定の光路長のうちの最大となる光路長、
ＯＰＬ_minは、所定の光路長のうちの最小となる光路長、
ｆは、液浸顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離であって、
所定の光路長ＯＬＰは、液浸顕微鏡対物レンズから合焦位置までの間の光路長であって、以下の式（Ａ）で表され、

Ｎは、液浸顕微鏡対物レンズから合焦位置までの間にある物質の数、
Ｗ_iは、媒質のうちのｉ番目の媒質の波長光軸方向の幅、
ｎ_iは、媒質のうちのｉ番目の媒質の波長９００ｎｍにおける屈折率、
である。

試料の観察では、使用する浸液の種類を変えて観察が行われる。この場合、試料の表面から対物レンズまでの光路長、あるいはカバーガラスから対物レンズまでの光路長が変化するため、収差が発生（変動）する。

また、試料の観察では、深さ方向の観察位置を変化させることもある。例えば、試料が生体の場合、生体内部には様々な組織が存在し、組織の各々で屈折率は異なる。そのため、対物レンズから合焦位置（観察位置）までの間の光路長は、その間に存在する組織の種類、数及び厚みよって変化する。

本実施形態の対物レンズでは、第２レンズ群は接合レンズを含むと共に、光軸に沿って移動する。これにより、収差の発生（変動）を抑制することができる。その結果、使用する浸液の種類や深さ方向の観察位置を変えても、良好な結像性能を維持できる。

また、上述のように、試料の深部を観察する場合、対物レンズから合焦位置までの間には、浸液や試料などの様々な物質が存在する。ここで、浸液の屈折率と厚みは、使用する浸液の種類によって異なる。よって、使用する浸液に応じて光路長が変化する。また、試料が生体の場合、生体内部には様々な組織が存在し、組織の各々で屈折率は異なる。よって、深さ方向に存在する組織の種類や数に応じて光路長が変化する。

このように、試料、特に生体試料の観察では、対物レンズから合焦位置までの光路長が変化する。そこで、第２レンズ群を移動させる場合、条件式（５）を満足すると良い。条件式（５）を満足することで、光路長の変化量が大きくても、第２レンズ群を移動させることで、光路長の変化に伴う収差の変動を抑制できる。その結果、使用する浸液の種類や観察可能な試料（組織）の種類を増やすことができ、また、観察可能な深さ方向の範囲を広げることができる。

条件式（５）の上限値を上回ると、物質（試料や浸液）の屈折率や厚みの変化が大きくなるので、光路長の変化量が大きくなりすぎる。そのため、第２レンズ群の対物レンズ光軸方向へ移動させても、収差を良好に補正することが困難になる。あるいは、使用できる浸液の種類少なくなったり、観察可能の深さ方向の範囲が狭くなったりする。

条件式（５）の下限値を下回ると、試料の表面から深部までを、高い分解能で観察することが困難になる。

また、本実施形態の対物レンズでは、以下の条件式（６）、（７）を満足することが好ましい。
−１．３≦ｍ_g2≦−０．８ （６）
−０．３８≦ｆ／ｆ_2m≦０ （７）
ここで、
ｍ_g2は、第２レンズ群の倍率、
ｆは、液浸顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離、
ｆ_2mは、第２レンズ群の焦点距離、
である。

浸液や観察位置が変化すると、この変化に伴って収差が発生する。第２レンズ群は、このような収差を補正する為のレンズ群である。上述のように、収差を補正するために、第２レンズ群は光軸方向に移動する。ここで、条件式（６）を満足すると、第２レンズ群の倍率が１倍或いは−１倍に近い値になるので、第２レンズ群を移動させても焦点位置の近軸的な位置が変化しない。そのため、第２レンズ群の移動による収差補正が簡単になる。

特に作動距離が長く収差補正量が多い対物レンズでは、レンズ群の移動による焦点位置の変化が大きくなりやすい。条件式（６）を満足することで、第２レンズ群を移動させても焦点位置の変化が小さくなる。よって、操作性と収差補正能力に優れた対物レンズが実現できる。

条件式（６）の上限値を上回るか、あるいは下限値を下回ると、第２レンズ群の移動による焦点位置の変化が大きくなるので、操作性が悪化すると共に、球面収差の補正が十分にできない。

条件式（７）は、第２レンズ群の屈折力が負であることを示している。正屈折力のレンズ群では、光線の高さが負屈折力のレンズ群に比べて高い。そのため、正屈折力のレンズ群を移動させると、移動による収差の発生が大きくなる。特に球面収差の補正量が多い場合には、正屈折力のレンズ群の移動は好ましくなく、移動させるレンズ群には負屈折力のレンズ群が適している。条件式（７）を満足することで、第２レンズ群を移動させも球面収差の変動を良好に抑えられる。

条件式（７）の上限値を上回ると、第２レンズ群の物体側レンズ面の負屈折力が大きくなりすぎる。この場合、第２レンズ群における光線高を高くしてしまうことになる。そのため、第２レンズ群の移動による球面収差の補正が難しくなる。また、第２レンズ群の物体側レンズ面で、高次の球面収差や高次のコマ収差が発生し易くなる。

条件式（７）の下限値を下回ると、第２レンズ群における光線高が低くなりすぎる。この場合、第２レンズ群から出射する光束が発散し易くなる。そのため、コマ収差の補正が難しくなる。

また、本実施形態の顕微鏡は、スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、顕微鏡対物レンズに上述のいずれかの液浸顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする。

このようにすることで、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる顕微鏡を実現できる。

なお、各条件式は、いずれの条件式を単独で用いても、自由に組み合わせて用いてもよく、本発明の効果を奏する。また、条件式の上限値、下限値をそれぞれ単独に変更した条件式であってもよく、同様に本発明の効果を奏する。

以下に、本発明に係る液浸顕微鏡対物レンズの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

以下、本発明の液浸顕微鏡対物レンズの実施例１〜３について説明する。実施例１〜３にかかる液浸顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面を、それぞれ図１〜３に示す。これらの断面図中、Ｌ１〜Ｌ１５は各レンズを示している。また、図１２は結像レンズの断面図である。

なお、実施例１〜３の液浸顕微鏡対物レンズは、無限遠補正の顕微鏡対物レンズである。無限遠補正の顕微鏡対物レンズでは、顕微鏡対物レンズから出射する光束が平行になるので、それ自体では結像しない。そのため、この平行光束は、例えば、図１２に示すような結像レンズで集光される。そして、平行光束が集光された位置に試料面の像が形成される。

次に、実施例１に係る対物レンズについて説明する。実施例１の対物レンズは、図１に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第１レンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、平凸正レンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５と、からなる。ここで、平凸正レンズＬ１と正メニスカスレンズＬ２とが接合されている。また、両凸正レンズＬ４と負メニスカスレンズＬ５とが接合されている。

第２レンズ群Ｇ２は、負の屈折力を有する。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６と、両凸正レンズＬ７と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８と、からなる。ここで、負メニスカスレンズＬ６、両凸正レンズＬ７及び負メニスカスレンズＬ８が接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、両凸正レンズＬ１２と、両凹負レンズＬ１３と、両凹負レンズＬ１４と、両凸正レンズＬ１５と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。また、両凸正レンズＬ１２と両凹負レンズＬ１３とが接合されている。

また、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３は、常時静止している（位置が固定である）。

次に、実施例２に係る対物レンズについて説明する。実施例２の対物レンズは、図２に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第１レンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、平凸正レンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、平凸正レンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５と、からなる。ここで、平凸正レンズＬ１と正メニスカスレンズＬ２とが接合されている。また、両凸正レンズＬ４と負メニスカスレンズＬ５とが接合されている。

第２レンズ群Ｇ２は、負の屈折力を有する。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凹負レンズＬ６と、両凸正レンズＬ７と、両凹負レンズＬ８と、からなる。ここで、両凹負レンズＬ６、両凸正レンズＬ７及び両凹負レンズＬ８が接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、両凸正レンズＬ１２と、両凹負レンズＬ１３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１４と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１５と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。また、両凸正レンズＬ１２と両凹負レンズＬ１３とが接合されている。

また、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３は、常時静止している（位置が固定である）。一方、第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３に対して光軸に沿って移動する。

次に、実施例３に係る対物レンズについて説明する。実施例３の対物レンズは、図３に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第１レンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、平凸正レンズＬ１と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２と、両凸正レンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５と、からなる。ここで、平凸正レンズＬ１と正メニスカスレンズＬ２とが接合されている。また、両凸正レンズＬ４と負メニスカスレンズＬ５とが接合されている。

第２レンズ群Ｇ２は、負の屈折力を有する。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凹負レンズＬ６と、両凸正レンズＬ７と、両凹負レンズＬ８と、からなる。ここで、両凹負レンズＬ６、両凸正レンズＬ７及び両凹負レンズＬ８が接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、両凸正レンズＬ１２と、両凹負レンズＬ１３と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１４と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１５と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。また、両凸正レンズＬ１２と両凹負レンズＬ１３とが接合されている。

また、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３は、常時静止している（位置が固定である）。一方、第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３に対して光軸に沿って移動する。

次に、上述の各実施例の対物レンズを構成する光学部材の数値データを掲げる。なお、各実施例の数値データにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径（ただし、ｒ１とｒ２は仮想面）、ｄは各レンズの肉厚または空気間隔（ただし、ｄ１はカバーガラスの厚み、ｄ２は浸液層の厚み）、ｎ９００は各レンズの波長９００ｎｍでの屈折率、ｎｄは各レンズのｄ線での屈折率、νｄは各レンズのアッべ数、ＮＡは開口数、ｆは対物レンズ全系の焦点距離、βは倍率を示している。なお、倍率βは、後述の結像レンズ（焦点距離１８０ｍｍ）と組み合わせたときの倍率である。

数値実施例１では、試料と対物レンズの間にカバーガラスが存在していない。この状態では、浸液のみを介して試料の像が形成される。よって、仮想面ｒ１とｒ２は、共に浸液と試料面との境界を示している。また、数値実施例１における面データは、浸液にグリセリンを用いたときの数値である。

数値実施例２、３において、ｄ１の値が０の場合、これは、試料と対物レンズの間にカバーガラスが存在していない状態を示している。この状態では、浸液のみを介して試料の像が形成される。また、この場合、仮想面ｒ１とｒ２は、共に浸液と試料面との境界を示している。

一方、ｄ１の値が０でない場合、これは、試料と対物レンズの間にカバーガラス存在している状態を示している。この状態では、カバーガラスと浸液とを介して試料の像が形成される。また、この場合、仮想面ｒ１は試料面とカバーガラスとの境界、ｒ２はカバーガラスと浸液との境界を示している。なお、カバーガラスを試料とみなすと、仮想面ｒ２が浸液と試料面の境界、仮想面ｒ１は試料の内部になる。よって、試料の内部を観察できることは明らかである。

実施例２と実施例３の対物レンズでは、カバーガラスの有無や浸液の種類の変化に左右されずに、良好な試料像が得られる。そのために、実施例２の対物レンズでは、第２レンズ群が移動レンズ群を含んでいる。同様に、実施例３の対物レンズでも、第２レンズ群が移動レンズ群を含んでいる。

なお、数値実施例２と数値実施例３における面データは、状態１の浸液に液Ａ（グリセリン）を用いたときの数値である。状態１〜４の違いは以下のとおりである。また、数値実施例２では、各種データの欄に、状態１〜３の各々について数値を示している。また、数値実施例３では、各種データの欄に、状態１〜４の各々について数値を示している。また、曲率半径ｒと面間隔ｄの単位はｍｍである。

カバーガラス 浸液
状態１ なし 液Ａ（グリセリン）
状態２ なし 液Ｂ（シリコーンオイル）
状態３ なし 液Ｃ（イマージョンオイル）
状態４ あり 液Ｄ

数値実施例１
ＮＡ＝１．１、ＷＤ＝１３ｍｍ、ＦＬ＝７．２１６１ｍｍ、β＝−２４．９５９

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ 0
2 ∞ 13.0000 1.46650 1.47388 60.45
3 ∞ 1.3360 1.50854 1.51633 64.14
4 -110.4459 9.9876 1.86397 1.88300 40.76
5 -21.8870 0.2000
6 -88.5335 7.0285 1.58713 1.59522 67.74
7 -28.1666 0.2000
8 101.7793 15.7964 1.58713 1.59522 67.74
9 -25.1399 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
10 -65.6527 0.2500
11 117.6662 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
12 31.0443 18.2800 1.43436 1.43875 94.93
13 -24.6558 1.7000 1.71843 1.73800 32.26
14 -105.7536 0.2500
15 29.0784 10.9238 1.58713 1.59522 67.74
16 -109300.0000 0.2500
17 118.8008 7.9187 1.58713 1.59522 67.74
18 -37.6008 1.5000 1.62408 1.63775 42.41
19 59.6342 0.2500
20 18.6107 14.7079 1.59433 1.60300 65.44
21 -33.0567 1.2000 1.65754 1.67300 38.15
22 6.3935 5.9774
23 -11.7598 2.0000 1.78837 1.80400 46.57
24 69.9402 2.7083
25 45.8096 3.5327 1.81778 1.84666 23.88
26 -25.3384

数値実施例２
ＮＡ＝１、ＷＤ＝８．０５ｍｍ、ＦＬ＝７．２２３２ｍｍ、β＝−２４．９５９

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ d1
2 ∞ d2 1.46650 1.47388 60.45
3 ∞ 2.6879 1.50854 1.51633 64.14
4 -16.9025 3.0029 1.86397 1.88300 40.76
5 -10.3698 0.2000
6 ∞ 3.3780 1.58713 1.59522 67.74
7 -21.7452 0.2000
8 23.5437 5.5835 1.58713 1.59522 67.74
9 -37.5468 2.0000 1.60077 1.61336 44.49
10 -97.3456 d10
11 -270.1833 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
12 12.6936 8.1203 1.43436 1.43875 94.93
13 -14.0863 2.0000 1.71843 1.73800 32.26
14 70.0358 d14
15 407.9861 2.4899 1.58713 1.59522 67.74
16 -30.8143 0.1000
17 16.9188 6.8586 1.58713 1.59522 67.74
18 -19.7939 1.5000 1.62408 1.63775 42.41
19 803.0398 0.2500
20 11.3180 5.9746 1.58713 1.59522 67.74
21 -39.2442 1.2000 1.65754 1.67300 38.15
22 5.7243 5.7461
23 -8.0830 1.1200 1.78837 1.80400 46.57
24 -77.8294 9.3728
25 -137.2597 3.3595 1.71843 1.73800 32.26
26 -18.4571

各種データ
状態１
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 8.0500 1.46650 1.47388 60.45
d10 2.5823
d14 2.0177

状態２
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 7.5951 1.39737 1.40420 52.02
d10 0.5000
d14 4.1000

状態３
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 8.2866 1.50455 1.51495 41.00
d10 3.8000
d14 0.8000

数値実施例３
ＮＡ＝１、ＷＤ＝１０．０５ｍｍ、ＦＬ＝７．２２０９ｍｍ、β＝−２４．９５９

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ d1
2 ∞ d2 1.46650 1.47388 60.45
3 ∞ 3.7627 1.50854 1.51633 64.14
4 -21.2545 3.9154 1.86397 1.88300 40.76
5 -13.2251 0.2000
6 153.8518 4.6461 1.58713 1.59522 67.74
7 -32.5785 0.2000
8 38.5443 7.4844 1.58713 1.59522 67.74
9 -32.9606 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
10 -70.5057 d10
11 -273.4258 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
12 17.6274 10.6242 1.43436 1.43875 94.93
13 -19.2934 1.7000 1.71843 1.73800 32.26
14 206.2474 d14
15 582.5255 3.0400 1.58713 1.59522 67.74
16 -40.1090 0.2500
17 32.6954 10.3429 1.58713 1.59522 67.74
18 -16.8746 1.5000 1.62408 1.63775 42.41
19 538.1095 0.2500
20 11.1595 9.8273 1.59433 1.60300 65.44
21 -94.8477 1.2000 1.62408 1.63775 42.41
22 5.2731 6.9811
23 -7.4552 2.0000 1.78837 1.80400 46.57
24 -27.4322 9.0770
25 -22.9699 3.1451 1.77762 1.80000 29.84
26 -13.5926

各種データ
状態１
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 10.050 1.46650 1.47388 60.45
d10 3.1405
d14 2.5595

状態２
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 9.5692 1.39737 1.40420 52.02
d10 0.4504
d14 5.2496

状態３
d n900 nd νd
d1 0 1.51497 1.52344 54.41
d2 10.3041 1.50455 1.51495 41.00
d10 4.7546
d14 0.9454

状態４
d n900 nd νd
d1 0.2300 1.51497 1.52344 54.41
d2 9.8899 1.47597 1.47388 60.81
d10 3.5737
d14 2.1263

結像レンズ

面データ
面番号 r d n900 ns n1129 nd νd
1 95.2596 5.3317 1.56907 1.56395 1.55920 1.56907 71.30
2 -116.2766 2.8267 1.50847 1.50296 1.49723 1.50847 61.19
3 80.4059 16.3504
4 92.0498 8.7567 1.48749 1.48282 1.47778 1.48749 70.23
5 -73.2447 4.8745 1.62408 1.62540 1.61910 1.63775 42.41
6 -292.4080

焦点距離 180ｍｍ

ここで、各実施例の対物レンズと組み合わせる際の結像レンズと対物レンズとの間隔は、５０ｍｍから２００ｍｍの間のいずれかであればよい。

図４〜１０は、実施例１〜３に係る対物レンズの収差図であって、以下の状態における収差図である。なお、対物レンズと結像レンズとのレンズ面間隔は、実施例１では１２２．７２２６ｍｍ、実施例２では１６６．２２５９ｍｍ、実施例３では１４５．８２３９ｍｍである。
実施例 状態
図４ 実施例１ 状態１
図５ 実施例２ 状態１
図６ 実施例２ 状態２
図７ 実施例２ 状態３
図８ 実施例３ 状態１
図９ 実施例３ 状態２
図１０ 実施例３ 状態３
図１１ 実施例３ 状態４

また、これらの収差図において、”ＩＨ”は像高である。また、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、球面収差（ＳＡ）、正弦条件違反量（ＯＳＣ）、非点収差（ＡＳ）、コマ収差（ＤＺＹ）を示している。なお、コマ収差（ＤＺＹ）の縦軸は像高比０．５における開口比である。

次に、各実施例における条件式（１）〜（６）の値を掲げる。
条件式 実施例１ 実施例２ 実施例３
(1)NA_o×d₀ 浸液Ａ 14.300 8.050 10.050
浸液Ｂ - 7.595 9.569
浸液Ｃ - 8.287 10.304
浸液Ｄ - - 10.120
(2)d₀×nd₀ 浸液Ａ 19.160 11.865 14.812
浸液Ｂ - 10.665 13.437
浸液Ｃ - 12.554 15.610
浸液Ｄ - - 15.012
(3)(d₁/d₀)×(nd_m-nd₀) 浸液Ａ 0.042 0.137 0.153
浸液Ｂ - 0.169 0.188
浸液Ｃ - 0.119 0.134
浸液Ｄ - - 0.149
(4)|d₁/R₁| 0.012 0.159 0.177
(5)(OPL_max-OPL_min)/f - 0.257 0.295
(6)m_g2 - -1.261 -1.018
(7)f/f_2m - -0.363 -0.240

図１３は、本実施形態の顕微鏡を示す図である。図１３には、顕微鏡の一例として、レーザ走査型顕微鏡の外観構成例が示されている。図１３に示すように、顕微鏡１０は、本体部１、対物レンズ２、レボルバ３、対物レンズ上下機構４、ステージ５、透過照明装置６、観察鏡筒７、スキャナー８を有する。また、顕微鏡１０には画像処理装置２０が接続され、この画像処理装置２０に画像表示装置２１が接続されている。本実施形態の顕微鏡では、この対物レンズ２に、本実施形態の液浸顕微鏡対物レンズが用いられている。

ステージ５は本体部１に設けられている。このステージ５の上に、試料９が載置される。また、本体部１の上方に、透過照明装置６が設けられている。この、透過照明装置６によって、可視光の透過照明光が試料９に照射される。試料９からの光は、対物レンズ２を通過して観察鏡筒７に到達する。ユーザは、観察鏡筒７を介して、試料９を可視光で観察することができる。

また、本体部１の後方（紙面右側）には、レーザ光源（不図示）とスキャナー８が設けられている。レーザ光源とスキャナー８は、ファイバ（不図示）で接続されている。スキャナー８は、ガルバノスキャナーや光検出素子などが内部に配置されている。レーザ光源は２光子励起が可能な赤外光を発生するレーザである。レーザ光源からの光は、スキャナー８を通過後、対物レンズ２に入射する。対物レンズ２は、ステージ５の下方に位置している。よって、下方からも試料９の照明が行なわれる。

試料９からの光（反射光や蛍光）は、対物レンズ２を通過後、スキャナー８を介して、光検出素子で検出される。２光子励起では焦点位置のみから蛍光が生じるので、共焦点観察ができる。共焦点観察では、試料９の断面像を得ることができる。

レボルバ３には、対物レンズ上下機構４が接続されている。対物レンズ上下機構４は、対物レンズ２（レボルバ３）を、光軸方向に移動させることができる。試料９の光軸方向の断面像を複数得る場合は、対物レンズ上下機構４によって対物レンズ２を移動させればよい。

光検出素子で得られた信号は、画像処理装置２０に送信される。画像処理装置２０で信号処理が行なわれ、試料９の画像が画像表示装置２１で表示される。

上述の例では、本実施形態の液浸顕微鏡対物レンズを、２光子励起観察に用いている。しかしながら、本実施形態の液浸顕微鏡対物レンズを、例えば、全反射蛍光観察に用いることもできる。その場合は、レーザ光源からの光束径を、液浸顕微鏡対物レンズの有効口径よりも小さくしておく。そして、その光束を、液浸顕微鏡対物レンズの光軸を含まないように、液浸顕微鏡対物レンズに入射させるようにする。

また、本実施形態では、液浸顕微鏡対物レンズを可視光観察にも用いている。もし可視域での収差性能が充分ではない場合は、可視観察用対物レンズと２光子励起観察用対物レンズの２つをレボルバ３に装着し、観察方法ごとに切り替えて使用してもよい。

なお、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明は、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡に適している。

Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
１ 本体部
２ 対物レンズ
３ レボルバ
４ 対物レンズ上下機構
５ ステージ
６ 透過照明装置
７ 観察鏡筒
８ スキャナー
９ 試料
１０ 顕微鏡
２０ 画像処理装置
２１ 画像表示装置

Claims (7)

1. 物体側から順に、正の屈折力の第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、
   前記第１レンズ群は、物体からの光束を収斂光束にし、
   前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群よりも小さい屈折力を有し、
   前記第１レンズ群は、物体側から順に、接合レンズと正の屈折力の単レンズとを含み、
   前記接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有し、
   以下の条件式（１）を満足することを特徴とする液浸顕微鏡対物レンズ。
   ７．５ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀≦１８ｍｍ （１）
   ここで、
   ＮＡ_oは、前記液浸顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
   ｄ₀は、前記液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
   である。
2. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の液浸顕微鏡対物レンズ。
   １０．６ｍｍ≦ｄ₀×ｎｄ₀≦２５ｍｍ （２）
   ここで、
   ｄ₀は、前記液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
   ｎｄ₀は、浸液のｄ線における屈折率、
   である。
3. 前記第３レンズ群は、物体側から順に、物体側レンズ群と、像側レンズ群と、を有し、
   前記物体側レンズ群は、最も像側の面が像側に凹面を向けたレンズを有し、
   前記像側レンズ群は、最も物体側の面が物体側に凹面を向けたレンズを有し、
   以下の条件式（３）、（４）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の液浸顕微鏡対物レンズ。
   ０．０２≦（ｄ₁／ｄ₀）×（ｎｄ_m−ｎｄ₀）≦０．１９ （３）
   ０．０１≦｜ｄ₁／Ｒ₁｜≦０.１８５ （４）
   ここで、
   ｄ₀は、前記液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
   ｄ₁は、最も物体側に位置するレンズの光軸上の厚み、
   ｎｄ₀は、浸液のｄ線における屈折率、
   ｎｄ_mは、最も物体側に位置するメニスカスレンズのｄ線における屈折率、
   Ｒ₁は、所定のメニスカスレンズの物体側面の曲率半径、
   前記所定のメニスカスレンズは、像側面が空気接触面になっているメニスカスレンズのうち、最も物体側に位置するレンズ、
   である。
4. 前記第２レンズ群は接合レンズを含むと共に、光軸に沿って移動し、
   以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液浸顕微鏡対物レンズ。
   ０．２０５≦（ＯＰＬ_max−ＯＰＬ_min）／ｆ≦０．３５ （５）
   ここで、
   ＯＰＬ_maxは、所定の光路長のうちの最大となる光路長、
   ＯＰＬ_minは、前記所定の光路長のうちの最小となる光路長、
   ｆは、前記液浸顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離であって、
   前記所定の光路長ＯＬＰは、前記液浸顕微鏡対物レンズから合焦位置までの間の光路長であって、以下の式（Ａ）で表され、
   

   

   Ｎは、前記液浸顕微鏡対物レンズから合焦位置までの間にある物質の数、
   Ｗ_iは、前記媒質のうちのｉ番目の媒質の光軸方向の幅、
   ｎ_iは、前記媒質のうちのｉ番目の媒質の波長９００ｎｍにおける屈折率、
   である。
5. 以下の条件式（６）、（７）を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液浸顕微鏡対物レンズ。
   −１．３≦ｍ_g2≦−０．８ （６）
   −０．３８≦ｆ／ｆ_2m≦０ （７）
   ここで、
   ｍ_g2は、前記第２レンズ群の倍率、
   ｆは、前記液浸顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離、
   ｆ_2mは、前記第２レンズ群の焦点距離、
   である。
6. スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、
   前記顕微鏡対物レンズに請求項１〜６のいずれか１項に記載の液浸顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする顕微鏡。
7. 物体側から順に、正の屈折力の第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、
   前記第１レンズ群は、物体からの光束を収斂光束にし、
   前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群よりも小さい屈折力を有し、
   前記接合レンズは、物体側から順に、平凸レンズとメニスカスレンズとを有し、
   以下の条件式（１−１）を満足することを特徴とする液浸顕微鏡対物レンズ。
   ７．５ｍｍ≦ＮＡ_o×ｄ₀ （１−１）
   ここで、
   ＮＡ_oは、前記液浸顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
   ｄ₀は、前記液浸顕微鏡対物レンズの作動距離、
   である。

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