JP4082015B2 - 液浸系顕微鏡対物レンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
【0002】
【従来の技術】
生物学の分野において、顕微鏡は、従来からの形態観察だけでなくパッチクランプにも多く利用される。
パッチクランプは、細胞膜のイオンチャネルの働きによりもたらされる膜電位変化を定量的に測定するものである。
【0003】
測定者は、生きた細胞をシャーレ内の培養液中に置き、それを顕微鏡で観察しながら微細な電極(ガラス電極)をその細胞の所望の箇所に接触させる。
したがって、パッチクランプ用の顕微鏡対物レンズは、その先端部が培養液に接触可能な液浸系である(液浸系顕微鏡対物レンズである)と共に、ガラス電極を挿入できるよう、その先端から物体面までの間隙(作動距離)が十分に長く採られたものである。
【0004】
因みに、従来のパッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離は、作動距離が2〜3mmである(例えば、特開平8−292374号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このパッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズの倍率は、長作動距離化するという制約により、高々60倍程度でしかなかった。
【0006】
しかしながら、近年、研究が進むにつれて測定対象が微細化し、パッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズを高倍率化(例えば100倍に)させたい、また、このために高開口数化させたいという要望が増加するようになった。
そこで本発明は、十分な作動距離を確保しつつ、高倍率化かつ高開口数化が可能な液浸系顕微鏡対物レンズを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを配置し、かつ、正屈折力を有した第1レンズ群と、正屈折力を有した第2レンズ群と、負屈折力を有した第3レンズ群とを物体側より順に備えた液浸系顕微鏡対物レンズであって、物体面から前記第1レンズ群の第1レンズ面までの光軸上の距離d0は、対物レンズ全系の焦点距離fよりも大きく、前記第1レンズ面の曲率半径r1は、前記焦点距離fとの間で関係4<|r1/f|<7を満たし、前記第1レンズ群は、接合型のメニスカスレンズと2枚以上の単レンズとからなる。
【0008】
請求項2に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、請求項1に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、前記単レンズのうち最も物体側の単レンズの屈折率n3は、関係n3>1.65を満たす。
【0009】
請求項3に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、請求項1又は請求項2に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、前記メニスカスレンズの接合面の曲率半径r2と前記第1レンズ面の曲率半径r1とは、関係0.6<|r2/r1|<0.9を満たす。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【0011】
図1は、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの基本構成を示す図である。
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ(第1レンズ11、第2レンズ12)を有し、かつ正屈折力を有した第1レンズ群G1と、正屈折力を有した第2レンズ群G2と、負屈折力を有した第3レンズ群とを備える。
【0012】
因みに、第2レンズ群G2は、複数の接合レンズを有し、第3レンズ群G3は、2組以上の負の接合レンズを有する。
この液浸系顕微鏡対物レンズは、その先端部が培養液に接触可能であって、パッチクランプ用、すなわち、その作動距離が十分に確保された顕微鏡対物レンズである。
【0013】
この液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、使用時に培養液などの液体に接触するのは、最も物体側に配置された第1レンズ11である。
このため、第1レンズ11の材料は、水に対して耐久性があり、かつ生体試料に対して有害な成分を含まない硝材、例えば、石英ガラスや比較的屈折率の低いクラウン系のガラスが使用されることが好ましい。
【0014】
しかし、このようなガラスは屈折率が低く光線を曲げる力が弱いため、第1レンズ11の単体では光束が拡がり過ぎてしまい、対物レンズ全系の焦点距離を短くして倍率を上げることや、全系の収差を補正することに、困難が生じる。
そこで、第1レンズ11に対しては、高屈折率かつ高屈折力の第2レンズ12が接合される。すなわち、第1レンズ11と第2レンズ12とは、接合型のメニスカスレンズを成す。
【0015】
このメニスカスレンズによれば、光線高は良好に抑制される。また、接合型のメニスカスレンズの形状を適正化することで、収差を減少させることが可能となる。
さらに、液浸系顕微鏡対物レンズにおいては、第2レンズ12よりも像側の部分をバレル(不図示)に組み込み、第1レンズ11を露出させる構造とすることが好ましい。
【0016】
このようにすれば、液浸系顕微鏡対物レンズがたとえ高開口数化されたとしても、開口数が高い割には、先端部を或る程度先鋭に保つことができ、パッチクランプ時の操作性(電極操作の操作性)が保たれる。
さらに、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズでは、次に説明するような構成を採用することによって、高倍率化かつ高開口数化が可能となっている。
【0017】
先ず、高倍率化を図るために、第1レンズ群G1には高屈折力を付与する必要がある。一般に、高屈折力を付与するためには、曲率半径を縮小することが考えられる。
但し、本実施形態では、作動距離を確保しなければならないので、第1レンズ11に入射する際の光線高が大きくなることは避けられない。しかし、このように光線高が高いと、収差が発生し易くなるので、曲率半径の縮小はなるべく避ける必要がある。
【0018】
このため、本実施形態では、第1レンズ群G1に高屈折力を付与する方法として、曲率半径の縮小以外の方法がとられる。
すなわち、先ず、第1レンズ群G1において、前記接合型のメニスカスレンズ(11、12)よりも像側に、2枚の単レンズ13、14が配置される。
これら単レンズ13、14の作用によって、第1レンズ群G1は、曲率半径を比較的大きく保ちながらも、大きく発散した光束を平行近くまで曲げることができる。
【0019】
特に、これら単レンズ13、14のうち、物体側の単レンズ13の屈折率を大きくしておけば、その効果は高まる。
次に、第2レンズ群G2は、第1レンズ群G1によってほぼ平行になった光束を、収斂光束に変換する役割を果たす。
ここで、上記した第1レンズ群G1は、ほとんどが正レンズ成分によって構成され、負レンズ成分を有していないため、その内部では収差補正がほとんどなされていない。
【0020】
このため、第2レンズ群G2は、後述する第3レンズ群G3と共に、この第1レンズ群G1にて発生した収差を補正する役割も果たす。
因みに、第2レンズ群G2により補正される収差の種類は、高次収差成分や、色の球面収差、倍率色収差などである。
【0021】
また、収差のうち、特に軸上色収差に関しては、第1レンズ群G1において全く補正されていないため、第2レンズ群G2にて補正過剰とすることでバランスさせている。
第3レンズ群G3は、収斂光束を平行光束に変換するための負屈折力を有する。第1レンズ群G1で発生した正レンズの収差は、この第3レンズ群G3の負レンズ群の収差によって最終的に補正される。
【0022】
なお、図1では省略したが、第3レンズ群G3は、光線高を低くし、そこに比較的強いパワーの凹面を向き合わせて配置することにより、ペツバール和を小さくして像面湾曲収差の低減をしている。
以下、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズが満たす各条件式について説明する。
【0023】
先ず、十分な作動距離を確保しつつ高倍率化するために、物体面から第1レンズ面S1までの光軸上の距離d0は、対物レンズ全系の焦点距離fよりも大きい必要がある。
さらに、高開口数化するために必要な条件式は、下式(1)である。
4<|r1/f|<7 ・・・(1)
(但し、r1:第1レンズ群G1の第1レンズ面S1の曲率半径)
仮に、作動距離を確保することだけを考えた場合には、この値|r1/f|が大きければサグ量(レンズの垂れ下がり量)が小さくなって好ましいのだが、高開口数化を同時に図る場合には、この値|r1/f|が上限値を上回ると高次の球面収差やコマ収差が残存してそれ以降のレンズ群(G2、G3)において補正ができなくなる。逆に、この値|r1/f|が下限値を下回ると、作動距離が短くなるばかりか、大幅に下回ると光束を発散させてしまうので、第2レンズ群G2の屈折力をかなり高めなければならなくなり、適切なパワー配置を維持することが困難となる。
【0024】
また、より好ましい性能を得るための条件式は、下式(2)及び/又は下式(3)である。
n3>1.65 ・・・(2)
0.6<|r2/r1|<0.9 ・・・(3)
(但し、n3:単レンズ13の屈折率、r2:第1レンズ11と第2レンズ12との接合面(S2)の曲率半径)
条件式(2)は、第1レンズ群G1に含まれる単レンズ13の屈折率を規定したものである。
【0025】
上述したように、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの第1レンズ群G1には、高屈折力を付与しなければならない。このとき、仮に、この値n3が下限値を下回るような硝材を単レンズ13に使用すると、屈折力を得るために曲率半径を小さくする必要が生じ、その結果、残存収差が大きくなる。さらに、この下限値を大幅に下回ると、レンズの縁厚が確保できなくなり、第2レンズ群G2における補正量の負担を増大させることとなる。
【0026】
条件式(3)は、第1レンズ群G1の第1レンズ11及び第2レンズ12を接合型のメニスカスレンズとした場合における第1レンズ面S1と接合面(S2)との曲率半径の比を規定するものである。
この値|r2/r1|が下限値を下回ると、接合面の曲率半径が小さくなりすぎてレンズの加工が困難になる。逆に、この上限値を上回ると、接合面に入射する開口光束の入射角が大きくなり過ぎて、高次の球面収差を補正することが困難となる。
【0027】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例(第1実施例、第2実施例)について説明する。
<第1実施例>
図2は、第1実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【0028】
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けた接合型のメニスカスレンズ(11、12)を有し、かつ正屈折力を有した第1レンズ群G1と、正屈折力を有した第2レンズ群G2と、負屈折力を有した第3レンズ群とを備える。
また、第2レンズ群G2は、複数の接合レンズ(21及び22、23〜25)を有し、第3レンズ群G3は、3組の負の接合レンズ(31〜33、34及び35、36及び37)を有する。
【0029】
下記の表1は、この液浸系顕微鏡対物レンズのレンズデータである。
【表1】
表1において、Sはレンズ面の番号、rはレンズ面の曲率半径、dは面間隔、nd、νdはそれぞれ各レンズに使用された硝材のd線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号、fは対物レンズの全系の焦点距離、N.A.は開口数、βは倍率、d0は物体面から第1レンズ面S1までの光軸上の距離である。
【0030】
また、液浸系顕微鏡対物レンズに使用する浸液(物体面から第1レンズ面S1までの間隙に満たされる液)は、ここでは水とし、その浸液の屈折率及びアッベ数については、nd=1.33306、νd=55.8とした。
図3は、本実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
図3(a)は球面収差、図3(b)は非点収差、図3(c)はコマ収差、図3(d)は歪曲収差を示している。
【0031】
また、図3(a)中のdはd線(587.6nm)を、CはC線(656.3nm)を、FはF線(486.1nm)を、gはg線(435.8nm)を示している。
また、図3(b)中の実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面を示している。
【0032】
なお、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズは、無限遠系補正型となっているため、対物レンズ単独では結像しない。よって、実際には、結像レンズを対物レンズの後ろ側(像側)に配置した状態で使用される。
表1、図3に示したデータは、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズを、後述する結像レンズ(図6、表3参照)と組み合わせて使用した場合のデータである。
【0033】
<第2実施例>
図4は、第2実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ(11、12)を有し、かつ正屈折力を有した第1レンズ群G1と、正屈折力を有した第2レンズ群G2と、負屈折力を有した第3レンズ群とを備える。
【0034】
また、第2レンズ群G2は、複数の接合レンズ(21及び22、23〜25)を有し、第3レンズ群G3は、3組の負の接合レンズ(31及び32、33及び34、35及び36)を有する。
下記の表2は、この液浸系顕微鏡対物レンズのレンズデータである。
【表2】
表2において、Sはレンズ面の番号、rはレンズ面の曲率半径、dは面間隔、nd、νdはそれぞれ各レンズに使用された硝材のd線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号、fは対物レンズの全系の焦点距離、N.A.は開口数、βは倍率、d0は物体面から第1レンズ面S1までの光軸上の距離である。
【0035】
また、液浸系顕微鏡対物レンズに使用する浸液(物体面から第1レンズ面S1までの間隙に満たされる液)は、ここでは水とし、その浸液の屈折率及びアッベ数については、nd=1.33306、νd=55.8とした。
図5は、本実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
図5(a)は球面収差、図5(b)は非点収差、図5(c)はコマ収差、図5(d)は歪曲収差を示している。
【0036】
また、図5(a)中のdはd線(587.6nm)を、CはC線(656.3nm)を、FはF線(486.1nm)を、gはg線(435.8nm)を示している。
また、図5(b)中の実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面を示している。
【0037】
なお、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズは、無限遠系補正型となっているため、対物レンズ単独では結像しない。よって、実際には、結像レンズを対物レンズの後ろ側(像側)に配置した状態で使用される。
表2、図5に示したデータは、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズを、後述する結像レンズ(図6、表3参照)と組み合わせて使用した場合のデータである。
【0038】
<補足>
図6は、液浸系顕微鏡対物レンズと組み合わせて使用される結像レンズ(一例)の構成を示す図である。
下記の表3は、この結像レンズのレンズデータである。
【表3】
表3において、Sはレンズ面の番号、rはレンズ面の曲率半径、dは面間隔、nd、νdはそれぞれ各レンズに使用された硝材のd線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号fは結像レンズの全系の焦点距離である。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分な作動距離を確保しつつ、高倍率化かつ高開口数化が可能な液浸系顕微鏡対物レンズが実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの基本構成を示す図である。
【図2】第1実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【図3】第1実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
【図4】第2実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【図5】第2実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
【図6】液浸系顕微鏡対物レンズと組み合わせて使用される結像レンズ(一例)の構成を示す図である。
【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
S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17,S18,S19,S20,S21,S22,S23,S24 レンズ面
11,12,13,14,21,22,23,24,25,31,32,33,34,35,36,37 レンズ
Claims (3)
- 物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを配置し、かつ、正屈折力を有した第1レンズ群と、
正屈折力を有した第2レンズ群と、
負屈折力を有した第3レンズ群と
を物体側より順に備えた液浸系顕微鏡対物レンズであって、
物体面から前記第1レンズ群の第1レンズ面までの光軸上の距離d0は、対物レンズ全系の焦点距離fよりも大きく、
前記第1レンズ面の曲率半径r1は、前記焦点距離fとの間で次式(1)
4<|r1/f|<7 ・・・(1)
を満たし、
前記第1レンズ群は、
接合型のメニスカスレンズと2枚以上の単レンズとからなる
ことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。 - 請求項1に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、
前記単レンズのうち最も物体側の単レンズの屈折率n3は、次式(2)
n3>1.65 ・・・(2)
を満たすことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。 - 請求項1又は請求項2に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、
前記メニスカスレンズの接合面の曲率半径r2と前記第1レンズ面の曲率半径r1とは、次式(3)
0.6<|r2/r1|<0.9 ・・・(3)
を満たすことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
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