JP4646551B2

JP4646551B2 - 顕微鏡用対物レンズ

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Publication number: JP4646551B2
Application number: JP2004170955A
Authority: JP
Inventors: 康弘山脇
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP2005352021A

Description

本発明は、顕微鏡用対物レンズに関し、特に、物体側に配置されるカバーガラスのような平行平面板の厚さが変化した場合にも、良好な結像性能を維持できるようにした補正環付顕微鏡用対物レンズに関する。

一般に、顕微鏡用対物レンズは、カバーガラス等の平行平面板の厚さが設計値より大きく変化する場合、その結像性能は劣化し、その傾向は対物レンズの開口数（Ｎ．Ａ．）が大きくなるほど顕著になる。そこで、従来より、カバーガラスの厚さの変化に応じて対物レンズ内のレンズ間隔を変化させて収差変動を補正する、いわゆる補正環付対物レンズが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開平１０−１３３１１８号特開平８−１１４７４７号

特許文献１に記載の補正環付対物レンズは、物体側から順に、物体からの光束を収斂させる正の屈折力を有する第１レンズ群と、物体側から順に並んだ正、負、正の３枚接合レンズから構成されると共に小さな屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群とより構成され、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることにより、カバーガラスの厚さ変化による収差補正を行なっている。
また、特許文献２に記載の補正環付対物レンズは、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成分を有し、物体からの光束をほぼ平行光束に変換する正屈折力の第１レンズ群と、発散性の接合面を含み合成で正屈折力を有する第２レンズ群と、強い発散作用を持つ負屈折面を有する第３レンズ群と、負屈折力の第４レンズ群とより構成され、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることにより、カバーガラスの厚さ変化による収差補正を行なっている。

近年、生物学の分野では、従来の細胞の形態観察から細胞間の情報伝達機構を調べることに主眼が移りつつある。それに伴い、顕微鏡及び対物レンズの高性能化に対するニーズも拡大してきており、例えば、倒立型顕微鏡で培養細胞を観察する場合においても、細胞の入っているプラスチックシャーレやガラスシャーレには厚さのバラツキが大きいため、それらの厚さに対応した高解像、高コントラスト、かつ、補正環を回して調整するときピント位置のずれの少ない補正環機構を設けた操作性の良い顕微鏡対物レンズに対する要求が高まってきている。

しかしながら、特許文献１に記載の対物レンズは、移動するレンズ群の屈折力を弱くすることで、全体の焦点距離の変動を抑え、近軸位置の像のずれを小さくしているが、屈折力が小さいため、カバーガラスの厚さの変化による球面収差の発生を補正するレンズ群の移動量を確保しなければならず、また、レンズ群の移動によるベスト像面の変動によりピント位置がずれてしまい、補正環の操作に時間が掛かってしまう。また、特許文献２に記載の対物レンズは、ＮＡが大きく、接合レンズにより色収差が補正されて、高解像高コントラストではあるが、移動群を動かすとピント位置がずれてしまい、補正環の操作に時間が掛かってしまう。

本発明は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、良好な結像性能を発揮し、且つ補正環の操作性の良い顕微鏡用対物レンズを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による顕微鏡用対物レンズは、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成分を含み物体からの光束を弱い発散光束に変換する正屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力を有し光軸に沿って移動可能な第２レンズ群と、負屈折力の第３レンズ群とを配置し、下記の条件式を満足する。
１＜ｆ₁／ｆ＜３（１）
３＜ｆ₂／ｆ＜１２（２）
−０．９＜ｆ₂／ｆ₃ ＜ −０．６（３）
−１．８＜ β ₂ ＜ −１．１（７）
但し、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、ｆ₂は第２レンズ群の焦点距離、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離、ｆは全系の焦点距離、β ₂ は前記第２レンズ群の倍率である。

また、本発明の顕微鏡用対物レンズは、前記第３レンズ群中の少なくとも１つの曲率半径をＲ₃、前記曲率半径Ｒ₃を有する面の前後の媒質の屈折率差をΔｎ、前記第２レンズ群の最も物体側の面の曲率半径Ｒ₂₁、前記第２レンズ群の最も像側の面の曲率半径Ｒ₂₂としたとき、下記の条件式を満足する請求項１に記載の顕微鏡用対物レンズ。
１＜ |Ｒ₃／Δｎ|／ｆ＜１２（４）
−１．３＜Ｒ₂₁／Ｒ₂₂ ＜ −０．５（５）

本発明によれば、良好な結像性能を発揮し、且つ補正環の操作性の良い顕微鏡用対物レンズを提供することができる。

実施例の説明に先立ち、本発明のように構成した理由、及びそれに基づく作用効果について説明する。
まず、本発明のよれば、物体側に凹面を向けた正レンズを含む正屈折力の第１レンズ群によって、物体から出る高ＮＡの光線の開き角を小さくしている。ここで、条件式（１）は、第１レンズ群の屈折力を規定しており、球面収差、コマ収差、色収差の補正に関して設けられた条件である。この条件の下限を下回ると、第１レンズ群の屈折力が強くなり過ぎ、球面収差、コマ収差、色収差が大きく補正不足となる。また、短波長域で発生する高次の球面収差も大きく補正不足となり、後続のレンズ群では補正しきれなくなる。逆に、この条件の上限を上回ると、第１レンズ群の屈折力が弱くなり過ぎて、第１レンズ群を射出する光線の光線高が高くなり、高次の球面収差が発生してしまう。また、対物レンズの全長が同焦点距離に保つのが困難になる。

そして、第２レンズ群によって、光束径を絞って収斂光束に変換している。第２レンズ群では、球面収差や色収差を効果的に補正している。さらに、このレンズ群を光軸によって移動させることにより、球面収差の調整を行っている。
ここで、条件式（２）は、第２レンズ群の屈折力を規定している。この条件の下限を下回ると、収斂作用が強くなり過ぎ、負の球面収差が生じて、第１レンズ群で発生した球面収差の補正が困難となる。逆に、この条件の上限を上回ると、レンズ群を移動させるときの移動量に対する球面収差の発生量が小さくなるため、球面収差を補正するには、移動量即ち第１〜第３レンズ群の互いの空気間隔を広く確保しなければならない。さらに、屈折力が弱いため、ペッツバール和のバランスをとるには、他のレンズ群のレンズ枚数を増やさなければならなくなり、さらにスペースが必要となり、結果的にレンズ系の全長を長くしなければならない。

第２レンズ群により収斂された光束は、第３レンズ群により像側に射出される。本発明の対物レンズでは、第１レンズ群、第２レンズ群により大きな正の屈折力が発生している。よって、像面湾曲を良好に補正するには、ペッツバール和を適正な値にコントロールする必要があるため、第３レンズ群で負の屈折力が必要となっている。

本発明の対物レンズは、第２レンズ群を移動させるときに、像のピント位置のずれが小さいことを特徴としている。ピント位置のずれを小さくするには、レンズ群を移動させたときの近軸像位置の変動を小さくするだけでは不充分である。なぜなら、レンズ群の移動による球面収差の発生により、ピント位置即ちベスト像面が近軸位置からずれてしまう。よって、ピント位置のずれを小さくするには、ベスト面の変動する方向と逆の方向にキャンセルするように、近軸像位置を変動させなければならない。そこで、第２レンズ群に入射する近軸光線の光軸に対する角度が、第２レンズ群から出射する近軸光線の光軸に対する角度より大きいと、移動群を移動させたときに球面収差の発生する方向と逆方向に、近軸像位置は変動する。このような光線の関係となるように、第２レンズ群の屈折力と第３レンズ群の屈折力の比について、条件式（３）を満足させなければならない。

条件式（３）は、第２レンズ群の収斂させる屈折力と第３レンズ群の発散させる屈折力との比を定めることにより、光線角度が出射側より入射側の方が少しきつくなるように定めている。この条件の下限を下回ると、第３レンズ群の発散させる屈折力よりも第２レンズ群の収斂させる屈折力の方が小さ過ぎて、入射側の光線角度が小さくなり、レンズ群を動かしたときに、近軸像位置が球面収差が発生する方向と同じ方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。逆に、この条件の上限を上回ると、第３レンズ群の発散させる屈折力よりも第２レンズ群の収斂させる屈折力の方が大きくなり過ぎて、入射側の光線角度が大きくなり、レンズ群を動かしたときに、近軸像位置は球面収差が発生する方向と逆方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。

以上に述べた本発明の顕微鏡用対物レンズは、さらに条件式（４）を満足するのが望ましい。条件式（４）は、第３レンズ群の負屈折力面の発散力を規定したもので、この負屈折力面で正の球面収差を発生させ、第１レンズ群及び第２レンズ群で発生する負の球面収差の発生量を効果的に打ち消すために設けられた条件である。この条件の下限を下回ると、上記負屈折力面がきつくなり、発生する正の球面収差が多くなり過ぎ、また、高次の球面収差も発生して、カバーガラスの厚さの変化を打ち消すために第２レンズ群を移動させても、正の球面収差や高次の球面収差が残存してしまう。他方、この条件の上限を上回ると、上記負屈折力面で発生する正の球面収差が少なくなり、また、軸上色収差が補正不足になってしまい、球面収差の変化を打ち消すために第２レンズ群を移動させても、負の球面収差や軸上色収差が補正しきれずに残ってしまう。

また、本発明の顕微鏡用対物レンズにおいて、条件式（５）を満足すれば、さらに望ましい。条件式（５）は、近軸光線の光軸に対する光線角度が出射側より入射側の方が少し大きくなるように定めている。この条件の下限を下回ると、出射側の面の曲率半径が入射側の面の曲率半径よりも小さくなり過ぎて、出射側の光線角度が大きくなり、レンズ群を動かしたときに、近軸像位置が球面収差の発生する方向と逆方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。逆に、この条件の上限を上回ると、出射側の面の曲率半径が入射側の面の曲率半径よりも大きくなり過ぎて、出射側の光線角度が小さくなり、レンズ群を動かしたときに、近軸像位置が球面収差の発生する方向と同じ方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。

さらに、本発明の顕微鏡用対物レンズにおいて、条件式（６）を満足すれば、さらに望ましい。条件式（６）は、第２レンズ群に含まれる凸レンズのアッベ数を定めたもので、色収差の補正について設けられた条件である。この条件式の範囲を外れると、色収差が補正不足となる。

さらに、本発明の顕微鏡用対物レンズにおいて、条件式（７）を満足すれば、さらに望ましい。条件式（７）は、第２レンズ群の倍率を定めたもので、近軸光線の光軸に対する光線角度が出射側より入射側の方が少し大きくなるように定めている。この条件の下限を下回ると、入射側の光線角度が大きくなり、レンズ群を動かしたときに、近軸像位置が球面収差の発生する方向と逆方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。逆に、この条件の上限を上回ると、入射側の光線角度が小さくなり、レンズ群を動かしたときの、近軸像位置が球面収差の発生する方向と同じ方向に大きく変動することとなり、ピント位置のずれが大きくなる。

以下、図面を参照して、本発明の顕微鏡用対物レンズの実施例を説明する。
実施例１
図１は実施例１の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図２は実施例１のカバーガラス厚が０ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差を、図３は実施例１のカバーガラス厚が１ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差を、図４は実施例１のカバーガラス厚が２ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。

図１に示すように、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズの接合レンズからなっている。第２レンズ群Ｇ２は、１枚の両凸レンズからなっている。第３レンズ群Ｇ３は、像側に凹面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの３枚接合レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合メニスカスレンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの接合メニスカスレンズからなっている。
実施例１は、倍率４０×、ＮＡ０．６であり、高解像かつカバーガラス厚０〜２の範囲で補正可能な対物レンズである。

以下に実施例１のレンズデータを示す。
このレンズデータにおいて、ＮＡは開口数、Ｗ．Ｄ．は作動距離、βは倍率、ｒ１、ｒ２、…は物体側から順に示した各レンズ面の曲率半径、ｄ１、ｄ２、…は物体側から順に示した各レンズ面間の間隔、n１、n２、…は物体側から順に示した各レンズの屈折率、ν１、ν２、…は物体側より順に示した各レンズのアッベ数である。なお、これらの符号は、実施例２のレンズデータにおいても共通に用いられている。
さらに、カバーガラスの材質は、ガラスシャーレでそのｄ線の屈折率、アッベ数は、それぞれ、ｎｄ=１．５２２８７、νｄ=５９．８９として設計されている。

NA＝0.6、WD＝3.92、β＝−40、f＝4.5
rl＝−12.9703 dl＝2.4988 nl＝1.77250 νl＝49.60
r2＝−6.0227 d2＝0.3057
r3＝ 21.1823 d3＝1.17 n3＝1.51823 ν3＝58.90
r4＝ 6.7708 d4＝3.8916 n4＝1.49700 ν4＝81.54
r5＝−41.9148 d5＝1.3295
r6＝ 15.3948 d6＝2.6371 n6＝1.43875 ν6＝94.93
r7＝−18.0885 d7＝2.6663
r8＝ 34.638 d8＝1.1 n8＝1.74100 ν8＝52.64
r9＝ 6.1365 d9＝5.4929 n9＝1.43875 ν9＝94.93
rl0＝−6.1365 dl0＝1.1 nl0＝1.61340 ν10＝44.27
rll＝−17.9516 dll＝0.3
r12＝ 6.165 d12＝4.6295 n12＝1.43875 ν12＝94.93
r13＝−11.9356 d13＝5.4028 n13＝1.61340 ν13＝44.27
r14＝ 7.2511 d14＝6.3314
r15＝−2.8819 d15＝1.0602 n15＝1.67790 ν15＝55.34
r16＝−37.0589 d16＝3.5724 n16＝1.67300 ν16＝38.15
r17＝−5.4988

（1）fl／f＝2.01
（2）f2／f＝4.33
（3）f2／f3＝−0.81
（4）｜R3／△n｜／f＝4.52
（5）R21／R22＝−0.85
（6）ν2＝94.93
（7）β2＝−1.21

実施例２
図５は実施例２の光学構成を示す光軸に沿う断面図、図６は実施例２のカバーガラス厚が０．１１ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差を、図７は実施例２のカバーガラス厚が０．１７ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差を、図８は実施例２のカバーガラス厚が０．２３ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。

図５に示すように、第１レンズ群Ｇ１は、像側に凹面を向けた正メニスカスレンズ２枚からなっている。第２レンズ群Ｇ２は、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズの３枚接合レンズからなっている。第３レンズ群Ｇ３は、両凸レンズと物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、両凸レンズと両凹レンズの接合メニスカスレンズと、両凹レンズと両凸レンズの接合メニスカスレンズからなっている。
実施例２は、倍率６０×、ＮＡ０．９であり、高解像かつカバーガラス厚０．１１〜０．２３の範囲で補正可能な対物レンズである。

以下に実施例２のレンズデータを示す。
実施例２では、通常のカバーガラスが用いられ、そのｄ線の屈折率、アッベ数は、それぞれ、ｎｄ=１．５２１００、νｄ=５６．０２として設計されている。
NA＝0.9、WD＝0.33、β＝−60、f＝3
rl＝−3.8 dl＝4．682 nl＝1.77250 νl＝49.60
r2＝−4.106 d2＝0.15
r3＝−35.9576 d3＝2.7 n3＝1.56907 ν3＝71.30
r4＝−6.3898 d4＝0.7
r5＝ 7.849 d5＝4.4379 n5＝1.43875 ν5＝94.93
r6＝−6.5489 d6＝1.3 n6＝1.77250 ν6＝49.60
r7＝ 11.8473 d7＝4.8129 n7＝1.43875 ν7＝94.93
r8＝−7.1839 d8＝1.451
r9＝ 23.0308 d9＝4.9104 n9＝1.43875 ν9＝94.93
rl0＝−5.3583 dl0＝1.35 nl0＝1.77250 νl0＝49.60
rll＝−18.757 dll＝7.3064
r12＝ 5.2936 d12＝3.4324 n12＝1.49700 ν12＝81.54
r13＝−12.1962 d13＝3 n13＝1.77250 ν13＝49.60
r14＝ 4.0802 d14＝1.8814
r15＝−4.0492 d15＝3.3341 n15＝1.51633 ν15＝64.14
r16＝20.2444 d16＝2.5 n16＝1.67300 ν16＝38.15
r17＝−8.0051

（1）fl／f＝1.78
（2）f2／f＝7.52
（3）f2／f3＝−0.65
（4）|R3／△n|／f＝5.36
（5）R21／R22＝−1.09
（6）ν2＝94.99
（7）β2＝−1.7

上記実施例１、２は、何れも対物レンズからの射出光は平行光束となる無限遠補正型の対物レンズであり、それ自身では結像しない。そこで、例えば、以下に示す数値データを有し、図９にレンズ断面を示す結像レンズと組み合わせて使用される。
rl＝ 68.754 dl＝7.732 nl＝1.487 ν1＝70.2
r2＝−37.567 d2＝3.474 n2＝1.806 ν2＝40.9
r3＝−102.847 d3＝0.697
r4＝ 84.309 d4＝6.023 n4＝1.834 ν4＝37.1
r5＝−50.710 d5＝3.029 n5＝1.644 ν5＝40.8
r6＝ 40.661

この場合、実施例１、２の対物レンズと図９に示す結像レンズの間の間隔は、５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間の何れの位置でも良い。この間隔を１１９ｍｍとした場合の収差図が、図２〜図４、図６〜図８にそれぞれ示されている。これらの収差図中、ＩＭ．Ｈは像高を示す。なお、上記間隔が５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間で１１９ｍｍ以外の位置においても、ほぼ同様の収差状況を示す。

実施例１の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。実施例１のカバーガラス厚が０ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例１のカバーガラス厚が１ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例１のカバーガラス厚が２ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例２の光学構成を示す光軸に沿う断面図である。実施例２のカバーガラス厚が０ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例２のカバーガラス厚が１ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例２のカバーガラス厚が２ｍｍの場合の収差図で、（a）は球面収差、（b）は歪曲収差、（c）は非点収差、（d）はコマ収差をそれぞれ示す。実施例１、２の対物レンズと組み合わせて用いられる結像レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。

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

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成分を含み物体からの光束を弱い発散光束に変換する正屈折力の第１レンズ群と、正の屈折力を有し光軸に沿って移動可能な第２レンズ群と、負屈折力の第３レンズ群とを配置し、下記の条件式を満足する顕微鏡用対物レンズ。
１＜ｆ₁／ｆ＜３（１）
３＜ｆ₂／ｆ＜１２（２）
−０．９＜ｆ₂／ｆ₃ ＜ −０．６（３）
−１．８＜ β ₂ ＜ −１．１（７）
但し、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、ｆ₂は第２レンズ群の焦点距離、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離、ｆは全系の焦点距離、β ₂ は前記第２レンズ群の倍率である。
前記第３レンズ群中の少なくとも１つの曲率半径をＲ₃、前記曲率半径Ｒ₃を有する面の前後の媒質の屈折率差をΔｎ、前記第２レンズ群の最も物体側の面の曲率半径Ｒ₂₁、前記第２レンズ群の最も像側の面の曲率半径Ｒ₂₂としたとき、下記の条件式を満足する請求項１に記載の顕微鏡用対物レンズ。
１＜ |Ｒ₃／Δｎ|／ｆ＜１２（４）
−１．３＜Ｒ₂₁／Ｒ₂₂ ＜ −０．５（５）