JP4742355B2

JP4742355B2 - 液浸顕微鏡対物レンズ

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Publication number: JP4742355B2
Application number: JP2005006032A
Authority: JP
Inventors: 隆笠原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: JP2006195125A

Description

本発明は、大きな開口数と高い倍率を有し、微細な標本の観察において微弱な光を観察するのに優れた液浸顕微鏡対物レンズに関するものである。

近年、生物関係の研究分野において、１分子等の極めて微細な標本を観察するために、微弱な光を観察するアプリケーションが増えている。そのために高解像でより明るい観察ができる顕微鏡が要求されている。したがって、大きな開口数と高い観察倍率の対物レンズを備えた顕微鏡が必要となる。

特に、蛍光観察においては、全反射する角度で落射照明の異なる励起光を標本に当て、この励起光が媒質の境界から光の波長程度の領域だけ反対側に染み出すエバネッセント光を利用するエバネッセント照明が用いられている。

このエバネッセント照明を顕微鏡にて行なう場合、細胞の屈折率が１．３８程度であるため、対物レンズの開口数は、少なくとも１．４以上であることが必要である。更に、照明光の入射角を変えることにより、エバネッセント光の染み出す領域をコントロールでき、それを行なうためには、開口数が１．４を超える更に大きな開口数が必要になる。

このような、大きな開口数を有する顕微鏡対物レンズの従来例として、下記特許文献に記載されているものが知られている。
特表２００４−５２２１８５号公報この従来例の対物レンズは、倍率が１００×で、液浸で開口数１．４５である。しかし、この従来例の対物レンズは、接合面の少ないレンズ構成であり、また接合面前後のレンズのアッベ数の差が３０以下である。そのために、この従来例の対物レンズは、色収差の補正が困難であり、色収差が十分補正されれているとはいえない。

本発明は、大きな開口数と大きな倍率を有し、諸収差が良好に補正されていて、微細な標本で、微弱な光の観察に優れた液浸顕微鏡対物レンズを提供するものである。

本発明の液浸顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、平凸レンズと物体側に凹面を向けたメニスカスレンズとを接合した接合レンズとメニスカスレンズとよりなる第１レンズ群と、複数の接合レンズを含み正の屈折力の第２レンズ群と、像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを複数含む正の屈折力の第３レンズ群と、凹面を物体側に向けたメニスカスレンズを複数有する第４レンズ群とからなり、第３レンズ群が下記の条件（１）、（２）、（３）を満足することを特徴とする。

（１）５＜ｆ₃／ｆ＜１００
（２）ｎ_d（ｎ）−ｎ_d（ｐ）＜０．２
（３） ν（ｐ）−ν（ｎ）＞３５
ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離、ｎ_d（ｎ）、ｎ_d（ｐ）は夫々第３レンズ群中の複数の接合レンズの負レンズおよび正レンズの屈折率、ν（ｐ）、ν（ｎ）は夫々第３レンズ群中の複数の接合レンズの正レンズおよび負レンズのアッベ数である。

本発明の液浸顕微鏡対物レンズは、第１レンズ群に平凸レンズと物体側に凹面を向けたメニスカス形状の接合レンズを設けることにより、第１レンズ群が物体側に凹の面の接合面を有する構成にした。これにより、本発明の対物レンズは、アプラナティックな条件に近づけることが可能になり、球面収差やコマ収差の発生を抑えることが可能になる。

また、本発明の対物レンズは、第２レンズ群を複数の接合レンズを含み、正の屈折力を有する構成にした。

蛍光観察では、様々な波長の蛍光像を観察する必要があり、そのため顕微鏡対物レンズは、色収差が十分補正されている必要がある。また、高倍率の対物レンズは、焦点距離が短くなるため色収差の補正が困難である。

本発明の顕微鏡対物レンズは、第２レンズ群を上記の通りの構成にして、色収差を容易に補正し得るようにした。高倍率であっても色収差を補正し得るようにした。

また、本発明は、第３レンズ群を像側に凹面を向けた接合レンズを複数含み、全体として正の屈折力を有する構成にした。

高倍率の対物レンズは、開口数が大であっても射出瞳が小さくなる。

本発明の対物レンズは、第３レンズ群を正の屈折力を有するようにして、高い開口数によって光線高が高くなった光線を、小さな射出瞳に導き得るようにした。

この第３レンズ群が正の屈折力を有する構成でないと、前群（第１レンズ群、第２レンズ群）の屈折力が強くなり過ぎて高次の収差が発生する。また第３レンズ群が複数のメニスカス形状のレンズ成分を有することにより、第３レンズ群にて発生する収差を最小限に抑えることが可能になる。また、メニスカス形状のレンズ成分を接合レンズにすることにより、色収差の補正が容易になる。

この第３レンズ群は、上記条件（１）、（２）、（３）を満足する。

これら条件（１）、（２）、（３）において、条件（１）は、この第３レンズ群の焦点距離と顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離の比を規定するもので、高倍率で高い開口数を得るための条件である。

この条件（１）においてｆ₃／ｆの値が下限値の５より小になると色収差を良好に補正することが困難になる。またｆ₃／ｆが上限値の１００より大になると前群の屈折力が強くなりすぎて、前群にて発生する高次の収差が大になりすぎる。それにより、高い開口数を得ることが困難になる。

また、条件（２）は、第３レンズ群中の複数の接合レンズにおいて、各接合レンズを構成する正レンズと負レンズの屈折率の差を規定する条件であり、また、第３レンズ群を正の屈折力にするための条件である。

この条件（２）の範囲より外れると、第３レンズ群を正の屈折力にすることが困難になる。

更に、条件（３）は、前記の第３レンズ群のメニスカス形状の接合レンズの正レンズと負レンズのアッベ数の差を規定する条件であり、色収差を十分良好に補正するための条件である。

この条件（３）にて規定する範囲より外れると、色収差を良好に補正することが困難になる。

更に、本発明は、第４レンズ群を物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含む構成にした。これにより像面の平坦性を確保するためのペッツバール和と倍率の色収差の補正が容易になるようにした。

以上述べた本発明の顕微鏡対物レンズにおいて、下記の条件（４）を満足することが一層望ましい。

（４）０．７＜Ｒ₁／Ｒ₂＜２
ただし、Ｒ₁、Ｒ₂は夫々第１レンズ群の物体側に凹面を向けたメニスカスレンズの物体側の面および像側の面の曲率半径である。

この条件（４）は、第１レンズ群の接合レンズの接合面の曲率半径Ｒ₁と像側の面（空気接触面）Ｒ₂との比を規定するものであり、収差の発生を抑えつつ、高倍率で高開口数の対物レンズを得るための条件である。

この条件（４）において、Ｒ₁／Ｒ₂が下限値の０．７より小になると接合レンズの焦点距離が大になり、開口数の大きな光線を捕えることが困難になる。また収差の発生を抑えつつ、レンズ全体の焦点距離を小にすることが困難になる。また、上限値の２より大になると、前記接合レンズの像側の空気接触面の曲率半径が小になり、高次の収差が発生する。

本発明の顕微鏡対物レンズにおいて、第２レンズ群中に光軸上を移動可能な弱い負の屈折力の接合レンズを含むようにし、この接合レンズが下記条件（５）を満足することが好ましい。

（５）｜ｆ（Ｇ₂Ａ）／ｆ｜＞１００
ただし、ｆ（Ｇ₂Ａ）は第２レンズ群中の前記の移動可能な接合レンズの焦点距離である。

本発明の対物レンズにおいて、第２レンズ群中に負の屈折力の接合レンズを設け、この接合レンズ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の変化による球面収差やその他の収差の性能劣化を最小限に抑えることが可能である。この場合、前記の移動レンズ成分の焦点距離を規定したのが前記条件（５）である。この条件（５）の範囲を外れると、前記の負の屈折力の接合レンズを移動させることにより収差が発生し、良好な像を得ることができなくなる。

本発明のよれば、大きな開口数と高い倍率を有し、微細な標本の観察において微弱な光を観察する優れた液浸顕微鏡対物レンズを実現し得る。

本発明の顕微鏡対物レンズの実施の形態を各実施例をもとに説明する。

本発明の顕微鏡対物レンズの実施例１は、図１に示す通りの構成で、下記データを有するレンズ系である。

即ち、物体側より順に、平凸レンズ（ｒ₁〜ｒ₂）と、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ（ｒ₂〜ｒ₃）を接合した接合レンズ（ｒ₁〜ｒ₃）とメニスカスレンズ（ｒ₄〜ｒ₅）とよりなる第１レンズ群Ｇ１と、二つの接合レンズつまり３枚接合レンズ（ｒ₆〜ｒ₉）と接合レンズ（ｒ₁₀〜ｒ₁₂）よりなる第２レンズ群Ｇ２と二つの像側に凹面を向けたメニスカス形状の接合レンズつまり接合レンズ（ｒ₁₃〜ｒ₁₅）と接合レンズ（ｒ₁₆〜ｒ₁₈）よりなる第３レンズ群Ｇ３と、凹面を物体側に向けたメニスカス形状の接合レンズ（ｒ₁₉〜ｒ₂₁）からなる第４レンズ群Ｇ４とにて構成されたレンズ系であって、下記のデータを有する。

β＝−１００×、ＮＡ＝１．４１、ｆ＝１．８ｍｍ、ＷＤ＝０．１３ｍｍ
カバーガラスの厚さ＝０．１７
ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.6 ｎ₁ ＝1.51633 ν₁ ＝64.14
ｒ₂ ＝-2.3056 ｄ₂ ＝1.69 ｎ₂ ＝1.77250 ν₂ ＝49.60
ｒ₃ ＝-1.8319 ｄ₃ ＝0.4937
ｒ₄ ＝-14.3487 ｄ₄ ＝3.8685 ｎ₃ ＝1.49700 ν₃ ＝81.14
ｒ₅ ＝-5.1719 ｄ₅ ＝0.9342
ｒ₆ ＝9.0854 ｄ₆ ＝5.2135 ｎ₄ ＝1.43875 ν₄ ＝94.93
ｒ₇ ＝-10.1831 ｄ₇ ＝1.2562 ｎ₅ ＝1.75500 ν₅ ＝52.32
ｒ₈ ＝12.185 ｄ₈ ＝4.6807 ｎ₆ ＝1.43875 ν₆ ＝94.93
ｒ₉ ＝-9.4127 ｄ₉ ＝0.7
ｒ₁₀＝29.7704 ｄ₁₀＝4.2461 ｎ₇ ＝1.43875 ν₇ ＝94.93
ｒ₁₁＝-7.3237 ｄ₁₁＝1.0025 ｎ₈ ＝1.75500 ν₈ ＝52.32
ｒ₁₂＝-25.5869 ｄ₁₂＝0.43
ｒ₁₃＝8.2025 ｄ₁₃＝7.121 ｎ₉ ＝1.49700 ν₉ ＝81.14
ｒ₁₄＝-9.4148 ｄ₁₄＝1.3244 ｎ₁₀＝1.63775 ν₁₀＝42.41
ｒ₁₅＝45.7638 ｄ₁₅＝1.1811
ｒ₁₆＝5.881 ｄ₁₆＝5.0271 ｎ₁₁＝1.49700 ν₁₁＝81.14
ｒ₁₇＝-6.5137 ｄ₁₇＝1 ｎ₁₂＝1.63775 ν₁₂ ＝42.41
ｒ₁₈＝2.6129 ｄ₁₈＝1.4279
ｒ₁₉＝-1.9011 ｄ₁₉＝4.3439 ｎ₁₃＝1.51633 ν₁₃ ＝64.14
ｒ₂₀＝19.1455 ｄ₂₀＝2.5037 ｎ₁₄＝1.67300 ν₁₄ ＝38.15
ｒ₂₁＝-6.6332

Ｒ₁／Ｒ₂＝ｒ₂／ｒ₃＝１．２５９
ｆ₃／ｆ＝２３．０２７
ｎ_d（ｎ）−ｎ_d（ｐ）＝ｎ₁₀−ｎ₉＝０．１５８７５
ν（ｐ）−ν（ｎ）＝ν₉−ν₁₀＝３８．７３

ただしｒ₁ ，ｒ₂ ，・・・ｒ₂₁は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁ ，ｄ₂ ，・・・ｄ₂₀は各レンズの肉厚および空気間隔、ｎ₁ ，ｎ₂ ，・・・ｎ₁₄は各レンズのｄ線における屈折率、ν₁ ，ν₂ ，・・・ ν₁₄は各レンズのｄ線に対するアッベ数である。また、βは倍率、ＮＡは関数、ｆは対物レンズの焦点距離、ＷＤは作動距離である。尚、ｒ，ｄ等の長さの単位はmmである。

この実施例１の対物レンズにおける条件（１）〜（５）の値は、データ中に示す通りで、実施例１は、いずれの条件も満足する。

本発明の実施例２は、図２に示す通りの構成で、図１に示す実施例１と同様のレンズ構成の対物レンズである。

この実施例２のレンズ系のデータは、次の通りである。

β＝−１４９．２５×、ＮＡ＝１．４５、ｆ＝１．２１ｍｍ、
ＷＤ＝０．１３ｍｍ、カバーガラスの厚さ＝０．１３〜０．２１
ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.6 ｎ₁ ＝1.51633 ν₁ ＝64.14
ｒ₂ ＝-1.609 ｄ₂ ＝1.69 ｎ₂ ＝1.77250 ν₂ ＝49.60
ｒ₃ ＝-1.762 ｄ₃ ＝0.4532
ｒ₄ ＝-31.9155 ｄ₄ ＝3.5392 ｎ₃ ＝1.49700 ν₃ ＝81.14
ｒ₅ ＝-5.192 ｄ₅ ＝0.6799
ｒ₆ ＝7.6764 ｄ₆ ＝4.6167 ｎ₄ ＝1.43875 ν₄ ＝94.93
ｒ₇ ＝-13.1802 ｄ₇ ＝1.4689 ｎ₅ ＝1.75500 ν₅ ＝52.32
ｒ₈ ＝7.7262 ｄ₈ ＝4.6473 ｎ₆ ＝1.43875 ν₆ ＝94.93
ｒ₉ ＝-10.309 ｄ₉ ＝Ｄ１
ｒ₁₀＝22.6623 ｄ₁₀＝3.9663 ｎ₇ ＝1.43875 ν₇ ＝94.93
ｒ₁₁＝-6.2339 ｄ₁₁＝1.4979 ｎ₈ ＝1.75500 ν₈ ＝52.32
ｒ₁₂＝-24.3361 ｄ₁₂＝Ｄ２
ｒ₁₃＝7.2943 ｄ₁₃＝5.1007 ｎ₉ ＝1.49700 ν₉ ＝81.14
ｒ₁₄＝-9.591 ｄ₁₄＝1.4051 ｎ₁₀＝1.63775 ν₁₀＝42.41
ｒ₁₅＝26.999 ｄ₁₅＝1.0221
ｒ₁₆＝4.323 ｄ₁₆＝4.9786 ｎ₁₁＝1.49700 ν₁₁＝81.14
ｒ₁₇＝-4.6361 ｄ₁₇＝1 ｎ₁₂＝1.63775 ν₁₂ ＝42.41
ｒ₁₈＝1.8523 ｄ₁₈＝2.8153
ｒ₁₉＝-1.485 ｄ₁₉＝3.696 ｎ₁₃＝1.51633 ν₁₃ ＝64.14
ｒ₂₀＝7.7916 ｄ₂₀＝2.616 ｎ₁₄＝1.67300 ν₁₄ ＝38.15
ｒ₂₁＝-6.193

カバーガラスの厚さ０．１３ｍｍ０．１５ｍｍ０．２１ｍｍ
Ｄ１（可変）０．５８５１５０．７０．８１５７７
Ｄ２（可変）０．５４４８５０．４３０．３１４２３
Ｒ₁／Ｒ₂＝ｒ₂／ｒ₃＝０．９１３
ｆ₃／ｆ＝２２．１３２
ｎ_d（ｎ）−ｎ_d（ｐ）＝ｎ₁₀−ｎ₉＝０．１５８７５
ν（ｐ）−ν（ｎ）＝ν₉−ν₁₀＝３８．７３
ｆ（Ｇ₂Ａ）／ｆ＝４３９０

この実施例２の対物レンズも条件（１）〜（５）を満足する。

この実施例２は、第３レンズ群Ｇ３のうちの接合レンズＧ３Ａ（（ｒ₁₀〜ｒ₁₂）を移動させてカバーガラスの厚さの変化による収差の悪化を補正するようにしている。つまり、この接合レンズＧ３Ａを移動させてその前後のレンズとの間隔ｄ₉、ｄ₁₂を変化させて補正するようにしている。ここでカバータラスの厚さに対応する収差補正のために接合レンズの移動の際のｄ₉（＝Ｄ１）、ｄ₁₂（＝Ｄ２）の値はデータ中に示す通りである。

本発明の顕微鏡対物レンズは、液浸顕微鏡対物レンズであり、上記実施例の対物レンズは、物体面と対物レンズの第１面（ｒ₁）の間に屈折率１．１５４８、アッベ数４３．１の液体が配置され、屈折率が１．５２１、アッベ数が５６．０２のカバーガラスが用いられている。

また、これら実施例は、いずれも対物レンズからの射出先が平行光束である無限遠補正型対物レンズであり、それ自体では結像しない。したがって、例えば図７に示す構成で、下記データを有する結像レンズと組み合わせて用いられる。
Ｆ＝１８０
Ｒ₁ ＝68.7541 Ｄ₁ ＝7.7321 Ｎ₁ ＝1.48749 Ｖ₁ ＝70.20
Ｒ₂ ＝-37.5679 Ｄ₂ ＝3.4742 Ｎ₂ ＝1.80610 Ｖ₂ ＝40.95
Ｒ₃ ＝-102.8477 Ｄ₃ ＝0.6973
Ｒ₄ ＝84.3099 Ｄ₄ ＝6.0238 Ｎ₃ ＝1.83400 Ｖ₃ ＝37.16
Ｒ₅ ＝-50.7100 Ｄ₅ ＝3.0298 Ｎ₄ ＝1.64450 Ｖ₄ ＝40.82
Ｒ₆ ＝40.6619
ここで、Ｒ₁ ，Ｒ₂ ，・・・Ｒ₆は結像レンズの各レンズ面の曲率半径、Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，・・・Ｄ₅ は結像レンズの各レンズの肉厚および空気間隔、Ｎ₁ ，Ｎ₂ ，Ｎ₃ ，Ｎ₄は結像レンズの各レンズの屈折率、Ｖ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ₃ ，Ｖ₄は結像レンズの各レンズのアッベ数、Ｆは結像レンズの焦点距離である。

実施例１に上記結像レンズを組み合わせた時の収差状況は図３に示す通りである。

また、実施例２に上記結像レンズを組み合わせた時の収差状況は、図４、５、図６に示す通りである。これら図のうち、図４はカバーガラスの厚さが０．１３ｍｍのとき、図５はカバーガラスの厚さが０．１７ｍｍのとき、図６はカバーガラスの厚さが０．２１ｍｍの時の収差図、ＩＨは像高である。

これら収差状況より明らかなように、本発明の各実施例は、諸収差が良好に補正されている。

本発明の液浸顕微鏡対物レンズは、大きな開口数と高い倍率を有し、エバネッセント照明を行なう顕微鏡の対物レンズとしての使用が可能であって、微細な標本の良好な観察が可能である。

本発明の実施例１の対物レンズの構成を示す図本発明の実施例２の対物レンズの構成を示す図本発明の実施例１の収差曲線図本発明の実施例２のカバーガラスの厚さが０．１３ｍｍにおける収差曲線図本発明の実施例２のカバーガラスの厚さが０．１７ｍｍにおける収差曲線図本発明の実施例２のカバーガラスの厚さが０．２１ｍｍにおける収差曲線図本発明の対物レンズと組み合わせて使用する結像レンズの１例の構成を示す図

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
Ｇ４第４レンズ群
Ｇ２Ａ移動レンズ

Claims

物体側より順に、平凸レンズと物体側に凹面を向けたメニスカスレンズの接合レンズとメニスカスレンズからなる第１レンズ群と、複数の接合レンズを含み正の屈折力を有する第２レンズ群と、像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを複数含み正の屈折力を有する第３レンズ群と、凹面を物体側に向けた接合メニスカスレンズからなる第４レンズ群とからなり、下記の条件（１）、（２）、（３）を満足することを特徴とする顕微鏡対物レンズ。
（１）５＜ｆ₃／ｆ＜１００
（２）ｎ_d（ｎ）−ｎ_d（ｐ）＜０．２
（３） ν（ｐ）−ν（ｎ）＞３５
ただし、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離、ｎ_d（ｎ）、ｎ_d（ｐ）は夫々第３レンズ群中の複数の各接合レンズを構成する負レンズおよび正レンズのｄ線における屈折率、ν（ｐ）、ν（ｎ）は夫々第３レンズ群中の複数の各接合レンズを構成する正レンズおよび負レンズのアッベ数である。
下記条件（４）を満足する請求項１の顕微鏡対物レンズ。
（４）０．７＜Ｒ₁／Ｒ₂＜２
ただし、Ｒ₁、Ｒ₂は夫々第１レンズ群の物体側に凹面を向けたメニスカス形状の接合レンズの物体側の面および像側の面の曲率半径である。