JP4748508B2 - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Description

本発明は、細胞内の対象物を観察または計測する液浸系顕微鏡のための対物レンズに関するものである。

近年、生物学の分野で、光学顕微鏡を用いて生体細胞内の分子の運動や活性を観察し、細胞の構造や機能を解明する研究が行なわれている。その中で、全反射型蛍光顕微鏡法(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy：以下、ＴＩＲＦＭと称する)が重要な研究手段として注目されている。ＴＩＲＦＭを行なうためには、照明光がカバーガラスと試料との境界面で全反射しなければならない。境界面で全反射を起こすためには、使用する対物レンズは高ＮＡである必要がある。例えば、カバーガラスの屈折率を１．５２〜１．７９、細胞内の媒質の屈折率を１．３７とすると、対物レンズのＮＡは１．３７より大きい必要がある。

ＮＡが１．３７より大きい対物レンズは、例えば下記の文献に提案されている。
特開平６−１６０７２１号公報 特開平７−０３５９８３号公報 特開平７−２３００３９号公報 特開平７−２８１０９７号公報 特開２０００−０３５５４１号公報 特開２００２−１４８５１９号公報 特開２００２−３５０３４７号公報 特開２００３−０１５０４６号公報 特開２００３−０２１７８６号公報 特開２００３−３３７２８５号公報 特開２００４−０６１５８９号公報 特表２００４−５２２１８５号公報（優先権主張番号ＤＥ１０１０８７９６） 特開２００２−０９８９０３号公報 特開２００２−３４１２４９号公報 特許文献２、特許文献５、特許文献６、特許文献９、特許文献１０に記載されている対物レンズは、倍率が６０倍でＮＡが１．４の対物レンズである。

また、特許文献１、特許文献３、特許文献６、特許文献９、特許文献１１に記載されている対物レンズは、倍率が１００倍でＮＡが１．４の対物レンズである。

また、特許文献８に記載されている対物レンズは、倍率が５９．６倍でＮＡが１．４の対物レンズや、倍率が５５．９倍でＮＡが１．４の対物レンズであり、カバーガラスの厚さに依存して発生する収差や温度の変化に起因して発生する収差を補正する補正レンズ群を備えている。

また、特許文献１４に記載されている対物レンズは、倍率が６０倍でＮＡが１．４の対物レンズであり、カバーガラス厚さの変化や温度の変化による収差を補正する補正レンズ群を備えている。

また、特許文献７に記載されている対物レンズは、倍率が６０倍でＮＡが１．４５の対物レンズである。

また、特許文献７、特許文献９、特許文献１２に記載されている対物レンズは、倍率が１００倍でＮＡが１．４５の対物レンズである。

また、特許文献７に記載されている対物レンズは、倍率が１００倍でＮＡが１．４６の対物レンズである。

また、特許文献４に記載されている対物レンズは、ｎｄ＝１．７８０３５のオイルとｎｄ＝１．７８６５のカバーガラスに最適設計された、倍率が１００倍でＮＡが１．６５の対物レンズである。

また、特許文献１３に記載されている対物レンズは、ｎｄ＝１．８０９１１のオイルとｎｄ＝１．８０４のカバーガラスに最適設計された、倍率が１００倍でＮＡが１．６５〜１．６７の対物レンズである。

これらの対物レンズは、設計に適合したオイルやカバーガラスを用いることにより、カバーガラス表面近傍の試料を良好に観察することができる。また、ＮＡだけから判断すれば、ＴＩＲＦＭに使用できる可能性がある。

しかし、特許文献１〜特許文献１４の対物レンズは、細胞を観察する場合、カバーガラス表面よりもさらに深部（１μｍ以上離れた部分）を観察するには不適である。カバーガラスの屈折率が１．５２〜１．８であるのに対して、細胞内の屈折率は１．３３〜１．５程度である。カバーガラス表面よりもさらに細胞内深部を観察する場合、両者の屈折率差に起因して球面収差が発生し、結像性能が劣化する。結像性能の劣化は両者の屈折率差が大きいほど著しく、また観察または計測するピント面がカバーガラス表面から遠いほど著しい。

例えば、特許文献９の実施例２に記載されている対物レンズを用いて細胞内深部を観察する場合の球面収差を図１６に示す。図１６において、（ａ）はカバーガラス表面から０ｍｍ離れたピント位置での球面収差、（ｂ）は０．００２ｍｍ離れたピント位置での球面収差、（ｃ）は０．００５ｍｍ離れたピント位置での球面収差、（ｄ）は０．０１ｍｍ離れたピント位置での球面収差を表している。ここでは、細胞内の媒質の屈折率を１．３８と仮定している。図１６から分かるように、ピント面がカバーガラス表面から離れるほど、球面収差の発生量が増えている。また、球面収差の発生の様子を見ると、ＮＡの７０％辺りから大きく湾曲している。このようなＮＡの７０％辺りから大きく湾曲する球面収差の発生は結像性能を著しく劣化させ、満足な結像を得ることができない。

特許文献８や特許文献１４の対物レンズは収差を補正する補正機能を有するが、その機能はカバーガラス厚さの変化や使用温度の変化による収差を補正するものであり、カバーガラスと試料の屈折率差に起因して発生する著しい収差は補正しきれない。補正レンズ群を過剰に動かして補正しようとすると、球面収差の７０％付近がプラス側に大きく膨らみ、結像性能を劣化させてしまう。

もちろん、カバーガラス表面よりもさらに深部（数百ｎｍ以上）を観察する場合は、ＴＩＲＦＭを用いることはできない。しかし、ＴＩＲＦＭによりカバーガラス表面の生体分子を観察し、なおかつ、同一の装置でカバーガラスから離れた細胞内の生体分子を観察することができれば、生物学研究に新たな研究手段を提供することが可能となる。

本発明の目的は、カバーガラスと試料の屈折率差に起因して発生する収差を補正し得る液浸系顕微鏡対物レンズを提供することである。

本発明による液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、物体側に平面を向けた平凸レンズと物体側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる接合レンズを有し正の屈折力を持つ第一レンズ群と、発散光束中に置かれ、少なくとも一つの正レンズを有し正の屈折力を持つ第二レンズ群と、少なくとも三つの接合レンズを有し、発散光束を平行光束に変換する正の屈折力を持つ第三レンズ群とから構成されている。前記第二レンズ群は収差の補正のために、前記第一レンズ群と前記第三レンズ群に対して相対的に光軸に沿って移動可能であり、次の条件式
４＜ｆ（Ｇ２）／ｆ＜８ …（２）
（ここで、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離である）を満足している。

本発明によれば、カバーガラスと試料の屈折率差に起因して発生する収差を補正し得る液浸系顕微鏡対物レンズが提供される。

以下、本発明の実施形態を説明するにあたり、まず、すべての実施形態に共通する本発明の対物レンズの基本構成について述べ、そのあとで、図面を参照しながら本発明の実施形態の対物レンズについて説明する。

本発明の対物レンズは、物体側から順に配置された、正の屈折力を持つ第一レンズ群と、正の屈折力を持つ第二レンズ群と、正の屈折力を持つ第三レンズ群とを備えている。

本発明の対物レンズは無限遠補正型の対物レンズであり、対物レンズは試料からの発散光束を平行光束に変換する。第一レンズ群は、対物レンズに入射した発散光束の発散角を小さくして第二レンズ群に伝える。第二レンズ群は、第一レンズ群を通過した発散光束の発散角をさらに小さくして第三レンズ群に伝える。第三レンズ群は、第一レンズ群と第二レンズ群とを通過した緩い発散光束を収束して平行光束にする。

第二レンズ群は球面収差を補正するための移動レンズ群であり、第一レンズ群と第三レンズ群に対して相対的に対物レンズの光軸に沿って移動可能である。さらに第二レンズ群は発散光束中に置かれている。ここで、第二レンズ群が発散光束中に置かれているとは、光束が第二レンズ群を通過する前後のいずれにおいても光軸に対して発散角を持っている状態をいう。

従来の対物レンズでは、移動レンズ群は、著しい発散光束中や著しい収束光束中に置かないことが当たり前とされていた。その理由は、カバーガラスの厚さに依存して発生する球面収差は発生量が小さく、補正量も小さくて済んだためである。

前述したように、試料とカバーガラスの間に屈折率差があると著しい球面収差が発生する。生体細胞内の媒質の屈折率は１．３３〜１．５であり、ほとんどの場合は１．４程度以下である。また、カバーガラスの屈折率は１．５２〜１．７９である。このため、試料とカバーガラスの間には屈折率差が生じ、著しい球面収差が発生する。また高次の球面収差が発生する。そのため、従来の対物レンズにおける移動レンズ群では補正量が不足するか、高次の球面収差を補正しきれない。

これに対して本発明の対物レンズでは、移動レンズ群である第二レンズ群が著しい発散光束中、すなわち、光線と光軸の角度が大きい場所に配置されている。このため、従来よりも大きな補正作用を得ることができる。

例えば、第二レンズ群を第一レンズ群側に移動すると、第一レンズ群と第二レンズ群の間の空気間隔ｄ３が減少し、第二レンズ群と第三レンズ群の間の空気間隔ｄ４が増大する。空気間隔ｄ３の現象は大きな正の球面収差を発生させ、空気間隔ｄ４の増大もまた大きな正の球面収差を発生させる。それぞれの正の球面収差を合わせてさらに大きな正の球面収差を得ることができる。これにより、試料とカバーガラスの屈折率差によって発生した著しい負の球面収差をキャンセルすることができる。反対に、著しい正の球面収差をキャンセルするには、第二レンズ群を第三レンズ群側に移動するとよい。

移動レンズ群である第二レンズ群の移動による収差補正作用は、試料とカバーガラスの屈折率差に起因して発生する球面収差または試料の厚さに依存して発生する収差の補正だけでなく、従来のカバーガラスの厚さに依存して発生する球面収差の補正や試料と液浸液の温度変化に起因して発生する球面収差の補正に適用されてもよい。

第一レンズ群は、物体側から順に物体側に平面を向けた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からなる接合レンズを有している。この接合レンズの接合面は負の屈折力を持ち、ペッツバール和を補正する。第一レンズ群の接合レンズのメニスカスレンズの像側の凸面は不遊条件（アプラナティックな条件）を満たし、球面収差やコマ収差の発生を抑える。このように、第一レンズ群が接合レンズを有していることにより、１．３７より大きい高ＮＡであっても収差を良好に補正することが可能となる。

第二レンズ群は少なくとも一つの正レンズを有している。この正レンズは、好ましくは、像側に強い凸面を持っているとよく、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズまたは物体側に平面を向けた平凸レンズであるとよい。

第三レンズ群は少なくとも三つの接合レンズを有しており、これらの接合レンズにより球面収差と色収差を補正する。色収差をさらに良好に補正するため、第三レンズ群は、望ましくは、少なくとも一つの三枚接合レンズを有しているとよい。また、ペッツバール和やコマ収差をさらに良好に補正するため、望ましくは、強い負の屈折力を持つレンズが像側に近い場所に置かれるとよい。この強い負の屈折力を持つレンズは、像側に強い凹面を向けた両凹レンズや平凹レンズやメニスカスレンズや接合メニスカスレンズであるとよい。

本発明の対物レンズは、好ましくは、次の条件式
４＜ｆ（Ｇ２）／ｆ＜１０ …（１）
を満足しており、より好ましくは、次の条件式
４＜ｆ（Ｇ２）／ｆ＜８ …（２）
を満足している。ここで、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離である。

条件式（１）は第二レンズ群のパワーを規定しており、第二レンズ群に比較的強いパワーを持たせることを意図している。条件式（１）を満足していれば、大きな補正作用が得られる。条件式（１）の下限値４を下回ると、第二レンズ群のパワーが強くなりすぎ、第二レンズ群で発生する諸収差を他のレンズ群で補正できなくなるだけでなく、レンズ系全体の倍率を維持することが困難になる。また条件式（１）の上限値１０を上回ると、十分な補正作用を得ることができなくなる。さらに条件式（２）を満足していれば、さらにバランスの良い設計となる。

また、本発明の対物レンズは、好ましくは、次の条件式
０．１＜θ１／θ２＜０．４ …（３）
を満足しており、より好ましくは、次の条件式
０．１５＜θ１／θ２＜０．３ …（４）
を満足している。ここで、θ１は移動レンズ群へ入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角、θ２は移動レンズ群から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角である。

条件式（３）は、第二レンズ群に入射する光線および射出する光線を規定することによって、第一レンズ群と第二レンズ群と第三レンズ群のそれぞれのレンズパワーのバランスを規定している。下限値０．１を下回ると、第一レンズ群と第二レンズ群を合わせたレンズパワーが強くなりすぎ、第三レンズ群での収差補正が困難になる。また上限値０．４を上回ると、第一レンズ群または第二レンズ群のレンズパワーが弱くなりすぎ、第三レンズ群のレンズ外径が大きくなりレンズの加工が困難になるだけでなく、対物レンズ全体の全長が長くなりがちとなりシステム上望ましくない。従って、条件式（３）を満足していれば、諸収差と加工性と全長のバランスが良い設計となる。さらに条件式（４）を満足していれば、諸収差と加工性と全長のバランスがさらに良い設計となる。

また本発明の対物レンズは、好ましくは、１．３７より大きい開口数を有しており、より好ましくは、１．４以上の開口数を有している。

生体細胞内の媒質の中で、細胞液の屈折率ｎｄは１．３７〜１．３８程度である。対物レンズの開口数が１．３７より大きければ、ほとんどの場合、ＴＩＲＦＭで使用できる。また、ＮＡが大きいことにより、試料から発せられる微弱蛍光の像を得やすく、高解像を得ることができる。ＮＡが１．３７を下回ると、ＴＩＲＦＭで観測できる対象がかなり限定され、また微弱蛍光の像を得ることが困難になる。ＮＡが１．３７であるとした場合、液浸液の屈折率ｎｄは１．３７以上である必要がある。また、ＮＡが１．４であるとした場合、液浸液の屈折率ｎｄは１．４以上である必要がある。対物レンズの開口数が１．４以上であれば、細胞内のほとんどの媒質（屈折率が１．３３〜１．４）に対して、ＴＩＲＦＭで使用可能となる。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態の対物レンズは、図１に示されるように、物体側から順に配置された第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群（補正レンズ群）Ｇ２と第三レンズ群Ｇ３とを備えている。第一レンズ群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メニスカスレンズＬ２からなる接合レンズで構成されている。また、第二レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズＬ３で構成されており、光軸に沿って移動可能である。また、第三レンズ群Ｇ３は、正レンズＬ４と負レンズＬ５と正レンズＬ６からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ７と、負レンズＬ８と正レンズＬ９と負レンズＬ１０からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ１１と負レンズＬ１２とからなる二枚接合レンズと、正レンズＬ１３と負レンズＬ１４とからなる二枚接合レンズと、像側にきつい凹面を向けた負レンズＬ１５と、物体側に凹面を向けた負レンズＬ１６と正レンズＬ１７とからなる二枚接合レンズとから構成されている。

第一実施形態の対物レンズのデータは下記の通りである。

収差を補正するためのレンズ面間隔の可変量（単位ｍｍ）は下記の通りである。ｄ１はピント位置からカバーガラス表面までの距離である。細胞は様々な媒質（ｎｄ＝１．３３〜１．５）で構成されているが、ここでは細胞液（ｎｄ＝１．３８程度）を仮定した。もちろん、ｎｄ＝１．３８以外の媒質であっても、補正レンズ群の移動によって実用的な結像性能を得ることができる。ｄ２はＷＤであって、オイルで充填されている。ｄ３とｄ４は、第二レンズ群Ｇ２の前後の間隔の可変量である。

第一実施形態において用いられるカバーガラスは、厚さが０．１７ｍｍ、ｎｄ＝１．５１６３７、νｄ＝６４．２である。また、オイルは、ｎｄ＝１．５１１、νｄ＝４３．１である。なお、本実施形態では、３７℃の試料を観察する場合を想定し、試料に近いカバーガラスとオイルには３７℃のｎｄ、νｄを用いた。

ここで、レンズデータ中、ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは各レンズ面間の間隔（単位ｍｍ）、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。また、ｆは焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ１）は第一レンズ群Ｇ１の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群Ｇ２の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ３）は第三レンズ群Ｇ３の焦点距離（単位ｍｍ）、θ１は第二レンズ群Ｇ２に入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、θ２は第二レンズ群Ｇ２から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、βは倍率、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離（単位ｍｍ）である。なお、θ１、θ２は、プラスの値の場合に発散光束、マイナスの値の場合に収束光束と定義している。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態の対物レンズは、図２に示されるように、物体側から順に配置された第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群（補正レンズ群）Ｇ２と第三レンズ群Ｇ３とを備えている。第一レンズ群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メニスカスレンズＬ２からなる接合レンズで構成されている。また、第二レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズＬ３で構成されており、光軸に沿って移動可能である。また、第三レンズ群Ｇ３は、正レンズＬ４と負レンズＬ５と正レンズＬ６からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ７と、負レンズＬ８と正レンズＬ９と負レンズＬ１０からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ１１と負レンズＬ１２とからなる二枚接合レンズと、正レンズＬ１３と負レンズＬ１４とからなる二枚接合レンズと、像側にきつい凹面を向けた負レンズＬ１５と、物体側に凹面を向けた負レンズＬ１６と正レンズＬ１７とからなる二枚接合レンズとから構成されている。

第二実施形態の対物レンズのデータは下記の通りである。

収差を補正するためのレンズ面間隔の可変量（単位ｍｍ）は下記の通りである。ｄ１はピント位置からカバーガラス表面までの距離である。細胞は様々な媒質（ｎｄ＝１．３３〜１．５）で構成されているが、ここでは細胞液（ｎｄ＝１．３８程度）を仮定した。もちろん、ｎｄ＝１．３８以外の媒質であっても、補正レンズ群の移動によって実用的な結像性能を得ることができる。ｄ２はＷＤであって、オイルで充填されている。ｄ３とｄ４は、第二レンズ群Ｇ２の前後の間隔の可変量である。

第二実施形態において用いられるカバーガラスは、厚さが０．１７ｍｍ、ｎｄ＝１．４８７４８、νｄ＝７０．２である。また、オイルは、ｎｄ＝１．４７３９２、νｄ＝５６．４である。なお、本実施形態では、３７℃の試料を観察する場合を想定し、試料に近いカバーガラスとオイルには３７℃のｎｄ、νｄを用いた。

ここで、レンズデータ中、ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは各レンズ面間の間隔（単位ｍｍ）、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。また、ｆは焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ１）は第一レンズ群Ｇ１の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群Ｇ２の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ３）は第三レンズ群Ｇ３の焦点距離（単位ｍｍ）、θ１は第二レンズ群Ｇ２に入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、θ２は第二レンズ群Ｇ２から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、βは倍率、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離（単位ｍｍ）である。なお、θ１、θ２は、プラスの値の場合に発散光束、マイナスの値の場合に収束光束と定義している。

［第三実施形態］
本発明の第三実施形態の対物レンズは、図３に示されるように、物体側から順に配置された第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群（補正レンズ群）Ｇ２と第三レンズ群Ｇ３とを備えている。第一レンズ群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メニスカスレンズＬ２からなる接合レンズで構成されている。また、第二レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズＬ３で構成されており、光軸に沿って移動可能である。また、第三レンズ群Ｇ３は、正レンズＬ４と負レンズＬ５と正レンズＬ６からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ７と、負レンズＬ８と正レンズＬ９と負レンズＬ１０からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ１１と負レンズＬ１２とからなる二枚接合レンズと、正レンズＬ１３と負レンズＬ１４とからなる二枚接合レンズと、像側にきつい凹面を向けた負レンズＬ１５と、物体側に凹面を向けた負レンズＬ１６と正レンズＬ１７とからなる二枚接合レンズとから構成されている。

第三実施形態の対物レンズのデータは下記の通りである。

収差を補正するためのレンズ面間隔の可変量（単位ｍｍ）は下記の通りである。ｄ１はピント位置からカバーガラス表面までの距離である。細胞は様々な媒質（ｎｄ＝１．３３〜１．５）で構成されているが、ここでは細胞液（ｎｄ＝１．３８程度）を仮定した。もちろん、ｎｄ＝１．３８以外の媒質であっても、補正レンズ群の移動によって実用的な結像性能を得ることができる。ｄ２はＷＤであって、オイルで充填されている。ｄ３とｄ４は、第二レンズ群Ｇ２の前後の間隔の可変量である。

第三実施形態において用いられるカバーガラスは、厚さが０．１７ｍｍ、ｎｄ＝１．４５８６１、νｄ＝６７．７である。また、オイルは、ｎｄ＝１．４７３９２、νｄ＝５６．４である。なお、本実施形態では、３７℃の試料を観察する場合を想定し、試料に近いカバーガラスとオイルには３７℃のｎｄ、νｄを用いた。

ここで、レンズデータ中、ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは各レンズ面間の間隔（単位ｍｍ）、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。また、ｆは焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ１）は第一レンズ群Ｇ１の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群Ｇ２の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ３）は第三レンズ群Ｇ３の焦点距離（単位ｍｍ）、θ１は第二レンズ群Ｇ２に入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、θ２は第二レンズ群Ｇ２から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、βは倍率、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離（単位ｍｍ）である。なお、θ１、θ２は、プラスの値の場合に発散光束、マイナスの値の場合に収束光束と定義している。

［第四実施形態］
本発明の第四実施形態の対物レンズは、図４に示されるように、物体側から順に配置された第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群（補正レンズ群）Ｇ２と第三レンズ群Ｇ３とを備えている。第一レンズ群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メニスカスレンズＬ２からなる接合レンズで構成されている。また、第二レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズＬ３で構成されており、光軸に沿って移動可能である。また、第三レンズ群Ｇ３は、正レンズＬ４と負レンズＬ５と正レンズＬ６からなる三枚接合レンズと、負レンズＬ７と正レンズＬ８と負レンズＬ９からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ１０と像側に凹面を向けた負レンズＬ１１からなる二枚接合レンズとから構成されている。

第四実施形態の対物レンズのデータは下記の通りである。

収差を補正するためのレンズ面間隔の可変量（単位ｍｍ）は下記の通りである。ｄ１はピント位置からカバーガラス表面までの距離である。細胞は様々な媒質（ｎｄ＝１．３３〜１．５）で構成されているが、ここでは細胞液（ｎｄ＝１．３８程度）を仮定した。もちろん、ｎｄ＝１．３８以外の媒質であっても、補正レンズ群の移動によって実用的な結像性能を得ることができる。ｄ２はＷＤであって、オイルで充填されている。ｄ３とｄ４は、第二レンズ群Ｇ２の前後の間隔の可変量である。

第四実施形態において用いられるカバーガラスは、厚さが０．１７ｍｍ、ｎｄ＝１．４８７４８、νｄ＝７０．２である。また、オイルは、ｎｄ＝１．４７３９２、νｄ＝５６．４である。なお、本実施形態では、３７℃の試料を観察する場合を想定し、試料に近いカバーガラスとオイルには３７℃のｎｄ、νｄを用いた。

ここで、レンズデータ中、ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは各レンズ面間の間隔（単位ｍｍ）、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。また、ｆは焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ１）は第一レンズ群Ｇ１の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群Ｇ２の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ３）は第三レンズ群Ｇ３の焦点距離（単位ｍｍ）、θ１は第二レンズ群Ｇ２に入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、θ２は第二レンズ群Ｇ２から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、βは倍率、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離（単位ｍｍ）である。なお、θ１、θ２は、プラスの値の場合に発散光束、マイナスの値の場合に収束光束と定義している。

［第五実施形態］
本発明の第五実施形態の対物レンズは、図５に示されるように、物体側から順に配置された第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群（補正レンズ群）Ｇ２と第三レンズ群Ｇ３とを備えている。第一レンズ群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メニスカスレンズＬ２からなる接合レンズで構成されている。また、第二レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズＬ３と物体側に平面を向けた平凸レンズＬ４で構成されており、光軸に沿って移動可能である。また、第三レンズ群Ｇ３は、正レンズＬ５と負レンズＬ６と正レンズＬ７からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ８と、負レンズＬ９と正レンズＬ１０と負レンズＬ１１からなる三枚接合レンズと、正レンズＬ１２と負レンズＬ１３からなる二枚接合レンズと、像側にきつい凹面を向けた負レンズＬ１４と、物体側に凹面を向けた負レンズＬ１５と正レンズＬ１６とからなる二枚接合レンズとから構成されている。

第五実施形態の対物レンズのデータは下記の通りである。

収差を補正するためのレンズ面間隔の可変量（単位ｍｍ）は下記の通りである。ｄ１はピント位置からカバーガラス表面までの距離である。細胞は様々な媒質（ｎｄ＝１．３３〜１．５）で構成されているが、ここでは細胞液（ｎｄ＝１．３８程度）を仮定した。もちろん、ｎｄ＝１．３８以外の媒質であっても、補正レンズ群の移動によって実用的な結像性能を得ることができる。ｄ２はＷＤであって、オイルで充填されている。ｄ３とｄ４は、第二レンズ群Ｇ２の前後の間隔の可変量である。

第五実施形態において用いられるカバーガラスは、厚さが０．１７ｍｍ、ｎｄ＝１．４５８６１、νｄ＝６７．７である。また、オイルは、ｎｄ＝１．４７３９２、νｄ＝５６．４である。なお、本実施形態では、３７℃の試料を観察する場合を想定し、試料に近いカバーガラスとオイルには３７℃のｎｄ、νｄを用いた。

ここで、レンズデータ中、ｒは各レンズ面の曲率半径（単位ｍｍ）、ｄは各レンズ面間の間隔（単位ｍｍ）、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。また、ｆは焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ１）は第一レンズ群Ｇ１の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群Ｇ２の焦点距離（単位ｍｍ）、ｆ（Ｇ３）は第三レンズ群Ｇ３の焦点距離（単位ｍｍ）、θ１は第二レンズ群Ｇ２に入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、θ２は第二レンズ群Ｇ２から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角度（単位°）、βは倍率、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離（単位ｍｍ）である。なお、θ１、θ２は、プラスの値の場合に発散光束、マイナスの値の場合に収束光束と定義している。

上記第一実施形態〜第五実施形態において用いられる各光学ガラスは、紫外域での透過率が優れ、自家蛍光の少ない光学ガラスを選択しており、各実施形態は蛍光観察に最適な対物レンズとなっている。また、各光学ガラスは、環境対応ガラス（鉛フリーガラス）を選択しており、各実施形態は環境に配慮した対物レンズとなっている。

また、第一実施形態〜第五実施形態はいずれも、対物レンズからの射出光が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、表１６に示されるレンズデータを有し、図１７に示されるレンズ断面を有する結像レンズ（焦点距離１８０）と組み合わせて使用される。

このレンズデータにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズ面間の間隔、ｎｄは各レンズのｄ線の屈折率、νｄは各レンズのｄ線におけるアッベ数である。

この場合、第一実施形態〜第五実施形態の対物レンズと結像レンズの間の間隔は５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間のいずれの位置でもよい。この間隔を１２０ｍｍとした場合の第一実施形態の対物レンズの収差図を図６と図７に、第二実施形態の対物レンズの収差図を図８と図９に、第三実施形態の対物レンズの収差図を図１０と図１１に、第四実施形態の対物レンズの収差図を図１２と図１３に、第五実施形態の対物レンズの収差図を図１４と図１５に示す。これらの図において、（ａ）はｄ１＝０時の球面収差、（ｂ）はｄ１＝０．００２時の球面収差、（ｃ）はｄ１＝０．００５時の球面収差、（ｄ）はｄ１＝０．０１時の球面収差、（ｅ）は正弦条件違反量、（ｆ）は非点収差、（ｇ）は歪曲収差、（ｈ）はコマ収差を示している。なお、細胞内を観察するにあたり１．３８を超えるような光線は結像に寄与しない。よって、（ｂ）（ｃ）（ｄ）ではＮＡを若干少なくして表示している。

第一実施形態〜第五実施形態の収差図と、図１６の従来例の収差図と比較して分かるように、本発明の実施形態の対物レンズは、細胞内のように屈折率が低い試料を観察または計測する場合に発生する球面収差を良好に補正することができる。従って、細胞内を観察または計測する場合であっても、実用的な結像性能を得ることが可能である。

本発明の第一実施形態の対物レンズのレンズ断面図である。 本発明の第二実施形態の対物レンズのレンズ断面図である。 本発明の第三実施形態の対物レンズのレンズ断面図である。 本発明の第四実施形態の対物レンズのレンズ断面図である。 本発明の第五実施形態の対物レンズのレンズ断面図である。 本発明の第一実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第一実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第二実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第二実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第三実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第三実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第四実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第四実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第五実施形態の対物レンズの収差図である。 本発明の第五実施形態の対物レンズの収差図である。 特開２００３−０２１７８６号公報に開示されている対物レンズの収差図である。 図１〜図５の対物レンズと組み合わされる結像レンズのレンズ断面図である

符号の説明

Ｇ１…第一レンズ群、Ｇ２…第二レンズ群、Ｇ３…第三レンズ群。

Claims (6)

1. 物体側から順に、物体側に平面を向けた平凸レンズと物体側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる接合レンズを有し正の屈折力を持つ第一レンズ群と、発散光束中に置かれ、少なくとも一つの正レンズを有し正の屈折力を持つ第二レンズ群と、少なくとも三つの接合レンズを有し、発散光束を平行光束に変換する正の屈折力を持つ第三レンズ群とから構成され、前記第二レンズ群は収差の補正のために、前記第一レンズ群と前記第三レンズ群に対して相対的に光軸に沿って移動可能であり、次の条件式
   ４＜ｆ（Ｇ２）／ｆ＜８ …（２）
   （ここで、ｆ（Ｇ２）は第二レンズ群の焦点距離、ｆは対物レンズ全系の焦点距離である）
   を満足していることを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
2. 請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズであって、生体細胞に代表される試料（屈折率ｎｄが１．３３〜１．５）をカバーガラス（屈折率ｎｄが１．４〜１．６）と液浸液（屈折率ｎｄが１．３３〜１．６）を通して観察または計測するための液浸系顕微鏡対物レンズであり、前記試料と前記カバーガラスの屈折率差に起因して発生する収差または前記試料の厚さに依存して発生する収差を補正するために、発散光束中に置かれた光軸に沿って移動可能な移動レンズ群を備えていることを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
3. 請求項１または２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズであって、次の条件式
   ０．１＜θ１／θ２＜０．４ …（３）
   （ここで、θ１は前記移動レンズ群へ入射する最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角、θ２は前記移動レンズ群から射出される最大ＮＡのマージナル光線と光軸との成す角である）
   を満足していることを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
4. 請求項３に記載の液浸系顕微鏡対物レンズであって、次の条件式
   ０．１５＜θ１／θ２＜０．３ …（４）
   を満足していることを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液浸系顕微鏡対物レンズであって、液浸液の屈折率ｎｄが１．３７以上であり、開口数が１．３７より大きいことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
6. 請求項５に記載の液浸系顕微鏡対物レンズであって、液浸液の屈折率ｎｄが１．４以上であり、開口数が１．４より大きいことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。

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