JP5185578B2

JP5185578B2 - 細径対物光学系

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Publication number: JP5185578B2
Application number: JP2007216110A
Authority: JP
Inventors: 真人藤原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: EP2028519A3; EP2028519B1; EP2028519A2; US7733583B2; US20090052062A1; JP2009048085A

Description

この発明は、細胞の機能の解明やイメージング等のアプリケーションに用いられる対物光学系に関し、特に哺乳類などの動物を生きたままで観察するのに好適な細径対物光学系に関するものである。

従来、特定の分子や組織、細胞などに色素や蛍光マーカーをつけて、これを蛍光顕微鏡や共焦点レーザー走査顕微鏡などで観察して、生物の細胞や組織内の分子の振る舞いなどを観察する方法が行なわれている。
マウスなどの哺乳類の生物個体が生きた状態での分子の振る舞いは培養細胞とは異なる場合があり、個体が生きたまま（ｉｎｖｉｖｏ）で生体組織や細胞内の観察が行なわれている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１１９３００号公報

従来のレーザー走査型共焦点顕微鏡を始めとする顕微鏡は、ラットやマウス等の実験小動物の各種臓器を生きたままの状態（ｉｎｖｉｖｏ）で観察することは想定していない。生物個体の内部を観察する場合、従来の顕微鏡では対物レンズの外径が大きいので、生体を大きく切り開いて観察する必要がある。しかし、生体を大きく切り開くと侵襲性が高いので、長期間の観察は不可能であった。

また、特許文献１の対物光学系は、先端径は細いがマウスの脳などの深部を観察する場合にはまだ侵襲性が高い。すなわち、実験小動物の各種臓器を観察するには、表皮や筋肉組織を切開する、あるいは、頭蓋骨に穿孔して内部の臓器を露出させる必要があるが、観察部位に近接配置される対物レンズのサイズが実験小動物もしくは観察対象に比較して大きいために、内部の臓器などを観察する場合には、表皮や筋肉組織等を大きく切開する、あるいは大きな孔を開ける必要がある。この場合、組織の切開直後あるいは穿孔直後における観察は可能であるものの、実験小動物に大きなダメージを与えてしまうため、長期間にわたる経時的な観察は困難である。観察後縫合し、次の観察時に再度切開する方法も考えられるが、実験小動物に与えるダメージを考えると、時間が経過するにつれて正常な状態での観察は困難になるという不都合があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、実験小動物を始めとする哺乳類の細胞、筋肉等の生体組織、あるいは、心臓、肝臓等の各種臓器、特に脳組織を生きたままの状態で比較的長期間にわたって低侵襲に観察することを可能とする対物光学系を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、物体面側から順に、像面側に凸面を向けた少なくとも１枚の平凸レンズを含む正屈折力の第１レンズ群、少なくとも１枚の凹レンズを含む正屈折力の第２レンズ群、及び接合面が負屈折力の接合レンズを含む第３レンズ群で構成され、前記第３レンズ群の焦点距離が、前記第１レンズ群の焦点距離よりも大きく、第１レンズ群は、前記物体面からの発散光束を略平行光束或いは平行光に近い発散光束に変換し、第２レンズ群は、第１レンズ群からの光束を更に径の大きな略平行光束に変換し、かつ中間像面を有し、第３レンズ群は、前記負屈折力の接合面で第２レンズ群からの光束の収差を補正し、以下の条件式（１）、（２）を満足する細径対物光学系。
（１）０．２５＜（Ｄ _１ ×ＮＡ）／（Ｒ _１ ×ｎ _１）＜０．３５
（２）１．５＜ｄ _０／Ｄ _１＜２．５
ただし、Ｄ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も小さなレンズ外径、ＮＡ：細径対物光学系の物体面側開口数、Ｒ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も小さな曲率半径、ｎ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も大きな屈折率、ｄ _０：物体面から第１レンズ群Ｇ _１中で最も像面側にあるレンズの像面側の面までの距離である。

この発明によれば、正屈折力の第１レンズ群は、発散光を略平行光あるいは略平行光に近い発散光に変換する。また、像面側に凸面を向けた平凸レンズを含むことにより、アプラナティック条件に近くし、この平凸レンズで発生する球面収差やコマ収差を抑えることができる。

正屈折力の第２レンズ群は、第１レンズ群からの略平行光束または略平行光束に近い発散光束を更に径の大きな略平行光束に拡大することができる。

第３レンズ群は、第１及び第２レンズ群で発生した球面収差やコマ収差をはじめとする収差、及び色収差を、負屈折力の接合面で補正する。また、第３レンズ群の焦点距離を第１レンズ群の焦点距離より大きくすることにより、光線高を大きくすることができる。
（Ｄ _１ ×ＮＡ）／（Ｒ _１ ×ｎ _１）が０．３５以上の場合、レンズ外径Ｄ _１が大きくなり細径対物光学系にできなくなる。レンズ外径Ｄ _１を小さくするためには曲率半径Ｒ _１を小さくしなければならないが、曲率半径Ｒ _１が小さくなると第１レンズ群の屈折力が強くなり球面収差が補正不足になる。（Ｄ _１ ×ＮＡ）／（Ｒ _１ ×ｎ _１）が０．２５以下の場合、物体面側開口数ＮＡが小さくなる、あるいは、曲率半径Ｒ _１が大きくなるため球面収差が補正過剰になるといった不具合が発生する。
ｄ _０／Ｄ _１が２．５以上だと、物体面から第１レンズ群の中で最も像面側にあるレンズの像面側の面までの距離ｄ _０が大きくなり、球面収差の発生量は小さいが光線高が高くなってしまう。ｄ _０／Ｄ _１が１．５以下の場合、ｄ _０が小さくなるので、短い距離で発散光を略平行光に変換しなければならず、球面収差やコマ収差の発生量が増加する。

上記発明においては、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
（３）０．２＜（Ｆ_１×ｈ_３）／（Ｆ_３×ｈ_１）＜０．３
ただし、Ｆ_１は第１レンズ群の焦点距離、Ｆ_３は第３レンズ群の焦点距離、ｈ_１は物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も物体面側のレンズ面に入射する際の光束径、ｈ_３は物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も像面側のレンズ面を出射する際の光束径である。

（Ｆ_１×ｈ_３）／（Ｆ_３×ｈ_１）が０．３以上の場合、第１レンズ群の焦点距離Ｆ_１を長くすると光線高を小さくすることができない。一方、第３レンズ群の焦点距離Ｆ_３を短くすると第３レンズ群での光線高を大きくすることができず、第３レンズ群で諸収差を補正することができない。（Ｆ_１×ｈ_３）／（Ｆ_３×ｈ_１）が０．２以下の場合、第１レンズ群の焦点距離Ｆ_１が短くなり球面収差の補正が困難になる。

また、上記発明においては、以下の条件式（４）、（５）、（６）を満足することが好ましい。
（４）１０＜｜ν_３１−ν_３２｜
（５）０．１２＜｜ｎ_３１−ｎ_３２｜＜０．２
（６）４＜Ｆ_３／Ｒ_３＜５．５
ただし、ν_３１は第３レンズ群の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対するアッベ数、ν_３２は第３レンズ群の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対するアッベ数、ｎ_３１は第３レンズ群の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対する屈折率、ｎ_３２は第３レンズ群の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対する屈折率、Ｆ_３は第３レンズ群の焦点距離、及びＲ_３は第３レンズ群の接合レンズの接合面の曲率半径である。

｜ν_３１−ν_３２｜が１０以下であると、接合レンズにおけるアッベ数の差が小さくなり色収差の補正が困難になる。

｜ｎ_３１−ｎ_３２｜が０．１２以下の場合、接合面の曲率半径が小さくなりレンズ加工が困難になる。｜ｎ_３１−ｎ_３２｜が０．２以上の場合、接合面の曲率半径が大きくなり球面収差及びコマ収差の補正が困難になる。

Ｆ_３／Ｒ_３が４以下の場合、第３レンズ群の焦点距離Ｆ_３が小さくなり第３レンズ群中での光線高を小さくできない。あるいは、第３レンズ群の接合レンズの接合面の曲率半径Ｒ_３が大きくなるので、第１、２レンズ群で発生した収差を補正できないという不具合が発生する。Ｆ_３／Ｒ_３が５．５以上の場合、第３レンズ群の接合レンズの接合面の曲率半径Ｒ_３が小さくなり球面収差及びコマ収差が補正過剰になるという不都合が生じる。

本発明によれば、実験小動物を始めとする哺乳類の細胞、筋肉等の生体組織、あるいは、心臓、肝臓等の各種臓器、特に脳組織を生きたままの状態で、比較的長期間にわたって低侵襲に観察することが可能となる。

以下、本発明の細径対物光学系の一実施形態について図１を参照して説明する。
本実施形態に係る細径対物光学系１は、物体面側から順に、第１レンズ群Ｇ_１、第２レンズ群Ｇ_２及び第３レンズ群Ｇ_３とで構成されている。

第１レンズ群Ｇ_１は、像面側に凸面を向けた平凸レンズＬ_１と、物体面側に凸面を向けた凸平レンズＬ_２とで構成されている。第１レンズ群Ｇ_１は全体として正屈折力である。

第２レンズ群Ｇ_２は、像面側に凹面を向けた平凹レンズＬ_３と物体面側に凸面を向けた凸平レンズＬ_４とを接合した接合レンズ、物体面側に凹面を向けた凹平レンズＬ_５と像面側に凸面を向けた平凸レンズＬ_６とを接合した接合レンズ、像面側に凸面を向けた平凸レンズＬ_７と物体面側に凹面を向けた凹平レンズＬ_８とを接合した接合レンズ、及び像面側に凸面を向けた平凸レンズＬ_９とで構成されている。

第３レンズ群Ｇ_３は、像面側に凹面を向けた平凹レンズＬ_１０と物体面側に凸面を向けた凸平レンズＬ_１１との負屈折力を有する接合レンズ、物体面側に凸面を向けた凸平レンズＬ_１２、像面側に凸面を向けた平凸レンズＬ_１３と物体面側に凹面を向けた凹平レンズＬ_１４との接合レンズ、及び物体面側に凸面を向けた凸平レンズＬ_１５とで構成されている。

図１の細径対物光学系において、第３レンズ群Ｇ_３の焦点距離は第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離よりも大きくなっている。

本実施形態においては、各レンズが以下の条件式（１）〜（６）を満たすように構成されている。
（１）０．２５＜（Ｄ _１ ×ＮＡ）／（Ｒ _１ ×ｎ _１）＜０．３５
（２）１．５＜ｄ _０／Ｄ _１＜２．５
（３）０．２＜（Ｆ _１ ×ｈ _３）／（Ｆ _３ ×ｈ _１）＜０．３
（４）１０＜｜ν_３１−ν_３２｜
（５）０．１２＜｜ｎ_３１−ｎ_３２｜＜０．２
（６）４＜Ｆ_３／Ｒ_３＜５．５

ここで、Ｆ_１は第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離、Ｆ_３は第３レンズ群Ｇ_３の焦点距離、ｈ_１は物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も物体面側のレンズ面に入射する際の光束径、ｈ_３は物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も像面側のレンズ面を出射する際の光束径、Ｄ_１は第１レンズ群Ｇ_１中最も小さなレンズ外径、ＮＡは細径対物光学系の物体面側開口数、Ｒ_１は第１レンズ群Ｇ_１中最も小さな曲率半径、ｎ_１は第１レンズ群Ｇ_１中最も大きな屈折率、ｄ _０は物体面から第１レンズ群Ｇ_１中で最も像面側にあるレンズの像面側の面までの距離、ν_３１は第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対するアッベ数、ν_３２は第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対するアッベ数、ｎ_３１は第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対する屈折率、ｎ_３２は第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対する屈折率、Ｒ_３は第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズの接合面の曲率半径である。

第１レンズ群Ｇ_１は、平凸レンズＬ_１の像側の凸面をアプラナティック条件に近くすることができ、これによって球面収差及びコマ収差の発生量を小さくすることができる。また、第１レンズ群全体の焦点距離を短くすると、第１レンズ群全体での球面収差及びコマ収差の発生量は比較的大きくなるが、光線高を大きくすることなく物体面からの発散光束を略平行光束あるいは略平行光に近い発散光束に変換することができ、得られた光束を第２レンズ群Ｇ_２に導いている。

第２レンズ群Ｇ_２は、第１レンズ群からの略平行光束あるいは略平行光に近い発散光束を更に径の大きな略平行光束に拡大し、第３レンズ群に光線を導いている。

第３レンズ群Ｇ_３は、負屈折力の接合面を有する接合レンズを含むことにより、第１及び第２レンズ群で発生した球面収差やコマ収差をはじめとする単色収差、及び色収差を補正している。
また、第３レンズ群の焦点距離Ｆ_３を第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離Ｆ_１より大きくすることで光線高を大きくしている。

図２は、図１の細径対物光学系１の像面側にリレー光学系２を配置し、物体からの射出光束を平行光にしたレンズ配置図である。図３にリレー光学系２のレンズ構成図の一例、及び表１にリレー光学系２のレンズデータの一例を示す。図３及び表１において、符号ｒは曲率半径、符号ｄは面間隔、符号ｎ_ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）での屈折率、符号ν_ｄはｄ線（５８７．５６ｎｍ）でのアッベ数を示す。

図２のように構成することで、本実施形態に係る細径対物光学系１に無限遠設計の顕微鏡システムと互換性を持たせることが出来る。このとき、リレー光学系２の細径対物光学系側の光束径が小さくなるような設計にすることにより、本発明の対物光学系を生体内のより深い部分に低侵襲で刺入することができる。

なお、図２のように細径対物光学系１の像面側にリレー光学系２を配置した場合、リレー光学系２の像面側への射出光が平行光となり結像しない。そこで、例えば、図４に示すような表２のレンズデータを有する結像レンズ３（焦点距離１８０）をリレー光学系２の像面側に配置して結像させる。

（実施例１）
本発明の実施例１を、図１に示す細径対物光学系を用いて説明する。
表３は、図１の細径対物光学系のレンズデータである。また、図５に図１の細径対物光学系の各収差図を示す。図５において、符号ＮＡは物体面側の開口数、符号Ｙは物体高を示す。

実施例１に係る細径対物光学系１において、Ｌ_１〜Ｌ_４までのレンズ直径は０．４６ｍｍ、Ｌ_５〜Ｌ_８までのレンズ直径は０．６ｍｍ、Ｌ_９〜Ｌ_１５までのレンズ直径は０．８２ｍｍであり、非常に小さい径のレンズのみで構成されている。
このため、本実施例の細径対物光学系１は、マウスなどの実験小動物の体内奥深くを低侵襲で比較的長期間にわたってｉｎｖｉｖｏ観察するのに適している。

（実施例２）
図６に、本発明に係る細径対物光学系の実施例２のレンズ構成図を示す。実施例２に係る細径対物光学系１０は、実施例１よりも作動距離ＷＤを長くしている。これにより、観察対象にレンズ先端が触れないようにし、生体に物理的な影響をなるべく与えずに観察できる。
表４に図６の細径対物光学系のレンズデータを示す。また、図６の細径対物光学系の各収差図を図７に示す。図６、図７及び表４における符号は、第１の実施例と同じである。

本実施例に係る細径対物光学系１０においては、Ｌ_１〜Ｌ_４までのレンズ直径は０．４６ｍｍ、Ｌ_５〜Ｌ_９までのレンズ直径は０．６ｍｍ、Ｌ_１０〜Ｌ_１６までのレンズ直径は０．８ｍｍであり、非常に小さい径のレンズのみで構成されている。
このため、本実施例の細径対物光学系１０は、実験小動物を始めとする哺乳類の細胞、筋肉等の生体組織、あるいは、心臓や肝臓等の各種臓器、特に脳組織を、生きたままの状態で比較的長期間にわたって低侵襲にｉｎｖｉｖｏ観察するのに適している。

なお、表５に第１及び第２の実施例における条件式（１）〜（６）のデータを示す。

本発明の細径対物光学系は、近赤外域まで収差が良好である。したがって、近赤外光を用いて、比較的小さい散乱で、試料の表皮だけでなく生体内部まで観察することができる。また、多光子励起観察装置にも使用することが可能である。

本発明に係る細径対物光学系のレンズ構成図である。図１の細径対物光学系の像側に無限遠設計のリレー光学系を配置したレンズ配置図である。図２のリレー光学系のレンズ構成図である。図２の無限遠設計のリレー光学系の像側に配置される結像レンズの一例を示すレンズ断面図である。実施例１の細径対物光学系の収差図であり、（ａ）球面収差、（ｂ）正弦条件違反量、（ｃ）非点収差、（ｄ）歪曲収差である。細径対物光学系の第２の実施例に係るレンズ構成図である。実施例２の細径対物光学系の収差図であり、（ａ）球面収差、（ｂ）正弦条件違反量、（ｃ）非点収差、（ｄ）歪曲収差である。

符号の説明

１，１０細径対物光学系
２リレー光学系
３結像レンズ
Ｇ_１第１レンズ群
Ｇ_２第２レンズ群
Ｇ_３第３レンズ群

Claims

物体面側から順に、像面側に凸面を向けた少なくとも１枚の平凸レンズを含む正屈折力の第１レンズ群、少なくとも１枚の凹レンズを含む正屈折力の第２レンズ群、及び接合面が負屈折力の接合レンズを含む第３レンズ群で構成され、前記第３レンズ群の焦点距離が、前記第１レンズ群の焦点距離よりも大きく、
第１レンズ群は、前記物体面からの発散光束を略平行光束或いは平行光に近い発散光束に変換し、
第２レンズ群は、第１レンズ群からの光束を更に径の大きな略平行光束に変換し、かつ中間像面を有し、
第３レンズ群は、前記負屈折力の接合面で第２レンズ群からの光束の収差を補正し、
以下の条件式（１）、（２）を満足する細径対物光学系。
（１）０．２５＜（Ｄ _１ ×ＮＡ）／（Ｒ _１ ×ｎ _１）＜０．３５
（２）１．５＜ｄ _０／Ｄ _１＜２．５
ただし、
Ｄ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も小さなレンズ外径、
ＮＡ：細径対物光学系の物体面側開口数、
Ｒ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も小さな曲率半径、
ｎ _１：第１レンズ群Ｇ _１中最も大きな屈折率、
ｄ _０：物体面から第１レンズ群Ｇ _１中で最も像面側にあるレンズの像面側の面までの距離
である。
以下の条件式（３）を満足する請求項１の細径対物光学系。
（３）０．２＜（Ｆ_１×ｈ_３）／（Ｆ_３×ｈ_１）＜０．３
ただし、
Ｆ_１：第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離、
Ｆ_３：第３レンズ群Ｇ_３の焦点距離、
ｈ_１：物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も物体面側のレンズ面に入射する際の光束径、
ｈ_３：物体面上の１点からの光束が第２レンズ群Ｇ _２の最も像面側のレンズ面を出射する際の光束径
である。
以下の条件式（４）、（５）、（６）を満足する請求項１または請求項２に記載の細径対物光学系。
（４）１０＜｜ν_３１−ν_３２｜
（５）０．１２＜｜ｎ_３１−ｎ_３２｜＜０．２
（６）４＜Ｆ_３／Ｒ_３＜５．５
ただし、
ν_３１：第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対するアッベ数、
ν_３２：第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対するアッベ数、
ｎ_３１：第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の大きなレンズのｄ線に対する屈折率、
ｎ_３２：第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズのうちアッベ数の小さなレンズのｄ線に対する屈折率、
Ｆ_３：第３レンズ群Ｇ_３の焦点距離、
Ｒ_３：第３レンズ群Ｇ_３の接合レンズの接合面の曲率半径
である。