JP5242281B2 - 対物レンズおよび対物レンズ用アダプタ - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズおよび対物レンズ用アダプタに関するものである。

従来、生体組織を生きたまま観察するための顕微鏡の先端に取り付けられる対物レンズとして、外筒内に多数のレンズを配列してなり、外径が細く、全長が長く、色収差が好適に補正されていて、高開口数の液浸対物光学系が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この対物光学系は、先端に平坦な先端面を有する平凸レンズを備え、先端面から入射する多くの光を集光することができる。

特開２００６−１１９３００号公報

しかしながら、特許文献１の対物光学系は、細長く形成されていて生体組織に挿入する際に生体組織に与えるダメージが少ないが、それでもなお、先端の透明部材は、円筒状の側面形状を有しているため、その先端面の面積は、現実の視野範囲の確保に必要な面積のよりも十分に大きく、このため、生体組織に挿入する際には、必要以上に広い面積の生体組織を押しつけてしまい、生体組織にダメージが与えられる可能性がある。特に、生体組織として脳組織を観察する場合には、脳組織に与えるダメージを必要最小限に抑える必要がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、特に脳組織を観察する場合においても、脳組織に与えるダメージを抑え、かつ、脳組織からの光を最大限に集光することができる対物レンズおよび対物レンズ用アダプタ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、観察対象に接触させられる先端透明部材が、先端面に向かって漸次先細に形成され、前記先端面の径寸法ｄが、下式により規定され、前記先端透明部材の最大径寸法Ｄが３ｍｍ以下である対物レンズを提供する。
０ｍｍ≦ｄ−ＦＯＶ−２・ＷＤ・（ＮＡ／Ｎ）≦０．３ｍｍ
ここで、ＦＯＶ：観察視野範囲、ＷＤ：作動距離、ＮＡ：開口数、Ｎ：観察対象の屈折率である。

本発明によれば、先端面に向かって漸次先細に形成された先端透明部材が観察対象に接触させられるので、観察対象には最も狭い面積の先端面が接触させられる。先端面の径寸法ｄは、観察視野範囲を得るために必要最小限の大きさから、加工による画像の歪みを防止するための余裕を見た大きさの範囲内に設定されているので、観察対象に押し付けても、必要以上の広い範囲で観察対象を押し付けることがなく、観察対象に与えるダメージを低減することができる。また、先端透明部材が先端面から漸次広がるテーパ状に形成されていることにより、これに接触する観察対象を斜面に沿って逃がすことができる。これにより、対物レンズに加える挿入力の内、観察対象に直接加えられる分力を低減し、観察対象に与えるダメージをさらに低減することができる。

上記発明においては、前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、下式により規定されることとしてもよい。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ／ｎ）≦φ＜９０°
ここで、ｎ：前記先端透明部材の屈折率である。
このようにすることで、先端面から入射した光が傾斜面によってけられることなく後段の光学系にリレーされるので、観察対象の明るい画像を得ることが可能となる。

また、上記発明においては、前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、φ≦６０°であることが好ましい。
このようにすることで、傾斜面に接触する観察対象を傾斜面に沿って逃がすことができ、対物レンズに加える挿入力の内、観察対象に直接加えられる分力を低減し、観察対象に与えるダメージをさらに低減することができる。

また、本発明は、対物レンズに着脱可能に設けられ、対物レンズの先端に配置され観察対象に接触させられる先端透明部材が、先端面に向かって漸次先細に形成され、前記先端面の径寸法ｄが、下式により規定され、前記先端透明部材の最大径寸法Ｄが３ｍｍ以下である対物レンズ用アダプタを提供する。
０ｍｍ≦ｄ−ＦＯＶ−２・ＷＤ・（ＮＡ／Ｎ）≦０．３ｍｍ
ここで、ＦＯＶ：観察視野範囲、ＷＤ：作動距離、ＮＡ：開口数、Ｎ：観察対象の屈折率である。

本発明によれば、対物レンズに取り付けることで、対物レンズの先端に配置された先端透明部材が、観察対象に接触させられるので、観察対象には最も狭い面積の先端面が接触させられる。先端面の径寸法ｄは、観察視野範囲を得るために必要最小限の大きさから、加工による画像の歪みを防止するための余裕を見た大きさの範囲内に設定されているので、観察対象に押し付けても、必要以上の広い範囲で観察対象を押し付けることがなく、観察対象に与えるダメージを低減することができる。また、先端透明部材が先端面から漸次広がるテーパ状に形成されていることにより、これに接触する観察対象を斜面に沿って逃がすことができる。これにより、対物レンズに加える挿入力の内、観察対象に直接加えられる分力を低減し、観察対象に与えるダメージをさらに低減することができる。

上記発明においては、前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、下式により規定されることとしてもよい。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ／ｎ）≦φ＜９０°
ここで、ｎ：前記先端透明部材の屈折率である。
また、上記発明においては、前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、φ≦６０°であることが好ましい。

本発明によれば、特に脳組織を観察する場合においても、脳組織に与えるダメージを抑え、かつ、脳組織からの光を最大限に集光することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る対物レンズ１について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る対物レンズ１は、図１および図２に示されるように、鏡筒２内に複数のレンズ３，４を備え、その最先端に配置されている先玉レンズ（先端透明部材）３が、下式（１）に示される先端の最小径寸法ｄを有しており、最大径寸法Ｄ＝３ｍｍ以下である。
０ｍｍ≦ｄ−ＦＯＶ−２・ＷＤ・（ＮＡ／Ｎ）≦０．３ｍｍ （１）
ここで、ＦＯＶ：観察視野範囲、ＷＤ：作動距離、ＮＡ：開口数、Ｎ：観察対象の屈折率である。

図中、符号４は先端から２つ目のレンズであり、符号５は先玉レンズ３とレンズ４との間に配置される間隔部材である。
先玉レンズ３は、先端面３ａに向かって漸次先細になるテーパ面３ｂを有している。テーパ面３ｂのテーパ角度（片側先端広がり角）φは、下式（２）で表される範囲内の角度である。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ／ｎ）≦φ＜９０° （２）
ここで、ｎ：先玉レンズ３の屈折率である。
さらに、テーパ角度φ≦６０°であることが望ましい。

本実施形態に係る対物レンズ１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る対物レンズ１によれば、先端面３ａの径寸法ｄが式（１）に示される範囲に設定されているので、式（１）の下限値である場合には、径寸法ｄは観察視野範囲ＦＯＶと、作動距離ＷＤに応じた観察対象Ａからの光の広がりとを合わせた必要最小限の径寸法となっている。これにより、観察対象Ａからの光が先端面３ａによってけられることを防止して、効率的に集光することができる。

一方、式（１）の上限値である場合には、径寸法ｄは、さらに、当該先玉レンズ３の加工上において周囲のバリによって視野が歪む範囲分（半径方向に０．１５ｍｍずつ）だけ大きく確保されている。これにより、観察対象Ａから集光された光を歪ませることなく集光して、鮮明な画像を取得することが可能となる。

また、先玉レンズ３の側面が、先端面３ａに向かって漸次先細となるテーパ面３ｂにより構成され、そのテーパ角度φが式（２）の範囲に設定されているので、式（２）の下限値である場合には、先端面３ａに入射した光がテーパ面３ｂの内面によってけられてしまう不都合の発生を防止することができる。
また、式（２）の上限値である場合には、先端面３ａの周囲に傾斜したテーパ面３ｂを設けることができ、図３に示されるように、対物レンズ１の先端を観察対象Ａである脳組織に刺したときに傾斜したテーパ面３ｂに沿って脳組織が矢印Ｂに示されるように逃がされて脳組織に直接的にダメージが加わることを防止することができる。

なお、本実施形態においては、先玉レンズ３に、先端面３ａに向かって漸次先細になるテーパ面３ｂを設けることとしたが、これに代えて、図４に示されるように、先玉レンズ３を、平行平板６と平凸レンズ７とに分離してもよい。この場合に、先端側に配置される平行平板６にテーパ面３ａを設けることにすればよい。さらに、先端側に配置される平行平板６をサファイアガラス等の固い素材によって構成することにより、強度を増大させて衝撃によって割れにくくすることができる。また、光透過性の樹脂を用いて割れにくい構造にしてもよい。

また、テーパ面３ｂに代えて、図５に示されるように、上記式（２）に示すテーパ角度φの条件が先端面３ａ近傍のみで満たされるように傾斜角度が変化する曲面８ｂを採用してもよい。この場合には、先玉レンズ３あるいは平行平板６の厚さ寸法を抑えることができる。

さらに、図６に示されるように、先玉レンズ３を露出させることなく鏡筒２によってテーパ面３ｂまで包み込む構造を採用してもよい。さらに、この場合には、図７に示されるように、テーパ面を包み込む鏡筒２を２つの部材２ａ，２ｂに分割して、鏡筒２ａと先玉レンズ３とを接着してから鏡筒２ｂに接着、またはネジ２ｃで締結することによって、鏡筒２の加工を容易にしたり、先玉レンズ３を取り付けやすい構造にしたりしてもよい。

次に、本発明の一実施形態に係る対物レンズ用アダプタ１０について、図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る対物レンズ用アダプタ１０は、図８に示されるように、大径部１ａと、該大径部１ａより小さい径寸法を有する細径先端部１ｂとを有する対物レンズ１の先端に取り付けられるアダプタであって、大径部１０ａに固定される第１の部材１１と、該第１の部材１１に対して軸方向に移動可能に設けられる第２の部材１２と、該第２の部材１２を第１の部材１１に対して後側に付勢するコイルスプリング１３と、第２の部材１２に固定され、対物レンズ１の細径先端部１ｂを被覆する筒状部１４と、該筒状部１４の先端に配置され細径先端部１ｂの先玉レンズの前方に配置される平行平板１５（先端透明部材）を有する第３の部材１６とを備えている。

図８中、符号１７は、第１の部材１１を大径部１ａに固定するための押しネジ１０ｂ、符号１８は、第３の部材１６を第２の部材１２に固定するための押しネジ、符号１９は先玉レンズと平行平板１５との間に挟まれるスペーサである。
平行平板１５の先端面１５ａの径寸法ｄ、最大径寸法Ｄおよびテーパ角度φは、上述した第１の実施形態に係る対物レンズ１と同様である。

このように構成された本実施形態に係る対物レンズ用アダプタ１０を対物レンズ１に装着するには、まず、第３の部材１６を第２の部材１２に押しネジ１８によって固定する。次いで、対物レンズ１の細径先端部１ｂを、第２の部材１２を貫通して第３の部材１６の筒状部１４に挿入し、対物レンズ１の大径部１ａを第１の部材１１内に嵌合させる。このとき、細径先端部１ｂの先端面をスペーサ１９に接触させ、所定の力で押厚することにより、コイルスプリング１３を弾性変形させた状態で、第１の部材１１に設けられた押しネジ１７を締結する。これにより、第３の部材１６の平行平板１５が、スペーサ１９を介して対物レンズ１の細径先端部１ｂの先端面に密着させられた状態に維持される。

本実施形態に係る対物レンズ用アダプタ１０によれば、第１の実施形態に係る対物レンズ１と同様にして、観察対象Ａである脳組織に差し込んでも、脳組織Ａを平行平板１５のテーパ面１５ｂに沿って逃がし、過大な外力が脳組織に与えられる不都合の発生を防止することができる。
また、対物レンズ１の先端に着脱可能に取り付けられるので、先端の平行平板１５が破損した場合においても、適宜交換して比較的安価に修復することができる。

なお、本実施形態においては、第３の部材１６に押しネジ１８を設けることにしたが、これに代えて、図９に示されるように、第２の部材１２に押しネジ１８を設けることにしてもよい。このようにすることで、観察対象Ａに接触する第３の部材１６から押しネジ１８を排除し、観察対象Ａに第３の部材１６を刺した状態に維持することができる。

また、本実施形態においては、鏡筒２内に複数のレンズ３，４を備えた対物レンズ１を例示して説明したが、これに代えて、ＧＲＩＮレンズすなわち屈折率分布レンズ（図示略）を有する対物レンズ１に適用することにしてもよい。
また、観察対象Ａとして脳組織を例示したが、他の観察対象Ａを観察する際に適用することにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る対物レンズを示す正面図である。 図１の対物レンズの先端部を示す部分的な縦断面図である。 図１の対物レンズの先端部を観察対象に差し入れた状態を示す縦断面図である。 図１の対物レンズの第１の変形例の先端部を示す部分的な縦断面図である。 図１の対物レンズの第２の変形例の先端部を示す部分的な縦断面図である。 図１の対物レンズの第３の変形例の先端部を示す部分的な縦断面図である。 図１の対物レンズの第４の変形例の先端部を示す部分的な縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る対物レンズ用アダプタを示す縦断面図である。 図８の対物レンズ用アダプタの変形例を示す縦断面図である。

符号の説明

Ａ 観察対象
φ テーパ角度（片側先端広がり角）
１ 対物レンズ
３ 先玉レンズ（先端透明部材）
３ａ，１５ａ 先端面
６ 平行平板（先端透明部材）
１０ 対物レンズ用アダプタ

Claims (6)

1. 観察対象に接触させられる先端透明部材が、先端面に向かって漸次先細に形成され、
   前記先端面の径寸法ｄが、下式により規定され、前記先端透明部材の最大径寸法Ｄが３ｍｍ以下である対物レンズ。
   ０ｍｍ≦ｄ−ＦＯＶ−２・ＷＤ・（ＮＡ／Ｎ）≦０．３ｍｍ
   ここで、ＦＯＶ：観察視野範囲、ＷＤ：作動距離、ＮＡ：開口数、Ｎ：観察対象の屈折率である。
2. 前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、下式により規定される請求項１に記載の対物レンズ。
   ｓｉｎ−１（ＮＡ／ｎ）≦φ＜９０°
   ここで、ｎ：前記先端透明部材の屈折率である。
3. 前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、φ≦６０°である請求項２に記載の対物レンズ。
4. 対物レンズに着脱可能に設けられ、対物レンズの先端に配置され観察対象に接触させられる先端透明部材が、先端面に向かって漸次先細に形成され、
   前記先端面の径寸法ｄが、下式により規定され、前記先端透明部材の最大径寸法Ｄが３ｍｍ以下である対物レンズ用アダプタ。
   ０ｍｍ≦ｄ−ＦＯＶ−２・ＷＤ・（ＮＡ／Ｎ）≦０．３ｍｍ
   ここで、ＦＯＶ：観察視野範囲、ＷＤ：作動距離、ＮＡ：開口数、Ｎ：観察対象の屈折率である。
5. 前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、下式により規定される請求項４に記載の対物レンズ用アダプタ。
   ｓｉｎ−１（ＮＡ／ｎ）≦φ＜９０°
   ここで、ｎ：前記先端透明部材の屈折率である。
6. 前記先端透明部材の片側先端広がり角φが、φ≦６０°である請求項５に記載の対物レンズ用アダプタ。

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