JP6184287B2

JP6184287B2 - 液浸系顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡

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Description

本発明は、液浸系顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡に関するものである。

顕微鏡における蛍光観察の手段として、多光子励起による蛍光観察法が知られている。多光子励起では、蛍光体の吸収波長のほぼ整数倍の波長の光を励起光として蛍光体（試料）に照射する。ここで、多光子励起における励起光の波長は吸収波長のほぼ整数倍なので、励起光の１つの光子が持つエネルギーは、多光子励起の方が１光子励起に比べてほぼ整数分の１になる。そのため、多光子励起では、一つの蛍光体に複数の光子を同時に衝突させる必要がある。

顕微鏡対物レンズで励起光を集光すると、焦点位置で光密度が最も高くなる。よって、複数の光子が同時に蛍光体に衝突する確率は、焦点位置で最も高くなる。多光子励起では、実際、焦点位置（あるいは焦点位置のごく近傍）のみで蛍光が生じる。焦点位置での光密度を高めるためには、焦点位置に形成される光スポットの径をできるだけ小さくする必要がある。このようなことから、顕微鏡対物レンズには、大きな開口数と優れた結像性能が求められる。結像性能が優れていると、諸収差が良好に補正された光スポットが焦点位置に形成される。

また、多光子励起で用いられる励起光は赤外光である。光は、波長が長いほど散乱しにくいという性質（レイリー散乱）を有する。そのため、生体試料のような散乱性を持つ試料では、波長が長い赤外光の方がより深い位置まで励起光として到達することができる。この性質を利用して試料の深部を観察するために、顕微鏡対物レンズには長い作動距離が求められる。

更に、赤外光の中でもより波長が長い光の方が、レイリー散乱がより小さい。そのため、より波長が長い光の方がより深い位置まで励起光が到達することができる。よって、多光子励起に用いる顕微鏡対物レンズは、より長い波長で優れた結像性能を持つことが好ましい。また、より広い範囲を観察できることが好ましい。

また、試料の深い位置の観察では、試料自身の屈折率による収差が無視できなくなる。よって、顕微鏡対物レンズは、このような収差の変動を補正する手段を持つことが好ましい。

開口数が大きく、収差が良好に補正された顕微鏡対物レンズとして、特許文献１、２、３に開示された液浸系顕微鏡対物レンズがある。

特開２００５−１８９７３２号公報特開平１１−２４９０２４号公報米国特許第７７８２５３９号明細書

しかしながら、特許文献１に開示された液浸系顕微鏡対物レンズでは、使用できる浸液の種類が限られている。また、作動距離が十分に長いとはいえず、赤外域の広い範囲で収差が良好に補正されているとはいえない。

特許文献２、３に開示された液浸系顕微鏡対物レンズでは、複数の種類の浸液が使用できるが、作動距離が十分に長いとはいえず、また、赤外域の広い範囲で収差が良好に補正されているとはいえない。

本発明は、上述に鑑みてなされたものであって、試料のより広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸系顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の液浸系顕微鏡対物レンズは、
物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、
第１レンズ群は、正の屈折力を有し、第１レンズ群の最も物体側に第１接合レンズが配置され、
第２レンズ群は、第２接合レンズからなり、
第３レンズ群は、第２レンズ群より入射した発散光束を収斂光束とする正の屈折力のレンズ成分と、収斂光束を発散光束とする２つのレンズ成分と、発散光束を平行光束として射出する正の屈折力のレンズ成分とからなり、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする。
６０ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o≦５００ｍｍ² （１）
０．１５≦ｄ₀×ｆ／（｜ｒ₁｜×Ｌ）≦１０（２）
ここで、
ｄ₀は、液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｆは、液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
ＮＡ_oは、液浸系顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
レンズ成分は、単レンズもしくは接合レンズ、
ｒ₁は、第１接合レンズの接合面の曲率半径、
Ｌは、試料面から液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
である。

また、本発明の顕微鏡は、スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、
顕微鏡対物レンズに上述の液浸系顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする。

本発明によれば、試料のより広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸系顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡を提供できる。

本発明の実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。本発明の実施例２に係る液浸系顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。本発明の実施例３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面図である。実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態１のときの図である。実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態２のときの図である。実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態３のときの図である。実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態４のときの図である。実施例１に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態５のときの図である。実施例２に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態１のときの図である。実施例２に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態２のときの図である。実施例２に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態３のときの図である。実施例２に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態４のときの図である。実施例３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態１のときの図である。実施例３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態２のときの図である。実施例３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態３のときの図である。実施例３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの収差図であって、状態４のときの図である。結像レンズの断面図である。角度の正負を示す図である。実施例の浸顕微鏡対物レンズの色収差の発生量を示す図である。本発明の液浸系顕微鏡対物レンズを用いた顕微鏡の図である。

本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズ（以下、適宜、「対物レンズ」という）は、物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、第１レンズ群は、正の屈折力を有し、第２レンズ群は、接合レンズを少なくとも１つ含み、第３レンズ群は、第２レンズ群より入射した発散光束を収斂光束とする正の屈折力のレンズ成分と、収斂光束を発散光束とする２つのレンズ成分と、発散光束を平行光束として射出する正の屈折力のレンズ成分と、を含む、液浸系顕微鏡対物レンズである。

なお、次のように構成することもできる。第１レンズ群の最も物体側には、第１接合レンズが配置されている。また、第２レンズ群の接合レンズは第２接合レンズであり、第２レンズ群は第２接合レンズからなる。なお、レンズ成分とは、単レンズもしくは接合レンズのことである。また、物体側とは、試料側を意味する。

対物レンズの物体側開口数（以下、単に「開口数」という）を大きくすると、より大きな発散角（回折角）の光を、試料から対物レンズに入射させることができる。その結果、試料の微細構造を、より細かく観察することができる。しかしながら、発散角が大きい光は、第１レンズ群における光線高が高い。このような光線を第１レンズ群で急激に曲げると、第１レンズ群において高次収差が発生しやすくなる。

そこで、本実施形態の対物レンズでは、第１レンズ群が正の屈折力を持つことで、発散角が大きい光線を、第１レンズ群で徐々に曲げるようにしている。なお、第１レンズ群では、必ずしも発散光束を収斂光束にしていない。このようにすることで、高次収差が大きく発生することを抑えつつ、物体からの光束を発散角の小さい光束にしている。

また、第２レンズ群は、接合レンズを少なくとも１つ含んでいる。接合レンズを含むことで、第２レンズ群自身で収差（特に、色収差）が発生することを極力抑えることができる。なお、第２レンズ群は、１つの接合レンズのみで構成しても良い。このようにすることで、収差を良好に補正しながら、対物レンズの全長が長くなることを防止できる。

また、第２レンズ群が接合レンズを有することで、例えば、第２レンズ群を光軸に沿って移動させることがあったとしても、第２レンズ群の移動による収差の変動（悪化）を最小限に抑えられる。

ところで、第１レンズ群では、高次収差が大きく発生しないようにすることが重要である。そのため、第１レンズ群では、必ずしも発散光束を収斂光束にしていない。また、第２レンズ群も、第２レンズ群自身で収差が発生することを極力抑えるようにしている。そのため、第２レンズ群においても、必ずしも発散光束を収斂光束にしていない。

そのため、第３レンズ群に入射する光束は、必ずしも収斂光束になっていない。そこで、第３レンズ群では発散光束を一度収斂させ、その後に、収斂した光束を発散させている。このようにするために、第３レンズ群は、物体側から順に、正の屈折力のレンズ成分と、２つのレンズ成分と、正の屈折力のレンズ成分と、を有する。

物体側に配置された正の屈折力のレンズ成分では、第２レンズ群から入射した発散光束が収斂光束に変換される。この収斂光束は２つのレンズ成分に入射し、ここで収斂光束は発散光束に変換される。この発散光束は像側に配置された正の屈折力のレンズ成分に入射し、ここで発散光束は平行光束に変換される。その結果、像側に配置された正の屈折力のレンズ成分から平行光束が射出する。なお、像側に配置された正の屈折力のレンズ成分から射出する光束は、完全に平行になっていなくても良く、略平行であっても良い。

第３レンズ群の構成を上述のようにすることで、ペッツバール和を十分に補正することができる。なお、収斂光束を発散光束に変換させることは、第３レンズ群内、すなわち、光束が第３レンズ群を射出する前までに行うのが良い。

そして、本実施形態の対物レンズは、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
６０ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o≦５００ｍｍ² （１）
０．１５≦ｄ₀×ｆ／（｜ｒ₁｜×Ｌ）≦１０（２）
ここで、
ｄ₀は、液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｆは、液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
ＮＡ_oは、液浸系顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
ｒ₁は、第１接合レンズの接合面の曲率半径、
Ｌは、試料面から液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
である。

条件式（１）は、対物レンズの作動距離、焦点距離及び物体側開口数（以下、適宜、開口数とする）について規定した条件式である。条件式（１）を満足することで、適度に長い焦点距離と十分な長さの作動距離が得られるので、試料のより広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる。このような効果は、特に２光子励起による蛍光観察において顕著に得られる。

条件式（１）の下限値を下回ると、焦点距離が短くなると共に、作動距離を十分に確保できないため、より広い範囲を観察することや、試料の深部をより深く観察することが困難になる。また、開口数を大きくできないため、高い分解能で試料を観察することが困難になる。

条件式（１）の上限値を上回ると、開口数が大きくなりすぎる。この場合、レンズを通過する光線の高さが高くなるので、収差の発生量が多くなる。高い分解能で試料を観察するためには、更なる収差補正が必要だが、この収差補正が困難となる。

条件式（２）は、対物レンズの作動距離、対物レンズの焦点距離、第１接合レンズの接合面の曲率半径、対物レンズの全長について規定した条件式である。条件式（２）を満足することで、第１接合レンズで生じる高次収差とペッツバール和とをバランスよく補正することができる。なお、対物レンズの全長は、試料面から対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、である。

条件式（２）の下限値を下回ると、第１接合レンズの像側の部分で光線高が高くなる。そのため、第１接合レンズよりも像側にあるレンズ系において、高次収差を良好に補正することが困難になる。

条件式（２）の上限値を上回ると、第１接合レンズの像側の部分で光線高が低くなる。そのため、第１接合レンズよりも像側にあるレンズ系において、ペッツバール和を十分に補正することが困難になる。

また、生体試料の観察では、試料の表面だけでなく、試料の内部を観察することがある。この場合、Ｌは、観察している位置（合焦位置）から液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離になる。

なお、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１’）を満足するのが好ましい。
６０ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o≦４５０ｍｍ² （１’）
さらに、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１’’）を満足するのがより好ましい。
６５ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o≦４００ｍｍ² （１’’）

なお、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２’）を満足するのが好ましい。
０．１５≦ｄ₀×ｆ／（｜ｒ₁｜×Ｌ）≦１（２’）
さらに、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２’’）を満足するのがより好ましい。
０．１７≦ｄ₀×ｆ／（｜ｒ₁｜×Ｌ）≦０．８（２’’）

以上のように、本実施形態の対物レンズでは、広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる。

また、本実施形態の対物レンズでは、第３レンズ群の２つのレンズ成分は、像側に凹面を向けた第３接合レンズと、物体側に凹面を向けたレンズ成分と、からなり、物体側に凹面を向けたレンズ成分は第３接合レンズに対向して配置され、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０．０１≦ｄ₀×ｄ₃／Ｌ²≦０．１５（３）
ここで、
ｄ₀は、液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｄ₃は、物体側に凹面を向けたレンズ成分の光軸上の肉厚、
Ｌは、試料面から液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
レンズ成分は、単レンズもしくは接合レンズ、
である。

条件式（３）は、対物レンズの作動距離、第３レンズ群のレンズ成分の肉厚及び対物レンズ全長について規定した条件式である。条件式（３）を満足することで、対物レンズをコンパクトにしながらも、試料のより広い範囲を、中心から周辺まで高い分解能で、しかも明るく高いコントラストで観察できる。このような効果は、特に２光子励起による蛍光観察において顕著に得られる。

条件式（３）の下限値を下回ると、作動距離を十分に確保できず、また、実視野のより広い範囲にわたって像の平坦さを十分に確保することが困難になる。また対物レンズの外径が大きくなってしまうため、対物レンズをコンパクトにすることが困難になる。

条件式（３）の上限値を上回ると、作動距離が長くなりすぎる。この場合、レンズを通過する光線の高さが高くなるので、収差の発生量が多くなる。試料のより広い範囲を、中心から周辺まで高い分解能で、しかも明るく高いコントラストで観察するためには、更なる収差補正が必要だが、この収差補正が困難となる。

なお、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３’）を満足するのが好ましい。
０．０１１≦ｄ₀×ｄ₃／Ｌ²≦０．１２（３’）
さらに、条件式（３）に代えて、以下の条件式（３’’）を満足するのがより好ましい。
０．０１３≦ｄ₀×ｄ₃／Ｌ²≦０．１（３’’）

また、本実施形態の対物レンズは、光軸に沿って移動する移動レンズ群を有し、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
０．００４≦（ｎｄ₀₁×ｄ₀₁−ｎｄ₀₂×ｄ₀₂）×ｆ／Ｌ²≦０．０３（４）
ここで、
ｎｄ₀₁は、浸液のｄ線における屈折率のうち、最大となる屈折率、
ｄ₀₁は、ｎｄ₀₁の浸液の使用時における作動距離、
ｎｄ₀₂は、浸液のｄ線における屈折率のうち、最小となる屈折率、
ｄ₀₂は、ｎｄ₀₂の浸液の使用時における作動距離、
ｆは、液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
Ｌは、試料面から液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、である。

試料の観察では、使用する浸液の種類を変えて観察が行われる。この場合、試料の表面から対物レンズまでの光路長、あるいはカバーガラスから対物レンズまでの光路長が変化するので、収差が発生（変動）する。そこで、本実施形態の対物レンズでは、光軸に沿って移動する移動レンズ群を有する。これにより、収差の発生（変動）を抑制することができる。その結果、使用する浸液の種類を変えても、良好な結像性能を維持できる。

条件式（４）は、試料面から対物レンズまでの光路長差、対物レンズ焦点距離及び対物レンズの全長について規定した条件式である。条件式（４）を満足することで、例えば、使用できる浸液の種類が多くなる。すなわち、浸液の屈折率が変化しても、良好な結像性能を維持できる。そのため、様々な種類の浸液に対して、良好な結像性能を維持できる。

なお、光路長の変化は、観察位置（合焦位置）によっても変化する。例えば、試料が生体の場合、生体内部には様々な組織が存在し、組織の各々で屈折率は異なる。よって、深さ方向に存在する組織の種類に応じて光路長が変化する。このような場合であっても、光軸に沿って移動する移動レンズ群を有し、条件式（４）を満足することで、深さ方向の広い範囲で良好な結像性能を維持できる。

条件式（４）の下限値を下回ると、光路長差が小さくなりすぎる。この場合、使用できる浸液の種類が限られる。また、試料の深さ方向に関しては、良好な結像性能を維持できる範囲が狭くなる。その結果、試料の深さ方向における観察範囲は狭くなる。

条件式（４）の上限値を上回ると、光路長差が大きくなりすぎる。光路長差が非常に大きいと、試料の深さ方向における観察範囲は広がる。しかしながら、深い観察位置では収差の発生量が多くなるので、レンズ群を移動させても深い観察位置での収差補正が困難になる。よって、深い位置で十分な結像性能を実現することは難しい。

なお、条件式（４）に代えて、以下の条件式（４’）を満足するのが好ましい。
０．００６≦（ｎｄ₀₁×ｄ₀₁−ｎｄ₀₂×ｄ₀₂）×ｆ／Ｌ²≦０．０２５（４’）
さらに、条件式（４）に代えて、以下の条件式（４’’）を満足するのがより好ましい。
０．００８≦（ｎｄ₀₁×ｄ₀₁−ｎｄ₀₂×ｄ₀₂）×ｆ／Ｌ²≦０．０２（４’’）

また、本実施形態の対物レンズでは、移動レンズ群は第２レンズ群であり、第２レンズ群は、第１レンズ群と第３レンズ群の間で光軸に沿って移動することが好ましい。

第１レンズ群では、物体から入射した発散角が大きい光線を、発散角の小さい光束にしている。そのため、第２レンズ群に入射する光束は、発散角が小さい光束になっている。そこで、移動レンズ群を第２レンズ群とすることで、レンズ群の移動による収差の変動（悪化）を最小限に抑えられる。

また、本実施形態の対物レンズは、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
０．９＜｜α／β｜＜１．１（５）
ここで、
αは、第２レンズ群に入射する所定の主光線と光軸とのなす角度、
βは、第２レンズ群から出射する所定の主光線と光軸とのなす角度、
所定の主光線は、瞳位置における光軸とのなす角度が最大となる主光線、
である。

条件式（５）は、第２レンズ群の倍率の絶対値の範囲を規定する条件式である。条件式（５）を満足することで、第２レンズ群を移動させても、近軸的な結像位置はほとんど変わらない。そのため、第２レンズ群の移動による収差補正を比較的容易に行える。なお、第２レンズ群の移動は、例えば補正環の回転により行えば良い。

条件式（５）の下限値を上回るか、上限値を下回ると、第２レンズ群の移動により倍率が変わるので、近軸的な結像位（ピント位置）の変動を抑えることが困難になる。

なお、図１８に示すように、角度の正負は、光線を光軸に合わせるときに、光線の移動が時計回りとなる方向を負、その逆を正とする。

なお、条件式（５）に代えて、以下の条件式（５’）を満足するのが好ましい。
０．９２≦｜α／β｜≦１．０７（５’）
さらに、条件式（５）に代えて、以下の条件式（５’’）を満足するのがより好ましい。
０．９４≦｜α／β｜≦１．０３（５’’）

また、本実施形態の対物レンズでは、第１レンズ群の最も物体側に第１接合レンズが配置され、第１接合レンズは、物体側レンズと像側のレンズとからなり、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。
０．３≦ｎｄ₂−ｎｄ₁≦０．７（６）
ここで、
ｎｄ₁は、物体側レンズのｄ線における屈折率、
ｎｄ₂は、像側レンズのｄ線における屈折率、
である。

また、本実施形態の対物レンズは、物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、を有し、第１レンズ群は、正の屈折力を有し、第２レンズ群は、接合レンズを少なくとも１つ含み、第３レンズ群は、第２レンズ群より入射した発散光束を収斂光束とするレンズ成分と、収斂光束を発散光束とする複数のレンズ成分と、発散光束を平行光束として射出するレンズ成分と、を含むようにしても良い。

そして、以下の条件式（１−１）を満足することが望ましい。
６０ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o （１−１）
ここで、
ｄ₀は、液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｆは、液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
ＮＡ_oは、液浸系顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
レンズ成分は、単レンズもしくは接合レンズ、
である。

条件式（１−１）の技術的意義は条件式（１）の技術的意義と同じである。

また、本実施形態の対物レンズは、少なくとも７００ｎｍから１３００ｎｍの波長域で色収差が補正されていることが好ましい。

このようにすることで、赤外波長域の光を使った観察において、高い分解能での観察ができる。

また、本実施形態の対物レンズの作動距離は７ｍｍ以上であることが望ましく、物体側開口数は、０．５以上であることが望ましい。さらに、対物レンズと結像レンズとを組み合わせた液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離は、１８ｍｍ以上あることが望ましい。

また、本実施形態の顕微鏡は、スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、顕微鏡対物レンズに上述のいずれかの液浸系顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする。

このようにすることで、試料のより広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる顕微鏡を実現できる。

なお、各条件式は、いずれの条件式を単独で用いても、自由に組み合わせて用いてもよく、本発明の効果を奏する。また、条件式の上限値、下限値をそれぞれ単独に変更した条件式であってもよく、同様に本発明の効果を奏する。

以下に、本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

実施例１〜３に係る液浸系顕微鏡対物レンズの光学構成を示す光軸に沿う断面を、それぞれ図１〜３に示す。これらの断面図中、Ｌ１〜Ｌ１４は各レンズを示している。また、図１７は結像レンズの断面図である。また、物体側とは試料側を意味する。

なお、実施例１〜３の液浸系顕微鏡対物レンズは、無限遠補正の顕微鏡対物レンズである。無限遠補正の顕微鏡対物レンズでは、顕微鏡対物レンズから出射する光束が平行になるので、それ自体では結像しない。そのため、この平行光束は、例えば、図１７に示すような結像レンズで集光される。そして、平行光束が集光された位置に試料面の像が形成される。

次に、実施例１に係る対物レンズについて説明する。実施例１の対物レンズは、図１に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第１レンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、平凸正レンズＬ１と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、両凹負レンズＬ５と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６と、からなる。ここで、平凸正レンズＬ１と負メニスカスレンズＬ２とが接合されている。また、両凸正レンズＬ４、両凹負レンズＬ５及び正メニスカスレンズＬ６が接合されている。

第２レンズ群Ｇ２は、正の屈折力を有する。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凸正レンズＬ７と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ８と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ７と負メニスカスレンズＬ８とが接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、平凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１２と、両凸正レンズＬ１３と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は発散光束を収斂させた後に、収斂させた光束を発散させている。具体的には、平凸正レンズＬ９、両凸正レンズＬ１０及び両凹負レンズＬ１１によって発散光束を収斂させ、負メニスカスレンズＬ１２によって収斂した光束を発散させている。

また、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３は、常時静止している（位置が固定である）。一方、第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３との間で、光軸に沿って移動する。

次に、実施例２に係る対物レンズについて説明する。実施例２の対物レンズは、図２に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第１レンズ群Ｇ１は、正の屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、平凸正レンズＬ１と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３と、両凸正レンズＬ４と、両凹負レンズＬ５と、平凸正レンズＬ６と、からなる。ここで、平凸正レンズＬ１と負メニスカスレンズＬ２とが接合されている。また、両凹負レンズＬ５と平凸正レンズＬ６とが接合されている。

第２レンズ群Ｇ２は、正の屈折力を有する。第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凸正レンズＬ７と、平凹負レンズＬ８と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ７と平凹負レンズＬ８とが接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１２と、両凸正レンズＬ１３と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は発散光束を収斂させた後に、収斂させた光束を発散させている。具体的には、両凸正レンズＬ９、両凸正レンズＬ１０及び両凹負レンズＬ１１によって発散光束を収斂させ、負メニスカスレンズＬ１２によって収斂した光束を発散させている。

次に、実施例３に係る対物レンズについて説明する。実施例３の対物レンズは、図３に示すように、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、からなる。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有する。第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、平凸正レンズＬ９と、両凸正レンズＬ１０と、両凹負レンズＬ１１と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１２と、像側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と、両凸正レンズＬ１４と、からなる。ここで、両凸正レンズＬ１０と両凹負レンズＬ１１とが接合されている。また、負メニスカスレンズＬ１２と負メニスカスレンズＬ１３とが接合されている。

第３レンズ群Ｇ３は発散光束を収斂させた後に、収斂させた光束を発散させている。具体的には、平凸正レンズＬ９、両凸正レンズＬ１０及び両凹負レンズＬ１１によって発散光束を収斂させ、負メニスカスレンズＬ１２と負メニスカスレンズＬ１３とによって収斂した光束を発散させている。

また、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３は、位置が固定され、第２レンズ群Ｇ２は移動群であり、第１レンズ群Ｇ１と第３レンズ群Ｇ３との間で、光軸に沿って移動する。

次に、上述の各実施例の対物レンズを構成する光学部材の数値データを掲げる。なお、各実施例の数値データにおいて、ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは各レンズの肉厚または空気間隔、ｎ９００は各レンズの波長９００ｎｍでの屈折率、ｎｄは各レンズのｄ線での屈折率、νｄは各レンズのアッべ数、ＮＡは開口数、ｆは対物レンズの焦点距離、βは倍率を示している。なお、実施例１ではｒ１、ｒ２は仮想面、実施例２、３ではｒ１は仮想面である。また、実施例１ではｄ１はカバーガラスの厚み、ｄ２は浸液層の厚み、実施例２、３ではｄ１は浸液層の厚みである。また、倍率βは、後述の結像レンズ（焦点距離１８０ｍｍ）と組み合わせたときの倍率である。

数値実施例１において、ｄ１の値が０の場合、これは、試料と対物レンズの間にカバーガラスが存在していない状態を示している。この状態では、浸液を介して試料の像が形成される。また、この場合、仮想面ｒ１とｒ２は、共に浸液と試料面との境界を示している。

一方、数値実施例１において、ｄ１の値が０でない場合、これは、試料と対物レンズの間にカバーガラスが存在している状態を示している。この状態では、カバーガラスと浸液とを介して試料の像が形成される。また、この場合、仮想面ｒ１は試料面とカバーガラスとの境界、ｒ２はカバーガラスと浸液との境界を示している。なお、カバーガラスを試料とみなすと、仮想面ｒ２が浸液と試料面の境界、仮想面ｒ１は試料の内部になる。よって、試料の内部を観察できることは明らかである。

数値実施例２と数値実施例３では、試料と対物レンズの間にカバーガラスが存在していない。よって、仮想面ｒ１は浸液と試料面との境界を示している。

実施例１〜３の対物レンズでは、第２レンズ群が光軸方向に移動する。そのため、浸液の種類の変化に左右されずに、良好な試料像が得られる。

なお、数値実施例１〜３における面データは、状態１のときの数値である。状態１〜５の違いは以下のとおりである。また、各種データの欄に、数値実施例１では状態１〜５の各々について、数値実施例２、３では状態１〜４の各々について数値を示している。また、曲率半径ｒ、面間隔ｄの単位はｍｍである。

カバーガラス浸液
状態１なし液Ａ
状態２なし液Ｂ
状態３なし液Ｃ
状態４なし液Ｄ
状態５あり液Ａ

数値実施例１
ＮＡ＝０．６、ｆ＝１８ｍｍ、β＝−１０、視野数１８

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ d1
2 ∞ d2 1.37174 1.37919 52.40
3 ∞ 3.2500 1.45182 1.45852 67.83
4 -9.4809 5.0767 1.86397 1.88300 40.76
5 -13.1370 0.1513
6 -37.7636 2.4397 1.58713 1.59522 67.74
7 -20.6052 0.1508
8 27.2957 4.1908 1.58713 1.59522 67.74
9 -45.9848 2.0000 1.55948 1.56883 56.36
10 11.1534 5.0937 1.72789 1.74100 52.64
11 26.1089 d11
12 51.8641 6.5884 1.43436 1.43875 94.93
13 -11.9781 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
14 -82.0703 d14
15 18.2303 4.7338 1.58713 1.59522 67.74
16 ∞ 0.1501
17 13.3276 7.0793 1.43436 1.43875 94.93
18 -24.0061 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
19 8.8307 7.4649
20 -7.8060 9.4283 1.71843 1.73800 32.26
21 -15.1333 0.1500
22 68.1842 4.0245 1.59433 1.60300 65.44
23 -68.1842

各種データ
状態１
d n900 nd νd
d1 0.0000
d2 8.0404 1.37174 1.37919 52.40
d11 3.4828
d14 1.4308

状態２
d n900 nd νd
d1 0.0000
d2 7.7760 1.32666 1.33304 55.79
d11 4.4127
d14 0.5009

状態３
d n900 nd νd
d1 0.0000
d2 8.1901 1.39737 1.40410 51.90
d11 2.9748
d14 1.9389

状態４
d n900 nd νd
d1 0.0000
d2 8.8179 1.50443 1.51483 41.00
d11 1.0790
d14 3.8346

状態５
d n900 nd νd
d1 0.1700 1.51193 1.52100 56.02
d2 7.8864 1.37174 1.37919 52.40
d11 3.4430
d14 1.4706

数値実施例２
ＮＡ＝０．５、ｆ＝１８ｍｍ、β＝−１０、視野数１８

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ d1 1.37174 1.37919 52.40
2 ∞ 3.3599 1.45182 1.45852 67.83
3 -8.5349 5.7610 1.86397 1.88300 40.76
4 -13.3099 0.1000
5 -61.7840 2.2828 1.59433 1.60300 65.44
6 -23.9253 0.1000
7 43.0649 2.6476 1.58713 1.59522 67.74
8 -81.7472 1.5943
9 -24.4362 1.5000 1.55948 1.56883 56.36
10 12.9964 4.8383 1.74161 1.75500 52.32
11 ∞ d11
12 31.4810 5.8261 1.43436 1.43875 94.93
13 -13.6472 1.5000 1.62408 1.63775 42.41
14 ∞ d14
15 15.3057 4.6653 1.58713 1.59522 67.74
16 -153.1223 0.1241
17 11.2667 5.7945 1.43436 1.43875 94.93
18 -21.1672 1.5000 1.62408 1.63775 42.41
19 6.4078 6.1773
20 -6.8909 13.6132 1.71843 1.73800 32.26
21 -17.7706 0.1000
22 55.1103 3.2735 1.58713 1.59522 67.74
23 -103.2954

各種データ
状態１
d n900 nd νd
d1 8.0565 1.37174 1.37919 52.40
d11 4.3942
d14 1.7534

状態２
d n900 nd νd
d1 7.7921 1.32666 1.33304 55.79
d11 5.6197
d14 0.5279

状態３
d n900 nd νd
d1 8.2063 1.39737 1.40410 51.90
d11 3.8864
d14 2.2612

状態４
d n900 nd νd
d1 8.8339 1.50443 1.51483 41.00
d11 0.8740
d14 5.2736

数値実施例３
ＮＡ＝０．６、ｆ＝１８ｍｍ、β＝−１０、視野数１８

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 ∞ d1 1.37174 1.37919 52.40
2 ∞ 3.2500 1.45182 1.45852 67.83
3 -9.5947 5.2495 1.86397 1.88300 40.76
4 -13.5473 0.1499
5 -31.4510 2.6220 1.58713 1.59522 67.74
6 -17.4068 0.1499
7 24.5430 3.9329 1.58713 1.59522 67.74
8 -97.5616 2.0000 1.55948 1.56883 56.36
9 10.9553 4.7298 1.72789 1.74100 52.64
10 21.7381 d10
11 50.9127 6.3409 1.43436 1.43875 94.93
12 -12.0381 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
13 -84.6321 d13
14 19.0634 4.3275 1.58713 1.59522 67.74
15 ∞ 0.1500
16 12.6059 6.9306 1.43436 1.43875 94.93
17 -30.0974 2.0000 1.62408 1.63775 42.41
18 8.9655 7.6622
19 -7.8332 2.5000 1.71843 1.73800 32.26
20 -12.4093 7.0515 1.86397 1.88300 40.76
21 -15.5355 0.1500
22 74.3438 3.7850 1.59433 1.60300 65.44
23 -74.3438 -2.8021

各種データ
状態１
d n900 nd νd
d1 8.0503 1.37174 1.37919 52.40
d10 3.0629
d13 1.6232

状態２
d n900 nd νd
d1 7.7857 1.32666 1.33304 55.79
d10 4.0561
d13 0.6300

状態３
d n900 nd νd
d1 8.2001 1.39737 1.40410 51.90
d10 2.5173
d13 2.1688

状態４
d n900 nd νd
d1 8.8285 1.50443 1.51483 41.00
d10 0.5000
d13 4.1862

結像レンズ

面データ
面番号 r d n900 nd νd
1 95.2596 5.3317 1.56907 1.56907 71.30
2 -116.2766 2.8267 1.50847 1.50847 61.19
3 80.4059 16.3504
4 92.0498 8.7567 1.48749 1.48749 70.23
5 -73.2447 4.8745 1.62408 1.63775 42.41
6 -292.4080

焦点距離 180ｍｍ

ここで、各実施例の対物レンズと組み合わせる際の結像レンズと対物レンズとの間隔は、５０ｍｍから１７０ｍｍの間のいずれかであればよい。

図４〜１６は、実施例１〜３に係る対物レンズと結像レンズを組み合わせたとき像側からの逆光線追跡の収差図であって、以下の状態における収差図である。なお、各実施例の対物レンズと結像レンズを組み合わせたときのレンズ間隔は１２０ｍｍである。
実施例状態
図４実施例１状態１
図５実施例１状態２
図６実施例１状態３
図７実施例１状態４
図８実施例１状態５
図９実施例２状態１
図１０実施例２状態２
図１１実施例２状態３
図１２実施例２状態４
図１３実施例３状態１
図１４実施例３状態２
図１５実施例３状態３
図１６実施例３状態４

また、これらの収差図において、”ＦＩＹ”は像高である。また、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、球面収差（ＳＡ）、正弦条件違反量（ＯＳＣ）、非点収差（ＡＳ）、コマ収差（ＤＺＹ）を示している。なお、コマ収差（ＤＺＹ）における縦軸は像高比である。

また、本実施例の対物レンズの色収差の発生量を示す様子を図１９に示す。図１９において、グラフの縦軸は距離で０が焦点位置、横軸は波長である。また、点線は焦点深度の上限値と下限値、実線、破線及び一点鎖線は３つの対物レンズの色収差の発生量を示している。この３つの対物レンズは、いずれも本実施例の対物レンズである。

図１９に示すように、約７００ｎｍ以上の範囲で、実線、破線及び一点鎖線は、いずれも点線で示す上限値と下限値の内側に位置している。これは、本実施例の対物レンズでは、赤外域の広い範囲で色収差が良好に補正されていることを示している。

次に、各実施例における条件式（１）〜（６）の値を掲げる。
条件式実施例１実施例２実施例３
(1)d₀×f×NA_o 86.832 72.45 86.94
(2)d₀×f/(|r₁|×L) 0.19322 0.22636 0.19411
(3)d₀×d₃/L² 0.01215 0.01948 0.0127
(4)(nd₀₁×d₀₁-nd₀₂×d₀₂)×f/L²0.0087 0.00966 0.00898
(5)|α/β| 0.94162 0.94157 1.01567
(6)nd₂-nd₁ 0.42448 0.42448 0.42448

図２０は、本実施形態の顕微鏡を示す図である。図２０には、顕微鏡の一例として、レーザ走査型顕微鏡の外観構成例が示されている。図２０に示すように、顕微鏡１０は、本体部１、対物レンズ２、レボルバ３、対物レンズ上下機構４、ステージ５、透過照明装置６、観察鏡筒７、スキャナー８を有する。また、顕微鏡１０には画像処理装置２０が接続され、この画像処理装置２０に画像表示装置２１が接続されている。本実施形態の顕微鏡では、この対物レンズ２に、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズが用いられている。

ステージ５は本体部１に設けられている。このステージ５の上に、試料９が載置される。また、本体部１の上方に、透過照明装置６が設けられている。この、透過照明装置６によって、可視光の透過照明光が試料９に照射される。試料９からの光は、対物レンズ２を通過して観察鏡筒７に到達する。ユーザは、観察鏡筒７を介して、試料９を可視光で観察することができる。

また、本体部１の後方（紙面右側）には、レーザ光源（不図示）とスキャナー８が設けられている。レーザ光源とスキャナー８は、ファイバ（不図示）で接続されている。スキャナー８は、ガルバノスキャナーや光検出素子などが内部に配置されている。レーザ光源は２光子励起が可能な赤外光を発生するレーザである。レーザ光源からの光は、スキャナー８を通過後、対物レンズ２に入射する。対物レンズ２は、ステージ５の下方に位置している。よって、下方からも試料９の照明が行なわれる。

試料９からの光（反射光や蛍光）は、対物レンズ２を通過後、スキャナー８を介して、光検出素子で検出される。２光子励起では焦点位置のみから蛍光が生じるので、共焦点観察ができる。共焦点観察では、試料９の断面像を得ることができる。

レボルバ３には、対物レンズ上下機構４が接続されている。対物レンズ上下機構４は、対物レンズ２（レボルバ３）を、光軸方向に移動させることができる。試料９の光軸方向の断面像を複数得る場合は、対物レンズ上下機構４によって対物レンズ２を移動させればよい。

光検出素子で得られた信号は、画像処理装置２０に送信される。画像処理装置２０で信号処理が行なわれ、試料９の画像が画像表示装置２１で表示される。

上述の例では、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズを、２光子励起観察に用いている。しかしながら、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズを、例えば、全反射蛍光観察に用いることもできる。その場合は、レーザ光源からの光束径を、液浸系顕微鏡対物レンズの有効口径よりも小さくしておく。そして、その光束を、液浸系顕微鏡対物レンズの光軸を含まないように、液浸系顕微鏡対物レンズに入射させるようにする。

また、本実施形態では、液浸系顕微鏡対物レンズを可視光観察にも用いている。もし可視域での収差性能が充分ではない場合は、可視観察用対物レンズと２光子励起観察用対物レンズの２つをレボルバ３に装着し、観察方法ごとに切り替えて使用してもよい。

なお、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明は、試料のより広い範囲を観察できると共に、試料の深部をより深く、高い分解能で観察できる液浸系顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡に適している。

Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｇ３第３レンズ群
１本体部
２対物レンズ
３レボルバ
４対物レンズ上下機構
５ステージ
６透過照明装置
７観察鏡筒
８スキャナー
９試料
１０顕微鏡
２０画像処理装置
２１画像表示装置

Claims

物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、からなり、
前記第１レンズ群は、正の屈折力を有し、前記第１レンズ群の最も物体側に第１接合レンズが配置され、
前記第２レンズ群は、第２接合レンズからなり、
前記第３レンズ群は、前記第２レンズ群より入射した発散光束を収斂光束とする正の屈折力のレンズ成分と、前記収斂光束を発散光束とする２つのレンズ成分と、前記発散光束を平行光束として射出する正の屈折力のレンズ成分とからなり、
以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
６０ｍｍ²≦ｄ₀×ｆ×ＮＡ_o≦５００ｍｍ² （１）
０．１５≦ｄ₀×ｆ／（｜ｒ₁｜×Ｌ）≦１０（２）
ここで、
ｄ₀は、前記液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｆは、前記液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
ＮＡ_oは、前記液浸系顕微鏡対物レンズの物体側開口数、
前記レンズ成分は、単レンズもしくは接合レンズ、
ｒ₁は、前記第１接合レンズの接合面の曲率半径、
Ｌは、試料面から前記液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
である。
前記第３レンズ群の前記２つのレンズ成分は、像側に凹面を向けた第３接合レンズと、物体側に凹面を向けたレンズ成分と、からなり、
前記物体側に凹面を向けたレンズ成分は、前記第３接合レンズに対向して配置され、
以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
０．０１≦ｄ₀×ｄ₃／Ｌ²≦０．１５（３）
ここで、
ｄ₀は、前記液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離、
ｄ₃は、前記物体側に凹面を向けたレンズ成分の光軸上の肉厚、
Ｌは、試料面から前記液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
前記レンズ成分は、単レンズもしくは接合レンズ、
である。
光軸に沿って移動する移動レンズ群を有し、
以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
０．００４≦（ｎｄ₀₁×ｄ₀₁−ｎｄ₀₂×ｄ₀₂）×ｆ／Ｌ²≦０．０３（４）
ここで、
ｎｄ₀₁は、浸液のｄ線における屈折率のうち、最大となる屈折率、
ｄ₀₁は、ｎｄ₀₁の浸液の使用時における作動距離、
ｎｄ₀₂は、浸液のｄ線における屈折率のうち、最小となる屈折率、
ｄ₀₂は、ｎｄ₀₂の浸液の使用時における作動距離、
ｆは、前記液浸系顕微鏡対物レンズの焦点距離、
Ｌは、試料面から前記液浸系顕微鏡対物レンズの最も像側のレンズ面までの光軸上の距離、
である。
前記移動レンズ群は前記第２レンズ群であり、
前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群の間で光軸に沿って移動することを特徴とする請求項３に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
０．９＜｜α／β｜＜１．１（５）
ここで、
αは、前記第２レンズ群に入射する所定の主光線と光軸とのなす角度、
βは、前記第２レンズ群から出射する所定の主光線と光軸とのなす角度、
前記所定の主光線は、瞳位置における光軸とのなす角度が最大となる主光線、
である。
スキャナー部と、本体部と、顕微鏡対物レンズと、を備え、
前記顕微鏡対物レンズに請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の液浸系顕微鏡対物レンズが用いられることを特徴とする顕微鏡。