JP6844769B2 - 補正レンズ、補正レンズシステム、顕微鏡及び透明容器 - Google Patents

Description

本発明は、円筒形であり且つ透光性を有する容器に収容された対象物の観察に用いる補正レンズに関する。また、本発明は、前記補正レンズを備えた補正レンズシステム、顕微鏡、及び透明容器にも関する。

生物・化学の分野においては、試料の反応や、試料の分離や、試料の保管などを目的として、円筒形の容器を用いることが多い。また、これらの円筒形の容器は、その内部に収容された試料を目視することができるなどの理由により、可視光に対して透明な材料（例えばガラスや樹脂など）によって構成されていることが多い。円筒形且つ透明な容器としては、例えば、試験管や、遠沈管や、バイアル瓶や、シリンジや、マイクロチューブや、ガラスキャピラリーなどが挙げられる。

これらの容器の多くは、安価であり、入手しやすく、且つ、簡便に操作することができる。そのため、これらの容器は、研究分野を問わずに広く普及している。

特願２０１２−２３３７０７（２０１２年１１月２９日公開） 特願２０１０−９６８１２（２０１０年４月３０日公開）

上述したようにこれらの容器は、透明な材料によって構成されているため、ユーザは、容器内に収容された試料の大まかな情報を目視によって得ることができる。しかしながら、ユーザは、容器内に収容された試料の詳細な情報を顕微鏡を用いて得ることができない。

なぜならば、これらの容器は、その外側壁の形状に起因してシリンドリカルレンズとして機能し、結果として非点収差を生じさせるためである。目視により巨視的な領域を観察する場合には、この非点収差を無視することもできる。その一方で、顕微鏡を用いて微視的な領域を拡大観察しようとする場合には、この非点収差を無視することはできない。

そのため、試料の顕微鏡像を得ようとする多くのユーザは、容器に収容されている試料の一部をプレパラート上に滴下し、その試料を顕微鏡によって観察するという方法を採用してきた。

一方、これとは別のアプローチとして、拡大観察を容易にするための容器が知られている。

例えば、特許文献１には、観察試料を密閉可能な観察試料密閉容器であって、ラマン顕微鏡用の観察試料密閉容器が記載されている。特許文献１の図１に示すように、この観察試料密閉容器は、各々が板状である観察容器本体、蓋部材、及び観察窓材を用いて試料を密閉する。

また、特許文献２には、高圧力下における試料を顕微観察するための光学顕微観察用高圧力試料容器が記載されている。特許文献２の図１に示すように、この光学顕微観察用高圧力試料容器は、容器本体、蓋体、及び窓材を用いて試料を密閉する。

しかしながら、特許文献１に記載された観察試料密閉容器及び特許文献２に記載された光学顕微観察用高圧力容器は、何れも、実施したい拡大観察の用途に応じて特化された容器である。したがって、試料の反応、分離、及び保管を目的として試料を収容するための汎用性を有する容器として、これらの容器は、不適切である。なぜなら、上述した円筒形且つ透明な容器と比較して、高価であり、入手しにくく、且つ、操作に手間がかかるためである。

本発明は、これらの課題に鑑みて行われたものであり、その目的は、円筒形であり且つ透光性を有する容器に収容された対象物をそのまま拡大観察可能にすることである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る補正レンズは、円筒形の外側壁を有し且つ透光性を有する容器内に収容された対象物の観察に用いる補正レンズであって、互いに対向する第１の光透過面及び第２の光透過面を備え、前記第１の光透過面の形状は、トーリック面又はトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である、ことを特徴とする。

第１の光透過面の形状がトーリック面又はトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面であることによって、容器の外側壁により生じる非点収差を補正することができる。したがって、円筒形であり且つ透光性を有する容器内に収容された対象物をそのまま観察することができる。

本発明の一態様に係る補正レンズにおいて、前記第１の光透過面の形状は、トーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である、ことが好ましい。

第１の光透過面の形状がトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面であることによって、容器の外側壁により生じる非点収差を十分に補正することができる。したがって、円筒形であり且つ透光性を有する容器内に収容された対象物をそのまま観察した場合に、より鮮明な像を得ることができる。

本発明の一態様に係る補正レンズにおいて、前記第２の光透過面の形状は、前記容器の前記外側壁に沿う円筒面である、ことが好ましい。

この構成によれば、補正レンズを容器の外側壁に載置した場合に、補正レンズと容器との間に介在する空間であって、補正レンズ及び外側壁を構成する材料と屈折率が大きく異なる空間をほぼなくすことができる。したがって、円筒形であり且つ透光性を有する容器の外側壁により生じる非点収差を確実に補正することができる。

また、この構成によれば、円筒形の容器に対する補正レンズの相対的な位置を容易に固定することができる。したがって、対象物の観察に補正レンズを載置する手間を低減し、且つ、対象物の観察に生じ得る像のブレを抑制するという副次的な効果を奏する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る補正レンズシステムは、上述した本発明の各態様の何れか一態様に係る補正レンズを複数備えた補正レンズシステムであって、複数の補正レンズの各々の焦点位置は、それぞれ、前記容器の内部の異なる位置に対応している、ことを特徴とする。

上述した補正レンズにおける焦点位置は、補正レンズを設計した時点で定める、補正レンズに固有のものである。本補正レンズシステムは、焦点位置が異なる補正レンズを複数備えているため、容器内の観察したい場所に応じて、適した補正レンズを提供することができる。したがって、本補正レンズシステムを用いることにより、容器内の様々な位置に存在する対象物を観察することができる。

本発明の一態様に係る補正レンズシステムは、前記複数の補正レンズの各々を保持する保持部を更に備え、当該保持部は、前記複数の補正レンズのうち任意に選択した補正レンズを所定の位置に載置できるようにスライドするスライド部を備えている、ことが好ましい。

この構成によれば、容器内の観察したい位置に応じて、好適な補正レンズを容易に切り替えることができる。したがって、容器内の様々な位置に存在する対象物を容易に観察することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る顕微鏡は、上述した本発明の各態様の何れか一態様に係る補正レンズを備えている、ことを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る顕微鏡は、上述した本発明の各態様の何れか一態様に係る補正レンズシステムを備えている、ことを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る透明容器は、円筒形の外側壁を有する透明容器であって、当該外側壁に対して着脱可能な補正レンズであって、上述した本発明の各態様の何れか一態様に係る補正レンズを備えている、ことを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る透明容器は、円筒形の外側壁を有する透明容器であって、当該外側壁に対して着脱可能な補正レンズシステムであって、上述した本発明の各態様の何れか一態様に係る補正レンズシステムを備えている、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係る補正レンズを備えた顕微鏡及び透明容器、或いは、本発明の一態様に係る補正レンズシステムを備えた顕微鏡及び透明容器も本発明の範疇に含まれる。本発明の一態様に係る顕微鏡又は透明容器を用いることにより、円筒形の透明容器内に収容された対象物をそのまま観察することができる。

本発明の一態様によれば、円筒形の透明な容器に収容された対象物をそのまま観察することができる。

（ａ）は、対象物が収容されている容器の斜視図である。（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る補正レンズ及び（ａ）に示した容器を載置した状態の顕微鏡の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る補正レンズの斜視図である。（ａ）は、該補正レンズを構成する第１の光透過面を上にした状態の斜視図であり、（ｂ）は、該補正レンズを構成する第２の光透過面を上にした状態の斜視図である。 容器内に収容された対象物がレンズを介して結像される様子を示した断面図である。（ａ）及び（ｃ）の各々は、容器の中心軸に直交する面において得られた断面図であり、（ｂ）及び（ｄ）の各々は、容器の中心軸を通る面において得られた断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る補正レンズを設計するときに用いる光学モデルの模式図である。 （ａ）〜（ｉ）は、本発明の第１の実施例群に係る補正レンズを製造する製造方法の各工程を示す模式図である。 本発明の第１の実施例群に係る補正レンズを設計するときに用いる観察視野内における試料の代表位置を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施例のうち１つの補正レンズの各パラメータを最適化した結果として得られた、試料の代表位置から発せられた光のスポットダイアグラムである。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係る補正レンズを用いない場合に得られた試料の代表位置から発せられた光のスポットダイアグラムである。 （ａ）は、図５に示した製造方法を用いて製造した、本発明の第１の実施例群の１つであるの補正レンズの第１の光透過面における形状誤差の分布図である。（ｂ）は、（ａ）に示した分布図における破線に沿った領域の形状誤差を示すグラフである。（ｃ）の上図及び下図は、それぞれ、（ａ）に示した補正レンズの第１の光透過面の一部における表面粗さの分布図、及び、上図に示した分布図における実線に沿った領域の表面粗さを示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡とノートＰＣとを備えた顕微鏡システムの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示した顕微鏡が備えているステージの斜視図である。 図１０に示した顕微鏡を用いて得られたラテックスビーズの顕微鏡像である。 本発明の適用例を示す概念図である。 図１０に示した顕微鏡を用いて得られた膜タンパク質結晶の顕微鏡像である。 （ａ）は、拡大観察の対象物である試料が収容されている容器の斜視図である。（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示した容器内に収容された対象物を観察する観察方法であって、従来の観察方法を示す斜視図である。 （ａ）は、対象物がレンズを介して像面に結像する様子を示す概念図である。（ｂ）〜（ｅ）の各々は、容器内に収容された対象物がレンズを介して結像されるときに生じる非点収差について説明する断面図である。（ｂ）及び（ｄ）の各々は、容器の中心軸に直交する面において得られた断面図であり、（ｃ）及び（ｅ）の各々は、容器の中心軸を通る面において得られた断面図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る補正レンズについて、図１〜図４を参照して以下に説明する。

図１の（ａ）は、拡大観察の対象物である試料が収容されている容器の斜視図である。図１の（ｂ）は、本実施形態に係る補正レンズ１０及び図１の（ａ）に示した容器２０を載置した状態の顕微鏡５０の斜視図である。図２は、補正レンズ１０の斜視図である。図２の（ａ）は、補正レンズ１０を構成する光透過面１１を上にした状態の斜視図であり、図２の（ｂ）は、補正レンズ１０を構成する光透過面１２を上にした状態の斜視図である。図３は、容器内に収容された対象物がレンズを介して結像される様子を示した断面図である。図３の（ａ）及び（ｃ）の各々は、容器２０の中心軸に直交する面（ｙｚ面）において得られた断面図であり、図３の（ｂ）及び（ｄ）の各々は、容器２０の中心軸を通る面（ｚｘ面）において得られた断面図である。図４は、補正レンズ１０を設計するときに用いる光学モデルの模式図である。

（補正レンズ１０の概要）
本実施形態において用いる容器２０は、図１の（ａ）に示すように収容部２１と蓋２２とからなる。収容部２１は、可視光に対して少なくとも透光性を有する樹脂製である。収容部２１を構成する樹脂材料は、ユーザが容器２０の内部に収容された試料（特許請求の範囲に記載の対象物）を目視することができる程度の透光性を有する。なお、収容部２１を構成する樹脂材料は、高い透光性を有することが好ましく、透明であることがより好ましい。本実施形態においては、収容部２１を構成する樹脂材料として、透明なポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂を採用する。また、収容部２１は、円筒形の外側壁２１１を有する。その外側壁２１１の、一方の端部は、底壁により封止されており、他方の端部は、解放されている（図１の（ａ）には不図示）。

外側壁２１１の解放された側の端部と、蓋２２とは、対をなす。外側壁２１１の解放された側の端部に対して蓋２２が勘合されることによって、容器２０の内部は、完全に封止される。外側壁２１１の解放された側の端部近傍には、雄ねじが設けられており、蓋２２の内側壁には、外側壁２１１に設けられた雄ねじに対応する雌ねじが設けられている。これらの雄ねじ及び雌ねじが設けられていることによって、意図しない場合には、収容部２１から蓋２２が外れることを防止でき、且つ、意図した場合には収容部２１から蓋２２を容易に外すことができる。このように、容器２０は、確実且つ簡便に操作することができる。

収容部２１は、例えば、透明な樹脂材料であるＰＥＴ樹脂製であり、ＰＥＴ樹脂を射出成形することによって製造することができる。また、蓋２２は、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂製であり、ＰＰ樹脂を射出成形することによって製造することができる。したがって、容器２０は、安価に大量生産することができる。ユーザは、容器２０を容易に入手することができるため、容器２０を気軽に使用する（消費する）ことができる。そのため、円筒形且つ透明な容器２０は、化学・生物の分野において広く普及している。

容器２０の内部には、微粒子状の試料４０が収容されている。本実施形態において、試料４０は、溶媒３０中に分散された状態で、容器２０の内部に収容されている。

図１の（ｂ）に示すように、本実施形態に係る補正レンズ１０は、容器２０の内部に収容された試料４０を、顕微鏡５０を用いて拡大観察するために用いられる。試料４０は、特許請求の範囲に記載の対象物に対応する。

顕微鏡５０は、鏡台５１、鏡柱５２、ステージ５３、調整ダイヤル５４、対物レンズ５５、及び接眼レンズ５６を備えている。対物レンズ５５は、鏡柱５２の上端部５２１に対して、上端部５２１からステージ５３に向かって突出するように固定されている。接眼レンズ５６は、上端部５２１に対して、上端部５２１からステージ５３の逆側に向かって突出するように載置されている。

容器２０は、収容部２１の中心軸（円筒形の外側壁２１１の中心軸）がステージ５３の上面に沿うように、且つ、この中心軸が顕微鏡５０の光軸（対物レンズ５５及び接眼レンズ５６の中心軸）と交わるように、ステージ５３の上面上に配置される。このとき、ステージ５３の上面上において容器２０が転がることを防止するために、容器２０は、治具５３１により保持される。治具５３１は、互いに対向する一対の板状部材により構成されている。一対の板状部材の各々には、長方形を構成する一対の長辺のうち一方の長辺から他方の長辺に向かって切り込まれた、Ｖ字型の切り欠きが設けられている。このＶ字型の切り欠き上に容器２０を載置することによって、容器２０は、ステージ５３の上面上に確実に固定される。

補正レンズ１０は、容器２０の外側壁２１１と対物レンズ５５との間に挿入される。より詳しくは、補正レンズ１０は、図１の（ｂ）に示すように、互いに対向する光透過面１１と光透過面１２とを備えており、光透過面１１が対物レンズ５５に対向し、且つ、光透過面１２が外側壁２１１に接するように、外側壁２１１上に載置される。このとき、補正レンズ１０の光軸（中心軸）は、顕微鏡５０の光軸に沿っている。

以上のように、外側壁２１１と対物レンズ５５との間に補正レンズ１０を介在させることによって、円筒形且つ透明な容器２０の内部に収容された試料４０を、容器２０から取り出すことなく、顕微鏡５０を用いてそのまま拡大観察することができる。

なお、顕微鏡５０は、接眼レンズ５６の上側に配置される撮像素子（例えばＣＭＯＳイメージセンサなど、図１には不図示）をさらに備えていてもよい。撮像素子を更に供えていることによって、試料４０を観察した結果として得られた顕微鏡像を、デジタルデータとして容易に保存することができる。

（補正レンズ１０の構成）
補正レンズ１０は、可視光に対して透光性を有する樹脂材料又は光学ガラス材料によって構成された光学レンズである。上述したように、補正レンズ１０は、互いに対向する光透過面１１（図２の（ａ）参照）と光透過面１２（図２の（ｂ）参照）とを備えている。光透過面１１及び光透過面１２の各々は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の第１の光透過面及び第２の光透過面に対応する。

なお、補正レンズ１０を構成する材料は、樹脂材料又は光学ガラス材料から適宜選択することができる。樹脂材料を用いて補正レンズ１０を構成することによって、補正レンズ１０を容易に、また大量に製造することができる。その一方、試料４０を偏光観察したい場合には、光学ガラス材料を用いて補正レンズ１０を構成することが好ましい。樹脂材料の代わりに光学ガラス材料を用いることによって、補正レンズ１０の製造が難しくなるものの偏光観察を満足に行うことができる。

光透過面１１を平面視した場合、光透過面１１の外縁の輪郭は、円形である。また、光透過面１２を平面視した場合、光透過面１２の外縁の輪郭は、円形である。補正レンズ１０において、光透過面１１と光透過面１２とは、同心円となるように配置されている。したがって、光透過面１１を平面視した場合あるいは光透過面１２を平面視した場合、光透過面１１の中心と光透過面１２の中心とは、一致する。

図２の（ａ）及び（ｂ）に示した座標系において、（１）補正レンズ１０の中心軸（光透過面１１の中心と光透過面１２の中心とを通る軸）に沿う方向をｚ軸方向とし、（２）容器２０の収容部２１の中心軸に沿う方向をｘ軸方向とし、（３）ｚ軸方向及びｘ軸方向の各々に対して直交する方向をｙ軸方向とする。また、（１）ｚ軸方向のうち光透過面１２から光透過面１１に向かう方向をｚ軸正方向としている。また、ｘ軸方向及びｙ軸方向については、上述したｚ軸正方向とともに、ｘ軸正方向及びｙ軸正方向が右手系の直交座標系を構成するように各々の軸の正方向を定めている。また、この座標系において、光透過面１１の頂点（光透過面１１の中心）を原点としている。

光透過面１１の形状は、トーリック面又はトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である。本実施形態においては、光透過面１１の形状として、トーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面を採用している。すなわち、光透過面１１の形状は、図２に示した座標系において式（１）により規定される。

式（１）の右辺第１項は、トーリック面（トーラスの一部を構成する曲面）を表している。Ｃｘ及びＣｙの各々は、それぞれ、光透過面１１のｚｘ面に沿った断面における曲率、及び、光透過面１１のｙｚ面に沿った断面における曲率を表す。式（１）の右辺第２項は、ｘ軸方向に関する非球面多項式を表す。αｋは、ｋ次の非球面係数である。

光透過面１２は、収容部２１の外側壁２１１に沿った円筒面に成形されている。すなわち、光透過面１２は、（１）収容部２１の中心軸に沿うｘ軸方向に対して曲率を有さず、（２）外側壁２１１の円周方向に沿うｙ軸方向に沿う方向に対して円筒形である外側壁２１１に沿う形状に成形されている。

このように成形された光透過面１１は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の各々に対して異なる対称性を有する、非軸対称非球面である。

円筒面である光透過面１２の直径は、外側壁２１１の直径と同じ或いは外側壁２１１の直径よりわずかに大きく構成されている。光透過面１２の直径を外側壁２１１の直径と同じになるように構成することによって、光透過面１２と外側壁２１１との間に生じる空隙を抑制することができる。その一方で、この構成によれば、容器２０の製造公差或いは補正レンズ１０の加工誤差に起因して、外側壁２１１の直径が光透過面１２の直径を上回り、結果として光透過面１２と外側壁２１１との間に大きな空隙が生じることも考えられる。

このような場合に備えて、光透過面１２の直径を外側壁２１１の直径よりわずかに大きく構成してもよい。この構成によれば、外側壁２１１の直径が光透過面１２の直径を上回ることを防止でき、結果として光透過面１２と外側壁２１１との間に大きな空隙が生じることを防止することができる。なお、光透過面１２と外側壁２１１との間に生じるわずかな空隙は、その空隙内にマッチングオイルを塗布（充填）することによって埋めることができる。マッチングオイルは、補正レンズ１０を構成する材料の屈折率、或いは、収容部２１を構成する材料の屈折率と略同じ屈折率を有する材料からなるオイルである。マッチングオイルを用いて光透過面１２と外側壁２１１との間に生じるわずかな空隙を埋めることによって、光透過面１２と外側壁２１１との界面近傍において屈折率が急激に変化することを防止することができる。

光透過面１１及び光透過面１２の外縁を取り囲む領域には、外縁部１３１と外縁部１３２とを備えたフランジ１３が形成されている。フランジ１３は、その外縁が円形に成形された板状部材であり、光透過面１１及び光透過面１２と同心円となるように成形されている。外縁部１３１は、フランジ１３の一方の表面を構成する環状の領域であり、光透過面１１の外縁を取り囲む。外縁部１３２は、フランジ１３の他方の表面を構成する環状の領域であり、光透過面１２の外縁を取り囲む。

フランジ１３が設けられていることにより、光透過面１１及び光透過面１２を汚すことなく補正レンズ１０を素手で取り扱うことができる。したがって、補正レンズ１０の取り扱いが簡便になる。また、フランジ１３が設けられていることによって、複数の補正レンズ１０を同一平面に沿って容易に配列させることができる。その結果、拡大観察時に用いる補正レンズ１０をように交換可能な顕微鏡を構成することもできる。このような顕微鏡については、参照する図を代えて後述する。

（補正レンズ１０の効果）
上述したように、光透過面１１が式（１）により規定される形状に成形されていることによって、補正レンズ１０は、容器２０の外側壁２１１の形状が円筒形である（その形状がｘ軸方向及びｙ軸方向の各々に対して等価ではない）ことに起因して生じる非点収差を解消することができる。したがって、外側壁２１１と対物レンズ５５との間に補正レンズ１０を挿入することによって、容器２０の内部に収容された試料４０を、顕微鏡を用いてそのまま拡大観察することができる。

ここでは、円筒形の透明な容器の内部に収容された試料を、従来の顕微鏡を用いてそのまま用いて拡大観察することができなかった理由を、図１４及び図１５を参照して説明する。そのうえで、補正レンズ１０を用いることによって、容器２０の内部に収容された試料４０を、顕微鏡５０を用いてそのまま拡大観察できるようになった理由を、図３を参照して説明する。

＜従来の拡大観察方法１＞
図１４の（ａ）は、拡大観察の対象物である試料６４０が収容されている容器６２０の斜視図である。図１４の（ｂ）及び（ｃ）は、図１４の（ａ）に示した容器６２０の内部に収容された試料６４０を観察する観察方法であって、従来の観察方法を示す斜視図である。図１５の（ａ）は、試料６４０が理想レンズＩＬ６０１を介して像面に結像する様子を示す概念図である。図１４の（ｂ）〜（ｅ）の各々は、容器６２０の内部に収容された試料６４０が理想レンズＩＬ６０１を介して結像されるときに生じる非点収差について説明する断面図である。図１５の（ｂ）及び（ｄ）の各々は、容器６２０を構成する収容部６２１の外側壁６２１１の中心軸に直交する面（ｙｚ面に沿った面）において得られた断面図（横断面図）であり、図１５の（ｃ）及び（ｅ）の各々は、容器６２０の中心軸を通る面（ｚｘ面に沿った面）において得られた断面図（縦断面図）である。

図１４の（ａ）に示す容器６２０は、図１の（ａ）に示す容器２０と同様に構成されている。したがって、容器６２０は、収容部６２１と蓋１２２とからなり、収容部６２１は、可視光に対して透明な樹脂製（本実施形態においては、ＰＥＴ樹脂製）である。収容部６２１は、円筒形の外側壁６２１１を有する。容器６２０の内部には、微粒子状の試料６４０が収容されている。試料６４０は、溶媒６３０中に分散された状態で、容器６２０の内部に収容されている。

また、図１４の（ｂ）及び（ｃ）に示す顕微鏡６５０は、図１の（ｂ）に示す顕微鏡５０と同様に構成されている。すなわち、顕微鏡６５０を構成する鏡台６５１、鏡柱６５２、ステージ６５３、調整ダイヤル６５４、対物レンズ６５５、及び接眼レンズ６５６の各々は、それぞれ、顕微鏡５０を構成する鏡台５１、鏡柱５２、ステージ５３、調整ダイヤル５４、対物レンズ５５、及び接眼レンズ５６の各々に対応する。そこで、ここでは、これらの説明を省略する。

円筒形の透明な容器６２０の内部に収容された試料６４０を顕微鏡６５０を用いて拡大観察する場合、図１４の（ｂ）に示すように、顕微鏡６５０のステージ６５３上に容器２０を載置して、収容部６２１の外側壁６２１１越しに試料６４０を観察する方法が最も容易である。このとき、容器６２０の収容部６２１の中心軸がステージ６５３の上面に沿うように、容器２０は、ステージ６５３の上面上に載置される。

しかしながら、試料６４０を外側壁６２１１越しに観察する場合、外側壁の異方的な形状に起因して、非点収差が生じる。そのため、試料６４０を外側壁６２１１越しに観察した場合、満足な顕微鏡像を得ることができない。非点収差が生じる原理は、以下の通りである。

ここでは、説明を簡単にするために、物面上に配置された試料６４０を理想レンズＩＬ６０１を介して観察する光学モデルを用いる。そのため、この光学モデルでは、試料６４０を等倍観察する場合について生じる非点収差について説明することになるが、この非点収差が生じる原理は、対物レンズ６５５及び接眼レンズ６５６を介して顕微観察する場合にも適用できる。

図１５の（ａ）に示すように、この光学モデルにおいて、試料６４０が大気中に露出しており、試料６４０を直接観察することができる。この場合、試料６４０の上端から発せられた光を表す光線（代表的なものとして光線Ｂ６０１，Ｂ６０２を図１５に示す）は、理想レンズＩＬ６０１を通して、像面上の１点（顕微鏡像６４１の下端）に収束する。また、試料６４０の下端から発せられた光を表す光線（代表的なものとして光線Ｂ６０３，Ｂ６０４を図１５に示す）は、理想レンズＩＬ６０１を通して、像面上の別の１点（顕微鏡像６４１の上端）に収束する。

このように、試料６４０を構成する各点と、顕微鏡像６４１を構成する各点とが、それぞれ、１対１の対応関係を有する場合、鮮明な顕微鏡像６４１を得ることができる。

一方、試料６４０が容器６２０の内部に収容されている場合、試料６４０を構成する各点から発せられた光は、溶媒６３０と外側壁６２１１との界面、及び、外側壁６２１１と空気との界面において、各界面の形状と屈折率差とに応じて屈折する。

ここで、容器６２０の横断面における試料６４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０１，Ｂ６０２が像面上の１点に収束し、横断面における試料６４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０３，Ｂ６０４が像面上の１点に収束する位置に理想レンズＩＬ６０１を配置した場合（図１５の（ｂ）参照）、容器６２０の縦断面における試料６４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０５，Ｂ６０６は、像面上の１点に収束せず、容器６２０の縦断面における試料６４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０７，Ｂ６０８は、像面上の１点に収束しない（図１５の（ｃ）参照）。

この場合、容器６２０の横断面においては、上述した１対１の対応関係が成立しているのに対し、容器６２０の縦断面においては、上述した１対１の対応関係が成立していない。したがって、像面上において鮮明な顕微鏡像６４１を得ることはできない。

また、容器６２０の縦断面における試料６４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０５，Ｂ６０６が像面上の１点に収束し、縦断面における試料６４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０７，Ｂ６０８が像面上の１点に収束する位置に理想レンズＩＬ６０１を配置した場合（図１５の（ｅ）参照）、容器６２０の横断面における試料６４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０１，Ｂ６０２は、像面上の１点に収束せず、容器６２０の横断面における試料６４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ６０３，Ｂ６０４は、像面上の１点に収束しない（図１５の（ｄ）参照）。したがって、像面上において鮮明な顕微鏡像６４１を得ることはできない。

このような収差は、非点収差と呼ばれている。シリンドリカルレンズとして機能する外側壁６２１１に起因する収差は、非点収差の極端な態様として理解できる。

なお、試料６４０の大きさが非点収差に起因するぼやけ具合よりも十分に大きい場合には、非点収差が存在する環境であっても、顕微鏡像６４１から大まかな情報を得ることができる。しかしながら、試料６４０の大きさが数μｍ〜数十μｍ程度である場合、非点収差に起因するぼやけ具合が試料６４０の大きさを上回り、試料６４０の大まかな情報すら得ることができなくなる。当然のことながら、このような場合、試料６４０の詳細な情報をえることは、不可能である。

＜従来の拡大観察方法２＞
以上のように、外側壁６２１１の形状に起因する非点収差のため、容器６２０の内部に収容された試料６４０を外側壁６２１１越しに拡大観察するという方法を用いても鮮明な顕微鏡像６４１を得ることができない。そこで、従来は、試料６４０を容器６２０からプレパラート上に溶媒６３０と共に滴下し、顕微鏡６５０を用いて拡大観察する方法を採用していた（図１４の（ｃ）参照）。

この方法によれば、試料６４０と対物レンズ１５５との間に収容部６２１の外側壁６２１１が介在しないため、試料６４０の鮮明な顕微鏡像６４１を得ることができる。その反面、この方法には、以下に示す欠点がある。
（１）容器６２０の開閉に伴い、空気中の物質により試料６４０が汚染される。
（２）観察のたびにプレパラートに滴下した試料６４０を捨てることになる。
（３）容器６２０の内部に収容されている状態の試料６４０を観察することができない。
（４）容器６２０の内部において試料６４０を反応させる場合に、その反応の経過を観察することができない。
（５）試料６４０が危険性を有する試料である場合、大気中で観察することができず、ドラフトなどの大がかりな設備が必要となる。
（６）複数の容器６２０の各々に収容された試料６４０の各々を観察したい場合、観察の準備作業（プレパラート上に滴下するなど）に手間が掛かる。

したがって、容器６２０の内部に収容された試料６４０を、そのまま顕微鏡６５０を用いて拡大観察する方法が強く求められていた。

＜補正レンズ１０を用いた拡大観察方法＞
補正レンズ１０の光透過面１１は、上述したように式（１）により規定される形状に成形されている。すなわち、光透過面１１は、トーリック面をベースとして、ｘ軸方向（外側壁２１１の中心軸に沿った方向）に対して非球面多項式による補正を加えた形状に成形されている。

そのため、容器２０の横断面における試料４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ１，Ｂ２が像面上の１点に収束し、横断面における試料４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ３，Ｂ４が像面上の１点に収束する位置に理想レンズＩＬ１を配置した場合（図３の（ａ）参照）、容器２０の縦断面における試料４０の一方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ５，Ｂ６は、像面上の１点に収束し、容器２０の縦断面における試料４０の他方の端部から発せられた光を表す光線Ｂ７，Ｂ８は、像面上の１点に収束する（図３の（ｂ）参照）。

このように、補正レンズ１０を用いることによって、試料４０を構成する各点と顕微鏡像４１を構成する各点とにおける１対１の対応関係を成立させることができる。したがって、補正レンズ１０を用いることによって、あたかも容器２０が存在しないかのような鮮明な顕微鏡像４１を得ることができる。その結果、試料４０を容器２０から取り出すことなしに拡大観察することができるため、上述した（１）〜（６）の欠点を解消することができる。

なお、補正レンズ１０を構成する光透過面１１の形状は、ｚ軸方向における試料４０の位置に応じて最適化されている。そのため、観察したい試料４０のｚ軸方向における位置に応じて、複数種類の補正レンズ１０を用意しておくことが好ましい。

例えば、図３の（ａ）及び（ｂ）に示した場合において、試料４０のｚ軸方向における位置は、収容部２１の中心近傍である。それに対し、図３の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、試料４０のｚ軸方向における位置が収容部２１の中心よりも遠い側の外側壁２１１（ｚ軸負方向側の外側壁２１１）近傍である場合、この位置に応じて最適化された光透過面１１を備えた補正レンズ１０を用意しておくことが好ましい。この位置に応じて最適化された光透過面１１を備えた補正レンズ１０を用意しておくことによって、図３の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、試料４０のｚ軸方向における位置がｚ軸負方向側の外側壁２１１近傍である場合であっても、試料４０を構成する各点と顕微鏡像４１を構成する各点とにおける１対１の対応関係を成立させることができる。

同様に、試料４０のｚ軸方向における位置がｚ軸正方向側の外側壁２１１近傍である場合に備えて、位置に応じて最適化された光透過面１１を備えた補正レンズ１０を用意しておくことが好ましい。

以上のように、試料４０のｚ軸方向における位置に応じて最適化された、複数種類の補正レンズ１０を用意しておくことにより、試料４０がどのような位置に存在する場合であっても、鮮明な顕微鏡像４１を得ることができる。

なお、試料４０のｚ軸方向における位置に応じて最適化した補正レンズ１０を数多く用意するほど、試料４０のｚ軸方向における位置変化に対してきめ細かく対応することができる。その反面、試料４０のｚ軸方向における位置が少し変化する度に、補正レンズ１０を適切に変更する必要が生じる。したがって、試料４０のｚ軸方向における位置に応じて最適化した補正レンズ１０の数は、ユーザが求める使用方法に応じて適宜選択することが好ましい。

例えば、複数の容器２０の各々の内部に収容されている試料４０の各々を、短時間で数多く観察したい場合には、観察可能な試料４０の位置を限定し、小数の補正レンズ１０を用いることが好ましい。本願の発明者らが得た知見によれば、３つの補正レンズ１０（収容部２１の中心よりもｚ軸負方向側の外側壁２１１近傍用、収容部２１の中心近傍用、及び収容部２１の中心よりもｚ軸正方向側の外側壁２１１近傍用）を用意することによって、補正レンズ１０を変更する手間を無用に増やすことなく、収容部２１の内部の全域をカバーすることができる。

（補正レンズ１０の変形例）
本実施形態において、補正レンズ１０の光透過面１１は、上述した式（１）により規定される形状に成形されているものとして説明した。しかし、光透過面１１の形状は、トーリック面であってもよい。すなわち、光透過面１１の形状は、図２に示した座標系において式（２）により規定されてもよい。

式（２）は、式（１）からｘ軸に関する非球面多項式を省略することによって得られる。すなわち、式（２）によって規定される形状に成形された光透過面１１は、トーリック面を成す。

式（２）によって規定される形状に成形された光透過面１１を備えた補正レンズ１０は、式（１）によって規定される形状に成形された光透過面１１を備えた補正レンズ１０と比較した場合、解消できる非点収差の度合いが劣る。とはいえ、式（２）によって規定される形状に成形された光透過面１１を備えた補正レンズ１０を用いた場合であっても、像面上において鮮明な顕微鏡像４１を得ることができる。

また、本実施形態において、補正レンズ１０の光透過面１２は、収容部２１の外側壁２１１に沿った円筒面に成形されているものとして説明した。しかし、光透過面１２は、上述した円筒面以外の形状に成形されていてもよく、例えば、平面に成形されていてもよい。光透過面１２が平面に成形されている場合、光透過面１２が円筒形に成形されている場合と比較して、外側壁２１１と光透過面１２との間に大きな空隙が生じる。このような場合、マッチングオイルを用いてこの空隙を埋めることによって（或いは、容器２０及び補正レンズ１０をマッチングオイル中に液浸することによって）、光透過面１２が円筒形に成形されている場合と同様に鮮明な顕微鏡像４１を得ることができる。

（光透過面１１の設計方法）
光透過面１１の設計方法について、以下に説明する。本実施形態では、図４に示す光学モデルを用い、光線追跡シミュレーションを行うことにより光透過面１１の形状を最適化する。

光透過面１１を設計するときに用いる光学モデルでは、図４に示すように、容器２０を構成する収容部２１の外側壁２１１に対して、光透過面１２が接するように補正レンズ１０が配置されている。補正レンズ１０と像面ＰＬ１との間には、補正レンズ１０側から順番に、絞りＡ１及び理想レンズＩＬ１１（対物レンズに対応）と、理想レンズＩＬ１２（接眼レンズに対応）とが挿入されている。ここで、本光学モデルに係る各パラメータは、以下の通りである。なお、図４に示した座標系は、図２の示した座標系と同様に定められている。
（１）収容部２１の外径（外側壁２１１の外径）を外径ｄ０とする。
（２）収容部２１の内径（外側壁２１１の内径）を外径ｄｉとする。
（３）収容部２１を構成する材料の屈折率を屈折率ｎ０とする。
（４）溶媒３０の屈折率を屈折率ｎｉとする。
（５）試料４０のｚ軸方向における位置を観察位置Ｚｓとする。このとき、観察位置Ｚｓは、収容部２１の中心を原点とし、ｚ軸正方向に正をとるものとする。
（６）理想レンズＩＬ１１の焦点距離を焦点距離ｆとする。
（７）理想レンズＩＬ１１の開口数を開口数ＮＡとする。
（８）理想レンズＩＬ１２の焦点距離を焦点距離ｍｆとする。すなわち、本光学モデルの倍率は、ｍ倍である。
（９）補正レンズ１０の厚さ（ｚ軸方向に沿った長さ）をｔとする。
（１０）補正レンズ１０を構成する材料の屈折率をｎｌとする。

厚さｔに関しては、試料４０と理想レンズＩＬ１１との間隔Ｚｄとの兼ね合いで検討する必要がある。間隔Ｚｄに余裕がある場合（厚さｔに対して十分に大きい場合）、厚さｔは、補正レンズ１０を製作するときの都合に合わせて決めることができる。一方、間隔Ｚｄが狭い場合、実際に用いる顕微鏡５０において、対物レンズ５５と補正レンズ１０とが干渉しないように、厚さｔを薄くする必要がある。

補正レンズ１０を構成する材料は、上述したように透明な樹脂材料或いは光学ガラス材料から適宜選択することができる。

なお、理想レンズＩＬ１１と理想レンズＩＬ１２との間隔ΔＬは、光線追跡シミュレーションの結果に影響を与えるパラメータではない。したがって、間隔ΔＬは、任意の値でよい。また、試料４０と理想レンズＩＬ１１との間隔Ｚｄを、実際に用いる顕微鏡５０の構成に基づき予め定めておくことによって、光線追跡シミュレーションを効率よく行うことができる。

これらのパラメータと、上述した式（１）とを用いて光線追跡シミュレーションを行う。光線追跡シミュレーションにおいては、試料４０を構成する１点から発せられた光を表す光線Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎ−２、Ｂｎの各々について、外側壁２１１、補正レンズ１０、理想レンズＬ１１、及び理想レンズＬ１２を透過した結果として像面ＰＬ１の何れの位置に交わるか（到達するか）を計算する。そして、光線Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎ−２、Ｂｎの各々の軌跡の計算を繰り返し、像面ＰＬ１上における、光線Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎ−２、Ｂｎの各々と像面ＰＬ１との交点の分布（スポットサイズ）を最小化するように、次の各パラメータを最適化する。
（１）式（１）における係数Ｃｘ（ｚｘ断面における曲率を表す）。
（２）式（１）における係数Ｃｙ（ｙｚ断面における曲率を表す）。
（３）非球面係数であるαｋ。
（４）試料４０と理想レンズＩＬ１１との間隔Ｚｄ。

なお、上述したように、試料４０と理想レンズＩＬ１１との間隔Ｚｄを定めていた場合には、間隔Ｚｄを最適化する必要がない。

以上の方法を用いて、光透過面１１の形状を表す式（１）が含む各パラメータを最適化することができる。すなわち、光透過面１１の形状を設計することができる。

なお、スポットサイズの目標は、例えば、（１）顕微鏡が備えている撮像素子の分解能と、（２）Rayleighの解像限界との何れか大きい方を基準値として、この基準値を下回るように設定すればよい。

また、式（１）における非球面多項式の次数については、上述した目標を達成できるように適宜定めることができる。

（補正レンズ１０の製造方法）
補正レンズ１０は、その形状に対応した金型を用いたプレス成形法により製造することもできるし、射出成形法により製造することもできるし、精密な機械加工法を用いてその形状を削り出すことによっても製造することができる。

何れの製造方法を選択するかは、補正レンズ１０を構成する材料や、製造する補正レンズ１０の個数などに応じて適宜定めればよい。少量の補正レンズ１０を試験的に製造する場合には、機械加工法が好適である。一方、大量の補正レンズを商業的に製造する場合には、プレス成形法或いは射出成形法が好適である。

（補正レンズ１０を販売する場合の態様）
本実施形態に係る補正レンズ１０は、例えば、（１）補正レンズ１０単体として販売することもできるし、（２）容器２０のパッケージの一部として販売することもできるし、（３）顕微鏡（図１に示した顕微鏡５０或いは図１０に示す顕微鏡１５０）のパッケージの一部として販売することもできる。すなわち、補正レンズ１０を備えている顕微鏡、或いは、補正レンズ１０をその販売パッケージの一部に含む容器２０も、本発明の範疇に含まれる。また、後述する補正レンズシステム１５３１を備えている顕微鏡、或いは、補正レンズシステム１５３１をその販売パッケージの一部に含む容器２０も、本発明の範疇に含まれる。

〔第１の実施例群〕
第１の実施形態に係る補正レンズ１０の第１の実施例群について、図５〜図９を参照して説明する。

図５の（ａ）〜（ｉ）は、本実施例群に係る補正レンズ１０を製造する製造方法の各工程を示す模式図である。図６は、本実施例群に係る補正レンズ１０を設計するときに用いる観察視野内における試料４０の代表位置である点Ｐ１〜Ｐ４を示す平面図である。図７の（ａ）〜（ｄ）は、本実施例群に係る補正レンズ１０のうち１つの補正レンズ１０の各パラメータを最適化した結果として得られた、対象物のスポットダイアグラムである。図８の（ａ）〜（ｄ）は、補正レンズ１０を用いない場合に得られた対象物のスポットダイアグラムである。図９の（ａ）は、図５に示した製造方法を用いて製造した、本実施例群に係る補正レンズ１０の１つである補正レンズ１０Ａの光透過面１１における形状誤差の分布図である。図９の（ｂ）は、図６の（ａ）に示した分布図における破線に沿った領域の形状誤差を示すグラフである。図９の（ｃ）の上図及び下図は、それぞれ、図９の（ａ）に示した補正レンズ１０Ａの光透過面１１の一部における表面粗さの分布図、及び、上図に示した分布図における実線に沿った領域の表面粗さを示すグラフである。

（補正レンズ１０の製造方法）
図５に示すように、本実施例群では、精密な機械加工法を用いて補正レンズ１０を製造した。なお、補正レンズ１０を製造するための出発原料として、アクリル樹脂の一例であるＰＭＭＡ樹脂の棒状部材を採用した（図５の（ａ）参照）。

ターニングセンターを用いて、棒状部材を粗加工することにより、補正レンズ１０の光透過面１１に対応する部分を球面形状に成形するとともに、光透過面１１の外縁部１３１に対応する部分を切削する（図５の（ｂ）参照）。

ターニングセンターを用いて、棒状部材に対して溝加工を施すことにより、光透過面１２の外縁部１３２に対応する部分を切削する（図５の（ｃ）参照）。

ドリルを用いて、棒状部材に下穴加工を施す（図５の（ｄ）参照）。さらに、エンドミルを用いて、図５の（ｄ）において設けた下穴を拡大するとともに、光透過面１２に対応する部分を円筒形に成形する（図５の（ｅ）参照）。

棒状部材の先端部から、光透過面１１，１２が粗加工されるとともに、フランジ１３が成形された補正レンズ１０を切り離す（図５の（ｆ）参照）。

粗加工された補正レンズ１０の光透過面１１は、超精密加工機を用いた３軸同時制御加工法を用いて、式（１）により規定される形状に成形される（図５の（ｇ）参照）。この工程により、光透過面１１の形状は、仕上げられる。なお、図５の（ｇ）においては、光透過面１１の近傍のみを図示している。この３軸同時制御加工法は、補正レンズ１０を回転させながら、その回転に同期するようにダイヤモンド製の工具を３次元的に動かすことによって実現される。

粗加工された補正レンズ１０の光透過面１２は、超精密加工機を用いたシェーパ加工法を用いて、円筒面に成形される（図５の（ｈ）参照）。この工程により、光透過面１２の形状は、仕上げられる。このシェーパ加工法は、補正レンズ１０を固定したままダイヤモンド製の工具をｘ軸方向に沿って動かすことによって実現される。

以上の工程によって、光透過面１１が式（１）により規定される形状に成形され、光透過面１２が円筒形に成形された補正レンズ１０が得られる（図５の（ｉ）参照）。

（光線追跡シミュレーションに用いた各パラメータ）
本実施例群では、（株）伊藤製作所製のシリンジ及びHamilton Co.製のシリンジの内部に収容された試料４０を観察するための補正レンズ１０を５つ用意した。以下において、（株）伊藤製作所製のシリンジ用の３つの補正レンズ１０を、それぞれ、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｃとする。また、Hamilton Co.製のシリンジ用の２つの補正レンズ１０を、それぞれ、補正レンズ１０Ｄ〜１０Ｅとする。

（株）伊藤製作所製のシリンジ及びHamilton Co.製のシリンジの各々は、何れも、円筒形であり透明な容器の一態様である。（株）伊藤製作所製のシリンジ及びHamilton Co.製のシリンジにおける各パラメータを表１に示す。
表１に示すように、補正レンズ１０Ａは、シリンジ内におけるｚ軸方向における位置である観察位置ＺｓをＺｓ＝０ｍｍとした補正レンズであり、補正レンズ１０Ｂ，１０Ｃの各々は、それぞれ、シリンジ内における観察位置ＺｓをＺｓ＝＋０．８ｍｍ，−０．８ｍｍとした補正レンズである。なお、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｃの各々において、厚さｔをｔ＝５ｍｍとした。

補正レンズ１０Ｄは、シリンジ内における観察位置ＺｓをＺｓ＝０ｍｍとした補正レンズであり、補正レンズ１０Ｅは、シリンジ内における観察位置ＺｓをＺｓ＝＋０．５ｍｍとした補正レンズである。なお、補正レンズ１０Ｄ〜１０Ｅの各々において、厚さｔをｔ＝６．５ｍｍとした。

また、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅの各々を構成する光透過面１１は、ミツトヨ製の対物レンズを用いて観察する前提で設計した。ミツトヨ製の対物レンズにおける各パラメータを表２に示す。
なお、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅを構成する材料としては、上述したようにＰＭＭＡ樹脂を採用した。ＰＭＭＡ樹脂の屈折率ｎｌは、実測値でｎｌ＝１．４４８である。

（光線追跡シミュレーションによる最適化）
以上の各パラメータを用いて、光線追跡シミュレーションを行うことにより、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅの各々を構成する光透過面１１を規定する式（１）を最適化した。

なお、本実施例群では、観察する試料４０の代表位置として、図６に示した点Ｐ１〜Ｐ４を用いた。本実施例群においては、試料４０の代表位置である各点Ｐ１〜Ｐ４から発せられた光線の像面における分布（スポットサイズ）の二乗平均平方根（ＲＭＳ）半径を最小化するように、式（１）を最適化した。なお、本実施例群においては、式（１）に含まれる非球面多項式として４次項（ｋ＝４）のみを採用した。後述する結果に示すように、４次項のみを採用することによって、スポットサイズの基準値を下回ることができたためである。

また、本実施例群では、ピクセル分解能が３．７５μｍであるＣＣＤセンサを撮像素子として採用することを前提とした。３．７５μｍというピクセル分解能は、実空間に存在する物面に換算した場合、０．３７５μｍとなる（表２に示した対物レンズの倍率が１０倍であるため）。この物面に換算した場合の分解能と、表２に示したRayleighの解像限界（＝３．２μｍ）とを比較した場合、Rayleighの解像限界の方が大きい。したがって、本実施例群においては、光線追跡シミュレーションを行った結果として得られるＲＭＳ半径が下回るべき基準値として、Rayleighの解像限界を採用した。本実施例群におけるRayleighの解像限界は、物面に換算した場合において３．２μｍであり、像面換算で３２μｍである。

補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅを構成する光透過面１１に関して、最適化された式（１）を表す各パラメータと、像面におけるスポットサイズ（ＲＭＳ半径）を表３に示す。
表３を参照すれば、最適化された光透過面１１を有する補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅの各々によって得られるスポットサイズは、何れも上述した基準値を下回ることが分かった。したがって、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅの各々は、シリンジの内部に収容された試料を拡大観察するために好適に用いることができる。

図７の（ａ）〜（ｄ）は、補正レンズ１０Ａ〜１０Ｅのうち補正レンズ１０Ａを挿入した光学モデルによって得られた試料４０の代表位置から発せられた光のスポットダイアグラムである。図７の（ａ）は、図６に示した点Ｐ３から発せられた光のスポットダイアグラムを示し、図７の（ｂ）は、図６に示した点Ｐ４から発せられた光のスポットダイアグラムを示し、図７の（ｃ）は、図６に示した点Ｐ１から発せられた光のスポットダイアグラムを示し、図７の（ｄ）は、図６に示した点Ｐ２から発せられた光のスポットダイアグラムを示す。

このように、点Ｐ１〜Ｐ４の各々から発せられた光のスポットサイズ（ＲＭＳ半径）は、何れもRayleighの解像限界である３２μｍを下回っている。

本発明の参考例として、補正レンズ１０Ａを省略した光学モデルによって得られた試料４０の代表位置から発せられた光のスポットダイアグラムを図８に示す。図８に示すように、補正レンズ１０Ａを省略した場合、点Ｐ１〜Ｐ４の各々から発せられた光のスポットサイズ（ＲＭＳ半径）は、１．９５ｍｍであり、何れもRayleighの解像限界である３２μｍを大きく上回る。この結果は、無限小である１つの点から発せられた光が約２ｍｍ程度の領域に広がる（ぼやける）ことを意味している。したがって、円筒形且つ透明な容器と対物レンズとの間に補正レンズ１０Ａを挿入しない場合、対象物を拡大観察できないことが分かった。

（補正レンズ１０Ａの形状誤差）
最適化された各パラメータ（表３参照）を有する式（１）によって規定される光透過面１１を備えた補正レンズ１０Ａにおける形状誤差を測定した。その形状誤差の結果を図９に示す。

図９の（ａ）によれば、ｘ軸に沿った方向及びｙ軸に沿った方向に微小な凹凸が見られる。この微小な凹凸は、象限突起と呼ばれる凹凸であり、図５の（ｇ）に示した工程に起因する凹凸である。この微小な凹凸は、補正レンズ１０Ａの性能に影響を与えない程度の凹凸である。

図９の（ｂ）によれば、補正レンズ１０Ａの形状誤差は、１μｍ以下であることが分かった。したがって、図５の（ｇ）及び（ｈ）の各々に示した工程によって仕上げられた光透過面１１，１２の各々は、光学的な観点から見ても高精度な面に仕上がっていることが分かった。

また、図９の（ｃ）によれば、補正レンズ１０Ａの表面粗さは、１００ｎｍ以下であり、算術平均粗さＲａは、１４ｎｍであることが分かった。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡について、図１０を参照して説明する。図１０の（ａ）は、本実施形態に係る顕微鏡１５０と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）１７０とを備えた顕微鏡システムの斜視図である。図１０の（ｂ）は、顕微鏡１５０が備えているステージ１５３の斜視図である。本実施形態では、円筒形の透明な容器の一態様であるシリンジ１２０の内部に収容された試料を観察するために、顕微鏡１５０を用いる。

なお、シリンジ１２０は、シリンダ１２１と、ピストン１２２とを備えている（図１０の（ｂ）参照）。シリンダ１２１は、円筒形の透明な外側壁１２１１と、外側壁１２１１の一方の端部に設けられたつば部１２１２と、外側壁１２１１の他方の端部に設けられた吐出口１２１３とを備えている。例えば、図１０の（ｂ）に示したシリンジ１２０において、ピストン１２２をｘ軸正方向に押し込むことによって、シリンダ１２１の内部に収容された試料は、吐出口１２１３からシリンダ１２１の外部へ押し出される。

図１０の（ａ）に示すように、顕微鏡１５０は、鏡台１５１と、鏡柱１５２と、ステージ１５３と、調整ダイヤル１５４と、対物レンズ１５５Ａ，１５５Ｂと、ターレット１５６と、鏡筒１５７と、ＣＣＤセンサ１５８と、光源１５９とを備えている。

鏡台１５１は、顕微鏡１５０の基部をなす金属製のブロックである。鏡台１５１の上面上には、鏡柱１５２が起立した状態で固定されている。また、鏡台１５１の上面上には、鏡筒１５７を保持する保持部材（図１０には不図示）が固定されている。

鏡柱１５２は、その上端部近傍に、ステージ１５３と光源１５９とを保持している。ステージ１５３は、鏡柱１５２の中途に設けられた調整ダイヤル１５４を用いることによって、対物レンズ１５５Ａ又は対物レンズ１５５Ｂとの距離が該対物レンズの作動距離に整合するように、その高さを調整することができる。

図１０の（ｂ）に示すように、ステージ１５３の上面上には、３つの補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃを備えた補正レンズシステム１５３１が配置されている。補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々は、第１の実施形態に係る補正レンズ１０と同様に構成されている。ただし、シリンジ１２０内の広い範囲を観察可能にするために、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々は、それぞれ、観察位置Ｚｓが異なる第１の光透過面を有する。本実施形態において、（１）補正レンズ１１０Ａは、第１の実施例群に係る補正レンズ１０Ａと同様に構成されており、Ｚｓ＝０ｍｍである第１の光透過面を有し、（２）補正レンズ１１０Ｂは、第１の実施例群に係る補正レンズ１０Ｂと同様に構成されており、Ｚｓ＝＋０．８ｍｍである第１の光透過面を有し、（３）補正レンズ１１０Ｃは、第１の実施例群に係る補正レンズ１０Ｃと同様に構成されており、Ｚｓ＝−０．８ｍｍである第１の光透過面を有する。

補正レンズシステム１５３１は、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々の第１の光透過面の外縁部を下方から保持する保持部（図１０の（ｂ）には不図示）を更に供えている。この保持部によって、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々は、第２の光透過面が光源１５９と対向するように、換言すれば、第１の光透過面が対物レンズ１５５Ａ，１５５Ｂと対向するように、ステージ１５３の上面上に設置されている。

補正レンズシステム１５３１は、ステージ１５３の上面上に設けられたスライド部（図１０の（ｂ）には不図示）を更に備えている。そのため、補正レンズシステム１５３１は、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃをｙ軸方向に沿ってスライドさせることができる。この構成によれば、ユーザは、顕微鏡１５０の光軸上に配置する補正レンズを補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの中から容易に選択することができる。

また、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃを構成する第２の光透過面が光源１５９と対向するように配置されている。なお、光源１５９は、透過照明用の光源である。

補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃを構成する第２の光透過面が光源１５９と対向するように配置されていることにより、ユーザは、選択した補正レンズ（図１０の（ｂ）においては補正レンズ１１０Ａ）の第２の光透過面上にシリンジ１２０の外側壁１２１１を容易に載置することができる。したがって、ステージ１５３の上面上に、シリンジ１２０を容易に固定することができる。

なお、ステージ１５３の上面上には、保持部１５３２Ａ〜１５３２Ｃの各々が設置されている。ここでは、保持部１５３２Ａを例に説明するが、保持部１５３２Ｂ及び保持部１５３２Ｃは、対をなす補正レンズが異なる以外、保持部１５３２Ａと同様に構成されている。

保持部１５３２Ａは、補正レンズ１１０Ａと対をなす保持部である。シリンジ１２０の外側壁１２１１が補正レンズ１０Ａの第２の光透過面上に載置された場合に、外側壁１２１１の中心軸がｘ軸に沿うように、つば部１２１２を保持する（図１０の（ｂ）参照）。また、保持部１５３２Ａは、ステージ１５３の上面上に設けられたスライド部（図１０の（ｂ）に不図示）によって、ｘ軸方向に沿ってスライドする。この構成によれば、ユーザは、シリンダ１２１の内部に収容された試料の観察する位置を、シリンダ１２１の中心軸方向（ｘ軸方向）に沿って容易に移動することができる。

顕微鏡１５０がこのように構成されたステージ１５３を備えていることによって、ユーザは、シリンジ１２０の内部に収容された試料を、顕微鏡１５０の光軸上に容易に配置することができる。

また、図１０の（ｂ）に示すように、光源１５９の下層には、偏光フィルタ１６０が設けられている。偏光フィルタ１６０は、ユーザの意思に応じて、顕微鏡１５０の光軸上に配置することも、顕微鏡１５０の光軸を避けて配置することもできる。ユーザは、偏光観察を実施したい場合に、偏光フィルタ１６０と、後述する鏡筒１５７内に設置された偏光フィルタとを顕微鏡１５０の光軸上に配置する。

対物レンズ１５５Ａ及び対物レンズ１５５Ｂの各々の倍率は、互いに異なるように選択されている。ターレット１５６は、鏡筒１５７の上端に対して回転自在なように固定されている。ターレット１５６は、４つの対物レンズポートを備えており、本実施形態においては、そのうちの２つの対物レンズポートに対物レンズ１５５Ａ，１５５Ｂが装着されている。ユーザは、ターレット１５６を回転させることによって、対物レンズ１５５Ａ，１５５Ｂのうち好ましい倍率を有する対物レンズを選択することができる。

鏡筒１５７の内部には、偏光フィルタ１６０と対をなす偏光フィルタ（図１０の（ａ）には不図示）と、落射照明用の光源（図１０の（ｂ）には不図示）と、接眼レンズとが収容されている。

また、鏡筒１５７の下端部には、撮像素子であるＣＣＤセンサ１５８が、その受光面を上向きに配置されている。このように、顕微鏡１５０は、倒立型の顕微鏡である。

ＰＣ１７０は、ＣＣＤセンサ１５８を制御することによって顕微鏡像を表すデジタルデータを取得するとともに、取得した顕微鏡像を表すデジタルデータの画像処理を行う。

このように構成された顕微鏡システムを用いることによって、ユーザは、シリンジ１２０を構成するシリンダ１２１の内部に収容された試料を容易に拡大観察することができ、且つ、拡大観察した結果得られた顕微鏡像を表すデジタルデータを容易に取得することができる。

なお、本実施形態においては、顕微鏡１５０が３つの補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃを備えた補正レンズシステムを備えているものとして説明した。しかし、顕微鏡１５０は、１つの補正レンズのみを備えるように構成されていてもよい。

〔第２の実施例〕
本発明の第２の実施例として、図１０に示した顕微鏡１５０と、ＰＣ１７０とによって構成される顕微鏡システムを製作した。本実施例において、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々は、それぞれ、第１の実施例群に記載の補正レンズ１０Ａ〜１０Ｃの各々と同様に構成されている。この顕微鏡システムを用いて、表１に記載した伊藤製作所製のシリンジを構成するシリンダの内部に収容された複数のラテックスビーズを拡大観察した。

ラテックスビーズの直径は、１０μｍである。このような複数のラテックスビーズを寒天に分散させた状態でシリンダ内に充填した。図１１に示した顕微鏡像は、３つの観察位置Ｚｓ、すなわち、Ｚｓ＝＋０．８ｍｍ（シリンジ中央より対物レンズ側に０．８ｍｍ），０ｍｍ（シリンジ中央），−０．８ｍｍ（シリンジ中央より透過照明側に０．８ｍｍ）に位置するラテックスビーズを、補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々で観察した結果として得られた顕微鏡像である。

図１１を参照すれば、（１）補正レンズ１１０Ａを選択することによって、シリンジの中央に位置するラテックスビーズの鮮明な顕微鏡像を取得することができ、（２）補正レンズ１１０Ｂを選択することによって、シリンジの中央から対物レンズ側に０．８ｍｍの場所に位置するラテックスビーズの鮮明な顕微鏡像を取得することができ、（３）補正レンズ１１０Ｃを選択することによって、シリンジの中央から透過照明側に０．８ｍｍの場所に位置するラテックスビーズの鮮明な顕微鏡像を取得することができることが分かった。また、上述した以外の組み合わせでは、ラテックスビーズの鮮明な顕微鏡像を取得できないことが分かった。

〔適用例〕
本発明の一態様である補正レンズ２１０の適用例について、図１２を参照して説明する。図１２は、補正レンズ２１０の適用例を示す概念図である。本適用例において用いる補正レンズ２１０は、第１の実施例群の補正レンズ１０Ａと同様に構成されている。

補正レンズ２１０は、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）を用いた膜タンパク質結晶のＸ線構造解析用の試料（膜タンパク質結晶）を、円筒形であり透明な容器であるシリンジの外側壁越しに観察する場合に好適に用いることができる。本適用例においては、図１２の（ｂ）に示すように、顕微鏡２５０及び補正レンズ２１０を用いてシリンジ４２０の内部に収容された膜タンパク質結晶を観察する。本適用例において用いるシリンジ２２０，３２０，４２０の各々は、それぞれ、第２の実施形態において説明したシリンジ１２０と同様に構成されている。また、本適用例において用いる顕微鏡２５０は、第１の実施形態において説明した顕微鏡５０と同様に構成されている。

膜タンパク質は、細胞内外のシグナルや物質などの輸送を担うタンパク質であり、創薬ターゲットとして極めて重要なタンパク質である。ＸＦＥＬを用いたシリアルフェムト秒Ｘ線構造解析法（ＳＦＸ）は、膜タンパク質結晶の立体構造を調べるための有効な手法である。

この膜タンパク質結晶の立体構造は、例えば国内では、ＳＡＣＬＡ（SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser）において進められている。ＳＡＣＬＡは、日本における唯一のＸＦＥＬ施設である。そのため、多くの研究者は、限られたリソースを分かち合いながらＳＡＣＬＡを利用している。したがって、その限られたリソースを最大限に活用するために、ＳＡＣＬＡにおける膜タンパク質結晶のＸ線構造解析においては、高い実験効率（高い成功率）が求められる。そのために、Ｘ線構造解析の前段階において高品質な（ＳＦＸ実験に最適のサイズと密度を持った）膜タンパク質結晶を成長させておき、これらの高品質な膜タンパク質結晶を用いてＸ線構造解析を実施することが求められる。

膜タンパク質を結晶化するための方法として、脂質メソフェーズ結晶化法が知られている。脂質メソフェーズ結晶化法は、典型的には６０部の脂質と４０部の膜タンパク質溶液とを混合し、膜タンパク質を脂質キュービック相内に再構成した膜タンパク質含有脂質キュービック相を得ることからスタートする。高粘度の脂質と膜タンパク質溶液とを均一に混合するために、例えば、脂質が充填されたシリンジ２２０と、膜タンパク質溶液が充填されたシリンジ３２０とを好適に用いることができる。

図１２の（ａ）に示すように、脂質が充填されたシリンジ２２０と膜タンパク質溶液が充填されたシリンジ３２０とを中央に連結穴を有するカップラー４００を介して互いに連結する。シリンジ２２０のピストン２２２及びシリンジ３２０のピストン３２２の各々を交互にスライドさせることによって、脂質と膜タンパク質溶液とを均一に混合し膜タンパク質含有脂質キュービック相を得る。次いでピストン３２２をスライドさせて膜タンパク質含有脂質キュービック相の全量をシリンジ２２０に集める。次いで、この膜タンパク質含有脂質キュービック相が充填されたシリンジ２２０とシリンジ４２０とをカップラー４００を介して結合し、シリンジ２２０のピストン２２２をスライドさせ、膜タンパク質含有脂質キュービック相をシリンダ４２１内に移す。シリンジ４２０は、膜タンパク質含有脂質キュービック相内の膜タンパク質を結晶化させるための結晶化剤水溶液４３０を前もって充填した、結晶化用のシリンジである。したがって、膜タンパク質含有脂質キュービック相内に含有された膜タンパク質は、シリンジ４２０内の結晶化剤水溶液４３０の作用で結晶化が誘起され、脂質キュービック相４４１中に分散した膜タンパク質結晶４４０が生成される（シリンジ４２０の拡大図参照）。

図１２の（ｂ）に示すように、補正レンズ２１０をシリンジ４２０のシリンダ４２１と顕微鏡２５０の対物レンズとの間に挿入することによって、生成された膜タンパク質結晶４４０をシリンジ４２０の外部に取り出すことなく観察することができる。そのため、補正レンズ２１０を用いることによって以下の効果を得ることができる。

（１）顕微鏡２５０のステージ上においてシリンジ４２０の内部において進む膜タンパク質の結晶化の過程をその場観察することができるため、結晶化スクリーニングに利用できる。

（２）Ｘ線構造解析の前段階において、貴重な膜タンパク質結晶４４０を無駄にすることなく膜タンパク質結晶４４０のサイズと密度を確認することができる。

（３）シリンジ２２０の内部に収容された状態における、膜タンパク質結晶４４０のサイズ及び密度分布に関する情報を得ることができる。

このようにして膜タンパク質結晶４４０の品質を事前に評価しておくことによって、高品質な膜タンパク質結晶４４０（Ｘ線構造解析を実施する価値のある膜タンパク質結晶４４０）を予め選択することができる。

これらの選択された高品質な膜タンパク質結晶４４０は、ＸＦＥＬ設備に持ち込まれ、Ｘ構造解析を実施される。図１２の（ｃ）に示すように、脂質キュービック相４４１中に分散した膜タンパク質結晶４４０は、シリンジ４２０から実験施設に備え付けられたインジェクター５２０に移される。インジェクター５２０の吐出口から膜タンパク質結晶４４０が吐出される。その吐出された膜タンパク質結晶４４０に対してＸ線を照射することによって、膜タンパク質結晶４４０のＸ線構造解析を実施することができる。

〔第３の実施例〕
図１０に図示した顕微鏡１５０と、ＰＣ１７０とによって構成される顕微鏡システムを用いて、実際に脂質キュービック相４４１中に分散した状態で結晶化させた膜タンパク質結晶４４０を拡大観察した結果を図１３に示す。図１３の（ａ）は、顕微鏡１５０を用いて膜タンパク質結晶４４０を拡大観察した結果得られた顕微鏡像である。図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）に示した顕微鏡像と同視野の顕微鏡像であって、偏光観察した結果得られた顕微鏡像である。

図１３の（ａ）を参照すれば、脂質キュービック相４４１中に分散した膜タンパク質結晶４４０が鮮明に確認できる。したがって、本実施例の顕微鏡システムを用いて拡大観察を実施することによって、膜タンパク質結晶４４０の鮮明な顕微鏡像を得られることが分かった。

図１３の（ｂ）を参照すれば、図１３の（ａ）と比較して、膜タンパク質結晶４４０に干渉色が現れ、明瞭な結晶の色調変化が確認できる。したがって、本実施例の顕微鏡システムを用いて偏光観察を実施することによって、偏光観察の効果が得られていることが分かった。なお、顕微鏡１５０が備えている補正レンズシステム１５３１を構成する補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃは、ＰＭＭＡ樹脂製である。これらの補正レンズ１１０Ａ〜１１０Ｃの各々を光学レンズ製の補正レンズに置き換えることによって、偏光観察により得られる効果を更に高めることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０ 補正レンズ
１１ 光透過面（第１の光透過面）
１２ 光透過面（第２の光透過面）
１３ フランジ
１３１ 外縁部
１３２ 外縁部
２０ 容器（円筒形の外側壁を有する透明容器）
２１ 収容部
２１１ 外側壁
２２ 蓋
３０ 溶媒
４０ 試料（対象物）
５０，１５０ 顕微鏡
５１，１５１ 鏡台
５２，１５２ 橋柱
５２１ 上端部
５３，１５３ ステージ
５４，１５４ 調整ダイヤル
５５，１５５ 対物レンズ
５６，１５６ 接眼レンズ
１２０，２２０，３２０ シリンジ
１２１，２２１，３２１ シリンダ
１２１１ 外側壁
１２１２，２２１２，３２１２ フランジ
１２２，２２２，３２２ ピストン

Claims (11)

1. 円筒形の外側壁を有し且つ透光性を有する容器内に収容された対象物の観察に用いる補正レンズを複数備えた補正レンズシステムであって、
   複数の補正レンズの各々は、互いに対向する第１の光透過面及び第２の光透過面を備え、
   複数の補正レンズの各々の前記第１の光透過面の形状は、トーリック面又はトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面であり、
   複数の補正レンズの各々の焦点位置は、それぞれ、前記容器の内部の異なる位置に対応している、
   ことを特徴とする補正レンズシステム。
2. 前記第１の光透過面は、トーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の補正レンズシステム。
3. 前記第２の光透過面の形状は、前記容器の前記外側壁に沿う円筒面である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の補正レンズシステム。
4. 前記複数の補正レンズの各々を保持する保持部を更に備え、
   当該保持部は、前記複数の補正レンズのうち任意に選択した補正レンズを所定の位置に載置できるようにスライドするスライド部を備えている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の補正レンズシステム。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の補正レンズシステムを備えている、
   ことを特徴とする顕微鏡。
6. 円筒形の外側壁を有する透明容器であって、
   当該外側壁に対して着脱可能な補正レンズシステムであって、請求項１〜３の何れか１項に記載の補正レンズシステムを備えている、
   ことを特徴とする透明容器。
7. 円筒形の外側壁を有し且つ透光性を有する容器内に収容された対象物の観察に用いる補正レンズであって、
   互いに対向する第１の光透過面及び第２の光透過面と、
   前記第１の光透過面及び前記第２の光透過面の外縁を取り囲む領域に設けられた板状部材であるフランジと、を備え、
   前記第１の光透過面の形状は、トーリック面又はトーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である、
   ことを特徴とする補正レンズ。
8. 前記第１の光透過面は、トーリック面を非球面多項式にて補正した非軸対称非球面である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の補正レンズ。
9. 前記第２の光透過面の形状は、前記容器の前記外側壁に沿う円筒面である、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の補正レンズ。
10. 前記請求項７〜９の何れか１項に記載の補正レンズを備えている、
    ことを特徴とする顕微鏡。
11. 円筒形の外側壁を有する透明容器であって、
    当該外側壁に対して着脱可能な補正レンズであって、前記請求項７〜９の何れか１項に記載の補正レンズを備えている、
    ことを特徴とする透明容器。