JP7215835B2

JP7215835B2 - 顕微鏡のための液浸対物レンズ

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Publication number: JP7215835B2
Application number: JP2018081573A
Authority: JP
Inventors: シュルツクリスティアン; シューマンクリスティアン
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: DE102017108595B3; CN108732738B; CN108732738A; US20180307021A1; JP2018185510A; US20200393662A1; US10732395B2

Description

本発明は、顕微鏡のための液浸対物レンズに関する。この液浸対物レンズは、正の屈折力の第１のレンズグループと、正の屈折力の第２のレンズグループと、負の屈折力の第３のレンズグループと、正の屈折力の第４のレンズグループと、を含んでおり、これらのレンズグループはこの順序で、対象物側から配置されている。ここで第２のレンズグループは、球面収差に関する補正作用を得るために、第２のレンズグループと第１のレンズグループとの間の間隔と、第２のレンズグループと第３のレンズグループとの間の間隔と、の総計が一定であるように、光軸に沿って動かされる。

従来技術から、顕微鏡のための特定の液浸対物レンズが公知であり、これによって操作者は、試料空間の可変の光学的な特性によって生じてしまう結像エラーを補正することができる。このような結像エラーは、たとえば球面収差であり、これは、使用されている浸液の濃度の変動によって、または観察されるべき試料の生物学的な構造の不均一性によって生じてしまう。特に、開口数が高い対物レンズの場合、動作間隔が大きい場合および対物レンズと試料との間のビーム路における屈折率の差が大きい場合、しばしば、大きい球面収差が生じてしまう。

米国特許第８７０５１７８号明細書（US 8 705 178 B2)から、正の屈折力の第１のレンズグループと、正の屈折力の第２のレンズグループと、負の屈折力の第３のレンズグループと、正の屈折力の第４のレンズグループと、を含んでいる、顕微鏡のための対物レンズが公知であり、これらのレンズグループは、この順序で、対象物側から配置されている。第２のレンズグループは、球面収差を補正するために、光軸に沿って動く補正用構成部分を形成する。ここで、第２のレンズグループは、対物レンズの総合屈折力とほぼ同じまたは対物レンズの総合屈折力よりも大きい屈折力を有している。しかしこの対物レンズは、液浸対物レンズとしての使用に適していない。

同様に、唯一の、光軸に沿って動く補正用構成部分を有しているさらなる対物レンズが、米国特許第５９４０２２０号明細書（US 5 940 220 B2)から公知である。上述した対物レンズと比べて、ここでは、光軸に沿って動く補正用構成部分の屈折力は、対物レンズの総合屈折力に対して小さい。補正作用は、補正用構成部分がシフトすることによって変化する、拡散性または収束性のビーム路内の補正用構成部分の位置から得られる。補正用構成部分のこの比較的小さい屈折力は、大きい補正作用を得るために、対物レンズが長い、構造的な長さを有していなければならず、かつ対物レンズの直径がこの構造的な長さとともに増大するという欠点を有している。これは多くの顕微鏡用途において欠点である。

最後に、独国特許出願公開第１０２００４０５１３５７号明細書（DE 10 2004 051 357 A1)から、球面収差を補正するために複数のレンズグループが動かされる液浸対物レンズが公知である。このような構造の特徴は、機構的な複雑性が高いということであり、この複雑性は高い製造コストと、修理に対する高い脆弱性とを伴う。

このような従来技術から出発して、本発明の課題は、操作者が球面収差を確実に補正することを可能にする、簡易かつコンパクトに構成される液浸対物レンズを提供することである。

上述の課題は、正の屈折力の第１のレンズグループと、正の屈折力の第２のレンズグループと、負の屈折力の第３のレンズグループと、正の屈折力の第４のレンズグループと、を含んでおり、これらのレンズグループが、この順序で、対象物側から配置されている、顕微鏡のための液浸対物レンズによって解決される。ここで第２のレンズグループは、球面収差に関する補正作用を得るために、第２のレンズグループと第１のレンズグループとの間の間隔と、第２のレンズグループと第３のレンズグループとの間の間隔と、の総計が一定であるように、光軸に沿って動かされ、ここで、第２のレンズグループの補正作用は、零とこの液浸対物レンズの公称開口との間にある中間開口数に相当する光入射に対する球面収差が最小化されているように予め定められている。

第２のレンズグループの補正作用の上述した要求事項は、次のことを意味する。すなわち、本発明の液浸対物レンズにおいては、第２のレンズグループが、球面収差の補正のために、光軸に沿って動かされるときに、零と液浸対物レンズの公称開口との間の中間開口数に相当する、光軸に対する開口角または光軸上の高さで液浸対物レンズに入射する光ビームの像側の焦点距離が実質的に変化しないで保たれる、ということを意味する。液浸対物レンズの公称開口はここで、最大開口数を規定する。上述した要求事項は、第２のレンズグループが動く際に、最良の設定面、すなわち場合によっては依然として存在している球面収差を考慮して最良に調整された焦点位置が変化しないで保たれるように、近軸焦点の位置が変化することを保証する。特にこれは、液浸対物レンズの点拡がり関数、略してＰＳＦが、第２のレンズグループの位置調整時に、実質的に位置固定されたままである、ということを意味する。これによって本発明の液浸対物レンズは、特に、共焦点顕微鏡検査において、良好に使用可能になる。さらに、本発明の液浸対物レンズは、良好に、ライトシート顕微鏡検査において使用される。なぜなら、シート照明を伴う、本発明の液浸対物レンズによって規定される検出面の、予め存在している共平面性が、第２のレンズグループの位置調整時に存在し続けるからである。

中間開口数は、有利な構成では、液浸対物レンズの公称開口の０．６５倍～０．７５倍の開口領域にある。この領域は特に、共焦点顕微鏡検査における使用の場合に有利であることが判明している。

有利な構成では、第２のレンズグループの屈折力Ｄ_２は、最小で、対物レンズの総合屈折力Ｄの１０分の１であり、最大で３分の１である。

一方では、これによって、第２のレンズグループの屈折力は、総合屈折力に比べて、ＰＳＦの位置に対するその影響がほぼ無視できる程度に小さくなる。他方では、第２のレンズグループの屈折力は十分に大きく、したがってコンパクトな構造、特に対物レンズの短い構造的な長さと同時に、十分な補正作用が得られる。

第１のレンズグループは、有利な構成では、正の屈折力の第１のレンズと、負の屈折力の第２のレンズと、正の屈折力の第３のレンズと、を含んでおり、これらのレンズは、この順序で、対象物側から配置されており、ここで第１のレンズは第２のレンズと貼り合わされている。

特に有利な構成では第１のレンズは平凸レンズであり、第２のレンズはメニスカスレンズであり、第３のレンズは両凸レンズである。

有利な構成では、第２のレンズグループは、相互に貼り合わされている、負の屈折力の第４のレンズと、正の屈折力の第５のレンズと、を含んでいる。

有利な実施形態では、第４のレンズはメニスカスレンズであり、第５のレンズは両凸レンズである。

第３のレンズグループは、さらなる有利な構成において、有利には両凸レンズである正の屈折力の第６のレンズと、有利には両凹レンズである、負の屈折力の第７のレンズと、を含んでおり、これらのレンズは、この順序で、対象物側から配置されており、かつ相互に貼り合わされている。この構成によって、補正用構成部分として、第３のレンズグループが、特に色消しレンズとして実現され、これによって色収差が補正される。

さらなる有利な構成において、第４のレンズグループは、負の屈折力の第８のレンズと、正の屈折力の第９のレンズと、を含んでおり、これらのレンズは、この順序で、対象物側から配置されている。第８のレンズおよび第９のレンズは、特に有利な構成では、それぞれメニスカスレンズとして構成されている。

有利な発展形態では、液浸対物レンズは、手動で操作可能な駆動部を有しており、この駆動部によって、第２のレンズグループが光軸に沿って動かされる。手動の駆動部はたとえば、ローレットリングによって形成されており、ローレットリングの回転は、伝動装置によって、第２のレンズグループの長手方向運動に変換される。

さらなる有利な発展形態では、液浸対物レンズはモータによる駆動部を有しており、この駆動部によって、第２のレンズグループが光軸に沿ってモータで動かされる。この駆動部はたとえば、伝動装置を介してカーブ要素を動かすモータを含んでいる。駆動部の択一的な構成においては、第２のレンズグループがネジ付きスピンドルおよびナットを用いて、またはラックを用いて、モータで動かされてもよい。

本発明はさらに、上述したような液浸対物レンズを備える顕微鏡、特に共焦点顕微鏡、多光子顕微鏡またはライトシート顕微鏡を提供する。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明を添付の図面に関連して、実施例に基づいて詳細に説明している以降の明細書に記載されている。

液浸対物レンズの実施例の概略的な断面図種々の補正設定に対する、開口数に関連する、図１に示された液浸対物レンズに入射する光ビームの球面収差図１に示された液浸対物レンズを有している顕微鏡の実施例の概略図

図１は、実施例として、液浸対物レンズ１０を、光軸Ｏに沿った断面で示している。

液浸対物レンズ１０は、試料４２が配置されている試料空間４４に向けられている。試料空間４４内には、浸液４０、たとえば水、グリセリンまたは特別な液浸オイルが存在している。

液浸対物レンズ１０は、正の屈折力の第１のレンズグループ１２と、正の屈折力の第２のレンズグループ１４と、負の屈折力の第３のレンズグループ１６と、正の屈折力の第４のレンズグループ１８と、を含んでおり、これらのレンズグループは、この順序で、試料４２から、すなわち対象物側から配置されている。ここで第２のレンズグループ１４だけが、球面収差の補正のために可動に構成されている。すなわち、第１のレンズグループ１２、第３のレンズグループ１６および第４のレンズグループ１８は固定されている。

第１のレンズグループ１２は、対象物側から見て、対象物側の平らな面Ｆ１および像側の凸状の面Ｆ２を備える、正の屈折力の第１のレンズ２０と、対象物側の凹状の面Ｆ３および像側の凸状の面Ｆ４を備える、負の屈折力の第２のレンズ２２と、２つの凸状の面Ｆ５およびＦ６を備える、正の屈折力の第３のレンズ２４と、を含んでおり、ここで第１のレンズ２０の凸状の面Ｆ２と第２のレンズ２２の凹状の面Ｆ３とは相互に貼り合わされている。第２のレンズ２２は、対象物側で斜角面２３を有している。

第２のレンズグループ１４は、対象物側から見て、対象物側で凸状の面Ｆ７を備え、像側で凹状の面Ｆ８を備える、負の屈折力の第４のレンズ２６と、２つの凸状の面Ｆ９およびＦ１０を備える、正の屈折力の第５のレンズ２８と、を含んでおり、ここで第４のレンズ２６の凹状の面Ｆ８と第５のレンズ２８の対象物側の面Ｆ９とは相互に貼り合わされている。第２のレンズグループ１４はこのようにして、唯一の補正用構成部分を形成している。補正用構成部分としての第２のレンズグループ１４のこのような構成によって、コンパクトな対物レンズ構造が得られる。なぜなら、球面収差の補正のために、１つのレンズ構成部分だけが動かされればよいからである。

第３のレンズグループ１６は、対象物側から見て、２つの凸状の面Ｆ１１およびＦ１２を備える、正の屈折力の第６のレンズ３０と、２つの凹状の面Ｆ１３およびＦ１４を備える、負の屈折力の第７のレンズ３２と、を含んでおり、ここで第６のレンズ３０の像側の面Ｆ１２と第７のレンズ３２の対象物側の面Ｆ１３とは相互に貼り合わされている。両凹レンズ３２は、像側で斜角面３３を有している。

第４のレンズグループ１８は、対象物側から見て、対象物側で凹状の面Ｆ１７を備え、像側で凸状の面Ｆ１８を備える、負の屈折力の第８のレンズ３４と、対象物側で凹状の面Ｆ１９を備え、像側で凸状の面Ｆ２０を備える、正の屈折力の第９のレンズ３６と、を含んでいる。図１に示された実施例では、第８のレンズ３４は、像側で斜角面３５を有している。

表１は、図１に示された対物レンズ１０のレンズデータを示している。各レンズ面の曲率半径もしくは後続の面に対する間隔は、単位ｍｍで示されている。さらに、表１には、５４６．０７３ｎｍの波長のもとでの、使用されているガラスの屈折率ｎ_ｅと、アッベ数ｖ_ｅと、が示されている。これらの面は、対象物側から順に番号付けされている。さらに、図１において使用されている参照符号が示されている。

第２のレンズグループ１４は、光軸Ｏに沿って運動可能であるので、レンズ面Ｆ６とＦ７との間の間隔、ならびにレンズ面Ｆ１０とＦ１１との間の間隔は可変である。これらは図１および表１において参照符号Ｖ１もしくはＶ２で示されている。それらの総計は一定であり、図示の実施例では７．３３ｍｍである。

操作者がたとえば、図１に図示されていないローレットリングを操作することによって、第２のレンズグループ１４を光軸Ｏに沿って動かすことで、試料空間４４内の可変の光学的な特性によって生じる結像エラー、特に球面収差が補正される。このような結像エラーの原因は、特に、使用されている浸液４０の濃度の変動または試料４２の生物学的な構造における不均一性である。

第２のレンズグループ１４の屈折力Ｄ_２は、最小で、液浸対物レンズ１０の総合屈折力Ｄの１０分の１であり、最大で３分の１である。コンパクトな構造、特に、大きい補正作用と同時に液浸対物レンズ１０の短い構造的な長さを実現するために、上述した最大値付近の第２のレンズグループ１４の高い屈折力が有利である。

第１のレンズグループ１２と第２のレンズグループ１４との間の間隔Ｖ１、もしくは第２のレンズグループ１４と第３のレンズグループ１６との間の間隔Ｖ２は、特に、使用されている浸液４０に応じて、操作者によって整合されてよい。浸液４０が水の場合には、図示の実施例では、値Ｖ１＝６．５３ｍｍおよびＶ２＝０．８０ｍｍを有する最適な補正状態が得られる。グリセリンが浸液４０として使用される場合には、値Ｖ１＝５．８１ｍｍおよびＶ２＝1．５２ｍｍである。表１では、例示的に、浸液４０として水を使用する場合に生じる値が示されている。

図２は、第２のレンズグループ１４の種々の補正設定に対する、液浸対物レンズ１０の、量Δｚによって特徴付けされる球面収差を概略的に示している。これは開口数ＮＡに関連し、特にＮＡの二乗の関数である。この量Δｚは具体的に、近軸の画像点からの像側の焦点距離の偏差を示している。

部分図２ａ）は、球面収差がほぼ補正されている、第２のレンズグループ１４の最適な状態、すなわち第２のレンズグループ１４の位置に対する液浸対物レンズ１０の球面収差Δｚを示している。

部分図２ｂ）は、像側で最適な状態の第２のレンズグループ１４の位置に対する液浸対物レンズ１０の球面収差Δｚを示している。この状態では、図示の実施例において、開口数が小さい領域が過度に補正されている。液浸対物レンズ１０の公称開口の近傍の、開口数が大きい領域の補正は不足している。

部分図２ｃ）は、対象物側で最適な状態の第２のレンズグループ１４の位置に対する液浸対物レンズ１０の球面収差Δｚを示している。部分図２ｂ）にしたがった設定とは異なり、ここでは、開口数が小さい領域の補正が不足している。他方で、液浸対物レンズ１０の公称開口の近傍の、開口数が大きい領域は過度に補正されている。

本発明では、零と液浸対物レンズ１０の公称開口との間の開口領域に位置する中間開口数ＮＡに対する球面収差Δｚが最小化されている。図示の実施例では、選択された開口数は、液浸対物レンズ１０の公称開口の０．７倍である。

図３は、概略図において、顕微鏡１００の実施例を示している。この顕微鏡は、図１に示された液浸対物レンズ１０を有している。

顕微鏡１００の照明ビーム路１０１には、光源１０２、視野絞り１０４、照明レンズ１０６、ダイクロックビームスプリッタ１０８、液浸対物レンズ１０および浸液４０が配置されている。光源１０２は照明光を発する。この照明光は特に、蛍光を発するように試料４２を励起する光であってよい。照明光は視野絞り１０４によって空間的に制限され、照明レンズ１０６の通過後に、ダイクロックビームスプリッタ１０８に入射する。ダイクロックビームスプリッタ１０８は、ダイクロックビームスプリッタが照明光を液浸対物レンズ１０に向けるように配置されている。液浸対物レンズ１０および浸液４０を通過した後、照明光は試料４２に達する。

顕微鏡１００の検出ビーム路１０３では、対象物側から見て、浸液４０、液浸対物レンズ１０、ダイクロックビームスプリッタ１０８およびチューブレンズ１１０が配置されている。液浸対物レンズ１０の焦点面Ｆに配置されている試料４２は、検出光を発する。これは特に、蛍光であってよい。検出光は、浸液４０および液浸対物レンズ１０を通過した後、検出光を透過させるダイクロックビームスプリッタ１０８に入射する。ビームスプリッタ１０８を通過した後、検出光はチューブレンズ１１０に入射する。チューブレンズは、検出光を像平面Ｂ上で結束し、ここでこのようにして試料４２の像が作成される。

液浸対物レンズ１０には、一般的に、参照番号５０が付けられた駆動部が配置されている。この駆動部５０によって操作者は、結像エラー、特に球面収差を補正することができる。駆動部５０はたとえばローレットリングであり、ローレットリングの回転は、図３に示されていない伝動装置によって、液浸対物レンズ１０の補正用構成部分を形成する第２のレンズグループ１４の、光軸Ｏに沿った動きに変換され、これによって、所望の補正作用が得られる。択一的に、第２のレンズグループ１４が駆動部５０によってモータで動かされてよい。このために、駆動部５０はたとえば、伝動装置を介してカーブ要素を動かすモータを含んでおり、これによって、第２のレンズグループ１４を光軸Ｏに沿ってシフトさせることができる。択一的に第２のレンズグループ１４が、ネジ付きスピンドルおよびナットを用いて、またはラックを用いて、モータで動かされてもよい。

１０液浸対物レンズ
１２第１のレンズグループ
１４第２のレンズグループ
１６第３のレンズグループ
１８第４のレンズグループ
２０，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６レンズ
２３，３３，３５斜角面
４０浸液
４２試料
４４試料空間
Ｆ１－Ｆ１８レンズ面
５０駆動部
１００顕微鏡
１０１照明ビーム路
１０２光源
１０３検出ビーム路
１０４視野絞り
１０６照明レンズ
１０８ダイクロックビームスプリッタ
１１０チューブレンズ
Ｂ像平面
Ｆ焦点面
Ｏ光軸

Claims

顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）であって、
前記液浸対物レンズ（１０）は、正の屈折力の第１のレンズグループ（１２）と、正の屈折力の第２のレンズグループ（１４）と、負の屈折力の第３のレンズグループ（１６）と、正の屈折力の第４のレンズグループ（１８）と、からなり、
前記第１のレンズグループ（１２）、前記第２のレンズグループ（１４）、前記第３のレンズグループ（１６）および前記第４のレンズグループ（１８）は、対象物側から記載の順序で配置されており、
前記第１のレンズグループ（１２）は、正の屈折力の第１のレンズ（２０）と、負の屈折力の第２のレンズ（２２）と、正の屈折力の第３のレンズ（２４）と、からなり、
前記第１のレンズ（２０）、前記第２のレンズ（２２）および前記第３のレンズ（２４）は、対象物側から記載の順序で配置されており、
前記第１のレンズ（２０）は、前記第２のレンズ（２２）と貼り合わされており、
前記第１のレンズ（２０）は、平凸レンズであり、前記第２のレンズ（２２）は、メニスカスレンズであり、前記第３のレンズ（２４）は、両凸レンズであり、
前記第２のレンズグループ（１４）は、球面収差に関する補正作用を得るために、前記第２のレンズグループ（１４）と前記第１のレンズグループ（１２）との間の間隔（Ｖ１）と、前記第２のレンズグループ（１４）と前記第３のレンズグループ（１６）との間の間隔（Ｖ２）と、の総計が一定であるように、光軸（Ｏ）に沿って可動であり、
前記第３のレンズグループ（１６）は、正の屈折力の第６のレンズ（３０）と、負の屈折力の第７のレンズ（３２）と、からなり、
前記第６のレンズ（３０）および前記第７のレンズ（３２）は、対象物側から記載の順序で配置されており、前記第６のレンズ（３０）と前記第７のレンズ（３２）とは、相互に貼り合わされており、
前記第４のレンズグループ（１８）は、負の屈折力の第８のレンズ（３４）と、正の屈折力の第９のレンズ（３６）と、からなり、
前記第８のレンズ（３４）および前記第９のレンズ（３６）は、対象物側から記載の順序で配置されており、
前記第２のレンズグループ（１４）の補正作用は、零と前記液浸対物レンズ（１０）の公称開口との間にある中間開口数に相当する光入射に対する球面収差が最小化されているように予め定められていることを特徴とする、
顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記中間開口数は、前記液浸対物レンズ（１０）の公称開口の０．６５倍～０．７５倍の開口領域にある、
請求項１記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記第２のレンズグループ（１４）の屈折力は、最小で、前記液浸対物レンズ（１０）の総合屈折力の１０分の１であり、最大で３分の１である、
請求項１または２記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記第２のレンズグループ（１４）は、相互に貼り合わされている、負の屈折力の第４のレンズ（２６）と、正の屈折力の第５のレンズ（２８）と、からなる、
請求項１から３までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記第４のレンズ（２６）は、メニスカスレンズであり、前記第５のレンズ（２８）は、両凸レンズである、
請求項４記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記第６のレンズ（３０）は、両凸レンズであり、前記第７のレンズ（３２）は、両凹レンズである、
請求項１から５までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
前記第８のレンズ（３４）および前記第９のレンズ（３６）は、それぞれメニスカスレンズとして構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
手動で操作可能な駆動部（５０）を有しており、前記駆動部（５０）によって、前記第２のレンズグループ（１４）が前記光軸（Ｏ）に沿って可動である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
モータによる駆動部（５０）を有しており、前記駆動部（５０）によって、前記第２のレンズグループ（１４）が前記光軸（Ｏ）に沿って可動である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）のための液浸対物レンズ（１０）。
請求項１から９までのいずれか１項記載の液浸対物レンズ（１０）を備える顕微鏡（１００）、共焦点顕微鏡、多光子顕微鏡またはライトシート顕微鏡。