JP2020517992A - 顕微鏡用の補正対物レンズ - Google Patents

Abstract

補正対物レンズ（１０）が開示され、この補正対物レンズ（１０）は、正の屈折力の第１のレンズ群（１２）と、正の屈折力の第２のレンズ群（１４）と、負の屈折力の第３のレンズ群（１６）と、正の屈折力の第４のレンズ群（１８）と、を含んでおり、これらのレンズ群は、対象物側から記載の順序で配置されており、第２のレンズ群（１４）と第１のレンズ群（１２）との間の距離（Ｖ１）および第２のレンズ群（１４）と第３のレンズ群（１６）との間の距離（Ｖ２）の和が一定であるように、第２のレンズ群（１４）は、光軸（Ｏ）に沿って可動である。第２のレンズ群（１４）の結像縮尺は、−０．９〜−１．１の範囲にある。

Description

本発明は、顕微鏡用の補正対物レンズに関し、この補正対物レンズは、正の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群と、負の屈折力の第３のレンズ群と、正の屈折力の第４のレンズ群と、を含んでおり、これらのレンズ群は、対象物側から記載の順序で配置されており、第２のレンズ群と第１のレンズ群との間の距離および第２のレンズ群と第３のレンズ群との間の距離の和が一定であるように、第２のレンズ群が光軸に沿って可動である。

従来技術から、試料空間の可変の光学特性によって生じる収差の補正を操作者に可能にする、顕微鏡用の補正対物レンズが公知である。この収差は、例えば、カバーガラスの厚さの変動または観察すべきプレパラートの生体組織の不均一性によって生じる球面収差である。特に、対物レンズの開口数が高い場合、カバーガラスの変動が大きい場合、またプレパラートにおける屈折率差が大きい場合に、大きい球面収差が生じる。

米国特許第８７０５１７８号明細書から、正の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群と、負の屈折力の第３のレンズ群と、正の屈折力の第４のレンズ群と、を含んでおり、これらのレンズ群が、対象物側から記載の順序で配置されている、顕微鏡用の補正対物レンズが公知である。第２のレンズ群は、例えば、カバーガラスの厚さの変動によって生じる球面収差を補正するために、光軸に沿って可動である補正構成要素を形成する。この場合、第２のレンズ群は、補正対物レンズの総屈折力とほぼ同じ、またはそれよりも大きい屈折力を有している。

しかしながら、この補正対物レンズの欠点は、第２のレンズ群の移動時に、近軸焦点の位置が変化してしまうことである。したがって操作者は、試料の鮮明な像を得るために、焦点位置の補正および球面収差の補正を同時に行わなければならない。下記において、近軸焦点とは、近軸近似での対象物側の鮮明な点を意味する。

光軸に沿って可動である補正構成要素を同様に１つだけ有している、別の補正対物レンズが、米国特許第５９４０２２０号明細書から公知である。前述の補正対物レンズと比較すると、この補正対物レンズでは、光軸に沿って可動である補正構成要素の屈折力が、補正対物レンズの総屈折力よりも小さい。補正作用は、拡散性または収束性のビーム路内の補正構成要素の位置によってもたらされるが、その位置は、補正構成要素のスライドによって変化させることができる。補正構成要素の屈折力が比較的小さいということは、大きい補正作用を達成するためには、対物レンズが大きい構造長を有していなければならず、また構造長が大きくなるに連れ、対物レンズの直径も増大するという欠点を有しており、これは多くの顕微鏡用途において不利である。

最後に、独国特許出願公開第１０２００４０５１３５７号明細書からは、球面収差を補正するために複数のレンズ群が可動である、液浸対物レンズとして使用される補正対物レンズが公知である。この構造の特徴は、機構的な複雑性が高いということであるが、このように複雑性が高いことによって、製造コストも高くなり、また修理の頻度も高くなる。

この従来技術から出発して、本発明の課題は、近軸焦点の位置を変更することなく、球面収差の補正を操作者に可能にする、簡易かつ小型に形成された補正対物レンズを提供することである。

この課題は、正の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群と、負の屈折力の第３のレンズ群と、正の屈折力の第４のレンズ群と、を含んでおり、これらのレンズ群が、対象物側から記載の順序で配置されており、第２のレンズ群と第１のレンズ群との間の距離および第２のレンズ群と第３のレンズ群との間の距離の和が一定であるように、第２のレンズ群が光軸に沿って可動であり、第２のレンズ群の結像縮尺が、−０．９〜−１．１の範囲にある、補正対物レンズによって解決される。

本発明では、補正構成要素を形成し、したがって光軸に沿って可動である第２のレンズ群が、値−１前後の範囲の結像縮尺を有する。ここで、結像縮尺とは、第２のレンズ群を基準とした、対象サイズに対する像サイズの比率を表す。本発明に従い結像縮尺を選択することにより、一方では、焦点調整が補正調整の影響をほぼ受けなくなる。他方では、補正対物レンズの構造が小型になるように、第２のレンズ群の屈折力を大きく選定することができる。さらに、本発明による補正対物レンズは、可動である補正構成要素を１つだけしか有しておらず、このことは、構造の機械的複雑性を低減する。

１つの有利な構成では、第２のレンズ群の屈折力Ｄ₂は、補正対物レンズの総屈折力Ｄの少なくとも１／１０であり、最大で１／３である：

これによって、一方では、第２のレンズ群の屈折力は、総屈折力に比べて、近軸焦点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のレンズ群の屈折力は、十分な補正作用と同時に、小型の構造、特に対物レンズの短い構造長が達成されるように十分に大きい。

１つの別の好適な構成では、第１のレンズ群が、負の屈折力の第１のレンズ、好適にはメニスカスレンズと、正の屈折力の第２のレンズ、好適には両凸レンズと、を含んでおり、これらのレンズが、対象物側から記載の順序で配置されている。この構成によって、大きい開口数を実現することができ、これは多くの顕微鏡用途において所望されることである。

１つの好適な構成では、第２のレンズ群が、正の屈折力の第３のレンズと、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、を含んでおり、これらのレンズが、対象物側から記載の順序で配置されており、かつ相互に接合されている。光軸に沿って可動である第２のレンズ群を接合構成要素として構成することで、ただ１つのレンズ構成要素のみが可動に形成されるので、補正対物レンズの機械的な構造が簡易化される。

１つの特に好適な構成では、第３のレンズおよび第５のレンズが両凸レンズであり、第４のレンズが両凹レンズである。

１つの別の好適な構成では、第３のレンズ群が、好適には両凸レンズである正の屈折力の第６のレンズと、好適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、これらのレンズが、対象物側から記載の順序で配置されており、かつ相互に接合されている。接合構成要素として構成することによって、第３のレンズ群を、特に色収差を補正するための色消しレンズとして実現することができる。

１つの別の好適な構成では、第４のレンズ群が、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、これらのレンズが、対象物側から記載の順序で配置されている。１つの特に好適な構成では、第８のレンズと第９のレンズが、それぞれメニスカスレンズとして形成されている。

１つの有利な発展形態では、補正対物レンズが、操作素子を有しており、この操作素子を用いて、第２のレンズ群を光軸に沿って動かすことができる。操作素子は、例えば操作者が手動で操作することができるローレットリングであり、ローレットリングの回転が、伝動装置によって、第２のレンズ群の長手方向の運動に変換される。

さらに本発明は、上述のような補正対物レンズを備えた顕微鏡を提供する。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と関連させて、複数の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する以下の記載より明らかになる。

補正対物レンズの一実施例を概略的な断面図で示す。 図１に示した補正対物レンズを有する落射型顕微鏡の一実施例を概略図で示す。

図１には、実施例として、補正対物レンズ１０が、光軸Ｏに沿った断面で示されている。

図示した補正対物レンズ１０は、正の屈折力の第１のレンズ群１２と、正の屈折力の第２のレンズ群１４と、負の屈折力の第３のレンズ群１６と、正の屈折力の第４のレンズ群１８と、を含んでおり、これらのレンズ群は、対象物側（すなわち、図面においては左側）から記載の順序で配置されている。第２のレンズ群１４は、光軸Ｏに沿った球面収差を補正するために可動である。第１のレンズ群１２、第３のレンズ群１６および第４のレンズ群１８は固定である。

補正対物レンズ１０は、２つの平坦な面Ｆ１およびＦ２を有するカバーガラス２０に対向している。面Ｆ１には、試料２４が配置されている。カバーガラス２０は、試料空間２６内に存在している。図１においては、焦平面Ｆが規定されており、また近軸焦点２２においては、光軸Ｏがこの焦平面Ｆに垂直に延びている。

第１のレンズ群１２は、対象物側から見て、対象物側の凹状面Ｆ３および像側の凸状面Ｆ４を備えた、負の屈折力の第１のレンズ２８と、２つの凸状面Ｆ５およびＦ６を備えた、正の屈折力の第２のレンズ３０と、を含んでいる。第１のレンズ２８は、対象物側で面取り部２９を有している。

第２のレンズ群１４は、対象物側から見て、２つの凸状面Ｆ７およびＦ８を備えた、正の屈折力の第３のレンズ３２と、２つの凹状面Ｆ９およびＦ１０を備えた、負の屈折力の第４のレンズ３４と、２つの凸状面Ｆ１１およびＦ１２を備えた、正の屈折力の第５のレンズ３６と、を含んでいる。第３のレンズ３２の像側の凸状面Ｆ８および第４のレンズ３４の対象物側の凹状面Ｆ９、ならびに、第４のレンズ３４の像側の凹状面Ｆ１０および第５のレンズ３６の対象物側の凸状面Ｆ１１は、それぞれ相互に接合されている。したがって、第２のレンズ群１４は、１つの接合構成要素を形成する。第２のレンズ群１４を接合構成要素として構成することによって、球面収差を補正するためにただ１つのレンズ構成要素を動かすだけでよいので、小型の対物レンズ構造が得られる。

第３のレンズ群１６は、対象物側から見て、２つの凸状面Ｆ１３およびＦ１４を備えた、正の屈折力の第６のレンズ３８と、２つの凹状面Ｆ１５およびＦ１６を備えた、負の屈折力の第７のレンズ４０と、を含んでおり、ここでは、第６のレンズ３８の像側の面Ｆ１４と、第７のレンズ４０の対象物側の面Ｆ１５と、は相互に接合されている。

第４のレンズ群１８は、対象物側から見て、対象物側の凹状面Ｆ１７および像側の凸状面Ｆ１８を備えた、負の屈折力の第８のレンズ４２と、対象物側の凹状面Ｆ１９および像側の凸状面Ｆ２０を備えた、正の屈折力の第９のレンズ４４と、を含んでいる。図１に示した実施例においては、第８のレンズ４２が、対象物側で面取り部４３を有している。

表１には、図１に示した補正対物レンズ１０のレンズデータが示されている。各レンズ面の曲率半径または後続の面との距離が、ｍｍの単位で記載されている。さらに、表１には、５４６．０７３ｎｍの波長において使用されるガラスの屈折率ｎ_eおよびアッベ数ｖ_eが記載されている。これらの面は、対象物側から順に通し番号が付されている。さらに、図１において使用されている参照符号も記載されている。

第２のレンズ群１４が、光軸Ｏに沿って可動であるので、レンズ面Ｆ６とＦ７との間の距離、ならびに、レンズ面Ｆ１２とＦ１３との間の距離は可変である。これらの距離は、表１においてＶ１またはＶ２で表されている。それらの距離の和は一定であり、図示した実施例では４．１１ｍｍである。

操作者は、第２のレンズ群１４を移動させることによって、試料空間２６内の可変の光学特性によって生じる収差、特に球面収差を補正することができる。この収差の原因は、特に、カバーガラス２０の厚さの変動または試料２４の生体組織の不均一性にあると考えられる。

本発明によれば、第２のレンズ群１４が、−０．９〜−１．１の結像縮尺を有しており、それによって、第１のレンズ群１２と第３のレンズ群１６との間における、光軸Ｏに沿った第２のレンズ群１４の位置は、近軸焦点２２の位置に対して無視できる程度の影響しか及ぼさない。これによって、操作者は、第２のレンズ群１４の移動によって、近軸焦点２２の位置を実質的に変化させることなく、収差を補正することができる。

さらに、第２のレンズ群１４の屈折力Ｄ₂は、補正対物レンズ１０の総屈折力Ｄの少なくとも１／１０であり、最大で１／３である。小型の構造を実現するために、特に大きい補正作用と同時に補正対物レンズ１０の短い構造長を実現するために、前述の最大値付近にある第２のレンズ群１４の高い屈折力が有利である。

図２は、図１に示した補正対物レンズ１０を有する顕微鏡１００の一実施例を概略図で示す。

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、ダイクロイックビームスプリッタ１０８および補正対物レンズ１０が配置されている。光源１０２は、照明光を放射し、この照明光は、特に試料２４を励起させて蛍光を発するようにさせる光であってよい。照明光は、視野絞り１０４によって空間的に制限されて、照明レンズ１０６を通過した後に、ダイクロイックビームスプリッタ１０８に入射する。ダイクロイックビームスプリッタ１０８は、照明光を補正対物レンズ１０に向けるように配置されており、照明光は続いて試料２４を照明する。

顕微鏡１００の検出ビーム路１０３には、対象物側から見て、補正対物レンズ１０、ダイクロイ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。焦平面Ｆに配置されている試料２４は、特に蛍光であってよい検出光を発する。検出光は、補正対物レンズ１０を通過して、検出光を透過させるダイクロイ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を通過した後に、検出光はチューブレンズ１１０に入射し、このチューブレンズ１１０は、検出光を像面Ｂに集光させ、それによって、像面Ｂには試料２４の像が生じる。

補正対物レンズ１０には、操作素子５０が配置されており、この操作素子５０によって、操作者は球面収差を補正することができる。操作素子５０は、例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、伝動装置によって、補正対物レンズ１０の補正構成要素を形成する第２のレンズ群１４の、光軸Ｏに沿った運動に変換され、それによって補正作用が達成される。上記において既に言及したように、補正対物レンズ１０は、第２のレンズ群１４の補正調整が、近軸焦点２２の位置に影響をほぼ及ぼさないように構成されている。

１０ 補正対物レンズ
１２ 第１のレンズ群
１４ 第２のレンズ群
１６ 第３のレンズ群
１８ 第４のレンズ群
２０ カバーガラス
２２ 近軸焦点
２４ プレパラート
２６ 試料空間
２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４ レンズ
２９、４３ 面取り部
Ｆ１〜Ｆ２０ レンズ面
５０ 操作素子
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 ダイクロイックビームスプリッタ
１１０ チューブレンズ
Ｂ 像面
Ｆ 焦平面
Ｏ 光軸

Claims (12)

1. 顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）であって、
   前記補正対物レンズ（１０）は、正の屈折力の第１のレンズ群（１２）と、正の屈折力の第２のレンズ群（１４）と、負の屈折力の第３のレンズ群（１６）と、正の屈折力の第４のレンズ群（１８）と、を含んでおり、
   前記第１のレンズ群（１２）、前記第２のレンズ群（１４）、前記第３のレンズ群（１６）および前記第４のレンズ群（１８）は、対象物側から記載の順序で配置されており、
   前記第２のレンズ群（１４）と前記第１のレンズ群（１２）との間の距離（Ｖ１）および前記第２のレンズ群（１４）と前記第３のレンズ群（１６）との間の距離（Ｖ２）の和が一定であるように、前記第２のレンズ群（１４）は、光軸（Ｏ）に沿って可動である、顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）において、
   前記第２のレンズ群（１４）の結像縮尺は、−０．９〜−１．１の範囲にあることを特徴とする、
   顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
2. 前記第２のレンズ群（１４）の屈折力は、前記補正対物レンズ（１０）の総屈折力の少なくとも１／１０であり、最大で１／３であることを特徴とする、
   請求項１記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
3. 前記第１のレンズ群（１２）は、負の屈折力の第１のレンズ（２８）と、正の屈折力の第２のレンズ（３０）と、を含んでおり、
   前記第１のレンズ（２８）および前記第２のレンズ（３０）は、対象物側から記載の順序で配置されていることを特徴とする、
   請求項１または２記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
4. 前記第１のレンズ（２８）は、メニスカスレンズであり、
   前記第２のレンズ（３０）は、両凸レンズであることを特徴とする、
   請求項３記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
5. 前記第２のレンズ群（１４）は、正の屈折力の第３のレンズ（３２）と、負の屈折力の第４のレンズ（３４）と、正の屈折力の第５のレンズ（３６）と、を含んでおり、
   前記第３のレンズ（３２）、前記第４のレンズ（３４）および前記第５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、相互に接合されていることを特徴とする、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
6. 前記第３のレンズ（３２）および前記第５のレンズ（３６）は、それぞれ両凸レンズであり、
   前記第４のレンズ（３４）は、両凹レンズであることを特徴とする、
   請求項５記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
7. 前記第３のレンズ群（１６）は、正の屈折力の第６のレンズ（３８）と、負の屈折力の第７のレンズ（４０）と、を含んでおり、
   前記第６のレンズ（３８）および前記第７のレンズ（４０）は、対象物側から記載の順序で配置されており、相互に接合されていることを特徴とする、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
8. 前記第６のレンズ（３８）は、両凸レンズであり、
   前記第７のレンズ（４０）は、両凹レンズであることを特徴とする、
   請求項７記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
9. 前記第４のレンズ群（１８）は、負の屈折力の第８のレンズ（４２）と、正の屈折力の第９のレンズ（４４）と、を含んでおり、
   前記第８のレンズ（４２）および前記第９のレンズ（４４）は、対象物側から記載の順序で配置されていることを特徴とする、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
10. 前記第８のレンズ（４２）および前記第９のレンズ（４４）は、それぞれメニスカスレンズであることを特徴とする、
    請求項９記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
11. 操作素子（５０）が設けられており、前記操作素子（５０）を用いて、前記第２のレンズ群（１４）が、前記光軸（Ｏ）に沿って可動であることを特徴とする、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の顕微鏡（１００）用の補正対物レンズ（１０）。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の補正対物レンズ（１０）を備えた顕微鏡（１００）。

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