JP4082015B2

JP4082015B2 - 液浸系顕微鏡対物レンズ

Info

Publication number: JP4082015B2
Application number: JP2001319653A
Authority: JP
Inventors: 勝也渡邊
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP2003121750A; US6700710B2; US20030076600A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
生物学の分野において、顕微鏡は、従来からの形態観察だけでなくパッチクランプにも多く利用される。
パッチクランプは、細胞膜のイオンチャネルの働きによりもたらされる膜電位変化を定量的に測定するものである。
【０００３】
測定者は、生きた細胞をシャーレ内の培養液中に置き、それを顕微鏡で観察しながら微細な電極（ガラス電極）をその細胞の所望の箇所に接触させる。
したがって、パッチクランプ用の顕微鏡対物レンズは、その先端部が培養液に接触可能な液浸系である（液浸系顕微鏡対物レンズである）と共に、ガラス電極を挿入できるよう、その先端から物体面までの間隙（作動距離）が十分に長く採られたものである。
【０００４】
因みに、従来のパッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズの作動距離は、作動距離が２〜３ｍｍである（例えば、特開平８−２９２３７４号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このパッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズの倍率は、長作動距離化するという制約により、高々６０倍程度でしかなかった。
【０００６】
しかしながら、近年、研究が進むにつれて測定対象が微細化し、パッチクランプ用の液浸系顕微鏡対物レンズを高倍率化（例えば１００倍に）させたい、また、このために高開口数化させたいという要望が増加するようになった。
そこで本発明は、十分な作動距離を確保しつつ、高倍率化かつ高開口数化が可能な液浸系顕微鏡対物レンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを配置し、かつ、正屈折力を有した第１レンズ群と、正屈折力を有した第２レンズ群と、負屈折力を有した第３レンズ群とを物体側より順に備えた液浸系顕微鏡対物レンズであって、物体面から前記第１レンズ群の第１レンズ面までの光軸上の距離ｄ０は、対物レンズ全系の焦点距離ｆよりも大きく、前記第１レンズ面の曲率半径ｒ1は、前記焦点距離ｆとの間で関係４＜｜ｒ1／ｆ｜＜７を満たし、前記第１レンズ群は、接合型のメニスカスレンズと２枚以上の単レンズとからなる。
【０００８】
請求項２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、前記単レンズのうち最も物体側の単レンズの屈折率ｎ3は、関係ｎ3＞１．６５を満たす。
【０００９】
請求項３に記載の液浸系顕微鏡対物レンズは、請求項１又は請求項２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、前記メニスカスレンズの接合面の曲率半径ｒ2と前記第１レンズ面の曲率半径ｒ1とは、関係０．６＜｜ｒ2／ｒ1｜＜０．９を満たす。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの基本構成を示す図である。
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ（第１レンズ１１、第２レンズ１２）を有し、かつ正屈折力を有した第１レンズ群Ｇ１と、正屈折力を有した第２レンズ群Ｇ２と、負屈折力を有した第３レンズ群とを備える。
【００１２】
因みに、第２レンズ群Ｇ２は、複数の接合レンズを有し、第３レンズ群Ｇ３は、２組以上の負の接合レンズを有する。
この液浸系顕微鏡対物レンズは、その先端部が培養液に接触可能であって、パッチクランプ用、すなわち、その作動距離が十分に確保された顕微鏡対物レンズである。
【００１３】
この液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、使用時に培養液などの液体に接触するのは、最も物体側に配置された第１レンズ１１である。
このため、第１レンズ１１の材料は、水に対して耐久性があり、かつ生体試料に対して有害な成分を含まない硝材、例えば、石英ガラスや比較的屈折率の低いクラウン系のガラスが使用されることが好ましい。
【００１４】
しかし、このようなガラスは屈折率が低く光線を曲げる力が弱いため、第１レンズ１１の単体では光束が拡がり過ぎてしまい、対物レンズ全系の焦点距離を短くして倍率を上げることや、全系の収差を補正することに、困難が生じる。
そこで、第１レンズ１１に対しては、高屈折率かつ高屈折力の第２レンズ１２が接合される。すなわち、第１レンズ１１と第２レンズ１２とは、接合型のメニスカスレンズを成す。
【００１５】
このメニスカスレンズによれば、光線高は良好に抑制される。また、接合型のメニスカスレンズの形状を適正化することで、収差を減少させることが可能となる。
さらに、液浸系顕微鏡対物レンズにおいては、第２レンズ１２よりも像側の部分をバレル（不図示）に組み込み、第１レンズ１１を露出させる構造とすることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、液浸系顕微鏡対物レンズがたとえ高開口数化されたとしても、開口数が高い割には、先端部を或る程度先鋭に保つことができ、パッチクランプ時の操作性（電極操作の操作性）が保たれる。
さらに、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズでは、次に説明するような構成を採用することによって、高倍率化かつ高開口数化が可能となっている。
【００１７】
先ず、高倍率化を図るために、第１レンズ群Ｇ１には高屈折力を付与する必要がある。一般に、高屈折力を付与するためには、曲率半径を縮小することが考えられる。
但し、本実施形態では、作動距離を確保しなければならないので、第１レンズ１１に入射する際の光線高が大きくなることは避けられない。しかし、このように光線高が高いと、収差が発生し易くなるので、曲率半径の縮小はなるべく避ける必要がある。
【００１８】
このため、本実施形態では、第１レンズ群Ｇ１に高屈折力を付与する方法として、曲率半径の縮小以外の方法がとられる。
すなわち、先ず、第１レンズ群Ｇ１において、前記接合型のメニスカスレンズ（１１、１２）よりも像側に、２枚の単レンズ１３、１４が配置される。
これら単レンズ１３、１４の作用によって、第１レンズ群Ｇ１は、曲率半径を比較的大きく保ちながらも、大きく発散した光束を平行近くまで曲げることができる。
【００１９】
特に、これら単レンズ１３、１４のうち、物体側の単レンズ１３の屈折率を大きくしておけば、その効果は高まる。
次に、第２レンズ群Ｇ２は、第１レンズ群Ｇ１によってほぼ平行になった光束を、収斂光束に変換する役割を果たす。
ここで、上記した第１レンズ群Ｇ１は、ほとんどが正レンズ成分によって構成され、負レンズ成分を有していないため、その内部では収差補正がほとんどなされていない。
【００２０】
このため、第２レンズ群Ｇ２は、後述する第３レンズ群Ｇ３と共に、この第１レンズ群Ｇ１にて発生した収差を補正する役割も果たす。
因みに、第２レンズ群Ｇ２により補正される収差の種類は、高次収差成分や、色の球面収差、倍率色収差などである。
【００２１】
また、収差のうち、特に軸上色収差に関しては、第１レンズ群Ｇ１において全く補正されていないため、第２レンズ群Ｇ２にて補正過剰とすることでバランスさせている。
第３レンズ群Ｇ３は、収斂光束を平行光束に変換するための負屈折力を有する。第１レンズ群Ｇ１で発生した正レンズの収差は、この第３レンズ群Ｇ３の負レンズ群の収差によって最終的に補正される。
【００２２】
なお、図１では省略したが、第３レンズ群Ｇ３は、光線高を低くし、そこに比較的強いパワーの凹面を向き合わせて配置することにより、ペツバール和を小さくして像面湾曲収差の低減をしている。
以下、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズが満たす各条件式について説明する。
【００２３】
先ず、十分な作動距離を確保しつつ高倍率化するために、物体面から第１レンズ面Ｓ１までの光軸上の距離ｄ０は、対物レンズ全系の焦点距離ｆよりも大きい必要がある。
さらに、高開口数化するために必要な条件式は、下式（１）である。
４＜｜ｒ₁／ｆ｜＜７・・・（１）
（但し、ｒ₁：第１レンズ群Ｇ１の第１レンズ面Ｓ１の曲率半径）
仮に、作動距離を確保することだけを考えた場合には、この値｜ｒ₁／ｆ｜が大きければサグ量（レンズの垂れ下がり量）が小さくなって好ましいのだが、高開口数化を同時に図る場合には、この値｜ｒ₁／ｆ｜が上限値を上回ると高次の球面収差やコマ収差が残存してそれ以降のレンズ群（Ｇ２、Ｇ３）において補正ができなくなる。逆に、この値｜ｒ₁／ｆ｜が下限値を下回ると、作動距離が短くなるばかりか、大幅に下回ると光束を発散させてしまうので、第２レンズ群Ｇ２の屈折力をかなり高めなければならなくなり、適切なパワー配置を維持することが困難となる。
【００２４】
また、より好ましい性能を得るための条件式は、下式（２）及び／又は下式（３）である。
ｎ₃＞１．６５・・・（２）
０．６＜｜ｒ₂／ｒ₁｜＜０．９・・・（３）
（但し、ｎ₃：単レンズ１３の屈折率、ｒ₂：第１レンズ１１と第２レンズ１２との接合面（Ｓ２）の曲率半径）
条件式（２）は、第１レンズ群Ｇ１に含まれる単レンズ１３の屈折率を規定したものである。
【００２５】
上述したように、本実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの第１レンズ群Ｇ１には、高屈折力を付与しなければならない。このとき、仮に、この値ｎ₃が下限値を下回るような硝材を単レンズ１３に使用すると、屈折力を得るために曲率半径を小さくする必要が生じ、その結果、残存収差が大きくなる。さらに、この下限値を大幅に下回ると、レンズの縁厚が確保できなくなり、第２レンズ群Ｇ２における補正量の負担を増大させることとなる。
【００２６】
条件式（３）は、第１レンズ群Ｇ１の第１レンズ１１及び第２レンズ１２を接合型のメニスカスレンズとした場合における第１レンズ面Ｓ１と接合面（Ｓ２）との曲率半径の比を規定するものである。
この値｜ｒ₂／ｒ₁｜が下限値を下回ると、接合面の曲率半径が小さくなりすぎてレンズの加工が困難になる。逆に、この上限値を上回ると、接合面に入射する開口光束の入射角が大きくなり過ぎて、高次の球面収差を補正することが困難となる。
【００２７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例（第１実施例、第２実施例）について説明する。
＜第１実施例＞
図２は、第１実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【００２８】
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けた接合型のメニスカスレンズ（１１、１２）を有し、かつ正屈折力を有した第１レンズ群Ｇ１と、正屈折力を有した第２レンズ群Ｇ２と、負屈折力を有した第３レンズ群とを備える。
また、第２レンズ群Ｇ２は、複数の接合レンズ（２１及び２２、２３〜２５）を有し、第３レンズ群Ｇ３は、３組の負の接合レンズ（３１〜３３、３４及び３５、３６及び３７）を有する。
【００２９】
下記の表１は、この液浸系顕微鏡対物レンズのレンズデータである。
【表１】

表１において、Ｓはレンズ面の番号、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄ、νｄはそれぞれ各レンズに使用された硝材のｄ線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号、ｆは対物レンズの全系の焦点距離、N.A.は開口数、βは倍率、ｄ０は物体面から第１レンズ面Ｓ１までの光軸上の距離である。
【００３０】
また、液浸系顕微鏡対物レンズに使用する浸液（物体面から第１レンズ面Ｓ１までの間隙に満たされる液）は、ここでは水とし、その浸液の屈折率及びアッベ数については、ｎｄ＝１．３３３０６、νｄ＝５５．８とした。
図３は、本実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
図３（ａ）は球面収差、図３（ｂ）は非点収差、図３（ｃ）はコマ収差、図３（ｄ）は歪曲収差を示している。
【００３１】
また、図３（ａ）中のｄはｄ線（５８７．６ｎｍ）を、ＣはＣ線（６５６．３ｎｍ）を、ＦはＦ線（４８６．１ｎｍ）を、ｇはｇ線（４３５．８ｎｍ）を示している。
また、図３（ｂ）中の実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面を示している。
【００３２】
なお、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズは、無限遠系補正型となっているため、対物レンズ単独では結像しない。よって、実際には、結像レンズを対物レンズの後ろ側（像側）に配置した状態で使用される。
表１、図３に示したデータは、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズを、後述する結像レンズ（図６、表３参照）と組み合わせて使用した場合のデータである。
【００３３】
＜第２実施例＞
図４は、第２実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
液浸系顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ（１１、１２）を有し、かつ正屈折力を有した第１レンズ群Ｇ１と、正屈折力を有した第２レンズ群Ｇ２と、負屈折力を有した第３レンズ群とを備える。
【００３４】
また、第２レンズ群Ｇ２は、複数の接合レンズ（２１及び２２、２３〜２５）を有し、第３レンズ群Ｇ３は、３組の負の接合レンズ（３１及び３２、３３及び３４、３５及び３６）を有する。
下記の表２は、この液浸系顕微鏡対物レンズのレンズデータである。
【表２】

表２において、Ｓはレンズ面の番号、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄ、νｄはそれぞれ各レンズに使用された硝材のｄ線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号、ｆは対物レンズの全系の焦点距離、N.A.は開口数、βは倍率、ｄ０は物体面から第１レンズ面Ｓ１までの光軸上の距離である。
【００３５】
また、液浸系顕微鏡対物レンズに使用する浸液（物体面から第１レンズ面Ｓ１までの間隙に満たされる液）は、ここでは水とし、その浸液の屈折率及びアッベ数については、ｎｄ＝１．３３３０６、νｄ＝５５．８とした。
図５は、本実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
図５（ａ）は球面収差、図５（ｂ）は非点収差、図５（ｃ）はコマ収差、図５（ｄ）は歪曲収差を示している。
【００３６】
また、図５（ａ）中のｄはｄ線（５８７．６ｎｍ）を、ＣはＣ線（６５６．３ｎｍ）を、ＦはＦ線（４８６．１ｎｍ）を、ｇはｇ線（４３５．８ｎｍ）を示している。
また、図５（ｂ）中の実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面を示している。
【００３７】
なお、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズは、無限遠系補正型となっているため、対物レンズ単独では結像しない。よって、実際には、結像レンズを対物レンズの後ろ側（像側）に配置した状態で使用される。
表２、図５に示したデータは、本実施例における液浸系顕微鏡対物レンズを、後述する結像レンズ（図６、表３参照）と組み合わせて使用した場合のデータである。
【００３８】
＜補足＞
図６は、液浸系顕微鏡対物レンズと組み合わせて使用される結像レンズ（一例）の構成を示す図である。
下記の表３は、この結像レンズのレンズデータである。
【表３】

表３において、Ｓはレンズ面の番号、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄ、νｄはそれぞれ各レンズに使用された硝材のｄ線に対する屈折率、アッベ数である。更にその他の略号ｆは結像レンズの全系の焦点距離である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、十分な作動距離を確保しつつ、高倍率化かつ高開口数化が可能な液浸系顕微鏡対物レンズが実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の液浸系顕微鏡対物レンズの基本構成を示す図である。
【図２】第１実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【図３】第１実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
【図４】第２実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの構成を示す図である。
【図５】第２実施例の液浸系顕微鏡対物レンズの諸収差図である。
【図６】液浸系顕微鏡対物レンズと組み合わせて使用される結像レンズ（一例）の構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｇ３第３レンズ群
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ１９，Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４レンズ面
１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，２５，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７レンズ

Claims

物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを配置し、かつ、正屈折力を有した第１レンズ群と、
正屈折力を有した第２レンズ群と、
負屈折力を有した第３レンズ群と
を物体側より順に備えた液浸系顕微鏡対物レンズであって、
物体面から前記第１レンズ群の第１レンズ面までの光軸上の距離ｄ０は、対物レンズ全系の焦点距離ｆよりも大きく、
前記第１レンズ面の曲率半径ｒ1は、前記焦点距離ｆとの間で次式（１）
４＜｜ｒ1／ｆ｜＜７・・・（１）
を満たし、
前記第１レンズ群は、
接合型のメニスカスレンズと２枚以上の単レンズとからなる
ことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、
前記単レンズのうち最も物体側の単レンズの屈折率ｎ3は、次式（２）
ｎ3＞１．６５・・・（２）
を満たすことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
請求項１又は請求項２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズにおいて、
前記メニスカスレンズの接合面の曲率半径ｒ2と前記第１レンズ面の曲率半径ｒ1とは、次式（３）
０．６＜｜ｒ2／ｒ1｜＜０．９・・・（３）
を満たすことを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。