(57)【要約】流動細胞測光レンズ系は、血球計算フローセルに最も近接し、このレンズ系の物体側にある平面(４)および３.５から５.５mmの範囲にある曲率半径を持った凸面(５)を有する低屈折率(＜１.５５)の半球状平凸レンズと、これに続く一対の正メニスカスレンズ−凹面(６,７,８,９)が物体側に面し、次に正の２枚構成のレンズが続く第２のメニスカスレンズの表面(８,９)は第１のメニスカスレンズの対応する表面(６,７)ほど強く湾曲していない−とを特徴とする。これらレンズ要素は、少なくとも１.７５mmの作動距離と、少なくとも４００μmの視野と、少なくとも１.１９の開口数と、１０倍を超えるレンズ倍率とを与えるために最適化されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動細胞測光用のレンズ系であって、
屈折率が１.５５よりも小さな単一材料からなり、このレンズ系の対象物側に画成された平面および３.５から５.５mmの範囲にある曲率半径を持った凸面を有する平凸レンズと、
このレンズ系の対象物側を向く凹面を有する一対のメニスカスレンズ−第１のメニスカスレンズの凸面は前記平凸レンズの凸面ほど強く湾曲しておらず、第２のメニスカスレンズの光学面は第１のメニスカスレンズの対応する光学面ほど強く湾曲していない−と、
一対の複レンズと
を具え、これらのすべての屈折面および間隔は、少なくとも１.７５mmの作動距離と、直径が少なくとも４００μmの視野と、１００μm未満の像空間のＲＭＳスポットサイズと、１０倍を越えるレンズ倍率のための少なくとも１.１７の開口数とを得るために最適化されていることを特徴とするレンズ系。
【請求項２】
前記平凸レンズは、その平面と凸面との間に軸線方向距離を有し、これがその凸面の曲率半径の５％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
両方の前記メニスカスレンズも同じように、屈折率が１.５５未満の材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
【請求項４】
平凸レンズの前記平面は、血球計算フローセルに対し、これとの間の空間に充填される浸漬液を介して光学的に接続していることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記平凸レンズは、板部材およびこれと相互に接合される平凸部材を有し、前記板部材の接合面と反対側の前記板部材の出射面は前記平凸レンズの光学的平面を形成し、前記板部材はこのレンズ系の組立中の取り扱いを容易にするためのフランジを形成していることを特徴とする請求項１に記載のレンズ系。
【請求項６】
流動細胞測光用のレンズ系であって、
【表１】
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にて規定された屈折面を持つレンズ部材を具えていることを特徴とするレンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系、特にレンズ群に関する。この発明はまた、流動細胞測光、特にフローセル内の目標物体（細胞，細胞群，微粒子など）を拡大して映し出したり、これらから散乱する光を集光するのに適した顕微鏡レンズ系に関する。
【背景技術】
【０００２】
血球計算器において、蛍光で標識付けされた細胞や微粒子の如き物体は、キュベットまたは他のフローセルを通って水または食塩水中を流れる。光源は大量のフローセルを照明する。この照明システムは、光ファイバーと集光レンズとを有することができる。キュベットの反対側に配置される顕微鏡レンズ系の開口数と完全に対応させるために必要となる大きな開口数（およそ１.２）を照明システムに与えるため、照明システムとキュベットとの間の隙間に浸漬油を満たすことができる。この顕微鏡レンズ系は、キュベット内の物体を拡大して映し出すために特に適している。このレンズ系に対し、細かな位置調整を行うために与えられる多数の平行移動ステージがあってよいが、そうでなければキュベット内を流れる液体を含む細胞または微粒子を除き、種々の部材が相互に静止状態に保たれる。あるいは、このレンズを螢光のみならずフローセルから散乱した光を集光するために使用することができる。
【０００３】
液浸顕微鏡レンズ系が知られている。このようなレンズ群の２つの例が Tomimatsu に対する特許文献１に開示されている。その第１の実施形態が浸漬液と接触し、強く湾曲した凹面を有する負メニスカスのフリントガラス（およそ１.７７の高屈折率）レンズで始まっている。この後には、正メニスカスレンズ，平凸レンズ，全体として両凸形状を有する２枚構成のレンズ，全体として両凸形状を有する３枚構成のレンズ，および全体としてメニスカス形状を有し、物体側に面する凸面を持った２枚構成のレンズが続いている。この特許の第２の実施形態もまた同じように浸漬液と接触し、強く湾曲した凹面を有する負メニスカスのフリントガラスレンズで始まっている。この後には、正メニスカス単レンズ，一対の正の複レンズ−第１のものは全体として僅かにメニスカス形状を有し、他方が平凹の２枚構成レンズである−が続いている。Tomimatsu は、第１のレンズ面を凹にすることによって、この第１のレンズの屈折率を浸漬液よりも高くでき、負の屈折力を有することができると述べている。次に、これはペッツヴァル湾曲のより良好な補正を可能にすることを明らかにしている。使用した正確なレンズ材料が示されていないけれども、明らかにされた屈折率および分散度の値は、おそらくランタンフリント系および蛍石およびリン酸塩クラウン系を含む比較的高価な種類の材料の使用を示唆している。
【０００４】
本発明の譲受人である Becton Dickinson の従来のレンズは、平凸フリントガラスレンズと、これに続くメニスカス単レンズおよび一対の複レンズ−第１のものが平凸の全体的形状を有し、第２のものが両凸である−とを有する。そのレンズは、１.１７の液浸開口数と、４４２.６μm（全視野）および３６５.２μm（軸上）の点対象物に対する像視野の幾何学的スポットサイズにより、またおよそ５００μmの円半径（８０％のエネルギー包含）によって特徴づけられた分解能とを有する。その作動距離はおよそ２mmである。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５,８０５,３４６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流動細胞測光レンズに対して分解能および作動距離の両方で、さらに開口数および視野を維持したまま、あるいは好ましくはさらに改善しつつ改良することが求められている。特に、像スポットサイズが１００μm（軸上および全視野共に）であって、円半径（８０％のエネルギー包含）の直径が２００μm未満である分解能が望まれる。作動距離は少なくとも１.７５mmであるべきであり、視野は直径が４００μmとなるか、あるいは超えるべきである。開口数は少なくとも一致すべきであり、好ましくは１.１７であることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの目的は、血球計算フローセルの最も近くにあって、物体側にある平面と、３.５から５.５mmの範囲にある曲率半径の凸面とを持った低屈折率（１.５５未満、すなわちクラウンガラス）のほぼ半球状をなす正の平凸レンズを特徴とする流動細胞測光レンズ系によって達成される。一対のメニスカスレンズがこの平凸レンズに続き、これらメニスカスレンズは、共にこのレンズ系の物体側にそれらの凹面を有する。第２のメニスカスレンズは、第１のメニスカスレンズの対応する面ほど強く湾曲していない面を有する。同様に、第１のメニスカスレンズの凸面は、平凸レンズのそれよりも強く湾曲していない。一対のメニスカスレンズの後には、一対の正の複レンズが続いており、第１のそれは全体として僅かにメニスカス形状を有し、第２のそれは全体として両凸形状を有する。
【０００８】
第１のレンズに対するクラウンガラスの使用は、２つのメニスカスレンズでのその使用に加え、それぞれの屈折面にて曲げられる光量を減少させ、従って望ましい倍率における開口数または視野を犠牲にすることなく、収差を著しく下げることにより、このレンズ系の分解能を改善する。実際、本レンズ系におけるこの略半球状平凸レンズを用いて視野が２倍以上になることを確認している。また、その凸面の特有な曲率半径は、望ましい目標距離に応じたより長い作動距離をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図を参照すると、本発明のレンズ系に関する好ましい一実施形態が下表のレンズデータに従って記述されている。図において番号が付された光学面は、表の最も左の列における表面の番号に対応している。半径および厚さの値はすべてミリメートルである。このレンズデータに関する表面曲率誤差は、度数に関して５本のニュートン縞（基準曲率からの実際の曲率のずれ）と、凹凸に関して１本のニュートン縞（完全な球面からのずれ）とを有する。傾き誤差は、すべての方向において基準から０.０５度である。材料誤差は、屈折率に関して０.０００５であり、アッベ数に関して０.８％である。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
このレンズ系における実際のレンズ（表面３から１５）は、血球計算フローセル、すなわちキュベット２０（このフローセルの内外壁面は、上の光学面１および２である）内の細胞状物質を拡大して観察するために適合している。この表に示されるように、フローセルは０.００７インチ（０.１７７８mm）の内寸（一方の壁から他方の壁まで）を有し、検出されて分析される細胞状対象物ＯＢＪは、このセル２０を通って流れる塩水に浸漬され、レンズ設計目標のための基準としてセルの内壁から０.０８８９mmの距離にあるセルの中心を通る。１.９４mmの肉厚の融解石英製の平坦なセル壁は、１.４５８５７の屈折率ｎｄおよび６７.７のアッベ数ｖｄを有する。光学的ゲル層が血球計算フローセルと実際のレンズとの間の橋渡しをもたらし、レンズ取り付け許容誤差を改善する。ゲル材料は、米国マサチューセッツ州ニューベッドフォードの William F. Nye 社により販売されている NyoGel OC-431A が好ましく、０.４０μm，０.５５μmおよび０.７０μmの主要なレンズ設計波長において、それぞれ１.４８７，１.４６７および１.４５９の屈折率を有する。このゲルは、０.５mm未満の厚さを有するべきであり、上述の設計において０.１６８２mmの厚さとなるように選択されている。商業的に利用可能なソフトウェアを用いて最適化されるレンズ仕様の適切な修正を伴い、異なる内部寸法および壁寸法を持つ他の血球計算フローセルおよび他の光学的ゲルまたは油を使用することができる。レンズ位置決め許容誤差がより厳しくなる（０.０２５mm以下）けれども、光学的ゲルを使用せずにレンズをフローセルと一体化またはこれに取り付けることも可能である。
【００１２】
ＢＫ７およびＳＦ８（Schott 社のガラス名）のタイプのレンズガラスを選択したが、その理由はこれらが大量に得ることが容易な比較的安価な材料であるからであり、しかもこれらは研削して研磨することが容易であって、容易に染色されないためである。他の光学ガラス供給元から同様なタイプのガラスを含め、レンズ仕様の適切な修正を伴い、代わりに他のタイプのガラスを使用することが可能である。ＢＫ７（５１７６４２）と呼称される光学ガラスは、１.５１６８０の屈折率ｎｄおよび６４.１７のアッベ数ｖｄを有し、ＳＦ８（６８９３１２）と称される光学ガラスは、１.６８８９３の屈折率ｎｄおよび３１.１８のアッベ数ｖｄを有する。この好ましい実施形態におけるすべてのレンズは球面を有しており、その理由はこれらが安価であって、より容易にまとめて利用することができ、心合わせがより緩やかであって、非球面レンズよりも組み立ておよび検査がより容易であるためである。しかしながら、望むのであれば、軸上において低い収差を有する１つ以上の非球面レンズを用いた修正レンズ仕様を採用することができるが、市販の見地から、その性能改善がより著しく嵩む出費およびアセンブリの困難性を正当化するためには多分充分ではないと思われる。
【００１３】
基本的なレンズ条件は、少なくとも１.１７の開口数を有する（１.２０±０.０１の物体開口数は、上の表で明らかにされた好ましい実施形態を得るために用いられた。１.２０の開口数は、１.１７のそれよりも約１０から１５％ほど大きな集光をもたらす）。視野は直径が少なくとも２００μmであるべきであり、可能ならば４００μm程度またはそれ以上が好ましい。この好ましい実施形態では、直径が４００μmの視野を有する。作動距離は、少なくとも１.７５mmであるべきである（この好ましい実施形態では２.２mmが達成されている）。最も重要なことは、既存の血球計算レンズと比較して良好な分解能のため、より少ない光学収差および高画質のレンズ系が必要とされる。特に、（仮想点物体に対する）像空間におけるＲＭＳスポットサイズ（分解能の測定）は、すべての波長およびすべての視野上の場所において、せいぜい１００μmであるべきである。この好ましい実施形態では、視野全体で８５.０４μm、軸上で７１.８６μmの計算上の幾何学的スポットサイズを達成している。これは、非常に小さな点光源の像の光学的エネルギーの最小限８０％を２００μm未満の直径の円内に入れる。これは、或る既存の血球計算レンズ設計における４４２.６μmの全視野と、３６５.２μmの軸上スポットサイズと、直径が８００μmの円エネルギー（８０％のエネルギーにおいて）とを越える重要な改善である。
【００１４】
レンズ最適化ソフトウェアための他の設計パラメータは、少なくとも１０×、好ましくは１０.５×と１１.５×との間の倍率と、１２７±２mmの後側焦点距離（表の表面１５に関して見ることができるように、１２６.７３１mmの後側焦点距離が本実施形態に関して得られている）と、少なくとも４００mmから７００mm（全可視光範囲）の波長範囲とを有する。血球計算機器におけるフローセルの近傍の空間の存在が強く求められているため、全長ならびに鏡筒の外径は可能な限り、すなわちそれぞれ５７mm未満および４１mm未満に小さくすべきである。４７.２mmのレンズ長（表面３から１４までの組み合わせ厚さ）および（より少ない表面１３から１５に関する）１７mmの最大開口半径は、これらの寸法目標が達成されていることを示している。
【００１５】
このレンズは、(ａ)ほぼ半球状の平凸クラウンガラスレンズ（取り扱いのために追加された同一材料の接合板を含み、上の表における表面４から５）−血球計算フローセルに最も近接する平面４と、３.５から５.５mmの範囲（この好ましい実施形態では４.６６mm）にある曲率半径を持った凸面５とを有する−と、(ｂ)一対の正メニスカスレンズ（表面６から９）−それらの凹側６および８（すなわちこのレンズ系の物体側）がフローセルに最も近接し、第２のメニスカスレンズの表面８および９が第１のメニスカスレンズの対応する表面６および７よりも強く湾曲しておらず、第１のメニスカスレンズの表面６および７が平凸レンズの凸面５ほど強く湾曲していない−と、(ｃ)最初の３つのレンズ要素から色収差を補正するための一対の正の複レンズ要素（表面１０〜１５）とを具えていることが分かる。平凸レンズのほぼ半球形状（レンズならびにこれと同じクラウンガラス材料の接合板の軸線方向の厚さの合計が４.７１５mmであり、その凸面５の４.６６mmの曲率半径と比較して１.２％未満の差である）は、その広視野をレンズ系に与える。凸面の曲率半径の範囲は、少なくとも１.７５mm（本実施形態においては約２.２mm）の長い作動距離のために与えられる。２枚のメニスカスレンズの使用ならびにこれらメニスカスレンズおよび平凸レンズの両方に対するクラウンガラス材料（１.５５未満の屈折率）の使用は、それぞれの屈折面にて曲がる光量の２乗に概ね比例した収差を減少させる。低収差は、改善された分解能と、上に示されたような像スポットサイズと円エネルギーとをもたらす。複レンズは、それら自体、色消しではないが、色収差がレンズ系全体に対して減少するように、完全に打ち消される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるレンズ系の好ましい一実施形態の概略側面図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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