(57)【要約】【課題】実用上支障がなく、長作動距離を有し、開口数の大きい液浸系顕微鏡対物レンズを提供する。【解決手段】顕微鏡の観察光学系において物体側に配置され、最も物体側の面が浸液内に位置して物体の拡大像を出射する液浸系顕微鏡対物レンズＯＬにおいて、最も物体側に位置するレンズＬ１の最も物体側のレンズ面が物体側に凹面となるように形成される。このとき、このレンズ面の曲率半径をｒ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、式  ３  ＜  ｜ｒ１／ｆ｜  ＜  １０  を満足するように各部材の諸元が設定されて構成される。【選択図】  図１
2004341170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡の観察光学系において物体側に配置され、最も物体側に位置するレンズの最も物体側のレンズ面が浸液に接する液浸系顕微鏡対物レンズであって、
前記最も物体側のレンズ面が物体側に凹面となるように形成され、
前記最も物体側のレンズ面の曲率半径をｒ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、次式
３  ＜  ｜ｒ１／ｆ｜  ＜  １０
を満足することを特徴とする液浸系顕微鏡対物レンズ。
【請求項２】
前記最も物体側に位置するレンズの屈折率をｎ１、中心厚をｄ１としたとき、次式
ｎ１  ＜  １．５
１  ＜  ｜ｄ１／ｆ｜  ＜  １．５
を満足することを特徴とする請求項１に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
【請求項３】
前記最も物体側に位置するレンズが単レンズで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の液浸系顕微鏡対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の観察において先端部が浸液に浸されて利用される液浸系顕微鏡対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
対物レンズの先端を浸液に浸して物体を観察する液浸系顕微鏡の用途としては、従来からの形態観察に加えて、細胞膜のイオンチャネルの働きによってもたらされる膜電位変化を定量的に測定するパッチクランプ法等にも利用されることがある。パッチクランプ法とは、生理食塩水等の培養液中に浸された細胞を顕微鏡によって観察しながら、所望の位置にガラス電極（マイクロピペット）を接触させて、この細胞のイオンチャネルを流れる電流を記録する方法である。この場合、ガラス電極は、培養液（浸液）に先端部が浸された対物レンズの側方から対物レンズの下方に位置する細胞に対して挿入されるため、作動距離の長い液浸系顕微鏡対物レンズが用いられる。
【０００３】
従来、液浸系顕微鏡対物レンズとしては、浸液と接する面（最も物体側に位置する面であり、以下「第１面」と呼ぶ）が物体側に凹面となるように形成されていると、その部分に入った気泡の除去が難しく観察の障害となると考えられていたため、第１面は平面若しくは平面に近い極緩やかな曲面として設計されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２９２３７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなパッチクランプ法に顕微鏡を用いる場合、細胞等の微小な部位を顕微鏡で目視しながらガラス電極を正確な位置に接触させる必要があるため、長い作動距離を確保することが必須である。さらにパッチクランプ法を用いた研究分野が多様化し、長い作動距離を確保しつつ高開口数を有する液浸系顕微鏡対物レンズが要求されている。しかしながら、第１面を平面に近い形状にしてしまうと、浸液とレンズの境界面で発生する球面収差が大きくなり、更なる高開口数を得ることが困難となるという課題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、実用上支障がなく、長作動距離を有し、開口数の大きい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】
前記課題を解決するために、本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズは、顕微鏡の観察光学系において物体側に配置され、最も物体側に位置するレンズ（例えば、実施形態における第１レンズＬ１）の最も物体側のレンズ面が浸液に接するものであり、最も物体側のレンズ面が物体側に凹面となるように形成される。そして、この最も物体側のレンズ面の曲率半径をｒ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、次式
３  ＜  ｜ｒ１／ｆ｜  ＜  １０
を満足するように構成される。
【０００８】
なお、本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズは、最も物体側に位置するレンズの屈折率をｎ１、中心厚をｄ１としたとき、次式
ｎ１  ＜  １．５
１  ＜  ｜ｄ１／ｆ｜  ＜  １．５
を満足するように構成されることが好ましい。
【０００９】
また、最も物体側に位置するレンズが単レンズで構成されることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１、図３及び図５は、顕微鏡の観察光学系に用いられる本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬを示している。いずれも、最も物体側の面（第１面）が物体に対して凹面となるように形成されており、この第１面が浸液に浸されて物体の観察に供せられるものである。第１面を凹面とすることにより、物体からでた光線の第１面（特に、光軸からレンズの外周方向に離れた部分）への入射角が小さくなるため、この第１面で発生する球面収差を小さくすることができる。以下に、本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬを構成するための条件について説明する。
【００１１】
本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬは、この対物レンズＯＬを構成する最も物体側のレンズ面の曲率半径をｒ１とし、全系の焦点距離をｆとしたとき、以下に示す条件式（１）を満たすように構成される。
【００１２】
【数１】
３  ＜  ｜ｒ１／ｆ｜  ＜  １０              （１）
【００１３】
条件式（１）は、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬの第１面の曲率半径ｒ１の適切な範囲を定めたものである。上述のように、作動距離が長く、且つ、開口数の大きい液浸系顕微鏡対物レンズを実現する場合において、条件式（１）の上限を越えると、浸液との境界面である第１面で発生する高次の球面収差が大きくなり、後群のレンズで補正するのが非常に困難となる。また、条件式（１）の下限値を超えると、曲率がきつくなりすぎてしまい、第１面が深い窪み状になるため、使用後にこのレンズ（例えば、後述の実施例におけるレンズＬ１，Ｌ２１，Ｌ４１に相当し、以降の説明では「第１レンズ」と呼ぶ）の第１面に付着した浸液を拭き取ることが困難となる。なお、これまで問題とされてきた、浸液に第１面を浸したときにこの第１面に溜まる気泡は、第１面の曲率半径ｒ１が条件式（１）の範囲内で形成されていれば、気泡を容易に取り除くことができることを本発明者は実験により確認した。気泡を取り除くための方法としては、例えば、気泡が入った場合には、一旦対物レンズを浸液から引き上げ、再度対物レンズを浸液に浸すことにより気泡を除去することができる。
【００１４】
さらに、本発明を有効なものとするためには、以下に示す条件式（２）及び（３）を満たすことが望ましい。ここで、条件式（２）、（３）において、ｎ１は液浸系顕微鏡対物レンズＯＬにおける第１レンズＬ１，Ｌ２１，Ｌ４１の屈折率であり、ｄ１はこのレンズの中心厚である。
【００１５】
【数２】
ｎ１  ＜  １．５                      （２）
１  ＜  ｜ｄ１／ｆ｜  ＜  １．５            （３）
【００１６】
第１面における球面収差は、物体から出た光線が第１面で屈折するとき発生するが、浸液と第１面が形成された第１レンズとの屈折力の差が小さいと球面収差が発生しにくくなる。液浸系顕微鏡対物レンズＯＬをパッチクランプ法に用いる場合、浸液は生理食塩水等の水溶液（屈折率は１．３３〜１．３５程度）が用いられるため、最も物体側のレンズの屈折率は条件式（２）を満足することが好ましい。なお、この第１レンズは、浸液に直接接するため、水に対して耐久性があり、且つ、生体試料（細胞等）に対して有害になる成分を含まない硝材を選ぶことが望ましい。具体的には、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適している。また、浸液と第１レンズの屈折率差を小さくすることにより、中心厚誤差に対する許容量を寛容にするという効果もある。
【００１７】
条件式（３）は、第１レンズの適切な中心厚ｄ１の範囲を定めたものである。条件式（３）の上限を越えると第１レンズの中心厚ｄ１が厚くなりすぎて、光束が広がるのを抑制できなくなり、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬの先端形状を先鋭化することが不可能となる。上述のように、パッチクランプ法に用いる場合、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬの側方からガラス電極を差し込むため、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬの先端部は径が細く、且つ、先鋭化されている方がガラス電極の操作がしやすいためである。逆に、条件式（３）の下限値を超えると、第１レンズの正の屈折力が強くなり、ペッツヴァル和を増大させ像の平坦性が低下してしまう。
【００１８】
なお、以上のような条件に従って構成することにより、第１レンズは単レンズでも第１面で発生する球面収差を十分抑えることができる。この第１レンズを接合レンズで構成して第１面で発生する球面収差を抑える構成とすることも可能であるが、接合レンズとするとコストが増加して不都合である。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係る液浸顕微鏡対物レンズＯＬの具体的な実施例について説明する。下に示す３つの実施例は、図１、図３及び図５に示すレンズに対応している。
【００２０】
（第１実施例）
図１に本発明の第１実施例に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬのレンズ構成を示す。第１実施例において、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬは、物体側から順に、物体側に凹面を向けた単レンズである正メニスカスレンズＬ１（正レンズ）、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２（正レンズ）、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３（負レンズ）と両凸レンズＬ４（正レンズ）との貼り合わせからなる接合正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５（負レンズ）と両凸レンズＬ６（正レンズ）との貼り合わせからなる接合正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ７（負レンズ）と両凸レンズＬ８（正レンズ）との貼り合わせからなる接合正レンズ、両凸レンズＬ９（正レンズ）と両凹レンズＬ１０（負レンズ）と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（正レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズ及び両凹レンズＬ１２（負レンズ）と両凸レンズＬ１３（正レンズ）と両凹レンズＬ１４（負レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズを配置して構成される。
【００２１】
下の表１に本第１実施例における各レンズの諸元を示す。表１における面番号１〜２１は本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬに関するものであり、それぞれ図１における符号１〜２１に対応する。また、表１におけるｆは焦点距離を、Ｎ．Ａ．は開口数を、βは倍率を、ｄ０は物体面から第１面までの光軸上の距離を、ｒはレンズ面の曲率半径を、ｄはレンズ面の間隔を、ｎｄはｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を、νｄはｄ線に対するアッベ数をそれぞれ示している。なお、この表１における記号の説明は、以降の実施例においても同様である。また、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄ（上述のｄ０，ｄ１を含む）その他の長さの単位は、特記のない場合一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることもできる。
【００２２】
また、本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬにおいて使用する浸液は、水を用いる場合について示しており、浸液の屈折率ｎｄ＝１．３３３０６、アッベ数νｄ＝５５．８として設計している。
【００２３】
【表１】
2004341170.tif 000003
（条件対応値）
（１）｜ｒ１／ｆ｜＝３．４８
（２）ｎ１＝１．４５８５
（３）｜ｄ１／ｆ｜＝１．３２
【００２４】
このように本第１実施例では、上記条件式（１）〜（３）は全て満たされていることが分かる。また、物体面から第１面までの光軸上の距離ｄ０からも分かる通り、作動距離も十分確保されている。
【００２５】
また、図２は第１実施例における光学系の諸収差図である。各収差図において、ＮＡは開口数を、ｙは像高を、ｄはｄ線を、ｇはｇ線（４３５．８ｎｍ）を、ＣはＣ線（６５６．３ｎｍ）を、ＦはＦ線（４８６．１ｎｍ）をそれぞれ示している。また非点収差及び歪曲収差では、基準光線としてｄ線に対する収差を示している。また、非点収差では、実線はサジタル像面を示し、破線はメリジオナル像面を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。
【００２６】
以上の各収差図から明らかなように、本実施例では諸収差が良好に補正されていることが分かる。
【００２７】
（第２実施例）
図３に本発明の第２実施例に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬのレンズ構成を示す。第２実施例において、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬは、物体側から順に、物体側に凹面を向けた単レンズである正メニスカスレンズＬ２１（正レンズ）、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２２（正レンズ）、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２３（負レンズ）と両凸レンズＬ２４（正レンズ）との張り合わせからなる接合正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２５（負レンズ）と両凸レンズＬ２６（正レンズ）との張り合わせからなる接合正レンズ、両凸レンズＬ２７（正レンズ）と両凹レンズＬ２８（負レンズ）と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２９（正レンズ）との張り合わせからなる接合正レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３０（負レンズ）と物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（正レンズ）との張り合わせからなる接合負レンズ及び物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ（正レンズ）と両凹レンズＬ３３（負レンズ）との張り合わせからなる接合負レンズを配置して構成される。
【００２８】
下の表２に本第２実施例における各レンズの諸元を示す。表２における面番号１〜２０は本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬに関するものであり、それぞれ図３における符号１〜２０に対応する。
【００２９】
【表２】
2004341170.tif 000004
（条件対応値）
（１）｜ｒ１／ｆ｜＝５．１３
（２）ｎ１＝１．４５８５
（３）｜ｄ１／ｆ｜＝１．２６
【００３０】
このように本第２実施例では、上記条件式（１）〜（３）は全て満たされていることが分かる。また、物体面から第１面までの光軸上の距離ｄ０からも分かる通り、作動距離も十分確保されている。
【００３１】
図４は、第２実施例における諸収差図を示している。以上の各収差図から明らかなように、本実施例では諸収差が良好に補正されていることが分かる。
【００３２】
（第３実施例）
図５に本発明の第３実施例に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬのレンズ構成を示す。第３実施例において、液浸系顕微鏡対物レンズＯＬは、物体側から順に、物体側に凹面を向けた単レンズである正メニスカスレンズＬ４１（正レンズ）、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ４２（正レンズ）、両凹レンズＬ４３（負レンズ）と両凸レンズＬ４４（正レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズ、両凸レンズＬ４５（正レンズ）、両凸レンズＬ４６（正レンズ）、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ４７（負レンズ）と両凸レンズＬ４８（正レンズ）と両凹レンズＬ４９（負レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズ、両凸レンズＬ５０（正レンズ）と両凹レンズＬ５１（負レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズ及び両凹レンズＬ５２（負レンズ）と両凸レンズＬ５３（正レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズを配置して構成される。
【００３３】
下の表３に本第３実施例における各レンズの諸元を示す。表３における面番号１〜２１は本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズＯＬに関するものであり、それぞれ図５における符号１〜２１に対応する。
【００３４】
【表３】
2004341170.tif 000005
（条件対応値）
（１）｜ｒ１／ｆ｜＝９．８４
（２）ｎ１＝１．４５８５
（３）｜ｄ１／ｆ｜＝１．２６
【００３５】
このように本第３実施例では、上記条件式（１）〜（３）は全て満たされていることが分かる。また、物体面から第１面までの光軸上の距離ｄ０からも分かる通り、作動距離も十分確保されている。
【００３６】
図６は、第３実施例における諸収差図を示している。以上の各収差図から明らかなように、本実施例では諸収差が良好に補正されていることが分かる。
【００３７】
なお、以上に示した第１〜第３実施例における液浸系顕微鏡対物レンズＯＬは、いずれも無限遠補正型のものとして構成しているため、この液浸系顕微鏡対物レンズＯＬ単独では結像し得ない。したがって、実際には、例えば図７に示す結像レンズＩＬとともに使用される。この結像レンズＩＬは、物体側から順に、両凸レンズＬ６１（正レンズ）と両凹レンズＬ６２（負レンズ）との貼り合わせからなる接合正レンズ及び両凸レンズＬ６３（正レンズ）と両凹レンズＬ６４（負レンズ）との貼り合わせからなる接合負レンズを配置して構成される。この結像レンズＩＬを構成する各レンズの諸元を下の表４に示す。なお、表４における面番号１〜６は結像レンズＩＬに関するものであり、それぞれ図７における符号１〜６に対応する。
【００３８】
【表４】
2004341170.tif 000006
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、浸液に浸したときに第１面に入った気泡の除去が容易であり、また、使用後の浸液のふき取りが容易であるため実用上支障がなく、かつ、開口数が１．０と大きいにも関わらず、比較的長い作動距離を有する液浸系顕微鏡対物レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るレンズ構成を示す断面図である。
【図２】第１実施例に係る諸収差図である。
【図３】本発明の第２実施例に係るレンズ構成を示す断面図である。
【図４】第２実施例に係る諸収差図である。
【図５】本発明の第３実施例に係るレンズ構成を示す断面図である。
【図６】第３実施例に係る諸収差図である。
【図７】本発明に係る液浸系顕微鏡対物レンズとともに用いられる結像レンズの断面図である。
【符号の説明】
ＯＬ  液浸系顕微鏡対物レンズ
Ｌ１，Ｌ２１，Ｌ４１  第１レンズ（最も物体側に位置するレンズ）
【図１】
2004341170.tif 000007
【図２】
2004341170.tif 000008
【図３】
2004341170.tif 000009
【図４】
2004341170.tif 000010
【図５】
2004341170.tif 000011
【図６】
2004341170.tif 000012
【図７】
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