(57)【要約】【課題】多光子励起の発生確率を高くすることが可能な対物レンズを提供する。【解決手段】３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質で形成された光学素子からなる。光学素子には、３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質を基板とした回折光学素子Ｌ５を有している。回折光学素子Ｌ５は蛍光波長で最適化されている。また、屈折率及びアッベ数が異なる媒質で形成されたレンズＬ３，Ｌ４からなる接合レンズを有している。また、収差補正を施したＮＡと、有効径を決めるＮＡとが異なり、次の条件式を満足する。ＮＡｅ＞１．５×ＮＡｃ但し、ＮＡｅは有効径を決めるＮＡ、ＮＡｃは収差補正を施したＮＡである。また、有効径を決めるＮＡが０．６以上の水浸対物レンズとして構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質で形成された光学素子からなることを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】
３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質を基板とした回折光学素子を、少なくとも１枚有することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
【請求項３】
前記回折光学素子が、蛍光波長に対して最適化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の対物レンズ。
【請求項４】
屈折率及びアッベ数が異なる媒質で形成されたレンズからなる接合レンズを、少なくとも１枚有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項５】
収差補正を施したＮＡと、有効径を決めるＮＡとが異なり、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の対物レンズ。
ＮＡｅ＞１．５×ＮＡｃ
但し、ＮＡｅは有効径を決めるＮＡ、ＮＡｃは収差補正を施したＮＡである。
【請求項６】
有効径を決めるＮＡが０．６以上の水浸対物レンズとして構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項７】
光軸上の硝路長が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項８】
光軸上の光線に対する群遅延分散が１０００ｆｓｅｃ２以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項９】
前記媒質が、石英又は蛍石であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項１０】
標本側から順に配置された、像側に凸面を向けた石英製の平凸レンズと、像側に凸面を向けた石英製の正メニスカスレンズと、石英製の負メニスカスレンズと蛍石製の両凸レンズとからなる接合レンズと、回折光学素子とで構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項１１】
収差補正が施されている波長領域が、近赤外領域であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項１２】
近赤外領域であって３０ｎｍ以上の幅を有する波長領域ごとに収差補正が施されていて、各波長領域でのベスト面が異なることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項１３】
前記対物レンズは、多光子顕微鏡専用であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多光子顕微鏡に用いられる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来の共焦点レーザ走査型顕微鏡では実現が困難であった生体組織内深部を破壊することなく３次元観察できる顕微鏡として、多光子励起法を用いた顕微鏡（多光子顕微鏡）が注目されている。
【０００３】
多光子励起法は、通常、１光子（単光子）で行われている励起を多光子で行う方法であり、例えば、２光子励起法では、単光子励起法において４００ｎｍの波長で行っていた蛍光励起を、２倍の８００ｎｍの波長で行うというものである。このとき、８００ｎｍの波長での１光子のエネルギーは４００ｎｍの波長での１光子のエネルギーに比べて半分になるため、８００ｎｍの波長では２光子を用いて蛍光励起が行われる。
【０００４】
通常の単光子励起法では、物質が光を吸収して、蛍光を生ずるときのエネルギーは、蛍光エネルギーのほうが吸収エネルギーよりも小さくなる。このため、蛍光は励起光に比べて長波長側にシフトする。例えば、セロトニンを２６０ｎｍの波長で励起することにより、３００〜３８０ｎｍの自家蛍光を生じさせる。
これに対し、多光子励起法の場合は、単光子励起法に比べて２倍以上の長い波長を用いて、励起光に比べて短波長側の蛍光を検出する。例えば、３光子励起法の場合、セロトニンを７５０ｎｍの波長で励起することにより、３００〜３８０ｎｍの自家蛍光を生じさせる。
このような多光子励起法では、近赤外のレーザ光を照射することによって、紫外から可視領域にわたる所望の波長の蛍光を観察することが可能となる。
【０００５】
多光子顕微鏡は、同じ波長の蛍光を発生させる際に、１光子吸収の場合に比べて２倍以上の長い波長で励起するために、１００ＭＨｚ程度の繰り返し周波数を持つフェムト秒超短パルスレーザ光を励起光に用いた顕微鏡である。例えば、レーザ装置から発せられる近赤外の超短パルスレーザ光を対物レンズを介して試料上に集光し、多光子吸収によって発生する蛍光を、対物レンズ、ダイクロイックミラー、集光レンズ等を介して検出器で検出し、モニタ等を介して３次元画像化するように構成されている。
【０００６】
２光子顕微鏡によれば、２光子吸収が励起光強度の２乗に比例した確率で発生し、励起光の焦点近傍の極く小さな範囲のみで２光子励起が、単位時間・単位体積当たりの光子密度の２乗に比例した確率で発生し、収束励起ビームの焦点スポット内において、吸収、蛍光の発生、光化学反応が局在し、高い空間分解能が得られる。
そして、多光子顕微鏡によれば、試料の極く一部でしか蛍光が発生しないため、厚い標本であってもいわゆる断層像のような非常に焦点深度の浅い画像を得ることができるという特徴がある。
【０００７】
また、多光子顕微鏡によれば、同じ波長の蛍光を発生させる際に、１光子吸収の場合に比べて２倍以上の長い波長で励起するので、試料内での蛍光散乱が１桁以上少なくなり、蛍光測定のＳＮ比が向上する。
【０００８】
また、多光子顕微鏡では、上述のように、近赤外パルス光で可視域の遷移エネルギーを励起することができ、励起光が焦点以外では電子遷移や分子振動による吸収を被ることなく、生体試料中の奥深くまで透過することができる。また、多光子顕微鏡では、可視域パルス光で紫外域の回折限界顕微鏡観察像を得ることができる。
【０００９】
ところで、多光子蛍光を発生させるには、上述のように非常に高い光強度が必要である。しかし、通常用いるナノ秒や１００ピコ秒程度のパルスレーザで多光子励起を行うと、例えば細胞などの生体試料は、吸収エネルギーが大きすぎてダメージを受けてしまう。これに対し、フェムト秒のパルスレーザで多光子励起を行えば、２光子吸収に十分な光子密度を与え、かつ、吸収エネルギーを小さくすることができる。
また、２光子励起は、上述のように、その単位時間・単位体積当たりの光子密度の２乗（３光子励起では３乗）にほぼ比例した確率で起こる。しかるに、フェムト秒のパルスレーザで多光子励起を行えば、パルス幅が非常に狭いため複数の光子が存在する確率が高くなる。
そこで、多光子顕微鏡のレーザとしては、１００フェムト秒程度の超短パルスで、近赤外の波長を持ち、１００ＭＨｚ程度の繰り返し周波数を持つレーザが最適なものとして用いられている。
【００１０】
但し、パルスレーザ光源から出たレーザ光はある波長幅を持っており、レーザ光のパルス幅は光学素子を通過するたびに拡がってしまう。そして、標本のレーザ光が到達するまでの間に多くの光学素子を存在させると、標本位置でパルス幅が大きく拡がってしまい多光子励起が起きなくなるという問題が生じる。
【００１１】
このパルス幅の拡がりを解決する方法として、プリズムを用いて「短い波長の光を先に出す」、即ち、「長い波長の光を遅らせる」という手法（プレチャープコンペンセーション）が一般的に知られている。この手法に関しては、
“Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｂｙ  ｔｗｏ‐ｐｈｏｔｏｎ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ／ｂｙ  Ｇ．Ｊ．  Ｂｒａｋｅｎｈｏｆｆ，Ｍ．Ｍｕｌｌｅｒ  ＆  Ｊ．Ｓｑｕｉｅｒ／Ｊ．ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．１７９，Ｐｔ．３，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９５，ｐ．２５３‐２６０”に詳述されている。
この方法は、複数のプリズムをレーザビームの光路に配置し、レーザビームをプリズムを通過させることで波長幅の範囲で拡げ、プリズム間の間隔やプリズム自身の光軸に対する相対位置を変えることにより、長波長側と短波長側とで光路長を異ならせることで、短い波長の光を先に出し、長い波長の光を遅らせるという方法である。
【００１２】
一方、従来、単光子励起による観察を行う顕微鏡等に用いる対物レンズとしては、高倍率、高ＮＡで、接合レンズや異常分散ガラスを多用することなしに諸収差、特に色収差を補正した対物レンズとして回折光学素子を用いた対物レンズが、例えば、特許文献１に開示されている。
また、従来、２光子励起による観察を行う顕微鏡等に用いる対物レンズが、例えば、特許文献２に開示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平０６−３３１８９８号公報
【特許文献２】
特開平０６−２８１８６４号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の対物レンズ等、従来の通常の対物レンズは、広い波長域にわたって色収差補正をするために多数のレンズを使用しており硝路長が長くなっている。また、特に紫外光対応でないものは、高分散ガラスが用いられているため、従来の対物レンズは、群遅延分散（ＧＤＤ：Ｇｒｏｕｐ  Ｄｅｌａｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）の値が大きくなっている。
しかし、群遅延分散の値が大きいと、対物レンズを通過することにより、パルス幅が拡がってしまう。
また、特許文献２に記載の対物レンズも、広い波長域にわたって色収差補正をするために多数のレンズを使用しており硝路長が長くなっている。また、特に紫外光対応でないものは、高分散ガラスが用いられているため、群遅延分散（ＧＤＤ：Ｇｒｏｕｐ  Ｄｅｌａｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）の値が大きくなっている。
【００１５】
２光子励起では２乗、３光子励起では３乗に比例した確率で発生する。従って、多光子励起を確率良く行うためには、単位時間・単位体積当たりの光子密度を高くすることが必要である。
このため、対物レンズでのチャープ量は、極力小さくなることが望ましい。
【００１６】
しかし、特許文献１に記載のような単光子励起に用いる従来の対物レンズや特許文献２に記載のような２光子励起に用いる従来の対物レンズでは、上述のように、群遅延分散の値が大きい。このため、従来の対物レンズでは、パルスレーザが通過するときに、大きなチャープを生じ、パルス幅が大きく拡がってしまい、多光子励起の発生確率を大きくとることができなかった。
また、上述のようなプレチャープコンペンセーション光学系を用いてパルス幅の調整が難しい。
【００１７】
また、多光子励起は、その過程そのものが非線形現象であり、発生確率が、上述のように、２乗（２光子）、３乗（３光子）特性を持つ。このため、多光子励起では、励起された蛍光を極力多く集めて、検出器に導くことが重要である。
【００１８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、多光子励起の発生確率を高くすることが可能な対物レンズを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による対物レンズは、３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質で形成された光学素子からなることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明による対物レンズは、３００ｎｍの波長に対して、厚さ１０ｍｍにおいて５０％以上の内部透過率を有する媒質を基板とした回折光学素子を、少なくとも１枚有することを特徴としている。
【００２１】
また、本発明による対物レンズは、前記回折光学素子が蛍光波長で最適化されていることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明による対物レンズは、屈折率及びアッベ数が異なる媒質で形成されたレンズからなる接合レンズを、少なくとも１枚有することを特徴としている。
【００２３】
また、本発明による対物レンズは、収差補正を施したＮＡと、有効径を決めるＮＡとが異なり、次の条件式（１）を満足することを特徴としている。
ＮＡｅ＞１．５×ＮＡｃ                                  …（１）
但し、ＮＡｅは有効径を決めるＮＡ、ＮＡｃは収差補正を施したＮＡである。
【００２４】
また、本発明による対物レンズは、有効径を決めるＮＡが０．６以上の水浸対物レンズとして構成されていることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明による対物レンズは、光軸上の硝路長が２０ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明による対物レンズは、光軸上の光線に対する群遅延分散が１０００ｆｓｅｃ２以下であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明による対物レンズは、前記媒質が、石英又は蛍石であることを特徴としている。
【００２８】
また、本発明による対物レンズは、標本側から順に配置された、像側に凸面を向けた石英製の平凸レンズと、像側に凸面を向けた石英製の正メニスカスレンズと、石英製の負メニスカスレンズと蛍石製の両凸レンズとからなる接合レンズと、回折光学素子とで構成されていることを特徴としている。
【００２９】
また、本発明による対物レンズは、収差補正が施されている波長領域が、近赤外領域であることを特徴としている。
【００３０】
また、本発明による対物レンズは、近赤外領域であって３０ｎｍ以上の幅を有する波長領域ごとに収差補正が施されていて、各波長領域でのベスト面が異なることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明による対物レンズは、多光子顕微鏡専用であることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
本発明のように、対物レンズを構成する光学素子として、石英や螢石などの媒質のみを用いると、群遅延分散の値が小さく、パルス幅の拡がりを抑えることができる。
また、そのような光学素子に３００ｎｍでの厚さ１０ｍｍでの内部透過率が５０％以上ある媒質で形成された光学素子を用いると、蛍光波長が３００ｎｍ以下であっても十分な透過率を有して、蛍光観察をすることが可能となる。
また、本発明のように、収差補正を施したＮＡと有効径を決めるＮＡとが上記条件式（１）を満足するように異ならせると、励起用のＮＡに対して蛍光を取り込む有効径を大きくとることができるため、散乱された蛍光も、極力多く集めることができ、ロスが少なく検出することができる。ただし、対物レンズを構成する光学素子の媒質として石英や螢石以外の媒質を用いると、レンズ自体で自家蛍光が生じ、標本で生じた蛍光の検出精度が劣化してしまう。このため、本発明では、上述のように、対物レンズを構成する光学素子として、石英や螢石などの媒質のみを用いている。
なお、励起光用のＮＡは０．６程度あれば十分であるので、収差補正を施すＮＡのはＮＡ０．６程度であって、しかも、収差補正を施す波長域は、励起に用いる波長域（近赤外域）だけで足りる。一方、蛍光は、散乱されたものも含めて、極力取り込むのが望ましいので、取り込みのＮＡ（有効径）は極力大きいのが望ましい。
【００３３】
また、本発明のように構成すると、レンズ枚数が少なくて済み、硝路長を短くすることができるため、群遅延分散が小さくなり、大きなチャープを発生しない。このため、プレチャープ量が少なくて済む。
また、本発明のように、蛍光波長に対して最適化された回折光学素子（ＤＯＥ）を用いると、蛍光に対する回折効率が大きくなり、蛍光の検出ロスを少なくすることができる。なお、このように構成すると、励起レーザ波長に対しては、回折効率が悪くなるが、レーザのパワーを上げれば試料を励起するための十分な光の強度が得られるので励起に支障は生じない。また、多光子吸収では、集光点近傍の極く小さな範囲のみで多光子励起が発生し、回折光学素子による不要次数光が生じても、その不要次数光によって多光子励起は起こらないので問題ない。
【００３４】
なお、本発明で用いる回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）は、オプトロニクス社発行の「光学デザイナーのための光学エレメント」第６，第７章、及びＷｉｌｌｉａｍ  Ｃ．  Ｓｗｅａｔｔ著『ＮＥＷＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＤＥＳＩＧＮＩＮＧ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＥＬＥＭＥＮＴＳ』（ＳＰＩＥ．ＶＯＬ．１２６，ｐ４６−５３，１９７７）等に記載されている。その原理を以下に簡単に述べる。
【００３５】
通常の光学ガラスは、図７において次の式（２）で表わされるスネルの法則にしたがって屈折する。
ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’                              …（２）
但し、ｎは入射側媒質の屈折率、ｎ’は出射側媒質の屈折率、θは光線の入射角、θ’は光線の出射角である。
【００３６】
一方、回折現象では、図８に示すように、光は次の式（３）で表わされる回折の法則にしたがって曲げられる。
ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ                    …（３）
但し、ｍは回折光の次数、λは波長、ｄは格子間隔である。
この式にしたがって光線を屈折させるようにした光学素子が回折光学素子である。
なお、図８では遮蔽部と透過部が間隔ｄで並設されたものを示したが、図９に示すように、透明体の表面に断面が鋸歯状の回折面を設けて最適化（ブレーズ化）するか、図１０に示すように、そのバイナリー近似を行うと高い回折効率を得ることができる。
【００３７】
次に、上記のような回折光学素子を用いることによる利点について説明する。
屈折系の薄肉レンズの場合、次の式（４）に示す関係が成り立つ。
１／ｆ＝（ｎ−１）（１／ｒ１−１／ｒ２）                    …（４）
但し、ｆは焦点距離、ｒ１，ｒ２は、夫々入射面と射出面の曲率半径、ｎはレンズの屈折率である。
上記式（４）の両辺を波長λで微分すると次の式（５）が求まる。
ｄｆ／ｄλ＝−ｆ（ｄｎ／ｄλ）／（ｎ−１）
Δｆ＝−ｆ｛Δｎ／（ｎ−１）｝                    …（５）
ここで、係数倍的効果を除くと、Δｎ／（ｎ−１）が分散特性を表わすことになるので、分散値νを次式（６）のように定義できる。
ν≡（ｎ−１）／Δｎ                                    …（６）
従って、可視域における分散特性（アッベ数νｄ）は次式（７）のようになる。
νｄ＝（ｎ−１）／（ｎＦ−ｎｃ）                                …（７）
【００３８】
一方、回折光学素子の場合は、次の式（８）が成立する。
ｆ＝ｈ／（ｎ’ｓｉｎθ’）＝（ｄｈｈ）／（ｍλ）          …（８）
但し、ｆは回折光学素子の焦点距離、ｈは入射する平行光の光線高、ｄｈは入射する平行光の光線高ｈのところでの格子間隔である。
無収差の回折光学素子の場合、ｄｈｈは一定であるので、ｆ＝Ｃ／λ（Ｃは定数）である。このｆ＝Ｃ／λの両辺をλで微分すると次の式（９）が得られる。
ｄｆ／ｄλ＝−Ｃ／λ２＝−ｆ／λ
Δｆ＝−ｆ（Δλ／λ）                            …（９）
ここで、ν≡（ｎ−１）／Δｎであるので、ν＝Δλ／λである。従って、回折光学素子の可視域でのアッベ数νｄは次式（１０）のようになる。
νｄ＝λｄ／（λＦ−λｃ）＝−３．４５３                        …（１０）
【００３９】
このように回折光学素子は、非常に大きな負の分散特性を持つ。通常のガラスの分散特性は、約２０〜９５であるので、回折光学素子は非常に大きな逆分散特性を持つことがわかる。また、同様の計算により、回折光学素子は異常分散性を持つことがわかる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の対物レンズの実施例を図面を用いて説明する。
第１実施例
図１は本発明の第１実施例にかかる対物レンズの光軸に沿う断面図であり、（ａ）は励起光が透過する状態、（ｂ）は蛍光が透過する状態を示している。図２は第１実施例にかかる対物レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。図３は本発明の各実施例の対物レンズに用いる回折光学素子の波長に対する回折効率特性を示すグラフである。
第１実施例の対物レンズは、図１に示すように、物体側から順に配置された、像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の平凸レンズＬ１と、像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の正メニスカスレンズＬ２と、像側に凹面を向けた石英製の負メニスカスレンズＬ３と蛍石製の両凸レンズＬ４との接合レンズと、回折光学素子Ｌ５とで構成されている。
回折光学素子Ｌ５は、石英製の平行平面板の像側に、図３に示すように、３８０ｎｍの波長で最適化されて構成されている。
【００４１】
なお、本発明の各実施例で用いる回折光学素子（ＤＯＥ）は、上述の通りであるが、このような回折光学素子を含む光学系の設計方法として、ウルトラ−ハイインデックス法（ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｉｎｄｅｘ  ｍｅｔｈｏｄｓ）と呼ばれるものが知られている。これは、回折光学素子を屈折率の極めて大きい仮想レンズ（ウルトラ−ハイ  インデックスレンズ）に置き換えて設計する方法である。このことについては、ＳＰＩＥ．ＶＯＬ．１２６  ｐ４６−５３，１９７７に記載されているが図１１を用いて簡単に説明する。
【００４２】
図１１において、１はウルトラ−ハイ  インデックスレンズ、２は法線である。このウルトラ−ハイ  インデックスレンズにおいては、次の式（１１）で表わされる関係が成り立つ。
（ｎＵ−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’      …（１１）
但し、ｎＵはウルトラ−ハイ  インデックスレンズの屈折率、ｚはウルトラ−ハイ  インデックスレンズの光軸方向の座標、ｈは光軸からの距離、ｎ，ｎ’は夫々入射側媒質及び射出側媒質の屈折率、θ，θ’は光線の入射角及び射出角である。
式（３）及び式（１１）から次の式（１２）が求まる。
（ｎＵ−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ                        …（１２）
即ち、ウルトラ−ハイ  インデックスレンズ（屈折力が極めて大きい屈折型レンズ）の面形状と回折光学素子のピッチとの間には式（１２）で与えられる等価関係が成立し、この式を通じてウルトラ−ハイ  インデックス法で設計したデータから回折光学素子のピッチを求めることができる。
【００４３】
一般的な軸対称非球面は、次の式（１３）のように表わされる。
ｚ＝ｃｈ２／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ２ｈ２｝１／２］＋Ａｈ４＋Ｂｈ６＋Ｃｈ８＋Ｄｈ１０＋・・・                                        …（１３）
但し、ｚは光軸（像の方向を正）、ｈは面とｚ軸との交点を原点としｚ軸に直交した座標軸のうちのメリジオナル方向の座標軸、ｃは基準面の曲率、ｋは円錐定数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・は夫々、４次，６次，８次，１０次，・・・の非球面係数である。
【００４４】
式（１２），（１３）より、ある光線高における上記非球面と等価の回折光学素子のピッチｄは、次の式（１４）で表わされる。
ｄ＝ｍλ／［（ｎ−１）｛ｃｈ／（１−ｃ２（１＋ｋ）ｈ２）１／２＋４Ａｈ３＋６Ｂｈ５＋８Ｃｈ７＋１０Ｄｈ９＋・・・｝］            …（１４）
【００４５】
次に第１実施例の対物レンズを構成する光学部材の数値データを示す。なお、以下の数値データには、対物レンズのデータの他に、断面図において図示しない像面と、標本を覆うカバーガラス面、及び標本面のデータも含まれている。また、数値データ中、ｒ０、ｒ１…は像側から順に示した各光学部材の面の曲率半径、ｄ０、ｄ１…は像側から順に示した各光学部材の肉厚又は各光学部材面間の間隔、Ｇ１，Ｇ２…は像側から順に示した各光学部材の媒質又は各光学部材面間の媒質を表している。これらの記号は、以下の各実施例及び比較例において共通である。
なお、各実施例の対物レンズを構成する媒質である石英の屈折率は１．５０７４５、アッベ数は６７．８２、蛍石の屈折率は１．４６７３０、アッベ数は９４．９９である。
【００４６】
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【００４７】
非球面係数
第２面
ｋ＝−１．００００００
Ａ＝−０．５７９６７１×１０−８    Ｂ＝  ０．１７６１２９×１０−９    Ｃ＝−０．３５８８３６×１０−１０  
Ｄ＝  ０．２０６０３３×１０−１１
【００４８】
ＮＡｃ：０．６（水浸）
ＮＡｅ：１．１
ＧＤＤ：５９１．８ｆｓｅｃ２  （励起波長：７００ｎｍ）
【００４９】
第２実施例
図４は本発明の第２実施例にかかる対物レンズの光軸に沿う断面図であり、（ａ）は励起光が透過する状態、（ｂ）は蛍光が透過する状態を示している。図５は第２実施例にかかる対物レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
第２実施例の対物レンズは、物体側から順に配置された、像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の平凸レンズＬ１と、像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の正メニスカスレンズＬ２と、蛍石製の両凸レンズＬ３’と像側に凹面を向けた石英製の負メニスカスレンズＬ４’との接合レンズと、回折光学素子Ｌ５とで構成されている。
回折光学素子Ｌ５は、第１実施例と同様、石英製の平行平面板の像側に、図３に示すように、３８０ｎｍの波長で最適化されている。
【００５０】
次に、第２実施例の対物レンズを構成する光学部材の数値データを示す。
2004317749.tif 000004
【００５１】
非球面係数
第２面
ｋ＝−１．００００００
Ａ＝−０．８６８０３３×１０−８    Ｂ＝  ０．８３８４５１×１０−１０    Ｃ＝−０．３３３９７２×１０−１０  
Ｄ＝  ０．２２３１７０×１０−１１
【００５２】
ＮＡｃ：０．６（水浸）
ＮＡｅ：１．１
ＧＤＤ：５９１．５ｆｓｅｃ２  （励起波長：７００ｎｍ）
【００５３】
比較例
図６は本発明の比較例にかかる従来の２光子用対物レンズの光軸に沿う断面図である。
比較例の対物レンズは、物体側から順に、像側に強い凸面を向けた接合面を有する平凸レンズと、正レンズとで構成された第１レンズ群Ｇ１と、正レンズと負レンズと正レンズとの接合レンズで構成された第２レンズ群Ｇ２と、負レンズと正レンズと負レンズとの接合レンズと、正レンズと負レンズとの接合メニスカスレンズと、負レンズと正レンズとの接合メニスカスレンズとで構成された第３レンズ群とで構成されている。
【００５４】
次に、比較例の対物レンズを構成する光学部材の数値データを示す。なお、比較例において、ｎｄ２、ｎｄ３…は物体側から順に示した各光学部材のｄ線での屈折率、νｄ２、νｄ３…は物体側から順に示した各光学部材のアッベ数を表わしている。なお、比較例においては、対物レンズを構成する媒質として、石英も、螢石も用いていない。
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2004317749.tif 000006
【００５５】
ＮＡｃ：１．１５
ＮＡｅ：１．１５
ＧＤＤ：２６５０ｆｓｅｃ２  （励起波長：７００ｎｍ）
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、近赤外域での多光子励起による紫外域での蛍光の発生確率が高い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実施例にかかる対物レンズの光軸に沿う断面図であり、（ａ）は励起光が透過する状態、（ｂ）は蛍光が透過する状態を示している。
【図２】第１実施例にかかる対物レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図３】本発明の各実施例の対物レンズに用いる回折光学素子の波長に対する回折効率特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施例にかかる対物レンズの光軸に沿う断面図であり、（ａ）は励起光が透過する状態、（ｂ）は蛍光が透過する状態を示している。
【図５】第２実施例にかかる対物レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図６】本発明の比較例にかかる従来の２光子用対物レンズの光軸に沿う断面図である。
【図７】通常ガラスでの光の屈折状況を示す説明図である。
【図８】回折現象による光の屈折状況を示す説明図である。
【図９】回折光学素子の最適化した状態での断面図である。
【図１０】回折光学素子のバイナリー近似を行った状態での断面図である。
【図１１】ウルトラ−ハイ  インデックスレンズにおける光の屈折状況を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｌ１            像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の平凸レンズ
Ｌ２            像側に強い曲率の凸面を向けた石英製の正メニスカスレンズ
Ｌ３，Ｌ４’    像側に凹面を向けた石英製の負メニスカスレンズ
Ｌ３’，Ｌ４’  蛍石製の両凸レンズ
Ｌ５            回折光学素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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