(57)【要約】【課題】広い温度範囲で適用可能な顕微鏡対物レンズを提供すること。【解決手段】前面光学素子（８）、前面光学素子（８）から離間してかつ互いに離間して配置された複数の光学素子、ならびに調整ユニット（１１、１２）を備える顕微鏡対物レンズ（３）であって、対物レンズ（３）の焦点位置が前面素子（８）に対して光軸（ＯＡ）の方向に移動するようにおよび／または対物レンズ（３）の温度誘起による結像誤差が補償されるように、前記光学素子の少なくとも１つを、調整ユニット（１１、１２）によって光軸（０Ａ）に沿って移動させることができる顕微鏡対物レンズが提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面光学素子（８）、前面光学素子（８）から離間して及び互いに離間して配置された複数の光学素子、及び調整ユニット（１１、１２）を備え、
前記対物レンズ（３）の焦点位置が前記前面光学素子（８）に対して光軸（ＯＡ）の方向に移動するようにおよび／または前記対物レンズ（３）の温度誘起による結像誤差が補償されるように、前記光学素子の少なくとも１つが前記調整ユニットによって光軸（ＯＡ）に沿って移動可能であることを特徴とする顕微鏡対物レンズ（３）。
【請求項２】
前記調整ユニットは前記少なくとも１つの光学素子を移動させることによって、離間して配置された前記複数の素子のただ１つの距離を変更する請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
【請求項３】
離間して配置された前記複数の素子の少なくとも１つの距離が前記調整ユニットによって前記対物レンズ（３）の温度の関数として変更される請求項１または２に記載の顕微鏡対物レンズ。
【請求項４】
離間して配置された前記複数の素子の２つの距離が前記調整ユニットによって独立に変更される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の顕微鏡対物レンズ。
【請求項５】
蛍光顕微鏡及び２フォトン顕微鏡を含む顕微鏡に使用される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の顕微鏡対物レンズ。
【請求項６】
前面光学素子と、前記前面光学素子から離間して及び互いに離間して配置された複数の光学素子とを備える顕微鏡対物レンズを用いる顕微鏡観察方法であって、
温度誘起による結像誤差を補償するためにおよび／または前記前面光学素子に対して光軸方向に焦点位置を変更するために、少なくとも１つの光学素子を光軸に沿って移動させることを特徴とする顕微鏡観察方法。
【請求項７】
隣接する２つの光学素子間の少なくとも１つの距離が変更されるように少なくとも１つの光学素子を移動することを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡観察方法。
【請求項８】
試料の複数の異なる深さにおいて光学的断面像を得るために焦点位置が変更される請求項６または７に記載の顕微鏡観察方法。
【請求項９】
焦点位置の変更を所定の深さプロファイルに従って行なう請求項６乃至８のいずれか一項に記載の顕微鏡観察方法。
【請求項１０】
顕微鏡対物レンズの作動距離を変更しない状態で結像誤差の補償および／または焦点位置の変更を行なうように、少なくとも１つの光学素子を移動させる請求項６乃至９のいずれか一項に記載の顕微鏡観察方法。
【請求項１１】
離間して配置された光学素子の２つの距離が独立に変更されるように少なくとも１つの光学素子を移動させる請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の顕微鏡観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば蛍光顕微鏡、特に２フォトン顕微鏡で使用される顕微鏡対物レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光顕微鏡において実験する場合、たとえば、生きている標本を試験する際には、標本の温度制御を行なう必要がある。温度溜りを回避する目的で、試料だけでなく顕微鏡対物レンズも加熱されるため、顕微鏡対物レンズは、たとえば、２０乃至４０℃の温度範囲で使用される。
【０００３】
対物レンズについての種々の研究結果が発表されている（例えば、非特許文献１，２参照）。
【非特許文献１】「Distortion of femtosecond laser pulses in lenses」、Optical Letters、第１４巻、第２号、1989年1月15日、Optical Society of America
【非特許文献２】「Visual Microscopic Analysis with a Diamond ATR Infrared Objective」、SensIR Technologies、Application Brief AB-056
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、顕微鏡対物レンズははるかに狭い温度範囲に対して設計されることが多いため、たとえば前記狭い温度範囲外の温度では、球面収差が発生する。前記収差は分解能を低下させる。
【０００５】
また顕微鏡においては、特にレーザ走査型顕微鏡においては、試料の複数の異なる深さにおいて光学的切断または光学的断面像の撮影が行なわれる。このため、顕微鏡対物レンズの光軸に沿って試料を移動させるか、または顕微鏡対物レンズ全体を移動させることが行なわれる。そうすることで、前面レンズと試料の表面との間の距離が変更されるが、その結果、フォーカシング速度が高いと機械的な振動が起こることがある。液浸媒体を用いて顕微鏡を動作させる場合、これらの振動が試料に伝達することで不都合となる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、前述の問題を打開することのできる顕微鏡対物レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述の目的を達成すべく、本発明に従う顕微鏡対物レンズは、前面光学素子、前面光学素子から離間して及び互いに離間して配置された複数の光学素子、及び調整ユニットを備え、前記対物レンズの焦点位置が前記前面光学素子に対して光軸の方向に移動するようにおよび／または前記対物レンズの温度誘起による結像誤差が補償されるように、前記光学素子の少なくとも１つが前記調整ユニットによって光軸に沿って移動可能である。
【０００８】
顕微鏡対物レンズ内の隣接する２つの素子間の個々の距離をまたはただ１つの距離を変更することによって、たとえば、望ましくない球面収差（開口収差）を少なくとも部分的に補償することができる。このような開口収差は、たとえば、顕微鏡対物レンズが浸漬型顕微鏡内で用いられ、および浸漬媒体の厚みが変化するかまたは浸漬媒体の屈折率が熱の変化によって変わるときに、発生し得る。浸漬媒体を他の種類の浸漬媒体と交換した場合も、このような望ましくない開口収差を招く可能性がある。
【０００９】
少なくとも２つの距離を変更することによって、たとえば開口収差を、非常に良好に補償することができる。また、顕微鏡対物レンズの前面素子に対する顕微鏡対物レンズの焦点位置を変えることができる。この場合、顕微鏡対物レンズを顕微鏡内で用いれば、試料の複数の異なる深さにおいて光学的断面像を得ることができる。これは、試料の表面までの前面レンズの距離、したがって作動距離を維持しながら実現されるため、優位である。したがって、作動距離の変更に伴って通常生じる問題（たとえば機械的な振動）は、完全に回避することができる。今までのところ、作動距離は、試料の表面からの前面レンズの距離であると理解する。また必要に応じてフォーカシングを実現するために移動させる必要があるのは、顕微鏡対物レンズの少数の素子のみであって、顕微鏡対物レンズ全体ではない。
【００１０】
優位なことに、顕微鏡対物レンズ内の少なくとも２つの距離を変更することは、温度誘起による球面収差を補償するために用いることもできる。したがって、本発明に従う顕微鏡対物レンズの適用範囲は広く、従来の対物レンズと比較としてはるかに広い温度範囲において実現可能である。
【００１１】
好ましくは、隣接する素子の２つ以上の距離を調整ユニットによって変更する。詳細には、この変更は、距離がそれぞれ互いに独立に変更されるかまたは調整されるように、行なわれる。
【００１２】
調整ユニットは１つまたは複数の調整素子を備えていても良い。調整素子としてたとえばピエゾ素子を用いることができる。
好ましくは制御された仕方で距離の変更が行なわれる。この場合、調整ユニットを適宜制御する制御ユニットを設けることができる。特に、制御ユニットは、顕微鏡対物レンズが使用される顕微鏡の制御ユニットであっても良い。
【００１３】
また温度センサを設けても良い。温度センサは、検査対象の試料および／または顕微鏡対物レンズの温度を（たとえば常に）測定して、それを制御ユニットに送信する。次に制御ユニットは測定結果の関数としてまたは測定結果に基づいて距離を設定する。
【００１４】
顕微鏡対物レンズの前面光学素子（すなわち、顕微鏡対物レンズを使用しているときに試料から最短距離にある素子）は、たとえばレンズであっても良く、前面光学素子の顕微鏡対物レンズにおける配置は、特に前面光学素子が顕微鏡対物レンズの光軸方向に移動不能であっても良い。
【００１５】
本発明に従う顕微鏡対物レンズは好ましくは、顕微鏡、特に蛍光顕微鏡または２フォトン顕微鏡において使用される。この場合、顕微鏡としては、顕微鏡対物レンズの優位性を利用できるものが用意される。たとえば、顕微鏡は、浸漬型顕微鏡および／またはレーザ走査型顕微鏡であっても良い。また顕微鏡は、顕微鏡対物レンズの調整ユニットを制御する制御モジュールを備えていても良い。特に、後述する顕微鏡観察方法およびその説明されるさらなる実施形態が顕微鏡を用いて実行できるように制御モジュールを設けても良い。
【００１６】
また顕微鏡観察方法として、前面光学素子と、前面素子からおよび互いに離間して配置された複数の光学素子とを備える顕微鏡対物レンズを用いるものであって、温度誘起による結像誤差を補償するためにおよび／または前面素子に対する光軸方向における焦点位置を変更するために、少なくとも１つの光学素子を光軸に沿って移動させる顕微鏡観察方法が提供される。この移動によって、互いに離間して配置された素子間の少なくとも１つの距離を、選択的に変更するかまたは調整することがそれぞれできるため、温度誘起による結像誤差（たとえば、温度誘起による球面収差）の所望の補償および／または焦点位置の所望の変更または調整をそれぞれ行なうことができる。
【００１７】
特に、焦点位置を変更することによって、試料の複数の異なる深さにおいて光学的断面像を得ることができる。こうするために前面素子を移動させる必要はないため、顕微鏡観察方法の間じゅう作動距離は一定のままである。そのため、従来のアプローチにおいて（特に浸漬媒体を使用しているときに）作動距離の変更に伴う問題を回避することができる。
【００１８】
したがって、作動距離が変更されない状態で結像誤差の補償および／または焦点位置の変更が行なわれるように、少なくとも１つの光学素子を移動させることは優位である。
特に、焦点位置の変更は、所定の深さプロファイルに従って行なうことができる。これは、たとえば周期的な深さプロファイルであっても良いし、何らかの他の所定の深さプロファイルであっても良い。したがって本方法には、この深さプロファイルをたどること（すなわち焦点位置を、深さプロファイルに従って変更すること）が含まれているため、光学的断面像を、異なる試料における同じ深さから得ることができる（すなわち顕微鏡写真が、異なる試料における同じ深さからそれぞれ取られる）。
【００１９】
本方法には、離間して配置された光学素子の２つ以上の距離が独立に変更されるように、少なくとも１つの光学素子を移動させることが含まれる。詳細には、正確に２つの距離を独立に変更することによって、焦点位置の優れた移動を、収差（前記移動によって生じる）が無視できる状態を同時に伴って、達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に示した一例を参照して、本発明について詳細に説明する。図１に概略的に示す顕微鏡は顕微鏡対物レンズシステム１および照明源２を備えている。照明源２は、この場合は、７００乃至１１００ｎｍの波長の電磁放射を放出できるものである。
【００２１】
顕微鏡対物レンズシステム１は、対物レンズ３、カラースプリッタ４、検出光学系５、及び表面検出器６を備えている。表面検出器６は、直径がほぼ１０ｍｍの円形の検出領域を有している。カラースプリッタ４は、照明源２からの電磁放射を透過するとともに、対象物または試料７からそれぞれ来る検出可能な放射（波長範囲は４００乃至７００ｎｍ）を反射するように適合されている。
【００２２】
動作中、照明源２からの放射は、カラースプリッタ４を透過して、対物レンズ３を介して試料７上に合焦される。試料から来る検出される放射は、対物レンズ３を通過し、カラースプリッタ４によって反射されて、検出光学系５に至ることによって、検出器６上に送られる。
【００２３】
本明細書で説明する顕微鏡対物レンズシステムでは、対物レンズは、浸漬液体として水を用いる浸漬対物レンズである。対物レンズ３と試料７との間の作動距離Ｄは２．１１ｍｍであり、開口度は０．８である。
【００２４】
図２のレンズ断面は、検出器６上に送られる検出放射に対するビーム経路を示している。カラースプリッタ４から試料７までにおいては、このビーム経路は、照明源２からの光に対する照明ビーム経路にも対応している。対物レンズ３および検出光学系の正確な光学構造を表１、２に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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表面Ｆ１２＋Ｆ１３とＦ１４＋Ｆ１５はそれぞれ、互いにセメントでつながれている。表面Ｆ２４およびＦ２５を有する素子は、蛍光フィルタのような吸収フィルタ（Emissionsfilter）である。
【００２７】
表面Ｆ７は、回折表面として与えられている。回折表面は、以下の位相多項式Ｐ（ｒ）を用いて記述することができる。
【００２８】
【数１】
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ここで、ａ１＝２６６４７ｘ１０−４、ａ２＝３．９８５ｘ１０−７、ａ３＝１．３９２９ｘ１０−９、ａ４＝−３．１７５１ｘ１０−１３、ａ５＝−３．７４３８ｘ１０−１７であり、ｒは動径距離である。位相多項式Ｐ（ｒ）は、位相シフトを動径距離ｒの関数として示しており、回折素子のグレーティング周波数は、動径距離ｒによる位相多項式の導出に基づいて計算することができる。
【００２９】
図２では、２つの調整素子１１および１２（全体として調整ユニットを形成する）が概略的に示されている。双方向矢印Ｐ１が示すように、調整素子１１によって、表面Ｆ７およびＦ８を有する素子を、対物レンズ３の光軸ＯＡに沿って移動させることができる。同様に、双方向矢印Ｐ２が示すように、表面Ｆ９乃至Ｆ１８を有する光学素子群を一緒に、調整素子１２によって、対物レンズ３の光軸方向に移動させることができる。この結果、表面Ｆ６とＦ７との間の距離および表面Ｆ８とＦ９との間の距離を、調整素子１１および１２によって、独立に調整することができる。このことを用いて、作動距離Ｄを変更することなく焦点位置を光軸に沿って変更することができるため、試料の複数の異なる深さにおいて光学的断面像を得ることができる。こうするために作動距離Ｄを変える必要はないため、このようにしても、その他の場合には現れて不都合になる振動および浸漬液体を介した試料上への力の伝達につながることはない。これらは、試料ステージおよび／または対物レンズの移動（すなわち作動距離の変更）による従来のフォーカシングの間に起こるものである。
【００３０】
±０．１ｍｍのデフォーカス範囲に対する、表面Ｆ６とＦ７との間の距離と、表面Ｆ８とＦ９との間の距離の必要な変更を表３に示す。
【００３１】
【表３】
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距離Ｆ６−Ｆ７と距離Ｆ８−Ｆ９を変更することによって、温度結像誤差の補償を、たとえば２０乃至４０℃の温度範囲内で実現することができる。対物レンズ３が温度２０℃に対して設計されている場合、動作温度３０℃に対して、距離Ｆ６−Ｆ７を−０．０３２４ｍｍだけ変更し、距離Ｆ８−Ｆ９を０．０１０９ｍｍだけ変更する必要がある。温度４０℃に対しては、距離Ｆ６−Ｆ７の変更は、−０．０６５８ｍｍであり、距離Ｆ８−Ｆ９の変更は、０．０２３１ｍｍである。
【００３２】
調整素子１１および１２として、ピエゾ調整素子、または素子の移動に対して所望の精度を有する他の調整素子を用いることができる。
特に、温度センサ（図示せず）を設けることもできる。温度センサは、対物レンズ３の温度を常に測定して、それを制御ユニット（図示せず）に送信する。そして測定温度の関数として、制御ユニットは、調整素子１１および１２を制御する。当然のことながら、このような制御ユニットを前述した仕方で焦点位置を変更するために用いても良い。
【００３３】
図１に示す顕微鏡において、たとえば偏向ユニットを対物レンズ３とカラースプリッタ４との間に配置しても良い。この場合、顕微鏡はレーザ走査型顕微鏡として提供される。また検出光学系５を省略しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に従う顕微鏡の実施形態を示す概略図である。
【図２】図１の対物レンズの検出ビーム経路が例示されている顕微鏡対物レンズシステムの断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…顕微鏡対物レンズシステム、２…照明源、３…対物レンズ３、４…カラースプリッタ、５…検出光学系、６…表面検出器、７…試料、８…前面光学素子、１１、１２…調整ユニットを構成する調整素子、ＯＡ…光軸、Ｆ１〜Ｆ２６…表面
【図１】
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【図２】
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