CN102959451A - 显微镜光学系统以及显微镜系统 - Google Patents

Abstract

提供一种使得衍射光学元件的无用级数的光所产生的耀斑少的显微镜光学系统。显微镜光学系统(MS)具有：物镜(OL)，该物镜具有衍射光学元件(GD)并将来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和第二物镜(IL)，将来自该物镜(OL)的大致平行光束会聚而形成物体的像，在将衍射光学元件(GD)的m级光用于成像的情况下，当从位于光轴上的物体射出的最大NA的光入射至衍射光学元件并从该衍射光学元件射出的m±1级光入射至第二物镜(IL)中的角度为θ，向该第二物镜(IL)的入射光瞳的直径作为D〔mm〕时，满足下式的条件：〔数式12〕|θ|＞tan^-1(0.06/D)。

Description

显微镜光学系统以及显微镜系统

技术领域

本发明涉及显微镜光学系统、以及使用该显微镜光学系统的显微镜系统。

背景技术

若在显微镜光学系统中使用衍射光学元件，则与现有技术相比，在色像差修正等方面具有优势，使光学性能提高，且能够设计低成本的显微镜物镜。但是，在将这种衍射光学元件使用在显微镜光学系统中时，不仅是用来成像的级数的光从显微镜物镜中透过，而且其他级数的光(以下，称为“无用级数的光”)也从显微镜物镜中透过，因此会产生耀斑。为了使这种衍射光学元件中的由无用级数的光导致的耀斑变得不明显，公知只要使像面中的无用级数的光的光斑变大即可(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献1：日本特开平11-125709号公报

但是，当在显微镜光学系统的物镜中使用衍射光学元件的情况下，存在如下课题：若不进行考虑了该显微镜光学系统的特征的设计，则无法有效抑制由衍射光学元件的无用级数的光导致的耀斑。

发明内容

本发明是鉴于这样的课题而做出的，其目的在于提供一种使得由衍射光学元件的无用级数的光导致的耀斑少的显微镜光学系统、以及使用该显微镜光学系统的显微镜系统。

为了解决上述课题，本发明的第一显微镜光学系统的特征在于，具有：物镜，该物镜具有衍射光学元件，并将来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和第二物镜，该第二物镜将来自该物镜的大致平行光束会聚而形成物体的像，在将衍射光学元件的m级光用于成像的情况下，当从位于光轴上的物体射出的最大NA的光入射至衍射光学元件并从该衍射光学元件射出的、级数与m级光不同的光入射至第二物镜中的角度为θ，向第二物镜的入射光瞳的直径为D〔mm〕时，满足下式的条件：

〔数式1〕

|θ|＞tan^-1(0.06/D)。

此外，本发明的第二显微镜光学系统的特征在于，具有：物镜，该物镜具有衍射光学元件，并将来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和第二物镜，该第二物镜将来自该物镜的大致平行光束会聚而形成物体的像，当从位于光轴上的物体射出的最大NA的光入射至衍射光学元件并从该衍射光学元件射出的衍射光中的、用于成像的级数的光的射出角度与无用级数的光的射出角度之差为δθ，用于成像的级数的光的出射高度为h，出射角度为θdoe，向第二物镜的入射光瞳的直径作为D〔mm〕，由构成物镜的透镜中的与衍射光学元件相比位于像侧的透镜组成的透镜组的焦距为f1时，满足下式的条件：

〔数式2〕

$\left|\mathrm{\δ\θ}\right|>\left|\frac{0.054}{\mathrm{hdoe}}\frac{f1}{D}\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)\right|.$

此外，在这样的显微镜光学系统中，优选衍射光学元件是紧密贴合多层型衍射光学元件。

此外，在这样的显微镜光学系统中，优选衍射光学元件在具有不同折射率的树脂层彼此的接合面上形成有衍射格栅图案，树脂层分别配置在平面基板上。

此外，在这样的显微镜光学系统中，优选由构成物镜的透镜中的与衍射光学元件相比位于像侧的透镜组成的透镜组具有负折射力。

此外，本发明的显微镜系统的特征在于，具有：载置物体的载物台；对该物体进行照明的照明光学系统；和将来自物体的光会聚而形成该物体的像的上述任一显微镜光学系统。

发明的效果

通过以上那样构成本发明，能够提供一种使得由衍射光学元件的无用级数的光导致的耀斑少的显微镜光学系统以及显微镜系统。

附图说明

图1是用于说明显微镜光学系统的构成的说明图。

图2是表示构成物镜的衍射光学元件及第二透镜组与第二物镜的关系的说明图。

图3是用于说明显微镜系统的构成的说明图。

图4是表示第一实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图5是第一实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

图6是表示第二实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图7是第二实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

图8是表示第三实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图9是第三实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

图10是表示第四实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图11是第四实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

图12是表示第五实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图13是第五实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

图14是表示第六实施例的显微镜光学系统的构成的透镜构成图，(a)表示整体，(b)表示物镜，(c)表示第二物镜以及棱镜。

图15是第六实施例的显微镜光学系统的光斑图，(a)表示0级光，(b)表示2级光。

具体实施方式

在显微镜光学系统中，具有因暗视野照明的使用而易于使耀斑明显的问题。另一方面，由于是包含照明系统在内的光学系统，所以非常明亮的光源并不位于视野内，不会成为耀斑源。但是，当在该显微镜光学系统中使用衍射光学元件的情况下，在通常的基于多重反射而产生的耀斑之外，衍射光学元件的无用级数的光成为问题。这种由无用级数的光导致的耀斑由该级数的衍射效率来决定耀斑光量，并由在成像面上的光斑的大小来决定照度。因此，在使用了衍射光学元件的显微镜光学系统中，需要提高用来成像的使用级数的光的衍射效率，并使由无用级数的光导致的耀斑变大。

通常，在显微镜光学系统中，通过无限远光学系统的物镜使来自物体的光束成为大致平行光束，并通过第二物镜成像。若在该第二物镜的成像位置上配置CCD摄像机则能够取得图像，若配置目镜则能够目视观察，从而能够进行图像取得和目视观察的切换。在这样的显微镜光学系统中，对于较暗物体的观察，适合利用能够将摄像时间调整得较长的CCD摄像机，但是却容易使耀斑成为问题。此外，由于显微镜光学系统为放大系统，所以即使物体高度小且该物体高度不同，物镜中的光路的差也较小。因此，在考虑由衍射光学元件导致的耀斑的情况下，仅考虑轴上物体光也没有问题。

以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。首先，基于图1所示的显微镜光学系统MS来进行说明。该显微镜光学系统MS构成为具有：物镜OL，使来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和第二物镜IL，使该大致平行光束会聚而形成物体的像。另外，物镜OL构成为，在使来自物体的光会聚而成为会聚光束之后，使该会聚光线成为大致平行光线，在使来自物体的光成为会聚光线的位置上配置有衍射光学元件GD。由此，在以后的说明中，将由与衍射光学元件GD相比位于物体侧的透镜构成的透镜组称为第一透镜组G1，将由与衍射光学元件GD相比位于像侧的透镜构成的透镜组称为第二透镜组G2。

衍射光学元件GD(衍射光学面)具有负色散值(在后述的实施例中，色散系数(阿贝数)＝-3.453)，由于色散大，且异常色散性(在后述的实施例中，部分色散比(ng-nF)/(nF-nC)＝0.2956)强，所以具有强大的色像差修正能力。光学玻璃的色散系数通常为30～80左右，但是如上述那样，衍射光学元件的色散系数是负值。换言之，衍射光学元件GD的衍射光学面的分散特性与通常的玻璃(折射光学元件)相反，具有随着光的波长变短而折射力变小、波长越长的光折曲得越大的性质。由此，通过与通常的折射光学元件组合，能够得到大的消色效果。因此，通过利用衍射光学元件GD，能够实现用通常的光学玻璃得不到的良好的色像差修正。

如图1所示可知，为了使通过衍射光学元件GD产生的无用级数的光在成像面上的光斑变大，只要使向第二物镜IL的入射角θ变大即可。因为物镜OL与第二物镜IL之间是大致平行系统，所以，在从轴上物体发出的光的情况下，相对于第二物镜IL的入射角大致为0°。另外，由于该显微镜光学系统MS的像侧开口数(NA)越大，所成的像就越明亮，所以耀斑变得不明显。

在该图1所示的显微镜光学系统MS中，当由从轴上物体放射的光中最大NA的光线通过衍射光学元件GD所产生的无用级数的光的、相对于第二物镜IL的入射角为θ，第二物镜IL的焦距为f2时，用f2tanθ表示由该无用级数的光在像面上形成的光斑的距光轴的高度。作为发明人的试验结果，可知：在像侧NA为0.015的情况下，在显微镜具有通常所要求的分辨率的光学系统中，若来自物体的光会聚，则只要使像面上的基于无用级数的光而产生的光斑增大至半径为2.0mm左右，耀斑就不会明显。由此可知，只要使由最大NA的光线产生的无用级数的光的、向第二物镜IL的入射角θ满足如下式子(a)即可。

〔数式3〕

|θ|＞tan^-1(2.0×0.015/(f2×NA))    (a)

在此，式子(a)中的NA为像侧的NA。

另外，若该式子(a)用向第二物镜IL的入射光瞳的直径D〔mm〕(D＝2×f2×NA)来表示，则表现为如下的式子(1)。即，只要使无用级数的光以该式子(1)所示的入射角θ向第二物镜IL入射，在NA＝0.015的情况下，其光斑的半径就会成为2.0mm以上，就能够使耀斑变得不明显。此外，无用级数的光是指，从衍射光学元件GD射出的衍射光中的、该显微镜光学系统MS中用于物体成像的级数以外的级数的光。由此，若将用在成像中的衍射光作为m级光，则无用级数的光能够表示为m-1级光、或者m+1级光。另外，与m级光相比级数的差大的m-2级光或者m+2级光，其光路与m-1级光或者m+1级光相比更大地不同，由此，具有与m-1级光或者m+1级光相比更大的光斑直径。由此，在本发明中，对作为离m级光最近的衍射光的m-1级光以及m+1级光进行说明，与m级光的差更大的衍射光所形成的像会成为更大的光斑是显而易见的，所以省略了具体的说明。

〔数式4〕

|θ|＞tan^-1(0.06/D)           (1)

如图2所示，当由与衍射光学元件GD相比位于像侧的透镜构成的透镜组(第二透镜组G2)的焦距为f1，从轴上物体射出的最大NA的光线入射至衍射光学元件GD并从该衍射光学元件GD射出的衍射光中的、用于成像的级数的光的射出角度为θdoe，该最大NA的光线从衍射光学元件GD射出的高度为hdoe时，从该衍射光学元件GD射出的光束在仅离开hdoe/tan(θdoe)的点(图2所示的A点)上具有焦点，而且，因为物镜OL与第二物镜IL之间为平行系统，所以A点成为第二透镜组G2的焦点位置。

在显微镜光学系统MS中，与衍射光学元件GD相比位于像侧的透镜组(第二透镜组G2)具有负折射力的情况较多，在该情况下，A点对于具有焦距f1的透镜组(第二透镜组G2)来说是虚像位置。此时，基于无用级数的光而产生的光线(如图2所示，与成像光线具有角度δθ的不同)的在A点处的光线高度h’，通过如下式子(b)来表示。

〔数式5〕

$h^{\′}=(\tan (\mathrm{\θdoe}\±\mathrm{\δ\θ})-\tan \left(\mathrm{\θdoe}\right))\×\frac{\mathrm{hdoe}}{\tan \left(\mathrm{\θdoe}\right)}$

$\≈\frac{\±\mathrm{\δ\θhdoe}}{\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)}---\left(b\right)$

另外，在构成物镜OL的透镜组中，从由与衍射光学元件GD相比配置在像侧的透镜构成的透镜组(第二透镜组G2)射出的无用级数的光的光线的射出角、即相对于第二物镜IL的入射角θ，用如下式子(c)来表示。

〔数式6〕

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\±\mathrm{\δ\θ}}{\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)}\frac{\mathrm{hdoe}}{f1}\right)---\left(c\right)$

基于以上情况，当将用式子(c)表示的θ代入式子(1)中时，成为如下的式子(2)所示的那样，由此可知，在像侧NA为0.015的显微镜光学系统1中，为了使像面上的基于无用级数的光而产生的光斑增大至半径为2mm左右，只要满足该式子(2)即可。

〔数式7〕

$\left|\mathrm{\δ\θ}\right|>\left|\frac{0.06}{\mathrm{hdoe}}\frac{f1}{D}\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)\right|---\left(2\right)$

但是，基于第二透镜组G2的成像完全没有被进行像差修正。由此，在基于从近轴的关系式导出的式子(b)和式子(c)的表示、与实际的光线追踪结果之间产生偏差。向第二物镜IL的入射角一般具有变得比式子(c)大的倾向，进行10％左右的修正时，式子(1)与式子(2)之间的整合性变好。由此，优选将上述式子(2)修正为下面的式子(2’)。

〔数式8〕

$\left|\mathrm{\δ\θ}\right|>\left|\frac{0.054}{\mathrm{hdoe}}\frac{f1}{D}\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)\right|---\left(2^{\′}\right)$

此外，当来自处于物体侧的一点的光束在成像面上会聚为一点的情况下，此时的成像面上的每单位面积的光量与光斑面积成反比，因此，与m级光不同的衍射级数的光的亮度与成像面上的光斑面积成反比。也就是说，与m级光不同的衍射级数的光的亮度以与成像面上的光斑直径的平方成反比的方式变暗。因此，通过衍射光学元件GD产生的耀斑自身在成像面上变暗。

若将衍射光学元件GD配置在物镜OL的离物体近的位置上，则就是配置在通过该物镜OL的光束扩散的位置上，因此，易于使向衍射光学元件GD的入射角变大，在衍射效率上不利。另外，若将衍射光学元件GD配置在物镜OL的中间部的、使光束接近大致平行的位置上，则由于光束扩散所以易于产生高阶的像差，从而不优选。由此优选为，如上述那样，以使与衍射光学元件GD相比位于像侧的透镜组(第二透镜组G2)的折射力为负的方式构成物镜OL，由此将衍射光学元件GD配置在该第二透镜组G2的物体侧的、通过物镜OL的光束所会聚的位置上。

在这种显微镜光学系统MS中，因为整体的耀斑的光量由衍射光学元件GD的衍射效率决定，所以提高衍射效率很重要。作为使衍射光学元件GD的衍射效率降低的要因，能够例举下面的三点。即，第一：通过衍射光学元件GD的衍射光学面的光的波长与闪耀波长不同时；第二：向衍射光学元件GD的衍射光学面的入射角与闪耀条件不同时；第三点：衍射光学元件GD的衍射光学面的形状从闪耀形状偏离时。虽然第三要因是衍射光学元件的制造上的形状误差的问题，但第一以及第二要因是为了确保一定的波长区域和视野而必然会产生的问题。在该情况下，通过使衍射光学元件GD为紧密贴合多层型衍射光学元件而能够解决上述问题。

紧密贴合多层型衍射光学元件使用大体满足如下式子(d)的不同的两种光学材料，并在该两种光学材料的接合面上设置衍射格栅图案而构成衍射光学面。此外，使两种光学材料中的一方的光学材料的介质的相对于d线、F线以及C线的折射率分别为n_1d、n_1F、n_1C，使另一方的光学材料的介质的相对于d线、F线以及C线的折射率分别为n_2d、n_2F、n_2C。

〔数式9〕

$\frac{\mathrm{\Δ}{n}_d}{\mathrm{\Δ}(n_F-n_C)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{{\mathrm{\λ}}_F-{\mathrm{\λ}}_C}---\left(d\right)$

ここで、

Δn_d＝n_1d-n_2d

Δ(n_F-n_C)＝(n_1F-n_1C)-(n_2F-n_2C)

该紧密贴合多层型衍射光学元件能够在从g线包含C线的宽波长区域中使衍射效率提高。由此，在本实施方式的显微镜光学系统MS中使用的物镜OL能够在宽波长区域中利用。此外，当在透过型的衍射光学元件中利用一次衍射光的情况下，衍射效率表示入射强度I0与一次衍射光的强度I 1的比例η(＝I1/I0×100〔％〕)。另外，与将形成有衍射格栅图案的两个衍射元件要素以使该衍射格栅图案彼此相对的方式接近配置的、所谓的分离多层型衍射光学元件相比，紧密贴合多层型衍射光学元件的制造工序能够简化，因此具有量产效率好、且对光线的入射角的衍射效率好的优点。因此，在利用了紧密贴合多层型衍射光学元件GD的本实施方式的物镜OL中，使制造变得容易，而且还使衍射效率变好。

另外，该紧密贴合多层型衍射光学元件GD的衍射格栅的衍射格栅图案形成在配置于平面基板上的衍射光学要素的接合面上。即使这样地将衍射元件要素配置在平面基板上来形成衍射格栅图案，与形成在球面等上的情况相比，衍射格栅图案的形成也变得非常容易，易于得到正确的衍射格栅图案。

上述那样的本实施方式的显微镜光学系统MS被用于图3所示的显微镜系统1中。在图3中，显微镜系统1是对包含试样S的显微镜标本2进行观察的系统，包括由第一光源装置6、第二光源装置7、物镜8(OL)、第二物镜9(IL)组成的显微镜光学系统MS、将通过该显微镜光学系统MS所成的像发出的光束向使用者的眼球引导的目镜光学系统11、和能够一边支承显微镜标本2一边移动的载物台10。通过将该载物台10在物镜8的光轴方向上移动而能够进行对焦动作。当然，也可以为，另外设置焦点检测机构，基于来自该焦点检测机构的输出而控制载物台10的移动量。另外，该显微镜系统1具有主体15。第一光源装置6、第二光源装置7、物镜8、第二物镜9以及载物台10分别支承在该主体15上。

此外，该显微镜系统1具有：使用从第一光源装置6射出的光来对显微镜标本2进行照明的第一照明光学系统(透过照明光学系统)17；和使用从第二光源装置7射出的光来对显微镜标本2进行照明的第二照明光学系统(落射照明光学系统)18。在此，关于从第二光源装置7射出的光连同物镜8都是第二照明光学系统18的一部分，通过光路合成部件16将来自第二光源装置7的光向物镜8引导。该光路合成部件16可以采用使与物镜8的光轴及其附近对应的部分为透明而在外周部分上形成有反射膜的反射镜，也可以采用半反射镜。在前者的情况下，能够进行暗视野观察。在后者的情况下，能够通过落射照明而进行亮视野观察。

另外，也可以在由物镜8及第二物镜9所成的像的位置上搭载摄像机构。当然，也可以通过未图示的光路划分机构将来自物镜8的光束划分，并另外设置第二物镜，在由该第二物镜形成像的位置上搭载摄像机构。另外，该显微镜系统1可以为正立显微镜、也可以为倒立显微镜。而且，第一光源装置6与第二光源装置7可以是任意的。

实施例

以下，示出本实施方式的显微镜光学系统MS的六个实施例，但在各实施例中，在衍射光学元件GD上形成的衍射光学面的相位差通过使用通常的折射率和后述的非球面式(d)进行的超高折射率法来计算。所谓超高折射率法是指利用了非球面形状与衍射光学面的格栅间距之间的一定的等效关系的方法，在本实施例中，将衍射光学面作为超高折射率法的数据，即通过后述的非球面式(d)及其系数示出。另外，在本实施例中，作为像差特性的计算对象，选择了d线、C线、F线以及g线。在本实施例中使用的这些d线、C线、F线以及g线的波长和对各光谱线设定的用于在超高折射率法的计算中使用的折射率的值，在下表1中示出。

(表1)

在各实施例中，关于非球面，在使与光轴垂直方向的高度为y，使从高度y中的各非球面的顶点的切平面到各非球面的、沿光轴的距离(sag量；下陷量)为S(y)，使基准球面的曲率半径(顶点曲率半径)为r，使圆锥常数为κ，使n阶的非球面系数为An时，非球面用下式(d)表示。此外，在以下的实施例中，“E-n”表示“×10^-n”。

S(y)＝(y²/r)/{1+(1-κ×y²/r²)^1/2}

+A2×y²+A4×y⁴+A6×y⁶+A8×y⁸       (d)

此外，在各实施例中，对于形成有衍射光学面的透镜面，在表中的面编号的右侧标记*，非球面式(d)表示该衍射光学面的性能规格。

〔第一实施例〕

首先，作为第一实施例来说明图4所示的显微镜光学系统MS1。该显微镜光学系统MS1从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L1、将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L2、将凸面朝向物体侧的负弯月形透镜L3和双凸透镜L4接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L5、双凹透镜L6和双凸透镜L7接合而成的接合透镜构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L8、分别由不同的树脂材料形成的2个光学部件L9、L10、以及平板状的光学玻璃L11以该顺序接合而成，并且，在光学部件L9、L10的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。即，该衍射光学元件GD是紧密贴合多层型的衍射光学元件。另外，第二透镜组G2由从物体侧依次接合了双凹透镜L12、双凸透镜L13和双凹透镜L14而成的接合透镜构成。另外，第二物镜IL从物体侧依次由接合了双凸透镜L15和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L16而成的接合透镜、以及将双凸透镜L17和双凹透镜L18接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR由两端为平面的光学玻璃构成。另外，棱镜PR仅考虑光路长度，并没有表示实际形状(在以后的实施例中也是相同的)。

在表2中表示该图4所示的第一实施例的显微镜光学系统MS1的各规格。此外，在该表2中，f表示物镜OL的整个系统的焦距，f1表示构成物镜OL的第二透镜组G2的焦距，f2表示第二物镜IL的整个系统的焦距，β表示倍率，NA表示由物镜OL和第二物镜IL组合而成的光学系统的物体侧和像侧的开口数，d0表示从物体面到最开始的透镜(正弯月形透镜L1)的物体侧的面(第一面)的顶点为止的光轴上的距离，D表示向第二物镜IL的入射光瞳的直径，hdoe表示从轴上物体射出的最大NA的光线从衍射光学元件GD射出的高度，θdoe表示从轴上物体射出的最大NA的光线从衍射光学元件GD射出的角度(用来成像的一次衍射光所射出的角度)。另外，第一栏m表示从物体侧起的各光学面的编号，第二栏r表示各光学面的曲率半径，第三栏d表示从各光学面到下一光学面的光轴上的距离(面间隔)，第四栏nd表示相对于d线的折射率，第五栏υd表示相对于d线的色散系数。此处，第一栏m所示的各光学面的编号(右边的*表示作为衍射光学面形成的透镜面)对应于图4所示的面编号1～29。另外，第二栏r中，曲面半径0.000表示平面。在衍射光学面的情况下，在第二栏r表示作为基础的、作为非球面的基准的球面的曲率半径，在超高折射率法中使用的数据作为非球面数据而在规格表内示出。此外，在第四栏nd中，空气折射率1.000省略。此外，使相对于F线的折射率为nF，相对于C线的折射率为nC，第五栏υd通过υd＝(nd-1)/(nF-nC)来表示。再有，在该表2中还示出了与上述条件式(1)及(2)对应的值、即条件对应值。以上规格表的说明在后面的实施例中也是同样的。

此外，在以下所有的规格中记载的曲率半径r、面间隔d、物镜的焦距f、以及其他长度的单位在没有特别说明的情况下一般使用“mm”，但由于光学系统进行等比例放大或等比例缩小也能够得到同等的光学性能，所以单位不限定于“mm”，也能够使用其他合适的单位。

(表2)

此外，表2所示的条件对应值是使用一次衍射光来作为成像光且将无用级数的光作为0级以及2级衍射光来求解。这样可知，在上述第一实施例中，上述条件式(1)以及(2)全部满足。另外，在以后的实施例中也同样地，使用一次衍射光来作为成像光。

在图5中表示该第一实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。此外，在该图5所示的光斑图中，B表示物体高度(在以后的实施例中也是一样)。如该图5所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为1.9mm以上，所以第一实施例的显微镜光学系统MS1能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

〔第二实施例〕

作为第二实施例，说明图6所示的显微镜光学系统MS2。该显微镜光学系统MS2也是从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L1、将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L2、由双凸透镜L3和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L4接合而成的接合透镜、将双凸透镜L5、双凹透镜L6和双凸透镜L7接合而成的接合透镜、以及由双凸透镜L8和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L9接合而成的接合透镜构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L10、分别由不同的树脂材料形成的2个光学部件L11、L12、以及平板状的光学玻璃L13以该顺序接合而成，并且，在光学部件L11、L12的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。即，该衍射光学元件GD是紧密贴合多层型的衍射光学元件。另外，第二透镜组G2由从物体侧依次接合了双凹透镜L12、双凹透镜L13和双凸透镜L14而成的接合透镜构成。另外，第二物镜IL从物体侧依次由接合了双凸透镜L15和双凹透镜L16而成的接合透镜、以及将双凸透镜L17和双凹透镜L18接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR由两端为平面的光学玻璃构成。

在表3中表示该图6所示的第二实施例的显微镜光学系统MS2的各规格。此外，表3所示的面编号与图6所示的面编号1～33一致。

(表3)

这样可知，在第二实施例中，上述条件式(1)以及(2)全部满足。另外，在图7中表示该第二实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。如该图7所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为5.0mm以上，所以第二实施例的显微镜光学系统MS2能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

〔第三实施例〕

接下来，作为第三实施例，说明图8所示的显微镜光学系统MS3。该显微镜光学系统MS3也是从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由双凸透镜L1、由双凸透镜L2和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L3接合而成的接合透镜、以及将凸面朝向物体侧的正弯月形透镜L4构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L5、由分别不同的树脂材料形成的两个光学部件L6、L7以及平板状的光学玻璃L8以该顺序接合而成，在光学部件L6、L7的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。也就是说，该衍射光学元件GD为紧密贴合多层型衍射光学元件。另外，第二透镜组G2由从物体侧依次接合了将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L9和双凹透镜L10而成的接合透镜构成。而且，第二物镜IL从物体侧依次由将双凸透镜L11以及双凹透镜L12接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L13和双凹透镜L14接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR通过两端为平面的光学玻璃而构成。

在表4中表示该图8所示的第三实施例的显微镜光学系统MS3的各规格。此外，表4所示的面编号与图8所示的面编号1～24一致。

(表4)

这样可知，在第三实施例中，上述条件式(1)以及(2)全部满足。另外，在图9中表示该第三实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。如该图9所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为1.5mm以上，所以第三实施例的显微镜光学系统MS3能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

〔第四实施例〕

接下来，作为第四实施例，说明图10所示的显微镜光学系统MS4。该显微镜光学系统MS4也是从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由双凸透镜L1、由将凸面朝向物体侧的负弯月形透镜L2和双凸透镜L3接合而成的接合透镜、以及由将凸面朝向物体侧的负弯月形透镜L4和将凸面朝向物体侧的正弯月形透镜L5接合而成的接合透镜构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L6、由分别不同的树脂材料形成的两个光学部件L7、L8以及平板状的光学玻璃L9以该顺序接合而成，在光学部件L7、L8的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。也就是说，该衍射光学元件GD为紧密贴合多层型衍射光学元件。另外，第二透镜组G2从物体侧依次由将双凸透镜L10和双凹透镜L11接合而成的接合透镜、以及接合了将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L12和双凹透镜L13而成的接合透镜构成。而且，第二物镜IL从物体侧依次由将双凸透镜L14以及双凹透镜15接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L16和双凹透镜L17接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR通过两端为平面的光学玻璃构成。

在表5中表示该图10所示的第四实施例的显微镜光学系统MS4的各规格。此外，表5所示的面编号与图10所示的面编号1～28一致。

(表5)

这样可知，在第四实施例中，上述条件式(1)以及(2)全部满足。另外，在图11中表示该第四实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。此外，如该图11所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为2.0mm以上，所以第四实施例的显微镜光学系统MS4能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

〔第五实施例〕

接下来，作为第五实施例，说明图12所示的显微镜光学系统MS5。该显微镜光学系统MS5也是从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L1、接合了双凸透镜L2和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L3而成的接合透镜、双凸透镜L4、以及将双凸透镜L5、双凹透镜L6和凸面朝向物体侧的正弯月形透镜L7接合而成的接合透镜构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L8、由分别不同的树脂材料形成的两个光学部件L9、L10以及平板状的光学玻璃L11以该顺序接合而成，在光学部件L9、L10的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。也就是说，该衍射光学元件GD为紧密贴合多层型衍射光学元件。另外，第二透镜组G2从物体侧依次由将双凸透镜L12和双凹透镜L13接合而成的接合透镜、以及将双凹透镜L14、双凸透镜L15和双凹透镜L16接合而成的接合透镜构成。而且，第二物镜IL从物体侧依次由将双凸透镜L17以及双凹透镜18接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L19和双凹透镜L20接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR通过两端为平面的光学玻璃而构成。

在表6中表示该图12所示的第五实施例的显微镜光学系统MS5的各规格。此外，表6所示的面编号与图12所示的面编号1～32一致。

(表6)

这样可知，在第五实施例中，上述条件式(1)以及(2)全部满足。另外，在图13中表示该第五实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。此外，如该图13所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为3.75mm以上，所以第五实施例的显微镜光学系统MS5能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

〔第六实施例〕

最后，作为第六实施例，说明图14所示的显微镜光学系统MS6。该显微镜光学系统MS6也是从物体侧依次由物镜OL、第二物镜IL、棱镜PR构成。另外，物镜OL从物体侧依次由第一透镜组G1、衍射光学元件GD和第二透镜组G2构成。而且，第一透镜组G1从物体侧依次由将凹面朝向物体侧的正弯月形透镜L1、将平面朝向物体侧的平凸透镜L2、由双凸透镜L3和将凹面朝向物体侧的负弯月形透镜L4接合而成的接合透镜、将双凸透镜L5、双凹透镜L6和双凸透镜L7接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L8和双凹透镜L9接合而成的接合透镜构成。另外，衍射光学元件GD从物体侧依次由平板状的光学玻璃L10、由分别不同的树脂材料形成的两个光学部件L11、L12以及平板状的光学玻璃L13以该顺序接合而成，在光学部件L11、L12的接合面上形成有衍射格栅图案(衍射光学面)。也就是说，该衍射光学元件GD为紧密贴合多层型衍射光学元件。另外，第二透镜组G2从物体侧依次由接合了将凸面朝向物体侧的负弯月形透镜L14、双凸透镜L15和双凹透镜L16而成的接合透镜、以及接合了双凹透镜L17、双凸透镜L18和双凹透镜L19而成的接合透镜构成。另外，第二物镜IL从物体侧依次由将双凸透镜L20以及双凹透镜21接合而成的接合透镜、以及将双凸透镜L22和双凹透镜L23接合而成的接合透镜构成。此外，棱镜PR通过两端为平面的光学玻璃而构成。

在表7中表示该图14所示的第六实施例的显微镜光学系统MS6的各规格。此外，表7所示的面编号与图14所示的面编号1～36一致。

(表7)

这样可知，在第六实施例中满足上述条件式(1)以及(2’)。但是不满足式子(2)。这是因像差的原因。另外，在图15中表示该第六实施例中的、基于0级光以及2级光(无用级数的光)的光斑图。如该图15所示，作为无用级数的光的0级光以及2级光，由于光斑的离光轴的高度为5.0mm以上，所以第六实施例的显微镜光学系统MS6能够在像面中使该0级光以及2级光所产生的耀斑变得不明显。

附图标记说明

MS显微镜光学系统

OL物镜

IL第二物镜

G1第一透镜组

GD衍射光学元件

G2第二透镜组

1显微镜系统

10载物台

17第一照明光学系统

18第二照明光学系统

Claims (6)

1.一种显微镜光学系统，其特征在于，具有：

物镜，该物镜具有衍射光学元件，并将来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和

第二物镜，该第二物镜将来自所述物镜的大致平行光束会聚而形成所述物体的像，

在将所述衍射光学元件的m级光用于成像的情况下，当从位于光轴上的所述物体射出的最大NA的光入射至所述衍射光学元件并从该衍射光学元件射出的、级数与所述m级光不同的光入射至所述第二物镜中的角度为θ，向所述第二物镜的入射光瞳的直径为D时，满足下式的条件：

〔数式10〕

|θ|＞tan^-1(0.06/D)

其中，所述D的单位为mm。

2.一种显微镜光学系统，其特征在于，具有：

物镜，该物镜具有衍射光学元件，并将来自物体的光会聚而成为大致平行光束；和

第二物镜，该第二物镜将来自所述物镜的大致平行光束会聚而形成所述物体的像，

当从位于光轴上的所述物体射出的最大NA的光入射至所述衍射光学元件并从该衍射光学元件射出的衍射光中的、用于成像的级数的光的射出角度与无用级数的光的射出角度之差为δθ，用于所述成像的级数的光的出射高度为h，出射角度为θdoe，向所述第二物镜的入射光瞳的直径为D，由构成所述物镜的透镜中的与所述衍射光学元件相比位于像侧的透镜组成的透镜组的焦距为f1时，满足下式的条件：

〔数式11〕

$\left|\mathrm{\δ\θ}\right|>\left|\frac{0.054}{\mathrm{hdoe}}\frac{f1}{D}\cos \left(\mathrm{\θdoe}\right)\sin \left(\mathrm{\θdoe}\right)\right|$

其中，所述D的单位为mm。

3.根据权利要求1或2所述的显微镜光学系统，其特征在于，

所述衍射光学元件是紧密贴合多层型衍射光学元件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的显微镜光学系统，其特征在于，

所述衍射光学元件在具有不同折射率的树脂层彼此的接合面上形成有衍射格栅图案，所述树脂层分别配置在平面基板上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的显微镜光学系统，其特征在于，

由构成所述物镜的透镜中的与所述衍射光学元件相比位于像侧的透镜组成的透镜组具有负折射力。

6.一种显微镜系统，其特征在于，具有：

载置物体的载物台；

对所述物体进行照明的照明光学系统；和

将来自所述物体的光会聚而形成该物体的像的、权利要求1～5中任一项所述的显微镜光学系统。

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