JP2004054259A - 望遠鏡型立体顕微鏡用の対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】倍率変換器を有する立体顕微鏡に使用する際に、倍率が高い場合には高い分解能を有するようにし、この分解能は公知の立体顕微鏡よりも大きく、さらに顕微鏡の倍率領域全体を、口径食なしで使用できる対物レンズを提供する。
【解決手段】対物レンズは、３つの光学的構成群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を含んでおり、第１の構成群Ｇ１は対象物側に配置されており、第３の構成群Ｇ３は倍率変換器３Ｌ，３Ｒ側に配置されている。前記対物レンズは条件０．４４≦ＥＮＰ／Ｆ≦０．６を満たす。ここでＥＮＰは最大倍率における倍率変換器の入射瞳の直径、Ｆは対物レンズの焦点距離である。さらに条件ｔａｎ（ｗ１）≧０．１６を満たす。ここでｗ１は倍率変換器の最小倍率における対物レンズ２の最大視界角である。この対物レンズにより、高い分解能と、顕微鏡倍率の全領域に適合された視野を有する立体顕微鏡を提供できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分解能対物レンズ、特に（とりわけ望遠鏡型）立体顕微鏡用の高分解能対物レンズ並びに立体顕微鏡に関する。この対物レンズは、３つの光学的構成群を含んでおり、第１の群は対象物に向かう側に配置され、第３の群は倍率変換器に向かう側に配置されている形式のものに関する。
【０００２】
顕微鏡、特に立体顕微鏡には通常、倍率変換器が設けられており、この倍率変換器は一方では高い対象物倍率を、他方では大きな対象物野の注視を可能にする。この機器は例えば小さな対象物、例えば半導体構造体またはマイクロメカニカル対象物を操作および検査するための技術的企業、生命科学および材料学の研究所、並びに例えば細胞の研究および操作に、また手術目的に使用される。ますます小さくなる試料を精細に取り扱い、研究するために、一方ではこの顕微鏡の高い分解能が要求され、他方では倍率が低い場合には大きな視野（視界）が重要である。これは試料を迅速に位置決めし、また検査の際の見やすさを改善するためである。
【０００３】
また顕微鏡、特に立体顕微鏡では倍率を変化するために、倍率変換器（望遠鏡またはズームの原理）が対物レンズの後方に接続されている。ズーム（可変倍率範囲）において最大倍率の最小倍率に対する比（ズーム比）はｚにより示される。ズームによって倍率が所定の領域にわたって変化される。無限焦点ズームも公知であり、この無限焦点ズームは対象ビームを無限から無限に結像し、対象物位置および画像位置を変化することなく倍率を変化することができる。
【０００４】
図１は、望遠鏡型立体顕微鏡の基本概略図である。立体顕微鏡は観察者に、観察対象物１の空間的（立体的）印象を与えることができる。観察者の両眼は８Ｒないし８Ｌにより示されている。このために、対物レンズ２の前方焦点に存在する対象物１は相互に別個の２つの光学チャネルを介して結像される。２つの観察チャネル１０Ｌと１０Ｒは同じように構成されており、それぞれ１つの倍率変換装置３Ｌ、３Ｒ、鏡筒レンズ４Ｌ、４Ｒ、そしてそれぞれ１つの接眼レンズ７Ｌ、７Ｒを有している。鏡筒レンズ４Ｌ、４Ｒの後方に配置された画像反転装置５Ｌ、５Ｒは正しい方向で直立した中間画像６Ｌ、６Ｒを形成し、この中間画像が同じ接眼レンズ７Ｌ、７Ｒのペアにより視覚的に観察される。光学素子の前記ペアは対物レンズ２の軸９に対して平行かつ対称に配置されている。２つの倍率変換器３Ｌ、３Ｒは選択的に倍率を変更するが、左チャネルと右チャネル１０Ｌ、１０Ｒに対しては同じように変更する。
【０００５】
２つの中間画像６Ｌと６Ｒは対象物１の異なる画像である。なぜなら、対象物１は左チャネル１０Ｌでは角度ｗＬで、右チャネル１０Ｒでは角度ｗＲで観察されるからである。このようにして対象物を両眼８Ｌ、８Ｒにより直接観察しているかように対象物１を立体的に観察することができる。２つの異なる画像は脳内で３次元画像印象に処理される。
【０００６】
ＥＰにより、同じように調整可能な倍率変換器３Ｌ、３Ｒの各入射瞳の直径が表される。ｕＬとｕＲは、対象物中央ＯＭに先端を有する円錐コーンの開口角の半分を表し、この円錐コーンは入射瞳によって制限される。ｕＬとｕＲは同じ大きさである。なぜなら顕微鏡は対物レンズ２の軸９に対して対称だからである。従ってｕＬとｕＲは以下、共通にｕにより示される。ｗＲとｗＬは大きくないから、サイン条件を満たす良好に補正された光学系に対しては、既知の関係ＥＰ＝２×Ｆ×ｓｉｎ　（ｕ）＝２×Ｆ×ｎＡが成り立つ。ここでｎＡは、対物レンズ２に後置された倍率変換器３Ｌないし３Ｒの入射瞳を基準にした対物レンズの有効開口数（空気中の）である。またＦは対物レンズ２の焦点距離である。波長がλ＝５５０ｎｍの場合、分解能に対し一般的法則（経験則）として３０００×ｎＡが得られる（１ｍｍ当たりのライン対で）。従って大きなアパーチャは高い分解能に対する前提である。
【０００７】
倍率変換器３Ｌ、３Ｒの倍率が最大の場合、入射瞳直径ＥＰは最大であり、これはＥＮＰにより示される。図示の倍率変換器は、すでに述べた無限焦点ズームまたは望遠鏡システムとすることができる。
【０００８】
図１には同様にビームの経過が概略的に示されている。このビームは下方の対象物縁部Ｏｕから中間画像縁部に亘り延在している。ビームは対物レンズと倍率変換器との間の空間で、対物レンズ２の軸９と角度ｗを形成する。この角度ｗは対物レンズ２の視界角（視野角）であり、倍率変換器３Ｌと３Ｒの倍率が最も低いときに最大である。ｗの最大値は以降、ｗ１により示される。対象物距離、すなわち対象物１から対物レンズ２の第１の面までの距離はＯＷにより示されている。
【０００９】
対物レンズ２は図１には概略的に示されている。通常、対物レンズはレンズシステムを形成し、個別レンズ（単レンズ）および／または接合レンズ（接合素子ないし組合せレンズ系）からなる。
【００１０】
【従来の技術】
公知文献として次のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−１４７３７８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７０８３２号公報
【特許文献３】
米国特許第４６４０５８６号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
日本特許公開公報ＪＰ２００１−１４７３７８から、立体顕微鏡に対する対物レンズシステムが公知である。このシステムは３つのレンズ群からなり、２つの外側レンズ群は正の屈折率を有し、中央のレンズ群は３つのレンズ素子からなる少なくとも１つの接合素子を含んでいる。実施例で、対象物側のレンズ群は個別レンズからなり、それに３つないし２つの接合レンズを備える２つの接合素子を含む第２のレンズ群が続き、さらに第３のレンズ群が続く。この第３のレンズ群は、２つのレンズを備える接合素子からなる。前記の構成により光学的結像エラー、歪み、および色収差をほぼ抑圧することができる。公開された実施例は０．１３と０．２０の開口数ｎＡを有する。従ってこの対物レンズの分解能は既知の枠内である。
【００１２】
日本特許公開公報ＪＰ１０１７０８３２Ａには、前置（補助）レンズ（コンバージョンレンズ）が記載されている。このコンバージョンレンズは立体顕微鏡の対物レンズ前（物体側）で切り替え（着脱）可能であり、この主対物レンズとの組合せで短い焦点距離が得られる。得られた高い倍率に基づき、このコンバージョンレンズは非常に小さな対象物構造を観察するために使用される。また大きな視野を有する対象物を観察するためには、このコンバージョンレンズを除去することができる。このような構造の欠点は、使用されるレンズの数が多いことと、コンバージョンレンズを取付けないし除去することが必要なことである。提案された前記組合せは全部で１２のレンズからなる。
【００１３】
前記刊行物のコンバージョンレンズは３つのレンズ群からなり、それらのうち２つの外側レンズ群は正の屈折率を有し、それぞれ２つの接合レンズからなる。一方、中央のレンズ群は半月形の接合素子を有する。本来の主対物レンズは、対象物側から見て個別レンズがあり、それに２つのレンズからなる１つの接合素子が続き、それに２つのレンズと別の個別レンズからなる別の接合素子が続く。
【００１４】
ＯＬＹＭＰＵＳ社はＳＺＸ−ＡＬ２０の製品番号でこのようなコンバージョンレンズを提供している。コンバージョンレンズと対物レンズの組合せは、ｎＡ＝０．２７５の開口数を有するが、ズームの制限された領域でしか使用できない。この領域の外では画像が口径食によって切断されてしまう。対物レンズ−コンバージョンレンズ組合せの対象物距離ＯＷは約１０ｍｍしかなく、そのため顕微鏡下での対象物の処理が非常に困難になる。
【００１５】
本出願人により、製品番号「ＭＺ１２」の下で立体顕微鏡が市販されている。これに対しては焦点距離Ｆ＝５０ｍｍの対物レンズとＥＮＰ＝２０ｍｍの入射瞳の最大直径が使用される。すでに高い倍率を有するこの対物レンズでは、対象物から対物レンズの第１面までの距離ＯＷ＝２１．３ｍｍであり、このことは対象物の処理を甘受できる条件下で可能としている。
【００１６】
さらにＵＳ−４６４０５８６から、望遠鏡形式の立体顕微鏡に対する対物レンズが公知である。この対物レンズは、対象物を調査する際の平坦性についての光学的錯覚を回避するのに役立つ。実施例（実施例５）では、対物レンズは正の屈折率を有する２つの個別レンズからなり、これに１つの半月形接合素子が続き、さらに別の半月形接合素子と、屈折率が正の第３の個別レンズが続く。焦点距離は４９．９８ｍｍであり、倍率変換器の軸間隔は２２ｍｍである。このことから、倍率変換器の円形状入射瞳の最大直径は２２ｍｍよりもやや小さくなければならない。
【００１７】
本発明の課題は、第１の視点において、前記形式の対物レンズを改善して、倍率変換器（変倍器）を有する立体顕微鏡に使用する際に、倍率が高い場合には高い分解能を有するようにし、この分解能は公知の立体顕微鏡よりも大きく、さらに顕微鏡の倍率（可変）領域全体を、口径食（Ｖｉｇｎｅｔｔｉｅｒｕｎｇ）なしで使用できるようにすることである。さらに、第２の視点において、同時にこの顕微鏡はできるだけ大きな作業間隔を有するべきである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明の第１の視点において、冒頭に述べた形式の対物レンズにおいて、以下の条件が満たされる：

かつ
ｔａｎ（ｗ１）≧０．１６
（ここでＥＮＰは最大倍率における倍率変換器の入射瞳の直径、Ｆは対物レンズの焦点距離、ｗ１は倍率変換器の最小倍率における対物レンズの最大視界角（視野角）である）ように構成して解決される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、倍率変換器を備える望遠鏡型立体顕微鏡に対する対物レンズは次の２つの条件を満たす。すなわち、
（Ｂ１）　最大顕微鏡倍率において、

（Ｂ２）　最小顕微鏡倍率において、０．１６≦ｔａｎ（ｗ１）
である。
【００２０】
この条件（Ｂ１）は、その先端を対象物中央ＯＭに有するビーム円錐コーンの半開口角ｕ（図１参照）に対する下側限界と上側限界を表し、この半開口角は最大倍率において入射瞳により制限される。この開口角ｕのサイン値は立体顕微鏡の開口数ｎＡに相応する。分解能はさらに立体顕微鏡の開口数ｎＡに比例するから、条件（Ｂ１）は分解能に対する下側限界と上側限界を表す。条件（Ｂ１）は、対物レンズの焦点距離を倍率変換器の入射瞳の最大直径と結合し、さらに最大顕微鏡倍率が顕微鏡分解能に適合されることを保証し、倍率変換器、鏡筒、接眼レンズからなる光学系が通常のように所要の倍率領域内で動作している場合に空（ｌｅｅｒ）の倍率［即ち、実効倍率を越え何ら有効な倍率増大を示さないいわば無意味な倍率］が形成されないことを保証する。
【００２１】
条件（Ｂ２）は、対物レンズの視界角ｗ（図１参照）の下側限界を、顕微鏡の倍率が最小である時に表す。この条件を満たすことにより、最大倍率と最小倍率との比ｚが大きい顕微鏡において最小倍率であっても、理論的に得られる視野全体が口径食なしで使用できることが保証される。
【００２２】
条件（Ｂ１）と（Ｂ２）を満たす、前記形式の立体顕微鏡対物レンズは従来技術の対物レンズから次の点で異なる。すなわち、本発明の対物レンズは比較的に高い分解能を有し、顕微鏡の倍率領域全体で（前置補助（コンバージョン）レンズ等を付加的に使用せず、また口径食なしで）使用することが出来るのである。
【００２３】
例えば倍率変換器としてズーム比（ｆａｃｔｏｒ）ｚ≧１２のズームと、視野数（Ｓｅｈｆｅｌｄｚａｈｌ）が２１以上（≧２１）の接眼レンズを使用する場合、所要の倍率領域で動作する立体顕微鏡において、最小倍率の際に条件（Ｂ２）により定められる下側限界を下回ると、理論的には得られる視野全体を使用することができなくなる。
【００２４】
条件（Ｂ１）の下側限界を０．５５と選択し、対物レンズの分解能の格段の向上を保証すると有利である。さらに以下では前記条件を満たす対物レンズの実施例が記載される。
【００２５】
３つの光学的構成群からなる本発明の対物レンズでは、対象物（物体）に向いた側の第１の構成群Ｇ１と、対象物とは反対側の第３の構成群Ｇ３に対するさらなる条件が有利であることが判明した。ここでは第１の構成群Ｇ１の焦点距離ｆ１に対して次式が成り立つべきである：

ここでとりわけ第１の群は個別（単）レンズからだけなり、第３の群の焦点距離ｆ３に対しては次の条件が成り立つべきである。
【００２６】

そして第３の群も同様に個別（単）レンズからだけなるべきである。
【００２７】
第１の光学的構成群の焦点距離が比較的短いと（すなわちｆ１＜１．３×Ｆ）本発明の対物レンズの実施例では、比較的強い収差が画像縁部に引き起こされる。この収差は後続の構成群Ｇ２とＧ３では補償するのがさらに困難である。これに対して焦点距離ｆ１が１．８×Ｆの値を超えると、対物レンズ直径が比較的に大きくなる。このことは不所望に大きな重量につながる。全体として第１の構成群Ｇ１を個別レンズとして構成することが有利であると判明した。
【００２８】
立体観察の際に各チャネルで対物レンズの開口部の一部だけが使用される場合でも、全開時の対物レンズの開口誤差を良好に補正することが必要である。このことは、対物レンズの第３の光学的構成群でもっとも効率的に行われる。なぜなら、そこではビーム直径が大きいからである。ここでは対物レンズ全体の焦点距離の２倍から４倍に相応する焦点距離ｆ３が有利であることが判明した。それより長い焦点距離またはより短い焦点距離は、構成群Ｇ１とＧ２だけでは必ずしも完全に補正されない開口誤差を補償するのに適さない。さらに比較的短い焦点距離ｆ３は、大きな作業間隔ＯＷが必要な場合、構成群Ｇ１およびとりわけ構成群Ｇ２の構成を困難にする。光学的構成群Ｇ３は有利には個別レンズとして構成可能であることが示された。
【００２９】
条件

は、対象物面から本発明の対物レンズの構成群Ｇ１の第１面までの間隔を、この対物レンズの全体焦点距離Ｆに対する比で定め、顕微鏡下での快適な作業を可能にする対象物距離を保証する。Ｆ＝４０ｍｍの有利な対物レンズ焦点距離においては、ＯＷ≧１６．８ｍｍを満たさなければならない。
【００３０】
第２の光学的構成群Ｇ２に関しては、この第２の群Ｇ２の、群Ｇ３に向いた側の最後の半径Ｒｋが条件

を満たすと有利であることが判明した。この領域では、構成群Ｇ２とＧ３を相互に次のように整合することができる。すなわち、このように大きなアパーチャと大きなフィールドを有する対物レンズに対して結像エラーの補正が僅かなレンズ数でも可能であるように整合することができる。全体で多くとも８つのレンズからなる３つの光学的構成群の構成は、結像品質が高い場合でも可能であり、有利でもある。なぜならレンズ数が上昇すると立体顕微鏡のコストと重量も増大するからである。
【００３１】
色収差を良好に補正することは、条件
｜Ｐ_ｇ，_Ｆ−０．６４３８＋０．００１６８２×ｖ_ｄ｜＞０．００７５、または
｜Ｐ_Ｃ，_ｔ−０．５４５０−０．００４７４３×ｖ_ｄ｜＞０．０２５の条件の１つを満たす光学的ガラスの選択によって得られる。ここでｖ_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_ｃ）はアッベ数、Ｐ_ｇ，_Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長ｇとＦに対する相対的部分分散、そしてＰ_Ｃ，_ｔ＝（ｎ_Ｃ−ｎ_ｔ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長Ｃとｔに対する相対的部分分散を意味し、ｎはそれぞれの波長における屈折率である。
【００３２】
このようなガラスによって一次色収差が補正されるだけではなく、二次スペクトルも格段に低減される。このようなガラスを、とりわけ１つの個別レンズからだけなる光学的構成群Ｇ３に対して使用すると有利である。
【００３３】
さらなる利点は、多くとも３つの異なる材料、とりわけ前記の色収差補正ガラスを本発明の対物レンズの光学的構成群に使用することから得られる。
【００３４】
以下、図面に基づき、本発明の実施例とその利点を詳細に説明する。
【００３５】
【実施例】
図１に概略的に示された立体顕微鏡については冒頭部分で詳細に説明した。対物レンズ２はそこには極端に簡素化して示してある。
【００３６】
以下に示す本発明の対物レンズの３つの実施例は、上記の条件（Ｂ１）と（Ｂ２）に適合するレンズの構成体を示す。本発明の対物レンズ２は、すでに示した図１では概略的にのみ示された対物レンズ２である。
【００３７】
第１の実施例
図２は、第１の実施例によるレンズ断面を概略的に示す。図の右側には２つの平行な立体チャネル１０Ｌと１０Ｒが概略的に示されている。図の左側には対象物１が概略的に示されている。図示のビーム経過は分かり易くするため、立体チャネル１０Ｒのビームにだけ制限されている。ライン２０は、対象物ＯＭの中央から発するビーム束を表し、ライン２１は上側対象物縁部Ｏｏ、ないし下側対象物縁部Ｏｕから発するビーム束を表す。
【００３８】
対物レンズ２は８つのレンズから構成されており、これらは空隙によって５つの別個の要素に分割されている。第１の群Ｇ１として第１の対象物側レンズ素子が示されている。これは正の屈折率を有する１つの個別レンズ２２からなる。第３の構成群Ｇ３として、倍率変換器に向いた側のレンズ素子が示されており、これも正の焦点距離を有する１つの個別レンズ２３からなる。その間にあるレンズ素子は１つの第２光学的構成群Ｇ２にまとめられている。群Ｇ２の最後の半径Ｒｋは凹面である。ＯＷにより、対象物１から第１の光学的構成群Ｇ１の第１の面までの距離が示される（図１参照）。
【００３９】
図２は、対象物中央ＯＭから発し、対物レンズ２を対物レンズ２の光軸９に対して非対称に通過するビーム束２０を示す。同様に、複数のビーム束２１が、対象物１の上側縁部Ｏｏおよび下側縁部Ｏｕから対物レンズ２の光軸９に対して非対称に延在していることが明瞭である。
【００４０】
図２ａから、倍率が大きい場合、光学的構成群Ｇ１（個別レンズ２２）は開口角を適度に低減し、従って大きな結像エラー（収差）を対象物中央ＯＭから発する光ビーム（ビーム束２０）に形成しないことがわかる。図２ｂから分かるように、これに対して倍率が低い場合には、フィールド縁部からの光（とりわけビーム束２１　Ｏｕ）は強く屈折され、その結果、大きな対物レンズ直径が回避される。対物レンズ２全体の焦点距離Ｆの１．３倍から１．８倍に相応する構成群Ｇ１の焦点距離ｆ１がこの関連から有利であることが分かる。この種のレンズ素子は図示のように個別レンズ２２として実現することができる。第１の構成群Ｇ１の焦点距離がこれ以上短いと、倍率が低い場合（図２ｂ参照）に画像縁部での収差が比較的に大きくなり、これを後続の構成群Ｇ２とＧ３で補償することはさらに困難になる。これに対して、焦点距離ｆ１が比較的に長いと、対物レンズ直径が比較的に大きくなり、これにより不所望に重量が増大する。図示の例ではｆ１／Ｆ＝１．５８である。
【００４１】
各チャネル１０Ｌと１０Ｒを立体観察する際には、対物レンズ２の開口部の一部しか使用されないが、全開の場合での対物レンズ２の開口誤差の良好な補正が必要である。ビーム束直径は光学的構成群Ｇ３において大きいから、有利にはここで補正を行う。対物レンズ全体の焦点距離Ｆの２倍から４倍に相応する、光学的構成群Ｇ３の焦点距離ｆ３がこの目的のために有利であることが判明した。構成群Ｇ３は有利には個別レンズ２３として実現される。これより長いまたは短い焦点距離ｆ３は、構成群Ｇ１とＧ２だけでは必要な程度に完全に補正されない開口誤差を補償するのに適さない。焦点距離ｆ３が短くなると（＜２Ｆ）、対象物１までに大きな作業間隔ＯＷが必要な場合、光学的構成群Ｇ１およびとりわけ構成群Ｇ２の構成が困難となる。図示の例ではｆ３／Ｆ＝３．１４であり、ＯＷ／Ｆ＝０．４２である。
【００４２】
出口半径Ｒｋ、ｋ＝１１（対物レンズ２の第１１番目の面）がＲ１１／Ｆ＝１．０３に整合すれば、上に述べたように構成された構成群Ｇ３は非常に効果的な手段となり、大きなアパーチャと大きなフィールドを有する対物レンズに対して、レンズ数が少ない場合でも（本実施例では８個）結像エラー（収差）の補正を可能にする。
【００４３】
図示の第１実施例では、入射瞳直径ＥＮＰと対物レンズ２の焦点距離との比が倍率変換器の倍率が最大の場合、ＥＮＰ／Ｆ＝０．５６である。従って有利な条件０．５５＜ＥＮＰ／Ｆ＜０．６が維持される。対物レンズ２の最大視界角ｗ１は倍率が最小の場合、ｔａｎ（ｗ１）＝０．１９により、条件（Ｂ２）ｔａｎ（ｗ１）≧０．１６を満たす。従って第１の実施例の対物レンズ２は条件（Ｂ１）と（Ｂ２）を満たし、公知の対物レンズよりも高い分解能を有し、立体顕微鏡の全倍率領域で使用することができる。しかもその際に倍率が低くても口径食が発生しない。
【００４４】
次の表１は図示された第１の実施例の詳細を、Ｆ＝１００ｍｍの焦点距離に対して正規化して示す。ここでは群Ｇ１は個別（単）レンズ（面番号１，２）からなり、群Ｇ２は３つの接合素子（面番号３，４，５；６，７，８そして９，１０，１１）からなり、最後の構成群Ｇ３は個別レンズ２３（面番号１２と１３）からなる。
【表１】

表の列には左から右へ、群番号、面番号、曲率半径、次の面まで間隔、屈折率ｎ_ｄ、分散ｖ_ｄ、そして部分分散Ｐ_ｇ，_ＦとＰ_Ｃ，_ｔがリストアップされている。ここでｎ_ｄは屈折率、ｖ_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_ｃ）はアッベ数、Ｐ_ｇ，_Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長ｇとＦに対する相対的部分分散、そしてＰ_Ｃ，_ｔ＝（ｎ_Ｃ−ｎ_ｔ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長Ｃとｔに対する相対的部分分散を意味する。空隙はデータ中の空き列により示されている。
【００４５】
波長ｇとＦは、４３５．８３ｎｍでの青水銀ラインと、４８６．１３ｎｍでの青水素ラインを示す。波長Ｃとｔは、６５６．２７ｎｍでの赤酸素ラインと、１０１３．９８ｎｍでの赤外線水銀ラインを示す。波長ｄは５８７．５６ｎｍでの黄ヘリウムラインを示す。
【００４６】
この対物レンズ形式は、光学的ガラスを適切に選択すれば、高品質な色収差補正を特徴とする。特別なガラスを使用すれば、一次色収差が補正されるだけでなく、二次スペクトルも格段に低減される。大多数のガラス（Ｎｏｒｍａｌ　標準的ないし通常のガラス）に対して近似的に線形関係が成り立つ（Ｎｏｒｍａｌ　標準的直線）。
【００４７】
Ｐ_ｎ　ｇ，_Ｆ　＝０．６４３８−０．００１６８２＊ｖ_ｄ
Ｐ_ｎ　Ｃ，_ｔ　＝０．５４５０＋０．００４７４３＊ｖ_ｄ
この実施例で使用されるガラスはこの線形関係には従わず、この線形関係の少なくとも１つから偏差する。相対的部分分散の標準的直線からの偏差は次のとおりである。
【００４８】
｜Ｐ_ｇ，Ｆ−Ｐ_{ｎ　ｇ，Ｆ}｜＞０．００７５
｜Ｐ_Ｃ，ｔ−Ｐ_{ｎ　Ｃ，ｔ}｜＞０．０２５
対物レンズ２の結像能力が図３に示されている。上は顕微鏡倍率が最大の場合に対するものであり（図３ａ）、下は倍率が最小の場合に対するものである（図３ｂ）。
【００４９】
結像エラー（収差）は、顕微鏡では通常のように、反対の光方向で検出される。すなわち収差は対象物面にて定められ、無限大から到来するビーム束が光の方向と反対の方向に対物レンズによって結像される。
【００５０】
図示されているのは、横方向収差としての開口誤差、縦方向収差としての像面湾曲（シャーレ）、そして歪みであり、パーセントで示されている。
【００５１】
対物レンズ２の光軸９に対して光束が非対称に対物レンズ２を通過するため、開口誤差は倍率変換器３の２つの光軸を含む断面（Ｙ面）にも、これに対して垂直の断面（Ｘ面）にもプロットされている。２つの開口誤差は波長ｄ＝５８７．５６ｎｍ、Ｃ＝６５６．２８ｎｍおよびｇ＝４３５．８３ｎｍに対して相対的瞳高さ（ｍｍの単位で）に対応して示されている。
【００５２】
像面湾曲は視界角ｗ（゜の単位で）に対応して波長ｄとｇに対し、Ｙ面とＸ面にプロットされている。Ｙ面での歪みも同様に視界角ｗに対応して波長ｄに対してパーセントで示されている。
【００５３】
入射瞳はそれぞれの倍率変換器３Ｌ、３Ｒの軸に対してセンタリング（心合わせ）されている。倍率変換器３Ｌと３Ｒの軸間隔は５９．９ｍｍである。図３ａでは入射瞳の直径はＥＰ＝５６．１８ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズ２から２．５ｍｍ離れて配置されている。最大視界角ｗは０．９５゜である。
【００５４】
図３ｂでは入射瞳の直径はＥＰ＝８．４９ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズから１０２．４ｍｍ離れて配置されている。最大視界角はｗ１＝１０．７６゜である。
【００５５】
公知のようにすべての半径と間隔を係数ｃと乗算することにより、表１のデータから焦点距離Ｆ＝ｃ×１００ｍｍの対物レンズが得られる。有利な実施例ではＦ＝４０ｍｍである。従ってｃ＝０．４である。この係数ｃにより上記のデータを瞳についてスケーリングし、および図３の横方向収差と縦方向収差をスケーリングすると、これらパラメータのデータが好適な実施例の焦点距離に対して得られる。
【００５６】
開口数から得られる回折ディスクの直径を、図３ａのラインｄに対する開口誤差の横方向収差の小さな値と、実施例の焦点距離Ｆ＝４０ｍｍに対してスケーリングした後とで比較すると、この対物レンズが高いアパーチャに基づき、これまで得られた分解能よりも高い、期待通りの分解能を保証することがわかる。
【００５７】
同様に波長Ｃとｇに対して示された開口収差も二次色収差を十分に低減する。
【００５８】
さらに図２ｂから、視界角ｗ１を口径食なしで使用できることがわかる。なぜならビーム束２１が（口径食による）カット（ｂｅｓｃｈｎｉｔｔｅｎ）が生じていないからである。図３ｂから、焦点Ｆ＝４０ｍｍにスケーリングすると、立体顕微鏡観察に対して視野全体を無制限に使用できることがわかる。相応の図では、開口誤差は良好に補正されており、像面湾曲の縦方向収差が小さくなっている。
【００５９】
第２の実施例
図４は、第２の実施例によるレンズ断面を概略的に示す。図２と同じ構成部材には同じ参照符号が付してある。以下、特別に言及しない限り図４に示された対物レンズ２に対しては第１の実施例と同じ構成が適用される。
【００６０】
対物レンズ２はここでも８つのレンズから構成されている。光学的構成群Ｇ１は個別レンズ２２からなり、これに対してはｆ１／Ｆ＝１．４６が当てはまる。従って条件１．３＜ｆ１／Ｆ＜１．８が満たされる。さらに光学的構成群Ｇ３は個別レンズ２３として構成されており、これに対してはｆ３／Ｆ＝２．４９が当てはまる。従って条件２＜ｆ３／Ｆ＜４が満たされる。ここから得られる利点については、前に第１の実施例との関連で説明したことが当てはまる。
【００６１】
第２の光学的構成群Ｇ２の最後の面（対物レンズ２の第１１番目の面）に対しては、Ｒ１１／Ｆ＝１．０７が当てはまる。このことは条件０．７＜Ｒｋ／Ｆ＜１．１（ｋ＝１１）を満たす。対象物距離に対しては、この実施例ではＯＷ／Ｆ＝０．４２が当てはまる。前記の条件を満たすためには、第１の実施例についての説明が当てはまる。
【００６２】
図示の第２実施例では、対物レンズ２の焦点Ｆに対する入射瞳直径ＥＮＰの比が、倍率変換器の倍率が最大のときに、ＥＮＰ／Ｆ＝０．４４である。さらに対物レンズ２の最大視界角ｗ１に対しては倍率が最小のとき、ｔａｎ（ｗ１）＝０．１９が成り立つ。第２実施例の対物レンズ２は従って本発明の条件（Ｂ１）と（Ｂ２）を満たす。これにより立体顕微鏡の倍率領域全体で使用することができ、公知の対物レンズよりも高い分解能を有する対物レンズが得られる。
【００６３】
次の表２は図示の第２実施例のデータを詳細に示すものであり、Ｆ＝１００ｍｍの焦点距離に対して正規化されている。ここで群Ｇ１は１つの個別レンズ（面番号１，２）からなり、群Ｇ３は３つの接合素子（面番号３，４，５；６，７，８および９，１０，１１）からなり、最後の構成群Ｇ３は個別レンズ２３（面番号１２と１３）からなる。
【表２】

この表のデータについては、第１の実施例についての説明が当てはまる。
【００６４】
第２の実施例に使用されるガラスに対しても、第１の実施例に対して示された相対的部分分散の標準直線からの偏差が当てはまる。このことにより、色収差の高品質な補正を特徴とする対物レンズ形式が得られる。
【００６５】
対物レンズの結像能力は図５に示されている。
【００６６】
図示の形式は図３と同じであり、そこに述べたことがここでも当てはまる。倍率変換器３Ｌと３Ｒの軸間隔はここでは４７．０ｍｍである。
【００６７】
図５ａで入射瞳の直径はＥＮＰ＝４４．０ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズから２．０ｍｍ離れて配置されている。最大視界角はｗ＝０．９５゜である。
【００６８】
図５ｂでは瞳の直径ＥＰ＝６．６５ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズから８０．２ｍｍ離れて配置されている。最大視界角はｗ１＝１０．６４゜である。
【００６９】
スケーリングおよび達成された結像能力に関しては、第１の実施例であげられたことが当てはまる。第２の実施例による対物レンズの有利な焦点距離Ｆは約５０ｍｍである。
【００７０】
第３の実施例
図６は本発明の対物レンズ２の第３実施例によるレンズ断面を概略的に示す。この対物レンズも空隙により分離された５つの要素からなり、これらは３つの群に分けることができる。第１の光学的構成群Ｇ１は個別（単）レンズ２２として、第３の光学的構成群Ｇ３も同様に個別レンズとして構成されている。光学的構成群Ｇ２は３つの接合素子で形成される。対物レンズ２は全体で８つのレンズからなる。
【００７１】
図６でも同じ構成部材は、以前の実施例と同じ参照符号により示されている。その他の点でも以下、特別に述べない限り先行の２つの実施例についての説明が当てはまる。
【００７２】
第３実施例の対物レンズ２に対しては、ＥＮＰ／Ｆ＝０．６が当てはまる。従って本発明の条件（Ｂ１）は満たされている。さらにｔａｎ（ｗ１）＝０．１９であり、第２の本発明の条件（Ｂ２）も満たされている。さらに構成群Ｇ１（個別レンズ２２）の焦点距離ｆ１に対してはｆ１／Ｆ＝１．７０が当てはまる。従って１．３＜ｆ１／Ｆ＜１．８が満たされている。また第３の光学的構成群Ｇ３（個別レンズ２３）の焦点距離ｆ３に対してはｆ３／Ｆ＝３．６８であり、従って２＜ｆ３／Ｆ＜４が満たされている。
【００７３】
さらに対象物距離に対してはＯＷ／Ｆ＝０．４２が、構成群Ｇ３側の構成群Ｇ２の最後の半径（第１１番目の面）に対してはＲ１１／Ｆ＝１．０５が成り立つ。従って第３の実施例に対しても条件０．７＜Ｒｋ／Ｆ＜１．１．と、ＯＷ／Ｆ≧０．４２が満たされている。
【００７４】
上記の条件を満たすことにより得られる利点についてはすでに上に説明した２つの実施例と関連して説明した。ここでも同じことが当てはまる。
【００７５】
次の表３は第３の実施例のデータを詳細に示すものであり、ここでは焦点距離Ｆ＝１００ｍｍに対して正規化されている。面番号のそれぞれの群への割り当ては上の実施例と同じように行われている。
【表３】

この表データに対してもすでに上で説明したことが当てはまる。第３の実施例に対して使用されるガラスもまた、相対的部分分散に対して当てはまる少なくとも１つの標準的直線から、第１の実施例ですでに示した絶対値だけ異なっている。
【００７６】
対物レンズの結像能力が図７に示されている。上（図７ａ）が顕微鏡倍率が最大の場合に対するものであり、下（図７ｂ）が倍率が最小の場合に対するものである。図はすでに説明した図３および図５とまったく同じように示されており、そこでの説明がここでも当てはまる。
【００７７】
倍率変換器３Ｌと３Ｒの軸間隔はこの場合、４７．０ｍｍである。
【００７８】
図７ａで、入射瞳の直径はＥＮＰ＝６０．０ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズから２．７ｍｍ離れて配置されている。最大視界角はｗ＝０．９５゜である。
【００７９】
図７ｂで、瞳の直径はＥＰ＝９．１ｍｍである。瞳は倍率変換器の軸に沿って対物レンズから１０９．３ｍｍ離れて配置されている。最大視界角はｗ１＝１０．６４゜である。
【００８０】
スケーリングおよび達成される結像能力に関しても、第１の実施例での説明が当てはまる。第３の実施例による対物レンズの有利な焦点距離Ｆは３７．５ｍｍである。
【００８１】
本発明の対物レンズの３つの実施例はいずれも良好な結像特性を有し、上記の理由からとりわけ望遠鏡型立体顕微鏡に適する。本発明の対物レンズは、最大倍率と最小倍率との間にある位置においても非常に良好な結像特性を有することを述べておく。
【００８２】
【発明の効果】
本発明の第１の視点（請求項１、基本構成）により、所定の課題が達成される。即ち、倍率変換器を有する立体顕微鏡において、高倍率の場合には所定の高分解能を示し、かつ、該所定の分解能は公知の立体顕微鏡よりも大きくさらに顕微鏡の倍率（可変）領域全体を口径食なしで使用することができる（基本効果）。本発明の各従属請求項の構成によれば、上記の基本効果に加えて夫々特有の効果を達成する。例えば、請求項２の構成により、さらに、対物レンズの分解能の格段の向上が達成される（［００２４］参照）。請求項３、４の構成により、第３の群を個別（単）レンズとすることができ全体構成の簡略化が所定の効果を達成しつつ、実現される（［００２６］〜［００２７］参照）。請求項５により、構成群Ｇ２の特定の構成を介して、大きなアパーチャと大きなフィールド（視野）を有する対物レンズに対し結像エラー（収差）の補正が僅かなレンズ数でも可能となるよう構成群Ｇ２とＧ３を整合することができる。その結果最大８ヶのレンズで、高い結像品質を低コスト、低重量で達成する（［００３０］参照）。さらに、請求項１０の構成によって、色収差の補正の条件を支える。（［００３１］等参照）。さらに、その他の請求項の特徴によって、従来の技術に比して特有の有利な付加的効果が得られることが、実施の形態、実施例、図面を含め本発明の開示全体から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による望遠鏡型立体顕微鏡の一例の概略図を示すと共に、本願発明の基本的全体構成の一例をも示す。
【図２】倍率変換器の最大倍率（図２ａ）と最小倍率（図２ｂ）に対するビーム路を共に示した、本発明の対物レンズの概略図である。
【図３】倍率が最大の場合（図３ａ）と最小の場合（図３ｂ）に対する対物レンズの結像能力を示す図である。
【図４】倍率変換器の最大倍率（図４ａ）と最小倍率（図４ｂ）でのビーム経過を共に示した、本発明の対物レンズの第２実施例の概略図である。
【図５】最大倍率（図５ａ）と最小倍率（図５ｂ）の場合に対する所属の結像能力を示す図である。
【図６】倍率変換器の最大倍率（図６ａ）と最小倍率（図６ｂ）でのビーム経過を共に示した、本発明の対物レンズの第３実施例の概略図である。
【図７】顕微鏡最大倍率（図７ａ）と最小倍率（図７ｂ）の場合に対する所属の結像能力を示す図である。
【符号の説明】
１　対象物
２　対物レンズ
３Ｌ、３Ｒ　左チャネルおよび右チャネルの倍率変換器
４Ｌ、４Ｒ　左チャネルおよび右チャネルの鏡筒レンズ
６Ｌ、６Ｒ　左チャネルおよび右チャネルの中間画像
７Ｌ、７Ｒ　左チャネルおよび右チャネルの接眼レンズ
８Ｌ、８Ｒ　左眼および右目
９　対物レンズの軸
１０Ｌ、１０Ｒ　立体顕微鏡の左観察チャネルおよび右観察チャネル
２０　対象物中央からのビーム束
２１　上側対象物縁部および下側対象物縁部からのビーム束
２２　個別レンズ（第１の群Ｇ１）
２３　個別レンズ（第３の群Ｇ３）
ｃ　スケーリング係数
ＥＮＰ　最大倍率における倍率変換器の入射瞳の直径
ＥＰ　倍率変換器の入射瞳の直径
Ｆ　対物レンズの焦点距離
ｆ１　対物レンズの第１の群（Ｇ１）の焦点距離
ｆ３　対物レンズの第３の群（Ｇ３）の焦点距離
Ｇ１．．Ｇ３　対物レンズを構成する光学的構成群
ｎＡ　対物レンズの開口数
ＯＭ　対象物野の中央
Ｏｏ　対象物野の上側縁部
Ｏｕ　対象物野の下側縁部
ＯＷ　対象物面から（Ｇ１）の第１面までの距離
Ｒｋ　対物レンズの第３の群（Ｇ３）に向いた側の、第２の群（Ｇ２）の最後（ｋ番目）の面半径
ｕ，ｕＲ，ｕＬ　対象物中央にピークを有し、ＥＮＰによろ制限されるビーム円錐コーンの開口角の半分
ｗ　対物レンズの視界角（視野角）
ｗ１　最小倍率における対物レンズの最大視界角
ｚ　倍率変換器の最大倍率と最小倍率の比（ズーム比）

Claims (14)

1. 望遠鏡型立体顕微鏡用の対物レンズであって、
   ３つの光学的構成群（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を含んでおり、
   第１の構成群（Ｇ１）は対象物に向かう側に配置されており、第３の構成群（Ｇ３）は倍率変換器（３Ｌ、３Ｒ）に向かう側に配置されている形式の対物レンズにおいて、
   以下の条件が満たされる：
   ０．４４≦ＥＮＰ／Ｆ≦０．６　かつ
   ｔａｎ（ｗ１）≧０．１６
   ここでＥＮＰは最大倍率における倍率変換器（３Ｌ、３Ｒ）の入射瞳の直径、Ｆは対物レンズ（２）の焦点距離、ｗ１は倍率変換器（３Ｌ、３Ｒ）の最小倍率における対物レンズ（２）の最大視界角である、
   ことを特徴とする対物レンズ。
2. 

   である、請求項１記載の対物レンズ。
3. ２＜ｆ３／Ｆ＜４であり、ここでｆ３は第３の光学的構成群（Ｇ３）の焦点距離である、請求項１または２記載の対物レンズ。
4. 光学的構成群（Ｇ３）は個別レンズ（２３）からなる、請求項３記載の対物レンズ。
5. 条件０．７＜Ｒｋ／Ｆ＜１．１が満たされ、ここでＲｋは第３の光学的構成群（Ｇ３）に向いた側の、第２の構成群（Ｇ２）の最後の半径である、請求項１から４までのいずれか１項記載の対物レンズ。
6. 条件ＯＷ／Ｆ≧０．４２が満たされ、ここでＯＷは対象物表面から第１の光学的構成群（Ｇ１）の第１面までの距離である、請求項１から５までのいずれか１項記載の対物レンズ。
7. 条件１．３＜ｆ１／Ｆ＜１．８が満たされ、ここでｆ１は第１の光学的構成群（Ｇ１）の焦点距離ｆ１である、請求項１から６までのいずれか１項記載の対物レンズ。
8. 第１の光学的構成群（Ｇ１）は個別レンズ（２２）からなる、請求項７記載の対物レンズ。
9. 対物レンズは最大で８つのレンズから構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の対物レンズ。
10. 第３の光学的構成群（Ｇ３）の正のレンズに次の条件を満たすガラスを使用する：
    ｜Ｐ_ｇ，_Ｆ−０．６４３８＋０．００１６８２×ｖ_ｄ｜＞０．００７５、または
    ｜Ｐ_Ｃ，_ｔ−０．５４５０−０．００４７４３×ｖ_ｄ｜＞０．０２５
    ここでｖ_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）はアッベ数、Ｐ_ｇ，_Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長ｇとＦに対する相対的部分分散、そしてＰ_Ｃ，_ｔ＝（ｎ_Ｃ−ｎ_ｔ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長Ｃとｔに対する相対的部分分散を意味し、ｎはそれぞれの波長における屈折率である、請求項１から９までのいずれか１項記載の対物レンズ。
11. 光学的構成群（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）は最大で３つの異なる材料から構成される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の対物レンズ。
12. 光学的構成群（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）に対して使用される材料はすべて、請求項１０の条件の１つを満たす、請求項１から１１までのいずれか１項記載の対物レンズ。
13. 対物レンズ焦点距離がＦ＝１００ｍｍに関連して次の表の構造的データを有し、
    

    

    ここで表の列には左から右へ、群番号、面番号、曲率半径、次の面まで間隔、屈折率ｎ_ｄ、分散ｖ_ｄ、そして部分分散Ｐ_ｇ，_ＦとＰ_Ｃ，_ｔがリストアップされており、ここでｎ_ｄは屈折率、ｖ_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_ｃ）はアッベ数、Ｐ_ｇ，_Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長ｇとＦに対する相対的部分分散、そしてＰ_Ｃ，_ｔ＝（ｎ_Ｃ−ｎ_ｔ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は波長Ｃとｔに対する相対的部分分散を意味し、空隙はデータ中の空き列により示されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の対物レンズ。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の対物レンズを主対物レンズとして有する立体顕微鏡。

Images