JP2005258148A - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】可視光領域から近紫外光領域までの幅広い波長領域に渡って色収差および諸収差の補正された、長作動距離と高開口数を併せ持つ顕微鏡対物レンズを提供する。
【解決手段】物体側から遠い順に、２組の凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズからなり、全体として負の屈折力を持つ第１群Ｇ１と、凸メニスカスレンズと、凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズ、凸レンズ、凹レンズおよび凸レンズの３枚接合レンズと、最も物体側には４枚の単独の凸レンズを配置し、これらの単独の凸レンズの物体側の３枚は物体側に凹面を向けた凸メニスカスレンズからなり、全体として正の屈折力を持つ第２群とを備える。以上の構成において、
【数９】

を満たすように各レンズの光学定数を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡対物レンズに関し、特に、倍率が１００ｘ程度で、長作動距離と大きな開口数（ＮＡ）を併せ持ち、可視光領域から近紫外光領域まで良好に収差補正がなされた無限遠補正型顕微鏡対物レンズに関する。

近年、半導体や液晶技術の発展は目覚ましいものがあり、その集積度は益々上がってきている。

これらの観察、測定、リペアなどにおいては操作の便宜上、顕微鏡対物レンズの作動距離（ＷＤ）が大きいことが望ましい。また、観察時においてはより高分解能な観察、および顕微鏡対物レンズとレーザを使用したリペアなどの分野では、更なる精密な加工の要求が出始めている。そのため、高分解能、長作動距離を併せ持つ、レーザ加工にも使用可能な高性能顕微鏡対物レンズが必要になってきた。更に、使用するレーザもこれまでの近赤外、可視光領域にとどまらず、より波長が短く、精密加工、光化学反応による加工に適した近紫外レーザが一般的に使用されてきている。

近年のこのような観察、測定、リペアなどの発展下において、市場からは、高分解能観察、近紫外レーザによる精密加工、光化学反応による加工などが実現できる可視光から近紫外光領域まで使用可能な、長作動距離と大きな開口数を併せ持つ顕微鏡対物レンズの要望が大きくなっている。

これまでに、本願出願人は長作動距離の顕微鏡対物レンズとして、可視光領域用では特開昭６３ー２３１１９号、特許第２９７５９０５号を提案し、また、開口数は比較的小さいが可視光領域から近紫外光領域まで収差補正がなされた特開平７ー２０３８５号、さらに可視光から近赤外光領域で使用可能な、長作動距離と大きな開口数を併せ持つ特開２００３−１６７１９９号を提案した。

特開昭６３−２３１１９号公報 特許第２９７５９０５号公報 特開平７―２０３８５号公報 特開２００３−１６７１９９号公報

しかしながら、特開昭６３ー２３１１９号、特許第２９７５９０５号、特開２００３ー１６７１９９号においては、前述のとおり長作動距離顕微鏡対物レンズではあるが、主に可視光領域のみ、あるいは可視光から近赤外光領域について収差補正がなされたものであった。したがって可視光、あるいは近赤外光での結像位置と近紫外光の結像位置とは一致せず、さらに短波長領域における透過率の影響を補正するものではなく、ＹＡＧレーザ第３高調波（波長３５５ｎｍ）などの近紫外光レーザを使用したリペア、および近紫外光による高分解能観察などを使用目的としたものではない。

また、特開平７−２０３８５号の顕微鏡対物レンズは、長作動距離を有しかつ可視光領域から近紫外光領域まで良く収差補正がなされている。しかしながら、その実施例では１００ｘ対物レンズの開口数は０．５程度であり高分解能とは言い難く、また焦点深度も深くなる為、近年の近紫外レーザによる精密加工には物足りない面があった。

この様な近紫外レーザによる精密加工においては、顕微鏡対物レンズには高倍率、長作動距離と高開口数を併せ持ち、かつ可視光領域から近紫外光領域までの幅広い波長領域に渡って収差補正が良好になされていることが求められる。

本発明は、この様な問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可視光領域から近紫外光領域までの幅広い波長領域に渡って色収差および諸収差の良く補正された、操作性のよい長作動距離と高開口数を併せ持った、倍率が１００ｘ程度の無限遠補正型顕微鏡対物レンズを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、
物体側から遠い順に、凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズと、凸レンズおよび凹レンズからなる全体として物体側に凹面を向けたメニスカス状の２枚接合レンズとの、２組の２枚接合レンズからなり、全体として負の屈折力を持つ第１群と、物体側から遠い順に、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズと、凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズと、凸レンズ、凹レンズおよび凸レンズの３枚接合レンズと、最も物体側には４枚の単独の凸レンズを配置し、これらの単独の凸レンズのうち、物体側にある３枚は物体側に凹面を向けた凸メニスカスレンズからなり、全体として正の屈折力を持つ第２群とを備える顕微鏡対物レンズにおいて、前記第１群の物体側から最も遠い側に位置する２枚接合レンズの物体側の面の曲率半径をr１１r 、前記第２群の物体側から最も遠い側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をr２１r 、最も物体側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をr２r 、前記第１群中の全ての凸レンズのアッベ数をν１p 、前記第２群中の全ての凹レンズのアッベ数をν２n 、部分分散比をθig２n 、当該顕微鏡対物レンズ全体の焦点距離をFとすると、次の（１）乃至（４）の各式、

を満たすことによって、前記課題を解決する。

但し、アッベ数νとは、d線(587.56nm）、F線(486.13nm)、C線(656.27nm)、の各波長の屈折率をそれぞれ、nd、nF、nC、とすると

であり、部分分散比θig とは、i線(365.01nm)、g線(435.84nm)の各波長の屈折率をそれぞれ、ni、ngとすると

で表される。

物体面の１点から出た発散する光線束は、第２群の物体側のレンズに入射し、収束されて第２群から出射し第１群に入射する。第１群に入射した光線束は第１群により平行光線束となり第１群より出射する。

次に各条件式について説明する。
（１）式は、
前記第１群の物体側から最も遠い側に位置する２枚接合レンズの物体側の面（以下、この面をr１１ｒ面と記す）の曲率半径r１１ｒと、前記第２群の物体側から最も遠い側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面（以下、この面をr２１ｒ面と記す）の曲率半径r２１ｒの値を規定するものである。

（１−１）式において、
この式の上限を越えてr１１ｒの値が大きくなると、r１１ｒ面でのコマ収差および非点収差の補正量が小さくなり、その他の面でこれを補正しようとすると高次収差の発生が大きくなる。また、下限を越えて小さくなると、逆に、r１１ｒ面でのコマ収差および非点収差の発生が大きくなりすぎ、他の面ではこの収差を補正しきれなくなる。

（１−２）式は、
（１−１）式のr１１ｒの値の範囲において、r２１ｒの値を規定するものである。これは、r２１ｒ面において発生する負のコマ収差とr１１ｒ面で発生する正のコマ収差のバランスを取り、かつ、r２１ｒ面での3次および高次の球面収差の発生をコントロールするもので、顕微鏡対物レンズ全体の球面収差およびコマ収差の補正が、（１−２）式を実現することで可能となる。

この式の上限を越えて大きくなると、r２１ｒ面での球面収差、コマ収差および非点収差の発生が顕著となり、r１１ｒ面およびその他の面での収差補正が困難となる。これを他の面で無理に収差補正をしようとすると高次収差が発生し、その結果、顕微鏡対物レンズとして大きな開口数を得ることができなくなる。

また、逆に、この式の下限を越えると、主にr１１r面で発生する正のコマ収差の補正が困難になると同時に、ｒ２１ｒ面で発生する大きな3次の球面収差のため、顕微鏡対物レンズ全体として3次および高次の球面収差のバランスを取ることが不可能になり、同様に顕微鏡対物レンズとして大きな開口数を得ることができなくなる。
（１）式は、球面収差、コマ収差、非点収差、およびその高次収差をバランスよく補正し、顕微鏡対物レンズとして高開口数を得るために必要な条件である。

（２）式は、
前記第２群の最も物体側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面（以下、この面をr２r面と記す）の曲率半径r２ｒを規定するためのものである。

（２）式の上限を越えると、r２ｒ面での球面収差などの発生が少なくなり収差補正上は有利になるが、同時に作動距離が短くなり、本発明の目的である長作動距離を保つことができなくなる。また下限を越えると、r２ｒ面で発生する球面収差、コマ収差およびその高次収差が大きくなり、これを他の面で補正することが困難となる。したがって、（２）式は、長作動距離と高開口数を同時に得るために必要な条件である。

（３）式は、
前記第１群中の全ての凸レンズのアッベ数ν１p を規定するものである。
前記第１群中の凸レンズのアッベ数がこの式の下限を越えると倍率の色収差を補正するのが有利になり、また凹レンズとのアッベ数の差分が大きくできるため凹レンズそれぞれのパワーを小さくすることができ、諸収差の補正には都合がよくなるが、分散の大きい硝材を使用するため色の球面収差が発生する。
したがって、各波長ごとの球面収差の形状が異なるようになり、特に本発明の目的である可視光領域から近紫外領域までの幅広い波長領域に渡って収差補正をし、かつ高開口数を維持する事が困難になる。これを他の場所で補正することはできない。

前記第１群中の凸レンズのアッベ数がこの式の上限を越えると、色の球面収差の補正に関しては都合がよいが、倍率の色収差の補正ができなくなるばかりでなく、凸レンズと凹レンズとのアッベ数の差分が小さくなるため、凸レンズおよび凹レンズそれぞれのパワーを大きくしなければならず、諸収差およびその高次収差の発生が顕著になりこれを他の場所で補正することができない。

（３）式は、顕微鏡対物レンズが可視光領域から近紫外領域までの幅広い波長領域に渡って収差補正がなされ、かつ高開口数の実現に必要な条件である。
（４）式は、
前記第２群中の全ての凹レンズのアッベ数と部分分散比を規定するものである。
（４−１）式の下限を越えたアッベ数の硝材を第２群中の凹レンズに使用すると、分散の大きい硝材を使用することになり、色の球面収差が発生する。したがって、前述の（３）式の説明と同様に幅広い波長領域に渡って収差補正をし、かつ高開口数を維持することができなくなる。

（４−２）式の上限を越えた部分分散比の硝材を第２群中の凹レンズに使用すると、超色消しの条件から外れるようになり、所謂２次スペクトルの発生が顕著になる。特に本発明の目的である可視光領域から近紫外領域までの幅広い波長領域に対しては、２次スペクトルの色収差の発生はより顕著に現れる。

（４）式は、可視光領域から近紫外領域までの幅広い波長領域に渡って色の球面収差の補正、および２次スペクトルの発生を防ぐために必要な条件である。すなわち、（１）乃至（４）の各式を満たすことにより可視光領域から近紫外領域までの幅広い波長領域で色収差が良好に補正され、かつ高開口数の無限遠補正型顕微鏡対物レンズが実現できる。

本発明は、上記のような構成にしたので、可視光領域から近紫外領域にいたるまでの幅広い波長領域に渡って、色収差やその他の諸収差を良好に補正した、高倍率（１００ｘ）でありながら、高開口数（高ＮＡ）、かつ長作動距離を併せ持つ無限遠補正型顕微鏡対物レンズを得ることができ、顕微鏡下での作業効率を著しく増大させることができる。

図１には、本発明による無限遠補正型顕微鏡対物レンズの実施例が示されている。この顕微鏡対物レンズは、物体側から遠い順に、全体として負の屈折力を持つ第１群と正の屈折力を持つ第２群とから構成されている。

第１群は凸レンズＬ１ および凹レンズＬ２の２枚接合レンズと、凸レンズＬ３ および凹レンズＬ４ からなる全体として物体側に凹面を向けたメニスカス状の２枚接合レンズとの、２組の２枚接合レンズから構成されている。

第２群は、物体側より遠い順に、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＬ５ と、凹レンズＬ６ および凸レンズＬ７ の２枚接合レンズと、凸レンズＬ８ 、凹レンズＬ９ および凸レンズＬ１０の３枚接合レンズと、凹レンズＬ１１とおよび凸レンズＬ１２の２枚接合レンズと、凸レンズＬ１３、凹レンズＬ１４および凸レンズＬ１５の３枚接合レンズと、凸レンズＬ１６と、物体側に凹面を向けた３枚の凸メニスカスレンズＬ１７、Ｌ１８およびＬ１９とから構成されている。

このような構成において、焦点距離２００ｍｍの結像レンズで結像した時の倍率が１００倍、物体側の開口数（ＮＡ）が０．６７、焦点距離が２ｍｍとなるように各レンズの光学定数を表１に示すように設定したところ、レンズ系の最も物体側に位置する凸メニスカスレンズＬ１９の面の頂点から物体面までの距離である作動距離（ＷＤ）が、１１．１１ｍｍとなり、長作動距離と高開口数（高ＮＡ）を併せ持つ、高性能の無限遠補正型顕微鏡対物レンズを実現することができた。

なお、表１においてｒ１ 〜ｒ３０は各レンズの各面の曲率半径である。ｄ１ 〜ｄ２９は各レンズの厚さおよびレンズ間隔である。単位はいずれも（ｍｍ）である。n１ 〜n19は各レンズＬ１ 〜Ｌ１９に使用した硝材のｄ線における屈折率であり、ν１ 〜ν１９は各レンズＬ１〜Ｌ１９に使用した硝材のアッベ数であり、θig6 、θig9 、θig11 、θig14はそれぞれのレンズＬ６ 、Ｌ９ 、Ｌ１１、Ｌ１４に使用した硝材の部分分散比θig
である。

表１の無限遠補正型顕微鏡対物レンズの仕様
倍率 １００ｘ
焦点距離 ２．０ ｍｍ
開口数 （ＮＡ） ０．６７
作動距離（ＷＤ） １１．１１ ｍｍ
（倍率・・・・・焦点距離２００ｍｍの結像レンズを使用したときの倍率）
（作動距離・・・レンズ系の最も物体側の面の頂点から、物体面までの距離）

実施例における各条件式の値

上記の値は（１）の条件式を満たしている。

上記の値は（２）の条件式を満たしている。

上記の値は（３）の条件式を満たしている。

上記の値は（４）の条件式を満たしている。

一方、図２には本実施例の無限遠補正型顕微鏡対物レンズの球面収差（図２（Ａ））、非点収差（図２（Ｂ））、および歪曲収差（図２（Ｃ））が示されている。球面収差には、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線および３５５ｎｍの各波長における収差が示されている。

また、非点収差にはサジタル面Ｓおよびメリディオナル面Ｍにおける収差が示されており、歪曲収差と同様にｄ線の値が示されている。ここで、Ｙ´は焦点距離２００ｍｍの結像レンズによって結像されるときの像高（１５ｍｍ）である。
これらの収差図から、本実施例の無限遠補正型顕微鏡対物レンズは可視光領域から近紫外領域まで良く収差補正がなされた、高倍率（１００ｘ）でありながら、高開口数、かつ長作動距離を併せ持つ、高性能顕微鏡対物レンズが実現できたことが理解できる。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。例えば、第１群と第２群のレンズ枚数の変更、凸レンズや凹レンズ、接合レンズの配列の変更も本発明の要旨の範囲を逸脱しない限り可能である。さらに上記実施例では無限遠補正型の顕微鏡対物レンズについて示したが、良く補正された小型の結像レンズを第１群の像面側に設けることで有限補正型顕微鏡対物レンズとして使用出来ることはいうまでもない。

本実施例の顕微鏡対物レンズの構成断面図である。 本実施例の顕微鏡対物レンズの収差図である。

符号の説明

Ｇ１ 第１群
Ｇ２ 第２群
Ｌ１〜Ｌ１９ レンズ
ｒ１〜ｒ３０ レンズの曲率半径

Claims (1)

1. 物体側から遠い順に、凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズと、凸レンズおよび凹レンズからなる全体として物体側に凹面を向けたメニスカス状の２枚接合レンズとの、２組の２枚接合レンズからなり、全体として負の屈折力を持つ第１群と、物体側から遠い順に、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズと、凸レンズおよび凹レンズの２枚接合レンズと、凸レンズ、凹レンズおよび凸レンズの３枚接合レンズと、最も物体側には４枚の単独の凸レンズを配置し、これらの単独の凸レンズのうち、物体側にある３枚は物体側に凹面を向けた凸メニスカスレンズからなり、全体として正の屈折力を持つ第２群とを備える顕微鏡対物レンズにおいて、前記第１群の物体側から最も遠い側に位置する２枚接合レンズの物体側の面の曲率半径をr１１r、前記第２群の物体側から最も遠い側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をr２１r 、最も物体側に位置する凸メニスカスレンズの物体側の面の曲率半径をr２r 、前記第１群中の全ての凸レンズのアッベ数をν１p 、前記第２群中の全ての凹レンズのアッベ数をν２n 、部分分散比をθig２n 、当該顕微鏡対物レンズ全体の焦点距離をFとすると、次の（１）乃至（４）の各式、
   であることを特徴とする顕微鏡対物レンズ。