JP2006194976A

JP2006194976A - 対物レンズ

Info

Publication number: JP2006194976A
Application number: JP2005004019A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Suenaga; 豊末永
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系と組み合わせる場合でも、その有効径を大型化せずに、物体側のテレセントリック性を確保できる対物レンズを提供する。
【解決手段】無限遠補正型の対物レンズ１０であって、物体１０Ａの中間像を形成する第１光学系Ｇ１,Ｇ２と、中間像をリレーする第２光学系Ｇ３とを備え、対物レンズの後側焦点面１０Ｂは、第２光学系のレンズ面のうち最も像側のレンズ面８Ａより像側に位置し、最も像側のレンズ面８Ａと後側焦点面１０Ｂとの距離Ｘは、対物レンズの焦点距離ｆを用いて、条件式「Ｘ/ｆ＞１.５」を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無限遠補正型の対物レンズに関し、特に、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）と組み合わせて高倍観察を行う場合に好適な対物レンズに関する。

実体顕微鏡は、左右の変倍系（例えばズーム系）を有し、立体視が可能である。このため、精密機械工業や生物解剖や手術など、細かい処置が必要な分野で使われている。その場合の観察倍率は、主に低倍域〜中倍域である。なお、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）の物体側はアフォーカルであり、実体顕微鏡の対物レンズは無限遠補正型である。
また、実体顕微鏡での観察中に、実体顕微鏡の対物レンズを退避させて、左右の変倍系（例えばズーム系）の何れか一方の光路上に高倍用の対物レンズ（無限遠補正型）を配置することにより、標本の特定の部分を高倍観察することも提案されている（例えば非特許文献１,２を参照）。この場合、立体視ではなく平面的な観察となる。
Carl Zeiss MicroImaging Inc.「New M2 Mat」カタログ, 2002 Leica Microsystems Inc.「MZ FLIII」カタログ, 2003

しかしながら、高倍用の対物レンズは大きな開口数の肉厚系であり、その後側焦点面が対物レンズの内部に位置する。また、実体顕微鏡の変倍系の瞳は変倍系の内部に位置する。このため、実体顕微鏡の変倍系の光路上に高倍用の対物レンズを配置すると、変倍系の内部で視野周辺の光束がケラレてしまい、良好な高倍観察を行うことは難しい。
また、その高倍観察を工業用に使うためには実体顕微鏡の変倍系の上部に同軸落射照明装置を設けることが必要になるが、物体側のテレセントリック性を確保できないため、照明光束が対物レンズや変倍系でケラレてしまい、画面周辺部が極端に暗くなり、実用的な同軸落射照明を行うことができない。

そこで、高倍用の対物レンズをレトロフォーカスタイプとすることが考えられる。しかし、この構成では、高倍用の対物レンズの有効径が大きくなり、実用的な大きさとすることができない。
本発明の目的は、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系と組み合わせる場合でも、その有効径を大型化せずに、物体側のテレセントリック性を確保できる対物レンズを提供することにある。

請求項１に記載の対物レンズは、無限遠補正型の対物レンズであって、物体の中間像を形成する第１光学系と、前記中間像をリレーする第２光学系とを備え、前記対物レンズの後側焦点面は、前記第２光学系のレンズ面のうち最も像側のレンズ面より像側に位置し、前記最も像側のレンズ面と前記後側焦点面との距離Ｘは、前記対物レンズの焦点距離ｆを用いて、条件式「Ｘ/ｆ＞１.５」を満足するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の対物レンズにおいて、前記第１光学系は、像側に、正の屈折力を有する第１レンズ群を含み、前記第２光学系は、物体側に、正の屈折力を有する第２レンズ群を含み、前記中間像は、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に形成されるものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の対物レンズにおいて、前記第１光学系のレンズ面のうち最も物体側のレンズ面と前記中間像の形成面との間、または、該中間像の形成面と前記後側焦点面との間に、正立プリズムを配置したものである。

本発明の対物レンズによれば、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系と組み合わせる場合でも、その有効径を大型化せずに、物体側のテレセントリック性を確保することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の対物レンズ１０は、図１に示す通り、物体面１０Ａの側から順に、正の屈折力を持つ第１レンズ群Ｇ１と、正立プリズムＰＢと、正の屈折力を持つ第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を持つ第３レンズ群Ｇ３とで構成される。
本実施形態の対物レンズ１０は、無限遠補正型であり、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように物体側がアフォーカルな光学系と組み合わせて、物体面１０Ａの観察を行う場合に用いられる。

また、本実施形態の対物レンズ１０は、高倍用である。このため、実体顕微鏡の観察中に、実体顕微鏡の対物レンズを退避させて、左右の変倍系（例えばズーム系）の何れか一方の光路上に本実施形態の対物レンズ１０（図１）を配置することにより、物体面１０Ａの特定の部分を高倍観察することができる。
さらに、本実施形態の対物レンズ１０では、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に比較的大きな空間が存在し、この空間内に中間結像点ＩＭが存在する。中間結像点ＩＭには、第１レンズ群Ｇ１と正立プリズムＰＢと第２レンズ群Ｇ２との作用によって、物体面１０Ａの中間像が形成される。そして、中間結像点ＩＭよりも像側に位置する第３レンズ群Ｇ３は、物体面１０Ａの中間像をリレーする。

ここで、物体面１０Ａの光軸中心からの光束は、第１レンズ群Ｇ１を介して略平行な光束となり、正立プリズムＰＢに入射する。正立プリズムＰＢとしては、例えば、ペカンプリズムやアッベプリズムなどを用いることができる。正立プリズムＰＢを通過した光束は、第２レンズ群Ｇ２を介して中間結像点ＩＭに集光される。その後、第３レンズ群Ｇ３を介して再び略平行な光束となり、対物レンズ１０の後段の光学系に導かれる。

対物レンズ１０の後段に、図２に示すようなズーム系(３０,４０)と光路分割素子ＰＢとが配置される場合、対物レンズ１０からの略平行な光束は、ズーム部３０を介して変倍され、光路分割素子ＢＳを通過した後、結像部４０を介して集光され、像面４０Ａに到達する。像面４０Ａには、物体面１０Ａの最終像が形成される。
ズーム部３０は、図２に示す通り、物体側より順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４とで構成され、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３が変倍用のレンズ群となっている。結像部４０は、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ５からなる。

そして、ズーム部３０の第１レンズ群Ｇ１と第４レンズ群Ｇ４を固定し、結像部４０のレンズ群Ｇ５を固定した状態で、変倍用のレンズ群(Ｇ２,Ｇ３)を光軸方向に沿って移動させることにより、物体面１０Ａの最終像の観察倍率を任意に変更することができる。観察倍率は、本実施形態の対物レンズ１０の焦点距離と、ズーム部３０と結像部４０とを組み合わせた光学系（つまりズーム系(３０,４０)）の焦点距離との比によって決まる。

ズーム系(３０,４０)は、例えば実体顕微鏡の左右のズーム系の何れか一方に相当する。光路分割素子ＰＢは、本実施形態の対物レンズ１０（図１）を実体顕微鏡の左右のズーム系の何れか一方（図２のズーム系(３０,４０)）の光路上に配置する際に、ズーム部３０と結像部４０との間に挿入され、ズーム部３０からの平行光束を左右の結像部（図２には一方の結像部４０のみ図示）に振り分ける光学素子である。

また、ズーム系(３０,４０)が実体顕微鏡のズーム系である場合、ズーム系(３０,４０)の瞳位置は、ズーム系(３０,４０)の内部にある。このため、ズーム系(３０,４０)よりも物体側に配置される対物レンズの後側焦点面が、ズーム系(３０,４０)の瞳位置から大きく離れ、従来の対物レンズのように対物レンズの内部に位置すると、物体側のテレセントリック性を確保できなくなる。

そこで、本実施形態の対物レンズ１０（図１）では、その後側焦点面１０Ｂが、第３レンズ群Ｇ３のレンズ面のうち最も像側のレンズ面８Ａより像側（つまりレンズ系の外側）に位置するように構成する。また、最も像側のレンズ面８Ａと後側焦点面１０Ｂとの距離Ｘが、対物レンズ１０の焦点距離ｆを用いて次の条件式(１)を満足するように構成する。
Ｘ/ｆ＞１.５ …(１)
物体面１０Ａから後側焦点面１０Ｂまでの光路を説明すると、物体面１０Ａからの平行光束は、第１レンズ群Ｇ１を介して正立プリズムＰＢの内部に一度集光し、正立プリズムＰＢを通過した後、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３を介して像側にリレーされ、後側焦点面１０Ｂに再び集光される。

上記の条件式(１)を満足する場合、対物レンズ１０の後側焦点面１０Ｂは、最も像側のレンズ面８Ａより比較的遠い位置（つまり実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系の瞳近傍）に設定されたことになる。
したがって、本実施形態の対物レンズ１０によれば、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系と組み合わせる場合でも、物体側のテレセントリック性を確保することができる。このため、変倍系の内部で視野周辺の光束がケラレることがなく、物体面１０Ａの高倍観察を良好に行うことができる。

また、物体側のテレセントリック性を確保できるため、実体顕微鏡の変倍系の上部に同軸落射照明装置を設ける場合でも、照明光束が対物レンズ１０や変倍系でケラレることはない。したがって、画面周辺部が極端に暗くなるという事態も発生せず、実用的な同軸落射照明を行うことができる。
さらに、本実施形態の対物レンズ１０によれば、後側焦点面１０Ｂが最も像側のレンズ面８Ａより像側に位置することに加えて、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に中間結像点ＩＭが存在するため、対物レンズ１０の有効径（特に最も物体側の第１レンズ群Ｇ１の有効径）が大型化することもなく、実用的な大きさとすることができる。

つまり、本実施形態の対物レンズ１０によれば、大きな開口数ＮＡの肉厚系であるにも拘わらず、後側焦点面１０Ｂの位置の(上記の条件式(１))と中間結像点ＩＭの存在により、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）のように瞳位置が内部にある光学系と組み合わせる場合でも、対物レンズ１０の有効径を大型化せずに、物体側のテレセントリック性を確保することができる。

なお、上記した第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２は、総じて、請求項の「第１光学系」に対応する。第２レンズ群Ｇ２は請求項の「第１レンズ群」に対応する。第３レンズ群Ｇ３は請求項の「第２光学系」,「第２レンズ群」に対応する。
また、本実施形態の対物レンズ１０によれば、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に正立プリズムＰＢを設けたため、対物レンズ１０の内部で１回結像することにより反転する像（つまり中間像）を、さらに反転させて元の正立像に戻すことができる。このため、実体顕微鏡を用いた目視観察のときの使い勝手が向上する。なお、正立プリズムＰＢとしてペカンプリズムを用いる場合には、アッベプリズムを用いる場合と比べて、対物レンズ１０の全長を短くできるため好ましい。

さらに、本実施形態の対物レンズ１０では、第１レンズ群Ｇ１を介して略平行な光束を得ると共に、その平行光束の光路上に正立プリズムＰＢを配置するため、正立プリズムＰＢの有効径を小さくして、プリズム全体の小型化を図ることができる。また、収差の発生も小さく抑えることができる。
次に、本実施形態の対物レンズ１０（図１）の具体的な構成例を説明する。

第１レンズ群Ｇ１は、平面ガラス１１、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ１２、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１３と両凸レンズ１４との接合レンズからなる。
第２レンズ群Ｇ２は、両凸レンズ１５と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ１６との接合レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ１７と両凸レンズ１８と両凹レンズ１９との接合レンズ、両凸レンズ２０と両凹レンズ２１との接合レンズからなる。

第３レンズ群Ｇ３は、両凹レンズ２２と両凸レンズ２３との接合レンズ、両凹レンズ２４と両凸レンズ２５と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ２６との接合レンズ、両凸レンズ２７と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ２８との接合レンズからなる。
また、物点は、対物レンズ１０の像点位置が無限遠方となる位置に配置される。中間結像点ＩＭは、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間にある。正立プリズムＰＢは、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間にある。

上記した具体例の対物レンズ１０の諸元値を表１に例示する。

表１において、ｆは対物レンズ１１の焦点距離、ＮＡは最大開口数を示す。面番号０は物体面に対応し、面番号１〜２９は物体側から順に付したレンズ面の番号である。レンズ面の曲率半径(ｒ)のマイナス(−)は、レンズ面が像側に向けて凸状であることを表す。面間隔(ｄ)は、光軸上でのレンズ厚または空気間隔である。その他、νはｄ線（587ｎｍ）に対するアッベ数、ｎはｄ線に対する屈折率である。作動距離ｄｏは物体面(０)から最も物体側のレンズ面(１)までの間隔（＝15.0030）に相当する。

また、上記した条件式(１)に対応する値は次の通りである。
Ｘ＝５０.５３
ｆ＝２０.０６
Ｘ／ｆ＝２.５２
さらに、本実施形態の対物レンズ１０と組み合わせて用いられるズーム系(３０,４０)と光路分割素子ＢＳの諸元値を表２に例示する。

表２において、ｆ_Zは作動距離が無限大のときのズーム系(３０,４０)の焦点距離(ｍｍ)、ＦｎｏはＦナンバーを示す。また、面番号は物体側から数えたレンズ面の番号であり、面番号０は物体面を示す。ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面間隔、νはｄ線（５８７ｎｍ）のアッベ数、ｎはｄ線の屈折率をそれぞれ表している。

本実施形態の対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合せた場合の観察倍率Ｍは、対物レンズ１０の焦点距離ｆ＝２０.０６とすると、ズーム系(３０,４０)の焦点距離ｆ_Z＝２００の場合にはＭ＝１０倍、ｆ_Z＝４００の場合にはＭ＝２０倍、ｆ_Z＝９００の場合にはＭ＝４５倍となる。
また、本実施形態の対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合せる場合、対物レンズ１０の最も像側のレンズ面８Ａとズーム系(３０,４０)の最も物体側のレンズ面３Ａとの間隔は５ｍｍ程度が好ましい。ただし、レンズ面８Ａ,３Ａの間はアフォーカルな空間であるため、若干の変動は光学性能に影響しない。

次に、表１の諸元値に基づく対物レンズ１０と、表２の諸元値に基づくズーム系(３０,４０)とを組み合わせた場合において、その諸収差（球面収差,非点収差,歪曲収差,倍率色収差,コマ収差）を図３〜図５に示す。図３は観察倍率Ｍ＝１０、図４はＭ＝２０、図５はＭ＝４５に対応する。図３〜図５において、ＮＡは開口数、Ｙは像高、ｄはｄ線（λ＝５８７ｎｍ）、ＣはＣ線（λ＝６５６ｎｍ）、ＦはＦ線（λ＝４８６ｎｍ）を表す。図からも明らかなように、本実施形態の対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合せる場合、その諸収差が良好に補正されている。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、対物レンズ１０の第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間（平行光束の光路上）に正立プリズムＰＢを配置したが、本発明はこれに限定されない。正立プリズムＰＢは、第１レンズ群Ｇ１のレンズ面のうち最も物体側のレンズ面と中間結像点ＩＭとの間、または、中間結像点ＩＭと後側焦点面１０Ｂとの間であれば、どこに配置してもよい。ただし、上記と同様の平行光束の光路上（例えば第３レンズ群Ｇ３の最も像側のレンズ面８Ａと後側焦点面１０Ｂとの間）に配置することが好ましい。

さらに、上記した実施形態では、対物レンズ１０の内部に正立プリズムＰＢを配置したが、これを省略してもよい。正立プリズムＰＢを省略した場合には、例えば図２の像面４０Ａに物体面１０Ａの倒立像が形成されることになる。上記のような目視観察ではなく、写真撮影やモニタ観察を行う場合には倒立像であっても問題ない。
また、正立プリズムＰＢを省略した場合、対物レンズ１０の内部で２回結像しても（つまり中間結像点を２つ設けても）、反転像を元の正立像に戻すことができる。ただし、正立像を得るためには、正立プリズムＰＢを用いた方が対物レンズ１０の全長を短くでき、収差も小さく抑えられるため好ましい。

さらに、上記した実施形態では、実体顕微鏡の変倍系（例えばズーム系）と組み合わせて高倍観察を行う例について説明したが、本発明はこれに限定されない。瞳位置が内部にある他の光学系と組み合わせて高倍観察を行う場合にも、本発明を適用できる。

本実施形態の対物レンズ１０の光路図である。対物レンズ１０と組み合わせて用いられるズーム系(３０,４０)と光路分割素子ＢＳの光路図である。対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合わせた場合の観察倍率Ｍ＝１０における諸収差を示す図である。対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合わせた場合の観察倍率Ｍ＝２０における諸収差を示す図である。対物レンズ１０とズーム系(３０,４０)とを組み合わせた場合の観察倍率Ｍ＝４５における諸収差を示す図である。

符号の説明

１０対物レンズ
１０Ａ物体面
１０Ｂ後側焦点面
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｇ３第３レンズ群
Ｇ４第４レンズ群
ＰＢ正立プリズム
ＩＭ中間結像点
３０ズーム部
ＢＳ光路分割素子
４０結像部
４０Ａ像面

Claims

無限遠補正型の対物レンズであって、
物体の中間像を形成する第１光学系と、前記中間像をリレーする第２光学系とを備え、
前記対物レンズの後側焦点面は、前記第２光学系のレンズ面のうち最も像側のレンズ面より像側に位置し、
前記最も像側のレンズ面と前記後側焦点面との距離Ｘは、前記対物レンズの焦点距離ｆを用いて、次の条件式を満足する
Ｘ/ｆ＞１.５
ことを特徴とする対物レンズ。
請求項１に記載の対物レンズにおいて、
前記第１光学系は、像側に、正の屈折力を有する第１レンズ群を含み、
前記第２光学系は、物体側に、正の屈折力を有する第２レンズ群を含み、
前記中間像は、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に形成される
ことを特徴とする対物レンズ。
請求項１または請求項２に記載の対物レンズにおいて、
前記第１光学系のレンズ面のうち最も物体側のレンズ面と前記中間像の形成面との間、または、該中間像の形成面と前記後側焦点面との間に、正立プリズムを配置した
ことを特徴する対物レンズ。