JP2008089996A - レンズユニット - Google Patents

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浩匡 柴田
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Abstract

【課題】本発明は、レンズ枚数が増加しても全体サイズをコンパクトに収めることのできるレンズユニットを提供する。
【解決手段】本発明のレンズユニット(1)は、気体間隙を介して近接配置され、その気体間隙へ有効径の略等しい屈折面を向けた1対のレンズ部材(G3,G4)と、前記1対のレンズ部材の一方である第1レンズ部材(G4)を保持する第1保持枠(B4)と、前記1対のレンズ部材の他方である第2レンズ部材(G3)を保持する第2保持枠(B3)とを備え、前記第1レンズ部材(G3)の外径φ1は、前記2レンズ部材(B4)の外径φ2に対しφ1>φ2の関係を満たし、前記第1保持枠(B4)による前記第1レンズ部材(G4)の保持位置は、前記第2保持枠(B3)による前記第2レンズ部材(G3)の保持位置よりも外周側であることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、顕微鏡対物レンズなどのレンズユニットに関する。
従来の顕微鏡対物レンズには、色消しなどの目的で貼り合わせレンズが用いられる。図7に示した従来の顕微鏡対物レンズでは、レンズ群G03,G04,G05,G06,G07の各々が貼り合わせレンズからなり、1つの貼り合わせレンズを構成する個々のレンズは共通のバレル(保持枠)B03,B04,B05,B06,B07で一括して保持される。
一方、深紫外線(DUV:Deep Ultra Violet,193nm,248nmなど)を観察波長とした顕微鏡対物レンズでは、接着剤が紫外線と化学反応するのを避けるため、接着剤の代わりにエアギャップ層を介して複数のレンズが配置される。この顕微鏡対物レンズでは、個々のレンズが専用のバレルで個別に保持される(特許文献1等を参照)。
特開2004−219608号公報
したがってこの種の顕微鏡対物レンズでは、レンズ枚数を増やすとバレルの配置スペースを確保することが困難となる。特にこの種の顕微鏡対物レンズは使用可能な硝材が石英と蛍石の2種類に限定されるので、高倍率化、高開口数化、複数波長に対する色消しなどを図ると、レンズ枚数が膨大化してバレルの配置スペースが絶対的に不足する。例えば、倍率50以上、開口数0.75以上とし、2波長に対する色消しを図ると、10枚程度であったレンズ枚数は20枚近くに増加する可能性がある。よってバレルの配置スペースを確保しようとすると顕微鏡対物レンズの全体サイズを大型化せざるを得ない。
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、レンズ枚数が増加しても全体サイズをコンパクトに収めることのできるレンズユニットを提供する。
本発明のレンズユニットは、気体間隙を介して近接配置され、その気体間隙へ有効径の略等しい屈折面を向けた1対のレンズ部材と、前記1対のレンズ部材の一方である第1レンズ部材を保持する第1保持枠と、前記1対のレンズ部材の他方である第2レンズ部材を保持する第2保持枠とを備え、前記第1レンズ部材の外径φ1は、前記2レンズ部材の外径φ2に対しφ1>φ2の関係を満たし、前記第1保持枠による前記第1レンズ部材の保持位置は、前記第2保持枠による前記第2レンズ部材の保持位置よりも外周側であることを特徴とする。
なお、前記第1レンズ部材は、前記気体間隙に凹の屈折面を向けたレンズ部材であり、
前記第2レンズ部材は、前記気体間隙に凸の屈折面を向けたレンズ部材であることが望ましい。
また、前記第1レンズ部材のうち前記第2レンズ部材より外周側に位置する周縁部の光軸方向の厚さd1は、前記第1レンズ部材の有効径内の形状を延長してできる仮想周縁部の光軸方向の厚さd2に対しd1≦d2の関係を満たすことが望ましい。
また、前記1対のレンズ部材を含む光学系は、物体の拡大像を形成する顕微鏡対物レンズであることが望ましい。
また、前記第1レンズ部材及び前記第2レンズ部材によって構成される光学系の使用波長には、波長400nm以下の光が含まれることが望ましい。
また、前記1対のレンズ部材を含むレンズ群には、複数波長に対する色消し機能の少なくとも一部が付与されることが望ましい。
また、前記1対のレンズ部材の前記気体間隙は、前記レンズ群に前記色消し機能の少なくとも一部を付与するための微小距離に設定されることが望ましい。
本発明によれば、レンズ枚数が増加しても全体サイズをコンパクトに収めることのできるレンズユニットが実現する。
本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、顕微鏡対物レンズの実施形態である。
顕微鏡対物レンズの使用波長には400nm以下の紫外波長が含まれる。使用波長は例えば770nmと248nmの2波長であり、顕微鏡対物レンズの光学設計ではこれら2波長に対し色消しが図られる。また、顕微鏡対物レンズの倍率MはM≧50、開口数NAはNA≧0.75、レンズ全長LはL≒60mmである。
図1は、光軸を含む面で顕微鏡対物レンズを切断してできる概略断面図である。図1に示すとおり、対物レンズは鏡筒1と、鏡筒1に収められる第1レンズG1〜第15レンズG15と、これらのレンズを鏡筒1の内部で個別に保持する第1バレルB1〜第15バレルB15と、これらのバレルを鏡筒1に固定する押さえ環2と、互いに隣接するバレルに間隔を付与するための分離環3とを備える。
このうち、第1レンズG1及び第2レンズG2は、物体側に凹のメニスカスレンズであり、第3レンズG3は両凸レンズ、第4レンズG4は物体側に凹のメニスカスレンズ、第5レンズG5は両凸レンズ、第6レンズG6は両凹レンズ、第7レンズG7は両凸レンズ、第8レンズG8は両凹レンズ、第9レンズG9は両凸レンズ、第10レンズG10は両凹レンズ、第11レンズG11は両凸レンズ、第12レンズG12は物体側に凸のメニスカスレンズ、第13レンズG13は両凸レンズ、第14レンズG14は物体側に凸のメニスカスレンズ、第15レンズG15は両凹レンズである。
このうち、第3レンズG3と第4レンズG4とからなるレンズ群、第5レンズG5と第6レンズG6とからなるレンズ群、第7レンズG7と第8レンズG8と第9レンズG9とからなるレンズ群、第10レンズG10と第11レンズG11とからなるレンズ群、第12レンズ12と第13レンズG13とからなるレンズ群の各々は、前述した2波長に対する色消し機能の付与された色消しレンズ群である。
そのめに、第3レンズG3と第4レンズG4との間、第5レンズG5と第6レンズG6との間、第7レンズG7と第8レンズG8との間、第8レンズG8と第9レンズG9との間、第10レンズG10と第11レンズG11との間、第12レンズ12と第13レンズG13との間の各々は、0.005〜0.3mm程度の微小なエアギャップ層となっている。また、エアギャップ層を挟んで配置される2枚のレンズには、互いに異なる硝材(ここでは紫外線を透過させるために蛍石と石英との組み合わせ)が使用される。
また、第1レンズG1に対する第1バレルB1の保持姿勢及び外形は、予め調整されている。その調整には、芯取り調整、チルト調整、厚さ調整が含まれる。同様に、第2レンズG2に対する第2バレルB2の保持姿勢及び外形、第3レンズG3に対する第3バレルB3の保持姿勢及び外形、第4レンズG4に対する第4バレルB4の保持姿勢及び外形、第5レンズG5に対する第5バレルB5の保持姿勢及び外形、第6レンズG6に対する第6バレルB6の保持姿勢及び外形、第7レンズG7に対する第7バレルB7の保持姿勢及び外形、第8レンズG8に対する第8バレルB8の保持姿勢及び外形、第9レンズG9に対する第9バレルB9の保持姿勢及び外形、第10レンズG10に対する第10バレルB10の保持姿勢及び外形、第11レンズG11に対する第11バレルB11の保持姿勢及び外形、第12レンズG12に対する第12バレルB12の保持姿勢及び外形、第13レンズG13に対する第13バレルB13の保持姿勢及び外形、第14レンズG14に対する第14バレルB14の保持姿勢及び外形、第15レンズG15に対する第15バレルB15の保持姿勢及び外形も予め調整されている。調整後の第1バレルB1〜第13バレルB13、分離環3、第14バレルB14、第15バレルB15を鏡筒1に収め、かつ押さえ環2によって光軸方向へ押圧することより、第1レンズG1〜第15レンズG15を位置決めすることができる。
因みに、第3バレルB3と第4バレルB4は、親子構造をしている。第3バレルB3は、第4バレルB4の子バレルであって、親である第4バレルB4を介して第4バレルB4と共に他のバレル及び鏡筒1に対し位置決めされる。これによって、エアギャップ層を挟んで配置すべき第3レンズG3と第4レンズG4との位置決め精度は相対的に高くなる。
また、第5バレルB5と第6バレルB6も、親子構造をしている。第5バレルB5は第6バレルB6の子バレルであって、親である第6バレルB6を介して第6バレルB6と共に他のバレル及び鏡筒1に対し位置決めされる。これによって、エアギャップ層を挟んで配置すべき第5レンズG5と第6レンズG6との位置決め精度は相対的に高くなる。
また、第7バレルB7と第8バレルB8と第9バレルB9も、親子構造をしている。第7バレルB7及び第9バレルB9は第8バレルB8の子バレルであって、親である第8バレルB8を介して第8バレルB8と共に他のバレル及び鏡筒1に対し位置決めされる。これによって、エアギャップ層を挟んで配置すべき第7レンズG7と第8レンズG8と第9レンズG9との位置決め精度は相対的に高くなる。
また、第10バレルB10と第11バレルB11も親子構造をしている。第11バレルB11は第10バレルB10の子バレルであって、親である第10バレルB10を介して第10バレルB10と共に他のバレル及び鏡筒1に対し位置決めされる。これによって、エアギャップ層を挟んで配置すべき第10レンズG10と第11レンズG11との位置決め精度は相対的に高くなる。
また、第12バレルB12と第13バレルB13も親子構造をしている。第13バレルB13は第12バレルB12の子バレルであって、親である第12バレルB12を介して第12バレルB12と共に他のバレル及び鏡筒1に対し位置決めされる。これによって、エアギャップ層を挟んで配置すべき第12レンズG12と第13レンズG13との位置決め精度は相対的に高くなる。
図2は、図1に示した第3レンズG3及び第4レンズG4とその周辺を抽出した図である。但し、バレル及びレンズは光軸の周りに回転対称な形状をしているので、図2では部分的に図示を省略した。
第3レンズG3と第4レンズG4とのうち、エアギャップ層を挟む2つの屈折面はその有効径が略等しいが(図1参照)、図2に示すとおり、エアギャップ層に凹面を向けたレンズ(第4レンズG4)の外径φ4は、エアギャップ層に凸面を向けたレンズ(第3レンズG3)の外径φ3より大きく確保されており、φ4>φ3の関係を満たす。これにより、第4バレルB4による第4レンズG4の保持位置Eを、第3バレルB3による第3レンズG3の保持位置Dよりも外周側とし、両者を径方向に分離することができる。
但し、第4レンズG4のうち、第3レンズG3よりも外周側にはみ出した周縁部Bの光軸方向の厚さd1は、第4レンズG4の有効径内の形状を冗長的に延長してできる仮想周縁部(細線部)の光軸方向の厚さd2以下であり、d1≦d2の関係を満たす。具体的には符号Cで示した部分が薄化されている。図2に示す例では、欠けを防ぐために面取りも施されている。これにより、第3レンズG3の外周側に、第3レンズG3の最外周における厚さと同等の厚さの空間(第3バレルB3を配置するための空間)が確保される。
その結果、本実施形態では、第3レンズG3及び第4レンズG4の全体と同等の厚さの空間に、第3バレルB3及び第4バレルB4の主要部が収まる。
図3は、図1に示した第5レンズG5及び第6レンズG6とその周辺を抽出した図である。但し、バレル及びレンズは光軸の周りに回転対称な形状をしているので、図3では部分的に図示を省略した。
第5レンズG5と第6レンズG6とのうち、エアギャップ層を挟む2つの屈折面はその有効径が略等しいが(図1参照)、図3に示すとおり、エアギャップ層に凹面を向けたレンズ(第6レンズG6)の外径φ6は、エアギャップ層に凸面を向けたレンズ(第5レンズG5)の外径φ5より大きく確保されており、φ6>φ5の関係を満たす。これにより、第6バレルB6による第6レンズG6の保持位置Eを、第5バレルB5による第5レンズG5の保持位置Dよりも外周側とし、両者を径方向に分離することができる。
但し、第6レンズG6のうち、第5レンズG5よりも外周側にはみ出した周縁部Bの光軸方向の厚さd1は、第6レンズG6の有効径内の形状を冗長的に延長してできる仮想周縁部(細線部)の光軸方向の厚さd2以下であり、d1≦d2の関係を満たす。具体的には符号Cで示した部分が薄化されている。これにより、第5レンズG5の外周側に、第5レンズG5の最外周における厚さと同等の厚さの空間(第5バレルB5を配置するための空間)が確保される。
その結果、本実施形態では、第5レンズG5及び第6レンズG6の全体と同等の厚さの空間に、第5バレルB5及び第6バレルB6の主要部が収まる。
図4は、図1に示した第7レンズG7及び第8レンズG8及び第9レンズG9とその周辺を抽出した図である。但し、バレル及びレンズは光軸の周りに回転対称な形状をしているので、図4では部分的に図示を省略した。
第7レンズG7と第8レンズG8とのうち、エアギャップ層を挟む2つの屈折面はその有効径が略等しいが(図1参照)、図4に示すとおり、エアギャップ層に凹面を向けたレンズ(第8レンズG8)の外径φ8は、エアギャップ層に凸面を向けたレンズ(第7レンズG7)の外径φ7より大きく確保されており、φ8>φ7の関係を満たす。これにより、第8バレルB8による第8レンズG8の保持位置Eを、第7バレルB7による第7レンズG7の保持位置Dよりも外周側とし、両者を径方向に分離することができる。
但し、第8レンズG8のうち、第7レンズG7よりも外周側にはみ出した周縁部Bの光軸方向の厚さd1は、第8レンズG8の有効径内の形状を冗長的に延長してできる仮想周縁部(細線部)の光軸方向の厚さd2以下であり、d1≦d2の関係を満たす。具体的には符号Cで示した部分が薄化されている。図4に示す例では、欠けを防ぐために面取りも施されている。これにより、第7レンズG7の外周側に、第7レンズG7の最外周における厚さと同等の厚さの空間(第7バレルB7を配置するための空間)が確保される。
その結果、本実施形態では、第7レンズG7及び第8レンズG8の全体と同等の厚さの空間に、第7バレルB7及び第8バレルB8の主要部が収まる。
また、以上の第8レンズG8と第7レンズG7との関係は、第8レンズG8と第9レンズG9との間にも同様に当てはまる(なぜなら、第9レンズG9の外径φ9は、第7レンズG7の外径φ7と略等しい)。したがって、本実施形態では、第8レンズG8及び第9レンズの全体と同等の厚さの空間に、第8バレルB8と第9バレルB9の主要部が収まる。
図5は、図1に示した第10レンズG10及び第11レンズG11とその周辺を抽出した図である。但し、バレル及びレンズは光軸の周りに回転対称な形状をしているので、図5では部分的に図示を省略した。
第10レンズG10と第11レンズG11とのうち、エアギャップ層を挟む2つの屈折面はその有効径が等しいが(図1参照)、図5に示すとおり、エアギャップ層に凹面を向けたレンズ(第10レンズG10)の外径φ10は、エアギャップ層に凸面を向けたレンズ(第11レンズG11)の外径φ11より大きく確保されており、φ10>φ11の関係を満たす。これにより、第10バレルB10による第10レンズG10の保持位置Eを、第11バレルB11による第11レンズG11の保持位置Dよりも外周側とし、両者を径方向に分離することができる。
但し、第10レンズG10のうち、第11レンズG11よりも外周側にはみ出した周縁部Bの光軸方向の厚さd1は、第10レンズG10の有効径内の形状を冗長的に延長してできる仮想周縁部(細線部)の光軸方向の厚さd2以下であり、d1≦d2の関係を満たす。具体的には符号Cで示した部分が薄化されている。これにより、第11レンズG11の外周側に、第11レンズG11の最外周における厚さと同等の厚さの空間(第11バレルB11を配置するための空間)が確保される。
その結果、本実施形態では、第10レンズG10及び第11レンズG11の全体と同等の厚さの空間に、第10バレルB10及び第11バレルB11の主要部が収まる。
図6は、図1に示した第12レンズG12及び第13レンズG13とその周辺を抽出した図である。但し、バレル及びレンズは光軸の周りに回転対称な形状をしているので、図6では部分的に図示を省略した。
第12レンズG12と第13レンズG13とのうち、エアギャップ層を挟む2つの屈折面はその有効径が等しいが(図1参照)、図6に示すとおり、エアギャップ層に凹面を向けたレンズ(第12レンズG12)の外径φ12は、エアギャップ層に凸面を向けたレンズ(第13レンズG13)の外径φ13より大きく確保されており、φ12>φ13の関係を満たす。これにより、第12バレルB12による第12レンズG12の保持位置Eを、第13バレルB13による第13レンズG13の保持位置Dよりも外周側とし、両者を径方向に分離することができる。
但し、第12レンズG12のうち、第13レンズG13よりも外周側にはみ出した周縁部Bの光軸方向の厚さd1は、第12レンズG12の有効径内の形状を冗長的に延長してできる仮想周縁部(細線部)の光軸方向の厚さd2以下であり、d1≦d2の関係を満たす。具体的には符号Cで示した部分が薄化されている。これにより、第13レンズG13の外周側に、第13レンズG13の最外周における厚さと同等の厚さの空間(第13バレルB13を配置するための空間)が確保される。
その結果、本実施形態では、第12レンズG12及び第13レンズG13の全体と同等の厚さの空間に、第12バレルB12及び第13バレルB13の主要部が収まる。
以上、本実施形態の顕微鏡対物レンズは、エアギャップ層に凹面を向けたレンズの外径を拡大し、そのレンズの保持代を外周側へ変位させたので、各レンズのバレルを小さなスペースに収めることが可能となり、高倍率化(M≧50)、高開口数化(NA≧0.75)、複数波長に対する色消しを図ったにも拘わらず、顕微鏡対物レンズの全長が抑えられる(L≒60mm)。また、親子バレルの接合には、接着剤による接合、ビス止め、押さえ環などの方法が適用できるが、本実施形態では接着剤を用いた。
なお、外径を拡大する対象は、エアギャップ層に凸を向けたレンズであってもよいが、その場合、周縁部の厚さが薄くなるので、割れ、欠けのリスクが増大するだけでなく、芯取り調整の作業が困難になる。したがって、その対象は、エアギャップ層に凹を向けたレンズであることが望ましい。
また、本実施形態の顕微鏡対物レンズには、親子バレル構造が適用されたが、親子バレル構造を仮に適用しなかったとしても、全長をコンパクトに抑えることができる。
ここで、本実施形態では、外径の拡大対象となったレンズG4,G6,G8,G10,G12の周縁部Bのうち、薄化された面は非研磨面となっている。このため、第4バレルB4,第6バレルB6,第8バレルB8,第10バレルB10,第12バレルB12の保持位置Eが非研磨面となる可能性がある。非研磨面で保持する場合、前述したチルト調整は困難である。
そこで、本実施形態の顕微鏡対物レンズの製造では、レンズとバレルとを固定した後にバレルの外形を特殊旋盤で加工し、その加工の際にチルト調整を図るとよい。ここでいう特殊旋盤とは、レンズの光軸を両面から検出すると共に、その光軸に回転軸を一致させながらバレルをバイト加工する旋盤である。このような特殊旋盤によると、前述した芯取り調整、チルト調整、厚さ調整をそれぞれ高精度に行うことができる。
また、本実施形態は、顕微鏡対物レンズの実施形態であったが、他の光学系にも本発明のレンズユニットを適用することができる。特に、本発明のレンズユニットは、レンズ枚数が多く、しかもコンパクト化する必要性の高い光学系に好適である。
顕微鏡対物レンズの概略断面図である。 図1に示した第3レンズG3及び第4レンズG4とその周辺を抽出した図である。 図1に示した第5レンズG2及び第6レンズG6とその周辺を抽出した図である。 図1に示した第7レンズG7及び第8レンズG8及び第9レンズG9とその周辺を抽出した図である。 図1に示した第10レンズG10及び第11レンズG11とその周辺を抽出した図である。 図1に示した第12レンズG12及び第13レンズG13とその周辺を抽出した図である。 従来の顕微鏡対物レンズの概略断面図である。
符号の説明
B1〜B15…第1バレル〜第15バレル,G1〜G15…第1レンズ〜第15レンズ,1…鏡筒,2…押さえ環,3…分離環,B…周縁部

Claims (7)

  1. 気体間隙を介して近接配置され、その気体間隙へ有効径の略等しい屈折面を向けた1対のレンズ部材と、
    前記1対のレンズ部材の一方である第1レンズ部材を保持する第1保持枠と、
    前記1対のレンズ部材の他方である第2レンズ部材を保持する第2保持枠とを備え、
    前記第1レンズ部材の外径φ1は、
    前記2レンズ部材の外径φ2に対しφ1>φ2の関係を満たし、
    前記第1保持枠による前記第1レンズ部材の保持位置は、
    前記第2保持枠による前記第2レンズ部材の保持位置よりも外周側である
    ことを特徴とするレンズユニット。
  2. 請求項1に記載のレンズユニットにおいて、
    前記第1レンズ部材は、
    前記気体間隙に凹の屈折面を向けたレンズ部材であり、
    前記第2レンズ部材は、
    前記気体間隙に凸の屈折面を向けたレンズ部材である
    ことを特徴とするレンズユニット。
  3. 請求項2に記載のレンズユニットにおいて、
    前記第1レンズ部材のうち前記第2レンズ部材より外周側に位置する周縁部の光軸方向の厚さd1は、
    前記第1レンズ部材の有効径内の形状を延長してできる仮想周縁部の光軸方向の厚さd2に対しd1≦d2の関係を満たす
    ことを特徴とするレンズユニット。
  4. 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のレンズユニットにおいて、
    前記1対のレンズ部材を含む光学系は、
    物体の拡大像を形成する顕微鏡対物レンズである
    ことを特徴とするレンズユニット。
  5. 請求項1〜請求項4の何れか一項に記載のレンズユニットにおいて、
    前記第1レンズ部材及び前記第2レンズ部材によって構成される光学系の使用波長には、
    波長400nm以下の光が含まれる
    ことを特徴とするレンズユニット。
  6. 請求項1〜請求項5の何れか一項に記載のレンズユニットにおいて、
    前記1対のレンズ部材を含むレンズ群には、
    複数波長に対する色消し機能の少なくとも一部が付与される
    ことを特徴とするレンズユニット。
  7. 請求項6に記載のレンズユニットにおいて、
    前記1対のレンズ部材の前記気体間隙は、
    前記レンズ群に前記色消し機能の少なくとも一部を付与するための微小距離に設定される
    ことを特徴とするレンズユニット。
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