JP2014056172A - 対物光学装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化にかかわらず、広い波長域において収差を良好に低減する。
【解決手段】対物光学系１０４Ａを構成する複数の光学素子を保持部材Ｋにより保持する装置において、ｉ〜ｉ＋１番目の光学面間の媒質の屈折率をＮ_ｉ、該光学面間の距離をＤ_ｉ、ｉ番目の光学面の近軸曲率半径をＲ_ｉ、温度がΔＴ変化したときの屈折率、距離および近軸曲率半径の変化量をΔＮ_ｉ、ΔＤ_ｉ、ΔＲ_ｉ、光学面間隔の数をｄ_numとし、ΔＴ変化の前後における各光学面間隔の変化比率の平均Ａを、Ａ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｄ_num}{[(Ｄ_ｉ＋ΔＤ_ｉ)／(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)]／(Ｄ_ｉ／Ｎ_ｉ)}）／ｄ_numとし、曲面光学面の数をｒ_numとし、ΔＴ変化の前後における曲面光学面のパワーの変化比率の平均Ｂを、Ｂ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｒ_num}{[１／(Ｒ_ｉ＋ΔＲ_ｉ)]×[(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)−(Ｎ_ｉ−１＋ΔＮ_ｉ−１)]}／[(１／Ｒ_ｉ)×(Ｎ_ｉ−Ｎ_ｉ−１)]）／ｒ_numとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、対物光学系を含む対物光学装置およびこれを用いた顕微鏡等の撮像装置に関する。

最近の病理検査では、病理標本を画像データとして取り込み、ディスプレイに表示して観察するバーチャル顕微鏡と呼ばれるものが利用されている。バーチャル顕微鏡には、ディスプレイ上に表示した病理標本の画像データを複数人で同時に観察したり、画像データを遠方の病理医と共有して診断を仰いだりすることができる等、多くの利点がある。ただし、バーチャル顕微鏡には、病理標本を撮像して画像データとして取り込むために時間がかかるという問題がある。

時間がかかる原因の１つとして、大きな範囲に広がる病理標本を狭い撮像領域しか持たない顕微鏡を用いて画像データとして取り込まなければならないことが挙げられる。すなわち、狭い撮像領域を順次シフトさせて複数回の撮像を行ったり撮像領域をスキャン移動させながら連続的な撮像を行ったりして得られた画像データを１つに繋げることで病理標本全体の画像を得るために、時間がかかる。

そこで、撮像回数を少なくして画像データを取り込む時間を短縮することができるように、広い撮像領域を実現可能な対物光学系（撮像光学系）が求められている。この対物光学系には、撮像領域が広いだけでなく、可視光領域において高い解像力を持つことも求められる。

しかも、使用環境の温度の変化によって対物光学系の性能が変化しないことも求められている。特に、高い解像力を持ち、かつ広い撮像領域を有する対物光学系を備えた顕微鏡では、使用環境の温度の変化によるコマ収差や非点収差の画質への影響が無視できないため、温度変化にかかわらず撮像領域全域にわたって諸収差が良好に低減されていることが望ましい。

特許文献１には、半導体露光装置に搭載された収差測定装置において、環境温度が変化した場合や異なる設定温度にて使用した場合に発生する焦点位置の変動を低減できるようにした対物光学系が開示されている。また、特許文献２には、自動車に搭載された赤外線カメラにおいて、温度変化に伴う焦点位置の変動を補償することができる赤外光光学系が開示されている。さらに、特許文献３には、半導体露光装置の投影光学系において、露光に伴って発生する熱による収差を効果的に低減する方法が開示されている。

特開２００２−１６９０８３号公報 特開２００８−１７６０７８号公報 特開２０１０−２５６８１８号公報

特許文献１にて開示された対物光学系では、屈折率温度係数の符号が正である正レンズの温度変化による焦点位置の変動を、屈折率温度係数の符号が負である正レンズの温度変化による焦点位置の変動により打ち消して、対物光学系での焦点位置の変動を低減する。しかしながら、この対物光学系では、焦点位置の変動しか補正することができず、広い波長範囲で良好に収差を低減することはできない。

また、特許文献２にて開示された赤外光光学系では、温度変化に伴うＺｎＳレンズの屈折率と曲率半径の変動による焦点距離の変化を、スペーサの熱膨張収縮によって打ち消し、広い温度範囲で光学性能の劣化を低減する。しかしながら、この赤外光光学系も、赤外光に対する光学性能しか補正できず、広い波長域（例えば、可視波長域）の全域で良好な光学性能を得ることができない。

さらに、特許文献３にて開示された投影光学系では、温度変化に伴う面変形により発生する収差と温度変化に伴う屈折率の変化によって発生する収差とが相殺し合うことで、投影光学系で発生する収差を低減する。しかしながら、この投影光学系では、光学素子を保持する鏡筒材料の熱膨張係数によって発生する収差までは補正することができず、鏡筒材料も含めた全系での温度変化により発生する収差を良好に低減できない。

本発明は、温度変化にかかわらず、広い波長域において収差を良好に低減できるようにした対物光学装置およびこれを用いた撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての対物光学装置は、対物光学系を構成する複数の光学素子を保持部材により保持する。複数の光学素子が有する複数の光学面のうち、物体面から像面に向かう光線が通過する順に物体面側から数えてｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の媒質の屈折率をＮ_ｉとし、ｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の距離をＤ_ｉとし、ｉ番目の光学面の近軸曲率半径をＲ_ｉとし、該装置の温度がΔＴだけ変化したときの屈折率、距離および近軸曲率半径の変化量をそれぞれΔＮ_ｉ、ΔＤ_ｉおよびΔＲ_ｉとし、対物光学系に含まれる光学面間隔の数をｄ_numとし、温度のΔＴの変化の前後における各光学面間隔の変化比率の平均Ａを、
Ａ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｄ_num}{[(Ｄ_ｉ＋ΔＤ_ｉ)／(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)]／(Ｄ_ｉ／Ｎ_ｉ)}）／ｄ_num
とし、複数の光学面のうち平面を除いた曲面光学面の数をｒ_numとし、温度のΔＴの変化の前後における曲面光学面のパワーの変化比率の平均Ｂを、
Ｂ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｒ_num}{[１／(Ｒ_ｉ＋ΔＲ_ｉ)]×[(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)−(Ｎ_ｉ−１＋ΔＮ_ｉ−１)]}
／[(１／Ｒ_ｉ)×(Ｎ_ｉ−Ｎ_ｉ−１)]）／ｒ_num
とするとき、保持部材が、
０．９９９９≦Ａ×Ｂ≦１．０００１
なる条件を満足する材料により形成されていることを特徴とする。

なお、上記対物光学装置を用いた顕微鏡等の撮像装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、上記条件を満足する材料により形成した保持部材を用いて対物光学系を構成する光学素子を保持することで、広い波長域において温度変化による光学性能の変動が小さい対物光学装置を実現することができる。このため、使用環境の温度によらず良好な画質の画像を取得可能な撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例である対物光学装置が用いられる顕微鏡装置の構成を示す図。 実施例１の対物光学装置における対物光学系（反射屈折光学系）の構成を示す図。 数値例１の反射屈折光学系の構成を示す図。 数値例１の反射屈折光学系の収差図。 数値例１〜４と比較例１，２の温度による収差変化量を示すグラフ。 数値例２の反射屈折光学系の構成を示す図。 数値例２の反射屈折光学系の収差図。 数値例３の反射屈折光学系の構成を示す図。 数値例３の反射屈折光学系の収差図。 本発明の実施例２（数値例４）の対物光学装置における対物光学系の構成を示す図。 数値例４の対物光学系の収差図。 比較例１の反射屈折光学系の構成を示す図。 比較例１の反射屈折光学系の収差図。 比較例２の反射屈折光学系の構成を示す図。 比較例２の反射屈折光学系の収差図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例である撮像装置としての顕微鏡装置の構成を示す。顕微鏡装置１０００は、光源１０１と、光源１０１からの光束により物体面に配置された試料（物体）１０３を均一に照明する照明光学系１０２とを有する。光源１０１は、可視光（例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）を照明光として射出する。また、顕微鏡装置１０００は、試料１０３からの光束に該試料１０３の光学像（物体像）を形成させる対物光学系（結像光学系）１０４を含む対物光学装置２００を有する。

さらに、顕微鏡装置１０００は、対物光学系１０４により形成された物体像を光電変換するＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等の撮像素子１０５と、撮像素子１０５から出力された電気信号を処理して画像データを生成する画像処理系１０６とを含む。画像処理系１０６で生成された画像データは、ＬＣＤ等の表示デバイス１０７によって表示される。画像処理系１０６は、対物光学系１０４では補正しきれなかった収差を画像処理によって補正したり、撮像領域を順次シフトまたはスキャン移動させながら取得した画像データを１つに繋げたり（合成したり）する処理を行う。

なお、本実施例では顕微鏡装置について説明しているが、本発明の他の実施例には、対物光学系により形成した光学像を撮像素子により撮像する各種撮像装置が含まれる。

図２には、実施例１の対物光学装置２００に用いられる対物光学系１０４としての反射屈折光学系の構成を示している。図３には、対物光学系１０４の数値例１の構成を示しており、図４には、数値例１の収差図を示している。図６には、対物光学系１０４の数値例２の構成を示しており、図７には、数値例２の収差図を示している。図８には、対物光学系１０４の数値例３の構成を示しており、図９には、数値例３の収差図を示している。

さらに、図１２には、対物光学系（反射屈折光学系）の比較例１の構成を示しており、図１３には、比較例１の収差図を示している。また、図１４には、対物光学系（反射屈折光学系）の比較例２の構成を示しており、図１５には、比較例２の収差図を示している。

図２に示す対物光学系１０４において、１０３ａは図１に示した試料１０３が配置される物体面を示し、１０５ａは図１に示した撮像素子１０５が配置される像面を示す。ＡＸは対物光学系１０４の光軸である。

対物光学系１０４は、物体面１０３ａからの光束を集光して該光束に物体面（試料）１０３ａの中間像ＩＭを所定の中間像面に形成させる反射面（Ｍ１ａ，Ｍ２ｂ）と開口絞りＡＳとを含む第１の結像光学系（反射屈折部）Ｇ１を有する。また、対物光学系１０４は、中間像ＩＭからの光束を像面（撮像素子）１０５ａ上に結像させる屈折面を含む第２の結像光学系（屈折部）Ｇ２を有する。

第１の結像光学系Ｇ１は、物体面側から順に、第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１と、開口絞りＡＳと、第２の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ２と、フィールドレンズ群Ｆ１とにより構成されている。第２の結像光学系Ｇ２は、レンズ群により構成されている。図２には、物体面１０３ａから像面１０５ａに至る軸外光束を模式的に示している。

第１の結像光学系Ｇ１の第１の光学素子Ｍ１は、物体面側の面が凸形状を有し、光軸側から周辺側に順に、正の屈折力を有して光を透過させる透過部（第１の透過部）Ｍ１Ｔと、物体面側の面Ｍ１ａに反射膜が形成された裏面反射部（第１の裏面反射部）とを有する。第１の光学素子Ｍ１のうち裏面反射部とは反対側の像面側の面Ｍ１ａは、屈折面として形成されている。

また、第２の光学素子Ｍ２は、物体面側に凹面を向けたメニスカス形状を有し、光軸側から周辺側に順に、負の屈折力を有して光を透過させる透過部（第２の透過部）Ｍ２Ｔと、像面側の面Ｍ２ｂに反射膜が形成された裏面反射部（第２の裏面反射部）とを有する。第２の光学素子Ｍ２のうち裏面反射部とは反対側の物体側の面Ｍ２ａは、屈折面として形成されている。フィールドレンズ群Ｆ１は、正の屈折力を有する。

第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２は、それぞれの裏面反射部の反射面が互いに対向するように配置されている。開口絞りＡＳは、第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２の間に配置されている。

第２の結像光学系Ｇ２は、全体として正の屈折力を有するレンズ群Ｌにより構成されている。第２の結像光学系Ｇ２内には、物体面（試料）１０３ａからの光束のうち光軸近傍の光束を遮光する遮光板ＳＨが配置されている。

上記のように構成された対物光学系１０４において、試料１０３は照明光学系１０２からの光束により照明される。試料１０３から射出した光束は、第１の光学素子Ｍ１の透過部Ｍ１Ｔを透過した後、第２の光学素子Ｍ２の屈折面Ｍ２ａを透過してその裏面である像面側の面（反射膜）Ｍ２ｂで反射する。そして、光束は再び屈折面Ｍ２ａを透過して、第１の光学素子Ｍ１の屈折面Ｍ１ｂを透過し、その裏面である物体側の面（反射膜）Ｍ１ａで反射する。物体側の面Ｍ１ａで反射した光束は、再び屈折面Ｍ１ｂを透過し、第２の光学素子Ｍ２の透過部Ｍ２Ｔを透過して、フィールドレンズ群Ｆ１を透過した後、第２の結像光学系Ｇ２に入射する前に物体面（試料）１０３ａの中間像ＩＭを形成する。

なお、図２に示した第１の結像光学系Ｇ１の構成は例に過ぎず、他の構成を採用することもできる。例えば、マンジャンミラーにより構成される第１および第２の光学素子Ｍ１，Ｍ２に代えて、光軸側に透過部を設けた表面反射ミラーとレンズとを組み合わせた光学素子を用いてもよい。また、フィールドレンズ群Ｆ１を配置することなく中間像ＩＭを形成する構成としてもよい。

中間像ＩＭからの光束（発散光束）は、第２の結像光学系Ｇ２を構成する正の屈折力のレンズ群Ｌを透過して、像面１０５ａ上に結像する。このとき、像面１０５ａ上には、物体面（試料）１０３ａの拡大像が形成される。このため、図１に示した撮像素子１０５を介して該拡大像の画像データを取得することができる。遮光板ＳＨは、物体面１０３ａからの光束のうち光軸近傍の光束が、第１の光学素子Ｍ１および第２の光学素子Ｍ２で反射されずにこれらの光学素子Ｍ１，Ｍ２の透過部Ｍ１Ｔ，Ｍ２Ｔを透過して直接、撮像素子１０５に到達することを防いでいる。

対物光学系１０４を構成する光学素子（Ｍ１，Ｍ２，Ｆ１，Ｌ）は、図３に示すように、保持部材としての鏡筒Ｋにより保持されて、光軸ＡＸに対する径方向での位置が決められたり光軸方向での位置（光学素子間の間隔）が決められたりしている。対物光学系１０４およびこれを保持する鏡筒Ｋにより、対物光学装置が構成される。

このような顕微鏡装置の使用環境温度が変化すると、対物光学系１０４を構成する光学素子や該光学素子を保持する鏡筒の温度も変化し、光学素子の屈折率の変化や形状の変化（膨張／収縮）だけでなく、鏡筒の形状の変化（膨張／収縮）も生じる。通常、光学素子の材料であるガラスの温度変化に対する屈折率の変化率ｄｎ／ｄｔは、１０^−６／℃のオーダーであり、ガラスの熱膨張係数σＴは、１０^−５〜１０^−７／℃のオーダーである。ここで形状の変化のみに着目すると、例えば、光学素子の材料と鏡筒の材料の熱膨張係数σＴ（＞０）がすべて同じである場合、温度の上昇によってこれらの形状は設計値に対して全体的に一様に（同じ膨張率で）膨張する。このため、対物光学系１０４にて発生する収差が、熱膨張係数σＴに応じた１０^−５〜１０^−７／℃のオーダーで拡大される。

一般に、複数枚のレンズ（およびミラー）により構成される光学系の設計では、各レンズで生じる収差を複数枚のレンズ同士でキャンセルさせることにより、光学系全系で良好な光学性能を得る。光学系が設計値に対して全体的に一様に膨張する場合、設計値における複数枚のレンズによる収差のキャンセル関係は維持されたまま、形状が膨張した分だけ収差も拡大される。

一方、広い波長域で良好な光学性能を得るためには、色収差が補正されていることが好ましい。色収差を補正するためには、複数枚のレンズに対して分散が異なる複数種類のガラス材料を使用する必要がある。具体的には、３種類以上の種類のガラス材料を使用すると、設計の自由度が増加し、良好な光学性能を得るのに有利である。

しかし、レンズ毎にガラス材料が異なり、温度変化に対する屈折率の変化率ｄｎ／ｄｔや熱膨張係数σＴが異なると、温度変化による収差の変化の仕方がレンズ毎に異なってしまう。したがって、温度変化によって光学系の設計値における複数枚のレンズによる収差のキャンセル関係が崩れてしまい、光学系全系で良好な光学性能を得ることが困難になる。

このため、本実施例では、対物光学系１０４を構成する光学素子（Ｍ１，Ｍ２，Ｆ１，Ｌ）を保持する鏡筒の材料として、以下の条件（１）を満足する材料を選択する。鏡筒の材料としては、金属材料やセラミックス材料であることが望ましい。

複数の光学素子（Ｍ１，Ｍ２，Ｆ１，Ｌ）が有する複数の光学面（屈折面および反射面）のうち、物体面１０３ａから像面１０５ａに向かう光線が通過する順に物体面側から数えてｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の媒質の屈折率をＮ_ｉとする。ｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の距離をＤ_ｉとし、ｉ番目の光学面の近軸曲率半径をＲ_ｉとする。また、対物光学装置（顕微鏡装置）の温度がΔＴだけ変化したときの屈折率Ｎ_ｉ、距離Ｄ_ｉおよび近軸曲率半径Ｒ_ｉの変化量をそれぞれΔＮ_ｉ、ΔＤ_ｉおよびΔＲ_ｉとする。対物光学系１０４に含まれる光学面間隔の数をｄ_numとし、上記温度のΔＴの変化の前後における各光学面間隔の変化比率の平均Ａを、
Ａ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｄ_num}{[(Ｄ_ｉ＋ΔＤ_ｉ)／(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)]／(Ｄ_ｉ／Ｎ_ｉ)}）／ｄ_num
とする。さらに、上記複数の光学面のうち平面を除いた曲面光学面の数をｒ_numとし、上記温度のΔＴの変化の前後における曲面光学面のパワーの変化比率の平均Ｂを、
Ｂ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｒ_num}{[１／(Ｒ_ｉ＋ΔＲ_ｉ)]×[(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)−(Ｎ_ｉ−１＋ΔＮ_ｉ−１)]}
／[(１／Ｒ_ｉ)×(Ｎ_ｉ−Ｎ_ｉ−１)]）／ｒ_num
とする。このとき、
鏡筒を、
０．９９９９≦Ａ×Ｂ≦１．０００１ ．．．（１）
なる条件を満足する材料により形成する。
Ａ×Ｂが条件（１）を満足すると、温度変化後の対物光学系１０４が、その設計値を一様に拡大または縮小した状態に近くなる。このため、設計値における光学素子間の収差のキャンセル関係を維持することができ、温度変化による収差変動を小さく抑えることができる。

Ａ×Ｂが条件（１）の上限値を超えると、各曲面光学面のパワーの変化比率に比べて各光学面間隔の変化比率が大きくなり過ぎ、温度変化後の対物光学系１０４が、その設計値を一様に拡大または縮小した状態からかけ離れてしまう。このため、温度変化による収差変動が大きくなり、広い使用温度範囲において良好な光学性能を得ることが困難となる。

一方、Ａ×Ｂが条件（１）の下限値を下回ると、各曲面光学面のパワーの変化比率に比べて各光学面間隔の変化比率が小さくなり過ぎ、温度変化後の対物光学系１０４が、その設計値を一様に拡大または縮小した状態からかけ離れてしまう。このため、温度変化による収差変動が大きくなり、広い使用温度範囲において良好な光学性能を得ることが困難となる。

ここで、より好ましくは、条件（１）の数値範囲を以下のように設定するとよい。

０．９９９９５≦Ａ×Ｂ≦１．００００５ ．．．（２）
以下、上記実施例１をより具体的に示す数値例について説明する。
［数値例１］
図３に示す数値例１の対物光学系１０４Ａにおいて、第１の結像光学系Ｇ１は、第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１と、第２の光学素子（マジャンミラー）Ｍ２と、開口絞りＡＳと、フィールドレンズＬ１，Ｌ２とにより構成されている。第２の結像光学系Ｇ２は、レンズＬ３〜Ｌ１５により構成されている。第１の結像光学系Ｇ１および第２の結像光学系Ｇ２は、鏡筒Ｋによって保持されている。対物光学系１０４Ａにおける物体面（試料）１０３ａから像面（撮像素子）１０５ａに至る光束の光路は、上記実施例にて説明した通りである。表Ａには、本数値例の諸数値を示している。

本数値例では、第１の結像光学系Ｇ１に含まれる第１の光学素子Ｍ１における物体面側の面Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２における像面側の面Ｍ２ｂはいずれも非球面形状を有する。これにより、色収差の発生を抑えつつ球面収差を良好に補正することができ、高ＮＡでも、可視光の広い波長域にわたって対物光学系１０４Ａの諸収差を良好に低減している。

また、第１の光学素子Ｍ１における物体面側の面Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２における像面側の面Ｍ２ｂには、いずれも正の屈折力が与えられている。これにより、第２の結像光学系Ｇ２のレンズ群の正の屈折力を強くして光学系全長を短くしても、ペッツバール和が増大しないようにしている。これは、ペッツバール和への効き方が、反射面と屈折面で反対となるためである。

さらに、第２の結像光学系Ｇ２内に設けられた遮光板ＳＨは、レンズＬ６の像面側の面上に配置されている。

本数値例において、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１４．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。

図４には、本数値例の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本数値例では、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差も３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

また、本数値例では、鏡筒Ｋの材料の熱膨張率を７×１０^−６／℃としている。熱膨張率が７×１０^−６／℃程度の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等を用いることができる。

図５には、本数値例の対物光学系１０４Ａ（つまりは対物光学装置）の温度が１０℃上昇したときの白色波面収差の増加量を示している。ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）におけるＡ×Ｂの値は１．００００６４であり、条件（１）を満足する。このため、収差増加量は２５．４ｍλｒｍｓに抑えられている。この収差増加量は、例えば、温度が１０℃上昇したときの第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１の膨張による収差増加量である３５．４ｍλｒｍｓに対して、それよりも小さい。すなわち、Ａ×Ｂの値を１に近づけたことにより、温度変化によって各光学素子で生じる収差変動を複数の光学素子同士でキャンセルすることができ、温度変化による光学系全系の収差増加量を小さく抑えることができている。

なお、温度変化によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。
［数値例２］
図６に示す数値例２の対物光学系１０４Ｂにおいて、図３と同じ構成要素には同符号を付している。本数値例は、数値例１に対して、各光学素子の数値は異なるが、光学系の構成は同じである。また、図６では、図３に示した鏡筒Ｋの図示を省略している。表Ｂには、本数値例の諸数値を示している。

本数値例でも、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１４．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。

図７には、本数値例の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本数値例でも、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差も３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

本数値例では、鏡筒の材料の熱膨張率を１１×１０^−６／℃としている。熱膨張率が１１×１０^−６／℃程度の材料としては、ステンレス鋼等を用いることができる。

図５には、本数値例の対物光学系１０４Ｂ（つまりは対物光学装置）の温度が１０℃上昇したときの白色波面収差の増加量を示している。ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）におけるＡ×Ｂの値は０．９９９９０６であり、条件（１）を満足する。このため、収差増加量は１７．３ｍλｒｍｓに抑えられている。温度変化によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。
［数値例３］
図８に示す数値例３の対物光学系１０４Ｃにおいて、図２および図３と同じ構成要素には同符号を付している。本数値例は、数値例１に対して、各光学素子の数値は異なるが、光学系の構成は同じである。また、図８では、図３に示した鏡筒Ｋの図示を省略している。表Ｃには、本数値例の諸数値を示している。

本数値例でも、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１４．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。

図９には、本数値例の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本数値例でも、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差も３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

本数値例では、鏡筒の材料の熱膨張率を９×１０^−６／℃としている。熱膨張率が９×１０^−６／℃程度の材料としては、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）等を用いることができる。

図５には、本数値例の対物光学系１０４Ｃ（つまりは対物光学装置）の温度が１０℃上昇したときの白色波面収差の増加量を示している。ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）におけるＡ×Ｂの値は０．９９９９７１であり、条件（１）（さらには条件（２））を満足する。このため、収差増加量は１３．５ｍλｒｍｓに抑えられている。温度変化によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。

図１０には、本発明の実施例２（数値例４）としての対物光学系１０４Ｄの構成を示している。本実施例は、実施例１と異なり、反射面を用いない屈折光学系として構成されている。図１０において、図２および図３と同じ構成要素には同符号を付している。また、図１０において、各光学素子を保持する鏡筒の図示は省略している。表Ｄには、本数値例の諸数値を示している。

本実施例（数値例）において、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１．４ｍｍである。

図１１には、本実施例（数値例）の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本実施例では、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差も３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

本数値例では、鏡筒の材料の熱膨張率を１３×１０^−６／℃としている。熱膨張率が１３×１０^−６／℃程度の材料としては、ニッケル鋼等を用いることができる。

図５には、本数値例の対物光学系１０４Ｄ（つまりは対物光学装置）の温度が１０℃上昇したときの白色波面収差の増加量を示している。ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）におけるＡ×Ｂの値は１．００００９５であり、条件（１）（さらには条件（２））を満足する。このため、収差増加量は３９．２ｍλｒｍｓに抑えられている。なお、このとき、温度によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。
［比較例１］
図１２には、本発明の実施例１に対する比較例１としての対物光学系（反射屈折光学系）の構成を示している。図１２において、図２および図３と同じ構成要素には同符号を付している。図１２において、各光学素子を保持する鏡筒の図示は省略している。本数値例は、数値例１〜３に対して、各光学素子の数値は異なるが、光学系の構成は同じである。表Ｅには、本比較例の諸数値を示している。

この比較例でも、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１４．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。

図１３には、本比較例の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本比較例では、設計基準温度において、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長における収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差は３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

本比較例では、鏡筒の材料の熱膨張率を１３×１０^−６／℃としている。熱膨張率が１３×１０^−６／℃程度の材料としてはニッケル鋼等を用いることができる。

図５に示すように、本比較例では、ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）においてＡ×Ｂの値は０．９９９８１３であり、収差増加量は４５．４ｍλｒｍｓである。本比較例では、数値例１〜４とは異なり、Ａ×Ｂの値が１に対して小さくなり過ぎているため、温度変化による収差増加量が大きくなっている。なお、温度変化によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。
［比較例２］
図１４には、本発明の実施例１に対する比較例２としての対物光学系（反射屈折光学系）の構成を示している。図１４において、図２および図３と同じ構成要素には同符号を付している。図１４において、各光学素子を保持する鏡筒の図示は省略している。本数値例は、数値例１〜３に対して、各光学素子の数値は異なるが、光学系の構成は同じである。数値表Ｆには、本比較例の諸数値を示している。

この比較例でも、物体面側の開口数ＮＡは０．７であり、視野領域は直径１４．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。

図１５には、本比較例の軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）および最軸外物高（Ｙ＝７．１ｍｍ）での収差を示している。本比較例では、設計基準温度において、６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長における収差は良好に抑えられており、白色光での波面収差は３０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。

本比較例では、鏡筒の材料の熱膨張率を５×１０^−６／℃としている。熱膨張率が５×１０^−６／℃程度の材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。

図５に示すように、本比較例では、ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）においてＡ×Ｂの値は１．０００１１８であり、収差増加量は６４．０ｍλｒｍｓである。本比較例では、数値例１〜４とは異なり、Ａ×Ｂの値が１に対して大きくなり過ぎているため、温度変化による収差増加量が大きくなっている。なお、温度変化によるフォーカス変動については、物体距離を変更して補正している。

以上説明したように、条件（１）（又は（２））を満足するようにＡ×Ｂの値を１に近づける、つまり温度変化後の対物光学系をその設計値を一様に拡大または縮小した状態に近づけることで、広い波長域において温度変化による収差変動を小さく抑えることができる。したがって、可視光領域のように広い波長域にわたって、かつ広い使用温度範囲において収差を良好に低減し、高い光学性能を有する対物光学装置を実現することができる。そして、このような対物光学装置を用いることで、使用環境の温度によらず良好な画質の画像を取得可能な撮像装置を実現することができる。

表Ａ〜Ｆにおいて、面番号は物体面から像面に向かって数えた光学面の順番である。ｒはｉ番目の光学面の曲率半径である。ｄはｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の間隔である。符号は物体面側から像面側に向かって（光が進行する方向を）正とし、その逆方向を負としている。

Ｎｄおよびνｄはそれぞれ、ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）に対する材料の屈折率とアッベ数である。

非球面の形状は、以下の式（３）に示す非球面式で表される。式（３）において、Ｚは光軸方向の座標、ｃは曲率（曲率半径ｒの逆数）、ｈは光軸からの高さ、ｋは円錐係数である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ・・・はそれぞれ、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次、１８次、２０次、・・・の非球面係数である。「Ｅ−Ｘ」は「１０^-X」を意味する。

（表Ａ）
数値例１
Ａ×Ｂ＝１．００００６４
面番号 r d Nd νd
物体面 2.00
1 1.00E+18 1.00 1.52 56.4
2 1.00E+18 2.00
3 612.52 9.82 1.52 64.1
4 -1140.27 71.98
5 -85.94 7.41 1.52 64.1
6 -115.91 -7.41 1.52 64.1
7 -85.94 -71.98
8 1.00E+18 0.00
9 -1140.27 -9.82 1.52 64.1
10 612.52 9.82 1.52 64.1
11 -1140.27 71.98
12 -85.94 7.41 1.52 64.1
13 -115.91 3.00
14 -342.00 9.40 1.62 63.3
15 -23.62 5.01 1.74 32.3
16 -56.49 0.50
17 55.27 10.08 1.64 55.4
18 -50.09 10.05
19 29.87 8.18 1.50 81.5
20 52.17 5.09
21 61.67 9.31 1.70 41.2
22 -57.26 5.88
23 -27.73 5.00 1.67 38.1
24 145.95 8.68
25 261.22 11.37 1.49 70.2
26 -106.50 0.89
27 243.92 13.49 1.72 47.9
28 -54.01 0.50
29 48.69 16.80 1.56 60.7
30 -422.92 0.62
31 61.00 5.01 1.75 35.3
32 40.09 23.27
33 -30.22 5.00 1.72 43.7
34 135.45 21.33
35 -39.24 5.00 1.49 70.2
36 -252.57 12.14
37 -97.30 18.00 1.74 44.8
38 -62.93 0.50
39 -126.53 22.00 1.81 40.9
40 -78.63 1.56
41 -3700.33 22.67 1.71 53.9
42 -267.36 1.50
43 1.00E+18 6.00 1.52 64.1
44 1.00E+18 3.00
像面 0.00

（表Ｂ）
数値例２
Ａ×Ｂ＝０．９９９９０６
面番号 r d Nd νd
物体面 2.00
1 1.00E+18 1.00 1.52 64.1
2 1.00E+18 2.00
3 631.40 9.43 1.52 64.1
4 -1503.69 72.79
5 -85.20 7.29 1.52 64.1
6 -115.24 -7.29 1.52 64.1
7 -85.20 -72.79
8 1.00E+18 0.00
9 -1503.69 -9.43 1.52 64.1
10 631.40 9.43 1.52 64.1
11 -1503.69 72.79
12 -85.20 7.29 1.52 64.1
13 -115.24 3.00
14 -167.37 7.91 1.62 63.3
15 -21.50 5.00 1.74 32.3
16 -47.44 0.50
17 66.72 9.00 1.64 55.4
18 -57.74 8.59
19 41.09 10.46 1.49 70.2
20 -125.56 4.31
21 -256.72 7.42 1.75 35.3
22 -46.00 6.77
23 -25.97 5.73 1.62 36.3
24 -350.49 13.67
25 86.68 9.99 1.49 70.2
26 -2000.00 0.89
27 97.04 14.83 1.76 47.8
28 -61.65 0.50
29 48.86 7.72 1.59 61.1
30 60.41 8.69
31 64.22 10.31 1.74 32.3
32 51.76 20.56
33 -28.48 5.00 1.72 38.0
34 897.46 20.79
35 -40.36 5.00 1.52 64.1
36 -310.17 11.11
37 -116.86 16.12 1.74 44.8
38 -75.67 0.50
39 -168.54 20.71 1.71 53.9
40 -87.61 0.50
41 -4163.50 24.44 1.81 40.9
42 -171.08 1.50
43 1.00E+18 6.00 1.52 64.1
44 1.00E+18 3.00
像面 0

（表Ｃ）
数値例３
Ａ×Ｂ＝０．９９９９７１
面番号 r d Nd νd
物体面 2.00
1 1.00E+18 1.00 1.52 56.4
2 1.00E+18 2.00
3 608.77 9.82 1.52 64.1
4 -1165.33 72.05
5 -85.98 7.41 1.52 64.1
6 -116.06 -7.41 1.52 64.1
7 -85.98 -72.05
8 1.00E+18 0.00
9 -1165.33 -9.82 1.52 64.1
10 608.77 9.82 1.52 64.1
11 -1165.33 72.05
12 -85.98 7.41 1.52 64.1
13 -116.06 3.00
14 -368.14 10.24 1.62 63.3
15 -22.92 5.00 1.74 32.3
16 -52.30 0.50
17 53.63 10.00 1.64 55.4
18 -55.39 9.31
19 30.29 8.07 1.50 81.5
20 52.26 5.96
21 63.51 9.26 1.70 41.2
22 -55.04 5.88
23 -28.18 5.00 1.67 38.1
24 143.94 8.72
25 398.99 11.15 1.49 70.2
26 -111.19 0.89
27 217.81 13.86 1.72 47.9
28 -55.29 0.50
29 44.47 16.04 1.56 60.7
30 500.65 1.25
31 65.43 5.01 1.75 35.3
32 47.55 22.88
33 -30.03 5.00 1.72 38.0
34 130.12 21.78
35 -39.45 5.00 1.49 70.2
36 -149.98 11.82
37 -79.05 18.00 1.75 35.3
38 -62.43 0.50
39 -120.92 22.00 1.75 35.3
40 -75.37 0.50
41 1768.63 23.10 1.74 44.8
42 -299.87 1.50
43 1.00E+18 6.00 1.52 64.1
44 1.00E+18 3.00
像面 0

（表Ｄ）
数値例４
Ａ×Ｂ＝１．００００９５
面番号 r d Nd νd
物体面 5.00
1 -28.72 14.35 1.60 39.2
2 -18.87 0.50
3 -102.93 30.00 1.44 94.9
4 -37.32 21.78
5 -279.40 25.00 1.44 94.9
6 -65.90 -2.00
7 1E+18 2.50
8 3568.77 25.00 1.44 94.9
9 -46.39 5.00 1.49 70.2
10 -159.62 0.50
11 183.29 22.41 1.44 94.9
12 -58.95 5.00 1.76 40.1
13 -94.88 0.50
14 248.09 3.00 1.65 39.7
15 57.27 20.36 1.44 94.9
16 -69.82 4.37
17 -68.92 3.00 1.69 53.2
18 -551.64 97.87
19 135.12 30.00 1.81 25.4
20 -490.23 61.85
21 -74.05 3.00 1.49 70.2
22 41.56 4.01
23 -25.82 3.00 1.60 39.2
24 39.06 18.00
25 479.31 3.00 1.81 25.4
26 76.92 9.10 1.79 47.4
27 -40.42 89.29
像面 0.00

（表Ｅ）
比較例１
Ａ×Ｂ＝０．９９９８１３
面番号 r d Nd νd
物体面 2.00
1 1.00E+18 1.00 1.52 64.1
2 1.00E+18 2.02
3 627.10 9.24 1.52 64.1
4 -2119.98 73.27
5 -85.56 7.33 1.52 64.1
6 -115.52 -7.33 1.52 64.1
7 -85.56 -73.27
8 1.00E+18 0.00
9 -2119.98 -9.24 1.52 64.1
10 627.10 9.24 1.52 64.1
11 -2119.98 73.27
12 -85.56 7.33 1.52 64.1
13 -115.52 2.99
14 -425.28 7.81 1.62 63.3
15 -23.43 5.00 1.74 32.3
16 -59.57 0.50
17 79.43 8.73 1.62 63.3
18 -51.62 7.95
19 35.91 9.80 1.49 70.2
20 2950.92 5.71
21 144.66 8.35 1.75 35.3
22 -56.11 5.53
23 -27.54 7.77 1.62 36.3
24 -13481359.51 13.60
25 100.96 9.49 1.49 70.2
26 -2000.00 0.89
27 96.48 14.57 1.76 47.8
28 -65.43 0.50
29 50.97 11.06 1.59 61.1
30 106.60 6.19
31 58.69 5.00 1.76 27.5
32 44.84 20.23
33 -29.58 5.00 1.74 44.8
34 428.20 22.92
35 -40.19 5.00 1.52 64.1
36 -1000.00 12.55
37 -123.13 17.89 1.74 44.8
38 -73.82 0.50
39 -199.87 22.61 1.71 53.9
40 -89.70 0.50
41 72755.57 21.01 1.81 40.9
42 -243.76 1.50
43 1.00E+18 6.00 1.52 64.1
44 1.00E+18 3.00
像面 0

（表Ｆ）
比較例２
Ａ×Ｂ＝１．０００１１８
面番号 r d Nd νd
物体面 2.00
1 1.00E+18 1.00 1.52 64.1
2 1.00E+18 2.00
3 624.09 9.33 1.52 64.1
4 -1764.54 72.81
5 -86.09 7.30 1.52 64.1
6 -115.63 -7.30 1.52 64.1
7 -86.09 -72.81
8 1.00E+18 0.00
9 -1764.54 -9.33 1.52 64.1
10 624.09 9.33 1.52 64.1
11 -1764.54 72.81
12 -86.09 7.30 1.52 64.1
13 -115.63 3.00
14 -115.57 7.67 1.62 63.3
15 -22.21 5.00 1.74 32.3
16 -46.43 0.50
17 56.20 10.42 1.62 63.3
18 -57.91 8.63
19 40.18 10.30 1.49 70.2
20 -157.51 4.05
21 -252.10 7.34 1.75 35.3
22 -47.38 7.07
23 -25.85 5.36 1.62 36.3
24 -265.08 13.16
25 82.91 10.18 1.49 70.2
26 -1254.93 0.89
27 101.38 14.42 1.76 47.8
28 -60.77 0.50
29 46.20 7.62 1.59 61.1
30 55.07 9.15
31 63.06 9.28 1.75 35.3
32 51.57 20.56
33 -28.35 5.00 1.72 38.0
34 -1518.24 19.70
35 -39.82 8.22 1.52 64.1
36 -757.72 11.92
37 -138.55 15.47 1.74 44.8
38 -73.08 0.50
39 -185.64 21.71 1.71 53.9
40 -89.67 0.50
41 -1337.65 21.95 1.81 40.9
42 -202.62 1.50
43 1.00E+18 6.00 1.52 64.1
44 1.00E+18 3.00
像面 0

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

高い光学性能を有する対物光学系を備えた光学装置や撮像装置を提供できる。

１０３ａ 物体面
１０４ 対物光学系
１０５ａ 像面
ＩＭ 中間像
Ｇ１ 第１の結像光学系
Ｇ２ 第２の結像光学系
Ｍ１ 第１の光学素子
Ｍ２ 第２の光学素子
Ｋ 鏡筒

Claims (4)

1. 対物光学系を構成する複数の光学素子を保持部材により保持した対物光学装置であって、
   前記複数の光学素子が有する複数の光学面のうち、物体面から像面に向かう光線が通過する順に前記物体面側から数えてｉ番目の光学面とｉ＋１番目の光学面との間の媒質の屈折率をＮ_ｉとし、前記ｉ番目の光学面と前記ｉ＋１番目の光学面との間の距離をＤ_ｉとし、前記ｉ番目の光学面の近軸曲率半径をＲ_ｉとし、該装置の温度がΔＴだけ変化したときの前記屈折率、前記距離および前記近軸曲率半径の変化量をそれぞれΔＮ_ｉ、ΔＤ_ｉおよびΔＲ_ｉとし、前記対物光学系に含まれる光学面間隔の数をｄ_numとし、前記温度のΔＴの変化の前後における前記各光学面間隔の変化比率の平均Ａを、
   Ａ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｄ_num}{[(Ｄ_ｉ＋ΔＤ_ｉ)／(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)]／(Ｄ_ｉ／Ｎ_ｉ)}）／ｄ_num
   とし、前記複数の光学面のうち平面を除いた曲面光学面の数をｒ_numとし、前記温度のΔＴの変化の前後における前記曲面光学面のパワーの変化比率の平均Ｂを、
   Ｂ＝（Σ_{ｉ＝１〜ｒ_num}{[１／(Ｒ_ｉ＋ΔＲ_ｉ)]×[(Ｎ_ｉ＋ΔＮ_ｉ)−(Ｎ_ｉ−１＋ΔＮ_ｉ−１)]}
   ／[(１／Ｒ_ｉ)×(Ｎ_ｉ−Ｎ_ｉ−１)]）／ｒ_num
   とするとき、
   前記保持部材は、
   ０．９９９９≦Ａ×Ｂ≦１．０００１
   なる条件を満足する材料により形成されていることを特徴とする対物光学装置。
2. 前記複数の光学素子がガラス材料により形成されており、
   前記保持部材が、前記条件を満足する金属材料またはセラミックス材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の対物光学装置。
3. 前記対物光学系は、前記物体面からの光束に該物体面の中間像を形成させる反射屈折部を含む第１の結像光学系と、前記中間像からの光束を前記像面に結像させる屈折部を含む第２の結像光学系とを有する反射屈折光学系であり、
   前記第１の結像光学系は、前記物体面側から順に、第１の光学素子と第２の光学素子とを有し、
   前記第１の光学素子は、光軸側から周辺側に向かって順に、光を透過する第１の透過部と、前記物体側の面に反射膜を形成した第１の裏面反射部とを有し、
   前記第２の光学素子は、光軸側から周辺側に向かって順に、光を透過する第２の透過部と、前記像面側の面に反射膜を形成した第２の裏面反射部とを有し、
   前記第１および第２の光学素子は、前記第１および第２の裏面反射部の反射面が互いに対向するように配置されており、
   前記物体面からの光束が、前記第１の透過部、前記第２の裏面反射部、前記第１の裏面反射部および前記第２の透過部をこの順で通って前記第２の結像光学系に向かって射出し、
   前記第２の結像光学系は、正の屈折力を有することを特徴とする請求項１または２に記載の対物光学装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の対物光学装置と、
   該対物光学装置により形成された光学像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。