JP2596799B2

JP2596799B2 - 顕微鏡対物レンズ

Info

Publication number: JP2596799B2
Application number: JP63171030A
Authority: JP
Inventors: 良治斉藤
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPH0222615A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は高倍率でNAの大きいアクロマート級の顕微鏡
対物レンズに関するものである。

［従来の技術］本発明の顕微鏡対物レンズと同様の構成の対物レンズ
は特開昭58−111914、特開昭50−39564号、特開昭54−3
4252号、特開昭53−135661号等があり比較的少ない枚数
で、軸外性能はあまり良くないが球面収差は良好に補正
されており、アクロマート対物レンズとして使用されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］これら従来例は、倍率，高NAになるとアクロマート対
物レンズでもレンズ枚数が多くならざるを得ず、レンズ
構成が複雑になる。

本発明の目的は、少ない枚数で球面収差が良好に補正
された高倍率で高NAのアクロマート対物レンズを提供す
るものである。

［課題を解決するための手段］本発明の顕微鏡対物レンズは、物体側から順に凸面を
像側に向けた正レンズを含み正の屈折力を持つ第１群
と、接合レンズを含む第２群とより構成され、そのうち
の少なくとも二つの面が非球面であることを特徴として
いる。又この非球面はその頂部の近軸曲面の屈折力が正
である場合は、光軸から離れるにつれて面の正の屈折力
を弱める形状であり、屈折力が負である場合は、光軸か
ら離れるにしたがって面の負の屈折力を強める形状であ
る。

対物レンズにおいて、倍率を一定にした場合、レンズ
全系の焦点距離が変わらないのでレンズ枚数を減らす
と、個々のレンズの屈折力が強くなり球面収差の補正が
困難になる。特に高倍では、全系の屈折力が強く又NAが
大になるので、球面系のみの少ないレンズ枚数では、球
面収差や正弦条件違反量などを小さくすることが不可能
である。

球面レンズのレンズ面における屈折力は、光軸から離
れるにつれて大きくなりそのため球面収差が発生し、そ
の近軸屈折力が大きくなればなる程球面収差がより多く
発生することはよく知られている。つまり前記のような
形状の非球面を用いることによって球面収差を小さく出
来ることは自明である。

本発明のレンズ系では、レンズ枚数を極力少なくした
ため各レンズ面での屈折力が強くなり、一つの面の非球
面では球面収差を補正できず少なくとも二つの面の非空
面が必要である。

上記の少なくとも２面の非球面の形状として、次に示
す条件（１）を満足するものであれば効果的に収差補正
ができる。

（１） 0.003＜｜Δx_A/y_A|＜0.3 ただし、Δx_Aは非球面を施した面における最大有効光
線高でその非渋面上の点の近軸曲率球面から光軸方向に
対する変位量、y_Aは同じ非球面上での最大光線高であ
る。

尚ここで用いられる非球面は、光軸をｘ軸、光軸と垂
直な方向をｙ軸とする時に次の式にて表わされる。

ただしＲは非球面を施した面の頂点における近軸曲率
半径、B,C,D,…は非球面係数である。

上記の非球面量Δｘは、上記の式にて表わされる非球
面においては、最大有効光線高をｙ＝y_Aとすると下記の
式のように表わすことが出来る。

Δｘ＝By_A ²＋Cy_A ⁴＋Dy_A ⁶＋… ここで前記の条件（１）は非球面係数Ｂ＝０としてい
る。

上記条件（１）において下限の0.003を越えると非球
面による球面収差，コマ収差の補正量が小さいために球
面において発生する球面収差，コマ収差の発生量を小さ
くしなければならない。この発生量を小さくするとペッ
ツバール和がマイナス方向に大になり像面わん曲を補正
することが難しくなる。また上限の0.3を越えると非球
面での球面収差，コマ収差の発生量が大きくなりレンズ
全系での球面収差，コマ収差を補正することが困難にな
る。

更に前記球面収差の形状としては、次の条件（２）を
満足することが一層好ましい。

（２）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＜４ただしI_Sは非球面を施した面とその前後の１面の球面
系のみの３次の球面収差係数の和、I_OSは非球面の非球
面部による３次の球面収差係数、NA′は像側の開口数で
ある。

ここで３次の球面収差係数について述べる。第５図は
球面系での３次の球面収差係数計算のための説明図であ
る。この図で第ｉ番目の面（r_i）での３次の球面収差係
数は次のようになる。

I_Si＝h_iN_i ²（h_i/r_i−u_i）^２（u_i′/N_i′−u_i/N_i）ただしh_iはｉ面における近軸入射光線高、u_i,u_i′は
入射角および射出角、N_i,N_i′は入射媒質および射出媒
質の屈折率、r_iはｉ面における曲率半径である。

したがって前記I_S,I_OSは次の通りである。

I_S＝I_Si-1＋I_Si＋I_Si+1 I_OS＝8h_i ⁴（N_i′−N_i）Ｃただし、I_Si-1,I_Si+1は夫々ｉ面の前後の面の球面収
差係数、Ｃは前記の４次の項の非球面係数である。

本発明のレンズ系においては、レンズ枚数が少ないた
めに個々の面の屈折力が強くなる。これに非球面に施し
た場合、１つの非球面がレンズ系全系の球面収差を補正
するのではなく、その前後の面で発生する球面収差を補
正するにとどまる。そのために前述のように少なくとも
２面以上の非空面が必要になる。

この非球面において前記条件（２）を満足しない他の
非球面でこの球面収差の補正を行なわなければならな
い。しかしその補正量には限界があり全系においては、
球面収差が残ってしまう。

本発明において更に次の条件（３）を満足することが
望ましい。

（３） 0.3＜f₁/f＜1.5 ただしｆは全系の焦点距離、f₁は第１群の焦点距離で
ある。

この条件（３）において下限の0.3を越えると、第１
群の屈折力が強くなり過ぎるために球面収差が補正でき
なくなる。上限の1.5を越えると逆に第２群の屈折力が
強くなりすぎるためにコマ収差，非点隔差等の軸外収差
を補正することが困難になる。

更に下記の条件（４），（５），（６）を満足するこ
とが良好な対物レンズを得るために望ましい。

（４） ν_ｐ−ν_ｎ＞10 （５） n_n−n_p＞0.05 （６） 0.7＜−r_p/f＜４ただしν_p,ν_ｎは夫々第２群に含まれる接合レンズ中
の正レンズと負レンズのアッベ数、n_p,n_nは同じ接合レ
ンズ中の正レンズと負レンズの屈折率、r_pは同じ接合レ
ンズ中の正レンズの空気接触面の近軸曲率半径である。

条件（４）は、軸上色収差を補正するための条件であ
る。この条件（４）から外れるとＣ線,F線の軸上色収差
の隔差が大きくなり、色収差を補正することが困難にな
る。

条件（５）は、球面収差，コマ収差を補正するための
条件である。本発明の対物レンズは、レンズ構成枚数が
少ないため凸面の屈折力が強くなる。凸面の屈折力が強
くなるとNAの大きい光束での球面収差，コマ収差が多く
発生し、非球面のみでは補正しきれなくなる。そのため
にレンズ系中に負の屈折力の面を設けて逆の球面収差，
コマ収差を発生させて全系の球面収差，コマ収差が良好
になるように補正する必要がある。しかし上記条件
（５）から外れると接合面での負の屈折力が弱くなりぎ
て球面収差，コマ収差の補正が難しくなる。

条件（６）も球面収差，コマ収差を補正するための条
件であって、この条件の下限の0.7をこえると前記と接
合レンズの正レンズの空気接触面の曲率が強くなるため
非球面を用いても球面収差，コマ収差を補正することが
難しくなる。又上限の４をこえた場合、上記面の曲率が
ゆるくなるために他の面の正の屈折力が強くなって球面
収差，コマ収差が発生し、非球面を用いても補正が困難
になる。

［実施例］次に本発明の顕微鏡対物レンズの各実施例を示す。

実施例１ｆ＝1.922,NA＝1.234,像高 10.5 ｔ＝0.17 r₀＝∞ d₀＝0.1755 r₁＝∞ d₁＝1.0578 n₁＝1.51633 ν_１＝64.15 r₂＝−0.8702 d₂＝0.0800 r₃＝10.2978 d₃＝1.5300 n₂＝1.64250 ν_２＝58.37 r₄＝−2.7050（非球面） d₄＝2.3251 r₅＝−347.1101 d₅＝1.4100 n₃＝1.74000 ν_３＝31.70 r₆＝3.0602（非球面） d₆＝2.1500 n₄＝1.49700 ν_４＝81.61 r₇＝−4.3220 非球面係数（第４面）Ｂ＝0,C＝0.53103×10^-2 Ｄ＝0.14400×10^-2,E＝−0.26935×10^-3 Ｆ＝0.44110×10^-4 （第６面）Ｂ＝0,C＝−0.40712×10^-2 Ｄ＝−0.76758×10^-3,E＝0.16146×10^-3 Ｆ＝−0.17238×10^-4 Δx/y_A＝0.051（第４面），Δx/y_A＝0.06（第６面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝1.78（第４面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝1.04（第６面） f₁＝1.361,f₁/f＝0.71 ν_ｐ−ν_ｎ=ν_４−ν_３=49.91,n_n−n_p=n₃−n₄=0.243 r_p/f＝r₇/f＝−2.25 実施例２ｆ＝1.907,NA＝1.234,像高 10.5 ｔ＝0.17 r₀＝∞ d₀＝0.2326 r₁＝∞ d₁＝1.2759 n₁＝1.51633 ν_１＝64.15 r₂＝−1.0496 d₂＝0.0800 r₃＝5.0042 d₃＝1.5300 n₂＝1.64250 ν_２＝58.37 r₄＝−2.7576（非球面） d₄＝0.5778 r₅＝−6.3479 d₅＝1.4100 n₃＝1.74000 ν_３＝31.70 r₆＝3.7352 d₆＝2.1500 n₄＝1.49700 ν_４＝81.61 r₇＝−3.7260（非球面）非球面係数（第４面）Ｂ＝0,C＝0.95618×10^-2 Ｄ＝0.14577×10^-2,E＝−0.19322×10^-3 Ｆ＝0.26279×10^-4 （第７面）Ｂ＝0,C＝0.15859×10^-3 Ｄ＝−0.44997×10^-5 Ｅ＝−0.27856×10^-5,F＝0.52578×10^-5 ｜Δx/y_A|＝0.15（第４面）｜Δx/y_A|＝0.011（第７面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝2.73（第４面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝1.66（第７面） f₁＝1.417,f₁/f＝0.74 ν_ｐ−ν_ｎ=ν_４−ν_３=49.91,n_n−n_p=n₃−n₄=0.243 r_p/f＝r₇/f＝−1.95 実施例３ｆ＝4.684,NA＝0.65,像高 10.5 ｔ＝0.17 r₀＝∞ d₀＝0.7009 r₁＝−34.8132 d₁＝2.8388 n₁＝1.75500 ν_１＝52.33 r₂＝−2.4784（非球面） d₂＝3.6132 r₃＝46.7343 d₃＝0.9000 n₂＝1.84666 ν_２＝23.78 r₄＝3.7621（非球面） d₄＝3.8645 n₃＝1.60323 ν_３＝42.32 r₅＝−6.0036 非球面係数（第２面）Ｂ＝0,C＝0.35111×10^-2 Ｄ＝−0.60909×10^-3 Ｅ＝0.64876×10^-3,F＝−0.83669×10^-4 （第４面）Ｂ＝0,C＝−0.31647×10^-2 Ｄ＝0.38485×10^-4 Ｅ＝−0.30599×10^-4 Ｆ＝0.16115×10^-5 ｜Δx/y_A|＝0.02（第２面）｜Δx/y_A|＝0.06（第４面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝0.51（第２面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝0.82（第４面） f₁＝3.406,f₁/f＝0.73 ν_ｐ−ν_ｎ=ν_３−ν_２=18.51,n_n−n_p=n₂−n₃=0.243 r_p/f＝r₅/f＝−1.28 実施例４ｆ＝4.597,NA＝0.65,像高 10.5 ｔ＝0.1701 r₀＝∞ d₀＝0.7022 r₁＝59.7239 d₁＝4.0289 n₁＝1.75500 ν_１＝52.33 r₂＝−3.5548（非球面） d₂＝2.2139 r₃＝14.6434 d₃＝0.9000 n₂＝1.84666 ν_２＝23.78 r₄＝6.6292 d₄＝3.0000 n₃＝1.45600 ν_３＝90.31 r₅＝−5.7008（非球面）非球面係数（第２面）Ｂ＝0,C＝0.15604×10^-2 Ｄ＝−0.94403×10^-3,E＝0.31243×10^-3 Ｆ＝−0.28655×10^-4 （第５面）Ｂ＝0,C＝−0.56297×10^-4 Ｄ＝0.15957×10^-3 Ｅ＝−0.21248×10^-4,F＝0.93051×10^-6 ｜Δx/y_A|＝0.01（第２面）｜Δx/y_A|＝0.009（第５面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝0.61（第２面）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＝0.17（第５面） f₁＝4.567,f₁/f＝0.99 ν_ｐ−ν_ｎ=ν_３−ν_２=66.53,n_n−n_p=n₂−n₃=0.39 r_p/f＝r₅/f＝−1.24 ただしr₁,r₂,…は各レンズ面の曲率半径、d₁,d₂,…は
各レンズの肉厚および空気間隔、n₁,n₂,…は各レンズの
屈折率、ν₁,ν₂,…は各レンズのアッベ数、ｔはカバー
ガラスの厚さ、d₀はカバーガラスのレンズ側の面r₀から
レンズ第１面までの間隔である。

実施例１は、第１図に示す構成の対物レンズで、第１
群Ｉは２枚の正レンズ、第２群IIは負レンズと正レンズ
の接合レンズよりなっている。この実施例は、第１群Ｉ
の最も像側の面（r₄）と第２群IIの接合レンズの接合面
（r₆）が非球面である。

実施例２は第２図に示すレンズ構成で、２枚の正レン
ズの第１群Ｉと接合レンズの第２群IIからなっている。
この実施例は第１群Ｉの最も像側の面と第２群IIの最も
像側の面が非球面である。

実施例３は第３図に示す通りで、正レンズの第１群Ｉ
と接合レンズの第２群IIよりなっている。非球面は第１
群Ｉの像側の面と第２群IIの像側の面である。

実施例４は第４図に示すレンズ構成で正レンズの第１
群Ｉと接合レンズの第２群IIよりなっている。非球面は
第１群Ｉの像面の面と第２群IIの像側の面である。

［発明の効果］本発明の顕微鏡対物レンズは極めて少ないレンズ枚数
であるにも拘らず、限定した形状の非球面を少なくとも
２枚用いることによって球面収差，正弦条件を非常に良
好に補正したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施例１乃至実施例４の断
面図、第５図は球面収差係数の説明図、第６図乃至第９
図は夫々実施例１乃至実施例４の収差曲線図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】物体側から順に凸面を像側に向けた正レン
ズを含む全体として正の屈折力を持つ第１群と、接合レ
ンズを含む第２群とより構成され、その中の少なくとも
二つの面が非球面であるレンズ系で、前記非球面が非球
面頂点における近軸曲率面の屈折力が正の場合は光軸か
ら離れるにしたがって面の正の屈折力を弱める形状であ
り、上記屈折力が負の場合は光軸から離れるにしたがっ
て面の負の屈折力を強める形状であり、前記二つの非球
面が次の条件（１）および（２）を満足することを特徴
とする顕微鏡対物レンズ。（１） 0.003＜｜Δx_A/y_A|＜0.3 （２）｜（I_S＋I_OS）/2NA′｜＜４ただし、Δx_Aは非球面における最大有効光線高での非球
面上の点の近軸曲率球面からの光軸方向に対する変位
量、y_Aは非球面上での最大有効光線高、I_Sは非球面を施
した面とその前後の１面の球面系のみの３次の球面収差
係数の和、I_OSは非球面の非球面部による３次の球面収
差係数、NA′は像側の開口数である。