JP2971717B2 - 走査対物レンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光等の単一波長
光源からのコリメート光を物体に集光して位置検出や変
位検出を行う装置に用いて好適な無限遠補正型の走査対
物レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の走査対物レンズとし
て、図７（ａ）に示すように対物レンズ全体を動かして
走査するもの、図７（ｂ）に示すようにリレーレンズ型
として小さい方のレンズを動かして走査するものが、知
られている。図７（ａ）の形式は、作動距離が非常に短
く、操作上問題が多い。作動距離を大きくとると、光学
系が大きくなり、レンズ全体を動かすのが困難になる。
図７（ｂ）の形式は、図７（ａ）に比べると大きな作動
距離をとることができ、動かすレンズも小さいものであ
るため操作は楽である。しかし、光学系全体が長大にな
るという難点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図７（ｂ）に示す凸レ
ンズの組み合わせによるリレーレンズ型に対して、図７
（ｃ）に示すように凹レンズと凸レンズを組み合わせた
レトロフォーカス型は、図７（ｂ）の形式の利点を保ち
ながら、全体が長大になるというその難点を解決するこ
とができる。本発明は、このレトロフォーカス型のレン
ズであって、広い走査範囲にわたって収差補正された、
コンパクトで操作性にも優れた走査対物レンズを提供す
ることを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、物体から遠い
方にあって全体として負の屈折力を持つ光軸方向に移動
可能な第１のレンズ群と、物体に近い方にあって全体と
して正の屈折力を持つ第２のレンズ群とからなるレトロ
フォーカス型の走査対物レンズであって、前記第１のレ
ンズ群は、物体側に凸面を向けた２枚の凹メニスカスレ
ンズにより構成され、前記第２のレンズ群は、物体から
遠い方から順に、物体側に凸面を向けた第１の凸メニス
カスレンズと、物体と反対側に凸面を向けた凹メニスカ
スレンズと凸レンズからなる第１の接合レンズと、凸レ
ンズと物体側に凸面を向けた凹メニスカスレンズからな
る第２の接合レンズと、物体と反対側に凸面を向けた第
２の凸メニスカスレンズとから構成され、前記第１のレ
ンズ群の焦点距離をＦ1 、前記第２のレンズ群の焦点距
離をＦ2 、前記第１のレンズ群のレンズ材のｄ線に対す
る屈折率をＮ1 、前記第２のレンズ群の第１及び第２の
凸メニスカスレンズのレンズ材のｄ線に対する屈折率を
Ｎ2p、前記第２のレンズ群の第１及び第２の接合レンズ
中の凹メニスカスレンズのレンズ材のｄ線に対する屈折
率をＮ2cn 、前記第２のレンズ群の第１及び第２の接合
レンズ中の凸レンズのレンズ材のｄ線に対する屈折率を
Ｎ2cp としたとき、 Ｎ1 ＞１．６ …（１） Ｎ2P＞１．６ …（２） Ｎ2cn −Ｎ2cp ＞０．２ …（３） ２＜｜Ｆ1 ｜＜１０ …（４ａ） ２＜Ｆ2 ／｜Ｆ1 ｜＜６ …（４ｂ） を満たすことを特徴としている。

【０００５】

【作用】（１）式は、第１のレンズ群で発生する球面収
差をなくすための条件を規定している。第１のレンズ群
の収差を第２のレンズ群で補正することは可能である。
しかし第１のレンズ群の収差を発生させたまま、第１の
レンズ群を光軸方向に走査すると、第１のレンズ群と第
２のレンズ群の収差のバランスかくずれて大きな収差変
動が生じ、大きな走査範囲をとることができなくなる。
この（１）式は、第１のレンズ群の収差を第１のレンズ
群のなかでほとんど解消することで、そのような収差変
動が生じないようにするための条件となっている。
（２）式は、第２のレンズ群のなかの単凸メニスカスレ
ンズでの収差をなくす条件である。この条件から外れる
と、これらの単凸メニスカスレンズでの球面収差の量が
大きくなり、これを接合レンズの接合面で補正すること
が必要になる。これは接合面に大きな負担を与え、大き
な高次球面収差の原因となる。（２）式は、このような
高次球面収差の発生を抑えて、第１のレンズ群を走査し
たときの高次収差変動が生じないようにするための条件
となっている。

【０００６】（３）式は、第２のレンズ群のなかの接合
レンズでの高次球面収差の発生を抑える条件である。接
合レンズで球面収差を補正するには、その凸レンズと凹
レンズの屈折率差を大きくとることが必要であることは
知られており、本発明でもこれを利用している。（３）
式を満たすことにより、高次収差の発生を最小限にする
ことができる。（４ａ），（４ｂ）式は、第１のレンズ
群と第２のレンズ群の焦点距離の関係を規定している。
（４ａ）式の上限を超えて第１のレンズ群の焦点距離を
設定すると、同じＮＡで物体面に集光するときに第１の
レンズ群が大きくなり、第１のレンズ群の走査に不利に
なる。また下限を超えて設定すると、第１のレンズ群は
小さくなって走査上は有利になるが、光源からの光束を
有効に使えなくなり、ビーム径変更手段を使用しなけれ
ばならない等、コスト的に不利になる。（４ｂ）式の上
限を超えて焦点距離を設定すると、作動距離は大きくな
りその限りで有利であるが、光学系全体が大きくなる。
また（４ｂ）式の下限を超えて焦点距離を設定すると、
光学系はコンパクトになる反面、第１のレンズ群を走査
するときの走査範囲が充分にとれなくなる。これら（４
ａ），（４ｂ）式を満足することにより、光源からの光
束の有効利用が可能で、しかもコンパクトで大きな作動
距離が得られる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の第１実施例のレトロフォーカ
ス型の無限遠型走査対物レンズの構成を示す。図示のよ
うにこの対物レンズは、物体から遠い方にある第１のレ
ンズ群Ｇ1 と、物体に近い方にある第２のレンズ群Ｇ2
により構成されている。第１のレンズ群Ｇ1 は全体とし
て負の屈折力を持ち、矢印で示すように光軸方向に移動
可能である。第２のレンズ群Ｇ2 は全体として正の屈折
力を持つ。

【０００８】第１のレンズ群Ｇ1 は、物体側に凸面を向
けた２枚の凹メニスカスレンズＬ1，Ｌ2 により構成さ
れている。第２のレンズ群Ｇ2 は、物体から遠い方から
順に、物体側に凸面を向けた第１の凸メニスカスレンズ
Ｌ3 と、物体と反対側に凸面を向けた凹メニスカスレン
ズＬ4 と凸レンズＬ5 からなる第１の接合レンズと、凸
レンズＬ6 と物体側に凸面を向けた凹メニスカスレンズ
Ｌ7 からなる第２の接合レンズと、物体と反対側に凸面
を向けた第２の凸メニスカスレンズＬ8 とから構成され
ている。本実施例では第２のレンズ群は、二つの接合レ
ンズの間を中心として対称配置になっており、レンズの
種類が少ない、量産に向いた低コストの光学系を実現し
ている。

【０００９】次に具体的な実施例の設計データ及び特性
データを説明する。なお以下の説明及び図において、ｒ
i （ｉ＝１〜１４）は、各レンズ面の曲率半径、ｄj
（ｊ＝１〜１３）は、各部のレンズ厚み及びレンズ間の
間隔、ｎk （ｋ＝１〜８）は各レンズＬk のレンズ材の
ｄ線に対する屈折率、νk は各レンズＬk のアッベ数で
ある。ｄ4 は、第１のレンズ群Ｇ1 を走査するため、可
変となる。ＷＤは作動距離である。

【００１０】開口数ＮＡ＝０．４、ｄ4 ＝１３［ｍ
ｍ］，波長６９０［ｎｍ］での焦点距離がｆ690＝５
［ｍｍ］である第１実施例の光学定数を表１に示す。ｒ
i ，ｄj の単位はｍｍである。

【００１１】

【表１】 ｒ1 ＝-7 ｄ1 ＝1 ｎ1 ＝1.84666 ν1 ＝23.8 （Ｌ1 ） ｒ2 ＝-53.7 ｄ2 ＝1.11 ｒ3 ＝-4.128 ｄ3 ＝1 ｎ2 ＝1.84666 ν2 ＝23.8 （Ｌ2 ） ｒ4 ＝-8.11 ｄ4 ＝12.5〜13.5 ｒ5 ＝-40 ｄ5 ＝5 ｎ3 ＝1.80518 ν3 ＝25.5 （Ｌ3 ） ｒ6 ＝-16.742 ｄ6 ＝0.56 ｒ7 ＝81.4 ｄ7 ＝1.8 ｎ4 ＝1.80518 ν4 ＝25.5 （Ｌ4 ） ｒ8 ＝24.117 ｄ8 ＝7 ｎ5 ＝1.48749 ν5 ＝70.4 （Ｌ5 ） ｒ9 ＝-35.994 ｄ9 ＝0.5 ｒ10＝35.994 ｄ10＝7 ｎ6 ＝1.48749 ν6 ＝70.4 （Ｌ6 ） ｒ11＝-24.117 ｄ11＝1.8 ｎ7 ＝1.80518 ν7 ＝25.5 （Ｌ7 ） ｒ12＝-81.4 ｄ12＝0.56 ｒ13＝16.742 ｄ13＝5 ｎ8 ＝1.80518 ν8 ＝25.5 （Ｌ8 ） ｒ14＝40

【００１２】このように光学定数を設定したとき、Ｎ1
＝1.84666 ，Ｎ2p=1.80518 ，Ｎ2cn −Ｎ2cp ＝0.3176
9 ，｜Ｆ1 ｜＝5.0 ，Ｆ2 ／｜Ｆ1 ｜＝2.97であり、上
述した（１），（２），（３），（４ａ），（４ｂ）式
を全て満たす。また、波長６９０ｎｍの光について、第
１のレンズ群Ｇ1 を走査したとき、即ち距離ｄ4 を可変
したときの、これと作動距離ＷＤ［ｍｍ］の関係は、次
の通りである。 ｄ4 ＝12.5 ＷＤ＝20.34 ｄ4 ＝13 ＷＤ＝19.82 ｄ4 ＝13.5 ＷＤ＝19.34 図２は、 第１実施例の対物レンズの走査による波長６
９０［ｎｍ］での球面収差の変動の様子を示している。
以上から明らかなように、広い走査範囲にわたって球面
収差の変動は極めて小さく抑えられている。

【００１３】次に、第２実施例の構成を図３に示す。基
本的なレイアウトは図１の実施例と同様であるが、各部
の厚みや曲率，寸法が異なる。開口数ＮＡ＝０．４５、
ｄ4＝１０．４８［ｍｍ］，波長６９０［ｎｍ］での焦
点距離がｆ690 ＝４．４５［ｍｍ］である第２実施例の
光学定数を表２に示す。

【００１４】

【表２】 ｒ1 ＝-6.437 ｄ1 ＝1 ｎ1 ＝1.84666 ν1 ＝23.8 （Ｌ1 ） ｒ2 ＝-73.97 ｄ2 ＝1.12 ｒ3 ＝-3.816 ｄ3 ＝1 ｎ2 ＝1.84666 ν2 ＝23.8 （Ｌ2 ） ｒ4 ＝-7.58 ｄ4 ＝9.98〜10.98 ｒ5 ＝-30.357 ｄ5 ＝4.5 ｎ3 ＝1.84666 ν3 ＝25.5 （Ｌ3 ） ｒ6 ＝-14.498 ｄ6 ＝0.59 ｒ7 ＝126.62 ｄ7 ＝1.8 ｎ4 ＝1.84666 ν4 ＝25.5 （Ｌ4 ） ｒ8 ＝22.349 ｄ8 ＝7 ｎ5 ＝1.58913 ν5 ＝61.3 （Ｌ5 ） ｒ9 ＝-33.98 ｄ9 ＝0.5 ｒ10＝33.98 ｄ10＝7 ｎ6 ＝1.58913 ν6 ＝61.3 （Ｌ6 ） ｒ11＝-22.349 ｄ11＝1.8 ｎ7 ＝1.84666 ν7 ＝23.8 （Ｌ7 ） ｒ12＝-126.62 ｄ12＝0.59 ｒ13＝14.498 ｄ13＝4.5 ｎ8 ＝1.84666 ν8 ＝23.8 （Ｌ8 ） ｒ14＝30.357

【００１５】このように光学定数を設定したとき、Ｎ1
＝1.84666 ，Ｎ2p=1.84666 ，Ｎ2cn −Ｎ2cp ＝0.2575
3 ，｜Ｆ1 ｜＝4.45 ，Ｆ2 ／｜Ｆ1 ｜＝2.91であり、
上述した（１），（２），（３），（４ａ），（４ｂ）
式を全て満たす。また、波長６９０ｎｍの光について第
１のレンズ群Ｇ1 を走査したときの走査距離（ｄ4 ）と
作動距離ＷＤ［ｍｍ］の関係は、次の通りである。 ｄ4 ＝9.98 ＷＤ＝17.30 ｄ4 ＝10.48 ＷＤ＝16.78 ｄ4 ＝10.98 ＷＤ＝16.30 図４は、第２実施例の対物レンズの走査による波長６９
０［ｎｍ］での球面収差の変動の様子を示している。こ
の実施例でも球面収差の変動は極めて小さい。

【００１６】次に、開口数ＮＡ＝０．４、ｄ4 ＝１３．
９［ｍｍ］，波長６９０［ｎｍ］での焦点距離がｆ690
＝４．９５［ｍｍ］である第３実施例の構成を図５に示
し、その光学定数を表３に示す。この第３実施例は、レ
ーザ光源の温度変化等による波長変動による焦点移動を
防止するため、色消しレンズとして設計したものであ
る。

【００１７】

【表３】 ｒ1 ＝-7 ｄ1 ＝1 ｎ1 ＝1.84666 ν1 ＝23.8 （Ｌ1 ） ｒ2 ＝-53.7 ｄ2 ＝1.11 ｒ3 ＝-4.128 ｄ3 ＝1 ｎ2 ＝1.84666 ν2 ＝23.8 （Ｌ2 ） ｒ4 ＝-8.11 ｄ4 ＝13.4〜14.4 ｒ5 ＝-40 ｄ5 ＝5 ｎ3 ＝1.757 ν3 ＝47.7 （Ｌ3 ） ｒ6 ＝-16.742 ｄ6 ＝0.59 ｒ7 ＝82.717 ｄ7 ＝1.8 ｎ4 ＝1.80518 ν4 ＝25.5 （Ｌ4 ） ｒ8 ＝24.413 ｄ8 ＝7 ｎ5 ＝1.497 ν5 ＝81.6 （Ｌ5 ） ｒ9 ＝-37.595 ｄ9 ＝0.5 ｒ10＝37.595 ｄ10＝7 ｎ6 ＝1.497 ν6 ＝81.6 （Ｌ6 ） ｒ11＝-24.423 ｄ11＝1.8 ｎ7 ＝1.80518 ν7 ＝25.5 （Ｌ7 ） ｒ12＝-82.717 ｄ12＝0.59 ｒ13＝16.742 ｄ13＝5 ｎ8 ＝1.757 ν8 ＝47.7 （Ｌ8 ） ｒ14＝40

【００１８】このように光学定数を設定したとき、Ｎ1
＝1.84666 ，Ｎ2p=1.757 ，Ｎ2cn−Ｎ2cp ＝0.30818
，｜Ｆ1 ｜＝5.0 ，Ｆ2 ／｜Ｆ1 ｜＝3.06であり、上
述した（１），（２），（３），（４ａ），（４ｂ）式
を全て満たす。また、波長６９０ｎｍの光について、第
１のレンズ群Ｇ1 を走査したときの走査距離（ｄ4 ）と
作動距離ＷＤ［ｍｍ］の関係は、次の通りである。 ｄ4 ＝13.4 ＷＤ＝21.21 ｄ4 ＝13.9 ＷＤ＝20.69 ｄ4 ＝14.4 ＷＤ＝20.21 図６は、 第３実施例の対物レンズの走査による球面収
差の変動の様子を、波長６８５［ｎｍ］，６９０［ｎ
ｍ］，６９５［ｎｍ］について示している。これらの波
長範囲で焦点がよく一致していることがわかる。

【００１９】本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施することが可能である。例えば実施例では波長６９０
［ｎｍ］の光源を用いる場合を説明したが、他の単一波
長光源を用いる場合にも本発明は有効である。また、第
１のレンズ群の前によく補正されたコリメータレンズを
設置すれば、有限補正型の対物レンズとして使用でき
る。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、コン
パクトで作動距離が長く、広い走査範囲にわたってよく
収差補正された無限遠型の走査対物レンズを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例のレンズ構成を示す。

【図２】 第１実施例による球面収差変動特性を示す。

【図３】 本発明の第２実施例のレンズ構成を示す。

【図４】 第２実施例による球面収差変動特性を示す。

【図５】 本発明の第３実施例のレンズ構成を示す。

【図６】 第３実施例による球面収差変動特性を示す。

【図７】 走査対物レンズの構成原理を示す。

【符号の説明】 Ｇ1 …第１のレンズ群、Ｇ2 …第２のレンズ群、Ｌ1 ，
Ｌ2 …凹メニスカスレンズ、Ｌ3 ，Ｌ8 …凸メニスカス
レンズ、Ｌ4 ，Ｌ7 …凹メニスカスレンズ、Ｌ5 ，Ｌ6
…凸レンズ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体から遠い方にあって全体として負の
   屈折力を持つ光軸方向に移動可能な第１のレンズ群と、
   物体に近い方にあって全体として正の屈折力を持つ第２
   のレンズ群とからなるレトロフォーカス型の走査対物レ
   ンズであって、 前記第１のレンズ群は、物体側に凸面を向けた２枚の凹
   メニスカスレンズにより構成され、 前記第２のレンズ群は、物体から遠い方から順に、物体
   側に凸面を向けた第１の凸メニスカスレンズと、物体と
   反対側に凸面を向けた凹メニスカスレンズと凸レンズか
   らなる第１の接合レンズと、凸レンズと物体側に凸面を
   向けた凹メニスカスレンズからなる第２の接合レンズ
   と、物体と反対側に凸面を向けた第２の凸メニスカスレ
   ンズとから構成され、 前記第１のレンズ群の焦点距離をＦ1 、前記第２のレン
   ズ群の焦点距離をＦ2、前記第１のレンズ群のレンズ材
   のｄ線に対する屈折率をＮ1 、前記第２のレンズ群の第
   １及び第２の凸メニスカスレンズのレンズ材のｄ線に対
   する屈折率をＮ2p、前記第２のレンズ群の第１及び第２
   の接合レンズ中の凹メニスカスレンズのレンズ材のｄ線
   に対する屈折率をＮ2cn 、前記第２のレンズ群の第１及
   び第２の接合レンズ中の凸レンズのレンズ材のｄ線に対
   する屈折率をＮ2cp としたとき、 Ｎ1 ＞１．６ …（１） Ｎ2P＞１．６ …（２） Ｎ2cn −Ｎ2cp ＞０．２ …（３） ２＜｜Ｆ1 ｜＜１０ …（４ａ） ２＜Ｆ2 ／｜Ｆ1 ｜＜６ …（４ｂ） を満たすことを特徴とする走査対物レンズ。