JP3242451B2 - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

顕微鏡対物レンズ

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JP3242451B2 JP18575492A JP18575492A JP3242451B2 JP 3242451 B2 JP3242451 B2 JP 3242451B2 JP 18575492 A JP18575492 A JP 18575492A JP 18575492 A JP18575492 A JP 18575492A JP 3242451 B2 JP3242451 B2 JP 3242451B2
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、屈折率分布レンズ特に
半径方向に屈折率が変化するいわゆるラジアル型屈折率
分布レンズを用いた顕微鏡対物レンズに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】顕微鏡対物レンズは、諸収差が充分に補
正されている必要があるが、同時に収差補正のための自
由度を制限するような条件を満足しなければならない。
例えば、標本と対物レンズの衝突を避けるために、長い
作動距離を有することが必要である。又種々の対物レン
ズを同一のレボルバーに取付けて、切換え使用する必要
上、レンズ系の全長が所定の範囲内に収まる必要があ
る。更に高い解像力を得るためには、開口数が大きくな
ければならない。これらの種々の要件を満足しつつ諸収
差を充分に補正するためには、レンズ枚数の多い極めて
複雑な光学系にならざるを得ず、コストや公差等の面で
大きな問題があった。
【0003】この問題を解決するために、均質球面系に
比べて収差補正の自由度の大きなラジアル型屈折率分布
レンズを用いることが知られている。
【0004】顕微鏡対物レンズにラジアル型屈折率分布
レンズを用いた従来例として、特開昭62−31816
号公報に記載されたレンズ系がある。しかしこの対物レ
ンズは、ラジアル型屈折率分布レンズを3枚も用いてお
り、コストや公差の点で望ましくない。また光軸方向に
屈折率分布を有するアキシャル型屈折率分布レンズとラ
ジアル型屈折率分布レンズの2枚のレンズで構成した対
物レンズとして特開平3−189608号公報に記載さ
れたレンズ系が知られている。しかしこの対物レンズ
は、NAが0.11と小さい。又レンズ系に非球面を用
いることが考えられるが、非球面はレンズ単体でペッツ
バール和や色収差を補正する能力を有せず、したがって
レンズ枚数を大幅に削減するために非球面レンズを用い
ることは有効ではない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、NAが0.
2以上と明るく、レンズ枚数が2枚と少ない低コストで
諸収差が良好に補正された顕微鏡対物レンズを提供する
ことを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の対物レンズは、
2枚のレンズよりなり、2枚のレンズがいずれも下記の
式にて表わされる光軸から半径方向に屈折率分布を有す
るラジアル型屈折率分布レンズであって、物体側から順
に、正の屈折力の第1レンズと正の屈折力の第2レンズ
とよりなり、NAが0.2以上となるように以下の条件
(1)を満足することを特徴としている。 N(r)=N00+N102+N204+・・・ (1) φ1/φ2>5.0 ここでrは光軸から半径方向の距離、N00は光軸上の屈
折率、N10,N20,・・・はそれぞれ2次、4次、・・
・の係数、φ1,φ2 は夫々第1レンズと第2レンズの
屈折力である。
【0007】顕微鏡対物レンズは、作動距離やNA等の
様々な要件を満たしながら諸収差を充分に補正する必要
があるため、どうしてもレンズの枚数が多くなり複雑な
光学系にならざるを得ず、コストや公差等の問題があ
る。そこでレンズ枚数が2枚で上記のような要件を満足
する顕微鏡対物レンズを構成することを考えた。しかし
均質レンズ2枚では、諸収差を充分に補正することは困
難で、特に対物レンズの結像性能を決定する上で重要な
ペッツバール和と色収差とを良好に補正することは不可
能である。そこで光軸から半径方向に屈折率分布を有す
るラジアル型屈折率分布レンズを用いることを考えた。
ラジアル型屈折率分布レンズは、媒質に屈折力を持つの
でレンズ単体でペッツバール和と色収差の補正が可能で
ある等、均質レンズが持たない収差補正の自由度を有す
る。
【0008】次にラジアル型屈折率分布レンズを用いて
の顕微鏡対物レンズにおける具体的な収差補正方法を述
べる。
【0009】本発明で目的としている、物体側から順
に、正の屈折力の第1レンズと正の屈折力の第2レンズ
とよりなり、NAが0.2以上の顕微鏡対物レンズを得
るためには、特に、第1レンズで物点からの発散光束を
収束させる必要があり、そのため第2レンズに比べて第
1レンズには強い正の屈折力を持たせる必要がある。そ
のためには本発明のレンズ系において、次の条件(1)
を満足することが望ましい。 (1) φ1 /φ25.0 ただしφ1 ,φ2 は夫々第1レンズと第2レンズの屈折
力である。
【0010】本発明のレンズ系が条件(1)を満足すれ
ば、物点からの光束を第1レンズで十分に収束すること
が可能になる。もしも条件(1)を満足しないと第1レ
ンズの屈折力が弱くなり、物点からの発束光束を十分に
収束することが難しくなり、NAを大きくすることが出
来なくなり好ましくない。
【0011】本発明のレンズ系において、このように第
1レンズの屈折力が大になると第2レンズに比較して第
1レンズで発生する収差量が大になる傾向がある。その
ため正の屈折力の第1レンズに用いたラジアル型屈折率
分布レンズでペッツバール和と色収差を補正するように
する。
【0012】ラジアル型屈折率分布レンズのペッツバー
ル和PSは、次の式で表わされることが知られている。 (a) PS=φS /N00+φM /N00 2 ただしφS ,φM は夫々ラジアル型屈折率分布レンズの
面および媒質の屈折力である。尚φM は次の式(b)で
近似される。 (b) φM =−2N10d ただしdはラジアル型屈折率分布レンズの厚さである。
【0013】上記の式(a)において、媒質のペッツバ
ール和を表わす第2項の分母に2乗が掛かっているた
め、同じ屈折力の均質レンズと比較してラジアル型屈折
率分布レンズは、ペッツバール和の値を小さくすること
が可能である。
【0014】本発明のレンズ系においては、前述のよう
に第1レンズを強い正の屈折力を持つようにすることが
好ましく、そのためにペッツバール和が正の方向に大き
く発生する傾向になる。そこで本発明のレンズ系におい
て、物体側のレンズである第1レンズの媒質に正の屈折
力を持たせるようにすると、このレンズで発生している
ペッツバール和を補正することが可能になる。
【0015】又式(b)より、ラジアル型屈折率分布レ
ンズの媒質に正の屈折力を持たせるには、次の条件
(2)を満足することが望ましい。 (2) N10<0 上記のように、本発明のレンズ系において、物体側のラ
ジアル型屈折率分布レンズが条件(2)を満足すれば、
レンズの媒質で正の屈折力を有し、このレンズで発生し
ているペッツバール和を、同じ屈折力の均質レンズと比
べて小さくすることが可能である。もしこのラジアル型
屈折率分布レンズが条件(2)を満足しないと、媒質の
屈折力が負の値になり、このレンズで発生するペッツバ
ール和を助長してしまい好ましくない。
【0016】次に本発明のレンズ系において第1レンズ
での軸上色収差を次のようにすれば補正出来る。
【0017】ラジアル型屈折率分布レンズの軸上色収差
PACは、次のように与えられることが知られている。 (c) PAC=K(φ /V 00 +φ /V 10 ここでKは光線高及び最終近軸光線角度に依存する係
数、V00,V10は夫々下記の式にて表わされる定数
である。 V00=(N00d−1)/(N00F−N00C) V10=N10d/(N10F−N10C) ただしN00d,N00F,N00Cは夫々d線,F
線,C線に対する光軸上の屈折率、N10d
10F,N10Cは夫々d線,F線,C線に対する屈
折率分布係数N10を表わす。
【0018】式(c)からわかるように、V10の値を変
化させることによりラジアル型屈折率分布レンズの媒質
で発生する軸上色収差を変化させることが可能である。
【0019】本発明のレンズ系においては、ペッツバー
ル和の補正のために第1レンズの媒質は正の屈折力を持
つのが好ましいため、式(c)で与えられる軸上色収差
の値を小さくするためには、第1レンズが下記の条件
(3)を満足することが望ましい。 (3) V00<V10 又は V10<0 第1レンズが条件(3)を満足すれば、このレンズで発
生する軸上色収差を同じ屈折力の均質レンズと比較して
小さくすることが出来る。もし条件(3)を満足しなけ
れば第1レンズで発生する軸上色収差を助長するので好
ましくない。以上述べたように、本発明のレンズ系にお
いて、第1レンズを条件(2)、(3)を満足するよう
にすれば、顕微鏡対物レンズの収差補正上特に重要なペ
ッツバール和と軸上色収差を良好に補正することが可能
である。これら収差の補正効果を更に十分に得るために
は、式(b)で与えられる媒質の屈折力φM がある程度
大きな値を持つことが必要である。そのために、本発明
のレンズ系において、第1レンズが次の条件(4)を満
足することが望ましい。 (4) |N10/f2 |>0.1×10-5 ただしfは全系の焦点距離である。
【0020】本発明のレンズ系において、第1レンズが
前記の条件(4)を満足すれば、媒質の屈折力φM があ
る程度大きな値を持ち、ペッツバール和および軸上色収
差を補正することが可能になる。もし条件(4)を満足
しないと、第1レンズの媒質の屈折力が小さくなり、ペ
ッツバール和および軸上色収差を補正することが出来な
くなる。
【0021】屈折率分布レンズは、素材の作製上 10
を大きくするのにはある程度の限界がある。この点を考
慮すると、本発明のレンズ系において、ペッツバール和
および軸上色収差を十分に補正するには、条件(4)に
加えてラジアル型屈折率分布レンズの厚さdを下記の条
件(5)を満足するようにすることが望ましい。 (5) d/f>0.1 第1レンズの厚さdが条件(5)を満足すれば、媒質で
十分な屈折力を持つことが可能になり、ペッツバール和
および軸上色収差を十分補正することが出来なくなる。
【0022】以上述べた条件(2)乃至条件(5)はい
ずれも第1レンズに対して設定した条件であるが、第2
レンズもこれら条件(2)乃至条件(5)を満足すれば
一層望ましい。
【0023】更に本発明の対物レンズは、NAが0.2
以上と大きいので、特に正の屈折力が大である第1レン
ズで発生する負の球面収差が大になる傾向にある。その
ために第1レンズのラジアル型屈折率分布レンズの媒質
で正の球面収差を発生させることによって上記負の球面
収差を補正することが好ましい。このようにラジアル型
屈折率分布レンズの媒質で正の球面収差を発生させるた
めには、この第1レンズのラジアル型屈折率分布レンズ
が下記の条件(6)を満足することが望ましい。 (6) N20>0 ラジアル型屈折率分布レンズが上記条件(6)を満足す
れば、その媒質で正の球面収差を発生させることが可能
であり、第1レンズで発生する負の球面収差を良好に補
正することが可能になる。もし条件(6)を満足しない
とラジアル型屈折率分布レンズの媒質で負の球面収差を
発生させることになり好ましくない。前述のように、本
発明のレンズ系においては、第1レンズでの収差補正、
特にペッツバール和、軸上色収差、そして球面収差の補
正が非常に重要である。そこでこれら収差を同時に補正
することを考えると、面と媒質との屈折力比や第1レン
ズの面形状等を十分に考慮する必要がある。特に、ペッ
ツバール和と軸上色収差の補正は、面と媒質の屈折力の
関係に大きく依存するため、それらを十分に考慮する必
要がある。
【0024】ここで面の屈折力と媒質の屈折力との和を
φ(=φS +φM )、媒質の屈折力比をa(=φM
φ)とし、ペッツバール和PSと軸上色収差PACと媒
質の屈折力比aとの関係を式(a)および式(c)から
求めると次の式(a’)および(c’)のように表わせ
る。 (a’) PS=φ{(1−N00)a+N00}/N00 2 (c’) PAC=φ{(V00−V10)a+V10}/V0010 上記の式(a’)および式(c’)におけるPSおよび
PACとaとの関係を図示すると図7の通りである。尚
この図では、縦軸にPSおよびPACを又横軸にaをと
った。
【0025】この図7および式(a’)よりPS=0と
なるときの媒質の屈折力比aPS[=N00/(N00
1)]の存在範囲は、ラジアル型屈折率分布レンズの素
材特性より1.4<N00<2程度であり、これより2<
PS<3.5程度であると考えられる。このことから、
ラジアル型屈折率分布レンズで、ペッツバール和と軸上
色収差を同時に補正するには、PAC=0となる時の媒
質の屈折力比aPAC [=V10/(V10−V00)]の存在
範囲が0.5<aPAC <5程度であることが好ましい。
ラジアル型屈折率分布レンズの素材特性から20<V00
<90程度であり、また前記の条件(3)を満足させる
とすると、ラジアル型屈折率分布レンズが前記の0.5
<aPAC <5の存在範囲を満足するためには、次の条件
(7)を満足することが望ましい。 (7) −0.05<1/V10<1/V00 ラジアル型屈折率分布レンズのV10が上記の条件(7)
を満足すれば、aPSおよびaPAC の存在範囲をほぼ一致
させることが可能になり、ペッツバール和を補正すると
同時に軸上色収差を補正することが可能になる。もしこ
の条件を満足しなければ、ペッツバール和と同時に軸上
色収差を良好に補正することができなくなる。
【0026】上記のように、ラジアル型屈折率分布レン
ズペッツバール和と軸上色収差とを同時に補正するため
には、条件(7)を満足することが望ましいが、この時
さらに媒質の屈折力比aの値を考えると、a>1となる
ことが望ましい。更に第1レンズは、φ +φ >0で
あることから、本発明のレンズ系において、第1レンズ
が次の条件(8)を満足することが一層好ましい。 (8) φ<0 つまり、本発明のレンズ系において、ペッツバール和と
軸上色収差とを補正する上で、第1レンズの面の形状
は、凹レンズの形状であることが望ましい。もしも、第
1レンズの面の形状が凸レンズの形状であると、つまり
φ>0であると、0<a<1となり、ペッツバール和
と軸上色収差とを十分に補正できなくなり好ましくな
い。
【0027】また、球面収差の補正を考えた場合、第1
レンズで発生する負の球面収差を極力小さくするには、
第1レンズは、凹面を物体側に向けたメニスカス形状と
するのが望ましい。このような形状であれば、第1レン
ズへ入射するマージナル光線の屈折角を小さく出来、負
の球面収差の発生量を小さくすることが可能である。も
しも第1レンズが、凸面を物体側に向けた形状であれ
ば、負の球面収差を良好に補正することが難しくなる。
【0028】以上のように、本発明のレンズ系において
ペッツバール和、軸上色収差および球面収差を同時に良
好に補正することを考えた場合、第1レンズは、凹面を
物体側に向けた負のメニスカスレンズの形状とすること
が望ましい。
【0029】更に本発明のレンズ系において、倍率の色
収差、歪曲収差等の軸外収差をも良好に補正することを
考えると、正の屈折力を有する第2レンズを入射瞳を無
限遠とした時の軸外主光線の光軸と交わる点を境にし
て、この点よりも像側に配置することが好ましい。つま
り、第1レンズおよび第2レンズを上記の交点を境にし
て対称に配置することにより、ペッツバール和、軸上色
収差、球面収差だけでなく倍率の色収差、歪曲収差等の
軸外収差も良好に補正することが可能になる。
【0030】
【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1 f=16.44mm ,NA=0.299 ,WD=8.24mm,β=10× r1 =-15.1794 d1 =10.5682 (屈折率分布
型レンズ1) r2 =-96.4600 d2 =17.7068 r3 =-13.0488 d3 =6.3648 (屈折率分布
型レンズ2) r4 =-22.0762 φ1 /φ2 =10.86 |N10/f2 |=2.01×10-5(第1レンズ)、0.67×10
-5(第2レンズ) d/f=0.6428(第1レンズ)、0.3872( 第2レンズ) V00=49.31 (第1レンズ)、49.31 (第2レンズ) V10=172.49(第1レンズ)、96.56 (第2レンズ) φS =-0.039(第1レンズ)、-0.016(第2レンズ) 1/V10=0.0058(第1レンズ),0.0104(第2レン
ズ) 1/V00=0.0203(第1レンズ),0.0203(第2レン
ズ)
【0031】実施例2 f=8.82mm,NA=0.487 ,WD=3.04mm,β=-20 × r1 =-6.2632 d1 =7.8328 (屈折率分布
型レンズ1) r2 =-31.3844 d2 =14.0511 r3 =-110.0147 d3 =3.6105 (屈折率分布
型レンズ2) r4 =91.0789 φ1 /φ2 =8.0 |N10/f2 |=16.52 ×10-5(第1レンズ)、5.25×
10-5(第2レンズ) d/f=0.8881(第1レンズ)、0.4094( 第2レンズ) V00=49.31 (第1レンズ)、57.33 (第2レンズ) V10=172.34(第1レンズ)、155.19(第2レンズ) φS =-0.082(第1レンズ)、-0.013(第2レンズ) 1/V10=0.0058(第1レンズ),0.0064(第2レン
ズ) 1/V00=0.0203(第1レンズ),0.0174(第2レン
ズ)
【0032】実施例3 f=4.36mm,NA=0.700 ,WD=1.44mm,β=40× r1 =-4.3845 d1 =8.5290 (屈折率分布
型レンズ1) r2 =-19.0683 d2 =6.7184 r3 =16.1966 d3 =7.4428 (屈折率分布
型レンズ2) r4 =9.8443 屈折率分布型レンズ1 N00102030 d線 1.74330 -0.15316 ×10-1 -0.29035 ×10-5 0.35506×10-6 C線 1.73875 -0.15299 ×10-1 -0.29010 ×10-5 0.35452×10-6 F線 1.75382 -0.15355 ×10-1 -0.29094 ×10-5 0.35632×10-6 屈折率分布型レンズ2 N00 N102030 d線 1.74330 -0.11779 ×10-2 0.33710 ×10-4 0.26552×10-6 C線 1.73875 -0.11758 ×10-2 0.33656 ×10-4 0.26511×10-6 F線 1.75382 -0.11829 ×10-2 0.33835 ×10-4 0.26647×10-6 φ1 /φ2 =59.67 |N10/f2 |=80.57 ×10-5(第1レンズ)、6.20×
10-5(第2レンズ) d/f=1.9562(第1レンズ)、1.7071( 第2レンズ) V00=49.31 (第1レンズ)、49.31 (第2レンズ) V10=270.99(第1レンズ)、166.25(第2レンズ) φS =-0.098(第1レンズ)、-0.015(第2レンズ) 1/V10=0.0037(第1レンズ),0.0060(第2レン
ズ) 1/V00=0.0203(第1レンズ),0.0203(第2レン
ズ) ただしr1 ,r2 ,・・・ はレンズ各面の曲率半径、d
1 ,d2 ,・・・ は各レンズの肉厚およびレンズ間隔であ
る。
【0033】実施例1は、図1に示す構成である。つま
り物体側より順に正の屈折力の第1レンズと正の屈折力
の第2レンズとからなり、倍率が10倍、NAが約0.
3の2枚のレンズからなる顕微鏡対物レンズである。こ
のレンズ系は、第1レンズと第2レンズにラジアル型屈
折率分布レンズを用い条件(1)を満足することにより
NAの大きなレンズ系にすることになった。更に第1レ
ンズと第2レンズが条件(2),(3),(4),
(5)を満足することによりレンズ枚数が2枚にもかか
わらずペッツバール和と軸上色収差を良好に補正するこ
とを可能にしている。更に正の屈折力の第1レンズが条
件(6),(7),(8)を満足し、レンズ形状を物体
側に凹面を向けた負のメニスカス形状としたことによ
り、ペッツバール和、軸上色収差、球面収差を同時に良
好に補正することを可能にした。また正の屈折力の第2
レンズを入射瞳が無限遠の時の軸外主光線1と光軸2と
の交点3を境にして第1レンズと対称に配置して軸外収
差も良好に補正するようにしている。この実施例の収差
状況は図4に示す通りである。
【0034】実施例2は、図2に示す通りで、物体側よ
り順に、正の屈折力の第1レンズと正の屈折力の第2レ
ンズとからなり、倍率が20倍、NAが約0.49のレ
ンズ枚数が2枚の顕微鏡対物レンズである。このレンズ
系の第1レンズと第2レンズはラジアル型屈折率分布レ
ンズで、条件(1)を満足することによりNAの大きい
レンズ系とすることを可能にした。更に第1レンズと第
2レンズは、条件(2)乃至条件(5)を満足し、又正
の屈折力の第1レンズを条件(6)〜(8)を満足する
ようにし又レンズの形状を物体側に凹面を向けた負のメ
ニスカス形状とし、更に正の屈折力の第2レンズを入射
瞳が無限遠の時の軸外主光線1と光軸2とが交わる点3
を境にして第1レンズと対称に配置して、実施例1と同
様の効果が得られるようにしている。この実施例2は、
実施例1と比較して倍率とNAが共に大になっているが
諸収差は良好に補正されている。この実施例の収差状況
は、図5に示す通りである。
【0035】実施例3は、図3に示す通りであって、物
体側から順に、正の屈折力の第1レンズと正の屈折力の
第2レンズとからなっている。この実施例は、倍率が4
0倍、NAが約70で、2枚のレンズで構成した顕微鏡
対物レンズである。このレンズ系の第1レンズと第2レ
ンズは、いずれもラジアル型屈折率分布レンズで、条件
(1)を満足することにより、NAの大きなレンズ系に
なっている。更に第1レンズと第2レンズは条件(2)
〜(5)を満足し、正の屈折力を有する第1レンズが条
件(6)〜条件(8)を満足しかつレンズの形状を物体
側に凹面を向けた負のメニスカス形状とし、更に第2レ
ンズを入射瞳が無限遠の時の軸外主光線1と光軸2とが
交わる交点3を境にして、第1レンズと対称に配置して
実施例1と同様の効果を得ている。更にこの実施例3
は、実施例1に比較して倍率、NA共に大きな値になっ
ているが諸収差は良好に補正されている。特にNAは約
0.7と実施例1,2に比べて非常に大きな値になって
いるが、ラジアル型屈折率分布レンズの高次の項N30
設計時用いたことにより球面収差が良好に補正されてい
る。この実施例3の収差状況は、図6に示す通りであ
る。
【0036】
【発明の効果】本発明の顕微鏡対物レンズは、NAが
0.2以上であり2枚と少ないレンズ枚数で諸収差が良
好に補正されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の断面図
【図2】本発明の実施例2の断面図
【図3】本発明の実施例3の断面図
【図4】本発明の実施例1の収差曲線図
【図5】本発明の実施例2の収差曲線図
【図6】本発明の実施例3の収差曲線図
【図7】ラジアル型屈折率分布レンズのペッツバール和
および軸上色収差と媒質の屈折力比との関係を示す図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−59190(JP,A) 特開 昭60−221716(JP,A) 特開 昭61−5222(JP,A) 特開 平4−42109(JP,A) 特開 昭60−220305(JP,A) 特開 昭60−218614(JP,A) 特開 平4−42110(JP,A) 特開 平3−189608(JP,A) 特開 平2−124509(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2枚のレンズよりなり、2枚のレンズがい
    ずれも下記の式にて表わされる光軸から半径方向に屈折
    率分布を有するラジアル型屈折率分布レンズであって、
    物体側から順に、正の屈折力の第1レンズと正の屈折力
    の第2レンズとよりなり、NAが0.2以上となるよう
    に以下の条件(1)を満足する顕微鏡対物レンズ。 N(r)=N00+N102+N204+・・・ (1) φ1/φ2>5.0 ここでrは光軸から半径方向の距離、N00は光軸上の屈
    折率、N10,N20,・・・はそれぞれ2次、4次、・・
    ・の係数、φ1,φ2 は夫々第1レンズと第2レンズの
    屈折力である。
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