JP3708845B2 - 両テレセントリック対物レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両テレセントリック対物レンズに関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、画像処理技術の発展を背景に、多彩な画像処理測定機が商品化され始めている。測定ワークも多様化、複雑化が進み、従来、投影検査機の測定範疇にあった比較的大きく、また、厚い機械部品、刃工具、電子部品なども画像処理測定機で測定したいというニーズが出始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、物体視野が広く、また、厚く、段差のある機械部品などを測定できるような焦点深度が深く、テレセントリシティ（軸外光束の主光線と光軸の平行度）のよく補正された倍率が１×以下の低倍率のテレセントリック対物レンズの出現が要請されている。
【０００４】
また、測定に用いるテレセントリック対物レンズは、レンズ群が前群と後群の２群に分かれ、前群の後側焦点と後群の前側焦点とを一致させて配置し、その一致した焦点位置に絞りをおいた、いわゆる、両テレセントリック光学系が、原理上、その結像倍率が物体の位置には関係なく、前群と後群の焦点距離によってのみ決まるため、より望ましい。
【０００５】
本発明の目的は、このような状況に対応するために、諸収差および軸外光束の主光線のテレセントリシティがよく補正された画像処理測定機に好適な倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の両テレセントリック対物レンズは、次の構成を採用している。
すなわち、全体として正の屈折力をもつ前群と、全体として正の屈折力をもつ後群とからなり、前群の後側焦点と後群の前側焦点とを一致させるように配置し、その一致した焦点位置に絞りを配置して両テレセントリック光学系を構成した両テレセントリック対物レンズにおいて、
前記前群は、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群と、物体側より近い順に凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズと凹レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群とからなり、
前記後群は、凹レンズと凸レンズおよび凹レンズの接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群と、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群とからなり、
前記第１群の凸レンズの屈折率とν値（アッベ数）をそれぞれｎ1p，ν1p、前記第１群の凹レンズの屈折率とν値をそれぞれｎ1n，ν1n、前記第２群の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径をｒ2p、前記第２群の凹レンズの物体側の面の曲率半径をｒ2n、前群全体の焦点距離をｆF、前記第３群の凹レンズの平均屈折率をｎ3n、前記第３群の凸レンズの屈折率をｎ3pとし、かつ、上記屈折率はｄ線（５８７．５６nm）に対する値、焦点距離はｄ線における値とすると、
ｎ1n−ｎ1p＞０．１ …………（１）
ν1p−ν1n＞２５ …………（２）
０．３ｆF＜｜ｒ2n｜＜０．５ｆF …………（３）
１．４＜（ｒ2p／ｒ2n）＜２．７ …………（４）
ｎ3n＜ｎ3p …………（５）
を満たす、ことを特徴とする。
【０００７】
ここで、条件式（１）は、第１群レンズに使用するレンズの屈折率を規定するものである。
条件式（１）の範囲を超えると、凸レンズと凹レンズの屈折率の差が小さくなり、球面収差や主光線のテレセントリシティを補正しようとすると、接合面の曲率半径が小さくなり、球面収差などの高次収差が発生する。さらに、物体周辺から射出した光軸に平行な主光線がテレセントリック絞りの中心を大きくはずれるため、光束全体として見た場合、テレセントリック絞りの中心を通過する光束の主光線は光軸と大きな角度をもってしまう。
このような対物レンズを使用して、段差のある物体を計測すると、物体周辺部では大きな測定誤差を生じることとなる。
【０００８】
条件式（２）は、第１群レンズに使用するレンズのアッベ数を規定するものである。
条件式（２）を超える硝材を使用して色収差を補正した場合、凸レンズ、凹レンズ、双方の屈折力を強くしなければならず、球面収差、コマ収差などの高次収差の発生を招く。また、軸外光束のテレセントリシティも悪化し、他のレンズ群ではこの高次収差を補正しきれない。
【０００９】
つまり、条件式（１）および（２）は、第１群で発生する球面収差、コマ収差、色収差、軸外主光線のテレセントリシティの悪化を最小限にするための条件である。
【００１０】
条件式（３）は、第２群レンズの凹レンズの物体側の面の曲率半径を規定するものである。
条件式（３）の上限を超えて曲率半径が大きくなると、他で発生した球面収差などの補正が不十分になり、前群全体として収差補正不足のままとなり、主光線のテレセントリシティも補正しきれないままとなる。
条件式（３）の下限を超えると、この面での正の収差が発生過剰となり、それを他の面で負の収差を発生させてバランスさせることができなくなるか、または、大きな高次収差の発生を招く。
【００１１】
条件式（４）は、第２群の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径ｒ2pと、第２群の凹レンズの物体側の面の曲率半径ｒ2nとを規定するものである。
この条件は、ｒ2pで発生する負の収差とｒ2n で発生する正の収差とをバランスさせ、かつ、第１群で発生した残存収差を含め、前群全体として収差補正するために必要な条件で、さらに、良好な物体から射出した主光線のテレセントリシティを保つためである。
条件式（４）の上限を超えると、ｒ2n面での正の収差の発生が大きくなり、下限を超えると、ｒ2pでの負の収差の発生が大きくなる。どちらも他の群でこれを補正しようとすると、収差の打ち消しが激しくなり、高次収差の発生が防げず、また、軸外光束の主光線のテレセントリシティが悪化する。
【００１２】
つまり、条件式（３）および（４）は、前群全体として、収差のバランスを保ち、かつ、軸外光束の主光線のテレセントリシティを良好に補正するために、必要な条件である。
【００１３】
条件式（５）は、第３群の凸レンズと凹レンズとの屈折率を規定するためのものである。
この条件は、この群での球面収差、コマ収差などの高次収差を含めた収差の発生を最小限にするために凸レンズに高屈折率の硝材を用い、また、非点収差を良好に補正するために必要な条件であるペッツバール和を低く抑えるために凸レンズに高屈折率硝材を用い、同時に、凹レンズに低屈折率硝材を用いている。
この条件式（５）を超えて凸レンズと凹レンズの硝材を選択すると、ペッツバール和が大きくなり、そのため、非点収差の増大を招く。
この条件は、とくに、前群、後群、全体を通した光学系の非点収差を良好に補正するために必要な条件である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は第１実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図２は第１実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズは、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。つまり、両テレセントリック光学系が構成されている。
【００１５】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6と凹レンズＬ7および凸レンズＬ8の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００１６】
このような構成において、物体位置：-１５０．０２１ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０２ｍｍ、像位置：３３．１７０ｍｍ、後群焦点距離：３０．０２ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数などを表１に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ３２．３６９ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００１７】
【表１】
【００１８】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１３２５５
ν1p−ν1n＝３３．９
｜ｒ2n｜＝０．４８ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝１．５６
ｎ3n＝１．５５６４７＜ｎ3p＝１．７４３２
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００１９】
つまり、第１群Ｇ1の凸レンズの屈折率とν値（アッベ数）をそれぞれｎ1p，ν1p、第１群Ｇ1の凹レンズの屈折率とν値をそれぞれｎ1n，ν1n、第２群Ｇ2の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径をｒ2p、第２群Ｇ2の凹レンズの物体側の面の曲率半径をｒ2n、前群ＧF全体の焦点距離をｆF、第３群Ｇ3の凹レンズの平均屈折率をｎ3n、第３群Ｇ3の凸レンズの屈折率をｎ3pとし、かつ、上記屈折率はｄ線（５８７．５６nm）に対する値、焦点距離はｄ線における値とすると、
ｎ1n−ｎ1p＞０．１ …………（１）
ν1p−ν1n＞２５ …………（２）
０．３ｆF＜｜ｒ2n｜＜０．５ｆF …………（３）
１．４＜（ｒ2p／ｒ2n）＜２．７ …………（４）
ｎ3n＜ｎ3p …………（５）
を満たしている。
【００２０】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図２に示す。なお、図２中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図２は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表２に、各物体高さ（１０，１４，２０ｍｍ）における軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表２からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００２１】
【表２】
【００２２】
［第２実施形態］
図３は第２実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図４は第２実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００２３】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3と凹レンズＬ4とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ5と凹レンズＬ6および凸レンズＬ7の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ8および凸レンズＬ9の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００２４】
このような構成において、物体位置：-１５１．７０２ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０６ｍｍ、像位置：３５．４４５ｍｍ、後群焦点距離：２９．９８ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表２に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ7面より像側へ３０．０４５ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ9は各レンズ、ｒ1〜ｒ15は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ14はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ9は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν9は硝材のアッベ数である。
【００２５】
【表３】
【００２６】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１３２５５
ν1p−ν1n＝３３．９
｜ｒ2n｜＝０．３８８ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝１．４２
ｎ3n＝１．６１４９７＜ｎ3p＝１．７２９１６
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００２７】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差の測定結果を図４に示す。なお、図４中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図４は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表４に、各物体高さ（１０，１４，２０ｍｍ）における軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表４からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００２８】
【表４】
【００２９】
［第３実施形態］
図５は第３実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図６は第３実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００３０】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6と凹レンズＬ7および凸レンズＬ8の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００３１】
このような構成において、物体位置：-１５９．６２３ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．００ｍｍ、像位置：３３．１７５ｍｍ、後群焦点距離：３０．０６ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表３に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ２５．９７ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００３２】
【表５】
【００３３】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１８５６９
ν1p−ν1n＝２７
｜ｒ2n｜＝０．３５ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝２．６
ｎ3n＝１．５５６４７＜ｎ3p＝１．７４３３
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００３４】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図６に示す。なお、図６中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図６は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表６に、各物体高さにおける軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表６からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる
【００３５】
【表６】
【００３６】
［第４実施形態］
図７は第４実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図８は第４実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００３７】
前群ＧFは、凹レンズＬ1および凸レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6および凸レンズＬ7の接合レンズと凹レンズＬ8とからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００３８】
このような構成において、物体位置：-１６１．０５１ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０１ｍｍ、像位置：２６．２１３ｍｍ、後群焦点距離：３０．０１ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表４に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ２６．０３ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００３９】
【表７】
【００４０】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１８５６９
ν1p−ν1n＝２７
｜ｒ2n｜＝０．３６ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝２．５
ｎ3n＝１．５２９４８＜ｎ3p＝１．７４１
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００４１】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図８に示す。なお、図８中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図８は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表８に、各物体高さにおける軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表８からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００４２】
【表８】
【００４３】
なお、上記各実施形態では、前群焦点距離が１５０ｍｍ、後群の焦点距離が３０ｍｍ程度で、倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを挙げたが、前群の数値を、たとえば、２倍して３００ｍｍとし、その後側焦点をテレセントリック絞りに合わせて配置すれば、そのまま０．１×の両テレセントリックレンズとして使用できる。
また、上記各実施形態では、像高Ｙ’＝４ｍｍのときの値として数値示したが、実施形態の数値をそのまま２倍すれば、像高Ｙ’＝８ｍｍの両テレセントリック対物レンズとしてそのまま使用できる。
本発明の技術的思想の範囲内で、上記のように他の倍率への展開や、有効像円の増減が可能なことは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、諸収差および軸外光束の主光線のテレセントリシティがよく補正された画像処理測定機に好適な倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図２】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図４】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図６】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図８】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ1 第１群
Ｇ2 第２群
Ｇ3 第３群
Ｇ4 第４群
Ｌ1〜Ｌ15 レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、両テレセントリック対物レンズに関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、画像処理技術の発展を背景に、多彩な画像処理測定機が商品化され始めている。測定ワークも多様化、複雑化が進み、従来、投影検査機の測定範疇にあった比較的大きく、また、厚い機械部品、刃工具、電子部品なども画像処理測定機で測定したいというニーズが出始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、物体視野が広く、また、厚く、段差のある機械部品などを測定できるような焦点深度が深く、テレセントリシティ（軸外光束の主光線と光軸の平行度）のよく補正された倍率が１×以下の低倍率のテレセントリック対物レンズの出現が要請されている。
【０００４】
また、測定に用いるテレセントリック対物レンズは、レンズ群が前群と後群の２群に分かれ、前群の後側焦点と後群の前側焦点とを一致させて配置し、その一致した焦点位置に絞りをおいた、いわゆる、両テレセントリック光学系が、原理上、その結像倍率が物体の位置には関係なく、前群と後群の焦点距離によってのみ決まるため、より望ましい。
【０００５】
本発明の目的は、このような状況に対応するために、諸収差および軸外光束の主光線のテレセントリシティがよく補正された画像処理測定機に好適な倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の両テレセントリック対物レンズは、次の構成を採用している。
すなわち、全体として正の屈折力をもつ前群と、全体として正の屈折力をもつ後群とからなり、前群の後側焦点と後群の前側焦点とを一致させるように配置し、その一致した焦点位置に絞りを配置して両テレセントリック光学系を構成した両テレセントリック対物レンズにおいて、
前記前群は、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群と、物体側より近い順に凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズと凹レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群とからなり、
前記後群は、凹レンズと凸レンズおよび凹レンズの接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群と、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群とからなり、
前記第１群の凸レンズの屈折率とν値（アッベ数）をそれぞれｎ1p，ν1p、前記第１群の凹レンズの屈折率とν値をそれぞれｎ1n，ν1n、前記第２群の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径をｒ2p、前記第２群の凹レンズの物体側の面の曲率半径をｒ2n、前群全体の焦点距離をｆF、前記第３群の凹レンズの平均屈折率をｎ3n、前記第３群の凸レンズの屈折率をｎ3pとし、かつ、上記屈折率はｄ線（５８７．５６nm）に対する値、焦点距離はｄ線における値とすると、
ｎ1n−ｎ1p＞０．１ …………（１）
ν1p−ν1n＞２５ …………（２）
０．３ｆF＜｜ｒ2n｜＜０．５ｆF …………（３）
１．４＜（ｒ2p／ｒ2n）＜２．７ …………（４）
ｎ3n＜ｎ3p …………（５）
を満たす、ことを特徴とする。
【０００７】
ここで、条件式（１）は、第１群レンズに使用するレンズの屈折率を規定するものである。
条件式（１）の範囲を超えると、凸レンズと凹レンズの屈折率の差が小さくなり、球面収差や主光線のテレセントリシティを補正しようとすると、接合面の曲率半径が小さくなり、球面収差などの高次収差が発生する。さらに、物体周辺から射出した光軸に平行な主光線がテレセントリック絞りの中心を大きくはずれるため、光束全体として見た場合、テレセントリック絞りの中心を通過する光束の主光線は光軸と大きな角度をもってしまう。
このような対物レンズを使用して、段差のある物体を計測すると、物体周辺部では大きな測定誤差を生じることとなる。
【０００８】
条件式（２）は、第１群レンズに使用するレンズのアッベ数を規定するものである。
条件式（２）を超える硝材を使用して色収差を補正した場合、凸レンズ、凹レンズ、双方の屈折力を強くしなければならず、球面収差、コマ収差などの高次収差の発生を招く。また、軸外光束のテレセントリシティも悪化し、他のレンズ群ではこの高次収差を補正しきれない。
【０００９】
つまり、条件式（１）および（２）は、第１群で発生する球面収差、コマ収差、色収差、軸外主光線のテレセントリシティの悪化を最小限にするための条件である。
【００１０】
条件式（３）は、第２群レンズの凹レンズの物体側の面の曲率半径を規定するものである。
条件式（３）の上限を超えて曲率半径が大きくなると、他で発生した球面収差などの補正が不十分になり、前群全体として収差補正不足のままとなり、主光線のテレセントリシティも補正しきれないままとなる。
条件式（３）の下限を超えると、この面での正の収差が発生過剰となり、それを他の面で負の収差を発生させてバランスさせることができなくなるか、または、大きな高次収差の発生を招く。
【００１１】
条件式（４）は、第２群の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径ｒ2pと、第２群の凹レンズの物体側の面の曲率半径ｒ2nとを規定するものである。
この条件は、ｒ2pで発生する負の収差とｒ2n で発生する正の収差とをバランスさせ、かつ、第１群で発生した残存収差を含め、前群全体として収差補正するために必要な条件で、さらに、良好な物体から射出した主光線のテレセントリシティを保つためである。
条件式（４）の上限を超えると、ｒ2n面での正の収差の発生が大きくなり、下限を超えると、ｒ2pでの負の収差の発生が大きくなる。どちらも他の群でこれを補正しようとすると、収差の打ち消しが激しくなり、高次収差の発生が防げず、また、軸外光束の主光線のテレセントリシティが悪化する。
【００１２】
つまり、条件式（３）および（４）は、前群全体として、収差のバランスを保ち、かつ、軸外光束の主光線のテレセントリシティを良好に補正するために、必要な条件である。
【００１３】
条件式（５）は、第３群の凸レンズと凹レンズとの屈折率を規定するためのものである。
この条件は、この群での球面収差、コマ収差などの高次収差を含めた収差の発生を最小限にするために凸レンズに高屈折率の硝材を用い、また、非点収差を良好に補正するために必要な条件であるペッツバール和を低く抑えるために凸レンズに高屈折率硝材を用い、同時に、凹レンズに低屈折率硝材を用いている。
この条件式（５）を超えて凸レンズと凹レンズの硝材を選択すると、ペッツバール和が大きくなり、そのため、非点収差の増大を招く。
この条件は、とくに、前群、後群、全体を通した光学系の非点収差を良好に補正するために必要な条件である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は第１実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図２は第１実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズは、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。つまり、両テレセントリック光学系が構成されている。
【００１５】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6と凹レンズＬ7および凸レンズＬ8の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００１６】
このような構成において、物体位置：-１５０．０２１ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０２ｍｍ、像位置：３３．１７０ｍｍ、後群焦点距離：３０．０２ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数などを表１に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ３２．３６９ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００１７】
【表１】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１３２５５
ν1p−ν1n＝３３．９
｜ｒ2n｜＝０．４８ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝１．５６
ｎ3n＝１．５５６４７＜ｎ3p＝１．７４３２
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００１９】
つまり、第１群Ｇ1の凸レンズの屈折率とν値（アッベ数）をそれぞれｎ1p，ν1p、第１群Ｇ1の凹レンズの屈折率とν値をそれぞれｎ1n，ν1n、第２群Ｇ2の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径をｒ2p、第２群Ｇ2の凹レンズの物体側の面の曲率半径をｒ2n、前群ＧF全体の焦点距離をｆF、第３群Ｇ3の凹レンズの平均屈折率をｎ3n、第３群Ｇ3の凸レンズの屈折率をｎ3pとし、かつ、上記屈折率はｄ線（５８７．５６nm）に対する値、焦点距離はｄ線における値とすると、
ｎ1n−ｎ1p＞０．１ …………（１）
ν1p−ν1n＞２５ …………（２）
０．３ｆF＜｜ｒ2n｜＜０．５ｆF …………（３）
１．４＜（ｒ2p／ｒ2n）＜２．７ …………（４）
ｎ3n＜ｎ3p …………（５）
を満たしている。
【００２０】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図２に示す。なお、図２中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図２は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表２に、各物体高さ（１０，１４，２０ｍｍ）における軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表２からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００２１】
【表２】
［第２実施形態］
図３は第２実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図４は第２実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００２３】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3と凹レンズＬ4とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ5と凹レンズＬ6および凸レンズＬ7の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ8および凸レンズＬ9の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００２４】
このような構成において、物体位置：-１５１．７０２ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０６ｍｍ、像位置：３５．４４５ｍｍ、後群焦点距離：２９．９８ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表２に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ7面より像側へ３０．０４５ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ9は各レンズ、ｒ1〜ｒ15は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ14はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ9は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν9は硝材のアッベ数である。
【００２５】
【表３】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１３２５５
ν1p−ν1n＝３３．９
｜ｒ2n｜＝０．３８８ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝１．４２
ｎ3n＝１．６１４９７＜ｎ3p＝１．７２９１６
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００２７】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差の測定結果を図４に示す。なお、図４中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図４は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表４に、各物体高さ（１０，１４，２０ｍｍ）における軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表４からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００２８】
【表４】
［第３実施形態］
図５は第３実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図６は第３実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００３０】
前群ＧFは、凸レンズＬ1および凹レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6と凹レンズＬ7および凸レンズＬ8の接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００３１】
このような構成において、物体位置：-１５９．６２３ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．００ｍｍ、像位置：３３．１７５ｍｍ、後群焦点距離：３０．０６ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表３に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ２５．９７ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００３２】
【表５】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１８５６９
ν1p−ν1n＝２７
｜ｒ2n｜＝０．３５ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝２．６
ｎ3n＝１．５５６４７＜ｎ3p＝１．７４３３
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００３４】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図６に示す。なお、図６中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図６は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表６に、各物体高さにおける軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表６からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる
【００３５】
【表６】
［第４実施形態］
図７は第４実施形態の両テレセントリック対物レンズの構成を示す図、図８は第４実施形態の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
本実施形態の両テレセントリック対物レンズも、第１実施形態と同様に、全体として正の屈折力をもつ前群ＧFと、全体として正の屈折力をもつ後群ＧRとからなり、前群ＧFの後側焦点と後群ＧRの前側焦点とが一致するように配置され、その一致した焦点位置に絞りが配置された構成である。
【００３７】
前群ＧFは、凹レンズＬ1および凸レンズＬ2の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群Ｇ1と、物体側より近い順に凸レンズＬ3および凹レンズＬ4の接合レンズと凹レンズＬ5とからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群Ｇ2とからなる。
後群ＧRは、凹レンズＬ6および凸レンズＬ7の接合レンズと凹レンズＬ8とからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群Ｇ3と、凹レンズＬ9および凸レンズＬ10の接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群Ｇ4とからなる。
【００３８】
このような構成において、物体位置：-１６１．０５１ｍｍ、前群焦点距離（前群全体の焦点距離）ｆF：１５０．０１ｍｍ、像位置：２６．２１３ｍｍ、後群焦点距離：３０．０１ｍｍ、結像倍率：-０．２×の条件で、各レンズの光学定数を表４に示すように設定した。なお、絞り位置は、ｒ8面より像側へ２６．０３ｍｍの位置である。
ここで、Ｌ1〜Ｌ10は各レンズ、ｒ1〜ｒ16は各レンズ各面の曲率半径、ｄ1〜ｄ15はレンズの厚みまたは間隔、ｎ1〜ｎ10は波長ｄ線における硝材の屈折率、ν1〜ν10は硝材のアッベ数である。
【００３９】
【表７】
以上の各レンズ系の光学定数を基に、上記条件式（１）〜（５）を求めると、
ｎ1n−ｎ1p＝０．１８５６９
ν1p−ν1n＝２７
｜ｒ2n｜＝０．３６ｆF
（ｒ2p／ｒ2n）＝２．５
ｎ3n＝１．５２９４８＜ｎ3p＝１．７４１
となり、全ての条件式（１）〜（５）を満たしている。
【００４１】
本実施形態における球面収差、非点収差および歪曲収差を図８に示す。なお、図８中において、ｄ，Ｆ，Ｃは波長ｄ線、Ｆ線、Ｃ線、NAは像側のNA、Y’は像高を示す。図８は、物体側より像側に向かって光線追跡することによって得られたものであり、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
また、表８に、各物体高さにおける軸外光束主光線のテレセントリシティを示す。なお、テレセントリシティの角度の符号は、＋は物体から対物レンズに主光線が向かう時、光軸に対して発散する方向、−は収束する方向である。この表８からも、軸外光束主光線のテレセントリシティが良好に補正されていることがわかる。
【００４２】
【表８】
なお、上記各実施形態では、前群焦点距離が１５０ｍｍ、後群の焦点距離が３０ｍｍ程度で、倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを挙げたが、前群の数値を、たとえば、２倍して３００ｍｍとし、その後側焦点をテレセントリック絞りに合わせて配置すれば、そのまま０．１×の両テレセントリックレンズとして使用できる。
また、上記各実施形態では、像高Ｙ’＝４ｍｍのときの値として数値示したが、実施形態の数値をそのまま２倍すれば、像高Ｙ’＝８ｍｍの両テレセントリック対物レンズとしてそのまま使用できる。
本発明の技術的思想の範囲内で、上記のように他の倍率への展開や、有効像円の増減が可能なことは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、諸収差および軸外光束の主光線のテレセントリシティがよく補正された画像処理測定機に好適な倍率が０．２×程度の両テレセントリック対物レンズを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図２】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図４】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図６】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る両テレセントリック対物レンズの構成を示す図である。
【図８】同上実施形態の両テレセントリック対物レンズの球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ1 第１群
Ｇ2 第２群
Ｇ3 第３群
Ｇ4 第４群
Ｌ1〜Ｌ15 レンズ
Claims (1)
- 全体として正の屈折力をもつ前群と、全体として正の屈折力をもつ後群とからなり、前群の後側焦点と後群の前側焦点とを一致させるように配置し、その一致した焦点位置に絞りを配置して両テレセントリック光学系を構成した両テレセントリック対物レンズにおいて、
前記前群は、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第１群と、物体側より近い順に凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズと凹レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第２群とからなり、
前記後群は、凹レンズと凸レンズおよび凹レンズの接合レンズとからなり、全体として正の屈折力をもつ第３群と、凸レンズおよび凹レンズの接合レンズからなり、全体として正の屈折力をもつ第４群とからなり、
前記第１群の凸レンズの屈折率とν値（アッベ数）をそれぞれｎ1p，ν1p、前記第１群の凹レンズの屈折率とν値をそれぞれｎ1n，ν1n、前記第２群の凸レンズまたは凸レンズおよび凹レンズの接合レンズの物体より最も遠い面の曲率半径をｒ2p、前記第２群の凹レンズの物体側の面の曲率半径をｒ2n、前群全体の焦点距離をｆF、前記第３群の凹レンズの平均屈折率をｎ3n、前記第３群の凸レンズの屈折率をｎ3pとし、かつ、上記屈折率はｄ線（５８７．５６nm）に対する値、焦点距離はｄ線における値とすると、
ｎ1n−ｎ1p＞０．１ …………（１）
ν1p−ν1n＞２５ …………（２）
０．３ｆF＜｜ｒ2n｜＜０．５ｆF …………（３）
１．４＜（ｒ2p／ｒ2n）＜２．７ …………（４）
ｎ3n＜ｎ3p …………（５）
を満たす、
ことを特徴とする両テレセントリック対物レンズ。
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