JP4059644B2

JP4059644B2 - 観察光学系

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡光学系等の観察光学系、特に対物レンズに回折光学素子を用いたもので、合焦検出可能な観察光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡等の光学装置の焦点を検出してその検出結果を用いて合焦させる焦点検出装置の従来例として、特開昭５７−２２２１０号公報に記載された装置が知られている。この従来例の検出装置は能動方式で、光源から発した光束を結像光学系を通して物体側に投光するＴＴＬ方式の焦点検出装置である。それは、図７に示す通りの構成で、１はレーザーダイオードよりなる光源、２はコリメートレンズ、３は偏光ビームスプリッターで、光源１からの光束はコリメートレンズ２により偏光ビームスプリッター３に入射する。４はコリメートレンズ２と偏光ビームスプリッター３との間に配置された遮光板で、偏光ビームスプリッター３に入射する光束は、この遮光板４により一部が遮断される。５はλ／４板、６はダイクロイックミラー、７は対物レンズで、偏光ビームスプリッター３に入射した光源１よりの光束は、面３ａにて反射された後にレンズＬ₁、Ｌ₂を通り、λ／４板５を通った後にダイクロイックミラー６にて反射されて対物レンズ７により標本１１上に集光する。ここで光源１より発した直線偏光の光束は、λ／４板５を通って円偏光になる。また、このλ／４板を通りダイクロイックミラーにて反射された光は、遮光板４により一部遮断されているため、図８に示すような瞳面上のすべてを満たしたものではなく、光軸８に対して片側の斜線１０の部分のみを通過する光束である。
【０００３】
このように対物レンズ７を通過した光束は、標本面１１を照明する。これにより標本面１１にて反射された光束は、再び対物レンズ７に入射し、瞳面９上においては、光軸８に対して図８に示す領域１０とは反対側の１０’を主として通過する。対物レンズ７を通過した光束は、ダイクロイックミラー６にて反射し、λ／４板５を通った後レンズＬ₁により中間像位置１３上にスポット状の中間像を形成する。更にこの光束はレンズＬ₂により略平行光束となり、偏光ビームスプリッター３に入射する。この偏光ビームスプリッター３に入射する光束は、λ／４板５を２回通過するために、光源を発した時の偏光方向に対し９０°回転した偏光になっている。そのために、偏光ビームスプリッター３にて反射されることなく面３ａを通り、レンズＬ₃にて集光され、ｙ軸方向に伸びたラインセンサー１２上にスポット像を形成する。上記の光学系において、光源１と標本面１１、標本面１１とラインセンサー１２上の検出面とは光学的にほぼ共役関係にある。なお標本面１１よりの光で対物レンズ７を通りダイクロイックミラー６を透過した光は、図示されていない結像光学系で（例えば結像レンズ等を通った後）観察される構成になっている。
【０００４】
図９は、標本面１１上の光束を示すもので、合焦位置である１１ａに標本面１１がある場合は、ラインセンサー１２上の検出面における光束は、図１０の（Ａ）に示すようにスポット像になる。しかし、標本１１が合焦位置１１ａから外れて例えば１１ｂあるいは１１ｃの位置に置かれた場合、ラインセンサー１２上の検出面上では、図１０の（Ｂ）又は（Ｃ）に示すように中心位置からずれた位置にスポット像が形成される。したがってラインセンサー１２上のスポット像の強度分布により、合焦状態が図１０の（Ｃ）のように前ピンであるか図１０の（Ｂ）のように後ピンであるかを判断できる。
【０００５】
また、顕微鏡対物レンズのうち、紫外領域の波長を用いる対物レンズには、特開平６−３４７７００号公報や特開平１１−３２６７７２号公報に記載されたもの等、高度な色収差補正能力を持つ回折光学素子を備えたものが知られている。
【０００６】
これら顕微鏡対物レンズにて用いられている回折光学素子は、例えばオプトロニックス社発行の「光学デザイナーのための小型光学エレメント」第６章、第７章やＳＰＩＥＮ_O．１６２、Ｐ．４６〜５３（１９７７）あるいは特開平６−３４７７００号公報に記載されている通りで、下記のようなものである。即ちこの回折光学素子は、通常のレンズが屈折作用により光線を折り曲げるのに対して回折作用により光線を曲げるものである。そして、この作用を利用してレンズとして用いたのが回折レンズである。屈折は、スネルの法則にしたがい、波長の短いほど大きく屈折されるのに対し、回折レンズは逆に波長の長い光ほど強く曲がる。これはアッベ数に換算すると、−３．４５になり逆分散で、非常に高分散である。したがって、通常の屈折レンズと回折レンズとを組み合わせることによって、非常に良好な色収差補正が可能になる。また、回折による曲がり角は、ピッチを変えることによって自由に制御できるため極めて自由度の高い非球面特性を持たせることが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す光学系において、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）６が、結像に用いられる波長λ₁と合焦検出に用いられる波長λ₂とを確実に分離し得ないと、波長λ₂の光がハーフミラー６を透過して結像光学系へ達する。この結果、結像光学系にて光源１からの波長λ₂の光束をスポット像として結像し、これが観察像と重なって観察しにくくなる。これら結像に用いられる光と合焦検出に用いられる光とが確実に分離されるためには、両波長の間の波長の前後で透過率が大きく変化する特性を有するハーフミラーを用いればよい。但し、このような特性を得るためには、結像に用いる波長λ₁と合焦検出に用いる波長λ₂とが近接していないことが望ましい。
【０００８】
周知のとおり、薄肉屈折レンズの焦点距離ｆは下記の式（３）にて与えられ、またＦ線の焦点距離ｆ_FとＣ線の焦点距離ｆ_Cとの比ｆ_C／ｆ_Fは次の式（４）にて与えられる。

ただし、ｎは屈折率、ｒ₁，ｒ₂は夫々第１面および第２面の曲率半径、ｎ_F、ｎ_C、ｎ_dは夫々Ｆ−線、Ｃ−線、ｄ−線の屈折率、ν_dはアッベ数である。
【０００９】
したがって焦点距離ｆの変化は、アッベ数の逆数程度であって、この場合おおよそ１．５〜４％増である。
【００１０】
一方、回折は、次の式（５）にしたがっておこる。
ｎ₁ｓｉｎθ₁−ｎ₂ｓｉｎθ₂＝ｍλ／ｐ（５）
ただし、ｎ₁，ｎ₂は夫々領域１，２における屈折率、θ₁，θ₂は夫々入射角および射出角、ｍは回折次数、λは波長、ｐは回折格子のピッチである。
【００１１】
したがって、入射角を０°として回折角が十分小さいとすると、波長と回折角とは比例するので、回折光学素子の焦点距離は波長に反比例する。
【００１２】
このことから、１次の回折次数におけるｆ_C／ｆ_Fの値は、下記の式（６）の通りである。

【００１３】
したがって、焦点距離の変化はこの場合だとおおよそ２６％減である。
【００１４】
以上述べたことから、図７に示すような構成の光学系において、対物レンズが屈折レンズのみから構成されている場合、図示されていない結像光学系にて用いられる波長λ₁における対物レンズの焦点距離ｆ₁と、光源１より発する合焦状態を検出するために用いられる波長λ₂における対物レンズの焦点距離ｆ₂は、大きく異なることはない。そのため屈折レンズのみで構成されている場合は、波長λ₁とλ₂を離すことができる。また、対物レンズとして無限遠補正の対物レンズを用いた場合、対物レンズ７からレンズＬ₁までの光束はほぼ平行光束であり、光量の損失はない。
【００１５】
また、波長λ₂が対物レンズの波長補正範囲外であっても、レンズＬ₁に入射する直前の波面は平面波から大きくずれることはない。そのため、ある対物レンズを使用した時にラインセンサー１２上に良好なスポット像が形成されるように光学系を調整しておけば、他の対物レンズに交換してもレンズＬ₁の位置をｚ方向（光軸方向）に微調整することにより再びラインセンサー１２上に良好なスポット像を形成することができる。
【００１６】
しかし、回折光学素子を用いる構成では回折光学素子単体の焦点距離は波長に反比例するため、回折光学素子を用いた対物レンズは、波長により焦点距離が大きく異なる。このため、図７に示すような光学系で、回折光学素子を用いた対物レンズを使用する場合、レンズＬ₁の微調整では合焦検出が困難になる。これを避けるためには、波長λ₁と波長λ₂を近づければよいが、今度はハーフミラーの特性として十分なものが得られないとの問題が生じる。
【００１７】
更に、回折光学素子は、通常ある波長λ₀（以下基準波長という）、ある回折次数ｍで最適化された形状にて作製される。ここで基準波長λ₀以外の波長λにおける回折効率η_m（λ）は、オプトロニクス社発行の「回折光学素子入門」にも記載されているように、次の式（７）にて与えられる。

【００１８】
また、図１１は、式（７）にもとづくλ／λ₀の値に対するη_m（λ）を示したものである。
【００１９】
上記式（７）より、使用波長λが基準波長λ₀から離れるにつれて回折効率がかなり低下することがわかる。
【００２０】
前述の図７に示す光学系において、結像に用いる波長λ₁における回折効率が低下すると、この低下した分が不要次数光となり、フレアーや色付きの原因となるため好ましくない。また、検出に用いる波長λ₂における回折効率が低下すると、合焦状態にない時のラインセンサー上のスポット像の強度が十分でなくなり、前ピンか後ピンかの判断を行なうことが困難になる。
【００２１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので回折光学素子を用いた対物レンズを備えた光学系で、正確な合焦状態を検出する機能を備えた観察光学系を提供するものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の観察光学系は、光源からの光を標本上に導く照明光学系と、標本の像を観察側に導く対物レンズを含む結像光学系と、合焦状態を検出する合焦光学系とを有し、合焦光学系が対物レンズを含みつまり同一の対物レンズが結像光学系の一部を形成すると共に合焦光学系の一部を形成するように共通に用いられ、この対物レンズが少なくとも１枚の回折光学素子含んでおり、結像に用いる波長λ₁の光線が回折光学素子にて回折する際の回折効率が最大になる回折次数Ａと、合焦状態を検出する際に用いる波長λ₂の光線が回折光学素子にて回折する際の回折効率が最大になる回折次数Ｂとが互いに異なるように構成したものである。
【００２３】
本発明の観察光学系は、上記のように構成することによって二つの波長λ₁、λ₂が近接していなくとも、波長λ₁の回折効率と波長λ₂の回折効率を同時に十分に高くすることができる。例えば波長λ₁の２次回折光の回折効率が十分高くなるように回折面を形成して、波長λ₂を波長λ₁の２倍波長の近辺にとればよい。また、波長λ₁の回折次数Ａは２次を越える整数であってもよい。しかも、波長λ₁と波長λ₂の焦点位置のずれも少なくなるので、合焦検出も容易に行なえる。また、波長λ₁と波長λ₂の値を離すことができるので、ハーフミラーの特性も十分なものが得られる。
【００２４】
また、本発明の観察光学系は、波長λ₁における対物レンズの焦点距離ｆ₁と波長λ₂における対物レンズの焦点距離ｆ₂とが次の条件（１）を満足するものである。
（１）０．７＜ｆ₂／ｆ₁＜１．１
【００２５】
条件（１）においてｆ₂／ｆ₁が上限の１．１を超えると、対物レンズの射出瞳位置から合焦光学系へ向かう光束が発散光束になり、光量の損失を招き、合焦状態にない時のラインセンサー上のスポット像が十分な強度にはならず、不都合である。またｆ₂／ｆ₁が下限の０．７を下まわると、対物レンズの射出瞳位置から合焦光学系へ向かう光束が収斂光束になり、ラインセンサー上で良好なスポット像を得ることが困難になる。したがって対物レンズの射出瞳から合焦光学系へ向かう光束がほぼ平行な光束になることが好ましい。つまり条件（１）を満足することが好ましい。
【００２６】
また、上記構成の本発明の観察光学系において、波長λ₁における回折次数Ａでの回折効率が５０％以上であることが望ましい。このようにすれば、結像光学系へ向かって結像に寄与する光束の光量を十分確保することが可能になる。
【００２７】
また、本発明の観察光学系において、前記波長λ₁における対物レンズの物体側開口数ＮＡ₁と、前記波長λ₂における対物レンズの物体側開口数ＮＡ₂とが次の条件（２）を満足することが望ましい。
（２）ＮＡ₁／２＜ＮＡ₂＜ＮＡ₁
【００２８】
対物レンズを設計する場合、まずＮＡ₁を定め、これよりも開口数の大きい光線は通らないように対物レンズの内部に開口絞りを設けるのが一般的である。
【００２９】
そして一般に、収差補正の波長範囲は、結像に用いられる波長帯でのみ行なわれる。そのため、本発明の観察光学系の対物レンズにおいて、合焦検出で用いる波長λ₂は、前記の収差補正の波長範囲内に入っていない。したがって、ＮＡ₁とＮＡ₂をほぼ同じ値にすると、開口数の大きな光線で収差が発生するため、合焦検出の精度が悪くなる。
【００３０】
更に、本発明の観察光学系は、回折光学素子を含む対物レンズを使用しており、波長λ₁の光に対して回折光学素子の非球面効果、色収差補正効果を利用して集中的に収差補正を行なっている。しかしながら、波長λ₂の光に対しては収差補正されていないため、開口数の大きな光線で発生する収差は更に大になる。つまり図７に示す光学系において、対物レンズの射出瞳から合焦光学系へ向かう光束がレンズＬ₁に入射する直前の波面は、平面波または球面波から外れ、周辺部で大きく乱れたものになる。そのため入射面を、レンズＬ₁を用いて中間像位置１３に良好なスポット像として結像することが困難になる。この結果合焦精度が低下する。
【００３１】
また、ＮＡ₂がＮＡ₁／２を下回ると、中間像位置１３におけるスポット像は良好なものが得られるが、開口数の２乗に反比例する成分をもつ焦点深度が大きくなりすぎ、標本面が合焦位置からはずれた状態でも中間像位置１３におけるスポット像が良好になり、合焦検出の精度が低下する。そのため、ＮＡ₂は条件（２）の範囲内であることが望ましい。
【００３２】
また、回折次数Ａに比べて回折次数Ｂの方が小さいことが好ましい。具体的には回折次数Ａが２、３、−３、−２のいずれかであり、回折次数Ｂが１または−１であることが望ましい。
【００３３】
回折光学素子の回折面の形状は、キノフォーム形状という図１２に示すような形状か、それを階段近似した図１３に示すような形状をしている。薄型近似において、ある波長でキノフォーム形状で最適化した回折格子の回折効率は１００％になることが知られている。最適化するということは、キノフォーム形状の溝の深さｄを決定することである。キノフォーム形状の溝の深さｄは、基板の屈折率ｎ、波長λ、回折次数ｍとすると次の式にて与えられる。
ｄ＝ｍλ／（ｎ−１）
【００３４】
結像に用いる波長λ₁を２５０ｎｍ、回折次数Ａを３とし、合焦状態を検出する際に用いる波長λ₂を７５０ｎｍ、回折次数Ｂを１とすると、最適な溝の深さｄは前者と後者で一致する。したがって、この溝の深さの回折光学素子を用いればいずれも１００％の回折効率が得られる。
【００３５】
なお、λ₂を７５０ｎｍにした時、条件（１）を満足しない場合は、波長λ₂の方を徐々に変化させて条件（１）を満足する波長を見つければよい。この場合、回折効率は１００％から低下するが、図１１より明らかなように、回折次数が１のときは、多少波長を変化させても回折効率は高いままであり、回折効率が大きく落ちて合焦検出ができないことはない。
【００３６】
逆に数式（１）が満たされない際に、波長λ₁の方を変化させると、結像光学系のフレアの原因になる不要次数光が発生する上、回折効率の低下が顕著であるので避けた方がよい。また、この場合は回折次数Ａが３である場合を例に取ったがこれが２でも同様である。
【００３７】
回折次数Ａが４以上の値をとるときには、λ₂はλ₁の４倍程度、もしくはそれ以上の長い波長となっている。良好なスポット像の焦点深度というのは波長に比例するので、合焦状態の検出に長い波長を用いると、焦点深度が大きくなり、結像光学系おいては合焦状態にないのに、合焦状態である誤検出が起こる可能性が高くなる。また、回折光学素子の半径方向の分割数が減ってくるため、輪帯数が減り設計の自由度が減ってしまい、最適な形状を持つ回折光学素子が設計できなくなる。更に、図７を見てもわかるように、回折次数を高次にすると中心波長からずれた場合の回折効率が大きく低下する。これらのことより、回折次数Ａが４以上の値をとるのは望ましくない。
【００３８】
回折次数Ａが負の値をとるというのは、例えば凸レンズと凹レンズのように光線の出射角が反対になることを意味しているので、例えば数式（８）で最適溝深さを計算する時にはｍは正として取り扱ってもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
まず本発明の実施例において用いられている回折光学素子（回折レンズ）について詳細に説明する。
【００４０】
このような回折光学素子（回折レンズ）の設計法としてウルトラ・ハイ・インデックス法と呼ばれる方法が知られている。それは、回折光学素子（回折レンズ）を、屈折率が極めて大きな仮想レンズ（ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ）として設計する方法である。この設計方法については、前述の文献ＳＰＩＥ、Ｎｏ．１６２，４６−５３頁（１９７７年）に記載されている通りで、図１４をもとに説明する。
【００４１】
図１４において、１５はウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ、１６は法線である。
【００４２】
このウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ１５は、次の式（ａ）に示す関係が成り立つ。
（ｎ_u−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’ （ａ）
ただし、ｎ_uはウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ１５の屈折率（実施例１、２ではλ＝２５４ｎｍにおいてｎ_u＝１０００１としている）、ｚはウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ１５の光軸方向の座標、ｈは光軸からの距離、ｎ、ｎ’は夫々入射側媒質および射出側媒質の屈折率、θ、θ’は光線の入射角および射出角である。
【００４３】
また、回折による光線の屈曲は、下記式（ｂ）にて表わされる。
ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ（ｂ）
【００４４】
式（ａ）、（ｂ）より次の式（ｃ）が導かれる。
（ｎ_u−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ（ｃ）
【００４５】
即ち、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ１５の面形状と回折光学素子（回折レンズ）のピッチとの間には式（ｃ）にて与えられる等価関係が成り立ち、この式をもとにウルトラ・ハイ・インデックス法により設計したデータから回折光学素子（回折レンズ）のピッチを求めることができる。
【００４６】
また、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ１５を非球面レンズとして設計し、非球面特性を有する回折光学素子（回折レンズ）として設計できる。
【００４７】
また、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズを設計する際、波長λに対する屈折率ｎ_u（λ）は、下記式（ｄ）にて与えられる。
ｎ_u（λ）−１＝（λ／λ_O）×｛ｎ_u（λ_O）−１｝×（ｊ／ｋ）（ｄ）
ただし、λ_Oは基準波長、ｊは光線追跡時の回折次数、ｋは設計時の回折次数である。
【００４８】
次に本発明の観察光学系の実施の形態を図示する実施例にもとづき説明する。
【００４９】
本発明の観察光学系は、図７に示すような構成でこの光学系のうちの、対物レンズ７、結像レンズ（レンズＬ₁）として、図１乃至図４に示す構成で下記データを有するものを備えた光学系である。
【００５０】

【００５１】

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、ｎは屈折率、ＷＤは作動距離、φは実視野である。
【００５２】
前記実施例のうち、実施例１は図１、図２に示す通りの構成で、図１は対物レンズ（ｒ₁〜ｒ₂₃）、図２は図７中のＬ₁に相当する結像レンズ（ｒ₂₅〜ｒ₂₉）である。またｒ₂₄は胴付位置を示し、その位置はレンズ（ｒ₂₂〜ｒ₂₃）を基準としている。そのためにデータ中のｄ₂₃はマイナスで示してある。又データ中ｒ₃₀は中間像面である。
【００５３】
また、ＤＯＥは回折光学素子で石英よりなる平行平面板の像側に非球面特性を有する回折面を設けたものである。この回折光学素子は、光軸方向をＺ軸、光軸に垂直な方向をｙ軸とした時、次の式（８）にて表わされる非球面特性を有するものである。
Ｚ＝Ｃｙ²／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｃ²ｙ²｝^1/2］＋Ａ₄ｙ⁴＋Ａ₆ｙ⁶＋Ａ₈ｙ⁸＋Ａ₁₀ｙ¹⁰＋・・・（８）
上記式で、Ｃは基準球面の曲率、ｋ、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀、・・・は非球面を表わす係数であり、それらの値はデータ中に示してある。
【００５４】
この実施例１の図１に示す対物レンズは、無限遠設計で、図２に示す結像レンズＬ₁を用いて中間像を形成する。
【００５５】
この実施例１の対物レンズの焦点距離ｆは、ｆ＝１．８ｍｍで、実視野φはφ＝０．０６ｍｍであり、焦点距離ｆ₁がｆ₁＝１８０ｍｍの結像レンズを用いた時に視野数φ_Tが６ｍｍで倍率が１００倍の対物レンズになる。
【００５６】
実施例２は図３、図４に示す通りで、図３は対物レンズ（ｒ₁〜ｒ₂₆）、図４は結像レンズＬ₁（ｒ₂₈〜ｒ₃₂）である。この実施例２のデータ中胴付位置はｒ₂₇で、ｄ₂₆は同様にマイナスである。又データ中ｒ₃₀は中間像面である。
【００５７】
この実施例２の図３に示す対物レンズは、無限遠設計で、図４に示す結像レンズを用いて中間像を形成する。
【００５８】
この実施例２は、対物レンズのうちの石英よりなる凸レンズ（ｒ₇〜ｒ₈）がその像側の凸面ｒ₈に回折面ｒ₉を設けた回折レンズ、またメニスカスレンズ（ｒ₂₂〜ｒ₂₃）が、像側の凸面ｒ₂₃に回折面ｒ₂₄を形成した回折レンズである。
【００５９】
これら回折レンズの回折面も式（８）に示す非球面の特性を有するもので、非球面係数ｋ、Ａ₄、Ａ₆、・・・はデータ中に記載する通りである。
【００６０】
この実施例２は、対物レンズが無限遠設計であって、その焦点距離がｆ＝１．８ｍｍで、実視野がφ＝０．２ｍｍであり、焦点距離ｆ₁＝１８０ｍｍの結像レンズを用いた時に視野数２０ｍｍで１００倍の対物レンズになる。
【００６１】
上記実施例１、２のうち、対物レンズは、レンズの材料が石英と蛍石とよりなり、これら材料の各波長に対する屈折率は下記の通りである。

【００６２】
また、上記実施例では、λ_O＝２５４ｎｍ、ｎ_u（λ_O）＝１０００１で，ｊ＝ｋとした時波長λ＝２５３ｎｍ、２５１ｎｍ，２４８ｎｍ、２４５ｎｍ、２４３ｎｍの屈折率は、次の通りである。

【００６３】
実施例１は、結像に用いる波長λ₁が２４８ｎｍ±で５ｎｍの範囲で収差が補正されている。そして合焦状態を検出する際に用いる波長λ₂は６８９ｎｍである。また、その時の石英と蛍石の屈折率は、１．４５５６２１、１．４３１９６４である。なお、レンズＬ₁は結像には用いないため６８９ｎｍにおける屈折率はデータに示す通りである。
【００６４】
また、波長６８９ｎｍの１次回折光に対するウルトラ・ハイ・インデックスは、式（ｄ）においてｊ＝１、ｋ＝２として、前記λ₁＝２４８±５ｎｍに対する屈折率ｎ_u（λ）＝１３５６３．９９２１３である。
【００６５】
また、キノフォーム形状をしているＤＯＥの回折面の溝の深さは２４８ｎｍの２次回折光で最適化されている。この場合、２倍波長の４９６ｎｍの１次回折光においても回折効率は１００％になるので、λ₂＝４９６ｎｍにすると良いが、この波長では条件（１）を満足しない。そのため４９６ｎｍから長波長側に波長を変化させて、条件（１）を満足する波長をさがすことになる。この結果λ₂＝６８９ｎｍとなる。この時の６８９ｎｍの１次回折光の回折効率は式（７）から７７％になる。
【００６６】
次に実施例２は結像に用いる波長λ₁が２５７ｎｍで±３ｎｍの範囲で収差が補正されている。一方、合焦状態を検出する際に用いる波長λ₂は７０５ｎｍで、その時の石英と蛍石の屈折率は夫々、１．４５５１８１と１．４３１６８３である。また、レンズＬ₁は結像に用いないため波長λ₂＝７０５ｎｍにおける屈折率はデータに示す通りである。
【００６７】
また、波長７０５ｎｍの１次回折光に対するウルトラ・ハイ・インデックスは、式（ｄ）より、ｊ＝１、ｋ＝２として１３８７８．９５２７６である。
【００６８】
また、キノフォーム形状をしているＤＯＥの回折面の溝の深さは２５７ｎｍの２次回折光で最適化されている。２倍波長の５１４ｎｍの１次回折光においても回折効率は１００％になるが、実施例１と同様に条件（１）を満足するλ₂は７０５ｎｍとなる。この時の７０５ｎｍの１次回折光の回折効率は式（７）から７８％になる。
【００６９】
このように実施例１、２共に波長λ₁と、λ₂における回折光学素子による回折効率が最大の時の次数が異なっている。
【００７０】
また、データ中に示すように実施例１、２共に条件（１）、（２）を満足する。
【００７１】
これら実施例１、２の球面収差は、夫々図５、６に示す通りである。
【００７２】
上記実施例において、結像に用いる波長λ₁の値は実施例１では２４８ｎｍ、実施例２では２５７ｎｍというように、３００ｎｍ以下の短い波長である。一方、合焦状態を検出するための波長λ₂は６８９ｎｍと７０５ｎｍとなっている。このようにλ₁とλ₂を離すことができるので、λ₁とλ₂を十分分離できる特性をハーフミラー（ダイクロイックミラー）に持たせることができる。
【００７３】
しかも、通常、結像に用いる波長が３００ｎｍ以下だと、対物レンズを構成するレンズの硝材がかなり限定されてくる。そのため、波長λ₁の光に対して収差を十分補正した上で、波長λ₁から離れた波長λ₂の光が条件（１）を満足するようにすることは困難であるが、本発明では波長λ₁の光の回折次数（Ａ＝２）と波長λ₂の光の回折次数（Ｂ＝１）を異ならせることによって、波長λ₁と波長λ₂が離れているにもかかわらず焦点距離のずれを僅かに抑えている。
【００７４】
参考のために、波長λ₁と波長λ₂の回折次数が同じ場合は、波長λ₂はせいぜい波長λ₁の２０％程度しか離せない。（例えば、λ₁＝３００ｎｍだとλ₂＝３６０ｎｍ）これは、これ以上波長λ₁と波長λ₂を離すと、条件（１）を満足することができないか、波長λ₂の光に対して収差が良好に補正できないからである。また、λ₂を３６０ｎｍに設定したとしても、波長λ₁と波長λ₂の差は僅か６０ｎｍである。よって、波長λ₁と波長λ₂を分離する特性をハーフミラーに持たせることが困難になる。
【００７５】
このように、回折次数が同じ場合は、波長λ₁の波長が短くなればなるほど波長λ₁と波長λ₂の差が小さくせざるを得なくなり、実質的に合焦検出が困難になる。これに対して、本願発明では、λ₁の波長が短くなっても波長λ₁と波長λ₂の差を大きくすることができるので、合焦検出が可能になる。特に、硝材が限られる３００ｎｍ以下の波長において本願発明の構成は有効といえる。
【００７６】
なお、波長λ₁の波長が３００ｎｍ以上の場合、例えばλ₁＝５５０ｎｍの場合、λ₂＝６６０ｎｍとなる。この場合の焦点距離の変化は−１７％となり、波長λ₁と波長λ₂の差は１１０ｎｍなので、ハーフミラーの特性にも問題はない。よって、合焦検出は可能になるが、焦点距離の変化の補正のための様々な処理が必要になるので、本願発明の構成に比べるとやはり劣ると言わざるを得ない。
【００７７】
本発明の構成は、以上述べた通りであって、次の各項に記載する観察光学系も本発明の目的を達成し得る。
【００７８】
（１）特許請求の範囲の請求項１、２または３に記載する光学系で、波長λが３００ｎｍ以下であることを特徴とする観察光学系。
【００７９】
（２）特許請求の範囲の請求項１、２または３または前記の（１）の項に記載する光学系で、対物レンズの波長λ₁における物体側開口数をＮＡ₁、対物レンズの波長λ₂における物体側の開口数をＮＡ₂とすると下記の関係（２）を満足することを特徴とする観察光学系。
（２）ＮＡ₁／２＜ＮＡ₂＜ＮＡ₁
【００８０】
（３）特許請求の範囲の請求項１、２または３または前記の（１）、（２）または（３）の項に記載する光学系で、回折次数Ａが２、３、−２、−３のいずれかの次数であり、回折次数Ｂが１もしくは−１であることを特徴とする観察光学系。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、回折光学素子を用いた対物レンズを備えた構成であっても、高精度の合焦検出が可能な機構を備えた光学系を実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の観察光学系の実施例１の対物レンズの断面図
【図２】前記実施例１の結像レンズの断面図
【図３】本発明の観察光学系の実施例２の対物レンズの断面図
【図４】前記実施例２の結像レンズの断面図
【図５】前記実施例１の収差図
【図６】前記実施例２の収差図
【図７】従来の焦点検出装置の光学系の概略図
【図８】図７に示す光学系の対物レンズの入射瞳面上の説明図
【図９】図７の光学系の標本付近の説明図
【図１０】図７の光学系のラインセンサー上のスポット像を示す図
【図１１】回折効率の波長依存性を示すグラフ
【図１２】キノフォーム形状（回折面）の断面図
【図１３】キノフォーム形状を階段近似した形状の断面図
【図１４】ウルトラ・ハイ・インデックス法の説明図

Claims

波長λ₁の光を含む第１の光源と、該第１の光源からの光を標本上に導く照明光学系と、対物レンズを介して前記標本の像を形成する結像光学系と、波長λ₂の光を含む第２の光源を有し合焦状態を検出する合焦検出光学系とを備え、前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を前記対物レンズと通して前記標本上に照射する観察光学系であって、前記波長λ₁の光における回折効率が最大になる回折次数をＡ、前記波長λ₂の光における回折効率が最大になる回折次数をＢとした時、前記対物レンズが前記回折次数Ａと前記回折次数Ｂとが異なるような回折面を有する回折光学素子を少なくとも１つ有する観察光学系。
前記波長λ₁、および前記波長λ₂における対物レンズの焦点距離を夫々ｆ₁およびｆ₂とした時、下記条件（１）を満足する請求項１の観察光学系。
（１）０．７＜ｆ₂／ｆ₁＜１．１
前記波長λ₁における回折光学素子の前記回折次数Ａでの回折効率が５０％以上である観察光学系。