JP4195292B2 - 反射光学系及び反射屈折系を利用した結像システム - Google Patents

Description

本発明は光学に関し、より詳細には、反射光学系を利用した結像システム（ｃａｔｏｐｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。

多種多様な結像システムが、数千年以前も前から存在していた。長きにわたって開発されてきたにも関わらず、現代の結像システムの用途は、古代の結像システムとほぼ同じである。結像システムは、物点及びその近傍から光を収集し、その光を像点及びその近傍に集束させ結像させるものである。光の集束は屈折によって行なうことができ、この光学分野は屈折光学と呼ばれている。また、光の集束は反射によって行なうことも可能であり、この光学分野は反射光学と呼ばれる。

典型的な結像システムに用いられている集束系の種類を問わず、数種類の重要なパラメータを最適化すべく努力が続けられている。例えば、多くの結像システムは、解像能、開口数、及び像平面の形状を最適化するように設計されている。結像システムの解像能とは、像平面において識別可能な物空間内の特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）同士間の最短間隔である。このため、解像能は、像からどの程度情報を詳細に得ることができるかを示す。開口数は、結像システムが物体から収集した利用可能な光の量に関する。写真フィルムや電荷結合素子、人の目など、多くの検出装置では、開口数が増大するにつれて光の強度が増し、画質が通常向上する。最後に、像平面の形状は非常に重要である。写真フィルムや電荷結合素子（ＣＣＤ）などの検出装置では平坦な面が最も有用である。しかし、これらのパラメータは全て、数多くの収差によって劣化する。

本発明は、ビームスプリッター面と反射面とを用いた反射光学系による光学システムに関する。反射面によって一次焦点を得ることができるため、軸方向の色収差が低減される。ビームスプリッターは、物点から出て、像点に集束される光線がビームスプリッター面によって反射かつ透過されるように、物点、像点、反射面と相対的に配置される。ビームの各光線の反射と透過とを組み合わせて集束させることによって、入射角が中心の設計角度から逸脱したことに対するビームスプリッターの反射特性及び透過特性の低下に起因する、ビーム強度の１次偏差をほぼなくすことができる。本システムの一実施形態においては、ビームスプリッターによって反射された光と透過された光との干渉による再結合（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を使用して、光透過を増大させ得る。さらに、本システムの一実施形態は、収差を低減させる屈折要素を備え得る。

一般に、本発明は一態様において、物点を像点に結像するための結像システムを特徴とする。本システムは、ｉ）物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、ｉｉ）ビームスプリッターから光線の組のうちの一方を受け、同光線の組をビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている反射面とを備える。

結像システムの実施形態は、下記の特徴のいずれかを備え得る。

反射面は光線の第１の組を受け、光線の第１の組を反射してビームスプリッターに戻す
ために配置され得、この場合、ビームスプリッターは、反射面から受けた各光線の少なくとも一部を像点に反射させるために配置される。さらに、反射面は物点に対してほぼ同心円をなし得る。反射面の中心は物点と共に物体光軸を画定し得、ビームスプリッターは物体光軸に対してほぼ垂直に配置され得る（例えば、４５°にほぼ等しい鋭角をなす）。

別法として、反射面は光線の第２の組を受け、光線の第２の組を反射してビームスプリッターに戻すために配置され得、この場合、ビームスプリッターは反射面から受けた各光線の少なくとも一部を像点に透過させるために配置される。さらに、反射面は像点に対してほぼ同心円をなし得る。反射面の中心は像点と共に像光軸を画定し得、ビームスプリッターは像光軸に対してほぼ垂直に配置され得る（例えば、４５°にほぼ等しい鋭角をなす）。

結像システムは、反射面を画定している内部表面を有する第１光学部品をさらに備え得る。例えば、第１光学部品の内部表面は湾曲し得る。第１光学部品は内部表面と対向する平坦な表面を有し得、ビームスプリッターは平坦な表面に隣接して配置され得る。さらに、結像システムは物点及び像点のうちの一方に隣接する平坦な表面と第１光学部品に接する凸状の表面とを有する平凸状の光学部品をさらに備え得、平凸状の光学部品と第１光学部品との境界は屈折面を画定している。

さらに、一般に、結像システムは、物点から光線を受けるために物点とビームスプリッターとの間に配置された屈折面を備え得る。例えば、屈折面は物点に対してほぼ同心円をなし得る。別法として、又はこれに加えて、同システムは、 反射面によって集束された光線を受けるためにビームスプリッターと像点との間に配置された屈折面を備え得る。例えば、屈折面は像点に対してほぼ同心円をなし得る。

また、同システムは、第１光学部品に隣接する第２光学部品をさらに備え得、ビームスプリッターは第１反射光学部品と第２反射光学部品との境界に配置される。さらに、同システムは、物点及び像点のうちの一方に隣接する平坦な表面と第２光学部品に接する凸状の表面とを有する平凸状の光学部品を備え得、平凸状の光学部品と第２光学部品との境界は屈折面を画定している。さらに、同システムは、物点及び像点のうちの他方に隣接する平坦な表面と第１光学部品に接する凸状の表面とを有するもう１つの平凸状の光学部品をさらに備え得、平凸状の光学部品と第１光学部品との境界はもう１つの屈折面を画定している。

第２光学部品はオプティカルフラットであり得る。別法として、第２光学部品は第２反射面を有する内部表面を有し得、第１反射面は光線の第１の組を受けるために配置され、かつ第２反射面は光線の第２の組を受け、光線の第２の組をビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置される。さらに、ビームスプリッターは、第１反射面から受けた光線の第１の組と第２反射面から受けた光線の第２の組とを干渉によって再結合させるために配置され得る。第１反射面は物点に対して同心円をなし得、第２反射面は像点に対して同心円をなし得る。

一般に、別の態様においては、本発明は、物点を第１像点に結像するための第１結像サブシステムと、第１像点を第２像点に結像するための第２結像システムとを備えた結像システムを特徴とする。第１結像サブシステムは、ｉ）第１像点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するために配置されている第１ビームスプリッターと、ｉｉ）第１ビームスプリッターから光線の組のうちの一方を受け、同光線の組を第１ビームスプリッターを経由して第１像点に向けて集束させるために配置されている第１反射面とを備える。第２結像サブシステムは、（ｉ）第１像点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第
２の組を画定する反射成分とに分離するために配置されている第２ビームスプリッターと、（ｉｉ）第２ビームスプリッターから光線の組のうちの一方を受け、同光線の組を第２ビームスプリッターを経由して第２像点に向けて集束させるために配置されている第２反射面とを備える。

一般に、別の態様においては、本発明は、物点を像点に結像するための結像方法を特徴とする。同方法は、物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離する工程と、ビームスプリッターから光線の組のうちの一方を受け、同光線の組をビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させる工程とからなる。

本発明の実施形態はいずれかの利点を備え得る。

これら実施形態は、物空間において大きな開口数を有し得る。これら実施形態では、軸方向の色収差がほぼ皆無である。像平面の位置が、像生成に用いられるスペクトル領域とほぼ独立し得る。像生成に広いスペクトル域を用い得る。像平面が平坦となり得る。光学収差が低減し得る。１未満の倍率、１を超える倍率、或いは１の倍率を使用し得る。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面及び下記の詳細説明に記載する。本発明のその他の特徴、目的並びに利点は、下記の詳細説明、図面、及び特許請求の範囲から自明である。

それぞれの図面において同一の参照符号は同じ要素を示す。

図１に示す反射光学系結像システム１００は、物点１６０、像点１６２、ビームスプリッター１５０、湾曲した反射面１３２及び光透過性要素１３０，１４０を備える。物点１６０から出た光は、光透過性要素１３０を通って、ビームスプリッター１５０に入射する。ビームスプリッター１５０は、入射した光ビームの一部を反射させ、一部を透過させる。本実施形態においては、最初に透過される一部の光は無視されるため、図１に記載されていない。図１には、反射されて、反射面１３２に入射する一部の光が記載されている。表面１３２は、物点１６０から出て、ビームスプリッター１５０によって反射されて表面１３２に入射する各光線が、反射されて、ビームスプリッター１５０によって透過されたのちに、像点１６２にくるように作製される。換言すれば、物点１６０から出た光は、ｉ）光が物点１６０から出る、ｉｉ）ビームスプリッター１５０によって反射される、ｉｉｉ）反射面１３２によって反射される、ｉｖ）ビームスプリッター１５０によって透過される、ｖ）像点１６２に集束される、という経路をたどって像点１６２に集束される。

光線の像点への集束は、（媒質１３０，１４０の屈折率にさほど差がないと仮定した場合）媒質１３０，１４０による屈折ではなく、反射面１３２によって行なわれるため、像平面は、像生成に用いられるスペクトル領域に依存しない。換言すれば、軸方向の色収差がない。したがって、広いスペクトル域を像生成に使用することができる。

媒質１３０の屈折率は、システムの開口数に影響を与える。より詳細には、システム１００の開口数は、媒質１３０の屈折率と線形的に相関する。これ以降、要素１３０と要素１４０（他の実施形態においてはこれらに相当する要素）との屈折率がほぼ等しいことを仮定して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

一実施形態において、システム１００の特徴は、下記の設計によって達成される。物点
１６０と像点１６２とを決定し、物体と像点とから等距離の点によって画定される平面上にビームスプリッター１５０を置く。さらに、反射面１３２は、像点１６２に対して同心円をなすように設計する。このように構成した結果、物点から角度φをなして出る光線は、入射角φである点Ｐにおいてビームスプリッターに入射する。設計上、光が直角の（ｎｏｒｍａｌ）入射角で表面１３２に入射すると、この光線の反射は１８０°になる。さらに、この光は、表面１３２によって反射されたのちに、同じ点Ｐにおいて入射角φでビームスプリッターに入射し、この光線は、ビームスプリッター１５０によって透過されたのちに、入射角φで像点に入射する。

上記のように、像点に入射する光は、ビームスプリッター面によって反射されると共に、透過もされている。このため、像点１６２に到達する光は、Ｒ（φ）Ｔ（φ）に比例する（Ｒ及びＴは、ビームスプリッター１５０の反射係数及び透過係数）。これらの係数はいずれも、典型的には入射角によって決まる。ビームスプリッター１５０は、当業界で公知の技術を用いて、ある角度φ’においてビームスプリッター１５０が理想的となるように設計されている。換言すれば、ある角度φ’において、

となる。入射角がφ’から偏移すると、この係数は、非理想的なビームスプリッターの挙動を示すことが多い。詳細には、この挙動がδ（φ）だけ理想から偏移したとき、Ｒ（φ）＝０．５＋δ（φ−φ’）、Ｔ（φ）＝１−Ｒ（φ）＝０．５−δ（φ−φ’）となり、δ（０）＝０である。図１に示すように像点１６２に入射する光線は反射されると共に透過もされるため、Ｔ（φ）Ｒ（φ）＝０．２５−δ（φ−φ’）^２となる。このため、ビームスプリッターが理想的なビームスプリッターからδ（φ）だけずれたとしても、この非理想的な挙動が光強度に与える影響は、δ（φ）の２次に留まる。

さらに、本実施形態は、回折限界である物点像を有する。物体平面にある他の点が回折限界ではないことがあるが、物点を中心とし、ビームスプリッター１５０に平行な平坦な円（ｐｌａｎａｒ ｄｉｓｃ）盤が存在し、その像も同一半径の平坦な円盤である。換言すれば、像平面は平坦で、倍率は１である。

要素１３０と表面１３２とは、さまざまな方法で製造され得る。透過性要素１３０と反射面１３２とは、固体の光透過性媒質（例えば石英ガラス）から作製してもよい。本例においては、この固体の光透過性媒質は、一方の側がビームスプリッター１５０と同じ形状を有し、他方の側が反射面１３２の所望の形状と一致する形状に作製され得る。湾曲面に反射フィルムを適切に被覆して、反射面１３２を形成する。これは、反射フィルムを形成するための当業界で公知となっている任意の技術によって達成することが可能である。反射フィルムは、物点１６０の近傍（図示なし）には被覆されない。物点近傍の表面は、結像システムに光線が入ることができるように作製され得る。例えば、物点１６０の近傍の表面１３２に反射防止コーティングを施してもよい。このような開口部によって、物点からの光線が結像システムに入るようになる。

別の実施形態において、光透過性要素１３０が空洞部であり、その内部は真空のこともあれば、光透過性の液体又は気体で満たされていることもある。このような実施形態においては、反射面１３２は機械的な支持基体（図示なし）に形成されており、その外側表面は、本質的に反射能を備えているか（例えば研磨された金属表面）、又は反射フィルムで被覆することによって反射能を付与され得る。さらに、光が結像システムに入ることができるように、物点１６０の近傍に開口部（図示なし）が設けられる。

他の実施形態においては、反射面１３２の表面は滑らかでないこともあれば、不連続なこともある。例えば、反射面が、図１の表面１３２と同一の光学的特性を提供するように、像点１６２に対してほぼ同心円上に配置された複数の平坦な反射面によって形成されることもある。さらに、反射面１３２は、（楕円形状又は放物型形状など）同心円形状ではないこともある。このような変形は、高次の収差を補正するために有用であり得る。

システム１００の好適な実施形態においては、要素１３０は屈折率の高い（高屈折率［ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ］）材料であり、要素１３０とビームスプリッター１５０とは、要素１３０が物点１６０と接して、これによって結像システムの開口数が最大となるように配置される。しかし、これは本発明を限定するものではなく、物点と要素１３０とが接していない実施形態もあり得る。同様に、要素１４０と像点１６０とは接していなくてもよい。さらに、下記に記載する実施形態においては、物点及び像点の少なくともいずれかは、結像システムの要素と接している必要がない。実施形態によっては、これが開口数を最大にする上で好適であり得る。

本発明を限定するものではないが、理論的には、結像システム１００は、屈折率が正負逆である１組の平坦な要素（つまり、１つの要素の屈折率は正値＋ｎ、もう一方の要素の屈折率は負値−ｎである）と同様に機能することは興味深い。より詳細には、これら要素間の境界における屈折によって、物点から出る光線が屈折し、像点に集束される。これは、スネルの法則を応用した例であれば、些細なものからでも見て取ることができる。この種の屈折及び集束は、最初にビームスプリッター１５０により反射させて、続いて反射面１３２により反射させることで、システム１００によって効果的に達成されている。類似の効果は、下記の実施形態でも示される。

結像システム１００の設計から、ビームスプリッターによって最初に透過された光は無視され、反射成分だけが用いられることが明らかである。最初に透過された成分を使用して、反射成分を無視するように結像システムを設計することも可能である。図２に示す反射光学系結像システム２００は、物点２６０、像点２６２、ビームスプリッター２５０、湾曲した反射面２４２、及び光透過性媒質２３０，２４０を備える。図２の実施形態では、反射面２４２が、ビームスプリッター面によって透過された光を受けるように配置されているが、図１の反射面は、ビームスプリッター面によって反射された光を受けるように配置されている。この点を除いて、図２の実施形態は図１の実施形態と類似している。システム２００の好適な実施形態においては、反射面２４２は、物点１６０に対して同心円をなす。図１の実施形態と同様に、像点２６２に結像される入射光の強度は、Ｔ（φ）Ｒ（φ）＝０．２５−δ（φ−φ’）^２に比例する。このため、像点の光強度には、非理想的なビームスプリッターの挙動による１次の偏移が生じない。さらに、図１に関して上記したように、表面２４２に設けた透明な窓又は開口部によって、物点１３２から出た光が像点２６２に入るようになる。

図１，２の実施形態において、物点は回折限界であるが、物点の近傍の点は回折限界ではないことがある。このような点は、特定の光学収差の影響を受ける可能性がある。このような収差は、屈折面を導入することによって、物体平面のほとんどについて補正し得る。図３に示す反射屈折系結像システム３００は、物点３６０、像点３６２、ビームスプリッター３５０、湾曲した反射面３３２、平凹凸状要素３３０、平凹状要素３４０、及び平凸状要素３２０，３８０を備える。要素３２０の表面３２２の共通の曲率中心は物点３６０である。要素３３０の表面３４４，３３２、及び要素３８０の表面３８２の共通の曲率中心は像点３６２である。要素３２０と要素３３０とは、要素３２０の表面３２２の曲率半径と要素３３０の表面３３４の曲率半径とがほぼ等しくなるように作製される。要素３４０と要素３８０とは、要素３４０の表面３４４の曲率半径と要素３８０の表面３８２の曲率半径とがほぼ等しくなるように作製される。表面３２２，３４４は、好適には反射防
止コーティングによって被覆される。

システム３００の屈折面では、像場（ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ）における光学収差を低減させるための自由度がさらに高まっている。より詳細には、要素３２０，３８０，３４０の屈折率のいずれか、及び要素３３４，３４４，３３２の表面の曲率半径のいずれかを変えることによって、収差を低減することが可能である。例えば、光学的光線追跡法（ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ）を使用して、上記の変数の関数として種々の収差の大きさを求め、これによって、収差が最小となるパラメータの特定の値を見つけ出すことができる。この種の最適化では、倍率、像場の平坦性（ｐｌａｎａｒｉｔｙ）、開口数、光吸収やその他の材料上の制約など、他の設計条件も考慮に入れることができる。詳細には、例えば、システム３００の開口数は、要素３２０の屈折率に伴って変化する。このため、高屈折率材料を用いることによって、開口数を向上させることが可能である。

さらに、最適化では、要素３２０，３３０，３４０，３８０に特定の材料が使用されるため、これら要素の屈折率を固定とすることができる。

要素３８０又は要素３２０を省略した実施形態も可能である。要素３８０，３２０の代わりに空洞部を設け、そこに気体、液体を満たしてもよいし、その内部を真空としてもよい。屈折面を１つのみ使用する実施形態もあり得る。場合によっては、境界３２２／３３４又は３４４／３８２が屈折面とならないように、要素３８０又は要素３２０の屈折率を、要素３３０及び要素３４０の屈折率と等しくてもよい。空洞部を設けることによって、像点又は物点への到達路（ａｃｃｅｓｓ）が提供される。この到達路は、例えば、像点近傍に検出装置を配置する上で有用であり得る。

上記のように、結像システム１００，２００，３００の像点における光強度は、δ（φ−φ’）^２に比例する。δ＝０という理想的な場合であっても、利用可能な光の２５％しか像点に到達しない。図４に示す反射光学系結像システム４００は、物点４６０、像点４６２、ビームスプリッター４５０、湾曲した反射面４３２、湾曲した反射面４４２、及び平凸状要素４３０，４４０を備える。反射面４４２は、物点４６０から出た光線が、ｉ）光が物点から出る、ｉｉ）ビームスプリッター４５０によって透過される、ｉｉｉ）表面４３２によって反射される、ｉｖ）ビームスプリッター４５０によって反射される、ｖ）像点４６２に入射する、という経路をたどって像点４６２に集約されるように作製される。好適な実施形態においては、これは、湾曲面４４２が物点４６０に対して同心円をなすように設計することによって達成される。同様に、反射面４３２は、物点から出る光線が、ｉ）光が物点から出る、ｉｉ）ビームスプリッター４５０によって反射される、ｉｉｉ）表面４３２によって反射される、ｉｖ）ビームスプリッター４５０によって透過される、ｖ）像点４６２に入射する、という経路をたどって像点４６２に集約されるように作製される。好適な実施形態においては、これは、湾曲面４３２が像点４６２に対して同心円をなすように設計することによって実現される。

図４に関して上記した実施形態においては、ビームスプリッターから最初に反射されたビームと最初に透過されたビームとが使用される。ビームはビームスプリッター４５０によって２つの成分に分割されて、これら成分が各々表面４３２，４４２によって反射されて、ビームスプリッター上の同じ点に戻る。一般に、この２つの成分は、干渉によって再結合され、２つのビームが新たに生成され得る。１つのビームは像点４６２に向かい、もう一方のビームは物点４６０に向かう。各ビームの強度は、表面４３２，４４２から反射されるビーム成分の光路差によって決まる。図４では、これら２つの成分の光路がＯＰＬ１，ＯＰＬ２として記載されている。好適な実施形態においては、２つのビームが強め合うように（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ）相互に干渉し、全ての光エネルギーが像点に向かうように、各光線に対応する成分の光路長は一致している。このため、同心の湾曲面
４４２，４３２は、波長のわずかな部分（ｓｍａｌｌ ｆｒａｃｔｉｏｎ）内で一致するように配置及び作製される。しかし、全ての光線の光路長が正確に一致しない場合であっても、透過が最大２５％しか得られない上記の実施形態と比べ、像点への透過を向上させることが可能である。

一致する同心の湾曲面４４２，４３２は、精密な表面を製造するための公知の技術を使用して製造することが可能である。例えば、研磨した球面を作製するための高精度技術と高精度計測技術とを併用し、反射面４３２，４４２の原型を作製する。複製技術を使用して、この２つの原型から、これらの表面の複製を大量生産する。この方法は、回折格子の製造に一般的に使用されている。さらに、作製した構造物の精度が確実でない場合は、これらの複製にのみ試験を実施して、透過能を向上させる。この種の試験には、光透過特性の測定や表面形状の測定などがある。

結像システム３００と同様に、結像システム４００の物点は回折限界であるが、物点の近傍の点は収差によって歪曲され得る。屈折面を使用することによって、物体平面内にあって物点から離れた点の収差をほぼゼロにすることが可能である。図５に示す反射屈折系結像システム５００は、物点５６０、像点５６２、ビームスプリッター５５０、湾曲した反射面５３２，５４２、平凹凸状光透過性要素５３０，５４０、平凸状要素５２０，５８０を備える。要素５２０と要素５３０とは、要素５２０の表面５２２の曲率半径と要素５３０の表面５３４の曲率半径とがほぼ等しくなるように作製される。要素５４０と要素５８０とは、要素５４０の表面５４４の曲率半径と要素５８０の表面５８２の曲率半径とがほぼ等しくなるように作製される。好適な実施形態においては、要素５２０の表面５２２、要素５３０の表面５３４、及び要素５４０の表面５４２の共通の曲率中心は物点５６０となる。好適な実施形態においては、さらに要素５４０の表面５４４、要素５３０の表面５３２、及び要素５８０の表面５８２の共通の曲率中心は像点５６２となる。表面５２２，５４４は、好適には反射防止コーティングによって被覆される。さらに、図４の結像システム４００と同様に、表面５４２，５３２は、ビームスプリッター５５０によって分けられた光線がビームスプリッター５５０の共通点において再結合されて、強め合うように相互干渉して、像点５６２への光透過を向上させるように作製される。

一実施形態において、要素５８０は空気からなる。これによって、ＣＣＤ等の光学的検出装置を像点の近傍に配置しやすくなる。屈折面５２２，５３４，５４４の曲率半径ｒ_５２２，ｒ_５３４，ｒ_５４４は、特定の光学収差を最小にするように選択される。表１に、ｒ_５３２＝ｒ_５４２＝５０ｍｍの場合（ｒ_５３２，ｒ_５４２は各々表面５３２，５４２の曲率半径）の、屈折性材料の数種類の組み合わせにおける曲率半径の例を示すが、これは本発明を限定するものではない。要素５８０は空気であると仮定する。表１に示す屈折性材料の組み合わせを用いたシステムを通過する光の幾何学的光線追跡（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｒａｙ ｔｒａｃｅ）を行なった結果、第１実施形態によって形成された像は、０．５ｍｍの物体野（ｏｂｊｅｃｔ ｆｉｅｌｄ）の回折限界であって、物空間開口数は要素５２０の屈折率の０．７７倍であった。

上記表において、ｎ_５２０、ｎ_５３０、及びｎ_５４０は、各々要素５２０，５３０，５４０の屈折率である。

図６に示す反射屈折系結像システム６００は、物点６６０、像点６６２、ビームスプリッター６５０、湾曲した反射面６３２，６４２、平凹凸状光透過性要素６３０，６４０、平凸状要素６２０，６８０、及び光軸６０３，６０５を有する。光軸６０３は、物点６６０と球面６４２の中心の間とを通る軸である。光軸６０５は、像点６６２と湾曲した反射面６３２の中心の間とを通る軸である。本実施形態は、結像システム５００の実施形態と類似している。主な相違点は、図５の対応する光軸（図示なし）は同一空間内にある（ｃｏｅｘｔｅｎｓｉｖｅ）という点である。結像システム６００では、これらの光軸が、ゼロ以外の角度をなして交わっている。（図６ではこれら光軸がほぼ直交するように描かれているが、本例は本発明を限定するものではなく、他の交角も可能である）。軸同士の交角がゼロではない点と各参照符号の番号が１００だけ大きくなっている点とを除いて、本実施形態の詳細は結像システム５００の詳細と同じである。結像システム５００を例にとって結像システム６００を説明したが、光軸が同一空間内にないという結像システム６００の方式を、結像システム１００，２００，３００，４００にも同様に適用することが可能である。

結像システム６００では、物体平面と像平面とは平行ではない。この２つの平面の角度は、光軸６０３，６０５の角度と等しい。実施形態によっては、これが利点となる。さらに、中央の光線（光軸と一致する光線）の入射角は、システム１００〜５００とは異なり９０°ではない。図６に示すように、中央の光線の入射角は約４５°である。上記のように、ビームスプリッターへの入射角は、ビームスプリッターの性能に影響を与える。このため、光軸間の角度も結像システム全体の性能に影響を与え、このような光軸間の角度は、ビームスプリッターの設計及び最適化に影響を与える設計時の選択事項である。さらに、結像システム６００においては、中央の光線は、屈折要素６２０又は６８０によって妨げられることはない。

上記の任意の結像システムを連結して、複合型の結像システムを形成することが可能である。図７において、複合型反射屈折系結像システム７００は、像点７６２、物点７６０、及び反射屈折系結像サブシステム７２０，７４０を備える。サブシステム７２０の像点とサブシステム７４０の物点とは一致するように設定される。反射屈折系結像サブシステ
ム７２０は、反射屈折系結像システム５００と類似しており、反射屈折系結像サブシステム７４０は反射屈折系結像システム６００と類似している。別の実施形態においては、他の組み合わせもあり得る。例えば、図８において、複合型反射屈折系結像システム８００は、像点８６２、物点８６０、及び反射屈折系結像サブシステム８２０，８４０を備える。２つの結像サブシステムは、いずれも結像システム５００と類似している。図９において、複合型反射屈折系結像システム９００は、像点９６２、物点９６０、及び反射屈折系結像サブシステム９２０，９４０を備える。２つの結像サブシステムは、いずれも結像システム５００と類似しており、第１サブシステムの類似する要素５８０は、第２システムの要素５２０と同じである。結像システム９００の倍率は、第１サブシステムの要素５８０の屈折率に依存することなく１である。さらに、像点９６２、物点９６０のいずれも到達可能である。これは、例えば、標本載物台が物点９６０を利用でき、また光学検出器が像点９６２を利用できるため、有用であり得る。他の実施形態では、３つ以上の結像システム（１００〜９００）を組み合わせて連結させてもよい。

本発明の数多くの実施形態を記載した。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明を種々に変更可能であることが理解される。したがって、他の実施形態も特許請求の範囲に含まれる。

反射面及びビームスプリッターを備えた反射光学系結像システムを示す概略図。 反射面及びビームスプリッターを備えた反射光学系結像システムを示す概略図。 反射面、ビームスプリッター及び２つの屈折面を備えた反射屈折系結像システムを示す概略図。 干渉効果によって像点において光強度を増大させるように作製及び配置された２つの反射面を備えた反射光学系結像システムを示す概略図。 光学収差を低減させる屈折面を備えた図４の結像システムと類似する反射屈折系結像システムを示す概略図。 光軸が同一空間内にない点を除き、図５の結像システムと類似する反射屈折系結像システムを示す概略図。 図５，６の結像システムと類似する複合型の反射屈折系結像システムを示す概略図。 図５の結像システムと類似する複合型の反射屈折系結像システムを示す概略図。 図５の結像システムと類似する複合型の反射屈折系結像システムを示す概略図。

Claims (22)

1. 物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、
   前記ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記ビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている第１反射面と、
   前記第１反射面を画定している内部表面を有する第１光学部品と、
   前記第１光学部品に隣接する第２光学部品とを備え、
   前記ビームスプリッターは前記第１反射光学部品と前記第２反射光学部品との境界に配置され、
   前記第２光学部品は第２反射面を有する内部表面を有し、
   前記第１反射面は前記光線の第１の組を受けるために配置され、かつ前記第２反射面は前記光線の第２の組を受け、前記光線の第２の組を前記ビームスプリッターを経由して前記像点に向けて集束させるために配置されており、
   前記第１反射面は前記物点に対してほぼ同心円をなすか、または前記第２反射面は前記像点に対してほぼ同心円をなす、
   前記物点を前記像点に結像するための結像システム。
2. 前記第１反射面は前記光線の第１の組を受け、前記光線の第１の組を反射して前記ビームスプリッターに戻すために配置されており、前記ビームスプリッターは前記第１反射面から受けた各光線の少なくとも一部を前記像点に反射させるために配置されている、請求項１に記載の結像システム。
3. 前記第1反射面の中心は前記物点と共に物体光軸を画定しており、前記ビームスプリッターは前記物体光軸に対して鋭角をなして配置される、請求項２に記載の結像システム。
4. 前記鋭角は４５°にほぼ等しい、請求項３に記載の結像システム。
5. 前記第２反射面は前記光線の第２の組を受け、前記光線の第２の組を反射して前記ビームスプリッターに戻すために配置されており、前記ビームスプリッターは前記第２反射面から受けた各光線の少なくとも一部を前記像点に透過させるために配置されている、請求
   項１に記載の結像システム。
6. 前記第２反射面の中心は前記像点と共に像光軸を画定しており、前記ビームスプリッターは前記像光軸に対して鋭角をなして配置される、請求項５に記載の結像システム。
7. 前記鋭角は４５°にほぼ等しい、請求項６に記載の結像システム。
8. 前記第１光学部品の内部表面は湾曲している、請求項１に記載の結像システム。
9. 前記第１光学部品は前記内部表面と対向する平坦な表面を有し、前記ビームスプリッターは前記平坦な表面に隣接して配置される、請求項１に記載の結像システム。
10. 前記第２光学部品はオプティカルフラットである、請求項１に記載の結像システム。
11. 前記ビームスプリッターは前記第１反射面から受けた前記光線の第１の組と前記第２反射面から受けた前記光線の第２の組とを干渉によって再結合させるために配置されている、請求項１に記載の結像システム。
12. 前記第１反射面は前記物点に対して同心円をなし、かつ前記第２反射面は前記像点に対 して同心円をなす、請求項１に記載の結像システム。
13. 前記物点から光線を受けるために前記物点と前記ビームスプリッターとの間に配置された屈折面をさらに備える、請求項１に記載の結像システム。
14. 前記屈折面は前記物点に対してほぼ同心円をなす、請求項１２に記載の結像システム。
15. 前記反射面によって集束された光線を受けるために前記ビームスプリッターと前記像点との間に配置された屈折面をさらに備える、請求項１に記載の結像システム。
16. 前記屈折面は前記像点に対してほぼ同心円をなす、請求項１５に記載の結像システム。
17. 物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、
    前記ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記ビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている反射面と、
    前記反射面を画定している内部表面を有する第１光学部品と、前記第１光学部品は前記内部表面と対向する平坦な表面を有し、前記ビームスプリッターは前記平坦な表面に隣接して配置されることと、
    前記物点及び前記像点のうちの一方に隣接する平坦な表面と前記第１光学部品に接する凸状の表面とを有する平凸状の光学部品とを備え、
    前記平凸状の光学部品と前記第１光学部品との境界は屈折面を画定している、
    前記物点を前記像点に結像するための結像システム。
18. 物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、
    前記ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記ビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている反射面と、
    前記反射面を画定している内部表面を有する第１光学部品と、
    前記第１光学部品に隣接する第２光学部品と、前記ビームスプリッターは前記第１反射光学部品と前記第２反射光学部品との境界に配置されることと、
    前記物点及び前記像点のうちの一方に隣接する平坦な表面と前記第２光学部品に接する凸状の表面とを有する平凸状の光学部品とを備え、
    前記平凸状の光学部品と前記第２光学部品との境界は屈折面を画定している、
    前記物点を前記像点に結像するための結像システム。
19. 前記結像システムは前記物点及び前記像点のうちの他方に隣接する平坦な表面と前記第１光学部品に接する凸状の表面とを有するもう１つの平凸状の光学部品をさらに備え、前記平凸状の光学部品と前記第１光学部品との境界はもう１つの屈折面を画定している、請求項１８に記載の結像システム。
20. 物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、
    前記ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記ビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている反射面とを備え、
    前記反射面は前記光線の第１の組を受け、前記光線の第１の組を反射して前記ビームスプリッターに戻すために配置されており、前記ビームスプリッターは前記反射面から受けた各光線の少なくとも一部を前記像点に反射させるために配置され、
    前記反射面の中心は前記物点と共に物体光軸を画定しており、
    前記ビームスプリッターは前記物体光軸に対してほぼ垂直に配置される、
    前記物点を前記像点に結像するための結像システム。
21. 物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するビームスプリッターと、
    前記ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記ビームスプリッターを経由して像点に向けて集束させるために配置されている反射面とを備え、
    前記反射面は前記光線の第２の組を受け、前記光線の第２の組を反射して前記ビームスプリッターに戻すために配置されており、前記ビームスプリッターは前記反射面から受けた各光線の少なくとも一部を前記像点に透過させるために配置されており、
    前記反射面の中心は前記像点と共に像光軸を画定しており、
    前記ビームスプリッターは前記像光軸に対してほぼ垂直に配置される、
    前記物点を前記像点に結像するための結像システム。
22. 物点を第１像点に結像するための第１の結像システムと、第１の結像システムは物点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離する第１ビームスプリッターと、前記第１ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記第１ビームスプリッターを経由して第１像点に向けて集束させるために配置されている反射面とを備えることと、
    前記第１像点を第２像点に結像するための第２結像システムと、前記第２結像システムは前記第１像点から光線を受け、各光線を光線の第１の組を画定する透過成分と光線の第２の組を画定する反射成分とに分離するために配置されている第２ビームスプリッターと、前記第２ビームスプリッターから前記光線の組のうちの一方を受け、該光線の組を前記第２ビームスプリッターを経由して前記第２像点に向けて集束させるために配置されている第２反射面とを備えることと、
    を含む結像システム。

Images