JP4987417B2

JP4987417B2 - 長作動距離顕微鏡対物レンズ

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Publication number: JP4987417B2
Application number: JP2006284391A
Authority: JP
Inventors: 啓介濱元
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008102295A

Description

本発明は、作動距離が長い中倍率程度の顕微鏡対物レンズに関するものである。

金属や半導体の加工に用いられる工業系の顕微鏡対物レンズでは、常に長作動距離を求められる。20倍程度の対物レンズでは特許文献１のような長作動距離の対物レンズが示されているが、レーザーリペアとして使用する場合には標本面から加工物が飛散することや、作動距離内部に薄いガラス板やリード線、固定治具による段差などが含まれることが多いため、24ｍｍを越える作動距離を有する対物レンズが求められている。

良好な収差補正をしつつ作動距離を延長する場合には、対物レンズの全長・全幅を拡大することが効果的である。しかし、作動距離の増加に伴う対物レンズの体積・重量の増加は、装置の省エネルギー化、位置決めの高精度化、また製造コストに対して大きな弊害となる。

以上のことから、良好な光学性能を保ち、レンズを収める空間の体積を小さくし、全長に対する作動距離の比率を従来よりも高める技術が、対物レンズに強く望まれている。
特許第３６００９２６号

本発明は従来技術の上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた結像性能を有しながらも全長に対する作動距離の割合を従来よりも大きくすることができる、長作動距離対物レンズを提供することである。

上記課題を解決する本発明の長作動距離対物レンズは、物体側から順に、複数の正屈折力単体レンズから構成され、物体側からの光束を収斂光束に変換する第１群と、物体側に凸面を向けた負屈折力の接合メニスカスレンズ成分を少なくとも1つ含み、全体で負の屈折力を持つ第２レンズ群とからなり、以下の条件を満たすことを特徴とする。
Nd2-1≦Nd2-2≦…≦Nd2-ｎ・・・（１）
ただし、第２レンズ群中の各接合レンズに含まれる負レンズのｄ線の屈折率を物体側からNd2-1、Nd2-2、Nd2-3…、Nd2-nとする。

また、以下のような構成においても本発明の長作動距離対物レンズは構成することが出来る。すなわち、物体側から順に、複数の正屈折力単体レンズから構成され、正屈折力を有する第Iレンズ群と、負の屈折力を有する第IIレンズ群と、負の屈折力を有する第IIIレンズ群と、負の屈折力を有する第IVレンズ群により構成され、以下の条件を満たすことを特徴とする。
NdII1≦NdII2≦…≦NdIIn≦NdIII1≦NdIII2≦…≦NdIIIn≦NdIV1≦NdIV2…≦NdIVn ・・・（２）
ただし、第IIレンズ群中の各接合レンズに含まれる負レンズのｄ線の屈折率を物体側からNdII1、NdII2、NdII3…、NdIIn、第IIIレンズ群中の各接合レンズに含まれる負レンズのｄ線の屈折率を物体側からNdIII1、NdIII2、第IVレンズ群中の各接合レンズに含まれる負レンズのｄ線の屈折率をNdIV1、NdIV2…、NdIVnとする。

また、以下の条件を満たすことが望ましい。
0.55 ≦ d／da ≦ 0.75 ・・・（３）
1≦ Rf／Rh ≦ 2.5 ・・・（４）
ただし、対物レンズの中で最も物体側の正屈折力単体レンズの物体側の曲率半径をRf、最も光線高の高い正屈折力単体レンズの像側の曲率半径をRh、対物レンズの標本面から像側最終レンズ面までの軸上総空気間隔をda、対物レンズの軸上総肉厚をdとする。

また、以下の条件を満たすことが望ましい。
0.5≦WD/L≦0.6 ・・・（５）
ただし、WDは対物レンズの作動距離、Lは標本面から対物レンズの最も像側のレンズ面までの軸上空気間隔および軸上肉厚の総和とする。

また、以下の条件を満たすことが望ましい。
15 ≦WD−f≦20 ・・・（６）
ただし、ｆは対物レンズ全体の焦点距離(mm)、WDは対物レンズの作動距離(mm)とする。

また、光線が最も高い部分の正屈折力単体レンズのアッベ数が、対物レンズの中で使用されるレンズの中で最大であることが望ましい。
また、物体側から負レンズと正レンズと負レンズの順で張り合わされた3枚接合レンズを含むことが望ましい。

また、倍率は20倍程度が望ましい。
また、以下の条件を満たすことが望ましい。
NA≦0.3 ・・・（７）
ただし、ＮＡは対物レンズの開口数である。

以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用について詳細に説明する。顕微鏡対物レンズの同焦距離を一定としたときに、作動距離を長くするには、物体側に正の屈折力を有するレンズ群を配置し、像側に強い負の屈折力を持つレンズ群を配置する必要がある。一般に、対物レンズの作動距離は長くなる程に色収差の補正が困難になる。

第１のレンズ群は、光線を収斂光束にするために、複数枚の正屈折力の単体レンズを含む。収差補正を行うという点ではそれだけでは不十分であるが、最も光線高の高い部位に低分散ガラスを用いることで、色収差の発生を抑えることができる。また、最も物体側の曲率半径を大きくし、物体から入射したときに発生する収差を抑えると共に、光線高が最も高くなる面の曲率半径を上記（４）式を満たすように設定することで、軸上色収差の発生を最小限に抑え、第２群での色収差の補正を可能としている。

第２レンズ群は、第１レンズ群で発生する色収差、コマ収差、球面収差、像面湾曲のすべてを補正するために用いる。特に３枚接合レンズを用いることで無駄な空気間隔を省き、長作動距離を実現すると共に、色収差および球面収差を強力に補正することが可能である。なお、この３枚結合の物体側の面が凸面であることで、第１群で収斂光束となった光線が入射する際に、諸収差の発生を少なく抑えることが出来る。

上記（１）式は、上記第２レンズ群の接合レンズに含まれる負レンズの屈折率を規定したものである。長作動距離は、上記（３）式のように軸上総レンズ肉厚を薄くすることで実現する。そして、長作動距離化した場合に第１レンズ群で発生する諸収差を第２レンズ群以降の接合レンズによって補正する。本レンズ構成においては、像側にいくほど接合レンズの負レンズの肉厚が諸収差の補正に影響しなくなる。つまり、像側の負レンズほど収差補正に関して厚みを必要としないと言える。

長作動距離実現のためには不要な肉厚を除去する必要がある。しかし、より薄いレンズでも光線を十分に屈折させ、収差補正を行わなければならない。そのため、上記（５）式または上記（６）式に示すような作動距離である場合には、肉厚が薄くなるほど負レンズの屈折率を高くし、上記（１）式に示すような構成をとることで、長作動距離の確保と良好な収差補正を行っている。

長作動距離をとる構造ではＮＡは小さくなる傾向にあり、同時に高次の球面収差の補正が非常に難しくなることから、上記（５）式を満たすような２０倍程度の対物レンズでは、上記（７）式で示すような開口数を持つ対物レンズが、良好な結像性能と長作動距離を有することが可能となる。

本発明において、レンズ系の群構成を４群構成とみなすことも出来る。つまり、上記の第２レンズ群をさらに細かいレンズ群構成とみなす。このとき、第Iレンズ群は上記第１レンズ群と同一であり、光線を収斂光束にするために正屈折力の単体レンズを複数枚含む。収差の発生を抑えるために最も光線高の高い部位で低分散ガラスを用い、さらに、上記（４）式を満たすことで、軸上色収差の発生を最小限に抑えている。

第IIレンズ群は、第Iレンズ群で発生する色収差、コマ収差、球面収差を補正するために用いる。３枚接合レンズを用いることで無駄な空気間隔を省き、長作動距離を実現すると共に、色収差および球面収差を強力に補正する。なお、この３枚接合の物体側の面が凸面であることで、第Iレンズ群で収斂光束となった光線が入射する際に、諸収差の発生を抑えることが出来る。

第IIIレンズ群は、他の群と同様に球面収差、コマ収差、色収差に加え、像面湾曲の補正を強く行っている。
第IVレンズ群は、レンズの曲率半径によって球面収差とコマ収差を大きく補正している。

なお、上記に現れる長さの単位はｍｍである。

以上のように、本発明の顕微鏡対物レンズは、従来以上の長い作動距離を有しつつ、優れた結像性能を有する中倍率程度の顕微鏡に適したレンズ系である。

以下に、本発明の長作動距離顕微鏡対物レンズの実施例１〜４について説明する。各実施例のレンズデータは後記するが、図１〜図４はそれぞれ実施例１〜４のレンズ構成を示す断面図である。また、図５は本実施例に利用する表１記載の結像レンズの断面図である。

実施例１の構成は、図１に断面図を示すように、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと正の両凸レンズとにより構成され、第１レンズ群Ｇ１は第Iレンズ群Iと同じである。第２レンズ群Ｇ２は、さらに細かく、第IIレンズ群IIと第IIIレンズ群IIIと第IVレンズ群IVで構成されている。第IIレンズ群IIは物体側に凸面を向けた負の３枚接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズと両凹レンズからなる。第IIIレンズ群IIIは物体側に凸面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる。第IVレンズ群IVは物体側に凹面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、両凹レンズと両凸レンズからなる。

実施例２の構成は、図２に断面図を示すように、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと正の両凸レンズとにより構成され、第１レンズ群Ｇ１は第Iレンズ群Iと同じである。第２レンズ群Ｇ２は、さらに細かく、第IIレンズ群IIと第IIIレンズ群IIIと第IVレンズ群IVで構成されている。第IIレンズ群IIは物体側に凸面を向けた負の３枚接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズと両凹レンズからなる。第IIIレンズ群IIIは物体側に凸面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる。第IVレンズ群IVは物体側に凹面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、両凹レンズと両凸レンズからなる。

実施例３の構成は、図３に断面図を示すように、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に平面を向けた正の平凸レンズと凸面を向けた正の平凸レンズとにより構成され、第１レンズ群Ｇ１は第Iレンズ群Iと同じである。第２レンズ群Ｇ２は、さらに細かく、第IIレンズ群IIと第IIIレンズ群IIIと第IVレンズ群IVで構成されている。第IIレンズ群IIは物体側に凸面を向けた負の３枚接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズと両凹レンズからなる。第IIIレンズ群IIIは物体側に凸面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、両凸レンズと両凹レンズからなる。第IVレンズ群IVは物体側に凹面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、両凹レンズと両凸レンズからなる。

実施例４の構成は、図４に断面図を示すように、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズと正の両凸レンズとにより構成され、第１レンズ群Ｇ１は第Iレンズ群Iと同じである。第２レンズ群Ｇ２は、さらに細かく、第IIレンズ群IIと第IIIレンズ群IIIと第IVレンズ群IVで構成されている。第IIレンズ群IIは物体側に凸面を向けた負の３枚接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズと両凹レンズからなる。第IIIレンズ群IIIは物体側に凸面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズと物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる。第IVレンズ群IVは物体側に凹面を向けた負の接合メニスカスレンズであり、その構成は物体側から順に、両凹レンズと両凸レンズからなる。

以下に、各実施例のレンズデータを示す。記号は、上記のほか、ＮＡは開口数、ＷＤは作動距離(mm)、βは倍率、ｆは焦点距離(mm)である。

ＮＡ＝０．２５、ＷＤ＝２５．４３２、ｆ＝９、β＝−２０

（３）d／da ＝０．７４
（４）RI1／RII2 ＝１．９９
（５）WD/L ＝０．５１８
（６）WD−f ＝１６．４３２

ＮＡ＝０．２５、ＷＤ＝２７．０９５５、ｆ＝９、β＝−２０

（３）d／da ＝０．６６４
（４）RI1／RII2 ＝２．０９６
（５）WD/L ＝０．５５１
（６）WD−f ＝１８．０９６

ＮＡ＝０．２５、ＷＤ＝２８．９６４７、ｆ＝９、β＝−２０

（３）d／da ＝０．５７９
（４）RI1／RII2 ＝1
（５）WD/L ＝０．５８６
（６）WD−f ＝１９．９６５

ＮＡ＝０．２５、ＷＤ＝２５．４４２４、ｆ＝１０、β＝−１８

（３）d／da ＝０．７４２
（４）RI1／RII2 ＝１．６４４
（５）WD/L ＝０．５１７
（６）WD−f ＝１５．４４３
上記実施例１〜４は何れも対物レンズからの射出光が平行光束となる無限遠補正型の対物レンズであり、これら単体では結像しない。そこで、例えば以下に示すレンズデータを有し、図５にレンズ断面を示す結像レンズと組み合わせて使用される。ただし、レンズデータ中、ｒ１’、ｒ２’…は物体側から順に示した各レンズ面の曲率半径、ｄ１’、ｄ２’…は物体側から順に示した各レンズ面間の間隔、ｎｄ１’、ｎｄ２’…は物体側から順に示した各レンズのｄ線の屈折率、νｄ１’、νｄ２’…は物体側から順に示した各レンズのアッベ数である。

この場合、実施例１〜４の対物レンズと図５の結像レンズの間の間隔は５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間の何れの位置でもよいが、この間隔を１２０ｍｍとした場合の実施例１〜４の収差図をそれぞれ図６〜図９に示す。ただし、これら収差図において、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差、（ｄ）はコマ収差を示す。これら収差図中、ＩＨは像高を示す。なお、上記間隔が５０ｍｍ〜１７０ｍｍの間で１２０ｍｍ以外の位置においてもほぼ同様の収差状況を示す。

以上の説明から明らかなように、本発明の顕微鏡対物レンズは、従来以上の長い作動距離を有しつつ、優れた結像性能を有する中倍率程度の顕微鏡に適したレンズ系である。

本発明の顕微鏡対物レンズの実施例1のレンズ断面図である。実施例２のレンズ断面図である。実施例３のレンズ断面図である。実施例４のレンズ断面図である。実施例１の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差を示す収差図である。実施例２の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差を示す収差図である。実施例３の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差を示す収差図である。実施例４の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差を示す収差図である。各実施例の顕微鏡対物レンズと組み合わせて用いる表1記載の結像レンズのレンズ断面図である。

符号の説明

I…第Iレンズ群
II…第IIレンズ群
III…第IIIレンズ群
IV…第IVレンズ群

G1…第１レンズ群
G2…第２レンズ群

Claims

物体側から順に、複数の正屈折力単体レンズから構成され、物体側からの光束を収斂光束に変換する第１レンズ群と、物体側に凸面を向けた負屈折力の接合メニスカスレンズ成分を少なくとも1つ含み、全体で負の屈折力を持つ第２レンズ群とからなり、以下の条件を満たすことを特徴とする長作動距離顕微鏡対物レンズ。
Nd2-1≦Nd2-2≦…≦Nd2-ｎ
0.55 ≦ d／da ≦ 0.75
1≦ Rf／Rh ≦ 2.5
ただし、前記第２レンズ群中の各接合レンズに含まれる負レンズのｄ線の屈折率を物体側からNd2-1、Nd2-2、Nd2-3…、Nd2-n、前記対物レンズの中で最も物体側の正屈折力単体レンズの物体側の曲率半径をRf、最も光線高の高い正屈折力単体レンズの像側の曲率半径をRh、前記対物レンズの標本面から像側最終レンズ面までの軸上総空気間隔をda、軸上総肉厚をdとする。
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
0.5≦WD/L≦0.6
ただし、WDは前記対物レンズの作動距離、Lは標本面から前記対物レンズの最も像側のレンズ面までの軸上空気間隔および軸上肉厚の総和とする。
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
15 ≦WD−f≦20
ただし、ｆは前記対物レンズ全体の焦点距離(mm)、WDは前記対物レンズの作動距離(mm)とする。
光線が最も高い部分の正屈折力単体レンズのアッベ数が、対物レンズの中で使用されるレンズの中で最大であることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
物体側から負レンズと正レンズと負レンズの順で張り合わされた3枚接合レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。