JP6514864B2 - 筒型レンズユニット - Google Patents

Description

本発明は、像距離が無限の対物レンズおよび色消しの残差を伴う使用のための色消し補正効果を有する顕微鏡用の筒型レンズユニットに関する。

色の残差および無限の像距離を有する対物レンズならびに色補償効果を有する筒型レンズユニットから構成された、いわゆるＩＣＳシステム（「無限無着色補正システム」（ｉｎｆｉｎｉｔｙ ｃｏｌｏｒ ｆｒｅｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ））が知られている。

この種のシステムを用いれば、対物レンズの色の残差にもかかわらず色収差の無い中間像を生成することができ、像フィールド全体において顕微鏡対象物の細部を可能な限り忠実な色で再現することが可能になる。

既知のＩＣＳシステムの重大な欠点は、対物レンズと筒型レンズユニットとの間の距離を狭い範囲内でしか変化させられないことであり、そのためこのシステムは所与の筒型レンズユニットに拘束されており、この点ではシステムがそのために設計された装置における用途にしか利用することができない。

特許文献１には、像距離が無限の対物レンズおよび色の残差を伴う使用の際に色補償効果をもたらす筒型レンズユニットが記載されている。しかし、ここでは顕微鏡対物レンズおよび筒型レンズの色誤差が互いに補償されるので、これらのレンズ間の無限空間が補正されない。無限空間が可変ではないことが不利であると分かる。また、横方向オフセットの際に、対物レンズと筒型レンズユニットとの間には光軸上に横色誤差が生じる。

また、特許文献２には、補正された筒型レンズユニットが記載されている。色誤差を大幅に除外するには、異常分散を有する非常に高価なガラスを使用しなければならない。この解決法の欠点は、非点収差の変動が、無限空間に応じて十分には除去されないことである。また、対物レンズおよび筒型レンズユニットの横色誤差の補償が完全には行われない。

国際公開第２００５／０８８３７８号パンフレット 米国特許出願公開第ＵＳ２０１０１７２０２９号明細書

従来技術の解決法の欠点に基づいて、本発明の基礎となる課題は、コンパクト性およびロバスト性の点で筒型レンズユニットを改良することである。コンパクト性は短い全長によって特徴付けられ、ロバスト性は、レンズの傾き誤差および横方向オフセットの際の収差の変化の最小化、ならびに、開口ビームおよび主ビームが筒型レンズユニットを通過する際の高さの変動を定義するものである。

その際、開口ビームとは、軸方向の物点から出て開口の縁部に当たるビームであり、一方、主ビームとは、最も高いフィールド点から出て入射瞳の中心を通過するビームである。

この課題は、本発明によれば特許請求項１の特徴を備えた、冒頭で説明した種類の筒型レンズユニットを用いて解決される。有利な構成は、従属請求項２から６に挙げられている。

本発明によれば、ｎ_Ｐおよびｎ_Ｎがそれぞれ波長５４６ｎｍでの正レンズおよび負レンズの屈折率を表し、ｖ_Ｐおよびｖ_Ｎがそれぞれ波長５４６ｎｍでの正レンズおよび負レンズのアッベ数を表すとき、筒型レンズユニットが以下の特性
ｎ_Ｐ＜１．５０かつｖ_Ｐ＜７１
ｎ_Ｎ＜１．６６かつｖ_Ｎ＜３７
を有する少なくとも２つのレンズから構成され、δＡが、直径が１７．５５ｍｍの入射瞳について、少なくとも２つのレンズの表面を通過する際の貫通高さとしての開口ビームの変動を表し、δＢが、入射角ｗ＝３．２３度について、少なくとも２つのレンズの表面を通過する際の貫通高さとしての主ビームの変動を表すとき、ビーム経路が以下の条件
｜δＡ｜＜０．６０ｍｍかつ｜δＢ｜＜０．３０ｍｍ
によって特徴付けられる。

有利には、筒型レンズユニットは、無限空間から出て負の屈折力を有するメニスカス・レンズおよび正の屈折力を有する両凸レンズを特徴とする、２つのレンズを備えた接合要素から構成されている。

この変形例は、入射瞳が第１の面にあり、入射瞳の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離が１９５．０３ｍｍであり、視野数が２２である場合に、好適には以下の機能データ

によって特徴付けられ、ここで、ｒは半径ｍｍ、ｄはレンズの厚さまたは空間距離ｍｍ、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である。

別の有利な構成変形例において、筒型レンズは、無限空間から出るように配置された正の屈折力を有する両凸レンズ（Ｌ１）と、負の屈折力を有するメニスカス・レンズ（Ｌ２）および正の屈折力を有するメニスカス・レンズ（Ｌ３）から構成された接合要素と、から構成され、メニスカス・レンズ（Ｌ２、Ｌ３）の全ての面の曲率半径が、撮像側に位置している。

この変形例は、第１の実施形態において、入射瞳が第１の面にあり、入射瞳の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離が１９５．０２ｍｍであり、視野数が２２である場合に、好適には以下の機能データ

によって特徴付けられ、第２の実施形態において、入射瞳が第１の面にあり、入射瞳の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離が１９５．００ｍｍであり、視野数が２２である場合に、好適には以下の機能データ

によって特徴付けられ、ここで、ｒは半径ｍｍ、ｄはレンズの厚さまたは空間距離ｍｍ、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である。

古典的な意味での色収差矯正を用いては、スペクトル線Ｃ’＝６４３．８５ｎｍおよびＦ’＝４７９．９９ｎｍについて、対物レンズとの横色誤差を完全には補償することができない。顕微鏡におけるカメラのますますの使用は、Ｃ’−Ｆ’からｄ−ｈへの色収差矯正の重点の移行に基づいている。Ｃ’−Ｆ’での色収差矯正は、スペクトル線Ｃ’（６４３．８５ｎｍ）およびＦ’（４７９．９９ｎｍ）での焦点位置が同一であることを意味し、一方、ｄ−ｈでの色収差矯正は、スペクトル線ｄ＝５８７．５６ｎｍおよびｈ＝４０４．６５ｎｍでの焦点位置が同一であることを意味する。

その際、Ｃ’、Ｆ’、ｄ、およびｈは、ビームの特定のスペクトル線、つまり特定の波長である。
通例、ＣＣＤセンサは、より広範囲の分光感度を有している。赤外線ビームは、ＩＲ遮断フィルタによって除去される。短波長領域では、ＣＣＤセンサは大抵の場合、ヒトの眼よりも高い分光感度を有している。筒型レンズユニットは、スペクトル線ｄ＝５８７．５６ｎｍおよびｈ＝４０４．６５ｎｍについて色収差矯正を実現するので、対物レンズと合わせた色誤差を、可視領域（ＶＩＳ）全体において完全に補償することができる。

球面収差、コマ収差、非点収差、およびフィールド湾曲のような撮像誤差が、直径が１７．５５ｍｍの入射瞳について大幅に補正されるので、これらが「回折限界補正された」と言うことができる。筒型レンズユニット前方で無限空間が±３５ｍｍ変化する際、非点収差および横色誤差はほとんど変化しない。

以下では本発明による筒型レンズユニットを、２つの実施例に基づいてより詳細に説明する。

３つのレンズを有する筒型レンズユニットの図。 ２つのレンズを有する筒型レンズユニットの図。 図１による実施例（第１の変形例）による、入射瞳に応じた縦収差の図。 図１による実施例（第１の変形例）による、横色誤差および縦色誤差の図。 図１による実施例（第１の変形例）による、横色誤差および縦色誤差の図。 図１による実施例（第１の変形例）による、非点収差および歪についてのフィールドに応じた撮像誤差の図。 図１による実施例（第１の変形例）による、非点収差および歪についてのフィールドに応じた撮像誤差の図。

図１は、第１の実施例において、両凸レンズである単一レンズＬ１と、負の屈折力を有するメニスカス・レンズＬ２および正の屈折力を有するメニスカス・レンズＬ３から構成された接合要素とを備えた本発明による筒型レンズユニットを示している。また、図１は、レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３の半径ｒ１からｒ６、面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、厚さｄ２、ｄ４、ｄ５、入射瞳ＥＰとレンズＬ１との間の空間距離ｄ１、レンズＬ１とＬ２との間の空間距離ｄ３、およびレンズＬ３と中間像面ＺＢＥとの間の空間距離ｄ６を示している。レンズＬ２およびＬ３の全ての面Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６の曲率中心ｒ４、ｒ５、ｒ６は、撮像側に位置している。筒型レンズユニットの本実施例は、入射瞳ＥＰが面Ｆ１にあり、入射瞳ＥＰの直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離ｆ’が１９５．０２ｍｍであり、視野数が２２である場合に、第１の変形例において以下の機能データ

によって特徴付けられ、第２の変形例において、入射瞳が第１の面にあり、入射瞳の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離が１９５．００ｍｍであり、視野数が２２である場合に、好適には以下の構成データ

によって特徴付けられ、ここで、半径ｒ１からｒ７および厚さまたは空間距離ｄ１からｄ７はｍｍで記載されており、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である。

図２は、第２の実施例において、２つのレンズＬ４、Ｌ５から構成された接合要素を備えた本発明による筒型レンズユニットを示している。無限空間から出て、レンズＬ４がメニスカス・レンズとして、レンズＬ５が負の屈折力を有する両凸レンズとして形成されている。また、図２は、レンズＬ４、Ｌ５の半径ｒ１からｒ５、厚さｄ２、ｄ３、面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、入射瞳ＥＰとレンズＬ４との間の空間距離ｄ１、およびレンズＬ５と中間像面ＺＢＥとの間の空間距離ｄ４も示している。

筒型レンズユニットの本実施例は、入射瞳ＥＰが第１の面Ｆ１にあり、入射瞳ＥＰの直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離ｆ’が１９５．０３ｍｍであり、視野数が２２である場合に、以下の機能データ

によって特徴付けられ、ここで、半径ｒ１からｒ５および厚さまたは空間距離ｄ１からｄ４はｍｍで記載されており、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である。

図３は、第１の実施例（図１、第１の変形例）による筒型レンズユニットの、入射瞳ＥＰに応じた縦収差を示している。その際、入射瞳ＥＰの最大半径が８．７７５０ｍｍである。縦収差は、波長ＷＬ１＝０．４８０μｍ、ＷＬ２＝０．５４６μｍ、ＷＬ３＝０．６４４μｍ、およびＷＬ４＝０．４３６μｍについて図示されており、垂直座標の目盛線が０．８７７５ｍｍに対応している。

曲線の推移から、球面収差がほぼ補正されていることが見て取れる。また、色収差矯正が、古典的な意味では波長ＷＬ１およびＷＬ２について確定されないとしても、ここでは生じていることが分かる。

図４は、第１の実施例（図１、第１の変形例）による、様々な波長ｍｍに応じた、＋１１ｍｍの像高さについての横色誤差（図４ａ）および入射瞳の直径が１７．５５ｍｍの場合の縦色誤差（図４ｂ）を示している。波長ｈ（４０４．６５ｎｍ）およびｄ（５８７．５６ｎｍ）についての焦点位置はほぼ同一であり（図４ｂ）、これは、波長ｈおよびｄについて色収差矯正が実現されることを意味している。

図５には、第１の実施例（図１、第１の変形例）による、異なる４つの波長、ＷＬ１＝０．４８０μｍ、ＷＬ２＝０．５４６μｍ、ＷＬ３＝０．６４４μｍ、およびＷＬ４＝０．４３６μｍでの、像高さＹ（最大１１ｍｍ）に応じた、非点収差（図５ａ）および歪（図５ｂ）についてのフィールドに応じた撮像誤差が図示されており、ここで、Ｓは矢状像表面を、Ｔは接線像表面を定義している。直径が１７．５５ｍｍの入射瞳ＥＰについて、被写界深度が像空間内の０．２７ｍｍである。矢状像表面Ｓと接線像表面Ｔとの間のフィールド縁部の距離（図５ａ）は、前掲の全ての波長において０．０５ｍｍ未満、つまり、被写界深度の約６分の１である。これにより、非点収差がほぼ補正される。歪（図５ｂ）は、フィールド縁部で−０．２４％であり、対物レンズと合わせて補正することができる。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５…レンズ、ＥＰ…入射瞳、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６…表面。

Claims (3)

1. 像距離が無限の対物レンズおよび色消しの残差を伴う使用のための色消し補正効果を有する顕微鏡用の筒型レンズユニットであって、
   ｎ_Ｐおよびｎ_Ｎがそれぞれ波長５４６ｎｍでの正レンズおよび負レンズの屈折率（ｎ_ｅ）を表し、ｖ_Ｐおよびｖ_Ｎがそれぞれ波長５４６ｎｍ（ＷＬ２）での正レンズおよび負レンズのアッベ数（ｖ_ｅ）を表すとき、該筒型レンズユニットが以下の特性
   ｎ_Ｐ＜１．５０かつｖ_Ｐ＜７１
   ｎ_Ｎ＜１．６６かつｖ_Ｎ＜３７
   を有する少なくとも２つのレンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５）から構成され、
   δＡが、直径が１７．５５ｍｍの入射瞳（ＥＰ）について、該少なくとも２つのレンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５）の表面（Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６）を通過する際の貫通高さとしての開口ビームの変動を表し、δＢが、入射角ｗ＝３．２３度について、該少なくとも２つのレンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５）の該表面（Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６）を通過する際の貫通高さとしての主ビームの変動を表すとき、ビーム経路が以下の条件
   ｜δＡ｜＜０．６０ｍｍかつ｜δＢ｜＜０．３０ｍｍ
   によって特徴付けられ、
   前記筒型レンズユニットは、無限空間から出るように配置された正の屈折力を有する両凸レンズ（Ｌ１）と、負の屈折力を有するメニスカス・レンズ（Ｌ２）および正の屈折力を有するメニスカス・レンズ（Ｌ３）から構成された接合要素と、から構成され、
   該メニスカス・レンズ（Ｌ２、Ｌ３）の全ての面（Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６）の曲率半径が、撮像側に位置している、筒型レンズユニット。
2. 入射瞳（ＥＰ）が第１の面（Ｆ１）にあり、該入射瞳（ＥＰ）の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離（ｆ’）が１９５．０２ｍｍであり、視野数が２２である場合に、以下の機能データ
   によって特徴付けられ、ここで、ｒは半径ｍｍ、ｄは前記レンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の厚さまたは空間距離ｍｍ、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である、請求項１に記載の筒型レンズユニット。
3. 入射瞳（ＥＰ）が第１の面（Ｆ１）にあり、該入射瞳（ＥＰ）の直径が１７．５５ｍｍであり、物体面の位置が無限であり、焦点距離（ｆ’）が１９５．００ｍｍであり、視野数が２２である場合に、以下の機能データ
   によって特徴付けられ、ここで、ｒは半径ｍｍ、ｄは前記レンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の厚さまたは空間距離ｍｍ、ｎ_ｅは屈折率、ｖ_ｅはアッベ数である、請求項１に記載の筒型レンズユニット。