JPH04215610A - 単一ハイブリッド反射屈折光学系要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学系に関し，さらに詳
細には顕微鏡の対物レンズとしてまたはコヒーレント光
源からの光の焦点を結ばせたりまたはその光をコリメー
トさせたりするためにとくに適した高開口数の光学系要
素に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロジャー・ピー・ラヴランド（Ｒｏｇｅ
ｒ　Ｐ．　Ｌｏｖｅｌａｎｄ）による「光顕微鏡写真（
Ｐｈｏｔｏｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｙ）」という題名の著
書（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎｓ，　Ｉｎｃ．
　社（Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ）発行，（１９７０年））の５
３２−５３３ページに次の記述がある：「１９０６年に
，ツァイス（Ｚｅｉｓｓ）のジーデントップフ（Ｓｉｅ
ｄｅｎｔｏｐｆ）が心臓形の暗視野反射コンデンサを開
発した。心臓形とはおなじみのカスプ（尖端）を有した
ハート形の曲線である。対称軸の周りの回転面はいくつ
かの興味ある光学的特性を有する。最初軸に平行なすべ
ての光線はカスプの点を通して焦点が結ばれるように球
面を置くことができるであろう。さらに得られた反射レ
ンズはアプラナティック（球面収差除去）であり，アナ
スティグマティック（非点収差除去）であり，またもち
ろん完全にアクロマティック（色収差補正的）である。 」１９３２年に，ディー．ディー．マクストフ（Ｄ．Ｄ
．Ｍａｋｓｕｔｏｖ）が「顕微鏡用高開口対物レンズに
ついて」という題名のソ連特許第４０８５９号において
２つの面の反射系からなるソリッド体を記載し，ここで
入射面および射出面は光線に対し直角に規定されている
のでいずれの面にも角偏差が起きずまた媒体の屈折率は
任意でよい。有限共役を有する系に使用されたとき，必
要とされる非球面は正確には心臓形ではなくしたがって
この系は正確にはアプラナティックではない。

【０００３】上記の系の光学性能は良好であるが，両系
は反射系であるのでこれらの両系は不明瞭化によるエネ
ルギー損失を受け，したがってこれらは比較的高い開口
，短い焦点距離，および長い作動距離の組合せを必要と
する用途には適していない。上記基準を満足する屈折系
は球面を用いて設計可能であるが，多くの要素を必要と
する。しかしながら単一要素系を達成するためには，た
とえばコリメートされた光線を点焦点に結像する単一要
素の平凸レンズを規定する非球形のいわゆるカーテシア
ン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）面を使用することが可能であ
る。平行光線は平面に直角に入射しかつそれらが凸面を
通して射出されるまで偏向されることなく，該凸面は双
曲線断面を有する回転面で規定され，該双曲線断面の円
錐定数は屈折率の２乗の負の値でありまた該双曲線断面
の頂点半径は希望のバックフォーカスと屈折率から１を
引いた値との積である。

【０００４】このようなレンズ要素は球面収差に対して
は補正されているがそれはアプラナティックではなく，
したがってきわめて高い開口数の用途には使用可能では
ない。

【０００５】同様に通常の非球面レンズ設計プログラム
を用いて１つまたは２つの非球面を有するこのようなレ
ンズを特定することができる。このようなレンズは球面
収差に対しては補正されようがコマに対しては補正可能
ではない。これらのレンズは通常ＣＤプレーヤまたはレ
コーダに使用される。しかしながら，０．５５以上の開
口数を有するレンズを設計したり製作したりすることは
難しい。さらにこれらのレンズは作動距離を小さくする
傾向を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は反射外側環形
ゾーンと屈折内側コアゾーンとを含んで高品質かつ高効
率の単一反射屈折レンズ要素を形成するところの単一ハ
イブリッド光学系要素の上記の基準のすべてを満たすも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】特定の実施態様において
，該要素の反射外側環形ゾーンはジーデントップフの心
臓形形状を利用しまた屈折内側コアゾーンはカーテシア
ン形状を利用する。コヒーレント適用に対するこの組合
せのキーポイントは２つのゾーンの適切な位相合わせで
あり，この位相合わせはいずれか最も同調の容易なほう
のゾーンを同調させることによって容易に達成可能であ
る。

【０００８】このような実行の利点は多々ある。設計に
よっては，球面収差を実質的になくすことができる。外
側環形ゾーンはアプラナティックでありかつアクロマテ
ィックである。内側コアゾーンはかなり小さい開口数を
用いているので著しい収差をもたらすことはない。全体
構造はきわめて高い開口数と合理的な作動距離とを提供
する。

【０００９】

【実施例】本発明の好ましい例示実施態様はディジタル
データ記憶装置の用途に適した無限共役マイクロ対物レ
ンズの実施例である。

【００１０】平行な直線波面線であらわされているコリ
メートされた（平行光線）入射コヒーレントビームは２
つの部分すなわち破線内に示された外側部分２と外側部
分２によって囲まれた内側部分３とに分割されている。 ビームの外側部分２は光学系要素の外側環形ゾーン１０
の環状セグメント５を通過し，環状面セグメント６によ
って環状（心臓形）面セグメント７へ内側に反射され，
該環状（心臓形）面セグメント７は環状面セグメント８
を通過させてビームを光学系要素から焦点３０の方向に
反射する。面６からの第１の反射は内側への全反射によ
りすなわち第１の反射面をコーティングすることによっ
て達成される。この設計は，内側コアゾーン２０とおよ
び外側環形ゾーン１０との両方が共通焦点３０を有する
ように行われる。ビームの内側部分３は系１の平面２５
と屈折内側コアゾーン２０の凸面２６とを通過される。 しかしながら，光路長さは系の各部分において異なって
いる（反射光路のほうが長い）。したがって，光学系要
素を同調させるのに最終同調作業またはポリッシングが
用いられ，これは内側屈折コアゾーンの平面からきわめ
て少量の余分な材料を除去することによって行うことが
好ましい。内側コアゾーンの入射面に位相板（位相顕微
鏡に使用されるものと類似の）が追加されかつ次にコヒ
ーレント光に適用するように同調されることが好ましい
。

【００１１】本発明の特定実施態様の設計実施例を以下
に示すが，ここで開口数を０．６５，作動距離を１ｍｍ
以上，また光線はコリメートされたコヒーレント入射光
を使用するものとする。

【００１２】まず７８０ｎｍにおいて１．８４３４の屈
折率を有する光学系ガラス媒体（空気中で作動）が選択
される。開口数：ＮＡ＝Ｓｉｎ（θｍａｘ）＝０．６５
であるので， θｍａｘ＝４０．５４° となり，ここでθは射出角の半分である。

【００１３】次に，ビーム断面の寸法としてクリヤ開口
寸法が指定される；ここでクリヤ開口：ＣＡ＝５．００
ｍｍである。屈折率はＮ＝１．８４３４であるので，焦
点距離ＦＬは数式１によりＦＬ＝３．８４６ｍｍと計算
される。

【００１４】

【数１】

【００１５】第１の反射面の半径Ｒ１は焦点距離に等し
く，Ｒ１＝３．８４６ｍｍである。内側への全反射によ
り反射面として第１の半径を維持するために，数式２に
よりθｍｉｎ＝３２．８５°となる。

【００１６】

【数２】

【００１７】最小反射面の開口数は数式３によりＮＡ′
＝０．５４とすべきである。

【００１８】

【数３】

【００１９】したがって数式４によりｙｍｉｎ＝２．０
７７ｍｍとなる。

【００２０】

【数４】

【００２１】 さらに，ＳＡＧ＝０．５３４２ｍｍ ＢＦ＝４．０４７ｍｍ ＶＲ＝−３．４１４ｍｍ Ｒ２＝４．６０８５ｍｍ ＮＡＲＥＦＲＡＣ＝０．３７５ θＬＩＭ＝２２．０６° となる。

【００２２】屈折面を反射面に対して相対的に置くこと
はこの開口におけるサグとバックフォーカス（ＢＦ）と
を同時に知ることを必要とする。サグ（ＳＡＧ）は屈折
要素の頂点半径（ＶＲ）の関数でありしたがってバック
フォーカス（ＢＦ）の関数でもあるので（ＶＲ＝ＢＦ（
Ｎ−１）），これは繰り返し計算で解かれなければなら
ない。中心厚さ（ＣＴ）は比較的任意でよく，これは重
量およびサイズに関する合理的な拘束によってのみ制限
される。この実施例に対しては，ＣＴは１．４５３０ｍ
ｍに等しく選ばれる。全体厚さ（ＯＴ）はまた同様にし
て，作動距離，最終開口および構造を考慮して選ばれ，
たとえばこの場合にはＯＴ＝２．５００ｍｍと選ばれる
。これは作動距離ＷＤ＝３．００ｍｍを与える。

【００２３】最終計算は位相計算ステップに対して行わ
れる。光路長さの計算は両方の経路に対して行われ，そ
の差は補償に必要なガラス厚さに変換される。例示の実
施態様においては，設計寸法に対し面５または２５に０
．２２２ミクロンの補正が必要となる。実際には，これ
は意図的に内側コアゾーンを僅かに肉厚に作り次に研磨
によってコアを同調させることによって行うことができ
る。同様な技術はたくさんのコピーを成形するのにツー
リング（成形型）を使用することもできる。（図の中の
位相ステップは図示の目的のために拡大されている）。 双曲面を有するほかにまたはそれのかわりに，内側コア
面の両方または一方のいずれかが非球面で作られてさら
に像品質を高めることが可能である。コヒーレント照明
に使用されたときにこのようなレンズの回折パターンは
３つの要素で構成されるとみなすことができる。 各要素は異なる直径の円の回折パターンを示す。したが
って強度は数式５であらわすことができる：

【００２４
】

【数５】

【００２５】ここでＩは強度，ｒは中心から測定した回
折パターン内の半径，Ｉ０は入力エネルギーの関数，Ｊ
１（ｋｉｒ）はｉ番目の開口に対する一次ベッセル関数
であり，ここでｋ１は全開口寸法に対応し，ｋ２は不明
瞭にされた開口の部分に対応しまたｋ３は屈折光線によ
って満たされた開口の部分に対応する，εは不明瞭にさ
れたビーム部分の割合を示し，Ｋは屈折ビームの割合（
フラクション）を示し，φ１，２，３は各ゾーンの位相
を示す。

【００２６】位相およびゾーン比を適切に選択すること
により，得られた回折パターンを特製することができる
。この方法を用いることにより，第２の回折リングをな
くすことができ，これによりきわめて高解像度のスポッ
トを得ることができる。この理由で同様に開口アポダイ
ジングもまた使用してもよい。上記の光学系要素は異な
る製造方法を用いてプラスチックならびにガラスで作っ
てよいことは当業者に当然明らかであろう。これらの方
法は下記のものを含むが，必ずしもこれらに限定されな
い： １）単一点ダイヤモンドターニング（プラスチック），
２）プラスチック射出成形， ３）精密ガラス成形， ４）モザイクアセンブリ（プラグまたは空気／ガラス）
。

【００２７】光学系要素は無限共役ならびに有限共役の
いずれにも使用できるように容易に修正可能でありまた
顕微鏡対物レンズ，ＣＤへの応用または他の光学系のサ
ブパートのような多くの目途において使用可能である。

【００２８】本発明はとくに好ましい実施態様について
詳細に説明してきたが，本発明の精神および範囲内で変
更および修正が可能であることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい例示実施態様の側断面図であ
る。

【符号の説明】

１　　光学系要素 ５　　ビームを外側環形ゾーンに導入するための面セグ
メント ６　　入射ビームを反射するための凸面として作用する
環状反射面セグメント ７　　凹面として作用する環状心臓形反射面セグメント
８　　屈折凹面セグメント １０　　外側環形ゾーン ２０　　内側コアゾーン ３０　　焦点 ５０　　焦平面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射光を所定の焦平面に焦点を結ばせ
   るための屈折内側コアゾーンとおよび前記コアゾーンを
   囲む外側環形ゾーンとからなる単一ハイブリッド反射屈
   折光学系要素において，前記外側環形ゾーンが：光学系
   要素の対物側に配置されて前記外側環形ゾーンに光を導
   入するための面セグメントと；光学系要素の凹部分の像
   側に配置された凸面として働く環状反射面セグメントと
   ；を有し、この凸面として働く環状反射面セグメントか
   ら反射された光りは光学系要素の凸部分の対物側に配置
   され凹面として働く環状心臓形反射面セグメントに向い
   、この心臓形反射面セグメントは入射光を反射し前記外
   側環形ゾーンの屈折凹面セグメントを通過させて前記外
   側環形ゾーンから出し、この屈折凹面セグメントは光学
   系要素の像側に配置され前記光を前記焦平面に焦点を結
   ばせることを特徴とする、単一ハイブリッド反射屈折光
   学系要素。