JPH0493911A - 無限系結像光学系 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、顕微鏡等の対物レンズに用いられる結像光学
系に関し、特に、２つの部分からなり、焦点調節のため
に光軸に沿って移動可能な第ルンズ部分によって物体の
像を無限遠方に作り、第２レンズ部分によってこの像を
所定の倍率で所定の位置に再度結像する無限系結像光学
系に関するものである。

〔従来の技術〕

本発明は、顕微鏡等で公知のいわゆる無限遠系結像光学
系において、第１対物レンズを焦点調節のために光軸方
向に移動可能にした場合の、再結像レンズ（又は、第２
対物レンズ、コリメートレンズ）の構成に関するもので
ある。無限遠系結像光学系は、第２５図に示すように、
第１対物レンズＧＩと第２対物レンズＧ、とからなり、
物体面Ｏの像を第１対物レンズＧ１によって無限遠方に
結像させ、その像を所定の倍率で像面Ｉに再結像させる
ものである。このような無限遠系結像光学系における第
２対物レンズは、例えば、特公昭６１−６１６５０号や
特開昭６３−３１１２２２号によって知られている。

ところで、従来の無限遠系結像光学系においては、焦点
調節は、物体に対して光学系全体を移動させるものであ
り、第１対物レンズのみを移動させて焦点調節するもの
は提案されていない。

そして、従来の第２対物レンズは、例えば、上記特開昭
６３−３１１２２２号に見られるように、４枚構成であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、焦点調節のために第１対物レンズのみを光軸
に沿って移動可能にした無限遠系結像光学系において、
第２対物レンズを３枚構成とし、第１対物レンズの移動
に伴って入射瞳か移動しても、従来の４枚構成の場合と
同等以上の性能を奏する無限系結像光学系を得ようとす
るものである。

第２６図に示すように、無限系結像光学系において、物
体面か変化したときに焦点調節のために第１対物レンズ
Ｇ１を移動させると、第１対物レンズＧ１と第２対物レ
ンズＧ、の間の間隔か変化し、それに伴って瞳の位置も
ＰｌからＰ２へ変化する。そのため、第２対物レンズＧ
、の主光線の位置も変化してしまう。したかつて、第２
対物レンズＧ２としては、入射瞳の位置が変動しても諸
収差の小さいものか必要である。そのためには、第２対
物レンズＧ２はアナスチグマートに構成しなければなら
ない。

ところで、正、負、正の３枚構成のアナスチグマートは
、従来、トリプレット型レンズとして知られているが、
その場合、レンズ組立長（最前レンズ面頂点から最終レ
ンズ面頂点まての長さ）か焦点距離の２０％から３０％
あるいはそれ以上の値を持つのか通例である。これは、
正、負のノ々ワーを持つ面の間隔を広げることて、ペッ
ツバール和をゼロに近づけて、像面湾曲を補正し、アナ
スチグマートを得るために必要であると考えられること
による。そして、このタイプのレンズのペッツバール和
は、焦点距離を１としたとき、０．３前後である。また
、同じ正、負、正の構成てあって、レンズを隔てる空間
が焦点距離に比して充分小さい光学系は、望遠鏡用対物
レンズやそれに類する対物レンズとして知られているが
、これらは、上記した理由により、単独ではアナスチグ
マートとはなり得す、アクロマートあるいはアポクロマ
ートとして利用されている。そして、このアクロマート
の３枚構成レンズのペッツバール和は、０．６５を超え
るものが多いが、これは薄肉レンズのペッツバール和と
ほぼ一致していて、アナスチグマートとするための配慮
がほとんどなされていないことが知られる。また、これ
らのタイプのレンズは、球面収差の補正を優先させるた
め、レンズ第１面の曲率半径も焦点距離の】／２より大
きい場合か多く、その他の面の曲率半径の絶対値も焦点
距離の１７３を切ることは稀である（ただし、色収差補
正を優先したアポクロマート等は意味が異なり、この限
りではない。）。このため、レンズ中に含まれる負のパ
ワーを持つ面（凹面）の作用が弱く、球面収差と共に像
面湾曲を補正する作用が少ない。

これら２つの型式の３枚玉レンズを無限系結像光学系の
第２対物レンズとして利用しようとする場合、第１の３
枚玉アナスチグマートは、組立長が大きすぎ、例えば顕
微鏡光学系の一部に組み込むには、余分なスペースをと
らねばならず、物理的に不利となる。また、第２のアポ
ロマート式の３枚玉は、スペースの点では育利であるか
、負方向の像面湾曲が補正できず、収差に原因する光学
性能上の欠点がある。

本発明はこれら２つの形式のレンズ系の欠点に鑑みてな
されたもので、その目的は、焦点調節等のためのスペー
ス、収差の両面から、充分使用に耐え得る第２対物レン
ズを備えた無限系結像光学系を提供することである。

〔問題点を解決する為の手段〕

まず、第２対物レンズが備えるへき性質について述べる
。本発明の意図する無限系結像光学系の第２対物レンズ
においては、必要とする開口数は通常０．０５（Ｆナン
バー１０）程度以下であり、必要とする半画角は１０°
程度以下であるが、この範囲で、像面湾曲か充分に補正
されていることか望ましい。少なくとも、メリジオナル
像面が補正されていることか必要であるか（サジタル像
面の残存収差は、第１対物レンズて打ち消し、光学系全
体として打ち消すことが可能だからである。

）、本発明においては、第１対物レンズと第２対物レン
ズを隔てる空間に自由度を持たせて第１対物レンズを焦
点調節のために移動できるようにするため、及び、この
移動に伴う入射瞳の変動に対応するためには、メリジオ
ナル像面のみならずコマ収差か充分補正されている必要
かある。

以上の理由から、第２対物レンズとしては、アナスチグ
マートかそれに近い性能を持ち得るレンズ形式でなくて
はならない。先に述へたように、３枚玉アナスチグマー
トの全長は０．３ｆ程度以上のものが多い。これは、ペ
ッツバール和をゼロに近づけて、アナスチグマ−１・と
じての必要条件を得るために必要な大きさであると考え
られてきたが、本発明においては、第１対物レンズを第
２対物レンズに近接するように移動させるため、第２対
物レンズの組立長は可能な限り小さいことか望ましい。

そのために、本発明の無限系結像光学系においては、第
２対物レンズは、正、負、正の３枚構成のものとし、そ
の焦点距離をｆとするとき、そのレンズ組立長Σｄか、 ０、０５　ｆ　＜Σｄ＜０．１４ｆ　　　・・・・ｆｌ
）を満足するように構成する。

上記条件（１）において、下限を設定した理由は、レン
ズ組立長かそれ以下になると、第２対物レンズ自身が他
に条件を設定してもその像面湾曲を補正しきれなくなり
、第１対物レンズと組み合わせても像面湾曲を充分に補
正できなくなるからである。また、その上限を設定した
理由は、これ以上第２対物レンズか長くなると、第１対
物レンズと第２対物レンズ間の距離か充分とれず、焦点
調節のための距離及びフィルター、落射照明用ハーフミ
ラ−等の光学部材の挿入スペースか不足し、また、第２
対物レンズの後側に両眼接眼レンズのためのプリズム等
の挿入スペースか不足し、光学システムの全長か長くな
りすぎるためである。

また、第２対物レンズを構成するレンズの最も大きな正
のパワーを持つ面の曲率半径をｒＭとし、２つの正レン
ズと中央の負レンズとを隔てる空気間隔の合計をＤとし
、第２対物レンズの焦点距離をｆとするとき、 ０、１　ｆ　＜　ｌ　ｒ　ｘ　　ｌ　＜　０．３５　ｆ
　　　　・・・（２）０．０１ｆ＜Ｄ＜０．１１ｆ　　
　　　・・・・（３）の関係を持たねば成らない。

以下、条件（２）、（３）について説明する。一般に、
レンズ系は、正のパワーを他の負のパワーか打ち消す構
造になっている。このとき、正のパワーが持つ面の収差
は、負のパワーを持つ面の収差によって打ち消されて、
全体として良好な補正状態を保つものである。正、負の
パワーを隔てる間隔が収差に及はす影響は種々あるが、
−船釣に、ペッツバール和を含む像面湾曲補正には、負
のパワーを持つフィールドフラットナーにその例を見る
ように、ある程度の間隔が必要である。通常のトリブレ
ットの場合は、負レンズ前後の空間の合計は、０．２ｆ
程度であり、必要な画角の減少と共に、この値は大きく
なる傾向がある。本発明のように、第２対物レンズの全
長を少とする必要かあり、しかも、アナスチグマートと
する場合には、この間隔を小さく保ちつつ、ペッツバー
ル和を小とせねばならない。このためには、正、負のレ
ンズのパワーを大とし、実効的に空間を大きくして、ペ
ッツバール和を小さくすることか必要である。条件（２
）はこのために必要であり、ｒＭか上限を越えると、組
立長が大きくなり、条件（１）の上限を越えてしまう。

レンズ系としての性能は向上する可能性はあるが、第１
対物レンズと第２対物レンズの間に一連の光学系を組込
んで使用する場合には、物理的大きさで不利となり、ま
た、第１対物レンズによる焦点調節のための間隙か不足
する。また、条件（２）の下限を過ぎると、曲率半径が
小さすぎて収差的に不利となる。特に、第２対物レンズ
前方の正レンズにおいては、入射瞳かレンズ前方にある
ため、光線の入射角か大となり、その傾向は増大する。

（３）の条件は（２）の条件と相まって、組立長を小さ
い値に保ったまま、像面を補正するのに必要な条件であ
る。すなわち、屈折率ｎの媒質中を光か進行する場合、
幾何光学的光路長は１／ｎとなる。したかって、媒質の
屈折率がより大きければ、実質的な光路長がより短くな
る。したがって、本発明のように、全長を一定長より短
くする必要のある光学系においては、レンズ中心厚さを
可能な限り小とし、空気間隔をそれに替えて、許される
物理的寸度内で光学的により大きな間隔をとるのが得策
である。（３）の上限を越えると、各レンズの中心厚さ
やコバ厚か小となり、工作上安定を欠き、したがって、
性能に悪影響を及ぼし、また、下限を過ぎると、像面補
正がもはや困難となる。

以上述へたように、本発明の無限系結像光学系は、焦点
調節のために光軸に沿って移動可能で物体の像を無限遠
方に結像する第１対物レンズと、その像を所定の倍率で
所定の位置に再度結像する第２対物レンズとを有する無
限系結像光学系において、前記第２対物レンズは、物体
側から順に空気間隙をおいて配置された正単レンズ、負
単レンズ、正単レンズからなり、以下の条件を満足する
ことを特徴とするものである： ０、０５　ｆ　＜Σｄ＜０．１４ｆ　　　・・・・（１
）０．１ｆ＜　　ｒＭ　＜Ｑ、３５ｆ　　　−・−（２
１０，０１ｆ＜Ｄ＜０．１１　ｆ　　　　・・・・（３
）ただし、ｆは第２対物レンズの焦点距離、Σｄはその
組立長、ｒｔ＋は第２対物レンズを構成するしンズの最
も大きな正のパワーを持つ面の曲率半径、Ｄは第２対物
レンズの２つの正単レンズと中央の負単レンズとを隔て
る空気間隔の合計である。

〔作用〕

本発明による無限系結像光学系においては、特に、第２
対物レンズの組立長か短く、しかも、諸収差が良好に補
正されたものである。

このため、第２対物レンズ自身が必要とするスペースか
小さく、他の部材のためのスペースをそれだけ多く提供
でき、また、第１対物レンズの焦点調節のための移動ス
ペースを充分に与えることかできる。また、諸収差、特
にメリジオナル及びコマ収差か良好に補正されているた
め、焦点調節に伴う入射瞳の変動による収差の変動か小
さく、焦点距離の０．４倍、あるいは、それ以上の変動
に実用上充分耐え得るものである。この値は、必要とす
る画角の減少に伴い増大する傾向を持つことはもちろん
である。

〔実施例〕

以下に、本発明の無限系結像光学系を構成する第２対物
レンズの実施例を図面と共に示す。第１図から第１２図
は実施例１から１２のレンズ断面図であり、第２対物レ
ンズは各々正単レンズし、負単レンズＬｘ、正単レンズ
Ｌ、からなる。第１３図から第２４図はそれらの収差図
であり、各実施例の第２対物レンズの可動範囲の両端で
の収差を示し、このうち、Ａは球面収差、Ｂ、　　Ｃ及
びり、Ｆは入射瞳位置か変化した場合のそれぞれの非点
収差及び歪曲を表す。なお、以下の実施例において、ｆ
は焦点距離、ｙは像高、ＰＮＰは第ルンズ面頂点からの
入射瞳位置（光の進行方向が正）、ｒはレンズ面の曲率
半径、ｄはレンズ面間隔、ｎ、Ｖはｄ線に対する屈折率
、アツベ数を表す。

（実施例１　）　　ｆ＝１００　　Ｙ＝１０．５　　Ｅ
ＮＰ＝０〜−０．２ｆｒｌ＝　　　　２８．７ ｄｌ＝　　　　１．５　　　　ｎ１＝１．７４４　　　
　Ｖｌ　　＝４５．Ｏｒ２　＝　　　　１３６．２ ｄ２＝　　　　３．８３ ｒ３　＝−４０，２９ ｄ３＝　　　　１．Ｏｎ２＝１．６７２７　　　　Ｖ２
＝３２．１７ｒ４＝　　　　　４０．２９ ｄ４＝　　　　３．８３ ｒ５　＝　　　−１３６，２ ｄ５＝　　　　１．５　　　　ｎ３＝１．７４４　　　
　Ｖ３＝４５．０ｒ６＝　　　　−２８，７ Σｄ＝　　　１１．６６ （実施例２）　　ｆ＝１００　　ｙ＝１０．５　　ＰＮ
Ｐ＝Ｏ〜−〇、３ｆｒｌ＝　　　　２９．６６ ｄｌ＝　　　　１．５　　　　ｎ１＝１．６２２３　　
　　Ｖ１＝５３．０５ｒ２　＝　　　１１０．４５ ｄ２＝　　　　３．９ ｒｌ＝　　　　１３．１０ ｄｌ＝　　　　１．５ ｒ２＝５０，３３ ｄ２＝　　　０．７７ ｒ３　：　　　３９１．１ ６３＝　　　　１．０ ｒ４＝　　　　１３．２２ ６４＝　　　　４．０ ｒ５＝　　　　１２２．１０ ６５＝　　　　１．５ ｒ６　＝　　　　−５７，２８ Σｄ＝　　　　８．７７ ｎｌ　　＝１．６２２９９ ｎ２　＝１．６１２６６ ｎ３　＝１．６２２９９ Ｖｌ　　＝　５８．２２ Ｖ２　＝　４４．４１ Ｖ３　＝　５８．２２ ｙ−ｔ７．ｓ　　ＥＮＰ＝０〜−〇、３ｆ（実施例９　
）　　ｆ＝１００ ｒｌ　　＝　　　　１５．５５ ｄｌ＝　　　　１．５　　　　ｎ１＝１．５１８２３ｒ
２＝　　　　　　■ ｄ２＝　　　　１．５５ ｒ３＝　　　　−６３，３ ｄ３＝　　　　１．０ ｎ２　＝１．６１２６６ Ｖｌ　　＝　５８．９ Ｖ２　＝　　４４．４ ｒ４　＝ ｄ４　　＝ ｒ５　＝ ｄ５　＝ ｒ６＝ Σｄ： １７、８５ ４．５ １．５ −３５．４４ １０、０５ ｎ３　　＝１．６２２８ Ｖ３　＝　５７．０３ （実施例１０）　　ｆ＝１００　　ｙ＝ｔ７．ｓ　　Ｅ
ＮＰ＝０〜−０．３ｆｒｌ　　＝　　　　　１６．３９ ｄｉ−２，９０ｎｌ　　＝１．６１２７２　　　Ｖｌ　
　＝　５８．５４ｒ２＝　　−９８０，０ ｄ２＝　　　　１．４ ｒ３＝　　　　−６９，５ ｄ３＝　　　　０．７　　　　ｎ２＝１．５４８１４　
　　Ｖ２＝４５．８７ｒ４＝　　　　　１５．２８ ｄ４＝　　　　５．５４ ｒ５−　　　　ω ｄ５＝　　　　１．８ ｒ６　−　　−４４．６４ Σｄ＝　　　１２．３４ Ｖ３　＝　　６４．１ ｎ３　＝１．５１６８ ｙ＝ｔ６ＥＮＰ＝−０，１５ｆ〜０．１５ｆ（実施例１
１）　　ｆ＝１００ ｒｌ＝　　　　　１２．４９５ ｄｌ＝　　　　１．５　　　　ｎ１＝１．７２３４２ｒ
２　＝　　　１８．９５７ ｄ２＝　　　　２．８５ ｒ３＝　　　−２８５，７ ｄ３＝　　　　１．０ ｒ４＝　　　　１４．４４３ ｄ４＝　　　　４．０ ｒ５　＝　　　　３６．８００ ｄ５＝　　　　１．５ ｒ６　＝　　　−６０，７８６ Σｄ＝　　　１０．８５ ｎ３　＝１．７４４４３ ｎ２　＝１．６７２７ Ｖｌ　　＝　３７．８８ Ｖ２　＝　３２．１７ Ｖ３　＝　４９．５２ （実施例１２）　　ｆ＝１００　　ｙ＝１１　　ＥＮＰ
＝−０，２ｆ〜−０，６１ｒｌ　　＝　　　　１７．７
９ ｄｌ＝　　　　１．４　　　　ｎ１＝１．７２３４２．
Ｖ１＝３７．８８ｒ２＝　　　　２２．６６ ｄ２＝　　　　１．２ ｒ３＝　　　　　９３．２４ ｄ３＝　　　　０．９　　　　ｎ２＝１．６７２７　　
　　Ｖ２＝３２．１７ｒ４＝　　　　　２１．２０ ｄ４＝　　　　１．５ ｒ５＝　　　　３９．６０ ｄ５＝　　　　２．Ｏｎ３＝１．７４８１０　　　Ｖ３
−５２．２８ｒ６　−　−１４１．５３ Σｄ＝　　　　７．０ 〔発明の効果〕 本発明による無限系結像光学系は、その第２対物レンズ
の組立長が小さく、また、入射瞳かレンズ前方にあるに
もかかわらず、はぼアナスチグマートであり、特にメリ
ジオナル像面か良好に補正されている。このため、入射
瞳の変動に対する諸収差の変動が小さい。この性質は、
例えば、無限遠形式の顕微鏡用対物レンズとして使用す
る場合、第２対物レンズか必要とするスペースが少ない
ため、他の必要な部材、例えばフィルター、落射照明用
ハーフミラ−１その他の光学部材を挿入するスペースか
より多くなり、また、第２対物レンズの焦点調節のため
の移動スペースを充分に与えることができる。また、第
１対物レンズ、第２対物レンズ間の間隔を焦点調節のた
めに変化させる場合にも、コマ収差及びメリジオナル像
面かよ（補正されているため、像の収差的変動か少ない
等の利点がある。この性値は、顕微鏡に限らず、光線を
引きまわす必要のある系の一部として使用する場合、極
めて有利な性質である。さらに、工場顕微鏡や投影器、
その他の光学的測定器に本発明の光学系を応用し、その
第１対物レンズのみを移動して合焦を行うように構成す
れば、機械的構造の簡素化、精度向上極めて有利である
。

【図面の簡単な説明】

第１図から第１２図は本発明による無限系結像光学系の
第２対物レンズの実施例のレンズ断面図、第１３図から
第２４図はそれらの収差図、第２５図は無限系結像光学
系の基本構成を示す光路図、第２６図は無限系結像光学
系の第１対物レンズと第２対物レンズの間隔を変化させ
た場合の瞳位置の変化を示す光路図である。 Ｌｌ・・・正レンズ、Ｌ２　・負レンズ、Ｌ２・・・正
レンズ、Ｇ１・・・第１対物レンズ、Ｇ２・・・第２対
物レンズ、０・・・物体面、■・・・像面、Ｐ、Ｐ、　
、Ｐ、・・・入射瞳

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）焦点調節のために光軸に沿って移動可能で物体の
   像を無限遠方に結像する第１対物レンズと、その像を所
   定の倍率で所定の位置に再度結像する第２対物レンズと
   を有する無限系結像光学系において、前記第２対物レン
   ズは、物体側から順に空気間隙をおいて配置された正単
   レンズ、負単レンズ、正単レンズからなり、以下の条件
   を満足することを特徴とする無限系結像光学系： ０．０５ｆ＜Σｄ＜０．１４ｆ ０．１ｆ＜｜ｒ＿Ｍ｜＜０．３５ｆ ０．０１ｆ＜Ｄ＜０．１１ｆ ただし、ｆは第２対物レンズの焦点距離、Σｄはその組
   立長、ｒ＿Ｍは第２対物レンズを構成するレンズの最も
   大きな正のパワーを持つ面の曲率半径、Ｄは第２対物レ
   ンズの２つの正単レンズと中央の負単レンズとを隔てる
   空気間隔の合計である。