JPH0644102B2 - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、顕微鏡対物レンズ、特に極めて大きな開口数
（N.A.）を有する液浸系顕微鏡対物レンズに関する。

（発明の背景） レンズの解像力は、周知の如くその開口数に比例するた
め、大きな開口数を持つ対物レンズが開発されてきてい
る。一方、レンズの収差の量は、像面湾曲、歪曲収差以
外はレンズの焦点距離に比例するため、同じ開口数を持
ったレンズでは、焦点距離の大きなものの方が相対的に
収差の値を小さくしなければならず、設計がより困難で
ある。この傾向は、顕微鏡対物レンズの如く、倍率に依
らずほぼ一定の画角を必要とする場合には特に著しい。

また、開口数と焦点距離とが等しいレンズの場合、レン
ズの組立長及び容積がより小さい方が収差補正がより困
難であることも良く知られている。この傾向は、アナス
チグマートにおいて特に増大する。以上の如き傾向は、
顕微鏡対物レンズの如くレンズ全長がのショルダーハイ
ト（物体面から対物レンズの胴付け面までの距離）によ
って制限を受けるような場合には、大口径を持つアナス
チグマート低倍率対物レンズの設計の困難を予想させ
る。例えば、100 倍の対物レンズが許容される組立長は
その焦点距離の30倍程度であり、60培の対物レンズにお
いては、18倍程度に制限される。光学顕微鏡の限界と思
われる開口数 1.4程度の対物レンズのほとんどが100 倍
の倍率を持つことは、上記の事情を良く現している。

一方、100 倍の対物レンズに、最も一般的な10倍の接眼
レンズを組み合わせて総合倍率を1000倍として使用した
場合の分解能は、通常言われている人間の眼の分解能の
２分の１以下であり、いわゆる馬鹿拡大の状態となって
いる。従って、N.A.が1.4 の対物レンズに見合った倍率
は、より低倍率の50〜60倍程度である。そして、100 倍
の対物レンズに比して60倍の対物レンズでは、細部に関
する情報は大差無く、低倍率であるほど実質的な視野が
大きくなり、60倍の対物レンズでは100 倍のものに比較
して1.6 倍の実視野となるため、より多くの情報を得る
ことが可能である。しかしながら、上記の如き対物レン
ズの収差補正上の傾向のために、N.A.が1.4 程度であり
ながらより低倍率の対物レンズを実現することは極めて
困難であった。

（発明の目的） 本発明の目的は、開口数（N.A.）1.4 ，倍率60倍程度
で、平坦な像面を持ち、アポクロマート級に色収差を抑
え、優れた結像性能を有する液浸系顕微鏡対物レンズを
提供することにある。

（発明の概要） 本発明による顕微鏡対物レンズは、第１実施例のレンズ
構成図である第１図に示す如く、物体側から順に、平凸
レンズとこれに貼合された像側に凸面を向けたメニスカ
スレンズからなる第１レンズ成分L₁、像側により屈折力
の大きな面を向けた正レンズの第２レンズ成分L₂、負レ
ンズと正レンズとの貼合せで構成された第３、第４及び
第５レンズ成分L₃，L₄，L₅、両凸正レンズと両凹負レン
ズとの接合からなり物体側に凸面を向けたメニスカス形
状の第６成分L₆、両凹負レンズと両凸正レンズとの接合
からなり像側に凸面を向けたメニスカス形状の第７成分
L₇及び像側に凸面を向けた正メニスカスレンズの第８成
分L₈を有している。

そして、貼合せからなる第１成分L₁の貼合せ面の極率半
径をＲ_２、物体面から該第１成分の貼合せ面までの距離
をＳ、該第１成分L₁を形成する平凸レンズ及びメニスカ
スレンズの屈折率を、それぞれｎ_１，ｎ_２とし、物体側
に凸面を向けた貼合せメニスカスレンズの第６成分L₆の
物体側凸面及び像側凹面の曲率半径をそれぞれＲ₁₆，Ｒ
₁₈、該第６成分L₆を形成する両凸正レンズ及び両凹レン
ズの屈折率をそれぞれｎ₁₁，ｎ₁₂、該第６成分L₆の合成
中心厚をＤ_Ｆとし、像側に凸面を向けた貼合せメニスカ
スレンズの第７成分L₇の物体側凹面及び像側凸面の曲率
半径をＲ₁₉，Ｒ₂₁、該第７成分L₇を形成する両凹負レン
ズ及び両凸正レンズの屈折率をそれぞれｎ₁₃，ｎ₁₄、該
第７成分L₇の合成中心厚をＤ_Ｒとし、像側に凸面をむけ
た正メニスカスレンズの第８成分L₈の物体側及び像側の
面の曲率半径をＲ₂₂，Ｒ₂₃、該第８成分L₈の屈折率をｎ
₁₅とするとき、 Ｓ＜−Ｒ_２＜２Ｓ (1) ｎ_２−ｎ_１＞0.18 (2) 0.7N_ＦＲ₁₈＜Ｒ₁₆−0.37Ｄ_Ｆ＜ 1.4Ｎ_ＦＲ₁₈ (3) Ｒ₁₈＜Ｄ_Ｆ (4) 但し、Ｎ_Ｆ＝（ｎ₁₁−１）／（ｎ₁₂−１） 0.7Ｎ_Ｒ｜Ｒ₁₉｜＜｜Ｒ_Ｍ｜−0.37Ｄ_Ｒ ＜ 1.4Ｎ_Ｒ｜Ｒ₁₉｜ (5) ｜Ｒ₁₉｜＜Ｄ_Ｒ (6) 但し、 Ｎ_Ｒ＝（ｎ_ｍ−１）／（ｎ₁₃−１） ｎ_ｍ＝（ｎ₁₄＋ｎ₁₅）／２ １／Ｒ_Ｍ＝１／Ｒ₂₁＋１／Ｒ₂₂＋１／Ｒ₂₃ の各条件を満足するものである。

上記本発明の如き大開口数の液浸系対物レンズにおいて
は、半球状の最前レンズを持ち、このレンズがカバーグ
ラス及び液浸とほぼ等しい屈折率を有しており、光軸上
の物点に対して不遊条件を満足していることが原則であ
り、軸上物点を基準波長に対してほぼ無収差で2.3 倍程
度に拡大する。具体的には、物点からN.A. 1.4の角度を
もって入射した光線束は、半球状の最前レンズを通過し
た後、球面収差に関してほとんど無収差でN.A.0.6程度
にまで絞られる。これは、対物レンズ全体の系で屈折す
べき光線束の角度の５５％以上に相当する。つまり、対
物レンズのパワーの半分以上を１個のレンズが受け持っ
ていることとなる。このようにこの最前レンズの作用は
強大であるから、液浸系対物レンズに不可欠のレンズで
あるが、その反面、以下の如き問題を有している。

即ち、上記の半球状レンズはある特定の波長光について
のみ不遊条件を満たすのであって、他の波長光に対して
は当然不遊条件を満たしてはいない。従って、色収差は
勿論のこと、色の球面収差を発生させる。これらの収差
量は半球状レンズの大きさに比例する故、色収差、球面
収差を補正する目的から半球状レンズはより小さい方が
よい。他方、ペッツバール和はこのことにより、より正
となるから、像面が物体側に湾曲する性質がより強くな
り、対物レンズ全系として像面の平坦性が得にくくな
る。つまり、像面の平坦性を得るためには半球状レンズ
はより大きい方が望ましく、色収差、球面収差を補正す
るにはより小さい方が望ましい。

このように、球面収差、色収差を補正するようなレンズ
要素に対する要求ペッツバール和の補正又は像面の平坦
性を得るための要求と矛盾するのは、この種の対物レン
ズの設計上常に付きまとう現象である。そして、、本発
明の如く大開口数を持つ液浸系対物レンズにおいて、像
面の平坦性とアポクロマート級の色収差補正を達成しよ
うとする場合には特に深刻な問題であった。このような
液浸系対物レンズの設計上の困難な問題が、上記の如き
本発明によって解決されたのである。

以下に、本発明による液浸系対物レンズの構造について
詳述する。

まず、最前レンズ成分としての半球状正レンズ成分L
₁は、平凸レンズと像側に凸面を向けたメニスカスレン
ズとの接合から成り、これらの貼合せ面は物体側に凹面
を向けて発散作用を有しており、軸上物点からの光線束
は、この貼合せ面によって若干の発散作用を受けて進行
する。球面収差及びコマ収差を補正する上では、貼合せ
面の曲率半径Ｒ_２は上記条件式（１）の上限を越えて弱
い曲率になることが望ましいが、その反面、ペッツバー
ル和を負に補正する作用が小さくなる。ペッツバール和
を補正するには、貼合せ面の曲率半径Ｒ_２は(1) 式の下
限を外れて強い曲率になることが望ましいが、光線束の
発散作用が大きくなり過ぎて、球面収差の補正が難しく
なり、特にコマ収差が負方向に発生して補正が困難とな
ってしまう。

(2) 式の条件は、(1) 式の条件と関連して、ペッツバー
ル和を補正して平坦な像面を得るためのものである。こ
のためには、貼合せの第１成分L₁を形成するレンズの屈
折率差が大きい程効果的であり、この条件を外れると、
ペッツバール和の補正効果が少なくなり、もはやアナス
チグマートを得るのが困難になってしまう。

貼合せの第１成分L₁に続いて、正レンズの第２成分L₂、
貼合せの第３、第４、第５成分L₃，L₄，L₅成分が配置さ
れるが、これらは主に球面収差と色収差の補正を目的と
している。ところで、貼合せの色消し薄肉レンズの二次
スペクトルの大きさは、それらを構成する硝子材料の部
分分散比によって決定される。二次スペクトルを少なく
するためには、部分分散比の値が近い硝子材料を選択し
て使用する必要があるが、これらの材料は一般的に平均
分散率も近い値を持ち、色消し条件を満足すると各レン
ズの焦点距離が小さくなり過ぎて大開口数とすることが
難しくなる。従って、二次スペクトルの小さいしかも明
るい色消し対物レンズを得るには色消しレンズ成分を増
やし、各成分の屈折力の負担を小さくすることが必要で
ある。このような理由から、本発明の如き大開口数を持
ったアポクロマート対物レンズにおいては、少なくとも
３成分の貼合せレンズが必要である。そして、これら貼
合せ成分L₃，L₄，L₅を形成する負レンズの平均分散値ν
ｎは、35より大きく、52より小さいことが望ましく、貼
合せ成分の正レンズの平均分散値νｐは、80より大きい
ことが望ましい。第１成分からの発散光線束は、これら
の貼合せ成分を通過した後、収斂光線束となって出射す
る。

これらに続く第６及び第７成分L₆，L₇は、互いに凹面を
向かい合わせて強くベンディングした貼合せのメニスカ
スレンズ成分である。そして、共に焦点距離が長く、中
心厚の大きなレンズであり、両レンズ成分を隔てる空気
間隔に対してほぼ対象形状に配置されている。すなわ
ち、第６成分L₆は物体側から順に両凸正レンズと両凹負
レンズとの接合からなって、物体側に凸面を向け像側に
凹面を向けており、第７成分L₇は物体側から順に両凹負
レンズと両凸正レンズとの接合からなって、物体側に凹
面を向け像側に凸面向けている。また、第８成分L₈とし
ての正メニスカスレンズは、第７成分L₇の像側の凸面の
持つ正屈折力を分担しているもので、本質的には第７成
分に属するものである。このようにほぼ対象に配置され
た第６、第７成分L₆，L₇においては、各成分で発生する
収差のうち横収差として分類される収差を互いに打ち消
して補正しあう性質があると同時に、負のペッツバール
和を持たせることによって対物レンズ全体におけるペッ
ツバール和を良好に補正することを可能としている。第
５成分L₅を射出する光線束は、前述の如く収斂光束とな
っているので、第６、第７成分L₆，L₇は余り大きなパワ
ーを持つ必要がなく、零レンズに近いものであることが
望ましい。

ところで、１個のガラスで作られたメニスカスレンズが
零レンズであるための条件は、凸面と凹面との曲率半径
をそれぞれＲv,Ｒc、中心厚をｄ、屈折率をｎとすると
き、 Ｒｃ＝Ｒｖ−（ｎ−１）ｄ／ｎ である。中心厚ｄが大きい程、ＲｖとＲｃとの差は大き
くなり、従ってペッツバール和は負となることが分か
る。ｎ＝1.6とすれば、 （ｎ−１）／ｎ＝0.37 となる。また、このレンズが２枚のレンズの貼合せであ
る場合、凸面側の屈折率をｎｖ、凹面側の屈折率をｎｃ
とすると、貼合せ面の屈折力を無視して多少の誤差を容
認するとして、 と変形される。

本発明における第６、第７成分L₆，L₇もほぼこの関係に
従うものであり、第６成分については、前記の条件(3)
を満たす必要があり、また、第７成分については、前記
の条件(5) を満たす必要がある。上記条件(3) 式及び
(5) 式において、Ｒ₁₆，Ｒ_ｍがＲｖに対応し、Ｒ₁₈，Ｒ
₁₉がＲｃにそれぞれ対応する。

上記(3) 及び(5) 式の条件の上限及び下限を外れる場合
には、第６成分及び第７成分は正または負の強いパワー
を持つこととなって諸収差の補正が困難となる。また、
条件(4) 及び(6) は第６及び第７成分の中心厚Ｄ_Ｆ，Ｄ
_Ｒを、それぞれのもつ凹面Ｒ₁₈，Ｒ₁₉との関係で規定す
るものであり、各成分の中心厚を大としてペッツバール
和を補正するためのものであり、不等号が逆転する場合
には補正作用が減少して平坦な像面を得ることが難しく
なってしまう。

以上が本発明におけるペッツバール和の補正方法である
が、次に色収差の補正について述べる。色収差の補正の
ためには、結晶材料や特殊分散硝子を使用して二次スペ
クトルの減少を計っている。ところで、現実の光学系が
もつ二次スペクトルの量は、組合わされた硝子材料から
予測される二次スペクトルの大きさよりも小さい値を示
すことがしばしばあり、この原因は、研究の結果以下の
理由に依ることが判明した。

従来の色消しまたは超色消しの理論は、主としてレンズ
の屈折力と硝子材料の分散のみを扱い、レンズの厚さに
ついて言及はしていない。厚さの影響を検討するため
に、薄肉レンズの後方に平行平面板を配置したモデルを
考え、この平行平面板の作用について解析する。色収差
の補正状態を検討するために２つの波長に対する薄肉レ
ンズ及び平行平面板の屈折率をＮ_1,Ｎ_２とし、 と置くと、この場合の軸上色収差の量Δは、Ｎ_１を基準
として、 で得られる。ここでｆは薄肉レンズの焦点距離、ｄは平
行平面板の厚さである。

Δ＝０とおいて、変形すれば、 となる。

このｆの係数は可視域では略一定値４である。即ち平行
平面板がレンズの焦点距離の約４倍の厚さを持っていれ
ば、軸上色収差は、Ｎ_１とＮ_２とを両波長に対して補正
される。この時の二次スペクトルの量は、通常行われて
いる２種類の硝子を用いた色消しレンズに比較してほぼ
一桁小さい。従って、レンズ厚を可能な限り大とするの
は、単に色消しのみならず二次スペクトルの減少に有効
である。レンズの厚さが焦点距離より大きいモデルは現
実的でなく、実用上無意味と思われる場合が多いが、顕
微鏡対物レンズの如く、各レンズ面の屈折力が大きく曲
率半径に比してレンズ中心厚の大きい光学系において
は、無視出来ないものであり、これが顕微鏡対物レンズ
の二次スペクトルの量を予測より小さくしている原因で
ある。このような解析の結果、本発明においても上記の
理由により、レンズ要素の厚さを出来るだけ大としてレ
ンズを隔てる空気間隔を可能な限り小として、二次スペ
トルの減少を計っている。このために、具体的には、対
物レンズの最前レンズ面頂点から最終レンズ面頂点まで
の距離をＴとし、対物レンズを構成するレンズの中心厚
の合計を、Ｔ_Ｇとするとき、 Ｔ_Ｇ＞0.9 Ｔ (7) の条件を満足することが望ましい。

（実施例） 以下に本発明による実施例について説明する。

本発明による第１、第２、第３の実施例は、いずれも倍
率60倍、開口数N.A. 1.4を有している。

具体的なレンズ構成は、第１図の光路図に示す如く、上
述した如き本発明の構成をそのまま有しているととも
に、第５成分L₅としての貼合せ正レンズ成分は、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
両凸正レンズと両凹負レンズとの３個のレンズの接合か
ら構成されて、全体として物体側に凸面を向けたメニス
カス形状を有している。以下の表１に第１実施例の諸元
を示す。表中、左端の数字は物体側からの順序を表し、
屈折率及びアッベ数はｄ線（λ＝587.6nm）に対する値
であり、焦点距離は１に規格化してある。

上記の第１実施例についての諸収差図を第２図に示す。
この収差図は、物体面と像面との距離を実際の製品に合
わせて195mm として換算した場合の収差図である。収差
図には、ｄ線についての球面収差、非点収差及び歪曲収
差を示し、球面収差図中には、ｃ線（λ＝656.3nm）、
Ｆ線（λ＝48.1nm）及びｇ線（λ＝435.8nm）について
も併記した。尚、物体面と最前レンズ面（平面）との間
に充填される液体の屈折率は1.51690 アッベ数は43.5で
ある。

本発明による第２実施例は、第３図のレンズ構成図に示
す如く、上記第１実施例とほぼ同様の構成を有してい
る。以下の表２に第２実施例の諸元を示す。また、本発
明による第３実施例は、第２実施例とほぼ同様のレンズ
構成を有しているので、レンズ構成図は省略した。第３
実施例の諸元の表３に示す。

上記第２、第３実施例について、第１実施例と同様に、
物体面と像面との距離を195mm として換算した場合の諸
収差図を第３図及び第４図にそれぞれ示す。

各収差図から、本発明による対物レンズはいずれもN.A.
1.4という大開口数を有し、倍率60倍という比較的低倍
率の広視野で長い焦点距離を有しているにもかかわら
ず、極めて優れた結像性能を維持していることが分か
る。

（発明の効果） 以上の如く、本発明によれば、開口数（N.A.）1.4とい
う極めて明るい仕様でありながら、倍率60倍という比較
的長焦点距離の対物レンズで、広い視野に対して平坦な
像面を持ち、アポクロマート級に色収差を抑え、優れた
結像性能を有する液浸系顕微鏡対物レンズを達成され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例のレンズ構成を示す光
路図、第２図は第１実施例の諸収差図、第３図は第２実
施例のレンズ構成図、第４図は第２実施例の諸収差図、
第５図は第３実施例の諸収差図である。 L_１……第１成分、 L_５……第５成分 L_２……第２成分、 L_６……第６成分 L_３……第３成分、 L_７……第７成分 L_４……第４成分、 L_８……第８成分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側から順に、平凸レンズとこれに貼合
   された像側に凸面を向けたメニスカスレンズからなる第
   １レンズ成分L₁、像側により屈折力の大きな面を向けた
   正レンズの第２レンズ成分L₂、負レンズと正レンズとの
   貼合せで構成された第３、第４、第５のレンズ成分L₃，
   L₄，L₅、両凸正レンズと両凹負レンズとの接合からなり
   物体側に凸面を向けたメニスカス形状の第６成分L₆、両
   凹負レンズと両凸正レンズとの接合からなり像面側に凸
   面を向けたメニスカス形状の第７成分L₇及び像側に凸面
   を向けた正メニスカスレンズの第８成分L₈を有し、該貼
   合せからなる第１成分L₁の貼合せ面の曲率半径をＲ_２、
   物体面から該第１成分の貼合せ面までの距離をＳ、該第
   １成分L₁を形成する平凸レンズ及びメニスカスレンズの
   屈折率を、それぞれｎ_１，ｎ_２とし、物体側に凸面を向
   けた貼合せメニスカスレンズの第６成分L₆の物体側凸面
   及び像側凹面の曲率半径をそれぞれＲ₁₆，Ｒ₁₈、該第６
   成分L₆を形成する両凸正レンズ及び両凹レンズの屈折率
   をそれぞれｎ₁₁，ｎ₁₂、該第６成分L₆の合成中心厚をＤ
   _Ｆとし、像側に凸面を向けた貼合せメニスカスレンズの
   第７成分L₇の物体側凹面及び像側凸面の曲率半径を
   Ｒ₁₉，Ｒ₂₁、該第７成分L₇を形成する両凹負レンズ及び
   両凸正レンズの屈折率をそれぞれｎ₁₃，ｎ₁₄、該第７成
   分L₇の合成中心厚をＤ_Ｒとし、像側に凸面をむけた正メ
   ニスカスレンズの第８成分L₈の物体側及び像側の面の曲
   率半径をＲ₂₂，Ｒ₂₃、該第８成分L₈の屈折率をｎ₁₅とす
   るとき、 Ｓ＜−Ｒ_２＜２Ｓ (1) ｎ_２−ｎ_１＞0.18 (2) 0.7Ｎ_ＦＲ₁₈＜Ｒ₁₆−0.37Ｄ_Ｆ＜ 1.4Ｎ_ＦＲ₁₈ (3) Ｒ₁₈＜Ｄ_Ｆ (4) 但し、Ｎ_Ｆ＝（ｎ₁₁−１）／（ｎ₁₂−１） 0.7Ｎ_Ｒ｜Ｒ₁₉｜＜｜Ｒ_Ｍ｜−0.37Ｄ_Ｒ ＜ 1.4Ｎ_Ｒ｜Ｒ₁₉｜ (5) ｜Ｒ₁₉｜＜Ｄ_Ｒ (6) 但し、 Ｎ_Ｒ＝（ｎ_ｍ−１）／（ｎ₁₃−１） ｎ_ｍ＝（ｎ₁₄＋ｎ₁₅）／２ １／Ｒ_Ｍ＝１／Ｒ₂₁＋１／Ｒ₂₂＋１／Ｒ₂₃ の各条件を満足することを特徴とする液浸系顕微鏡対物
   レンズ。
2. 【請求項２】前記第３、第４及び第５レンズ成分L₃，
   L₄，L₅を形成する負レンズの平均分散値νｎは、35より
   大きく52より小さく、該貼合せ成分を形成する正レンズ
   の平均分散値νｐは、80より大きいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の顕微鏡対物レンズ。
3. 【請求項３】前記対物レンズの最前レンズ面頂点から最
   終レンズ面頂点までの距離をＴとし、該対物レンズを構
   成するレンズの中心厚の合計を、Ｔ_Ｇとするとき、 Ｔ_Ｇ＞0.9 Ｔ (7) の条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の顕微鏡対物レンズ。