JPH08286113A

JPH08286113A - 対物レンズ

Info

Publication number: JPH08286113A
Application number: JP7090908A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kitagawa; 北川純一
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 1996-11-01
Also published as: US5748372A

Abstract

(57)【要約】【目的】高倍率、高ＮＡ、長作動距離で、接合レンズ
や異常分散ガラスを多用することなく、諸収差、特に色
収差を広い範囲で補正し、射出瞳位置を揃えた対物レン
ズ。【構成】物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含
み、全体として正パワーの第１群Ｇ１と、２つの回折光
学素子（ＤＯＥ）と少なくとも１つの接合レンズを含む
第２群Ｇ２とを有し、先玉の縁肉を確保するための条件
を満足し、また、少なくとも１つの回折光学素子が軸上
色収差補正、倍率色収差を効果的に補正する２つの条件
の何れかを満足する対物レンズ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡等の光学系に用
いられる対物レンズに関するものであり、特に、金属用
レーザ顕微鏡（ＭＬＳＭ）等に用いられ、通常の観察や
３種類以上のレーザに対応できるように広い波長範囲で
色収差補正をした対物レンズに関するものであり、さら
に、長作動距離を有する高倍率、高ＮＡ（開口数）の対
物レンズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の対物レンズ、特に高ＮＡのもの
は、諸収差の中でも色収差を良好に補正するために多数
のレンズを必要とし、また、異常分散ガラスを用いる必
要があった。そのため、高価にならざるを得ず、さら
に、長作動距離のものは屈折系のレンズだけでは設計で
きない場合がある。

【０００３】最近、光学素子として回折光学素子（ＤＯ
Ｅ）を用いた光学系が注目されている。このＤＯＥを用
いた対物レンズの従来の例として、特開昭６３−７７０
０３号、特開昭６３−１５５４３２号、特開昭５９−３
３６３６号、特開昭６０−２４７６１１号、特開平２−
１１０９号、特開平４−３６１２０１号、特開平６−３
３１８９８号、特開平６−３４７７００号のもの等があ
る。

【０００４】また、前記の回折現象を利用したＤＯＥに
関する文献として、・オプトロニクス社『光学系デザイナーのための小型光学エレメント』第
６、７章・William C.Sweatt著 SPIE. vol.126,pp.46-53,1977 『New Method of Designing Holographic Optical Elem
ent 』等があり、ＤＯＥの原理に関してはこれらに詳しいが、
その原理を簡単に下記に述べる。

【０００５】通常の光学ガラスは、図１において、次式
（１）で表されるスネルの法則に従って屈折する。ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’ ・・・（１）ただし、ｎは入射側媒質の屈折率、ｎ’は射出側媒質の
屈折率、θは光線の入射角、θ’は光線の射出角であ
る。

【０００６】一方、回折現象では、図２に示すように、
光は次の式（２）で表す回折の法則に従って曲げられ
る。ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ・・・（２）ただし、ｍは回折光の次数、λは波長、ｄは格子間隔で
ある。上記式（２）に従って光線を屈曲させるようにし
た光学素子が回折光学素子（ＤＯＥ）である。なお、図
２では、遮蔽部と透過部が間隔ｄで並設されたものを示
したが、図３（ａ）に示すように、透明体の表面に断面
鋸歯状の回折面を設けてブレーズ化するか、図３（ｂ）
に示すように、そのバイナリ近似を行うと、高い回折効
率を得ることができる。

【０００７】次の、上記のようなＤＯＥを使用すること
による利点について説明する。屈折系の薄肉レンズの場
合、次式（３）に示す関係が成り立つ。１／ｆ＝（ｎ−１）（１／ｒ₁−１／ｒ₂）・・・（３）ただし、ｆは焦点距離、ｒ₁、ｒ₂はそれぞれ入射面と
射出面の曲率半径、ｎはレンズの屈折率である。

【０００８】上記式（３）の両辺を波長λにて微分する
と、下式（４）が求まる。ｄｆ／ｄλ＝−ｆ／（ｎ−１）・ｄｎ／ｄλ Δｆ＝−ｆ｛Δｎ／（ｎ−１）｝・・・（４）ここで、係数倍的効果を除くと、Δｎ／（ｎ−１）が分
散特性を表すことになるので、分散値νを次のように定
義できる。 ν≡（ｎ−１）／Δｎ・・・（５）したがって、可視域における分散値（アッベ数ν_d）
は、次のようになる。

【０００９】 ν_d＝（ｎ_d−１）／（ｎ_F−ｎ_C）・・・（６）一方、ＤＯＥの場合は、次式（７）が成立する。ＤＯＥ
の焦点距離ｆは、入射する平行光の光線高ｈのところで
の格子間隔をｄｈとすると、下記の式（７）のようにな
る。

【００１０】ｆ＝ｈ／（ｎ’ｓｉｎθ’）＝（ｄｈ・ｈ）／（ｍλ）・・・（７）近軸領域のＤＯＥの場合、ｄｈ・ｈは一定であるので、
ｆ＝Ｃ／λ（Ｃは定数）の両辺をλで微分すると、次の
ようにして式（８）が得られる。ｄｆ／ｄλ＝−Ｃ／λ²＝−ｆ／λ Δｆ＝−ｆ｛Δλ／λ−１｝・・・（８） Δｎ／（ｎ−１）＝νであるので、式（４）、（８）か
ら、ν＝λ／Δλである。したがって、ＤＯＥの可視域
でのアッベ数ν_dは下記の通りである。

【００１１】 ν_d＝λ_d／（λ_F−λ_C）＝−３．４５３・・・（９）このように、ＤＯＥは、非常に大きな負の分散特性を持
つ。通常のガラスの分散特性は約２０〜９５であるの
で、ＤＯＥは非常に大きな逆分散特性を持つことが分か
る。また、同様の計算により、ＤＯＥは大きな異常分散
性を持つことが分かる。

【００１２】上記従来例の中、特開昭６３−７７００３
号、特開昭６３−１５５４３２号、特開昭５９−３３６
３６号、特開昭６０−２４７６１１号のレンズ系は、何
れも光ディスクのピックアップレンズに関するものあ
り、回折光学素子１〜２枚、又は、屈折光学素子（レン
ズ）１枚と回折光学素子１枚よりなり、基本的に光源は
単色であることが特徴である。

【００１３】また、特開平２−１１０９号、特開平４−
３６１２０１号のレンズ系は、何れもステッパー等に用
いられる投影レンズに関するものであり、石英のみで構
成され、接合レンズは用いられていない。特に、前者の
特開平２−１１０９号のレンズ系は、瞳位置に回折光学
系を配置したことを特徴としており、後者の特開平４−
３６１２０１号のレンズ系は、回折光学素子の周辺部で
は中心部より高次の回折光を用いることを特徴としてい
る。

【００１４】特に、特開平６−３３１８９８号と特開平
６−３４７７００号のレンズ系は、顕微鏡の光学系に用
いられる対物レンズに関するものであり、それぞれＤＯ
Ｅと接合レンズを用いるものと、単一硝材にて少なくと
も１枚のＤＯＥを用いるものである。前者は広い範囲で
色収差を良好に補正することを特徴とし、後者は単一硝
材ながらＤＯＥを用いて狭い波長範囲もしくは２波長の
色収差補正ができることを特徴としている。

【００１５】これら従来例において、ピックアップレン
ズタイプでは、回折光学素子の色収差の補正能力は利用
されておらず、より複雑な構成を要する顕微鏡対物レン
ズに対応できない。また、ステッパーレンズタイプは、
低倍率の顕微鏡対物レンズには適用し得る可能性はある
が、高倍率、高ＮＡの対物レンズには適用できない。つ
まり、対物レンズの色収差補正をＤＯＥのみで行う場
合、ＤＯＥのパワーを強くしなければならず、ＤＯＥの
最小ピッチを作製不可能にまで小さくしなければならな
いからである。これと同時に、このタイプでは石英のみ
で構成されているため、かなり広い波長範囲（例えば、
５０ｎｍ程度）での色収差補正をすることは困難であ
る。

【００１６】一方、対物レンズタイプでは、接合レンズ
を用いたものは、高倍率、高ＮＡの対物レンズには適用
可能であるが、さらに長作動距離ではレンズ前群で発生
する諸収差が大きくなり、バランス良くそれらを補正し
たり広い範囲で色収差を補正しなければならず、単純に
ＤＯＥと接合レンズの組み合わせという条件だけでは不
十分である。また、単一硝材のものでは、前述のような
長作動距離による諸収差の補正と、ステッパータイプ同
様に広い範囲の色収差補正をすることが困難である。

【００１７】

【発明の解決しようとする課題】本発明はこのような従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的
は、高倍率、高ＮＡ、長作動距離で、接合レンズや異常
分散ガラスを多用することなく、諸収差、特に色収差を
広い範囲で補正し、射出瞳位置を揃えた対物レンズを提
供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の対物レンズは、２つの回折光学素子とその間に少な
くとも１つの接合レンズを挟んだ構成からなるレンズ群
を有することを特徴とするものである。

【００１９】また、本発明のもう１つの対物レンズは、
物体側から順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレン
ズを含み、全体として正パワーの第１群と、２つの回折
光学素子と少なくとも１つの接合レンズを含む第２群と
を有し、下記条件式（１）を満足し、また、少なくとも
１つの回折光学素子が下記条件式（２）、（３）の何れ
かを満足することを特徴とするものである。（１）０．５＜Ｒ／ｔ＜５（２）Ｄ_d／Ｄ＞０．８（３）（ｈ・ｆ）／（Ｌ・Ｉ）＞０．０７ただし、Ｒは前記メニスカスレンズの像側曲率半径、ｔ
は前記メニスカスレンズの肉厚、Ｄ_d、Ｄはそれぞれ回
折光学素子面でのマージナル光束径、最大マージナル光
束径、ｆは対物レンズの焦点距離、ｈは回折光学素子面
での最大主光線高、Ｌは同焦距離、Ｉは標本面最大像高
である。

【００２０】さらにもう１つの本発明の対物レンズは、
物体側から順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレン
ズを含み、全体として正パワーの第１群と、２つの回折
光学素子と少なくとも１つの接合レンズを含む第２群と
を有し、下記条件式（４）を満足することを特徴とする
ものである。（４）（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＞０．００５ただし、Ｗは作動距離、Ｌは同焦距離、Ｈは前記メニス
カスレンズの前記凹面でのマージナル光線高、ｆは対物
レンズの焦点距離である。

【００２１】以上の３つの発明の何れかにおいて、前記
の２つの回折光学素子がそれぞれ正と負のパワーを持
ち、正のパワーを持つ回折光学素子が下記条件式（５）
を満足することが望ましい。（５）３０＜ｆ_d／ｆ＜１５０ただし、ｆ、ｆ_dはそれぞれ対物レンズと前記の正のパ
ワーを持つ回折光学素子の焦点距離である。

【００２２】また、前記の少なくとも１つの接合レンズ
の隣接するレンズのアッベ数差Δνが下記条件式（６）
を満足することが望ましい。

【００２３】（６） Δν＞２０さらに、対物レンズ中の実際の瞳位置より像側に少なく
とも１つの正の面と少なくとも１つの負の面を配置する
ことが望ましい。

【００２４】また、対物レンズ中の最も像側のレンズ群
が接合レンズからなることが望ましい。

【００２５】

【作用】以下に、本発明において上記構成をとる理由と
その作用について説明する。

【００２６】通常の対物レンズは、異なるアッべ数の硝
材よりなるレンズを接合した接合レンズを用いて色収差
を補正している。そして、通常の硝材のアッベ数は２０
〜９５で何れも正の値である。一方、ＤＯＥのアッベ数
は、前述の通り、負で小さい絶対値を有している。その
ため、前述のように、このＤＯＥ２枚とその間に挟んだ
接合レンズ（通常のガラスレンズよりなる）とで構成す
れば、強力な色収差補正作用を持たせることができ、従
来困難であった高倍率、高ＮＡ、長作動距離の対物レン
ズを実現することができる。

【００２７】また、高倍率、高ＮＡ、長作動距離の対物
レンズの色補正を回折光学素子だけで行うと、そのパワ
ーが強くなりすぎ、ＤＯＥの最小ピッチが小さくなりす
ぎてしまう。しかし、少なくとも上記のような構成をと
れば、接合レンズと回折光学素子に色補正を分担させる
ことができるので、その最小ピッチを緩く、つまり回折
光学素子のパワーを小さくすることができ、なおかつ、
色補正能力を十分発揮させることができる。

【００２８】高ＮＡ、高倍率の対物レンズでは、物体か
ら出た高ＮＡの発散光を収斂光にするため、先玉（先頭
のレンズ）に強いパワーの面が必要となるが、物体面に
凸面を向けたレンズでは、そこでの諸収差発生量が非常
に大きく、後群で補正し切れないため、必然的に物体面
に凹面を向けたメニスカスレンズとなる。このメニスカ
スレンズの像側の面のパワー強くするために、その面も
曲率半径が小さいものとなり、縁肉を確保するため、そ
の形状は半球状のものとなる。したがって、前記の条件
式（１）が与えられるが、その下限値０．５を下回る
と、上記の縁肉が十分確保できず、また、その面での球
面収差の発生量が大きくなりすぎてしまう。一方、上限
値５を越えると、必要とするパワーが十分得られず、効
果的に収斂光にすることができない。

【００２９】ところで、補正されるべき色収差は、大き
く分けて、軸上色収差と倍率色収差とがあり、前者は焦
点位置の波長によるズレで、後者は焦点距離（倍率）の
波長によるズレである。

【００３０】軸上色収差において、最も効果的に補正を
行う位置は対物レンズの瞳位置であり、この位置が正確
に瞳位置である必要はないが、その近傍で光束径（軸上
マージナル光束径）の大きな所が軸上色収差補正に効果
的である。したがって、効果的にこれを行うために条件
式（２）が得られる。ここで、その下限の０．８を下回
ると、他のレンズ（屈折系）で発生する軸上色収差が補
正し切れず、多くの接合レンズを用いなければならず、
また、異常分散ガラスを必要とし、ＤＯＥを用いたこと
による効果が十分でない。

【００３１】また、倍率の色収差に効果的なのは瞳位置
ではなく、そこから少し離れた主光線がある程度の光線
高を持つ位置である。したがって、効果的にこれを行う
ために条件式（３）が得られる。ここで、その下限の
０．０７下回ると、倍率の色収差が補正し切れない。

【００３２】つまり、色収差を効果的に補正するために
は、その用途に応じて上記条件式（２）あるいは（３）
を満足する場所にＤＯＥを配置すべきある。ちなみに、
条件式（３）の中のｆ、Ｌ、Ｉは正規化のためのもので
あり、ｆ／Ｉは主光線角のパラメータ、Ｌは全体の大き
さのスケーリング・パラメータである。なお、同焦距離
Ｌは、対物レンズの胴付から物点までの距離であり、対
物レンズ又は倍率が異なっても、この距離が異なると、
倍率変換の度に大幅な焦点合わせの修正が必要になり、
操作性が悪くなってしまうので、一般には対物レンズに
共通な距離になっている。ここで、胴付は、顕微鏡のレ
ボルバと対物レンズの接触する面を言う。

【００３３】近年、顕微鏡では長作動距離が求められて
いる。それは、顕微鏡を用いて標本に手を加える新しい
手法を取り入れたり、超精密な加工が施された標本を観
察するためである。例えば、顕微鏡を用いて標本を観察
しながら温度変化を与えたり等、外部から標本を操作す
る場合や、半導体のウエーハやマスクのような微細加工
標本の観察をする場合等多岐にわたる。ここで、作動距
離が必要な主な理由は、標本を交換する等の操作性を向
上させること、標本を損傷しないよう標本周りの空間を
確保すること等があげられる。これに伴い、高倍率、高
ＮＡの高解像な対物レンズでも、標本空間が確保できる
長作動距離が求められており、大型化させて作動距離を
確保することも可能であるが、逆に対物レンズの重量や
操作性が問題となってしまう。このため、小型化して
も、おなかつ、所望の長作動距離を実現するための条件
として条件式（４）が得られる。ここで、その下限値
０．００５を下回ると、必要な作動距離が確保できない
か、もしくは、ＮＡが小さくなるといった上述した要求
に応えることができなくなってしまう。ここで、同焦点
距離に関わらず作動距離を比較するため、Ｌは全体の大
きさを正規化するためのスケーリング・パラメータと
し、Ｗ・Ｈ／ｆは作動距離と倍率とＮＡに関するパラメ
ータである。

【００３４】さて、物体に凹面を向けた上記のメニスカ
スレンズで発散角を小さくした光線を、さらに数枚のレ
ンズを用いて収斂させ、マージナル光線が高くなった所
で正パワー持った第１のＤＯＥに導き、主に軸上の色収
差を補正する。ここで効果的に色収差を含む諸収差を補
正するために、上記条件式（５）が得られる。その下限
値３０を下回ると、第１のＤＯＥのパワーが強すぎ、軸
上色収差の補正過剰となり、また、その最小ピッチが小
さくなりすぎ、製作不可能になるといった問題が生じ
る。一方、その上限値１５０を上回ると、第１のＤＯＥ
のパワーが弱すぎ、軸上色収差の補正不足となり、ま
た、光束を効果的に収斂方向に持って行けない。また、
第１のＤＯＥを通過後、接合レンズ等の数枚のレンズを
経て、物体からの光線は負のパワーを持った第２のＤＯ
Ｅへと導かれる。ＤＯＥは屈折率無限大のレンズと等価
（後述）であるため、ペッツバール和はゼロであるが、
かなり大きな非点収差が発生する。そのため、ＤＯＥに
正、負のパワーを持たせ、それらの組み合わせでＤＯＥ
で発生する収差をＤＯＥ自身で打ち消し合わせることが
望ましい。

【００３５】また、対物レンズ中のＤＯＥと色収差補正
に有効となる接合レンズとの組み合わせ中のそれぞれに
色収差の補正を分担させるために、上記条件式（６）が
得られる。その下限値２０を下回ると、接合レンズによ
る色収差の補正作用が不十分となり、逆に、ＤＯＥの色
収差補正作用が過剰分担となる。このため、ＤＯＥの最
小ピッチが小さくなり、前述のように製作不可能にな
る。

【００３６】ところで、金属用レーザ顕微鏡（ＭＬＳ
Ｍ）では、各倍率の対物レンズの射出瞳位置を揃えるこ
とが重要であるが、倍率が異なると当然その焦点距離も
変わり、又は、同焦距離が異なることにもより、対物レ
ンズ中の実際の瞳位置（主光線が光軸と交わる位置）が
異なってくる。これを対物レンズの射出瞳位置として揃
えるためには、対物レンズ中の実際の瞳位置より像側
に、少なくとも正、負の面を１面ずつ配し、そのパワー
配置によって実際の瞳位置を投影しなければならない。

【００３７】さらに、前述の倍率の色収差の補正作用に
ついて、像側に配置される第２のＤＯＥのみで行うと、
前述と同様の問題が生じるため、対物レンズ中の最も像
側のレンズ群を接合レンズとし、第２のＤＯＥと組み合
わせることによって、倍率の色収差を良好に補正するこ
とが望ましい。

【００３８】高級対物レンズでは、色補正をアポクロマ
ートにする必要があり、そのため異常分散ガラスを多く
使わなければならない。しかし、これらのガラスは価格
が高くまたその加工性も悪いため、これらの対物レンズ
をより高価なものにしている。これらの問題も、ＤＯＥ
の異常分散性を利用して解決することができる。

【００３９】さらに、ＤＯＥは、その製作上の特徴とし
て、回折格子間隔を任意に設定できるということがあ
る。これは任意の非球面レンズと等価であり、しかも変
曲点が多数あってもよい等、通常の非球面レンズよりも
より設計の自由度があり、また、その製作精度も良い。
非球面レンズは色収差補正ができないことも考え合わせ
ると、ＤＯＥの方がその面では収差補正能力が優れてい
る。屈折率分布レンズは色収差補正はできるが、実際に
製作できるものは限られている。

【００４０】したがって、本発明のようにＤＯＥを用い
ることによって、屈折系レンズのみでは不可能であった
広い範囲で色収差補正された高倍率、高ＮＡ、長作動距
離という高性能な対物レンズの設計・製作が可能とな
り、コスト低減をも実現可能としている。

【００４１】

【実施例】次に、本発明の対物レンズの実施例について
説明する。まず、本発明の実施例で用いる回折光学素子
についてさらに詳しく述べる。後に示す実施例で用いら
れている回折光学素子は、すでに述べた通りのものであ
るが、このような回折光学素子を含む光学系の設計法と
して、ウルトラ・ハイ・インデックス法（ｕｌｔｒａｈ
ｉｇｈｉｎｄｅｘｍｅｔｈｏｄｓ）と呼ばれる方法
が知られている。これは、回折光学素子を屈折の極めて
大きい仮想的なレンズ（ウルトラ・ハイ・インデックス
・レンズ）に置き換えて設計する方法である。このこと
については、前述のＷｉｌｌｉａｍＣ．Ｓｗｅａｔｔ
によるＳＰＩＥ，１２６巻，４６〜５３項（１９７７
年）に記載されているが、図４を用いて簡単に説明す
る。図４において、１はウルトラ・ハイ・インデックス
・レンズ、２は法線である。このウルトラ・ハイ・イン
デックス・レンズ１においては、次の式（１０）で表さ
れる関係が成り立つ。

【００４２】（ｎ_u−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’ ・・（１０）ただし、ｎ_uはウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ
の屈折率、ｚはウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ
の光軸方向の座標、ｈは光軸からの距離、ｎ、ｎ’はそ
れぞれ入射側媒質及び射出側媒質の屈折率、θ、θ’は
光線の入射角及び射出角である。なお、後に示す実施例
のデータでは、ｎ_u＝１０００１としている。

【００４３】式（２）及び（１０）から、次の式（１
１）が求まる。（ｎ_u−１）ｄｚ／ｄｈ＝ｍλ／ｄ・・（１１）すなわち、ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ（屈
折率が極めて大きい屈折型レンズ）の面形状と回折光学
素子のピッチとの間には、式（１１）で与えられる等価
関係が成立し、この式を通じてウルトラ・ハイ・インデ
ックス法で設計したデータから回折光学素子のピッチを
定めることができるのである。

【００４４】一般的な軸対称非球面形状は、下記のよう
に表される。ｚ＝ｃｈ²／［１−ｃ²（ｋ＋１）ｈ²］^1/2＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸ ＋Ｄｈ¹⁰＋… ・・（１２）ただし、ｚは光軸（像の方向を正）、ｈは面とｚ軸との
交点を原点としてｚ軸に直交した座標軸の中のメリジオ
ナル方向の座標軸、ｃは基準面の曲率、ｋは円錐定数
で、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、…は各々４次、６次、８次、１０
次、…の非球面係数である。

【００４５】式（１１）、（１２）より、ある光線高に
おける上記非球面と等価の回折光学素子のピッチｄは、
次の式（１３）で表される。ｄ＝ｍλ／［（ｎ−１）｛ｃｈ／（１−ｃ²（ｋ＋１）ｈ²）^1/2 ＋４Ａｈ³＋６Ｂｈ⁵＋８Ｃｈ⁷＋１０Ｄｈ⁹＋…｝］・・（１３）なお、以下の実施例では、非球面係数項として１０次ま
であるが、１２次、１４次、…の非球面項を使用しても
よい。

【００４６】次に、各実施例の構成を説明する。図５
は、実施例１の光軸を含む断面図であり、像側から、第
２群Ｇ２は、両凸レンズと両凹レンズの接合レンズ、像
側に凹の負メニスカスレンズ、像側の面に第２のＤＯＥ
を設けた平行平面板、両凸レンズと両凹レンズと両凸レ
ンズの３枚接合レンズ、像側の面に第１のＤＯＥを設け
た平行平面板からなり、第１群Ｇ１は、両凸レンズ、像
側に凸の正メニスカスレンズ、物体側に凹のメニスカス
レンズからなる。この実施例は２枚のＤＯＥで３枚接合
レンズを挟んだタイプである。この実施例の主な仕様は
次の通りである。。

【００４７】図６は、実施例２の光軸を含む断面図であ
り、像側から、第２群Ｇ２は、両凸レンズと両凹レンズ
の接合レンズ、像側に凹の負メニスカスレンズ、像側の
面に第２のＤＯＥを設けた平行平面板、像側に凸の負メ
ニスカスレンズと両凸レンズの接合レンズ、両凸レンズ
と物体側に凸の負メニスカスレンズの接合レンズ、像側
の面に第１のＤＯＥを設けた平行平面板からなり、第１
群Ｇ１は、物体側に凸の正メニスカスレンズ、両凸レン
ズ、物体側に凹のメニスカスレンズからなる。この実施
例は２枚のＤＯＥで２枚接合レンズ２群を挟んだタイプ
である。この実施例の主な仕様は次の通りである。。

【００４８】図７は、実施例３の光軸を含む断面図であ
り、像側から、第２群Ｇ２は、像側に凹の正メニスカス
レンズと両凹レンズの接合レンズ、像側に凹の正メニス
カスレンズ、像側に凸の負メニスカスレンズと両凸レン
ズの接合レンズ、像側の面に第２のＤＯＥを設けた平行
平面板、両凸レンズと両凹レンズと両凸レンズの３枚接
合レンズ、像側の面に第１のＤＯＥを設けた平行平面板
からなり、第１群Ｇ１は、像側に凸の正メニスカスレン
ズ、物体側に凹の正メニスカスレンズからなる。この実
施例は２枚のＤＯＥで３枚接合レンズを挟んだタイプで
ある。この実施例の主な仕様は次の通りである。。

【００４９】以上の全ての実施例は、λ＝４８８〜６３
２．８ｎｍにわたって色補正した対物レンズであり、射
出瞳位置は全て胴付から物体側に８ｍｍである。また、
各実施例において、２つのＤＯＥは、物体側から順に、
第１のＤＯＥ、第２のＤＯＥである。そして、実施例１
〜２は、第１のＤＯＥにて主に軸上色収差を補正し、第
２のＤＯＥにて主に倍率の色収差を補正している。な
お、実施例３では、第１、第２のＤＯＥ共に主として軸
上色収差を補正し、第２のＤＯＥより像側のレンズで主
に倍率の色収差を補正している。

【００５０】以下に、上記各実施例の逆追跡での数値デ
ータを示すが、記号は上記の外、ｒ₁、ｒ₂…は各レン
ズ面の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂…は各レンズ面間の間隔、
ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…
は各レンズのアッベ数である。なお、ｒ₀は胴付を、ｄ
₀は胴付から第１レンズ面までの間隔を表す。また、Ｄ
ＯＥの非球面形状は、前記の式（１２）で表される。

【００５１】実施例１ｒ₀= ∞ ｄ₀= -3.44 ｒ₁= 31.250 ｄ₁= 2.67 ｎ_d1 =1.847 ν_d1 =23.8 ｒ₂= -17.168 ｄ₂= 2.51 ｎ_d2 =1.569 ν_d2 =63.2 ｒ₃= 4.996 ｄ₃= 4.34 ｒ₄= -6.398 ｄ₄= 2.50 ｎ_d3 =1.603 ν_d3 =60.7 ｒ₅= -8.480 ｄ₅= 0.20 ｒ₆= -3.119 ×10⁺⁶ ｄ₆= 0.00 ｎ_d4 =10001 ν_d4 =-3.453 （ＤＯＥ２）ｒ₇= ∞ ｄ₇= 2.00 ｎ_d5 =1.458 ν_d5 =67.7 ｒ₈= ∞ ｄ₈= 0.74 （石英）ｒ₉= 14.834 ｄ₉= 6.50 ｎ_d6 =1.498 ν_d6 =65.0 ｒ₁₀= -7.213 ｄ₁₀= 2.59 ｎ_d7 =1.847 ν_d7 =23.8 ｒ₁₁= 33.389 ｄ₁₁= 5.42 ｎ_d8 =1.697 ν_d8 =48.5 ｒ₁₂= -16.884 ｄ₁₂= 0.20 ｒ₁₃= 3.404 ×10⁺⁶ ｄ₁₃= 0.00 ｎ_d9 =10001 ν_d9 =-3.453 （ＤＯＥ１）ｒ₁₄= ∞ ｄ₁₄= 2.00 ｎ_d10=1.458 ν_d10=67.7 ｒ₁₅= ∞ ｄ₁₅= 0.26 （石英）ｒ₁₆= 42.704 ｄ₁₆= 4.76 ｎ_d11=1.589 ν_d11=61.2 ｒ₁₇= -26.929 ｄ₁₇= 0.20 ｒ₁₈= 14.056 ｄ₁₈= 3.96 ｎ_d12=1.743 ν_d12=49.3 ｒ₁₉= 34.223 ｄ₁₉= 0.20 ｒ₂₀= 6.187 ｄ₂₀= 4.90 ｎ_d13=1.883 ν_d13=40.8 ｒ₂₁= 6.131 非球面係数第６面ｋ＝-1.000000 Ａ＝-0.412025 ×10^-8 Ｂ＝ 0.495427 ×10^-10 Ｃ＝-0.445012 ×10^-11 Ｄ＝ 0.184938 ×10^-12 第１３面ｋ＝-1.000000 Ａ＝ 0.185317 ×10^-10 Ｂ＝-0.302806 ×10^-11 Ｃ＝-0.404337 ×10^-14 Ｄ＝ 0.128053 ×10^-15 Ｒ／ｔ＝１．２５，（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＝０．０２
９ＤＯＥ１：Ｄ_d／Ｄ＝０．９６，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．０５７，ｆ_d／ｆ＝８４．５１ＤＯＥ２：Ｄ_d／Ｄ＝０．５１，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．０８７。

【００５２】実施例２ｒ₀= ∞ ｄ₀= -3.50 ｒ₁= 22.514 ｄ₁= 3.12 ｎ_d1 =1.847 ν_d1 =23.8 ｒ₂= -10.066 ｄ₂= 3.25 ｎ_d2 =1.762 ν_d2 =40.1 ｒ₃= 4.998 ｄ₃= 2.69 ｒ₄= -8.431 ｄ₄= 3.04 ｎ_d3 =1.835 ν_d3 =42.7 ｒ₅= -11.143 ｄ₅= 0.20 ｒ₆= -3.202 ×10⁺⁶ ｄ₆= 0.00 ｎ_d4 =10001 ν_d4 =-3.453 （ＤＯＥ２）ｒ₇= ∞ ｄ₇= 2.00 ｎ_d5 =1.458 ν_d5 =67.7 ｒ₈= ∞ ｄ₈= 0.20 （石英）ｒ₉= 22.091 ｄ₉= 3.53 ｎ_d6 =1.847 ν_d6 =23.8 ｒ₁₀= 12.192 ｄ₁₀= 4.85 ｎ_d7 =1.516 ν_d7 =64.2 ｒ₁₁= -18.354 ｄ₁₁= 0.20 ｒ₁₂= 19.647 ｄ₁₂= 6.55 ｎ_d8 =1.603 ν_d8 =60.7 ｒ₁₃= -8.768 ｄ₁₃= 2.50 ｎ_d9 =1.847 ν_d9 =23.8 ｒ₁₄= -25.550 ｄ₁₄= 0.20 ｒ₁₅= 2.679 ×10⁺⁶ ｄ₁₅= 0.00 ｎ_d10=10001 ν_d10=-3.453 （ＤＯＥ１）ｒ₁₆= ∞ ｄ₁₆= 2.00 ｎ_d11=1.458 ν_d11=67.7 ｒ₁₇= ∞ ｄ₁₇= 1.04 （石英）ｒ₁₈= -670.295 ｄ₁₈= 3.58 ｎ_d12=1.603 ν_d12=60.7 ｒ₁₉= -24.198 ｄ₁₉= 0.20 ｒ₂₀= 164.032 ｄ₂₀= 2.73 ｎ_d13=1.883 ν_d13=40.8 ｒ₂₁= -36.692 ｄ₂₁= 0.20 ｒ₂₂= 5.361 ｄ₂₂= 4.84 ｎ_d14=1.883 ν_d14=40.8 ｒ₂₃= 5.593 非球面係数第６面ｋ＝-1.000000 Ａ＝-0.132845 ×10^-8 Ｂ＝ 0.819433 ×10^-10 C=-0.335679 ×10^-11 Ｄ＝ 0.111735 ×10^-12 第１５面ｋ＝-1.000000 Ａ＝-0.996604 ×10^-9 Ｂ＝-0.763516 ×10^-11 Ｃ＝ 0.175102 ×10^-12 Ｄ＝-0.474485 ×10^-15 Ｒ／ｔ＝１．１５，（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＝０．０１
３ＤＯＥ１：Ｄ_d／Ｄ＝０．９９，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．０４４，ｆ_d／ｆ＝６６．５１ＤＯＥ２：Ｄ_d／Ｄ＝０．６５，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．１０２。

【００５３】実施例３ｒ₀= ∞ ｄ₀= -2.64 ｒ₁= -21.162 ｄ₁= 3.62 ｎ_d1 =1.805 ν_d1 =25.4 ｒ₂= -7.242 ｄ₂= 3.71 ｎ_d2 =1.615 ν_d2 =51.2 ｒ₃= 7.560 ｄ₃= 10.40 ｒ₄= -38.094 ｄ₄= 6.00 ｎ_d3 =1.757 ν_d3 =47.8 ｒ₅= -22.020 ｄ₅= 2.47 ｒ₆= 32.244 ｄ₆= 2.97 ｎ_d4 =1.834 ν_d4 =37.2 ｒ₇= 15.339 ｄ₇= 7.51 ｎ_d5 =1.487 ν_d5 =70.2 ｒ₈= -41.615 ｄ₈= 0.20 ｒ₉= -5.099 ×10⁺⁶ ｄ₉= 0.00 ｎ_d6 =10001 ν_d6 =-3.453 （ＤＯＥ２）ｒ₁₀= ∞ ｄ₁₀= 2.50 ｎ_d7 =1.516 ν_d7 =64.2 ｒ₁₁= ∞ ｄ₁₁= 0.20 ｒ₁₂= 29.202 ｄ₁₂= 8.24 ｎ_d8 =1.487 ν_d8 =70.2 ｒ₁₃= -20.341 ｄ₁₃= 2.97 ｎ_d9 =1.785 ν_d9 =25.7 ｒ₁₄= 46.725 ｄ₁₄= 7.86 ｎ_d10=1.487 ν_d10=70.2 ｒ₁₅= -22.537 ｄ₁₅= 0.20 ｒ₁₆= 3.101 ×10⁺⁶ ｄ₁₆= 0.00 ｎ_d11=10001 ν_d11=-3.453 （ＤＯＥ１）ｒ₁₇= ∞ ｄ₁₇= 2.50 ｎ_d12=1.516 ν_d12=64.2 ｒ₁₈= ∞ ｄ₁₈= 0.20 ｒ₁₉= 22.726 ｄ₁₉= 5.72 ｎ_d13=1.800 ν_d13=42.2 ｒ₂₀= 277.621 ｄ₂₀= 0.20 ｒ₂₁= 8.934 ｄ₂₁= 6.38 ｎ_d14=1.835 ν_d14=42.7 ｒ₂₂= 11.189 非球面係数第９面ｋ＝-1.000000 Ａ＝-0.415606 ×10^-9 Ｂ＝ 0.261911 ×10^-12 Ｃ＝-0.765416 ×10^-14 Ｄ＝ 0.410329 ×10^-16 第１６面ｋ＝-1.000000 Ａ＝ 0.513728 ×10^-10 Ｂ＝-0.806226 ×10^-12 Ｃ＝ 0.391273 ×10^-14 Ｄ＝-0.867593 ×10^-17 Ｒ／ｔ＝１．７５，（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＝０．０４
８ＤＯＥ１：Ｄ_d／Ｄ＝０．９８，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．０４６，ｆ_d／ｆ＝８６．１３ＤＯＥ２：Ｄ_d／Ｄ＝０．８５，（ｈ・ｆ）／（Ｌ・
Ｉ）＝０．０２４。

【００５４】上記実施例１の逆追跡の収差図を図８に示
す。図中、（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、
（ｃ）は歪曲収差、（ｄ）はコマ収差を表す。実施例２
〜３の同様の収差図をそれぞれ図９〜図１０に示す。な
お、収差図中、ωは半画角を表す。以上の本発明の対物
レンズは例えば次のように構成することができる。

【００５５】〔１〕２つの回折光学素子とその間に少
なくとも１つの接合レンズを挟んだ構成からなるレンズ
群を有することを特徴とする対物レンズ。

【００５６】〔２〕物体側から順に、物体側に凹面を
向けたメニスカスレンズを含み、全体として正パワーの
第１群と、２つの回折光学素子と少なくとも１つの接合
レンズを含む第２群とを有し、下記条件式（１）を満足
し、また、少なくとも１つの回折光学素子が下記条件式
（２）、（３）の何れかを満足することを特徴とする対
物レンズ。

【００５７】（１）０．５＜Ｒ／ｔ＜５（２）Ｄ_d／Ｄ＞０．８（３）（ｈ・ｆ）／（Ｌ・Ｉ）＞０．０７ただし、Ｒは前記メニスカスレンズの像側曲率半径、ｔ
は前記メニスカスレンズの肉厚、Ｄ_d、Ｄはそれぞれ回
折光学素子面でのマージナル光束径、最大マージナル光
束径、ｆは対物レンズの焦点距離、ｈは回折光学素子面
での最大主光線高、Ｌは同焦距離、Ｉは標本面最大像高
である。

【００５８】〔３〕物体側から順に、物体側に凹面を
向けたメニスカスレンズを含み、全体として正パワーの
第１群と、２つの回折光学素子と少なくとも１つの接合
レンズを含む第２群とを有し、下記条件式（４）を満足
することを特徴とする対物レンズ。

【００５９】（４）（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＞０．０
０５ただし、Ｗは作動距離、Ｌは同焦距離、Ｈは前記メニス
カスレンズの前記凹面でのマージナル光線高、ｆは対物
レンズの焦点距離である。

【００６０】〔４〕前記の２つの回折光学素子がそれ
ぞれ正と負のパワーを持ち、正のパワーを持つ回折光学
素子が下記条件式（５）を満足することを特徴とする上
記〔１〕から〔３〕の何れか１項記載の対物レンズ。（５）３０＜ｆ_d／ｆ＜１５０ただし、ｆ、ｆ_dはそれぞれ対物レンズと前記の正のパ
ワーを持つ回折光学素子の焦点距離である。

【００６１】〔５〕前記の少なくとも１つの接合レン
ズの隣接するレンズのアッベ数差Δνが下記条件式
（６）を満足することを特徴とする上記〔１〕から
〔３〕の何れか１項記載の対物レンズ。（６） Δν＞２０
。

【００６２】〔６〕対物レンズ中の実際の瞳位置より
像側に少なくとも１つの正の面と少なくとも１つの負の
面を配置したことを特徴とする上記〔１〕から〔３〕の
何れか１項記載の対物レンズ。

【００６３】〔７〕対物レンズ中の最も像側のレンズ
群が接合レンズからなることを特徴とする上記〔１〕か
ら〔３〕の何れか１項記載の対物レンズ。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、高倍率、高ＮＡ、長作動距離で、諸収差、特
に色収差を広範囲で良好に補正し、かつ、射出瞳位置を
揃えた対物レンズを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スネルの法則に従って屈折する様子を示す図で
ある。

【図２】回折の法則に従って曲げられる様子を示す図で
ある。

【図３】ブレーズ化とそのバイナリ近似を行った回折型
光学素子の断面図である。

【図４】ウルトラ・ハイ・インデックス法を説明するた
めの図である。

【図５】本発明の対物レンズの実施例１の光軸を含む断
面図である。

【図６】本発明の対物レンズの実施例２の光軸を含む断
面図である。

【図７】本発明の対物レンズの実施例３の光軸を含む断
面図である。

【図８】実施例１の逆追跡の収差図であり、（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。

【図９】実施例２の図９と同様の収差図である。

【図１０】実施例３の図９と同様の収差図である。

【符号の説明】

１…ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズ２…ウルトラ・ハイ・インデックス・レンズの法線Ｇ１…第１群Ｇ２…第２群

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの回折光学素子とその間に少なくと
も１つの接合レンズを挟んだ構成からなるレンズ群を有
することを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】物体側から順に、物体側に凹面を向けた
メニスカスレンズを含み、全体として正パワーの第１群
と、２つの回折光学素子と少なくとも１つの接合レンズ
を含む第２群とを有し、下記条件式（１）を満足し、ま
た、少なくとも１つの回折光学素子が下記条件式
（２）、（３）の何れかを満足することを特徴とする対
物レンズ。（１）０．５＜Ｒ／ｔ＜５（２）Ｄ_d／Ｄ＞０．８（３）（ｈ・ｆ）／（Ｌ・Ｉ）＞０．０７ただし、Ｒは前記メニスカスレンズの像側曲率半径、ｔ
は前記メニスカスレンズの肉厚、Ｄ_d、Ｄはそれぞれ回
折光学素子面でのマージナル光束径、最大マージナル光
束径、ｆは対物レンズの焦点距離、ｈは回折光学素子面
での最大主光線高、Ｌは同焦距離、Ｉは標本面最大像高
である。
【請求項３】物体側から順に、物体側に凹面を向けた
メニスカスレンズを含み、全体として正パワーの第１群
と、２つの回折光学素子と少なくとも１つの接合レンズ
を含む第２群とを有し、下記条件式（４）を満足するこ
とを特徴とする対物レンズ。（４）（Ｗ・Ｈ）／（Ｌ・ｆ）＞０．００５ただし、Ｗは作動距離、Ｌは同焦距離、Ｈは前記メニス
カスレンズの前記凹面でのマージナル光線高、ｆは対物
レンズの焦点距離である。