JPH11326772A - 対物レンズ - Google Patents
対物レンズInfo
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- JPH11326772A JPH11326772A JP10130106A JP13010698A JPH11326772A JP H11326772 A JPH11326772 A JP H11326772A JP 10130106 A JP10130106 A JP 10130106A JP 13010698 A JP13010698 A JP 13010698A JP H11326772 A JPH11326772 A JP H11326772A
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Abstract
用いて、波長幅が広くても高度なアポクロマティック設
計が可能で、その設計性能を損なうことなく製作できる
紫外域用対物レンズ。 【解決手段】 物体側から順に、物体側が平面の平凸レ
ンズ又は物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含
み、全体として正の屈折力の第1群G1と、非平面r19
上に回折面r18が形成された正のパワーを有する屈折回
折レンズを少なくとも1枚含む第2群G2と、負のパワ
ーを有する屈折回折レンズを少なくとも1枚含む第3群
G3とからなる対物レンズ。
Description
に用いられる高開口数、高倍率の対物レンズに関するも
のであり、特に、紫外光を用いた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る。
波長が300nmより短くなるとレンズとして使用し得
る媒質が実質的には石英と蛍石に限定されるため、これ
らの媒質を用いた3枚接合レンズや2枚接合レンズを多
用して色補正を行っていた。しかし、これらの媒質はそ
の屈折率や分散値が近く、3枚接合レンズを多用しても
十分な色収差補正が困難であり(特開平3−18840
7号参照)、また、設計はできたとしても、このような
紫外の波長域では作業性や接着力の良い接合剤がなく、
接合が上手くできないため、接合面が多数あると実際に
性能の良い対物レンズを製作するのは困難であった。つ
まり、接合剤の硬化に時間がかかるものが多く、心出し
をして接合しても固まるまでの間に心がずれてしまった
り、また、接着の強度が弱いため、特に3枚接合レンズ
では徐々に心がずれて行き、性能が劣化するという問題
がある。
下のような技術が開示されている。特開平6−3477
00号の場合は、媒質としては石英のみを用い、少なく
とも1枚の平面型の回折光学素子を用いることにより、
接合レンズを用いずに色収差を補正するものである。特
開平9−243923号の場合は、3枚接合レンズは用
いず、2枚接合レンズを多用することにより、色収差を
補正するものである。
しておく。詳細はオプトロニクス社発行の「光学デザイ
ナーのための小型光学エレメント」第6章及び第7章
や、「SPIE,No.162,P.46〜53(19
77)」、あるいは、上記特開平6−347700号等
に詳しく説明されている。要は、通常のレンズは屈折作
用により光線を曲げるのに対して、回折光学素子はその
名の通り回折作用で光を曲げるものであり、これをレン
ズとして用いたものがいわゆる回折レンズである。屈折
はスネルの法則に従い、波長が短い光程よく曲がるが、
回折はその逆で波長が長い光程よく曲がる。これを通常
の屈折レンズに用いられるアッべ数に換算すると−3.
45となり、逆分散かつ非常に高分散であることが分か
る。したがって、通常の屈折レンズと回折レンズを組み
合わせることにより、非常に強力な色収差補正が可能と
なるのである。また、回折による曲がり角はそのピッチ
によって自由に制御できるため、非常に自由度の高い非
球面特性も持たせることができる。
47700号のものは、平面基板の上に回折面を形成し
たいわゆる平面型回折光学素子を用いており、極端に小
さなピッチのものは製作できないという製造上の理由か
ら、そのパワーを余り強くすることができないため、色
補正能力が十分に発揮できておらず、さらに、接合レン
ズを全く用いていないため、補正すべき波長幅が広く、
高度なアポクロマティック設計を必要とする対物レンズ
は設計できなかった。
は、3枚接合レンズは用いていないが、2枚接合レンズ
を多用しており、実際の製作時は接合時の心ズレ等が問
題となり、設計性能を十分に発揮させることが難しい。
また、3枚接合レンズを用いていないため、前者同様、
補正すべき波長幅が広く高度なアポクロマティック設計
を必要とする対物レンズは設計すら難しい。
みてなされたものであり、その目的は、非平面上に回折
面を形成した回折光学素子を用いることにより、波長幅
が広くても高度なアポクロマティック設計が可能であ
り、また、その設計性能を損なうことなく製作できる対
物レンズを提供することである。
に、物体側が平面の平凸レンズ又は物体側に凹面を向け
たメニスカスレンズを含み、全体として正の屈折力の第
1群と、非平面上に回折面が形成された正のパワーを有
する屈折回折レンズを少なくとも1枚含む第2群と、負
のパワーを有する屈折回折レンズを少なくとも1枚含む
第3群とからなることを特徴とするものである。
と作用について説明する。本発明の対物レンズは、物体
側から順に、物体側が平面の平凸レンズ又は物体側に凹
面を向けたメニスカスレンズを含み、全体として正の屈
折力の第1群と、非平面上に回折面が形成された正のパ
ワーを有する屈折回折レンズを少なくとも1枚含む第2
群と、負のパワーを有する屈折回折レンズを少なくとも
1枚含む第3群とからなり、基板でパワーを持った回折
レンズを用いることにより、強力な収差、特に色収差の
補正が可能となる。なお、屈折回折レンズとは、回折面
を有するレンズのことである。対物レンズは全体として
正のパワーを持つため、接合レンズを多用せずに屈折面
で発生する正の色収差を補正するためには、回折面のパ
ワーをかなり強くしなければならないが、基板が平面の
ものでは、製造上の制約からも余り強いパワーを持たせ
ることはできない。屈折面で発生する正の色収差を補正
するためには、屈折面と同程度の強い正パワーの回折面
が必要となり、そのためには、正パワーの非平面の上に
回折面を形成する必要があるのである。ただし、平面基
板上に回折面を形成したいわゆる平面型回折レンズと異
なり、非平面上に回折面を形成したいわゆる非平面型回
折レンズでは、回折面に入射する軸外光束と軸上光束の
回折面へ入射する角度が異なるため、軸上の色収差を補
正すると、軸外で色コマ収差が発生する。非球面特性を
持った色コマ収差であるから、これを球面系のレンズで
補正することは困難であり、そのため、第3群にも非球
面特性を持つ回折レンズが必要となるのである。
平面上に形成された回折面が瞳位置近傍に配置され、第
3群の回折面が主光線高の高い位置に配置されているこ
とが望ましい。瞳位置近傍はマージナル光線高が高いた
め、そこに回折面を配置することにより、軸上の色収差
や球面収差がより効果的に補正可能であり、また、主光
線高の高い位置に回折面を配置することにより、倍率の
色収差を含む色コマ収差がより効果的に補正可能とな
る。
折面の回折によるパワーが正パワーであることが望まし
い。これにより、正パワーの持つ大きな逆分散特性を用
いてより効果的に色収差を補正することができる。
媒質が、蛍石や石英を含む、使用紫外域の波長(250
nm近傍)で厚さ10mmで透過率50%以上である物
質であることが望ましい。これにより、用いる紫外域に
おいても透過率の十分高い対物レンズを得ることができ
る。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと最も物体側のレ
ンズとの間に、蛍石と石英からなる接合レンズを有する
ことが望ましい。これにより、先玉により発生した大き
な色収差を接合レンズでも補正することができ、全体と
してより効果的に色収差の補正ができる。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと、負のパワーを
有する屈折回折レンズとの間に蛍石と石英からなる接合
レンズを有することが望ましい。これにより、非平面上
の回折面だけでは補正しきれなかった色収差をこの接合
レンズで補正することができ、全体としてより効果的に
色収差の補正ができる。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと、最も物体側の
レンズとの間と、その非平面上に回折面が形成された正
のパワーを有する屈折回折レンズと、負のパワーを有す
る屈折回折レンズとの間に、蛍石と石英からなる接合レ
ンズを有することが望ましい。これにより、先玉により
発生した大きな色収差を接合レンズでも補正し、かつ、
非平面上の回折面だけでは補正しきれなかった色収差
も、その後ろの接合レンズで補正することができ、全体
としてより効果的に色収差の補正ができる。
つ石英と負の屈折力を持つ蛍石の接合レンズからなるこ
とが望ましい。これにより、第3群中の回折面だけでは
補正しきれなかった倍率の色収差をこの接合レンズで補
正することができ、全体としてより効果的に色収差の補
正ができる。
して軸上の色収差を補正し、第3群中の負のパワーを有
する屈折回折レンズの回折面が主として倍率の色収差を
含む色コマ収差を補正するものであることが望ましい。
ことにより、強力な収差、特に色収差の補正が可能とな
る。対物レンズは全体として正のパワーを持つため、接
合レンズを多用せずに、屈折面で発生する正の色収差を
補正するためには、回折面のパワーをかなり強くしなけ
ればならないが、基板が平面のものでは、製造上の制約
からもあまりパワーを持たせることはできない。屈折面
で発生する正の色収差を補正するためには、屈折面と同
程度の強い正パワーの回折面が必要となり、そのために
は、正パワーの非平面の上に回折面を形成する必要があ
るのである。そして、このような強い正パワーを持つ回
折面をマージナル光線高の高い第2群中に配することに
より、効果的な軸上の色収差の補正が可能となり、他
方、主光線高の高い第3群中にも配することにより、倍
率の色収差を含む色コマ収差を効果的に補正することが
できる。
(1)を満足することが望ましい。 (1) 0.15≦R2 /L≦0.5 ただし、R2 は第2群中の屈折回折レンズの回折面の基
板が球面で構成されているときの曲率半径、Lは同焦距
離である。なお、回折面の基板が非球面で構成されてい
る場合は、前記の曲率半径は近軸曲率半径となる。ま
た、同焦距離は、対物レンズの取り付け基準面(胴付
面)から物体面までの距離である。これにより、非平面
上に形成された回折面が大きな色コマ収差を発生するこ
となく、他のレンズ群で十分補正可能な程度に収まると
同時に、基板もパワーを持った回折レンズにおいてより
強力な色収差補正が可能となる。ここで、条件(1)の
下限の0.15を下回るときは、回折面の基板の曲率半
径が小さすぎ、他のレンズ群では補正しきれない程の大
きな色コマ収差が発生してしまう。逆に、上限の0.5
を上回るときは、回折面の基板の曲率半径が大きすぎ、
基板のパワーが小さくなることにより、十分な色補正能
力が得られない。なお、上記条件(1)の上限及び下限
を越えた場合に発生する現象は、曲率半径が近軸曲率半
径に置き換わった場合にも同様に発生する。
件(2)から(4)を満足することが望ましい。 (2) 0.8≦R1 /t1 ≦5 (3) D2 /D≧0.8 (4) (h3 ×f)/(D×I)≧0.5 ただし、R1 は第1群中の上記平凸レンズ又はメニスカ
スレンズの像側の面の曲率半径、t1 はその肉厚、D2
は第2群中の正のパワーを有する屈折回折レンズの回折
面でのマージナル光束径、Dは対物レンズ中の最大マー
ジナル光束径、h3 は第3群中の負のパワーを有する屈
折回折レンズの回折面での最大像高からの主光線高、f
は対物レンズの焦点距離、Iは標本面での最大像高であ
る。
的に軸上の色収差が補正でき、第3群中の回折面で倍率
の色収差を含む色コマ収差がより効果的に補正できる。
ここで、条件(2)の下限の0.8を下回るときは、先
玉の像側の曲率半径が小さすぎ、そこで発生する諸収差
が後群で補正しきれず、逆に、上限の5を上回るとき
は、物体からの高NA(開口数)の光束を効果的に収斂
光にして後群に導けなくなる。また、条件(3)で下限
の0.8を下回るときは、第2群中の回折面での軸上色
収差の補正が不十分となり、全体として補正不足とな
る。さらに、条件(4)の下限の0.5を下回るとき
は、第3群での倍率の色収差の補正が不十分となり、や
はり全体としての色収差が補正不足となる。
る回折光学素子(回折レンズ)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
(回折レンズ)は、すべに述べた通りのものであるが、
このような回折光学素子(回折レンズ)の設計法とし
て、ウルトラ・ハイ・インデックス法(ultra−h
igh index method)と呼ばれる方法が
知られている。これは、回折光学素子(回折レンズ)を
屈折率の極めて大きな仮想レンズ(ウルトラ・ハイ・イ
ンデックス・レンズ)として設計する方法である。この
手法についても、上述の「SPIE,No.162,
P.46〜53(1977)」に記載されているが、図
7を用いて簡単に説明する。図7において、符号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(a)で表される関係が成り立つ。
1の屈折率、zはウルトラ・ハイ・インデックス・レン
ズ1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、nu =10001、あるいは10
01としている。
(b)で表される。ただし、mは回折光の次数、λは波
長、dはピッチである。
面形状と回折光学素子(回折レンズ)のピッチとの間に
は、式(c)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(回折レンズ)のピッチを求めるこ
とができるのである。また、ウルトラ・ハイ・インデッ
クス・レンズ1を非球面レンズとして設計することによ
り、非球面特性を有する回折光学素子(回折レンズ)と
して設計できることは言うまでもない。
・ハイ・インデックス法で回折レンズを設計する際は、
以下に示す式(d)で表されるように、波長に対する屈
折率を定める。 nu (λ)=(λ/λ0 )×nu (λ0 )+1 ・・・(d) ここで、nu (λ)はある波長λでの屈折率、λ0 は基
準波長であり、後記の実施例のように、λ0 を254n
m、nu (λ0 )を10001又は1001とすると、
波長257nm、260nmの屈折率は後記のようにな
る。
10次までを用いているが、12次、14次、・・・と
いう高次の非球面項を使用してもよい。
断面図を図1に示す。逆光線追跡の順の面番号1、2、
・・をr1 、r2 、・・で、面間隔1、2、・・を
d1 、d2 、・・で示してある。そして、光線として、
軸上下側光線をa、軸上上側光線をb、最大像高の軸外
主光線をc、最大像高の軸外上側光線をd、最大像高の
軸外下側光線をeで示してある(他の実施例も同様)。
及び蛍石の単レンズと非平面屈折回折レンズを用いたも
のである。この対物レンズは、物体側から、第1群G
1、第2群G2、第3群G3の3群からなり、第1群G
1は、3枚の物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ
からなり、第2群G2は、両凸レンズの像側の面に回折
面を設けた屈折回折レンズと、両凹レンズと、物体側に
凹面を向けた負メニスカスレンズと、両凸レンズとの4
枚からなり、第3群G3は、両凸レンズと、物体側に凸
面を向けた正メニスカスレンズと、両凹レンズと、物体
側に凹面を向けた負メニスカスレンズの像側の面に回折
面を設けた屈折回折レンズと、物体側に凹面を向けた正
メニスカスレンズとの5枚からなる。
断面図を図2に示す。この実施例は、第2群G2中の非
平面型回折レンズの前後に接合レンズを配置して、さら
に収差、特に軸上色収差をより良く補正したものであ
る。また、接合レンズを用いたことにより、倍率の色収
差も若干補正されているため、第3群G3の回折レンズ
は平面型回折レンズでも収差補正可能であった。
1、第2群G2、第3群G3の3群からなり、第1群G
1は、2枚の物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ
と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レ
ンズとの接合レンズとの3群4枚からなり、第2群G2
は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの像側の
面に回折面を設けた屈折回折レンズと、両凸レンズと両
凹レンズとの接合レンズとの2群3枚からなり、第3群
G3は、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、
両凸レンズと、2枚の物体側に凸面を向けた正メニスカ
スレンズと、両凹レンズと、物体側に凹面を向けた凹平
レンズの像側の面に回折面を設けた屈折回折レンズと、
物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズとの7枚から
なる。
断面図を図3に示す。この実施例は、第2群G2中の非
平面型回折レンズの前後に接合レンズを配置して、さら
に収差、特に軸上の色収差をより良く補正すると共に、
最も像側のレンズも接合レンズとすることにより、倍率
の色収差もより良く補正したものである。実施例2と同
様、接合レンズを用いたことにより、接合レンズで倍率
の色収差も補正されているため、第3群G3の回折レン
ズは平面型回折レンズでも収差補正可能であった。
1、第2群G2、第3群G3の3群からなり、第1群G
1は、2枚の物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ
と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸レ
ンズとの接合レンズとの3群4枚からなり、第2群G2
は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズの像側の
面に回折面を設けた屈折回折レンズと、両凸レンズと両
凹レンズとの接合レンズとの2群3枚からなり、第3群
G3は、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、
両凸レンズと、2枚の物体側に凸面を向けた正メニスカ
スレンズと、両凹レンズと、物体側に凹面を向けた凹平
レンズの像側の面に回折面を設けた屈折回折レンズと、
物体側に凹面を向けた凹平レンズと像側に凸面を向けた
平凸レンズとの接合レンズとの7群8枚からなる。
す。これらは全て無限設計の対物レンズであり、そのた
め追跡データは逆光線追跡(対物レンズの胴付から標本
面に向かっての追跡)データとなっている。各実施例の
対物レンズの焦点距離は1.8mmであり、実視野はφ
0.2mmである。これは焦点距離180mmの結像レ
ンズを用いたとき、視野数φ20mmの100×対物レ
ンズとなる。その他の仕様も全て同じであり、下記の通
りである。
Y軸とすると、以下の式にて表せられる。 Z=CY2 /[1+√{1−(1+K)C2 Y2 }] +A4 Y4 +A6 Y6 +A8 Y8 +A10Y10+・・ ・・・(e) ただし、Cは面頂における曲率(=1/r、rは曲率半
径)、Kは円錐係数、A4 、A6 、A8 、A10はそれぞ
れ4次、6次、8次、10次の非球面係数である。
ILICA”と、蛍石は“CAFL”と、回折面は
“‘doe’”と表記してある。なお、SILICA、
CAFLの屈折率は次の通りである。 波長(nm) 260.00 257.00 254.00 SILICA 1.502383 1.503823 1.505327 CAFL 1.463919 1.464887 1.465897 。
4〜図6に示す。各図中、(a)は球面収差、(b)は
非点収差、(c)は歪曲収差、(d)はコマ収差をそれ
ぞれ示す。
されるものではなく、様々な組み合せ、群構成で構成で
きることは言うまでもなく、特に屈折回折レンズに関し
ては、その製作性(回折面の裏面は平面の方が作りやす
い等)を考慮して、片面を平面として2枚のレンズ(片
方は片面が平面の屈折回折レンズ、他方は単なる屈折レ
ンズ)に分割して構成できることは言うまでもない。例
えば、実施例1の第3群G3中の屈折回折レンズを平面
で2分割して、片方を平凸形状の屈折回折レンズ、片方
を単なる平凹レンズとし、これらを接合してもよいし、
その間に空気間隔を設けてもよい。さらに、また、第2
群G2と第3群G3に少なくとも1枚配置された回折レ
ンズは、非平面型回折レンズと平行平面型回折レンズを
組み合せたものとしてもよい。
うに構成することができる。 〔1〕 物体側から順に、物体側が平面の平凸レンズ又
は物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含み、全体
として正の屈折力の第1群と、非平面上に回折面が形成
された正のパワーを有する屈折回折レンズを少なくとも
1枚含む第2群と、負のパワーを有する屈折回折レンズ
を少なくとも1枚含む第3群とからなることを特徴とす
る対物レンズ。
回折面が瞳位置近傍に配置され、第3群の回折面が主光
線高の高い位置に配置されていることを特徴とする上記
1記載の対物レンズ。
回折面の回折によるパワーが正パワーであることを特徴
とする上記1又は2記載の対物レンズ。
の媒質が、蛍石や石英を含む、使用紫外域の波長(25
0nm近傍)で厚さ10mmで透過率50%以上である
物質であ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。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと、最も物体側の
レンズとの間に、蛍石と石英からなる接合レンズを有す
ることを特徴とする上記1から4の何れか1項記載の対
物レンズ。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと、負のパワーを
有する屈折回折レンズとの間に、蛍石と石英からなる接
合レンズを有することを特徴とする上記1から4の何れ
か1項記載の対物レンズ。
た正のパワーを有する屈折回折レンズと、最も物体側の
レンズとの間と、前記非平面上に回折面が形成された正
のパワーを有する屈折回折レンズと、負のパワーを有す
る屈折回折レンズとの間に、蛍石と石英からなる接合レ
ンズを有することを特徴とする上記1から4の何れか1
項記載の対物レンズ。
持つ石英と負の屈折力を持つ蛍石の接合レンズからなる
ことを特徴とする上記1から7の何れか1項記載の対物
レンズ。
が主として軸上の色収差を補正し、前記第3群中の負の
パワーを有する屈折回折レンズの回折面が主として倍率
の色収差を含む色コマ収差を補正することを特徴とする
上記から8の何れか1項記載の対物レンズ。
とを特徴とする上記1から9の何れか1項記載の対物レ
ンズ。 (1) 0.15≦R2 /L≦0.5 ただし、R2 は第2群中の屈折回折レンズの回折面の基
板が球面で構成されているときの曲率半径、Lは全系の
同焦距離である。
満足することを特徴とする上記1から10の何れか1項
記載の対物レンズ。 (2) 0.8≦R1 /t1 ≦5 (3) D2 /D≧0.8 (4) (h3 ×f)/(D×I)≧0.5 ただし、R1 は第1群中の前記平凸レンズ又はメニスカ
スレンズの像側の面の曲率半径、t1 はその肉厚、D2
は第2群中の正のパワーを有する屈折回折レンズの回折
面でのマージナル光束径、Dは対物レンズ中の最大マー
ジナル光束径、h3 は第3群中の負のパワーを有する屈
折回折レンズの回折面での最大像高からの主光線高、f
は対物レンズの焦点距離、Iは標本面での最大像高であ
る。
によれば、使用媒質が限定される紫外域で用いられる対
物レンズにおいても、接合レンズを多用することなく、
軸上の色収差、倍率の色収差を始めとする諸収差が良好
に補正された高倍・高NA対物レンズを得ることができ
る。
・軸外光線を含む断面図である。
・軸外光線を含む断面図である。
・軸外光線を含む断面図である。
めの図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 物体側から順に、物体側が平面の平凸レ
ンズ又は物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含
み、全体として正の屈折力の第1群と、非平面上に回折
面が形成された正のパワーを有する屈折回折レンズを少
なくとも1枚含む第2群と、負のパワーを有する屈折回
折レンズを少なくとも1枚含む第3群とからなることを
特徴とする対物レンズ。 - 【請求項2】 第2群中の非平面上に形成された回折面
が瞳位置近傍に配置され、第3群の回折面が主光線高の
高い位置に配置されていることを特徴とする請求項1記
載の対物レンズ。 - 【請求項3】 第2群中の非平面上に形成された回折面
の回折によるパワーが正パワーであることを特徴とする
請求項1又は2記載の対物レンズ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13010698A JP4097781B2 (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 対物レンズ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13010698A JP4097781B2 (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 対物レンズ |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH11326772A true JPH11326772A (ja) | 1999-11-26 |
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