JPS61240218A - 顕微鏡対物レンズ - Google Patents

顕微鏡対物レンズ

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JPS61240218A
JPS61240218A JP8195585A JP8195585A JPS61240218A JP S61240218 A JPS61240218 A JP S61240218A JP 8195585 A JP8195585 A JP 8195585A JP 8195585 A JP8195585 A JP 8195585A JP S61240218 A JPS61240218 A JP S61240218A
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meniscus
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Yoshiyuki Shimizu
義之 清水
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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】 (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、)を有する浪漫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、像面弯曲、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、ショルダーハイド(物体面から対物レンズの胴材は
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倍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倍程度で程度。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2レンズ成分しい像側により屈折力
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しンズ成分Lff+ La、 Lい両凸正レンズ
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L1を有している。
そして、貼合せからなる第1成分し、の貼合せ面、  
の曲率半径をRz、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 l + 
 n Z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L1の物体側凸面及び像側凹面の曲率
半径をそれぞれR,、、R,、、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n
ll+  n1tS該第6成分L&の合成中心厚をDF
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成分し、の物体側凹面及び像側凸面の曲率半径をR1
9+ R2+、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rl2、+  n
14、該第7成分L1の合成中心厚をり、I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
体側及び像側あ面の曲率半径をR2□、R23、該第8
成分L8の屈折率をn’sとするとき、 s<−Rz<23        (1)n、 −nl
  > 0.18        (2)0.7Nr 
 R1@<RI6−0.37DF <  1.4NP 
R1@ (3)R+s   <    DF     
               (4)但し、NF =
(nz−1)/ (nIt  1)0.7N++  l
 R19l < l RK  l −0,37Dえ< 
1.4Nよ1RI91  (5) lR191<  D、l          (6)但
し、 Nl = (n、−i)/ (nIt−Nns ” (
n+a+n’s)/2 ]/RM =1/Rz+ +1/Rzz+1/RZ3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個のレンズが受は持っ
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、浪漫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。どれらの収差
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は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、像面が物体側に弯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
要素に対する要求が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
ンズの設計上京に付きまとう現象である。そして1、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
な浪漫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L1
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R1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R2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)式の条件と関連しで、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成分し。
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、もはやアポクロマートを得るのが困難になって
しまう。
貼合せの第1成分り、に続いて、正レンズの第2成分L
ts貼合せの第3、第4、第5成分Lx、 La。
L、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Ls、 Lt、 Ls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L&、 Lw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成分り、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、物体側に凸面を向は
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
体側に凹面を向は像側に凸面向けている。また、第8成
分L++とじての正メニスカスレンズは、第7成分L?
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L&、 L−1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L1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L1、 Lt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、 nc −1 と変形される。
本発明における第6、第7成分I、h、 Lt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、RI&IR1がRvに
対応し、R111,RI9がRe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
DF、Dえを、それぞれのもつ凹面R11,R1!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N1.Nzとし、NI  
 1 ν ; Nt   Nl と置くと、この場合の軸上色収差の量Δは、N。
を基準として、 Nt −Nl      f Δ= −d −− NINz      1+ν 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=Oとおいて、変形すれば、 rNz d = −f となる。
このr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、NIとN2との両波長に対
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?−色
’II!!+ −/7’1.7+ fr ;ず−1rp
 ? ヘh l−tb (11dlb ?、:’ 左す
b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
ク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、TGとするとき、 Tc >  0.9 ’r       (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成分し、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、
屈折率及びアツベ数はd線(λ=587.6nm)に対
する値であり、焦点距離は1に規格化しである。
上記の第1実施例についての諸収差図を第2図焦点距離
f = I    N、A、= 1.4表2(第2実施
例) 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線につりての球面収差、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=486.1r+m 
)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  アツベ数は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(、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
施例の諸元を表3に示す。
焦点距離f = I    N、A、= 1.4焦点距
離f = I    N、A、= 1.4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、^、)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浪漫系顕微鏡対物レンズが達
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、
第峙図は第3実施例の諸収差図である。 [1,・・・第1成分     t、s・・・第5成分
L2・・・第2成分     L、・・・第6成分L3
・・・第3成分     L7・・・第7成分L4・・
・第4成分     L8・・・第8成分出願人  日
本光学工業株式会社 代理人 弁理士 渡 辺 隆 男 球面収差 第4図 非点収差   歪曲収差 球面収差 −4−4’   u  −z   4 第5図 非点収差   歪曲収差

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (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L_1、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L_2、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L
    _3、L_4、L_5、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L_6、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L_7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L_8を有し、該貼合せからなる第1成分L_
    1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L_1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L_6の物体側凸面及び像
    側凹面の曲率半径をそれぞれR_1_6、R_1_8、
    該第6成分L_6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n_1_1、n_1_2、該第6
    成分L_6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L_7の物体側
    凹面及び像側凸面の曲率半径をR_1_9、R_2_1
    、該第7成分L_7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n_1_3、n_1_4、該
    第7成分L_7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L_8の物体側
    及び像側の面の曲率半径をR_2_2、R_2_3、該
    第8成分L_8の屈折率をn_1_5とするとき、 S<−R_2<2S(1) n_2−n_1>0.18(2) 0.7N_FR_1_8<R_1_6−0.37D_F
    <1.4N_FR_1_8(3)R_1_8<D_F(
    4) 但し、N_F=(n_1_1−1)/(n_1_2−1
    )0.7N_R|R_1_9|<|R_M|−0.37
    D_R<1.4N_R|R_1_9|(5) |R_1_9|<D_R(6) 但し、 N_R=(n_m−1)/(n_1_3−1)n_m=
    (n_1_4+n_1_5)/2 1/R_M=1/R_2_1+1/R_2_2+1/R
    _2_3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. (2)前記第3、第4及び第5レンズ成分L_3、L_
    4、L_5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より小さく、該貼合せ成分を形成す
    る正レンズの平均分散値ν_p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. (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>0.9T(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。
JP8195585A 1985-04-17 1985-04-17 顕微鏡対物レンズ Expired - Lifetime JPH0644102B2 (ja)

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