JP2016109959A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス材を用い、フレアの発生を防止できる光学装置を提供すること。【解決手段】光学装置１は、セラミックス材からなる円筒状の鏡筒２０と、光の伝播に用いる光学部品１０と、セラミックス材からなり、前記光学部品を保持し、前記鏡筒内に組み込まれる保持枠２１，２２，２３，２４，２５と、前記鏡筒に組み込まれるフレアカット絞り３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主として対物レンズとして用いられる光学装置に関する。

レンズ等の光学部品と、この光学部品を保持する保持枠や保持枠が組み込まれる鏡筒との各線膨張係数が異なる場合、周辺温度の変化に対して、各部位の寸法変化量に差が生じる。変化量の差により発生する力によって、光学部品が偏心したり、光学部品の面精度が悪化して、総合的な光学性能が劣化する。その劣化を低減する方法のひとつに、光学部品と線膨張係数が近い材料を鏡枠や鏡筒に採用する方法がある。

光学部品の素材が合成石英の場合、線膨張係数は0.51ppmである。石英の線膨張係数に近い素材として、インバー（0.6〜1.4ppm/K程度）やセラミックス（0.9〜8ppm/K程度）が挙げられる。

その中でも、マシナブルセラミックスは快削性が高い素材であり、対物レンズの保持枠や鏡筒に採用しやすい素材のひとつである。セラミックスを使用した光学装置が、例えば特許文献１に提案されている。

特開２０１０−１０７９５４号公報

セラミックスの表面は白色や灰色で黒色ではないため反射を起こすので、保持枠等にセラミックスを使用する場合には、フレア対策が必要になる。金属材に一般的に利用されるブラックニッケル等のメッキ処理は、セラミックスに対しては、強度やメッキのはがれ等の耐性の点において信頼性に欠ける。また、セラミックスへは反射防止塗装も可能であるが、反射防止塗装に含まれる有機物は、紫外線を吸収して化学変化を起こし劣化するという問題がある。そのため、紫外線を通過させるような光学装置では、反射防止塗装を利用することが難しい。

本願発明は、上記課題に鑑み、セラミックス材を用い、フレアの発生を防止できる光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明の光学装置は、セラミックス材からなる円筒状の鏡筒と、光の伝播に用いる光学部品と、セラミックス材からなり前記光学部品を保持し、前記鏡筒内に組み込まれる保持枠と、前記鏡筒に組み込まれるフレアカット絞りと、を備える。

本発明によれば、セラミックス材を用い、フレアの発生を防止できる光学装置を提供することができる。

第1の実施形態に係る第1の光学装置１の断面図である。 第1の実施形態に係るフレアカット絞り配置位置の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る第２の光学装置２の断面図である。 第３の実施形態に係る第３の光学装置３の断面図である。

以下、図面に従って本発明の実施形態を説明する。図１は、第1の実施形態に係る第1の光学装置１の断面図である。本実施形態で示す第1の光学装置１は、顕微鏡、光学検査装置あるいはカメラ等の対物レンズとして用いられるものである。

第1の光学装置１のＰ側を先端側、Ｑ側を後端側あるいは胴付部とも呼ぶ。第1の光学装置１が顕微鏡の対物レンズの場合には、Ｐ側に標本が配置され、Ｑ側が観察側で撮像系（不図示）が設けられる。また、落射照明タイプの顕微鏡では、Ｑ側から照明される。

第1の光学装置１は、鏡筒２０、光学部品１０、光学部品１０をそれぞれ支持する保持枠２１〜２５、押さえ環２６、フレアカット絞り３０を備える。鏡筒２０の先端側（Ｐ）から入射した光は、1点鎖線０を光軸として、光学部品１０で屈折して後端側（Ｑ）を通過して撮像側に入射する。

鏡筒２０は、両端とも開口された円筒形状で、内部に保持枠に支持された光学部品１０及びフレアカット絞り３０を保持する。鏡筒２０は、メッキや塗装等の反射防止処理がされていないマシナブルセラミックス材である。なお、以下で説明するマシナブルセラミックス材は、全て反射防止処理がされていないものとする。鏡筒２０は、後端側の入口の内周面に、押さえ環２６との係合用に、ネジ部２０ａを備える。また、鏡筒２０は、先端側の入口が狭く形成され、先端側に保持枠２１が当て付く当接部２０ｂを備える。

光の伝播に用いる光学部品１０は、先端側から順に、レンズ１０ａ、レンズ１０ｂ、レンズ１０ｃ、レンズ１０ｄ、レンズ１０ｅの５群のレンズで構成される。保持枠２１、保持枠２２、保持枠２３、保持枠２４、保持枠２５は、それぞれレンズ１０ａ、レンズ１０ｂ、レンズ１０ｃ、レンズ１０ｄ、レンズ１０ｅを支持する。保持枠２１〜保持枠２５は、マシナブルセラミックス材である。レンズ１０ａ〜レンズ１０ｅは、保持枠２１〜保持枠２５に、例えば低線膨張係数の接着剤で固定される。なお、レンズを保持枠に固定する方法は、接着剤に限らずリング止めや板バネ押さえ等による機械的な方法でもよい。

フレアカット絞り３０は、先端側に配置される標本から光線が、マシナブルセラミックス製の保持枠や鏡筒２０内部で反射するのを抑制するための絞りである。フレアカット絞り３０は、第１の光学装置１の射出瞳位置近傍に配置される。本例では、フレアカット絞り３０は、保持枠２２と保持枠２３の間に設けられる。

また、フレアカット絞り３０は、真鍮やアルミ等の金属製で、エボノール処理や黒色クロムめっきなどの反射防止用の黒色表面処理が施される。

押さえ環２６は、保持枠２１〜保持枠２５及びフレアカット絞り３０を、鏡筒２０内部に保持するものである。押さえ環２６は、真鍮やアルミ等の金属製の円環状部材であって、鏡筒２０に形成されたネジ部２０ａに螺合するネジ部２６ａを外周に備える。押さえ環２６には、前述の反射防止用の黒色表面処理が施される。

保持枠２１、保持枠２２、フレアカット絞り３０、保持枠２３〜保持枠２５が順番に鏡筒２０に組み込まれ、最後に鏡筒２０の後端側から蓋をするように、押さえ環２６が鏡筒２０に組み付けられる。保持枠２１〜保持枠２５やフレアカット絞り３０の外周は、鏡筒２０の内周面と高精度に嵌合するような寸法で形成される。

前述のように、鏡筒２０及び保持枠２１〜保持枠２５は、マシナブルセラミックス材である。マシナブルセラミックスは、線膨張係数が １〜２ppm/Kで、真鍮の２０ppm/Kに比べて、レンズの素材である合成石英の線膨張係数０．５１ppm/Kにかなり近い値である。

各保持枠や鏡筒２０が真鍮製であると、各保持枠２１〜２５と鏡筒２０の線膨張係数が光学部品１０の線膨張係数と大きく異なるために、周辺温度が変化すると、両者の寸法変化量に大きな差が生じる。これにより内部応力が発生して、レンズ間に偏心が起きて、光学部品１０の面精度が悪化して、総合的な光学性能が劣化してしまう。

本実施形態では、各保持枠２１〜２５と鏡筒２０に、線膨張係数がレンズに十分に近いセラミックス材を使用するので、温度変化があっても、レンズ間の偏心あるいはレンズの傾きの発生が防止され、安定した光学性能が保証される。

またマシナブルセラミックスは、セラミックスの中でも、快削性の素材であるので、複雑な形状をした鏡筒２０、保持枠、押さえ環２６などを加工するのに適している。なお、レンズの線膨張係数に近い保持枠や鏡筒の素材は、セラミックス（０．９〜８ppm/K程度）以外に、インバー（０．６〜１．４ppm/K程度）がある。従って、鏡筒２０及び保持枠２１〜２５の素材は、セラミックスにのみ限るものではなく、インバーなどの低線膨張材料でもよい。

一方、マシナブルセラミックスは、地色が白または乳白色で、保持枠や鏡筒に使用するためには、反射防止が必要となる。反射防止処理としては、メッキや塗装が知られている。セラミックスは、金属ではないので、メッキは信頼性が薄い。また、塗装は紫外光を吸収し化学変化を起こして劣化するという欠点がある。紫外光を利用する用途にも対応させるためには、塗装を採用することはできない。

そこで、反射防止処理に代わる手段として、第1の光学装置１では、鏡筒２０内部に、フレアカット絞り３０を設けた。フレアカット絞り３０によって、先端側で斜め方向から入射する光が阻止されるので、このような光が内部の保持枠の表面で反射して迷光となって撮像系に入射し、観察像のシャープネス低下（フレア）が生じることが防止される。そして、第1の光学装置１は、紫外線を利用する機器に利用することも可能になる。

なお、フレアカット絞り３０は、真鍮ではなく、エボノール処理や黒色クロムめっきなどの反射防止用の黒色表面処理が施されたインバー、または黒色ファインセラミックスでもよい。フレアカット絞り３０は、光学部品１０とは直接接触しないので、真鍮でもよいが、インバー、またはファインセラミックスにすれば、さらに熱膨張による光学性能に与える影響を少なくすることができる。

また、図1に示す第1の光学装置１では、フレアカット絞り３０を、射出瞳近傍位置に設けた例を示している。しかし、フレアカット絞り３０の設置位置は、瞳近傍位置に限るものではない。例えば、フレアカット絞り３０は、レンズ１０ａより外側に設けられてもよい。

また、フレアカット絞り３０を、瞳位置よりも先端側に近い位置に設けてもよい。図２は、フレアカット絞り３０が瞳位置よりも先端側に近い位置に設けられ場合に、その効果を説明するための図である。図２Ａは、比較のため、図１で示したような瞳近傍に設置されたフレアカット絞り３０による光線を示す図で、図２Ｂが、瞳位置よりも先端側に近い位置に設けられたフレアカット絞り３０による光線を示す図である。図２は、説明のために、無限遠光学系の顕微鏡対物レンズの例で示す。

図２Ｂに示すように、フレアカット絞りによって、上側従属光線がカットされてＬ（破線で示す）からＬ´になり、軸外の上側従属光線の光線高が下がるので、フレアカットだけでなく、軸外収差を改善させることができる。

また、図示は省略するが、フレアカット絞り３０を、後端近傍の押さえ環２６の位置に設けてもよい。フレアカット絞り３０を押さえ環２６近傍の位置に設けることにより、落射照明時に、後端側から入射する落射照明の迷光が鏡筒２０に入射するのを抑制することができる。さらに、押さえ環自身にフレアカット絞りの機能をもたせるような構成にしてもよい。

このように、フレアカット絞りによって、従属光線が遮光され、フレアカット絞りを透過した光線は、一部が保持枠や鏡筒で反射されることなく、レンズ面で屈折されて右側後方に伝播する。従って、乳白色のマシナブルセラミックスを素材のまま保持枠や鏡筒等に利用しても、フレアカット絞りを適当な位置に配置することにより、フレアを防止することができる。これにより、温度変化による光学性能の劣化が少なく、反射防止処理なしでフレアが防止され、紫外線帯域での使用にも耐える光学装置が実現される。なお、観察に使用される波長の一例は、紫外２４８ｎｍ〜赤外９００ｎｍである。

〔第２実施形態〕
次に、第２の実施形態を説明する。図３は、第２の実施形態に係る第２の光学装置２の断面図である。第２の光学装置２は、第１の光学装置１に対して、フレアカット絞りの取付け構成を異ならせたものである。第２の光学装置２につき、第１の光学装置１と同じ部位には同じ符号を付し、以下、相違点を中心に説明する。なお、第２の光学装置２の用途は、第１の光学装置１と同等であるので説明は省略する。

鏡筒２０、保持枠２１、保持枠２２０、保持枠２３．保持枠２４、保持枠２５は、第１の光学装置１と同様にマシナブルセラミックス材である。フレアカット絞り３２は、第１の光学装置１と同様に瞳近傍位置に設けられるが、第１の光学装置１のように保持枠の間に挟持されるのではなく、保持枠２２０にネジで取付けられる。

保持枠２２０は、レンズ１０ｂを保持する箇所よりも後端側に、係合部２２１を備える。係合部２２１の内周には、フレアカット絞り３２を取付けるためのネジ部２２１aが設けられる。フレアカット絞り３２にも、対応して外周にネジ部３２ａが設けられる。フレアカット絞り３２は、先端側に向かって保持枠２２０にネジ込まれ、フレアカット絞り３２の先端部３２ｂが、保持枠２２０の当て付け面２２０ｂに当接した位置で止まる。

フレアカット絞り３２は、保持枠２２０に取付けられて鏡筒２０に組み込まれる。図３に示すように、フレアカット絞り３２は光軸方向には、保持枠２２０と当接するだけで、他の保持枠との接触はない。フレアカット絞り３２は、真鍮やアルミ等の金属製で前述の反射防止用の黒色表面処理がされる。

なお、図３では、フレアカット絞り３２を、保持枠２２０を取付けて第1の光学装置１と同様に瞳近傍位置に配置する例を示すが、これに限るものではなく、他の保持枠に取付けることで、図２で示したような他の位置に配置するようにしてもよい。

第２の光学装置２によれば、フレアカット絞り３２が径方向及び光軸方向ともに周囲の部材からの拘束力が低い構成になるので、フレアカット絞り３２に真鍮などの線膨張係数の高い素材を使用しても、第１の実施形態に比較して、鏡筒２０や保持枠２３等を変形させることがなく、光学性能を劣化させるおそれはない。

また、フレアカット絞り３２と保持枠２２０のネジのはめあい公差を緩くしておけば、フレアカット絞り３２の径方向の膨張の影響を保持枠２２０に伝えることはない。以上により、第２の光学装置２では、第１の光学装置１よりも、さらにレンズのシフト偏心や面精度の悪化が生じにくくすることができる。

〔第３実施形態〕
次に、第３の実施形態を説明する。図４は、第３の実施形態に係る第３の光学装置３の断面図である。第３の光学装置３は、第1の光学装置１に対して、フレアカット絞りの取付け構成を異ならせたものである。図４の第３の光学装置３では、第１の光学装置１と同じ部位には同じ符号を付し、以下、相違点を中心に説明する。なお、第３の光学装置３の用途は、第１の光学装置１と同等であるので説明は省略する。

鏡筒２０、保持枠２１〜保持枠２５は、第1の光学装置１と同様にマシナブルセラミックス材である。保持枠２２と保持枠２３の間に、絞り保持枠３６が挟持して設けられ、フレアカット絞り３４は、絞り保持枠３６に取付けられる。絞り保持枠３６は、内周にネジ部３６ａを備え、フレアカット絞り３４は外周にネジ部３４ａを対応して備える。

絞り保持枠３６は、光軸方向に沿って前後を保持枠２２と保持枠２３で挟持されるように組み込まれる。そして、フレアカット絞り３４は、絞り保持枠３６を前後で挟持する保持枠２２と保持枠２３とに接触しないように、絞り保持枠３６に係合される。

なお、図４では、フレアカット絞り３４を、第1の光学装置１と同様に瞳近傍位置に配置する例を示すが、これに限るものではなく、図２で示したような他の位置に配置してもよい。

以上、第３の光学装置３によれば、フレアカット絞り３４は、第1の光学装置１のようにレンズ用の保持枠の間に挟持されるのではなく、専用の絞り保持枠３６にネジで取付けられる。フレアカット絞り３４がレンズの保持枠で拘束されない構成になるので、フレアカット絞り３４で径方向や光軸方向に発生した熱膨張が、レンズの保持枠等に影響することはなく、光学性能を劣化させることもない。このため、レンズのシフト偏心や面精度の悪化が一層生じにくい。また、フレアカット絞り３２と絞り保持枠３６のネジのはめあい公差を緩くしておけば、径方向の膨張の影響をより低減できる。

従って、フレアカット絞り３４は、マシナブルセラミックス材ではなく、加工性に優れた真鍮あるいはアルミでよい。また、フレアカット絞り３４には、前述の反射防止用の黒色表面処理がされる。なお、絞り保持枠３６は、鏡筒２０や保持枠２２と保持枠２３と直接接するので、マシナブルセラミックス材が好ましい。

また、第１の実施形態から第３の実施形態では、鏡筒内にフレアカット絞りを１つ設置する例を説明したが、フレアカット絞りは、複数設けるようにしてもよい。例えば、鏡筒内で射出瞳位置と押さえ環位置の２か所にフレアカット絞りを設けるようにしてもよい。

なお、マシナブルセラミックスは、反射防止処理が施されていないものであると説明したが、反射防止処理がされたマシナブルセラミックスの使用を妨げるものではない。各実施形態において、反射防止処理がされたマシナブルセラミックスに、さらにフレアカット絞りを設けることで、よりフレアの低減を実現することができる。

また、第１の実施形態から第３の実施形態の光学装置は、紫外線を使用しない環境下での利用も有効である。塗装処理が加わると、新たな処理の追加だけではなく、塗装膜の寸法管理等も必要になるからである。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階でのその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。このような、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることはもちろんである。

１ 第１の光学装置
２ 第２の光学装置
３ 第３の光学装置
１０ 光学部品
１０a、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ レンズ
２０ 鏡筒
２０ａ ネジ部
２０ｂ 当接部
２１、２２、２３，２４，２５ 保持枠
２６ 押さえ環
２６ａ ネジ部
２６ｂ 絞り部
３０、３２ フレアカット絞り
３２ａ ネジ部
３２ｂ 先端部
３４ フレアカット絞り
３４ａ ネジ部
３６ 絞り保持枠
３６ａ ネジ部
２２０ 保持枠
２２０ｂ 当て付け面
２２１ 係合部
２２１ａ ネジ部

Claims (6)

1. セラミックス材からなる円筒状の鏡筒と
   光の伝播に用いる光学部品と、
   セラミックス材からなり、前記光学部品を保持し、前記鏡筒内に組み込まれる保持枠と、
   前記鏡筒に組み込まれるフレアカット絞りと、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記フレアカット絞りは、複数の前記保持枠のうちの１の保持枠に係合され、
   前記フレアカット絞りは、係合された前記１の保持枠以外の保持枠には、接触しないよう組み込まれる
   ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
3. 前記フレアカット絞りを係合し、光軸方向に沿って前後が前記保持枠で挟持されるよう前記鏡筒内に組み込まれる絞り保持枠を備え、
   前記フレアカット絞りは、前記絞り保持枠を前後で挟持する前記保持枠と接触しないように、前記絞り保持枠に係合される
   ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
4. 前記フレアカット絞りは、前記鏡筒内に少なくとも１箇所以上配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記光学装置は、対物レンズである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記光学装置は、紫外線を主とする帯域で使用される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。