JP2017215541A - 顕微鏡対物レンズ、及びそれを用いた顕微鏡結像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ枚数が少なく、作動距離が長く、良好な像面のフラットネスを持つ顕微鏡対物レンズ、及び顕微鏡結像光学系を提供する。【解決手段】顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含む正の屈折力を持つ第１レンズ群と、１つのレンズ成分からなる正の屈折力を持つ第２レンズ群と、像側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる負の屈折力を持つ第３レンズ群と、からなり、前記第２レンズ群の最も像側の面と前記第３レンズ群の最も物体側の面の間隔をｄ２３、前記顕微鏡対物レンズの全系の焦点距離をｆとするとき、以下の条件式を満たす。 ０．３２≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４５ 。【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡対物レンズ、及びそれを用いた顕微鏡結像光学系に関する。

従来より、教育や検査市場で使用する顕微鏡においては、比較的低価格で作動距離が長い顕微鏡が使用されている。近年では、接眼レンズによる目視観察の他にカメラを装着することによるディスプレイで観察することも行われるようになっている。このため、顕微鏡光学系にも、比較的低価格、すなわちレンズ枚数が少なく、且つ、像面のフラットネスが良好な顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡結像光学系が必要とされている。

従来技術におけるレンズ枚数が少なく、作動距離の長い液浸対物レンズは、例えば、特許文献１に記載されている。

特開平１０−１３３１１９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された顕微鏡対物レンズは、接合レンズのあとの正単レンズを物体面に近い位置に配置しており、そのため光線高の低い位置で光線を曲げることになる。そのため、正のパワーが過剰となって、ペッツバール和を低くすることができていない。このため、十分な像面のフラットネスを確保することが困難となる。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、レンズ枚数が少なく、作動距離が長く、像面のフラットネスの良好な顕微鏡対物レンズ及びそれを用いた顕微鏡結像光学系を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、顕微鏡対物レンズであって、顕微鏡対物レンズであって、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含む正の屈折力を持つ第１レンズ群と、１つのレンズ成分からなる正の屈折力を持つ第２レンズ群と、像側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる負の屈折力を持つ第３レンズ群と、からなり、前記第２レンズ群の最も像側の面と前記第３レンズ群の最も物体側の面の間隔をｄ２３、前記顕微鏡対物レンズの全系の焦点距離をｆとするとき、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする顕微鏡対物レンズを提供する。
０．３５≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４５ （１）

本発明によれば、レンズ枚数が少なく、作動距離が長く、像面のフラットネスの良好な顕微鏡対物レンズを提供することができる。

実施例１に係る顕微鏡対物レンズ１の断面図である。 顕微鏡対物レンズ１の収差図である。 実施例２に係る顕微鏡対物レンズ２の断面図である。 顕微鏡対物レンズ２の収差図である。 実施例１と実施例２に共通に係る結像レンズＴＬの断面図である。

本願の一実施形態に係る顕微鏡対物レンズについて説明する。本実施形態に係る顕微鏡対物レンズ（以降、単に顕微鏡対物レンズと記す）は、結像レンズと組み合わせて使用される無限遠補正型の乾燥系対物レンズである。乾燥系対物レンズである顕微鏡対物レンズは、標本と対物レンズの間を空気で満たした状態で良好な性能を発揮するように構成されている。

顕微鏡対物レンズは、物体側より順に、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含む正の屈折力を持つ第１レンズ群と、１つのレンズ成分からなる正の屈折力を持つ第２レンズ群と、像側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる負の屈折力を持つ第３レンズ群と、からなる。
ここで、第２レンズ群が１つのレンズ成分からなることと、第３レンズ群がメニスカスレンズからなることにより、第１レンズ群は、第２レンズ群より物体側のレンズ構成であることが明確であり、第１レンズ群と第２レンズ群と第３レンズ群の境界は、上記の特徴によって特定することができる。

なお、本明細書において、光線束(pencil of light)とは、物体の一点（物点）から出射した光線の束のことである。また、レンズ成分とは、単レンズ、接合レンズを問わず、物点からの光線が通るレンズ面のうち物体側の面と像側の面の２つの面のみが空気と接する一塊のレンズブロックのことである。

第１レンズ群は、正の屈折力により物点から入射した発散光線束に収斂の作用を及ぼして、より発散度合いの弱い発散光線束に変換して射出する。このとき、正の屈折力で光線束の発散を抑えつつ、軸上色収差を補正している。第２レンズ群は、入射した発散光線束を第３レンズ群の負の屈折力とのバランスを取りながら、発散光線束から収斂光線束に変換して射出する。さらに第３レンズ群では、入射した収斂光線束にメニスカスレンズの凹面の負のパワーを作用させることにより、収斂光線束から平行光線束として出射する。これにより、負の屈折力を有する第３レンズ群でペッツバール和を効果的に補正することが可能となり、その結果、像面湾曲を良好に補正する、すなわち像面のフラットネスを確保することが可能となっている。

顕微鏡対物レンズは、さらに、以下の条件式を満たすように構成されている。
０．３２≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４５ （１）
但し、ｄ２３は、第２レンズ群の最も像側の面と前記第３レンズ群の最も物体側の面の間隔であり、ｆは、前記顕微鏡対物レンズの全系の焦点距離である。 この条件式（１）は、第２レンズ群と第３レンズ群間の距離を適正に保つことにより、第２レンズ群からの収斂光線束を平行光腺束にする第３レンズ群の屈折力を、像面のフラットネス確保のために適切な負の屈折力とするための条件式である。

条件式（１）の下限値を下回らないことで、光線の曲がりがきつくなり、コマ収差、高次の球面収差が発生してしまうことがない。また、条件式（１）の上限値を上回らないことで、第２レンズ群と第３レンズ群の屈折力が共に小さくなることにより、光線束の曲がりが緩くなり、第３レンズ群での負屈折力を十分に確保できないことがない。

以上のように構成された顕微鏡対物レンズでは、顕微鏡対物レンズの像面のフラットネスの確保を実現することができる。また、顕微鏡対物レンズは、コマ収差、像面湾曲などの軸外収差性能についても高い性能を実現することができる。従って、本実施形態に係る顕微鏡対物レンズによれば、レンズ枚数が少なく、作動距離が長く、良好な像面のフラットネスを持つ顕微鏡対物レンズを実現することができる。

なお、顕微鏡対物レンズは、条件式（１）の代わりに、下記の条件式（１−１）又は（１−２）を満たすように構成されてもよい。
０．３５≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４３ （１−１）
０．３７≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４２ （１−２）

以下、顕微鏡対物レンズの更に望ましい構成について説明する。
第１レンズ群は、メニスカスレンズと接合レンズとからなることが望ましい。また、第２レンズ群は、単レンズからなることが望ましい。このように構成することで、十分な色収差の補正を行いながら、球面収差、コマ収差などの収差の発生を抑え、レンズ枚数を低減することができる。

また、顕微鏡対物レンズの更に以下の条件式を満たすように構成されることが望ましい。
−０．６＜ｒ１１／ｆ＜−０．３５ （２）
０．８５＜ｆ１／ｆ＜１．１ （３）
−５．５＜ｆ３／ｆ＜−３．５ （４）

但し、ｒ１１を第１レンズ群の最も物体側の面における曲率半径、ｆ１を第１レンズ群の焦点距離、ｆ３を第３レンズ群の焦点距離とする。

条件式（２）は、第１レンズ群の最も物体側の面の曲率半径を小さくして、光線が発散されるのを抑えつつ、負のパワーを確保するための条件式である。
条件式（２）の下限値を下回らないことで、凹面の曲率半径がきつくなりすぎてコマ収差が発生するとともに、後ろの群の光線高が高くなり、高次の球面収差、色収差が発生することがない。また、条件式（２）の上限値を上回らないことで、第２レンズ群の第３レンズ群の屈折力が共に小さくなって光線の曲がりが緩くなり、第３レンズ群の負屈折力を十分に確保できないことがない。従って、条件式（２）を満たすことで、第１レンズ群の最も物体側の面の曲率半径を小さくして、光線が発散されるのを抑えつつ、負のパワーを確保することが可能となる。

なお、顕微鏡対物レンズは、条件式（２）の代わりに、下記の条件式（２−１）又は（２−２）を満たすことが、更に望ましい。
−０．５７＜ｒ１１／ｆ＜−０．３７ （２−１）
−０．５５＜ｒ１１／ｆ＜−０．４０ （２−２）

条件式（３）は、凹面による負のパワーと光線束を収斂させる正のパワーとのバランスを取るため第１レンズ群の屈折力を規定する条件式である。
条件式（３）の下限値を下回らないことで、負のペッツバール和が不足して、像面湾曲が発生し、フラットネスが悪くなることがない。また、条件式（３）の上限値を上回らないことで、光線の発散を抑える屈折力が不足することで第２レンズ群の光線高が上がってしまい、高次の球面収差、色収差が発生することがない。従って、条件式（３）を満たすことで、凹面による負のパワーと光線束を収斂させる正のパワーとのバランスを取ることが可能となる。

なお、顕微鏡対物レンズは、条件式（３）の代わりに、下記の条件式（３−１）又は（３−２）を満たすことが、更に望ましい。
０．８８＜ｆ１／ｆ＜１．０ （３−１）
０．９０＜ｆ１／ｆ＜０．９７ （３−２）

条件式（４）は、第３レンズ群に負の屈折力を持たせることで像面のフラットネスを確保するための条件式である。
条件式（４）の下限値を下回らないことで、負のペッツバール和が不足して、像面湾曲が発生し、フラットネスが悪くなることがない。また、条件式（４）の上限値を上回らないことで、光線の曲がりがきつくなり、コマ収差が発生することがない。従って、条件式（４）を満たすことで、第３レンズ群に負の屈折力を持たせることで像面のフラットネスを確保することが可能となる。

なお、顕微鏡対物レンズは、条件式（４）の代わりに、下記の条件式（４−１）又は（４−２）を満たすことが、更に望ましい。
−５．２＜ｆ３／ｆ＜−３．７ （４−１）
−５．０＜ｆ３／ｆ＜−４．０ （４−２）

また、顕微鏡対物レンズの第３レンズ群のアッベ数をν３とするとき、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
２５＜ν３＜４５ （５）

条件式（５）は、結像レンズが単レンズ１枚なので、ある程度分散のあるアッベ数の凹レンズで倍率色収差をコンペンゼーションするための条件式である。
条件式（５）の下限値を下回らないこと、つまり、アッベ数が小さくなり過ぎないことで、分散が大きいので軸上の色収差が大きくなることがない。また、条件式（５）の上限値を上回らないこと、つまり、アッベ数が大きくなり過ぎないことで、分散が小さいので倍率色収差をコンペンゼーションできないことがない。従って、条件式（５）を満たすことで、ある程度分散のあるアッベ数の凹レンズで倍率色収差をコンペンゼーションすることが可能となる。

なお、顕微鏡対物レンズは、条件式（５）の代わりに、下記の条件式（５−１）又は（５−２）を満たすことが、更に望ましい。
２７＜ν３＜４４ （５−１）
３０＜ν３＜４３ （５−２）

また、上記条件式（１）から（５）は、それぞれ条件式毎に効果をもつので、組み合わせを変更して使用することができ、さらに上限値、下限値を入れ替えて使用することも可能である。

また、顕微鏡対物レンズは、単レンズ１枚からなる結像レンズと組み合わせて顕微鏡結像光学系として構成されることが望ましい。単レンズ１枚の結像レンズと組み合わせることで、レンズ枚数を低減した顕微鏡結像光学系とすることができる。
以下、上述した顕微鏡対物レンズの実施例について説明する。

［実施例１］
図１は、本実施例に係る顕微鏡対物レンズ１の断面図である。顕微鏡対物レンズ１は、乾燥系の対物レンズであって、物点からの発散光をより弱い発散度合いの発散光に変換する、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１よりも像側に配置された、発散光線束を収斂光線束に変換する正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、第２レンズ群Ｇ１よりも像側に配置された、収斂光線側を平行光束に変換する負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３とからなる。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ（レンズＬ１）を含んでいて、そのメニスカスレンズは第１レンズ群Ｇ１の最も物体側に配置された先端レンズ成分である。

より詳細には、第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズＬ１と、両凸形状を有する接合レンズＣＬ１と、からなる。接合レンズＣＬ１は、物体側から順に物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズＬ２と、両凸レンズＬ３からなる。

第２レンズ群Ｇ２は、１つのレンズ成分からなる。より詳細には、第２レンズ群Ｇ２は、両凸形状をもつ単レンズ（レンズＬ４）からなる。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ（レンズＬ５）からなる。

顕微鏡対物レンズ１のレンズデータは、以下のとおりである。なお、レンズデータ中のINFINITYは無限大（∞）を示している。
顕微鏡対物レンズ１
s r d nd νd
1（物体面） INFINITY 0.1700 1.52100 56.02
2 INFINITY 2.8000
3 -5.0531 4.7687 1.72916 54.68
4 -5.1007 0.3000
5 32.0766 2.1673 1.84666 23.78
6 9.4508 2.2572 1.61800 63.33
7 -22.3565 25.8005
8 30.3865 2.3050 1.49700 81.54
9 -30.3865 4.3061
10 20.8745 3.6802 1.63980 34.46
11 11.7640

結像レンズ３
s r d nd νd
12 163.4770 5.0000 1.48749 70.23
13 -330.0000

ここで、sは面番号を、rは曲率半径(mm)を、dは面間隔(mm)を、ndはｄ線に対する屈折率を、νdはアッベ数を示す。これらの記号は、以降の実施例でも同様である。なお、面番号s1,s2,s3が示す面は、それぞれ物体面、カバーガラスＣＧの対物レンズ側の面、最も物体側の対物レンズの面である。アッベ数νd１は、カバーガラスＣＧの屈折率を示している。また、例えば、面間隔d1は、面番号s1が示す面から面番号s2が示す面までの光軸上の距離を示している。

顕微鏡対物レンズ１の各種データは、以下のとおりである。なお、βは、結像レンズと組み合わせたときの総合倍率、ＮＡは物体側の開口数、ＷＤは作動距離、Ｙは視野数である。その他のパラメータは、上述したとおりである。
β＝-20×、ＮＡ＝0.4、ｆ＝11.2mm、ＷＤ＝0.28mm、Ｙ＝20.0mm、ｄ２３＝4.3061mm、r11＝-5.0531mm、f1＝10.63mm、f3＝-50.01mm、ν3＝34.46

顕微鏡対物レンズ１は、以下に示すように、条件式（１）から条件式（５）を満たしている。
（１）d23／f = 0.39
（２）r11／f = -0.45
（３）f1／f = 0.95
（４）f3／f = -4.47
（５）ν3 = 34.46

図２は、顕微鏡対物レンズ１と後述する結像レンズ３とを組み合わせたときの収差図であり、物体面から順光線追跡したときの像面における収差を示している。図２（ａ）は球面収差図であり、図２（ｂ）は非点収差を示す図であり、図２（ｃ）は物体高Ｙの８割（8mm）の位置におけるコマ収差を示す図であり、図２（ｄ）は倍率の色収差を示す図であり、図２（e）は歪曲収差を示す図である。なお、図中の“Ｍ”はメリディオナル成分、“Ｓ”はサジタル成分を示している。これらの記載は、以降の実施例でも同様である。図２に示されるように、顕微鏡対物レンズ１では、像面のフラットネスを確保されるとともに収差が良好に補正され、優れた結像性能が実現されている。

［実施例２］
図３は、本実施例に係る顕微鏡対物レンズ２の断面図である。顕微鏡対物レンズ２は、乾燥系の対物レンズであって、物点からの発散光をより弱い発散度合いの発散光に変換する、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１よりも像側に配置された、発散光線束を収斂光線束に変換する正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、第２レンズ群Ｇ１よりも像側に配置された、収斂光線側を平行光束に変換する負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３とからなる。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズ（レンズＬ１）を含んでいて、そのメニスカスレンズは第１レンズ群Ｇ１の最も物体側に配置された先端レンズ成分である。

より詳細には、第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズＬ１と、両凸形状を有する接合レンズＣＬ１と、からなる。接合レンズＣＬ１は、物体側から順に物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズＬ２と、両凸レンズＬ３からなる。

第２レンズ群Ｇ２は、１つのレンズ成分からなる。より詳細には、第２レンズ群Ｇ２は、両凸形状をもつ単レンズ（レンズＬ４）からなる。

第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ（レンズＬ５）からなる。

顕微鏡対物レンズ２のレンズデータは、以下のとおりである。
顕微鏡対物レンズ２
s r d nd νd
1（物体面） INFINITY 0.1700 1.52100 56.02
2 INFINITY 2.8000
3 -5.9421 5.2213 1.77250 49.60
4 -5.4877 0.2000
5 34.2815 3.6762 1.84666 23.78
6 9.0026 2.3125 1.61800 63.33
7 -26.1949 23.1261
8 41.3553 2.3404 1.49700 81.54
9 -24.1735 4.7000
10 23.3612 3.5053 1.56732 42.82
11 12.4508

顕微鏡対物レンズ２の各種データは、以下のとおりである。
β＝-20×、ＮＡ＝0.4、ｆ＝11.2mm、ＷＤ＝0.28mm、Ｙ＝20.0mm、ｄ２３＝4.7mm、r11＝-5.9421mm、f1＝10.63mm、f3＝-53.18mm、ν3＝42.82

顕微鏡対物レンズ２は、以下に示すように、条件式（１）から条件式（５）を満たしている。
（１）d23／f = 0.42
（２）r11／f = -0.53
（３）f1／f = 0.95
（４）f3／f = -4.75
（５）ν3 = 42.82

図４は、顕微鏡対物レンズ２と後述する結像レンズ３とを組み合わせたときの収差図であり、物体面から順光線追跡したときの像面における収差を示している。図４に示されるように、顕微鏡対物レンズ２では、像面のフラットネスを確保されるとともに収差が良好に補正され、優れた結像性能が実現されている。

図５は、顕微鏡対物レンズ１、２に組み合わせて使用される結像レンズ３の断面図である。結像レンズ３は、両凸の単レンズＴＬのみで構成される。これによりレンズ枚数を低減した顕微鏡結像光学系を構成することができる。なお、図２と図４の収差図は、顕微鏡対物レンズ１、２の最も像側の面からそれぞれ５６．４４ｍｍと５７．０１ｍｍの位置に配置されたときの収差を示す。

１、２ 顕微鏡対物レンズ、
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
３ 結像レンズ

Claims (4)

1. 顕微鏡対物レンズであって、物体側より順に、
   物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを含む正の屈折力を持つ第１レンズ群と、
   １つのレンズ成分からなる正の屈折力を持つ第２レンズ群と、
   像側に凹面を向けたメニスカスレンズからなる負の屈折力を持つ第３レンズ群と、からなり、
   前記第２レンズ群の最も像側の面と前記第３レンズ群の最も物体側の面の間隔をｄ２３、前記顕微鏡対物レンズの全系の焦点距離をｆとするとき、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする顕微鏡対物レンズ。
   ０．３２≦ｄ２３ ／ｆ≦０．４５ （１）
2. 前記第１レンズ群は前記メニスカスレンズと接合レンズとからなり、
   前記第２レンズ群は単レンズからなり、
   前記第１レンズ群の最も物体側の面における曲率半径をｒ１１、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とするとき、以下の条件式（２）、（３）、（４）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
   −０．６＜ｒ１１／ｆ＜−０．３５ （２）
   ０．８５＜ｆ１／ｆ＜１．１ （３）
   −５．５＜ｆ３／ｆ＜−３．５ （４）
3. 前記第３レンズ群のアッベ数をν３とするとき、以下の条件式（５）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡対物レンズ。
   ２５＜ν３＜４５ （５）
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の前記顕微鏡対物レンズと単レンズからなる結像レンズとからなることを特徴とする顕微鏡結像光学系。