JP4238942B2

JP4238942B2 - 顕微鏡対物レンズ

Info

Publication number: JP4238942B2
Application number: JP18333398A
Authority: JP
Inventors: 康一平賀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2018-06-15
Also published as: JP2000002838A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡対物レンズに関し、特に中倍率で、開口数の高いアクロマート級もしくはセミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の顕微鏡対物レンズとして、たとえば特公昭５７−１５３６８号公報には、倍率が５０倍程度のアクロマート級の顕微鏡対物レンズが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特公昭５７−１５３６８号公報に開示された顕微鏡対物レンズは、比較的少ない枚数で構成されているにもかかわらず、像面の平坦性が良く、アクロマート級の色消しを実現している。しかしながら、開口数が０．７とやや小さく、解像度について不十分であるという不都合があった。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、製造コストを良好に抑えつつ、倍率が５０倍程度で、開口数が０．８に達するようなアクロマート級もしくはセミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、物体側から順に、物体側に凹面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１レンズ群と、物体側に凹面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第２レンズ群と、物体側から順に両凹形状または物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズと両凸形状の正レンズとを貼り合わせて形成された正の屈折力を有する２枚接合レンズからなる第３レンズ群と、物体側から順に両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズと両凸形状の正レンズとを貼り合わせて形成された正の屈折力を有する３枚接合レンズからなる第４レンズ群と、物体側から順に両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズとを貼り合わせて形成された負の屈折力を有する２枚接合レンズからなる第５レンズ群とにより構成された顕微鏡対物レンズにおいて、
前記顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離をｆとし、前記第１レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズの中心厚をｄ１とし、前記第２レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズの中心厚をｄ２とし、前記第１レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズのｄ線に対する屈折率をｎ１としたとき、
１．０＜ｄ１／ｆ＜１．５（１）
１．８＜ｎ１（２）
０．８＜ｄ２／ｆ＜１．５（３）
の条件を満足することを特徴とする顕微鏡対物レンズを提供する。
【０００６】
本発明の好ましい態様によれば、前記第３レンズ群を構成する正レンズのアッベ数ν３は、
６５．０＜ν３（４）
の条件を満足する。
また、前記第４レンズ群を構成する前記３枚接合レンズの３枚のレンズのうち正レンズのアッベ数ν4Pは、
６５．０＜ν4P （５）
の条件を満足することが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
一般に、本発明のような４０倍程度よりも大きな倍率を有し且つ高い開口数を有する顕微鏡対物レンズでは、最も物体側のレンズの像側の面の曲率が不遊条件（球面収差が除かれるとともにアッベの正弦条件が満足され、従ってコマ収差も除かれる条件）を満たすように設定することにより、球面収差について無収差で正の屈折力を得るように構成されている。この構成にしたがうレンズで得られる正の屈折力は非常に大きく、上述の不遊条件にしたがう構成は無収差で効率良く倍率を確保するには不可欠である。
【０００８】
しかしながら、上述の構成が特定の波長に関することは、不遊条件にレンズの屈折率が含まれることからも明らかである。換言すると、上述の構成にしたがうレンズにおいて、無収差で正の屈折力を得ることができるのは特定の波長光のみに対してであり、色収差や色の球面収差が発生することになる。この場合、レンズの中心厚が小さいほど色収差や色の球面収差の発生量が小さいので、色収差や色の球面収差を良好に抑えるには最も物体側のレンズの中心厚を小さく設定することが望ましい。
【０００９】
一方、像面の平坦性を確保するには、ペッツバール和を適正な値にコントロールする必要がある。ところが、色収差や色の球面収差を良好に抑えるためにレンズの中心厚を極端に小さく設定すると、ぺッツバール和は適正値よりも大きな値となり、その結果像面の平坦性を得ることが難しくなる。なお、ぺッツバール和は、最も物体側のレンズの物体側の面の曲率半径およびその中心厚に依存して大きく変化する。すなわち、最も物体側のレンズの中心厚および曲率半径は、収差補正に大きな影響を与える。
【００１０】
そこで、上述の事項を考慮しつつ、本発明においては、第１レンズ群および第２レンズ群に関して、以下の条件式（１）〜（３）を満足する。
１．０＜ｄ１／ｆ＜１．５（１）
１．８＜ｎ１（２）
０．８＜ｄ２／ｆ＜１．５（３）
ここで、ｆは、顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離である。また、ｄ１は第１レンズ群を構成する正メニスカスレンズの中心厚であり、ｄ２は第２レンズ群を構成する正レンズの中心厚である。さらに、ｎ１は、第１レンズ群を構成する正メニスカスレンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率である。
【００１１】
条件式（１）は、第１レンズ群を構成する正メニスカスレンズの中心厚と顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離との比について適切な範囲を規定している。
条件式（１）の下限値を下回ると、正メニスカスレンズの中心厚が小さくなりすぎて、ペッツバール和が適正値よりも大きくなり、像面の平坦性を確保することが難しくなってしまう。
一方、条件式（１）の上限値を上回ると、正メニスカスレンズの中心厚が大きくなりすぎて、色収差や色の球面収差の発生量が大きくなってしまう。
【００１２】
条件式（２）は、第１レンズ群を構成する正メニスカスレンズの屈折率について適切な範囲を規定している。
条件式（２）の下限値を下回ると、正メニスカスレンズの屈折率が小さくなりすぎて、球面収差やコマ収差を良好に補正することができなくなってしまう。
【００１３】
条件式（３）は、第２レンズ群を構成する正レンズの中心厚と顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離との比について適切な範囲を規定している。
第２レンズ群においてレンズの中心厚を小さくするとともに大きな正のパワー（屈折力）を確保することは、サジタルコマ収差の発生の原因となる。このことは、第１レンズ群においても同様である。
【００１４】
しかしながら、前述のように色収差の発生を良好に抑えるという観点からは、レンズの中心厚が小さい方が望ましい。このため、サジタルコマ収差の発生と色収差の発生とをバランスさせ、良好な収差補正状態を保つためには、条件式（３）を満たす必要がある。換言すると、条件式（３）の上限値および下限値で規定される範囲を逸脱すると、良好な収差補正状態を保つことができなくなってしまう。
【００１５】
条件式（１）〜（３）では本発明の顕微鏡対物レンズの前方（物体側）のレンズ（第１レンズ群および第２レンズ群）の基本的な構成を規定しているが、前述したように前方のレンズの中心厚が小さい方が色収差の発生量が少ないにもかかわらず、ペッツバール和とのバランスなどの観点から前方のレンズに対してある程度大きい中心厚を設定している。言い換えれば、条件式（１）〜（３）を満たすだけでは、色収差に関して最適な条件を満たしていないことになる。
【００１６】
そこで、本発明においては、前方のレンズ（第１レンズ群および第２レンズ群）において発生した色収差を良好に補正するために、以下の条件式（４）および（５）を満足することが望ましい。
６５．０＜ν３（４）
６５．０＜ν4P （５）
ここで、ν３は、第３レンズ群を構成する正レンズのアッベ数である。また、ν4Pは、第４レンズ群を構成する３枚接合レンズの３枚のレンズのうち正レンズのアッベ数である。
【００１７】
条件式（４）は、第３レンズ群の正レンズのアッベ数について適切な範囲を規定している。また、条件式（５）は、第４レンズ群の正レンズのアッベ数について適切な範囲を規定している。
前述したように、前方のレンズ（第１レンズ群および第２レンズ群）は、色収差に関して最適な条件を満たしていない。そこで、前方のレンズにおいて発生した色収差を良好に補正するには、条件式（４）および（５）を満足することが望ましい。特に、セミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズを実現するには、第４レンズ群中の３枚接合レンズの３枚のレンズのうち正レンズを形成する光学材料が条件式（５）を満足することが必要である。
【００１８】
また、本発明においては、製造コストを良好に抑えるために、以下の条件式（６）および（７）を満足することが望ましい。
２．７５＜｜ｒ4F｜／ｆ（６）
２．７５＜｜ｒ4R｜／ｆ（７）
ここで、ｒ4Fは、第４レンズ群を構成する３枚接合レンズの物体側の貼り合わせ面の曲率半径である。また、ｒ4Rは、第４レンズ群を構成する３枚接合レンズの像側の貼り合わせ面の曲率半径である。さらに、前述したように、ｆは顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離である。
【００１９】
条件式（６）は、第４レンズ群中の３枚接合レンズの物体側の貼り合わせ面の曲率半径について適切な範囲を規定している。また、条件式（７）は、第４レンズ群中の３枚接合レンズの像側の貼り合わせ面の曲率半径について適切な範囲を規定している。
条件式（６）および（７）の下限値を下回ると、第４レンズ群中の３枚接合レンズの貼り合わせ面の曲率半径が小さくなりすぎて、３枚接合レンズの製造が困難になるので好ましくない。一般的に、曲率半径の小さい面を有するレンズは製造が難しく、曲率半径の小さい面が多用されたレンズは製造コストが著しく増大する。
【００２０】
本発明のような中倍から高倍（倍率が４０〜５０倍程度）のアクロマート級の顕微鏡対物レンズでは、第４レンズ群を２枚接合レンズで構成しても諸収差をある程度良好に補正することが可能である。しかしながら、第４レンズ群を２枚接合レンズで構成すると、第３レンズ群の接合レンズの貼り合わせ面および第４レンズ群の接合レンズの貼り合わせ面の曲率半径が諸収差の補正のために小さくなる傾向があり、製造コストを抑えるという観点において不利になる。また、２枚接合レンズからなる第４レンズ群の構成に基づいてセミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズを実現しようとすると、螢石のような加工の難しく且つ高価な硝材を多用する必要があり、これも製造コストを抑えるという観点において不利になる。
【００２１】
一方、本発明のように、第４レンズ群を３枚接合レンズで構成すると、レンズの枚数は増えるが、２次スペクトルの改善のために螢石のような高価で加工の難しい異常分散性の高い硝材を多用する必要がなくなる。また、上述したように、条件式（６）および（７）を満足することにより、製造コストを良好に抑えることが可能になる。その結果、第４レンズ群における３枚接合レンズの採用が極端なコストアップを招かないだけでなく、場合によっては第４レンズ群を２枚接合レンズで構成する場合よりも製造コストをさらに抑えることも可能である。
こうして、本発明では、上述の構成および条件式を満たすことにより、開口数が０．８程度で、中倍率（倍率が５０倍程度）のアクロマート級もしくはセミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズを実現することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
各実施例において、本発明の顕微鏡対物レンズは、物体側から順に、物体側に凹面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１レンズ群Ｇ１と、１枚の正レンズからなる第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、３枚のレンズの貼り合わせからなり正の屈折力を有する３枚接合レンズからなる第４レンズ群Ｇ４と、負の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とから構成されている。
【００２３】
各実施例において、顕微鏡対物レンズは無限遠系に設計されているので、顕微鏡対物レンズの像側に７１．４ｍｍの軸上空気間隔を隔てて結像レンズ（第２対物レンズ）を配置し、顕微鏡対物レンズと結像レンズとの組合せにより有限光学系を形成している。
なお、以下の各実施例において示す諸収差図は、顕微鏡対物レンズと結像レンズとの軸上空気間隔が７１．４ｍｍの場合の諸収差図である。ただし、軸上空気間隔がある程度変化しても、収差の変動がほとんどないことを本発明者は検証している。
【００２４】
各実施例における結像レンズは、物体側から順に、両凸レンズと両凹レンズとの貼り合わせからなる第１接合レンズ、および両凸レンズと両凹レンズとの貼り合わせからなる第２接合レンズから構成されている。
次の表（１）に、各実施例における結像レンズの諸元の値を掲げる。表（１）において、面番号は物体側からの各レンズ面の順序を、ｒは各レンズ面の曲率半径を、ｄは各レンズ面間隔を、ｎはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を、νはアッベ数をそれぞれ示している。
【００２５】
【表１】

【００２６】
〔第１実施例〕
図１は、本発明の第１実施例にかかる顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す図である。
図１の顕微鏡対物レンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１から構成されている。
また、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２から構成されている。
【００２７】
さらに、第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凹レンズＬ31と両凸レンズＬ32との貼り合わせからなる２枚接合レンズＬ３から構成されている。
また、第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、両凸レンズＬ41と両凹レンズＬ42と両凸レンズＬ43との貼り合わせからなる３枚接合レンズＬ４から構成されている。
さらに、第５レンズ群Ｇ５は、物体側から順に、両凸レンズＬ51と両凹レンズＬ52との貼り合わせからなる２枚接合レンズＬ５から構成されている。
【００２８】
次の表（２）に、本発明の第１実施例の顕微鏡対物レンズの諸元の値を掲げる。表（２）において、ｆは顕微鏡対物レンズ全系（結像レンズを除く対物レンズのみ）の焦点距離を、ＮＡは物体側の開口数を、βは結像レンズと組み合せた際の倍率を、ｄ０は物体面と対物レンズの最も物体側のレンズ面との軸上距離をそれぞれ表している。
さらに、面番号は物体側からの各レンズ面の順序を、ｒは各レンズ面の曲率半径を、ｄは各レンズ面間隔を、ｎはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を、νはアッベ数をそれぞれ示している。
【００２９】
【表２】

【００３０】
図２は、第１実施例における諸収差図である。
各収差図において、ＮＡは開口数を、Ｙは像高を、ｄはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）を、ＣはＣ線（λ＝６５６．３ｎｍ）を、ＦはＦ線（λ＝４８６．１ｎｍ）を、ｇはｇ線（λ＝４３５．８ｎｍ）をそれぞれ示している。また、非点収差図において、実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面をそれぞれ示している。
各収差図から明らかなように、第１実施例では、諸収差が良好に補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。
【００３１】
〔第２実施例〕
図３は、本発明の第２実施例にかかる顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す図である。第２実施例では、第１実施例よりも作動距離ＷＤの長い設計となっている。
図３の顕微鏡対物レンズにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ１から構成されている。
また、第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２から構成されている。
【００３２】
さらに、第３レンズ群Ｇ３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Ｌ31と両凸レンズＬ32との貼り合わせからなる２枚接合レンズＬ３から構成されている。
また、第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、両凸レンズＬ41と両凹レンズＬ42と両凸レンズＬ43との貼り合わせからなる３枚接合レンズＬ４から構成されている。
さらに、第５レンズ群Ｇ５は、物体側から順に、両凸レンズＬ51と両凹レンズＬ52との貼り合わせからなる２枚接合レンズＬ５から構成されている。
【００３３】
次の表（３）に、本発明の第２実施例の顕微鏡対物レンズの諸元の値を掲げる。表（３）において、ｆは顕微鏡対物レンズ全系（結像レンズを除く対物レンズのみ）の焦点距離を、ＮＡは物体側の開口数を、βは結像レンズと組み合せた際の倍率を、ｄ０は物体面と対物レンズの最も物体側のレンズ面との軸上距離をそれぞれ表している。
さらに、面番号は物体側からの各レンズ面の順序を、ｒは各レンズ面の曲率半径を、ｄは各レンズ面間隔を、ｎはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を、νはアッベ数をそれぞれ示している。
【００３４】
【表３】

【００３５】
図４は、第２実施例における諸収差図である。
各収差図において、ＮＡは開口数を、Ｙは像高を、ｄはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）を、ＣはＣ線（λ＝６５６．３ｎｍ）を、ＦはＦ線（λ＝４８６．１ｎｍ）を、ｇはｇ線（λ＝４３５．８ｎｍ）をそれぞれ示している。また、非点収差図において、実線はサジタル像面を、破線はメリディオナル像面をそれぞれ示している。
各収差図から明らかなように、第２実施例では、第１実施例よりも作動距離の長い構成となっているが、諸収差が良好に補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製造コストを良好に抑えつつ、倍率が５０倍程度で、開口数が０．８に達するようなアクロマート級もしくはセミアポクロマート級の顕微鏡対物レンズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す図である。
【図２】第１実施例における諸収差図である。
【図３】本発明の第２実施例にかかる顕微鏡対物レンズのレンズ構成を示す図である。
【図４】第２実施例における諸収差図である。
【符号の説明】
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｇ３第３レンズ群
Ｇ４第４レンズ群
Ｇ５第５レンズ群
Ｌ各レンズ成分

Claims

物体側から順に、物体側に凹面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第１レンズ群と、物体側に凹面を向けた１枚の正メニスカスレンズからなる第２レンズ群と、物体側から順に両凹形状または物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズと両凸形状の正レンズとを貼り合わせて形成された正の屈折力を有する２枚接合レンズからなる第３レンズ群と、物体側から順に両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズと両凸形状の正レンズとを貼り合わせて形成された正の屈折力を有する３枚接合レンズからなる第４レンズ群と、物体側から順に両凸形状の正レンズと両凹形状の負レンズとを貼り合わせて形成された負の屈折力を有する２枚接合レンズからなる第５レンズ群とにより構成された顕微鏡対物レンズにおいて、
前記顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離をｆとし、前記第１レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズの中心厚をｄ１とし、前記第２レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズの中心厚をｄ２とし、前記第１レンズ群を構成する前記正メニスカスレンズのｄ線に対する屈折率をｎ１としたとき、
１．０＜ｄ１／ｆ＜１．５（１）
１．８＜ｎ１（２）
０．８＜ｄ２／ｆ＜１．５（３）
の条件を満足することを特徴とする顕微鏡対物レンズ。
前記第３レンズ群を構成する正レンズのアッベ数ν３は、
６５．０＜ν３（４）
の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レンズ。
前記第４レンズ群を構成する前記３枚接合レンズの３枚のレンズのうち正レンズのアッベ数ν4Pは、
６５．０＜ν4P （５）
の条件を満足する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。
前記第４レンズ群を構成する前記３枚接合レンズの物体側の貼り合わせ面の曲率半径をｒ4Fとし、前記顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離をｆとしたとき、
２．７５＜｜ｒ4F｜／ｆ（６）
の条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の顕微鏡対物レンズ。
前記第４レンズ群を構成する前記３枚接合レンズの像側の貼り合わせ面の曲率半径をｒ4Rとし、前記顕微鏡対物レンズ全系の焦点距離をｆとしたとき、
２．７５＜｜ｒ4R｜／ｆ（７）
の条件を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の顕微鏡対物レンズ。