JP6525161B2 - 赤外光用屈折対物レンズ・アセンブリ - Google Patents

赤外光用屈折対物レンズ・アセンブリ Download PDF

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Description

米国政府は、全米科学財団との契約番号NSF SBIR Phase I Award No:IIP-1230424、及びPhase II Award No:IIP-1046450に従って、この発明の権利を有する。
可能な限り、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／６１９８７号の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。可能な限り、「MICROSCOPE WITH OBJECTIVE LENS ASSEMBLY」と題する、２０１３年４月１２日に出願された、米国仮出願第６１／８１１５４８号の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。
対物レンズ・アセンブリは、顕微鏡、望遠鏡、カメラ、及び他のデバイスにおいて、観察している物体からの光を集め、光を集束して物体の像を形成するために、一般に使用される。光の可視スペクトルにおいて動作する対物レンズ・アセンブリは、全く一般的である。
現在では、本発明の出願人は、中赤外（Ｍｉｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ：「ＭＩＲ」）の光スペクトルにおいて動作する顕微鏡を開発している。
残念なことに、既存の対物レンズ・アセンブリは、ＭＩＲの光スペクトルにおいて十分な性能を提供しない。
本発明は、対物面に配置される物体からの中赤外の光を集めて、中赤外の光を像平面に集束する、中赤外の対物レンズ・アセンブリを対象とする。１つの実施例において、対物レンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域において動作する、複数の、間隔を置いて離れて配置された屈折レンズ素子を含み、複数のレンズ素子は物体に最も近いアプラナティックな第１のレンズ素子を含み、第１のレンズ素子は、物体に面する前方表面、及び物体から隔たって面する後方表面を有し、前方表面は、負である曲率半径を有する。
１つの実施例において、複数のレンズ素子は光軸に沿って間隔を置いて離れて配置され、第１のレンズ素子の前方表面は曲率の中心を有し、且つ、第１のレンズ素子は、曲率中心が光軸に配置され、且つ近似的に対物面に存在するように、配置される。別のやり方で述べると、第１のレンズ素子の前方表面は、光軸に沿って対物面から前部分離距離離れて間隔を置いて配置され、前部分離距離は、第１のレンズ素子の前方表面の曲率半径の大きさに近似的に等しい。代替の、非排他的な実施例において、前部分離距離は、第１のレンズ素子の前方表面の曲率半径のおよそ１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、又は０．１パーセント以内に存在する。
その上、代替の、非排他的な実例において、第１のレンズ素子は、中赤外のスペクトル領域で、２、２．５、又は３より大きい屈折率を有している材料でできている。例えば、第１のレンズ素子は、ゲルマニウムでできていてもよい。高い屈折率の材料の使用は、単色収差を最小化するために、第１のレンズ素子にとって重要である。
加えて、ある実施例において、対物レンズ装置は３から１０のレンズ素子を含み、レンズ素子の少なくとも２つは、異なる材料でできていて、レンズ素子のそれぞれは、ゲルマニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、及びシリコンを含むグループから選択される材料でできている。或いは、レンズ素子の３つ又は４つは、異なる材料でできていてもよい。
非排他的な実例として、第１のレンズ素子は、第２のレンズ素子の第２の材料の赤外のアッベ数より大きい、赤外のアッベ数を有する第１の材料でできていてもよい。
実施例において、隣接するレンズ素子は、光軸に沿って分離距離離れて間隔を置いて配置され、分離距離は、０．５ミリメートルより大きいか、又はゼロギャップの値を含む５マイクロメートル未満のどちらかである。分離距離がエアギャップであり得るか、又は、接着材又は屈折率整合流体又はポリマーで満たされ得ることに注意されたい。
別の実施例では、複数のレンズ素子は、前部レンズ群及び後部レンズ群を含むように配置され、且つ、前部レンズ群は、無限の像共役のために補正される。更に、後部レンズ群は、間隔を置いて離れて配置される、第１の後部レンズ素子及び第２の後部レンズ素子を含んでもよく、後部レンズ素子は、後部レンズ群の有効焦点距離が波長の増加と共に減少するような逆分散を実現するように設計されている。１つの実施例において、第１の後部レンズ素子は正の屈折力を有し、第２の後部レンズ素子は負の屈折力を有し、第１の後部レンズ素子は第１の材料でできていて、第２の後部レンズ素子は第２の材料でできていて、且つ、第１の材料は、中赤外のスペクトル領域の第２の材料より低い分散又は高い赤外のアッベ数を有する。例えば、第１の材料は、ゲルマニウム及び硫化亜鉛、又はゲルマニウム及びセレン化亜鉛であり得る。
１つの実施例において、第１のレンズ素子の後方表面は、以下の式によって定義されるように、アプラナティックの状態を近似的に満たす曲率半径Ｒを有し、Ｒ＝−（η／（η＋η’））×Ｌ、ここでηは第１のレンズ素子の屈折率であり、η’は、レンズ素子を取り囲んでいる媒質の屈折率であり、Ｌは、後方表面の頂点及び軸上の物点の物理的距離であり、これは、軸上の物点及び第１の素子の前方表面の頂点の距離と、第１のレンズ素子の中心厚との合計である。
別の実施例では、対物レンズ・アセンブリの各レンズ素子の中心厚Ｌｃは、以下の公式に従い、センチメートルを単位にして測定され、Ｌｃ＞１／（４×η）、ここで、ηはレンズ・アセンブリの中赤外の動作帯域にわたる平均屈折率である。
更に別の実施例において、本発明は、中赤外のスペクトル領域において９００から１８００ｃｍ−１帯域の波数領域にわたって、且つ１００マイクロメートルから２．０ミリメートルまでの間の視野にわたって、およそ０．５波より小さいＲＭＳ波面誤差を有する、中赤外の屈折対物レンズ・アセンブリを対象とする。
更に別の実施例では、本発明は、赤外の対物レンズ・アセンブリを対象とし、複数のレンズ素子は、レンズ・アセンブリの開口数とレンズ・アセンブリの拡大率との比が３０より小さいように、設計され、配置される。
更に、代替の、非排他的な実施例において、対物レンズ・アセンブリは、１００、９０、８０、７０、６０、又は５０ミリメータより小さい作動距離を有する。
更に別の実施例において、中赤外の対物レンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域において動作する、複数の、間隔を置いて離れて配置される屈折レンズ素子を含み、その複数のレンズ素子は物体に最も近いアプラナティックな前部レンズ素子を含み、その前部レンズ素子は、光軸、物体に面する前方表面、及び物体から隔たって面する後方表面を有し、その前方表面は、光軸に沿って物体から前部分離距離離れて間隔を置いて配置される。本実施例において、移動アセンブリは、前部分離距離を調整するために、物体及び素子の前部レンズ群の少なくとも１つを移動させ、且つ、制御システムは、ＲＭＳ波面誤差を減少させるために、前部分離距離を選択的に調整するように移動アセンブリを制御する。更に、本実施例において、中赤外レーザーは、中赤外のスペクトル領域内にあるレーザービームを物体に向け、且つ、制御システムは、ＲＭＳ波面誤差を最小にするために、レーザービームの波長に基づいて前部分離距離を選択的に調整するように移動アセンブリを制御する。
本明細書に提供されるように、「ＭＩＲスペクトル領域」という用語は、近似的に３から１５マイクロメートル（３〜１５μｍ）までの周波数範囲を意味し、且つ含むものとする。
更に、本明細書に使用されるように、「開口数」（「ＮＡ」）という用語は、対物レンズ・アセンブリが物体から光を受け入れることができる角度領域（受光コーン）を特徴づける、無次元数である。従って、開口数は、対物レンズ・アセンブリの集光能力及び分解能の指標である。対物レンズ・アセンブリの開口数は、数式ΝΑ＝ηｓｉｎθによって定義され、ηは、光が物体と対物レンズ・アセンブリとの間を移動する媒質の屈折率（例えば空気の場合に１．００）であり、θは、物体から対物レンズ・アセンブリに入射可能な光の最大コーンの半値角である。顕微鏡応用例の場合、最も微細に分解された細部のサイズは、λ／２ΝΑに比例し、ここで、λは（例えば、この実例ではＭＩＲスペクトル領域における）光の波長であり、ＮＡは対物レンズ・アセンブリの開口数である。従って、より大きな開口数を有する対物レンズ・アセンブリは、より小さな開口数を有する対物レンズ・アセンブリより微細な細部を提供できるだろう。更に、より大きな開口数を有する対物レンズ・アセンブリはより多くの光を集められ、結果として生じる像はより明るいだろう。
本明細書で使用されるように、視野（「ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ」）という用語は、像平面において任意の与えられた時点で見ることができる、物体の広がりを意味する。本明細書に開示される顕微鏡応用例の場合、視野は、任意の与えられた時点において、光検出器によって取り込まれる光の円の直径、又は矩形の開口を有している光検出器の境界によって定められる矩形状領域の幅である。一般的に言って、対物レンズ・アセンブリの拡大率がより高いほど、公式Ｗａ／｜Ｍｔ｜に従う視野はより小さく、ここで、Ｗａはセンサアレイの物理的な幅であり、｜Ｍｔ｜は、光学レンズ・アセンブリの横断像拡大率の大きさである。空間的分解能を損なわないという条件でＦＯＶを最大化することが望ましい。空間的分解能、システムの光学的スループット、及び伝統的な顕微鏡システムのＦＯＶの間に基本的なトレードオフが存在する。
顕微鏡の光学的スループットは、像平面に位置するセンサに衝突する光量によって定量化できる。スループットは、開口数と横断像拡大率との比の二乗、（ＮＡ／Ｍｔ）２に比例する。高い信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を保証するためにはこの量を最大化することが望ましい。分解能が１／ＮＡに比例し、ＦＯＶが１／Ｍｔに比例するので、本発明者は、ベストなシステム性能を実現するために、できる限りＮＡを最大化し、Ｍｔを最小化することが望ましいことを見つける。しかしながら、ＮＡが増加するので、本発明者は、２つの理由のためにＭｔを増加させることを一般に必要とする。第１に、本発明者は、像平面におけるデジタルサンプリングの速度が画質要求を満たすために十分であることを保証する必要がある。第２に、光学収差は、近軸光学理論（ｓｉｎ（θ）〜θと近似することができ、ここでθは光線と任意の与えられたレンズ素子面とのなす角である。）からの偏差が増加するため、ＮＡ及びＦＯＶが増加するにつれて急速に増加する。
十分なサンプリング速度が実現することを保証するために、実際の物理的な画素サイズＷｐを横断像拡大率の大きさによって除算することによって与えられる、試料基準化画素サイズ（ｓａｍｐｌｅ−ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ）Ｗｓ、Ｗｓ＝Ｗｐ／｜Ｍｔ｜は、１．２２×λ／ＮＡによって与えられる、エアリー直径（Ａｉｒｙ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）より少なくとも近似的に５倍小さくなければならない。例えば、ＮＡ＝０．７及びλ＝６μｍである場合、そのときＷｓは２μｍ以下である。本発明は、中赤外のスペクトルにおいて動作する光学的レンズ・アセンブリについて、高いＮＡ及び広いＦＯＶの限界を広げる方法を提供する。
本発明の新しい特徴、その構造、及びその動作は、同様な参照記号が同様な部分を表す、付随する説明に関連した以下の添付の図面から最良に理解されるだろう。
本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリ、及び物体及び像平面を部分的に切り取って、簡略化された側面図である。 対物レンズ・アセンブリの一部、図１Ａの対物及び像平面を、拡大し、簡略化した側面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、生成される複数のスポットダイヤグラムを含む図である。 図１Ａ及び図１Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、マイクロメータ単位の波長に対して波を単位にしたＲＭＳ波面誤差を例示する図である。 増加した前部分離距離を有する、図１Ａ及び図１Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、マイクロメータ単位の波長に対して波を単位にしたＲＭＳ波面誤差を例示する図である。 本発明の特徴を有しているレンズ・アセンブリを含む、アセンブリの簡略化された説明図である。 本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリの別の実施例の簡略化された側面図である。 図２Ａの対物レンズ・アセンブリの一部を拡大し、簡略化した側面図である。 図２Ａ及び図２Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、マイクロメータ単位の波長に対して波を単位にしたＲＭＳ波面誤差を例示する図である。 本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリの別の実施例の簡略化された側面図である。 図３Ａの対物レンズ・アセンブリの一部を拡大し、簡略化した側面図である。 図３Ａ及び図３Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、マイクロメータ単位の波長に対して波を単位にしたＲＭＳ波面誤差を例示する図である。 赤外の像の実際の試験結果を例示する図である。 本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリの別の実施例の簡略化された側面図である。 図４Ａの対物レンズ・アセンブリの一部を拡大し、簡略化した側面図である。 図４Ａ及び図４Ｂの対物レンズ・アセンブリについて、マイクロメータ単位の波長に対して波を単位にしたＲＭＳ波面誤差を例示する図である。 本発明の特徴を有しているアセンブリの簡略化された説明図である。 ゲルマニウム、セレン化亜鉛、及び硫化亜鉛のための光学分散曲線を例示する図である。 ゲルマニウム、セレン化亜鉛、及び硫化亜鉛のための屈折率曲線を例示する図である。
最初に図１Ａを参照して、１つの実施例において、本発明は、対物面１５に位置する、観察されている物体１４（ボックスとして例示する）から光１２（破線として例示する）を集め、像平面１６（しばしばシステム焦点面と呼ばれる）上の像を生成するために光１２を集束する、対物レンズ・アセンブリ１０を対象とする。本実施例において、レンズ・アセンブリ１０は、レンズハウジング１８（切り取って例示される）、及び、レンズハウジング１８に連結されて、固定され、且つレンズ・アセンブリ１０の光学的軸２２に沿って直線に配置された、複数の、間隔を置いて離れて配置される屈折レンズ素子２０を含む。本明細書に提供される教示に従って、レンズ・アセンブリ１０の構成要素の設計は、レンズ・アセンブリ１０の性能を変更するために変更可能である。
多くの図は、Ｘ軸、Ｘ軸に直交するＹ軸、及びＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸を例示する配向システムを含む。これらの軸のいずれかが第１、第２、及び／又は第３軸とも呼ばれることができることに注意されたい。図１Ａにおいて、光軸２２はＺ軸と同一直線上にあり、対物面１５はＸ軸及びＹ軸と平行して配置され、像平面１６はＸ軸及びＹ軸と平行して配置され、且つ、径方向及びφベクトルはＸＹ平面内に置かれている。ある実例では、レンズ素子２０及びレンズハウジング１８は、近似的に軸方向に対称であり、光軸２２のまわりに円筒対称性を有する。
説明のために、図面では、結像されている物体１４が対物レンズ・アセンブリ１０の左側にあり、像平面１６が対物レンズ・アセンブリ１０の右側にあるような方向に、定められている。非排他的な本実施例において、光１２は、左から右に進行して、像平面１６に像を形成する。更に、考察を容易にするために、レンズ素子２０は、図面において物***置から像の位置に（左から右に）説明されるだろう。
非排他的な実例として、本明細書に提供されるレンズ・アセンブリ１０は、ＭＩＲイメージング、ＭＩＲ顕微鏡、ＭＩＲ分光、ＭＩＲ分光イメージング、ＭＩＲ顕微分光イメージング、ＭＩＲカメラ、ＭＩＲ遠隔検出（ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）、及び／又は他の光学器械に使用可能であり、又は、イメージング又は軸外レーザー照射を必要としているベンチトップの科学実験において簡単に使用可能である。例えば、ある実施例において、光検出器２４（ボックスとして例示する）は、物体１４から集められた光１２の像を取り込むために、像平面１６に配置されることができる。１つの実施例において、光検出器２４は、ＭＩＲスペクトル領域（又はその所定の所望の部分）に測定帯域を有し（例えば光を検出し）、物体１４から集められた光１２のＭＩＲ像を取り込む。その後、ＭＩＲ像は、観察している物体１４の１つ又は複数の特性を決定するために、分析可能である。
ある実施例では、本明細書に提供されるレンズ・アセンブリ１０は、ＭＩＲスペクトル領域（又はその所定の所望の部分）において動作するように独自に設計され、且つ、ＭＩＲスペクトル領域（又はその所定の所望の部分）にわたって色収差を補正するか、実質的に色収差を補正して、色収差の影響を減少させる。更に、レンズ・アセンブリ１０は、ＭＩＲスペクトル帯域の実質的な部分にわたって開口数と視野の両方を最大にするために、単色収差を最小にするように独自に設計されている。更に、レンズ・アセンブリ１０は、（ｉ）反射の代わりに屈折レンズ素子２０（ｉｉ）任意の寄生エタロンの自由スペクトル領域（「ＦＳＲ」：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ）が対物レンズ・アセンブリ２４を含むスペクトル結像系の測定帯域の外になることを保証するために設計された、レンズ素子２０間の間隔、及び（ｉｉｉ）寄生エタロンのＦＳＲ（コヒーレント効果）が対物レンズ・アセンブリを含むスペクトル結像系の測定帯域の外になることを保証するために設計された、レンズ素子２０の光学的厚み、の使用を通してコヒーレンス効果を管理するように独自に設計される。その結果として、光検出器２４によって取り込まれる像は、より高い像質を有し、スペクトル像は、より高いスペクトル忠実度並びにより高い像質をもたらすだろう。
更に、本明細書に提供されるように、本発明は、ＭＩＲスペクトル領域で、コヒーレント光のために最適化される屈折対物レンズ・アセンブリ１０を対象とする。ある実施例において、対物レンズ・アセンブリ１０は、ＭＩＲスペクトル領域に存在すると共に物体１４に向けられる、コヒーレントなレーザービーム（図１Ａに図示せず）を生成する、中赤外のレーザー装置（図１Ａに図示せず）と連動して特に使用され、且つ、反射モード結像系のように物体１４に衝突する以前に、又は透過結像系のように対物レンズ・アセンブリ１０以前に物体１４に衝突することによって、対物レンズ・アセンブリ１０を横断してもよい。設計によっては、屈折対物レンズ・アセンブリ１０は、物体１４から反射するか、又はそれを通って透過するかのどちらかの光１２を集め、その光を焦点面アレイ（ＦＰＡ：Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）などのイメージング・センサ２４に結像する。
ある実施例において、非排他的な実例として、対物レンズ・アセンブリ１２は、（ｉ）近似的に３から１５マイクロメートル（３〜１５μｍ）の全ＭＩＲスペクトル領域（ｉｉ）近似的に５．５から１１マイクロメートル（５．５〜１１μｍ）の所定の所望の領域（ｉｉｉ）近似的に６から１０マイクロメートル（６〜１０μｍ）の所定の所望の領域（ｉｖ）近似的に８から１４マイクロメートル（８〜１４μｍ）の所定の所望の領域（ｖ）近似的に７から１４マイクロメートル（７〜１４μｍ）の所定の所望の領域、又は（ｖｉ）近似的に３から１１マイクロメートル（３〜１１μｍ）の所定の所望の領域、で最適化が可能である。重要なことは、本明細書に提供された教示によって、対物レンズ・アセンブリ１２は、上記に提供されるもの以外のＭＩＲスペクトル領域の他の所定の所望の領域でも、最適化可能であることである。
ある実施例において、屈折対物レンズ・アセンブリ１２は、高分解能であり、ＭＩＲスペクトル領域のコヒーレント・レーザー照射の下で性能を最適化し、且つ、像を取り込むために使用される光検出器２４の物理的な広さによって限定されるように全視野の実質的な部分にわたって回折限界空間分解能を実現する。更にその上、収差は、回折限界性能が全ＦＯＶにわたって実現されるように、特に軸を外れた対物視野点について、適切に抑制可能である。
更に、本明細書に提供される屈折対物レンズ・アセンブリ１２は、視野位置に伴って急速に減少する分解能を示さない。（すなわち、視野中心から離れた物点で像が劣化しない）。更に、本明細書に提供される屈折対物レンズ・アセンブリ１２は、（ｉ）利用可能な反射型対物レンズによって示される、掩蔽、及び開口の厳密な芯出しを排除し、且つ、（ｉｉ）複数の屈折レンズ素子２０を使用して結像収差を補正する。加えて、本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリ１２は、反射型カセグレン対物レンズにおいて必要とされるものより低い開口数の集光レンズ光学系の使用を可能にし、それによって、システムの光結合効率を増加させ、結像系のコスト及び複雑さを減少させる。
加えて、本明細書に提供されるように、高いＮＡ及び広いＦＯＶの限界を広げるために、後者についてはＭｔ（横断像拡大率）を最小にすることによって実現されるが、レンズ・アセンブリの光学収差は、最小化されなければならない。これは、レンズ材料、面曲率、厚み、及び素子間の間隔を含む、各レンズ素子２０の特定の技術を通して実現可能である。温度及び圧力のような環境の影響を無視すると、光学収差は、２つの基本的な系統、色及び単色に到達する。色収差は、波長依存性を有する、ある特定の材料の屈折率のため、発生する。屈折率が波長によってどう変化するかは、分散曲線と呼ばれる。図６Ａは、５〜１１マイクロメートルの領域にわたる、ゲルマニウム６０２、セレン化亜鉛６０４、及び硫化亜鉛６０６の光学分散曲線を例示し、図６Ｂは、５〜１１マイクロメートルの領域にわたる、ゲルマニウム６０７、セレン化亜鉛６０８、及び硫化亜鉛６０９の屈折率曲線を例示する。指数は、これらの材料のそれぞれについて、波長が増加するにつれて、単調に減少する。その傾向は大部分の赤外線のガラス材料について一般的であるが、大きさ及び正確な形状は材料毎に実質的に変化する。各材料は、ユニークな分散曲線を有し、アッベ数と呼ばれる単一番号によって定量化が可能である。通常、アッベ数（Ｖｄ）は次の公式を使用して可視スペクトルに対して定義され、Ｖｄ＝（ηＤ−１）／（ηＦ−ηＣ）、ここで、Ｄ、Ｆ、及びＣは、それぞれ５８９．３ｎｍ、４８６．１ｎｍ、及び６５６．３ｎｍにおける、フラウンホーファーＤ、Ｆ、及びＣスペクトル線である。赤外線において、本発明者は、同じ公式を用いて、しかし、Ｄ、Ｆ、及びＣの波長を８μｍ（Ｄ）、５μｍ（Ｆ）、及び８μｍ（Ｃ）の赤外の波長に置き換えることによって、スペクトル領域５〜１１μｍのアッベ数を定めることを選択した。例えば、ゲルマニウムは近似的に２４６の赤外のアッベ数を有するだろうが、セレン化亜鉛は近似的に４８の赤外のアッベ数を有し、他方では、硫化亜鉛は近似的に３３の赤線のアッベ数を有するだろう。アッベ数のより高い値は、より小さい相対分散、すなわち波長の変化に伴う屈折率のより小さい変化、を示す。薄いレンズの近似において、レンズ素子のレンズの有効焦点距離（ＥＦＬ）の逆数として定義される屈折力は、減少する指数（η／η’−１、ここで、η’はレンズを取り囲んでいる媒体の屈折率である）と、前部と後部との間の曲率半径（ＲＯＣ：ｒａｄｉｉ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）の違いによって与えられるレンズ形状Ｃと、の積に比例し、すなわち、Ｐ＝（η／η’−１）×Ｃ、ここで、Ｃ＝１／ＲＯＣ（前部）−１／ＲＯＣ（後部）である。この公式から、発明者は、全レンズ・アセンブリにおいて与えられたレンズ素子の分散が有する効果が、ガラスの特性だけでなくレンズ形状にもまた依存することを理解する。この効果に留意しない場合、その結果は、結像の状態が、与えられた一組の物体及び像の共役対について、設計するスペクトル帯域内で全ての波長に対して満足しない可能性がある。すなわち、像質は、像の焦点が最適な像平面からずらされるため、波長が設計帯域にわたって変化するにつれて、実質的に低下するだろう。色収差は、材料、形状、厚み、及びレンズ素子間の間隔を設計することによって、最小化できる。異なる分散曲線を有する、最低でも２つの異なる材料が、色収差を減少させるために必要であるが、加えて、換言すれば、３以上の材料のタイプが色収差を適切に最小化するために必要であってもよい。
単色収差は、分散がない場合にさえ存在する収差として、定義される。１次の、又は３次の収差は、５つのグループに分類されており、すなわち、球面、コマ、非点収差、ペッツバール湾曲、及び歪曲である。これらの収差のそれぞれは、大きな角度におけるｓｉｎ（θ）＝θの誤差から発生し、光軸に対する対物面位置と、この位置から出射した光線がシステムの入射口にどのように衝突するかとの組合せに依存する。ＮＡが高く、ＦＯＶが広い場合、θが増加し、結果として単色収差の増加に通じる。これらの収差は、レンズ・アセンブリの要素数を増加させることによって、且つ、個別要素の形状、材料、厚み、及びレンズ素子間の間隔を設計するによって、最小化されるはずであり、実現可能である。単色収差は、ＲＭＳスポットサイズの幾何学的な像のぼやけが、１．２２×λ／ＮＡによって与えられるエアリーディスクのサイズを実質的に下回るようなレベルまで減少するので、対物レンズ・アセンブリは、基本的な回折効果によって制限され、回折限界光学系と呼ばれる。
屈折対物レンズ・アセンブリ１０についての多くの特定の、非排他的な仕様が、本明細書に開示される。これらの実施例において、これらの屈折対物レンズ・アセンブリ１２が、（ｉ）比較的高い開口数（０．１５〜０．７の範囲であるＮＡ）（ｉｉ）比較的広い視野（「ＦＯＶ」）（少なくとも近似的に０．５ｍｍ）、及び（ｉｉｉ）近似的に４から１２．５倍（４ｘ〜１２．５ｘ）の間の拡大率、の組合せを有する。既存の実施例のいずれかの拡大率を増加させることが簡単であることは、当業者にとって明らかだろう。加えて、本明細書に開示される対物レンズ・アセンブリ１２は有限共役であり、従って、物体１４に集束するために、第２のレンズを必要としない。更に、これらの特定の実施例のユニークな設計のため、前部及び後部グループを別々のレンズ・アセンブリに分割することによって、これらの対物レンズを無限共役の対物レンズに変換することは、簡単である。
観察されている物体１４のタイプは、変更可能である。非排他的な実例として、物体１４は、パラフィンに包埋されるか又は空気にさらされ、染色されないか又は染色され、ＣａＦ２、ＢａＦ２、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅなどの様々な赤外線透過性基板に、又は、例えばＫｅｖｌｅｙ（Ｋｅｖｌｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌなどの反射基板上に固定される、人間又は動物の組織試料又は植物体などの、生物標本であり得る。更に、物体１４は、アモルファス、多結晶質、又は結晶質であり得る、標本、半導体、有機ポリマー・フィルム、金属フィルム、絶縁膜であり得るだろう。更にその上、物体１４は、微生物又は細胞生命を維持するために使用される、水又は成長培地などの液体培地に浸漬される試料であり得る。物体は、頂点が前部レンズ素子の方に面すると共に、対物レンズ・アセンブリ１０の実効開口数を増加させるようにＣａＦ２、ＢａＦ２、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、又はＧｅなどの赤外の透明材料でできている、半球又は超半球の固体基板を同様に含んでもよい。非排他的な実例として、物体１４が組織試料である場合、本明細書に開示される対物レンズ・アセンブリ１０の視野は、組織の組織病理学において一般に使用される組織のマイクロアレイ内で、完全な単一の組織コアの像を集めるために十分である一方で、同時にＭＩＲスペクトル領域の全体又は大部分において回折限界の空間的分解能を実現する。例えば、物体１４は、０．６ｍｍ直径のコアに切り取られる組織コアであってもよい。１つの実施例において、対物レンズ・アセンブリ１０の視野は０．６５ｍｍであり、そのため単一の０．６ｍｍの直径のコア１４の全長が単一のＦＯＶ内で同時に結像されるだろう。
１つの実施例において、ステージ２５Ａは、物体１４を保持し、且つ、ステージ移動アセンブリ２５Ｂは、ステージ２５Ａ及び物体１４を対物レンズ・アセンブリ１２に対して移動させるために使用される。例えば、ステージ移動アセンブリ２５Ｂは、対物レンズ・アセンブリ１２に対して（Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った）３つの自由度で物体１４を移動させるように制御可能である。或いは、ステージ移動アセンブリ２５Ｂは、６つの自由度を有するステージを移動させるように設計可能である。ステージ移動アセンブリ２５Ｂは１つ又は複数のアクチュエータを含むことができ、又は、ステージ２５Ａは手動で移動可能である。例えば、ステージ移動アセンブリ２５Ｂは、正確に物体１４の位置を定めると共にそれを移動させる、複数の圧電アクチュエータを含むことができる。
光検出器２４のタイプは変更可能である。例えば、１つの実施例において、光検出器２４は、物体１４から集められた光１２のＭＩＲ像を取り込むために、ＭＩＲスペクトル領域の光を検出する複数の光検出画素を含む、ＭＩＲカメラであり得る。非排他的な実例として、光検出器２４は、１から２０００画素範囲の、垂直（Ｖ）及び水平（Ｈ）方向に多くの行及び列を有する任意の正方格子パターン、又は１から４，０００，０００の総画素のどちらか、及び、これらの範囲内のＶ及びＨ画素数の任意の組合せを有する、マイクロボロメータ焦点面アレイ（ＦＰＡ）又は水銀テルル化カドミウム（ＭＣＴ）焦点面アレイを含むことができる。特定の構成の非排他的な実例は、近似的に５μｍ、１０μｍ、１７μｍ、２５μｍ、３４μｍ、及び５０μｍの構成を含む、５μｍから２００μｍまでの範囲の画素サイズを用いて、特に８０×８０、１６０×１６０、１６０×１２０、１６０×１２８、３２４×２５６、３２０×２４０、３８４×２８８、６４０×５１２、５１２×５１２、６４０×６４０、６４０×４８０、４８０×４８０、１０２４×１０２４、及び１０２４×７６８を含んでもよい。しかしながら、他のサイズも可能である。
代替の、非排他的な実例において、光検出器２４は、（ｉ）近似的に３から１５マイクロメートル（３〜１５のμｍ）の全ＭＩＲスペクトル領域（ｉｉ）近似的に５．５から１１マイクロメートル（５．５〜１１μｍ）の所定の所望の領域（ｉｉｉ）近似的に６から１０マイクロメートル（６〜１０μｍ）の所定の所望の領域（ｉｖ）近似的に８から１４マイクロメートル（８〜１４μｍ）の所定の所望の領域（ｖ）近似的に７から１４マイクロメートル（７〜１４μｍ）の所定の所望の領域、又は（ｖｉ）近似的に３から１１マイクロメートル（３〜１１μｍ）の所定の所望の領域、に近似的に等しい測定帯域を有する（光を検出可能である）。
更に、ある実施例で、光検出器２４は、ブロックすることが可能であり、それぞれの測定帯域の外側で光を検出しない。上記に提供される例の場合、光検出器２４は、（ｉ）１５マイクロメートルより大きく又は３マイクロメートル未満（ｉｉ）１１マイクロメートルより大きく又は５．５マイクロメートル未満（ｉｉｉ）１０マイクロメートルより大きく又は６マイクロメートル未満（ｉｖ）８より大きく又は１４マイクロメートル未満（ｖ）７より大きく又は１４マイクロメートル未満、又は（ｖｉ）３より大きく又は１１マイクロメートル未満、の光の検出を阻止することができる。光検出器２４の設計は、システムの所望の要求に合うように調整可能であることに注意されたい。
レンズハウジング１８は剛体であり、複数のレンズ素子２０を保持する。１つの非排他的な実施例において、レンズハウジング１８は、一般に筒状の形状であり、レンズハウジング１８の内部にレンズ素子２０を保持する。図１Ａに例示されるレンズハウジング１８は非常に簡略化され、且つ、レンズハウジング１８は、レンズ素子２０を適切な間隔でレンズハウジング１８にしっかりと固定するための複数のハウジング構成部品（図示せず）を含むことができることに注意されたい。
上記に提供するように、対物レンズ・アセンブリ１０は、光軸２２に沿って間隔を置いて離れて配置される複数のレンズ素子２０を含む。更に、レンズ素子２０のそれぞれは一般にディスク形状であり、各レンズ素子２０は光軸２２と同軸である。本明細書に提供されるように、サイズ、形状、設計、間隔、及びレンズ素子２０の数は、対物レンズ・アセンブリ１０の所望の性能特性を実現するために変更可能である。例えば、１つの実施例において、対物レンズ・アセンブリ１０は、（ｉ）少なくとも３つの、間隔を置いて離れて配置された屈折レンズ素子２０を含み、（ｉｉ）レンズ素子２０のうちの少なくとも２つは、異なる材料でできており、且つ、（ｉｉｉ）レンズ素子２０のそれぞれは、ＭＩＲスペクトル領域において動作する材料でできている。例えば、レンズの材料は、ゲルマニウム（「Ｇｅ」）、硫化亜鉛（「ＺｎＳ」）、セレン化亜鉛（「ＺｎＳｅ」）、シリコン（「Ｓｉ」）、フッ化カルシウム（「ＣａＦ２」）、バリウムフッ化物（「ＢａＦ２」）、又はサファイヤを含むグループから選択可能である。
非排他的な実例として、対物レンズ・アセンブリ１０の単色収差は、（ｉ）複数の、少なければ２つの、多ければ４つのタイプの材料（例えばゲルマニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、シリコン、ＣａＦ２）の使用（ｉｉ）ゲルマニウム、硫化亜鉛、及びセレン化亜鉛の組合せ、又は（ｉｉｉ）ゲルマニウム及びシリコンの組合せ、によって最小にすることができる。
本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリ１０の性能を説明するための重要なメトリックは、横断拡大率の大きさと、対物レンズ・アセンブリ１０の開口数（｜Ｍｔ｜：ＮＡ）との比である。本明細書に提供されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のレンズ素子２０のために利用されるサイズ、形状、間隔、及び材料は、アセンブリ１０がＭＩＲスペクトル領域において動作し、且つその比（｜Ｍｔ｜：ＮＡ）が３０より小さいように、選択される。以前に定められたように十分なデジタルサンプリングが実現するという条件で、その比が低ければ低いほど、レンズ・アセンブリ１０の性能はより良好になる。代替の、非排他的な実例として、本明細書に提供されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のレンズ素子２０のために利用されるサイズ、形状、間隔、及び材料は、アセンブリ１０がＭＩＲスペクトル領域において動作し、且つ、比（｜Ｍｔ｜：ＮＡ）が２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、又は１１より小さいように、選択される。
全ての特定の、しかし非排他的な対物レンズ・アセンブリ１０の設計は、本明細書で定められ、又はこれらの設計から明らかな拡張として引き出すことができるが、３０より小さい、横断拡大率大きさとＮＡとの比を有し、その値が低ければ低いほど、メトリックはより良好である。この比のより高い値を実現することは、一般により容易である。例えば、図１Ａに例示されたレンズ・アセンブリ１０の特定の、しかし非排他的な実施例は、０．７のＮＡ、１２．５ｘの拡大率、従って、近似的に１８の比を有する。（図２Ａに例示された）レンズ・アセンブリ２１０の別の特定の、しかし非排他的な実施例は、０．３５のＮＡ、４ｘの拡大率を有し、１１．４の比を実現する。（図４Ａに例示された）レンズ・アセンブリ４１０の更に別の特定の、しかし非排他的な実施例は、０．１５のＮＡ及び４ｘの拡大率を有し、２６．７の比を実現する。その上、本明細書に例示されない更に別の実施例は、（０．７のＮＡ及び１２．５ｘの拡大率を有する）図１Ａに例示される対物レンズ・アセンブリ１０の明らかな拡張を通して設計できるだろうが、０．９のＮＡ及び２５の拡大率を実現し、２８の比を生成する対物レンズ・アセンブリである。
本明細書に提供される教示によって、３０より低い比を実現する、多数の他のレンズ・アセンブリ設計が可能であることに注意されたい。本明細書に開示される設計仕様及び一般的なノウハウは、それ故、スペクトルの赤外領域の顕微鏡対物レンズの最高水準の性能における重大な進歩を表す。
本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリ１０の性能を説明するための更に別の重要なメトリックは、中赤外のスペクトルの特定の波長（又は波数）領域にわたって発生する、二乗平均平方根（「ＲＭＳ」）誤差の量である。一般的に言って、ＲＭＳ誤差が低ければ低いほど、像平面１６で形成される像はより高品質である。例えば、本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域における９００から１８００ｃｍ−１帯域（５．５〜１１マイクロメートルの領域）の波数領域にわたって、近似的に０．５波より小さいＲＭＳ波面誤差を実現可能である。別の言い方をすると、本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域における５．５マイクロメートルの波長領域にわたって、近似的に０．５波より小さいＲＭＳ波面誤差を実現可能である。
更に、代替の、非排他的な実例において、本明細書に提供される対物レンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域における５．５マイクロメートルの波長領域（例えば９００〜１８００ｃｍ−１帯域）にわたって、近似的に０．４、０．３、０．２５、又は０．２波より小さいＲＭＳ波面誤差を実現可能である。更に、本レンズ・アセンブリは、これらの低いＲＭＳ波面誤差を実現可能である。
代替の、非排他的な実施例において、本明細書に提供されるレンズ・アセンブリは、中赤外のスペクトル領域における５．５マイクロメートルの波長領域（例えば５．５から１１マイクロメートルの領域）にわたって、且つ１００マイクロメートルから２．０ミリメートルまでの間の視野にわたって、０．５、０．４、０．３、０．２５、又は０．２波より小さいＲＭＳ波面誤差を実現可能である。代替的な実例として、本明細書に提供される結果は、少なくとも０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２ミリメートルの視野によって、可能である。
対物レンズ・アセンブリ１０の多くの異なる、非排他的な実例は、本明細書に提供される。図１Ａに例示される第１の実施例において、対物レンズ・アセンブリ１０は、（ｉ）近似的に０．７の開口数、１２．５ｘの拡大率、全角度２度より大きい視野（又は１７μｍの画素サイズによる４８０×４８０画素の焦点面アレイ（「ＦＰＡ」）を有する光検出器２４を使用する場合に０．６ミリメートルより大きい）、及び９００から１８００ｃｍ−１（９００ｃｍ−１のスペクトル幅）の波長領域にわたる回折限界性能、を有する屈折対物レンズ・アセンブリである。この対物レンズ・アセンブリ１０は、５．５から１１マイクロメートルまで（５．５〜１１μｍ）のスペクトル領域にわたって色収差を補正する。
図１Ａに例示される実施例において、対物レンズ・アセンブリ１０は、５つの、間隔を置いて離れて配置された光学レンズ素子２０を含み、それは、２つのグループに、すなわち、（ｉ）第１の３つの素子２０を含む前部レンズ群２０Ａ（同様に第１のレンズ群と呼ばれることができる）、及び（ｉｉ）最後部の２素子２０Ｂを含む後部レンズ群２０Ｂ（同様に第２のレンズ群と呼ばれることができる）、に分類可能である。この例では、前部レンズ群２０Ａは、対物面１５に対して、後部レンズ群２０Ｂより近く、一方、前部レンズ群２０Ａは、像平面１６に対して、後部レンズ群２０Ｂより遠い。
便宜上、図１Ａにおいて左から右へ移動すると（物***置から像の位置に）、レンズ素子２０の（ｉ）第１のレンズ群２０Ａは、観察されている物体１４に最も近い、前部第１のレンズ素子２６、前部第１のレンズ素子２６の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、前部第２のレンズ素子２８、前部第２のレンズ素子２８の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、前部第３のレンズ素子３０、と名前を付けることができ、且つ、（ｉｉ）第２のレンズ群２０Ｂは、前部第３のレンズ素子３０の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、後部第１のレンズ素子３２、及び、後部第１のレンズ素子３２の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、後部第２のレンズ素子３４、と名前を付けることができる。本実施例において、後部第２のレンズ素子３４は、像平面１６に最も近く、且つ、レンズ素子２８、３０、３２は、間隔を置いて離れて配置され、前部第１のレンズ素子２６と後部第２のレンズ素子３４との間に配置される。
（ｉ）前部第１のレンズ素子２６は前部レンズ素子と更に呼ばれることができ、（ｉｉ）後部第２のレンズ素子３４は後部レンズ素子と更に呼ばれることができ、且つ、（ｉｉｉ）レンズ素子２８、３０、及び３２は中間レンズ素子２８、３０、３２と更に呼ばれることができることに注意されたい。
ある実施例において、前部レンズ群２０Ａ及び後部レンズ群２０Ｂは、無限の像共役のために独立して補正され、及び／又は、後部レンズ群２０Ｂは、後部レンズ群２０Ｂの有効焦点距離が波長の増加につれて減少するような逆分散を実現するように設計されている。従って、本発明は、後部レンズ群２０Ｂから前部レンズ群２０Ａを分離することによって、これらの対物レンズを無限の共役対物レンズに変換する簡単な方法を提供する。この特徴は、収差を増加させることなく、前部及び後部レンズ群の間の分離距離の増加を可能にする。これによって、ビーム・スプリッタ（図示せず）又は他の光学フィルタリング構成部品（図示せず）は、平行光によって動作するように設計される、前部及び後部レンズ群２０Ａ、２０Ｂの間に容易に配置できる。
図１Ｂは、（ｉ）前部レンズ群２０Ａのレンズ素子２６、２８、３０（ｉｉ）後部レンズ群２０Ｂのレンズ素子３２、３４（ｉｉｉ）対物面１５における物体１４、及び（ｉｖ）像平面１６、を含む、図１Ａの対物レンズ・アセンブリ１０の一部を拡大し、簡略化した側面図である。レンズ素子２０のそれぞれは、前方表面３６及び後方表面３８を含む。更に、各素子２０について、前方表面３６は、物体１４に面し（像平面１６から左側に隔たって面し）、その対応する後方表面３８より物体１４に近く、一方、後方表面３８は、像平面１６に面し（物体１４から右側に隔たって面し）、その対応する前方表面３６より像平面１６に近い。
図１Ｂにおいて、（ｉ）距離「ａ」は、光軸２２に沿って、物体１４と前部第１のレンズ素子２６の前方表面３６との間の前部分離距離を例示し、（ｉｉ）距離「ｂ」は、光軸２２に沿って、前部第１のレンズ素子２６の厚みを例示し、（ｉｉｉ）距離「ｃ」は、光軸２２に沿って、前部第１のレンズ素子２６の後方表面３８と前部第２のレンズ素子２８の前方表面３６との間の分離距離を例示し、（ｉｖ）距離「ｄ」は、光軸２２に沿って前部第２のレンズ素子２８の厚みを例示し、（ｖ）距離「ｅ」は、光軸２２に沿って、前部第２の素子２８の後方表面３８と前部第３のレンズ素子３０の前方表面３６との間の分離距離を例示し、（ｖｉ）距離「ｆ」は、光軸２２に沿って前部第３のレンズ素子３０の厚みを例示し、（ｖｉｉ）距離「ｇ」は、光軸２２に沿って、前部第３のレンズ素子３０の後方表面３８と後部第１のレンズ素子３２の前方表面３６との間の分離距離を例示し、（ｖｉｉｉ）距離「ｈ」は、光軸２２に沿って、後部第１のレンズ素子３２の厚みを例示し、（ｉｘ）距離「ｉ」は、光軸２２に沿って、後部第１のレンズ素子３２の後方表面３８と後部第２のレンズ素子３４の前方表面３６との間の分離距離を例示し、（ｘ）距離「ｊ」は、光軸２２に沿って、後部第２のレンズ素子３４の厚みを例示し、且つ、（ｘｉ）距離「ｋ」は、光軸２２に沿って、後部第２のレンズ素子３４の後方表面３８と像平面１６との間の距離を例示する。
ある実施例において、隣接するレンズ素子２０間の分離距離「ｃ」、「ｅ」、「ｇ」、「ｉ」は、対物レンズ・アセンブリ１０を含む分光システムのスペクトル帯域から外へ寄生エタロンをシフトするために、０．５ミリメートルより大きく、あるいは５マイクロメートル未満である。
各厚み「ｂ」、「ｄ」、「ｆ」、「ｈ」、「ｊ」は、中心厚Ｌｃと呼ぶことができることに注意されたい。更に、対物レンズ・アセンブリ１０の各レンズ素子２０の中心厚Ｌｃは、対物レンズ・アセンブリ１０を含む分光システムのスペクトル帯域から外へ寄生エタロンをシフトするために、公式：Ｌｃ＞１／（４×η）に従う、ここで、ηがレンズ・アセンブリの中赤外の動作帯域にわたる平均屈折率である。
図１Ｂに例示される実施例において、各素子２０の各表面３６、３８は、それぞれの表面３６、３８の頂点４２が光軸２２に位置する状態で、湾曲し、光軸２２に位置する曲率中心４０（円で例示される）を有する。本明細書に提供されるように、各表面３６、３８について、曲率半径４４はその頂点４２からその曲率中心４０までの距離に等しい。本明細書に提供されるように、各表面３６、３８について、（ｉ）その頂点４２がその曲率中心４０の左側にある場合、曲率半径４０は正であり（ｉｉ）その頂点４２がその曲率中心４０の右側にある場合、曲率半径４４は負である。前部第１のレンズ素子２６の前方表面３６の曲率中心４０、頂点４２、及び曲率半径４４だけが、図１Ｂにおいて名前を付けられることに注意されたい。第１のレンズ面が、完全な球形から離れた、非球面又は双曲面の表面を含む場合には、例えば最小二乗フィットを用いて、非球面の表面を最も良く説明する球体の半径が、使用されるだろう。
本明細書に提供されるように、ある実施例において、前部第１のレンズ素子２６は、（ｉ）前方表面３６が負である曲率半径４４を有すると共に（ｉｉ）前方表面３６の曲率中心４０が光軸２２に配置されて近似的に対物面１５に存在するように、独自に設計され、配置される。別言い方では、前部第１のレンズ素子２６は、光軸２２に沿った前部分離距離「ａ」が、前部第１のレンズ素子２６の前方表面３６の曲率半径４４に近似的に等しいように、独自に設計され、配置される。代替の、非排他的な実施例において、前部分離距離「ａ」は、近似的に曲率半径４４の１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、又は０．１パーセント以内にある。この設計の利点は、第１の表面が軸上の物点に収差をもたらすことがなく、その表面において光線の屈曲がないため軸を外れた点における収差が無視できることである。
更に、前部第１のレンズ素子２８の後方表面３９は、以下の式によって定義されるように、アプラナティックの状態を近似的に満たすように設計可能であり、Ｒ＝−（η／（η＋η’））×Ｌ、ここで、ηは第１のレンズ素子の屈折率であり、η’はレンズ素子を取り囲んでいる媒質の屈折率であり、Ｌは後方表面の頂点から軸上の物点までの物理的な距離であり、それは、軸上の物点から第１の素子の前方表面の頂点までの距離と、第１のレンズ素子の中心厚との合計である。
更に、ある実施例において、レンズ素子２０は、光学的レンズ・アセンブリ１０の作動距離４６は、近似的に１００ミリメートルより短く、７５ｍｍ、又は５０ｍｍであるように、独自に設計され、配置される。本明細書に提供されるように、作動距離４６という用語は、前部第１のレンズ素子２６と対物面１５との間の最短距離に等しいものとする。この設計の利点は、物体距離が、２ｘより大きい拡大率を要求する顕微鏡の応用例の場合、好適な範囲内に位置することである。
加えて、１つの実施例において、（ｉ）後部第１のレンズ素子３０はより低い分散の正の屈折力を有し、（ｉｉ）後部第２のレンズ素子３４はより高い分散の負の屈折力を有する。この特徴により、後部レンズ群２０Ｂは、逆分散を伴う正の屈折力を有する、空気間隔の二重レンズを作成する効果を実現することができ、すなわち、波長を増加させるにつれて二重レンズの有効焦点距離が減少する。
本明細書に提供されるように、設計に基づいて、レンズ素子２０の少なくとも２つは、ＭＩＲスペクトル領域において動作する異なる材料でできている。１つの実施例において、前部第１のレンズ素子２６は、中赤外のスペクトル領域で２より大きい屈折率を有する材料でできている。例えば、前部第１のレンズ素子２６のための適切な材料は、ゲルマニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、及びシリコンを含むグループから選択される。
１つの実施例において、前部第１のレンズ素子２６は、他のレンズ素子２８、３０、３２、３２の１つの材料のアッベ数より大きい、赤外のアッベ数を有する材料でできている。更に、後部第１のレンズ素子３２は第１の材料でできており、後部第２のレンズ素子３４は第２の材料でできており、第１の材料は、中赤外のスペクトル領域において第２の材料のアッベ数より大きい、赤外のアッベ数を有する。
下記の表１は、図１Ａ及び図１Ｂの対物レンズ・アセンブリ１０のための１つの非排他的なレンズの仕様である。
表１を参照して、この例において、第１のレンズ群２０Ａについて、（ｉ）前部第１のレンズ素子２６はアプラナティックであり、ゲルマニウムでできており（ｉｉ）前部第２の素子２８はＺｎＳｅでできており（ｉｉｉ）前部第３のレンズ素子３０はＺｎＳｅでできている。更に、第２のレンズ群２０Ｂについて、（ｉ）後部第１のレンズ素子３２はゲルマニウムでできており（ｉｉ）後部第２のレンズ素子３４はＺｎＳでできている。本実施例において、（ｉ）アプラナティックな前部第１のレンズ素子２６及びアプラナティックな後部第１のレンズ素子３２の使用（ｉｉ）前部第１のレンズ素子２６及び後部第１のレンズ素子３２に高い屈折率材料（例えばゲルマニウム）の使用、及び（ｉｉｉ）屈折レンズ素子２０の使用を通して、収差は最小化され、高い分解能（高いＮＡ）、広い視野（ＦＯＶ）の性能を実現する。
図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂの対物レンズ・アセンブリ１０が生成する複数のスポットダイヤグラム５０を含む。図１Ｃは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。これらのスポットダイヤグラム５０は、対物レンズ・アセンブリ１０の性能を分析するために使用可能である。この例では、各スポットダイヤグラム５０は、二次元のプロットであり、垂直軸は、ミリメータ単位の視野位置（対物レンズ・アセンブリ１０の視野中心（例えば光軸）から半径方向距離）であり、且つ水平軸は波長である。各スポットダイヤグラム５０は、（破線で例示される）エアリーディスク５２、及び（図１Ａに例示される）光検出器に取り込まれるだろう、（円又は卵形で例示される）実際のスポット５４を含む。
より詳細には、（ｉ）スポットダイヤグラム５０の上部の行は、０ミリメートルの視野位置（光学軸からオフセットしない）を有し、且つ、後続の各スポットダイヤグラム５０の波長は、０．５ミクロン間隔で、５．５から１１ミクロンまで変化し、（ｉｉ）スポットダイヤグラム５０の上から２番目の行は、−０．１２５ミリメートルの視野位置（光学軸から０．１２５ミリメートルだけ放射状にオフセットする）を有し、且つ、後続の各スポットダイヤグラム５０の波長は、０．５ミクロン間隔で、５．５から１１ミクロンまで変化し、（ｉｉｉ）スポットダイヤグラム５０の上から３番目の行は、−０．２５０ミリメートルの視野位置（光学軸から０．２５０ミリメートルだけ放射状にオフセットする）を有し、且つ、後続の各スポットダイヤグラム５０の波長は、０．５ミクロン間隔で、５．５から１１ミクロンまで変化し、且つ（ｉｖ）スポットダイヤグラム５０の最も下位の行は、−０．３２５ミリメートルの視野位置（光学軸から０．３２５ミリメートルだけ放射状にオフセットする）を有し、且つ、後続の各スポットダイヤグラム５０の波長は、０．５ミクロン間隔で、５．５から１１ミクロンまで変化する。
これらのスポットダイヤグラム５０は、上記に説明されて、図１Ａ及び図１Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ１０が、視野位置が視野の端の方へ変化するなかで、きわめて良好な性能を維持することを例示する。これは、結果として、（図１Ａに例示される）光検出器２４によって取り込まれる、より高い分解能の像になるだろう。
図１Ｄは、上記で説明され、図１Ａ及び図１Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ１０の性能を、別の方法で例示するグラフである。図１Ｄは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。より詳細には、図１Ｄは、上記で説明され、図１Ａ及び図１Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ１０について、マイクロメータ単位の波長（水平軸）に対する、波を単位にしたＲＭＳ波面誤差（垂直軸）を例示する。グラフは、４つの異なる視野位置の場合の別々の曲線を含み、すなわち、（ｉ）視野位置が軸上の場合の曲線５６（ｉｉ）視野位置が−０．１２５ミリメートル（−０．１２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線５８（ｉｉｉ）視野位置が−０．２５０ミリメートル（−０．２５０ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線６０、及び（ｉｖ）視野位置が−０．３２５ミリメートル（−０．３２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線６２。性能は、ＲＭＳ波面誤差が小さい場合に、より良好である。図１Ｄに例示されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のＲＭＳ波面誤差は、視野位置及び波長によって変化するだろう。重要なことは、対物レンズ・アセンブリ１０は、所望の帯域にわたって可能な限りベストにＲＭＳ波面誤差を最小化するように設計されていることである。
図１Ｄに例示されるように、（ｉ）ＲＭＳ波面誤差は、全体の５．５から１１マイクロメートルの領域について０．２波より小さく、且つ、（ｉｉ）軸上の視野位置の場合、ＲＭＳ波面誤差は、全体の５．５から１１マイクロメートルの領域について０．１５波より小さい。加えて、各曲線５６、５８、６０、６２は、５．５から１１マイクロメートルの領域において、特定の波長において最小のＲＭＳ波面誤差を有することに注意されたい。例えば、（軸上の）曲線５６について最小のＲＭＳ波面誤差は、近似的に９．９マイクロメートルにおいて存在する。
図１Ｂに戻って参照すると、本明細書に提供されるように、物体１４と前部第１のレンズ素子２６の前方表面３６との間の前部分離距離「ａ」を変えることは、ＲＭＳ波面誤差が最小となる波長を変化させるだろう。従って、中赤外のスペクトル領域のある波長において、ＲＭＳ波面誤差は、分離距離「ａ」を調整することによって、減少させ、且つ最適化させることが可能である。
図１Ｅは、上記で説明され、図１Ａ及び図１Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ１０について、前部分離距離「ａ」を１０マイクロメートルだけ増加させた状態において、マイクロメータ単位の波長（水平軸）に対する、波を単位にしたＲＭＳ波面誤差（垂直軸）を例示する。図１Ｅは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。グラフは、４つの異なる視野位置の場合の別々の曲線を含み、すなわち、（ｉ）視野位置が軸上の場合の曲線５６（ｉｉ）視野位置が−０．１２５ミリメートル（−０．１２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線５８（ｉｉｉ）視野位置が−０．２５０ミリメートル（−０．２５０ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線６０、及び（ｉｖ）視野位置が−０．３２５ミリメートル（−０．３２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線６２。
図１Ｅに例示されるように、物体をその名目位置から１０マイクロメートル移動させると、曲線５６（軸上）の最小ＲＭＳ波面誤差は、ここで近似的に６．６マイクロメートルに移動する。従って、分離距離「ａ」は、レンズ・アセンブリ１０の性能を調整して、レンズ・アセンブリの色収差補正領域を５．５〜１１μｍから３〜１１μｍまで増加させるように、適合可能である。
図１Ｆは、図１Ａ及び図１Ｂにおいて例示されるレンズ・アセンブリ１０に類似するレンズ・アセンブリ１０（ある部分のみが図１Ｆに例示される）を含むアセンブリ７０の簡略化された説明図である。本実施例において、アセンブリ７０は、光軸２２に沿ってコヒーレントな中赤外のビーム７４を物体１４に向ける、中赤外のレーザー光源７２を含む。例えば、レーザー光源７２は、中赤外スペクトルの異なる波長のビーム７４を生成するように調整可能である。図１Ｆにおいて、ビーム７４は物体１４を透過する。或いは、アセンブリ７０は、ビーム７４がレンズ・アセンブリ１０を透過して向けられ、それから物体１４から反射するように設計可能である。
更に、本実施例において、アセンブリ７０は、物体１４を保持するステージ２５Ａ、及びレンズ・アセンブリ１０に対して物体１４を移動させるステージ移動アセンブリ２５Ｂ、及び対物面１５を含む。加えて、本実施例において、レンズ・アセンブリ１０は、レンズハウジング１８に対して前部レンズ群２０Ａのレンズ素子２６、２８、３０を移動させるために、使用可能なレンズ移動アセンブリ７６（例えば１つ又は複数のアクチュエータ）、物体１４、対物面１５、及び後部レンズ群２０Ｂ（図１Ｂに例示される）を含む。或いは、レンズ移動アセンブリ７６は、単に前部第１のレンズ素子２６を移動させるために使用可能である。
この設計によって、移動アセンブリ２５Ｂ、７６のどちらか一方又は両方は、前部分離距離「ａ」を選択的に調整するために使用できて、レンズ・アセンブリ１０の特性を選択的に調整する。加えて、本実施例において、アセンブリ７０は、制御システム７８を含み、それは、移動アセンブリ２５Ｂ、７６の一方又は両方を選択的に制御するために使用できて、レンズ・アセンブリ１０の特性を選択的に調整する。制御システム７８は、１つ又は複数のプロセッサを含むことができる。
例えば、レーザー光源７２が調整可能である場合、制御システム７８は、フィードフォワードのやり方で、選択的に分離距離「ａ」を調整するために移動アセンブリ２５Ｂ、７６の一方又は両方を制御可能であり、そのため、レンズ・アセンブリ１０がビーム７４の波長における最適な特性（ＲＭＳ波面誤差を減少させる）を有する。別の言い方をすると、ある実施例において、本発明は、フィードフォワードのやり方で、分離距離「ａ」を調整し、対物レンズ・アセンブリ１０の最良の性能を実現する。例えば、物体１４の像を取り込むことが要求される場合、レーザービーム７４が１０マイクロメートルの中心波長を有する際、分離距離「ａ」は、１０マイクロメートルにおける対物レンズ・アセンブリ１０の最良の性能を実現するために調整される。或いは、物体１４の像を取り込むことが要求される場合、レーザービーム７４が８マイクロメートルの中心波長を有する際、分離距離「ａ」は、８マイクロメートルにおける対物レンズ・アセンブリ１０の最良の性能を実現するために調整される。
１つの実施例において、実際の、又はシミュレーション試験は、中赤外のスペクトル又はその部分の各波長について最良の前部分離距離「ａ」を決定するために、実施できて、参照表を生成する。その後、制御システム７８は、ビーム７４の波長に基づいて、前部分離距離「ａ」を制御するために参照テーブルを使用できて、ＲＭＳ波面誤差の低減を実現する。
所望の全波長領域にわたって最適な結果を実現するために要求される、分離距離「ａ」における変更の最大量は、対物レンズ・アセンブリ１０の設計によって変化するだろう。例えば、代替の、非排他的な実施例において、分離距離「ａ」は、所望の最適化を実現するために、５、１０、１５、又は２０マイクロメータの範囲だけ変更可能である。
対物レンズ・アセンブリ２１０の別の非排他的な例は、対物面１５及び像平面１６を伴って、図２Ａに例示される。本実施例において、対物レンズ・アセンブリ２１０は、上記に説明されるレンズ・アセンブリ１０に若干類似している。しかしながら、本実施例において、対物レンズ・アセンブリ２１０は、９００〜２０００ｃｍ−１（１１００ｃｍ−１のスペクトル帯域幅）のスペクトル領域にわたって、０．３５の開口数、４ｘの拡大率、全角度７度より大きい（又は１７μｍ画素サイズによる４８０×４８０の画素ＦＰＡを使用する場合に２ミリメートルより大きい）視野、及び回折限界性能、及び、５．５から１１マイクロメートル（５．５〜１１μｍ）のスペクトル領域にわたる色収差制御を有する。
図２Ａに例示される実施例において、対物レンズ・アセンブリ２１０は、４つの、間隔を置いて離れて配置される光学レンズ素子２２０を含み、それは、２つのグループに、すなわち、（ｉ）第１の２つの素子２２０を含む前部レンズ群２２０Ａ、及び（ｉｉ）最後部の２素子２２０Ｂを含む後部レンズ群２２０Ｂに分類可能である。前部レンズ群２２０Ａは、対物面１５に対して、後部レンズ群２２０Ｂより近く、一方、前部レンズ群２２０Ａは、像平面１６に対して、後部レンズ群２２０Ｂより遠い。
便宜上、図２Ａにおいて左から右へ移動すると（物***置から像の位置に）、レンズ素子２２０の（ｉ）第１のレンズ群２２０Ａは、観察されている物体２１４に最も近い、前部第１のレンズ素子２２６、及び、前部第１のレンズ素子２２６の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、前部第２の素子２２８と名前を付けることができ、且つ、（ｉｉ）第２のレンズ群２２０Ｂは、前部第２のレンズ素子２２８の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、後部第１のレンズ素子２３２、及び、後部第１のレンズ素子２３２の右側に離れて且つ直接に間隔を置いて配置された、後部第２のレンズ素子２３４と名前を付けることができる。
本実施例において、前部レンズ群２２０Ａは無限の像共役のために補正され、及び／又は、後部レンズ群２２０Ｂは、後部レンズ群２２０Ｂの有効焦点距離が、波長の増加につれて減少するような逆分散を実現するように設計されている。
図２Ｂは、（ｉ）前部レンズ群２２０Ａのレンズ素子２２６、２２８（ｉｉ）後部レンズ群２２０Ｂのレンズ素子２３２、２３４、及び（ｉｉｉ）物体２１４を含む、図２Ａの対物レンズ・アセンブリ２１０の一部を拡大し、簡略化した側面図である。レンズ素子２２０のそれぞれは、前方表面２３６及び後方表面２３８を含む。更に、各レンズ２２０はレンズ厚２８０（１つのみが図示される）を有し、分離距離２８２（１つのみが図示される）は隣接するレンズ素子２２０を分離する。更に、前部第１のレンズ素子２２６の前方表面２３６は、光軸２２に沿って前部分離距離「ａ」離れて間隔を置いて配置される。
下記の表２は、図２Ａ及び図２Ｂの対物レンズ・アセンブリ２１０のための１つの非排他的なレンズの仕様である。
表２を参照して、この例において、前部レンズ群２２０Ａについて、（ｉ）前部第１のレンズ素子２２６はアプラナティックであり、ゲルマニウムでできており（ｉｉ）前部第２の素子２２８はＺｎＳｅでできている。更に、後部レンズ群２２０Ｂについて、（ｉ）後部第１のレンズ素子２３２はゲルマニウムでできており（ｉｉ）後部第２のレンズ素子２３４はＺｎＳでできている。本実施例において、（ｉ）アプラナティックな前部第１のレンズ素子２２６及びアプラナティックな後部第１のレンズ素子２３２の使用（ｉｉ）前部第１のレンズ素子２２６及び後部第１のレンズ素子２３２において高い屈折率材料（例えばゲルマニウム）の使用、及び（ｉｉｉ）屈折レンズ素子２２０の使用を通して、収差は最小化され、高い分解能（高いＮＡ）、広い視野（ＦＯＶ）の性能を実現する。
図２Ｃは、上記で説明され、図２Ａ及び図２Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ２１０の性能を例示するグラフである。図２Ｃは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。より詳細には、図２Ｃは、上記で説明され、図２Ａ及び図２Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ２１０について、マイクロメータ単位の波長（水平軸）に対する、波を単位にしたＲＭＳ波面誤差（垂直軸）を例示する。グラフは、４つの異なる視野位置の場合の別々の曲線を含み、すなわち、（ｉ）視野位置が軸上の場合の曲線２５６（ｉｉ）視野位置が−０．５ミリメートル（−０．５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線２５８（ｉｉｉ）視野位置が−０．７５０ミリメートル（−０．７５０ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線２６０、及び（ｉｖ）視野位置が−１．０００ミリメートル（−１．０００ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線２６２。図２Ｃに例示されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のＲＭＳ波面誤差は、視野位置及び波長によって変化するだろう。重要なことは、対物レンズ・アセンブリ２１０は、所望の帯域にわたってできる限り最良にＲＭＳ波面誤差を最小化するように設計されていることである。
図２Ｃに例示されるように、ＲＭＳ波面誤差は、全体の５．５から１１マイクロメートルの領域について０．１８波より小さい。加えて、各曲線２５６、２５８、２６０、２６２は、５．５から１１マイクロメートルの領域において、特定の波長において最小のＲＭＳ波面誤差を有することに注意されたい。従って、上記に提供されるように、ＲＭＳ波長誤差は、前部分離距離「ａ」を調整することによって、再び調整可能である。
対物レンズ・アセンブリ３１０の別の非排他的な実例は、対物面１５及び像平面１６を伴って、図３Ａに例示される。本実施例において、対物レンズ・アセンブリ３１０は、上記に説明されるレンズ・アセンブリ１０に、若干類似している。しかしながら、本実施例において、対物レンズ・アセンブリ３１０は０．７の開口数及び１２．５の拡大率を有する。
図３Ａに例示される実施例において、対物レンズ・アセンブリ３１０は、６つの、離れて間隔を置いて配置される光学レンズ素子３２０を含み、それは３つのグループに、すなわち、（ｉ）第１の２つの素子３２０を含む前部レンズ群３２０Ａ（ｉｉ）３つの素子３２０を含む中間レンズ群３２０Ｂ、及び（ｉｉｉ）単一のレンズ素子３２０を含む後部レンズ群３２０Ｃに分類可能である。前部レンズ群３２０Ａは、対物面１５に対して、後部レンズ群３２０Ｃより近く、一方、前部レンズ群３２０Ａは、像平面１６に対して、後部レンズ群３２０Ｂより遠い。
便宜上、図３Ａにおいて左から右へ移動すると（物***置から像の位置に）、レンズ素子３２０の（ｉ）前部レンズ群３２０Ａは、前部第１のレンズ素子３２６、及び、前部第２のレンズ素子３２８と名前を付けることができ、（ｉｉ）中間レンズ群３２０Ｂは、中間第１のレンズ素子３３０、中間第２のレンズ素子３３２、及び中間第３のレンズ素子３３４、及び、（ｉｉｉ）後部レンズ群３２０Ｃの単一のレンズ素子３２０と名前を付けることができる。
図３Ｂは、（ｉ）前部レンズ群３２０Ａのレンズ素子３２６、３２８（ｉｉ）中間レンズ群３２０Ｂのレンズ素子３３２、３３４、３３６（ｉｉｉ）後部レンズ群３２０Ｃの１つのレンズ素子３２０、及び（ｉｖ）物体１４を含む、図３Ａの対物レンズ・アセンブリ３１０の一部を拡大し、簡略化した側面図である。レンズ素子３２０のそれぞれは、前方表面３３６及び後方表面３３８を含む。更に、各レンズ３２０はレンズ厚３８０（１つのみが図示される）を有し、分離距離３８２（１つのみが図示される）は隣接するレンズ素子３２０を分離する。更に、前部第１のレンズ素子３２６の前方表面３３６は、光軸２２に沿って、物体１４から前部分離距離「ａ」離れて間隔を置いて配置される。
下記の表３は、図３Ａ及び図３Ｂの対物レンズ・アセンブリ３１０のための１つの非排他的なレンズの仕様である。
図３Ｃは、上記で説明され、図３Ａ及び図３Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ３１０の性能を例示するグラフである。図３Ｃは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。より詳細には、図３Ｃは、上記で説明され、図３Ａ及び図３Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ３１０について、マイクロメータ単位の波長（水平軸）に対する、波を単位にしたＲＭＳ波面誤差（垂直軸）を例示する。グラフは、４つの異なる視野位置の場合の別々の曲線を含み、すなわち、（ｉ）視野位置が軸上の場合の曲線３５６（ｉｉ）視野位置が−０．１２５ミリメートル（−０．１２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線３５８（ｉｉｉ）視野位置が−０．２５０ミリメートル（−０．２５０ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線３６０、及び（ｉｖ）視野位置が−０．３２５ミリメートル（−０．３２５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線３６２。図３Ｃに例示されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のＲＭＳ波面誤差は、視野位置及び波長によって変化するだろう。
図３Ｃに例示されるように、ＲＭＳ波面誤差は、全体の５．５から１１マイクロメートルの領域について０．５波より小さい。加えて、各曲線３５６、３５８、３６０、３６２は、５．５から１１マイクロメートルの領域において、特定の波長において最小のＲＭＳ波面誤差を有することに注意されたい。従って、上記に提供されるように、ＲＭＳ波長誤差は、前部分離距離「ａ」を調整することによって、再び調整可能である。
図３Ｄは、１５５５ｃｍ−１（６．４３μｍ）の赤外のレーザー照射によって、表３に定められた、６素子の０．７ＮＡ、１２．５ｘレンズ・アセンブリ３１０を使用して、ＵＳＡＦ１９５１分解能試験ターゲットの赤外の像の実際の試験結果を例示する。試験ターゲットは、ソーダ石灰ガラス基板にリソグラフィで定められた、幅及び間隔を変えた垂直及び水平のクロムの棒線のグループからなる。像は、表３において定められる赤外の光学アセンブリが、６５０μｍの視野にわたって、４．３９μｍまで対象物を分解することができることを実証する。この結果は、レンズ・アセンブリの性能が、公式ＮＡ＿ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ＝０．６１×λ／４．３９を使用して計算された、０．９の実効開口数（有効なＮＡ）を生じさせることによって、設計仕様を超えることを実証した。
対物レンズ・アセンブリ４１０の更に別の非排他的な実例は、対物面１５及び像平面１６を伴って、図４Ａに例示される。本実施例において、対物レンズ・アセンブリ４１０は、上記の説明されるレンズ・アセンブリ１０に、若干類似している。しかしながら、本実施例において、対物レンズ・アセンブリ３１０は、０．１５の開口数及び４ｘの拡大率を有する。
図４Ａに例示される実施例において、対物レンズ・アセンブリ４１０は、３つの、間隔を置いて離れて配置される光学レンズ素子４２０を含み、それは、２つのグループに、すなわち、（ｉ）第１の２つの素子４２０を含む前部レンズ群４２０Ａ、及び（ｉｉ）単一のレンズ素子４２０を含む後部レンズ群４２０Ｂに分類可能である。前部レンズ群４２０Ａは、対物面１５に対して、後部レンズ群４２０Ｂより近く、一方、前部レンズ群４２０Ａは、像平面１６に対して、後部レンズ群４２０Ｂより遠い。
便宜上、図４Ａにおいて左から右へ移動すると（物***置から像の位置に）、レンズ素子４２０の（ｉ）前部レンズ群４２０Ａは、前部第１のレンズ素子４２６、及び、前部第２の素子４２８（ｉｉ）後部レンズ群４２０Ｂの単一のレンズ素子４２０と名前を付けることができる。
図４Ｂは、（ｉ）前部レンズ群３２０Ａのレンズ素子４２６、４２８、及び（ｉｉ）後部レンズ群４２０Ｂの１つのレンズ素子４２０、及び（ｉｉｉ）物体１４を含む、図４Ａの対物レンズ・アセンブリ４１０の一部を拡大し、簡略化した側面図である。レンズ素子４２０のそれぞれは、前方表面４３６及び後方表面４３８を含む。更に、各レンズ４２０はレンズ厚４８０（１つのみが図示される）を有し、分離距離４８２（１つのみが図示される）は隣接するレンズ素子４２０を分離する。更に、前部第１のレンズ素子４２６の前方表面４３６は、光軸２２に沿って、物体１４から前部分離距離「ａ」離れて間隔を置いて配置される。
下記の表４は、図４Ａ及び図４Ｂの対物レンズ・アセンブリ４１０のための１つの非排他的なレンズ仕様である。
図４Ｃは、上記で説明され、図４Ａ及び図４Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ４１０の性能を例示するグラフである。図４Ｃは、光学及び照明設計ソフトウェアを使用して生成された、シミュレーションデータを例示する。より詳細には、図４Ｃは、上記で説明され、図４Ａ及び図４Ｂにおいて例示される対物レンズ・アセンブリ４１０について、マイクロメータ単位の波長（水平軸）に対する、波を単位にしたＲＭＳ波面誤差（垂直軸）を例示する。グラフは、４つの異なる視野位置の場合の別々の曲線を含み、すなわち、（ｉ）視野位置が軸上の場合の曲線４５６（ｉｉ）視野位置が−０．５ミリメートル（−０．５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線４５８（ｉｉｉ）視野位置が−０．７５ミリメートル（−０．７５ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線４６０（ｉｖ）視野位置が−１ミリメートル（−１ミリメートルの放射軸オフセット）の場合の曲線４６２。図４Ｃに例示されるように、対物レンズ・アセンブリ１０のＲＭＳ波面誤差は、視野位置及び波長によって変化するだろう。
図４Ｃに例示されるように、ＲＭＳ波面誤差は、全体の５．５から１１マイクロメートルの領域について０．８波より小さい。加えて、各曲線４５６、４５８、４６０、４６２は、５．５から１１マイクロメートルの領域の特定の波長において最小のＲＭＳ波面誤差を有することに注意されたい。従って、上記に提供されるように、ＲＭＳ波長誤差は、前部分離距離「ａ」を調整することによって、再び調整可能である。
図５は、本発明の特徴を有しているアセンブリ５００の簡略化された説明図である。より詳細には、図５に例示されるアセンブリ５００は、本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリ５１０を利用する、中赤外の結像型顕微鏡（ｉｍａｇｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）である。特に、結像型顕微鏡５００は、物体１４の様々な特性を分析し、評価するために使用可能である。例えば、１つの実施例において、結像型顕微鏡５００は、通常の照明の下ではあまり明らかでない試料１４の特性を明らかにするために、１つ又は複数の物体（試料）１４から直接の情報を得る、調整可能なレーザー放射を使用する、赤外の結像型顕微鏡である。
試料１４は、通常又は専門の顕微鏡を使用して一般に分析される、ヒト組織、動物組織、植物物質、起爆性残留物、粉、液体、固体、インク、及び他の材料を含む、様々な物質であり得る。より具体的には、ある非排他的な応用例において、試料１４は、ヒト組織であってもよく、結像型顕微鏡５００は、ガン細胞の存在及び／又は他の健康に関連する状態のために、組織試料１４の迅速なスクリーニングのために利用可能であり、及び／又は、結像型顕微鏡５００は、起爆性残留物及び／又は他の危険物の存在のための試料１４の迅速なスクリーニングなどの、ある法医学応用例で利用可能である。加えて、分析のために結像型顕微鏡５００内で実質的に配置される場合、試料１４はそれ自体で存在可能であり、又は、試料１４は１つ又は複数のスライド（例えば、赤外で透明なスライド）を使用して定位置に保持可能である。
更に、試料１４は、照射ビーム（例えば、赤外の照射ビーム）が試料１４を貫通する透過を通じて（すなわち透過モードで）調査を可能にするために、十分に薄い可能性があり、又は、試料１４は、試料による、照射ビーム（例えば、赤外の照射ビーム）の反射を通じて（すなわち反射モードで）分析される、光学的に不透明な試料であってもよい。例えば、図５に例示される実施例において、結像型顕微鏡５００は、透過モード及び反射モードで二者択一的に利用可能である。
結像型顕微鏡５００の設計は、変更可能である。図５に例示される実施例において、結像型顕微鏡５００は、（ｉ）レーザービーム５７４を生成するレーザー光源５７２（ｉｉ）ビーム５７４をある方向に向ける（ｓｔｅｅｒ）、間隔を置いて離れて配置された複数のビームステアラ（ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｅｒ）５０２（ｉｉｉ）透過モード又は反射モードのどちらかでビーム５７４を物体１４に向けるように制御された、照射スイッチ５０４（ｉｖ）本発明の特徴を有している対物レンズ・アセンブリ５１０（ｖ）ビーム・スプリッタ５０６、及び（ｖｉｉ）物体１４の赤外の像を取り込む光検出器７２４を含む。結像型顕微鏡５００は、図５に例示されるものより多い又は少ない構成部品によって設計可能であり、及び／又は、構成部品は、図５に例示されるものと別のやり方で構成可能であることに注意されたい。例えば、顕微鏡５００は、本発明の特徴を有する１つ又は複数の中赤外の対物レンズ・アセンブリ、及び／又は、中赤外のスペクトル領域の外側で作動する１つ又は複数の対物レンズ・アセンブリを含む、複数位置レンズタレット（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｌｅｎｓ ｔｕｒｒｅｔ）（図示せず）を含むことができる。
１つの実施例において、レーザー光源５７２は、透過モード及び／又は反射モードにおいて、試料１４を照射し、分析するために使用可能な、時間的にコヒーレントな照射ビーム５７４を放射する。ある実施例において、レーザー光源５７２は、近似的に２から２０ミクロン（２〜２０μｍ）の間の中赤外（「ＭＩＲ」）領域スペクトルに存在する、照射ビーム３４を生成する中赤外（ＭＩＲ）のビーム源である。レーザー光源５７２は、パルスレーザー及び／又は連続波（ＣＷ）レーザーであり得る。更に、レーザー光源５７２は、所望の中赤外のスペクトル領域の一部又は全てに及ぶ、１つ又は複数の個別のレーザーを含むことができる。更に、各レーザーは、利得媒質、空洞光アセンブリ、出力光アセンブリ、及び波長依存（「ＷＤ」）フィードバックアセンブリ（例えば可動回折格子）を含む、外部共振器レーザーであり得る。１つの非排他的な実施例において、利得媒質は、いかなる周波数変換もせずに、それぞれのビーム５７４を直接放射する。非排他的な例として、利得媒体は、量子カスケード（ＱＣ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ）利得媒体、バンド間カスケード（ＩＣ：Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ Ｃａｓｃａｄｅ）利得媒体、又は中赤外のダイオードであり得る。或いは、別のタイプの利得媒体も利用可能である。他の実施例において、レーザー光源５７２は、グローバー（ｇｌｏｗ ｂａｒ）、又は、例えばフィルタされたシンクロトロンによって生成される準コヒーレント源などの、インコヒーレントな赤外の放射源である。
光検出器７２４は、赤外光を検出して、赤外光を試料の像を表すアレイ状の電子信号に変換する、イメージセンサを含む赤外カメラであり得る。ある実施例において、イメージセンサは、照射ビーム５７４の波長に感応する、二次元アレイ状の感光性素子（画素）（例えば焦点面アレイ（ＦＰＡ））を含む。画素素子間の間隔はアレイのピッチと呼ばれる。例えば、照射ビーム５７４がＭＩＲ領域にある場合、イメージセンサはＭＩＲ撮像素子である。より詳細には、照射ビーム５７４が２から２０μｍまでの赤外スペクトル領域にある場合、イメージセンサは２から２０μｍまでの赤外のスペクトル領域に感応する。適切な赤外イメージセンサの非排他的な実例は、（ｉ）７から１４μｍスペクトル領域において通常は応答するＦＬＩＲ Ｔａｕ６４０赤外線カメラ内のＦＰＡなどの酸化バナジウム（ＶＯｘ）マイクロボロメータアレイ（ｉｉ）７．７から１１．５のμｍスペクトル領域において応答するＦＬＩＲ Ｏｒｉｏｎ ＳＣ７０００シリーズカメラ内のＦＰＡなどの水銀テルル化カドミウム（ＨｇＣｄＴｅ又はＭＣＴ）アレイ（ｉｉｉ）１．５から５．５μｍスペクトル領域において応答するＦＬＩＲ Ｏｒｉｏｎ ＳＣ７０００シリーズカメラ内のＦＰＡなどのアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）アレイ（ｉｖ）インジウム砒化ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）（ｖ）２から２０μｍスペクトル領域において応答するＤＲＳ（ＤＲＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）からＶＯｘ及び他の材料を含む非冷却ハイブリッドアレイ、又は（ｖｉ）２〜２０μｍ領域において赤外光に感応するように設計されると共に画像情報の二次元アレイを生成するために各素子の信号レベルから読み出しを可能にする電子回路を有する、任意の他のタイプのイメージセンサ、を含む。加えて、結像型顕微鏡１２は、１つ又は複数のプロセッサ及び／又は記憶装置を含む、処理装置（図示せず）を更に含み、及び／又はそれに連結することができる。例えば、処理装置は、ＩＲカメラの画素から情報を受信し、試料の像を生成することができる。更に、処理装置は、レーザー光源１４の動作を制御可能である。
本明細書に説明されるレンズ素子は、中赤外のスペクトル領域での使用に適した特別な材料でできている。中赤外（ｍｉｄ−ＩＲ）レンズのために使用できる一般的な材料は、セレン化亜鉛又はＺｎＳｅである。ＺｎＳｅはまた、本明細書に示される構成に用いる場合にも適している。ＺｎＳｅは、特別な「ダイヤモンド旋削」プロセスの非球面レンズを形成するために使用されてもよい。優れた結果がこの方法で取得された一方で、ダイヤモンド旋削は高価である場合があり、時々、結果として不完全な装置となる。ＺｎＳｅ材料はまた、高価であり、ある更なる欠点を有する。ある場合において、ＺｎＳｅ以外の材料が好まれてもよい。「カルコゲニド」として、時として本明細書において知られている材料は、また、中赤外の波長での使用に適したレンズを形成するために使用されてもよい。カルコゲニドは、これらの材料が折々に成形されてもよいので、特に有効である。複雑な面形状（例えばある非球面レンズ）を有しているレンズの場合に、成形は、安価な製造のための良好な選択肢である。これらのレンズを形成するために有効な１つの好適なタイプの材料は、その商標名「ＡＭＴＩＲ−１」によって時々照会される。
本発明の多くの例示的な態様及び実施例を上述したが、当業者は、ある修正、置換、追加、及びそれらの部分的組合せを理解されよう。それ故、次の添付の請求の範囲、及び今後導かれる請求項が、それらの真の趣旨及び範囲内にあるように、全てのその修正、置換、追加、及び部分的組合せを含むように解釈されることが意図される。

Claims (14)

  1. 対物面に配置される物体から中赤外の光を集めて、前記中赤外の光を像平面に集束させる、中赤外の対物レンズ・アセンブリであって、
    前記中赤外のスペクトル領域において動作する、複数の、間隔を置いて離れて配置される屈折レンズ素子を含み、
    前記複数のレンズ素子は、前記物体に最も近い、アプラナティックな第１のレンズ素子を含み、
    前記第１のレンズ素子は、前記物体に面する前方表面、及び前記物体から隔たって面する後方表面を有し、
    前記前方表面は負である曲率半径を有し、
    前記第１のレンズ素子は１００ミリメートル未満の作動距離を有し、前記複数のレンズ素子は光軸に沿って間隔を置いて配置され、前記第１のレンズ素子の前記前方表面は、前記光軸に沿って前記対物面から前部分離距離離れて配置され、前記前部分離距離は、前記第１のレンズ素子の前記前方表面の前記曲率半径の大きさに近似的に等しい、対物レンズ・アセンブリ。
  2. 前記第１のレンズ素子の前記前方表面は前記曲率の前方中心を有し、前記第１レンズ素子は、曲率の前記前方中心が前記光軸に配置されると共に近似的に前記対物面に存在するように、配置される、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  3. 前記第１のレンズ素子がゲルマニウムでできている、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  4. 前記複数のレンズ素子は、少なくとも第２のレンズ素子及び第３のレンズ素子を更に含み、前記レンズ素子の少なくとも２つは、異なる材料でできており、前記レンズ素子のそれぞれは、ゲルマニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、及びシリコンを含むグループから選択される材料でできている、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  5. 前記複数のレンズ素子が少なくとも第２のレンズ素子及び第３のレンズ素子を更に含み、前記レンズ素子の少なくとも３つが異なる材料でできており、前記レンズ素子のそれぞれは、ゲルマニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、及びシリコンを含むグループから選択される材料でできており、前記第１のレンズ素子が、前記第２のレンズ素子の第２の材料の赤外のアッベ数より大きい、赤外のアッベ数を有する、第１の材料でできている、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  6. 前記複数のレンズ素子における隣り合うレンズ素子の間は、前記光軸に沿って分離距離離れており、前記分離距離は、０．５ミリメートル以上か、５マイクロメートル未満、又はゼロマイクロメートルである、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  7. 前記複数のレンズ素子は、前部レンズ群及び後部レンズ群を含むように配置され、前記前部レンズ群は、前記第１のレンズ素子を含み、前記後部レンズ群より前記物体に近く、前記前部レンズ群は無限の像共役のために補正され、前記後部レンズ群は、間隔を置いて離れて配置される、第１の後部レンズ素子及び第２の後部レンズ素子を含み、前記後部レンズ素子は、前記後部レンズ群の有効焦点距離が波長の増加につれて減少するような逆分散を実現するように設計されている、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  8. 前記第１のレンズ素子の前記後方表面は、次式によって定義される、前記アプラナティックの条件を近似的に満足する曲率半径Ｒを有し、
    Ｒ＝−（η／（η＋η’））×Ｌ
    ここで、ηは前記第１のレンズ素子の屈折率であり、η’は前記レンズ素子を取り囲んでいる媒質の屈折率であり、Ｌは前記後方表面の頂点から軸上の物点までの物理的な距離であり、前記物理的な距離は、前記軸上の物点から前記第１の素子の前記前方表面の頂点までの距離と、前記第１のレンズ素子の中心厚との合計である、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  9. 請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリを含み、
    前記対物レンズ・アセンブリの各レンズ素子の中心厚Ｌｃは、センチメートルで測定され、公式：Ｌｃ＞１／（４×η）に従い、
    ここで、ηが前記レンズ・アセンブリの前記中赤外の動作帯域にわたる平均屈折率である、アセンブリ。
  10. 前記中赤外のスペクトル領域内にあるレーザービームを前記物体に向ける、中赤外レーザーを更に含む、請求項９に記載のアセンブリ。
  11. 前記中赤外のスペクトル領域において近似的に５．５マイクロメートルの波数領域にわたって、且つ１００マイクロメートルから２ミリメートルまでの間の視野にわたって、近似的に０．５波より小さいＲＭＳ波面誤差を有する、請求項１に記載の対物レンズ・アセンブリ。
  12. 請求項１の対物レンズ・アセンブリと、
    前記前部分離距離を調整するために前記物体及び前記第１のレンズ素子の少なくとも１つを移動させる移動アセンブリと、
    ＲＭＳ波面誤差を減少させるために、前記前部分離距離を選択的に調整するように前記移動アセンブリを制御する、制御システムと、
    を含む、アセンブリ。
  13. 前記移動アセンブリが前記前部レンズ素子に対して前記物体を移動させる、請求項１２に記載のアセンブリ。
  14. 前記中赤外のスペクトル領域内にあるレーザービームを前記物体に向ける、中赤外レーザーを更に含み、
    前記制御システムは、ＲＭＳ波面誤差を最小にするために、前記レーザービームの波長に基づいて、前記前部分離距離を選択的に調整するように前記移動アセンブリを制御する、請求項１２に記載のアセンブリ。
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