JP2013242565A5 - - Google Patents

Description

少なくとも１つの開示例によれば、本開示は、物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、第１の中間像に基づいて物体像を形成する第２及び第３の光学群と、を備える光学系を提供する。第１乃至第３の光学群は、物体側から像側までの光路に沿って順に配置され、第１の光学群は、前記物体からの光を内部で複数回反射しつつ集光する固体レンズから成り、第２の光学群はマンジャンミラーを含み、第３の光学群は複数のレンズを含む。液浸流体は、物体面と固体レンズの第１の表面との間の空間に供給される。利点として、開口数が１．３よりも大きく、視野サイズ（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｓｉｚｅ）（視野サイズ（ｆｉｅｌｄ ｓｉｚｅ））が６ｍｍよりも大きく、４０ｍλ程度の低いＲＭＳ誤差を有する波面が達成される。

図３は、第１の光学群の固体レンズ１０２及びその光収集能力を示す。ここで、固体レンズは、単一の固体材料で製作されたレンズ又は単一の固体要素で製作されたレンズに限定されない。換言すれば、固体レンズ１０２は、同じ材料又は異なる材料の２つ以上のレンズ要素を接合することによって得てもよい。図３において、物体Ｏで生じ、角度θ_ｍでレンズ１０２に入射する光Ｆ１の光線は、第１の表面１０４の透明領域Ｔを通過し、まず、第２の表面１０６の反射領域Ｒに入射し、次に、光Ｆ１の光線は、第１の表面１０４に向けて光Ｆ２として反射される。第１の表面１０４の反射領域Ｒから、光Ｆ２は、固体レンズ１０２の頂点の近くに（それの近傍に）、及び、それと直交して配置される第１の中間像面ＩＭＰ１に向けて収集光Ｆ３の光線として前方反射される。第１の中間像面ＩＭＰ１において、収集光Ｆ３の反射光線は、結合されて第１の中間像ＩＩＭ１を形成する。従って、第１の光学群１００は、その内部に２つの反射面（１０４及び１０６におけるＲ）と、その中心領域に透過部分Ｔとを有する固体レンズ１０２からなると言うことができる。これらの２つの反射面（１０４及び１０６におけるＲ）によって、物体Ｏで生じた光は、固体レンズ１０２の内部で少なくとも２つの反射を受け、外向ペッツバール湾曲及び最小の軸上色収差を有する中間像ＩＩＭ１を形成する。具体的には、レンズ１０２の第２の表面１０６の凹面湾曲は、外向ペッツバール湾曲を意図的に生成するように設計され、外向ペッツバール湾曲は、第３の光学群３００によって生成される内向ペッツバール湾曲で補正することができる。液浸流体１１２に沈められることが好ましい物体Ｏは、第１の表面１０４から所定の距離内に配置される。第１の表面１０４から物体Ｏまでの所定の距離は、作動距離と称されるもの即ち顕微鏡の対物光学系の物体空間を定める。物体空間のＮＡは、式（１）で定義されるような角度θ_ｍによって決定される。

次に、光学系２の各光学群の具体的な構造及び機能を詳細に説明する。固体レンズ４０２からなる第１の光学群４００は、図１に示す第１の光学群１００と実質的に同様である。動作時において、第１の光学群４００は、物体空間の全反射（ＴＩＲ）を防止し、１．６５以上の高い開口数を提供することによって、光学系２の光収集能力を最適化する。より具体的には、光学系１の固体レンズ１０２と同様に、固体レンズ４０２の第１の表面４０４及び第２の表面４０６のそれぞれは、その光軸に実質的に中心を有する透明（透過）部分と、透明部分を同心状に囲む反射部分とを含む。固体レンズ４０２の第１の表面及び第２の表面の反射部分は、例えば、反射性であることが望まれる固体レンズの領域を選択的にコーティングすることによって形成することができる。このようにして、固体レンズ４０２は、反射部分内で光を内部反射し、透明部分を通して高ＮＡで光を収集する。コーティングした反射部分と、透過（透明）部分とを含む表面を有するレンズは、当業者によく知られていると考えられる。従って、コーティング材料又はコーティング技術に関する具体的な詳細は、ここでは説明しない。しかしながら、重要なことには、固体レンズ４０２の表面（４０４及び４０６）の反射部分は、好ましくは、約４００から７００ナノメートルの波長を有する光を反射するように設計する。更に、固体レンズ４０２は、ドライ環境又はウエット環境で動作することができる。例えば、固体レンズ４０２の少なくとも第１の表面４０４は、開放環境（例えば、空気）にさらされるか、或いは、液浸流体（例えば、オイル）に沈められて動作するように設計することができる。その目的のために、固体レンズ４０２の第１の表面４０４の少なくとも反射部分は、高反射性材料でコーティングされるべきであり、高反射性材料は、腐食に耐性があるべきである。液浸流体の屈折率は、好ましくは、第１の表面４０４の透明（透過）領域の屈折率に可能な限り接近して一致するように選択する。従って、固体レンズ４０２（第１の表面４０４は、実質的に平坦であり、第２の表面４０６は、物体面に対して凹面であり、それらは、それぞれ、その中に内部反射領域を有する）は、その内部で光を少なくとも２回反射し、外向ペッツバール湾曲を有する第１の中間像ＩＩＭ１を生成する平凸レンズから形成される。これにより、光学系２は、対物レンズのＦＯＶを増大させるとともに、光捕捉能力を高めることができる。

図４の光学系２では、物体Ｏで生じた光は、固体レンズ４０２の内部で少なくとも２回反射されながら集光される。物体Ｏで生じた光は、第１の表面４０４の透過部分を通過し、第２の表面４０６に向けて前進する。第２の表面４０６において、その反射部分で、収集光は、第１の表面４０４に向けて反射され、収集光は、そこから第２の表面４０６の透過部分に向けて再度反射される。固体レンズ４０２の実質的に頂点において、或いは、それのすぐ近くにおいて、固体レンズ４０２の内部で少なくとも２回反射された光は組み合わされて、中間像ＩＩＭ１を形成する。換言すれば、図４の第１の光学群４００は、図１の第１の光学群１００と実質的に同様に機能する。第１の光学群４００が物体Ｏで生じた光を収集する方法は、図３に示したものと同様である。従って、第１の光学群４００のペッツバール湾曲及び色収差は、第１の光学群１００のものと実質的に同様である。実際に、数値例２（表５のデータを参照）に従って、且つ、式（３）を使用することによって、第２の実施形態の第１の光学群４００のペッツバール和は、−０．００３６であることが見いだされた。

Claims (19)

1. 物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、前記第１の中間像に基づいて物体像を形成する第２及び第３の光学群と、を備える光学系であって、
   前記第１乃至第３の光学群は、物体側から像側までの光路に沿って順に配置され、
   前記第１の光学群は、前記物体からの光を内部で複数回反射しつつ集光する固体レンズから成り、
   前記第２の光学群はマンジャンミラーを含み、前記第３の光学群は複数のレンズを含むことを特徴とする光学系。
2. 前記固体レンズは、第１の面と、該第１の面に向けた凹面である第２の面と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記固体レンズにおいて、前記物体からの光は、前記第２の面により前記第１の面に向けて反射され、且つ、前記第１の面により像側に向けて反射されて、前記第１の中間像を形成するように集光されることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記第２の光学群は、２つのマンジャンミラーとレンズ群とを含み、前記２つのマンジャンミラーの少なくとも一方は、物体側に向けた凹面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記第２の光学群が含む前記レンズ群は、前記第１の中間像に基づいて第２の中間像を形成し、且つ、前記第３の光学群は、前記第２の中間像に基づいて前記物体像を形成することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記第２の光学群は、光軸周辺に設けられた透過部と物体側の面に設けられた反射部とを含む第１のマンジャンミラーと、光軸周辺に設けられた透過部と像側の面に設けられた反射部とを含む第２のマンジャンミラーと、を含み、前記固体レンズからの光束は、前記第１のマンジャンミラーの透過部、前記第２のマンジャンミラーの反射部、前記第１のマンジャンミラーの反射部、前記第２のマンジャンミラーの透過部、を順に介した後に前記第３の光学群に導かれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 前記第２の光学群は、１つのマンジャンミラーと、軸上に中空部が設けられた凹面ミラーと、を含み、前記１つのマンジャンミラー及び前記凹面ミラーは、物体側から像側までの光路に沿って順に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
8. 前記第２の光学群は、前記固体レンズからの光を前記第３の光学群に中継し、且つ、前記第３の光学群は、前記第２の光学群からの光を集光して前記物体像を形成することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 前記固体レンズからの光は、前記凹面ミラーにより前記マンジャンミラーに向けて反射され、且つ、前記マンジャンミラーにより前記凹面ミラーの前記中空部に向けて反射され、前記凹面ミラーの前記中空部を透過することを特徴とする請求項７又は８に記載の光学系。
10. 前記第２の光学群は、非球面を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学系。
11. 約４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長範囲の光を用いて前記物体を結像することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学系。
12. 前記第１乃至第３の光学群のそれぞれは正の屈折力を有し、前記第１の光学群は外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、前記第２及び第３の光学群の一方は外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、前記第２及び第３の光学群の他方は内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学系。
13. 開口数が１．３以上であり、且つ、視野サイズが６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学系。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学系と、該光学系からの光を受光する光検出器と、を備えることを特徴とする撮像装置。
15. 物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、前記第１の中間像に基づいて物体像を形成する第２及び第３の光学群と、を備える光学系であって、
    前記第１乃至第３の光学群は、物体側から像側までの光路に沿って順に配置され、
    前記第１の光学群は、前記物体からの光を内部で複数回反射しつつ集光しており、
    前記第２の光学群はマンジャンミラーを含み、前記第３の光学群は複数のレンズを含み、
    前記第１乃至第３の光学群のそれぞれは正の屈折力を有し、前記第１の光学群は外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、前記第２及び第３の光学群の一方は外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、前記第２及び第３の光学群の他方は内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成することを特徴とする光学系。
16. 前記第２の光学群は、光軸周辺に設けられた透過部と物体側の面に設けられた反射部とを含む第１のマンジャンミラーと、光軸周辺に設けられた透過部と像側の面に設けられた反射部とを含む第２のマンジャンミラーと、を含み、前記第１の光学群からの光束は、前記第１のマンジャンミラーの透過部、前記第２のマンジャンミラーの反射部、前記第１のマンジャンミラーの反射部、前記第２のマンジャンミラーの透過部、を順に介した後に前記第３の光学群に導かれることを特徴とする請求項１５に記載の光学系。
17. 前記第２の光学群は、１つのマンジャンミラーと、軸上に中空部が設けられた凹面ミラーと、を含み、前記１つのマンジャンミラー及び前記凹面ミラーは、物体側から像側までの光路に沿って順に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の光学系。
18. 前記第２の光学群は、前記第１の光学群からの光を前記第３の光学群に中継し、且つ、前記第３の光学群は、前記第２の光学群からの光を集光して前記物体像を形成することを特徴とする請求項１７に記載の光学系。
19. 前記第１の光学群からの光は、前記凹面ミラーにより前記マンジャンミラーに向けて反射され、且つ、前記マンジャンミラーにより前記凹面ミラーの前記中空部に向けて反射され、前記凹面ミラーの前記中空部を透過することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の光学系。