JPH10260362A - 液浸系対物レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液浸系対物レンズの諸収差を良好に補正す
る。 【解決手段】 正の第１レンズ群と正の第２レンズ群
と負の第３レンズ群とにて構成し、第２レンズ群に屈折
力が正の屈折率分布レンズを又第３レンズ群に屈折力が
負の屈折率分布レンズを配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、屈折率分布レンズ
特に半径方向に屈折率が変化するいわゆるラジアル型屈
折率分布レンズを用いた液浸系顕微鏡対物レンズに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】対物レンズにおいて、球面収差、コマ収
差、像面湾曲、色収差等の諸収差を充分良好に補正する
ためには、レンズ枚数を多くしなければならず、コスト
の面で大きな問題があった。この問題を解決するために
は均質ガラスに較べて収差補正の自由度の大きな屈折率
分布レンズを用いることが知られている。

【０００３】顕微鏡対物レンズに屈折率分布レンズを用
いた従来例として特開昭６２−３１８１６号公報に記載
されたレンズ系がある。しかしこの顕微鏡対物レンズ
は、屈折率分布レンズを３枚も使用しており、コストの
点で望ましくなくまたＮＡが０．４６で小さい。

【０００４】また、特開昭６２−３４１１７号公報に記
載されたレンズ系は、屈折率分布レンズを１枚用いたも
のであるが、色収差の補正については考慮されておら
ず、またＮＡが０．９３までであって、ＮＡが１．０を
超えるような液浸系対物レンズについては考慮されてい
ない。

【０００５】また、特開平６−３５９８号公報、特開平
７−１５９６９７号公報に記載されているレンズ系は、
屈折率分布レンズが２〜３枚で少ないがＮＡが０．８ま
ででしかなくＮＡが１．０を超えるような液浸系対物レ
ンズについては考慮されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＮＡが１．
０を超える液浸系対物レンズで、諸収差が良好に補正さ
れた液浸系対物レンズを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の液浸系対物レン
ズは、物体側から順に、平凸単レンズ又は像側に強い凸
面を向けた接合面を持つ平凸レンズを含む正の屈折力の
第１レンズ群と、正の屈折力を持つ屈折率分布レンズを
含む第２レンズ群と、負の屈折力を持つ屈折率分布レン
ズを含む第３レンズ群とからなる少なくとも３群構成よ
りなることを特徴とする。

【０００８】上記本発明の対物レンズにて用いられる屈
折率分布レンズは、その屈折率分布Ｎ（ｒ）が下記の式
（ａ）にて表わされる。 Ｎ（ｒ）＝Ｎ₀₀＋Ｎ₁₀ｒ² ＋Ｎ₂₀ｒ⁴ ＋・・・ （ａ） この式（ａ）においてｒは光軸から半径方向の距離、Ｎ
₀₀は光軸上の屈折率、Ｎ₁₀、Ｎ₂₀、・・・は夫々２次、
４次、・・・の係数である。

【０００９】一般に顕微鏡対物レンズは、作動距離や、
ＮＡ、倍率などの様々な諸要件を満たしながら諸収差を
充分に補正する必要があるため、レンズ枚数が多くな
り、複雑な光学系になり、コスト面で問題がある。

【００１０】均質ガラスよりなるレンズは、レンズ面で
光線が屈折することにより収差が発生するが、レンズ枚
数の少ないレンズ系の場合、各面での光線の屈折角が大
になり、各面での収差発生量が大になる。そのために、
レンズ系を構成するレンズの枚数を多くし各面での光線
の屈折角を小にすることにより各面で発生する収差を小
さくしてレンズ系全体の収差を補正している。

【００１１】一方、屈折率分布型ガラスは媒質に屈折力
を持たせることにより収差補正が出来、したがって屈折
率分布レンズは、レンズ面で発生する収差量を小さくで
き、レンズ枚数が少なくてもレンズ系全体での収差を良
好に補正することができる。

【００１２】このように均質レンズよりも収差補正能力
の高い屈折率分布レンズを用いることにより対物レンズ
のレンズ枚数の削減が可能である。

【００１３】本発明は、液浸系対物レンズでＮＡが１．
０以上と大きい対物レンズを得ることを目的とするもの
で、そのためには第１レンズ群を平凸正レンズまたは像
側に強い凸面を向けた接合面を持つ平凸形状の接合レン
ズとにて構成し、この平凸単レンズ又は平凸接合レンズ
の凸面を不遊条件を満足するように構成して球面収差の
発生を抑えるようにした。

【００１４】この第１レンズ群は、正の屈折力を持ち光
線の発散を抑えて第２レンズ群へ導くようにしている。
又第２レンズ群は、全体として正の屈折力を持ち、色収
差を補正し又入射した光線を収斂光束として第３レンズ
群へ導く。又第３レンズ群は、レンズ系を焦点距離の短
い高倍率の対物レンズにするための主点位置を物点側へ
出さなければならず、負の屈折力を持つように構成して
ある。

【００１５】本発明の対物レンズは、高倍率の対物レン
ズにするため焦点距離が短くパワーが強く、屈折率分布
レンズを用いることにより、レンズ面で補正しきれない
諸収差を最適に補正している。つまり前記のように第２
レンズ群に正の屈折力の屈折率分布レンズを又第３レン
ズ群に負の屈折力の屈折率分布レンズを配置することに
より、前記構成の高倍率対物レンズにおいて諸収差を良
好に補正している。

【００１６】又、本発明の対物レンズは、上記構成のレ
ンズ系で、第２レンズ群に用いる屈折率分布レンズを、
軸上が最も肉厚が厚く光軸外に行くにしたがって肉厚が
薄くなる形状とし、又媒質の屈折力を正にして、諸収差
を一層良好に補正している。

【００１７】対物レンズ全系の諸収差を良好に補正する
ためには、第２レンズ群は正の屈折力を持つ必要があ
る。もし第２レンズ群が負の屈折力であると、第２レン
ズ群と第３レンズ群との合成の屈折力が強い負の屈折力
になり、それに応じて第１レンズ群も強い正の屈折力に
なる。液浸系対物レンズのようにＮＡが１．０以上の高
ＮＡ対物レンズの場合、第１レンズ群の正の屈折力が大
きくなりすぎると、全系の球面収差の補正が出来なくな
る。そのため第２レンズ群は正の屈折力を持つ必要があ
る。また第２レンズ群に用いる屈折率分布レンズの正の
パワーをレンズ面のパワーのみに持たせた場合、この面
のパワーが強くなり、球面収差の発生が大になり、補正
しきれない。

【００１８】そのため本発明のレンズ系において正のパ
ワーの第２レンズ群中の屈折率分布レンズの形状を前記
のようにすると共にその媒質の屈折力を正にすることが
望ましい。このように媒質に正の屈折力を持たせること
により面の正のパワーを緩くすることにより諸収差の発
生を抑え、諸収差特に球面収差を最適に補正することが
望ましい。

【００１９】次に本発明のレンズ系において、第３レン
ズ群中の屈折率分布レンズを軸上で肉厚が薄く光軸外に
行くにしたがって厚くなるような形状とし、又この屈折
率分布レンズの媒質の屈折力が負になるようにすること
が望ましい。

【００２０】本発明の対物レンズは、高倍で焦点距離が
短いために、第１レンズ群、第２レンズ群は正の屈折力
を有し、これらレンズ群にて補正しきれない球面収差、
像面湾曲、コマ収差等の諸収差を補正する必要があり、
第３レンズ群は負の屈折力を持たせる必要がある。

【００２１】本発明の対物レンズのような液浸系対物レ
ンズは、最も物体側のレンズ面（浸液と接触する面）に
浸液が入り込まないためにもしくは空気が入り込んで性
能を劣化させないためにこの最も物体側の面は平面であ
る必要があり、先玉は平凸レンズになる。このように先
玉が平凸レンズであると像面湾曲が十分補正出来ない。
この像面湾曲を補正するために本発明のレンズ系は、第
３レンズ群に負の屈折力を持たせた。

【００２２】しかし、レンズ系の像面湾曲を良好に補正
するために第３レンズ群のレンズ面の負のパワーを強く
すると、球面収差やコマ収差を最適に補正できなくな
る。そのために、本発明のレンズ系において第３レンズ
群中の屈折率分布レンズを上記のような形状とし又媒質
の屈折力を負の値にして第３レンズ群中の負の面のパワ
ーを緩くして像面湾曲の補正と共に球面収差やコマ収差
を最適に補正することが好ましい。

【００２３】本発明の顕微鏡対物レンズにおいて、第２
レンズ群の屈折率分布レンズの厚さｄが下記条件（１）
を満足することが望ましい。 （１） ｄ＞３０／ｆ ただし、ｆは対物レンズ全系の焦点距離である。

【００２４】屈折率分布レンズの媒質の屈折力をφ_M と
すると、φ_M は次の式（ｂ）にて近似できる。 φ_M ＝−２・Ｎ₁₀ｄ （ｂ）

【００２５】この式（ｂ）より、第２レンズの屈折率分
布レンズが、前記条件（１）を満足すれば、媒質で充分
な屈折力を持ちかつＮ₁₀の値を小さくできる。したがっ
て、屈折率分布レンズにおいて光軸と外径近傍の屈折率
差を小さくでき、屈折率分布レンズの製造が容易とな
る。

【００２６】逆に上記条件（１）を満足しないとＮ₁₀の
値が大きくなり屈折率分布レンズの光軸と外径周辺との
屈折率差が大になり製造が困難になる。

【００２７】又、本発明の対物レンズにおいて、第２レ
ンズ群、第３レンズ群の屈折率分布レンズのいずれか一
方の分数係数Ｖ₁₀が負であることが色収差を良好に補正
する等の点から望ましい。

【００２８】ラジアル型屈折率分布レンズの軸上色収差
ＰＡＣは次の式（ｃ）のように表すことができる。 ＰＡＣ＝Ｋ（φ_S ／Ｖ₀₀＋φ_M ／Ｖ₁₀） （ｃ） ここでφ_S 、φ_M は夫々屈折率分布レンズの面および媒
質の屈折力、又Ｖ₀₀、Ｖ₁₀は下記の式にて与えられる値
である。 Ｖ₀₀＝（Ｎ_00d −１）／（Ｎ_00F −Ｎ_00C ） Ｖ₁₀＝Ｎ_10d ／（Ｎ_10F −Ｎ_10C ） ただし、Ｎ_00d 、Ｎ_00F 、Ｎ_00C は夫々ｄ線、Ｆ線、Ｃ
線の光軸上の屈折率、Ｎ_10d N_10F 、Ｎ_10C は夫々ｄ
線、Ｆ線、Ｃ線に対する屈折率分布係数Ｎ₁₀を表わす。

【００２９】上記式（ｃ）より、Ｖ₁₀の値を変化させる
ことにより、媒質で発生する軸上色収差を変化させるこ
とができる。

【００３０】又、式（ｃ）において、第２レンズ群の屈
折率分布レンズの面の屈折力を表わすφ_S は、正の値を
とるため、軸上色収差を小さくするためにはφ_M の項が
負の値をとらなければならない。しかし前述のように第
２レンズ群の屈折率分布レンズの媒質の屈折力φ_M は、
収差をバランス良く補正するために正の屈折力を持つ必
要があり、レンズ系の軸上色収差を最適に補正するため
には、Ｖ₁₀が負の値であるとの条件を満足しなければな
らない。

【００３１】又、第３レンズ群中の屈折率分布レンズ
は、式（ｃ）における面の屈折力を表わすφ_S が負の値
をとるために、軸上色収差を小さくするためには、φ_M
の項が正の値をとらなければならない。しかし、前述の
ように第３レンズ群の屈折率分布レンズは収差をバラン
ス良く補正するために媒質の屈折力φ_M は負の値であ
る。そのため軸上色収差を最適に補正するためには、第
３レンズ群中の屈折率分布レンズＶ₁₀の値が負の値であ
るとの条件を満足することが望ましい。

【００３２】又本発明のレンズ系において、第３レンズ
群中の屈折率分布レンズは、下記条件（２）を満足する
ことが望ましい。 （２） φ_M(3)／Ｖ₁₀(3) ＞０．００１ ただし、φ_M(3)は第３レンズ群中の屈折率分布レンズの
媒質の屈折力、Ｖ₁₀(3) は第３レンズ群中の屈折率分布
レンズの分散を表わすＶ₁₀の値である。

【００３３】上記条件（２）を満足すれば、第３レンズ
群中の屈折率分布レンズの媒質の屈折力による諸収差と
色収差とを最適なバランスにて補正し得る。この条件
（２）を満足しないと上記のバランスが崩れ諸収差をバ
ランス良く補正することが困難になる。

【００３４】

【発明の実施の形態】次に本発明の液浸系対物レンズの
実施の形態について、各実施例にもとづき説明する。

【００３５】図１〜図３は、本発明のレンズ系の実施例
１〜３の断面図で、これら実施例のデータは下記の通り
である。

【００３６】 実施例１ ｆ＝1.8 ，ＮＡ＝1.25，像高 10.5 ，ＷＤ＝0.168 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.375 ｎ₁ ＝1.51742 ν₁ ＝52.41 ｒ₂ ＝-0.9 ｄ₂ ＝2.99 ｎ₂ ＝1.883 ν₂ ＝40.78 ｒ₃ ＝-2.65 ｄ₃ ＝0.1 ｒ₄ ＝61.22 ｄ₄ ＝30 屈折率分布レンズ１ ｒ₅ ＝-19.57 ｄ₅ ＝8.61 ｒ₆ ＝-7.119 ｄ₆ ＝6.65 屈折率分布レンズ２ ｒ₇ ＝17.646 屈折率分布レンズ１ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 -1.9538 ×10^-3 1.8434×10^-6 4.4850×10^-9 Ｖ₀₀＝50 Ｖ₁₀＝-77.334 屈折率分布レンズ２ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 1.4085×10^-3 -6.3656 ×10^-5 1.1066×10^-6 Ｖ₀₀＝55 Ｖ₁₀＝-4.3066 ｆ₂ ＝12.1875 ，ｆ₃ ＝-5.634，φ_M(3)＝-4×10^-4

【００３７】 実施例２ ｆ＝1.8 ，ＮＡ＝1.25，像高 10.5 ，ＷＤ＝0.168 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝3.367 ｎ₁ ＝1.883 ν₁ ＝40.78 ｒ₂ ＝-3.9643 ｄ₂ ＝0.1 ｒ₃ ＝146.449 ｄ₃ ＝26.83 屈折率分布レンズ１ ｒ₄ ＝-31.6762 ｄ₄ ＝8.5 ｒ₅ ＝-9.1565 ｄ₅ ＝9.93 屈折率分布レンズ２ ｒ₆ ＝10.179 屈折率分布レンズ１ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 -2.9563 ×10^-3 3.6355×10^-6 2.5749×10^-9 Ｖ₀₀＝50 Ｖ₁₀＝-5.2481 ×10² 屈折率分布レンズ２ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 3.0107×10^-4 -5.573×10^-5 5.7221×10^-7 Ｖ₀₀＝55 Ｖ₁₀＝-1.5448 ｆ₂ ＝10.1124 ，ｆ₃ ＝-5.4159 ，φ_M(3)＝-2.8×10^-2

【００３８】 実施例３ ｆ＝3 ，ＮＡ＝1.25，像高 10.5 ，ＷＤ＝0.168 ｒ₁ ＝∞ ｄ₁ ＝0.375 ｎ₁ ＝1.51742 ν₁ ＝52.41 ｒ₂ ＝-0.9 ｄ₂ ＝2.99 ｎ₂ ＝1.883 ν₂ ＝40.78 ｒ₃ ＝-2.65 ｄ₃ ＝0.1 ｒ₄ ＝46.791 ｄ₄ ＝33.9 屈折率分布レンズ１ ｒ₅ ＝-19.657 ｄ₅ ＝6.97 ｒ₆ ＝-9.876 ｄ₆ ＝4.44 屈折率分布レンズ２ ｒ₇ ＝-30 屈折率分布レンズ１ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 -1.5914 ×10^-3 6.7574×10^-7 8.6123×10^-9 Ｖ₀₀＝50 Ｖ₁₀＝-64.37 屈折率分布レンズ２ Ｎ₀₀ Ｎ₁₀ Ｎ₂₀ Ｎ₃₀ ｄ線 1.7 6.6418×10^-3 -4.964 ×10^-5 2.5591×10^-7 Ｖ₀₀＝55 Ｖ₁₀＝-25.93 ｆ₂ ＝12.1875 ，ｆ₃ ＝-5.634，φ_M(3)＝-5.9×10^-2 ただしｒ₁ ，ｒ₂ ，・・・ はレンズ各面の曲率半径、ｄ
₁ ，ｄ₂ ，・・・ は各レンズの肉厚およびレンズ間隔、ｎ
₁ ，ｎ₂ ，・・・ は各レンズの屈折率、ν₁ ，ν₂ ，・・・
は各レンズのアッベ数である。

【００３９】実施例１は、図１に示す通りの構成で、第
１レンズ群が像側に強い凸面を向けた接合面を有する接
合レンズよりなり、第２レンズ群が両凸形状つまり光軸
上の肉厚が大で光軸から離れるにつれて肉厚が小になる
形状であって、媒質の屈折力が正である屈折率分布レン
ズよりなり、第３レンズ群が両凹形状つまり光軸上の肉
厚が小で光軸から離れるにつれて肉厚が大になる形状で
あって媒質の屈折力が負である屈折率分布レンズよりな
る対物レンズである。

【００４０】又、実施例２は図２に示す通りであって、
第１レンズ群が平凸単レンズよりなる点で実施例１と相
違する。

【００４１】又実施例３は図３に示す通りの構成で、実
施例１の対物レンズと同様の構成である。

【００４２】これら実施例１〜３の対物レンズは、いず
れも対物レンズより射出する光束が平行光束である無限
遠補正型であってそれ自体では結像しない。そのため図
４に示し、下記データを有するレンズ系のような結像レ
ンズと組み合わせて使用される。 Ｒ₁ ＝68.7541 Ｄ₁ ＝7.7321 Ｎ₁ ＝1.48749 Ｖ₁ ＝70.20 Ｒ₂ ＝-37.5679 Ｄ₂ ＝3.4742 Ｎ₂ ＝1.80610 Ｖ₂ ＝40.95 Ｒ₃ ＝-102.8477 Ｄ₃ ＝0.6973 Ｒ₄ ＝84.3099 Ｄ₄ ＝6.0238 Ｎ₃ ＝1.83400 Ｖ₃ ＝37.16 Ｒ₅ ＝-50.7100 Ｄ₅ ＝3.0298 Ｎ₄ ＝1.64450 Ｖ₄ ＝40.82 Ｒ₆ ＝40.6619 実施例１〜３の収差状況は夫々図５〜７に示す通りであ
る。この収差曲線図は、いずれも前記図４に示す結像レ
ンズと組合わせた時のものである。

【００４３】又前記データ中ｒ、ｄ、Ｒ、Ｄ等の単位は
mmである。

【００４４】実施例は無限遠対物レンズで設計している
が、勿論有限系対物レンズも設計は容易であり、本発明
は、無限遠補正型対物レンズに限定されるものではな
い。

【００４５】特許請求の範囲に記載する対物レンズのほ
か次の各項に記載する対物レンズも本発明の目的を達成
し得るものである。

【００４６】（１）特許請求の範囲の請求項１、２又は
３に記載するレンズ系で、第２レンズ群の屈折率分布レ
ンズが下記条件（１）を満足することを特徴とする液浸
系対物レンズ。 （１） ｄ＞３０／ｆ

【００４７】（２）特許請求の範囲の請求項１、２又は
３あるいは前記の（１）の項に記載するレンズ系で、第
２レンズ群、第３レンズ群の一方又は両方の屈折率分布
レンズの分散係数Ｖ₁₀が共に負であることを特徴とする
液浸系対物レンズ。

【００４８】（３）特許請求の範囲の請求項１、２又は
３あるいは前記の（１）又は（２）の項に記載するレン
ズ系で、第３レンズ群の屈折率分布レンズの分散係数Ｖ
₁₀(3) が下記条件（２）を満足することを特徴とする液
浸系対物レンズ。 （２） φ_M(3)／Ｖ₁₀(3) ＞０．００１

【００４９】

【発明の効果】本発明の対物レンズは、ＮＡが１．０を
超える液浸系対物レンズで少ないレンズ枚数の小型なレ
ンズ系で諸収差が良好に補正されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の断面図

【図２】本発明の実施例２の断面図

【図３】本発明の実施例３の断面図

【図４】上記実施例の対物レンズと組合わせて用いられ
る結像レンズの１例を示す図

【図５】本発明の実施例１の収差曲線図

【図６】本発明の実施例２の収差曲線図

【図７】本発明の実施例３の収差曲線図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側から順に、平凸単レンズ又は像側に
   強い凸面を向けた接合面を持つ平凸レンズを含み正の屈
   折力を持つ第１レンズ群と、正の屈折力を持ち屈折率分
   布が下記式（ａ）にて表わされる屈折率分布レンズを含
   む第２レンズ群と、負の屈折力を持ち屈折率分布が下記
   の式（ａ）にて表わされる屈折率分布レンズを含む第３
   レンズ群とからなる少なくとも３群構成の液浸系対物レ
   ンズ。 Ｎ（ｒ）＝Ｎ₀₀＋Ｎ₁₀ｒ² ＋Ｎ₂₀ｒ⁴ ＋・・・ （ａ） ただし、ｒは光軸からの半径方向の距離、Ｎ₀₀は光軸上
   の屈折率、Ｎ₁₀、Ｎ₂₀、・・・は夫々２次、４次、・・
   ・の係数である。
2. 【請求項２】前記第２レンズ群の屈折率分布レンズが軸
   上で最も肉厚が厚く、光軸外に行くに従って肉厚が薄く
   なる形状であって媒質の屈折力が正であることを特徴と
   する請求項１の液浸系顕微鏡対物レンズ。
3. 【請求項３】前記第３レンズ群の屈折率分布レンズが、
   軸上で最も肉厚が薄く、光軸外に行くに従って肉厚が厚
   くなる形状であって媒質の屈折力が負であることを特徴
   とする請求項１又は２の液浸系顕微鏡対物レンズ。