JP2009237516A

JP2009237516A - 回折限界解像力のズームレンズ

Info

Publication number: JP2009237516A
Application number: JP2008110706A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Ito; 徳久伊藤
Original assignee: HIKARI SYSTEM KENKYUSHO KK
Current assignee: HIKARI SYSTEM KENKYUSHO KK
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】本発明の課題は、ズーム全域にわたって全画像域で回折限界解像力をもつズームレンズを達成することである。
【解決手段】４群構成のズームレンズとし各群のパワーを極力抑え、すなわち４群構成のズームレンズを構成する各群のパワーを可能な限り小さく収め、収差の出方を極小化しながら全体として収差バランスをとった結果においても残存収差量を極小化する。４つの各群のパワー配分を請求項において詳述。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は顕微鏡光学系において、無限補正の対物レンズに対置しておかれ実像を結ぶ結像レンズとして用いられるズームレンズに関するものである。

従来の顕微鏡光学系における結像レンズは、回折限界の解像力をもつものは固定焦点のものであり、ズーム式のものは、倍率が可変である、という点に重点がおかれ、変倍により像の大きさは変わるが、解像力は回折限界のものは無かった。入射光量（入射開口の大きさ）も、ズームポイントによってケラレが出来ているものが多かった。入射開口にケラレが生じると、ケラレに応じて回折限界解像力も低下してしまう。なおかつ、収差補正の状況は、回折限界解像力には到達していない収差限界のレベルのものが普通であった。

発明が解決しようとする課題

顕微鏡光学系の結像レンズにあって、ズーム式であっても、すべてのズームポイントにおいて入射開口にケラレなく１００％の入射光量を確保し、すべてのズームポイントにおいて全画像面にわたって、回折限界の解像力を有するズーム式結像レンズを達成すること。

実際のレンズ設計の現場において、レンズ設計は周知のごとく、解析的にかつ一意的に解が求まるというものではなく、また幸いにして解が求まった場合も、その解は構成的なものであって一意的に決まるものではなく、幾通りかの可能性のある解のうちの一つ、ということであって他に幾通りの解が有り得るかも分からないのが通常である。よって本願の狙いも、上記課題を達成するレンズ構成を、ともかくも一つ見出す事が先決問題であり、今後このようなレンズの設計が活性化されることもあろうかと思われるが、その出発点の一つとなり得る解，即ち最初の解を見出す事にある。

課題を解決する為の手段

何はさておき一つの解を見出すことが先決であるので、光学系設計に当たっての基本的な態度として、緩められる条件は極力緩める。収差補正に関しては、まず収差の発生そのものを極力おさえて、それでも当然発生する収差を補正する訳であるが、補正過剰にならないように適度に、適度に、収差補正する、というような、姿勢に徹する。その結果、レンズ枚数が多少増えても、最初の解としては、よしとする。また光学系全体がたとえば大型化することがあっても最初の解としては、これも受け入れることとする。ズーム全域にわたって回折限界の解像力を達成するため収差の発生を極小に抑えるために、具体的には、４群構成のズームレンズを構成する各群のパワーを可能な限り小さく収め、収差の出方を極小化しながら全体として収差バランスをとった結果においても残存収差量を極小化することを狙う。各群のパワーとその変化量の目安として、レンズ系第１面に単位の高さに平行入射した光線の、Ｊ番目の群通過後の近軸傾角をβ_Ｊとし、ただし短焦点（Ｓ）での第ＩＶ群通過後のβ_Ｊを、即ちβ_ＩＶ，Ｓを１と正規化しておくこととし、このときのβ_Ｊを今後の基本的なパラメータとして用いる。このような方針に基づいて解の一つに到達することが出来た。ここで到達した解は、レンズ設計一般がそうであるように、必要条件を満たしたものではあっても必要十分条件ではない。必要十分条件に少しでも近付けていくこと、即ち光学系の簡素化、小型化は次の段階の目標となる。

こうして実際のズームレンズ設計は、以下のようにする。
４群構成のズームレンズで、レンズ系第１面に単位の高さに平行入射した光線の、Ｊ番目の群通過後の近軸傾角をβ_Ｊとし、ズーミングによる焦点距離変化にそって、Ｓを短焦点、Ｍを中間焦点、Ｌを長焦点とし、短焦点の第４群通過後の近軸傾角を１と正規化したとき、

また第４群を出た後の近軸傾角は、短焦点Ｓ，中間焦点Ｍ，長焦点Ｌ，における各焦点距離をそれぞれｆ_Ｓ，ｆ_Ｍ，ｆ_Ｌとしたとき、正規化条件とズーミングから、

なるとき、上式（１）から（７）を満たすように設計した、回折限界の解像力をもつ４群構成のズームレンズ。こうして所期の目的を達成したズームレンズの一つの解としての設計が得られた。

請求項１と請求項２の実施例を、図−１から図−１１に示す。すなわち、図−１は、レンズ形状の断面図で、図−１の７つの図は、上から順に、ｆ＝２００，ｆ＝２５０，ｆ＝３００，ｆ＝４００，ｆ＝５３０，ｆ＝７００，ｆ＝９００，のときのレンズ図である。
図−２はｆ＝２００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。ＭＴＦカーブのうち最も高いＭＴＦカーブは、回折限界の理想レンズのＭＴＦカーブである。
以下、全てのＭＴＦカーブについて同じ。白色光のＭＴＦを算出するときの波長に対する重みは、図−２３の通りである。以下すべてに共通して同じ。
図−３はｆ＝２５０，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−４はｆ＝３００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−５はｆ＝４００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−６はｆ＝５３０，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−７はｆ＝７００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−８はｆ＝９００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−９はレンズデータ。但し、第１面に絞りを置いている。
図−１０は、ズーム間隔の間隔データ。
図−１１は、実施例−１における、各群通過後の平行入射光線の近軸傾角で、上述の数式（８）の正規化条件のときである。

請求項１と請求項３の実施例を、図−１２から図−２２に示す。すなわち、
図−１２は、レンズ形状の断面図で、図−１２の７つの図は、上から順に、ｆ＝２００，ｆ＝２５０，ｆ＝３００，ｆ＝４００，ｆ＝５３０，ｆ＝７００，ｆ＝９００，のときのレンズ図である。
図−１３はｆ＝２００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１４はｆ＝２５０，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１５はｆ＝３００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１６はｆ＝４００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１７はｆ＝５３０，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１８はｆ＝７００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−１９はｆ＝９００，のときの白色光の波動光学的ＭＴＦの図である。
図−２０はレンズデータ。但し、第１面に絞りを置いている。
図−２１は、ズーム間隔の間隔データ。
図−２２は、実施例−１における、各群通過後の平行入射光線の近軸傾角で、上述の数式（８）の正規化条件のときである。

なお、硝材の選定に際しては、レンズの焦点距離が長くなると残存色収差が焦点距離に比例して大きくなるので、残存色収差を小さく抑えるため、Ｒ．Ｅ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ（＊）や、Ｍ．Ｈｅｒｚｂｅｒｇｅｒ（＊＊）のＳｕｐｅｒ−ａｃｈｒｏｍａｔの考え方に沿った硝材を選定している。これは実施例−１、実施例−２、に共通している。

発明の効果

請求項１と請求項２に沿った光学設計により、また請求項１と請求項３に沿った光学設計により、所期の、ズーム全域にわたって全画像域で回折限界の解像力を有するズームレンズの設計が達成された。

実施例−１のレンズ形状の断面図。実施例−１のｆ＝２００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝２５０のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝３００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝４００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝５３０のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝７００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のｆ＝９００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−１のレンズデータ。但し、第１面に絞りを置いている。実施例−１のズーム間隔の間隔データ。実施例−１における各群通過後の近軸傾角。実施例−２のレンズ形状の断面図。実施例−２のｆ＝２００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝２５０のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝３００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝４００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝５３０のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝７００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のｆ＝９００のときの白色光の波動光学的ＭＴＦのカーブ。実施例−２のレンズデータ。但し、第１面に絞りを置いている。実施例−２のズーム間隔の間隔データ。実施例−２における各群通過後の近軸傾角。白色ＭＴＦ計算時の波長に対する重み。実施例−１，実施例−２に共通。

符号の説明

１０１実施例−１の第Ｉ群
１０２実施例−１の第ＩＩ群
１０３実施例−１の第ＩＩＩ群
１０４実施例−１の第ＩＶ群
２０１実施例−２の第Ｉ群
２０２実施例−２の第ＩＩ群
２０３実施例−２の第ＩＩＩ群
２０４実施例−２の第ＩＶ群

参考文献

（＊）Ｒ．Ｅ．Ｓｔｅｐｈｅｎｓ；ＪＯＳＡ，１９５９，ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．４，３９８
ＪＯＳＡ，１９６０，ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．１０，１０１６
（＊＊）Ｍ．Ｈｅｒｚｂｅｒｇｅｒ，Ｈ．Ｐｕｌｖｅｒｍａｃｈｅｒ；
ＯＰＴＩＣＡＡＣＴＡ，１９７０，ｖｏｌ１７，Ｎｏ．５，３４９

Claims

４群構成のズームレンズで、レンズ系第１面に単位の高さに平行入射した光線の、Ｊ番目の群通過後の近軸傾角をβ_Ｊとし、ズーミングによる焦点距離変化にそって、Ｓを短焦点、Ｍを中間焦点、Ｌを長焦点とし、短焦点の第４群通過後の近軸傾角を１と正規化したとき、

また第４群を出た後の近軸傾角は、短焦点Ｓ，中間焦点Ｍ，長焦点Ｌ，における各焦点距離をそれぞれｆ_Ｓ，ｆ_Ｍ，ｆ_Ｌとしたとき、正規化条件とズーミングから、

なるとき、上式（１）から（７）を満たすように設計した、回折限界の解像力をもつズームレンズ。
４群構成のズームレンズで、レンズ系第１面に単位の高さに平行入射した光線の、Ｊ番目の群通過後の近軸傾角をβ_Ｊとし、ズーミングによる焦点距離変化にそって、Ｓを短焦点、Ｍを中間焦点、Ｌを長焦点とし、短焦点の第４群通過後の近軸傾角を１と正規化したとき、

また第４群を出た後の近軸傾角は、短焦点Ｓ，中間焦点Ｍ，長焦点Ｌ，における各焦点距離をそれぞれｆ_Ｓ，ｆ_Ｍ，ｆ_Ｌとしたとき、正規化条件とズーミングから、

なるとき、上式（１）から（７）を満たすように設計したレンズであって、レンズ構成について具体的に述べると、第１レンズは正レンズ、第２レンズは負レンズ、第３レンズは正レンズ、第４レンズは負レンズ、第５レンズは正レンズ、であってここまでが第Ｉ群であり、その後にズーム間隔を介して、第６レンズは負レンズ、第７レンズは凹面を像側に向けたメニスカスレンズ、第８レンズは負レンズ、第９レンズは正レンズで、第８レンズと第９レンズは接合レンズであり、第１０レンズは負レンズで、第６レンズから第１０レンズまでが第ＩＩ群であり、その後にズーム間隔を介して、第１１レンズは正レンズ、第１２レンズは正レンズ、第１３レンズは負レンズで、第１１レンズから第１３レンズまでが第ＩＩＩ群であり、その後にズーム間隔を介して、第１４レンズは正レンズ、第１５レンズは正レンズ、第１６レンズは像面に凸面を向けたメニスカスレンズで、第１４レンズから第１６レンズまでが第ＩＶ群であり、このように構成した１６枚構成のレンズにおいて、回折限界の解像力をもつズームレンズ。
４群構成のズームレンズで、レンズ系第１面に単位の高さに平行入射した光線の、Ｊ番目の群通過後の近軸傾角をβ_Ｊとし、ズーミングによる焦点距離変化にそって、Ｓを短焦点、Ｍを中間焦点、Ｌを長焦点とし、短焦点の第４群通過後の近軸傾角を１と正規化したとき、

また第４群を出た後の近軸傾角は、短焦点Ｓ，中間焦点Ｍ，長焦点Ｌ，における各焦点距離をそれぞれｆ_Ｓ，ｆ_Ｍ，ｆ_Ｌとしたとき、正規化条件とズーミングから、

なるとき、上式（１）から（７）を満たすように設計したレンズであって、レンズ構成について具体的に述べると、第１レンズは正レンズ、第２レンズは正レンズ、第３レンズは負レンズ、第４レンズは正レンズ、第５レンズは負レンズ、第６レンズは負レンズ、第７レンズは正レンズであってここまでが第Ｉ群であり、その後にズーム間隔を介して、第８レンズは負レンズ、第９レンズは凹面を像側に向けたメニスカスレンズ、第１０レンズは負レンズ、第１１レンズは正レンズで、第１０レンズと第１１レンズは接合レンズであり、第１２レンズは凸面を像側に向けたメニスカスレンズ、第１３レンズは負レンズで、第８レンズから第１３レンズまでが第ＩＩ群であり、その後にズーム間隔を介して、第１４レンズは正レンズ、第１５レンズは正レンズ、第１６レンズは負レンズで、第１４レンズから第１６レンズまでが第ＩＩＩ群であり、その後にズーム間隔を介して、第１７レンズは正レンズ、第１８レンズは正レンズ、第１９レンズは像面に凸面を向けたメニスカスレンズで、第１７レンズから第１９レンズまでが第ＩＶ群であり、このように構成した１９枚構成のレンズにおいて、回折限界の解像力をもつズームレンズ。