光学システム、特に顕微鏡
【課題】光学ユニット（１７）およびコリメータ（１）を備える光学システム、特に、顕微鏡を提供する。
【解決手段】コリメータは、光学システムのビーム経路において光学ユニット（１７）の前方または後方に配置され、前記光学ユニット（１７）は、所定の縦方向色収差を、前記ビーム経路に供給されるビームに付与する。前記ビームは、コリメータ（１）に、拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換される。コリメータ（１）は、少なくとも１枚のレンズ（Ｌ）と、ビーム経路を折り曲げて、供給されるビームがレンズ（４）を２回通過するようにする湾曲ミラー（４）とを備える。
【解決手段】コリメータは、光学システムのビーム経路において光学ユニット（１７）の前方または後方に配置され、前記光学ユニット（１７）は、所定の縦方向色収差を、前記ビーム経路に供給されるビームに付与する。前記ビームは、コリメータ（１）に、拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換される。コリメータ（１）は、少なくとも１枚のレンズ（Ｌ）と、ビーム経路を折り曲げて、供給されるビームがレンズ（４）を２回通過するようにする湾曲ミラー（４）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関し、特に、光学ユニットおよびコリメータを備える顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光学システムとしては、例えば、蛍光相関分光計またはレーザ走査顕微鏡がある。レーザ走査顕微鏡では、多くの場合、光学ユニット（対物レンズ）の縦方向色収差特性のために、望ましくないことに、サンプルの異なる深さで励起が起こるという問題が生ずる。
【０００３】
独国特許出願公開ＤＥ１０２ １７ ５４４ Ａ１により、異なる光学材料の少なくとも２枚のレンズを用いてコリメータを構成すると、このコリメータは、対物レンズの縦方向色収差を低減するように作用することが知られている。しかしながら、異なる光学材料の少なくとも２枚のレンズを用いてコリメータを構成するため、その生産は複雑であり費用が嵩む。
【特許文献１】独国特許出願公開ＤＥ１０２ １７ ５４４ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上に鑑み、本発明の目的は、光学ユニットおよびコリメータを備える光学システムであって、前述の欠点を克服することができる光学システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、光学ユニットおよびコリメータを備える光学システム、特に、顕微鏡によって達成される。コリメータは、光学システムのビーム径路において光学ユニットの前方または後方に配置され、前記光学ユニットは、縦方向色収差を前記ビーム経路に供給されるビームに付与し、前記ビームはコリメータに拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換され、コリメータは、少なくとも１枚のレンズと、ビーム経路を折り曲げて、供給されたビームがレンズを２回通過するようにする湾曲ミラーとを備える。これによって、安価なコリメータの製造が可能となる。
【０００６】
特に、コリメータの縦方向色収差特性が、光学ユニットによってビームに付与される縦方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するように構成することができる。
したがって、本発明による光学システムは、コリメータを設け、拡散ビームを平行ビームに変換するか、あるいは平行ビームを集束ビームに変換し、そのように変換する際に、縦方向色収差を変換ビームに付与しないか、あるいは光学ユニットの縦方向色収差とは逆の縦方向色収差をそれに付与する。これによって、コリメータは、光学ユニットによって引き起こされる縦方向色収差を悪化させないという保証が得られる。好ましくは、コリメータは、光学ユニットによって引き起こされる縦方向色収差を低減する。
【０００７】
光学システムのコリメータを、当該コリメータによって引き起こされる縦方向色収差が（波長が長くなるにつれて）単調に増加するか、あるいは（波長が長くなるにつれて）単調に減少するように構成することができる。これは、例えば、単に、所定のレンズ材料に対してレンズ形状を変更するのみにより達成され、レンズが拡散レンズとして作用する場合には、縦方向色収差は単調に増加し、レンズが集束レンズとして作用する場合には、縦方向色収差は単調に減少する。
【０００８】
具体的には、本発明による光学システムを、レーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計とすることができる。コリメータは、小型（点状）光源から来るビームを平行化するように作用する。この場合、コリメータを顕微鏡の励起側に配置される。代わりに、平行ビームを一点に集束するために、コリメータを検出ビーム経路において用いることも可能である。この場合、コリメータを、ピンホール光学系として用いることができる。
【０００９】
コリメータにおいて湾曲ミラーを用いることによって、必要なレンズの枚数を削減することが可能になる。特に、単一のレンズを用いて、コリメータの所望の縦方向色収差特性を設定することが可能となる。勿論、コリメータは、数枚のレンズを備えていてもよい。この場合、全てのレンズを同一の材料から製造することが好ましい。
【００１０】
供給されるビームは、特定の帯域幅を有する所定の波長の放射線（好ましくは、光）から成るとよい。この場合、コリメータは、この波長領域に対して、本発明のように構成することが好ましい。しかしながら、供給されるビームは、重複せず離間した２つ以上の異なる波長または波長領域の光を含む場合もある。この場合、コリメータの縦方向色収差特性を、互いに異なる波長領域に関連付けることができる。
【００１１】
特に、ミラーは、凹型の曲率を有する。これによって、拡散ビームから平行ビームへの所望の変換、または平行ビームから集束ビームへの所望の変換を、特に容易に実現することが可能となる。
【００１２】
ミラーを、レンズの一方の側に背面ミラーとして設けることができる。これには、ミラーをもはやレンズに対して調整する必要がないという利点がある。更に、背面ミラーのために典型的なコーティングを採用し、ミラーの汚れを効果的に防止することもできる。
【００１３】
光学システムのコリメータは、そのレンズを唯一のレンズとして、かつそのミラーを唯一のミラーとして有することができる。したがって、所望の縦方向色収差特性を有するコリメータを、非常に少数の光学素子を用いて実現することができる。
【００１４】
好ましくは、レンズの両面は、球面として設けられている。ミラーも球面ミラーとしてもよい。これによって、コリメータの製造コストが削減されることは明らかである。何故なら、所望の精度で球面を製造するのは容易であるからである。
【００１５】
本発明による光学システムの好適な実施形態は、供給ビームが、当該ビームの主光線がコリメータの光軸と一致するように、コリメータ光学系に入射することから成る。したがって、入射ビームは反射してそれ自体に戻って来る。この場合、コリメータ光学系の望ましくない撮像ずれを最小限に抑えることができる。
【００１６】
更に、貫通孔を有する偏向ミラーをコリメータの前方または後方に配置することができ、ビームが拡散ビームである場合、そのビームは貫通孔を通過し、コリメータに入射し、コリメータから来る平行ビームは偏向ミラーによって偏向される。ビームが平行ビームである場合、そのビームは偏向ミラーによってコリメータに向けて偏向され、コリメータに入射し、コリメータから来る集束ビームは貫通孔を通過する。この実施形態では、供給ビームをコリメータ上に垂直に入射させることが特に容易に実現される。
【００１７】
更に、本発明による光学システムのコリメータは、第１交換可能コリメータとして設けられ、光学システムの第２コリメータと交換され得るものである。前記第２コリメータは、第１コリメータとは異なる波長領域に対する縦方向色収差特性を有し、この別の波長領域に対して、光ユニットによって付与された長方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するようにしている。
【００１８】
この交換可能なコリメータを有する変形例は、光学システムが、異なる波長を有するビームを連続的に用いる場合に特に便利である。
本発明による光学システムの更に別の好適な実施形態では、コリメータは、ミラーと、２枚または３枚のレンズとを備えており、そのレンズおよびミラーは、コリメータの光軸に沿って変位可能であり、コリメータの所望の縦方向色収差特性の調節を可能とする。したがって、光学システムの動作の間であっても、必要に応じてコリメータの縦方向色収差特性を変化させ、適合させることもできる。特に、この調節を、他の光学パラメータは変化せず一定であるように実行することができる。例えば、一定の焦点距離を有するコリメータを設けることもできる。
【００１９】
全てのレンズは、同一の材料から製造されることが好ましい。これによって、製造コストは削減され、安価であるが非常に柔軟性のあるコリメータが得られる。
光学システムがレーザ走査顕微鏡として設けられる場合、偏向または走査ユニットをそれぞれ備えればよく、コリメータと光学ユニットとの間に配置される。
【００２０】
光学システムでは、好ましくは、光学ユニット自体が、少なくとも第２レンズおよび第２湾曲ミラーを備える別のコリメータとして設けられてもよい。第２湾曲ミラーは、供給されたビームが第２レンズを２回通過するように、ビーム経路を折り曲げる。
【００２１】
特に、貫通孔を有する偏向ミラーを介して両コリメータを結合し、供給されるビームが偏向ミラーによって第１のコリメータまたは別のコリメータに導かれるようにし、次いでビームは前記コリメータによって反射されてそれ自体に戻り、貫通孔上で合焦し、前記貫通孔を通過し、前記２つのコリメータの他方に入射し、後者によって反射してそれ自体に戻り、偏向ミラーに向けて導かれ、これによって再度偏向を受ける。これにより、特に、平行ビームのビーム断面を増減する手段を設けることができ、この手段は、同時に所望の縦方向色収差特性も有する。
【００２２】
別のコリメータは、更に、本発明による光学システムの前述の好適な実施形態における第１コリメータと同様に具体化され得る。
光学システムは、励起ビーム経路および／または検出ビーム経路に配置されたコリメータを有するレーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計として設けられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に示す実施形態において、本発明による光学システムはレーザ走査顕微鏡として設けられており、凹面２および凸面３を有する単一レンズＬを含むコリメータ１を備えている。前記凸面３には銀メッキが施され、その上に背面ミラー４が形成される。
【００２４】
更に、レーザ走査顕微鏡は、光源ユニット６と単一モード・ファイバ７とを備えている光源５を含み、光源ユニット６からの光は、単一モード・ファイバ７にその一端から入射し、他端９から出射する。したがって、端部９は点光源を形成し、偏向ミラー１０の背後に配置され、前記端部が光を直接偏向ミラー１０の貫通孔１１に出射できるようになっている。勿論、光がファイバから出射する位置には、例えば、合焦光学系（図示せず）の焦点が存在するとよい。
【００２５】
更に、レーザ走査顕微鏡は、主カラー・スプリッタ１２、偏向ユニット１３、２枚の偏向ミラー１４および１５、ならびに走査用光学系１６、および円筒状レンズ(tube lens )１８と対物レンズ１９とを備えている顕微鏡光学系１７を含む。勿論、偏向ユニット１３は、２枚の偏向ミラー１４および１５の代わりに、１枚だけの偏向ミラー（図示せず）を備え、例えば、２本の軸を中心として枢動可能としてもよい。
【００２６】
動作の間、発散照明ビーム２０がファイバ７の端部９から出射し、発散照明ビーム２０の主要な光線はコリメータ（または平行化光学系それぞれ）１の光軸ＯＡと一致し、平行化光学系１に入射する。平行化光学系１は、照明ビーム２０を平行ビーム２１に変形し、平行ビーム２１は偏向ミラー１０に入射し、矢印Ｐ１で示すように、後者によって主カラー・スプリッタ１２に向けて反射される。周知の態様で、平行ビーム２１は次に主カラー・スプリッタ１２、偏向ユニット１３、および顕微鏡光学系１７によって検査対象の物体ＯＢ上に合焦および移動し、例えば、蛍光発光を励起する。蛍光は、顕微鏡光学系１７、偏向ユニット１３を通過し、次いで、矢印Ｐ２で示すように、主カラー・スプリッタ１２によって検出ビーム経路に導かれる。検出ビーム経路において、蛍光を周知の方法で分析する。
【００２７】
平行化光学系１は、光源５の光に対するその縦方向色収差が、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を低減するように構成されている。光源５の光は、例えば、５６５ｎｍ±１５ｎｍの波長を有する光とするとよい。この場合、この波長領域に対する平行化光学系１は、この波長領域における顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を低減するように構成されている。
【００２８】
図２は、本発明による平行化光学系１の５つの変形の縦方向色収差特性を示す。横軸に沿って、波長λがｎｍ単位で表されており、縦軸に沿って、縦方向色収差ａ０２（λ）が、λの波面変形として分けて示されており、ｓ（λ）＝１．１＊λ＊ａ０２（λ）／ｎＡ２により、物理的焦点切片(physical focal intercept)を計算することができる。Δｓ＝ｓ（λ）−ｓ（５４６ｎｍ）は、波長λに対する焦点切片差を示し、ｎＡは開口数であり、ここでは、１／２・ｄＥｐ／ｆと定義する（ｄＥｐは入射瞳の直径であり、ここではｄＥｐ＝３．２ｍｍであり、ｆはコリメータの焦点距離である）。λ＝３５０ｎｍに対するａ０２（λ）の値は、この場合、単にａ０２で示し、コリメータの異なる縦方向色収差特性を区別するためのパラメータとして作用する。
【００２９】
線分ａ０２＝−２は、図１のコリメータ１の縦方向色収差特性を示し、以下のパラメータを有する、背面銀メッキした単一レンズとして設けられる。
凹状前面２の曲率半径：５４．１３ｍｍ
凸状背面３の曲率半径：４２．３４ｍｍ
レンズの厚さＤ２：３．７１ｍｍ
点光源から前面２の距離Ｄ１：１７．１４ｍｍ
材料パラメータ：ｎｅ＝１．５８４８１，ｖｅ＝４０．５７
焦点距離ｆ：２０ｍｍ
顕微鏡光学系１７の縦方向色収差のみ（曲線ａ０２＝０）、およびコリメータ１との組み合わせ（曲線ａ０２＝−２）を図３に示す。この場合も、波長λは、横軸に沿ってｎｍ単位で示されており、縦方向色収差ａ０２（λ）は縦軸に沿ってｍｍ単位で示されている。
【００３０】
図３における曲線ａ０２＝０およびａ０２＝−２の比較から明らかなように、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差は、５５０ｎｍよりも長い領域では単調に減少し（図３における曲線ａ０２＝０）、したがってコリメータ１の逆向きの縦方向色収差（図２における曲線ａ０２＝−２）によって、卓越した補償を行うことができる（図３における曲線ａ０２＝−２）。５５０から６００ｎｍの領域における縦方向色収差は、実際には０であり、つまり殆ど完全に排除されている。したがって、レーザ走査顕微鏡は、この波長領域においては、励起側において色消しされている。更に、６００から６５０ｎｍの領域における縦方向色収差は、顕微鏡光学系１７のみの縦方向色収差特性（曲線ａ０２＝０）と比較すると、最大でも半分に過ぎない。
【００３１】
図２には、図１によるコリメータの変更例の縦方向色収差特性を示したが、背面に銀メッキした凹凸単一レンズとしての基本構造は維持されており、その上、同一のレンズ材料を用いている。単に、曲率半径、ならびにレンズの厚さおよび距離Ｄ１が異なるだけである。
【００３２】
以下の表は、対応する曲率半径および距離を、図１のコリメータ１の焦点距離ｆ、および以下の表による変更例の焦点距離を各々２０ｍｍとした場合について示す。
【００３３】
【表１】
図２におけるグラフから明らかなように、縦方向色収差特性は、単に曲率半径および距離を選択するか、あるいは幾何学的寸法を変更することによって、波長が長くなるにつれて（ａ０２＝６または２）単調な減少し、波長に無関係となる領域を経て、波長が長くなるにつれて（ａ０２＝−６または−２）単調に増加するように設定することができ、その際、材料を変更することはない。これによって、顕微鏡光学系１７の所望の光学補正を、対応する用途の場合（即ち、対応する波長）に合わせて設定することが可能となる。
【００３４】
また、図３は、ａ０２＝２として、コリメータ１と組み合わせた顕微鏡光学系１７の縦方向色収差特性を示す。この場合、４５０から５５０ｎｍの波長範囲において、縦方向色収差の卓越した低減が達成される。
【００３５】
図１のコリメータ１および図２に示す変更は全て、次の条件を満たす。
【００３６】
【数１】
Ｒ２は、背面３の曲率半径であり、ｆはコリメータ１の焦点距離であり、定数ｃ０，ｃ１，ｃ２，ｂ０，ｂ１，ｂ２は以下の値を有する。
【００３７】
ｂ０＝−０．００１０３９５ ｃ０＝０．０００６８４６９
ｂ１＝−０．００３７３７ ｃ１＝−０．５７００５８
ｂ２＝０．０８４４６２６ ｃ２＝１．６７９１７２
上述の条件によって、Ｒ２したがってミラー４の曲率半径を規定することができる。コリメータは、異なる焦点距離を有するように構成することもできる。次の不等式：０．００２＜１／ｆ＜０．１を満たす焦点距離を設定することができる。
【００３８】
上述の条件は、構成したコリメータまたは光学システムの数値分析から、それぞれ、所定の限界条件（例えば、コリメータの焦点距離、レンズの材料．．．）の関数として導き出すことができる。
【００３９】
更に、本発明による光学システムでは、距離Ｄ１を変更することも可能である。具体的には、これは、平行化光学系１を光軸ＯＡに沿って移動させることにより実現することができる。図２のグラフにおいて、距離Ｄ１を延長すると、対応する曲線が縦軸に沿って低い値に向かって変位する。したがって、距離Ｄ１を短縮すると、曲線は上方に変位することになる。
【００４０】
また、ミラー４を別個のミラーとして設けることも勿論可能である。また、平行化光学系１は、格子を備えてもよく、例えば、前面２、背面３またはミラー面４の上に配される。
【００４１】
本発明による光学システムでは、供給される光が異なる波長領域（例えば、５００ｎｍ±１５ｎｍおよび４３０ｎｍ±１５ｎｍ）を含む場合、双方の波長領域に対するその縦方向色収差が、顕微鏡光学系の対応する縦方向色収差を補償するか、少なくとも低減するようにコリメータ光学系１を設けることができる。
【００４２】
図４は、コリメータ１の更に別の変更例を示す。この実施形態では、コリメータ１は、２枚の凹凸レンズ２０，２１，および凹状ミラー２３を備えている。レンズ２０および２１ならびにミラー２３は、それらの距離が可変となるように、光軸に沿って移動可能である。例えば、図４におけるコリメータ１の焦点距離ｆを一定にすると、光学システム（即ち、顕微鏡光学系１７およびコリメータ１）の縦方向色収差を、補償不足（顕微鏡光学系１７の縦方向色収差が完全には補償されていない）から補償過剰（コリメータ１の縦方向色収差が非常に大きく、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を補償するものの、この場合コリメータ１によって生じた縦方向色収差が光学システムに出てしまう）まで連続的に調整することが可能となる。
【００４３】
図４の実施形態では、レンズ２０および２１は、同一の材料から製造され、アッベの分散数は３６．１６である。コリメータ１の入射瞳からレンズ２０の凹状面までの距離はＤ１であり、互いに面するレンズ２０および２１の２面間の距離はＤ２であり、レンズ２１の凸状面からミラー２３までの距離はＤ３である。レンズ２０および２１の厚さは、Ｄ４およびＤ５である。焦点距離ｆは２０ｍｍである。この場合、ミラー２３の曲率、レンズ２０および２１の屈折力、ならびに移動のダイナミクス（即ち、距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３のばらつき）は、以下のように、システムの焦点距離の関数として記述することができる。この場合、焦点距離の合焦および調節は、３つの距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３のうちの２つを選択することによって行い、縦方向色収差特性は、３番目の距離（この場合、Ｄ３）の値を選択することによって規定することができる。
【００４４】
【数２】
Ｒは、ミラー２３の曲率半径であり、ｆ１およびｆ２はそれぞれレンズ２０および２１の焦点距離である。Δｓ（＜０）は、Δｓの値が０未満であることを表す。Δｓ（＝０）は、Δｓの値が０であることを表し、Δｓ（＞０）は、Δｓの値が０よりも大きいことを表す。ここに記載している実施形態では、Δｓ（＜０）とすると、値ａ０２は約−３．５となり、Δｓ（＞０）とすると、値ａ０２は約＋３．５となる。
【００４５】
図４のコリメータ１の正確なパラメータは、次の通りである。
凹面Ｆ１の曲率半径：１３．１０
凸面Ｆ２の曲率半径：４８．３９
凹面Ｆ３の曲率半径：１８．４４
凸面Ｆ４の曲率半径：１２．７８
凹状ミラー２３の曲率半径：４３．９９
Ｄ４＝２．００
Ｄ５＝２．００
【００４６】
【表２】
上の表は、Δｓに対する特殊な値を示す。図５は、縦方向色収差特性の距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３に対する依存性を、ａ０２の値を横軸に沿って示し、対応する距離の値を縦軸に沿ってｍｍ単位で示したグラフである。一方、パラメータａ０２の個々の各値には、縦方向色収差特性が関連付けられている。ここでは図示されていないが、定性的に図２に表したものに対応する。したがって、設定すべき距離Ｄ１〜Ｄ３は、図５のグラフから、所望の縦方向色収差特性の関数として取り込むことができる。ａ０２の値が−３．５，３．５および０の場合の対応する距離を、上の表に示す。
【００４７】
コリメータ４を、焦点距離ｆが次の不等式０．００２＜１／ｆ＜０．１を満足するように構成することができる。レンズ２０および２１のアッベの分散数は、６０未満であることが好ましく、４０未満であることが更に好ましい。全体的に、図４のコリメータ１は、負の屈折力および低いアッベの分散数を有するレンズ２０、正の屈折力および低いアッベの分散数を有するレンズ２１、および正の屈折力を有するミラー２３を備えている。距離Ｄ１〜Ｄ３を調節することによって、システム全体の焦点距離は一定のままで、所望の縦方向色収差特性を設定および変更することができる。
【００４８】
特に、図４のコリメータ１は、レンズ２０および２１用ならびにミラー２３用の調節素子も備えることができ、縦方向色収差特性の変更を自動的に行うことができる。
図６は、正の屈折力を有するレンズ２４、負の屈折力を有するレンズ２５、および正の屈折力を有するミラー・レンズ２６を備えているコリメータ１を示す。これらのレンズは、各々、例えば６０未満、好ましくは４０未満の低いアッベの分散数を有する。ここに記載する具体的な実施形態では、アッベの分散数は３６．１６である。図６におけるコリメータは、全システムの焦点距離を一定にして、縦方向色収差を補正過剰から補正不足まで連続的に調整することができるように構成されている。入射瞳からレンズ２５の表面Ｆ５までの距離をＤ１とし、互いに面するレンズ２４および２５の表面Ｆ６およびＦ７間の距離をＤ２とし、レンズ２５および２６の表面Ｆ８およびＦ９間の距離をＤ３とする。レンズ２４，２５，および２６の厚さは、それぞれ、Ｄ４，Ｄ５，およびＤ６である。
【００４９】
図６のコリメータは、以下の条件を満たすように構成されている。
【００５０】
【数３】
この実施形態でも、Δｓ（＜０）の場合、値ａ０２は約−３．５となり、Δｓ（＞０）の場合、値ａ０２は約３．５となる。レンズ面の正確な曲率は以下の通りである。
【００５１】
凸面Ｆ５の曲率半径：７１．７６ｍｍ
凹面Ｆ６の曲率半径：５１．０７ｍｍ
凹面Ｆ７の曲率半径：８．９０ｍｍ
凹面Ｆ８の曲率半径：２５４．８８ｍｍ
凸面Ｆ９の曲率半径：４９．０８ｍｍ
凸面Ｆ１０の曲率半径：４０．９４ｍｍ
Ｄ４＝２．００
Ｄ５＝５．５２
Ｄ６＝４．００
【００５２】
【表３】
縦方向色収差特性の個々の距離Ｄ１〜Ｄ３に対する依存性を、図７のグラフ表現にて示す。この表現は、図５のそれに対応する。図７の表現により、距離Ｄ１〜Ｄ３を、所望の縦方向色収差ａ０２に合わせて決定することが可能となる。
【００５３】
記載した実施形態において特に有益なことは、全ての曲面レンズまたはミラー面をそれぞれ球面として設けられることである。
図４および図６の実施形態に示した条件は、それぞれのコリメータの光学特性の計算の数値分析から、当業者には容易に導き出すことができる。
【００５４】
前述のコリメータにおける光路は、焦点面（この場合、例えば、偏向ミラー１０における貫通孔１１）から出射される拡散ビームをコリメータによって平行ビームに変形し、平行ビームを集束ビームに変換して焦点面に合焦するように、逆向きにすることもできる。
【００５５】
図８は、本発明による光学システムの代替実施形態を示し、２つのコリメータ１および２８が、偏向ミラー１０を介して直列に結合され、これらが平行ビームのビーム断面を拡大または縮小する手段として作用するようにしている。この目的のために、第１コリメータを、例えば、図１の実施形態の場合と同様に設け、ミラー１０にも同様に貫通孔１１を設け、この場合ミラー１０の両面に銀メッキを施す。
【００５６】
ミラー１０に続いて（即ち、図８の表示におけるミラーの上部に）配置されるのは、第２レンズ２９を備えた第２コリメータ２８であり、第２レンズ２９の背面には銀メッキが施され、湾曲ミラー面３０が設けられている。２枚のレンズＬおよび２９の偏向ミラーからの距離、およびレンズＬ、２９の寸法は、矢印Ｐ３の方向に沿って伝搬する平行ビーム３１が偏向ミラー１０によって下方向に偏向されレンズＬに向かうように選択する。コリメータ１によるビーム３１の反射の後、前記ビームは集束ビーム３２に変換され、貫通孔１１上に合焦する（即ち、ビーム３２はその最少ビーム断面を貫通孔１１の近傍に有する）。
【００５７】
ミラー１０の後、貫通孔１１を通過したビーム３２は、拡散ビームとなり、コリメータ２８によって反射されそれ自体に戻って、平行ビーム３３に変換される。平行ビーム３３は、ミラー１０に入射し、後者によって右（矢印Ｐ４の方向）に偏向される。この場合、伝搬方向Ｐ３およびＰ４は一致し、ビーム３１および３３の主要光線が共通軸上に位置するようにしている。ビーム３３がビーム３１と異なるのは、そのビーム断面の方が小さいことである。したがって、図８の光学システムは、ビーム断面を縮小するための手段として作用し、勿論、この手段に対して逆方向に通過させることも可能であり、その場合前記手段はビーム拡大器となる。
【００５８】
２つのコリメータ１および２８は、勿論、図１から図７に関して説明したように、改良または具体化され得る。特に、レンズＬおよび２９は、同一の材料から形成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による光学システムの一実施形態の模式図。
【図２】図１の光学システムのコリメータの縦方向色収差を例示する図。
【図３】図１の光学システム全体の縦方向色収差を例示する図。
【図４】第２実施形態によるコリメータ。
【図５】所望の縦方向色収差特性のために調節すべきレンズおよびミラーの位置を明示する図。
【図６】更に別の実施形態によるコリメータ。
【図７】図６のコリメータの調節可能なレンズ位置を、所望の縦方向色収差特性の関数として明示する図。
【図８】本発明による光学システムの別の実施形態。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関し、特に、光学ユニットおよびコリメータを備える顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光学システムとしては、例えば、蛍光相関分光計またはレーザ走査顕微鏡がある。レーザ走査顕微鏡では、多くの場合、光学ユニット（対物レンズ）の縦方向色収差特性のために、望ましくないことに、サンプルの異なる深さで励起が起こるという問題が生ずる。
【０００３】
独国特許出願公開ＤＥ１０２ １７ ５４４ Ａ１により、異なる光学材料の少なくとも２枚のレンズを用いてコリメータを構成すると、このコリメータは、対物レンズの縦方向色収差を低減するように作用することが知られている。しかしながら、異なる光学材料の少なくとも２枚のレンズを用いてコリメータを構成するため、その生産は複雑であり費用が嵩む。
【特許文献１】独国特許出願公開ＤＥ１０２ １７ ５４４ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上に鑑み、本発明の目的は、光学ユニットおよびコリメータを備える光学システムであって、前述の欠点を克服することができる光学システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、光学ユニットおよびコリメータを備える光学システム、特に、顕微鏡によって達成される。コリメータは、光学システムのビーム径路において光学ユニットの前方または後方に配置され、前記光学ユニットは、縦方向色収差を前記ビーム経路に供給されるビームに付与し、前記ビームはコリメータに拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換され、コリメータは、少なくとも１枚のレンズと、ビーム経路を折り曲げて、供給されたビームがレンズを２回通過するようにする湾曲ミラーとを備える。これによって、安価なコリメータの製造が可能となる。
【０００６】
特に、コリメータの縦方向色収差特性が、光学ユニットによってビームに付与される縦方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するように構成することができる。
したがって、本発明による光学システムは、コリメータを設け、拡散ビームを平行ビームに変換するか、あるいは平行ビームを集束ビームに変換し、そのように変換する際に、縦方向色収差を変換ビームに付与しないか、あるいは光学ユニットの縦方向色収差とは逆の縦方向色収差をそれに付与する。これによって、コリメータは、光学ユニットによって引き起こされる縦方向色収差を悪化させないという保証が得られる。好ましくは、コリメータは、光学ユニットによって引き起こされる縦方向色収差を低減する。
【０００７】
光学システムのコリメータを、当該コリメータによって引き起こされる縦方向色収差が（波長が長くなるにつれて）単調に増加するか、あるいは（波長が長くなるにつれて）単調に減少するように構成することができる。これは、例えば、単に、所定のレンズ材料に対してレンズ形状を変更するのみにより達成され、レンズが拡散レンズとして作用する場合には、縦方向色収差は単調に増加し、レンズが集束レンズとして作用する場合には、縦方向色収差は単調に減少する。
【０００８】
具体的には、本発明による光学システムを、レーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計とすることができる。コリメータは、小型（点状）光源から来るビームを平行化するように作用する。この場合、コリメータを顕微鏡の励起側に配置される。代わりに、平行ビームを一点に集束するために、コリメータを検出ビーム経路において用いることも可能である。この場合、コリメータを、ピンホール光学系として用いることができる。
【０００９】
コリメータにおいて湾曲ミラーを用いることによって、必要なレンズの枚数を削減することが可能になる。特に、単一のレンズを用いて、コリメータの所望の縦方向色収差特性を設定することが可能となる。勿論、コリメータは、数枚のレンズを備えていてもよい。この場合、全てのレンズを同一の材料から製造することが好ましい。
【００１０】
供給されるビームは、特定の帯域幅を有する所定の波長の放射線（好ましくは、光）から成るとよい。この場合、コリメータは、この波長領域に対して、本発明のように構成することが好ましい。しかしながら、供給されるビームは、重複せず離間した２つ以上の異なる波長または波長領域の光を含む場合もある。この場合、コリメータの縦方向色収差特性を、互いに異なる波長領域に関連付けることができる。
【００１１】
特に、ミラーは、凹型の曲率を有する。これによって、拡散ビームから平行ビームへの所望の変換、または平行ビームから集束ビームへの所望の変換を、特に容易に実現することが可能となる。
【００１２】
ミラーを、レンズの一方の側に背面ミラーとして設けることができる。これには、ミラーをもはやレンズに対して調整する必要がないという利点がある。更に、背面ミラーのために典型的なコーティングを採用し、ミラーの汚れを効果的に防止することもできる。
【００１３】
光学システムのコリメータは、そのレンズを唯一のレンズとして、かつそのミラーを唯一のミラーとして有することができる。したがって、所望の縦方向色収差特性を有するコリメータを、非常に少数の光学素子を用いて実現することができる。
【００１４】
好ましくは、レンズの両面は、球面として設けられている。ミラーも球面ミラーとしてもよい。これによって、コリメータの製造コストが削減されることは明らかである。何故なら、所望の精度で球面を製造するのは容易であるからである。
【００１５】
本発明による光学システムの好適な実施形態は、供給ビームが、当該ビームの主光線がコリメータの光軸と一致するように、コリメータ光学系に入射することから成る。したがって、入射ビームは反射してそれ自体に戻って来る。この場合、コリメータ光学系の望ましくない撮像ずれを最小限に抑えることができる。
【００１６】
更に、貫通孔を有する偏向ミラーをコリメータの前方または後方に配置することができ、ビームが拡散ビームである場合、そのビームは貫通孔を通過し、コリメータに入射し、コリメータから来る平行ビームは偏向ミラーによって偏向される。ビームが平行ビームである場合、そのビームは偏向ミラーによってコリメータに向けて偏向され、コリメータに入射し、コリメータから来る集束ビームは貫通孔を通過する。この実施形態では、供給ビームをコリメータ上に垂直に入射させることが特に容易に実現される。
【００１７】
更に、本発明による光学システムのコリメータは、第１交換可能コリメータとして設けられ、光学システムの第２コリメータと交換され得るものである。前記第２コリメータは、第１コリメータとは異なる波長領域に対する縦方向色収差特性を有し、この別の波長領域に対して、光ユニットによって付与された長方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するようにしている。
【００１８】
この交換可能なコリメータを有する変形例は、光学システムが、異なる波長を有するビームを連続的に用いる場合に特に便利である。
本発明による光学システムの更に別の好適な実施形態では、コリメータは、ミラーと、２枚または３枚のレンズとを備えており、そのレンズおよびミラーは、コリメータの光軸に沿って変位可能であり、コリメータの所望の縦方向色収差特性の調節を可能とする。したがって、光学システムの動作の間であっても、必要に応じてコリメータの縦方向色収差特性を変化させ、適合させることもできる。特に、この調節を、他の光学パラメータは変化せず一定であるように実行することができる。例えば、一定の焦点距離を有するコリメータを設けることもできる。
【００１９】
全てのレンズは、同一の材料から製造されることが好ましい。これによって、製造コストは削減され、安価であるが非常に柔軟性のあるコリメータが得られる。
光学システムがレーザ走査顕微鏡として設けられる場合、偏向または走査ユニットをそれぞれ備えればよく、コリメータと光学ユニットとの間に配置される。
【００２０】
光学システムでは、好ましくは、光学ユニット自体が、少なくとも第２レンズおよび第２湾曲ミラーを備える別のコリメータとして設けられてもよい。第２湾曲ミラーは、供給されたビームが第２レンズを２回通過するように、ビーム経路を折り曲げる。
【００２１】
特に、貫通孔を有する偏向ミラーを介して両コリメータを結合し、供給されるビームが偏向ミラーによって第１のコリメータまたは別のコリメータに導かれるようにし、次いでビームは前記コリメータによって反射されてそれ自体に戻り、貫通孔上で合焦し、前記貫通孔を通過し、前記２つのコリメータの他方に入射し、後者によって反射してそれ自体に戻り、偏向ミラーに向けて導かれ、これによって再度偏向を受ける。これにより、特に、平行ビームのビーム断面を増減する手段を設けることができ、この手段は、同時に所望の縦方向色収差特性も有する。
【００２２】
別のコリメータは、更に、本発明による光学システムの前述の好適な実施形態における第１コリメータと同様に具体化され得る。
光学システムは、励起ビーム経路および／または検出ビーム経路に配置されたコリメータを有するレーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計として設けられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に示す実施形態において、本発明による光学システムはレーザ走査顕微鏡として設けられており、凹面２および凸面３を有する単一レンズＬを含むコリメータ１を備えている。前記凸面３には銀メッキが施され、その上に背面ミラー４が形成される。
【００２４】
更に、レーザ走査顕微鏡は、光源ユニット６と単一モード・ファイバ７とを備えている光源５を含み、光源ユニット６からの光は、単一モード・ファイバ７にその一端から入射し、他端９から出射する。したがって、端部９は点光源を形成し、偏向ミラー１０の背後に配置され、前記端部が光を直接偏向ミラー１０の貫通孔１１に出射できるようになっている。勿論、光がファイバから出射する位置には、例えば、合焦光学系（図示せず）の焦点が存在するとよい。
【００２５】
更に、レーザ走査顕微鏡は、主カラー・スプリッタ１２、偏向ユニット１３、２枚の偏向ミラー１４および１５、ならびに走査用光学系１６、および円筒状レンズ(tube lens )１８と対物レンズ１９とを備えている顕微鏡光学系１７を含む。勿論、偏向ユニット１３は、２枚の偏向ミラー１４および１５の代わりに、１枚だけの偏向ミラー（図示せず）を備え、例えば、２本の軸を中心として枢動可能としてもよい。
【００２６】
動作の間、発散照明ビーム２０がファイバ７の端部９から出射し、発散照明ビーム２０の主要な光線はコリメータ（または平行化光学系それぞれ）１の光軸ＯＡと一致し、平行化光学系１に入射する。平行化光学系１は、照明ビーム２０を平行ビーム２１に変形し、平行ビーム２１は偏向ミラー１０に入射し、矢印Ｐ１で示すように、後者によって主カラー・スプリッタ１２に向けて反射される。周知の態様で、平行ビーム２１は次に主カラー・スプリッタ１２、偏向ユニット１３、および顕微鏡光学系１７によって検査対象の物体ＯＢ上に合焦および移動し、例えば、蛍光発光を励起する。蛍光は、顕微鏡光学系１７、偏向ユニット１３を通過し、次いで、矢印Ｐ２で示すように、主カラー・スプリッタ１２によって検出ビーム経路に導かれる。検出ビーム経路において、蛍光を周知の方法で分析する。
【００２７】
平行化光学系１は、光源５の光に対するその縦方向色収差が、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を低減するように構成されている。光源５の光は、例えば、５６５ｎｍ±１５ｎｍの波長を有する光とするとよい。この場合、この波長領域に対する平行化光学系１は、この波長領域における顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を低減するように構成されている。
【００２８】
図２は、本発明による平行化光学系１の５つの変形の縦方向色収差特性を示す。横軸に沿って、波長λがｎｍ単位で表されており、縦軸に沿って、縦方向色収差ａ０２（λ）が、λの波面変形として分けて示されており、ｓ（λ）＝１．１＊λ＊ａ０２（λ）／ｎＡ２により、物理的焦点切片(physical focal intercept)を計算することができる。Δｓ＝ｓ（λ）−ｓ（５４６ｎｍ）は、波長λに対する焦点切片差を示し、ｎＡは開口数であり、ここでは、１／２・ｄＥｐ／ｆと定義する（ｄＥｐは入射瞳の直径であり、ここではｄＥｐ＝３．２ｍｍであり、ｆはコリメータの焦点距離である）。λ＝３５０ｎｍに対するａ０２（λ）の値は、この場合、単にａ０２で示し、コリメータの異なる縦方向色収差特性を区別するためのパラメータとして作用する。
【００２９】
線分ａ０２＝−２は、図１のコリメータ１の縦方向色収差特性を示し、以下のパラメータを有する、背面銀メッキした単一レンズとして設けられる。
凹状前面２の曲率半径：５４．１３ｍｍ
凸状背面３の曲率半径：４２．３４ｍｍ
レンズの厚さＤ２：３．７１ｍｍ
点光源から前面２の距離Ｄ１：１７．１４ｍｍ
材料パラメータ：ｎｅ＝１．５８４８１，ｖｅ＝４０．５７
焦点距離ｆ：２０ｍｍ
顕微鏡光学系１７の縦方向色収差のみ（曲線ａ０２＝０）、およびコリメータ１との組み合わせ（曲線ａ０２＝−２）を図３に示す。この場合も、波長λは、横軸に沿ってｎｍ単位で示されており、縦方向色収差ａ０２（λ）は縦軸に沿ってｍｍ単位で示されている。
【００３０】
図３における曲線ａ０２＝０およびａ０２＝−２の比較から明らかなように、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差は、５５０ｎｍよりも長い領域では単調に減少し（図３における曲線ａ０２＝０）、したがってコリメータ１の逆向きの縦方向色収差（図２における曲線ａ０２＝−２）によって、卓越した補償を行うことができる（図３における曲線ａ０２＝−２）。５５０から６００ｎｍの領域における縦方向色収差は、実際には０であり、つまり殆ど完全に排除されている。したがって、レーザ走査顕微鏡は、この波長領域においては、励起側において色消しされている。更に、６００から６５０ｎｍの領域における縦方向色収差は、顕微鏡光学系１７のみの縦方向色収差特性（曲線ａ０２＝０）と比較すると、最大でも半分に過ぎない。
【００３１】
図２には、図１によるコリメータの変更例の縦方向色収差特性を示したが、背面に銀メッキした凹凸単一レンズとしての基本構造は維持されており、その上、同一のレンズ材料を用いている。単に、曲率半径、ならびにレンズの厚さおよび距離Ｄ１が異なるだけである。
【００３２】
以下の表は、対応する曲率半径および距離を、図１のコリメータ１の焦点距離ｆ、および以下の表による変更例の焦点距離を各々２０ｍｍとした場合について示す。
【００３３】
【表１】
図２におけるグラフから明らかなように、縦方向色収差特性は、単に曲率半径および距離を選択するか、あるいは幾何学的寸法を変更することによって、波長が長くなるにつれて（ａ０２＝６または２）単調な減少し、波長に無関係となる領域を経て、波長が長くなるにつれて（ａ０２＝−６または−２）単調に増加するように設定することができ、その際、材料を変更することはない。これによって、顕微鏡光学系１７の所望の光学補正を、対応する用途の場合（即ち、対応する波長）に合わせて設定することが可能となる。
【００３４】
また、図３は、ａ０２＝２として、コリメータ１と組み合わせた顕微鏡光学系１７の縦方向色収差特性を示す。この場合、４５０から５５０ｎｍの波長範囲において、縦方向色収差の卓越した低減が達成される。
【００３５】
図１のコリメータ１および図２に示す変更は全て、次の条件を満たす。
【００３６】
【数１】
Ｒ２は、背面３の曲率半径であり、ｆはコリメータ１の焦点距離であり、定数ｃ０，ｃ１，ｃ２，ｂ０，ｂ１，ｂ２は以下の値を有する。
【００３７】
ｂ０＝−０．００１０３９５ ｃ０＝０．０００６８４６９
ｂ１＝−０．００３７３７ ｃ１＝−０．５７００５８
ｂ２＝０．０８４４６２６ ｃ２＝１．６７９１７２
上述の条件によって、Ｒ２したがってミラー４の曲率半径を規定することができる。コリメータは、異なる焦点距離を有するように構成することもできる。次の不等式：０．００２＜１／ｆ＜０．１を満たす焦点距離を設定することができる。
【００３８】
上述の条件は、構成したコリメータまたは光学システムの数値分析から、それぞれ、所定の限界条件（例えば、コリメータの焦点距離、レンズの材料．．．）の関数として導き出すことができる。
【００３９】
更に、本発明による光学システムでは、距離Ｄ１を変更することも可能である。具体的には、これは、平行化光学系１を光軸ＯＡに沿って移動させることにより実現することができる。図２のグラフにおいて、距離Ｄ１を延長すると、対応する曲線が縦軸に沿って低い値に向かって変位する。したがって、距離Ｄ１を短縮すると、曲線は上方に変位することになる。
【００４０】
また、ミラー４を別個のミラーとして設けることも勿論可能である。また、平行化光学系１は、格子を備えてもよく、例えば、前面２、背面３またはミラー面４の上に配される。
【００４１】
本発明による光学システムでは、供給される光が異なる波長領域（例えば、５００ｎｍ±１５ｎｍおよび４３０ｎｍ±１５ｎｍ）を含む場合、双方の波長領域に対するその縦方向色収差が、顕微鏡光学系の対応する縦方向色収差を補償するか、少なくとも低減するようにコリメータ光学系１を設けることができる。
【００４２】
図４は、コリメータ１の更に別の変更例を示す。この実施形態では、コリメータ１は、２枚の凹凸レンズ２０，２１，および凹状ミラー２３を備えている。レンズ２０および２１ならびにミラー２３は、それらの距離が可変となるように、光軸に沿って移動可能である。例えば、図４におけるコリメータ１の焦点距離ｆを一定にすると、光学システム（即ち、顕微鏡光学系１７およびコリメータ１）の縦方向色収差を、補償不足（顕微鏡光学系１７の縦方向色収差が完全には補償されていない）から補償過剰（コリメータ１の縦方向色収差が非常に大きく、顕微鏡光学系１７の縦方向色収差を補償するものの、この場合コリメータ１によって生じた縦方向色収差が光学システムに出てしまう）まで連続的に調整することが可能となる。
【００４３】
図４の実施形態では、レンズ２０および２１は、同一の材料から製造され、アッベの分散数は３６．１６である。コリメータ１の入射瞳からレンズ２０の凹状面までの距離はＤ１であり、互いに面するレンズ２０および２１の２面間の距離はＤ２であり、レンズ２１の凸状面からミラー２３までの距離はＤ３である。レンズ２０および２１の厚さは、Ｄ４およびＤ５である。焦点距離ｆは２０ｍｍである。この場合、ミラー２３の曲率、レンズ２０および２１の屈折力、ならびに移動のダイナミクス（即ち、距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３のばらつき）は、以下のように、システムの焦点距離の関数として記述することができる。この場合、焦点距離の合焦および調節は、３つの距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３のうちの２つを選択することによって行い、縦方向色収差特性は、３番目の距離（この場合、Ｄ３）の値を選択することによって規定することができる。
【００４４】
【数２】
Ｒは、ミラー２３の曲率半径であり、ｆ１およびｆ２はそれぞれレンズ２０および２１の焦点距離である。Δｓ（＜０）は、Δｓの値が０未満であることを表す。Δｓ（＝０）は、Δｓの値が０であることを表し、Δｓ（＞０）は、Δｓの値が０よりも大きいことを表す。ここに記載している実施形態では、Δｓ（＜０）とすると、値ａ０２は約−３．５となり、Δｓ（＞０）とすると、値ａ０２は約＋３．５となる。
【００４５】
図４のコリメータ１の正確なパラメータは、次の通りである。
凹面Ｆ１の曲率半径：１３．１０
凸面Ｆ２の曲率半径：４８．３９
凹面Ｆ３の曲率半径：１８．４４
凸面Ｆ４の曲率半径：１２．７８
凹状ミラー２３の曲率半径：４３．９９
Ｄ４＝２．００
Ｄ５＝２．００
【００４６】
【表２】
上の表は、Δｓに対する特殊な値を示す。図５は、縦方向色収差特性の距離Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３に対する依存性を、ａ０２の値を横軸に沿って示し、対応する距離の値を縦軸に沿ってｍｍ単位で示したグラフである。一方、パラメータａ０２の個々の各値には、縦方向色収差特性が関連付けられている。ここでは図示されていないが、定性的に図２に表したものに対応する。したがって、設定すべき距離Ｄ１〜Ｄ３は、図５のグラフから、所望の縦方向色収差特性の関数として取り込むことができる。ａ０２の値が−３．５，３．５および０の場合の対応する距離を、上の表に示す。
【００４７】
コリメータ４を、焦点距離ｆが次の不等式０．００２＜１／ｆ＜０．１を満足するように構成することができる。レンズ２０および２１のアッベの分散数は、６０未満であることが好ましく、４０未満であることが更に好ましい。全体的に、図４のコリメータ１は、負の屈折力および低いアッベの分散数を有するレンズ２０、正の屈折力および低いアッベの分散数を有するレンズ２１、および正の屈折力を有するミラー２３を備えている。距離Ｄ１〜Ｄ３を調節することによって、システム全体の焦点距離は一定のままで、所望の縦方向色収差特性を設定および変更することができる。
【００４８】
特に、図４のコリメータ１は、レンズ２０および２１用ならびにミラー２３用の調節素子も備えることができ、縦方向色収差特性の変更を自動的に行うことができる。
図６は、正の屈折力を有するレンズ２４、負の屈折力を有するレンズ２５、および正の屈折力を有するミラー・レンズ２６を備えているコリメータ１を示す。これらのレンズは、各々、例えば６０未満、好ましくは４０未満の低いアッベの分散数を有する。ここに記載する具体的な実施形態では、アッベの分散数は３６．１６である。図６におけるコリメータは、全システムの焦点距離を一定にして、縦方向色収差を補正過剰から補正不足まで連続的に調整することができるように構成されている。入射瞳からレンズ２５の表面Ｆ５までの距離をＤ１とし、互いに面するレンズ２４および２５の表面Ｆ６およびＦ７間の距離をＤ２とし、レンズ２５および２６の表面Ｆ８およびＦ９間の距離をＤ３とする。レンズ２４，２５，および２６の厚さは、それぞれ、Ｄ４，Ｄ５，およびＤ６である。
【００４９】
図６のコリメータは、以下の条件を満たすように構成されている。
【００５０】
【数３】
この実施形態でも、Δｓ（＜０）の場合、値ａ０２は約−３．５となり、Δｓ（＞０）の場合、値ａ０２は約３．５となる。レンズ面の正確な曲率は以下の通りである。
【００５１】
凸面Ｆ５の曲率半径：７１．７６ｍｍ
凹面Ｆ６の曲率半径：５１．０７ｍｍ
凹面Ｆ７の曲率半径：８．９０ｍｍ
凹面Ｆ８の曲率半径：２５４．８８ｍｍ
凸面Ｆ９の曲率半径：４９．０８ｍｍ
凸面Ｆ１０の曲率半径：４０．９４ｍｍ
Ｄ４＝２．００
Ｄ５＝５．５２
Ｄ６＝４．００
【００５２】
【表３】
縦方向色収差特性の個々の距離Ｄ１〜Ｄ３に対する依存性を、図７のグラフ表現にて示す。この表現は、図５のそれに対応する。図７の表現により、距離Ｄ１〜Ｄ３を、所望の縦方向色収差ａ０２に合わせて決定することが可能となる。
【００５３】
記載した実施形態において特に有益なことは、全ての曲面レンズまたはミラー面をそれぞれ球面として設けられることである。
図４および図６の実施形態に示した条件は、それぞれのコリメータの光学特性の計算の数値分析から、当業者には容易に導き出すことができる。
【００５４】
前述のコリメータにおける光路は、焦点面（この場合、例えば、偏向ミラー１０における貫通孔１１）から出射される拡散ビームをコリメータによって平行ビームに変形し、平行ビームを集束ビームに変換して焦点面に合焦するように、逆向きにすることもできる。
【００５５】
図８は、本発明による光学システムの代替実施形態を示し、２つのコリメータ１および２８が、偏向ミラー１０を介して直列に結合され、これらが平行ビームのビーム断面を拡大または縮小する手段として作用するようにしている。この目的のために、第１コリメータを、例えば、図１の実施形態の場合と同様に設け、ミラー１０にも同様に貫通孔１１を設け、この場合ミラー１０の両面に銀メッキを施す。
【００５６】
ミラー１０に続いて（即ち、図８の表示におけるミラーの上部に）配置されるのは、第２レンズ２９を備えた第２コリメータ２８であり、第２レンズ２９の背面には銀メッキが施され、湾曲ミラー面３０が設けられている。２枚のレンズＬおよび２９の偏向ミラーからの距離、およびレンズＬ、２９の寸法は、矢印Ｐ３の方向に沿って伝搬する平行ビーム３１が偏向ミラー１０によって下方向に偏向されレンズＬに向かうように選択する。コリメータ１によるビーム３１の反射の後、前記ビームは集束ビーム３２に変換され、貫通孔１１上に合焦する（即ち、ビーム３２はその最少ビーム断面を貫通孔１１の近傍に有する）。
【００５７】
ミラー１０の後、貫通孔１１を通過したビーム３２は、拡散ビームとなり、コリメータ２８によって反射されそれ自体に戻って、平行ビーム３３に変換される。平行ビーム３３は、ミラー１０に入射し、後者によって右（矢印Ｐ４の方向）に偏向される。この場合、伝搬方向Ｐ３およびＰ４は一致し、ビーム３１および３３の主要光線が共通軸上に位置するようにしている。ビーム３３がビーム３１と異なるのは、そのビーム断面の方が小さいことである。したがって、図８の光学システムは、ビーム断面を縮小するための手段として作用し、勿論、この手段に対して逆方向に通過させることも可能であり、その場合前記手段はビーム拡大器となる。
【００５８】
２つのコリメータ１および２８は、勿論、図１から図７に関して説明したように、改良または具体化され得る。特に、レンズＬおよび２９は、同一の材料から形成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による光学システムの一実施形態の模式図。
【図２】図１の光学システムのコリメータの縦方向色収差を例示する図。
【図３】図１の光学システム全体の縦方向色収差を例示する図。
【図４】第２実施形態によるコリメータ。
【図５】所望の縦方向色収差特性のために調節すべきレンズおよびミラーの位置を明示する図。
【図６】更に別の実施形態によるコリメータ。
【図７】図６のコリメータの調節可能なレンズ位置を、所望の縦方向色収差特性の関数として明示する図。
【図８】本発明による光学システムの別の実施形態。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ユニット（１７）およびコリメータ（１）を備える光学システム、特に、顕微鏡であって、前記コリメータは、前記光学システムのビーム径路において前記光学ユニット（１７）の前方または後方に配置され、前記光学ユニット（１７）は、所定の縦方向色収差を前記ビーム経路に供給されるビームに付与し、前記ビームは前記コリメータ（１）に拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換され、前記コリメータ（１）は、少なくとも１枚のレンズ（Ｌ）と、前記ビーム経路を折り曲げて、前記供給されたビームが前記レンズ（４）を２回通過するようにする湾曲ミラー（４）とを備える、光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）の縦方向色収差特性は、前記光学ユニット（１７）によってビームに付与される縦方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するように構成されている、光学システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学システムにおいて、前記ミラー（４）は、前記レンズ（Ｌ）の一方の側に背面ミラーとして設けられている、光学システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、前記レンズ（Ｌ）を唯一のレンズとして、前記ミラー（４）を唯一のミラーとして備える、光学システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記レンズ（Ｌ）の両面（２，３）は、球面として設けられている、光学システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記ビーム（２０）は、当該ビーム（２０）の主光線が前記コリメータ（１）の光軸（ＯＡ）と一致するように、前記コリメータ（１）に入射する、光学システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光学システムにおいて、貫通孔（１１）を備える偏向ミラー（１０）が前記ビーム経路において前記コリメータ（１）の前方または後方に配置され、前記ビーム（２０）が拡散ビームである場合、前記ビーム（２０）は前記貫通孔（１１）を通過し、前記コリメータ（１）に入射し、前記コリメータから来る平行ビーム（２１）は前記偏向ミラー（１０）によって偏向され、前記ビームが平行ビームである場合、前記ビームは前記偏向ミラー（１０）によってコリメータ（１）に向けて偏向され、前記コリメータに入射し、前記コリメータから来る集束ビームは前記貫通孔（１１）を通過する、光学システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、第１交換可能コリメータとして設けられ、第２コリメータに交換され得るものであり、該第２コリメータは、前記第１コリメータとは異なる波長領域に対する縦方向色収差特性を有し、前記別の波長領域に対して、前記光ユニット（１７）によって付与された長方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するようにする、光学システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、前記ミラー（２３；２７）と、２枚または３枚のレンズ（２０，２１；２４，２５，２６）とを備え、前記レンズ（２０，２１；２４，２５，２６）および前記ミラー（２３；２７）は、前記コリメータ（１）の光軸（ＯＡ）に沿って変位可能であり、前記コリメータ（１）の所望の縦方向色収差特性の調節を可能とする、光学システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学システムにおいて、全てのレンズ（２０，２１；２４，２５，２６）は同一の材料から製造される、光学システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記光学ユニット自体が、少なくとも第２レンズ（２９）および第２湾曲ミラー（３０）を備える別のコリメータ（２８）として設けられ、おり、前記第２湾曲ミラー（３０）は、供給されたビームが前記第２レンズ（２９）を２回通過するように、前記ビーム経路を折り曲げる、光学システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、当該光学システムは、レーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計であり、前記コリメータは励起ビーム経路および／または検出ビーム経路において用いられる、光学システム。
【請求項１】
光学ユニット（１７）およびコリメータ（１）を備える光学システム、特に、顕微鏡であって、前記コリメータは、前記光学システムのビーム径路において前記光学ユニット（１７）の前方または後方に配置され、前記光学ユニット（１７）は、所定の縦方向色収差を前記ビーム経路に供給されるビームに付与し、前記ビームは前記コリメータ（１）に拡散ビームまたは平行ビームとして入射し、前記コリメータによって平行ビームまたは集束ビームに変換され、前記コリメータ（１）は、少なくとも１枚のレンズ（Ｌ）と、前記ビーム経路を折り曲げて、前記供給されたビームが前記レンズ（４）を２回通過するようにする湾曲ミラー（４）とを備える、光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）の縦方向色収差特性は、前記光学ユニット（１７）によってビームに付与される縦方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するように構成されている、光学システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学システムにおいて、前記ミラー（４）は、前記レンズ（Ｌ）の一方の側に背面ミラーとして設けられている、光学システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、前記レンズ（Ｌ）を唯一のレンズとして、前記ミラー（４）を唯一のミラーとして備える、光学システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記レンズ（Ｌ）の両面（２，３）は、球面として設けられている、光学システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記ビーム（２０）は、当該ビーム（２０）の主光線が前記コリメータ（１）の光軸（ＯＡ）と一致するように、前記コリメータ（１）に入射する、光学システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光学システムにおいて、貫通孔（１１）を備える偏向ミラー（１０）が前記ビーム経路において前記コリメータ（１）の前方または後方に配置され、前記ビーム（２０）が拡散ビームである場合、前記ビーム（２０）は前記貫通孔（１１）を通過し、前記コリメータ（１）に入射し、前記コリメータから来る平行ビーム（２１）は前記偏向ミラー（１０）によって偏向され、前記ビームが平行ビームである場合、前記ビームは前記偏向ミラー（１０）によってコリメータ（１）に向けて偏向され、前記コリメータに入射し、前記コリメータから来る集束ビームは前記貫通孔（１１）を通過する、光学システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、第１交換可能コリメータとして設けられ、第２コリメータに交換され得るものであり、該第２コリメータは、前記第１コリメータとは異なる波長領域に対する縦方向色収差特性を有し、前記別の波長領域に対して、前記光ユニット（１７）によって付与された長方向色収差を不変のままに維持するか、あるいは低減するようにする、光学システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記コリメータ（１）は、前記ミラー（２３；２７）と、２枚または３枚のレンズ（２０，２１；２４，２５，２６）とを備え、前記レンズ（２０，２１；２４，２５，２６）および前記ミラー（２３；２７）は、前記コリメータ（１）の光軸（ＯＡ）に沿って変位可能であり、前記コリメータ（１）の所望の縦方向色収差特性の調節を可能とする、光学システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学システムにおいて、全てのレンズ（２０，２１；２４，２５，２６）は同一の材料から製造される、光学システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記光学ユニット自体が、少なくとも第２レンズ（２９）および第２湾曲ミラー（３０）を備える別のコリメータ（２８）として設けられ、おり、前記第２湾曲ミラー（３０）は、供給されたビームが前記第２レンズ（２９）を２回通過するように、前記ビーム経路を折り曲げる、光学システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、当該光学システムは、レーザ走査顕微鏡または蛍光相関分光計であり、前記コリメータは励起ビーム経路および／または検出ビーム経路において用いられる、光学システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１３３７６７（Ｐ２００６−１３３７６７Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−３０９９７３（Ｐ２００５−３０９９７３）
【出願日】平成１７年１０月２５日（２００５．１０．２５）
【出願人】（５９７１４１９２２）カール ツァイス イェナ ゲーエムベーハー (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０９９７３（Ｐ２００５−３０９９７３）
【出願日】平成１７年１０月２５日（２００５．１０．２５）
【出願人】（５９７１４１９２２）カール ツァイス イェナ ゲーエムベーハー (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]