反射屈折光学系及びそれを有する撮像装置
【課題】 広い観察視野にわたり高い光学性能が容易に得られる反射屈折光学系を得ること。
【解決手段】 反射屈折部を含む第１結像光学系と、第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有し、第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、第１の光学素子および第２の光学素子の裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、第１の光学素子と第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、物体からの光束は、順に第１の光学素子の光透過部、開口絞り、第２の光学素子の裏面反射部、開口絞り、第１の光学素子の裏面反射部、開口絞り、第２の光学素子の光透過部を介した後に第２結像光学系に出射すること。
【解決手段】 反射屈折部を含む第１結像光学系と、第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有し、第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、第１の光学素子および第２の光学素子の裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、第１の光学素子と第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、物体からの光束は、順に第１の光学素子の光透過部、開口絞り、第２の光学素子の裏面反射部、開口絞り、第１の光学素子の裏面反射部、開口絞り、第２の光学素子の光透過部を介した後に第２結像光学系に出射すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料（物体）を拡大し、観察する際に好適な反射屈折光学系及びそれを有する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の病理検査では、光学顕微鏡を用いて病理標本（試料）を直接、人の目で観察している。近年、病理標本を画像データとして取り込み、ディスプレイ上で観察するバーチャル顕微鏡と呼ばれるものが利用されている。バーチャル顕微鏡では病理標本の画像データをディスプレイ上で観察できるため、複数人で同時に観察することができる。またこのバーチャル顕微鏡を用いると画像データを遠方の病理医と共有して診断を仰ぐこともできるなど多くの利点がある。しかし、この方法は病理標本を撮像して画像データとして取り込むためには時間がかかるという問題があった。
【０００３】
時間がかかる原因の１つとして、大きな撮像範囲の病理標本を顕微鏡の狭い撮像領域を用いて画像データとして取り込まねばならないことが挙げられる。顕微鏡の撮像領域が狭い場合、複数回撮像して、もしくはスキャンしながら撮像してそれらを繋げることで一枚の画像とする必要がある。従来より撮像回数を少なくして画像データを取り込む時間を短縮するために、広い撮像領域を持った光学系（撮像光学系）が求められている。
【０００４】
この他、病理標本を観察する上で、広い撮像領域が求められていると同時に可視領域（広い波長域）での高い解像力を持った光学系が要望されている。高い解像力を持った光学系は病理診断の用途に限らず様々な分野で要望されている。屈折光学系より成り可視光全域に渡って収差を良好に低減した生体細胞などの観察に好適な顕微鏡対物レンズが知られている（特許文献１）。
【０００５】
また集積回路やフォトマスクに存在する欠陥を検査するため反射屈折光学系を用いて紫外の広波長帯域に渡って高い解像力を有した超広帯域紫外顕微鏡映像システムが知られている（特許文献２）。また、広い領域に微細なパターンを露光して半導体素子を製造するのに好適な反射屈折光学系が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公昭６０−０３４７３７号公報
【特許文献２】特表２００７−５１４１７９号公報
【特許文献３】ＷＯ００／０３９６２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
可視光全域に渡って収差を良好に低減するのに好適な光学系として反射光学系と屈折光学系を組み合わせた反射屈折光学系（カタディオプトリック光学系）がある。この反射屈折光学系では、面形状に対するペッツバール和の効き方が反射面と屈折面で反対となることを利用し、集光作用を持つ凹反射面と凸レンズを組み合わせてコンパクトな光学系としながら可視光全域に渡って収差を良好に低減している。
【０００８】
この反射屈折光学系には、試料を拡大して観察するための、観察領域が大きく、かつ広い波長範囲にわたり高い光学性能を有することが求められている。 多くの反射屈折光学系では光学系の開口数の設定及び入射瞳及び射出瞳の設定のために光学系内の光路内に光束の周縁部を制限する開口絞りを設けている。反射屈折光学系において観察視野が広く、全視野が広く全視野にわたり高い光学性能を得るには、光束を制限する開口絞りの光軸上の位置を適切なる位置に配置することが重要になってくる。
【０００９】
開口絞りの位置が不適切であると、画面全体に入射する光束径を適切に制限することが困難となり、フレアーが増大し高い光学性能を得るのが難しくなる。
【００１０】
本発明は、広い観察視野にわたり高い光学性能が容易に得られる反射屈折光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の反射屈折光学系は、物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系と、前記第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、前記中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有する反射屈折光学系であって、
前記第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子の前記裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、前記物体からの光束は、順に前記第１の光学素子の光透過部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第１の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の光透過部を介した後に前記第２結像光学系に出射しており、
前記第１の光学素子と前記開口絞りの光軸方向の距離をｔ１、前記開口絞りと前記第２の光学素子の光軸方向の距離をｔ２、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ１とするとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５
２．３＜ｔ２／ｔ１
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広い観察視野にわたり高い光学性能が容易に得られる反射屈折光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の撮像装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例１の反射屈折光学系のレンズ概略図である。
【図３】本発明の実施例１の各像高における歪量を表した図である。
【図４】本発明の実施例１の反射屈折光学系の収差図である。
【図５】本発明の実施例１において第２結像光学系に開口絞りを配置した場合のレンズ概略図である。
【図６】図２に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図である。
【図７】図５に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図。
【図８】本発明の実施例２の反射屈折光学系のレンズ概略図である。
【図９】本発明の実施例２の反射屈折光学系の収差図である。
【図１０】図８に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の撮像装置１０００は、光源手段１０１と、光源手段１０１からの光束で物体１０３を照明する照明光学系１０２と、物体１０３を結像する反射屈折光学系１０４を有している。更に反射屈折光学系１０４によって結像された物体像を光電変換する撮像素子１０５と、撮像素子１０５からのデータより画像情報を生成する画像処理系１０６と画像処理系１０６で生成した画像データを表示する表示手段１０７とを有する。
【００１５】
また少なくとも３つのレンズの移動量と収差変動に関するデータを予め記憶する記憶手段１１０と、反射屈折光学系が置かれている環境の温度を測定する温度測定手段１０８を有する。更に、温度測定手段１０８で得られた温度情報と記憶手段１１０に記憶されているデータより、少なくとも３つのレンズ成分の環境変化によって生ずる収差変動を補正するための移動量を算出する算出手段１０９を有する。更に算出手段１０９で算出された移動量を用いて少なくとも３つのレンズ成分を移動可能とする駆動手段１１１を有する。
【００１６】
また本発明の反射屈折光学系１０４は、物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系Ｇ１と、第１結像光学系Ｇ１からの光束を受けて中間像を形成するとともに中間像ＩＭを像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系Ｇ２を有する。そして第１結像光学系Ｇ１は、光軸周辺が光透過部、周辺部（外周側）のうち物体側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第１の光学素子Ｍ１と、光軸周辺が光透過部、周辺部のうち像側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第２の光学素子Ｍ２とを有する。
【００１７】
更に第１結像光学系Ｇ１は第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２との間に開口絞りＡＳを有する。第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２は反射面側が向き合っている。
【００１８】
本発明の反射屈折光学系１０４は直径３ｍｍ以上の視野領域を撮像する。図１は本発明の撮像装置の要部概略図である。図２は本発明の反射屈折光学系の実施例１の要部概略図である。図３は実施例１の第１結像光学系Ｇ１内に開口絞りＡＳを配置した際のNAに対する歪量を表した説明図である。
【００１９】
開口絞りＡＳを配置する場所は瞳付近が一般的であるが、高画角な反射屈折光学系の場合、軸上と軸外の光束の光路が大きく異なることにより、瞳が歪む現象が生じる。ここで、瞳が歪む定義は軸上のＮＡに対して軸外のＮＡのずれの割合とする。図４は実施例１の収差図である。図５は実施例１の第２結像光学系Ｇ２内に開口絞りＡＳを配置した場合の要部概略図である。
【００２０】
以下、図１を参照して、本発明の反射屈折光学系１０４を有する撮像装置１０００の構成について説明する。撮像装置１０００は、光源手段１０１からの光を照明光学系１０２によって集光して試料としての物体１０３を均一に照明する。このとき使用する光は可視光（例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）が用いられる。結像光学系は物体１０３の像を撮像素子１０５上に結像する反射部と反射部を有する反射屈折光学系１０４より成っている。
【００２１】
撮像素子１０５で取得したデータ（画像情報）は、画像処理系１０６によって画像データを生成し、生成した画像データを表示手段１０７などに表示する。この他、記憶手段１１０に記憶している。画像処理系１０６では反射屈折光学系１０４で補正しきれなかった収差を補正したり、または、撮像位置の異なった画像データを繋げて一枚の画像データに合成したりするなど用途に応じた処理が行われる。
【００２２】
反射屈折光学系１０４内に配置された収差補正用のレンズ成分１１２、１１３、１１４は、各々を光軸に沿って移動させる駆動系（駆動手段）１１１を備えた保持機構（不図示）によって保持されている。レンズ成分は単一レンズ又は複数のレンズより成っている。使用環境の温度の変化などにより反射光学系１０４の温度が変化した場合、温度変化による収差変化は光軸を中心とした回転対称である。このため、レンズ成分１１２〜１１４を光軸に沿って移動することで補正している。
【００２３】
ここで、その温度に応じて少なくとも３つのレンズ成分を光軸に沿って移動させることにより、球面収差、コマ収差、非点収差などの諸収差の変動を低減している。これにより広い視野領域全域に渡って良好な画質を得ている。また、反射屈折光学系１０４の収差が良好に低減されることで、画像処理系１０６における収差補正の処理が不要になるなど、画像処理の計算負荷を低減している。
【００２４】
収差補正用のレンズ成分の光軸方向の移動は、顕微鏡使用者が表示手段１０７などに表示される画像データを確認しながら所望の画質が得られるよう手動で行ってもよいし、また、予め設定した収差補正フローに基づいて制御してもよい。
【００２５】
図２は図１の本発明に係る反射屈折光学系１０４の実施例１の要部断面図である。図２において、１０４は反射屈折光学系、１０３は試料としての物体面である。１０５は撮像素子であり、像面に配置されている。ＡＳは開口絞り、ＩＭは中間像である。ＡＸは反射屈折光学系１０４の光軸である。反射屈折光学系１０４は物体１０３からの光束を集光する開口絞りＡＳと、反射面を含む第１結像光学系Ｇ１を有する。そして第１結像光学系Ｇ１からの光束を受けて中間像を形成し、中間像ＩＭを撮像素子１０５に結像する屈折面と遮光部ＳＨを含む第２結像光学系Ｇ２を有する。
【００２６】
第１結像光学系Ｇ１は、物体側から順に第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１、開口絞りＡＳ、第２の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ２を有している。第２結像光学系Ｇ２は、物体側から順にレンズ群Ｇ２１、Ｇ２２、遮光部ＳＨ、レンズ群Ｇ２３〜レンズＧ２５を有している。第１結像光学系Ｇ１の第１の光学素子Ｍ１は、物体１０３側の面が凸形状で、光軸周辺が正の屈折力の光透過部Ｍ１Ｔ、周辺部のうち物体側の面Ｍ１ａに反射膜を施し、裏面反射部としている。
【００２７】
第２の光学素子Ｍ２は物体側に凹面を向けたメニスカス形状で、光軸周辺が負の屈折力の光透過部Ｍ２Ｔ、周辺部のうち像側の面Ｍ２ｂに反射膜を施し、裏面反射部としている。第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２は互いに裏面反射部Ｍ１ａ、Ｍ２ｂが対向するように配置されている。第２の結像光学系Ｇ２は物体１０３からの光束のうち光軸近傍の光束を遮光し、撮像素子１０５に入射するのを防止する遮光板ＳＨがレンズ群Ｇ２２の近傍に配置されている。
【００２８】
各実施例における第１結像光学系Ｇ１の第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２の間には開口絞りＳＰが配置されている。そして第１の光学素子Ｍ１と開口絞りＡＳの光軸方向の距離をｔ１とする。開口絞りＳＰと第２の光学素子Ｍ２の光軸方向の距離をｔ２とする。第１結像光学系Ｇ１の焦点距離をｆ１とする。このとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５ ・・・（１）
２．３＜ｔ２／ｔ１ ・・・（２）
なる条件を満足している。
【００２９】
次に条件式（１）、（２）の技術的意味について説明する。条件式（１）は第１の光学素子Ｍ１と開口絞りＡＳとの光軸方向の距離に関する。条件式（１）の上限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１から離れすぎると第一結像光学系の瞳より離れ、歪量が大きくなる。または下限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１に接近しすぎるとｔ１＝０となりＡＳがＭ１に接触するので０．００＜ｔ１／ｆ１は必須条件である。
【００３０】
条件式（２）は第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２との間に開口絞りＡＳを配置するときの位置のバランスに関する。条件式（２）の下限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１に接近しすぎるとＡＳの位置がＭ１より２０ｍｍ以上の距離となり、歪量が大きくなる。
【００３１】
図２に示す反射屈折光学系１０４では、照明光学系１０２からの光束で照明され、物体１０３から出射した光束は第１の光学素子Ｍ１の中央透過部Ｍ１Ｔを通過する。その後、第２の光学素子Ｍ２の屈折面Ｍ２ａに入射し、その後裏面反射部Ｍ２ｂで反射し、屈折面Ｍ２ａを通過して第１の光学素子Ｍ１の屈折面Ｍ１ｂに入射する。
【００３２】
その後、第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａで反射する。そして屈折面Ｍ１ｂを通過し、第２の光学素子Ｍ２の中央透過部Ｍ２Ｔを通過し、第２結像光学系Ｇ２側へ出射している。そして第２結像光学系Ｇ２のレンズ群Ｇ２１のレンズＬ１の近傍に試料１０３の中間像ＩＭを形成する。レンズ群Ｇ２１のレンズＬ１はフィールドレンズの作用をしている。
【００３３】
本実施例において、第１結像光学系Ｇ１の構成はこれに限定されるものではない。例えば、マンジャンミラーより成る第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２の替わりに、中心部に透過部を有する表面反射ミラーとレンズとの組み合わせで構成しても構わない。
【００３４】
ここで、第１結像光学系Ｇ１に含まれる第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２の裏面反射部Ｍ２ｂはいずれも非球面形状より成っている。これにより、色収差の発生を抑えつつ、球面収差を良好に補正している。また高ＮＡ（口径比）でも、可視の広波長帯域に渡って諸収差を良好に低減している。
【００３５】
また、第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２の裏面反射部Ｍ２ｂは、いずれも正の屈折力の反射面としている。これにより、第２結像光学系Ｇ２のレンズの正の屈折力を強くして光学系全長を短くしたときのペッツバール和の増大を軽減している。これはペッツバール和への効き方が反射面と屈折面で反対となるためである。
【００３６】
第１の結像光学系Ｇ１からの光は、順に、正の屈折力のレンズ群Ｇ２１（レンズＬ１〜Ｌ８）、負の屈折力のレンズ群Ｇ２２（レンズＬ９）、正の屈折力のレンズ群Ｇ２３（レンズＬ１０，Ｌ１１）を通過する。更に負の屈折力のレンズ群Ｇ２４（レンズＬ１２，Ｌ１３）、正の屈折力のレンズ群Ｇ２５（レンズＬ１４，Ｌ１５）を通過する。そして撮像素子１０５上に物体１０３を倍率６で拡大結像している。
【００３７】
さらに、遮光部ＳＨは、レンズＬ９の物体１０３側の面をＲａ面、撮像素子１０５側の面をＲｂ面としたとき、レンズＬ９のＲｂ面上に配置されている。そして、物体１０３からの光が、第１の光学素子Ｍ１、及び、第２の光学素子Ｍ２で反射されることなく、第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２の中心透過部Ｍ１Ｔ、Ｍ２Ｔを通過して直接撮像素子１０５に到達することを防いでいる。
【００３８】
この実施例１の反射屈折光学系１０４において、物体側の開口数ＮＡは０．７、視野領域は直径２８．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。物体側がテレセントリックとなっている。
【００３９】
本実施例では、白色光での波面収差最悪値が20mλｒｍｓ以下に抑えられている。図４の収差図においては軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）、及び、最軸外物高（Ｙ＝１４．１ｍｍ）の収差図を示している。実施例１は波長６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍにおいて収差は良好に抑えられている。試料１０３は直径３ｍｍ以上〜直径３０ｍｍ以下である。
【００４０】
また、図５は図２に示す反射屈折光学系と同一のレンズ構成において、開口絞り（ＡＳ）の位置が第２結像光学系Ｇ２に配置したときの光路図である。図５に示す位置に開口絞りＡＳを配置すると、開口絞りＡＳの光束の形状は図７に示すように軸上と軸外では大きくずれることとなる。これを歪と呼び、仮に軸上の設定ＮＡにおいて絞りの開口径を決定すると、軸外の光線がけられることになり、解像度、光量に影響し、光学性能を悪化させる原因となる。
【００４１】
図３は、このときの歪の割合を示している。図３は横軸に像高および縦軸に歪量を示している。開口絞りＡＳを第２結像光学系Ｇ２に屈折部に配置した場合、像高が大きくなるにつれて歪の量は大きくなり、１０割像高では約５％程度歪む。それと比較して、開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１に配置した場合、像高が大きくなってもほぼ設計値と変わらない歪量となっている。開口絞りＡＳの光束の形状を図６に示す。軸上光線と軸外光線の位置ずれはほとんどない。
【００４２】
本実施例において、開口絞りＡＳの位置は図２に示すように第１の光学素子Ｍ１の近傍で凸レンズＭ１の面Ｍ１ｂからの距離が２０ｍｍ以内である。また、実施例１においては、
ｆ１＝８９．２、ｔ１＝８、ｔ２＝７３．５７、であり、
ｔ１／ｆ１＝０．０９
ｔ２／ｔ１＝９．１９
である。
【００４３】
歪量が大きくなると光量や解像度に影響し、光学性能が悪化してしまうが、開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１の条件式（１）を満足する位置に配置することにより防ぐことが容易となる。
【００４４】
本実施例では、光学性能の悪化を防ぎ、広い領域に渡って高い解像力を持ち、可視光全域に渡って収差を良好に補正した反射屈折光学系を達成している。
【００４５】
次に本発明の実施例２について説明する。図８に示す実施例２は図２の実施例１とレンズ構成は略同じである。実施例２の反射屈折光学系において、物体側の開口数ＮＡは０．７であって、倍率は１０倍である。物体側がテレセントリックに構成されている。瞳の中抜けの割合が面積比で３割以下と抑えられている。また、白色光での波面収差最悪値が２０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。図９に本実施例の収差図を示す。
【００４６】
図９の収差図では軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）、及び、最軸外物高（Ｙ＝７ｍｍ）の収差図を示している。実施例２は、波長６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられている。試料１０３は直径３ｍｍ以上〜直径３０ｍｍ以下である。また、実施例２において開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１に配置した場合、歪量は１％以下である。本実施例における開口絞りＡＳの光束の形状を図１０に示す。
【００４７】
また、開口絞りＡＳの位置は図８に示すように第１の光学素子Ｍ１の近傍で第１の光学素子Ｍ１の面Ｍ１ｂからの距離が２０ｍｍ以内である。また、実施例２に示す反射屈折光学系において、
ｆ１＝１０８、ｔ１＝１３、ｔ２＝５７．９、であり、
ｔ１／ｆ１＝０．１２
ｔ２／ｔ１＝４．４５
である。
【００４８】
以下、実施例１と実施例２の数値実施例を示す。面番号は物体面（試料面）から像面まで数えた光学面の順である。ｒは第ｉ番目の光学面の曲率半径である。ｄは第ｉ番目と第ｉ＋１番目の間隔である（符号は物体側から像面側へ測ったときを（光が進行するときを）正、逆方向を負としている）。Ｎｄ、νｄは波長５８７．６ｎｍに対する材料の屈折率とアッベ数をそれぞれ示している。非球面の形状は、以下の式に示す一般的な非球面の式で表される。
【００４９】
以下の式において、Ｚは光軸方向の座標、ｃは曲率（曲率半径ｒの逆数）、ｈは光軸からの高さである。ｋは円錐係数、A、B、C、D、E、F、G、H、J・・・は各々、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次、１８次、２０次、・・・の非球面係数である。
【００５０】
【数１】
【００５１】
「Ｅ−Ｘ」は「１０-X」を意味する。前述した各条件式と数値実施例との関係を表３に示す。
【００５２】
［数値実施例１］
面番号 r d Nd νd
物体面 3.00
1 783.74 28.01 1.49 70.24
2 -797.06 81.57
3 -102.12 7.77 1.52 64.14
4 -140.83 -7.77 1.52 64.14
5 -102.12 -81.57
6 -797.06 -28.01 1.49 70.24
7 783.74 28.01 1.49 70.24
8 -797.06 81.57
9 -102.12 7.77 1.52 64.14
10 -140.83 3.49
11 -154.32 7.05 1.64 55.38
12 -72.36 0.50
13 63.71 17.64 1.44 94.95
14 -50.65 5.00 1.67 38.15
15 531.40 7.25
16 134.93 13.56 1.70 48.52
17 -176.29 0.50
18 54.79 12.36 1.60 65.44
19 118.83 14.42
20 234.49 11.45 1.75 35.28
21 -144.57 3.61
22 99.73 17.43 1.60 65.44
23 -54.76 5.00 1.67 38.15
24 -392.90 1.00
25 0.00（遮光部） 3.84
26 -82.47 5.00 1.61 43.71
27 106.23 26.38
28 -475.21 23.33 1.72 43.69
29 -65.34 0.50
30 136.04 26.85 1.49 70.24
31 -132.13 44.13
32 -86.09 5.00 1.74 32.26
33 175.53 29.93
34 -56.65 5.00 1.49 70.24
35 -1735.21 11.41
36 -183.59 29.63 1.76 40.10
37 -85.12 6.37
38 456.98 31.46 1.68 50.72
39 -468.94 10.50
像面 0
【００５３】
数値実施例1の非球面係数
(非球面係数)
面番号 k A B C D
E F G H J
1,7 0.00E+00 1.67E-09 3.09E-13 3.96E-17 3.63E-21
-9.72E-25 1.54E-28 -7.54E-33 0.00E+00 0.00E+00
4,10 0.00E+00 7.26E-09 4.06E-13 2.43E-17 2.13E-22
1.53E-25 -8.73E-30 6.74E-34 0.00E+00 0.00E+00
13 0.00E+00 -6.61E-07 3.61E-10 -1.77E-12 4.28E-15
-6.07E-18 4.64E-21 -1.49E-24 0.00E+00 0.00E+00
19 0.00E+00 1.06E-06 1.26E-10 -3.89E-14 1.21E-16
-1.34E-19 8.62E-23 -2.47E-26 0.00E+00 0.00E+00
20 0.00E+00 -2.24E-07 -2.10E-10 7.61E-14 2.93E-17
-6.10E-20 4.21E-23 -1.52E-26 0.00E+00 0.00E+00
22 0.00E+00 -3.39E-07 1.40E-10 -1.22E-13 1.12E-16
-2.82E-19 2.37E-22 -7.09E-26 0.00E+00 0.00E+00
27 0.00E+00 -8.37E-07 4.38E-10 -6.29E-13 8.80E-16
-9.05E-19 5.49E-22 -1.47E-25 0.00E+00 0.00E+00
28 0.00E+00 -5.75E-07 6.56E-11 -8.58E-15 2.98E-18
-1.39E-21 1.53E-25 -2.07E-29 0.00E+00 0.00E+00
31 0.00E+00 -2.68E-07 3.68E-11 1.85E-15 1.56E-19
-3.12E-22 4.81E-26 -1.39E-30 0.00E+00 0.00E+00
32 0.00E+00 -1.11E-06 1.65E-10 1.46E-15 -1.61E-17
3.66E-21 -2.08E-24 4.09E-28 0.00E+00 0.00E+00
35 0.00E+00 -7.37E-07 2.14E-10 -5.75E-14 1.31E-17
-2.37E-21 2.68E-25 -1.43E-29 0.00E+00 0.00E+00
39 0.00E+00 -2.14E-07 3.18E-11 -8.94E-15 1.60E-18
-1.62E-22 8.95E-27 -2.10E-31 0.00E+00 0.00E+00
【００５４】
［数値実施例２］
物体面 r d ND νｄ
1 非球面 642.4 9.4 1.52 64.14
2 球 -1525.2 70.9
3 球 -85.3 7.2 1.52 64.14
4 非球面 -115.3 -7.2 1.52 64.14
5 球 -85.3 -70.9
6 球 -1527.6 -9.4 1.52 64.14
7 非球面 642.4 9.4 1.52 64.14
8 球 -1525.2 70.9
9 球 -85.3 7.2 1.52 64.14
10 非球面 -115.3 3.0
11 非球面 -106.2 8.6 1.64 55.38
12 球 -23.6 5.0 1.74 29.30
13 球 -52.4 2.5
14 非球面 47.4 8.2 1.61 60.69
15 球 -60.3 9.9
16 球 45.1 9.4 1.54 55.43
17 球 -89.1 3.2
18 球 -126.3 6.9 1.75 30.11
19 非球面 -41.8 6.7
20 球 -24.2 7.4 1.65 33.10
21 非球面 -149.0 6.9
22 球 1.00E+18 6.8 1.50 59.58
23 球 1.00E+18 0.0
24 球 97.4 9.5 1.71 47.49
25 非球面 -554.5 0.9
26 球 110.1 14.2 1.61 60.52
27 非球面 -58.2 0.5
28 球 43.8 8.8 1.75 31.34
29 球 60.1 8.2
30 非球面 58.2 7.3 1.74 35.95
31 球 46.4 27.3
32 球 -27.3 5.6 1.74 35.95
33 非球面 793.1 17.6
34 非球面 -39.1 6.7 1.49 68.89
35 球 -147.5 10.9
36 球 -77.8 14.6 1.74 44.85
37 非球面 -60.9 0.7
38 球 -134.1 20.2 1.74 44.85
39 球 -73.7 0.5
40 球 1474.7 18.7 1.74 37.55
41 非球面 -263.7 1.5
像面
【００５５】
面番号 k A B C D
E F G H J
1,7 0.00E+00 1.84E-08 -7.14E-13 -7.14E-13 1.27E-19
-5.77E-23 1.31E-26 -1.19E-30 0.00E+00 0.00E+00
4,10 0.00E+00 1.47E-08 1.37E-12 1.07E-16 4.38E-21
1.80E-24 -1.67E-28 2.11E-32 0.00E+00 0.00E+00
11 0.00E+00 -5.87E-06 8.08E-09 8.05E-12 3.85E-14
9.03E-26 -1.57E-32 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
14 0.00E+00 -4.04E-06 -7.89E-09 1.77E-11 -4.83E-14
-5.88E-24 -2.12E-27 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
19 0.00E+00 2.57E-07 -5.28E-10 5.16E-12 -7.30E-15
-2.69E-18 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
21 0.00E+00 -8.47E-06 2.05E-09 -5.43E-12 8.12E-15
-8.82E-18 -9.75E-30 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
25 0.00E+00 -8.16E-07 5.19E-10 -1.81E-12 2.14E-15
-7.44E-19 -7.83E-24 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
27 0.00E+00 3.63E-06 -1.07E-09 1.64E-12 -1.60E-15
6.70E-19 -8.25E-23 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
30 0.00E+00 -2.80E-08 -4.09E-09 4.05E-12 -4.18E-15
3.21E-18 -5.72E-24 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
33 0.00E+00 5.46E-06 -6.07E-09 8.19E-13 2.08E-15
-3.65E-19 -6.71E-22 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
34 0.00E+00 6.51E-06 -1.13E-09 1.19E-12 -7.85E-17
-5.25E-19 4.61E-22 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
37 0.00E+00 1.23E-06 -3.10E-10 8.66E-14 2.17E-18
-2.43E-21 -4.59E-25 4.48E-28 0.00E+00 0.00E+00
41 0.00E+00 -6.20E-07 2.51E-10 -7.51E-14 1.44E-17
-1.72E-21 1.04E-25 -1.76E-30 0.00E+00 0.00E+00
【００５６】
【表１】
【符号の説明】
【００５７】
１０１ 光源 １０２ 照明光学系 １０３ 試料
１０４ 結像光学系 １０５ 撮像素子 １０６ 画像処理系
１０７〜１０９ 収差補正レンズ ＡＳ 開口絞り ＩＭ 中間像
ＡＸ 光軸 Ｇ１ 第１結像光学系 Ｇ２ 第２結像光学系
Ｌ１〜Ｌ１５ レンズ Ｍ１ 第１の光学素子 Ｍ２ 第２の光学素子
ＳＨ 遮光部
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料（物体）を拡大し、観察する際に好適な反射屈折光学系及びそれを有する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の病理検査では、光学顕微鏡を用いて病理標本（試料）を直接、人の目で観察している。近年、病理標本を画像データとして取り込み、ディスプレイ上で観察するバーチャル顕微鏡と呼ばれるものが利用されている。バーチャル顕微鏡では病理標本の画像データをディスプレイ上で観察できるため、複数人で同時に観察することができる。またこのバーチャル顕微鏡を用いると画像データを遠方の病理医と共有して診断を仰ぐこともできるなど多くの利点がある。しかし、この方法は病理標本を撮像して画像データとして取り込むためには時間がかかるという問題があった。
【０００３】
時間がかかる原因の１つとして、大きな撮像範囲の病理標本を顕微鏡の狭い撮像領域を用いて画像データとして取り込まねばならないことが挙げられる。顕微鏡の撮像領域が狭い場合、複数回撮像して、もしくはスキャンしながら撮像してそれらを繋げることで一枚の画像とする必要がある。従来より撮像回数を少なくして画像データを取り込む時間を短縮するために、広い撮像領域を持った光学系（撮像光学系）が求められている。
【０００４】
この他、病理標本を観察する上で、広い撮像領域が求められていると同時に可視領域（広い波長域）での高い解像力を持った光学系が要望されている。高い解像力を持った光学系は病理診断の用途に限らず様々な分野で要望されている。屈折光学系より成り可視光全域に渡って収差を良好に低減した生体細胞などの観察に好適な顕微鏡対物レンズが知られている（特許文献１）。
【０００５】
また集積回路やフォトマスクに存在する欠陥を検査するため反射屈折光学系を用いて紫外の広波長帯域に渡って高い解像力を有した超広帯域紫外顕微鏡映像システムが知られている（特許文献２）。また、広い領域に微細なパターンを露光して半導体素子を製造するのに好適な反射屈折光学系が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公昭６０−０３４７３７号公報
【特許文献２】特表２００７−５１４１７９号公報
【特許文献３】ＷＯ００／０３９６２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
可視光全域に渡って収差を良好に低減するのに好適な光学系として反射光学系と屈折光学系を組み合わせた反射屈折光学系（カタディオプトリック光学系）がある。この反射屈折光学系では、面形状に対するペッツバール和の効き方が反射面と屈折面で反対となることを利用し、集光作用を持つ凹反射面と凸レンズを組み合わせてコンパクトな光学系としながら可視光全域に渡って収差を良好に低減している。
【０００８】
この反射屈折光学系には、試料を拡大して観察するための、観察領域が大きく、かつ広い波長範囲にわたり高い光学性能を有することが求められている。 多くの反射屈折光学系では光学系の開口数の設定及び入射瞳及び射出瞳の設定のために光学系内の光路内に光束の周縁部を制限する開口絞りを設けている。反射屈折光学系において観察視野が広く、全視野が広く全視野にわたり高い光学性能を得るには、光束を制限する開口絞りの光軸上の位置を適切なる位置に配置することが重要になってくる。
【０００９】
開口絞りの位置が不適切であると、画面全体に入射する光束径を適切に制限することが困難となり、フレアーが増大し高い光学性能を得るのが難しくなる。
【００１０】
本発明は、広い観察視野にわたり高い光学性能が容易に得られる反射屈折光学系及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の反射屈折光学系は、物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系と、前記第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、前記中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有する反射屈折光学系であって、
前記第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子の前記裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、前記物体からの光束は、順に前記第１の光学素子の光透過部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第１の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の光透過部を介した後に前記第２結像光学系に出射しており、
前記第１の光学素子と前記開口絞りの光軸方向の距離をｔ１、前記開口絞りと前記第２の光学素子の光軸方向の距離をｔ２、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ１とするとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５
２．３＜ｔ２／ｔ１
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広い観察視野にわたり高い光学性能が容易に得られる反射屈折光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の撮像装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例１の反射屈折光学系のレンズ概略図である。
【図３】本発明の実施例１の各像高における歪量を表した図である。
【図４】本発明の実施例１の反射屈折光学系の収差図である。
【図５】本発明の実施例１において第２結像光学系に開口絞りを配置した場合のレンズ概略図である。
【図６】図２に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図である。
【図７】図５に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図。
【図８】本発明の実施例２の反射屈折光学系のレンズ概略図である。
【図９】本発明の実施例２の反射屈折光学系の収差図である。
【図１０】図８に示す反射屈折光学系における開口絞り位置のおける光束の形状の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の撮像装置１０００は、光源手段１０１と、光源手段１０１からの光束で物体１０３を照明する照明光学系１０２と、物体１０３を結像する反射屈折光学系１０４を有している。更に反射屈折光学系１０４によって結像された物体像を光電変換する撮像素子１０５と、撮像素子１０５からのデータより画像情報を生成する画像処理系１０６と画像処理系１０６で生成した画像データを表示する表示手段１０７とを有する。
【００１５】
また少なくとも３つのレンズの移動量と収差変動に関するデータを予め記憶する記憶手段１１０と、反射屈折光学系が置かれている環境の温度を測定する温度測定手段１０８を有する。更に、温度測定手段１０８で得られた温度情報と記憶手段１１０に記憶されているデータより、少なくとも３つのレンズ成分の環境変化によって生ずる収差変動を補正するための移動量を算出する算出手段１０９を有する。更に算出手段１０９で算出された移動量を用いて少なくとも３つのレンズ成分を移動可能とする駆動手段１１１を有する。
【００１６】
また本発明の反射屈折光学系１０４は、物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系Ｇ１と、第１結像光学系Ｇ１からの光束を受けて中間像を形成するとともに中間像ＩＭを像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系Ｇ２を有する。そして第１結像光学系Ｇ１は、光軸周辺が光透過部、周辺部（外周側）のうち物体側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第１の光学素子Ｍ１と、光軸周辺が光透過部、周辺部のうち像側の面に反射膜を施し、裏面反射部とした第２の光学素子Ｍ２とを有する。
【００１７】
更に第１結像光学系Ｇ１は第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２との間に開口絞りＡＳを有する。第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２は反射面側が向き合っている。
【００１８】
本発明の反射屈折光学系１０４は直径３ｍｍ以上の視野領域を撮像する。図１は本発明の撮像装置の要部概略図である。図２は本発明の反射屈折光学系の実施例１の要部概略図である。図３は実施例１の第１結像光学系Ｇ１内に開口絞りＡＳを配置した際のNAに対する歪量を表した説明図である。
【００１９】
開口絞りＡＳを配置する場所は瞳付近が一般的であるが、高画角な反射屈折光学系の場合、軸上と軸外の光束の光路が大きく異なることにより、瞳が歪む現象が生じる。ここで、瞳が歪む定義は軸上のＮＡに対して軸外のＮＡのずれの割合とする。図４は実施例１の収差図である。図５は実施例１の第２結像光学系Ｇ２内に開口絞りＡＳを配置した場合の要部概略図である。
【００２０】
以下、図１を参照して、本発明の反射屈折光学系１０４を有する撮像装置１０００の構成について説明する。撮像装置１０００は、光源手段１０１からの光を照明光学系１０２によって集光して試料としての物体１０３を均一に照明する。このとき使用する光は可視光（例えば、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）が用いられる。結像光学系は物体１０３の像を撮像素子１０５上に結像する反射部と反射部を有する反射屈折光学系１０４より成っている。
【００２１】
撮像素子１０５で取得したデータ（画像情報）は、画像処理系１０６によって画像データを生成し、生成した画像データを表示手段１０７などに表示する。この他、記憶手段１１０に記憶している。画像処理系１０６では反射屈折光学系１０４で補正しきれなかった収差を補正したり、または、撮像位置の異なった画像データを繋げて一枚の画像データに合成したりするなど用途に応じた処理が行われる。
【００２２】
反射屈折光学系１０４内に配置された収差補正用のレンズ成分１１２、１１３、１１４は、各々を光軸に沿って移動させる駆動系（駆動手段）１１１を備えた保持機構（不図示）によって保持されている。レンズ成分は単一レンズ又は複数のレンズより成っている。使用環境の温度の変化などにより反射光学系１０４の温度が変化した場合、温度変化による収差変化は光軸を中心とした回転対称である。このため、レンズ成分１１２〜１１４を光軸に沿って移動することで補正している。
【００２３】
ここで、その温度に応じて少なくとも３つのレンズ成分を光軸に沿って移動させることにより、球面収差、コマ収差、非点収差などの諸収差の変動を低減している。これにより広い視野領域全域に渡って良好な画質を得ている。また、反射屈折光学系１０４の収差が良好に低減されることで、画像処理系１０６における収差補正の処理が不要になるなど、画像処理の計算負荷を低減している。
【００２４】
収差補正用のレンズ成分の光軸方向の移動は、顕微鏡使用者が表示手段１０７などに表示される画像データを確認しながら所望の画質が得られるよう手動で行ってもよいし、また、予め設定した収差補正フローに基づいて制御してもよい。
【００２５】
図２は図１の本発明に係る反射屈折光学系１０４の実施例１の要部断面図である。図２において、１０４は反射屈折光学系、１０３は試料としての物体面である。１０５は撮像素子であり、像面に配置されている。ＡＳは開口絞り、ＩＭは中間像である。ＡＸは反射屈折光学系１０４の光軸である。反射屈折光学系１０４は物体１０３からの光束を集光する開口絞りＡＳと、反射面を含む第１結像光学系Ｇ１を有する。そして第１結像光学系Ｇ１からの光束を受けて中間像を形成し、中間像ＩＭを撮像素子１０５に結像する屈折面と遮光部ＳＨを含む第２結像光学系Ｇ２を有する。
【００２６】
第１結像光学系Ｇ１は、物体側から順に第１の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ１、開口絞りＡＳ、第２の光学素子（マンジャンミラー）Ｍ２を有している。第２結像光学系Ｇ２は、物体側から順にレンズ群Ｇ２１、Ｇ２２、遮光部ＳＨ、レンズ群Ｇ２３〜レンズＧ２５を有している。第１結像光学系Ｇ１の第１の光学素子Ｍ１は、物体１０３側の面が凸形状で、光軸周辺が正の屈折力の光透過部Ｍ１Ｔ、周辺部のうち物体側の面Ｍ１ａに反射膜を施し、裏面反射部としている。
【００２７】
第２の光学素子Ｍ２は物体側に凹面を向けたメニスカス形状で、光軸周辺が負の屈折力の光透過部Ｍ２Ｔ、周辺部のうち像側の面Ｍ２ｂに反射膜を施し、裏面反射部としている。第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２は互いに裏面反射部Ｍ１ａ、Ｍ２ｂが対向するように配置されている。第２の結像光学系Ｇ２は物体１０３からの光束のうち光軸近傍の光束を遮光し、撮像素子１０５に入射するのを防止する遮光板ＳＨがレンズ群Ｇ２２の近傍に配置されている。
【００２８】
各実施例における第１結像光学系Ｇ１の第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２の間には開口絞りＳＰが配置されている。そして第１の光学素子Ｍ１と開口絞りＡＳの光軸方向の距離をｔ１とする。開口絞りＳＰと第２の光学素子Ｍ２の光軸方向の距離をｔ２とする。第１結像光学系Ｇ１の焦点距離をｆ１とする。このとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５ ・・・（１）
２．３＜ｔ２／ｔ１ ・・・（２）
なる条件を満足している。
【００２９】
次に条件式（１）、（２）の技術的意味について説明する。条件式（１）は第１の光学素子Ｍ１と開口絞りＡＳとの光軸方向の距離に関する。条件式（１）の上限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１から離れすぎると第一結像光学系の瞳より離れ、歪量が大きくなる。または下限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１に接近しすぎるとｔ１＝０となりＡＳがＭ１に接触するので０．００＜ｔ１／ｆ１は必須条件である。
【００３０】
条件式（２）は第１の光学素子Ｍ１と第２の光学素子Ｍ２との間に開口絞りＡＳを配置するときの位置のバランスに関する。条件式（２）の下限値を超えて開口絞りＡＳが第１の光学素子Ｍ１に接近しすぎるとＡＳの位置がＭ１より２０ｍｍ以上の距離となり、歪量が大きくなる。
【００３１】
図２に示す反射屈折光学系１０４では、照明光学系１０２からの光束で照明され、物体１０３から出射した光束は第１の光学素子Ｍ１の中央透過部Ｍ１Ｔを通過する。その後、第２の光学素子Ｍ２の屈折面Ｍ２ａに入射し、その後裏面反射部Ｍ２ｂで反射し、屈折面Ｍ２ａを通過して第１の光学素子Ｍ１の屈折面Ｍ１ｂに入射する。
【００３２】
その後、第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａで反射する。そして屈折面Ｍ１ｂを通過し、第２の光学素子Ｍ２の中央透過部Ｍ２Ｔを通過し、第２結像光学系Ｇ２側へ出射している。そして第２結像光学系Ｇ２のレンズ群Ｇ２１のレンズＬ１の近傍に試料１０３の中間像ＩＭを形成する。レンズ群Ｇ２１のレンズＬ１はフィールドレンズの作用をしている。
【００３３】
本実施例において、第１結像光学系Ｇ１の構成はこれに限定されるものではない。例えば、マンジャンミラーより成る第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２の替わりに、中心部に透過部を有する表面反射ミラーとレンズとの組み合わせで構成しても構わない。
【００３４】
ここで、第１結像光学系Ｇ１に含まれる第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２の裏面反射部Ｍ２ｂはいずれも非球面形状より成っている。これにより、色収差の発生を抑えつつ、球面収差を良好に補正している。また高ＮＡ（口径比）でも、可視の広波長帯域に渡って諸収差を良好に低減している。
【００３５】
また、第１の光学素子Ｍ１の裏面反射部Ｍ１ａと第２の光学素子Ｍ２の裏面反射部Ｍ２ｂは、いずれも正の屈折力の反射面としている。これにより、第２結像光学系Ｇ２のレンズの正の屈折力を強くして光学系全長を短くしたときのペッツバール和の増大を軽減している。これはペッツバール和への効き方が反射面と屈折面で反対となるためである。
【００３６】
第１の結像光学系Ｇ１からの光は、順に、正の屈折力のレンズ群Ｇ２１（レンズＬ１〜Ｌ８）、負の屈折力のレンズ群Ｇ２２（レンズＬ９）、正の屈折力のレンズ群Ｇ２３（レンズＬ１０，Ｌ１１）を通過する。更に負の屈折力のレンズ群Ｇ２４（レンズＬ１２，Ｌ１３）、正の屈折力のレンズ群Ｇ２５（レンズＬ１４，Ｌ１５）を通過する。そして撮像素子１０５上に物体１０３を倍率６で拡大結像している。
【００３７】
さらに、遮光部ＳＨは、レンズＬ９の物体１０３側の面をＲａ面、撮像素子１０５側の面をＲｂ面としたとき、レンズＬ９のＲｂ面上に配置されている。そして、物体１０３からの光が、第１の光学素子Ｍ１、及び、第２の光学素子Ｍ２で反射されることなく、第１、第２の光学素子Ｍ１、Ｍ２の中心透過部Ｍ１Ｔ、Ｍ２Ｔを通過して直接撮像素子１０５に到達することを防いでいる。
【００３８】
この実施例１の反射屈折光学系１０４において、物体側の開口数ＮＡは０．７、視野領域は直径２８．２ｍｍである。瞳の中抜けの割合は面積比で３割以下に抑えられている。物体側がテレセントリックとなっている。
【００３９】
本実施例では、白色光での波面収差最悪値が20mλｒｍｓ以下に抑えられている。図４の収差図においては軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）、及び、最軸外物高（Ｙ＝１４．１ｍｍ）の収差図を示している。実施例１は波長６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍにおいて収差は良好に抑えられている。試料１０３は直径３ｍｍ以上〜直径３０ｍｍ以下である。
【００４０】
また、図５は図２に示す反射屈折光学系と同一のレンズ構成において、開口絞り（ＡＳ）の位置が第２結像光学系Ｇ２に配置したときの光路図である。図５に示す位置に開口絞りＡＳを配置すると、開口絞りＡＳの光束の形状は図７に示すように軸上と軸外では大きくずれることとなる。これを歪と呼び、仮に軸上の設定ＮＡにおいて絞りの開口径を決定すると、軸外の光線がけられることになり、解像度、光量に影響し、光学性能を悪化させる原因となる。
【００４１】
図３は、このときの歪の割合を示している。図３は横軸に像高および縦軸に歪量を示している。開口絞りＡＳを第２結像光学系Ｇ２に屈折部に配置した場合、像高が大きくなるにつれて歪の量は大きくなり、１０割像高では約５％程度歪む。それと比較して、開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１に配置した場合、像高が大きくなってもほぼ設計値と変わらない歪量となっている。開口絞りＡＳの光束の形状を図６に示す。軸上光線と軸外光線の位置ずれはほとんどない。
【００４２】
本実施例において、開口絞りＡＳの位置は図２に示すように第１の光学素子Ｍ１の近傍で凸レンズＭ１の面Ｍ１ｂからの距離が２０ｍｍ以内である。また、実施例１においては、
ｆ１＝８９．２、ｔ１＝８、ｔ２＝７３．５７、であり、
ｔ１／ｆ１＝０．０９
ｔ２／ｔ１＝９．１９
である。
【００４３】
歪量が大きくなると光量や解像度に影響し、光学性能が悪化してしまうが、開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１の条件式（１）を満足する位置に配置することにより防ぐことが容易となる。
【００４４】
本実施例では、光学性能の悪化を防ぎ、広い領域に渡って高い解像力を持ち、可視光全域に渡って収差を良好に補正した反射屈折光学系を達成している。
【００４５】
次に本発明の実施例２について説明する。図８に示す実施例２は図２の実施例１とレンズ構成は略同じである。実施例２の反射屈折光学系において、物体側の開口数ＮＡは０．７であって、倍率は１０倍である。物体側がテレセントリックに構成されている。瞳の中抜けの割合が面積比で３割以下と抑えられている。また、白色光での波面収差最悪値が２０ｍλｒｍｓ以下に抑えられている。図９に本実施例の収差図を示す。
【００４６】
図９の収差図では軸上物高（Ｙ＝０ｍｍ）、及び、最軸外物高（Ｙ＝７ｍｍ）の収差図を示している。実施例２は、波長６５６．３ｎｍ、５８７．６ｎｍ、４８６．１ｎｍ、４３５．８ｎｍの各波長において収差は良好に抑えられている。試料１０３は直径３ｍｍ以上〜直径３０ｍｍ以下である。また、実施例２において開口絞りＡＳを第１結像光学系Ｇ１に配置した場合、歪量は１％以下である。本実施例における開口絞りＡＳの光束の形状を図１０に示す。
【００４７】
また、開口絞りＡＳの位置は図８に示すように第１の光学素子Ｍ１の近傍で第１の光学素子Ｍ１の面Ｍ１ｂからの距離が２０ｍｍ以内である。また、実施例２に示す反射屈折光学系において、
ｆ１＝１０８、ｔ１＝１３、ｔ２＝５７．９、であり、
ｔ１／ｆ１＝０．１２
ｔ２／ｔ１＝４．４５
である。
【００４８】
以下、実施例１と実施例２の数値実施例を示す。面番号は物体面（試料面）から像面まで数えた光学面の順である。ｒは第ｉ番目の光学面の曲率半径である。ｄは第ｉ番目と第ｉ＋１番目の間隔である（符号は物体側から像面側へ測ったときを（光が進行するときを）正、逆方向を負としている）。Ｎｄ、νｄは波長５８７．６ｎｍに対する材料の屈折率とアッベ数をそれぞれ示している。非球面の形状は、以下の式に示す一般的な非球面の式で表される。
【００４９】
以下の式において、Ｚは光軸方向の座標、ｃは曲率（曲率半径ｒの逆数）、ｈは光軸からの高さである。ｋは円錐係数、A、B、C、D、E、F、G、H、J・・・は各々、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次、１８次、２０次、・・・の非球面係数である。
【００５０】
【数１】
【００５１】
「Ｅ−Ｘ」は「１０-X」を意味する。前述した各条件式と数値実施例との関係を表３に示す。
【００５２】
［数値実施例１］
面番号 r d Nd νd
物体面 3.00
1 783.74 28.01 1.49 70.24
2 -797.06 81.57
3 -102.12 7.77 1.52 64.14
4 -140.83 -7.77 1.52 64.14
5 -102.12 -81.57
6 -797.06 -28.01 1.49 70.24
7 783.74 28.01 1.49 70.24
8 -797.06 81.57
9 -102.12 7.77 1.52 64.14
10 -140.83 3.49
11 -154.32 7.05 1.64 55.38
12 -72.36 0.50
13 63.71 17.64 1.44 94.95
14 -50.65 5.00 1.67 38.15
15 531.40 7.25
16 134.93 13.56 1.70 48.52
17 -176.29 0.50
18 54.79 12.36 1.60 65.44
19 118.83 14.42
20 234.49 11.45 1.75 35.28
21 -144.57 3.61
22 99.73 17.43 1.60 65.44
23 -54.76 5.00 1.67 38.15
24 -392.90 1.00
25 0.00（遮光部） 3.84
26 -82.47 5.00 1.61 43.71
27 106.23 26.38
28 -475.21 23.33 1.72 43.69
29 -65.34 0.50
30 136.04 26.85 1.49 70.24
31 -132.13 44.13
32 -86.09 5.00 1.74 32.26
33 175.53 29.93
34 -56.65 5.00 1.49 70.24
35 -1735.21 11.41
36 -183.59 29.63 1.76 40.10
37 -85.12 6.37
38 456.98 31.46 1.68 50.72
39 -468.94 10.50
像面 0
【００５３】
数値実施例1の非球面係数
(非球面係数)
面番号 k A B C D
E F G H J
1,7 0.00E+00 1.67E-09 3.09E-13 3.96E-17 3.63E-21
-9.72E-25 1.54E-28 -7.54E-33 0.00E+00 0.00E+00
4,10 0.00E+00 7.26E-09 4.06E-13 2.43E-17 2.13E-22
1.53E-25 -8.73E-30 6.74E-34 0.00E+00 0.00E+00
13 0.00E+00 -6.61E-07 3.61E-10 -1.77E-12 4.28E-15
-6.07E-18 4.64E-21 -1.49E-24 0.00E+00 0.00E+00
19 0.00E+00 1.06E-06 1.26E-10 -3.89E-14 1.21E-16
-1.34E-19 8.62E-23 -2.47E-26 0.00E+00 0.00E+00
20 0.00E+00 -2.24E-07 -2.10E-10 7.61E-14 2.93E-17
-6.10E-20 4.21E-23 -1.52E-26 0.00E+00 0.00E+00
22 0.00E+00 -3.39E-07 1.40E-10 -1.22E-13 1.12E-16
-2.82E-19 2.37E-22 -7.09E-26 0.00E+00 0.00E+00
27 0.00E+00 -8.37E-07 4.38E-10 -6.29E-13 8.80E-16
-9.05E-19 5.49E-22 -1.47E-25 0.00E+00 0.00E+00
28 0.00E+00 -5.75E-07 6.56E-11 -8.58E-15 2.98E-18
-1.39E-21 1.53E-25 -2.07E-29 0.00E+00 0.00E+00
31 0.00E+00 -2.68E-07 3.68E-11 1.85E-15 1.56E-19
-3.12E-22 4.81E-26 -1.39E-30 0.00E+00 0.00E+00
32 0.00E+00 -1.11E-06 1.65E-10 1.46E-15 -1.61E-17
3.66E-21 -2.08E-24 4.09E-28 0.00E+00 0.00E+00
35 0.00E+00 -7.37E-07 2.14E-10 -5.75E-14 1.31E-17
-2.37E-21 2.68E-25 -1.43E-29 0.00E+00 0.00E+00
39 0.00E+00 -2.14E-07 3.18E-11 -8.94E-15 1.60E-18
-1.62E-22 8.95E-27 -2.10E-31 0.00E+00 0.00E+00
【００５４】
［数値実施例２］
物体面 r d ND νｄ
1 非球面 642.4 9.4 1.52 64.14
2 球 -1525.2 70.9
3 球 -85.3 7.2 1.52 64.14
4 非球面 -115.3 -7.2 1.52 64.14
5 球 -85.3 -70.9
6 球 -1527.6 -9.4 1.52 64.14
7 非球面 642.4 9.4 1.52 64.14
8 球 -1525.2 70.9
9 球 -85.3 7.2 1.52 64.14
10 非球面 -115.3 3.0
11 非球面 -106.2 8.6 1.64 55.38
12 球 -23.6 5.0 1.74 29.30
13 球 -52.4 2.5
14 非球面 47.4 8.2 1.61 60.69
15 球 -60.3 9.9
16 球 45.1 9.4 1.54 55.43
17 球 -89.1 3.2
18 球 -126.3 6.9 1.75 30.11
19 非球面 -41.8 6.7
20 球 -24.2 7.4 1.65 33.10
21 非球面 -149.0 6.9
22 球 1.00E+18 6.8 1.50 59.58
23 球 1.00E+18 0.0
24 球 97.4 9.5 1.71 47.49
25 非球面 -554.5 0.9
26 球 110.1 14.2 1.61 60.52
27 非球面 -58.2 0.5
28 球 43.8 8.8 1.75 31.34
29 球 60.1 8.2
30 非球面 58.2 7.3 1.74 35.95
31 球 46.4 27.3
32 球 -27.3 5.6 1.74 35.95
33 非球面 793.1 17.6
34 非球面 -39.1 6.7 1.49 68.89
35 球 -147.5 10.9
36 球 -77.8 14.6 1.74 44.85
37 非球面 -60.9 0.7
38 球 -134.1 20.2 1.74 44.85
39 球 -73.7 0.5
40 球 1474.7 18.7 1.74 37.55
41 非球面 -263.7 1.5
像面
【００５５】
面番号 k A B C D
E F G H J
1,7 0.00E+00 1.84E-08 -7.14E-13 -7.14E-13 1.27E-19
-5.77E-23 1.31E-26 -1.19E-30 0.00E+00 0.00E+00
4,10 0.00E+00 1.47E-08 1.37E-12 1.07E-16 4.38E-21
1.80E-24 -1.67E-28 2.11E-32 0.00E+00 0.00E+00
11 0.00E+00 -5.87E-06 8.08E-09 8.05E-12 3.85E-14
9.03E-26 -1.57E-32 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
14 0.00E+00 -4.04E-06 -7.89E-09 1.77E-11 -4.83E-14
-5.88E-24 -2.12E-27 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
19 0.00E+00 2.57E-07 -5.28E-10 5.16E-12 -7.30E-15
-2.69E-18 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
21 0.00E+00 -8.47E-06 2.05E-09 -5.43E-12 8.12E-15
-8.82E-18 -9.75E-30 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
25 0.00E+00 -8.16E-07 5.19E-10 -1.81E-12 2.14E-15
-7.44E-19 -7.83E-24 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
27 0.00E+00 3.63E-06 -1.07E-09 1.64E-12 -1.60E-15
6.70E-19 -8.25E-23 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
30 0.00E+00 -2.80E-08 -4.09E-09 4.05E-12 -4.18E-15
3.21E-18 -5.72E-24 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
33 0.00E+00 5.46E-06 -6.07E-09 8.19E-13 2.08E-15
-3.65E-19 -6.71E-22 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
34 0.00E+00 6.51E-06 -1.13E-09 1.19E-12 -7.85E-17
-5.25E-19 4.61E-22 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00
37 0.00E+00 1.23E-06 -3.10E-10 8.66E-14 2.17E-18
-2.43E-21 -4.59E-25 4.48E-28 0.00E+00 0.00E+00
41 0.00E+00 -6.20E-07 2.51E-10 -7.51E-14 1.44E-17
-1.72E-21 1.04E-25 -1.76E-30 0.00E+00 0.00E+00
【００５６】
【表１】
【符号の説明】
【００５７】
１０１ 光源 １０２ 照明光学系 １０３ 試料
１０４ 結像光学系 １０５ 撮像素子 １０６ 画像処理系
１０７〜１０９ 収差補正レンズ ＡＳ 開口絞り ＩＭ 中間像
ＡＸ 光軸 Ｇ１ 第１結像光学系 Ｇ２ 第２結像光学系
Ｌ１〜Ｌ１５ レンズ Ｍ１ 第１の光学素子 Ｍ２ 第２の光学素子
ＳＨ 遮光部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系と、前記第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、前記中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有する反射屈折光学系であって、
前記第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子の前記裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、前記物体からの光束は、順に前記第１の光学素子の光透過部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第１の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の光透過部を介した後に前記第２結像光学系に出射しており、
前記第１の光学素子と前記開口絞りの光軸方向の距離をｔ１、前記開口絞りと前記第２の光学素子の光軸方向の距離をｔ２、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ１とするとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５
２．３＜ｔ２／ｔ１
なる条件を満足することを特徴とする反射屈折光学系。
【請求項２】
前記第１の光学素子は物体側の面が凸でメニスカス形状であり、前記第２の光学素子は物体側の面が凹でメニスカス形状であることを特徴とする請求項１の反射屈折光学系。
【請求項３】
光源手段と、前記光源手段からの光束で物体を照明する照明光学系と、前記物体を結像する請求項１又は２の反射屈折光学系と該反射屈折光学系によって結像された物体像を光電変換する撮像素子と、該撮像素子からのデータより画像情報を生成する画像処理系とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
物体からの光束を集光する反射屈折部を含む第１結像光学系と、前記第１結像光学系からの光束を受けて中間像を形成するとともに、前記中間像を像面に結像させる屈折部を含む第２結像光学系とを有する反射屈折光学系であって、
前記第１結像光学系は、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち物体側の面が裏面反射部である第１の光学素子と、光軸周辺が光透過部で、前記光透過部よりも外周側のうち像側の面が裏面反射部である第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子の前記裏面反射部の反射面側が互いに向き合うように配置されており、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には開口絞りが配置されており、前記物体からの光束は、順に前記第１の光学素子の光透過部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第１の光学素子の裏面反射部、前記開口絞り、前記第２の光学素子の光透過部を介した後に前記第２結像光学系に出射しており、
前記第１の光学素子と前記開口絞りの光軸方向の距離をｔ１、前記開口絞りと前記第２の光学素子の光軸方向の距離をｔ２、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ１とするとき、
０．００＜ｔ１／ｆ１＜０．２５
２．３＜ｔ２／ｔ１
なる条件を満足することを特徴とする反射屈折光学系。
【請求項２】
前記第１の光学素子は物体側の面が凸でメニスカス形状であり、前記第２の光学素子は物体側の面が凹でメニスカス形状であることを特徴とする請求項１の反射屈折光学系。
【請求項３】
光源手段と、前記光源手段からの光束で物体を照明する照明光学系と、前記物体を結像する請求項１又は２の反射屈折光学系と該反射屈折光学系によって結像された物体像を光電変換する撮像素子と、該撮像素子からのデータより画像情報を生成する画像処理系とを有することを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２９６５４（Ｐ２０１３−２９６５４Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５３８９（Ｐ２０１１−１６５３８９）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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