(57)【要約】【課題】集光光学系および光学系ユニットにおいて、凹反射面と凸反射面とを組み合わせた光学系であっても光量損失を低減して明るさを向上することができるとともに、位置出しおよび組立が容易となるようにする。【解決手段】集光光学系２として、物体側から順に、凹反射面部３ｂを像側に有する主鏡３と、主鏡３に対向して配置され、物体側から順に第１面４ａおよび第２面４ｂを有する副鏡素子４と、を備え、第１面４ａは、光軸Ｏに沿って入射する光束を主鏡３に向けて反射する凸反射面部と、凸反射面部の外縁に隣接して設けられ、凸反射面部で反射された後に主鏡３の凹反射面部３ｂで反射された光束を第２面４ｂの方に透過させる透過面部と、に分かれている、構成を用いる。【選択図】図１
2011221178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から順に、
凹反射面を像側に有する反射鏡と、
該反射鏡に対向して配置され、物体側から順に第１面および第２面を有するガラス光学素子と、を備え、
前記第１面は、
光軸に沿って入射する光束を前記反射鏡に向けて反射する凸反射面部と、
該凸反射面部の外縁に隣接して設けられ、前記凸反射面部で反射された後に前記反射鏡の前記凹反射面で反射された光束を前記第２面の方に透過させる透過面部と、
に分かれている、
ことを特徴とする集光光学系。
【請求項２】
前記ガラス光学素子は、凸面の中心部に反射膜を設けて前記凸反射面部を形成したメニスカスレンズからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の集光光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集光光学系と、
該集光光学系の前記反射鏡の前記凹反射面を受ける第１の受け部と、前記集光光学系の前記ガラス光学素子の前記第１面を受ける第２の受け部とを有する鏡枠と、
を備えることを特徴とする光学系ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光光学系および光学系ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、中心に開口が設けられた凹面鏡からなる主鏡と、主鏡の開口に対向して配置された凸面鏡からなる副鏡とからなるシュバルツシルド（Schwarzschild）型の反射対物鏡が知られている。このような反射対物鏡は、原理的に色収差を有しない集光光学系であるため、広帯域の波長光を観察したり分光したりする必要のある顕微鏡や分光装置において対物光学系として用いられている。
このような反射対物鏡では、物体側から主鏡の開口を通して入射した光束は、副鏡の凸反射面で主鏡に向けて反射される。この反射光束は発散されつつ主鏡の凹面に入射し、主鏡の凹反射面によって像側に反射される。この主鏡での反射光束は、集光されつつ副鏡の側方を通過して、副鏡の裏面側の光軸上に結像される。
副鏡は、側方を通過する光束を遮らないように、側面が、像側に向かって縮径するテーパ状に形成されている。
このような構成では、副鏡の側面を反射光束の光路に沿うテーパ状に加工する工程が必要となる。
また、このような副鏡は鏡枠から径方向内側に延ばされた複数のステーによって中空に支持されているため、鏡枠への副鏡の取り付けや位置合わせに手間がかかり、製造コストが高価なものとなっていた。また、ステーを太くすると光量損失になるため、ステーを細くしなければならず、鏡枠に固定された後でも、外力によって副鏡の位置がずれやすいという問題があった。
一方、特許文献１には、反射対物鏡と略同様な光学系をより低コストで実現するため、ほぼ同心で、しかも相互に対向して配置された凸状の第１球面ミラーと凹状の第２球面ミラーと、全系に比べてパワーが小さいメニスカスレンズあるいは平行平板からなる光学素子とを備え、光学素子を、前記第１および第２球面ミラーよりも物体側または像側に配置したことを特徴とする顕微鏡用対物レンズが記載されている。
特許文献１では、副鏡に対応する球面ミラーをメニスカスレンズ上に配置した構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の凹面鏡と凸面鏡とを対向して配置した集光光学系には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、副鏡に対応する球面ミラーをメニスカスレンズ上に配置しているため、球面ミラーをメニスカスレンズに接着して一体化すれば、メニスカスレンズの外径を保持することによって、副鏡をステーなしに保持することができると考えられる。
ところが、この場合でも、主鏡に対応する球面ミラーでの反射光束が副鏡の側方を通過することは従来の反射対物鏡と同様である。このため、光量損失を低減するために、球面ミラーの側面を像側に縮径するテーパ状に加工する必要があり、球面ミラーが高価な部品となってしまうという問題がある。
また、凸面を有する球面ミラーの反射面を真空蒸着等によって形成する場合、凸面を下方側の蒸着源に向けて支持する必要がある。球面ミラーの側面が凸面と反対側に縮径するテーパ状に形成されていると、側面をクランプして凸面を下側に向けることができないため、凸面を下方側から支持する必要がある。このため、凸面に形成される反射面の有効反射領域が狭くなって光量損失が発生するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、凹反射面と凸反射面とを組み合わせた光学系であっても光量損失を低減して明るさを向上することができるとともに、位置出しおよび組立が容易となる集光光学系および光学系ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、集光光学系において、物体側から順に、凹反射面を像側に有する反射鏡と、該反射鏡に対向して配置され、物体側から順に第１面および第２面を有するガラス光学素子と、を備え、前記第１面は、光軸に沿って入射する光束を前記反射鏡に向けて反射する凸反射面部と、該凸反射面部の外縁に隣接して設けられ、前記凸反射面部で反射された後に前記反射鏡の前記凹反射面で反射された光束を前記第２面の方に透過させる透過面部と、に分かれている構成とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の集光光学系において、前記ガラス光学素子は、凸面の中心部に反射膜を設けて前記凸反射面部を形成したメニスカスレンズからなる構成とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、光学系ユニットにおいて、請求項１または２に記載の集光光学系と、該集光光学系の前記反射鏡の前記凹反射面を受ける第１の受け部と、前記集光光学系の前記ガラス光学素子の前記第１面を受ける第２の受け部とを有する鏡枠と、を備える構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の集光光学系および光学系ユニットによれば、凹反射面と凸反射面とを組み合わせた光学系であっても光量損失を低減して明るさを向上することができるとともに、位置出しおよび組立が容易となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る光学系ユニットおよび集光光学系の構成を示す光軸を含む模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る集光光学系のガラス光学素子の構成を示す光軸を含む模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る集光光学系のガラス光学素子の製造工程を示す模式的な工程説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る集光光学系の模式的な光路図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光学系ユニットの作用を説明する模式図である。
【図６】比較例の集光光学系の模式的な光路図、およびそのＡ部の部分拡大図である。
【図７】本発明の実施形態に係る集光光学系の実施例の収差図である。
【図８】本発明の実施形態に係る集光光学系の実施例において、ガラス光学素子の偏心量を０ｍｍ、０．１ｍｍとした場合のスポットダイヤグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る集光光学系および光学系ユニットについて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る光学系ユニットおよび集光光学系の構成を示す光軸を含む模式的な断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る集光光学系のガラス光学素子の構成を示す光軸を含む模式的な断面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る集光光学系のガラス光学素子の製造工程を示す模式的な工程説明図である。図４は、本発明の実施形態に係る集光光学系の模式的な光路図である。
【００１２】
本実施形態の光学系ユニット１の概略構成は、図１に示すように、本実施形態の集光光学系２と、集光光学系２を収容する内枠５（鏡枠）と、外枠６と、カバー部材７とを備える。
【００１３】
集光光学系２は、物体側から順に、凹反射面部３ｂ（凹反射面）を像側に有する主鏡３（反射鏡）と、主鏡３に対向して配置され、物体側から順に第１面４ａおよび第２面４ｂを有する副鏡素子４（ガラス光学素子）とを備え、これらの各光軸が同軸に配置されたものである。
【００１４】
主鏡３の詳細形状は、物体側に光軸に直交する平面からなる平面部３ａを有し、平面部３ａの裏面側に、凹球面からなる凹反射面部３ｂが設けられている。また、主鏡３の側面３ｃは、凹反射面部３ｂの光軸と同軸の円筒面状に形成されている。平面部３ａおよび凹反射面部３ｂの中心部には、凹反射面部３ｂの光軸と同軸の円孔からなる貫通孔３ｄが厚さ方向に貫通されている。
このような主鏡３は、例えば、平凹レンズ形状のガラス基材の中心に貫通孔３ｄを形成し、凹面側に反射膜を蒸着するなどして製造することができる。
【００１５】
副鏡素子４は、図２に示すように、第１面４ａが凸球面、第２面４ｂが凹球面とされたメニスカスレンズの形状を有するガラス基材４Ａと、ガラス基材４Ａの第１面４ａの中心の直径Ｄ０の領域に形成された反射面部４ｄとを備えるガラス光学素子である。
また、副鏡素子４の側面４ｃは、第１面４ａおよび第２面４ｂの光軸と同軸された円筒面状に形成されている。側面４ｃの直径は、反射面部４ｄの直径より大径の直径Ｄ２とされている。
また、第１面４ａにおいて反射面部４ｄの外縁に隣接する領域には、光透過性を有する透過面部４ｅが設けられている。このため、第１面４ａは、反射面部４ｄと透過面部４ｅとに分かれている。
【００１６】
第１面４ａの曲率半径は、主鏡３の凹反射面部３ｂの曲率半径の約１／２に設定されている。
また、第２面４ｂは、本実施形態では、透過面部４ｅから第２面４ｂ側に透過する光線の色収差を小さくするため、第１面４ａと略同心の凹球面とされている。これにより、ガラス基材４Ａの肉厚は略一定となっている。
すなわち、第１面４ａと第２面４ｂとの曲率中心が一致していれば、透過面部４ｅから第２面４ｂ側に透過する光線に対する屈折力が０となって色収差が発生しないため好ましいが、色収差の許容範囲内では、第１面４ａと第２面４ｂとの曲率中心がずれていてもよい。
また、第１面４ａと第２面４ｂとの曲率中心が一致していれば、第１面４ａが曲率中心を中心に回転したときに、第２面４ｂの回転偏心も発生しないため好ましいが、球面収差の許容範囲内では、第１面４ａと第２面４ｂとの曲率中心がずれていてもよい。
例えば、第１面４ａおよび第２面４ｂの曲率中心が、０．３ｍｍずれている場合、副鏡素子４が第１面４ａの曲率中心を中心に２°回転したとしても、第２面４ｂの曲率中心の光軸に対するずれ量は、０．０１（＝０．３×ｓｉｎ２°）ｍｍに過ぎない。このため、このような偏心が球面収差に及ぼす影響はきわめて小さい。
【００１７】
また、ガラス基材４Ａの材質は、透過面部４ｅから第２面４ｂ側に透過する光束の色収差を低減するために、低分散の硝材、例えば、ＢＫ７（Ｓｃｈｏｔｔ社製）や合成石英などを採用することが好ましい。本実施形態ではＢＫ７を採用している。
【００１８】
反射面部４ｄは、本実施形態では、ガラス基材４Ａの第１面４ａ上にアルミ蒸着膜コートを行うことにより形成されている。反射面部４ｄのアルミ蒸着膜は、例えば８０ｎｍ以上の膜厚で形成することにより、３５０ｎｍ〜１０００ｎｍの幅広い波長範囲で、９０％以上の反射率を得ることができる。
また、反射面部４ｄ上には、アルミ蒸着膜を保護するための保護膜４ｇが設けられている。ただし、本実施形態では、保護膜４ｇは、反射防止膜も兼ねており、反射面部４ｄの外縁に隣接する透過面部４ｅ上にも形成されている。
保護膜４ｇは、本実施形態では、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の薄膜を蒸着することにより形成され、少なくとも光線を透過させる透過面部４ｅの有効径Ｄ１（ただし、Ｄ０＜Ｄ１＜Ｄ２）の範囲内に設けられている。本実施形態では、副鏡素子４の硝材をＢＫ７としているため、例えば、設計波長λをλ＝４００ｎｍとして、ＭｇＦ２の膜厚をλ／４＝１００ｎｍとすることで、透過面部４ｅにおいて、３５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で良好な反射防止作用を得ることができる。
【００１９】
このような反射面部４ｄ、保護膜４ｇは、以下のようにして形成することができる。
まず、図３（ａ）に示すように、ＢＫ７の硝材を第１面４ａ、第２面４ｂ、側面４ｃを有するメニスカスレンズ形状に形成したガラス基材４Ａを形成する。
次に、ガラス基材４Ａの側面４ｃを外嵌する大きさの保持穴９ｂと、保持穴９ｂの底部に反射面部４ｄの外径Ｄ０と同径の開口部９ａとを備える保持治具９によって、ガラス基材４Ａを保持する。このとき、ガラス基材４Ａは、第１面４ａが保持治具９の開口部９ａに当接するように配置する。
次に、アルミニウムを加熱して蒸発させる蒸着源１０が設置された真空蒸着装置の蒸着源１０上に、ガラス基材４Ａを保持した保持治具９を配置する。これにより開口部９ａを通して第１面４ａ上にアルミ薄膜が蒸着され、反射面部４ｄが形成される。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、少なくとも透過面部４ｅの有効径Ｄ１以上でガラス基材４Ａの外径Ｄ２より小さな内径を有する開口部１１ａが設けられた保持治具１１によって、反射面部４ｄが形成されたガラス基材４Ａを保持する。このとき、ガラス基材４Ａは、第１面４ａが開口部１１ａに当接するように配置する。
次に、ＭｇＦ２を加熱して蒸発させる蒸着源１２が設置された真空蒸着装置の蒸着源１２上に、ガラス基材４Ａを保持した保持治具１１を配置する。これにより開口部１１ａを通して反射面部４ｄおよび第１面４ａ上にＭｇＦ２薄膜が蒸着され、保護膜４ｇが形成される。
このようにして、第１面４ａ上に、反射面部４ｄおよび保護膜４ｇが形成される。
【００２１】
また、本実施形態の副鏡素子４は、反射面部４ｄの中心部に副鏡素子４の内部に達する座グリ穴４ｆを設け、座グリ穴４ｆの内部に、例えば、墨などの黒色塗料４ｈを塗布または充填している。このため、例えば、落射照明を行う顕微鏡に光学系ユニット１を用いた場合、反射面部４ｄの面頂での反射光により迷光が発生するのを防止することができるようになっている。
【００２２】
このような構成の主鏡３、副鏡素子４は、内枠５において、凹反射面部３ｂの曲率中心と第１面４ａの曲率中心とが光軸方向に近接する位置関係に配置されている。ここで、凹反射面部３ｂの曲率中心と第１面４ａの曲率中心との間の距離は、副鏡素子４の透過面部４ｅおよび第２面４ｂとで構成されるメニスカスレンズの屈折力に応じて収差が良好となるように設定する。
【００２３】
内枠５の概略形状は、図１に示すような略円筒状である。
内枠５の外形状は、軸方向の一端側（図１の図示左側）の端面５ｋおよび他端側（図１の図示右側）の端面５ｈの間の外周面に、外枠６と嵌合するための円筒面状の嵌合面５ａと、外枠６と螺合するため嵌合面５ａよりも大径のねじ径を有する雄ねじ部５ｊとが、図示左側から軸方向に沿ってこの順に設けられている。
嵌合面５ａの軸方向の中間部には、嵌合面５ａの外形よりも小径の逃げ溝部５ｍが周方向に沿って形成されている。このため、嵌合面５ａは、軸方向の一端側と他端側との２箇所に分断されている。
また、端面５ｈ上には、内枠５を外枠６にねじ込んでいく際に、ねじ込み力を伝達する適宜の凹部が設けられている。
【００２４】
また、内枠５の内部形状は、内枠５の端面５ｋから端面５ｈに向かう軸方向に沿って、筒状部５ｂ、主鏡保持穴部５ｃ、主鏡受け部５ｄ（第１の受け部）、貫通孔５ｅ、副鏡素子受け部５ｆ（第２の受け部）、副鏡素子保持穴部５ｇ、および接着穴５ｉがこの順に設けられている。なお、本実施形態では、これらはいずれも嵌合面５ａの中心軸に対して軸対称な形状を有し、嵌合面５ａの中心軸と同軸に設けられている。
【００２５】
筒状部５ｂは、主鏡３を挿入して主鏡３を接着するために、端面５ｋから他端側に向かって延ばして設けられた円筒状の穴部であり、主鏡３の外径より大径の内径を有している。
【００２６】
主鏡保持穴部５ｃは、筒状部５ｂの内側において、内枠５の一端側に開口され、筒状部５ｂと同軸に設けられた円筒穴である。主鏡保持穴部５ｃの内径は、主鏡３の側面３ｃを外嵌できる大きさとされている。ただし、本実施形態では、主鏡３の側面３ｃと主鏡保持穴部５ｃとの間に嵌め合いの隙間があっても偏心には影響しないため、主鏡３の側面３ｃと主鏡受け部５ｄと嵌め合い寸法は、主鏡３の貫通孔３ｄや凹反射面部３ｂの有効反射領域の径方向の位置ずれが許容できる範囲に設定すればよい。
【００２７】
主鏡受け部５ｄは、主鏡保持穴部５ｃに側面３ｃが挿入された主鏡３の凹反射面部３ｂを受けて、主鏡３の軸方向の位置を位置決めするものである。
本実施形態では、主鏡受け部５ｄは、主鏡保持穴部５ｃの内周面よりもわずかに内側の位置で、主鏡保持穴部５ｃと同心円を描き、内枠５の一端側に突出するように設けられた円環状の突起によって構成されている。
このため、主鏡受け部５ｄは、主鏡保持穴部５ｃに凹反射面部３ｂ側から挿入された主鏡３の凹反射面部３ｂの外縁部の近傍で、凹反射面部３ｂと円状に当接できるようになっている。
【００２８】
貫通孔５ｅは、主鏡受け部５ｄの内周部から軸方向に他端側に向かって延ばされた円筒孔である。
副鏡素子受け部５ｆは、内枠５に軸方向の他端側から挿入された副鏡素子４の第１面４ａの外縁部の近傍で、第１面４ａを受けて、副鏡素子４を軸方向に位置決めするものである。
本実施形態では、貫通孔５ｅの他端側の端部において径方向内側に突出されるとともに、周方向に沿って周回して設けられた突条からなる。
副鏡素子受け部５ｆの径方向内側の内周面は、貫通孔５ｅと同軸となる位置に形成され、内径が主鏡３の側面３ｃの外径よりも小径に設定されている。
【００２９】
副鏡素子保持穴部５ｇは、内枠５の他端側に開口され、副鏡素子保持穴部５ｇの内周面と同軸に設けられた円筒穴であり、副鏡素子４の側面４ｃの軸方向長さよりも浅い深さに設けられている。副鏡素子保持穴部５ｇの内径は、副鏡素子４の側面４ｃを外嵌できる大きさとされている。ただし、本実施形態では、後述するように、副鏡素子４の側面４ｃと副鏡素子保持穴部５ｇとの間に嵌め合いの隙間があっても偏心への影響は少ないため、例えば、０．１ｍｍ程度の嵌め合いの隙間は十分に許容できる。
接着穴５ｉは、副鏡素子保持穴部５ｇに挿入された副鏡素子４の側面４ｃを接着固定するために設けられた、副鏡素子保持穴部５ｇよりも大径の円筒穴であり、副鏡素子保持穴部５ｇに挿入された副鏡素子４の側面４ｃを径方向外側で囲むように設けられている。
【００３０】
このような副鏡素子受け部５ｆ、副鏡素子保持穴部５ｇの構成により、第１面４ａを内枠５の一端側に向けて副鏡素子保持穴部５ｇから挿入された副鏡素子４は、第１面４ａの外周部において、副鏡素子受け部５ｆと円状に当接され軸方向の位置が位置決めされるようになっている。
また、第１面４ａと当接する副鏡素子受け部５ｆの他端側の位置は、主鏡受け部５ｄに位置決めされた主鏡３の凹反射面部３ｂと副鏡素子４の第１面４ａとの間の面間隔が、設計上の面間隔になる位置に設けられている。
【００３１】
このような形状の内枠５は、レンズ鏡筒と同様に、例えば、金属ブロックを旋盤で切削加工することによって、主鏡受け部５ｄ、副鏡素子受け部５が同軸となるように容易に形成することができる。
【００３２】
外枠６は、主鏡３および副鏡素子４が固定された内枠５を内部に収容する筒状部材である。
外枠６の、軸方向の一端側（図示左側）の外周部には、外枠６を、例えば、顕微鏡や分光装置などの光学機器に取り付けるための取り付け部６ｆが設けられている。
例えば、顕微鏡のレボルバーのように、対物レンズユニットをねじ込んで固定する取り付け用の雌ねじ部が設けられている場合、取り付け部６ｆは、外枠６の中心軸と同軸に設けられた雄ねじで構成する。
また、外枠６の軸方向の他端側には、取り付け部６ｆよりも大径の略円筒状の外周面６ａが形成されている。
取り付け部６ｆと外周面６ａとの間の段差部には、取り付け相手の光学機器に設けられた位置決め面に当接することで光学機器に対する光学系ユニット１の軸方向の位置決めを行って、光学機器と結合するため、外枠６の中心軸に直交する平面からなる結合面６ｈが設けられている。
【００３３】
外枠６の内部形状は、外枠６の一端側から他端側に向かって、入射開口部６ｂ、絞り部６ｃ、嵌合穴６ｄ、内枠係止面６ｅ、および雌ねじ部６ｇがこの順に設けられている。なお、本実施形態では、これらはいずれも外周面６ａの中心軸に対して軸対称な形状を有し、外周面６ａの中心軸と同軸に配置されている。
【００３４】
入射開口部６ｂは、集光光学系２に入射する入射光束を導入するため、外枠６の一端側の端面から他端側に延ばして設けられた円筒状の開口部である。
絞り部６ｃは、集光光学系２に入射する入射光束の光束径を規制するため、入射開口部６ｂの開口より内径の小さい円孔からなる。本実施形態では、入射開口部６ｂと絞り部６ｃとの段差部は、入射開口部６ｂから絞り部６ｃに向かって縮径するテーパ面で構成されている。
【００３５】
嵌合穴６ｄは、外枠６の軸方向の他端側に開口する円筒穴からなる。嵌合穴６ｄの内径は、主鏡３および副鏡素子４が固定された内枠５の嵌合面５ａに外嵌する大きさに設定されている。
外枠６の他端側における嵌合穴６ｄの開口の径方向外側には、内枠５の軸方向の固定位置に限度を設けるため、嵌合穴６ｄの中心軸に直交する平面である内枠係止面６ｅが設けられている。
【００３６】
雌ねじ部６ｇは、内枠５の雄ねじ部５ｊを螺合する雌ねじを内周面に有する軸方向の他端側の開口部である。雌ねじ部６ｇの軸方向の長さは、内枠５の雄ねじ部５ｊの長さよりも十分長く設定されている。
このため、内枠５のねじ込み量を調整することにより、外枠６の結合面６ｈに対する集光光学系２の焦点位置を、予め決められた調整範囲内で調整できるようになっている。
また、雌ねじ部６ｇの長さは、この調整範囲を越える長さに設けられ、これにより外枠６の他端側において、後述するカバー部材７をねじ込むことができるようになっている。
【００３７】
カバー部材７は、内枠５に固定された副鏡素子４の第２面４ｂと側面４ｃとが交差して形成されるエッジ部を外枠６の他端側から覆って保護するための円環状の部材であり、外周側に雌ねじ部６ｇと螺合する雄ねじ部７ａが設けられている。
カバー部材７の板厚方向の一方には、外枠６に取り付ける際、内枠５側に向けられる内側面７ｄが設けられている。また、この内側面７ｄの中心部には、内側面７ｄから板厚方向の反対側の外側面７ｅに向かって縮径するテーパ面７ｂと、テーパ面７ｂの中心において板厚方向の他方側に貫通された開口部７ｃとからなる貫通孔が設けられている。
外側面７ｅには、内枠５の端面５ｈと同様に、カバー部材７を外枠６にねじ込んでいく際に、ねじ込み力を伝達する適宜の凹部が設けられている。
このような外側面７ｅは、例えば、対物観察するサンプルなどに光学系ユニット１がぶつかった場合にも副鏡素子４が破損しないように保護するとともに、光学系ユニット１の化粧板の役割も果たしている。
【００３８】
このような構成の内枠５および外枠６によって、光学系ユニット１を組み立てるには、まず、内枠５に、主鏡３および副鏡素子４を固定する。
内枠５に主鏡３を固定するには、凹反射面部３ｂを主鏡受け部５ｄ側に向けて主鏡３の側面３ｃを主鏡保持穴部５ｃに挿入し、凹反射面部３ｂを主鏡受け部５ｄに当接させる。この状態で側面３ｃと筒状部５ｂとの間に接着剤（不図示）を充填して、接着剤を硬化させ、側面３ｃを筒状部５ｂに固定する。
また、内枠５に副鏡素子４を固定するには、第１面４ａを副鏡素子受け部５ｆに向けて副鏡素子４の側面４ｃを副鏡素子保持穴部５ｇに挿入し、第１面４ａを副鏡素子受け部５ｆに当接させる。この状態で側面４ｃと接着穴５ｉとの間に接着剤（不図示）を充填して、接着剤を硬化させ、側面４ｃを接着穴５ｉに固定する。
このように、主鏡３および副鏡素子４は、主鏡受け部５ｄおよび副鏡素子受け部５ｆに凹反射面部３ｂおよび第１面４ａを当接するだけで、凹反射面部３ｂおよび第１面４ａが互いに位置決めされるため、互いの位置関係を調整すること容易に組み立てることができる。
【００３９】
次に、主鏡３および副鏡素子４が接着固定された内枠５の嵌合面５ａを嵌合穴６ｄに挿入し、内枠５の雄ねじ部５ｊを外枠６の雌ねじ部６ｇにねじ込んで、内枠５を外枠６の軸方向において一定位置に配置する。
例えば、顕微鏡のレボルバーでは、他の対物光学ユニットと交換したときに、焦点位置がずれないように、対物光学ユニットの結合面から焦点までの距離が一定値に定められており、これを同焦距離と称している。
取り付け相手の光学機器に、このような同焦距離が定められている場合には、例えば、焦点位置を計測しながら内枠５のねじ込み量を調整して、集光光学系２の焦点が結合面６ｈから同焦距離の位置に一致するようにする。
これにより、主鏡３、副鏡素子４および内枠５の加工誤差による焦点位置のバラツキが補正される。
【００４０】
なお、このような位置調整は、主鏡３および副鏡素子４が接着固定された内枠５ごとに、予め端面５ｈから焦点位置までの距離を測定しておき、内枠５をねじ込む際には結合面６ｈに対する端面５ｈの位置を計測して位置調整を行うようにしてもよい。
また、光学系ユニット１を同焦距離の調整を行う必要のない光学機器に取り付ける場合や、加工誤差による焦点距離のバラツキが許容範囲内の場合には、このような位置調整は省略できる。例えば、内枠５が外枠６内に設けられた軸方向の突き当て面に当接する位置までねじ込んで組み立てるようにしてもよい。
【００４１】
内枠５を外枠６にねじ込んで一定位置に配置した後、例えば、内枠５と外枠６とを接着するなどして、内枠５の位置を固定する。そして、雌ねじ部６ｇにカバー部材７をねじ込んで、副鏡素子４の外周部を外枠６の他端側から覆う。
以上で、光学系ユニット１の組立が終了する。
【００４２】
次に、このように内枠５によって一定の位置関係に配置された主鏡３および副鏡素子４からなる集光光学系２の光路について説明する。
集光光学系２の入射光束の光束径は、絞り部６ｃの内径の大きさによって、適宜設定することができるが、以下では、一例として、最も光量損失が少なくなるように、光束径が反射面部４ｄの外径と同一の直径Ｄ０であるとして説明する。
すなわち、外枠６の軸方向に沿って入射し入射開口部６ｂに入射した平行光束Ｌは、絞り部６ｃを透過することで、図４に示すように、光束径Ｄ０の平行光束Ｌ０として主鏡３の貫通孔３ｄ内に入射する。
平行光束Ｌ０は、光軸Ｏに沿って直進して、反射面部４ｄに入射し、主鏡３側に反射される。反射面部４ｄは、副鏡素子４の第１面４ａと同様な凸反射面であるため、平行光束Ｌ０は、発散光束Ｌ１として、発散しつつ主鏡３に向かう。
そして、凹反射面部３ｂに到達した発散光束Ｌ１は、凹反射面部３ｂによって副鏡素子４側に反射光束Ｌ２として反射される。凹反射面部３ｂは、中心部に貫通孔３ｄを有するため、反射光束Ｌ２は、光軸Ｏに直交する断面が円環状の光束である。
また、反射光束Ｌ２は、凹反射面部３ｂの曲率に応じて集光されつつ、副鏡素子４側に進む。
反射光束Ｌ２は、第１面４ａに入射すると、反射面部４ｄに隣接する透過面部４ｅに入射した光束のみが第１面４ａ、第２面４ｂを透過し、透過光束Ｌ３として副鏡素子４から像側に出射されて像面Ｉに結像される。
【００４３】
ここで、集光光学系２の光利用効率を検討すると、平行光束Ｌ０の周辺光線Ｌｍは、図４に実線で示すように、反射面部４ｄの外周で反射されてから凹反射面部３ｂで反射され、透過面部４ｅの外周側を透過して像面Ｉに到達する。
一方、像面Ｉに到達する透過光束Ｌ３の最内周の光線Ｌｉは、結像位置と反射面部４ｄの外周とを結ぶ円錐面上を進むため、平行光束Ｌ０のうち、像面Ｉに結像されるのは、光線Ｌｉ物体側に逆光線追跡して得られる直径Ｄ３よりも径方向外側の円環状の光束のみとなる。
集光光学系２において、反射面部４ｄの遮蔽率ＣＲは、反射面部４ｄの位置における反射光束Ｌ２の外径Ｄ４と反射面部４ｄによる遮光径であるＤ０とを用いて、ＣＲ＝（Ｄｏ／Ｄ４）２と表すことができる。
【００４４】
次に、光学系ユニット１および集光光学系２の作用について説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る光学系ユニットの作用を説明する模式図である。図６（ａ）は、比較例の集光光学系の模式的な光路図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ部の部分拡大図である。
【００４５】
光学系ユニット１によれば、内枠５の内部に一体に加工された主鏡受け部５ｄ、副鏡素子受け部５ｆに凹反射面部３ｂ、第１面４ａをそれぞれ当接させるだけで、主鏡３および副鏡素子４の間の位置出しを行うことができる。またこの状態で接着することにより、主鏡３よび副鏡素子４の位置出し位置関係を固定することができる。
また、反射面部４ｄは、反射防止作用を有する保護膜４ｇが形成された第１面４ａ上に一体に形成されているため、ガラス基材４Ａが反射面部４ｄの保持部材を兼ねている。このため、副鏡をステーによって保持する従来の対物反射鏡に比べて、保持部材による光量損失が少なく、かつより強固に保持することができる。
【００４６】
主鏡３、副鏡素子４の位置決め精度は、内枠５に一体に形成された主鏡受け部５ｄ、副鏡素子受け部５ｆにおいて、それぞれ凹反射面部３ｂ、第１面４ａと当接する円状の当接部の各径寸法、およびこれら当接部の間の光軸方向の距離に応じて決まる。このため、主鏡３および副鏡素子４の位置バラツキは、内枠５の加工バラツキを一定範囲に抑えることで、許容範囲に抑えることができる。この結果、主鏡３および副鏡素子４の取付位置調整などを行うことなく、これらを容易に組み立てることができる。
【００４７】
また、図５に示すように、主鏡３、副鏡素子４は、主鏡保持穴部５ｃ、副鏡素子保持穴部５ｇとの間に嵌め合いの隙間を有している。したがって、主鏡３、副鏡素子４は、この嵌め合いの隙間の範囲で動くことができるが、凹反射面部３ｂが主鏡受け部５ｄによって、第１面４ａが副鏡素子受け部５ｆに当接されているため、主鏡３、副鏡素子４は、それぞれ、凹反射面部３ｂの曲率中心Ｃ３ｂ、第１面４ａの曲率中心Ｃ４ａを中心として回転する。
本実施形態では、凹反射面部３ｂ、第１面４ａはいずれも球面であるため、この回転のみによって偏心が発生することはない。
一方、第２面４ｂの曲率中心Ｃ４ｂと第１面４ａの曲率中心Ｃ４ａとは、必ずしも一致していないため、副鏡素子４が曲率中心Ｃ４ａを中心に回転すると、第２面４ｂの曲率中心Ｃ４ｂが光軸Ｏからずれるため、偏心が発生する。
ただし、本実施形態では、曲率中心Ｃ４ａ、Ｃ４ｂの間の距離は小さいため、この偏心が収差に及ぼす影響は小さくなっている。
このため、組立時に、主鏡３、副鏡素子４が嵌め合いの隙間の範囲で回転した状態で固定されたとしても、安定した光学性能が得られる。
【００４８】
次に、集光光学系２の明るさについて、比較例の集光光学系と対比して説明する。
比較例の集光光学系２０は、図６（ａ）に示すように、本実施形態の集光光学系２の副鏡素子４に代えて、副鏡１４を備える。
副鏡１４は、副鏡素子４の反射面部４ｄと同様な曲率半径を有し、有効反射領域が副鏡素子４と同様な直径Ｄ０となるように形成された凸反射面１４ａを物体側に有し、側面１４ｃが、物体側から像側に向かって縮径するテーパ状に形成されたものである。側面１４ｃのテーパの大きさは、図６（ｂ）に示すように、凸反射面１４ａで反射された後に凹反射面部３ｂで反射されて側面１４ｃの側方を通過する光線Ｌｉ’の光軸Ｏに対する傾きよりも大きくなっている。
このような副鏡１４は、側面１４ｃがテーパ面であるため、凸反射面１４ａを蒸着によって形成する際、ガラス基材の凸面を保持する必要がある。したがって、直径Ｄ０の有効反射領域を形成するには、幅ΔＤの保持領域１４ｂを凸反射面１４ａの径方向外側に設けなければならない、このため、副鏡１４の物体側の外径は、Ｄ０＋ΔＤになっている。
【００４９】
このような構成により、集光光学系２０は、本実施形態の集光光学系２と同様に、平行光束Ｌ０は、凸反射面１４ａに入射して発散光束Ｌ１として反射され、この発散光束Ｌ１が主鏡３の凹反射面部３ｂによって反射光束Ｌ２として反射されて集光される。この反射光束Ｌ２は、副鏡１４によって一部が遮光されて、副鏡１４の側方を通過した円環状の通過光束Ｌ３’として、像面Ｉに向かい像面Ｉに結像される。
ここで、保持領域１４ｂに入射した光束は、副鏡１４の内部で内部反射して散乱され、外部に透過するとしても副鏡１４の側部を通過する通過光束Ｌ３’とは異なる光路を進むため、像面Ｉには結像されず光量損失となる。
このため、平行光束Ｌ０のうち、像面Ｉに結像されるのは、光線Ｌｉ’を物体側に逆光線追跡して得られる直径Ｄ３’よりも径方向外側の円環状の光束のみとなる。
ここで、Ｄ３’＞Ｄ３であるから、本実施形態の集光光学系２は、比較例の集光光学系２０に比べて、光量損失が少なくなり、より明るい光学系になっている。
また、比較例の遮蔽率ＣＲ’は、ＣＲ’＝｛（Ｄｏ＋ΔＤ）／Ｄ４｝２と表すことができるため、ＣＲ’＞ＣＲである。
保持領域１４ｂに必要な大きさは、副鏡１４の大きさが変わってもあまり変わらず、例えば、ΔＤは、１ｍｍ程度は必要となる。これに対して、直径Ｄ０は、開口数が小さい集光光学系ほど小さくなるため、Ｄ０に対するΔＤの占める割合が大きくなり、遮蔽率を顕著に増大させることになる。
【００５０】
以上に説明したように、本実施形態の集光光学系２および光学系ユニット１によれば、凹反射面と凸反射面とを組み合わせた光学系であっても光量損失を低減して明るさを向上することができるとともに、位置出しおよび組立が容易となる。
また、副鏡素子４では、反射面部４ｄを第１面４ａ上に蒸着して形成しているため、メニスカスレンズ上に球面ミラーを配置する場合に比べて光量損失をより低減することができる。また、部品点数や加工工程を低減することができため、製造コストを低減することができる。
【００５１】
なお、上記の説明では、副鏡素子４のガラス基材４Ａが、屈折力を有するメニスカスレンズを構成している場合の例で説明したが、第１面４ａの曲率中心と第２面４ｂの曲率中心とを一致させることにより屈折力を有しない構成としてもよい。
また、透過面部４ｅおよび第２面４ｂで構成されるレンズ部分は、主鏡３や反射面部４ｄの屈折力との組合せにより収差を許容範囲内に収めることができれば、メニスカスレンズとは異なるレンズ形状を有していてもよい。
【００５２】
また、上記の説明では、副鏡素子４が回転しても偏心が起こらないように、反射面部４ｄの曲率半径と透過面部４ｅの曲率半径とが等しい場合の例で説明したが、例えば、副鏡素子４の嵌め合いによる隙間を小さくするなどして、回転量を低減できる場合には、反射面部４ｄの曲率半径と透過面部４ｅの曲率半径とが異なるようにしてもよい。すなわち、反射面部４ｄの外周を境に曲率半径が変化する連続し２種類の球面からなる構成としてもよいし、第１面４ａを非球面で構成してもよい。
このような場合でも、内枠５に組み込むだけで位置決めを行うことができるため、位置出しや組立が容易となる。
【００５３】
また、上記の説明では、主鏡３、副鏡素子４を内枠５に接着固定する場合の例で説明したが、押えリングなどを用いて固定してもよい。
【００５４】
また、上記の説明では、鏡枠が第１の受け部および第２の受け部を備える一部品から構成された場合の例で説明したが、鏡枠は、複数の部品が互いに嵌合したり係合したりして位置調整することなく組み立てられた組立体で構成してもよい。例えば、反射鏡とガラス光学素子の各側面に外嵌する第１の筒状部材と、この第１の筒状部材の内側に挿入され、反射鏡の凹反射面とガラス光学素子の第１面とに両端部が当接して凹反射面と第１面との間隔を規制する第２の筒状部材とを組み合わせた構成としてもよい。この場合、第２の筒状部材の両端部は、それぞれ第１および第２の受け部を構成している。
【実施例】
【００５５】
次に、上記に説明した実施形態の集光光学系２の実施例である数値実施例を、上記に説明した比較例の集光光学系２０の数値例とともに説明する。
図７は、本発明の実施形態に係る集光光学系の実施例の収差図である。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る集光光学系の実施例において、ガラス光学素子の偏心量を０ｍｍ、０．１ｍｍとした場合のスポットダイヤグラムである。
【００５６】
下記に本実施例の集光光学系２の構成パラメータを示す。図４に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す構成パラメータのｒｉ、ｄｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している（比較例も同じ）。
【００５７】
面番号    曲率半径              面間隔          屈折率          アッベ数
物体面      ∞                    ∞
1      r1 =  18.872        d1 = -18.27      
2      r2 =  35.956        d2 =  18.27      
3      r3 =  18.872        d3 =   3.00      n1 = 1.51633    ν1 = 64.1
4      r4 =  16.155        d4 =  30.12
像  面      ∞                d5 =   0.00
【００５８】
このような構成により、焦点距離１８ｍｍ、開口数０．１２の集光光学系２を構成することができた。また、Ｄ０＝４．４（ｍｍ）、Ｄ４＝８．４（ｍｍ）である。
このため、本実施例の遮蔽率ＣＲは、ＣＲ＝（４．４／８．４）２＝０．２７であった。
本実施例の球面収差は、図７に示すように良好であった。図７において、実線で表す曲線１００は、波長３５０ｎｍにおける球面収差であり、破線で示す曲線１０１は、波長１０００ｎｍにおける球面収差である。波長３５０ｎｍ〜１０００ｎｍにおける軸上色収差は約４μｍであった。
本実施例は開口数が０．１２と小さいため、焦点深度は数十μｍ程度はある。したがって、軸上色収差約４μｍは十分許容できる範囲である。
【００５９】
また、副鏡素子４の偏心の影響を調べるため、副鏡素子４の偏心がない場合（図８（ａ）参照）と、副鏡素子４が第１面４ａに沿って０．１ｍｍだけ回転した場合（図８（ｂ）参照）とにおけるスポットダイヤグラムを計算した。なお、計算に用いた波長は５００ｎｍである。また図８（ａ）、（ｂ）において、円１０２は回折限界を示す。
それぞれのスポットダイヤグラムは、いずれも円１０２内の中心に収まっており、コマの発生は認められない。また、偏心量０ｍｍ、０．１ｍｍとでスポットダイヤグラムにほとんど差は認められない。
すなわち、本実施例では、副鏡素子保持穴部５ｇに嵌め合いの隙間により、副鏡素子４が０．１ｍｍ程度偏心したとしても、良好な結像性能が得られることが分かる。したがって、本実施例では、主鏡３と副鏡素子４との間の偏心調整は不要である。
【００６０】
次に、比較例の集光光学系２０の数値例について説明する。
下記に比較例の集光光学系２０の構成パラメータを示す。図６に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す構成パラメータのｒｉ、ｄｉに対応する。
【００６１】
面番号    曲率半径              面間隔          屈折率          アッベ数
物体面      ∞                    ∞
1      r1 =  18.872        d1 = -17.97      
2      r2 =  35.956        d2 =  52.26      
像  面      ∞                d3 =   0.00
【００６２】
このような構成により、上記実施例と同様に、焦点距離１８ｍｍ、開口数０．１２の集光光学系２を構成することができた。また、Ｄ０＝４．４（ｍｍ）、ΔＤ＝１（ｍｍ）、Ｄ４＝８．４（ｍｍ）である。
このため、本比較例の遮蔽率ＣＲ’は、ＣＲ’＝｛（４．４＋１）／８．４｝２＝０．４１であった。
このように遮蔽率が変化することで、比較例の集光光学系２０は、上記実施例の集光光学系２に比べて、明るさが６６％｛６６＝（０．２７／０．４１）×１００｝に低下してしまうことが分かる。
【符号の説明】
【００６３】
１  光学系ユニット
２  集光光学系
３  主鏡（反射鏡）
３ｂ  凹反射面部（凹反射面）
３ｄ  貫通孔
４  副鏡素子（ガラス光学素子）
４Ａ  ガラス基材
４ａ  第１面
４ｂ  第２面
４ｄ  反射面部（凸反射面部）
４ｅ  透過面部
４ｇ  保護膜
５  内枠（鏡枠）
５ｃ  主鏡保持穴部
５ｄ  主鏡受け部（第１の受け部）
５ｇ  副鏡素子保持穴部
６  外枠
Ｃ３ｂ、Ｃ４ａ、Ｃ４ｂ  曲率中心
Ｉ  像面
Ｌ０  平行光束
Ｌ１  発散光束
Ｌ２  反射光束
Ｌ３  透過光束
Ｌ３’  通過光束
Ｌｉ、Ｌｉ’  光線
Ｌｍ  周辺光線
Ｏ  光軸
【図１】
2011221178.tif 000003
【図２】
2011221178.tif 000004
【図３】
2011221178.tif 000005
【図４】
2011221178.tif 000006
【図５】
2011221178.tif 000007
【図６】
2011221178.tif 000008
【図７】
2011221178.tif 000009
【図８】
2011221178.tif 000010