(57)【要約】【課題】高い開口数を有する反射屈折光学系を提供する。【解決手段】光学系は、第１の中間像面において、物体面に配置された物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、像面において、第１の中間像に基づいて物体の最終像を形成する第２の光学群及び第３の光学群とを含む。第１の光学群は、第１の表面と、第１の表面に面する凹面の第２の表面とを有する固体レンズからなり、固体レンズは、物体で生じた光を収集し、且つ、その内部で収集光を少なくとも２回反射する。第２の光学群は、少なくとも１つのマンジャンミラーを含み、第３の光学群は、複数のレンズを含む。第１の光学群、第２の光学群及び第３の光学群は、軸上色収差及びペッツバール湾曲を適切に制御することができ、その結果、高ＮＡ照明による結像を行うことができる。【選択図】図１
2013242565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の中間像面において、物体面に配置された物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、
像面において、前記第１の中間像に基づいて前記物体の最終像を形成する第２の光学群及び第３の光学群と、
を備える光学系であって、
前記第１の光学群、前記第２の光学群及び前記第３の光学群は、前記物体面から前記像面まで順に前記光学系の光軸に沿って配置され、
前記第１の光学群は、第１の表面と、前記第１の表面の反対側にある凹面の第２の表面とを有する固体レンズからなり、前記固体レンズは、前記物体で生じた光を収集し、且つ、前記収集された光を内部で少なくとも２回反射し、
前記第２の光学群は、少なくとも１つのマンジャンミラーを含み、前記第３の光学群は、複数のレンズを含む
ことを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記固体レンズにおいて、前記収集された光は、前記凹面の第２の表面によって前記第１の表面に向けて反射され、
前記第１の表面は、前記収集された光が前記第１の中間像面に収束されて前記第１の中間像を形成するように、前記収集された光を前記像面に向けて反射する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記第２の光学群は、２つのマンジャンミラーと、レンズ群とを含み、前記マンジャンミラーの少なくとも一方は、前記物体面に面する凹面表面を有することを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
前記第２の光学群の前記レンズ群は、前記第１の中間像面からの前記第１の中間像を第２の中間像面に結像して第２の中間像を形成し、
前記第３の光学群は、前記像面において、前記第２の中間像に基づいて前記最終像を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項５】
前記第２の光学群は、１つのマンジャンミラーと、中空部が軸領域にある凹面ミラーとを含み、
前記１つのマンジャンミラー及び前記凹面ミラーは、前記物体面から前記像面まで順に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項６】
前記第２の光学群は、前記収集された光を前記中間像面から前記第３の光学群に中継し、
前記第３の光学群は、前記収集された光を前記像面の上に収束して前記最終像を形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の光学系。
【請求項７】
前記収集された光を前記中間像面から前記第３の光学群まで中継するために、前記収集された光は、前記凹面ミラーによって前記１つのマンジャンミラーに向けて反射され、前記１つのマンジャンミラーは、前記凹面ミラーの前記中空部を通して前記収集された光を透過させることによって、前記収集された光を前記像面に向けて反射することを特徴とする請求項６に記載の光学系。
【請求項８】
前記第２の光学群の少なくとも１つの反射要素は、非球面を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項９】
前記物体は、約４００ナノメートル以上７００ナノメートル以下の波長範囲を有する放射で結像されることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１０】
前記第１の光学群は、正の屈折力を有し、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、
前記第２の光学群は、正の屈折力を有し、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、
前記第３の光学群は、正の屈折力を有し、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１１】
前記第１の光学群は、正の屈折力を有し、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、
前記第２の光学群は、正の屈折力を有し、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成し、
前記第３の光学群は、正の屈折力を有し、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１２】
物体面及び像面を有する撮像装置であって、
前記物体面と前記像面との間に配され、１．３を超える開口数で約４００から７００ナノメートルの波長範囲の光を収集する対物光学系と、
前記像面に配置された光検出器であって、当該光検出器の上に前記対物光学系によって収束される前記光を検出して最終像を形成する光検出器と
を備え、
前記対物光学系は、
第１の中間像面において、前記物体面に配置された物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、
前記像面において、前記第１の中間像に基づいて前記物体の前記最終像を形成する第２の光学群及び第３の光学群と
を備え、
前記第１の光学群、前記第２の光学群及び第３の光学群は、前記物体面から前記像面まで順に前記対物光学系の光軸に沿って配置され、
前記第１の光学群は、実質的に平坦な第１の表面と、前記第１の表面に面する凹面の第２の表面とを有する固体レンズからなり、前記固体レンズは、前記物体で生じた光を収集し、且つ、前記収集された光を内部で少なくとも２回反射し、
前記第２の光学群は、少なくとも１つのマンジャンミラーを含み、前記第３の光学群は、複数のレンズを含む
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
第１の中間像面において、物体面に配置された物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、
像面において、前記第１の中間像に基づいて前記物体の最終像を形成する第２の光学群及び第３の光学群と
を備える光学系であって、
前記第１の光学群、前記第２の光学群及び前記第３の光学群は、前記最終像を形成するように前記物体面から前記像面まで順に前記光学系の光軸に沿って配置され、
前記第１の光学群は、前記物体で生じた光を収集し、前記収集された光を内部で少なくとも２回反射するために、第１の表面と、前記第１の表面の反対側にある凹面の第２の表面とを有し、前記第１の光学群は、正の屈折力を有し、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、
前記第２の光学群は、少なくとも１つのマンジャンミラーを含み、前記第３の光学群は、複数のレンズを含み、前記第２の光学群及び前記第３の光学群は、正の屈折力を有し、
前記第２の光学群及び前記第３の光学群の一方は、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、前記第２の光学群及び前記第３の光学群の他方は、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成する
ことを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願の開示は、一般には、光学結像に関し、特に、例えば、顕微鏡検査又はリソグラフィなどの結像用途における対物光学系として使用可能な反射屈折光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡検査又はリソグラフィで使用され、物体の表面の数ミクロン以下の程度の小さい構造を結像することができる光学系がよく知られている。良好な像を生成するために、光学系は、物体から反射された（又は物体を透過した）光を十分に収集し、像の細部を分離し、像を拡大し、細部を人間の眼又は光検出器に見えるようにしなければならない。光学系の開口数（ＮＡ）は、光を採集し、固定の物距離における微細な物体細部を解像する性能の尺度である。微細な細部を解像し、良好な像を生成する光学系の性能は、光学収差によって妨げられる。大部分の収差は、光と光学要素（レンズ又はミラー）との相互作用から生じるアーチファクトによって引き起こされる。特に、色収差は、光のスペクトルに見いだされる広範囲の周波数と相互作用する場合、特に、可視光で結像させる場合、光学要素の屈折率の変動から生じる。一般に、光学収差は、光学系によって観察される像のフィーチャに光学的欠陥を導入し、それによって、光学系の性能を劣化させる。
【０００３】
光学顕微鏡では、結像される物体に最も近い光学系は、対物光学系、或いは、単に、「対物レンズ」と呼ばれ、それは、物体の倒立拡大実像を形成する。この像は、中間像と呼ばれ、接眼レンズの視野絞りの面に存在する。対物レンズの開口数は、解像力、作動距離、視野及び対物レンズによって収集される光の量を含むいくつかの要因に影響を及ぼす。作動距離は、対物光学系の最前面とそれに最も近い物体の表面との間の空間である。作動距離は、「物体空間」と呼ばれ、即ち、対物レンズの第１のレンズの入射表面と物体面との間の空間を決定する。視野（ＦＯＶ）は、作動距離において、対物レンズを介して一度に見る物体の領域である。解像力は、互いに小さい角距離で配置された物体の点を分離する（別個として見る）ための結像デバイスの性能である。ＮＡは、対物光学系の解像力と、対物光学系が収集できる光量との両方に影響を及ぼす。一般に、ＮＡは、特定の対物レンズ設計を使用して結像される物体に光を供給することができる角度、又は、それから光を収集することができる角度の範囲を示す。対物光学系を設計する場合、多くの要因が考慮されなければならないが、最終目的は、収差の量を減らすことである。
【０００４】
高ＮＡ照明による結像から生じる問題の１つは、色収差である。当業者に知られているように、色収差は、異なる波長の光と相互作用する場合に材料の屈折率の変動から生じる。具体的には、例えば、白色光がレンズを通過する場合、成分波長は、その周波数に応じて屈折する。正レンズでは、青色光が最大限まで屈折し、その後に緑色光成分や赤色光成分が続く。レンズは色の全てを共通焦点に合わせることができないため、波長成分ごとに僅かに異なる像サイズ及び焦点がもたらされる。この現象は、軸上色収差として知られている。白色光が軸外れで収束される場合、或いは、白色光源が僅かに軸外れで配置される場合、追加の横色収差（倍率色収差）が生じることがある。特に、約４００ｎｍ（ナノメートル）から７００ｎｍの範囲の波長を含む可視スペクトルの端から端まで色収差を補正することは、特に、困難である。通常、顕微鏡は、正レンズと考えることができる。その意味において、正レンズの屈折力は、「過小補正の」軸上色収差として知られているものを生成する。それを補償するために、過大補正の軸上色収差が、特別に設計された光学要素を顕微鏡の光学系に付加することによって意図的に生成される。
【０００５】
高ＮＡ照明による結像に関連する別の問題は、全反射（ＴＩＲ）の可能性である。具体的には、特に、図２に関して以下で説明するように、レンズ−空気界面において、大きい入射角を有する光が屈折される場合、ＴＩＲが生じることがある。ＴＩＲは、屈折率が対物光学系の最前面の屈折率と可能な限り一致する結合流体を使用することによって防止することができる。
【０００６】
また、像面湾曲は、考慮されるべき別の結像の性質である。具体的には、試料の像は、一般に、平面を有するＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサなどのセンサによって撮像されるため、センサが配置される面で平らな像が必要とされる。しかしながら、一般に、顕微鏡は、正レンズと見なすことができるため、正レンズの屈折力が、内側に曲がる像面を有する像を生成する。その結果として生じる像の湾曲は、ペッツバール湾曲として知られている。内向ペッツバール湾曲（ｉｎｗａｒｄ  Ｐｅｔｚｖａｌ  ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を補償するために、特別に設計された光学要素を顕微鏡の光学系に付加することによって、外側に曲がる像面が意図的に生成される。具体的には、凹面ミラーを使用することは、内側ペッツバール湾曲を補償するための有効な方法であることが知られている。従って、収差の補正は、かなりの数のレンズ要素を対物光学系に導入することによって達成することができることは明らかである。このような光学要素の数の著しい増加は、多くの場合、窮屈で、位置合わせが困難な、大型の対物系をもたらす。
【０００７】
上述の背景を考慮して、開口数を増加させ、且つ、収差を最小にするための試みがなされてきた。Ｈｗａｎｇ等（以下、「Ｈｗａｎｇ」）によるＷＯ２００９／０４６１３７Ａ１として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７８４９３は、例えば、色収差を最小にし、且つ、ペッツバール湾曲の補正を最適化し、その結果、平らなペッツバール像面を有する像を得るために必要とされる反射屈折対物レンズを含む結像光学系を開示している。しかしながら、Ｈｗａｎｇの結像光学系のＮＡは、１よりも小さい。
【０００８】
Ｃｈｕａｎｇ等（以下、「Ｃｈｕａｎｇ」）の米国特許第７６４６５３３Ｂ２号は、極めて高いＮＡを有する小型の反射屈折対物レンズの様々な実施形態を開示している。対物レンズは、中間像を形成する少なくとも１つの収束レンズを有するレンズ群を含む。対物レンズは、中間像に近接して配置された少なくとも１つの視野レンズと、少なくとも１つの視野レンズからの中間像を受け取るように位置決めされた反射屈折系とを更に含む。反射屈折系は、少なくとも１つのマンジャン要素を含み、メニスカスレンズ要素を含むことができる。Ｃｈｕａｎｇの系は「極めて高いＮＡ」と称しているが、ＮＡは１よりも小さい。
【０００９】
Ｓｈａｆｅｒ等（以下、「Ｓｈａｆｅｒ」）の米国特許第６６００６０８号は、２つの中間像を形成する反射屈折対物レンズを開示している。対物レンズは、２つの屈折部分対物レンズと、１つの反射屈折部分対物レンズとを含む。対物レンズは、第１の部分対物レンズと、第１の中間像と、第２の部分対物レンズと、第２の中間像と、第３の部分対物レンズとを含む。部分対物レンズのうちの少なくとも１つは、純粋な屈折系である。部分対物レンズの１つは、純粋な屈折系であり、１つは、純粋な反射系である。Ｓｈａｆｅｒによれば、反射光学部分対物レンズは、ペッツバール和の減少即ち像面平坦化の義務を担っている。これによって、屈折部分対物レンズは、負及び正レンズ群によってビームの縮小や拡大を行う必要性から解放される。しかしながら、Ｓｈａｆｅｒによって開示された対物レンズは、電磁スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）領域で主に動作するマイクロリソグラフィ投影露光装置での使用に限定される投影対物レンズである。
【００１０】
最後に、Ｊ．  Ｊｏｓｅｐｈ  Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ（以下、「Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ」）の米国特許第７８８４９９８号は、広帯域顕微鏡検査で使用するための、液浸液を使用する反射屈折顕微鏡対物レンズを開示している。対物レンズは、約４８０から６６０ナノメートルの波長範囲の光エネルギーを供給する光エネルギー源から光エネルギーを受け取り、１．０を超える開口数、及び、０．０５ミリメートルを超える視野サイズ（ｆｉｅｌｄ  ｓｉｚｅ）を提供するために、液浸液と共にマンジャンミラー構成を使用している。Ａｒｍｓｔｒｏｎｇが認めているように、液浸結像系で使用される液浸対物レンズに関する問題は、低波長又は広波長範囲の光エネルギーの存在下において、或いは、異なるタイプの照明及び結像モードの存在下において、像を解像することができないことを含む。更に、液浸法は、標準顕微鏡において利用可能な対物レンズでは、例外なく使用されるというものではない。
【００１１】
従って、現在の最新技術で達成された進歩にもかかわらず、現在利用可能な対物レンズでは、大きいＦＯＶに対して結像ができない。本発明者の知る限りでは、現在利用可能な液浸対物レンズは、約１．３のＮＡ、約１ミリメートルよりも広くないＦＯＶ、及び、７０ｍλ（ミリラムダ）以下の波面Ｒ．Ｍ．Ｓ．を与えることができる。本発明者は、現在、約４００から７００ｎｍのスペクトル範囲の広い波長に対応し、大きいＦＯＶサイズを示し、１．６０以上の高いＮＡで光を受け入れ、４０ｍλ以下のＲ．Ｍ．Ｓ．誤差を有する波面を生成することができる液浸対物レンズを知らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７８４９３
【特許文献２】ＷＯ２００９／０４６１３７Ａ１
【特許文献３】米国特許第７６４６５３３Ｂ２号
【特許文献４】米国特許第６６００６０８号
【特許文献５】米国特許第７８８４９９８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
少なくとも１つの開示例によれば、本開示は、第１の中間像面において、物体面に配置された物体の第１の中間像を形成する第１の光学群と、像面において、第１の中間像に基づいて物体の最終像を形成する第２の光学群及び第３の光学群と、を備える光学系を提供する。第１の光学群、第２の光学群及び第３の光学群は、物体面から像面まで順に、光学系の光軸に沿って配置され、その結果、動作の間、第１の光学群から第３の光学群は、物体面からの放射を像面に結像して最終像を形成する。第１の光学群は、第１の表面と、第１の表面の反対側にある凹面の第２の表面とを有する固体レンズからなり、固体レンズは、物体で生じた光を収集し、且つ、収集光をその内部で少なくとも２回反射する。第２の光学群は、少なくとも１つのマンジャンミラーを含み、第３の光学群は、複数のレンズを含む。液浸流体は、物体面と固体レンズの第１の表面との間の空間に供給される。利点として、開口数が１．３よりも大きく、視野サイズ（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ  ｓｉｚｅ）（視野サイズ（ｆｉｅｌｄ  ｓｉｚｅ））が６ｍｍよりも大きく、４０ｍλ程度の低いＲＭＳ誤差を有する波面が達成される。
【００１４】
本発明の他の変形形態及び／又は利点は、以下、添付図面を参照する詳細な説明から当業者には容易に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の態様における第１の光学群、第２の光学群及び第３の光学群を含む例示的な光学系を示す図である。
【図２】単一の対物レンズからなる従来の対物光学系を示す図である。
【図３】本発明の第１の態様における第１の光学群の固体レンズ及びその光収集性能を示す図である。
【図４】本発明の第２の態様における第１の光学群、第２の光学群及び第３の光学群を含む例示的な光学系を示す図である。
【図５】本発明の第２の態様における光学系の第２の光学群の構成を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第１の態様における例示的な光学系のＦＯＶの端から端までのＲＭＳ波面誤差を示すグラフである。
【図６Ｂ】本発明の第２の態様における例示的な光学系のＦＯＶの端から端までのＲＭＳ波面誤差を示すグラフである。
【図７】本発明における光学系を使用する撮像装置の一例としての縦型の顕微鏡の主要構成要素を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明において、開示される光学系を実施することができる実施形態の説明図である添付図面が参照される。しかしながら、当業者は、本開示に添付された特許請求の範囲の新規性及び範囲から逸脱することなく他の構造的及び機能的な変形形態を生み出すことができることを理解するべきである。
【００１７】
説明において、開示される例についての十分な理解を与えるために、具体的な詳細が記載される。他の例では、よく知られている方法、手順、構成要素及び回路は、不必要に本開示を長くしないために、詳細には説明していない。本発明の幾つかの実施形態は、一般に、情報及び命令を処理するための１つ又は複数のプロセッサと、情報及び命令を記憶するためのランダムアクセス（揮発性）メモリ（ＲＡＭ）と、静的情報及び命令を記憶するための読み出し専用（不揮発性）メモリ（ＲＯＭ）と、情報及び命令を記憶するための磁気ディスク、光ディスク及びディスクドライブなどのデータ記憶デバイスと、コンピュータユーザに情報を表示するための表示デバイス（例えば、モニタ）などのオプションのユーザ出力デバイスと、プロセッサに情報及びコマンド選択を伝えるための英数字やファンクションキーを含むオプションのユーザ入力デバイス（例えば、キーボード）と、プロセッサにユーザ入力情報及びコマンド選択を伝えるためのカーソル制御デバイスなどのオプションのユーザ入力デバイス（例えば、マウス）とを含むコンピュータシステムで実施することができる。
【００１８】
当業者には理解されるように、本例は、システム、装置、システムを使用する方法、或いは、有形のコンピュータ読み取り可能媒体において具現されるコンピュータプログラムとして具現することができる。従って、幾つかの例は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又は、本明細書では、全て「回路」、「モジュール」又は「システム」と称することがあるソフトウェアの態様とハードウェアの態様とを組み合わせた実施形態の形態をとることができる。更に、幾つかの実施形態は、コンピュータで使用可能なプログラムコードが記憶されている任意の有形の表現媒体で具現されたコンピュータプログラムの形態をとることができる。例えば、方法、装置（システム）、コンピュータプログラムのフローチャート及び／又はブロック図を参照して以下で説明される幾つかの実施形態は、コンピュータプログラム命令によって実施することができる。コンピュータプログラム命令は、特定の方法で機能するようにコンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置に指示することができるコンピュータ読み取り可能媒体に記憶され、その結果、コンピュータ読み取り可能媒体に記憶された命令は、本明細書で開示されるフローチャート及び／又はブロック図において指定された機能／動作／ステップを実施する命令及びプロセスを含む製品を構成することができる。
【００１９】
本明細書において、結像されるべき物体が配置される面は「物体面」と称され、物体の像が形成される面は「像面」と称される。光学系と、撮像要素とを含む撮像装置全体を考える場合、像面は、光学系の後焦点面に配置される面に対応する。更に、結像されるべき物体が配置されるレンズの側は、レンズの「物体面側」、「物体側」又は「前側」と交換可能に称され、像が形成されるレンズの側は、レンズの「像面側」、「像側」又は「後側」と交換可能に称される。
【００２０】
図１は、本発明の第１の態様における顕微鏡の対物光学系として使用することができる光学系１を示す。光学系１は、反射要素及び屈折要素の両方を含み、即ち、光学系１は、反射屈折光学系であり、光軸ＡＸに沿って配置された第１の光学群１００、第２の光学群２００及び第３の光学群３００を含む。第１の光学群１００は、第１の中間像面ＩＭＰ１において、物体面ＯＰに配置された物体Ｏの第１の中間像ＩＩＭ１を形成する。第２の光学群２００は、第２の中間像面ＩＭＰ２において、第１の中間像ＩＩＭ１に基づいて第２の中間像ＩＩＭ２を形成する。第３の光学群３００は、最終像面ＩＰにおいて、第２の中間像ＩＩＭ２に基づいて最終像ＦＩＭを形成する。第１の光学群１００、第２の光学群２００及び第３の光学群３００は、物体面側から像面側にかけて、この順に配置されると言うことができる。本明細書で使用する「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、光学要素又はそれらの群の相対位置を表し、この相対位置は、物体Ｏで生じた光が物体面ＯＰから最終像面ＩＰまで進む順序によって定義される。像面ＩＰは、ビデオカメラ又はデジタルカメラの写真光学系が物体の像を検出するために使用される場合、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどの像を受け取る固体画像センサ（光電変換素子）の結像面に対応する。また、像面ＩＰは、ハロゲン化銀フィルムカメラの写真光学系が使用される場合、フィルム表面に対応する。
【００２１】
第１の光学群１００は、固体レンズ１０２からなり、固体レンズ１０２は、その物体側及び像側のそれぞれに第１の表面１０４及び第２の表面１０６を有する。第２の光学群２００は、マンジャン群２０２及びレンズ群２０８を含む。マンジャン群２０２は、第１のマンジャンミラー２０４及び第２のマンジャンミラー２０６を含み、レンズ群２０８は、第１のレンズ２１０及び第２のレンズ２１２を含む。固体レンズ１０２、第１のマンジャンミラー２０４及び第２のマンジャンミラー２０６は、それらの中央領域（不図示）を含み、かかる中央領域は、反射性でなく、光を遮ることなく透過させることができる。第３の光学群３００は、物体側から像側まで次の順に配置された一群の１２個のレンズ３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２及び３２４を含む。
【００２２】
各群の具体的な構造及び機能を説明する。動作時において、第１の光学群１００は、全反射（ＴＩＲ）を防止し、１．６０以上の高い開口数を提供することによって、光学系の光収集能力を最適化する。固体レンズ１０２からなる第１の光学群１００の構造及び機能をよりよく示すために、図２は、第１の表面１１０４及び第２の表面１１０６を有する単一の対物レンズ１１０２からなる簡単化した対物光学系１１００のダイアグラムを示す。図２の右側は、ＴＩＲが対物レンズ１１０２の光採集能力に与える負の効果を示し、図２の左側は、レンズが液浸流体（オイル）に浸漬される場合の対物レンズの光採集能力の増加を示す。具体的には、図２に示されるように、物体Ｏが薄いカバーガラス１１１０の下に配置される場合、物体Ｏで生じる有用な光線１１１４は、角度θａで薄いカバーガラス１１１０を通過し、次に、角度θ’ａで空気を通って進み、レンズ１１０２の第１の表面１１０４に入射する。ガラス−空気界面での屈折に起因して、物体Ｏで同様に生じるがθａよりも大きい角度になる光線１１０８は、ＴＩＲによって、薄いカバーガラス１１１０のガラス−空気界面で反射される。従って、光線１１０８は、対物レンズ１１０２に到達しない。物体Ｏがカバーガラスの下に配置される状況は、生体細胞のマニピュレーションが水などの液浸流体の中で行われる生理学の分野で主として使用される。この状況や他の状況において、カバーガラスは、試料の汚染を避けるために物理的な障壁として頻繁に使用される。従って、カバーガラスが試料を保護するために使用される場合、物体空間におけるＴＩＲを避けることは有利である。
【００２３】
ＴＩＲの負の効果は、屈折率がカバーガラスの屈折率と可能な限り一致する液浸流体を使用することによって、部分的に克服することができる。具体的には、図２の光軸ＡＸの左側に示されるように、液浸流体１１１２（オイル）の層を、カバーガラス１１１０と対物レンズ１１０２との間で使用する。この場合、物体Ｏにおいてθｏ（θａよりも大きい）で生じた光線１１１６は、ＴＩＲを受けることなく液浸流体を透過することができ、次に、同じ角度θｏで対物レンズ１１０２によって捕捉される。より具体的には、液浸流体１１１２の屈折率ｎｏがカバーガラス１１１０の屈折率ｎｇと一致するように選択されるため、物体Ｏにおいて角度θｏで生じる光線１１１６は、ＴＩＲを受けることなく、実質的に同じ角度θｏでガラス−オイル界面及びオイル−レンズ界面を通って伝搬する。このようにして、物体Ｏで生じた光は、入射角θｏと実質的に等しい角度θ’０で対物レンズ１１０２によって収集される。従って、対物光学系の光採集能力は、顕微鏡の物体空間の屈折率をカバーガラス１１１０及び／又は対物レンズ１１０２の屈折率と一致させることによって向上される。この正の効果は、物体Ｏが液浸流体の中に直接（カバーガラスなしに）配置され、対物レンズ１１０２が液浸流体に沈められた物体Ｏを観察するように設計される場合、特に有利となる。レンズ１１０２の光採集能力の尺度は、開口数で与えられ、開口数は、式（１）で定義することができる。
【００２４】
ＮＡ＝ｎｏ  ｓｉｎθｍ          式（１）
ここで、ｎｏは、物体空間の媒体（空気、オイル、水など）の屈折率であり、θｍは、第１の対物レンズによって捕らえられる最大光錐の半角である。別の表現をすれば、θｍは、レンズの光軸ＡＸと、物体Ｏで生じ、対物レンズによって捕捉される周辺光線との間に形成される角度である。第１の対物レンズで捕らえられる最大光錐の最大角は、光を失わず、且つ、著しい収差を生成しない角度である。
【００２５】
顕微鏡の対物光学系の解像度Ｒは、式（２）で与えられる。
【００２６】
Ｒ＝０．６１（λ／ＮＡ）          式（２）
ここで、λは、照明に使用される光の波長であり、ＮＡは、式（１）で定義される物体空間での顕微鏡の開口数であり、０．６１は、レイリーの基準から導出される。従って、式１及び式２から、高い解像度Ｒを達成するためには、波長を低減するか、又は、開口数を増加させるかのどちらかであり、より好ましくは、両方が試みられるべきである。しかしながら、非常に狭い波長を有する放射光源は高価であり、殆どの実際の用途において取扱いに注意を要するため、顕微鏡の解像度Ｒを増加させるための取組みは、一般には、ＮＡを増加させることを指向してきた。具体的には、高いＮＡは、高解像度Ｒを有し、物体の著しく小さいフィーチャを解像することができる顕微鏡対物レンズをもたらすため、本願の背景技術の欄で説明した参考文献の各々は、ＮＡを増加させ、且つ、収差を最小にする試みを行ってきた。
【００２７】
Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ（上記で説明した）によって開示されたように、液浸流体を使用することによって物体空間の屈折率ｎｏを増加させることは、より大きいＮＡを取得し、対物光学系の光採集能力を高めるための１つの既知の技術である。従って、上述したように、物体空間は、屈折率が約１である空気の代わりに屈折率ｎｏ＞１を有する液浸流体に浸漬されることが有益である。しかしながら、物体空間に液浸流体を使用することは、それ自体は、色収差や制限された視野などの他の制限を克服することができない。
【００２８】
そこで、本発明で開示するように、図１に示す光学系１は、具体的には、１．６０以上の高いＮＡを与えるだけでなく、４００から７００ｎｍの広い波長範囲の光が高角度θｍで収集されるときに生じる様々な収差を補正するように設計される。その目的のために、固体レンズ１０２は、具体的には、それを透過する光が外向ペッツバール湾曲を有する第１の中間像ＩＩＭ１を生成することができるように設計され、第２の光学群２００は、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を有する第２の中間像ＩＩＭ２を生成する。また、第３の光学群３００は、第２の光学群によって生成された過大補正の色収差及び外向ペッツバール湾曲を補償するように、過小補正の色収差及び内向ペッツバール湾曲を生成するように設計される。
【００２９】
より具体的には、第１の表面１０４及び第２の表面１０６のそれぞれは、レンズの光軸に実質的に中心を有する透明部分と、透明部分を囲む（同心で）反射部分とを含む。固体レンズ１０２の第１の表面及び第２の表面の反射部分は、例えば、光学コーティングによって形成することができる。部分的にコーティングされた表面を有するレンズは、当業者にはよく知られていると考えられる。従って、コーティング材料又はコーティング技術に関する具体的な詳細は、ここでは説明しない。しかしながら、重要なことには、固体レンズ１０２及びその表面は、好ましくは、ドライ環境又はウエット環境のいずれかで動作するように設計することができる。より具体的には、固体レンズ１０２の少なくとも第１の表面１０４は、空気にさらされるか、或いは、液浸流体に沈められて動作するように設計することができる。その目的のために、第１の表面１０４は、高反射性材料でコーティングされるべきであり、高反射性材料は、腐食に耐性があるべきである。液浸流体の屈折率は、好ましくは、固体レンズ１０２及び／又は第１の表面１０４のコーティングの屈折率と一致するように選択される。
【００３０】
図３は、第１の光学群の固体レンズ１０２及びその光収集能力を示す。ここで、固体レンズは、単一の固体材料で製作されたレンズ又は単一の固体要素で製作されたレンズに限定されない。換言すれば、固体レンズ１０２は、同じ材料又は異なる材料の２つ以上のレンズ要素を接合することによって得てもよい。図３において、物体Ｏで生じ、角度θｍでレンズ１０２に入射する収集光Ｆ１の光線は、第１の表面１０４の透明領域Ｔを通過し、まず、第２の表面１０６の反射領域Ｒに入射し、次に、収集光Ｆ１の光線は、第１の表面１０４に向けて収集光Ｆ２として反射される。第１の表面１０４の反射領域Ｒから、収集光Ｆ２は、固体レンズ１０２の頂点の近くに（それの近傍に）、及び、それと直交して配置される第１の中間像面ＩＭＰ１に向けて収集光Ｆ３の光線として前方反射される。第１の中間像面ＩＭＰ１において、収集光Ｆ３の反射光線は、結合されて第１の中間像ＩＩＭ１を形成する。従って、第１の光学群１００は、その内部に２つの反射面（１０４及び１０６におけるＲ）と、その中心領域に透過部分Ｔとを有する固体レンズ１０２からなると言うことができる。これらの２つの反射面（１０４及び１０６におけるＲ）によって、物体Ｏで生じた光は、固体レンズ１０２の内部で少なくとも２つの反射を受け、外向ペッツバール湾曲及び最小の軸上色収差を有する中間像ＩＩＭ１を形成する。具体的には、レンズ１０２の第２の表面１０６の凹面湾曲は、外向ペッツバール湾曲を意図的に生成するように設計され、外向ペッツバール湾曲は、第３の光学群３００によって生成される内向ペッツバール湾曲で補正することができる。液浸流体１１２に沈められることが好ましい物体Ｏは、第１の表面１０４から所定の距離内に配置される。第１の表面１０４から物体Ｏまでの所定の距離は、作動距離と称されるもの即ち顕微鏡の対物光学系の物体空間を定める。物体空間のＮＡは、式（１）で定義されるような角度θｍによって決定される。
【００３１】
上述したように、顕微鏡の対物光学系は正レンズと同等である、と見なすことができる。その場合、光学系１によって像面ＩＰ（図１を参照）に形成される最終像は、ペッツバール湾曲に起因して内側に曲がった像面を有する像を生成することになる。ペッツバール和は、式（３）で与えられる。
【００３２】
【数１】
2013242565.tif 000003
【００３３】
ここで、ｎｉは、屈折率であり、ｆｉは、ｉ番目の光学要素の焦点距離である。ペッツバール曲率半径は、ｍ個のレンズ要素の光学系によって生成される平面物体の像の近軸像面からのペッツバール表面上の高さＹｉにおける像点の変位Δｘで与えられる。Δｘは、式（４）で与えられる。
【００３４】
【数２】
2013242565.tif 000004
【００３５】
従って、図３を参照するに、固体レンズ１０２（第１の表面１０４は、実質的に平坦であり、第２の表面１０６は、物面に向けて凹面である）は、外向ペッツバール湾曲を有する第１の中間像ＩＩＭＩを生成する平凸レンズから実質的に形成される。これにより、光学系１は、対物レンズのＦＯＶを増大させるとともに、光捕捉能力を高めることができる。ここで、数値例１（表３を参照）に従って、且つ、式（３）を使用することによって、第１の光学群１００のペッツバール和は、本発明の実施形態では、−０．００６８であることが見いだされたことに留意されたい。
【００３６】
軸上色収差Ｌ（或いは、色収差の縦方向成分として知られている）は、式（５）で与えられる。
【００３７】
【数３】
2013242565.tif 000005
【００３８】
ここで、ｈｉは、近軸周辺光線の高さであり、Ｖｉは、アッベ数であり、ｕ’ｋは像面での近軸光線角度である。第１の光学群で生成された軸上色収差は、光が第１の表面１０４で反射された後、第２の表面１０６を通過するときに顕著となる。より具体的には、第１の中間像面ＩＭＰ１において、光は、近軸周辺光線の高さが略ゼロとなるようにコリメートされて収束され、それは、軸上色収差が低いか、或いは、実質的に無視できることを意味する。しかしながら、固体レンズ１０２の特定の凹面設計のために、第１の中間像面ＩＭＰ１で第１の中間像ＩＩＭ１を形成する非近軸光線は、ある一定量の軸上収差を生成する。従って、第１の光学群１００は、第１の中間像面ＩＭＰ１において、過大補正の軸上色収差及び外向ペッツバール湾曲を有する第１の中間像ＩＩＭ１を形成すると言うことができる。
【００３９】
次に、第２の光学群２００の構造及び機能を詳細に説明する。図１を参照するに、第１のマンジャンミラー２０４及び第２のマンジャンミラー２０６からなるマンジャン群２０２は、外向ペッツバール湾曲を生成し、第１のレンズユニット２１０及び第２のレンズユニット２０６からなるレンズ群２０８は、過大補正の色収差を生成する。具体的には、第１の中間像面ＩＭＰ１に到達した光は、第１のマンジャンミラー２０４の透過部分を通過し、第２のマンジャンミラー２０６の反射面で反射され、かかる反射光は、第１のマンジャンミラー２０４に再度入射する。次に、光は、第１のマンジャンミラー２０４の反射面から、第２のマンジャンミラー２０６の中央部分における透過部分に向けて反射される。第２のマンジャンミラー２０６の透過部分を通過した光は、レンズ群２０８を通って進む。レンズ群２０８の第１のレンズ２１０及び第２のレンズ２１２は、第２の中間像面ＩＭＰ２の上に光を収束して、そこに第２の中間像ＩＩＭ２を形成する。注目すべきは、マンジャン群２０２の機能のうちの１つは、第１の光学群１００によって既に与えられているペッツバール湾曲の外向傾向を更に増加させること、及び、過大補正の色収差を生成することである。具体的には、第２のマンジャンミラー２０６は、物体面に面する凹面形状を有し、第１の表面２０６ａ及び第２の表面２０６ｂを含む。第１の表面２０６ａの凹面形状は、過大補正の軸上色収差を生成し、第２の表面２０６ｂの凹面形状は、外向ペッツバール湾曲を生成する。数値例１（表３を参照）に従って、且つ、式（３）を使用することによって、第２の光学群２００のペッツバール和は、本発明の実施形態では、−０．００５３であることが見いだされた。
【００４０】
第３の光学群３００は、複数の光学レンズ（１２個のレンズが第１の実施形態では示されている）を含み、第２の中間像ＩＩＭ２を拡大して最終像面ＩＰに最終像ＦＩＭを形成する。第３の光学群３００のレンズは、如何なる特定の形状又は順序にも限定されないが、第３の光学群３００は、全体として、第１の光学群１００及び第２の光学群２００によって生成された外向ペッツバール湾曲を補償及び補正するのに十分な内向ペッツバール湾曲を生成することが好ましい。更に、第３の光学群３００は、全体として、第２の光学群２００によって生成された過大補正の軸上色収差を補償及び補正するのに十分な過小補正の軸上色収差を生成することが好ましい。表１（数値例１に対応する）に示されたデータに基づき、及び、式（３）を使用することによって、本発明者が行ったシミュレーションでは、第３の光学群３００のペッツバール和は、０．０１２であることが見いだされた。従って、第３の光学群３００の内向（正）ペッツバール湾曲は、第１の光学群１００の外向（負）ペッツバール湾曲及び第２の光学群２００の外向（負）ペッツバール湾曲を効果的に補償していることを当業者は理解するであろう。
【００４１】
従って、要約すると、光学系１において、第１の光学群１００は、外向ペッツバール湾曲を生成し、且つ、軸上色収差を最小にし、第２の光学群２００は、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、第３の光学群３００は、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成する。このようにして、第１の光学群１００、第２の光学群２００及び第３の光学群３００は、収差の制御に関して厳しい制限なしに、独立して個々に設計することができるが、一緒に組み込まれると、全体として、３つの光学群は、互いの収差を補償し、著しく大きなＦＯＶを有し、実質的に収差のない最適化された最終像が得られるように設計される。より具体的には、第１の光学群１００及び第２の光学群２００の意図的に生成された外向ペッツバール湾曲は、第３の光学群３００の内向ペッツバール湾曲によって補償及び補正される。同様に、第１の光学群及び第２の光学群で意図的に許容された過大補正の軸上色収差は、戦略的に、第３の光学群の過小補正の軸上色収差で補償及び補正される。ペッツバール湾曲及び軸上色収差に対する光学系１の各光学群の関係は、表１に要約される。
表１：図１に示す光学系１の屈折力及び収差特性の要約
【００４２】
【表１】
2013242565.tif 000006
【００４３】
図４は、本発明の第２の態様における顕微鏡の対物光学系として使用することができる光学系２を示す。光学系２は、反射要素及び屈折要素の両方を含む、即ち、光学系２は、反射屈折光学系である。具体的には、光学系２は、物体側から像側まで順に光軸ＡＸに沿って配置された第１の光学群４００、第２の光学群５００及び第３の光学群６００を含む。第１の光学群４００は、中間像面ＩＭＰ１において、物体面ＯＰに配置された物体Ｏの中間像ＩＩＭ１を形成する。物体Ｏは、第１の光学群４００の物体側に、第１の光学群４００から適切な距離（作動距離）を離して配置される。液浸流体（流体）は、物体Ｏで生じた光を光学系２に結合するために使用される。ここで、「物体Ｏで生じた光」とは、物体Ｏから反射されるか、或いは、物体Ｏを透過して屈折される照明光である。いずれの場合においても、物体Ｏで生じた光は、第１の光学群４００によって収集されることが理解されるべきである。第２の光学群５００は、中間像ＩＩＭ１を、中間像面ＩＭＰ１から第３の光学群６００に中継する（受け取って渡す）。中間像ＩＩＭ１の中継において、第２の光学群５００は、必要に応じて、中間像ＩＩＭ１を拡大する。第３の光学群６００は、最終像面ＩＰにおいて、中間像ＩＩＭ１に基づいて、拡大した最終像ＦＩＭを形成する。第１の光学群４００、第２の光学群５００及び第３の光学群６００は、対物光学系２の物側から像側まで、この順に配置されると言うことができる。本明細書で使用する「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は、光学要素又はそれらの群の相対位置を表し、この相対位置は、光学群ごとに、その光学要素又は表面が物面ＯＰから最終像面ＩＰまで順に配置される順序で定義される。
【００４４】
第１の光学群４００は、その物体側及び像側のそれぞれに第１の表面４０４及び第２の凹面表面４０６を有する固体レンズ４０２からなる。第２の光学群５００は、レンズユニット５０２と、少なくとも１つのマンジャンミラー５０４と、ミラー５０６とを含む。レンズユニット５０２は、固体レンズ４０２の第２の表面４０６とマンジャンミラー５０４との間に配置される（光線追跡のために、レンズユニット５０２は、図４では明確には示されていない）。第３の光学群６００は、物体側から像側まで次の順に配置された一群の４つのレンズ６０２、６０４、６０６及び６０８を含む。
【００４５】
図５は、光学系２の第２の光学群５００の構造及び構成を更に詳細に示す。図５に示されるように、レンズユニット５０２、マンジャンミラー５０４及びミラー５０６は、光軸ＡＸに沿って同軸状に位置合わせされる。レンズ５０２は、ペッツバール湾曲を制御することができるように、中間像面ＩＭＰ１に、又は、その近傍に配置される。マンジャンミラー５０４は、図１に示し、上記で説明したマンジャンミラー２０６と実質的に同様の構造及び機能を有することができる。ミラー５０６は、好ましくは、光軸ＡＸに関して対称であり、光学系の物体側に面する凹面反射表面を有する。
【００４６】
次に、光学系２の各光学群の具体的な構造及び機能を詳細に説明する。固体レンズ４０２からなる第１の光学群４００は、図１に示す第１の光学群１００と実質的に同様である。動作時において、第１の光学群４００は、物体空間の全反射（ＴＩＲ）を防止し、１．６５以上の高い開口数を提供することによって、光学系２の光収集能力を最適化する。より具体的には、光学系１の固体レンズ１０２と同様に、固体レンズ４０２の第１の表面４０４及び第２の表面４０６のそれぞれは、その光軸に実質的に中心を有する透明（透過）部分と、透明部分を同心状に囲む反射部分とを含む。固体レンズ４０２の第１の表面及び第２の表面の反射部分は、例えば、反射性であることが望まれる固体レンズの領域を選択的にコーティングすることによって形成することができる。このようにして、固体レンズ４０２は、その透明部分を通して高ＮＡで光を収集し、且つ、反射部分内で収集光を内部反射する。コーティングした反射部分と、透過（透明）部分とを含む表面を有するレンズは、当業者によく知られていると考えられる。従って、コーティング材料又はコーティング技術に関する具体的な詳細は、ここでは説明しない。しかしながら、重要なことには、固体レンズ４０２の表面（４０４及び４０６）の反射部分は、好ましくは、約４００から７００ナノメートルの波長を有する光を反射するように設計する。更に、固体レンズ４０２は、ドライ環境又はウエット環境で動作することができる。例えば、固体レンズ４０２の少なくとも第１の表面４０４は、開放環境（例えば、空気）にさらされるか、或いは、液浸流体（例えば、オイル）に沈められて動作するように設計することができる。その目的のために、固体レンズ４０２の第１の表面４０４の少なくとも反射部分は、高反射性材料でコーティングされるべきであり、高反射性材料は、腐食に耐性があるべきである。液浸流体の屈折率は、好ましくは、第１の表面４０４の透明（透過）領域の屈折率に可能な限り接近して一致するように選択する。従って、固体レンズ４０２（第１の表面４０４は、実質的に平坦であり、第２の表面４０６は、物体面に対して凹面であり、それらは、それぞれ、その中に内部反射領域を有する）は、その内部で収集光を少なくとも２回反射し、外向ペッツバール湾曲を有する第１の中間像ＩＩＭ１を生成する平凸レンズから形成される。これにより、光学系２は、対物レンズのＦＯＶを増大させるとともに、光捕捉能力を高めることができる。
【００４７】
図４の光学系２では、物体Ｏで生じた光は、固体レンズ４０２で収集され、その内部で少なくとも２回反射される。物体Ｏで生じた光は、第１の表面４０４の透過部分を通過し、第２の表面４０６に向けて前進する。第２の表面４０６において、その反射部分で、収集光は、第１の表面４０４に向けて反射され、収集光は、そこから第２の表面４０６の透過部分に向けて再度反射される。固体レンズ４０２の実質的に頂点において、或いは、それのすぐ近くにおいて、固体レンズ４０２の内部で少なくとも２回反射された光は組み合わされて、中間像ＩＩＭ１を形成する。換言すれば、図４の第１の光学群４００は、図１の第１の光学群１００と実質的に同様に機能する。第１の光学群４００が物体Ｏで生じた光を収集する方法は、図３に示したものと同様である。従って、第１の光学群４００のペッツバール湾曲及び色収差は、第１の光学群１００のものと実質的に同様である。実際に、数値例２（表５のデータを参照）に従って、且つ、式（３）を使用することによって、第２の実施形態の第１の光学群４００のペッツバール和は、−０．００３６であることが見いだされた。
【００４８】
図５は、図４の光学系２の第２の光学群５００の構成を示す。図示するように、中間像ＩＩＭ１は、第１の光学群４００と第２の光学群５００との間の中間像面ＩＭＰ１に形成される。中間像面ＩＭＰ１から、図５に示されるように、収集光は、レンズユニット５０２を通過し、マンジャンミラー５０４の中空部を通って前進する。次いで、マンジャンミラー５０４の中空部を通過する収集光Ｆ１は、像面の方向に前進し、ミラー５０６の凹面表面によって、その物体側に向かって収集光Ｆ２として反射される。そして、収集光Ｆ２は、マンジャンミラー５０４によって、収集光Ｆ３として反射される。次に、マンジャンミラー５０４によって反射された収集光Ｆ３は、ミラー５０６の中空部分（不図示）を通って像面に向かい続ける。最後に、ミラー５０６の中空部分（中央領域の）を通過する収集光Ｆ３は、図４に示すように、第３の光学群６００によって受け取られ、像面ＩＰの上に収束されて、最終像ＦＩＭを形成する。
【００４９】
利点は、第１の光学群４００において、物体空間で使用される液浸流体は、第１の表面４０４（固体レンズ４０２）の屈折率と実質的に一致し、それによって、ＴＩＲが防止され、ＮＡが増加する。また、第２の表面４０６の凹面形状は、外向ペッツバール湾曲を生成し、且つ、過大補正の軸上色収差を意図的に生成するように機能する。第１のレンズユニット５０２、マンジャンミラー５０４及び凹面ミラー５０６を含む第２の光学群５００は、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成する。第２の光学群５００において、数値例２（表５のデータを参照）に従って、且つ、式（３）を使用することによって、ペッツバール和は、０．００５３であった。
【００５０】
第３の光学群６００は、複数の光学レンズ（図４では、４つ）を含み、中間像ＩＩＭ１を拡大して最終像面ＩＰにおいて最終像ＦＩＭを形成する。第３の光学群６００のレンズは、如何なる特定の形状、数、順序にも限定されないが、第３の光学群６００は、全体として、第２の光学群５００によって生成された内向ペッツバール湾曲を補正するのに十分な外向ペッツバール湾曲を生成することが好ましい。更に、第３の光学群６００は、全体として、第２の光学群５００によって生成された過小補正の軸上色収差に対する平衡及び補正に十分な過大補正の軸上色収差を生成することが好ましい。数値例２のデータを使用し、式（３）に基づいた第３の光学群６００のペッツバール和は、−０．００１６であった。
【００５１】
従って、要約すると、光学系２において、第１の光学群４００は、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成し、第２の光学群５００は、内向ペッツバール湾曲及び過小補正の軸上色収差を生成し、第３の光学群６００は、外向ペッツバール湾曲及び過大補正の軸上色収差を生成する。光学系２の各光学群のそのペッツバール湾曲及び軸上色収差に対する関係は、表２に要約される。
表２：図４に示す光学系２の特性の要約
【００５２】
【表２】
2013242565.tif 000007
【００５３】
数値例：次に、図１に示す光学系１を代表する数値例（数値例１）に対応するデータ、及び、図４に示す光学系２を代表する数値例（数値例２）に対応するデータを説明する。ここで提示する各数値例において、参照符号「ｉ」（ここで、ｉ＝１、２、３…）は、物体面から像面までの光学系における表面の順序を表す。この前提によって、「半径」のデータＲｉは、ｉ番目の曲率半径（ｉ番目の面の）に対応し、厚さＴｉは、ｉ番目の表面と（ｉ＋１）番目の表面との間の軸上の距離又は空間を表し、参照符号ｎｄｉ及びνｄｉのそれぞれは、フラウンホーファーのｄ線に対するｉ番目の光学要素の材料の屈折率及びアッベ数を表す。ｎｄｉ及びνｄｉのデータのない表面番号は、かかる表面番号が空気間隙であることを表わす。表３において、半径Ｒ＝１．００Ｅ＋１８（ここで、１Ｅ＋Ｘは１×１０＋ｘと同等である）は、実質的に無限大の半径、即ち、平面を表す。また、各数値例において、物体Ｏは、第１の光学表面の物体側で物体面ＯＰに配置されると仮定されている。絞りＳＴＯは、物体空間にテレセントリシティを形成するために物体Ｏから比較的離れた距離に配置される。各数値例において、物体Ｏは、第１の光学表面の屈折率と一致する（即ち、数値例１では、固体レンズ１０２の屈折率と一致する、及び、数値例２では、固体レンズ４０２の屈折率と一致する）屈折率を有する流体に浸漬されると見なされる。非球面は、存在する場合、表面番号の隣に加えられたアスタリスク（「＊」）によって表される。
【００５４】
各非球面において、円錐定数は、ｋで表され、非球面の次数の係数は、それぞれ、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次及び１６次の係数であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、…で表され、光軸から高さｈの位置での光軸の方向の変位は、表面の頂点を基準としてｚで表される。非球面の変位は、以下で与えられる式（６）に基づいている。
【００５５】
【数４】
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【００５６】
光学系１に対応する数値例１の光学構成要素のパラメータの要約は、表３に一覧にされている。光学系１に対応する数値例の非球面のデータの要約は、表４に一覧にされている。同様に、光学系２に対応する数値例２の光学構成要素のパラメータの要約は、表５に一覧にされている。光学系２に対応する数値例の非球面のデータの要約は、表６に一覧にされている。適合及び該当する場合、光学構成要素のパラメータに対応するデータは、ミリメートル（ｍｍ）で与えられる。
表３：光学系１（図１）に対応する光学構成要素のパラメータ
【００５７】
【表３】
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【００５８】
表４：光学系１（図１）の非球面のデータ
【００５９】
【表４】
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【００６０】
表５：光学系２（図４）に対応する光学構成要素のパラメータ
【００６１】
【表５】
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【００６２】
表６：光学系２（図４）の非球面のデータ
【００６３】
【表６】
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【００６４】
図６Ａは、本発明における例示的な光学系１のＦＯＶの端から端までのＲＭＳ（平方２乗平均）波面誤差のグラフを示す。図６Ｂは、本発明における光学系２のＦＯＶの端から端までのＲＭＳ波面誤差のグラフを示す。一般に、ＲＭＳ波面誤差の定義は、全波面領域にわたって、最良適合基準球状波面から測定したときの実際の収差波面の光路差（ＯＰＤ）の標準偏差として理解される。より具体的には、波面ＲＭＳ誤差は、基準近軸球状波面と比較した実際の収差波面の光路の山から谷までの差の有効平均化の平方根を表す。レンズ設計において、波面誤差の標準偏差は、ＲＭＳ波面誤差と呼ばれ、かかるＲＭＳ波面誤差は、以下の式（７）で与えられる。
【００６５】
【数５】
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【００６６】
ここで、Ｗｉは、光路差であり、Ｗｍｅａｎは、平均光路差である。
【００６７】
この場合、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ＲＭＳ波面誤差は、光学系１のＦＯＶの端から端まで３５ｍｗａｖｅｓの最大波面誤差（図６Ａ）、及び、光学系２のＦＯＶの端から端まで４０ｍｗａｖｅｓの最大波面誤差（図６Ｂ）を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示されたデータは、光学系１（図１）及び光学系２（図４）から得られた結果に対応し、ここで、焦点距離は、５５０ｍｍであり、波長帯域幅は、４００から７００ｎｍの範囲であった。中央遮蔽率は、０．３であった。図６Ａ及び図６Ｂに示された結果で使用された他の全ての値は、それぞれ、数値例１及び数値例２に関して表にされたデータから得られた。
【００６８】
次に、図７を参照して、本発明の少なくとも１つの例示的な実施形態における光学系が顕微鏡（撮像装置の例）に適用される例を説明する。図７は、透過光、反射光、又は、その両方によって物体Ｏを結像する例示的な縦型の顕微鏡７００の主要構成要素を示す概略図である。図７に示すように、例示的な顕微鏡７００は、サンプルホルダ７０６と、光源７１０と、集光レンズ７０４と、接眼レンズ７１５と、電子光学検出器７２０と、本発明の少なくとも１つの実施形態における対物光学系７０２とを含む。コンピュータシステム７３０は、サンプルホルダ７０６及び電子光学検出器７２０に動作可能に接続する。コンピュータシステム７３０は、コンピュータ制御データ取得及び記憶を行う。コンピュータシステム７３０では、データに適合し、様々な計算を行い、データをグラフ形式で表示するために専用ソフトウェアが使用される。電子光学検出器７２０は、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサアレイ又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサアレイを含む。光源７１０は、連続波レーザやパルスレーザなどのコヒーレント光源、又は、タングステンランプや水銀ランプなどのインコヒーレント光源のいずれかを含むことができる。光源は、可視光を放出する光源に限定されず、紫外（ＵＶ）、深ＵＶ（ＤＵＶ）、赤外（ＩＲ）、近赤外（ＮＩＲ）などを含む光源を含むことができる。
【００６９】
動作において、物体Ｏは、対物光学系７０２の光軸ＡＸに沿って配置され、好ましくは、水、オイル、グリセリンなどのような流体物質（液浸媒体）に浸漬される。光源７１０は、照明光ＩＢを生成する。ビームスプリッタＢＳ１は、照明光ＩＢを、透過照明光ＴＢと反射照明光ＲＢとに分離する。必要に応じて、スイッチＳＷ（光学又は電子）は、物体Ｏを照明するために透過照明光ＴＢを使用するか、或いは、反射照明光ＲＢを使用するかを制御する。また、透過照明光ＴＢ及び反射照明光ＲＢは、異なる光源で別々に生成してもよい。透過照明光ＴＢが使用される場合、光は、レンズＬ１を通って進み、ミラーＭ１で反射し、集光レンズ７０４を通過することによって物体Ｏの上に収束される。反射照明光ＲＢが使用される場合、光は、ミラーＭ２で反射され、レンズＬ２を通って進み、ビームスプリッタＢＳ２は、反射照明光ＲＢを物体Ｏに向けて反射する。この場合、反射照明光ＲＢは、対物光学系７０２を通って進み、物体Ｏの上に収束される。使用する光学系に応じて、物体Ｏで生じる光は、対物光学系７０２で収集され、物体Ｏの像は、上述したように形成される。対物光学系７０２で収集された光は、ビームスプリッタＢＳ２を通って進み、ビームスプリッタＢＳ３まで前進する。ビームスプリッタＢＳ３は、接眼レンズ７１５及び電子光学検出器７２０に光を導く。このようにして、最終像ＦＩＭは、接眼レンズ７１５で観察されるか、或いは、光学検出器７２０で検出される。
【００７０】
当業者は、本明細書で説明した例の範囲内で多くの変更形態が可能であることを理解するであろう。従って、本発明の特徴は、特定の実施形態を参照して説明されたが、構造及び機能の変形は、以下の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく行われることが理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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