JP2005534999A - テレセントリックビーム領域を持つ光学配列 - Google Patents

Abstract

【課題】結像システムの良好な光学修正特性を維持しつつ、光学配列、特に顕微鏡の複数座標方向における、テレセントリックビーム領域の拡大が簡単な方法
【解決手段】焦点距離無限大の対物レンズ３と、中間像平面６を有する接眼レンズ５と、対物レンズ３から所定距離はなれた前記両者の間に配置される鏡筒レンズ４とから成り、テレセントリックビーム光路が存在する対物レンズ３と鏡筒レンズ４間において、第１部分ビーム光路の側方スプリッタのためのビームスプリッタモジュール２５、２６、またはビームスプリッタ７、８の形状の光学素子が設けられる。第１部分ビーム光路の各々には、鏡筒レンズ９、１２、１３が対物レンズ３から適切な距離離れて配置される。第１部分ビーム光路から第２部分ビーム光路が分岐され、それにより、鏡筒レンズ１５、２０、２３、２４、２８、２９が前記第２部分ビーム光路の各々の対物レンズ３から適切な距離はなれて配置される。個々の部分ビーム光路に配置される鏡筒レンズは、同一の又は異なる焦点距離を有する。

Description

本発明は、焦点距離無限大で結像する対物レンズにより形成されるテレセントリックビーム領域を持つ光学配列、特に顕微鏡に関する。

テレセントリックビーム領域の含まれた光路を持つ光学配列、特に顕微鏡は、焦点距離無限大で結像する対物レンズから成るいわゆるアフォーカル光学系、および対物レンズに対して一定の距離で配置された鏡筒レンズを有している。このテレセントリックビーム領域は対物レンズと鏡筒レンズとの間に存在する。倍率変更の目的から、場合によっては単一鏡筒レンズの代わりに、異なった焦点距離を持つ複数の鏡筒レンズがリボルバに装着されて使用されることもある。鏡筒レンズのバックフォーカス距離に修正された中間像を生成する場合、画像誤差の修正は対物レンズだけで行える。しかし、この修正は対物レンズと鏡筒レンズに分担させることもできる。いずれの場合でも画像誤差および口径食を避けるためには、個々の光学素子をそれぞれ定義付けされた相互間距離に配置し保持することが必要である。

対物レンズと鏡筒レンズ間に存在するテレセントリックビーム領域は、顕微鏡では、通例、例えばプリズム、光線分離ミラー、平坦プレート、フィルタ、偏光素子などのフラット型光学素子を、機器結像光路内の中間像に悪影響を及ぼすことなく顕微鏡軸の方向に設置する場合に利用される。大きな光路に対する補整目的のための画像位置修正用の光学系は必要ない。
ＤＥ４２３１４７０ Ａ１

フラット型光学素子は、通例、結像光路中に、それぞれが顕微鏡軸に垂直な様々な平面に設置されるが、その場合固定状態で、または光路内にて方向転換可能な状態で、互に上下に間隔をおいて配置されている。対物レンズと鏡筒レンズ間の距離によって定義付けられるテレセントリックビーム領域は、周知の光学的理由から一定の上限を越えてはならないので、最大限設置できる素子の数には限度がある。さらに、テレセントリックビーム領域は使用の機器構造により、特に機器形態により側方および後方にも制限がある。

技術文献１から、台架脚部、台架上部および接合可能な双眼型ケーシングを持つ複合構成顕微鏡本体を擁するモジュール組立式顕微鏡システムが公知である。本体は複数部分から成るフレーム構造になっており、そこには、機能的ユニットを構成するために組み合わされた光学的および／または機械的構成素子群および／または電気または電子構成素子群が配置された保持体の位置固定のための対応固定面が設けられている。この保持体にはミラー、レンズ、絞りなどの光学構成素子、またはリボルバユニットを装備させることができる。さらに、鏡筒レンズ保有の交換式中間モジュールを装備することもでき、また例えば、鏡筒レンズのほかに予備調整された切換可能なベルトランレンズを擁する別の中間モジュールと交換することができる。

技術文献１から、それ自体独立完成した光学機構モジュールから成る顕微鏡システムが調整可能な構造を持っていることは公知であるが、しかしその構造では、照明光路が常に分岐構造になっている落射型顕微鏡の場合を除き、分岐によるテレセントリックビーム領域の拡大が不可能である。

以上より、本発明の基本的課題は、複数の座標方向に拡大されたテレセントリックビーム領域を持つ光学配列を創出することに置かれている。

この課題は、本発明に関する特許請求項１の特徴部分に記載された手段によって解決される。本発明の詳細およびその他の実施態様についてはそれ以降の請求項に記載されている。

対物レンズと鏡筒レンズ間の空間には、つまりテレセントリックビーム領域にはテレセントリック光路が通っていて、そこには側方分岐により少くも１つの第１光路を生成させるために少くも１つの光学素子が配備されている。これらの各第１分岐光路には、対物レンズから適当な距離のところに鏡筒レンズが配置されている。

同様にテレセントリックビーム領域も２つの座標に拡大できるようにするには、これら第１分岐光路の少くも１つから少くも１つの第２分岐光路が枝分かれしていて、それら第２分岐光路のそれぞれに、対物レンズから適当な距離のところに鏡筒レンズが配置されているのが有利である。

テレセントリックビーム領域の立体的拡大は、これら第２分岐光路の少くも１つから、少くも１つの第３分岐光路が枝分かれしていて、それら第３分岐光路のそれぞれに、対物レンズから適当な距離のところに鏡筒レンズが配置されていれば好ましい形で実現できる。

また、第１、第２および第３の分岐光路に配置される鏡筒レンズの焦点距離が同じであること、あるいは異なっていることが場合により有利に作用する。つまり、光路の結合／分離要求に応じて、設置される鏡筒レンズの焦点距離を変えることも可能である。使用される鏡筒レンズの焦点距離がすべて同じであれば、想定される中間像の結像倍率もすべて同じになる。

以上のほか、第１、第２および第３の分岐光路生成のための分岐または副分岐に、それ自体公知の光学的および／または物理的方式のビームスプリッタ素子が使用されているところにも優位点がある。なお、これらのビームスプリッタ素子は、対物レンズと分岐生成された分岐光路それぞれの鏡筒レンズとの間に配置されている。

機器の操作、および多目的使用の観点からは、ビームスプリッタ素子に、それぞれの分岐光路内への設置作業用として、制御可能な駆動装置と連結する切換装置またはモジュールが装備されていれば有利である。それにより、ビームスプリッタ素子の機械化された、迅速で制御可能な切換およびそれぞれの光路内へのスピーディな設置が保証される。さらに、ビームスプリッタ素子が切換装置内で交換可能な状態で配置されていれば、それもまた優位点になる。

そのほか、本発明に基づき構成された機器の多面的使用例として、第１、第２および／または第３の分岐光路内に、各光路を通る光の光学特性に影響を与えるため、絞りおよび／または光学フィルタ、特に干渉フィルタ、色フィルタまたは偏光フィルタが配置されている場合がある。

本発明によれば、結像システムの良好な光学修正特性を維持しつつ、光学配列、特に顕微鏡の複数座標方向における、テレセントリックビーム領域の拡大が簡単な方法で実現される。したがって、そのようにして拡大されたテレセントリックビーム領域は、中間像またはその他光路の連結および遮断を通じて広範な用途に利用することができる。それにより、適用上追加的な要求が課される場合に、それに対応してテレセントリックビーム領域を拡大することが可能になる。
本装置のもう１つの優位点は、顕微鏡鏡筒を覗き込む高さに関しエルゴノミクス適合性が維持される点である。それは、本発明に基づくテレセントリックビーム領域の拡大では、顕微鏡主光路の光軸方向におけるテレセントリックビーム領域の長さには変化が生じないからである。

以下では、本発明を実施例に基づきより詳しく説明する。
図１は、対象物１の拡大結像に用いられる本発明に基づく光学配列、例えば顕微鏡光路を極めて簡略化して表わしたものである。
この光学配列は、光軸２伝いに焦点距離無限大で結像する対物レンズ３、鏡筒レンズ４、および対物レンズ３と鏡筒レンズ４を通して対象物１を結像する接眼レンズ中間像平面６を擁している接眼レンズ５を有する。接眼レンズ中間像平面６で生成された対物レンズ３の像は、接眼レンズ５により拡大して観察することができる。対物レンズ３、鏡筒レンズ４および接眼レンズ５は、当光学配列の主光路に当る典型的な顕微鏡光路を形成している。当光学配列の光線経路では、焦点距離無限大で結像する対物レンズ３が平行な光路を生成し、接眼レンズ中間像平面６における像生成は一定の焦点距離を持つ鏡筒レンズ４により行われる。対物レンズ３と鏡筒レンズ４間には主光路のテレセントリックビーム領域が存在する。すなわち、この領域内ではビームはすべて平行方向に進行する。このテレセントリックビーム領域、あるいはまたテレセントリック空間は、接眼レンズ中間像６に悪影響を及ぼすことなく、プリズム、光線分離ミラー、フィルタとしてのフラット型平行プレートおよび／または偏光素子などのフラット型光学素子を光路内に配置しようとする場合に、通例、光軸２方向に沿って利用される。

図１からはさらに、テレセントリックビーム領域内にビームスプリッタ７および８として構成された光学素子が、それぞれ鏡筒レンズの配置された２つの第１分岐光路を、側方分岐（ｘ−ｙ平面）により生成させるために配備されている。それによれば、ビームスプリッタ７により分岐生成された分岐光路には鏡筒レンズ９が配置されている。ビームスプリッタ８により分岐生成された分岐光路には、例えば、焦点距離の異なる複数の鏡筒レンズ１２、１３を支持軸１０の周りを回転できるリボルバ１１が配置されている。これら様々な鏡筒レンズ９、１２、１３は使用目的に応じて、主光路から枝分かれした然るべき分岐光路に設置することができる。そのような鏡筒レンズの後に、例えばカメラを設置することもできる。

ビームスプリッタ７および８は、１つのビームスプリッタモジュール（図１の破線枠で示された部分）として統合することができ、統合後、例えば１ユニットとして当該光路に配置される。ビームスプリッタモジュールには、適用目的に応じて、色フィルタ、中性フィルタまたは完全ミラーなど様々な転向素子を装着することができる。ビームスプリッタモジュールには、加えて各種フィルタなどフラット型光学素子を配置させることもできる。ビームスプリッタモジュールについても同様に、当該の主光路または分岐光路に対する連結、遮断の切換可能性を想定することができる。その場合、この切換可能なビームスプリッタモジュールには制御可能な駆動装置（図示されていない）を装備することもできる。

鏡筒レンズ４、９、１２、１３は、主光路または分岐光路それぞれのテレセントリックビーム領域の境界を定義付けし、その領域内に配置されて光学的インタフェースを形成している。また、これらの鏡筒レンズ４、９、１２、１３は、対応の固定面を持ち然るべき機械的インタフェースを形成することのできる機械式接合部品（図示されていない）に配置することもできる。このようにして、当接合部品を個別光路内の然るべきポジションに配置させることができる。したがって、同一鏡筒レンズおよび対応の機械式接合部品を、そのインタフェースと共々複数回切換使用することも可能になる。

図２に透視画法で描かれたような、微小対象物１の拡大結像を得るための装置、例えば顕微鏡も、上記と同様、光軸２伝いに対物レンズ３、ビームスプリッタ７、８、鏡筒レンズ４、および中間像平面６を持つ接眼レンズ５の配置された主光路を有している。主光路に配置されたこれら光学構成素子も、図１方式の光学配列に使用される構成素子と同じ機能を持っているので、双方同じ数字を使って表わしている。後述する図３方式の光学配列についても同じである。

図２方式の光学配列の場合、ビームスプリッタ７により分岐生成された第１分岐光路内に、別のビームスプリッタ１４が配置されていて、その後方の別の分岐光路内に一定の焦点距離を持つ別の鏡筒レンズ１５、および例えば、絞り１６、１７やフィルタ１８のような光学素子、さらには必要に応じて光源１９または映像機器が記述の順序で配置されている。光源１９により、例えば、別の照明光路を主光路に取り込むことができる。

ビームスプリッタ１４により、第１分岐光路から分岐生成された第２の別の光路内にも、例えば第２の観察者が対象物１を観察することができるように、同様に鏡筒レンズ２０および別の接眼レンズ２１が配備されている。

主光路に設置されたビームスプリッタ８により、同様に主光路から別の第１分岐光路が分岐生成され、それが別のビームスプリッタ２２によってさらに枝分かれしている。これら枝分かれしたそれぞれの第２分岐光路内にも同様に然るべき鏡筒レンズ２３、２４が配置されていて、それらの後方に、ここでは描かれていないが、別の光学結像装置、ビーム誘導装置および／または観察装置を配置させることができる。これらの鏡筒レンズ１５、２０、２３、２４も、主光路の鏡筒レンズ４と同様、分岐光路のテレセントリックビーム領域の境界を定義付け、その領域内に配置されている。光学素子のこのような配置により、簡単な手段でＸ−Ｙ平面内におけるテレセントリックビーム領域の拡大が実現される。しかもその場合、例えば主光路における接眼レンズ５の覗き込み高さが変わりなく維持されたままである。

明細書および特許請求項に「第１」分岐光路とあるのは、主光路から直接枝分かれした分岐光路のことであり、「第２」分岐光路とあるのは、「第１」分岐光路から枝分かれした分岐光路のことである。「第２」分岐光路から枝分かれした分岐光路は、より下位のものとして「第３」の冠称が付けられている。

図３は、Ｘ−Ｙ平面において拡大されたテレセントリックビーム領域が、照明用またはマイクロツール用として光路の追補的連結および／または遮断作業に用いられるＺ方向にも拡大された光学配列を示したものである。例えば顕微鏡など、この光学配列の場合でも、対象物１の拡大状態での結像または観察の実現のため、光軸２伝いに対物レンズ３、鏡筒レンズ４および中間像平面６を持つ接眼レンズ５が配置されている。これらの光学素子は、図１方式および図２方式の光学配列の場合と同様、主光路を形成している。第１分岐光路の生成のため、主光路内には、ビームスプリッタとして、より簡易な言い方をすると、反射器として、ビームスプリッタモジュール２５および２６が配備されているが、これらは、図３の双方矢印が示すように、当光路に対して連結および遮断ができるようになっている。

図３から見て取れるように、ビームスプリッタモジュール２５により、別のビームスプリッタモジュール２７を持つ第１分岐光路が生成される。後者のビームスプリッタモジュールの分岐作用により、Ｘ−Ｙ平面内に、同平面内に配置された鏡筒レンズ２８および２９を持つ第２分岐光路が生成される。この第２分岐光路の１つには、例えば対象物１の補助照明のための光源３０が配置されている。もう一方の第２分岐光路は、また別のビームスプリッタ３１によりさらに分割されて、鏡筒レンズ２９を持つ第３分岐光路と鏡筒レンズ３２を持つ別の第３分岐光路になる。その場合、後者の第３分岐光路はＺ軸に平行な光軸を有しているので、この光学配列においてテレセントリックビーム領域の立体的拡大が達成される。

ビームスプリッタモジュール２６によって生成された別の第１分岐光路も、ビームスプリッタモジュール２５によって生成された第１分岐光路と同様に構成されている。このビームスプリッタモジュール２６は、図３の破線描画で示されているように、旋回可能なように配置することもできる。ビームスプリッタモジュール２６の後方に配置されたビームスプリッタモジュール３３は、ビームスプリッタモジュール２６によって生成された第１分岐光路をさらに分岐させる。分岐生成された一方の第２分岐光路において、分岐点直後のところに第３分岐光路生成のための、また別のビームスプリッタ３４が配備されている。その第３分岐光路内には、然るべき鏡筒レンズ３５および３６が配置されているが、それらの後方に、さらに光学構成素子を配置することができる。そのようにして、例えば、金属組織学において研磨標本などの比較に用いられる比較用プレート３８を照明装置３７で照明して、中間像平面上の対象物１の像と符合させることができるので、例えば見本または標準物と対象物１との比較が行える。
なお、ビームスプリッタ３４によって分岐生成され、その中に鏡筒レンズ３９の配置された方の第３分岐光路は、Ｚ軸に平行な方向に延びているので、ここでもテレセントリックビーム領域の立体的拡大が実現される。

本発明に基づく図３方式の光学配列の場合でも、個々のビームスプリッタモジュールおよびビームスプリッタを対応の分岐光路に対して連結および遮断できるように、適切に配置させることが可能なので（図３の双方矢印の方向）、結像光路、観察光路および照明光路の追加補充が同時に、または択一的に実施することができる。

本発明に基づく光学配列は、それ自体空間的に制限のある顕微鏡光路のテレセントリックビーム領域を、平面的にもまた立体的にも拡大させることを可能にする。以上のようにして、顕微鏡光路とは別の光路をいくつか連結および遮断することができるので、顕微鏡適用領域の拡大が可能になる。

テレセントリックビーム領域で分岐生成された２つの分岐光路を持つ光学配列の簡略模式図。 分岐生成された分岐光路を持つ装置の透視図。 立体的に分岐生成された分岐光路を持つ装置の簡略模式図。

符号の説明

１ 対象物
２ 光軸
３ 対物レンズ
４ 鏡筒レンズ
５ 接眼レンズ
６ 接眼レンズ中間像平面
７，８，１４，２２，３１，３４ ビームスプリッタ
９，１２，１３，１５，２０，２３，２４，２８，２９，３２，３５，３６，３９ 鏡筒レンズ
１０ 支持軸
１１ リボルバ
１６，１７ 絞り
１８ フィルタ
１９，３０ 光源
２１ 接眼レンズ
２５，２６，３３ ビームスプリッタモジュール
３７ 照明装置
３８ 比較用プレート

Claims (8)

1. 焦点距離無限大で結像する少くも１つの対物レンズと、少くも１つの接眼レンズと、両者の間で対物レンズから一定距離のところに配置された、一定の焦点距離を持つ鏡筒レンズとを有する、テレセントリックビーム領域を持つ対象物結像用の光学配列であって、
   テレセントリック光路の存在する対物レンズ３と鏡筒レンズ４間の空間に、側方分岐により少くも１つの第１分岐光路を生成させるために、少くも１つの光学素子７、８が配備されていること、およびこれら第１分岐光路のそれぞれに対物レンズ３から一定の距離をおいて鏡筒レンズ９、１２、１３が配置されていることを特徴とする光学配列。
2. 第１分岐光路の少くも１つから、少くも１つの第２分岐光路が生成されていること、およびこれら第２分岐光路のそれぞれに、対物レンズ３から一定の距離をおいて鏡筒レンズ１５、２０、２３、２４、２８、２９、３５、３６が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学配列。
3. これら第２分岐光路の少くも１つから、少くも１つの第３分岐光路が生成されていること、およびこれら第３分岐光路のそれぞれに対物レンズ３から一定の距離を置いて鏡筒レンズ３２、３９が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学配列。
4. 第１、第２および第３分岐光路に配置された鏡筒レンズ９、１２、１３、１５、２０、２３、２４、２８、２９、３２、３５、３６、３９が、同じまたは異なった焦点距離を有していることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光学配列。
5. 分岐または副分岐による第１、第２および第３分岐光路の生成のために、それ自体は公知の光学的および／または物理的ビームスプリッタ素子が配備されていて、しかもこれらのビームスプリッタ素子が、対物レンズ３と生成された分岐光路のそれぞれの鏡筒レンズ９、１２、１３、１５、２０、２３、２４、２８、２９、３２、３５、３６、３９との間の空間に配置されていることを特徴とする先行請求項の１つに記載の光学配列。
6. それぞれの分岐光路への設置のため、制御可能な駆動装置と連結しているビームスプリッタ素子装備の切換装置またはモジュールが配備されていることを特徴とする先行請求項の１つに記載の光学配列。
7. ビームスプリッタ素子が、切換可能な状態で切換装置内に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学配列。
8. 第１、第２および／または第３分岐光路に、それぞれの分岐光路における光の光学特性に影響を与える目的で、絞り１６、１７および／または光学フィルタ１８、それも特に干渉フィルタ、色フィルタまたは偏光フィルタが配置されていることを特徴とする先行請求項の１つに記載の光学配列。

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