JP2010061152A - Optical machine and diffraction element - Google Patents
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Description
本発明は光学器械に関し、特にその場所で物体の像が観察者によって観察される射出瞳を有する光学器械に関する。 The present invention relates to an optical instrument, and more particularly to an optical instrument having an exit pupil through which an image of an object is observed by an observer.
従来の光学器械においては、射出瞳の大きさは、器械の開口数及び器械全体としての倍率によって決定されるので、比較的小さく一定である。従って、観察者は適切に像を見るために、又は器械からの光を受容するために、観察者の目の入射瞳を正確に光学器械の射出瞳に合わせる必要がある。 In conventional optical instruments, the size of the exit pupil is relatively small and constant because it is determined by the numerical aperture of the instrument and the overall magnification of the instrument. Therefore, the observer needs to accurately align the entrance pupil of the observer's eye with the exit pupil of the optical instrument in order to properly view the image or receive light from the instrument.
本発明者は、本発明者が出願している欧州特許出願第94905777.2号において、観察者が拡大された射出瞳内の任意の位置に観察者の目の瞳孔を位置させることによって、光学器械からの光を受容し、像を見ることが可能な拡大された射出瞳を提供する光学器械について説明し、特許請求している。拡大された射出瞳は、光学器械の中間焦点面又は中間像平面に位置する回折要素を設けることにより得られる。回折要素は、表面に複数の平行な第1溝部を備えた基板(substrate) を有し、第1溝部のエッジ部は第1の回折格子の各線に一致し、各線を構成する。又、この基板は更に、表面に複数の平行な上記第1溝部へ垂直に延設されている第2溝部を有し、第2溝部のエッジ部は、第2の回折格子の各線に一致し、各線を構成する。本発明者が出願している欧州特許出願第94905777.2号で説明しているように、回折要素の構成が拡大された射出瞳を生ずるが、本発明では、拡大された射出瞳を有する改良された光学器械を提供する。 In the European patent application 99055677.2 filed by the present inventor, the inventor positions the pupil of the observer's eye at an arbitrary position within the enlarged exit pupil. An optical instrument is described and claimed which provides an enlarged exit pupil capable of receiving light from the instrument and viewing an image. An enlarged exit pupil is obtained by providing a diffractive element located in the intermediate focal plane or intermediate image plane of the optical instrument. The diffractive element has a substrate having a plurality of parallel first grooves on the surface, and the edge of the first groove coincides with each line of the first diffraction grating and constitutes each line. The substrate further includes a second groove portion extending perpendicularly to the plurality of parallel first groove portions on the surface, and the edge portion of the second groove portion coincides with each line of the second diffraction grating. Configure each line. As described in the European patent application 99055677.2 filed by the inventor, the construction of the diffractive element results in an enlarged exit pupil, but in the present invention an improvement with an enlarged exit pupil. Provided optical instruments.
本発明の一つの形態では、観察者によって射出瞳において見られる視像を生ずる手段を有する光学器械が、複数の前記射出瞳のアレイを備えた拡大された射出瞳を生ずる手段を含んでいて、光学器械の中間焦点面又は中間像平面に位置する回折要素を備えた射出瞳のアレイを生ずる手段が、その回折要素が、基板の表面の一組の平行な溝部によって各々が形成される3つ以上の光学的回折格子と、上記複数の光学的回折格子の他の全ての光学的回折格子の溝部に対して角度をもって延設されている上記複数の光学的回折格子の各々の光学的回折格子の平行な溝部とを有することを特徴とする。 In one form of the invention, an optical instrument having means for producing a visual image viewed by an observer at an exit pupil includes means for producing an enlarged exit pupil comprising a plurality of said exit pupil arrays, Means for producing an array of exit pupils with diffractive elements located in the intermediate focal plane or intermediate image plane of the optical instrument includes three diffractive elements each formed by a set of parallel grooves on the surface of the substrate. Each of the plurality of optical diffraction gratings and the plurality of optical diffraction gratings extending at an angle with respect to the grooves of all the other optical diffraction gratings of the plurality of optical diffraction gratings. It is characterized by having a parallel groove part.
本発明の第2の形態では、光学器械の回折要素は、表面と、表面の一組の平行な溝部によって各々が形成される3つ以上の光学的回折格子と、前記複数の光学的回折格子の他の全ての光学的回折格子の溝部に対して角度をもって延設されている上記複数の光学的回折格子の各々の光学的回折格子の平行な溝部とを有する基板によって特徴付けられる。 In a second aspect of the invention, the diffraction element of the optical instrument comprises a surface, three or more optical diffraction gratings each formed by a set of parallel grooves on the surface, and the plurality of optical diffraction gratings And a parallel groove portion of each of the plurality of optical diffraction gratings extending at an angle with respect to the groove portions of all other optical diffraction gratings.
図1を参照すると、顕微鏡は対物レンズ1と接眼レンズ2を有している。対物レンズは、焦点面又は像平面3に物体平面4の物体の中間像を作り出す。そして、周知のように観察者の目が顕微鏡の射出瞳5と合わせられた時、中間像の、従って物体の拡大された像が観察される。射出瞳5は、対物レンズ1の開口(aperture)の像である。本発明による顕微鏡においては、透過回折要素25は、顕微鏡の中間焦点面又は中間像平面3に位置している。回折要素25は、顕微鏡が、回折要素25が無い場合に形成される射出瞳5に各々対応する射出瞳7のアレイ(array) 6(図2)を生ずるようにするのに有効である。回折要素25の構成を適当に選択することによって、射出瞳のアレイ6は、隣接する射出瞳7が接触、又は部分的に重なるようにしても良い。図2の射出瞳のアレイの表現は、説明のためであり、アレイの射出瞳は、図示したように六角形であっても良いし、他の形状であっても良い。
Referring to FIG. 1, the microscope has an
必要であれば、対物レンズの必要な開口は、開口絞り(aperture stop) 8で定義されても良い。開口絞り8は円形であって良く、その時、射出瞳も円形となる。しかしながら、開口は円形でなくても良く、例えば、長方形、正方形、六角形であっても良い。従って、射出瞳5、7は、必要であれば、アレイの射出瞳が互いの間に隙間無く接触して配置可能であるように、又は前記射出瞳が互いに部分的に重なるように対応した形状にすることが可能である。しかしながら、互いに対する射出瞳の位置は、射出瞳のアレイが、観察者の目に対して一つの連続している拡大された射出瞳のように見えるように選択することが必要である。
If necessary, the required aperture of the objective lens may be defined by an
回折要素25は、3つ以上の光学的回折格子が形成された表面26を有している。図3には、3つの光学的回折格子を有している回折要素が示されている。回折要素25は、その表面26に複数組の平行な溝部を有しており、各組の平行な溝部は、それぞれの光学的回折格子の回折線を形成する。表面26の第1の平行溝部の第1組は、第1の回折格子の平行な回折線27を形成し、第2の平行溝部は、第2の光学的回折格子の平行な回折線30を形成し、第3の平行溝部は、第3の光学的回折格子の平行な回折線31を形成する。第1、第2、第3の溝部は、互いに角度をもって延設され、3つの光学的回折格子の回折線が、互いにそれぞれが角度をもって延びるようにする。例えば図3では、互いに等しく60度の角度をなすように延設されている。上記溝部は、図4に図示したような断面形を有する壁28を有している。光学的回折格子の回折線の間隔、つまりピッチは、射出瞳のアレイの射出瞳の間隔を決定する。一般に、光学的回折格子の回折線のピッチは、2μmから160μmの範囲として良い。溝部の壁28の角度と形状は複数の射出瞳への光の分散を決定するので、溝部の壁は複数の射出瞳への略均一な光の分散が生ずるように形成される。図4に示すように、表面26に溝部を形成して、光学的回折格子を形成する共通のエッジ部29が表面の最上部になるようにエッジ部の間にトラフを形成する代わりに、図5に示すように、要素25が逆の形状に成形されて、光学的回折格子の回折線23が、要素に形成された溝部の最深部によって形成されるようにしても良い。
The
図3は、互いに等しい角度をなすように延設されている3つの光学的回折格子を有する光学的回折要素25を示しているが、必要であれば、より多数の光学的回折格子が、光学的回折要素25に設けられても良い。例えば、図6に示したように、6つの光学的回折格子が設けられても良く、又、6つ以上の光学的回折格子が設けられても良い。
FIG. 3 shows an optical
光学的回折格子の回折線の間隔は、必要に応じて、等しくても等しくなくても良い。又、一つの格子の全ての溝部の断面形状は、略同じであっても良いし、必要であれば、射出瞳へ必要な光の分配を行うために、それぞれの溝部の断面形状が異なっていても良く、又、隣接する溝部に対して断面形状が異なっている溝部があっても良い。図3では、3つの光学的回折格子の線は、互いに等しい角度をなすように対称に延設されている。同様に、図6においても、光学的回折格子の線は、互いに対称に延設されている。しかしながら、必要であれば、光学的回折格子の回折線間に他の角度的な関係が選択されても良い。 The spacing of the diffraction lines of the optical diffraction grating may or may not be equal as required. In addition, the cross-sectional shapes of all the grooves of one grating may be substantially the same, and if necessary, the cross-sectional shapes of the grooves are different in order to distribute the necessary light to the exit pupil. Alternatively, there may be a groove having a cross-sectional shape different from that of the adjacent groove. In FIG. 3, the lines of the three optical diffraction gratings extend symmetrically so as to form an equal angle with each other. Similarly, in FIG. 6, the lines of the optical diffraction grating extend symmetrically to each other. However, if necessary, other angular relationships may be selected between the diffraction lines of the optical diffraction grating.
複数の異なる波長の光を有する複数色彩光(multichromatic light)が、光学的回折格子に作用する場合、光の回折は光の波長に依存する。複数色彩光を使用して、顕微鏡又は他の光学器械を使用したい場合、本発明者が出願している欧州特許出願第94905777.2号で説明したように、回折要素に光学的回折格子が2つだけ設けられているならば、色ぶち現象(colour fringing effects) が起き、上記器械によって形成される像の質が損なわれる。3つ以上の光学的回折格子を設けることにより、色ぶち現象が減少し、観察者によって観察される像の質が高まる。観察者によって観察される色ぶち現象は、アレイの射出瞳が複数の方向で部分的に重なっている射出瞳のアレイを生ずるように光学的回折格子を形成することによって減少させられる。射出瞳のアレイの射出瞳が部分的に重なる結果として、光学的回折格子のそれぞれによって生じる色ぶちは相殺する傾向があり、観察される色ぶちは減少する。この複数方向でのアレイの射出瞳の部分的な重なりは、3つ以上の光学的回折格子を設けることにより達成される。例えば、図3の回折要素に関しては、アレイの射出瞳は3方向で部分的に重なっており、図6の回折要素に関しては、アレイの射出瞳は6方向で部分的に重なっている。 When multichromatic light having a plurality of different wavelengths of light acts on the optical diffraction grating, the diffraction of the light depends on the wavelength of the light. If it is desired to use a microscope or other optical instrument using multiple colored lights, the diffraction element has two optical diffraction gratings as described in the European patent application 99055677.2 filed by the inventor. If only one is provided, color fringing effects occur and the quality of the image formed by the instrument is impaired. By providing three or more optical diffraction gratings, the color fringing phenomenon is reduced and the quality of the image observed by the observer is improved. The color fringing phenomenon observed by the observer is reduced by forming an optical diffraction grating to produce an array of exit pupils in which the exit pupils of the array partially overlap in multiple directions. As a result of the partial overlap of the exit pupils of the array of exit pupils, the color fringes caused by each of the optical diffraction gratings tend to cancel and the observed color fringes are reduced. This partial overlap of the exit pupils of the array in multiple directions is achieved by providing more than two optical diffraction gratings. For example, for the diffractive element of FIG. 3, the array exit pupils partially overlap in three directions, and for the diffractive element of FIG. 6, the array exit pupils partially overlap in six directions.
射出瞳のアレイを有する拡大された射出瞳を生ずる回折要素を使用している光学器械の他の構成を図7から図10を参照して以下に説明する。 Another configuration of an optical instrument using a diffractive element that produces an enlarged exit pupil having an array of exit pupils is described below with reference to FIGS.
図7は、対物レンズ10と、投射接眼レンズ(projection eyepiece) 11と、視野レンズ(field lens)12、13とを有する射影顕微鏡(projection microscope) を示す。射影顕微鏡のこの構成では、投射接眼レンズが、対物レンズ10の有効口径、又はもし設けられていれば開口絞り14の開口の像を映し、中間面(intermediate plane)15において中間射出瞳(intermediate exit pupil) を形成するようにする。視野レンズ12、13は面15の中間射出瞳の像を観察者の観察位置の最終射出瞳(final exit pupil)16へ中継する。対物レンズ10と投射接眼レンズ11は、視野レンズ12、13の中間の面17に、物体平面18の物体の像を形成する。透過回折要素25は面17に位置し、面15の中間射出瞳の像のアレイを生じ、観察位置において拡大された最終射出瞳16を形成するようにする。
FIG. 7 shows a projection microscope having an
図8に、射影顕微鏡の他の実施形態を示す。この実施形態では、図1に示した顕微鏡や図7に示した射影顕微鏡のように透過回折要素において像を形成する代わりに、像は反射回折要素20において形成される。一つの視野レンズ21と反射要素22が設けられて像が形成され、鏡24を介して観察者の目23によって観察される。回折要素25が、反射要素22の表面に隣接して設けられる。回折要素25は、図7に示したように独立した要素であっても良く、又、反射要素22と一体となって、反射要素22の反射表面上に形成されても良い。視野レンズ21と反射要素としての平面鏡22の代わりに、図10に示すように球面の一部である凹状の反射要素50が設けられても良い。又、回折要素51を凹状の反射要素と一体に、反射要素の球面の一部である凹状の表面上に形成されるようにして、回折要素51が反射要素の表面と同一の湾曲形状になるようにしても良い。
FIG. 8 shows another embodiment of the projection microscope. In this embodiment, instead of forming an image on the transmission diffractive element as in the microscope shown in FIG. 1 or the projection microscope shown in FIG. One
上記のように、本発明は光学的回折要素を有する光学器械を提供し、この光学的回折要素は、光学器械の中間像平面に位置した場合に、付随の視野レンズや鏡システムと共に反射回折手段又は屈折回折手段によって、観察者の目の観察位置において、射出瞳のアレイ、又は中間射出瞳の像を生ずる。 As mentioned above, the present invention provides an optical instrument having an optical diffractive element, which, when located in the intermediate image plane of the optical instrument, is a reflective diffractive means along with an associated field lens and mirror system. Alternatively, an array of exit pupils or an image of an intermediate exit pupil is produced at the viewing position of the viewer's eyes by refractive diffraction means.
図7に示した顕微鏡の構成では、像を映すために視野レンズ12、13が設けられ、図8に示した顕微鏡の構成では、像を映すために鏡と視野レンズ21が設けられている。視野レンズは少なくとも像の大きさ(image field) と同じ大きさである必要がある。この事が、器械のコストと重量に関する欠点となり、より大きな視野が要求されると、必要なサイズの視野レンズの製造が実際的でなくなる。これらの欠点を克服するために、屈折視野レンズの代わりにフレネルレンズが利用されても良い。従来の円形フレネルレンズを形成する代わりに、互いに角度をもって配置された複数の円柱フレネルレンズによって、必要な円形フレネルレンズの光学的特性を提供しても良い。各々の円柱フレネルレンズは、平行なプリズム片(prismatic strips)の配列として構成される。組合された円柱フレネルレンズは、光学的には、従来の円形レンズのように作用する。上述したように、複数の組の平行な回折線の配列が、射出瞳のアレイを生ずるために利用される。フレネルレンズを構成するプリズム片の表面は、その表面上に光学的回折格子の線を形成することによって、従来のフレネルレンズに匹敵するようにされる。
In the configuration of the microscope shown in FIG. 7,
図9は図7と同様に射影顕微鏡を示しているが、一つの光学要素32が、図7における視野レンズシステム12、13の機能と回折要素25の機能を果たし、複数の射出瞳のアレイを生成している。上記光学要素は、より軽量であり、経済的に製造される。
FIG. 9 shows a projection microscope as in FIG. 7, but one
第1と第2の円柱フレネルレンズは、基板の同じ表面に構成されることが好ましいが、必要であれば、顕微鏡で互いに平行に延設されている異なる表面に構成されても良い。例えば、一方のレンズの配列が、基板の一つの表面に構成され、他方のレンズの配列が、基板の反対側の面に構成されても良い。 The first and second cylindrical Fresnel lenses are preferably formed on the same surface of the substrate, but may be formed on different surfaces extending in parallel with each other if necessary. For example, one lens array may be configured on one surface of the substrate, and the other lens array may be configured on the opposite surface of the substrate.
通常、回折要素は、光学器械の他の光学要素に対して固定配置されている。しかしながら、幾つかの例では、例えば、回折要素の平面に垂直な軸を中心に回折要素を回転させることや、球面の一部である凹状の要素の場合に、この要素の中心軸を中心に回転させることによって、回折要素を光学器械の他の光学要素に対して動かすことが好ましい場合がある。上記の回転は、電気モーターとこのモーターから回折要素への伝動装置を設けることにより行われても良い。 Usually, the diffractive element is fixedly arranged with respect to the other optical elements of the optical instrument. However, in some cases, for example, rotating a diffractive element about an axis perpendicular to the plane of the diffractive element, or in the case of a concave element that is part of a sphere, It may be preferable to move the diffractive element relative to other optical elements of the optical instrument by rotating. The rotation may be performed by providing an electric motor and a transmission device from the motor to the diffractive element.
上記に本発明を顕微鏡に関して説明したが、本発明は顕微鏡に限らず、光学器械や光学装置の他の構成のための拡大された射出瞳を生ずるために利用する事ができる。 Although the invention has been described above with reference to a microscope, the invention is not limited to a microscope and can be used to produce an enlarged exit pupil for other configurations of optical instruments and optical devices.
前述したように、回折要素25は独立した要素であっても良いし、又は、例えば、光学装置のレンズや鏡等のような他の光学要素と一体に形成されても良い。回折要素がレンズや鏡等のような他の光学要素と一体に形成される場合、回折格子を構成する溝部と線は、上記他の光学要素の表面に形成される。この事は、光学要素の表面に一層の材料を配置し、この配置された層に溝部を彫る、又は形成することによって簡便に行われる。
As described above, the
本明細書において、レンズ、鏡、その他の光学要素について述べたが、これらの要素は、単一の光学要素とされていても良いし、又は要素の組合せから成る複雑な光学要素であっても良い。 In the present specification, lenses, mirrors, and other optical elements are described. However, these elements may be a single optical element or a complex optical element composed of a combination of elements. good.
1 対物レンズ
2 接眼レンズ
3 中間焦点面又は中間像平面
6 射出瞳のアレイ(array)
7 射出瞳
25 回折要素
26 基板の表面
27、30、31 回折線
DESCRIPTION OF
7
Claims (13)
複数の前記射出瞳(7)から成るアレイ(6)を備えた拡大された射出瞳を生ずる手段を有し、前記射出瞳のアレイを生ずる手段が、前記光学器械の中間焦点面又は中間像平面(3)に位置した回折要素(25)を有していて、
前記回折要素(25)が、3つ以上の光学的回折格子と、各々が基板の表面(26)の一組の平行な溝部によって形成される前記光学的回折格子の平行な回折線(27、30、31)とを有し、前記複数の光学的回折格子の各々の光学的回折格子の前記平行な回折線(27、30、31)が、前記複数の光学的回折格子の他の光学的回折格子の前記回折線に対して角度をもって延設されていることを特徴とする光学器械。 An optical instrument having means (1, 2) for producing a visual image to be observed at the exit pupil by an observer,
Means for producing an enlarged exit pupil comprising an array (6) comprising a plurality of said exit pupils (7), said means for producing said array of exit pupils being an intermediate focal plane or an intermediate image plane of said optical instrument Having a diffractive element (25) located in (3),
The diffractive element (25) comprises three or more optical diffraction gratings and parallel diffraction lines (27, 27) of the optical diffraction grating, each formed by a set of parallel grooves on the surface (26) of the substrate. 30, 31), and the parallel diffraction lines (27, 30, 31) of the optical diffraction gratings of each of the plurality of optical diffraction gratings are the other optical elements of the plurality of optical diffraction gratings. An optical instrument, wherein the optical instrument extends at an angle with respect to the diffraction line of the diffraction grating.
物体平面(4)の物体の中間像を像平面(3)で生ずる対物レンズ(1)と、
前記対物レンズにおける開口(aperture)(8)の射出瞳(像)(5)を観察位置において生じ、前記射出瞳(5)において前記中間像の拡大された像を生じる接眼レンズとを有し、
前記回折要素(25)の前記複数の光学的回折格子が前記像平面(3)に位置して、前記視像を前記射出瞳(5)より大きい一つの連続した拡大された射出瞳として観察者の目によって感知できるように互いに位置する非常に多数の前記射出瞳から成るアレイを生ずるようにされ、
前記視像が、前記連続した拡大された射出瞳において前記観察者の目によって観察可能である光学器械。 An optical instrument according to any one of claims 1 to 5,
An objective lens (1) for producing an intermediate image of the object in the object plane (4) in the image plane (3);
An eyepiece that produces an exit pupil (image) (5) of an aperture (8) in the objective lens at an observation position and produces an enlarged image of the intermediate image at the exit pupil (5);
The plurality of optical diffraction gratings of the diffractive element (25) are located in the image plane (3) and the visual image is viewed as one continuous enlarged exit pupil larger than the exit pupil (5). To produce an array of a large number of said exit pupils positioned relative to each other so that they can be sensed by
An optical instrument in which the visual image is observable by the observer's eyes at the continuous magnified exit pupil.
対物レンズ(10)と、
前記対物レンズにおける開口(14)の像を構成する中間射出瞳を生ずる第1レンズ(11)と、
前記対物レンズと前記第1レンズによって生成された前記中間射出瞳と物体の像を観察位置(16)へ中継する光学的視野システム(optical field system)(12、13)とを有し、
前記回折要素(25)の複数の光学的回折格子が、前記光学的視野システムの像平面に位置して、前記観察位置において、前記光学的視野システムによって中継された複数の前記中間射出瞳から成るアレイ(6)を生ずる光学器械。 An optical instrument according to any one of claims 1 to 5,
An objective lens (10);
A first lens (11) for producing an intermediate exit pupil constituting an image of the aperture (14) in the objective lens;
An optical field system (12, 13) that relays the intermediate exit pupil generated by the objective lens and the first lens and an image of the object to an observation position (16);
A plurality of optical diffraction gratings of the diffractive element (25) are located in the image plane of the optical field system and consist of a plurality of intermediate exit pupils relayed by the optical field system at the viewing position. Optical instrument producing the array (6).
3つ以上の光学的回折格子とを備え、
前記光学的回折格子のそれぞれが、前記基板の前記表面の一組の平行な溝部によって形成される一組の平行な回折線(27、30、31)を有し、
前記複数の光学的回折格子のそれぞれの回折格子の前記平行な回折線が、前記複数の光学的回折格子の他の光学的回折格子の回折線に対して角度をもって延設されていることを特徴とする光学器械の回折要素。 A substrate having a surface;
With three or more optical diffraction gratings,
Each of the optical diffraction gratings has a set of parallel diffraction lines (27, 30, 31) formed by a set of parallel grooves on the surface of the substrate;
The parallel diffraction lines of each of the plurality of optical diffraction gratings are extended with an angle with respect to the diffraction lines of the other optical diffraction gratings of the plurality of optical diffraction gratings. Diffractive element of optical instruments.
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