JP3492369B2 - 光学器械およびその光学素子 - Google Patents

光学器械およびその光学素子

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JP3492369B2 JP52509294A JP52509294A JP3492369B2 JP 3492369 B2 JP3492369 B2 JP 3492369B2 JP 52509294 A JP52509294 A JP 52509294A JP 52509294 A JP52509294 A JP 52509294A JP 3492369 B2 JP3492369 B2 JP 3492369B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は，光学器械，特に観察者が物体の像を見る
ことができる射出瞳をもつ光学器械に関する。
従来の光学器械では、この射出瞳の大きさは比較的小
さい。従って，観察者がこの器械からの像を正しく見，
さもなければ光を受けるためには自分の目の入射瞳を光
学器械の射出瞳と正確に整列することが必要である。
もし，この光学器械に大きな射出瞳を設けることによ
って，観察者が自分の目の入射瞳を光学器械の射出瞳と
正確に整列することが必要でなくなれば好都合だろう。
そうすれば観察者は，自分の瞳を大きな射出瞳のどこに
でも置いてそのような像または光を受ける自由を享受で
きるだろう。しかし，従来の光学器械の射出瞳の大きさ
はこの器械の開口数とこの器械の全体の倍率の関数によ
って決まり，従ってこの射出瞳の大きさは固定で且つ比
較的小さい。
この発明の一つの局面によれば，観察者が射出瞳で見
る光学像をつくるための手段を含む光学器械は，そこか
らこの観察者が上記光学像を見ることができる複数の上
記射出瞳のアレーを含む，拡大した射出瞳をつくるため
の手段を含む。
この複数の射出瞳のアレーをつくるための手段は，こ
の光学器械の中間焦点面または像面に配置された回折手
段を含むのが好ましい。
この拡大した射出瞳をつくるための手段は，複数の回
折副素子のアレーを含む回折素子を含んでもよい。
この回折素子は，この器械の他の光学素子の表面上に
またはそれと一体に作られてもよい。
この発明の第２局面によれば，光学器械が，物体にあ
る物体の中間像を像面に作るための対物レンズ；この対
物レンズの開口の射出瞳像を観察位置に作り且つ上記射
出瞳に上記中間像の拡大像を作るための接眼レンズ；お
よび上記像面に位置して複数の上記射出瞳のアレーを作
るための回折素子を含む。
この発明の第３局面によれば，光学器械が，対物レン
ズ；この対物レンズの開口の像を含む中間射出瞳を作る
ための第１レンズ；上記中間射出瞳および上記対物レン
ズと上記第１レンズによって作られた物体の像を観察位
置へ中継するための光学視野システム；並びに上記光学
視野システムの中の像面に位置して，上記観察位置に上
記光学視野システムによってそこへ中継された複数の上
記中間射出瞳のアレーを作る回折素子を含む。
第４局面によれば，この発明は，複数の射出瞳のアレ
ーを作るために光学器械に使うための回折素子を包含す
る。
次にこの発明の実施例を例示として図面を参照して説
明する。それらの図面で， 第１図は，回折素子を組み込んだ顕微鏡の光学素子を示
し， 第２図は，第１図の顕微鏡によって作られた射出瞳のア
レーを示し， 第３図は，透過性回折素子を利用した投射顕微鏡の光学
素子を示し， 第４図は，反射性回折素子を使った投射顕微鏡の代替形
を示し， 第５図は，光学素子上の回折アレーを示し， 第６図は，第５図の線６−６による断面図であり， 第７図は，第５図の線７−７による断面図であり， 第８図および第９図は，光学素子上の回折アレーの代替
構成を示す，それぞれ第６図および第７図に対応する断
面図であり， 第10図は，フレネルレンズシステムと回折アレーの組み
合わせを含む光学素子を示し， 第11図および第12図は，それぞれ第10図の線11−11およ
び線12−12による断面図であり， 第13図は，フレネルレンズシステムと回折アレーの組み
合わせを利用した投射顕微鏡の光学素子を示す。
まず第１図を参照すると，顕微鏡が対物レンズ１と接
眼レンズ２を含む。この対物レンズは，焦点面または像
面３に物面４にある物体の中間像を作り，よく知られて
いるように，観察者の目をこの顕微鏡の射出瞳５と整列
するとき，この中間像，従ってこの物体の拡大像を見る
ことができる。射出瞳５は，対物レンズ１の開口の像で
ある。この発明による顕微鏡では，透過性回折素子がこ
の顕微鏡の中間焦点面または像面３に配置されている。
この回折素子25は，この顕微鏡にこの回折素子253がな
ければ出来たであろう射出瞳５にそれぞれ相当する射出
瞳７のアレー６（第２図）を作らせるに有効である。射
出瞳のアレー７を作るためのこの回折素子の設計を適当
に選択することによって，この射出瞳のアレーを隣接す
る射出瞳5,7が離間しているようにも接触しているよう
にもできる。
もし望むなら，対物レンズの開口を開口絞り８で限定
してもよい。この開口絞り８は円形でもよく，そうすれ
ばこの射出瞳も円形だろう。しかし，この開口は円形で
ない形でもよく，例えば，矩形，正方形または六角形で
もよい。従ってこれらの射出瞳5,7は，対応する形に作
られ，それらは，もし望むなら，このアレーの射出瞳が
互いに隙間なく且つ重なりなく接触して配置でき，これ
らの射出瞳が離間しまたは少しだけ重なっていてもよ
い。しかし，これらの射出瞳の互いに対する位置は，こ
の射出瞳のアレーが観察者の目に単一の連続した大きな
射出瞳として見えるように選ぶことは分かるだろう。も
し，このアレーの射出瞳の間隔が大き過ぎると，このア
レーは観察者に連続した大きな射出瞳としては見えず，
開口数，従ってこの器械の解像力を損なう結果となる。
第３図は，対物レンズ10,投射接眼レンズ11および視
野レンズ12,13を含む投射顕微鏡を示す。この投射顕微
鏡の構成で，投射接眼レンズは，対物レンズ10の，また
は，もしあれば，開口絞り14の開口を結像して中間面15
に中間射出瞳を形成する。これらの視野レンズ12,13
は，面15のこの中間射出瞳の像を観察者の観察する位置
の最終射出瞳16に中継する。この対物レンズ10と投射接
眼レンズ11は，視野レンズ12,13の中間の面に物面18に
ある物体の像を形成する。透過性回折素子25が面17に配
置されていて，観察位置に大きな最終射出瞳16を形成す
るように，面15の中間射出瞳の像のアレーを作る。
第４図は，第１図に示す顕微鏡および第３図に示す投
射顕微鏡のように透過性回折素子に像を形成するのでは
なく，反射性回折素子20に像を形成する。単一の視野レ
ンズ21と反射性素子22を設けて，鏡24を介して観察者の
目23が見る像を形成する。視野レンズ21と平面反射性素
子22を設ける代わりに，凹面の一部球の反射性素子を設
けてもよい。この反射性素子22の表面に隣接して回折素
子25を設ける。この回折素子25は，反射性素子22と別の
素子でも，それと一体で，この反射性素子22の反射面に
作ってもよい。視野レンズ21と平面鏡22の代わりに，凹
面の一部球の反射性素子を設けてもよい。この回折素子
は，この凹面の反射性素子と一体で，この反射性素子の
一部球の凹面に設けてこの回折素子が反射性素子の表面
の曲率の形をもつようにしてもよい。
第２図に示すように，射出瞳の２次元アレーを作って
連続的拡大射出瞳を形成したが，ある目的には射出瞳の
１次元の拡大で十分で，その場合は射出瞳の線形アレー
を作るように回折素子を形成し，この射出瞳は離間して
いても接触していてもよいことが分かるだろう。
このようにして，この発明は，光学器械の中間像面に
位置するとき，関連する視野レンズまたは鏡システムと
共に反射性または屈折性回折手段によって観察者の目の
観察位置にこの器械の射出瞳または中間射出瞳の像のア
レーを作る光学素子を含む光学器械を提供することが分
かるだろう。
第５図，第６図および第７図を参照すると，一つの形
の回折素子25が，回折副素子27のアレーのある面26を含
み，これらの副素子の大きさが視野レンズまたは反射性
素子システムと関連して観察位置に形成された隣接する
瞳像の分離を決める。各個々の副素子の輪郭および形が
各個々の瞳像内の比較エネルギーレベルを決める。この
回折素子25は，その面26に複数の平行第１溝28（第６
図）を持ち，これら第１溝28間の共通の平行第１エッジ
29が第１回折格子として作用する。この回折素子25は，
その面26に第１溝28と垂直に伸びる複数の平行第２溝30
（第７図）も持ち，隣接する第２溝30間の共通の平行第
２エッジ31が第１格子の方向と垂直な方向の第２回折格
子として作用する。隣接する共通第１エッジ29の間隔，
即ちピッチが第１方向の射出瞳の間隔を決め，隣接する
共通第２エッジ31の間隔またはピッチがこの第１方向と
垂直な第２方向の射出瞳の間隔を決める。典型的には，
これらエッジ29,31のピッチは80−160ミクロンの範囲で
あることができる。溝28,30の壁の角度および形が複数
の射出瞳への光の分散を決め，溝の壁は複数の射出瞳に
光をほぼ均一に分散するように作られている。第６図お
よび第７図に示すように，面26に溝を作り，回折格子を
形成するエッジ29,31がこの面の最上位にあって溝がこ
れらエッジ間に谷を形成するようにするのではなく，こ
の素子に作った溝の最深部が回折線32,33を画定するよ
うに，この素子を逆の形態に作ってもよい。（第８図お
よび第９図） 第１および第２回折格子を形成するエッジまたは線の
間隔は，等しくてもよいし，もし望むなら，一つの格子
の線またはエッジの間隔が他の格子の線またはエッジの
間隔より大きくてもよい。また，一つの格子の全ての溝
の断面形状がほぼ同じでもよいし，もし望むなら，各溝
のまたは隣接する溝に対するある溝の断面形状を変えて
射出瞳に所望の光分布を与えてもよい。
像を投射するために視野レンズ12,13を設けた，第３
図に示す顕微鏡の構成において，および像を投射するた
めに鏡と視野レンズ21と設けた，第４図に示す顕微鏡の
構成において，視野レンズは，少なくとも像面と同じ大
きさであることが必要である。これは，この器械のコス
トおよび重量に関して不都合を生じ，大きな視界が要求
されるとき，必要な大きさの視野レンズを製造すること
は実行不能になる。これらの欠点を克服するため，屈折
性視野レンズの代わりにフレネルレンズを利用してもよ
い。第10図を参照して，一体素子34として製造したフレ
ネルレンズシステムと回折素子を次に説明する。通常，
円形フレネルレンズは，組合わさって光学的に屈折レン
ズと同様に作用する複数の同心プリズムリングを含む。
しかし，この実施例では，従来の円形フレネルレンズを
作るのではなく，二つの互いに垂直な円筒形フレネルレ
ンズによって円形フレネルレンズに要求される光学性特
性を得る。第１円筒形フレネルレンズは，平行線36によ
って画定される第１パターンの平行プリズムストリップ
35として形成し，第２円筒形フレネルレンズは，線38に
よって画定される第２パターンの平行プリズムストリッ
プ37として形成する。この第１パターンのストリップ35
は，第２パターンのストリップ37に垂直に伸び，従って
これらのストリップで作られる第１および第２円筒形フ
レネルレンズは，互いに垂直である。この第１円筒形フ
レネルレンズと第２円筒形フレネルレンズは組合わさっ
て光学的に従来の円形レンズと同様に作用する。先に述
べたように,2組の互いに垂直な平行線のパターンを使っ
て射出瞳のアレーを創り，同様に第１および第２フレネ
ルレンズを形成する平行線のパターンを使って射出瞳の
アレーを創る。これらのフレネルレンズを形成するプリ
ズムストリップの表面は，従来のフレネルレンズに比べ
て修正されている。従来のフレネルレンズでは，各リン
グまたはストリップの表面は，このリングの変形方向
に，またはストリップに関しては，このストリップの横
断方向に，線形であるのに対して，この実施例では，第
１および第２フレネルパターンによって創られる射出瞳
のアレーの射出瞳への光エネルギーの分布をほぼ均一す
るために，それぞれストリップ35,37の傾斜面39,40は，
第11図および第12図に示すように，湾曲している。これ
らのストリップの表面の曲率は，正でも負でもよい。そ
れで各ストリップは，第11図および第12図に示すように
凹の傾斜面39,40をもってもよく，または，表面の曲率
が射出瞳のアレーへ要求されるほぼ均一な光エネルギー
分布を与えるようであれば，凸の傾斜面をもってもよ
い。
第13図は，第３図に類似し，投射顕微鏡を示すが，単
一光学素子32が視野レンズシステム12,13（第３図）と
回折素子25（第３図）との機能を果たして複数の射出瞳
のアレーを創る。そのような素子は，重量が軽く，経済
的に作ることができる。
第１および第２円筒形フレネルレンズを基板の共通面
に形成することが好ましいが，もし望むなら，この第１
および第２円筒形フレネルレンズを，顕微鏡内で互いに
平行に伸びる異なる面に形成してもよい。例えば，一つ
のレンズパターンを基板の一面に作り，他のレンズパタ
ーンをこの基板の反対面に作ってもよい。この基板の表
面に作るレンズパターンは，先に第５図乃至第９図のパ
ターンに関して述べたと同様に，逆パターンでもよいこ
とは分かるだろう。
通常，回折素子は，この光学器械の他の光学素子に対
して静止したままであると考えられている。しかし，あ
る場合には，この回折素子をこの光学器械の他の光学素
子に対して，例えばこの回折素子をその表面に垂直な軸
の回りに，または凹面の一部球の素子の場合は，この素
子の中心軸の回りに回転することによって，動かすこと
が望ましいかもしれない。そのような回転は，電気モー
タとこのモータから回折素子への伝動装置を設けること
によって行うことが出来る。
以上にこの発明を顕微鏡に関連して説明したが，この
発明は顕微鏡に限定されず，他の形の光学器械または装
置用の拡大射出瞳を作るために利用することもできるこ
とは理解されるべきである。
先に述べたように，この回折素子25は，単独の素子で
も，この光学装置のレンズまたは鏡のような他の光学素
子と一体に作ってもよい。この回折素子をレンズまたは
鏡のような他の光学素子と一体に作るとき，この回折格
子を構成する溝および線をこの他の光学素子の表面に作
る。これは，光学素子の表面に材料層を堆積し，次にこ
の堆積した層に切削または他の方法で溝を作ることによ
って都合よく行うことが出来る。
この明細書でレンズ，鏡または他の光学素子を参照し
たとき，そのような素子は単一光学素子または素子の組
み合わせからなる複合光学素子を含むことがあることを
理解すべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/44 G02B 21/00 G02B 27/02

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】観察者が第１射出瞳で見ることができる光
    学像をつくるための手段と，観察者が光学像を見ること
    ができる第２射出瞳をつくるための手段とを含む光学器
    械であって，上記第２射出瞳は第１射出瞳より大きな大
    きさのものであって複数の共同作用する第１射出瞳の２
    次元アレーを含み，第１射出瞳の２次元アレーをつくる
    ための手段は光学器械の中間像面に置かれた回折素子を
    含み，この回折素子は複数の平行な第１溝と複数の平行
    な第２溝を形成された表面を有する基板を含み，第２溝
    は第１溝に直角に延びており，第１溝の隣接するエッジ
    は一致していて第１光学回折格子の第１線を形成し第２
    溝の隣接するエッジは一致していて第２光学回折格子の
    第２線を形成することを特徴とする器械。
  2. 【請求項２】請求項１に記載する光学器械において，第
    １光学回折格子を形成する第１溝と第２光学回折格子を
    形成する第２溝は第１射出瞳のアレーの中に離間した複
    数の第１射出瞳をつくるために有効であることを特徴と
    する器械。
  3. 【請求項３】請求項１に記載する光学器械において，第
    １光学回折格子を形成する第１溝と第２光学回折格子を
    形成する第２溝は第１射出瞳のアレーの中に隣接する第
    １射出瞳の間に重なりがなく且つそれらの間に隙間がな
    く連続した複数の第１射出瞳をつくるために有効である
    ことを特徴とする器械。
  4. 【請求項４】請求項１に記載する光学器械において，回
    折素子の表面は光学像をつくるための手段の光学表面で
    あることを特徴とする器械。
  5. 【請求項５】請求項１に記載する光学器械において，光
    学像をつくるための手段が光学表面を含み，回折素子の
    基板が上記光学表面によって支持されていることを特徴
    とする器械。
  6. 【請求項６】請求項１に記載する光学器械において，第
    １および第２溝は第１射出瞳のアレーの中の第１射出瞳
    に光エネルギーを実質的に均一に分配するに有効なプロ
    フィルを持つ壁によって形成されていることを特徴とす
    る器械。
  7. 【請求項７】請求項１に記載する光学器械において，第
    １溝および第１線は第一円筒形フレネルレンズとして形
    成され，第２溝および第２線は第１フレネルレンズに直
    角に延びる第２円筒形フレネルレンズとして形成される
    ことを特徴とする器械。
  8. 【請求項８】請求項１に記載する光学器械において，回
    折素子は複数の回折副素子のアレーを含むことを特徴と
    する器械。
  9. 【請求項９】物面にある物体の像面に中間像を作るため
    の対物レンズと；この対物レンズの開口の観察位置に第
    １射出瞳をまた第１射出瞳に中間像の拡大像を作るため
    の接眼レンズと；光学機器の像面に置かれた回折素子
    と；表面を有する基板を含む回折素子と；上記表面にお
    ける複数の平行な第１溝と；上記表面における第１溝と
    直角に延びる複数の平行な第２溝と；を含む光学器械に
    おいて、上記第１溝の隣接するエッジは一致していて第
    １光学回折格子の第１線を形成し，上記第２溝の隣接す
    るエッジは一致していて第２光学回折格子の第２線を形
    成し，上記第１光学回折素子と第２光学回折格子は同時
    に拡大された像の観察者の眼により第１射出瞳より大き
    さの大きい単一の連続した第２射出瞳として知覚できる
    アレーの中に相互に置かれる複数の射出瞳をつくるため
    に有効であり，拡大された像は観察者の眼により第２射
    出瞳において見ることができることを特徴とする器械。
  10. 【請求項１０】対物レンズと；この対物レンズの開口
    と；対物レンズの開口の像を含む中間射出瞳を作るため
    の第１レンズと；上記中間射出瞳および上記対物レンズ
    と上記第１レンズによって作られた物体の像を観察位置
    に中断するための光学視野システムを含む光学器械であ
    って，上記光学器械の中間像面に位置して，表面を有す
    る基板を含む回折素子と，上記表面における複数の平行
    な第１溝と；上記表面において第１溝に直角に延びる複
    数の平行な第２溝と，を含む光学器械において，上記第
    １溝の隣接するエッジは一致していて第１光学回折格子
    の第１線を形成し，上記第２溝の隣接するエッジは一致
    していて第２光学回折格子の第２線を形成し，上記回折
    素子は観察位置において観察者により中間射出瞳より大
    きさの大きい連続した第１射出瞳として知覚できる複数
    の中間射出瞳のアレーを同時につくるために有効である
    ことを特徴とする器械。
  11. 【請求項１１】請求項10に記載する光学器械であって，
    更に光学視野システムが視野レンズ素子の組み合わせを
    含むことを特徴とする器械。
  12. 【請求項１２】請求項10に記載する光学器械において，
    更に光学視野システムが視野レンズ素子と反射素子との
    組み合せを含むことを特徴とする器械。
  13. 【請求項１３】請求項10に記載する光学器械において，
    更に光学視野システムが凹面反射素子を含むことを特徴
    とする器械。
  14. 【請求項１４】請求項10に記載する光学器械において，
    更に屈折素子は光学視野システムの一要素の表面と一体
    に形成されることを特徴とする器械。
JP52509294A 1993-05-17 1994-02-02 光学器械およびその光学素子 Expired - Lifetime JP3492369B2 (ja)

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DK (1) DK0650606T3 (ja)
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