JP3735146B2

JP3735146B2 - 光軸調整機構及び光軸調整方法

Info

Publication number: JP3735146B2
Application number: JP24152895A
Authority: JP
Inventors: 泰典真柄; 浩二宮沢
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: JPH0990110A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学機器例えば光学顕微鏡において像をリレーする途中で光軸方向を変化させるのに適用される光路偏向素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡等の光学機器において、像の偏芯をなくすために、または像の見え性能を確保するために光軸の傾きを抑えなければならない場合が多い。特に、顕微鏡における対物レンズの像を少なくとも１回結像させるような中間鏡筒で、結像途中に直角プリズム等により光軸の方向を偏向する場合においては、偏向前の光軸と後の光軸に傾きがないことが要求される。なぜなら、傾きがあるとレンズが光軸に対して傾いたことになり、光学系の本来の光学性能を発揮できないためである。
【０００３】
しかしながら、直角プリズムの角度誤差、接合誤差等により偏向後の光軸が傾きを持ってしまう場合が多い。そのため、その直角プリズムにおける光軸と交差する面に適切な楔形プリズムを接合し、光軸の傾きの補正をする方法が考えられている。しかしこの方法では、補正を要する光軸の傾きに適合した楔角をなす楔形プリズムを選び直角プリズムに接合しなければならないため、製造コストが高くなってしまうという問題があり、現実的でない。
【０００４】
一方で、ビームスプリッター等の光路分割素子において透過光の光軸の傾きをなくすために、従来より、二つの直角プリズムを接着したのち、透過光軸と交差する二つの面即ち入射面と出射面を機械的に再研磨し、前記入射面と出射面の平行を出すことにより透過光の光軸の傾きを補正する方法が考えられている。
【０００５】
ところが、このように二つの面の平行出しを行なっても、同一硝材から成る二つの直角プリズムの屈折率の製造上のばらつきの差分だけ光軸が傾いてしまう。そのため、光軸の傾きをほとんど０にする即ち光学的に平行にするには、各硝材の屈折率を等しくしなければならない。そのためには、製造工程に硝材のロット毎の完全な管理等手間のかかる工程が必要になり、製造コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００６】
このような問題点を解決するための手段として実願平２−１２２０４６号に、ビームスプリッターの透過光の光軸の傾きをなくすため、二つの透過面の一方に楔形プリズムを設け、二つの直角プリズムと楔形プリズムの相対位置を調整し透過光の光軸の傾きを調整する方法が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような方法によれば、透過光の光軸の傾きをなくすことは可能である。しかし、方向を変えた光即ちビームスプリッターの反射光の傾きを完全に補正するためには、上述したように楔形プリズムを選んで接合するか、もしくはビームスプリッター以外の調整部分が必要となる。この場合、ビームスプリッターを含む調整装置が大規模なものとなり、使用上、収納上、コスト上等で問題となる。
本発明の目的は、小型かつ安価に構成でき、入射光軸と出射光軸とのずれを発生させない光路偏向素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光軸調整機構及び光軸調整方法は以下の如く構成されている。
（１）本発明の光軸調整機構は、２つの透過面と１つの反射面とを有し、光が前記２つの透過面の一方から入射し、前記反射面で反射し、前記２つの透過面の他方から出射する三角柱状のプリズムと、前記２つの透過面にそれぞれ設けられる所定形状のプリズムと楔形プリズムと、からなり、前記三角柱状のプリズム、前記所定形状のプリズム及び前記楔形プリズムの相対位置関係を調整することにより、前記２つの透過面の一方から入射する光の光軸方向に対する前記２つの透過面の他方から出射する光の光軸方向を調整可能にした。
（２）本発明の光軸調整機構は上記（１）に記載の機構であって、前記所定形状のプリズムは直角プリズムである。
（３）本発明の光軸調整機構は上記（１）に記載の機構であって、前記所定形状のプリズムは複数のプリズムを組合わせた接合プリズムである。
（４）本発明の光軸調整方法は、２つの透過面と１つの反射面とを有し、光が前記２つの透過面の一方から入射し、前記反射面で反射し、前記２つの透過面の他方から出射する三角柱状のプリズムの入射に対する出射の光軸方向を調整する光軸調整方法において、出射側の前記透過面に接する楔形プリズムを回転させて出射光の角度を調整する第１の工程と、入射側の前記透過面に接する所定形状のプリズムに対して前記反射面を回転させて出射光の角度を調整する第２の工程と、前記第１及び第２の工程により、入射に対する出射の光軸方向の調整を行った後に、前記三角柱状のプリズム、前記所定形状のプリズム、及び前記楔形プリズムのそれぞれを接合固定する接合工程とを有する。
【０００９】
上記手段（１）〜（３）を講じた結果、それぞれ次のような作用が生じる。
（１）本発明の光路偏向素子は、三角柱状のプリズム、所定形状のプリズム及び楔形プリズムの相対位置関係を調整することにより、入射光に対する出射光の光軸方向を調整可能にしたので、前記調整後各プリズムを接合することにより、前記出射光の光軸の傾きを０に補正した出射光が得られ、各プリズムの角度誤差や組付け誤差等に起因する入射光軸に対する出射光軸の傾きのない光路偏向素子を実現できる。
（２）本発明の光路偏向素子は、前記所定形状のプリズムが直角プリズムであるので、入射光軸と出射光軸を平行に調整することが可能になる。
（３）本発明の光路偏向素子は、前記所定形状のプリズムが複数のプリズムを組合わせた接合プリズムであるので、任意の方向から入射する入射光を任意の方向へ出射させることが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図である。図１に示す光路偏向素子は、楔形プリズム１、直角プリズム２及び平行プリズム３からなる。楔形プリズム１はその底面を円とする円柱状の形状をなしており、その断面が楔形をなしている。そして楔形プリズム１の前記底面が直角プリズム２における斜面（反射面）でない一面即ち透過面に接している。また平行プリズム３は四角柱状をなしており、この平行プリズム３の底面が直角プリズム２におけるもう一方の透過面に接している。なお、楔形プリズム１および平行プリズム３の形状は円柱状または多角柱状であってもよい。
【００１１】
以下、図２〜図４を参照し当該光路偏向素子によるＸ−Ｚ平面への光路調整を説明する。まず、図２に示すように光軸がＹ軸と平行をなす光線Ａが平行プリズム３を介して直角プリズム２に入射すると、直角プリズム２の斜面２１にて反射し、さらに楔形プリズム１を介して光線Ｂとして出射する。この光線Ｂの光軸は、楔形プリズム１、直角プリズム２、平行プリズム３の角度誤差、接合誤差等に起因し３次元空間で傾いている。
【００１２】
図３の（ａ）は楔形プリズム１の斜視図であり、（ｂ）は楔形プリズム１の断面図である。図３の（ａ）および（ｂ）に示すように楔形プリズム１は楔角αを有している。
【００１３】
いま、楔形プリズム１の底面１１に垂直に、即ち斜面１２の垂線１３に対して角度αをもって光線Ａ１が入射したものとする。するとスネルの法則より、垂線１３に対して次式（１）
ｎｓｉｎα＝ｓｉｎα′ …（１）
を満たすα′の角度で光線Ｂ１が出射する。ここで、ｎは楔形プリズムの屈折率である。
【００１４】
またαは微小な角度であるので、式（１）は、
ｎα＝α′ …（２）
で、近似される。したがって、楔角αの楔形プリズム１を通過した後の光線Ｂ１の振れ角ｘは、式（２）より、
ｘ＝α′−α＝（ｎ−１）α …（３）
となる。
【００１５】
このように、楔角α、屈折率ｎの楔形プリズム１をＺ軸に対して回転すれば、式（３）に示した楔形プリズム１による振れ角ｘ＝（ｎ−１）α分が補正されることになる。これにより出射光軸の傾きがβであるとき、出射光軸は頂角が、β−ｘ＝β−（ｎ−１）αの円錐を描くことになる。なお、もし出射光軸の傾きβと楔形プリズム１による振れ角ｘが等しいときは、楔形プリズム１の回転のみで出射光軸の傾きを０にすることができる。
【００１６】
このような原理により、楔形プリズム１による振れ角ｘが出射光軸の傾きβより大きい（ｘ≧β）場合、図４に示すようにその底面が直角プリズム２の透過面４に接する楔形プリズム１を回転することは、即ちＺ軸に対して回転することになるため、当該光路偏向素子によるＸ−Ｚ平面への光路調整を行なうには、楔形プリズム１を回転し、３次元の空間で傾いている出射光軸Ｃを出射光軸Ｄで示すようにＸ−Ｚ平面上へ移動させる。
【００１７】
以下、図５を参照し当該光路偏向素子においてＸ−Ｚ平面上で出射光軸の傾きを０にする調整を説明する。図５に示す直角プリズム２をＹ軸に対してθ°回転することにより、出射光軸ＤはＸ−Ｚ平面上をθ°回転するが、以下にその原理を説明する。
【００１８】
直角プリズム２をＹ軸に対してθ°回転することは、直角プリズム２の反射面２１をＹ軸に対してθ°回転することであるので、出射光軸Ｄの傾きは、反射面２１の反射回転行列で求めることができる。ここで図５に示すようにＸ，Ｙ，Ｚ軸をとると、反射面２１の法線ベクトル（Ｌ，Ｍ，Ｎ）は、
【００１９】
【数１】

となる。
また法線ベクトル（Ｌ，Ｍ，Ｎ）に対して、反射行列は、
【００２０】
【数２】

と表せる。
（５）に示した反射行列に反射面２１の法線ベクトル（Ｌ，Ｍ，Ｎ）を代入すると、反射面２１の反射行列Ｒｙは、
【００２１】
【数３】

となる。
また、反射面２１をＹ軸に対してθ°回転する回転行列をＴｙとすれば、
【００２２】
【数４】

となる。
【００２３】
そして反射面２１のＹ軸に対する反射回転行列は、
Ｔｙ^-1・Ｒｙ・Ｔｙ …（８）
となり、上記（６）、（７）、（８）より、
【００２４】
【数５】

となる。
【００２５】
本第１の実施の形態では、入射光線ＡはＹ軸と平行即ち（０，−１，０）であるため、出射光軸Ｄの傾きはＹ軸と平行のベクトル（０，−１，０）が式（９）に示した反射面２１のＹ軸に対する反射回転行列によって変換されるベクトルが、Ｚ軸に対してどれだけ傾いているかを考えればよい。式（９）により、
【００２６】
【数６】

となる。つまり（０，−１，０）は反射回転行列Ｔｙ^-1・Ｒｙ・Ｔｙにより、（ｓｉｎθ，０，ｃｏｓθ）に変換される。即ちＸ−Ｚ平面上において、Ｚ軸に対してθ傾くことになる。
【００２７】
したがってこの原理により、直角プリズム２を平行プリズム３に接して回転することは、反射面２１をＹ軸に対して回転することになるため、Ｘ−Ｚ平面上でＺ軸に対してθ°傾きをもった出射光軸Ｄの場合、直角プリズム２をＹ軸に対してθ°回転すれば、出射光軸Ｄを出射光軸Ｅで示すようにＺ軸に合致させる即ち出射光軸の傾きを０に調整できることになる。
【００２８】
なお反射面２１に角度誤差等がある場合は、直角プリズム２をＹ軸に対して回転させても出射光軸ＤはＸ−Ｚ平面上で正確にθ°回転せず、３次元の空間で成分を持ち傾いてしまう。このような場合、上述したような楔形プリズム１の回転調整によるＸ−Ｚ平面への光路調整を再度行なうことになる。
【００２９】
以上のような方法で入射光軸に対する出射光軸の傾きを調整し、楔形プリズム１、直角プリズム２及び平行プリズム３の相対位置を決定した後、それぞれのプリズムを接合する。これにより、入射光軸に対する出射光軸の三次元での傾きを０にした、９０°に光路を偏向させる光路偏向素子を得ることができる。また、９０°以外の光路偏向の場合は、直角プリズム２の代わりに必要に応じた任意の角度の角度プリズムを用いればよい。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図である。図６に示す光路偏向素子は、楔形プリズム１、第１の直角プリズム２及び第２の直角プリズム５からなる。即ち上記図１の平行プリズム３の代わりに直角プリズム５を設けたものであり、第１の実施の形態に示したと同様の調整を行ない接合をすることにより、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏し、図６に示すような方向に光路Ｆを偏向させることができる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図である。図７に示す光路偏向素子は、第２の実施の形態と同様楔形プリズム１、第１の直角プリズム２及び第２の直角プリズム５からなるが、第２の実施の形態と比べて直角プリズム５の向きを変えている。そして第１の実施の形態に示したと同様の調整を行ない接合をすることにより、第１、第２の実施の形態と同様の作用効果を奏し、図７に示すような方向に光路Ｇを偏向させることができる。
【００３２】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図である。図８に示す光路偏向素子は、楔形プリズム１、直角プリズム２及び接合プリズム６からなる。即ち上記図１の平行プリズム３の代わりに接合プリズム６を設けたものであり、第１の実施の形態に示したと同様の調整を行ない接合をすることにより、第１、第２、第３の実施の形態と同様の作用効果を奏し、図８に示すような方向に光路Ｈを偏向させることができる。なお、図８に示す接合プリズム６は直角プリズムを二つ組み合わせたものであるが、任意のプリズムを複数個組み合わせることができる。
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の光路偏向素子によれば以下のような効果を奏する。
・１種類の楔形プリズムによる楔角をもって多様な場合での調整が行なえるので、小型に構成できるとともに、安価な製造コストで実現できる。
・出射光軸の方向を任意に調整できるため入射光軸に対する出射光軸の傾きを簡単に０にすることができ、入射光軸と出射光軸とのずれを発生させない光路偏向素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子によるＸ−Ｚ平面への光路調整を説明するための図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子によるＸ−Ｚ平面への光路調整を説明するための図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子によるＸ−Ｚ平面への光路調整を説明するための図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光路偏向素子においてＸ−Ｚ平面上で出射光軸の傾きを０にする調整を説明するための図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る光路偏向素子の斜視図。
【符号の説明】
１…楔形プリズム、２…直角プリズム、３…平行プリズム、２１…斜面（反射面）、１１…底面、１２…斜面、１３…垂線、４…透過面、５…直角プリズム、６…接合プリズム。

Claims

２つの透過面と１つの反射面とを有し、光が前記２つの透過面の一方から入射し、前記反射面で反射し、前記２つの透過面の他方から出射する三角柱状のプリズムと、
前記２つの透過面にそれぞれ設けられる所定形状のプリズムと楔形プリズムと、からなり、
前記三角柱状のプリズム、前記所定形状のプリズム及び前記楔形プリズムの相対位置関係を調整することにより、前記２つの透過面の一方から入射する光の光軸方向に対する前記２つの透過面の他方から出射する光の光軸方向を調整可能にしたことを特徴とする光軸調整機構。
前記所定形状のプリズムは直角プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の光軸調整機構。
前記所定形状のプリズムは複数のプリズムを組合わせた接合プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の光軸調整機構。
２つの透過面と１つの反射面とを有し、光が前記２つの透過面の一方から入射し、前記反射面で反射し、前記２つの透過面の他方から出射する三角柱状のプリズムの入射に対する出射の光軸方向を調整する光軸調整方法において、
出射側の前記透過面に接する楔形プリズムを回転させて出射光の角度を調整する第１の工程と、
入射側の前記透過面に接する所定形状のプリズムに対して前記反射面を回転させて出射光の角度を調整する第２の工程と、
前記第１及び第２の工程により、入射に対する出射の光軸方向の調整を行った後に、前記三角柱状のプリズム、前記所定形状のプリズム、及び前記楔形プリズムのそれぞれを接合固定する接合工程とを有することを特徴とする光軸調整方法。