JP4037476B2

JP4037476B2 - レーザースリットランプのズーム光学系

Info

Publication number: JP4037476B2
Application number: JP29317996A
Authority: JP
Inventors: フリッツ・シュトレール; ペーター・シェファー
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: CH690382A5; DE19640976A1; US6142988A; JPH09145999A; DE19640976C2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定された入射平面からのレーザービームをターゲット平面に可変結像倍率をもって結像するズーム光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光凝固のためのレーザースリットランプは、たとえば、出願人の印刷番号３０−３７４−Ｄ（Ｗ−ＴＳ−Ｉ／９２Ｔ００）のパンフレットの中などにも記載されている名称「ＶＩＳＵＡＬＳＡｒｇｏｎ II」で提供されている。このシステムの場合、レーザービームをガラス繊維を経てスリットランプ顕微鏡のスリットランプへ導き、後続する光学系を介して照明光路に入射させる。ガラス繊維の後に配置された光学系は、ガラス繊維の射出面を処置すべき網膜の上に結像する。このとき、繊維の端部から射出する光束はアルゴンレーザーのような治療用ビームと、レーザーダイオードのような弱い可視ターゲットビームとを含む。
【０００３】
ガラス繊維の射出面を結像するために、光学系は、まず、ガラス繊維から射出する発散光束をコリメートするコリメータを含み、この目的のために、ガラス繊維の射出面はコリメータの焦点面に配置されている。その後に配置された、可変望遠鏡倍率を有する無限焦点ガリレオパンクラートによって、コリメート光束は拡散され、最終的には、対物レンズにより対物レンズの焦点に集束される。従って、対物レンズの焦点にはガラス繊維の射出面の像が形成される。この像の直径はガリレオパンクラートの設定に従って５０μｍから５００μｍであり、ガラス繊維の射出面の直径は５０μｍであるので、繊維端部は１ｘから１０ｘの倍率をもって結像されることになる。繊維の射出面を網膜上に鮮鋭に結像するこの倍率範囲を同焦点範囲と呼ぶ。
【０００４】
いわゆるデフォーカス領域では、無限焦点ガリレオパンクラートの所期の調整によって繊維端部の像はデフォーカスされるので、すなわち、繊維の射出面の像は網膜の後に位置することになるので、網膜上のスポット直径はさらに拡大する。このデフォーカス領域においては、同焦点領域とは逆に、同焦点領域の方形の輝度プロファイルではなく、ガウスの釣り鐘形曲線に対応する輝度分布を示す。ところが、そのようなガウスの輝度分布は医療用として適用するには不都合である。さらに、このデフォーカス領域には非常に長く、非常に細いレーザービームのビームウェストが存在しているので、角膜の領域の中に、不都合な状況の下では、所定の設定限界を同時に注意していないと、レーザー出力が角膜の損傷を招きかねないほどのビーム輝度が現れる。
【０００５】
米国特許第５，３３６，２１６号からは、焦点距離の短い二分割光学系によって、まず、繊維端部の中間実像を形成するレーザースリットランプの光学系が知られている。２つの焦点距離の短い素子の間隔を変化させることにより、中間像の大きさは可変である。ところが、中間像の大きさを変化させると、中間像の軸方向の摺動も起こる。この後に続く２つの素子から成る焦点距離の長い光学系によって、中間実像は１：１の結像倍率で網膜上に結像される。それら２つの素子のうち第１の素子は焦点距離の短い光学系の動きと結合している。
【０００６】
この光学系により、網膜上のスポットが５０μｍから１２００μｍのどのような直径を有するときでも、光束は角膜の平面ではそれより大きい横断面を有し、その分、輝度が低くなることになる。いずれにしても、この光学系も５００μｍから１２００μｍのスポット直径では、いわゆるデフォーカスモードで稼動されなければならない。すなわち、この大きさのスポット直径に対しては、ガラス繊維の射出面は網膜の後に結像される。さらに、この周知の方法においては、構造全体が非常に長く、そのため、光学系をスリットランプにコンパクトに組込めないという欠点がある。また、必要とされるズーム光学系の摺動経路が非常に長いので、それを機械的に実現するにはコストがかかる。しかしながら、この方法の第１の問題は、デフォーカスモードのとき、焦点距離の短い素子の１つが繊維端部の中間像の平面へ移動され、その場所で出力密度が高くなって問題を生じさせるおそれがあるという点である。
【０００７】
さらに、米国特許第４，５７６，４４５号から知られているカメラのズーム対物レンズは、総じて正の屈折力を有する２つのレンズ群と、負の屈折力を有する２つの中間レンズ群とを含み、結像倍率を変化させるために、負の屈折力を有する素子は摺動自在である。ところが、そのような写真対物レンズは光学的構造の関係上、また、通常はズーム係数がわずか３から４であるために、レーザースリットランプに適用するのには適していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、中間実像を結像せずに射出平面を像平面に結像し、且つこの中間実像の形成のために、最小倍率と最大倍率との間のズーム係数が１０ｘを越えるようなズーム光学系を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有するズーム光学系によって解決される。本発明の有利な構成は、請求項２から１１項で明らかである。
すなわち、ズーム光学系は可変屈折力を有する近位部分光学系と、屈折力が一定である遠位部分光学系とを有し、且つ近位部分光学系の後方焦点は虚焦点であり、その焦点距離より著しく長い焦点間隔を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によるズーム光学系は、冒頭で説明した「ＶＩＳＵＡＬＳＡｒｇｏｎ II」の光学系と同様に、空間的に固定して位置する近位焦点面に可変屈折力を有する近位部分光学系を含むと共に、一定の屈折力を有する遠位部分光学系を含む。従来より知られている光学系とは異なり、近位部分光学系は正の屈折力を有する素子を３つではなく、近位素子と遠位素子の２つしかもたない。周知の光学系とのもう１つの相違点は、近位素子の屈折力が遠位素子の屈折力より著しく大きく且つ近位部分光学系全体がコリメータとして構成されていることである。同時に、近位部分光学系の射出側（後方）焦点間隔はその焦点距離より著しく大きく、後方焦点は虚焦点である。
【００１１】
ガラス繊維の端面として実現可能であるレーザービームの射出平面は、同時に近位部分光学系の前方焦点面でもあるズーム光学系の入射面に位置しているべきであろう。この入射面から発散しつつ射出する光束はコリメート光束として近位部分光学系から射出し、遠位部分光学系によりその後方焦点面に集束される。この後方焦点面には処置すべき網膜があるので、ガラス繊維の端面は網膜上に結像される。
【００１２】
近位部分光学系の可変焦点距離をｆ₁ とし、遠位部分光学系の一定の焦点距離をｆ₂ とすると、ズーム光学系の結像倍率βはβ＝ｆ₂／ｆ₁である。倍率をβ＝１からβ＝２０まで変化させる（ズーム係数）とき、近位部分光学系の焦点距離ｆ₁ はｆ₂ からｆ₂ ／２０まで変化する。
【００１３】
レーザービームの場合、繊維端面の結像を近距離視野の結像と表現し、レーザビームのビームウェスト（ｂｅａｍｗａｉｓｔ）の結像を遠距離視野の結像と表現することもある。レーザービームのビームウェストの結像を、ズーム光学系に平行に入射して来る光束により近似して説明することができる。
【００１４】
近位素子と遠位素子は、あらゆるズーム係数において、近位部分光学系の後方焦点間隔が近位部分光学系の焦点距離より著しく大きく、少なくともその１０倍から５０倍の大きさであるように配置されている。近位素子の焦点距離が短いため、光軸と平行に入射する光束は近位素子の中で大きく拡散し、後方焦点の位置が虚であるので、近位部分光学系から再びほぼ平行で、わずかに発散する光束として射出する。近位素子の屈折力が大きいためにこの光束は大きく拡散するので、光束はビームウェストに到達する前に激しく収束し、その結果、ビームウェストから離れるにつれ、輝度は相応して大きく低下して行く。
【００１５】
ズーム光学系の焦点距離を変化させるために、近位素子は正の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分と、負の屈折力を有し、光軸と平行に摺動自在である２つのレンズ又はレンズ部分とを有する。この場合、正の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分の後ろでは光路が発散して進み且つ負の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分の摺動によって、所望の倍率に対応する必要な発散を発生できるように、入射面は正の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分からそのレンズ又はレンズ部分の焦点距離よりやや長い距離だけ離間しているのが好ましい。冒頭で挙げた米国特許第５，３３６，２１６号とは異なり、あらゆるズーム位置で、ビームはズーム光学系の中で入射平面の中間実像を形成することなく導かれる。
【００１６】
近位素子の屈折率は遠位素子の屈折力の５倍を越えるのが好ましく、１０倍を越えているのが特に好ましい。また、近位素子の正の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分と、負の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分とは共に１０mm未満の焦点距離を有するのが好ましい。結像倍率を変化させるために、負の屈折力を有するレンズ又はレンズ部分のみ、従って、相応して焦点距離の短いレンズのみを摺動させれば良いので、短い摺動経路であっても、結像倍率は大きく変化する。要するに、コンパクトな構造で、同時に大きなズーム係数が得られるのである。
【００１７】
本発明によるズーム光学系をスリットランプ顕微鏡に適用する場合、ズーム光学系の遠位部分光学系は同時にスリット照明部の対物レンズでもあるのが好ましく、５０mmから２００mmの焦点距離を有しているので、相応して大きな作業距離が保証される。
次に、図面に示す実施例に基づいて本発明の個々の点を詳細に説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１のスリットランプ顕微鏡は周知のように装置土台１を有し、この土台に顕微鏡本体２とスリット照明部３とが互いに独立して、垂直軸４に関して回転自在であるように受け入れられている。詳細には図示されていないスリット照明部は、検査又は処置すべき目の周辺を照明するために利用され、顕微鏡２により目を観察する。５は、治療のためのレーザービームをスリット照明部の光路に入射させるためのアダプタである。治療用レーザービーム自体はレーザー、たとえば、アルゴンレーザー（図示せず）からガラス繊維７を介してアダプタ５へ導かれ、ガラス繊維７の端面７ａから射出する。
【００１９】
本発明によるズーム光学系の近位部分光学系はアダプタ５の中に配置されており、焦点距離が短く、正の屈折力を有する固定配置された素子８と、その後に続く２つの、軸方向に摺動自在である負の屈折力を有する素子９ａ、９ｂと、正の屈折力を有する焦点距離の短い素子８及び負の屈折力を有する２つの焦点距離の短い素子９ａ、９ｂの個々の屈折力の値より著しく小さい正の屈折力を有する固定された素子１０とから構成されている。９は、近位部分光学系８、９ａ、９ｂ、１０の焦点距離を変化させるための調整リングを示し、このリングを回すと、周知のように、２つの負素子９ａ、９ｂが光軸に沿って摺動する。摺動自在の素子を含むズームレンズ又は顕微鏡対物レンズの同様に摺動自在のマウントは基本的に知られているので、このマウントの具体的な構造についてここでは詳細には説明しない。そのようなマウントの構造に関しては、たとえば、出願人の米国特許第４，９５３，９６２号を参照。
【００２０】
近位部分光学系から射出したレーザービームはコリメートされているが、その光束の直径は負の屈折力を有する素子９ａ、９ｂの摺動によって可変である。コリメートされたこの治療用レーザービームはミラー１１を介して同軸にスリット照明部の光路（図示せず）に入射する。正の屈折力を有する対物レンズであるズーム光学系の遠位部分光学系１２は、治療用レーザービームとスリット照明部の統合された光路に配置されており、治療用レーザービームを焦点に集束させると共に、スリット照明部の照明スリットを処置又は検査すべき目に結像する働きをする。ビームの方向に見て遠位部分光学系１２の後では、それまでほぼ垂直に進んで来た光路はプリズム６により、実体顕微鏡２の光軸が位置している水平の平面へと偏向される。
【００２１】
治療用レーザービームをスリット照明部の光路に入射させるためには、ズーム光学系を非常にコンパクトな構造にする必要があるが、これは、ズーム光学系を収納するために利用できるスペースの長さがスリット照明部の高さより短いためである。
【００２２】
図２のＡ、Ｂには、ズーム光学系の光学的構造を詳細に示す。正の屈折力を有する焦点距離の短い素子８は２つのレンズから成る接合素子で、６．２mmの焦点距離をもつ。その後に続く、１点鎖線で示した光軸に沿って摺動自在である、負の屈折力を有する２つの素子９ａ、９ｂは、−６．６mmの焦点距離をもつ２つの全く同形の平凹個別レンズであり、さらにその後に続く、正の屈折力を有し、焦点距離の長い素子１０は、８１．８mmの焦点距離を有する。遠位ズーム光学系（Ｔ２）は、２素子接合素子１２から形成され、９６．３mmの焦点距離を有する。処置すべき目に至る十分に長い作業距離を保証するために、この遠位部分光学系（Ｔ２）は５０mmから２００mmの値範囲の相対的に長い焦点距離を有する。図２においては、処置すべき目は光軸に対し垂直な平面により表わされており、その平面で光軸は角膜（平面１４）又は網膜（平面１５）と交わる。
【００２３】
ズーム光学系は、あらゆるズーム位置で、空間の中で固定した位置にある入射平面１６を同様に空間の中で固定した位置にあり、同時に網膜の平面でもあるターゲット平面１５に結像する。このとき、結像倍率は２つの平凹個別レンズ９ａ、９ｂの位置に応じて１ｘから２ｘの範囲で可変であり、その結果、ズーム倍率は総じて２０ｘとなる。
【００２４】
入射平面１６には、ガラス繊維７の端面７ａが位置決めされている。焦点距離の短い素子８からこの入射平面１６までの距離は焦点距離の短い素子８の焦点距離よりやや長いので、図２Ａに示す結像光路は焦点距離の短い素子８から射出した後は収束しつつ進む。負の屈折力を有する２つの個別レンズ９ａ、９ｂは、収束する光路を発散させる。負の屈折力を有する２つのレンズ９ａ、９ｂの相互移動経路は、近位部分光学系（Ｔ１）の遠位素子１０から射出した後の結像光路が常にコリメートされており、その結果、遠位部分光学系（Ｔ２）によって、空間の中に固定して位置しているターゲット平面１５に結像されるように定められている。鮮鋭な結像により、ターゲット平面１５には、光軸に対し垂直なほぼ方形の輝度プロファイルを有するレーザースポットが形成される。図示した構造の場合、入射平面１６は近位部分光学系（Ｔ１）の前方焦点面と一致する。
【００２５】
図２Ｂには、光軸と平行にズーム光学系に入射する光束の光路を示し、これは遠距離視野の結像を近似して表わしている。近位部分光学系の近位素子８、９ａ、９ｂの焦点距離が非常に短いため又はその屈折力が大きいために、この光束は近位部分光学系においては大きく拡散する。
【００２６】
射出側焦点１７（図３を参照）は虚焦点である、すなわち、光の方向に見て近位部分光学系（Ｔ₁）の前方に位置し、近位部分光学系（Ｔ₁）から、近位部分光学系自体の焦点距離より著しく長い焦点間隔（ＢＡ）を有しているので、ズーム光学系に平行に入射した光路は近位部分光学系から射出した後はわずかに発散し、その後、ズーム領域全体で遠位部分光学系（Ｔ₂）によってターゲット平面１５から後方へある距離をおいた位置で集束される。ズーム光学系の後方焦点面に対応するこの焦点面に、レーザービームのビームウェスト（遠距離視野像）が位置している。近位部分光学系でビームが大きく発散し、ビームウェストがターゲット平面１５の後方に離間しているので、角膜と交わる平面１４における光路は、あらゆるズーム位置で１mmを越える十分に大きい直径を有し、そのため、その局所輝度は低い。従って、規定の安全基準に注意を払わなくとも、角膜の損傷はほぼ排除される。
【００２７】
図４Ａ〜Ｃには、ミラー１１や方向転換プリズム６のような、結像特性に影響を及ぼさない素子を除いたズーム光学系を３つの異なるズーム位置で示す。さらに、レーザービームの２ｗプロファイルも記入されている。すなわち、輝度が光軸上の輝度の１／ｅ² に落ちるビームを端ビームとして記入してある。ここで、図４Ａの場合の結像倍率はβ＝１ｘ、図４Ｂではβ＝１０ｘ、図４Ｃではβ＝２０ｘとする。そこで、図４Ａに示す設定状態においては、ガラス繊維の射出面の直径を５０μｍとしたとき、網膜の平面１５のレーザースポットの直径は５０μｍであり、図４Ｂの場合は５００μｍであり、図４Ｃの場合には１０００μｍである。倍率がβ＝５ｘであるとき、すなわち、スポットの大きさが２５０μｍであるとき、導かれるビームは最も細くなり、そのため、角膜の平面１４における輝度は最も高くなる。倍率がβ＝５ｘからβ＝２０ｘまでの間にさらに高くなると、ビームは再び拡張するので、角膜の平面１４の最大輝度は再び低くなる。
【００２８】
１０ｘ及び２０ｘの倍率の場合にも、繊維端面又は入射平面はズーム光学系の中では中間結像されない。すなわち、図４Ｂ及び図４Ｃでも、負レンズ９ａ、９ｂの間で光路は焦点を通過することなく、収束から発散の状態へと進む。
【００２９】
近位部分光学系（Ｔ₁）の遠位端面（最も後方の面）（ｒ₁₀）から近位部分光学系の後方焦点面１７までの距離は、図３には短縮して示されている。縮尺に合わせて図示すると、この後方焦点面は、図４Ａ〜図４Ｃの図面の左端からはるかに先の位置にあり、結像倍率が１ｘのとき、近位部分光学系（Ｔ₁）の遠位端面（ｒ₁₀）から−４７５６mmの距離にあり、結像倍率が２０ｘのときには−４７１mmの距離にある。従って、最大倍率のとき、入射平面の前方で近位素子の約３．５倍、最小倍率のときには約３５倍となる。
【００３０】
ズーム光学系の一実施例の具体的な構造データを次の表Ｉに示す。表の中で、ｒｉ（ｉ＝１...１３）は近位部分光学系の焦点距離の短い素子から始めて、面の曲率半径を示し、ｄｉ（ｉ＝２...１３）は光軸と各々の面との交点の間の厚さ又は間隔を示す。ｄ１は、近位部分光学系の正の屈折力を有する、焦点距離の短い素子８の第１の交差面から入射平面までの距離を表わし、ｄ１４は、遠位部分光学系（Ｔ２）の射出面の交点と角膜の平面１４との間隔を表わし、ｄ１５は、角膜の平面１４と網膜の平面１５との間隔を表わし、それらはそれぞれ光軸に沿って測定された値である。ガラス材料に関しては、マインツのＳｃｈｏｔｔＧｌａｓｗｅｒｋｅ社が提供している適切なガラスの名称を明示した。
【００３１】
さらに、表IIには、図４Ａ〜Ｃに示す３つの倍率における近位部分光学系（Ｔ₁）の焦点距離と、近位部分光学系の最も後方の面（ｒ₁₀）からの近位部分光学系の後方焦点間隔（ＢＡ）とをそれぞれ示す。
【００３２】

【００３３】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるズーム光学系を有するスリットランプ顕微鏡の断面図。
【図２】近距離視野結像時の光路を記入した本発明によるズーム光学系のレンズ断面図（Ａ）と、遠距離視野結像時の光路を記入したＡのレンズ断面図（Ｂ）。
【図３】近位部分光学系の後方にある虚焦点を含む図２Ｂのレンズ断面の一部を示す図。
【図４】倍率が１ｘのとき（Ａ）、１０ｘのとき（Ｂ）および２０ｘのとき（Ｃ）のそれぞれの本発明によるズーム光学系のレンズ断面図。
【符号の説明】
２…顕微鏡本体、３…スリット照明部、７…ガラス繊維、７ａ…ガラス繊維の端面、８…正の屈折力を有する素子、９ａ、９ｂ…負の屈折力を有する素子、１０…正の屈折力を有する素子、１２…遠位部分光学系、１４…角膜の平面、１５…ターゲット平面（網膜）、１６…入射平面、１７…射出側焦点、Ｔ１ …近位部分光学系、Ｔ２ …遠位部分光学系。

Claims

固定された入射平面（１６）からのレーザービームをターゲット平面（１５）に可変結像倍率をもって結像するズーム光学系において、
このズーム光学系は可変屈折力を有する近位部分光学系（Ｔ１）と、屈折力が一定である遠位部分光学系（Ｔ２，１２）とを有し、且つ近位部分光学系（Ｔ１）の後方焦点（１７）は、虚焦点であり、その焦点距離より長い焦点間隔（ＢＡ）を有し、
それによって、前記ズーム光学系に入射される平行な光束が前記近位部分光学系Ｔ１を出射する発散光束とされるズーム光学系であって、
前記近位部分光学系（Ｔ１）が、正の屈折力を有する焦点距離の短い近位光学素子（８）と、光軸に沿って摺動自在の負の屈折力を有する中位光学素子（９ａ、９ｂ）と、正の屈折力を有する焦点距離の長い遠位光学素子（１０）とを含むズーム光学系。
前記近位部分光学系（Ｔ１）の前方焦点は入射平面（１６）に位置している請求項１記載のズーム光学系。
前記近位部分光学系（Ｔ１）は、それぞれが正の屈折力をもつ遠位光学素子（１０）及び近位光学素子（８）を有し、前記近位光学素子（８）の屈折力は遠位光学素子（１０）の屈折力より大きい請求項１又は２記載のズーム光学系。
前記入射平面（１６）からターゲット平面（１５）への結像は中間実像の形成なしに行われる請求項１から３のいずれか１項に記載のズーム光学系。
レーザービームの射出平面（７ａ）は前記近位部分光学系（Ｔ１）の近位焦点面（１６）に位置している請求項１から４のいずれか１項に記載のズーム光学系。
正の屈折力を有する前記近位光学素子（８）の屈折力は前記遠位光学素子（１０）の屈折力の５倍を越える請求項３から５のいずれか１項に記載のズーム光学系。
前記近位部分光学系（Ｔ１）の後方焦点面は近位部分光学系から近位部分光学系（Ｔ１）のその都度の焦点距離の５倍を越える距離だけ離間している請求項１から６のいずれか１項に記載のズーム光学系。
前記遠位部分光学系（Ｔ２、１２）は同時にスリット照明部（３）の対物レンズでもあり、５０mmから２００mmの焦点距離を有する請求項１から７のいずれか１項に記載のズーム光学系。
前記近位部分光学系のレンズ又はレンズ部分（８、９ａ、９ｂ）は、数値として１０mmより小さい焦点距離をそれぞれ有する請求項１から８のいずれか１項に記載のズーム光学系。
請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザー照明のためのレーザー照明部およびズーム光学系を有するスリットランプ顕微鏡であって、前記入射平面（１６）に光ファイバ（７）の端面（７ａ）が配置され、且つこの光ファイバ（７）の端面（７ａ）はあらゆるズーム位置でズーム光学系の前記近位部分光学系（Ｔ１）により中間実像の形成なしに無限遠へ結像されるスリットランプ顕微鏡。
前記遠位部分光学系（Ｔ２）はスリット照明部（３）の対物レンズ（１２）であり且つ前記近位部分光学系（Ｔ１）の焦点距離は、光ファイバ（７）の端面（７ａ）を対物レンズ（１２）の遠位焦点面に結像するときに１ｘから２０ｘのズーム範囲が得られるように選択されている請求項１０記載のスリットランプ顕微鏡。