JP4739476B2 - 光学器械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明の実施の形態】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】回折要素が組込まれている顕微鏡の光学要素を示す。
【図２】図１の顕微鏡において生じた射出瞳のアレイを示す。
【図３】３つの光学的回折格子を備えた光学的回折要素を示す。
【図４】光学的回折格子を形成する溝部の断面を示す。
【図５】光学的回折格子を形成する他の形状の溝部を示す図４と同様の図である。
【図６】６つの光学的回折格子を備えた光学的回折要素を示す図３と同様の図である。
【図７】透過回折要素を利用している射影顕微鏡の光学要素を示す。
【図８】反射回折要素を利用している射影顕微鏡の他の構成を示す。
【図９】組合せたフレネルレンズシステムと回折アレイを利用している射影顕微鏡の光学要素を示す。
【図１０】図８に示された射影顕微鏡の別の構成を示す。
【符号の説明】
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

Claims (14)

1. 光学器械であって、
   物体の視像であって一つの射出瞳（７）において観察者によって観察され得る視像を生ずる光学システムと、
   上記光学器械の中間焦点面又は像平面（３）に位置した回折光学要素（２５）であって複数の射出瞳（７）から成るアレイ（６）を生ずる回折光学要素（２５）と、を具備し、
   上記回折光学要素（２５）が、
   表面（２６）を有する基板と、
   上記基板の表面（２６）の共通の平面にある少なくとも３つの光学的回折格子と、を備え、
   各光学的回折格子が上記基板の表面（２６）における連続的な溝部またはエッジ部（２３、２９）によって形成される一組の平行な回折格子線（２７、３０、３１）を備えていて、各光学的回折格子の回折格子線（２７、３０、３１）は他の各光学的回折格子の回折格子線（２７、３０、３１）に対して異なる角度で延設される、光学器械。
2. 各光学的回折格子の回折格子線（２７、３０、３１）が、互いに対称に配置されている、請求項１に記載の光学器械。
3. 各光学的回折格子の回折格子線（２７、３０、３１）が、互いに等しい角度をなすように配置されている、請求項１又は２に記載の光学器械。
4. 上記基板が光学的に透過可能である、請求項１から３の何れか一項に記載の光学器械。
5. 上記基板が光学的に反射可能である、請求項１から３の何れか一項に記載の光学器械。
6. 上記基板が円柱フレネルレンズ（３２）である、請求項１から３の何れか一項に記載の光学器械。
7. 上記光学的回折格子により射出瞳アレイ（６）の複数の射出瞳（７）が部分的に重なった関係で生成される、請求項１から６の何れか一項に記載の光学器械。
8. 上記回折光学要素（２５）が、別の光学要素（２２）の表面に形成され、又は該光学要素（２２）の表面と一体となっている、請求項１から７の何れか一項に記載の光学器械。
9. 上記光学システムが、像平面（３）に物体の像を生ずる対物レンズ（１）と、射出瞳（７）にて観察され得る像の拡大された像を生ずる接眼レンズ（２）とを備えていて、射出瞳アレイ（６）が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されるように該射出瞳アレイ（６）を生成するように上記回折光学要素（２５）の光学的回折格子（２７、３０、３１）が像平面（３）において位置される、請求項１から７の何れか一項に記載の光学器械。
10. 上記光学システムが、第１対物レンズ（１０）と、第１射出瞳にて観察され得る上記対物レンズ（１０）の開口（１４）における開口像を生ずる第２接眼レンズ（１１）と、上記対物レンズと接眼レンズ（１０、１１）によって像平面（１７）に生成された像の視像を受像すると共に上記開口像を第２射出瞳（７）へ中継する光学的視野システムと、を備え、上記視像は上記第２射出瞳（７）にて観察者によって観察することができるようになっていて、上記光学的視野システムが、複数の第２射出瞳（７）から成るアレイ（６）を生ずる回折光学要素（２５）を含む、請求項１から７の何れか一項に記載の光学器械。
11. 上記回折光学要素（２５）が上記光学的視野システムの一要素（１２）の表面と一体となっている、請求項１０に記載の光学器械。
12. 光学的回折格子を形成する溝部またはエッジ部（２３、２９）の壁が、射出瞳から成るアレイ（６）の射出瞳（７）へ略均一に光エネルギーを分配するために有効な断面形を有している、請求項１から１１の何れか一項に記載の光学器械。
13. 上記光学器械が顕微鏡である、請求項１から１２の何れか一項に記載の光学器械。
14. 上記光学器械が射影顕微鏡である、請求項１３に記載の光学器械。

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