JP4768194B2 - 拡大された射出瞳を備えた光学機器及び光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は光学機器に関し、とりわけ、本発明は、観察者が対象の像をそこで見ることができる射出瞳を有する光学機器に関する。
【０００２】
従来の技術
従来の光学機器においては、射出瞳の寸法は、光学機器の穴の数と器具の増幅度全体の関数によって決定され、それゆえ、射出瞳の寸法は、不変で比較的に小さな寸法である。したがって、観察者が適切に像を見るために又は光学機器からの光を受け取るために、観察者は自身の眼の入射瞳を光学器具の射出瞳と正確に整列させることが必要である。
【０００３】
欧州特許出願第９４９０５７７７．２号には、観察者自身の眼の瞳孔を拡大された射出瞳内の任意の位置に位置させることによって、光学装置から像又は光を自由に受け取ることができる、拡大された射出瞳を備えた光学装置が開示されている。拡大された射出瞳は、光学機器の中間の焦点平面又は像平面に位置する回折素子を設けることによって得られている。回折素子は、基板の表面に平行な複数の第一溝部を有する基板と、第一の回折格子の線に一致しかつ線を形成する第一の溝部の縁と、第一溝部と直角に延びている、基板の面における平行な複数の第二溝部と、第一の回折格子の線に一致しかつ線を形成する第二溝部の縁とを備えている。欧州特許出願第９４９０５７７７．２号に記載されているように、回折素子の構成は、拡大された射出瞳を生成する一方、拡大された射出瞳の範囲にわたる光エネルギ分布は一様でないということが見出される。光エネルギは、拡大された射出瞳の中央領域において最大エネルギレベルを有し、かつ中央領域から拡大された射出瞳の周縁に向けて離間した位置において低減する一定エネルギを有する。さらに、必要な拡大された射出瞳の範囲にわたったより一様なエネルギ分布を生成するために回折素子が構成されている場合には、大きな光エネルギが拡大された射出瞳の必要範囲を越えており、このエネルギは使用されず、無駄である。
【０００４】
本発明の一態様によれば、観察者の見る光学像を生成する手段を有する光学機器は、光学機器の中間の焦点平面又は像平面に位置する回折素子を有し、光学機器の光学軸線の横断方向に互いに関して離間した複数の射出瞳の組み合わせからなる拡大された射出瞳を有効に生成する複数の領域のパターンを備えている。
【０００５】
本発明の第二の態様によれば、光学機器において使用するための回折素子は、前記回折素子を通過する又は前記回折素子によって反射させられた光の回折干渉を有効に生成する複数の領域のパターンを備え、前記光学機器の光学軸線の横断方向に互いに関して配置された複数の射出瞳の組み合わせからなる拡大された射出瞳を生成する。
【０００６】
本発明の実施例は、ここで添付図面を参照して例として記載されている。
【０００７】
発明の実施の形態
図１を最初に参照すると、顕微鏡は、対物レンズ１と、光学軸線３上に整列された接眼レンズ２とを有する。対物レンズは、目標平面５上の対象の焦点面又は像平面４において中間像を生成する。観察者の眼が射出瞳６と整列される時、中間像及び対象物の拡大像が見られうる。伝達回折素子７が顕微鏡の中間の焦点面又は像平面４に位置する。回折素子７がない場合、比較的に小さな射出瞳が位置６において生成される。しかしながら、回折素子が多数の射出瞳を、互いに関して軸線３の横断方向に位置する位置６において有効に生成する。組み合わせて、相対的に配置された多数の射出瞳は、回折素子７がない場合に形成される射出瞳よりも横断方向範囲が大きな拡大された射出瞳を形成する。
【０００８】
望ましい場合には、対物レンズの穴を開口絞り８で形成することができる。開口絞り８を円形とすることができ、射出瞳も円形とすることができる。しかしながら、開口絞りは、非円形、例えば矩形、四角形又は六角形としうる。組み合わせて拡大された射出瞳を形成する複数の射出瞳は、それぞれ、開口絞り８に対応する形状で形成されている。互いに関する射出瞳の横断方向変位と、複数の射出瞳の各々の光エネルギは、拡大された射出瞳の範囲にわたる光エネルギ分布を決定する。拡大された射出瞳は、一つの連続した拡大された射出瞳のように観察者に見えることが望ましい。さらに、射出瞳が顕微鏡の光学軸線３に横断して配置され、複数の射出瞳の各々における光エネルギが、拡大された射出瞳の範囲にわたる必要な光エネルギ分布を形成することが望ましい。通常、拡大された射出瞳の必要範囲にわたる光エネルギ分布はほぼ一様であり、拡大された射出瞳の必要な範囲の周縁において、光エネルギが比較的に鋭く低下し、拡大された射出瞳の要求された範囲以外において微小レベルの光エネルギがあることが望ましい。しかしながら、望まれる場合には、光エネルギ分布は、拡大された射出瞳の中央に位置する領域において最大に上昇し、それにより、観察者が拡大された射出瞳の中心と整列された眼の位置に向けて引かれるのに役立つ。
【０００９】
図２をここで参照すると、回折素子６は、顕微鏡の軸線３に横断して延びている表面１０を有する基板９を有する。複数の領域１２のパターン１１が表面１０に形成されている。回折素子を貫通する光は、領域１２の存在により、回折干渉を受け、その結果、回折素子がない場合に形成される比較的に小さな射出瞳の代りに、拡大された射出瞳を組み合わせて形成する、相対的に横断配置された複数の射出瞳が形成される。領域１２のパターン１１は、基板の面１０全体を横断して延び、又はパターンが面の一部で延びて面１０の残りで反復される。
【００１０】
図示のためだけに、矩形領域及び異なる寸法の領域が図２に示されている。しかしながら、領域１２は同じ又は同様な寸法及び形状としうる、又は、領域１２は、回折素子を通過する光が、拡大された射出瞳を組み合わせて形成する複数の射出瞳のフォーメーションを結果として生じるように回折される場合に、パターン１１における所定の位置に位置する、異なる所定形状及び寸法としうるということが理解されうる。回折素子のさらなる必要条件は、射出瞳の相対変位と、拡大された射出瞳を形成する各射出瞳における光エネルギは、拡大された射出瞳の必要な範囲を横断する、必要な光エネルギ分布を結果として生じるということである。矩形であり、かつ相互に垂直な二つの方向に延びている線形の辺によって形成されている領域が図２に示されている。しかしながら、この領域は、非線形の辺によって形成された異なる形状としうる、すなわち、辺を円弧状とすることができ、必要な光エネルギ分布を有する、拡大された射出瞳の必要範囲を提供するように、辺は二つ以上の方向に延びうるということが理解される。
【００１１】
領域１２は、二次元で、面１０上又は面１０に直に隣接して延びるように形成することができる。二次元領域は、インクパターンの堆積によって、又は露出と次なる光化学作用フォトレジストの展開によって形成することができる。あるいは、領域は、図３に示すように、領域１２が面１０の残りから所定の高さ延びている突起であるように、又は、領域が面１０の残りの下の所定の深さにある凹所であるように、三次元に形成してもよい。
【００１２】
領域１２のパターンを種々の方法で形成することができる。例えば、領域のパターンは、基板９の表面１０上で堆積した光化学作用フォトレジストにレーザの波面の干渉をホログラフ式の露出によって形成することができる。領域１２を形成する別の例は、電子ビームを使用した光化学作用フォトレジストへのフーリエ変換パターンの直接的な書き込みによるものである。露出した後、フォトレジストが展開されて領域１２の必要なパターンを生成する。
【００１３】
領域１２を形成する方法の例を前述したが、これらは例として記載され、本発明をこれらの特定の方法による領域の構成に限定するとは考えられないということが理解される。
【００１４】
異なる複数の波長の光を備えている複色光が回折素子によって作用される時、光の回折は光の波長に依存するということが認識される。しかしながら、顕微鏡と複色光を使用した他の光学機器を操作することがしばしば望ましい。相対的に配置された複数の射出瞳の構成は、観察される色ぶち現象を低下させ、観察者が観察する像を改良する。さらに、複数の射出瞳の重なりにより、色ぶち現象を相殺し、それにより、観察される色ぶちを低減する。
【００１５】
アレイの射出瞳からなる拡大された射出瞳を生成するように、回折素子を使用した他の形態の光学機器について図４〜７を参照しつつここで説明する。
【００１６】
図４は、対物レンズ２０と、投射接眼レンズ２１と、視野レンズ２２、２３とを有する射影顕微鏡を示している。この構成の射影顕微鏡において、投射接眼レンズは、対物レンズ２０の穴、又は、設けられている場合には開口絞り２４の穴を映し、中間平面２５において中間射出瞳を形成する。視野レンズ２２、２３は、中間平面２５における中間の射出瞳の像を、観察者用の位置２６における最後の射出瞳へ中継する。対物レンズ２０及び投射接眼レンズ２１は、対象平面２８における対象の視野レンズ２２、２３の中間にある平面２７において像を形成する。伝達回折素子２９は、位置２６において拡大された最後の射出瞳を形成するように、中間平面２５において中間の射出瞳の複数の像を生成するべく平面２７上に配置されている。
【００１７】
図５は、さらなる実施例の射影顕微鏡を示す。図１に示す顕微鏡中の伝達回折素子や図４に示す射影顕微鏡中の伝達回折素子において像を形成する代りに、反射回折素子において像を形成する。一つの視野レンズ３１と反射素子３２は、鏡３４を介して観察者の眼３３で見るための像を形成するために設けられている。回折素子３５が反射素子３２の面に隣接して設けられている。回折素子３５は、図５に示しているように、別個の素子としうる。又は、回折素子３５を反射素子３２と一体として反射素子３２の反射面上に形成することができる。視野レンズ３１及び平面鏡３２の代りに、図６に示しているように、凹状部分球面状反射素子４０を設けることができる。回折素子４１を凹状反射素子４０と一体として反射素子４０の部分球面凹状面上に形成することができ、回折素子４１は、反射素子４０の湾曲した面の形態を有する。
【００１８】
したがって、本発明は、付随した視野レンズ又は鏡系と共に、反射回折手段又は屈折回折手段によって生成する、光学機器の中間像平面に位置する光学回折素子を有する光学機器を提供し、複数の射出瞳が拡大された射出瞳を組み合わせて観察者の眼のための視位置において形成するということが理解される。
【００１９】
望まれるならば、図４に示しているように、屈折視野レンズを使用する代りに、フレネルレンズを設けることができ、回折素子を形成する領域のパターンがフレネルレンズの表面に形成されうる。したがって、図７に示すように、一つの光学素子５２は、相対的に配置された複数の射出瞳を生成するように視野レンズ系及び回折素子の機能を実施することができ、拡大された射出瞳を位置２６において形成する。
【００２０】
通常、回折素子が光学機器の他の光学素子に関して静止したままであるということが認識される。しかしながら、いくつかの例では、例えば、回折素子のその素子の平面に直角な軸線回りの回転によって、又は、回折素子のその中心軸線回りの回転によって、光学機器の他の光学素子に関して回折素子を移動させることが望ましい。電気モータと、モータから回折素子への駆動伝達とを設けることによって以上のように回転させることができる。
【００２１】
前述において、本発明について顕微鏡に関して記載したが、本発明を顕微鏡に限定せず、本発明は、他の形態の光学機器又は装置において、拡大された射出瞳を生成するために使用することもできるということが理解される。
【００２２】
前述のように、回折素子は別個の素子としうる、あるいは、光学装置のレンズ又は鏡などの別の光学素子と一体に形成することができる。回折素子がレンズ又は鏡などの別の光学素子と一体に形成される時、他の光学素子は回折素子の基板に作用し、領域のパターンが他の光学素子の表面上に形成されている。
【００２３】
レンズ、鏡又は他の光学素子について説明すると、このような光学素子は、一つの光学素子、又は、組み合わせた光学素子からなる複合の光学素子を備えうるということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回折素子を組み込んだ顕微鏡の光学素子を示している。
【図２】 回折光学素子の表面の一部の平面図である。
【図３】 図２の線３−３上の回折素子の断面図を示している。
【図４】 伝達回折素子を使用している射影顕微鏡の光学素子を示している。
【図５】 反射回折素子を使用している別の形態の射影顕微鏡を示している。
【図６】 図５において示す別の構成の射影顕微鏡を示している。
【図７】 フレネルレンズ系と回折アレイの組み合わせを使用している射影顕微鏡の光学素子を示している。

Claims (11)

1. 観察者が見る光学像を生成するための光学機器において、
   前記光学機器は、前記光学機器の中間の焦点平面又は像平面（４；２７）に位置する回折素子（７；２９；３５；４１；５２）を有し、
   前記回折素子（７；２９；３５；４１；５２）は、前記回折素子（７；２９；３５；４１；５２）を通過する又は前記回折素子（７；２９；３５；４１；５２）によって反射させられる多色光の回折干渉を有効に生成する、分離された複数の領域（１２）のパターン（１１）の複数の繰り返しを備え、
   前記複数の領域（１２）は、異なる寸法及び形状である領域を有し、
   前記複数の繰り返しは、全範囲にわたって実質的に一様な光強さ分布を有する、連続した一つの拡大された射出瞳のように観察者に見えるべく、前記光学素子の光学軸線（３）の横断方向に互いに関して離間した複数の射出瞳を生成するように構成されている、光学機器。
2. 前記複数の領域（１２）の中の領域は二次元である請求項１に記載の光学機器。
3. 前記複数の領域（１２）の中の領域は三次元である請求項１に記載の光学機器。
4. 前記複数の領域（１２）の中の領域は突起を備えている請求項３に記載の光学機器。
5. 前記複数の突起は一定高さで延びている請求項４に記載の光学機器。
6. 前記複数の突起は２つ以上の高さで延びている請求項４に記載の光学機器。
7. 前記複数の領域（１２）の中の領域は複数の凹所を備えている請求項３に記載の光学機器。
8. 前記複数の凹所は一つの深さを有する請求項７に記載の光学機器。
9. 前記複数の凹所は２つ以上の深さを有する請求項７に記載の光学機器。
10. 前記パターンの複数の繰り返しにより、前記複数の射出瞳が重なる請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学機器。
11. 光学素子（２２、２３；３１、３２；４０；５２）を有し、前記回折素子（２９；３５；４１；５２）は、前記光学素子（２２、２３；３１、３２；４０；５２）の表面上に形成される又は前記表面と一体にされている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学機器。

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