JP4785179B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、有限距離にある物体を観察および撮影する光学装置、例えば、顕微鏡等の光学装置に関するものである。

小さな昆虫や植物、鉱物の標本を観察する場合、あるいは時計や電子機器などの微小部品の欠陥等を検査する場合などで、２０倍から４０倍程度の比較的低倍率で観察しようとする場合、主として、実体顕微鏡が使われている。また、観察物体を撮影する場合、これらの顕微鏡に付随している撮影装置を用いて行われている。

実体顕微鏡は、物体を、立体的に観察するため、左右別々の観察光学系を備えており、観察光学系の配置から、平行系実体顕微鏡と内斜系実体顕微鏡に大別される。平行系実体顕微鏡は、左右の観察光学系が平行なので、観察光学系とは別に撮影光学系等の配置が容易であり、システムの拡張性に優れ、観察と同時に撮影することが可能である反面、対物レンズの構成が複雑で、装置が大型になり高価なものになる等の欠点がある。

一方、内斜系実体顕微鏡は、２つの顕微鏡を傾かせて並べた構造であり、小型化には有利である。かかる内斜系実体顕微鏡は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０００−３９５６７ しかしながら、内斜系実体顕微鏡では、基本的に、観察光学系が観察対象物体に対して斜めに配置されているため、物体に対し、垂直方向から撮影すべく撮影光学系を配置する時など、レンズ同士の干渉を避けるため、左右眼用の観察光学系の物体に対する角度（内斜角）を大きくとると、平面物体等の観察時に、視野中心以外はピントが合わないという現象が生じてしまう。

本発明は、平面物体を斜めから観察しても、全視野内で焦点位置の差を生じることの無い光学装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成とする。
即ち、結像レンズ群と、前記結像レンズ群により形成された物体像を観察するための接眼レンズを含み、前記結像レンズ群、あるいは前記結像レンズ群が含む少なくとも一部のレンズ群の光軸が、前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長した軸に対して傾いている光学系で構成される左右一対の内斜系観察光学系を具備する光学装置において、前記左右一対の内斜系観察光学系が、前記内斜系観察光学系の内斜角とは異なる方向に傾き、前記結像レンズ群、あるいは前記結像レンズ群に含まれる、少なくとも一部のレンズ群は、前記物体に向かって、前記接眼レンズの光軸を延長した軸上に回転中心を置き、前記結像レンズ群の光軸あるいは、前記結像レンズ群に含まれる少なくとも一部のレンズ群の光軸に垂直な、前記回転中心を通る直線と物体面との成す角が大きくなる方向に、傾いて配置されている光学装置とする。

本発明によれば、観察物体を斜めから観察しても、物体上の位置の差による焦点位置の差を解消し、平面物体を観察しても全視野内で焦点位置の差を生じることの無い光学装置を提供することが出来る。

以下、添付図面に基づいて、本発明にかかる実施の形態について詳述する。
各実施形態は、本発明を、観察光学系と撮影光学系を備えた、内斜系実体顕微鏡に適用した例であり、全視野に渡って焦点変動が無く、しかも装置全体を小型・軽量に纏める構成をとる。

図１は、第1実施形態の光学系構成示すものであり、第1の光学系に対応するＡは左右一対の観察光学系の一方を表しており、第2の光学系に対応するＢは、左右一対の観察光学系の間に配置された撮影光学系を表している。観察光学系Ａは、結像レンズ群２、正立光学系３、接眼レンズ群５を備えている。そして、撮影光学系Ｂと観察光学系Ａが干渉しないような角度となるように、観察光学系Ａの全体は、物体面１に対して、適切な傾きαをもって配置されている。そして、物体面１に対する観察光学系Ａの傾きαが大きくなると、ピントの合わない範囲が広がってしまう。

そこで、結像レンズ群２に、前記物体に向かって前記接眼レンズ群の光軸を延長した軸に対して適切な傾きθを与えることで、結像レンズ群２による像面４を接眼レンズ群５に対して適切な位置になるように補正している。また、結像レンズ群２を傾けることで、光軸がシフトすることによる視野のケラレが発生することがあるが、この場合は、必要に応じて結像レンズ群を光軸と垂直方向にシフトさせ、視野ずれを補償する。内斜系実体顕微鏡における、左右一対の観察光学系の視野中心と、撮影光学系の視野中心とは、眼視観察視野と撮影視野の対応をとるため、一致することが望ましいが、観察光学系Ａと撮影光学系Ｂの干渉を避けるため、視野をずらす必要が生じることがある。この場合は、観察光学系Ａと撮影光学系Ｂの、視野中心の位置関係は、式（１）を満足する範囲とすることが望ましい。

Ｚ ＜ ０．４φ （１）
Ｚ：前記内斜系実体顕微鏡の左右一対の観察光学系視野中 心と、前記第２の光学系の視野中心との距離（ｍｍ）
φ：観察視野の最大倍率時における物体面での直径
上記条件を外れると、内斜系実体顕微鏡の観察視野中心に対し、撮影光学系Ｂの視野中心のズレは、観察領域に対応した、的確な撮影ができなくなり、好ましくない。

また、結像レンズ群２を傾ける方向については、結像レンズ群２が持つ、残存収差、特に像面湾曲に大きく依存する。図４は結像レンズ群を傾ける方向を説明するものである。
図４で、１は物体面、２は結像レンズ群、５は接眼レンズ、Ｌ₅は接眼レンズ５の光軸を延長した直線、OはＬ₅上にある結像レンズ群２の回転中心、Ｌ₀は結像レンズ群２を回転させる前の状態におけるOを通って結像レンズ群２の光軸に垂直な直線、Ｌは結像レンズ群２を、結像レンズ群２の光軸を含む面内で、Oのまわりに回転させたときのOを通って結像レンズ群２の光軸に垂直な直線、β₀はＬ₀と物体面１とのなす角、βはＬと物体面１とのなす角である。

結像レンズ群２が、高度に収差補正されており、像面湾曲収差が無い場合には、結像レンズ群２を、直線Ｌと物体面との成す角βが小さくなる、β＜β₀となる方向に傾けると、結像レンズ群２による像面４を、接眼レンズ群５に対して適切な位置になるように補正し、接眼レンズ５による観察時に、焦点位置のずれに起因する観察像の悪化を補正することが出来る。

然しながら、結像レンズ群２に、像面湾曲等の収差が残存している場合、必ずしも上記方向が、補正方向とはならない。内斜系実体顕微鏡において、コストダウンや、小型・軽量化に重点を置いた設計では、結像レンズ群２は簡単な構成となり、像面湾曲収差等が残存する。この時は、直線Ｌと物体面との成す角βが大きくなる、β＞β₀となる方向に、傾けて配置することで、結像レンズ群２による像面４を、接眼レンズ群５に対して適切な位置になるように補正し、接眼レンズ５による観察時に、焦点位置のずれに起因する観察像の悪化を補正することが出来る。

条件式（２）および（３）は、結像レンズ群２の傾きを規定するものであり、物体面１に向かって接眼レンズ群５の光軸を延長した軸に対する、結像レンズ群２の傾き角は、条件式（２）および（３）を満足することが好ましいものである。

５ ＜ α ＜ ３０ （２）
−１００ ＜ （１００・ＰＳ＋θ）・α ＜ １５０ （３）
α：前記物体に向かって前記接眼レンズ群の光軸を延長し た軸の物体面に対する傾き角（単位度）
ＰＳ：前記結像レンズ群のペッツバール和
θ：前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長し た軸と、前記結像レンズ群の光軸、あるいは前記結 像レンズ群に含まれる少なくとも一部のレンズ群の 光軸との成す角（単位度）で、前記結像レンズ群、 あるいは前記結像レンズ群に含まれる、少なくとも 一部のレンズ群の傾き方向が、前記物体に向かって 、前記接眼レンズの光軸を延長した軸から、傾いて いるレンズ群の光軸に向かって測った時、時計回り を正、反時計回りを負とする。

条件式（２）は、物体面１に向かって接眼レンズ群５の光軸を延長した軸の物体面１に立てた法線に対する傾き角α（単位度）の好適な範囲を規定したものである。条件式（３）は、条件式（２）の下で、像面湾曲収差の残存指標となる、結像レンズ群２が持つペッツバール和ＰＳと、物体面１に向かって接眼レンズ群５の光軸を延長した軸に対する、結像レンズ群２の傾き角θ（単位度）の好適な範囲を規定したものである。条件式 （２）の上限を超えると、物体面に対する、観察光学系Ａの傾きが大きくなり過ぎ、本発明により結像レンズ群を傾けても、充分に観察像の悪化を抑える効果を得ることが出来ない。一方、下限を超えると、撮影光学系Ｂを配置するための空間を確保することが出来ない。そして、条件式（３）の範囲外では、補正過剰となってしまい、観察像は、かえって悪化してしまう。そして、この条件式（３）に関しては、
−５０ ＜ （１００・ＰＳ＋θ）・α ＜ １２０
とすることで、より望ましい補正を達成することが出来る。

また、結像レンズ群２の構成は、複数のレンズ群から成る構成とし、像面湾曲を高度に補正したものや、２群以上に分割し、レンズ間を平行系とするものも考えられる。結像レンズ群がこのような構成を採る場合は、結像レンズ群による像面補正は、結像レンズ群の全体を傾けても良いし、収差的にも最良となるよう、結像レンズ群の一部を傾けても同様の効果を得ることが出来る。なお、この場合でも、条件式（２）および条件式（３）は有効範囲を定めることに変わりはない。

更に、本実施形態では、観察光学系Ａに含まれる結像レンズ群２は、条件式、
０．０２５ ＜ ＮＡ ＜ ０．１６ （４）
ＮＡ：前記結像レンズ群の物体側の開口数
を満足することが望ましい。この条件式の上限を超えると、結像レンズ群のＮＡが大きくなり、必然的にレンズ系自体が大型化し、内斜系実体顕微鏡で必要とする内斜角（１２°程度）を保ちつつ、結像レンズのワーキングディスタンスを充分に確保することが出来なくなり、作業を行う上で不便である。逆に、下限を外れると、結像レンズのＮＡは不足し、充分な明るさが得られず、観察像が暗くなってしまうと共に、解像力も低下し好ましくない。

次に、撮影光学系Ｂについて説明する。撮影光学系Ｂは、撮影レンズ６、リレーレンズ８、カメラ等の撮影装置９から構成される。物体１の像は、撮影レンズ６により中間像７として一旦結像され、中間像７の位置に焦点を持つ、リレーレンズ８により、撮影装置９へと導かれる。撮影装置９は、着脱可能となっており、必要な時に、ディジタルカメラ等を取り付けて撮影できるようになっている。

撮影光学系については、撮影物体に対して、なるべく垂直方向から撮影できるように配置するのが好ましい。これは、斜めからの撮影では、撮影した際に、撮影された像に歪や非対称が発生するなどの不都合が生じるためである。また、前記観察光学系Aにおけると同様に、物体面上での位置の差により焦点位置に差が生じ、満足な撮影結果を得ることが出来ない。然しながら、物体面上での位置の差により焦点位置に差が生じることによる撮影像の悪化に対しては、観察光学系Aにおけると同様に、撮影レンズ群の全体、または一部を偏芯（回転および光軸と垂直方向へのシフト）させることにより、補償することが可能である。また、当然、撮影像の歪や非対称が、使用目的に照らして、許される範囲であれば、撮影光学系Ｂは、物体面に対し傾けた配置としてもかまわない、本実施形態では、眼視観察よりも撮影画像を優先させて、撮影光学系Ｂは、物体面に対し、垂直に配置している。更に、撮影装置９を取り外した状態であれば、撮影光学系Ｂをそのまま眼視観察系としても利用できる。

図２は、第２実施形態を示す。本実施形態の場合、より小型・軽量化を図るため、撮影光学系Ｂは、撮影レンズ群６のみで構成されており、撮影装置９に光学系は無く、物体１の像を直接撮影装置９の撮像面に形成させ、撮影を行う。

図３は、第３実施形態を示す。本実形態の場合、観察光学系Ａに含まれる結像レンズ群２は、レンズ群２Ａおよびレンズ群２Ｂの２つの群で構成されている。また、この場合、レンズ群２Ａとレンズ群２Ｂの間は平行系とし、各レンズ群の負担を分担し、収差的に安定なレンズ系としている。本実施形態では、観察光学系Aにおける像面補正は、レンズ群２Ｂを傾けることにより、達成している。

以上、各実施形態の説明を行ったが、各レンズ群や、正立光学系の方式など、本発明の実施形態に限定されるものではない。

第１実施形態の構成図 第２実施形態の構成図 第３実施形態の構成図 結像レンズ群の回転方向説明図

符号の説明

Ａ 観察光学系
Ｂ 撮影光学系
１ 物体面
２ 結像レンズ群
３ 正立光学系
４ 観察光学系における物体の中間像
５ 接眼レンズ
６ 撮影レンズ群
７ 撮影光学系における物体の中間像
８ リレーレンズ
９ 撮影装置

Claims (7)

1. 結像レンズ群と、前記結像レンズ群により形成された物体像を観察するための接眼レンズを含み、前記結像レンズ群の光軸あるいは、前記結像レンズ群が含む少なくとも一部のレンズ群の光軸が、前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長した軸に対して傾いている第１の光学系で構成される左右一対の内斜系観察光学系を具備する光学装置において、前記左右一対の内斜系観察光学系が、前記内斜系観察光学系の内斜角とは異なる方向に傾き、
   前記結像レンズ群、あるいは前記結像レンズ群に含まれる、少なくとも一部のレンズ群は、前記物体に向かって、前記接眼レンズの光軸を延長した軸上に回転中心を置き、前記結像レンズ群の光軸あるいは、前記結像レンズ群に含まれる少なくとも一部のレンズ群の光軸に垂直な、前記回転中心を通る直線と物体面との成す角が大きくなる方向に、傾いて配置されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記第１の光学系とは別に、前記第１の光学系と同一物体を観察または撮影する為の第２の光学系を具備し、前記第２の光学系は、前記第１の光学系とは独立した光路を持つことを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１の光学系により構成される、前記左右一対の内斜系観察光学系視野中心と、前記第２の光学系の視野中心とは、以下の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
   Ｚ ＜ ０．４φ （１）
   Ｚ：前記左右一対の内斜系観察光学系視野中心と、前記第２の光学系の視野中心との距離（ｍｍ）
   φ：観察視野の最大倍率時における物体面での直径
4. 前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長した軸に対する、前記結像レンズ群あるいは前記結像レンズ群に含まれる少なくとも一部のレンズ群の傾き角は、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。
   ５ ＜ α ＜ ３０ （２）
   −１００ ＜ （１００・ＰＳ＋θ）・α ＜ １５０ （３）
   α：前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長した軸の物体面に対する傾き角（単位度）
   ＰＳ：前記結像レンズ群のペッツバール和
   θ：前記物体に向かって前記接眼レンズの光軸を延長した軸と、前記結像レンズ群の光軸、あるいは前記結像レンズ群に含まれる少なくとも一部のレンズ群の光軸との成す角（単位度）で、前記結像レンズ群あるいは前記結像レンズ群に含まれる、少なくとも一部のレンズ群の傾き方向が、前記物体に向かって 、前記接眼レンズの光軸を延長した軸から、傾いているレンズ群の光軸に向かって測った時、時計回りを正、反時計回りを負とする。
5. 前記結像レンズ群は、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学装置。
   ０．０２５ ＜ ＮＡ ＜ ０．１６ （４）
   ＮＡ：前記結像レンズ群の物体側の開口数
6. 前記第１の光学系により構成される、前記左右一対の内斜系観察光学系は、左右各々の光学系に正立光学系を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記光学装置が具備する前記第２の光学系は、後方に着脱可能な撮影装置を取り付けることにより物体を撮影することが出来ることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の光学装置。