JP5066350B2 - グリノー式実体顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に係るグリノー式に基づく実体顕微鏡（実体顕微鏡）に関する。さらに詳細には、本発明は、それぞれ第１のビーム経路および第２のビーム経路を画定する第１の単眼顕微鏡および第２の単眼顕微鏡を備えるグリノー式実体顕微鏡に関する。

実体顕微鏡は、一方では目視観察下で物体を操作するため、および他方では細かい物体の詳細を目に見えるようにするために用いられる。物体の操作は、低倍率下で行うことが好ましく、良好な三次元再生を必要とする。詳細を認識するために、機器を変更することなく、高解像度の高倍率に迅速に切り替えることが所望される。

グリノー式実体顕微鏡については、文献でさまざまな箇所に記載されている。非特許文献１も参照のこと。そこに記載されているように、これらの顕微鏡は、互いに対して傾斜された２つの単眼顕微鏡からなる。従来技術によれば、これらの２つの顕微鏡は、物体の平面の垂線に対して対称に構成される。グリノー式実体顕微鏡は、異なる観察角からの物体の２つの視像を提供し、視像のそれぞれが１つの眼に供給されることによって三次元画像の印象を与える。２つの観察方向の間の角度が大きすぎる場合には、物体の横方向のエッジは焦点が外れているように見える。

２つの顕微鏡の間の角度（収束角と呼ぶ）は通常、１０°〜１２°の範囲にある。２つの顕微鏡の光軸は斜角で物体に当たるため、大きな収束角が物体のエッジの焦点の合った再生には弊害となり、三次元画像への２つの部分画像の統合を難しくする。従来の構成では、開口部の円錐を画定するレンズが互いに通すことができないため、個別の顕微鏡の開口数は、収束半角によって上向きに制限される。作動距離が相当減少する場合に限り、実際にアタッチメントレンズによって開口数を増大する可能性がある。同時に、物体端部における観察角が増大され、物体のエッジの再生に関して上述した望ましくない結果となる。

特許文献１から非対称な立体視光学内視鏡が周知であり、この内視鏡では異なる直径の入射瞳を有する２つの対物レンズ系が互いに平行に並置されている。２つの対物レンズは、光導波路によってセンサ面の上に物体の画像を生成する。たとえば、これらのＣＣＤセンサから、画像データがディジタル処理後にモニタに伝送される。すなわち、たとえば立体視モニタを用いて、データを三次元で認識することができる。２つの内視鏡の光路の異なる直径にもかかわらず、観察者はより大きな直径の光路に決定されるような解像度および輝度によって立体視画像を認識することが記載されている。より小さな直径の第２の光路は、主に三次元の視覚を生成するのに機能する。

上述したような構成のグリノー式実体顕微鏡における状態は、特許文献１による内視鏡の場合とは根本的に異なる。第一に、物体は、事前のディジタル処理を行うことなく、一般に（少なくとも補足的に）目で直接行う。さらに取り付けられたカメラによって文書化が行われることになっている場合にも、そのようなディジタル処理を用いる、または用いてもよい。さらに、立体視光路または顕微鏡は互いに対して平行ではなく、互いに対して指定の収束角で配置される。上記の特許文献１からは、開示された配置構成では物体を視覚によって直接どのように目視することができるかについて明らかになっていない。さらに、１つのセンサ面の上への結像（固定焦点）は、目の調節能力が低下されるため、画像の焦点深度を制限する。

内視鏡の倍率は、物体の距離に左右される。高倍率では、物体の距離は一般に短い。この場合には、２つの隣接する対物レンズの視野の間の重なる領域は小さい。したがって、この場合には、重なる領域において唯一可能である立体視が制限される。他方、低倍率では重なりが大きいが、開口数が小さく、深い焦点深度を生じる。このことは、三次元物体の画質は焦点平面からの距離と共に徐々にだけ劣化することを意味する。この事実は、特に、物体の深さが焦点深度より短い場合には、２つの部分画像の１つの三次元画像への統合を支持する。

記載した種類の実体顕微鏡の主な構成要素は、２つの立体視光路における倍率の同期調整の場合には、倍率を非連続的に調整するための対物レンズの変倍装置、または倍率を連続的に選択するためのズーム系（可変系（Ｖａｒｉｏ−Ｓｙｓｔｅｍ）の形の対物レンズとしても知られている）である。この種の倍率系は、内視鏡検査では一般的ではない。したがって、上述の特許文献１は、結像のスケールの変更については記載していない。

立体視観察の場合には、焦点深度は重要である。上述の立体視内視鏡に比べて、グリノー式高パワー実体顕微鏡は、目の調節能力を有利に用いる。倍率は、機器の焦点を変えることなく変更される。倍率範囲全体にわたって、右側部分画像と左側部分画像との間で物体の空白域に差はない。実体顕微鏡の開口数、したがって解像度は、倍率に適合され、無効倍率または空倍率を防止する。この種の配置構成では、高倍率で、焦点深度はきわめて浅く、多くの場合には、物体の深さより浅い。したがって、三次元物体の結像画質は、焦点平面からの距離と共に急激に劣化する。したがって、異なる開口数の結果として、立体視光路が異なる解像度および焦点深度の画像を提供する場合には、通常、低倍率および深い焦点深度で立体視内視鏡において観察される１つの三次元画像への部分画像の統合を、特に高倍率の高パワーの顕微鏡において主流である状態を移行させることができると想定することはできない。

さらに、無視することができない別の態様は、画像の輝度の態様であって、これは上記の特許文献１では、内視鏡光路の入射瞳の直径が異なるために画像輝度が変化する。ここでは、ディジタル画像処理には、適切な補正後に、等しい輝度でモニタに両方の部分画像を表示することができるという利点がある。実体顕微鏡などにおける直接目視観察の場合には、このような補正は可能ではない。

特許文献２から内視鏡として用いられることになっている体細胞顕微鏡が周知である。この顕微鏡は、グリノー式実体顕微鏡として設計されている。２つの立体視光路は互いに対して所与の受光角で配置され、それぞれが、それ自体の対物レンズを備える。この場合には、対物レンズは、ミニレンズ、ロッドレンズまたはガラスファイバの端部部分として構成される。特許文献２における体細胞顕微鏡に内在する問題点は、用いられる対物レンズがレンズの組み合わせであり、特に高倍率下で作業が行われることになっている場合には、球面収差が増大するために１つの対物レンズを使用することが不可能であるために、２つの対物レンズが用いられるときに、これらの対物レンズを互いに所望である程度に近くに配置することができないという事実に基づいている。したがって、上記の特許文献２の目的は、狭い内視鏡の直径を可能にすると同時に、高倍率を達成する配置構成を見つけることにある。

別の立体視内視鏡は、特許文献３から周知であり、互いに対して平行に配置される２つの光路を有し、光路の一方は照射用に用いられ、他方は観察用に用いられる。立体視画像の立体感を生成するために、２つの光路はたとえば、モータ式のプリズムを用いて、毎秒３０回切り替えられる。

米国特許第５，６０３，６８７号明細書 米国特許第３，６５５，２５９号明細書 米国特許第４，８６２，８７３号明細書 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ Ｓｔｅｒｅｏｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ」、Ｋ−Ｐ．チィンマー（Ｋ−Ｐ．Ｚｉｍｍｅｒ）著、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９８、ＳＰＩＥの予稿集、第３４８２号、６９０〜６９７頁、（１９９８）

本発明の目的は、従来の設計のグリノー式実体顕微鏡に比べて、収束角の増大、したがって構成体積の増大ももたらすことなく、改良した詳細認識を伴うグリノー式実体顕微鏡を提供することにある。

本目的は、請求項１の特徴を有するグリノー式実体顕微鏡によって達成される。有利な実施形態は、従属項および以下の説明から明白となる。

第１の顕微鏡の第１のビーム経路における少なくとも１つの光学素子が、第２の顕微鏡の第２のビーム経路における少なくとも１つの対応する光学素子に比べて異なる光学的有効径を有する場合に好都合である。「光学的有効径」とは、貫通する光学素子に当たるときに、画像生成に寄与する光線束を表す直径を意味する。

ここで、一方では開口数の小さい結果として低倍率で深い焦点深度を有し、良好な三次元再生を可能にし、他方では高倍率で開口数が大きく、したがって、無効倍率または空倍率を生じることなく高解像度を提供する（詳細の認識を増大することなく、すなわち同一の解像度で倍率を上昇させる）本発明による実体顕微鏡を提供することが可能である。さらに、収束角、したがって構成体積を増大することなく、従来の構成の実体顕微鏡に比べて、詳細の認識を向上することができる。

第１の望遠鏡および／または第２の望遠鏡の光学素子は、レンズ素子または絞りである。第１の望遠鏡および第２の望遠鏡の少なくとも１つの倍率設定または１つのズーム範囲に関して、好ましくは高倍率で第１の顕微鏡の開口数は、第２の望遠鏡の開口数より少なくとも１０％、特に１０％〜５０％大きい。第１の顕微鏡および第２の顕微鏡の最大倍率設定で、第１の顕微鏡の開口数は第２の望遠鏡の開口数より１０％超、特に１０％〜５０％大きいことが好都合である。

したがって、第２の顕微鏡の開口数が収束半角の正弦より対応して小さいように選択される場合には、収束角を変更せずに維持すると同時に、第１の顕微鏡の開口数は収束半角の正弦より大きく構成することができる。したがって、本発明によって、実際に用いられる顕微鏡の開口数に関する収束半角の制限を今度は排除することができる。

本発明によるグリノー式実体顕微鏡において、２つの顕微鏡または物体の平面の垂線に対して固定される顕微鏡によって固定される光軸の配置には、種々の可能な方法がある。一方では、垂線が対称に収束角を対称に分割する配置構成、すなわち収束角を半分にする配置構成（「対称な配置構成」）が可能であり、他方では、垂線が収束角を非対称に分割してもよい配置構成（「非対称な配置構成」）が可能である。

第１の顕微鏡の光軸および第２の顕微鏡の光軸が物体平面における垂線に対して対称に配置されるのであれば、特に好都合である。この対称な配置構成は、射出瞳が物体の上の同一の高さにあり、したがってユーザが頭を横に曲げることなく見ることができ、したがって、頭の人間工学に基づかない位置を避けることができるという利点がある。この配置構成では、より深い焦点深度を有する光路もまた、全体的に見て認識される焦点深度を向上する。

最初に、顕微鏡の直径を増大する場合、空間に関する理由から垂線に対してより小さな角度でこの顕微鏡を配置し、収束角が変わらないことになっている場合には、垂線に対して対応してより大きな角度で他方の顕微鏡を配置することは明白であると思われる。垂線に対してより小さな角度は、より大きな開口数、したがってより浅い焦点深度の顕微鏡では、エッジの解像度の欠如を相殺するのに対し、より深い焦点深度のために、他方の顕微鏡の場合にはより大きな角度が許容可能である。しかし、結果として生じる非対称な配置構成は、結果として生じる人間工学に基づかない目視位置のために、独特の欠点を有する。

同様に、垂線に対してより大きな角度で大きな直径の顕微鏡を配置し、他方の顕微鏡を対応して垂線に対してより近くに移動することは明白であると思われることから、物体に面する２つの顕微鏡のレンズの特定の集合は垂線で互いに（概ね）接触する。この同様に非対称な配置構成は、垂線からの角度が大きくなると、より大きな開口数の顕微鏡のエッジ付近の解像度の欠如が生じやすいという不都合がある。さらに、より大きな角度で生じるこの顕微鏡の焦点深度の減少が不都合である。最後に、人間工学に基づかない目視位置の欠点も依然として残っている。

しかし、顕微鏡の光軸および垂線の間の角度が調整可能であるように、一定の収束角を有する２つの顕微鏡を備えるユニットを取り付けることは好都合である場合がある。たとえば、より大きな光学的有効径を有する顕微鏡が他方の顕微鏡より垂線に対して小さな角度であるように、ユニットを傾斜してもよい。この調整は、特により大きな光学的有効径を有する顕微鏡が文書化目的に用いられる場合に、エッジにおける解像度の欠如を緩和することから好都合である。

より大きな開口数を有する第１の顕微鏡のビーム経路に少なくとも１つのフィルタを位置決めすることができれば好都合である。これは、第１のビーム経路と第２のビーム経路との間の輝度の適合を生じる結果となる。ここでは、フィルタは、面全体にわたって一様であるフィルタとして設計されてもよい。さらに、フィルタはまた、段階的フィルタとして設計されることもできる。この場合には、倍率に左右される輝度の変化は、フィルタを移動することによって補償することができる。フィルタの移動または変更および一般に位置決めは、特に選択された倍率に応じて手動または自動的に行われてもよい。

顕微鏡の倍率は、倍率を連続的に変更するためのズーム系を有利に用いて、等しくかつ同期して調整される。

より大きな開口数を有する第１の顕微鏡のビーム経路に分離デバイス（decoupling device）を配置し、このビーム経路から文書化デバイスに少なくとも部分的に光を向けてもよい。文書化目的のために、より大きな開口数、したがって解像度を有するビーム経路が用いられる。

本発明のさらに好都合な実施形態については、従属項および以下の具体的な実施形態で分かる。本発明の特徴は、ここに示された組み合わせのほか、他の組み合わせまたは本発明の範囲を逸脱することない独自の組み合わせにおいて実現することができる。

図において、本発明の主題は概略的に示され、図に基づいて以下に記載される。

図１は、従来技術によるグリノー式実体顕微鏡６０の斜視図である。実体顕微鏡６０は基部７１を備え、焦点調節支柱７２が基部７１に固定される。焦点調節アーム７３は焦点調節支柱７２に移動可能に取り付けられ、両矢印Ａ−Ａに沿って調節素子７４によって焦点調節支柱７２を変位されことができる。実体顕微鏡６０は、双眼鏡筒６５およびズーム系（図２参照）を有する。ズーム系は、調節素子７８によって調節することができる。ズーム系を連続的に動作させるのではなく、倍率を非連続的に変更する対物レンズ変倍装置を設けてもよい。

図２は、従来技術によるグリノー式実体顕微鏡７の光学設計の概略図である。グリノー式実体顕微鏡７は、第１の単眼顕微鏡２Ｒおよび第２の単眼顕微鏡２Ｌから構成される。２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌは、両方の顕微鏡２Ｒおよび２Ｌが同一の焦点１１を有するように対称に構成される。焦点１１は、物体平面１にある。検査対象の物体１ａもまた、物体平面に位置している。焦点１１で物体平面１における垂線１２は、グリノー式実体顕微鏡の対称軸を表す。第１の顕微鏡２Ｒは、第１の光軸２１Ｒを画定する。第２の顕微鏡は、第２の光軸２１Ｌを画定する。２つの顕微鏡２Ｒまたは２Ｌの２つの光軸２１Ｒおよび２１Ｌは、角度１０、すなわち収束角を包囲し、この角度は１０°〜１２°であることが好ましい。

２つの顕微鏡２Ｒまたは２Ｌは、それぞれ倍率系としてズーム系２６Ｒおよび２６Ｌを有することが好ましい。ズーム系２６Ｒ、２６Ｌは、たとえば、Ｗ．クライン（Ｗ．Ｋｌｅｉｎ）著、「Ｅｉｎｉｇｅ ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ ｚｕ Ｖａｒｉｏ−Ｓｙｓｔｅｍｅｎ」、Ｊａｈｒｂｕｃｈ ｆｕｅｒ Ｏｐｔｉｋ ｕｎｄ Ｆｅｉｎｍｅｃｈａｎｉｋ １９７２、Ｐｅｇａｓｕｓ、Ｗｅｌｚｌａｒ、３３〜６４頁の論文の８．８．３節の図１３の右側に開示されているように、正の屈折力を有する２つの群およびその間に配置され、負の屈折力を有する群からなる。これはまた、ズーム群の移動も示す。各顕微鏡２Ｒまたは２Ｌにおいて、対称な反転器系３Ｒまたは３Ｌが正立像のために設けられる。顕微鏡２Ｒまたは２Ｌおよび反転器系３Ｒまたは３Ｌは、正立中間画像４Ｒまたは４Ｌを生成し、その下流に接眼レンズ５Ｒおよび５Ｌがそれぞれ配置される。ユーザは、眼６Ｒおよび６Ｌで物体の像を検出する。

この種のグリノー式実体顕微鏡７による再生が、いずれも焦点１１から発している第１のビーム経路２０Ｒおよび第２のビーム経路２０Ｌの周辺ビーム２２Ｒおよび２２Ｌの概略図によって示される。周辺ビーム２２Ｒおよび２２Ｌは、グリノー式実体顕微鏡７によって用いられる２つの照射光束の限界を識別する。２つの顕微鏡２Ｒまたは２Ｌは貫通するように用いることが不可能であるため、顕微鏡２Ｒまたは２Ｌの開口数ｎＡは収束半角ｎＡＲ（＝ｎＡＬ）によって制限される。

高パワーのグリノー式立体顕微鏡の大きい開口数は同様に、不可欠である。解像度は以下のように与えられる。
解像度＝３０００＊ｎＡ［Ｌｐ／ｍｍ］ 式（１）
式中、ｎＡは開口数である。Ｌｐ／ｍｍは、１ミリメートル当たりのラインぺアを表す。

実体顕微鏡はまた物体操作にも用いられるため、大きな焦点深度Ｔが重要である。焦点深度Ｔは、以下の式によって与えられる。
Ｔ［ｍｍ］＝λ／（２＊ｎＡ^２）＋０．３４ｍｍ／（Ｖｔｏｔ＊ｎＡ） 式（２）
式中、λ＝約５５０Ｅ−６ｍｍの光波長であり、Ｖｔｏｔ＝接眼レンズの倍率を含む顕微鏡の倍率である。

従来技術によれば、解像度、開口数および焦点深度は、両方のビーム経路２０Ｒおよび２０Ｌにおいて同一である。

図３において、曲線２３は、従来技術による代表的な高パワーグリノー式実体顕微鏡に関して、倍率の関数としての開口数ｎＡの経過を示す。倍率は、ｘ軸２４にプロットされている。開口数ｎＡは、ｙ軸２５にプロットされている。この実施例は、収束角１０が１０．５°である場合に基づいている。その結果、開口数は最大でｎＡ＝ｓｉｎ（５．２５°）＝０．０９１５に制限される。無効倍率が生じないように、総倍率Ｖｔｏｔが１０ｘ〜６０ｘの間で変化するように顕微鏡２Ｒおよび２Ｌ（すなわちズーム系および接眼レンズ５Ｒおよび５Ｌ）の倍率が選択される。

図４は、高倍率について倍率の関数として焦点深度３３の関連する経過を示す。倍率は、ｘ軸３０にプロットされている。焦点深度Ｔは、ｙ軸３２にプロットされている。倍率が増大すると、焦点深度３３は減少する。

図５は、本発明によるグリノー式実体顕微鏡７の実施形態の概略図である。図２と比べて、収束角１０は変わらない。２つの図において同一の要素は同一の参照符号によって識別されるように、図２による参照符号が用いられている。本発明によるグリノー式実体顕微鏡７は、同様に、第１の単眼顕微鏡２Ｒおよび第２の単眼顕微鏡２Ｌを備える。２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌは、２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌが同一の焦点１１を有するように配置される。焦点１１は、物体平面１にあり、検査対象の物体１ａもまた、物体平面に位置している。この実施形態において２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌの２つの光軸２１Ｒおよび２１Ｌは、焦点１１で物体平面１における垂線１２Ｂに対称に配置される。第１の顕微鏡２Ｒは、第１のビーム経路２０Ｒに関して第２の顕微鏡２Ｌの第２のビーム経路２０Ｌの直径とは異なる直径を有する。第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌは、構成が同一ではない。図５は、２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌのズーム系２６Ｒおよび２６Ｌの最大倍率の設定の概略図である。第１のビーム経路２０Ｒの直径が第２のビーム経路２０Ｌの直径より大きいことが分かる。この実施例において、右側顕微鏡の開口部の円錐は垂線１２Ｂを含むため、第１のビーム経路２０Ｒの開口数は収束半角１０の正弦より大きい。

ズーム系２６Ｒ、２６Ｌの代わりに、対物レンズ変倍装置（図示せず）を設けてもよい。たとえば、右側顕微鏡および左側顕微鏡に関して対物レンズのぺアがかさ歯車に取り付けられ、その回転軸が２つの顕微鏡軸の対称軸、この図５では軸１２Ｂである。対物レンズのペアは倍率および物体距離において他のペアと異なり、再度焦点合わせを行うことなく、物体を目視することができる。かさ歯車を回転することによって、対物レンズの異なるペアが有効位置に達し、それによって異なる倍率が両方の顕微鏡で同期して調整される。

図６および図７はそれぞれ、第１の顕微鏡２Ｒにおける最大開口数ｎＡ＝０．１０４（６°に対応）および第２の顕微鏡２Ｌにおける最大開口数ｎＡ＝０．０７６８（４．４°に対応）である実施形態に関する、倍率の関数としての開口数ｎＡおよび焦点深度Ｔの経過を示す。図６において、開口数ｎＡはｙ軸５１にプロットされ、倍率はｘ軸５０にプロットされる。図７において、焦点深度Ｔはｙ軸６１にプロットされ、倍率はｘ軸６２にプロットされる。（第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌの）ズーム系２６Ｒおよび２６Ｌの倍率および接眼レンズ５Ｒおよび５Ｌの倍率は、総倍率Ｖｔｏｔが１０ｘ〜８０ｘの間で変化するように選択される。連続線５４（図６）は大きな開口数ｎＡの第１の顕微鏡２Ｒに関して得られ、破線５３はより小さな開口数ｎＡの第２の（左側）顕微鏡２Ｌに関して得られる。大きな開口数ｎＡのおかげで解像度が増大し、これにより、無効倍率を生じることなく、より高い最終的な倍率が可能となる。他方、図４の曲線３３および図７の曲線６３の比較から明白であるように、驚くべきことに、より高い最終的な倍率にもかかわらず、最高倍率における焦点深度は、より浅くなることはない。この説明のために、異なる解像度および焦点深度を有する２つの部分画像の評価に関する以下の注釈を参照されたい。連続線６４（図７）は大きな開口数ｎＡの第１の顕微鏡２Ｒに関して得られ、破線６３はより小さな開口数ｎＡの第２の（左側）顕微鏡２Ｌに関して得られる。

示された実施形態において、より小さな直径の顕微鏡２Ｌの光学的有効径は、たとえばレンズ素子２７Ｌのレンズ直径によって制限され、低倍率の広い範囲における同一の有効径を有するように２つの顕微鏡を構成することができ、このために、この設定における実体顕微鏡は従来の顕微鏡と同様に機能する。より大きな直径の顕微鏡２Ｒの開口数がより小さい直径の顕微鏡２Ｌの上記の制限するレンズの直径を超え、開口数が非対称になる高倍率のときに限り、上述の効果が発揮される。

可変系として構成される対物レンズと呼ばれることもある図５および図１０に示されるズーム系（２６Ｒ、２６Ｌ）の代わりに、図８および図９に示されるズーム系を用いてもよい。これらのズーム系に関するデータは、表１に列挙される。図８および図９から明らかであるように、各ズーム系は、４つのレンズ集合１００、２００、３００および４００を有し、各レンズ集合は、関連する面番号を伴うレンズの配置構成からなる（表１参照）。面番号１０１〜１０６は第１のレンズ集合に属し、番号１０７〜１１１は第２のレンズ集合に属し、番号１１２〜１１４は第３のレンズ集合に属し、番号１１５〜１１７は第４のレンズ集合に属する。物体平面１からの面１０１までの距離は、８５．２ｍｍである。面１１８および面１１９は、種々の開口数での画像輝度の適合のためのフィルタ素子を表す。面１２０および１２１は、反転系が画像を立像にするために用いられるミラーとあわせたプリズムを表す。

左から右に、表１の列は、面番号、曲率半径、次の面までの距離、屈折率ｎ_ｄ、分散Ｖ_ｄ、右ビーム経路および左ビーム経路の光学的有効径を列挙している。ｎ_ｄは屈折率を示し、Ｖ_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）はアッベ数である。空隙は、材料の詳細に関して空列によって識別される。第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌは、ズーム系のビーム経路において、可変距離Ｄ１、Ｄ２およびＤ３を有するため、異なる倍率を設定することができる。

表１に示されているように、右側ズーム系のレンズ集合１００および２００は、左側ズーム系のレンズ集合より大きな直径を有するのに対し、レンズ集合３００および４００は同一である。表１による顕微鏡のこの「同一の構成」において、面１０１〜１１１の直径以外の製作変数はすべて、同一である。これは、より長期の製作期間の実現可能性のために経済的な意味がある。

図８および図９は、最大倍率および最小倍率における第１の顕微鏡２Ｒのズーム系のビーム経路を示す。図８は、最大倍率を示す。図９は、最小倍率を示す。第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌのズーム系は、第１のレンズ群１００、第２のレンズ群２００、第３のレンズ群３００および第４のレンズ群４００から構成される。Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は、レンズ群１００、２００、３００および４００の間の可変距離を示す。最大倍率で第１のレンズ群と第２のレンズ群２００との間に広がっている距離Ｄ１＝４６．９５ｍｍである。最大倍率で第２のレンズ群２００と第３のレンズ群３００との間に広がっている距離Ｄ２＝１０．１９ｍｍである。最大倍率で第３のレンズ群３００と第４のレンズ群４００との間に広がっている距離Ｄ３＝７２．９５ｍｍである。最小倍率で距離の組み立ては異なる。最小倍率で第１のレンズ群と第２のレンズ群２００との間に広がっている距離Ｄ１は、５．０ｍｍである。最小倍率で第２のレンズ群２００と第３のレンズ群３００との間に広がっている距離Ｄ２は、１０７．２６ｍｍである。最小倍率で第３のレンズ群３００と第４のレンズ群４００との間に広がっている距離Ｄ３は、１７．８３ｍｍである。表１は、図８および図９に示されているように、面番号の半径を示す。表１はまた、第１の顕微鏡２Ｒのズーム系の第１のレンズ群１００および第２のレンズ群２００の屈折素子の光学的有効径φが第２の顕微鏡２Ｌのズーム系の第１のレンズ群１００および第２のレンズ群２００の屈折素子の光学的有効径φより大きいことも示す。第１の顕微鏡２Ｒのズーム系および第２の顕微鏡２Ｌのズーム系の両方には、フィルタ素子およびプリズムなどの平面を備えた光学素子が画像を形成する前に設けられる。平面は、参照符号１１８、１１９、１２０および１２１によって表される。

図８および図９は、連続線として入射瞳の直径を決定する周辺ビームを示し、破線として最大視野角の主ビームを示す。図９は、主ビームが集合１００の外径から著しい距離の位置にあることを示しているのに対し、図８では同一の群１００においてエッジビームは外径に近い位置を進む。また、左側顕微鏡２Ｌにおいて、主ビームを遮断することなく、集合１００の直径（１８ｍｍ）を小さくすることができることは明白である。これは、画像のエッジまで立体視が可能にするために必要な条件である。同時に、より小さい直径を有する顕微鏡において画像のエッジまで主ビームを遮断することができないというこの条件は、異なる光学的有効径を有する実体顕微鏡に適したズーム系の設計に関する基準である。したがって、この条件は、低倍率で入射瞳の位置決めをするための指針を構成する。

図５による実施形態において、右側顕微鏡２Ｒおよび左側顕微鏡２Ｌの観察角は、物体平面１に対して対称である。収束角１０を変えることなく、垂線１２Ｂに対する顕微鏡２Ｒおよび２Ｌの光軸２１Ｒおよび２１Ｌの角度が可変であるように顕微鏡７を取り付けることも考えられる。より大きな光学的有効径を有する顕微鏡２に関して、この顕微鏡のより浅い焦点深度のために収束角１０の半分より小さい角度を有することが好都合である（上記の注釈を参照）。この種の配置構成は、顕微鏡に対する焦点１１を中心にして垂線１２Ｂと共に、物体平面１における矢印を、特に時計回りの回転によって回転することによって、図５から得られる。

文書化目的のために、より高い解像度であることから、右側顕微鏡２Ｒが用いられることが好ましい。文書化デバイスに関するグリノー式顕微鏡の配置構成が、公知である。高解像度でエッジの解像度の欠如を最小限に抑えるために、文書化位置では垂線１２Ｂに対する右側顕微鏡２Ｒの光軸２１Ｒの角度を０°に近くなるように調整することが特に望ましい。図１０から分かるように、第１の顕微鏡２Ｒのビーム経路２０Ｒには、分離デバイス５５が配置される。したがって、第１のビーム経路２０Ｒにおける高解像度は、さらに文書化デバイス５７に利用される。文書化デバイス５７は、たとえば従来のＣＣＤカメラである。

既に述べたように、グリノー式顕微鏡は、第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌを備える。さまざまな倍率を設定するために、第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌには、対物レンズ変倍装置またはズーム系が設けられる。２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌの収束角１０は、通常の範囲に保持される。２つの顕微鏡２Ｒおよび２Ｌの光軸２１Ｒおよび２１Ｌはまた、物体平面１に配置される垂線１２Ｂに対して引き続き対称に配置されてもよいが、これは絶対必要というわけではない。本発明による第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌは、最大の開口数に関してもはや対称に構成されることはない。第１の顕微鏡２Ｒの最大開口数が第２の顕微鏡２Ｌの最大開口数より１０〜５０％大きければ好都合である。本発明は、より大きな開口数が、第２の顕微鏡２Ｌの開口数が収束半角１０の正弦より小さい場合に可能性がある、２つの顕微鏡２Ｒ、２Ｌの収束半角１０の正弦より大きい場合にはより特に有効である。小さな顕微鏡の倍率の広い範囲では、顕微鏡２Ｒおよび２Ｌの開口数が本質的に同一であるが、高倍率の場合には異なるように、２つの顕微鏡２Ｒ、２Ｌの対物レンズ変倍装置またはズーム系を設計することができる。

非対称な開口数の場合には、ユーザは、異なる輝度、異なる解像度および異なる焦点深度の２つの部分画像を受けとる。５０％までの輝度の差および詳細認識における差は、三次元画像への２つの部分画像の統合に悪影響を及ぼすことはないことが分かっている。逆に言えば、驚くべきことに、より大きな開口数から生じる解像度およびより小さい開口数から生じるより深い焦点深度によって、物体は三次元的に認識される。本発明は、実体顕微鏡の設計に関するこの生理学的現象の利用に基づいている。

第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌの配置構成は、動作状態における倍率が同一であるという条件で、さまざまな構成要素からなってもよい。また、第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌに関して「同一の構成」で設計することも可能であるが、少なくとも１つのレンズ構成要素の光学的有効径は異なる。同様に、第１の顕微鏡２Ｒおよび第２の顕微鏡２Ｌはそれぞれ、絞り３１Ｒまたは３１Ｌに適合することができ、絞り３１Ｒまたは３１Ｌはそれらの直径を変更するために、互いに関係なく動作することができる。絞り３１Ｒ、３１Ｌの動作は、第１の設定において、第２の顕微鏡２Ｌにおける絞り開口部に対する第１の顕微鏡２Ｒにおける絞り開口部の比（第１の顕微鏡２Ｒの絞りの直径が第２の顕微鏡２Ｌの絞りの直径より大きい）が調整され、第２の設定または別の設定において、絞り３１Ｒまたは３１Ｌの両方の開口部が、絞り面の比は変わらない状態で同時に変更されるように行うこともできる。

異なる開口数ｎＡから結果として生じる輝度の差を低減または排除するために、光フィルタより大きな開口数を有する第１の顕微鏡２Ｒの第１のビーム経路２０Ｒに光フィルタ４１Ｒ（たとえば、減光ステージまたは減光段階フィルタ）または必要に応じて第２のビーム経路２０Ｌにおける任意の可能な光路差を補償するための素子４１Ｌを導入することが好都合である。フィルタ４１Ｒは手動で動作することができ、解像度または焦点深度に悪影響を及ぼすことなく、倍率選択によって制御される動作によって、その位置、したがってフィルタ強度を変更することができる。

文書化デバイス５７の高解像度を利用するために、より大きな開口数の第１の顕微鏡２Ｒのビーム経路２０Ｒにおいて、本質的に周知である文書化ポートに関して、デバイスの別の変形（たとえばビームスプリッタまたは分離デバイス５５）を配置することができる。文書化デバイス５７は、フィルム、ビデオセンサ、ＣＣＤ、ディジタルカメラなどとして設計されてもよい。

本発明の長所は、高倍率、したがって高解像度が必要とされる、高パワーグリノー式実体顕微鏡にある。本発明の効果は、倍率比Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎ＞５のグリノー式実体顕微鏡またはズーム比ｚ＞５であるズーム系で実証される。

従来技術によるグリノー式実体顕微鏡の斜視図である。 従来技術によるグリノー式実体顕微鏡の光学設計の概略図である。 代表的なグリノー式実体顕微鏡に関して、倍率の関数としての開口数ｎＡの経過である。 上述のグリノー式実体顕微鏡に関して、倍率の関数としての焦点深度Ｔの経過である。 本発明の第１の実施形態の光学設計の概略図である。 本発明によるグリノー式実体顕微鏡に関して、倍率の関数としての開口数ｎＡの経過である。 本発明によるグリノー式実体顕微鏡に関して、倍率の関数としての焦点深度Ｔの経過である。 最大倍率における第１の顕微鏡の第１のズーム系のビーム経路である。 最小倍率における第１の顕微鏡の第１のズーム系のビーム経路である。 図５の説明で開示されていない別の光学素子を備えた本発明の実施形態の光学構成の概略図である。

符号の説明

１ 物体平面
１ａ 物体
２Ｒ、Ｌ 単眼顕微鏡
３Ｒ、Ｌ 反転系
４Ｒ、Ｌ 中間画像
５Ｒ、Ｌ 接眼レンズ
６Ｒ、Ｌ 眼
７ 実体顕微鏡
１０ 収束角
１１ 焦点
１２ 垂線
１２Ｂ 垂線、物体平面上の垂線
２０Ｒ、Ｌ ビーム経路
２１Ｒ、Ｌ 光軸
２２Ｒ、Ｌ 周辺ビーム
２３ 開口数曲線
２４ ｘ軸
２５ ｙ軸
２６Ｒ、Ｌ ズーム系
２７Ｒ、Ｌ レンズ素子
３０ ｘ軸
３１Ｒ、Ｌ 絞り
３２ ｙ軸
３３ 焦点深度曲線
４１Ｒ フィルタ
４１Ｌ 光学素子
５０ ｘ軸
５１ ｙ軸
５３ 線（断続的）
５４ 線（連続的）
５５ 分離デバイス
５７ 文書化デバイス
６０ 実体顕微鏡
６１ ｙ軸
６２ ｘ軸
６３ 線（断続的）
６４ 線（連続的）
６５ 双眼鏡筒
７１ 基部
７２ 焦点調節支柱
７３ 焦点調節アーム
７４ 調節素子
７８ 調節素子
１００ 第１のレンズ集合
１０１〜１２１ 面番号
２００ 第２のレンズ集合
３００ 第３のレンズ集合
４００ 第４のレンズ集合
Ｔ 焦点深度
ｎＡ 開口数
ｎＡＬ 収束半角
ｎＡＲ 収束半角

Claims (17)

1. 第１のビーム経路（２０Ｒ）を画定し、第１の光軸を画定する第１の倍率系（２６Ｒ）を備える第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）および第２のビーム経路（２０Ｌ）を画定し、前記第１の光軸に対して収束角（１０）で配置された第２の光軸を画定する第２の倍率系（２６Ｌ）を備える第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）を備え、
   前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）は、第１の光学的有効径を有する第１の光学素子（２７Ｒ、３１Ｒ）と、前記第１のビーム経路（２０Ｒ）に配置された第１の観察ユニット（５Ｒ）とを有し、
   前記第１の観察ユニット（５Ｒ）は、三次元画像の第１の部分画像を形成する前記第１のビーム経路（２０Ｒ）の光をユーザの第１の眼（６Ｒ）に伝えるように構成され、
   前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）は、前記第１の光学素子（２７Ｒ、３１Ｒ）に対応していて第２の光学的有効径を有する第２の光学素子（２７Ｌ、３１Ｌ）と、前記第２のビーム経路（２０Ｌ）に配置された第２の観察ユニット（５Ｌ）とを有し、
   前記第２の観察ユニット（５Ｌ）は、三次元画像の第２の部分画像を形成する前記第２のビーム経路（２０Ｌ）の光をユーザの第２の眼（６Ｌ）に伝えるように構成された、グリノー式実体顕微鏡（６０）において、
   前記第１および第２の倍率系（２６Ｒ、２６Ｌ）は、互いに同期して変更可能な等しい倍率を形成するように構成され、
   前記第１の部分画像と前記第２の部分画像が異なる解像度および異なる焦点深度を有するように、前記第１の光学素子（２７Ｒ、３１Ｒ）は、対応する前記第２の光学素子（２７Ｌ、３１Ｌ）と異なる光学的有効径を有することを特徴とするグリノー式実体顕微鏡（６０）。
2. 前記第１および第２の光学素子の少なくとも１つは、レンズ素子（２７Ｒ、２７Ｌ）または絞り（３１Ｒ、３１Ｌ）であることを特徴とする請求項１に記載の実体顕微鏡。
3. 前記第１および第２の顕微鏡（２Ｒ、２Ｌ）の少なくとも１つの倍率設定または１つの倍率範囲に関して、前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）の開口数が前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）の開口数より少なくとも１０％、特に１０％〜５０％大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の実体顕微鏡。
4. 前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）および前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）の最大倍率設定で、前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）の前記開口数が、前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）の前記開口数より１０％超、特に１０％〜５０％大きいことを特徴とする請求項３に記載の実体顕微鏡。
5. 前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）の前記開口数が、前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）と前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）との間の収束半角の正弦より大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
6. 前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）の前記第１の光軸（２１Ｒ）および前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）の前記第２の光軸（２１Ｌ）が、物体平面（１）における垂線（１２Ｂ）に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
7. 前記第１の単眼顕微鏡（２Ｒ）の前記第１の光軸（２１Ｒ）および前記第２の単眼顕微鏡（２Ｌ）の前記第２の光軸（２１Ｌ）が、物体平面（１）における垂線（１２Ｂ）に対して非対称に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
8. ２つの前記第１および第２の顕微鏡（２Ｒ、２Ｌ）のユニットは、前記第１および第２の顕微鏡（２Ｒ、２Ｌ）のそれぞれの光軸（２１Ｒ、２１Ｌ）と物体平面（１）における垂線（１２Ｂ）との間の角度が調整可能、特に一定の収束角（１０）を維持しながら調整可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
9. 前記第１および第２の顕微鏡（２Ｒ、２Ｌ）はそれぞれ、倍率を選択するためのズーム系（２６Ｒ、２６Ｌ；１００、２００、３００、４００）を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
10. より大きい開口数を有する前記第１の顕微鏡（２Ｒ）の前記第１のビーム経路（２０Ｒ）に少なくとも１つのフィルタ（４１Ｒ）を位置決めすることができることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
11. 前記フィルタ（４１Ｒ）は、段階的フィルタであることを特徴とする請求項１０に記載の実体顕微鏡。
12. 前記フィルタ（４１Ｒ）の位置決めは、手動で行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の実体顕微鏡。
13. 前記フィルタ（４１Ｒ）の位置決めは、前記第１および第２の顕微鏡（２Ｒ、２Ｌ）の倍率を選択することによって制御されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の実体顕微鏡。
14. 分離デバイス（５５）が、より大きい開口数を有する前記第１の顕微鏡（２Ｒ）の前記第１のビーム経路（２０Ｒ）に配置され、この第１のビーム経路（２０Ｒ）から文書化デバイス（５７）に少なくとも部分的に光を向けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
15. 前記第１の顕微鏡（２Ｒ）における絞り（３１Ｒ）の直径は、前記第２の顕微鏡（２Ｌ）の絞り（３１Ｌ）の直径より大きいことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の実体顕微鏡。
16. 前記絞り（３１Ｒおよび３１Ｌ）の直径は、互いに無関係に変更することができることを特徴とする請求項１５に記載の実体顕微鏡。
17. 前記絞り（３１Ｒおよび３１Ｌ）の直径は、互いに一定の関係で変更することができることを特徴とする請求項１５に記載の実体顕微鏡。

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