JP5102986B2 - 被写界深度を広げた光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置に関し、特に、対象視野を観察する際の被写界深度を広げるための装置を有する立体顕微鏡に関する。

顕微鏡は、少なくとも２つの結像光学系すなわち１つの主対物レンズと接眼レンズとを含む。原理的には、すべて光学観察装置は、同様な対物レンズと接眼レンズの基本構造を有する。これら２つの光学素子（対物レンズと接眼レンズ）は、全体システムを形成するとともに可能な倍率範囲と被写界深度範囲の両方をあらかじめ定める。顕微鏡が使用される多くの領域、特には、脳神経外科において使用されるような手術用顕微鏡において、外科医は、合焦面を見るだけでなく、対象物のできるだけ多くの領域も深度において鮮明に見なければならないので非常に広い被写界深度が重要となる。

被写界深度の改善は、従来は、アパーチャーサイズを減少させることにより達成された。ＬＥＩＣＡ Ｍ６５１とＬＥＩＣＡ Ｍ６９０のような双眼実体（立体）顕微鏡［非特許文献１］が存在するが、これらは、両方の光路のアパーチャーを同時に減少させるための２つのアイリス絞りを用意する。しかしながら、被写界深度を広げるこの古典的方法の場合に不可避の欠点は、解像度と像の明るさに関する損失である。

技術的に非常に複雑であるが、被写界深度のさらなる向上は［特許文献１］にて知られている。ここでは、システムの焦点距離を超高速で修正する装置が備えられる。これは、光路に対しレンズを縦方向に移動することにより、あるいは異なる光学的性質を有するレンズを光路内に交差して導入することにより行う。上記運動が一番外の点に到達し、短時間停止した時のみ、シャッターは上記運動に同期して光路を開く。

欧州特許第０９８８５７２Ｂ１号明細書 ＬＥＩＣＡ Ｍ６５１／Ｍ６９０ Ｘ．９６−ＳＣＨ １９９５年 パンフレット、第６ページ

上記運動の速度は、いわゆる「ステレオスコピック・ポンピング：stereoscopic pumping」（像移動：image movement）及び明るさのちらつきが発生しないように十分に速くなければならない。上述の非常に高い技術上の要求はさておき、重量および空間的理由のためだけによって、この解決策は顕微鏡では実用的でない。

したがって本発明の課題は、被写界深度を改善するための公知の解決策における既述の欠点が生じることのないよう、光学装置において（特には顕微鏡において）被写界深度を改善する解決策を見出すことである。

本発明者は、この課題を達成するためには、機械的部分（アイリス絞り）を光学結像要素により置換えることができるということを見出した。本発明者は、複数（すなわち、少なくとも２つ）の異なる焦点距離を有する単一の光学素子によって、光学装置（例えば、顕微鏡）における被写界深度を改善することが可能であることを認識した。

即ち、本発明の第１の視点において、少なくとも１つの主対物レンズと被写界深度を広げるための装置とを有する立体顕微鏡が提供され、前記被写界深度を広げるための装置は、第１の焦点距離を有する第１の領域と、前記第１の焦点距離とは異なる第２の焦点距離を有する第２の領域とを有する少なくとも１つの光学素子を有し、前記第１の領域は、前記第１の焦点距離で光線束を第１の焦点に合焦させて第１の被写界深度範囲を規定し、前記第２の領域は、前記第２の焦点距離で光線束を第２の焦点に合焦させて第２の被写界深度範囲を規定し、前記第１、第２の焦点距離は、前記第１と第２の被写界深度範囲が少なくとも互いに隣接するかまたは重畳し、それらの合計が個々の被写界深度範囲より大きい合計被写界深度範囲を与えるように設計され、前記被写界深度を広げるための装置は、１対の前記光学素子が前記立体顕微鏡の光路内に挿入されるように構成され、前記光路は、前記第１の焦点距離を有する前記第１の領域を通る第１の光軸を有する前記光線束と、前記第２の焦点距離を有する前記第２の領域を通る第２の光軸を有する前記光線束とによりそれぞれ形成されていることを特徴とする。
本発明によると、この目的のために、二焦点レンズ、（三焦点レンズ等の）多焦点レンズ、または回折素子を使用することができる。

二焦点レンズ、すなわち「双倍率レンズ」は、２つの異なる焦点距離の領域を有するレンズであって、例えば、スペクタクルレンズにおいて使用される。

２つ以上の焦点距離範囲が連続的に連結した（すなわち、移行部ないし段差の無い）プログレッシブレンズ（ないし連続・焦点変化レンズ：Gleitsichtglaeser）は、別の実施態様の変形として好適である。

別の実施態様の変形は、自由曲面レンズ（Freiformflaechenlinse）によって異なる焦点距離を形成する手段により実現することもできる。

上記実施態様のさらなる変形として、屈折光学素子、回折光学素子（ＤＯＥ）又はホログラフ光学素子（ＨＤＥ）は、異なる焦点距離を作成するのに用いることができる。ＤＯＥは、一般的には、その光学面上または膜（ないし層）上に、光学波長の大きさ程の構造（複数）あるいは格子を有する素子である。

上述した特性を組み合せることにより、異なる焦点距離領域を実現する複数のレンズを使用することも考えられる。一例として、１つの焦点距離について屈折特性をなし、別の焦点距離について回折特性とを有する複数のレンズを使用することは可能である。

上述したすべての光学素子に共通なのは、これらは、透過光を２つ以上の焦点距離に合焦させることである。従って、上述のすべての光学素子に対する本発明による共通の作用形態は、一例として二焦点レンズに基づき概略的に例示される。

前記第１の焦点距離（ｆ_１）を有する前記第１の領域と、前記第２の焦点距離（ｆ_２）を有する前記第２の領域は同心的、又は非同心的に配置されることができる。
前記第１の領域は、第１の焦点距離（ｆ_１）を有する光線束を焦点に合焦させて第１の被写界深度範囲を規定し、前記第２の領域は、第２の焦点距離（ｆ_２）を有する光線束を焦点に合焦させて第２の被写界深度範囲を規定することが好ましい。
前記第１、第２の焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）は、前記第１と第２の被写界深度範囲が少なくとも互いに隣接するかまたは重畳し、それらの合計が個々の被写界深度範囲より大きい合計被写界深度範囲を与えるように、設計されることが好ましい。
光学装置では、ガリレオ型又はグリノー型の立体顕微鏡を用いることができる。
被写界深度を広げるための前記装置は、異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する１対の光学素子が前記立体顕微鏡の前記光路内に配置されるように構成され、前記光路は、前記第１の焦点距離（ｆ_１）を有する前記第１の領域を通る第１の光軸を有する前記光線束と、前記第２の焦点距離（ｆ_２）を有する前記第２の領域を通る第２の光軸を有する前記光線束と、によりそれぞれ形成されていることが好ましい。
異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記一対の光学素子が回折特性を有する２つの光学素子を含み、前記光線束の平行配向のためのブレーズ角、またはビーム偏向が前記光路内に設定されることが好ましい。

本発明のさらなる実施態様は添付図面と従属請求項から明らかになる。参照符号一覧は本開示の一部である。本発明の実施例の詳細は、象徴的にかつ添付図面を参照した例により説明される。添付図面は、互いに関連付けて、かつ概括的に説明される。同一の参照符号は同一の構成要素を表わし、異なる添え字付き参照符号は、同様な機能を行なうかあるいは類似した部品を表わす。なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は専ら理解を助けるためであり、図示の態様に発明を限定することを意図しない。

本発明の第１の視点（基本構成）により、被写界深度改善のための公知の解決策における既述の欠点（特に明るさの損失やちらつき（と像移動）を生じることなく、被写界深度の範囲を拡大できる。さらに本発明の展開実施形態において、それぞれ格別の効果を付加的に与える。

図１に、本発明に従って使用される異なる焦点距離を有する光学素子として、二焦点レンズ３を概略的に示す。この二焦点レンズ３は、光軸４に対し同心的に配置された第１の焦点距離ｆ_１を有する中央の第１の領域１を有する。さらに、焦点距離ｆ_１と異なる第２の焦点距離ｆ_２を有する第２の領域２が、第１の焦点距離ｆ_１を有する上記中央の第１の領域１に対して同心的に配置される。ただし、領域１と２の同心的配置は必須ではない。別図に見られるように、第１の領域１の非同心的配置も同様に可能である。第１の領域１と第２の領域２は、輪郭により相互に境界を定めたものとして図示されているが、好ましい型のレンズは、１つの焦点距離から他の焦点距離への不連続な移行を回避するため、鮮明な輪郭ではなく連続的な遷移を描く。

本発明に従って使用することができる多焦点レンズは、それに応じ異なる焦点距離を有するより多くの領域を有するが、これら領域は同心的または非同心的に配置することができる。

図２は、図１による光学素子３の合焦範囲を示す。ここには、一例として、光線束（ビーム）１０と２０が、２つの異なった焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する対応した領域１と２を通過する状態を示す。対応する焦点１１と２１は異なる合焦面１２と２２にある。（第１）領域１によって鮮明に結像され、したがって（第１）領域１に対する第１の被写界深度領域１００を規定する結像面は、合焦面１２の上下にわたって位置する。同様なことは、それに応じて（第２）領域２にも当てはまり、その焦点２１は合焦面２２内に位置し、第２の被写界深度領域２００を規定する。異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する光学素子３の被写界深度領域の合計は、被写界深度領域１００と２００の合計３００である。

図示した実施態様では、光学素子３の焦点距離ｆ_１とｆ_２は、第１の被写界深度領域１００と第２の被写界深度領域２００が互いに隣接するよう選択されている。しかしながら、同様にして被写界深度領域１００と２００が重畳することも可能である。ここでは、発生した倍率の差異が顕著な影響を与えないように光学素子３の焦点距離ｆ_１とｆ_２間の差異値が十分小さく選択されるように、異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する光学素子３を設計することが好ましい。

光学装置における被写界深度を広げる公知の方法（特には、アイリス絞りによりアパーチャーを閉じる（小さくする）方法）には、解像度、像明るさとコントラストが減少する欠点がある。ここで説明した方法においても同様な欠点が発生するが、その程度はさらに小さい。しかも、さらに追加の光学素子が配置される光学装置における全体の明るさ能力は、原理的には常に減少する。しかしながら、この明るさ（輝度）の損失もまた、アパーチャーを閉じる（小さくする）場合より少ない。それぞれの有効ひとみはそれぞれの焦点距離に対し、単一の焦点距離ｆ_１用に設計された光学素子３の有効面積より小さいのでこれらの欠点が発生するのを回避することはできない。

図３は、ガリレオ立体（双眼実体）顕微鏡５００（いわゆる望遠鏡型であって、両方の顕微鏡光路用の共通の主対物レンズを有する）の一部を概略的に図示する。本発明に従って、被写界深度を広げるために異なる焦点距離を有する光学素子を使用することは、グリノー型の立体顕微鏡（各顕微鏡光路用毎に夫々単一対物レンズを有する）に対しても同様に適している。

立体顕微鏡は、２つの平行光路１４を規定する主対物レンズ５１０を有する。一対で配置された第１のズームレンズ５２１と、同様に一対で配置されたズームレンズ５２２と５２３を含むアフォーカルズームシステム５２０が更に図示される。チューブ（鏡筒）レンズと接眼レンズを有する立体顕微鏡の残りの構造は、顕微鏡設計分野の当業者の一般的な知識を逸脱するものではないので詳細には図示しない。

異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する１対の光学素子３は、立体顕微鏡５００の平行光路１４内で、主対物レンズ５１０と第１のズームレンズ５２１との間に配置するのが好ましい。各異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する２つの光学素子３は、図１に図示したものに対応し、同心的に配置された（第１、第２）領域１と２を有する。異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する２つの光学素子３は、接続部品２３によって互いに結合され、顕微鏡５００の２つの光路１４内へ同時に挿入することができる。この結果、対象物１３上でかつ被写界深度領域３００内に位置する結像面は、光線１０と２０によって主対物レンズ５１０に供給され、アフォーカルズームシステム５２０によって無限に結像される。この像は、チューブレンズと接眼レンズ（図示せず）によって観察者に供給される。

図２の光線１０と２０は、図３では、その光軸１５と２５によってそれぞれ象徴的に示される。主対物レンズ５１０と、光学素子３の（第１、第２）領域１と２とは、その光軸１５と２５により特徴づけられたそれぞれの光線が光路１４内に平行に配向されるように選択され配置される。ズームシステム５２０のアフォーカルな性質のために、光路の平行配向は必要である。回折素子が、本発明による多焦点特性を有する素子として使用された場合、この光路の平行配向は、例えば所定のブレーズ角（回折格子の格子面の法線と溝面の法線のなす角）を有する回折格子によって、あるいは伝統的な方法であるレンズまたはプリズムのビーム偏向システムによって実現することができる。

多焦点特性を有する光学素子３の（第２）領域２はまた平行平面板として構成することもできる。

図４には、図３のような立体顕微鏡５００の同様な配置を示すが、ここでは多焦点特性を有する光学素子３は、異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する２つの（第１、第２）同心領域１、２をもはや有しない。（第１、第２）領域１’、２’は、非同心的でかつ（主対物レンズの光軸に関し）ミラー対称に配置される。

回折素子（例えば、プラスチック製の）が、図１、図３、図４に図示するように、多焦点特性を有する光学素子３として使用された変形実施態様において、これらの光学素子は例えばレンズ５２１と直接に結合して配設することもできる。この場合、例示した取外し可能な光学素子３と３’はそれぞれ省略することができる。

本発明は、光学装置の被写界深度を広げるための装置における、異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する光学素子の使用に関し、光学装置としては、光学顕微鏡、特に手術用等の立体顕微鏡に用いることができる。

本発明に従って使用される異なる焦点距離を有する光学素子の平面図と側面図を示す。 図１の光学素子から焦点領域内に生じた光路を示す。 同心的に配置された領域を有する光学素子により、本発明に基づいて生成された、立体顕微鏡における光路を示す。 異なる焦点距離を有する非同心的に配置された領域を有する図３の立体顕微鏡を示す。

符号の説明

１ 第１の焦点距離ｆ_１を有する第１の領域
２ 第２の焦点距離ｆ_２を有する第２の領域
３ 異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する光学素子
１’ 第１の焦点距離ｆ_１を有する第１の領域
２’ 第２の焦点距離ｆ_２を有する第２の領域
３’ 異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する光学素子
４ 異なる焦点距離ｆ_１とｆ_２を有する光学素子３の光軸
１０ （第１）領域１に関する光線
１１ （第１）領域１に関する光線１０の焦点
１２ （第１）領域１に関する光線１０の合焦面
１３ 対象物
１４ 光路
１５ （第１）領域１に関する光線１０の光軸
２０ （第２）領域２に関する光線
２１ （第２）領域２に関する光線２０の焦点
２２ （第２）領域２に関する光線２０の合焦面
２３ 接続部品
２５ （第２）領域２に関する光線２０の光軸
１００ （第１）領域１の被写界深度領域；第１の被写界深度範囲
２００ （第２）領域２の被写界深度領域；第２の被写界深度範囲
３００ 全領域の被写界深度
５００ 立体顕微鏡
５１０ 主対物レンズ
５２０ アフォーカルズームシステム
５２１ 第１のズームレンズ
５２２ ズームレンズ
５２３ ズームレンズ
６００ 被写界深度を広げるための装置
７００ 作動距離
ｆ_１ （第１）領域１の焦点距離
ｆ_２ （第２）領域２の焦点距離

Claims (12)

1. 少なくとも１つの主対物レンズ（５１０）と被写界深度を広げるための装置（６００）とを有する立体顕微鏡であって、
   前記被写界深度を広げるための装置（６００）は、第１の焦点距離（ｆ_１）を有する第１の領域（１）と、前記第１の焦点距離（ｆ_１）とは異なる第２の焦点距離（ｆ_２）を有する第２の領域（２）とを有する少なくとも１つの光学素子（３）を有し、
   前記第１の領域（１）は、前記第１の焦点距離（ｆ _１ ）で光線束（１０）を第１の焦点（１１）に合焦させて第１の被写界深度範囲（１００）を規定し、前記第２の領域（２）は、前記第２の焦点距離（ｆ _２ ）で光線束（２０）を第２の焦点（２１）に合焦させて第２の被写界深度範囲（２００）を規定し、
   前記第１、第２の焦点距離（ｆ _１ 、ｆ _２ ）は、前記第１と第２の被写界深度範囲（１００、２００）が少なくとも互いに隣接するかまたは重畳し、それらの合計が個々の被写界深度範囲（１００、２００）より大きい合計被写界深度範囲（３００）を与えるように設計され、
   前記被写界深度を広げるための装置（６００）は、１対の前記光学素子（３）が前記立体顕微鏡の光路（１４）内に挿入されるように構成され、前記光路（１４）は、前記第１の焦点距離（ｆ _１ ）を有する前記第１の領域（１）を通る第１の光軸（１５）を有する前記光線束（１０）と、前記第２の焦点距離（ｆ _２ ）を有する前記第２の領域（２）を通る第２の光軸（２５）を有する前記光線束（２０）とによりそれぞれ形成されていること
   を特徴とする立体顕微鏡。
2. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記光学素子（３）は二焦点、三焦点、または多焦点レンズであることを特徴とする請求項１に記載の立体顕微鏡。
3. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記光学素子（３）は回折光学素子（ＤＯＥ）またはホログラフィ光学素子（ＨＯＥ）であることを特徴とする請求項１に記載の立体顕微鏡。
4. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記光学素子（３）は自由曲面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の立体顕微鏡。
5. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記光学素子（３）は屈折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の立体顕微鏡。
6. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記光学素子（３）は、屈折によって１つの焦点距離（ｆ_１またはｆ_２）を、そして回折によって他の焦点距離（ｆ_２またはｆ_１）を生成することを特徴とする請求項１に記載の立体顕微鏡。
7. 前記第１の焦点距離（ｆ_１）を有する前記第１の領域（１）と、前記第２の焦点距離（ｆ_２）を有する前記第２の領域（２）は同心的に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。
8. 前記第１の焦点距離（ｆ_１）を有する前記第１の領域（１）と、前記第２の焦点距離（ｆ_２）を有する前記第２の領域（２）は非同心的に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。
9. ガリレオ型の立体顕微鏡（５００）であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。
10. グリノー型の立体顕微鏡であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。
11. 異なる焦点距離（ｆ_１、ｆ_２）を有する前記一対の光学素子（３）が回折特性を有する２つの光学素子を含み、前記光線束（１０、２０）の平行配向のためのブレーズ角、またはビーム偏向が前記光路（１４）内に設定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。
12. 手術用顕微鏡であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の立体顕微鏡。

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