JPS58500089A - 大なる視角と大なる結像倍率のための光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 大なる視角と犬なる結像倍率のた めの光学装置 本発明は、拡張された鮮明結像範囲と前取て選択可能な作動距離とを有し、容易 に焦点調節を行うことができ、視覚による観察にも、写真機、映画撮影機又は電 子的走査カメラを用いた記録の目的にも適合した大なる視角と大なる結像倍率の だめの衰学装置に関する。

公知の如く、結像倍率が増加し又は視角が増大するにつれて焦点深度が著しく減 少し、更に作動距離も減少する。本発明は、結像倍率が大であるか又は犬なる視 角と有する場合でも、大なる作動距離と犬なる焦点深度が得られる様な、容易に 焦点調節を行うことができる装置を創成することを目的とする。

犬なる結像倍率又は大なる視角が得られる光学装置の系列が一般に公知になって おシ、これらの装置は大なる結像倍率又は大なる視角を達成するために用いらｎ ている。拡大鏡のほかに単一顕微鏡、複合顕微鏡、ガリレー型望遠鏡およびケプ ラー型望遠鏡、望遠写真対物レンズ、いわゆる望遠レンズ型構成の長焦点距隆対 物レンゲ並びに蛇腹伸長装置と結合して用いられる拡大対物レンズが挙げられる 。何段にも重ねられた結像系が問題になる場合には、以下においては第一番目の 結像段階のみに注目する。

上記した種類のすべての光学装置は、対物レンズの鏡径比が与えられている時、 焦点深度は結像倍率の関数になっていることで一致している。回折現象の影響を 無視することが可能な場合には、第一段階の結像に対して、幾何学的な関係によ って一般に知られている近似式を用いて焦点深度が得られる：ｔ　＝　２ｚ？（ １／ｂｅｔａ＋　１／ｂｅｔａ２）　（公式１）公式１において ｔ　焦点深度　Ｆｚ鏡径比 ２：錯乱円の直径　ｂｅｔａ：結像倍率（結像光学系の幾何学的状態と錯乱円の 大きさによって決定される焦点深度との間の関係の説明は、・・ンスハルチング によシ、ライプチヒ、アカデミツシント　ポルチッヒ　カーゲー出版の「フォト グラフイツシエ　オプテイクＪ１９５２年第４版、第６２頁乃至６５頁に示さｆ 、そこに記載されている公式から若干の中間段階を経て上記の公式が導かれる。

即ち許し得る錯乱円直径の一定値を考慮することによって、上記の公式はクルト 　ミツヒエルによシ、ヴイツセンシャフトリツヒエ　フエアラーＹスゲゼシー ルシャフト　ゝス′ノットガルト出版の［ディ　グルン１９５０年第１９４頁以 下、特に１９７頁に導かれている。ベルグナー／ゲルプケ／糸−スによシ、別の 誘導が、ライプチヒ　フォトキノフェアラージ出版の［プラクテイツシエ　ミク ロフォトグラフィーＪ１９７３年第２版第５５頁および５６頁に見出される。

焦点深度と鏡径比とは比例関係にあるが、焦点深度は結像倍率の増大と共に、因 子（１／ｂｅｔａ　＋’ｙ’ｂｅｔａ２）によって減少する。結像倍率が犬なる 場合には鏡径比を減少させることによって焦点深度を認められる程増加すること はできない。鏡径比の減少は、それに従って増加する回折の影響によシ制限され ている。

また、結像倍率が犬なる場合には、対象物は焦点深度以内にある様に捉えられな いことが起る可能性がある。結局観察者は、結像倍率が非常に犬なる場合、鮮明 結像範囲に焦点を合わせるのではなく、鮮明結像面に焦点を合わせることのみが 可能である。

公知の如く結像倍率の増大と共に作動距離の減少が生起する。冒頭に述べた光学 装置においては、作動距離と結像倍率との間の関係は近似的に、一般に公知のレ ンズ公式を用いて与えられる：ｂｅｔａ　＝　ｂ／ｇ　（公式′５） から および ｂ＝ｆ＋ｆ−ｂｅｔａ　（公式５） 但し ｆ：焦点距離　ｂ：像距離 ｇ：物点距離　ｂｅｔａ：結像倍率 上記により、焦点距離が与えられている時、作動距離（物点距離ｇに対応する） は結像倍率ｂｅｔａ　に反比例して変化する。拡大写真や最終的には顕微鏡にお いて達成される様な大なる結像倍率では、公知の如く作動距離は非常に小さくな シ、斯くして照明問題はこのために特別に創成された照明装置によってのみ実施 可能である。その際、観察し又は撮影する対象物を立体的に照明するために自由 に光を導くことが不可能であるということは注目すべき欠点であることが仰られ ている。

上記した関係は、冒頭に述べた種類の光学装置の幾（ｉ’Ｊ学的な関係を記述す るのに重要である゛特に拡大対物レンズおよび顕微鏡の少ない作動距離の問題お よび焦点深度の問題の不都合さを認識させ、更に大なる倍率を達成するために使 用されている望遠写真対物レンズおよび望遠レンズ型構成の対物レンズ並ひに望 遠鏡の場合の焦点深度の問題の不都合さを認識させる。

焦点調節に関しても上記した公知の光学装置は重）（な欠点を示している。顕微 鏡で観察するだめの装置およびマクロ撮影およびミクロ撮影のだめの従来公知の 装置の一部では、撮影又は観察対象物を担持する載物机が、歯車駆動装置により 、光軸に沿って動かされるという方法で焦点調節が行われる。この様な歯車駆動 装置には、焦点調節の目的のため、遊隙のない走行が要求されるから、従って高 価な精密な機械構造が問題になる。この際対象物の重量と大きさも当然制限を受 ける。

顕微鏡で観察するための装置およびマクロ撮影およびミクロ撮影のための上記し た装置はまた、撮影装置も含めて、光学系全体が、焦点調節のため光軸に沿って 動かされるため非常に高価な精密機械的な費用を必要としている。

歯車の遊隙を避けるため、マクロ撮影のための装置にはすでに調整可能なローラ ー軸承と摩擦車駆動装置とが装備さｎているが、該駆動装置は、前同様走行レー ルと共に精密機械としての精度を特別に要求する（株式会社ビグノンス商会の印 刷物Ｄ／８０００／４、発行年記載ナシ、ＯＨ−１ＯＨ−１３３８Ｂａｌｌａｉ 　、　”Ａｌｐａ−８ｙｓｔｅｍ”第４頁、蛇腹装置と移動調節台Ａｌｐａ−Ｏ ｏｍｂｅｘｔａｎ　、発行所、発行年記載なし、を参照さｎ度い）。

本発明の目的は、犬なる結像倍率の場合、一般に僅かな焦点深度とそして特に僅 かな作動距離と関連している僅かな焦点深度によって生起する上記した種類の欠 点を避けた、容易に焦点調節を行うことができる光学装置を創成することである 。

上記の目的は本発明によう次の様にして達成される５、即ち光軸に沿って２つの 対物レンズが軸方向に推移可能な如く配置されており、対象物側に配置さｆだ第 一の対物レンズは最終的な結像倍率に熱間に、要求される焦点深度に応じて圧縮 された空間像分形成し、そして観察者又はカメラ側に配置された第二の対物レン ズは、この圧縮された空間像から一つの鮮明結像範囲を持つ最終的な結像倍率の 像を形成し、その際作動距離は、対象物側の第一の対物レンズの適合する焦点距 離によシ決定される。

最終像の自現による観察には、一般に公知の構成形態の接眼鏡が使用さｎｌ一方 最終像を記録するためには、一般に公知の態様で連結されたカメラが用いられる 。

拡張された鮮明結像範囲と前以て選択可能な作動距＾羨とを有し、容易に焦点調 節を行うことができる、大なる視角と大なる結像倍率のだめの上記した光学装置 は、観察のため又はカメラによる結像が行われる前に先づ、観察又は撮影対象物 の深さの方向の拡がりを考慮できる様になっている。

提案されている装置の特徴となっている幾何学的な関係を記述するためには、従 来公知の光学装置を記述する如く、像側に配置され、結像すべき対象物の像が形 成されているスクリーン又はそれから抽象化された像面から出発する方法と異な らなければならない。

スクリーンが存在することは結像過程にとって構造的に重要な意味を持っていな い。故に結像過程を、一定の像面に目標を置くことなく考慮することが可能であ る。

一つの光学系が結像の目的で対象物の範囲に焦点を合わせられ、該範囲は、対象 物側主平面から測って２ｆ（ｆ：光学系の焦点距離）の距離から始まって無限遠 まで延長されているとすれば、この対象物の範囲は、像側主平面からｆ′の距離 から始まって２ｆ′の距離までの範囲に結像されこの逆も可能である。

本発明において提案され、拡張された鮮明結像範囲と前以て選択可能々作動距離 とを有し、容易に焦点調節を行うことができる、犬なる視角と犬なる結像倍率の だめの光学装置においては、２ｆａ　と無限遠の間の対象物の範囲の一部として の結像すべき対象物Ｓの深さの方向の拡がりｔが、対象物側に配置さｆている対 物レンズＯａ　によって距離ｆａ’と２　ｆａ’の間の像範囲内の区間ｔ′に結 像される。この結像の特徴は異状なまでの圧縮であシ、その圧縮は対象物の距離 が光学系から遠ざかる和犬になる。

観察用対物レンズ又はカメラ側の対物レンゲＯｖは、提案された光学装置の内部 において、圧縮された区間ｔ′が対物レンズＯｖ　の焦点深度ｔｖに等しく８ そして今や対物レンズＯｖ　によって区間ｔ′の鮮明な結像が得られそして斯く して、結像すべき対象物Ｓの深さの方向の拡がりｔの鮮明な結像が得らｎる様な 位置に置かｎる。

拡張された鮮明結像範囲と前以て選択可能な作動距離とを有し、容易に焦点調節 を行うことができる、犬なる視角と大なる結像倍率のための光学装置の機能５軒 様が表を用いて説明される。本発明により提案された光学装置の対物レンズは、 種々異なる焦点距離のものを挿入することができる様に交換可能にするのが合目 的であるから、観察さｎる区間はｆａ　を基準として表わさｎている（ｆａ：光 学装置の前方部分に取シ付けられた対物レンズＯａの焦点距離）。

注：第４欄のｂｅｔａ　ａ（ｉ）　は公式４により、第５欄は公式５を参照され たい。

上記の表において ｆａ：　装置前方部分の対物レンズＯａ　の焦点距離Ｇ　（ｉ）：　位置ｉにお ける光軸上の対象物点ｇａ（ｉ）：　対象物点Ｇ　（ｉ）の物点距離ｂｅｔａ　 ａ（ｉ）：物点距離ｇａ（ｉ）　から得られる結像倍率ｂａ（ｉ）：　物点距離 ｇａｃｉ）　に属する像距離ｔ（ｉ／ｊ）’　：　対物レンズＯａ　で結像する ことにより、点１と点ｊとの間に位置する対象物Ｓの深さの方向の拡がＤ　ｔ（ ｉ／ｊ）　から得られる長さである。

この表は一つの例によって説明さ扛る。この表は次の様に読みとらｎる： １、　対象物点Ｇ（５〕は、対象物側主平面から６ｆａの距離に位置する。物点 距離６　ｆａ　から結像倍率ｂｅｔａ　ａ　（５）＝　ｉ、’ｓ　が得らｎる。

これに対応する像距離はｂａ（５）　＝　６１５　ｆａになる。

２、　対象物点Ｇ（４〕は、対象物側主平面から５ｆａ　の距離に位置する。物 点距離５ｆａ　から結像倍率ｂｅｔａ　ａ（４）　＝　１７４　が得らｎる。こ れに対応する像０ 距離はｂａ（４）　＝　５／４　ｆａになる。

五　対象物点Ｇ（４）およびＧ（５）の間に存在する、長さｆａ　の一部分にな っている深さの方向の拡がｐｔ（５／４　）は、光学系Ｏａ　によってｔ’　＝ 　ｂａ（４）　−ｂａ（５）　＝　（５／４−６７′５　）　ｆａ　＝　１／２ ０　ｆａの区間として結像される。

上記した如く、深さの方向の拡がりｔ（ｉ／、＋）　＝　ｆａを有し、主平面か ら５　ｆａと６　ｆａの間に位置する対象物Ｓの例においては、光軸方向の結像 縦倍率倍率が１／４と１１５との間の値になっている。光軸方向の結像縦倍率と 光軸に直角な方向の結像倍率との間の簡単な関係は示すことができない。何故な らば、対象物Ｓの深さの方向の区間ｔ（ｉ／ｊ）　の始点と終点に対しては、物 点距離が相異なるため、光軸に直角な方向の結像倍率ｂｅｔａ　ａ（ｉ）　が相 異なっているからである。しかし、物点距離ｇａが増大するにつれて、光軸方向 の結像縦倍率は、光軸に直角な方向の結像倍率よりも著しく減少することは容易 に認めらｎる。

対物レンズＯｖ　を有し、観察者又はカメラに対して配置されている光学装置の 後方部分の内部では、光！軸方向の拡がりｔＬ　を有する空間的な中間像から鮮 明結像範囲の深い像が次の様にして形成さｎる。即ち、結像系Ｏｖ　の結像倍率 が、それによって生起する焦点深度ｔｖ　が圧縮された区間モ′に等しくなる様 に選ば扛ることによって形成される。

提案された光学装置の有利な取扱は次のことが可能なことである。即ち結像すべ き対象物Ｓの深さの方向の拡が９から得られる結像縦倍率ｂｅｔａａａＸ　を決 定した後で、作動距離が、それに応じた焦点距離を選ぶことによって前以て選定 可能であるということである。

焦点調節は、光学装置の前方部分の結像系を担持している、一般に公知の調節へ リコイドねじ枠を用いて行われる。

提案された光学装置が１倍よりも犬なる結像倍率で結像したとしても、該装置の 前方部分に対しては、物点距離が何時も像点距離よりも著しく大になっており、 従ってこの様な場合でも焦点調節は、有利にもヘリコイドねじ枠を用いて行うこ とが可能である。

このことにより、対象物を光軸方向に推移させるため又は場合によっては撮影装 置も含む光学装置全体を推移させるための高価な精密機械的構造が避けられる。

本発明は以下において、縮尺を示さない図面において特にすぐれた実施例によシ 詳細に説明さｎる。

添附図において、 第１図は特に有利な焦点調節機構と有する装置の断１２ 第２図は卓上台架を備えた第１図に示した実施例、第５図は地面に突き刺す槍に 固定された光学装置、第４図は本発明の光学装置の別の実施形態、第５図は光学 装置を医学用コルポスコープに用いた有利な実施形態、 第６図は光学装置をアマチュア写真撮影の目的のために使用した簡単な実施例、 第７図は光学装置の別の実施形態、 第８図は光学装置を微細外科学の種々異なる分野において使用する実施形態と示 す。

第１図から明らかな如く、対象物側の対物レンズＯａ　は、軸方向に推移する如 く内側の筒１６の表面に嵌っている外側の筒の内部に存在している。この内側の 筒１６には接眼鏡の筒２０が固定され、該接眼鏡の筒は接眼鏡Ｏｋ　を担持して いる。接眼鏡の筒２０は外側ねじ１９を所有し、該ねじには、前方にスラストボ ールベヤリング１７を取り付けられ、周囲にギザギザを刻み込まれた回転リング １８が嵌っている。この回転リング１８を右回シ方向に、対象物の方向に移動す る如く回転することによシ、接眼鏡の筒２０は、接眼鏡Ｏｋの後方に位置する観 察者の方向に移動しそしてそれと同時にまた、接眼鏡の筒２０に固定されている 内側の筒１６とそれに取シ゛付けられている対物レンズＯｖ　も移動する。周囲 にギザギザ分刻み込まれた回転リング１８と左回シ方向に、接眼鏡Ｏｋ　の方向 に移動する如く回転する場合には、予備緊張さｎたばね１５は内側の筒１６とそ れに固定さｎている接眼鏡の筒２０とを対物レンズＯａ　の方向に推移させる。

この予備緊張されたばね１５はねじに存在している遊隙も除去する。内側の筒１ ６を案内するため、この筒に固定さｎたビン１５が用いられておシ、該ピンは、 焦点調節行程に等しい長孔１４の中で滑動する。支持金具１２は該長孔を覆いそ して装置を台架に取シ付けることを可能にしている。この装置は有利な態様で精 密な焦点合わせを可能ならしめそして自動的に製造可能な旋作部材を用いて、組 み立てのための大なる費用を要することなく有利に造られる。

交換対物レンズＯａ　の焦点距離は２０．４０および８０ｍであシ、内部に組み 込まれた固定された対物レンズＯｖの焦点距離は１０１１ＩＲであり、そして５ Ｘ、ｉＤＸおよび１５Ｘの拡大倍率を有する接眼鏡が交互に挿入可能になってい る。使用範囲は１０Ｘおよび４０Ｘの間の倍率である。

表を用いた装置の取扱いを例題によシ説明する。

対象物の拡がりのため必要となる焦点深度は、対物レンズＯａ　に・対して結像 倍率がｂｅｔａ　ａ　＝　１１５　であることを条件付ける。仁れに対する物点 距離はるｆａである。用意された対物レンズＯａ　の焦点距離にょ４− リ、近似的に、ｆａ＝２０ｗ＋＋のとき作動距離は１２０ｍでありｆａ　−４０ ｍｍのとき作動距離は２４０閣でありそしてｆａ＝８０ｍのとき作動距離は４８ ０ｗｎが得らｎる。装置に固定さｎた対物レンズは１５倍の倍率になっている。

１０倍の接眼鏡を使用すｎば全体として３０倍の倍率が得らｎる（１１５×１５ ×１０）。

第２図は第１図に示した実施形態が卓上台架２１と有し、該台架上には光学装置 ２６が支持金具２４および周辺にギザギザを刻み込まれたねじ２２で固定されて いることを示す。

第５図は光学装置６１が地面に突き刺すｍ（３２）に固定され、光学装置は核種 と共に自然界の中で小さな対象物を観察するのに好都合に使用可能になっている ことを示す。

第４図は科学の研究又は日常作業に使用するための高度の要求に対する実施形態 を示すものである。

台架４１には種々異なる位置に照明４２および４３が取り付けら扛、そのことに より立体的な照明のだめの自由な光の誘導が可能になっている。

第５図は例えは医学的膣観察甚びに犯罪捜査における痕跡調査と記録に好都合に 使用さｎる実施形態を示している。装置の前方部分５１は、内部に、上記におい てＯａの記号で示された前方の対物レンズを担持し、該対物レンズは交換可能で あシそして、１５ 一般に公知のへリコイドねじ枠により筒５２に結合し、核部はまた筒５３に連結 され、この筒の内部に。

は上記においてＯｖで示された対物レンズが取シ付けられている。後方の筒５４ は、筒５３の内部に存在している対物レンズＯｖのために必要が伸長管を形成し そしてカメラ５５２取シ付けられる。匍５２と５６とは一般に公知の態様で、バ ヨネットおよび簡単な実施例ではねじによって結合され、そのことによシ筒５３ の内部に取り付けられた対物レンズＯＶは容易に交換可能になっている。

第６図は、アマチュア写真のための簡単な実施例を示す。上記においてＯａ　の 記号で示された交換可能な対物レンズを有し且つ組み込まれたヘリコイドねじ枠 を有する装置の前方部分６１は、該ヘリコイドねじ枠を介して中間筒６２と結合 し、該中間筒は更に、上記においてＯＶ　の記号で示された交換可能な対物レン ズを内部に有する装置の後方部分６３に連結さｎている。対物レンズＯｖのため に必要な伸長は通常使用さ扛ている蛇腹伸長装置（６４）を用いて達成さｎ、該 蛇腹装置にカメラ（６５）が固着さｎる。

第７図はアマチュア写真のだめの別の有利な実施形態を示す。内部に存在してい る対物レンズＯａ　を所有している装置の前方部分７１は、一般に公知のへリコ イドねじ枠を介して、レール７７上を推移可１６ 能に取シ付けられている担持スタンド７２に結合されている。内部に存在する対 物レンズＯｖ　を所有している装置の後方部分４４は通常使用されている蛇腹伸 長装置７５に連結され、該装置にはカメラ７６が取り付けらｎそして担持スタン ド７２とは蛇腹７５を用いて光密に結合している。焦点調節に際しては先づ粗動 調節は担持スタンド７２を推移させることにより行わ扛、一方微動調節は、装置 の前方部分に存在しているヘリコイドねじ枠によシ行われる。

この装置では、装置の前方部分７１を取シはすした後で、その代シにいわゆる透 明陽画保持装置が連結され、斯くして、装置の後方部分７４、レール７７と蛇腹 ７３を有する担持スタンド７２は好都合にも透明陽画複写装置として使用される 。粗動焦点調節に適合する様に組み付けられている調節往復台を有する蛇腹伸長 装置７５に対して、レール７７に固定された担持スタンド７２を有する装置に簡 単な変形が実施さｎている。

第８図は微細外科学の種々異なる分野において使用するための実施形態が示さｎ ている。内部に組み込まｎた交換可能な対物レンズＯｅ　を有す□る装置の前方 部分８１は、内部に組み込まれた交換可能な対物レンズＯｖ　を有する装置の後 方部分８２に連結されている。、装置の後方部分８２は更に中間片８３に固定さ れ、該中間片の内部では、組み込まｎているプリズムによシ一般の公知の態様に よシ光線の逆転が行われる。中間片８３の他端には、交換可能な接眼鏡を収容す るための接眼鏡筒８４が取り付けられている。前身て選択可能な作動距離によっ て、手術者は任意なそして疲労しない姿勢をとることができる。

Ｆｉｇ、２　Ｆｉｇ、　３ ３ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 動距離とを有し、容易に焦点調節を行うことができ、視覚による観察にも、写真 機、映画撮影機又は電子的走査カメラを用いた記録の目的にも適合した大なる視 角と大なる結像倍率のための光学装置において、光軸に沿って２つの対物レンズ が軸方向に推移可能な如く配置されておシ、対象物側に配置された第一の対物レ ンズ（Ｏａ）は最終的な結像倍率に無関係に、要求される焦点深度に応じて圧縮 さｎた空間像を形成し、そして観察者又はカメラ側に配置された第二の対物レン ズ（Ｏｖ）は、この圧縮された空間像から一つの鮮明結像範囲を持つ最終的な結 像倍率の像を形成し、その際作動距離は、対象物側の第一の対物レンズの適合す る焦点距離により決定されることを特徴とする光学装置。 ２、２つの対物レンズは２つの筒に固定されていることを特徴とする請求範囲第 １項記載の光学装置。 五　２つの筒は相互に滑シ込みそしてこれらの筒の相互の推移運動は、焦点調節 の目的のため、予備緊張されたばねにより遊隙が発生しない様に押し付けられて いるねじによって行われることを特徴とする請求範囲第２項記載の光学装置。 ４．２つの筒は焦点調節の目的のためへリコイドねじ枠を介して相互に一合され ていることを特徴とする請求範囲第２項記載の光学装置。 ５、　観察者又はカメラ側に配置されている第二の対物レンズを担持している筒 は、一般に公知の蛇腹伸長装置に取シ付けるだめの接続装置を備えていることを 特徴とする請求範囲第５頂゛又は第４項記載の光学装置。 ６、　対象物側に配置された第一の対物レンズは１つの筒（７１）に固定されそ して核部はへリコイドねじ枠を介して１つの担持スタンド（７２）に連結され、 該担持スタンドは１つのレール（７７）上で軸方向に推移することおよび、観察 者又はカメラ側に配置されている対物レンズは１つの筒（７４）に固定され、核 部は、一般に公知の蛇腹伸長装置（７５）に取シ付けるための接続装置を備えて おシ、蛇腹伸長装置は担持スタンド（７２）を担持しているレール（７７）上に 載っていることおよび担持スタンド（７２）とその後方に位置し、観察者側に配 置さ扛ている対物レンズを担持している筒（７４）との間の光密な結合は蛇腹（ ７３）によってなされていることを特徴とする請求範囲第１項記載の光学装置。 １　対象物側に配置された第一の対物レンズを担持しそして担持スタンド（７２ ）に連結さｎている筒２０ （７１）は、同じ方法で連結可能な透明陽画保持装置と交換可能であり、斯くし て担持スタンド（７２）とそれを担持しているレール（７７）並びに、観察者又 はカメラ側に配置されている第二の対物レンズを担持している筒（７４）と、こ の筒（７４）と担持スタンド（７２）との間の光密な結合に役立っている蛇腹（ ７３）とは透明陽画複写装置としても使用さｎることを特徴とする請求範囲第６ 項記載の光学装置。