JP4291667B2 - ズームシステム - Google Patents

Description

本発明は、例えば手術顕微鏡等の顕微鏡のためのズームシステムに関する。特に、本発明は、対称的に配置される４つのレンズ系から構成されると共に、当該４つのレンズ系のうちの２つずつが、同一構成を有しかつ互いに鏡像的に配置されるよう構成される、複数種類のガラスと可変の空気距離を有する、手術顕微鏡のためのズームシステムに関する。更に、本発明は、上記ズームシステムを有する顕微鏡、とりわけステレオ顕微鏡に関する。

ズームシステム、即ち変倍システムは、現在、殆どすべての手術顕微鏡で使用されている。その重要な例として、Ｍ６９０がある（非特許文献１参照）。

ライカ社のパンフレット：Ophthalmologie M1-602-0de-1.94-SCH, 1994年1月印刷

上記の顕微鏡ズームシステムは、偶数個の光学素子から構成されている。このズームシステムは、４素子系構造を有し、対称的に構成されている。当該４つのレンズ系のうちの２つずつが同一に構成され、かつこれらレンズ系は、互いに鏡像（対称）的に配置されている。外側の２つのレンズ系は、定置的に配され、内側の２つのレンズ系は、可動的に配されている。外側の２つのレンズ系は、それぞれ、正の屈折力を有し、内側の２つのレンズ系は、それぞれ、負の屈折力を有する。これによって、フォーカシング（ピント合わせ）も倍率の変更も可能となる。

ところで、現存するズームシステムは、色収差、とりわけ２次スペクトルの色収差に関し、並びに像面湾曲及び非点収差に関し改善が必要であることを本発明者は認識した。また、大きなズームファクタを得ることを断念することなく、ズームシステムの構造長さを小さいままに維持することも望まれるが、実現していない。

それゆえ、本発明の課題は、上記の認識を前提とし、従来のものでは生じていた色収差、とりわけ２次スペクトルの色収差をアポクロマチック的態様で改善し、並びに上述の更なる欠点を回避しかつズームシステムの構造長さを小さいままに維持することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一視点によれば、対称的に配置される４つのレンズ系から構成されると共に、当該４つのレンズ系のうちの２つずつが、互いに同一かつ鏡像（対称）的に構成される、複数種類のガラスと可変の空気距離を有する、例えば手術顕微鏡のための、ズームシステムが提供される。このズームシステムにおいて、該ズームシステムの各レンズ（ないし単レンズ）は、次表に示す幾何学的構成、光学的特性及び互いに対する空気間隔を有することを特徴とする（形態１・基本構成）：

１’〜３’：第１レンズ系（定置）、４’〜６’：第２レンズ系（可動）、７’〜９’：第３レンズ系（可動）、１０’〜１２’：第４レンズ系（定置）

本発明の独立請求項１により、所定の課題として掲げた効果が上述の通り達成される。即ち、本発明のズームシステムは、色収差、とりわけ２次スペクトルの色収差に関し、並びに像面湾曲及び非点収差に関し改善可能であり、更に、大きなズームファクタを得ることを断念することなく、ズームシステムの構造長さを小さいままに維持することが可能である（基本構成）。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が後述のようにそれぞれ達成される。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは従属請求項の対象でもあり得る。
（２） 上記のズームシステムにおいて、使用される光学ガラスは、アッベ数ν_ｄに関し以下の標準直線の関係式を充足することが好ましい（形態２）：
｜Ｐ_ｇ,Ｆ−０．６４３−０．００１６２８・ν_ｄ｜＞０．００６
及び／又は
｜Ｐ_Ｃ,ｔ−０．５４５０−０．００４７４３・ν_ｄ｜＞０．００８。
（３） 上記のズームシステムにおいて、構造特徴は、２次スペクトルの補正のために構成されることが好ましい（形態３）。
（４） 上記のズームシステムにおいて、構造特徴は、非点収差の補正のために構成されることが好ましい（形態４）。
（５） 上記のズームシステムにおいて、構造特徴は、像面湾曲の補正のために構成されることが好ましい（形態５）。
（６） 上記のズームシステムにおいて、ガラスの種類の選択及び構造特徴により、ズームシステムの像面湾曲が、接眼レンズの像面湾曲に適合することが好ましい（形態６）。
（７） 顕微鏡は、上記形態（１）〜（６）の何れか１つのズームシステムを有することが可能である（形態７）。
（８） 上記の顕微鏡は、ステレオ顕微鏡であることが好ましい（形態８）。
（９） 上記の顕微鏡は、２つのチャンネルを有するステレオ顕微鏡であることが好ましい（形態９）。

本発明のズームシステムでは、特別な光学特性を有する複数の材料（複数種類のガラス）、並びに（光学素子ないしレンズの）境界面及び（当該境界面間の）空気間隔等の特別な構造特徴が用いられる。

光学ガラスは、ｎ_ｄ、ν_ｄ、Ｐ_ｇ,Ｆ及びＰ_Ｃ,ｔによって特徴付けることができる。ここに、
ｎ_ｄは、屈折率、
ν_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は、アッベ数、
Ｐ_ｇ,Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は、波長ｇ及びＦに対する相対部分分散、及び
Ｐ_Ｃ,ｔ＝（ｎ_Ｃ−ｎ_ｔ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）は、波長Ｃ及びｔに対する相対部分分散
を表す。多くのガラス（「標準ガラス（Normalglaeser）」）に対して、近似的に、以下の線形的関係式（本発明において「標準直線（Normalgeraden）」という）ないしν_ｄの一次関数が妥当する：
Ｐ_{ｎ ｇ,Ｆ}＝０．６４３８−０．００１６２８・ν_ｄ、
Ｐ_{ｎ Ｃ,ｔ}＝０．５４５０−０．００４７４３・ν_ｄ。

しかしながら、本発明で使用するガラスには、上記の線形的関係式は妥当しない。標準直線からの相対部分分散のずれ（差異）は、以下の関係が成り立つ：
｜Ｐ_ｇ,Ｆ−Ｐ_{ｎ ｇ,Ｆ}｜＞０．００１
及び／又は
｜Ｐ_Ｃ,ｔ−Ｐ_{ｎ Ｃ,ｔ}｜＞０．００２。

本発明で使用するガラスの特性を表１に示す。

表１

材料の特別な選択及び以下の表２に示した（光学素子ないしレンズの）境界面及び（当該境界面間の）空気間隔（気体）の幾何学的特徴により、色収差、とりわけ２次スペクトルの色収差が低減（補正）され、アポクロマティックな意味における改善、並びに非点収差及び像面湾曲の低減・平坦化（補正）（Planitaet）が図られる。このため、本発明の新規なズームシステムの像面湾曲は、接眼レンズの像面湾曲にほぼ適合する。

表２

１’〜３’：第１レンズ系（定置）、４’〜６’：第２レンズ系（可動）、７’〜９’：第３レンズ系（可動）、１０’〜１２’：第４レンズ系（定置）
表２から明らかなとおり、ズームシステムの光軸に順次配設される４つのレンズ系（ここで、例えば、ズームシステムの一端側から他端側に向かって、第１レンズ系（群）、第２レンズ系、第３レンズ系及び第４レンズ系というものとする）のうち、第１レンズ系と第４レンズ系は、定置的に配設され、第２レンズ系と第３レンズ系は可動的に支持される。ここで、例えば、境界面３’（第１レンズ系の他端側の面）と境界面４’（第２レンズ系の一端側の面）の間の空気間隔の値“３１．６５...２３．１８...２．００”について説明すると、値“３１．６５”は、第２レンズ系が最も他端側に位置するときの空気間隔の値であり、値“２３．１８”は、ズームシステムの光軸に関する第１レンズ系と第４レンズ系の対称面に関し、第２レンズ系と第３レンズ系が対称的に配置されかつ互いに最も近接する場合の空気間隔の値をであり、値“２．００”は、第２レンズ系が最も一端側に位置するときの空気間隔の値である。表に示す境界面６’と７’の間の空気間隔、境界面９’と１０’の間の空気間隔についても同様である。

従来のズームシステムとは異なり、本発明のズームシステムのレンズの構造特徴及び当該レンズのガラスの種類の特別な選択により、例えば、ズームファクタが６×と非常に大きいにもかかわらず、構造長さは７０ｍｍと短いものとすることができる。隣接する（レンズないし光学素子）ガラスの種類の選択、及びこれに応じて補正した空気間隔により、基本的には同じ構造でも、凡そ６０ｍｍ〜凡そ１００ｍｍの（短い）構造長さで５×〜８×の（大きな）ズームファクタを達成することができる。

同一のレンズ系を２つずつ対称的に配置・構成することにより、レンズ系及び個々のレンズ（ないし単レンズ）の多様性ないし複雑化を減少することができる（それ自体は公知
）。このことは、２つの光学チャンネルを同時並行的に使用するためレンズ系の数が２倍になるステレオ顕微鏡の場合には特に有効である。

本発明のズームシステムは、１つの主対物レンズと２つの部分光路を有するステレオ顕微鏡にも、１チャンネルの又は１チャンネルステレオスコピックの顕微鏡システム（これは、１つのズームシステムから射出されるズーム像をステレオスコピックに分割して観察するタイプのステレオ顕微鏡を意味する）にも適用することができる。この場合、ズームシステムのレンズ径を、好ましくは、主対物レンズのレンズ径に適合させることができる。

本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例は、発明の理解の容易化のためのものであり、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な修正・変更等を排除することを意図しない。また、特許請求の範囲に付した図面参照符号も発明の理解の容易化のためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図しない。これらの点に関しては、補正・訂正後においても同様である。

図１に、例えば手術用顕微鏡に使用される、本発明のズームシステムの一例を模式的に示した。

被検対象（不図示）から到来する光線束６は、２つのレンズ１１及び１２から構成され正の屈折力を有する第１レンズ系２において屈折され、２つのレンズ１３及び１４から構成され負の屈折力を有する第２レンズ系３に向けられる。そして、光線束６は、第２レンズ系３から、２つのレンズ１５及び１６から構成される第３レンズ系４へと導かれ、更に、第３レンズ系４において屈折され、２つのレンズ１７及び１８から構成される第４レンズ系５へ向けられる。レンズ系２、３、４、５は、それぞれ２つの個別レンズ（ないし単レンズ）から構成される接合（貼合）素子ないし組合素子として構成される。一方ではレンズ系２及び５が、他方ではレンズ系３及び４が、それぞれ同一に構成され、かつ鏡像（対称）的に配置される。レンズ系２及び５は、定置的に配設される。これに対しレンズ系３及び４は、可動的に支持される。ズームシステムの光軸１に沿ったレンズ系３及び４の軸線方向の摺動運動は、被検対象のフォーカシング及び焦点距離の変更を可能とする。

図２〜図４に、本発明のズームシステムの実施例に基づく収差特性のコンピュータによる計算結果の例を示した。各図において左から順に、球面縦収差（Longitudinal spherical aberration）、非点収差及び像面湾曲（Astigmatism 及び Field curves）、並びに歪曲（Distortion）のグラフを示した。図示の各曲線の意味については当業者には自明の事項であるので、ここでは説明は省略する。

手術用顕微鏡のための、本発明のズームシステムの一例の模式図。 本発明のズームシステムの収差特性のコンピュータによる計算結果の一例。 本発明のズームシステムの収差特性のコンピュータによる計算結果の他の一例。 本発明のズームシステムの収差特性のコンピュータによる計算結果の更に他の一例。

符号の説明

１ ズームシステムの光軸
２ 第１レンズ系
３ 第２レンズ系
４ 第３レンズ系
５ 第４レンズ系
６ 光線束
１１ レンズ（材料Ａ）
１２ レンズ（材料Ｂ）
１３ レンズ（材料Ｃ）
１４ レンズ（材料Ｄ）
１５ レンズ（材料Ｄ）
１６ レンズ（材料Ｃ）
１７ レンズ（材料Ｂ）
１８ レンズ（材料Ａ）
１’〜１２’ 境界面

Claims (5)

1. 複数種類のガラスと可変の空気距離を有する、手術顕微鏡のためのズームシステムであって、対称的に配置される４つのレンズ系（２〜５）から構成されると共に、当該４つのレンズ系のうちの２つずつ（２，５；３，４）が、互いに同一かつ鏡像的に構成されるものにおいて、
   該ズームシステムの各レンズ（１１〜１８）は、次表に示す幾何学的構成、光学的特性及び互いに対する空気間隔を有すること
   を特徴とするズームシステム：
   

   

   １’〜３’：第１レンズ系（定置）、４’〜６’：第２レンズ系（可動）、７’〜９’：第３レンズ系（可動）、１０’〜１２’：第４レンズ系（定置）
2. 使用される光学ガラスは、アッベ数ν_ｄに関し以下の標準直線の関係式を充足すること
   を特徴とする請求項１に記載のズームシステム：
   ｜Ｐ_ｇ,Ｆ−０．６４３−０．００１６２８・ν_ｄ｜＞０．００６
   及び／又は
   ｜Ｐ_Ｃ,ｔ−０．５４５０−０．００４７４３・ν_ｄ｜＞０．００８。
3. ガラスの種類の選択及び構造特徴により、ズームシステムの像面湾曲が、接眼レンズの像面湾曲に適合すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のズームシステム。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のズームシステムを有する顕微鏡。
5. ２つのチャンネルを有するステレオ顕微鏡であること
   を特徴とする請求項４に記載の顕微鏡。

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