JP4446024B2 - アフォーカルズームシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偶数の光学成分を持つアフォーカルズームシステムおよびこのようなアフォーカルズームシステムを備えた伸縮形の顕微鏡、特に立体顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ国特許公開第３９０４１９０号から上記の種類のズームシステムが公知である。この公知のアフォーカルズームシステムは伸縮形の立体顕微鏡、特に手術用顕微鏡用である。ドイツ国特許公開第３９０４１９０号のズームシステムは１０個の異なるレンズを含み、したがって組立に比較的手間がかかる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、結像収差の最適な補正を維持しつつ簡単な構成を持ち、しかもコスト的に有利に製作される、偶数の光学成分を持つアフォーカルズームシステムを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、対称的に構成された、すなわち対を成して鏡像に配置された同一の光学成分から構成された、偶数の光学成分を持つアフォーカルズームシステムによって解決される。
【０００５】
【発明の効果】
対称構成によってズームシステムの異なるレンズの数を著しく減らすことができ、このことから製作の手間の低減および同一レンズの部品点数が大きいことに基づき製作コストの低減が得られる。さらに対称的な構成は、各倍率位置でのほぼ中心的な瞳孔位置により軸外結像収差、例えば倍率色収差、接線歪曲収差（Tangensverzeichnung）およびコマの最適な補正を可能にする。
【０００６】
この場合、伸縮形の顕微鏡内でのアフォーカルズームシステムの使用については、全パンクラティック倍率範囲にわたってアフォカリテート（無限焦点性）が維持される、すなわちズームシステムに入射した平行な光線束はズームシステムを各位置で再び平行な光線束として出なければならないことが重要である。
【０００７】
アフォーカルズームシステムが４成分である場合、レンズタイプの種類の数は最少である。
【０００８】
もう１つの実施形ではアフォーカルズームシステムは２つの固定の外側成分と２つの可動な内側成分とを含み、内側成分は異なる曲線上を同一方向に移動可能である。これによってズームシステムの移動機構は特に良好に顕微鏡内の制限された構造スペース内に適合させることができる。
【０００９】
ズームシステムが２つの正の外側成分と２つの負の成分とを含んでいる場合には焦点距離の適切な選択によってきわめて短い構造長を持つズームシステムが可能である。さらに正の外側成分と負の内側成分の焦点距離の適切な組合せによって結像視野湾曲を最適に補正することができる、それというのも正の外側成分によって発生せしめられる負の結像視野湾曲は負の内側成分によって発生せしめられる正の結像視野湾曲で十分に補償されるからである。
【００１０】
アフォーカルズームシステムの構成が有利に４個の接合成分から成る場合には、球面収差および縦色収差はほぼ各接合成分内だけで補正されることがあり、尚残る残存収差は各ズーム位置でこのアフォーカルズームシステムの全体補正によって実質的に回折制限的に（beugungsbegrenzt）補正することができる。
【００１１】
縦色収差は、異常部分分散のガラスを用いて、本発明によるズームシステムが可視のスペクトル範囲内で回折のみによって制限される縦色収差のアポクロマティック式の補正を持つように有効に補正可能である。異常部分分散のガラスを外側成分内でもまた内側成分内でも使用すると特に有利であることが明らかとなった。
【００１２】
表１によって開示されたアフォーカルズームシステムは、パンクラティック伸長係数（Dehnungsfaktor）６に基づき、特に下方と中間倍率範囲約０．４〜約１．０における高い明るさに基づき、かつ２種の２素子合成成分だけから構成されるという事実に基づいて本発明の特に有利な実施形である。表２、３によるズームシステムも実地では重要な本発明の変更形である。
【００１３】
さらには本発明は上記のアフォーカルズームシステムの１つを備える顕微鏡に関する。対称的なアフォーカルズームシステムの短い構造長からコンパクトな顕微鏡が得られ、これは利用者に対して重要な人間工学的な利点を提供する。特に利点は、顕微鏡の移動容易性および例えば旋回可能な双眼望遠鏡を用いての単眼位置（Einblickhoehe）の最適な調整のための大きな遊びスペースである。
【００１４】
顕微鏡が立体顕微鏡の場合には、ズームシステムの対称性に基づいて立体部分光路（光線路）の平行性に必要なセンタリングの手間も比較的小さくすることができる。この場合、全パンクラティック倍率範囲にわたるこの平行性が伸縮形の立体顕微鏡にとってきわめて重要であることに注意しなければならない、それというのも双眼収差として示される平行性からの逸脱は立体視の著しい妨害に導き得るからである。
【００１５】
特に手術用顕微鏡として実施される本発明による立体顕微鏡では、対称性のアフォーカルズームシステムの高い明るさが大きな利点である。それというのもこの高い明るさに基づき手術視野の照度を低減することができ、そのため１つには患者の負荷を除き、第２にコントラストを低める散乱光の低減によって手術用顕微鏡の結像品質が高められるからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１には、アフォーカルズームシステム１の４成分から成る実施形が光軸７に平行に延びる光線束の周縁光線３と５と一緒に示されている。
【００１７】
アフォーカルズームシステム１は物体側に単レンズ９と１１から成る、正の屈折力の合成成分１３を含む。合成成分１３に像側で単レンズ１５と１７から成る、負の屈折力の合成成分１９が続いている。合成成分１９には像側でレンズ２１と２３から構成された、負の屈折力の合成成分２５が、さらにこれにレンズ２７と２９を包含する、正の屈折力の合成成分３１が続いている。
【００１８】
アフォーカルズームシステム１の対称構造に基づいて、レンズ９はレンズ２９と同じ、レンズ１１はレンズ２７と同じ、レンズ１５はレンズ２３と同じ、かつレンズ１７はレンズ２１と同じであり、レンズ２１，２３，２７および２０は中間の光軸７に対して直交する対称平面を中心にしてレンズ９，１１，１５および１７と鏡像に配置されている。
【００１９】
本発明による対称性は、互いに同じレンズが異なる有効直径（有効口径freie Durchmeser）を持つ場合にも得られる。対称性についてはシステム全体における曲率半径、ガラス種および鏡像配置が決定的である。
【００２０】
図１によるアフォーカルズームシステムの位置は、倍率Γ＝１に相当し、ズームシステム１内へ入射する光線束の直径がズームシステム１を出る光線束の直径に等しいことが認められる。
【００２１】
図２においては倍率Γ＝０．４に相当する位置のズームシステム１が示されている。この倍率のために内側の合成成分１９と２５が外側の成分１３の方へ移動せしめられている。したがってアフォーカルズームシステム１は、外側成分１３と３１の固定で倍率の変更を可能にし、この場合単に両内側成分１９と２５との間並びに内側成分１９もしくは２５と外側成分１３もしくは３１との間の距離が変更されるだけである。
【００２２】
図３には、倍率Γ＝２．４に相当する位置にあるアフォーカルズームシステム１が示されている。この倍率のためには、やはり外側成分１３と３１の固定で負の屈折力を持つ内側成分１９と２５が正の屈折力を持つ像側の外側成分３１へ近づけられている。
【００２３】
図１〜図３から、異なる曲線上を同方向に移動する内側成分１９と２５の移動範囲は外側成分１３と３１との間の全範囲を利用することが認められる。これによってアフォーカルズームシステム１の全構造長が倍率変更に利用される。
【００２４】
さらに、低倍率Γ＝０．４から中間の倍率Γ＝１までで一定の高い明るさが得られ、この明るさは所与の像側の画角（Bildwinkel）で光線束を制限する像側外側成分３１の直径によってのみ規定されることが認められる。この倍率範囲では特に両内側成分１９と２５による制限は起こらない。
【００２５】
Γ＝１からのより高い倍率では物体側の外側成分１３の有効直径が光線束横断面を、したがってまた明るさの定量化（Qauntifizierung）に決定的な像側の光線束横断面Ｐ_２＝Ｐ_１／Γを制限する。
【００２６】
２つの正の外側成分１３，３１並びに２つの負の内側成分１９，２５から成るズームシステム１の構成に基づいてアフォーカルズームシステム１が得られ、これはコンパクトな構造形式を特徴とする。
【００２７】
正の外側成分１３，３１内の正の屈折力を持つレンズ１１，２７は異常部分分散を持つクラウンガラス、例えばフィルマ・ショット・グラスヴェルク（Firma Schott Glaswerke）からＰＫ５０の名で販売されているホスフェートクラウンガラスから製作される。同様に負の内側成分１９，２５の正の屈折力を持つレンズ１７，２１は重フリントガラス、例えばＳＦＬ６、この名でフィルマ・ショット・グラスヴェルクから販売されているもう１つの異常部分分散を持つガラスから製作される。これによって可視スペクトル範囲内で回折だけによって制限された、縦色収差のアポクロマチック補正を得ることができる。
【００２８】
レンズ半径、レンズの厚さもしくは空気間隔、有効レンズ直径および使用されるガラスタイプが以下の表から得られる。これらの表では、番号はレンズ９の物体側の凸レンズ面から数えた光学的に有効な各球面（境界面）に関する。
【００２９】
【表２】

【００３０】
上記に挙げられたデータにおいて、構造長８０ｍｍのズームシステムに関して正の外側成分で焦点距離７６．０ｍｍおよび負の内側レンズで焦点距離−４２．５ｍｍが得られる。
【００３１】
もちろん有効レンズ直径を、例えばこのズームシステムをその都度の組み付け条件に適合させるために変更することができる。
【００３２】
構造長６０ｍｍのアフォーカル対称ズームシステムのもう１つの図１〜図３に相当する実施形の光学データ（他は表１に相当）は以下の表２に挙げられる：
【００３３】
【表３】

【００３４】
上記のデータにおいて、構造長６０ｍｍを持つズームシステムに関して、正の外側成分で焦点距離５０．９ｍｍおよび負の内側レンズで焦点距離−２７．３ｍｍが得られる。
【００３５】
構造長１００ｍｍを持つアフォーカル対称ズームシステムの別の図１〜図３に相当する実施形の光学データ（他は表１に相当）は以下の表３に挙げられる：
【００３６】
【表４】

【００３７】
上記のデータにおいて、構造長１００ｍｍを持つズームシステムに関して、正の外側成分で焦点距離１０２．４ｍｍおよび負の内側レンズで焦点距離−５９．２ｍｍが得られる。
【００３８】
図４は光路と伸縮形の立体顕微鏡３３の光学成分を略示したものである。
【００３９】
立体顕微鏡３３は、主対物レンズ３５を有し、その焦点面内に観察対象物体３７が対物レンズ３５の光軸上に配置されている。物体３７は対物レンズ３５から２つの立体部分光路を介して２つの部分像に無限遠に結像される。図４にはこれらの部分光路のうち物体点３７についてそれぞれ周縁光線３９，４１もしくは４３が示されている。さらに図４で下方の立体部分光路の光軸４７および上方の立体部分光路の光軸４９が認められる。
【００４０】
対物レンズ３５に関して像側の光軸４７と４９の間隔がステレオベースであり、これが物体３７がいかなる立体角度の下で観察されるかを決める。さらに対物レンズ３５に関して像側の光軸４７と４９が互いに、かつ対物レンズ３５の光軸に対しても平行である。
【００４１】
主対物レンズ３５の像側後方では下方の立体部分光路内に図１〜図３のアフォーカルズームシステム１が、かつ上方の立体部分光路内には同一のアフォーカルズームシステム１´が配置されている。
【００４２】
立体顕微鏡３３はまたいわゆる２チャンネルズームを有し、２チャンネルズームでは各立体部分光路に別個のレンズ系が配設される。しかし本発明によるアフォーカルズームシステムの対称性によって達成される利点は１チャンネルズームでも達成され、１チャンネルズームではズームシステム１のレンズが主対物レンズ３５に相当してそれぞれ両立体部分光路を有するようにズームシステムの個々のレンズの有効レンズ直径が大きい。
【００４３】
対称的なアフォーカルズームシステム１，１´の像側後方には接眼レンズ５３を有する２チャンネル管５１を包含する双眼望遠鏡が配置されている。
【００４４】
図４で認められるように、管５１と接眼レンズ５３から成る双眼望遠鏡の両立体チャンネルはそれぞれズームシステム１および１´と共通の光軸を持つ。
【００４５】
伸縮形の立体顕微鏡では主対物レンズ３５とアフォーカルズームシステム１，１´との間並びにアフォーカルズームシステム１，１´と２チャンネル管５１との間において前提によれば光線束はそれぞれ平行である。立体顕微鏡３３の光学部分成分、すなわち主体物レンズ３５および双眼望遠鏡をモジュール形式で他の成分によって交換し得るようにするためには、対称型のズームシステム１はアフォーカルでなければならない、すなわち物体側および像側で無限遠で結像しなければならない。例えば異なる焦点距離を持つ主対物レンズを作動距離の変更のために使用する、または、また管５１と接眼レンズ５３から成る双眼望遠鏡においても人間工学的理由から直線管を傾斜管または旋回管によって代えることができる。主対物レンズ３５および双眼望遠鏡を他のアフォーカル対称型ズームシステムとも組み合わせることができる。さらに平行な光線路、すなわち平行な光線束を持つ領域内へフォト−およびＴＶ−記録のための成分を特に簡単に組み入れることができる。
【００４６】
したがって、アフォーカルズームシステムがΓ＝０．４〜Γ＝２．４の全倍率範囲にわたってアフォカリテートを満たすことが重要である。これはズームシステム１の外側成分１３，３１の調整によって十分に正確に達成することができる。
【００４７】
立体顕微鏡３３においてズームシステムが２つの同一のチャンネルから成っているので、本発明による対称性によって同じレンズの点数が高くなり、これは経済的に大きな利点である。光軸４７，４９の必要な平行性についてもこの平行性に必要な、アフォーカルズームシステムの部分成分の光学的、および機械的なセンタリング精度の維持のための超過費用は異なる部分成分が２つにすぎないので経済的に許容可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】対称アフォーカルズームシステムの１実施形の軸線を通る略示縦断面図である。
【図２】より小さな倍率を持つ位置にある図１のズームシステムの図である。
【図３】より大きな倍率を持つ位置にある図１のズームシステムの図である。
【図４】本発明による立体顕微鏡の１実施形の略示図である。
【符号の説明】
１ ズームシステム、 １３，３１ 外側成分、 １９，２５ 内側成分

Claims (6)

1. ４つの光学成分（１３，３１，１９，２５）を備え、該光学成分（１３，３１，１９，２５）は対を成して同一に構成されており、且つ２つの外側成分（１３，３１）および可動の２つの内側成分（１９，２５）を包含し、対を成して同一に構成されている前記光学成分（１３，３１，１９，２５）は光軸（７）に対して直交する対称平面を中心に鏡像に配置されており、対称性はシステム全体における曲率半径、ガラス種および鏡像配置によって決定されている、手術用顕微鏡用のアフォーカルズームシステム（１）において、
   前記２つの外側成分（１３，３１）は固定であり、前記内側成分（１９，２５）は異なる移動曲線上を同方向に移動可能であり、ズームシステム（１）が異常部分分散のガラス製のレンズ（１１，２７，１７，２１）を包含しており、
   各外側成分（１３，３１）内の各１つのレンズ（１１，２７）および各内側成分（１９，２５）内の各１つのレンズ（１７，２１）が異常部分分散のガラスから製作されていることを特徴とする、アフォーカルズームシステム。
2. ズームシステム（１）は４成分であることを特徴とする、請求項１記載のアフォーカルズームシステム。
3. ズームシステム（１）の前記内側成分（１９，２５）は負の屈折力（Brechkraft）を持ち、かつズームシステム（１）の前記外側成分（１３，３１）は正の屈折力を持つことを特徴とする、請求項１または２記載のアフォーカルズームシステム。
4. ズームシステム（１）は接合成分（１３，１９，２５，３１）から構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のアフォーカルズームシステム。
5. ズームシステム（１）が次表：
   

   

   にまとめられたデータを持つことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のアフォーカルズームシステム。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載のアフォーカルズームシステム（１）を備えていることを特徴とする、伸縮形の顕微鏡。

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