(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者によって観察されるように光学画像を生成するための光学機器であって、
観察平面上の射出瞳で観察者によって観察可能な対象の光学画像を生成するための光学システムと、
複数の射出瞳の配列を生成するための前記光学システムの画像平面に位置する回折素子であって、前記複数の射出瞳が、前記観察者によって、単一の拡大された射出瞳として知覚可能である、回折素子と、を備え、
前記回折素子は、複数の回折ユニットの配列を有する面を備え、
回折ユニットのそれぞれは、射出瞳の前記配列の前記射出瞳の１つを生成し、
前記回折ユニットは、それぞれ、複数の分離領域の複製パターンを備え、
前記複数の分離領域は、光の回折干渉を生成し、かつ、単一の連続した拡大された射出瞳として観察可能になるような、射出瞳の配列の形態で互いに対して変位される複数の射出瞳を生成するのに有効であり、
前記領域は、水平断面および垂直断面の両方において、異なる大きさの不規則な特徴を備え、前記回析素子の前記面に平行な断面において、その側面に曲面を有し、
前記回折ユニットは、前記回折素子の光軸から半径方向外側に配置され、かつ、前記光軸からの半径方向距離が増加するにつれて、光路の増加するオフセット角を提供するように構成され、前記回折素子の開口上の位置と関係なく、かつ、前記回析要素と前記観察平面との間の中継レンズ装置なしに、投影レンズから受け取った画像からの光が、前記回折素子の前記開口を横切る前記観察平面上の共通領域に中継されるようになっている、光学機器。
【請求項２】
観察者によって観察されるように光学画像を生成するための光学機器であって、
観察平面上の射出瞳で観察者によって観察可能な対象の光学画像を生成するための光学システムと、
複数の射出瞳の配列を生成するための前記光学システムの画像平面に位置する回折素子であって、前記複数の射出瞳が、前記観察者によって単一の拡大された射出瞳として知覚可能である、回折素子と、を備え、
前記回折素子は、複数の回折ユニットの配列を有する面を備え、
前記回折ユニットのそれぞれは、射出瞳の前記配列の前記射出瞳の１つを生成し、
前記回折ユニットは、それぞれ、複数の分離領域の複製パターンを備え、
複数の分離領域は、光の回折干渉を生成し、かつ、単一の連続した拡大された射出瞳として観察可能になるような、射出瞳の配列の形態で互いに対して変位される複数の射出瞳を生成するのに有効であり、
前記領域は、水平断面および垂直断面の両方において、異なる大きさの不規則な特徴を備え、前記回析素子の前記面に平行な断面において、その側面に曲面を有し、
各回折ユニットの前記領域の前記側面は、前記回析素子の前記面に対して傾けられている、光学機器。
【請求項３】
前記回折素子は、受信画像からの光を、前記回折素子の開口を横切る観察平面上の共通領域に中継するように構成されている、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記回折ユニットは、中継レンズ装置なしに、前記受信画像からの光を、前記観察平面上の前記共通領域に中継させることを提供する、請求項３に記載の機器。
【請求項５】
前記回折ユニットは、前記回折素子の光軸から半径方向外側に配置され、かつ、前記光軸からの半径方向距離が増加するにつれて、光路の増加するオフセット角を提供するように構成され、前記回折素子の前記開口上の位置とは関係なく、投影レンズから受け取った画像からの光が、前記観察平面上の前記共通領域に中継されるようになっている、請求項３または４に記載の機器。
【請求項６】
前記光路の前記増大するオフセット角は、半径方向外側の各回折ユニット内の領域を異なる大きさ、形状および位置にすることによって、提供される、請求項１または５に記載の機器。
【請求項７】
前記回折素子の前記面は、実質的な平面上にある、請求項１から６のいずれかに記載の機器。
【請求項８】
前記領域の前記側面での前記曲面は、円錐台の面を備える、請求項１から７のいずれかに記載の機器。
【請求項９】
各回折ユニット内の前記領域の前記側面は、内側および外側の両方への湾曲セクションを備える、請求項１から８のいずれかに記載の機器。
【請求項１０】
各回折ユニット内の前記領域の前記側面は、前記回析素子の前記面に対して傾けられている、請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
各回折ユニット内の前記領域の前記側面は、前記回析素子の前記面に直交する断面が直線であり、該側面は、前記回折素子の前記面から離れる方向に内向きに先細りになっている、請求項２または１０に記載の機器。
【請求項１２】
前記領域は、前記回折素子の前記面から延びる突起である、請求項１から１１のいずれかに記載の機器。
【請求項１３】
前記領域は、前記回折素子の前記面内に延びる窪みである、請求項１から１２のいずれかに記載の機器。
【請求項１４】
領域の前記パターンの前記複製は、４０μｍから１００μｍのピッチを有する、請求項１から１３のいずれかに記載の機器。
【請求項１５】
領域の前記パターンの前記複製は、６０μｍから１００μｍのピッチを有する、請求項１から１３のいずれかに記載の機器。
【請求項１６】
前記領域は、それぞれ、その上面に１つ以上の面を有し、前記上面は、前記回折素子の前記面と実質的に平行である、請求項１から１５のいずれかに記載の機器。
【請求項１７】
前記領域は、それぞれ、その上面に１つ以上の面を有し、前記上面は、前記回折素子の前記面に対して傾いている、請求項１から１６のいずれかに記載の機器。
【請求項１８】
前記領域は、それぞれ、その上面に１つ以上の面を有し、前記上面は、弓形である、請求項１から１７のいずれかに記載の機器。
【請求項１９】
前記領域のそれぞれの前記上面は、湾曲周縁部を有する、請求項１８に記載の機器。
【請求項２０】
前記領域は、それぞれ、１μｍから１０μｍの平均寸法を有する、請求項１から１９のいずれかに記載の機器。
【請求項２１】
前記光学機器は、顕微鏡である、請求項１から２０のいずれかに記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器、特に、顕微鏡、とりわけ、射出瞳を有する光学機器であって、射出瞳に対象の画像が観察者によって観察されることができる光学機器、および、それを用いる回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学機器では、射出瞳の大きさは、光学機器の開口数および全体の倍率の関数によって決定され、したがって、射出瞳の大きさは、固定され、比較的小さい寸法である。観察者が画像を適切に観察するために、彼／彼女の眼の入射瞳を光学機器の射出瞳と正確に合わせることが、必要である。
【０００３】
本出願人は、以前に、複数の異なった光学機器を開発しており、これらの光学機器は、中間画像平面での回折素子の提供を通じて、有効に拡大された射出瞳を提供し、拡大された射出瞳内のどこにでも彼／彼女の眼を配置することによって、観察者が画像を見ることを可能にする。これらの光学機器は、米国特許公開第６０２８７０４号明細書、米国特許公開第６６０８７２０号明細書、米国特許公開第７１２３４１５号明細書および英国特許公開第２３６０６０４号明細書に開示されている。射出瞳の拡大器を組み込んでいる他の光学機器は、米国特許出願公開第２００５／０２３７６１５号明細書に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開第６０２８７０４号明細書
【特許文献２】米国特許公開第６６０８７２０号明細書
【特許文献３】米国特許公開第７１２３４１５号明細書
【特許文献４】英国特許公開第２３６０６０４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０２３７６１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人は今や、改良された光学機器を開発しており、この光学機器は、有効に拡大された射出瞳をさらに提供するが、この射出瞳は、より大きな光学的透明度を提供し、かつ、視野レンズ装置の必要性を回避することができ、視野の大きさを考えると、通常、精密研削かつ研磨されたガラス部品である、光学機器内の最も高価な部品を表す。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの観点において、本発明は、観察者によって観察されるように光学画像を生成するための光学機器であって、射出瞳に観察者によって観察可能な対象の光学画像を生成するための光学システムと、複数の前記射出瞳の配列を生成するための前記光学システムの画像平面に位置する回折素子であって、前記複数の射出瞳が、前記観察者によって、単一の拡大された射出瞳として知覚可能である、回折素子と、を備え、前記回折素子は、回折ユニットの配列を有する面を備え、回折ユニットのそれぞれは、射出瞳の前記配列の前記射出瞳の１つを生成し、前記回折ユニットは、それぞれ、複数の分離領域のパターンの複製を備え、前記複数の分離領域は、光の回折干渉を生成し、かつ、単一の連続した拡大された射出瞳として観察可能になるような、射出瞳の配列の形態で互いに対して変位される複数の射出瞳を生成するのに有効であり、前記領域は、異なる大きさの不規則な特徴を備え、前記領域は、水平および垂直セクションの両方において、その側面に曲面を有し、前記回折ユニットは、前記回折素子の光軸から徐々に半径方向外側に配置され、かつ、増加する角度オフセット（ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  ａｎｇｕｌａｒ  ｏｆｆｓｅｔ）を徐々に提供するように構成され、前記回折素子の開口上の位置と関係なく、受信画像からの光が、前記回折素子の前記開口を横切る観察平面上の共通領域（ｃｏｍｍｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）に中継されるようになっている、光学機器を提供する。
【０００７】
別の観点において、本発明は、観察者によって観察されるように光学画像を生成するための光学機器であって、射出瞳に観察者によって観察可能な対象の光学画像を生成するための光学システムと、複数の前記射出瞳の配列を生成するための前記光学システムの画像平面に位置する回折素子であって、前記複数の射出瞳が、前記観察者によって単一の拡大された射出瞳として知覚可能である、回折素子と、を備え、回折素子は、回折ユニットの配列を有する面を備え、回折ユニットのそれぞれは、射出瞳の前記配列の前記射出瞳の１つを生成し、前記回折ユニットは、それぞれ、複数の分離領域のパターンの複製を備え、前記複数の分離領域は、光の回折干渉を生成し、かつ、単一の連続した拡大された射出瞳として観察可能になるような、射出瞳の配列の形態で互いに対して変位される複数の射出瞳を生成するのに有効であり、前記領域は、異なる大きさの不規則な特徴を備え、前記領域は、水平および垂直セクションの両方において、その側面に曲面を有する、光学機器を提供する。
【０００８】
１つの実施形態において、前記回折素子は、受信画像からの光を、前記回折素子の前記開口を横切る観察平面上の共通領域に中継するように構成されている。
【０００９】
１つの実施形態において、前記回折ユニットは、前記回折素子の光軸から徐々に半径方向外側に配置され、かつ、増加する角度オフセットを徐々に提供するように構成され、前記回折素子の前記開口上の位置とは関係なく、前記受信画像からの光を前記観察平面上の前記共通領域に中継させるようになっている。
【００１０】
１つの実施形態において、前記徐々に増大する角度オフセットは、異なる大きさ、形状および位置を有する異なる半径方向位置の各回折ユニット内に前記領域を提供することによって、提供される。
【００１１】
１つの実施形態において、前記回折ユニットは、中継レンズ装置（ｒｅｌａｙ  ｌｅｎｓ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）なしに、前記受信画像からの光を、前記観察平面上の前記共通領域に中継させることを提供する。
【００１２】
１つの実施形態において、前記回折素子の前記面は、実質的な平面上にある。
【００１３】
１つの実施形態において、前記領域の前記側面での前記曲面は、円錐台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）または円柱台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）の面を備え、および／または、各回折ユニット内の前記領域の前記側面は、内側および外側の両方への湾曲セクションを備える。
【００１４】
１つの実施形態において、各回折ユニット内の前記領域の前記側面は、傾いているまたは傾けられ、必要に応じて、球面収差が補正された面（ｒｅｃｔｉｌｉｎｅａｒ  ｓｕｒｆａｃｅ，直線表面）として、前記回折素子の前記面から離れて内側に先細りになっている。
【００１５】
１つの実施形態において、前記領域は、前記回折素子の前記面から延びる突起、および／または、前記回折素子の前記面内に延びる窪みである。
【００１６】
１つの実施形態において、領域の前記パターンの前記複製は、約４０μｍから約１００μｍまたは約６０μｍから約１００μｍのピッチを有する。
【００１７】
１つの実施形態において、前記領域は、それぞれ、その上面に１つ以上の面を有し、前記上面は、前記回折素子の前記面と実質的に平行で、前記回折素子の前記面に対して傾いている、および／または、弓形である。
【００１８】
１つの実施形態において、前記領域のそれぞれの前記上面は、湾曲周縁部を有する。
【００１９】
１つの実施形態において、前記領域は、それぞれ、約１μｍから約１０μｍの平均寸法を有する。
【００２０】
１つの実施形態において、前記光学機器は、顕微鏡である。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態は、今、添付の図面を参照して、実施例のみを用いて以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学機器を示す。
【図２（ａ）】図１の光学機器の１つの実施形態に係る回折素子の正面図を示す。
【図２（ｂ）】図２（ａ）の回折素子の（図２（ａ）のセクションＡで表される）１つの回折ユニットの斜視図を示す。
【図２（ｃ）】図２（ｂ）の１つの回折ユニットの平面図を示す。
【図２（ｄ）】図２（ａ）の回折素子の（図２（ｃ）の断面Ｉ−Ｉに沿った）縦断面図を示す。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光学機器を示す。
【図４】図３の光学機器の回折素子の回折ユニットによって提供される拡張かつビームの指向を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る顕微鏡、本実施形態では、投影顕微鏡を示す。
【００２４】
顕微鏡は、本実施形態では、開口絞り５によって画定される対象平面ＯＰに、対象の、画像平面、ここでは、一次画像平面ＰＩＰにおける一次画像を生成するための対物レンズ３を備える。
【００２５】
本実施形態では、顕微鏡は、さらに、画像平面、ここでは、二次画像平面ＳＩＰに、対物レンズ３の一次画像を画像化する投影レンズ７を備え、かつ、投影レンズ７の光線交点（ｒａｙ  ｖｅｒｔｅｘ）９に対物レンズ３の開口の画像を生成する。
【００２６】
顕微鏡は、視野レンズ装置１１をさらに備え、視野レンズ装置１１は、本実施形態では、例えば、観察者の眼によって観察可能である観察平面ＶＰに射出瞳を中継するための一対の視野レンズ１５、１７を備える。
【００２７】
顕微鏡は、回折素子２５、本実施形態では、透過型素子をさらに備え、回折素子２５は、二次画像平面ＳＩＰに、ここでは、視野レンズ装置１１の視野レンズ１５、１７の中間に、位置し、かつ、射出瞳を生成するのに有効であり、射出瞳のそれぞれは、回折素子２５の非存在下で生成されるであろう射出瞳に対応する。
【００２８】
適切な設計により、回折素子２５は、射出瞳の配列における射出瞳が離れてまたは接触して配置されること、および、射出瞳の配列が単一の連続した拡大された射出瞳として実質的に観察者の眼に見えるように構成が選択されることを、提供するように構成されることができる。
【００２９】
１つの実施形態では、図２（ａ）から（ｄ）に示すように、回折素子２５は、回折ユニット２９の配列を有する主面２７を有し、回折ユニット２９のそれぞれは、射出瞳の配列の射出瞳の１つを生成する。個別の回折ユニット２９の輪郭および形状は、個別の瞳の画像のそれぞれの中に比較の光エネルギーを決定する。
【００３０】
本実施形態では、回折ユニット２９は、複数の分離領域３１のパターンの複製を備え、複数の分離領域３１は、そこを通過する光の回折干渉を生成し、かつ、単一の連続した拡大された射出瞳として観察可能となるような、射出瞳の配列の形態で互いに対して変位される複数の射出瞳を生成するのに有効である。
【００３１】
本実施形態では、領域３１は、異なる大きさの不規則な特徴を備え、水平および垂直セクションの両方において、領域３１は、その側面３３に弓形面または曲面、ここでは、円錐台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）または円柱台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）の面を有する。これらの特徴は、大きさにおいて変化できるが、典型的には、約１μｍから約１０μｍの範囲内にある。
【００３２】
本実施形態では、各回折ユニット２９内の領域３１の側面３３は、内側および外側の湾曲セクションの両方を備える。
【００３３】
本実施形態では、側面３３は、傾けられているまたは傾けられており、回折素子２５の面２７から離れて内側に先細りになっている。
【００３４】
本実施形態では、領域３１は、回折素子２５の面２７から延びる突起である。代替の実施形態では、領域３１は、回折素子の面２７内に延びる窪みを備えることができる。
【００３５】
本実施形態では、領域３１のパターンの複製は、約８０μｍのピッチを有する。他の実施形態では、領域３１のパターンの複製は、約４０μｍから約１００μｍのピッチを有することができる。
【００３６】
本実施形態では、領域３１は、それぞれ、その上面３５に１つ以上の面を有する。本実施形態では、１つ以上の面は、回折素子２５の面２７と実質的に平行であるが、代わりに、回折素子２５の面２７に対して傾けられるか、または、弓形であることができる。
【００３７】
本実施形態では、領域３１のそれぞれの上面３５は、湾曲周縁部３７を、ここでは、その全体の周りに、有している。
【００３８】
本実施形態では、領域３１は、化学線フォトレジストのパターニングおよび現像によって形成される。１つの実施形態では、パターンは、化学線フォトレジスト内に、制御された電子ビームおよびレーザーアブレーションの組み合わせを使用して、パターンを直接書くことによって形成される。
【００３９】
この構成では、顕微鏡は、射出瞳の配列に対応した有効な大きさを有する単一の拡大された射出瞳を提供し、射出瞳の配列は、特に、多色画像の均一なエネルギー分布を提供することにおける、所望の光学特性を有する。
【００４０】
図３は、本発明の第２実施形態に係る顕微鏡を示す。
【００４１】
本実施形態の顕微鏡は、第１実施形態の顕微鏡と同様であるので、説明の重複を避けるために、同一符号を示す同一の部品を用いて、相違のみが詳細に説明されるであろう。
【００４２】
本実施形態の顕微鏡は、視野レンズ装置１１が省略されている点で、第１実施形態とは異なり、その代わりに、回折素子２５は、回折素子２５の光軸に中心が置かれた本実施形態において、受信画像からの光を、回折素子２５の開口を横切る観察平面ＶＰ上の共通領域に中継するように構成されている。
【００４３】
本実施形態では、回折素子２５の光軸から徐々に半径方向外側に配置される回折ユニット２９は、増加する角度オフセット（ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  ａｎｇｕｌａｒ  ｏｆｆｓｅｔ）を徐々に提供するように構成され、回折素子２５上の位置とは関係なく、受信画像からの光が共通領域に中継されるようになっている。図４は、回折ユニット２９によって提供される拡張かつビームの指向（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｂｅａｍ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ）を示している。
【００４４】
本実施形態では、徐々に増加する角度オフセットは、各回折ユニット２９内の領域３１の大きさ決め、形状決めおよび位置決めによって、提供される。この大きさ決め、形状決めおよび位置決めは、従来の回折原理により決定され、かつ、例えば、Ｚｅｍａｘ（Ｒａｄｉａｎｔ  Ｚｅｍａｘ、レドモンド、米国）またはＬｉｇｈｔＴｒａｎｓ  ＶｉｒｔｕａｌＬａｂ（Ｊｅｎｏｐｔｉｋ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、西ヘンリエッタ、米国）によってモデル化される。
【００４５】
最後に、本発明が、その好ましい実施形態に記載され、かつ、添付の特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの異なる方法で変更することができることが、理解されるであろう。
【００４６】
例えば、説明された実施形態において、回折素子２５は、透過型素子であるが、回折素子２５が反射型素子として設けられてもよいことが、理解されるであろう。
【図１】
0006770315.tif 000002
【図２（ａ）】
0006770315.tif 000003
【図２（ｂ）】
0006770315.tif 000004
【図２（ｃ）】
0006770315.tif 000005
【図２（ｄ）】
0006770315.tif 000006
【図３】
0006770315.tif 000007
【図４】
0006770315.tif 000008