(57)【要約】【課題】平らでない物体領域を高焦点深度で結像させ、幾何学的に理想的に修正した結像系と同じ像輝度を持つような結像光学系を提供する。【解決手段】本発明は、たとえば手術用顕微鏡（１００）の結像光学系に関する。結像光学系は、光路により光線を物体領域（１１２）から像面（１０４）へ投射させるためのビーム偏向ユニットを有している。光路内には光学的位相板（１０７）が配置される。結像光学系には、たとえば接眼レンズユニット（１０５）のような、像面の幾何学的像を生成させるためのユニットが設けられている。光学的位相板（１０７）は対物レンズ（１０１）の物体側、または結像光学系の結像光路が平行になっている領域に配置されている。【選択図】図１
2005070780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路により光線を物体領域から像面へ投射させるためのビーム偏向ユニットと、
光学的位相板と、
を備えた結像光学系において、
結像光学系が像面の幾何学的像を生成させるためのユニット（１０５）を有していることを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
像面の幾何学的像を生成させるためのユニットが、観察者の目の網膜に像を生成させるためのユニット（１０５）として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
【請求項３】
光路により光線を物体領域から像面へ投射させるためのビーム偏向ユニットと、
光路内に配置される光学的位相板と、
を備えた結像光学系、特に請求項１または２に記載の結像光学系において、
光学的位相板（１０７）が対物レンズ（１０１）の物体とは逆の側または物体側に配置されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項４】
光路により光線を物体領域から像面へ投射させるためのビーム偏向ユニットと、
光路内に配置される光学的位相板と、
を備えた結像光学系、特に請求項１から３までのいずれか一つに記載の結像光学系において、
光学的位相板（１０７）が、結像光学系の、結像光路が平行になっている領域に配置されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項５】
距離パラメータΨの範囲にわたる結像光学系のストレール比Ｈが光学的位相板のない結像光学系のストレール比よりも大きいように光学的位相板（１０７）が構成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項６】
距離パラメータΨ≧４に対する結像光学系（３０３，３０４，３０５）のストレール比Ｈが光学的位相板のない結像光学系（３０１）のストレール比よりも大きいように光学的位相板（１０７）が構成されていることを特徴とする請求項５に記載の結像光学系。
【請求項７】
光学的位相板（１０７）が該光学的位相板を通過する光線に対しπ≦φ≦３πの位相ずれを与えることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項８】
光学的位相板（１０７）が幾何学的位相偏移を備えた位相板として構成されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項９】
光学的位相板（１０７）が立方位相板として構成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１０】
光学的位相板（１０７）が少なくとも部分的にガラスから成っていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１１】
光学的位相板（１０７）が少なくとも部分的にプラスチックから成っていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１２】
光学的位相板（１０７）が少なくとも部分的にガラス基板から成っていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１３】
光学的位相板（１０７）が蒸着層を有していることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１４】
光学的位相板（１０７）上での蒸着層の厚さが局所的に変化していることを特徴とする請求項１３に記載の結像光学系。
【請求項１５】
光学的位相板（１０７）が少なくとも部分的に静電的に変形可能なダイヤフラムから成っていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１６】
光学的位相板（１０７）が少なくとも部分的に液晶ディスプレイから成っていることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１７】
結像光学系が顕微鏡のために、特に手術用顕微鏡（１００）のために構成されていることを特徴とする請求項１から１６までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１８】
結像光学系の解像力が人間の眼（１１３）の解像能力に適合していることを特徴とする請求項１から１７までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【請求項１９】
光学的位相板（１０７）が光路に挿脱可能であることを特徴とする請求項１から１８までのいずれか一つに記載の結像光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光路により光線を物体領域から像面へ投射させるためのビーム偏向ユニットと、光路内に配置される光学的位相板とを備えた結像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下に記す光学的位相板とは、光透過性がある光学要素であって、光学要素を透過する光束に対し、光線の光学要素透過位置に依存した位相ずれを与えるような光学要素のことを言う。
【０００３】
たとえば写真カメラや顕微鏡の結像光学系は、レンズ系を介して物体領域を像面に結像させる。通常このような機器においては、レンズ系に対する像面の位置は構造的に予め設定されており、調整することはできない。たとえば写真カメラの場合には、像面内に感光性のフィルムがあり、レンズ系に対するその位置はカメラ内で固定されている。顕微鏡の場合には、像面の位置は顕微鏡の主対物レンズと鏡筒レンズとのサイズを適宜選定することにより決定され、調整することは同様に通常不可能である。
【０００４】
厳密に述べれば、この種の結像光学系の幾何光学のモデルにおいて、機器内のレンズ系により偏向を受けてすべてが１つの共通の像面で交わるような光線を出射する物点のみが鮮鋭に結像する。これは、正確に言えば、物体面内の特定の物点のみに該当することである。レンズ装置の主面に対するこれらの物点の位置は、像面の位置とレンズ系のサイズとによって決定されている。
【０００５】
波動光学のモデルにおいては、個々の物点は像面内に有限の拡がりを持った輝度分布になる。したがって、像面内の物点の像は基本的には回折限界を受けている。個々の物点の輝度分布の形状は、像面が固定されている場合、特に理想的な物体面に対する物点の位置に依存している。理想的な物体面から距離を持った物点の場合には、理想的な物体面内にある物点の場合よりも大きな拡がりを持った輝度分布が像面内に生じる。輝度分布の拡がりを縮小させるには、１つの物点から出て像面に当たる光束の開口角を小さくさせる。これは特に幾何学的光路をフェードアウトすることにより達成できる。幾何学的光路をフェードアウトすると像輝度にロスが生じるが、しかしこれにより、理想的な物体面の外にある物点も比較的狭い拡がりの輝度分布で結像するので、結像光学系の焦点深度を改善させることができる。したがって、光路をフェードアウトすることにより、像面内に回折限界のみを受けた像を発生させることが可能である。これによって得られる焦点深度利得は次の式にしたがって見積もることができる。
Δｚ＝Ｃ×λ／［ＮＡ］2
ここでＣは結像光学系の装置定数、λは結像光の波長、ＮＡは結像光学系の開口数である。
【０００６】
さらに、結像光学系の焦点深度を改善させるため、光路内にアポダイゼーションマスクを挿入することが知られている。アポダイゼーションマスクは、「透過部」と「全遮光部」との間にあるビーム透過部のエッジ領域において絞り機能が常時変化するような絞りである。アポダイゼーションマスクは、差し当たり、１つの物点から像面内に発生する回折像が幅広の主極大値を有するように機能するが、しかし同時にこの回折像には、対応的に小さな強度を持った副極大値が形成される。したがって、理想的な物体面内にある物点に対しては解像能が得られるが、このような物体面の付近にある物点も比較的鮮鋭に結像される。光路を簡単にフェードアウトする場合のように、アポダイゼーションマスクを使用しても、焦点深度利得には像輝度ロスを伴わざるを得ない。
【０００７】
結像光学系の焦点深度は、ダイナミックスキャン方法を用いても向上させることができる。このため、種々の物体面のそれぞれの鮮鋭な結像に対応するように結像光学系を種々調整して１つの物体領域がデジタル評価される。検出された像信号はピントのあった全体像に重畳される。しかしながら、ちらつきのない像表示を行なうには、非常に高速のデータ処理が必要である。この場合、像解像力が高ければ演算コストは非常に大きくなる。
【０００８】
非特許文献１と特許文献１に記載の結像光学系では、１個のレンズを用いて１つの物体領域がＣＣＤカメラに結像される。レンズには物体側に光学的位相板が付設されている。この光学的位相板は立方位相板として構成されている。立方位相板を透過する光には、空間的に変化する位相関数が与えられ、この位相関数は全く不鮮明な物体像を像面内に生じさせる。不鮮明な物体像はＣＣＤカメラにより検知され、デジタル形式で演算ユニットに送られて評価される。演算ユニットでは、ＣＣＤカメラにより検知した像信号と、結像光学系の既知の光学的伝達関数とから、物体領域のピントのあった像が演算される。これは、ＣＣＤカメラが配置されている像面に関する幾何学的結像条件を満たすような像面から物点を偏移させるよりも、結像光学系の光学的伝達関数のほうが近似的には明らかに不変であるとの認識を利用したものである。
【０００９】
特許文献２では、人間の目に位相板を配置してこの光学系の光学的伝達関数を調整し、物体からの一定の距離範囲にわたってこの光学的伝達関数が実質的に物体までの距離に依存せずに不変になるように設定することが提案される。このため、特許文献２には、目の角膜またはコンタクトレンズを適当に構造化することにより位相板を実現することが述べられている。これとは択一的に、特許文献２では、対応する位相板を眼球内インプラントとして人間の目に植え付けることが提案される。
【００１０】
特に手術用顕微鏡の場合、外科医によって手術される組織は通常平らでなく、凹凸があるので、焦点深度の拡大は望ましい。それ故、手術領域のすべての範囲が鮮鋭に見えるよう努力が払われる。これは、特に目の手術の場合、目には角膜、瞳、レンズとともにいくつかの透明な組織が存在し、互いに重なり合っているので、重要である。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，７４８，３７１号明細書
【特許文献２】国際公開第０３／０５２４９２Ａ２号パンフレット
【非特許文献１】"Edward R. Dowski, Jr., and Thomas Cathey, Extended depth of field through wave-front coding, Applied Optics 1859, 34 (1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、平らでない物体領域を高焦点深度で結像させ、幾何学的に理想的に修正した結像系と同じ像輝度を持つような結像光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は、冒頭で述べた種類の結像光学系において、結像光学系が像面の幾何学的像を生成させるためのユニットを有していること、および、光学的位相板が対物レンズの物体とは逆の側または物体側に配置されていること、または、光学的位相板が、結像光学系の、結像光路が平行になっている領域に配置されていることによって解決される。
【００１４】
なお、像面の幾何学的像を生成させるためのユニットとは、像面内にある第１の像を第２の像に結像させ、第１の像から第２の像への結像を幾何光学の法則により構築可能であるような装置を言う。結像光学系内で平行な光路を持った領域とは、たとえば対物レンズの物体とは逆の側の領域であり、そこでは像面から来る光束は平行な光路を有している。
【００１５】
このようにして、堅牢で構成が簡潔な結像光学系が提供され、特に手術用顕微鏡等の光学顕微鏡に使用すると、大きな焦点深度での観察像が可能になり、しかもこのために面倒な信号処理を行なう必要がない。
【００１６】
光学的位相板は結像光学系の入射瞳に配置するのが有利である。このようにして光学系のイメージフィールドを最大化させることができる。
【００１７】
焦点深度の拡大は、像面からある程度離れた領域で光学系の光学的伝達関数を実質的に不変にさせるような位相板により実現できる。光学的伝達関数のこのような特性は、幾何学的光路が非合焦状態であるような、合焦面または像面からの距離範囲Δｚにおいて、点結像関数の鮮明輝度（ストレール比とも言う）を実質的に一定にさせ、合焦面のストレール比に実質的に等しくさせる。幾何光学的に理想的になるように補正した光学系のストレール比は急速に低下するので、位相板を備えた光学系の非合焦領域におけるストレール比が幾何光学的に理想的な光学系のストレール比よりも大きいように位相板を選定するのが好ましい。
【００１８】
本発明の他の構成では、像面の幾何学的像を生成させるためのユニットは、観察者の目の網膜に像を生成させるためのユニットとして構成されている。このようにすると、顕微鏡において像面の幾何学的像を生成させるためのユニットとして通常の接眼レンズ系を使用することができる。
【００１９】
光学的位相板により、距離パラメータΨの範囲にわたる光学系のストレール比Ｈは位相板のない光学系のストレール比よりも大きくなる。この場合、位相板のない光学系は回折限界を受けているものと想定し、しかも物体側の焦点距離と物体側の開口数は等しいことが前提である。ストレール比Ｈについては、"Born und Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press 1970"の第４６１頁と第４６２頁とに記載されている。ストレール比とは、光束の任意の点における強度Ｉと、同じ開口の理想的な球面波の焦点における強度Ｉ0との比である。
【００２０】
本発明の他の構成では、光学的位相板は、光学的位相板を通過する光線に対しπ≦φ≦３πの位相ずれを与えるような光学的位相板として構成されている。このようにして、像鮮明度と像コントラストと焦点深度とがうまく調和した結像光学系が提供される。
【００２１】
本発明の他の構成では、光学的位相板は幾何学的位相偏移を備えた位相板として構成されている。幾何学的位相偏移を備えた光学的位相板とは、それを透過する光束に対し空間依存位相φを与えるような位相板である。空間依存位相φは、結像光学系の光軸に関わる座標系では、位相板を透過する位置ｘ，ｙに依存している。
φ＝α×（ｘk＋ｙk）
ここでαは定数で、有利には５≦α≦３０であり、ｋはｋ＞１の数であり、ｘとｙは、位相板を透過する光束の外側エッジにおいてｘ＝１またはｙ＝１なる条件を満足させる正規化位置座標である。このようにして、製造プロセスに対し最適化される光学的位相板が提供される。
【００２２】
本発明の他の構成では、光学的位相板は立方位相板として構成されている。
【００２３】
立方位相板とは、結像光学系の光軸に関わる透過位置ｘ，ｙにおいて当該立方位相板を透過する光束に対し空間的に変化する位相φ
φ＝α×（ｘ3＋ｙ3）
を与えるような光学的位相板である。αは定数で、たとえば１≦α≦３０であり、有利には５≦α≦３０である。
【００２４】
このようにして、高精度で製造できる光学的位相板を結像光学系において使用できるようになる。
【００２５】
本発明の他の構成では、光学的位相板は少なくとも部分的にガラスから成っている。このようにして、堅牢で特に耐熱性の光学的位相板を備えた結像光学系が提供される。
【００２６】
本発明の他の構成では、光学的位相板は少なくとも部分的にプラスチックから成っている。このようにして、低コストで製造可能な光学的位相板を結像光学系で使用できる。
【００２７】
本発明の他の構成では、光学的位相板は少なくとも部分的にガラス基板から成っている。このようにして、同時にフィルタ機能、たとえば収差フィルタ機能を持ち合わせた位相板を結像光学系で使用できる。
【００２８】
本発明の他の構成では、光学的位相板は蒸着層を有している。このようにして、表面をコーティングした光学的位相板が提供される。
【００２９】
本発明の他の構成では、光学的位相板上での蒸着層の厚さは局所的に変化している。したがって、光学的位相板上の蒸着層により位相ずれ機能が生じる。このようにして、蒸着方法のパラメータを調整することにより光学的位相板の位相ずれを高精度で設定できる。
【００３０】
本発明の他の構成では、光学的位相板は少なくとも部分的に静電的に変形可能なダイヤフラムから成っている。このようにして、所望の焦点深度を、像面の幾何学的像を生成させるためのユニットの解像力に適合させることができるような結像光学系、場合によっては電気的に制御できるような結像光学系が提供される。
【００３１】
本発明の他の構成では、光学的位相板は少なくとも部分的に液晶ディスプレイから成っている。このようにして、光学的位相板により生じる位相偏移を電気的に設定制御でき、よって簡単に設定制御できる結像光学系が提供される。
【００３２】
本発明の他の構成では、結像光学系は顕微鏡に、特に手術用顕微鏡に組み込まれている。したがって、光学的位相板を光路に挿入することにより、このような機器によって得られる焦点深度はかなり改善できる。
【００３３】
本発明の他の構成では、結像光学系の解像力は人間の眼の解像能力に適合している。結像光学系の解像力が人間の眼の解像能力に適合しているということは、像面における結像物点の輝度分布の大きさが観察者によって知覚されないように結像光学系が構成されているということである。知覚されないのは、輝度分布が目によって分解されないからである。このようにして、観察者に対し像品質を視覚的に損なわせずに焦点深度が向上している結像光学系が提供される。
【００３４】
本発明の他の構成では、光学的位相板は光路に挿脱可能である。このようにして、観察者は非常に高い面鮮鋭度をもっている観察像と、状況によっては面鮮鋭度またはコントラストが簡単に低下する場合に大きな焦点深度を持つ観察像とを選定でき、しかもこれに輝度ロスが伴うことはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の他の実施形態は図面に図示されており、これを以下に説明する。
【００３６】
図１は手術用顕微鏡１００の結像光学系を示す図である。この結像光学系は第１の対物レンズ１０１と第２の対物レンズ１０２とを有し、これら対物レンズは顕微鏡本体１０３のなかに配置されている。第１および第２の対物レンズにより顕微鏡本体１０３内の像面１０４に中間像が生じる。この中間像は接眼レンズユニット１０５で観察することができる。物体領域１１２から来る光線に対し開口角を設定するため、手術用顕微鏡１００の場合絞り１０６が設けられている。絞り１０６は結像光学系の入射瞳を決定する。手術用顕微鏡１００は光学的な位相板１０７を有している。位相板１０７は第１の対物レンズ１０１と第２の対物レンズ１０２との間に位置する平行結像光路内に配置されている。
【００３７】
前記光学的な位相板１０７は、位相板を透過する光線に、光線の透過位置に依存した位相ずれを生じさせる。位相板１０７は立方位相板として構成されており、すなわち位相ずれφと、結像光学系の光軸に対する光線の透過位置ｘ，ｙとの間に、以下の関係があるように構成されている。
φ＝α×（ｘ3＋ｙ3）
ここでαは定数の位相ずれパラメータである。
【００３８】
第１の対物レンズ１０１と第２の対物レンズ１０２と光学的な位相板１０７とは円形の境界エッジを有している。基本的には、両対物レンズも光学的な位相板も他の境界形状としてもよい。特に、対物レンズまたは光学的な位相板の角形の境界形状が可能である。
【００３９】
手術用顕微鏡１００の結像光学系の場合、立方位相板を使用する代わりに、位相板透過位置との関連で立方位相板の場合とは機能的に異なる位相ずれを透過光束に生じさせるような位相板を使用してもよい。
【００４０】
光学的な位相板１０７は、屈折率ｎがｎ≒１．５の石英ガラスから製造されている。光学的な位相板を石英ガラスで構成させる代わりに、プラスチックから成る光学的な位相板を使用してもよく、或いは、実質的にガラス基板から成る光学的な位相板を使用してもよい。この場合、位相ずれ特性に対して、光学的な位相板を蒸着層で被覆してよい。さらに、光学的な位相板として液晶ディスプレイまたは静電的に変形可能なダイヤフラムを使用することも可能である。石英ガラスとプラスチックとを組み合わせて構成し、且つ場合によっては液晶ディスプレイおよび／または静電的に変形可能なダイヤフラムを有する（この場合、場合によっては１個または複数個の蒸着層が設けられている）ような光学的な位相板の使用も基本的には可能である。
【００４１】
手術用顕微鏡１００の結像光学系の場合、光学的な位相板１０７は光路に挿脱させることができる。
【００４２】
手術用顕微鏡１００の結像光学系は、さらに接眼レンズユニット１０５を有している。接眼レンズユニット１０５は像面１０４の幾何学的像を生じさせるために用いられ、そのレンズ系１０５を通じて観察者はその目１１３で像面１０４を観察することができる。手術用顕微鏡１００の結像光学系は像面１０４に輝度分布１１１として物点１０９を結像させる。物点１０９は結像光学系の物体側の焦点面１１０に対応する理想的な物体面内にある。物体領域１１２にある物点の集まりが像面１０４で１つの像になる。この像は輝度分布を重畳させたものから成り、これらの輝度分布に基づいて種々の物点が存在する。接眼レンズユニット１０５は、幾何光学に対応する結像規則により像面１０４の一部分を、よってそこに存在する輝度分布を、像面１０４の像が観察者に拡大されて表示されるように観察者の目の網膜に幾何学的に結像させる。
【００４３】
手術用顕微鏡１００の結像光学系は、観察者の人間の眼の分解能に適合した分解能を有している。すなわち、第１の対物レンズ１０１と第２の対物レンズ１０２とから成るレンズ系の物体側焦点面内にある個々の物点に対する、像面１０４内の１つの輝度分布の拡がりが、観察者の目１１３によって分解されないように、無限遠に順応する観察者の目１１３に対する接眼レンズユニット１０５の倍率が選定されている。したがって、基本的には有限な拡がりを持っている、１つの物点の輝度分布は、像面１０４において観察者の目１１３により個々の光点として検知される。
【００４４】
接眼レンズユニットを使用する代わりに、たとえば像面１０４を幾何学的にフィルムに結像させるカメラ、或いは、ＣＣＤアレイまたはこれに比較可能なセンサを用いて像面１０４に像の結像をデジタル形式で生じさせるカメラを使用してもよい。
【００４５】
光学的位相板１０７を用いて、物体領域からの光点の回折像を結像光学系の像面１０４内で変化させる。
【００４６】
図２は、図１の手術用顕微鏡１００の物体側焦点面内にある１つの光点の互いに対応する回折像を示したものである。これらの回折像は、図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系の像面１０４における正規化位置ＰΨ＝0SF（ｒ）に依存する正規化点結像関数の形態で、光路内に光学的位相板を挿入した場合と、光路内に光学的位相板がない場合とに対して図示されている。光路内に光学的位相板を挿入した場合の１つの物点の回折像２０１は、光路内に光学的位相板がない場合の回折像２０２と異なっている。光路内に光学的位相板を挿入した場合には、比較的小さな主極大値２０１ａ以外に多数の副極大値２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ等が存在する。これらの副極大値は強度極小値により互いに分断されている。さらに、光学的位相板による回折像２０１の主極大値２０１ａは光学的位相板による回折像２０２の主極大値２０２ａに対し横にずれている。
【００４７】
図３は、図１の結像光学系における点結像関数のストレール比Ｈと、距離パラメータ
【００４８】
【数１】
2005070780.tif 000003
【００４９】
および種々の位相ずれパラメータα＝０（位相板がない場合）、α＝２、α＝４、α＝６、α＝８との関係を示したものである。ここでｚは図１の像面１０４の偏位量、ａは絞り１０６の径、したがって有効レンズ径であり、ｆは対物レンズ１０１と１０２とから形成される図１の対物レンズ系の像側焦点距離、λは光波長である。
【００５０】
曲線３０１は位相板のない光学系に相当している。曲線３０２の場合、位相ずれパラメータはα＝２であり、曲線３０３の場合はα＝４、曲線３０４または３０５の場合はα＝６またはα＝８である。
【００５１】
Ψ＞４に対しては、すなわち非合焦状態が比較的強い像面では、単に回折限界の理想的な光学系の場合よりもストレール比Ｈが大きいことがわかる。それにもかかわらず、この領域では、Ｈ≧０．２５であるために、解像力は微細な像構造を認識できるほどに十分である。したがって、位相ずれパラメータが４，６，８の立方位相板を使用すれば、非合焦物体は単なる回折限界結像の場合よりもより鮮鋭に見える。
【００５２】
図４は物体面の光学的伝達関数ＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0の変化を示している。物体面は、図１の手術用顕微鏡１００における結像光学系の物体側焦点面に対応している。前記光学的伝達関数ＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0は、正規化空間周波数ｋとの関係で対数表示で図示されている。この光学的伝達関数により、図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系における１つの物点の結像が特徴づけられる。曲線４０１は光学的位相板を光路内に挿入した場合のｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0に対応し、曲線４０２は図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系の光路内に光学的位相板がない場合のｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0に対応している。
【００５３】
空間周波数が高い場合、光路内に光学的位相位置がなければ、ｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0の曲線４０２に対応し、光路内に光学的位相板があれば、ｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0の曲線４０１に対応している。空間周波数が低い場合は、ｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝0の曲線３０１は振動性変化を示す。しかしながら曲線４０１はゼロ位置をもっていない。すなわち、光路内に位相板を挿入すると、基本的には鮮鋭度がわずかに減少するだけであり、物体側焦点面からの物点の集まりを中間像面に結像させるための情報のロスには至らない。
【００５４】
図１の手術用顕微鏡１００における接眼レンズユニット１０５の解像度が像面１０４における１つの物点の回折像に適合しているので、観察者は光学的位相板１０７による鮮鋭度の阻害を感知しない。
【００５５】
図５には、図１の手術用顕微鏡１００における結像光学系の物体側焦点面の回折像が図２の図示に対応して正規化点結像関数の形態で図示されている。結像した物点は焦点面からδ＝４０λ／π［ＮＡ］2の距離にある。ここでλは結像光の波長、ＮＡは光学系の像側の開口数である。このように位置決めされた物点に対しては、曲線５０１は光路内に光学的位相板を挿入した場合の正規化位置ＰΨ＝40SF（ｒ）に依存する正規化点結像関数の変化に対応している。曲線５０２は光路から光学的位相板を出したときのＰΨ＝40SF（ｒ）の変化を示している。曲線５０１はひときわ大きな主極大値５０１ａと、強度極小値５０１ｅ，５０１ｆ，５０１ｇ等により互いに分断されている多数の副極大値５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ等とを有している。主極大値５０１ａの振幅は多数の副極大値５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ等の振幅よりも際立って大きい。これに対して曲線５０２の場合は、曲線５０１の場合とは異なり、広域の極大値が存在するのではなく、それぞれ２つの局所的な極大値５０２ａと５０２ｂが存在している。これらの局所的な極大値は互いに間隔をもって存在し、強度極小値５０２ｃ，５０２ｄ，５０２ｅによって分断されている。それにもかかわらず強度極小値５０２ｃ，５０２ｄ，５０２ｅにおいて輝度分布は消滅していない。このことは、光路内に光学的位相板を挿入することにより、幾何学的に非合焦の結像光路であるにもかかわらず、焦点面から間隔をもって位置する物点が狭い輝度分布で、したがって鮮鋭に図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系により像面１０４に結像されることを意味している。
【００５６】
図６は、図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系の物体側焦点面から、δ＝４０λ／π［ＮＡ］2だけ距離がある物体面に対してその正規化光学的伝達関数ＯNTF（ｋ）｜Ψ＝40の変化を空間周波数ｋとの関係で図４のグラフに対応して対数表示で示したものである。曲線６０１は光学的位相板を備えた光路でのｌｏｇＯNTF（ｋ）｜Ψ＝40を示すもので、曲線６０２のベースになっているのは、光学的位相板のない光路である。曲線６０２は部分的に非常に小さな値をもっている。これは、この種の非合焦の光路では、光学的結像の際に情報が失われることを意味している。これに対して、位相板を光路内に挿入した場合の曲線６０１の変化は、幾何学的に合焦の光路での図３の正規化光学的伝達関数の変化に十分対応している。すなわち光学的位相板を用いると、結像光学系の焦点面から距離をもって存在している物体領域を結像させる際に情報ロスを回避することが可能である。したがって、図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系の場合、平らでない物体領域を結像させる際に光学的位相板１０７を挿入することにより焦点深度利得が得られる。
【００５７】
図６を用いてこの事情をより詳細に説明する。図７は、図１の手術用顕微鏡１００の結像光学系の像面１０４の物点によって生じた輝度分布ＰΨSFの極大値の幅ΔＰΨSFと、図１の対応する焦点面１１０からの距離δとの関係を示したグラフである。曲線７０１は前記極大値の幅ΔＰΨSFと、結像光学系の物体側焦点面からの結像物点の距離に対する距離パラメータΨとの関係を示している。距離パラメータΨと焦点面からの結像物点の実際の距離δとは次の式で表される関係にある。
δ＝Ψλ／６
ここでλは結像光の波長である。これによれば、光学的位相板を備えた結像光路は、合焦面内にある物点および合焦面の付近にある物点に対し、位相板のない光路に比べて結果的に鮮鋭度ロスを持っている。しかしながら、物体側焦点面から遠く離れた物点に対しては、個々の結像物点の輝度分布の幅は、光学的位相板のない光路の対応する輝度分布の幅よりも狭い。すなわち、結像光学系の結像光路内に光学的位相板を挿入することにより、像の鮮鋭度を改善させることができる。特に、光学的位相板を使用すると、光学的位相板がないために幾何光学の境界領域で不鮮明なぼんやりした中間像しか生じさせないような光路において物体領域を輝度ロスなしに鮮鋭に結像させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】手術用顕微鏡の、位相板を備えた結像光学系を示す図である。
【図２】図１の結像光学系において理想的な物体面内にある１つの物点の点結像関数を、光学的位相板を備えた光路と、光学的位相板を設けていない光路とに対し示した図である。
【図３】図１の結像光学系における点結像関数のストレール比を、光学的位相板を備えた光路にあっては位相ずれパラメータ種々変化させた場合と、光学的位相板を設けていない光路の場合とに対し示した図である。
【図４】図１の結像光学系における理想的な物体面の光学的伝達関数を、光学的位相板を備えた光路と、光学的位相板を設けていない光路とに対し示した図である。
【図５】図１の結像光学系において、理想的な物体面から離間している１つの物点の点結像関数を、光学的位相板を備えた光路と、光学的位相板を設けていない光路とに対し示した図である。
【図６】図５の物点の物体面に付属の光学的伝達関数を示す図である。
【図７】図１の結像光学系における、１つの結像物点の点分布関数と理想的な物体面からの該物点の距離との関係を、光学的位相板を備えた光路と、光学的位相板を設けていない光路とに対し示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００  手術用顕微鏡、１０１  対物レンズ、１０４  像面、１０５  接眼レンズユニット、１０７  光学的な位相板、１１２  物体領域
【図１】
2005070780.tif 000004
【図２】
2005070780.tif 000005
【図３】
2005070780.tif 000006
【図４】
2005070780.tif 000007
【図５】
2005070780.tif 000008
【図６】
2005070780.tif 000009
【図７】
2005070780.tif 000010