可变焦距的光学仪器及一种具有该光学仪器的显微镜

摘要

具有一种透镜或透镜组的可变焦距光学仪器，该仪器具有一个正向折光力的正段（9）和负向折光力的负段（11），正段（9）和负段（11）沿着光学轴（OA）设置，负段（11）沿观察方向（B）位于正段（9）后面；正段（9）和负段（11）具有与观察方向（B）相对的第一终端透镜面（23，27）和与观察方向（B）一致的第二终端透镜面（25，29）；从观察方向（B）看，正段（9）的第二终端透镜面（25）和负段（11）的第一终端透镜面（27）各具有一种弯曲半径，最大绝对值为500mm，负段（11）的第二终端透镜面（29）具有一种弯曲半径，最大绝对值为70mm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变焦距的光学仪器以及一种具有该光学仪器的 显微镜。

背景技术

在众多的应用领域中，对显微镜的要求是：如果显微镜与被观察 客体之间的作用间距变化，这种作用间距也称为后截距，则显微镜观 察的客体位于显微镜的焦点内。为达到该效果，物镜的焦距必须能够 变化，这样，物镜才能适应作用间距的变化。在所谓的可变焦距光学 仪器内，通过一种光学设置，达到该效果，可变焦距光学仪器具有一 个透镜或一组透镜，透镜或透镜组具有正折光力，在客体一侧设置的 透镜或透镜组具有负折光力，各个透镜或透镜组中的一个透镜或透镜 组沿着光轴设置。立体显微镜具有相应的光学设置，在该设置内，透 镜具有负折光力，折光可以沿着光学轴移动，例如：JP11271625A内 所述的光学仪器。根据JP11271625A内所述的设置，照明光线的聚束 在负段下，通过一个平面转向镜，实现聚束。

如果可变焦距光学仪器的照明光束在负段上方，聚束在显微镜射 束路径内，则针对照明射束路径，截断可变焦距光学仪器的透镜或透 镜组，这样，避免反射的照明进入显微镜观察人员的瞳孔。截断的透 镜及透镜组相对较贵，一般来讲，只能在相对较大的照明角度下，实 现照明。

发明内容

因此，本发明的目的是：得到一种可变焦距的光学仪器，采用这 种光学仪器时，无需截断透镜或透镜组，即可在照明光线耦合时，反 射的照明位于正段上方。本发明的其它目的在于：设计一种显微镜， 针对贯穿可变焦距光学仪器的照明射束路径，可避免干扰反射。

通过权利要求1内所述的可变焦距光学仪器，解决第一项目的， 通过权利要求10内所述的显微镜，解决第二项目的。附加的权利要 求涵盖了本发明具有优势的设计方式。

本发明所述的可变焦距光学仪器具有一个正段和一个负段，正段 由一个透镜或透镜组构成，具有正折光力，负段具有负折光力。正段 及负段沿着光学轴设置，在观察方向上，负段设置在下一个观察方位 上。就是说，正段设置在成像一侧，负段设置在客体一侧。正段或负 段至少可以沿着光学轴推移，通过推移正段或负段，可以变化截距。 如果正段或负段的推移路径最高为15mm，特别是12mm，则可变焦 距光学仪器的致密设计形式具有优势。典型的方式为：仅正段可推 移，或是，仅负段可推移，原则上讲，正段及负段都可以推移。

正段具有一个第一终端透镜面，相对于观察方向，该终端透镜面 封闭正段，正段具有一个第二终端透镜面，在观察方向上，该终端透 镜面封闭正段。同样，负段也具有一个第一终端透镜面，相对于观察 方向，该终端透镜面封闭负段，负段具有一个第二终端透镜面，在观 察方向上，该终端透镜面封闭负段。从观察方向上看，正段的第二终 端透镜面和负段的第一终端透镜面形呈凹形，从观察方向上看，负段 的第二终端透镜面呈凸形。

在本发明所述的可变焦光学仪器内，正段的第二终端透镜面和负 段的第一终端透镜面具有各自的弯曲半径，最高为500mm。负段的 第二终端透镜面具有弯曲半径，最高为70mm。

采用该类型的可变焦距光学仪器，照明能够贯穿在显微镜内，无 需截断可变焦距光学仪器内的透镜或透镜组。通过上述的弯曲半径， 能够引导开可变焦距光学仪器透镜面照明在显微镜观察者瞳孔上的反 射光线。如果手术显微镜用于深度的手术路径，则较小的照明角度特 别具有优势。采用其它观察深度路径的显微镜时，照明角度越小，则 优势越明显。

为能够修订颜色缺陷，负段可以具有一个第一部分透镜和一个第 二部分透镜，负段也可以由上述组合的透镜构成。第一部分透镜和第 二部分透镜沿着光学轴设置，第一部分透镜的一个第二部分透镜在观 察方向上。在第一部分透镜内，设置负段的第一终端透镜面。部分透 镜由不同的材料构成，第一部分透镜的材料的折射率最高为1.6。采 用该设计形式，可以修订颜色缺陷，而照明的反射光线不会出现在两 个部分透镜之间的限界面上，进而照射观察者的瞳孔。如果负段仅由 组合式的透镜构成，则在第二部分透镜内，设置负段的第二终端透镜 面。

为避免反射光线在观察者的瞳孔内聚束，如果在观察方向上，负 段的第一终端透镜面具有凸起的弯曲度，弯曲半径最高绝对值为130 mm，则优势更加明显。

在可变焦距光学仪器的其它设计形式中，正段可以具有一个第一 凸透镜和一个第二凸透镜，第一凸透镜和第二凸透镜沿着光学轴设 置，方式为，在观察的方向上，能够看到第一凸透镜的第二凸透镜。 可以在第二凸透镜内，设置正段的第二终端透镜面。此外，可以在第 一凸透镜内，设置正段的第一终端透镜面。一般来讲，在凸透镜之 间，可以设置其它的透镜。根据致密结构的可变焦距光学仪器的意 义，如果正段仅由上述的第一凸透镜和一个第二凸透镜构成，则能够 体现优势。

在其它的设计形式中，正段具有一个第一凸透镜和一个第二凸透 镜，第二凸透镜在观察方向上，具有一个终端透镜面，在观察方向 上，该终端透镜面具有凸起的弧度，凸起半径最高为120mm。第一 凸透镜在观察方向上，具有一个终端透镜面，在观察方向上，该终端 透镜面具有凸起的弧度，凸起半径最高为450mm。

正段的第一凸透镜和第二凸透镜可以由一个第一部分凸透镜和一 个第二部分凸透镜组合而成，第一部分凸透镜和第二部分凸透镜沿着 光学轴设置，方式为：第一部分凸透镜的第二部分凸透镜在观察的方 向上。在该设计方式中，两个部分凸透镜由不同的材料制成。如果采 用不同的材料，则可以降低光学仪器的颜色缺陷。

根据本发明的第二个目的，显微镜具有本发明所述的伸缩焦距光 学仪器以及一个正段和一个负段，照明射束的路径贯穿伸缩焦距光学 仪器的负段。该显微镜可以是一种立体显微镜，特别是一种手术显微 镜。

根据本发明所述的显微镜，可以在采用本发明所述的可变焦距光 学仪器的基础上，避免通过正段和负段的照明射束进入观察者的瞳 孔，无需采用截断的透镜或透镜组。本发明所述的可变焦距光学仪器 具有相关特性及优势，在本发明所述的显微镜中，可再现上述的特性 及优势。照明射束通过可变焦距光学仪器的透镜或透镜组，无需在透 镜或透镜组内截断，这样，照明射束接近于光学轴，与截断的可变焦 距光学仪器相比，该器材能够实现更小的照明角度。

此外，照明射束贯穿可变焦距光学仪器，无需在透镜或透镜组内 截断，其优势在于，如果工作间距变更，照明区域的定心也保持在可 视范围内，无需重复校准照明组件的光学仪器。此外，由于可变焦距 光学仪器可以作为照明光学仪器的组件，因此，能够更加简易地使用 照明组件的光学仪器。照明光学仪器中的某些光学元件用于跟踪照明 装置的工作间距，如果采用本发明所述的可变焦距光学仪器，则可以 不使用上述的光学元件。特殊的可能性在于，能够使用各种照明装 置，例如：用于较难烧结的客体。针对改变照明方向内的工作间距， 可以不使用某些光学仪器，这样，能够形成致密的结构，进而，创造 出本发明所述的显微镜。

这样，相对于当前技术状态下的显微镜，可以整体降低制造成 本：既包括可变焦距光学仪器，也包括照明装置。

采用本发明所述的可变焦距光学仪器，可以充分避免照明射束的 反射进入本发明所述显微镜观察者的瞳孔，另外，通过设置反射眩光 板（Reflexblende），能够降低残留的反射。优选方式为：反射眩光板 设置在照明光源和第一透镜之间，该透镜在照明光源之后。特别具有 优势的设置方式为：反射眩光板与光源之间的间距不超过5mm。如 果将克勒照明装置用作照明光学仪器，则可以在照明光源后面的透镜 设置克勒照明装置的集电极。反射眩光板可以直接设置在导向元件的 前侧或后侧，用于照明射束的导向。

作为光源，可以采用自动照明的光源，例如：白炽灯、弧光灯、 荧光灯等，或者，采用非自动照明的光源，例如：自动照明光源的实 际图像或是光源导体的输出末端。

如果该显微镜设计为立体显微镜，则该显微镜至少具有两个观察 孔，相对于对称轴，两个观察孔镜像对称。反射板可以具有一个析像 开口和一个探入析像开口的凸起，相对于对称轴，设置为镜像对称。 析像对称轴的投影引进观察者的射束路径，相对于观察者的瞳孔对称 轴，其角度低于±3°，特别可以采用±1°。如果反射板设置在照明射 束路径光学轴的周围，可旋转，在上述的角度范围内，能够取向于析 像轴，就是说在±3°和±1°左右变化，则能够体现优势。这样，反射 板的取向能够理想地与出现的反射匹配。

反射板遮蔽掉照明射束最多20%的面积。

附图简要说明

从参照附图和实施例的以下描述，本发明的进一步的特征，特性 和优点将变得显而易见。

图1展示了本发明所述手术显微镜的截面，该显微镜具有一个 可变焦距光学仪器。

图2展示了本发明所述可变焦距光学仪器的具体实施范例。

图3展示了图2内具体实施例内设计参数的表格。

图4展示了可选的、具体的实施例，针对本发明所述的可变焦 距光学仪器。

图5展示了图4内具体实施例内设计参数的表格。

图6展示了一种反射眩光板，在显微镜照明射束内的位置。

图7针对反射眩光板，展示了一种可选的设计方式。

图8针对反射眩光板，展示了另一种可选的设计方式。

具体实施方式

下面，通过图1所示本发明的显微镜，在示意图中，展示了手术 显微镜的截面。展示的截面阐述了手术显微镜的可变焦距光学仪器 1、手术显微镜的照明光学仪器3、通向观察客体2的照明射束路径 5、观察客体2通向观察者（未展示）的观察路径7。观察路径7与光 学轴OA平行，具有两个立体显微镜部分路径，在图1展示的视图 内，上述路径在具有光学轴的视线上，这样，在上述视图内，不能单 一确定相应的部分射束路径。

在观察路径内，在这里没有展示的观察者的方向上，可变焦距光 学仪器具有放大变化器，该变化器可以设计为缩放系统或伽利略转换 器。在缩放系统内，至少有三个沿光学轴前后设置的透镜，在这三个 透镜中，两个透镜能够沿光学轴推移，这样，可以无级设定放大因 数，在伽利略转换器内，至少有两个固定的透镜组，在放大因数交换 中，这两个透镜组能够交替今天观察射束路径，这样，能够无级变更 放大率。各个进入的透镜组确定放大因数。

在放大转换器上，相对于观察者，连接了一个双目观察器（图中 未示），该器材具有目镜，用于直接观察，或者，具有一个电子目 镜，用于直接观察，例如：配备一个3D眼镜。

此外，手术显微镜还可以具有界面，用于耦合或分离观察射束路 径中导出的射束。典型的方式为：这种类型的界面设计为部分通透的 元件，类似于射束分光镜。例如：在界面上，可以连接摄像机或照明 装置，用于照明观察射束路径中的图像或数据。

图1内展示了手术显微镜，该显微镜的可变焦距光学仪器1具有 一个正段，就是说，一个具有正折光力的光学元件，在图1内，将其 示意为凸透镜9。此外，可变焦距光学仪器1具有一个负段，就是 说，一个具有负折光力的光学元件，在图1内，将其示意为凹透镜 11。在观察方向B上看，负段11串接在正段9后面，位于正段9和 观察客体2之间。后面全部关于光学元件设置顺序的说明均涉及观察 方向B，就是说，在观察者的方向上，对光学元件进行说明。如果一 个透镜面阐述为凸形或凹形，也能够说明光学元件。在观察方向B上 看到的凸透镜表面具有一个正弧形半径，就是说，该表面相对于观察 者凸起。在观察方向B上看到的凹透镜表面具有一个负弧形半径，这 样，该表面相对于观察客体2凸起。

在展示的实施范例内，负段11固定设置，正段9的设置方式为： 可沿着光学轴OA推移。通过推移正段9，变化缩放光学器材的界 面，如图1内虚线所示。在可变焦距光学仪器的右侧，展示了观察射 束流程的变化，在可变焦距光学仪器的左侧，也是观察射束流程的变 化形式。如果正段9推移进图1内虚线所示的位置，则界面延长，这 样，显微镜与观察客体2之间的工作间距变化。

尽管在图1内，将正段9设计为可推移的形式，但是，也可以不 采用正段9的移动，而采用负段11沿光学轴的推移。通常，负段11 形成显微镜客体的终端透镜。固定的负段具有优势：手术显微镜的内 部能够便于防护外界干扰。此外，需要说明：尽管在图1内，将正段 9和负段11展示为单一的透镜，但是，每个部件既可以设计为单一透 镜，也可以设计为透镜组的形式。在后面可变焦光学仪器的具体实施 方案说明内，可以明确上述特征。

在该实施范例内，手术显微镜的照明光学仪器3设计为克勒光学 仪器。这种仪器具有一个集光器13，在该实施范例内，集光器展示为 单一透镜，但是，也可以设计为透镜组，该仪器还具有一个聚光器 15，聚光器也展示为单一透镜，但是，也可以设计为透镜组。如果不 采用克勒照明装置，也可以采用其它照明原理的器材。

照明光学器材3还具有一个反光板17，后面将阐述其作用。

在该实施范例内，光源为光导体19的输出末端。如果不采用光 导体输出末端，就是说非自动照明的光源，也可以采用一种自动照明 的光源，例如：白炽灯、气体放电灯或发光辐射灯，例如：发光二极 管。光导体的输出末端具有相应的优势：一般需要冷却的自动照明光 源可以与手术显微镜主体分离，这样，吹风机冷却自动照明光源造成 的振动不会影响手术显微镜。

通过导向元件21，例如：可以设计为导向镜或导向菱形件，将本 发明所述的显微镜内的照明射束路径5，引导进可变焦距光学仪器 1。选择可变焦距光学仪器参数的方式为：在可变焦距光学仪器透镜 面上的反射不会进入观察射束路径内的观察孔。

针对以下所述的可变焦距光学仪器的参数，采用以下定义：

正段的第一终端透镜面23是正段9相对于观察方向B的终端透 镜面，就是说，朝向观察者的正段透镜面23。

正段9的第二终端透镜面23是正段相对于观察方向B的终端透 镜面25，就是说，朝向观察客体2的正段透镜面23。

负段11的第一终端透镜面是负段11相对于观察方向B的终端透 镜面27，就是说，朝向观察者的正段透镜面。

负段11的第二终端透镜面29是负段11相对于观察方向B的终 端透镜面29，就是说，朝向观察客体2的负段透镜面。

在图1内，尽管将各个段的第一终端透镜和第二终端透镜阐述为 属于相同透镜的器材，但是，上述的透镜面也可以属于相应段形成的 透镜组的不同透镜。

为避免反射光线进入观察射束路径内的观察者瞳孔，正段9的第 二终端透镜面25及负段11的第一终端透镜面27各具有相应的凸起半 径，最高为500mm，在观察方向上看，两个终端透镜面呈凹形。典 型的形式为：终端透镜面的弯曲半径至少达到300mm，但是，该半 径也可以低于该数值。负段11的第二终端透镜面29的弯曲半径最高 为70mm，在观察方向上看，该终端透镜面呈凹形。一般来讲，弯曲 半径小于50mm，但是，也可以低于该数值。

如果将负段11设计为两个部分透镜组合的粘贴透镜，部分透镜 由不同材料制成，特别是采用不同的玻璃，则可以为避免反射光线进 入观察设置路径的观察者瞳孔，优选方式为：第一部分透镜的材料具 有最高1.6的折光率。第一部分透镜是朝向观察者的部分透镜，第二 部分透镜是观察方向上第一部分透镜后面的透镜，就是说朝向观察客 体2的部分透镜。

在所述的实施例内，为避免反射，可采取具有优势的设计方式： 在观察方向上看到的、凸起弯曲的、正段9的第一终端透镜面23具 有最高为130mm的弯曲半径。该限制不是强制性条件，仅阐述具有 优势的可选方式。

后面，根据图2和图3，阐述本发明所述可变焦距光学仪器的具 体设计范例。

图2展示了本发明所述可变焦距光学仪器的第一设计范例。在该 设计范例中，正段9为透镜组，具有一个第一凹透镜31和一个第二 凹透镜33。第一凹透镜31为粘贴透镜的形式，由一个第一部分凹透 镜35和一个第二部分凹透镜37组合而成。在观察方向上，第二部分 凹透镜37设置在第一部分凹透镜35后面。部分凹透镜这个概念不是 指：两个中的每一个设计为第一凹透镜31，各个部分凹透镜只是凸透 镜的组成部分。实际上，该实施范例内的第二部分凹透镜37设计为 分散透镜，从而形成凸透镜。

在设计为透镜组的正段9内，正段9的第一终端透镜面23是第一 凹透镜31内第一部分凹透镜35的透镜面。正段9的第二终端透镜面 25是第二凹透镜33的透镜面。

负段11设计为粘贴透镜，由一个第一部分凸透镜39和一个第二 部分凸透镜41组合而成，在观察方向上看，第二部分凸透镜在第一 部分凸透镜后面。负段11的第一终端透镜面27是第一部分凸透镜39 的透镜面，负段11的第二终端透镜面29是第二部分凸透镜41的透镜 面。在图3的表格内，阐述了单一透镜以及透镜面F1至F8的参数。

在图2所述的设计范例内，可以将正段9沿着光学轴OA设置， 或者，将负段11沿着光学轴设置。一般来讲，两个段都可以沿着光 学轴OA设置。在该情况下，两个段的运动必须同时引起两个段之间 的相对运动。如果将两个段中的一个段设计为可运动的形式，则可以 满足要求，也能简化设计。

在图4内，展示了本发明所述可变焦距光学仪器的第二设计范 例。负段11与图2内所述的负段没有区别。图4内展示的设计范例与 图2内展示的设计范例之间的区别在于正段9。与第一设计范例相 同，第二设计范例中的正段9设计为透镜组，该透镜组具有一个第一 凸透镜131和一个第二凸透镜133，从观察方向上看，第二凸透镜 133在第一凸透镜131的后面。与第一设计范例不同，第二凸透镜 133设计为粘贴透镜，该粘贴透镜由一个第一部分透镜135和一个第 二部分透镜137组合而成。第一终端透镜面23是第一凸透镜133的透 镜面，第二终端透镜面25是第二凸透镜133内第二部分凸透镜137的 透镜面。在图5的表格内，阐述了第二实施范例的透镜以及透镜面F1 至F8的设计参数。

与第一设计范例相同，在第二设计范例内，正段9或负段11可沿 着光学轴移动。这里采用的方式为：一般来讲，两个段可沿着光学轴 移动，其方式为：两个段的运动引起两个段之间的相对运动。

如果在本发明所述可变焦距光学仪器内，正段9由一个透镜组构 成，如上述设计范例所述，该透镜组具有一个第一凸透镜31、131和 一个第二凸透镜33、133，则可以避免反射光线进入观察射束路径的 观察孔，优选方式为：第二凸透镜33、133具有一个与观察方向相反 的透镜面，在观察方向上看，该透镜具有一个凹面，弯曲半径最高为 120mm。在第一设计范例内，应采用表面F4，在第二设计范例内， 应采用表面F3。所述的特征为选项，针对本发明所述的设计方式，没 有限制。

此外，如果正段9由一个透镜组构成，该透镜组具有两个凸透 镜，在观察方向上看，第一凸透镜31、131具有一个终端透镜面，在 观察方向上看，该透镜面凹面，弯曲半径最高为450mm，则可以体 现出优势。在设计范例1内，应采用表面F3，在设计范例2内，应采 用表面F2。所述的特征为选项，针对本发明所述的设计方式，没有限 制。

采用本发明所述可变焦距光学仪器，反射光线进入观察射束路 径，但不会进入观察者的瞳孔，如果能实现选项中的特征，则能够特 别体现该优势，但是，如果没有其它的附加措施，少量的反射光线会 进入观察者的瞳孔，例如：在可变焦距光学仪器运动段的极端位置 上。在很多情况下，能够接受反射光线，包括运动段极端位置上的反 射光线。为排除上述的反射光线，在本发明所述可变焦距光学仪器的 实施范例内，将一个反射炫光板17设置进照明射束路径3中（参见 图1）。该反光板不会对客体的照明产生本质性的影响。

在图6内，展示了反射炫光板的一种设计方式。

反光板17设计为圆环42，该圆环具有定心的缝隙43，在定心缝 隙43范围内，突出两个多边形的凸起45A、45B。凸起对称设置在一 个照明层面内的对称轴S上（以下称为照明对称轴）。观察射束路径 内照明对称轴S的投影与对称轴叠合，就是说，以镜像对称的方式， 设置观察孔47、49。如果照明对称轴的投影具有观察孔对称轴的角 度，则效果较好，该角度最高为±3°，典型的角度是±1°。如果能够 选择反光板，进而将照明射束路径光学轴的角度设置在±3°或±1°之 间，则可以特别体现优势。在图6展示的实施范例内，阐述了照明对 称轴S投影的取向，采用了反光板，该方式也适用于图7和图8内所 述反射炫光板的实施范例。

反光板特别可以设置在光源和照明光学仪器3的第一透镜之间， 在所述的实施范例中，设置在光导体19和集光器13之间。优选方式 为：反射炫光板与光导体或光源之间的间距不超过5mm。可选方式 为：反射炫光板直接位于导向元件21的前侧或后侧，如图1虚线所 示。

选择圆环42环绕的定心间隙43的方式为：圆环与照明射束的直 径一致。

在图7和图8内，展示了反光板的可选设计方式。图7内的反射 炫光板117与图6内反射炫光板17的区别在于：圆环142中的凸起 145a、145B不是多边形的面，而是半圆形或近似椭圆形。

在图8内，展示了反光板217的可变设计方式，通过平面245取 代圆环中的凸起，该平面受圆环245的圆环限制。

在全部的反光板中，探入定心开口的范围用于遮蔽照明射束，选 择该范围的方式为：在照明区域中，遮蔽范围不超过照明射束面积的 20%。此外，以镜像对称的方式，相对于照明对称轴S，设置该范 围。

采用上述实施范例内所述的显微镜，或者，采用上述实施范例内 所述的可变焦距光学仪器，照明射束可以贯穿可变焦距光学仪器，但 不必截断可变焦距光学仪器的透镜。通过选择可变焦距光学仪器的光 学参数，能够避免反射光线进入观察者的瞳孔。通过反光板，可以避 免残余的反射光线进入观察者的瞳孔。

通过具体的实施范例，对本发明进行了阐述，但上述范例进用于 说明，本发明的具体设计可以与上述范例不同。例如：可变焦距光学 仪器无需集成进显微镜。可以将其设计为独立的单元，例如：替换显 微镜不易烧结的主客体。因此，具体的实施范例对本发明没有限制， 本发明只受权利要求的限制。

相关部件列表

1      可变焦距光学仪器

2      观察客体

3      照明光学器材

5      照明射束路径

7      观察射束路径

9      正段

11     负段

13     集光器

15     聚光器

17     反射炫光板

19     光导体输出末端

21     导向元件

23     正段的第一终端透镜面

25     正段的第二终端透镜面

27     负段的第一终端透镜面

29     负段的第二终端透镜面

31     第一凸透镜

33     第二凸透镜

35     第一部分凸透镜

37     第二部分凸透镜

39     第一部分透镜

41     第二部分透镜

43     定心间隙

45a,b  凸起

47,49  观察孔

117    反射炫光板

131    第一凸透镜

133    第二凸透镜

135    第一部分凸透镜

137    第二部分凸透镜

143    定心间隙

145a,b 凸起

217    反射炫光板

243    定心间隙

245a   凸起

247    割线