DE112013002127B4

DE112013002127B4 - Zoomobjektiv

Info

Publication number: DE112013002127B4
Application number: DE112013002127.7T
Authority: DE
Inventors: c/o Hamamatsu Photonics K.K. Matsumoto Naoya; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Inoue Takashi; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Takiguchi Yuu
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: US20150085373A1; CN104246574B; JP6054952B2; US9519127B2; WO2013157607A1; CN104246574A; JPWO2013157607A1; DE112013002127T5

Abstract

Zoomobjektiv, das umfasst: eine erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b), die einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält; eine zweite Objektiv-Einheit (14, 24, 30c), die optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit und die Fokusebene (F) des Zoomobjektivs gekoppelt ist und einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält; sowie eine Steuereinheit (16, 26), die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) steuert, wobei sowohl ein Abstand (L1) zwischen der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) als auch ein Abstand (L2) zwischen der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) und der Fokusebene (F) unveränderlich sind und die Steuereinheit (16, 26) einen Vergrößerungsfaktor des Zoomobjektivs ändert, indem sie die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) ändert, wobei die erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) oder/und die zweite Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) einen räumlichen Lichtmodulator enthält/enthalten und die Steuereinheit (16, 26) den räumlichen Lichtmodulator mit einem Linsen-Muster versieht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zoomobjektiv.
Technischer Hintergrund
Ein Zoomobjektiv steht für ein Objektiv, dessen Brennweite schrittweise geändert werden kann, während gleichzeitig eine Fokusposition eines gesamten Linsen- bzw. Objektivsystems konstant gehalten wird. Im Allgemeinen ist es, um ein Zoomobjektiv einzurichten, erforderlich, wenigstens zwei Gruppen von Linsen bzw. Objektiven auf einer optischen Achse zueinander zu bewegen. Das heißt, wenn nur eine Gruppe in dem optischen System bewegt wird, das aus den zwei Gruppen von Objektiven besteht, kann eine kombinierte Brennweite geändert werden, während gleichzeitig eine Fokusposition geändert wird. Andererseits ist es möglich, eine kombinierte Brennweite zu ändern, ohne eine Fokusposition zu ändern, indem beide Gruppen bewegt werden (siehe Nicht-Patentdokument 1). Die WO 2006/103290 A1 betrifft ein abbildendes optisches System mit Flüssiglinsen, mit dem die Leistung des optischen Systems verändert und gleichzeitig mindestens eine optische Aberration automatisch korrigiert werden kann.
Liste der Anführungen
Nicht-Patentdokumente

Nicht-Patentdokument 1: Asakura Publishing Co., Ltd. ”Saishin Kogaku Gijutsu Handbook (Latest Optical Technology Handbook)” Teil IV, Abschnitt 1.3.2c

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem herkömmlichen Zoomobjektiv, das aus einer Vielzahl von Linsen- bzw. Objektiv-Gruppen besteht, ist es erforderlich, die Linsen-Gruppen in Richtung einer optischen Achse zu bewegen bzw. zu verschieben, um einen Vergrößerungsfaktor zu ändern. Jedoch ist, um eine Positionsgenauigkeit beim mechanischen Bewegen der Linsen zu verbessern, ein außerordentlich komplizierter Mechanismus erforderlich. Des Weiteren ist es, da eine bestimmte Zeit zum Bewegen der Linsen-Gruppen benötigt wird, schwierig, eine erforderliche Zeit beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors zu verkürzen.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des oben aufgeführten Problems gemacht worden, und eine Aufgabe derselben besteht darin, ein Zoomobjektiv zu schaffen, das sich leicht einrichtet lässt und mit dem eine beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors erforderliche Zeit verkürzt werden kann.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, enthält ein Zoomobjektiv gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Objektiv-Einheit, die einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält, eine zweite Objektiv-Einheit, die optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit und die Fokusebene des Zoomobjektivs gekoppelt ist und einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält, sowie eine Steuereinheit, die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit steuert, wobei in dem Zoomobjektiv ein Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit sowie ein Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit und der Fokusebene unveränderlich sind und die Steuereinheit einen Vergrößerungsfaktor des Zoomobjektivs ändert, indem sie die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit ändert. Das heißt, die Steuereinheit steuert beispielsweise die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit, indem sie ein Objektiv- bzw. Linsen-Muster für einen räumlichen Lichtmodulator erzeugt oder indem sie eine Brennweite eines Variofokus-Objektivs steuert.
Bei diesem Zoomobjektiv sind statt der zwei oder mehr Objektiv- bzw. Linsen-Gruppen in dem herkömmlichen Zoomobjektiv die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit vorhanden, die aus den räumlichen Lichtmodulatoren oder Variofokus-Objektiven bestehen. Der räumliche Lichtmodulator und das Variofokus-Objektiv sind optische Komponenten, mit denen eine Brennweite geändert werden kann, ohne eine Position in Richtung einer optischen Achse zu ändern. Daher ist es in einem Zustand, in dem ein Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit sowie ein Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit und der Fokusebene unveränderlich sind, möglich, eine Brennweite des gesamten Zoomobjektiv-Systems beliebig zu ändern, um einen Vergrößerungsfaktor zu ändern. Des Weiteren sind diese optischen Komponenten in der Lage, eine Brennweite auf ein elektrisches Signal von der Steuereinheit hin in einer außerordentlich kurzen Zeit zu ändern. Dementsprechend ist es mit dem oben beschriebenen Zoomobjektiv möglich, eine beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors erforderliche Zeit zu verkürzen. Des Weiteren kann, da kein komplizierter Mechanismus zum Bewegen von Linsen-Gruppen erforderlich ist, das gesamte Zoomobjektiv-System einfach eingerichtet werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Bei dem Zoomobjektiv gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, das Zoomobjektiv einfach einzurichten und eine beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors erforderliche Zeit zu verkürzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau eines Zoomobjektivs gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Darstellung, die die Beziehung von Brennweiten in dem Zoomobjektiv gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 enthält a) eine Darstellung, die schematisch eine Situation bei Bilderzeugung zeigt, die dem in 2 gezeigten Fall 1 entspricht, b) eine Darstellung, die schematisch eine Situation bei Bilderzeugung zeigt, die dem in Tabelle 2 gezeigten Fall 2 entspricht, und c) eine Darstellung, die schematisch eine Situation bei Bilderzeugung zeigt, die dem in Tabelle 2 gezeigten Fall 3 entspricht.
4 enthält a) eine Darstellung, die schematisch eine Situation bei Bilderzeugung zeigt, die dem in Tabelle 2 gezeigten Fall 4 entspricht und b) eine Darstellung, die schematisch eine Situation bei Bilderzeugung zeigt, die dem in Tabelle 2 gezeigten Fall 5 entspricht.
5 enthält Darstellungen, die Beispiele für Funktionen des Zoomobjektivs gemäß der ersten Ausführungsform zeigen.
6 ist eine Darstellung, die einen Aufbau eines Zoomobjektivs gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Darstellung, die einen Aufbau des Zoomobjektivs als eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine Darstellung, die einen Aufbau des Zoomobjektivs als weitere Abwandlung der zweiten Ausführungsform zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Zoomobjektivs gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Des Weiteren sind in der Beschreibung der Zeichnungen die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und auf sich wiederholende Beschreibungen wird verzichtet.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau eines Zoomobjektivs 10A gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Zoomobjektiv 10A gemäß der ersten Ausführungsform enthält eine erste Objektiv-Einheit 12, eine zweite Objektiv-Einheit 14 sowie eine Steuereinheit 16. Die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 sind in Reihe in einer Richtung entlang einer vorgegebenen optischen Achse A angeordnet, die eine Fokusebene F des Zoomobjektivs 10A schneidet, und die zweite Objektiv-Einheit 14 ist optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit 12 und die Fokusebene F gekoppelt.

Die erste Objektiv-Einheit 12 enthält einen räumlichen Lichtmodulator (spacial light modulator – SLM) oder ein Variofokus-Objektiv (vari-focal lens – VFL). Des Weiteren enthält die zweite Objektiv-Einheit 14 gleichfalls ebenso einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus Objektiv. Das heißt, es gibt die folgenden vier Muster bzw. Strukturen als eine Kombination aus der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14. Tabelle 1

	erste Objektiv-Einheit	zweite Objektiv-Einheit
Struktur 1	räumlicher Lichtmodulator	räumlicher Lichtmodulator
Struktur 2	räumlicher Lichtmodulator	Variofokus-Objektiv
Struktur 3	Variofokus-Objektiv	räumlicher Lichtmodulator
Struktur 4	Variofokus-Objektiv	Variofokus-Objektiv

Als ein räumlicher Lichtmodulator, der als die erste Objektiv-Einheit 12 oder die zweite Objektiv-Einheit 14 eingesetzt werden kann, dienen ein räumlicher Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ, beispielsweise ein SLM aus Material mit veränderlichen Brechungsindex (zum Beispiel ein SLM, bei dem ein Flüssigkristall eingesetzt wird, vom Typ LCOS (Liquid Crystal on Silicon), ein LCD (Liquid Crystal Display) oder dergleichen), ein Segmentspiegel-SLM, ein SLM mit stufenlos verformbarem Spiegel oder dergleichen. Ein SLM aus Material mit veränderlichem Brechungsindex, ein Segmentspiegel-SLM und ein SLM mit stufenlos verformbarem Spiegel dienen als eine Linse bzw. ein Objektiv, die/das durch Anlegen einer Spannung, eines Stroms oder Einwirken von Schreib-Licht eine Vielzahl von Linsenstrukturen enthält, so dass es eine beliebige Brennweite hat.
Des Weiteren ist in der vorliegenden Ausführungsform als Beispiel ein transmissiver räumlicher Lichtmodulator dargestellt, jedoch kann der räumliche Lichtmodulator auch ein reflektierender räumlicher Lichtmodulator sein. Weiterhin ist es möglich, als ein Variofokus-Objektiv für die erste Objektiv-Einheit 12 oder die zweite Objektiv-Einheit 14 ein Objektiv einzusetzen, das in der Lage ist, einen Brechungsindex eines optischen Weges, wie beispielsweise eines Flüssigkristalls oder eines elektrooptischen Kristalls, beliebig zu ändern, oder in der Lage ist, seine Form zu ändern. Bei diesen Variofokus-Objektiven wird eine Brennweite durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms beliebig gesteuert.
Des Weiteren sind im Unterschied zum herkömmlichen Zoomobjektiv bei dem Zoomobjektiv 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform sowohl ein Abstand L₁ zwischen der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 als auch ein Abstand L₂ zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F unveränderlich, und die Positionen der ersten Objektiv-Einheit 12 sowie der zweiten Objektiv-Einheit 14 relativ zu der Fokusebene F sind feststehend.
Die Steuereinheit 16 steuert die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14. In dem Fall, in dem die erste Objektiv-Einheit 12 (die zweite Objektiv-Einheit 14) ein räumlicher Lichtmodulator ist, leitet die Steuereinheit 16 ein elektrisches Signal (ein Linsen-Muster) zum Ansteuern der entsprechenden Pixel des räumlichen Lichtmodulators zu der ersten Objektiv-Einheit 12 (die zweite Objektiv-Einheit 14). Des Weiteren leitet, wenn die erste Objektiv-Einheit 12 (die zweite Objektiv-Einheit 14) ein Variofokus-Objektiv ist, die Steuereinheit 16 ein elektrisches Signal zum Steuern einer Brennweite dieses Variofokus-Objektivs zu der ersten Objektiv-Einheit 12 (die zweite Objektiv-Einheit 14). Bei dem Zoomobjektiv 10A ändert die Steuereinheit 16 die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 auf diese Weise und ändert damit ihren Verstärkungsfaktor. Des Weiteren kann sich die Steuereinheit 16 in einem Gehäuse befinden, in dem die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 aufgenommen sind, oder kann sich außerhalb des Gehäuses befinden.
Beispielsweise zeigt in dem Fall, in dem sich jeweils räumliche Lichtmodulatoren in der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 befinden, die Steuereinheit 16 die Objektive bzw. Linsen mit den Brennweiten f₁ und f₂ jeweils auf diesen räumlichen Lichtmodulatoren 30 an, um die vorgegebene Fokusebene F zu fokussieren. Dabei wird angenommen, dass kollimiertes Licht über die vordere Fläche (eine Fläche an der einer der zweiten Objektiv-Einheit 14 zugewandten Fläche gegenüberliegenden Seite) der ersten Objektiv-Einheit 12 eintritt. Dabei ist beispielsweise, wenn die Brennweite f₁ der ersten Objektiv-Einheit 12 unendlich ist und die Brennweite f₂ der zweiten Objektiv-Einheit 14 dem Abstand L₂ entspricht, eine kombinierte Brennweite f_c der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 der Länge L₂ gleich. In diesem Fall wirkt die erste Objektiv-Einheit 12 nicht als Objektiv bzw. Linse und lässt das kollimierte Licht direkt unverändert hindurchtreten. Des Weiteren beträgt beispielsweise, wenn die Brennweite f₁ der ersten Objektiv-Einheit 12 ein Abstand (L₁ + L₂) von der ersten Objektiv-Einheit 12 bis zu der Fokusebene F ist, und die Brennweite f₂ der zweiten Objektiv-Einheit 14 unendlich ist, die kombinierte Brennweite f_c der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 (L₁ + L₂). Dies sind Spezialfälle, in der vorliegenden Ausführungsform stellt jedoch die Steuereinheit 16 die Brennweiten f₁ und f₂ der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 auf verschiedene Längen ein, und damit ist es möglich, eine kombinierte Brennweite der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 beliebig zu steuern.
Dabei werden, da die Abstände der ersten Objektiv-Einheit 12, der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F in dem optischen System des Zoomobjektivs 10A unveränderlich sind, Beziehungen zwischen den Brennweiten f₁ und f₂ und der kombinierten Brennweite f_c hergestellt. Im Folgenden werden die Beziehungen beschrieben.
Dabei wird, wie in 2 gezeigt, davon ausgegangen, dass eine Brennweite der ersten Objektiv-Einheit 12 f₁ ist und eine Brennweite der zweiten Objektiv-Einheit 14 f₂ ist. Bei diesem optischen System werden Bedingungen bestimmt, die die Brennweiten f₁ und f₂ erfüllen müssen, um die kombinierte Brennweite f_c zu ändern, ohne die Position der Fokusebene F zu ändern. Die kombinierte Brennweite f_c dieses optischen Systems wird mit der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt.
Gleichung 1
Des Weiteren weisen der Abstand L₂, die Brennweite f₂ und δ in Verbindung mit einer Position der Fokusebene F die folgende Beziehung auf: Gleichung 2
Wenn die Gleichung (2) abgewandelt wird, um die Brennweite f₂ zu erhalten, ergibt sich die folgenden Gleichung (3).
Gleichung 3
Wenn die Gleichung (3) in die Gleichung (1) eingesetzt wird, um die Brennweite f₁ zu erhalten, ergibt sich die folgende Gleichung (4).
Gleichung 4
Desgleichen ergibt sich, wenn die kombinierte Brennweite f_c errechnet wird, die folgende Gleichung (5).
Gleichung 5
Wenn die Gleichung (4) in die Gleichung (3) eingesetzt wird, ergibt sich die folgende Gleichung (6).
Gleichung 6
Aus den oben beschriebenen Gleichungen (4) und (6) geht hervor, dass es, wenn die gewünschte kombinierte Brennweite f_c und die Abstände L₁ sowie L₂ gegeben sind, möglich ist, die Brennweiten f₁ und f₂ zu berechnen. Des Weiteren versteht sich, dass es möglich ist, das Berechnungsergebnis unter Verwendung der Gleichung (5) zu beweisen. Die Steuereinheit 16 enthält eine Funktion für Brennweiten-Berechnung und berechnet die Brennweiten f₁ und f₂ der ersten und der zweiten Objektiv-Einheit 12 und 14 auf Basis der kombinierten Brennweite f_c der ersten und der zweiten Objektiv-Einheiten 12 und 14, des Abstandes L₁ zwischen der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 sowie des Abstandes L₂ zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F. Weiterhin führt die Steuereinheit 16 Steuerung zum Ändern der jeweiligen Brennweiten der ersten und der zweiten Objektiv-Einheiten 12 und 14 so durch, dass ihre Brennweiten den berechneten Brennweiten f₁ und f₂ entsprechen. Weiterhin kann die Steuereinheit 16 die kombinierte Brennweite f_c auf Basis eines gewünschten Vergrößerungsfaktors bei der Brennweiten-Berechnung berechnen. Weiterhin sind, wenn die Nenner in den Gleichungen (4) und (6) Null sind, ihre Werte indefinit, diese Fälle entsprechen jedoch den oben erwähnten Beispielen (die Fälle, in denen eine der Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 unendlich ist). Das heißt, der Nenner der Gleichung (6) wird Null, wenn die Brennweite f₁ = (L₁ + L₂) und die Brennweite f₂ unendlich ist, und der Nenner der Gleichung (4) wird Null, wenn die Brennweite f₁ unendlich ist und die Brennweite f₂ = L₂. Des Weiteren werden die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 entsprechend den Längen der Brennweiten f₁ und f₂ als eine Konkavlinse oder eine Konvexlinse bestimmt. Es handelt sich um eine Konvexlinse, wenn die Werte der Brennweiten f₁ und f₂ positiv sind, und um eine Konkavlinse, wenn die Werte der Brennweiten f₁ und f₂ negativ sind.

Tabelle 2 ist eine Tabelle, die die Beziehung zwischen den Werten der Brennweiten f₁ und f₂ und dem ihnen entsprechenden Wert der kombinierten Brennweite f_c zeigt. Des Weiteren sind (a) 3, (b) in 3, (c) in 3, (a) 4 sowie (b) in 4 Darstellungen, die schematisch die Situationen bei Bilderzeugung zeigen, die den in Tabelle 2 gezeigten Fällen 1 bis 5 entsprechen. Tabelle 2

	f_c	f₁	f₂	Vergrößerung
Fall 1	f_c > L₁ + L₂	positiv	negativ	ultraschwache Vergrößerung
Fall 2	f_c = L₁ + L₂	L₁ + L₂	∞	schwache Vergrößerung
Fall 3	L₁ + L₂ > f_c > L₂	positiv	positiv	mittlere Vergrößerung
Fall 4	f_c = L₂	∞	L₂	starke Vergrößerung
Fall 5	L₂ > f_c > 0	negativ	positiv	ultrastarke Vergrößerung

Fall 1:
In Fall 1 ist, wie in Tabelle 2 gezeigt, die Brennweite f₁ positiv, ist die Brennweite f₂ negativ und ist die kombinierte Brennweite f_c größer als (L₁ + L₂). In einem derartigen Fall entspricht, da die numerische Apertur (NA) der zweiten Objektiv-Einheit 14, wie in (a) in 3 gezeigt, auf ein Minimum verringert ist, der Vergrößerungsfaktor ”ultraschwacher Vergrößerung”.
Fall 2:
In dem Fall 2 ist, wie in Tabelle 2 gezeigt, die Brennweite f₁ = (L₁ + L₂) und ist die Brennweite f₂ ist unendlich. In diesem Fall gilt für die kombinierte Brennweite f_c = (L₁ + L₂). In einem derartigen Fall entspricht, da die numerische Apertur (NA) der zweiten Objektiv-Einheit 14, wie in (b) in 3 gezeigt, in bestimmten Maß klein ist, der Vergrößerungsfaktor ”schwacher Vergrößerung”
Fall 3:
In dem Fall 3 sind, wie in Tabelle 2 gezeigt, die beiden Brennweiten f₁ und f₂ positiv und ist die kombinierte Brennweite f_c größer als L₂ und kleiner als (L₁ + L₂). In einem derartigen Fall entspricht, da die numerische Apertur der zweiten Objektiv-Einheit 14, wie in (c) in 3 gezeigt, einen bestimmten Wert hat, der Vergrößerungsfaktor ”mittlerer Vergrößerung”.
Fall 4:
In dem Fall 4 ist, wie in Tabelle 2 gezeigt, die Brennweite f₁ unendlich und ist die Brennweite f₂ = L₂. In diesem Fall gilt für die kombinierte Brennweite f_c = L₂. In einem derartigen Fall entspricht, da die numerische Apertur der zweiten Objektiv-Einheit 14, wie in (a) in 4 gezeigt, weiter vergrößert wird, der Vergrößerungsfaktor ”starker Vergrößerung”.
Fall 5:
In dem Fall 5 ist, wie in Tabelle 2 gezeigt, die Brennweite f₁ negativ, ist die Brennweite f₂ positiv und ist die kombinierte Brennweite f_c größer als 0 und kleiner als L₂. In einem derartigen Fall entspricht, da die numerische Apertur der zweiten Objektiv-Einheit 14, wie in (b) in 4 gezeigt, auf ein Maximum vergrößert ist, der Vergrößerungsfaktor ”ultrastarker Vergrößerung”.
Bei dem Zoomobjektiv 10A gemäß den oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsformen sind anstelle der zwei oder mehr Linsen- bzw. Objektiv-Gruppen bei dem herkömmlichen Zoomobjektiv die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 vorhanden, die aus den räumlichen Lichtmodulatoren oder Variofokus-Objektiven bestehen. Der räumliche Lichtmodulator und das Variofokus-Objektiv sind, wie oben beschrieben, optische Komponenten, mit denen die Brennweiten f₁ und f₂ geändert werden können, ohne eine Position in einer Richtung der optischen Achse A zu verändern. Daher ist es in einem Zustand, in dem der Abstand L₁ zwischen der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 sowie der Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F unveränderlich sind, möglich, die kombinierte Brennweite f_c des gesamten Zoomobjektiv-Systems beliebig zu ändern, um einen Vergrößerungsfaktor zu ändern. Des Weiteren können mit diesen optischen Komponenten die Brennweiten f₁ und f₂ auf ein elektrisches Signal von der Steuereinheit 16 hin in einer außerordentlich kurzen Zeit geändert werden. Dementsprechend ist es mit dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Ausführungsform im Unterschied zu dem herkömmlichen Zoomobjektiv möglich, eine beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors erforderliche Zeit erheblich zu verkürzen. Des Weiteren ist es, da kein komplizierter Mechanismus zum Bewegen von Linsen- bzw. Objektiv-Gruppen erforderlich ist, möglich, das gesamte Zoomobjektiv-System leicht einzurichten.
Darüber hinaus ist es bei dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Erfindung auch möglich, Vorgänge durchzuführen, die im Folgenden beschrieben werden.
Überlagerung mit Beugungsgitter-Muster
Wenn die erste Objektiv-Einheit 12 oder/und die zweite Objektiv-Einheit 14 aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht/bestehen, kann die Steuereinheit 16 in dem räumlichen Lichtmodulator ein Überlagerungsmuster darstellen, bei dem ein Linsen-Muster, mit dem die erste Objektiv-Einheit 12 oder die zweite Objektiv-Einheit 14 versehen wird, mit einem Phasen-Muster, wie beispielsweise einer Vielzahl von Beugungsgitter-Mustern, überlagert wird. Dementsprechend wird, wie beispielsweise in (a) in 5 gezeigt, sogenannte Strahlablenkung ermöglicht, bei der eine Fokusposition auf eine beliebige optische Achse A1 verschoben wird, die sich von der optischen Achse unterscheidet. Eine derartige Konfiguration kann beispielsweise geschaffen werden, indem der räumliche Lichtmodulator mit einem Linsen-Muster versehen wird, mit dem eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von in die Objektiv-Einheit 12 eintretendem Licht einschließt, und eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von aus der zweiten Objektiv-Einheit 14 austretendem Licht einschließt, voneinander getrennt werden. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die optische Achse A1 des Lichtes P₂, das sich zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F ausbreitet, parallel zu der optischen Achse A der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 verlaufen zu lassen, während eine optische Achse des Lichtes P₂, das sich zwischen der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 ausbreitet, geneigt ist.
Des Weiteren ist, da die Steuereinheit 16 ein Überlagerungsmuster, bei dem ein Linsen-Muster mit einem Phasen-Muster, wie beispielsweise einem vorgegebenen Beugungsgitter-Muster, überlagert wird, wie in (b) in 5 gezeigt, in dem räumlichen Lichtmodulator zeigt, auch möglich, Ablenkung einer Vielzahl von Strahlen durchzuführen, das heißt, eine Fokusposition wird auf eine Vielzahl optischer Achsen (in der Zeichnung beispielsweise A2 und A3) verschoben, die sich von der optischen Achse A unterscheiden, während eine Vielzahl (in der Zeichnung zwei) optischer Achsen ausgebildet werden, die in voneinander verschiedenen Richtungen in Bezug auf die optische Achse A zwischen der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 geneigt sind. Es ist möglich, eine derartige Konfiguration zu schaffen, indem der räumliche Lichtmodulator beispielsweise mit einem Linsen-Muster versehen wird, mit dem aus der zweiten Objektiv-Einheit 14 austretendes Licht in eine Vielzahl optischer Wege in Bezug auf das in die erste Objektiv-Einheit 12 eintretende Licht geteilt wird. Des Weiteren ist es, indem gleichzeitig ein Überlagerungsmuster, das aus Phasen-Mustern besteht, die auf unterschiedlichen Brennweiten basieren, in dem räumlichen Lichtmodulator gezeigt wird, auch möglich, zu bewirken, dass sich Vergrößerungsfaktoren an Fokuspositionen auf einer Vielzahl optischer Achsen (beispielsweise A2 und A3 in der Zeichnung) voneinander unterscheiden.
Des Weiteren kann in der in (b) in 5 gezeigten Konfiguration eine Objektivlinse zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 14 und der Fokusebene F angeordnet sein, so das Lichtbündelungspositionen von Lichtstrahlen von P₃ und P₄ an einen hinteren Brennpunkt der Objektivlinse angepasst werden. Dementsprechend ist es möglich, zu bewirken, dass die zwei Lichtstrahlen P₃ und P₄, die durch die Objektivlinse hindurchgetreten sind, einander überlagern, wodurch Mikrobearbeitung aufgrund der Überlagerungs- bzw. Interferenzwirkung ermöglicht wird. Diese Interferenzwirkung wird des Weiteren beliebig gesteuert, indem Neigungswinkel der optischen Achsen der Lichtstrahlen P₃ und P₄ nach dem Hindurchtreten durch die Objektivlinse oder die numerischer Aperturen (NA) der Lichtstrahlen P₃ und P₄ geändert werden. Weiterhin ist es auch möglich, Mehrpunktbearbeitung beim Einsatz einer Vielzahl von Lichtstrahlen durchzuführen, deren numerische Aperturen sich voneinander unterscheiden.
Des Weiteren kann, da die Steuereinheit 16 in dem räumlichen Lichtmodulator ein Überlagerungsmuster zeigt, in dem, wie in (c) in 5 gezeigt, ein Linsen-Muster mit einem Phasen-Muster, wie beispielsweise einem vorgegebenen Beugungsgitter-Muster, überlagert wird, die erste Objektiv-Einheit 12 in eine Vielzahl (in der Zeichnung zwei) von Bereichen unterteilt werden, und optische Achsen, die in Bezug auf die optische Achse A1 geneigt (oder parallel) sind, können zwischen allen diesen Bereichen und der zweiten Objektiv-Einheit 14 ausgebildet werden. Entsprechend dem in (c) in 5 gezeigten Aufbau ist es im Unterschied zu dem Aufbau bzw. der Anordnung (b) in 5 möglich, einen Beugungswinkel in der ersten Objektiv-Einheit 12 zu verkleinern, wodurch es möglich wird, die Last der ersten Objektiv-Einheit 12 zu verringern. Im Folgenden wird die Last der ersten Objektiv-Einheit 12 beschrieben. In dem Fall, in dem die erste Objektiv-Einheit 12 aus einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) besteht, ist ein auf diesem SLM anzuzeigendes Linsen-Muster ein Phasen-Muster, das als ein Fresnel-Linsen-Muster bezeichnet wird. Dieses Muster wird mit der folgenden Gleichung (7) hergeleitet.
Gleichung 7
In der Gleichung (7) ist r ein Abstand zu dem Mittelpunkt eines Linsen-Musters, λ ist eine Wellenlänge eines auftreffenden Strahls, und f ist eine Brennweite einer Linse. Des Weiteren spiegelt diese Gleichung (7) den Fall wider, in dem ein Verfahren des sogenannten ”Wrapping” einer Phase bei 2π (rad) (als Phase-Wrapping bezeichnet) eingesetzt wird, um ein Fresnel-Linsen-Muster in einem SLM anzuzeigen, mit dem eine Phasendifferenz bis zu 2π (rad) ausgedrückt werden kann. Wie aus dieser Gleichung (7) ersichtlich ist, wird eine Phase bei Bewegung von dem Mittelpunkt des Linsen-Musters weg steiler. Daher wird häufig Phase-Wrapping in dem Randabschnitt des Linsen-Musters verursacht. Wenn dann ein Intervall des Phase-Wrapping kürzer wird als das Doppelte des Pixel-Abstandes (pixel pitch) des SLM, ist es nicht mehr möglich, ein Fresnel-Linsen-Muster auszudrücken. Um eine derartige Erscheinung zu vermeiden, wird, wenn die NA zu groß wird, vorzugsweise das Licht effektiv genutzt, indem Licht in eine Vielzahl von Bereichen geteilt wird, während gleichzeitig die NA unter Verwendung der in (c) in 5 gezeigten Anordnung beschränkt wird.
Mit dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie in (a) in 5 bis (c) in 5 gezeigt, möglich, zusätzlich zum Ändern einer Brennweite Steuervorgänge, wie beispielsweise Ändern einer Fokusposition auf der Fokusebene F sowie Teilen eines Fokuspunktes, durchzuführen, die mit einem herkömmlichen optischen Objektiv bisher nicht durchgeführt werden konnten.
Überlagerung mit Hologramm-Muster
Wenn die erste Objektiv-Einheit 12 oder/und die zweite Objektiv-Einheit 14 aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht/bestehenden, kann die Steuereinheit 16 ein Linsen-Muster, mit dem die erste Objektiv-Einheit 12 und/oder die zweite Objektiv-Einheit 14 versehen werden/wird, mit verschiedenartigen Hologramm-Mustern (Phasen-Mustern) überlagern, die mit einem Rechenverfahren, wie beispielsweise einem Verfahren iterativer Fourier-Transformation, das ein GS-Verfahren oder dergleichen einschließt, mittels eines Computers gestaltet werden. Dementsprechend ist es möglich, gleichzeitig eine Vielzahl von Bildern an voneinander verschiedenen Positionen zu erzeugen.
Überlagerung mit Muster zur Korrektur von Aberration
Wenn die erste Objektiv-Einheit 12 oder/und die zweite Objektiv-Einheit 14 aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht/bestehen, kann die Steuereinheit 16 ein Linsen-Muster, mit dem die erste Objektiv-Einheit 12 und/oder die zweite Objektiv-Einheit 14 versehen werden/wird, mit einem Phasen-Muster zum Korrigieren von Aberrationen überlagern, die durch eine Verzerrung erzeugt werden, die in einem optischen System und einem Variofokus-Objektiv enthalten ist.
Eine Linse, die separat von der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14 vorhanden ist, und Variofokus-Objektive, die als die erste Objektiv-Einheit 12 und als die zweite Objektiv-Einheit 14 eingesetzt werden, können geringfügige Verzerrungen aufweisen. Wünschenswert ist Korrektur von Aberrationen aufgrund dieser Verzerrungen, um Phasenmodulation akurat durchzuführen. Dementsprechend wird ein Linsen-Muster, mit dem die erste Objektiv-Einheit 12 und/oder die zweite Objektiv-Einheit 14 versehen werden/wird, vorzugsweise mit einem Muster zum Korrigieren von Aberrationen überlagert. Damit ist es möglich, ein optisches System mit hoher Genauigkeit einzurichten. Des Weiteren ist es mit dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Ausführungsform so auch möglich, das gesamte System einfach einzurichten, ohne dass eine komplizierte Linsenformung beim Korrigieren von Aberrationen erforderlich ist.
Das Zoomobjektiv 10A gemäß den oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsformen kann für eine Fourier-Transformations-Hologrammwiedergabe-Optik eingesetzt werden. In diesem Fall kann die erste Objektiv-Einheit 12 oder die zweite Objektiv-Einheit 14 auch als ein Hologramm-Darstellungselement eingesetzt werden. Wenn, wie bei der herkömmlichen Technik, ein Festobjektiv als ein Fourier-Transformations-Objektiv eingesetzt wird, ist eine Größe eines wiedergegebenen Bildes unveränderlich, beim Einsatz des Zoomobjektivs 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es jedoch möglich, eine Größe eines wiedergegebenen Bildes zu ändern.
Des Weiteren kann das Zoomobjektiv 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform für einen linsenlosen optischen Korrelator eingesetzt werden. Bei einem herkömmlichen linsenlosen optischen Korrelator ist es, da seine Brennweite von einem Abstand zwischen einem räumlichen Lichtmodulator, der ein Antrittsmuster darstellt, und einem räumlichen Lichtmodulator, der ein Filter-Muster darstellt, unmöglich, die Brennweite zu ändern, und es ist nicht möglich gewesen, zwischen einem einzelnen optischen Korrelator und einem parallelen optischen Korrelator zu wechseln. Mit dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, zwischen einem einzelnen optischen Korrelator und einem parallelen optischen Korrelator zu wechseln, ohne die Anordnung der optischen Komponenten, wie beispielsweise der ersten Objektiv-Einheit 12 und der zweiten Objektiv-Einheit 14, zu ändern. Das heißt, ein Linsen-Muster, das von der Steuereinheit 16 für die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 erzeugt wird, wird auf ein Linsen-Anordnungsmuster festgelegt, so dass es möglich ist, auf einfache Weise einen parallelen optischen Korrelator zu schaffen, der einen Vorgang optischer Korrelation parallel ausführt.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform für ein Mikroskop eingesetzt werden. In diesem Fall ist es möglich, eine Betrachtungsvergrößerung einfach und in kurzer Zeit zu ändern. Beispielsweise führt ein Laserscanning-Mikroskop Rasterabtastung von Laserlicht durch, das durch eine Objektivlinse oder dergleichen auf einem Objekt konzentriert wird, und führt Bilderzeugung unter Verwendung der Emission von Licht (beispielsweise Fluoreszenz, reflektiertes Licht oder gestreutes Licht oder dergleichen) durch, das von dem Objekt mit dem aufgestrahlten Laserlicht erzeugt wird, während es beim Einsatz des Zoomobjektivs 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich ist, einen Durchmesser von konzentriertem Laserlicht einfach und in kurzer Zeit zu ändern. Dementsprechend kann die Anzahl von Abtastvorgängen einfach gesteuert werden, und es ist möglich, nach Bedarf zwischen einem Verfahren zum relativ groben Messen des gesamten Objektes in kurzer Zeit und einem Verfahren zum genauen Messen lediglich eines Teils des Objektes im Verlauf der Zeit zu wechseln. Des Weiteren ist es mit dem Zoomobjektiv 10A der vorliegenden Ausführungsform, da eine Fokusposition einfach verschoben werden kann (siehe beispielsweise (a) in 5 bis (c) in 5), möglich, eine Betrachtungsposition einfach zu ändern, wodurch sich die Handhabung gegenüber der Konfiguration erheblich vereinfacht, bei der zwischen den Objektivlinsen mit unterschiedlichen Vergrößerungen gewechselt wird, wie dies bei der herkömmlichen Technik der Fall ist. Des Weiteren ist es beim Einsatz des Zoomobjektivs 10A für eine Bilderzeugungsoptik in einem Mikroskop möglich, ein Sichtfeld und eine Auflösung beliebig zu ändern, ohne eine Bilderzeugungsposition in Richtung einer optischen Achse zu verändern.
Des Weiteren kann das Zoomobjektiv 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform für Laserbearbeitung eingesetzt werden. In diesem Fall ist es, da es möglich ist, einen Durchmesser eines gebündelten Lichtpunktes in einer Längs- oder einer Querrichtung einfach und in kurzer Zeit zu ändern, möglich, eine Form einer Bearbeitungsbahn leicht zu ändern. Des Weiteren ist es möglich, Mikrobearbeitung mit einem kleinen gebündelten Lichtpunkt durchzuführen, oder möglich, Bearbeitung zu beschleunigen, indem ein gebündelter Lichtpunkt vergrößert wird.
Zweite Ausführungsform
6 ist eine Darstellung, die einen Aufbau eines Zoomobjektivs 10B gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Zoomobjektiv 10B gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält eine erste Objektiv-Einheit 22, eine zweite Objektiv-Einheit 24 sowie eine Steuereinheit 26. Die erste Objektiv-Einheit 22 und die zweite Objektiv-Einheit 22 bestehen aus reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren und weisen jeweils lichtreflektierende Flächen 22a und 24a auf. Des Weiteren kann, wie in 6 gezeigt, das Zoomobjektiv 10B darüber hinaus eine Laserlicht-Quelle 28, ein Raumfilter 32, eine Kollimationslinse 34 sowie reflektierende Spiegel 36a bis 36e enthalten, die als reflektierende Elemente dienen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Objektiv-Einheit 24 optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit 22 und die Fokusebene in einer im Folgenden beschriebenen Struktur gekoppelt. Das heißt, die lichtreflektierende Fläche 24a der zweiten Objektiv-Einheit 24 ist über die reflektierenden Spiegel 36d und 36c, die als reflektierende Elemente dienen, optisch mit der lichtreflektierenden Fläche 22a der ersten Objektiv-Einheit 22 gekoppelt und ist gleichzeitig über den reflektierenden Spiegel 36e optisch mit der Fokusebene F gekoppelt. Des Weiteren trifft kollimiertes Eintritts-Licht P₁ über die reflektierenden Spiegel 36b und 36a auf die lichtreflektierende Fläche 22a der ersten Objektiv-Einheit 22 auf. Das kollimierte Licht P₁ wird geeigneterweise beispielsweise hergestellt, indem von der Laserlicht-Quelle 28 emittiertes Laserlicht durch eine Bündelungslinse 32a und ein Loch (pin hole) 32b des Raumfilters 32 hindurchtritt, um Wellenfront-Rauschen und -Verzerrung zu eliminieren, und anschließend durch die Kollimationslinse 34 hindurch tritt, so dass es parallel ausgerichtet wird.
Bei dem Zoomobjektiv 10B gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind auch sowohl ein optischer Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit 22 und der zweiten Objektiv-Einheit 24 (das heißt, ein Abstand von der ersten Objektiv-Einheit 22 bis zu der zweiten Objektiv-Einheit 24 über die reflektierenden Spiegel 36c und Spiegel 36d) als auch ein optischer Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 24 und der Fokusebene F (das heißt, ein Abstand von der zweiten Objektiv-Einheit 24 bis zu der Fokusebene F über den reflektierenden Spiegel 36e) unveränderlich, und die Positionen der ersten Objektiv-Einheit 22 sowie der zweiten Objektiv-Einheit 24 relativ zu der Fokusebene F sind feststehend.
Die Steuereinheit 26 steuert die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 22 und der zweiten Objektiv-Einheit 24. Die Steuereinheit 26 erzeugt ein elektrisches Signal (ein Linsen-Muster) zum Ansteuern der jeweiligen Pixel der räumlichen Lichtmodulatoren für die erste Objektiv-Einheit 22 und die zweite Objektiv-Einheit 24, so dass die Linsen mit den Brennweiten f₁ bzw. f₂ an diesen räumlichen Lichtmodulatoren angezeigt werden, um so auf die vorgegebene Fokusebene zu fokussieren. Bei dem Zoomobjektiv 10B ändert die Steuereinheit 26 die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 22 und der zweiten Objektiv-Einheit 24 auf diese Weise und ändert so seinen Vergrößerungsfaktor. Des Weiteren kann die Steuereinheit 26 in einem Gehäuse angeordnet sein, in dem die erste Objektiv-Einheit 22 und die zweite Objektiv-Einheit 24 aufgenommen sind, oder kann sich außerhalb des Gehäuses befinden.
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform können die erste Objektiv-Einheit 22 und die zweite Objektiv-Einheit 24 aus reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren bestehen. Selbst in diesem Fall können die gleichen Effekte wie diejenigen bei der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden.
Abwandlung
7 ist eine Darstellung, die einen Aufbau eines Zoomobjektivs 10C als einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform zeigt. Ein Punkt, in dem sich das Zoomobjektiv 10C gemäß der vorliegenden Abwandlung von der zweiten Ausführungsform unterscheidet, ist der Aufbau der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit. Das heißt, bei der vorliegenden Abwandlung enthält das Zoomobjektiv 10C einen einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator 30 und die erste Objektiv-Einheit sowie die zweite Objektiv-Einheit bestehen aus einem einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator 30, und ein Teilbereich (ein erster Bereich) seiner lichtreflektierenden Fläche 30a dient als eine erste Objektiv-Einheit 30b, und ein anderer Teilbereich (ein zweiter Bereich) dient als eine zweite Objektiv-Einheit 30c. In der vorliegenden Abwandlung ist die zweite Objektiv-Einheit 30c über die reflektierenden Spiegel 36d und 36c optisch mit der ersten Objektiv-Einheit 30b gekoppelt und ist gleichzeitig über den reflektierenden Spiegel 36e optisch mit der Fokusebene F gekoppelt. Des Weiteren trifft das kollimierte Licht P₁ über die reflektierenden Spiegel 36b und 36a auf die erste Objektiv-Einheit 30b auf.
Auch bei dem Zoomobjektiv 10C gemäß der vorliegenden Abwandlung sind sowohl ein optischer Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit 30b und der zweiten Objektiv-Einheit 30c als auch ein optischer Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit 30c und der Fokusebene F unveränderlich, und die Positionen der ersten Objektiv-Einheit 30b und der zweiten Objektiv-Einheit 30c relativ zu der Fokusebene F sind feststehend.
Die Steuereinheit 26 steuert die Brennweiten f₁ und f₂ der ersten Objektiv-Einheit 30b und der zweiten Objektiv-Einheit 30c. Die Steuereinheit 26 leitet ein elektrisches Signal (ein Linsen-Muster) zum Ansteuern der entsprechenden Pixel des räumlichen Lichtmodulators 30 zu dem räumlichen Lichtmodulator 30, um so die Linsen mit den Brennweiten f₁ bzw. f₂ auf der ersten Objektiv-Einheit 30b und der zweiten Objektiv-Einheit 30c anzuzeigen und damit auf die vorgegebene Fokusebene F zu fokussieren. Bei dem Zoomobjektiv 10C ändert die Steuereinheit 26 die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit 30b und der zweiten Objektiv-Einheit 30c auf diese Weise und ändert damit seinen Vergrößerungsfaktor.
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform können die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit aus einem gemeinsamen einzelnen räumlichen Lichtmodulator bestehen. Auch in diesem Fall können die gleichen Effekte wie diejenigen bei der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ein Zoomobjektiv gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen beschränkt, und es sind verschiedene andere Abwandlungen möglich. Beispielsweise zeigt 1 nur die erste Objektiv-Einheit 12 und die zweite Objektiv-Einheit 14 als die Konfiguration des Zoomobjektivs 10A, jedoch kann das Zoomobjektiv eine optische Komponente, wie beispielsweise ein Festobjektiv, zusätzlich zu der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit enthalten. Beispielsweise hat, wenn räumliche Lichtmodulatoren als die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit eingesetzt werden, deren Brennweite eine Untergrenze. Dementsprechend ist auch der Änderungsbereich einer Brennweite des Zoomobjektivs begrenzt. In diesem Fall kann eine Brennweite über die Grenze hinaus geändert werden, indem ein Festobjektiv auf einer optischen Achse eingefügt wird.
Des Weiteren ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen und der Abwandlung als Beispiel der Fall angeführt, in dem das in die erste Objektiv-Einheit eintretende Licht paralleles Licht ist, wobei jedoch das in die erste Objektiv-Einheit eintretende Licht nicht auf paralleles Licht beschränkt ist und verschiedenartige Lichtstrahlen eingesetzt werden können.
Des Weiteren sind bei der zweiten Ausführungsform und der Abwandlung für ein optisches System, in dem Licht auf die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit auftrifft und von ihnen emittiert wird, verschiedenartige andere Anordnungen als die in 6 und 7 gezeigten Anordnungen möglich. Beispielsweise kann ein Aufweiter anstelle des Raumfilters 32 und der Kollimationslinse 34 vorhanden sein, und die reflektierenden Spiegel 36a bis 36e können durch andere lichtreflektierende optische Komponenten, wie beispielsweise ein Dreiseit-Prisma, ersetzt werden. Des Weiteren ist, wie in 8 gezeigt, eine Konfiguration ohne den Einsatz reflektierender Spiegel möglich. Weiterhin sind in der Konfiguration in 8 der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die erste Objektiv-Einheit 22 bildet, und der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die zweite Objektiv-Einheit 24 bildet, vorzugsweise so angeordnet, dass ihre lichtreflektierenden Flächen 22a und 24a parallel zueinander sind. In diesem Fall können das Eintritts-Licht P₁ und das Austritts-Licht P₂ im Wesentlichen parallel zueinander sein und kann die Vorrichtung relativ kompakt ausgeführt sein.
Ein Zoomobjektiv gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform enthält eine erste Objektiv-Einheit, die aus einem räumlichen Lichtmodulator oder einem Variofokus-Objektiv besteht, eine zweite Objektiv-Einheit, die optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit und eine Fokusebene des Zoomobjektivs gekoppelt ist und aus einem räumlichen Lichtmodulator oder einem Variofokus-Objektiv besteht, sowohl eine Steuereinheit, die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit sowie der zweiten Objektiv-Einheit steuert, indem sie ein Linsen-Muster für den räumlichen Lichtmodulator erzeugt oder indem sie eine Brennweite des Variofokus-Objektivs steuert, wobei bei dem Zoomobjektiv ein Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit sowie ein Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit und der Fokusebene unveränderlich sind und die Steuereinheit einen Vergrößerungsfaktor des Zoomobjektivs ändert, indem sie die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit ändert.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die erste Objektiv-Einheit oder/und die zweite Objektiv-Einheit einen räumlichen Lichtmodulator enthält/enthalten. Damit ist es möglich, zusätzlich zum Ändern eines Licht-Durchmessers Steuervorgänge durchzuführen, so beispielsweise Ändern einer Fokusposition auf der Fokusebene und Teilen eines Fokuspunktes die mit einer herkömmlichen optischen Linse bisher nicht durchgeführt werden konnten. Derartige Steuervorgänge werden vorzugsweise zum Beispiel so ausgeführt, dass die Steuereinheit das Linsen-Muster, mit dem der räumliche Lichtmodulator versehen wird, mit einem Beugungsgitter- oder einem Hologramm-Muster überlagert.
Des Weiteren kann, wenn die erste Objektiv-Einheit oder/und die zweite Objektiv-Einheit aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht/bestehen, die Steuereinheit das Linsen-Muster, mit dem der räumliche Lichtmodulator versehen wird, mit einem Muster zum Korrigieren von Aberrationen überlagern, die in dem Zoomobjektiv erzeugt werden. So ist es mit dem Zoomobjektiv auch möglich, das gesamte System einfach einzurichten, ohne dass eine komplexe Linsen-Formung beim Korrigieren von Aberrationen erforderlich ist.
Des Weiteren enthält ein Zoomobjektiv gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform eine erste Objektiv-Einheit, die einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält, eine zweite Objektiv-Einheit, die optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit und eine Fokusebene des Zoomobjektivs gekoppelt ist und einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält, sowie eine Steuereinrichtung, die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit steuert, wobei bei dem Zoomobjektiv sowohl ein Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit als auch ein Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit und der Fokusebene unveränderlich sind und die Steuereinheit einen Vergrößerungsfaktor des Zoomobjektiv ändert, indem sie die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit ändert.
Dabei steuert beispielsweise in dem Fall, in dem die Objektiv-Einheit (die erste Objektiv-Einheit oder die zweite Objektiv-Einheit) aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht, die Steuereinheit eine Brennweite der Objektiv-Einheit, indem sie den räumlichen Lichtmodulator mit einem Linsen-Muster versieht. Des Weiteren steuert in dem Fall, in dem Objektiv-Einheit aus einem Variofokus-Objektiv besteht, die Steuereinheit eine Brennweite der Objektiv-Einheit, indem sie eine Brennweite des Variofokus-Objektivs steuert.
Des Weiteren kann bei der oben beschriebenen Konstruktion das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die erste Objektiv-Einheit oder/und die zweite Objektiv-Einheit einen räumlichen Lichtmodulator enthält/enthalten, und versieht die Steuereinheit den räumlichen Lichtmodulator mit einem Linsen-Muster.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit jeweils reflektierende räumliche Lichtmodulatoren enthalten. Weiterhin kann in diesem Fall das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die erste Objektiv-Einheit bildet, und der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die zweite Objektiv-Einheit bildet, so angeordnet sind, dass ihre lichtreflektierenden Flächen parallel zueinander sind.
Des Weiteren können bei dem Zoomobjektiv die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit einen einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator enthalten, ein Teilbereich seiner lichtreflektierenden Fläche kann als die erste Objektiv-Einheit eingesetzt werden, und ein weiterer Teilbereich kann als die zweite Objektiv-Einheit eingesetzt werden.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass er eine Vielzahl reflektierender Elemente enthält, und so, dass die zweite Objektiv-Einheit über die Vielzahl reflektierender Elemente optisch mit der ersten Objektiv-Einheit gekoppelt ist.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass der räumliche Lichtmodulator ein transmissiver räumlicher Lichtmodulator ist.
Weiterhin kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die Steuereinheit den räumlichen Lichtmodulator mit dem Linsen-Muster versieht, mit dem eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von in die erste Objektiv-Einheit eintretendem Licht einschließt, und eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von aus der zweiten Objektiv-Einheit austretendem Licht einschließt, voneinander getrennt werden.
Des Weiteren kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die Steuereinheit den räumlichen Lichtmodulator mit dem Linsen-Muster versieht, mit dem in Bezug auf in die erste Objektiv-Einheit eintretendes Licht aus der zweiten Objektiv-Einheit austretendes Licht in eine Vielzahl optischer Wege geteilt wird.
Des Weiteren kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die Steuereinheit das Linsen-Muster, mit dem der räumliche Lichtmodulator versehen wird, mit einem Muster zum Korrigieren von in dem Zoomobjektiv erzeugten Aberrationen überlagert.
Des Weiteren kann das Zoomobjektiv so eingerichtet sein, dass die Steuereinheit eine Brennweite der ersten Objektiv-Einheit und eine Brennweite der zweiten Objektiv-Einheit auf Basis einer kombinierten Brennweite der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit, des Abstandes zwischen der ersten Objektiv-Einheit und der zweiten Objektiv-Einheit sowie des Abstandes zwischen der zweiten Objektiv-Einheit und der Fokusebene berechnet und die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit sowie der zweiten Objektiv-Einheit so ändert, dass ihre Brennweiten den berechneten Brennweiten entsprechen.
Industrielle Einsatzmöglichkeiten
Die vorliegende Erfindung kann als ein Zoomobjektiv eingesetzt werden, das einfach eingerichtet werden kann, und mit dem eine beim Ändern eines Vergrößerungsfaktors erforderliche Zeit verkürzt werden kann.
Bezugszeichenliste

10A, 10B, 10C: Zoomobjektiv
12, 22: erste Objektiv-Einheit
14, 24: zweite Objektiv-Einheit
16, 26: Steuereinheit
28: Laserlicht-Quelle
30: reflektierender räumlicher Lichtmodulator
30a: lichtreflektierende Fläche
30b: erste Objektiv-Einheit
30c: zweite Objektiv-Einheit
32: Raumfilter
34: Kollimationslinse
36a bis 36e: reflektierender Spiegel
A, A1 bis A3: optische Achse
F: Fokusebene
f₁, f₂: Brennweite
f_c: kombinierte Brennweite

Claims

Zoomobjektiv, das umfasst: eine erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b), die einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält; eine zweite Objektiv-Einheit (14, 24, 30c), die optisch zwischen die erste Objektiv-Einheit und die Fokusebene (F) des Zoomobjektivs gekoppelt ist und einen räumlichen Lichtmodulator oder ein Variofokus-Objektiv enthält; sowie eine Steuereinheit (16, 26), die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) steuert, wobei sowohl ein Abstand (L1) zwischen der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) als auch ein Abstand (L2) zwischen der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) und der Fokusebene (F) unveränderlich sind und die Steuereinheit (16, 26) einen Vergrößerungsfaktor des Zoomobjektivs ändert, indem sie die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) ändert, wobei die erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) oder/und die zweite Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) einen räumlichen Lichtmodulator enthält/enthalten und die Steuereinheit (16, 26) den räumlichen Lichtmodulator mit einem Linsen-Muster versieht.
Zoomobjektiv nach Anspruch 1, wobei die erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und die zweite Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) jeweils reflektierende räumliche Lichtmodulatoren (30) enthalten.
Zoomobjektiv nach Anspruch 2, wobei der reflektierende räumliche Lichtmodulator (30), der die erste Objektiv-Einheit (30b) bildet, und der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die zweite Objektiv-Einheit (30c) bildet, so angeordnet sind, dass ihre lichtreflektierenden Flächen parallel zueinander sind.
Zoomobjektiv nach Anspruch 1, wobei die erste Objektiv-Einheit und die zweite Objektiv-Einheit einen einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (30) enthalten und ein Teilbereich seiner reflektierenden Fläche (30a) als die erste Objektiv-Einheit (30b) genutzt wird, und ein anderer Teilbereich als die zweite Objektiv-Einheit (30c) genutzt wird.
Zoomobjektiv nach einem der Ansprüche 2 bis 4, der eine Vielzahl reflektierender Elemente (36a–36e) umfasst, wobei die zweite Objektiv-Einheit (30c) über eine Vielzahl reflektierender Elemente (36a–36e) optisch mit der ersten Objektiv-Einheit (30b) gekoppelt ist.
Zoomobjektiv nach Anspruch 1, wobei der räumliche Lichtmodulator ein transmissiver räumlicher Lichtmodulator ist.
Zoomobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit (16, 26) den räumlichen Lichtmodulator mit dem Linsen-Muster versieht, mit dem eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von in die erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) eintretendem Licht einschließt, und eine gerade Linie, die eine Mittelachsen-Linie von aus der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) austretendem Licht einschließt, voneinander getrennt werden.
Zoomobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit (16, 26) den räumlichen Lichtmodulator mit dem Linsen-Muster versieht, mit dem aus der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) austretendes Licht in Bezug auf in die erste Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) eintretendes Licht in eine Vielzahl optischer Wege geteilt wird.
Zoomobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinheit (16, 26) das Linsen-Muster, mit dem der räumliche Lichtmodulator versehen wird, mit einem Muster zum Korrigieren von in dem Zoomobjektiv erzeugten Aberrationen überlagert.
Zoomobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinheit (16, 26) eine Brennweite (f1) der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und eine Brennweite (f2) der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) mit Gleichungen f1 = (fc·L1)/(fc – L2) and f2 = (L1·L2)/(L1 + L2 – fc) berechnet, wobei fc eine kombinierte Brennweite der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) ist, L1 der Abstand zwischen der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) und der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) ist sowie 12 der Abstand zwischen der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) und der Fokusebene (F) ist, und die Steuereinheit (16, 26) die Brennweiten der ersten Objektiv-Einheit (12, 22, 30b) sowie der zweiten Objektiv-Einheit (14, 24, 30c) so ändert, dass ihre Brennweiten den berechneten Brennweiten entsprechen.