JPWO2013157607A1

JPWO2013157607A1 - ズームレンズ

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Inventors: 直也松本; 卓井上; 優瀧口
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Abstract

ズームレンズ１０Ａは、ＳＬＭまたはＶＦＬのうち何れか一方により構成される第一レンズ部１２と、第一レンズ部と焦点面Ｆとの間に光学的に結合され、ＳＬＭまたはＶＦＬのうち何れか一方により構成される第二レンズ部１４と、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離を制御する制御部１６とを備える。第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離、および第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの距離は不変である。制御部１６は、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離を変更することによりズームレンズ１０Ａの拡大倍率を変化させる。これにより、簡易に構成可能であり、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することが可能なズームレンズが実現される。

Description

本発明は、ズームレンズに関するものである。

ズームレンズとは、レンズ系全体の焦点位置を一定に保ちながら連続的に焦点距離を変化させることが可能なレンズをいう。一般的に、ズームレンズを構成するためには、最低２群のレンズを光軸上において相対的に移動させる必要がある。すなわち、２群のレンズからなる光学系において一方の群のみを移動させると、合成焦点距離を変化させることができるが、焦点位置も変化する。これに対し、２群の双方を移動させることにより、焦点位置を変化させることなく合成焦点距離を変化させることができる（非特許文献１を参照）。

朝倉書店「最新光学技術ハンドブック」第IV部１．３．２節ｃ

前述したように、複数のレンズ群から成る従来のズームレンズでは、拡大倍率を変化させるためにレンズ群を光軸方向に機械的に移動させる必要がある。しかしながら、レンズを機械的に移動させる際の位置精度を高めるためには、極めて複雑な機構を必要とする。また、レンズ群の移動に一定の時間を要するので、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することも困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易に構成可能であり、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することが可能なズームレンズを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明によるズームレンズは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と当該ズームレンズの焦点面との間に光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離、および第二レンズ部と焦点面との距離が共に不変であり、制御部が、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を変更することによって当該ズームレンズの拡大倍率を変化させることを特徴とする。制御部は、具体的には例えば、空間光変調素子にレンズパターンを与え、または可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する。

このズームレンズでは、従来のズームレンズにおける２以上のレンズ群に代えて、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部及び第二レンズ部が配置されている。空間光変調素子及び可変焦点レンズは、光軸方向の位置を変更することなく焦点距離を変化し得る光学部品である。このため、第一レンズ部と第二レンズ部との距離、および第二レンズ部と焦点面との距離が固定された状態で、ズームレンズ系全体の焦点距離を任意に変更して拡大倍率を変化させることができる。また、これらの光学部品は、制御部からの電気信号に従って、極めて短い時間で焦点距離を変更することができる。したがって、上記ズームレンズによれば、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することができる。また、レンズ群を移動させるための複雑な機構を必要としないので、ズームレンズ系全体を簡易に構成することができる。

本発明によるズームレンズによれば、簡易に構成可能であり、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することができる。

図１は、第１実施形態に係るズームレンズの構成を示す図である。図２は、第１実施形態に係るズームレンズにおける焦点距離の関係を示す図である。図３は、（ａ）表２に示されたケース１に対応する結像の様子を模式的に示す図、（ｂ）表２に示されたケース２に対応する結像の様子を模式的に示す図、及び（ｃ）表２に示されたケース３に対応する結像の様子を模式的に示す図である。図４は、（ａ）表２に示されたケース４に対応する結像の様子を模式的に示す図、及び（ｂ）表２に示されたケース５に対応する結像の様子を模式的に示す図である。図５は、第１実施形態に係るズームレンズの動作の例を示す図である。図６は、第２実施形態に係るズームレンズの構成を示す図である。図７は、第２実施形態の一変形例として、ズームレンズの構成を示す図である。図８は、第２実施形態の別の変形例として、ズームレンズの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるズームレンズの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）

図１は、本発明の第１実施形態に係るズームレンズ１０Ａの構成を示す図である。本実施形態のズームレンズ１０Ａは、第一レンズ部１２と、第二レンズ部１４と、制御部１６とを備えている。第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４は、ズームレンズ１０Ａの焦点面Ｆと交差する所定の光軸Ａに沿った方向に並んで配置されており、第二レンズ部１４は、第一レンズ部１２と焦点面Ｆとの間に光学的に結合されている。

第一レンズ部１２は、空間光変調素子（ＳＬＭ；Spatial Light Modulator）または可変焦点レンズ（ＶＦＬ；Vari-Focal
Lens）のうち何れか一方により構成される。また、第二レンズ部１４も同様に、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される。すなわち、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との組み合わせとしては、以下の４つのパターンが存在する。

第一レンズ部１２若しくは第二レンズ部１４として使用することができる空間光変調素子には、位相変調型の空間光変調素子、例えば屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば液晶を用いたものでは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型やＬＣＤ（Liquid
Crystal Display）など）、セグメントミラー（Segment Mirror）型ＳＬＭ、連続形状可変鏡（Continuous Deformable Mirror）型ＳＬＭ等がある。屈折率変化材料型ＳＬＭ、セグメントミラー型ＳＬＭ、及び連続形状可変鏡型ＳＬＭは、電圧や電流、或いは書き出し光の印加によって種々のレンズパターンが付与されることにより、任意の焦点距離を有するレンズとして機能する。

なお、本実施形態では透過型の空間光変調素子を例示しているが、空間光変調素子は反射型であってもよい。また、第一レンズ部１２若しくは第二レンズ部１４としての可変焦点レンズには、例えば液晶や電気光学結晶のように光路の屈折率を任意に変化させ得るものや、形状を変化させ得るもの等が好適に使用される。これらの可変焦点レンズでは、電圧や電流の印加によって焦点距離が任意に制御される。

また、従来のズームレンズと異なり、本実施形態のズームレンズ１０Ａでは、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ₁、および第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの距離Ｌ₂は共に不変であり、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の位置は、焦点面Ｆに対して相対的に固定されている。

制御部１６は、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の焦点距離を制御する。第一レンズ部１２（第二レンズ部１４）が空間光変調素子である場合、制御部１６は、空間光変調素子の各画素を駆動するための電気信号（レンズパターン）を第一レンズ部１２（第二レンズ部１４）へ提供する。また、第一レンズ部１２（第二レンズ部１４）が可変焦点レンズである場合、制御部１６は、当該可変焦点レンズの焦点距離を制御するための電気信号を第一レンズ部１２（第二レンズ部１４）へ提供する。ズームレンズ１０Ａでは、このように制御部１６が第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の焦点距離を変更することによって、拡大倍率が変化する。なお、制御部１６は、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４が収容される筐体内に配置されても良く、或いは筐体の外部に配置されてもよい。

例えば、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の各々に空間光変調素子が配置されている場合、制御部１６は、これらの空間光変調素子においてそれぞれ焦点距離ｆ₁、ｆ₂のレンズを表示させるとともに、所定の焦点面Ｆ上に焦点が結ばれるようにする。いま、第一レンズ部１２の前面（第二レンズ部１４と対向する面とは反対側の面）からコリメート光が入射するものとする。このとき、例えば第一レンズ部１２の焦点距離ｆ₁を無限大とし、第二レンズ部１４のｆ₂を距離Ｌ₂と等しくすると、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４による合成焦点距離ｆ_cはＬ₂と等しくなる。この場合、第一レンズ部１２はレンズとして機能せず、コリメート光をそのまま透過する。また、例えば第一レンズ部１２の焦点距離ｆ₁を第一レンズ部１２から焦点面Ｆまでの距離（Ｌ₁＋Ｌ₂）とし、第二レンズ部１４のｆ₂を無限大とすると、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４による合成焦点距離ｆ_cは（Ｌ₁＋Ｌ₂）となる。これらは特殊な例であるが、本実施形態では、制御部１６が第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ₁及びｆ₂を種々の長さに設定することにより、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４による合成焦点距離を任意に制御することができる。

ここで、ズームレンズ１０Ａの光学系においては、第一レンズ部１２、第二レンズ部１４及び焦点面Ｆの相互間距離が固定されているので、焦点距離ｆ₁及びｆ₂、並びに合成焦点距離ｆ_cの間に関係性が生じる。以下、その関係性について説明する。

いま、図２に示されるように、第一レンズ部１２の焦点距離をｆ₁、第二レンズ部１４の焦点距離をｆ₂とする。この光学系において、焦点面Ｆの位置を変化させずに合成焦点距離ｆ_cを変更する為に焦点距離ｆ₁及びｆ₂が満たすべき条件を求める。この光学系の合成焦点距離ｆ_cは、次の数式（１）のように表される。

また、焦点面Ｆの位置と関係する距離Ｌ₂、焦点距離ｆ₂、及びδには次の関係がある。

数式（２）を変形し、焦点距離ｆ₂について解くと、次の数式（３）が得られる。

数式（３）を数式（１）に代入し、焦点距離ｆ₁について解くと、次の数式（４）が得られる。

同様に、合成焦点距離ｆ_cについて解くと、次の数式（５）が得られる。

数式（４）を数式（３）に代入すると、次の数式（６）が得られる。

上記数式（４）及び（６）から、所望の合成焦点距離ｆ_c並びに距離Ｌ₁及びＬ₂が与えられると、焦点距離ｆ₁及びｆ₂を算出できることがわかる。また、その算出結果を数式（５）を用いて検算可能であることがわかる。制御部１６は、焦点距離算出の機能を含み、第一、第二レンズ部１２、１４による合成焦点距離ｆ_ｃ、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ_１、および第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの距離Ｌ_２に基づいて、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離ｆ_１、ｆ_２を算出する。また、制御部１６は、それらの算出された焦点距離ｆ_１、ｆ_２となるように、第一、第二レンズ部１２、１４それぞれの焦点距離を変更する制御を行う。また、制御部１６は、焦点距離算出において、所望の拡大倍率から合成焦点距離ｆ_ｃを算出しても良い。なお、数式（４）及び（６）において分母が０となる場合には値が不定となるが、これらの場合は、前述した例（第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４のいずれかの焦点距離を無限大とした場合）に相当する。すなわち、数式（６）の分母が零となるのは焦点距離ｆ₁＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）であり且つ焦点距離ｆ₂が無限大の場合であり、数式（４）の分母が零となるのは焦点距離ｆ₁が無限大で焦点距離ｆ₂＝Ｌ₂の場合である。なお、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４は、焦点距離ｆ₁，ｆ₂の長さによって凹レンズか凸レンズかが定まる。焦点距離ｆ₁、ｆ₂の値が正である場合は凸レンズであり、負である場合は凹レンズである。

表２は、焦点距離ｆ₁及びｆ₂の値と、対応する合成焦点距離ｆ_cの値との関係を示す表である。また、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図４（ａ）、及び図４（ｂ）は、表２に示された５つのケース１〜５に対応する結像の様子を模式的に示す図である。

ケース１：表２に示されるように、ケース１では、焦点距離ｆ₁が正であり、焦点距離ｆ₂が負であり、合成焦点距離ｆ_cは（Ｌ₁＋Ｌ₂）より大きい。このような場合、図３（ａ）に示されるように第二レンズ部１４の開口数（ＮＡ）が最も小さくなるので、拡大倍率は「超低倍率」となる。

ケース２：表２に示されるように、ケース２では、焦点距離ｆ₁＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）であり、焦点距離ｆ₂が無限大である。この場合、合成焦点距離ｆ_c＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）となる。このような場合、図３（ｂ）に示されるように第二レンズ部１４の開口数がやや小さくなるので、拡大倍率は「低倍率」となる。

ケース３：表２に示されるように、ケース３では、焦点距離ｆ₁及びｆ₂が共に正であり、合成焦点距離ｆ_cがＬ₂より大きく（Ｌ₁＋Ｌ₂）より小さい。このような場合、図３（ｃ）に示されるように第二レンズ部１４の開口数は或る程度の大きさを有するので、拡大倍率は「中倍率」となる。

ケース４：表２に示されるように、ケース４では、焦点距離ｆ₁が無限大であり、焦点距離ｆ₂＝Ｌ₂である。この場合、合成焦点距離ｆ_c＝Ｌ₂となる。このような場合、図４（ａ）に示されるように第二レンズ部１４の開口数が更に大きくなるので、拡大倍率は「高倍率」となる。

ケース５：表２に示されるように、ケース５では、焦点距離ｆ₁が負であり、焦点距離ｆ₂が正であり、合成焦点距離ｆ_cは０より大きくＬ₂より小さい。このような場合、図４（ｂ）に示されるように第二レンズ部１４の開口数が最も大きくなるので、拡大倍率は「超高倍率」となる。

以上に説明した本実施形態のズームレンズ１０Ａでは、従来のズームレンズにおける２以上のレンズ群に代えて、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４が配置されている。上述したように、空間光変調素子及び可変焦点レンズは、光軸Ａの方向における位置を変更することなく焦点距離ｆ₁，ｆ₂を変化し得る光学部品である。このため、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ₁、および第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの距離Ｌ₂が固定された状態で、ズームレンズ系全体の合成焦点距離ｆ_cを任意に変更して拡大倍率を変化させることができる。また、これらの光学部品は、制御部１６からの電気信号に従って、極めて短い時間で焦点距離ｆ₁，ｆ₂を変更することができる。したがって、本実施形態のズームレンズ１０Ａによれば、従来のズームレンズと比較して、拡大倍率を変更する際の所要時間を大幅に短縮することができる。また、レンズ群を移動させるための複雑な機構を必要としないので、ズームレンズ系全体を簡易に構成することができる。

なお、本実施形態のズームレンズ１０Ａでは、以下に説明するような動作も可能である。

＜回折格子パターンの重畳＞

第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、種々の回折格子パターンなどの位相パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することができる。これにより、例えば図５（ａ）に示されるように、光軸Ａとは異なる任意の光軸Ａ１上に焦点位置を移動する、いわゆるビームステアリングが可能となる。このような構成は、例えば、第一レンズ部１２に入力される光の中心軸線を含む直線と、第二レンズ部１４から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるようなレンズパターンを空間光変調素子に与えることによって実現することができる。このような構成では、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との間を進行する光Ｐ２の光軸を傾斜させつつ、第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの間を進行する光Ｐ２の光軸Ａ１を第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の光軸Ａと平行にすることができる。

また、制御部１６がレンズパターンに所定の回折格子パターンなどの位相パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することにより、図５（ｂ）に示されるように、光軸Ａに対して互いに異なる方向に傾斜した複数（図では２つ）の光軸を第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との間に形成しつつ、光軸Ａとは異なる複数の光軸（例えば図のＡ２及びＡ３）上に焦点位置を移動するといった、複数ビームのステアリングも可能である。このような構成は、例えば、第一レンズ部１２に入力される光に対し、第二レンズ部１４から出力される光を複数の光路に分割するようなレンズパターンを空間光変調素子に与えることによって実現することができる。また、例えば、異なる焦点距離に基づく位相パターンからなる重畳パターンを空間光変調素子に同時に呈示することで、複数の光軸（例えば図のＡ２及びＡ３）上の焦点位置での拡大倍率を異ならせることも可能である。

なお、図５（ｂ）に示された構成において、第二レンズ部１４と焦点面Ｆとの間に対物レンズを配置し、光Ｐ３，Ｐ４の集光位置と対物レンズの後側焦点とを一致させてもよい。これにより、対物レンズ通過後に２つの光Ｐ３，Ｐ４を互いに干渉させることができ、干渉効果による微細加工が可能となる。また、このような干渉効果は、対物レンズ通過後の光Ｐ３，Ｐ４の光軸の傾斜角や光Ｐ３，Ｐ４の開口数（ＮＡ）を変更することによって任意に制御される。また、開口数が互いに異なる複数の光を用いて多点加工を行うことも可能である。

また、制御部１６がレンズパターンに所定の回折格子パターンなどの位相パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することにより、図５（ｃ）に示されるように、第一レンズ部１２を複数（図では２つ）の領域に分割し、これらの領域の各々と第二レンズ部１４との間に、光軸Ａに対して傾斜した（或いは平行な）光軸を形成してもよい。図５（ｃ）に示された構成によれば、図５（ｂ）の構成と比較して、第一レンズ部１２における回折角を小さくすることができ、第一レンズ部１２の負担を低減することができる。ここで、第一レンズ部１２の負担について説明する。第一レンズ部１２が空間光変調器（ＳＬＭ）により構成される場合、このＳＬＭに表示すべきレンズパターンは、フレネルレンズパターンと呼ばれる位相パターンとなる。このパターンは、次の数式（７）によって導出される。

数式（７）において、ｒはレンズパターンの中心点からの距離であり、λは入射されるビームの波長であり、ｆはレンズの焦点距離である。また、この数式（７）は、位相差２π（ｒａｄ）まで表現可能であるＳＬＭにおいて、フレネルレンズパターンを表示するために位相を２π（ｒａｄ）で折り返す方法（位相おりたたみと呼ばれる）を用いた場合を表している。この数式（７）から明らかなように、レンズパターンの中心点から離れるに従って位相が急峻となる。そのため、レンズパターンの周辺部では、位相折り返しが頻繁に発生する。そして、位相折り返しの間隔がＳＬＭの画素ピッチの２倍よりも短くなると、もはやフレネルレンズパターンを表現できないこととなる。このような現象を回避するために、ＮＡが大きくなり過ぎるような場合には、図５（ｃ）に示された構成を用いてＮＡを制限しつつ、光を複数の領域に分割することによって光を有効に使用するとよい。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に示されたように、本実施形態のズームレンズ１０Ａによれば、焦点距離の変更の他、焦点面Ｆ上における焦点位置の変更や焦点の分割といった、従来の光学レンズには不可能であった制御が可能となる。

＜ホログラムパターンの重畳＞

第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、コンピュータを用いてＧＳ法などの反復フーリエ変換法などの演算方法によって設計された、種々のホログラムパターン（位相パターン）を重畳させることができる。これにより、複数の像を互いに異なる位置に同時に結像することが可能となる。

＜収差補正パターンの重畳＞

第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、光学系に含まれる歪みや可変焦点レンズによって発生する収差を補正するための位相パターンを重畳させることができる。

第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４とは別に配置されるレンズや、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４として使用される可変焦点レンズは、僅かな歪みを有することがある。位相変調を精度良く行う為には、このような歪みによる収差を補正することが望ましい。そこで、第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４に与えられるレンズパターンに収差を補正するためのパターンを重畳するとよい。これにより、高い精度で光学系を構成することが可能となる。また、本実施形態のズームレンズ１０Ａによれば、このように、収差を補正する際にも複雑なレンズ成形を必要とせずに、系全体を簡易に構成することができる。

以上に説明した本実施形態に係るズームレンズ１０Ａは、フーリエ変換ホログラム再生光学系に用いられてもよい。その場合、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の何れか一方を、ホログラム呈示素子として兼用することができる。従来のようにフーリエ変換レンズとして固定レンズを使用すると再生像の大きさが固定されてしまうが、本実施形態に係るズームレンズ１０Ａを用いることにより、再生像の大きさを変化させることができる。

また、本実施形態に係るズームレンズ１０Ａは、レンズレス光相関器に用いられてもよい。従来のレンズレス光相関器では、その焦点距離が、入力パターンを呈示する空間光変調素子とフィルタパターンを呈示する空間光変調素子との間の距離に依存するので、焦点距離を変えることができず、単一光相関器と並列光相関器とを切り替えることができなかった。本実施形態のズームレンズ１０Ａによれば、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４といった光学部品の配置を変更することなく、単一光相関器と並列光相関器との切り替えが可能となる。すなわち、制御部１６から第一レンズ部１２および第二レンズ部１４に提供されるレンズパターンをレンズアレイパターンとすることにより、光相関演算を並列に行う並列光相関器を簡易に実現することができる。

また、本実施形態に係るズームレンズ１０Ａは、顕微鏡に用いられてもよい。その場合、観察倍率を容易に且つ短時間で変更することが可能となる。例えば、スキャニングレーザ顕微鏡では、対物レンズなどにより集光したレーザ光を対象物上にてラスタスキャンし、照射されたレーザ光によって対象物から生じる発光（例えば蛍光光、反射光、若しくは散乱光など）を用いてイメージングを行うが、本実施形態に係るズームレンズ１０Ａを用いることによって、集光後のレーザ光の径を容易に且つ短時間で変更することができる。したがって、スキャン回数を容易に制御することができ、対象物の全体を比較的粗く短時間で測定する方式と、対象物の一部のみを時間をかけて詳細に測定する方式とを必要に応じて切り替えることができる。また、本実施形態のズームレンズ１０Ａによれば、焦点位置を容易に移動することができるので（例えば図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照）、観察位置を容易に変更することができ、従来のような倍率の異なる対物レンズを切り替える構成と比較して、取り扱いが格段に容易となる。また、ズームレンズ１０Ａを顕微鏡の結像光学系に用いることにより、光軸方向における結像位置を変化させることなく、視野及び分解能を任意に変更することができる。

また、本実施形態に係るズームレンズ１０Ａは、レーザ加工に用いられてもよい。その場合、集光スポットの縦方向や横方向の径を容易に且つ短時間で変更することができるので、加工痕の形状を容易に変えることができる。また、小さな集光点による微細な加工が可能となり、或いは、集光点を大きくすることによって加工の高速化を図ることができる。

（第２の実施の形態）

図６は、本発明の第２実施形態に係るズームレンズ１０Ｂの構成を示す図である。本実施形態のズームレンズ１０Ｂは、第一レンズ部２２と、第二レンズ部２４と、制御部２６とを備えている。第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４は、反射型の空間光変調素子によって構成されており、光反射面２２ａ及び２４ａをそれぞれ有している。また、図６に示されるように、ズームレンズ１０Ｂは、レーザ光源２８と、スペイシャルフィルタ３２と、コリメートレンズ３４と、反射素子である反射鏡３６ａ〜３６ｅとを更に備えても良い。

本実施形態では、以下に述べる構造によって、第二レンズ部２４が第一レンズ部２２と焦点面Ｆとの間に光学的に結合されている。すなわち、第二レンズ部２４の光反射面２４ａは、複数の反射素子である反射鏡３６ｄ及び３６ｃを介して第一レンズ部２２の光反射面２２ａと光学的に結合されており、同時に、反射鏡３６ｅを介して焦点面Ｆと光学的に結合されている。また、第一レンズ部２２の光反射面２２ａには、反射鏡３６ｂ及び３６ａを介してコリメート光Ｐ１が入射する。コリメート光Ｐ１は、例えば、レーザ光源２８から出射されたレーザ光が、スペイシャルフィルタ３２の集光レンズ３２ａ及びピンホール３２ｂを通過することにより波面ノイズや歪みを除去されたのち、コリメートレンズ３４を通過して平行化されることによって好適に生成される。

本実施形態のズームレンズ１０Ｂにおいても、第一レンズ部２２と第二レンズ部２４との光学距離（すなわち第一レンズ部２２から反射鏡３６ｃ，３６ｄを経て第二レンズ部２４に至るまでの距離）、および第二レンズ部２４と焦点面Ｆとの光学距離（すなわち第二レンズ部２４から反射鏡３６ｅを経て焦点面Ｆに至るまでの距離）は共に不変であり、第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の位置は、焦点面Ｆに対して相対的に固定されている。

制御部２６は、第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の焦点距離を制御する。制御部２６は、空間光変調素子の各画素を駆動するための電気信号（レンズパターン）を第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４へ提供することにより、これらの空間光変調素子においてそれぞれ焦点距離ｆ₁、ｆ₂のレンズを表示させるとともに、所定の焦点面Ｆ上に焦点が結ばれるようにする。ズームレンズ１０Ｂでは、このように制御部２６が第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の焦点距離を変更することによって、拡大倍率が変化する。なお、制御部２６は、第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４が収容される筐体内に配置されても良く、或いは筐体の外部に配置されてもよい。

本実施形態のように、第一レンズ部及び第二レンズ部は、反射型の空間光変調素子によって構成されてもよい。このような場合でも、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（変形例）

図７は、第２実施形態の一変形例として、ズームレンズ１０Ｃの構成を示す図である。本変形例に係るズームレンズ１０Ｃと第２実施形態との相違点は、第一レンズ部及び第二レンズ部の構成である。すなわち、本変形例では、ズームレンズ１０Ｃが一つの反射型空間光変調素子３０を備え、第一レンズ部及び第二レンズ部が、単一の反射型空間光変調素子３０により構成されており、その光反射面３０ａのうち一部の領域（第一の領域）が第一レンズ部３０ｂとして使用され、他の一部の領域（第二の領域）が第二レンズ部３０ｃとして使用されている。本変形例では、第二レンズ部３０ｃが、反射鏡３６ｄ及び３６ｃを介して第一レンズ部３０ｂと光学的に結合されており、同時に、反射鏡３６ｅを介して焦点面Ｆと光学的に結合されている。また、第一レンズ部３０ｂには、反射鏡３６ｂ及び３６ａを介してコリメート光Ｐ１が入射する。

本変形例のズームレンズ１０Ｃにおいても、第一レンズ部３０ｂと第二レンズ部３０ｃとの光学距離、および第二レンズ部３０ｃと焦点面Ｆとの光学距離は共に不変であり、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの位置は、焦点面Ｆに対して相対的に固定されている。

制御部２６は、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの焦点距離を制御する。制御部２６は、空間光変調素子３０の各画素を駆動するための電気信号（レンズパターン）を空間光変調素子３０へ提供することにより、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃにおいてそれぞれ焦点距離ｆ₁、ｆ₂のレンズを表示させるとともに、所定の焦点面Ｆ上に焦点が結ばれるようにする。ズームレンズ１０Ｃでは、このように制御部２６が第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの焦点距離を変更することによって、拡大倍率が変化する。

本変形例のように、第一レンズ部及び第二レンズ部は、互いに共通の単一の空間光変調素子によって構成されてもよい。このような場合でも、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明によるズームレンズは、上述した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、図１にはズームレンズ１０Ａの構成として第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４のみ示されているが、ズームレンズは、第一レンズ部及び第二レンズ部の他に、固定レンズ等の光学部品を備えてもよい。例えば、第一レンズ部及び第二レンズ部として空間光変調素子を用いた場合、その焦点距離には下限が存在する。このため、ズームレンズの焦点距離の可変範囲にも制限が生じる。そのような場合、光軸上に固定レンズを適宜挿入することによって、その制限を超えて焦点距離を変化させることが可能となる。

また、上述した実施形態及び変形例では、第一レンズ部に入射する光が平行光である場合が例示されているが、第一レンズ部に入射する光は平行光に限らず、様々な光を適用することができる。

また、第２の実施の形態や変形例において、第一レンズ部および第二レンズ部に光を入出射する光学系としては、図６や図７に示された構成以外にも様々な形態が可能である。例えば、スペイシャルフィルタ３２及びコリメートレンズ３４に代えてエキスパンダを設けてもよく、反射鏡３６ａ〜３６ｅは、例えば三角プリズムといった他の光反射光学部品に置き換えられてもよい。また、図８に示されるように、反射鏡を用いない構成も可能である。また、図８の構成では、第一レンズ部２２を構成する反射型空間光変調素子と、第二レンズ部２４を構成する反射型空間光変調素子とが、それらの光反射面２２ａ、２４ａが互いに平行になるように配置されていることが好ましい。この場合、入射光と出射光とを略平行とすることができ、装置を比較的小型とすることができる。

上記実施形態によるズームレンズでは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と当該ズームレンズの焦点面との間に光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、空間光変調素子にレンズパターンを与え、または可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離、および第二レンズ部と焦点面との距離が共に不変であり、制御部が、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を変更することによって当該ズームレンズの拡大倍率を変化させる構成としている。

また、ズームレンズは、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されていることとしてもよい。これにより、焦点距離の変更の他、焦点面上における焦点位置の変更や焦点の分割といった、従来の光学レンズには不可能であった制御が可能となる。このような制御は、例えば、制御部が、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに回折格子またはホログラムパターンを重畳することによって好適に実現される。

また、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部は、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに、当該ズームレンズにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳してもよい。このように、上記ズームレンズによれば、収差を補正する際にも、複雑なレンズ成形を必要とせずに系全体を簡易に構成することができる。

また、上記実施形態によるズームレンズでは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と当該ズームレンズの焦点面との間に光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離、および第二レンズ部と焦点面との距離が共に不変であり、制御部が、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を変更することによって当該ズームレンズの拡大倍率を変化させる構成としている。

ここで、制御部は、具体的には例えば、レンズ部（第一レンズ部または第二レンズ部）が空間光変調素子により構成されている場合には、その空間光変調素子にレンズパターンを与えることにより、レンズ部の焦点距離を制御する。また、制御部は、レンズ部が可変焦点レンズにより構成されている場合には、その可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、レンズ部の焦点距離を制御する。

また、上記構成において、ズームレンズは、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されており、制御部は、空間光変調素子にレンズパターンを与える構成としても良い。

また、ズームレンズは、第一レンズ部および第二レンズ部が、それぞれ反射型空間光変調素子により構成されていることとしても良い。また、この場合、第一レンズ部を構成する反射型空間光変調素子と、第二レンズ部を構成する反射型空間光変調素子とが、それらの光反射面が互いに平行になるように配置されている構成としても良い。

また、ズームレンズは、第一レンズ部および第二レンズ部が、単一の反射型空間光変調素子により構成され、その光反射面のうち一部の領域が第一レンズ部として使用され、他の一部の領域が第二レンズ部として使用されていることとしても良い。

また、ズームレンズは、複数の反射素子を備え、第二レンズ部が、複数の反射素子を介して第一レンズ部と光学的に結合されている構成としても良い。

また、ズームレンズは、空間光変調素子が、透過型空間光変調素子である構成としても良い。

また、ズームレンズは、制御部が、第一レンズ部に入力される光の中心軸線を含む直線と、第二レンズ部から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるようなレンズパターンを空間光変調素子に与える構成としても良い。

また、ズームレンズは、制御部が、第一レンズ部に入力される光に対し、第二レンズ部から出力される光を複数の光路に分割するようなレンズパターンを空間光変調素子に与える構成としても良い。

また、ズームレンズは、制御部が、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに、当該ズームレンズにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳する構成としても良い。

また、ズームレンズは、制御部が、第一レンズ部及び第二レンズ部による合成焦点距離、第一レンズ部と第二レンズ部との距離、および第二レンズ部と焦点面との距離に基づいて、第一レンズ部の焦点距離及び第二レンズ部の焦点距離を算出し、それらの算出された焦点距離となるように、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を変更する構成としても良い。

本発明は、簡易に構成可能であり、拡大倍率を変更する際の所要時間を短縮することが可能なズームレンズとして利用可能である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…ズームレンズ、１２，２２…第一レンズ部、１４，２４…第二レンズ部、１６，２６…制御部、２８…レーザ光源、３０…反射型空間光変調素子、３０ａ…光反射面、３０ｂ…第一レンズ部、３０ｃ…第二レンズ部、３２…スペイシャルフィルタ、３４…コリメートレンズ、３６ａ〜３６ｅ…反射鏡、Ａ，Ａ１〜Ａ３…光軸、Ｆ…焦点面、ｆ₁，ｆ₂…焦点距離、ｆ_c…合成焦点距離。

Claims

空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、
前記第一レンズ部と当該ズームレンズの焦点面との間に光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、
前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部と
を備え、
前記第一レンズ部と前記第二レンズ部との距離、および前記第二レンズ部と前記焦点面との距離が共に不変であり、
前記制御部が、前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部の焦点距離を変更することによって当該ズームレンズの拡大倍率を変化させることを特徴とする、ズームレンズ。
前記第一レンズ部および前記第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されており、前記制御部は、前記空間光変調素子にレンズパターンを与えることを特徴とする、請求項１に記載のズームレンズ。
前記第一レンズ部および前記第二レンズ部は、それぞれ反射型空間光変調素子により構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のズームレンズ。
前記第一レンズ部を構成する前記反射型空間光変調素子と、前記第二レンズ部を構成する前記反射型空間光変調素子とは、それらの光反射面が互いに平行になるように配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のズームレンズ。
前記第一レンズ部および前記第二レンズ部は、単一の反射型空間光変調素子により構成され、その光反射面のうち一部の領域が前記第一レンズ部として使用され、他の一部の領域が前記第二レンズ部として使用されていることを特徴とする、請求項２に記載のズームレンズ。
複数の反射素子を備え、前記第二レンズ部は、前記複数の反射素子を介して前記第一レンズ部と光学的に結合されていることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載のズームレンズ。
前記空間光変調素子は、透過型空間光変調素子であることを特徴とする、請求項２に記載のズームレンズ。
前記制御部は、前記第一レンズ部に入力される光の中心軸線を含む直線と、前記第二レンズ部から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるような前記レンズパターンを前記空間光変調素子に与えることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一項に記載のズームレンズ。
前記制御部は、前記第一レンズ部に入力される光に対し、前記第二レンズ部から出力される光を複数の光路に分割するような前記レンズパターンを前記空間光変調素子に与えることを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一項に記載のズームレンズ。
前記制御部は、前記空間光変調素子へ与える前記レンズパターンに、当該ズームレンズにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳することを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一項に記載のズームレンズ。
前記制御部は、前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部による合成焦点距離、前記第一レンズ部と前記第二レンズ部との距離、および前記第二レンズ部と前記焦点面との距離に基づいて、前記第一レンズ部の焦点距離及び前記第二レンズ部の焦点距離を算出し、それらの算出された焦点距離となるように、前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部の焦点距離を変更することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のズームレンズ。