WO2013157607A1 - ズームレンズ - Google Patents

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WO2013157607A1
WO2013157607A1 PCT/JP2013/061517 JP2013061517W WO2013157607A1 WO 2013157607 A1 WO2013157607 A1 WO 2013157607A1 JP 2013061517 W JP2013061517 W JP 2013061517W WO 2013157607 A1 WO2013157607 A1 WO 2013157607A1
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WO
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lens
lens unit
unit
spatial light
zoom
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直也 松本
卓 井上
優 瀧口
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0896—Catadioptric systems with variable magnification or multiple imaging planes, including multispectral systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G—PHYSICS
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements

Definitions

  • the present invention relates to a zoom lens.
  • a zoom lens is a lens that can continuously change the focal length while keeping the focal position of the entire lens system constant.
  • it is necessary to relatively move at least two lens groups on the optical axis. That is, if only one group is moved in an optical system composed of two groups of lenses, the combined focal length can be changed, but the focal position also changes. On the other hand, by moving both of the two groups, the combined focal length can be changed without changing the focal position (see Non-Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a zoom lens that can be easily configured and can reduce the time required for changing the magnification. To do.
  • a zoom lens includes a first lens unit configured by one of a spatial light modulation element and a variable focus lens, a first lens unit, and a focal plane of the zoom lens. And a control unit that controls a focal length of the first lens unit and the second lens unit, and a second lens unit that is configured by any one of a spatial light modulation element and a variable focus lens.
  • the distance between the first lens unit and the second lens unit, and the distance between the second lens unit and the focal plane are both invariant, and the control unit has focal lengths of the first lens unit and the second lens unit.
  • the control unit controls the focal lengths of the first lens unit and the second lens unit, for example, by giving a lens pattern to the spatial light modulator or controlling the focal length of the variable focus lens.
  • a first lens unit and a second lens unit configured by either one of a spatial light modulation element or a variable focus lens are arranged.
  • the spatial light modulator and the variable focus lens are optical components that can change the focal length without changing the position in the optical axis direction. For this reason, in the state where the distance between the first lens unit and the second lens unit and the distance between the second lens unit and the focal plane are fixed, the focal length of the entire zoom lens system is arbitrarily changed to increase the magnification. Can be changed.
  • these optical components can change a focal distance in a very short time according to the electric signal from a control part. Therefore, according to the zoom lens, the time required for changing the enlargement magnification can be shortened. Further, since a complicated mechanism for moving the lens group is not required, the entire zoom lens system can be easily configured.
  • the zoom lens according to the present invention can be configured easily, and the time required for changing the magnification can be shortened.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a zoom lens according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship of focal lengths in the zoom lens according to the first embodiment.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing an imaging state corresponding to case 1 shown in Table 2 and FIG. 3B schematically showing an imaging state corresponding to case 2 shown in Table 2.
  • FIG. And (c) is a diagram schematically showing the state of image formation corresponding to case 3 shown in Table 2.
  • 4A is a diagram schematically illustrating an imaging state corresponding to Case 4 shown in Table 2
  • FIG. 4B is a schematic diagram illustrating an imaging state corresponding to Case 5 shown in Table 2.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the operation of the zoom lens according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a zoom lens according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a zoom lens as a modification of the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a zoom lens as another modification of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a zoom lens 10A according to the first embodiment of the present invention.
  • the zoom lens 10 ⁇ / b> A according to the present embodiment includes a first lens unit 12, a second lens unit 14, and a control unit 16.
  • the first lens unit 12 and the second lens unit 14 are arranged side by side in a direction along a predetermined optical axis A that intersects the focal plane F of the zoom lens 10A. Optically coupled between the portion 12 and the focal plane F.
  • the first lens unit 12 includes a spatial light modulator (SLM) or a variable focus lens (VFL). Lens).
  • the second lens unit 14 is configured by either a spatial light modulator or a variable focus lens. That is, the following four patterns exist as combinations of the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • the spatial light modulation element that can be used as the first lens unit 12 or the second lens unit 14 include a phase modulation type spatial light modulation element, such as a refractive index changing material type SLM (for example, LCOS using a liquid crystal). (Liquid Crystal on Silicon) type and LCD (Liquid Crystal Display), Segment Mirror type SLM, Continuous Deformable Mirror type SLM, and the like.
  • a refractive index changing material type SLM for example, LCOS using a liquid crystal.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • Segment Mirror type SLM Continuous Deformable Mirror type SLM, and the like.
  • the refractive index changing material type SLM, the segment mirror type SLM, and the continuously variable shape mirror type SLM are provided with various lens patterns by applying voltage, current, or writing light, so that the lens has an arbitrary focal length. Function.
  • variable focus lens as the first lens unit 12 or the second lens unit 14 can change the refractive index of the optical path arbitrarily, such as a liquid crystal or an electro-optic crystal, or can change the shape. Are preferably used. In these variable focus lenses, the focal length is arbitrarily controlled by applying voltage or current.
  • the zoom lens 10A of this embodiment the distance between the distance L 1, and the second lens unit 14 and the focal plane F of the first lens unit 12 and the second lens portion 14 L 2 Both are unchanged, and the positions of the first lens portion 12 and the second lens portion 14 are fixed relative to the focal plane F.
  • the control unit 16 controls the focal lengths of the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • the control unit 16 outputs an electrical signal (lens pattern) for driving each pixel of the spatial light modulation element to the first lens unit 12.
  • the control unit 16 Provided to (second lens unit 14).
  • the control unit 16 outputs an electric signal for controlling the focal length of the variable focus lens to the first lens unit 12 (second lens unit 12).
  • the control unit 16 changes the focal lengths of the first lens unit 12 and the second lens unit 14 in this way, so that the magnification ratio changes.
  • the control part 16 may be arrange
  • the control unit 16 uses lenses having focal lengths f 1 and f 2 in these spatial light modulation elements, respectively. While displaying, the focus is set on a predetermined focal plane F. Now, it is assumed that collimated light is incident from the front surface of the first lens unit 12 (the surface opposite to the surface facing the second lens unit 14). At this time, for example, when the focal length f 1 of the first lens portion 12 is infinite and f 2 of the second lens portion 14 is equal to the distance L 2 , the combined focal length by the first lens portion 12 and the second lens portion 14 is set. f c is equal to L 2 .
  • the first lens unit 12 does not function as a lens and transmits the collimated light as it is.
  • the focal length f 1 of the first lens unit 12 is the distance (L 1 + L 2 ) from the first lens unit 12 to the focal plane F, and f 2 of the second lens unit 14 is infinite
  • the first The combined focal length f c by the lens unit 12 and the second lens unit 14 is (L 1 + L 2 ).
  • the control unit 16 sets the focal lengths f 1 and f 2 of the first lens unit 12 and the second lens unit 14 to various lengths, so that the first The combined focal length by the lens unit 12 and the second lens unit 14 can be arbitrarily controlled.
  • the focal length of the first lens unit 12 is f 1 and the focal length of the second lens unit 14 is f 2 .
  • a condition to be satisfied by the focal lengths f 1 and f 2 is obtained.
  • Combined focal length f c of the optical system is expressed by Equation (1).
  • the distance L 2 , the focal distance f 2 , and ⁇ related to the position of the focal plane F have the following relationship.
  • the control unit 16 includes a focal length calculation function, the combined focal length f c by the first and second lens units 12 and 14, the distance L 1 between the first lens unit 12 and the second lens unit 14, and the second Based on the distance L 2 between the lens unit 14 and the focal plane F, the focal lengths f 1 and f 2 of the first and second lens units 12 and 14 are calculated.
  • control unit 16 performs control to change the focal lengths of the first and second lens units 12 and 14 so that the calculated focal lengths f 1 and f 2 are obtained.
  • the control unit 16, the focal length calculating may calculate the composite focal length f c from the desired magnification.
  • the first lens portion 12 and the second lens portion 14 are determined as a concave lens or a convex lens depending on the lengths of the focal lengths f 1 and f 2 .
  • the focal lengths f 1 and f 2 are positive, the lens is a convex lens, and when negative, the lens is a concave lens.
  • Table 2 is a table showing the values of the focal length f 1 and f 2, the relationship between the value of the corresponding composite focal length f c. 3 (a), 3 (b), 3 (c), 4 (a), and 4 (b) correspond to the five cases 1 to 5 shown in Table 2. It is a figure which shows the mode of an image typically.
  • Case 1 As shown in Table 2, in Case 1, the focal length f 1 is positive, the focal length f 2 is negative, and the combined focal length f c is larger than (L 1 + L 2 ). In such a case, as shown in FIG. 3A, the numerical aperture (NA) of the second lens portion 14 is the smallest, so the enlargement magnification is “ultra low magnification”.
  • Case 3 As shown in Table 2, in Case 3, is positive in both the focal length f 1 and f 2, the combined focal length f c is greater than L 2 (L 1 + L 2 ) less. In such a case, as shown in FIG. 3C, the numerical aperture of the second lens portion 14 has a certain size, so that the magnification is “medium”.
  • Case 5 As shown in Table 2, in Case 5, the focal length f 1 is negative, the focal length f 2 is positive, and the combined focal length f c is greater than 0 and smaller than L 2 . In such a case, as shown in FIG. 4B, the numerical aperture of the second lens portion 14 is the largest, so the enlargement magnification is “ultra-high magnification”.
  • the first lens unit 12 including either one of a spatial light modulation element or a variable focus lens
  • a second lens unit 14 is disposed.
  • the spatial light modulator and the variable focus lens are optical components that can change the focal lengths f 1 and f 2 without changing the position in the direction of the optical axis A. Therefore, in a state where the distance L 2 is fixed and the distance L 1, and the second lens unit 14 and the focal plane F of the first lens unit 12 and the second lens unit 14, a composite focal length of the entire zoom lens system f c it is possible to vary the magnification arbitrarily changed.
  • these optical components can change the focal lengths f 1 and f 2 in an extremely short time in accordance with the electrical signal from the control unit 16. Therefore, according to the zoom lens 10A of the present embodiment, the time required for changing the enlargement magnification can be significantly shortened as compared with the conventional zoom lens. Further, since a complicated mechanism for moving the lens group is not required, the entire zoom lens system can be easily configured.
  • zoom lens 10A of the present embodiment can also operate as described below.
  • the control unit 16 is connected to both or one of the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • a superposition pattern in which phase patterns such as various diffraction grating patterns are superposed on the lens pattern to be provided can be presented to the spatial light modulator. Accordingly, for example, as shown in FIG. 5A, so-called beam steering is possible in which the focal position is moved on an arbitrary optical axis A1 different from the optical axis A.
  • Such a configuration is, for example, a lens pattern in which a straight line including the central axis of light input to the first lens unit 12 and a straight line including the central axis of light output from the second lens unit 14 are separated from each other.
  • a lens pattern in which a straight line including the central axis of light input to the first lens unit 12 and a straight line including the central axis of light output from the second lens unit 14 are separated from each other.
  • the spatial light modulator the light P2 that travels between the second lens unit 14 and the focal plane F while tilting the optical axis of the light P2 that travels between the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • the optical axis A1 of the first lens portion 12 and the second lens portion 14 can be made parallel to the optical axis A1.
  • control unit 16 presents a superposition pattern in which a phase pattern such as a predetermined diffraction grating pattern is superposed on the lens pattern to the spatial light modulation element, as shown in FIG.
  • a plurality (two in the figure) of optical axes inclined in different directions are formed between the first lens unit 12 and the second lens unit 14, and a plurality of optical axes different from the optical axis A (for example, Multiple beam steering is also possible, such as moving the focal position on A2 and A3) in the figure.
  • Such a configuration provides the spatial light modulator with a lens pattern that divides the light output from the second lens unit 14 into a plurality of optical paths, for example, with respect to the light input to the first lens unit 12. Can be realized.
  • a superposition pattern composed of phase patterns based on different focal lengths is simultaneously presented to the spatial light modulation element, so that magnifications at focal positions on a plurality of optical axes (for example, A2 and A3 in the figure) are made different. It is also possible.
  • an objective lens is disposed between the second lens portion 14 and the focal plane F, and the condensing position of the light P3 and P4 and the rear focal point of the objective lens are set. You may match. Thereby, the two lights P3 and P4 can be made to interfere with each other after passing through the objective lens, and fine processing by the interference effect becomes possible. Further, such an interference effect is arbitrarily controlled by changing the tilt angle of the optical axis of the light P3 and P4 after passing through the objective lens and the numerical aperture (NA) of the light P3 and P4. It is also possible to perform multipoint processing using a plurality of lights having different numerical apertures.
  • the control unit 16 presents a superposed pattern in which a phase pattern such as a predetermined diffraction grating pattern is superposed on the lens pattern, as shown in FIG. 12 is divided into a plurality of regions (two in the figure), and an optical axis inclined (or parallel) to the optical axis A is formed between each of these regions and the second lens portion 14. Also good.
  • the diffraction angle in the first lens unit 12 can be reduced and the burden on the first lens unit 12 is reduced as compared with the configuration in FIG. can do.
  • the burden on the first lens unit 12 will be described.
  • the first lens unit 12 is configured by a spatial light modulator (SLM)
  • SLM spatial light modulator
  • a lens pattern to be displayed on the SLM is a phase pattern called a Fresnel lens pattern. This pattern is derived by the following formula (7).
  • Equation (7) r is the distance from the center point of the lens pattern, ⁇ is the wavelength of the incident beam, and f is the focal length of the lens.
  • the equation (7) is obtained by using a method of turning back the phase by 2 ⁇ (rad) (called phase distortion) in order to display a Fresnel lens pattern.
  • phase distortion a method of turning back the phase by 2 ⁇ (rad) (called phase distortion) in order to display a Fresnel lens pattern.
  • the phase becomes steeper as the distance from the center point of the lens pattern increases. Therefore, phase wrapping frequently occurs in the periphery of the lens pattern.
  • the Fresnel lens pattern can no longer be expressed.
  • the NA becomes too large, the NA is limited by using the configuration shown in FIG. 5C, and the light is divided into a plurality of regions. It is recommended to use light effectively.
  • the zoom lens 10A of the present embodiment in addition to changing the focal length, changing the focal position on the focal plane F and dividing the focal point. This makes it possible to perform control that was impossible with conventional optical lenses.
  • the control unit 16 is connected to both or one of the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • various hologram patterns designed by an arithmetic method such as an iterative Fourier transform method such as the GS method can be superimposed on the lens pattern provided. This makes it possible to simultaneously form a plurality of images at different positions.
  • the control unit 16 is connected to either or both of the first lens unit 12 and the second lens unit 14.
  • a phase pattern for correcting distortion included in the optical system and aberration generated by the variable focus lens can be superimposed on the lens pattern provided.
  • a lens arranged separately from the first lens unit 12 and the second lens unit 14 and a variable focus lens used as the first lens unit 12 and the second lens unit 14 may have slight distortion.
  • the entire system can be simply configured without requiring complicated lens shaping even when correcting aberrations.
  • the zoom lens 10A according to this embodiment described above may be used in a Fourier transform hologram reproducing optical system.
  • one of the first lens portion 12 and the second lens portion 14 can be used as a hologram presenting element.
  • a fixed lens is used as a Fourier transform lens as in the past, the size of the reproduced image is fixed, but the size of the reproduced image can be changed by using the zoom lens 10A according to the present embodiment.
  • the zoom lens 10A according to the present embodiment may be used in a lensless optical correlator.
  • the focal length depends on the distance between the spatial light modulation element presenting the input pattern and the spatial light modulation element presenting the filter pattern, so that the focal length can be changed. Therefore, it was not possible to switch between the single optical correlator and the parallel optical correlator.
  • the zoom lens 10A of the present embodiment it is possible to switch between a single optical correlator and a parallel optical correlator without changing the arrangement of optical components such as the first lens unit 12 and the second lens unit 14. . That is, by using the lens pattern provided from the control unit 16 to the first lens unit 12 and the second lens unit 14 as a lens array pattern, a parallel optical correlator that performs optical correlation calculations in parallel can be easily realized. it can.
  • the zoom lens 10A according to the present embodiment may be used in a microscope.
  • the observation magnification can be easily changed in a short time.
  • laser light condensed by an objective lens or the like is raster-scanned on an object, and light emitted from the object by the irradiated laser light (for example, fluorescent light, reflected light, or scattered light)
  • the zoom lens 10A according to the present embodiment the diameter of the focused laser beam can be easily changed in a short time. Therefore, the number of scans can be easily controlled, and a method for measuring the entire object in a relatively coarse and short time and a method for measuring only a part of the object in detail over time are required. Can be switched.
  • the focal position can be easily moved (see, for example, FIGS. 5A to 5C), so that the observation position can be easily changed.
  • the handling becomes much easier.
  • the zoom lens 10A in the imaging optical system of the microscope the field of view and the resolution can be arbitrarily changed without changing the imaging position in the optical axis direction.
  • the zoom lens 10A according to the present embodiment may be used for laser processing.
  • the diameter of the condensed spot in the vertical direction and the horizontal direction can be easily changed in a short time, the shape of the processing mark can be easily changed. Further, it is possible to perform fine processing with a small condensing point, or to increase the processing speed by increasing the condensing point.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a zoom lens 10B according to the second embodiment of the present invention.
  • the zoom lens 10 ⁇ / b> B of this embodiment includes a first lens unit 22, a second lens unit 24, and a control unit 26.
  • the 1st lens part 22 and the 2nd lens part 24 are comprised by the reflection type spatial light modulation element, and have the light reflection surfaces 22a and 24a, respectively.
  • the zoom lens 10B may further include a laser light source 28, a spatial filter 32, a collimating lens 34, and reflecting mirrors 36a to 36e as reflecting elements.
  • the second lens portion 24 is optically coupled between the first lens portion 22 and the focal plane F by the structure described below. That is, the light reflecting surface 24a of the second lens unit 24 is optically coupled to the light reflecting surface 22a of the first lens unit 22 through the reflecting mirrors 36d and 36c, which are a plurality of reflecting elements, and at the same time, is reflected It is optically coupled to the focal plane F via a mirror 36e.
  • the collimated light P1 is incident on the light reflecting surface 22a of the first lens unit 22 through the reflecting mirrors 36b and 36a.
  • the collimated light P1 is obtained by removing the wavefront noise and distortion of the laser light emitted from the laser light source 28 through the condenser lens 32a and the pinhole 32b of the spatial filter 32. It is preferably generated by passing through and parallelizing.
  • the optical distance between the first lens unit 22 and the second lens unit 24 (that is, the distance from the first lens unit 22 to the second lens unit 24 through the reflecting mirrors 36c and 36d). ), And the optical distance between the second lens portion 24 and the focal plane F (that is, the distance from the second lens portion 24 to the focal plane F via the reflecting mirror 36e) is unchanged.
  • the position of the second lens unit 24 is fixed relative to the focal plane F.
  • the control unit 26 controls the focal lengths of the first lens unit 22 and the second lens unit 24.
  • the control unit 26 provides an electric signal (lens pattern) for driving each pixel of the spatial light modulation element to the first lens unit 22 and the second lens unit 24, thereby focusing on each of the spatial light modulation elements.
  • the lenses of the distances f 1 and f 2 are displayed and the focal point is focused on a predetermined focal plane F.
  • the control unit 26 changes the focal lengths of the first lens unit 22 and the second lens unit 24 in this way, so that the enlargement magnification is changed.
  • the control part 26 may be arrange
  • the first lens unit and the second lens unit may be configured by a reflective spatial light modulation element. Even in such a case, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a zoom lens 10C as a modification of the second embodiment.
  • the difference between the zoom lens 10C according to this modification and the second embodiment is the configuration of the first lens unit and the second lens unit. That is, in this modification, the zoom lens 10C includes one reflective spatial light modulation element 30, and the first lens part and the second lens part are configured by a single reflective spatial light modulation element 30. A part of the light reflecting surface 30a (first area) is used as the first lens part 30b, and another part of the light reflecting surface 30a (second area) is used as the second lens part 30c. .
  • the second lens unit 30c is optically coupled to the first lens unit 30b via the reflecting mirrors 36d and 36c, and at the same time optically coupled to the focal plane F via the reflecting mirror 36e.
  • collimated light P1 is incident on the first lens portion 30b via the reflecting mirrors 36b and 36a.
  • the optical distance between the first lens portion 30b and the second lens portion 30c and the optical distance between the second lens portion 30c and the focal plane F are both invariable, and the first lens portion The positions of 30b and the second lens portion 30c are fixed relative to the focal plane F.
  • the control unit 26 controls the focal lengths of the first lens unit 30b and the second lens unit 30c.
  • the control unit 26 provides an electrical signal (lens pattern) for driving each pixel of the spatial light modulation element 30 to the spatial light modulation element 30, thereby focusing on the first lens unit 30 b and the second lens unit 30 c.
  • the lenses of the distances f 1 and f 2 are displayed and the focal point is focused on a predetermined focal plane F.
  • the control unit 26 changes the focal lengths of the first lens unit 30 b and the second lens unit 30 c as described above, so that the enlargement magnification is changed.
  • the first lens unit and the second lens unit may be configured by a single spatial light modulation element that is common to each other. Even in such a case, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
  • FIG. 1 shows only the first lens unit 12 and the second lens unit 14 as a configuration of the zoom lens 10A, but the zoom lens includes a fixed lens and the like in addition to the first lens unit and the second lens unit.
  • the optical component may be provided.
  • a spatial light modulator is used as the first lens unit and the second lens unit, there is a lower limit on the focal length.
  • the variable range of the focal length of the zoom lens is also limited. In such a case, it is possible to change the focal length beyond the limit by appropriately inserting a fixed lens on the optical axis.
  • the light which injects into a 1st lens part is parallel light is illustrated in embodiment and the modification which were mentioned above, the light which injects into a 1st lens part is not restricted to parallel light, but various light. Can be applied.
  • the optical system for entering and exiting the first lens part and the second lens part there are various forms other than the configuration shown in FIGS. 6 and 7 as the optical system for entering and exiting the first lens part and the second lens part.
  • an expander may be provided instead of the spatial filter 32 and the collimating lens 34, and the reflecting mirrors 36a to 36e may be replaced with other light reflecting optical components such as a triangular prism.
  • FIG. 8 a configuration without using a reflecting mirror is also possible.
  • the reflective spatial light modulation element that constitutes the first lens unit 22 and the reflective spatial light modulation element that constitutes the second lens unit 24 include light reflection surfaces 22 a and 24 a. It is preferable that they are arranged parallel to each other. In this case, incident light and outgoing light can be made substantially parallel, and the apparatus can be made relatively small.
  • the first lens unit configured by either one of the spatial light modulation element or the variable focus lens, and the optical coupling between the first lens unit and the focal plane of the zoom lens are provided.
  • the second lens unit configured by either one of the spatial light modulation element or the variable focus lens, and a lens pattern is given to the spatial light modulation element, or the focal length of the variable focus lens is controlled, thereby
  • a control unit that controls the focal length of the lens unit and the second lens unit, the distance between the first lens unit and the second lens unit, and the distance between the second lens unit and the focal plane are both invariant, and control The unit is configured to change the magnification of the zoom lens by changing the focal length of the first lens unit and the second lens unit.
  • At least one of the first lens portion and the second lens portion may be constituted by a spatial light modulation element.
  • a spatial light modulation element As a result, in addition to changing the focal length, it is possible to perform control that was impossible with conventional optical lenses, such as changing the focal position on the focal plane and dividing the focal point.
  • control is suitably realized by, for example, superimposing a diffraction grating or a hologram pattern on a lens pattern given to the spatial light modulator by the control unit.
  • the control unit corrects the aberration generated in the zoom lens in the lens pattern to be given to the spatial light modulation element.
  • a pattern may be superimposed.
  • the first lens unit configured by either one of the spatial light modulation element or the variable focus lens, and the optical lens between the first lens unit and the focal plane of the zoom lens are arranged.
  • the zoom lens is configured to change the magnification of the zoom lens.
  • the control unit gives a lens pattern to the spatial light modulation element.
  • the focal length of the lens unit is controlled.
  • the control unit controls the focal length of the lens unit by controlling the focal length of the variable focus lens.
  • the zoom lens may be configured such that at least one of the first lens unit and the second lens unit is configured by a spatial light modulation element, and the control unit is configured to provide a lens pattern to the spatial light modulation element. good.
  • the first lens portion and the second lens portion may each be configured by a reflective spatial light modulation element.
  • the reflective spatial light modulation element constituting the first lens part and the reflective spatial light modulation element constituting the second lens part are arranged so that their light reflection surfaces are parallel to each other. It is good also as composition which has.
  • the first lens portion and the second lens portion are configured by a single reflective spatial light modulator, and a part of the light reflecting surface is used as the first lens portion. A part of the region may be used as the second lens portion.
  • the zoom lens may include a plurality of reflecting elements, and the second lens unit may be optically coupled to the first lens unit via the plurality of reflecting elements.
  • the zoom lens may have a configuration in which the spatial light modulator is a transmissive spatial light modulator.
  • the control unit has a lens pattern in which a straight line including the central axis of light input to the first lens unit and a straight line including the central axis of light output from the second lens unit are separated from each other. May be provided to the spatial light modulator.
  • the zoom lens has a configuration in which the control unit gives the spatial light modulation element a lens pattern that divides the light output from the second lens unit into a plurality of optical paths with respect to the light input to the first lens unit. It is also good.
  • the zoom lens may be configured such that a pattern for correcting aberration generated in the zoom lens is superimposed on a lens pattern given to the spatial light modulation element by the control unit.
  • the control unit is based on the combined focal length of the first lens unit and the second lens unit, the distance between the first lens unit and the second lens unit, and the distance between the second lens unit and the focal plane. Calculating the focal length of the first lens unit and the focal length of the second lens unit, and changing the focal lengths of the first lens unit and the second lens unit to be the calculated focal lengths. Also good.
  • the present invention can be easily configured and can be used as a zoom lens capable of shortening the time required for changing the magnification.
  • 10A, 10B, 10C ... zoom lens, 12, 22 ... first lens unit, 14, 24 ... second lens unit, 16, 26 ... control unit, 28 ... laser light source, 30 ... reflective spatial light modulator, 30a ... Light reflecting surface, 30b ... first lens portion, 30c ... second lens portion, 32 ... spatial filter, 34 ... collimating lens, 36a to 36e ... reflecting mirror, A, A1 to A3 ... optical axis, F ... focal plane, f 1 , f 2 ... focal length, f c ... composite focal length.

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

ズームレンズ
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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ｆc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ｆc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ｆc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ｆc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ｆcは、次の数式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 同様に、合成焦点距離ｆcについて解くと、次の数式（５）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 数式（４）を数式（３）に代入すると、次の数式（６）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記数式（４）及び（６）から、所望の合成焦点距離ｆc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ｆｃ、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に基づいて、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離ｆ１、ｆ２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ｆ１、ｆ２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ｆｃ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ｆc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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　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ｆc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ｆc＝（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ｆc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ｆc＝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ｆc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ｆc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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　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、ｆc…合成焦点距離。

Claims (11)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
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