JP7202066B2 - 焦点距離可変レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点距離可変レンズ装置に関する。

焦点距離可変レンズ装置として、例えば特許文献１に記載された原理の液体レンズシステム（以下単にレンズシステムと呼ぶ）を利用した装置が開発されている。
レンズシステムは、圧電材料で形成された円筒状の振動部材を、透明な液体に浸漬して形成される。レンズシステムにおいて、振動部材の内周面と外周面とに交流電圧を印加すると、振動部材が厚み方向に伸縮し、振動部材の内側の液体を振動させる。液体の固有振動数に応じて印加電圧の周波数を調整することで、液体には同心円状の定在波が形成され、振動部材の中心軸線を中心として屈折率が異なる同心円状の領域が形成される。このため、レンズシステムにおいて、振動部材の中心軸線に沿って光を通せば、この光は同心円状の領域ごとの屈折率に従って、発散または収束する経路を辿ることになる。

焦点距離可変レンズ装置は、前述したレンズシステムと、焦点を結ぶための対物レンズ（例えば通常の凸レンズあるいはレンズ群）とを、同じ光軸上に配置して構成される。
通常の対物レンズに平行光を入射させると、レンズを通過した光は所定の焦点距離にある焦点位置に焦点を結ぶ。これに対し、対物レンズと同軸に配置されたレンズシステムに平行光を入射させると、この光はレンズシステムで発散または収束され、対物レンズを通過した光は元の（レンズシステムがなかった状態の）焦点位置よりも遠くまたは近くにずれた位置に焦点を結ぶ。
従って、焦点距離可変レンズ装置においては、レンズシステムに入力される駆動信号（内部の液体に定在波を発生させる周波数の交流電圧）を印加し、この駆動信号の振幅を増減させることで、焦点距離可変レンズ装置としての焦点位置を一定の範囲内（対物レンズの焦点距離を基準としてレンズシステムにより増減できる所定の変化幅）で任意に制御することができる。

米国特許出願公開第２０１０／０１７７３７６号明細書

前述のように、レンズシステムを用いた焦点距離可変レンズ装置においては、その合焦位置を周期的に変化させることができる。
このような焦点距離可変レンズ装置により顕微鏡システムなどの観察系を構築する場合、焦点距離の変化があっても倍率が変動しないことが望ましい。すなわち、レンズシステムにおけるレンズパワーが変化しても、顕微鏡システムとしての総合倍率が変化しないように、レンズシステムを含む光学系をテレセントリック光学系配置とすることが求められる。

レンズシステムを含むテレセントリック光学系は、図３のように、例えば同じ光軸Ａ上に対物レンズ９１、結像レンズ９２およびレンズシステム９３を光軸上に配列して構成される。すなわち、対物レンズ９１と結像レンズ９２との間に光束が平行となる平行光束区間を形成し、そこにレンズシステム９３を配置する。
この際、対物レンズ９１（焦点距離ｆｏ）の後側焦点位置は、レンズシステム９３の主点位置ｐｐ１と共役とされる。また、結像レンズ９２（焦点距離ｆｔ）の前側焦点位置は、レンズシステム９４の主点位置ｐｐ２と共役とされる。そして、対物レンズの後側焦点位置に絞り（いわゆるテレセン絞り）が配置される必要がある。
しかし、レンズシステム９３の内部にある主点位置ｐｐ１に絞りを設置することは、レンズシステム９３の内部の液体中に物理的な絞り要素を配置することになり、レンズシステム９３内の液体の共振を妨げ、レンズシステム９３としての機能が損なわれる可能性がある。

これに対し、図４のように、対物レンズ９１、結像レンズ９２およびレンズシステム９３を含むテレセントリック光学系に、リレーレンズ９４，９５（焦点距離ｆ１，ｆ２）を追加し、対物レンズ９１の射出瞳（後側焦点位置）のリレーを行うことで、絞り９６を設置する位置とレンズシステム９３を設置する位置とを分離し、絞り９６をレンズシステム９３の外部に取り出すことが考えられる。
しかし、焦点距離可変レンズ装置にリレーレンズ９４，９５を追加することになるため、焦点距離可変レンズ装置としての光軸長が増大し、顕微鏡システムなどの観察系への利用が困難になるという問題があった。

本発明の目的は、テレセントリックでありかつコンパクトにできる焦点距離可変レンズ装置を提供することにある。

本発明の焦点距離可変レンズ装置は、同じ光軸上に配置された対物レンズおよび結像レンズと、前記光軸上の前記対物レンズから前記結像レンズまでの間の光束が互いに平行な平行光束区間に配置され、入力される駆動信号に応じて屈折率が変化する前側レンズシステムおよび後側レンズシステムと、前記光軸上の前記前側レンズシステムから前記後側レンズシステムまでの区間に配置された絞りと、を有することを特徴とする。

本発明では、測定対象のワークからの光を、対物レンズから前側レンズシステム、絞り、後側レンズシステムへと導き、結像レンズを経て画像検出素子などに結像させることができる。そして、入力される駆動信号に応じて前側レンズシステムおよび後側レンズシステムの屈折率を周期的に変化させることにより、焦点距離可変レンズ装置としての焦点距離を変化させることができる。
本発明では、対物レンズおよび結像レンズを光軸上の適切な位置に配置することで、対物レンズから結像レンズまでの区間（前側レンズシステム、絞り、後側レンズシステムが配置される区間）を光束が互いに平行な平行光束区間とすることができる。従って、前側レンズシステムおよび後側レンズシステムの焦点距離が周期的に変化しても、倍率までが変化してしまうことを防止できる。
さらに、レンズシステムを前側および後側に２分割し、その間の区間に絞りを挟む配置により、対物レンズから結像レンズまでの平行光束区間に、レンズシステムと絞りとを共に配置することができ、別途のリレーレンズを追加する必要がなく、コンパクトな光学系とすることができる。

本発明の焦点距離可変レンズ装置において、前記前側レンズシステムと前記後側レンズシステムとは構成が同一であり、各々には同一の駆動信号を入力する駆動制御装置が接続されていることが好ましい。
本発明では、前側レンズシステムと後側レンズシステムとが同一であるため、駆動制御装置から同一の駆動信号を入力することで、各々の共振状態を確実かつ容易に得ることができる。
この際、前側レンズシステムおよび後側レンズシステムとしては、焦点距離可変レンズ装置のレンズシステム（焦点距離可変要素）として要求されるレンズパワーの１／２づつのレンズシステムを２つ用いることが好ましい。

本発明によれば、テレセントリックでありかつコンパクトにできる焦点距離可変レンズ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の焦点距離可変レンズ装置を示す模式図。 前記実施形態で用いる絞り付レンズシステムを示す模式図。 従来のレンズシステムを含むテレセントリック光学系を示す模式図。 従来のリレーレンズを追加したテレセントリック光学系を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、本実施形態の焦点距離可変レンズ装置１は、光軸Ａ上に配列された対物レンズ１１、結像レンズ１２およびレンズシステムユニット２０を有する。
対物レンズ１１から結像レンズ１２までの区間は、光束が互いに平行な平行光束区間となっており、そこにレンズシステムユニット２０が配置されている。
対物レンズ１１（焦点距離ｆｏ）の後側焦点位置は、レンズシステムユニット２０の主点位置ｐｐ１と共役とされる。

図２において、レンズシステムユニット２０は、前側レンズシステムであるレンズシステム２１と、後側レンズシステムであるレンズシステム２２とを有する。そして、これらのレンズシステム２１，２２の間には絞り２３が挟み込まれている。
これらのレンズシステム２１，２２および絞り２３は、同じ光軸上（焦点距離可変レンズ装置１に組み込まれた際に光軸Ａとなる）に配列されている。

レンズシステム２１は、円筒状のケース２１０を有し、ケース２１０の光軸Ａが通る部分には透明部２１１が設置されている。
ケース２１０の内側には、スペーサ２１２を介して円筒状の振動体２１３が同軸状に支持されている。スペーサ２１２は吸振性のある合成ゴム製のＯリングなどであり、振動体２１３は外部印加電圧で振動可能なピエゾ材料で形成されている。
ケース２１０の内部には、シリコーンなどの液体２１４が充填され、振動体２１３はこの液体２１４に浸漬されている。

レンズシステム２２は、レンズシステム２１のケース２１０、透明部２１１、スペーサ２１２、振動体２１３および液体２１４と同じケース２２０、透明部２２１、スペーサ２２２、振動体２２３および液体２２４を備えている。すなわち、レンズシステム２１，２２は、構成が同一のものが一対で配置されている。
なお、レンズシステム２１，２２としては、２つ合わせて焦点距離可変レンズ装置１に要求されるレンズパワーが得られるようになっている。

レンズシステム２１，２２の振動体２１３，２２３には、それぞれ信号線２１５，２２５が接続され、信号線２１５，２２５はレンズシステムユニット２０の外部に設置されたレンズシステム制御装置３０（駆動制御装置）にそれぞれ接続されている。
レンズシステム制御装置３０は、信号線２１５，２２５を介して振動体２１３，２２３に、例えば７０ＫＨｚ程度の高周波駆動信号を印加する。振動体２１３，２２３に印加される駆動信号の電圧および周波数などの特性は同一とされる。

レンズシステム２１，２２においては、印加された駆動信号により振動体２１３，２２３が振動し、内側の液体２１４，２２４に同心状の定在波を生成させる。これにより、レンズシステム２１，２２の焦点距離が周期的に可変されている。
レンズシステム２１，２２は、構成が同一であるとともに、駆動信号が同一であるため、各々における焦点距離も同一となる。

絞り２３は、中央に透光孔が形成された円板状の板材であり、レンズシステム２１，２２のケース２１０，２２０の間に挟み込まれている。
この際、ケース２１０，２２０の間には間隔がおかれていてもよく、絞り２３は、ケース２１０，２２０のいずれかまたは各々と固定してもよいし、ケース２１０，２２０を互いに近接させて絞り２３を圧迫挟持してもよい。
さらに、絞り２３およびレンズシステム２１，２２を、それぞれ別の支持体に個別に支持することで、互いに同じ光軸Ａ上に配列されるようにしてもよい。
また、絞り２３は、レンズ１１およびレンズシステム２１を組み合わせた場合の後側焦点位置に配置すればよい。

このような本実施形態では、測定対象のワークからの光を、対物レンズ１１から前側のレンズシステム２１、絞り２３、後側のレンズシステム２２へと導き、結像レンズ１２を経て画像検出素子などに結像させることができる。
そして、レンズシステム制御装置３０から入力される駆動信号に応じて前側のレンズシステム２１および後側のレンズシステム２２の屈折率を周期的に変化させることにより、焦点距離可変レンズ装置１としての焦点距離を変化させることができる。

本実施形態では、対物レンズ１１および結像レンズ１２を光軸Ａ上の適切な位置に配置することで、対物レンズ１１から結像レンズ１２までの区間（前側のレンズシステム２１、絞り２３、後側のレンズシステム２２が配置される区間）を光束が互いに平行な平行光束区間とすることができる。従って、前側のレンズシステム２１および後側のレンズシステム２２の焦点距離が周期的に変化しても、倍率までが変化してしまうことを防止できる。
さらに、前側のレンズシステム２１と後側のレンズシステム２２に２分割し、その間の区間に絞り２３を挟む配置により、対物レンズ１１から結像レンズ１２までの平行光束区間に、レンズシステム２１，２２と絞り２３とを共に配置することができ、別途のリレーレンズを追加する必要がなく、コンパクトな光学系とすることができる。

本実施形態では、前側のレンズシステム２１と後側のレンズシステム２２とが同一であるため、レンズシステム制御装置３０から同一の駆動信号を入力することで、各々の共振状態を確実かつ容易に得ることができる。
本実施形態では、２つのレンズシステム２１，２２および絞り２３を一体化してレンズシステムユニット２０としたため、各々の間のアライメント調整を都度行う必要がなく、焦点距離可変レンズ装置１への組み込み、あるいはメンテナンス時の取り扱いが容易にできる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、２つのレンズシステム２１，２２および絞り２３を一体化してレンズシステムユニット２０としたが、これらをユニット化することは必須ではなく、それぞれ焦点距離可変レンズ装置１の光学要素として、他の光学要素である対物レンズ１１および結像レンズ１２とともに、焦点距離可変レンズ装置１のフレームなどの構造体に支持されていてもよい。

前記実施形態では、前側のレンズシステム２１と後側のレンズシステム２２とを同一の構成とし、各々にはレンズシステム制御装置３０から同一の駆動信号を入力したが、レンズシステム２１，２２への駆動信号は前後で異なる信号としてもよく、レンズシステム２１，２２も互いに異なる構成であってもよい。ただし、前後を同じ構成のレンズシステム２１，２２とし、同じ駆動信号で駆動することにより、各々の焦点距離を含む光学特性を一致させることができ、取り扱いを容易にすることができる。

本発明は焦点距離可変レンズ装置に利用できる。

１…焦点距離可変レンズ装置、１１…対物レンズ、１２…結像レンズ、２０…レンズシステムユニット、２１，２２…レンズシステム、２１０，２２０…ケース、２１１，２２１…透明部、２１２，２２２…スペーサ、２１３，２２３…振動体、２１４，２２４…液体、２１５，２２５…信号線、２３…絞り、３０…レンズシステム制御装置、Ａ…光軸、ｆｏ，ｆｔ，ｆ１，ｆ２…焦点距離、ｐｐ１，ｐｐ２…主点位置。

Claims (1)

1. 同じ光軸上に配置された対物レンズおよび結像レンズと、
   前記光軸上の前記対物レンズから前記結像レンズまでの間の光束が互いに平行な平行光束区間に配置され、入力される駆動信号に応じて屈折率が変化する前側レンズシステムおよび後側レンズシステムと、
   前記光軸上の前記前側レンズシステムから前記後側レンズシステムまでの区間に配置された絞りと、を有し、
   前記前側レンズシステムと前記後側レンズシステムとは構成が同一であり、各々には同一の駆動信号を入力する駆動制御装置が接続されていることを特徴とする焦点距離可変レンズ装置。

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