焦距可变光学系统的制作方法

本发明涉及焦距可变光学系统。

背景技术：

近年来，作为折射率分布型的焦距可变透镜，液体共振式的透镜系统被不断开发，已知一种包含该透镜系统而构成的焦距可变光学系统(参照例如文献1：日本特开2019－074722号公报)。该焦距可变光学系统例如与显微镜的物镜组合使用，透镜系统的折射率根据驱动信号而周期性地变化，由此，相对于对象物的聚焦位置呈周期性地变化。

尤其在文献1中公开了一种包含中继系统而构成的焦距可变光学系统。具体地，在该焦距可变光学系统中，从物镜向成像透镜入射平行光束，该成像透镜形成中间像，两个中继透镜对该中间像进行中继而使其在相机等的摄像面进行再成像。这里，透镜系统被配置于两个中继透镜之间，物镜的出射光瞳与透镜系统的主点是共轭的。根据这样的焦距可变光学系统，即使在透镜系统的焦距变化的期间，也能够将显微镜的总倍率固定地保持。

然而，在文献1中，关于包含了中继系统的焦距可变光学系统的具体的光学设计，并未公开。

在包含了中继系统的焦距可变光学系统中，成像透镜的焦距、中继透镜的焦距等与聚焦位置的变动幅度(扫描范围)、斯特列尔比(strehlratio)等性能相关。因此，若未适当地设定这些透镜的放大率平衡(powerbalance)，则导致扫描范围、斯特列尔比等性能会恶化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供包含将显微镜的总倍率保持为固定的中继系统且确保了扫描范围以及斯特列尔比的焦距可变光学系统。

本发明是与无限远校正型的物镜组合使用的焦距可变光学系统，特征在于，具备：成像透镜，对来自所述物镜的平行光束进行汇聚并形成中间像；中继系统，从物体侧起依次包含第一中继透镜以及第二中继透镜，并将所述中间像中继到无限远；以及液体共振式的透镜系统，被配置在所述第一中继透镜与所述第二中继透镜之间，折射率根据输入的驱动信号而变化，所述透镜系统的前侧主点被配置成，相对于所述物镜的出射光瞳而共轭，当将所述成像透镜的焦距设为ftube、将所述第一中继透镜的焦距设为fr1时，满足以下的式(1)：

1.90≤ftube/fr1≤2.15…(1)。

在本发明的焦距可变光学系统中，优选地，当将从所述透镜系统的前侧端面到所述透镜系统的所述前侧主点为止的距离设为x时，满足以下的式(2)：

x＜fr1≤2x…(2)。

在本发明的焦距可变光学系统中，优选地，

当将所述第二中继透镜的焦距设为fr2、将倍率1倍的所述物镜的焦距设为fobj1x时，满足以下的式(3)，

fr2＝fobj1x×fr1/ftube…(3)。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的包含焦距可变光学系统的焦距可变透镜装置的示意图。

图2是表示上述实施方式的透镜系统的示意图。

图3是表示成像透镜与第一中继透镜之间的焦距的比率相对的斯特列尔比以及扫描范围的图表。

具体实施方式

〔显微镜系统的结构〕

对显微镜系统1的整体的结构进行说明。

图1中示出了本实施方式的包含焦距可变光学系统10而构成的显微镜系统1。显微镜系统1是一边使与放置于摄像区域的工件(word)的表面相对的聚焦位置z周期性变化，一边对工件进行拍摄的装置。

如图1所示，显微镜系统1具备物镜2、包含透镜系统5而构成的焦距可变光学系统10、经由物镜2及焦距可变光学系统10来进行拍摄的摄像部6、以及照明部7。

另外，尽管在图1中省略图示，然而，显微镜系统1还可以具备控制透镜系统5的透镜控制部、以及对被摄像部6拍摄到的图像进行处理的图像处理部等。

物镜2通过1个以上的透镜构成，并与工件的表面相对配置。该物镜2是无限远校正型，其将被工件反射出的光变换成平行光束，并使其入射到焦距可变光学系统10。物镜2的倍率以及焦距并不受特别的限制。

焦距可变光学系统10构成与物镜2组合的单元，且被配置在与物镜2相同的光轴a上。焦距可变光学系统10从物体侧(前侧)起依次具有成像透镜3、第一中继透镜41、液体共振式的透镜系统5以及第二中继透镜42。

成像透镜3通过一个以上的透镜构成，对从物镜2入射的平行光束进行汇聚(聚光)并形成中间像。

第一中继透镜41以及第二中继透镜42分别由一个以上的透镜构成。第一中继透镜41以及第二中继透镜42构成中继系统4，对通过成像透镜3而形成的中间像进行中继，并使该中间像在摄像部6的摄像面进行再成像。

这里，成像透镜3与第一中继透镜41之间的距离等于将成像透镜3的焦距ftube与第一中继透镜41的焦距fr1相加而得的距离。即，成像透镜3的后侧焦点与第一中继透镜41的前侧焦点被配置在相同的位置。

透镜系统5被构成为折射率分布型的焦距可变透镜。具体地，透镜系统5具有填充了液体的圆筒形壳体、以及由压电材料形成的圆筒状的振动构件。该振动构件在被浸渍于壳体内的液体的状态下，经由信号线连接到透镜控制装置(省略图示)，按照从该透镜控制装置输入的驱动信号(例如正弦波状的交流信号)而振动。若驱动信号的频率被调整成共振频率，则在透镜系统5的内部的液体产生驻波，该液体的折射率周期性地变化。

此外，透镜系统5具有用于供光经过的窗部，透镜系统5内的液体的折射率周期性地变化，由此，透镜系统5的焦距周期性地变化。根据该透镜系统5，聚焦位置z基于物镜2的焦距，并与透镜系统5的焦距的变化一起周期性地变化。

另外，如图2所示，透镜系统5的窗部的开口直径wd被设计得大于透镜系统5的有效直径d。这里，对于在透镜系统5内的液体产生的驻波，所谓透镜系统5的有效直径d相当于绕光轴a的部分的直径。

在本实施方式中，透镜系统5的有效直径d例如被设定在与1～10倍率的物镜2的射出光瞳直径相同程度(例如±10％)的范围内。

摄像部6由现有的ccd(电荷耦合元件)图像传感器或者其他形式的相机等而构成，对在摄像面成像的图像进行拍摄。摄像部6将摄像图像以规定的信号形式输出给图像处理装置等。

照明部7构成为包括：出射光的led(发光二极管)等光源71、对从光源71出射的光进行调整的照明光学系统72、以及将被照明光学系统72调整后的光向物镜2侧反射的分光器73。被分光器73反射的光经由物镜2向工件照射。另外，分光器73使被工件反射并经过了物镜2的光透过。

另外，照明部7照射连续光或者脉冲光。在照明部7照射连续光的情况下，聚焦位置z连续地变化的对焦扫描图像(focalsweepimage)被拍摄。此外，当照明部7相对于透镜系统5的周期而在任意的定时进行脉冲发光的情况下，在任意的聚焦位置z处聚焦了的图像被拍摄。

〔焦距可变光学系统的放大率配置〕

参照图1，对焦距可变光学系统10的放大率配置进行说明。

在以下的说明中，将透镜系统5的焦距设为fs，将物镜2的焦距设为fobj，将成像透镜3的焦距设为ftube，将第一中继透镜41的焦距设为fr1，并将第二中继透镜42是焦距设为fr2。此外，将从成像透镜3的前侧焦点到物镜2的出射光瞳为止的距离设为la，将从第一中继透镜41的后侧焦点到透镜系统5的前侧主点p为止的距离设为lb。此外，将从透镜系统5的前侧端面到透镜系统5的前侧主点p为止的距离设为x。

(共轭配置)

在焦距可变光学系统10中，配置成透镜系统5的前侧主点p与物镜2的出射光瞳共轭，以使在透镜系统5的焦距fs变化的期间，显微镜系统1的总倍率不变化。

具体地，显微镜系统1的总倍率β由以下的式(4)表示，因此，透镜系统5被配置成以下的式(5)成立。

在式(5)成立的情况下，关于显微镜系统1的总倍率β，以下的式(6)成立。

在该式(6)中由于不包含透镜系统5的焦距fs，因此即使在焦距fs处于变化的期间，显微镜系统1的总倍率β也被保持为固定的值。此外，显微镜系统1的视野也被保持为固定。

(成像透镜与第一中继透镜的焦距比)

聚焦位置z由以下的(7)表示，因此在配置成透镜系统5的前侧主点p与物镜2的出射光瞳共轭的情况下(前述的式(6)成立的情况)，关于聚焦位置z，以下的式(8)成立。

根据该式(8)，聚焦位置z的变动幅度(扫描范围)与fr1²/ftube²成比例。因此，成像透镜3的焦距ftube相对于第一中继透镜41的焦距fr1的比率ftube/fr1越小，扫描范围越大。因此，在本实施方式中，通过使比率ftube/fr1为2.15以下，从而能够确保实用的扫描范围。

此外，为了提高显微镜系统1的斯特列尔比，希望减小透镜系统5的入射光瞳直径相对于透镜系统5的有效直径d的比例，成像透镜3的焦距ftube相对于第一中继透镜41的焦距fr1的比率ftube/fr1越大，则透镜系统5的入射光瞳直径越小。

因此，在本实施方式中，通过将前述的比率ftube/fr1设定成1.90以上，从而能够使透镜系统5的入射光瞳直径相对于透镜系统5的有效直径d的比例充分小。由此，显微镜系统1的斯特列尔比成为0.8以上，能够实现几乎无像差的状态。

因此，本实施方式的焦距可变光学系统10被设定成满足以下的式(1)。

1.90≤ftube/fr1≤2.15…(1)

即，本实施方式的显微镜系统1通过焦距可变光学系统10满足上述式(1)，从而能够包含使总倍率β、视野固定的中继系统且确保扫描范围、斯特列尔比等性能。

(第一中继透镜的焦距)

优选地，第一中继透镜41的焦距fr1被设定得大于从透镜系统5的前侧端面到透镜系统5的前侧主点p位置的距离x。

此外，第一中继透镜41的焦距fr1的上限没有特别的限制，然而，将第一中继透镜41的焦距fr1设定得大幅地大于前述的距离x，会导致焦距可变光学系统10的大型化，因而并不优选。

由此，优选地，第一中继透镜41的焦距fr1设定成满足以下的式(2)。

x＜fr1≤2x…(2)

根据这样的设定，能够防止第一中继透镜41与透镜系统5相互干扰，并且使焦距可变光学系统10小型化。

(第二中继透镜的焦距)

关于第二中继透镜42的焦距fr2，能够按照显微镜系统1的总倍率r的设定，而任意地设定。

其中，在满足前述的式(1)～式(2)的情况下，优选地，第二中继透镜42的焦距fr2被设定成满足以下的式(3)。另外，fobj1x是倍率1倍的物镜2的焦距。

fr2＝fobj1x×fr1/ftube…(3)

根据这样的结构，焦距可变光学系统10构成等倍中继系统。由此，显微镜系统1的总倍率β成为通常根据物镜2的倍率而被期待的倍率。

〔实施例〕

使用具有以下设定的实施例，使成像透镜3的焦距ftube与第一中继透镜41的焦距fr1之比变化，并对扫描范围以及斯特列尔比进行模拟。

另外，在模拟中，保持将成像透镜3的焦距ftube固定了的状态而变更第一中继透镜41的焦距fr1，调整第二中继透镜42的焦距fr2以使焦距可变光学系统10构成等倍中继。此外，在扫描范围以及斯特列尔比的计算中，利用了光学设计模拟软件。此外，将1倍的物镜2的焦距fobjx1设为200mm。

·物镜2

倍率：5倍

焦距fobj：40mm

出射光瞳直径：11.2mm

·透镜系统5

窗部(window)直径：16mm

有效直径d：11mm

前侧主点位置(从前侧端面到前侧主点为止的距离x)：25.7mm

光轴方向长度：74.3mm

·成像透镜3

焦距ftube：100mm

·第一中继透镜41

焦距fr1：20～75mm

·第二中继透镜42

焦距fr2：fobjx1fr1/ftube＝2fr1

图3是表示模拟结果的图表。在图3中，横轴表示成像透镜3的焦距ftube相对于第一中继透镜41的焦距fr1的比率ftube/fr1，纵轴表示扫描范围(mm)或者斯特列尔比。

如图3所示，伴随着比率ftube/fr1从1.00向5.00而变大，扫描范围以二次函数的方式减小。针对倍率5倍，可获得实用的扫描范围即0.50mm的范围是比率fr1/ftube为2.15以下的范围。

此外，伴随着比率ftube/fr1从1.00向3.00而变大，斯特列尔比增加，在比率ftube/fr1为3.00以上的范围内，斯特列尔比近似于1.0。

一般地，成为几乎无像差的斯特列尔比是0.8以上，在本实施例中，在比率ftube/fr1为1.90以上的范围内，斯特列尔比成为0.8以上。

根据以上的模拟结果，可知通过成像透镜3的焦距ftube与第一中继透镜41的焦距fr1的比满足以下的式(1)，扫描范围以及斯特列尔比均变得良好。

1.90≤ftube/fr1≤2.15···式(1)

这里，比率ftube/fr1越小于1.90，则扫描范围变得越大，然而斯特列尔比减小。其原因在于，比率ftube/fr1变得越小，则透镜系统5的入射光瞳直径变得越大，透镜系统5的入射光瞳直径相对于透镜系统5的有效直径的比例变得越大。

此外，若扫描范围变得过大，则还存在各透镜的设计变得困难的问题。

〔焦距可变光学系统的全长〕

如图1所示，焦距可变光学系统10的全长成为ftube+(fr1+fr2)×2+α。这里，α是透镜系统的前侧主点p与后侧主点p’之间的距离。

作为满足前述实施例中的式(1)～(3)的示例，成像透镜3的焦距ftube、第一中继透镜41的焦距fr1以及第二中继透镜42的焦距fr2分别能够设定成以下的范围。另外，设ftube/fr1＝2.00。

51.4mm＜ftube≤111.4mm

25.7mm＜fr1≤55.7mm

fr2＝100mm

根据这样的设定，焦距可变光学系统10的全长收敛于从302.8mm+α到422.8mm+α的范围。

另一方面，作为比较例，考虑在单纯设定焦距可变光学系统10的光学设计的情况下，将成像透镜3的焦距ftube设定成与倍率1倍的物镜2的焦距fobj相等的值，并将两个中继透镜的焦距设定成相互相等的值。

这里，由于一般的显微镜中的倍率1倍的物镜的焦距是200mm左右，因此，比较例中的成像透镜3的焦距ftube例如被设定成200mm。该情况下，若想要将焦距可变光学系统10的全长设定成与前述的实施例同程度(从302.8mm+α到422.8mm+α的范围)，则第一中继透镜41以及第二中继透镜42的各焦距fr1、fr2分别被设定成25.7mm～55.7mm。此时，由于成像透镜3的焦距ftube相对于第一中继透镜的焦距fr1的比率ftube/fr1成为3.6～7.8，因此导致扫描范围大幅变小(参照图3)。此外，为了确保扫描范围，在将第一中继透镜41的焦距fr1设定得大的情况下，焦距可变光学系统10的全长与实施例相比导致大幅变大。

由此，根据满足式(1)～(2)的实施例，相比于比较例，能够保持焦距可变光学系统10的性能，并且使焦距可变光学系统10的全长小型化。进而，根据满足式(3)的实施例，与比较例同样地，显微镜系统1的总倍率成为通常根据物镜2的倍率而被期待的倍率。

〔变形例〕

本发明并不限定于前述的实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形等均包含在本发明中。

在上述实施方式中，焦距可变光学系统10构成等倍中继，然而本发明并不受限于此，通过对第二中继透镜42的焦距fr2进行变更，也可以实现与通常根据物镜2的倍率而被期待的倍率不同的倍率。

在上述实施方式中，第一中继透镜的焦距fr1被设定成满足前述的式(2)的范围，然而本发明并不受限于此，在满足前述的式(1)的范围内设定即可。

在上述实施方式中，已经对包含焦距可变光学系统10而构成的显微镜系统1进行了说明，但焦距可变光学系统10并不限于被利用于显微镜系统1，也可以被利用于图像测量机等。