[发明专利]变焦透镜及显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及变焦透镜及显微镜，尤其涉及使用了具有电光效应的光学材料的能够改变焦距的变焦透镜以及具有该变焦透镜的显微镜。

背景技术

以往，光学透镜、棱镜等光学元件用于照相机、显微镜、望远镜等光学设备、打印机、复印机等电子照相方式的记录装置、DVD等光记录装置，通信用、工业用光学器件等。通常的光学透镜的焦距是固定的，但是，上述设备、装置中有时要使用能够根据情况调整焦距的透镜，即，所谓的变焦透镜。现有的变焦透镜是通过组合多个透镜并以机械方式调整焦距的。然而，从响应速度、制作成本、小型化、功耗等方面来看，这种机械方式的变焦透镜的应用存在局限性。

对此，例如，有人就提出了在构成光学透镜的透明介质中使用能够改变折射率的物质的变焦透镜、以及通过机械方式使光学透镜的形状发生变形而非移动光学透镜位置的变焦透镜。作为前者的变焦透镜，有人提出了一种将液晶用作光学透镜的变焦透镜。该变焦透镜例如以玻璃板等由透明物质形成的容器封装液晶。该容器的内侧被加工成球面状从而使液晶成型为透镜形状。而且，容器的内侧设置有透明电极，通过改变向该电极施加的电压，能够控制向液晶施加的电场。由此，可以通过电压控制液晶的折射率，从而对焦距实施可变控制(例如，参考专利文献1)。

作为后者的变焦透镜，变形透镜的材料大多采用液体。例如，在非专利文献1中记载的变焦透镜中，具有在由玻璃板夹持的空间中封装有硅油等液体的结构。玻璃板被加工得较薄，利用锆钛酸铅(PZT)压电致动器向玻璃板施加压力，从而使以油和玻璃板整体构成的透镜发生变形，由此控制焦点位置。该变焦透镜的动作原理和眼球的水晶体相同。

在上述的光学设备中，显微镜是一种可望通过引进变焦透镜来实现实际应用的设备。由于显微镜中使用NA(数值孔径)较大的物镜，因此景深非常浅。因此，将立体物作为测量对象而进行观察时，仅可以同时观测立体物中与焦点高度一致的一部分区域。若要得到立体物的全像，需要在观察时上下慢慢移动透镜系统或者搭载有测量对象的载物台。另外，正在逐步确立这样一种立体图像合成技术，即：移动载物台并对每一定高度进行图像拍摄，通过对所拍摄的多个图像进行处理以合成立体图像。

近年来，在显微镜中，共聚焦显微镜的使用范围得以扩大。参考图1来说明共聚焦显微镜的原理。在该系统中，通过透镜3(通常称为物镜)将测量对象1发出的光变为平行光线，然后再通过透镜4对其进行会聚。在会聚的点的位置上放置具有与该光斑直径相同程度直径的针孔5，以光检测器6测量透过的光的功率。此时，考虑在测量对象1的正下方有测量对象2的情况。如图1的虚线所示，从测量对象2发出的光在透过透镜3、透镜4之后的会聚位置比针孔5所处的位置还要低。当测量对象2发出的光到达针孔5的高度时发生再次扩散，从而导致由针孔5透过的光成分显著减少。即，在该系统中仅能检测出从测量对象1的位置发出的光信号。

在通常的显微镜中，若测量对象的上、下位置存在其他发光物体，来自那些物体的光将作为噪声而重叠于来自测量对象的光，因此，很难仅仅提取测量对象的信息。另一方面，在共聚焦显微镜中，通过调整光学系统的设置，可以仅对测量对象的信息进行有效的提取。但是，能够同时提取的信息仅限于处于图1的测量对象1位置处的物体，因此，若要得到物体的全像，需要在上下左右方向上慢慢移动物体来收集三维数据。关于左右移动，有一种利用诸如电流计镜那样可使光线的方向发生快速偏转的部件(偏光器)而无需移动测量对象的物体本身就进行测量的装置。但是，关于上下移动，一般通过机械方式移动测量对象。

然而，包括共聚焦显微镜在内的现有的显微镜中，通过机械方式使搭载有测量对象的载物台在上下方向移动来进行一系列测量的情况下，若要得到所有的数据，则需要较长时间。对此，若能够通过变焦透镜对焦点进行电气控制来代替移动载物台，则可望提高计量的精度并且还可以提高扫描速度。

以往，作为变焦透镜，可以采用通过机械方式调整焦距的变焦透镜、通过对液晶施加电场来控制折射率的变焦透镜、以及通过PZT压电致动器使透镜变形的变焦透镜等。但是，由于焦距变动所需的响应速度存在限制，不能适用于1ms以下的快速响应的情况，从而很难捕捉到快速现象。

本发明的目的在于提供能够快速改变焦距的变焦透镜以及通过该透镜能够快速测量包括高度方向信息在内的立体物体的显微镜。

现有技术文献

专利文献1：日本国专利申请公开公报“特开1999-064817号公报”