(57)【要約】  制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズと、制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズとから構成され、第１のレンズと第２のレンズは固定距離だけ離れ、前記制御回路は、第１の焦点距離と第２の焦点距離との和が前記固定距離に等しくなるように、前記第１と第２の焦点距離を調整するように構成された可変ビームエキスパンダーを提供する。【選択図】図２
2016536642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御回路（２３０）によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズ（２１０）と、
前記制御回路（２３０）によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズ（２２０）と、を備え、
前記第１のレンズ（２１０）と前記第２のレンズ（２２０）は固定距離だけ離れ、
前記制御回路は、前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記第１と第２の焦点距離を調整するように構成される、
ことを特徴とする可変ビームエキスパンダー。
【請求項２】
前記第１と第２のレンズは凸レンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項３】
前記第１と第２のレンズのうち、一方が凹レンズであり、他方が凸レンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項４】
前記第１と第２の焦点距離はおよそ４５ｍｍから１２０ｍｍまでのレンジにわたり調整可能である請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項５】
およそ０.３８から２．６７の連続したエクスパンダー力のレンジを有する請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項６】
前記第１と第２のレンズは液晶レンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項７】
前記第１と第２のレンズは電気的に変形可能なレンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項８】
前記第１と第２のレンズは液体レンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項９】
前記第１と第２のレンズは異なるタイプの電気的に調整可能なレンズである請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１０】
前記電気的に調整可能なレンズの焦点距離と、前記制御回路によって前記レンズに流される電流との関係を含むルックアップテーブルをさらに備えた請求項１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１１】
前記関係は、前記流される電流によって生じる熱に基づいて調整される請求項１０に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１２】
前記生じる熱は、前記電気的に調整可能なレンズのアクチュエータの抵抗計測から推定される請求項１１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１３】
前記生じる熱は、前記電気的に調整可能なレンズのアクチュエータに装着されたサーミスタによって計測される請求項１１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１４】
制御回路（２３０）によって調整可能な第１の焦点距離を有し、光軸が第１の鉛直方向である第１のレンズ（３０２）と、
前記制御回路（２３０）によって調整可能な第２の焦点距離を有し、光軸が第２の鉛直方向である第２のレンズ（３０５）と、
第１の鏡（３０１）と、
第２の鏡（３０３）と、
第３の鏡（３０４）と、
第４の鏡（３０６）と、を備える可変ビームエキスパンダーであって、
前記第１の鏡（３０１）は、該可変ビームエキスパンダーの入力から来た光線が、前記第１のレンズ（３０２）を通過するように前記第１の鉛直方向に案内するように構成され、
前記第２の鏡（３０３）は、前記第１のレンズ（３０２）を通過する光線を前記第３の鏡（３０４）に案内するように構成され、
前記第３の鏡（３０４）は、前記第２の鏡（３０３）から来た光線が、前記第２のレンズ（３０５）を通過するように前記第２の鉛直方向に案内するように構成され、
前記第４の鏡（３０６）は、前記第２のレンズ（３０５）を通過する光線を該可変ビームエキスパンダーの出力に案内するように構成され、
前記制御回路（２３０）が、前記第１と第２の焦点距離の和が、前記第１のレンズから前記第２の鏡までの経路と、前記第２の鏡から前記第３の鏡までの経路と、前記第３の鏡から前記第２のレンズまでの経路との和に等しくなるように、前記１と第２の焦点距離を調整するように構成される、
可変ビームエキスパンダー。
【請求項１５】
前記第１と第２のレンズは液体で満たされたポリマーレンズである請求項１４に記載の可変ビームエキスパンダー。
【請求項１６】
制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズと、前記制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズとを備え、前記第１と第２のレンズは固定距離だけ離れている、可変ビームエキスパンダーの操作方法であって、該操作方法が、
前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記制御回路によって前記第１と第２の焦点距離を調整する、
方法。
【請求項１７】
対物レンズの焦平面を変更するために前記第１のレンズの前記焦点距離を変更することと、
前記対物レンズの開口の所望の部位を満たすようにビーム径を変更するために、前記第２のレンズの前記焦点距離を調整することと、
をさらに備えた請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１と第２の焦点距離の和を、入射光線の拡散または収束に依存する量だけ、前記固定距離と異なるように、さらに調整することによって、入射光線の拡散または収束を補正することをさらに備えた請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１と第２の焦点距離の和を、光線くびれの所望の位置に依存する量だけ、前記固定距離と異なるように、さらに調整することによって、開口の回折の影響を補正することをさらに備えた請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年８月２２日に出願された米国仮出願第６１／８６８,９０９号の利益を主張するものである。米国仮出願第６１／８６８,９０９号の開示は参照により本開示に含まれる。
【０００２】
本発明は広くビームエキスパンダーに係り、さらに特に出力ビーム径を電気的に制御することができる可変ビームエキスパンダーに関する。
【背景技術】
【０００３】
光線あるいはレーザービームエキスパンダーは、平行光線あるいはレーザーの入力ビーム径をより大きな出力ビーム径にすることを可能にする装置である。ビームエキスパンダーは一般に光の拡散を減じるために用いられている。他の一般的な適用は、スポット径の縮小を利用するために光線を拡径し、その後他のレンズに合焦させることである。ビームエキスパンダーは、計測のために出力光線を使用するような多くの科学的や工学的な適用において使用されている。これらの光線の拡大は、色彩に影響を与えたり、意図的に焦点をはずすことなく、顕微鏡のような最小の物から、宇宙計測のような最大の物までの適用を可能にする。
【０００４】
多くの適用において、ビーム径や拡大率を調整する必要がある。所望の拡大率が、回転によって通常達成される可変ビームエキスパンダーと、スライドするコリメーション調整機構を備えた固定ビームエキスパンダーとが存在している。しかしながら、これらのビーム径または拡大率の調整は遅く、かさばり、煩雑なシステムを生じるような機械的な動作を含む。
【０００５】
回転動作を基礎とするビームエキスパンダーは、概してシステムの光学軸に関してレンズ光軸の制限された芯出しによる不十分な点誤差も起こしやすい。液体レンズの使用はこの誤差を減少させることができる。
【０００６】
そのために、コンパクトで、素早くてより簡易な光線の拡大動作を達成するために回転やスライド動作を必要としない可変ビームエキスパンダーのニーズがある。さらに、従来のビームエキスパンダーは光線の拡散と収束とを減少させるために手動修正を必要としており、それゆえこの自動的な修正を行う装置へのニーズもある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズと、前記制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズと前記第２のレンズは固定距離だけ離れ、前記制御回路は、前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記第１と第２の焦点距離を調整（ａｄｊｕｓｔ）するように構成された可変ビームエキスパンダーを提供する。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有し、光軸が第１の鉛直方向である第１のレンズと、前記制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有し、光軸が第２の鉛直方向である第２のレンズと、第１の鏡と、第２の鏡と、第３の鏡と、第４の鏡と、を含む可変ビームエキスパンダーであって、前記第１の鏡は、該可変ビームエキスパンダーの入力から来た光線が、前記第１のレンズを通過するように前記第１の鉛直方向に案内するように構成され、前記第２の鏡は、前記第１のレンズを通過する光線を前記第３の鏡に案内するように構成され、前記第３の鏡は、前記第２の鏡から来た前記光線が、前記第２のレンズを通過するように前記第２の鉛直方向に案内するように構成され、前記第４の鏡は、前記第２のレンズを通過する前記光線を該可変ビームエキスパンダーの出力に案内するように構成され、前記制御回路が、前記第１と第２の焦点距離の和が、前記第１のレンズから前記第２の鏡までの経路と、前記第２の鏡から前記第３の鏡までの経路と、前記第３の鏡から前記第２のレンズまでの経路との和に等しくなるように、前記第１と第２の焦点距離を調整するように構成された可変ビームエキスパンダーを提供する。
【０００９】
本発明の他の実施形態は、制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズと、前記制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズとを含み、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは固定距離だけ離れている、可変ビームエキスパンダーの操作方法であって、該操作方法が、  前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記制御回路によって前記第１と第２の焦点距離を調整する可変ビームエキスパンダーの操作方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ビームエキスパンダーの原理を示している。
【図２】本発明の実施形態に従った可変ビームエキスパンダーを示している。
【図３】本発明の実施形態に従った可変ビームエキスパンダーを示している。
【図４】本発明の実施形態に従った焦点位置に関し、ビーム径がどのように変化するかを示している。
【図５】回折による装置の出口開口からの距離の関数としての光線半径を示している。
【図６】実施例による最適化を伴う装置の出口開口からの距離の関数としての光線半径を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の趣旨に従った例示的な実施形態の説明は、添付した図面に関連して読まれることが意図され、これらは書かれた説明全体の一部として考慮されるべきである。開示された本発明の実施形態の説明において、方向または配向性に対するどのような参照も、単に説明の利便性のためのものであり、本発明の範囲を限定するものとして意図されるものではない。「下側」、「上側」、「水平方向」、「垂直方向」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「頂部」、および「底部」、ならびに、それらの派生語（たとえば、「水平方向に」、「下方に」、「上方に」など）のような相対的な用語は、以下の論述中の図面に説明または示されているような配向を参照するために解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明の利便のためのものであり、明確に示されない限り、装置が特定の配向で構築されまたは動作させられることを要求しない。「取り付けられる」、「固定される」、「接続される」、「結合される」、「相互接続される」などの用語は、明示的に別段の定めがなければ、構造体が、直接的に、または、介在する構造体によって間接的に、のいずれかで互いに固定されるかまたは取り付けられている関係、ならびに、可動なまたは固定された取り付けや関係を参照している。さらに、本発明の特徴や利点は、例示的な実施形態を参照することで具体的になる。したがって、本発明は、単体または特徴の他の組み合わせとして存在し得る特徴の可能な限定されない組み合わせ例を示すこのような例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は、添付された請求項によって画定される。
【００１２】
本開示は、本発明を実施するための現在考えられる最良の態様（単数または複数）である。この記載は、限定的なものとしてではなく、添付図面を参照することにより具体的な目的を提示することのみを目的とした本発明の一例を提供し、本発明の有益な点および構成を当業者に教示する。図面の様々な視点において、同様の符号は、同様あるいは類似の部品を示す。
【００１３】
ビームエキスパンダーは、レーザーあるいは他の光線の直径を増加させるために使用される光学レンズアッセンブリである。ビームエキスパンダーには一般に２種類のよく知られたタイプ、すなわちケプラータイプとガリレオタイプとがある。図１（Ａ）は、２個の凸レンズ１１０，１２０、すなわちレンズを有するケプラービームエキスパンダーまたはケプラー型ビームエキスパンダーを示している。ビーム径Ｄ１を有する平行光線はレンズ１１０に入射し、レンズ１１０から距離ｆ１にある焦点Ｘに合焦している。点Ｘはレンズ１２０の焦点でもあり、レンズ１２０から距離ｆ２の位置にある。この光線はレンズ１２０からビーム径Ｄ２で出射する。比率Ｄ２／Ｄ１はエクスパンダー力Ｍと呼ばれる。これはＭ＝Ｄ２／Ｄ１＝ｆ２／ｆ１という簡単な幾何的関係によって示すことができる。
【００１４】
図１（Ｂ）は、負のレンズ１３０と正のレンズ１４０の両方、すなわちレンズシステムを有するガリレオビームエキスパンダーまたはガリレオ型ビームエキスパンダーを示している。この場合、点Ｘは虚の焦点であり、すなわち光線は物理的に焦点を結ばない。
【００１５】
ケプラー型の配置において、中間焦点は均質な強度を有する優れた参照波面を生成する。その結果、ケプラーレーザービームエキスパンダーは、干渉法や空間フィルタリングのためのピンホールを有する中間焦点を必要とするような他の適用に用いられる。ガリレオレーザービームエキスパンダーは中間焦点を有さず、通常長さはより短い。これらは焦点において相当程度高準位のエネルギーを生成し、材料加工の適用のためのレーザーにおいて使用されている。
【００１６】
ケプラー型ビームエキスパンダーとガリレオ型ビームエキスパンダーはともに、エクスパンダー力Ｍとして知られた拡大形式を提供する。この力が光線の直径を増加させた後、光線の拡散はこの同じ力によってその後縮小される。この組み合わせは、サイズにおいてより大きく、且つ高度にコリメートされた光線あるいはレーザー光線を生成する。一般に、光線の拡散仕様は光線の十分な角度をなす発散のために付与される。これらの光線は長距離に及ぶほどより小さいが、付加的な合焦オプションが、一様でより小さなスポット径を生成するために使用することができる。
【００１７】
以上に論じたように、既存の可変ビームエキスパンダーはシステムを遅く、かさばり、煩雑にするような機械的な動作を必要とする。より好ましい解決策は、機械的に動作する光学的部品の無い、電気的に調整可能なシステムにすることであろう。このようなシステムを実現するには電気的に調整可能な焦点距離を有し、ｆ１＋ｆ２＝Ｌ、ここでＬはレンズ間距離、の関係を維持するとともに、ｆ１とｆ２の値を調整する能力を有する光学要素が必要である。本発明の実施形態によれば、エクスパンダー力Ｍの調整を通じてレンズ間距離を維持することで、既存システムが必要としていた機械的動作が取り除かれる。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態に従った可変ビームエキスパンダーを示している。レンズ２１０とレンズ２２０は電気的に調整可能なレンズで、これらは距離Ｌだけ離れている。それぞれのレンズ２１０、２２０の焦点距離は制御回路２３０によって電気的に調整（ｔｕｎｅ）される。図２（Ａ）に示したように、レンズ２１０は制御回路２３０によって焦点距離ｆ１を有するように制御され、レンズ２２０は制御回路２３０によって焦点距離ｆ２を有するように制御され、これによって、焦点距離の和はレンズ間の離れ、すなわちｆ１＋ｆ２＝Ｌに等しい。エクスパンダー力Ｍ＝Ｄ２／Ｄ１＝ｆ２／ｆ１で与えられる。
【００１９】
図２（Ｂ）に示したように、焦点距離の和が、レンズ間の離れ、すなわちｆ１’＋ｆ２’＝Ｌに等しいという関係を維持するとともに、制御回路２３０がｆ１’値に対するレンズ２１０の焦点距離とｆ２’値に対するレンズ２２０の焦点距離を変更する際に、異なるエクスパンダー力Ｍ＝Ｄ２’／Ｄ１’＝ｆ２’／ｆ１’が達成される。焦点距離が電気的に調整され、レンズ間の距離が固定されているため、エクスパンダー力Ｍは、既存のシステムを悩ませるような機械的動作なしに素早く、簡便に調整されることができる。
【００２０】
図２は、レンズ２１０と２２０がともに正の（凸）レンズである場合のみ示しているが、基礎となる原理はレンズの一方が負の（凹）レンズの場合にも適用できることに注目する必要がある。図１（Ｂ）に示したように、凹レンズ１３０の焦点距離ｆ１は慣例により負値をとる。この結果、ｆ１＋ｆ２＝Ｌの関係は引き続き適用され、エクスパンダー力に対する上式はＭ＝Ｄ２／Ｄ１＝｜ｆ２／ｆ１｜となる。さらにガリレオビームエキスパンダーは式ｆ１＋ｆ２＝Ｌでの負の焦点距離の値のため、一般により短い距離Ｌをとる。
【００２１】
一実施例において、およそ０．３８〜２．６７の連続したエクスパンダー力のレンジとなる、電気的に調整可能なレンズは、およそ４５ｍｍ〜１２０ｍｍの調整レンジを有する。実用面の特定のニーズに基づいて、他の調整可能なレンジを使用することもできる。さらに他の実施例においては、可変ビームエキスパンダーの配置に対して固定ビームエキスパンダーが付加される。たとえば、２Ｘ（倍）ビームエキスパンダーは上記レンジを０．７６〜５．３４Ｘに変更する。
【００２２】
本発明のいくつかの実施例において使用される電気的に調整可能なレンズには多数のタイプがある。電気的に調整可能なレンズの限定されない例は、液体レンズ、変形可能なレンズ、及び液晶（ＬＣ）レンズを含む。他の電気的に調整可能なレンズのタイプも考えられる。
【００２３】
液晶レンズは低コストで、軽量で、可動部分がないという利点を有する。電気的に調整可能なレンズの焦点距離の主要なメカニズムは液晶配向子（例えば分子軸の平均方向）の配向による屈折率の放物線分布に起因する。入射光線はその後、収束光あるいは拡散光に屈曲され、入射光線に対しての正または負のレンズとしてのレンズ効果が示される。
【００２４】
電気的に変形可能なレンズは一般に光学流体で満たされ、弾性ポリマー膜によって密封された容器からなる。レンズに組み込まれた電磁アクチュエータは容器に圧力を作用させる環状体を制御する。レンズのたわみは液体の圧力に依存し、その結果、レンズの焦点距離はアクチュエータのコイルを通って流れる電流によって制御することができる。
【００２５】
液体レンズにおいて、レンズ形状は、疎水性被膜に電界を付与して疎水性被膜の疎水性を低下させること−表面張力における電気的に誘起された変化によって生じるエレクトロウェッティング（電気的濡れ効果）と呼ばれる方法−により、制御することができる。その結果、水溶液は２個の流体間のメニスカスの曲率半径、すなわちレンズの焦点距離を変更するように筒体の側壁をぬらし始める。
【００２６】
両レンズは、同じタイプの電気的に調整可能なレンズである必要はなく、たとえば一方のレンズが液晶レンズで他方は電気的に変形可能なレンズであったり、他の組み合わせも考慮することができることに注目されたい。特定のエクスパンダー力を得るために、ｆ１とｆ２の間の大きな差が必要とされる場合には、電気的に調整可能なレンズの異なるタイプを用いることが特に有効である。
【００２７】
図３は、一実施例による可変ビームエキスパンダー装置３００を示している。実施例において、レンズ３０２，３０５の光軸は鉛直である。この構成は、電気的に変形可能なレンズの特定のタイプにおいての最適な操作状態を提供する。光線が可変ビームエキスパンダー３００に入った際、鏡３０１は光線をレンズ３０２に向けて鉛直下方に反射する。レンズ３０２を通過後、光線は鏡３０３によって鏡３０４に向けて反射される。鏡３０４は光線をレンズ３０５に向けて鉛直上方に反射する。レンズ３０５を通過後、光線は鏡３０６によって出力方向に反射される。
【００２８】
上述したように、制御回路はレンズ３０２，３０５の焦点距離を制御し、その結果、焦点距離の合計が、レンズ３０２と鏡３０３の間、鏡３０３と鏡３０４の間、鏡３０４とレンズ３０５の間の光路の合計に等しくなる。
【００２９】
この構成は、付加的な鉛直方向の光学経路によって装置の水平方向の寸法を短くすることができるという更なる利点を有する。
【００３０】
一実施例において、装置はケプラー型の構成における２個の電気的に焦点を調整可能なレンズ（例えば、ＯＰＴＯＴＵＮＥ  ｐ／ｎ：ＥＬ−３０−ＬＤ）を用いる。ポリマーをベースとするレンズの曲率半径は電磁アクチュエータに電流を流すことで変化させることができる。アクチュエータは焦点距離に反比例するレンズ内の圧力を変化させる。
【００３１】
一実施例において、レンズ群は孔内に隙間の無い程度の公差で水平に装着されている。ポリマーレンズは重力で歪んで光線の波面の品質を低下させるような液体で満たされているという事実のため、レンズ群は水平に装着されている。水平に装着することは、性能を制限する回折に近い状態をもたらすような影響を減らす。一実施例において、４個の揺らぎの発生しにくい鏡台と４枚の銀製鏡とが各レンズを通じて光線を方向付けするために用いられている。
【００３２】
一実施例において、各レンズは、通電電流の関数として、そのレンズの焦点距離が記録されることで特徴付けられている。そのデータはさらに、アクチュエータが動作するように設計されているレンジ（例えば、０〜３００ｍＡ）に渡って、焦点距離と電流との連続的な関係を提供するために補間されている。
【００３３】
一実施例において、可変ビームエキスパンダー装置は、所定の波長における所定の倍率のために、各レンズにおいて必要とされる電流間の関係に対するデータを付与するためにモデル化されている。この目的のために、各レンズの曲率半径は倍率のレンジ（例えば０．００１Ｘ刻みで０．５Ｘ〜２．４Ｘ）に対して最適化がなされている。一実施例において、装置の前後に固定ビームエキスパンダーを付加することで達成できる倍率のレンジを調整することができる。一実施例において、分散の影響を補償するために、最適化は異なる波長（例えば５ｎｍ刻みで６８０ｎｍ〜１６００ｎｍ）のレンジに対してなされる。各レンズの曲率半径は、所定の倍率と所定の波長に対して、各レンズに適正な電流を生じさせるような焦点距離に変換される。一実施例において、この情報は、波長のレンジにおけるスムースで連続的な倍率の調整を提供するために、ルックアップテーブル形式の制御ソフトウェアにおいて用いられる。
【００３４】
図４は、どのように可変ビームエキスパンダーがビーム径を拡大したり、縮小したりするかを示している。（Ａ）〜（Ｅ）に示されたように、焦点Ｘの位置は、結果としてのビーム径を縮小したり、拡大したりさせる。
【００３５】
アクチュエータを横切る電流によって生じた熱がポリマー内の液体の体積を膨張させることに注目する必要がある。このことはシステムの性能を低下させるような焦点距離の減少をもたらす。一実施例において、アクチュエータの抵抗が測定される。アクチュエータの抵抗の測定は、レンズ内の温度の代用として機能することできる。一実施例において、抵抗の計測情報を利用することで、温度上昇によって生じた誤差を取り除くための調整が行われる。他の実施例において、温度はアクチュエータに装着されたサーミスタによって直接計測される。
【００３６】
上述した実施例の一つに記載された装置は、高倍率チタンサファイアレーザーと２光子顕微鏡の間に配置される。装置は上述したように、光線の拡大／縮小を実行できる。一実施例において、装置は、対物レンズの焦平面を変更することもできる。そうすることで、装置は、ｚ（Ａスキャン）における試料を通じた選択的な走査を行うこともできる。
【００３７】
通常の操作において、一実施形態によるビームエキスパンダーは対物レンズの後側開口に対してコリメート光を提供する。第２の液体レンズの焦点距離を変化させることによって対物レンズの後側開口に入射した光は拡散状態又は収束状態のいずれかをコリメートすることができる。この機構を通じて対物レンズの焦平面を変更することができる。この方法で第２の液体レンズを利用することは対物レンズの後側開口を満たす状態又はあふれさせる状態のいずれかを生じさせる。対物レンズの後側開口をちょうど満たすようなコリメートされた拡散光あるいは収束光を提供するために装置の全体倍率を変更させるように第１のレンズを使用して補正できる。
【００３８】
コリメートされていない入射光線を補正するためには、第１及び第２の焦点距離の和の状態が、可変ビームエキスパンダーの第１及び第２のレンズ間の固定距離に等しくなるように修正を要することに注目する必要がある。一実施例において、焦点距離の和は拡散光の補正の際のレンズ間の距離よりもわずかに小さくなる。別の実施例において、焦点距離の和は収束光の補正の際のレンズ間の距離よりわずかに小さくなる。
【００３９】
さらに、システムが倍率と焦点距離の関係を与えるようにモデル化された場合、回折の影響が考慮される。図５は装置の出口開口からの距離（ｘ−軸）の関数としての光線の半径（ｙ−軸）を示している。光線が伝播する際、回折のために出力光は長距離にわたり完全には平行にならない。一実施例によれば、レンズの焦点距離が調整され、結果として、光線のくびれの位置を調整することに影響する。
【００４０】
たとえば装置は０．５倍に最適化され、光線のくびれは装置の出口開口に配置される。遠視野における光線の半径が近視野における光線の半径よりかなり大きくなるように光線が伝播するにつれて回折は拡散させられる。回折を説明するために、上記状態は調整される。たとえば、レンズ１からレンズ２までの距離＝１６６．８７ｍｍで、且つｆ１＋ｆ２＝１２０．９８５＋５３．９６＝１７４．９４５ｍｍである。
【００４１】
実際には、光線は拡大されたレンジに渡って０．５倍により近い必要がある。こうするために、一実施例において、システムは光線のくびれが所望の作動距離の中程に位置するように最適化されている。
【００４２】
システムは、いくらかの所望の作動距離を超えた擬似コリメート光線を付与する特定点に光線のくびれを位置させることで、この影響を補償することができる。これによりレンズ間の距離よりも焦点距離の和がわずかに小さくなる。
【００４３】
図６に示したように、光線のくびれは１ｍの印のところであり、光線の半径は私たちが必要とするレンジに渡って０．５倍により近い。この実施例において、条件はｆ１＋ｆ２＝１０６．７６２＋６５．７４７＝１７２．４８９ｍｍに変更される。
【００４４】
本発明を、いくつかの実施形態に関して相当詳しく入念に説明してきたが、そのような詳細や実施形態または特定の実施形態によって限定されるものではないが、添付された請求項に関し、従来技術に照らしてそのような請求項の最も広く考えられる解釈を提供し、よって本発明の趣旨とする範囲を効果的に含むものと解釈される。さらに、前述したことは、発明者が想定した実現可能な実施形態に関して本発明を述べたものであるが、現時点では想定していない本発明の実体的でない変更もまたこれと同等な物とみなすことができる
【００４５】
（付記）
（付記１）
制御回路（２３０）によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズ（２１０）と、
前記制御回路（２３０）によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズ（２２０）と、を備え、
前記第１のレンズ（２１０）と前記第２のレンズ（２２０）は固定距離だけ離れ、
前記制御回路は、前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記第１と第２の焦点距離を調整するように構成される、
ことを特徴とする可変ビームエキスパンダー。
【００４６】
（付記２）
前記第１と第２のレンズは凸レンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００４７】
（付記３）
前記第１と第２のレンズのうち、一方が凹レンズであり、他方が凸レンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００４８】
（付記４）
前記第１と第２の焦点距離はおよそ４５ｍｍから１２０ｍｍまでのレンジにわたり調整可能である付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００４９】
（付記５）
およそ０.３８から２．６７の連続したエクスパンダー力のレンジを有する付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５０】
（付記６）
前記第１と第２のレンズは液晶レンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５１】
（付記７）
前記第１と第２のレンズは電気的に変形可能なレンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５２】
（付記８）
前記第１と第２のレンズは液体レンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５３】
（付記９）
前記第１と第２のレンズは異なるタイプの電気的に調整可能なレンズである付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５４】
（付記１０）
前記電気的に調整可能なレンズの焦点距離と、前記制御回路によって前記レンズに流される電流との関係を含むルックアップテーブルをさらに備えた付記１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５５】
（付記１１）
前記関係は、前記流される電流によって生じる熱に基づいて調整される付記１０に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５６】
（付記１２）
前記生じる熱は、前記電気的に調整可能なレンズのアクチュエータの抵抗計測から推定される付記１１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５７】
（付記１３）
前記生じる熱は、前記電気的に調整可能なレンズのアクチュエータに装着されたサーミスタによって計測される付記１１に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００５８】
（付記１４）
制御回路（２３０）によって調整可能な第１の焦点距離を有し、光軸が第１の鉛直方向である第１のレンズ（３０２）と、
前記制御回路（２３０）によって調整可能な第２の焦点距離を有し、光軸が第２の鉛直方向である第２のレンズ（３０５）と、
第１の鏡（３０１）と、
第２の鏡（３０３）と、
第３の鏡（３０４）と、
第４の鏡（３０６）と、を備える可変ビームエキスパンダーであって、
前記第１の鏡（３０１）は、該可変ビームエキスパンダーの入力から来た光線が、前記第１のレンズ（３０２）を通過するように前記第１の鉛直方向に案内するように構成され、
前記第２の鏡（３０３）は、前記第１のレンズ（３０２）を通過する光線を前記第３の鏡（３０４）に案内するように構成され、
前記第３の鏡（３０４）は、前記第２の鏡（３０３）から来た光線が、前記第２のレンズ（３０５）を通過するように前記第２の鉛直方向に案内するように構成され、
前記第４の鏡（３０６）は、前記第２のレンズ（３０５）を通過する光線を該可変ビームエキスパンダーの出力に案内するように構成され、
前記制御回路（２３０）が、前記第１と第２の焦点距離の和が、前記第１のレンズから前記第２の鏡までの経路と、前記第２の鏡から前記第３の鏡までの経路と、前記第３の鏡から前記第２のレンズまでの経路との和に等しくなるように、前記１と第２の焦点距離を調整するように構成される、
可変ビームエキスパンダー。
【００５９】
（付記１５）
前記第１と第２のレンズは液体で満たされたポリマーレンズである付記１４に記載の可変ビームエキスパンダー。
【００６０】
（付記１６）
制御回路によって調整可能な第１の焦点距離を有する第１のレンズと、前記制御回路によって調整可能な第２の焦点距離を有する第２のレンズとを備え、前記第１と第２のレンズは固定距離だけ離れている、可変ビームエキスパンダーの操作方法であって、該操作方法が、
前記第１と第２の焦点距離の和が前記固定距離に等しくなるように、前記制御回路によって前記第１と第２の焦点距離を調整する、
方法。
【００６１】
（付記１７）
対物レンズの焦平面を変更するために前記第１のレンズの前記焦点距離を変更することと、
前記対物レンズの開口の所望の部位を満たすようにビーム径を変更するために、前記第２のレンズの前記焦点距離を調整することと、
をさらに備えた付記１６に記載の方法。
【００６２】
（付記１８）
前記第１と第２の焦点距離の和を、入射光線の拡散または収束に依存する量だけ、前記固定距離と異なるように、さらに調整することによって、入射光線の拡散または収束を補正することをさらに備えた付記１６に記載の方法。
【００６３】
（付記１９）
前記第１と第２の焦点距離の和を、光線くびれの所望の位置に依存する量だけ、前記固定距離と異なるように、さらに調整することによって、開口の回折の影響を補正することをさらに備えた付記１６に記載の方法。
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図３】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図４（Ｃ）】
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【図４（Ｄ）】
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【図４（Ｅ）】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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