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JP3335901B2 - Optical system - Google Patents
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JP3335901B2 - Optical system - Google Patents

Optical system

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JP3335901B2
JP3335901B2 JP07771498A JP7771498A JP3335901B2 JP 3335901 B2 JP3335901 B2 JP 3335901B2 JP 07771498 A JP07771498 A JP 07771498A JP 7771498 A JP7771498 A JP 7771498A JP 3335901 B2 JP3335901 B2 JP 3335901B2
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atmospheric pressure
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focal length
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、光学系一般に関
するもので、特に広い大気圧条件で使用できる光学シス
テム(光学系)に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical system in general, and more particularly to an optical system (optical system) that can be used under a wide range of atmospheric pressure conditions.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、高い結像性能を要求する光学
系、例えば、写真レンズなどでは収差補正のために複数
枚のレンズを用いる。光学系を構成する単レンズの屈折
力(焦点距離の逆数)φは次の式1で表される。
2. Description of the Related Art In general, a plurality of lenses are used for aberration correction in an optical system requiring high imaging performance, such as a photographic lens. The refractive power (reciprocal of the focal length) φ of the single lens constituting the optical system is expressed by the following equation 1.

【0003】 φ=(n−na)(1/r1−1/r2) ・・・式1[0003] φ = (n-n a) (1 / r 1 -1 / r 2) ··· Formula 1

【0004】ここで、「n」はレンズ材料の屈折率、
「na」は大気の屈折率、「r1」はレンズの一方の屈折
面の曲率半径、「r2」はレンズのもう一方の屈折面の
曲率半径である。
Here, “n” is the refractive index of the lens material,
"N a" is the refractive index of the atmosphere, "r 1" is the radius of curvature of one refracting surface of the lens, "r 2" is the radius of curvature of the other refractive surface of the lens.

【0005】大気の屈折率naは大気圧Pに依存して変
化するので、次の式2のように書ける。
Since the refractive index n a of the atmosphere changes depending on the atmospheric pressure P, it can be written as the following equation (2).

【0006】 na=na(P) ・・・式2N a = n a (P) Equation 2

【0007】従って、単レンズの屈折力φは、次の式3
のように、大気圧依存性をもつ。
Accordingly, the refractive power φ of a single lens is given by the following equation (3).
Has atmospheric pressure dependence.

【0008】 φ=φ(P)=(n−na(P))(1/r1−1/r2) ・・・式3[0008] φ = φ (P) = ( n-n a (P)) (1 / r 1 -1 / r 2) ··· Formula 3

【0009】次に、屈折力φ1(P)、φ2(P)をもつ
2枚の薄肉単レンズからなる2枚組レンズを考える。図
7は、従来の2枚のレンズを組み合わせた光学システム
の構成を示す図である。
Next, consider a two-element lens composed of two thin single lenses having refractive powers φ 1 (P) and φ 2 (P). FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional optical system in which two lenses are combined.

【0010】図7において、14は屈折力φ1(P)を
もつ単レンズ、15は屈折力φ2(P)をもつ単レン
ズ、3は焦点位置におかれた検出器、4は単レンズ1
4、単レンズ15、及び検出器3を固定する鏡筒であ
る。
In FIG. 7, 14 is a single lens having a refractive power of φ 1 (P), 15 is a single lens having a refractive power of 2 (P), 3 is a detector located at the focal position, and 4 is a single lens. 1
4, a lens barrel for fixing the single lens 15 and the detector 3.

【0011】このレンズの合成屈折力φnet(P)は、
次の式4で表される。 φnet(P)=φ1(P)+φ2(P)−dφ1(P)φ2(P) ・・・式4
The combined refractive power φ net (P) of this lens is
It is expressed by the following equation 4. φ net (P) = φ 1 (P) + φ 2 (P) −dφ 1 (P) φ 2 (P) Equation 4

【0012】従って、2枚組レンズにおいても、構成す
る単レンズの屈折力が大気圧Pに依存して変化すること
により、屈折力が変化する。3枚組以上についても、式
4を使って2枚のレンズの屈折力を計算することを繰り
返すことによって合成屈折力を計算することができる。
Therefore, also in the doublet lens, the refractive power of the constituent single lens changes depending on the atmospheric pressure P, so that the refractive power changes. Even for a set of three or more lenses, the combined refractive power can be calculated by repeating the calculation of the refractive power of the two lenses using Equation 4.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述したような複数の
レンズを組み合わせて使用する従来の光学系において
は、大気圧の変化によって、屈折力が変化するに伴い、
焦点距離及びバックフォーカスが変化するという問題点
があった。
In a conventional optical system using a combination of a plurality of lenses as described above, a change in atmospheric pressure causes a change in refractive power.
There is a problem that the focal length and the back focus change.

【0014】従って、常圧から極低圧まで大気圧が変化
する環境で使用するセンサーの光学系等では、大気圧に
合わせて設計した、複数の光学系を備えたセンサーを使
用する必要があり、コストが大きく、スペース効率が悪
いという問題点があった。
Therefore, in an optical system of a sensor used in an environment where the atmospheric pressure changes from normal pressure to extremely low pressure, it is necessary to use a sensor having a plurality of optical systems designed according to the atmospheric pressure. There was a problem that cost was large and space efficiency was poor.

【0015】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、大気圧変化に伴う焦点距離及びバ
ックフォーカス変化を抑制し、高い結像性能を得ること
ができる光学システムを得ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an optical system capable of suppressing changes in focal length and back focus caused by changes in atmospheric pressure and obtaining high imaging performance. With the goal.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】この発明に係る光学シス
テムは、大気圧をP、レンズまたはレンズ群の屈折力を
φとし、前記レンズまたはレンズ群の大気圧分散率β
を、β=(dφ/dP)/φと定義するとき、焦点距離
1を持ち、大気圧分散率がβ1である第1のレンズまた
はレンズ群と、焦点距離f2を持ち、大気圧分散率がβ2
であり、前記第1のレンズまたはレンズ群の像空間に距
離dを隔てて配置した第2のレンズまたはレンズ群とを
備え、焦点距離f1、大気圧分散率β1、焦点距離f2
及び大気圧分散率β2の間に、f1・β1(1/(d−
12)+β2(1/f2)≒0の関係をもつようにした
ものである。
In the optical system according to the present invention, the atmospheric pressure is P, the refractive power of a lens or a lens group is φ, and the atmospheric pressure dispersion β of the lens or the lens group is β.
Is defined as β = (dφ / dP) / φ, a first lens or lens group having a focal length f 1 and an atmospheric pressure dispersion ratio β 1 and a focal length f 2 and an atmospheric pressure Dispersion rate β 2
And a second lens or lens group arranged at a distance d in the image space of the first lens or lens group, and a focal length f 1 , an atmospheric pressure dispersion ratio β 1 , a focal length f 2 ,
And between the atmospheric dispersion rate β 2, f 1 · β 1 (1 / (d-
f 1 ) 2 ) + β 2 (1 / f 2 ) ≒ 0.

【0017】また、この発明に係る光学システムは、前
記第1のレンズまたはレンズ群が、正の焦点距離f1
持ち、前記第2のレンズまたはレンズ群が、負の焦点距
離f2を持つものである。
Further, the optical system according to the present invention, the first lens or lens group has a positive focal length f 1, the second lens or lens group, having a negative focal length f 2 Things.

【0018】さらに、この発明に係る光学システムは、
前記第1のレンズまたはレンズ群及び前記第2のレンズ
またはレンズ群のうち最低一つの屈折面に回折面を設け
たものである。
Further, the optical system according to the present invention comprises:
At least one of the first lens or lens group and the second lens or lens group is provided with a diffractive surface.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】実施の形態1.この発明の実施の
形態1に係る光学システムについて図面を参照しながら
説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係る光学
システムの構成を示す図である。なお、各図中、同一符
号は同一又は相当部分を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 An optical system according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 1 of the present invention. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

【0020】図1において1及び2はレンズ、3はレン
ズ1及び2による結像を検出する検出器、4はレンズ
1、2、及び検出器3を固定する鏡筒である。
In FIG. 1, 1 and 2 are lenses, 3 is a detector for detecting an image formed by the lenses 1 and 2, and 4 is a lens barrel for fixing the lenses 1, 2 and the detector 3.

【0021】この光学系は、レンズ1及びレンズ2の材
料、並びに焦点距離を適当に選択することにより、大気
中と真空中での、合成焦点距離変化を補償するものであ
る。
This optical system compensates for a change in the combined focal length between the atmosphere and the vacuum by appropriately selecting the materials of the lenses 1 and 2 and the focal length.

【0022】以下、大気圧補償の原理について述べる。
レンズ1に対する近軸結像式は次の式5で表される。
Hereinafter, the principle of atmospheric pressure compensation will be described.
The paraxial imaging formula for the lens 1 is expressed by the following formula 5.

【0023】 1/s1’=1/s1+1/f1 ・・・式51 / s 1 ′ = 1 / s 1 + 1 / f 1 Equation 5

【0024】ここで、「s1」はレンズ1の物点のレン
ズ1主点からの距離、「s1’」はレンズ1の像点のレ
ンズ1主点からの距離、「f1」はレンズ1の焦点距離
である。なお、符号は図1において左側を正、右側を負
と考える。
Here, "s 1 " is the distance of the object point of the lens 1 from the principal point of the lens 1, "s 1 '" is the distance of the image point of the lens 1 from the principal point of the lens 1, and "f 1 " is This is the focal length of the lens 1. In FIG. 1, it is assumed that the left side is positive and the right side is negative in FIG.

【0025】また、レンズ2の物点のレンズ2主点から
の距離s2は、s1’によって次の式6のように表され
る。
The distance s 2 of the object point of the lens 2 from the principal point of the lens 2 is expressed by the following equation 6 by s 1 ′.

【0026】 s2=s1’−d ・・・式6S 2 = s 1 ′ −d Equation 6

【0027】ここで、「d」はレンズ1主点とレンズ2
主点との間隔である。s1=∞とすると上記の式5より
1’=f1であるから、式6は次の式7のようになる。
Where "d" is the principal point of lens 1 and lens 2
This is the distance from the principal point. If s 1 = ∞, then s 1 ′ = f 1 from equation 5 above, so equation 6 becomes equation 7 below.

【0028】 s2=f1−d ・・・式7S 2 = f 1 −d Equation 7

【0029】これを大気圧Pで微分すると、次の式8と
なる。
When this is differentiated with respect to the atmospheric pressure P, the following equation 8 is obtained.

【0030】 ds2/dP=df1/dP=f1・β1 ・・・式8Ds 2 / dP = df 1 / dP = f 1 · β 1 Equation 8

【0031】ここで、「β1」は大気圧変化に対するレ
ンズ1の屈折力変化を(n−na)で規格化したレンズ
材料固有のパラメータである。以下、β1と同様に定義
したレンズ固有値を大気圧分散率と呼ぶ。大気圧分散率
β1は、次の式9で定義する。
Here, “β 1 ” is a parameter unique to the lens material in which the change in the refractive power of the lens 1 with respect to the change in the atmospheric pressure is standardized by (n−n a ). Hereinafter, the lens eigenvalues similarly defined as beta 1 is referred to as atmospheric pressure dispersion rate. The atmospheric pressure dispersion ratio β 1 is defined by the following equation (9).

【0032】 β1=(dna/dP)/(n−na) ・・・式9Β 1 = (dn a / dP) / (n−n a ) Equation 9

【0033】次に、レンズ2に関しての結像公式は以下
の式10のように示される。
Next, the imaging formula for the lens 2 is expressed by the following equation (10).

【0034】 1/s2’=1/s2+1/f2 ・・・式101 / s 2 ′ = 1 / s 2 + 1 / f 2 Equation 10

【0035】上記の式10の両辺を大気圧Pで微分する
と、次の式11となる。
The following equation 11 is obtained by differentiating both sides of the above equation 10 with the atmospheric pressure P.

【0036】 −(ds2’/dP)・(1/s22) =−(ds2/dP)・(1/s2 2)−(df2/dP)・(1/f2 2) (ds2’/dP)=s22{f1・β1(1/s2 2)+f2・β2(1/f2 2)} =s22{f1・β1(1/(d−f1)2)+β2(1/f2)} ・・・式11− (Ds 2 ′ / dP) · (1 / s 22 ) = − (ds 2 / dP) · (1 / s 2 2 ) − (df 2 / dP) · (1 / f 2 2 ) (ds 2 '/ dP) = s 2 ' 2 {f 1 · β 1 (1 / s 2 2 ) + f 2 · β 2 (1 / f 2 2 )} = s 2 ' 2 {f 1 · β 1 (1 / (d−f 1 ) 2 ) + β 2 (1 / f 2 )} Equation 11

【0037】従って、大気圧変化によるバックフォーカ
ス変化を0とする条件は、式11の右辺が0となればよ
いから、次の式12のように表せる。
Therefore, the condition for setting the back focus change due to the atmospheric pressure change to 0 can be expressed by the following equation 12, since the right side of equation 11 only needs to be 0.

【0038】 f1・β1(1/(d−f1)2)+β2(1/f2)≒0 ・・・式12F 1 · β 1 (1 / (d−f 1 ) 2 ) + β 2 (1 / f 2 ) ≒ 0 Equation 12

【0039】一方、レンズ1とレンズ2との合成焦点距
離fnetは、次の式13で表される。
On the other hand, the composite focal length f net of the lens 1 and the lens 2 is expressed by the following equation (13).

【0040】 fnet=1/(φ1+φ2−dφ1φ2) ・・・式13F net = 1 / (φ 1 + φ 2 −dφ 1 φ 2 ) Expression 13

【0041】ここで、「φ1」及び「φ2」は、レンズ1
及びレンズ2の屈折力であり、次の式14で表せる。
Here, “φ 1 ” and “φ 2 ” correspond to the lens 1
And the refractive power of the lens 2 and can be expressed by the following equation (14).

【0042】 φ1=1/f1 φ2=1/f2 ・・・式14Φ 1 = 1 / f 1 φ 2 = 1 / f 2 Equation 14

【0043】以上より、大気圧変化によるバックフォー
カス変化0の条件式12と、合成焦点距離条件式13と
を満足するように、レンズ1の焦点距離「f1」、レン
ズ2の焦点距離「f2」、レンズ1主点とレンズ2主点
との間隔「d」、レンズ1の大気圧分散率「β1」及び
レンズ2の大気圧分散率「β2」を選択することで、可
動部無しで真空大気兼用の光学系を得ることができる。
As described above, the focal length “f 1 ” of the lens 1 and the focal length “f” of the lens 2 are set so as to satisfy the conditional expression 12 for the back focus change 0 due to the atmospheric pressure change and the synthetic focal length conditional expression 13. 2 ”, the distance“ d ”between the principal point of the lens 1 and the principal point of the lens 2, the dispersion ratio of the atmospheric pressure of the lens 1“ β 1 ”, and the dispersion ratio of the atmospheric pressure of the lens 2“ β 2 ”. Without this, an optical system that can be used for both vacuum and atmosphere can be obtained.

【0044】例えば、d=0のダブレットの場合は、以
下のように設計する。このとき、式12及び式13は、
それぞれ、次の式15及び式16となる。
For example, in the case of a doublet with d = 0, the design is made as follows. At this time, Equations 12 and 13 are
Equations 15 and 16 below are given respectively.

【0045】 β1φ1+β2φ2=0 ・・・式15Β 1 φ 1 + β 2 φ 2 = 0 Equation 15

【0046】 fnet=1/(φ1+φ2) ・・・式16F net = 1 / (φ 1 + φ 2 ) Equation 16

【0047】従って、式15及び式16より、レンズ1
及びレンズ2の屈折力「φ1」及び「φ2」を、次の式1
7及び式18となるように設計すればよい。
Therefore, according to equations (15) and (16), lens 1
And the refractive powers “φ 1 ” and “φ 2 ” of the lens 2 are calculated by the following equation 1.
What is necessary is just to design so that it may become 7 and Formula 18.

【0048】 φ1={1/(1−β1/β2)}・(1/fnet) ・・・式17Φ 1 = {1 / (1−β 1 / β 2 )} · (1 / f net ) Equation 17

【0049】 φ2={1/(1−β2/β1)}・(1/fnet) ・・・式18Φ 2 = {1 / (1-β 2 / β 1 )} · (1 / f net ) Equation 18

【0050】なお、この実施の形態1においては2枚組
光学系について述べたが、3枚以上の光学系の場合で
も、同様にバックフォーカスの大気圧補償することがで
きることは言うまでもない。
In the first embodiment, a two-element optical system has been described. However, it is needless to say that the atmospheric pressure of the back focus can be similarly compensated in the case of three or more optical systems.

【0051】実施の形態2.この発明の実施の形態2に
係る光学システムについて図面を参照しながら説明す
る。図2は、この発明の実施の形態2に係る光学システ
ムの構成を示す図である。
Embodiment 2 An optical system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 2 of the present invention.

【0052】上記の実施の形態1において、式12また
は式13を実現する屈折力配置については、レンズ1に
正の屈折力を持たせ、レンズ2に負の屈折力を持たせる
ことで実現できる。図2において、図1と同じ記号は同
一または同等部分を示す。
In the first embodiment, the refractive power arrangement for realizing Expression 12 or Expression 13 can be realized by making the lens 1 have a positive refractive power and the lens 2 having a negative refractive power. . 2, the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same or equivalent parts.

【0053】図2において、5は正の屈折力を持つレン
ズ、6は負の屈折力を持つレンズである。
In FIG. 2, reference numeral 5 denotes a lens having a positive refractive power, and reference numeral 6 denotes a lens having a negative refractive power.

【0054】大気圧分散率βは、真空、大気の2点で線
形近似すると、次の式19で表すことができる。
The atmospheric pressure dispersion ratio β can be expressed by the following equation 19 by linear approximation at two points of vacuum and atmosphere.

【0055】 β={△na/(n−na)}/△P ・・・式19Β = {n a / (n−n a )} / △ P Expression 19

【0056】ここで、「△P」は常圧と真空とでの大気
圧変化、「△na」は真空と常圧大気の屈折率差であり
次の値である。
Here, “ΔP” is the change in atmospheric pressure between normal pressure and vacuum, and “Δn a ” is the difference in refractive index between vacuum and normal pressure, which is the following value.

【0057】△na=1.000272−1.0000
00=2.72×10-4
Δn a = 1.000272 to 1.0000
00 = 2.72 × 10 −4

【0058】△P、na及び△naは材料に依存しない定
数であるから、大気圧分散率βは材料の屈折率nだけに
依存して決定される。
Since ΔP, n a and Δn a are constants independent of the material, the atmospheric pressure dispersion β is determined only by the refractive index n of the material.

【0059】ここで、レンズ材料を一般的なガラスに限
定して考えると、屈折率nの選択範囲は、「1.44〜
1.91」程度である。また、naは常圧(760mm
Hg)において、1.000272、真空において、
1.000000であるから、△naは、1.0002
72−1.000000=2.72×10-4である。
Here, assuming that the lens material is limited to general glass, the selection range of the refractive index n is “1.44 to 1.44”.
About 1.91 ". In addition, n a normal pressure (760mm
Hg), 1.000272, in vacuum,
Since it is 1.000000, Δn a is 1.0002
72-1.000000 = 2.72 × 10 −4 .

【0060】以上より、一般的なガラス材料の大気圧分
散率βは、式19より、次の範囲にある。 3.0×10-4/△P 〜 6.2×10-4/△P
From the above, the atmospheric pressure dispersion ratio β of a general glass material is in the following range according to Expression 19. 3.0 × 10 −4 / ΔP to 6.2 × 10 −4 / ΔP

【0061】以上より、上記の式12において、β1
びβ2の符号は正であるから、式12を実現するために
は、f1を正、f2を負とすればよい。
As described above, since the signs of β 1 and β 2 are positive in the above equation 12, in order to realize the equation 12, it is sufficient to set f 1 to be positive and f 2 to be negative.

【0062】実施の形態3.この発明の実施の形態3に
係る光学システムについて図面を参照しながら説明す
る。図3は、この発明の実施の形態3に係る光学システ
ムの構成を示す図である。
Embodiment 3 An optical system according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 3 of the present invention.

【0063】例えば、上記の式12において、大気圧分
散率β1及びβ2を、レンズ材料を一般的なガラスに限定
したとき、レンズ7の屈折力φ1は式17より、合成屈
折力1/fnetに2.1〜∞(無限大)を乗じた範囲に
限定され、また、φ1を決定することで、レンズ2の屈
折力φ2も決定されてしまう。
For example, in the above equation (12), when the atmospheric pressure dispersion ratios β 1 and β 2 are limited to a general glass material, the refractive power φ 1 of the lens 7 is expressed by the following equation (17). / F net is limited to a range obtained by multiplying 2.1 to ∞ (infinity). Further, by determining φ 1 , the refractive power φ 2 of the lens 2 is also determined.

【0064】また、式19より、大気圧分散率βは屈折
率nにより一意に決定されてしまうため、色消し設計に
おけるアッベ数のように、屈折率と独立に決定できな
い。以上のべたことは単色収差補正において、設計の自
由度の制約となる。
From equation (19), since the atmospheric pressure dispersion ratio β is uniquely determined by the refractive index n, it cannot be determined independently of the refractive index like the Abbe number in the achromatic design. What has been described above restricts the degree of freedom in design in the monochromatic aberration correction.

【0065】この実施の形態3は、上記実施の形態2の
欠点を改良するものである。
The third embodiment improves the disadvantage of the second embodiment.

【0066】図3において、7は屈折面に回折光学系を
形成することで、屈折現象による屈折力と回折現象によ
る屈折力の合成屈折力をもつ回折・屈折ハイブリッドレ
ンズである。
In FIG. 3, reference numeral 7 denotes a diffraction / refraction hybrid lens having a diffraction optical system formed on a refraction surface and having a combined refraction power of refraction power by refraction and refraction power by diffraction phenomenon.

【0067】以下、回折・屈折ハイブリッドレンズ7の
屈折力について説明する。回折・屈折ハイブリッドレン
ズ7の屈折力φdrは以下の式20のように表される。
Hereinafter, the refractive power of the diffraction / refraction hybrid lens 7 will be described. The refracting power φ dr of the diffraction / refraction hybrid lens 7 is expressed by the following equation (20).

【0068】 φdr=φr+φd ・・・式20Φ dr = φ r + φ d Equation 20

【0069】ここで、「φr」は屈折レンズの屈折力、
「φd」は回折レンズの屈折力である。
Here, “φ r ” is the refractive power of the refractive lens,
“Φ d ” is the refractive power of the diffractive lens.

【0070】回折現象を原理とする回折レンズの屈折力
は、レンズ材料及び大気の屈折率と無関係である。従っ
て、回折・屈折ハイブリッドレンズ7の大気圧分散率
は、同じ材料、屈折力のレンズであれば、屈折レンズと
比較して小さくすることができる。
The refractive power of a diffraction lens based on the diffraction phenomenon is independent of the refractive index of the lens material and the atmosphere. Therefore, the atmospheric pressure dispersion ratio of the diffraction / refraction hybrid lens 7 can be made smaller than that of a refraction lens if the lens has the same material and the same refractive power.

【0071】以下、回折素子で屈折力が発生する原理に
ついて説明する。図4は、有限開口に入射した平面波が
回折する様子を示す説明図である。
Hereinafter, the principle of the generation of refractive power by the diffraction element will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing how a plane wave incident on a finite aperture is diffracted.

【0072】図4において、8は入射する平面波、9は
直径Dの開口をもつ遮蔽板、10は平面波8の進行する
方向、11は1次回折光が進行する方向である。
In FIG. 4, reference numeral 8 denotes an incident plane wave, 9 denotes a shielding plate having an opening having a diameter D, 10 denotes a direction in which the plane wave 8 travels, and 11 denotes a direction in which the first-order diffracted light travels.

【0073】遮蔽板9の開口に入射した平面波8は、開
口の端で回折し、進行方向が変化する。回折した光であ
る回折光は、0次、1次、2次〜n次の回折光の重ね合
わせで表すことができるが、そのうち1次回折光の進行
方向11は平面波8の入射方向10に対して次の式21
で表すθだけ変化する。
The plane wave 8 entering the opening of the shielding plate 9 is diffracted at the end of the opening, and the traveling direction changes. The diffracted light, which is the diffracted light, can be represented by the superposition of the 0th, 1st, 2nd to nth order diffracted light, and the traveling direction 11 of the 1st order diffracted light is different from the incident direction 10 of the plane wave 8. Equation 21
Changes by θ represented by.

【0074】 θ=λ/πD ・・・式21Θ = λ / πD Expression 21

【0075】以下、この1次回折光の平面波の入射方向
に対する進行方向の変化θを回折角という。式21よ
り、開口の直径Dの大きさによって、回折角θが変化す
る。
Hereinafter, the change θ of the traveling direction of the first-order diffracted light with respect to the incident direction of the plane wave is referred to as a diffraction angle. According to Equation 21, the diffraction angle θ changes depending on the size of the diameter D of the opening.

【0076】以上述べた回折角θを利用して、レンズ効
果を持つ回折素子を構成することができる。図5は、レ
ンズ効果を持つ回折素子の原理を説明する説明図であ
る。この図において図4と同じ記号は、同一または相当
部分を示し、説明を省略する。
By utilizing the diffraction angle θ described above, a diffraction element having a lens effect can be constructed. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the principle of a diffraction element having a lens effect. In this figure, the same symbols as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding parts, and a description thereof will be omitted.

【0077】図5において、12は多数の円環状の開口
を同心円状に配置し、外周の円環ほど円環の幅が細くな
るように構成した遮蔽板である。
In FIG. 5, reference numeral 12 denotes a shielding plate in which a large number of annular openings are arranged concentrically, and the width of the annular ring becomes narrower toward the outer ring.

【0078】上記の式21より外周の開口による1次回
折光ほど回折角θが大きくなる。開口の幅を適切に選択
すれば、各円環状の開口で回折した光を一点に収束する
ことができる。すなわち、レンズ効果をもたせることが
できる。この回折素子の焦点距離をfとすると、内径の
半径がrである円環状の開口の幅D(r)は次の式22
で表される。
From the above equation (21), the diffraction angle θ increases as the order of the first-order diffracted light from the outer peripheral aperture increases. By appropriately selecting the width of the opening, the light diffracted by each annular opening can be converged at one point. That is, a lens effect can be provided. Assuming that the focal length of this diffraction element is f, the width D (r) of an annular opening having an inner diameter radius of r is given by the following equation (22).
It is represented by

【0079】 D(r)=λ/(πtan-1(r/f)) ・・・式22D (r) = λ / (πtan −1 (r / f)) Expression 22

【0080】容易にわかるように、この回折素子に入射
した光が全て1点に集光されるわけでなく、円環状の開
口で内縁に回折した1次回折光以外の光、回折しない光
(0次回折光)、開口で外側に回折する光、及び遮蔽板
12で吸収または反射される光が存在するので効率が悪
い。
As can be easily understood, not all the light incident on the diffraction element is condensed at one point, and light other than the first-order diffracted light diffracted toward the inner edge by the annular opening and light that is not diffracted (0 (Diffraction light next), light diffracted outward at the aperture, and light absorbed or reflected by the shielding plate 12 are inefficient.

【0081】硝材の表面に同心円環状の刻み(グレーテ
ィング)を施した図6に示すような回折素子を使用する
と、ほぼ100%の効率が得られる。図6は、グレーテ
ィングを使った回折素子の原理を示す説明図である。図
6において、図5と同じ記号は同一または相当部分を示
し、その説明を省略する。
When a diffraction element as shown in FIG. 6 in which concentric annular grooves (gratings) are formed on the surface of a glass material is used, almost 100% efficiency can be obtained. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of a diffraction element using a grating. 6, the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same or corresponding parts, and a description thereof will be omitted.

【0082】図6において、13は透明平板の表面に同
心円状のグレーティングを刻んだブレーズドグレーティ
ングレンズである。
In FIG. 6, reference numeral 13 denotes a blazed grating lens in which a concentric grating is formed on the surface of a transparent flat plate.

【0083】中心からm番目のグレーティングの立ち上
がり部分の半径rmは、次の式23で表される。
[0083] radius r m of the rising portion of the m-th grating from the center is expressed by the following equation 23.

【0084】 rm=√(m2λ2+2mfλ) ・・・式23R m = √ (m 2 λ 2 +2 mfλ) Expression 23

【0085】ここで、「λ」は波長、「1/f=φ」は
屈折力である。
Here, “λ” is a wavelength, and “1 / f = φ” is a refractive power.

【0086】また、グレーティングの深さLは、入射光
の位相差Lλに相当する次の式24で表される。
The depth L of the grating is represented by the following equation 24, which corresponds to the phase difference Lλ of the incident light.

【0087】 L=λ/(n−1) ・・・式24L = λ / (n−1) Expression 24

【0088】ここで、「n」は硝材の屈折率である。Here, “n” is the refractive index of the glass material.

【0089】上記の式23からわかるように、焦点距離
fは、波長λと、円環の半径rmとから決定され、屈折
率nに依存しない。従って、回折レンズの大気圧分散率
βは、0であることがわかる。
[0089] As can be seen from the above equation 23, the focal length f, is determined from the wavelength lambda, the radius r m of the ring, does not depend on the refractive index n. Therefore, it is understood that the atmospheric pressure dispersion ratio β of the diffraction lens is 0.

【0090】回折・屈折ハイブリッドレンズ7の屈折力
の大気圧による分散は、式20から次の式25で表され
る。
The dispersion of the refractive power of the diffraction / refraction hybrid lens 7 due to the atmospheric pressure is expressed by the following expression 25 from expression 20.

【0091】 dφdr/dP=dφr/dP+dφd/dP=dφr/dP=−φr・βr ・・・式25dr / dP = dφ r / dP + dφ d / dP = dφ r / dP = −φ r · β r Equation 25

【0092】ここで、「βr」は回折・屈折ハイブリッ
ドレンズ7の屈折レンズによる大気圧分散率である。
Here, “β r ” is the atmospheric pressure dispersion ratio by the refractive lens of the diffraction / refraction hybrid lens 7.

【0093】上記の式20より、次の式26が導ける。From the above equation 20, the following equation 26 can be derived.

【0094】 φr=φdr−φd ・・・式26Φ r = φ dr −φ d Equation 26

【0095】従って、上記の式25は、次の式27のよ
うになる。
Therefore, the above equation (25) becomes the following equation (27).

【0096】 dφdr/dP=−(φdr−φd)・βr ・・・式27dr / dP = − (φ dr −φ d ) · β r Expression 27

【0097】「φd」を任意値とすることで、回折・屈
折ハイブリッドレンズ7の大気圧分散を任意とすること
ができる。
By setting “φ d ” to an arbitrary value, the atmospheric pressure dispersion of the diffraction / refraction hybrid lens 7 can be made arbitrary.

【0098】[0098]

【発明の効果】この発明に係る光学システムは、以上説
明したとおり、大気圧をP、レンズまたはレンズ群の屈
折力をφとし、前記レンズまたはレンズ群の大気圧分散
率βを、β=(dφ/dP)/φと定義するとき、焦点
距離f1を持ち、大気圧分散率がβ1である第1のレンズ
またはレンズ群と、焦点距離f2を持ち、大気圧分散率
がβ2であり、前記第1のレンズまたはレンズ群の像空
間に距離dを隔てて配置した第2のレンズまたはレンズ
群とを備え、焦点距離f1、大気圧分散率β1、焦点距離
2、及び大気圧分散率β2の間に、f1・β1(1/(d
−f12)+β2(1/f2)≒0の関係をもつようにし
たので、大気中と真空中との大気圧変化による結像性能
の劣化が従来の光学系と比較して小さく、大気圧の環境
条件が大きく変化する装置においても使用することがで
きるという効果を奏する。
As described above, in the optical system according to the present invention, the atmospheric pressure is P, the refractive power of the lens or lens group is φ, and the atmospheric pressure dispersion β of the lens or lens group is β = ( When defined as dφ / dP) / φ, a first lens or lens group having a focal length f 1 and an atmospheric pressure dispersion ratio β 1 , a first lens or lens group having a focal length f 2 and an atmospheric pressure dispersion ratio β 2 And a second lens or lens group arranged at a distance d in the image space of the first lens or lens group, and a focal length f 1 , an atmospheric pressure dispersion ratio β 1 , a focal length f 2 , and between the atmospheric dispersion rate β 2, f 1 · β 1 (1 / (d
−f 1 ) 2 ) + β 2 (1 / f 2 ) ≒ 0, so that the deterioration of the imaging performance due to the change in the atmospheric pressure between the atmosphere and the vacuum is smaller than that of the conventional optical system. The present invention has an effect that it can be used in a device which is small and in which environmental conditions of atmospheric pressure greatly change.

【0099】また、この発明に係る光学システムは、以
上説明したとおり、前記第1のレンズまたはレンズ群
が、正の焦点距離f1を持ち、前記第2のレンズまたは
レンズ群が、負の焦点距離f2を持つので、大気圧の環
境条件が大きく変化する装置においても使用することが
できるという効果を奏する。
As described above, in the optical system according to the present invention, the first lens or lens group has a positive focal length f 1 , and the second lens or lens group has a negative focal length. since with distance f 2, an effect that may be used in an apparatus environmental conditions atmospheric pressure is greatly changed.

【0100】さらに、この発明に係る光学システムは、
以上説明したとおり、前記第1のレンズまたはレンズ群
及び前記第2のレンズまたはレンズ群のうち最低一つの
屈折面に回折面を設けたので、大気中と真空中との大気
圧変化による結像性能の劣化が従来の光学系と比較して
小さく、かつ、該レンズの大気圧分散率を任意値とする
ことができるため、レンズ材料の屈折率と独立に大気圧
分散率を任意値とすることができ、単色収差補正設計が
容易となるという効果を奏する。
Further, the optical system according to the present invention provides:
As described above, since at least one of the first lens or lens group and the second lens or lens group is provided with a diffractive surface, an image is formed by a change in atmospheric pressure between the atmosphere and the vacuum. Since the deterioration in performance is smaller than that of the conventional optical system and the atmospheric pressure dispersion of the lens can be set to an arbitrary value, the atmospheric pressure dispersion is set to an arbitrary value independently of the refractive index of the lens material. Therefore, there is an effect that the monochromatic aberration correction design becomes easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の実施の形態1に係る光学システム
の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】 この発明の実施の形態2に係る光学システム
の構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 2 of the present invention.

【図3】 この発明の実施の形態3に係る光学システム
の構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical system according to Embodiment 3 of the present invention.

【図4】 この発明の実施の形態3に係る光学システム
において、有限開口に入射した平面波が回折する様子を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating how a plane wave incident on a finite aperture is diffracted in the optical system according to Embodiment 3 of the present invention.

【図5】 この発明の実施の形態3に係る光学システム
において、レンズ効果を持つ回折素子の原理を説明する
ための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of a diffraction element having a lens effect in an optical system according to a third embodiment of the present invention.

【図6】 この発明の実施の形態3に係る光学システム
において、グレーティングを使った回折素子の原理を示
す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a principle of a diffraction element using a grating in the optical system according to Embodiment 3 of the present invention.

【図7】 従来の一般的な2枚組レンズの構成を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional general two-lens lens.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2 レンズ、3 検出器、4 鏡筒、5、6 レン
ズ、7 回折・屈折ハイブリッドレンズ。
1, 2 lenses, 3 detectors, 4 lens barrels, 5 and 6 lenses, 7 diffraction / refraction hybrid lenses.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−210049(JP,A) 特開 昭61−67036(JP,A) 特開 昭64−51621(JP,A) 特開 平7−183210(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 9/00 G02B 13/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-5-210049 (JP, A) JP-A-61-67036 (JP, A) JP-A-64-51621 (JP, A) JP-A-7-670 183210 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G02B 9/00 G02B 13/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 大気圧をP、レンズまたはレンズ群の屈
折力をφとし、前記レンズまたはレンズ群の大気圧分散
率βを、 β=(dφ/dP)/φ と定義するとき、 焦点距離f1を持ち、大気圧分散率がβ1である第1のレ
ンズまたはレンズ群と、 焦点距離f2を持ち、大気圧分散率がβ2であり、前記第
1のレンズまたはレンズ群の像空間に距離dを隔てて配
置した第2のレンズまたはレンズ群とを備え、 焦点距離f1、大気圧分散率β1、焦点距離f2、及び大
気圧分散率β2の間に、 f1・β1(1/(d−f12)+β2(1/f2)≒0 の関係をもつようにしたことを特徴とする光学システ
ム。
When the atmospheric pressure is defined as P, the refractive power of a lens or a lens group is defined as φ, and the atmospheric pressure dispersion ratio β of the lens or the lens group is defined as β = (dφ / dP) / φ, a first lens or lens group having f 1 and an atmospheric pressure dispersion ratio β 1 , and an image of the first lens or lens group having a focal length f 2 and an atmospheric pressure dispersion ratio β 2. and a second lens or lens group which is arranged at a distance d to the space, the focal length f 1, atmospheric dispersion rate beta 1, during the focal length f 2, and atmospheric pressure dispersion rate beta 2, f 1 An optical system characterized by having a relationship of β 1 (1 / (d−f 1 ) 2 ) + β 2 (1 / f 2 ) ≒ 0.
【請求項2】 前記第1のレンズまたはレンズ群は、正
の焦点距離f1を持ち、 前記第2のレンズまたはレンズ群は、負の焦点距離f2
を持つことを特徴とする請求項1記載の光学システム。
Wherein said first lens or lens group has a positive focal length f 1, the second lens or lens group, a negative focal length f 2
The optical system according to claim 1, further comprising:
【請求項3】 前記第1のレンズまたはレンズ群及び前
記第2のレンズまたはレンズ群のうち最低一つの屈折面
に回折面を設けることを特徴とする請求項1又は2記載
の光学システム。
3. The optical system according to claim 1, wherein a diffractive surface is provided on at least one refracting surface of the first lens or lens group and the second lens or lens group.
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