JPH0237563B2 - BISHOHATSUKOTAIKARANOHIKARIOKORIMEETOSURUKOKAKURENZU - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は、微小発光体からの光をコリメート
する広角レンズに関する。 近来、半導体レーザーや、発光ダイオードな
ど、発光面積が微小で、単色光を発する微小発光
体が実用化され、これらがプリンター等各種光学
装置の光源として利用されるようになつた。 しかるに、このような微小発光体からの光をコ
リメートする専用レンズは少なく、従来、顕微鏡
の対物レンズなどで代用していた。 しかし、上記対物レンズは一般には開口数が小
さく、またコストも高い。 本発明は、このような事情に鑑みて、開口数が
大きく、低コスト化の可能な、微小発光体からの
光をコリメートする広角レンズの提供を目的とす
る。 以下、本発明を説明する。 第１図は、本発明による広角レンズの構成を示
している。図の左側が物体側であり、符号Ｌは光
軸を示している。 本発明による広角レンズは、物体側から順次、
第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、第
４レンズ４を配して構成される。 本発明の特徴の第１は、これら第１乃至第４レ
ンズがすべて、正レンズであり、かつメニスカス
レンズであることである。第２の特徴は、すべて
のレンズ面が、その曲率中心を、そのレンズ面に
関して物体側に有すること、換言すれば、すべて
のレンズ面が、その凹の方向を物体側にむけてい
るという点にある。ともに、なるべく広い角度で
コリメートをするために選択されたものである。 ここで、第１図に示す如く、物体側からかぞえ
てｉ番目のレンズ面の曲率半径をr_i（ｉ＝１〜
８）、ｊ番目のレンズ面間距離をd_j（ｊ＝１〜７）
としよう。 この広角レンズを適用する光源としては、半導
体レーザーや発光ダイオード等、単色光もしくは
発光波長領域のせまいものを想定しているので、
収差の面では、第１図に右方からも平行光束を入
射させた場合の、焦点面上における球面収差のみ
を問題とすれば足りる。 そこで、r_i，d_jにつき、これらパラメーターが
球面収差にあたえる影響の軽重を考えてみると、
曲率半径r_iについては、r₅，r₆，r₇，r₈、レンズ面
間距については、d₁，d₂，d₃の影響が大きい。従
つて、球面収差を良好に補正するためには、これ
らr₅乃至r₈、d₁乃至d₃が、次の条件(i)を満足する
ように定められねばならない。 ただし、各数値は、レンズ系全体としての焦点
距離ｆを100に規格化した値である。 (i) 252≦r₅≦281 174≦r₆≦185 499≦r₇≦572 268≦r₈≦286 20.1≦d₁≦26.2 4.2≦d₂≦11.1 20.1≦d₃≦40.8 このうち、特にd₁に関する条件は焦点距離の決
定に大きく寄与しており、焦点距離を一定にする
役割も果している。 さらに、第３レンズ群３の曲率半径r₅，r₆と、
第４レンズ４の曲率半径r₇，r₈とは、ともに同じ
比重で球面収差と焦点距離の決定とに寄与してい
る。換言すれば、第３レンズ３、第４レンズ４の
パワーが一定であれば、球面収差と焦点距離とが
一定であることを意味する。 このことは、第３レンズ３の焦点距離f₃、第４
レンズ４の焦点距離f₄が、それぞれ次の条件(ii)お
よび(iii)を満足すべきことを意味する。 (ii) 5.98f≦f₃≦6.6f (iii) 6.73f≦f₄≦7.43f ただし、f₃，f₄は、これら第３レンズ３、第４
レンズ４に、それぞれ、第１図で右側のレンズ面
から平行光束を入射させた場合の焦点距離であ
る。 本発明のように、レンズ系を構成する４枚の正
メニスカスレンズの凹面を全て物体側に向けた構
成では収差変動量の大きいパラメーターは、r₅，
r₆，r₇，r₈，d₁，d₂，d₃である。N.A＝0.5以上で
球面収差20μm以内という高精度な性能を維持し、
焦点距離を一定に保つためにはこれらパラメータ
ーを厳しく管理する必要がある。 条件(i)に於けるr₅，r₆，r₇，r₈，d₂，d₃に関す
る範囲は球面収差を数％以下に抑えるための範囲
であり、これらの範囲を越えると球面収差が増大
して高精度でなくなつてしまう。 また条件(i)のd₁の範囲は焦点距離の変動を小さ
く抑えるための範囲であり、この範囲内にd₁を設
定することにより焦点距離変化を１％以下に抑え
ることができる。この範囲外では焦点距離変化が
大きく、微小発光体の位置調整が必要になる。 条件(ii)(iii)は条件(i)と共に球面収差の変動量を小
さく抑えるための条件である。条件(i)とともに条
件(ii)(iii)が満足されることにより球面収差の変動量
を数％以内に抑えることができる。条件(i)が満た
されも条件(ii)(iii)が満たされないと球面収差の変動
量が大きくなり高精度の品質を維持することが出
来ない。 以下、具体的な実施例をあげる。なお、各表中
のn₁，n₂，n₃，n₄は、それぞれ第１レンズ１、第
２レンズ２、第３レンズ３、第４レンズ４の屈折
率を示す。 実施例 １ The present invention relates to a wide-angle lens that collimates light from minute light emitters. 2. Description of the Related Art In recent years, small light emitters such as semiconductor lasers and light emitting diodes, which have a small light emitting area and emit monochromatic light, have been put into practical use, and these have come to be used as light sources for various optical devices such as printers. However, there are few lenses dedicated to collimating light from such microscopic light emitters, and conventionally, lenses such as microscope objective lenses have been used instead. However, the objective lens generally has a small numerical aperture and is also expensive. In view of these circumstances, the present invention aims to provide a wide-angle lens that has a large numerical aperture, can be manufactured at low cost, and that collimates light from a minute light emitter. The present invention will be explained below. FIG. 1 shows the configuration of a wide-angle lens according to the present invention. The left side of the figure is the object side, and the symbol L indicates the optical axis. The wide-angle lens according to the present invention sequentially includes:
It is configured by arranging a first lens 1, a second lens 2, a third lens 3, and a fourth lens 4. The first feature of the present invention is that the first to fourth lenses are all positive lenses and meniscus lenses. The second feature is that all lens surfaces have their centers of curvature on the object side with respect to the lens surface, in other words, all lens surfaces have their concavities facing toward the object side. It is in. Both were chosen to achieve collimation at as wide an angle as possible. Here, as shown in Fig. 1, the radius of curvature of the i-th lens surface counted from the object side is r _i (i=1~
8), the distance between the jth lens surfaces is d _j (j=1 to 7)
Let's say. The light source to which this wide-angle lens is applied is assumed to be monochromatic light or something with a narrow emission wavelength range, such as a semiconductor laser or a light emitting diode.
In terms of aberrations, it is sufficient to consider only the spherical aberration on the focal plane when a parallel beam of light is incident from the right side in FIG. Therefore, considering the weight of the influence that these parameters have on spherical aberration for r _i and d _j , we get the following:
The radius of curvature r _i is greatly influenced by r ₅ , r ₆ , r ₇ , r ₈ , and the distance between lens surfaces is greatly influenced by d ₁ , d ₂ , d ₃ . Therefore, in order to satisfactorily correct spherical aberration, these r ₅ to r ₈ and d ₁ to d ₃ must be determined so as to satisfy the following condition (i). However, each numerical value is a value normalized to 100 for the focal length f of the entire lens system. (i) 252≦r ₅ ≦281 174≦r ₆ ≦185 499≦r ₇ ≦572 268≦r ₈ ≦286 20.1≦d ₁ ≦26.2 4.2≦d ₂ ≦11.1 20.1≦d ₃ ≦4 0.8 Of these, especially d Conditions related to ₁ greatly contribute to determining the focal length and also play a role in keeping the focal length constant. Furthermore, the radii of curvature r ₅ and r ₆ of the third lens group 3,
The radii of curvature r ₇ and r ₈ of the fourth lens 4 both have the same specific gravity and contribute to the determination of spherical aberration and focal length. In other words, if the powers of the third lens 3 and the fourth lens 4 are constant, this means that the spherical aberration and focal length are constant. This means that the focal length f ₃ of the third lens 3,
This means that the focal length f ₄ of the lens 4 should satisfy the following conditions (ii) and (iii), respectively. (ii) 5.98f≦f ₃ ≦6.6f (iii) 6.73f≦f ₄ ≦7.43f However, f ₃ and f ₄ are
This is the focal length when a parallel beam of light is incident on the lens 4 from the right lens surface in FIG. 1, respectively. In a configuration in which the concave surfaces of the four positive meniscus lenses that make up the lens system are all directed toward the object side, as in the present invention, the parameters with large aberration fluctuations are r ₅ ,
r ₆ , r ₇ , r ₈ , d ₁ , d ₂ , d ₃ . Maintains high precision performance with NA=0.5 or more and spherical aberration within 20μm,
In order to keep the focal length constant, these parameters must be strictly controlled. The ranges for r ₅ , r ₆ , r ₇ , r ₈ , d ₂ , and d ₃ in condition (i) are ranges for suppressing spherical aberration to a few percent or less, and beyond these ranges, spherical aberration increases. This increases and the accuracy is lost. Further, the range of d ₁ in condition (i) is a range for suppressing changes in focal length, and by setting d ₁ within this range, changes in focal length can be suppressed to 1% or less. Outside this range, the focal length will change significantly and the position of the micro light emitter will need to be adjusted. Conditions (ii) and (iii), together with condition (i), are conditions for suppressing the amount of variation in spherical aberration to a small value. By satisfying conditions (ii) and (iii) as well as condition (i), the amount of variation in spherical aberration can be suppressed to within several percent. Even if condition (i) is satisfied, if conditions (ii) and (iii) are not satisfied, the amount of variation in spherical aberration increases and high precision quality cannot be maintained. Specific examples will be given below. Note that n ₁ , n ₂ , n ₃ , and n ₄ in each table indicate the refractive index of the first lens 1, the second lens 2, the third lens 3, and the fourth lens 4, respectively. Example 1

【表】 物体側から８番目のレンズ面、すなわち、第１
図で右方から平行光束を入射させた場合の焦点面
上の球面収差を第２図に示す。射出角の最大角は
40度であり、これは開口数にしてN.A.＝0.64にあ
たる。従来知られているものではN.A.は0.2〜0.4
程度であるから、この発明による広角レンズは従
来のものにくらべて十分に広角である。 第３図は、第６図に示す如く、上記実施例によ
る広角レンズの焦点面近傍の点Ｐに発光物体をお
いたとき、８番目のレンズ面から射出する角度を
示している。縦軸は入射角、横軸は射出角（単
位：秒）を示している。図中に示されたパラメー
ターδは、発光物点の、光軸上における焦点位置
からのずれを示している。この、ずれの数値も、
もちろん、焦点距離ｆを100に規格化しての値で
ある。 実施例 ２[Table] The 8th lens surface from the object side, that is, the 1st
FIG. 2 shows the spherical aberration on the focal plane when a parallel light beam is incident from the right side in the figure. The maximum angle of exit angle is
It is 40 degrees, which corresponds to a numerical aperture of NA=0.64. Conventionally known NA is 0.2 to 0.4
Therefore, the wide-angle lens according to the present invention has a sufficiently wide angle compared to the conventional lens. FIG. 3 shows the angle at which light is emitted from the eighth lens surface when a light emitting object is placed at a point P near the focal plane of the wide-angle lens according to the above embodiment as shown in FIG. The vertical axis shows the incident angle, and the horizontal axis shows the exit angle (unit: seconds). The parameter δ shown in the figure indicates the deviation of the light emitting object point from the focal point position on the optical axis. This value of deviation is also
Of course, this is a value after normalizing the focal length f to 100. Example 2

【表】 第１図で右方から平行光束を入射させた場合の
焦点面上の球面収差を第４図に示す。射出角の最
大値は、この例では30度であり、N.A.＝0.5にあ
たる。レンズ系の物体例の焦点面に微小発光体を
おいた場合の射出角を第５図に示す。このときの
コリメートの様子は第６図で入射角30度のもの
が、これにあたる。 第３図、第５図から明らかなように、いずれの
実施例の場合も、殆ど平行に近い光束が広い画角
（60゜〜80゜）で得られている。 また、本発明による広角レンズは４枚構成と、
レンズ枚数が少く、低コストで実現できる。[Table] Figure 4 shows the spherical aberration on the focal plane when a parallel light beam is incident from the right in Figure 1. The maximum value of the exit angle is 30 degrees in this example, which corresponds to NA=0.5. FIG. 5 shows the exit angle when a minute light emitter is placed on the focal plane of an example of a lens system object. The collimation situation at this time is shown in Figure 6 when the incident angle is 30 degrees. As is clear from FIGS. 3 and 5, in each of the examples, almost parallel light beams are obtained at a wide angle of view (60° to 80°). In addition, the wide-angle lens according to the present invention has a four-element configuration,
The number of lenses is small and it can be realized at low cost.

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

第１図は、本発明による広角レンズの構成を示
す図、第２図は収差図、第３図は、コリメートさ
れた光束における射出角を示す図、第４図は収差
図、第５図は、コリメートされた光束における射
出角を示す図、第６図は、本発明による広角レン
ズによるコリメートの様子を示す図である。 １……第１レンズ、２……第２レンズ、３……
第３レンズ、４……第４レンズ。 Fig. 1 is a diagram showing the configuration of a wide-angle lens according to the present invention, Fig. 2 is an aberration diagram, Fig. 3 is a diagram showing the exit angle of a collimated light beam, Fig. 4 is an aberration diagram, and Fig. 5 is an aberration diagram. FIG. 6 is a diagram showing the exit angle of a collimated light beam, and FIG. 6 is a diagram showing the state of collimation by the wide-angle lens according to the present invention. 1...First lens, 2...Second lens, 3...
3rd lens, 4... 4th lens.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 物体側から順次、第１，第２，第３，第４の
レンズを配してなり、 これら第１乃至第４のレンズが全て、正且つメ
ニスカスレンズであり、 すべてのレンズ面の曲率中心が、そのレンズ面
に関して物体側にあり、 物体側からかぞえてｉ番目のレンズ面の曲率半
径をr_i（ｉ＝１〜８）、ｊ番目のレンズ面間距離を
d_j（ｊ＝１〜７）とし、第３レンズの焦点距離を
f₃、第４レンズの焦点距離をf₄とするとき、 レンズ系全体の焦点距離ｆを100に規格化して、 (i) 252≦r₅≦281 174≦r₆≦185 499≦r₇≦572 268≦r₈≦286 20.1≦d₁≦26.2 4.2≦d₂≦11.1 20.1≦d₃≦40.8 (ii) 5.98f≦f₃≦6.6f (iii) 6.73f≦f₄≦7.43f なる条件を満足することを特徴とする、微小発光
体からの光をコリメートする広角レンズ。[Claims] 1. First, second, third, and fourth lenses are arranged in order from the object side, and all of these first to fourth lenses are positive and meniscus lenses, and all of them are positive and meniscus lenses. The center of curvature of the lens surface is on the object side with respect to that lens surface, and the radius of curvature of the i-th lens surface from the object side is r _i (i = 1 to 8), and the distance between the j-th lens surfaces is
d _j (j=1 to 7), and the focal length of the third lens is
When f ₃ and the focal length of the fourth lens are f ₄ , the focal length f of the entire lens system is normalized to 100, and (i) 252≦r ₅ ≦281 174≦r ₆ ≦185 499≦r ₇ ≦ 572 268≦r ₈ ≦286 20.1≦d ₁ ≦26.2 4.2≦d ₂ ≦11.1 20.1≦d ₃ ≦40.8 (ii) 5.98f≦f ₃ ≦6.6f (iii) 6.73f≦f ₄ ≦7.43f The conditions that become A wide-angle lens that collimates light from a minute light emitter, characterized by: