JPH06324262A - 撮像光学系 - Google Patents

撮像光学系

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JPH06324262A
JPH06324262A JP5132446A JP13244693A JPH06324262A JP H06324262 A JPH06324262 A JP H06324262A JP 5132446 A JP5132446 A JP 5132446A JP 13244693 A JP13244693 A JP 13244693A JP H06324262 A JPH06324262 A JP H06324262A
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JP
Japan
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optical element
refractive power
optical system
image pickup
type optical
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JP5132446A
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Hisashi Goto
尚志 後藤
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G02B27/4211—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting chromatic aberrations
    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、色収差を含めた諸収差が良好に
補正された撮像光学系を提供することを目的とする。 【構成】 本発明の撮像光学系は、少なくとも１枚の
正の屈折力を持った回折型光学素子と、少なくとも１枚
の正の屈折力を持った屈折型光学素子と、少なくとも１
枚の負の屈折力を持った屈折型光学素子とより構成し、
色収差を含む諸収差を良好に補正してある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、色収差が良好に補正さ
れた撮像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に撮像光学系は、良好な結像性能が
求められる。結像性能には、一点から発した光束を一点
に収束させる性能（スポットの収束性）、歪曲収差、像
面湾曲などがあり、それぞれフイルム等の感光素子が感
度を持つ波長域のひかりが同じ点に収束すること（色収
差の良好な補正）が求められる。
【０００３】従来、以上の条件を満足し、さらにコンパ
クト化、低コスト化、量産性、撮像システムとの適合性
を考慮した数々の撮像光学系が提案されてきた。
【０００４】一方、近年では回折型光学素子（ＤＯＥ）
を撮像光学系に応用する試みがなされている。回折型光
学素子に関しては「光学」第２２巻第１２６頁〜１３０
頁等に紹介されており、、また回折型光学素子を撮像光
学系に用いることに関しては「ＳＰＩＥ」第１３５４巻
第２４〜３７頁に記載された２つの論文に開示がある。
【０００５】又スポットの収束性に関しては、従来、正
の屈折力を持った屈折型光学素子と負の屈折力を持った
屈折型光学素子の組合わせによって収差補正を行なって
いる。更に１枚の非球面レンズや回折型光学素子で単一
物点に対するスポットの収束性が確保されることが知ら
れているが、像面全域のスポットの収束や、歪曲収差、
像面湾曲を補正することは出来ない。特に望遠レンズと
呼ばれる画角が２ω＜１５°のレンズ系では、全長を短
くするために物点側より、正の屈折力を持った屈折型光
学素子と負の屈折力を持った屈折型光学素子で構成する
いわゆる望遠タイプの光学系が数多く採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】軸上色収差の発生原因
の大きなものは、波長により焦点距離が異なることにあ
る。波長λAでの焦点距離が基準波長λｄでの焦点距離
のＡ倍であるような光学系の場合、波長λd に対する波
長λA の軸上色収差δA-d は、波長λdに対する全系の
焦点距離をｆとすると概略次の式で示すことが出来る。
【０００７】 δA-d ＝（Ａ−１）ｆ （３） この式からわかるように、光学系の焦点距離が長くなる
程色収差が大きくなりやすい。つまり特に望遠レンズに
おいて色収差の補正が困難であることを示している。
【０００８】色収差は、一般に材質ごとに波長に対する
屈折率の変化の割合（分散）が異なることを利用して補
正される。正の焦点距離を持つ光学系の場合、正の屈折
力を持つ光学素子に分散の小さい材質を、負の屈折力を
持つ光学素子に分散の大きい材質を用いて色収差を補正
する。しかし、前述のように光学素子を組合わせて色収
差を補正する場合、色収差だけではなく像面全体の結像
性能をも考慮しなければならず、そのため特に像面の対
角長に対して口径が１．２倍以上の望遠レンズでは色収
差を十分に補正するのが困難で、光学素子の枚数を増や
したり、螢石や超低分散ガラス等のような特殊なガラス
を用いなければならない。しかし螢石は高価であり、又
材質が軟らかいため研磨が難しい。更にガラスやプラス
チックの材質で屈折型光学素子（レンズ）を形成すると
き、材質により差があるが、短波長から長波長に波長が
変化するにつれて屈折率が低くなりさらにその変化の程
度が緩やかになる。
【０００９】図６は、５５０nmの波長で屈折力（焦点距
離の逆数）が１となる単レンズを代表的な硝子材料と超
低分散ガラスと呼ばれる材質で構成した時の、波長によ
る屈折力の変化を示す図である。又図５は、５００nmを
基準にした時、後に示す本発明の実施例と従来の屈折型
光学素子のみからなる光学系の波長に対する後側焦点位
置のずれ量を示す図で、この図において横軸が波長で縦
軸がずれ量であり又実線が屈折型光学素子のみからなる
光学系、破線が本発明の実施例である。
【００１０】図６からわかるように屈折型光学素子は、
普通の材質も超低分散の材質も波長に対するパワーの変
化は同じような傾向であるので、実用的な範囲の材質よ
りなる屈折型光学素子で構成された撮像光学系の軸上色
収差は、図５に実線で示すようにＶ字型になり、二つの
波長でのみ同じ点に結像し短波長側と長波長側で色収差
が大になる。
【００１１】一方、回折型光学素子は、波長による屈折
力の変化が図７に示す通りで屈折型光学素子に比べて分
散の傾向が逆で、かつその割合が大である。そのため、
「光学」２２巻１２６〜１３０頁等に記載されているよ
うに、正の屈折力をもった回折型光学素子と正の屈折力
をもった屈折型光学素子を組合わせて色消しが可能にな
る。しかし像面の対角長に対して口径が１．５倍を越え
るような撮像レンズでは、他の収差を良好に補正出来な
い。又回折型光学素子は、総合的な回折効率が屈折型光
学素子の表面透過率（表面反射率と表面透過率を加える
と１００％である）に対し低いという問題がある。
【００１２】本発明の目的は、色収差を含めた諸収差が
良好に補正された撮像光学系を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の撮像光学系は、
少なくとも１枚の正の屈折力を持った回折型光学素子
と、少なくとも１枚の正の屈折力を持った屈折型光学素
子と、少なくとも１枚の負の屈折力を持った屈折型光学
素子にて構成されるものである。
【００１４】前記のような構成の本発明の光学系におい
て、少なくとも１枚の正の屈折力を持った屈折型光学素
子と少なくとも１枚の負の屈折力を持った屈折型光学素
子は、主としてスポットの収束性、像面湾曲、歪曲収差
等を補正するもので従来の撮像光学系と同じような構成
を有している。これに正の屈折力を持った回折型光学素
子を加えると、広い波長域にわたって色収差を補正する
ことが出来る。図６，図７からわかるように、回折型光
学素子は、分散性が大きいだけでなく、波長による屈折
力の変化の直線性が良く、一方屈折型光学素子は線型性
が悪い。
【００１５】前記の回折型光学素子は、キノフォームと
呼ばれる鋸状の形状にすることにより回折効率をあげる
ことが出来るので、実際には鋸状の形状を階段状で表現
するバイナリ−オプティクス（ｂｉｎａｒｙ ｏｐｔｉ
ｃｓ）で製作することが多い。この回折型光学素子のパ
ワーを強くすると、中心と周辺とで鋸状のピッチの差が
大になり、製作が困難になり、歩留りの低下等によるコ
ストアップとなる。又総合的な回折効率が低下する。
【００１６】しかし、本発明の撮像光学系は、前記のよ
うな構成であるので、屈折型光学素子のみで収差がほぼ
補正されているため回折型光学素子のパワーを大にする
必要はない。
【００１７】本発明の撮像光学系において、前記の回折
型光学素子のパワーを下記条件（１）を満足するように
すればより望ましい。
【００１８】 （１） ０．００５＜ｆ／ｆDOE ＜０．０５ ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆDOE は回折型光学素子
の焦点距離である。
【００１９】この条件（１）の下限０．００５を越える
と色収差を十分良好に補正することが出来ず、上限０．
０５を越えると回折型光学素子の製作が困難になる。
【００２０】本発明では、回折型光学素子と屈折型光学
素子とを組合わせて光学系を構成したので、回折型光学
素子は１枚でもよく、そのため回折効率の影響を受けに
くいが、下記の条件（２）を満足すれば、更に望まし
い。
【００２１】（２） 0.85＜∫E(λ)・T(λ)・B(λ)・ｄλ
／∫T(λ)・B(λ)・ｄλ＜ 1 ただし、Ｅ（λ）は回折光学素子の波長λの回折効率、
Ｔ（λ）は撮像光学系全体の波長λの透過率、Ｂ（λ）
は撮像素子の分光感度特性である。
【００２２】条件（２）において下限０．８５を越える
と撮像面でのフレアーが増大し現像や再生時に調整して
も良好な像が得られない。
【００２３】
【実施例】次に本発明の撮像光学系の実施例を示すと図
１に示す通りの構成で、下記のデーターを有する。 ｒ1 ＝∞ ｄ1 ＝1.67 ｎ1 ＝1.51633 ν1 ＝64.15 ｒ2 ＝∞ ｄ2 ＝0.01 ｒ3 ＝∞ ｄ3 ＝0.06 （回折型光学素子面） ｒ4 ＝35.316 ｄ4 ＝4.55 ｎ3 ＝1.63930 ν3 ＝44.88 ｒ5 ＝155.367 ｄ5 ＝0.10 ｒ6 ＝35.104 ｄ6 ＝3.13 ｎ4 ＝1.63854 ν4 ＝55.38 ｒ7 ＝45.851 ｄ7 ＝0.08 ｒ8 ＝32.034 ｄ8 ＝5.63 ｎ5 ＝1.69350 ν5 ＝50.81 ｒ9 ＝43.533 ｄ9 ＝2.49 ｒ10＝93.986 ｄ10＝3.62 ｎ6 ＝1.76182 ν6 ＝26.55 ｒ11＝18.750 ｄ11＝27.71 ｒ12＝絞り ｄ12＝1.24 ｒ13＝54.335 ｄ13＝2.88 ｎ7 ＝1.72151 ν7 ＝29.24 ｒ14＝126.188 ｆ＝100 ，Ｆナンバー＝2.87，２ω＝13.8°，ｆDOE ＝4264.11 上記データー中ｒ1 ，ｒ2 ，・・・ は各面の曲率半径、ｄ
1 ，ｄ2 ，・・・ は各面間隔、ｎ1 ，ｎ2 ，・・・ は各レン
ズの屈折率、ν1 ，ν2 ，・・・ は各レンズのアッベ数で
ある。データー中ｒ1 ，ｒ2 は回折型光学素子の基板で
その表面のｒ2に回折型光学素子が設けられている。つ
まりｒ3，ｄ3が回折型光学素子を表わしている。回折型
光学素子の設計は、ウルトラ ハイ インディクス レ
ンズを用いて行なうことが出来、上記実施例もウルトラ
ハイ インディクス レンズを用いて設計した。
【００２４】この実施例は、正の屈折力の回折型光学素
子と正の屈折力の屈折型光学素子３枚と負の屈折力の屈
折型光学素子と正の屈折力の屈折型光学素子よりなる。
この実施例の収差状況は図３に示す通り良好に補正され
ている。
【００２５】又図２は、図１の光学系において回折型光
学素子を除いた屈折型光学素子のみよりなる光学系で下
記のデーターを有する。 ｒ1 ＝35.345 ｄ1 ＝4.55 ｎ1 ＝1.63854 ν1 ＝55.38 ｒ2 ＝155.061 ｄ2 ＝0.10 ｒ3 ＝35.042 ｄ3 ＝3.13 ｎ2 ＝1.63854 ν2 ＝55.38 ｒ4 ＝46.026 ｄ4 ＝0.08 ｒ5 ＝31.922 ｄ5 ＝5.63 ｎ3 ＝1.69350 ν3 ＝50.81 ｒ6 ＝43.494 ｄ6 ＝2.49 ｒ7 ＝94.289 ｄ7 ＝3.63 ｎ4 ＝1.76182 ν4 ＝26.55 ｒ8 ＝18.747 ｄ8 ＝27.70 ｒ9 ＝絞り ｄ9 ＝1.22 ｒ10＝52.743 ｄ10＝2.88 ｎ5 ＝1.72151 ν5 ＝29.24 ｒ11＝125.676 ｆ＝100 ，Ｆナンバー＝2.87，２ω＝13.8° この光学系の収差状況は、図４に示す通りである。
【００２６】図２に示す本発明の実施例の収差状況と図
４に示す図３の光学系の収差状況とを比較すると、図２
の収差状況は、図４の収差状況に比べて明らかに色収差
が小さくなっている。又図５は本発明の実施例と図３に
示す屈折型光学素子のみからなる光学系との５５０nmを
基準にした各波長の後側焦点位置を示す図である。この
図からもわかるように図１に示す本発明の実施例の後側
焦点位置のばらつきは少なく、更に三つの波長の後側焦
点位置が同じ位置にあり、式（３）から推定すると焦点
距離が長くなっても色収差が大にならないことがわか
る。
【００２７】この実施例において非球面レンズを用いる
か、回折型光学素子に非球面効果を持たせることにより
スポットの収束性や、像面湾曲，歪曲収差をさらに良好
に補正出来、又屈折型光学素子の枚数を減らすことが出
来る。
【００２８】回折光学素子の回折面は、バイナリーオプ
ティックスで構成し、レプリカで製作することによっ
て、製作コストを低減出来る。又回折型光学素子の基材
にフィルター機能を持たせたり、基材を固定する鏡枠に
フィルターを装着し得るようにしてもよい。又回折効率
の分光特性と適合するようなフィルターを装着してもよ
い。
【００２９】又ＣＣＤ等の光電変換素子等を撮像素子と
して使う時、回折出来なかった光によって生ずるフレア
ーを直流成分として除去してもよい。又カラー撮像の場
合、各色フィルターの透過率を回折効率の分光特性と適
合するようにしてもよい。又フイルムを用いての撮影の
場合、撮影時に露光量を少なめにするか、フイルムから
印画紙に焼き付ける際にコントラストの高い印画紙を用
いるか、露光量を少なくして現像時間を長めにすること
によりフレアーの影響を少なくできる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、諸収差、特に色収差を
良好に補正した撮像光学系を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の断面図
【図２】本発明の実施例の収差曲線図
【図３】屈折型光学素子のみからなる光学系の断面図
【図４】図３に示す光学系の収差曲線図
【図５】本発明の実施例と図３に示す光学系との波長と
後側焦点位置との関係を示す図
【図６】屈折型光学素子の波長と屈折力との関係を示す
図
【図７】回折型光学素子の波長と屈折力との関係を示す
図
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年８月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】一般に撮像光学系は、良好な結像性能が
求められる。結像性能には、一点から発した光束を一点
に収束させる性能（スポットの収束性）、歪曲収差、像
面湾曲などがあり、それぞれフイルム等の撮像素子が感
度を持つ波長域の光が同じ点に収束すること（色収差の
良好な補正）が求められる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】図６は、５５０ｎｍの波長で屈折力（焦点
距離の逆数）が１となる単レンズを代表的な硝子材料と
超低分散ガラスと呼ばれる材質で構成した時の、波長に
よる屈折力の変化を示す図である。又図５は、５５０ｎ
ｍを基準にした時、後に示す本発明の実施例と従来の屈
折型光学素子のみからなる光学系の波長に対する後側焦
点位置のずれ量を示す図で、この図において横軸が波長
で縦軸がずれ量であり又実線が屈折型光学素子のみから
なる光学系、破線が本発明の実施例である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１枚の正の屈折力を持った回折
    型光学素子と、少なくとも１枚の正の屈折力を持った屈
    折型光学素子と、少なくとも１枚の負の屈折力をもった
    屈折型光学素子とより構成された撮像光学系。
  2. 【請求項２】前記回折型光学素子の焦点距離をｆDOE 、
    全系の焦点距離をｆとしたとき、次の条件（１）を満足
    することを特徴とする請求項１の撮像光学系。 （１） ０．００５＜ｆ／ｆDOE ＜０．０５
  3. 【請求項３】少なくとも１枚の正の屈折力を持った回折
    型光学素子と、少なくとも１枚の正の屈折力を持った屈
    折型光学素子と、少なくとも１枚の負の屈折力を持った
    屈折型光学素子とからなる撮像光学系と、該撮像光学系
    により形成された像を受ける撮像素子とを備えた撮像装
    置であって、前記回折型光学素子の波長λの回折効率を
    Ｅ（λ）、撮像光学系全体の波長λの透過率をＴ
    （λ）、撮像素子の分光感度特性をＢ（λ）とすると
    き、次の条件（２）を満足することを特徴とする撮像光
    学系。 （２） 0.85＜∫E(λ)・T(λ)・B(λ)・ｄλ／∫T(λ)・B
    (λ)・ｄλ＜ 1
JP5132446A 1993-05-11 1993-05-11 撮像光学系 Withdrawn JPH06324262A (ja)

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