CN101490595A

CN101490595A - 光学系统及目镜

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Publication number: CN101490595A
Application number: CNA2007800270475A
Authority: CN
Inventors: 铃木宪三郎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: US20090310220A1; TW200809252A; US8139295B2; CN101490595B; WO2008010560A1; JP5413714B2; EP2045644B1; EP2045644A1; KR20090038433A; TWI406007B; EP2045644A4; KR101439564B1; JPWO2008010560A1; HK1128333A1

Abstract

本发明提供一种目镜(EL1)，其具有从物体O侧起依次排列的具有正的折射能力的第一透镜(L1)、同样地具有正的折射能力的第二透镜(L2)，在第一透镜(L1)及第二透镜(L2)中任意一者的光学面上设有密合多层型衍射光学元件(DOE)，其具有形成了凸纹图案的第一光学元件要素(51)、紧密接合在第一光学元件要素(51)中形成有凸纹图案的面上的第二光学元件要素(52)。

Description

光学系统及目镜

技术领域

本发明涉及一种利用了衍射的光学系统，特别涉及小型轻质并且高性能的观察光学系统或投射光学系统。

背景技术

以往，就光学系统而言，一般来说为了提高光学性能，特别是减少像差而提高成像性能，多使用利用了折射的(主要以玻璃来制作的)光学元件。但是，为了充分地减少有关基准谱线的赛德耳(seidel)的5阶像差及色像差，需要增大像差修正自由度，由此经常会增大光学元件的数目、大小或重量。

所以，考虑过如下的目镜(光学系统)，即，从物体侧起依次将具有平凸形的形状的第一透镜、相同的平凸形的第二透镜分别以凸面相面对的状态配设，在第一透镜及第二透镜的某个光学面上形成衍射面(例如参照日本特开平11-38330号公报)。如果如此设置，则可以获得如下的目镜，即，虽然是透镜的片数较少的简单的构成，但是可以在确保规定的出瞳距(eye relief)的同时，很好地修正倍率色像差。

但是，如上所述的目镜中，虽然中心波长(例如d线)的光学特性(倍率色像差等)良好，但是其他的波长区域中的光学特性并不太好。

发明内容

本发明是鉴于此种问题而完成的，其目的在于，提供可以在使用波长的全部区域中获得良好的光学特性的光学系统及具备该系统的目镜。

为了达成此种目的，本发明的光学系统具有从物体侧起依次排列的第一透镜、具有正的折射能力的第二透镜，在第一透镜及第二透镜中任意一者的光学面上设有密合多层型衍射光学元件，该密合多层型衍射光学元件具有形成有凸纹图案(relief pattern)的第一光学元件要素、和紧密接合在第一光学元件要素中形成有凸纹图案的面上的第二光学元件要素。

另外，上述的发明中，最好第一光学元件要素与第二光学元件要素的在d线的折射率之差为0.45以下，在将第一透镜与第二透镜之间的光轴上的空气间隔设为D，光学系统整体的焦点距离设为f时，满足下式「0.002<D/f<2.0」的条件。

另外，上述的发明中，最好在将第一透镜的焦点距离设为f1，第二透镜的焦点距离设为f2时，在f1>0并且f2>0的情况下，满足下式「0<D/(f1×f2)<0.15」的条件。

另外，上述的发明中，最好在将第一透镜的焦点距离设为f1，第二透镜的焦点距离设为f2时，在f1<0、f2>0并且|f1|>|f2|的情况下，满足下式「-0.1<D/(f1×f2)<0」的条件。

另外，上述的发明中，最好第一透镜及第二透镜的至少一个的光学面为非球面。

另外，上述的发明中，最好在第一透镜的与物体侧相面对的面上，设有密合多层型衍射光学元件。

另外，上述的发明中，对于相对而言是高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料之中，最好使用其中一方形成第一光学元件要素，另一方形成第二光学元件要素，在将第一光学元件要素与第二光学元件要素的阿贝数之差设为Δνd，将第一光学元件要素与第二光学元件要素的在d线的折射率之差设为Δnd时，满足下式「50<Δνd/Δnd<2000」的条件。

另外，上述的发明中，最好在将密合多层型衍射光学元件的在d线的衍射效率设为Ed，密合多层型衍射光学元件的在g线的衍射效率设为Eg，密合多层型衍射光学元件的在C线的衍射效率设为EC时，满足下式「(Eg+EC)/2>0.9×Ed」的条件。

另外，上述的发明中，最好在将凸纹图案的最小间距设为p，光学系统整体的焦点距离设为f时，满足下式「0.0001<p/f<0.003」的条件。

另外，上述的发明中，最好在将光学系统整体的焦点距离设为f，瞳径设为φ，将出瞳距设为R时，满足下式

0.1<φ·R/f²<2.0

的条件。

另外，本发明的目镜是用于观察物体的像的目镜，其特征在于，具有本发明的光学系统。

根据本发明，可以在使用波长的全部区域都获得良好的光学特性。

附图说明

图1是多层型衍射光学元件的示意剖面图，(a)是非密合多层型的衍射光学元件的示意剖面图，(b)是密合多层型的衍射光学元件的示意剖面图。

图2是表示第一实施例的光学系统的构成的图。

图3是第一实施例的光学系统的各个像差图。

图4是表示密合多层型衍射光学元件对各波长的衍射效率的图。

图5是表示第二实施例的光学系统的构成的图。

图6是表示第二实施例的光学系统的各个像差图。

图7是表示第三实施例的光学系统的构成的图。

图8是表示第三实施例的光学系统的各个像差图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明优选的实施方式进行说明。以往，为了实现折射光学系统或反射光学系统所无法实现的高性能化、小型化等，进行过各种向光学系统中插入衍射光学面的尝试。但是，此种具有衍射光学面的单层的衍射光学元件却存在下述问题，即因偏离了设计波长的波长区域的光而产生眩光，从而损害画质、成像性能，对其的使用限于激光光源等单一波长、或窄波长区域中的应用。

所以，近年来，提出了被称作多层型(或叠层型)的衍射光学元件。该类型的衍射光学元件是将具有以锯齿状形成的衍射光学面(凸纹图案)并具有不同的折射率及色散的多个衍射元件要素以分离或者密合的形式层叠而成的，具有如下的特征，即，可以在所需的宽波长区域(例如可见光区域)的几乎全域中保持高衍射效率，也就是说，波长特性良好的特征。而且，关于此种衍射光学元件的性质，详见「「衍射光学元件入门」应用物理学会日本光学会主编平成18年发行增补修订版」。而且，实施例中所示的衍射光学面的数据以超高折射率法表示，同样地详见「「衍射光学元件入门」应用物理学会日本光学会主编平成18年发行增补修订版」。

这里，如果对多层型衍射光学元件的结构进行说明，则一般来说如图1(a)所示，由以第一材质制成的第一光学元件要素51、以折射率或色散值与第一光学元件要素51不同的第二材质制成的第二光学元件要素52构成，将各个光学元件要素51、52的相面对的面如图所示地制成锯齿状。此外，按照对特定的2个波长满足消色差条件的方式，将第一光学元件要素51的凸纹图案的高度h1确定为规定的值，将第二衍射元件要素52的凸纹图案的高度h2确定为其他的规定的值。这样，对于特定的2个波长衍射效率达到1.0，对于其他的波长也可以获得相当高的衍射效率。而且，所谓衍射效率，在透过型的衍射光学元件中，是指向该衍射光学元件入射的光的强度I₀与一次衍射光的强度I₁的比率η(＝I₁/I₀)。

而且，如果是图1(a)所示的分离多层型的衍射光学元件DOE’，则由于在构成它的第一光学元件要素51及第二光学元件要素52中，凸纹图案53、54的高度h1、h2相互不同，因此需要多个模具，并且使用这些模具以相同的步骤分别制造第一及第二光学元件要素51、52，另外必须精度优良地对位，在生产中非常花费时间。

所以，提出过使第一光学元件要素51的凸纹图案53的高度h1与第二衍射元件要素52的凸纹图案54的高度h2一致的密合多层型的衍射光学元件DOE(参照图1(b))。该密合型的衍射光学元件DOE是在第一光学元件要素51中形成了凸纹图案53的面上紧密接合了第二光学元件要素52的构成，与分离型相比，有衍射光栅的高度的误差灵敏度(公差)放缓、光栅面的表面粗糙度的误差灵敏度(公差)放缓等易于制造的优点，生产性优良，批量生产性高。由此，具有有利于光学产品的成本降低的优点。通过像这样将衍射光学元件的构成设为密合多层型，就可以对几乎全部波长应用衍射光学元件，可以很容易地用于利用宽光带的白色光的照相机的摄像透镜或在可见区域中使用的目镜等中。

本发明涉及利用了此种密合多层型衍射光学元件的小型轻质的光学系统。此外，本实施方式的光学系统具有从物体侧起依次排列的第一透镜、具有正的折射能力的第二透镜，在第一透镜及第二透镜的某一光学面上设有密合多层型衍射光学元件。这样就可以得到在使用波长的全部区域中具有良好的光学特性的、小型且高性能的光学系统。而且，此种光学系统也可以作为摄像透镜光学系统使用，另外，通过在像面附近配设显示元件，也可以作为投射光学系统使用。

而且，此时最好在第一透镜的与物体侧相面对的面上，设有密合多层型衍射光学元件。如果如此设置，则来自物体的光就会近乎垂直地入射密合多层型衍射光学元件的凸纹图案。由此，就可以减轻在凸纹图案的阶梯部分中斜射光线未以正规的角度入射而产生杂散光的不佳状况。另外，由于位于最靠近物体侧的衍射光学元件为密合型，因此例如可以减轻透过凸纹图案的光以外的杂散光经过透镜面或镜筒面等的反射而对成像面造成不良影响的不佳状况。

另外，在就衍射光学元件整体而言具有正的折射能力的情况下，优选第一光学元件要素具有正的折射能力，而第二光学元件要素具有正负哪种折射能力都可以。只要参照设计要件，利于达成规格、修正像差等地构成即可。而且，此时由于如果在衍射光学面上具有正的折射能力，就具有负的色散，因此就衍射光学元件整体而言能够达成良好的消色差。

构成密合多层型衍射光学元件的光学元件要素需要由相对来说为高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料制成，无论哪一个为物体侧都可以。具体来说，需要使用高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料中的一方形成第一光学元件要素51(参照图1(b))，并且使用另一方形成第二光学元件要素52(参照图1(b))，是用于形成密合多层型衍射光学元件的必需的构成要件。另外，为了减少制造上的误差灵敏度，第一光学元件要素51与第二光学元件要素52的在d线的折射率之差优选为0.45以下，更优选为0.2以下。

此外，本实施方式中，在将第一透镜与第二透镜之间的光轴上的空气间隔设为D，将光学系统整体的焦点距离设为f时，满足以下面的条件式(1)表示的条件。

0.002<D/f<2.0...(1)

条件式(1)对第一透镜与第二透镜间的空气间隔D的适宜范围，以其与焦点距离f的比例进行规定。如果满足该条件式(1)，则可以获得缩短全长的情况下也具有良好的光学特性的光学系统。而当D/f超过条件式(1)的上限时，光学系统的全长就会变得过长，不仅不利于小型化，而且轴外像差的产生也会变大，出现得不到良好的成像性能的不佳状况。特别有在主光线更靠上侧的光线的慧差变大，在+侧容易产生畸变像差的倾向。

另一方面，当D/f超过条件式(1)的下限时，光学系统的出射光瞳位置就会变得过近，例如容易不符合在摄像元件入射到远心附近的条件。此时，随着所谓的像高增高而容易产生暗影(shading)。另外，还会有慧差的修正变得不够充分的倾向，无法获得足够的成像性能。而且，在条件式(1)中，更优选将D/f的上限设为1.0，并且将下限设为0.003。

另外，在条件式(1)中，更优选将D/f的上限设为0.1，并且将下限设为0.003。

另外，此时，优选第一透镜及第二透镜中的至少一个光学面为非球面。这样一来，在采用密合多层型衍射光学元件，且缩短光学系统的全长的情况下，也可以良好地修正轴外像差等各个像差。

但是，如果将第一透镜的焦点距离设为f1，将第二透镜的焦点距离设为f2，则光学系统整体的焦点距离f可以作为薄壁系的合成焦点距离由下式(21)算出。另外，通过对式(21)变形，可以得到式(22)。

1/f＝(1/f1)+(1/f2)-D/(f1×f2)...(21)

D/(f1×f2)＝{(1/f1)+(1/f2)}-1/f...(22)

根据该式(22)，在f1>0并且f2>0的情况下，优选满足以下面的条件式(2)表示的条件。

0<D/(f1×f2)<0.15...(2)

条件式(2)表明，当D/(f1×f2)的值小至零附近时，针对规定的f1及f2的值使第一透镜和第二透镜接近，来获得光学系统整体的足够的折射能力。这样，就可以得到将透镜间的距离减小而缩短了全长的、折射能力大的光学系统(例如目镜)。

此外，当D/(f1×f2)超过条件式(2)的上限时，光学系统整体的折射能力减弱，无法获得足够的折射能力(倍率)。而且，透镜与像面的距离变得过近，产生难以配置反射镜或棱镜的不佳状况。还有，畸变像差在-侧变得过大，无法获得良好的像。另一方面，当透镜彼此接触时，由于会产生在光轴附近映入干涉条纹的不佳状况或在透镜面上造成损伤的不佳状况，因此将D/(f1×f2)的下限设为0。而且，条件式(2)中，更优选将D/(f1×f2)的上限设为0.1。

另外，在f1<0、f2>0并且|f1|>|f2|的情况下，优选满足以下面的条件式(3)表示的条件。

-0.1<D/(f1×f2)<0...(3)

在第一透镜具有负的折射能力，并且第二透镜具有正的折射能力的情况下，由于会产生由透镜造成的消色差的作用，因此为了达成规定的消色差可以放宽凸纹图案的间距。由此，眩光产生变小，而且容易制造衍射光学元件，因而十分便利，而另一方面，如果使透镜彼此接近，则会产生折射能力变小的不佳状况。条件式(3)是对光学系统的全长、折射能力及像差给出适宜的平衡的式子。

当D/(f1×f2)超过条件式(3)的下限时，透镜间的距离变长而使全长变长，无法获得小型的光学系统。另外，在+侧畸变像差变得过大，无法获得良好的像。另一方面，当透镜彼此接触时，由于会产生在光轴附近映入干涉条纹的不佳状况或在透镜面上造成损伤的不佳状况，因此将D/(f1×f2)的上限设为0。而且，条件式(3)中，更优选将D/(f1×f2)的下限设为-0.01。

另外，在将第一光学元件要素51与第二光学元件要素52的阿贝数之差设为Δνd，将第一光学元件要素51与第二光学元件要素52的在d线的折射率之差设为Δnd时，优选满足以下面的条件式(4)表示的条件。

50<Δνd/Δnd<2000...(4)

条件式(4)规定出高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料的阿贝数之差Δνd及折射率之差Δnd的适宜的范围。如果超出由条件式(4)规定的范围，则即使是由高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料制成的密合多层型衍射光学元件，也会产生凸纹图案的高度变高、对各个波长的衍射效率降低的不佳状况。而且，条件式(4)中，更优选将Δνd/Δnd的上限设为800，将下限设为100。

另外，在将密合多层型衍射光学元件的在d线的衍射效率设为Ed，将密合多层型衍射光学元件的在g线的衍射效率设为Eg，将密合多层型衍射光学元件的在C线的衍射效率设为EC时，优选满足以下面的条件式(5)表示的条件。

(Eg+EC)/2>0.9×Ed...(5)

条件式(5)规定出宽光带的波长的衍射效率的适宜的范围。如果超出由条件式(5)规定的范围，则会使短波长或长波长的折射效率都降低，衍射眩光变大，从而损害画质。具体来说，当Eg降低时蓝色系的衍射眩光增大，EC降低时红色系的衍射眩光增大，从而损害画质。而且，条件式(5)中，优选将Ed的系数设为0.8～0.98的范围，而0.9的值是根据多人次的抽样所得出的经验值。

在设于第一透镜及第二透镜的任一光学面上的密合多层型衍射光学元件相对于光轴呈对称，且具有穿过最外侧的光线(主光线)的入射角度在10度以下的衍射光学面(凸纹图案)的情况下，当将衍射光学面的有效直径(直径)设为C，将光学系统整体的焦点距离设为f时，优选满足以下面的条件式(6)表示的条件。

0.1<C/f<3.0...(6)

条件式(6)规定出衍射光学面的有效直径(直径)的适宜范围。当C/f超过条件式(6)的上限时，有效直径变得过大，使衍射光学面(凸纹图案)的制作增难、成本上升。另外，来自外部的有害光容易进入衍射光学面，容易导致由眩光等造成的画质降低。另一方面，当C/f超过条件式(6)的下限时，由于设有衍射光学面的透镜的有效直径变小，并且凸纹图案的间距变小，因此不仅使衍射光学面(凸纹图案)的制作增难、成本上升，而且衍射光学面上产生的眩光变大，容易导致画质降低。而且，条件式(6)中，更优选将C/f的上限设为0.8，下限设为0.1。

另外，在第一透镜的与物体侧相面对的面为凹面，第一透镜的位于与物体侧相反一侧的面为凸面，并且在它们当中的某一面上设有密合多层型衍射光学元件的情况下，在将凸纹图案的高度设为h，将第一光学元件要素的光轴上的厚度及第二光学元件要素的光轴上的厚度中的小者设为d时，优选满足以下面的条件式(7)表示的条件。

0.05<h/d<2.0...(7)

条件式(7)表示形成槽深低的凸纹图案时的适宜高度h与光学元件要素的厚度d的关系。如果h/d超过条件式(7)的上限，则由于槽的高度相对地变得过高，因此不仅难以制作凸纹图案，而且槽的阶梯部分变大，容易因射到该阶梯部分的光的散射等而产生杂散光。另一方面，当h/d超过条件式(7)的下限时，由于光学元件要素相对地变得过厚，因此仍旧难以制作凸纹图案，而且光学元件要素的光的内部吸收增加，光学系统整体的透过率降低、容易引起色差，使得画质降低。而且，条件式(7)中，更优选将h/d的上限设为1.0，下限设为0.02。

另外，在将凸纹图案的最小间距设为p，将光学系统整体的焦点距离设为f时，优选满足以下述的条件式(8)表示的条件。

0.0001<p/f<0.003...(8)

条件式(8)规定出最小间距p与光学系统整体的焦点距离f的适宜比。如果最小间距p小，则衍射角变大，衍射光学面上的色散变大，对于修正色像差是有效的，而从另一方面看，加工变得困难，衍射光学面上的眩光的产生也变大。由此，在适宜的范围中使用最小间距p尤为重要。

当p/f超过条件式(8)的上限时，会使最小间距p变得过大，无法实现充分的消色差，容易产生画质降低的不佳状况。当p/f超过条件式(8)的下限时，会使最小间距p过小，如上所述，加工变难，衍射光学面上的眩光的产生也会变大。还会因多余的眩光导致画质降低，甚至衍射效率的降低。

另外，作为本实施方式的光学系统的应用，对于将用小型显示器或物镜等形成的图像放大观察之类的用途，在将光学系统整体的焦点距离设为f，将瞳径设为φ，将出瞳距设为R时，优选满足以下面的条件式(9)表示的条件。

0.1<φ·R/f²<2.0...(9)

条件式(9)表示将本实施方式的光学系统应用于如上所述的观察光学系统中时的瞳径φ、出瞳距R、焦点距离f的适宜关系。充分地取得出瞳距R在构成观察光学系统方面十分重要。

当φ×R/f²超过条件式(9)的上限时，会使出瞳距R变得过长，容易形成光学系统的大型化。另一方面，当φ×R/f²超出条件式(9)的下限时，会使出瞳距R变得过短，难以进行图像的观察。另外，由于瞳径φ也会变小，因此容易遮蔽，在使用时容易产生难以观察图像的不佳状况。而且，光瞳的形状不一定为圆形，也可以根据用途或设计规格而为矩形或椭圆。此时通过对透镜的形状或光阑的形状进行加工，就可以实现此种光瞳的形状。另外，在条件式(9)中，更优选将φ×R/f²的上限设为1.0，下限设为0.15。另外，在条件式(9)中，进一步优选将φ×R/f²的上限设为1.0，下限设为0.2。φ×R/f²再进一步优选为0.3左右。

另外，在实际中构成本实施方式的光学系统之时，更优选满足以下所述的要件。

首先，在第一及第二光学元件要素中，为了保持良好的成形性，确保优良的批量生产性，优选使构成其中任意一者的光学元件要素的材料的粘度(未固化物粘度)至少在40Pa·s(帕·秒)以上。如果该粘度为40Pa·s以下，则在成形中树脂容易流动，出现难以形成精密的形状的不佳状况。但是，构成另一者的光学元件要素的材料的粘度则优选至少为2000Pa·s以上。

另外，为了提高生产效率，第一及第二光学元件要素优选都使用UV固化型树脂来形成。这样就可以削减工时，还会造成成本降低，因而是便利的。

另外，如上所述，在第一及第二光学元件要素的材料都是树脂的情况下，为了实现小型化·轻型化，这些树脂的比重优选都为2.0以下。由于与玻璃相比树脂的比重更小，因此对于光学系统的轻质化非常有效。为了进一步发挥效果，比重更优选为1.6以下。另外，第一及第二光学元件要素优选在与空气的界面上具有正折射能力的折射面，该折射面为非球面。

另外，也可以向第一及第二光学元件要素的某一的树脂中混入色素，使之具有滤色效果。例如，也可以利用该方法来构成红外线滤色片，构成小型摄像光学系统。

另外，光阑虽然可以随意地设于光学系统中，但优选按照阻断不需要的光线而仅通过对成像有用的光线的方式来构成。例如，既可以将透镜框本身作为孔径光阑，也可以在远离透镜的位置用机械构件来构成光阑。而且，光阑的形状与设计规格对应，并不限于圆形，也可以设为椭圆或矩形。

在将本实施方式的光学系统应用于摄影光学系统中的情况下，也可以在密合多层型衍射光学元件的内部或外部装入光学的低通滤波器而使用。

另外，在将本实施方式的光学系统应用于观察光学系统中的情况下，其放大镜倍率优选为2倍以上、20倍以下。

而且，由将密合多层型衍射光学元件装入而得的3个以上的(多个)构成要素构成的光学系统也没有脱离本发明的范围。另外，对于将折射率分布型透镜、晶体材料透镜等装入而得的光学系统也是相同的。

另外，如果将d线、g线、C线及F线的轴上色像差的最大展宽幅度设为Δ，则优选满足以下面的条件式(10)表示的条件。

0.001<Δ/f<0.02...(10)

条件式(10)规定出轴上色像差的适宜的修正范围的条件。如果Δ/f超过条件式(10)的上限，则轴上色像差就会变得过大，成为带有色差的图像而极大损害画质。而且，在条件式(10)中，更优选将Δ/f的上限设为0.003，下限设为0.002。

实施例

下面，基于附图对本发明的各实施例进行说明。各实施例中，衍射光学面的相位差是利用使用通常的折射率和后述的非球面式(23)、(24)进行的超高折射率法计算的。所谓超高折射率法是利用非球面形状与衍射光学面的光栅间距之间的一定的等价关系的方法，本实施例中衍射光学面是作为超高折射率法的数据，也就是利用后述的非球面式(23)、(24)及其系数来表示的。而且，本实施例中作为像差特性的算出对象，选择d线(波长587.6nm，折射率10001)、C线(波长656.3nm，折射率11170.4255)、F线(波长486.1nm，折射率8274.7311)及g线(波长435.8nm，折射率7418.6853)。

各实施例中，对于非球面，在将垂直于光轴的方向的高度设为y，将沿光轴上的从非球面顶点处的切平面到高度y的非球面上的位置的距离(下沉量)设为S(y)，将基准球面的曲率半径设为r，近轴曲率半径设为R，圆锥系数设为κ，n次的非球面系数设为Cn时，则可以用以下的条件式(23)、(24)来表示非球面。

S(y)＝(y²/r)/{1+(1-κ·y²/r²)^1/2}

+C₂y²+C₄y⁴+C₆y⁶+C₈y⁸+C₁₀y¹⁰ ...(23)

R＝1/{(1/r)+2C₂} ...(24)

而且，各实施例中，对于以非球面形状形成的透镜面，在表中的面编号的右侧标以＊记号。另外，各实施例中，衍射光学面的相位差是利用使用通常的折射率和上述非球面式(23)、(24)进行的超高折射率法计算的。由此，虽然非球面透镜面及衍射光学面，都可以使用非球面式(23)、(24)，但非球面透镜面中所用的非球面式(23)、(24)表示透镜面的非球面形状本身，另一方面，衍射光学面中所用的非球面式(23)、(24)表示衍射光学面的性能的参数。

第一实施例

以下，使用图2～图4对本发明的第一实施例进行说明。各实施例的光学系统是作为用于观察物体的像的目镜使用的光学系统。如图2所示，第一实施例的光学系统(目镜)EL1具有从物体O侧起依次排列的具有正的折射能力的第一透镜L1、同样具有正的折射能力的第二透镜L2，在第一透镜L1的与物体O侧相面对的面上，贴附有密合多层型衍射光学元件DOE。而且，上述图中，将出射光瞳用符号H表示。物体O例如为液晶显示装置，可以将液晶显示装置中显示的图像使用本实施例的光学系统(目镜)EL1放大观察。而且，该光学系统(目镜)EL1的全视角为35.4度。

另外，密合多层型衍射光学元件DOE从贴附于第一透镜L1的一侧起依次具有第一光学元件要素51、第二光学元件要素52。而且，第一透镜L1的与物体O侧相面对的面是略微具有曲率的凹面，第一透镜L1的位于与物体O侧相反一侧的面(与第二透镜L2相面对的面)是凸面。另外，第二透镜L2的与第一透镜L1相面对的面是凸面，第二透镜L2的位于与第一透镜L1相反一侧的面是凹面。

而且，本实施例中，第一及第二透镜L1、L2的材质都选用日本Zeon公司制ZEONEX480R，第一光学元件要素51的材质选用以下说明的相对来说为低折射率高色散的紫外线固化树脂，第二光学元件要素52选用以下说明的相对来说为高折射率低色散的紫外线固化树脂。

这里，如果对上述的相对来说为低折射率高色散的紫外线固化树脂进行说明，则该树脂是将2，2，3，3，4，4，5，5-八氟己烷-1，6-二丙烯酸酯、9，9-双[4-(2-丙烯酰氧基乙氧基)苯基]芴、光敏引发剂(Irgacure)184混合，进行规定的操作而生成的紫外线固化性组合物。以下，为了方便，称作低折射率树脂No.1。下面，如果对相对来说为高折射率低色散的紫外线固化树脂进行说明，则该树脂是在使三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯、二(2-巯基二乙基)硫化物进行加成反应后，添加光敏引发剂184而得到的紫外线固化性组合物。以下，为了方便，称作高折射率树脂No.1。

下面的表1中，给出第一实施例的各透镜的参数。表1的面编号1～8与图2的面1～8对应。而且，第一面为光瞳面。另外，表1的r表示透镜面的曲率半径(在非球面的情况下为基准球面的曲率半径)，d表示透镜面的间隔，n(d)表示相对于d线的折射率，n(g)表示相对于g线的折射率，n(C)表示相对于C线的折射率，n(F)表示相对于F线的折射率。而且，以下还给出与所述的条件式(1)～(10)(除了条件式(3))对应的值，也就是条件对应值。这里，以下的全部参数值中所揭示的曲率半径r、面间隔d及其他长度的单位在没有特别指出的情况下，一般使用「mm」，但由于光学直径成比例扩大或成比例缩小的情况下也可以获得同等的光学性能，因此单位并不限定于「mm」，也可以使用其他的适当的单位。以上的表的说明在其他的实施例的表中也相同。

而且，表1中，对以非球面形状形成的透镜面，在面编号的右方标以^*记号。本实施例中，与面编号3及7相当的面是非球面，与面编号6相当的面是衍射光学面。衍射光学面被以超高折射率法标记。利用n(d)＝10001等非常大的折射率值与非球面系数的组合来表现衍射光学面。

(表1)

面编号 r d n(d) n(g) n(C) n(F)

1 0.00000 21.00000 1.000000

2 -300.00000 4.00000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

3^＊ -26.22573 0.20000 1.000000

4 28.31486 4.00000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

5 297.99863 0.20000 1.527600 1.547700 1.523300 1.538500

6^＊ 297.99863 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311

7^＊ 297.99863 0.20000 1.556900 1.571100 1.553700 1.564800

8^＊ 297.99863 23.07811 1.000000

(非球面数据)

面编号 к C₂ C₄ C₆ C₈

3 0.4700 0.00000 -8.00000×10^-6 1.38460×10^-9 2.00000×10^-12

C₁₀

0.00000

面编号 к C₂ C₄ C₆ C₈

7 1.0000 -1.90000×10^-7 3.00000×10^-10 0.00000 0.00000

C₁₀

0.00000

(条件对应值)

D＝0.2

f＝25.812

f1＝48.847

f2＝54.496

Δνd＝15.46

Δnd＝0.0293

Eg＝98.221

EC＝98.233

Ed＝99.999

C＝24.19

h＝0.02

d＝0.2

p＝0.0238

φ＝10.000

R＝21.000

Δ＝0.1873

(1)D/f＝0.00775

(2)D/(f1×f2)＝0.0000751

(4)Δνd/Δnd＝527.645

(5)(Eg+EC)/2＝98.227

0.9×Ed＝89.999

(6)C/f＝0.937

(7)h/d＝0.1

(8)p/f＝0.000922

(9)φ×R/f²＝0.3152

(10)Δ/f＝0.00726

由此可见本实施例中，上述条件式(1)～(10)(除了条件式(3)外)全都得到满足。

图3是第一实施例的各个像差图。各像差图表示针对d线、g线、C线及F线的结果，FNO表示F数(F number)，Y表示像高。球面像差图中表示与最大口径对应的F数的值，像散图及畸变像差图中分别表示像高的最大值，慧形像差图中表示各像高的值。另外，像散图中，实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。以上的像差图的说明在其他的实施例中也相同。从各像差图中可以清楚地看到，本实施例中，不仅对于d线，而且对于g线、C线及F线，都可以良好地修正各个像差，确保优良的成像性能。

而且，图4所示的曲线A及B是按照在d线中使衍射效率达到100％的方式设定的衍射效率的分布，曲线A表示在低折射率树脂No.1的表面形成了凸纹图案的单层的衍射光学元件的衍射效率，曲线B表示由低折射率树脂No.1和高折射率树脂No.1构成的密合多层型衍射光学元件的衍射效率。本实施例中，可以在从g线到C线的波长区域中获得0.95(95％)以上的高衍射效率(光强度)。

第二实施例

下面，使用图5～图6对本发明的第二实施例进行说明。如图5所示，第二实施例的光学系统(目镜)EL2具有从物体O侧起依次排列的具有负的折射能力的第一透镜L1、具有正的折射能力的第二透镜L2，在第一透镜L1的与物体O侧相面对的面上，贴附有密合多层型衍射光学元件DOE。而且，上述图中，将出射光瞳用符号H表示。该光学系统(目镜)EL2的全视角为24.3度。

从图5中可以看到，第二实施例的光学系统(目镜)EL2是与第一实施例的光学系统EL1相同的构成，对各部使用与第一实施例的情况相同的符号，省略详细的说明。但是，在第一透镜L1具有负的折射能力这一点上与第一实施例不同。另外，在第二透镜L2的位于与第一透镜L1相反一侧的面为凹面这一点上与第一实施例不同。

在下面的表2中，给出第二实施例的各透镜的参数。表2的面编号1～8与图5的面1～8对应。另外，表2中，对以非球面形状形成的透镜面，在面编号的右方标以＊记号。本实施例中，与面编号3及4以及7相当的面为非球面，与面编号6相当的面为衍射光学面。而且，衍射光学面与第一实施例相同，用超高折射率法表记。

(表2)

面编号 r d n(d) n(g) n(C) n(F)

1 0.00000 21.00000 1.000000

2 34.04256 4.60000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

3^＊ -19.63227 0.10000 1.000000

4^＊ 140.45480 2.50000 1.517420 1.529800 1.514440 1.524310

5 49.47642 0.20000 1.527600 1.547700 1.523300 1.538500

6^＊ 49.47642 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311

7^＊ 49.47642 0.20000 1.556900 1.571100 1.553700 1.564800

8^＊ 49.47642 22.76128 1.000000

(非球面数据)

面编号 κ C₂ C₄ C₆ C₈

3 -1.7871 0.00000 -1.78450×10^-4 -1.65830×10^-6 7.11790×10^-9

C₁₀

-6.18770×10^-12

面编号 κ C₂ C₄ C₆ C₈

4 -6.5471 0.00000 1.86590×10^-4 -1.49880×10^-6 6.23320×10^-9

C₁₀

-2.70900×10^-12

面编号 κ C₂ C₄ C₆ C₈

7 1.0000 -1.50000×10^-7 7.68750×10^-11 -1.03410×10^-11 1.78730×10^-13

C₁₀

-9.74580×10^-16

(条件对应值)

D＝0.1

f＝26.335

f1＝-269.234

f2＝24.452

Δνd＝15.46

Δnd＝0.0293

Eg＝98.221

EC＝98.233

Ed＝99.999

C＝18.71

h＝0.02

d＝0.2

p＝0.0305

φ＝10.000

R＝21.000

Δ＝0.1124

(1)D/f＝0.00380

(3)D/(f1×f2)＝-0.00001519

(4)Δνd/Δnd＝527.645

(5)(Eg+EC)/2＝98.227

0.9×Ed＝89.999

(6)C/f＝0.711

(7)h/d＝0.1

(8)p/f＝0.00116

(9)φ×R/f²＝0.3028

(10)Δ/f＝0.00427

由此可见本实施例中，上述条件式(1)～(10)(除了条件式(2)外)全都得到满足。

图6是第二实施例的各个像差图。从各像差图中可以清楚地看到，本实施例中，不仅对于d线，而且对于g线、C线及F线，都可以良好地修正各个像差，确保优良的成像性能。

第三实施例

下面，使用图7～图8对本发明的第三实施例进行说明。如图7所示，第三实施例的光学系统(目镜)EL3具有从物体O侧起依次排列的具有正的折射能力的第一透镜L11、同样具有正的折射能力的第二透镜L12，在第二透镜L12的与第一透镜L11相面对的面上，贴附有密合多层型衍射光学元件DOE。而且，上述图中，将出射光瞳用符号H表示。该光学系统(目镜)EL3的全视角为40.0度。

另外，密合多层型衍射光学元件DOE从贴附于第二透镜L12的一侧起依次具有第一光学元件要素51、第二光学元件要素52。而且，第一透镜L11的与物体O侧相面对的面为平面，第一透镜L11的位于与物体O侧相反一侧的面(与第二透镜L12相面对的面)为凸面。另外，第二透镜L12的与第一透镜L11相面对的面为凸面，第二透镜L12的位于与第一透镜L11相反一侧的面为平面。

而且，本实施例中，第一及第二透镜L11、L12的材质都采用丙烯酸树脂，第一光学元件要素51的材质采用(与所述的第一实施例相同的)相对来说为高折射低色散的紫外线固化树脂，第二光学元件要素52采用(与所述的第一实施例相同的)相对来说为低折射率高色散的紫外线固化树脂。

在下表3中，给出第三实施例的各透镜的参数。表3的面编号1～8与图7的面11～18对应。另外，表3中，对以非球面形状形成的透镜面，在面编号的右方标以＊记号。本实施例中，与面编号5相当的面为非球面，与面编号4相当的面为衍射光学面。而且，衍射光学面与第一实施例相同，用超高折射率法表记。

(表3)

面编号 r d n(d) n(g) n(C) n(F)

1 0.00000 5.00000 1.000000

2 0.00000 2.00000 1.491080 1.501900 1.488540 1.497070

3 -8.20000 0.20000 1.556900 1.571100 1.553700 1.564800

4＊- 8.20000 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311

5＊- 8.20000 0.20000 1.527600 1.547700 1.523300 1.538500

6- 8.20000 13.00000 1.000000

7 8.20000 3.00000 1.491080 1.501900 1.488540 1.497070

8 0.00000 0.20254 1.00000

(非球面数据)

面编号 κ C₂ C₄ C₆ C₈

5 1.0000 -2.20000×10^-7 -2.00000×10^-9 0.00000 0.00000

C₁₀

0.00000

(条件对应值)

D＝13

f＝13.47645

f1＝15.537

f2＝16.698

Δνd＝15.46

Δnd＝0.0293

Eg＝98.221

EC＝98.233

Ed＝99.999

C＝6.38

h＝0.02

d＝0.2

p＝0.01203

φ＝10.000

R＝21.000

Δ＝0.0488

(1)D/f＝0.9646

(2)D/(f1×f2)＝0.0501

(4)Δνd/Δnd＝527.645

(5)(Eg+EC)/2＝98.227

0.9×Ed＝89.999

(6)C/f＝0.4734

(7)h/d＝0.1

(8)p/f＝0.000893

(9)φ×R/f²＝1.1563

(10)Δ/f＝0.00362

图8是第三实施例的各个像差图。从各像差图中可以清楚地看到，本实施例中，虽然并非所述的第一及第二实施例那样的程度，但是不仅对于d线，而且对于g线、C线及F线，都可以良好地修正各个像差，确保优良的成像性能。而且，各实施例中，本发明的发明人尝试了在D/f≈0.003的条件下设计光学系统，与以往相比可以获得各个像差的较大的改善。

如上所示的本发明并不限定于上述实施方式，只要是不脱离本发明的主旨的范围，就可以适当地改良。另外，上述的各实施例中，虽然对作为目镜使用的光学系统的例子进行了说明，然而并不限定于此，本实施方式的光学系统还可以用于投射光学系统等中。而且，对于目镜的情况，更优选如第一及第二实施例所示那样，在物体侧的透镜中设置密合多层型复合衍射光学元件。这是因为，由于主光线相对于形成了凸纹图案的光学面近似垂直地入射，因此眩光更少。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，

具有从物体侧起依次排列的第一透镜、具有正的折射能力的第二透镜，

在所述第一透镜及所述第二透镜中任意一者的光学面上设有密合多层型衍射光学元件，该密合多层型衍射光学元件具有形成了凸纹图案的第一光学元件要素、紧密接合在所述第一光学元件要素中形成有所述凸纹图案的面上的第二光学元件要素。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学元件要素与所述第二光学元件要素在d线的折射率之差为0.45以下，

在将所述第一透镜与所述第二透镜之间的光轴上的空气间隔设为D，光学系统整体的焦点距离设为f时，满足下式

0.002<D/f<2.0

的条件。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，在将所述第一透镜的焦点距离设为f1，所述第二透镜的焦点距离设为f2时，在f1>0并且f2>0的情况下，满足下式

0<D/(f1×f2)<0.15

的条件。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，在将所述第一透镜的焦点距离设为f1，所述第二透镜的焦点距离设为f2时，在f1<0、f2>0，并且|f1|>|f2|的情况下，满足下式

-0.1<D/(f1×f2)<0

的条件。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜及所述第二透镜的至少一个的光学面为非球面。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光学系统，其特征在于，在所述第一透镜的与物体侧相面对的面上，设有所述密合多层型衍射光学元件。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的光学系统，其特征在于，对于相对而言为高折射率低色散的材料及低折射率高色散的材料之中，使用其中一方形成所述第一光学元件要素，使用另一方形成所述第二光学元件要素，

在将所述第一光学元件要素与所述第二光学元件要素的阿贝数之差设为Δνd，所述第一光学元件要素与所述第二光学元件要素的在d线的折射率之差设为Δnd时，满足下式

50<Δνd/Δnd<2000

的条件。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的光学系统，其特征在于，在将所述密合多层型衍射光学元件的在d线的衍射效率设为Ed，所述密合多层型衍射光学元件的在g线的衍射效率设为Eg，所述密合多层型衍射光学元件的在C线的衍射效率设为EC时，满足下式

(Eg+EC)/2>0.9×Ed

的条件。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的光学系统，其特征在于，在将所述凸纹图案的最小间距设为p，光学系统整体的焦点距离设为f时，满足下式

0.0001<p/f<0.003

的条件。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的光学系统，其特征在于，在将光学系统整体的焦点距离设为f，瞳径设为φ，将出瞳距设为R时，满足下式

0.1<φ×R/f²<2.0

的条件。

11.一种目镜，是用于观察物体的像的目镜，其特征在于，具有权利要求1至10中任意一项所述的光学系统。