JP2004361725A - ソリッド型カタディオプトリック光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】中心遮蔽率が小さく、高い精度をもって組み立てることができるソリッド型のカタディオプトリック光学系を提供する。
【解決手段】光の進行方向より順に、光が入射する入射面Ｓと、入射面Ｓを透過した光に対して凹面を向け中央部に開口を有する主ミラーＲ１と、主ミラーＲ１によって反射した光に対して凸面を向けた２次ミラーＲ２とを備え、入射面Ｓから入射し、主ミラーＲ１で反射した後に、２次ミラーＲ２で反射し、開口を経た光を結像させる光学系において、入射面Ｓから主ミラーＲ１に至る光路及び主ミラーＲ１から２次ミラーＲ２に至る光路はレンズによって満たされ、入射面Ｓは、主ミラーＲ１の曲率中心近傍に位置し、且つ、光軸に対して回転対称且つ実質的にパワーを有さない非球面が形成されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カタディオプトリックレンズ（反射屈折式レンズ）に関し、特に小型撮像素子用の撮像レンズとして用いるに適したカタディオプトリックレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、３５ｍｍ版フィルムを使用する撮像装置では、長焦点距離レンズ、特に超望遠レンズとして、反射屈折式レンズがしばしば用いられている。３５ｍｍ版フィルム用の撮像レンズとして用いられる従来の反射屈折式レンズは、該レンズの小型化を図るため、光線の入射方向より順に、入射面、主ミラー、２次ミラーが配置されている。一般には、入射面として凸面が用いられ、主ミラーとして凹面鏡が用いられ、２次ミラーとして凸面鏡が用いられ、そのパワー配置は正、正、負となっている。このような構成の反射屈折式レンズは、色収差、特に２次スペクトルの劣化を招くことなく、屈折作用のみによって長焦点距離レンズを構成する場合よりもレンズ全長を短くすることができ、操作上大変有利である。
【０００３】
近年のデジタルカメラ等の小型化に伴い、その撮像素子であるＣＣＤ（電荷結合素子）も小型化が進んでいる。また、高画質への要求により撮像素子の高細密化が進み、撮像レンズの性能への要求も厳しくなってきている。このような要求を解決する一つの手段として、３５ｍｍ版フィルム用の撮像レンズとして開発された超望遠タイプのカタディオプトリックレンズを、小型の撮像素子用の撮像レンズとして利用することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１６３４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、３５ｍｍ版フィルム用に開発された超望遠タイプのカタディオプトリックレンズを、小型の撮像素子に適用する場合、撮像素子が２／３インチ、１／３インチ、１／４インチ、１／５インチ等と３５ｍｍ版フィルムに対して非常に小さいことから、光学系に必要とされる結像性能やアライメント性能が異なり、そのままでは応用することができない。そこで、特許文献１に開示のカタディオプトリックレンズにおいては、像側のテレセントリシティーを十分に確保し、コマ収差の劣化を抑えるために、入射面を球面形状の凹面としていた。しかしながら、入射面を球面形状の凹面とすると、２次ミラーによる中心遮蔽率が大きく、結像に寄与する光束は小さくなり、像が暗くなるという問題があった。
【０００６】
また、上記のカタディオプトリックレンズにおいては、像面上に到達する光は、必ずしも主ミラー、２次ミラーを順に経る正規の反射・屈折光だけではなく、光学系の内部や種々の部材等で反射した光も像面上に到達する。このような反射した光は、対象物体を結像するのに不要な迷光であるため、例えば当該光学系に長いフード等の遮光部材等を配置して、この迷光除去する必要がある。しかしながら、上記のような小型撮像素子用の撮像レンズにおいて、光学性能を高めるためには、機械的に組み立てるに際してアライメント精度上で有利となるように、より簡素化された構成であることが必要である。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、２次ミラーによる中心遮蔽率が小さく、高い精度をもって組み立てることができるソリッド型のカタディオプトリック光学系を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明は、光の進行方向より順に、光が入射する入射面と、入射面を透過した光に対して凹面を向け中央部に開口を有する主ミラーと、主ミラーによって反射した光に対して凸面を向けた２次ミラーとを備え、入射面から入射し、主ミラーで反射した後に、２次ミラーで反射し、開口を経た光を結像させる光学系において、入射面から主ミラーに至る光路及び主ミラーから２次ミラーに至る光路はレンズによって満たされ、入射面は主ミラーの曲率中心近傍に位置し且つ光軸に対して回転対称且つ実質的にパワーを有さない非球面が形成されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。ここで、実質的にパワーを有さない非球面形状とは、その形状が略平面に近く、屈折力がごく小さいかあるいは屈折力を有さない面であって、収差補正には寄与できるような面形状を指す。
【０００９】
また、本発明は、入射面から主ミラーに至る光路を満たすレンズは、入射面を有する第１レンズと、主ミラーを有する第２レンズとが貼り合わされて構成され、第１レンズと第２レンズとの貼り合わせ面に２次ミラーが形成されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１０】
また、本発明は、第１レンズと第２レンズとは、互いに異なる硝材から作られていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１１】
また、本発明は、第２レンズは、その像側に第３レンズ群を有していることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１２】
また、本発明は、第１レンズの中心部は、前記入射面から前記貼り合わせ面に形成された前記２次ミラーに向けて円柱状又は円錐状の穴が形成され、前記円柱状又は円錐状の穴の表面は、該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１３】
また、本発明は、前記入射面から前記主ミラーに至る光路及び前記主ミラーから前記２次ミラーに至る光路を満たすレンズの側面は、該側面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１４】
また、本発明は、前記入射面の物体側直前に開口絞りを備え、前記開口絞りの表面は、該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、光の進行方向より順に、光が入射する入射面と、入射面を透過した光に対して凹面を向け中央部に開口を有する主ミラーと、主ミラーによって反射した光に対して凸面を向けた２次ミラーとを備え、入射面から入射して主ミラーで反射した後に２次ミラーで反射して開口を経た光を結像させる光学系であり、入射面から主ミラーに至る光路及び主ミラーから２次ミラーに至る光路はレンズによって満たされ、さらに、入射面は主ミラーの曲率中心近傍に位置し且つ光軸に対して回転対称且つ実質的にパワーを有さない非球面が形成されている。
【００１６】
なお、上記の入射面から主ミラーに至る光路を満たすレンズは、入射面を有する第１レンズと、主ミラーを有する第２レンズとが貼り合わされて構成され、第１レンズと第２レンズとの貼り合わせ面に２次ミラーが形成されていることが望ましい。
【００１７】
このように、本発明は、入射面から主ミラーに至る光路と、主ミラーから２次ミラーに至る光路が光学材料によって満たされた構成、すなわち第１レンズと第２レンズとが接合されて一体化した、いわゆるレンズブロックと呼ばれる簡素化された構成となっている。その結果、本発明は、より高い組み立て精度を確保することが可能である。また、主ミラーと２次ミラーとの間を光学材料で充填することは、両者の間に埃や水滴等、画質を損ねる異物が入らないので好都合である。また、上記構成により、入射面は光軸に対して回転対称且つ実質的にパワーを有さない非球面が形成されているため、レンズの構成枚数を増やすことなく、球面収差やコマ収差が良好に補正され、高解像を実現できる。
【００１８】
また、本発明においては、第１レンズと第２レンズとは、互いに異なる光学材料（硝材）から作られていることが望ましい。このような構成により、光束が主ミラー面を屈折するときに発生する軸上色収差を補正することができる。
【００１９】
また、本発明においては、第２レンズの像側に、第３レンズ群が配置されていることが望ましい。このとき、第３レンズ群は、第２レンズの像側の面に対し、密着接合されても、また空気間隔を隔てて配置されてもよい。このような構成により、第１レンズ及び第２レンズの屈折率差により発生する倍率色収差等の残存収差を補正することができる。
【００２０】
また、本発明においては、第１レンズの中心部に、入射面から前記貼り合わせ面に形成された前記２次ミラーに向けて、円柱状（図９（ａ））又は円錐状（図９（ｂ）参照）の穴が形成され、これら円柱状又は円錐状の穴の表面は該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理、例えば黒色処理が施されていることが望ましい。なお、図９（ａ）では、第１レンズをＬ１、円柱状の穴をＡ、円柱状の穴Ａの表面において黒色処理されている部分をハッチングＨａで示している。また、図９（ｂ）では、第１レンズをＬ１、円錐状の穴をＢ、円錐状の穴Ｂの表面において黒色処理されている部分をハッチングＨｂで示している。このように、第１レンズにおいて円柱状又は円錐状の穴が形成されることにより、本光学系を軽量化することができる。また、上記円柱状又は円錐状の穴の表面が黒色処理されることにより、構成部品を増加させることなく、本光学系に発生する迷光を吸収及び低減させることができる。
【００２１】
また、本発明においては、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、入射面から主ミラーに至る光路及び主ミラーから２次ミラーに至る光路を満たすレンズ（すなわち第１レンズ及び第２レンズ）の側面は、該側面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理、例えば黒色処理が施されていることが望ましい。さらに、入射面の物体側直前に開口絞りを備え、開口絞りの表面は該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理、例えば黒色処理が施されていることが望ましい。なお、図９（ａ）及び図９（ｂ）では、第１レンズをＬ１、第２レンズをＬ２、開口絞りをＳ、開口絞りＳの表面及び各レンズＬ１，Ｌ２の側面において黒色処理されている部分をハッチングＨで示している。上記構成により、結像に寄与しない不要な迷光が黒色処理された開口絞り及び各レンズの側面で吸収・散乱され、像面に達することを大幅に低減させることができる。また、上記のように入射面の物体側直前に開口絞りを配置することにより、フレア等の画質低下を招くような外部からの有害光の侵入を防ぐことができるとともに、入射面を通過する光線角度をできるだけ抑えることができる。その結果、フレアがあまり影響を及ぼさずに、良好な画像を得ることができる
【００２２】
また、本実施例では、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、主ミラー周辺を切り欠き、この切り欠いた部分に黒色処理を施して不要な迷光を吸収させ、より良好な結像性能を得られるように構成することもできる。なお、図１０（ａ）では円柱状に切り欠いた部分をＣで示し、図１０（ｂ）は円錐状に切り欠いた部分をＤで示している。
【００２３】
また、上記構成の本発明のカタディオプトリック光学系において、主ミラーの曲率半径をＲ１、２次ミラーの曲率半径をＲ２、入射面と２次ミラーとの頂点間隔をｄ１、主ミラーと２次ミラーとの頂点間隔ｄ２としたときに、コマ収差及び非点収差をより良好に補正するため、以下の条件式（１）が満足されることが望ましい。
【００２４】
【数１】

【００２５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、各実施例において、非球面は、サグ量をＺとし、径方向高さをＹとし、中心曲率半径をＲとし、円錐係数をκとし、４次の非球面係数をＣ_４とし、６次の非球面係数をＣ_６としたとき、条件式（２）で表される。
【００２６】
【数２】

【００２７】
なお、各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に＊印を付している。
【００２８】
（第１実施例）
図１は、第１実施例を示し、この実施例のカタディオプトリックレンズは、焦点距離ｆｄ＝４０ｍｍであり、物体側の面に非球面が形成されて像側に凸面を向けた正レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２とが接合されて構成されている。この実施例では、正レンズＬ１は、物体側レンズ面が入射面Ｓになっており、像側レンズ面の中央部は反射膜がコーティングされて２次ミラーＲ２となっている。また、負メニスカスレンズＬ２は、像側レンズ面の周辺部は反射材がコーティングされて（中央部に開口を有する）輪帯状の主ミラーＲ１になっており、この主ミラーＲ１の中央部は反射防止膜がコーティングされている。また、正レンズＬ１及び負メニスカスレンズＬ２には、同一の光学材料が用いられている。
【００２９】
このように図１に示した本発明の第１実施例における各レンズの諸元を表１に示す。表中、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（右の＊印は非球面形状に形成されているレンズ面）、第２欄ｒは各光学面の曲率半径、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（又は像面）までの光軸上の距離、さらに第４欄ｎｄはｄ線に対する屈折率、第５欄νｄは各レンズ材料のアッベ数、第６欄はレンズ番号、第７欄は各光学面の記号を示している。また、表中第３欄ｄ及び第４欄ｎｄについては、１回反射するたびに符号を反転して表示している。また、表には条件式（１）に対応する値、すなわち条件対応値も示している。以上の表の説明は、他の実施例においても同様である。
【００３０】
なお、本実施例では、使用波長としてｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）のみの単色を想定しており、したがってアッベ数は記載していない。また、面番号１が入射面Ｓ、面番号２が主ミラーＲ１、面番号３が２次ミラーＲ２に相当している。
【００３１】
【表１】

【００３２】
このように第１実施例では、上記条件式（１）が満たされることが分かる。図２に第１実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図３に横収差を示す。各収差図において、ＦＮＯはＦナンバー、Ｙは像高、ωは半画角を示す。各収差図において、ｄはｄ線を示している。なお、非点収差図では、実線Ｓはサジタル像面を示し、点線Ｔはメリディオナル像面を示している。また、横収差図では、半画角ωにおける、サジタル方向及びメリディオナル方向の横収差を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図２及び図３の各収差図から明らかなように、第１実施例のソリッド型カタディオプトリックレンズでは、諸収差が良好に補正され、単色のｄ線において優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００３３】
（第２実施例）
第２実施例は、焦点距離ｆｄ＝４０ｍｍで、図１に示す第１実施例と同様のレンズ構成であるが、正レンズＬ１と負メニスカスレンズＬ２には異なる光学材料が用いられている。なお、第２実施例のレンズ構成については、上記の第１実施例と同様であるため、ここでの説明は省略する。第２実施例における各レンズの諸元を表２に示す。なお、本実施例では、面番号１が入射面Ｓ、面番号２が主ミラーＲ１、面番号３が２次ミラーＲ２に相当している。
【００３４】
【表２】

【００３５】
このように第２実施例では、上記条件式（１）が満たされることが分かる。図４に第２実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図５に横収差を示す。なお、各収差図において、ｄはｄ線を、ｇはｇ線を、ＣはＣ線を、ＦはＦ線を示している。この収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図４及び図５の各収差図から明らかなように、第２実施例のソリッド型カタディオプトリックレンズでは、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００３６】
（第３実施例）
図６は、第３実施例を示し、この実施例のカタディオプトリックレンズは、焦点距離ｆｄ＝４０ｍｍであり、物体側の面に非球面が形成されて像側に凸面を向けた正レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２と、（負メニスカスレンズに形成されている主ミラーの中央部に接合された）物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３とが接合された構成されている。この実施例では、正レンズＬ１は、物体側レンズ面が入射面Ｓになっており、像側レンズ面の中央部は反射膜がコーティングされて２次ミラーＲ２となっている。また、負メニスカスレンズＬ２は、像側レンズ面の周辺部は反射膜がコーティングされて（中央部に開口を有する）輪帯状の主ミラーＲ１になっており、この主ミラーＲ１の中央部は反射防止膜がコーティングされている。また、正レンズＬ１と負メニスカスレンズＬ２には同じ光学材料が用いられている。
【００３７】
このように図６に示した本発明の第３実施例における各レンズの諸元を表３に示す。なお、面番号１が入射面Ｓ、面番号２が主ミラーＲ１、面番号３が２次ミラーＲ２に相当している。
【００３８】
【表３】

【００３９】
このように第３実施例では、上記条件式（１）が満たされることが分かる。図７に第３実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図８に横収差を示す。図７及び図８の各収差図から明らかなように、第３実施例のソリッド型カタディオプトリックレンズでは、諸収差（特に倍率色収差）が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、入射面に実質的にパワーを有さない非球面を形成し、主ミラーの曲率中心近傍に入射面を配置することにより、２次ミラーによる中心遮蔽率を小さくし、且つ、収差が高度に補正されたソリッド型カタディオプトリックレンズを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施例及び第２実施例のソリッド型カタディオプトリックレンズを示す断面図である。
【図２】第１実施例の諸収差図である。
【図３】第１実施例の諸収差図である。図である。
【図４】第２実施例の諸収差図である。
【図５】第２実施例の諸収差図である。
【図６】本発明による第３実施例のソリッド型カタディオプトリックレンズを示す断面図である。
【図７】第３実施例の諸収差図である。
【図８】第３実施例の諸収差図である。
【図９】図９（ａ）は本発明に係る第１レンズにおいてその中心部に円柱状の穴が形成された例を示す断面図であり、図９（ｂ）は本発明に係る第１レンズにおいてその中心部に円錐状の穴が形成された例を示す断面図である。
【図１０】本発明に係るソリッド型カタディオプトリックレンズにおいて、不要な迷光を吸収するための遮光措置をとった他の例である。
【符号の説明】
Ｌ１〜Ｌ３ レンズ（第１〜第３レンズ）
Ｓ 入射面
Ｒ１ 主ミラー
Ｒ２ ２次ミラー
Ｉ 像面

Claims (7)

1. 光の進行方向より順に、前記光が入射する入射面と、前記入射面を透過した前記光に対して凹面を向け中央部に開口を有する主ミラーと、前記主ミラーによって反射した前記光に対して凸面を向けた２次ミラーとを備え、
   前記入射面から入射し、前記主ミラーで反射した後に、前記２次ミラーで反射し、前記開口を経た光を結像させる光学系において、
   前記入射面から前記主ミラーに至る光路及び前記主ミラーから前記２次ミラーに至る光路はレンズによって満たされ、
   前記入射面は、前記主ミラーの曲率中心近傍に位置し、且つ、光軸に対して回転対称且つ実質的にパワーを有さない非球面が形成されていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系。
2. 前記入射面から前記主ミラーに至る光路を満たすレンズは、
   前記入射面を有する第１レンズと、前記主ミラーを有する第２レンズとが貼り合わされて構成され、
   前記第１レンズと前記第２レンズとの貼り合わせ面に前記２次ミラーが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
3. 前記第１レンズと前記第２レンズとは、互いに異なる硝材から作られていることを特徴とする請求項２に記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
4. 前記第２レンズは、その像側に第３レンズ群を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
5. 前記第１レンズの中心部は、前記入射面から前記貼り合わせ面に形成された前記２次ミラーに向けて円柱状又は円錐状の穴が形成され、
   前記円柱状又は円錐状の穴の表面は、該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
6. 前記入射面から前記主ミラーに至る光路及び前記主ミラーから前記２次ミラーに至る光路を満たすレンズの側面は、該側面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
7. 前記入射面の物体側直前に開口絞りを備え、
   前記開口絞りの表面は、該表面で生じる光の反射及び散乱を抑える処理が施されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。

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