JP2007226033A

JP2007226033A - レンズ系

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Publication number: JP2007226033A
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Inventors: Kimihiko Nishioka; 公彦西岡
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Abstract

【課題】色収差を軽減した、負屈折率媒質を用いたレンズ系を提供すること。
【解決手段】負屈折を示す媒質３０１で形成された第１のレンズ５０２と、正の屈折率を持つ媒質３０２で形成された第２のレンズ５０３を含み、第１のレンズ５０２を形成するレンズのアッベ数と、第２のレンズ５０３を形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系である。また、負屈折を示す媒質３０３で形成された第１のレンズ５０９と、負屈折を示す媒質３０４で形成された第２のレンズ５１０を含み、前記第１のレンズ５０９を形成するレンズのアッベ数と、前記第２のレンズ５１０を形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ系に関する。

光あるいは電磁波を用いた光学素子、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、信号処理系等の光学系及びそれらを用いた光学装置が従来より知られている。これらの光学系は光あるいは電磁波の波動性のために生ずる回折の為に、解像が制限される欠点があった。

そこでこの回折限界を越える結像を実現する技術として以下の非特許文献２，５等では負屈折率媒質を用いることが記されている。

図９は、その説明図で、負屈折率媒質３０１で形成された平行平板３８０による結像を示したものである。図９において、
ｔ0…物点と平板３８０の左側面の距離
ｔ0′…像点と平板３８０の右側面の距離
ｔ…平板３８０の厚さ
ｉ…入射角
ｒ…屈折角
ｎs…負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率
とする。

平板３８０の周囲の媒質の真空に対する屈折率はｎ0であり真空の場合ｎ0＝１である。図９はｎ0＝１，ｎs＝−１の場合を示している。

矢印は物体から出た光のうちの放射光成分を示している。非特許文献２によれば屈折の法則が成り立つから
ｎ0sin ｉ＝ｎssin ｒ …式１０１
であり、ｎ0＝１，ｎs＝−１とすれば
ｒ＝−ｉ …式１０２
となる。従って、
ｔ0＋ｔ0′＝ｔ …式１０３
を満たすｔ0′のところに放射光成分の光は像点として結像する。

一方、物点から出たエバネッセント波も式１０３を満たすｔ0′のところで、物点と等強度になる。物体から出たすべての光が像点に集るので回折限界を越える結像が実現する。これを完全結像と呼ぶ。完全結像は負屈折率媒質３０１の周囲が真空でなくても、式１０３かつ
ｎs＝−ｎ0 …式１０４
を満たせば実現することが以下の非特許文献２により知られている。

光学系の仕組みと応用、７３−７７，１６６−１７０オプトロニクス社、２００３年 J.B.Pendry Phys.Rev.Lett.,Vol 85,18(2000)3966-3969 M.Notomi Phys.Rev.B.Vol 62(2000)10696 V.G.Veselago Sov.Phys.Usp.Vol.10,509-514(1968) L.Liu and S.He Optics Express Vol.12 No.20 4835-4840(2004) 佐藤・川上オプトロニクス２００１年７月号１９７ページ D.Schurig and D.R.Smith Phys.Rev.E Vol.70 065601(R) (2004) ＵＳ２００３／０２２７４１５Ａ１ＵＳ２００２／０１７５６９３Ａ１

なお、本願で光と言う言葉は、マイクロ波、テラヘルツ波等の電磁波も含むものとする。また、図９で、撮像素子４０８が設けられている。

一方、非特許文献４に示されているように負屈折率媒質には色分散（色収差）がある。このため負屈折率媒質３０１で図１０に示すような曲面を有するレンズ５０１を作ると色収差が発生する欠点があった。実線はd-line（オレンジ色の光線）、点線はg-line（青紫色の光線）を表している。また、Ａは光軸である。

この点に鑑みるに本願は、色収差を軽減した、負屈折率媒質を用いたレンズ系を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系を提供できる。

また、他の本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系を提供できる。

また、さらに他の本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系を提供できる。

また、別の本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系を提供できる。

また、さらに別の本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系を提供できる。

また、他の本発明によれば、負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系を提供できる。

本発明によれば、色収差を軽減した、負屈折率媒質を用いたレンズ系を提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるレンズ系の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明の１例で、負屈折率媒質３０１でできた凹面を両側にもつレンズ５０２と、正の屈折率媒質３０２でできた凸面を両側にもつレンズ５０３とを組合せたレンズ系５０４である（実施例１）。

レンズ３０１の周囲の媒質に対する比屈折率をn’１、
レンズ３０２の周囲の媒質に対する比屈折率をn’２とすると、
ｎ’１＜０・・・式１０５
ｎ’２＞０・・・式１０６
であるから、

レンズ５０２は、光収束作用を持つレンズ（つまり焦点距離が正）のレンズとして作用し、レンズ５０３は光収束作用を持つレンズ（つまり焦点距離が正）のレンズとして作用する。

レンズ５０２の焦点距離をｆ１、
レンズ５０３の焦点距離をｆ２とする。
負屈折率媒質３０１のアッベ数をν１、
正の屈折率媒質３０２のアッベ数をν２とする。

非特許文献３によれば、典型的な負屈折率材料であるフォトニック結晶の光の角周波数ωに対する屈折率の関係は図２のようになる。角周波数とは光の周波数に２πを掛けたものである。

従って、図２の媒質をレンズ５０２に用いた場合、屈折率が負の領域では
ν１＜０・・・式１０７
となる。

正の屈折率媒質３０２としてガラス、プラスチック等通常の光学材料を考えれば、
ν２＞０・・・式１０８
である。

２枚の薄肉レンズを近接させた場合の色収差除去に必要な条件は、
１／（ｆ１・ν１）＋１／（ｆ２・ν２）＝０・・・式１０９
である。

ここで、
ｆ１＞０・・・式１１０
ｆ２＞０・・・式１１１
であるから、式１０７、式１０８が成り立つので、ｆ１，ｆ２，ν１，ν２を適当に選べば式１０９を満たすことができる。つまり、色収差を除去できるのである。

しかも、レンズ５０２、レンズ５０３ともに焦点距離が正であるから強い正のパワーのレンズを得ることができる。

通常の正の屈折率媒質を用いた凹凸２枚のレンズからなる系では、いずれのアッベ数も
正のため色収差を除去すると、各レンズの焦点距離が逆符号となってしまう。このため、強いパワーを得ることが困難であった。しかしながら、本発明ではそのようなことがない。

なお、レンズ５０２は、ｆ１＞０であれば少なくとも片面が凹面であればよい。なお、レンズ５０３はｆ２＞０であれば少なくとも片面が凸面であればよい。
なお、図１の系でレンズ５０２とレンズ５０３とは図３のように接合して１枚のレンズ５０５としてもよい。また、レンズ５０２とレンズ５０３との光軸Ａ上の順番は逆でもよい。

次に、本発明の実施例２に係るレンズ系について説明する。図４のように２枚のレンズ５０６、５０７からなるレンズ系５０８を考えてみる。
レンズ５０６は、負屈折率媒質３０１で構成され、その焦点距離をｆ３とする。レンズ５０７は、正の屈折率媒質３０２で構成され、その焦点距離をｆ４とする。
ｆ３＜０・・・式１１２
ｆ４＜０・・・式１１３
とする。

従って、レンズ５０６の少なくとも片側の面は凸面である。レンズ５０７の少なくとも片側の面は凹面である。レンズ５０６についても式１０７が成りたつものとする。レンズ５０７についても式１０８が成りたつ。

すると、式１０９でｆ１をｆ３で,ｆ２をｆ４で置きかえれば、ｆ３，ｆ４，ν１，ν２を適当に選べば、式１０９を成りたたせることができる。

従って、色収差のない強い負パワーのレンズ系を得ることができるのでよい。なお、図４でレンズ５０６とレンズ５０７は接着剤等で接合されてもよい。レンズ５０６とレンズ５０７の光軸Ａ上の順番は逆でもよい。なお、実用的には式１０９は厳密になりたたなくてもよい。

−｜１／（１０ｆT)｜≦１／（ｆ１・ν１）＋１／（ｆ２・ν２）≦｜１／（１０ｆT)｜
・・・式１１４
であれば良い場合も多い。

用いる光の波長帯域が狭い場合などでは、
−｜１／（ｆT)｜≦１／（ｆ１・ν１）＋１／（ｆ２・ν２）≦｜１／（ｆT)｜
・・・式１１５
を満たせば良い。

さらに、あまり色収差を気にしない用途によっては、
−｜１０／（ｆT)｜≦１／（ｆ１・ν１）＋１／（ｆ２・ν２）≦｜１０／（ｆT)｜
・・・式１１６
を満たせば良い。
ここで、ｆTは、レンズ系５０４の全系の焦点距離である。

式１１４，式１１５，式１１６は、焦点距離ｆ１,ｆ２をf３,ｆ４でそれぞれ置き換えれば図４の系についても成り立つ。この場合ｆTは、レンズ系５０８の全系の焦点距離である。

表１に色収差を軽減することのできる負屈折率レンズと正屈折率レンズの組合せの例を示した。

組合せ１は実施例１に、組合せ２は実施例２に、それぞれ対応する。組合せ７，８も２枚のレンズを組合せた時のパワーの絶対値が大きくなり有利である。

組合せ３，４，５，６は、２つのレンズの焦点距離が逆符号のため、パワーの絶対値が大きくなる効果は少ないが、色収差を軽減できる。

次に、本発明の実施例３に係るレンズ系について説明する。図５は、実施例３に係る負屈折率媒質３０３，３０４で構成された２枚の正の焦点距離ｆ５,ｆ６のレンズ５０９，５１０を組合せたレンズ系５１１である。

負屈折率媒質３０３のアッベ数ν５は負である。
ν５＜０・・・式１１７
負屈折率媒質３０４のアッベ数ν６は正である。
ν６＞０・・・式１１８

ｆ５，ｆ６，ν５，ν６を適当に選ぶことにより
１／（ｆ５・ν５）＋１／（ｆ６・ν６）＝０・・・式１１９
を満たすことができる。
従って、色収差の補正が可能となるのである。そして、レンズ５０９，５１０ともに正の焦点距離を有するのでレンズ系５１１は強い正パワーのレンズとなる。

式１１４，式１１５，式１１６，はｆ１，ｆ２をｆ５，ｆ６で、ν１，ν２をν５，ν６で置き換えれば図５の系についても成り立つ。この場合ｆTは、レンズ系５１１の全系の焦点距離である。なお、レンズ５０９とレンズ５１０の光軸Ａ上の順番は逆でもよい。

表２に色収差を軽減することのできる負屈折率レンズ２枚の組合せの例を示した。

組合せ９は、実施例３に対応する。組合せ１０，１５，１６も２枚のレンズを組合せた時のパワーの絶対値が大きくなり有利である。組合せ１１，１２，１３，１４は、２つのレンズの焦点距離が逆符号のためパワーの絶対値が大きくなる効果は少ないが色収差を軽減できる。

表１、表２に共通していえることは２つのレンズのアッベ数が逆符号であれば、色収差を除去した時、レンズ系のパワーの絶対値を強くする効果が出せるということである。また、２つのレンズの光軸Ａ上の順序は逆でも良い。

図６は、３枚以上のレンズを組合せたレンズ系５１２である。レンズ系５１２の中には少なくとも１枚の負屈折率媒質からなるレンズが含まれている。そして、レンズ系５１２の中には表１又は表２のいずれかの組合せに該当するレンズの組合せが含まれている。従って色収差軽減効果があるのである。

そして、特にその２枚のレンズのアッベ数が逆符号であれば、色収差を除去した時レンズ系のパワーの絶対値を強くする効果が出せるのである。

図６の例の場合、
ｉ番目のレンズの焦点距離をfｉ
ｉ番目のレンズのアッベ数をνｉ
レンズ系５１２の全系の焦点距離をｆTN
レンズ枚数をＮとすれば、

であれば色収差を除去できる。ここでレンズ系は、薄肉密着系で近似してある。実用的には、

を満たせば良い場合が多い。用いる光の波長帯域が狭い場合などでは、

を満たせば良い。さらにあまり色収差を気にしない用途によっては、

を満たせばよい。式１２０，式１２１，式１２２，式１２３は、Ｎが２の場合にも成り立つ。従って、式１２０，式１２１，式１２２，式１２３は、Ｎ≧２の自然数Ｎについて成り立つ。

なお、ここで、本願で用いるアッベ数νについて詳述しておく。用いる光の波長が可視光領域（波長３８０ｎｍ〜７００ｎｍ）にある場合は、アッベ数νは次式で定義される。

ν＝（ｎ’ｄ−１）／（ｎ’Ｆ−ｎ’Ｃ）・・・式１２５
ここで
ｎ’ｄは、波長５８７．６ｎｍの光に対するレンズ周囲の媒質に対する比屈折率
ｎ’Ｆは、波長４８６．１ｎｍの光に対するレンズ周囲の媒質に対する比屈折率
ｎ’Ｃは、波長６５６．３ｎｍの光に対するレンズ周囲の媒質に対する比屈折率
である。ここでレンズ周囲の媒質に対する比屈折率の値は正でも負でもよい。

一方、用いる光の波長域が可視光外の場合（電磁波領域の場合も含む）
ｎ’ｄをその波長域の中央の波長のレンズ周囲の媒質に対する比屈折率で置き換え、
ｎ’Ｆをその波長域の短い方の波長端のレンズ周囲の媒質に対する比屈折率で置き換え、
ｎ’Ｃをその波長域の長い方の波長端のレンズ周囲の媒質に対する比屈折率で置き換えればよい。

なお、本願で焦点距離はレンズ周囲の媒質中における焦点距離を指すものとする。

レンズを形成する負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率ｎｓは、次式を満たすことが望ましい。
−５≦ｎｓ≦−０．３・・・式１４１

ｎｓが式１４１の上限を越えるとレンズ単体でのペッツバール和の絶対値が大きくなりレンズ系としての像面弯曲収差の補正が困難になる。ｎｓが式１４１の下限を下回ると負屈折率媒質の製作が困難になりコスト高となる。

実用的には、
−１０≦ｎｓ≦−０．１・・・式１４２
を満たせば良い場合もある。

−３≦ｎｓ≦−０．５・・・式１４３
とすればなお良い。

負屈折率媒質のνの値ついて述べる。
１≦|ν|≦２００・・・式１４５
であることが望ましい。

νの値が上限を上回ると色収差補正の効果が出にくくなり、νの値が下限を下回ると光学材料の製造誤差等に対して色収差が変化しやすくなる。

実用的には、
０．１≦|ν|≦１０００・・・式１４６
でも許容される場合がある。

色収差があまり問題にならない用途では、
０．０１≦|ν|≦１００００・・・式１４７
でもよい。

図１の例の数値実施例を掲げる。
ν１＝−１０
ｆ１＝５０μｍ
ｎ’１＝−１

ν２＝６０
ｆ２＝８．３３３μｍ
ｎ’２＝１．６
ｆT＝７．１４μｍ

図４の例の数値実施例を掲げる。
ν１＝−２０
ｆ１＝−１０ｍｍ
ｎ’１＝−２

ν２＝５０
ｆ２＝−４ｍｍ
ｎ’２＝１．５２
ｆT＝−２．８５７ｍｍ

以下、本発明に共通して言える内容を述べる。負屈折率媒質３０１の具体的な物質としてはフォトニック結晶が挙げられる。図７は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図８は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図７、図８に示すように、フォトニック結晶３４０はλ〜数十分の１λ程度の周期的な構造を持つ物質で、リソグラフィー等によって作られる。材質はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、アクリル、ポリカーボネート等の合成樹脂などの誘電体、ＧａＡｓ等である。ここでλは使用する光の波長である。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向の繰返しの周期Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの値がλ〜数十分の１λ程度の値を持つ。フォトニック結晶のバンド端近傍で負屈折率を実現することができることが知られている（非特許文献３を参照のこと）。図のＺ方向を光学系の光軸とするのが良い。

Ｚ軸はフォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸の方向である。

Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは次式のいずれかを満たすことが望ましい。
λ／１０＜Ｓｘ＜λ …式（５−１）
λ／１０＜Ｓｙ＜λ …式（５−２）
λ／１０＜Ｓｚ＜λ …式（５−３）
Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの値が上限を越えても下限を下回ってもフォトニック結晶として機能しなくなる。

用途によっては、
λ／３０＜Ｓｘ＜４λ …式（５−４）
λ／３０＜Ｓｙ＜４λ …式（５−５）
λ／３０＜Ｓｚ＜４λ …式（５−６）
のいずれかを満たせばよい。

負屈折率媒質についてであるが、媒質の比誘電率εが負で、かつ、媒質の比透磁率μが負のとき、媒質の屈折率が

になることが知られている。
また、負屈折率媒質としては、負屈折を示す物質、近似的に負の屈折を示す物質、例えば銀、金、銅等の薄膜、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、らせん構造を持つ物質、誘電率εあるいは透磁率μが負、例えば−１の物質等を用いてもよい。

また、負屈折率媒質のことを左手系材料（Left handed material）と呼ぶこともある。本願ではこれらの負屈折率媒質、左手系材料、近似的に負の屈折を示す物質、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、らせん構造を持つ物質、誘電率εあるいは透磁率μが負の物質等をすべて含めて負屈折を示す媒質と呼ぶことにする。完全結像を示す物質も負屈折を示す媒質に含まれる。また、誘電率ε又は透磁率μが負の物質の場合、次式を満たすと良い。

ε’＝ε／εｃ …式（５−６−１）
μ’＝μ／μｃ …式（５−６−２）
で、ε’、μ’を定義する。
但し、
εｃは、レンズの周囲の媒質の誘電率
μｃは、レンズの周囲の媒質の透磁率
である。

この時、
−２≦ε’≦−０．５ …式（５−７）
を満たすとよい。用途によっては、
−８．０≦ε’≦−０．２ …式（５−８）
でもよい。透磁率がほぼ−１の物質の場合は、式（５−７）、式（５−８）のε’
をμ’で置き換えれば良い。また、本願で完全結像という用語を用いた場合、１００％完全結像が行われない場合も含むものとする。例えば、回折限界の数倍結像性能が向上している場合も完全結像に含むものとする。結像性能が回折限界よりも数十％向上している場合も完全結像に含むものとする。

また、レンズの形状は通常の３次元レンズでなくても良く、２次元のレンズでも良い。つまり、シリンドリカルレンズでも良い。また、レンズ面の形状は、球面、非球面、アナモルフィック面、自由曲面など各種曲面が適用できる。アナモルフィック面、自由曲面等の場合には、ローカル曲率で決まる焦点距離に対して色収差の除去を考えていけば良い。

用いる光の波長としては連続スペクトルの光源、白色光源、複数の単色光の和、スーパールミネッセントダイオード等の低コヒーレンス光源、ガスレーザー、半導体レーザー等を用いてもかまわない。

用いる光の波長としては空気中でも伝送可能なこと、光源が入手しやすいことから等から、０．１μｍ〜３μｍを用いるのがよい。可視波長ならばさらに利用しやすいので良い。マイクロ波、テラヘルツ波等の電磁波でも良い。赤外光、紫外光でも良い。

波長を０．６μｍ以下にすれば解像が向上しやすいのでなお良い。

なお本願の実施例に共通して言えることであるが、負屈折率媒質３０１あるいは３０２の周囲は空気又は真空、水、油、アクリル等の合成樹脂等としてもよい。

負屈折率媒質３０１あるいは３０２の周囲を真空にすると短波長の真空紫外光を用いることができること、空気のゆらぎによる解像の低下がないこと等により良い結像性能が得られる。周囲を空気とすれば光学装置が作りやすく、取扱いも容易となるので良い。光学装置のうち、負屈折率媒質３０１あるいは３０２の周辺の光路だけを真空とし、光学装置の残りの部分は空気中に置いてもよい。

取扱いが容易で結像性能の良い光学装置が得られる。

空気の真空に対する屈折率をｎA とする。１気圧、波長５００ｎｍのときｎA ＝１．０
００２８１８である。

ｔ’を負屈折率媒質で形成されたレンズの厚さとする。ｔ’の値について述べる。
０．１ｍｍ≦ｔ’≦３００ｍｍ …式（１５−２）
とするのがよい。ｔ’の値が上限を越えると光学装置が大きくなり製造しにくくなる。

製品によっては
０．０１ｍｍ≦ｔ’≦３００ｍｍ …式（１６−２）
でも許容される。

用途によっては
１１００ｎｍ≦ｔ’≦２００ｍｍ …式（１７）
あるいは負屈折率媒質３０１に光の吸収がある場合などでは
３０ｎｍ≦ｔ’≦５０ｍｍ …式（１８）
でも許容できる場合がある。

また式１５−２あるいは１６−２を満せば、光学素子としての負屈折率媒質の機械的強度が増すので、光学装置組立時の取扱いが楽になるので良い。

あるいは負屈折率媒質を形成する基板あるいはレンズが不要になる可能性もでてくるので良い。

式（１７）、（１８）でｔ’の上限値を０．０１ｍｍとすれば、負屈折率媒質を薄膜として蒸着あるいはスパッタリング等で製造する可能性も出てくるので良い。

例えばフォトニック結晶を自己クローニング法で製作することが考えられる（非特許文
献６参照）。

なお、負屈折率媒質を含む光学系の光軸に沿って計った長さは２０ｍ以下とすれば、光
学系及び光学装置が製作しやすいのでなお良い。本願のレンズ系は、各種光学装置に用いることができる。

最後に、本実施形態で用いられた技術用語の定義を述べておく。

光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能
しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。

光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置、光情報処理
装置、投影装置、投影露光装置、等が含まれる。

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、
ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電
子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテ
レビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機
のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジ
タルカメラ、人工視覚、レーザ走査型顕微鏡、投影露光装置、ステッパー、アライナー、
光プローブ型顕微鏡、近接場顕微鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメ
ラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメ
ラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装
置のデジタルカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ
、ファインダー、ビューファインダー、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等があ
る。

表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン（ソニ
ー社製プレイステーション）、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型
画像表示装置（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情
報端末）、携帯電話、人工視覚等がある。

ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、等は投影装置でもある。

照明装置の例としては、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡光源、顕微
鏡光源等がある。

信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・
書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、光ＬＳ
Ｉ、光コンピュータ、ＰＤＡ等がある。

情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステ
レオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何ら
かの情報を入力し、送信することができる装置を指す。

撮像装置のついたテレビモニタ、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする
。

情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。

撮像素子は、例えばＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。また、平
行平面板はプリズムの１つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含む
ものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き
、振動、物体のぶれ等を含むものとする。撮像素子、ウエハー、光ディスク、銀塩フィル
ム、等は結像部材の例である。

拡張曲面の定義は以下の通りである。

球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球
面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球
面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面
でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。

本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。

結像光学系とは、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、投影露光光学系、表示光学系
、信号処理用光学系等を指す。

撮像光学系の例としてはデジタルカメラの撮像用レンズがある。

観察光学系の例としては顕微鏡光学系、望遠鏡光学系等がある。

投影光学系の例としてはビデオプロジェクターの光学系、リソグラフィー用の光学系、
光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップの光学系等がある。

投影露光光学系の例としてはリソグラフィー用の光学系がある。

表示光学系の例としてはビデオカメラのビューファインダーの光学系がある。

信号処理光学系の例としては光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップ
の光学系がある。

光学素子とはレンズ、非球面レンズ、鏡、ミラー、プリズム、自由曲面プリズム、回折
光学素子（ＤＯＥ）、不均質レンズ等を指すものとする。平行平板も光学素子のひとつで
ある。

本発明は、また以下のような種々の特徴を備えたものである。
（付記）

１０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、それ以外に第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。

２０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。

３０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。

４０．正の屈折率を持つ媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。

５０．前記第１のレンズの焦点距離と、前記第２のレンズの焦点距離とが同符号であることを特徴とする１０．乃至４０．のいずれかに従属するレンズ系。

５２．前記第１のレンズと、前記第２のレンズとからなる１０．乃至５０．のいずれかに従属するレンズ系。

５４．式１２３を満たす１０．乃至５２．のいずれかに従属するレンズ系。

６０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、それ以外に第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。

７０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。

８０．負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。

１００．前記第１のレンズの焦点距離と、前記第２のレンズの焦点距離とが異符号であることを特徴とする６０．乃至８０．のいずれかに従属するレンズ系。

１０２．前記第１のレンズと、前記第２のレンズとからなる６０．乃至１００．のいずれかに従属するレンズ系。

１０４．式１２３を満たす６０．乃至１０２．のいずれかに従属するレンズ系。

１１０．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系を備えた光学装置。

１１１．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系を備えた顕微鏡。

１１２．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系を備えた光ディスク装置。

１１３．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系を備えた観察装置。

１１４．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系に加えさらに撮像素子を備えた撮像装置。

１１５．１０．乃至１０４のいずれかのレンズ系を備えた投影装置。

１２０．前記負屈折を示す媒質が負屈折率媒質であることを特徴とする１０．乃至１１５．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

１２５．前記負屈折を示す媒質が完全結像の性質を示す媒質であることを特徴とする１０．乃至１１５．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

１３０．前記負屈折を示す媒質がフォトニック結晶であることを特徴とする１０．乃至１１５．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

１３０−２．前記負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用い、かつ当該フォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸が前記光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする１３０に従属するレンズ系または装置。

１３１．前記負屈折を示す媒質が式５−８を満たすことを特徴とする１０．乃至１１５．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

１３２．前記負屈折を示す媒質の屈折率が式１４２を満たすことを特徴とする１０．乃至１３１．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

１３３．前記負屈折を示す媒質のアッベ数が式１４７を満たすことを特徴とする１０．乃至１３２．のいずれかに従属するレンズ系または装置。

本発明の実施例１に係るレンズ系の構成を示す図である。角周波数と屈折率との関係を示す図である。変形例に係るレンズ系の構成を示す図である。実施例２に係るレンズ系の構成を示す図である。実施例３に係るレンズ系の構成を示す図である。他の変形例に係るレンズ系の構成を示す図である。フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示す図である。フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示す図である。負屈折率媒質３０１で形成された平行平板３８０による結像について説明するための図である。色収差について説明するための図である。

符号の説明

３０１負屈折率媒質
３０２正の屈折率媒質
３０３負屈折率媒質
３０４負屈折率媒質
３４０フォトニック結晶
３８０平行平板
４０８撮像素子
５０１レンズ
５０２レンズ
５０３レンズ
５０４レンズ系
５０５レンズ系
５０６レンズ
５０７レンズ
５０８レンズ系
５０９レンズ
５１０レンズ
５１１レンズ系
５１２レンズ系

Claims

負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、それ以外に第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。
負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。
負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が異なることを特徴とするレンズ系。
負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、それ以外に第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。
負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、正の屈折率を持つ媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。
負屈折を示す媒質で形成された第１のレンズと、負屈折を示す媒質で形成された第２のレンズを含み、
前記第１のレンズを形成する材料のアッベ数と、前記第２のレンズを形成する材料のアッベ数との符号が同じであることを特徴とするレンズ系。