JP3451326B2 - 高分解能光学装置 - Google Patents
高分解能光学装置Info
- Publication number
- JP3451326B2 JP3451326B2 JP2001226348A JP2001226348A JP3451326B2 JP 3451326 B2 JP3451326 B2 JP 3451326B2 JP 2001226348 A JP2001226348 A JP 2001226348A JP 2001226348 A JP2001226348 A JP 2001226348A JP 3451326 B2 JP3451326 B2 JP 3451326B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ring
- light
- lens
- opening
- diffraction pattern
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Optical Head (AREA)
- Telescopes (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Lenses (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレンズ，あるいはレ
ンズや凹面鏡等を使用した望遠鏡等の光学システムを用
いてレーザー光等の光を放射したり受光したりする光学
装置に関するものである。特に，対象物に対する分解能
が高い超高分解能特性をもつ高分解能光学装置に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】光の放射や受光は，通常，レンズや凹面
鏡等により構成される望遠鏡等の光学システムを使用す
ることが多い。一般に光学系の最高分解能は回折限界に
より定まる限界がある。分解能は光学系の回折パターン
の主ローブの幅で定義されるが，通常，光学系の収差等
を少なくして理想的な回折限界に近い光学系とすること
で高分解能を得るようにしている。例えば，全面開口の
レンズ，凹面鏡の場合，光学系の分解能は理論的に１．
２２λ／Ｄ（λ：波長，Ｄ：光学系の開口部の直径）で
ある。そのため，光学系の口径をできるだけ大きくした
り，あるいは使用する波長を短くすることにより分解能
を大きくするようにされている。その一方，回折パター
ンの主ローブの幅を回折限界値より狭くし，超高分解能
を得る方法も研究されてきている。 【０００３】図３は，従来の技術の説明図であり，光学
装置の分解能をレンズを使用した場合について概念的に
説明するものである。ここで説明する光学システムは，
レンズだけでなく，レンズや凹面鏡を使用した望遠鏡等
の光学システム全般に共通的なものである。図３（ａ）
は側面図，図３（ｂ）は正面図であり，１０はレンズで
ある。 【０００４】図３（ｃ）は，図３（ａ），（ｂ）のレン
ズ１０を全面開口の状態で光を入射もしくは放射して像
を結ばせた時の遠方界回折パターンを示すものである。
即ち，平面波を送信した時の無限遠相当距離での回折パ
ターン，叉は，レンズ１０に無限遠方の物体からの光を
入射させた時の焦点面における光強度分布（回折パター
ン）を示すものである。この時，レンズ１０の入射光は
レンズの軸に平行な光線であり，像は焦点面に結像され
る。図３（ｃ）において，縦軸は焦点面における半径方
向に沿った光強度を相対値で表したものである（光軸上
の最大強度は１に規格化している）。横軸は光軸からの
半径距離を示し，相対値を示す。本図はレンズ１０の開
口部の直径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝０．５μ
ｍの場合を示すものであるが，回折パターンは横軸方向
がλ／Ｄに比例して伸び縮みするだけで，特性は変わら
ない。レンズ１０の分解能は，光強度の分布の主ローブ
の半値幅もしくは原点から第１極小点Ｍまでの距離に基
づいて求まる（半値幅が狭いもしくはＭが座標原点に近
い程分解能が良いことを示す）。 【０００５】図３（ａ）のような全面開口レンズの分解
能は理論的限界があり，前述したように最大分解能は
１．２２λ／Ｄである。この最大分解能を越えた超高分
解能を得るために，波面（又は位相）を制御する方法が
提案されている。また，波面の制御とは別の方法により
超高分解能を得る方法として，開口面にマスクを用い
て，レンズに入射光が入る部分の開口部の形状をリング
状として開口面の外周領域のみから入射光を入射する方
法が考えられる。 【０００６】図４は本発明の先行技術の説明図であり，
上記のようにして超高分解能を得る方法を示している。
図４（ａ）は側面図であり，図４（ｂ）は正面図であ
る。図４（ａ），（ｂ）において，１は遮光板であり，
遮光性の板の外周部にリング状の開口部４を形成したも
のである。１０はレンズである。 【０００７】遮光板１はレンズ１０の近傍に配置される
ものである。例えば平面波を受光する場合，入射光は遮
光板１のリング状開口部４を通過してレンズ１０に入射
され，焦点面に結像される。平面波を放射する場合も同
様に，レンズ１０を通過した光はリング状開口部４を通
過して遠方に集光される。 【０００８】図４（ｃ）は，遮光板１を備えるレンズ１
０に，無限遠方の物体の像を結ばせた時の光強度分布
（回折パターン）を示す（図４（ｃ）は遠方界回折パタ
ーンであり，図４（ａ），（ｂ）の光学系により平面波
を放射する場合に無限遠相当距離に生成されるパターン
と同じである）。この時，レンズ１０の入射光はレンズ
の軸に平行な光線であり，焦点面に結像される。図４
（ｃ）において，縦軸は焦点面における半径方向に沿っ
た光強度を相対値であらわしたものである（光軸上の最
大強度は１に規格化されている）。横軸は光軸からの半
径距離を示し，相対値を示す。レンズ１０の開口部の直
径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝０．５μｍの場合
を示す。Ｍは光強度分布の第１極小点である。図３
（ｃ）に比較して，図４（ｃ）では回折パターンの主ロ
ーブの半値幅が狭くなっていることが示されている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】従来の光学装置では，
レンズの開口部全面を使用して像を結ばせる場合，図３
（ｃ）に示されるように，焦点面に得られる光強度分布
において小さいサイドローブの回折パターンを生じる。
しかし，分解能は理論的な限界があり，理論的限界を越
えた超高分解能を得ることはできなかった。 【００１０】超分解能を得る手段として，図４（ａ），
（ｂ）に示すように遮光板１を使用して，レンズ開口面
の外周部のリング開口部を通過した光により像を結ばせ
る方法が考えられる。この場合には，図４（ｃ）に示さ
れるようにレンズを全面開口として集光する場合の理論
的限界を越えた超高分解能を得ることができる（回折パ
ターンの主ローブの半値幅が図３（ｃ）の回折パターン
のものより狭い）。このように，外周部に設けた単一の
リング状開口部から光を入射もしくは放射して像を結ば
せた場合には，結像面の回折パターンにおける主ローブ
の幅は狭くなり，分解能は高くなるが，図４（ｃ）の回
折パターンに示されるように，サイドローブが大きくな
り，主ローブのコントラストが低下するという問題があ
った。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は，光を入射もし
くは放射させる開口部の一部を遮光することにより高分
解能を得る光学装置において，二つのリング状開口部を
もつ遮光体を該開口部に備え，それぞれのリング状開口
部の幅の中央の半径をそれぞれｒ1 とｒ2 （ｒ1 ＞
ｒ2 ）として，ｒ2 はｒ1 の約１／２であるようにし
た。そのような構成にすることにより光学装置を超高分
解能にするとともに，強いサイドローブの発生を抑圧し
た。 【００１２】 【発明の実施の形態】本発明の具体的構成を説明する前
に，本発明の原理的説明をする。 【００１３】ある開口をもった光学レンズ，又はレンズ
もしくは凹面鏡により構成された望遠鏡等の光学システ
ムにおける光学系は，開口部に固有の回折パターン（電
波でのアンテナパターンに相当する）をもつ。開口から
離れた点Ｐでの光の場をｕ（Ｐ）とすると，ｕ（Ｐ）は
フレネル積分として複素形式で 【００１４】 【数１】 【００１５】と表される。但し，ｋは波数で，k = ２π
／λ（λは波長），ｃ1 は積分定数である。（ξ，η，
ζ）および（ｘ．ｙ，ｚ）は各々，開口面及び観測点Ｐ
での座標を表す。また，ｆ（ξ，η）は開口面での光の
振幅を表す。Ｐ点での光の強度をＩ（Ｐ）とすると，Ｉ
（Ｐ）は次式で表される。 【００１６】 Ｉ（Ｐ）＝｜ｕ（Ｐ）｜2 (2) 一般のアンテナパターンにおける遠方界パターンに相当
するフラウンホーファー領域での回折パターンを考え
る。開口面での光の位相は一定（ξ＝０）であるとする
と，（１）式は 【００１７】 【数２】 【００１８】となる。（３）式はよく知られた形で，ｕ
（Ｐ）はｆ（ξ，η）のフーリエ変換で表されている。
ここでは一般に用いられる軸対称の円形の開口について
考える。開口の半径をａとすると，ｕ（Ｐ）は円筒座標
を用いて次式で表される。 【００１９】 【数３】 【００２０】但し，ｒ及びρは円筒座標を用いた場合の
Ｐ点及び開口面での動径座標であり， ｒ＝（ｘ2 ＋ｙ2)1/2 ， ρ＝（ξ2 ＋η2)1/2 (5) またＪ0 は０次のベッセル関数である。ｃ2 は積分定数
で，ｃ2 = ２πｃ1 である。 【００２１】さらに，開口面での光の場（振幅）は一定
（ｆ（ρ）＝ 1）とし，リングを考えてその内径及び外
径を各々，ａ1 ，a2とすると，ｕ（Ｐ）は（４）式に代
って 【００２２】 【数４】 【００２３】と表される。複数のリングを用いる時は，
それらによる光の場をｕ1(Ｐ）とすると 【００２４】 【数５】 【００２５】で表される。 【００２６】前述の図３（ｃ）の回折パターンは，
（４）式に従って計算された回折パターンを表してい
る。また前出の図４（ｃ）の回折パターンは（６）式に
従って計算された回折パターンを表している。但し，光
強度Ｉが計算されており，ピーク値は１に規格化されて
いる。また双方とも遠方界パターンである。図３（ｃ）
と図４（ｃ）を比較してわかるように，図４（ａ），
（ｂ）のように外周部の単一リング開口から光を入射さ
せて像を結ばせる場合には，従来の円形開口の全面から
光を入射させて像を結ばせる場合より，主ローブの幅が
狭い回折パターンが得られ，回折限界を超えた超高分解
能が得られることがわかる。 【００２７】図３（ａ），（ｂ）に示すような円形開口
による遠方界回折パターンの主ローブ幅は，レンズ開口
面の口径（有効径）をＤ( ＝２Ｒ，Ｒは半径）とする
と，図３（ｃ）の主ローブの半値幅でλ／Ｄとなる。こ
の回折限界の主ローブ幅に対して，図４（ｃ）に示され
るように，外周部単一リング開口による回折パターンの
主ローブの半値幅は全面開口の回折パターンの主ローブ
の半値幅の約０．7 倍となる。主ローブの二次元的な面
積では約１／２になり，エネルギー密度は約２倍にな
る。しかし，同時に周辺に強いサイドローブが現れる。 【００２８】本発明は，レンズ開口部を二重リングとす
ることにより回折限界より幅の狭い主ローブが得られる
ようにするとともに，内側のリングによりサイドローブ
の発生を抑制するようにした。 【００２９】次に，本発明の実施の形態により具体例を
示す。図１は本発明の実施の形態１を示すものである。
本発明の実施の形態は，図１（ａ），（ｂ）に示すよう
に遮光板を光学装置の開口部の近傍に配置して二重のリ
ング状開口部により入射もしくは放射される光により像
を結ばせるようにしたものである。 【００３０】図１（ａ），（ｂ）は，二重のリング状開
口部を光学系の開口部に設けた場合を示す。図１（ａ）
は側面図，図１（ｂ）は正面図である。１は遮光板であ
って，遮光性の板にリング状開口部Ａとリング状開口部
Ｂを設けたものである。２はリング状開口部Ａである。
３はリング状開口部Ｂである。 【００３１】図１（ｂ）において，ｒ1 はリング状開口
部Ａのリングの幅の中央部分からレンズの中心までの距
離である（リング状開口部Ａの半径とする）。ｒ2 はリ
ング状開口部Ｂのリングの幅の中央部分からレンズの中
心までの距離である（リング状開口部Ｂの半径とす
る）。ｒ2 はｒ1 の約半分（ｒ2 ≒ｒ1 ／２）である。
リング状開口部Ａの幅ｄ1 はレンズ１０の半径Ｒの約一
割程度（ｄ1 ≒０．１Ｒ）である。リング状開口部Ｂの
幅ｄ2 はレンズ１０の半径Ｒの約一割の程度（ｒ2≒
０．１Ｒ）である。 【００３２】図１（ａ），（ｂ）の光学系において，例
えば，平面波を受光する場合，入射光は遮光板１のリン
グ状開口部Ａとリング状開口部Ｂを通過してレンズ１０
に入射され，焦点面に結像される。平面波を放射する場
合も同様に，レンズ１０を通過した光はリング状開口部
Ａとリング状開口部Ｂを通過して遠方に集光される。 【００３３】図１（ｃ）は，図１（ａ），（ｂ）に示す
二重のリング状開口部をもつ遮光板１をレンズ１０の近
傍に取り付けた光学系により，無限遠方の物体の像を結
ばせた時の光強度分布（回折パターン）を示す（図１
（ｃ）は遠方界パターンであり，図１（ａ），（ｂ）の
光学系により平面波を放射する場合に無限遠相当距離に
生成される回折パターンと同じである）。 【００３４】図１（ｃ）において，縦軸は焦点面におけ
る半径方向に沿った光強度を相対値であらわしたもので
ある（光軸上の最大強度は１に規格化されている）。横
軸は光軸からの半径距離を示し，相対値を示す。レンズ
１０の開口部の直径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝
０．５μｍの場合を示す。レンズ１０の分解能は光強度
分布の主ローブの半値幅により求まる。 【００３５】図１（ｃ）と図４（ｃ）の回折パターンを
比較してわかるように，図１（ｃ）では，主ローブの幅
は図４（ｃ）の外周部単一リングの場合に比べてやや広
くなっている。それでも，図３（ｃ）の回折パターンと
比較すると，本発明の二重リング開口部による回折パタ
ーンでは，全面開口レンズによる回折パターンの主ロー
ブに比較して主ローブの幅は依然として狭く，全面開口
の場合の分解能の限界より高いことが示されている（図
２（ｂ）参照）。しかも，周辺の強いサイドローブは，
図４（ｃ）に比較して小さく抑えられていることが示さ
れている。 【００３６】理論解析及び計算機シミュレーションによ
って，二重リング（リング状開口部Ａとリング状開口部
Ｂ）について，内側のリングの半径を外側のリングの半
径の約半分にする場合が，サイドローブ，特に強い低次
のサイドローブを抑えるのに最適であることが示されて
いる。 【００３７】図２（ａ）は，本発明の原理的概念を示
す。図２（ａ）は，式（６）により，リング状開口部Ａ
のみとリング状開口部Ｂのみの場合の光の場（振幅）を
示すものである。実線は外側のリングによる振幅ｕ
（Ｐ）を示す。破線は内側リングによる振幅ｕ（Ｐ）を
示す。内側リングの半径ｒ1 は外側のリングの半径ｒ1
の１／２である。両者のｕ（Ｐ）の合成振幅による光強
度として，図１（ｂ）の回折パターンが得られる。内側
のリングではｕ（Ｐ）の周期が２倍になるので特に強い
低次のサイドローブの振幅が正・負で相殺されることに
なる。この結果，強い低次のサイドローブが抑圧され
て，主ローブのコントラストが大きくなり改善される。 【００３８】図２（ｂ）は，全面開口の場合，開口面の
外周部に単一のリング状開口部をもつ場合（外周部単一
リング状開口部），本発明のように二重のリング状開口
部Ａと開口部Ｂをもつ場合（二重リング状開口部）の回
折パターンについて，主ローブの幅の相対的関係の概念
を示したものである。前述したように，本発明では，主
ローブの半値幅は全面開口の場合より狭くなる。また，
図１（ｃ）と図４（ｃ）を比較してわかるように，本発
明では，外周部単一リング状開口部の場合に比較してサ
イドローブの発生は抑制される。 【００３９】上記において，一般に多く利用される遠方
界の回折パターンにより本発明を説明した。遠方界のフ
ラウンホーファー回折パターンは平面波に対しては無限
遠又は無限遠相当の距離に，また，球面波に対しては曲
率の中心点にあるフォーカス点に対して適用されるもの
である。従って，本発明は，レンズや，レンズもしくは
凹面鏡を用いた望遠鏡等の光学システムによる受光のみ
ならず，レーザーディスク（登録商標），さらに遠方の
対象物にレーザー光を照射する場合のように，球面波に
より集光点に光をフォーカスさせる場合にも適用できる
ものである。 【００４０】本発明では，レンズの全面開口を使用する
場合に比べて，使用する開口面の有効面積が小さくなる
のでその分，光の送光，受光の効率は小さくなる。しか
し，光強度の著しく強い対象物（例えば太陽）の観測，
レーザー光の放射等では，リングの幅を狭くすることに
よって強力なフィルターの効果を果たすので有効な観測
手段となる。また，本発明は，レーザーディスク等のレ
ーザー光源を使用する装置の光学系等に適用できるもの
である。 【００４１】なお，本発明の遮光板は，例えば，遮光性
の板に複数の同心円状のリング状開口部を設け，リング
状開口部の外側部分と内側部分の板を支柱等の補助的部
材により互いに支持するようにして，リング状開口部で
切り離された板の各部分を一体にする。あるいは，透明
ガラス板，透明プラスチック板等の一部をマスクにより
遮光し，リング開口部を形成するようにしても良い。あ
るいは，レンズ，凹面鏡等の一部をコーティング膜等に
より遮光し複数のリング状開口部を設けるようにしても
良い。 【００４２】上記においては，開口部としてレンズを使
用する場合について説明したが，本発明の光学装置はレ
ンズもしくは凹面鏡を使用した望遠鏡等の光学システム
全般に適用できるものである。また，リング状開口部と
して２つの場合について説明したが，３つ以上のリング
状開口部をもつ光学装置も本発明の範囲に含まれるもの
である。 【００４３】 【発明の効果】本発明によれば，超高分解能を得られる
とともに，回折パターンにおけるサイドローブの発生が
抑圧され，主ローブのコントラストの良い光学装置が得
られる。そのため，本発明をレーザー光の光放射等に使
用した場合には，回折限界以内のビーム幅のレーザー光
の放射が可能となり，各種の光計測やレーザー技術での
分解能や精度の向上が可能となる。また，光により画像
情報を送受信する光学装置に応用した場合には，分解能
の高い画像の送受信が可能となる等，本発明は幅広く応
用できるものである。
ンズや凹面鏡等を使用した望遠鏡等の光学システムを用
いてレーザー光等の光を放射したり受光したりする光学
装置に関するものである。特に，対象物に対する分解能
が高い超高分解能特性をもつ高分解能光学装置に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】光の放射や受光は，通常，レンズや凹面
鏡等により構成される望遠鏡等の光学システムを使用す
ることが多い。一般に光学系の最高分解能は回折限界に
より定まる限界がある。分解能は光学系の回折パターン
の主ローブの幅で定義されるが，通常，光学系の収差等
を少なくして理想的な回折限界に近い光学系とすること
で高分解能を得るようにしている。例えば，全面開口の
レンズ，凹面鏡の場合，光学系の分解能は理論的に１．
２２λ／Ｄ（λ：波長，Ｄ：光学系の開口部の直径）で
ある。そのため，光学系の口径をできるだけ大きくした
り，あるいは使用する波長を短くすることにより分解能
を大きくするようにされている。その一方，回折パター
ンの主ローブの幅を回折限界値より狭くし，超高分解能
を得る方法も研究されてきている。 【０００３】図３は，従来の技術の説明図であり，光学
装置の分解能をレンズを使用した場合について概念的に
説明するものである。ここで説明する光学システムは，
レンズだけでなく，レンズや凹面鏡を使用した望遠鏡等
の光学システム全般に共通的なものである。図３（ａ）
は側面図，図３（ｂ）は正面図であり，１０はレンズで
ある。 【０００４】図３（ｃ）は，図３（ａ），（ｂ）のレン
ズ１０を全面開口の状態で光を入射もしくは放射して像
を結ばせた時の遠方界回折パターンを示すものである。
即ち，平面波を送信した時の無限遠相当距離での回折パ
ターン，叉は，レンズ１０に無限遠方の物体からの光を
入射させた時の焦点面における光強度分布（回折パター
ン）を示すものである。この時，レンズ１０の入射光は
レンズの軸に平行な光線であり，像は焦点面に結像され
る。図３（ｃ）において，縦軸は焦点面における半径方
向に沿った光強度を相対値で表したものである（光軸上
の最大強度は１に規格化している）。横軸は光軸からの
半径距離を示し，相対値を示す。本図はレンズ１０の開
口部の直径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝０．５μ
ｍの場合を示すものであるが，回折パターンは横軸方向
がλ／Ｄに比例して伸び縮みするだけで，特性は変わら
ない。レンズ１０の分解能は，光強度の分布の主ローブ
の半値幅もしくは原点から第１極小点Ｍまでの距離に基
づいて求まる（半値幅が狭いもしくはＭが座標原点に近
い程分解能が良いことを示す）。 【０００５】図３（ａ）のような全面開口レンズの分解
能は理論的限界があり，前述したように最大分解能は
１．２２λ／Ｄである。この最大分解能を越えた超高分
解能を得るために，波面（又は位相）を制御する方法が
提案されている。また，波面の制御とは別の方法により
超高分解能を得る方法として，開口面にマスクを用い
て，レンズに入射光が入る部分の開口部の形状をリング
状として開口面の外周領域のみから入射光を入射する方
法が考えられる。 【０００６】図４は本発明の先行技術の説明図であり，
上記のようにして超高分解能を得る方法を示している。
図４（ａ）は側面図であり，図４（ｂ）は正面図であ
る。図４（ａ），（ｂ）において，１は遮光板であり，
遮光性の板の外周部にリング状の開口部４を形成したも
のである。１０はレンズである。 【０００７】遮光板１はレンズ１０の近傍に配置される
ものである。例えば平面波を受光する場合，入射光は遮
光板１のリング状開口部４を通過してレンズ１０に入射
され，焦点面に結像される。平面波を放射する場合も同
様に，レンズ１０を通過した光はリング状開口部４を通
過して遠方に集光される。 【０００８】図４（ｃ）は，遮光板１を備えるレンズ１
０に，無限遠方の物体の像を結ばせた時の光強度分布
（回折パターン）を示す（図４（ｃ）は遠方界回折パタ
ーンであり，図４（ａ），（ｂ）の光学系により平面波
を放射する場合に無限遠相当距離に生成されるパターン
と同じである）。この時，レンズ１０の入射光はレンズ
の軸に平行な光線であり，焦点面に結像される。図４
（ｃ）において，縦軸は焦点面における半径方向に沿っ
た光強度を相対値であらわしたものである（光軸上の最
大強度は１に規格化されている）。横軸は光軸からの半
径距離を示し，相対値を示す。レンズ１０の開口部の直
径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝０．５μｍの場合
を示す。Ｍは光強度分布の第１極小点である。図３
（ｃ）に比較して，図４（ｃ）では回折パターンの主ロ
ーブの半値幅が狭くなっていることが示されている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】従来の光学装置では，
レンズの開口部全面を使用して像を結ばせる場合，図３
（ｃ）に示されるように，焦点面に得られる光強度分布
において小さいサイドローブの回折パターンを生じる。
しかし，分解能は理論的な限界があり，理論的限界を越
えた超高分解能を得ることはできなかった。 【００１０】超分解能を得る手段として，図４（ａ），
（ｂ）に示すように遮光板１を使用して，レンズ開口面
の外周部のリング開口部を通過した光により像を結ばせ
る方法が考えられる。この場合には，図４（ｃ）に示さ
れるようにレンズを全面開口として集光する場合の理論
的限界を越えた超高分解能を得ることができる（回折パ
ターンの主ローブの半値幅が図３（ｃ）の回折パターン
のものより狭い）。このように，外周部に設けた単一の
リング状開口部から光を入射もしくは放射して像を結ば
せた場合には，結像面の回折パターンにおける主ローブ
の幅は狭くなり，分解能は高くなるが，図４（ｃ）の回
折パターンに示されるように，サイドローブが大きくな
り，主ローブのコントラストが低下するという問題があ
った。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は，光を入射もし
くは放射させる開口部の一部を遮光することにより高分
解能を得る光学装置において，二つのリング状開口部を
もつ遮光体を該開口部に備え，それぞれのリング状開口
部の幅の中央の半径をそれぞれｒ1 とｒ2 （ｒ1 ＞
ｒ2 ）として，ｒ2 はｒ1 の約１／２であるようにし
た。そのような構成にすることにより光学装置を超高分
解能にするとともに，強いサイドローブの発生を抑圧し
た。 【００１２】 【発明の実施の形態】本発明の具体的構成を説明する前
に，本発明の原理的説明をする。 【００１３】ある開口をもった光学レンズ，又はレンズ
もしくは凹面鏡により構成された望遠鏡等の光学システ
ムにおける光学系は，開口部に固有の回折パターン（電
波でのアンテナパターンに相当する）をもつ。開口から
離れた点Ｐでの光の場をｕ（Ｐ）とすると，ｕ（Ｐ）は
フレネル積分として複素形式で 【００１４】 【数１】 【００１５】と表される。但し，ｋは波数で，k = ２π
／λ（λは波長），ｃ1 は積分定数である。（ξ，η，
ζ）および（ｘ．ｙ，ｚ）は各々，開口面及び観測点Ｐ
での座標を表す。また，ｆ（ξ，η）は開口面での光の
振幅を表す。Ｐ点での光の強度をＩ（Ｐ）とすると，Ｉ
（Ｐ）は次式で表される。 【００１６】 Ｉ（Ｐ）＝｜ｕ（Ｐ）｜2 (2) 一般のアンテナパターンにおける遠方界パターンに相当
するフラウンホーファー領域での回折パターンを考え
る。開口面での光の位相は一定（ξ＝０）であるとする
と，（１）式は 【００１７】 【数２】 【００１８】となる。（３）式はよく知られた形で，ｕ
（Ｐ）はｆ（ξ，η）のフーリエ変換で表されている。
ここでは一般に用いられる軸対称の円形の開口について
考える。開口の半径をａとすると，ｕ（Ｐ）は円筒座標
を用いて次式で表される。 【００１９】 【数３】 【００２０】但し，ｒ及びρは円筒座標を用いた場合の
Ｐ点及び開口面での動径座標であり， ｒ＝（ｘ2 ＋ｙ2)1/2 ， ρ＝（ξ2 ＋η2)1/2 (5) またＪ0 は０次のベッセル関数である。ｃ2 は積分定数
で，ｃ2 = ２πｃ1 である。 【００２１】さらに，開口面での光の場（振幅）は一定
（ｆ（ρ）＝ 1）とし，リングを考えてその内径及び外
径を各々，ａ1 ，a2とすると，ｕ（Ｐ）は（４）式に代
って 【００２２】 【数４】 【００２３】と表される。複数のリングを用いる時は，
それらによる光の場をｕ1(Ｐ）とすると 【００２４】 【数５】 【００２５】で表される。 【００２６】前述の図３（ｃ）の回折パターンは，
（４）式に従って計算された回折パターンを表してい
る。また前出の図４（ｃ）の回折パターンは（６）式に
従って計算された回折パターンを表している。但し，光
強度Ｉが計算されており，ピーク値は１に規格化されて
いる。また双方とも遠方界パターンである。図３（ｃ）
と図４（ｃ）を比較してわかるように，図４（ａ），
（ｂ）のように外周部の単一リング開口から光を入射さ
せて像を結ばせる場合には，従来の円形開口の全面から
光を入射させて像を結ばせる場合より，主ローブの幅が
狭い回折パターンが得られ，回折限界を超えた超高分解
能が得られることがわかる。 【００２７】図３（ａ），（ｂ）に示すような円形開口
による遠方界回折パターンの主ローブ幅は，レンズ開口
面の口径（有効径）をＤ( ＝２Ｒ，Ｒは半径）とする
と，図３（ｃ）の主ローブの半値幅でλ／Ｄとなる。こ
の回折限界の主ローブ幅に対して，図４（ｃ）に示され
るように，外周部単一リング開口による回折パターンの
主ローブの半値幅は全面開口の回折パターンの主ローブ
の半値幅の約０．7 倍となる。主ローブの二次元的な面
積では約１／２になり，エネルギー密度は約２倍にな
る。しかし，同時に周辺に強いサイドローブが現れる。 【００２８】本発明は，レンズ開口部を二重リングとす
ることにより回折限界より幅の狭い主ローブが得られる
ようにするとともに，内側のリングによりサイドローブ
の発生を抑制するようにした。 【００２９】次に，本発明の実施の形態により具体例を
示す。図１は本発明の実施の形態１を示すものである。
本発明の実施の形態は，図１（ａ），（ｂ）に示すよう
に遮光板を光学装置の開口部の近傍に配置して二重のリ
ング状開口部により入射もしくは放射される光により像
を結ばせるようにしたものである。 【００３０】図１（ａ），（ｂ）は，二重のリング状開
口部を光学系の開口部に設けた場合を示す。図１（ａ）
は側面図，図１（ｂ）は正面図である。１は遮光板であ
って，遮光性の板にリング状開口部Ａとリング状開口部
Ｂを設けたものである。２はリング状開口部Ａである。
３はリング状開口部Ｂである。 【００３１】図１（ｂ）において，ｒ1 はリング状開口
部Ａのリングの幅の中央部分からレンズの中心までの距
離である（リング状開口部Ａの半径とする）。ｒ2 はリ
ング状開口部Ｂのリングの幅の中央部分からレンズの中
心までの距離である（リング状開口部Ｂの半径とす
る）。ｒ2 はｒ1 の約半分（ｒ2 ≒ｒ1 ／２）である。
リング状開口部Ａの幅ｄ1 はレンズ１０の半径Ｒの約一
割程度（ｄ1 ≒０．１Ｒ）である。リング状開口部Ｂの
幅ｄ2 はレンズ１０の半径Ｒの約一割の程度（ｒ2≒
０．１Ｒ）である。 【００３２】図１（ａ），（ｂ）の光学系において，例
えば，平面波を受光する場合，入射光は遮光板１のリン
グ状開口部Ａとリング状開口部Ｂを通過してレンズ１０
に入射され，焦点面に結像される。平面波を放射する場
合も同様に，レンズ１０を通過した光はリング状開口部
Ａとリング状開口部Ｂを通過して遠方に集光される。 【００３３】図１（ｃ）は，図１（ａ），（ｂ）に示す
二重のリング状開口部をもつ遮光板１をレンズ１０の近
傍に取り付けた光学系により，無限遠方の物体の像を結
ばせた時の光強度分布（回折パターン）を示す（図１
（ｃ）は遠方界パターンであり，図１（ａ），（ｂ）の
光学系により平面波を放射する場合に無限遠相当距離に
生成される回折パターンと同じである）。 【００３４】図１（ｃ）において，縦軸は焦点面におけ
る半径方向に沿った光強度を相対値であらわしたもので
ある（光軸上の最大強度は１に規格化されている）。横
軸は光軸からの半径距離を示し，相対値を示す。レンズ
１０の開口部の直径（有効径）Ｄ＝１０ｃｍ，波長λ＝
０．５μｍの場合を示す。レンズ１０の分解能は光強度
分布の主ローブの半値幅により求まる。 【００３５】図１（ｃ）と図４（ｃ）の回折パターンを
比較してわかるように，図１（ｃ）では，主ローブの幅
は図４（ｃ）の外周部単一リングの場合に比べてやや広
くなっている。それでも，図３（ｃ）の回折パターンと
比較すると，本発明の二重リング開口部による回折パタ
ーンでは，全面開口レンズによる回折パターンの主ロー
ブに比較して主ローブの幅は依然として狭く，全面開口
の場合の分解能の限界より高いことが示されている（図
２（ｂ）参照）。しかも，周辺の強いサイドローブは，
図４（ｃ）に比較して小さく抑えられていることが示さ
れている。 【００３６】理論解析及び計算機シミュレーションによ
って，二重リング（リング状開口部Ａとリング状開口部
Ｂ）について，内側のリングの半径を外側のリングの半
径の約半分にする場合が，サイドローブ，特に強い低次
のサイドローブを抑えるのに最適であることが示されて
いる。 【００３７】図２（ａ）は，本発明の原理的概念を示
す。図２（ａ）は，式（６）により，リング状開口部Ａ
のみとリング状開口部Ｂのみの場合の光の場（振幅）を
示すものである。実線は外側のリングによる振幅ｕ
（Ｐ）を示す。破線は内側リングによる振幅ｕ（Ｐ）を
示す。内側リングの半径ｒ1 は外側のリングの半径ｒ1
の１／２である。両者のｕ（Ｐ）の合成振幅による光強
度として，図１（ｂ）の回折パターンが得られる。内側
のリングではｕ（Ｐ）の周期が２倍になるので特に強い
低次のサイドローブの振幅が正・負で相殺されることに
なる。この結果，強い低次のサイドローブが抑圧され
て，主ローブのコントラストが大きくなり改善される。 【００３８】図２（ｂ）は，全面開口の場合，開口面の
外周部に単一のリング状開口部をもつ場合（外周部単一
リング状開口部），本発明のように二重のリング状開口
部Ａと開口部Ｂをもつ場合（二重リング状開口部）の回
折パターンについて，主ローブの幅の相対的関係の概念
を示したものである。前述したように，本発明では，主
ローブの半値幅は全面開口の場合より狭くなる。また，
図１（ｃ）と図４（ｃ）を比較してわかるように，本発
明では，外周部単一リング状開口部の場合に比較してサ
イドローブの発生は抑制される。 【００３９】上記において，一般に多く利用される遠方
界の回折パターンにより本発明を説明した。遠方界のフ
ラウンホーファー回折パターンは平面波に対しては無限
遠又は無限遠相当の距離に，また，球面波に対しては曲
率の中心点にあるフォーカス点に対して適用されるもの
である。従って，本発明は，レンズや，レンズもしくは
凹面鏡を用いた望遠鏡等の光学システムによる受光のみ
ならず，レーザーディスク（登録商標），さらに遠方の
対象物にレーザー光を照射する場合のように，球面波に
より集光点に光をフォーカスさせる場合にも適用できる
ものである。 【００４０】本発明では，レンズの全面開口を使用する
場合に比べて，使用する開口面の有効面積が小さくなる
のでその分，光の送光，受光の効率は小さくなる。しか
し，光強度の著しく強い対象物（例えば太陽）の観測，
レーザー光の放射等では，リングの幅を狭くすることに
よって強力なフィルターの効果を果たすので有効な観測
手段となる。また，本発明は，レーザーディスク等のレ
ーザー光源を使用する装置の光学系等に適用できるもの
である。 【００４１】なお，本発明の遮光板は，例えば，遮光性
の板に複数の同心円状のリング状開口部を設け，リング
状開口部の外側部分と内側部分の板を支柱等の補助的部
材により互いに支持するようにして，リング状開口部で
切り離された板の各部分を一体にする。あるいは，透明
ガラス板，透明プラスチック板等の一部をマスクにより
遮光し，リング開口部を形成するようにしても良い。あ
るいは，レンズ，凹面鏡等の一部をコーティング膜等に
より遮光し複数のリング状開口部を設けるようにしても
良い。 【００４２】上記においては，開口部としてレンズを使
用する場合について説明したが，本発明の光学装置はレ
ンズもしくは凹面鏡を使用した望遠鏡等の光学システム
全般に適用できるものである。また，リング状開口部と
して２つの場合について説明したが，３つ以上のリング
状開口部をもつ光学装置も本発明の範囲に含まれるもの
である。 【００４３】 【発明の効果】本発明によれば，超高分解能を得られる
とともに，回折パターンにおけるサイドローブの発生が
抑圧され，主ローブのコントラストの良い光学装置が得
られる。そのため，本発明をレーザー光の光放射等に使
用した場合には，回折限界以内のビーム幅のレーザー光
の放射が可能となり，各種の光計測やレーザー技術での
分解能や精度の向上が可能となる。また，光により画像
情報を送受信する光学装置に応用した場合には，分解能
の高い画像の送受信が可能となる等，本発明は幅広く応
用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の原理説明図である。
【図３】従来技術の説明図である。
【図４】本発明の先行技術の説明図である。
【符号の説明】
１：遮光板
２：リング状開口部Ａ
３：リング状開口部Ｂ
４：リング状開口部
１０：レンズ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 27/58
G02B 27/46
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】光を入射もしくは放射させる開口部の一部
を遮光することにより高分解能を得る光学装置におい
て， 二つのリング状開口部をもつ遮光体を該開口部に備え，
それぞれのリング状開口部の幅の中央の半径をそれぞれ
ｒ1 とｒ2 （ｒ1 ＞ｒ2 ）として，ｒ2 はｒ1の約１／
２であることを特徴とする高分解能光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001226348A JP3451326B2 (ja) | 2001-07-26 | 2001-07-26 | 高分解能光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001226348A JP3451326B2 (ja) | 2001-07-26 | 2001-07-26 | 高分解能光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003043347A JP2003043347A (ja) | 2003-02-13 |
| JP3451326B2 true JP3451326B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=19059182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001226348A Expired - Lifetime JP3451326B2 (ja) | 2001-07-26 | 2001-07-26 | 高分解能光学装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3451326B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5144212B2 (ja) * | 2007-10-29 | 2013-02-13 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光学マスクおよび光源装置 |
| JP2009282309A (ja) | 2008-05-22 | 2009-12-03 | Fujitsu Ltd | 光装置および光伝送装置 |
| JP5917923B2 (ja) * | 2012-01-23 | 2016-05-18 | 株式会社アドテックエンジニアリング | 露光光学系、露光装置および露光方法 |
-
2001
- 2001-07-26 JP JP2001226348A patent/JP3451326B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 久保田 広，波動光学，日本，岩波書店，１９７１年 ２月 ２日，４３９−４４５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003043347A (ja) | 2003-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4990287B2 (ja) | 波長が１９３ｎｍ以下の照明システム用集光器 | |
| JP3284045B2 (ja) | Ｘ線光学装置およびデバイス製造方法 | |
| KR100586284B1 (ko) | 극자외선 리소그래피용 반사성 플라이눈 컨덴서 | |
| US5662410A (en) | Light exposure and illuminating device | |
| US7145637B2 (en) | Illumination system having a more efficient collector optic | |
| EP0476931B1 (en) | Phase shift device and laser apparatus utilizing the same | |
| KR20210048426A (ko) | 인라인 플라잉 오버 빔 패턴 스캐닝 홀로그램 현미경 장치 | |
| KR20160054580A (ko) | 조명 시스템 | |
| CN111221122B (zh) | 较大视场强容差超分辨望远成像系统设计方法 | |
| JP3451326B2 (ja) | 高分解能光学装置 | |
| RU2179336C1 (ru) | Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете и устройство для его осуществления (варианты) | |
| JP3270471B2 (ja) | 電磁放射の非結像集束及び投射の方法及び装置 | |
| Liu et al. | Diffractive infrared lens with extended depth of focus | |
| US7349164B2 (en) | Imaging system and optical components thereof | |
| JP2003527752A (ja) | 超高分解能イメージング・デバイス | |
| JP3189528B2 (ja) | Ｘ線投影露光装置 | |
| TWI485431B (zh) | 用於均質同調輻射的設備 | |
| US5148315A (en) | Method and means to cancel diffraction effects from radiation fields | |
| JP5446856B2 (ja) | レンズアレイ及び光学系 | |
| JP2004077914A (ja) | 撮像装置とその光学系 | |
| US5022061A (en) | An image focusing means by using an opaque object to diffract x-rays | |
| US9042032B2 (en) | Optical arrangement for converting an incident light beam, method for converting a light beam to a line focus, and optical device therefor | |
| RU2811390C1 (ru) | Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности | |
| WO2023112363A1 (ja) | 光学系、マルチビーム投写光学系、マルチビーム投写装置、画像投写装置および撮像装置 | |
| JP2613826B2 (ja) | 投影露光装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3451326 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |