JP4374564B2 - 投影レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有限距離に配置された物体の像を形成する結像光学系に関し、さらに詳しくは、スキャナー用光学系等に用いられる投影レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、有限距離の物体の像をセンサーやフィルム上に投影する光学系があるが、その一例としてスキャナー用光学系が知られている。スキャナー用光学系では、原画の情報を忠実に読み取ることが要求されることから、単色に対する球面収差などの各補正に加えて、軸上色収差及び倍率色収差が良好に補正されていることが必要である。そこで、いずれの諸収差も良好に補正するために、特殊低分散ガラスを多用して構成されたもの（例えば、特許文献１を参照）や、単層の回折光学素子を用いて構成されたもの（例えば、特許文献２を参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４８５１４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３２６７５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スキャナー用光学系を用いて、原稿面上の画像情報をＣＣＤ等のラインセンサー面上に縮小結像させ、該ラインセンサーからの信号により画像情報を電子情報として読み取る際には、原稿面全体をラインセンサー面上に高解像力で結像させることが重要である。
【０００５】
例えば、スキャナー用光学系において軸上色収差の補正が不十分な場合、イメージスキャナー等のカラー画像読み取り用に用いると、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の３波長域の最良像面位置（光軸上における光学性能が最も高くなる位置）が光軸方向にずれて、十分な光学性能を得ることができず、読み取り画像の劣化を招くという問題があった。
【０００６】
また、倍率色収差の補正が不十分な場合、各波長域によって読み取り画像の大きさ（光軸からの高さ）が変化するため、上記の軸上色収差と同様に、読み取り画像の劣化を生じるという問題があった。
【０００７】
このため、スキャナー用光学系では、従来、広帯域波長に対しても色収差が補正された特殊低分散ガラスの多用や、貼り合わせ面を増やすことで、（軸上及び倍率）色収差の補正を行っていた。しかしながら、特殊低分散ガラスは、材料そのものが高価な上に、加工性が悪いという問題があった。また、貼り合わせ面を増やすことは、該光学系の構成レンズ枚数を増やすことにつながり、さらにコストの高騰を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回折光学素子を効果的に応用し、高価な特殊低分散ガラスを用いずとも、可視域において色収差が良好に補正された投影レンズ（スキャナー用光学系等）を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の投影レンズは、有限距離の結像光学系において、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度が２０度以下であって、物体側から順に、正の屈折力を有する前レンズ群と、回折光学面を有する回折光学素子と、正の屈折力とを有する後レンズ群とを備え、前記前レンズ群は、物体側から順に、正レンズと、正メニスカスレンズと、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズとからなり、前記回折光学素子は、異なる光学材料からなる少なくとも２層の構成であり、前記後レンズ群は、物体側から順に、負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズと、正メニスカスレンズと、正レンズとからなり、前記回折光学面の有効径（直径）をＣ（但し、複層の場合は空気との界面の直径）、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さをＴとしたとき、次式０．０５＜Ｃ／Ｔ＜３．０の条件を満足する。
【００１０】
また、前記回折光学素子を有する投影レンズは、物像間距離をＬとしたとき、次式０．０５＜Ｔ／Ｌ＜１．０の条件を満足することが好ましい。
【００１１】
また、前記回折光学素子を構成する少なくとも２層の異なる光学材料は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の屈折率をΔｎｄとしたとき、次式Δｎｄ＞０．０３の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、前記前レンズ群は、最も物体側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ１ａ、物体側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｂ、物体側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式ｆ１ａ／ｆ＞ｆ１ｂ／ｆ＞ｆ１ｃ／ｆの条件を満足することが好ましい。
【００１３】
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、前記後レンズ群は、最も像側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、像側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、像側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式ｆ２ａ／ｆ＞ｆ２ｂ／ｆ＞ｆ２ｃ／ｆの条件を満足することが好ましい。
【００１４】
また、前記回折光学素子は、開口絞りと一体であり、該回折光学素子の少なくとも前後のどちらかに隣接して迷光絞りを有し、前記回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸となす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式０．０１＜Ｗ＜１５．０の条件を満足することが好ましい。
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りを有し、前記前レンズ群の前記負レンズ及び前記後レンズ群の前記負レンズのうち少なくともどちらかの負レンズは、アッベ数νｄ、屈折率ｎｄとしたときに、次式νｄ＜４５、ｎｄ＜１．８０の条件を満足するガラス材料からなることが好ましい。
また、使用倍率をβとしたとき、次式−１．５≦β≦−０．５の条件を満足することが好ましい。
また、前記回折光学素子を構成する２種類の光学材料のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式Δνｄ＞１０．０の条件を満足することが好ましい。
また、前記前レンズ群及び前記後レンズ群のうち少なくともどちらかのレンズ群は、第２の回折光学面を有することが好ましい。
また、前記第２の回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸とのなす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式０．０１＜Ｗ＜１５．０の条件を満足することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る投影レンズの実施の形態について説明する。本発明の投影レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する前レンズ群ＧＦ、回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳ、正の屈折力を有する後レンズ群ＧＲを備えて構成されている。いずれの実施例も、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、正レンズＬ１〜Ｌ３、負レンズＬ４が配置されている。また、後レンズ群ＧＲは、開口絞りＳを挟んで、前レンズ群ＧＦとほぼ対称な構造、すなわち物体側から順に、負レンズＬ５、正レンズＬ６〜Ｌ８が配置されている。このような構成により、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲの（略）対称性を利用して、軸上及び軸外の諸収差を良好に補正することができる。
【００１６】
また、本発明では、回折作用による面（以下、回折光学面という）を導入することにより、特に色収差に関して優れた補正が可能であり、且つ、回折光学素子に特有の問題であったフレアを低減し、その結果、優れた光学性能を達成することができることを見出した。以下、この点について詳述する。
【００１７】
一般に、光線を偏向させる作用として、屈折作用、反射作用、及び回折作用の３種類が知られている。本発明において、回折光学面とは、光波としての回折作用を利用することにより光を屈曲させ、種々の光学作用を得ることのできる面をいう。具体的には、回折光学面は、負分散を生じさせることができること、小型化しやすいことなど、数々の利点を有している。その中でも特に、色収差補正に極めて有効であることが知られている。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００１８】
さて、本発明に係る投影レンズにおいては、回折光学面を有する一般の光学系の場合と同様に、回折光学面を通過する光線角度は、できるだけ小さい方が好ましい。これは、上記光線角度が大きくなると、回折光学面によるフレアが発生しやすくなり、画質を損ねてしまうからである。そこで、回折光学面によるフレアがあまり影響を及ぼさずに良好な画像を得るためには、本光学系の場合、その角度を１５度以下とすることが望ましい。さらに、回折光学素子を少なくとも２種類の光学材料から構成することにより、一層良好な結像性能を得られることを見出した。
【００１９】
以下、条件式の説明に沿って、本発明の投影レンズを詳細に説明する。本発明の投影レンズにおいて、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度θは、２０度以下とすることが望ましい。これによって高次の像面湾曲及びコマ収差の発生を防ぐことができる。なお、本発明の効果をより発揮するには、前記θは７度以下であることが望ましい。また、本発明において、回折光学素子が有する回折光学面の有効径（直径）をＣ（但し、複層の場合は空気との界面の直径）、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さをＴとしたとき、次式（１）を満足する。
【００２０】
【数１】
０．０５＜Ｃ／Ｔ＜３．０ （１）
【００２１】
上記条件式（１）は、回折光学面を有するレンズの適切な有効径（直径）Ｃと本光学系のレンズの第１面から最終面までの高さとの比における適切な範囲を規定している。条件式（１）の上限値を上回ると、有効径Ｃが大きくなりすぎ、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながるとともに、鏡筒径の大型化を招きやすくなる。また、回折光学面に外部からの有害光が入りやすくなり、フレア等による画質低下を招きやすくなる。また、収差上において、球面収差の発生が甚大となり、良好な結像性能を得ることができない。反対に、条件式（１）の下限値を下回ると、有効径Ｃが小さくなりすぎて回折光学面の格子ピッチが小さくなる傾向が強まり、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながるばかりか、（回折）格子によるフレア発生が大きくなり画質低下を招きやすくなる。さらには、光量不足の傾向が強まり不都合である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（１）の上限値を２．０とすることが好ましい。また、下限値を１．０とすることが好ましい。
【００２２】
また、前記回折光学素子を有する投影レンズは、物像間距離をＬとしたとき、次式（２）を満足する。
【００２３】
【数２】
０．０５＜Ｔ／Ｌ＜１．０ （２）
【００２４】
上記条件式（２）は、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴと物像間距離Ｌとの比における適切な範囲を規定している。条件式（２）の上限値を上回ると、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴが大きくなりすぎて、鏡筒の重量が大きくなり軽量化に不適である。また、鏡筒が長くなりすぎて自重により鏡筒自身に撓みが発生して個々のレンズが偏芯しやすくなり、画質の劣化を招きやすい。反対に、条件式（２）の下限値を下回ると、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴが小さくなりすぎて、レンズ厚が小さくなる。その結果、収差補正の自由度が少なくなり、軸外収差の補正が困難となって不都合が生じる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を０．４とすることが望ましい。また、下限値を０．１５とすることが望ましい。
【００２５】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、回折光学素子を構成する少なくとも２層の異なる光学材料は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の屈折率をΔｎｄとしたとき、次式（３）を満足する。
【００２６】
【数３】
Δｎｄ＞０．０３ （３）
【００２７】
上記条件式（３）は、回折光学面Ｇｆを構成する２種類の光学材料の屈折率差を規定している。条件式（３）の下限値を下回ると、格子の段差部分の高さが大きくなって反射や散乱等のフレアが発生して、角度特性（入射光線の入射角の変化に対する回折効率の低下の度合い）が悪くなったり、或いは諸波長に対する回折効率が低下してしまったりするため不都合である。
【００２８】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、前レンズ群は、４枚以上のレンズで構成されるとき、最も物体側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、物体側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、物体側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式（４）を満足する。
【００２９】
【数４】
ｆ１ａ／ｆ＞ｆ１ｂ／ｆ＞ｆ１ｃ／ｆ （４）
【００３０】
上記条件式（４）は、前レンズ群ＧＦでの正レンズの適切なパワー配置を規定している。本発明は、開口絞りＳを挟んで前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲが略対称型に構成されているため、軸上光線の光線高さは物体側から開口絞りＳに向かって小さくなる。したがって、個々の正レンズでは球面収差の発生を抑えるために、軸上光線の光線高さが高いほど、レンズの屈折力を小さくすることが好ましいことを示している。この条件式（４）において、ｆ１ａ、ｆ１ｂ、ｆ１ｃのいずれかが一つでもこの条件を外れると、十分な球面収差補正を達成することが困難となり、良好な画質を得ることが難しい。
【００３１】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、後レンズ群ＧＲが、４枚以上のレンズで構成されるとき、最も像側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、像側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、像側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式（５）を満足する。
【００３２】
【数５】
ｆ２ａ／ｆ＞ｆ２ｂ／ｆ＞ｆ２ｃ／ｆ （５）
【００３３】
上記条件式（５）は、後レンズ群ＧＲでの正レンズの適切なパワー配置を規定している。本発明は、開口絞りＳを挟んで前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲが略対称型に構成されているため、前述の条件式（４）と逆に、軸上光線の光線高さは開口絞りＳから像側に向かって大きくなる。したがって、個々の正レンズでは球面収差の発生を抑えるために、軸上光線の光線高さが高いほど、レンズの屈折力を小さくすることが好ましいことを示している。この条件式（５）において、ｆ２ａ、ｆ２ｂ、ｆ２ｃのいずれかが一つでもこの条件を外れると、十分な球面収差補正を達成することが困難となり、良好な画質を得ることが難しい。
【００３４】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、回折光学素子は、開口絞りＳと一体であり、該回折光学素子の少なくとも前後のどちらかに隣接して迷光絞りを有し、回折光学面Ｇｆに入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸となす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式（６）を満足する。
【００３５】
【数６】
０．０１＜Ｗ＜１５．０ （６）
【００３６】
上記条件式（６）は、回折光学面Ｇｆに入射する最大像高の主光線の適切な光線角度（光軸となす角）の大きさＷ（単位：度）の範囲を規定する。一般に、回折光学素子は、微小間隔（約１ｍｍ）当たり数百本程度の細かい等間隔の溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されると溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせる性能を有している。ここで、条件式（６）の上限値を上回ると、回折光学面Ｇｆに入射する光線角度が大きくなりすぎて、回折光学素子に形成されている格子の段差部分による散乱、反射等のフレア発生が甚大となり、所望の光学性能を得ることが難しい。反対に、条件式（６）の下限値を下回ると、各高さの像を形成する光束において充分な太さが取れなくなり、その結果、充分な像の明るさが確保できなくなるという不都合が生じる。
【００３７】
また、本発明の投影レンズにおいて、優れた色収差補正を達成するために、開口絞りＳを挟んだ２つのレンズ群ＧＦ，ＧＲを各々貼り合わせレンズで構成することが望ましい。このとき、上記２つのレンズ群ＧＦ，ＧＲのうち少なくともどちらかのレンズ群には、アッベ数νｄ、屈折率ｎｄとしたとき、次式（７），（８）を満足するガラス材料からなる負レンズを有することが望ましい。
【００３８】
【数７】
νｄ＜４５ （７）
ｎｄ＜１．８０ （８）
【００３９】
条件式（７），（８）を満足する負レンズを有することにより、単色色収差及び軸上色収差を補正して画面全体にわたり良好な性能を確保できるとともに、画面周辺の倍率色収差を良好に補正することできる。さらに、上述のように、本レンズ系に貼り合わせレンズが設けられたとき、該貼り合わせレンズを光線が通過する際、色収差の発生を極力抑えることができる。
【００４０】
条件式（７）の上限値を上回ると、色収差の補正が困難となる。特に、短波長の色収差が負側に大きく発生して、その補正が困難となる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには上限を４０．０とすることが望ましい。
【００４１】
条件式（８）の上限値を上回ると、ペッツバール和が正側に大きくなって、像面の曲がりが大きくなってしまい、良好な画質が得ることが難しい。
【００４２】
また、本発明の投影レンズにおいて、使用倍率をβとしたとき、−１．５≦β≦−０．５の範囲にあることが良好な結像性能を得るために望ましい。これは、本発明が開口絞りＳに対して略対称な構成となっているためである。なお、本発明の投影レンズを完全対称系とすることもできる。このとき、使用倍率は−１．０倍であり、倍率色収差や歪曲収差の発生をほぼ抑えることができるので、収差補正においてより好ましい配置である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を−０．８とすることが望ましい。また、下限値を−１．２とすることが望ましい。
【００４３】
また、本発明の投影レンズにおいては、さらに良好な性能を達成するため、回折光学素子を構成する２種類の光学材料のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式（９）を満足することが望ましい。
【００４４】
【数８】
Δνｄ＞１０．０ （９）
【００４５】
上記条件式（９）の下限値を下回ると、回折効率の波長特性が悪化してしまう不都合が生じる。すなわち、回折光学面Ｇｆを形成する回折格子溝の高さが高くなり反射、散乱等のフレアが発生して、角度特性が悪くなったり或いは諸波長に対する回折効率が低下して、画質が劣化する。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を２０．０とすることが望ましい。そのとき、ｄ線に対するブレーズ条件ｈ＝λｄ／Δｎｄを満足するように格子高さｈを選べば、ｄ線，ｇ線の回折効率（強度）ηをいずれも９５％とすることができる。ここで、λｄは、ｄ線の波長を示す。また、回折効率（強度）ηは回折光学面において、入射する光の強度Ｉ０に対する一次回折光の強度Ｉ１の割合、すなわちη＝Ｉ１／Ｉ０とする。
【００４６】
そして、実際に本発明に係る投影レンズを構成する場合、前レンズ群ＧＦには、物体側から順に、最も物体側に正レンズを有し、正メニスカスレンズと、正レンズと負レンズの貼り合わせレンズ有することが望ましい。また、後レンズ群ＧＲには、物体側から順に、負レンズと正レンズの貼り合わせレンズと、正メニスカスレンズと、正レンズから構成されることが望ましい。ここで、良好な色消しのために、いずれの正レンズもアッベ数が４５以上であることが望ましい。
【００４７】
また、本発明の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦ、後レンズ群ＧＲのいずれかのレンズ面を回折光学面Ｇｆとすることもでき、このとき条件式（６）を満たすことが好ましい。このように回折光学素子を備えることにより、高価な低分散ガラスを用いずとも優れた光学性能を得ることができるとともに、コストを抑えることができる。
【００４８】
なお、本発明に係る投影レンズは、スキャナー以外、例えば、投影露光レンズ、近距離撮影レンズ等にも適用することが可能である。また、本発明に係る投影レンズに、非球面レンズ、屈折率分布型レンズ等を付加することにより、さらに良好な光学性能を得ることが可能である。
【００４９】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を添付図面に基づいて説明する。なお、各実施例において、回折光学面の位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（１０），（１１）とを用いて行う超高屈折法により計算した。超高屈折法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては回折光学面は超高屈折法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（１０），（１１）及びその係数により示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線、ｇ線を選んでいる。また、焦点距離ｆ１ａ〜ｆ１ｃ，ｆ２ａ〜ｆ２ｃは、ｄ線での値を示す。本実施例において用いたこれらｄ線、ｇ線、ｅ線の波長の値を下の表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
各実施例において非球面は、光軸に垂直な方向の高さ（入射高）をｙとし、非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）をｘとし、基準球面の曲率半径をｒとし、近軸曲率半径をＲとし、円錐定数をκとし、ｎ次の非球面係数をＣｎとしたとき、次式（１０），（１１）で表される。
【００５２】
【数９】
ｘ＝（ｙ2／ｒ）／｛１＋（１−κ・ｙ２／ｒ２）１／２｝
＋Ｃ２ｙ２＋Ｃ４ｙ４＋Ｃ６ｙ６＋Ｃ８ｙ８＋Ｃ１０ｙ１０ （１０）
Ｒ＝１／｛（１／ｒ）＋２Ｃ２｝ （１１）
【００５３】
なお、本実施例において用いた超高屈折法については、前述の「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００５４】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１、図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る投影レンズのレンズ構成を示す図である。図１の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、両凸レンズＬ１、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３ａと両凹レンズＬ３ｂとの貼り合わせレンズＬ３から構成されている。後レンズ群ＧＲは、物体側から順に、両凹レンズＬ５と像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６との貼り合わせレンズ、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ７、両凸レンズＬ８から構成されている。
【００５５】
なお、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲとの間に、回折光学面Ｇｆを有した回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳが配置されている。また、開口絞りＳの像側に、迷光絞りＦＳが配置されている。そして、後レンズ群ＧＲの像側に、光学フィルターＦ１が配置されている。
【００５６】
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２に示す。表２において面番号０〜２２は、図１における符号０〜２２に対応している。また、表２におけるｒはレンズ面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）を、ｄはレンズ面の間隔を、ｎｄはｄ線、ｎｇはｇ線に対する屈折率をそれぞれ示している。なお、表２において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付している。また、前述の条件式（１）〜（９）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００５７】
本実施例では、表２の面番号８〜１２が回折光学素子ＤＯＥを示しており、面番号１０及び１１が回折折光学面Ｇｆに相当している。また、面番号１０においては、この回折光学面Ｇｆの諸元を超高屈折法を用いて示している（Ｃｎ＝０の場合は記載を省略している）。また、本実施例では、表２の面番号１２が開口絞りＳ、面番号１３が迷光絞りＦＳ、面番号２１及び２２が光学フィルターＦ１を示す。
【００５８】
以上の説明は、他の実施例においても同様である。
【００５９】
【表２】
最大像高に対するθ＝5.239度
（θは、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度を示し、以降同様とする。）
【００６０】
このように第１実施例では、上記条件式（１）〜（９）は全て満たされることがわかる。
【００６１】
図２は、第１実施例の諸収差図である。この収差図において、ＦNOはＦナンバーを、Ｙは像高を、ｄはｄ線を、ｇはｇ線を、ＣはＣ線を、ＦはＦ線をそれぞれ示している。なお、球面収差図において最大口径に対応するＦナンバーの値、非点収差図と歪曲収差図では、像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図では実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。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。
【００６２】
各収差図から明らかなように、第１実施例では、各焦点距離状態において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わかる。
【００６３】
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について図３、図４を用いて説明する。図３は、本発明の第２実施例に係る投影レンズのレンズ構成を示す図である。図３の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３ａと両凹レンズＬ３ｂとの貼り合わせレンズＬ３から構成されている。後レンズ群ＧＲは、物体側から順に、両凹レンズＬ５と像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６との貼り合わせレンズ、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ７、両凸レンズＬ８から構成されている。
【００６４】
なお、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲとの間に、物体側から順に、迷光絞りＦＳ１、回折光学面Ｇｆを有した回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳ、迷光絞りＦＳ２が配置されている。さらに、後レンズ群ＧＲの像側に、光学フィルターＦ１が配置されている。
【００６５】
このように図３に示した本発明の第２実施例における各レンズの諸元を表３に示す。表３において面番号０〜２２は、図３における符号０〜２２に対応している。また、前述の条件式（１）〜（９）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００６６】
本実施例では、表３の面番号９〜１２が回折光学素子ＤＯＥを示しており、面番号１０及び１１が回折折光学面Ｇｆに相当している。また、面番号１０においては、この回折光学面Ｇｆの諸元を超高屈折法を用いて示している（Ｃｎ＝０の場合は記載を省略している）。また、本実施例では、表３の面番号８が迷光絞りＦＳ１、面番号１２が開口絞りＳ、面番号１３が迷光絞りＦＳ２、面番号２１及び２２が光学フィルターＦ１を示す。
【００６７】
【表３】
最大像高に対するθ＝5.407度
【００６８】
このように第２実施例では、上記条件式（１）〜（９）は全て満たされることがわかる。
【００６９】
図４は、第２実施例の諸収差図である。この収差図から明らかなように、第２実施例では、各焦点距離状態において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わかる。
【００７０】
さらには、上記のいずれの実施例においても、格子高さｈを適切にして選べば、ｄ線，ｇ線の回折効率（強度）ηを９５％以上とすることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を有効に用いることにより、良好に収差補正されて優れた結像性能を有する、有限距離の結像光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を示す図である。
【図２】第１実施例における諸収差図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を示す図である。
【図４】第２実施例における諸収差図である。
【符号の説明】
ＧＦ 前レンズ群
ＧＲ 後レンズ群
Ｌ１〜Ｌ８ 各レンズ成分
ＤＯＥ 回折光学素子
Ｇｆ 回折光学面
Ｓ 開口絞り
ＦＳ 迷光絞り
Ｉ 像面
【発明の属する技術分野】
本発明は、有限距離に配置された物体の像を形成する結像光学系に関し、さらに詳しくは、スキャナー用光学系等に用いられる投影レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、有限距離の物体の像をセンサーやフィルム上に投影する光学系があるが、その一例としてスキャナー用光学系が知られている。スキャナー用光学系では、原画の情報を忠実に読み取ることが要求されることから、単色に対する球面収差などの各補正に加えて、軸上色収差及び倍率色収差が良好に補正されていることが必要である。そこで、いずれの諸収差も良好に補正するために、特殊低分散ガラスを多用して構成されたもの（例えば、特許文献１を参照）や、単層の回折光学素子を用いて構成されたもの（例えば、特許文献２を参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４８５１４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３２６７５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スキャナー用光学系を用いて、原稿面上の画像情報をＣＣＤ等のラインセンサー面上に縮小結像させ、該ラインセンサーからの信号により画像情報を電子情報として読み取る際には、原稿面全体をラインセンサー面上に高解像力で結像させることが重要である。
【０００５】
例えば、スキャナー用光学系において軸上色収差の補正が不十分な場合、イメージスキャナー等のカラー画像読み取り用に用いると、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の３波長域の最良像面位置（光軸上における光学性能が最も高くなる位置）が光軸方向にずれて、十分な光学性能を得ることができず、読み取り画像の劣化を招くという問題があった。
【０００６】
また、倍率色収差の補正が不十分な場合、各波長域によって読み取り画像の大きさ（光軸からの高さ）が変化するため、上記の軸上色収差と同様に、読み取り画像の劣化を生じるという問題があった。
【０００７】
このため、スキャナー用光学系では、従来、広帯域波長に対しても色収差が補正された特殊低分散ガラスの多用や、貼り合わせ面を増やすことで、（軸上及び倍率）色収差の補正を行っていた。しかしながら、特殊低分散ガラスは、材料そのものが高価な上に、加工性が悪いという問題があった。また、貼り合わせ面を増やすことは、該光学系の構成レンズ枚数を増やすことにつながり、さらにコストの高騰を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回折光学素子を効果的に応用し、高価な特殊低分散ガラスを用いずとも、可視域において色収差が良好に補正された投影レンズ（スキャナー用光学系等）を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の投影レンズは、有限距離の結像光学系において、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度が２０度以下であって、物体側から順に、正の屈折力を有する前レンズ群と、回折光学面を有する回折光学素子と、正の屈折力とを有する後レンズ群とを備え、前記前レンズ群は、物体側から順に、正レンズと、正メニスカスレンズと、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズとからなり、前記回折光学素子は、異なる光学材料からなる少なくとも２層の構成であり、前記後レンズ群は、物体側から順に、負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズと、正メニスカスレンズと、正レンズとからなり、前記回折光学面の有効径（直径）をＣ（但し、複層の場合は空気との界面の直径）、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さをＴとしたとき、次式０．０５＜Ｃ／Ｔ＜３．０の条件を満足する。
【００１０】
また、前記回折光学素子を有する投影レンズは、物像間距離をＬとしたとき、次式０．０５＜Ｔ／Ｌ＜１．０の条件を満足することが好ましい。
【００１１】
また、前記回折光学素子を構成する少なくとも２層の異なる光学材料は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の屈折率をΔｎｄとしたとき、次式Δｎｄ＞０．０３の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、前記前レンズ群は、最も物体側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ１ａ、物体側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｂ、物体側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式ｆ１ａ／ｆ＞ｆ１ｂ／ｆ＞ｆ１ｃ／ｆの条件を満足することが好ましい。
【００１３】
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、前記後レンズ群は、最も像側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、像側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、像側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式ｆ２ａ／ｆ＞ｆ２ｂ／ｆ＞ｆ２ｃ／ｆの条件を満足することが好ましい。
【００１４】
また、前記回折光学素子は、開口絞りと一体であり、該回折光学素子の少なくとも前後のどちらかに隣接して迷光絞りを有し、前記回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸となす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式０．０１＜Ｗ＜１５．０の条件を満足することが好ましい。
また、前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りを有し、前記前レンズ群の前記負レンズ及び前記後レンズ群の前記負レンズのうち少なくともどちらかの負レンズは、アッベ数νｄ、屈折率ｎｄとしたときに、次式νｄ＜４５、ｎｄ＜１．８０の条件を満足するガラス材料からなることが好ましい。
また、使用倍率をβとしたとき、次式−１．５≦β≦−０．５の条件を満足することが好ましい。
また、前記回折光学素子を構成する２種類の光学材料のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式Δνｄ＞１０．０の条件を満足することが好ましい。
また、前記前レンズ群及び前記後レンズ群のうち少なくともどちらかのレンズ群は、第２の回折光学面を有することが好ましい。
また、前記第２の回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸とのなす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式０．０１＜Ｗ＜１５．０の条件を満足することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る投影レンズの実施の形態について説明する。本発明の投影レンズは、物体側から順に、正の屈折力を有する前レンズ群ＧＦ、回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳ、正の屈折力を有する後レンズ群ＧＲを備えて構成されている。いずれの実施例も、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、正レンズＬ１〜Ｌ３、負レンズＬ４が配置されている。また、後レンズ群ＧＲは、開口絞りＳを挟んで、前レンズ群ＧＦとほぼ対称な構造、すなわち物体側から順に、負レンズＬ５、正レンズＬ６〜Ｌ８が配置されている。このような構成により、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲの（略）対称性を利用して、軸上及び軸外の諸収差を良好に補正することができる。
【００１６】
また、本発明では、回折作用による面（以下、回折光学面という）を導入することにより、特に色収差に関して優れた補正が可能であり、且つ、回折光学素子に特有の問題であったフレアを低減し、その結果、優れた光学性能を達成することができることを見出した。以下、この点について詳述する。
【００１７】
一般に、光線を偏向させる作用として、屈折作用、反射作用、及び回折作用の３種類が知られている。本発明において、回折光学面とは、光波としての回折作用を利用することにより光を屈曲させ、種々の光学作用を得ることのできる面をいう。具体的には、回折光学面は、負分散を生じさせることができること、小型化しやすいことなど、数々の利点を有している。その中でも特に、色収差補正に極めて有効であることが知られている。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００１８】
さて、本発明に係る投影レンズにおいては、回折光学面を有する一般の光学系の場合と同様に、回折光学面を通過する光線角度は、できるだけ小さい方が好ましい。これは、上記光線角度が大きくなると、回折光学面によるフレアが発生しやすくなり、画質を損ねてしまうからである。そこで、回折光学面によるフレアがあまり影響を及ぼさずに良好な画像を得るためには、本光学系の場合、その角度を１５度以下とすることが望ましい。さらに、回折光学素子を少なくとも２種類の光学材料から構成することにより、一層良好な結像性能を得られることを見出した。
【００１９】
以下、条件式の説明に沿って、本発明の投影レンズを詳細に説明する。本発明の投影レンズにおいて、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度θは、２０度以下とすることが望ましい。これによって高次の像面湾曲及びコマ収差の発生を防ぐことができる。なお、本発明の効果をより発揮するには、前記θは７度以下であることが望ましい。また、本発明において、回折光学素子が有する回折光学面の有効径（直径）をＣ（但し、複層の場合は空気との界面の直径）、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さをＴとしたとき、次式（１）を満足する。
【００２０】
【数１】
０．０５＜Ｃ／Ｔ＜３．０ （１）
【００２１】
上記条件式（１）は、回折光学面を有するレンズの適切な有効径（直径）Ｃと本光学系のレンズの第１面から最終面までの高さとの比における適切な範囲を規定している。条件式（１）の上限値を上回ると、有効径Ｃが大きくなりすぎ、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながるとともに、鏡筒径の大型化を招きやすくなる。また、回折光学面に外部からの有害光が入りやすくなり、フレア等による画質低下を招きやすくなる。また、収差上において、球面収差の発生が甚大となり、良好な結像性能を得ることができない。反対に、条件式（１）の下限値を下回ると、有効径Ｃが小さくなりすぎて回折光学面の格子ピッチが小さくなる傾向が強まり、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながるばかりか、（回折）格子によるフレア発生が大きくなり画質低下を招きやすくなる。さらには、光量不足の傾向が強まり不都合である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、条件式（１）の上限値を２．０とすることが好ましい。また、下限値を１．０とすることが好ましい。
【００２２】
また、前記回折光学素子を有する投影レンズは、物像間距離をＬとしたとき、次式（２）を満足する。
【００２３】
【数２】
０．０５＜Ｔ／Ｌ＜１．０ （２）
【００２４】
上記条件式（２）は、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴと物像間距離Ｌとの比における適切な範囲を規定している。条件式（２）の上限値を上回ると、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴが大きくなりすぎて、鏡筒の重量が大きくなり軽量化に不適である。また、鏡筒が長くなりすぎて自重により鏡筒自身に撓みが発生して個々のレンズが偏芯しやすくなり、画質の劣化を招きやすい。反対に、条件式（２）の下限値を下回ると、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さＴが小さくなりすぎて、レンズ厚が小さくなる。その結果、収差補正の自由度が少なくなり、軸外収差の補正が困難となって不都合が生じる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を０．４とすることが望ましい。また、下限値を０．１５とすることが望ましい。
【００２５】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、回折光学素子を構成する少なくとも２層の異なる光学材料は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の屈折率をΔｎｄとしたとき、次式（３）を満足する。
【００２６】
【数３】
Δｎｄ＞０．０３ （３）
【００２７】
上記条件式（３）は、回折光学面Ｇｆを構成する２種類の光学材料の屈折率差を規定している。条件式（３）の下限値を下回ると、格子の段差部分の高さが大きくなって反射や散乱等のフレアが発生して、角度特性（入射光線の入射角の変化に対する回折効率の低下の度合い）が悪くなったり、或いは諸波長に対する回折効率が低下してしまったりするため不都合である。
【００２８】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、前レンズ群は、４枚以上のレンズで構成されるとき、最も物体側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、物体側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、物体側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式（４）を満足する。
【００２９】
【数４】
ｆ１ａ／ｆ＞ｆ１ｂ／ｆ＞ｆ１ｃ／ｆ （４）
【００３０】
上記条件式（４）は、前レンズ群ＧＦでの正レンズの適切なパワー配置を規定している。本発明は、開口絞りＳを挟んで前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲが略対称型に構成されているため、軸上光線の光線高さは物体側から開口絞りＳに向かって小さくなる。したがって、個々の正レンズでは球面収差の発生を抑えるために、軸上光線の光線高さが高いほど、レンズの屈折力を小さくすることが好ましいことを示している。この条件式（４）において、ｆ１ａ、ｆ１ｂ、ｆ１ｃのいずれかが一つでもこの条件を外れると、十分な球面収差補正を達成することが困難となり、良好な画質を得ることが難しい。
【００３１】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、後レンズ群ＧＲが、４枚以上のレンズで構成されるとき、最も像側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、像側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、像側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式（５）を満足する。
【００３２】
【数５】
ｆ２ａ／ｆ＞ｆ２ｂ／ｆ＞ｆ２ｃ／ｆ （５）
【００３３】
上記条件式（５）は、後レンズ群ＧＲでの正レンズの適切なパワー配置を規定している。本発明は、開口絞りＳを挟んで前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲが略対称型に構成されているため、前述の条件式（４）と逆に、軸上光線の光線高さは開口絞りＳから像側に向かって大きくなる。したがって、個々の正レンズでは球面収差の発生を抑えるために、軸上光線の光線高さが高いほど、レンズの屈折力を小さくすることが好ましいことを示している。この条件式（５）において、ｆ２ａ、ｆ２ｂ、ｆ２ｃのいずれかが一つでもこの条件を外れると、十分な球面収差補正を達成することが困難となり、良好な画質を得ることが難しい。
【００３４】
また、本発明に係る投影レンズにおいて、回折光学素子は、開口絞りＳと一体であり、該回折光学素子の少なくとも前後のどちらかに隣接して迷光絞りを有し、回折光学面Ｇｆに入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸となす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式（６）を満足する。
【００３５】
【数６】
０．０１＜Ｗ＜１５．０ （６）
【００３６】
上記条件式（６）は、回折光学面Ｇｆに入射する最大像高の主光線の適切な光線角度（光軸となす角）の大きさＷ（単位：度）の範囲を規定する。一般に、回折光学素子は、微小間隔（約１ｍｍ）当たり数百本程度の細かい等間隔の溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されると溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせる性能を有している。ここで、条件式（６）の上限値を上回ると、回折光学面Ｇｆに入射する光線角度が大きくなりすぎて、回折光学素子に形成されている格子の段差部分による散乱、反射等のフレア発生が甚大となり、所望の光学性能を得ることが難しい。反対に、条件式（６）の下限値を下回ると、各高さの像を形成する光束において充分な太さが取れなくなり、その結果、充分な像の明るさが確保できなくなるという不都合が生じる。
【００３７】
また、本発明の投影レンズにおいて、優れた色収差補正を達成するために、開口絞りＳを挟んだ２つのレンズ群ＧＦ，ＧＲを各々貼り合わせレンズで構成することが望ましい。このとき、上記２つのレンズ群ＧＦ，ＧＲのうち少なくともどちらかのレンズ群には、アッベ数νｄ、屈折率ｎｄとしたとき、次式（７），（８）を満足するガラス材料からなる負レンズを有することが望ましい。
【００３８】
【数７】
νｄ＜４５ （７）
ｎｄ＜１．８０ （８）
【００３９】
条件式（７），（８）を満足する負レンズを有することにより、単色色収差及び軸上色収差を補正して画面全体にわたり良好な性能を確保できるとともに、画面周辺の倍率色収差を良好に補正することできる。さらに、上述のように、本レンズ系に貼り合わせレンズが設けられたとき、該貼り合わせレンズを光線が通過する際、色収差の発生を極力抑えることができる。
【００４０】
条件式（７）の上限値を上回ると、色収差の補正が困難となる。特に、短波長の色収差が負側に大きく発生して、その補正が困難となる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには上限を４０．０とすることが望ましい。
【００４１】
条件式（８）の上限値を上回ると、ペッツバール和が正側に大きくなって、像面の曲がりが大きくなってしまい、良好な画質が得ることが難しい。
【００４２】
また、本発明の投影レンズにおいて、使用倍率をβとしたとき、−１．５≦β≦−０．５の範囲にあることが良好な結像性能を得るために望ましい。これは、本発明が開口絞りＳに対して略対称な構成となっているためである。なお、本発明の投影レンズを完全対称系とすることもできる。このとき、使用倍率は−１．０倍であり、倍率色収差や歪曲収差の発生をほぼ抑えることができるので、収差補正においてより好ましい配置である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を−０．８とすることが望ましい。また、下限値を−１．２とすることが望ましい。
【００４３】
また、本発明の投影レンズにおいては、さらに良好な性能を達成するため、回折光学素子を構成する２種類の光学材料のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式（９）を満足することが望ましい。
【００４４】
【数８】
Δνｄ＞１０．０ （９）
【００４５】
上記条件式（９）の下限値を下回ると、回折効率の波長特性が悪化してしまう不都合が生じる。すなわち、回折光学面Ｇｆを形成する回折格子溝の高さが高くなり反射、散乱等のフレアが発生して、角度特性が悪くなったり或いは諸波長に対する回折効率が低下して、画質が劣化する。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限値を２０．０とすることが望ましい。そのとき、ｄ線に対するブレーズ条件ｈ＝λｄ／Δｎｄを満足するように格子高さｈを選べば、ｄ線，ｇ線の回折効率（強度）ηをいずれも９５％とすることができる。ここで、λｄは、ｄ線の波長を示す。また、回折効率（強度）ηは回折光学面において、入射する光の強度Ｉ０に対する一次回折光の強度Ｉ１の割合、すなわちη＝Ｉ１／Ｉ０とする。
【００４６】
そして、実際に本発明に係る投影レンズを構成する場合、前レンズ群ＧＦには、物体側から順に、最も物体側に正レンズを有し、正メニスカスレンズと、正レンズと負レンズの貼り合わせレンズ有することが望ましい。また、後レンズ群ＧＲには、物体側から順に、負レンズと正レンズの貼り合わせレンズと、正メニスカスレンズと、正レンズから構成されることが望ましい。ここで、良好な色消しのために、いずれの正レンズもアッベ数が４５以上であることが望ましい。
【００４７】
また、本発明の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦ、後レンズ群ＧＲのいずれかのレンズ面を回折光学面Ｇｆとすることもでき、このとき条件式（６）を満たすことが好ましい。このように回折光学素子を備えることにより、高価な低分散ガラスを用いずとも優れた光学性能を得ることができるとともに、コストを抑えることができる。
【００４８】
なお、本発明に係る投影レンズは、スキャナー以外、例えば、投影露光レンズ、近距離撮影レンズ等にも適用することが可能である。また、本発明に係る投影レンズに、非球面レンズ、屈折率分布型レンズ等を付加することにより、さらに良好な光学性能を得ることが可能である。
【００４９】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を添付図面に基づいて説明する。なお、各実施例において、回折光学面の位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（１０），（１１）とを用いて行う超高屈折法により計算した。超高屈折法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては回折光学面は超高屈折法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（１０），（１１）及びその係数により示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線、ｇ線を選んでいる。また、焦点距離ｆ１ａ〜ｆ１ｃ，ｆ２ａ〜ｆ２ｃは、ｄ線での値を示す。本実施例において用いたこれらｄ線、ｇ線、ｅ線の波長の値を下の表１に示す。
【００５０】
【表１】
各実施例において非球面は、光軸に垂直な方向の高さ（入射高）をｙとし、非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）をｘとし、基準球面の曲率半径をｒとし、近軸曲率半径をＲとし、円錐定数をκとし、ｎ次の非球面係数をＣｎとしたとき、次式（１０），（１１）で表される。
【００５２】
【数９】
ｘ＝（ｙ2／ｒ）／｛１＋（１−κ・ｙ２／ｒ２）１／２｝
＋Ｃ２ｙ２＋Ｃ４ｙ４＋Ｃ６ｙ６＋Ｃ８ｙ８＋Ｃ１０ｙ１０ （１０）
Ｒ＝１／｛（１／ｒ）＋２Ｃ２｝ （１１）
【００５３】
なお、本実施例において用いた超高屈折法については、前述の「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修」に詳しい。
【００５４】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１、図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る投影レンズのレンズ構成を示す図である。図１の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、両凸レンズＬ１、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３ａと両凹レンズＬ３ｂとの貼り合わせレンズＬ３から構成されている。後レンズ群ＧＲは、物体側から順に、両凹レンズＬ５と像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６との貼り合わせレンズ、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ７、両凸レンズＬ８から構成されている。
【００５５】
なお、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲとの間に、回折光学面Ｇｆを有した回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳが配置されている。また、開口絞りＳの像側に、迷光絞りＦＳが配置されている。そして、後レンズ群ＧＲの像側に、光学フィルターＦ１が配置されている。
【００５６】
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２に示す。表２において面番号０〜２２は、図１における符号０〜２２に対応している。また、表２におけるｒはレンズ面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）を、ｄはレンズ面の間隔を、ｎｄはｄ線、ｎｇはｇ線に対する屈折率をそれぞれ示している。なお、表２において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付している。また、前述の条件式（１）〜（９）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００５７】
本実施例では、表２の面番号８〜１２が回折光学素子ＤＯＥを示しており、面番号１０及び１１が回折折光学面Ｇｆに相当している。また、面番号１０においては、この回折光学面Ｇｆの諸元を超高屈折法を用いて示している（Ｃｎ＝０の場合は記載を省略している）。また、本実施例では、表２の面番号１２が開口絞りＳ、面番号１３が迷光絞りＦＳ、面番号２１及び２２が光学フィルターＦ１を示す。
【００５８】
以上の説明は、他の実施例においても同様である。
【００５９】
【表２】
（θは、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度を示し、以降同様とする。）
このように第１実施例では、上記条件式（１）〜（９）は全て満たされることがわかる。
【００６１】
図２は、第１実施例の諸収差図である。この収差図において、ＦNOはＦナンバーを、Ｙは像高を、ｄはｄ線を、ｇはｇ線を、ＣはＣ線を、ＦはＦ線をそれぞれ示している。なお、球面収差図において最大口径に対応するＦナンバーの値、非点収差図と歪曲収差図では、像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図では実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。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。
【００６２】
各収差図から明らかなように、第１実施例では、各焦点距離状態において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わかる。
【００６３】
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について図３、図４を用いて説明する。図３は、本発明の第２実施例に係る投影レンズのレンズ構成を示す図である。図３の投影レンズにおいて、前レンズ群ＧＦは、物体側から順に、正メニスカスレンズＬ１、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３ａと両凹レンズＬ３ｂとの貼り合わせレンズＬ３から構成されている。後レンズ群ＧＲは、物体側から順に、両凹レンズＬ５と像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６との貼り合わせレンズ、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ７、両凸レンズＬ８から構成されている。
【００６４】
なお、前レンズ群ＧＦと後レンズ群ＧＲとの間に、物体側から順に、迷光絞りＦＳ１、回折光学面Ｇｆを有した回折光学素子ＤＯＥと一体化した開口絞りＳ、迷光絞りＦＳ２が配置されている。さらに、後レンズ群ＧＲの像側に、光学フィルターＦ１が配置されている。
【００６５】
このように図３に示した本発明の第２実施例における各レンズの諸元を表３に示す。表３において面番号０〜２２は、図３における符号０〜２２に対応している。また、前述の条件式（１）〜（９）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。
【００６６】
本実施例では、表３の面番号９〜１２が回折光学素子ＤＯＥを示しており、面番号１０及び１１が回折折光学面Ｇｆに相当している。また、面番号１０においては、この回折光学面Ｇｆの諸元を超高屈折法を用いて示している（Ｃｎ＝０の場合は記載を省略している）。また、本実施例では、表３の面番号８が迷光絞りＦＳ１、面番号１２が開口絞りＳ、面番号１３が迷光絞りＦＳ２、面番号２１及び２２が光学フィルターＦ１を示す。
【００６７】
【表３】
このように第２実施例では、上記条件式（１）〜（９）は全て満たされることがわかる。
【００６９】
図４は、第２実施例の諸収差図である。この収差図から明らかなように、第２実施例では、各焦点距離状態において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わかる。
【００７０】
さらには、上記のいずれの実施例においても、格子高さｈを適切にして選べば、ｄ線，ｇ線の回折効率（強度）ηを９５％以上とすることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を有効に用いることにより、良好に収差補正されて優れた結像性能を有する、有限距離の結像光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を示す図である。
【図２】第１実施例における諸収差図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を示す図である。
【図４】第２実施例における諸収差図である。
【符号の説明】
ＧＦ 前レンズ群
ＧＲ 後レンズ群
Ｌ１〜Ｌ８ 各レンズ成分
ＤＯＥ 回折光学素子
Ｇｆ 回折光学面
Ｓ 開口絞り
ＦＳ 迷光絞り
Ｉ 像面
Claims (11)
- 有限距離の結像光学系において、物体からの主光線の光軸に対する傾き角度が２０度以下であって、物体側から順に、正の屈折力を有する前レンズ群と、回折光学面を有する回折光学素子と、正の屈折力とを有する後レンズ群とを備え、
前記前レンズ群は、物体側から順に、正レンズと、正メニスカスレンズと、正レンズと負レンズとの貼り合わせレンズとからなり、
前記回折光学素子は、異なる光学材料からなる少なくとも２層の構成であり、
前記後レンズ群は、物体側から順に、負レンズと正レンズとの貼り合わせレンズと、正メニスカスレンズと、正レンズとからなり、
前記回折光学面の有効径（直径）をＣ（但し、複層の場合は空気との界面の直径）、本光学系のレンズの第１面から最終面までの長さをＴとしたとき、次式
０．０５＜Ｃ／Ｔ＜３．０
の条件を満足することを特徴とする投影レンズ。 - 前記回折光学素子を有する前記投影レンズは、物像間距離をＬとしたとき、次式
０．０５＜Ｔ／Ｌ＜１．０
の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。 - 前記回折光学素子を構成する少なくとも２層の異なる光学材料は、ｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の屈折率をΔｎｄとしたとき、次式
Δｎｄ＞０．０３
の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影レンズ。 - 前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、
前記前レンズ群は、最も物体側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ１ａ、物体側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｂ、物体側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ１ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式
ｆ１ａ／ｆ＞ｆ１ｂ／ｆ＞ｆ１ｃ／ｆ
の条件を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の投影レンズ。 - 前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りが配置され、
前記後レンズ群は、最も像側の正レンズのｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）の焦点距離をｆ２ａ、像側から２番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｂ、像側から３番目の正レンズのｄ線の焦点距離をｆ２ｃ、投影レンズ全系のｄ線の焦点距離をｆとしたとき、次式
ｆ２ａ／ｆ＞ｆ２ｂ／ｆ＞ｆ２ｃ／ｆ
の条件を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の投影レンズ。 - 前記回折光学素子は、開口絞りと一体であり、
該回折光学素子の少なくとも前後のどちらかに隣接して迷光絞りを有し、
前記回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸となす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式
０．０１＜Ｗ＜１５．０
の条件を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投影レンズ。 - 前記前レンズ群と前記後レンズ群との間に開口絞りを有し、
前記前レンズ群の前記負レンズ及び前記後レンズ群の前記負レンズのうち少なくともどちらかの負レンズは、アッベ数νｄ、屈折率ｎｄとしたときに、次式
νｄ＜４５
ｎｄ＜１．８０
の条件を満足するガラス材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の投影レンズ。 - 使用倍率をβとしたとき、次式
−１．５ ≦β≦ −０．５
の条件を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の投影レンズ。 - 前記回折光学素子を構成する２種類の光学材料のアッベ数の差をΔνｄとしたとき、次式
Δνｄ＞１０．０
の条件を満足することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の投影レンズ。 - 前記前レンズ群及び前記後レンズ群のうち少なくともどちらかのレンズ群は、第２の回折光学面を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の投影レンズ。
- 前記第２の回折光学面に入射する最大像高の主光線の光線角度（光軸とのなす角）の大きさをＷ（単位：度）としたとき、次式
０．０１＜Ｗ＜１５．０
の条件を満足することを特徴とする請求項１０に記載の投影レンズ。
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