JP4944325B2 - 結像システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、結像システム、特に光学スペクトル領域に属する電磁放射線の像を形成するための結像システムであって、少なくとも１つのレンズ要素と、少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面と少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面とからなり、該境界面を電磁放射線が透過可能であり、前記少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面と前記少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面が、１つまたは２つまたはそれ以上のレンズ要素に設けられており、前記少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面と前記少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面が、少なくとも断面において円柱形レンズの形状または円柱形に類似したレンズの形状を備え、したがって、これらの光学的に機能する境界面が、それぞれ、少なくとも１つの断面において面の曲率がほぼ一定であるような方向を備えており、前記少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面のほぼ一定であるような曲率の方向は、前記少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面のほぼ一定であるような曲率の方向に対してほぼ直交するように互いに配置されるような結像システムに関するものである。
【０００２】
上述の技術における結像システムは、米国特許公報第５，８４４，７２３号から従来周知である。該公報に記載される結像システムは、レーザダイオードから出射された光を光ファイバの入射面に集束するように働く。円柱軸が直交する２つの円柱形のレンズが使われている。このような光学システムの欠点として、２つの互いに直交する円柱形レンズによって発生される結像誤差を補正できないことが挙げられる。
【０００３】
本発明の基本となる課題は、この結像誤差を回避可能である上述した技術のような結像システムを提供することである。
【０００４】
この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。請求項１に従えば、少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面と少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面が、非球面の円柱形レンズ形状および／または非球面の円柱形に類似したレンズの形状を備える。非球面の円柱形レンズ形状は、たとえば、楕円、または、双曲線、または、放物線の円柱断面によって形成される。非球面の円柱形レンズ形状を、レンズ要素の光学的に機能する境界面に対して選択することによって、結像システムを透過した電磁放射線の光路差は最小にされ、結像システムを透過した後、波面は平らなものになる。
【０００５】
本発明に従った結像システムは、真空紫外線領域から遠赤外線領域まで全光学スペクトル領域に対して使用可能である。結像が屈折光学的に活性な境界面によって行われている限りは、Ｘ線の領域にまで本発明による結像システムを使うことを考慮できる。
【０００６】
本発明に従えば、少なくとも２つのレンズ要素を設け、その一方に第１の光学的に機能する境界面を配置するとともにその他方に第２の光学的に機能する境界面を配置することが可能である。また、レンズ要素のそれぞれが２つの光学的に機能する境界面を備え、たとえば、これらのレンズ要素のそれぞれにおいて、互いに対向する光学的に機能する境界面が、円柱形レンズの形状を備えるようにし、ほぼ一定の曲率におけるその方向が、すなわち、円柱軸の方向が、直交するようにしてもよい。または、光学的に機能する第１または第２の境界面とこれに対向して配置される入射面または出射面を備えるようにレンズ要素のそれぞれを製造してもよい。
【０００７】
これらの第１および第２の光学的に機能する境界面の非球面円柱形状としての円柱形レンズの形状を構成することの追加または変形においては、請求項１に従えば、少なくとも１つの補助的な補正要素が少なくとも第３の光学的に機能する境界面を備え、これは、同じく少なくとも１つの断面において円柱形レンズの形状または円柱形レンズに類似した形状を備え、この境界面は、少なくとも１つの断面において面の曲率がほぼ一定であるような面に配置された方向を備えている。この補助的な補正要素によって、同様に結像誤差が除去されるので、この結像システムによって透過される電磁放射線の対応する波面は補正される、または平坦な波面に変換される。
【０００８】
本発明の好適な実施形態に従えば、少なくとも１つの第３の光学的に機能する境界面のほぼ一定の曲率の方向は、少なくとも１つの第１の光学的に機能する境界面と少なくとも１つの第２の光学的に機能する境界面のほぼ一定の曲率の方向に対して約４５度の角度に向いている。補正要素の少なくとも１つの第３の光学的に機能する境界面のこのような方向によって、たとえば、球面状の円柱形状を備えた互いに直交する第１および第２の光学的に機能する境界面によって発生する結像誤差は、さらに補正可能となる。好ましくは、補正要素が、２つの互いに対向して配置された第３の光学的に機能する境界面を備え、そのほぼ一定の曲率の方向が、互いに直交するとともに好ましくは第１および第２の光学的に機能する境界面のほぼ一定の曲率の方向に対してほぼ４５度の角度をなすようにすることができる。これによって、この第３の光学的に機能する境界面は、凹面に形成できる。
【０００９】
本発明に従えば、この少なくとも１つの第３の光学的に機能する境界面は、球面または非球面の円柱形レンズ形状を備えることができる。補正要素の少なくとも１つの第３の光学的に機能する境界面の非球面の円柱形レンズ形状によって、２つのレンズ要素に生じる結像誤差を適正に補正することが可能となる。非球面の円柱形レンズ形状は、再び、たとえば楕円、または、双曲線、または、放物線の円柱形断面によって形成できる。
【００１０】
２つのレンズ要素と特に補助的な補正要素は、共通の保持体に取り付けられることも可能である。本発明によるこのようなコンパクトな実施形態は、たとえばレーザダイオードから出射された光がガラスファイバの入射面上に集束されるように使うことができる。
【００１１】
本発明による結像システムは、たとえば共通の保持体上に収容された結像システムの形で非常に広角度なマイクロ対物レンズとして使うことができる。
【００１２】
非常に広角度な対物レンズの場合、本発明に従った非常に効果的な結像誤差の補正によって、十分に良好な画質を伴って９０度以上の角度を達成することができる。
【００１３】
状況によっては、レンズ要素の代わりに、特に同様のレンズ要素のアレイまたは直線列を使うことが好ましい。さらに、補正要素の代わりに、特に同様の補正要素のアレイまたは直線列を使うこともできる。これによって、円柱形レンズまたは円柱形に類似した形状の使用によって長方形または正方形のレンズ要素と補正要素が使えるので、レンズ要素または補正要素のアレイまたは直線列が大幅に改善された空間の利用または最大の到達可能なアセンブリ密度が得られて非常に好ましい。レンズ要素または補正要素のこのような直線列または二次元的なアレイは、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラに使うことができる。このような結像システムは、たとえば溶接処理のような工程観察に適用することができる。
【００１４】
本発明に従った他の利点および特徴は、添付の図面を参照しつつ行われる好適な実施形態に関する以下の記載から明らかにされる。
【００１５】
図１を参照する。本発明に従った結像システムの図示された実施形態は、保持体３にほぼ互いに平行に配置されるとともに互いに間隔を置いて配置された２つのレンズ要素１、２を備えている。これらの２つのレンズ要素の間には、この実施形態においては、２つのレンズ要素１，２に対して同じようにほぼ平行に配置されるとともに同じように保持体３に配置された補正要素４が設けられている。これらの２つのレンズ要素１，２と補正要素４によって構成された結像システムにより、たとえば図１に示されているレーザダイオード５から出射される光が、図１（ａ）と図１（ｂ）における小さな正方形部分に配置された、たとえば光導体の入射面である空間セクタ上に集束される。
【００１６】
レンズ要素１は、図１（ａ）と図１（ｂ）の左側に入射面６と、右側に光学的に機能する境界面７を備える。これに対応して、第２のレンズ要素２は、その左側に入射面８と、右側に光学的に機能する境界面９を備える。このように図示された実施形態において、第１および第２の光学的に機能する境界面７，９は、断面において円柱形レンズ形状を備え、この実施形態においては、円柱形レンズ形状は、円弧形状の断面を有する円柱断面によって形成される。第１および第２の光学的に機能する境界面７，９における円柱形断面の２つの円柱軸は、図示された実施形態において互いに直交している。
【００１７】
球面の円柱形状の代わりに、第１および第２の光学的に機能する境界面７，９に非球面の円柱形状が使われてもよい。これによって互いに直交する円柱形レンズの結像により生じた結像誤差は、有効に補正される。図示されている実施形態において、この補正は、図２に明らかなようにそれぞれ円柱形の断面１２，１３を備えた第３の光学的に機能する境界面１０，１１を有する追加の挿入された補正要素４によってさらに実行される。補正要素４における光学的に機能する境界面１０，１１のこれらの円柱形断面１２，１３は、図示されている実施形態において互いに直交するとともに光学的に機能する境界面７，９における円柱軸に４５度の角度を有している。補正要素４における光学的に機能する境界面１０，１１は、球面または非球面の円柱形レンズ形状を備えることができる。非球面形状として、たとえば、楕円、または、双曲線、または、放物線の円柱形状を考慮することができる。
【００１８】
図３から、対物レンズとして使用可能な本発明による結像システムの実施形態が明らかである。対象物１４から出射する光１５は、開口絞り１６を透過した後、補正要素１９が接続される２つのレンズ要素１７，１８によって結像される。図３における補正要素１９から右側に出射された光は、たとえばＣＣＤセンサ要素またはＣＭＯＳセンサ要素に入射することができる。
【００１９】
図３に示されている実施形態において、レンズ要素１７，１８のそれぞれは、その入射側においてもその出射側においても円柱形レンズ形状または円柱形に類似した形状を備えた光学的に機能する境界面を有している。図１および図２による実施形態のように、この円柱形レンズ形状または円柱形に類似した形状は、球面または非球面の円柱形レンズ形状を選択することができる。図示されている実施形態において、それぞれのレンズ要素１７，１８の２つの光学的に機能する境界面は、それぞれ、互いに直交して配置された円柱形レンズ形状を備えている。さらに、図示されている実施形態においては、補正要素１９が、その入射面にのみ円柱形レンズ形状を備えた光学的に機能する境界面を有している。その出射面には、図示されている実施形態においては、補正要素１９の平面が配置されている。
【００２０】
本発明に従えば、たとえば、図３における結像システムは、２つのレンズ要素１７，１８と、場合によっては補正要素１９と開口絞り１６とを直線的にまたはアレイ状に設けられるので、カメラセンサの直線列またはカメラセンサの二次元領域に配置することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は本発明による結像システムの１つの実施形態の側面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における結像システムの正面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）における矢印Ｉｃ方向で見た図である。
【図２】 図１における結像システムの補正要素の斜視図である。
【図３】 図３（ａ）は本発明による結像システムの他の実施形態の概略側面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）における結像システムの正面図である。

Claims (11)

1. 光学スペクトル領域に属する電磁放射線の像を形成するための結像システムであって、第１の光学的に機能する境界面（７）を有する第１のレンズ要素（１）と第２の光学的に機能する境界面（９）を有する第２のレンズ要素（２）とを備え、前記電磁放射線が前記第１および第２の光学的に機能する境界面（７，９）を透過可能であり、前記第１および第２の光学的に機能する境界面（７，９）が円柱形のレンズ形状を有し、前記第１および第２の光学的に機能する境界面の円柱軸が互いに直交するように配置される結像システムにおいて、
   前記結像システムは、補正要素（４）をさらに備え、前記補正要素（４）が、２つの互いに対向して配置された第３の光学的に機能する境界面（１０，１１）を有し、前記２つの第３の光学的に機能する境界面（１０，１１）が、円柱形のレンズ形状を有し、前記２つの第３の光学的に機能する境界面（１０，１１）の円柱軸が、互いに直交し、かつ第１および第２の光学的に機能する境界面（７，９）の円柱軸と４５度の角度をなして配置されることを特徴とする結像システム。
2. 前記第１および第２の光学的に機能する境界面が、楕円、または、双曲線、または、放物線の円柱形断面によって形成されることを特徴とする請求項１記載の結像システム。
3. 前記第１および第２のレンズ要素（１，２）が、それぞれ、前記第１または第２の光学的に機能する境界面（７，９）とそれぞれ前記境界面（７，９）に対向して配置された入射面または出射面（６，８）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の結像システム。
4. 前記２つの第３の光学的に機能する境界面（１０，１１）が、凹面に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の結像システム。
5. 前記２つの第３の光学的に機能する境界面（１０，１１）が、楕円、または、双曲線、または放物線の円柱形断面（１２，１３）によって形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の結像システム。
6. 前記第１および第２のレンズ要素（１，２）と前記補正要素（４）が、共通の保持体（３）に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の結像システム。
7. 前記第１および第２のレンズ要素（１，２）の代わりに、同一のレンズ要素（１，２）のアレイまたは直線列が使われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の結像システム。
8. 前記補正要素（４）の代わりに、同一の補正要素（４）のアレイまたは直線列が使われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の結像システム。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の前記結像システムを含む対物レンズ。
10. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の前記結像システムを含むセンサ。
11. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の前記結像システムを含むカメラ。

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