JPH042929B2

JPH042929B2 -

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Publication number: JPH042929B2
Application number: JP62153803A
Authority: JP
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1992-01-21
Also published as: DE3887578T2; DE3887578D1; EP0297361B1; JPS63316817A; KR890000913A; KR910006841B1; EP0297361A3; US4867545A; EP0297361A2

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、その主光線が光軸と平行に入出射す
るテレセントリツク結像光学系に関し、とくに結
像倍率が可変できるテレセントリツク結像光学系
に関する。（従来技術）正の焦点距離を有する対物レンズの後側焦点
と、同じく正の焦点距離を有する接眼レンズの前
側焦点を一致させたレンズ系は、望遠鏡系として
従来より良く知られている。この望遠鏡系の対物
レンズの前側焦点近傍に物体を置いた場合、接眼
レンズの後側焦点近傍に倒立実像が形成され、主
光線が光軸と平行に入出射するテレセントリツク
結像光学系となる。この場合、形成された実像の、物体に対する倍
率は、接眼レンズの焦点距離と対物レンズの焦点
距離との比となり、物体距離を変化させても結像
倍率が変化しない特性がある。かかる特性を利用
してテレセントリツク結像光学系は、寸法精度の
厳しい測定機の光学系に用いられる場合が多い。また、主光線が光軸と平行に入出射する特性を
利用し、前置レンズ系によつて一度結像された空
中像を後置レンズ系の物体として、その像を再度
作成するリレーレンズとしても利用されている。（従来技術の問題点）かかるテレセントリツク結像光学系の結像倍率
は、物体距離および像距離を変更しても常に一定
に保持され、使用するレンズの焦点距離の組合わ
せによつてのみ決定される。このため、レンズの加工誤差、その他の原因に
よつて所望の結像倍率と異なつた倍率になつた場
合、これを修正することは困難であつた。さらに、従来のテレセントリツク結像光学系に
おいては、主光線が光軸と平行に入出射する状態
を保持したまま、結像倍率を２倍以上に変更する
ことは非常に困難であつた。（問題点を解決するための手段および作用）本発明は、かかる問題点を解決するため、結像
倍率の修正を可能にしたテレセントリツク結像光
学系を提供することを目的とするものであり、さ
らには２倍以上の倍率変更が可能なテレセントリ
ツク結像光学系を提供することを目的とするもの
で、以下の如く構成される。すなわち、正の焦点距離を有し、少なくとも一
方が光軸に沿つて移動可能な２群のレンズから成
り、第１群レンズの後側焦点位置と第３群レンズ
の前側焦点位置をほぼ合致させたテレセントリツ
ク結像光学系において、前後両群レンズの焦点合
致位置に正の焦点距離を有する第２群レンズを光
軸に沿つて移動可能に配置したことを主たる構成
とする。第２群レンズを移動すると、第１群および第２
群レンズの合成焦点位置が変動するため、テレセ
ントリツク光学系の特性を保つためには、その変
動量に対応して第３群レンズを移動し、その前側
焦点位置を第１群レンズと第２群レンズの合成焦
点位置と一致させる必要がある。しかしながら、
３群のレンズの各焦点距離を適切に選択すること
により、第２群レンズの移動が小さい場合、第１
群および第２群レンズの合成焦点位置の変動量は
極めて微量に保つことができ、第３群レンズを固
定しておいてもほぼテレセントリツク光学系を保
持することが可能である。また、結像倍率を大きく変化させるためには、
第２群レンズの移動量を大きくとる必要がある。
この場合、第１群および第２群レンズの合成焦点
位置の変動も大きくなるため、その変動量に応じ
て第３群レンズを移動し、その前側焦点位置を第
１群レンズと第２群レンズの合成焦点位置に一致
させる必要がある。かかる如く構成すればテレセ
ントリツク結像光学系が保持されるため、物体距
離を変化させても大きく変化した結像倍率は維持
されたまま変化しない。（実施例）第１図は、本発明に係るテレセントリツク結像
光学系の原理を説明するための概要図であり、こ
こでは説明を簡単にするため単レンズを使用して
いる。図示する如く、第１、２、３レンズの焦点
距離をそれぞれ100、各レンズ間隔をそれぞれ100
とし、第１レンズの前方50に物体を置いた場合を
想定すると、第３レンズの後方50の位置に像が結
像され、その結像倍率は１となる。今、第１図破線で示す如く第２レンズを光軸上
で後方（第３レンズの方向）に10移動した場合、
第１および第２レンズの合成後側焦点位置は第１
レンズ側に1.1だけ移動する。したがつて、完全
なテレセントリツク光学系を保つためには第３レ
ンズを前方に1.1移動する必要があるが、その移
動量は、第３レンズの焦点距離と比較するとわず
か１％程度にすぎないため、第３レンズを固定し
たままの状態でも実用上テレセントリツク光学系
と考えても支障は生じない。また、この場合物体
の位置が同じ位置とすれば、像位置の変化は＋
0.226となるが、この値はレンズの収差量とほぼ
同程度であり、レンズの明るさにもよるが、無視
できるオーダである。なお、この場合第１および第２レンズの合成焦
点距離は111.1となり、結像倍率は0.9となる。逆に、第２レンズを光軸上で第１図実線の位置
より前方（第１レンズの方向）に10移動した場合
第１および第２レンズの合成焦点距離は90.909と
なり、結像倍率は1.1となり、第２レンズの前後
10の移動で、1.22の倍率変化が可能となる。上記
した原理説明では、図示、説明を簡単にするた
め、第１、第２、第３の各レンズを薄肉単レンズ
としたが、実際にはそれぞれ複数枚のレンズで第
１群レンズ、第２群レンズ、第３群レンズとして
構成されるため主点を考慮する必要がある。又、
第１群レンズ（各主点：H₁₁、H₁₂）および第３
群レンズ（各主点：H₃₁、H₃₂）がそれぞれ球面
収差をもつている場合には光軸に平行に入射した
光線が焦点位置を通らず、そのため第２図に示す
如く、焦点位置に球面収差量△Ｓ（△S₁、△S₂）
を加算した位置を第２群レンズの各主点H₂₁，
H₂₂と一致させる必要がある。なお、球面収差量
△Ｓの値は、第１群および第３群レンズの構成に
よつて正になる場合と負になる場合がある。以下に示す実施例では全て第２群レンズの主点
隔差を考慮してあり、前記球面収差を含めたテレ
セントリツク結像光学系になつている。実施例１第１の実施例は上記した結像倍率の修正を可能
にしたテレセントリツク結像光学系の１例を示す
もので、第３図に示す各群レンズとしては以下の
ものを使用する。

【表】この実施例における各結像倍率1.11、1.00、
0.90に対応する各レンズ配置は以下の如くなる。

【表】ただし、r₁、r₂…はレンズ各面の曲率半径、
d₁、d₂、d₄、d₅、d₆、d₈、d₉は各レンズの中心
厚、n₁、n₂…は各レンズエレメントの、波長
587.6nｍの光に対する屈折率、ν₁、ν₂…は各レン
ズエレメントのアツベ数、f₁、f₂、f₃は各群レン
ズの合成焦点距離であり、d₀は物体と曲率r₁面と
の距離、d₃は曲率r₃面と曲率r₄面との距離、d₇は
曲率r₇面と曲率r₈面との距離、d₁₀は曲率r₁₀面と
像面の距離である。なお、第４図ａ，ｂ，ｃは第１の実施例におけ
る第２群レンズを前後に10移動して結像倍率がそ
れぞれ1.00、1.11、0.90となつた場合における球
面収差と非点収差を示す収差曲線図である。実施例２第５図に示す第２の実施例はレンズ系が明る
く、テレセントリツク特性、焦点移動が問題とな
る場合を考慮したもので、この場合第２群レンズ
をさらに２群に分離可能に構成し、第２群レンズ
の移動に伴つてその間隔を変化させれば物体並び
に第１群レンズ、第３群レンズを固定したまま、
テレセントリツク特性が保持され、かつ像位置の
変化もなくすることができる１例を示すものであ
る。

【表】

【表】この実施例における各結像倍率1.11、1.00、
0.91に対する各レンズ配置は以下の如くなる。

【表】ただし、d₀は物体と曲率r₁面との距離、d₃は曲
率r₃面と曲率r₄面との距離、d₆は曲率r₆面と曲率
r₇面との距離、d₉は曲率r₉面と曲率r₁₀面との距
離、d₁₂は曲率r₁₂面と像面までの距離を示す。なお、第６図ａ，ｂ，ｃは、第２群レンズの移
動に伴ない当該第２群レンズの曲率面r₆，r₇間の
間隔を変化させた際に得られる結像倍率がそれぞ
れ1.00、1.11、0.91となつた場合における球面収
差と非点収差を示す収差曲線図である。実施例３第７図に示す第３の実施例はテレセントリツク
結像光学系における結像倍率を大きく変化させる
ため、第２群レンズの移動量を大きくした場合に
関するもので、この場合には第１群レンズおよび
第２群レンズ合成焦点位置の変化も大きくなるた
め、該合成焦点位置の移動に応じて第３群レンズ
を移動し、第３群レンズの前側焦点位置を前記合
成焦点位置に一致させるように構成される。この場合、完全なテレセントリツク結像光学系
となるため、物体距離を変化させてもいつたん設
定された結像倍率は変化しない特長を有する。

【表】この実施例における各結像倍率1.73、1.00、
0.58に対応する各レンズ配置は以下の如くなる。

【表】ただし、d₀は物体と曲率r₁面との距離、d₃は曲
率r₃面と曲率r₄面の距離、d₇は曲率r₇面と曲率r₈
面の距離、d₁₀は曲率r₁₀面と像面との距離を示
す。なお、第８図ａ，ｂ，ｃは結像倍率がそれぞれ
1.00、1.73、0.58となつた場合における球面収差
と非点収差を示す収差曲線図である。実施例４第９図に示す第４の実施例は第３の実施例と同
様、比較的大きな結像倍率の変化を可能にしたテ
レセントリツク結像光学系で、第１群および第３
群レンズをそれぞれ３枚で構成している。

【表】この実施例における各結像倍率1.50、1.00、
0.67に対応する各レンズ配置は以下の如くなる。

【表】ただし、d₀は物体と曲率r₁面との距離、d₅は曲
率r₅面と曲率r₆面の距離、d₉は曲率r₉面と曲率r₁₀
面の距離、d₁₄は曲率r₁₄面と像面との距離を示
す。なお、第１０図ａ，ｂ，ｃは結像倍率がそれぞ
れ1.00、1.50、0.67となつた場合における球面収
差と非点収差を示す収差曲線図である。以上説明した第１乃至第４の実施例における光
学系では変倍光学系の常識に従つて各レンズ群が
色消しの組合せレンズとなつている。また、レーザー光学系のリレーレンズとして使
用する場合には、第２群レンズは組合せレンズに
する必要がなく実用上、単レンズであつても良
く、その場合必要に応じて第１群および第３群レ
ンズと組合わせて色消ししておけば充分である。また、結像光学系の常識として、物体および像
面が光学系の外側（第１群レンズの前方および第
３群レンズの後方）に存在する必要があり、この
ためには各群レンズの焦点距離f₁、f₂、f₃が、f₁
＜2f₂、f₃＜2f₂の条件を満たす必要がある。さらに上記した実施例ではf₁f₂f₃としたが、
その理由はf₁、f₃と比較してf₂の値が小さいと像
面湾曲が大きくなり有効画面寸法を大きくできな
い点にある。像面の平坦性を良くし、有効画面寸
法を大きくするためには第２群レンズの焦点距離
f₂を長くすることが望ましいが、逆にf₂が第１群
および第３群レンズの焦点距離f₁およびf₃と比較
して大き過ぎると、第２群レンズを第１群レンズ
と第３群レンズの間隔一杯に移動させても、結像
倍率があまり変化しないことになる。したがつて、本発明に係るテレセントリツク結
像光学系を結像倍率の微調整のみを目的として使
用する場合には必要ないが、結像倍率を２倍前後
まで変化させる場合には、f₂＜2f₁、f₂＜2f₃程度
にする必要がある。ここで、上記した各群レンズ
の焦点距離f₁、f₂、f₃に関する条件をまとめると、
本発明に係るテレセントリツク結像光学系に必要
な条件は f₁／２＜f₂＜2f₁、f₃／２＜f₂＜2f₃ となる。また、上記した実施例では、いずれも第１群レ
ンズと第３群レンズの焦点距離が等しい場合（基
準倍率が1.00）について記載したが、必要に応じ
て変更することは可能であり、その場合は基準倍
率が1.00以外の数値になることは自明である。（効果）本発明に係るテレセントリツク結像光学系にお
いては、テレセントリツク特性を保持した状態
で、当該光学系の結像倍率の微調整、変更が可能
であるため、常に高精度に倍率設定が可能とな
る。また、ズーム変倍が可能である上、従来のズー
ム変倍光学系と異なり、入射瞳、出射瞳の位置が
常に無限遠にあつて変化したい特性をもつている
ため、次の光学系と連絡する際にも設計が極めて
容易になるなど、実用多大の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るテレセントリツク結像光
学系の原理を説明するための線図、第２図は本発
明に係るテレセントリツク結像光学系における球
面収差を考慮した線図、第３図は本発明に係るテ
レセントリツク結像光学系の第１の実施例を示す
レンズ構成図、第４図ａ，ｂ，ｃは第１の実施例
において結像倍率を変化させた場合の各収差曲線
図、第５図は同じく第２の実施例を示すレンズ構
成図、第６図ａ，ｂ，ｃは第２の実施例において
結像倍率を変化させた場合の各収差曲線図、第７
図は同じく第３の実施例を示すレンズ構成図、第
８図ａ，ｂ，ｃは第３の実施例において結像倍率
を変化させた場合の各収差曲線図、第９図は同じ
く第４の実施例を示すレンズ構成図、第１０図
ａ，ｂ，ｃは第４の実施例において結像倍率を変
化させた場合の各収差曲線図である。

Claims

【特許請求の範囲】１それぞれ正の焦点距離を有する３群のレンズ
により成り、第１、第２、第３群のレンズの焦点
距離をそれぞれf₁、f₂、f₃とした時、 f₁／２＜f₂＜2f₁、f₃／２＜f₂＜2f₃ なる関数を満たす光学系であつて、第１群レンズの後側焦点と第３群レンズの前側
焦点とが合致し、少なくとも第３群レンズが光軸
方向に移動可能な如く第１群レンズ、第３群レン
ズを配置するとともに、前記両焦点合致点の近傍
に、光軸方向への移動が可能なように第２群レン
ズを配置した変倍可能なテレセントリツク結像光
学系。２第２群レンズを細分離可能に構成し、第２群
レンズの光軸方向への移動に伴ない、分離し得る
第２群レンズの間隔を調整するようにした特許請
求の範囲第１項記載の、変倍可能なテレセントリ
ツク結像光学系。